JPH0745532A

JPH0745532A - 減圧ｃｖｄ装置及び成膜方法

Info

Publication number: JPH0745532A
Application number: JP20842993A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hasegawa; 利昭長谷川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】気相成長反応を行ってウェーハの表面に薄膜
を形成するに際し、炉芯管に収容されたウェーハ全てに
わたり均一な膜質及び膜厚の薄膜を形成するように改良
した減圧ＣＶＤ装置及び成膜方法を提供する。【構成】減圧ＣＶＤ装置は、上下多段にウェーハを載
置したウェーハボートを炉芯管内に装填し、該炉芯管内
に反応ガスを導入して減圧下で気相成長反応を行わせウ
ェーハ表面に薄膜を形成させるようにした減圧ＣＶＤ装
置である。ウェーハボート３０は、第１のウェーハＡ１
の表面と第２のウェーハＡ２の表面とが対向し、次いで
第２のウェーハの裏面と第３のウェーハの裏面Ａ３とが
対向した配列でウェーハを順次配置するように構成され
ている。本発明の成膜方法は、希釈ガスを２０００sccm
以上にし、反応ガスを希釈ガスの２０％以上の比率で供
給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッチ式減圧ＣＶＤ装
置に関し、更に詳細には気相成長反応によりウェーハ表
面に形成される薄膜の膜質及び膜厚がバッチ毎にウェー
ハの全部について均一になるように改良した減圧ＣＶＤ
装置に関する。尚、本明細書において、ウェーハ表面と
は、ＣＶＤ薄膜を形成する面を言い、ウェーハ裏面とは
ウェーハ表面とは反対側の面で特にＣＶＤ薄膜を形成す
る必要のない面を言う。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップ製造工程では、半導体装置
の素子分離形成時におけるポリシリコン薄膜或いはシリ
コンナイトライド薄膜の形成、ゲート配線、薄膜トラン
ジスタの形成等を気相成長反応により行うために、バッ
チ式減圧ＣＶＤ装置が広く使用されている。従来のバッ
チ式減圧ＣＶＤ装置（以下、簡単にするため減圧ＣＶＤ
装置と略称する）Ｂは、図６に示すように石英等で形成
された円筒状のアウターチューブ１２とインナチューブ
１４とからなる２重炉芯管１６と、その周囲を取り巻く
ように配置された環状ヒータ１８とを備えている。炉芯
管１６のインナチューブ１２の内側中空部は、気相成長
反応の反応室２０を構成し、そこにはウェーハＡを多数
上下に離隔して縦方向に配列したウェーハボート２１が
載置される。ウェーハボート２１は、石英等の耐熱性の
高い材料で作られ、ウェーハを多数所定間隔で上下方向
に多段に収容するような棚手段をウェーハボート側壁面
に備えている。

【０００３】反応ガスは、炉芯管１６の下部ハッチ２２
に設けられたガス導入口２４を介してインナチューブ１
４とウェーハボート２１との間の環状空間に導入され
る。環状空間を流れる反応ガスは、その流れの一部が分
流してウェーハボート２１を横切ってウェーハＡの面に
沿って拡散流として流れ、気相反応して所望の元素ない
し化合物がウェーハＡの面で堆積成長する。残りの反応
ガスはインナチューブ１４の上部を貫通してインナチュ
ーブ１４とアウターチューブ１２との環状部を上部から
下部に向かって流れ下部ハッチ２２に設けられたガス排
出口２６から真空ポンプ（図示せず）によって吸引され
て外部に排出される。

【０００４】炉芯管１６の下部には、ロードロック室２
８が設けてある。ロードロック室２８は、反応室２０に
ウェーハボート２１を装填し、またそこから取り出すと
きに、外部と連通させないでそれらの作業を行うように
した真空室であって、排気口２９を介して真空ポンプ
（図示せず）により吸引されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近の縦型
ＣＶＤ装置では、大きくなるウェーハ径に対応し、かつ
一度に多数のウェーハ（〜１００ｓ）を処理できるよ
う、プロセス反応室として機能する炉芯管１６内の炉室
２０が従前のものに比べて大きくなっている。その結
果、炉室内の条件を全体にわたり均一にすることが技術
的に難しく、ウェーハの周囲の気相成長反応雰囲気及び
環境が炉室内の場所によって変動し、反応ガス密度、温
度及び圧力等を始めとする炉室内の条件が全体に不均一
になっている。

