JP3289806B2 - 化学気相成長装置および化学気相成長方法 - Google Patents
化学気相成長装置および化学気相成長方法Info
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よび化学気相成長方法に関し、特に反応ガスを半導体ウ
エハに向けて導出するガスヘッドの改良に関するもので
ある。
ガスとO2ガスを用いる枚葉、フェースダウン式常圧化
学気相成長装置の構成について説明する。図9は従来の
化学気相成長装置の概略構成を示す断面図である。図に
おいて、1は反応生成膜が形成される半導体ウエハ、2
は半導体ウエハ1を載置するためのステージ、3はステ
ージ2を介して半導体ウエハ1を加熱するためのヒー
タ、4はガス導入口4a,4bと中空部4cを形成しス
テージ2と対抗する対向面、ここでは上面5に複数のガ
ス吹き出し穴5aを有するガスヘッド、6は反応空間6
aを形成させステージ2の周囲に排気口7を備えてなる
反応室、Aは導入されるSiH4ガス、Bは導入される
O2ガス、Cは導出される反応ガス、Dは半導体ウエハ
1に形成される反応生成膜、Eは排気ガスである。
構成された化学気相成長装置においては、ガス導入口4
aおよび4bよりガスヘッド4の中空部4cに導入され
たSiH4ガスAおよびO2ガスBが混合し、反応ガスC
としてガス吹き出し口5aより、ステージ2上に載置さ
れてヒータ3によって加熱されている半導体ウエハ1の
表面に供給され、この表面上に反応生成膜Dが形成され
る。反応が終わった、または未反応の反応ガスCは排気
ガスEとして排気口7より反応室6の外へ排気される。
の化学気相成長装置では、半導体ウエハ1に形成される
反応生成膜Dの膜厚は、反応に寄与するガスの濃度に依
存しており、濃度が高いほど膜厚は厚くなる。また、反
応室内は常圧であるので、半導体ウエハ1上の反応ガス
Cの濃度は、反応ガスCの流れ方に依存し、反応ガスC
が多く流れる所ほど形成される反応生成膜Dの膜厚が厚
くなる。この反応空間6aの反応ガスCの流れは、反応
空間6a内各部の圧力差による圧力損失によってその分
布が決まる。
との間の圧力損失より、反応空間6aと排気口7との間
の圧力損失の方が大きい場合には、ガスヘッド4の中空
部4cからガス吹き出し口5aを通って反応空間6aへ
流れる反応ガスCの流量は、各ガス吹き出し口5aで同
じにならず、排気口7に近いガスヘッド上面5の周辺部
で多く、排気口7より遠いガスヘッド上面5の中心部で
少なくなる。この結果半導体ウエハ1表面上の反応ガス
Cは周辺部で多くなり、この状態で形成される反応生成
膜D1の膜厚は図10に示すように周辺部で厚く、中心
部で薄くなる。上記膜厚分布の不均一を解決するために
は、ガスヘッド4の中空部4cと反応空間6aとの間の
圧力損失を、反応空間6aと排気口7との間の圧力損失
より大きくすればよい。
成長装置の概略構成を示す断面図で説明する。この図中
の記号は図9で用いられているものと同一である。この
図11は図9に比べて、ガスヘッド上面5に設けられた
ガス吹き出し口5aの個数が少なく、ガス吹き出し口5
aの総断面積が小さいため、ガスヘッド4の中空部4c
と反応空間6aとの間の圧力損失が大きくなる。このた
め排気口7に近いガスヘッド上面5の周辺部で多く、排
気口7より遠いガスヘッド上面5の中心部で少なくはな
らず、前記半導体ウエハ1表面の反応ガスCは周辺部と
中心部が比較的均等になり、この状態で形成される反応
生成膜Dの膜厚は図10に示すように周辺部で厚く、中
心部で薄くなることはない。
いため、半導体ウエハ1上でガス吹き出し口5aに対向
する部分では、反応ガスCは多くなり、そうでない部分
では少なくなるため、前記半導体ウエハ1上に形成され
る反応生成膜Dの膜厚は図12の半導体ウエハ1上に形
