JPH06283452A - 半導体製造装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は立体構造上に堆積された薄膜層の厚さ
プロフアイルを制御するシステム及び方法を提案する。 【構成】減圧ＣＶＤの条件を用い、反応体ビームを平行
調整して堆積面の反応被着係数Ｓ_r が「１」未満になる
ように反応体を選択することにより、堆積表面上に特定
の角度で衝突するようになされている。本発明は従来の
ものと比較して、例えばトレンチ等の種々の構造上に新
しい形状の薄膜層を堆積することができる。トレンチの
形状は、例えば（１）奥広形でなく先細形のトレンチ
（すなわち上部よりも底部の方が厚い）、（２）トレン
チ構造において側壁のステツプカバレージ及び又は底部
のステツプカバレージが増強されている（上面と比較し
て）トレンチ、（３）アスペクト比が大きい（深さ／
幅）ときでさえ、ボイド及びシームを形成せずにトレン
チ又はバイア構造を充填できるトレンチ、（４）非対称
な側壁のステツプカバレージのトレンチを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造装置及びその
方法に関し、特に 0.1〜10〔μｍ〕のスケールで立体構
造上に化学的に堆積された薄膜層の厚さ配分を制御する
装置及び方法に適用して好適なものである。この薄膜層
の寸法は半導体デバイスに使用される特徴の特性であ
る。

【０００２】さらに詳細に説明すると、本発明は膜を堆
積する前の半導体表面について提起された課題に関する
ものであり、この半導体表面は、その表面に穴をあけ
て、例えば矩形形状（トレンチ）又は円形形状（バイ
ア）が形成されたトレンチ構造又はバイア構造を含む。
この２つの形状は当該明細書において交換して呼ぶこと
ができる。このような立体構造のラテラル方向の寸法を
トレンチ又はバイアの幅と呼び、この構造の縦方向の寸
法を深さと呼ぶ。トレンチ又はバイアのアスペクト比Ａ
Ｒは深さと幅との比である。

【０００３】本発明はこのような立体構造のトレンチ構
造又はバイア構造に堆積された薄膜層のプロフアイルを
制御することができる処理を提案しようとするものであ
り、トレンチに隣接するウエハの上面に堆積された厚さ
だけではなく、トレンチの底面又は側壁面に沿つた位置
で堆積層の厚さがどのように変化するかを選択する能力
を提供するものである。

【０００４】

【従来の技術】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）はトレンチ及
び堆積層構造のジオメトリを概略的に示す。図１（Ａ）
は深さ「ｄ」及び幅「ｗ」を有する立体構造のトレンチ
又はバイアをもつ半導体基板の断面図である。図１
（Ｂ）は上面、側壁及び底面にそれぞれ厚さ「ｔ_t 」、
「ｔ_s 」及び「ｔ_b 」の薄膜の積層が堆積された半導体
基板の断面図を示す。従来、ステツプカバレージＳＣは
上面のステツプカバレージに対する側壁のステツプカバ
レージの比すなわちＳＣ＝ｔ_s ／ｔ_t として定義され
る。

【０００５】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように積
層を堆積するプロセスにより膜の均一性が異なる。図２
（Ａ）及び図２（Ｂ）はアスペクト比（ＡＲ）が異なる
トレンチ構造における堆積層の均一性を概略的に示す。
図２（Ａ）においてアスペクト比（ＡＲ）がほぼ 1.0の
場合、側壁のステツプカバレージは上面のステツプカバ
レージとほぼ等しいので均一性が非常に優れている。図
２（Ｂ）においてＡＲ＞1.0 とアスペクト比が一段と大
きくなると、トレンチの深さが増加するに従つて側壁の
ステツプカバレージは小さくなり、その結果均一性が不
十分になる。一般に図２（Ａ）のような均一性に優れた
ステツプカバレージは化学気相成長法で達成される。図
２（Ｂ）のような均一性が不十分なステツプカバレージ
はＰＶＤ技術においてよく見られる。ＰＶＤ技術におい
ては特徴表面に衝突するビーム束は、構造的に形状が壁
になつて制限される。ほとんどではないが多くの場合、
均一性にすぐれたステツプカバレージが望まれる。例え
ば、ある材料をアイソレートするために堆積層を誘電体
にし、次にこの堆積層をトレンチに入れると、側壁の一
段と薄い領域は、歩留り及び信頼性が非常に悪い。