【０００６】炉室内の気相成長反応条件を均一にするた
めに取られて来た従来手段は、ヒータによる炉芯管の加
熱を制御して炉室内に温度勾配を生じさせ、それにより
反応速度を調整することであった。しかし、この手段
は、バッチ毎のウェーハ全部にわたる薄膜の膜厚を均一
することにはかなり満足できる結果を得たが、膜質、特
にドーピング濃度、結晶性、組成等を均一にすることは
出来なかった。そのため、製作された半導体チップの個
々の特性が不均一になり、問題となっていた。

【０００７】例えば、燐でドーピングしたシリコン薄膜
ＣＶＤを例に挙げると、温度変化に関して薄膜の堆積速
度（膜厚）と薄膜中の燐ドーピング濃度とは競合関係に
あり、炉室温度に温度勾配を付けて気相成長反応の不均
一性を調整しようとしても、膜厚を均一することはでき
るが、ドーピング濃度が不均一になった。また、薄膜ト
ランジスタ（ＴＦＴ）を形成するためのアモルファスシ
リコン薄膜ＣＶＤの場合では、温度勾配を与えることに
よって、水素含有量を含む組成及びシリコン原子同士の
結合状態が変動して、後の結晶化工程におけるシリコン
薄膜のグレイン成長に影響するため、トランジスタ特性
が均一にならないと言う問題があった。

【０００８】以上の問題に鑑み、本発明の目的は、気相
成長反応を行ってウェーハの表面に薄膜を形成するに際
し、炉芯管に収容されたウェーハ全てについて均一な膜
質及び膜厚の薄膜を形成するように改良した減圧ＣＶＤ
装置を提供することであり、また別の目的は、炉芯管に
収容されたウェーハ全てについて均一な膜質及び膜厚の
薄膜を形成するように改良した成膜方法を提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明に係る減圧ＣＶＤ装置は、上下多段にウェーハを
載置したウェーハボートを炉芯管内に装填し、該炉芯管
内に反応ガスを導入して減圧下で気相成長反応を行わせ
ウェーハ表面に薄膜を形成させるようにした減圧ＣＶＤ
装置において、第１のウェーハの表面と第２のウェーハ
の表面とを対向させ、次いで第２のウェーハの裏面と第
３のウェーハの裏面とを対向させた配列でウェーハを順
次配置するようにウェーハボートを構成したことを特徴
としている。尚、反応ガスとは、原料ガスとドーピング
ガスとを含むガスを意味する。

【００１０】本発明の望ましい実施態様では、上述の減
圧ＣＶＤ装置において、第２のウェーハの裏面と第３の
ウェーハの裏面との間隔は、第１のウェーハの表面と第
２のウェーハの表面との間隔より短くなっていることを
特徴としている。本発明の更に望ましい実施態様では、
加えてウェーハボートの外周を取り巻くようにした板状
リングを炉芯管壁から半径方向内方に向け環状に延在さ
せたことを特徴としている。また、本発明に係る別の望
ましい実施態様では、上述の減圧ＣＶＤ装置において、
原料ガスとドーピングガスの導入に際し、ドーピングガ
スのみを複数の専用ノズルから供給するようにしたこと
を特徴としている。

