JP4379585B2 - 気相成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

気相成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるための気相成長装置と、それを用いて実現されるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
シリコン単結晶基板（以下、単に「基板」と略称する）の主表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜（以下、単に「薄膜」と略称する）を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ−ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。そして、電子デバイスの微細化等に伴い、素子を作りこむエピタキシャルウェーハ主表面のフラットネスに対する要求がますます厳しくなりつつある。フラットネスに影響を及ぼす因子としては、基板の平坦度と薄膜の膜厚分布とがある。ところで、近年、たとえば直径が２００ｍｍないしそれ以上のエピタキシャルウェーハの製造においては、複数枚のウェーハをバッチ処理する方法に代えて、枚葉式気相成長装置が主流になりつつある。これは、反応容器内に１枚の基板を水平に回転保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを略水平かつ一方向に供給しながら薄膜を気相成長させるものである。
上記のような枚葉式気相成長装置において、形成される薄膜の膜厚均一化を図る上で重要な因子として、反応容器内における原料ガスの流量あるいは流量分布がある。枚葉式気相成長装置においては、通常、ガス供給管を介して反応容器の一端部に形成されたガス導入口から原料ガスが供給され、基板表面に沿って原料ガスが流れた後、容器他端側の排出口から排出される構造となっている。このような構造の気相成長装置において、流量ムラを減ずるために、ガス導入口の下流側に多数の孔を形成した分散板を設けたり、あるいはガス流を幅方向に仕切る仕切板を設けたりした装置が提案されている。
また、下記特許文献１には、ガス導入口からの原料ガスを、基板を支持するサセプタの周囲に配置された堤部材の外周面に向けて流し、堤部材を乗り越えさせる形で基板の表面に原料ガスを供給する装置の構成が開示されている。この方法の主旨は、原料ガス流を堤部材の外周面に当てることで原料ガスを分散させ、流量のムラを解消しようというものである。また、上記のような気相成長装置において、原料ガスがよりスムーズにサセプタに向かって流れるように、堤部材に改良を加えることも提案されている（下記特許文献２）。さらには、上記のような気相成長装置において、あえてサセプタの左右で原料ガスの流れを異ならせる改良を加えることも提案されている（下記特許文献３）。
ところで、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させる際の代表的な問題として、パターン変形がある。パターン変形に影響する要因としてはいくつかあるが、一般には、反応容器内の圧力を下げて基板表面で生成したＨＣｌガスの拡散係数を大きくし、ＨＣｌガスによるエッチング作用を低下させれば、パターン変形量を小さくできることが知られている。こうした理由から、パターンの形成されたシリコン単結晶基板上への気相エピタキシャル成長には、減圧条件が相応しい。
特開平７−１９３０１５号公報 特開２００２−２３１６４１号公報 特開２００２−１９８３１６号公報
ところが、上記特許文献１に記載されているような装置を用い、減圧下でエピタキシャル成長を行うと、所期の膜厚分布を得ることが困難な場合がある。
本発明の課題は、良好な膜厚分布を確保するために、シリコン単結晶基板上に流れる原料ガスの流通経路をより均一にすることができる気相成長装置と、それを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法とを提供することにある。
課題を解決するための手段および発明の効果
上記文献に開示された構成の気相成長装置においては、サセプタを取り囲む堤部材と、該堤部材の真上に配置された上部内張り部材とによって、図８の斜線部で示すようなガス導入隙間６０’が形成される。一方、気相成長装置内に案内された原料ガスＧは、摩擦抵抗がなるべく小さくなる方向に流れようとする。図８から理解できるように、原料ガスＧが水平基準線ＨＳＬに略平行に流れると仮定した場合、水平基準線ＨＳＬから遠ざかった位置ほど、原料ガスＧは長い距離のガス導入隙間６０’を流通することになる。そのため、水平基準線ＨＳＬから遠ざかった位置を流れる原料ガスＧは、ガス導入隙間６０’の出口付近において、流れる向きを内寄りに大きく変化させる傾向を持つ。この事実は、シリコン単結晶基板上に流れる原料ガスの流通経路の均一化を困難にする１つの原因である。
