JPH0726215B2 - 光励起プロセス用装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、光CVD（光化学気相成長法）、光エッチン
グ、及び光ドーピング等の光励起プロセス用装置、詳し
くは半導体ディバイス及び半導体集積回路等の製造に用
いる光励起プロセス用装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体ディバイス及び半導体集積回路の製造にお
いては、反応ガスにエキシマレーザー（eximer lasse
r）や低圧水銀灯等の高エネルギー光を照射して活性種
を生成せしめ、生成した活性種どうしの気相反応あるい
は活性種と基板との界面反応を利用して堆積膜を形成し
たり（いわゆる光CVD）、エッチングを行なったり（い
わゆる光エッチング）、不純物元素をドーピングしたり
（いわゆる光ドーピング）等の、光励起プロセスを利用
した方法が用いられている。そして、そのための装置に
ついては、種々提案されており、そうした装置は、光導
入用の透光板を配設した真空反応容器、該反応容器中に
反応ガスを導入する手段、該ガスに高エネルギー光を照
射する手段、および反応容器内を排気する手段を備えて
おり、該真空反応容器の形状は、通常、管状炉形、円筒
形、立方体形、パンケーキ型等であり、いずれも反応容
器内に設置されるウエーハ（基体）の上方に広い反応空
間を有するものである。

第３図は、従来の光励起プロセス用装置の１例を示す断
面略図であり、図中、301は真空反応容器、302は石英ガ
ラス等の円板状透光板、303は気密保持の為に設けられ
た弾性体からなるリング状のパッキング、305は、ウエ
ーハ304を設置するためのウエーハステージ、306はウエ
ーハ加熱用のヒーターである。該装置において、反応ガ
スはバルブ311を備えたガス供給管309を介してチャンバ
ー301内に導入される。透光板302の上方に設けられた高
エネルギー発生手段312からレンズ系等の光学系313、及
び前記透光板302を介して高エネルギー光314が、反応ガ
スに照射され、活性種を生起せしめる。生成した活性種
どうし、または活性種と未分解反応ガスとの間の気相反
応、あるいは活性種とウエーハ表面との表面反応により
ウエーハ表面に膜形成、エッチング、あるいはドーピン
グ等の化学反応が生じる。反応に使われなかった反応ガ
スや活性種はバルブ311を有する排気管310を介して排気
される。

このように従来の光励起プロセス用装置は、真空反応容
器内に形成される反応空間Ａは、ウエーハの上方に大き
な空間として形成されており、装置全体が嵩高いものと
なっている。

また、反応容器上壁には、透光板302を取り付ける必要
があるが、反応容器内の真空を保つため、透光板302の
取り付けは厳密さが必要となり、第３図に示すごとく、
反応容器の上壁内面に凹凸を形成する結果となる場合が
ほとんどである。

このようにチャンバー内面に凹凸がある場合、ガス供給
管を介して広い反応空間Ａに放出された反応ガスは、反
応容器内面の凹凸によって乱流となり、ウエーハ表面へ
の均一な反応ガスの供給及び反応ガス供給状態の再現が
困難となるという問題がある。

更に、反応容器内に一端が開口しているガス供給管を介
して反応空間Ａ内に反応ガスを導入する場合、反応ガス
の急激な空間への広がりによるガス流速の変化が生じ、
うずを発生することがあるが、これも又、ウエーハ表面
への均一な反応ガスの供給及び反応ガス供給状態の再現
を阻害する因子となる。

こうした問題を解決するため、ガス供給管に付けるノズ
ルの形状を工夫したり、様々なガス分散手段を設けた
り、あるいは反応容器内にガス流路を設ける等の種々の
方法が提案されているが、いずれも完全なものとはいえ
ない。

また更に、光化学反応を促進させるためのウエーハ加熱
用ヒーターが真空反応容器内にあるため、ヒーターから
の輻射と対流が起因して、広い反応空間を有する真空反
応容器内では反応ガスがランダムな流れとなり、ウエー
ハ表面への均一な反応ガスの供給及び反応ガス供給状態
の再現をより一層困難なものとしている。

また別には、更にまた、前述のごとく光化学反応は気相
反応と表面反応とからなっているが、従来の装置のよう
にウエーハ上部に広い空間が形成されている場合、気相
反応が比較的多くなり、光CVDによる堆積膜の形成等に
おいては均一な膜厚及び均一な膜質が得られにくいとい
う問題もある。

更にもう１つ、真空反応容器内面にたとえ凹凸がなくて
も、ウエーハ表面以外の反応容器内面や透光板内面に
は、活性種が接触して化学反応をおこし、好ましくない
付着物が生成したり、透光板の透光性が悪くなったりし
て、半導体ディバイスや半導体集積回路の製造速度が低
下したり、製造される半導体ディバイスや半導体集積回
路の均一性が欠如するという問題もある。

