JP2783037B2

JP2783037B2 - 気相シリコンエピタキシャル成長装置

Info

Publication number: JP2783037B2
Application number: JP2983092A
Authority: JP
Inventors: 達也鈴木
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JPH05226263A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気相シリコンエピタキシ
ャル成長装置に関し、特に反応容器を縦にして組み立て
た気相シリコンエピタキシャル成長装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の気相シリコンエピタキシャ
ル成長装置を示す縦断面図である。以下、特開昭６３−
００８６４２４に基づいて、従来の成長装置について説
明する。基板ホルダー４に単結晶基板５をある間隔で水
平に積み重ねるように保持し、減圧下で抵抗加熱炉７を
用いて９００〜１２００℃程度に加熱してその基板表面
にジクロルシラン等のシラン系ガス、ホスフィン等のド
ーピングガス、塩化水素ガス等のエッチングガス、アル
ゴンや窒素等のキャリアガスからなる混合ガスをノズル
管８より供給し、またそれとは別のノズル管８より水素
ガスのみを供給して、エピタキシャル成長させるものと
なっている。反応容器は架台３により保持される２重構
造で外管１で真空を保持し、回転する単結晶基板５に複
数のノズル管８を用いて混合ガス、水素ガスを供給す
る。ノズル管８は等間隔でかつ直径の等しい複数のガス
放出孔１２を有している。混合ガス、水素ガスは内管２
の円筒面に設けられた多数のガス排出孔１０を通って排
出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の気相シ
リコンエピタキシャル成長装置では、単結晶基板５上に
成長するエピタキシャル膜への不純物ドーピングはホス
フィン等のドーピングガスを用いて行なっている。ドー
ピングガスが流れるノズル管８は全ての単結晶基板５の
それぞれに対し、ドーピングガスをほぼ平行に放出する
複数のガス放出孔１２を有している。そのため、反応容
器を高くして多数枚の単結晶基板５上に成長するエピタ
キシャル膜にドーピングしようとすると、ノズル管８は
長くなり、ドーピングガスはノズル管８の上流側のガス
放出孔１２から主に放出される為、下流側では圧力損失
が起こってガス放出孔１２から放出されるドーピングガ
ス流量が上流側よりも少くなる。その結果、複数枚の単
結晶基板５の間ではエピタキシャル膜の抵抗率は、上流
側の単結晶基板５の方がドーピングガス流量が大きくド
ーパント供給量が多いことから、上流側の方が下流側の
それよりも小さくなるという現象が起きる。従って単結
晶基板５の成長枚数を増やすと、単結晶基板５間の抵抗
率均一性が著しく悪化するという欠点がある。

【０００４】単結晶基板５の面内のエピタキシャル膜抵
抗率均一性については、ジクロルシラン等のシラン系ガ
スとホスフィン等のドーピングガスとではキァリアガス
中の拡散係数が一致せず、物質輸送律速のエピタキシャ
ル成長条件であるために単結晶基板５の面内のエピタキ
シャル膜厚均一性を向上させるためにキャリアガスやシ
ラン系ガスの流れを最適化しても、同時にドーピングガ
スの流れを最適化することでは困難である。従って、単
結晶基板５の面内のエピタキシャル膜抵抗率均一性と膜
厚均一性を同時に向上させることは困難であるという欠
点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数枚
の被気相成長シリコン基板を所定の間隔で水平に積み重
ねるように保持し、複数のガス放出孔を有する複数のノ
ズル管より複数枚の被気相成長シリコン基板のそれぞれ
の被気相成長面にエピタキシャル膜を気相成長させる気
相シリコンエピタキシャル成長装置において、被気相成
長シリコン基板の成長枚数を増やした時の被気相成長シ
リコン基板の被気相成長面間のエピタキシャル膜抵抗率
均一性を従来よりも改善し、また被気相成長シリコン基
板の被気相成長面内のエピタキシャル膜抵抗均一性を従
来よりも改善する構造となっている気相シリコンエピタ
キシャル成長装置を得る。