この点に気付いた本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明の気相成長装置は、シリコン単結晶基板の主表面上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器内に導入され、該反応容器の内部空間にて水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成された気相成長装置において、堤部材の上から被さるように上部内張り部材が配置され、堤部材と上部内張り部材とによって、反応容器内へのガス導入隙間が形成されており、反応容器の第一端部からサセプタの回転軸線と直交して第二端部に至る原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線とし、サセプタの回転軸線と、水平基準線との双方に直交する方向を幅方向と定義したとき、水平基準線から幅方向に遠ざかるにつれて、ガス導入隙間の水平基準線と平行な方向に形成される長さが、連続的または段階的に短くなるか、もしくはいずれの位置においても一定となるように構成されていることを特徴とする。
上記本発明の気相成長装置は、反応容器内に配置されたサセプタの上に向かって流れる原料ガスの通路を、堤部材（ロワライナ）と上部内張り部材（アッパーライナ）とで形成したものである。装置内を流通する原料ガスは、上述したように、摩擦による抵抗がなるべく小さくなる位置を選んで流れる傾向を持つ。本発明の気相成長装置においては、水平基準線から幅方向に遠ざかるにつれてガス導入隙間の形成される長さが短くなるか、もしくはいずれの位置においても一定となるように調整されている。したがって、水平基準線から離れた位置において、原料ガスの流れが水平基準線方向から大きく変化することを防止できる。これにより、サセプタの外周部においても原料ガスの流通経路をより均一にすることが可能になる。この結果、良好な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜を作製できる気相成長装置が実現される。
１つの好適な態様において、上記の気相成長装置は、ガス導入隙間を形成する堤部材の上面と、同じく上部内張り部材の下面との上下方向での重なり度合いが、水平基準線から幅方向に遠ざかるにつれて小さくなるか、もしくはいずれの位置においても一定となるように構成することができる。このような構成によれば、堤部材と上部内張り部材との重なり度合いの調整により、ガス導入隙間の形成される長さの調整を行うことができるため、設計変更等にも対応しやすい。
また、上部内張り部材の下面の内周縁が、堤部材の上面の内周縁よりも原料ガスの流れ方向上流側に位置するように構成することができる。原料ガスは堤部材の上面に沿って流れ、サセプタの上面にスムーズに案内されることが必要である。上記構成によると、ガス導入隙間の終端を上部内張り部材の下面内周縁の位置で規定することができるので、原料ガスをサセプタの上面にスムーズに案内しつつ、ガス導入隙間の形成される長さを調整することができる。
また、ガス導入隙間の出口側で、堤部材の上面の内周縁が描く円弧の中心が、サセプタの回転軸線に一致する一方、上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の中心は、サセプタの回転軸線よりも原料ガスの流れ方向下流側に設定され、堤部材の上面の内周縁が描く円弧の半径よりも、上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の半径の方が大となるように構成されているとよい。これらの要件を概念図に示すと、図７のようになる。図中斜線部がガス導入隙間の形成領域を表している。すなわち、上記した構成は、ガス導入隙間の形成される長さ（水平基準線ＨＳＬに沿う方向の形成長さ）を、水平基準線ＨＳＬから離れるにつれて徐々に減少させるための構成をより具体的に示す。
また、別の視点から見たときの本発明の気相成長装置は、シリコン単結晶基板の主表面上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器内に導入され、該反応容器の内部空間にて水平に回転保持されるシリコン単結晶基板の主表面に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成され、内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上にシリコン単結晶基板が配置される一方、サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、さらに、ガス導入口は堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの原料ガスが、堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成された気相成長装置において、堤部材の上から被さるように上部内張り部材が配置され、堤部材と上部内張り部材とによって、反応容器内へのガス導入隙間が形成されており、上部内張り部材の下面の内周縁が、堤部材の上面の内周縁よりも原料ガスの流れ方向上流側に位置し、ガス導入隙間の出口側で、堤部材の上面の内周縁が描く円弧の中心が、サセプタの回転軸線に一致する一方、上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の中心は、サセプタの回転軸線よりも原料ガスの流れ方向下流側に設定され、堤部材の上面の内周縁が描く円弧の半径よりも、上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の半径の方が大となるように構成されていることを特徴とする。
