CN109661716A - 气相生长装置、外延晶片的制造方法及气相生长装置用附接件 - Google Patents

气相生长装置、外延晶片的制造方法及气相生长装置用附接件 Download PDF

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Abstract

本发明的气相生长装置1，包括：反应炉2、多条流路16a、盖14、及附接件15。反应炉2包括供导入气相生长气体的入口8a，通过气相生长气体而于基板W上生长外延层。多条流路16a自入口8a延伸至入口8a的外侧，将气相生长气体引导至反应炉2。盖14包括朝向多条流路16a引导原料气体的导入路14a。附接件15包括可连接于导入路14a的分支路15a，并安装于盖14。分支路15a在附接件15被安装于盖14的状态下连接于导入路14a，且自导入路14a侧朝向原料气体的下游侧呈竞赛状与多条流路16a对应地分支并连接于多条流路16a。由此，提供一种气相生长装置，其能够以优秀的成本效益使生长于基板上的外延层的膜厚的均匀性良好。

Description

气相生长装置、外延晶片的制造方法及气相生长装置用附 接件
技术领域
本发明涉及一种气相生长装置、外延晶片的制造方法及气相生长装置用附接件。
背景技术
伴随着半导体集成电路的微细化，形成于成为半导体集成电路基础的半导体基板的图案被微细化，而对半导体基板所要求的质量变得更加严格。对半导体基板所要求的质量之中，尤其对平坦度的要求极其高。而且，关于半导体基板中用于多种用途的外延晶片，兼顾基板的平坦度与外延层的平坦度为课题。而且，该外延层的平坦度很大程度上受外延层的膜厚分布影响。由此，为了满足所要求的外延层的平坦度，必须使外延层的膜厚分布的均匀性更加良好。
目前，针对制造直径300mm的外延晶片，使用单片式的气相生长装置。此种气相生长装置大致包括：供给使外延层生长于基板上的原料气体的机构、藉由所供给的原料气体而于基板生长外延层的反应炉、以及将反应炉内的气体排出的机构。作为供给原料气体的机构，自原料气体的上游侧起依序具备注入盖(以下，称为「盖」)、挡板、及注入嵌件(以下，称为「嵌件」)。盖具有在将原料气体导入至反应炉内时供原料气体通过的空间。挡板为夹持于盖与嵌件之间的板状部件，且具有将盖内的原料气体引导至嵌件的多个贯通孔。通过该贯通孔而调整朝向嵌件的原料气体流。嵌件具有将通过挡板贯通孔的原料气体引导至反应炉入口的多条流路。经由上述各部件而将原料气体引导至反应炉。被引导原料气体的反应炉包括：入口，其通往反应炉内且供自上游流动的原料气体流入；出口，其位于入口的上方且较入口靠反应炉侧并且到达至反应炉内；通路，其将入口与出口连接；及阶部，其位于通路内。自嵌件被引导至反应炉入口的原料气体越过到达至反应炉内的通路内的阶部而被引导至反应炉内。使以上述方式被引导的原料气体于基板上发生反应而于基板上生长外延层。原料气体在反应炉内发生反应而生成的气体及以未反应而告终的原料气体由排出气体的机构排出至反应炉外。
使用此种单片式的气相生长装置生长使膜厚分布更均匀化的外延层时，最重要的是将均匀的原料气体流引导至反应炉内的基板表面上。于现有的单片式气相生长装置中，暂时被导入至盖的原料气体流因挡板而成为任意的流动，而流入至嵌件中的多条(例如，10条)流路。然而，经由挡板而形成的原料气体流本身因受盖内的压力平衡支配而无法获得与挡板的贯通孔直径对应的速度。进而，经由挡板而被细分化的原料气体流通过嵌件而被引导至基板上，故而原料气体流依存于嵌件的流路数。由此，在基板的面内方向流动的原料气体形成与嵌件的流路数(例如，10条)对应的速度的不均，被导入至基板上的原料气体的速度分布由发展趋势来决定。又，被导入至反应炉入口的原料气体越过通往反应炉内的通路内的阶部被引导至反应炉内，而成为受阶部形状影响的流动。