JP3040212B2 - 気相成長装置 - Google Patents

気相成長装置

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JP3040212B2
JP3040212B2 JP3226145A JP22614591A JP3040212B2 JP 3040212 B2 JP3040212 B2 JP 3040212B2 JP 3226145 A JP3226145 A JP 3226145A JP 22614591 A JP22614591 A JP 22614591A JP 3040212 B2 JP3040212 B2 JP 3040212B2
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/14—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板にシリコン
（Ｓｉ）をエピタキシャル成長させる気相成長装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般にシリコン（Ｓｉ）のエピタキシャ
ル成長法によれば、単結晶の高ド−プ半導体の層上に単
結晶の低ド−プ半導体層を形成したり、また半導体基板
上の開口部のみに単結晶半導体層を選択的に形成する
（選択的エピタキシャル成長法）ことができ、他の成長
法によっては実現しにくい半導体構造を形成することが
できる。また、エピタキシャル成長法によれば欠陥の無
い高品質の単結晶層を得ることができるため、バイポ−
ラＬＳＩや一部のＭＯＳＬＳＩに適用される等、種々の
半導体素子への適用が試みられている。
【０００３】Ｓｉのエピタキシャル成長に用いられる気
相成長装置の例として、図７に示すバレル型や図８に示
すパンケ−キ型が知られている。
【０００４】図７において、符号１は反応ガス導入管を
示し、石英反応管２の周囲に加熱ランプ３が配設されて
いる。石英反応管２の内部には半導体基板５を配置する
サセプタ４が設けられ、サセプタ４は回転軸６によって
回転させられる。
【０００５】また図８において、図７と同一部材には同
一符号を付されており、半導体基板５はサセプタ４の上
に載置され、ワ−クコイル９によってサセプタ４の下方
部から加熱される。
【０００６】図７または図８において、反応ガス導入管
１から送られた反応ガスにより半導体基板５の層上に結
晶成長し、反応ガスの残りは排気配管７から排出される
ようになっている。
【０００７】しかしながら、これらの装置は単位時間に
少ない枚数の半導体基板しか処理できないため、処理能
力の向上が求められていた。そしてウエ−ハの口径の増
大とともに単位時間に処理できる枚数がさらに少なくな
り、処理コストを減少するための対策が一層望まれるよ
うになった。
【０００８】このような要請に対して、ウエ−ハを積み
重ねる型のホットウオ−ル縦型気相成長装置が着目され
ている。図９および図１０にホットウオ−ル縦型気相成
長装置の従来例を示す。図７および図８と同一部材には
同一の符号が付して示す。
【０００９】図９に示す気相成長装置において、反応ガ
スを送る反応ガス導入管１は、内管１２の内部であって
ボ−トの側部に平行に立設されている。反応ガス導入管
１は短い長さを有しボ−ト１３の底部近傍に取り付けら
れている。反応ガスは反応ガス導入管１の頂部から上方
に供給され、内管１３の頂部にある排出口１７から排出
される。
【００１０】また図１０において、石英反応管である外
管１１と内管１２によって二重反応管１９が構成されて
いる。内管１２の内部にはボ−ト１３が設けら、このボ
−ト１３の内部に図示しない半導体基板が積層される。
外管１１の外周には、二重反応管１９を熱するためのヒ
−タ１０が周設されている。
【００１１】反応ガス導入管１はノズルの形状をなして
いる。反応ガスは、このノズルの側部から横方向に供給
され、内管１２の側部に設けられた排出口１８から排出
される。
【００１２】これらのホットウオ−ル縦型の気相成長装
置を用いると従来装置に比べて約１０倍の処理能力を上
げることができる。なお膜厚の均一性に関して不均一に
なりやすいという問題が考えられるが、二重反応管を使
用したり反応ガス導入管１としてノズルを使用したりし
