JPH0487323A

JPH0487323A - Ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JPH0487323A
Application number: JP2201406A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Banjo; 番條　敏信; Kenichiro Sakamoto; 坂本　研一郎; Hidenori Sekiya; 関谷　秀徳
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、半導体ウェハに反応性ガスを供給し化学反
応によりウェハ表面に所望の薄膜を形成させるＣＶＤ装
置に関し、特にガス流分布を改善するＣＶＤ装置の反応
室構造に関する。

［従来の技術］ＣＶＤ装置の反応室内のガスフロ一方式に関しては従来
から種々の提案がなされている。同時に複数枚のウェハ
を処理するＣＶＤ装置については例えば特開昭６３−７
６１９号に様々な方式が紹介されており、またウェハを
一枚づつ処理する枚葉式ＣＶＤ装置については例えば特
開昭６３−２５７２３２号にその一例が提案されている
。第５図（ａ）〜（ｈ）はこれらの例を示したものであ
り、このうち（ａ）〜（ｇ）は複数枚のウェハを同時に
処理するＣＶＤ装置の各側、（ｈ）は枚葉式ＣＶＤ装置
の例である。いずれの例においても、（１）は反応ガス
導入部、（２）はガス排気部、（５）は半導体ウェハを
加熱・保持するサセプタ（ステージ）、（６）は半導体
ウェハ、（７）は反応室であり、図（ｈ）においては、
（１０）は例えば窒素等のキャリアガス導入口、（ｌｌ
ａ）（ｌｌｂ＞はガスを平行層流化するためのスリット
を示す。

第５図の各装置は次のように動作する。ガス導入部（１
）から反応室（７）に導入された反応ガスは、各図に矢
印で示されるガス流を形成して反応室（７）内を流れ、
サセプタ（５）上のウェハ（６）の表面およびその近傍
で熱化学反応を起こす、この結果、ウェハ（６）の表面
には反応生成物が成長して所望の膜が形成される。反応
後のガスは排気部（２）から反応室外に排出される。な
お、図（ｈ）の例では、反応ガス導入部（１）と別にキ
ャリアガス導入口（１０）を設け、それぞれスリッ１〜
（ｌｌａ）（ｌｌｂ）でガスの流れを均一層流化してウ
ェハ（６）近傍に反応ガスを供給している。

［発明が解決しようとする問題点］半導体デバイスは、近年、高集積化が進み、その製造工
程においては、よりいっそう微細な加工が要求されてい
る。成膜工程においても、量産性を維持しなから膜質・
膜厚をいっそう均一化し異物を低減することが重要な課
題となっている。このため第５図の従来の各ＣＶＤ装置
には特に次の（ｉ）、（ｉｉ）のような問題点があった
。

（ｉ　）　一般にウェハく６）の表面に対するガスの流
れに第２図（ａ）に矢印で示すような方向性があり、ウ
ェハ（６）表面のガス流の上流側と下流側で反応ガスの
濃度に差が生じる。この結果、例えば上流側に形成され
る膜厚が下流側よりも厚くなり、ウェハ表面上の膜厚に
むらが生じる。このような膜厚のむらを解消し膜厚の均
一性を向上させる手段として、従来は次の■、■ような
方法が採られている。

■ウェハをガス流に対して移動させる手段（例えばウェ
ハ回転機ｔＭ）を設け、ウェハ表面各部における反応性
ガス濃度の時間平均を均一化する（例えば第５図（ｃ）
、（ｅ）、（ｇ）、（ｈ）の各装置）。

■反応室内を数十〜数Ｔｏｒｒに減圧してガスの拡散係
数を増大させる。これにより、ウェハ表面各部のガス濃
度を均一化する（たとえば第５図（ａ）〜（ｃ）、（ｅ
））。

しかし上記のような従来の■、■の方法には次のような
問題点があった。

すなわち、■の場合、反応室内に可動部が存在する。こ
のため異物発生および異物巻き上げが起こりウェハ表面
に異物が付着しやすく、半導体デバイスの製造歩留りが
低下する。また装置が複雑化するため、装置の信頼性、
メンテナンス性が低下する。

一方、■の場合、圧力低下にともない反応性ガス濃度も
低下する。このため成膜速度が遅く、量産性を維持する
ためには反応室内で複数枚のウェハを同時に処理する必
要があり、装置が大型化する。また反応室全体のガス濃
度の厳密な制御が困難となり、各ウェハ間の膜厚にバラ
ツキが発生しやすい。