具体而言，位于通路内的阶部包括：第1面，其于反应炉侧以于铅垂方向延伸的轴线为中心呈圆弧状弯曲且与通路的入口对向；及第2面，其自该第1面的上端延伸至通路的出口。因此，被引导至该通路的原料气体流于欲越过阶部时依靠第1面而靠近通路的宽度方向的外侧。由此，在反应炉的外部进行控制的原料气体的速度分布在导入至反应炉内之前会发生变化，从而变得难以精确地控制导入至基板上的原料气体的速度分布。由于此种气相生长装置中构造上的限制及控制原料气体速度分布的控制困难性，故变得难以满足用于尖端零件的外延晶片所要求的外延层膜厚分布的均匀性。
因此，为了满足此种膜厚分布的均匀性，对作为构成反应炉顶壁的零件的上部圆顶的形状进行了优化。通过该优化而得到了生长于基板上的外延层中膜厚分布的整体性改善。然而，通过嵌件而被导入至基板面内方向的原料气体的速度仍然会形成与嵌件的流路对应的多条不均。如果使用这种产生有速度不均的原料气体例如于绕着沿铅垂方向延伸的轴线旋转的基板生长外延层，则与原料气体的速度不均对应地使外延层的膜厚呈同心圆状产生不均。而且，产生这种不均的外延晶片无法满足所要求的平坦度，故而必须使供给至基板上的原料气体的速度偏差均匀化。
因此，进行了如下操作：通过对形成于盖上的流路实施改良而使导入至基板上的原料气体的速度均匀化。例如，如专利文献1,采用使通往位于盖下游侧(反应炉侧)的多个出口的盖内的流路朝向盖上游侧呈竞赛状合流而成的流路。由此，随着于盖内原料气体自上游侧朝向下游侧而分配原料气体，从而可改善自盖的各出口供给的原料气体相互间速度的不均。其结果，对改善生长于基板上的外延层的膜厚分布有效果。
然而，如果要制作形成有如专利文献1所示竞赛状流路的盖，需要不锈钢制素材的切削及扩散接合等高度的技术，从而费用变高。另外，若要使用这种盖，还需要与这种盖对应的其他构成零件。例如，需要一种嵌件，其要具有与盖的竞赛状流路对应数量的流路。又，需要大规模改造自该嵌件通往被导入原料气体的反应炉内的通路(具有阶部的通路)。而且，与其对应地需要改造构成反应炉顶壁的部件、即上部圆顶，并且需要改造构成反应炉底座的部件、即底座环。此外，针对该底座环的改造，亦需要用于底座环升降的人工工时。就此种情况而言，若使用具有如专利文献1所示竞赛状流路的盖，则要付出大量的费用与劳力来制作及更换所需零件。又，运转的气相生长装置之中亦有不制造如用于尖端零件的高质量外延晶片的装置。因此，此种需要大量费用及劳力的盖无法轻易地适用于所有气相生长装置。
然而，专利文献2及3中公开了用于将原料气体引导至反应炉内的部件上使用加工相对容易的石英制部件。
[现有技术文献]
专利文献
专利文献1：日本特开2009-277730号公报
专利文献2：日本特开2007-12664号公报
专利文献3：日本特开2003-168650号公报
发明内容
所要解决的技术问题
然而，于专利文献2及3中，将原料气体供给至反应炉的原料气体的流路未形成为竞赛状，故而无法有效地改善供给至反应炉内的原料气体相互间的速度不均。
本发明的课题在于提供一种气相生长装置、外延晶片的制造方法及气相生长装置用附接件，其能够以良好的成本效益使生长于基板上的外延层的膜厚均匀性更加良好。
解决技术问题的方法及发明效果
依据本发明的气相生长装置，其特征在于，包括：
反应炉，其具有供导入原料气体的入口，通过原料气体而于基板上生长外延层；
多条流路，其自入口延伸至入口的外侧，将原料气体引导至反应炉；
注入盖，其具有朝向多条流路引导原料气体的导入路；及
石英制的附接件，其安装于注入盖，具有可连接于导入路的连接路，安装于注入盖；且
连接路在附接件被安装于注入盖的状态下连接于导入路，并且自导入路侧朝向原料气体的下游侧呈竞赛状与多条流路对应地分支，并连接于多条流路。
