JP2004319819A - 化学的気相成長装置および化学的気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ面上に形成する薄膜の膜厚を均一にできる化学的気相成長装置およびそれを用いた気相成長方法を提供すること。
【解決手段】化学的気相成長装置は、一端（上部）が閉じている外部容器管５と、この外部容器管５内に設置される反応室９となる内部容器管４と、この内部容器管４に収納されるボートと称せられる支持治具２と、外部容器管５を収納し、支持治具２にセットされたウェハ１と略相似な形状の薄板３の上に積載されたウェハ１を加熱するヒータ６を有する電気炉７などから構成されている。略相似な形状の薄板３の上にウェハ１を積載することにより、均一な薄膜をウェハ１に成膜できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板の表面に薄膜を形成する化学的気相成長装置および化学的気相成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、半導体基板に多結晶シリコン膜、金属膜および絶縁膜など各種薄膜を積層して形成されるが、その成膜方法として化学的気相成長法が多用されている。
図５は、従来のバッチ式の化学的気相成長装置の要部構成図であり、同図（ａ）は全体図、同図（ｂ）はウェハをセットした支持治具（ボート）の斜視図である。
化学的気相成長装置（ＣＶＤ装置：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ装置）は、一端（上部）が閉じている外部容器管５と、この外部容器管５内に設置される、内部が反応室９となる内部容器管４と、この内部容器管４に収納されるボートと称せられる支持治具２と、外部容器管５を収納し、支持治具２にセットされたウェハ１（基板）を加熱するヒータ６を有する電気炉７などから構成されている。また、支持治具２は、支持台２４と、この支持台２４にウェハ１を矢印Ｈの方向からセットできるように配置された複数本の支柱２５とこれらの支柱２５を途中で支える支え板２６で構成される。
【０００３】
支持治具２にウェハ１を多数枚、狭間隔で列状に配置し、この支持治具２を内部容器管４内に挿入し、外部容器管５の開口部（下部）に蓋８をして、密封し、外部容器管５内を減圧雰囲気にして、反応性ガスとキャリアガスを、下部に設置されているガス流入口１０から内部容器管４（反応室）に導入し、上部に流れて来たこれらのガス流１２を内部容器管４の壁面と外部容器管５の壁面で挟まれた隙間を通して、ガス排気口１１から、図示しない真空ポンプで吸引して排気する。
図５においては、下方から上方にガス流１２が流れるので、下方が源流領域２１となり、上方が下流領域２３となり、中間が中流領域２２となる。
【０００４】
この成膜方法は、ナノメートルオーダーの薄膜を比較的低温で制御性よく成長させることができる、優れた方法である。例えば、ＭＯＳ型トランジスタのゲート電極の材料として適用される多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）は、炉内温度５５０℃、真空度１００Ｐａの雰囲気中に、モノシラン（ＳｉＨ_４ ）ガスを１０００ｓｃｃｍ、キャリアガスとして窒素（Ｎ_２）ガス２００ｓｃｃｍとともに注入すると約３０Å／分の成膜速度でウェハ１に堆積する。
ただ、上記の成膜速度下では、１枚ずつ処理する図示しない枚葉式の装置ではウェハ１上の膜厚の均一性は優れるが生産性を上げられないので、通常は５０枚から２００枚程度のウェハ１を同時に１回で処理するバッチ処理ができるバッチ式の装置が用いられる。このバッチ処理では、多数枚のウェハ１を、温度均一性の良い領域に配置するため、できるだけ小さな間隔でウェハ１を順次平行に並べ、その周辺部に反応性ガスをキャリアガスとともに流すという構成をとる。
【０００５】
