JP2548023B2

JP2548023B2 - 急速加熱ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2548023B2
Application number: JP63003937A
Authority: JP
Inventors: ダニエル・エル・ブロース; ラリー・アール・レイン; マーク・ダブリュ・ゴールドスボラフ; ジェイソン・エム・サムセル; マックス・バン・マストリクト; ロビート・フォスター
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1987-01-15
Filing date: 1988-01-13
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: KR960008500B1; US4796562A; KR880009416A; JPS63213672A; EP0276061A1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体ウエーハ上に化学蒸着（CVD）を行
うための装置に関し、特に、選択的タングステン（sele
ctive tungsten）を蒸着させるのに適切な装置に関す
る。

［発明の背景］化学蒸着（CVD）は、化学反応の手段によって気相か
ら基板上に個体物質を蒸着させる方法である。蒸着反応
には一般に、熱分解、化学的酸化、又は化学的還元が含
まれる。熱分解の一例において、有機金属化合物が、蒸
気として基板表面に伝達され、基板表面上で金属元素状
態に還元される。

化学的還元のために、最も普通に使用される還元剤は
水素であり、金属蒸気もまた使用される。基板もまた、
シリコンによるタングステン・ヘキサフルオライドの還
元の場合と同様の還元剤として作用し得る。基板はさら
に、化合物又は合金蒸着の一元素の蒸着を供給する。CV
Dプロセスは、酸化物、窒化物及び炭化物を含む化合物
と同様に多くの元素及び合金を蒸着させるために使用さ
れる。

これらの発明以来、集積回路（IC）は、元素又は化合
物の形状でシリコン、酸素及びアルミニウムから製造さ
れるようになった。最近、一層小さいIC特性サイズ、高
電流密度、及び一層良好な電気的性能によって要求され
る物質の変化に対応している限りでは十分であった基本
的な元素に新しい分類の耐熱性物質が加えられている。
設計上の要求が、シリコンへの低接触抵抗、接触又は工
程における電気泳動に対して高い抵抗を現すもの、及び
一層少ない接合点を保護するのに十分に低い温度で蒸着
できる物質に対して、物質の選択を狭めてきた。

耐熱性金属は、シリコン・ジオキシド又はシリコン・
ニトレートのような隣り合う誘電体上に蒸着せずに他の
金属表面上に選択的に、又は耐熱性金属のブランケット
のような耐熱性シリサイドとして種々の形態で蒸着され
得る。選択的蒸着は、エッチング工程でのマスキングを
省き、自己整合構造を与える。

タングステン及び他の耐熱性金属を高性能のICに使用
することが真剣に考えられている。CVDの選択的タング
ステンは、ソース／ドレイン領域並びに純粋又はシリサ
イド形状のゲート上の拡散バリア、エッチバリア、バイ
ア充填（via fill）、低抵抗シャント（shunt）のよう
なVLSIやULSIチップでのいろいろの要求に合致すること
が示された。タングステンはまた、工程中検査のための
自己整合スクラッチ抵抗パッド、エッチ選択性エンハン
スメントのためのステンシル、低反射率コーテイング及
びＸ線リトグラフィー用マスク等のようなIC製造、さら
にはスクイドやブリッジワイヤー等のような新しい受動
マイクロ装置に適用される。

その有利な物理的性質に加えて、タングステンは、シ
リコン、金属又はシリサイド上に選択的に蒸着され、真
に自己整合するために、特に重要なものである。タング
ステンはまた、体積充填機能（volume filling functio
n）を与え、平面性やマルチレベルチップ設計の高い優
位性を増大する。タングステンは、付加的なマスクなし
に蒸着され得るため、工程の複雑さが低下すると共にコ
ストも削減する。工程中検査の増加は、歩留まりを高め
るものと期待される。IC技術が小さい特性サイズ及び多
重相互接続レベルに進められると、CVDプロセスの選択
的蒸着性能が一層重要となるであろう。

耐熱性金属のCVDは、スパッタリングについて幾つか
の利点を与える。耐熱性金属のCVDは、良好な工程適用
範囲を与え、システムの複雑さを減少し、高純度の蒸着
を与える。これらの利点を得るために、高効率のCVD法
が要求される。VLSIのための初期のCVD耐熱性金属の作
業は、小さいバッチサイズ（batch size）で大気圧で作
動する冷壁リアクタで行われた。縮小圧力、冷壁、CVD
技術は、大量のVLSIのための耐熱性フィルムを生産をす
る可能性を与える。

本発明において、CVD技術が多様の目的のために基板
上に蒸着を行うのに使用できる。タングステン・カーバ
イド及びアルミニウム・オキシドがカッテイング工具上
にコーテイングし、すなわち、タンタル、窒化ホウ素、
シリコン・カーバイドの腐食抵抗コーテイング及びその
同等物並びに腐食を還元するスチール上のタングステン
・コーテイングが、本発明に従って適用できる。装置及
び寸法は、個体状電子工学デバイス及びエネルギー変換
デバイスを製造するのに特に有用である。

電子工学物質のCVDは、テイー・エル・チュ（T.L.Ch
u）らのJ.Bac.Sci.Technol.の10、１（1973年）、及び
ビー・イー・ワッツ（B.E.Watts）の薄剛膜（Thin Solo
d Films）の18、１（1973年）に記載されている。それ
らには、例えば、シリコン、ゲルマニウム及びGaAsのよ
うな物質のエピタキシャルフイルムの形成及びドーピン
グについて記載されている。エネルギー変換の分野にお
いて、CVD法は、核分裂生成物の保存、太陽エネルギー
の捕集及び超伝導のための物質が与えられる。CVD分野
の概略が、ダブリュー・エー・ブライアント（W.A.Bria
nt）による“化学蒸着の基礎（The Fundamentals of Ch
emical Vapour Deposition）”、ジャーナル・オブ・マ
テリアルズ・サイエンス（Journal of Materials Scien
ce）12、1285（1977年）に記載されている。

