JP2010040541A - エピタキシャル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガスの乱流を防止して形成される薄膜のオートドープを低減する。
【解決手段】エピタキシャル装置１０は、箱形に形成され半導体ウェーハ１３が収容される反応容器１１と、ガスを供給して反応容器の内部に一端から他端に向かうガス流を生じさせるガス供給源１２とを備える。反応容器の一端側との間にガス室を形成するガス整流部材１９が反応容器の一端側に幅方向に広がるように設けられ、ガス整流部材にガス供給源からガス室に供給された原料ガスを分流してウェーハの周囲に流す複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂが形成され、複数のガス導入流路はガス整流部材に鉛直方向に２列又は３列であって幅方向に１０〜４０個形成される。ガス室を幅方向に並ぶ複数の小ガス室に分断する仕切板２１が設けられ、複数の小ガス室にガスをそれぞれ供給するガス供給口が形成され、複数の小ガス室に供給するガス量を別々に調整する調整手段を更に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコン単結晶基板等の半導体ウェーハの表面に、シリコン単結晶薄膜等の薄膜を気相成長させる枚葉式のエピタキシャル装置に関するものである。

半導体ウェーハの表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜をエピタキシャル成長により形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ−ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。近年、電子デバイスの微細化による薄膜化やウェーハの大口径化が進む中、形成されるシリコン単結晶薄膜の膜厚あるいは抵抗率の面内均一化をどのように図るかが重要な課題の一つとなっている。例えば直径が２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの製造においては、複数枚のウェーハをバッチ処理する方法に代えて、膜厚分布等の制御が比較的容易な枚葉式装置が主流になりつつある。このエピタキシャル装置は箱形の反応容器を備え、その反応容器内に１枚のシリコン単結晶等の半導体ウェーハを水平に保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを水平かつ一方向に供給しながら半導体ウェーハの表面に薄膜を気相成長させるものである。

このようなエピタキシャル装置において、形成される薄膜の膜厚均一化を図る上で重要な因子の一つに、反応容器内の原料ガスの流速分布がある。原料ガスの流速分布の均一化を図るためのガス導入機構については、反応容器の一端側の幅方向に複数、例えば図７〜図９に示すように、３個のガス供給口２ａを反応容器２の一端側に形成することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この反応容器２の内部にはサセプタ４が設けられ、半導体ウェーハ３をこのサセプタ４上に設置することにより半導体ウェーハ３は反応容器２に収容される。そして、反応容器２の一端側に形成された複数のガス供給口２ａから原料ガスを反応容器２内に供給することにより、単一のガス供給口から原料ガスを反応容器内に供給する場合に比較して反応容器２内の原料ガスの流速分布を均一にできるとしている。
特開平８−１８１０７６号公報（明細書［００４７］、図１）

しかし、反応容器２の一端側の幅方向に複数のガス供給口２ａを形成しても、反応容器が箱形であることから、図９に示すように複数のガス供給口２ａから反応容器２の一端側に供給された原料ガスは螺旋状となり、図７及び図８に示すように、反応容器２の一端から他端に移動するに従って乱流となることが知られている。そして、図７及び図８の実線矢印で示すようにそのガス流は時には渦を巻いてしまう場合も生じ得ることが判明してきた。このように、反応容器の内部で原料ガスが乱流を生じせると原料ガスの渦による滞留が起こりドーパントガス分布が均一にならず、形成される薄膜の比抵抗の深さ方向分布形状がだれる、即ちオートドープが発生してしまうという未だ解決すべき課題が残存していた。
本発明の目的は、形成される薄膜のオートドープを低減し得るエピタキシャル装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、箱形に形成され半導体ウェーハが収容される反応容器と、反応容器の一端に原料ガスを供給して反応容器の内部に一端から他端に向かうガス流を生じさせるガス供給源とを備えたエピタキシャル装置の改良である。
その特徴ある構成は、反応容器の一端側内部にガス室を形成するガス整流部材が反応容器の幅方向に設けられ、ガス整流部材にガス供給源からガス室に供給された原料ガスを分流してウェーハの周囲に流す複数のガス導入流路が幅方向に間隔をあけて列をなして形成され、複数のガス導入流路は鉛直方向に２列又は３列であってかつ列間に１０〜４０個ガス整流部材に形成されたところにある。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ガス室を幅方向に複数の小ガス室に分断する仕切板がガス室に設けられ、複数の小ガス室にガスをそれぞれ供給するガス供給口が反応容器の一端に複数形成され、ガス供給源から複数のガス供給口を介して複数の小ガス室に供給するガス量を別々に調整する調整手段を更に備えたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、ガス導入流路が鉛直方向に２列に形成され、上列又は下列のガス導入流路のいずれか一方が水平方向に形成され、上列又は下列のガス導入流路のいずれか他方が水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成されたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、反応容器の内部天井面と反応容器に収容された半導体ウェーハの下面までの距離をＬとし、水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成されたガス導入流路の水平方向に対する角度をθとし、傾斜して形成されたガス導入流路の下流側端縁の中心位置と反応容器の内部天井面との鉛直距離をＸとするとき、以下の式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。
０度＜θ＜１０度 ・・・（１）
０＜Ｘ≦Ｌ ・・・（２）