〔発明の目的〕

本発明は、光励起プロセス用装置における上述の諸問題
を解決し、均一な膜厚及び膜質を有する半導体ディバイ
スや半導体集積回路を効率的に製造するための装置を提
供することを目的とするものである。

すなわち、本発明の主たる目的は、反応ガスの流れを層
流状態として、ウエーハへの均一な反応ガスの供給を可
能とし、さらに反応ガス供給状態の再現を可能とする光
励起プロセス用装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、光化学反応における気相反応を抑
制し、表面反応を促進させて、均質かつ均一な半導体デ
ィバイス又は半導体集積回路の製造を可能とする光励起
プロセス用装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明者ら、従来の光励起プロセス用装置における前述
の諸問題を解決すべく鋭意研究を続けたところ、この種
の装置における真空反応容器を、薄型角反応容器とし、
さらに、該薄型角反応容器内への反応ガスの導入口を長
方形スリット状とすることにより、反応ガスの流れを層
流状態とすることができるという知見を得た。さらに研
究を続けたところ、真空反応容器を薄型角反応容器とす
ることにより、ウエーハの上方の反応空間を狭くして、
光化学反応における気相反応を抑制するとともに表面反
応を促進することができることが判明した。

本発明は、上述の知見に基いてさらに研究を続けた結果
完成に至ったものである。すなわち、本発明の光励起プ
ロセス用装置は、反応空間を形成する真空反応容器と、
該真空反応容器に反応ガスを導入する手段と、該真空反
応容器に配設された透光板を介して反応ガスに高エネル
ギー光を照射する手段と、該真空反応容器内を排気する
手段とを備えた光励起プロセス用装置において、前記真
空反応容器を薄型角反応容器とし、該薄型角反応容器の
内面と透光板の内面とが一平面をなすようにし、かつ前
記反応空間に基体を載置するためのステージに載置され
た基体表面と該薄型角反応容器の内面とが一平面をなす
ようにして内面に凹凸をなくし、該反応ガスを導入する
手段を、長方形状のガス導入口として、該ガス導入口と
前記薄型角反応容器の内面との接合部に段差をなくした
ことを特徴とするものである。

本発明の光励起プロセス用装置に使用する高エネルギー
光としては、例えば水銀ランプ、キセノンランプ、炭酸
ガスレーザー、アルゴンイオンレーザー、窒素レーザ
ー、エキシマレーザー等を発生源として発生せしめたも
のが使用される。

また、本発明の装置において使用される反応ガスは、製
造される半導体ディバイスおよび半導体集積回路の種類
により選択して導入されるものであるが、供給源から単
一にかあるいは混合して導入される。

本発明の前記構成の光励起プロセス用装置を、以下図面
の実施例により詳細に説明する。なお本発明は、図面の
実施例により制限されるものではない。

第１図は、本発明の光励起プロセス用装置の断面略図で
ある。

図において、101は薄型角反応容器で、真空密封された
反応空間Ａを形成している。102は薄型角反応容器101の
上壁の一部を構成する透光板であって、該透光板内面と
薄型角反応容器101の上壁内面とは同一平面を形成する
ような逆円錐台形の形状を有している。該透光板102が
嵌合する真空反応容器の上壁の切欠部には溝を設け、そ
の中に気密保持のために弾性体でできているリング状の
パッキング103が入れられている。104は、ウエーハテー
ブル105に載置されたウエーハで、106はウエーハテーブ
ル105の下方に設けられたウエーハ加熱用ヒーターであ
る。107は、該ヒーターの熱を反射するように設置され
た熱反射板である。109は薄型角反応容器の一方の側壁
に設けられたガス導入口であり、他方の側壁直前の下壁
には切欠部を設け、真空チャンバー内の気体を排気する
ための排気管110を接続し、バルブ111を介して、排気装
置（図示せず）に連通せしめる。112は高エネルギー発
生手段、113はレンズ系等の光学系、114は高エネルギー
光である。

本発明の装置は、薄型角反応容器の内壁を凹凸がないよ
うにするとともに、該反応容器の一方の側壁に設けたガ
ス導入口109の形状を、薄型角反応容器に連通する長方
形スリット状とする。そして該薄型角チャンバーの接続
部分において段差が生じないような形状としておく。

ガス導入口の形状および薄型角反応容器の内壁の形状を
上述のごとくすることにより、従来のノズルを用いた場
合のような反応容器内への反応ガスの急激な拡散がなく
なり、ガス導入口付近でのうずの発生がなくなるととも
に、反応容器へ導入された反応ガスは、ガス導入口109
から層流状態となって反応空間Ａに供給される。