気相成長装置内を流通する原料ガスは、上述したように、摩擦による抵抗がなるべく小さくなる位置を選んで流れる傾向を持つ。本発明の気相成長装置の主要部を概念図に示すと、図７のようになる。図中斜線部がガス導入隙間の形成領域を表している。反応容器の第一端部からサセプタの回転軸線Ｏと直交して第二端部に至る原料ガスＧの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線ＨＳＬとし、サセプタの回転軸線Ｏと、水平基準線ＨＳＬとの双方に直交する方向を幅方向ＷＬとする。堤部材の上面の内周縁２３ｐが描く円弧の半径Ｒ１に比べ、上部内張り部材の下面の内周縁４０ｐが描く円弧の半径Ｒ３を大としているので、水平基準線ＨＳＬに沿う方向に関するガス導入隙間の形成される長さが、水平基準線ＨＳＬから離れるにつれて長くならない。したがって、水平基準線ＨＳＬから離れた位置においても、原料ガスＧは、流れる向きが大きく変化しない。なぜならば、ガス導入隙間を流れる原料ガスＧは、抵抗が小さくなる経路、つまり、ガス導入隙間が短く形成された経路を流れる傾向を持つからである。この結果、サセプタの外周部にもより均一に原料ガスを流すことが可能になる。すなわち、基板上での原料ガスの流通経路のムラを解消することができ、良好な膜厚分布のシリコン単結晶薄膜を作製できる気相成長装置を実現できる。
また、本発明にかかる気相成長装置には、反応容器内を大気圧よりも減圧された状態に保持する排気系を設けることができる。この構成によれば、パターンの形成された基板上に気相成長する際に、パターン変形量を小さくすることができる減圧条件下でのエピタキシャル成長が可能である。
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、以上に説明した気相成長装置の反応容器内にシリコン単結晶基板を配置し、該反応容器内に原料ガスを流通させてシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。
また、気相エピタキシャル成長の原料ガスとして、モノクロロシランガス、ジクロロシランガスおよびトリクロロシランガスのグループから選択される１種のものを使用し、以上に説明した気相成長装置の反応容器内を大気圧よりも減圧された状態に保ちつつ、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることができる。
また、水平基準線と平行な方向における、ガス導入隙間の形成される長さに応じて、水平基準線寄りを流れる原料ガスの流量を調節する内側バルブと、水平基準線から離れたところを流れる原料ガスの流量を調節する外側バルブとの開閉度合いを設定するとよい。このようにすれば、前述した本発明にかかる気相成長装置の構成と相俟って、基板上での原料ガスの流量ムラを低減することが可能である。
なお、堤部材の上面は、サセプタの上面と一致する位置関係であるとしているが、これは堤部材の上面とサセプタの上面とが完全に一致することを必ずしも意味するのではなく、２ｍｍ程度までの位置の違いは一致しているとみなす。
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づき説明する。
まず、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明が適用される一例（参考例）としての気相成長装置を図１〜図４に示す。そして、その後の図５以降において、本発明の実施形態を説明する。
図１〜図４は、シリコン単結晶基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置１の一例を模式的に示すものである。図１はその側面断面図、図２は図１の部分拡大図、図３は図１の気相成長装置１の平面図、図４は、図１の気相成長装置１の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図である。この気相成長装置１は、図１に示すように、水平方向における第一端部３１側にガス導入口２１が形成され、同じく第二端部３２側にガス排出口３６が形成された反応容器２を有する。薄膜形成のための原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器２内に導入され、該反応容器２の内部空間５にて略水平に回転保持される基板Ｗの主表面に沿う方向に沿って流れた後、ガス排出口３６から排気管７を経て排出されるように構成されている。排気管７は、減圧ポンプＲＰ（図３）とともに気相成長装置１の排気系を構成している。
図１に示すように、反応容器２の内部空間５には、垂直な回転軸線Ｏの周りにモータ１３により回転駆動される円盤状のサセプタ１２が配置され、その上面に形成された浅い座ぐり１２ｂ内に、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するための基板Ｗが１枚のみ配置される。すなわち、該気相成長装置１は枚葉式として構成されている。基板Ｗは、たとえば直径が１００ｍｍあるいはそれ以上のものである。また、基板Ｗの配置領域に対応して反応容器２の上下には、基板加熱のための赤外線加熱ランプ１１が所定間隔にて配置されている。
反応容器２の内部空間５内には、図３に示すようにサセプタ１２を取り囲むように堤部材２３が配置されている。図２に示すように、堤部材２３は、その上面２３ａがサセプタ１２の上面１２ａ（ひいては基板Ｗの主表面）と略一致する位置関係にて配置される。図１に示すように、ガス導入口２１は、堤部材２３の外周面２３ｂに対向する形にて開口しており、該ガス導入口２１からの原料ガスＧは、図２あるいは図４に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂに当たって上面２３ａ側に乗り上げた後、サセプタ１２上の基板Ｗの主表面に沿って流れるようになっている。本実施形態では、堤部材２３の外周面２３ｂは、サセプタ１２の形状に対応した円筒面状とされている。なお、堤部材２３の内周縁に沿って、板状に形成された均熱用の予熱リング２２が配置され、その内側に配置されるサセプタ１２の上面１２ａが、該予熱リング２２の上面２２ａ（図２参照）と略同一面となっている。また、内部空間５内には、堤部材２３に対向する位置に、堤部材２３とほぼ同径の上部内張り部材４が配置されている。堤部材２３および上部内張り部材４は、ともに石英材料により作製されたリング状の部品である。
