JP3113478B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造装置に係り、
特に均一な薄膜を形成するための気相成長装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている気相成長装置に
は、ウェハを載置するサセプタを高周波コイルを用いて
加熱し、これによりウェハを間接的に加熱しつつ、反応
性ガスを導入することによりウェハ表面に薄膜を形成す
る縦型炉方式のもの、ウェハを載置する筒型のサセプタ
にウェハを載置し、チャンバーの外側に配設した赤外線
ランプを用いて加熱するシリンダー炉形式のもの、角型
の石英管からなるチャンバー内に設置された平板状のサ
セプタにウェハを載置し、チャンバーの外側に設けられ
た赤外線ランプを用いて加熱するようにし、ウェハを１
枚づつ処理する枚葉式炉とがある。

【０００３】なかでも、近年シリコンウェハの大口径化
に伴い、ウェハ中での膜厚の不均一性が顕在化し、ウェ
ハを１枚づつ処理する枚葉式炉が再び注目されてきてい
る。気相成長装置は、適切な温度に維持された基板近傍
に原料となる反応性ガスを流し、熱分解反応や水素還元
反応などにより該基板上に薄膜を堆積せしめるものであ
る。気相成長によって基板上に均一な膜厚の薄膜を形成
するためには原料ガスの濃度が基板表面近傍の全面にわ
たり一様であることが望ましい。

【０００４】しかしながら横型の気相成長装置では原料
ガスがほぼ水平方向から導入される構造であるため、 １）原料ガスが上流側から下流側に進むにしたがって消
費され、その濃度が徐々に薄くなる。

【０００５】２）濃度境界層が上流側から下流側に進む
に従って発達し、その厚さが厚くなるため、原料ガス濃
度は流れ方向に分布をもち、基板上に堆積する膜厚が指
数関数的に減少し、均一にならない。

【０００６】などという問題があった。

【０００７】そこで従来から基板を回転させ基板の円周
方向における成長速度を平均化することにより、基板上
に堆積する膜厚の均一化をはかる手段も試みられている
（特開昭５３−１３０９７号公報）。

【０００８】しかしながら基板の大口径化に伴い、基板
の回転だけでは膜厚の均一性を十分に得ることができな
くなってきている。

【０００９】そこでこの問題を解決すべく、図６に示す
ように石英製の本体１０２の内部に複数個のウェハ１０
３が装着されると共に炭化ケイ素被覆された炭素からな
る、回転可能なサセプタ１０４と、該サセプタ１０４の
上流側に装着される平板１０５と、該平板１０５および
サセプタ１０４を所望の温度に加熱するヒータ部１０６
と、先端にガスノズル部１０７が設けられ原料ガスを装
置本体１０２内に供給する注入配管１０８とを主要部と
して構成されている。そして装置本体１０２は断面矩形
状の反応管１０９と注入配管１０８が接続される側壁部
１１０と、未反応の原料ガスを矢印Ｂ方向に排気する排
気部１１１とから構成されている。平板１０５はサセプ
タ１０４と同一高さとなるように、支持部材１１５を介
してサセプタ１０４の近接位置に固着されている。さら
に、前記平板１０５の平面部１１６には、直線部１１７
が装置本体１０２の幅方向（矢印Ｙで示す）に平行とな
るように上流側に形成されると共に、湾曲部１１８がサ
セプタ１０４の周縁に沿うように下流側に形成されてい
る。

【００１０】図７にこの例におけるＡ１−Ａ２位置での
被膜の成長速度を示す。この図からあきらかなように、
この例では、平板１０５において成長速度の低下を進行
させ、サセプタ１０４に原料ガスが到達したときの成長
速度を安定化させることで、サセプタ１０４に載置され
たウェハ１０３の表面への被膜の成長速度を均一化して
いる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この気
相成長装置では、その構成上、基板表面での被膜の成長
速度が大きく減少し、生産性が大幅に低下する。また流
れ方向の成長速度が指数関数的に減少するため、大口径
のウェハ上では成長速度の均一化が十分にできないなど
の問題があった。

【００１２】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、横型あるいは枚葉式の気相成長装置において簡単な
構成で成長速度の低下を伴うことなく、基板表面での成
長速度を事実上均一にすることの可能な半導体製造装置
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、被処
理基板の上流側に配設され、前記被処理基板上に到達す
るガスの濃度分布を制御すべく、前記反応室の中心から
端の方に向かって前記反応室の上流側に突出した形状を
有するとともに前記基板とほぼ同一高さの位置に設けら
れたプレデポボードを具備したことを特徴とする。

