WO2001071784A1

WO2001071784A1 - Procede de fabrication de semi-conducteurs et appareil de fabrication

Info

Publication number: WO2001071784A1
Application number: PCT/JP2000/001648
Authority: WO
Inventors: Tomoji Watanabe; Akiko Kagatsume; Tadanori Yoshida
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-27
Also published as: KR20020063189A; US6403479B1; KR100507753B1

Description

明細書

半導体製造方法及び製造装置技術分野

本発明は、半導体の製造方法及び製造装置に関し、特に、段差被覆特性（ステツプカバレージ）が良く、力つ成膜速度が速い CVD膜を形成する半導体の製造方法及ぴ製造装置に関する。背景技術

半導体集積回路の製造には、減圧熱 CVDによりウェハ上に薄膜を形成する成膜プロセスが用いられている。この成膜プロセスにおいては、ウェハ上に均一な厚さ、均一な特性の薄膜を堆積することが求められている。また、ァスぺクト比（深さ/開口）の大きなホール、ビア、トレンチ等の段差部を埋め込むために、高ステップカバレージが必要とされている。ステップ力バレ一ジが悪く段差部の堆積膜中に空隙が形成されると、半導体集積回路の信頼性低下や不良につながるからである。

従来、減圧熱 CVDプロセスには、一度に数十〜百数十枚のウェハを処理するバッチ式 CVD装置が良く用いられてきた。バッチ式 CVD装置は元々スループットが高いので多少成膜速度が遅くても良く（数 nm/分程度）、数十〜数百 Pa の比較的低圧で成膜を行うことによって、膜厚均一性の向上や高ステップカバレージ化を図ることができた。

一方、近年ウェハを一枚ずつ処理する枚葉 CVD装置が徐々に増えつつある。ウェハの大口径化が進み、膜厚均一性に対する要求が厳しくなるにつれて、バッチ式 CVD装置においてウェハ面内だけでなくウェハ間の膜厚均一性を確保することが困難になってきた。また、バッチ式は一回の処理時間が長いことから少量多品種の短 TAT (Turn Around Time) 生産には適しておらず、それが前述の傾向にさらに拍車をかけている。

枚葉 CVD装置としては熱源にハロゲンランプを使用したランプ加熱型装置が良く知られており、その構造は特開平 6— 326078 号公報、特開平 10— 144619号公報、特開平 6— 293595号公報などに開示されている。これらのランプ加熱型装置では、過度の温度上昇によるランプの耐久性低下を避けるために空気を吹き付けてランプを冷却する必要があり、減圧された処理室内にランプを設置することはできない。代わりに、処理室外にランプを設置し、処理室の一部に設けた透過窓を通してランプ光をウェハや（ウェハを載せる）サセプタに照射する構造になっている。

他の枚葉 CVD装置として、ヒータを組み込んだステージにウェハを載せて加熱する装置が知られており、その構造は特開平 9—45624号公報に開示されている。ステージは熱伝導率の高い材料からなる厚さ数 cmのサセプ夕の下に、複数ゾーンに分割した板状ヒータを取付けた構造となっており、さらに、ウェハ載置面に絶縁された一対の電極を備え、その上に絶縁膜を設けて静電チャックを構成している。このサセプタ上にウェハを吸着しながら、シャワープレート中心のサセプタと略同一直径の円形領域にガス噴出孔を設け、そこからガスを供給し成膜を行う。消費されるガス量と供給されるガス量をバランスさせることにより、ウェハ面内の膜厚均一性が向上すると述べている。

ところで、枚葉 CVD装置のスループットをバッチ式と同等にするには数十〜百数十纖/分の成膜速度が必要であり、バッチ式に比べて成膜温度や圧力を上げて成膜せざるを得ない。そのため、枚葉 CVD装置にはステップ力バレージが悪いという問題があった。特開平 10—74703号公報に、高い全圧（20 〜300Torr=2666〜39990Pa) 、高いシリコン含有ガス分圧（4〜40Torr=533. 2 〜5332Pa) 、低い温度（550〜620°C) を利用してステップカバレージを向上させる方法が開示されている。発明の開示

本発明は従来技術における次のような問題を解決することを目的としている

まず、特開平 6— 326078号公報、特開平 10— 144619号公報、特開平 6— 293595号公報などに開示されているランプ加熱型装置では、加熱源であるランプと被加熱物であるウェハゃサセプタをあまり接近させられないので、ゥェハゃサセプタへの加熱量が適切な分布になるように調整することが難しかった。例えば、放熱が多い周辺部で加熱量を増やそうとしても、その影響が中心部にまで及んでしまうといった問題である。このため、ウェハ温度を均一にすることが困難であった。 '

また、特開平 9一 45624号公報に開示されたヒータ加熱型装置では、明細書の中にも述べられているように、ウェハ温度を均一にするために、放熱の多い周辺部でサセプタ（公報の中では載置合と呼んでいる。）の温度を上げて、ウェハへの伝熱量を増やす必要がある。し力し、熱伝導率が高く、数 _cm もの厚さがあるサセプタの周辺部温度だけを上げることは困難であり、サセプタ内部の熱伝導により中心部温度も必要以上に上がってしまう。また、サセプタの熱容量が大きいため、ヒータ発熱量を増やしてもサセプタ表面の温度はなかなか上がらず、ウェハへの伝熱量を応答性良く変化させることが困難であった。このため、サセプタ上に設置したウェハを短時間で所定温度に到達させることが難しくなり、ウェハを連続して処理する際に徐々にサセプタ温度が変化するといつた問題があった。また、ウェハを静電吸着するサセプタ表面に膜力 ^?堆積する点にゥいて考慮されていなかった。特に、リンをドープしたシリコン膜のように導電性の膜力 ^?、サセプタ上面に双極型静電チャックの極性力 ^?異なる電極を覆うように堆積した場合には、堆積膜内で電荷が移動しゥェハを吸着することができなくなるという問題があつた。

また、特開平 10— 74703号公報に開示された情報に基づき、我々が数値シミュレーシヨンによって検討した結果、前記の範囲で成膜条件を調整するだけではステップカバレージの向上に限界があり、我々が必要としている成膜速度で所望のステツプカバレージを得られないことがわかった。