【０００６】一般に側壁のステツプカバレージはその高
さに沿つて均一ではない。これを図３（Ａ）及び図３
（Ｂ）に示す。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は堆積された
薄膜、すなわち均一性が制限された層の先細形のプロフ
アイル及び奥広形のプロフアイルをそれぞれ示す。先細
形の場合は側壁の底部に近くなるに従つて側壁のステツ
プカバレージは大きくなるが、奥広形の場合は、先細形
とは反対に底部に近くなるに従つてステツプカバレージ
は小さくなる。一般に先細形の方が奥広形より望まし
い。これはトレンチの上部付近に堆積された材料のオー
バーハングにより下の領域が隠れてしまい、次の堆積状
態が明確にならないからである。先細形又は奥広形の場
合、ステツプカバレージを一段と正確に定義する必要が
あるが、これを単に側壁のステツプカバレージ平均化と
呼ぶことができる。

【０００７】図４に示すように堆積膜を用いてトレンチ
構造を完全に充填すると、図４（Ａ）〜（Ｃ）の３つの
異なる結果が考えられる。図４（Ａ）において、堆積さ
れた材料はボイド又はシームを形成せずにトレンチを充
填する。図４（Ｂ）にはシームが見られる。これは堆積
時に側壁層同士が出合う地点に発生する。図４（Ｃ）に
はボイドが見られる。ボイドは、充填プロセスの初期の
段階で堆積によつて奥広形のプロフアイルが形成される
場合に容易に生じ得る。マイクロエレクトロニクス構造
において完全性と信頼性とを得るためには、図４（Ａ）
が理想的である。シームが残る図４（Ｂ）及びボイドが
残る図４（Ｃ）は望ましくない。これは化学物質又は材
料がシーム又はボイドに現れて、構造を腐食又は劣化さ
せる恐れがあるからである。さらに、ボイドを密閉する
ことはほとんどできないので、次のステツプで化学物質
又は材料を堆積するとこの物質構造をほとんど変えてし
まう。一般にトレンチ構造及びバイア構造における堆積
は半導体装置の製造及び相互接続のいくつかの工程にお
いて行われる。一番の目的は極めて均一性に優れた膜を
生成したり又はボイドを形成せずに（及びできる限りシ
ームを形成せずに）充填することである。この提起され
た問題はアスペクト比が増加した場合のトレンチ構造に
問題となり、トレンチ構造のアスペクト比が増加するこ
とは、デバイスの密度がラテラル方向に高まつている現
在の傾向と矛盾しない。

【０００８】減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）は立体構造上
に、均一性に優れた膜を堆積する際に広く使われてい
る。一般にＰＶＤ技術（蒸着及びスパツタ堆積）はアス
ペクト比（ＡＲ）（＜２）が低い場合に限られている。
これは、ＰＶＤ技術が、被着係数がほぼＳ_r ＝1.0 であ
る、相対的に平行調整されて衝突するビーム又は方向性
をもつて衝突するビームを含むためである。ＬＰＣＶＤ
処理を使用することによりいくつかの理由によつて極め
て良好な均一性及び充填特性が得られる。

【０００９】第１の理由は、ガス相の反応種は等方的に
衝突する特性を有するため、反応種は側壁にかなり衝突
し得るからである。第２の理由は、化学的処理の中には
中間生成物種を生じさせるものがあり、これらの中間生
成物種のいくつかは表面上を移動できるので、トレンチ
の側壁面又は底面に移動することができるからである。

【００１０】第３の理由は、表面に衝突する化学反応体
の反応確率はＰＶＤの場合と比べ 1.0未満であるので、
ある反応種は表面からはね返つてトレンチ内の隣接する
面に異なる角度で衝突するという、再堆積と言われる現
象が生ずる。実際、均一性にすぐれた堆積は非常に高い
アスペクト比（ＡＲ）（〜40）で達成できる。これはダ
イナミツクＲＡＭトレンチキヤパシタに誘電体の３重層
をＳｉ₃ Ｎ₄ を用いてＣＶＤ堆積する場合又はこれに続
いて多結晶シリコン膜をもつ高アスペクト比のトレンチ
をＣＶＤによつて充填する場合に見られる。ＣＶＤ処理
の主な特徴は、反応被着係数Ｓ_r （すなわち反応確率）
が「１」未満であることと反応種が等方的に衝突するこ
とである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】現在のＣＶＤ処理には
重大な限界がある。集積レベル又は構造の性能が一段と
高くなるに従つて、アスペクト比を一段と高くする必要
があり、周知のＣＶＤ処理の能力を向上させる必要があ
る。奥広形のプロフアイル、シーム及びボイドはすべて
歩留り及び信頼性の問題の原因となるので半導体製品の
製造能力に影響を与える。成長温度を一段と高くして整
合性及びプロフアイルを改善する場合、立体構造の他の
特性が劣化する恐れがある（例えば、拡散によりドーピ
ングのプロフアイルが急激になる）。また適切なＣＶＤ
の化学的作用の反応確率（「反応被着係数」）が低くな
るに従つて均一性を一段と良好にすることができるが、
スループツトは低下し、このためこの手法が選択される
ことは少ない。かくして、従来のＣＶＤ処理では次世代
の技術に必要な、立体構造のプロフアイル及び充填特性
を得ることができない。

