JP2790009B2 - シリコンエピタキシャル層の成長方法および成長装置 - Google Patents

シリコンエピタキシャル層の成長方法および成長装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、シリコンエピタキシ
ャル層の成長装置（以下Ｓｉエピタキシャル層成長装置
と称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７には従来の枚葉式のＳｉエピタキシ
ャル層成長装置の縦断面が、また、図８にはその横断面
が示されている。このＳｉエピタキシャル層成長装置１
は、大きく分けて、反応炉系Ａ、ガス供給系Ｂおよび基
板加熱源（基板加熱手段）６と、図示しない基板搬送
系、装置制御系および真空排気系とを有している。ここ
で、反応炉系Ａは石英チャンバ２を有し、この石英チャ
ンバ２内には、シリコン基板（以下Ｓｉ基板と称する）
３を保持するサセプタ４が設けられている。このサセプ
タ４は回転可能に構成され、図示しないモータによって
回転駆動されるようになっている。また、反応炉系Ａに
連結されるガス供給系Ｂは、石英チャンバ２の幅方向に
配列された複数のインジェクタ５を有し、このインジェ
クタ５を通じて石英チャンバ２内に反応ガスを供給する
ようになっている。また、反応炉系Ａに付設される基板
加熱源６としては例えばハロゲンランプが用いられ、こ
のハロゲンランプによってＳｉ基板３を加熱するように
なっている。
【０００３】ところで、このＳｉエピタキシャル層成長
装置１における反応ガスとしては、シリコンソース（モ
ノシラン、ジクロルシラン、トリクロルシランまたはテ
トラクロルシラン：以下Ｓｉソースと称する）を水素ガ
スで希釈しドーパントガスを微量混合してなるガスが用
いられ、複数のインジェクタ５からは、同一のＳｉソー
ス濃度および同一のドーパント濃度からなる反応ガスが
同時かつ平行に吹き出されるようになっている。この場
合、Ｓｉソース濃度およびドーパントの濃度の調整は、
それぞれマスフローコントローラ（以下ＭＦＣと称す）
によって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
Ｓｉエピタキシャル層成長装置１にあっては下記のよう
な問題があった。
【０００５】Ｓｉエピタキシャル層成長装置１にあって
は、サセプタ４の温度はその周辺部と中央部とで同じに
保たれるよう温度制御される。サセプタ４の温度がその
周辺部と中央部とで同じでないと、Ｓｉ基板３の面内温
度が一定に保たれないため、エピタキシャル層（以下エ
ピ層と称する）に応力が生じ、Ｓｉエピタキシャル基板
にスリップが発生するからである。
【０００６】一方、このＳｉエピタキシャル層成長装置
１にあっては、石英チャンバ２の内壁にシリコンを成長
させないようにするために、石英チャンバ２が低温とな
るように冷却されている。
【０００７】したがって、サセプタ４上を流れる反応ガ
スの温度は、サセプタ４の温度がその周辺部と中央部と
で同じに保たれたとしても、中央部側を流れるガスの方
が石英チャンバ２の内壁側のガスよりも高温となってし
まう。このため、中央部側を流れる反応ガスは膨張する
ので密度が低くなるし、この膨張はサセプタ４中央部を
流れるガスを周辺部へ押し出す効果も持つ。その結果、
中央部側を流れる反応ガスの密度は周辺部側のそれに比
べて相対的に低くなり、Ｓｉソース濃度も中央部側では
必然的に低くなる。そのため、Ｓｉエピタキシャル基板
におけるエピ層厚は図２に示すように中央部では小さ
く、周辺部では大きくなってしまう。
【０００８】抵抗率は、基板の裏面からのオートドープ
の影響の強さにより変化する。その影響は周辺部側ほど
強く、中央部側ほど弱い。例えば、ｎ／ｎ＋型やｐ／ｐ
＋型の場合は、オートドープの影響を強く受けると抵抗
率が小さくなる。このため、ｎ／ｎ＋型やｐ／ｐ＋型の
Ｓｉエピタキシャル基板における抵抗率は、図３に示す
ように中央部では大きく、周辺部では小さくなってしま
う。基板の裏面に酸化膜を形成後エピ層を成長するとオ
ートドープの影響は小さくなるが、同様な傾向は現れ
る。
