JP2004200603A - 気相成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents
気相成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】比較的単純な機構によりながら、流量分布の影響を効果的に減殺することができ、ひいては良好な膜厚分布を確保できる気相成長装置と、それを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法とを提供する。
【解決手段】本発明の気相成長装置１は、枚葉式気相成長装置として構成されている。原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器本体２内に導かれる。サセプタ１２の周囲には堤部材２３が配置されており、ガス導入口２１からの原料ガスＧは、堤部材２３の外周面２３ｂに当たって上面２３ａ側に乗り上げた後、サセプタ１２上に載置されたシリコン単結晶基板Ｗの主表面に沿って流れる仕組みである。ガス導入口２１と堤部材２３との間には、バッフル２６が配置される。バッフル２６には、複数の主流通孔２６ａと、それら主流通孔２６ａよりも開口面積が小さい１対の整流孔２６ｂが形成されている。
【選択図】 図４
【解決手段】本発明の気相成長装置１は、枚葉式気相成長装置として構成されている。原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器本体２内に導かれる。サセプタ１２の周囲には堤部材２３が配置されており、ガス導入口２１からの原料ガスＧは、堤部材２３の外周面２３ｂに当たって上面２３ａ側に乗り上げた後、サセプタ１２上に載置されたシリコン単結晶基板Ｗの主表面に沿って流れる仕組みである。ガス導入口２１と堤部材２３との間には、バッフル２６が配置される。バッフル２６には、複数の主流通孔２６ａと、それら主流通孔２６ａよりも開口面積が小さい１対の整流孔２６ｂが形成されている。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるための気相成長装置と、それを用いて実現されるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板（以下、単に「基板」と略称する）の主表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜（以下、単に「薄膜」と略称する）を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。そして、電子デバイスの微細化等に伴い、素子を作りこむエピタキシャルウェーハ主表面のフラットネスに対する要求がますます厳しくなりつつある。フラットネスに影響を及ぼす因子としては、基板の平坦度と薄膜の膜厚分布とがある。ところで、近年、たとえば直径が２００ｍｍないしそれ以上のエピタキシャル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、枚葉式気相成長装置が主流になりつつある。これは、反応容器内に１枚の基板を水平に回転保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを略水平かつ一方向に供給しながら薄膜を気相成長させるものである。
【０００３】
上記のような枚葉式気相成長装置において、形成される薄膜の膜厚均一化を図る上で重要な因子として、反応容器内における原料ガスの流量あるいは流量分布がある。枚葉式気相成長装置においては、通常、ガス供給管を介して反応容器の一端部に形成されたガス導入口から原料ガスが供給され、基板表面に沿って原料ガスが流れた後、容器他端側の排出口から排出される構造となっている。このような構造の気相成長装置において、流量ムラを減ずるために、ガス導入口の下流側に多数の孔を形成した分散板を設けたり、あるいはガス流を幅方向に仕切る仕切板を設けたりした装置が提案されている。
【０００４】
また、下記特許文献１には、ガス導入口からの原料ガスを、基板を支持するサセプタの周囲に配置された堤部材の外周面に向けて流し、堤部材を乗り越えさせる形で基板の表面に原料ガスを供給する装置の構成が開示されている。この方法の主旨は、原料ガス流を堤部材の外周面に当てることで原料ガスを分散させ、流量のムラを解消しようというものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１９３０１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている装置によれば、堤部材の外周面に当たった原料ガスは、堤部材を乗り越えようとする流れと、外周面に沿って横方向に向かおうとする流れとを生ずる形になる。この場合、その横方向の流れにより、堤部材の外周面ひいては上記の幅方向に沿って原料ガスが均等に分散することが、流量ムラを解消する上で重要である。しかしながら、堤部材の外周面形状によっては原料ガスが必ずしも幅方向に均等に分散せず、流れに偏りを生じてしまうことがある。特に、堤部材の外周面の形状が左右対称な円筒面状である場合、ガス流の流量分布も左右対称な分布となりやすい。したがって、基板の回転軸線に対して左右同じ位置に同じ傾向で流量ムラが生じやすくなり、回転する基板の半径方向の特定位置では、左右の流量ムラの影響が重なって、大きな膜厚異常につながりやすくなる。
【０００７】
本発明の課題は、比較的単純な機構によりながら、流量分布の影響を効果的に減殺することができ、ひいては良好な膜厚分布を確保できる気相成長装置と、それを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の気相成長装置は、
シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、
内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
ガス導入口と堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
ガス流通孔を、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい整流孔とを含んで構成したことを特徴とする。
【０００９】
上記気相成長装置において、バッフルのガス流通孔を通過した原料ガスは、ガス流通孔の位置を反映して比較的まっすぐ進み、堤部材に到達する。堤部材に到達した原料ガスは、堤部材の外周面にぶつかって分散する。本発明は、そのときに生じる原料ガスの粗密を解消するために、バッフルのガス流通孔を、主流通孔と、それよりも開口面積の小さい整流孔とで構成したところに特徴を有するものである。整流孔は、主流通孔よりも開口面積が小さく、流通する原料ガスの量も主流通孔より小さいので、原料ガスの流れを微修正するのに適している。つまり、この整流孔の形成位置を適宜調整することにより、主流通孔を通じて堤部材に到達した原料ガスの流れを、整流孔からの原料ガスの流れで整え、基板上に流れる原料ガスの流量分布の均一化を図ることができる。これにより、極めて均一な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜が得られる。
【００１０】
また、課題を解決するために本発明の気相成長装置は、
シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、
内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
ガス導入口と前記堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
反応容器本体の第一端部からサセプタの回転軸線と直交して第二端部に至る原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線としたとき、反応容器本体は、幅方向において原料ガスの流れを水平基準線に対し左右に分断する支柱を、堤部材よりも原料ガスの流れ方向の上流側かつバッフルよりも下流側に備え、
ガス流通孔は、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい、１対の整流孔とを含み、それら複数の主流通孔および１対の整流孔は、水平基準線と回転軸線とを含む面に関して対称となるように、幅方向に並んで形成され、
１対の整流孔は、複数の主流通孔のうち、支柱に最も近い主流通孔の外隣に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記気相成長装置において、バッフルのガス流通孔を通過した原料ガスは、ガス流通孔の位置を反映して比較的まっすぐ進んで堤部材に到達する。堤部材に到達した原料ガスは、堤部材の外周面にぶつかって分散する。本発明は、そのときに生じる原料ガスの粗密を解消するために、主流通孔よりも開口面積の小さい整流孔をバッフルに設けたものである。主流通孔および整流孔は、水平基準線と回転軸線とを含む面に関して対称に形成してあるので、基板の左右における流量分布も概ね対称となる。
