JPH0219189B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 選択された材料の酸化物の層を選択された基
板の表面に成長させる光化学気相成長方法であ
り、 (a) 前記基板を提供する工程と、 (b) 選択された波長の放射線の存在下で前記基板
を、選択された気相反応体と、選択された酸素
含有先駆物質と、ネオペンタンと二酸化炭素と
キセノンからなる群から選択された物理的急冷
ガスとに露出する工程とを具備し、 前記選択された波長の放射線が、励起電子的状
態の中性酸素原子を形成すべく前記酸素含有先駆
物質の直接解離を起こすのに十分であり、前記急
冷ガスが非励起電子的状態の酸素原子を形成すべ
く、前記励起電子的状態の前記酸素原子と物理的
に反応し、前記非励起電子的状態の酸素原子が前
記気相反応体と反応して、前記基板の前記表面に
増大した成長率で前記層として成長する前記酸化
物を形成することを特徴とする光化学気相成長方
法。 ２ 前記酸素含有先駆物質が、亜酸化窒素と、分
子酸素と、励起電子的状態の中性酸素原子を形成
すべく前記放射線によつて直接解離可能な酸素含
有物質とからなる群から選択されることを特徴と
する請求項１記載の方法。 ３ 前記選択された気相反応体がシランを含み、
前記選択された酸素含有先駆物質が亜酸化窒素を
含み、前記放射線の波長が約1849オングストロー
ムであり、前記物理的急冷ガスがネオペンタンを
含み、前記酸化物が二酸化シリコンを主成分とし
て含む請求項１記載の方法。 ４ (a) 前記シランの流量が0.2乃至1.5標準立法
センチメートル／分（sccm）であり、 (b) 前記亜酸化窒素の流量が50乃至200sccmであ
り、 (c) 前記ネオペンタンの流量が約２乃至10sccm
であり、 (d) 前記方法を実行する圧力が、約2.5乃至
5.5torr（332乃至732パスカル）の範囲であり、 (e) 前記酸化物の成長率が約34乃至63オングスト
ローム／分の範囲である請求項３記載の方法。 ５ 前記ネオペンタンの流量が約２乃至15標準立
法センチメートル／分の範囲である請求項３記載
の方法。 発明の背景 １ 発明の分野 本発明は概して半導体装置及び光学的構造の製
造に関し、より詳細には、選択された基板の上に
成長率が増大する方法で酸化層を形成する光化学
気相成長方法に関する。 ２ 背景技術の説明 基板に層として成長する所望の酸化物を形成す
べく、選択された気相反応体と反応する中性（イ
オン化されていない）の酸素原子を生成すべく光
化学反応を使用する方法によつて酸化層が基板上
に成長される。この光化学気相成長方法は、現在
の譲受人に譲渡された米国特許第4371587及び
4419385号に開示され、様々な装置及び構造の製
造において半導体材料、ガラス、プラスチツクレ
ンズ、金属層、反射面、太陽電池の上に絶縁層又
はパツシベーション酸化層を成長するのに役立つ
ものである。光化学的に生成された中和酸素原子
を使用することによつて電荷衝撃及び放射線衝撃
による基板への損傷を避けることができる。さら
に光化学気相成長方法は低温度で実行されるので
熱効果による基板への損傷を避けることができ
る。米国特許4371587に開示されたように中和酸
素原子は酸素含有先駆物質の水銀による光増感解
離か又は酸素含有先駆物質の直接解離によつて生
成される。水銀による増感反応においては、基板
は、所定波長（例えば2537オングストローム）の
放射線下において、シラン（SiH₄）等の選択さ
れた気相反応体、亜酸化窒素（N₂O）等の酸素
含有先駆物質及び水銀蒸気に露出される。2537オ
ングストローム（Å）の放射線は、励起状態、つ
まり通常の基底状態より約５電子ボルト上でかつ
イオン化されていない水銀電子（Hg＊）を生成
すべく反応体ガス混合物内の水銀原子を励起す
る。Hg＊は酸素含有先駆物質と反応してエネル
ギを先駆物質に移動し原子酸素を生成すべく先駆