【０００９】この問題点の解消のためには、Ｓｉ基板３
の中央部の温度を周辺部の温度よりも高くすれば良い
が、この場合には応力が生じてスリップが発生してしま
う。
【００１０】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、スリップが無くしかも膜厚分布および抵抗
分布に優れたＳｉエピタキシャル基板を製造するＳｉエ
ピタキシャル層成長技術を提供することを目的としてい
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１記載のＳｉエピ
タキシャル層の成長方法は、チャンバの幅方向に複数配
列されたインジェクタから同時かつ実質的に平行に反応
ガスを吹き出させ、前記チャンバ内のサセプタ上に保持
されたシリコン基板の主面に沿った方向に反応ガスを流
すことにより、該シリコン基板の主面上にエピタキシャ
ル層を成長させるにあたり、サセプタを回転させるとと
もに、シリコンソースの質量流量、ドーパントの質量流
量および水素の質量流量の少なくとも１つを前記チャン
バの幅方向中央部側と周辺部側とで適宜変化させた反応
ガスを、前記複数のインジェクタから吹き出させる際
に、前記チャンバの幅方向周辺部側に供給される反応ガ
スのうち、シリコンソースの質量流量、ドーパントの質
量流量または水素の質量流量の少なくとも１つが、共通
の質量流量調整手段により調整されていることを特徴と
するものである。請求項２記載のＳｉエピタキシャル層
の成長方法は、請求項２記載のＳｉエピタキシャル層の
成長方法において、前記チャンバの幅方向周辺部側に供
給される反応ガスは、該反応ガスのうち、シリコンソー
スの質量流量、ドーパントの質量流量または水素の質量
流量の少なくとも１つが前記共通の質量流量調整手段に
より調整され、さらに、共通のガス供給路を流れた後
に、一対に分岐したインジェクタから前記チャンバ内に
吹き出されることを特徴とするものである。請求項３記
載のＳｉエピタキシャル層の成長方法は、請求項１また
は２記載のＳｉエピタキシャル層の成長方法において、
前記チャンバの幅方向周辺部側に供給される反応ガス
は、前記チャンバの幅方向中心に対して対称な位置から
吹き出されることを特徴とするものである。請求項４記
載のＳｉエピタキシャル層の成長方法は、チャンバの幅
方向に複数配列されたインジェクタから同時かつ実質的
に平行に反応ガスを吹き出させ、前記チャンバ内のサセ
プタ上に保持されたシリコン基板の主面に沿った方向に
反応ガスを流すことにより、該シリコン基板の主面上に
エピタキシャル層を気相成長させるにあたり、シリコン
基板の中央部に成長するエピタキシャル層の厚さ及び抵
抗率を調整するエ程と、シリコン基板の周辺部に成長す
るエピタキシャル層の厚さを調整する工程と、シリコン
基板の周辺部に成長するエピタキシャル層の抵抗率を調
整する工程とをこの順に行うことを特徴とするものであ
る。
【００１２】請求項５記載のＳｉエピタキシャル層の成
長装置は、チャンバの幅方向に複数配列されたインジェ
クタから同時かつ実質的に平行に反応ガスを吹き出さ
せ、前記チャンバ内のサセプタ上に保持されたシリコン
基板の主面に沿った方向に反応ガスを流すことにより、
該シリコン基板の主面上にエピタキシャル層を成長させ
る装置において、前記サセプタを回転駆動するためのサ
セプタ駆動手段と、シリコンソースの質量流量、ドーパ
ントの質量流量および水素の質量流量の少なくとも１つ
を前記チャンバの幅方向中央部側と周辺部側とで適宜変
化させ得るガス供給系を備えており、前記チャンバの幅
方向周辺部側に配列されたインジェクタは共通のガス供
給系に連結され、該共通のガス供給系にシリコンソース
の質量流量調整手段、ドーパントの質量流量調整手段又
は水素の質量流量調整手段の少なくとも１つが設けられ
ていることを特徴とするものである。請求項６記載のＳ
ｉエピタキシャル層の成長装置は、請求項５記載のＳｉ
エピタキシャル層の成長装置において、前記チャンバの
幅方向周辺部側にインジェクタを介して反応ガスを供給
するガス供給系には、シリコンソースの質量流量調整手
段、ドーパントの質量流量調整手段および水素の質量流