【００１２】従つて本発明の目的は薄膜層の生成又はト
レンチの充填のいずれの場合でも、トレンチ構造又はバ
イア構造の堆積プロフアイルを改善し得る手段を提供す
ることである。さらに本発明の目的は堆積された薄膜層
の立体的な形状すなわち立体的なプロフアイルを製造し
得るようにすることである。現在実際に使用されている
従来のＣＶＤ又はＰＶＤを用いてもこのようなプロフア
イルを形成することはできない。

【００１３】さらに詳細に説明すると、均一性に優れ、
かつ堆積層のプロフアイルを先細形にし得るように薄膜
をトレンチ又はバイアに堆積することができるようにす
る。さらに、本発明の目的はトレンチ構造又はバイア構
造を薄膜堆積材料によつて完全に充填することにより、
材料内にボイド及びシームを形成しないようにする手段
を提供することである。これらの目的は半導体装置及び
相互接続技術の進歩に重要である。最後に、一方の側の
側壁のステツプカバレージの方が他方の側の側壁のステ
ツプカバレージよりも高くなるように側壁を被覆するこ
とにより、新しいデバイス構造を製造し得るという可能
性もある。

【００１４】本発明は指向性減圧ＣＶＤ（ＤＬＰＣＶ
Ｄ）を含み、特に立体構造上に格段的に信頼性の高い所
望の膜プロフアイルを形成すると共に、このプロフアイ
ルを格段的に効率よく製造するシステム、すなわち装置
及び方法を提供しようとするものである。本発明は被着
特性が「１」でない（反応被着係数Ｓ_r ＜1.0 ）化学物
質をＣＶＤで使用して、マクロ表面特徴上に材料を堆積
することにより、例えばバイアを充填するときに精度よ
く堆積することができる。

【００１５】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は指向性ＣＶＤ
（Ｓ_r ＜1.0 ）のビームを用いて特定の角度（ここで図
５（Ａ）では垂直に図５（Ｂ）では斜めに）でこのビー
ムをトレンチ構造に向けることによつて得られる散乱特
性を示す。ビームが表面に衝突することによつて、反応
体の新しい軌道が形成される。この反応体はこの立体構
造の異なる部分に異なる角度で衝突する（図５の破線矢
印参照）。本発明は特に３つの重要な要因、すなわち減
圧リアクタ、ＣＶＤ反応体及び指向性ビームによる堆積
を利用し、組み合わせる。以下にさらに詳細に説明す
る。

【００１６】（１）低圧（〜１−10トル又はそれ以下）
を利用するため、微細な特徴の特性を生成するための寸
法と比較してガス相の平均自由経路は長い。これにより
トレンチ内で相散乱するガス相が確実にごく僅かにな
り、従つてガス相がトレンチの表面上に散乱するか又は
トレンチの表面上で反応するまで反応体がトレンチの特
徴表面上に入射する分散方向は保持される。

【００１７】（２）ＣＶＤの反応体を用いるので、衝突
する種の反応被着係数はＳ_r ＜1.0 である。図５（Ａ）
及び図５（Ｂ）に示すように、反応体が反射した結果発
生した小反応体の多くは散乱し、立体構造上の新たな部
分に新たな角度で衝突する。Ｓ_r を制約するものがＰＶ
Ｄに基づく手法とこの手法とを区別する。一般にＳ_r ＝
1.0 である。表面の最初の相互作用による揮発性反応か
ら生成された生成物は、このプロセスの化学的性質次第
で、材料特性が異なるにもかかわらず、側壁にも反応種
が堆積される。

【００１８】（３）表面に供給されるＣＶＤの反応体は
方向性をもつたビームである。このようなビームは前駆
物質ガスを例えばキヤピラリのアレイに通すことにより
作ることができる。反応体がマクロターゲツト面に入射
する角度を選択することによつて、種々の形状の膜を得
ることができる。指向性ＣＶＤビームを使用する処理は
従来のＣＶＤとは基本的に異なる手段を使用する。指向
性ＣＶＤにおいては、入射角を等方的に分散するように
まずビームを順序付けることが要求され、本発明により
得られる多くの独自の結果が排除される。

【００１９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、立体構造上に堆積された薄膜層の
厚さプロフアイルを制御する装置において、ガス反応ビ
ーム１４を供給することにより表面１２Ａ上に物質を堆
積させる手段と、ビーム束が等方的ではなく方向性をも
つように反応ビーム１４を平行調整する手段と、反応ビ
ーム１４が表面１２Ａに特定の入射角で入射するように
入射角を調整する手段と、反応ビーム１４が表面１２Ａ
と反応する反応確率が 100〔％〕未満であるようにビー
ム種を供給する手段と、ビームの指向性を、平行調整手
段１０及び堆積が生ずる表面１２Ａ間の距離以内に長さ
スケールを保持するように、反応ビーム１４及び表面１
２Ａの圧力環境を低くする手段とを設けるようにする。