【０００６】本発明の成長枚数を増やした時の被気相成
長面間のエピタキシャル膜抵抗率均一性及び被気相成長
面内のエピタキシャル膜抵抗率均一性を従来よりも改善
する構造は、エピタキシャル膜へのドーピング源を高濃
度に不純物がドーピングされた単結晶基板とし、このド
ーピング源を被気相成長シリコン基板群の上部と下部ま
たは被気相成長シリコン基板群を上下に分割したものの
上部、中央部、下部に配置するか、または被気相成長シ
リコン基板群を２個以上に分割したものの上部、各群の
間、下部に配置し、かつドーピング源を下から適当な複
数個ずつにまとめた各集団の各々に対してドーピング群
のみをガスエッチングするノズル管を割り当てるかし、
エピタキシャル成長中にこれらのドーピング源のみをガ
スエッチングしてエピタキシャル膜へのドーピングを行
なうことが出来、またこれらのドーピング源をそのもの
にはエピタキシャル成長しない構造であることを特徴と
する。

【０００７】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。

【０００８】図１は本発明の第１の実施例の縦断面図で
ある。

【０００９】本実施例は、装置を支えるための架台３、
外管１と内管２からなる二重管構造の反応管、シリコン
単結晶基板５を保持するための基板ホルダー４、抵抗加
熱炉７、シリコン単結晶基板５上に別系統でキャリアガ
ス、シラン系ガス、エッチングガスからなる混合ガス、
水素ガスを供給するノズル管８（エピタキシャル成長
用）、ドーピング源の単結晶基板６、及びこの単結晶基
板６のみをガスエッチングするためのノズル管９（ガス
エッチング用）から構成される。

【００１０】ノズル管８（エピタキシャル成長用）には
窒素またはアルゴン等のキャリアガス、ジクロルシラン
等のシラン系ガス、およびこの石英ノズル管自身にエピ
タキシャル成長中に同時に堆積するポリシリコンをエッ
チングするための塩化水素ガス等のエッチングガスのみ
から成る混合ガスが流れ、所定の間隔で水平に積載され
た複数のシリコン単結晶基板５のそれぞれに対して、こ
の混合ガスがほぼ水平にガス放出孔１２を通して供給さ
れ、ガス排出孔１０を通して排気される。またそれとは
別のノズル管８（エピタキシャル成長用）により同様に
水素ガスが供給され、シリコン単結晶基板５上で両者の
ガスが混合されエピタキシャル成長する。ドーピング源
となる高濃度に不純物ドーピングされたシリコン単結晶
基板６はシリコン単結晶基板５の群の上部と下部に搭載
され、この基板上には前述の混合ガス、水素ガスは供給
されないためエピタキシャル成長しない。これはノズル
管８（エピタキシャル成長用）のガス放出孔１２、およ
びガス排出孔１０がこのドーピング源の単結晶基板６の
位置においては開孔されていないことにより実現する。

【００１１】さらにこのドーピング源の単結晶基板６の
みには、ノズル管９（ガスエッチング用）によりエピタ
キシャル成長中に塩化水素ガス等のエッチングガス、キ
ャリアガスが供給されエッチングされることにより高濃
度ドーピング源中の不純物が蒸発し、シリコン単結晶基
板５上に成長するエピタキシャル膜中に不純物が均一に
ドーピングされる。ドーピング源の単結晶基板６はシリ
コン単結晶基板５の群の上部と下部に搭載されるため、
エピタキシャル成長中にエッチングにより蒸発した不純
物はキャリアガスによって全てのシリコン単結晶基板５
の上にほぼ均一に供給され、エピタキシャル膜抵抗率の
シリコン単結晶基板５面間均一性は改善される。またシ
リコン単結晶基板５の面内においてエピタキシャル膜厚
均一性が最適化されるようなガスの流れを形成したと
き、不純物の気相中の流れはそれとは別に制御している
ためにエピタキシャル膜厚の抵抗率の面内均一性を同時
に達成することが出来る。

【００１２】以下に本実施例による気相シリコンエピタ
キシャル成長装置を使用したエピタキシャル膜の成長例
を説明する。基板ホルダー４に直径１５０ｍｍのシリコ
ン単結晶基板５を８ｍｍ間隔で１２枚セットし、またド
ーピング源の単結晶基板６を１２枚のシリコン単結晶基
板５の群の上部と下部に各１枚ずつ８ｍｍ間隔でセット
する。ドーピング源の単結晶基板６は、直径１５０ｍｍ
の抵抗率約０．００３Ω・ｃｍのＡｓドーピングシリコ
ン単結晶基板とした。１分間に５回転の回転数（５ｒｐ
ｍ）で基板ホルダー４を回転させ、反応管内温度を抵抗
加熱炉７により１０５０℃とした。ノズル管８（エピタ
キシャル成長用）にはシラン系ガスとしてジクロルシラ
ンを２００ＳＣＣＭ、エッチングガスとして塩化水素ガ
スを１５０ＳＣＣＭ、キャリアガスとして窒素を１２Ｓ
ＬＭで流し、それとは別のノズル管８から水素ガスを１
２ＳＬＭの流量で流した。またノズル管９（ガスエッチ
ング用）にはドーピング源の単結晶基板６のみをガスエ
ッチングするために塩化水素ガスを５０ＳＣＣＭ、キャ
リアガスとして窒素を３ＳＬＭで流した。成長圧力１０
Ｔｏｒｒの条件でシリコン単結晶基板５上にエピタキシ
ャル膜を膜厚３μｍ、抵抗率１Ω・ｃｍで成長した。

