JPH03170676A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、化学気相成長法による薄膜形戊装置に関し、
特に半導体装置の製造工程において、不純物を添加した
酸化シリコン膜を形或する薄膜形成装置に係わる。

（従来の技術） 集積回路は、比例縮小則に従って素子の微細化が進み、
高密度化が一層進んでいる。しかし、素子寸法を縮小す
ることも限界に近づきつつ．あり、＋１ｉに素子寸法を
縮小することだけでは、さらに高密度の性能及び信頼性
の高い集積回路を製造することが難しくなっている。

そこで、現在、半導体基板表面に溝を掘ったり、半導体
膜、絶縁膜又は金属膜を積み上げたりして、立体的な構
造の素子にすることが行われている。

例えば、ＭＯＳダイナミックＲＡＭ　（ＤＲＡＭ）の横
成要素であるキャパシタの容量を増大させる方法として
は、シリコン基板表面に溝を掘り、占有面積を増大させ
ることなく実質的にキャパシタの容量の増大を図る方法
が採用されている。このような立体的な構造の素子を形
成する工程において、立体形状のシリコン基板表面に不
純物を導入する技術が重要な工程の一つとなる。立体形
状のシリコン基板表面に不純物を導入する技術としては
、従来のイオン注入法に代わって段差部に対して披覆性
が良好な減圧化学気相或長（ＬＰＣＶＤ法により不純物
を添加した酸化シリコン膜を立体形状のシリコン基板表
面に形成し、その膜を拡散源として不純物をシリコン基
板に拡散させる方法が注目されている。

また、集積回路においては上層の金属配線の信頼性を高
め、その配線の寄生抵抗や容量を減らして高速化、高性
能化を図るために、配線の下層をできるだけ平坦にする
必要がある。平坦化方法としては、トランジスタや配線
を形成した後、不純物を添加した酸化シリコンＨ（以下
、単に不純物添加酸化シリコン膜と称す）を常圧化学気
相成長（ＡＰＣＶＤ）法で形成し、高温でその膜を固体
のまま流動化させる方法が一般的に行なわれている。し
かし、素子の微細化により横方向の寸法が小さくなった
桔果、前記不純物添加酸化シリコン膜をトランジスタや
配線の間に綺麗に隙間なく埋め込むことが難しくなって
いる。そこで、段差部の側壁にも均一に膜を形成できる
ＬＰＣＶＤ法で前記不純物添加酸化シリコン膜を形成す
る方法が有効な手段として考えられている。

上述したＬＰＣＶＤ法においては、原料ガスにテ　　ト
　　ラ　　エ　　ト　　キ　　シ　　シ　　ラ　　ン　
　〔　化　学　式　　：Ｓｉ（ＯＣ２Ｈｓ）４、略称Ｔ
ＥＯＳ〕、トリエトキシアルシン〔化学式二Ａｓ　（Ｏ
Ｃ２　Ｈ５　）Ｊ、略称ＴＥＯＡ３等の有機化合物の気
化ガスを用いた場合、段差への被覆性の優れた不純物添
加酸化シリコン膜を形戊することが可能となる。