【００１１】本発明に係る成膜方法は、上下多段にウェ
ーハを載置したウェーハボートを炉芯管内に装填し、該
炉芯管内に反応ガスを導入して減圧下で気相成長反応を
行わせウェーハ表面に薄膜を形成させる成膜方法におい
て、反応ガスを気相成長反応の反応律速領域に達する流
量以上の流量で、かつ希釈ガスを反応ガスの流量の１．
５倍以上の流量でそれぞれ供給することを特徴としてい
る。また、本発明に係る望ましい実施態様では、原料ガ
スがシラン(SiH₄)又はジシラン(SiH₃ ・SiH₃) 、ドーピ
ングガスをホスフィン(PH₃) 又はジボラン(H₃B・BH₃)と
することを特徴としている。本発明に係る成膜方法は、
従来装置でも実施できるが、上述の本発明に係る減圧Ｃ
ＶＤ装置を使用すれば、更に均一な膜厚、膜質の薄膜が
形成できる。

【００１２】

【作用】ウェーハボートにあって、ウェーハの間隔は、
原料ガスが分散して均等に拡散する空間を確保できるよ
うな寸法に設定されている。従って、薄膜を形成する必
要のないウェーハの裏面にはガスが均等に拡散できるた
めに要する空間を設ける必要はなく、ウェーハボートに
ウェーハを移載するのに必要な最小限の空間があれば十
分である。

【００１３】そこで、請求項１の発明では、第１のウェ
ーハの表面と第２のウェーハの表面とを対向させ、次い
で第２のウェーハの裏面と第３のウェーハの裏面とを対
向させた配列でウェーハを順次配置するようにウェーハ
ボートを構成することによって、表面同士の間隔は、従
来装置のウェーハ間隔と同じとし、一方裏面同士の間隔
を従来装置のウェーハ間隔より狭くすることができる。
よって、炉芯管長さを短縮することができので、炉内の
原料ガス飛翔行程が短縮され、ガス導入口付近とガス排
出口付近のガス濃度差が減少し、ウェーハの面間分布が
向上する。本明細書で、面間分布とは、薄膜の膜質及び
膜厚に関し１バッチでのウェーハとウェーハとの間の差
異を言い、面間分布が向上するとはウェーハとウェーハ
との間の差異が小さくなることを意味する。また、炉芯
管内の炉室容積を従来のものより小さくすることができ
るので、炉室全体にわたり反応条件をより均一にするこ
とができる。

【００１４】請求項２の発明の構成ではでは、裏面同士
が対向した間隔を短くすることにより、上述の請求項１
の発明よりその作用が一層明確であり、また請求項３の
発明では、ウェーハボートを取り囲むように環状に設け
た板状リングが、ウェーハ表面へ反応ガスを効果的に拡
散する。

【００１５】減圧ＣＶＤ装置では、減圧下で拡散定数が
増大し、供給律速から表面反応律速に移ることにより、
膜質の均一化が改善され、処理枚数の増加が可能となっ
ている。即ち、減圧ＣＶＤ装置における気相成長反応
は、面間分布を均一にし易い反応律速領域において行わ
れている。ここで、反応律速とは、反応ガスのある流量
以上では、成膜速度が気相成長反応の反応速度自体に律
速され、流量を増大しても変わらないことを意味する。
しかし、薄膜に少量含有させるのみで十分なドーピング
ガスなどは、ベースになる膜成分の反応形態を反応律速
にしても、どうしても供給律速になってしまっていた。
また、特にシリコン系薄膜を形成する場合、主反応に用
いられて所謂シリコンとなるシラン、ジシラン等は高圧
下で温度を上昇させると気相中でも容易に反応を起こ
し、パーティクルを発生させるという問題が生じてい
た。そこで、請求項４の発明では、原料ガスとドーピン
グガスの導入に際し、ドーピングガスのみを複数の専用
ノズルで供給することによって、炉室内にドーピングガ
スの濃度勾配が生じるのを抑制している。薄膜の膜質が
ドーピングガスの供給律速のため不均一になるのが、こ
れによって防止される。

