JP2642829B2

JP2642829B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2642829B2
Application number: JP10186492A
Authority: JP
Inventors: 靖寛白木; 晋深津; 洋実木山; 健治奥村; 秀彦奥
Original assignee: Daido Hokusan Kk
Current assignee: Daido Hokusan Kk
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH05275347A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空室内において、
結晶の構成原子または構成分子をガス状態で供給し、基
板表面に結晶薄膜を積層成長させる半導体製造装置であ
って、特にＳｉ系の結晶薄膜の製造に適するものに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、素子の高性能化の要求により、従
来のＳｉ系半導体とは異なった材料が開発されている。
その一つはＧａＡｓを中心とする化合物半導体であり、
Ｓｉ系の半導体にはない数々の優れた特性を有してい
る。しかしながら、デバイスの信頼性、高集積化という
点においては、まだ満足すべき技術が確立されていな
い。そこで、信頼性、高集積化の容易さ等、半導体材料
として優れた特性を有し、これまで長期に渡って蓄積し
てきた技術を活かせるＳｉ系半導体をさらに高性能化す
るという試みがなされている。その技術の中核をなすの
がエピタキシー技術であり、高品質、高均一性、大きな
成長速度、急峻なドーピングプロファイルならびにヘテ
ロ界面の形成等が要求される。その要求に対応する結晶
成長方法としては、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）
法、その成長原料をガスソースに代えたガスソースＭＢ
Ｅ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法の内、ＭＢＥ法は、つぎのような欠点がある。Ｓ
ｉがチャンバー内に大量に堆積し、パーティクルの原因
となる。電子銃式Ｓｉソースを使用するため自動化が
難しい。超高真空を必要とするため、真空排気系が複
雑且つ高価になる。原料を消費し終えたときに再充填
に手間が掛かるためハンドリング特性が悪い。膜成長
に関しては成長速度が遅い、選択成長ができない。ＭＢ
Ｅ法はこのような問題を有しており、生産装置化するに
は向いていない。常圧ＣＶＤ法は、粘性流領域でのプロ
セスであるため、流れ方向に分布を生じやすく、均一
性を出すのが困難である。ガス切れが悪く、急峻なプ
ロファイルが得にくい。原料ガスならびにキャリアガ
スとしてＨ₂ガスを多量に使用するため原料コストが高
くなるうえ、原料利用効率が悪いことから大量の排ガス
を生じ安全面において大きな問題となる。等の欠点があ
る。また、減圧ＣＶＤ法は、成長速度が大きく生産向け
と云えるが、石英製の反応管を用いるホットウォール反
応室のため選択成長が難しいという問題がある。そこで
上記のＭＢＥ法において、原料を、固体ソースからガス
ソースに代えた、いわゆるガスソースＭＢＥと呼ばれる
方法でこれらの問題に対応することが考えられている。
この方法では、たとえば図５に示すような原理の装置を
用いる。すなわち、この装置の真空室１内の中央部に
は、その上方からヒータ６が吊り下げられており、この
ヒータ６の下面に、基板２が貼り付けられた基板ホルダ
５が設置されている。そして、上記ヒータ６によって、
上記基板ホルダ５および基板２に対し幅射加熱を行いな
がら、下方の原料ガス供給配管９，１０から複数の原料
ガスを同時に供給して基板２の表面２ａに付着させ結晶
を成長させるようになっている。この反応は、通常、１
０^-3〜１０^-4パスカル（Ｐａ）程度の高真空下で行わ
れ、真空配管８に連通される真空ポンプ（図示せず）に
よって真空引きが行われる。この方法によれば、原料を
連続供給することができるので、従来のように真空状態
を解除して原料補充を行う必要がなく、ハンドリング性
は向上する。

【０００４】しかしながら、上記の構造の半導体製造装
置では、成長速度が小さい、基板回転を行わないと高い
均一性が得られない、液体窒素シュラウド（囲いのなか
に液体窒素を流してその囲いを冷却したもの）が必要、
等の問題がある。

