JPS5968923A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は気相反応による薄膜形成装置に係り特に均一性
、量産性の優れた光励起低温気相反応による薄膜形成装
置に関する。

〔従来技術〕

気相反応による薄膜形成法の１つとして光エネルギーに
より反応を活性化させる方法（以下光ＣＶＤ法と記す）
が知られている。従来の熱エネルギーやプラズマによる
反応の活性化に比べて、光エネルギーによる活性化は反
応の低温化が可能であり、また電気磁気的や荷電粒子に
よるダメージがなく安定した薄膜形成が可能であるため
広い範囲への応用が考えられる。光エネルギーとしては
レーザー光、水銀ランプ、ハロゲンランプ、重水素ラン
プ等が知られている。これらのうちで反応の活性化に適
した波長９強度、照射面積、取扱い易さ等の観点で水銀
ランプが用いられることが多い。特に水銀蒸気による増
感作用を利用した反応が広く用いられている。

従来の光ＣＶＤ法による薄膜形成装置を第１図に示す。

装置は大別して反応ガス供給系１０、反旧糸２０、排気
糸３０の三部分から成り立っている。反応ガス供給系１
０はモノシラン（ｓｌｈＩ４）、酸素（０２）、アンモ
ニア（Ｎ　Ｈｓ　）　、亜酸化窒素（Ｎ２０）　、ホス
フィン（ＰＨ３）等の原料ガスがマスフローコントロー
ラー１１を通して、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ＋　）　＠の液
体原料はキャリアーガスを用いて反応系２０に供給され
る。また、増感剤としての水銀蒸気は恒温槽内の水銀蒸
発器１２に反応ガスまたはその他のキャリアーガス金流
すことにより反応系内に供給される。

反応系２０は反応容器２１、紫外線光源２２、基板支持
台２３及びその加熱源２４から成る。反応容器２１内の
基板支持台２３の平面上に被膜形成基板、例えばシリコ
ンウエノ・２５を並べ、シリコンウェハ２５にはソ垂直
に紫外線励起光を照射している。加熱源２４は抵抗加熱
ヒーターや赤外ランプ等が用いられている。

排気系３０は反応容器２１内のガスの置換及び反応時の
雰囲気の圧力調節のためロータリーポンプ、ブースター
ポンプ等の真空排気ポンプ３１が用いられている。また
未反応ガスや反応生成物のトラップや除去装置ｆ３２が
付加され−Ｃいる。

ここで問題となるのは、反応系２０の部分でめり以下の
欠点がある。

１）被膜形成基板２５を平面状に並べるためバッチ肖り
のチャージ量が少なく′Ｍ′産性が悪い。特に減圧下で
反応させるため、膜形成速度が遅くスループットが低い
。

１１）紫外線励起光が被膜形成基板２５に垂直に照射す
るため、膜が堆積すると、膜の表面で反射する光と、膜
と基板の界面で反射する光の干渉が起こり、膜表面即ち
反応場所における励起光の強度に膜厚依存性が起こり、
それによって膜堆積速度が変化し膜厚コントロールが難
しい。

１１１）反応容器２１の紫外線入射窓にも膜が堆積し、
紫外線の透過率が悪くなり、反応の進行を妨げる。この
ため所望の膜厚が得られなくなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、量産性及び膜厚制御性のよい光励起気
相反応による薄膜形成装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の％徴は、反応容器として透明石英管、唱に短波
長光の透過率のよい合成石英ガラス製の反応管金柑い、
管の長手方向に垂直に被膜形成基板を設置し、管の周囲
に紫外線光源及び加熱源を配置することにより、量産性
及び膜厚均一性の向上を計る反応装部、にある。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例により詳細に説明する。反応ガス供
給系及び排気系は従来と同様であるため反応系のみ詳細
に説明する。

第２図（ａ）、　（ｂ）は本発明による薄膜形成装置の
反応系の断面図を略記したものである。

反応容器５１は透明石英製、特に短波長光の透過率のよ
い合成石英ガラス製であり、内径１５０ｍｎ＋、肉厚Ｂ
ｍｍ、長さｌＱＱＱｍｌｎである。両端にはステンレス
製のフランジ５２が取付けてあり、反応ガス供給系及び
排気系が接続されている。