【００１６】請求項５の発明では、反応ガスを気相成長
反応の反応律速領域に達する流量以上の流量で、かつ希
釈ガスを反応ガスの流量の１．５倍以上の流量でそれぞ
れ供給することにより、総流量を増大して炉室内のガス
の流速を大きくすると共にガスの供給量に対する消費量
の割合を小さくし、炉室内のガス濃度勾配を小さくして
いる。換言すれば、希釈ガスのガス全体に対する割合を
多くすることにより、炉内の反応ガスの濃度分布の変動
を極力小さくしようとするものである。また、流速を上
げることにより、炉芯管とウェーハの間のガス通路に安
定した層流が形成され、ガス消費が抑えられ、ウェーハ
上には層流からの僅かの拡散流によって反応ガスが供給
できる。よって、層流状態で流れているメインの流れの
濃度勾配が減少し、面間分布を向上させることができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。実施例１図１（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る減圧ＣＶＤ装置の
実施例１で使用されるウェーハボートの構成を模式的に
示すための図で、図１（ａ）は図６の矢視Ｉ−Ｉのウェ
ーハボートの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視II
−IIの側面図であって、インナチューブ内に装填された
状態でウェーハボートを示している。実施例１の減圧Ｃ
ＶＤ装置は、ウェーハボートを除いて図６に示した従来
の減圧ＣＶＤ装置Ｂと同じように構成されている。よっ
て、ウェーハボートの構成のみ説明する。実施例１の減
圧ＣＶＤ装置に使用されるウェーハボート３０は、径２
００mmのウェーハを載置して保持するように形成されて
いて、図１（ａ）に示すように、直立する複数の支柱３
２Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを備えている。支柱３２は、ウェー
ハの直径より僅かに大きい直径を有する円の半円周に沿
って等間隔に配置され、本実施例では支柱３２ＡとＤと
が直径上に対向して配置され、その間に支柱３２ＢとＤ
とが等間隔に配置されている。支柱３２を相互に連結す
るように、多数のウェーハ載置手段、例えばリング状の
棚３４が取り付けられている。

【００１８】また、ウェーハボート３０は、次のような
配列でウェーハを配置するように構成されている。すな
わち、ウェーハの配列は、図１（ｂ）に示すように第１
のウェーハＡ１と第２のウェーハＡ２とはその表面同士
が対向し、続いて第２のウェーハＡ２と第３のウェーハ
Ａ３とはその裏面同士が対向するような配列であって、
以下同じ配列でウェーハが順次ウェーハボート３０に配
置される。この実施例ではウェーハとウェーハの表面同
士の間隔Ｄ₁は従来装置と同じく１０mmに、またウェー
ハとのウェーハの裏面同士の間隔Ｄ₂は搬送アームの動
作に必要な３mmに設定されている。以上の構成により、
例えばウェーハ１２０枚を収容する炉芯管を想定する
と、従来装置ではウェーハを載置させるために必要な部
分の高さが１２００mmであったのに対し、本実施例では
その部分の高さが７８０mmとなり、従来装置より４２０
mm短縮することができた。

【００１９】図２は、実施例１の減圧ＣＶＤ装置におい
て、ウェーハボートの外周を取り巻くように、インナチ
ューブ１２から半径方向内方に向け環状に延在させた板
状リングの説明図である。環状リング３６は、ウェーハ
Ａの表面が対向して形成する空間を上下に２分するよう
位置に対応してインナチューブ１２の壁に設けてある。
そのインナチューブ１２の半径方向の幅Ｗは、インナチ
ューブ１２とウェーハＡとの間隔Ｓの７０％程度であっ
て、本実施例では間隔Ｓが１０mmであるから、リングの
幅Ｗは７mmである。以上の構成により、環状リング３６
は、インナチューブ１２の壁に沿って上昇する反応ガス
の流れをウェーハ表面が対向して形成する空間Ｃの方に
案内し、この空間内の反応ガス拡散量を増加させ、ガス
の消費効率を上げると共にウェーハ面内のガス濃度分布
の向上、ウェーハ表面の上下の向きの違いによる堆積速
度（Deposition Rate デポジションレート）の差を減少
させる。

