JPH07142406A - 半導体の気相成長方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エピタキシャル成長層の膜厚均一性が良好
で、かつ、その再現性が高く、一度に多数のエピタキシ
ャルウエハを形成できるエピタキシャル成長方法及び装
置を提供すること。。 【構成】 パン・ケ−キ型エピタキシャル炉において、
Ｓi化合物ガス濃度が一定の原料ガスを異なる２系統以
上のガス流に分岐し、流量調節計１４、１５により独立
に制御し、かつ、同時にサセプタ１中心に設けたガス供
給管３１により供給する。これにより、膜厚均一性が良
好で、かつ、その再現性が高いエピタキシャル層を一度
に多数形成することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体の気相成長方法及
び装置に係わり、特にシリコンのエピタキシャル成長方
法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン(Ｓi)の単結晶基板(ウエハ)の
上に基板と同じ方位をもつＳi単結晶薄膜を気相化学反
応で形成するＳiエピタキシャル(epitaxial)成長技術
は、半導体工業における主要なプロセス技術の一つであ
り、この技術で形成されるエピウエハはＬＳＩ、撮像素
子などの集積回路素子をはじめとして、トランジスタ、
ダイオ−ド、サイリスタなどの個別半導体素子等の製造
にも広く適用される。

【０００３】従来、エピタキシャル成長は図５の断面概
略図に示すような、いわゆるパン・ケ−キ型やバレル型
とよばれるエピタキシャル成長炉を用い行われている。
図５(ａ)のパン・ケ−キ型エピタキシャル炉は回転する
円板状の加熱台(サセプタ)１にウエハ２を平面的に並べ
て加熱し、サセプタ１中心に設けられたガス供給管３か
ら、エピタキシャル層の原料となるＳi化合物ガスとエ
ピタキシャル層の抵抗率を決めるド−ピングガスがキャ
リアガスの水素中に一定濃度、混入された原料ガスを放
射状に供給し、エピタキシャル成長する方式である。

【０００４】また、図５(ｂ)のバレル型エピタキシャル
炉は角錐状の加熱台(サセプタ)１の表面にウエハ２を平
面的に並べ加熱し、これを回転しながらサセプタ１の一
方の側から原料ガスを供給し、エピタキシャル成長する
方式である。

【０００５】近年、大型化するウエハ径(６インチ以上)
への対応やウエハ・チャ−ジ数の増大による生産性の向
上を目的とし、いずれの方式のエピタキシャル炉におい
ても装置を改善し、大型化したサセプタ１を用いたエピ
タキシャル成長が実施されている。

【０００６】しかしながら、大型サセプタによるエピタ
キシャル成長はサセプタ表面の全ての領域に対する原料
ガスの均一供給が困難となり、回転によってこの不均一
を補償してもサセプタ全領域にチャ−ジしたウエハのエ
ピタキシャル層膜厚を均一にすることは非常に困難であ
る。結局、サセプタを大型化しても大口径ウエハのチャ
−ジは実現されても，そのチャ−ジ領域はエピタキシャ
ル層膜厚の均一性が確保されるサセプタの一部の領域に
限られ、チャ−ジ数を増大し生産性を向上する第２の目
的は達成されていない。

【０００７】前述した大型サセプタを使用する場合の問
題点を解消する方策の一つとして、特開昭５７−１２２
５１３号に記載された技術がある。この方法は大型サセ
プタを用いるパン・ケ−キ型エピタキシャル炉の膜厚均
一性を向上するため、サセプタ中心に設けられたガス供
給管から主原料ガスを放射状に供給する従来方法のほか
に、Ｓi化合物ガスの濃度や供給ガスの流速が主原料ガ
スとは異なる補充ガスを、別に設けた補充ガス導入管を
用いサセプタの特定領域に補助的に供給する方法であ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例は、供給す
る補充ガス中のＳi化合物ガスの濃度、補充ガスの流
速、補充ガス導入管端部のノズル位置の制御精度等が膜
厚の均一性に直接影響を及ぼし、制御する因子が増え均
一化の再現性に難点がある。特に、Ｓi化合物ガスの濃
度が異なる補充ガスの供給はその供給ガス配管経路を複
雑化する。更に、補充ガスの局所的な供給はウェハ表面
の局所的な領域のエピタキシャル層の抵抗率に強く影響
を及ぼす。この問題を防ぐためド−ピングガスの供給法
も複雑化する。さらに、補充ガスの導入管の設置やＳi
化合物ガス濃度の制御装置の増設など装置の構成が複雑
となる難点もある。