本発明のエピタキシャル装置では、反応容器の内部においてガス整流部材を越えた原料ガスの流れは、複数のガス導入流路を通過することにより、非常に均一な流速分布を持ったガス流となり、反応容器内部における原料ガスの逆流が抑えられる。この結果、ウェーハの表面に形成されるエピタキシャル厚さが均一となり、ウェーハ面内にオートドープの少ない、良好な深さ方向の抵抗率分布を有する薄膜を形成することが可能となる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、このエピタキシャル装置１０は、偏平状の箱形に形成された石英ガラス製の反応容器１１と、その反応容器１１の一端に原料ガスを供給するガス供給源１２とを備える。反応容器１１の底部にはサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の上面に半導体ウェーハ１３が設置されて反応容器１１に収容されるように構成される。半導体ウェーハ１３は円板状であり、例えば直径が略２００ｍｍあるいはそれ以上のものである。このサセプタ１４はウェーハ１３とともに回転可能に構成され，このようにして反応容器１１の内部には、基材としての半導体ウェーハ１３が略水平に１枚のみ収容される。図示しないが、半導体ウェーハ１３の配置領域に対応して反応容器１１の上下にはウェーハ１３を加熱のためのハロゲン加熱ランプが所定間隔にて配置され、これによりこのエピタキシャル装置１０は水平枚葉型装置として構成される。尚、加熱方式はハロゲン加熱ランプに限らず、赤外線ランプ、高周波による誘導加熱、抵抗加熱でもよい。また、加熱部材の設置位置は、反応容器１１の上下のみならず、下側のみでも良いし、上側のみでも良い。

ガス供給源１２から反応容器１１の一端に供給された原料ガスは、その反応容器１１の内部で一端から他端に向かうガス流を生じさせ、半導体ウェーハ１３の表面上を通過した後に反応容器１１の他端側から排出されるように構成される。原料ガスは半導体ウェーハ１３上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、この原料ガスとしては、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等のシリコン化合物が挙げられる。また、このような原料ガスには、ドーパンドガスとしてのＢ₂Ｈ₆あるいはＰＨ₃や、キャリアガスとしてのＨ₂、Ｎ₂、Ａｒ等を適宜使用することができる。また、薄膜の気相成長処理に先立ってそのウェーハ１３に対して前処理、例えば自然酸化膜や付着有機物の除去処理等を行う際には、ＨＣｌ、ＨＦ、ＣｌＦ₃、ＮＦ₃等から適宜選択された腐蝕性ガスをキャリアガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器１１内に供給するか、又は、Ｈ₂雰囲気中で高温熱処理を施すようなこともできる。

反応容器１１の一端側にはガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃが複数形成される。この実施の形態では３個形成される場合を示し、半導体ウェーハ１３の中央位置に対応して反応容器１１の幅方向略中央に形成された主供給口１１ａに加え、その主供給口１１ａの両側において略左右対称な位置に副供給口１１ｂ，１１ｃが形成される。これは、半導体ウェーハ１３の外周領域は、半導体ウェーハ１３の回転周速の差や、容器１１壁面による冷却あるいはガス流乱れ等の影響により、ウェーハ１３中央領域とは膜形成速度等が異なりやすいことを考慮して、ウェーハ１３中央領域と外周領域とで原料ガスの流れを独立に制御できるようにするためである。