（ｉｉ）反応室内壁への反応生成物の付着に対し特別な
配慮がない。このため反応生成物の壁面へのたい積によ
りガス流が変化して膜質・膜厚に変化が生じる。また、
壁面たい積物のはく離によりウェハ表面に付着する異物
が増加して半導体デバイスの製造歩留りが低下する。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、半導体ウェハ全表面にわたり膜厚が均一であ
り、がつ異物が少ない薄膜を形成することができる、信
頼性が高くメンテナンスの容易なＣＶＤ装置を得ること
を目的とする。

［問題点を解決するだめの手段］この発明にがかるＣＶＤ装置は、半導体ウェハをその成
膜面が下方に向くように水平に保持して加熱するステー
ジと、前記半導体ウェハの下方に同軸に配設され、半導体ウェ
ハの下方から半導体ウェハ中心軸に沿って反応ガスを供
給する反応ガス供給口と、基部において前記反応ガス供
給口を同軸に囲むほぼ円筒状の筒面部と、この筒面部上
端に接続され筒面部上端から上方の半導体ウェハに向か
って半導体ウェハの中心軸に対し軸対称に拡開し、周縁
部において前記半導体ウェハ周部との間に半導体ウェハ
全周にわたって周方向に一様なギャップを形成し、前記
ギャップが反応ガスの反応室からの排気口を形成する拡
開曲面部と、を有する反応室壁面と、を備えるものである。

また、この発明にがかるＣＶＤ装置は、好ましくは、反
応室を囲む環状の排気室を備え、前記排気室の排気口断
面積が反応室からの排気口断面積より大きく構成する。

さらに、反応ガス供給口を同軸に囲む不活性ガス供給口
を備えることが好ましい。

また、反応室内壁面の拡開曲面部の形状を、半導体ウェ
ハ中心部から外周部に向かう反応ガスの径方向の流速が
半導体ウェハ外周部に近付くほど大きくなるように形成
することが好ましい。

［作用］反応室は実質的に、反応室壁面とウェハ下面とにより形
成される。反応ガス供給口から反応室内に供給された反
応ガスは、はぼウェハ中心軸に沿ってウェハ成膜面く下
面）にむかって進んだ後、ウェハ成膜面近傍でウェハ径
方向に向きを変える。

こうしてウェハの径方向に沿う層流となって進行したの
ち、反応室壁面の拡開面周縁部とウェハ周部の間のギャ
ップにより形成される反応室排気口から排気される。こ
のギャップはウェハ全周にわたって周方向に一様である
。したがってウェハの径方向に沿う反応ガスの流れは、
周方向に一様になり、ウェハ上の成膜速度も周方向に一
様になる。

このさい、半導体ウェハの下面を成膜面としているので
、ステージ（サセプタ）の高熱により生じる対流が反応
室（７）内のガス流を乱すことはない反応室を囲む排気室を設け、排気室の排気口断面積を反
応室排気口断面積より大きくすることにより、反応ガス
のウェハ周方向の一様性はいっそう確実なものとなる。

また反応ガス供給口の回りから不活性ガスを供給するこ
とにより反応室壁面への反応生成物の付着が効果的に防
止される。

また反応室内壁面の拡開曲面部の形状を、半導体ウェハ
中心部から外周部に向かう反応ガスの径方向の流速が半
導体ウェハ外周部に近付くほど大きくなるように形成す
ることにより、ウェハ上の成膜速度の径方向に沿う一様
性も向上することができる。すなわち、反応の進行によ
り反応ガスの濃度は径増大方向に徐々に低下するが、径
増大方向に反応ガス流速を増大させ、濃度低下に起因す
る成膜速度の低下を補償し、成膜速度のウェハ径方向の
一様性をも向上させることができる。

