JP2000012470A

JP2000012470A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2000012470A
Application number: JP10189777A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Arai; 剛荒井
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】急激な昇降温によりサセプタに発生するひび
や割れを大幅に抑制し、これによって信頼性の高い薄膜
を形成できる気相薄膜成長装置を提供する。【解決手段】サセプタ３とリング２の双方のエッジ部
にここから垂下されるスカート部３ａ，２ａをそれぞれ
設け、近接対面させた配置とする。サセプタ３のエッジ
部がリング２によって垂直方向に空間的に遮蔽されない
ので、サセプタ３の上下の赤外線ランプ６ａ，６ｂによ
る加熱量が均等となり、熱応力によるサセプタ３のひび
や割れが防止できる。反応容器１の上部空間１ａを流れ
る反応ガスは、両スカート部３ａ，２ａの間の微小間隙
７にも多少進入して堆積物層を形成するが、微小間隙７
の垂直方向長さｈ１をこの堆積物層の垂直方向形成長さ
よりも大としておけば、堆積反応はほぼ微小間隙７内で
終了し、下部空間１ｂを汚染しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気相成長装置に関
し、特に急激な昇降温を要するプロセスに使用してもサ
セプタのひびや割れの発生を防止できる装置構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、被成膜基板上に薄膜を気相成長さ
せるための装置、特に半導体基板上にシリコン系薄膜を
気相成長させるための装置として、たとえば図４に示さ
れるような枚葉式の気相成長装置が知られている。この
装置は、透明石英からなる反応容器１内に１枚ずつセッ
トされた基板Ｓを、上下より赤外線ランプ６ａ，６ｂを
用いて輻射加熱しながら、気相成長を行わせるものであ
る。この赤外線ランプ６ａ，６ｂはそれぞれ反応容器１
の外部上側および外部下側において、二重の同心円状に
配列されている。

【０００３】上記反応容器１内には、基板Ｓを載置する
ためのサセプタ１３が水平に配設されている。このサセ
プタ１３は、上面に形成された座繰り部１３ｂに基板Ｓ
を収容し、自身は矢印Ｅ方向に回転される。サセプタ１
３は、反応容器１の側壁部から該サセプタ１３の外周至
近部にかけて設けられるリング１２により周回されてい
る。このリング１２は、上記サセプタ１３と共働して反
応容器１の内部空間を上部空間１ａと下部空間１ｂとに
分割する。上部空間１ａでは、矢印Ａで示されるごとく
ガス供給孔４ａからキャリアガスと共に導入された原料
ガスが、基板Ｓの表面をほぼ層流を形成しながら流れ、
矢印Ｂで示されるごとく反対側の排気孔５ａから排気さ
れる。上記リング１２は、ガス供給孔４ａから基板Ｓに
至るまでの間に原料ガスの温度を前もって加熱する役割
を果たすものである。一方の下部空間１ｂにおいては、
ガス供給孔４ｂから矢印Ｃで示されるごとくパージガス
が供給され、矢印Ｄで示されるごとく反対側の排気孔５
ｂより排気される

【０００４】上述のような構成を有する気相成長装置に
おいては、原料ガスが下部空間１ｂへ進入することを防
止することが重要である。原料ガスが下部空間１ｂへ自
由に進入してしまうと、サセプタ１３の裏面や下部空間
１ｂの内壁面に原料ガスに由来する堆積物層が形成さ
れ、この堆積物層が成膜プロセス中の昇降温に伴って剥
離して上部空間１ａ内に進入し、該上部空間１ａ内のパ
ーティクルレベルを悪化させたり、あるいは下部空間１
ｂの内壁面に形成された堆積物層が赤外線ランプ６ｂの
透光量を低下させ、成膜温度を不安定化させる原因とな
る。いずれも、成長される薄膜の膜質低下につながり、
好ましくない。そこで、上記進入を抑制するための対策
のひとつとして、パージガスの圧力を原料ガスの圧力よ
りも高めることが行われている。これにより、原料ガス
の下部空間１ｂへの進入を大幅に減ずることができる。