このように半導体集積回路の製造工程では、原料ガスに
有機化合物の気化ガスを用いたＬＰＣＶＤ法で不純物添
加酸化シリコン膜を形成する技術が注目されるようにな
っている。この方法に用いられる従来のＬＰＧＶＤ装置
は、反応炉の一端に開いた導入口から全ての原料ガスを
導入する構造になっている。しかしながら、原料ガスの
流れる方向に沿って設置された多数の半導体基板上に形
成した酸化シリコン膜中の不純物濃度は、原料ガスの風
上に位置する半導体基板程高く、風下へ行くに従って徐
々に減少していき、多数の半導体基板に形成した酸化シ
リコン膜中に等しい濃度で不純物を添加することができ
ない。これは、酸化シリコンの原料ガスと添加不純物の
原料ガスとで反応を開始する温度が異なり、一般的に酸
化シリコンの原料ガスの方が添加不純物の原料ガスより
反応開始温度が高いため、酸化シリコン膜形威に通常使
用している温度での反応は酸化シリコン膜の原料ガスが
反応律速、添加不純物の原料ガスが供給律速になってし
まうことに起因する。第６図（ａ）は、一般的な酸化シ
リコンの原料ガスであるＴＥＯＳの熱分解ガスクロマト
グラフィスベクトル、同図（ｂ）は添加不純物の原料ガ
スであるＴＥＯＡの熱分解ガスクロマトグラフィスベク
トルである。このスペクトルから、酸化シリコンの原料
ガスであるＴＥＯＳ　（第６図（ａ））の場合、５５０
℃でジエチルエーテルに分解し始め、６９０℃でも完全
に分解していない。しかしながら、ＴＥＯＡ　（同図（
ｂ））は非常に低い２５０℃から分解し始め、前記ＴＥ
ＯＳの分解し始める　５５０℃では完全に分解している
。従って、ＴＥＯＡとＴＥＯＡを用いて、７０（１℃の
温度で砒素添加酸化シリコン膜を形成する場合、ＴＥＯ
Ｓの反応は表面反応律速、砒素添加源であるＴＥＯＡは
供給律速になってしまい、多数の半導体基板上に形成し
た酸化シリコン膜中に等しい濃度で砒素を添加すること
ができない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、１回のＬＰＣＶＤ法により多数の半導体基板上に
等しい濃度の不純物を添加した酸化シリコン膜を形成し
得る薄膜形成装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、多数の基板を積載したポートを収納する反応
炉と、前記反応炉の膜形成領域を加熱する手段と、一端
が前記反応炉内の膜形成領域に延在され、原料ガスを反
応炉内に分散して導入するためのガス導入管とを具備し
た化学気相成長法により基板上に薄膜を形或する薄膜形
或装置において、前記薄膜が不純物を添加した半導体又
は絶縁物からなり、これら半導体又は絶縁物の形成ガス
のうち前記不純物の添加用ガスは前記ガス導入管に設け
られた複数の開口部から反応炉内に分散導入され、かつ
前記ガス導入管はその複数の開口部の面積の総和をその
内径の断面積の２倍以下にしたことを特徴とする薄膜形
成装置である。

上記ガス導入管において、複数の開口部の面積の総和を
その内径の断面積の２倍以下に限定した理由は、該断面
積が２倍を越えると、反応炉内に不純物添加用ガスを均
一に分散した状態で供給できなくなるからである。

上記ガス導入管の内径は、２〜１　５ｍｍの範囲にする
ことが望ましい。この理由は、内径を２１ＩＩＩ１未満
にすると原料ガスが導入管内で反応し、反応生成物が低
温部に付着して詰まり易くなり、一方その内径が１５１
ＩＩＩ１を越えると導入管内で原料ガスが層流にならず
、ガスの滞留が生じる恐れがあるからである。

（作　用） 本発明によれば、縦型の反応炉内に搬送手段により多数
の基板（例えば半導体基板）を積載したポート入れ、一
度に多数の半導体基板上にＬＰＣＶＤ法で不純物添加薄
Ｊｆｉを形成する際、原料ガスのうち、供給律速になり
やすいガスを前記反応炉の一端から炉内の半導体基板を
設置した膜形成領域に延出したガス導入管を通してその
複数の開口部から反応炉内に分散導入することにより、
ガスの反応の進行を抑制した状態で多数の半導体基板表
面まで輸送することを可能にし、表面反応律速状態にす
ることができる。この時、前記ガス導入管として複数の
開口部の面積の総和をその管断面積の２倍以下に設定し
た構造とすることによって、該ガス導入管を流れてきた
ガスをその複数の開口部からそれぞれ等しい量で反応炉
内に分散導入することが可能となる。更に、前記搬送手
段により半導体基板を積載したポートを回転させる＋７
４造にすることによって、分散導入されたガスを半導体
基板表面の各部分に等しく反応律速状態で供給すること
が可能になる。これにより、原料ガスを半導体基体表面
上で反応律速状態にすることが可能になり、ポートに積
載された多数の半導体基板に不純物が均一に添加された
薄膜を形成できる。