【００１２】
整流孔は、主流通孔よりも開口面積が小さく、流通する原料ガスの量も主流通孔より小さいので、原料ガスの流れを微修正するのに適している。つまり、この整流孔の形成位置を適宜調整することにより、主流通孔を通じて堤部材に到達した原料ガスの流れを、整流孔からの原料ガスの流れで整える。特に、反応容器本体の強度維持のために設けられた支柱の近傍において、原料ガスはその支柱の影響を受け、流量分布の粗密を生じやすいと考えられる。そこで、本発明者らは、支柱から最も近い主流通孔の外隣に１対の整流孔を設けてみたところ、基板上に流れる原料ガスの流量分布の均一化を図ることができることを見出した。すなわち、このようなバッフルを備えた気相成長装置を用いることにより、均一な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜を得ることが可能となる。
【００１３】
なお、堤部材の上面は、サセプタの上面と一致する位置関係であるとしているが、これは堤部材の上面とサセプタの上面とが完全に一致することを必ずしも意味するのではなく、２ｍｍ程度までの位置の違いは一致しているとみなす。
【００１４】
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記の気相成長装置の反応容器内にシリコン単結晶基板を配置し、該反応容器内に原料ガスを流通させてシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づき説明する。
図１〜図４は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる、本発明の気相成長装置１の一例を模式的に示すものである。図１はその側面断面図、図２は図１の原料ガス導入部付近の拡大図、図３は図１の気相成長装置１の平面図、図４は、図１の気相成長装置１の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図である。この気相成長装置１は、図１に示すように、水平方向における第一端部３１側にガス導入口２１が形成され、同じく第二端部３２側にガス排出口３６が形成された反応容器本体２を有する。薄膜形成のための原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器本体２内に導入され、該反応容器本体２の内部空間５にて略水平に回転保持される基板Ｗの主表面に沿う方向に沿って流れた後、ガス排出口３６から排出管７を経て排出されるように構成されている。
【００１６】
図１に示すように、反応容器本体２の内部空間５には、垂直な回転軸線Ｏの周りにモータ１３により回転駆動される円盤状のサセプタ１２が配置され、その上面に形成された浅い座ぐり１２ｂ内に、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するための基板Ｗが１枚のみ配置される。すなわち、該気相成長装置１は枚葉式気相成長装置として構成されている。基板Ｗは、たとえば直径が１００ｍｍあるいはそれ以上のものである。また、基板Ｗの配置領域に対応して反応容器本体２の上下には、基板加熱のための赤外線加熱ランプ１１が所定間隔にて配置されている。
【００１７】
内部空間５内には、図３に示すようにサセプタ１２を取り囲むように堤部材２３が配置されている。図２に示すように、堤部材２３は、その上面２３ａがサセプタ１２の上面１２ａ（ひいては基板Ｗの主表面）と略一致する位置関係にて配置される。図１に示すように、ガス導入口２１は、堤部材２３の外周面２３ｂに対向する形にて開口しており、該ガス導入口２１からの原料ガスＧは、図２あるいは図４に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂに当たって上面２３ａ側に乗り上げた後、サセプタ１２上の基板Ｗの主表面に沿って流れるようになっている。本実施形態では、堤部材２３の外周面２３ｂは、サセプタ１２の形状に対応した円筒面状とされている。なお、堤部材２３の内周縁に沿って、板状に形成された均熱用の予熱リング２２が配置され、その内側に配置されるサセプタ１２の上面１２ａが、該予熱リング２２の上面２２ａ（図２参照）と略同一面となっている。また、内部空間５内には、堤部材２３と対をなすように、その堤部材２３とほぼ同径の上部内張り材４が配置されている。
【００１８】
図１に示すように、気相成長装置１においては、反応容器本体２の第一端部３１からサセプタ１２の回転軸線Ｏと直交して第二端部３２に至る原料ガスＧの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線ＨＳＬとする。そして、水平基準線ＨＳＬとサセプタ１２の回転軸線Ｏとの双方に直交する方向を幅方向ＷＬとする。これにより、水平基準線ＨＳＬと回転軸線Ｏとを含む面α（基準面α）が定まる。
【００１９】
次に、図３に示すように、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂと堤部材２３との間には、原料ガスＧの流通経路となるガス流通孔が形成されたバッフル２６が配置されている。図４に示すように、ガス流通孔は、複数の主流通孔２６ａと、それら主流通孔２６ａよりも開口面積が小さい整流孔２６ｂとを含んで構成されている。各孔を通り抜けようとする原料ガスＧの圧力が等しい場合、原料ガスＧの流通量は、整流孔２６ｂよりも開口面積が大きい主流通孔２６ａのほうが必ず大きくなる。原料ガスＧの流通量が主流通孔２６ａよりも小さい整流孔２６ｂは、原料ガスＧの流れを微修正するのに適している。つまり、主流通孔２６ａを通じて堤部材２３に到達した原料ガスＧの流れを、整流孔２６ｂからの原料ガスＧの流れで整えて、基板Ｗ上に流れる原料ガスＧの流量分布の均一化を図ることができる。
【００２０】
図４に示すように、バッフル２６は板状の形態を有する。本実施形態では、一枚の石英長板をバッフル２６として採用している。ただし、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂのそれぞれに個別に対応する複数部材でバッフルを構成することも可能である。また、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、バッフル２６を厚さ方向に貫通しており、それぞれ一定の径の円筒状である。主流通孔２６ａと整流孔２６ｂとの開口面積の比としては、たとえば整流孔２６ｂの開口面積を、主流通孔２６ａの開口面積の１／１６以上１／２以下とすることが望ましい。円の径に換算すると、整流孔２６ｂの径は、主流通孔２６ａの径の１／４以上（１／２）−１以下の範囲内で適宜調整する。主流通孔２６ａに比べて整流孔２６ｂが小さすぎると、原料ガスＧの流れを整える効果を十分に得られない場合がある。逆に、大きすぎると原料ガスＧの流れを整えるというよりも、むしろ流れを大きく変化させてしまい、流量分布の均一化を図ることが困難になる恐れがある。
【００２１】
図５に、いくつかのバッフルの正面図を示す。図５（ａ）は、図１から図４に示した気相成長装置１が備えるバッフル２６を示している。図５（ｂ）は、好適な別形態のバッフル２６１を示している。図５（ａ）に示すように、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、水平基準線ＨＳＬと回転軸線Ｏとを含む面αに関して対称となるように、幅方向ＷＬに並んで形成されている。このようにすると、幅方向ＷＬについてのみ整流孔２６ｂの形成位置を考慮すればよいうえ、１つの整流孔２６ｂの位置を決めると、水平基準線ＨＳＬを挟んで反対側の１つの整流孔２６ｂの位置も自ずと決まるので、施工時の微調整に費やされる時間の節約にもなる。なお、図５（ｃ）に示すのは、主流通孔２６ａのみが形成された従来のバッフル２６２である。
【００２２】
ところで、図３に示すように、反応容器本体２は、幅方向ＷＬにおいて原料ガスＧの流れを水平基準線ＨＳＬに対し左右に分断する支柱３３を、堤部材２３よりも原料ガスＧの流れ方向の上流側かつバッフル２６よりも下流側に備えている。支柱３３は、反応容器本体２の強度を保つうえで重要であるが、流量分布の均一化の観点からすると歓迎される存在ではない。支柱３３が影となって流量ムラの生成を招くからである。この場合、支柱３３に最も近い主流通孔２６ａよりも、幅方向ＷＬにおける外側に整流孔２６ｂを形成すれば（図５（ａ）（ｂ）参照）支柱３３に起因すると考えられる流量ムラを効果的に減殺できる。
【００２３】
なお、実際の製造現場においては、経年劣化等により、水平基準線ＨＳＬに向かって多くの原料ガスＧが集まる傾向を持った装置もある。このような装置に対しては、整流孔２６ｂを最内側に形成したほうが、流量分布を均一化する効果が高い場合もある。ただし、図５（ａ）（ｂ）の形態でも望ましい効果は期待できる。
【００２４】