また、これらのガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃとガス供給源１２とはガス配管１６により接続される。図におけるガス配管１６は、ガス供給源１２と主供給口１１ａを連結する主配管１６ａと、その主配管１６ａからその主配管１６ａの両側に分岐した２本の分岐配管１６ｂ，１６ｃとを有し、その一方の分岐配管１６ｂを一方の副供給口１１ｂに接続し、他方の分岐配管１６ｃを他方の副供給口１１ｃに接続している。そして、分岐された部分と主供給口１１ｃの間の主配管１６ａと２本の分岐配管１６ｂ，１６ｃには、それらを流れる原料ガスのガス量を別々に調整する調整手段であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）がそれぞれ設けられる。

一方、反応容器１１の一端側内部には、ガス室１８を形成するガス整流部材１９が容器の幅方向に広がるように設けられる。このガス整流部材１９は、ステンレス又は石英から成るブロック体であって、このガス整流部材１９にはガス供給源１２からガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃを介してガス室１８に供給された原料ガスを分流してウェーハ１３の周囲に流す複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂが幅方向に間隔をあけて列をなして形成される。この実施の形態では、ガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃが反応容器１１の一端に３個形成されており、このガス室１８には、このガス室１８を幅方向に複数の小ガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃに分断する仕切板２１が設けられる。そのガス室１８が分断されて形成された複数の小ガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃには複数のガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対応して形成され、それらのガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃはそれぞれの小ガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃに対応した原料ガスを供給するように構成される。

ガス整流部材１９に形成される複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂは、ガス整流部材１９に鉛直方向に２列又は３列であってかつ列毎に１０〜４０個形成される。ガス導入流路１９ａ，１９ｂはガス整流部材１９を孔開け加工することにより形成された断面が円形であってかつ直線状のいわゆるパイプ状の孔である。このガス導入流路１９ａ，１９ｂを鉛直方向に２列又は３列に限定するのは、原料ガスの乱流を防止するとともにその加工を容易にするためであり、１列であると原料ガスの乱流を十分に防止できないからであり、３列を超えるとガス整流部材１９の加工が困難になるからである。列毎に１０〜４０個とするのも原料ガスの乱流を防止するとともにその加工を容易にするためであり、１０個未満であると原料ガスの乱流を十分に防止できないからであり、４０個を超えるとガス整流部材１９の加工が困難になるからである。好ましくは、ガス導入流路１９ａ，１９ｂを列毎に３０〜４０個形成することが好ましく、その数を列毎に異ならせても良い。例えば、上列のガス導入流路１９ａの個数を、下列のガス導入流路１９ｂの個数より多くしてみたり、又は少なくしてみたりしても良い。

この実施の形態では、図２に示すように、複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂがガス整流部材１９に鉛直方向に２列に形成され、上列のガス導入流路１９ａが水平方向に形成され、下列のガス導入流路１９ｂが水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成される。そして、反応容器１１の内部天井面とサセプタ１４までの距離、即ち、反応容器１１の内部天井面と半導体ウェーハ１３の下面までの距離をＬとし、下列のガス導入流路１９ｂの水平方向に対する角度をθとし、下列のガス導入流路１９ｂの下流側端縁の中心位置と反応容器１１の内部天井面との鉛直距離をＸとするとき、以下の式（１）及び（２）を満すことが好ましい。

０度＜θ＜１０度 ・・・（１）
０≦Ｘ≦Ｌ ・・・（２）
上記（１）を満たすこと、即ち傾斜させたガス導入流路１９ｂの角度θが１０度未満であることが好ましいのは、そのガス導入流路１９ｂを通過した原料ガスの流れによりウェーハ１３の表面に薄膜をエピタキシャル成長させるためであり、傾斜角度が１０度以上であると、そのガス導入流路１９ｂを通過した原料ガスの流れが乱れるおそれがある。このθの好ましい範囲は５度以上１０度未満である。また、上記（２）を満たすことが好ましいのは、そのガス導入流路１９ｂを通過した原料ガスの流れによりウェーハ１３の表面に薄膜をエピタキシャル成長させるためであり、傾斜させたガス導入流路１９ｂの下流側端縁の中心位置がＬを越えると、そのガス導入流路１９ｂを通過した原料ガスがウェーハ１３の周囲に到達しないからである。そして、このＸの好ましい範囲は０．２Ｌ以上０．５Ｌ以下である。