【０００５】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、膜の低温成長が可能で、多層薄膜において各
薄膜間の界面急峻性が得られるとともに、膜の成長速度
の大幅な向上が得られ、かつ基板を回転することなく、
膜の高い均一性が得られ、しかも膜成分に関して選択成
長も可能な半導体を製造しうる半導体製造装置の提供を
その目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めこの発明の半導体製造装置は、高度に真空になし得る
真空室と、上記真空室内の略中央に装着される基板と、
上記真空室内において上記基板の下方に設けられる反応
ガス拡散室と、上記反応ガス拡散室の天井部に所定間隔
で分布形成される複数の開口と、先端が上記反応ガス拡
散室内に延びている第１の反応ガス供給管と、上記第１
の反応ガス供給管の先端部周壁に形成された数個の吹出
口と、上記第１の反応ガス供給管の先端部の上方に設け
られる水平拡散板と、上記真空室内において上記反応ガ
ス拡散室の下側に設けられる第２の拡散室と、上記第２
の拡散室の天井部から上記反応ガス拡散室の各開口に延
びその開口の口壁との間に隙間ができるよう位置決めさ
れている複数の連通管と、上記第２の拡散室に第二の反
応ガスを供給する第２の反応ガス供給管とを備えている
という構成をとる。

【０００７】

【作用】すなわち、この半導体製造装置は、真空室内の
基板装着部の下方に反応ガス拡散室を設け、その反応ガ
ス拡散室に第１の反応ガス供給管を延ばして先端部周壁
に、例えば円周方向に数個の吹出口を形成し、その上方
に水平拡散板を設けている。そして、ＰＨ₃やＡｓＨ₃
などのｎ型ドーパントをそのまま、あるいは予め熱分解
してＰ₂＋Ｈ₂、Ａｓ₂＋Ｈ₂の状態にし、これを上記
第１の反応ガス供給管から反応ガス拡散室内に導入す
る。この導入ガスは、水平拡散板に沿って水平に全方向
に広がって均一に拡散し、ついで反応ガス拡散室の天井
部に設けられた開口から分子線の状態で基板表面に向か
って吐出される。また、Ｓｉ、Ｇｅを含むガスやｐ型ド
ーパントからなる第２の反応ガスについては、上記反応
ガス拡散室の下側に設けられた第２の拡散室に導入し、
そこで混合し、連通管を通って分子線の形で基板表面に
吐出させる。通常、基板と反応ガス拡散室の天井部との
距離は、数センチメートル程度（１０ｃｍ以下、好適に
は２〜５ｃｍ、より好適には３〜４ｃｍ）に設定されて
いる。そして、反応ガス拡散室に形成された開口は、こ
こから吐出する上記反応ガスの基板表面での分子線密度
が均一になるよう、反応ガス拡散室の天井部に所定間隔
で一面に分布形成されている。このようにして上記ガス
を供給することにより、通常のガスソースＭＢＥ法では
困難な、反応ガスの平均自由工程が数センチメートルと
極く短くなる比較的高い圧力領域（１０^-1Ｐａオーダ）
においても、低温での膜成長が可能となる。その結果、
基板を回転させることなく高い膜均一性が得られ、膜の
成長速度、原料利用効率の大幅な向上も可能となる。ま
た、導入ガスの吐出口コンダクタンスが大きいため、例
えばガスの種類を変える際等にガス切れが良く（ガス切
れが良いとは前回使用時のガスを短時間で排出できると
いうこと）、急峻なヘテロ界面（急峻なヘテロ界面と
は、膜の多層積層時に、新規生成膜に前回使用時の成膜
ガスの混入が少なく、上下の両膜がその界面を含む全体
において成分が厳密に異なっていること）が得られる。
また、膜の選択成長も可能となる。さらに熱分解室（ク
ラッキング装置）を用い、予めＰＨ₃やＡｓＨ₃等を熱
分解して用いるときには、通常では使用が難しいｎ型ド
ーパントであるＰやＡｓを容易に使用することができ、
均一なドーピング、急峻なドーピングプロファイルを得
ることができる。