て反応ガスの流れ状態を適正化することにより、実用上
問題ないようにすることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ホットウオ−ル縦型の気相成長装置を用いてＳｉのエピ
タキシャル成長を行う場合、二重反応管１９の側壁にＳ
ｉが析出するウオ−ルデポの存在が問題となっていた。
【００１４】二重反応管１９の側壁に生じるウオ−ルデ
ポのうち内管１２の内面に生じるウオ−ルデポは、内管
１２の内壁近傍において反応ガスの流れが均一的になり
やすいため、内壁面に均一に生じやすい。この内管１２
の内壁面に均一に生じるウオ−ルデポは、ヒ−タ１０か
らの熱が主に輻射によって伝導されるために、内管１２
内の温度分布の均一化に寄与することができる。このた
めに、内管１２内の温度均一性の変化を抑制するため
に、むしろ積極的に内管１２の内壁にＳｉを形成するこ
とがある。
【００１５】これに対して内管１２の外面や外管１１の
内面に生じるウオ−ルデポは、内管１２と外管１１の間
では反応ガスの流れが均一的でないため、壁面に均一に
は生じにくい。また内管１２と外管１１の間は内管１２
の内面に比べてヒ−タ１０からの輻射熱を強く受けより
高温の状態にある。このため、内管１２、外管１１の石
英ガラス表面に発生したＳｉのウオ−ルデポにより石英
ガラスが部分的に失透したりクラックが発生したりする
問題があった。このため、二重反応管１９の壁面がもろ
くなり安全上の問題となるとともに、二重反応管１９内
の温度分布が不均一になり、ダストが発生しやすくなる
という問題があった。
【００１６】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、二重反応管の内管の外面と外管の内
面にウオ−ルデポが析出することを防止できるホットウ
オ−ル縦型の気相成長装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、内部に半導体基板を複数配置したボ−ト
と、ボ−トを囲む内管と、内管の外側に配置された外管
と、外管の外側に配置されたヒ−タとを備え、前記内管
内に半導体基板に対して反応ガスを噴出する反応ガス用
噴出ノズルを取り付けるとともに、前記内管に反応ガス
を排出する排出口を設け、前記内管と前記外管との間に
ハロゲン化水素ガスを噴出するハロゲン化水素ガス用噴
出ノズルを設け、これにより前記内管の外面または前記
外管の内面への反応物の析出を抑制するよう構成したこ
とを特徴とする。
【００１８】
【作用】反応ガス用噴出ノズルから噴出した反応ガスは
内管内部の他に内管と外管の間にも流れる。内管と外管
の間は外管の外側に配置されたヒ−タによって熱せられ
て内管の外面と外管の内面に反応物が析出しやすい。こ
の場合、ハロゲン化水素ガス用噴出ノズルから内管と外
管の間にハロゲン化水素ガスを噴出させることにより、
反応物の析出を防止することができる。
【００１９】
【実施例】以下本発明による気相成長装置の実施例を図
１乃至図６を参照して説明する。なお図７乃至図１０に
示した従来の装置と同一部材には同一符号を付して示
す。
【００２０】図１および図２を参照して本発明の第１の
実施例を示す。図１および図２において、図示しない複
数の半導体基板が円柱状のボ−ト１３の内部に積層さ
れ、ボ−ト１３の底部は回転軸６に軸支されている。ボ
−ト１３は内管１２の中央部に配設されており、この内
管１２は石英ガラス管より形成されている。
【００２１】内管１２の内部のボ−ト１３の背部には、
反応ガスを噴出するための反応ガス用噴出ノズル８が立
設されている。反応ガス用噴出ノズル８はボ−ト１３に
平行にボ−ト１３の上端部近傍まで伸びている。反応ガ
ス用噴出ノズル８の下部は反応ガスを導入するための反
応ガス導入管１に接続されている。
【００２２】また反応ガス用噴出ノズル８の側部のうち
ボ−ト１３に向い合う部分には、反応ガスを噴出するた
めの噴出口８ａが上下方向に間隔をおいて穿設されてい
る。ボ−ト１３を挟んで反応ガス用噴出ノズル８と反対
側の内管１２の側面には、反応ガスを排出する排出口１
８が上下方向に間隔をおいて穿設されている。
【００２３】内管１２の外部には石英ガラスからなる外
管１１が内管１２と同軸状に設けられており、外管１１
