JPH0246723A - 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】 〔概要〕 化学気相成長（ＣＶＤ）法を使用してなす薄膜形成装置
の改良に関し、 酸素・窒素等のリークガスや、装置を構成する金属から
の遊離ガス等があっても、被堆積薄膜は酸化・窒化等が
なされることがなく、良質の薄膜を高い堆積速度をもっ
て形成することを可能にする薄膜形成装置を提供するこ
とにを目的とし、反応ガス供給手段とガス排気手段とを
有する真空容器と、この真空容器の内部に１対の電極が
設けられ、この１対の電極の一方はサセプタを構成する
薄膜形成装置において、前記の１対の電極を囲んで、前
記の反応ガス供給手段の貫通口を有する内殼容器を設け
、前記の真空容器には不活性ガス供給口を設け、前記の
内殼容器内に供給された反応ガスの排出口は、細隙を介
して前記の真空容器に連通ずるように構成するか、また
は、前記１対の電極の一方の周辺から他方の周辺に向か
って気体流を噴射するリング状または角ループ状の気体
噴射手段を設けられるように構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）法を使用してなす薄
膜形成装置の改良に関する。特に、酸素、窒素等のガス
が薄膜形成装置内にリークしたり、装置を構成する金属
から遊離したりしても、形成される薄膜は、酸化・窒化
等がなされることがなく、良質の薄膜を高い堆積速度を
もって形成することを可能にするようにする薄膜形成装
置の改良に関する。

〔従来の技術〕

ＣＶＤ法には反応ガスの熱分解を利用する方法、反応ガ
スのプラズマ分解を利用する方法等がある。

１例として、従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置を図を
参照して説明する。

第２図参照 図はプラズマＣＶＤ装置の断面図である。半導体ウェー
ハ６をゲートバルブ１３を介して搬入し、サセプタを構
成する電４４５上に載置し、ガス排気手段３から排気し
、実線矢印をもって示すように反応ガス供給手段２から
反応ガスを供給し、高周波ｔｉ７の高周波電圧を電極４
と５との間に印加・して反応ガスをプラズマ化し、この
プラズマ化した反応ガスを分解して、半導体ウェーハ６
上に所望の薄膜を堆積する。なお、ｌａは絶縁性シール
材であり１ｂは０リングである。

ところで、ガス排気手段３からの排気速度が遅い低速排
気方式の場合には、真空容器１にガスをリークする領域
があると、真空容器１の内圧は低いため、外気が真空容
器１内にリークし、このリークガスは、図において破線
をもって示すように半導体ウェーハ６上に到達し、半導
体ウェーハ６上に堆積される薄膜中に取り込まれる。ま
た、プラズマは真空容器ｌ内金域に広がるため、真空容
器ｌの壁面に衝突したイオンが真空容器ｌの壁面から酸
素等の汚染物質を遊離し、この遊離された酸素等の汚染
物質も図に破線をもって示すように半導体ウェーハ６上
に到達して、この上に堆積される薄膜中に取り込まれる
。その結果、例えば酸化され易いアルミニウム等の金属
膜を堆積する場合には、堆積膜が酸化されて、比抵抗が
高くなってしまう。

第３図参照 排気速度が早い高速排気方式の場合には、図において破
線で示すように、リークガスや真空容器１の壁面から遊
離した酸素等の汚染物質は高速の粘性排気流に誘引され
て排出され、半導体ウェーハ６上には到達せず、したが
って半導体ウエーノ＼６上に堆積される薄膜中に酸素等
の汚染物質が取り込まれることが少なく、薄膜の比抵抗
の上昇は少ない。しかし、反応ガスが半導体ウェーハ６
の近傍に滞留する時間が短いので、膜の堆積速度は減少
する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のプラズマＣＶＤ装置は低速排気方式を採用してい
るので、上記第２図に示すように、リークガスや壁面遊
離ガスの影響を排除することができなかった。仮に、リ
ークガスや壁面遊離ガスの影響を排除するために、上記
第３図に示すように、高速排気方式を採用したとしても
、リークガスや壁面遊離ガスの影響の排除は必ずしも十
分でなく、しかも、薄膜の堆積速度が低下してしまうと
云う重大な欠点をともなう。