物質を解離させる。その後、原子酸素は、SiO₂
又はSiO等の所望の酸化物を形成すべく気相反応
体と反応する。 米国特許第4371587号に開示された直接光解離
方法において、原子酸素は、水銀増感の助けなし
に酸素含有先駆物質の直接解離によつて形成され
る。この直接的方法では、原子酸素を生成すべく
酸素含有先駆物質の直接解離を引起こすに十分な
所定の波長の放射線の存在下で、基板がシランな
どの選択された気相反応体と酸素含有先駆物質と
に露出される。酸素含有先駆物質として亜酸化窒
素が使用される時は、下記の方程式で示されるよ
うに原子酸素及び原子窒素を生成すべく亜酸化窒
素の直接解離を起こすには1750から1950Åの範囲
の波長を持つ放射線で十分である。1849Åの放射
線は、放射源として通常使用される低圧水銀蒸気
ランプの共鳴線であるので、1849Åの放射線をこ
の目的に使用することは都合がよい。原子酸素
は、その後、二酸化シリコン、又は一酸化シリコ
ン等の所望の酸化物を形成すべくシランなどの気
相反応体と反応する。 N₂O＋hc／λ（1750−1950Å）→Ｏ（ ¹D）＋N₂ (1) ｈはプランク定数、ｃは光速度、λは光の波長
である。Ｏ（ ¹D）の表記は、第一励起状態で中
和な酸素原子であるシグレツト−Ｄ酸素原子を表
わす。 他方、原子酸素は下記の方程式(2)に示されるよ
うに分子酸素の直接光学解離か、下記の方程式(3)
に示されるように二酸化窒素（NO₂）の直接光
化学解離か又は直接光化学反応によつて原子酸素
に対して解離可能な同様の物質によつて形成され
る。 O₂＋hc／λ（1750−1950Å）→20（ ³P） (2) NO₂＋hc／λ（3500−6000Å）→Ｏ（ ³P）＋NO
(3) Ｏ（ ³P）の表記は基底状態の中和酸素原子で
あるトリプレツト−Ｐ酸素原子を表わす。分子酸
素そのものは自発的にかつ可制御性でないシラン
と反応するので原子酸素の形成及び原子酸素のシ
ランとの反応を可能にするにはこの自発的熱酸化
過程を禁止する必要がある。この禁止は、作業圧
力と反応体ガスの比率を注意深く制御し、分子酸
素を窒素ガスで適当に稀釈することによつて達成
される。上記したようにN₂O又はNO₂よりも分
子酸素を使用することによつてより高い成長率が
得られる。しかしながら、酸素の場合、成長した
薄膜の質が低下し、不必要な粉末又は粒子が成長
装置全体に渡つて形成される。成長率に関して
は、直接光化学気相成長方法と比較した場合、酸
化層を成長させる水銀増感された光化学気相成長
方法がより高い成長率を持つので有利である。し
かしながら、水銀蒸気の存在が好ましくない場合
がある。例えば、水銀が誘電層又は半導体表面内
に入込むことによつて起こる装置の電気的特性の
低下を避けるためには水銀を使用しないことがあ
る主の半導体表面パツシベーシヨン及び誘電バル
ク特性にとつて不可欠である。加えて健康、安全
及び環境上の配慮から水銀を使用しないことが望
ましい。上記の光分解方法は水銀汚染による問題
を回避する。しかしながら、知られている直接光
分解方法は、半導体装置の製造において実用化す
るのに十分高い成長率を有していない。すなわ
ち、工業界において水銀蒸気を必要としない酸化
物のための光化学気相成長方法に対する必要性が
存在する。 発明の摘要 本発明の全般的な目的は、増大した成長率を有
する光化学気相成長方法によつて酸化層を選択さ
れた基板上に成長させる新規で改善された方法を
提供することにある。この方法は、上記の顕著な
欠点を克服するだけでなく上記の先行技術である
酸化物成長方法の全ての利点を所有する。 上記の本発明の全般的目的は、基板を、選択さ
れた波長の放射線の存在下で、選択された気相反
応体、選択された酸素含有先駆物質、選択された
物理的急冷ガスに露出することによつて達成され
る。放射線によつて酸素含有先駆物質の直接解離
が起り励起された電子的状態の中和酸素原子を形