【０００９】さらに、上記従来例は設置する補充ガス導
入管端部のノズル(噴出口)がサセプタの熱輻射を受け高
温となり、Ｓiの析出が生じ易く、このＳiが剥離、落下
しエピタキシャル層に結晶欠陥が発生するという問題が
あった。

【００１０】本発明は前述した問題点を解消し、エピタ
キシャル成長層の膜厚均一性が良好で、かつ、その再現
性が高く、更に一度に多数のエピタキシャルウエハを形
成できるエピタキシャル成長方法及び装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のエピタキシャル
成長方法は、炉内の回転する円板状の加熱台(サセプタ)
にウエハを平面的に並べて加熱し、サセプタ中心に設け
られたガス供給管から原料ガスを放射状に供給しシリコ
ン(Ｓi)のエピタキシャル層を形成するパン・ケ−キ型
エピタキシャル成長装置によるエピタキシャル成長方法
において、Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガスを２つ
以上の系統に分け、ガス供給管の噴出口から炉内に噴出
するガス流の流速を前記それぞれの系統のガス流につい
て独立に制御して異なる流速のガス流とし、炉内の水平
断面で互いに重ならないように同時に炉内に供給するこ
とを特徴とする。

【００１２】本発明のエピタキシャル成長装置は、炉内
の回転する円板状の加熱台(サセプタ)にウエハを平面的
に並べて加熱し、サセプタ中心に設けられたガス供給管
から原料ガスを放射状に供給しシリコン(Ｓi)のエピタ
キシャル層を形成するパン・ケ−キ型エピタキシャル成
長装置において、Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガス
を２つ以上の系統のガス流に分岐させるガス供給手段
と、該ガス供給手段を構成する前記２つ以上のガス流路
にそれぞれ配設される複数の流量調節手段とを有し、該
複数の流量調節手段によりてガス供給管の噴出口から炉
内に噴出する２系統以上のガス流の流速を独立に制御し
て異なる流速のガス流とし、同時に炉内に水平断面で重
ならないように供給することを特徴とする。

【００１３】本発明のエピタキシャル成長方法は、回転
する円板状の加熱台(サセプタ)にウエハを平面的に並べ
て加熱し、サセプタ中心に設けられたガス供給管から原
料ガスを放射状に供給しシリコンのエピタキシャル層を
形成するパン・ケ−キ型エピタキシャル成長方法におい
て、Ｓi化合物ガス濃度が同一で、ガス供給管の噴出口
から炉内に噴出するガス流速が異なる２種以上のガス流
を、互いに交互に時間的に重ならないように供給するこ
とを特徴とする。

【００１４】本発明のエピタキシャル成長装置は、回転
する円板状の加熱台(サセプタ)にウエハを平面的に並べ
て加熱し、サセプタ中心に設けられたガス供給管から原
料ガスを放射状に供給しシリコンのエピタキシャル層を
形成するパン・ケ−キ型エピタキシャル成長装置におい
て、Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガスを前記ガス供
給管を介して炉内に供給するガス供給手段と、該ガス供
給手段を構成するガス流路に配設される流量調節手段
と、該流量調節手段を時間的に制御する制御手段とを有
し、前記制御手段は、Ｓi化合物ガス濃度が同一で、ガ
ス供給管の噴出口から炉内に噴出するガス流速の異なる
２種以上のガス流を互いに交互に時間的に重ならないよ
うに供給するように前記流量調節手段を制御することを
特徴とする。

【００１５】

【作用】上記構成からなる本発明によれば、サセプタ中
心に設けたガス供給管の噴出口から供給される、ある流
速の原料ガス流により大型サセプタ表面の一部の同心円
状の領域の成長が分担され、上記噴出口と異なる噴出口
より上記流速と異なる流速の原料ガス流によりサセプタ
表面上の他の同心円状の領域の成長が分担され、これら
のガス流速をそれぞれ独立に制御して最適化し、エピタ
キシャル成長を重ね合わせることにより、パン・ケ−キ
型エピタキシャル炉のサセプタ表面のほぼ全領域の膜厚
を均一とすることができる。

【００１６】また、上記構成からなる本発明によれば、
サセプタ中心に設けたガス供給管の噴出口からある流速
で一定時間供給される原料ガス流により大型サセプタ表
面の一部の同心円状領域のエピタキシャル成長を分担
し、上記噴出口より上記流速と異なる流速で、上記以外
の一定時間供給される原料ガス流によりサセプタ表面上
の他の同心円状領域のエピタキシャル成長が分担され、
これらのガス流速と供給時間をそれぞれ独立に制御して
最適化し、エピタキシャル成長を重ね合わせることによ
り、パン・ケ−キ型エピタキシャル炉のサセプタの全領
域の膜厚を均一とすることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施例を説明するパン・
ケ−キ型エピタキシャル炉の断面構造略図である。