【００２０】また本発明においては、立体構造上に堆積
された薄膜層の厚さプロフアイルを制御する装置におい
て、ガス反応ビーム１４を供給することにより表面１２
Ａ上に物質を堆積させるステツプと、ビーム束が等方的
ではなく方向性をもつように反応ビーム１４を平行調整
するステツプと、反応ビーム１４が表面１２Ａに特定の
入射角で入射するように入射角を調整するステツプと、
反応ビーム１４が表面１２Ａと反応する反応確率が 100
〔％〕未満であるようにビーム種２０を供給するステツ
プと、ビームの指向性を、平行調整手段１０及び堆積が
生ずる表面１２Ａ間の距離以内に長さスケールを保持す
るように、反応ビーム１４及び表面１２Ａの圧力環境を
低くするステツプとを含むようにする。

【００２１】さらに本発明においては、減圧ＣＶＤ（Ｌ
ＰＣＶＤ）処理において、立体構造の堆積面への反応体
の堆積を制御することにより、立体構造上に所望の薄膜
プロフアイルを形成する方法は、反応体１４を平行調整
して方向づけることによりビームとして堆積面１２に入
射させるステツプと、堆積面１２の反応被着係数Ｓ_rが
「１」未満になるように反応体を選択するステツプとを
含むようにする。

【００２２】

【作用】半導体製造装置及びその方法において、ガス反
応ビームを供給することにより表面上に物質を堆積させ
る。ビーム束が等方的ではなく方向性をもつように反応
ビームを平行調整し、反応ビームが表面に特定の入射角
で入射するように入射角を調整する。また、反応ビーム
が表面と反応する反応確率が 100〔％〕未満であるよう
にビーム種を供給し、ビームの指向性を、平行調整手段
及び堆積が生ずる表面間の距離以内の長さスケールに保
持するように、反応ビーム及び表面の圧力環境を低くす
る。これにより、立体型のトレンチ構造又はバイア構造
に堆積された薄膜層のプロフアイルを制御することがで
きる。また、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）処理において、
反応体を平行調整して方向づけることによりビームとし
て堆積面に入射させ、堆積面の反応被着係数Ｓ_r が
「１」未満になるように反応体を選択することにより、
立体構造上に所望の薄膜プロフアイルを形成することが
できる。

【００２３】

【実施例】以下図面について、本発明の一実施例を詳述
する。

【００２４】本発明は、立体構造上に堆積された薄膜層
の厚さプロフアイルを制御するシステムすなわち装置及
び方法を実現する。本発明においては、減圧ＣＶＤ（Ｌ
ＰＣＶＤ）の条件を用い、反応ビームを平行調整してこ
れを堆積表面上に特定の角度で衝突するようになされて
いる。本発明は従来のものと比較して、例えばトレンチ
等の種々の構造上に新しい形状の薄膜層を堆積すること
ができる。トレンチの形状は、例えば（１）奥広形でな
く先細形のトレンチ（すなわち上部よりも底部の方が厚
い）、（２）トレンチ構造において側壁のステツプカバ
レージ及び又は底部のステツプカバレージが増強されて
いる（上面と比較して）トレンチ、（３）アスペクト比
が大きい（深さ／幅）ときでさえ、ボイド及びシームを
形成せずにトレンチ又はバイア構造を充填できるトレン
チ、（４）非対称な側壁のステツプカバレージのトレン
チを含む。

【００２５】図６に示すように、本発明による指向性減
圧ＣＶＤを完成するために従来の減圧ＣＶＤリアクタの
設計を基本的に変える必要がある。すなわちリアクタ１
に反応体コリメータ１０を設ける。反応体コリメータ１
０は空間１１例えば半導体ウエハ１２の表面等の、反応
体を堆積すべき表面に反応種１１が入射する角度の配分
を調整する。好適な実施例において、コリメータ１０は
開口すなわち反応ガス１４が流れるノズル１３のパター
ンによつて貫通された平板である。各ノズルは、反応ガ
スがコリメータ１０を出た後に、平行に調整されたガス
ビームを発生するように設計されており、比較的アスペ
クト比の高い、例えば長さ／幅＝2.0 以上の単なる穴又
は毛細管で良い。

【００２６】他の実施例において、シヤワーヘツドと呼
ばれる構成のコリメータを用いてもよい。通常この構成
のコリメータはＣＶＤ処理装置で利用され、ウエハに対
する衝突密度を均一にする。この構成のコリメータを本
発明に従つて使用し得るように修正してもよい。当業者
は、他の一段と精巧なノズルを設計して、ＣＶＤ反応体
入射ビームを一段と効果的に平行調整するようにしても
よいことを理解する。これらの設計には、例えば一段と
直径が小さい開口につながる穴、先が細くなつた穴等が
ある。コリメータを使つたスパツタ堆積を応用した設計
はＤＬＰＣＶＤに適していることがわかる。