図１に示すように、気相成長装置１においては、反応容器２の第一端部３１からサセプタ１２の回転軸線Ｏと直交して第二端部３２に至る原料ガスＧの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線ＨＳＬとする。そして、水平基準線ＨＳＬとサセプタ１２の回転軸線Ｏとの双方に直交する方向を幅方向ＷＬ（図３）とする。
また、図３に示すように、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂからの原料ガスＧを堤部材２３の外周面２３ｂに向けて導くガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌが、水平基準線ＨＳＬの左右（具体的には反応容器２の支柱３３の左右）に振り分けた形にてガス導入口２１と堤部材２３との間に配置されている。ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの内部に形成されたガス案内空間２４０，２４０（図４）の各々に、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにさらに仕切るガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌが設けられている。これにより、ガス案内空間２４０，２４０は、水平基準線ＨＳＬ寄りのガス案内空間２４Ｔ，２４Ｔと、水平基準線ＨＳＬから遠い側のガス案内空間２４Ｓ，２４Ｓとに分断される。
一方、図３に示すように、堤部材２３の外周面２３ｂには、水平基準線ＨＳＬに対し左右対称に振り分けた形にて、原料ガスＧの流れを幅方向ＷＬにおける複数個所にて仕切る堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌが配置されている。原料ガスＧは、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げる際に幅方向ＷＬに逃げやすい。そこで、前述したガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌとともに、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌを設けることにより、原料ガスＧの幅方向ＷＬの流れを制御している。本実施形態では、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、水平基準線ＨＳＬを挟んで左右に各々１個所ずつ配置されている。そして、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌと堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌとがそれぞれ、水平基準線ＨＳＬおよび回転軸線Ｏに平行な同一平面内に配置された形となっている。
また、図３に示すように、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌに対応してガス導入口２１Ａ，２１Ｂが形成されている。ガス配管５０は、水平基準線ＨＳＬ寄りのガス案内空間２４Ｔ（図４）にガスを供給する内側配管５３と、水平基準線ＨＳＬから遠い側のガス案内空間２４Ｓ（図４）にガスを供給する外側配管５１とに分岐し、各々原料ガスＧの流量を、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５４，５２により独立に制御できるようにしている。ここで、ＭＦＣ５４，５２の替りに手動バルブを使用してもよい。また、内側配管５３および外側配管５１は、それぞれ分岐配管５６，５６および分岐配管５５，５５にさらに分れ、水平基準線ＨＳＬに対して両側にそれぞれ内側ガス導入口２１Ａ，２１Ａおよび外側ガス導入口２１Ｂ，２１Ｂを開口している。
図４に示すように、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌは、ガス導入口２１側と堤部材２３側とにそれぞれ開口する横長状断面を有する石英製の筒状部品である。ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌは、互いに略平行に配置された上面板２４ａと下面板２４ｂとにまたがる形で、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの各内部に設けられている。ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌが一体化されたガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを、反応容器２に対して着脱可能に配置することで、たとえばガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌの位置を変更したい場合には、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの交換により簡単に対応することができる。
