JPS6326369A - Ｃｖｄ法 - 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〕 この発明は、基板が表面の一部に絶縁薄膜を形成し、表
面のその他部分に絶縁薄膜を形成していないとき、表面
の絶縁薄膜を形成していない部分に金属薄膜を形成する
ＣＶＤ法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のＣＶＤ装置のガス７０一方式では、例えば第１０
図（Ａ）〜０に示されるように単管（１）、多孔管（３
）又は多孔板（４）を通して単一方向から、反応ガス又
はキャリヤガスで希釈した反応ガスが真空槽、もしくは
反応炉内に導入されている。なお、第１０図において、
（２）は排気口、（５）はウェハー支持台及び（６）は
ウェハー（基板）を表わしている。

第１０図において、（Ａ）では加熱基板（６）の鉛直上
方から単管（１）を通してガスを吹きつけでいる。（［
３）では単管（１）から反応ガスを送り込んで流出側で
の低い堆積速度を補償する為、傾斜した支持台（５）が
用いられている。（ｑでは浮力の影響が無視できる程度
の減圧状態（（ｔｏＴｏｒｒ）では０力と本質的に同じ
ガス７０一方式である。■では直接、反応ガスに基板（
６）を曝さず、熱対流による再循環流を利用している。

■では縦型拡散炉方式で各基板（６）の隙間に反応ガス
を吹き込んでいる。（ト）では最も一般的な拡散炉方式
で、（Ｄｉの場合と同じく基板表面は直接、反応ガス流
と接触しない。そして（ｑではプラズマＣＶＤで良く用
いられる方法で多孔板（４）を通して反応ガスを基板（
６）に吹きつけている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しなから以上の従来のいづれの方式でも、以下のよう
な欠点がある。

すなわち、第１１図において、（７）は８＋基板で、そ
の上に絶縁薄膜としてＳｉｎ、膜（８）が形成され、こ
れを形成していない部位、すなわちコンタクトホール（
８ａ）には金属薄膜（９）（例えばＷ）が形成されてい
る。然しなから、金属薄膜（９）を構成する金属Ｗを含
む靜、ガスと還元性ガスＨ１を導入しながら薄膜成長さ
せる過程において、８１基板（７）と絶縁薄膜Ｘｌｌ／
この間隙に侵入して成長するエンクａ−チメント（ｅｎ
ｃｒｏａｃｈｍｅｎｔ）現象が不可避であった。第１１
図においてαＱは金属元素侵入部位（エンクａ−チメン
ト）を表わす。また甚しくはＳｉ基板（７）に空洞Ｑ刀
を生じる事があった。

以上の従来方式では乱流又は自然対流が基板（６）の近
傍で生じているが、これが上述のエンクロー圧力と反応
ガス流量と云う二つの内部パラメータのみであシ、乱流
発生の抑止、自然対流の抑止等のだめに外部的にコント
ロールする事は不可能である。従ってエンクローチメン
トや空洞の成長を抑えて広い圧力、流量領域で再現性、
制御性、均一性に優れた金属成膜を行えない問題点があ
る。

また従来のいづれの方式でも、反応成分は炉内全域に拡
散するので、炉壁、覗き窓等への反応成分の付着は不可
避である。これによりダストの発生、薄膜内への不純物
の混入などの問題点もある。

エンクローチメント現象や空洞形成を抑止する手段とし
て低温、低濃度成長が考えられるが、その成長速度は数
１０　Ａ／ｍ　ｉ　ｎに過ぎず（Ｂｒｏａｄｋｅｎｔ　
ｅｔ、ｅｌＪ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏｃ　１３
１、ｆ４２）（１９８４）　；　ＢｌｅｗｅｈＶＭＩＣ
（１９８５）　）　、例えば、深さ大１μｍのコンタク
トホールを埋めるのに２時間近くも要するといった問題
があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされ、成長温度、反応ガス
濃度などの内部パラメータとは独立したパラメータによ
り上述のエンクローチメントや空洞の成長を抑止し得る
ＣＶＤ法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するだめの手段〕

上記目的は、少なくとも金属元素を含んだガスを減圧下
の反応槽内の基板の表面にほゞ平行にシート状の流れで
導入し、かつ前記基板の表面に対絶縁薄膜を形成してい
る前記基板の絶縁薄膜を形成していない部分に、前記金
属元素をもった第１の金属薄膜を形成したのち、前記金
属元素を含んだガスと還元性ガスとを前記反応槽内の前
記基板の表面にほゞ平行にシート状の流れで導入し、か
つ前記基板の表面に対向するように不活性ガスのガス流
又は不活性ガスを主体とするガス流を導入しながら前記
第１の金属薄膜の表面に前記金属元素をもった第２の金
属薄膜を形成することを特徴とするＣＶＤ法によって達
成される。