しかし、このような構成では、反応性ガスは源流領域２１から下流領域２３へと高温雰囲気に触れながら流れるので、その間に熱エネルギーを受けて化学変化を起こし、当初の反応性ガス以外の反応種もわずかながらも混ざってくる。この反応種は極めて反応性に富む反応種（ラジカルな反応種）であり、ウェハ１に触れるとともにポリシリコン薄膜として堆積してしまうために、ウェハ１上の膜厚の均一性が充分とれないという問題が生じる。
図６は、図５に示す化学的気相成長装置の内部容器管内の様子を示すモデル図である。このモデル図を用いて膜厚が不均一になるメカニズムを説明する。
【０００６】
ポリシリコン成膜の場合、反応性ガスは１００％ＳｉＨ_４ガスで、キャリアガスであるＮ_２ ガスとともに反応室である内部容器管４の下部から注入される。反応室内ではウェハ設置領域にわたって５５０℃の均一温度に保たれており、その均一温度領域は１５０枚のバッチ装置では約８００ｍｍの長さがある。反応室の下部から注入されたＳｉＨ_４ガス１３はこの長い高温領域で熱輻射やガス分子同士の衝突を受けて、以下の反応式に従って、一部はＳｉＨ_２ガス１４に変化する。
ＳｉＨ_４→ ＳｉＨ_２＋Ｈ_２
ここで、ＳｉＨ_２がス１４は、ラジカルなガスと呼ばれ、極めて反応性に富み、ウェハ１の表面にぶつかるだけで分解してシリコン膜として堆積する。つまり、ＳｉＨ_２はラジカルな反応種である。
【０００７】
すなわち、ＳｉＨ_２ガス１４のＳｉＨ_４ガス１３に対する相対濃度が高くなればなるほど、ウェハ１の外周部でＳｉＨ_２ガス１４からのポリシリコンの堆積が盛んになり、その部分での膜厚が増加し、結果としてウェハ１面内の膜厚が不均一になる。
実際、ＳｉＨ_２のＳｉＨ_４に対する相対濃度（濃度割合）を求めると、源流領域２１にあるウェハでは１×１０^−７程度以下であるのに対し、中流領域２２にあるウェハでは３×１０^−７程度、下流領域２３にあるウェハでは７×１０^−７程度と増加する。そのために、下流領域２３の方が源流領域２１より膜厚のばらつきが大きくなる。つまり、ウェハ面内の膜厚の不均一性は、熱エネルギーによる生成されるＳｉＨ_２ガス１４量に依存する。
【０００８】
図７は、ウェハ位置と膜厚の関係を示す図である。全体で１５０枚のウェハ１を支持治具２にセットし、反応性ガスが流入する側を源流領域２１、中間を中流領域２２、反応性ガスが流出する側を下流領域２３の３領域に分割し、各領域に３０枚のウェハをセットしてウェハ１上にポリシリコン膜を成膜する。このときの狭間隔は８ｍｍである。成膜したポリシリコン膜の膜厚を、ウェハ１の中心を含む直線上の２０点（−４０ｍｍから＋４０ｍｍの間は１０ｍｍ間隔、その外側では５ｍｍ間隔である）で、図８のＸ方向で測定する。この膜厚の測定は、源流領域２１、中流領域２２、下流領域２３の３領域にセットされた各５０枚のウェハで行う。つぎに、各領域のウェハ１の同一測定点での膜厚の平均値（５０枚の平均値）を出し、この平均値を、ウェハ１の中心での膜厚の平均値（５０枚の平均値）で割った値を、各測定点で、各領域での規格化した膜厚の平均値（以下、規格化平均膜厚値という）として示した。図中のＤは源流領域、Ｅは中流領域、Ｆは上流領域の各測定点での規格化平均膜厚値である。
【０００９】
前記したように、下流領域２３の方が、反応性に富んだ反応種の割合が多くなるために、下流領域２３で形成されるポリシリコン膜の規格化平均膜厚値のばらつきが１．５％と最大となり、源流領域でも０．８％と大きなばらつきとなる。
このように、ウェハ面内での薄膜の膜厚のばらつきが大きくなる場合の不都合について、薄膜としてポリシリコン膜を例に説明する。
図９は、トレンチ溝の場合の不都合を説明する図である。トレンチゲートのＭＯＳＦＥＴなどのゲート電極を形成する場合、ゲート絶縁膜５２で被覆されたトレンチ溝５３をポリシリコン膜５１で充填して形成するが、ラジカルな反応種（ＳｉＨ_２ ）があると、トレンチ溝５３が上部で塞がれて、トレンチ溝５３内部に空洞５４ができて、ゲート抵抗が増大する不具合を生じる。尚、図中の５５はウェル領域で、５６はソース領域である。
【００１０】