と内管１２とは二重反応管１９を構成している。
【００２４】内管１２と外管１１の間の反応ガス用噴出
ノズル８近傍には、ハロゲン化水素ガスを噴出するため
のハロゲン化水素ガス用噴出ノズル２１が二重反応管１
９の側面に平行に立設されている。ハロゲン化水素ガス
用噴出ノズル２１は、頂部の頂部噴出口２３と、側部に
上下方向に間隔をおいて設けられた側部噴出口２４とを
有している。側部噴出口２４の上端は排出口１８より上
方にあり、また側部噴出口２４は内管１２の側面に向い
ている。またハロゲン化水素ガス用噴出ノズル２１の底
部はハロゲン化水素ガス導入管２２に接続されている。
【００２５】外管１１の外周には、二重反応管１９を熱
するためのヒ−タ１０が周設されている。
【００２６】次にこのような構成からなる本実施例の作
用について説明する。
【００２７】反応ガス導入管１から反応ガス用噴出ノズ
ル８に反応ガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２＋Ｈ２が送られ
る。反応ガスの温度は約９００℃、圧力は５Ｔｏｒｒで
ある。反応ガスは噴出口８ａから噴出し、ボ−ト１３の
内部に充満して積層された半導体基板の面に接触し、約
５μｍの厚さのＳｉ単結晶がエピタキシャル成長するよ
うになっている。反応ガスは内管１２の内部全体に比較
的均一な流れを形成する。反応ガスはまた内管１２と外
管１１の間にも流れ、比較的不均一な流れを形成する。
排出口１８から排出された反応ガスは、排気配管７から
外部に排出される。
【００２８】またハロゲン化水素導入管２２から噴出ノ
ズル２１にハロゲン化水素ガスが供給される。ハロゲン
化水素ガスとしては例えばＨＣｌが用いられ、１リット
ル／分の流速で供給される。また、ハロゲン化水素ガス
と同時に流速１０リットル／分の水素ガスを供給する。
水素ガスをこのような流量で供給するとウオ−ルデポの
析出をより有効に防止できることが実験的に確認されて
いる。
【００２９】ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル２１の頂
部噴出口２３から噴出されたハロゲン化水素ガス等は主
に、外管１１の頭部内面および噴出ノズル２１と反対側
の外管１１の側部内面に沿って流れる。また側部噴出口
２４から噴出されたハロゲン化水素ガス等は主に、内管
１２の側部外面および外管１１の側部内面に沿って流れ
る。図１および図２に反応ガスおよびハロゲン化水素ガ
ス等の主な流れの方向を矢印で示す。
【００３０】ヒ−タ１０からの熱は主に輻射熱として伝
導し、二重反応管１８を構成する石英ガラス管を経て外
管１１、内管１２、外管１１と内管１２の間、および内
管１２の内部を加熱する。
【００３１】ハロゲン化水素ガス等によりＳｉのウオ−
ルデポの析出を抑制できる理由として次のことが考えら
れる。すなわち、反応ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２とＨ２
の反応の結果、Ｓｉが析出するとともにＨＣｌが生成さ
れる。この場合、噴出ノズル２１からハロゲン化水素ガ
ス等を供給することによりＨＣｌの生成を化学平衡的に
抑制し、Ｓｉの析出を抑制することができる。
【００３２】（実験例）上述のような本実施例の構成お
よび条件において、ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル２
１からＨＣｌ＋Ｈ２のガスを噴射する実験を行った。こ
の実験結果を以下のように説明する。
【００３３】すなわち、内管１２の外面および外管１１
の内面にはＳｉのウオ−ルデポはほとんど生成されなか
った。このようにウオ−ルデポが生成されないため、ヒ
−タ１０からの輻射熱が不均一に遮蔽されることはな
く、したがって反応室内の温度分布が均一に調整され
た。
【００３４】ところで、エピタキシャル成長の反応を行
わせる前にＨ２ガス等を二重反応管１８内に流す気密試
験が通常行なわれている。この気密試験において、気密
不良が生じなかった。このことにより、石英ガラスの外
管１１、内管１２にクラックが発生してないことが確認
された。
【００３５】これに対して、ハロゲン化水素ガス用噴出
ノズル２１からＨＣｌ＋Ｈ２のガスを噴射することをや
め、その他は上記実験と同じ条件にして実験を行った。