【００２７】また図６に示すように、処理リアクタ１の
他の部分から流れるガス種の他のガスソース２０は等方
的又は方向性をもつてウエハの堆積表面に衝突すると考
えられる。これらのソースは複数の平行調整ビーム、複
数のコリメータ又は同じガス若しくは異なるガスを利用
する分散して配列されたコリメータを使用することを含
んでもよい。

【００２８】さらに選択された実施例においては、コリ
メータすなわちシヤワーヘツド部を予め加熱することが
できるようにしてもよい。こうした特徴は多数の周知の
技術によつて達成することができる。この第１の目的は
過度の凝縮、過度の反応又はノズル上での膜の生成を防
ぐことであり、これによりコリメータを頻繁に最調整し
たりクリーニングする必要がなくなる。またこうした特
徴が反応体を作る。反応体はノズルを通過せずノズルの
上流で、主に反射又は脱離されるので、反応体を有効に
利用し得る。さらに、コリメータを加熱することにより
反応ガスも多少加熱され、これにより堆積速度を増大さ
せるか、そうでなければ処理自体を改善することができ
る。

【００２９】適当な平行調整度を有する化学ビームの衝
突及び散乱による分子衝撃をシミユレートして計算する
ことにより、適当な平行調整度を有する入射ビームでＤ
ＬＰＣＶＤ処理の利点を得ることができることが立証さ
れる。このことを図７（Ａ）〜図７（Ｄ）に示し、図７
（Ａ）は入射ビームが完全に平行、図７（Ｂ）は±30
°、図７（Ｃ）は±60°及び図７（Ｄ）は全く平行調整
されていない。ここに明らかなように、先細形側壁のプ
ロフアイルは広範囲のＳ_r の場合±30°の平行調整で得
ることができ、Ｓ_r が小さい場合は±60°の平行調整で
得ることができる。これは、コリメータの設計要件を緩
和することを意味する。トレンチ構造又はバイア構造の
アスペクト比が高くなるほど、平行調整の程度を一段と
高くする必要がある。

【００３０】いくつかの（すべてではない）化学的シス
テムにおいて、Ｓ_r は、ウエハ表面の反応によつて当該
表面に生成物すなわち中間生成物が生成されるに従つて
減少する。この中間生成物はウエハ表面を覆うので、ビ
ームからの新たな反応体分子がウエハ表面に衝突して吸
着しないようにウエハ表面を有効に不活性化する。その
後Ｓ_r は反応が進につれてゼロまで減少する。この場
合、中間生成物反応種の定常状態の表面のステツプカバ
レージが完全なステツプカバレージすなわち十分なステ
ツプカバレージに比べて低くなるような温度及び圧力条
件の下で反応させなければならない。通常これは、表面
の反応ステツプ又は生成物の脱着のいずれもが速度制限
されないような、一段と高い温度で動作させることによ
つて達成されるので、堆積膜の成長率と堆積膜の立体的
なプロフアイルとが衝突ビームの方向性によつて確実に
決定される。

【００３１】本発明を用いることにより種々の立体形状
の変形を得られることを、２つの例を挙げて立証する。
これらの変形を計算をモデル化することによつて証明す
る。すなわちこの計算は、一方向に入る流束分布を想定
し、表面の散乱を拡散し、立体トレンチの特徴における
連続的な段階での堆積プロフアイルを計算するものであ
る。

【００３２】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は第１の例を示
し、これは独自のトレンチ充填能力であり、垂直に入射
する反応体束により得ることができる。図８（Ａ）はア
スペクト比が「１」のトレンチ構造における堆積プロフ
アイルを示し、図８（Ｂ）はアスペクト比が「20」の堆
積プロフアイルを示す。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は共
に、マクロ表面に対して垂直に入射するＣＶＤ反応体束
についての種々の固着係数が計算されている。注目すべ
きは、Ｓ_r ＜1.0 である場合、ステツプカバレージは側
壁上部よりも側壁底部において一段と大きく、しかもト
レンチ底部のステツプカバレージは上面におけるよりも
大きいということである。Ｓ_r ＝ 1.0（ＰＶＤ）の場
合、堆積量は上面とトレンチ底面で等しく、トレンチの
側壁には堆積されない。Ｓ_r が一段と低いと２つの重要
な効果が明らかになる。第１の効果は、Ｓ_r ＜1.0 のた
めに側壁が覆われるだけでなく、側壁底部のステツプカ
バレージが側壁上部のステツプカバレージより大きいこ
とである。これは、等方性（非方向性）の反応ビームに
より通常生ずる結果とは反対である。側壁底部付近のス
テツプカバレージはトレンチの底部に近接するほど大き
くなり、これはトレンチ内において反応体が反射するた
めである。