【０００５】また、さらなる対策として既に図４にも示
されているように、リング１２のエッジ部とサセプタ１
３のエッジ部とを相補的階段形状とする構造が、特開平
７−７８８６３号公報に開示されている。このリング１
２とサセプタ１３との係合部分の拡大図を図５に示す。
リング１２とサセプタ１３は、各々のエッジ部から水平
方向に突出するフランジ(flange)部１２ａ，１３ａをそ
れぞれ有し、これらフランジ部１２ａ，１３ａの空間配
置が相補的であることに起因して、両者間にカギ形に屈
曲した微小間隙１４が確保されている。原料ガスが下部
空間１ｂに進入するには、この屈曲した微小間隙１４を
通過する必要があるが、該微小間隙１４を通過する間に
発生する乱流によりこの微小間隙１４内への堆積物層の
付着量が多くなるので、下部空間１ｂになお進入しよう
とする原料ガスを微小間隙１４でほぼ完全にトラップす
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような相補的な階段形状を有するリング１２とサセプタ
１３を急激な昇降温が行われるプロセスに適用した場
合、サセプタ１３のフランジ部１３ａに、図５に示され
るようなひびや割れ（以下、総称的にひびＧと記載す
る。）が頻繁に発生することが明らかとなった。このひ
びＧは、サセプタ１３の局部的な温度差に起因するもの
と考えられる。

【０００７】すなわち、サセプタ１３のフランジ部１３
ａはリング１２のフランジ部１２ａと空間的に重複して
いるため、サセプタ１３のフランジ部１３ａには下側の
赤外線ランプ６ｂからの熱Δが直接的に到達するもの
の、上側の赤外線ランプ６ａからの熱Δはリング１２の
フランジ部１２ａに遮蔽されて間接的にしか到達しな
い。その上、フランジ部１３ａはサセプタ１３の本体部
分に比べて厚みが小さいので、降温時の冷却速度も大き
い。これに対し、図中、鎖線で囲んだフランジ部１３ａ
の付け根領域Ｘは、上下いずれの赤外線ランプ６ａ，６
ｂによっても十分に加熱されて昇温する一方、厚みがあ
るので降温時の冷却速度は遅い。この結果、付け根領域
Ｘの温度はフランジ部１３ａよりも常に高くなり、両者
間に発生する熱応力によって物理的に弱い方のフランジ
部１３ａにひびＧが発生するのである。

【０００８】ところで、上記サセプタ１３の構成材料と
しては通常、カーボン基材をＳｉＣ（炭化珪素）の被膜
でコーティングしたものが用いられている。基材として
カーボンが選択されているのは、開発当初の気相成長装
置の加熱方式の主流が高周波誘導加熱であったことと関
連しているが、その他にも高純度品が得やすいこと、加
工が容易であること、熱伝導率に優れていること等のメ
リットがあるからである。ただし、カーボンは多孔質体
であるが故にプロセス中に吸蔵ガスを放出する可能性が
あること、また、特にシリコン薄膜の成長装置に適用し
ようとする場合にはカーボンとシリコン系原料ガスが反
応してサセプタの表面がＳｉＣに変化すること等の問題
があり、その表面を最初からＳｉＣ被膜で覆う構成が一
般化しているのである。

【０００９】かかる材料から構成されるサセプタ１３に
上述のようなひびＧが生ずると、ＳｉＣ被膜が破壊され
て内側のカーボン基材が露出する。カーボン基材中には
様々な不純物が含有されており、これら不純物が気相中
に放出されて成長中の薄膜に取り込まれると、種々の問
題が生ずる。たとえば、カーボン基材から放出されたホ
ウ素（Ｂ）が成長中のシリコン系薄膜に取り込まれる
と、薄膜の抵抗率が変動してしまう。また、鉄（Ｆｅ）
やＣｒ（クロム）等の重金属が取り込まれると、積層欠
陥やピットの発生、あるいはキャリア寿命の短縮等の不
都合がある。また、フランジ部１３ａが欠損してしまう
と屈曲した微小間隙１４も損なわれるので、原料ガスが
下部空間１ｂに進入しやすくなり、該下部空間１ｂの内
壁面に堆積物層が形成されるといを問題がある。また、
同様のひびＧの問題は、予熱リング１２のフランジ部１
２ａにおいても発生する。