量調整手段の少なくとも１つが設けられており、反応ガ
スが、前記ガス供給系と、共通のガス供給管路と、一対
に分岐したインジェクタとをこの順に流れるように構成
されることを特徴とするものである。請求項７記載のＳ
ｉエピタキシャル層の成長装置は、請求項６記載のＳｉ
エピタキシャル層の成長装置において、前記一対に分岐
したインジェクタは、前記チャンバの幅方向中心に対し
て左右対称の位置に配列されることを特徴とするもので
ある。
【００１３】
【作用】上記した手段によれば、Ｓｉソースの質量流
量、ドーパントの質量流量および水素の質量流量の少な
くとも１つをチャンバの幅方向中央部側と周辺部側とで
適宜変化させた反応ガスを前記複数のインジェクタから
同時かつ平行に吹き出すようにしているので、チャンバ
の幅方向中央部側と周辺部側とでＳｉエピタキシャル基
板の面内におけるエピ層厚および抵抗率の細かいコント
ロールが可能となり、エピ層厚および抵抗率分布の改善
を図ることができる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明に係るＳｉエピタキシャル層成
長装置の実施例を図１に基づいて説明する。
【００１５】この実施例のＳｉエピタキシャル層成長装
置は枚葉式のものであって、大きく分けて、反応炉系Ａ
およびガス供給系Ｂと、図示しない基板搬送系、基板加
熱源（基板加熱手段）、装置制御系および真空排気系を
有している。このうち、基板搬送系、反応炉系Ａ、基板
加熱源（基板加熱手段）、装置制御系および真空排気系
は、図７および図８に示される従来のＳｉエピタキシャ
ル層成長装置１と同様な構造になっている。したがっ
て、従来のＳｉエピタキシャル層成長装置と同一部分に
ついては図１で同一の符号を付してその詳しい説明は省
略する。
【００１６】次に、従来のＳｉエピタキシャル層成長装
置１とは異なるガス供給系Ｂの構成について図１を用い
て説明する。このガス供給系Ｂは、石英チャンバ２内に
反応ガスを供給するためのインジェクタ１７，１８，１
９を備えている。このうちインジェクタ１８は石英チャ
ンバ１２の中心軸線上に存在し、インジェクタ１７，１
９は前記インジェクタ１８の両側に振り分けられた状態
で設けられている。インジェクタ１８にはガス供給管路
１５ａが、また、インジェクタ１７，１９にはガス供給
管路１５ｂが接続されている。そして、ガス供給管路１
５ａからはインジェクタ１８を通じて、また、ガス供給
管路１５ｂからはインジェクタ１７，１９を通じて、Ｓ
ｉソースを水素ガスで希釈しそれにドーパントを微量混
合してなる反応ガスが、前記石英チャンバ２内に供給さ
れるようになっている。この場合、ガス供給管路１５ａ
におけるＳｉソースの質量流量ひいてはＳｉソース濃度
はマスフローコントローラ（以下ＭＦＣと称する）２０
で、ドーパントの質量流量ひいてはドーパント濃度はＭ
ＦＣ２１で調整される。また、ガス供給管路１５ｂにお
けるＳｉソースの質量流量ひいてはＳｉソース濃度はＭ
ＦＣ２２で、同じくガス供給管路１５ｂを流れるドーパ
ントの質量流量ひいてはドーパント濃度はＭＦＣ２３で
調整される。
【００１７】次に、ＭＦＣ２０〜２３によるガスの濃度
調整のプロセスについて説明する。
【００１８】まず、Ｓｉ基板３および石英チャンバ２内
の温度をスリップフリーの温度に設定する。次に、Ｓｉ
エピタキシャル基板３（便宜上Ｓｉ基板と同一符号を用
いる）の中央部のエピ層厚および抵抗率が所望の値とな
るように、インジェクタ１８から吹き出されるＳｉソー
スおよびドーパントの各濃度をＭＦＣ２０およびＭＦＣ
２１を用いてそれぞれ調整する。その後、Ｓｉエピタキ
シャル基板３の周辺部のエピ層厚が中央部のそれと同じ
になるように、インジェクタ１７，１９から吹き出され
るＳｉソースの濃度をＭＦＣ２２を用いて調整する。そ
して最後に、Ｓｉエピタキシャル基板３の周辺部の抵抗
率が中央部のそれと同じになるように、インジェクタ１
７，１９から吹き出されるドーパントの濃度をＭＦＣ２
３を用いて調整する。ここで、インジェクタ１７，１９
から吹き出されるＳｉソースの濃度調整をドーパントの
濃度調整に対して先行させたのは、Ｓｉソースの濃度を
