JP2000355767A

JP2000355767A - シリコンｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2000355767A
Application number: JP11165450A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Masuzaki; 宏増崎; Yoshio Ishihara; 良夫石原; Isao Matsumoto; 功松本
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-26
Also published as: TW457590B

Abstract

(57)【要約】【課題】水分と原料ガスとの反応や水分に起因する原
料ガスの分解等による塩化水素等の生成を抑制し、高品
質な薄膜を経済的に効率よく製造することができるシリ
コンＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】原料ガスにトリクロロシラン、ジクロロ
シラン等のハロゲン化水素ケイ素ガスを使用し、クリー
ニングガスに塩化水素を使用するシリコンＣＶＤ装置に
おいて、反応炉に原料ガスを供給する経路とクリーニン
グガスを供給する経路とを反応炉入口部まで別系統で形
成する。あるいは、反応炉に供給する原料ガス及びクリ
ーニングガスが流れる共通の経路を水分が付着しない温
度以上、原料ガスの分解温度未満に加熱する加熱手段を
設ける。あるいは、反応炉に供給する原料ガス及びクリ
ーニングガスが流れる共通の経路に、該経路内に水分が
付着しない温度以上で、原料ガスの分解温度未満に加熱
した水素を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンＣＶＤ装
置に関し、詳しくは、トリクロロシラン、ジクロロシラ
ン等のハロゲン化水素ケイ素ガスを主原料として基板面
にシリコンのエピタキシャル膜や多結晶膜、あるいは、
アモルファス膜を形成するためのシリコンＣＶＤ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンＣＶＤ工程の一つであるエピタ
キシャル（単結晶成長）工程は、電界効果型ＭＯＳ（金
属−酸化膜−シリコン）トランジスタの基板作製やバイ
ポーラトランジスタのエミッタ層の形成に使用されてい
る。エピタキシャル工程は、通常、トリクロロシラン
（ＴＣＳ：ＳｉＨＣｌ_３）やジクロロシラン（ＤＣＳ：
ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のハロゲン化水素ケイ素ガスを原料
ガスとし、これを水素で希釈して反応炉（プロセスチャ
ンバ）内に導入するとともに、反応炉内に設置した基板
（ウェハ）を１１００℃程度に加熱することにより前記
原料ガスを熱分解させ、基板上にシリコンを堆積させる
ことによって行われている。このときのプロセス条件
は、通常、大気圧から１００Ｐａ程度の圧力範囲内で行
われている。

【０００３】図６は、シリコンＣＶＤ装置の一例を示す
系統図である。このシリコンＣＶＤ装置は、基板１を設
置する反応炉２と、原料ガスや洗浄用ガス（クリーニン
グガス）等を供給する原料ガス供給源３と、反応炉２内
を所定の雰囲気に保持する雰囲気ガスを供給する雰囲気
ガス供給源４と、パージガスを供給するパージガス供給
源５と、これらのガスの流量制御等を行うガス供給装置
６と、反応炉２からガスを排出するための排気ポンプ７
ａ，７ｂとを備えるもので、反応炉２には、ゲート弁８
を介してローディングチャンバが連設されるとともに、
基板１を載置するサセプタ９や基板１を所定温度に加熱
する加熱手段や、基板１に均一な薄膜を形成するために
基板１をサセプタ９を介して回転させる駆動手段が設け
られている。

【０００４】また、前記排気ポンプ７ａ，７ｂを含む排
気配管系１０には、排ガス中に含まれる未反応の原料ガ
スや高沸点中間生成物を分解あるいは反応転化する手段
である反応器１１と、排ガス中に含まれる有害成分の無
害化処理を行う手段である除害装置１２とが連設されて
いる。

【０００５】図７は、このようなシリコンＣＶＤ装置を
使用してシリコン単結晶を形成する工程の一例を示すも
のである。図７（Ａ）は、基板１を反応炉２内のサセプ
タ９上に載置し、反応炉２内に水素を供給しながら基板
１を所定温度に加熱する平坦化処理工程を示している。
この工程は、例えば、基板温度１２００℃、１気圧の水
素雰囲気下で３０秒間行われる。

