JP3948577B2 - Manufacturing method of semiconductor single crystal thin film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の表面に半導体単結晶薄膜を形成して、いわゆる半導体エピタキシャルウェーハを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のように電子デバイスの微細化および高集積化が高度に進展し、デバイスが取り扱う電荷量が減少するに伴い、半導体基板中の微小欠陥の影響がますます顕著となっており、半導体基板の無欠陥化が切望されている。
かかる無欠陥化を半導体基板の表層部で実現可能なものとして、半導体基板上にさらに半導体単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャルウェーハが知られている。エピタキシャル成長技術によれば、エピタキシャルウェーハ内部に急峻な不純物濃度勾配を形成したり、高濃度層の上部に低濃度層を形成することが比較的容易に行えるため、エピタキシャル成長技術はバイポーラ・トランジスタやショットキ・バリア・ダイオードの作製には必須のものである。
【0003】
エピタキシャルウェーハの半導体単結晶薄膜については、電子デバイスの微細化に伴ってより一層の薄膜化と膜厚および抵抗率の高度な均一化とが要求されている。しかし、デバイス・チップの大型化と共に半導体基板が大口径化し、形成すべき半導体単結晶薄膜の面積も増大していることから、この要求に十分に応えることは年々困難となりつつある。
大口径の半導体基板上に半導体単結晶薄膜を成長させるためのエピタキシャル成長装置としては、半導体基板水平載置型の枚葉式エピタキシャル成長装置が主に用いられている。特開平4−233723号公報には、かかるエピタキシャル成長装置における膜厚均一化の対策として、半導体基板に平行な面内でこの半導体基板の端部に隣接して設けられる長穴状のガス流入口を複数本の溝に分割し、個々の溝におけるガス濃度あるいはガス流量を制御可能としたガス供給多岐管が開示されている。
【0004】
ところで通常、半導体エピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャル成長装置の反応容器内では、該反応容器内に載置された半導体基板よりも下方側の領域への意図しない半導体薄膜の堆積を防ぐために、エピタキシャル成長に影響を与えないガス、典型的にはキャリアガスと同じガスが、パージガスとして供給されている。
図5は、従来の一般的なエピタキシャル気相成長装置の構成例である。
この装置は、長手方向の一端にガス供給口22、他端に排気口23を備えた扁平な反応容器21と、この反応容器21の下方側に位置し、半導体基板Wを載置するためのサセプタ25を収容するサセプタ収容部24と、このサセプタ収容部24の底部中央に接続され、上記サセプタ25の回転軸26を挿通させるための脚部30と、この脚部30の中途部にて上記回転軸26に接続され、該回転軸26を矢印e方向に回転可能とする回転アセンブリ27と、上記脚部30に接続され、その内部にパージガスを導入するための第1のパージガス供給管28と、上記サセプタ収容部24に接続され、その内部にパージガスを導入するための第2のパージガス供給管29と、反応容器21の天井面の外部に配列され、半導体基板Wを均一に加熱するための複数の赤外線ランプ31と、サセプタ収容部24の底面の外部に配され、サセプタ25表面の温度を測定することにより半導体基板Wの温度を検出するための放射温度計32を主な構成要素とする。
【0005】
上記装置において半導体基板W上に珪素単結晶薄膜を成長させる場合、反応容器21内にはガス供給口22から例えばH2 (水素)に代表されるキャリアガスと、このキャリアガスで希釈されたSiHCl3 (トリクロロシラン)等の原料ガスと、必要に応じて供給されるB2 6 等のドーパントガスとが混合されてなる反応ガスが、マスフローコントローラ(MFC)により流量制御された後に矢印a方向に導入され、半導体基板Wの主面に対して略平行なガス流が形成される。
なお、前述の特開平4−233723号公報に開示されるガス供給多岐管は、上記ガス供給口22の形状が複数本の溝に分割された長穴状とされたものに相当し、個々の溝についてガス流量が個別に制御されることで、半導体基板の面内に所定のガス濃度分布が与えられている。
【0006】
一方、上記サセプタ収容部24内には、パージガスとして例えばH2 ガスがマスフローコントローラ(MFC)により流量制御された後に、第1のパージガス供給管28および第2のパージガス供給管29を通じて導入される。上記サセプタ収容部24は、サセプタ25の直径よりもやや大きい直径を有し、その内壁面と該サセプタ25の外縁との間には環状のわずかな隙間がある。したがって、第1のパージガス供給管28および第2のパージガス供給管29から導入されたパージガスは、それぞれ矢印bおよび矢印cで示されるように、サセプタ収容部24から上記の隙間を通過して反応容器21内に到達する。パージガスはそこで未反応の反応ガスや反応副生成物を含むガス流と合流し、排気口23から矢印d方向に沿って排気される。
【0007】
上述のようなパージガスのガス流は、反応容器21内の反応ガスがサセプタ収容部24側へ流入することを防ぎ、該サセプタ収容部24の内壁面上に多結晶状の珪素薄膜が堆積することを防止する役割を果たしている。
サセプタ収容部24の内壁面における多結晶膜の堆積防止は、下記の2つの理由により重要である。
ひとつは、装置内のパーティクルレベルを抑制することによる珪素単結晶薄膜の膜質向上と、その結果として装置のメンテナンス頻度を削減できることによる生産性の向上である。
もうひとつは、放射温度計32による温度測定精度の維持である。放射温度計32は、サセプタ収容部24の器壁を通して観測されたサセプタ25の裏面の発光輝度にもとづいて半導体基板の温度を算出しているため、珪素薄膜の堆積により器壁が白濁すると、発光輝度が実際よりも低く観測され、半導体基板の温度が誤って低く算出されてしまうからである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように重要な役割を果たしているパージガスであるが、このパージガスの流量をあまり増大させると、半導体基板面内における半導体単結晶薄膜の膜厚の均一化が妨げられることが経験的に知られている。このため、パージガス流量は通常、必要最低限に抑えられている。
ところが、条件によっては必要最低限のパージガス流量下でも半導体単結晶薄膜の膜厚分布や抵抗率分布の均一性が損なわれる場合がある。このような場合、反応ガスの流量を変更せず、パージガス流量をさらに低下させることで対処すると、サセプタ収容部24の内壁面上へ意図しない多結晶膜の堆積が発生してしまい、反応容器21の交換などメンテナンス頻度の上昇による生産性の低下や、放射温度計32による半導体基板の温度の管理精度の低下を招く原因となっていた。
【0009】
そこで本発明は、サセプタ収容部24の内壁面への多結晶膜の堆積を招かず、かつこれと同時に、半導体基板面内では良好な半導体単結晶薄膜の膜厚分布や抵抗率分布を達成することを可能とする方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の目的を達成するために、サセプタ収容部24に供給されるパージガスが反応容器21内、特に半導体基板表面付近の反応ガス濃度に与える影響について、流体力学的な解析を行った。その結果、たとえ半導体基板の面内に所定の濃度分布となるように原料ガスが供給されている場合であっても、パージガスの流量によっては主として半導体基板の外周側の反応ガス濃度がパージガスにより変化することを見出した。
また本発明者らは、原料ガスとしてシラン系ガスを用いた時に、原料ガスの濃度を半導体基板の中央部よりも周辺部に相対的に高く設定することにより均一な膜厚分布が得られること、さらに、低温域で珪素系半導体基板の主面の自然酸化膜と付着有機物膜を除去することにより、抵抗率分布を高度に均一化することが可能となることを見出した。
【0011】
本発明の半導体単結晶薄膜の製造方法は、かかる知見にもとづいて提案されるものであり、半導体単結晶薄膜の形成に関与する原料ガスが半導体基板の直径方向に沿って所定の濃度分布を持つように、かつ該半導体基板の主面に対して略平行、一方向に供給されている時、この濃度分布をパージガスの流量に応じて最適化するものである。
このとき、上記原料ガスの濃度分布と共に、上記反応ガスの総流量を上記パージガスの流量に応じて最適化することも好適である。
【0012】
上述のような原料ガスの濃度分布を作り出すための実際的な方法としては、上記半導体基板を反応容器の下方側に位置するサセプタ収容部に収容されるサセプタの上に載置し、上記パージガスは該サセプタ収容部内に導入された後に該半導体基板の裏面側から該半導体基板の外縁を経由して該反応容器内にて上記反応ガスと合流させ、上記原料ガスの濃度分布は該反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について該原料ガスの濃度を独立に設定することが簡便である。
このときのパージガスの流量は、上記サセプタ収容部の内壁面上における半導体多結晶膜の堆積を抑制し得る流量に調整することが肝要である。
また、上記原料ガスの濃度分布を、上記反応容器の幅方向の中央部では相対的に低濃度、かつ幅方向の周辺部では相対的に高濃度となるごとく設定することは、周辺部におけるパージガスによる希釈効果を相殺する上で有効である。
【0013】
上記半導体基板として珪素系半導体基板、上記原料ガスとしてシラン系ガスを用いると、珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長が可能となる。このとき、この半導体単結晶薄膜の成長に先立つ前処理として、上記珪素系半導体基板の一方の主面に対し、0℃以上100℃未満の温度域にてHFとH2 の混合ガスを用いた自然酸化膜の除去と、500℃以上800℃未満の温度域でHClとH2 の混合ガスを用いた付着有機物の除去とをこの順に行うと、次工程で極めて均一な珪素単結晶薄膜を成長させることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明において原料ガスの濃度分布は、反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について独立に原料ガスの濃度を設定することにより達成することができる。このようなガスの供給方法は、例えば図1に示されるようなエピタキシャル気相成長装置を用いて実現することができる。