根据本发明的气相生长装置，通过利用附接件的连接路使流路自上游侧朝向下游侧呈竞赛状分支，可使在分支的各流路中流动的原料气体相互间的速度有效地均匀化。进而，使导入至基板的原料气体的速度均匀化，从而能够使生长于基板上的外延层的膜厚的均匀性良好。而且，由于安装于注入盖的附接件为石英制，故而与例如将竞赛状的流路形成于不锈钢制的注入盖自身的情况相比更能节省费用。因此，能够以优秀的成本效益使生长于基板上的外延层的膜厚均匀性更加良好。再者，在本说明书中，所谓「竞赛状」，意指例如自完全二分支构造的竞赛表(均等的淘汰竞赛表)的最上段朝向位于最下段最下点的各个地点分支而成的线整体形状。
依据本发明的实施形态，注入盖为不锈钢制。
由此，注入盖与附接件由不同的素材制作，可降低气相生长装置中部件的制作费用。
依据本发明的实施形态，多条流路合计为2的次方的条数。
由此，利用附接件的连接路使流路自上游侧朝向下游侧呈竞赛状分支，并形成合计为2之次方的多条流路，可以使流动于各流路中的原料气体相互间的速度有效地均匀化。进而，使导入至基板的原料气体相互间的速度均匀化，从而能够使生长于基板上的外延层的膜厚均匀性良好。
依据本发明的实施形态，多条流路为32条以上。
由此，能够使生长于基板上的外延层的膜厚均匀性更加良好。
依据本发明的实施形态，使用上述气相生长装置使外延层生长于基板。
由此，能够以优秀的成本效益制造膜厚均匀性良好的外延晶片。
又，依据本发明的气相生长装置用附接件，其特征在于，其安装于气相生长装置的注入盖，该气相生长装置具备：
反应炉，其具有供导入原料气体的入口，通过由原料气体而于基板上生长外延层；
多条流路，其自入口延伸至入口的外侧，将原料气体引导至反应炉；及
注入盖，其具有朝向多条流路引导原料气体的导入路；
上述附接件为石英制，且
包括连接路，上述连接路在附接件被安装于注入盖的状态下连接于导入路，并且自导入路侧朝向原料气体的下游侧呈竞赛状与多条流路对应地分支，并连接于多条流路。
依据本发明的气相生长装置用附接件，与上述同样地能够以优秀的成本效益使生长于基板上的外延层的膜厚均匀性良好。
附图说明
图1A为表示本发明一实施例的气相生长装置的一部分的示意剖面图。
图1B为表示通往图1A所示气相生长装置基板的气体所通过的部件平面图。
图2A为表示图1B所示注入盖的示意剖面图。
图2B为表示图1B所示附接件的示意剖面图。
图2C为将图2B所示附接件装配于图2A所示注入盖上的示意剖面图。
图3A为表示图1B所示注入嵌件的示意前视图。
图3B为沿图3A之IIIB-IIIB的示意剖面图。
图4为表示比较例中气相生长装置之一例与图1B对应的示意剖面图。
图5A为表示实施例中所测定的外延晶片膜厚分布的曲线图。
图5B为表示比较例中所测定的外延晶片膜厚分布的曲线图。
附图标记说明
1：气相生长装置 2：反应炉
3：底座环 6：上衬垫
7：下衬垫 8：导入通路(通路)
8a：入口 8b：出口
8c：阶部 8c1：第1面
8c2：第2面 10：基座
14：注入盖 14a：导入路
14b：安装部 15：附接件
15a：分支路 15b：装配部
16：注入嵌件 16a：流路
W：基板
具体实施方式
图1A表示本发明一实施例的单片式的气相生长装置1。通过气相生长装置1于基板W气相生长外延层，从而制造外延晶片。
气相生长装置1包括收容基板W的反应炉2。反应炉2形成为容器状。反应炉2包括：圆筒或圆环状的底座环3；上圆顶4，其自上侧将底座环3覆盖而构成反应炉2的顶壁；及下圆顶5，其自下侧将底座环3覆盖而构成反应炉2的底侧。又，如图1B所示，反应炉2包括提高反应炉2强度的支柱部P。支柱部P朝向反应炉2的外侧延伸。
