JPS62239537A - 薄膜形成装置 - Google Patents

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〕 本発明は、半導体集積回路の製造に用いられる薄膜形成
装置に係り、とくに配線工程における段差部での断線を
低減させるのに有効な燐硅酸ガラスなどのドープドＳｉ
○２や、あるいはドープドＰｏ１ｙ　−Ｓ　ｉなど不純
物を含有する薄膜を均一に形成させるのに好適な薄膜形
成装置に関する。

〔従来技術〕

近年、半導体ＬＳＩの集積度の向上に伴って、Ｓｉチッ
プ上に形成される半導体デバイスの構造は著しく複雑に
なってきている。例えば、半導体ＬＳＩにおいて、集積
度向上の先導役を担ってきたメモリーＬＳＩにおいては
、微細加工のレベルを示す最小加工寸法が０．８　　μ
ｍ程度になってきている。しかし平面的加工寸法が微細
になる一方でメモリーセルの記憶容量は、従来と同等の
値を持つことがＬＳＩの設計上、欠くことができない要
求となっている。通常、メモリーセルは基本的に絶縁膜
を導体でサンドイッチしたキャパシタ構造から成ってい
るため、その容量は周知のようにキャパシタの面積で決
定される。従って一定のメモリー容量を確保するために
は、その面積を縮少することができない、集積度を向上
させる中でキャパシタの面積を一定に保つためには、従
来のように平面的キャパシタでは集積度向上の障害とな
って限界があり、平面的に割り当てられる面積は小さく
とも実効的なキャパシタ容量を確保する工夫が必要であ
る。その具体的方法として、Ｓｉ基板に溝を形成してそ
の側壁をキャパシタとして利用するか、Ｓｉ基板の表面
より上方にキャパシタを多層に積み上げるか、いずれに
しても平面的構造から立体的構造に移行せざるを得ない
。しかしこのように立体的構造にした場合、ＬＳＩの製
造プロセス上大きな問題が生じてくる。それは、Ｓｉ基
板表面に生じる段差が著しく大きくなることである。こ
のような段差は、多結晶Ｓｉの加工時に段差部でエッチ
残りが生じ配線間の短絡の原因になること、あるいは、
同時にＡＱ配線の断線や短絡の原因となって製造歩留り
を著しく低下させる。特に後者のＡＩ２配線の問題は、
その工程が幾多の工程を経てＳｉ基板表面に段差が形成
された後に位置しており、深刻である。従来のＬＳＩに
おいてもＡＱ配線の断線、短絡の問題は常につきまとっ
ていたが、設計レイアウトルールがゆるかったことから
加工条件の量的化などによって回避することが可能であ
った。しかし、最小加工寸法０．８　　μｍという段階
では、もはや従来から用いている要素技術の量的化だけ
では対処できなくなってきた。このような状況に対処す
るためには、ＡＱ配線の下地となる絶縁膜の表面を、絶
縁膜の下地凹凸の如何に係らず平坦にしておくことが必
要である。従来技術では、、／Ｍｌ配線の下地絶縁膜と
して燐硅酸ガラス（Ｐ　Ｓ　Ｇ）が一般に用いられてき
たが、段差被覆性が悪いため、しばしばＡＱ配線の新線
、短絡の問題を生じていた。これを改善するため、リン
濃度の高いＰＳＧを被着したのち、高温処理を行ってリ
フローさせる方法が検討されたが、リフローさせるため
の熱処理に、１０５０〜１１００℃程度の高温を必要と
し、既にＳｉ基板内に導入されている不純物の再分布を
防止できないため超ＬＳＩの製造プロセスでは用いられ
なくなってきた。これに代る方法として、ＰＳＧを被着
堆積した後、Ｓ　ＯＧ　（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ
　）を回転塗布法によって形成し段差を緩和する方法が
試みられ、実際に多くの製品にも用いられてきた。しか
し、この方法も段差の緩和という点では、わずかな効果
しかなく、前述の最小加工寸法、０．８μｍという超Ｌ
ＳＩには適用が困難となってきた。

このような状況にあって最近、Ｂ−Ｐ　Ｓ　Ｇ　（Ｂｏ
ｒｏ。

Ｐｈｏｓｐｈｏ、　５ｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ）の
比較的、低温（〜８５０℃）でのりフローが注目される
ようになってきた。Ｂ−ＰＳＧは、４３０℃程度の温度
で、ベースガスとして５ｉＨａ（モノシラン）と０２゜
不純物用ソースガスとしてＢ２Ｈ６（ジボラン）とＰＨ
ｓ　　（ホスフィン）を同時に導入することによって容
易に得ることができる。この膜を被着堆積後、８５０℃
程度の温度で熱処理することにより、堆積直後では著し
く悪い段差被覆性を格段に改善できるのみならず、下地
凹凸に係らず表面をしばしば平坦にできるという特長を
持っていることが明らかになってきた。しかし、この膜
を超ＬＳＩに適用する上でも、まだ問題が残っている。