【０００８】つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳
細に説明する。

【０００９】

【実施例】図１はこの発明の一実施例の縦断面図を示し
ている。この半導体製造装置は、円筒形のステンレス製
真空室１を備え、その真空室１内に、円板状の基板２
が、中央にガス透過用の穴を有するシリコン板（図では
省略している）を介して、水平に設けられた基板保持用
のトレイ４の中央開口縁３に水平に載置され、着脱自在
に装着される。上記シリコン板によって基板２の全体の
均一加熱が可能になる。真空室１の略中央に設けられた
この基板２は、処理後は、真空室１の周壁の開閉部（図
示せず）に設けられた基板交換用治具（図示せず）によ
り、新たな基板と変換される。そして、このトレイ４の
外周縁４ａと、真空室１の周壁１ａから内側に水平に突
出するステンレス製のガイドリング１ｂとの間の間隙
に、その隙間を埋める、略リング状の分離板１１が取り
付けられている。

【００１０】上記略リング状の分離板１１は、その内周
側のリング部分と外周側のリング部分とからなり、内周
側部分がカーボンリング２０で形成され、外周部分が石
英リング２１で形成されている。上記石英リング２１
は、熱遮蔽効果が高いため、成膜時の加熱によって基板
２の周囲が中心側から周方向に熱くなるのを、この石英
リング２１によって防止することができ、真空室１の周
壁に対する伝熱を遮断する。この種の装置では、成膜状
態をその場で観察するために、真空室１にＲＨＥＥＤ等
の観察機器を取り付け、基板２の表面（図示の下側面）
に電子ビームを照射してその軌跡を反対側に設けたスク
リーン（図示せず）上に投影しその投影像を読み取るこ
とが行われるが、このとき、上記分離板１１の石英リン
グ２１は絶縁性であり静電気を帯びて帯電しやすい。そ
して、このような帯電部分が存在すると、電子ビームは
指向性を失い、軌跡がスクリーンから大きくずれてスク
リーン上には投影されなくなる。そこで、この装置で
は、石英リング２１への帯電を防止するために、石英リ
ング２１の下面に、薄肉のカーボンプレート２２を取り
付け静電気を真空室１の周壁１ａに逃がすようにしてい
る。また、分離板１１のカーボンリング２０と基板２と
は、上記石英リング２１で真空室１の周壁１ａと遮断さ
れており帯電しやすいため、カーボンリング２０をタン
タル線２５によってガイドリング１ｂにアースし静電気
を真空室１の周壁１ａに逃がすようにしている。

【００１１】上記真空室１は、先に述べた分離板１１，
トレイ４および基板２によって、基板加熱スペースＰと
結晶成長スペースＱの二空間に仕切られており、上記基
板加熱スペースＰ，結晶成長スペースＱのそれぞれに
は、真空ポンプ（図示せず）から延びる真空排気配管１
２，１３が連通されている。したがって、上記スペース
Ｐ，Ｑは、各別に、それぞれ異なる真空度に設定できる
ようになっている。この基板加熱スペースＰにおいて、
上記基板２の上方には、ヒータ（例えば板状カーボング
ラファイトに筋状切り込みを交互に設け、その両端に電
極を取りつけて構成した板状ヒータ等）６が設けられて
おり、その下に均熱板６ａが取り付けられている。これ
らは、真空室１の天井から吊り下げ保持されている。こ
のヒータ６は面状に均一加熱が可能で、特に上記均熱板
６ａとの組み合わせによって非常に均一に面状加熱を行
うことができるようになっている。

【００１２】そして、上記ヒータ６および均熱板６ａ
は、開口を下向きにした状態で配設されたコップ状の熱
遮蔽体２６で囲われている。この熱遮蔽体２６は、８層
構造の積層板からなり、内側の４層がモリブデン材で形
成され、外側の４層がステンレス材で形成されている。
この構造によれば非常に保温性および加熱時の熱の指向
性を高くできるため、ヒータ６の加熱領域を限定し、基
板２に対する熱効率を大幅に向上させることができる。