本発明の目的は、この欠点を解消することにあり、酸素
、窒素等のリークガスや、装置を構成する金属からの遊
離ガス等があっても、被堆積薄膜は酸化・窒化等がなさ
れることがなく、良質の薄膜を高い堆積速度をもって形
成することを可能にし、しかも、堆積膜厚をウェーハ全
面にわたって均−にする薄膜形成装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、反応ガス供給手段（２）とガス排気手段
（３）とを有する真空容器（１）と、この真空容器（１
）の内部に１対の電極（４，５）が設けられ、この１対
の電極（４，５）の一方はサセプタを構成する薄膜形成
装置に、下記のいずれの手段を付加することによって達
成される。

付加される第１の手段は、前記の１対の電極（４，５）
を囲んで設けられ、前記の反応ガス供給手段（２）が延
長してその貫通口が設けられている内殼容器（８）と、 前記の真空容器（１）に設けられる不活性ガス供給口（
９）とであるが、この場合、前記の内殼容器（８）内に
供給された反応ガスの排出口は、細隙（１０）を介して
前記の真空容器（１）に連通されていることが重要であ
る。

付加される第２の手段は、前記の１対の電極（４，５）
の一方の周辺から他方の周辺に向かって気体流（エアー
カーテン）を噴射するリング状または角形のループ状の
気体噴射手段（１６）である、なお、前記のリング状ま
たは角形のループ状の気体噴射手段（１６）は、噴射さ
れる気体流（エアーカーテン）が１対の電極（４，５）
の−方の外周端部から他方の外ＮＪ端部に向かうように
設けられると効果的である。

〔作用〕

第４図参照 図は、真空容器１内の圧力が約ＩＴｏｒｒで、ガスの平
均自由行程が真空容器１の壁と半導体ウェーハ６との間
の寸法に比べて十分小さい場合における、排気速度と金
属ｍＨ堆積速度との関係、および、排気速度と堆積され
た金属薄膜の導電率との関係を示す、堆積速度を高める
ためには、排気速度を低くする必要があり、一方、堆積
される膜質を良好にしてその導電率を向上するためには
、排気速度を高くする必要があり、堆積速度と形成され
る膜の膜質とは二律背反の関係にある。この二律背反の
関係を解決した手段が本発明である。

第１ａ図参照 本発明に係る薄膜形成装置においては、真空容器１が内
殼容器８によって反応室１１と排気室１２とに２分され
、画室間が細隙１０をもって連通され、真空容器１内の
圧力は０．０１Ｔ　ｏ　ｒ　ｒをいくらか超える値とさ
れるので、不活性ガスを不活性ガス供給口９から排気室
１２に高い流速をもって送入したとき、不活性ガスは平
均自由行程が十分短い粘性流となって流れ、真空容器１
の排気室１２内にリークするリークガスおよび真空容器
１からの遊離ガスは、この不活性ガスの粘性流に誘引さ
れてガス排気手段３から排出され、細隙１０を介して反
応室１１には逆流することはない、一方、反応室１１内
には十分な量の反応ガスが十分な時間滞留するので、半
導体ウェーハ６上に良質の薄膜が高速をもって形成され
る０反応室ｌｌ内の排気速度は、リークガスの影響を排
除するために高くする必要がないので、最適の速度とす
ることができ、薄膜の堆積速度を十分高くすることがで
きるからである。

第１ｃ図参照 内殼容器８に代えて、電極４の周辺に設けられた気体噴
射手段１６から電極５の周辺に向かって不活性ガス・還
元ガス等を噴射すれば、真空容器ｌ内の圧力が０．ＯＩ
Ｔ　ｏ　ｒ　ｒをいくらか超える程度であれば、噴射ガ
スは平均自由行程の短い粘性流となって、エアーカーテ
ンの作用をなし、前記の内殼容器８を有する薄膜形成装
置と同様に、リークガスや壁面から遊離したガスが半導
体ウェーハ６に到達することが防止され、かつ、反応室
（１１）の圧力が排気室（１２）より高い状態が実現さ
れ、良質のｉｉｗＡが形成さる。しかも、堆積速度を十
分高くすることができる。

第１ｄ図、第１ｅ図参照 また、気体噴射手段１６からの噴射気体を電極４の周辺
端部のループ状絶縁物層４１の外周面に向かって噴射す
れば、この領域に金属膜等が付着することが防止され、
電極４の絶縁耐力の低下を防止することができる。