温度、圧力、反応ガスの比率、及びガス流量及びその
分布の蒸着パラメータは、特定のシステムの性能及び蒸
着速度を臨界的に決定し、蒸着の所望の一様性及び品質
を与える。従来技術のシステムは、蒸着の汚染からこれ
らの要因の１又は２以上を適切に制御できないというこ
とで制限される。

化学蒸着のために使用される反応チャンバは一般に、
熱壁システム又は冷壁システムのように分類される。冷
壁システムにおいて、基板は、内部支持要素を誘電カッ
プリング、輻射加熱又は直接に電気抵抗加熱することに
よって加熱される。熱壁システムは、加熱反応及び蒸着
領域を創成するように配列された輻射加熱要素に依存し
ている。伝導及び対流加熱手段もまた、熱壁システムで
使用される。

CVD用冷壁システムが、米国特許第3594227号、第3699
298号及び第3916822号に記載されている。これらシステ
ムにおいて、半導体ウエーハが真空チャンバ内部に位置
され、誘導コイルが真空チャンバ外部に配列される。ウ
エーハは、RFエネルギーによって加熱するために取り付
けられた感受可能（susceptable）物質の上に載置され
る。半導体ウエーハ領域に加熱を集中させることによっ
て、化学蒸着が加熱領域に制限される。加熱されていな
い壁はCVD温度以下であることから、壁面上での蒸着が
減少する。反応領域における温度は一般に、熱壁システ
ムで得られるものと同様に一様ではなく、個々のウエー
ハにわたって温度を制御することは不可能である。

［発明の目的］本発明の目的は、化学蒸着装置において、半導体ウエ
ーハ又は他の基板を急速且つ一様に加熱及び冷却するた
めの装置を提供することである。

［発明の概要］本発明の目的及び他の目的は、特徴及び利点は、明細
書から明らかになり、本発明によって達成される。簡潔
に、本発明は、CVD装置において、ウエーハを急速に高
温加熱する装置であって、石英製のリングチャックと、
リングチャックを保持するホルダ（又は、チャックホル
ダ）と、ハロゲンランプからなる加熱源とから構成され
る。本発明の装置及び方法によると、ウエーハを10秒以
下で1000℃以上に加熱できる。

本発明では、反応チャンバ内にガスを注入して膜をウ
エーハ表面上に蒸着するのであるが、ウエーハの背面が
加熱されるようにウエーハの表面が下に向けられて石英
製リングチャックに締付される。このリングチャック
は、ホルダの下部に保持され、ホルダは、反応チャンバ
を気密に密閉し、ホルダ下部に保持したリングチャック
に載置・締付したウエーハの表面を反応チャンバ内に露
出する。一方、ホルダの上部には窓がホルダを密閉する
ように設けられ、窓の上方に位置された加熱源の輻射エ
ネルギーを、窓、ホルダ内部及びリングチャックを通じ
てウエーハの背面へと伝達して、ウエーハを加熱する。
ここで、ホルダは冷却水により冷却されるため、ホルダ
に保持されたリングチャックへの蒸着が最小となり、ま
た、ホルダの内面が鏡面であるため、加熱源からの最大
量の輻射エネルギーをウエーハに伝達できる。このよう
な構成が、処理中にウエーハの急速な温度変化を与える
必要のある選択的タングステン蒸着に必要であることが
わかった。本発明はまた、色々の異なった温度で色々の
物質の連続的な蒸着が可能である。

上述した本発明の急速熱チャック装置を用いて選択的
タングステンの蒸着のための新規な工程が実行される。
この工程では、約30秒で約300℃から約600℃へとウエー
ハ温度を上昇させる間にタングステン蒸着が始められ
る。シリコン接触上のタングステンの最初の蒸着が低温
度でなされ、浸食（encroachment）（シリコン・ウエー
ハの消耗）を減少させる。温度が上昇すると、タングス
テン層の最初の部分が浸食を防止して、重大の問題とな
らぬようにする。ウエーハ温度が高いほど、蒸着速度が
一層急速となり、タングステン蒸着が一層選択的にな
る。よって、タングステンを蒸着させる間に温度を急上
昇させることによって、急速な選択的タングステンの蒸
着が達成される一方で浸食の問題が最小化される。

本発明の輻射加熱装置は、ウエーハの一様な加熱を達
成するように設計される。加熱の完全な一様性の欠如
は、装置の動作の新規な方法によって修正される。本発
明の方法に従って、ウエーハの温度が蒸着の最も高い温
度に接近すると、輻射加熱源のオン及びオフのサイクル
が始められる。例えば、加熱源が1.5秒間のオン及び1.5
秒間のオフで切り替えられる。オフ・サイクルの間、熱
がウエーハ内で局部的熱スポット（local hot spot）か
ら冷スポット（cool spot）へと伝導され、温度分布が
一層一様になり、これにより、蒸着が一層一様になる。

