JP2504611B2 - 気相成長装置 - Google Patents

気相成長装置

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4412Details relating to the exhausts, e.g. pumps, filters, scrubbers, particle traps
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10S156/00Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
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    • Y10S156/917Differential etching apparatus having a barrel reactor

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、気相成長装置に係り、とくに、シリンダー
型気相成長装置の反応筒内部の構造に関するものであ
る。
(従来の技術) 気相成長技術は、半導体装置のプロセス技術としてな
くてはならないものである。気相成長は、CVD(chemica
l vapour deposition)とも言い、気相中の熱分解、加
水分解または酸化などの化学反応を用いて、シリコン半
導体などの基板に単結晶半導体膜(エピタキシャル成長
膜)や絶縁膜(SiO2,Si3N4,Al2O3など)を成長させる
方法である。
気相成長装置は、基板の加熱方式や膜成長時の反応炉
内の圧力状態などによって区分され、また、プラズマ,
紫外線,レーザなどエネルギー源によっても分類でき
る。さらに、反応炉が横型であるか縦型であるかによっ
ても区別される。第4図は、従来から知られている縦型
に配置されたシリンダー型気相成長装置の断面図を示し
ている。装置の時間当りのスループットの大きさや均一
に処理する能力などの理由でこれが最も多く利用されて
いる。反応室として装置の中心になる反応筒1は石英ガ
ラスから作られている。反応筒1は、上部が開口してお
り、その開口部には反応ガラス等を反応筒内に供給する
ガス供給用リング2が気密に取付けられている。リング
2の上端を蓋3で密閉することによって反応室4を形成
する。この蓋3には回転可能なシリンダー型のサセプタ
5が取付けられており、蓋をしたときにサセプタ5が反
応室4内の適当な位置に配置される。サセプタ5の外表
面にはシリコンなどの半導体ウエハ6が、大きさによっ
て異なるが14枚程度載置されている。反応筒1の内部ま
たは外部には加熱手段(図示せず)が設けられている。
たとえば、ハロゲンランプを用いて外から輻射加熱を行
う。また、高周波数加熱を利用することもある。反応筒
1の下部には排気口8、上部にはリングに取付けられた
2つのガス供給用ノズル7がそれぞれ設けられている。
ガス供給用ノズルからは、N2,H2等のキャリアガスとと
もに反応ガスが噴出する。この反応ガスにはジクロルシ
ラン(SiH2Cl2),トリクロルシラン(SiHCl3),シラ
ン(SiH4),四塩化けい素(SiCl4)等が使用され、必
要に応じて気相成長膜に添加される不純物の原料である
ジボラン,アルシン,スチビン,ホスフィン等が添加さ
れる。噴出した反応ガスは、重力などの作用により、サ
セプタ表面に沿って流下する。この表面上で熱分解反応
が、外側の加熱手段によって加熱された雰囲気中で起
り、ウエハ6上にエピキシャル成長膜が形成される。反
応ガスは、この反応後に反応筒1の下部に設けた排気口
8から排出される。
この気相成長装置において、反応ガスは組成比や温度
等の変動によってその一部が固化して反応筒下部に堆積
する。固化した堆積物は、Si,Cl,O2等が不規則に混り合
った組成であると思われる。この堆積物は、成膜プロセ
ス中に反応筒上部に舞い上ってウエハ6表面に付着す
る。このため、成膜処理を何度も繰り返すうちに、成長
膜に積層欠陥・ピット等の結晶欠陥が生じ、堆積物のパ
ーティクル付着量が増加するため高品質な膜が成長しな
くなる。実験によってその膜特性を調べると第3図のよ
うになる。
第3図は、横軸に気相成長処理の回数をとり、縦軸に
はウエハ(W)1個上の堆積物のパーティクル数および
ウエハ上の1cm2あたりの結晶欠陥発生数(発生密度)
をとる。パーティクルは余り微少なものは検出できない
ので直径0.2μm以上を対象とした。サセプタ5上に直
径150mmのシリコンウエハ6を14枚載置し、これを1バ
ッチ処理量とする。ガス供給ノズル7から噴出する反応
ガスは、ジクロルシラン(600ml/M)と不純物原料であ
るドーパントガス(200ml/Mホスフィン,PH3)からな
る。また、1回の処理時間は10分程度とする。以上の条
