JP4443689B2

JP4443689B2 - 成膜方法及び成膜装置

Info

Publication number: JP4443689B2
Application number: JP27959999A
Authority: JP
Inventors: 靖二有馬
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001110726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
成膜装置の１つであるエピタキシャル成長装置は、例えば、複数のガス導入口が側部に並設された処理チャンバと、この処理チャンバ内に設けられ、半導体ウェハ（基板）を水平に支持する回転可能なサセプタ（支持部材）と、このサセプタの上方及び下方に放射状に配置され、半導体ウェハを加熱する複数の加熱ランプとを備えている。このようなエピタキシャル成長装置において、サセプタ上にウェハを載置した後、加熱ランプによりウェハを加熱する。そして、サセプタを回転させた状態で、例えば原料ガスに不純物を添加したガスを各ガス導入口から処理チャンバ内に導入すると、所定温度に加熱されたウェハの表面に沿って当該ガスが層流状態で流れ、原料ガスの熱分解反応が起こり、ウェハの表面に薄膜いわゆるエピタキシャル層が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、サセプタを回転させると、ウェハの表面に沿って流れるガスは、サセプタの回転方向に応じた方向に寄ってしまい、このガスの流れ方向の変位により、ウェハの裏面等から放出する他のガスがウェハの成膜プロセスに影響を与えることがある。例えば、不純物濃度の高いウェハ表面にエピタキシャル層を形成する際、ウェハ裏面にＣＶＤ保護膜等が無い場合には、ウェハ裏面から拡散した不純物がウェハ表面側に回り込んで、原料ガスに不純物を添加したガスに取り込まれ、その結果、ウェハの外周部分に形成されるエピタキシャル層の不純物濃度がウェハの中央部分に比べて高くなることがある。この場合には、ウェハの外周部分と中央部分との間にエピタキシャル層の抵抗値分布の不均一が起きてしまう。
【０００４】
本発明の目的は、基板の表面に形成される薄膜の不純物濃度分布の均一性を向上させることにより、薄膜の抵抗値分布の均一性を向上させることができる成膜方法及び成膜装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、処理チャンバと、処理チャンバ内に設けられ、基板を支持する回転可能な支持部材と、処理チャンバの側部に並設された複数のガス導入口とを備えた成膜装置を用い、基板を支持した支持部材を回転させた状態で、原料ガス及び不純物ガスを含む第１のガスを処理チャンバ内に供給し、基板の表面に薄膜を形成する成膜方法であって、複数のガス導入口のうち、支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、第１のガスよりも不純物濃度が低い第２のガスを供給し、他のガス導入口に第１のガスを供給する。
【０００６】
以上のような本発明においては、例えば、不純物濃度の高い基板の表面に薄膜を形成する場合には、第２のガスとして不純物濃度を下げるための希釈ガスを使用し、複数のガス導入口のうちの外側に位置するガス導入口に、第２のガスを供給する。この場合には、基板の裏面から拡散した不純物が基板の表面側に回り込んで第１のガスに取り込まれても、基板表面の外周部分での不純物濃度が第２のガスにより低く抑えられるので、薄膜の不純物濃度分布の均一性が向上し、これにより薄膜の抵抗値分布の均一性が向上する。
【０００８】
また、複数のガス導入口のうち、支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、第２のガスを供給する。これにより、支持部材の回転によるガスの流れの変位にかかわらず、第２のガスを効果的に基板の表面の外周部分に向けて流すことができる。
【０００９】
また、好ましくは、複数のガス導入口にガスを供給するときに、各ガス導入口に供給される当該ガスの流量を個別に調整する。この場合には、各ガス導入口に供給されるガスの流量を適宜調整することで、基板の表面に形成される薄膜の不純物濃度分布及び膜厚分布の均一性をより向上させることができる。