成する。急冷ガスは非励起電子的状態の酸素原子
を形成すべく励起電子的状態の酸素原子と物理的
に反応する。非励起状態の酸素原子はその後、気
相反応体と反応し基板上に層として成長する酸化
物を形成する。酸化層を形成して成長する反応率
は、励起電子的状態の酸素原子を物理的急冷ガス
によつて非励起電子的状態の酸素原子に変換する
ことによつて増大される。 したがつて、水銀蒸気を必要としないで酸化層
を基板上に成長させる新規で改善された光化学気
相成長方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、実用価置のある増大され
た成長率を持つ上記の直接光分解方法を提供する
ことにある。 さらに本発明の他の目的は最適の効率をもつ上
記の直接光分解方法を提供することにある。 本発明の前述の及び他の目的、特徴及び利点
は、添附の図面で示された発明の好ましい実施例
の次のより特定された説明から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の方法を実行するにおいて使用
されるネオペンタン急冷ガスの様々な流量に対す
る様々な作業圧力での成長率を示す曲線を示す。

【発明の詳細な説明】

本発明の方法によれば、酸化層を成長させる直
接光分解方法は、米国特許第4371587号に一般的
に記載された通りに実行されるがその詳細を参考
としてここに述べる。選択された気相反応体は最
終生成物となる酸素のための要素を含む。そのよ
うな反応体は、シラン、トリメチル、アルミニウ
ム、トリメチルガリウム、germane、ジボラン、
トリメチルインジウム、チタンテトラクロリド、
タングステンヘキサフルオリド、ハフニウム水素
化合物、ジメチル亜鉛、ジルコニウムアセチルア
セトネート、テトラエチル鉛、テトラメチルス
ズ、塩化スズ、ジメチルカドミウムを含む。基板
は、例えば、シリコン又は水銀カドミウムテルル
化物等の半導体ウエーハ、ガラス又はプラスチツ
クレンズ、多層半導体装置の金属層、反射面又は
太陽電池である。 上記の当該技術において実行される直接光分解
方法において、酸素含有先駆物質は概して、純粋
の亜酸化窒素か又は窒素と酸素との混合物を具備
する。純粋の亜酸化窒素は可制御性の利点を持つ
が成長率が大変低い欠点を持つ。窒素希釈ガスと
約10パーセントの酸素との混合物は亜酸化窒素よ
りもより速い成長率を提供する。しかしながら、
分子酸素はSiH₄又はAL（CH₃）₃などの金属先駆
物質と容易に反応するので自発的熱反応が反応チ
ヤンバ又は関連するチユーブ内で起り、制御不可
能、不要な粉末の形成、反応器の劣化などの重大
な問題を引起こす。 本発明に関して、比較的少量の物理的急冷ガス
を選択された酸素含有先駆物質に付加することが
予期しない高い成長率につながることを発見し
た。 光化学気相成長方法におけるシラン又はトリメ
チルアルミニウムなどの気相反応体と原子酸素と
の反応の効率は、酸素原子の電子的状態に依存す
る。Ｏ（ ³P）で表わされる非励起電子的状態又
は基底状態のトリプレツト−Ｐ酸素原子は、気相
反応体を酸化するのに必要な酸化停止反応を受
け、Ｏ（ ¹D）で表わされる励起状態のシングレ
ツト−Ｄ酸素原子は、酸素が２つの結合原子の間
に挿入される化学的結合挿入反応を受けるので前
者は、後者よりも酸化薄膜の成長において気相反
応体にはるかに容易に反応する。さらに、Ｏ（
³P）は基底状態の原子なので他のどんな電子的
状態にも崩壊できずＯ（ ¹D）よりも化学反応を
起こしやすい。 上述の先行技術である水銀増感された光化学気
相成長方法において、原子酸素は励起されず基底
状態で生成される。したがつて、水銀増感を使用
することによつて高い成長率、例えば分当り150
から400オングストロームがシリカ及び亜酸化窒
素反応体からの二酸化シリコンの成長に対して観
測される。それとは対照的に、亜酸化窒素反応体
を使用した直接光化学解離方法においては、原子
