JP4451508B2

JP4451508B2 - Vapor growth method

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Publication number: JP4451508B2
Application number: JP01729399A
Authority: JP
Inventors: 健芳河本; 秀夫山縣; 誠一高橋; 哲雄三橋; 伸浅利
Original assignee: Sony Corp; Ulvac Inc
Current assignee: Sony Corp; Ulvac Inc
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP2000216104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により、基板上に半導体薄膜を成膜する技術は、各分野において利用されている。このＣＶＤ法において、基板を加熱して気相成長を行う熱ＣＶＤ法においては、多くの種類の反応ガスを利用できるという長所と、成膜時に、基板を比較的高温にしなければならないという短所を有している。
【０００３】
基板を加熱する方法には、直接加熱法と間接加熱法とがある。直接加熱法には、例えば、赤外線ランプにより基板を直接加熱する方法があり、間接加熱法としては、例えば基板をグラファイト製のサセプタに載置し、このサセプタに通電して加熱する方法や、気相成長を行う反応管内に基板を配置してこの反応管を外部から例えば電気炉等により加熱する方法等が挙げられる（ＣＶＤハンドブック、化学工学会、朝倉書店）。
【０００４】
熱ＣＶＤ法においては、成膜時に基板の温度状態にばらつきがあると、生成膜の膜厚、グレンサイズ、屈折率や光吸収係数等の光学特性、膜組成等の、生成膜の種々の特性にばらつきが生じてしまう。膜質の低下を回避するためには、膜生成工程において、温度制御を高精度に行うことが必要である。
【０００５】
膜形成を行う基板の温度制御に着目すると、基板を内部に載置した反応管を、電気炉等により加熱する、すなわち反応管の外部の加熱手段により加熱を行う方法においては、基板の面内温度分布の均一性が、良好であるという利点がある。
【０００６】
図９に、拡散・減圧ＣＶＤ装置で採用されている縦型構造の気相成長装置、特に、基板１０３上に気相成長を行う反応炉本体１００の概略図を示す。この場合、反応管１０１の下部に、ロードロック室（図示せず）が配置された構成を有する。このロードロック室は排気手段により内部を高真空度に保持することができるようになっている。
【０００７】
図９に示した反応炉本体１００においては、加熱手段１０２により所定の温度に調節し、ガス供給ノズル１０４より、膜生成のために必要なガスを反応管１０１内に供給し、例えばシリコンの基板１０３を、ボート１１０上に載置し、これをボート昇降機構１１１により、ロードロック室と反応管１０１内との間で上下に昇降可能とされ、反応管１０１内において気相成長が行われる。
【０００８】
反応管１０１の外部の加熱手段１０２により、ボート１１０上に配置された基板１０３の加熱を行う場合の加熱のメカニズムについて説明する。すなわち、反応管１０１の外部に設置された電気炉等の加熱手段１０２による熱伝導、対流、輻射の３つの経路により、反応管１０１内に熱が伝達される。反応管１０１に伝達された熱は、反応管１０１内にある材料ガスや、その他のガスによる対流と、反応管１０１の内壁からの輻射により、基板に到達し、これにより、基板の加熱が行われる。
【０００９】
このように、反応管１０１の外部の加熱手段１０２により、基板１０３の加熱を行う方法においては、反応管１０１内の温度制御は、電気炉等の加熱手段１０２自体の温度を制御することにより行うことができる。しかし、一方においては、反応管内の温度制御を行う方法として、以下の方法が挙げられる。
【００１０】
まず、第１の方法としては、反応管１０１内に予め温度計を装備し、反応管１０１内部の温度を測定し、この測定値を基準として、電気炉等の加熱手段１０２の制御を行う方法が挙げられる。
【００１１】
また、第２の方法としては、基板上に膜生成を行わないときに、反応管１０１内に温度計を挿入し、任意の圧力、例えば窒素ガス等のガスを任意の供給量に調節して、電気炉等の加熱手段１０２による加熱を行って、このときの加熱手段１０２と、反応管１０１内部の温度差を測定して、これを元に、目的とする反応管１０１内の温度を設定することができるように、加熱手段１０２の温度を決定し、その加熱手段１０２の設定値を基準に、加熱手段１０２の温度調節を行う方法が挙げられる。なお、上記第１および第２の方法のいずれの方法においても、温度計としては、先端を閉じた石英ガラス管内に、熱電対を挿入したものを適用することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱ＣＶＤ法により基板１０３上に膜生成を行う場合には、温度制御に関して、以下の問題がある。
