JPH0620961A

JPH0620961A - Ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JPH0620961A
Application number: JP3222690A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Watanabe; 一典渡辺; Taketo Usui; 建人臼井; Nobuyuki Mise; 信行三瀬; Hiroshi Maejima; 央前島; Hisayuki Kato; 久幸加藤; Tokio Kato; 登季男加藤; Sadao Yoneyama; 貞夫米山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JP3149468B2

Abstract

(57)【要約】【目的】減圧ＣＶＤ装置において、原料ガスの前処理を
行うことにより、多数枚の基板の成膜速度と組成の制御
を可能とし、ウエハ間の膜厚及び膜質均一性を得る。【構成】ボンベ１、２より供給された原料ガスは、流量
制御器３、４、５により流量一定に保たれ、混合管２３
において混合、加熱され反応炉９に導入される。このと
き、ノズル２５により混合管２３及びノズル２５内の圧
力が制御される。一方、ボンベ２のガスは、加熱されず
に配管８により反応管９に供給される。これらのガスは
反応管９内に置かれたウエハ上で薄膜を形成する。【効果】ＣＶＤ装置において、反応速度の異なる多種類
の原料ガスの滞留時間、温度、圧力、流速を別々に制御
することにより薄膜の組成制御ができ、ウエハ間のド−
プ量を均一にすることができる。さらに、従来のＣＶＤ
装置を改善することなく容易に装置を取り付けることが
できるため、従来装置への適用が簡単である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造における成
膜技術に関するものであり、多数のウエハ間の均一な膜
厚分布ならびに目的とする膜質を得るためのＣＶＤ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン（ポリシリコン）膜は、
半導体のゲ−ト配線等の半導体素子材料として広く用い
られている。通常この膜は、電気抵抗を小さくするため
に、リン、ボロンなどをド−プして用いられる。半導体
素子が微細化され、膜厚もサブミクロンと薄くなると、
従来のド−ピング技術がつかえなくなり、ポリシリコン
膜形成と同時にこれらの不純物をド−ピングする方法が
用いられるようになってきた。原料ガスとしては、従来
ＳｉＨ₄（モノシラン）が用いられてきたが、近年その
代わりにＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）が用いられるようになっ
てきた。また、ド−ピングガスとしては、ＰＨ₃（ホス
フィン）が用いられる。ジシランを用いる理由として
は、モノシランよりも低温で成膜することが出来、ま
た、ホスフィンが存在しても成膜速度が低下しないため
である。しかし、低温で減圧ＣＶＤ装置によりこのド−
プトシリコン膜を生成すると、流れ方向のウエハ間のド
−プ量の均一性が悪くなるという問題が生じた。このよ
うなド−ピングを均一性よく行うための方法としては、
特開昭６１−２６９３０７のようにあらかじめ原料を加
熱し、ノズルを用いて導入する方法が考案されている。

【０００３】また、化合物半導体の生成においては、ホ
スフィンはＩｎＰの原料として用いられ、分解されにく
いことがよく知られている。これを解決する方法とし
て、ジャ−ナル・オブ・クリスタル・グロウス、５５
（１９８１年）ｐ．６４−７３（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒ
ｏｗｔｈ、５５（１９８１）６４−７３）において、ホ
スフィンのみを反応炉に導入する以前に加熱分解する方
法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、原料
を単純に加熱したのみであり、多数枚のウエハ−に均一
にド−ピングを行う制御性について問題があった。本発
明の目的は、上記の欠点を改善し、ウエハ間の均一な膜
厚および組成を得るための装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は基板に薄膜を
形成する反応手段と、前記反応手段に反応性ガスを供給
するガス供給手段と、前記反応性ガスの一部を予備加熱
する予備加熱手段とを備えたＣＶＤ装置において、前記
ガス供給手段は２つの供給手段で構成され、その一方は
前記予備加熱手段の上流側に反応性ガスを供給する手段
であり、他方は前記予備加熱手段の途中に反応性ガスを
供給する手段ことによって達成される。

【０００６】

【作用】ガス供給手段により複数の原料ガスが供給さ
れ、原料ガスもしくは、原料ガスから生成した中間体に
より薄膜が形成される。その時、反応器に原料を同時に
供給したのでは中間体の寿命は各原料ガスにより異なる
ため、多数枚のウェハ−に均一な膜厚及び膜質を得るこ
とができないという問題が生ずる。