【００３３】第２の効果は、トレンチ底面のステツプカ
バレージはウエハ上面のステツプカバレージより大きい
ことである。また、このことはＳ_r ＜1.0 の場合だけで
はなく、ＣＶＤ反応体が方向性をもつて衝突した場合に
も生ずる。すなわちウエハの上面に反射した反応種は本
来ＣＶＤシステムから出たものであるが、トレンチ底面
に反射した反応種は再度トレンチの側壁に反射すること
ができるので、通路が設けられたようになり、これによ
つて、これらの反応体を再度トレンチの底部に最終的に
反射させることができる。

【００３４】従つて、指向性減圧ＣＶＤを用いて反応体
を垂直に入射させて衝突させると以下の利点が得られ
る。

【００３５】（１）先細りのプロフアイルをもつような
トレンチ、バイア及び側壁のステツプカバレージを生成
することができる。すなわちトレンチの側壁上部におけ
るステツプカバレージよりトレンチ底部におけるステツ
プカバレージの方が大きい。（２）側壁の堆積形状が先
細形になるため、トレンチ／バイアを充填する場合に生
ずるシーム及び又はボイドの形成を減少させる傾向があ
る。（３）奥広形トレンチ／バイアを覆う及び又は充填
する能力が向上すること。すなわちトレンチの側壁底部
におけるステツプカバレージが一段と低くなる。（４）
トレンチ／バイアの底部及び側壁の底部領域を優先的に
覆うことができる。（５）表面の移動度を一段と高くす
ることにより、トレンチ／バイア構造の底部領域で堆積
を分散させる必要はないので、低温でのトレンチの充填
を改善できる。（６）トレンチ／バイア上面のステツプ
カバレージよりもトレンチ／ヴイアの底面のステツプカ
バレージを大きくすることができる。これは平坦化技術
を一段と向上させるのに有用である。（７）指向性ビー
ムはトレンチの底面に到達するビームを増強させるの
で、トレンチを充填する場合の所与の堆積速度で一段と
Ｓ_r の低い化学的作用を用いることができる。

【００３６】図９は第２の例を示し、斜角方向ＣＶＤで
ある。図９はアスペクト比が「１」のトレンチ構造にお
ける堆積プロフアイルを示し、マクロ表面に対して斜め
に入射する（入射角45°の）ＣＶＤ反応体束についての
種々の固着係数が計算されている。注意すべきは、側壁
のステツプカバレージは非対称であり、これは片側に優
先的に反応体が衝突するためである。これは側壁を非対
称にするのに有効である。ビームソースに対面する側壁
の堆積量はビームソースの影になる側壁の堆積量を上回
り、側壁のステツプカバレージの垂直依存性はトレンチ
の特定のアスペクト比及びマクロウエハ表面上へのビー
ムの衝突角度に依存する。側壁のステツプカバレージの
垂直依存性が特定のアスペクト比に依存することによ
り、ある側壁を他の側壁と区別することができる。これ
は、特に堆積膜を等方性ドライエツチングバツク又はウ
エツトエツチングバツクして、堆積膜を、影になつた側
壁から完全に除去することができるからである。しかし
これに対面する側壁の厚さはかなり残る。他の方向に対
面する側壁又はすべての側壁に一段と厚い層を生成した
い場合、複数のビームソースを用いるか又はただ単にウ
エハを回転させることにより実現し得る。従つて指向性
減圧ＣＶＤを用いて反応体を斜めに入射させて衝突させ
ると以下の利点が得られる。

【００３７】（１）ビームソースに対面する側壁の一部
に堆積膜を生成することができること（エツチバツクを
用いる）。（２）側壁の上部（マクロ表面に入射したビ
ームの反射光付近）に最初に堆積膜を生成することがで
きる。

【００３８】これらの利点は他の処理（等方性堆積、等
方性エツチング又は異方性エツチング等）と組み合わせ
ることができ、一段と広範囲の構造特性を有するアレイ
を製造し得る。本発明を用いることによりシリコン上に
タングステンをＣＶＤ堆積する際に形成される「ウオー
ムホール」、すなわち堆積中のシリコン基板の侵食を防
ぐことができると考えられる。

【００３９】本発明の処理は概して以下の特徴を統合す
る。

【００４０】（１）ガスビームを用いて表面上に物質を
堆積すること。（２）ビーム束が等方性でなく、指向性
であるようにビームの衝突を平行調整すること。（３）
ビームの、表面への特定の入射角を調整すること。
（４）ビームの反応種が表面と反応する確率が 100
〔％〕未満であるようにビームの反応種を選択するこ
と。（５）処理のために低圧環境を用いることにより、
平行調整手段と堆積が生ずる表面との間の寸法を含む長
さスケールにビームの指向性を維持すること。