［実施例］以下、この発明の実施例について図を参照しながら説明
する。

第１図は、この発明の第１の実施例を示す。中空円柱状
の箱体（１００）の底面中央から内部に向かって、上部
がラッパ状に拡開したラッパ状筒部（１００ａ）を突出
させ、ラッパ状筒部の内壁（７ａ）の内部に反応室（７
）を画成する。さらに箱体（１００）の上端面の中央部
分に形成された段部（１００ｂ）の内側にサセプタ（ス
テージ）（５）を設け、円盤状の半導体ウェハ（６）を
その下面に水平に保持して加熱する。また箱体（１００
）の下端面中央部分に３層に分割されたガス導入部（１
）を設け、導入口（］ａ）からは窒素ガスなどの不活性
ガスを、また導入口（１ｂ）、（１ｃ）からは反応ガス
を導入する。さらに反応ガス導入口（１ｂ）、＜ｌｃ）
とそれぞれ連通する反応ガス供給口（１ｄ）、（ｌｅｌ
および不活性ガス導入口（１ａ）と連通ずる不活性ガス
供給口（Ｉｆ）を、半導体ウェハ（６）の中心軸（９）
と同軸に設ける。したがって、反応ガス供給口（ｌｄ）
（ｌｅ）から供給された反応ガスは、矢印で示されるよ
うに反応室（７）内を半導体ウェハ中心軸（９）にほぼ
平行に上方に向かって吹き出される。一方、不活性ガス
は不活性ガス供給口（１ｆ）から反応室内壁（７ａ）に
沿って吹き出される。

ラッパ状筒部（１００ａ）の内面で形成される反応室内
壁面（７ａ）は、はぼ円筒状の筒面部と、この筒面部の
上端に接続される拡開曲面部からなる。筒面部は、基部
において反応ガス供給口（１ｄ）、（１ｅ）および不活
性ガス供給口（１ｆ）を同軸に囲む、いっぽう拡開曲面
部は、筒面部」１端から上方の半導体ウェハ（６）に向
かって半導体ウェハの中心軸（９）に対し軸対称に拡開
し、その周縁部において前記半導体ウェハ（６）周部と
の間に半導体ウェハく６）全周にわたって周方向に一様
なギャップ（２）を形成する。なお内壁面（７ａ）の筒
面部は、上方に向かってやや拡開するようにテーバをも
たせて截頭円錐面とし、拡開曲面部と滑らかに接続され
るようにすることが好ましい、また、内壁面（７ａ）の
拡開曲面部の周縁部と半導体ウェハ（６）下面周部との
間のギャップは、反応室（７）の排気口（２）を形成し
、この反応室ＩＪＦ気口（２）から排気されたガスは、
ラッパ状筒部（１００ａ）を囲む環状の排気室（３）に
流入し、さらに排気室排気口（４）から外部に排気され
る。この排気室排気口（４）の断面積は、反応室排気口
（２）の全断面積よりも大きく設定されている。なお箱
体上方の段部（１００ｂ）に設けられた不活性ガス導入
口（８）からは窒素ガスなどの不活性ガスが導入され、
サセプタ〈５）の周囲に反応生成物が付着するのを防止
する。

第１図の装置の動作は次の通りである。

反応ガス供給口（１ｄ）、（１ｅ）から反応室く７）内
に供給された反応ガス（例えばシランと酸素）は、混合
しながらほぼ中心軸（９）に沿って半導体ウェハ（６）
に向かって進行した後、半導体ウェハ（６）近傍でウェ
ハ外周に向かう径方向の流れ（第２図（ｂ）参照）とな
り、半導体ウェハ（６）成膜面（下面）に所望の薄膜を
形成していく、その後、反応室排気口（２）から排気室
（３）に流入し、さらに排気室排気口（４）から外部に
排気される。一方、不活性ガス供給口（１ｆ）から排気
室（７）に供給された不活性ガス（例えば窒素ガス）は
、反応室内壁面（７ａ）に沿って進行し、反応室排気口
（２）から排気室〈３）に流入する。したがって反応ガ
スの反応生成物の反応室内壁面（７ａ）への付着が効果
的に防止される。

この際、半導体ウェハ（６）の成膜面（下面）における
反応ガスの流れは、第２図（ｂ）に示すように、半導体
ウェハの中心から周辺に向かう径方向の層流となり、そ
の流速は周方向に均一となる。その理由は次の通りであ
る。

半導体ウェハ（６）外周の反応室排気口（２）はその排
気ギャップがウェハ全周にわたって均一・一定である。

しかも反応室排気口（２）の排気断面積は排気室排気口
（４〉の排気断面積より小さく、反応室排気口（２）の
排気抵抗は排気室Ｕ［気口（４）の排気抵抗より大きい
。したがって反応室（７）から排気室（３）への排気は
半導体ウェハ（６）の全周にわたって周方向に均一な排
気となる。よって、半導体ウェハ（６）の成膜面（下面
）における反応ガスの流れは、第２図（ｂ）に示すよう
に、半導体ウェハの中心から周辺に向かう径方向に沿う
流れとなり、その流速は周方向に均一となる。さらに、
半導体ウェハ（６）の下面を成膜面としているのて、半
導体ウェハを加熱するサセプタ（５）により生じる熱対
流によって反応室（７）内のガス流が乱されることがな
い。