また、図１、図３および図４に示すように、気相成長装置１は、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂからの原料ガスＧを堤部材２３に向けて導くガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを備えている。このようなガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂと堤部材２３との間に配置されているので、バッフル２６は、それらガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとガス導入口２１Ａ，２１Ｂとの間に配置されることになる。また、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、支柱３３を間に挟んで配置されており、その内部は、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにさらに仕切るガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌにより、それぞれ内側案内路２４Ｔと外側案内路２４Ｓとに分離されている。そして、整流孔２６ｂは、内側案内路２４Ｔに対応して設けられている。換言すれば、整流孔２６ｂは、内側案内路２４Ｔに開口したガス流通孔である。整流孔２６ｂを内側案内路２４Ｔに対応して設けた場合、外側案内路２４Ｓに対応して設けたときよりも原料ガスＧの流れを整える効果が高いため、このような配置とするほうが、流量分布の均一化を図るうえで有利となる。ただし、外側案内路２４Ｓに対応して設けることが無効ということではない。
【００２５】
また、支柱３３を基準に考えた場合、図５（ａ）に示すように、整流孔２６ｂは、支柱３３から最も近い位置にある主流通孔２６ａの外隣、つまり、支柱３３に最も近い主流通孔２６ａと、２番目に近い主流通孔２６ａとの間に設けることができる。この形態によると、最内側の主流通孔２６ａからの原料ガスＧの流れと、それより外側の主流通孔２６ａからの原料ガスＧの流れとを整えることにより、支柱３３の影響をなるべく小さくすることができる。なお、図５（ａ）の形態では、整流孔２６ｂを１対のみ設けているが、これ限定されるわけではなく、たとえば図５（ｂ）の別形態に示すように、基準面αに関して対称に、複数対の整流孔２６ｂを設けてもよい。
【００２６】
図３に示すように、右側のガス案内部材側仕切板３４Ｒと左側のガス案内部材側仕切板３４Ｌとのそれぞれに個別に対応してガス導入口２１Ａ，２１Ｂが形成されている。具体的には、原料ガスＧは、ガス配管５０を経て各ガス導入口２１Ａ，２１Ｂから反応容器本体２の内部空間５に導かれる。本実施形態では、ガス配管５０は、内側案内路２４Ｔにガスを供給する内側配管５３と、同じく外側案内路２４Ｓにガスを供給する外側配管５１とに分岐し、各々原料ガスＧの流量を、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５４，５２により独立に制御できるようにしている。ここで、ＭＦＣ５４，５２の替りに手動バルブを使用してもよい。また、内側配管５３および外側配管５１は、それぞれ分岐配管５６，５６および分岐配管５５，５５にさらに分れ、水平基準線ＨＳＬに対して両側にそれぞれ内側ガス導入口２１Ａ，２１Ａおよび外側ガス導入口２１Ｂ，２１Ｂを開口している。
【００２７】
また、図４に示すように、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、ガス導入口２１側と堤部材２３側とにそれぞれ開口する横長状断面を有する石英製の筒部材であり、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌは、互いに略平行に配置された上面板２４ａと下面板２４ｂとの上端面と下端面とが各々溶接される形もしくは点支持される形にて配置されている。ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌが一体化されたガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを、反応容器本体２に対して着脱可能に配置することで、たとえばガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌの位置を変更したい場合には、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの交換により簡単に対応することができる。
【００２８】
一方、図３に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂには、水平基準線ＨＳＬに対し左右対称に振り分けた形にて、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにおける複数個所にて仕切る堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌが配置されている。原料ガスＧ１，Ｇ２は、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げる際に幅方向ＷＬに逃げやすい。そこで、前述したガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌとともに、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌを設けることにより、原料ガスＧ１，Ｇ２の流れる方向を適度に整えることに成功している。本実施形態では、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、水平基準線ＨＳＬを挟んで左右に各々１個所ずつ配置されている。
【００２９】
図４に示すように、堤部材２３の上面２３ａの外周縁部を、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとの対向区間において凹状に切り欠くことにより弓形の切欠部２３ｋが形成されている。図１に示すように、反応容器本体２は、下部容器２ｂと上部容器２ａとからなり、上部内張り材４は上部容器２ａ、堤部材２３は下部容器２ｂの内周面に沿って配置されている。図２に示すように、切欠部２３ｋの底面２３ｃは、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの下面板２４ｂの内面の延長に略一致する形となっており、ガス案内面の役割を果たす。そして、原料ガスＧは切欠部２３ｋの側面２３ｂに当たって上面２３ａに乗り上げる。なお、上部内張り材４は、堤部材２３の上面２３ａに対向する第一面４ａと、切欠部２３ｋの側面２３ｂに対向する第二面４ｂと、同じく底面２３ｃに対向する第三面４ｃとを有する段部４ｄを有し、切欠部２３ｋとの間にクランク状の断面を有するガス通路５１を形成している。図４に示すように、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、ガス通路５１に対応したＬ字状（あるいは上面２３ａ側まで延びるクランク状形態としてもよい）に形成されている。この構造によると、原料ガスＧの流れが、Ｌ字型の狭いガス通路５１を通過することにより横方向につぶれやすくなり、流量分布の極端な偏りを生じにくくすることができる。
【００３０】
以下、上記気相成長装置１を用いたエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。図１から図４に示すように、反応容器２内のサセプタ１２上に基板Ｗを配置し、必要に応じ自然酸化膜除去等の前処理を行った後、基板Ｗを回転させながら赤外線加熱ランプ１１により所定の反応温度に加熱する。その状態で、反応容器２内に各ガス導入口２１Ａ，２１Ｂから原料ガスＧを所定の流速にて流通させて、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルウェーハを得る。
【００３１】
原料ガスＧは、上記の基板Ｗ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、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ４等のシリコン化合物の中から選択される。原料ガスＧには、ドーパンドガスとしてのＢ２Ｈ６あるいはＰＨ３や、希釈ガスとしてのＨ２、Ｎ２、Ａｒ等が適宜配合される。また、薄膜の気相成長処理に先立って基板前処理（たとえば自然酸化膜や付着有機物の除去処理）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希釈ガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器本体２内に供給するか、または、Ｈ２雰囲気中で高温熱処理を施す。
【００３２】
反応容器２内に原料ガスＧを流通させるときの作用について説明する。原料ガスＧは、バッフル２６を通り、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌの間を通る内側ガス流Ｇ１と、同じく外側を通る外側ガス流Ｇ２とに仕切られて、さらに堤部材２３の外周面２３ｂに向けて流れる。外周面２３ｂに当たったガス流Ｇ１およびＧ２は、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げて、基板Ｗの主表面に沿って流れ、排出側ガス案内部材２５を経て排出管７に集められ、排出される。