第 2 3図は、モノシラン（SiH₄) とホスフィン（PH₃) と水素 (H₂)を導入してシリコン膜を形成する場合の、成膜速度とステップ力バレジ（ホール内部の膜厚/平坦部の膜厚 X 100%) の関係をシミュレーシヨンした結果である。ホールのァスぺクト比は 2 とした。実線は全圧 13320Pa、モノシラン分圧 600Paの場合、点線は全圧 21310Pa、モノシラン分圧 lOOOPaの場合、一点鎖線は全圧 42620Pa、モノシラン分圧 2000Paの場合である。また、〇はウェハ温度 580°C、△はウェハ温度 600°C、□はウェハ温度 620°Cで成膜した場合である。同一の成膜速度で比較すれば、モノシラン分圧を 600Paから 1000Pa、 2000Paへと高くし、ウェハ温度を 620°Cから 600°C、 580°C へと低くすることでステップカバレージは向上する。し力、し、：同一の温度で比較すればモノシラン分圧が高くなるにつれてステップカバレージは低下していくこと、成膜速度が高くなるにつれてステップカバレージ上限が低下することが明らかになり、我々が必要とする 30nm〜100nm/minの成膜速度では 90%以上のステツプカバレージは得られないという結果になった。

このようにステップカバレージを低下させる原因は、原料ガスの気相反応により生成される活性なガス、すなわちゥェハへの付着確率が原料ガスより高い中間体である。モノシランの場合は、気相反応により中間体のシリレン

(Si¾) が生成されるが、モノシランの付着確率は、 600°Cで 10— ⁵から 10 ⁷ なのに対し、シリレンの付着確率は温度に関係なく略 1. 0と非常に高い。このように、付着確率の高い中間体は、「日本機会学会編、原子 ·分子の流れ、 192〜198ページ、 1996年」にあるように、ホールの開口部近傍に厚く堆積し、ホール内部にはあまり堆積しないので、ステップカバレージが低下するのである。第 2 4図は、ホール内への成膜を模式的に示したもので、シリコン酸化膜で作られたホール内にシリコン膜が形成される様子を示している。実際には、モノシランによる成膜とシリレンによる成膜は同時に進んでいる力、ここではわかりやすいように、モノシランが表面に付着して堆積した膜厚と、中間体のシリレン力 s付着して堆積した膜厚を分けて示している。第 2 4図（a)は、気相中のシリレンが少ない場合で、原料ガスのモノシランによる成膜が多く、中間体のシリレンによる成膜が少ないため、ステップ力バレ —ジが良い。しかし、シリレンが多く存在する（b)の場合には、原料ガスのモノシランによる成膜が少なく、中間体のシリレンによる成膜が多いため、開口部付近の膜厚が厚く、内部の膜厚が薄くなつてステツプカバレージが低下するのである。したがって、ステップカバレージを向上させるためには、このような中間体の生成量を減らさなければならない。中間体はガスの温度が高い程、ガスが高温になる領域が広い程、また圧力が高い程生成され易いが、その生成量は圧力より温度の影響をより強く受ける。そのため、特開平 10— 74703号公報に示されているように、ウェハ温度を下げれば、圧力を上げてもステップカバレージの向上が可能なのである。し力し、この方法で達成できるステップカバレージには限界あり、我々の要求を満たさないことは、先に述べた。

特に近年、埋め込むべきホールやトレンチのァスぺクト比がより高くなり、リン等の不純物を高濃度（>l X 10^2Gatoms/cm³) にドープすることが要求されるようになり、より速い成膜速度が必要とされるようになつている。それにつれて、ステップカバレージの限界がますます大きな問題となってきた。このような状況から、高ァスぺクト比、高不純物濃.度でも、成膜速度が速く、ステップカバレージに優れた CVD膜を、均一に、再現性良く製造する方法及ぴ製造装置が望まれていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の第 1の目的はステツプカバレージ、成膜速度、ウェハ面内の成膜速度の均一性（成膜時のゥェハ面内温度の均一性）、ウェハ毎の成膜再現性（温度再現性）を改善させた半導体製造方法を提供することにある。

また、第 2の目的は、このような半導体製造方法を実現するのに好適な半導体製造装置を提供することにある。

上記目的は、ガスが高温に加熱される気相領域を狭くして中間体の生成量を抑制し、所望の成膜速度が得られる適切な圧力で成膜する'ことにより達成される。

例えば上 S目的は、成膜工程において、圧力が 1000〜50000Paに保たれた処理室内に配設されたサセプタにウェハを置き、前記サセプ夕の温度を 500°C以上とし、前記ウェハの上方 1〜20腿から前記処理室内にシリコン含有ガス分圧が 200〜5000Paである原料ガスを流量 500〜50000sccmで供給することにより達成される。

また、原料ガス供給量を前記ウェハの膜を堆積させる面積で流量を除算した値が 0. 7〜80sccm/cm²となるようにしても良い。上記によれば、シャワープレートから多量の原料ガスがウェハに吹き付けるように供給されるため、気相中の高温領域を狭くし、中間体の生成を抑制してステップカバレージを向上させることができる。また、成膜中の圧力を調整することにより必要な成膜速度を得ることができる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の第一実施例に好適に用いられる CVD装置の処理室断面図である。