【００４１】本発明のいずれの特定の実施例において
も、ビームを約±60°以下の範囲で平行調整することが
できる。表面へのビームの入射角は０°すなわち垂直に
入射するか又は０及び90°間の斜角にしてもよい。ビー
ム種はシラン及びクロルシラン、有機金属及び有機シリ
コン、金属フツ素、ドーパント前駆物質、ＣＶＤにおい
て知られている前駆物質、又は他の揮発性の種をＣＶＤ
処理に利用してもよい。特に、シラン、一段と高純度な
シラン、クロルシラン、Ｂ₂ Ｈ₆ 、ＰＨ₃ 又はＡｓ
Ｈ₃ 、テトラエチルオルトシロキサン（一般にＴＥＯＳ
として知られている）及びこれに関連した反応種、ＷＦ
₆ 、ＴｉＣＬ₄ 、ＮＨ₃ 、Ｎ₂ 、Ｏ₂ 、Ｏ₃ 又はＨ₂ Ｏ
及びこれらの化合物をビーム種として使用してもよい。

【００４２】合計圧力が１トル以下、好適には約 0.1ミ
リトル〜 500ミリトルの範囲にビーム及び表面の処理環
境を設定しなければならない。処理のパラメータはＣＶ
Ｄ条件の一般的な圧力と温度とから選択してもよく、一
段と温度が高く、一段と圧力を低くすることにより反応
被着確率がその値を堆積の進行度として保持し、これに
より、堆積膜のプロフアイルはビームが衝突する際の指
向特性を反映する。例えば、表面温度は約室温から1100
°の範囲内でよく、好適には約250 〜 750°の範囲であ
ることが望ましい。

【００４３】まず適切な圧力及び温度条件を確立し、次
に適正なガス流量条件を決めた後、表面すなわちウエハ
をリアクタの堆積ゾーンに導入する。リアクタは商業上
実施されているようなＣＶＤ処理又はプラズマエンハン
ス型ＣＶＤ処理用の単一ウエハリアクタで構成してもよ
く、図６に示すようなシヤワーヘツド型構成等によつて
表面上に衝突するビームに方向性を与えるようにリアク
タを修正してもよい。コリメータに送られるガスストリ
ームに他のガスを加えてもよく、この他のガスは反応種
（例えばＣＶＤ前駆物質）又は不活性キヤリア種（例え
ばヘリウム、アルゴン、窒素、水素）でもよい。処理リ
アクタ内の他の場所から他のガス種を表面上に等方的又
は指向的に衝突させるようにしてもよい。この特徴は、
複数の平行調整されたビーム、複数のコリメータ又は同
じガス若しくは異なるガスを利用する分散されたコリメ
ータのアレイの使用を含むことができる。

【００４４】本発明は以下の点で他のいくつかの処理方
法と明確に区別される。

【００４５】（１）ＤＬＰＣＶＤは方向性をもつて衝突
する反応ビームを使用するという点で従来の減圧ＣＶＤ
とは明確に異なる。常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）と比較す
ると、反応室内の圧力（分子の流れ）が異なるという点
で新たに区別される。（２）またＤＬＰＣＶＤは、ＤＬ
ＰＣＶＤがＣＶＤで使用する圧力及びリアクタ構成をわ
ずかに修正しただけであるという点でガスソース分子線
エピタキシヤル成長装置（又は有機金属分子線エピタキ
シヤル成長装置（ＭＯＭＢＥ装置））やＭＢＥと異な
る。これは、ＤＬＰＣＶＤがもつ堆積速度が実質上ＭＢ
Ｅの堆積速度を超えることを意味する。最後に、ＤＬＰ
ＣＶＤは特定のビーム平行調整技術（たとえばキヤピラ
リ）を利用するが、通常ＭＢＥにおいてはソースとウエ
ハとの距離を大きくして平行調整を行う。（３）ＤＬＰ
ＣＶＤは、堆積表面に衝突するガス種の反応確率が一般
に「１」すなわち 100〔％〕未満、従つて反応被着係数
がＳ_r＜1.0 であるという点ですべてのＰＶＤ技術（蒸
着、スパツタ堆積及び分子ビーム線エピタキシ）と異な
る。

【００４６】上述の通り本発明をその最適な実施例に基
づいて図示、説明したが、本発明の精神及び範囲から脱
することなく形式及び詳細構成について種々の変更を加
えてもよい。

【００４７】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、反応ビー
ムを平行調整し、かつ当該反応ビームが表面に特定の角
度で入射するように調整することにより、所望の厚さプ
ロフアイルを有する薄膜層を立体構造上に簡易かつ確実
に堆積させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は全体構造のトレンチ又はバイアの表面上
に薄膜を堆積する前の状態（Ａ）と堆積した後の状態
（Ｂ）を示すトレンチ構造又はバイア構造の垂直断面図
である。