【００３３】
図６は、ガス流Ｇ１の流れ方を説明する概念図である。図６（ａ）は、従来のバッフル２６２（図５（ｃ）参照）を用いた場合を示している。主流通孔２６ａから堤部材２３の外周面２３ｂにぶつかった後のガス流Ｇ１は、様々な方向に進みながら堤部材２３の上面２３ａに乗り上げる。このとき、隣り合う主流通孔２６ａ，２６ａからのガス流Ｇ１同士は強く重なり合って、流量ムラの原因となりやすい。他方、図６（ｂ）に示すように、整流孔２６ｂを設けたバッフル２６を用いると、整流孔２６ｂからの少量のガス流Ｇ１が、隣り合う主流通孔２６ａ，２６ａからのガス流Ｇ１同士が強く重なり合うことを阻み、結果的に均一な流量分布が達成されると考えられる。
【００３４】
なお、本明細書中において、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、水平基準線に関して対称としているが、たとえば１〜２ｍｍ程度の位置のずれ、形状や寸法の微小な相違は、対称の概念に含まれるものとする。
【００３５】
【実験例】
（計算機による模擬実験）
図１から図４に示す気相成長装置１で、シリコン単結晶基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させる場合の、そのシリコン単結晶薄膜の成長速度分布を、計算機シミュレーションにより見積もった。また、これと比較するために、バッフル２６を、バッフル２６２（図５（ｃ）参照）に変更した従来の気相成長装置で、シリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させる場合の、シリコン単結晶薄膜の成長速度分布を併せて見積もった。設定条件等は、以下に記す通りである。
【００３６】
Fluent Ver 6.0（フルーエント・アジアパシフィック社より入手）
（寸法）
・反応容器直径＝３００ｍｍ
・反応容器高さ＝２０ｍｍ
・堤部材高さ（切欠き部２３ｋの底面２３ｃから堤部材２３の上面２３ａまでの高さ）＝１６ｍｍ
・シリコン単結晶基板直径＝２００ｍｍ
（成長温度）
・シリコン単結晶基板…１４００Ｋ
・反応容器上面…７００Ｋ
（原料ガス）
・トリクロロシラン…３ｍｏｌ％
・水素…７ｍｏｌ％
（原料ガス流量）
・内側案内路…３０リットル／分（標準状態）
・外側案内路…２０リットル／分（標準状態）
【００３７】
図７に示すのは、上記の計算機シミュレーションから得られた成長速度分布を示す等高線図であり、図７（ａ）が本発明の気相成長装置１の場合、図７（ｂ）が従来の気相成長装置の場合である。シリコン単結晶基板Ｗは、回転しないと仮定しているので、図中右側に進むほど、成長速度が遅い等高線を示している。従来の気相成長装置の場合、等高線が大きく波打っているのに対し、本発明の気相成長装置１の場合、等高線は小さい波打ちを繰り返す結果となった。
【００３８】
（実機を用いた実験）
ＣＺ法により作製した直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板Ｗを、図１から図４に示す気相成長装置１内に配置した。この気相成長装置１は、図５（ａ）に示したバッフル２６を装備したものである。そして、以下の手順でシリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させた。また、これと比較するために、バッフル２６を、従来のバッフル２６２（図５（ｃ）参照）に変更し、同様の手順でシリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させた。
【００３９】
まず、赤外線加熱ランプ１１（図１参照）に通電し、基板Ｗの温度が１１００℃になった後に、基板Ｗ表面の自然酸化膜を除去した。その後、基板Ｗの温度を１１００℃に保持したまま内側ガス導入口２１Ａおよび外側ガス導入口２１Ｂから原料ガスとしてトリクロロシランガスを含有する水素ガスを反応容器内に供給して、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させた。なお、内側ガス導入口２１Ａと外側ガス導入口２１Ｂとの原料ガスの合計供給流量は、標準状態における値で５０リットル／分に固定した。また、内側ガス導入口２１Ａと外側ガス導入口２１Ｂとの供給流量比は種々に変えてシリコン単結晶薄膜の成長を行い、膜厚分布が最適となるものを選択するようにした。なお、シリコン単結晶薄膜は厚さ６μｍを目標として、膜厚をモニターしながら成長させた。
【００４０】
次に、得られた薄膜付きの基板すなわちシリコンエピタキシャルウェーハの、直径方向の膜厚分布プロファイルをＦＴ−ＩＲ法により測定し、グラフにプロットした。図８（ａ）は、本発明の気相成長装置１で作製したシリコンエピタキシャルについての測定結果であり、図８（ｂ）は、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハについての測定結果である。
【００４１】
本発明にかかる気相成長装置１で作製したシリコンエピタキシャルウェーハは、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハよりも均一な膜厚分布を示した。また、シリコン単結晶薄膜の最大膜厚値をｔmax、同じく最小膜厚値をｔminとし、１００×（ｔmax−ｔmin）／（ｔmax＋ｔmin）で定義される値をシリコン単結晶薄膜の膜厚分布（±％）としたとき、図８（ａ）のプロファイルから±０．５（％）という値が導出された。これに対し、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハは、±１．５（％）であった。なお、本実験では直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板を使用したが、直径３００ｍｍのものについても同様の効果が得られることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の一例を示す側面断面図。
【図２】本発明の気相成長装置の要部を拡大した断面図。
【図３】本発明の気相成長装置の平面図。
【図４】本発明の気相成長装置の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図。
【図５】いくつかのバッフルの拡大正面図。
【図６】ガス流Ｇ１の流れ方を説明する概念図。
【図７】計算機シミュレーションから得られた成長速度分布を示す等高線図。
【図８】シリコン単結晶薄膜の膜厚分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 気相成長装置
２ 反応容器本体
５ 内部空間
１２ サセプタ
１２ａ サセプタの上面
２１ ガス導入口
２３ 堤部材
２３ａ 堤部材の上面
２４Ｒ，２４Ｌ ガス案内部材
２４Ｔ 内側案内路
２４Ｓ 外側案内路
２６，２６１ バッフル
２６ａ 主流通孔
２６ｂ 整流孔
３１ 第一端部
３２ 第二端部
３３ 支柱
３４Ｒ，３４Ｌ ガス案内部材側仕切板
３６ ガス排出口
Ｗ 基板
Ｇ 原料ガス
Ｏ 回転軸線
ＨＳＬ 水平基準線
ＷＬ 幅方向
α 基準面（水平基準線および回転軸線を含む面）
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるための気相成長装置と、それを用いて実現されるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板（以下、単に「基板」と略称する）の主表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜（以下、単に「薄膜」と略称する）を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。そして、電子デバイスの微細化等に伴い、素子を作りこむエピタキシャルウェーハ主表面のフラットネスに対する要求がますます厳しくなりつつある。フラットネスに影響を及ぼす因子としては、基板の平坦度と薄膜の膜厚分布とがある。ところで、近年、たとえば直径が２００ｍｍないしそれ以上のエピタキシャル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、枚葉式気相成長装置が主流になりつつある。これは、反応容器内に１枚の基板を水平に回転保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを略水平かつ一方向に供給しながら薄膜を気相成長させるものである。
【０００３】
上記のような枚葉式気相成長装置において、形成される薄膜の膜厚均一化を図る上で重要な因子として、反応容器内における原料ガスの流量あるいは流量分布がある。枚葉式気相成長装置においては、通常、ガス供給管を介して反応容器の一端部に形成されたガス導入口から原料ガスが供給され、基板表面に沿って原料ガスが流れた後、容器他端側の排出口から排出される構造となっている。このような構造の気相成長装置において、流量ムラを減ずるために、ガス導入口の下流側に多数の孔を形成した分散板を設けたり、あるいはガス流を幅方向に仕切る仕切板を設けたりした装置が提案されている。