この場合、次のような実験結果が得られた。
【００３６】内管１２の外面および外管１１の内面にＳ
ｉのウオ−ルデポの生成が認められた。特に排気ガスが
集中する排気口１８の近傍の内管１２の外面および外管
１１の内面に顕著なウオ−ルデポが認められた。また不
均一なウオ−ルデポの生成によりヒ−タ１０からの輻射
熱が不均一に遮蔽され、反応室内の温度分布が不均一に
なった。
【００３７】さらに、Ｈ２ガス等を二重反応管１８内に
流すことによって行う通常の気密試験において、外管１
１に気密不良が生じていることが認められ、外管１１の
石英ガラス管にクラックの発生が確認された。このクラ
ック発生の原因を調べた結果、石英ガラス管がウオ−ル
デポにより失透するためであることがわかった。
【００３８】なお、内管１２の内面のＳｉを積極的に形
成することにより二重反応管１９内の温度を安定化でき
ることが実験的に確認された。
【００３９】以上の結果より明らかなように、上述のよ
うな本実施例の構成によれば、内管１２と外管１１との
間にＨＣｌ＋Ｈ２ガスを噴出するハロゲン化水素ガス用
噴出ノズル２１を設けたので、内管１２の外面または外
管１１の内面にＳｉのウオ−ルデポを有効に抑制するこ
とができる。
【００４０】また、内管１２の外面または外管１１の内
面にウオ−ルデポが生成されないため、ヒ−タ１０から
の輻射熱が不均一に遮蔽されることはなく、したがって
反応室内の温度分布が不均一になることはない。さら
に、Ｓｉのウオ−ルデポにより石英ガラスが部分的に失
透したりクラックが発生したりすることがないので、二
重反応管１９を安全に作動させることができる。また、
ウオ−ルデポの生成に伴う修理時間を著しく軽減するこ
とができる。
【００４１】次に図３を参照して本発明による第２の実
施例を説明する。
【００４２】本実施例は、ハロゲン化水素ガス用噴出ノ
ズル２１の側部の側部噴出口２４ａが外管１１の側部内
面に向いていることを除いて、図１および図２に示した
実施例と同一の構成をとる。
【００４３】本実施例の構成によれば、側部噴出口２４
ａから噴出したハロゲン化水素ガスは直接的に噴出ノズ
ル２１の近傍の外管１１の側部内面に噴射されるので、
外管１１の側部内面全体を迂回しやすく、外管１１の内
面に析出するウオ−ルデポを有効に抑制することができ
る。
【００４４】次に図４を参照して本発明による第３の実
施例を説明する。
【００４５】本実施例は、反応ガス用噴出ノズル８は頂
部に噴出口８ａを有するのみで、側部には噴出口が設け
られてない。また、反応ガス用噴出ノズル８の高さは低
く、頂部がボ−ト１３の底部と略同一の高さにある。そ
の他は図１および図２に示した実施例と同一の構成をと
る。
【００４６】本実施例の構成によれば、反応ガス用噴出
ノズル８の頂部がボ−ト１３の底部の高さにあり、反応
ガスは頂部にある噴出口８ａから上方に噴出するので、
内管１２内に均一に充満しやすく、また反応ガスが排出
口１８へ直接的に噴出することがない。このため、特に
ウオ−ルデポの生成しやすい排気口１８の近傍において
ウオ−ルデポを有効に抑制することができる。
【００４７】次に図５および図６を参照して本発明によ
る第４の実施例を説明する。
【００４８】図５および図６において、ハロゲン化水素
ガス用噴出ノズル２２の他にさらに排出口１８の両側の
近傍に対称的にハロゲン化水素ガス用噴出ノズル３１、
３２が対称に設けられている。ハロゲン化水素ガス用噴
出ノズル３１、３２は、各々内管１２の外面に向かって
ガスを噴出する噴出口３１ａ、３２ａと外管１１の内面
に向かってガスを噴出する噴出口３１ｂ、３２ｂとを有
する。また、ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル３１、３
２の噴出口の上端は排出口１８より上方にある。
【００４９】なお、図５に示す反応ガス用噴出ノズル８
は図４に示したものと同様、その高さが低くなっている
が、図１または図２に示した反応ガス用噴出ノズル８の
ように高いものであってもかまわない。
【００５０】本実施例の構成によれば、ハロゲン化水素
ガス用噴出ノズル２２の他にさらに排出口１８の両側の
近傍にハロゲン化水素ガス用噴出ノズル３１、３２を設
けたので、ウオ−ルデポが顕著に生成しやすい排気口１
