JP3597990B2 - 薄膜製造装置およびそれを用いる薄膜製品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空室内、特に真空化学エピタキシー（ＶＣＥ）系において、半導体層を成長させる半導体製造装置およびそれを用いる薄膜製品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、真空化学エピタキシー系において、半導体層を成長させるためには、図３に示すような半導体製造装置が用いられる。この装置は、ステンレス製で、略円筒状体をしており、装置内がその略中央で上部室１と下部室２の２室に分離されている。これら上部室１および下部室２は、それぞれターボ分子ポンプ（図示せず）に接続されており、真空室となりうる。
【０００３】
上部室１と下部室２との境には、基板保持手段３が備えられている。この保持手段３は、中心部が開口した円環状をしており、半導体製造装置の内周部に水平となるように周設されている。この保持手段３の開口周縁部は、基板４の載置部３ａとなっており、石英製の円環状板体である。この載置部３ａの周縁部は、この載置部３ａの保持部３ｂとなっており、ステンレス製の円環状板体で、その外周縁が半導体製造装置の内周部に周設されている。
【０００４】
上部室１には、加熱ヒータ５およびこの加熱ヒータの輻射熱を反射して遮蔽するためのリフレクタ（熱遮蔽体）６が備えられている。このリフレクタ６は、上記加熱ヒータ５の上部および前後左右の全周囲に配置され、下向き凹状の一体物で構成されている。
【０００５】
下部室２には、反応ガスを供給するマニホールドブロック７が備えられている。このマニホールドブロック７の、上記基板４と対峙する面には、反応ガスを吐出するガス吐出口７ａが複数形成されている。また、マニホールドブロック７へは、半導体製造装置の外部から供給管７ｂを通して、反応ガスが供給されるようになっている。
【０００６】
上記半導体製造装置を用い、例えばつぎのようにして、基板４に半導体層を成長させることが行われる。すなわち、まず、基板４を基板保持手段３の載置部３ａに載置する。ついで、ターボ分子ポンプを作動させることにより、上部室１および下部室２を真空室にする。このときの真空度は、１０^-4〜１０^-2Ｔｏｒｒ程度である。つぎに、加熱ヒータ５を加熱させることにより、基板４を約１０００℃に加熱する。つぎに、マニホールドブロック７のガス吐出口７ａから反応ガスを、基板４の下面に向かって吐出させることにより供給する。反応ガスとしては、Ｓｉ₂ Ｈ₆ ，ＧｅＨ₄ ，ＰＨ₃ ，Ｂ₂ Ｈ₆ 等があげられる。このようにして、基板４の下面に半導体層を成長させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記製造装置では、加熱ヒータ５の輻射熱により、基板保持手段３の載置部３ａ，リフレクタ６，マニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃ等、加熱ヒータ５の近くに配置された各部材が過度に高温となり、これらの部材を構成する材料の金属が気化し、この気化した金属が基板４に付着して金属汚染を招くという問題が発生する。さらに、次工程で基板４を他の装置で処理する場合、処理中に基板４から金属が拡散し装置内や同時処理される他基板を汚染してしまう。このような二次的汚染は生産性を著しく低下させてしまう。
【０００８】
また、マニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃの温度が、基板４に対する加熱の影響を受けて高くなりすぎると、マニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃ付近で反応ガスが活性化する。そして、基板４の表面以外で反応ガスが活性化すると、上記半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセス等に用いる場合に、選択性の劣化を招くという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、基板への汚染が少なく、Ｓｉ選択成長等に適した薄膜製造装置およびそれを用いた薄膜製品の製造方法の提供をその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、真空度を１０^-10 〜１０^-1Ｔｏｒｒになしうる真空室と、この真空室内の略中央に基板を保持する基板保持手段と、上記保持された基板の一面に輻射熱を与える加熱手段と、上記基板の他面に反応ガスを供給する反応ガス供給手段とを備えた薄膜製造装置であって、上記反応ガス供給手段の、上記基板の他面と対峙する面に複数のガス吐出口が形成されているとともに、このガス吐出口形成面を冷却する冷却手段が設けられており、上記ガス吐出口形成面が、基板の他面から１ｃｍ以上間隔をあけて配設されており、ガス吐出口がガス吐出口形成面から筒状に突出形成されている薄膜製造装置を第１の要旨とし、上記薄膜製造装置を用いて、金属不純物含有率が１００ｐｐｍ以下の薄膜を形成する薄膜製品の製造方法を第２の要旨とする。
【００１１】