件で第3図の成膜特性を見ると、まず、パーティクル
は、処理の1回目から存在するが、5回あたりから急に
増加し、以後処理回数と伴に増加傾向を示す。一方、結
晶欠陥は、4回目までは見られないが、その後急増し、
増加傾向を示す。いずれの場合でも回を重ねる毎に膜特
性が劣化するのは免れない。
そこで従来は、ある程度結晶欠陥やパーティクル付着
量が増加すると、ウエハ上の堆積物をフッ化水素等の強
酸類を用いて除去する作業を行っていた。
反応ガスの副生産物である堆積物がウエハに付着する
原因の1つに成膜処理中に発生する静電気の影響が考え
られるが、静電気は、たとえば500℃〜700℃に反応筒を
加熱することによって消すことができるので、多少の付
着は防止することができる。
(発明が解決しようとする課題) 以上のように、現在の気相成長処理にあたっては、反
応ガスの一部が固相化した堆積物が原因となる成膜の結
晶欠陥やパーティクル付着が増大するという問題があ
り、また、この堆積物を除去するために行うフッ化水素
等の強酸類による洗浄処理も、バッチ処理毎に気相成長
処理を停止しなければならず連続的な処理が不可能とな
りスループット増加の制約となる。また、フッ化水素等
は腐食性が強く洗浄処理条件が制限されるので工業的な
観点から実用的ではない。
本発明は、以上のような事情によってなされたもの
で、均一な気相成長膜が形成され、しかも連続的に量産
可能な気相成長装置を提供することを目的としている。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明は、反応筒と、この反応筒内に配置された複数
のウエハを支持するサセプタと、この反応筒下部に設け
た第1の排気口とを備えた気相成長装置に関するもので
あり、第1の排気口の下に加熱手段およびガス供給手段
を有する第2の排気口を設け、第1と第2の排気口の間
には、第2の排気口を反応筒から遮断することが可能な
仕切板を設けたことを特徴としている。
(作用) 仕切板を開いて成膜処理を行い、この処理による堆積
物を第2の排気口に集め、ついで、仕切板を閉じた状態
で第2の排気口にHClなどの分解用ガスを封入すると同
時に加熱して堆積物を気化し、排気する。ガス供給手段
が供給する分解ガスとしては、HClのような塩素を含ん
だガスもしくはフッ素を含んだガス等を用いる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を第1図および第2図を参照
して説明する。第1図は、本発明の一実施例におけるシ
リンダー型気相成長装置の要部断面であり、第2図は、
この装置で形成された気相成長膜の成膜特性を示す図で
ある。石英ガラス製の反応筒21の上端開口部にガス供給
用リング22を気密に取付け、このリング22上端を蓋23で
密封して反応室10を形成する。この蓋23には回転可能な
シリンダー型のサセプタ11を取付け、このサセプタ11お
よびサセプタ外表面に載置したシリコンなどのウエハ12
を反応筒21の外側に設けた、たとえば、ハロゲンランプ
からなる加熱手段(図示せず)によって加熱する。加熱
手段は反応筒21の内部でも良く、加熱手段としては、ハ
ロゲンランプだけでなく、高周波加熱を用いても良い
し、抵抗加熱など既存の任意の手段を利用することがで
きる。リング22には、反応ガスを供給する2つのガス供
給用ノズル9を設けて反応ガスを噴出させ、サセプタ外
表面に沿って流下させる。以上、装置の中心付近から上
の部分について説明したが、この部分は、前述した従来
のものと殆んど同じ構造を有している。
以下に述べる装置の下部に設けられた排気構造が本発
明の特徴を示すものである。まず、反応筒21の下端開口
部に第1の排気口17を設ける。この排気口は、前述の従
来装置の排気口と同じ構成であり、第1の弁14を持つ排
気パイプにつながっている。第1の排気口17の下には第
2の排気口13が設けられており、両排気口の間は、たと
えば、石英やセラミックスなどの仕切板16によって隔て
られている。この仕切板16は、適宜反応筒21と第2の排
気口13を遮断できるようになっている。第2の排気口13
は、たとえば石英ガラスで形成した容器20,その周囲に
形成された加熱手段となる発熱体18およびこの発熱体18
の周囲に形成された過熱を防ぐ水ジャケット24の積層体
に囲まれている。水ジャケットは、第1の排気口の表面
にも設けてある。第2の排気口13には、さらに、たとえ
ば石英ガラスからなるガス供給ノズル19が形成されてい
る。ノズルの先は、外から排気口13内部へ挿入されてい
る。この排気口は、やはり弁15を備えた排気パイプにつ
ながっており、この排気パイプは、先の弁14を持つパイ
プに連通している。発熱体18は、抵抗加熱を用いている
が、勿論抵抗加熱に限定されるものではなく、任意の加
熱手段を採用し得る。ここで行う成長処理は、前述の従