【０００４】
また、下記特許文献１には、ガス導入口からの原料ガスを、基板を支持するサセプタの周囲に配置された堤部材の外周面に向けて流し、堤部材を乗り越えさせる形で基板の表面に原料ガスを供給する装置の構成が開示されている。この方法の主旨は、原料ガス流を堤部材の外周面に当てることで原料ガスを分散させ、流量のムラを解消しようというものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１９３０１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている装置によれば、堤部材の外周面に当たった原料ガスは、堤部材を乗り越えようとする流れと、外周面に沿って横方向に向かおうとする流れとを生ずる形になる。この場合、その横方向の流れにより、堤部材の外周面ひいては上記の幅方向に沿って原料ガスが均等に分散することが、流量ムラを解消する上で重要である。しかしながら、堤部材の外周面形状によっては原料ガスが必ずしも幅方向に均等に分散せず、流れに偏りを生じてしまうことがある。特に、堤部材の外周面の形状が左右対称な円筒面状である場合、ガス流の流量分布も左右対称な分布となりやすい。したがって、基板の回転軸線に対して左右同じ位置に同じ傾向で流量ムラが生じやすくなり、回転する基板の半径方向の特定位置では、左右の流量ムラの影響が重なって、大きな膜厚異常につながりやすくなる。
【０００７】
本発明の課題は、比較的単純な機構によりながら、流量分布の影響を効果的に減殺することができ、ひいては良好な膜厚分布を確保できる気相成長装置と、それを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の気相成長装置は、
シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、
内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
ガス導入口と堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
ガス流通孔を、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい整流孔とを含んで構成したことを特徴とする。
【０００９】
上記気相成長装置において、バッフルのガス流通孔を通過した原料ガスは、ガス流通孔の位置を反映して比較的まっすぐ進み、堤部材に到達する。堤部材に到達した原料ガスは、堤部材の外周面にぶつかって分散する。本発明は、そのときに生じる原料ガスの粗密を解消するために、バッフルのガス流通孔を、主流通孔と、それよりも開口面積の小さい整流孔とで構成したところに特徴を有するものである。整流孔は、主流通孔よりも開口面積が小さく、流通する原料ガスの量も主流通孔より小さいので、原料ガスの流れを微修正するのに適している。つまり、この整流孔の形成位置を適宜調整することにより、主流通孔を通じて堤部材に到達した原料ガスの流れを、整流孔からの原料ガスの流れで整え、基板上に流れる原料ガスの流量分布の均一化を図ることができる。これにより、極めて均一な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜が得られる。
【００１０】
また、課題を解決するために本発明の気相成長装置は、
シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、
内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
ガス導入口と前記堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
反応容器本体の第一端部からサセプタの回転軸線と直交して第二端部に至る原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線としたとき、反応容器本体は、幅方向において原料ガスの流れを水平基準線に対し左右に分断する支柱を、堤部材よりも原料ガスの流れ方向の上流側かつバッフルよりも下流側に備え、
ガス流通孔は、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい、１対の整流孔とを含み、それら複数の主流通孔および１対の整流孔は、水平基準線と回転軸線とを含む面に関して対称となるように、幅方向に並んで形成され、
１対の整流孔は、複数の主流通孔のうち、支柱に最も近い主流通孔の外隣に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記気相成長装置において、バッフルのガス流通孔を通過した原料ガスは、ガス流通孔の位置を反映して比較的まっすぐ進んで堤部材に到達する。堤部材に到達した原料ガスは、堤部材の外周面にぶつかって分散する。本発明は、そのときに生じる原料ガスの粗密を解消するために、主流通孔よりも開口面積の小さい整流孔をバッフルに設けたものである。主流通孔および整流孔は、水平基準線と回転軸線とを含む面に関して対称に形成してあるので、基板の左右における流量分布も概ね対称となる。
【００１２】
整流孔は、主流通孔よりも開口面積が小さく、流通する原料ガスの量も主流通孔より小さいので、原料ガスの流れを微修正するのに適している。つまり、この整流孔の形成位置を適宜調整することにより、主流通孔を通じて堤部材に到達した原料ガスの流れを、整流孔からの原料ガスの流れで整える。特に、反応容器本体の強度維持のために設けられた支柱の近傍において、原料ガスはその支柱の影響を受け、流量分布の粗密を生じやすいと考えられる。そこで、本発明者らは、支柱から最も近い主流通孔の外隣に１対の整流孔を設けてみたところ、基板上に流れる原料ガスの流量分布の均一化を図ることができることを見出した。すなわち、このようなバッフルを備えた気相成長装置を用いることにより、均一な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜を得ることが可能となる。
【００１３】
なお、堤部材の上面は、サセプタの上面と一致する位置関係であるとしているが、これは堤部材の上面とサセプタの上面とが完全に一致することを必ずしも意味するのではなく、２ｍｍ程度までの位置の違いは一致しているとみなす。
【００１４】
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記の気相成長装置の反応容器内にシリコン単結晶基板を配置し、該反応容器内に原料ガスを流通させてシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づき説明する。
図１〜図４は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる、本発明の気相成長装置１の一例を模式的に示すものである。図１はその側面断面図、図２は図１の原料ガス導入部付近の拡大図、図３は図１の気相成長装置１の平面図、図４は、図１の気相成長装置１の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図である。この気相成長装置１は、図１に示すように、水平方向における第一端部３１側にガス導入口２１が形成され、同じく第二端部３２側にガス排出口３６が形成された反応容器本体２を有する。薄膜形成のための原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器本体２内に導入され、該反応容器本体２の内部空間５にて略水平に回転保持される基板Ｗの主表面に沿う方向に沿って流れた後、ガス排出口３６から排出管７を経て排出されるように構成されている。
【００１６】
図１に示すように、反応容器本体２の内部空間５には、垂直な回転軸線Ｏの周りにモータ１３により回転駆動される円盤状のサセプタ１２が配置され、その上面に形成された浅い座ぐり１２ｂ内に、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するための基板Ｗが１枚のみ配置される。すなわち、該気相成長装置１は枚葉式気相成長装置として構成されている。基板Ｗは、たとえば直径が１００ｍｍあるいはそれ以上のものである。また、基板Ｗの配置領域に対応して反応容器本体２の上下には、基板加熱のための赤外線加熱ランプ１１が所定間隔にて配置されている。
【００１７】