なお、ガスの平均自由行程は、 圧力的ＩＴｏｒｒにおいて約１００ｎであって、十分リ
ークガス等の排除効果があるが、ガスの平均自由行程は
、圧力０．ＯＩＴ　ｏ　ｒ　ｒ以下においては１１以上
となって、真空容器ｌの壁と半導体ウェーハ６との間の
寸法と同程度となり、リークガス等の浸入を防止する効
果はなくなる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつ＼、本発明に係る三つの実施例に
ついて説明する。

１　　量ン工１に・・ 第１ａ図再参照 図は、本発明の第１の実施例に係るプラズマＣＶＤ装置
の断面図である。ｌは真空容器であり、２は反応ガス供
給手段であり、３はガス排気手段であり、４は非接地側
電極であり、５はサセプタを構成する接地側電極であり
、６は薄膜が形成される半導体ウェーハであり、７は高
周波電源であり、８は内殼容器であり、９は不活性ガス
供給口であり、１０は細隙であり、１１は反応室であり
、１２は排気室であり、１３はゲートバルブであり、１
４は矢印のように回転される磁石であり、１５はベロー
であり、１ａは絶縁性シール材である。

１例としてアルミニウムの薄膜を堆積する場合について
説明する。半導体ウェーハ６をサセプタを構成する電極
５の上に載置し、ガス排気手段３により排気しながら、
トリメチルアルミニウムを水素で希釈した反応ガスを反
応ガス供給手段２から反応室１１内に送入し、反応室１
１の圧力を０．１〜ＬＯＴ　ｏ　ｒ　ｒとし、排気室１
２の圧力はこれより低くし、高周波電源７の発生する周
波数１３．５６Ｍ　Ｈｚ、電力０．１〜５　Ｗ／ｃ４の
高周波電圧を電極４と電極５との間に印加して両電掻間
にプラズマを発生させて反応ガスを分解して、半導体ウ
ェーハ６上にアルミニウムの薄膜（図示せず）を堆積す
る。この場合、トリメチルアルミニウムの分解を活発に
するため、磁石１４を配置し、これを回転しながら堆積
をするとよい、！ｆｆ石１４は、半導体ウェーハ６近傍
のプラズマ密度を高め、反応速度を高くする外、圧力が
ＩＯＴ　ｏ　ｒ　ｒ程度と高い場合には、プラズマを安
定に発生するために有効である。

第１ｂ図参照 図は半導体ウェーハ６をプラズマＣＶＤ装置から搬出・
搬入する時の状態を示す、ベロー１５を縮めて、電極４
を有する内殼容器８を上方に押し上げ、ゲートバルブ１
３を開いて、薄膜が形成された半導体ウェーハ６を搬出
し、新たに薄膜が形成される半導体ウェーハ６を搬入し
、ゲートバルブ１３を閉じ、内殼容器８を下方へ下げて
、前記の堆積工程を行う。

２　　　ｉ、Ｘ２に・ 第１Ｃ図再参照 図は、本発明の第２の実施例に係るプラズマＣＶＤ装置
の断面図である。１は真空容器であり、２は反応ガス供
給手段であり、３はガス排気手段であり、４は非接地側
電極であり、５はサセプタを構成する接地側電極であり
、６は’１１１ｍが形成される半導体ウェーハであり、
７は高周波電源であり、１１は反応室であり、１２は排
気室であり、１３はゲートバルブであり、１６は気体噴
射手段であり、１ａは絶縁性シール材である。

気体噴射手段１６から電極５の周辺部に向かって、１例
として水素を噴射すると、真空容器ｌ内の圧力が０．１
〜ＩＯＴ　ｏ　ｒ　ｒであれば、水素ガスは平均自由行
程が十分短い粘性流となり、真空容器１を反応室１１と
排気室１２とに仕切る効果があり、真空容器１のリーク
ガスや壁面遊離ガスは半導体ウェーハ６に到達すること
なく、ガス排気手段３から排除される。したがって、反
応室１１内のガス速度を高める必要なくリークガス等を
排除することが可能であるので、良質の薄膜を早い速度
で堆積することができる。