【００１３】一方、上記結晶成長スペースＱには、中空
円柱状のマニホールド７が設けられている。このマニホ
ールド７は、内部が中板４０で上下２室に区切られてい
る。この中板４０は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）コーティン
グのなされたカーボン板４０ａとモリブデン板４０ｂと
の２層構造になっている。モリブデン板４０ｂは、マニ
ホールド７の下室への熱侵入を阻止する。マニホールド
７の下室は、ステンレス製の第２の反応ガス拡散室４１
に形成され、その底部にはステンレス製の第２の原料ガ
ス供給配管４２が連通されている。そして、上記第２の
原料ガス供給配管４２の先端部は開口に形成されヘッダ
ー部４６になっており、この部分から周方向に第２の原
料ガスが噴射するようになっている。また、上記ヘッダ
ー部４６の周囲には、略中空半球状のステンレス製の反
射板４７が設けられており、上記第２の原料ガスは、そ
の曲面に沿って矢印のように滑らかに均一拡散しながら
上昇するようになっている。マニホールド７の上室はＳ
ｉＣコーティングされたカーボン材製の第１の反応ガス
拡散室４３に形成され、その内部には、側方からタンタ
ル材製の第１の原料ガス供給配管４４が導入されてい
る。この原料ガス供給配管４４の先端は閉じられてい
て、先端周壁部には、円周方向に所定間隔で複数の吹出
口４４ｂが形成されている。また、上記吹出口４４ｂの
上方には、タンタル材製の水平拡散板４８が設けられて
いる。これによって、第１の原料ガスが、破線矢印のよ
うに周方向に均一に拡がりながら上昇するようになって
いる。そして、上記第１の反応ガス拡散室４３の天井
部、すなわち、マニホールド７の天板には、図２に示す
ように、一面に、均一な間隔（例えばピッチ１８ｍｍ）
で多数の開口（直径４．５ｍｍ）４３ａが分布形成（基
板面迄の距離３５ｍｍ）されている。図２において、開
口４３ａは、各開口４３ａを結んで横方向に延びる線Ｘ
に対し、各開口を結んで斜めに延びる線Ｙが略６０度の
角度となるように形成されている。符号２は基板を示し
ている。そして、各開口４３ａの略中心に、図１に示す
ように、第２の反応ガス拡散室４１の天井部から上方へ
延びるタンタル材製の連通管４０ｃの先端が位置し、各
開口４３ａの開口壁との間に空隙を設けている。第１の
反応ガス拡散室４３に導入された第１の原料ガスは上記
空隙を通って基板２に向かって吹き出し、第２の反応ガ
ス拡散室４１に導入された第２の原料ガスは連通管４０
ｃを通って基板２に向かって吹き出すようになってい
る。通常は、２種類の原料ガスは、マニホールド７の上
部空間で均一に混合しながら基板２の結晶成長面に導か
れる。

【００１４】この装置を使用するに際しては、通常、真
空室１の圧力を１０^-1Ｐａ（パスカル）、好適には１０
^-1〜１０^-3Ｐａ、より好適には、１０^-1〜１０^-2Ｐａに
設定する。そして、基板２から、１０ｃｍ以内、好適に
は２〜５ｃｍ、より好適には３〜４ｃｍ（上記装置では
３．５ｃｍ）の距離に設定した開口４３ａ，連通管４０
ｃの先端から原料ガスを吹出し基板２に対して成膜す
る。このとき基板２は、３００〜１１００℃の温度範
囲、好適には４００〜１０００℃の温度範囲に加熱され
ている。通常、ＰＨ₃，ＡｓＨ₃はクラッキング後、第
１の反応ガス拡散室４１に供給され、Ｓｉ原料となるガ
ス（Ｓｉ₂Ｈ₆，ＳｉＨ₄）やＧｅ原料となるガス（Ｇ
ｅＨ₄等）やＰ形不純物となるＢ₂Ｈ₆は分解しないで
直接第２の反応ガス拡散室４１に供給される。このよう
にして、成膜する場合、その分子線密度は図３に示すよ
うに基板２に対して略均一であり、かつ得られた製品
（基板＋膜）は図４に示すように均一な厚みの膜が得ら
れる。図４において、Ｘは基板中心から横方向に向かう
膜厚、Ｙは基板中心から縦方向に向かう膜厚である。