変えると、ドーパントの取込み率も変わってしまうこと
による。
【００１９】次に、試験結果について説明する。
【００２０】この試験では、従来方法と実施例の方法と
でエピタキシャル層の成長を行い、そのエピ層厚および
エピ層抵抗率の分布を比べて見た。 （１）エピタキシャル層成長条件および測定方法 従来方法の条件は［表１］に、実施例の方法の条件は
［表２］に示されている。従来方法と実施例の方法とに
よってＳｉ基板３上にエピ層を成長させた。この場合、
２００ｍｍφのｐ＋型Ｓｉ基板３上にｐ−型エピ層を形
成した。エピ層厚およびエピ層抵抗率の目標値はそれぞ
れ２．８μｍおよび３．０Ωｃｍである。そして、エピ
層成長後に各５０枚のＳｉエピタキシャル基板３のエピ
層厚とエピ層抵抗率とをそれぞれ中心１点、周辺５ｍｍ
の点で８点および半径の中点で８点、計１７点で測定
し、そのバラツキを求めた。このバラツキを求めるにあ
たっては、｛［最大値（最小値）−平均値］／平均値｝
の式を用いた。
【００２１】
【表１】 従来方法のエピタキシャル層成長条件
【表２】 実施例のエピタキシャル層成長条件
【００２２】（２）結果 その結果、従来方法によれば、図２に示すように、Ｓｉ
エピタキシャル基板３の中央部が周辺部よりもエピ層厚
が小さく、バラツキが大きいのに対し、実施例の方法に
よれば、図４に示すように、Ｓｉエピタキシャル基板３
の中央部および周辺部のエピ層厚はほぼ同じで、バラツ
キが小さくなっていることが判る。ちなみに、このエピ
層厚分布のバラツキは、従来法では４．２〜８．７％で
あったのに対して、実施例では０．７〜１．２％に抑え
ることができた。
【００２３】また、従来方法によれば、図３に示すよう
に、Ｓｉエピタキシャル基板３の中央部が周辺部よりも
抵抗率が大きく、かつ、バラツキが大きいのに対し、実
施例の方法によれば、図５に示すように、Ｓｉエピタキ
シャル基板３の中央部および周辺部のエピ層抵抗率はほ
ぼ同じで、バラツキが小さくなっていることが判る。ち
なみに、このエピ層抵抗率分布のバラツキは従来法では
６．８〜１０．１％であったのに対して、実施例では
１．５〜２．１％に抑えることができた。
【００２４】このように、本実施例によれば、Ｓｉソー
ス濃度およびドーパント濃度の調整によって、Ｓｉエピ
タキシャル基板３のエピ層厚およびエピ層抵抗率の面内
分布が均一となるようにコントロールできるので、高品
質のＳｉエピタキシャル基板３が得られる。
【００２５】以上、本発明の実施例を図１に基づいて説
明したが、本発明は、かかる実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能
であることはいうまでもない。
【００２６】前記実施例では、ｐ型不純物をドーピング
する場合について説明したが、勿論、ｎ型不純物をドー
ピングする場合にも本発明を適用できるし、ｐ＋型Ｓｉ
基板上にエピ層を成長させる場合のみならず、ｎ＋型Ｓ
ｉ基板上にエピ層を成長させる場合についても本発明を
適用できる。
【００２７】また、前記実施例では、枚葉式のものを例
に説明したが、１つのサセプタ上に複数枚のＳｉ基板３
を載せてエピ成長を行うバッチ式のものにも適用でき
る。
【００２８】さらに、前記実施例では、３個のインジェ
クタ１７，１８，１９を設け、Ｓｉソース濃度および／
またはドーパント濃度の異なる２種の反応ガスを流すよ
うにしたが、４個以上のインジェクタを設け、石英チャ
ンバ２の幅方向位置によりＳｉソース濃度および／また
はドーパント濃度の異なる２種あるいは３種以上の反応
ガスを流すようにしても良い。
【００２９】次に、本発明に係る第２実施例について第
６図を参照して説明する。この第２実施例の成長装置
は、第１実施例の成長装置におけるガス供給管路１５
ａ、１５ｂに水素の質量流量を調整するＭＦＣ２４、２
５を設けたものである。すなわち、石英チャンバ１２の
中心軸線上に存するインジェクタ１８に接続されたガス
供給管路１５ａには、ＭＦＣ２４を、このインジェクタ
１８の両側に振り分けられたインジェクタ１７、１９に
接続されたガス供給管路１５ｂには、ＭＦＣ２５をそれ
ぞれ設けて、各ガス供給管路１５ａ、１５ｂにおいて、