〔作　用〕

金属元素を含んだガスと還元性ガスとのガス流を基板近
傍全域に於いて制御性の良い層流状態に保つ事ができる
。即ち不活性ガスのガス流又は不活性ガスを主体とする
ガス流は基板近傍で上記金属元素を含んだガスと還元性
ガスとのガス流の舞い上がυを力学的に押え込むと共に
これらガスの成分の乱流拡散を防止する。その結果、ｌ
）これらガスの流れが層流状態となり、エンクローチメ
ントや空洞の成長を抑えて制御性、再現性の良い成膜が
実現できる。

２）これらガスの成分が基板近傍のみに押さえ込まれる
為、炉壁、覗きＡ汚染を防止できるｘ′、′〔実施例〕 以下、本発明の方法が適用されるＣＶＤ装置について、
第１図〜第７図を参照して説明する。

第１図〜第５図は第１実施例を示すものであるが、真空
槽α０において一方の側壁部には上下に並設した反応ガ
ス噴出ノズル（ｈａ）（ｕｂ）　（それぞれＨｌ及びＷ
、用）が気密に取り付けられ、スリット状の開口を有す
る。外部導管（２４ａ）（２４ｂ）から導入される反応
ガスがこのスリット状の開口から真空槽α０の内空間α
［相］に噴出されるようになっている。また、真空槽α
Ｑの底壁部の端部に排気孔（６）が形成されている。

真空槽ＱＯ内でノズル（ｌｌａ）（ｌｌｂ）より下方に
位置して円形の基板支持台α力が配設されており、これ
はシール部材θ籾にょシ気密にシールされ、真空槽αＱ
の外部から突出する回転軸（ト）と一体的であり、これ
によシ矢印で示すように所定速度で回転させられるよう
になっている。基板支持台ａカはヒータ（ｌΦを内蔵し
、これによりこの上に載置せる基板ａ約を加熱するよう
になっている。

基板（財）の詳細は第４図に示されるようにＳｉ基板（
至）の上に絶縁薄膜Ｓｉｎ、（３０１が形成され、これ
を形成していない部分はコンタクトホールＣ３［：＆つ
ティる。

真空槽σＱ内において、基板支持台α力の上方にはこれ
と対向して不活性ガス噴出板曲が配設され、これは中空
部（２υを有し、こ＼にシール部材（２３）によシシー
ルされて真空槽顛の土壁部に取り付けられていも導管（
２２１から不活性ガス（例えばＡｒ　）が導入される。

不活性ガス噴出板α場の底壁部には小さな多数の孔（１
）が形成されており、こ＼から不活性ガスが下方へと噴
出されるようになっている。

ノズル（工ｔａ）（ｎｂ）　（反応ガスの噴出方向）は
基板支持台α力の基板（至）を載置させている上面にほ
ゞ平行に延びており、またそのスリット状開口も同上面
に平行に延びている。ノズル（４ｔａ）（４ｔｂ）　Ｖ
ｔお□□□モスリット状開口の長さｔに比べて、この開
口の巾ｄは充分に小さく、レイノルズ数が１０以上の流
速にてこ＼から反応ガスが噴出されるものとすく　８　
　） る。また基板支持台ａカの上面からノズル（ｌｌａ）（
ｌｌｂ）のレベル甘での距離は基板支持台ａカの上面か
ら不活性ガス噴出板四種での距離の約４０矢のところ（
であるものとする。なお、ノズル（ｌｌａ）（ｌｌｂ）
　（７）　巾ｄは非常に小さいが図では管張して示して
いる。才たノズ＃　（ｌｌａ）（ｆｌｉ））は１つにし
て、こ＼からＨ２とＷＦ、■混合ガスを噴出させるよう
にしてもよい。

本発明の実施例は以上のよって構成されるが、次にこの
作用につき説明する。

ノズル（Ｉｌａ）からは２次元ジェット状に反応ガス几
として還元ガスであるＨｌが真空槽α０内の空間（４）
に噴出される。またノズル（１，１ｂ　）からは反応ガ
ス几′とじて金属元素を含んだガスであるＷＦ、が同じ
く２次元ジェット状に噴出される。なお、空間σ坤は予
め真空状態にされているものとする。他方、上方の不活
性ガス噴出板曲からは不活性ガスＱとしてＭガスが下方
へと噴出される。反応ガスＲ１Ｒ′及び不活性ガスＱの
噴出流量は外部から制御可能であるが、例えば後者は前
者の３倍の流量とされる。基板支持台α力は所定速度で
回転し、かつヒ−タα■で加熱されている。