次に、本発明のエピタキシャル装置を用いた薄膜の気相成長方法について説明する。
図１に示すように、反応容器１１内に配置されたサセプタ１４上に半導体ウェーハ１３をセットし、必要に応じ酸化膜除去等の前処理を行った後、半導体ウェーハ１３を回転させながら図示しないハロゲン加熱ランプにより所定の反応温度に加熱する。その状態で、各ガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃから原料ガスを所定の流速にて、各小ガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃに供給する。ガス室１８に供給された原料ガスは、ガス整流部材１９に当り、流れが分散されてガス流の圧力を減少しつつ複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂを通過することでガス流の圧力が均一化されてガス整流部材１９を越えて反応容器１１の下流側に流れ込む。

反応容器１１の内部においてガス整流部材１９を越えた原料ガスの流れは、複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂを通過することにより、非常に均一な流速分布を持ったガス流となる。これにより、反応容器１１内部における原料ガスの逆流が抑えられる結果、ウェーハ１３の表面に形成されるエピタキシャル厚さが均一となり、ウェーハ１３面内にオートドープの少ない、良好な深さ方向の抵抗率分布を有する薄膜を形成することが可能となる。

また、この実施の形態では、上列のガス導入流路１９ａを水平方向に形成し、下列のガス導入流路１９ｂが水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成したので、下列のガス導入流路１９ｂを介してガス整流部材１９を越えた原料ガスの流れによりウェーハ１３の表面に薄膜がエピタキシャル成長され、上列のガス導入流路１９ａを介してガス整流部材１９を越えた原料ガスは、反応容器の天井内面に沿って下流側に流れ、その原料ガスの逆流が軽減されることから、反応容器１１の内面に付着する汚れを低減することができると考えられる。

なお、上述した実施の形態では、上列のガス導入流路１９ａを水平方向に形成し、下列のガス導入流路１９ｂを傾斜して形成したけれども、図５に示すように、下列のガス導入流路１９ｂを水平方向に形成し、上列のガス導入流路１９ａを水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成してもよい。この場合であっても、下列のガス導入流路１９ｂを介してガス整流部材１９を越えた原料ガスの流れによりウェーハ１３の表面に薄膜がエピタキシャル成長され、上列のガス導入流路１９ａを介してガス整流部材１９を越えた原料ガスが反応容器の天井内面に沿って下流側に流れ、その原料ガスの逆流が軽減されることから、反応容器１１の内面に付着する汚れを低減することができると考えられる。

次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
図１に示すようなエピタキシャル装置１０を準備した。即ち、反応容器１１の内部天井面とサセプタ１４までの距離Ｌ（図２）が２ｃｍである反応容器１１の一端側に３個のガス供給口１１ａ，１１ｂ，１１ｃが形成され、その反応容器１１の一端側内部にガス整流部材１９が設けられたエピタキシャル装置１０を準備した。ガス整流部材１９には複数のガス導入流路１９ａ，１９ｂを鉛直方向に２列に形成し、列毎に４０個形成した。そのガス導入流路１９ａ，１９ｂは断面直径が２ｍｍのパイプ状の孔であって、上列のガス導入流路１９ａを水平方向に形成し、下列のガス導入流路１９ｂを下流側が下方になるように傾斜して形成した。そして、図２に示すように、ガス導入流路１９ｂの水平方向に対する角度θは７度であり、下列のガス導入流路１９ｂの下流側端縁の中心位置と反応容器１１の内部天井面との鉛直距離Ｘは１ｃｍであった。

このようなエピタキシャル装置１０を用い、サセプタ１４上に外径が２００ｍｍｐ型＜１００＞の半導体ウェーハ１３を設置してそのウェーハ１３を反応容器１１に収容し、図示しないハロゲン加熱ランプによりそのウェーハ１３を１１００度に加熱した。その後、主供給口１１ａに１分間に１００リットルの原料ガスを供給するとともに、副供給口１１ｂ，１１ｃには１分間に５０リットルの原料ガスをそれぞれ供給した。このようにして、反応容器１１の内部においてガス整流部材１９を越えた原料ガスにより、ｐ＋型の＜１００＞ウェーハ１３の表面に1層目をｎ型１０μｍ１０ｍΩｃｍと2層目でｎ型６０μｍ、１００Ωｃｍの構造すなわちＩＧＢＴ（インシュレーテッドゲートバイポーラトランジスター）構造のエピタキシャル層を成長させた。このような薄膜が表面に形成されたウェーハを実施例１とした。