来例と同じ条件でおこなう。
すなわち、1回の成膜処理の条件は、 1バッチ処理量 150mm(直径)のウエハ14枚 反応ガス ジクロルシラン(SiH2Cl2)600ml/M ドーパントガス ホスフィン(pH3)200ml/M エピタキシャル成長時間10分 である。ウエハとしては、たとえばp型シリコン基板を
用いる。ガス供給ノズル9より噴出したドーパントガス
を含む反応ガスは、N2,H2など還元ガスに混ぜて、サセ
プタ11の外表面に沿って流下する。サセプタ11の外表面
にウエハ(p−Si)12が載置しており、ウエハが反応筒
21の外のランプで約1100℃に加熱されているので、流下
した反応ガスによってウエハ上にシリコン単結晶膜が成
長する。ドーパントガスにはホスフィンを用いているの
でn形の膜がウエハ上に形成される。反応が終ったガス
は、反応筒下端の排気口より排気されるが、成膜処理中
は弁14は閉じ、弁15を開けておくので、第2の排気口13
から排気することになる。したがって、固相化した反応
ガスの堆積物は、第2の排気口の底部に堆積する。一回
目の成膜処理は以上で終了する。
つぎに、二回目の成膜処理を行う。第2の排気口13は
一回目の処理で汚染されているので、仕切板16は閉じ、
弁14は開けて第1の排気口17を利用する。均一な成長膜
を形成するために一回目の処理で使用したガスの影響を
除去しなければならないので、各成膜処理において前処
理としてN2,H2ガスなど用いてパージ処理を行う。その
ときはとくに反応は起きないので堆積物が発生すること
はなく、第1の排気口17を用いても反応室10内が汚染さ
れることはない。そして、このパージ処理は20分程度時
間がかかるので、その間に第2の排気口13を洗浄するこ
とができる。したがって、パージが終ってすぐ反応工程
に移行しても第2の排気口は使用可能の状態になってい
る。このようにして本発明では成膜処理の連続性が保た
れる。
第2の排気口を洗浄するには、まず、仕切板16を閉じ
て第2の排気口と反応室10とを遮断する。そして、この
排気口13は発熱体18によって200℃に加熱し、この状態
で石英ガラス製のガス供給ノズル19より塩化水素ガスを
5分程度供給する。この時、弁15は開いたまゝにしてお
く。この処理によって堆積物は分解し、気化して排気さ
れる。この分解用ガスは塩化水素に限らず、塩素を含ん
だものあるいはフッ素を含んだものなどを用いる。第2
図に成膜特性を示す。第3図と同様に横軸に気相成長処
理の回数をとり、縦軸にはウエハ上の堆積物のパーティ
クル数および結晶欠陥発生数(発生密度)をとる。6回
までは全く特性に変化は認められず、処理回数が10回に
なっても特性の劣化は、従来の装置に比較して1/10に減
った。
堆積物を再び気化したガスは、適宜調整して反応ガス
として再生することができる。また、本発明は、縦方向
の装置に限らず、排出口と反応室の間に仕切を設けるこ
とですべての種類の装置に適用可能となる。
なお、反応ガスは、ジクロルシランに限らず、トリク
ロルシラン、シラン、四塩化けい素等の従来から利用さ
れているものはすべて適用することができる。また、加
熱温度を実施例では200℃としたが、最適な温度範囲
は、50〜500℃程度であり、反応ガスの種類、堆積量、
堆積物の成分によってその温度が決まる。
〔発明の効果〕
本発明は、前述のような構成により、成膜処理を連続
的に行うことが可能になるとともに、結晶欠陥、パーテ
ィクルのない均一な成長膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の気相成長装置の断面図、第
2図は本発明の装置により得た成膜特性図、第3図は従
来例の装置より得た成膜特性図、第4図は従来の装置の
断面図である。 1,21……反応筒、2,22……ガス供給用リング、3,23……
蓋、4,10……反応室、5,11……サセプタ、6,12……ウエ
ハ、7,9……ガス供給用ノズル、8……排気口、13……
第2の排気口、14,15……弁、16……仕切板、17……第
1の排気口、18……発熱体、19……ガス供給ノズル、20
……石英ガラス容器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反応筒と、この反応筒内に配置された複数
    の半導体ウエハを支持するサセプタと、この反応筒下部
    に設けた第1の排気口とを備えた気相成長装置におい
    て、前記第1の排気口の下に、加熱手段およびガス供給
    手段を有する第2の排気口と、前記第1の排気口と第2
    の排気口との間に前記第2の排気口を前記反応筒から遮
    断することが可能な仕切板を設けたことを特徴とする気
    相成長装置。
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