第３Ａ図に示されるように反応ガスＲ，１％’の流れは
基板（至）の近傍に限られ、しかも層流状態とされる。

これは不活性ガスＱの流れが反応ガスＲ１Ｒ′の流れを
上方から抑圧するためであると思われるが、このような
安定化作用はコンビーータによる数値シ、ミレージョン
並びに四塩化チタン法可視化実験によって確認されてい
る。なお、流れを全体として見れば、第３Ｃ図に示すよ
うに反応ガスＲ、Ｒ’の流れ（ハツチングしである）は
局限化された層流となっており、不活性ガスＱの流れが
この範囲を定めている。換言すれば、不活性ガスＱの流
量を制御することによシ、ハツチングの部分の形状、大
きさ、もしくは領域を制御することができる。

第３Ｂ図は上方からの不活性ガスＱの流れがない場合を
示すが、この場合には反応ガス几、Ｒ′の流れは図示す
るように拡散し、空間ｒの領域では乱流状態となる。こ
のような流れによって従来方式のように炉壁、のぞき窓
などが汚染されることになる。

然しなから、本実施例によれば、反応ガス凡の流れは第
３Ａ図又は第３Ｃ図に示すように安定化されるので、反
応成分は基板（至）の近傍のみに限定され、炉壁、のぞ
き窓などの汚染が防止される。

従って、基板（至）のコンタクトホール（３１１に形成
されるＷの膜質の向上とダストパーティクルの低減が可
能となる。

すなわち、第４図に示す基板（至）の表面の絶縁薄膜（
３０）の形成されていない部分６υ（コンタクトホール
）においては、初期において、次の（１）式で示される ｗＦ、＋３／２Ｓｉ→３／２ｓｉＦ、＋ｗ・・・・曲・
（１）のような化学反応が生じると考えられ、第１の金
属薄膜に相当するＷの金属薄膜（３２１が第５図に示す
ように形成される。しかし、上記（１）式で示される化
学反応は基板（至）の表面の絶縁薄膜■の形成されてい
ない部分ＣＩＤ　ＶＣＷの金属薄膜（１３ｚが形成され
ると自動的に停止し、Ｗの金属薄膜（３２は１０００λ
以下の膜厚にとどまることが知られている。

この後、Ｗの金属薄＠（３ｚの表面においてのみ、次の
（２）及び（３）式で示される。

３Ｈ２→　　６Ｈ・・・・曲・・・曲・・・・・・・曲
・（２）ＷＦ　＋　６Ｈ→６ＨＦ　＋　Ｗ・・・・曲・
・・・・・・（３）のような化学反応が生じると考えら
れ、Ｗが時間の経過とともに成長し、第２の金属薄膜に
相当するＷの金属薄膜（３〜が第１の金属薄膜に相当す
るＷの金属薄膜（３２の表面に第６図に示すように形成
されるのであるが、従来の第１１図に示すようなエンま
た反応ガスＥｌ、、Ｒ’の流れが層流とされるだめ制御
性、再現性にすぐれ、不活性ガスＱの流量制御により基
板（ト）のコンタクトホールに形成される金属膜厚分布
制御やエンクローチメントの深さ制御などが可能となっ
て（く＼る。

こ＼で本発明の効果の理論的根拠について簡単に述べる
。反応ガスの流れの状態がエンクローチメント現象に及
ぼす作用機序については末だ不明な点はあるが、以下の
ような作業仮説を立てる事が可能であろう。著しいエン
クローチメントは本来、金属薄膜によるシリコン（Ｓｉ
）面の被覆を以て自発的に停止する筈のシリコン還元反
応、すなわち 期以降も持続する現象である。

この時反応ガスは金属薄膜と絶縁膜側壁間の間隙、金属
薄膜結晶粒界間の微細な間隙を通過して供給されるもの
と考えられる。金属薄膜−シリコン界面に於てシリコン
還元が進行し続ける為には反応生成物（上記反応式では
ＳｉＦ、）が有効に空間に排出されなければならない。

基板表面近傍に乱流域が存在すると、乱流拡散によるボ
ンピング作用により、反応生成物は上記間隙を通して速
やかに拡散、排出される。しかし表面が全面層流で被グ
されている場合、反応生成物の排出は分子拡散に因る他
なく、これは上記間隙が充分狭隘であれば乱流拡散に対
して無視できる程に遅い過程である。以上の仮説によシ
基板表面近傍のガス流制御がエンクａ−テメント現象に
大きく関与する事実が理解されよう。