図１０は、プレーナの場合の不都合を説明する図である。プレーナ型の縦型のＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳ）などで、ゲート電極となるポリシリコン膜６１の膜厚にばらつきがあると、ポリシリコン膜６１をマスクとして、ウェル領域６２の表面層にソース領域６３を形成する場合に、薄い箇所（図では左側）では、ポリシリコン膜６１をイオン注入不純物６４が貫通して、チャネル部をドーピングして、しきい値電圧を変化させるという不都合が生じる。
このように、ウェハ１上に形成されるポリシリコン膜などの薄膜の膜厚がばらつくと半導体装置を製作する上で、前記したような不都合が生じる。
【００１１】
支持治具の円板あるいはリング状のウェハ支持部の口径をウェハより大きくし、支柱の数を２本または１本とすることにより、膜厚の不均一を抑制することができることが記載されている（特許文献１）。しかしながら、支柱のウェハ成膜面への影響による膜厚の不均一性を抑制するものであり、ラジカルな反応種については何ら記載されていない。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２−１５６５２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ウェハ面上に形成する薄膜の膜厚を均一にできる化学的気相成長装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、加熱炉と、該加熱炉に収納され、一端が閉じている外部容器管と、該外部容器管に収納され、両端が開口している内部容器管と、該内部容器管に収納され、複数の基板を列状に配置する支持治具とを具備し、内部容器管の壁面と、前記基板を配置した支持治具との間に反応性ガスを流して前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
前記支持治具は前記基板より所定の幅外形が大きい形状を有し、表面に凹凸を有する薄板を備えたものとする。
【００１５】
また、前記支持治具は、前記基板より所定の幅外形が大きい前記基板と略相似な形状を有するものとする。
また、前記薄板の表面が、基板と略同一形状の部分を鏡面に加工し、それ以外の周辺部に凹凸を有するものとする。
また、成長方法としては、前記支持治具を、前記基板より所定の幅外形が大きい前記基板と略相似な形状を有する薄板を備えたものとして、基板を薄板と互いの中心が合致するように積載して薄膜を形成するもととする。
このように、バッチ式の化学的気相成長装置において、この装置の反応室となる内部容器管の壁面と基板列との間の空間（ガス流路になる）において熱エネルギーで生成されるＳｉＨ_２が、基板表面に侵入する確率を低下させることでウェハ１上の薄膜の膜厚均一性を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の化学的気相成長装置の要部構成図で、図５と同一箇所には同一符号を記した。
化学的気相成長装置は、一端（上部）が閉じている外部容器管５と、この外部容器管５内に設置される反応室９となる内部容器管４と、この内部容器管４に収納されるボートと称せられる支持治具２（図５（ｂ）に示す）と、外部容器管５を収納し、支持治具２にセットされたウェハ１（基板）を加熱するヒータ６を有する電気炉７などから構成されている。支持治具２にはウェハ１より大きくかつウェハ１と相似形の薄板３を多数枚列状に設置し、１枚の薄板３上にウェハ１を１枚ずつ互いの中心が合致するように積載し、この支持治具２を内部容器管４内に挿入し、該部容器管５の開口部（下部）に蓋８をして密封し、該部容器管５内を減圧雰囲気にして、反応性ガスであるＳｉＨ_４ガスとキャリアガスであるＮ_２ガスを、下部に設置されているガス流入り口１０から内部容器管４（反応室９）に導入し、上部に均一に流れて来たこれらのガス流１２を、内部容器管４の壁面と外部容器管５の壁面で挟まれた隙間を通して、ガス排気口１１から図示しない真空ポンプで吸引して排気する。図においては、下方から上方にガス流１１が流れるので、下方が源流領域２１となり、上方が下流領域２３で、中間が中流領域２２となる。
【００１７】