返回至图1A，底座环3为构成反应炉2底座的部件。底座环3包括：导入口3a，其将气体导入至底座环3的内侧；及排出口3b，其将底座环3内侧的气体排出至底座环3的外部。导入口3a与排出口3b形成为以底座环3的中心线、例如沿铅垂方向延伸的轴线O为轴的圆弧曲面状的开口，可以说是弓形状的开口。再者，与导入口3a及下述导入通路8的基板W表面上的气体流动方向(图1A中纸面的左右方向)及轴线O的方向(图1A中纸面的上下方向)的两者成直角的方向(图1A中与纸面成直角的方向)上的宽度为基板W的直径以上、下述预热环12的外径以下。
上衬垫6及下衬垫7位于底座环3的内侧。上衬垫6及下衬垫7为形成将自导入口3a导入的气体引导至反应炉2内的导入通路8、以及将反应炉2内的气体引导至将该气体排出至反应炉2外的排出口3b的排出通路9的部件。
上衬垫6形成为可嵌入至底座环3内周的圆环状。上衬垫6以嵌入至底座环3内侧的状态位于上圆顶4侧。
下衬垫7形成为可嵌入至底座环3内侧的圆环状。下衬垫7以嵌入至底座环3内侧的状态载置于下圆顶5上。
由上衬垫6及下衬垫7形成的导入通路8包括入口8a，其通往反应炉2内；及出口8b，其位于入口8a的上方且较入口8a靠反应炉2侧并且到达至反应炉2内，所述导入通路8是将入口8a与出口8b连接的通路。又，导入通路8包括阶部8c，其位于将入口8a与出口8b连接的通路内。入口8a以与底座环3的导入口3a对应的方式形成为以轴线O为轴的圆弧曲面状开口。阶部8c包括：第1面8c1，其与入口8a对向；及第2面8c2，其自第1面8c1的上端延伸至出口8b。第1面8c1为以轴线O为轴的圆弧曲面状，第2面8c2成为水平面。由上衬垫6及下衬垫7形成的排出通路9与导入通路8相同，故而省略说明。
反应炉2的内部包括：基座10，其用于载置基板W；支承部11，其用于支承基座10；及预热环12，其包围基座10。支承部11可通过未图标的驱动手段绕着轴线O旋转。
图1A中反应炉2的外侧上下配置有作为加热源的灯13，反应炉2外侧的左右配置有将气体供给至反应炉2内部件、以及将反应炉2内的气体排出的部件。再者，在图1A中，省略了供给气体的部件与排出气体的部件的一部分。
图1B为对供给使外延层生长于基板W的各种气体的部件进行说明的示意图。图1B以俯视性示意图表示供朝向基板W的气体所通过的各部件。供给的气体依次按图1B的下侧中的注入盖14(以下，称为「盖14」)、附接件15、注入嵌件16(以下，称为「嵌件16」)、下衬垫7、预热环12、基座10的顺序通过各部件并到达至基板W。再者，在图1B中，基板W、基座10、预热环12及下衬垫7图示为半圆状。
盖14为将通过未图示的质量流量控制器而供给至基板W的气体导入部件，导入至盖14的气体自盖14被引导至附接件15。盖14为不锈钢制，且为市售的纯正品的注入盖。如图2A所示，盖14包括：导入路14a，其被导入通过质量流量控制器而供给的气体；及安装部14b，其供附接件15的一部分嵌入并安装。
图2B所示的附接件15为能够相对于盖14进行装卸的石英制部件，其包括：分支路15a，其用于分配自导入路14a(图2A)导入的气体；及装配部15b，其安装于盖14(图2A)。分支路15a被分为3个组，只有中央的组多分支1次形成竞赛状的流路F。分支流路B位于竞赛状的各流路F最下段的最下点。分支流路B为分支路15a整体的2的次方(32条)。如图2C所示，装配部15b为用于将附接件15安装于盖14上的部位，将装配部15b嵌入至安装部14b而将附接件15安装于盖14。在附接件15被安装于盖14的状态下，盖14的导入路14a连接于分支路15a的上游侧(位于竞赛状之最上段之流路)，从而气体可自盖14流通至附接件15。再者，装配于盖14的附接件15亦能够自盖14卸除。分支路15a相当于本发明的「连接路」。