第５図参照 図は、第１ｃ図に示すプラズマＣＶＤ装置を使用して堆
積したアルミニウム薄膜の比抵抗と気体噴射手段１６か
ら噴射する水素ガス流量との関係を示す図である。真空
容器１の圧力が２．３Ｔ　ｏ　ｒ　ｒの場合、水素ガス
噴射流量を増加すると堆積するアルミニウムの比抵抗が
大幅に低下する。

」」口外 第１ｄ図再参照 図は、第１ｃ図に示す第２の実施例の改変例に係るプラ
ズマＣＶＤ装置の電極４の部分を拡大した図である。電
極４と真空容器ｌとを絶縁するために、電極４の外面に
は絶縁物層４１が設けられ、この絶縁物層４１の外面に
はシールド層４２が設けられている。プラズマ反応が進
行して絶縁物Ｊｉ４１の先端部に金属膜が堆積すると、
電極４とシールド層４２とが短絡することがある。しか
し、気体噴射手段１６から噴射する水素ガスを、電極４
に設けられた絶縁物層４１の外周にそってその端部に向
かって噴射すれば、金属膜が絶縁物層４１上に堆積する
ことが防止され、ｔＪｉ４とシールド層４２との短絡が
防止される。

第１ｅ図再参照 また、前記の絶縁物層４１の先端を、図に示すように、
外方に広がる傘状にし、この部分に気体噴射手段１６か
らの水素ガスを吹き付けるようにしてもよい。

第６図、第７図、第８図参照 第６図は計算機シミュレーションに使用したプラズマＣ
ＶＤ装置の模式図である。ガスが図に矢印で示すように
、電極４から下方に向がって流出し、ガス排気手段３か
ら排出される場合の真空容器１内のガス圧力分布を計算
して求めると、第７図に示す等圧線図が得られる。第７
図は真空容器ｌの右半分のみを示し、半導体ウェーハ６
が乗せられるサセプタを兼ねる他方の電極５の付近で圧
力勾配が発生していることを示している。このような圧
力勾配があると、プラズマを一定に保つことができなく
なり、堆積される膜のＳ質や膜厚が不均一となる。これ
に対し、本発明に係る薄膜形成装置を使用すれば、この
圧力の不均一性は改善され、特に第１ｅ図に示す気体噴
射手段を有するプラズマＣＶＤ装置を使用し、キャリヤ
ガスとしての水素をもって稀釈されたトリメチルアルミ
ニウムガスを反応ガスとして供給し、１００°Ｃ以下の
二酸化シリコン基板上にアルミニウムを堆積すると、１
対の電極４と５との間のガス圧力が均一となり、形成さ
れる薄膜は、第８図に示すように、半導体ウェーハの全
領域にわたって膜厚がはソー様となり、誤差範囲は、図
示するようにお−むね±５％以下となり、従来技術の場
合（数％から２０％の間にばらつく。）に比して、顕著
に改良されており、実用上、十分許容しうる範囲となる
。

また、再現性も捲めて良好であり、基板中央部において
いくらか厚く、基板周辺部においていくらか薄くなると
云う傾向も一定していることが実験的に確認され、この
±５％の誤差も実用上さしたる支障とはならない。

また、驚嘆に値することは、上記のようにしてアルミニ
ウム膜が形成された二酸化シリコン基板を水素と窒素と
の混合ガス中で４５０’Ｃの温度にお゛いて３０分熱処
理すると、比抵抗が７μΩ１と従来技術に比して大幅に
低下することである。この理由は必ずしも明らかではな
いが、リークガスとして浸入する酸素等の量が減少する
からであると思われる。

以上、アルミニウム薄膜の形成について述べたが、タン
グステン、モリブデン、これら高融点金属のシリサイド
、ステンレス鋼等の金属膜および二酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化窒化シリコン、リン珪酸ガラス等の絶縁
膜の形成に対しても本発明が有効であることは云うまで
もない。