特に、シリコンをその構成要素として含む有機化合物と
添加不純物元素をその構成要素として含む有機化合物と
を用い、これらの原料を蒸発・気化させたガスを用いて
不純物添加酸化シリコン膜をポートに積載された多数の
半導体基板上に一度のＬＰＣＶＤ法で形成する際には、
原料ガスのうち、反応開始温度が低く、供給律速になり
やすい添加不純物元素をその構成要素として含む有機化
合物の気化ガスのみ、反応炉の一端から炉内の基体試料
を設置した膜形或領域に延出したガス導入管を通してそ
の複数の開口部から反応炉内に分散導入すると共に前記
ポートを回転することによって、添加不純物元素を含む
有機化合物ガスを、それ自身の反応の進行を抑制した状
態で多数の半導体基板の表面各部まで輸送することを可
能にし、表面反応律速状態にすることができる。これに
よりシリコンを含む有機化合物と添加不純物元素を含む
有機化合物とのいずれの原料ガス共、表面反応律速状態
にすることが可能になり、多数の半導体基板上に等しい
濃度で、その基板表面の全域に均一な濃度で不純物を添
加した酸化シリコン膜を形成することが可能になる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は、本発明の一実施例のＬＰＧＶＤ装置を示す概
略断面図である。図中の１は、フランジ２に設置された
石英からなる反応炉である。この反応炉の外周には、抵
抗加熱方式によるゾーン加熱器３が配設されている。前
記フランジ２の中央付近には、後述するポートが出し入
れされる穴４が開孔されている。前記反応炉１内の前記
フランジ２上には、前記穴４より大径の石英管５が図示
しないＯリングを介して気密に設置されている。

前記反応炉１と石英管５の間に位置する前記フランジ２
には、排気口Ｂが開孔されており、かつ該排気ＤＢには
反応炉１内を減圧にするための真空ポンプ７が連結され
れている。

図中の８は、上下動自在な扉である。このｍ８上には、
多数の半導体ウエハ９を積載した石英製のポート１０が
搭載されており、かつ該扉８を上方に移動させることに
より、前記石英製のポートＩＯが前記フランジ２の穴４
を通して前記反応炉１の高温領域に装入されると共に、
前記扉８が前記フランジ２底部に図示しないＯリングを
介して取り付けられて前記反応炉ｌが真空シールされる
ようになっている。前記ポート１０は、扉８の移動方向
を軸にして回転することが可能になっている。

また、図中の１１、１２は恒温槽であり、これら恒？Ｒ
　｝Ｑ　１　１、１２にはシリコンを構成要素として含
む有機化合物（例えばＴＥＯＳ）を充填したボンベ１３
、添加不純物元素を構成要素として含む有機化合物（例
えばＴＥＯＡ）を充填したボンベｌ４がそれぞれ収納さ
れ、それぞれのボンへ１３、１４は例えば８０℃に保た
れているでいる。前記ボンベｌ３には、第１１共給管】
５の一端が連結され、該供給管１５の他端は前記フラン
ジ２を横切ってその穴４内面に延出されている。この第
１供給管１５には、精密流瓜制御装置（マスフローコン
トローラ）　１Ｂが介装されている。また、前記ボンベ
１４には第２供給管１７の一端が連結され、該供給管ｌ
７の他端は前記フランジ２を横切って前記石英管５内に
上下方向に延びたガス導入管１８の下端に連結されてい
る。この第２供給管１７には、マスフローコントローラ
）　１９が介装されている。

前記ガス導入管１８は、第２図に示すように上下方向に
亘って複数の円形の開口部２０が穿設されている。前記
ガス導入管１８の断面積は、例えば３２．２猶Ｉ１２（
直径６．４ｍｍ）　、開口部２０の直径は１　．　５１
１％その数は１８個で総面積は３１．ＩＩＩｍｍ２にな
っている。

つまり、開口部２０の総面積（３１．８＋ａｍ２）はガ
ス導入管１８の断面積（３２．２ｍｍ２）の２倍以下に
設定されている。また、前記各開口部２０間の距離は７
０ｍｍになっている。前記開口部２０は、その形状によ
って機能が大きく異なるものではなく、円形の他に楕円
形、多角形であってもよい。なお、図中の２１は前記フ
ランジ２を貫通してその穴４に一端を延出させたパージ
、大気開放、希釈などの目的のための不活性ガス導入配
管である。