水素の質量流量をそれぞれ調整することができるように
している。
【００３０】そして、この第２実施例の成長装置では、
Ｓｉソースの質量流量、ドーパントの質量流量および水
素の質量流量の３つを適宜調整することができるように
構成されているので、Ｓｉエピタキシャル基板３のエピ
層厚およびエピ層抵抗率の面内分布が均一となるように
さらに細かくコントロールすることができる結果、高品
質のＳｉエピタキシャル基板３が得られる。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、Ｓｉエピタキシャル基
板の面内におけるエピ層厚およびエピ層抵抗率の細かい
コントロールが可能となり、エピ層厚およびエピ層抵抗
率分布の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のＳｉエピタキシャル層成長装置の
概略構成を示す図である。
【図２】従来のＳｉエピタキシャル層成長装置によって
得られたＳｉエピタキシャル基板のエピ層厚分布を示す
グラフである。
【図３】従来のＳｉエピタキシャル層成長装置によって
得られたＳｉエピタキシャル基板のエピ層抵抗率分布を
示すグラフである。
【図４】第１実施例のＳｉエピタキシャル層成長装置に
よって得られたＳｉエピタキシャル基板のエピ層厚分布
を示すグラフである。
【図５】第１実施例のＳｉエピタキシャル層成長装置に
よって得られたＳｉエピタキシャル基板のエピ層抵抗率
分布を示すグラフである。
【図６】第２実施例のＳｉエピタキシャル層成長装置の
概略構成を示す図である。
【図７】従来のＳｉエピタキシャル層成長装置の概略縦
断面図である。
【図８】従来のＳｉエピタキシャル層成長装置の概略横
断面図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉエピタキシャル層成長装置 ２ 石英チャンバ ３ Ｓｉ基板 ４ サセプタ ５，１７，１８，１９ インジェクタ ６ 基板加熱源 １５ａ，１５ｂ ガス供給管路 ２０，２１，２２，２３，２４，２５ マスフローコ
ントローラ Ａ 反応炉系 Ｂ ガス供給系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−96324（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−140712（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−205316（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−173419（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−337627（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−30119（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−291151（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−151338（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開473067（ＥＰ，Ａ) 米国特許3854443（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/205 C30B 25/14 C30B 25/16 C30B 29/06 504

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チャンバの幅方向に複数配列されたイン
    ジェクタから同時かつ実質的に平行に反応ガスを吹き出
    させ、前記チャンバ内のサセプタ上に保持されたシリコ
    ン基板の主面に沿った方向に反応ガスを流すことによ
    り、該シリコン基板の主面上にエピタキシャル層を成長
    させるにあたり、 サセプタを回転させるとともに、シリコンソースの質量