石英ボート５３に配置したシリコンウエノ・５４は反応
容器内に置かれる。シリコンウェハ５４は２枚ずつ裏面
同志を密着させた方式でセットされている。この時、シ
リコンウェハ５４が反応管５１の断面の中心に籠か４る
様、即ち同心円状に配置される様に石英ボート５３の大
きさ及び形状が選ばれる。

反応管５１の周囲には、その長手方向に沿って４本の紫
外線ランプ５５が設置されている。紫外報ランプ５５は
波長２５３．７　ｎ　ｍを発光１−る低圧水銀灯で、発
光長４ＱＣｍ、出力８ＱｍＷ／ｃｍ’　。

ランプ′嘔力４００Ｗである。４本の紫外線ランプ５５
は反応管５１の周囲に等間隔に配置畑れている。紫夕）
線光源は開口角３０°のアバーヂャー型で各々に集光レ
ンズ５６が付置、シである。集光レンズ５６は透明石英
製であり、反応管５１の中央部に最も強く集光される。

加熱源５７はタングステン・ノ＼ロゲン赤外うンプ？用
いた。石英反応管５１の周囲に長手方向に沿って４本の
赤外ランプ５７を紫外線ランプ５５と交互になる様に配
置した。これは紫外線ラング５５が赤外ランプ５７の照
射光を直接受けて温贋上昇し、水銀の蒸気圧変化による
紫外線発光強度の低下を避けるたぬである。

反応ガス供給ノズル５８は、反応管内長手方向に沿って
延び、配置されたシリコンウェハ５４間の中間に反応管
５１の中心に向って噴出孔を設けである。

もう−独類のガス供給ノズル５９は、夕はり反応’＠；
ｓｔの長手方向に沿って延び、石英反応管壁に向けて噴
出孔が設けてあり、反応に寄与しない不活性ガス（本実
施例では平均自由行程の大きいヘリウムを用いた）を導
入している。こノ″しは、反応石壁に膜が堆積し、紫外
線透過率が低下すること全防止するためである。

実験例１・・・シリコン窒化ｊ換の形成例反応ガスとし
てモノシラン８ｍｔ／ｍ　ｉ　ｎ　、アンモニアｌ　Ｑ
　ｍ　ｔ／　ｍ　ｉ　ｎ　ｆ　３３℃に保った水銀蒸発
器（水銀の蒸気圧５Ｘ　１０　’　Ｔｏ−ｒ）を通して
反応容器（反応管５１）に供給する。被膜形成基板は直
径３インチのシリコンウェハ５４であり、赤外ランプ加
熱により、２００℃に設定した。反応容器５１内の圧力
は排気系のバルブを調節することによす１．５Ｔ、ｒ、
に保持した。３０分間の反応で３０００大の膜厚が堆積
し、平均膜成長速度は１００′Ａ／ｎ】１ｎである。ウ
ェハ内１７点及びロット内（５０枚）の膜厚分布はそれ
ぞれ±６．±１０％である。

実験例２・・・アモルファスシリコン膜の形成例反応ガ
スとＬ２てジシラン（ｓｉ２ｎｏ）ｉ水銀蒸発器ケ通し
て供給した。反応管壁への膜堆積防止用の補助の不活性
ガスノズルを４本用い、ヘリウム４００　ｍｔ／ｍ　ｉ
　ｎ供給した。他の反応条件は実験例１の場合と同じで
ある。１０分間の反応で２８００〜３１００人の膜厚が
堆積し１平均膜成長速度は約３００λ／ｍ　ｉ　ｎであ
る。この膜成長速度は、反応ガスとしてモノシラン（ｓ
ｉｎ４）ｉ用いた場合の２〜３倍である。また、補助不
活性ガスノズルを用いない場合は、石英反応管壁にもア
モルファスシリコン膜が堆積し、数分以内で管壁が灰褐
色に曇り紫外光の透過が阻止され反応が進行しなくなり
、約３００〜５００八以上の膜厚を得ることはできない
。

