JPS6054280B2 - 気相附着方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、所定の温度で基板上に附着層を形成する方法
に関する。

更に具体的に言えば本発明は、附着されようとしている
元素を含むガス混合物の濃度及び流量が変えられる雰囲
気内で広い面積に亘つて配列された多数の基板上に一様
な附着物を附着させる方法に関する。反応生成物を多数
の半導体ウェハ上に亘つて一様に附着させるための努力
が長年続けられてきており、そしてこれに対する多数の
提案がなされている。

１９６９年９月１４日のＬＥＥＥの第１５０９頁のＰ。

Ｐａｒｅｋｈ等による論文は、加熱室中で多数のウェハ
に拡散を行う場合この拡散する元素の濃度の一様性は、
濃度、温度、このシステム内のガスの量及びウェハ相互
間の間隔によつて影響されることを示している。米国特
許第３３１６１２１号は、傾斜した外壁及びヒータを有
する炉の温度プロフィルを、附着速度が、この反応室全
体に亘つてほぼ一様に保たれるように調整することによ
つて反応の平衡状態を変えることを示している。

米国特許第３８３１１１４号は、全てのウェハを一様に
加熱しそして全てのウェハに対して全てのガスＪを一様
に分配するための対称炉を用いてこれらバッチ処理中の
全ウェハに一様な附着物を形成することを示している。
米国特許第３９１６８ｎ号は、反応ガス域の上側の境界
に基板を位置ぎめし、附着中の基板を下方に押し下げ、
基板及びガスを一様に加熱しそして輻射シールドを用い
ることによつて反応室内で層を附着することを示してい
る。米国特許第３９２２４６７号は、管状の室内で多数
のウェハの間隔をガスの流れに沿つて順次に広げて多数
のウェハにガス混合物から良好なエピタキシャル層を附
着させる方法を示している。

従つて、本発明の主な目的は、多数の半導体ウェハに一
様な附着層を形成する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、各基板に一様な層が附着されるよ
うに反応ガスの消耗を補償する上記方法を提供すること
である。

上記目的は、反応速度即ち附着速度の分布の中心（即ち
、反応速度が最大値を示す位置）を多数の基体の配列全
体に亘つて逐次移動させるように反応ガスの濃度及びキ
ャリア・ガスの流量の少なくとも一方を変えて基体上に
層を附着させることによつて達成される。

又、本発明の他の目的は、反応速度の分布の中心位置を
多数の半導体ウェハの配列全体に亘つて逐次移動させる
ようにキャリア・ガス中の反応ガスの流量及び濃度を変
えることによつて、ほぼ一様な層を全ての半導体ウェハ
に気相附着させる方法を提供することてある。

第１図は本発明において用いる水平反応室の一部破断図
である。

この反応室中では、反応ガスを運ぶガスはウェハ表面と
並行に流れる。同図にお！いて、反応管１１はヒータ１
２により取り囲まれており、そして内部に平坦な台１３
を有している。この台１３の上には多数の被処理片１４
が載せられている。通常、反応管１１は石英で作られそ
してその代表的な寸法は高さが約５Ｃ！ｎ１巾が約こ２
０ｃｍそして長さが約１１０αである。台１３は通常黒
鉛で作られ、その寸法は、高さが約１．２Ｃ！ｎ１巾が
約１２．泗そして長さが約邸ｄである。被処理片１４は
エピタキシャル層、酸化物層等を被着される半導体ウェ
ハてあり、又任意の層を附着される４任意の基板でよい
。代表的な反応管においては、ヒータ１２は、ヘリカル
型の高周波コイルであり、そしてこれは台を次いでこれ
の上の被処理片１４を加熱するのに用いられる。通常、
上記の如き附着層を形成するために反応管１１の一端の
入口１５からガスが反応室内に導入される。このガスは
、例えば水素の如き中性若しくは還元性のキャリア・ガ
スと被処理片上に所望の附着層を被着させるに必要な一
枚以上の反応元素との混合物である。ガスは台１３上に
並べられた被処理片の上を流れそしてこの反応管の他端
にある出口１６から排出される。標準的な反応管処理に
おいては、被処理片１４フ上に所望の附着層を形成する
際の化学反応の速度分布は静止的であつてそして時間に
従属しない。