【0015】
この装置は、長手方向の一端にガス供給管2、他端に排気口3を備えた扁平な反応容器1と、この反応容器1の下方側に位置し、半導体基板Wを載置するためのサセプタ5を収容するサセプタ収容部4と、このサセプタ収容部4の底部中央に接続され、上記サセプタ5の回転軸6を挿通させるための脚部10と、この脚部10の中途部にて上記回転軸6に接続され、該回転軸6を矢印G方向に回転可能とする回転アセンブリ7と、上記脚部10に接続され、その内部にパージガスを導入するための第1のパージガス供給管8と、上記サセプタ収容部4に接続され、その内部にパージガスを導入するための第2のパージガス供給管9と、サセプタ収容部4の底面側の外部に配され、半導体基板Wの温度を検出するための放射温度計11を主な構成要素とする。
【0016】
上記反応容器1の幅方向、すなわち短手方向の長さは、半導体基板Wの直径よりもやや大とされる程度に選択される。このことにより、反応容器1内のガス流が近似的に層流を形成した状態で半導体基板Wの主面に沿って通過するようになされている。直径300mmの半導体基板Wに対する処理を想定した場合、反応容器1の幅は例えば380mm程度に設定される。
なお、上記反応容器1の天井面側の外部には半導体基板Wを均一に加熱するための複数の赤外線ランプが配列されているが、ここでは煩雑さを避けるために図示を省略し、光の入射方向のみ矢印Lで示してある。なお、半導体基板Wを加熱するための赤外線ランプは、上記反応容器1の底部側の外部に配列されることもある。
【0017】
上記ガス供給管2は、一例として平行に3分割された流路を有し、各流路の末端、すなわち反応容器1に接続される開口端は、反応容器1の幅方向に沿って扁平な矩形形状を有するガス導入口2a,2b,2cとされている。図示される例では、中央のガス導入口2bが開口面積全体の2/3を占め、左右のガス導入口2a,2cが1/6ずつを占める設計とされている。各ガス導入口2a,2b,2cから放出されたガスは、それぞれ矢印A,B,Cで示されるごとく、半導体基板Wの主面に対して略平行なガス流を形成し、反応容器1内を排気口3に向かって流れる。
【0018】
図1には、珪素単結晶基板上への珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長を想定し、大別して2つのガス供給系統を示した。
そのひとつは、ドーパントガスのジボラン(B2 6 )、原料ガスのSiHCl3 、前処理用ガスのHCl、およびキャリアガスのH2 を導入する第1のガス供給系統12A,12B,12Cである。B2 6 は、p型珪素単結晶薄膜を成長させる際のドーパントである。また、HClガスはエピタキシャル成長に先立ち、珪素単結晶基板の表面の付着有機物を除去するためのガスであり、H2 で希釈された状態で供給される。このHClガスを用いた前処理については、実施例2で後述する。
第1のガス供給系統12A,12B,12Cは、それぞれに独立に備えられたマスフローコントローラ(MFC)群13A,13B,13Cを用いて目的に応じた組成を有する混合ガス、すなわち反応ガスを調整し、この反応ガスを所望の流量にてそれぞれガス導入口2a,2b,2cから反応容器1内へ供給する。
【0019】
なお、珪素単結晶薄膜の成膜用の原料ガスとしては、上記のSiHCl3 以外にも様々なシラン系ガスを用いることができ、例えばSiH4 ,SiH2 Cl2 ,SiCl4 等のモノシラン誘導体、あるいはジシランやトリシランの誘導体を例示することができる。ここで、ジシランやトリシランを用いる場合は、モノシラン誘導体を用いる場合に比べて低温成長が可能である。
また、ドーパントとしては、上記のB2 6 以外にもn型ドーパントであるフォスフィン(PH3 )、その他公知の化学物質を用いることができる。
【0020】
一方、第2のガス供給系統14は、フッ化水素(HF)をH2 ガスで希釈して供給するための系統である。このHFは、エピタキシャル成長に先立ち、珪素単結晶基板の表面の自然酸化膜を除去するために用いられる。このHFを用いた前処理については、実施例2で後述する。HFは常温で液体であるが、蒸気圧が大きく容易に気化するため、この気化成分をマスフローコントローラ(MFC)群15を用いてH2 と混合し、反応容器1へ供給する。
【0021】
本装置の上記サセプタ収容部4内には、パージガスとして例えばH2 ガスがそれぞれMFC17,18による流量制御を経て、第1のパージガス供給管8および第2のパージガス供給管9から導入される。上記サセプタ収容部4は、サセプタ5の直径よりも大きい直径を有し、その内壁面と該サセプタ25の外縁との間にはわずかな環状の隙間がある。この隙間の幅は、例えば5mmとした。第1のパージガス供給管8から導入されたH2 ガスは、矢印Eで示されるように、回転アセンブリ7と脚部10の内部を通過して上記の隙間から反応容器1へ到達し、排気口3から矢印Dで示されるように排気される。また、第2のパージガス供給管9から導入されたH2 ガスは、矢印Fで示されるように、やはり上記の隙間を抜けて反応容器1へ到達し、同様に排気される。
【0022】
このような装置構成においては、特に半導体基板Wの外周部においてパージガスの希釈効果による原料ガス濃度の低下が予測されるため、本発明では原料ガスの濃度分布を、半導体基板の中央部では相対的に低く、かつ外周部では相対的に高く設定しておくことが好適である。
【0023】
ところで、エピタキシャル成長の成否は半導体基板の表面状態に大きく依存することが知られている。特に、珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる場合、該珪素単結晶基板表面の自然酸化膜や付着有機物を十分に除去し、清浄化しておくことが必要である。この清浄化の方法としては、まず、0℃以上100℃未満の温度域でHFとH2 の混合ガス(HF混合ガス)を用いて自然酸化膜を除去した後、500℃以上800℃未満の温度域でHClとH2 の混合ガス(HCl混合ガス)を用いて付着有機物の除去を行うことが極めて好適である。
なお、上記HF混合ガス中のHF濃度はおおよそ0.5%以上とすることが好適である。0.5%未満では自然酸化膜の除去速度が著しく低下する。一方、1〜100%において自然酸化膜の除去に要する時間には大差はない。
また、HF混合ガスによる処理時間はおおよそ0.5〜5分の範囲とすることが好適である。0.5分より短時間では自然酸化膜が十分に除去されず、5分より長時間では効果にほとんど差異が認められない上、スループットが低下する原因となる。実用上は3分程度で十分である。
【0024】
上記の自然酸化膜の除去方法は、本願出願人が別の研究結果にもとづいて提案したものであり、該自然酸化膜に本来的に収着されている水分を反応開始触媒として利用しながら低温で自然酸化膜を除去する方法である。温度が0℃よりも低い場合には、自然酸化膜が除去できなくなるか、あるいはエッチング反応速度が低下してスループットが低下するおそれがあり、逆に100℃よりも高い場合には自然酸化膜に収着されている水分が脱離して反応開始触媒が無くなってしまうので、エッチング反応が進行しなくなる。
一方、HCl混合ガスによる付着有機物の除去時の温度については、500℃以下であると除去が進行せず、800℃を越えると珪素単結晶基板の表面が腐食されて微小な凹凸が発生するおそれが大きい。なお、HCl混合ガスの濃度はおおよそ0.1〜10%とすることが好適である。0.1%未満では付着有機物の除去効果が小さく、10%以上では珪素単結晶基板の表面に微小な凹凸が生ずることがある。また、HCl混合ガスによる処理時間はおおよそ1秒〜10分の範囲とすることが好適である。1秒より短時間では付着有機物が十分に除去されず、10分より長時間では効果にほとんど差異が認められない上にスループットが低下する原因となる。
【0025】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【0026】
実施例1
本実施例では、前掲の図1に示したエピタキシャル気相成長装置を用いたノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、パージガスであるH2 ガスの流量を一定とし、中央のガス導入口2bと左右のガス導入口2a,2cからのSiHCl3 ガスの供給濃度比の違いによる膜厚分布の変化について検討した。
使用した単結晶基板Wは、珪素からなる直径300mmのp型低抵抗基板(抵抗率=0.01Ω・cm)である。
本実施例では、プロセス全体を通じて反応容器1内の圧力を常に1気圧に維持し、また、このときの第1のパージガス供給管8および第2のパージガス供給管9から導入されるパージガスの合計流量は、常に16リットル/分とした。
【0027】
まず、半導体基板Wの前処理を行った。すなわち、半導体基板Wをサセプタ5上に載置し、第1のガス供給系統12A,12B,12Cを用いてH2 ガスを導入した。この状態で、図示されない赤外線ランプに通電して半導体基板Wを1100℃に昇温し、その温度に1分間保持した。これにより、珪素単結晶基板の表面に付着していた珪素酸化膜および有機物を還元分解除去した。
【0028】
次に、上記赤外線ランプ通電量を調整して半導体基板Wの温度を1000℃とし、直ちに反応ガスであるSiHCl3 とH2 の混合ガスを、ガス導入管2より1分間導入した。上記混合ガスの組成は、H2 ガス75リットル/分に12g/分のSiHCl3 を添加した組成とした。
