JP2009272496A - 気相成長装置および薄膜の気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属汚染の危険を伴わず、かつ容易な手段で、均一な膜厚の薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置および薄膜の気相成長方法を提供する。
【解決手段】サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する複数の流路と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、前記複数の流路は、原料ガスを各流路毎に個別に前記反応室に供給するものであり、かつ各流路毎に個別に流量をコントロールする調整機構を備えたものであって、さらに、前記複数の流路の原料ガスの流量比を変更・制御するための制御機構とを備えたものであることを特徴とする気相成長装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置および薄膜の気相成長方法に関し、詳しくは、膜厚が均一な薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置および薄膜の気相成長方法に関するものである。

例えば、気相成長法によりエピタキシャル成長させた層の膜厚の均一性は気相成長装置の最も重要な性能のひとつである。そこで多くの気相成長装置では、ウエーハを載置するサセプタと呼ばれる台を回転させたり、反応室に導入する原料ガスを複数の流路に分割し流量を調節できるように工夫している。

図６は標準的な枚葉式の気相成長装置の垂直断面を示したものである。
原料ガスは図６の左から反応室３５内に導入され、右側から排出される。この間、原料ガスはサセプタ３４やウエーハＷなどの高温部材に接触して分解し、高温部材の表面に反応生成物を残して次第に濃度が低下してゆく。
従って、図７に示したように高濃度の原料ガスが接触する上流側では成長速度が速く、下流側では成長速度が遅くなってしまう。
この問題を解決するために、ウエーハを回転させ、図８に示したように、ウエーハの上流側と下流側を入れ替えることによってこの問題を解消しようとする技術がある。

しかしながら、上流側から下流側までの成長速度の減少の仕方は、通常、図７に示したように、直線的ではないので、ウエーハの回転だけでは成長速度を均一にすることはできず、図８に示したように通常中央付近の膜厚が薄くなる。

図９は、標準的な枚葉式気相成長装置を上から見た様子を示したものである。
原料ガスは反応室３５に入る手前で複数の流路に分けられ、それぞれの流路に設けられたバルブで流量を調整されたのち反応室に入る。その結果、反応室内の原料ガスの流速に分布が生じ、流速の早い部分では反応物質が多量に供給されるので成長速度が速くなる。
前述のように、ウエーハＷの回転だけではウエーハＷの中央付近の成長速度が遅くなる場合が多いので、普通これを打ち消すように、中央付近の流速が早くなるようにバルブが調整される。

しかしながら、これらの方法だけでは膜厚分布の均一化は十分ではない。その主な原因は流路の分割によって作り出される流速分布の不連続性である。図８のようにウエーハの回転で生じる滑らかに変化する中央付近の成長速度の不足を補うには、滑らかに変化する流速分布が必要だが、流路の分割という方法では階段状の流速分布しか得られないため、結局、図１０のような周期の短い膜厚の不均一な分布が残ってしまう。

また、装置によっては原料ガスの流れを制御するために反応室上流に仕切りを設けることも多い。この仕切りは原料ガスの流れを制御し、全体的な膜厚分布を改善するために用いられるが、この仕切り自身がその後方に流速の遅い部分を生じさせるため、新たに短い周期の膜厚の不均一な分布が生じる原因となっていた。

この様な短い周期の膜厚不均一分布の改善には、特許文献１の様に、気相成長中に原料ガスの進路を変更することが効果的である。
この気相成長中に原料ガスの進路を変更する方法としての特許文献１に記載のような気相成長中にシリコン基板の回転数を気相成長中で変更する方法だが、あまり回転速度を上げるとシリコン基板が動いてしまうし、あまり遅くするとエピタキシャル層の厚さ方向の抵抗に波状の分布が生じる問題があり、原料ガスの進路を変更できる範囲が狭かった。
特許文献１では他の方法として、原料ガスの導入口の向きをギア等を用いて変更する方法についても記載しているが、機械的な可動部分があると摩擦により金属汚染の原因となりやすく、実現は容易でなかった。