このように半導体ウェハ（６）の成膜面（下面）におけ
る反応ガスの流れは、半導体ウェハの中心から周辺に向
かう径方向に沿う層流となり、その流速は周方向に均一
である。したがって半導体ウェハ（６）の表面に形成さ
れる薄膜の膜厚も周方向に均一になる。

次に第３図および第４図を参照しながら、反応室内壁面
の形状をさらに改善した第２の実施例について説明する
。

第３図は、第２の実施例の構成を示したものであり、図
中、第１図と同一符号は対応部分を示す。

なお第３図のＣＶＤ装置の箱体（１００）の段部（１，
ＯＯｂ　）には第１図に示された不活性ガス導入口（８
）が示されていないが、第３図の装置においてもこれを
設けることが好ましい、第３図の装置の基本的構成およ
び動作は第１図の装置と同様である。したがって以下に
おいては第２の実施例の特徴についてのみ詳しく説明す
る。

第２の実施例の原理はつぎの通りである６半導体ウェハ
中央部から周辺に向かう反応ガスは反応の進行にともな
い次第にその濃度が低下していく。このため半導体ウェ
ハ（６）の表面に形成される薄膜の膜厚は周辺に近付く
ほど薄くなる傾向がある。この第２の実施例においては
、反応ガスの流速を周辺部に近付くほど大きくなるよう
に反応室内壁面の形状を形成してこれを補償するもので
ある。これは次のように考えることができる。

半導体ウェハ（６）の成膜面に沿ってガスが停留する境
界層が形成され、径方向に流れる反応ガスはこの境界層
を拡散して半導体ウェハ（６）の成膜面に薄膜を形成し
ていく。とこれで、この境界層の厚さはガスの流速が増
大するに従って減少する。したがって反応ガスの流速を
半導体ウェハ周辺部に近付くほど大きくなるようにして
境界層の厚さが周辺に近付くほど小さくなるようにして
やれば、径増大方向への反応ガスの濃度減少による成膜
速度の減少を補償することができる。

次に第４図を参照しながら、このような流速分布を実現
する反応室内壁面＜７ａ）の形状について具体的に説明
する。

第４図において、ｒ　（ｍ＞は、半導体ウェハ（６）成
膜面上の代表点Ａと、半導体ウェハ（６）の中心点Ｏと
径方向距離を表す、またｘ（ｍ）は、代表点Ａと、代表
点Ａがら下ろした垂線が内壁面（７ａ）の拡開曲面部と
交わる点Ｂの間の距離を表す。さらにここでＡ点近傍の
ガス流速をｖ（ｍ／　ｓ　ｃ　ｃ　）　、反応ガス供給
口からの反応ガス供給量をＱ（ｍ’／５ｅｃ）とし、反
応にともなう反応ガスの体積減少を無視すれば、ガス流
速Ｖは、ｖ−Ｑ／２πｒｘ　　　・　・　−（１）と表
される。ここでもしも、ｘ−Ａ／ｒ　　（Ａ：定数）なる関係が成り立つように内壁面（７ａ）の拡開曲面部
を形成すると、Ｖ＝Ｑ／２πＡとなって流速Ｖは距Ｎｒに無関係になり、反応ガス流速
■は半導体ウェハ表面上で一定となる。したがって、ｘ＝Ｂｒ−””’　　　　　（ｎ＞Ｏ）　　　　　　−
−−（２）なる関係が成り立つように内壁面（７ａ）拡
開曲面部の断面形状を形成すれば、ｖ　−（Ｑ　／　２　ｙｒ　Ｂ　）　ｒ　ｈとなり、半
導体ウェハ（６）の成膜表面近傍のガス流速■はウェハ
周辺に近付くほど（ｒが大きくなるほど）大きくなる。

なお反応ガスの濃度減少を補償し、成膜速度を半導体ウ
ェハ（６）の全表面で一定にするためには、たとえば流
速■を距離ｒにほぼ比例するように増加させることが必
要であると考えられる。この仮定にしたがえば、式（２
）においてｒｌの値を１に泗択すること（ｎ＝１）が好
ましい、また式（２）は特殊な壁面断面形状を規定する
ものであるが、さらに−船釣には、反応室内壁面（７ａ
）の断面形状を、上式（１）の微分商ｄ　ｖ　／　ｄ　
ｒが常に正であるという条件、ｄ　ｖ　／　ｄ　ｒ　＝＜Ｑ／２π）ｉ　（１／ｒ２ｘ）＋　（１／ｒｘ２）（
ｄｘ／ｄｒ））＞０・・・　（３）を満足するように形成すれば、ガス流速■を径方向距離
ｒの増大にともなって増大させることができる。