成される反応生成膜D2の膜厚分布を模式的に表す図に
示されるように、ガス吹き出し口5aに対向する部分で
は厚くそうでない部分では薄くなり、全面均一なものと
はならない。またガスヘッド4の中空部4cと反応空間
6aとの間の圧力損失を、反応空間6aと排気口7との
間の圧力損失より大きくするための、一つの手段として
図13の化学気相成長装置の概略構成を示す断面図で説
明する。この図中の記号は図9で用いられているものと
同一である。この図13は前記図9に比べて、ガスヘッ
ド上面5に設けられたガス吹き出し口5a個々の穴径が
小さく、ガス吹き出し口7の総断面積が小さいため、ガ
スヘッド4の中空部4cと反応空間6aとの間の圧力損
失が大きくなる。このため排気口7に近いガスヘッド上
面5の周辺部で多く、排気口7より遠いガスヘッド上面
5の中心部で少なくはならず、半導体ウエハ1表面上の
反応ガスCは周辺部で多くなり、この状態で形成される
反応生成膜Dの膜厚は図10に示すように周辺部で厚
く、中心部で薄くなることはない。
小さいため、穴の内部に異物が付着するとそれによる穴
の断面積の変化する度合いが大きく、それによるガス吹
き出し口5aでの反応ガスCの流量の変動が生じやす
い。特に図13に示すような構成の化学気相成長装置の
反応室では、ヒーター3で加熱されたステージ2に対抗
しているガスヘッド4のガスヘッド上面5は、ステージ
2からの輻射熱によって温度が上昇し、周囲への熱の逃
げが少ないガスヘッド上面5の中心部は同周辺部に比べ
て温度が高くなっている。この時、図13のガスヘッド
上面5の部分を表す図14に示すように、ガスヘッド上
面5の他の周辺部に比べて中心部に反応副生物Fの付着
が多くなり、ガス吹き出し口5aでの反応ガスCの流れ
に対して抵抗となり、この抵抗となる度合いが図13に
示されるガス吹き出し口5aの穴径が小さい場合では大
きくなる。この反応副生成物Fは反応ガスCが熱により
反応し半導体ウエハ1上以外の他の部分に付着したもの
である。このガスヘッド上面5中心部への反応副生成物
Fの付着により、反応ガスCのガスヘッド上面5上での
流量は中心部で少なく、周辺部で多くなり、この状態で
形成される反応生成膜Dの膜厚は、図10の半導体ウエ
ハ1表面上に形成される反応生成膜D1の膜厚分布を模
式的に表す図に示されるように、周辺部で厚く、中心部
で薄くなり、均一にはならない。上記の理由により、こ
の種の化学気相成長装置では、半導体ウエハ1上に形成
される反応生成膜Dの膜厚分布を均一に保つことができ
ず、半導体ウエハ1上に形成される製品の歩留まりを低
下させることとなっている。
ためになされたもので、半導体ウエハ表面上に形成され
る反応生成膜の膜厚分布を均一にし、またガスヘッド上
面のガス吹き出し穴に付着する反応副生成物によって反
応生成膜の膜厚分布の変動が起こらない化学気相成長装
置および化学気相成長方法を得ることを目的とする。
の化学気相成長装置は、半導体ウエハを加熱,保持する
ステージと、導入されるガスを混合し反応ガスとする中
空部を形成しステージに対向する対向面に複数のガス吹
き出し穴を有し反応ガスを半導体ウエハ表面に噴射する
ガスヘッドと、ステージとガスヘッド間に反応空間を形
成させステージの周囲に反応空間の排気口を有してなる
反応室を備えた化学気相成長装置において、ガスヘッド
の中空部に対向面と平行でかつ複数のガス通過穴が形成
された面を有し、通過するガスに対する抵抗が対向面の
抵抗より大きい拡散板を設け、この拡散板と対向面との
空間に拡散板と対向面に接して対向面と拡散板に垂直な
方向となる隔壁をガスヘッド中心から排気口に向かう方
向に複数設けたものである。
項1または2において、拡散板のガス通過穴に対して任
意のガス通過穴が塞げるよう穴の塞ぎ手段を設けたもの
である。
項1〜3のいずれかにおいて、ガスヘッドの対向面と拡
