JPH0917730A

JPH0917730A - 薄膜の製造方法及び薄膜製造装置

Info

Publication number: JPH0917730A
Application number: JP16434395A
Authority: JP
Inventors: Toru Aoyama; 亨青山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】チャンバー内壁の堆積物からの汚染を低減す
る。【構成】真空チャンバー１内に、シリコンウェーハ２を
覆う為の円筒状可動式ウォール８とシャッター９とかな
る半密閉容器を設け、この中にガスライン１０より水素
又は不活性ガスを導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜の製造方法及び薄膜
製造装置に関し、特に半導体ウェーハ上に各種薄膜を形
成する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェーハの製造プロセスでは絶縁
体、金属あるいは半導体薄膜などを堆積する技術が随所
に適用されている。近年、こうした薄膜を堆積する技術
として１０^-8Ｔｏｒｒ以下の高い真空度のもとで行われ
る技術が注目され、実用化されてきた。

【０００３】こうした高い真空度のもとでの薄膜の堆積
技術が実用化されてきた理由は、基本的に不純物混入の
少ないこと、ならびに原料として供給されるガス種など
が被堆積ウェーハに到達する前にガス種同志の衝突がな
く制御が容易なためである。

【０００４】代表的な高い真空度のもとでの薄膜の堆積
技術としてはいわゆる分子線エピタキシャル成長技術が
良く知られている。以下に従来より行われている分子線
エピタキシャル成長技術の一例について説明する。図４
はシリコンの分子線エピタキシャル成長に用いられる超
高真空ＣＶＤ装置（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の断面図である。図４において真空
チャンバー１内は、成長室とヒーター室とに分かてお
り、両者は被成長ウェーハであるシリコンウェーハ２と
それを支えるサセプタ３とで仕切られている。成長室及
びヒーター室はそれぞれターボポンプ５で１０^-8Ｔｏｒ
ｒ以下の高真空に引かれている。シリコンウェーハ２は
その下にあるヒーター４で所望の温度に加熱される。

【０００５】また、この従来の装置にリフレクタ１１と
呼ばれるシリコンウェーハをシリコンウェーハ２の真上
に取り付けた装置例も存在する。このリフレクタ１１に
は被成長のシリコンウェーハ２の面内温度を均一に保つ
効果がある。

【０００６】シリコンのエピタキシャル成長は、成長室
に開口したノズル７からジシランなどのガス原料をシリ
コンウェーハ上に導入することで行われるが、まず成長
前にシリコンウェーハ２表面の自然酸化膜を取り除く必
要がある。自然酸化膜の除去は、ガスをチャンバーに供
給することなく、高真空に保ったまま約９００℃、５分
間シリコンウェーハを熱処理することでなされる。この
ようにシリコンウェーハ表面の自然酸化膜を除去した後
にエピタキシャル成長に移行するならば、低温でのエピ
タキシャル成長が可能である。原料ガスにジシランを用
いた場合、５００〜８００℃に加熱したシリコンウェー
ハ上への良好なシリコンのエピタキシャル膜が得られて
いる。また、成長ガスにジシランと同時にゲルマンを加
えることで、ＳｉＧｅ合金のエピタキシャル膜も単結晶
シリコンウェーハ２上に成長できている。エピタキシャ
ル膜のドーピングは、Ｐ型なら成長ガスと同時にジボラ
ンなどを導入することでｐ形層を、フォスフィンなどを
導入することでｎ形層をエピタキシャル成長させること
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、たとえ
ば、チャンバー内にジボランなどのガスを導入してボロ
ン添加のｐ形層を形成した後に高純度のシリコン層を形
成しようとする場合次のような問題点が発生する。図５
は従来の技術によりボロン添加のｐ形層を形成した後に
高純度のシリコン層を形成した場合のＳＩＭＳ（Ｓｅｃ
ｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ）により測定したボロンの分布を示すものであ
る。図５で見るようにボロンはシリコンウェーハ（基
板）とエピタキシャル（エピ）膜界面に多量にスパイク
状に存在することが分る。ボロンドーピングを行ってい
るチャンバーで、アンドープのエピタキシャル膜を成長
すると界面におおよそ５×１０¹⁷ｃｍ^-3のボロンスパイ
クが存在する。このボロンスパイクが存在するとエピタ
キシャル膜をデバイスに適用する際に様々な問題が派生
する。そこで、このボロンスパイクの発生原因を調べた
ところ、チャンバー内壁に付着したボロンの再脱離によ
ることが判明した。