【０００６】図７（Ｂ）は、基板１を所定温度に加熱し
た状態で反応炉２内に原料ガスを供給する薄膜形成工程
を示している。原料ガスとしては、例えば、ｐ型基板を
形成する場合は、毎分７リットルの水素中に毎分１５ｇ
の割合でトリクロロシランを含むガスと、毎分１４．６
リットルの水素中に毎分１５０ｃｃの割合でジボランを
含むガスとの混合ガス（エピタキシャル反応ガス）が用
いられる。なお、トリクロロシランに代えてジクロロシ
ランを用いることもでき、ジボランに代えてホスフィン
を使用することにより、ｎ型基板を形成することができ
る。この工程は、例えば、１１５０℃、６００Ｔｏｒｒ
で９０秒間行われる。このとき、基板１に所定の薄膜１
３が形成されるとともに、反応炉２の壁面には、Ｓｉ等
の反応生成物１４が付着する。

【０００７】図７（Ｃ）は、反応炉２内を所定温度に保
持した状態でクリーニングガスを供給し、前記薄膜形成
工程で反応炉２内に付着した反応生成物１４を除去する
クリーニング工程である。この工程は、薄膜形成工程終
了後、反応炉２内に窒素ガスを供給して冷却し、基板１
を搬出した後に行われるものであって、クリーニングガ
スとしては、例えば、窒素ガス又は水素ガス、若しくは
水素と窒素との混合ガスに、クリーニング効果を有する
塩化水素ガス（ＨＣｌ）を混合した混合ガスを用いるこ
とができ、このクリーニングガスを毎分７〜１５リット
ルで供給しながら、１１５０℃，１気圧で、６０秒間行
われる。これにより、例えばＳｉは、ＳｉＣｌ_４として
除去される。

【０００８】クリーニング工程終了後は、反応炉２内に
窒素ガスを供給して冷却し、次の基板１を搬入して図７
（Ａ）の平坦化処理工程が行われる。このように、平坦
化処理工程、薄膜形成工程及びクリーニング工程を、基
板１を交換しながら順次行うことにより、所定の薄膜を
形成した基板が連続的に製造される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにして基板
面にシリコンのエピタキシャル膜や多結晶膜等を形成す
る際、原料ガス経路を形成する配管の内面に水分が吸着
していると、例えばトリクロロシランは、次の反応式に
より水と反応してシロキサンと塩化水素とを生成する。２ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＳｉＨＣｌ_２−Ｏ−ＳｉＨＣ
ｌ_２＋２ＨＣｌ

【００１０】このようにして生成したシロキサンは、そ
のままの状態で基板上に到達したり、パーティクルとし
て薄膜中に取込まれたりすることがあり、また、塩化水
素は、金属腐食によるパーティクルを発生させる原因と
なる。しかし、従来は、配管内面に吸着した水分との反
応により生成するシロキサンや塩化水素は極微量なもの
であるから、薄膜への影響は余り大きくないと思われて
いた。

【００１１】ところが、本発明者の研究によると、あら
かじめ所定量の水分を吸着させた状態の配管に、トリク
ロロシランを含むガスを流通させると、配管出口からの
ガス中には、上記反応により生成する量以上の塩化水素
が生成していることが知見された。

【００１２】例えば、配管内に４．６×１０^１７分子の
水分が吸着している状態で０．４％のトリクロロシラン
を含む窒素ガスを流し、配管出口部における塩化水素量
を測定したところ、４．５×１０^１９分子という結果が
得られた。この塩化水素量は、水分量に対して二桁も多
く、前記反応式に示すトリクロロシランと水との反応で
は、１分子の水に対して２分子の塩化水素が生成するだ
けであるから、トリクロロシランと水との反応からは説
明ができない、極めて大量の塩化水素が生成しているこ
とになる。しかも、前記反応以上の塩化水素が生成して
いるということは、同時に大量の副生成物が生成してい
ることが考えられる。したがって、原料ガスを反応炉に
供給する経路の配管には、水分を吸着させないことが望
ましいことになる。

【００１３】一方、シリコンＣＶＤ装置において使用す
る各種ガス中の水分含有量を測定したところ、各種原料
ガスや水素、窒素に含まれる水分は極微量であるが、ク
リーニングガスとして用いられる塩化水素中には、数ｐ
ｐｍ〜十数ｐｐｍの水分が存在していることが確認され
た。

【００１４】本発明は、これらの知見に基づいて成され
たものであって、水分と原料ガスとの反応や水分に起因
する原料ガスの分解等による塩化水素等の生成を抑制
し、高品質な薄膜を経済的に効率よく製造することがで
きるシリコンＣＶＤ装置を提供することを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のシリコンＣＶＤ装置は、原料ガスとしてト
リクロロシラン、ジクロロシラン等のハロゲン化水素ケ
イ素ガスを使用するとともに、クリーニングガスとして
塩化水素を使用するシリコンＣＶＤ装置において、第１
の構成は、反応炉に原料ガスを供給する経路と、反応炉
にクリーニングガスを供給する経路とを、反応炉入口部
まで別系統で形成したことを特徴としている。