８の近傍の内管１２の外面および外管１１の内面におけ
るウオ−ルデポの生成を有効に抑制することができる。
なお、上記各実施例において、内管１２の材質として
石英ガラスを用いたがこれに限らず、ＳｉＣ、ＳｉＣコ
−トグラファイト、ＧＣコ−トグラファイトを用いても
内管１２の外面または外管１１の内面のウオ−ルデポを
同様に抑制することができる。
【００５１】また上記各実施例においてハロゲン化水素
ガスとしてＨＣｌを用いたが、代わりにＨＢｒ、ＨＦを
用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、内管と外管との間にハロゲン化水素ガスを噴出
するハロゲン化水素ガス用噴出ノズルを設けたので、内
管の外面または外管１１の内面に反応物の析出を有効に
抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気相成長装置の第１実施例を示す
縦断面図。
【図２】本発明による気相成長装置の第１実施例を示す
横断面図。
【図３】本発明による気相成長装置の第２実施例を示す
縦断面図。
【図４】本発明による気相成長装置の第３実施例を示す
縦断面図。
【図５】本発明による気相成長装置の第４実施例を示す
横断面図。
【図６】本発明による気相成長装置の第４実施例を示す
横断面図。
【図７】エピタキシャル成長に用いられる従来のバレル
型気相成長装置を示す縦断面図。
【図８】エピタキシャル成長に用いられる従来のパンケ
−キ型気相成長装置を示す縦断面図。
【図９】従来の二重反応管を用いた気相成長装置を示す
縦断面図。
【図１０】従来の二重反応管を用いた他の気相成長装置
を示す縦断面図。
【符号の説明】
１ 反応ガス導入管 ６ 回転軸 ７ 排気配管 ８ 反応ガス用噴出ノズル １０ ヒ−タ １１ 外管 １２ 内管 １３ ボ−ト １８ 排出口 １９ 二重反応管 ２１ ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル ２２ ハロゲン化水素ガス導入管 ２３ 頂部噴出口 ２４ 側部噴出口 ２４ａ 側部噴出口 ３１ ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル ３２ ハロゲン化水素ガス用噴出ノズル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/22 511

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内部に半導体基板を複数配置したボ−ト
    と、ボ−トを囲む内管と、内管の外側に配置された外管
    と、外管の外側に配置されたヒ−タとを備え、前記内管
    内に半導体基板に対して反応ガスを噴出する反応ガス用
    噴出ノズルを取り付けるとともに、前記内管に反応ガス
    を排出する排出口を設け、前記内管と前記外管との間に
    ハロゲン化水素ガスを噴出するハロゲン化水素ガス用噴
    出ノズルを設け、これにより前記内管の外面または前記
    外管の内面への反応物の析出を抑制するよう構成したこ
    とを特徴とする気相成長装置。
  2. 【請求項２】前記ハロゲン化水素ガス用噴出ノズルは前
    記反応ガス用噴出ノズルの近傍に設けられたことを特徴
    とする請求項１に記載の気相成長装置。
  3. 【請求項３】前記排出口は反応ガス用噴出ノズルに対向
    する前記内管の側面に形成され、前記ハロゲン化水素ガ
    ス用噴出ノズルは前記排出口の両側の近傍に設けられて
    いることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
  4. 【請求項４】前記ハロゲン化水素ガス用噴出ノズルはこ
    の噴出ノズルの側部および頂部に複数の噴出口を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
  5. 【請求項５】前記ハロゲン化水素ガス用噴出ノズルの最
    上部の噴出口は、前記排出口より上方にあることを特徴
    とする請求項４に記載の気相成長装置。
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