【００１３】この実施例の結果を、図９に示した従来の
装置でエピタキシャル膜を成長させた場合の結果と比較
して説明する。図２は従来の成長装置及び本発明の第
１，第２（後述する）実施例成長装置を用いた場合のシ
リコン単結晶基板５の中心部のエピタキシャル膜抵抗率
の単結晶基板搭載位置依存性を示した図，図３は同様に
シリコン単結晶基板５面内のエピタキシャル膜抵抗率均
一性を示した図である。図２の単結晶基板搭載位置は、
基板ホルダー最下部の基板を１として最上部に向かって
カウントした位置である。但しドーピング源の基板は除
いてカウントする。図２の従来の成長装置では単結晶基
板搭載位置番号が大きくなる方向、つまりノズル管８の
下流側に行く程エピタキシャル膜抵抗率は上昇する。従
って抵抗率均一性は±３０％であるが、本発明の成長装
置では±９％と著しく改善される。これは従来の成長装
置ではノズル管８の上流側からドーピングガスが主に放
出されるため、下流側では圧力損失が起こってガス放出
孔１２より放出されるドーピングガス流量が減少する
が、本発明の成長装置では、水平に積載された１２枚の
単結晶基板群の上部と下部に配置された高濃度ドーピン
グ源の単結晶基板よりエッチングにより蒸発したＡｓ
が、キャリアガスにより上下から１２枚の単結晶基板に
ほぼ均一に供給されるためである。本実施例では、搭載
位置６，７の単結晶基板５は搭載位置１，１２の単結晶
基板５に比べ約０．２Ω・ｃｍ程高抵抗であるが、これ
はドーピング源の単結晶基板６より離れるにつれてエッ
チングにより蒸発したＡｓの気相中の濃度が低下し、単
結晶基板５へのドーパント供給量が減少するためであ
る。しかし、ドーピング源が搭載位置１の単結晶基板５
の１つ下、及び搭載位置１２の単結晶基板５の１つ上に
搭載されるために、１２枚の単結晶基板５全てに同一の
ノズル管８でドーパントを供給する従来の技術に比べれ
ば、１２枚の単結晶基板５全ての基板間抵抗率均一性は
改善される。

【００１４】また図３で単結晶基板面内のエピタキシャ
ル膜抵抗率均一性は従来の成長装置では±１６％である
のに対し、本実施例の成長装置では±２％と著しく改善
される。このときの単結晶基板面内のエピタキシャル膜
厚均一性は±２％と最適化してある。すなわち、単結晶
基板面内のエピタキシャル膜厚均一性が向上するように
ジクロルシランやキャリアガスの流れを最適化した場
合、従来の成長装置では同じキャリアガスの中に同時に
ホスフィンガスも混ぜており、しかもジクロルシランと
ホスフィンガスとでキャリアガス中の拡散係数が異なる
ために必ずしもホスフィンガスの流れが最適とはならな
い。一方、本実施例の成長装置ではジクロルシランとド
ーピング源から蒸発したＡｓの流れが独立に制御される
ため、膜厚均一性と同時に抵抗率均一性も最適化される
ようにガスの流れを制御することが出来、本実施例では
基板面内の抵抗率均一性を最適化するようにエッチング
ガス、キャリアガス流量を選び±２％の面内均一性を
得、従来のそれよりも著しく改善されている。

【００１５】またドーピング源自身にはエピタキシャル
成長しない構造としたことにより、同一のドーピング源
を何度使用しても上述の効果を得ることが出来る。

【００１６】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。図４は本発明の第２の実施例の縦断面図である。ド
ーピング源の単結晶基板６を単結晶基板５の群を上下に
分割したものの上部、中央部、下部に配置し、それに対
応する位置にのみノズル管９（ガスエッチング用）のガ
ス放出孔を開孔し、またノズル管８（エピタキシャル成
長用）のガス放出孔１２及びガス排出孔１０は、ノズル
管９のガス放出孔位置に開孔しないようにした。それ以
外は全て第１の実施例と同様にした。