【０００８】すなわち、前工程でのエピタキシャル成長
においてジボランを導入してボロンをドーピングする
と、ボロンは低温のチャンバー内壁に吸着しており、エ
ピタキシャル成長する際のウェーハ加熱によりチャンバ
ー内壁に吸着したボロンが再脱離し、これが成長前のウ
ェーハ表面に付着し、図５で見るようにボロンはシリコ
ンウェーハとエピタキシャル膜界面に多量にスパイク状
に添加される原因であることが判明した。特に従来の技
術の項で述べたように、成長前のシリコンウェーハ２表
面の自然酸化膜を取り除く為の高真空での約９００℃、
５分間のシリコンウェーハを熱処理する工程では処理温
度が高く、このウェーハ加熱による輻射により真空チャ
ンバー内壁が加熱される結果、前工程でのエピタキシャ
ル成長でチャンバー内壁に付着したボロンが脱離してシ
リコンウェーハ表面に蓄積される。この熱処理温度を低
下するとボロンスパイクのピークが小さくなることは判
明しているが、自然酸化膜除去には上述したような高温
での熱処理は必要である。もちろん、エピタキシャル成
長毎にウェーハを真空チャンバー内に設置せずに真空チ
ャンバーのベーキングと呼ばれる焼きだしを行えばこの
ボロンの混入は避けることはできるが、著しく工数を延
ばすことになる。このベーキングはなかば超高真空装置
における宿命と考えられる向きもあるが、この生産性の
ない頻繁なベーキングを必要とするかぎり超高真空装置
は実験装置であることを脱脚できず、量産装置への展望
は開けないと言える。

【０００９】以上、シリコンエピタキシャル成長におけ
るボロンの真空チャンバー内壁への蓄積の及ぼす影響に
ついて述べた。上述したように超高真空装置は各種薄膜
の堆積において大きなメリットを有するものの、こうし
た真空チャンバー内への各種使用原料の蓄積が起こるた
めにいわゆるベーキング処理といった焼きだしの手間が
かかり、超高真空装置の適用分野を著しく阻害する原因
となっている。

【００１０】本発明の目的は、真空チャンバー内壁へ使
用原料の蓄積が起っても、この蓄積物からのウェーハへ
の汚染を低減した薄膜の製造方法及び薄膜製造装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明の薄膜の製造
方法は、真空チャンバー内に半導体ウェーハを保持し、
ウェーハを加熱処理したのち、このウェーハ上に膜を形
成する薄膜の製造方法において、前記ウェーハを半密閉
容器で覆いその内部にガスを導入し前記ウェーハ周囲の
分圧を高めたのち加熱処理するものである。

【００１２】第２の発明の薄膜の製造装置は、半導体ウ
ェーハを覆うごとき半密閉容器を真空チャンバー内に備
えたものであり、これにより例えば薄膜堆積前のウェー
ハ加熱時にあってはウェーハ加熱により輻射で温められ
た真空チャンバー内壁からの付着不純物の脱離物の飛来
を防止する。さらに上記半密閉容器内部には不活性ガス
などを流入でき、実質的に真空チャンバー内でウェーハ
周辺部のみ分圧を高め、上記真空チャンバー内壁からの
付着不純物の回り込みによるウェーハ表面への到達を防
ぐようになっている。この不活性ガスに代わって水素を
半密閉容器内部に導入するならば、例えば従来例で述べ
たようなシリコンウェーハへのエピタキシャル成長の場
合のように、活性なウェーハ表面では表面のダングリン
グボンドへの水素吸着が起こり、たとえ不純物が飛来し
てもウェーハ表面への付着を防止するという顕著な効果
を呈する。

【００１３】自然酸化膜除去に必要な温度で、シリコン
ウェーハ上に水素を吸着させるためには、水素分圧を若
干高める必要があるが、本発明の半密閉容器を備えるこ
とでウェーハ周辺のみこの分圧を高めることができるた
め、超高真空装置の真空ポンプ系への負担も軽微であ
り、既存の超高真空装置にそのまま適用できる。従っ
て、従来例で述べた例で述べれば、エピタキシャル成長
前のシリコンウェーハ周辺を半密閉容器でおおうことで
真空チャンバー内壁からのボロンの直接の飛来を防ぎ、
かつ、半密閉容器内に不活性ガスを流すことで回り込ん
でくるボロンの飛来をも防ぐことができ、又不活性ガス
の代わりに水素を流すならばシリコンウェーハ表面のダ
ングリングボンドでの水素吸着により、たとえボロンの
飛来が起ころうともその吸着を阻止することができる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の第１の実施例の薄膜製造装
置の断面図，図２は可動式ウォール近傍の上面図であ
る。