次に、上述したＬＰＧＶＤ装置による砒素添加酸化シリ
コン膜の形或を説明する。

まず、扉８上に多数の半導体ウェハ９が積載された石英
製のポート１０を搭載し、該扉８を上方に移動させて前
記石英製のポート１０を前記フランジ２の穴４を通して
前記反応炉ｌの高温領域に装入すると共に、前記扉８を
フランジ２底部に図示しないＯリングを介して取り付け
て前記反応炉ｌを真空シールする。つづいて、真空ボン
ブ７を作動して反応炉ｌ内のガスを真空排気した後、抵
抗加熱方式によるゾーン加熱３３により反応炉Ｉ内を加
熱し、更に前記ポート！０を３ｒｐｎ＋の条件で回転さ
せながら、ボンベｌ３のＴＥＯＳを気化したガスをマス
フローコントローラ１６で流量調整して第１供給管ｌ５
を通して反応炉１内に供給すると共に、不活性ガス導入
配管２１を通して反応炉！内に不活性ガスを供給する。

同特に、ボンベＬ４のＴＥＯＡを気化したガスをマスフ
ローコントローラＩ９で流量調整して第２供給管ｌ７を
通してガス導入管１８に供給し、該導入管ｌ８の複数の
開口部２０から反応炉ｉ内に供給して、反応炉ｌ内の石
英製のポート｛０に積栽された多数の半導体ウェハ９に
砒素添加酸化シリコン膜を形成する。この膜形成工程に
おいて、前記ゾーン加熱器３により　７００℃に加熱し
た反応炉ｌ内に前記ＴＥＯＳとＴＥＯＡの気化ガスをそ
れぞれ５０ｓｅｃｓ＋，　５１ｓｅｃｍの流量で導入し
て圧力ｌ　ＬＯｒｒの元で半導体ウェハ９上に砒素添加
酸化シリコン膜を形成する。

このような実施例のＬＰＧＶＤ装置によれば、Ｔ　Ｅ　
Ｏ　Ｓは反応開始温度が高く、膜形或温度に近いためガ
スの風上から風下まで表面反応律速になる。ＴＥＯＡは
、前述した開口部２０の総面積が所面積の２倍以下に設
定された特定のガス導入管１８の複数の開口部２０から
反応炉１内に供給され、石英ポート１０に積載された多
数の半導体ウエハ９の表面近くまで大部分未反応のまま
供給されるため、反応開始温度が低いにもかかわらず、
膜形成領域全体に亘って表面反応律速になる。これによ
り、膜形成領域全体に亘って設置された多数の半導体ウ
エハ９に等しい膜厚で、等しい不純物濃度の砒素添加酸
化シリコン膜が形成される。

第３図は、本実施例のＬＰＧＶＤ装置及び反応炉内にガ
ス導入管を配置しない従来のＬＰＧＶＤ装置を使用し、
膜形成領域に設置された石英ポートに半導体ウエハを５
０枚、５ｍ＋ｓビッチで並べ、各半導体ウエハ上に形成
された砒素添加酸化シリコン膜中の砒素濃度を示す特性
図である。第３図の購軸は、石英ポートの下端にある半
導体ウエハを基準にした他の半導体ウエハの位置を示し
、縦軸は砒素ｄ度を示す。

この第３図から明らかなように従来の ＬＰＧＶＤ装置の場合には、膜形或鎮域の両端で７．５
Ｘ　１０２°ａｔｏｌＷｓ／　ｃ１から　５．ＯＸ　１
０”　ａｔｏｍｓ／ｅｌＲ３まで大きく濃度が変化して
しまうのに対して、本実施例のＬＰＧＶＤ装置の場合に
は８．３Ｘ　１０”ａｔｏｌＩｓ／　ｃ−から　５．７
ｘ　１０”　ａｔｏｎｅｓ／　ｃ−までの間に濃度変化
が抑えられることがわかる。

第４図は、反応炉内に設けられるガス導入管に穿．よさ
れた複数の開口部の面積を変化された場合における膜形
成領域に設置されたポート内の半導体ウェハ上に形成さ
れた砒素添加酸化シリコン膜中の砒素濃度を示す。ガス
導入管ｌ８の断面積は、３２，２關２　（直径６．４ｍ
ｍ）　、開口部２０の数はｉ８個で開口部２０の間の距
離は７０闘になっている。