【００２０】実施例２図３は、本発明に係る減圧ＣＶＤ装置の実施例２の構成
を示す模式的側面断面図である。図３において、図６と
同じ部品には同じ符号を付し、その説明を省略してい
る。本実施例の減圧ＣＶＤ装置４０では、ドーピングガ
スをインナチューブ１４内の炉室２０に導入するために
３本の専用ノズルが設けてある。３本のノズルは、炉室
の最下部に開口するショートノズル４２と、底部から炉
室の長さの約１／３の位置で開口するミドルノズル４４
と、底部から炉室の長さの約２／３の位置で開口するロ
ングノズル４６とから構成されている。ドーピングガス
導入専用のノズルの他に、ショートノズルとほぼ同じ位
置に吹き出し口を有するメインのノズル（図示せず）
が、図６に示す従来装置と同様に設けてあって、ドーピ
ングガス以外のガスを導入する。

【００２１】以上の構成により、複数の専用ノズル４
２、４４及４６を介して炉室２０にドーピングガスを分
散的に導入できるので、炉室２０内のドーピングガスの
濃度勾配は極めて小さく、薄膜形成にあたりドーピング
ガスの供給律速は生じない。

【００２２】以上の構成の減圧ＣＶＤ装置４０を使用し
て、以下の薄膜形成条件の下で燐ドープシリコン薄膜を
形成する実験を行った。薄膜形成条件形成温度５５０°Ｃ形成圧力１００Pa 原料ガスメインノズルから導入するガス：SiH₄を５００sccm、N₂
を２０００sccm ドーピングガスショートノズルから PH₃を０．
３５sccm ミドルノズルから PH₃を０．０５sccm ロングノズルから PH₃を０．０５sccm 以上の条件で、燐濃度及び膜厚に関しこのバッチのウェ
ーハ全部について均一に燐ドープシリコン薄膜が形成さ
れていることが確認できた。

【００２３】実施例３以下に従来装置を使用して行った本発明に係る成膜方法
の実施例を説明する。薄膜形成条件形成温度５５０°Ｃ形成圧力５０〜２００Pa 原料ガス： SiH₄を５００〜１０００sccm N₂を２０００〜５０００sccm 以上の条件でウェーハ面上に薄膜を形成し、ガス総流量
を２５００sccmから５００sccmまで減少させて、ウェー
ハボートに載置されたウェーハの位置による膜厚分布と
ガス総流量との関係を調べ、その分布を図４に示した。
また、総流量２５００sccmの場合のウェーハの位置によ
る膜質分布をエリプソ測定（偏光解析法）による屈折率
及び吸収係数として捉えその計測値の面間分布を図５に
示した。図４において、上段のカーブはN₂とSiH₄との比
が２０００sccm／５００sccm、即ち４倍でかつ総流量が
２５００sccm、中段のカーブはN₂とSiH₄との比が７５０
sccm／５００sccm、即ち１．５倍でかつ総流量が１２５
０sccm、下段のカーブはN₂が無くSiH₄のみが５００sccm
である。

【００２４】図４から判るように、ガス総流量が１２５
０sccm以上、特に２５００sccm以上では、ウェーハボー
トに載置されたウェーハの位置による膜厚の差異は、非
常に小さく満足すべきものであると評価できる。また、
図５に示すようにガス総流量が２５００sccmの場合の膜
質は、ウェーハボートに載置されたウェーハの位置によ
る差異が非常に小さく、同じく満足できるものと評価で
きる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、第１のウェー
ハの表面と第２のウェーハの表面とを対向させ、次いで
前記第２のウェーハの裏面と第３のウェーハの裏面とを
対向させた配列でウェーハを順次配置するようにウェー
ハボートを構成することにより、対向するウェーハの裏
面同士の間隔を短縮することができるので、膜厚、膜質
の面間分布の均一性を向上させると共にウェーハボート
の寸法、従って炉芯管の高さを短くし、装置を小型化し
て装置コストを節減することができる。更に、ウェーハ
裏面にはＣＶＤ膜が形成され難いので、原料ガスの消費
効率が高い。請求項４の発明によれば、ドーピングガス
を分散的に導入することにより、膜厚、膜質の面間分布
の均一性を向上させると共にガス導入管内でのパーティ
クルの発生を抑制でき、よってウェーハに付着するパー
ティクルの数を減少させて半導体チップの特性を均一に
させることができる。また、ドーピングガスを複数の専
用ノズルを介して導入するので、シラン系ガスと混合す
るための配管が不要となり、装置コストを軽減すること
ができる。