かくして、ガスの入口に近い部分では、ガスはもつぱら
熱伝導条件によつて加熱されそしてこのガスの温度が高
くなるにつれて反応速度が増大す：る。しかしながら、
この反応が生じるにつれてガス流中の反応体が欠乏する
ようになり反応速度を低下する。ガスの温度上昇による
反応速度はこの欠乏現象による反応速度の低下を部分的
に補償し得るだけで、そして入口からの距離が増大する
に・すれて反応速度の減少は大きくなる。かくして、反
応の歩留まりはガスの流れる方向に沿つて減少し、そし
てこの減少はキャリア・ガス中の反応体の濃度が変化し
たために生じる。このような反応管内の附着速度即ち反
応プロフィルは第２図の代表的な分布曲線２０で表われ
るように被処理片上で変化する。

この曲線は次のようにして得られる。ガスは台１２の上
を流れるにつれて加熱されそして反応は曲線２０の先縁
２１て開始する。所望の反応は曲線２０の立上りの増大
する部分２２により示されている如くに始まる。流動す
るガスの温度が増大するにつれて、これに含まれている
反応体の反応の速度がピーク２３に向つて増大し続ける
。しかしながら、ガス流中の反応体が一定の割合で欠乏
するので反応速度は曲線部分２４により示される如くに
減少し始める。これは曲線２０の後縁２５によつて示さ
れる如くに反応体がガス流中で殆んど欠乏してしまう迄
つづく。このため、曲線のピーク２３の直下にある被処
理片だけに十分な附着が行なわれそしてこれに比べ他の
被処理片に対する附着量は少ない。

このことは、曲線の立上り部分２１及び下降部分２４の
直下にある被処理片にはピーク２３の直下被処理片に比
べて附着層の厚さが薄くそしてこの厚さの変動は被処理
片が曲線２０のどの位置に置かれたかに依存することを
意味する。反応管に対してこのような単一の曲線を用い
て行なつた本発明者等の試験ては、各被処理片の表面の
附着物非一様性の程度は±１２％であつた。このことは
、、このような反応管で或る必要とされる一様性を得る
ためには、台の長さｃ即ち被処理片の配列を比較的短か
くしなければならないことを意味するが、この場合には
一回当り処理される被処理片の数が減少してしまう。

キャリア・ガスを非一様的に加熱することもしくはキャ
リア・ガスの流れを非常に速く保つこと及びガス流中の
反応ガスの濃度を高く保つことによつてはこの欠乏現象
を十分に補償することはできない。更に、被処理片が置
かれる台全体に亘つて正確な温度傾斜を設定することは
非常に困難であり、そしてこのことは費用をかけて反応
管を特別に設計しなければならず、このような設計変更
は、処理能力が如何に増大したとしても全体的な採算が
とれない程膨大な費用を必要とする。ガスの流量が多す
ぎると（温度上昇が抑えられるのて）、附着速度即ち反
応速度は、反応時間が長くなつて経済的に受け入れられ
なくなる程に低下する。本発明は、第２図の附着速度プ
ロフィルの形及び位置の両方を変えるために、ガス流中
の反応ガスの濃度若しくは反応時間又はこれらの両方を
増大すると同時に主キャリア・ガスの量を逐次変えるこ
とによつて上記の従来の問題を解決する。本発明者等は
、幾つかの附着曲線のピークが置台に沿つた所定の点に
設定されそしてこのような多数の曲線が反応管内に生ぜ
られるように、例えば反応ガスの濃度、台の温度、キャ
リア・ガスの流量等の変数が制御され得ることを見い出
した。更に本発明者等は、これらの変数を選択的に制御
することによつて、結果的な曲線が第２図の代表的曲線
とは形が異なるようになることを見い出した。かくして
、もしも望まれるならば、曲線２０のピーク２３を台１
３に沿う任意の位置に設定することができる。これにつ
いては第３図に関して後述する。第２図及び第３図にお
いてＡは反応速度を示し、Ｂは台の巾を示し、そしてＣ
は台の長さ方向の距離を示す。流量、濃度等をこのよう
に選択的に制御することはかくして、台の大きな面積に
亘つてほぼ一様な附着速度を生じさせるために用いられ
得る。

このようにして、反応速度のプロフィル曲線の形は台の
長手方向に沿つて徐々に移動され、この結果この台の上
の全ての被処理片において従来よりも格段に秀れた一様
性でもつて附着を行なうことができる。台の全体に亘る
この附着の一様性は第３図に関する次の説明から明らか
になるであろう。