本発明のこれら及び他の構成及び作用上の特徴が、非
制限的な例によって好適実施例及び変形例を示す図面を
参照して以下の説明から明らかであろう。

［好適実施例の説明］符号が種々の図面を通じて部品を示すのに使用されて
いるところの図面を参照すると、第１図及び第２図で
は、本発明に従ったCVD装置10の全体図が示されてい
る。フレーム12は、ウエーハローダ14、蒸着チャンバ1
6、ガス混合チャンバ18、及び排気マニホルド46を支持
する。

冷壁型CVD装置で、動作の一態様は、２つの異なる反
応ガスを注入することであり、これら２つの異なる反応
ガスは、加熱された被化合物上にこれらガスが衝突する
前に完全に混合されなければならない。蒸着チャンバか
ら分離したカス混合チャンバ18が、蒸着前に混合を制御
するために使用される。２つのガスは、第５図で示すよ
うに、第１リング20及び第２リング22の形態のパイプを
通って混合チャンバ18内に注入される。これらのリング
は、同一平面で同心であるか、又は一方を他方の上に位
置させた同一の大きさであってもよく、いずれかの実施
例においても、これらは、良好な混合を容易にするため
に接近していなければならない。注入リング20、22の各
々はリング全体にわたってガスの流れを容易にするため
に中空であり、各リングから混合チャンバ18へガスを注
入するための多数の小さな出口穴を有する。各リングの
管の大きさが穴の直径と比較して大きく、管の圧力降下
を最小にしているので一様なガスが各穴を通って流れ
る。ウエーハ表面上にわたって一様に最適なガスの流れ
を調節するための、垂直方向にＯ状リング28を有するス
タッフィンググランド（stuffing gland）26を通って滑
動可能な混合バフル24が、一様な蒸着をもたらす。混合
バフル24はディスク形状を有し、シャフト30の端部に取
り付けられている。蒸着チャンバ16は、上部及び底部プ
レート（図示せず）の壁及び水冷路で反応を減少させる
ために、外壁に水冷路17を有する。混合チャンバ18もま
た、水冷路（図示せず）を有する。

被加工物の蒸着適用範囲の一様性を容易にするため
に、蒸着チャンバ16は、排気管32、34、36、38を有する
３又はそれ以上の出路を通って排気マニホルド40に排気
される。特定的な好適実施例において、４つの出路がバ
ランスのとれた排気調節を容易にするために使用され
る。

チャンバの中心付近で面を下に向けた半導体ウエーハ
を有し、注入口から上方に向かうプロセスガスを有する
反応チャンバにおいて、排気口は、概念上、本発明のよ
うにウエーハの上方及び周囲にあるか、或いはチャンバ
の側部又は注入口の周囲及び下方にあるはずである。ウ
エーハの側部又は下方に排気口を有する形状は、乏しい
ガス流を生じることがわかっている。このような形状
は、ガスがウエーハに衝突する前にプロセスガスを除
き、或いは反応したガスを十分に速く除くことができ
ず、反応したガスと入ってくるガスとを混合するか、或
いは一様でないコーティングを生じる。反応したガスと
入ってくるガスとを混合することは、蒸着フイルムで捕
らえる不純物のような問題をときおり生じるか、或いは
選択的タングステン処理において選択性を失うというよ
うな望ましくない反応を引き起こすであろう。

ウエーハの周囲及び上方の排気口を用いた良好な流れ
の利点は、注入口とウエーハとの間でガスダクト42を使
用することによってさらに高められる。このダクトは、
ほぼ被加工物の直径であり、注入口44から処理されるべ
きウエーハ46の約１インチ内に伸張する。

概念上、ガスダクト42は、反応チャンバを一層小さく
することによって除かれ、よって、注入口44とウエーハ
46との間に空間を生じ得る。しかし、実際上、反応チャ
ンバは、ウエーハの周囲に排気口を配置し且つウエーハ
保持機構のための部屋をとるのを可能にするのに十分大
きくなければならない。このため、他の考察のための部
屋の必要性は、ガスダクト42のための必要性を創り出
す。ガスダクト42は、さらに調節可能なバフル24と組み
合わせた利点をもたらす。ガスダクト42は、調節可能な
バフル24の効果を高める注入口の延長部として作用す
る。調節可能なバフルとガスダクトとの組み合わせは、
蒸着の一様性及び蒸着速度を高めることが示されてい
る。

第８〜12図で示すように、マニホルド40は、パイプ3
2、34、36に取り付けられた外部シエル48及び中央チャ
ンバへの３個又はそれ以上の開口52を有する円筒状内部
シエル50を有する。各々半円形開口58を有する３個又は
それ以上のそれぞれ独立して調節可能なシャッター56
は、３個又はそれ以上の出路の各々からの排気を調節す
るために使用される。３個のシャッター56の各々は、外
部シエル48と内部シエル50との間で滑動可能であり、組
ねじ（図示せず）によって固定可能である。中央チャン
バは、パイプ60を通って排気システム（図示せず）に接
続されている。マニホルド40は、４個のそれぞれ独立し
て調節可能なシャッターを有する第12図で示すような４
個のパイプと共に使用されて、直角方向の調節を容易に
することができる。