【００１０】
さらに、好ましくは、第２のガスとして希釈ガスを使用する。この場合には、例えば不純物濃度の高い基板の表面に薄膜を形成する際、基板の裏面から拡散した不純物が第１のガスに取り込まれても、その不純物が混入した第１のガスを効果的に希釈することができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明は、処理チャンバと、処理チャンバ内に設けられ、基板を支持する回転可能な支持部材と、処理チャンバの側部に並設された複数のガス導入口とを備え、基板を支持した支持部材を回転させた状態で、原料ガス及び不純物ガスを含む第１のガスを処理チャンバ内に供給し、基板の表面に薄膜を形成する成膜装置であって、複数のガス導入口のうち、支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、第１のガスよりも不純物濃度が低い第２のガスを供給し、他のガス導入口に第１のガスを供給するガス供給手段を備える構成とする。
【００１２】
このようにガス供給手段を設けることにより、上記成膜方法を実施することができるため、上述したように、基板の表面に形成される薄膜の不純物濃度分布の均一性を向上させることで、薄膜の抵抗値分布の均一性を向上させることができる。
【００１４】
また、ガス供給手段は、複数のガス導入口のうち、支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、第２のガスを供給する。これにより、第２のガスを効果的に基板の表面の外周部分に向けて流すことができる。
【００１５】
また、好ましくは、ガス供給手段は、各ガス導入口に供給されるガスの流量を個別に調整する複数の流量調整手段を有する。これにより、薄膜の不純物濃度分布及び膜厚分布の均一性をより向上させることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１及び図２は、本実施形態による成膜装置としてエピタキシャル成長装置を概略的に示した図である。これらの図において、本実施形態のエピタキシャル成長装置１は、基板である半導体ウェハＷを１枚ずつ処理する枚葉式のエピタキシャル成長装置である。
【００１８】
このエピタキシャル成長装置１は、石英ガラスで構成された処理チャンバ２を有しており、この処理チャンバ２内には、半導体ウェハＷを水平に支持するサセプタ（支持部材）３が設置されている。サセプタ３は、炭化シリコンで被覆されたグラファイト材料からなる円盤状の支持台であり、処理チャンバ２の下部に垂直に延設された石英ガラス製の支持シャフト４により、裏面側から３点で水平に支持されている。支持シャフト４は、図示しない駆動モータにより回転駆動され、これによりサセプタ３が一定の回転速度で回転できるようになっている。処理チャンバ２の上方及び下方には、半導体ウェハＷを加熱する複数の加熱ランプ５がそれぞれ放射状に配置されている。
【００１９】
処理チャンバ２の側部の一部を形成するライナー部６には、互いに略平行に所定間隔をもって配置された複数の仕切板７により形成され、成膜処理に使用するガスを処理チャンバ２内に導入するための複数（ここでは３つ）のガス導入口８ａ〜８ｃが設けられている。また、ライナー部６におけるガス導入口８ａ〜８ｃに対向する位置には、処理チャンバ２内のガスを排出するためのガス排気口９が設けられている。ガス導入口８ａ〜８ｃ及びガス排気口９は、サセプタ３の上面とほぼ同じ高さ位置に設けられており、ガス導入口８ａ〜８ｃから導入されたガスがサセプタ３上に支持されたウェハＷの表面に沿って層流状態で流れるようになっている。
【００２０】
また、本実施形態のエピタキシャル成長装置１は、原料ガスと不純物ガスと希釈ガスとを混合した実際の成膜に係るガス（第１のガス）をガス導入口８ｂ，８ｃに供給する第１ガス供給系１０と、希釈ガスのみ（第２のガス）をガス導入口８ａに供給する第２ガス供給系１１とを有している。ここで、原料ガスとしてはＳｉＨＣｌ₃ガスやＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス等が使用され、不純物ガスとしてはＰＨ₃ガスやＢ₂Ｈ₆ガス等が使用され、希釈ガスとしてはＨ₂ガスやＡｒガス等が使用される。また、第１ガス供給系１０は、ガス導入口８ｂ，８ｃに供給される第１のガスの流量を個別に調整する質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１２ｂ，１２ｃを有し、第２ガス供給系１１は、ガス導入口８ａに供給される第２のガスの流量を調整するＭＦＣ１２ａを有している。