第 2図は、本発明の第一実施例に好適に用いられる CVD装置の処理室断面図である。

第 3図は、シャワープレート温度が、ガスの温度分布に与える影響を示すグラフである。

第 4図は、シャワープレートとウェハの間隔が、ガスの温度分布に与える影響を示すグラフである。

第 5図は、ガス流量、ガス供給方向がガスの温度分布に与える影響を模式的に示す図である。

第 6図は、ウェハに垂直にガスを吹き付けた場合のガスの温度分布を示すグラフである。

第 7図は、シャワープレートからガス吹き出す領域の大きさと高温領域の関係示す図である。

第 8図は、 S i H₄の熱コンダクタンスを示すグラフである。

第 9図は、本発明の第二実施例に好適に用いられる加熱ステージの断面図であ O

第 1 0図は、サセプタ上にウェハを静電吸着する様子を示す模式図である。第 1 1図は、本発明の第二実施例に好適に用いられるサセプタ表面の形状を示す図である。

第 1 2図は、本発明の第二実施例に好適に用いられるサセプタの断面図（第 1 4図の A— A，断面）である

第 1 3図は、本発明の第二実施例に好適に用いられるサセプタの断面図（第 1 4図の B_B，断面）である

第 1 4図は、本発明の第二実施例に好適に用いられるサセプタ内に設けた電極の形状を示す図である。

第 1 5図は、本発明の第二実施例において、サセプタ上に静電吸着したゥェハの温度変化を示すグラフである。

第 1 6図は、第 1 5図の計算において、ウェハへの熱の出入りを示す計算モデル図である。

第 1 7図は、 Heの熱コンダクタンスを示すグラフである。

第 1 8図は、 N₂の熱コンダクタンスを示すグラフである。

第 1 9図は、本発明の第三実施例に好適に用いられるサセプタの形状を示す図である。

第 2 0図は、本発明の第三実施例に好適に用いられるサセプタの形状を示す図である。

第 2 1図は本発明の第三実施例に好適に用いられるサセプタの形状を示す図である。

第 2 2図は、本発明の第三実施例に好適に用いられるサセプ夕の形状を示す図である。

第 2 3図は、従来の成膜方法における成膜速度とステップ力バレ一ジの関係を示すグラフである。

第 2 4図は、ステップカバレージに与える中間体の影響の説明図である。発明を実施するための最良の形態

第 1図は、本発明の第一実施例に好適に用いられる CVD装置の処理室断面を示す図である。処理室 2内には、上下に移動可能な加熱ステージ 3を備え、上部にはガスを導入するためのガス供給部 4を取りつけてある。また、側面には排気口 51 ならびにウェハ 1の搬入出口 52を設けてある。搬入出口 52 の外側にはゲートバルブ 55 を取付け、処理室 2を大気から隔絶している。排気口 51には、図示しない圧力調整バルブ、真空ポンプが接続されており、処理室 2内を 1000〜50000Paの圧力に調整できるようにしてある。加熱ステージ 3は、上から円板状のサセプタ 31、円板状のヒータ 32、円板状ならびに円筒状の反射板 33、円筒状の側壁 34、円板状の底板 35から構成されており、加熱ステージ 3内部に連通するように底板 35の中心に中空の軸 36を取り付けてある。

サセプタ 31は数〜~ h mm程度の厚さの耐熱性セラミックからなり、処理室 2 内に流すガスの種類によっては表面を保護するためにコーティングを施す。コーティングはサセプタ 31 の放射率を変えるために行っても良い。その際には、ウェハ 1が載る部分と載らない部分で放射率が異なる値になるようにする必要がある。通常は、ウェハ 1を載せない周辺表側の放射率を下げ、放熱量を少なくすることにより、サセプタ 1周辺の温度を中心より高くする。ヒータ 32は、サセプタ 31にほぼ平行で 1〜30謹の間隔を保って、サセプ夕 31の下側に設置する。ヒータ 32は厚さ数 mm程度で、複数ゾーン（本実施例では中心部 32aと周辺部 32bの 2ゾーン）に分割してあり、サセプタ 31に取り付けた熱電対 56a、 56b の温度が所定の値になるように、各ゾーン毎に独立して発熱量を制御することができる。ヒータ 32a、 32bからサセプタ 31 へは、放射とガスの伝導によって熱が伝えられる。ヒータ 32とサセプタ 31 の間隔を狭くするほど、また、加熱ステージ 3内の圧力を高くするほど、ガスの伝導による伝熱量が多くなり、効率良い加熱ができる。ただし、ヒ一夕 32 とサセプタ 31の間隔を狭くしすぎると、間隔が少し変動しただけで伝熱量が大きく変化するので、少なくとも間隔は ΙΐΜ以上にする方が良い。一方、ヒータ 32 とサセプタ 31の間隔を広くしすぎると、サセプタ 31周囲の温度を上げるために周辺ヒータ 32bの発熱量を増やしても、放射によりサセプタ 31の中心にも熱が伝わってしまい、適切な温度分布が得られない。ヒタ 32 とサセプタ 31の間隔は最大でも 30腿程度が良い。

軸 36の下部は処理室 2の底に設けた開口 56から処理室 2の外に突出しており、その下端にフランジ 54を取り付けてある。フランジ 54と処理室 2の底は伸縮性のベローズ 53で接続し、処理室 2内を大気と隔絶している。フランジ 54 は図示しない移動機構に固定してあり、加熱ステージ 3 を上下に移動させることができる。加熱ステージ 3の内部には軸 36 を通して不活性ガスを導入し、処理室 2より少し高い圧力に保持することによって、処理室 2に導入した原料ガスが加熱ステージ 3の内部に入り込まないようにしている。また、軸 36と開口 56の隙間からも処理室 2内に不活性ガスを導入し、特に処理室 2の下半分の壁面に不要な膜が堆積しないようにしている。

ガス供給部 4は、シャワープレート 41、分散板 42、導入口 43からなり、導入口 43から 500〜50000sccm (standard cubic cent imeter per minuteの略、標準状態で測定した 1分当たりの体積流量）の原料ガスを導入し、分散板 42、シャワープレート 41を介してウェハ 1にガスを供給する。シャワープレート 41 はウェハ 1 の膜形成面に対してほぼ平行になるように配置されている。

本実施例では、分散板 42がー枚の例を示したが、流量、圧力よつては分散板 42力 ^?複数必要な場合もあるし、逆に不要な場合もある。分散板 42や、シャワープレート 41の中心部には、多数のガス噴出孔 421、 411を設けてある。シャワープレート 41はウェハ 1ゃサセプタ 31から熱を受けて温度が上がるため、図示しない冷却機構により冷却してある。あるいは、シャワープレート 41 を熱伝導率の高い材料製にし、同時に肉厚を厚くしてシャワープレート 41 自体の伝導を利用して周囲に放熱する。その場合には、材料の熱伝導率とシャワープレート 41の厚さを乗じた値が 1W/K以上、さらに好ましくは 5W/K以上になるような材料と厚さを選択する。また、シャワープレート 41 から処理室 2の上壁面への熱コンダクタンスを大きくするため、図示しないポルトなどでシャワープレート 41 と処理室 2の上壁面をしつかりと固定する。このような方法で、シャワ^ "プレート 41 の温度が必要以上に上がらないようにしている（例えば、 200°C以下）。