酸素は、前述の方程式において示されるように励
起状態Ｏ（ ¹D）において生成される。しかしな
がら、この励起状態の原子酸素はシラン又は他の
気相反応体と比較的反応しにくい。下記の方程式
でそれぞれ示されたように、Ｏ（ ¹D）のいくつ
かは、チヤンバ壁との衝突及びチヤンバ内に存在
するN₂O反応体との衝突によつてＯ（ ³P）又は
基底状態に奪活又は急冷される。 Ｏ（ ¹D）壁 ――→ Ｏ（ ³P） (4) Ｏ（ ¹D）＋N₂Ok₁ ――→ Ｏ（ ³P）＋N₂O (5) k₁＝速度定数 ＝１×10_-12cm³molec_-1s_-1 （立法センチメートル／分子／秒）。 急冷は下記の方程式(6)に示されるようにN₂に
よつても起こる。N₂は上記の方程式(1)で示され
たように光分解方法によつて生成される。 Ｏ（ ¹D）＋N₂k₂ ――→ Ｏ（ ³P）＋N₂ (6) k₂＝2.6×10_-11cm³molec_-1s_-1。 これらの方法によつて、Ｏ（ ³P）の小さな定
常状態の濃度が得られ酸化層を形成すべくシラン
反応体と反応する。しかしながら、N₂Oとの競
合化学反応は、下記の方程式(7)及び(8)で示された
ように光分解によつて形成されたＯ（ ¹D）の大
部分を除去する。 Ｏ（ ¹D）＋N₂Ok₃ ――→ 2NO (7) k₃＝7.2×10_-11cm³molec_-1s_-1。 Ｏ（ ¹D）＋N₂Ok₄ ――→ N₂＋O₂ (8) k₄＝4.4×10_-11cm³molec_-1s_-1。 Ｏ（ ¹D）のＯ（ ³P）への変換の効率は悪く、
先行技術において実行された直接光分解方法で観
測されたように低い成長率（７−15Å／min）の
原因となる。 Ｏ（ ¹D）からＯ（ ³P）への変換率は、Ｏ（ ¹D）
に対する物理的急冷物質として作用させるべく適
当なガスを反応体ガス混合物内に導入することに
よつて大幅に増大されることが発見された。Ｏ（
¹D）とＯ（ ³P）の電子的状態間のエネルギ相違
は衝突によつて急冷ガスの回転振動モードに移動
される。この物理的急冷効果は、原子酸素と化学
的に反応し、原子酸素を反応シーケンスから除去
する化学的急冷物質又はスキヤベンジヤとは区別
されるべきである。“物理的急冷物質”又は“物
理的急冷ガス”という術語は、励起酸素原子との
衝突によつて物理的に相互作用し、励起原子から
急冷ガスへのエネルギ移動を誘発するガスを示す
のに使用される。本発明の直接光分解光CVD方
法に対する理想的なＯ（ ¹D）急冷物質は、次の
要件を満たさなければならない。(a)Ｏ（ ¹D）に
対して物理的急冷物質としてのみ作用し化学的急
冷物質としては作用しない。(b)選択された酸素含
有先駆物質に対して化学的に不活性である。(c)シ
ラン又は他の気相反応体に対して化学的に不活性
である。(d)N₂Oに対する1849Åの放射線等のよ
うに酸素含有先駆物質を光解離するのに要する放
射線に対して透明である。本発明の方法を実行す
る適当な物理的急冷ガスは、ネオペンタン
（C₅H₁₂、二酸化炭素、キセノン、窒素を含むが
それらに限定されないが、ネオペンタンが最も望
ましい。N₂の流量が一様性、薄膜形態学、化学
量論等の他の成長特性に悪影響を与えないかぎ
り、N₂を使用することによつて成長率を大きく
増大することができる。これらの要因を考慮した
場合、大きな流量を避けるべくより効率の良い急
冷ガスを使用することが望ましい。カーボンテト
ラクロリド（CCl₄）及びメタン（CH₄）がN₂よ
りもより効率の良いＯ（ ¹D）急冷物質であるが、
これらは化学的急冷物質としても作用する。
CCl₄は塩素（Cl₂）及びカルボニルクロリド
（COCl₂）を形成し、CH₄は酸化膜を成長すべく
所望の反応と化学的に干渉するヒドロキシルイオ
ン（OH）及びメチル基を形成する。これに反し
て、キセノンはN₂よりも約３倍の急冷速度定数
を持つ全くの物理的急冷物質である。二酸化炭素
はキセノンよりも僅かに効率の良い急冷物質であ