【０００７】例えば、ド−ピングを行う多結晶シリコン
膜では、原料ガスが２種類用いられている。そのドーピ
ングの原料ガスであるホスフィンは気相における中間体
の生成率がモノシランやジシランに比べ低い。また、そ
の中間体のウエハ表面における反応率も低い。よって、
反応炉へ導入されたホスフィンは徐々に分解し中間体を
生成されるが、中間体の膜への付着速度は遅いため、気
相に中間体が蓄積する。そのために装置の下流側で中間
体の濃度が高くなる。成膜は、気相での濃度に比例する
ため、ウエハ間にド−プ量の不均一性が現われる。その
後、ホスフィンの中間体濃度は、ホスフィンの分解に従
い高くなるが、ホスフィンそのものが減少するため、そ
れ以上増えずに一定となる。さらに下流では、中間体が
徐々に膜に取り込まれため、中間体濃度は減少してい
く。

【０００８】これに対してジシランは、反応管内ではほ
ぼ一定の割合で成膜するため、膜厚分布は上記のような
現象は起こらない。

【０００９】このように、反応性の異なるガスを用いる
場合、反応管に原料を同時に供給したのではそれぞれの
成膜機構が異なるため、組成の制御が出来ない。この
時、ホスフィンの反応炉への導入を遅らせ、中間体濃度
が一定となるようにして反応炉に導入すれば成膜速度と
ド−ピング量は一定にすることが出来る。

【００１０】つまり、原料ガスの滞留時間、温度、圧
力、流速などにより制御することにより膜厚と膜質の均
一性を同時に達成することが出来るのである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。

【００１２】図１は、この発明の第１実施例を示すもの
で、ＣＶＤ装置全体の構成図である。図１に示すよう
に、ド−プトポリシリコン膜を成膜するＣＶＤ装置は、
原料ガスボンベ（ホスフィン１、ジシラン２）、それぞ
れの原料ガスの流量制御装置３、４、５、前記原料ガス
１、２を混合管２３へ導入する配管６と７、原料ガス２
を反応炉へ導入する配管８、成膜を行なう反応炉９、複
数枚のウエハ１０を一定の間隔で配置するウエハ台１
１、前記反応炉９内を一定温度に保つヒータ１２、前記
反応管炉内を低い圧力に保つ真空排気装置１３とから構
成されている。ここで、ヒーター１２は約５００℃に保
たれている。原料は、混合管２３で混合され、滞留時間
が制御される。この混合管の断面形状は円に限らず、他
の形状のものでもよい。また、同時にヒ−タ−２１によ
り加熱され、ノズル２５により反応管に導入される。

【００１３】ここで、本実施例の作用について説明す
る。

【００１４】原料ガスａが気相で反応し中間体ｂとな
り、その中間体が膜となる場合、ガスの流速をｕ、反応
管の半径をｒ、ガスの熱速度をＶt、原料ガスと中間体
の濃度をＣa,Ｃb、気相における１次反応速度定数を
ｋ、表面における付着確率をＳcとすると、反応管内の
濃度分布は次の物質収支式を解くことにより求められ
る。

【００１５】

【数１】

【００１６】

【数２】

【００１７】その解は、

【００１８】

【数３】

【００１９】

【数４】

【００２０】となる。したがって、原料ガスと中間体の
濃度は図１８に示すような変化をする。中間体の濃度
は、気相反応が開始すると上昇するが、原料ガスから中
間体が生成される量と膜として取り込まれる量が等しく
なると一定となり、その後は原料の消費にともなって減
少していく。この濃度変化は、反応速度定数と流速の関
数で表され、気相反応速度定数に比べ付着確率が小さく
流速が大きいとき濃度の均一な領域は広がる。膜は中間
体の濃度に応じて生成するため、この濃度均一の領域で
は膜の均一性が達成される。

【００２１】この場合は、混合管を４［ｍ］にし、反応
炉内にガスを導入すればド−プ量を均一にできることが
わかる。また、混合管２３の半径を２倍にすれば流速は
４分の１になるので長さは１［ｍ］でよい。また、温度
をあげることによっても短くすることが出来る。このよ
うに、混合器を反応炉外に設けることにより混合位置の
自由な制御が可能となる。さらに、混合器内壁につく膜
の除去が容易である。

【００２２】また、この発明の実施例では、ホスフィン
ガスだけの熱分解を考えたが、他のガス（例えば、ジシ
ランガス）がホスフィンガスの熱分解を促進する場合
は、配管７によりホスフィンガスにそのガス量を制御し
添加してもよい。