次に、ウェハ 1の処理手順について説明する。まず、ウェハ 1を処理室 2. 内に導入する前に、加熱ステージ 3を第 1図に示す成膜位置に置き、予めヒータ 32a、 32bを発熱させてサセプタ 31 (熱伝対 57a、 57b) が所定の温度になるように加熱しておく。同時に、処理室 2内の圧力が成膜時とほぼ同一になるように、導入口 43から N₂などの不活性ガスを導入し、分散板 42とシャワープレート 41 を介して処理室 2内に供給する。次に、加熱ステージ 3を第 2図の位置まで下げる。この状態で、図示しない搬送治具に載せたウェハ 1を搬入出口 52から処理室 2内へ搬入し、図示しない移載機構によってゥェハ 1を加熱ステージ 3の上に移す。次に、加熱ステージ 3を成膜位置まで上昇させ、その位置でサセプタ 31上に載ったウェハ 1 を高温に保持したサセプタ 31 により加熱する。ウェハ 1力³、所定の温度（リンをドーピングしたシリコン膜の場合は 550°C〜650 °C) になるまで待機した後、不活性ガスに代わって、原料ガス（リンをドーピングしたシリコン膜の場合は Si¾、 P¾、 H₂) を、上部の導入口 43から合計で 500〜50000sccm導入し、分散板 42 とシャワープレート 41 を介してウェハ 1 に対して吹き付けるように供給する。なお、このガス流量は直径 300mmのウェハを成膜する場合に好適な値であり、ウェハの直径が異なる場合は、ウェハ面積に応じて単位面積当たり 0, 7sccm/cm²から 80sccm/cm² (流量をウェハ面積で割った値）を目安に流量を変える。シャワープレート 41 を出たガスは、ウェハ 1 に吹き付けられて方向を変え、ウェハ 1 とほぼ平行に流れた後、処理室 2の側面に設けた排気口から排気される。図示しない圧力調整バルブにより、処理室 2内の圧力（全圧）を 1000〜50000Paで所定の値になるように調整し、シリコン含有ガス（例えば Si ) の分圧が 200〜5000Paとなるよう流量を調整する。所望の厚さの膜が堆積すると、原料ガスの導入をやめ、再びシャワープレート 41 から不活性ガスを供給する。処理室 2内力 ^?不活性ガスに置換された後、搬入と反対の手順でウェハ 1 を搬出入口 52から運び出す。ウェハ 1への成膜終了後には、毎回あるいは適当な周期でエッチング性のガスを供給して、処理室 2の壁面、特にサセプタ 31の表面に堆積した不要な膜を除去する。

次に、このような方法で成膜を行うことにより、高ステップカバレージと高成膜速度を両立することが可能になる理由を図を用いて説明する。

第 3図に、シャワープレート 41の温度 T_sを変えた場合の、ウェハ 1 とシャワープレート 41 間のガスの温度分布を示した。このグラフは、シャワープレート 41 とウェハ 1間に流れが無く、単にガスの伝導のみでウェハ 1からシャワープレート 41 に熱が伝わると仮定した場合の温度分布である。ゥェハ 1からシャワープレート 41 に向かってガスの温度は直線的に下がっている。シャワープレート 41の温度が高い場合（T_s =T₂) に比べ、シャワープレート 41の温度力 ^?低い場合（T_s =7 ) には、高温領域が狭くなり中間体が生成されにくくることがわかる。なお、ここで 7 は、この温度以下であれば気相反応が起こらない（あるいはほとんど無視できる）温度である。

第 4図に、ウェハ 1 とシャワープレ^ "ト 41の間隔を変えたときの、ウェハ 1 とシャワープレート 41間のガスの温度分布を示した。ここでも、ウェハ 1 とシャワープレート 41 間に流れはなく、単ガスの伝導のみで熱が伝わると仮定している。図から、ウェハ 1 とシャワープレート 41の間隔がと広い場合に比べ、狭い場合（には高温領域が狭くなり中間体が生成されにくくなることがわかる。

以上説明したように、高温領域を狭くして気相反応を抑制するには、シャワープレート 41 とウェハ 1 間のガスの温度勾配を所定の値以上にする必要がある。ウェハ 1の温度 I とシャワープレート 41の温度の差を Δ Τ、両者の間隔を Gとすれば、ガスの温度勾配は ΔΤ/Gで与えられるが、この値 ΔΤ/G をおおよそ 20°C /画以上にすれば、気相反応によって生成された中間体による力バレ一ジ低下を問題にならない範囲に抑えることができる。一方、ガス温度勾配 Δ T/Gを 500°C/腿以上にするためには、シャワープレート 41を室温より冷却するとか、ウェハ 1とシャワープレート 41の間隔を 1腿以下にしなければならない。ウェハ 1 とシャワープレート 41 の間隔を 1誦以下した場合の問題点は先に説明した。また、シャワープレート 41 を室温以下に冷却するには、大掛かりな冷却機構が必要になり構造が複雑になるという欠点がある。これより、 Δ T/Gを 20°C/腿以上、 500°C /腿以下にすることが望ましい。

第 5図に、ガス流量と導入方向を変えた場合の、ウェハ 1上に形成される高温領域の様子を示す。（a)はシャワープレート 41から大流量のガスを供給した場合、（b)はシャワープレート 41から少流量のガスを供給した場合、（c) はウェハ 1 の横方向から（a)と同じ大流量のガスを供給した場合を示している。それぞれのウェハ 1とシャワープレート 41の温度は同一とした。（c)のゥェハ 1横方向からガスを供給する場合には、ガスを導入したゥェハ左端から徐々に高温領域 81 が広がつていく。（b)の場合は、シャワープレート 41 から供給しているガス流量が少なく、ウェハ 1に向かう垂直方向の流速が小さいため、（c)と同程度の広い高温領域 81力 ^s形成される。それに対し、本発明を模擬した（a)では、シャワープレート 41から多量のガスを供給するため、ウェハ 1 に向かう垂直方向のガス流速が速ぐ > 高温領域 81力 s発達せずに狭くなり、中間体の生成が抑制される。（a)の場合のウェハ 1 とシャワープレート 41 間の温度分布を第 6図に示す。第 3図に示すガス流れが無い場合に比べ、多量のガスを流すことにより高温領域を狭くすることができることがわ力、る。

