JPH05267177A - 光学式化学蒸着システム - Google Patents

光学式化学蒸着システム

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JPH05267177A
JPH05267177A JP5005784A JP578493A JPH05267177A JP H05267177 A JPH05267177 A JP H05267177A JP 5005784 A JP5005784 A JP 5005784A JP 578493 A JP578493 A JP 578493A JP H05267177 A JPH05267177 A JP H05267177A
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reaction chamber
reaction
light
vapor deposition
chemical vapor
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JP5005784A
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Ji H Rhieu
ジ・ヒョー・リュー
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Amtech Systems Inc
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 光学式化学蒸着反応室内の反応ガスから、光
を通し且つこの光を反応室に導入する窓の表面上に材料
が蒸着しないようにするための装置及び方法を提供す
る。 【構成】 反応室と、反応室の室内に配設され、ウェー
ハ１１を支持するサスセプタ２と、流入ポートを介して
反応ガスを反応室へ供給する反応ガス源と、ハウジング
に対し密封状態となるように配置され、反応室の一部を
画成すると共に、各々の長さと直径の比がパージガスの
流動状態を一次元とするに十分な比である、細長い光管
開口部２２を複数個有するカバーとを有する。複数の透
明窓がカバーにシールされた関係で配置され、これらの
窓は光管開口部の各々の外端を画成する。紫外線が光管
開口部を通して導入され、これらの開口部は厚いガス層
をつくり、反応ガスの反応種はこのガス層を通って拡散
し、窓表面に到らなければならない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化学蒸着反応室の窓が
曇らないようにするための技術に関し、更に詳細には、
光を反応ガスに導入するため管組立体の表面上の境界層
の厚さに匹敵する幅狭の光管を使用する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】化学蒸着法は周知であり、半導体集積回
路の製造で広範に使用されている。不純物が高度に添加
された集積回路の領域でのドーパント、即ち、ドーピン
グのため半導体に添加する少量の化学的不純物の側方拡
散や望ましからぬ応力が半導体材料に発生することとい
った種々の問題点を生ぜしめる高温が化学蒸着法で半導
体ウェーハに加わらないようにするため、種々の光学式
化学蒸着法即ち光化学蒸着法が開発されてきた。こうし
た方法では、基材を加熱する際に紫外線が照射されるの
でかなり低い温度で処理することができる。
【０００３】光学式化学蒸着法は、今日まで広範には使
用されていない。これは、紫外線を反応室へ導入する際
に紫外線が通過する光窓の曇りを防ぐための実際的な技
術が開発されていないためである。化学反応ガスは半導
体ウェーハ上ばかりでなく、反応室の壁及び光窓の壁上
にも蒸着する。
【０００４】窓に蒸着した材料が窓を曇らせ、１プロセ
スから次のプロセスまでに入る紫外線の量を減少させ、
酸化物層、窒化物層等の半導体ウェーハ上への蒸着にお
いて受入れることのできない非均等性をもたらす。この
ため集積回路の産量が減少する。