【００２３】図２に本発明の他の実施例を示す。なお、
以下の説明では、第１実施例に示した装置部品と同様な
ものには同一の参照符号を付け、その説明は省略する。

【００２４】この実施例では、混合管２３を反応器内に
設置している。これにより、混合器とウェハ−との距離
を自由に設定することが出来る。また、混合器を装置内
に設けることにより、ガスのリ−クなどの安全性が高
い。混合器内への導入管の長さを変えることで混合位置
の自由な制御が可能である。

【００２５】図３に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、混合管２３は、ヒ−タ−３１、３２、３３で
加熱され、原料ガスの温度を自由に設定することが出来
るようになっている。これにより、混合器導入時の急激
な温度上昇による粉の発生などを防ぐことができる。

【００２６】図４に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、混合管を反応炉内に設定した場合を示してい
る。混合管は、外管２３、中管４１、内管４２より構成
され、内管４２の内側にヒ−タ−４３が設置される。ま
た、原料ガスは１は中管４１と内管４２の間、原料ガス
２は外管２３と中管４１の間に導入される。中管４１
と、外管２３には小さな孔が開けられており、混合部４
４で混合され反応炉に供給される。これにより、エネル
ギーの効率的な利用と、ヒーターの過熱による原料の浪
費と異物の混入などを防ぐことができる。

【００２７】図５に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、混合管２３が配管５１により反応炉内まで伸
ばされ、原料がウェハ−１０に均等に分配されるように
なっている。また、原料２も同様に配管５２により分配
される。これにより、寿命の短い中間体を多数のウェハ
ーに均一に供給することができる。

【００２８】図６に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、混合部にフレキシブル管６１を用い、上記フ
レキシブル管６１の長さを制御する駆動装置６２を配置
している。

【００２９】この実施例では、ドープ量の制御やドープ
量の異なる成膜プロセスを行なう場合、混合部の配管長
を上記駆動装置６２により変えることにより、滞留時間
を制御し、温度を制御することで反応炉内の適切なガス
組成を得ることができる。また、フレキシブル管を流路
に交差するように取り付けることにより流路の断面積の
制御が可能である。

【００３０】図７に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、原料１は、混合管２３へ導入される前にあら
かじめヒ−タ−７２により加熱される。また、混合管は
バルブ７５により反応炉とは異なった圧力に調整され
る。圧力と流速は、流量一定では反比例の関係があるの
で、混合管２３の長さはこれにより圧力を１０倍に設定
すると１０分の１にすることができる。このように、小
さな容器で滞留時間とガス組成が制御できる。また、表
面積が小さくなるために混合器内での成膜量は少ない。

【００３１】図８に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、原料１、２は、３つの混合管８１、８２、８
３に導入され混合される。また、各混合管は、ヒ−タ−
８４、８５、８６により各々別の温度に加熱され、滞留
時間及び組成の制御が出来る。このように、断面積の異
なる混合管を用いることにより、混合管内での反応量を
制御し、成膜速度の制御が可能となる。

【００３２】図９に本発明の他の実施例を示す。この実
施例では、原料１、２は、それぞれ流量制御装置９１、
９２、９３、９４、９５、９６により混合管８４、８
５、８６に導入される。これにより流速の制御が可能と
なり、混合器内での成膜による原料の消費を制御でき
る。

【００３３】図１０に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、第８、９図における温度、流量、圧力が同
時に制御される。これにより、精密なガス組成の制御が
可能となる。

【００３４】図１１に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、配管７は、配管１１１、１１２、１１３に
分配され、混合管２３の異なった位置に接続される。ま
た、流量制御装置１１４、１１５、１１６により、混合
される量が制御される。

【００３５】図１２に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、混合管１２１に多重管が用いられることに
より異なった位置で混合される。このとき、混合管内の
流路を制御することにより小さな混合管を用いて混合位
置の制御が出来る。また、圧力制御装置１２３により、
圧力が調整される。これにより、スペ−スの有効利用が
可能となる。また、流路断面積が小さいので混合位置の
精密な制御が可能である。

【００３６】図１３に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、混合される位置及び反応管に導入される位
置では水冷器１３４、１３８と水冷管例１３３、１３７
が設けられている。これにより、高温でのガスの混合を
避けることができ、異物の発生を防ぐことができる。