【００１３】
図９に示した反応炉本体１００を有する気相成長装置を用いて基板１０３上に膜形成を行うと、気相成長中に、図１０に示すように反応管１０１の内壁部において、堆積膜１０５が形成されてしまい、これが原因となって、反応管１０１の精密な温度制御が困難になる。
【００１４】
例えば、反応管１０１の材質が、石英ガラスよりなるときは、赤外線の吸収率が低いため、加熱手段１０２から輻射された赤外線は、反応管１０１を透過する。反応管１０１の内部に付着した堆積膜１０５が、反応管１０１を構成する材質と異なる材質、例えばＳｉ₃Ｎ₄や、Ｓｉ等である場合には、反応管１０１の材質とは、赤外線に対する吸収率、反射率が異なる。よって、図１１に矢印をもって模式的に示すように、加熱手段１０２からの赤外線（図中の波線）が、堆積膜１０５により、吸収されたり、あるいは反射されたりするため、堆積膜１０５が、反応管１０１の内壁面に付着していない場合と比較して、反応管１０１内部に載置した基板１０３の加熱の状態に差異が生じる。
【００１５】
また、反応管１０１の内壁に付着した堆積膜１０５の赤外線に対する吸収率や反射率は、堆積膜１０５の膜の厚さにも影響される。このため、加熱手段１０２自体の設定温度を一定にしても、基板１０３の加熱状態が、堆積膜１０５の厚さに影響されて、経時的に変化してしまい、基板１０３上への安定した成膜を行うことが困難になる。
【００１６】
具体的には、上述した第１の方法、すなわち、反応管１０１内に予め温度計を装備し、反応管１０１内部の温度を測定し、この測定値を基準として、電気炉等の加熱手段１０２の制御を行う方法においては、図１２に示すように、温度計１０６は、例えば石英ガラスよりなる保護管１０７に挿入された状態で、反応管１０１内に装備されるが、この保護管１０７の表面にも堆積膜が付着してしまい、これが原因となって、反応管１０１内の測定温度に影響を与える。
【００１７】
すなわち、図１３に示すように、加熱手段１０２からの赤外線（図中の波線）が、堆積膜１０５により、吸収されたり、あるいは反射された後に、さらに温度計１０６の保護管１０７の表面に被着した堆積膜１０８により吸収されたり、あるいは反射されたりするため、堆積膜１０５、１０８が、反応管１０１や、温度計の保護管１０７の表面に付着していない場合と比較して、温度計１０６の測定温度に差異が生じる。堆積膜１０５のみ形成され、堆積膜１０８が形成されなければ、温度計１０６は反応管１０１内の温度を反映するので、加熱手段１０２にフィードバックすることで反応管１０１内に温度を制御できる。しかしながら、堆積膜１０８が形成されるので、温度計１０６の測定温度と反応管１０１内の温度に差異が生じ、加熱手段１０２のフィードバック制御後も反応管１０１内の温度は、目的とする温度からずれを生じる。堆積膜１０８の膜厚が変化した場合も、温度計１０６の測定温度は影響を受け、同様に、反応管１０１内の温度は目的とする温度からずれを生じる。
【００１８】
また、上述した第２の方法、すなわち、膜生成を行わないときに、反応管１０１内に温度計を挿入し、任意の圧力、例えば窒素ガス等のガスを任意の供給量に調節して、電気炉等の加熱手段１０２による加熱を行った場合の、加熱手段１０２と、反応管１０１内部の温度差を測定して、これを元に、目的とする反応管１０１内の温度を設定することができるように、加熱手段１０２の温度を決定し、その加熱手段１０２の設定値を基準に、加熱手段１０２の温度調節を行う方法においては、以下の影響が見られる。
【００１９】
すなわち、反応管１０１内の温度測定を、反応管１０１内壁に堆積膜１０５が堆積していない状態で行っても、基板１０３上への成膜工程中に、図１０において示したように、反応管１０１の内壁に堆積膜１０５が付着し始めるので、堆積膜１０５そのものの影響により、安定な温度制御が困難になったり、堆積膜１０５の厚さによる経時的な温度制御への影響が生じたりする。
【００２０】
基板１０３上への成膜工程において、頻繁に、反応管１０１内の温度測定を行うことによって、上記不都合をある程度軽減することができるが、成膜装置１００の稼働効率を低下させてしまうという不都合が生じる。
【００２１】