それは、４３０℃程度で被着形成した直後は段差被覆性
が悪いため、第６図（ａ）に示したように凹部１の開口
部分で膜２が接着してしまい凹部の内部に空洞３が生じ
る。この状態で高温処理を行っても、表面は平坦にでき
るが内部の空洞３は消滅しないで残存する。この空洞は
後の工程で再び著しい段差を生じる原因となる。この空
洞を生じさせ温で膜を堆積させれば良い。しかし、高温
でＢ・ＰＳＧを形成する場合には形成装置上の問題が新
たに発生してくる。すなわち、従来のＰＳＧ形成装置で
は高温処理ができる構造になっていないか、高温処理が
できても、Ｂ　ｚ　Ｈｅ　ｖ　Ｐ　Ｈａなどの不純物ソ
ースガスを多数枚のウェーハに対して均一性良く供給す
る手段を備えておらず、形成される膜中に不純物を均一
にドーピングさせることができなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術において用いられた装置およびその問題点
について以下説明する。従来からＰＳＧ膜を形成するの
に最も一般的に用いられている装置として、たとえばペ
ルジャータイプのバッチ処理方式を採用した低温酸化膜
形成装置が提案されている。ウェーハはヒータにより加
熱され、自公転するサセプター上に載置する。主にＰＳ
Ｇ膜の形成を目的としている。この装置の特長は、メン
テナンスが容易で膜中のリン濃度を、ガス流量の設定だ
けで容易に変えることができることにある。

一方欠点は、処理能力が低いこと、温度を５００℃以上
にあげられる構造になっていない。従って本装置で形成
するＰＳＧ膜は段差被覆性が著しく悪いことにある。他
のひとつの低圧ＣＶＤ装置の例として拡散炉タイプの横
型ＣＶＤ装置も提案されている。本装置の特長は、電気
炉を用いたホットウォール方式で、１０００℃程度の高
温で堆積できることや、多数枚同時処理が可能であり、
Ｓｉ窒化膜や多結晶Ｓｉの気相成長用として、量産ライ
ンでも広く用いられている。本装置は、上記Ｓｉ窒化膜
や多結晶Ｓｉ膜の生成には非常に好適であるが、先に述
べたような不純物を含有する５ｉＯｚ膜の生成には適し
ていない、それは、横型反応管の奥行き方向において、
膜中不純物濃度の著しい分布を生じるからである。横型
反応管における奥行き方向の膜厚および不純物分布を改
善する方法の例が以下の特許に述べられている。特開昭
５９−１９１３２５号公報では、横型反応管の形を奥行
き方向に円型台状として、奥行方向に生じるガス圧力差
を解消し均一性を向上させる方法が述べられている。し
かし、直径が約２０ｃａ、長さが２ｍ程度の中空石英管
を円型台状に製造することは、技術的にかなり困難であ
る。反応管を加熱する周囲のヒータを含む電気炉の形状
までも変更せざるを得ない状況が予想され、装置を構成
すること自体、かなり困難であると予想される。またヒ
ータの間を通してガスを導入する方法も、反応管周囲に
位置する電気炉との兼ね合いで現実的でない。また、反
応のベースとなるガスと不純物ソースガスを各各独立し
て反応管内に導入する方法が、特開昭５９−１９３１６
号公報に述べられている。この中では通常のホットウォ
ールＣＶＤ装置を用い１反応管の入口から反応ベースガ
スを通常通り導入し、不純物ソースガスを入口と反応側
の口から挿入した複数の細口ノズルを有する。４本ない
し６本のノズル管から導入する構成の装置について述べ
られている。本方法は不純物ガスを均一に導入する方法
として有効であるが、反応生成物が付着していくノズル
管は定期的に、洗浄する必要があり、その際、機械的強
度が小さいため破壊しやすく取り扱いがめんどうである
。また通常、Ｓｉウェーハ挿入時に用いるソフトランデ
ィング機構の正常動作を困難にする恐れがあり、方式は
有効であるが、実現には困難が予想される。