また、ウェハ 1の中心付近に供給されたガスは、ウェハ 1上で暖められながら周辺へ流れていくため、高温領域がウェハ面内で均一であつたとしても、中間体の量は周辺へいくに従い増加しやすい。しかし、（a)のようにガスの流量が多いと、ウェハに沿った水平方向の流速も増加するため、中心付近に供給されたガスがウェハ 1の端より外に流れ出すのに必要な時間が短くなり、周辺での中間体の量が減り、ウェハ 1面内でのカバレジや成膜速度の均一性が向上する効果もある。また、ドーピングガスである PH₃も、気相分解により生じた PH などの中間体力 ^s堆積する膜に取り込まれるという反応であることがわかっており、モノシランと同様のメカニズムによりウェハ 1面内の均一性が向上し、シート抵抗の均一性も向上する。

第 7図に、シャワープレート 41のガス噴出孔 411を設ける領域の大きさと、気相中に形成される高温領域の大きさの関係を示す。（a) 、 (b) 、 (c) はガス噴出孔 411が設けられた領域が、ウェハ 1の直径より大きい場合、.ゥェハ 1の直径より小さい場合、ウェハ 1の直径と略同一の場合で、いずれも同じ流量を流している。（a) はガス噴出孔 411 を設けた領域がウェハ 1 より大きいため、（b) や（C) に比べてガスの垂直方向の流速力 ^s遅くなり、ゥェハ 1上の高温領域 81が広くなる。このようなシャワープレート 41で高温領域を狭くしょうとすると、さらにガス流量を増やさなければならず、無駄が多くなる。（b) では、ガス噴出孔 411 を設けた領域がウェハ 1 より小さく、ガスの垂直方向の流速が速いため、ガス噴出孔 411を設けた領域では高温領域は狭いが、その後、ガスがウェハ 1に沿って水平方向に流れながら高温領域 81が広がっていく。（c) では、ウェハ 1全体を覆い、ウェハ 1と略同一直径の円形領域にガス噴出？し 411を設けているため、ウェハ 1上でのガスの垂直方向と水平方向の流速は（a) より大きい。垂直方向の流速が大きいため、ウェハ 1全面にわたって高温領域 81力 ^s狭くなり、中間体の生成量が減る。このように、シャワープレート 41 中心のウェハと略同一直径の円形領域にのみガス噴出孔 411を設ければ、ガスの無駄なくウェハ 1上の高温領域を狭くでき、中間体の生成を抑制することができる。なお、（c) では、ガスを吹き出す領域のどの位置でも単位面積当たりのガス流量が略同じになっている例を示したが、これに分布をつけてもよい。前述したように高温領域の厚さがウェハ 1上で均一であったとしても、周辺へいくに従い中間体が多くなりやすい。これを防ぐために、シャワープレート 41 の周辺ほど、単位面積あたりのガス流量を増やして、垂直方向のガス流速を速くし、周辺ほど高温領域を薄くすれば、中間体の量がウェハ 1面上で均一になる。

このように、（1) シャワープレート 41を 200°C以下の温度に保ち（2) シャワープレ一ト 41とウェハ 1の間隔を 1〜20譲と狭くし、（3) 500〜50000sccm (ウェハ面積で除算した値では 0. 7〜80sccm/cm²) と多量のガスをシャワープレート 41から導入し、（4) シャワープレートの中心付近でウェハと略同一直径の円形領域にのみガス噴出孔 411を設けること、により気相の高温領域を狭くでき、中間体の生成を抑制し、ステップカバレージを飛躍的に向上させることができる。

これに対して、中間体の分布をウェハ 1面内でより均一にすることができ、力バレジゃ成膜速度およびシート抵抗のウェハ 1面内均一性を向上させることができる。

—方、中間体の生成を抑制するために気相中の高温領域（すなわち温度境界層）を狭くするということは、ウェハ 1がガスに熱を奪われ、冷え易くなることを意味している。また、ウェハ 1だけでなく、サセプタ 31のウェハ 1 に覆われていない周辺部も同様である。このため、サセプタ 31 周辺部は温度が低下し易くなり、ウェハ 1の温度均一性を確保することが難しくなる。なお、サセプタ 31 の周辺部になんらかのカバーを設けても、程度の差はあるものの冷え易くなることは同じである。この問題に対し、本実施例では、複数ゾーンに分割した板状ヒータ 32a、 32bをサセプタ 31に近接させることにより、周辺部だけ加熱量を増やすことが可能であり、ウェハ 1の温度均一性悪化を最小限に止めることができる。また、その際にサセプタ 31 力 ^s数〜十 mmと薄いため、サセプタ 31内の熱伝導により中心部の温度が不必要に高くなることを防止できる。

このように、高温領域を狭くすることができれば、圧力を高くしても生成される中間体の増加量は少なく、ステツプカバレ一ジはほとんど低下しない。一方、成 S莫速度はシリコン含有ガス分圧に比例するので、ステップカバレージを維持したまま成膜速度を上げることができる。例えば、原料ガスとして SiH₄、 P¾、 ¾を用いてリンをドーピングしたシリコン膜を堆積させる場合には、成膜速度 100nm/min以下では、 97〜99%という非常に高いのステップカバレージが得られる。

次に、本発明の第二の実施例を説明する。これは、成膜速度を向上させるために圧力を高くした場合、サセプタ 31からウェハ 1への伝熱過程においてガスの熱伝導が支配的となりウェハ 1の反り力？大きくなるためウェハ 1の温度均一性が悪化するという問題を解決することを目的としたものである。この問題についてもう少し詳細に説明する。サセプタ 31からウェハ 1へは放射とガスの伝導によって熱が伝えられる。サセプタ 31からウェハ 1への放射熱流束は平行平面間の放射伝熱の式から求めることができ、放射熱コンダクタンス Crは以下のように表わすことができる。