支持治具２にウェハ１と相似な形状を有する薄板３を取り付け、その上にウェハ１を薄板３と互いの中心が合致するように積載することにより、反応性ガスが分解して形成されるラジカルな反応種を薄板３の外周部の露出部分で消滅させることにより、内部容器管４の壁面と基板列との間の空間（ガス流路になる）で熱エネルギーにより生成されるＳｉＨ_２が、基板の表面に侵入する確率を低下させることで、図４に示すように、ウェハ１に堆積するポリシリコン膜の膜厚の面内ばらつきを、図５の従来の装置を用い場合に比べて１／２程度に改善することができる。
【００１８】
なお、ここでは薄膜として、ポリシリコン膜を挙げたが、窒化膜や酸化膜の場合も本発明のように、ラジカルな反応種が隣り合う基板の相対する面の間に侵入する確率を低下させるため、薄板３を設け、薄板３の上にウェハ１を互いの中心が合致するように積載することは有効であると推測される。
図２は、本発明に適用される薄板３の一例を示す平面図（ａ）と（ａ）のＡ−Ａにおける断面図（ｂ）である。
薄板３は、石英や炭化珪素から形成され、ウェハと略相似の形状に形成される。周辺部分には、ラジカルな反応種を捕らえ消滅させる効率を上げるため、前記周辺部分の表面に凹凸３１が形成されている。凹凸３１は、表面積を増加させてラジカルな反応種を効率よく捕らえることを目的とするものである。よって、表面積を増加する構成であればよく、例えば、サンドブラストや砥粒研磨で形成したものでも、石英粒を融着して形成したものでもよい。
【００１９】
また、図２では溝３２が形成されている。このように溝３２が形成された薄板３では、ウェハ１を溝３２内に配置することで、容易にウェハ１と薄板３の中心を一致させることができる。この溝３２は、例えばダイヤモンド砥粒などでの研磨、ＨＦ溶液によるウェットエッチングやドライエッチングで形成する。
図２に示した薄板３は、一例であり、例えば、凹凸３１、溝３２を形成しないものであってもかまわない。
また、薄板３は、ウェハ１が積載され接触する箇所は鏡面に加工されていることがウェハ１との密着性の点から望ましい。また、薄板３が、リング形状をなしウェハ１裏面が露出するような場合では、ウェハ１の裏面において、薄板３とウェハ１とからなる段差部が形成され、この段差部に成膜される薄膜は剥がれやすく、ウェハ１の裏面直下の別のウェハ１の表面に剥がれた膜が落ちてパーティクルやフレークが発生する。よって、薄板３は開口が無い裏面が平坦な構成が望ましい。
【００２０】
図３は、図１に示す化学的気相成長装置の内部容器管内の様子を示すモデル図である。ガス流１２は、源流側から下流側へ流れる。前記支持治具２にウェハ１と相似な形状を有する薄板３を取り付け、その上にウェハ１を薄板３と互いの中心が合致するように配置すること、また、薄板３の周辺部分でラジカルな反応種を捕らえ消滅させる効率を上げるため、前記周辺部分の表面に凹凸を形成しその表面積を増大させるか、かつ、もしくは、当該気相成長装置で成長させる材料の薄膜を前記周辺部分に予め被着させ、反応性ガスが分解して形成されるラジカルな反応種を薄板３周辺部分で消滅させることにより、熱エネルギーによって生成されるラジカルな反応種であるＳｉＨ_２ガス１４が基板の間隙に侵入する確率を低減することができる。ＳｉＨ_２ガス１４の濃度の上昇を抑制することで、ガス１３により、ウェハ１内でのポリシリコン膜の膜厚を均一化できる。
【００２１】
図４は、図１の化学的気相成長装置を用いてウェハにポリシリコン膜を成膜したときの、膜厚分布である。
全体で１５０枚のウェハ１を支持治具２にセットし、反応性ガスが流入する側を源流領域２１、中間を中流領域２２、反応性ガスが流出する側を下流領域２３の３領域に分割し、各領域に５０枚のウェハ１をセットしてウェハ１上に薄膜としてポリシリコン膜を成膜する。成膜したポリシリコン膜の膜厚を、図１０に示すようにウェハ１の中心を含む直線上の２０点（−４０ｍｍから＋４０ｍｍの間は１０ｍｍ間隔、その外側では５ｍｍ間隔である）で測定する。
【００２２】
この膜厚の測定は、源流領域２１、中流領域２２、下流領域２３の３領域にセットされた各５０枚のウェハで行う。つぎに、各領域の同一測定点での膜厚の平均値を出し、この平均値を、ウェハ１の中心の膜厚の平均値で割った値を、各測定点での各領域での規格化した膜厚の平均値（規格化平均膜厚値）として示した。図中のＡは源流領域、Ｂは中流領域、Ｃは下流領域の各測定点での規格化平均膜厚値である。