特許３７３１５５０号公報

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、金属汚染の危険を伴わず、かつ容易な手段で、均一な膜厚の薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置および薄膜の気相成長方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する複数の流路と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、前記複数の流路は、原料ガスを各流路毎に個別に前記反応室に供給するものであり、かつ各流路毎に個別に流量をコントロールする調整機構を備えたものであって、さらに、前記複数の流路の原料ガスの流量比を気相成長中に変更・制御するための制御機構とを備えたものであることを特徴とする気相成長装置を提供する（請求項１）。

このように、本発明の気相成長装置は、原料ガスを複数の流路によって反応室に供給するにあたって、各々の流路に流量を調整する調整機構を設け、かつ複数の流路の原料ガスの流量比を気相成長中に変更・制御するための制御機構を設けたものである。
このように配置された調整機構および制御機構を用いることによって、ウエーハ上に薄膜を気相成長させる際に、反応室に供給する原料ガスの流量・流量比を変化させることができ、これによってウエーハ上に供給する原料ガスの進路を自由に制御することができる。このため、ウエーハ面内に均一に原料ガスを供給することができ、よって均一な膜厚の、特にウエーハ中央部の膜厚が均一な薄膜を得ることができる。
また、導入口の向きを変更する等の機械的な可動部分を有していないため、金属汚染が発生することが抑制されたものとなっている。
そして、ウエーハの回転数のように変更範囲の制限がほぼないものであるため、容易な手段によって流量比を大きく変化させることができ、これによって原料ガスの進路を自由に制御することができ、よってウエーハ上の薄膜の膜厚を面内で自由にコントロールすることができ、従って、膜厚が均一な薄膜を得ることができる気相成長装置となっている。

ここで、前記調整機構は、マスフローコントローラであることが好ましい（請求項２）。
このように、マスフローコントローラを調整機構として備えたものであれば、原料ガスの流量を広範囲にわたって高精度に制御する事ができるため、反応室に供給する原料ガスの進路をより自由に制御することができ、よってより均一な膜厚の薄膜を得ることができる。

また、本発明は、反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる方法であって、少なくとも、原料ガスを複数の流路から個別に反応室に供給し、該流路の流量を調整機構によって個別にコントロールし、かつ前記複数の流路の流量比を制御機構によって変更・制御しながら気相成長を行うことを特徴とする薄膜の気相成長方法を提供する（請求項３）。

このように、気相成長中に原料ガスを複数の流路から供給する際に、各々の流路の流量を調整機構で個別にコントロールし、かつ流量比を制御機構によって変更・制御しながらウエーハ上に薄膜を気相成長させる。
よって、気相成長中に反応室に供給する原料ガスの流量・流量比を変化させることができ、ウエーハ上に供給する原料ガスの進路を所望のように自由に制御することができる。このため、ウエーハ面内に均一に原料ガスを供給したり、供給速度の速い部分を遅くしたり、その逆にしたりすることができ、これによって均一な膜厚の薄膜を得ることができる。特にウエーハ中央部の膜厚を均一にすることができる。
また、導入口の向きを機械的に変えなくとも原料ガスの進路を制御することができるため、原料ガスの金属汚染を低減させることができる。
さらに、原料の流量と流量比を制御するものであるため、ウエーハの回転数のように変更範囲が制限されておらず、そのため容易に流量と流量比を制御することができる。よって原料ガスの進路を自由に制御することができ、ウエーハ上の薄膜の膜厚を面内で自由にコントロールすることができる。従って、膜厚が均一な薄膜を得ることができる。

ここで、前記調整機構として、マスフローコントローラを用いることが好ましい（請求項４）。
このように、調整機構がマスフローコントローラであれば、高精度で原料ガスの流量を制御することができ、また、広範囲の流量に対応することができる。従って、原料ガスの進路をより自由に制御する事ができる。