ここで、中央のガス導入口2bと左右のガス導入口2a,2cからのCl3 の供給濃度比(以下、「左:中央:右」と表記する。)を左:中央:右=1:1:1とした場合、左:中央:右=4:1:4とした場合、および左右のみに同じ濃度で流した場合、すなわち左:中央:右=1:0:1とした場合の3通りの実験を行った。このとき、各ガス導入口2a,2b,2cから流出する上記混合ガスの流速が均一となるよう、MFC群13A,13B,13Cを用いて各導入口へ供給する反応ガスの量を制御した。
1分間の成膜を終了した後、赤外線ランプの通電を遮断すると同時にSiHCl3 の供給を停止し、H2 ガスのみ流した状態で基板の温度を室温まで下げ、反応容器1外へ取り出した。得られたものは、珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜が成膜されたエピタキシャルウェーハである。
【0029】
図2に、上記3通りのSiHCl3 ガス供給濃度比における膜厚分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離(mm)を表し、縦軸はノンドープ珪素単結晶薄膜の成長速度(μm/分)を表す。この成長速度は、膜厚分布の直接の指標となるものである。つまり、成長速度が小さい場所では膜厚が薄く、成長速度が大きい場所では膜厚が厚い。また、左:中央:右=1:1:1の場合の結果をグラフI、左:中央:右=4:1:4の場合の結果をグラフII、および左右のみの場合、すなわち左:中央:右=1:0:1の場合の結果をグラフIII でそれぞれ表す。
中央と左右からのSiHCl3 の供給濃度比を均一とした場合(グラフI)には、エピタキシャルウェーハの外周側で成長速度が著しく低下し、左右のみから供給した場合(グラフIII )には、エピタキシャルウェーハの中央部の成長速度が著しく低下した。
これに対して、左:中央:右=4:1:4の場合(グラフII)の場合には、成長速度がエピタキシャルウェーハの面内で均等しており、均一な膜厚分布が達成されている。このとき、サセプタ5の裏面にわずかに多結晶珪素の堆積が生じたが、その堆積範囲は外周端から内側へ向かって1mmの範囲内にとどまっていた。
【0030】
本実施例においては、中央のガス導入口2bと左右のガス導入口2a,2cからの原料ガスの供給濃度比を左:中央:右=4:1:4とした場合に最良の結果が得られたが、最良の結果をもたらす供給濃度比は、サセプタ収容部4とサセプタ5との間に形成される隙間の幅や、パージガスの流量等の条件により異なる。しかし、半導体基板Wの外周部においては、パージガスにより原料ガスの濃度が低下するため、該原料ガスの濃度分布が半導体基板Wの中央部では相対的に低濃度、かつ外周部では相対的に高濃度となるように供給濃度比を最適化することが肝要である。
【0031】
なお、半導体基板Wの下側のパージガス流量を2リットル/分以下に低下させた場合には、左:中央:右=1:1:1であっても均一な膜厚分布が得られたが、サセプタ収容部4の内壁の全面にわたって多結晶珪素の堆積が生じ、放射温度計11による温度計測にも支障をきたした。
以上の結果から、本発明のように原料ガスの濃度分布を最適化すれば、パージガス流量が多くてもエピタキシャルウェーハ面上の成長速度が均等になるので、半導体単結晶薄膜の膜厚を均一化することができ、しかもエピタキシャルウェーハの裏面側への不要な堆積を確実に防止できることが明白である。
【0032】
実施例2
本実施例では、p+ 型珪素単結晶基板上へのエピタキシャル成長において、前処理方法の違いによる抵抗率分布の変化について検討した。
使用した単結晶基板Wは、珪素からなる直径300mmのp+ 型低抵抗基板(抵抗率=0.01Ω・cm)である。
また、本実施例では反応ガスとして、H2 ガス75リットル/分に12g/分のSiHCl3 と極微量のB2 6 を添加したものを使用した。その他の条件、すなわち反応容器1内の圧力(1気圧)、パージガスの合計流量(16リットル/分)は、いずれも実施例1と同じである。また、SiHCl3 とB2 6 とH2 を混合してなる反応ガスの供給濃度比も、実施例1で良好な結果が得られたことを受けて、左:中央:右=4:1:4に調整した。
【0033】
半導体基板Wの前処理は、次の2通りの方法で行った。
1番目の方法は、実施例1と同様、H2 ガス雰囲気下、1100℃、1分間の熱処理を行うものである。
2番目の方法は、第2のガス供給系統14を用いてHFをH2 で1%に希釈したHF混合ガスを23℃で3分間供給し、次に第1のガス供給系統12A,12B,12Cを用いてH2 で1%に希釈したHCl混合ガスを700℃で1分間供給するものである。
この後は、実施例1と同様にしてp型珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた。
【0034】
図3に、上記2通りの前処理を経て形成されたp型珪素単結晶薄膜の抵抗率分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離(mm)を表し、縦軸はp型珪素単結晶薄膜の抵抗率(Ω・cm)を表す。また、前処理を上記1番目の方法で行ったを経た場合の結果をグラフIV、上記2番目の方法で行った場合の結果をグラフVでそれぞれ表す。
1番目の方法で前処理を行った場合(グラフIV)では、膜厚分布は均一であったが、外周側の3〜5mmの範囲内で抵抗率が低下した。この傾向は、左:中央:右の原料ガスの供給濃度比を変化させても解消することはできず、また抵抗率分布の均一化は抵抗率の目標値を高く設定する(すなわちドープ量を減らす)ほど困難となった。
これに対し、2番目の方法で前処理を行った場合(グラフV)では、膜厚分布が均一であることはもちろん、エピタキシャルウェーハの外周部においても抵抗率が低下せず、全体にほぼ均一な抵抗率分布が達成された。
【0035】
上述の抵抗率分布の差は、前処理時の半導体基板Wの加熱温度に起因している。
1番目の方法は前処理温度が高いので、低抵抗基板中のホウ素原子が気相中に外方拡散し、パージガスに運ばれて半導体基板Wの外周部に滞留する。このホウ素原子は、SiHCl3 が導入されエピタキシャル成長が開始される段階になってもまだ気相中に残存しており、これがエピタキシャル成長時に膜内に取り込まれるために、珪素単結晶薄膜の外周部に低抵抗領域が形成されるのである。
これに対し、2番目の方法は1番目の方法に比べて前処理温度が低いので、特にp+ 型低抵抗率基板のドーパント原子であるホウ素の気相中への気化を効果的に抑制できる。したがって、気相中のドーパント濃度が均一化され、これにより珪素単結晶薄膜の抵抗率分布も均一化されることが把握された。
【0036】
実施例3
本実施例では、ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、反応ガスの主体を占めるキャリアガスとパージガスとの流量比の違いによる膜厚分布の変化について検討した。
使用した半導体基板Wは、珪素からなる直径300mmのp+ 型低抵抗基板(抵抗率=0.01Ω・cm)である。
反応ガスとしては、H2 ガス75リットル/分あたり12g/分のSiHCl3 を添加したSiHCl3 混合ガスを使用した。また、SiHCl3 ガスの供給濃度比は、実施例1で良好な結果が得られたことを受けて、左:中央:右=4:1:4に調整した。
反応容器1内の圧力は常に1気圧とした。
さらに、前処理は実施例2で述べた2番目の条件にしたがった。
【0037】
エピタキシャル成長は、下記の4通りのガス流量の組合せVI〜IXにもとづいて行った。ただし、本実施例では反応ガスの流量をその主体をなすH2 ガスの流量とみなし、これをキャリアH2 と称することにする。パージガス流量はこれに対応して、パージH2 と表記する。
VI :キャリアH2 =50リットル/分,パージH2 なし
VII :キャリアH2 =75リットル/分,パージH2 =32リットル/分
VIII :キャリアH2 =50リットル/分,パージH2 =16リットル/分
IX :キャリアH2 =100リットル/分,パージH2 =16リットル/分
【0038】
図4に、上記4通りの流量の組合せにおける膜厚分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離(mm)を表し、縦軸はノンドープ珪素単結晶薄膜の成長速度(μm/分)を表す。この成長速度は、膜厚分布の直接の指標となるものである。また各グラフの名称VI〜IXは、上記の流量の組合せに対応している。
グラフVIの場合、珪素単結晶薄膜の厚さはエピタキシャルウェーハの外周側で厚くなった。また、パージガス流が存在しないため、サセプタ収容部4の内壁の全面にわたって多結晶珪素の堆積が生じた。
グラフVIIでは、キャリアH2 はグラフVIと同じとしたままパージH2 の流量を一挙にキャリアH2 の半分近くまで高めたが、パージH2 の比率が高すぎてエピタキシャルウェーハの外周側でSiHCl3 の濃度が低下したために、外周側で膜厚が顕著に減少してしまった。しかし、サセプタ収容部4への多結晶珪素の堆積は認められなかった。
【0039】
グラフVIII では、グラフVIIに比べてキャリアH2 もパージH2 も全体的に低減させたが、パージH2 がキャリアH2 の30%以上の割合で供給されているために、外周側で膜厚が減少する傾向は相変わらずであった。ただし、サセプタ収容部4への多結晶珪素の堆積は認められなかった。
グラフIXでは、パージH2 はグラフVIII と同じとしたままキャリアH2 の流量を一挙にその2倍に高めたところ、外周部でわずかに膜厚が増すものの、ほぼ良好な膜厚分布が達成された。また、サセプタ収容部4への珪素堆積は、わずかにサセプタ5の裏面において外周端から内側へ1mmほど入った範囲内に認められる程度であった。
【0040】
このように、パージガス流量が相対的に不足であると反応ガスの熱拡散現象により外周側で膜厚が増大する傾向があり、逆にパージガス流量が相対的に過多であると反応ガスが希釈されて外周側の膜厚が減少する傾向がある。本実施例では、反応ガスとパージガスの流量比が半導体単結晶薄膜の膜厚分布に大きく影響を与えていることが確認され、本発明のような原料ガスの濃度分布の制御の重要性および有効性が実証された。
【0041】