第３図において、多数の速度プロフィル曲線３１、３２
、３３、３４及び３５が反応管内で次々と生ぜられ、台
全体に対応する広い面積に亘つて一様な附着を生じる。
これは曲線３０によつて示されている。台全体に亘つて
一様な附着を生ぜしめるこのような速度プロフィルのシ
ーケンスは次に述べる如くであり、そしてこれらが全体
的な速度プロフィル曲線３を生じる。この曲線３０は、
夫々のピークを台１３の長手方向に沿つた各位置に設定
された個々の曲線３１乃至３５の総和として得られる。
この総和曲線３０は明確な波状部分を有して示されてい
るが、この波状部分は、曲線の数を増大すること、若し
くは、曲線のピーク相互間の差を小さくするようにキャ
リア・ガスの流量、反応ガスの濃度、台の温度等を変え
ること等により個々の曲線の反応速度を修正することに
よつて除去されることができる。いずれにしても本発明
は以下の説明から明らかとなる如く、台全体に亘つて一
様な附着を行なうことができる。そして台全体に亘る附
着層についての一様性は全ての曲線３１、３２、３３、
３４及び３５を加え合わせて形・成された総和曲線であ
る曲線３０により示される。第３図では個々の曲線３１
乃至３５は全て同じ高さ及び同じ形を有するとして示さ
れているが、高さ及び形状の異なる種々な曲線が、上記
の如き厚さが一様な附着層を生じるための曲線３０を生
じるように総和されてもよい。

かくして、本発明においては、附着速度に寄与する一以
上の要因を時間の関数として変化させることが必要であ
ることが明らかである。

Ｌ 本発明において附着速度は次式で表わされる。

〔一翻゛Ｇ（Ｘ．．ｚ）ＤＸ〕ここで ｘ＝ガスの流れに沿つた台上の距離 ｔ＝附着時間 ａ＝周波数要因 ＣＯ＝キヤリア・ガス中の反応体の入口におけ る濃度
ρｓ＝附着された固体密度ｚ＝反応管の高さ Ｖ＝ガスの流量 ここで Ｔ＝温度 Ｂ＝ボルツマン定数で除算した反応の附勢エネ ルギか
くして、時間関数ＣＯ（ｔ）及びＶ（ｔ）を変えること
により、附着速度を制御することができそしてこの附着
速度の分布ピークを距離Ｘに関して直線的に移動させる
ことができる。

次の例では入口における濃度を変えず、ガスの流量だけ
を時間の関数として変化した。

例１ １敗のシリコン半導体ウェハを台１３の上面に等しい分
布状態で配列してウェハ上に１１００オングストローム
の厚さの二酸化シリコン層を形成する場合のパラメータ
は次の如くである。

この実験では、台の温度は台全体に亘つて１０００のＣ
±８℃に設定されて保たれ、そして水素、二酸化炭素及
びシランを含むガスが導入された。工程１一 上述の台
及びウェハの上に、キャリ ア・ガスとして働く１０
０′／分の水素ガ ス、５ｆ／分の二酸化炭素及び５
ｃｃ／分 のシランを含む初期のガスが流された。
加熱したウェハ表面上にこのガスを２分 詔秒間通
した。工程２− この時間経過後、ガスを１６５′／分
の水素、５ｅ／分の二酸化炭素及び５ｃｃ／分のシ
ランを含むように変えた。

こ の混合ガスを３分１鍬間導入した。

工程３− 工程２の後に、ガスを２７５ｅ／分の−
水素、５ｅ／分の二酸化炭素及び５ｃｃ／ 分のシラ
ンを含むように変えた。

この第 ３のガス流を台及びウェハ上に８分１鍛 間
通した。

この８分托秒の経過後、ガス を１００ｅ／分の純
粋水素に変えそしてヒ −タをターン・オフしたウ
ェハを室温 （約２５℃）迄冷却した。ウェハの温
度がこの低い温度迄低下した時にウェハの表面の二酸化
シリコン層の厚さを測定した。

各ウェハには約１１０３オングストローム±４０オング
ストロームの厚さの二酸化シリコン層が形成されている
ことがわかつた。かくして、全てのウェハに形成された
二酸化シリコン層の厚さの変動フは望ましい値である±
３．６％内にあることがわかつた。上述の如く、反応体
の濃度及び流量の両方が変えられ得る。

次の例■はこれを示す。ここでは、台上に置かれたシリ
コン半導体ウエ７ハ上への窒化シリコンの一様な層の附
着を示すための実験を行つた。

上述の例から判るように、附着の間の水素ガスの流量を
増大することに基づく一つの効果は、流量の値が高い場
合には最終的な一様性を達成するｊのに比較的長い時間
が必要であることであり、このことは上記の例を含めて
或る幾つかの場合にはそれ程の欠点とならないが、次の
例の場合には全体的な附着時間が非常に長くなり、そし
て高価な処理ガスを多量に消費することになる。