本発明の気相成長装置および薄膜の気相成長方法によれば、ウエーハに向かう原料ガスの進路を気相成長中にウエーハ面内に対して自由に制御する事ができ、成長速度の速い部分を遅くさせたり、遅い部分を速くさせることができるため、面内膜厚が従来に比べて均一な薄膜を成長させることができ、特にウエーハ中央部の膜厚を均一にすることができる。また、機械駆動等で進路を変更させるものではないため、金属不純物による汚染の可能性を低減させることができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、金属汚染の危険を伴わず、かつ容易な手段で、均一な膜厚の薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置および薄膜の気相成長方法の開発が待たれていた。

そこで、本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、反応室に供給される原料ガスを複数の流路によって個別に流量を調整しながら供給し、また複数の流路の流量比を制御手段によって制御することによって、気相成長中に原料ガスの進路を自由に制御することができることを発想し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。

本発明の気相成長装置１０は、少なくとも、気相成長を行う反応室１５と、反応室１５に原料ガスを導入する複数の流路１３と、反応室１５からガスを排気する排出口１６と、ウエーハＷを載置するサセプタ１４と、ウエーハＷを加熱する加熱手段１７とを備えたものである。
そして、複数の流路１３は、原料ガスを各流路毎に個別に反応室１５に供給するものであり、かつ各流路１３毎に個別に原料ガスの流量をコントロールする調整機構１１を備えており、さらに、複数の流路１３の原料ガスの流量比を変更・制御するための制御機構１２とを備えている。

原料ガスの流量を気相成長中に変化させる調整機構１１の具体例としては、流路に設けたバルブの開度をモーターを使って変更しても良いし、マスフローコントローラを用いて電気信号で変化させても良い。
いずれの場合でも、原料ガスの導入口の向きを機械的に動かす場合に比べて原料ガスが金属で汚染される可能性は極めて低いものとすることができる。
特に、調整機構としてマスフローコントローラを備えることで、原料ガスの流量を広範囲にわたって高精度に制御する事ができる。このため、各流路の流量比を変更することで、反応室に供給する原料ガスの進路をより自由に制御することができ、薄膜の厚さをより自由に制御・変更することができる。

次に、以上のような本発明の気相成長装置を用いてウエーハ上に薄膜を形成させる本発明の薄膜の気相成長法について図２を参照しながら説明する。図２は本発明の気相成長装置の好ましい実施形態の一例を示した図である。

原料ガスは、反応室２５の上流で３つの流路２３に分割され、その状態で反応室２５に導かれる。３つの流路２３のうち、１つの流路には背圧弁２８と調整機構としてマスフローメータ２１ｂが取り付けられ、他の２つの流路には調整機構としてマスフローコントローラ２１ａが取り付けられている。

マスフローメータと２台のマスフローコントローラの流量測定結果は制御機構であるシーケンサ２２に集められ、３つの流路２３を流れる原料ガスの全流量が計算される。
シーケンサ２２には流量比をどの様に変化させるかの情報が記憶させてあり、シーケンサ２２はその流量比の情報と全流量の情報をもとに２台のマスフローコントローラ２１ａに流すべき流量を指示する。背圧弁２８とマスフローメータ２１ｂが取り付けられた流路には、全流量から２台のマスフローコントローラ２１ａを流れる流量を差し引いた量のガスが流れる。ここで背圧弁２８は２台のマスフローコントローラ２１ａの差圧を維持する働きがある。

そして、サセプタ２４上にウエーハＷを載置し、反応室２５を真空排気した後に加熱手段２７によってウエーハＷを加熱し、原料ガスを反応室に供給してウエーハＷ上に薄膜を成長させる。気相成長中に原料ガスを供給する際には、２台のマスフローコントローラ２１ａやマスフローメータ２１ｂ、シーケンサ２２によって、３つの流路の流量を個別でコントロールし、かつ流量比を変更・制御しながら行う。これによって、ウエーハＷ上に薄膜を気相成長によって作製する。