また、図３に示すように、ガス導入口２１Ａ，２１Ｂとガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとの間には、バッフル２６が配置されている。図４に示すように、バッフル２６は、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの開口部に対応して横長に形成されており、長手方向に沿って所定の間隔で複数のガス流通孔２６ａが形成されている。なお、ガス流通孔２６ａは、ガス案内部材側仕切板３４Ｒ，３４Ｌと干渉しない位置に形成されている。また、図３に示すように、堤部材２３とガス排出口３６との間には、排出側ガス案内部材２５が配置される。
図４に示すように、堤部材２３には、上面２３ａの外周縁部を、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌとの対向区間において凹状に切り欠くことにより弓形の切欠部２３ｋが形成されている。切欠部２３ｋの側面は、堤部材２３の外周面２３ｂの一部を形成している。図１に示すように、反応容器２は、下部容器２ｂと上部容器２ａとからなり、上部内張り部材４は上部容器２ａ、堤部材２３は下部容器２ｂの内周面に沿って配置されている。これにより、上部内張り部材４と堤部材２３との相対位置が固定されている。図２に示すように、切欠部２３ｋの底面２３ｃは、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌの下面板２４ｂの内面の延長に略一致する形となっており、ガス案内面の役割を果たす。そして、原料ガスＧは切欠部２３ｋの側面２３ｂに当たって上面２３ａに乗り上げる。
図２に示すように、上部内張り部材４は、堤部材２３の上面２３ａに平行対向する第一下面４ａと、切欠部２３ｋの側面２３ｂに対向する内周面４ｂと、同じく底面２３ｃに平行対向する第二下面４ｃとに基づく段部４ｄを有し、切欠部２３ｋとの間にクランク状の断面を有するガス導入隙間６０を形成している。すなわち、ガス導入隙間６０は、堤部材２３と上部内張り部材４とが対向することにより形成されるガス通路である。なお、図４に示すように、堤部材側仕切板３５Ｒ，３５Ｌは、ガス導入隙間６０に対応した略Ｌ字状に形成されている。
図５に示すのは、上部内張り部材４を堤部材２３側から見たとき下方平面図である。堤部材２３に向かい合う第一下面４ａおよび第二下面４ｃがガス導入隙間６０を形成することとなる。上部内張り部材４と、堤部材２３との上下方向での重なり度合いに応じて、水平基準線ＨＳＬと平行な方向における、ガス導入隙間６０の形成される長さが設定される。本発明の気相成長装置１は、該水平基準線ＨＳＬから幅方向ＷＬに遠ざかるにつれて、上記形成長さが漸次減少するように構成されている。
図６（ａ）に示すのは、図５中に示す水平基準線ＨＳＬを含む６Ａ−６Ａ断面図、図６（ｂ）に示すのは、図５の６Ｂ−６Ｂ断面図、図６（ｃ）に示すのは、図５の６Ｃ−６Ｃ断面図である。本実施形態においては、堤部材２３の上面２３ａの内周縁２３ｐよりも原料ガスＧの流れ方向上流側に位置する、上部内張り部材４の下面４ａの内周縁４０ｐの寸法により、ガス導入隙間６０の形成される長さを調整するようにしている。つまり、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）の順に見れば分かるように、水平基準線ＨＳＬから幅方向ＷＬに遠ざかるほど、ガス導入隙間６０を形成する堤部材２３の上面２３ａと、同じく上部内張り部材４の下面４ａとの上下方向での重なり度合いが減少している。これにより、水平基準線ＨＳＬに沿う方向での、ガス導入隙間６０の形成される長さが漸次減少する。６Ａ−６Ａ断面、６Ｂ−６Ｂ断面、６Ｃ−６Ｃ断面でのガス導入隙間６０の形成される長さをそれぞれＤＡ、ＤＢ、ＤＣとすると、ＤＡ＞ＤＢ＞ＤＣという関係が成立している。
また、図６の各断面図に示すように、堤部材２３の外周縁２３ｑと上部内張り部材４の外周縁４０ｑは、ガス導入隙間６０の原料ガスＧの入口側において、上下一致されている。このようにすれば、ガス流通路としてのガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを、堤部材２３および上部内張り部材４に隙間無く接続することが容易である。
図７に、ガス導入隙間６０の形成領域の平面投影図を示す。図７中において、ガス導入隙間６０は斜線部にて表される。図７に示すように、ガス導入隙間６０の入口側では、堤部材２３の外周縁２３ｑが描く円弧と、上部内張り部材４の外周縁４０ｑが描く円弧とが上下方向（サセプタ１２の回転軸線Ｏに沿う方向）で互いに一致している。すなわち、両円弧は等しい半径Ｒ２を持つ。半径Ｒ２の円弧の中心は、サセプタ１２の回転軸線Ｏに一致する。他方、ガス導入隙間６０の出口側では、堤部材２３の上面２３ａの内周縁２３ｐが描く半径Ｒ１の円弧の中心は、サセプタ１２の回転軸線Ｏに一致しているが、上部内張り部材４の下面４ａの内周縁４０ｐが描く半径Ｒ３の円弧の中心Ｏ’は、サセプタ１２の回線軸線Ｏよりも原料ガスＧの流れ方向下流側に設定される。そして、各円弧の半径は、Ｒ１＜Ｒ３となっている。