ラジカルな反応種が基板領域に侵入しにくくなるために、下流領域Ｃで形成されるポリシリコン膜の規格化平均膜厚値のばらつきは０．７％と小さくなる。しかも、図示しないが下流領域Ｃでの規格化した膜厚の最大値（規格化最大膜厚値）のばらつきも、この規格化平均膜厚値のばらつきの約１．４倍程度で、１％と小さなばらつきになる。
【００２３】
このように、本発明の薄板を用いることにより、薄膜の膜厚を１％以下の面内ばらつきに抑え込むことができるようになり、デバイス特性の均一性を大きく伸ばすことができるようになる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明により、基板に堆積する薄膜の膜厚均一性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の化学的気相成長装置の要部構成図
【図２】この発明の薄板の実施例の（ａ）平面図、（ａ）のＡ−Ａにおける断面図
【図３】内部容器管内の様子を示すモデル図
【図４】図１の化学的気相成長装置を用いてウェハにポリシリコン膜を成膜したときの膜厚分布図
【図５】従来のバッチ式の化学的気相成長装置の要部構成図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はウェハをセットした支持治具の斜視図
【図６】図５の縦型ポリシリコン化学的気相成長装置の内部容器管内の様子を示すモデル図
【図７】ウェハ位置と膜厚の関係を示す図
【図８】ウェハ上のポリシリコン膜の膜厚を測定する箇所を示す図
【図９】トレンチ溝の場合の不都合を示す図
【図１０】プレーナの場合の不都合を示す図
【符号の説明】
１ ウェハ
２ 支持治具
３ 薄板
４ 内部容器管
５ 外部容器管
６ ヒータ
７ 加熱炉
８ 蓋
９ 反応室
１０ ガス流入口
１１ ガス排出口
１２ ガス流

Claims (4)

1. 加熱炉と、該加熱炉に収納され、一端が閉じている外部容器管と、該外部容器管に収納され、両端が開口している内部容器管と、該内部容器管に収納され、複数の基板を列状に配置する支持治具とを具備し、内部容器管の壁面と、前記基板を配置した支持治具との間に反応性ガスを流して前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
   前記支持治具は前記基板より外形が大きい形状を有し、表面に凹凸を有する薄板を備えたことを特徴とする化学的気相成長装置。
2. 加熱炉と、該加熱炉に収納され、一端が閉じている外部容器管と、該外部容器管に収納され、両端が開口している内部容器管と、該内部容器管に収納され、複数の基板を列状に配置する支持治具とを具備し、内部容器管の壁面と、前記基板を配置した支持治具との間に反応性ガスを流して前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
   前記支持治具は、前記基板より所定の幅外形が大きい前記基板と略相似な形状を有する薄板を備えたことを特徴とする化学的気相成長装置。
3. 前記薄板の表面が、基板と略同一形状の部分を鏡面に加工し、それ以外の周辺部に凹凸を有することを特徴とする請求項１または２に記載の化学的気相成長装置。
4. 加熱炉と、該加熱炉に収納され、一端が閉じている外部容器管と、該外部容器管に収納され、両端が開口している内部容器管と、該内部容器管に収納され、複数の基板を列状に配置する支持治具とを具備し、内部容器管の壁面と、前記基板を配置した支持治具との間に反応性ガスを流して前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長方法であって、
   前記支持治具に、前記基板より所定の幅外形が大きい前記基板と略相似な形状を有する薄板を備え、前記基板を前記薄板と互いの中心が合致するように積載して前記薄膜を形成することを特徴とする化学的気相成長方法。

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