すなわち、本発明の薄膜製造装置は、加熱手段の輻射熱により高温となり過ぎる部材を、特定の冷却手段により冷却して、その部分から材料金属が気化することを低減させるようにしたものである。したがって、材料金属による基板汚染を大幅に低減することができ、製品の性能悪化を防止することができる。また、ガス吐出口形成面付近で反応ガスが活性化することがなくなり、基板表面で反応ガスが活性化するようになる。なかでも、ガス吐出口形成面を基板の他面から１ｃｍ以上間隔をあけて配設したものは、ガス吐出口形成面を効果的に冷却することができる。したがって、上記半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセスに用いる場合、選択性がよくなる。
【００１２】
特に、上記ガス吐出口形成面に対する冷却手段として、ガス吐出口形成面に直接冷媒ジャケットを付設したものも、ガス吐出口形成面を効果的に冷却することができる。
【００１３】
また、本発明の装置を用いる場合、特にシリコン，酸素，窒素，およびゲルマニウムのいずれかを含む薄膜製造に用いることが好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明の半導体製造装置の一実施の形態を示している。この装置は、図３に示す従来の半導体製造装置と基本的には同一の構成であり、同一部分に同一番号を付して、その説明を略す。ただし、ガス吐出口形成面７ｃが、従来に比べ基板４の下面から大幅に下方に設定されている（具体的には基板４の下面から９ｃｍ間隔をあけて配設されている）。そして、従来は、上記ガス吐出口形成面７ｃに、単なる孔として形成されていたガス吐出口７ａが、ガス吐出口形成面７ｃから筒状に突出形成され、その先端が、基板４の下面に近接されている。また、マニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃの内面および側壁７ｄの上部外面に、冷媒ジャケットＡが形成されている。
【００１６】
この装置によれば、吐出口形成面７ｃが過度に高温とならない程度に基板４の下面から充分な間隔をあけて配設されているとともに、冷媒ジャケットＡによる冷却が行われ、しかも、ガス吐出口７ａが筒状に延びて基板４の下面に近接しているため、ガス吐出口形成面７ｃ付近で反応ガスが活性化することがなくなり、基板４の下面でのみ反応ガスが活性化するようになる。したがって、上記半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセス等に用いる場合、選択性がよくなる。また、冷媒ジャケットＡによる冷却のため、冷媒ジャケットＡが形成された上記部材７ｃ，７ｄが過度に高温となることがない。このため、上記部材７ｃ，７ｄの部材金属が気化することを低減させることができ、基板４に対する不純金属汚染を防止することができる。
【００１７】
特に、マニホールドブロック７においてガス吐出口形成面７ｃの内面に冷媒ジャケットＡが形成され、そこに冷媒が導入されるため、ガス吐出口形成面７ｃ付近で反応ガスが活性化することがなくなり、基板４の下面で反応ガスが活性化するようになる。したがって、上記半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセス等に用いる場合、選択性がよくなる。
【００１８】
なお、上記実施の形態では、ガス吐出口形成面７ｃを、基板４の下面から９ｃｍ間隔をあけて配設したが、その間隔は、これに限定されるものではなく、１ｃｍ以上あればよい。その間隔が１ｃｍよりも短いと、ガス吐出口形成面７ｃが加熱ヒータ５に近すぎて、吐出口形成面７ｃが過度に高温となり、吐出口形成面７ｃ付近で反応ガスが活性化してしまう。その結果、半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセスに用いると、選択性の劣化を招いてしまう。
【００１９】
また、この装置において、図２に示すように、基板保持手段３の最外部にある保持部３ｂの下面およびリフレクタ６の外表面に冷媒ジャケットＡを設けるようにしても差し支えはない。なお、図２に示す装置は、図３に示す従来の半導体製造装置と基本的には同様であるが、基板保持手段３の最外部にある保持部３ｂの下面，リフレクタ６の外表面，ならびにマニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃの内面および側壁７ｄの上部外面のそれぞれに、冷媒ジャケットＡが付設されており、そのうちの基板保持手段３やリフレクタ６への冷媒ジャケットＡの付設の参考となる装置である。
【００２０】
すなわち、これらの部分は、加熱ヒータ５の近くに配置されているため、すでに述べたように、そのままでは、ヒータ加熱により過度に高温となりやすいが、冷媒ジャケットＡが形成され、そこに水等が導入されるため、部材３ｂ，６，７ｃ，７ｄが冷却され過度に高温となることがない。したがって、上記部材３ｂ，６，７ｃ，７ｄの材料金属が気化することを低減させることができ、基板４に対する不純金属汚染を防止することができる。これにより、製品の性能悪化を防止することができる。
【００２１】
なお、上記装置において、各冷媒ジャケットＡの形態はどのようなものであってもよく、冷媒が通過する配管を、らせん状に巻きつける、ジグザクに配する、うずまき状に配する等、適宜に設定することができる。また、配管によらず、冷媒ジャケットＡを形成する部材を、予め、中空部を有する２層体に形成しておき、その中空部に水等の冷媒を導入して、部材自体がジャケット構造を備えるようにしてもよい。