なお、本実施形態ではガス導入隙間６０の形成される長さが、水平基準線ＨＳＬから離れるにつれて漸次減少する例を示したが、図９の模式図に示すように、水平基準線ＨＳＬから幅方向ＷＬに遠ざかったいずれの位置においても、ガス導入隙間６０の形成される長さが一定の値Ｄ０を持つように構成する別形態も好適である。また、ガス導入隙間６０の形成長さが段階的に減少していくように、上部内張り部材４の寸法調整を行うことも、もちろん可能である。
また、気相成長装置１を別の観点から見ると、以下のような構成を有する。すなわち、図７に示すように、ガス導入隙間６０（斜線部）の入口側では、堤部材２３の外周縁２３ｑと、上部内張り部材４の外周縁４０ｑとが上下方向（サセプタ１２の回転軸線Ｏに沿う方向）で互いに一致される。他方、ガス導入隙間６０の出口側では、堤部材２３の上面２３ａの内周縁２３ｐが描く半径Ｒ１の円弧の中心が、サセプタ１２の回転軸線Ｏに一致する一方、上部内張り部材４の下面４ａの内周縁４０ｐが描く半径Ｒ３の円弧の中心Ｏ’が、サセプタ１２の回線軸線Ｏよりも原料ガスＧの流れ方向下流側の水平基準線ＨＳＬ上に設定される。そして、各円弧の半径が、Ｒ１＜Ｒ３となるように調整される。このようにすると、従来の気相成長装置よりも、原料ガスＧが堤部材２３の上面２３ａ上で水平基準線ＨＳＬ寄りに向きを変え難くなる。
以下、上記気相成長装置１を用いたエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。図１から図４に示すように、反応容器２内のサセプタ１２上に基板Ｗを配置し、必要に応じ自然酸化膜除去等の前処理を行った後、基板Ｗを回転させながら赤外線加熱ランプ１１により所定の反応温度に加熱する。その状態で、反応容器２内に各ガス導入口２１Ａ，２１Ｂから原料ガスＧを所定の流速にて流通させて、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることにより、エピタキシャルウェーハを得る。
原料ガスＧは、上記の基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ４等のシリコン化合物の中から選択される。原料ガスＧには、ドーパントガスとしてのＢ２Ｈ６あるいはＰＨ３や、希釈ガスとしてのＨ２等が適宜配合される。また、薄膜の気相成長処理に先立って自然酸化膜除去処理を行う際には、ＨＣｌ等の腐蝕性ガスを希釈ガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器２内に供給するか、または、Ｈ２雰囲気中で高温熱処理を施す。
反応容器２内に原料ガスＧを流通させるときの作用について説明する。図３の平面図中に矢印付き一点鎖線で示すように、原料ガスＧは、バッフル２６、ガス案内部材２４Ｒ，２４Ｌを通り、堤部材２３の外周面２３ｂに向けて流れる。外周面２３ｂに当たった原料ガスは、堤部材２３の上面２３ａに乗り上げて、基板Ｗの主表面に沿って流れる。そして、排出側ガス案内部材２５によって排気ガスＥＧが排気管７に集められ、排出される。
ここで、従来の気相成長装置における原料ガスＧの流通経路について、図８の作用説明図を参照して説明する。従来の気相成長装置の場合、原料ガスＧは基板の中心に向かって水平基準線ＨＳＬに寄りながら、予熱リングを経てサセプタ上に進んでくる。なぜなら、堤部材２３’と上部内張り部４’とにより形成されるガス導入隙間６０’（斜線部）を通過する際、原料ガスＧは、なるべく抵抗が小さくなる方向に流れようとするからである。ガス導入隙間６０’を原料ガスＧが通過するときの直進距離ｄ２は、基板の中心方向の最短距離ｄ１よりも大である。つまり、最短距離ｄ１で堤部材２３’の上面２３ａ’上を通過すれば、サセプタ１２に向う原料ガスＧが受ける抵抗は最も小さくなる。従来の気相成長装置の堤部材２３’および上部内張り部材４’は、同径のリング状の形態を有するため、直進距離ｄ２は水平基準線ＨＳＬから離れるほど大きい。したがって、水平基準線ＨＳＬから離れた位置、すなわち幅方向ＷＬの外側を流れる原料ガスＧほど、堤部材２３’の上面２３ａ’上での流れ方向が基板の中心に向かって大きく変化する。
原料ガスＧの流速がそれほど大きくない場合には、堤部材２３’を越えた後、いったん基板の中心に向かって進むものの、気流が集まる水平基準線ＨＳＬ付近の圧力が高まるため、気流はすぐに下流方向に向きを変える。このため、原料ガスＧの流速がそれほど大きくない場合には、原料ガスＧが堤部材２３’を越えた後、いったん基板の中心に向かって進むことは大きな問題にならない。しかし、原料ガスＧの流速が大きい場合には、ガスの運動量が大きいので気流が集まる水平基準線ＨＳＬ付近の圧力が十分高まる位置まで、気流は下流方向に向きを変えない。つまり、基板の中心に向かって進む距離が長い。このため、原料ガスＧの流速が大きい場合には、原料ガスＧが堤部材２３’を越えた後、いったん基板の中心に向かって進む影響が大きくなる。
反応容器内の圧力を大気圧よりも低くした状態でのシリコン単結晶薄膜のエピタキシャル成長（いわゆる減圧エピタキシャル成長）では、反応容器内を流れる原料ガスＧの流速は、常圧エピタキシャル成長に比べて数倍速い。したがって、特に減圧エピタキシャル成長では、原料ガスＧが堤部材２３’を越えた後、いったん基板の中心に向かって進むことを無視できなくなる。
これに対し、本発明にかかる気相成長装置１は、水平基準線ＨＳＬから幅方向ＷＬに離れるほど、ガス導入隙間６０の形成長さが小さくなるように構成されている。このような構成によれば、原料ガスＧが水平基準線ＨＳＬに向かって流れるように、向きを大きく変更する現象が起こりにくい。そのため、図７に示すように、原料ガスＧは比較的まっすぐサセプタ１２上に流れるようになる。これにより、基板Ｗ上での均一な流通経路が確保される。