【００１０】さらに、同様のひびＧの問題は、図６に示
されるように、リング２２に対してエッジ部が相補的な
テーパ(taper) 形状を有するサセプタ２３においても発
生することがわかった。このサセプタ２３は、座繰り部
２３ｂの内部に基板Ｓを収容するものであり、この座繰
り部２３ｂの形成面側から裏面に向かって断面が拡大す
るようなテーパをエッジ部に有している。前掲の図５に
示したサセプタ１３と比べれば、エッジ部に厚みが本体
と極端に異なる部材を持たない分、ひび割れ耐性には若
干優れている。しかし、リング２２による空間的遮蔽に
起因する上下加熱量の不均衡については何ら根本的に解
決されていないため、昇降温サイクルを繰り返せばやは
りひびＧを防止することはできない。そこで本発明は、
急激な昇降温よりサセプタやリングに発生するひびや割
れを大幅に抑制し、これによって信頼性の高い薄膜を形
成できる気相成長装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述の目的
を達成するために検討を行った結果、サセプタのエッジ
部からリングにより垂直方向に遮蔽される部分を無くす
と共に、反応容器の下部空間へ反応ガスが進入すること
を十分に抑制するために、サセプタとリングの間の微小
間隙に十分な長さを確保できる構造として、スカート部
を利用することを考え、本発明を提案するに至ったもの
である。すなわち、本発明の気相成長装置は、サセプタ
とリングの双方のエッジ部に垂直かつ下方に延びるスカ
ート部を設け、これらスカート部同士を近接対面させる
ごとく配置したものである。反応容器の上部空間と下部
空間とは、これら両スカート部間に形成される微小間隙
をもって連通されることになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明においては、リングとサセ
プタとが互いにそのエッジ部から垂下されるスカート部
を有するため、サセプタのエッジ部は反応容器の外部上
下に配設されるいずれの加熱手段からも均等に加熱さ
れ、局部的な温度差を生ずることがない。したがって、
急激な昇降温サイクルを経てもクラックの発生頻度を著
しく低減させることが可能となる。

【００１３】本発明の気相成長装置の一構成例を図１に
示す。なお、図１の参照符号は前掲の図４と一部共通で
ある。この装置の概要は、前掲の図４を参照しながら本
明細書の従来の技術の欄で述べたとおりであるが、従来
と異なる部分はリング２とサセプタ３の構造である。図
２に、このリング２とサセプタ３の近接対向部分の拡大
図を示す。上記サセプタ３は、その上面側に設けられた
座繰り部３ｂの内部に基板Ｓを収容するものである。該
サセプタ３とリング２のエッジ部からは、それぞれスカ
ート部３ａ，２ａが垂下されており、これら両者が近接
対向された間の部分が微小間隙７とされている。

【００１４】本発明では、このように微小間隙７が反応
容器１内で垂直方向にしか形成されないため、下部空間
１ｂへの反応ガスの進入を十分に抑制するためには、こ
の微小間隙７の垂直方向長さｈ１を十分に大きく確保す
ることが必要である。なお、単純にリング２とサセプタ
３とを共に厚板とすれば、スカート部を設けなくても両
者間に形成される微小間隙の長さを大とすることはでき
る。しかし、これではリングやサセプタの熱容量が大き
くなり過ぎ、急激な昇降温サイクルに追従することが難
しくなる。本発明でスカート部２ａ，３ａを利用するの
は、この問題を避けるためである。すなわちスカート部
２ａ，３ａが設けられることにより、リングとサセプタ
の板厚を増すことなく、微小間隙７の垂直方向長さｈ１
を十分に確保することが可能となるのである。

【００１５】ここで、本発明の気相成長装置では反応容
器１の上部空間１ａと下部空間１ｂとは完全に断絶され
たものではなく、上記微小間隙７を介して連通されてい
るため、この微小間隙７内にもある程度の堆積物層Ｆは
不可避的に形成される。しかし、上部空間１ａ側から見
て微小間隙７の深部に向かうほど原料ガスは到達しにく
くなり、堆積物層Ｆが形成されにくくなる。したがっ
て、ある条件下における堆積物層Ｆの垂直方向形成長さ
をｈ２とすると、微小間隙７の垂直方向長さｈ１がこれ
より常に大きければ（ｈ１＞ｈ２）、下部空間１ｂへの
原料ガスの進入を十分に抑制し、サセプタ３の裏面側や
下部空間１ｂの内壁面上への堆積物層の蓄積を防止する
ことができる。

【００１６】上記サセプタ３のエッジ部には、面取り形
状または丸みが付与されていることが、ひびや割れの発
生を防止する上で一層効果的である。本発明において被
成膜基板上に成長される薄膜は、成膜時に基板加熱を要
するものであればいかなる種類のものであっても構わな
いが、特にシリコン系薄膜の成長を想定した場合に、本
発明のメリットが大きい。ここで言うシリコン系薄膜と
は、多結晶シリコン薄膜もしくは単結晶シリコン薄膜で
あり、不純物がドープされていても、あるいはされてい
なくてもよい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。ここでは、前掲の図１に示される気相成長装置に
３種類の形状を有するサセプタを順次配設し、実際にシ
リコンエピタキシャル層を気相成長させる場合と同じ昇
降温サイクルを繰り返した場合のクラックの発生状況を
比較した。図３（ａ）〜（ｃ）に、使用した３種類のサ
セプタ３，３１，３２を示す。いずれのサセプタ３，３
１，３２も、加工前の基本寸法は共通であり、本体部分
はカーボン基材をＳｉＣのＣＶＤ被膜によりコーティン
グした材料からなる直径２５５ｍｍ、厚さ４ｍｍの円板
体であり、その上面には８インチウェーハ（直径２００
ｍｍ）を載置するための直径２０３ｍｍ、深さ０．７ｍ
ｍの座繰り部３ｂ，３１ｂ，３２ｂを有している。