【００１５】なお、上記の装置において、マニホールド
７内の上部に位置する、第１の原料ガス供給配管４４，
連通管４０ｃ，水平拡散板４８をタンタル材で構成した
のは、つぎの理由による。すなわち、タンタル材は、耐
熱性が高く、またタンタル材自身がタンタル原子（不純
物となる）を放出しないからである。マニホールド７の
下部側はステンレス材で構成されているが、これは加工
性等を考慮したものである。この場合、マニホールド７
の中央部には、熱遮蔽のためにモリブデン板４０ｂが設
けられており、それによってステンレス材製の各部に対
する過度の加熱が抑制される。真空室１の側壁１ａの内
側には、上記熱遮蔽板２６と同一材質の積層板からなる
熱遮蔽筒５０が設けられており、ヒータ６の熱が側壁１
ａに伝達しないよう工夫されている。また、マニホール
ド７の側方には、クラッカー（熱分解装置）４４ａが設
けられているが、このクラッカー４４ａの周囲も、同様
の積層板からなる熱遮蔽筒５１で被覆されており、原料
ガスの熱が真空室１の側壁１ａに伝達しにくくなってい
る。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体製造装
置は、基板装着部の下方に上下２室からなる反応ガス拡
散室を設け、上部には第１の反応ガスを導入し、これを
反応ガス拡散室の天井部に設けた複数個の開口から吐出
させる。また下部には第２の反応ガスを導入し、上記各
開口内に略同軸的に設けた連通管を通って反応室ガス拡
散室の天井部から吐出させる。このため、基板を回転す
ることなく高い膜の均一性が得られる。また１０^-1Ｐａ
オーダの高い圧力で膜成長を行うことができるため、膜
の成長速度が向上するとともに、原料ガス利用効率も向
上する。また、膜の選択成長も可能となる。そのうえ、
ガス切れがよくなることから、急峻なヘテロ界面、ドー
ピングプロファイルが得られようになる。また、上記反
応ガス拡散室に予め熱分解したＰＨ₃やＡｓＨ₃などを
導入することで、ＰやＡｓなど通常使用が困難なｎ型ド
ーパントが容易に使用できる等の利点も得られるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】マニホールドの天板に分布形成される多数の開
口の説明図である。

【図３】分子線相対密度と中心からの距離との関係を示
す図である。

【図４】膜厚と中心からの距離との関係を示す図であ
る。

【図５】ガスソースＭＢＥ法の原理を示す説明図であ
る。

【符号の説明】１真空室２基板４０ｃ連通管４１第２の反応ガス拡散室４２第２の反応ガス供給管４３第１の反応ガス拡散室４４第１の反応ガス供給管４４ｂ吹出口４８水平拡散板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥秀彦大阪府堺市上野芝向ケ丘町５−743 向ケ丘寮 (56)参考文献特開平２−268419（ＪＰ，Ａ) 特開平３−16120（ＪＰ，Ａ) 特開平４−69925（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高度に真空になし得る真空室と、上記真
空室内の略中央に装着される基板と、上記真空室内にお
いて上記基板の下方に設けられる反応ガス拡散室と、上
記反応ガス拡散室の天井部に所定間隔で分布形成される
複数の開口と、先端が上記反応ガス拡散室内に延びてい
る第１の反応ガス供給管と、上記第１の反応ガス供給管
の先端部周壁に形成された数個の吹出口と、上記第１の
反応ガス供給管の先端部の上方に設けられる水平拡散板
と、上記真空室内において上記反応ガス拡散室の下側に
設けられる第２の拡散室と、上記第２の拡散室の天井部
から上記反応ガス拡散室の各開口に延びその開口の口壁
との間に隙間ができるよう位置決めされている複数の連
通管と、上記第２の拡散室に第２の反応ガスを供給する
第２の反応ガス供給管とを備えていることを特徴とする
半導体製造装置。
【請求項２】第１の反応ガス供給管が、熱分解装置を
経由して延びている請求項１記載の半導体装置。