【０００５】紫外線を通す窓に反応ガスから蒸着する材
料を減少させるため、種々の従来技術が使用されてき
た。米国特許第4,435,445 号、米国特許第4,556,584
号、米国特許第4,654,226 号、米国特許第4,715,318
号、米国特許第4,778,693 号、米国特許第4,811,684
号、米国特許第4,816,294 号、及び米国特許第5,005,51
9 号に従来の技術が示されている。
【０００６】光学式化学蒸着反応室内の反応ガスから、
光を通し且つこの光を反応室に導入する透明窓の表面上
に材料がはっきりと蒸着しないようにするための実際的
で経済的なシステムに対する必要性は満たされていな
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光学
式化学蒸着反応室内の反応ガスから、光を通し且つこの
光を反応室に導入する窓の表面上に材料が蒸着しないよ
うにするための装置及び方法を提供することである。
【０００８】本発明の別の目的は、光学式化学蒸着反応
室の壁からの付着物の清掃を助ける改善を提供すること
である。
【０００９】本発明の更に別の目的は、上側に薄膜が蒸
着される基材の全表面に亘って光の強さを個々に制御す
ることによって、光学式化学蒸着プロセスで蒸着された
薄膜の厚さの均等性を改善することである。
【００１０】本発明の他の目的は、光学式化学蒸着プロ
セスにおいて窓の厚さのため光の強さが減少しないよう
にすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】簡単に説明すると、本発
明の一実施例によれば、反応室と、反応室の室内に配設
され、ウェーハを支持するサスセプタと、流入ポートを
介して反応ガスを反応室に供給するための源と、ハウジ
ングに対して密封状態となすように配置され、反応室の
一部を画成するカバーと、を有し、このカバーは複数の
光管開口部を有し、これらの光管開口部の各々は、複数
の透明窓の各々の表面にある反応ガスの境界層の厚さに
匹敵する長さを有し、これらの透明窓は、カバーに密封
状態となるように配置され、光管開口部の各々の外端を
夫々境界付ける、光学式化学蒸着システムが提供され
る。種々の窓を通る紫外線が反応室に導入される。光管
及びこれらの光管に導入されたパージガスは、反応ガス
中の反応分子が窓に到らないようにし、窓上に蒸着しな
いようにする。一実施例では、種々の窓を通って反応室
に入る紫外線の強さは、反応ガスからウェーハ上へ反応
分子が均等に蒸着するように個々に制御される。窓を通
って反応室に入る紫外線の強さは、紫外線の強さを反応
室内で増大することによって、反応ガスがウェーハに亘
って流れるときの反応ガス中の反応分子の消費を補償す
るように、反応ガス流入ポートからの窓の距離の増大に
従って増大する。光管開口部の直径は、一方向パージガ
ス流を維持するのに十分小さく、そのため、反応ガスは
パージガス流に当たって拡散し、窓表面に到らない。カ
バーは、導電性金属でできている。高周波電力をカバー
に加え、カバーをプラズマ電極として機能させる。反応
室に導入されたガスからプラズマが生じ、反応室の内部
及び光管開口部のプラズマ浄化を行う。
【００１２】
【実施例】次に、添付図面のうち図１、図２及び図３を
参照すると、光化学蒸着システム１は、壁４で境界付け
られた反応室１Ａを有する。サスセプタ２は１５．２４
cm（６インチ）乃至１０．３２cm（８インチ）の半導体
ウェーハ１１を４個その上面に支持する。サスセプタ２
は、このサスセプタの下又はこのサスセプタ内の加熱ラ
ンプ３で代表的には約１５０0C乃至４００0Cの範囲の温
度まで加熱される。１５．２４cm（６インチ）のウェー
ハを処理する場合は、反応室１Ａの大きさを、長さ４
５．７２cm（約１８インチ）×幅４０．６２cm（約１６
インチ）×深さ２２．８６cm（約９インチ）とするのが
よい。ウェーハ１１と入光カバー２５の底部との間の距
離１４は、約５cm乃至１０cmの範囲内にあるのがよい。
【００１３】カバー２５は、ステンレス鋼でできてお