なお、本実施例において成長温度、全圧、反応ガス分圧
を同一条件とし不活性ガス流Ｑによるガス流Ｒ１柑の整
流を行った場合と行なわなかった場合につき比較実験を
実施した。この時反応性ガスとしては上述と同様に六弗
化タングステン（ｗｐ、）と水素Ｈ！、不活性ガスとし
てはアルゴンＭを用い、成長温度４００℃、全圧約０．
７　Ｔｏｒｒの条件下でタングステン（ト）膜をコンタ
クトホールに薄く堆積した場合の電子顕微鏡断面観察に
よれば、不活性ガス流Ｑを用いた場合の水平、垂直侵蝕
長、即ちエンクローチメントの大きさは不活性ガス流Ｑ
を用いなかった場合に比べて極めて小さい事が確認され
た。

又、広範囲による種々の条件下での成膜実験によシ上記
反応ガスの層流化作用によるエンクａ−テメント抑止効
果は、成長温度、圧力とは独立なパラメータとして作用
する事も確認された。

第７図は本発明の第２実施例を示すが、本実施例では装
置全体が第１実施例とは９０度、偏位した形態とされる
。なお、第１実施例と対応する部分には同一の符号を付
すものとする。

すなわち、第１実施例では基板支持台α力は水平状態に
おかれているが、本実施例では鉛直状態におかれる。こ
れに対応してノズル先端部（ｌｌａ）（ｌｌｂ）、不活
性ガス噴出板０９なども図示の如く鉛直状態に配設され
る。このような構成でも第１実施例と同様な作用を行な
い、同様な効果を奏することは明らかである。なお、基
板（至）が基板支持台（１？）から滑落しないための手
段は公知の手段を用いるものとする。

以上、本発明の各実施例について説明したが、勿論、本
発明はこれらに限定されることなく本発明の技術的思想
に基づいて種々の変形が回部である。

例えば以上の実施例では反応ガスＲ１化を噴出するノズ
ル（１１ａ）（１１ｂ）はスリット状開口を有するもの
であったが、第８図に示すように上述の実施例のような
偏平な中空管体ｔ４ｃｌの端壁に多数の小孔＋４１ｉを
形成させたものであってもよい。この場合には金属元素
を含んだガスと還元性ガスとの混合ガスが小孔（４υか
ら噴出される。あるいは、第９図に示すように偏平な中
空管体５０１の端壁に横方向に並ぶスリット５１１（５
２を形成させるようにしてもよい。

また以上の実施例では不活性ガス噴出板−にいわゆる多
孔板が用いられたが、これに代えて適当なアスペクト比
をもつストレイナー又はハネカム（ｈｏｎｅｙｃｏｍ、
ｂ）を用いてもよい。あるいはこれと多孔板とを併用す
るようにしてもよい。

また、以上の実施例では基板に対向するガスとして不活
性ガスを用いたが、これに代えて一部反応性ガスを含ん
でいるガスであってもよい。その場合、この反応性ガス
はダストパーティクルを発生させないガス種であること
が必要である。例えば、Ｈ，、Ｎ、、０．などが含まれ
ていてもよい。

なお上記実施例では、還元性ガスにＨｌ、金属元素を含
んだガスに瀞、をそれぞれ用いているが、これらに限定
されず還元性ガス及び金属元素を含んだガスはいかなる
ものであってもよく、例えば、金属元素を含んだガスは
ＭｏＦ、　、ＴａＦ　ＩｋＣｒＦ４　％　Ｔ　ｔ　Ｆ４
、ＴｉＣＬ、　、　ＭｏＣＬ、　、　ＷＣＬ、　、ＡＬ
ＣＬ、　　等であってもよい。