この例のようにこの望ましくない効果が問題となる場合
には、前例における如く主ガスの流量を変えることに加
えて反応体の濃度を変えることによつて前述の比較的長
時間に亘る附着時間の使用を回避することができる。

この例ではガス流は水素ガス、シラン及びアンモニアを
含んでいる。

全附着時間は長さの等しい（３＠間）１０の時間間隔で
構成されている。各時間間隔の間、ガスの流量を次の表
に示す如くに加えた。最初の（９）秒間の附着の間、水
素ガスは８０ｅ／分に保たれそしてシランの流量は２．
４ｃ１／分に保たれた。

連続する各３＠間の間の工程の夫々において、水素ガス
及びシラン反応体の両方に対して流量が新たに設定され
た（この新たに設定された値が直前の時間間隔の値に一
致することもある）。水素及びシランの両方について夫
々適切な値を各時間間隔毎に同期的に設定して最後の時
間間隔に至る迄繰り返した。この最後の（至）秒間では
水素の流量は２６０′／分でありそしてシランの流量は
９．０Ｃ７１／分であつた。全ての時間間隔においてア
ンモニアの流量を約７１／分の一定な値に維持した。最
後の附着時間間隔の終了後、ガスを純粋な水素１００ｅ
／分に切り換えてヒータをターン・オフしたウェハを冷
却した。この冷却後、ウェハの表面上の窒化シリコン層
の厚さを測定たところ、夫々約５７１オングストローム
±３５オングストローム内であることが判明した。かく
して、この例の場合の厚さの変動は±６．３％であるこ
とが判明した。上記２つの例から本発明の処理方法は一
様な厚さの附着層を得る点で著しい改善を示すことが明
らかである。上述の製造プロセスは、特に幾つかの動的
な反応体を用いる場合はグラフ表示、等式を同時に幾つ
か用いること若しくはアトリクス法を用いて行うことが
できる。

上述のプロセスは、大きな困難性を伴うことなく経済的
に容易に行なわれ得る。

ガスの流量のみをダイナミック要素として用いる最も簡
単な場合には、一定流量についての厚さのプロフィルを
幾つかの流量について調べ、そして一様性についての所
望の結果を得るようにこれらを時間に関して重ね合わせ
て重みづけする。ガスの流量を変えそして反応成分を変
えて他の実験を行つた所良好な歩留まりを示した。

例えば、上述の酸化物及び窒化物の附着の外に、低温砒
素ドープド酸化物を附着することができ、又多結晶面シ
リコンを適切な被処理片上に成長させることができた。
本発明により、一様な厚さの層を附着すること及び生産
高が最大とされることの外に、例えばエッチング速度、
屈折率等が好ましい値になることがわかつた。

今日行なわれている標準的なプロセスに比べて本発明は
プロセスの歩留まりを約２倍に高め、そして生産高をも
約２倍に高めることができる。

前記の説明では台の温度はこの台全体に亘つてほぼ一様
であるようにされたが、これは必ずしも必要でないが、
本発明者等は、台の温度はその表面全体に亘つて一定と
されそして比較的正確に制御されねばならないことを見
い出した。

【図面の簡単な説明】

第１図は反応室を示す図、第２図は従来技法による附着
速度曲線を示す図、第３図は本発明により達成される附
着速度曲線を示す図てある。 １１・・・・・・反応管、１２・・・・・・ヒータ、１
３・・・ノ台、１４・・・・・・被処理片、１５・・・
・・・入口、１６・・出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 反応ガスをキャリア・ガスにのせて加熱反応管内へ
   導入して被処理片上に附着層を形成する気相附着方法に
   おいて、単一の反応室を形成する上記加熱反応管内の長
   さ方向に沿つて複数個の被処理片を一度に収納し、上記
   キャリア・ガスを上記加熱反応管の一端から導入し該管
   の長さ方向に沿つて他端へと送り、上記被処理片に対す
   る上記導入された反応ガスの附着速度が、最初温度上昇
   により増加した後附着の進行に伴なう反応ガス成分の減
   少により次第に減少することによつて生じる附着速度分
   布のピークの発生位置を、上記加熱反応管の長さ方向に
   沿つて逐次移動させるように、上記キャリア・ガス中に
   おける反応ガスの濃度及び上記キャリア・ガスの流量の
   少なくとも一方を逐次変えることを特徴とする気相附着
   方法。