〔問題点を解決するための手段〕

半導体製造装置は半導体生産方式の性格上、大量処理が
可能でメンテナンスが容易であることが第一条件として
要求される。気相成長装置としてこの条件を満たす装置
は拡散炉タイプの低圧ＣＶＤ装置である。このタイプの
装置はメンテナンスを容易にするため、反応ガスが導入
されウェーハ上に膜を堆積する事実上の反応管である内
管と、真空を維持するための外管とから成っている。こ
の方式の装置で不純物を含有する５ｉＯｚを膜厚および
不純物濃度を均一に被着堆積させるためには前述したよ
うに１反応管内にノズル管を導入して不純物ソースガス
を、処理すべきウェーハの近傍から供給する構造が有効
である。しかし、メンテナンスが、めんどうになること
や、通常ウェーハの出し入れに用いるソフトランディン
グ機構の障害となることなどの現実的問題がある。これ
を解決するためには、反応管自身にノズル管の機構を持
たせ、反応管内には、ガスの流れを乱し、物理的障害と
なるような物を設置しないようにすれば良い。その具体
的な方法は、石英管を３重管構造とすることである。す
なわち最外殻の反応管で真空を維持する機能を持たせ、
最内殻の反応管にはウェーハを設置して、実質的に膜を
形成する領域としての機能を持たせると同時に管壁に複
数の穴を形成し、中間に位置する反応管と最内殻反応管
の間に設けた空隙を通して流れる不純物ソースガスが、
その穴を通って最内並反応管内に均一に流入するように
すれば良い。

〔作用〕

３重管のうち最外殻に位置する第一の反応管は、その内
部を大気圧以下の圧力に維持するためには設れられ、反
応ガスとは実質的に接触しないため反応管内壁に反応生
成物が付着せず、清浄度を維持できメンテナンスを不要
とする。また、中間に位置する第２の反応管およびさら
にその内部に設置される第３の反応管の実質的支持管と
なる。中間に位置する第２の反応管はドーピングガスを
第３の反応管に導入するための実質的ガス流路を構成す
る役目をし、第３の反応管の支持管ともなる６最内殻に
位置する第３の反応管は実質的なガスの反応領域となり
その内部に設置されているウェーハ上に薄膜を形成する
役目をする。

〔実施例〕

実施例１ 第１図を用いて本発明の詳細な説明する。電気抵抗式拡
散炉１０に最外殻反応管１．中間に位置する反応管２．
および反応管中央付近に複数の穴を有する最内殻反応管
３をそれぞれ挿入した。

以下最外殻反応管１を外管１．中間に位置する反応管２
を中管２．最内殻反応管３を内管３と呼ぶことにする。

外管１端にはキャップ７を配置した。

またその他端にはキャップ１５を介してロータリーポン
プ１１が接続されている。キャップ７の囲りにはドーピ
ングガス導入管９が、また内管３端の側方には反応ガス
導入管８を各日独室して配置した。内管３の端には、内
管３内、外の圧力差を生じさせるため石英キャップ６を
配置した。以下Ｐ（リン）を含んだ多結晶−８ｉ膜を形
成する場合を例にとって全体の動作を説明する。まずソ
フトランディング上のウェーハボート４にウェーハ５を
載置する。次にキャップ７、石英キャップ６を取り外し
ソフトランディングによりウェーハボート４を内管３の
中央へ挿入、載置する。このとき反応管内はヒータ１０
により６３０℃程度に加熱されている。石英キャップ６
を内管３に、キャップ７を外管１に装着した後ロータリ
ーポンプ１１により反応管内を０．４　　Ｐａ　（３Ｘ
１０−δＴｏｒｒ）程度に減圧する。その後ガス導入管
８から反応ガスとしてＳｉＨ４（モノシラン）を、また
ガス導入管９からソースガスとしてＰＨ５（フォスフイ
ン）を導入し反応管内圧力をＰａ　（０，８Ｔｏｒｒ）
程度に維持する。以上の温度、圧力下でウェーハ５にＰ
（リン）を含んだ多結晶Ｓｉ膜を形成する。

実施例２ 次に実施例１で述べた本発明による装置を用いてＢ−ｐ
ｓａ膜を形成する実施域を第３図、第４図、および第５
図、第６図を用いて説明する。Ｂ・ＰＳＧ膜を形成する
際のガス導入法を第２図に示した。第２図は、第１図の
Ａ−Ａ’で示した断面図である。ガス導入管８を通して
反応ガスとしてＳｉＨ４ガスを１２ｃｃ／ｗｉｎ　、　
ＮｚＯガスを５００ｃｃ／ｍｉｎ　、それぞれ内管３内
へ導入した。