第４図から明らかなように開口部２０の総面積がガス導
入管ｌ８の断面積の２倍以下になると、砒素濃度の均一
性が向上することがわかる。

上述した実施例では、添加不純物の原料ガスを１種類と
したが、２種類以上の添加不純物の原料ガスを用いても
よい。例えば、ボロン、リン添加酸化シリコン膜（ＢＰ
ＳＧ膜）のように２種類の添加不純物の原料ガスを用い
る場合、第５図（ａ）、（ｂ）に示すようにボロン原料
であるトリエチルボレート〔化学式：　Ｂ　（ＯＣ２　
Ｈ５　）３、略称ＴＥＢ）、及びリン原料であるトリエ
チルフォスフェート〔化学式；　ＰＯ　（ＱＣ２Ｈ，）
３、略称ＴＥＰ）をそれぞれ例えば８０℃に保たれてい
る恒温槽２２、２３内に収納されているボンベ２４、２
５に充填し、このボンベ２４、２５内で気化されたガス
を供給管２６、２７に介装されたマスフローコントロー
ラ２８、２９を通して決められた量だけ反応炉ｌ内に導
入する。この際、第５図（ａ）に示すように前記供給管
２６、２７を途中で連結してＴＥＢとＴＥＰを混合して
ガス導入管１８の複数の開口部２０から反応炉ｌ内に導
入しても、第５図（ｂ）に示すようにＴＥＢとＴＥＰを
前記供給管２Ｂ、２７にそれぞれ連結した導入管１８、
１ｇ’の複数の開口部２０，２０゜から反応炉ｌ内に導
入してもよい。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
以下に示す形態としてもよい。

■減圧気相或長装置に限らず、他の気相成長装置、例え
ば常圧気相威長装置にも同様に適用できる。

■縦型の気相或長装置に限らず、反応炉が横置の、いわ
ゆる横型気相成長装置にも同様に適用できる。

■不純物添加用ガス以外の原料は、実施例のように反応
炉の下からだけでなく、上部又は横から導入してもよい
。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば多数の半導体基板に
不純物元素を添加した薄膜を一度のＬＰＶＣＶＤ法で形
成する際、添加不純物の原料ガスを開口部の総面積が断
面積の２倍以下に設定された特定のガス導入管を通して
前記複数の開口部から分散導入することによって、半導
体基板表面全域に亘って均一な濃度で、多数の半導体基
板上に等しい濃度で不純物を添加することが可能な薄膜
形或装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すＬＰＧＶＤ装置の概略
断面図、第２図は第１図のガス導入管の拡大正面図、第
３図は本実施例のＬＰＧＶＤ装置と従来のＬＰＧＶＤ装
置を用いて形戊した砒素添加酸化シリコン膜中の砒素濃
度のウェハ位置による変化を示す特性図、第４図はガス
導入管に設けられた開口部の面積を変化させたＬＰＧＶ
Ｄ装置を用いて形成した砒素添加酸化シリコン膜中の砒
素濃度のウエハ位置による変化を示す特性図、第５図（
ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例を示すＬＰ
ＧＶＤ装置の概略断面図、第６図はＴＥＯＳＳＴＥＯＡ
の熱ガスクロマトグライによるスペクトル図である。 ｌ・・・反応炉、２・・・フランジ、３・・・ゾーン加
熱器、５・・・石英管、７・・・真空ボンブ、８・・・
扉、９・・・半導体ウェハ、１０・・・ポート、ｌ１、
１２、２２、２３・・・恒温槽、ｌ３、ｌ４、２４、２
５・・・ボンベ、ｌ６、ｌ９、２８、２８・・・マスフ
ローコントローラ、ＩＬ　ｆｉ！’　・・・ガス導入管
、２０、２０゛　・・・開口部。 ８ 第 １ 図 第 ２ 図 第 ３ 図 （ｂ） （ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多数の基板を積載したポートを収納する反応炉と、前記
   反応炉の膜形成領域を加熱する手段と、一端が前記反応
   炉内の膜形成領域に延在され、原料ガスを反応炉内に分
   散して導入するためのガス導入管とを具備した化学気相
   成長法により基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置にお
   いて、前記薄膜が不純物を添加した半導体又は絶縁物か
   らなり、これら半導体又は絶縁物の形成ガスのうち前記
   不純物の添加用ガスは前記ガス導入管に設けられた複数
   の開口部から反応炉内に分散導入され、かつ前記ガス導
   入管はその複数の開口部の面積の総和をその内径の断面
   積の２倍以下にしたことを特徴とする薄膜形成装置。