以上、本発明を3例の具体的な実施例にもとづいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。例えば、本発明に用いるエピタキシャル気相成長装置としては、図1に示したような枚葉式の装置のみならず、複数枚の半導体基板を同時に処理する形式の装置も利用可能である。
シラン系ガスを用いて珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜を気相成長させるに際しては、エピタキシャル成長温度をいずれも1000℃としたが、これより若干ずれても構わない。ただし、800℃以下では成長速度が小さくなりすぎて工業的に有用でなく、1200℃を越えると熱応力に起因して半導体基板の変形が生じるので適切ではない。
また、上記の実施例では半導体単結晶薄膜としてノンドープあるいはp型の珪素単結晶薄膜を成膜する場合について説明したが、n型の珪素単結晶薄膜であってもよく、さらには、珪素系の薄膜に限られず、ゲルマニウム系半導体薄膜であってもよい。
さらに本発明は、MOCVD法による化合物半導体の単結晶薄膜の成膜にも適用可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によればパージガスの流量に応じて原料ガスの濃度分布を調節するので、半導体単結晶薄膜の膜厚や抵抗率分布の均一性を損なうことなく、エピタキシャルウェーハの裏面側への意図しない堆積を防止することができる。上記原料ガスの濃度分布は、反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について独立にガス流量を設定することにより、容易かつ精度良く達成することができる。
上記濃度分布を反応容器の幅方向の中央部で相対的に低く、外周部で相対的に高く設定することにより、膜厚や抵抗率分布の均一化が容易となる。
【0043】
本発明では半導体基板として珪素単結晶基板、上記反応ガスとしてシラン系ガスを主体とするガスを用いることにより、極めて良質な珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることが可能となる。珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長に先立っては、この成長温度より低い温度域にて珪素酸化膜と有機物膜とを予め除去しておくことにより、抵抗率分布の均一性を改善することができる。
したがって本発明は、ある種の微細な電子デバイスの形成に不可欠なエピタキシャル半導体基板を、優れた品質と生産性をもって製造することに大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いられるエピタキシャル気相成長装置の構成例を示す概略斜視図である。
【図2】ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、SiHCl3 ガスの濃度分布の違いによる膜厚分布の変化を表すグラフである。
【図3】p型珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、前処理方法の違いによる抵抗率分布の変化を表すグラフである。
【図4】ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、キャリアH2 とパージH2 の流量比の違いによる膜厚分布の変化を表すグラフである。
【図5】従来の一般的なエピタキシャル気相成長装置の構成例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 反応容器
2 ガス導入管
2a,2c ガス導入口(左右)
2b ガス導入口(中央)
3 排気口
4 サセプタ収容部
5 サセプタ
6 回転軸
7 回転アセンブリ
8 第1パージガス供給管
9 第2パージガス供給管
10 放射温度計
12A,12B,12C 第1のガス供給系統
13A,13B,13C,15 MFC群
14 第2のガス供給系統
W 半導体基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a so-called semiconductor epitaxial wafer by forming a semiconductor single crystal thin film on the surface of a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
As the miniaturization and high integration of electronic devices have advanced at a high level as in recent years and the amount of charge handled by devices has decreased, the influence of minute defects in semiconductor substrates has become more prominent. There is a strong need for defect-free products.
A so-called epitaxial wafer in which a semiconductor single crystal thin film is further epitaxially grown on a semiconductor substrate is known as a technique capable of realizing such defect-free in the surface layer portion of the semiconductor substrate. According to the epitaxial growth technology, it is relatively easy to form a steep impurity concentration gradient inside the epitaxial wafer or to form a low concentration layer on top of the high concentration layer. It is essential for the production of barrier diodes.
[0003]
As for the semiconductor single crystal thin film of an epitaxial wafer, further thinning and highly uniform film thickness and resistivity are required with the miniaturization of electronic devices. However, as the size of the device chip increases, the semiconductor substrate becomes larger in diameter and the area of the semiconductor single crystal thin film to be formed is also increasing. Therefore, it is becoming difficult to meet this demand year by year.
As an epitaxial growth apparatus for growing a semiconductor single crystal thin film on a large-diameter semiconductor substrate, a semiconductor substrate horizontal mounting type single wafer epitaxial growth apparatus is mainly used. In Japanese Patent Laid-Open No. 4-233723, as a measure for making the film thickness uniform in such an epitaxial growth apparatus, an elongated hole-like gas inlet provided adjacent to the end of the semiconductor substrate in a plane parallel to the semiconductor substrate is provided. There is disclosed a gas supply manifold that is divided into a plurality of grooves and in which the gas concentration or gas flow rate in each groove can be controlled.
[0004]
By the way, normally, in a reaction vessel of an epitaxial growth apparatus for manufacturing a semiconductor epitaxial wafer, in order to prevent unintended deposition of a semiconductor thin film in a region below a semiconductor substrate placed in the reaction vessel, the epitaxial growth is affected. A gas not supplied, typically the same gas as the carrier gas, is supplied as the purge gas.
FIG. 5 is a configuration example of a conventional general epitaxial vapor phase growth apparatus.