散板との間の空間に、反応ガスの所定流路に対し抵抗と
なる抵抗板を配置したものである。
項1において、ガスヘッドの対向面に設けられたガス吹
き出し穴と拡散板に設けられたガス通過穴が互いに位置
をずらして配置されているものである。
求項1に記載の化学気相成長装置を用いた化学気相成長
方法において、半導体ウエハをステージ上に載置し、中
空部に複数種のガスを導入して混合し反応ガスとし、反
応ガスを拡散板にてその流れを抑制して、拡散板の各ガ
ス通過穴から反応ガスが均一な流量となるように通過さ
せる工程と、反応ガスを隔壁にて隔離された中空部を通
過させる工程と、反応ガスを対向面の各ガス吹き出し穴
から半導体ウエハ上に吹き付けて半導体ウエハ上にて化
学気相成長を行うとともに、反応ガスを排気口から排気
するものである。
気相成長方法は、中空部の拡散板が反応ガスの流れに対
する抵抗を大きくし、反応ガスの拡散板での圧力損失は
反応空間のガスヘッド中心と排気口との間の圧力損失よ
り大きくなり、また、排気口から遠くにあるためガス通
過口を通る反応ガスの流量を各部で均一な流量にする。
さらに、拡散板と対向面に接した隔壁がガスヘッドの中
心から排気口側へ向かう反応ガスの流れを止めるため、
各隔壁間の空間における反応ガスの流量は均一なままで
ガスヘッド上面のガス吹き出し穴を通って流れ半導体ウ
エハの各部へ供給される反応ガスの流量を等しくするこ
とができる。
ぐ手段が各々の隔壁間の反応ガス流量の調整を容易に可
能としガスヘッド上面のガス吹き出し穴から出る反応ガ
ス流量を各部均一にする。
の抵抗板が各々の隔壁間内部で反応ガスの流れが排気口
側に多くなるのを防ぎガスヘッド上面のガス吹き出し穴
から出る反応ガス流量を各部さらに均一にする。
ガス通過穴が互いにずらして位置しているので、ガス通
過穴を通過した反応ガスが十分に拡散されてガス吹き出
し穴より出ることになり全体のガス流量の分布を均一に
できる。
はこの発明の実施例1における化学気相成長装置の概略
構成を示す断面図である。図において、1〜7,A,
B,D,Eは従来と同様でありその説明は省略する。8
はガスヘッド4の中空部4cにガスヘッド上面5と平行
でかつ複数のガス通過穴8aが形成された面を有するガ
ス拡散板、4dは拡散板8とガスヘッド上面5間に形成
された中空部、9は拡散板8とガスヘッド上面5に接し
て拡散板8とガスヘッド上面5に垂直な方向に配され、
ガスヘッド4の中心から排気口に向かう方向を仕切る
(この場合3区域)複数の隔壁、C1はガス通過穴8a
から導出される反応ガス、C2はガス吹き出し穴5aか
ら導出される反応ガスである。
入口4a,4bよりガスヘッド4の中空部4cへ導入さ
れたSiH4ガスAとO2ガスBは拡散板8の下部で混合
し、反応ガスC1としてガス通過穴8aを通って拡散板
8とガスヘッド上面5間の中空部4dに流れる。この拡
散板8の反応ガスC1の流れに対する抵抗は大きいため
拡散板8上下での圧力損失は、ガスヘッド上面5の中心
部と排気口7との間の圧力損失より大きく、また、排気
口7から離れているため、ガス通過穴8aを通る反応ガ
スC1の流量は排出口7側で多くならず、各部で均一な
流量となる。
を通過した反応ガスC1はガスヘッド上面5へ向かって
流れていくが、隔壁9がガスヘッド4の中心から排気口
7に向かう方向への反応ガスC1の流れを止めるため、
各隔壁9間の空間における反応ガスC1の流量は均一な
ままでガスヘッド上面5のガス吹き出し穴5aを通って
流れるので、半導体ウエハ1の各部へ供給される反応ガ
スC2の流量を等しくすることができる。この時図2に
示すように、半導体ウエハ1表面上に均一な膜厚分布の
反応生成膜D3を形成することができる。このことは、
課題で述べたガス吹き出し穴の個数を少なくして発生す
る弊害、ガス吹き出し穴の径を小さくして発生する弊害