また、反応管１０１内の圧力が低下すると、基板１０３への熱の伝達は、輻射による割合が高くなる。特に、極端に圧力が低く、分子流量域で成膜を行う超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶ−ＣＶＤ）法においては、ガス流量が極端に少ないため、ガスによる熱伝導が殆どないので、輻射による影響が支配的となり、反応管１０１内部の堆積膜１０５の影響で、反応管内部の温度に深刻な影響を与える。
【００２２】
よって、本発明においては、基板１０３上に成膜を行う場合に、安定した温度制御を行うことのできる気相成長方法を提供する。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の気相成長方法は、外部に加熱手段を有する石英ガラスからなる反応管の内壁及び反応管内に装備された温度計を内包する石英ガラスよりなる保護管の表面に、予め厚さ１μｍ以上のポリシリコン又はＳｉ_３Ｎ_４の膜を形成する工程と、次いで、加熱手段を制御するための反応管内の温度を温度計で測定する工程と、その後、反応管内に基板を挿入し、温度計の測定値を基準として加熱手段の制御を行いながら、基板上に半導体薄膜を気相成長させる工程とを有する。
【００２４】
本発明の気相成長方法によれば、基板上に膜の生成を行う前の工程において、予め反応管の内壁及び温度計の保護管の表面に厚さ１μｍ以上のポリシリコン又はＳｉ３Ｎ４の膜を堆積させておくこととしたため、その後の膜生成工程において、反応管の内壁及び温度計の保護管の表面に被着堆積する生成膜の厚さに影響されることなく、反応管内の温度、成膜されるべき基板の安定した温度制御がなされ、成膜時の温度に依存する膜特性が精密に制御される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００２６】
図１は、縦型ＵＨＶ−ＣＶＤ装置に適用した本発明の気相成長装置１０００の一例の概略構成図を示す。この例において、気相成長装置１０００は、反応炉本体１０と、第１のロードロック室１１と、第２のロードロック室１２とを有する構成とする。反応炉本体１０は、石英製の例えば吊鐘形状をなす反応管１が、例えばほぼ円筒形状をなす載置台１４上に載置され、反応管１の外周には加熱手段２が配置されてなる。反応管１内には、外部からガスが供給されるガス導入ノズル１６が配置される。
【００２７】
第１のロードロック室１１には、外部に対する開閉がなされる第１のゲートバルブ８１が設けられ、この第１のロードロック室１１は、第２のロードロック室１２に、第２のゲートバルブ８２を介して連結される。また、第２のロードロック室１２は、反応管１下に配置され、第３のゲートバルブ８３を介して、反応管１に連結される。
【００２８】
反応管１には、第１の高真空排気手段３１の、例えばターボ分子ポンプがバルブ５１を介して連結され、更にバルブ５２を介して第２の高真空排気手段３２のクライオポンプが連結される。
【００２９】
第１の高真空排気手段３１のターボ分子ポンプには、バルブ５３を介してメカニカルブースタポンプ４０およびドライポンプ４１が連結されて、外部ＥＸＨに排気されるようになされている。
【００３０】
一方、反応管１とバルブ５１との間の排気通路から、分路が設けられ、この分路がバルブ５４および５５を介してメカニカルブースタポンプ４２およびドライポンプ４３が連結される。
【００３１】
一方、第１のロードロック室１１には、バルブ５６を介してメカニカルブースタポンプ４４およびドライポンプ４５が連結され、外部ＥＸＨに排気されるようになされている。また、バルブ５７を介して第３の高真空排気手段３３のクライオポンプが連結されている。
【００３２】
第２および第３の高真空排気手段３２および３３は、それぞれバルブ５９および５８を介している。
【００３３】
また、第２のロードロック室１２は、バルブ６０および６１を介して前記メカニカルブースタポンプ４２およびドライポンプ４３が連結され、更に、この第２のロードロック室１２はバルブ６２を介して例えばターボ分子ポンプによる第４の高真空排気手段３４が連結される。この第４の高真空排気手段３４には、バルブ６３を介してメカニカルブースタポンプ４６およびドライポンプ４７が連結されて、外部ＥＸＨに排気するようになされている。
【００３４】
反応管１の下方に配置された第２のロードロック室１２には、気相成長がなされる多数の基板、例えば半導体基板、例えばシリコン基板、または、反応管１の内壁に予め堆積膜を形成させるためのダミー基板が搭載されたボート１７を反応管１内に対して、出入させるボート昇降機１８が配置される。このボート昇降機１８には、ボート１７を上昇させてこのボート１７を反応管１内に配置させた状態で、反応管１の筒状載置台１４を閉蓋する蓋体１９が配置され、この蓋体１９上に、例えば筒状の断熱体２０を介してボート１７が配置される。
【００３５】