内部空間５内には、図３に示すようにサセプタ１２を取り囲むように堤部材２３が配置されている。図２に示すように、堤部材２３は、その上面２３ａがサセプタ１２の上面１２ａ（ひいては基板Ｗの主表面）と略一致する位置関係にて配置される。図１に示すように、ガス導入口２１は、堤部材２３の外周面２３ｂに対向する形にて開口しており、該ガス導入口２１からの原料ガスＧは、図２あるいは図４に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂに当たって上面２３ａ側に乗り上げた後、サセプタ１２上の基板Ｗの主表面に沿って流れるようになっている。本実施形態では、堤部材２３の外周面２３ｂは、サセプタ１２の形状に対応した円筒面状とされている。なお、堤部材２３の内周縁に沿って、板状に形成された均熱用の予熱リング２２が配置され、その内側に配置されるサセプタ１２の上面１２ａが、該予熱リング２２の上面２２ａ（図２参照）と略同一面となっている。また、内部空間５内には、堤部材２３と対をなすように、その堤部材２３とほぼ同径の上部内張り材４が配置されている。
【００１８】
図１に示すように、気相成長装置１においては、反応容器本体２の第一端部３１からサセプタ１２の回転軸線Ｏと直交して第二端部３２に至る原料ガスＧの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線ＨＳＬとする。そして、水平基準線ＨＳＬとサセプタ１２の回転軸線Ｏとの双方に直交する方向を幅方向ＷＬとする。これにより、水平基準線ＨＳＬと回転軸線Ｏとを含む面α（基準面α）が定まる。
【００１９】
次に、図３に示すように、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂと堤部材２３との間には、原料ガスＧの流通経路となるガス流通孔が形成されたバッフル２６が配置されている。図４に示すように、ガス流通孔は、複数の主流通孔２６ａと、それら主流通孔２６ａよりも開口面積が小さい整流孔２６ｂとを含んで構成されている。各孔を通り抜けようとする原料ガスＧの圧力が等しい場合、原料ガスＧの流通量は、整流孔２６ｂよりも開口面積が大きい主流通孔２６ａのほうが必ず大きくなる。原料ガスＧの流通量が主流通孔２６ａよりも小さい整流孔２６ｂは、原料ガスＧの流れを微修正するのに適している。つまり、主流通孔２６ａを通じて堤部材２３に到達した原料ガスＧの流れを、整流孔２６ｂからの原料ガスＧの流れで整えて、基板Ｗ上に流れる原料ガスＧの流量分布の均一化を図ることができる。
【００２０】
図４に示すように、バッフル２６は板状の形態を有する。本実施形態では、一枚の石英長板をバッフル２６として採用している。ただし、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂのそれぞれに個別に対応する複数部材でバッフルを構成することも可能である。また、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、バッフル２６を厚さ方向に貫通しており、それぞれ一定の径の円筒状である。主流通孔２６ａと整流孔２６ｂとの開口面積の比としては、たとえば整流孔２６ｂの開口面積を、主流通孔２６ａの開口面積の１／１６以上１／２以下とすることが望ましい。円の径に換算すると、整流孔２６ｂの径は、主流通孔２６ａの径の１／４以上（１／２）−１以下の範囲内で適宜調整する。主流通孔２６ａに比べて整流孔２６ｂが小さすぎると、原料ガスＧの流れを整える効果を十分に得られない場合がある。逆に、大きすぎると原料ガスＧの流れを整えるというよりも、むしろ流れを大きく変化させてしまい、流量分布の均一化を図ることが困難になる恐れがある。
【００２１】
図５に、いくつかのバッフルの正面図を示す。図５（ａ）は、図１から図４に示した気相成長装置１が備えるバッフル２６を示している。図５（ｂ）は、好適な別形態のバッフル２６１を示している。図５（ａ）に示すように、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、水平基準線ＨＳＬと回転軸線Ｏとを含む面αに関して対称となるように、幅方向ＷＬに並んで形成されている。このようにすると、幅方向ＷＬについてのみ整流孔２６ｂの形成位置を考慮すればよいうえ、１つの整流孔２６ｂの位置を決めると、水平基準線ＨＳＬを挟んで反対側の１つの整流孔２６ｂの位置も自ずと決まるので、施工時の微調整に費やされる時間の節約にもなる。なお、図５（ｃ）に示すのは、主流通孔２６ａのみが形成された従来のバッフル２６２である。
【００２２】
ところで、図３に示すように、反応容器本体２は、幅方向ＷＬにおいて原料ガスＧの流れを水平基準線ＨＳＬに対し左右に分断する支柱３３を、堤部材２３よりも原料ガスＧの流れ方向の上流側かつバッフル２６よりも下流側に備えている。支柱３３は、反応容器本体２の強度を保つうえで重要であるが、流量分布の均一化の観点からすると歓迎される存在ではない。支柱３３が影となって流量ムラの生成を招くからである。この場合、支柱３３に最も近い主流通孔２６ａよりも、幅方向ＷＬにおける外側に整流孔２６ｂを形成すれば（図５（ａ）（ｂ）参照）支柱３３に起因すると考えられる流量ムラを効果的に減殺できる。
【００２３】
なお、実際の製造現場においては、経年劣化等により、水平基準線ＨＳＬに向かって多くの原料ガスＧが集まる傾向を持った装置もある。このような装置に対しては、整流孔２６ｂを最内側に形成したほうが、流量分布を均一化する効果が高い場合もある。ただし、図５（ａ）（ｂ）の形態でも望ましい効果は期待できる。
【００２４】
また、図１、図３および図４に示すように、気相成長装置１は、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂからの原料ガスＧを堤部材２３に向けて導くガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを備えている。このようなガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂと堤部材２３との間に配置されているので、バッフル２６は、それらガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとガス導入口２１Ａ，２１Ｂとの間に配置されることになる。また、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、支柱３３を間に挟んで配置されており、その内部は、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにさらに仕切るガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌにより、それぞれ内側案内路２４Ｔと外側案内路２４Ｓとに分離されている。そして、整流孔２６ｂは、内側案内路２４Ｔに対応して設けられている。換言すれば、整流孔２６ｂは、内側案内路２４Ｔに開口したガス流通孔である。整流孔２６ｂを内側案内路２４Ｔに対応して設けた場合、外側案内路２４Ｓに対応して設けたときよりも原料ガスＧの流れを整える効果が高いため、このような配置とするほうが、流量分布の均一化を図るうえで有利となる。ただし、外側案内路２４Ｓに対応して設けることが無効ということではない。
【００２５】
また、支柱３３を基準に考えた場合、図５（ａ）に示すように、整流孔２６ｂは、支柱３３から最も近い位置にある主流通孔２６ａの外隣、つまり、支柱３３に最も近い主流通孔２６ａと、２番目に近い主流通孔２６ａとの間に設けることができる。この形態によると、最内側の主流通孔２６ａからの原料ガスＧの流れと、それより外側の主流通孔２６ａからの原料ガスＧの流れとを整えることにより、支柱３３の影響をなるべく小さくすることができる。なお、図５（ａ）の形態では、整流孔２６ｂを１対のみ設けているが、これ限定されるわけではなく、たとえば図５（ｂ）の別形態に示すように、基準面αに関して対称に、複数対の整流孔２６ｂを設けてもよい。
【００２６】
図３に示すように、右側のガス案内部材側仕切板３４Ｒと左側のガス案内部材側仕切板３４Ｌとのそれぞれに個別に対応してガス導入口２１Ａ，２１Ｂが形成されている。具体的には、原料ガスＧは、ガス配管５０を経て各ガス導入口２１Ａ，２１Ｂから反応容器本体２の内部空間５に導かれる。本実施形態では、ガス配管５０は、内側案内路２４Ｔにガスを供給する内側配管５３と、同じく外側案内路２４Ｓにガスを供給する外側配管５１とに分岐し、各々原料ガスＧの流量を、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５４，５２により独立に制御できるようにしている。ここで、ＭＦＣ５４，５２の替りに手動バルブを使用してもよい。また、内側配管５３および外側配管５１は、それぞれ分岐配管５６，５６および分岐配管５５，５５にさらに分れ、水平基準線ＨＳＬに対して両側にそれぞれ内側ガス導入口２１Ａ，２１Ａおよび外側ガス導入口２１Ｂ，２１Ｂを開口している。
【００２７】