同時にキャップ７を囲んで設置されているドーピングガ
ス導入管９よりＢ２Ｈ８ガスを３　ｃｃ　／　ｍｊ、ｎ
　。

ＰＨａガスを３ｃｃ／ｆｆｌ１ｎ供給した。このときド
ーピングガスであるＢ　ｚ　Ｈｓガス、ＰＨａガスは中
管２と内管３との間を通り、ウェーハ５近傍で内管３に
設けた穴を通してウェーハ５に達する。第３図はドーピ
ングガスがウェーハ５に達する様子を示したもので、第
１図のＢ−Ｂ’で示した部分の断面図である。ウェーハ
５の四方からドーピングガスが導入されるためウェーハ
５内の不純物濃度のばらつきは極めて小さくなる。また
、ウェーハボート４上に直径１００ｎｎφのＳｉウェー
ハ５を５０枚設置し、Ｂ−ＰＳＧ膜を形成して、代表的
な位置のウェーハ５上の膜厚を測定してみた。第４図に
その結果を示した。内管３の奥行き方向にも極めて分布
が少ないことがわかった。さらに不純物濃度分布を調べ
るため、希釈フッ酸を用いてエツチング速度を調べてみ
た。その結果を第５図に示した。第４図に対応する位置
でエツチング速度の分布も小さく、不純物が均一性良く
膜中に導入されていることがわかった。さらに、Ｂ−Ｐ
ＳＧの流動性を確認するため４３０℃で反応ガスをＳｉ
Ｈ４とＯｚにした場合と、８５０℃で反応ガスをＳｉＨ
４とＮｚＯにした場合について、段差被覆性を調べてみ
た。ドーピングガスは前記条件と同じにした。結果を第
６図に示した。前者ではＳｉ基板２０表面に形成されて
いる凹部２１の中央に空洞２３が形成されており、この
場合のＢ・ＰＳＧ２２の段差被覆性は悪い（ａ）、一方
、後者の高温で形成した場合は、凹部内に空洞は見られ
ず段差被覆性は極めて良好であった（ｂ）。以上説明し
たようにウェーハボート４の長さ８０ａｍにわたって膜
厚のばらつき、および不純物濃度分布を小さく抑えるこ
とが可能であり、ＬＰＧＶＤに要求されろ多枚数同時処
理という条件を十分に満たしていることがわかった。な
お、本実施例ではドーピングガスにＰＨａとＢｆｌＨ６
を用いたが、ＡｓＨｓ　　（アルシン）、ＧｅＨ＋（ゲ
ルマン）など他のドーピングガスでも同様の効果が得ら
九る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、設置されているウェーハの近傍からド
ーピングガスを均一に反応管内に導入できるので、反応
管の奥行き方向にも均一な膜厚で且つ不純物濃度の均一
な薄膜を形成できる効果がある。また、従来４３０℃程
度の低温でしか形成できなかった０ＰＳＧ等のドープド
５ｉｆｔ膜を高温で形成できるため、膜形成を行いつつ
流動性を持たせて表面の平坦化を実現することができる
ので微細な幅の凹部であっても空洞を生じることなく充
填することができる。従って、形成後に熱処理を施して
リフローさせる必要がなく、またその上に形成されるＡ
Ｉ２配線等のｒＩＩｒｍを防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図のＡ−Ａ’断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ’面にお
けるガスの流れを示す断面図、第４図、第５図および第
６図はそれぞれ本発明の詳細な説明するための図。 １・・・最外殻反応管、２・・・中間反応管、３・・・
最外殻反応管、８・・・反応ガス導入管、９・・・ドー
ピングガ第　４　目 第５困 炉手豹　　　　　　　　中央　　　　　　　　　　炉製
反九箋内つニーへチャーシイ【量 早　６　目 （ｔ７） ２２・−３・ビ５Ｇ ｚ３・・・空洞

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応管と反応管を加熱する電気炉から成る本体と、
   反応管内にウェーハを立てた治具を挿入するためのソフ
   トランデイングと、反応管に導入するガスを制御するた
   めのガス制御系と、反応管内を大気圧以下の圧力に維持
   するための排気系とから成る拡散炉型低圧薄膜形成装置
   において、反応管を３重管構造としたことを特徴とする
   薄膜形成装置。 ２、上記３重管は大気圧以下の圧力を維持するための最
   外殻に位置する第１の反応管と、第１の反応管の内部に
   位置する第２の反応管と、第２の反応管内に位置しウェ
   ーハ上に薄膜を形成する実質的な反応領域となる第３の
   反応管から成り、第３の反応管の管壁に反応ガスの通過
   を許容する複数の穴が設けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成装置。 ３、上記第２の反応管と第３の反応管との間にはドーピ
   ングガスの実質的通路となる空間を設け、反応ガスは第
   ３の反応管の端部入口から直接導入し、ドーピングガス
   は第２の反応管と第３の反応管の間に導入し、間の空間
   を通つて第３の反応管に設けられた穴を通して第３の反
   応管内に導入するように、ガスの導入部を分離したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載
   の薄膜形成装置。