【００３７】図１４に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、滞留時間の制御が反応炉のヒ−タ−を用い
て行なわれる。このとき、導入管を反応炉の外壁に巻く
ことにより滞留時間を制御しても良い。これにより、予
備加熱用のヒ−タ−を設置する必要がなく、エネルギ−
の有効利用が可能となる。

【００３８】図１５、図１６に本発明の他の実施例を示
す。この実施例では、導入管２４に石英製の両端を封止
した二重円管状のノズル１５８が接続され、原料ガスは
細孔１６４により噴出する。細孔の大きさ及び数により
ノズル１５８内の圧力を制御することが出来、流量２０
０ｓｃｃｍ、温度５００℃のとき、１ｍｍ径の孔を８個
開けることにより圧力を４７０Ｐａに設定することが出
来る。この二重円管１５８は内径がウェハ−径以上あ
り、この内側を通してウェハ−を搬送できるため、従来
の装置に容易に取り付けることが出来る。

【００３９】図１７に本発明の他の実施例を示す。この
実施例では、配管８の反応炉内の噴出位置がノズル１６
５により配管２４より下流に設置され、反応炉前部が反
応炉用ヒ−タ−１５１により加熱される。このとき、最
下部のウェハ−の位置とノズル１６５の噴出位置が揃え
られ、反応炉最下部とウェハ−との距離を設定すること
により滞留時間の制御が行われる。この実施例によれば
従来の装置のウェハ−ボ−ドを変更、ノズルの設置のみ
の変更をすればよく、本発明の適用が容易である。

【００４０】なお、以上の実施例においては、多結晶シ
リコン膜のみについて示したが、本発明はシラン系ガス
（シラン、ジシラン、ジクロロシランなど）とアンモニ
アを用いた窒化シリコン膜や、有機系のガス（テトラエ
トキシシランなど）とオゾンを用いたシリカ膜、シラン
系のガス（シラン、ジシラン、ジクロロシランなど）と
窒素酸化物（亜酸化窒素、一酸化窒素など）によるシリ
カ膜の形成などの複数の原料から生成される薄膜に適用
可能である。また、横型ＣＶＤ装置のみでなく、縦型Ｃ
ＶＤ装置など複数のウェハ−を処理する装置に適用可能
である。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、多種類の原料ガスを別
々に制御することができるので、多数のウエハーの成膜
速度，組成及び膜質の制御が同時にできる。また、減圧
ＣＶＤ装置においては、ウエハ間のドープ量を均一にす
ることができ、生産性が向上する。さらに、本発明の他
の実施例によれば、従来のＣＶＤ装置を改善することな
く容易に混合管を取り付けることができるため、従来装
置への適用が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】滞留時間と温度を設定する手段を反応炉外に設
けた本発明の一実施例を示すＣＶＤ装置の構成図であ
る。