【００２６】請求項５の発明によれば、希釈ガスの流量
を２０００sccm以上に設定し、反応ガスを希釈ガスの２
０％以上の比率で供給することにより、反応ガスのガス
全体に対する割合を小さくして、炉内の反応ガスの濃度
分布の変動を抑え、従来の減圧ＣＶＤ装置を使用して膜
厚、膜質の面間分布の均一性を向上させることができ
る。よって、余分な装置改造費用を必要とすることな
く、膜質、膜厚の面間分布の均一な薄膜形成を行うこと
ができる。更に、安定した良好な層流が炉芯管とウェー
ハの間に生じるために発生したパーティクルを同伴して
速やかに外部に排出し、ウェーハに付着するパーティク
ルの数を大幅に軽減できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明に係
る減圧ＣＶＤ装置の実施例１で使用されるウェーハボー
トの構成を示す模式図である。

【図２】実施例１の減圧ＣＶＤ装置のインナチューブの
半径方向内方に延在させた環状リング３６の構成を示し
た模式図である。

【図３】本発明に係る減圧ＣＶＤ装置の実施例２の構成
を示す模式的側面断面図である。

【図４】膜厚分布の総流量依存性を示すグラフである。

【図５】膜質の面間分布を示すグラフである。

【図６】従来の減圧ＣＶＤ装置の構成を示す模式的側面
断面図である。

【符号の説明】

１２アウターチューブ１４インナチューブ１６２重炉芯管１８環状ヒータ２０炉室２２下部ハッチ２４ガス導入口２６ガス排出口２８ロードロック室３０ウェーハボート３２支柱３４棚部３６環状リング４０本発明に係る実施例２の減圧ＣＶＤ装置４２ショートノズル４４ミドルノズル４６ロングノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下多段にウェーハを載置したウェーハ
ボートを炉芯管内に装填し、該炉芯管内に反応ガスを導
入して減圧下で気相成長反応を行わせウェーハ表面に薄
膜を形成させるようにした減圧ＣＶＤ装置において、第
１のウェーハの表面と第２のウェーハの表面とを対向さ
せ、次いで前記第２のウェーハの裏面と第３のウェーハ
の裏面とを対向させた配列でウェーハを順次配置するよ
うにウェーハボートを構成したことを特徴とする減圧Ｃ
ＶＤ装置。
【請求項２】前記第２のウェーハの裏面と第３のウェ
ーハの裏面との間隔は、前記第１のウェーハの表面と第
２のウェーハの表面との間隔より短くなっていることを
特徴とする請求項１記載の減圧ＣＶＤ装置。
【請求項３】前記ウェーハボートの外周を取り巻くよ
うにした板状リングを炉芯管壁から半径方向内方に向け
環状に延在させたことを特徴とする請求項１又は２記載
の減圧ＣＶＤ装置。
【請求項４】原料ガスとドーピングガスの導入に際
し、ドーピングガスのみを複数の専用ノズルから供給す
るようにしたことを特徴とする請求項１記載の減圧ＣＶ
Ｄ装置。
【請求項５】上下多段にウェーハを載置したウェーハ
ボートを炉芯管内に装填し、該炉芯管内に反応ガスを導
入して減圧下で気相成長反応を行わせウェーハ表面に薄
膜を形成させる成膜方法において、前記反応ガスを気相
成長反応の反応律速領域に達する流量以上の流量で、か
つ希釈ガスを反応ガスの流量の１．５倍以上の流量でそ
れぞれ供給することを特徴とする成膜方法。
【請求項６】前記原料ガスがシラン(SiH₄)又はジシラ
ン(SiH₃ ・SiH₃) 、ドーピングガスをホスフィン(PH₃)
又はジボラン(H₃B・BH₃)とすることを特徴とする請求項
５記載の成膜方法。