This apparatus has a flat reaction vessel 21 provided with a gas supply port 22 at one end in the longitudinal direction and an exhaust port 23 at the other end, and is located below the reaction vessel 21 for mounting a semiconductor substrate W. A susceptor accommodating portion 24 that accommodates the susceptor 25, a leg portion 30 that is connected to the center of the bottom of the susceptor accommodating portion 24 and allows the rotation shaft 26 of the susceptor 25 to pass therethrough, and a middle portion of the leg portion 30. A rotary assembly 27 connected to the rotary shaft 26 and capable of rotating the rotary shaft 26 in the direction of arrow e, and a first purge gas supply pipe 28 connected to the leg portion 30 for introducing purge gas therein. The second purge gas supply pipe 29 connected to the susceptor accommodating portion 24 for introducing the purge gas therein and arranged outside the ceiling surface of the reaction vessel 21 to uniformly heat the semiconductor substrate W Main components are a plurality of infrared lamps 31 and a radiation thermometer 32 that is disposed outside the bottom surface of the susceptor housing 24 and detects the temperature of the semiconductor substrate W by measuring the temperature of the surface of the susceptor 25. And
[0005]
When a silicon single crystal thin film is grown on the semiconductor substrate W in the above apparatus, for example, H 2 is introduced into the reaction vessel 21 from the gas supply port 22.2Carrier gas represented by (hydrogen) and SiHCl diluted with this carrier gasThreeSource gas such as (trichlorosilane) and B supplied as required2H6A reaction gas obtained by mixing with a dopant gas such as is flow-controlled by a mass flow controller (MFC) and then introduced in the direction of arrow a to form a gas flow substantially parallel to the main surface of the semiconductor substrate W. .
The gas supply manifold disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-233723 corresponds to a gas supply port 22 in which the shape of the gas supply port 22 is an elongated hole divided into a plurality of grooves. By controlling the gas flow rate individually for the grooves, a predetermined gas concentration distribution is given in the plane of the semiconductor substrate.
[0006]
On the other hand, in the susceptor accommodating portion 24, for example, H is used as a purge gas.2After the flow of gas is controlled by a mass flow controller (MFC), the gas is introduced through the first purge gas supply pipe 28 and the second purge gas supply pipe 29. The susceptor accommodating portion 24 has a diameter slightly larger than the diameter of the susceptor 25, and there is a slight annular gap between the inner wall surface and the outer edge of the susceptor 25. Therefore, the purge gas introduced from the first purge gas supply pipe 28 and the second purge gas supply pipe 29 passes through the gap from the susceptor accommodating portion 24 as indicated by arrows b and c, respectively. 21 is reached. The purge gas then merges with the gas stream containing unreacted reaction gas and reaction byproducts, and is exhausted from the exhaust port 23 along the direction of arrow d.
[0007]
The gas flow of the purge gas as described above prevents the reaction gas in the reaction vessel 21 from flowing into the susceptor accommodating portion 24 side, and a polycrystalline silicon thin film is deposited on the inner wall surface of the susceptor accommodating portion 24. Plays a role in preventing.
Prevention of the deposition of the polycrystalline film on the inner wall surface of the susceptor accommodating portion 24 is important for the following two reasons.
One is to improve the film quality of the silicon single crystal thin film by suppressing the particle level in the apparatus, and to improve productivity by reducing the frequency of maintenance of the apparatus as a result.
The other is maintenance of temperature measurement accuracy by the radiation thermometer 32. Since the radiation thermometer 32 calculates the temperature of the semiconductor substrate based on the light emission luminance of the back surface of the susceptor 25 observed through the wall of the susceptor housing portion 24, if the wall of the device becomes clouded due to the deposition of a silicon thin film, the radiation thermometer 32 emits light. This is because the brightness is observed to be lower than actual and the temperature of the semiconductor substrate is erroneously calculated to be low.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Although it is a purge gas that plays an important role as described above, it has been empirically known that if the flow rate of this purge gas is increased too much, the thickness of the semiconductor single crystal thin film in the semiconductor substrate surface is prevented from being uniform. ing. For this reason, the purge gas flow rate is usually kept to the minimum necessary.
However, depending on the conditions, the uniformity of the film thickness distribution and resistivity distribution of the semiconductor single crystal thin film may be impaired even under a minimum purge gas flow rate. In such a case, if the flow rate of the reaction gas is not changed and the purge gas flow rate is further reduced, an unintended polycrystalline film is deposited on the inner wall surface of the susceptor accommodating portion 24, and the reaction vessel 21. As a result, the productivity decreases due to an increase in the maintenance frequency such as replacement, and the management accuracy of the temperature of the semiconductor substrate by the radiation thermometer 32 decreases.
[0009]
Therefore, the present invention does not cause the deposition of the polycrystalline film on the inner wall surface of the susceptor accommodating portion 24, and at the same time, achieves a good film thickness distribution and resistivity distribution of the semiconductor single crystal thin film on the surface of the semiconductor substrate. The object is to provide a method that makes it possible.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted a hydrodynamic analysis on the influence of the purge gas supplied to the susceptor housing portion 24 on the reaction gas concentration in the reaction vessel 21, particularly in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate. went. As a result, even if the source gas is supplied so as to have a predetermined concentration distribution in the surface of the semiconductor substrate, the reaction gas concentration on the outer peripheral side of the semiconductor substrate mainly varies depending on the purge gas depending on the flow rate of the purge gas. I found out.
In addition, when the silane-based gas is used as the source gas, the present inventors can obtain a uniform film thickness distribution by setting the source gas concentration relatively higher in the peripheral portion than in the central portion of the semiconductor substrate. Furthermore, it has been found that the resistivity distribution can be made highly uniform by removing the natural oxide film and the deposited organic film on the main surface of the silicon-based semiconductor substrate at low temperatures.
[0011]
The method for manufacturing a semiconductor single crystal thin film of the present invention is proposed based on such knowledge, and the source gas involved in the formation of the semiconductor single crystal thin film has a predetermined concentration distribution along the diameter direction of the semiconductor substrate. Thus, the concentration distribution is optimized in accordance with the flow rate of the purge gas when being supplied in a direction substantially parallel to the main surface of the semiconductor substrate.
At this time, it is also preferable to optimize the total flow rate of the reaction gas according to the flow rate of the purge gas together with the concentration distribution of the source gas.
[0012]
As a practical method for creating the concentration distribution of the source gas as described above, the semiconductor substrate is placed on a susceptor accommodated in a susceptor accommodating portion located below the reaction vessel, and the purge gas is After being introduced into the susceptor housing portion, the reaction gas is merged with the reaction gas in the reaction vessel from the back side of the semiconductor substrate via the outer edge of the semiconductor substrate, and the concentration distribution of the source gas is determined by the width of the reaction vessel. It is convenient to independently set the concentration of the source gas for a plurality of gas supply ports arranged along the direction.
It is important to adjust the flow rate of the purge gas at this time to a flow rate that can suppress the deposition of the semiconductor polycrystalline film on the inner wall surface of the susceptor housing.
The concentration distribution of the source gas is set so that the concentration is relatively low in the central portion in the width direction of the reaction vessel and relatively high in the peripheral portion in the width direction. This is effective in canceling out the dilution effect caused by.
[0013]
When a silicon-based semiconductor substrate is used as the semiconductor substrate and a silane-based gas is used as the source gas, the silicon single crystal thin film can be epitaxially grown. At this time, as a pretreatment prior to the growth of the semiconductor single crystal thin film, HF and H in a temperature range of 0 ° C. or more and less than 100 ° C. are applied to one main surface of the silicon-based semiconductor substrate.2Of natural oxide film using a mixed gas of HCl and HCl and H in a temperature range of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C.2When the attached organic substances are removed in this order using the mixed gas, an extremely uniform silicon single crystal thin film can be grown in the next step.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the concentration distribution of the source gas can be achieved by setting the concentration of the source gas independently for a plurality of gas supply ports arranged along the width direction of the reaction vessel. Such a gas supply method can be realized by using, for example, an epitaxial vapor phase growth apparatus as shown in FIG.
[0015]
This apparatus has a flat reaction vessel 1 provided with a gas supply pipe 2 at one end in the longitudinal direction and an exhaust port 3 at the other end, and is positioned below the reaction vessel 1 for mounting a semiconductor substrate W. A susceptor accommodating portion 4 that accommodates the susceptor 5, a leg portion 10 that is connected to the center of the bottom portion of the susceptor accommodating portion 4 and through which the rotating shaft 6 of the susceptor 5 is inserted, and a middle portion of the leg portion 10 A rotary assembly 7 connected to the rotary shaft 6 and capable of rotating the rotary shaft 6 in the direction of arrow G; a first purge gas supply pipe 8 connected to the leg portion 10 for introducing purge gas therein; In order to detect the temperature of the semiconductor substrate W, the second purge gas supply pipe 9 is connected to the susceptor accommodating portion 4 to introduce a purge gas into the susceptor accommodating portion 4 and is disposed outside the bottom surface side of the susceptor accommodating portion 4. The main structure of the radiation thermometer 11 As an element.
[0016]
The width direction of the reaction vessel 1, that is, the length in the short direction is selected to be slightly larger than the diameter of the semiconductor substrate W. As a result, the gas flow in the reaction vessel 1 passes along the main surface of the semiconductor substrate W in an approximately laminar flow state. Assuming processing for a semiconductor substrate W having a diameter of 300 mm, the width of the reaction vessel 1 is set to about 380 mm, for example.