【００１７】図２に従来の装置と第１の実施例と本実施
例を用いて成長したときのエピタキシャル膜抵抗率の単
結晶基板搭載位置依存性を示したが、本実施例は抵抗率
均一性は±４％と第１の実施例の±９％に比べ改善され
ている。これはドーピング源を単結晶基板５の群の上半
分と下半分の中間にも配置したことで、１２枚の単結晶
基板５のあらゆる場所へのＡｓの供給がより促進された
ためである。すなわち第１の実施例において、ドーピン
グ源より離れるにつれエッチングによる蒸発Ａｓの気相
中濃度の減少が見られたが、前述のようにドーピング源
を配置したことによりこのような現象が抑えられ、本実
施例では第１の実施例に比べ基板間抵抗率均一性が改善
される。

【００１８】また単結晶基板５の群の間や上部，下部に
配置するドーピング源の枚数を更に増やすようにすれ
ば、更に基板間抵抗率均一性が改善される。

【００１９】次に本発明の第３の実施例について説明す
る。図５は本発明の第３の実施例の縦断面図、図６は本
発明の第３の実施例の横断面概略図、図７は本発明の第
３の実施例のガス制御系を示した図である。図５に示す
ように、ドーピング源の単結晶基板６を、４８枚の単結
晶基板５を下から６枚ずつに分割したものの上部、各群
の間、下部に１枚ずつ配置した。またこのように配置し
たドーピング源の単結晶基板６を下から３枚ずつ組にし
てできた上、中、下の３つの組の各々に対し、図６に示
すようにガスエッチング用のノズル管９を割り当てた。
このとき図７に示すように、各ガスエッチング用ノズル
管９に供給されるキャリアガス、エッチングガス流量は
各々マスフローコントローラ１３を介して独立に制御で
きるようにした。各ノズル管９に供給されるキャリアガ
ス流量、エッチングガス流量は各々３ＳＬＭ、５０ＳＣ
ＣＭとし、それ以外の条件は第１，２の実施例と同様と
した。

【００２０】図８に従来の装置と第２の実施例と第３の
実施例を用いて成長したときのエピタキシャル膜抵抗率
の単結晶基板搭載位置依存性を示したが、本実施例では
±４％を４８枚の単結晶基板５に対して達成しているの
に対し、第２の実施例では±１０％となっている。また
従来の装置では、４８枚の単結晶基板５すべてにはドー
ピングできない。第２の実施例の場合、単結晶基板５は
１２枚程度であれば±４％の基板間抵抗率均一性を得ら
れるが単結晶基板５の枚数が著しく増加すると、ドーピ
ング源より蒸発したＡｓの気相中濃度の低下が激しくな
り、均一なドーピングができなくなる。そこで本実施例
では、ドーピング源６を単結晶基板５の６枚ごとに配置
して、ドーピング源の単結晶基板６より蒸発したＡｓの
気相中濃度の低下を抑え、さらにドーピング源の単結晶
基板６の３枚ずつに対しガスエッチング用のノズル管９
を別々に割り当てることにより、エッチングガス（塩化
水素ガス等）の圧力損失を抑制し、４８枚という多数の
単結晶基板５に対し均一なドーピングを可能にしてい
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の気相シリ
コンエピタキシャル成長装置は所定の間隔で水平に積載
された複数のシリコン単結晶基板の群の上部と下部に高
濃度に不純物ドーピングされたドーピング源の単結晶基
板を配置し、この基板上にはエピタキシャル膜が成長し
ないようにし、さらにこの基板のみがエピタキシャル成
長中にガスエッチングされるようなガスエッチング専用
ノズル管を配置することにより、エピタキシャル膜抵抗
率の単結晶基板面間および面内均一性を同時に改善する
という効果がある。これは複数の単結晶基板の上下のド
ーピング源よりエッチングされ蒸発したＡｓが全ての単
結晶基板にほぼ均一にエピタキシャル成長中に供給さ
れ、またエピタキシャル膜厚単結晶基板面内均一性の最
適化とエピタキシャル膜抵抗率の単結晶基板面均一性の
最適化を独立に行なうことが出来るためである。