Cr= _ff (V+ T. + T i+ T,³) / (1 / + l / e ₂- l)

ステファン ' ボルツマン定数 =5. 67 X 10^_8

Ί 面 1 (サセプタ 31) の温度

Τ₂ 面 2 (ウェハ 1) の温度

ε , 面 1 (サセプタ 31) の放射率

ε ₂ 面 2 (ウェハ 1) の放射率

ここで、 7 1000Κ、 Γ₂=900Κ、 _{ε ι}=0. 9、 ε ₂=0. 7の条件で放射熱コンダクタンスを求めると、 Cr=126. 6 (W/m¾) となる。一方、分子流〜粘性流における平行平面間のガス熱伝導の式より、ガス熱コンダクタンス Cgは以下のように表すことができる。

Cg= a A λ Ρ/ ( λ + a A h Ρ)

Λ = ( γ + 1) / 2 ( γ - 1) (R /2 MT) °· ⁵

α ガスの適応係数

Λ ガスの自由分子熱伝導率（W/m² K Pa) A ガスの熱伝導率（W/mK)

h サセプ夕 31とウェハ 1の間隔（m) P 圧力（Pa)

7 比熱比

R ガス定数（J/kmol K) '

M ガスの分子量（g/mo l)

T ガスの温度（K)

第 8図は、な =1 と仮定して SiH₄の熱コンダクタンスを計算した結果を示すグラフで、横軸はウェハ 1 とサセプタ 31の間隔縦軸は熱コンダクタンス Cgである (特に表面を清浄ィヒ処理しない面ではび =0. 3〜0. 8程度の値をとる。.したがって、この計算はを大きく見積もっている。）。グラフに示すように、 lOOPa程度の圧力では間隔 hが変化しても熱コンダクタンスはほぼ一定であり、その値も（¾=200〜300 (W/m²K) と放射熱コンダクタンス Crと同程度であるから、 ώがウェハ 1面内で均一でないとしても、伝熱量がウェハ 1面内で大幅に変わることはない。し力し、 lOOOPa以上になると間隔 Aによって熱コンダクタンスが大きく変ィ匕し、 Λ=10〜200 mでは (¾=400 〜5000 (W/m¾) の値をとる。通常、ウェハ 1は種々の膜が形成されているため、反り（数十〜百 // m) を無くすことは難しい。したがって、ウェハ 1 面内の位置によって間隔が異なることによって、サセプタ 31からウェハ 1 への伝熱量が変化し、温度が不均一になる。また、ウェハ 1毎に反り量が常に同じであるとは限らないので平均温度も変化する。

この問題を解決するには、サセプタ 31 とウェハ 1の間の熱コンダクタンスをウェハ 1面内で均一に、かつウェハ 1毎に同一にすることカ^?必要である, そのために第二の実施例では、第 9図に示すように（加熱ステージ 3のみを示す）セラミックなどの板状誘電体をもってサセプタ 31 とし、サセプタ 31 内に複数の電極 38a、電極 38bを埋め込んである。電極 38aおよぴ電極 38b はサセプタ 31を構成する誘電体によって電気的に絶縁した！犬態にあり、各々電圧印加のための配線 39a、 39bが接続してある。このサセプタ 31上にゥェノヽ 1を設置し、電極 38aと電極 38bの間に所定の電圧を印可すると、第 1 0 図に示すように電荷がチャージされ、静電気力によりサセプタ 31 の上面にウェハ 1 を吸着することができる。このように、ウェハ 1 をサセプタ 31 に吸着すれば、反ったウェハ 1であっても、ウェハ 1 とサセプタ 31の間隔 A を強制的に均一にすることができる。そのため、サセプタ 31 からウェハ 1 への伝熱量をウェハ 1面内で均一にし、かつウェハ 1毎に同一にすることができ、ウェハ 1の温度均一性ならぴに温度再現性が向上する。さらに、ゥェハ 1 とサセプタ 31の間に He、 N₂、 Arなどの不活性ガスを処理室より少し高いの圧力になるように供給することにより、ウェハ 1の裏面に不要な膜が堆積するのを防止することができる。その際に、第 1 1図に示すように、サセプタ 31上面には放射^のガス溝 311 と、それらを周方向に接続したガス溝 312 を設ける。第 1 2図、第 1 3図は、各々第 1 1図の A— A'断面、 B— B'断面を示す図である。不活性ガスは図示しない配管、さらにサセプタ 31 の中心に設けたガス導入孔 310を通してウェハ 1 とサセプタ 31の間の空間に導入され、各ガス溝 311、 312を通って、最後はウェハ 1とサセプタ 31の隙間から処理室 2内に流れ出す。ガス溝 311、 312以外の部分 313では、ウェハ 1 とサセプタ 31がサセプタ 31の面粗さ程度の隙間（10 m程度）を保って対面し、その間を不活性ガスが流れている。また、最も外側の周方向ガス溝の外側 314も、ウェハ 1 とサセプタ 31がサセプタ 31の面粗さ程度の隙間（10 程度）を保って対面し、処理室 2に漏れる不活性ガス量を低減するためのシールの役割を果たしている。これにより、不活性ガスの圧力をウェハ 1 面内で均一にすることができ、 5000Pa以下の比較的低い圧力の場合に生ずる熱コンダクタンスの不均一を低減することができる。第 1 4図はサセプタ 31 を上から見た時の電極 38a、 38bの形犬を示す図であり、電極 38a、 38bはリング形状をしており、お互いの面積がほぼ同一になるように構成してある。ウェハ 1 とサセプタ 31の間に不活性ガスを流しているが、反応室 2内の原料ガス力 ^s全くウェハ 1裏面ゃサセプタ 31表面に堆積しないわけではない。特に、ウェハ 1端に近いサセプタ 31表面には、少量ではあるが膜が堆積する。しかし、電極 38a、 38b をリング状にしてあるため、膜は外側電極 38b の端付近に堆積するだけである。このため、堆積膜が導電性を持っていたとしても、膜内で電荷の移動は起こらず、ウェハ 1 をサセプタ 31 に吸着する静電気力はほとんど低下しない。