A plurality of infrared lamps for uniformly heating the semiconductor substrate W are arranged outside the reaction vessel 1 on the ceiling surface side. Here, in order to avoid complication, the illustration is omitted, Only the incident direction is indicated by an arrow L. An infrared lamp for heating the semiconductor substrate W may be arranged outside the reaction container 1 on the bottom side.
[0017]
The gas supply pipe 2 has, for example, a flow path divided into three in parallel, and the end of each flow path, that is, the open end connected to the reaction vessel 1 is flat along the width direction of the reaction vessel 1. The gas inlets 2a, 2b and 2c have rectangular shapes. In the illustrated example, the central gas inlet 2b occupies 2/3 of the entire opening area, and the left and right gas inlets 2a, 2c occupy 1/6 each. The gases released from the gas inlets 2a, 2b, and 2c form a gas flow substantially parallel to the main surface of the semiconductor substrate W as indicated by arrows A, B, and C, respectively. Flows toward the exhaust port 3.
[0018]
FIG. 1 schematically shows two gas supply systems assuming epitaxial growth of a silicon single crystal thin film on a silicon single crystal substrate.
One of them is diborane (B2H6), SiHCl as the source gasThree, HCl for pretreatment gas, and H for carrier gas2Are the first gas supply systems 12A, 12B, 12C. B2H6Is a dopant for growing a p-type silicon single crystal thin film. Further, HCl gas is a gas for removing adhering organic substances on the surface of the silicon single crystal substrate prior to epitaxial growth.2Supplied in a diluted state. This pretreatment using HCl gas will be described later in Example 2.
The first gas supply systems 12A, 12B, and 12C use a mass flow controller (MFC) group 13A, 13B, and 13C provided independently to adjust a mixed gas, that is, a reaction gas having a composition according to the purpose. The reaction gas is supplied into the reaction vessel 1 from the gas inlets 2a, 2b, and 2c at desired flow rates, respectively.
[0019]
In addition, as the source gas for forming the silicon single crystal thin film, the above-mentioned SiHClThreeBesides, various silane-based gases can be used, for example, SiHFour, SiH2Cl2, SiClFourAnd monosilane derivatives such as disilane and trisilane derivatives. Here, when disilane or trisilane is used, low temperature growth is possible as compared with the case of using a monosilane derivative.
Moreover, as a dopant, said B2H6In addition, phosphine (PHThree) And other known chemical substances can be used.
[0020]
On the other hand, the second gas supply system 14 converts hydrogen fluoride (HF) into H.2This is a system for diluting and supplying with gas. This HF is used to remove the natural oxide film on the surface of the silicon single crystal substrate prior to epitaxial growth. This preprocessing using HF will be described later in Example 2. Although HF is a liquid at normal temperature, the vapor pressure is high and vaporizes easily.2And supplied to the reaction vessel 1.
[0021]
In the susceptor accommodating portion 4 of this apparatus, for example, H is used as a purge gas.2Gases are introduced from the first purge gas supply pipe 8 and the second purge gas supply pipe 9 through flow control by the MFCs 17 and 18, respectively. The susceptor accommodating portion 4 has a diameter larger than the diameter of the susceptor 5, and a slight annular gap exists between the inner wall surface and the outer edge of the susceptor 25. The width of this gap was 5 mm, for example. H introduced from the first purge gas supply pipe 82As shown by an arrow E, the gas passes through the inside of the rotary assembly 7 and the leg 10 and reaches the reaction vessel 1 through the gap, and is exhausted from the exhaust port 3 as shown by an arrow D. Further, H introduced from the second purge gas supply pipe 92As shown by the arrow F, the gas also passes through the gap and reaches the reaction vessel 1 and is similarly exhausted.
[0022]
In such an apparatus configuration, since the lowering of the source gas concentration due to the dilution effect of the purge gas is predicted, particularly in the outer peripheral portion of the semiconductor substrate W, the concentration distribution of the source gas is relative to the central portion of the semiconductor substrate in the present invention. It is preferable to set it to be relatively low and relatively high at the outer peripheral portion.
[0023]
By the way, it is known that the success or failure of the epitaxial growth largely depends on the surface state of the semiconductor substrate. In particular, when a silicon single crystal thin film is epitaxially grown on a silicon single crystal substrate, it is necessary to sufficiently remove and clean a natural oxide film and attached organic substances on the surface of the silicon single crystal substrate. As a cleaning method, first, HF and H in a temperature range of 0 ° C. or more and less than 100 ° C.2After removing the natural oxide film using a mixed gas (HF mixed gas), HCl and H in a temperature range of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C.2It is extremely preferable to remove the adhering organic substances using the mixed gas (HCl mixed gas).
The HF concentration in the HF mixed gas is preferably about 0.5% or more. If it is less than 0.5%, the removal rate of the natural oxide film is remarkably reduced. On the other hand, there is no great difference in the time required for removing the natural oxide film at 1 to 100%.
Further, it is preferable that the treatment time with the HF mixed gas be in the range of about 0.5 to 5 minutes. If the time is shorter than 0.5 minutes, the natural oxide film is not sufficiently removed, and if the time is longer than 5 minutes, there is almost no difference in effect, which causes a decrease in throughput. In practice, about 3 minutes is sufficient.
[0024]
The above-mentioned method for removing the natural oxide film was proposed by the applicant of the present invention on the basis of another research result, and the water originally adsorbed on the natural oxide film is used as a reaction initiation catalyst at a low temperature. In this method, the natural oxide film is removed. If the temperature is lower than 0 ° C., the natural oxide film may not be removed, or the etching reaction rate may decrease and the throughput may be reduced. Conversely, if the temperature is higher than 100 ° C., the natural oxide film may be removed. Since the sorbed moisture is desorbed and the reaction initiation catalyst disappears, the etching reaction does not proceed.
On the other hand, if the temperature when removing the adhering organic substance with the HCl mixed gas is 500 ° C. or less, the removal does not proceed. Is big. The concentration of the HCl mixed gas is preferably about 0.1 to 10%. If it is less than 0.1%, the effect of removing adhering organic matter is small, and if it is 10% or more, minute irregularities may occur on the surface of the silicon single crystal substrate. The treatment time with the HCl mixed gas is preferably in the range of about 1 second to 10 minutes. Adhering organic substances are not sufficiently removed in a time shorter than 1 second, and if the time is longer than 10 minutes, there is almost no difference in effect, which causes a decrease in throughput.
[0025]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
[0026]
Example 1
In this example, in the epitaxial growth of a non-doped silicon single crystal thin film using the epitaxial vapor phase growth apparatus shown in FIG.2SiHCl from the central gas inlet 2b and the left and right gas inlets 2a, 2c with a constant gas flow rateThreeThe change in film thickness distribution due to the difference in gas supply concentration ratio was investigated.
The single crystal substrate W used is a p-type low resistance substrate (resistivity = 0.01 Ω · cm) made of silicon and having a diameter of 300 mm.
In this embodiment, the pressure in the reaction vessel 1 is always maintained at 1 atm throughout the process, and the total flow rate of the purge gas introduced from the first purge gas supply pipe 8 and the second purge gas supply pipe 9 at this time. Was always 16 liters / minute.
[0027]
First, the pretreatment of the semiconductor substrate W was performed. That is, the semiconductor substrate W is placed on the susceptor 5 and the first gas supply system 12A, 12B, 12C is used to make the H2Gas was introduced. In this state, an infrared lamp (not shown) was energized to raise the temperature of the semiconductor substrate W to 1100 ° C. and held at that temperature for 1 minute. Thereby, the silicon oxide film and organic substances adhering to the surface of the silicon single crystal substrate were reduced and removed.
[0028]
Next, the temperature of the semiconductor substrate W is adjusted to 1000 ° C. by adjusting the amount of energization of the infrared lamp, and the reaction gas, SiHCl, is immediately generated.ThreeAnd H2The mixed gas was introduced from the gas introduction pipe 2 for 1 minute. The composition of the mixed gas is H2SiHCl 12 g / min for 75 liters / min of gasThreeIt was set as the composition which added.
Here, Cl from the central gas inlet 2b and the left and right gas inlets 2a and 2c.ThreeSupply ratio (hereinafter referred to as “left: center: right”) is left: center: right = 1: 1: 1, left: center: right = 4: 1: 4, In addition, three experiments were conducted when the same concentration was applied only to the left and right, that is, left: center: right = 1: 0: 1. At this time, the amount of reaction gas supplied to each inlet was controlled using the MFC groups 13A, 13B, and 13C so that the flow velocity of the mixed gas flowing out from each gas inlet 2a, 2b, 2c was uniform.