り、約６cmの厚さを持ち、約２００個の細長い円筒形の
垂直開口部即ち光管２２の配列を有し、これらの光管を
通して紫外線を反応室１Ａに入れる。光管２２の各々の
直径は、約１．５cmであるのがよい。
【００１４】図２では、別体の紫外線ランプハウジング
９がカバー２５の上面上に各光管２２の上に配置されて
いる。各ハウジング９内の紫外線ランプ３２が発生する
全ての紫外線は、対応する光管２２を通して反応室１Ａ
内に下方に通される。図２に更によく示してあるよう
に、各紫外線ランプハウジング９の内面は鏡面９Ａとな
っており、紫外線ランプ３２から放射された紫外線がこ
の鏡面から下方に反射される。光管２２の各々の内面も
鏡面となっている。
【００１５】紫外線ランプ３２は、材料を反応ガスから
ウェーハ１１の表面上に最適の均等さで蒸着させるた
め、経験に基づいて作成されたプログラムに従って制御
装置４８（図１参照）によって個々に又は群をなして制
御することができる。図１の参照番号１３は、種々の紫
外線ランプ３２に接続された制御ライン又は動力ライン
に附してある。
【００１６】Ｏ−リング３４でシールされた複数の薄い
円形の透明窓ディスク３０が各光管２２の上縁に配置さ
れ、そのため、各紫外線放射要素３２からの紫外線はこ
れらの窓ディスク３０の各々を通って下方に通過し、対
応する光管２２を通って反応室１Ａ内に通る。窓ディス
ク３０は、ほぼ０．８ｍ厚の合成水晶でできているのが
よい。図１及び図２に示すように、管４０は不活性アル
ゴンパージガスを搬送するが、このガスは外部の供給源
から適当な質量流量制御装置（ＭＣＦ）及び制御弁を介
して供給され、カバー２５内の通路内に搬入される。図
２に示すように、この通路は、不活性アルゴンを矢印１
６が示すように半径方向に分散して光管２２の各々から
反応ガスをパージし、パージガス流に対して拡散させて
窓表面に到る、副通路即ち枝通路４０Ａ及び４０Ｂを各
光管２２毎に有する。
【００１７】一つ又はそれ以上の多数の外部ガス源から
の、SiH4（シラン）、Si2H6 （ジシラン）、NH3 （アン
モニア）、N2O （亜酸化窒素）、PH3 （ホスフィン）等
の反応ガスを対応する質量流量制御装置によって制御
し、マニホールド４１に通し、ウェーハ１１の表面に亘
って反応室１Ａを通過させ、排気通路４３を通して排気
する。良好な実施例では、高速圧送で引き起こされる乱
流により室内に微小な粒子が分配されることのないよう
に、先ず最初に真空ポンプを使用して反応室の圧力が約
１０トールに到るまで「副ゲート」弁を通して反応室１
Ａをゆっくりと排気する。反応室１Ａからの不活性アル
ゴンパージガス及び反応ガスの適当な流れを実現するた
め、ゲート弁４５は開放されており、副ゲート弁４６は
閉鎖されている。
【００１８】カバー２５全体が導電体であるステンレス
鋼でできているため、１３．５６ＭＨｚの周波数の約５
００ｗの高周波電力をカバー２５に加え、NF3 ガスを使
用した反応室１Ａの浄化中このカバーによりプラズマを
発生させることができる。
【００１９】先ず最初に、光管がない状態で窓の表面へ
の蒸着の仕組みを考えることによって、窓蒸着を説明す
ることができる。図５では、長さＬの入光窓３０が、反
応ガス流が矢印２８で示すように右から左へ流れる反応
体領域を境界付ける。曲線２７は、反応ガスの境界層の
速度分布を表す。境界層平均厚さは、図示のように、δ
である。曲線２９は、窓表面３０Ａに沿った反応ガス流
の境界層の縁を示す。矢印２６の長さは、入光窓３０の
底面から様々な距離にある境界層２９の異なる部分の速
度を示す。窓の内面３０Ａへ流動する反応ガスのバルク
からの反応ガス分子の「流束」は、以下の等式で与えら
れる。
【００２０】（１）Ｆ1 ＝ｈg （Ｃｇ−Ｃｓ）、 ここで、Ｆ1 は、入光窓３０へ向かう反応ガス分子の流
束即ち流量であり、ｈg は、物質移動係数であり、Ｃｇ
は、反応ガスのバルク内での反応体の濃度であり、Ｃｓ
は、入光窓３０の表面３０Ａでの反応体の濃度である。
【００２１】反応ガスの消費量に対応する流束Ｆ2 は、
以下の等式で与えられる。