    流量、ドーパントの質量流量および水素の質量流量の少
    なくとも１つを前記チャンバの幅方向中央部側と周辺部
    側とで適宜変化させた反応ガスを、前記複数のインジェ
    クタから吹き出させる際に、 前記チャンバの幅方向周辺部側に供給される反応ガスの
    うち、シリコンソースの質量流量、ドーパントの質量流
    量または水素の質量流量の少なくとも１つが、共通の質
    量流量調整手段により調整されていることを特徴とする
    シリコンエピタキシャル層の成長方法。
  2. 【請求項２】 前記チャンバの幅方向周辺部側に供給さ
    れる反応ガスは、該反応ガスのうち、シリコンソースの
    質量流量、ドーパントの質量流量または水素の質量流量
    の少なくとも１つが前記共通の質量流量調整手段により
    調整され、さらに、共通のガス供給路を流れた後に、一
    対に分岐したインジェクタから前記チャンバ内に吹き出
    されることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタ
    キシャル層の成長方法。
  3. 【請求項３】 前記チャンバの幅方向周辺部側に供給さ
    れる反応ガスは、前記チャンバの幅方向中心に対して対
    称な位置から吹き出されることを特徴とする請求項１ま
    たは２記載のシリコンエピタキシャル層の成長方法。
  4. 【請求項４】 チャンバの幅方向に複数配列されたイン
    ジェクタから同時かつ実質的に平行に反応ガスを吹き出
    させ、前記チャンバ内のサセプタ上に保持されたシリコ
    ン基板の主面に沿った方向に反応ガスを流すことによ
    り、該シリコン基板の主面上にエピタキシャル層を気相
    成長させるにあたり、 シリコン基板の中央部に成長するエピタキシャル層の厚
    さ及び抵抗率を調整するエ程と、シリコン基板の周辺部
    に成長するエピタキシャル層の厚さを調整する工程と、
    シリコン基板の周辺部に成長するエピタキシャル層の抵
    抗率を調整する工程とをこの順に行うことを特徴とする
    シリコンエピタキシャル層の成長方法。
  5. 【請求項５】 チャンバの幅方向に複数配列されたイン
    ジェクタから同時かつ実質的に平行に反応ガスを吹き出
    させ、前記チャンバ内のサセプタ上に保持されたシリコ
    ン基板の主面に沿った方向に反応ガスを流すことによ
    り、該シリコン基板の主面上にエピタキシャル層を成長
    させる装置において、 前記サセプタを回転駆動するためのサセプタ駆動手段
    と、シリコンソースの質量流量、ドーパントの質量流量
    および水素の質量流量の少なくとも１つを前記チャンバ
    の幅方向中央部側と周辺部側とで適宜変化させ得るガス
    供給系を備えており、 前記チャンバの幅方向周辺部側に配列されたインジェク
    タは共通のガス供給系に連結され、該共通のガス供給系
    にシリコンソースの質量流量調整手段、ドーパントの質
    量流量調整手段又は水素の質量流量調整手段の少なくと
    も１つが設けられていることを特徴とするシリコンエピ
    タキシャル層の成長装置。
  6. 【請求項６】 前記チャンバの幅方向周辺部側にインジ
    ェクタを介して反応ガスを供給するガス供給系には、シ
    リコンソースの質量流量調整手段、ドーパントの質量流
    量調整手段および水素の質量流量調整手段の少なくとも
    １つが設けられており、反応ガスが、前記ガス供給系
    と、共通のガス供給管路と、一対に分岐したインジェク
    タとをこの順に流れるように構成されることを特徴とす
    る請求項５記載のシリコンエピタキシャル層の成長装
    置。
  7. 【請求項７】 前記一対に分岐したインジェクタは、前
    記チャンバの幅方向中心に対して左右対称の位置に配列
    されることを特徴とする請求項６記載のシリコンエピタ
    キシャル層の成長装置。
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