また、図４に示すように、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、ガス導入口２１側と堤部材２３側とにそれぞれ開口する横長状断面を有する石英製の筒部材であり、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌは、互いに略平行に配置された上面板２４ａと下面板２４ｂとの上端面と下端面とが各々溶接される形もしくは点支持される形にて配置されている。ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌが一体化されたガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを、反応容器本体２に対して着脱可能に配置することで、たとえばガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌの位置を変更したい場合には、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの交換により簡単に対応することができる。
【００２８】
一方、図３に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂには、水平基準線ＨＳＬに対し左右対称に振り分けた形にて、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにおける複数個所にて仕切る堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌが配置されている。原料ガスＧ１，Ｇ２は、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げる際に幅方向ＷＬに逃げやすい。そこで、前述したガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌとともに、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌを設けることにより、原料ガスＧ１，Ｇ２の流れる方向を適度に整えることに成功している。本実施形態では、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、水平基準線ＨＳＬを挟んで左右に各々１個所ずつ配置されている。
【００２９】
図４に示すように、堤部材２３の上面２３ａの外周縁部を、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとの対向区間において凹状に切り欠くことにより弓形の切欠部２３ｋが形成されている。図１に示すように、反応容器本体２は、下部容器２ｂと上部容器２ａとからなり、上部内張り材４は上部容器２ａ、堤部材２３は下部容器２ｂの内周面に沿って配置されている。図２に示すように、切欠部２３ｋの底面２３ｃは、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの下面板２４ｂの内面の延長に略一致する形となっており、ガス案内面の役割を果たす。そして、原料ガスＧは切欠部２３ｋの側面２３ｂに当たって上面２３ａに乗り上げる。なお、上部内張り材４は、堤部材２３の上面２３ａに対向する第一面４ａと、切欠部２３ｋの側面２３ｂに対向する第二面４ｂと、同じく底面２３ｃに対向する第三面４ｃとを有する段部４ｄを有し、切欠部２３ｋとの間にクランク状の断面を有するガス通路５１を形成している。図４に示すように、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、ガス通路５１に対応したＬ字状（あるいは上面２３ａ側まで延びるクランク状形態としてもよい）に形成されている。この構造によると、原料ガスＧの流れが、Ｌ字型の狭いガス通路５１を通過することにより横方向につぶれやすくなり、流量分布の極端な偏りを生じにくくすることができる。
【００３０】
以下、上記気相成長装置１を用いたエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。図１から図４に示すように、反応容器２内のサセプタ１２上に基板Ｗを配置し、必要に応じ自然酸化膜除去等の前処理を行った後、基板Ｗを回転させながら赤外線加熱ランプ１１により所定の反応温度に加熱する。その状態で、反応容器２内に各ガス導入口２１Ａ，２１Ｂから原料ガスＧを所定の流速にて流通させて、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルウェーハを得る。
【００３１】
原料ガスＧは、上記の基板Ｗ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、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ４等のシリコン化合物の中から選択される。原料ガスＧには、ドーパンドガスとしてのＢ２Ｈ６あるいはＰＨ３や、希釈ガスとしてのＨ２、Ｎ２、Ａｒ等が適宜配合される。また、薄膜の気相成長処理に先立って基板前処理（たとえば自然酸化膜や付着有機物の除去処理）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希釈ガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器本体２内に供給するか、または、Ｈ２雰囲気中で高温熱処理を施す。
【００３２】
反応容器２内に原料ガスＧを流通させるときの作用について説明する。原料ガスＧは、バッフル２６を通り、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌの間を通る内側ガス流Ｇ１と、同じく外側を通る外側ガス流Ｇ２とに仕切られて、さらに堤部材２３の外周面２３ｂに向けて流れる。外周面２３ｂに当たったガス流Ｇ１およびＧ２は、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げて、基板Ｗの主表面に沿って流れ、排出側ガス案内部材２５を経て排出管７に集められ、排出される。
【００３３】
図６は、ガス流Ｇ１の流れ方を説明する概念図である。図６（ａ）は、従来のバッフル２６２（図５（ｃ）参照）を用いた場合を示している。主流通孔２６ａから堤部材２３の外周面２３ｂにぶつかった後のガス流Ｇ１は、様々な方向に進みながら堤部材２３の上面２３ａに乗り上げる。このとき、隣り合う主流通孔２６ａ，２６ａからのガス流Ｇ１同士は強く重なり合って、流量ムラの原因となりやすい。他方、図６（ｂ）に示すように、整流孔２６ｂを設けたバッフル２６を用いると、整流孔２６ｂからの少量のガス流Ｇ１が、隣り合う主流通孔２６ａ，２６ａからのガス流Ｇ１同士が強く重なり合うことを阻み、結果的に均一な流量分布が達成されると考えられる。
【００３４】
なお、本明細書中において、主流通孔２６ａおよび整流孔２６ｂは、水平基準線に関して対称としているが、たとえば１〜２ｍｍ程度の位置のずれ、形状や寸法の微小な相違は、対称の概念に含まれるものとする。
【００３５】
【実験例】
（計算機による模擬実験）
図１から図４に示す気相成長装置１で、シリコン単結晶基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させる場合の、そのシリコン単結晶薄膜の成長速度分布を、計算機シミュレーションにより見積もった。また、これと比較するために、バッフル２６を、バッフル２６２（図５（ｃ）参照）に変更した従来の気相成長装置で、シリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させる場合の、シリコン単結晶薄膜の成長速度分布を併せて見積もった。設定条件等は、以下に記す通りである。
【００３６】
Fluent Ver 6.0（フルーエント・アジアパシフィック社より入手）
（寸法）
・反応容器直径＝３００ｍｍ
・反応容器高さ＝２０ｍｍ
・堤部材高さ（切欠き部２３ｋの底面２３ｃから堤部材２３の上面２３ａまでの高さ）＝１６ｍｍ
・シリコン単結晶基板直径＝２００ｍｍ
（成長温度）
・シリコン単結晶基板…１４００Ｋ
・反応容器上面…７００Ｋ
（原料ガス）
・トリクロロシラン…３ｍｏｌ％
・水素…７ｍｏｌ％
（原料ガス流量）
・内側案内路…３０リットル／分（標準状態）
・外側案内路…２０リットル／分（標準状態）
【００３７】
図７に示すのは、上記の計算機シミュレーションから得られた成長速度分布を示す等高線図であり、図７（ａ）が本発明の気相成長装置１の場合、図７（ｂ）が従来の気相成長装置の場合である。シリコン単結晶基板Ｗは、回転しないと仮定しているので、図中右側に進むほど、成長速度が遅い等高線を示している。従来の気相成長装置の場合、等高線が大きく波打っているのに対し、本発明の気相成長装置１の場合、等高線は小さい波打ちを繰り返す結果となった。
【００３８】
（実機を用いた実験）
ＣＺ法により作製した直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板Ｗを、図１から図４に示す気相成長装置１内に配置した。この気相成長装置１は、図５（ａ）に示したバッフル２６を装備したものである。そして、以下の手順でシリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させた。また、これと比較するために、バッフル２６を、従来のバッフル２６２（図５（ｃ）参照）に変更し、同様の手順でシリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させた。
【００３９】