蒸着チャンバ16は、ロードロック64によってカセット
チャンバ62から分離される。動作上、ウエーハのカセッ
ト61はカセットチャンバ62に挿入され、カセットチャン
バ62は気密されて次に排気される。カセット61は、カセ
ット昇降機66によって位置決めされる。操作アーム68は
ウエーハ46の下にブレード70を滑動させ、ウエーハと共
にブレード70はカセット61から移動される。操作アーム
68は、モータによって90゜の角度だけ回転される。ロー
ドロック64は開かれ、操作アーム68は、ウエーハ46を有
するブレード70を保持して蒸着チャンバ16の中心へと伸
張する。サポート71に取付けられた直径約８分の１イン
チ（0.3175cm）のセラミックフィンガ74を各々有する３
つのリフトアーム72が、ブレードからウエーハ46を持ち
上げてウエーハ46の裏側をチャック76に接触させ、ウエ
ーハ46の表を下に向ける。より多数のセラミックフィン
ガが、平坦部を方向付けるためにウエーハを予め配列さ
せる必要性を回避するために使用できるが、代表的に３
個のフィンガが、ウエーハをカセットで予め配列させて
用いられる。チャック76は、面78、ステンレス鋼の壁8
0、水冷路84を有する金属バックリング82及び石英バッ
クプレート86を有する中空の組立体である。チャック76
は、チャンバ16の上部から蒸着チャンバ16へと伸張して
ウエーハにわたって一様なガスの流れを容易にする。チ
ャック76は、ヘリウム、又はアルゴンのような他の不活
性ガスで、３〜６トルで充満している。ヘリウムは、第
７図に示すように金属面78の中央付近の３つの小さい穴
92を通って流れる。選択的なパターンの６つの放射状溝
94及び約1000分の90インチ（1000分の228.6cm）の半径
の周囲溝96が、ウエーハの背面にわたって加熱ガスを導
いて熱接触を与えるために使用される。チャック76は、
チャックを加熱するために生成した熱を加減する熱制御
装置を通じて電力を付勢される６個又はそれ以上の空冷
又は水冷式1000Wタングステン−ハロゲンランプの配列9
8によって石英バックプレート86を通じて加熱される。

ランプは、チャックの内端に沿って向けられて一様な
加熱を与える。チャック76上のセンサが、温度を感知す
る。感知した温度は、ランプを制御して温度を制御する
制御装置110に送られる。ウエーハにおける熱は、150℃
からCVD温度まで数度以内に制御することができる。

チャック76は、熱上昇モード、又はプラズマ上昇モー
ド又はそれらの組み合わせで動作される。チャック76
は、セラミックによって大地から絶縁され、かくしてケ
ーブル手段（図示せず）によって供給されるRF電位を維
持することができる。約100Wの電力レベルが、ウエーハ
の面上の蒸着を高めるのに十分である。チャック76内へ
のガスのための供給線100は、絶縁物質から成っていな
ければならない。供給線100内に挿入される織物ガーゼ
のようなスクリーニング（screening）物質の小片が、
プラズマが供給線100までの拡張するのを防止する。暗
空間シールド102がチャック76の側部で使用され、チャ
ック76の側壁に沿って外部からのプラズマを防止する。
暗空間シールド73はまた、セラミックフィンガ74で使用
れ、セラミックの絶縁特性をショートさせ得るメッキを
防止する。

プラズマは、蒸着チャンバ16を洗浄にするために使用
され、洗浄のための稼働休止時間を最小にする。ウエー
ハが除かれると共に、RF電力は、約100Wの蒸着レベルか
ら400W以上まで増加する。NF₃又はCF₄及びO₂のエッチン
グガスが、洗浄のため約200ミリトルで供給され得る。
この電力レベルにおいて、プラズマは、蒸着チャンバ16
全体へと拡張し、蒸着チャンバ16全体を洗浄する。

蒸着チャンバ16の壁は水冷され、ガス相反応を防止
し、微粒子汚染を与えるチャンバ壁上の蒸着を防止す
る。チャンバ壁は、アルミニウム又はステンレス鋼から
成る。アルミニウムは、酸化物、窒化物、ポリシリコ
ン、耐熱性金属及び耐熱性金属シリサイドの蒸着で使用
するのに非常にすぐれたチャンバ物質である。ステンレ
ス鋼は、塩素処理を必要とする他の物質において一層適
切である。

多くの処理において、蒸着がそれ以上で起こる最大の
温度がある。プロセスガスの一つが装置の壁上で凝結す
るより以下の最小の温度もある。このように、反応チャ
ンバ及び混合チャンバの温度は、蒸着温度と凝結温度と
の間にあるべく加減されなければならない。このため、
冷却水システムは、これらの範囲内にあるように必要と
される条件として水を加熱又は冷却するための手段をも
たなければならない。

システム全体は、第13図に示すように、デジタルコン
ピュータのような中央制御装置110によって制御され
る。制御装置110は、ウエーハローダ14、種々のバルブ1
14、116、126、128を有する反応チャンバのための排気
システム112及びロードロック64を制御する。適当なと
きに、制御装置110は、加熱器ライン98、RF電源120、及
び質量流量制御装置122を作動させてガスを注入する。
制御装置110はまた、ウエーハローダ14のための分離し
た排気装置124を制御する。

ウエーハローダ14から反応チャンバ16に向かってガス
流を維持して、バルブ64が開くとウエーハローダ14へと
漏れ込み、次にウエーハローダのドアが開いて完成した
カセットを除去するとき部屋内へと漏れ込む微量の毒性
プロセスガスを防止することが望ましい。この目的のた
めに、バルブ127が、バルブ64を開くすぐ前及びその間
にウエーハローディング装置14内に乾燥窒素又は他の不
活性ガスを流すために使用される。