る。多くの回転振動モードを持つ大きな分子は小
さな分子よりもより効率の良い急冷物質である。
ネオペンタン（C₅H₁₂）は12×10_-10の急冷速度定
数を持ち、後に詳細に示されるように本発明の直
接光分解光CVDSiO₂方法に対して効率の良い急
冷物質であることが示された。 第３の実施例として、米国特許第4371587号に
記載された装置及び方法を使用することによつ
て、本発明の方法は、二酸化シリコン（SiO₂）
の層を成長すべく３インチのシリコンウエーハ上
で実行された。気相反応体はシランであり、酸素
含有先駆物質は亜酸化窒素であり、物理的急冷ガ
スはネオペンタンであつた。低圧水銀蒸気ランプ
が1849Åの放射線源として使用された。図面は、
ネオペンタンの様々な流量を使用する本発明の方
法を実行するにおいて、様々な作業圧力での最大
観測成長率（すなわちブルズアイ（bulls′ eye）
成長パターンの中心近く）に対する実験的データ
を示す。シラン、亜酸化窒素、ネオペンタンは、
関連する制御弁又は各ガスの流量を制御する流量
計を持つ分離チヤンバ内に含まれる。シランの流
量は分当り約0.4標準立法センチメートル
（sccm）であつた。亜酸化窒素においては流量は
約180sccmであつた。ネオペンタンの流量は０か
ら50sccmに渡る。反応チヤンバ内の作業圧力は
2.5から5.5torr（ミリメートル水銀柱）か又は約
332から732パスカルであつた。図面のデータから
わかるように、より高い成長率は、増加した衝突
回数及びＯ（ ¹D）の結果的急冷から予測された
ように、より高い使用圧力において観測された。
使用圧力が一定の場合、概して成長率はネオペン
タンの小さな流量の導入と共に急激に増加する。
ネオペンタンのより高い流量（すなわち約
10sccmよりも大）では成長率は、分子種のより
短い滞在時間又は原子酸素の再結合の結果減少す
る。ネオペンタンに対する流量の最適な範囲は２
から15sccmであり２から10sccmのネオペンタン
の流量において成長率に対する最も大きな改善が
得られた。ネオペンタン急冷に対する成長率の最
も大きな改善は10sccmのみのネオペンタンを使
用して3.0torrの使用圧力に対して得られ、成長
率は零sccmネオペンタンの11.5Å／min.から
10scmネオペンタンの62.6Å／min.に増加した。
本発明のこの方法を使用することによつて、成長
率は図面に零sccmネオペンタンとして示された
先行技術の方法に対する成長率と比較して５倍以
上増大した。本発明の方法の付加的試験におい
て、2.5から5.5torr（332から732パスカル）の圧力
で、シランに対しては0.2から1.5sccm、亜酸化窒
素に対しては０から50sccm、ネオペンタンに対
しては０から50sccmの流量を使用することによ
つて分当り34から63オングストロームの範囲の酸
化物成長率が得られた。 増大した成長率はチヤンバの中心近くの領域に
限定された形跡があり、フイルムの厚さにバルズ
アイ“bulls′ eye”パターンが形成された。しか
しながら、大きな成長率増大が直径３インチの円
形領域に渡つて可能である。 成長した酸化膜における炭素汚染又はネオペン
タンの導入によるおそまつな化学量論の重要な問
題を提出するために、上記のいくつかの形成酸化
膜が化学分析のための電子分光学（ESCA）によ
つて分析された。ESCAによる組成分析の結果が
下記の表に示されている。

【表】 この研究に含まれた対照標準はサンプル１（ネ
オペンタンなし）及びサンプル４（シランなし）
であつた。表のサンプル１は、ネオペンタンな
しに生成されたSiO₂は実験誤差の範囲内で化学
量論的であることを示した。表のサンプル４
は、試験結果がウエーハ上の天然酸化物からのシ
リコンウエーハの検出、及び有機汚染からの少量
のＯ及びＣの検出をそれぞれ示しているのでネオ
ペンタンはN₂Oに対して化学的に不活性である