なども同時に解決でき均一な膜厚分布の反応生成膜を形
成させることが可能となる。
過穴8aの分布等により、ガス通過穴8aを通る反応ガ
スC1の流量が各部で均一な流量とならない場合図4に
示すように半導体ウエハ表面上に各隔壁間の空間での反
応ガスC2のガス流量に対応した不均一な膜厚分布の反
応生成膜D4が形成されることになる。これを解決する
構成を以下実施例2として図3について説明する。図に
おいて、1〜9およびA,B,C1,C2,D,Eは図1
と同様でありその説明は省略する。10はガス通過穴8
aで所定のものを塞ぐ手段となる栓で、例えばガス通過
穴8aには雌ネジが設けられ栓10は雄ネジで形成され
ている。
拡散板8のガス通過穴8aの内、拡散板8上部の各隔壁
9間の空間で反応ガスC1の流量の多い部分にあるガス
通過穴8aに対して適当数行い、その部分に相当するガ
ス通過穴8aの総面積を少なくすることにより、反応ガ
スC1の流量の多い部分の流量を少なくして、全体のガ
ス流量の分布を均一にすることができる。これにより図
2の半導体ウエハ1表面上に形成される反応生成膜Dの
膜厚分布を模式的に表す図2に示されるように、半導体
ウエハ表面上に均一な膜厚分布の反応生成膜を形成する
ことができる。
気口7との間の圧力損失が大きい場合、各隔壁9間の空
間内における反応ガスC1の流量は均一なままでガスヘ
ッド上面5のガス吹き出し穴5aを通って流れずにそれ
ぞれ排気口7側の方に多く偏って流れ、図6に示すよう
に各隔壁9間の空間内に対向する範囲ごとに、外周部の
排気口7側の方にいくにつれて反応生成膜D5が厚く形
成されることになる。これを解決する構成を以下実施例
3として図5について説明する。図において、1〜9お
よびA,B,C1,C2,D,Eは図1と同様でありその
説明は省略する。11は各隔壁9間の空間内に反応ガス
C1の流れに対して抵抗となるように設けられた抵抗板
で、特に排気口7に近い側では隔壁9に接しガスヘッド
4の中心に近い側では隔壁9とは接しないで開口部を持
つように設けたものである。
反応ガスC1の流量が多くなっている排気口7に近い側
で反応ガスC1の流れに対して抵抗となり、反応ガスC1
の流量が少なくなっているガスヘッド4の中心に近い側
では開口部を持ち抵抗となっていないため、この拡散板
11と開口部の割合を各々の場所で反応ガスC1の流れ
の偏りに対して適当にすることによって、各隔壁9間の
空間内で反応ガスC1の流れの偏りをガスヘッド上面5
の直下でなくして、全体のガス流量の分布を均一にでき
るので、図2の半導体ウエハ1上に形成される反応生成
膜Dの膜厚分布を模式的に表す図に示されるように、半
導体ウエハ1上に均一な膜厚分布の反応生成膜Dを形成
することができる。なお、この構成は実施例2の構成と
併用しても効果的である。
過穴8aとガスヘッド上面5のガス吹き出し穴の位置
が、ガス拡散板8からガスヘッド上面5に向かう反応ガ
スC1の流れ方向で重なっている部分がある場合、ガス
通過穴8aを通過した反応ガスC1は十分に拡散しない
ままガス吹き出し穴5aより流れ出るために、その部分
の反応ガスC2の流量が周囲に比べて多くなってしまう
ため、図8に示すようにガス吹き出し穴5aに対向する
部分では、半導体ウエハ1表面上に形成される反応生成
膜D6の膜厚が厚くなるような不均一な膜厚分布となっ
てしまう。これを解決する構成を以下実施例4として図
7について説明する。図において、1〜7およびA,
B,C1,C2,D,Eは図1と同様でありその説明は省
略する。12はガスヘッド4の中空部4cにガスヘッド
上面5と平行な面を形成し全面に複数のガス通過穴12
aを有するガス拡散板で、ガス通過穴12aはガスヘッ
ド上面5のガス吹き出し穴5aとはガス拡散板12から
ガスヘッド上面5に向かう反応ガスC1の流れ方向で重