【００２２】（２）Ｆ2 ＝ＫS ・Ｃｓ、 ここで、ＫS は化学的表面反応速度定数である。
【００２３】定常状態では、Ｆ1 はＦ2 に等しく、従っ
て、 （３）Ｃｓ＝Ｃｇ／（１＋ＫS ／ｈg ）であり、成長速
度Ｖは、以下の等式で与えられる。
【００２４】（４）Ｖ＝Ｆ／Ｎ１、 ここで、Ｆ1 及びＦ2 はＦに等しく、Ｎ１は、表面３０
Ａ上にある反応ガス分子の薄膜の単位体積内に含まれる
原子数に等しい。
【００２５】従って、 （５）Ｖ＝Ｆ／Ｎ１＝（ＫS ・ｈg ／（ＫS ＋ｈg ））×（Ｃｇ／Ｎ１）＝（Ｋ S ・ｈg ／（ＫS ＋ｈg ））×ＣT ・Ｙ／Ｎ１、 ここで、ＣｇはＣT −Ｙに等しい。
【００２６】ここで、ＣT は、反応ガス１立方センチメ
ートル当たりの分子の総数であり、Ｙは反応ガス種のモ
ル分率である。
【００２７】周知の境界層理論によれば、境界層に亘る
る反応種の物質移動は、拡散により進行する。従って、 （６）ｈg ＝Ｄg ／δ ここで、Ｄg は反応ガスの拡散係数であり、δは境界層
の平均厚さである。
【００２８】本発明については、細長い窓管２０が反応
ガスの追加の停滞層を構成し、これを通って反応ガスの
反応種は拡散しなければならない。この場合、長さδＬ
の光管の下縁に沿った平均厚さδの境界層２９を示す図
６から確認できるように、物質移動係数ｈg を以下の等
式に示すように変形することができる。
【００２９】（７）ｈg ＝Ｄg ／（δ＋δＬ）、 従って、窓の表面での反応体濃度は、 （８）Ｃｓ＝Ｄg ・ｈg ／（Ｄg ＋ＫS （δ＋δＬ））
である。
【００３０】光管を使用しない（その結果δＬが０に等
しい）図５でＣSOがＣS の値であるとすると、ＣSLは長
さδＬの窓を持つ場合のＣS の値である。この場合、Ｃ
SLとＣSOとの間の比は、以下の等式で与えられる。
【００３１】 （９）ＲCS＝ＣSL／ＣSO＝（Ｄg ＋ＫS ・δ）／（Ｄg ＋ＫS （δ＋δＬ））、 窓の表面に蒸着した反応種の成長速度は、 （１０）Ｖ＝（ＫS ｈg ／（ＫS ＋ｈg ））×ＣT ・Ｙ／Ｎ１＝ＫS ・Ｄg ／（ Ｄg ＋ＫS （δ＋δＬ））×ＣT ・Ｙ／Ｎ１、 である。
【００３２】光管２０が存在する場合の表面３０Ａ上へ
の蒸着速度の、光管２０が存在しない場合の蒸着速度に
対する比は、以下の等式で与えられる。
【００３３】 （１１）ＲV ＝ＶL ／ＶO ＝（Ｄg ＋ＫS ・δ）／（Ｄg ＋ＫS （δ＋δＬ）） 、従って、ＲV はδL の増大に従って減少する。この比
は、プロセス圧力、導入された光の強さ、反応ガスの流
量、等のようなプロセス条件に左右される。
【００３４】図７は、光管の長さδＬの関数としての蒸
着速度比を示す。
【００３５】通常のプロセス条件では窓蒸着をなくすだ
けでは十分でない。本発明者のシュミレートしたところ
によれば、比ＶL ／ＶO は、種々のプロセス条件で０．
８乃至０．９５の範囲内にある。
【００３６】上述の光学式化学蒸着法における窓組立体
の光管２０の別の機能は、「一方向」不活性ガス流を管
内で不活性パージガスの方向に差し向けて、蒸着反応に
より上述の曇りの問題を引き起こす窓表面３０Ａに反応
種が到らないようにすることである。
【００３７】不活性ガス流の速度を制御することによっ
て、窓表面３０Ａ近くの反応ガスの濃度を最少にするこ
とができる。図８のグラフは、光管２０を使用しない場
合の反応ガスの濃度に合わせて標準化した反応ガスの濃
度を示す。この濃度は、不活性パージガスの流速の関数
として、光管２０の開放端から光管内への方向での距離
に対してプロットした。図８は、光管２０から流出する
不活性ガスの所与の流速で、光管２０の口から窓表面３
０Ａに向かう増大する距離の点で反応ガス濃度が劇的に
減少することを示す。この結果、窓表面３０Ａ上に蒸着
する反応種が大きく減少され、これによって、従来の光
学式化学蒸着システムの上述の問題点が回避される。不
活性ガスの速度を毎秒約５０cmに設定し、光管の長さを
約５cmに設定することによって、窓蒸着を、本発明に従
って光管２０及びこれらの光管内の不活性パージガスを
使用しない場合に生じる窓蒸着の１０-3倍以下に減少す