操作アーム68は、第４図に示されているが、実線でカ
セット61からウエーハ46を取り出し、点線で反応チャン
バ16内にウエーハ46を配置する。操作アーム68は、第１
アーム130、第２アーム132、第３アーム134、及びブレ
ード70の４つの主要部品から成り、この順番で相互に枢
着している。これら部品は、第６図に示すように、ベル
ト及びプーリで結合されている。第１アーム130の第１
端が同心駆動シャフト及びモータに接続され、第１アー
ム130は第１端の周りで回転可能であり、また、プーリ1
36が回転可能である。各々の運動は個々に制御される。
プーリ136は、ベルト140を使用して第１アーム130の第
２端でプーリ138を駆動する。第２アーム132は、プーリ
146を使用してプーリ144に結合されている。プーリ142
は、２対１の周囲対プーリ144の比を有する。第２アー
ム132の第２端は、第３アーム134の第一端に結合してい
る。プーリ144は、第３アーム134上のプーリ148に共通
のシャフト上で直接に結合している。第３アーム134の
第二端にあるプーリ150は、プーリ148からベルト152に
よって駆動される。プーリ144は、１体２の周囲対プー
リ150の比を有する。

改良した性能が第14図に示す急速熱チャックの使用で
達成される。金属又は同様の材料で形成された真空気密
反応チャンバ210が、冷却路212及び他の冷却路（図示せ
ず）を備えている。ガス混合チチャンバ214が反応チャ
ンバ210の下方に取り付けられている。ガス混合チャン
バ14は、適切な冷却路（図示せず）を備えている。ガス
注入リング216、218が、ガス混合チャンバ214の底板の
適当なフィードスルー（feedthrough）を通じて装置外
部のプロセスガス源に接続されている。リング絶縁器21
6が反応チャンバ210と混合チャンバ214との間で使用さ
れ、独自の温度制御を容易にしている。水冷チャックホ
ルダ222が反応チャンバの上部に配置されている。チャ
ックホルダ222の内面224は磨かれ、図に示すように傾斜
をつけるか又は底部にステップ（step）を有して垂直に
されている。チャックホルダ222の上面は、石英窓226で
密閉さて、輻射エネルギーを通過させる真空壁を与えて
いる。石英窓の大きさは、輻射エネルギー源228の大き
さによって決定され、エネルギー源が大きくなると石英
窓226が大きくならなければならず、一層大きいウエー
ハをコーティングすることができる。チャックホルダ22
2の底部には、石英又は他の適切な材料のリングチャッ
ク230があり、その内径は、処理されるべきウエーハの
内径よりもやや小さくなっている。ウエーハ232は、ウ
エーハ締付組立体234を使用してリング230に表を下にし
て保持される。絶縁リング236が設けられ、チャック222
と反応チャンバ210が電気的に絶縁される。反応チャン
バ210の上部は、複数の排気口238を備えている。ガス混
合チャンバ214は、反応チャンバ210に接続され、ウエー
ハ232に混合反応ガス流れを向ける。ガスダクト240が、
ウエーハへと混合ガスを導くために使用されている。ガ
ス偏向器242が、反応チャンバ210と混合チャンバ214と
の間の開口の中心に位置される。ガス偏向器242は、シ
ャフト224上に取り付けられる。シャフト244は、グラン
ド246を介して滑動可能に気密され、ガス偏向器242は、
開口内の垂直位置で調節されて、ガスを偏向し、基板上
への一様な蒸着を得るであろう。シャフト246は中空
で、ガス偏向器242の中央には穴があり、高温計248が真
空外のシャフトに気密にされている。高温計248は、ウ
エーハ232に照準を定め、その温度を測定し且つ温度制
御のためのフィードバックを与える。

第15図は、本発明に従った放射エネルギー源の下方か
らの図である。プレート250は、水冷路252を備え、熱シ
ンク（heat sink）を与える。８個から16個のハロゲン
ランプ254がプレート250の中央から放射状のパターンで
配列されている。適切なランプは、各々1000ワットから
2000ワットを与えるオシオモデル（OSHIO Model）FEPで
ある。ランプ254のためのソケット256は、冷却プレート
250に確実に取り付けられている。プレート250の中央に
は、切頭円錐258が、輻射反射器を与えるために使用さ
れ得る。各々のランプの対の間には、三角形断面を有す
るバー260が使用され、その隣から各々のランプを遮蔽
し、輻射を下方へと反射させる。プレート250の底部、
円錐258及びバー260は、高度に磨かれ、金又はニッケル
でメッキされ、高反射率を与える。第18図に示す変形実
施例には、18個の円筒状放物線反射器262がプレート250
に形成され、ウエーハへの放射エネルギーの集中を向上
させる。

本発明に従った新規な選択的タングステン処理は、上
述の急速熱チャック装置で最もよく処理される。この処
理において、ウエーハ被加工物はリングチャック230に
固定され、蒸着チャンバ16は10ミリトル以下のベース圧
力まで排気される。プロセスガスH₂、Ar及びWF₆は、ガ
ス混合チャンバ18内に導入され、100:2:1の適切な流速
比で混合される。例えば水素の流速が500sccmであり、
アルゴンの流速が10sccmであり、タングステン・ヘキサ
フルオライドの流速が5sccmであり得る。しかし、蒸着
チャンバ16内のプロセスガスの圧力は、蒸着中に約200
ミリトルで最良に維持される。輻射加熱器がオンに切り
替えられ、ウエーハ温度がシリコン基板のための約１分
で30℃（雰囲気）以下から約600℃まで上昇される。
（アルミニウムの蒸着の場合、最終温度は430℃以下で
あろう。）温度が上方の温度に近づくと、輻射加熱器が
急速にオン及びオフを切り替えられ、例えば１秒から1.
5秒でオンに、１秒から1.5秒でオフに切り替えられる。
このようにして、シリコン基板の平均温度が約550℃と6
50℃との間で変動したままであり、ウエーハにわたる温
度の空間的一様性が一層一様になる。