After the film formation for 1 minute is finished, the infrared lamp is turned off and at the same time SiHClThreeIs stopped, H2With only the gas flowing, the temperature of the substrate was lowered to room temperature and taken out of the reaction vessel 1. What is obtained is an epitaxial wafer in which a silicon single crystal thin film is formed on a silicon single crystal substrate.
[0029]
FIG. 2 shows the above three types of SiHCl.ThreeThe measurement result of the film thickness distribution in gas supply concentration ratio is shown. In the figure, the horizontal axis represents the distance (mm) from the epitaxial wafer center, and the vertical axis represents the growth rate (μm / min) of the non-doped silicon single crystal thin film. This growth rate is a direct indicator of the film thickness distribution. That is, the film thickness is thin at a place where the growth rate is low, and the film thickness is thick at a place where the growth rate is high. In addition, the result in the case of left: center: right = 1: 1: 1 is graph I, the result in case of left: center: right = 4: 1: 4 is graph II, and the case of only left and right, that is, left: center : Right = 1: 0: 1 The results are shown in graph III.
SiHCl from the center and left and rightThreeWhen the supply concentration ratio is uniform (graph I), the growth rate is remarkably reduced on the outer peripheral side of the epitaxial wafer, and when supplied from only the left and right sides (graph III), the growth rate at the center of the epitaxial wafer is Decreased significantly.
On the other hand, in the case of left: center: right = 4: 1: 4 (graph II), the growth rate is uniform in the plane of the epitaxial wafer, and a uniform film thickness distribution is achieved. Yes. At this time, a slight amount of polycrystalline silicon was deposited on the back surface of the susceptor 5, but the deposition range remained within a range of 1 mm from the outer peripheral end toward the inside.
[0030]
In the present embodiment, the best result is obtained when the supply gas source concentration ratio from the central gas inlet 2b and the left and right gas inlets 2a and 2c is left: center: right = 4: 1: 4. However, the supply concentration ratio that yields the best results varies depending on conditions such as the width of the gap formed between the susceptor housing 4 and the susceptor 5 and the flow rate of the purge gas. However, since the concentration of the source gas is reduced by the purge gas in the outer peripheral portion of the semiconductor substrate W, the concentration distribution of the source gas is relatively low in the central portion of the semiconductor substrate W and relatively high in the outer peripheral portion. It is important to optimize the supply concentration ratio so that the concentration is the same.
[0031]
Note that when the purge gas flow rate on the lower side of the semiconductor substrate W is reduced to 2 liters / minute or less, a uniform film thickness distribution is obtained even when left: center: right = 1: 1: 1. Further, deposition of polycrystalline silicon occurred over the entire inner wall of the susceptor accommodating portion 4, which hindered temperature measurement by the radiation thermometer 11.
From the above results, if the concentration distribution of the source gas is optimized as in the present invention, the growth rate on the epitaxial wafer surface becomes uniform even if the purge gas flow rate is large. It is obvious that unnecessary deposition on the back side of the epitaxial wafer can be surely prevented.
[0032]
Example 2
In this example, p+In the epitaxial growth on silicon-type silicon single crystal substrate, the change of resistivity distribution due to the difference in pretreatment method was examined.
The single crystal substrate W used was a 300 mm diameter p made of silicon.+Type low resistance substrate (resistivity = 0.01 Ω · cm).
In this embodiment, H is used as the reactive gas.2SiHCl 12 g / min for 75 liters / min of gasThreeAnd a very small amount of B2H6The one to which was added was used. Other conditions, that is, the pressure in the reaction vessel 1 (1 atm) and the total flow rate of purge gas (16 liters / min) are all the same as those in the first embodiment. SiHClThreeAnd B2H6And H2The supply gas concentration ratio of the reaction gas obtained by mixing was adjusted to left: center: right = 4: 1: 4 in response to good results obtained in Example 1.
[0033]
The pretreatment of the semiconductor substrate W was performed by the following two methods.
The first method is the same as in Example 1 except that H2Heat treatment is performed at 1100 ° C. for 1 minute in a gas atmosphere.
The second method uses the second gas supply system 14 to convert HF to H.2The HF mixed gas diluted to 1% is supplied at 23 ° C. for 3 minutes, and then the first gas supply system 12A, 12B, 12C2The HCl mixed gas diluted to 1% is supplied at 700 ° C. for 1 minute.
Thereafter, a p-type silicon single crystal thin film was epitaxially grown in the same manner as in Example 1.
[0034]
FIG. 3 shows the measurement results of the resistivity distribution of the p-type silicon single crystal thin film formed through the two pretreatments. In the figure, the horizontal axis represents the distance (mm) from the epitaxial wafer center, and the vertical axis represents the resistivity (Ω · cm) of the p-type silicon single crystal thin film. In addition, the result when the pretreatment is performed by the first method is represented by a graph IV, and the result when the pretreatment is performed by the second method is represented by a graph V.
In the case where the pretreatment was performed by the first method (graph IV), the film thickness distribution was uniform, but the resistivity decreased within a range of 3 to 5 mm on the outer peripheral side. This tendency cannot be eliminated by changing the supply concentration ratio of the source gas on the left: center: right, and the uniformity of the resistivity distribution sets the target value of the resistivity high (ie, the doping amount) It was more difficult to reduce.
On the other hand, when the pretreatment is performed by the second method (graph V), the film thickness distribution is uniform, and the resistivity is not lowered at the outer peripheral portion of the epitaxial wafer, and the whole is almost uniform. Resistivity distribution was achieved.
[0035]
The difference in the resistivity distribution described above is due to the heating temperature of the semiconductor substrate W during the pretreatment.
In the first method, since the pretreatment temperature is high, boron atoms in the low-resistance substrate are diffused outward into the gas phase and are carried by the purge gas and stay on the outer periphery of the semiconductor substrate W. This boron atom is SiHClThreeIs still in the gas phase even when the epitaxial growth is started and this is taken into the film during the epitaxial growth, so that a low resistance region is formed on the outer periphery of the silicon single crystal thin film. is there.
In contrast, the second method has a lower pretreatment temperature than the first method.+The vaporization of boron, which is a dopant atom of the type low resistivity substrate, into the gas phase can be effectively suppressed. Accordingly, it has been found that the dopant concentration in the gas phase is made uniform, and thereby the resistivity distribution of the silicon single crystal thin film is made uniform.
[0036]
Example 3
In this example, changes in the film thickness distribution due to the difference in flow rate ratio between the carrier gas and the purge gas, which dominate the reaction gas, were studied in the epitaxial growth of the non-doped silicon single crystal thin film.
The used semiconductor substrate W is a 300 mm diameter p made of silicon.+Type low resistance substrate (resistivity = 0.01 Ω · cm).
As a reaction gas, H2SiHCl 12 g / min per 75 liters / min of gasThreeAdded SiHClThreeA mixed gas was used. SiHClThreeThe gas supply concentration ratio was adjusted to left: center: right = 4: 1: 4 in response to good results obtained in Example 1.
The pressure in the reaction vessel 1 was always 1 atm.
Furthermore, the pretreatment was in accordance with the second condition described in Example 2.
[0037]
Epitaxial growth was performed based on the following combinations of gas flow VI to IX. However, in this embodiment, the flow rate of the reaction gas is H2It is regarded as the gas flow rate and this is the carrier H2I will call it. The purge gas flow is corresponding to the purge H2Is written.
VI: Career H2= 50 l / min, purge H2None
VII: Carrier H2= 75 liters / minute, purge H2= 32 liters / minute
VIII: Carrier H2= 50 l / min, purge H2= 16 liters / minute
IX: Carrier H2= 100 l / min, purge H2= 16 liters / minute
[0038]
FIG. 4 shows the measurement results of the film thickness distribution for the above four combinations of flow rates. In the figure, the horizontal axis represents the distance (mm) from the epitaxial wafer center, and the vertical axis represents the growth rate (μm / min) of the non-doped silicon single crystal thin film. This growth rate is a direct indicator of the film thickness distribution. Further, the names VI to IX of the respective graphs correspond to the above combinations of flow rates.
In the case of graph VI, the thickness of the silicon single crystal thin film was increased on the outer peripheral side of the epitaxial wafer. Further, since there was no purge gas flow, deposition of polycrystalline silicon occurred over the entire inner wall of the susceptor housing 4.
In graph VII, carrier H2Purge H with the same as graph VI2Carrier H at once2Was increased to nearly half of the2The ratio of SiHC is too high, and SiHCl is formed on the outer peripheral side of the epitaxial wafer.ThreeAs a result, the film thickness was significantly reduced on the outer peripheral side. However, the deposition of polycrystalline silicon in the susceptor housing 4 was not observed.