第 1 5図は、サセプタ 31上に静電吸着したウェハ 1の温度変化を示す図で、ウェハ 1への熱の出入りを第 1 6図のようにモデル化して一次元計算により求めた結果である。計算条件として、サセプタ 31からウェハ 1への熱コンダクタンスを Cg=500 (W/m¾) 、ウェハ 1から原料ガスへの熱コンダクタンスを 80 (W/m¾) と仮定し、サセプタ 31 の温度は一定に保たれるものとした。この結果から、ウェハ 1はサセプタ 31に吸着されてから約 15秒と非常に短時間で温度が定常に達することがわかる（サセプタ 31 の温度を一定と仮定しているため、実際にはもう少し時間がかかる。）。第 1 7図に示すように、ウェハ 1とサセプタ 31の間に供給するガスを Heにすればガス自体の熱伝導率が高いため、 ]=100 mでも Cg=500 ( /m²K) の条件は十分得られる。これに対して N₂を用いるのであれば、第 1 8図に示すように熱伝導率が低い分 Λ を狭くする必要がある（例えば Α= 10〜50 _Λ ΰΐ) 。し力し、 Ν₂ は安価であるため、製造コストを抑えることができる。また、加熱ステージ 3内部とウェハ 1とサセプタ 31の間の空間を連通させるだけで、加熱ステージ 3内部に供給した Ν₂がウェハ 1 とサセプタ 31の間に供給されるため、ガス系を簡略ィヒすることができる。 Ar を使った場合にも、 Ν₂と同様の効果が得られる。

次にサセプタの構造について説明する。第 1 9図はサセプタ 31の一例である。この特徴は、サセプタ 31 を半径方向に分割した点にある。ウェハ 1の温度を均一にするためには、放熱の多い周辺部でサセプタ 31 の温度を上げて、ウェハ 1への伝熱量を増やしてやる必要がある。し力し、一体型のサセプタ 31で周辺部の温度を上げると、サセプタ 31内部の熱伝導により、中心部の温度も必要以上に上がってしまうという問題があった。これを防止するために、サセプタ 31を複数に分割することにより、サセプタ 31内部の熱伝導を低減し、サセプタ 31 中心部の不要な温度上昇を抑制する。ここで、複数に分割したサセプタ 31a、 31bは、保持リング 71によって支持する。各々のサセプタ 31a、 31bの厚さは 10 _Λ πι程度のばらつきで一致するように加工してある。これにより、ウェハ 1 を搭載する上面を平らにし、サセプタ 31 とウェハ 1 との間隔を均一にすることができるので、ガスの熱コンダクタンスも均一にすることができる。あるいは、分割したサセプタ 31 の上下方向の位置を個別に微調整する手段（図示しない）を設けても良い。

第 2 0図、第 2 1図は、分割したサセプタ 31a、 31bの異なる保持方法を示した図である。第 2 0図では外側サセプタ 31bを加熱ステージ 3に固定し、その上に内側サセプ夕 31aを勘合させるように載せる例を示した。第 2 1図は、これと反対に内側サセプタ 31aを加熱ステージ 3に固定し、外側サセプタ 31b を勘合させるように載せる例を示した。ここで、サセプタ 31a、 32b の隙間からは、加熱ステージ 3内に供給したパージガスが、処理室 2に流れ出している。

さらに複数に分割したサセプタ 31a、 31bを上下に動く構造として、ウェハ 1の搬送に利用しても良い。第 1 9図ならびに 20に示すサセプタ 31の場合には、第 2図に示す位置に加熱ステージ 3が下降した際に、内側サセプタ 31a 力 s外側サセプタ _31bより上方に突出するようにする。その上で、処理室 2内に搬入したウェハ 1を内側ウェハ 31aの上に載せ、図示しない搬送冶具が退避した後、加熱ステージ 3をウェハ 1 とシャワープレート 41の間隔が 1〜 20腿となる成膜位置（第 1図参照）まで上昇させる。その後、内側サセプタ 31aとタ M則サセプタ 31bの上面は平らにした状態で、電極 38a、 38bに電圧を印可してウェハ 1 をサセプタ 31a、 31bに吸着させ、ウェハ 1が所定の温度に到達した後に膜を堆積する。

第 2 2図は、他のサセプタ分割方法を示す図である。この例では、電極 38a、 38bを内蔵するサセプタ 31a、 31bの外側に、さらに電極を内蔵しないサセプ夕 31cを設け、電極 38bを内蔵した外側サセプタ 31bを、ウェハ 1の直径より数腿程度小さくし、サセプタ 31cがウェハ 1の裏面に直接接触しない（数十〜数百/ mの隙間を設ける。 ) ようにしたことにある。また、前述の実施例と同様に、これらのサセプタ 31a、 31b、 31cの隙間からは、加熱ステージ 3内に供給したパ一ジガスが、処理室 2に流れ出している。このような構造にすれば、ウェハ 1 を吸着するサセプタ 31a、 31bの表面に膜が堆積されなレ。したがって、ウェハ 1 をサセプタ 31上に載せる時に、膜とウェハ 1が擦れて微細なパーティクルが発生することを防止できる。また、であるから、外側サセプタ 31bの表面に不純物をドーピングしたシリコン膜は導電性の膜が形成されるとウェハ 1を静電吸着する力が弱くなるが、このようなサセプタ構造であれば、その問題を回避できる。