【００１４】望ましくは、このプレデポボードは前記加
熱手段とは独立に制御可能なように構成された第２の加
熱手段を具備する。

【００１５】また本発明の第２では、被処理基板の上流
側に配設され、前記被処理基板上に到達するガスの濃度
分布を制御すべく、前記基板面とほぼ同一平面上に設け
られたプレデポボードを具備し、このプレデポボード
は、前記ガス導入部から導入されるガスの濃度分布を測
定し、その濃度分布のばらつきを補償するように上流端
の形状が決定されていることを特徴とする。

【００１６】本発明の第３では、反応室の中心から端の
方に向かうほど反応性ガスの濃度が薄くなるように、プ
レデポボードの温度を所望の温度に加熱する。

【００１７】

【作用】上記構成によれば、ガス導入部より流入した反
応性ガスは、反応炉幅方向にほぼ一様な流れとなってプ
レデポボードに到達する。

【００１８】該プレデポボードの上流端は、下流に向か
いほぼ凸状の曲線をなしており、この曲線の頂点でサセ
プタに接するように構成される。前記プレデポボードに
到達した反応性ガスは、前記プレデポボードの前記上流
端形状に沿った形で前記反応室幅方向に濃度分布をも
つ。さらに、濃度分布をもった前記反応性ガスは基板上
に到達し、基板上に所望の膜厚分布をもった被膜の成長
を行うことが可能となる。 ここで前記プレデポボード
の前記上流端形状の決定方法を図面を参照しつつ説明す
る。図５は図４にＸ1 ，Ｘ2 およびＹ1 ，Ｙ2 で示すサ
セプタ上の位置と膜の成長速度との関係を示す図であ
る。すなわちサセプタ上において、上流側であるＸ1 付
近では原料ガスの濃度が高く、また濃度境界層（成膜時
のガス成分の消費によるガス組成変化領域）厚さも薄い
ため、膜の成長速度も高いが、該原料ガスが下流側（Ｘ
2 ）に進むにつれて、その濃度が低下し、濃度境界層も
発達して厚くなるため、膜の成長速度も指数関数的に低
下する。

【００１９】従ってサセプタを回転させて成長を行い、
サセプタ円周方向の成長速度を平均化しても、前記指数
関数的な成長速度低下のため、サセプタの回転中心から
離れていくに従い成長速度が早くなってしまう。これを
相殺するためには反応炉の中心とその端で、成長速度に
差をつける必要がある。このため、炉の中心から端の方
に向かい原料ガスの濃度を薄くする。すなわちプレデポ
ボードの上流端形状を炉の中心から端の方にむかって突
出した形状にすることにより、炉の中心から端の方に向
かって原料ガスの濃度を薄くするように構成した。さら
にサセプタ上での平均成長速度をなるべく低下させない
ようにするため、プレデポボードの上流端形状は、その
曲線の頂点でサセプタと接するように構成した。

【００２０】望ましくは微調整を第２の加熱手段により
プレデポボードの温度調整により行うようにすれば、よ
り高精度の膜厚および膜質コントロールが可能となる。

【００２１】また本発明の第２によれば、他のいろいろ
な原因により、ガスの濃度分布に大きなばらつきがある
場合にも、このばらつきを補償するような、上流端の形
状をもつプレデポボードを用いることにより均一な薄膜
成長を行うことができ、プレデポボードの形状を選択し
装着するのみでよいため、設定が極めて容易である。上
流端の形状はガスの濃度分布が炉の端で大きくなってい
るような場合には、炉芯に垂直な直線あるいは炉の端か
ら中心にむかって突出した形状とするなど、適宜変更可
能である。またプレデポボードは、上流端の形状の異な
るもの何種類か用意しておくようにし、取り替えるよう
にしてもよいし、また相対位置を変更可能な分割形状と
し、上流端の形状が連続的に変化できるような構造をと
るようにすれば、微調整を容易に行うことができる。

【００２２】さらに本発明の第３によれば、プレデポボ
ードの形状ではなく、反応室の中心から端の方に向かう
ほど反応性ガスの濃度が薄くなるように制御しているた
め、成長条件が変化した場合にもプレデポボードを取り
替えることなくより簡単に成長薄膜の均一化をはかるこ
とができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しつつ詳細に説明する。

【００２４】図１(a) および(b) は、本発明実施例のＣ
ＶＤ装置の平面断面図および正面断面図である。

【００２５】このＣＶＤ装置は、サセプタ３の上流側
に、上流端形状が反応炉１の中心から端の方にむかって
突出した形状を有するプレデポボード８（図１(c) 参
照）を配設したことを特徴とする。