【００２２】
また、冷媒ジャケットＡに導入する冷媒は、水の他、液体窒素等、他の冷却液体や冷却気体を適宜用いることができる。
【００２３】
さらに、冷媒ジャケットＡは、マニホールドブロック７のガス吐出口形成面７ｃの内面以外では、基板保持手段３の最外部にある保持部３ｂの下面，リフレクタ６の外表面，およびマニホールドブロック７の側壁７ｄの上部外面の全ての部材に設ける必要はなく、これらのうち少なくとも１つの部材に設けることで、ある程度の効果を得ることができる。ただし、上記の例のように、加熱の影響を受ける部材全てに冷媒ジャケットＡを設けることが、高品質の半導体薄膜を得ることにつながる。
【００２４】
そして、図１の装置は、基板４に半導体層を成長させる場合に用いる以外に、導電性薄膜や絶縁膜等、各種結晶膜の成長に用いることができる。なかでも、薄膜として、シリコン，酸素，窒素，ゲルマニウムのいずれかを含むものを成長されるのに用いることが好ましい。酸素，窒素およびシリコンを含むガスを用いて、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成する場合、性能劣化を防ぐため金属不純物の混入しない絶縁膜形成が要求されているからである。また、シリコンやゲルマニウムを含むガスを用いて、多結晶性シリコン，多結晶性ゲルマニウムや多結晶性シリコンゲルマニウム混晶等の導電性膜を形成する場合も同様に金属等の不純物を含まないことが要求されているからである。
【００２５】
さらに、ＭＯＳトランジスタを製造する場合、上記のように酸素，窒素およびシリコンを含むガスを用いて、ゲート絶縁膜を形成したのちに、ガスをシリコンやゲルマニウムを含むガスに切り替えて、ゲート電極を続けて形成することができる。従来技術では別々の工程で形成していたゲート絶縁膜およびゲート電極を一度に形成することになり、生産性を向上することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の薄膜製造装置は、加熱手段の輻射熱により高温となり過ぎる部材を、特定の冷却手段により冷却して、その部分から材料金属が気化することを低減させるようにしたものである。したがって、材料金属による基板汚染を大幅に低減することができ、製品の性能悪化を防止することができる。また、ガス吐出口形成面付近で反応ガスが活性化することがなくなり、基板表面で反応ガスが活性化するようになる。なかでも、ガス吐出口形成面を基板の他面から１ｃｍ以上間隔をあけて配設したものは、ガス吐出口形成面を効果的に冷却することができる。したがって、上記半導体製造装置をＳｉ選択成長プロセスに用いる場合、選択性がよくなる。
【００２７】
特に、上記ガス吐出口形成面に対する冷却手段として、ガス吐出口形成面に直接冷媒ジャケットを付設したものも、ガス吐出口形成面を効果的に冷却することができる。
【００２８】
また、本発明の装置を用いる場合、特にシリコン，酸素，窒素，およびゲルマニウムのいずれかを含む薄膜製造に用いることが好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の半導体製造装置を示す説明図である。
【図２】上記半導体製造装置における基板保持手段やリフレクタへの冷媒ジャケットの付設状態を示す参考図である。
【図３】従来の半導体製造装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 上部室
２ 下部室
３ 基板保持手段
５ 加熱ヒータ
６ リフレクタ
７ マニホールドブロック
７ａ ガス吐出口
７ｃ ガス吐出口形成面
Ａ 冷媒ジャケット

Claims (6)

1. 真空度を１０^-10 〜１０^-1Ｔｏｒｒになしうる真空室と、この真空室内の略中央に基板を保持する基板保持手段と、上記保持された基板の一面に輻射熱を与える加熱手段と、上記基板の他面に反応ガスを供給する反応ガス供給手段とを備えた薄膜製造装置であって、上記反応ガス供給手段の、上記基板の他面と対峙する面に複数のガス吐出口が形成されているとともに、このガス吐出口形成面を冷却する冷却手段が設けられており、上記ガス吐出口形成面が、基板の他面から１ｃｍ以上間隔をあけて配設されており、ガス吐出口がガス吐出口形成面から筒状に突出形成されていることを特徴とする薄膜製造装置。
2. 上記冷却手段として、少なくとも上記ガス吐出口形成面に、冷媒ジャケットが付設されている請求項１記載の薄膜製造装置。
3. 上記加熱手段の上部および側周部を囲う熱遮蔽体が設けられているとともに、この熱遮蔽体の外表面に冷媒ジャケットが設けられている請求項１記載の薄膜製造装置。
4. 上記基板保持手段の最外部にある保持部の下面に冷媒ジャケットが設けられている請求項１記載の薄膜製造装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜製造装置を用いて、金属不純物含有率が１００ｐｐｍ以下の薄膜を形成することを特徴とする薄膜製品の製造方法。
6. 上記薄膜がシリコン，酸素，窒素，およびゲルマニウムのいずれかを含む薄膜である請求項５記載の薄膜製品の製造方法。