まず、赤外線加熱ランプ１１（図１参照）に通電し、基板Ｗの温度が１１００℃になった後に、基板Ｗ表面の自然酸化膜を除去した。その後、基板Ｗの温度を１１００℃に保持したまま内側ガス導入口２１Ａおよび外側ガス導入口２１Ｂから原料ガスとしてトリクロロシランガスを含有する水素ガスを反応容器内に供給して、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させた。なお、内側ガス導入口２１Ａと外側ガス導入口２１Ｂとの原料ガスの合計供給流量は、標準状態における値で５０リットル／分に固定した。また、内側ガス導入口２１Ａと外側ガス導入口２１Ｂとの供給流量比は種々に変えてシリコン単結晶薄膜の成長を行い、膜厚分布が最適となるものを選択するようにした。なお、シリコン単結晶薄膜は厚さ６μｍを目標として、膜厚をモニターしながら成長させた。
【００４０】
次に、得られた薄膜付きの基板すなわちシリコンエピタキシャルウェーハの、直径方向の膜厚分布プロファイルをＦＴ−ＩＲ法により測定し、グラフにプロットした。図８（ａ）は、本発明の気相成長装置１で作製したシリコンエピタキシャルについての測定結果であり、図８（ｂ）は、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハについての測定結果である。
【００４１】
本発明にかかる気相成長装置１で作製したシリコンエピタキシャルウェーハは、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハよりも均一な膜厚分布を示した。また、シリコン単結晶薄膜の最大膜厚値をｔmax、同じく最小膜厚値をｔminとし、１００×（ｔmax−ｔmin）／（ｔmax＋ｔmin）で定義される値をシリコン単結晶薄膜の膜厚分布（±％）としたとき、図８（ａ）のプロファイルから±０．５（％）という値が導出された。これに対し、従来の気相成長装置で作製したシリコンエピタキシャルウェーハは、±１．５（％）であった。なお、本実験では直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板を使用したが、直径３００ｍｍのものについても同様の効果が得られることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の一例を示す側面断面図。
【図２】本発明の気相成長装置の要部を拡大した断面図。
【図３】本発明の気相成長装置の平面図。
【図４】本発明の気相成長装置の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図。
【図５】いくつかのバッフルの拡大正面図。
【図６】ガス流Ｇ１の流れ方を説明する概念図。
【図７】計算機シミュレーションから得られた成長速度分布を示す等高線図。
【図８】シリコン単結晶薄膜の膜厚分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 気相成長装置
２ 反応容器本体
５ 内部空間
１２ サセプタ
１２ａ サセプタの上面
２１ ガス導入口
２３ 堤部材
２３ａ 堤部材の上面
２４Ｒ，２４Ｌ ガス案内部材
２４Ｔ 内側案内路
２４Ｓ 外側案内路
２６，２６１ バッフル
２６ａ 主流通孔
２６ｂ 整流孔
３１ 第一端部
３２ 第二端部
３３ 支柱
３４Ｒ，３４Ｌ ガス案内部材側仕切板
３６ ガス排出口
Ｗ 基板
Ｇ 原料ガス
Ｏ 回転軸線
ＨＳＬ 水平基準線
ＷＬ 幅方向
α 基準面（水平基準線および回転軸線を含む面）
Claims (7)
- シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持される前記シリコン単結晶基板の前記主表面に沿って前記原料ガスが流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成され、
前記内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記シリコン単結晶基板が配置される一方、前記サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、前記ガス導入口は前記堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの前記原料ガスが、前記堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、前記サセプタ上の前記シリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
前記ガス導入口と前記堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
前記ガス流通孔を、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい整流孔とを含んで構成したことを特徴とする気相成長装置。 - 前記反応容器本体の前記第一端部から前記サセプタの回転軸線と直交して前記第二端部に至る前記原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線とし、該水平基準線と前記回転軸線との双方に直交する方向を幅方向としたとき、
前記主流通孔および前記整流孔は、前記水平基準線と前記回転軸線とを含む面に関して対称となるように、前記幅方向に並んで形成されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。 - 前記反応容器本体は、前記幅方向において前記原料ガスの流れを前記水平基準線に対し左右に分断する支柱を、前記堤部材よりも前記原料ガスの流れ方向の上流側かつ前記バッフルよりも下流側に備え、
前記整流孔は、前記支柱に最も近い前記主流通孔よりも、前記幅方向における外側に形成されていることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。 - 前記支柱を挟んで配置され、前記ガス導入口からの前記原料ガスを前記堤部材に向けて導くガス案内部材を備え、そのガス案内部材の内部は、前記原料ガスの流れを前記幅方向にさらに仕切るガス案内部材側仕切板により内側案内路と外側案内路とに分離されており、
前記整流孔は、前記内側案内路に対応して設けられていることを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。 - 前記支柱から最も近い位置にある前記主流通孔の外隣に、前記整流孔を設けたことを特徴とする請求項３または４記載の気相成長装置。
- シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持される前記シリコン単結晶基板の前記主表面に沿って前記原料ガスが流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成され、
前記内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記シリコン単結晶基板が配置される一方、前記サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
さらに、前記ガス導入口は前記堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの前記原料ガスが、前記堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、前記サセプタ上の前記シリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成され、
前記ガス導入口と前記堤部材との間に、ガス流通孔の形成されたバッフルが配置された気相成長装置において、
前記反応容器本体の前記第一端部から前記サセプタの回転軸線と直交して前記第二端部に至る前記原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線としたとき、前記反応容器本体は、前記幅方向において前記原料ガスの流れを前記水平基準線に対し左右に分断する支柱を、前記堤部材よりも前記原料ガスの流れ方向の上流側かつ前記バッフルよりも下流側に備え、
前記ガス流通孔は、複数の主流通孔と、その主流通孔よりも開口面積が小さい、１対の整流孔とを含み、それら複数の主流通孔および１対の整流孔は、前記水平基準線と前記回転軸線とを含む面に関して対称となるように、前記幅方向に並んで形成され、
前記１対の整流孔は、前記複数の主流通孔のうち、前記支柱に最も近い前記主流通孔の外隣に形成されていることを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気相成長装置の前記反応容器内に前記シリコン単結晶基板を配置し、該反応容器内に前記原料ガスを流通させて前記シリコン単結晶基板上に前記シリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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