実験例
（計算機による模擬実験）
図１から図４に示す気相成長装置１における原料ガスの流通経路を、計算機シミュレーションにより導出した。また、これと比較するために、上部内張り部材が改良されていない、従来の気相成長装置での原料ガスの流通経路を導出した。さらに、図１から図４に示す気相成長装置１で、シリコン単結晶基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させる場合の、シリコン単結晶薄膜の成長速度分布についても、計算機シミュレーションにより見積もった。また、これと比較するために、従来の気相成長装置で、シリコン単結晶薄膜をシリコン単結晶基板Ｗ上に気相エピタキシャル成長させる場合の、シリコン単結晶薄膜の成長速度分布を併せて見積もった。設定条件等は、以下に記す通りである。
ソフトウェア：Fluent Ver 6.0（フルーエント・アジアパシフィック社製）
（寸法）
・堤部材の内径＝３００ｍｍ
・上部内張り部材のＲ３（図５参照）＝２００ｍｍ
・反応容器高さ（サセプタ１２から反応容器２の上面内側までの距離）＝２０ｍｍ
・堤部材高さ（切欠き部２３ｋの底面２３ｃから堤部材２３の上面２３ａまでの高さ）＝１６ｍｍ
・シリコン単結晶基板直径＝２００ｍｍ
（成長温度）
・シリコン単結晶基板…１４００Ｋ
・反応容器上面…７００Ｋ
（反応容器内圧力）
・１００００Ｐａ
（原料ガス）
・トリクロロシラン…１．５ｍｏｌ％
・水素…９８．５ｍｏｌ％
（原料ガス流量）
・内側案内路…１３．５リットル／分（標準状態）
・外側案内路…１３．５リットル／分（標準状態）
図１０は、計算機シミュレーションから得られた原料ガスＧの流通経路図、図１１は、シリコン単結晶薄膜の成長速度分布を示す等高線図である。図１０および図１１について、ともに（ａ）が本発明の気相成長装置１の場合、（ｂ）が従来の気相成長装置の場合である。
まず、図１０（ａ）に示すように、本発明の気相成長装置１では、原料ガスが基板の中央（水平基準線ＨＳＬ）に寄ってくる傾向が小さい。他方、図１０（ｂ）に示すように、従来の気相成長装置では、原料ガスＧは、堤部材２３の上面２３ａで流れる向きを内寄りに大きく変化させている。
次に、図１１に示す成長速度分布を示す等高線図についてであるが、シリコン単結晶基板Ｗは回転しないと仮定しているので、図中右側に進むほど、成長速度が遅い等高線を示している。従来の気相成長装置の場合、等高線が大きく波打っているのに対し、本発明の気相成長装置１の場合、等高線は小さい波打ちを繰り返す結果となった。
本発明が適用される気相成長装置の参考例を示す側面断面図。 図１の気相成長装置の要部を拡大した断面図。 図１の気相成長装置の平面図。 図１の気相成長装置の要部を一部切り欠いて示す分解斜視図。 本発明の一実施形態における上部内張り部材の下方平面図。 ガス導入隙間の形成形態を説明する断面図。 本発明におけるガス導入隙間の形成領域の一例を示す平面投影図。 上部内張り部材が改良されていない従来の気相成長装置の作用説明図。 本発明においてガス導入隙間の形成長さを一定にした別形態を示す模式図。 計算機シミュレーションから得られた原料ガスの流通経路分布図。 計算機シミュレーションから得られた成長速度分布を示す等高線図。
符号の説明
１ 気相成長装置
２ 反応容器
４ 上部内張り部材
４ａ，４ｃ 上部内張り部材の下面
４０ｐ 上部内張り部材の下面の内周縁
４０ｑ 上部内張り部材の外周縁
５ 内部空間
７ 排気管
１２ サセプタ
１２ａ サセプタの上面
２１ ガス導入口
２３ 堤部材
２３ａ 堤部材の上面
２３ｂ 堤部材の外周面
２３ｐ 堤部材の上面の内周縁
２３ｑ 堤部材の外周縁
３１ 第一端部
３２ 第二端部
３６ ガス排出口
６０ ガス導入隙間
ＲＰ 減圧ポンプ
Ｗ 基板
Ｇ 原料ガス
Ｏ 回転軸線
ＨＳＬ 水平基準線
ＷＬ 幅方向

Claims (9)

  1. シリコン単結晶基板の主表面上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
    水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から前記反応容器内に導入され、該反応容器の内部空間にて水平に回転保持される前記シリコン単結晶基板の前記主表面に沿って前記原料ガスが流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成され、前記内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記シリコン単結晶基板が配置される一方、前記サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
    さらに、前記ガス導入口は前記堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの前記原料ガスが、前記堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、前記サセプタ上の前記シリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成された気相成長装置において、
    前記堤部材の上から被さるように上部内張り部材が配置され、前記堤部材と前記上部内張り部材とによって、前記反応容器内へのガス導入隙間が形成されており、