【００１５】図１及び図２において製造装置は、真空チ
ャンバー１内に設けられシリコンウェーハ２を保持する
サセプタ３と、このサセプタ３の下部に設けられたヒー
ター４と、シリコンウェーハ２を覆うための石英からな
る円筒状の可動式ウォール８と可動式のシャッター９と
からなる半密閉容器と、原料ガスを導入するノズル７と
ターボポンプ５とから主に構成される。

【００１６】可動式ウォール８はサセプタ３を貫通して
上下の移動が可能で、成長時あるいは通常はヒーター４
の内部に移動して収納しておく構造をとっている。膜成
長前のシリコンウェーハ２を高温処理する場合には、上
に移動してシリコンウェーハ２を包囲する。さらに不活
性ガスや水素を導入するガスライン１０を可動式ウォー
ル８の内部に取り入れ、膜成長の前処理中にはシリコン
ウェーハ２の周辺にガスが導入される構造となってい
る。又必要に応じて可動式のシャッター９にて円筒状の
可動式ウォール８を覆うことができるようにした。

【００１７】この第１の実施例を用いてシリコン薄膜を
形成する場合、可動式ウォール８でシリコンウェーハ２
を包囲し、９００℃に加熱し、水素を５０ｍｌ／ｍｉｎ
流して５分間の前処理をシリコンウェーハに行った。そ
の後、可動式ウォール８を下げることでヒーター４の内
部に移動させて収納し、引き続いてノズル７より原料ガ
スを導入しシリコンのエピタキシャル膜を７００℃で成
長した。この第１の実施例においては可動式ウォール８
の天井を開いた場合でも、ウェーハ２から見たチャンバ
ー内壁の見込み角は可動式ウォール８がない場合に較べ
て格段に小さくできるので、以下に述べるようにボロン
の汚染を軽減することができた。

【００１８】図６に第１の実施例の製造装置でエピタキ
シャル膜を形成したウェーハのＳＩＭＳにより測定した
ボロンの分布を示す。図５に示した従来の成長例では、
ウェーハとエピタキシャル膜界面に４×１０¹⁷ｃｍ^-3の
ボロンピークが確認できる。それに対して、本実施例の
ものではボロンのピークは僅かに存在するものの、ピー
クの濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下となっていることが読
み取れる。すなわち、ボロンの汚染は１／１０以下に低
減される。なお、水素の代わりにアルゴンやヘリウムな
どの不活性ガスを導入した場合には水素ほどには効果は
顕著ではなかったもののボロンのピーク濃度は８×１０
¹⁶ｃｍ^-3程度に下げることができた。この水素と不活性
ガスでのピーク濃度の差は、水素においてはシリコンウ
ェーハ表面のダングリングボンドが水素吸着で閉じら
れ、たとえボロンの飛来が起ころうともその吸着が阻止
されるためと解釈できる。

【００１９】図３は本発明の第２の実施例の薄膜製造装
置の断面図であり、シリコンウェーハ２の真上に、リフ
レクタ１１を取り付けたものである。本第２の実施例の
石英製の可動式ウォール８Ａも、シリコンウェーハ２を
取り囲むような円筒形とした。本第２の実施例ではリフ
レクタ１１が存在するために、膜成長前の高温処理時に
は可動式ウォール８Ａはリフレクタ１１に接するように
上昇することで、シリコンウェーハ２包囲の密閉性を高
くすることが可能となる。水素を導入するガスライン１
０は第１の実施例と同様に可動式ウォール８Ａ内部に取
り入れ、膜成長と前処理中はシリコンウェーハ２が水素
に曝されるようにする。ガスライン１０はシリコンウェ
ーハ２を挟んで排気口６と逆側に設け、可動式ウォール
８Ａのガスライン１０と逆の排気口側に開口部１２を設
けておく。水素はその開口部１２を通ってターボポンプ
５より排気される。

【００２０】この第２の実施例でも第１の実施例と同様
に、膜成長前にリフレクタ１１と可動式ウォール８Ａに
よる半密閉空間でシリコンウェーハ２を覆い、温度９０
０℃で水素を５０ｍｌ／ｍｉｎ流して５分間の前処理を
行った。その後引き続いて、シリコンエピタキシャル膜
を成長した。本実施例においてもボロンのピーク濃度は
１０¹⁶ｃｍ^-3以下が再現性よく得られた。この実施例に
おいても水素の代わりにアルゴンやヘリウムなどの不活
性ガスを導入したところボロンのピーク濃度は４×１０
¹⁶ｃｍ^-3程度であった。これはウェーハ周辺を半密閉容
器で覆っていることと若干とはいえウェーハ周辺の圧力
を高めることで、ボロンのウェーハ表面へ回り込みを防
止できたことを意味する。不活性ガス導入に較べて水素
導入でボロン汚染が減少するのは、やはり水素の吸着効
果による飛来不純物の吸着阻止が働いた結果と考えられ
る。