本発明による光励起気相反応による薄膜形成装置のｔｈ
徴と効果を要約すると以下の通りである。

（１）従来は平面状にシリコンウェハ等の被膜形成基板
を並べているため、−回の処理量が少ないが本発明では
、シリコンウェハ全縦にウェハホルダに並べるため、処
理量が大きくできる。

（２）紫外光を反応管の中心部に集光させるため、反応
管内の水銀蒸気が紫外線エネルギーを吸収して励起状態
になる一次反応が反応管の中央部で始まる。このため反
応管壁への膜の堆積が少なく、紫外線の透過率低下が防
止しやすい。

（３）紫外線源の水銀ランプの温度と反応のための水銀
蒸気温度を個々に制御することができる。このため反応
温度を水銀ランプ温度より高温に設定づることにより、
反応管内の水銀蒸気の吸収線が広がり吸収効率が向上さ
れ、膜形成速度の向上が計才りる。

（４）被膜形成基板に直接紫外光を照射１°る場合は、
形成された膜と基板との界面で反射した光と、膜表面で
反射した光の干渉が起こる。このため膜表面における紫
外線強度に膜厚依存性が生じ、膜形成速度が不均一とな
る。本発明では主として紫外光は表面近傍の気相に照射
されるため、干渉の弊害がなく膜厚均一性、制御性が向
上できる。

同、水銀増感法による反応は次のように考えられている
。

ｎｇ−−２！−→Ｈｇ”　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・■■は反応管内の水銀
蒸気が紫外線を吸収して励起された状態を示す。（−次
過程） ■は励起された水銀蒸気と反応ガスが衝突し、反応ガス
をラジカルに励起した状態を示す。ここで水銀は元の基
底状態に戻っている。

反応ガスのラジカルが衝突して膜形成の反応を起こす。

ここで■の反応速度定数は気体の運動論から次式で示さ
れる。

１　　　　　］、　　　−！− に−ｄ”（８・ＲＴ　（〔Ｍ□ｇ”〕＋［Ｍｓ　＋＋＋
、Ｊ−”ここでσは衝突の直径即ち消光断面積（＾′）
、Ｒは気体定数、Ｔは反応温度、Ｍはそれぞれの分子量
を示す。それ故反応速度を大きくするためには、水銀の
光エネルキーに対して消光断面積の大ぎな反応ガスが適
している。シリコンまたはその化合物（酸化物、屋化物
等）の形成にはポリシラン＜　ｓ　’２１”’１６　、
　ｓ　”３Ｈ８等）が望ましいことが判る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、量産性。

均−性及び制御性の優れた光励起気相反応による薄膜形
成が可能となり、工業的価値は太きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光励起気相反応による薄膜形成装置のブ
ロック図、第２図（ａ）、　（ｂ）は本発明薄膜形成装
置の一実施例を示す反応系の縦断面図及び横断面図でめ
る。 ５１・・・反応管、５２・・・フランジ、５３・・・石
英ボート、５４・・・シリコンウェハ、５５・・・紫外
線ランプ、５６・・・集光７ンズ、５７・・・赤外ラン
プ、５８・・・反応ガス供給ノズル、５９・・・不活性
ガス供給ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光励起化学反応を用いた薄膜形成装置において、透
   明石英管製反応容器を使用し、その管内の長手方向に垂
   直に複数枚の被膜形成基板を並べて設置でき、該反応管
   の周囲に紫外線光源及び加熱源が設置されていることを
   特徴とする薄膜形成装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、反応管周囲に配置
   された紫外線光源は反応管の中心部に集光する様に照射
   することを特徴とする薄膜形成装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、反応容器内に反応
   ガス供給ノズル及び不活性ガス供給ノズ、ルの二種類の
   ガス供給系を有し、反応ガスは被膜形成基板に向って供
   給され、不活性ガスは反応容器内壁に向って供給される
   ことを特徴とする薄膜形成装置。