    前記反応容器の前記第一端部から前記サセプタの回転軸線と直交して前記第二端部に至る前記原料ガスの流れ方向に沿った仮想的な中心線を水平基準線とし、前記サセプタの回転軸線と、前記水平基準線との双方に直交する方向を幅方向と定義したとき、
    前記水平基準線から前記幅方向に遠ざかるにつれて、前記ガス導入隙間の前記水平基準線と平行な方向に形成される長さが、連続的または段階的に短くなるか、もしくはいずれの位置においても一定となるように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記ガス導入隙間を形成する前記堤部材の上面と、同じく前記上部内張り部材の下面との上下方向での重なり度合いが、前記水平基準線から前記幅方向に遠ざかるにつれて小さくなるか、もしくはいずれの位置においても一定となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記上部内張り部材の下面の内周縁が、前記堤部材の上面の内周縁よりも前記原料ガスの流れ方向上流側に位置するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の気相成長装置。
  4. 前記ガス導入隙間の出口側で、前記堤部材の上面の内周縁が描く円弧の中心が、前記サセプタの回転軸線に一致する一方、前記上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の中心は、前記サセプタの回転軸線よりも前記原料ガスの流れ方向下流側に設定され、
    前記堤部材の上面の内周縁が描く円弧の半径よりも、前記上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の半径の方が大となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
  5. シリコン単結晶基板の主表面上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
    水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器を有し、シリコン単結晶薄膜形成のための原料ガスが前記ガス導入口から前記反応容器内に導入され、該反応容器の内部空間にて水平に回転保持される前記シリコン単結晶基板の前記主表面に沿って前記原料ガスが流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成され、前記内部空間内にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記シリコン単結晶基板が配置される一方、前記サセプタを取り囲むとともに、上面が該サセプタの上面と一致する位置関係にて堤部材が配置され、
    さらに、前記ガス導入口は前記堤部材の外周面に対向する形にて開口し、該ガス導入口からの前記原料ガスが、前記堤部材の外周面に当たって上面側に乗り上げた後、前記サセプタ上の前記シリコン単結晶基板の主表面に沿って流れるように構成された気相成長装置において、
    前記堤部材の上から被さるように上部内張り部材が配置され、前記堤部材と前記上部内張り部材とによって、前記反応容器内へのガス導入隙間が形成されており、
    前記上部内張り部材の下面の内周縁が、前記堤部材の上面の内周縁よりも前記原料ガスの流れ方向上流側に位置し、
    前記ガス導入隙間の出口側で、前記堤部材の上面の内周縁が描く円弧の中心が、前記サセプタの回転軸線に一致する一方、前記上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の中心は、前記サセプタの回転軸線よりも前記原料ガスの流れ方向下流側に設定され、
    前記堤部材の上面の内周縁が描く円弧の半径よりも、前記上部内張り部材の下面の内周縁が描く円弧の半径の方が大となるように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
  6. 前記反応容器内を大気圧よりも減圧された状態に保持する排気系を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気相成長装置の前記反応容器内に前記シリコン単結晶基板を配置し、該反応容器内に前記原料ガスを流通させて前記シリコン単結晶基板上に前記シリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
  8. 前記原料ガスとして、モノクロロシランガス、ジクロロシランガスおよびトリクロロシランガスのグループから選択される１種のものを使用し、前記反応容器内を大気圧よりも減圧された状態に保ちつつ、前記シリコン単結晶基板上に前記シリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項７記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
  9. 前記水平基準線と平行な方向における、前記ガス導入隙間の形成される長さに応じて、前記水平基準線寄りを流れる前記原料ガスの流量を調節する内側バルブと、前記水平基準線から離れたところを流れる前記原料ガスの流量を調節する外側バルブとの開閉度合いを設定することを特徴とする請求項７または８記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
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