即ち、ウエーハ上方においてガスの流線は水平方向のみ
に向いており、垂直方向における速度分布は中心部が一
番早い放物線状となり、水平方向における速度分布は均
一となることから、ウエーハ表面への反応ガスの均一な
供給と反応ガス供給状態の再現が可能となる。

さらに好ましくは、ガスの流路は第１図に示すごとく、
なだらかなスロープで上方に円弧を形成するようにし、
反応空間Ａにおける反応ガスの流速を緩やかに減少せし
め、充分な光化学反応を生起せしめるようにする。

また更に、ウエーハステージ内に設けられた加熱用ヒー
ターからの輻射と対流に起因する反応ガスの乱流を防ぐ
ため、ウエーハステージの設置された場所以外の薄型角
反応容器の下壁は、水冷管108を配管することにより冷
却するのが望ましい。ウエーハステージの設置場所以外
の下壁を冷却することにより、ウエーハ以外の内壁にお
いて光化学反応が生じないという効果も達成されるの
で、こうした冷却手段を設けることは特に好ましい。

本発明の装置では真空チャンバーを薄型角チャンバーと
したため、ウエーハの上方に形成される反応空間Ａが狭
くなり、光化学反応のうちの気相反応が抑制され、表面
反応が促進されるため、本発明の装置を用いて光CVD法
による堆積膜を形成した場合には、膜質が均一で緻密な
薄膜を安定して得られるという効果もある。

第１図においては、高エネルギー光を通過せしめる透光
板の内面と真空チャンバーの上壁内面とを同一平面とす
るために、透光板の形状を逆円錐台形としたものを用い
ているが、第２図に示すごとく、円板状透光板202の周
囲（いわゆるコバ）に段部を設けた形状とすることも可
能である。第２図において201は真空チャンバーの上
壁、202は該真空チャンバー上壁201の切欠部に嵌合せし
めるコバ付透光板、203は気密保持のために付された弾
性体からなるリング状のパッキングである。

第１図に示す本発明の実施例装置を用いて、例えばウエ
ーハ上にアモルファスシリコン（以下、「ａ−Si」と表
記する。）堆積膜を形成するには、以下のようにして行
なわれる。

反応ガスとしては、ａ−Si膜を形成する場合であれば、
具体的には、ケイ素に水素、ハロゲン、あるいは炭化水
素等が結合したシラン類及びハロゲン化シラン類等のガ
ス状態のもの、または容易にガス化しうるものをガス化
したものを用いることができる。これらの原料ガスは１
種を使用してもよく、あるいは２種以上を併用してもよ
い。また、これ等の原料ガスは、He、Ar等の不活性ガス
により稀釈して用いることもある。さらに、ａ−Si膜は
ｐ型不純物元素又はｎ型不純物元素をドーピングするこ
とが可能であり、これ等の不純物元素を構成成分として
含有する原料ガスを、単独で、あるいは前述の原料ガス
または／および稀釈用ガスと混合して反応空間内に導入
することができる。

なお、前記原料ガスは、それが二種またはそれ以上使用
される場合、その中の一種または場合によりそれ以上
を、事前に励起種化し、次いで反応室に導入するように
することも可能である。

まず、薄型角反応容器内に配設されたウエーハステージ
105に、ウエーハ104を載置するためには、透光板102を
とりはずしたのち、ウエーハステージ105を駆動装置
（図示せず）により上昇せしめて、薄型角反応容器101
の上部に押し上げ、押し上げられたウエーハステージ10
5にウエーハを載置する。しかる後、ウエーハステージ
を下降させ、次いで透光板を薄型角反応容器の上壁の所
定位置に嵌合せしめ、ボルト等によって取り付ける。

次に、薄型角反応容器101内を排気装置（図示せず）を
用いて排気し、該反応容器内の圧力を、５×10^-6Torr以
下、好ましくは１×10^-6Torrとする。

次に、各反応ガス供給源（図示せず）からの反応ガスを
所定の組成比になるように予備配合した後、ガス導入口
109から反応空間Ａに導入し、反応空間Ａ内の圧力が１
×10^-2〜1Torrになるようにする。これと同時併行的
に、高エネルギー光発生手段112から、レンズ系113を介
して集光された高エネルギー光114を、反応空間Ａ内の
層流状態で流れている反応ガスに向けて照射する。反応
ガスは高エネルギー光照射により励起・分解されて活性
種となり、加熱用ヒーターにより50〜450℃、好ましく
は200〜300℃に加熱保持されているウエーハ104上に、
堆積膜を形成せしめる。反応空間Ａに導入された反応ガ
スのうちの未分解ガスや堆積膜の形成に使用されなかっ
た活性種は、反応空間Ａ内を層流状態となって流れ、排
気管111を介して排気される。