ることができる。
【００３８】種々の紫外線ランプ３２が反応室１Ａ内に
放射する光の強さのグラフを含む図４に示すように、反
応ガス分子が半導体ウェーハ１１の表面上に蒸着する際
の反応ガス分子の消耗を補償するため、カバー２５の下
の反応室１Ａを反応ガス流の方向で右から左へ通る距離
に従って、紫外線ランプ３２に加えられる電力の量を増
大するのがよい。個々の紫外線ランプ３２にこのような
制御を施す。制御装置４８（図１参照）は、半導体ウェ
ーハ１１上で非常に均等な蒸着速度を達成し、製造され
るべき集積回路の産量を改善するようにプログラムされ
ている。
【００３９】簡単に述べると、本発明によれば、紫外線
を光学式化学蒸着反応室１Ａに導入するのに幅狭の個々
の光管２０が使用され、その結果、反応ガス分子は、反
応ガス分子が入光窓３０の表面３０Ａ上に蒸着する前
に、厚さが管２０の長さに等しい停滞ガスの層を通して
拡散しなければならない。
【００４０】不活性パージガスが光管２２の上端近くの
通路４０、４０Ａ、及び４０を通って流れ、拡散する反
応ガス分子の流れ方向とは逆方向の不活性パージガスの
一方向流を生じさせる場合には、窓表面３０Ａ上への反
応ガス分子の蒸着は、窓表面３０Ａ近くの反応ガスの濃
度を減少させることによって更に減じられる。これによ
って、窓ディスク３０の曇りが回避されるか或いは大き
く減じられる。
【００４１】制御装置４８で個々に制御された紫外線ラ
ンプ３２を使用することによって、反応ガスがウェーハ
１１を横切って流れるときに反応ガス分子の消耗が補償
されるように、光学式化学蒸着反応室１内へ導入される
紫外線の強さを図４の曲線５３が示すように制御するの
がよい。これによって、反応ガス分子が反応室１Ａ内で
非常に大きい半導体ウェーハ面積上へ非常に均等に蒸着
する。合成水晶窓の各々の直径が約１．６５cmに過ぎな
いため、入光窓２０を、従来技術の光学式化学蒸着反応
室の非常に大きな入光窓と比べて非常に薄くでき、それ
にも関わらず、真空ポンプ４４による反応室１Ａの排気
を窓の破損の危険なしに行うことができる十分な強度を
有する。
【００４２】カバー２５は、金属製であるため、窓表面
３０Ａとウェーハ又は基材との間に配置された、光の照
度を不均等にするプラズマ電極を設計することなく、シ
ステムの保守を容易に行うためのプラズマ電極として使
用できる。
【００４３】紫外線ランプ３２のガラスカバーは、ラン
プ３２の内部紫外線放射要素から反応室１Ａ内へ紫外線
を通す、透明な窓ディスク３０と同じ機能を果たすこと
ができるということを理解すべきである。従って、反応
室１Ａ内に真空を維持できるように紫外線ランプハウジ
ング９がシールされている場合には、場合によっては、
窓ディスクを省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式化学蒸着装置の概略図である。
【図２】図１に示す装置の一部の部分拡大図である。
【図３】図１に示す本発明の実施例の、多数の紫外線ラ
ンプを支持するパネルの平面図である。
【図４】反応室内の半導体ウェーハに亘って流れる反応
ガス流からの反応種の消費を補償するための光学式化学
蒸着反応室内への紫外線の強さの制御を説明する上で有
用な図である。
【図５】本発明の作動理論を説明する上で有用な図であ
る。
【図６】本発明の作動理論を説明する上で有用な別の図
である。
【図７】パージガスがない場合の光管の長さに対する標
準化された蒸着速度を示すグラフである。
【図８】内パージガスを光管に導入した場合の反応種の
窓蒸着にもたらされる効果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 光学式化学蒸着システム １Ａ 反応室 ２ サスセプタ ３ 加熱ランプ ４ 壁 ９ 紫外線ランプハウジング １１ 半導体ウェーハ ２２ 光管 ２５ 入光カバー ３０ 透明窓ディスク ３２ 紫外線ランプ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学式化学蒸着システムであって、 （ａ）半導体（４）を有する反応室（１Ａ）と、 （ｂ）前記反応室の室内に配設され、半導体ウェーハ