ならないように配置されている。13は拡散板12とガ
スヘッド上面5に接して拡散板12とガスヘッド上面5
に垂直な方向に配され、ガスヘッド4の中心から排気口
7に向かう方向を仕切る複数の隔壁である。
2上のガス通過口12aとガスヘッド上面5のガス吹き
出し口5aとはガス拡散板12からガスヘッド上面5に
向かう反応ガスC1の流れ方向で重ならないように配置
されているため、前述したガス通過口12を通過した前
記反応ガスC1が十分に拡散しないままガス吹き出し口
5aより流れ出て、その部分の反応ガスC2の流量が周
囲に比べて多くなることがなく、全体のガス流量の分布
を均一にできるので、図2の半導体ウエハ1上に形成さ
れる反応生成膜Dの膜厚分布を模式的に表す図に示され
るように、半導体ウエハ1上に均一な膜厚分布の反応生
成膜D3を形成することができる。なお、この構成は実
施例2および実施例3の構成と併用しても良い。
SiH4ガスとO2ガスを用いたが、反応ガスとしてTE
OS(テトラエトキシシラン)液を気化させたガスとO
3ガスを用いてもよく、この場合前述の反応ガスとして
SiH4ガスとO2ガスを用いる場合に比べて前述した反
応副生成物Fの発生が多く、このガス吹き出し穴5aへ
の付着により反応生成膜Dが不均一になりやすいため
に、この構成を用いた効果が顕著になる。
たは12、隔壁9または13、栓10、抵抗板11は上
記性能を有するものであれば他のどのような形態であっ
てもよい。
4、ガスヘッド4等の反応室各部の構成、形状なども上
記作動の範囲内において特に規定するものではない。
れば、半導体ウエハを加熱,保持するステージと、導入
されるガスを混合し反応ガスとする中空部を形成しステ
ージに対向する対向面に複数のガス吹き出し穴を有し反
応ガスを半導体ウエハ表面に噴射するガスヘッドと、ス
テージとガスヘッド間に反応空間を形成させステージの
周囲に反応空間の排気口を有してなる反応室を備えた化
学気相成長装置において、ガスヘッドの中空部に対向面
と平行でかつ複数のガス通過穴が形成された面を有し、
通過するガスに対する抵抗が対向面の抵抗より大きい拡
散板を設け、この拡散板と対向面との空間に拡散板と対
向面に接して対向面と拡散板に垂直な方向となる隔壁を
ガスヘッド中心から排気口に向かう方向に複数設けたの
で、反応ガスの流量は均一な状態でガスヘッド上面のガ
ス吹き出し穴を通って流れ半導体ウエハの各部へ供給さ
れる反応ガスの流量を等しくできるめ半導体ウエハ表面
上に形成する膜の膜厚分布を均一にすることができる。
1において、拡散板のガス通過穴に対して任意のガス通
過穴を塞げるよう穴の塞ぎ手段を設けたので、各々の隔
壁間の反応ガス流量の調整を容易に可能とし反応ガスの
流れを半導体ウエハに対して均一にでき半導体ウエハ上
に形成する膜の膜厚分布を均一にすることができる。
1または2において、ガスヘッドの対向面と拡散板との
間の空間に、反応ガスの所定流路に対し抵抗となる抵抗
板を配置したので、各々の隔壁間内部で反応ガスの流れ
が排気口側に多くなるのを防ぎガスヘッド上面のガス吹
き出し穴から出る反応ガス流量を各部さらに均一にし半
導体ウエハ上に形成する膜の膜厚分布を均一にすること
ができる。
1〜3のいずれかにおいて、ガスヘッドの対向面に設け
られたガス吹き出し穴と拡散板に設けられたガス通過穴
が互いに位置をずらして配置されているので、ガス通過
穴を通過した反応ガスが十分に拡散されてガス吹き出し
穴より出ることになり全体のガス流量の分布を均一にし
半導体ウエハ上に形成する膜の膜厚分布を均一にするこ
とができる。
項1に記載の化学気相成長装置を用いた化学気相成長方
法において、半導体ウエハをステージ上に載置し、中空
部に複数種のガスを導入して混合し反応ガスとし、反応
ガスを拡散板にてその流れを抑制して、拡散板の各ガス
通過穴から反応ガスが均一な流量となるように通過さ