【００２１】以上、シリコンのエピタキシャル成長にお
けるボロンのドーピングに関して本発明を説明した。し
かし、この発明による薄膜の製造方法及び装置は広い適
用分野をもつことは明らかである。例えば３−５族化合
物半導体の分子線エピタキシャル成長において燐を含ん
だ結晶（例えばＩｎＰ）を成長した後に、他の結晶（例
えばＩｎＧａＡｓ混晶）を成長しようとすると、燐が混
入することは良く知られているが、これについても成長
前の基板ウェーハの温度上昇プロセスや温度設定プロセ
スで半密閉容器をウェーハ表面に被せておき、半密閉容
器内に不活性ガスあるいは場合により窒素などの反応性
の低いガスさらには実施例で述べてきた水素などを導入
するとで不純物汚染を抑制することができる。

【００２２】さらに結晶成長に限らず半導体、絶縁膜、
金属薄膜等の堆積にあっても前回の堆積履歴が残留する
ことは好ましいことではない。最近、超高真空スパッタ
装置などで絶縁膜や金属薄膜等の堆積が試みられてい
る。スパッタではターゲット面の汚れをとるためにプリ
スパッタと呼ぶ、堆積前にウェーハとターゲットの間に
シャッターをおいてスパッタリングを行うが、この時に
もターゲットやチャンバー内壁に吸着した不純物はウェ
ーハ表面に回り込み、堆積膜とウェーハ表面は汚染され
る。従来の真空度の悪い装置には適用できないが、超高
真空スパッタ装置ではプリスパッタ以前の超高真空状態
で本発明による半密閉容器でウェーハを覆い、半密閉容
器中に不活性ガスや水素などを僅かに導入してウェーハ
加熱などを行えばプリスパッタでの汚染も軽減できる。

【００２３】なお、上記実施例ではチャンバー内壁の堆
積前温度上昇をもっぱらウェーハ加熱による輻射に頼っ
てきた。これは既存装置のマイナーな改良で効果を得る
という点で優れたものであるが、チャンバー内壁の加熱
機構を別に設けることもできるということは言う迄もな
い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、膜形成前
にウェーハを半密閉容器で覆ったのち熱処理することに
より、前工程の堆積で超高真空チャンバー内に蓄積され
た不純物の脱離飛散に伴うウェーハの前処理工程や堆積
中での汚染を大幅に低減することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の断面図。

【図２】実施例における可動式ウォール近傍の上面図。

【図３】本発明の第２の実施例の断面図。

【図４】従来の製造装置の一例の断面図。

【図５】従来例によるエピタキシャル膜のボロン濃度分
布を示す図。

【図６】実施例によるエピタキシャル膜のボロン濃度分
布を示す図。

【符号の説明】１真空チャンバー２シリコンウェーハ３サセプタ４ヒーター５ターボポンプ６排気口７ノズル８，８Ａ可動式ウォール９シャッター１０ガスライン１１リフレクタ１２開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバー内に半導体ウェーハを保
持し、ウェーハを加熱処理したのち、このウェーハ上に
膜を形成する薄膜の製造方法において、前記ウェーハを
半密閉容器で覆いその内部にガスを導入し前記ウェーハ
周囲の分圧を高めたのち加熱処理することを特徴とする
薄膜の製造方法。
【請求項２】半密閉容器内に導入するガスは水素であ
る請求項１記載の薄膜の製造方法。
【請求項３】半密閉容器内に導入するガスは不活性ガ
スである請求項１記載の薄膜の製造方法。
【請求項４】真空チャンバー内に設けられ半導体ウェ
ーハを保持するサセプタと、このサセプタの下部に設け
られたヒータと、前記ウェーハを覆う為の可動式半密閉
容器とを含むことを特徴とする薄膜製造装置。
【請求項５】半密閉容器内にガスを導入する為のガス
導入ラインを設けた請求項４記載の薄膜製造装置。
【請求項６】半密閉容器は円筒状の可動式ウォールと
このウォールの上部を覆うシャッタ又はリフレクタから
構成されている請求項４又は請求項５記載の薄膜製造装
置。