    （１１）等の基材を支持するサスセプタ（２）と、 （ｃ）前記ハウジングの流入ポート（４１）を介して反
    応ガスを前記反応室に導入する反応ガス源と、 （ｄ）前記ハウジングに対し密封状態となるように配置
    され、前記反応室の一部を画成するともに各々の長さと
    直径の比がパージガスの流動状態を一次元とするに十分
    な比である、細長い光管開口部を複数個有するカバー
    （２５）と、 （ｅ）前記光管開口部から紫外線を前記反応室の室内に
    供給する紫外線源（３２）とを有し、 前記反応ガス中の反応分子が前記紫外線源と前記反応室
    との間の透明な表面（３０又は３２）に達せず、該表面
    に蒸着しないようにしたことを特徴とする光学式化学蒸
    着システム
  2. 【請求項２】 複数の透明な窓ディスク（３０）を有
    し、これらの窓ディスクの各々は光管開口部の各々の外
    端に隣接して夫々配置され、前記透明な表面は前記透明
    窓ディスクの表面である請求項１に記載の光学式化学蒸
    着システム。
  3. 【請求項３】 紫外線源は、種々の光管を通して光を反
    応室内に放射する複数の紫外線ランプ（３２）と、紫外
    線ランプが放射し、種々の透明表面を通って反応室に入
    る紫外線の強さを、反応分子が反応ガスから基材上へ均
    等に蒸着するように制御する制御装置（４８）とを有す
    る、請求項１に記載の光学式化学蒸着システム。
  4. 【請求項４】 透明表面が紫外線ランプの表面である、
    請求項３に記載の光学式化学蒸着システム。
  5. 【請求項５】 反応ガスが基材に亘って流れるとき反応
    ガス中の反応分子の消費を補償するため、制御装置は、
    透明表面を通って反応室に入る紫外線の強さを透明表面
    の流入ポートからの距離の増大に従って増大する、請求
    項３に記載の光学式化学蒸着システム。
  6. 【請求項６】 パージガスの一方向流を光管開口部内で
    維持するため、光管開口部の直径は十分に小さく、光管
    開口部の長さは十分に長い、請求項１に記載の光学式化
    学蒸着システム。
  7. 【請求項７】 カバーは導電性の金属でできており、電
    圧をカバーに加えてカバーをプラズマ電極として機能さ
    せるためのバイアス電圧回路（４６）と、反応室にプラ
    ズマを導入して反応室及び光管開口部の内部のプラズマ
    浄化を行うための手段とを有する、請求項１に記載の光
    学式化学蒸着システム。
  8. 【請求項８】 反応ガスがウェーハの表面に沿って均等
    に流れるように、流入ポートの下流に配置されたハウジ
    ングの排気ポート（４３）に連結された真空ポンプ（４
    ４）を有する、請求項３に記載の光学式化学蒸着システ
    ム。
  9. 【請求項９】 光学式化学蒸着反応室内へ紫外線を通す
    透明表面（３０又は３２）上に材料が反応ガスから蒸着
    しないようにする方法において、 （ａ）反応室内で支持された半導体ウェーハのような基
    材（１１）の上流で反応ガスを反応室（１Ａ）に供給す
    る段階と、 （ｂ）複数の紫外線源要素（３２）と反応室を境界付け
    るシールされた壁（２５）の複数の細長い光管開口部
    （３０）との間の複数の間隔を隔てられた透明表面（３
    ０又は３２）を通して紫外線を反応室に導入する段階
    と、を有し、 反応ガスの反応分子が透明表面に到らず且つこれらの透
    明表面上に蒸着しない方法。
  10. 【請求項１０】 細長い光管開口部の、対応する透明表
    面と隣接した部分に不活性ガスを導入し、細長い光管を
    通って対応する透明表面に向かう反応分子の拡散を妨げ
    る、請求項９に記載の方法。
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