【００１６】また、本発明の第２の構成は、前記反応炉
に供給する原料ガス及びクリーニングガスが流れる共通
の経路を、該経路内に水分が付着しない温度以上で、か
つ、原料ガスの分解温度未満に加熱する加熱手段を設け
たことを特徴としている。

【００１７】さらに、本発明の第３の構成は、前記反応
炉に供給する原料ガス及びクリーニングガスが流れる共
通の経路に、該経路内に水分が付着しない温度以上で、
原料ガスの分解温度未満に加熱した水素を供給する経路
を設けたことを特徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明のシリコンＣＶＤ装
置の第１形態例を示す要部の系統図である。なお、以下
の説明において、前記図６に示したＣＶＤ装置の構成要
素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明
は省略する。

【００１９】本形態例は、反応炉２に原料ガスを供給す
る原料ガス供給経路２１と、反応炉２にクリーニングガ
スを供給するクリーニングガス供給経路２２とを、反応
炉入口部まで別系統で形成したものである。このよう
に、原料ガス供給経路２１とクリーニングガス供給経路
２２とを別系統で形成することにより、クリーニングガ
スとして用いられる塩化水素中の水分が経路２２内に吸
着しても、該経路２２にはトリクロロシラン、ジクロロ
シラン等のハロゲン化水素ケイ素ガスが流れることがな
いので、吸着した水分とトリクロロシラン等とが反応す
ることはなく、薄膜形成工程中に塩化水素等が生成する
ことを防止できる。

【００２０】さらに、図１に示すように、両経路２１，
２２に水素を供給する水素供給経路２３，２４をそれぞ
れ設けておき、薄膜形成工程中には経路２４からクリー
ニングガス供給経路２２に水素を流しておくことによっ
て原料ガスがクリーニングガス供給経路２２に流入する
ことを防止でき、クリーニング工程中には経路２３から
原料ガス供給経路２１に水素を流しておくことによって
クリーニングガスが原料ガス供給経路２１に流入するこ
とを防止できる。

【００２１】図２は、反応炉入口部における原料ガス供
給経路２１及びクリーニングガス供給経路２２の設置例
を示す断面図である。本形態例は、反応炉入口部３１に
内管３２ａ及び外管３２ｂからなる二重管３２を設け、
内管３２ａ内をクリーニングガス供給経路２２とし、内
管３２ａと外管３２ｂとの間を原料ガス供給経路２１と
したものである。内管３２ａは、先端を閉塞して先端部
外周に複数のガス噴出口３３を形成し、クリーニングガ
スを放射状に噴出させるようにしている。このように形
成することにより、クリーニングガスを反応炉２の内壁
面に向けて流すことができるので、壁面に付着したＳｉ
等の反応生成物を効果的に除去することができ、クリー
ニング工程の時間短縮を図ることも可能となり、スルー
プットを向上させることができる。

【００２２】なお、水素の供給によって原料ガスやクリ
ーニングガスが他の経路に流入することを防止できるの
は、前記形態例と同じである。また、内管３２ａの先端
を開口させてガスを軸方向に吐出させることもできる
が、上記形態例に比べて反応生成物の除去効果が劣るこ
とがある。また、内管３２ａ内を原料ガス供給経路２１
とすることもできるが、外周を流れるクリーニングガス
の塩化水素に含まれる水分が吸着する面積が増大するの
で、吸着水分量が増加し、原料ガスが水分に接触する可
能性が大きくなる。

【００２３】図３は、反応炉入口部における原料ガス供
給経路２１及びクリーニングガス供給経路２２の他の設
置例を示す断面図である。本形態例は、ガス供給管３５
の内部に、基板１に平行な方向の仕切板３６を設けるこ
とにより、ガス供給管３５内に、基板１に近い流路３７
と、基板１から遠い流路３８とを形成し、流路３７を原
料ガス供給経路２１とし、流路３８をクリーニングガス
供給経路２２としたものである。さらに、仕切板３６の
先端には、基板方向に向けて傾斜させたテーパー面３９
を設けている。

【００２４】このように、基板１に近い流路３７に原料
ガスを供給することにより、原料の利用効率を向上させ
ることが可能となり、成膜速度を向上させることがで
き、スループットの向上が図れる。さらに、薄膜形成工
程中に基板１から遠い流路３８に水素を供給することに
より、流路３８内に原料ガスが流入することを防止でき
るとともに、流路３７から反応炉２内に流入した原料ガ
スを、流路３８から反応炉２内に流入する水素によって
基板方向に押付けることができるので、原料利用効率を
更に向上させることができる。