〔発明の効果〕

゛以上説明せるとおり、本発明に係る薄膜形成装置にお
いては、反応ガス供給手段とガス排気手段とを有する真
空容器と、この真空容器の中には１対の電極が設けられ
、この１対の電極の一方はサセプタを構成する薄膜形成
装置において、前記の１対のｔ橿を囲んで、前記の反応
ガス供給手段の貫通口が延長されて取り付けられている
内殼容器が設けられ、この内殼容器と前記の真空容器と
の間には不活性ガス供給手段が設けられ、前記の内殼容
器に供給される反応ガスの排出口は、細隙を介して前記
の真空容器に連通されるか、または、前記の１対の電極
の一方の周辺から他方の電極の周辺に向かって気体流を
噴射するループ状（リング状または角形ループ状）の気
体噴射手段が設けられることにより、真空容器は内殼容
器または噴射ガスによって反応室と排気室とに２分割さ
れ、酸素、窒素等のリークガスまたは真空容器壁面から
の遊離ガスは、反応室内に流入することなく排気室から
排出されるので、リークガスの悪影響が排除される高速
排気方式の利点と、堆積速度が速い低速排気方式の利点
とが組合わされることになる。すなわち、薄膜形成領域
においては、実質的・には低速排気方式であるから、堆
積される薄膜が酸化・窒化等がなされることがなく、良
質のｙｉ膜が形成される。しかも、真空容器の内壁との
関係では高速排気方式であるから、汚染物質を含むリー
クガスは、従来技術を示す第３図において破線で示すよ
うに、高速の粘性排気流に誘引されて排出され、半導体
ウェーハ上には到達せず、したがって、半導体ウェーハ
上に堆積される薄膜中に酸素等の汚染物質が取り込まれ
ることが少なく、薄膜の比抵抗の上昇等は少なく、堆積
される薄膜の膜質は極めて良質となり、しかも、堆積膜
厚はウェーハの全面にわたって、お＼むね均一になる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明の第１実施例に係る薄膜形成装置の
構成図である。 第１ｂ図は、本発明の第１実施例に係るＴＲＷｉ形成装
置に半導体ウェーハを搬入・搬出する状態を示す図であ
る。 第１Ｃ図は、本発明の第２実施例に係る薄膜形成装置の
構成図である。 第１ｄ図、第１ｅ図は、本発明の第２実施例の改変に係
る薄膜形成装置の電極部の構成図である。 第２図は、従来技術に係る薄膜形成装置の構成図であり
、低速排気方式を説明する図である。 第３図は、従来技術に係る薄膜形成装置の構成図であり
、高速排気方式を説明する図である。 第４回は、排気速度と堆積速度及び導電率との関係を示
す図である。 第５図は、エアーカーテンとして機能する水素ガス流量
と堆積されるアルミニウム膜の比抵抗との関係を示す回
である。 第６図は、シミレーション計算用薄膜形成装置の模式図
である。 第７図は、シミレーション計算による等圧線図である。 第８図は、ウェーハ内各領域に形成された薄膜の膜厚と
比抵抗との分布を示す図である。 反応室、 排気室、 ゲートパルプ、 磁石、 ベロー 気体噴射手段、 絶縁物層、 シールド層。 １　・　・ １　ａ　・ １　ｂ　・ ２　・　・ ３　・　・ ４、５ ６　・　・ ７　・　・ ８　・　・ ９　・　・ １０・　・ 真空容器、 ・絶縁性シール材、 ・Ｏリング、 反応ガス供給手段、 ガス排気手段、 ・・１対の電極、 半導体ウェーハ、 高周波ｉｔ源、 内殼容器、 不活性ガス供給口、 細隙、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］反応ガス供給手段（２）とガス排気手段（３）と
   を有する真空容器（１）と、 該真空容器（１）の内部に１対の電極（４、５）が設け
   られ、該１対の電極（４、５）の一方はサセプタを構成
   する薄膜形成装置において、 前記１対の電極（４、５）を囲んで、前記反応ガス供給
   手段（２）の貫通口を有する内殼容器（８）が設けられ
   、 前記真空容器（１）には不活性ガス供給口（９）が設け
   られ、 前記内殻容器（８）内に供給された反応ガスの排出口は
   、細隙（１０）を介して前記真空容器（１）に連通され
   てなる ことを特徴とする薄膜形成装置。 ［２］反応ガス供給手段（２）とガス排気手段（３）と
   を有する真空容器（１）と、 該真空容器（１）の内部に１対の電極（４、５）が設け
   られ、該１対の電極（４、５）の一方はサセプタを構成
   する薄膜形成装置において、 前記１対の電極（４、５）の一方の周辺から他方の周辺
   に向かって気体流を噴射するループ状の気体噴射手段（
   １６）が設けられてなる ことを特徴とする薄膜形成装置。