【００２６】すなわち、この装置は、透明石英、ＳＵＳ
などからなる反応炉１とこの反応炉１のガス導入部９の
内部に配設されウェハ２を載置する円形のサセプタ３
と、このサセプタ３を回転すべくモータ（図示せず）に
軸支された回転軸４と、このガス導入部７に支持具９を
介してとりつけられウェハと同一面をなすとともに、サ
セプタ３の上流側に上流端形状が反応炉１の中心から端
の方にむかって突出した形状を有するプレデポボード８
を具備している。このプレデポボード８の上流端の形状
１２は図１(c) に示すように頂点を通る接線をｚ＝０と
なるようにし ｚ＝ａｘ⁵ ＋ｂｘ⁴ ＋ｃｘ³ ＋ｄｘ² ＋ｅｘ＋ｆ を満たすようにした。

【００２７】ここでａ：-24839.743590 ｂ： 5000.728438 ｃ： -384.855769 ｄ： 10.234193 ｅ： -0.121318 ｆ： -0.207992 また下流端形状１３はサセプタ３の周縁に沿うように形
成されている。

【００２８】さらに反応炉１の外部にはウェハ２および
サセプタ３およびプレデポボード８を加熱するための赤
外線ランプ５が配設され、さらにこの上方には反射板が
設けられ、赤外線ランプからの熱の熱効率を高めるよう
になっている。

【００２９】また反応炉１の一端にはガス導入部７が設
けられ、反応ガスまたは反応ガスとキャリアガスとの混
合ガスが、反応炉１の幅方向にほぼ一様な状態で供給さ
れる。また、他端にはガス排出口１１が設けられ、排気
ダクト（図示せず）を介して外部に排出されるようにな
っている。さらに反応炉の側壁には温度をモニターする
ための熱電対を挿入する熱電対挿入口が設置されてい
る。

【００３０】例えばこのガス導入口はシュラウドによっ
て層流をなしてチャンバー内を流れるように構成され、
バッファタンクとシュラウドとの間にはメッシュ状の金
属または石英製のフィルタがプレートを介して取り付け
られており、各層内のガス流速を一様にしている。

【００３１】この装置を用いて、シリコンウェハ２をサ
セプタ３に載置し、ガス導入口７から、シリコンウェハ
２に向けて反応性ガスを導入し、側壁の熱電対挿入口か
ら挿通された熱電対でサセプタ裏面の温度を検出すると
ともに、光ファイバーによってウェハ裏面の温度を検出
し、この検出値にもとづいて、赤外線ランプ５の光量を
制御しウェハ温度を高精度に調整するようになってい
る。

【００３２】ここでウェハ温度は８５０〜１２００℃に
設定される。

【００３３】次に、このエピタキシャル成長装置を用い
たエピタキシャル成長方法について説明する。

【００３４】まず、シリコンウェハ２をサセプタ３に載
置し、回転手段により回転軸４を介してサセプタ３を回
転する。

【００３５】この後ガス導入口７から窒素ガスを供給し
て反応炉１内をＮ₂ でパージする。続いてガス導入口７
から水素Ｈ₂ ガスを供給して反応炉１内をＨ₂ でパージ
し、Ｈ₂ 雰囲気中で赤外線ランプ５によりウェハをエピ
タキシャル成長温度（９００〜１０５０℃）まで加熱す
る。

【００３６】そして成長温度に到達すると、サセプタお
よびウェハ同様プレデポボード８もほぼ同一温度に加熱
され、ガス導入口７からはＨ₂ で希釈されたＳｉＨ₄ が
供給される。そしてこのガスは、プレデポボード８を介
してウェハ２表面に沿って流れ、ウェハ表面にシリコン
エピタキシャル成長膜を形成する。

【００３７】このようにして得られたエピタキシャル成
長膜は均一で極めて結晶性の良好な膜となっている。す
なわち、サセプタおよびウェハ同様プレデポボード８も
ほぼ同一温度に加熱されており、プレデポボード８の上
流端の形状が最適形状となっているため、ガスがウェハ
表面に所望の濃度分布で到達し、ウェハ２を回転させる
と、ウェハ２の表面全体にわたり均一な成長速度を得る
ことができる。

【００３８】このときのウェハ２表面での平均成長速度
とその平均成長速度を中心とする速度分布とを測定した
結果を次の表に示す。従来例としては円形サセプタを用
いたものおよび図６に示したプレデポボードを用いたも
のとの２つを比較のために示した。