【００２５】また、クリーニング工程において基板１か
ら遠い流路３８から反応炉２内に流入したクリーニング
ガスは、テーパー面３９によって基板側にガイドされる
ので、反応炉２の下部やサセプタ９に付着した反応生成
物も十分に除去することができる。さらに、流路３７に
水素を供給することにより、クリーニングガスが流路３
７内に流入することを防止でき、各流路３７，３８から
のガス流速を適当に設定することにより、クリーニング
ガスを乱流状態で反応炉２内に供給できるので、クリー
ニングガスを反応炉２内に満遍なく行渡らせることがで
きる。

【００２６】図４は、本発明のシリコンＣＶＤ装置の第
２形態例を示す要部の系統図である。本形態例は、原料
ガス及びクリーニングガスが流れる共通経路４１に加熱
手段４２を設けたものである。原料ガス及びクリーニン
グガスは、従来のＣＶＤ装置と同様に、原料ガス供給経
路４３及びクリーニングガス供給経路４４から流量や供
給タイミングを調節されてそれぞれ供給され、反応炉２
の入口部に設けられた共通経路４１を流れて反応炉２内
に供給される。

【００２７】前記加熱手段４２は、例えば、配管の外周
を覆った保温材の内周部に電熱線を埋込んだものであっ
て、電熱線に供給する電力を調節することにより、共通
経路４１を所定の温度に加熱できるように形成されてい
る。共通経路４１の加熱温度は、共通経路４１の配管内
面に水分が付着しない温度以上で、かつ、原料ガスの分
解温度未満に設定すればよいが、水分の吸着を確実に防
止するためには、２００℃以上にすることが好ましく、
原料の分解を確実に防止するためには、原料の種類にも
よるが、通常は原料の分解温度より１００℃程度低い温
度、例えば、原料がトリクロロシランの場合は３００℃
以下にすることが好ましい。

【００２８】このように形成することにより、共通経路
４１に塩化水素中の水分が吸着することを防止できるの
で、薄膜形成工程中に吸着水分と原料とが反応して塩化
水素等が生成することを防止できる。また、本形態例
は、従来からの通常のＣＶＤ装置においても、共通経路
４１部分に加熱手段４２を設けるだけで実施できるの
で、既存の装置にも簡単に適用することができる。な
お、加熱手段としては、他の発熱体、例えばランプ等を
使用することもでき、共通経路４１部分を加熱ジャケッ
トで覆うようにしてもよい。

【００２９】図５は、本発明のシリコンＣＶＤ装置の第
３形態例を示す要部の系統図である。本形態例は、原料
ガスやクリーニングガスが流れる経路に、所定温度に加
熱した水素を供給するようにしたものである。すなわ
ち、原料ガスを供給する原料ガス供給経路５１及びクリ
ーニングガスを供給するクリーニングガス供給経路５２
が接続されている共通経路５３に加熱手段５４を備えた
加熱水素供給経路５５を接続し、この加熱水素供給経路
５５から共通経路５３に加熱水素を供給するように形成
している。なお、加熱水素供給経路５５から共通経路５
３に至る配管の外周には、保温材５６を設けて温度低下
を防止することが好ましい。

【００３０】供給する水素の温度は、前記第２形態例と
同様に、共通経路５３の配管内面に水分が付着しない温
度以上で、かつ、原料ガスの分解温度未満に設定すれば
よく、例えば、原料がトリクロロシランの場合は、２０
０〜３００℃の範囲が好ましい。

【００３１】水素を加熱する加熱手段５４としては、第
２形態例と同様の電熱線を用いたり、加熱ジャケットを
用いたりすることができる。さらに、反応炉２から排出
される高温の排ガスと供給する水素とを熱交換させる熱
交換器を設け、排ガスが有する熱エネルギーを有効利用
して水素を加熱することもでき、これらを適宜に併用す
るようにしてもよい。

【００３２】加熱した水素の供給は、反応炉２内に基板
１を搬入した後、平坦化処理工程にかけての期間行わ
れ、この加熱水素の供給によって共通経路５３の配管内
面に吸着した水分を除去する。

【００３３】なお、第２，第３形態例においても、原料
ガス供給経路及びクリーニングガス供給経路に、第１形
態例における経路２３，２４と同様の水素供給経路を設
けておくことにより、原料ガスとクリーニングガスとの
混合を確実に防止することができる。