【００１８】スカート部３ａ，３１ａ，３２ａの幅は５
ｍｍであり、微小間隙７の垂直方向長さｈ１は８．８ｍ
ｍ、幅は２．６ｍｍである。図３（ａ）のサセプタ３の
エッジ部３ｃは、特に加工を施しておらず、その断面プ
ロファイルは直角である。図３（ｂ）のサセプタ３１の
エッジ部３１ｃには、幅ｄ＝３ｍｍにわたって４５°の
角度で面取りが施されている。また、図３（ｃ）のサセ
プタ３２のエッジ部３２ｃには、半径Ｒ＝３ｍｍの丸み
が付与されている。なお比較のために、前掲の図５に示
したような階段状の断面プロファイルを有するサセプタ
１３も用意した。このサセプタ１３の構成材料、直径、
厚さ、座繰り部の寸法は上述の本発明のサセプタ３，３
１，３２と同じとした。また、フランジ部１３ａの厚さ
は１．７ｍｍ、突出長さは２０ｍｍ、微小間隙７の幅は
２．６ｍｍとした。

【００１９】実際のシリコンエピタキシャル層の気相成
長時と同じ昇降温サイクルの各ステップは、下記のとお
りである。１サイクルの所要時間は、約１０分間であ
る。（１）８００℃→１１３０℃に昇温（昇温速度＝１８℃
／秒）（２）１１３０℃に４分間保持（エピタキシャル成長時
間に相当）（３）１１３０℃→８００℃に降温（４）８００℃で５０秒間待機（５）８００℃→１２００℃に昇温（昇温速度＝１８℃
／秒）（６）１２００℃に３分間保持（サセプタのクリーニン
グ時間に相当）（７）１２００℃→８００℃に降温（８）８００℃で５０秒間待機なお、下記の各ステップはすべてＨ₂ガス雰囲気中で行
い、上部空間１ａへのＨ₂ガス供給速度は４０リットル
／分、下部空間１ｂへのＨ₂ガス供給速度は２０リット
ル／分とした。下部空間１ｂの排気孔５ｂの直径は上部
空間１ａの排気孔５ａよりも小さく形成されているた
め、両空間１ａ，１ｂへ供給されるＨ₂ガスの流量が等
しくても、下部空間１ｂ内の方が圧力が高められる仕組
みとなっている。

【００２０】階段状の断面プロファイルを有する従来の
サセプタ１３では、昇降温サイクルの反復回数が１０回
にも満たないうちにフランジ部１３ａにひびＧが生じ
た。これに対し、図３（ａ）のサセプタ３ではクラック
が生ずるまでの昇降温サイクルの反復回数は２５回以
上、図３（ｂ）のサセプタ３１では３０００回以上、図
３（ｃ）のサセプタ３２では５０００回以上であった。
したがって、本発明によりサセプタの寿命が大幅に延長
することが確認された。

【００２１】そこで、今度は図３（ｃ）のサセプタ３２
を用いて、実際にシリコンエピタキシャル層の気相成長
を行った。使用した基板Ｓは、直径２００ｍｍのｐ
⁺型、面方位（１００）のシリコン単結晶基板であり、
この上に目標厚さ５０μｍにてｐ型のシリコンエピタキ
シャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を成長させた。通常
成長されるシリコンエピタキシャル層の厚さが１０μｍ
以下であることを考えると、５０μｍの目標厚さはかな
り大きいが、これは故意に十分厚く成長させることによ
り、微小間隙７の垂直方向長さｈ１が十分であるか否か
を確認するためである。エピタキシャル成長条件は、一
例として下記のとおりとした。Ｈ₂アニール条件：１１３０℃，４５秒エピタキシャル成長温度：１１３０℃ Ｈ₂流量：４０リットル／分原料ガス（ＳｉＨＣｌ₃をＨ₂で希釈）流量：１２リ
ットル／分ドーパント（Ｂ₂Ｈ₆をＨ₂で希釈）流量：１００ｍ
ｌ／分