石英、酸化物又は窒化物のような誘電体のチャックを
使用して選択的タングステン法が実施されることが必須
である。金属チャックが使用されると、選択性が重大な
ことに低下する。

温度の上昇もまた、段階的に実行される。例えば、温
度が300℃まで上昇され、ある期間この温度で維持さ
れ、次いで再び上昇され得る。しかし、温度の段階的な
上昇は、連続的な上昇よりも良好な結果を与えないこと
がわかっている。

この処理が、すぐてた選択性を有し且つシリコン基板
上での浸食が最小の１ミクロンフィルムでほぼ550℃で1
500Å／分の代表的な蒸着速度を使用して1000Å／分か
ら2000Å／分の蒸着速度を与える。加熱のパルス化は、
改良された蒸着の一様性を与える。ウエーハにわたって
±７％の一様性が達成された。

上述の温度及び流速が良好な一様性を有する急速生成
速度の最適モードであることが理解される。低い温度及
び圧力が一層低い生産速度を与え、一層高い温度及び流
速が蒸着の一様性を低下させる。しかし、広い範囲の流
速及び圧力が、許容できる結果を達成するであろう。

流速及び温度が、許容できるコストで２又はそれ以上
の要因内で変化される。時間の関すとしてのウエーハ温
度が一層臨界的である。300℃から400℃の温度におい
て、蒸着速度は25Å／分から50Å／分である。これは、
最小の浸食で良好な蒸着となるが、タングステンの加工
可能の厚さを達成するのに長い時間がかかる。本質的に
300℃以下の蒸着はない。長時間だとウエーハが一層非
選択性になりやすいため、できるだけ短時間で蒸着を実
施することが望ましい。よって、数秒で低い蒸着速度の
温度範囲を介して温度を上昇させることが最小の浸食で
低温において最初のコーテイングを達成し、蒸着中に温
度を上昇させることが最適な蒸着速度を達成する。温度
は、20秒以上で上方の温度限界へと上昇されるべきであ
るが、数分以上であるべきでない。1.5秒のオン及び1.5
秒のオフのパルス速度（pulse rate）は、一様性又は製
造速度を減少させることのコストにおいて、それぞれ約
0.5と3.0秒との間で変化される。