所定時間経過後、高エネルギー光の照射、原料ガスの導
入、および加熱ヒーターによる加熱を中止し、ウエーハ
を放冷したのち、前述のウエーハの載置の場合と逆の手
順によりウエーハをとり出す。

前述の例は、光CVDによる堆積膜を形成せしめるもので
あるが、本発明の装置は、該例のほか、光エッチングや
光ドーピング等にも使用できる。光エッチングに用いる
場合には、透光板102とウエーハ104の間に所定のパター
ンを有するマスクを配設し、高エネルギー光114がマス
クを通過してウエーハ表面に達成する部分においてのみ
光エッチングが生起するようにする。又、光ドーピング
に用いる場合には、不純物ガスを導入して光分解すると
同時に、基体を加熱し、基板中へ不純物を拡散せしめ
る。

更に、透光板102を配設せずに、真空反応容器上壁を切
欠部のないものとした場合には、光励起プロセス以外の
ドライプロセス用装置としても使用でき、この場合にも
本発明の薄型角反応容器を用いた装置を使用することに
より、導入されるガスの層流を形成することができ、ウ
エーハ表面への均一なガス供給を行なうことができる。

〔発明の効果の概略〕

本発明の光励起プロセス用装置は、真空反応容器を薄型
角反応容器とし、該反応容器の内壁の凹凸をなくすとと
もに、ガス導入口を前記反応容器に連通した長方形スリ
ット状とすることにより、反応ガスのガス圧力や流速の
急激な変化を防止し、波状や渦状の流れの生じない安定
した層状流れを形成せしめるものであり、本発明の装置
を用いた場合には、反応ガスのウエーハ表面への均一な
供給と反応ガス供給状態の再現が可能となるものであ
る。さらに、本発明の装置においてはウエーハの上方に
形成される反応空間が狭いため、気相反応を抑制し、表
面反応を促進させることができ、光CVDによる堆積膜の
形成においては、膜質が均一でかつ緻密な薄膜を安定し
て得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光励起プロセス用装置の断面略図で
あり、第２図は、本発明の光励起プロセス用装置におけ
る透光板の取り付け例を示す断面略図、第３図は、従来
の光励起プロセス用装置の１例を示す断面略図である。
図中、 101……薄型角反応容器、201……薄型角反応容器の上
壁、301……真空反応容器、102,202,302……透光板、10
3,203,303……リング状パッキング、104,304……ウエー
ハ、105,305……ウエーハステージ、106,306……加熱用
ヒーター、107……熱反射板、108……水冷管,109……ガ
ス導入口、309……ガス供給管、110,310……排気管、11
1,311……バルブ、112,312……高エネルギー発生手段、
113,313……光学系、114,314……高エネルギー光束、Ａ
……反応空間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応空間を形成する真空反応容器と、該真
   空反応容器に反応ガスを導入する手段と、該真空反応容
   器に配設された透光板を介して反応ガスに高エネルギー
   光を照射する手段と、該真空反応容器内を排気する手段
   とを備えた光励起プロセス用装置において、前記真空反
   応容器を薄型角反応容器とし、該薄型角反応容器の内面
   と透光板の内面とが一平面をなすようにし、かつ前記反
   応空間に基体を載置するためのステージに載置された基
   体表面と該薄型角反応容器の内面とが一平面をなすよう
   にして内面に凹凸をなくし、前記反応ガスを導入する手
   段を、長方形状のガス導入口として、該ガス導入口と前
   記薄型角反応容器の内面との接合部に段差をなくしたこ
   とを特徴とする光励起プロセス用装置。
2. 【請求項２】前記透光板の形状を逆円錐台とし、薄型角
   反応容器の上壁の一部を構成するように配設する特許請
   求の範囲第（１）項に記載の光励起プロセス用装置。
3. 【請求項３】前記透光板の形状を段付形状となった円板
   とし、薄型角反応容器の上壁の一部を構成するように配
   設する特許請求の範囲第（１）項に記載の光励起プロセ
   ス用装置。
4. 【請求項４】前記薄型角反応容器が上方に円弧を形成す
   る形状とされている特許請求の範囲第（１）項乃至第
   （３）項記載の光励起プロセス用装置。
5. 【請求項５】前記ステージの設置された以外の前記薄型
   角反応容器の下壁に対応して冷却手段を有する特許請求
   の範囲第（１）項乃至第（４）項記載の光励起プロセス
   用装置。