【００３９】 この表の結果からも、本発明の装置によればより速くよ
り均一な膜を得ることができる。

【００４０】また図２はサセプタ中心からの距離と膜の
成長速度との関係を測定した結果を示す比較図である。
この図からも同様に本発明の装置によればより速くより
均一な膜を得ることができることがわかる。

【００４１】なお前記実施例では、上流端が図１(c) に
示した形状のプレデポボードを用いたが、これに限定さ
れることなく、適宜変形可能であり、また導入されるガ
スが分布を持つような場合に、これを補償するような形
状にし、均一な膜成長を行うようにすることも可能であ
る。

【００４２】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。

【００４３】前記実施例ではプレデポボード８とウェハ
２およびサセプタ３は同一の赤外線ランプ５によって加
熱したが、この例では図３(a) および(b) に示すよう
に、プレデポボード８は独立して制御される第２の赤外
線ランプ１４によって加熱されるようになっており、こ
のプレデポボード８の上流端形状は直線となっている。
他の部分については前記第１の実施例とまったく同様に
形成されている。

【００４４】この装置によっても、均一で信頼性の高い
薄膜形成を行うことが可能となる。なお、前記実施例で
は、枚葉式のエピタキシャル成長炉について説明した
が、ウェハを多数枚搭載するいわゆるバッチ式の炉につ
いても同様の効果を得ることができることはいうまでも
ない。特により均一な膜成長が求められる横型の半導体
装置全般にわたり、同様の効果を得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ウェハの上流側に周辺部に向かって突出した上流端
形状をなすプレデポボードを配設することにより、より
速くより均一な膜を成長せしめることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の気相成長装置および同装置で用
いられるプレデポボードの上流端形状を示す図。

【図２】サセプタ中心からの距離と膜の成長速度との関
係を示す比較図。

【図３】本発明の第２の実施例の気相成長装置を示す
図。

【図４】サセプタ上の位置を示す説明図。

【図５】成長速度とサセプタ上の位置との関係を示す説
明図。

【図６】従来例の気相成長装置を示す図。

【図７】図６の例におけるＡ１−Ａ２位置での被膜の成
長速度を示す図

【符号の説明】

１ 反応炉 ２ ウェハ ３ サセプタ ４ 回転軸 ５ 赤外線ランプ ６ 反射板 ７ ガス導入口 ８ プレデポボード ９ 支持部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸谷 新治 神奈川県平塚市山下726−５−401 (72)発明者 山田 強 神奈川県平塚市南豊田197−17−105 (56)参考文献 特開 昭60−211913（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−136064（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応室と前記反応室に反応性ガスを導入
   するガス導入部と、 前記反応室内に、被処理基板を支持する基板支持機構
   と、 前記被処理基板を加熱する加熱手段と、 前記被処理基板の上流側に配設され、前記被処理基板上
   に到達するガスの濃度分布を制御すべく、前記反応室の
   中心から端の方に向かって前記反応室の上流側に突出し
   た形状を有するとともに前記被処理基板面とほぼ同一平
   面上に設けられたプレデポボードと、 を具備し、 気相成長法により前記被処理基板表面に薄膜を成長せし
   めるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 前記プレデポボードは前記加熱手段とは
   独立に制御可能なように構成された第２の加熱手段を具
   備するものであることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体製造装置。
3. 【請求項３】 反応室と前記反応室に反応性ガスを導入
   するガス導入部と、 前記反応室内に、被処理基板を支持する基板支持機構
   と、 前記被処理基板を加熱する加熱手段と、 前記被処理基板の上流側に着脱自在に配設され、前記被
   処理基板上に到達するガスの濃度分布を制御すべく、前
   記被処理基板面とほぼ同一平面上に設けられるプレデポ
   ボードとを具備し、 前記プレデポボードは、前記ガス導入部から導入される
   ガスの濃度分布を測定し、その濃度分布のばらつきを補
   償するように上流端の形状を変更可能なように構成さ
   れ、気相成長法により前記被処理基板表面に薄膜を成長
   せしめるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
4. 【請求項４】 反応室と、 前記反応室に反応性ガスを導入するガス導入部と、 前記反応室内に、被処理基板を支持する基板支持機構
   と、 前記被処理基板を加熱する第１の加熱手段と、 前記被処理基板の上流側で、前記被処理基板面とほぼ同
   一平面上に設けられたプレデポボードと、 前記反応室の中心から端の方に向かうほど前記反応性ガ
   スの濃度が薄くなるように、前記プレデポボードの温度
   を所望の温度に加熱する第２の加熱手段とを具備し、 気相成長法により前記被処理基板表面に薄膜を成長させ
   ることを特徴とする半導体製造装置。