上述の様な製造法によれば、気相成長中に３つの流路の流量比を自由に変更することが出来るが、このとき、原料ガスの進路を変更するためには中央の流路の流量は一定のまま、左右の流路の流量を増減させるのが望ましい。ガスの進路は、流量を多くした流路側から流量の少ない流路側へと流れ込むように進路が変わることになる。
この、流量の増減させ方には様々な方法が考えられる。
例えば図３（ａ）のように左右の流路の流量を直線的に増減させても良いし、図３（ｂ）のように正弦波のごとく増減させても良い。あるいは図３（ｃ）のように不連続に切り換えても良い。
流量の増減させ方の選択、増減させる割合、中央の流路に流れる原料ガスの流量比などの指定は、シーケンサに接続したタッチパネルから行うことができる。

ここで、上に示した実施形態は説明のための一例であり、もちろんこれに制限されるものではない。例えば複数の流路は４つの流路とすることができるし、それ以上とすることもできる。もちろん２つの流路とすることもできる。複数の流路の数は、ウエーハや反応室のサイズや構造によって適宜所望の数とすることができる。また流量比の変化パターンも任意である。

また、調整機構として、マスフローコントローラの変わりに手動バルブにステッピングモータなどを接続して流量比を制御しても良いし、制御機構としてパソコンなどを用いることもできる。更に、すべての流路にマスフローコントローラを用いてもよい。

更に、流量の増減のさせ方も、左の平均流量と右の平均流量が異なるように制御しても良く、ウエーハ上に成長させる薄膜の形状にあわせて適宜変更することができる。得られる薄膜の所望の厚さの均一性に従い、条件を選択すれば良い。

このように、本発明の気相成長装置や薄膜の気相成長方法は、ウエーハに供給される原料ガスを複数の流路に分け、各流路に流量を調整する調整機構を設け、薄膜の成長中に各流路の流量比を刻々と変化させ、ウエーハ上を流れる原料ガスの進路方向を刻々と変化させることができるものである。
このように、反応室に原料ガスを複数の流路から導入し、複数の流路から導入される原料ガスの流量比を、薄膜の気相成長中に変化させることで、気相成長中の原料ガスの進路を変更することができる。これによって、ある進路で生じる短い周期の膜厚分布と別の進路で生じる短い周期の膜厚分布とを干渉させることができ、従って、均一な膜厚分布を得ることができ、とくに薄膜の中心部の膜厚を均一にすることができる。
また、ウエーハの回転数のような変更範囲の制限が無いので、流量比を大きく変化させることで原料ガスの進路を大きく変化させることが出来、薄膜の膜厚分布を自由にコントロールすることができる。
さらに、流路変更のためのギア等の機械的な可動部分を有していないものであるため、原料ガスが金属不純物で汚染される可能性が極めて低く、薄膜の金属不純物濃度を低減させることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図２に示したような本発明の気相成長装置を用いて、エピタキシャルウエーハの作製を行った。
エピタキシャルウエーハの作製条件としては、基板として、直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハを準備した。そして準備したシリコン単結晶ウエーハを気相成長装置のサセプタ上に載置し、反応室を真空排気した後にウエーハを加熱した。その後、原料ガスとして、水素ガスで希釈したＳｉＨＣｌ_３ガスを３つの流路を通して反応室内に導入し、マスフローコントローラとシーケンサを用いて左右の流路の流量比を変更・制御しながら、シリコン単結晶ウエーハ上に膜厚７．２μｍのエピ層を形成し、エピタキシャルウエーハを作製した。
そして、作製したエピタキシャルウエーハについて、後に示すような評価を行った。

（比較例）
実施例の気相成長装置からマスフローコントローラ・マスフローメータ、シーケンサを外した以外は実施例と同様の装置でエピタキシャルウエーハの作製を行った。

実施例の気相成長装置を用いて、ウエーハの回転を停止した場合、左右の流路の原料ガスの流量を異なるようにした場合に、薄膜の膜厚分布がどのように変化するかを評価するために、ウエーハを回転させない状態で、エピタキシャルウエーハを作製し、成長速度分布を調べた。その結果を等高線図に表したものを図４に示す。
図４において、各々の図の左側が上流側、右側が下流側にあたる。図４（ａ）は分割した左の流路の流量を右の流路の流量に比べて多くした場合、図４（ｂ）は分割した右の流路の流量を左の流路の流量に比べて多くした場合である。