【００３４】また、各形態例では、基板面にガスを平行
に供給する、いわゆる横型ＣＶＤ装置を例に挙げて説明
したが、基板面に垂直方向からガスを吹付ける縦型や、
その他の各種形式のＣＶＤ装置にも、同様にして適用が
可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のシリコン
ＣＶＤ装置は、従来は影響が少ないと考えられていた吸
着水分が、トリクロロシラン、ジクロロシラン等のハロ
ゲン化水素ケイ素ガスを主原料としてシリコンのエピタ
キシャル膜や多結晶膜等を形成する場合には、水分とト
リクロロシラン等との直接的な反応だけでなく、吸着水
分に起因してトリクロロシラン等の分解反応も発生し、
製造する薄膜の品質に影響を与えるおそれのある塩化水
素や各種副生成物が発生するという、新たな知見に基づ
いて成されたものであって、クリーニングガスとして用
いられる塩化水素中に含まれる微量水分と、原料のトリ
クロロシラン等とが接触することを確実に防止し、これ
により、薄膜形成工程中にトリクロロシラン等が分解し
て薄膜の品質に影響を与える物質が生成することがなく
なるので、高品質な薄膜を経済的に効率よく製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコンＣＶＤ装置の第１形態例を示
す要部の系統図である。

【図２】反応炉入口部における原料ガス供給経路及びク
リーニングガス供給経路の設置例を示す断面図である。

【図３】反応炉入口部における原料ガス供給経路及びク
リーニングガス供給経路の他の設置例を示す断面図であ
る。

【図４】本発明のシリコンＣＶＤ装置の第２形態例を示
す要部の系統図である。

【図５】本発明のシリコンＣＶＤ装置の第３形態例を示
す要部の系統図である。

【図６】シリコンＣＶＤ装置の一例を示す系統図であ
る。

【図７】シリコンＣＶＤ装置を使用してシリコン単結晶
を形成する工程の一例を示す図である。

【符号の説明】

１…基板、２…反応炉、３…原料ガス供給源、４…雰囲
気ガス供給源、５…パージガス供給源、６…ガス供給装
置、７ａ，７ｂ…排気ポンプ、８…ゲート弁、９…サセ
プタ、１０…排気配管系、１１…反応器、１２…除害装
置、１３…薄膜、１４…反応生成物、２１…原料ガス供
給経路、２２…クリーニングガス供給経路、２３，２４
…水素供給経路、３１…反応炉入口部、３２…二重管、
３２ａ…内管、３２ｂ…外管、３３…ガス噴出口、３５
…ガス供給管、３６…仕切板、３７…基板１に近い流
路、３８…基板１から遠い流路、３９…テーパー面、４
１…共通経路、４２…加熱手段、４３…原料ガス供給経
路、４４…クリーニングガス供給経路、５１…原料ガス
供給経路、５２…クリーニングガス供給経路、５３…共
通経路、５４…加熱手段、５５…加熱水素供給経路、５
６…保温材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本功東京都港区西新橋１−16−７日本酸素株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 AA06 BA29 BB03 DA06 EA03 5F045 AA03 AB03 AB04 AC01 BB14 DP04 EB06 EE13 EF02 EF03 HA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスとしてトリクロロシラン、ジク
ロロシラン等のハロゲン化水素ケイ素ガスを使用すると
ともに、クリーニングガスとして塩化水素を使用するシ
リコンＣＶＤ装置において、反応炉に原料ガスを供給す
る経路と、反応炉にクリーニングガスを供給する経路と
を、反応炉入口部まで別系統で形成したことを特徴とす
るシリコンＣＶＤ装置。
【請求項２】原料ガスとしてトリクロロシラン、ジク
ロロシラン等のハロゲン化水素ケイ素ガスを使用すると
ともに、クリーニングガスとして塩化水素を使用するシ
リコンＣＶＤ装置において、反応炉に供給する原料ガス
及びクリーニングガスが流れる共通の経路を、該経路内
に水分が付着しない温度以上で、かつ、原料ガスの分解
温度未満に加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする
シリコンＣＶＤ装置。
【請求項３】原料ガスとしてトリクロロシラン、ジク
ロロシラン等のハロゲン化水素ケイ素ガスを使用すると
ともに、クリーニングガスとして塩化水素を使用するシ
リコンＣＶＤ装置において、反応炉に供給する原料ガス
及びクリーニングガスが流れる共通の経路に、該経路内
に水分が付着しない温度以上で、原料ガスの分解温度未
満に加熱した水素を供給する経路を設けたことを特徴と
するシリコンＣＶＤ装置。