【００１９】従来のパン・ケ−キ型エピタキシャル炉の
ガス供給管３の位置に、噴出口からのガスの流速が上部
側が速く(矢印を長く図示した)、下部側で遅い(矢印を
短く図示した)異なる２つの系統のガス流の原料ガスを
供給するガス供給管３１が設置されている。但し、２つ
のガス流のガス供給管の噴出口の位置は第２図に示すよ
うに水平断面上で位置が異なる。図２(ａ)はガス供給状
態を平面的に見た略図である。流速の速いガス流(矢印
を長く図示した)、流速の遅いガス流(矢印を短く図示し
た)の２つの系統のガス流が、水平断面上でそれぞれ６
０度の間隔で交互に供給される。この結果、二つのガス
流は水平断面において重なることなく、それぞれのガス
流によるエピタキシャル成長が独立に行なわれる。この
結果、流速の速いガス流により主としてサセプタ１外周
部の同心円状領域のエピタキシャル層が形成され、流速
の遅いガス流により主としてサセプタ１中心近傍の同心
円状領域が形成される。ガス供給管３１の噴出孔の径や
数が一定の場合、噴出口からの噴出するガスの流速はガ
スの流量を調節する方法で制御できる。それ故、図１に
示すように、原料ガスの供給系にはＳi化合物ガス及び
ドーピングガスと水素キャリアガスとの混合比を流量調
節計で調節し一定濃度で供給される原料ガスを２系統に
分割し、その後の配管系に流量調節計１４及び１５が設
置されて原料ガスの流速が独立に制御できるようになっ
ている。この場合、必要流量に比べ供給ガス流量を多く
することで一つのガス流量の制御の影響が他のガス流量
に及ばなくする。このため、余剰ガスを廃棄する排気系
が設けてある。尚、原料ガスのそれぞれの系統に設けら
れる供給管の噴出口の数や口径、さらに方向は最適条件
の範囲で選べばよい。

【００２０】以上に説明した装置により、最適化された
２つの異なる系統のガス流でＳi化合物ガス濃度が同一
のガス流をサセプタ１中心に設けたガス供給管３１から
供給し、エピタキシャル成長することで、図２(ｂ)のサ
セプタ半径方向における膜厚分布の説明図に示すよう
に、１つの系統の流速の速いガス流により形成される分
布Ａと、他の系統の流速の遅いガス流により形成される
分布Ｂが重ね合わされＡ＋Ｂの分布になり、パン・ケ−
キ型エピタキシャル炉のサセプタ１の全領域の膜厚を均
一にすることができる。

【００２１】図３は本発明の他の実施例である原料ガス
供給のシ−ケンスを説明する略図である。

【００２２】図３(ａ)は従来のパン・ケ−キ型エピタキ
シャル炉のサセプタ１中心に設けたガス供給管３の噴出
口からガスの流路に設けた流量調節計を調節し最適値に
設定された速い流速の原料ガスが一定時間供給され、次
いで、Ｓi化合物ガスとドーピングガスの濃度が同一で
流速のみ最適化された遅い流速の原料ガスが一定時間供
給される。これらのシ−ケンスは流路のガス流量調節計
を制御するタイム・シ−ケンサによりエピタキシャル層
の厚みが所望の厚みに達するまで続けられる。

【００２３】流速の速いガス流により主としてサセプタ
１外周部の同心円状領域のエピタキシャル層が形成さ
れ、流速の遅いガス流により主としてサセプタ１中心近
傍の同心円状領域が形成され、これら２つのエピタキシ
ャル成長が時間的に合成されパン・ケ−キ型エピタキシ
ャル炉のサセプタ１の全領域の膜厚が均一化される。な
お、流路が２系統の図１に示すようなガス供給管３１を
用いても原料ガスの間歇的な供給は可能である。

【００２４】図３(ｂ)は従来のパン・ケ−キ型エピタキ
シャル炉において、最適化された原料ガスの流速の最大
値と最小値の間で、流速を時間的に正弦波状に変える場
合を示す。正弦波状シ−ケンスの山から山、谷から谷の
時間間隔は実験により設定され、両者が同一間隔で有る
必要はない。