＜比較例１＞
実施例１におけるエピタキシャル装置１０の反応容器１１からガス整流部材１９を取り外したことを除いて、実施例１と同一の条件及び手順によりウェーハ１３の表面に薄膜をエピタキシャル成長させた。このような薄膜が表面に形成されたウェーハを比較例１とした。

＜比較試験及び評価＞
実施例１及び比較例１のそれぞれの半導体ウェーハ１３の表面に形成された薄膜の深さと抵抗値の関係を日本ＳＳＭ製広がり抵抗測定器を用いて測定した。この結果を図６に示す。
図６から明らかなように、表面からの深さが６０μｍ近傍で、実施例１のウェーハの方が比較例１のウェーハに比較して高い値を示している。即ち、オートドープが少ない事が分かる。また、実施例はシリコンの反応器への析出（ウォールデポジション）も見られなかった。

本発明実施形態のエピタキシャル装置の構成を示す斜視図である。 その装置の内部構造を示す図３のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図２のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の別の実施の形態を示す図２に対応する断面図である。 実施例の結果である深さと抵抗値との関係を示す図である。 従来のエピタキシャル装置の内部構造を示す図２に対応する断面図である。 その従来の装置を示す図３に対応する断面図である。 その従来の装置を示す図４に対応する断面図である。

符号の説明

１０ エピタキシャル装置
１１ 反応容器
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ガス供給口
１２ ガス供給源
１３ 半導体ウェーハ
１７ マスフローコントローラ（調整手段）
１８ ガス室
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 小ガス室
１９ ガス整流部材
１９ａ，１９ｂ ガス導入流路
２１ 仕切板
Ｌ 反応容器の内部天井面と半導体ウェーハの下面までの距離
θ 傾斜して形成されたガス導入流路の水平方向に対する角度
Ｘ 傾斜したガス導入流路の下流側端縁の中心と反応容器の内部天井面との鉛直距離

Claims (4)

1. 箱形に形成され半導体ウェーハが収容される反応容器と、反応容器の一端に原料ガスを供給して前記反応容器の内部に一端から他端に向かうガス流を生じさせるガス供給源とを備えたエピタキシャル装置において、
   前記反応容器の一端側内部にガス室を形成するガス整流部材が前記反応容器の幅方向に設けられ、
   前記ガス整流部材に前記ガス供給源から前記ガス室に供給された原料ガスを分流して前記ウェーハの周囲に流す複数のガス導入流路が幅方向に間隔をあけて列をなして形成され、
   前記複数のガス導入流路は鉛直方向に２列又は３列であってかつ列毎に１０〜４０個前記ガス整流部材に形成された
   ことを特徴とするエピタキシャル装置
2. ガス室を幅方向に複数の小ガス室に分断する仕切板が前記ガス室に設けられ、
   複数の前記小ガス室にガスをそれぞれ供給するガス供給口が反応容器の一端に複数形成され、
   ガス供給源から複数の前記ガス供給口を介して複数の前記小ガス室に供給するガス量を別々に調整する調整手段を更に備えた請求項１記載のエピタキシャル装置。
3. ガス導入流路が鉛直方向に２列に形成され、上列又は下列のガス導入流路のいずれか一方が水平方向に形成され、上列又は下列のガス導入流路のいずれか他方が水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成された請求項１又は２記載のエピタキシャル装置。
4. 反応容器の内部天井面と前記反応容器に収容された半導体ウェーハの下面までの距離をＬとし、水平方向に対して下流側が下方になるように傾斜して形成されたガス導入流路の水平方向に対する角度をθとし、前記傾斜して形成されたガス導入流路の下流側端縁の中心位置と前記反応容器の内部天井面との鉛直距離をＸとするとき、以下の式（１）及び（２）を満たす請求項３記載のエピタキシャル装置。
   ０度＜θ＜１０度 ・・・（１）
   ０＜Ｘ≦Ｌ ・・・（２）

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