图3A及图3B表示嵌件16的示意图。如图3B所示，嵌件16具有1组平板状的板P1、P2，该板P1、P2具有圆弧状的边S1及与边S1对向的对向边S2。各板P1、P2具备自对向边S2朝向边S1呈直线状贯通的多条流路16a。流路16a于各板P1、P2分别形成相同的数量。各板P1、P2相互隔开间隙而配置，如图1B所示，支柱部P以自反应炉2朝向1组板P1、P2的间隙延伸且夹持于一对流路16a之间的方式配置。于2个板P1、P2合计的多条流路16a仅形成与图2C所示的分支流路B对应的数量，且一端与对应的分支流路B连接并相通，另一方面，另一端如图1A所示与导入通路8的入口8a连接并相通。各流路16a从导入通路8的入口8a朝向入口8a的外侧(反应炉2之外侧)沿水平方向延伸。嵌件16的至少一部分被插入至导入口3a而安装于反应炉2。又，如图1B所示，多条流路16a沿着水平面分别并列配置。
经由上述的盖14、附接件15、嵌件16之后，经过下衬垫7、预热环12、基座10而将气体供给至基板W。例如，在气相生长时将气相生长气体供给至反应炉2内。作为气相生长气体，例如包括成为硅单晶膜原料的原料气体、将原料气体稀释的载气、及对单晶膜赋予导电型的掺杂剂气体。
以上，对气相生长装置1的主要部件进行了说明。通过由气相生长装置1于基板W上生长外延层而制造外延晶片时，首先，使基板W载置于反应炉2的基座10。然后，朝向反应炉2供给通过省略图示的质量流量控制器控制了流量的气相生长气体。于是，气相生长气体经由图2C所示的盖14的导入路14a被引导至附接件15中被分为3个组的竞赛状各流路F的最上段，自最上段朝向各分支流路B分配气相生长气体。最终，气相生长气体被分为32条气体流(分支流路B)，并被导入至图1B所示嵌件16中的32条各流路16a。然后，通过流路16a的气相生长气体自图1A所示导入通路8被供给至反应炉2内。通过以此方式供给的气相生长气体于基板W上气相生长硅单晶薄膜，从而制造硅外延晶片。
依据本发明的实施方式，图2C中供气相生长气体从气相生长气体的上游侧朝向下游侧流动的分支路15a呈竞赛状分支为32条分支流路B，并与图1B中嵌件16的多条流路16a相连。由此，可有效地将流动于多条流路16a中的气相生长气体之相互间的速度均匀化。进而，使导入至基板W的气相生长气体的速度均匀化，从而可使生长于基板W上的外延层的膜厚均匀性良好。另外，由于安装于盖14的附接件15为石英制，因此与在不锈钢制的盖14自身上形成如附接件15的竞赛状流路的情况相比，只需四分之一左右的费用。因此，能够以优秀的成本效益使生长于基板W上的外延层的膜厚均匀性更加良好。尤其是，如下述实施例中所示，若将本发明应用于针对直径200mm以上的基板W的气相生长则较佳。
实施例
为了确认本发明的效果，进行了如下实验。以下，列举实施例及比较例对本发明具体地进行说明，但其等并不限定本发明。
实施例
在实施例中，使用直径300mm、结晶面方位(100)的硅单晶基板，通过气相生长装置1而制作外延晶片，并测定所制作的外延晶片的膜厚分布。在测定膜厚分布时，将距所制作的晶片的边缘5mm的区域除外，沿着晶片的直径方向对33点的测定点的膜厚进行测定。然后，根据所测定的各膜厚算出以下所示的膜厚的均匀性(％)及膜厚的偏差(％)，从而获得外延晶片的膜厚分布。膜厚的均匀性(％)定义如下，即，基于测定所得膜厚的最大膜厚与最小膜厚，以最大膜厚减去最小膜厚所得之值除以将最大膜厚与最小膜厚相加所得之值，对通过上述除法所得之值乘以100而得。膜厚的偏差(％)定义如下。具体而言，从以所测定的1个测定点处的膜厚除以33点的测定点处的膜厚平均值所得之值减去1，算出对通过上述减法所得之值乘以100而得的值。然后，将算出的值进而减去100。
比较例