【００２２】さらにドーピング源を単結晶基板の群を上
下に分割したものの上部と中央部と下部にも配置するこ
とで、エピタキシャル膜抵抗率の単結晶基板面間均一性
は改善されるという効果がある。これはドーピング源の
エッチングによる蒸発Ａｓの濃度ばらつきが基板間にお
いて改善され複数の単結晶基板へのドーパントの供給が
より均一になったためである。また単結晶基板群を２個
以上に分割しそれらの上部、各群の間、下部にドーピン
グ源を配置し、かつドーピング源を数枚ずつ組にして各
組に対し独立に流量制御可能なガスエッチング用ノズル
管を割り当てることにより、単結晶基板枚数が著しく多
い時であってもドーピング源のエッチングによる蒸発Ａ
ｓの濃度のばらつきを単結晶基板間において、単結晶基
板枚数が少ない時と全く同じようにすることができる。
従って単結晶基板枚数が著しく多い時であっても、エピ
タキシャル膜抵抗率の単結晶基板面間均一性は確保され
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の縦断面図である。

【図２】本発明の第１，第２の実施例と従来の気相シリ
コンエピタキシャル成長装置とのエピタキシャル膜抵抗
率のシリコン単結晶基板搭載位置依存性を示した図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例と従来の気相シリコンエ
ピタキシャル成長装置とのエピタキシャル膜抵抗率均一
性を示した図である。

【図４】本発明の第２の実施例の縦断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例の縦断面図である。

【図６】図５の横断面概略図である。

【図７】本発明の第３の実施例のガス制御系を示した図
である。

【図８】本発明の第２，第３の実施例と従来の気相シリ
コンエピタキシャル成長装置とのエピタキシャル膜抵抗
率のシリコン単結晶基板搭載位置依存性を示した図であ
る。

【図９】従来の気相シリコンエピタキシャル成長装置の
縦断面図である。

【符号の説明】

１外管２内管３架台４基板ホルダー５単結晶基板６ドーピング源の単結晶基板７抵抗加熱炉８ノズル管（エピタキシャル成長用）９ノズル管（ガスエッチング用）１０ガス排出孔１１排気口１２ガス放出孔１３マスフローコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/205 C30B 25/14 H01L 21/22 511

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数枚の被気相成長シリコン基板を所定
の間隔で水平に積み重ねるように保持し、複数のガス放
出孔を有する複数のノズル管を有し、前記複数枚の被気
相成長シリコン基板のそれぞれの被気相成長面に対して
ほぼ平行にシラン系ガス、エッチングガス、キャリアガ
スからなる混合ガスと水素ガスとをそれぞれ別の前記ノ
ズル管より流し、前記被気相成長面にエピタキシャル膜
を気相成長させる気相シリコンエピタキシャル成長装置
において、前記エピタキシャル膜へのドーピング源を高
濃度に不純物がドーピングされた単結晶基板とし、この
ドーピング源を前記被気相成長シリコン基板と同時に搭
載して前記エピタキシャル成長中にこのドーピング源の
みをガスエッチングして前記エピタキシャル膜へのドー
ピングを行なうためのエッチングガス放出孔を有するノ
ズル管を設けたことを特徴とする気相シリコンエピタキ
シャル成長装置。
【請求項２】前記エピタキシャル膜へのドーピング源
である高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板を前
記被気相成長シリコン基板群の上部と下部に搭載配置し
た請求項１記載の気相シリコンエピタキシャル成長装
置。
【請求項３】前記エピタキシャル膜へのドーピング源
である高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板を前
記被気相成長シリコン基板群を上下に２分割したものの
上部と中央部と下部に搭載配置した請求項１記載の気相
シリコンエピタキシャル成長装置。
【請求項４】前記エピタキシャル膜へのドーピング源
である高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板の各
々に対して、これらのドーピング源のみをガスエッチン
グする独立に流量制御可能なノズル管を一本ずつ割り当
てた請求項１記載の気相シリコンエピタキシャル成長装
置。
【請求項５】前記エピタキシャル膜へのドーピング源
である高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板を前
記被気相成長シリコン基板群を２個以上に分割したもの
の上部、各群の間、下部に配置し、かつ前記ドーピング
源を下から適当な複数個ずつにまとめた各集団の各々に
対して、前記ドーピング源のみをガスエッチングする独
立に流量制御可能なノズル管を割り当てた請求項１記載
の気相シリコンエピタキシャル成長装置。