以上の実施例では、原料ガスとして主に SiH₄、 P¾、 ¾を用いた例を示したが、原科ガスはこれに限るものではなレ、。他のシリコン含有ガスとして、 Si₂H₆ を用いる場合には特に有効である。また、塩素を含んだ SiCl₂¾、SiCl₃H、SiCl₄ 等のガスにおいても、付着確率の高い SiCl₂などが生成される反応では有効である。また、 ¾の代わりに N₂を導入してもよい。ドーピングガスとしては、 PH₃以外のリンを含んだガスや、ポロン、砒素を含んだガスでもよいし、ド一ビングガスは導入しなくともよい。さらに、シリコン含有ガスと共に、 NH₃ や N0₂、 ¾0等のガスを導入してシリコン窒化膜やシリコン酸ィヒ膜を形成する場合にも応用できる。特に S i あるいは S i ₂ と N0₂を用いてシリコン酸化膜を堆積する場合に有効である。この場合は、温度や圧力は変わるが、冷却したシャワープレート 41 をウェハ 1 に近づけ、シャワープレートの中心付近でゥェハと略同一直径の円形領域に設けたガス噴出孔 411から多量のガスを吹き付ける構成とすることにより、ステップカバレージに優れ、成膜速度の速い成膜が可能となる。一般に、気相中で、原料ガスよりもウェハへの付着確率の大きい中間体が生成される反応系に適用すれば効果があがる。

最後に、本発明に関する公知例について少し説明を加えておく。特許第 2751015号公報では、ウェハに近接对向するよう設置され、冷却されたシャワープレートからモノシランとオゾンを含む酸素ガスを供給して、ウェハ上に均一な膜を堆積させる方法を開示している。ウェハに近接対向したシャヮ一プレートからガスを導入する点は本発明と同じである力本発明とは原料ガスが違い反応メカニズムが異なること、原料ガスを多量にウェハ 1に吹き付けて高温領域を狭くすると同時に、比較的高圧で成膜することにより、高成膜速度、高ステップカバレージ、成膜速度の均一性、再現性を得るという、本発明の目的には触れられてない。したがって、上記の高成膜速度、高ステップカバレージ、成膜速度の均一性、再現性を同時に満足する結果が得られないことは明らかである。

本発明によれば、ステップ力バレ—ジに優れ、かつ成膜速度が速い CVD膜を形成することができる。さらに、ウェハの面内で:の成膜速度均一性ゃシート抵抗均一性など膜質均一性にすぐれ、かつウェハ毎に再現性良く CVD膜を形成することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 圧力が 1000〜50000Paに保たれた処理室内に配設されたサセプタにゥェハを置き、前記サセプタの温度を 500°C以上とし、前記ウェハの上方 1〜20腿から前記処理室内にシリコン含有ガス分圧が 200〜5000Paである原料ガスを流量 500〜50000sccmで供給する工程を有する半導体の製造方法。

2 . 圧力が 1000〜50000Paに保たれた処理室内に配設されたサセプタにゥェハを置き、前記サセプタの温度を 500°C以上とし、前記ウェハの上方 1〜20腿から前記処理室内にシリコン含有ガス分圧が 200〜5000Paである原料ガスを前記処理室内に前記ウェハの膜を堆積させる面積で流量を除算した値が 0. 7 〜80sccm/cm²となるように供給する工程を有する半導体の製造方法。

3 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記原料ガスは、前記ウェハの上方 1〜20腿に配設されたシャワープレートから供給される半導体の製造方法。

4 . 請求項 3に記載の半導体の製造方法において、前記シャワープレートの温度が 2 0 0 °C以下である半導体の製造方法。

5 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記原料ガスは前記ウェハの円形領域に対応する位置から供給される半導体の製造方法。

6 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記原料ガスには前記シリコン含有ガスの他に、 PH₃、 B₂¾、 N0₂、 ¾0、皿 3からなる群から選ばれるガスが含まれている半導体の製造方法。

7 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記原料ガスには前記シリコン含有ガスの他に、窒素および/または水素が含まれている半導体の製造方法。

8 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記サセプタ内に複数の電極を設け、前記サセプタ上に前記ウェハを置いた後で、前記複数の電極間に電圧を印可し、前記ウェハを静電気力によって前記サセプ夕に吸着した状態で前記原料ガスを供給する半導体の製造方法。

9 . 請求項 1または 2に記載の半導体の製造方法において、前記ウェハを複数に分割したサセプタによって保持し、複数ゾーンに分割され、各々独立に発熱量を制御する板) 1犬ヒータによつて前記サセプタを介して前記ウェハを加熱しながら前記原料ガスを供給する半導体の製造方法。

1 0 . 処理室と、

前記処理室内の圧力を 1000〜50000Paに保っための圧力制御手段と、ウェハを載せるサセプ夕と、

前記サセプタの下方に前記サセプタと 1〜 30腿の間隔を保つて設置した板状ヒータと、

前記ウェハと 1〜20醒の間隔を保って設置された、複数のガス噴出孔を備えたシャワープレートと、

前記シャワープレートの前記ガス噴出孔から前記処理室内に流量 500〜 50000sccmの原料ガスを供給し、前記原料ガスに含まれるシリコン含有ガスの分圧が 200〜5000Paとなるように前記シリコン含有ガスの流量を制御する流量制御手段と

を備えたことを特徴とする半導体製造装置。

1 1 . 処理室と、

前記サセプタの下方に前記サセプタと l〜30mmの間隔を保って設置した板: 1犬ヒータと、

前記ウェハと l〜20mmの間隔を保って設置された、複数のガス噴出孔を備えたシャワープレートと、

前記シャワープレートの前記ガス噴出孔から前記処理室内に、前記ウェハの膜を堆積させる面積で流量を除算した値が 0. 7〜80sccm/cm²となるように原料ガスを供給し、さらに前記原科ガスに含まれるシリコン含有ガスの分圧が 200〜5000Pa となるように前記シリコン含有ガスの流量を制御する流量制御手段と

を備えたことを特徴とする半導体製造装置。

1 1 . 請求項 1 0または 1 1に記載の半導体製造装置において、前記シャヮ一プレートには、前記ウェハの円形領域に対応する位置に前記原料ガスを供給するための孔が形成されている半導体製造装置。

1 2 . 請求項 1 0または 1 1に記載の半導体製造装置において、前記サセプタ内に複数の電極を備え、前記複数の電極間に電圧を印可するための電源を備えた半導体製造装置。

1 3 . 請求項 1 0または 1 1に記載の半導体製造装置において、前記サセプ夕が複数に分割され、前記板状ヒータも複数に分割され、各々独立に発熱量を制御するための制御手段を備えた半導体製造装置。