ことが確認できた。 サンプル４のＣの含有量はサンプル１のものと
比較され、ネオペンタンが付加的な有機汚染を起
こさないことを示している。さらに、サンプル４
に対してはそれ程大きな薄膜成長はないことが偏
光解析法的測定によつて確認できた。表のサン
プル２及びサンプル３が示すように本発明の方法
によつて成長された二酸化シリコンは、理想的な
SiO₂化学量論からの大きな逸脱はないことを示
しており、前述の先行する光化学気相成長方法に
よつて成長されたSiO₂に対して通常観測された
レベルより上の炭素汚染はないことを示した。 すなわち、本発明は、酸化層の成長率が生産環
境において実用性を持つレベルにまで大きく増大
され得る直接光分解を使用する光化学気相成長に
よつて酸化層を基板に成長させる方法を提供す
る。本発明はオペレーシヨンの特定された理論に
限定されないが、この方法において使用される急
冷ガスは励起状態の酸素原子Ｏ（ ¹D）をより反
応性のある非励起状態の酸素原子Ｏ（ ³P）に急
冷し、気相反応体を酸化する。本発明の方法によ
れば、所望の酸化種Ｏ（ ³P）が大量に生成され、
かつ以前に比べてより効率よく生成可能である。
さらに、本発明の方法によつてＯ（ ¹D）をＯ（
³P）に変換することによる所望の酸化種の増大
は、Ｏ（ ¹D）種を生成すべく直接光解離され得
るどんな酸素含有先駆物質に対しても達成可能で
ある。例えば、Gerhard Herzbergによる“二原
子分子のスペクトル”、Van Nostrand Reinhold
Company、New York、1950 pages 446−447
に開示され、下記の方程式(9)に示されるように、
分子酸素は、等量のＯ（ ³P）とＯ（ ¹D）を形成
すべく直接、光解離され得る。 O₂＜1759Å ――――――→ Ｏ（ ³P）＋Ｏ（ ¹D） (9) 前述したように不活性ガスで稀釈された分子酸
素は、本発明による酸化層の光化学気相成長の酸
素含有先駆物質として使用可能であり、急冷ガス
は形成されるＯ（ ³P）の量を倍増し、したがつ
て酸化成長反応の効率を倍加する。これらの特定
されたものの他に他の酸素含有先駆物質を使用す
る時は、急冷ガスは選択された酸素含有先駆物質
と化学的に非反応性でなければならない。さら
に、この方法によつて生成されたＯ（ ³P）種の
増大は、シラン、トリメチルアルミニウムなど使
用される気相反応体とは無関係に達成される。す
なわち、この方法は、関連する酸化物に対して成
長率を大きく増加させるべくどの気相反応体に対
しても使用可能である。さらに、本発明の方は、
反応ガスの流量、反応チヤンバの圧力、及び放射
線の強さを制御することによつて容易に制御され
る。さらに本発明の方法は水銀を使用しないので
それに関連する前述の問題を避けることができ
る。水銀汚染の問題の回避に加えて、本発明の方
法は、表面蒸発が水銀の前歴に依存し容易に制御
できない水銀増感方法よりもより可制御性であ
る。 本発明の模範的な実施例を述べたが、開示され
たのは例のみであり、他の様々な代例、適合及び
変更が本発明の範囲内で可能であることが当業者
によつて理解される。したがつて、本発明は、急
冷ガスとしてネオペンタンを使用することに限定
されず、特定要件を満たす他の物理的急冷ガスを
含む。さらに本発明は酸素含有先駆物質として亜
酸化窒素に限定されず、励起電子的状態すなわち
Ｏ（ ¹D）の原子酸素を形成すべく直接光解離さ
れ得る他の酸素含有先駆物質を含む。さらに、本
発明は、例として単に使用された二酸化シリコン
層の成長に限定されず、酸化アルミニウム、酸化
ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化硼素、酸化イ
ンジウム、二酸化チタン、酸化タングステン、酸
化ハフニウム、酸化鉛、酸化錫、酸化亜鉛、酸化
ジルコニウム、酸化テルル、酸化カドニウム等の
他の酸化材の光化学気相成長も含む。