【００２１】
なお、ここでは、ガス導入口８ａに供給される第２のガスとして純粋な希釈ガスを使用したが、第２のガスとしては、原料ガスと希釈ガスを含んだガス等であってもよく、要は第１のガスよりも不純物濃度が低いガスであればよい。また、第２のガスをガス導入口８ａのみに供給しているが、ガス導入口の数によっては、２つ以上のガス導入口に第２のガスを供給してもよい。
【００２２】
次に、以上のように構成したエピタキシャル成長装置１を用いた成膜方法について説明する。
【００２３】
まず、サセプタ３の上面にウェハＷを載置すると共に、加熱ランプ５を点灯してウェハＷを所定の処理温度まで加熱する。そして、サセプタ３を反時計回り（図２の矢印Ｒ方向）に回転させた状態で、原料ガスと不純物ガスと希釈ガスとの混合ガスをガス導入口８ｂ，８ｃから処理チャンバ２内に導入すると共に、原料ガス及び不純物ガスを含まない純粋な希釈ガスをガス導入口８ａから処理チャンバ２内に導入する。このとき、ガス導入口８ａ〜８ｃに供給されるガスの流量が、ＭＦＣ１５ａ〜１５ｃにより適宜調整される。これにより、原料ガスがウェハＷの表面に沿って層流状態で流れ、ウェハＷ上にシリコンの単結晶がエピタキシャル成長して薄膜つまりエピタキシャル層が形成される。また、原料ガスと共に不純物ガスがウェハＷの表面に沿って流れるため、エピタキシャル層には不純物がドープされた状態となる。
【００２４】
このような成膜処理において、サセプタ３が反時計回りに回転している状態で、処理チャンバ２内に導入されたガスがウェハＷの表面に沿って流れるときには、図３に示すように、サセプタ３に生じる遠心力により、ガスが流れ方向に対して左側から右側に寄った状態となる。ここで、ウェハＷとして、Ｐ型不純物の濃度が比較的高い基板つまりＰ⁺タイプ基板であって、裏面にＣＶＤ保護膜等が形成されていないものを使用する場合には、図４に示すように、ウェハＷを加熱することによりウェハＷの裏面から不純物が拡散し、その一部がウェハＷの表面側に回り込んでしまう。これは、サセプタ３の回転速度が高くなるほど、顕著に表れる。
【００２５】
このとき、ガス導入口８ａ〜８ｃの全てに原料ガスと不純物ガスと希釈ガスとの混合ガスを供給した場合には、不純物ガスによりウェハＷの表面のエピタキシャル層に不純物がドープされることに加えて、ウェハＷの裏面から拡散した不純物がウェハＷの外周部分におけるエピタキシャル層に取り込まれる。このため、ウェハＷの外周部分に形成されるエピタキシャル層の不純物濃度がウェハＷの中央部分に形成されるエピタキシャル層の不純物濃度に比べて高くなり、その結果、図５の点線Ｐで示すように、ウェハＷのエッジ部分とその内側部分との間にエピタキシャル層の抵抗値分布の不均一が生じる。
【００２６】
これに対し本実施形態では、ガスの流れ方向に対して最も左側に位置するガス導入口８ａには、不純物濃度を下げるための希釈ガスのみを供給し、原料ガスと不純物ガスを含むガスを供給しないようにしたので、ウェハＷの裏面から拡散した不純物がウェハＷの表面の外周部分に達して、原料ガスと不純物ガスを含むガスに混入しても、希釈ガスにより効果的に希釈される。これにより、ウェハＷ表面に形成されるエピタキシャル層の不純物濃度分布の均一性が良好になり、結果として、図５の実線Ｑで示すように、ウェハＷのエッジ部分とその内側部分との間に生じるエピタキシャル層の抵抗値分布が改善される。
【００２７】
なお、ガス導入口８ａには原料ガスを供給しないが、ウェハＷは回転しているため、ウェハＷの外周部分にはガス導入口８ｂ，８ｃからの原料ガスが十分に流れ、ウェハＷの外周部分におけるエピタキシャル層の形成を損なうことは無い。これにより、ウェハＷの表面に形成されるエピタキシャル層の膜厚分布の均一性は十分に確保される。
【００２８】
このように本実施形態にあっては、ウェハＷの表面に形成されるエピタキシャル層の不純物濃度分布の均一性が改善されるため、エピタキシャル層の膜厚分布の均一性を確保しつつ、エピタキシャル層の抵抗値分布の均一性が向上する。これにより、優れた性能をもった半導体デバイスを得ることができる。