本発明は、上述の好適実施例に制限されるものでな
く、本発明の製造の範囲及び本発明の真の精神を逸脱す
ることなく、機械的及び電気的に同等の構成成分部品の
適用、変形及び変化を含んで行われても良く、その特徴
は特許請求の範囲で要約されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従ったCVD装置の正面からの全体図
である。第２図は、第１図の装置の部分断面図である。第３図は、第２図の３−３線断面図である。第４図は、第３図の４−４線断面図である。第５図は、第４図の５−５線断面図である。第６図は、第５図の６−６線に沿った本発明のウエーハ
操作アームの底面図である。第７図は、第５図の７−７線に沿ったチャックの表面の
図である。第８図は、第２図の８−８線に沿った排気マニホルドの
図である。第９図は、第８図の９−９線に沿った排気マニホルドで
ある。第10図は、第９図の10−10線に沿った排気マニホルドで
ある。第11図は、第９図及び第10図に示すシャッターの図であ
る。第12図は、４つの排気口を用いた変形実施例の断面図で
ある。第13図は、気体流動システムのブロック図である。第14図は、本発明に従った装置の断面図である。第15図は、本発明に従った輻射エネルギー源を下方から
見た図である。第16図は、16−16線に沿った第15図の輻射エネルギー源
の断面図である。第17図は、17−17線に沿った第15図の輻射エネルギー源
の断面図である。第18図は、変形実施例における輻射エネルギー源の断面
図である。［符号の説明］ 10……本発明のCVD装置 12……フレーム 14……ウエーハローダ 16……蒸着チャンバ 18……ガス混合チャンバ 20……第１注入リング 22……第２注入リング 24……バフル 26……スタッフィング・グランド（stuffing gland） 28……Ｏ状リング 30……シャフト 32、34、36、38……排気バルブ 40……排気マニホルド 42……ガスダクト 44……注入口 46……ウエーハ 48……外部シェル 50……内部シェル 52……開口 54……中央チャンバ 56……調節可能なシャッター 58……半円形開口 60……パイプ 61……カセット 62……カセットチャンバ 64……ロードロック 66……カセット昇降機 68……操作アーム 69……モータ 70……ブレード 72……リフトアーム 74……フィンガー 76……チャック 78……チャック面 80……チャック壁 82……チャックバックリング 84……チャック水冷路 86……石英バックプレート 92……小穴 94……放射溝 96……周囲溝 98……ランプ配列 100……供給線 102……暗空間シールド 110……中央制御装置 112……反応チャンバ用排気システム 114、116……バルブ 120……RF電源 122……ガス流制御装置 124……ウエーハローダ用排気システム 126、127、128……バルブ 130……第１アーム 132……第２アーム 134……第３アーム 136、138、142、144、148、150……プーリ 140、146、152……ベルト 210……反応チャンバ 212……冷却器 214……ガス混合チャンバ 216……リング絶縁器 218、220……ガス注入リング 222……チャックホルダ 224……ウエーハ冷却チャック内面 226……石英窓 228……輻射エネルギー源 230……リングチャック 232……ウエーハ 234……ウエーハ締付組立体 236……絶縁リング 238……排気口 240……ガスダクト 242……ガス偏向装置 244……シャフト 246……グランド 248……高温計 250……プレート 252……ウエーハ冷却路 254……ランプ 256……ソケット 258……切頭円錐 260……バー 262……放物線反射器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジェイソン・エム・サムセルアメリカ合衆国カリフォルニア州ミルピタス、クウェイル・ドライブ1583 (72)発明者マックス・バン・マストリクトアメリカ合衆国カリフォルニア州サン・ホセ、ティール・アベニュー3933 (72)発明者ロビート・フォスターアメリカ合衆国カリフォルニア州サン・フランシスコ、マナー・ドライブ240 (56)参考文献特開昭59−121915（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−112611（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−162776（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−106335（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエーハ処理装置において半導体ウエーハ
を急速に加熱するための装置であって、（ａ）リングチャックと、（ｂ）前記リングチャックを保持するためのホルダ
と、（ｃ）窓と、（ｄ）輻射加熱源とから成り、前記窓が前記ホルダを気密に密閉し、前記ホルダが前記
ウエーハ処理装置の反応チャンバを気密に密閉する、と
ころの装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の装置であっ
て、前記リングチャック及び前記窓が、石英から成る、とこ
ろの装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の装置であっ
て、ガスを前記ホルダ内に導入するための手段を含む、装
置。
【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の装置であっ
て、ウエーハを前記リングチャックに締付するための手段を
含む、装置。
【請求項５】特許請求の範囲第４項記載の装置であっ
て、前記窓が前記ホルダの上部にあり、前記リングチャック
が前記ホルダの底部にあり、前記ウエーハがその表を下
にして前記リングチャックに締付される、ところの装
置。
【請求項６】特許請求の範囲第５項記載の装置であっ
て、前記ホルダを前記ウエーハ処理装置から電気的に絶縁す
るための手段を含む、装置。
【請求項７】特許請求の範囲第６項記載の装置であっ
て、前記輻射加熱源が、放射状に配列された多数のタングス
テンハロゲンランプを含む、ところの装置。
【請求項８】特許請求の範囲第７項記載の装置であっ
て、前記輻射加熱源が、前記加熱源の中央部に切頭円錐状反
射器を含む、ところの装置。
【請求項９】特許請求の範囲第８項記載の装置であっ
て、前記輻射加熱源が、前記タングステンハロゲンランプの
間に三角形状断面を有する金属のバーを含む、ところの
装置。
【請求項１０】特許請求の範囲第９項記載の装置であっ
て、前記バー、前記円錐及び前記ランプが、ウエーハ冷却反
射プレートに取り付けられている、ところの装置。
【請求項１１】特許請求の範囲第10項記載の装置であっ
て、前記バー、前記円錐及び前記プレートが、良く磨かれ、
かなり反射する物質でメッキされている、ところの装
置。
【請求項１２】特許請求の範囲第５項記載の装置であっ
て、前記ウエーハの温度を測定するための高温計手段が、前