【００２５】図３(ｃ)のサセプタ１半径方向における膜
厚分布の説明図に示すように、正弦波のシ−ケンスの山
の側の原料ガスの供給により、主としてサセプタ１外周
部側の同心円状領域に形成されれる分布Ａ’のエピタキ
シャル層と、正弦波状シーケンスの谷の側の原料ガスの
供給により、主としてサセプタ１中心部側の同心円状領
域に形成される分布Ｂ’のエピタキシャル層が形成さ
れ、これら２つのエピタキシャル成長が時間的に合成さ
れＡ’＋Ｂ’のエピタキシャル層の分布となり、パン・
ケ−キ型エピタキシャル炉のサセプタ１の全領域の膜厚
が均一化される。

【００２６】次に、成長方法の実施例について説明す
る。

【００２７】およそ直径９５０ｍｍのサセプタ１に直径
２００ｍｍのＳiウエハ２を同心円状に２列に並べて１
４枚チャ−ジする。反応炉に水素キャリアガスを１５０
ｌ／ｍｉｎ供給しサセプタ１を回転しながら昇温しウエ
ハを１０００℃まで加熱する。サセプタ中心のガス供給
管３１より水素キャリアガス中にＳi化合物ガスとして
のジクロルシラン(ＳiＨ₂Ｃｌ₂)を０．５％、及びエピ
タキシャル層を一定の抵抗率にするためのド−ピングガ
スを一定濃度含む原料ガスを供給しエピタキシャル成長
を開始する。この場合、サセプタ１中心のガス供給管３
１には直径３ｍｍの噴出口４が図４に示すように１８孔
設けられ、噴出口４に供給される２つの系統のガスの流
路Ｒ、Ｓは、それぞれ噴出口４は９孔ずつとなるように
別れている。供給する原料ガスの総流量を１５０ｌ／ｍ
ｉｎに一定とし、前述ガス供給管の２つの流路Ｒ、Ｓの
それぞれに設置された流量調節計を調節し、一方に１０
０ｌ／ｍｉｎ、他方に５０ｌ／ｍｉｎを流す。これらの
流量比は図２(ｂ)に示すように、それぞれの流量で得ら
れる成長を重ねた場合にサセプタ１半径方向で均一な膜
厚が得られる流量を予め実験的に求めて決定する。所望
の厚みが得られる時間Ｓi化合物ガスとドーピングガス
を含む原料ガスを供給しエピタキシャル成長をした後Ｓ
i化合物ガスとドーピングガスの供給をとめ、水素キャ
リアガスのみを供給しながらウエハ２を降温する。ウエ
ハを冷却した後、水素キャリアガスを窒素ガスに置き換
え、ウエハ２を反応炉(ベルジャ)より取り出す。

【００２８】次に、別の成長方法の実施例について説明
する。

【００２９】およそ直径９５０ｍｍのサセプタ１に直径
２００ｍｍのＳiウエハ２を同心円状に２列に並べて１
４枚チャ−ジする。反応炉に水素キャリアガスを１５０
ｌ／ｍｉｎ供給しサセプタ１を回転しながら昇温し、ウ
エハ２を１０００℃まで加熱する。サセプタ１中心のガ
ス供給管３より水素キャリアガス中にＳi化合物ガスと
してのジクロルシラン(ＳiＨ₂Ｃｌ₂)０．５％と一定濃
度のドーピングガスを含む原料ガスを供給しエピタキシ
ャル成長を開始する。この場合、最初の２分間は原料ガ
スを５０ｌ／ｍｉｎの流量で供給する。次いで、原料ガ
スを１５０ｌ／ｍｉｎの流量に増やし２分間は供給す
る。これらの流量は図３(ｃ)に示すように、それぞれの
流量で得られる成長を重ねた場合にサセプタ１半径方向
で均一な膜厚がえられる流量を予め実験的に求めて決定
される。なお、原料ガスの間歇的な供給は流路が２系統
の図１に示すようなガス供給管３１を用いても可能であ
る。原料ガス流量５０ｌ／ｍｉｎと１５０ｌ／ｍｉｎの
２分間ずつの供給サイクルをシ−ケンサで制御し、所望
の厚みが得られるまで実施しエピタキシャル成長をした
後、Ｓi化合物ガスとドーピングガスの供給を止め、水
素キャリアガスのみを供給しながらウエハ２を降温す
る。ウエハを冷却した後、水素キャリアガスを窒素ガス
に置き換え、ウエハを反応炉より取り出す。

【００３０】以上の実施例により、直径９５０ｍｍのサ
セプタにチャ−ジした１４枚の直径２００ｍｍウエハに
膜厚バラツキを±３％以下のエピタキシャル層を形成す
ることができた。また、得られたエピタキシャルウエハ
は結晶欠陥のない良質のエピタキシャルウエハであっ
た。