【図２】図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ａ）及び
（Ｂ）に示す形式のトレンチ構造上に均一性の異なる堆
積層を堆積した状態を示す、トレンチ構造の垂直断面図
である。図２（Ａ）のアスペクト比（ＡＲ）はほぼＡＲ
＝1.0 であり、図２（Ｂ）はＡＲ＞1.0 である。

【図３】図３は、均一性に限界がある堆積層について先
細形（Ａ）及び奥広形（Ｂ）を示す垂直断面図である。

【図４】図４は、（Ａ）シーム及びボイドのない理想的
な状態、（Ｂ）シームが形成された状態及び（Ｃ）ボイ
ドが形成された状態を含むＣＶＤ充填特性を示す垂直断
面図である。

【図５】図５は本発明による指向性ＣＶＤ（Ｓ_r ＜1.0
）ビームを用いて特定の角度で（図５（Ａ）では直角
に、図５（Ｂ）では斜めに）トレンチ構造に入射させる
ことによつて得られる散乱特性を示すトレンチ構造の垂
直断面図である。

【図６】図６は本発明による指向性減圧ＣＶＤビームを
生成するリアクタの略線図であり、ビームがウエハに垂
直に入射している場合を示す。

【図７】図７は、本発明によるビームの平行度を変え
て、アスペクト比が「１」のトレンチ特徴の初期の堆積
プロフアイルに対する影響をそれぞれ示す略せん図であ
る。図７（Ａ）は完全に平行な場合、図７（Ｂ）は±30
°の場合、図７（Ｃ）は±60°の場合、図７（Ｄ）は平
行調整されていない場合である。

【図８】図８はアスペクト比「１」（Ａ）及び「20」
（Ｂ）をもつトレンチ構造についての堆積プロフアイル
を示す、トレンチ構造の垂直断面図を示し、マクロ面に
垂直に入射するＣＶＤ反応体束の被着係数が計算されて
いる。

【図９】図９はアスペクト比「１」のトレンチ構造の堆
積プロフアイルを示すトレンチ構造の垂直断面図を示
し、マクロ面に斜めに（入射角45°で）入射するＣＶＤ
反応体束の被着係数が計算されている。

【符号の説明】

１……処理リアクタ、１０……コリメータビームを細く
する装置、１１……反応体、１２……ウエハプラテン、
１２Ａ……表面、１３……ノズル、１４……ガス反応ビ
ーム、２０……ソース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジユリアン・ジユーチヤン・シー アメリカ合衆国、ニユーヨーク州10473、 ブロンクス、ネプチユーン・コート 230 番地

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立体構造上に堆積する薄膜層の厚さプロフ
   アイルを制御する装置において、 ガス反応ビームを供給することにより表面上に物質を堆
   積させる手段と、 ビーム束が等方的ではなく方向性をもつように上記反応
   ビームを平行調整する手段と、 上記反応ビームが上記表面に特定の入射角で入射するよ
   うに入射角を調整する手段と、 上記反応ビームが上記表面と反応する反応確率が 100
   〔％〕未満であるようなビーム種を供給する手段と、 ビームの指向性を、上記平行調整手段及び堆積が生ずる
   上記表面間の距離以内の長さスケールに保持するよう
   に、上記反応ビーム及び上記表面に対する圧力環境を低
   くする手段とを具えることを特徴とする半導体製造装
   置。
2. 【請求項２】立体構造上に堆積する薄膜層の厚さプロフ
   アイルを制御する装置において、 ガス反応ビームを供給することにより表面上に物質を堆
   積させるステツプと、 ビーム束が等方的ではなく方向性をもつように上記反応
   ビームを平行調整するステツプと、 上記反応ビームが上記表面に特定の入射角で入射するよ
   うに入射角を調整するステツプと、 上記反応ビームが上記表面と反応する反応確率が 100
   〔％〕未満であるようなビーム種を供給するステツプ
   と、 ビームの指向性を、上記平行調整手段及び堆積が生ずる
   上記表面間の距離以内の長さスケールに保持するよう
   に、上記反応ビーム及び上記表面に対する圧力環境を低
   くするステツプとを含むことを特徴とする半導体製造方
   法。
3. 【請求項３】減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）処理において、
   立体構造の堆積面への反応体の堆積を制御することによ
   り上記立体構造上に所望の薄膜プロフアイルを形成する
   方法は、 上記反応体をビームとして平行調整して方向付けること
   により上記堆積面に入射させるステツプと、 上記堆積面の反応被着係数Ｓ_r が「１」未満になるよう
   な反応体を選択するステツプとを含むことを特徴とする
   半導体製造方法。