次に、この構成による気相成長装置１０００を用いて基板３上に、例えばシリコン半導体層を気相成長させるための方法について説明する。ここで、反応管内の温度制御を行う方法は、従来と同様に、反応管内に配置した温度計を用いて行う前述の第１の方法または第２の方法のいずれかを採用することになる（段落［００１０］，［００１１］，［００１６］参照）。また第１の方法での温度計は、前述したように石英ガラスよりなる保護管に挿入される（段落［００１６］参照）。
【００３６】
まず、基板３を搭載するためのボート１７を、第１のロードロック室１１内に配置する。第１のゲートバルブ８１、第２および第３のゲートバルブ８２および８３を閉じ、第１のロードロック室１１内を、バルブ５６を開放して、所定の圧力までポンプ４４および４５を動作させて排気した後、バルブ５６を閉じ、バルブ５７を開放して、第３の高真空排気手段３３のクライオポンプを動作して排気すると共に、第２のロードロック室１２についても、バルブ６２、６３を開放して、第４の高真空排気手段３４のターボ分子ポンプとポンプ４６、４７を用いて、両ロードロック室１１および１２内を、約１０^-6Ｐａに排気する。
【００３７】
これと同時に、反応管１内を、ガス供給がなされていない状態で、バルブ５１、５２を開放して、第１の高真空排気手段３１のターボ分子ポンプ３１と同時に特に第２の高真空排気手段３２のクライオポンプを動作して、反応管１内を約１０^-7Ｐａに排気する。
【００３８】
一方、気相成長を行う基板３例えばシリコン基板を、縦型ＵＨＶ−ＣＶＤ装置外において、薬液処理を行い、基板表面に付着されている有機物を除去する。更に、その後、所要の温度に加熱したアンモニア−過酸化水素水溶液でパーティクル除去を行い、希フッ酸処理して基板表面の金属汚染物の除去、および基板表面に生じた自然酸化膜の除去を行う。
【００３９】
次に、バルブ５６、５７を閉じた後に、第１のロードロック室１１内を大気圧にし、第１のゲートバルブ８１を開けて第１のロードロック室１１内のボート１７に、上述した洗浄処理済の基板３を搭載する。
【００４０】
その後、第１のゲートバルブ８１を閉じてから、第１のロードロック室１１を真空排気手段３３を併用して約１０^-6Ｐａの圧力にする。
【００４１】
このようにして第１および第２のロードロック室１１および１２内を、約１０^-6Ｐａとした状態で、第２のゲートバルブ８２を開けて、基板を搭載したボート１７を、第１ロードロック室１１内部のボート移動機（図示せず）を用いて第２のロードロック室１２内に移動させ、ゲートバルブ８２を閉じ、ロードロック室１２内を、上述したと同様の方法によって約１０^-6Ｐａの圧力にする。
【００４２】
次に、第３のゲートバルブ８３を開けて、反応管１内のガス導入ノズル１６から水素ガスを導入しながら、ボート昇降機１８を上昇させて、基板３を搭載したボート１７を、反応管１内に移動する。このボート１７の移動中は、バルブ５１、５２、５４、５５、６２を閉じ、バルブ６０および６１を開けてメカニカルブースタポンプ４２およびドライポンプ４３を動作させて排気を行う。
【００４３】
このようにして、ボート昇降機１８が上昇した状態で、蓋体１９が、載置台１４に当接し、反応管１を閉塞すると同時に、ガス導入ノズル１６からの水素ガス導入を停止してバルブ６０および６１を閉じる。
【００４４】
次に、バルブ５４および５５を開けて所望の圧力まで反応管１内部を排気した後、バルブ５４および５５を閉じて、バルブ５１および５３を開けて高真空排気を行い、約１×１０^-5Ｐａとなったところで、バルブ５２を開けて第２の高真空排気手段３２のクライオポンプを併用して、所望の圧力となるまで高真空排気を行い、その後、バルブ５２を閉じる。
【００４５】
次に、反応管内にガス導入ノズル１６から水素ガスを導入しながら例えば９００℃程度まで加熱して基板表面に形成された自然酸化膜を還元除去する。その後、所望の成膜温度まで降温する。
【００４６】
次に、反応管１内を、第１の高真空排気手段３１のターボ分子ポンプにて、高真空排気し、ガス導入ノズル１６から成膜に必要なガスを供給する。このとき、エピタキシャル成長のための原料ガスは、分子流量域となる圧力となるように設定する。この圧力は、０．５〔Ｐａ〕以下であることが望ましい。
【００４７】