[0039]
In graph VIII, carrier H is higher than in graph VII.2Purge H2Overall, but the purge H2Is career H2Therefore, the tendency for the film thickness to decrease on the outer peripheral side was the same as before. However, deposition of polycrystalline silicon in the susceptor housing 4 was not observed.
In graph IX, purge H2Is the same as Graph VIII2When the flow rate was increased twice as much as that, the film thickness was slightly increased at the outer peripheral portion, but an almost good film thickness distribution was achieved. Further, silicon deposition on the susceptor housing 4 was only slightly recognized within a range of about 1 mm inward from the outer peripheral edge on the back surface of the susceptor 5.
[0040]
Thus, if the purge gas flow rate is relatively insufficient, the film thickness tends to increase on the outer peripheral side due to the thermal diffusion phenomenon of the reaction gas. Conversely, if the purge gas flow rate is relatively excessive, the reaction gas is diluted. Therefore, the film thickness on the outer peripheral side tends to decrease. In this example, it was confirmed that the flow rate ratio between the reaction gas and the purge gas had a great influence on the film thickness distribution of the semiconductor single crystal thin film, and the importance and effectiveness of controlling the concentration distribution of the source gas as in the present invention was confirmed. Sex has been demonstrated.
[0041]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on three specific Examples, this invention is not limited to these Examples at all. For example, as an epitaxial vapor phase growth apparatus used in the present invention, not only a single wafer type apparatus as shown in FIG. 1 but also an apparatus of a type for simultaneously processing a plurality of semiconductor substrates can be used.
When vapor-phase-growing a silicon single crystal thin film on a silicon single crystal substrate using a silane-based gas, the epitaxial growth temperature is set to 1000 ° C., but it may be slightly shifted from this. However, if it is 800 ° C. or lower, the growth rate is too low to be industrially useful, and if it exceeds 1200 ° C., the semiconductor substrate is deformed due to thermal stress, which is not appropriate.
In the above embodiment, the case where a non-doped or p-type silicon single crystal thin film is formed as the semiconductor single crystal thin film has been described. However, an n-type silicon single crystal thin film may be used. The film is not limited to a thin film, and may be a germanium-based semiconductor thin film.
Furthermore, the present invention can also be applied to the formation of a single crystal thin film of a compound semiconductor by MOCVD.
[0042]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the present invention, the concentration distribution of the source gas is adjusted according to the flow rate of the purge gas, so that the uniformity of the film thickness and resistivity distribution of the semiconductor single crystal thin film is not impaired. Unintentional deposition on the back side of the epitaxial wafer can be prevented. The concentration distribution of the source gas can be easily and accurately achieved by independently setting the gas flow rate for a plurality of gas supply ports arranged along the width direction of the reaction vessel.
By setting the concentration distribution relatively low at the central portion in the width direction of the reaction vessel and relatively high at the outer peripheral portion, it becomes easy to make the film thickness and resistivity distribution uniform.
[0043]
In the present invention, by using a silicon single crystal substrate as a semiconductor substrate and a gas mainly containing a silane-based gas as the reaction gas, it is possible to epitaxially grow a very good silicon single crystal thin film. Prior to the epitaxial growth of the silicon single crystal thin film, the uniformity of the resistivity distribution can be improved by removing the silicon oxide film and the organic film in advance in a temperature range lower than the growth temperature.
Therefore, the present invention greatly contributes to manufacturing an epitaxial semiconductor substrate indispensable for forming a certain kind of fine electronic device with excellent quality and productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration example of an epitaxial vapor phase growth apparatus used in the present invention.
FIG. 2 shows SiHCl in epitaxial growth of a non-doped silicon single crystal thin film.ThreeIt is a graph showing the change of the film thickness distribution by the difference in concentration distribution of gas.
FIG. 3 is a graph showing a change in resistivity distribution due to a difference in a pretreatment method in epitaxial growth of a p-type silicon single crystal thin film.
FIG. 4 shows the carrier H in the epitaxial growth of a non-doped silicon single crystal thin film.2And purge H2It is a graph showing the change of the film thickness distribution by the difference in flow rate ratio.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a conventional general epitaxial vapor phase growth apparatus.
[Explanation of symbols]
1 reaction vessel
2 Gas introduction pipe
2a, 2c Gas inlet (left and right)
2b Gas inlet (center)
3 Exhaust port
4 Susceptor housing
5 Susceptors
6 Rotating shaft
7 Rotating assembly
8 First purge gas supply pipe
9 Second purge gas supply pipe
10 Radiation thermometer
12A, 12B, 12C First gas supply system
13A, 13B, 13C, 15 MFC group
14 Second gas supply system
W Semiconductor substrate

Claims (4)

半導体単結晶薄膜の形成に関与する原料ガスが半導体基板の直径方向に沿って所定の濃度分布を持つように、該原料ガスを含む反応ガスの一方向流れを該半導体基板の主面に対して略平行に形成しながら該主面上に半導体単結晶薄膜を成長させる一方で、該半導体基板の裏面側から供給されるパージガスを該半導体基板の外縁を経由して該反応ガスと合流させた後に排気する半導体単結晶薄膜の製造方法であって、
前記半導体基板を、反応容器の下方側に位置するサセプタ収容部に収容されるサセプタの上に載置し、前記パージガスを、該サセプタ収容部内に導入した後に該半導体基板の裏面側から該半導体基板の外縁を経由して該反応容器内にて前記反応ガスと合流させ、
前記パージガスの流量を、前記サセプタ収容部の内壁面上における半導体多結晶膜の堆積を抑制し得る流量に調整するとともに、
前記原料ガスの濃度分布を、該反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について該原料ガスの濃度を、前記反応容器の幅方向の中央部では相対的に低濃度、かつ幅方向の周辺部では相対的に高濃度となるごとく設定することを特徴とする半導体単結晶薄膜の製造方法。
The unidirectional flow of the reaction gas containing the source gas is flowed with respect to the main surface of the semiconductor substrate so that the source gas involved in the formation of the semiconductor single crystal thin film has a predetermined concentration distribution along the diameter direction of the semiconductor substrate. After the semiconductor single crystal thin film is grown on the main surface while being formed substantially in parallel, the purge gas supplied from the back side of the semiconductor substrate is merged with the reaction gas via the outer edge of the semiconductor substrate. A method for producing a semiconductor single crystal thin film to be exhausted, comprising:
The semiconductor substrate is placed on a susceptor accommodated in a susceptor accommodating portion located on the lower side of the reaction vessel, and after introducing the purge gas into the susceptor accommodating portion, the semiconductor substrate is introduced from the back side of the semiconductor substrate. The reaction gas is joined in the reaction vessel via the outer edge of
While adjusting the flow rate of the purge gas to a flow rate that can suppress the deposition of the semiconductor polycrystalline film on the inner wall surface of the susceptor accommodating portion,
Concentration distribution of the raw material gas with respect to a plurality of gas supply ports arranged along the width direction of the reaction vessel, the concentration of the raw material gas at a relatively low concentration at the center portion in the width direction of the reaction vessel, and A method for producing a semiconductor single crystal thin film, wherein the peripheral portion in the width direction is set to have a relatively high concentration .
前記原料ガスの濃度分布と共に、前記反応ガスの総流量も前記パージガスの流量に応じて最適化することを特徴とする請求項1記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。  2. The method for producing a semiconductor single crystal thin film according to claim 1, wherein the total flow rate of the reaction gas is optimized in accordance with the flow rate of the purge gas together with the concentration distribution of the source gas. 前記半導体基板として珪素系半導体基板、前記原料ガスとしてシラン系ガスを用いることを特徴とする請求項1記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor single crystal thin film according to claim 1 , wherein a silicon-based semiconductor substrate is used as the semiconductor substrate, and a silane-based gas is used as the source gas. 前記半導体単結晶薄膜の成長に先立ち、前記珪素系半導体基板の一方の主面に対し、0℃以上100℃未満の温度域にでHFとH2 の混合ガスを用いた自然酸化膜の除去と、500℃以上800℃未満の温度域でHClとH2 の混合ガスを用いた付着有機物の除去とをこの順に行って該主面を清浄化することを特徴とする請求項3記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。Prior to the growth of the semiconductor single crystal thin film, removal of a natural oxide film using a mixed gas of HF and H 2 in a temperature range of 0 ° C. or higher and lower than 100 ° C. with respect to one main surface of the silicon-based semiconductor substrate; 4. The semiconductor unit according to claim 3 , wherein the main surface is cleaned by performing removal of adhering organic substances using a mixed gas of HCl and H 2 in this order in a temperature range of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C. A method for producing a crystalline thin film.
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