在比较例中，使用图4所示现有的气相生长装置101，除此以外，与实施例同样地制作外延晶片，并测定外延晶片的膜厚分布。其次，对气相生长装置101具体地进行说明。对于与气相生长装置1相同之构成，使用相同的附图标记并省略说明。气相生长装置101包括注入盖114(以下，称为「盖114」)、挡板BP、注入嵌件116(以下，称为「嵌件116」)及间隔板117来代替盖14、附接件15、及嵌件16。盖114包括在使气相生长气体导入至反应炉2时供气相生长气体通过的未图示的空间。挡板BA为夹持于盖114与嵌件116之间的板状部件，包括将盖114内的气相生长气体引导至嵌件116的多个贯通孔H。通过贯通孔H而调整朝向嵌件116的气相生长气体流。嵌件116形成为具有圆弧状的边S1及与边S1对向的对向边S2的2个平板P11、P12。嵌件116包括自对向边S2朝向边S1贯通的多条流路116a。于各平板P11、P12分别形成5条流路116a，平板P11、P12相互隔开间隙而配置。支柱部P以自反应炉2朝向平板P11、P12之间的间隙延伸且夹持于一对流路116a之间的方式配置。间隔板117为用于分隔自嵌件116朝向反应炉2的气体流的板状部件，配置有4个。在比较例中，除以上的构成以外，使用与气相生长装置1相同的气相生长装置101。
如实施例所述，使向基板W供给的气相生长气体呈竞赛状分支为32条而引导至基板W的情况下，如图5A所示，膜厚的均匀性及膜厚的偏差良好。具体而言，膜厚的均匀性为0.55。又，膜厚的偏差得以平滑化。与其相对，如比较例所述，使用不使向基板W供给之气相生长气体呈竞赛状分支而引导至基板W的现有气相生长装置101的情况下，如图5B所示，膜厚的均匀性及膜厚的偏差并未变得良好。具体而言，膜厚的均匀性为1.07，膜厚的偏差并未充分地平滑化。由此，在实施例中，可将膜厚分布的均匀性改善至比较例的一半左右。
以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不限定于其具体的记载，也可以在技术上不差生矛盾的范围内将所例示的构成进行适当的组合而实施，或者，也可以将某一要素、处理替换为公知的形态而实施。

Claims (6)

1.一种气相生长装置，其特征在于，包括：
反应炉，其具有供导入原料气体的入口，通过上述原料气体于基板上生长外延层；
多条流路，其自上述入口延伸至上述入口的外侧，将上述原料气体引导至上述反应炉；
注入盖，其具有朝向上述多条流路引导上述原料气体的导入路；及
石英制的附接件，其具有能够连接于上述导入路的连接路，安装于上述注入盖；
上述连接路在上述附接件被安装于上述注入盖的状态下连接于上述导入路，并且自上述导入路侧朝向上述原料气体的下游侧呈竞赛状与上述多条流路对应地分支，并连接于上述多条流路。
2.根据权利要求1所述的气相生长装置，其特征在于，
上述注入盖为不锈钢制。
3.根据权利要求1或2所述的气相生长装置，其特征在于，
上述多条流路合计为2的次方的条数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气相生长装置，其特征在于，
上述多条流路为32条以上。
5.一种外延晶片的制造方法，其特征在于，
该方法使用权利要求1至4中记载的气相生长装置使外延层生长于上述基板。
6.一种气相生长装置用附接件，其特征在于，
其安装于气相生长装置的注入盖，该气相生长装置包括：
反应炉，其具有供导入原料气体的入口，通过上述原料气体于基板上生长外延层；
多条流路，其自上述入口延伸至上述入口的外侧，将上述原料气体引导至上述反应炉；及
注入盖，其具有朝向上述多条流路引导上述原料气体的导入路，
上述附接件为石英制，且
上述附接件包括连接路，其在上述附接件被安装于上述注入盖的状态下连接于上述导入路，并且自上述导入路侧朝向上述原料气体的下游侧呈竞赛状与上述多条流路对应地分支，并连接于上述多条流路。
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