せ、反応ガスを隔壁にて隔離された中空部を通過させ、
反応ガスを対向面の各ガス吹き出し穴から半導体ウエハ
上に吹き付けて半導体ウエハ上にて化学気相成長を行う
とともに、反応ガスを排気口から排気するもので、反応
ガスの流量は均一な状態でガスヘッド上面のガス吹き出
し穴を通って流れ半導体ウエハの各部へ供給される反応
ガスの流量を等しくできるめ半導体ウエハ表面上に形成
する膜の膜厚分布を均一にすることができる。
置の概略構成を示す断面図である。
形成した反応生成膜を示す側断面図である。
置の概略構成を示す断面図である。
断面図である。
置の概略構成を示す断面図である。
断面図である。
置の概略構成を示す断面図である。
断面図である。
面図である。
に形成した反応生成膜を示す断面図である。
示す断面図である。
ハ上に形成した反応生成膜を示す断面図である。
示す断面図である。
上面の反応副生成物付着状況を示す断面図である。
c 中空部、5 ガスヘッド上面(対向面)、5a ガ
ス吹き出し穴、6 反応室、6a 反応空間、7 排気
口、8 拡散板、8a ガス通過穴、9 隔壁、10
栓(穴を塞ぐ手段)、11 抵抗板、12 拡散板、1
2a ガス通過穴、13 隔壁、C 反応ガス、C1
拡散板を通過した反応ガス、C2 ガス吹き出し穴を通
過した反応ガス、D 反応生成膜、E 排気ガス。
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体ウエハを加熱,保持するステージ
と、導入されるガスを混合し反応ガスとする中空部を形
成し上記ステージに対向する対向面に複数のガス吹き出
し穴を有し上記反応ガスを上記半導体ウエハ表面に噴射
するガスヘッドと、上記ステージと上記ガスヘッド間に
反応空間を形成させ上記ステージの周囲に上記反応空間
の排気口を有してなる反応室を備えた化学気相成長装置
において、上記ガスヘッドの上記中空部に上記対向面と
平行でかつ複数のガス通過穴が形成された面を有し、通
過するガスに対する抵抗が上記対向面の抵抗より大きい
拡散板を設け、この拡散板と上記対向面との空間に上記
拡散板と上記対向面に接して上記対向面と上記拡散板に
垂直な方向となる隔壁を上記ガスヘッド中心から上記排
気口に向かう方向に複数設けたことを特徴とする化学気
相成長装置。 - 【請求項2】 拡散板のガス通過穴に対して任意の上記
ガス通過穴が塞げるよう穴の塞ぎ手段を備えたことを特
徴とする請求項1に記載の化学気相成長装置。 - 【請求項3】 ガスヘッドの対向面と拡散板との間の空
間に、反応ガスの所定流路に対し抵抗となる抵抗板を配
置したことを特徴とする請求項1または2に記載の化学
気相成長装置。 - 【請求項4】 ガスヘッドの対向面に設けられたガス吹
き出し穴と拡散板に設けられたガス通過穴が互いに位置
をずらして配置されていることを特徴とする請求項1〜
3のいずれかに記載の化学気相成長装置。 - 【請求項5】 請求項1に記載の化学気相成長装置を用
いた化学気相成長方法において、半導体ウエハをステー
ジ上に載置し、中空部に複数種のガスを導入して混合し
反応ガスとし、上記反応ガスを拡散板にてその流れを抑
制して、上記拡散板の各ガス通過穴から上記反応ガスが
均一な流量となるように通過させる工程と、上記反応ガ
スを隔壁にて隔離された上記中空部を通過させる工程
と、上記反応ガスを上記対向面の各ガス吹き出し穴から
上記半導体ウエハ上に吹き付けて上記半導体ウエハ上に
て化学気相成長を行うとともに、上記反応ガスを排気口
か ら排気する工程とを備えたことを特徴とする化学気相
成長方法。
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1994
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