図４に示すように、左右の流路の流量を変更することで全体の原料ガスの進路を変更することが可能なことがわかった。ここで、図４中の矢印は原料ガスの進路を、数字は膜厚（単位ｎｍ）を示す。

実施例・比較例の気相成長装置を用いてエピタキシャルウエーハを作製し、各々のエピタキシャルウエーハのエピ層の面内膜厚均一性を評価した。その結果を図５に示す。
図５（ａ）はウエーハを回転させ、また左右の流路の流量を気相成長のあいだ交互に増減させて原料ガスの進路を変更させたときの膜厚分布である。これに対し、図５（ｂ）はウエーハを回転させ、左右の流量を等しくして、制御せずに気相成長の間一定にした比較例の場合の膜厚分布（比較例）である。

図５（ａ）に示したように、実施例の気相成長装置を用いて作製されたエピタキシャルウエーハのエピ層の薄膜の膜厚は、原料ガスの進路を制御・変更したことにより膜厚分布が平均化されていたことがわかった。これに対し、図５（ｂ）に示したように、比較例のエピタキシャルウエーハのエピ層は、実施例のウエーハに比べて平坦度が低く、特にウエーハ中心から４０ｍｍまでの平坦度が低いことがわかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。 本発明の気相成長装置の好ましい実施形態の一例を示した概略図である。 本発明の気相成長装置の好ましい実施形態における３つの流路の原料ガスの流量比の変化パターンを例示した図である。 本発明の気相成長装置を用いて、原料ガスの流量を３つの流路で変化させたときのウエーハの成長速度分布を示した等高線図である。 本発明の実施例と比較例におけるウエーハの直径方向に対する膜厚分布を示した図である。（ａ）が実施例、（ｂ）が比較例である。 従来の気相成長装置の気相成長中の反応室の概略を示した概略断面図である。 従来の気相成長装置によって薄膜を成長させる際に、ウエーハを回転させなかった場合の、原料ガスの上流側から下流側にかけての薄膜の成長速度分布を示した図である。 従来の気相成長装置によって薄膜を成長させる際に、ウエーハを回転させた場合の、原料ガスの上流側から下流側にかけての薄膜の成長速度分布を示した図である。 従来の気相成長装置の一例の概略を示した断面図である。 従来の気相成長装置によって薄膜を成長させる際に、ウエーハを回転させ、かつウエーハ中央部の原料ガス供給量を増加させた場合の、原料ガスの上流側から下流側にかけての薄膜の成長速度分布を示した図である。

符号の説明

１０，２０…気相成長装置、
１１…調整機構、 １２…制御機構、 １３，２３…複数の流路、
１４，２４…サセプタ、 １５，２５…反応室、 １６，２６…排出口、 １７，２７…加熱手段、
２１ａ…マスフローコントローラ、 ２１ｂ…マスフローメータ、 ２２…シーケンサ、 ２８…背圧弁、
Ｗ…ウエーハ。

Claims (4)

1. サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、
   少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する複数の流路と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、
   前記複数の流路は、原料ガスを各流路毎に個別に前記反応室に供給するものであり、かつ各流路毎に個別に流量をコントロールする調整機構を備えたものであって、
   さらに、前記複数の流路の原料ガスの流量比を気相成長中に変更・制御するための制御機構とを備えたものであることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記調整機構は、マスフローコントローラであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる方法であって、
   少なくとも、原料ガスを複数の流路から個別に反応室に供給し、該流路の流量を調整機構によって個別にコントロールし、かつ前記複数の流路の流量比を制御機構によって変更・制御しながら気相成長を行うことを特徴とする薄膜の気相成長方法。
4. 前記調整機構として、マスフローコントローラを用いることを特徴とする請求項３に記載の薄膜の気相成長方法。

Images