【００３１】このように本実施例により、直径９５０ｍ
ｍのサセプタを使用するパン・ケ−キ方式エピタキシャ
ル炉のエピタキシャルウエハの生産能力を９枚から１４
枚に増大することができ、生産効率を５５％向上でき
た。また、エピタキシャルウエハにおける結晶欠陥発生
の不良率を、従来法の１０％から３％以下まで低減でき
た。

【００３２】以上の本発明の実施例では原料ガスをサセ
プタ表面とほぼ水平に供給する場合について説明した
が、サセプタ表面に水平以外に供給するパン・ケ−キ型
成長方法及び装置にも適用可能である。

【００３３】さらにまた、本発明の実施例はＳiのエピ
タキシャル成長を例に説明したが、パン・ケ−キ型成長
炉を用いガス状原料を供給しながら気相反応で薄膜を形
成する他の気相成長方法及び装置にも適用可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、エピタキシャル成長層
の膜厚均一性が良好で、かつ再現性が高く、更に一度に
多数のエピタキシャルウェハを形成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエピタキシャル成長装置の一実施
例の構成を示す図である。

【図２】図１に示したエピタキシャル成長装置における
原料ガスの供給状態を示す概略平面図及びサセプタ半径
方向の膜厚分布を示す図である。

【図３】本発明に係るエピタキシャル成長方法の一実施
例を示す説明図である。

【図４】本発明に係るエピタキシャル成長装置における
ガス供給管構造の一実施例を示す構成図である。

【図５】従来のエピタキシャル成長装置の構成を示す概
略断面図である。

【符号の説明】

１ サセプタ ２ ウエハ ３ ガス供給管 ４ 噴出口 ３１ ガス供給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 幹夫 茨城県日立市弁天町三丁目10番２号 日立 原町電子工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内の回転する円板状の加熱台(サセプ
   タ)にウエハを平面的に並べて加熱し、サセプタ中心に
   設けられたガス供給管から原料ガスを放射状に供給しシ
   リコン(Ｓi)のエピタキシャル層を形成するパン・ケ−
   キ型エピタキシャル成長装置によるエピタキシャル成長
   方法において、 Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガスを２つ以上の系統
   に分け、ガス供給管の噴出口から炉内に噴出するガス流
   の流速を、前記それぞれの系統のガス流について独立に
   制御して異なる流速のガス流とし、炉内の水平断面で互
   いに重ならないように同時に炉内に供給することを特徴
   とするエピタキシャル成長方法。
2. 【請求項２】 炉内の回転する円板状の加熱台(サセプ
   タ)にウエハを平面的に並べて加熱し、サセプタ中心に
   設けられたガス供給管から原料ガスを放射状に供給しシ
   リコン(Ｓi)のエピタキシャル層を形成するパン・ケ−
   キ型エピタキシャル成長装置において、 Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガスを２つ以上の系統
   のガス流に分岐させるガス供給手段と、 該ガス供給手段を構成する前記２つ以上のガス流路にそ
   れぞれ配設される複数の流量調節手段とを有し、 該複数の流量調節手段によりてガス供給管の噴出口から
   炉内に噴出する複数の系統のガス流の流速を独立に制御
   し異なる流速のガス流とし、同時に炉内に水平断面で重
   ならないように供給することを特徴とするエピタキシャ
   ル成長装置。
3. 【請求項３】 回転する円板状の加熱台(サセプタ)にウ
   エハを平面的に並べて加熱し、サセプタ中心に設けられ
   たガス供給管から原料ガスを放射状に供給しシリコンの
   エピタキシャル層を形成するパン・ケ−キ型エピタキシ
   ャル成長方法において、 Ｓi化合物ガス濃度が同一で、ガス供給管の噴出口から
   炉内に噴出するガス流速が異なる２種以上のガス流を、
   互いに交互に時間的に重ならないように供給することを
   特徴とするエピタキシャル成長方法。
4. 【請求項４】 回転する円板状の加熱台(サセプタ)にウ
   エハを平面的に並べて加熱し、サセプタ中心に設けられ
   たガス供給管から原料ガスを放射状に供給しシリコンの
   エピタキシャル層を形成するパン・ケ−キ型エピタキシ
   ャル成長装置において、 Ｓi化合物ガス濃度が同一の原料ガスを前記ガス供給管
   を介して炉内に供給するガス供給手段と、 該ガス供給手段を構成するガス流路に配設される流量調
   節手段と、 該流量調節手段を時間的に制御する制御手段とを有し、 前記制御手段は、Ｓi化合物ガス濃度が同一で、ガス供
   給管の噴出口から炉内に噴出するガス流速の異なる２種
   以上のガス流を互いに交互に時間的に重ならないように
   供給するように前記流量調節手段を制御することを特徴
   とするエピタキシャル成長装置。