【図２】滞留時間と温度を設定する手段を反応炉内に設
けた本発明の他の実施例を示すＣＶＤ装置の構成図であ
る。

【図３】混合手段内の温度を設定した装置の構成図であ
る。

【図４】混合手段内の温度を設定した装置の構成図であ
る。

【図５】導入管を反応炉内に伸ばした装置の構成図であ
る。

【図６】滞留時間と温度の制御領域を可変にする装置を
備えたＣＶＤ装置の構成図である。

【図７】ガス供給部の圧力を制御した装置の構成図であ
る。

【図８】ガス供給部の流路と温度を制御した装置の構成
図である。

【図９】ガス供給部の流速を設定した装置の構成図であ
る。

【図１０】ガス供給部の流路と温度と圧力を制御した装
置の構成図である。

【図１１】原料の混合位置を制御する本発明の他の実施
例を示すＣＶＤの構成図である。

【図１２】原料の混合位置を制御する本発明の他の実施
例を示すＣＶＤの構成図である。

【図１３】原料の混合位置と反応炉への導入部を冷却し
た本発明の他の実施例を示すCVDの構成図である。

【図１４】滞留時間の制御を反応炉のヒーターを用いて
行なった本発明の他の実施例を示すＣＶＤの構成図であ
る。

【図１５】滞留時間の制御を二重円管を用いて行なった
本発明の他の実施例を示すＣＶＤの構成図である。

【図１６】図１５の詳細な説明図である。

【図１７】滞留時間の制御を反応炉内の空間を利用して
行なった本発明の他の実施例を示すＣＶＤの構成図であ
る。

【図１８】反応炉内部における原料と中間体の濃度変化
の計算結果を示す図である。

【符号の説明】

１…ＰＨ₃ ガスのボンベ、２…Ｓｉ₂Ｈ₆ガスのボンベ、
３、４、５…流量制御器、６…ＰＨ₃ ガスの配管、７、
８…Ｓｉ₂Ｈ₆ガスの配管、９…反応炉、１０…ウエハ、
１１…ウエハ保持台、１２…ヒータ、１３…真空排気装
置、２１…ヒータ、２２…ヒータ電源、２３…混合管、
４１…中管、４２…内管、４３…ヒータ、４５…ヒータ
電源、５１、５２…導入管、６１…フレキシブル管、６
２…フレキシブル管用駆動装置、７４…圧力計、７５、
７６…圧力制御装置、８４、８５、８６…ヒーター、８
７、８８、８９…ヒーター電源、９１、９２、９３、９
４、９５、９６…流量制御器、１０１、１０２、１０３
…圧力制御装置、１０７、１０８、１０９…圧力計、１
１４、１１５、１１６…流量制御装置、１２１…混合
管、１２２…圧力計、１２３…圧力制御装置、１３３、
１３７…冷却管、134、１３８…冷却装置、１４４…ノ
ズル、１５１、１５２、１５３…ヒーター、154…内熱
管、１５５…反応炉外管、１５６…ウエハカバー、１５
７…反応炉内管、１５８…ノズル、１５９…キャップ、
１６０…ウエハボート、１６１…ウエハー、１６２…ウ
エハー支持棒、１６３…断熱板、１６４…細孔、１６５
…延長ノズル、１６６…ウエハーボート保持棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前島央東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所武蔵工場内 (72)発明者加藤久幸東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者加藤登季男東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者米山貞夫東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所武蔵工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に薄膜を形成する反応手段と、前記反
応手段に反応性ガスを供給するガス供給手段と、前記反
応性ガスの一部を予備加熱する予備加熱手段とを備えた
ＣＶＤ装置において、前記ガス供給手段は２つの供給手
段で構成され、その一方は前記予備加熱手段の上流側に
反応性ガスを供給する手段であり、他方は前記予備加熱
手段の途中に反応性ガスを供給する手段であることを特
徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】請求項１記載において、前記予備加熱手段
は前記反応手段内に設けられていることを特徴とするＣ
ＶＤ装置。
【請求項３】請求項１記載において、前記予備加熱手段
は前記反応手段の外に設けられていることを特徴とする
ＣＶＤ装置。
【請求項４】請求項１記載において、前記反応手段のヒ
−タと前記予備加熱手段のヒ−タとを兼用したことを特
徴とするＣＶＤ装置。
【請求項５】請求項１記載において、前記予備加熱手段
の途中に反応性ガスが供給される部分を冷却することを
特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項６】基板に薄膜を形成する反応手段と、前記反
応手段に反応性ガスを供給するガス供給手段と、前記反
応性ガスの一部を予備加熱する予備加熱手段とを備えた
ＣＶＤ装置において、前記予備加熱手段は前記反応手段
の外に設けられているとともに、複数の熱源を有するこ
とを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項７】請求項６記載において、前記熱源は前記予
備加熱手段内に設けられていることを特徴とするＣＶＤ
装置。
【請求項８】請求項６記載において、前記熱源は前記予
備加熱手段の外に設けられていることを特徴とするＣＶ
Ｄ装置。
【請求項９】基板に薄膜を形成する反応手段と、前記反
応手段に反応性ガスを供給するガス供給手段と、前記反
応性ガスの一部を予備加熱する予備加熱手段とを備えた
ＣＶＤ装置において、前記予備加熱手段は前記反応手段
の外に設けられているとともに、圧力可変機構を有する
ことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項１０】基板に薄膜を形成する反応手段と、前記
反応手段に反応性ガスを供給するガス供給手段と、前記
反応性ガスの一部を予備加熱する予備加熱手段とを備え
たＣＶＤ装置において、前記予備加熱手段は前記反応性
ガスの前記予備加熱手段における滞留時間を可変にする
可変機構を有することを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項１１】請求項１０記載において、前記可変機構
は前記予備加熱手段の長さを可変にする機構であること
を特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項１２】請求項１０記載において、前記可変機構
は前記予備加熱手段の断面積を可変にする機構であるこ
とを特徴とするＣＶＤ装置。