なお上の２つの実施例では反応ガス供給口を２個（１ｄ
）、（１ｅ）に分割した場合を示したが、反応ガス供給
口を半導体ウェハ中心軸（９）と同軸に設ける限り、そ
の個数は１個でも、また複数個でもよく、２個に限定さ
れるものではない。

［発明の効果］以上のようにこの発明にがかるＣＶＤ装置は、半導体ウ
ェハをその成膜面が下方に向くように水平に保持して加
熱するステージと、前記半導体ウェハの下方に同軸に配設され、半導体ウェ
ハの下方から半導体ウェハ中心軸に沿って反応ガスを供
給する反応ガス供給口と、基部において前記反応ガス供
給口を同軸に囲むほぼ円筒状の筒面部と、この筒面部上
端に接続され筒面部上端から上方の半導体ウェハに向か
って半導体ウェハの中心軸に対し軸対称に拡開し、周縁
部において前記半導体ウェハ周部との間に半導体ウェハ
全周にわたって周方向に一様なギャップを形成し、前記
ギャップが反応ガスの反応室からの排気口を形成する拡
開曲面部と、を有する反応室壁面と、を備えている。

したがって、半導体ウェハ（６）の近傍における反応ガ
ス流は周方向に均一な径方向層流となり、可動部を用い
ることなく半導体ウェハ（６）上の成膜速度を均一化し
することができる。さらに反応ガス供給口を同軸に囲む
不活性ガス供給口を備えることにより異物の発生・付着
を極めて効果的に抑制することが可能である。

さらに、反応室内壁面の拡開曲面部の形状を、半導体ウ
ェハ中心部から外周部に向かう反応ガスの径方向の流速
が半導体ウェハ外周部に近付くほど大きくなるように形
成した場合、半導体ウェハ周辺部の反応ガスの濃度低下
をガス流速の向」二で補償し、半導体ウェハの全面にわ
たり、径方向にも膜厚の均一な薄膜を形成することがで
きるＣＶＤ装置を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例にがかるＣＶＤ装置の断
面図、第２図は半導体ウェハ成膜面上のガス流の方向分
布を示す図、第３図はこの発明の第２実施例にかかるＣ
ＶＤ装置の断面図、第４図は、第３図の装置における反
応室内壁面形状とガス流の関係を説明するための部分断
面図、第５図は従来のＣＶＤ装置の例を示す断面図であ
る。（１）はガス導入部、（２）は反応室排気口、（３〉は
排気室、（４）は排気室排気口、（５）はサセプタ（ス
テージ）、（６）は半導体ウェハ、（７）は反応室であ
る。第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）反応室内に供給された反応ガスの化学反応により
半導体ウェハ表面に薄膜を形成するＣＶＤ装置において
、半導体ウェハをその成膜面が下方に向くように水平に保
持して加熱するステージと、前記半導体ウェハの下方に同軸に配設され、半導体ウェ
ハの下方から半導体ウェハ中心軸に沿って反応ガスを供
給する反応ガス供給口と、基部において前記反応ガス供給口を同軸に囲むほぼ円筒
状の筒面部と、この筒面部上端に接続され筒面部上端か
ら上方の半導体ウェハに向かつて半導体ウェハの中心軸
に対し軸対称に拡開し、周縁部において前記半導体ウェ
ハ周部との間に半導体ウェハ全周にわたって周方向に一
様なギャップを形成し、前記ギャップが反応ガスの反応
室からの排気口を形成する拡開曲面部と、を有する反応
室壁面と、を備えることを特徴とするＣＶＤ装置。
（２）反応室を囲む環状の排気室を備え、前記排気室の
排気口断面積が反応室からの排気口断面積より大きいこ
とを特徴とする請求項第１項記載のＣＶＤ装置。
（３）反応ガス供給口を同軸に囲む不活性ガス供給口を
備えることを特徴とする請求項第１項記載のＣＶＤ装置
。
（４）反応室内壁面の拡開曲面部の形状を、半導体ウェ
ハ中心部から外周部に向かう反応ガスの径方向の流速が
半導体ウェハ外周部に近付くほど大きくなるように形成
したことを特徴とする請求項第１項記載のＣＶＤ装置。