【００２９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記実施形態は、ウェハＷとして、不純物の濃度が比較的高く、裏面にＣＶＤ保護膜等が形成されていない基板を使用した場合についてであるが、特にそのような場合には限定されない。例えば、ウェハＷの裏面側にパージガスを流すこと等によって、ウェハＷの表面に形成されるエピタキシャル層の外周部分の不純物濃度が低くなる傾向にあるような場合には、ガス導入口８ａに供給される第２のガスとしては、上記のような希釈ガスの代わりに、原料ガスを含まない不純物ガス（希釈された不純物ガスを含む）を使用し、ウェハＷの外周部分におけるエピタキシャル層の不純物濃度を高くする。
【００３０】
また、上記実施形態では、ガスの流れ方向に対して最も左側に位置するガス導入口８ａに第２のガス（上記実施形態では希釈ガス）を供給するようにしたが、サセプタ３の回転方向が時計回りの場合には、ガスは流れ方向に対して右側から左側に寄るようになるため、ガスの流れ方向に対して最も右側に位置するガス導入口８ｃに第２のガスを供給する。
【００３１】
さらに、上記実施形態は、エピタキシャル成長装置についてであるが、本発明は、エピタキシャル成長装置以外の成膜装置にも適用でき、特に、回転可能な基板支持部材を有する成膜装置に有効である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、基板の表面に形成される薄膜の不純物濃度分布の均一性が向上するので、薄膜の抵抗値分布の均一性が向上する。これにより、高品質の半導体デバイスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置を概略的に示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面を含む成膜装置の概略図である。
【図３】図１に示すサセプタの回転方向とウェハ表面上でのガスの流れとの関係を示す図である。
【図４】図３の状態においてウェハ表面上でのガスの流れとウェハ裏面から拡散するガスの流れとの関係を示す図である。
【図５】本発明に係る成膜方法と従来の成膜方法において、ウェハ表面に形成された薄膜の抵抗値分布の違いの一例を示す図である。
【符号の説明】
１…エピタキシャル成長装置（成膜装置）、２…処理チャンバ、３…サセプタ（支持部材）、８ａ〜８ｃ…ガス導入口、１０…第１ガス供給系（ガス供給手段）、１１…第２ガス供給系（ガス供給手段）、１２ａ〜１２ｃ…質量流量コントローラ、Ｗ…半導体ウェハ（基板）。

Claims

処理チャンバと、前記処理チャンバ内に設けられ、基板を支持する回転可能な支持部材と、前記処理チャンバの側部に並設された複数のガス導入口とを備えた成膜装置を用い、前記基板を支持した前記支持部材を回転させた状態で、原料ガス及び不純物ガスを含む第１のガスを前記処理チャンバ内に供給し、前記基板の表面に薄膜を形成する成膜方法であって、
前記複数のガス導入口のうち、前記支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、前記第１のガスよりも不純物濃度が低い第２のガスを供給し、他のガス導入口に前記第１のガスを供給する成膜方法。
前記複数のガス導入口に前記ガスを供給するときに、前記各ガス導入口に供給される当該ガスの流量を個別に調整する請求項１記載の成膜方法。
前記第２のガスとして希釈ガスを使用する請求項１又は２記載の成膜方法。
処理チャンバと、前記処理チャンバ内に設けられ、基板を支持する回転可能な支持部材と、前記処理チャンバの側部に並設された複数のガス導入口とを備え、前記基板を支持した前記支持部材を回転させた状態で、原料ガス及び不純物ガスを含む第１のガスを前記処理チャンバ内に供給し、前記基板の表面に薄膜を形成する成膜装置であって、
前記複数のガス導入口のうち、前記支持部材の回転方向に応じたガスの流れが寄る方向とは反対側に位置するガス導入口に、前記第１のガスよりも不純物濃度が低い第２のガスを供給し、他のガス導入口に前記第１のガスを供給するガス供給手段を備える成膜装置。
前記ガス供給手段は、前記各ガス導入口に供給される前記ガスの流量を個別に調整する複数の流量調整手段を有する請求項４記載の成膜装置。