又、絶縁薄膜（３０１にＳｉｎ、を用いているが、これ
に限定されることなく、例えば、Ａｌ　、Ｏ，、ＢＳＧ
　、　ＰＳＧ、ＢＰ８Ｇ等の酸化物、若しくはＢＮ、Ｓ
ｉＮｘ等の窒化物又はＳｉＮｘＯｙ等の化合物であって
もよい。更に、第１の金属薄膜及び第２の金属薄膜に相
当するものとしてＷの金属薄膜を用いているが、これに
限定されることなく、第１の金属薄膜及び第２の金属薄
膜は、例えば、Ｍｏ　、Ｔａ　、Ｃｒ　、Ｔｉ　、　Ａ
ｌ　　等の金属、若しくはこれらの合金又はＷの合金で
あってもよい。基板（至）にＳｌを用いているが、Ｓ＋
の基板（至）の表面の一部に金属元素律表の第１１Ｔ属
又は第Ｖ属に属する金属元素をイオン注入で打込み、Ｓ
ｌの基板（至）の表面の絶縁薄膜田を形成していない部
分制には少なくとも８４元素かび出しているだけの基板
でもよい。又、基板（至）は最上層にＳｉの薄膜が形成
されていれば、いかなる構造・材質のものでもよく、例
えば、サファイヤの表面に８１の薄膜を形成したもので
あってもよい。更に、第１の金属薄膜に相当するＷの金
属薄膜が成長する場合、あらかじめ基板（至）の表面に
露出していたＳＩ元素がＷの金属薄膜中に拡散したもの
であってもよく、第１ノ金属薄膜に相当するＭｏ　、　
Ｔａ　、　Ｃｒ　、　Ｔｉ　、　Ａｌ　　等の金属、若
しくはこれらの合金又はＷの合金の金属薄膜が成長する
場合にも、あらかじめ基板（至）の表面に露出していた
Ｓ＋元素がＷの金属薄膜中に拡散したものであってもよ
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明のＣＶＤ法によれば、第１の金
属薄膜下の基板及び絶縁薄膜下の基板への金属元素の侵
蝕現象（エンクローチメント）や空洞の発生を成長温度
、圧力、反応ガス分圧などとは独立な外部から制御し得
るパラメータで抑制することができ、良品質の製品を効
率良く生産することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のガスフロ一方式を具体化するＣＶＤ装
置の第１実施例の断面図、第２図は第１図に於ける■−
■線方向断面図、第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は本実
施例の作用を説明するだめの第１図と同様の断面図、第
４図は本実施例に適用される基板の断面図、第５図、第
６図は順次、本実施例により金属薄膜を成長させた基板
の断面図、第７図は本発明の第２実施例のＣＶＤ装置の
第２図と同様な断面図、第８図、第９図は各変形例を示
す要部の正面図、第１０図は従来の各種のガス７０一方
式を示す概略図、第１１図は従来方式により金属薄膜を
成長させた基板の断面図である。 なお図において、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも金属元素を含んだガスを減圧下の反応
   槽内の基板の表面にほゞ平行にシート状の流れで導入し
   、かつ前記基板の表面に対向するように不活性ガスのガ
   ス流又は不活性ガスを主体とするガス流を導入しながら
   前記基板を加熱し表面の一部に絶縁薄膜を形成している
   前記基板の絶縁薄膜を形成していない部分に、前記金属
   元素をもつた第１の金属薄膜を形成したのち、前記金属
   元素を含んだガスと還元性ガスとを前記反応槽内の前記
   基板の表面にほゞ平行にシート状の流れで導入し、かつ
   前記基板の表面に対向するように不活性ガスのガス流又
   は不活性ガスを主体とするガス流を導入しながら前記第
   １の金属薄膜の表面に前記金属元素をもつた第２の金属
   薄膜を形成することを特徴とするＣＶＤ法。
2. （２）還元性ガスをＨ＿２、金属元素を含んだガスをＷ
   Ｆ＿６、ＭｏＦ＿６、ＴａＦ＿５、ＣｒＦ＿４、ＴｉＦ
   ＿４、ＴｉＣＬ＿４、ＭｏＣＬ＿５、ＷＣＬ＿６、ＡＬ
   ＣＬ＿３等の金属ハロゲン化物のいづれか１つ又はそれ
   らの２つ以上の組み合わせのガスにすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のＣＶＤ法。
3. （３）絶縁薄膜をＳｉＯ＿２、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＢＳＧ
   、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等の酸化物、若しくはＢＮ、ＳｉＮ
   ＿ｘ等の窒化物、又はＳｉＮ＿ｘＯ＿ｙ等の化合物のい
   づれか１つ又はそれらの２つ以上の組み合わせにするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   ＣＶＤ法。
4. （４）第２の金属薄膜をＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、
   Ａｌ等の金属のいづれか１つ又はこれらの合金にするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項までの
   いづれかの項に記載のＣＶＤ法。
5. （５）基板をＳｉにし、その基板の表面の絶縁薄膜を形
   成していない部分には少なくともＳｉ元素が露出してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項ま
   でのいづれかの項に記載のＣＶＤ法。
6. （６）基板は最上層にＳｉの薄膜が形成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項までのい
   づれかの項に記載のＣＶＤ法。