記ウエーハよりも下方に取り付けられている、ところの
装置。
【請求項１３】特許請求の範囲第７項記載の装置であっ
て、放物線状反射器が、前記ランプの各々の後方のプレート
に形成される、ところの装置。
【請求項１４】特許請求の範囲第12項記載の装置であっ
て、前記高温計手段が、前記ウエーハよりも下方の、調節可
能なガス流偏向器に取り付けられている、ところの装
置。
【請求項１５】特許請求の範囲第５項記載の装置であっ
て、前記ウエーハの温度を計測するための高温計が、前記ウ
エーハよりも上方に取り付けられる、ところの装置。
【請求項１６】特許請求の範囲第７項記載の装置であっ
て、前記ウエーハの温度を計測するための高温計手段が、前
記多数のタングステンハロゲンランプの中央部に取り付
けられる、ところの装置。
【請求項１７】ウエーハ処理装置において半導体ウエー
ハを急速加熱するための装置であって、（ａ）リングチャックであって、ウエーハが前記リン
グチャックに載置される、ところのリングチャックと、（ｂ）前記リングチャックを保持するためのホルダ
と、（ｃ）ウエーハの上方に間隔をあけて位置する窓であ
って、前記窓が前記ホルダを気密に密閉し、前記ホルダ
が前記ウエーハ処理装置の反応チャンバを気密に密閉す
る、ところの窓と、（ｄ）前記窓と前記ウエーハとの間の前記ホルダ内に
ガスを導入するための手段と、（ｅ）前記窓の上方に位置した輻射加熱源とから成
る、装置。
【請求項１８】特許請求の範囲第17項記載の装置であっ
て、前記輻射加熱源が、放射状パターンで配列された多数の
円筒状ランプを含む、装置。
【請求項１９】ウエーハ処理装置において半導体ウエー
ハを急速加熱するための装置であって、（ａ）リングチャックであって、ウエーハが前記リン
グチャックに載置される、ところのリングチャックと、（ｂ）前記リングチャックを保持するためのホルダ
と、（ｃ）前記チャックの位置にあるウエーハの背面から
上方に間隔をあけて位置する窓と、（ｄ）前記チャックの位置にあるウエーハに対して前
記窓を通じて輻射エネルギーを向けることができるよう
に位置した輻射加熱源であって、前記輻射加熱源が、放
射状パターンで配置された多数の円筒状ランプを含む、
ところの輻射加熱源とから成り、前記窓が前記ホルダを気密に密閉し、前記ホルダが前記
ウエーハ処理装置の反応チャンバを気密に密閉する、と
ころの装置。
【請求項２０】特許請求の範囲第19項記載の装置であっ
て、前記輻射加熱源が前記チャンバの外部に位置され、前記
リングチャックが前記チャンバの内部に位置される、装
置。
【請求項２１】反応チャンバと、前記反応チャンバから
の反応生成ガスを排気するための手段とを含む低圧CVD
冷壁リアクタにおいて被加工物半導体ウエーハを保持し
加熱するための装置であって、（ａ）ウエーハを加熱するためのランプと、（ｂ）前記反応チャンバの外部に前記ランプ手段を取
り付けるための取り付け手段と、（ｃ）被加工物半導体ウエーハを保持するためのチャ
ック手段と、（ｄ）前記反応チャンバ内部に前記チャック手段を位
置するための位置決め手段であって、前記チャック手段
が、前記位置決め手段に位置される、ところの位置決め
手段と、（ｅ）前記ランプ手段からの輻射を通過させるための
輻射伝達手段であって、前記輻射伝達手段が、前記チャ
ック手段から空間を開けられ、前記ランプ手段と前記チ
ャック手段との間に位置される、ところの輻射伝達手段
と、（ｆ）被加工物半導体ウエーハが前記チャック手段に
取り付けられるとき、前記位置決め手段と、前記チャッ
ク手段と、前記輻射伝達手段とが該被加工物半導体ウエ
ーハによって密閉されて形成される封入内部に不活性ガ
スを導入するための手段とから成る、装置。
【請求項２２】特許請求の範囲第21項記載の装置であっ
て、前記ランプ手段が、放射状パターンで配置された多数の
ランプであり、前記ランプが反射器に取り付けられてい
る、ところの装置。
【請求項２３】特許請求の範囲第21項記載の装置であっ
て、前記チャック手段が、前記被加工物半導体ウエーハの面
とほぼ水平な面に前記被加工物半導体ウエーハを保持す
るための手段であり、蒸着が、前記被加工物半導体ウエ
ーハの下方面上で起こる、ところの装置。
【請求項２４】CVDリアクタにおいてウエーハの急速な
熱処理をするための装置であって、（ａ）反応チャンバと、（ｂ）反応ガスを前記反応チャンバ内に供給するため
の手段と、（ｃ）反応生成ガスを前記反応チャンバから排出する
ための手段と、（ｄ）処理中にウエーハを保持するためのチャック
と、（ｅ）前記反応チャンバ内にある位置決め手段であっ
て、前記チャックが、前記位置決め手段に取り付けられ
て、前記位置決め手段に位置され、前記チャックが前記位置決め手段にあるとき、蒸着が下
方向に表を向けて起こるウエーハの面にほぼ水平な平面
に該ウエーハを維持するように前記チャックがウエーハ
を取り付け、前記チャックが前記位置決め手段にあるとき、前記チャ
ックとの熱接触の内外に冷却液を流す、前記チャックに
関連した冷却手段を有する、ところの位置決め手段と、（ｆ）前記チャックに位置したウエーハから空間をあ
け、前記チャックに位置した前記ウエーハに関連した輻
射伝導手段と、（ｇ）前記チャンバ内の前記チャックにあるウエーハ
の裏面と前記輻射伝達手段とから成るガスの封入部と、（ｈ）前記チャックの位置にあるウエーハの裏面に輻
射エネルギーを向けるために位置されたランプ手段と、（ｉ）不活性ガスを前記封入部に供給するための手段
とから成る、装置。
【請求項２５】特許請求の範囲第24項記載の装置であっ
て、前記輻射伝導手段が、前記反応チャンバの上部面を密閉
し、ガス漏れ防止バリアーを形成する、ところの装置。
【請求項２６】特許請求の範囲第25項記載の装置であっ
て、前記ランプ手段が、放射状に配列された複数のランプで
ある、ところの装置。
【請求項２７】半導体ウエーハ上に選択的タングステン
層を蒸着させるための方法であって、（ａ）前記ウエーハにわたって、水素、アルゴン及び
タングステン・ヘキサフルオライドを含むプロセスガス
を流す工程と、（ｂ）前記ウエーハを後方から加熱して、前記ウエー
ハの温度を短時間で雰囲気から上方範囲の温度へと上昇
させる、加熱工程と、（ｃ）所望の厚さの蒸着が達成されるまで、前記上方
範囲の温度に前記ウエーハを維持させる工程とから成
る、方法。
【請求項２８】特許請求の範囲第27項記載の方法であっ
て、前記加熱工程が、表を下にした位置で前記ウエーハを保
持し、前記ウエーハの下から前記ガスを流し、前記ウエ
ーハの上から前記ウエーハを加熱して行われる、ところ
の方法。
【請求項２９】特許請求の範囲第27項記載の方法であっ
て、前記ウエーハを上方温度範囲に維持させる前記工程が、
数秒内で輻射加熱源のオン及びオフを繰り返しスイッチ
しながら行われる、ところの方法。
【請求項３０】特許請求の範囲第28項記載の方法であっ
て、前記ウエーハを上方温度範囲に維持させる前記工程が、
３分以下で行われる、ところの方法。
【請求項３１】特許請求の範囲第29項記載の方法であっ
て、前記ウエーハを上方温度範囲に維持させる前記工程が、
前記輻射加熱源を、0.5秒以上３秒以下の間オンにし、
0.5秒以上３秒以下の間オフに、繰り返しスイッチして
行われる、ところの方法。