【００２２】上記サセプタ３２を用いた場合、下部空間
１ｂ内では反応容器１の内壁面上には堆積物層が実質的
に形成されず、薄膜成長温度を常に安定に制御すること
ができた。上記気相成長条件で厚さ５０μｍのシリコン
エピタキシャル層を成長した後に、微小間隙７内に形成
された堆積物層Ｆの垂直方向長さｈ２を観察したとこ
ろ、約４ｍｍであり、微小間隙７の垂直方向長さｈ１が
十分であることが確認された。得られるシリコンエピタ
キシャル層の膜質や膜厚は、目標厚さ１５μｍにて上記
プロセスを多数回反復しても常に安定していた。これ
は、下部空間１ｂにおける堆積物層の蓄積がほとんど生
じないこと、およびサセプタ３２のひび発生が防止され
ているためであり、ホウ素汚染による抵抗率の変化、あ
るいは重金属汚染による積層欠陥やピットの形成、キャ
リア寿命の短縮がいずれも効果的に抑制された。

【００２３】以上、本発明の具体的な実施例について説
明したが、本発明は何らこの実施例に限定されるもので
はない。たとえば、気相成長装置の構成、サセプタの各
部の寸法、昇降温サイクルの各ステップの構成と条件、
シリコンエピタキシャル層の成長条件、成長される薄膜
の種類、被成膜基板として使用されるウェーハの口径等
の細部については適宜変更、選択、組合せが可能であ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の気相成長装置によれば、急激な昇降温サイクルが反
復されるプロセスに適用された場合にも、サセプタのひ
びや割れの発生を効果的に防止することができる。この
ため、昇降温の所要時間の短縮によるスループットの向
上とサセプタの長寿命化とを両立させて経済的に有利と
なることはもちろん、成長される薄膜の膜質や膜厚も高
度に安定されたものとなる。本発明は、基板の大口径化
に伴って主流となることが予想される枚葉式気相成長装
置の実用性能を高める上で特に有効であり、特にシリコ
ンエピタキシャル層に代表される高品質のシリコン系薄
膜の成長に好適であり、半導体製造分野における産業上
の価値は極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の気相成長装置の構成例を示す模式的断
面図である。

【図２】図１のリングとサセプタの近傍を拡大して示す
模式的断面図である。

【図３】本発明の気相成長装置のサセプタの断面プロフ
ァイルの例を示す模式的断面図であり、（ａ）図はサセ
プタのエッジを直角とした例、（ｂ）図はサセプタのエ
ッジに面取りを施した例、（ｃ）図はサセプタのエッジ
に丸みを付与した例を表す。

【図４】従来の気相成長装置の構成例を示す模式的断面
図である。

【図５】図４のサセプタのエッジにひびが発生した状態
を示す模式的断面図である。

【図６】従来の気相成長装置のサセプタの他の例におい
て、エッジにひびが発生した状態を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

１反応容器１ａ（反応容器の）上部空間１ｂ（反応容器の）下部空間２リング２ａ（リングの）スカート部３サセプタ３ａ，３１ａ，３２ａ（サセプタの）スカート部３ｂ，３１ｂ，３２ｂ座繰り部３ｃ，３１ｃ，３２ｃエッジ部６ａ赤外線ランプ（上側）６ｂ赤外線ランプ（下側）７微小間隙Ｓ基板Ｆ堆積物層ｈ１微小間隙の垂直方向長さｈ２堆積物層の垂直方向形成長さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導入された原料ガスを用いて薄膜を気相
成長させるための反応容器と、前記反応容器内に水平に配置され、被成膜基板を載置す
るためのサセプタと、前記サセプタの主面と共働して前記反応容器の内部空間
を上部空間と下部空間とに分割するごとく、該反応容器
の側壁部から該サセプタの外周至近部にかけて設けられ
るリングと、前記サセプタの上下に配設される加熱手段とを有する気
相成長装置であって、前記サセプタと前記リングとは、各々のエッジ部から垂
下されるスカート部同士を近接対面させるごとく配置さ
れ、これら両スカート部間に形成される微小間隙をもっ
て前記上部空間と前記下部空間とが連通されるようにな
されたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】前記微小間隙の垂直方向長さは、前記被
成膜基板上で進行する薄膜成長に付随して前記微小間隙
内に形成される堆積物層の垂直方向形成長さよりも大き
く選択されていることを特徴とする請求項１記載の気相
成長装置。
【請求項３】前記サセプタのエッジ部が面取り形状を
有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の気相成長装置。
【請求項４】前記サセプタのエッジ部に丸みが付与さ
れていることを特徴とする請求項１または請求項２に記
載の気相成長装置。
【請求項５】前記被成膜基板上に成長される薄膜がシ
リコン系薄膜であることを特徴とする請求項１ないし請
求項４のいずれか１項に記載の気相成長装置。