また、シリコンエピタキシャル成長を行うためには、シリコン原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄）やジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用いることができる。シリコン−ゲルマニウム混晶槽を形成するためには、前記シラン系原料ガスと同時にゲルマン（ＧｅＨ₄）ガスを供給すれば良い。更に、前記エピタキシャル成長槽にドーパントのボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）をドープする場合には、その供給ガスとしてジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）やホスフィン（ＰＨ₃）等を導入することができる。
【００４８】
このようにして気相成長による成膜を行った後、反応管１内の温度を降温し、ボート１７を第２のロードロック室１２に移動する。その後、基板を前述した大気から反応管１内部への搬送手順とは逆の手順を行い、エピタキシャル成長による成膜層を有する基板を、気相成長装置から搬出する。
【００４９】
なお、本発明方法においては、図２に示すように、特に、目的とする基板３上に、成膜を行う前に、ボート１７および図１に示した断熱体２０を含む反応管１内部に、あらかじめ、所定の厚さａ〔μｍ〕以上の、堆積膜７０を形成するものとする。反応管内の温度制御を行う方法として、前述の第１の方法を用いるときは、温度計の保護管の表面にも同様の堆積膜７０を形成することになる。
すなわち、目的とする基板３上に気相成長により成膜を行う前に、予め、ダミー基板を反応管内に配置して気相成長を行い、反応管１内に堆積膜７０を形成しておくものである。
【００５０】
以下に、この堆積膜７０の形成条件の一例を示す。
シランガス流量：２０〔ｓｃｃｍ〕
水素ガス流量：２５〔ｓｃｃｍ〕
反応管内温度：６５０℃反応管内圧力：０．１〔Ｐａ〕
成膜累計時間：２５０〔分〕
膜厚：１．５〔μｍ〕
【００５１】
反応管１の内壁に、反応管１を構成する材質と異なる材質の堆積膜７０が付着した場合、加熱手段による輻射光の透過率、吸収率、反射率が、堆積膜が付着していない場合と変化することは、前述した通りであるが、反応管１の内壁に付着した堆積膜７０の厚さが、加熱手段による輻射光の、反応管１内における吸収率、透過率、反射率に対し、どの様な影響を与えるかについてのシミュレーション結果を、以下に示す。
【００５２】
例えば石英ガラスよりなる反応管１を適用し、この反応管１内において、シリコン基板３上に、ポリシリコンを、１０００（Ｋ）の温度条件で、ＣＶＤ膜の形成を行った場合について、図３に、縦軸に、反応管の壁面が、基板からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量の、単位面積あたりのエネルギー量〔μＷ／ｃｍ²〕を示し、横軸に、反応管の内壁に堆積したポリシリコンの膜の厚さ〔μｍ〕を示す。
【００５３】
図３に示されているシミュレーション結果から、反応管１の内壁のポリシリコンの堆積膜７０の厚さが、０〔μｍ〕から１〔μｍ〕未満の範囲においては、堆積膜７０の厚さの変化に対して、反応管１の壁面が、基板３からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量が大きく変化するが、堆積膜７０の厚さが、１〔μｍ〕以上、特に１．５〔μｍ〕程度になると、基板３からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量が安定している。すなわち、ほとんど変化しない。
【００５４】
この図３に示したシミュレーション結果より、気相成長装置１０で基板３上にシリコンエピタキシャル薄膜の成膜を行う場合に、加熱手段２からの輻射熱が反応管に吸収、透過されるエネルギー量の、堆積膜７０の厚さ依存傾向も、図３のシミュレーションと、同様の結果を示すことがわかる。
【００５５】
すなわち、石英ガラスの反応管１の内壁に堆積したポリシリコン膜の厚さが、１〔μｍ〕以上、望ましくは１．５〔μｍ〕以上になると、基板３に到達する加熱手段からの輻射熱の熱量が、堆積膜７０の厚さに依存しないようになることがわかる。
【００５６】
これにより、堆積膜７０、すなわちポリシリコン膜の厚さが、１〔μｍ〕以上、望ましくは１．５〔μｍ〕以上になると、気相成長工程において、基板３の温度を精密に制御することが可能になる。
【００５７】
よって、気相成長装置として、予め反応管１の内壁に、反応管１の材質と異なる材質の膜が、所定の厚さ、例えば１〔μｍ〕以上、好ましくは１．５〔μｍ〕以上の厚さに成膜堆積されたものを用いて気相成長を行うと、精密で安定した温度制御を行うことが可能になり、気相成長における成膜特性の高精度化を図ることができる。
【００５８】
次に、上述と同様に、石英ガラスよりなる反応管１を適用し、この反応管１内で、シリコン基板３上に、Ｓｉ₃Ｎ₄を、例えば１０００（Ｋ）の温度条件で、膜形成を行った場合の例について説明する。図４に、縦軸に、反応管の壁面が、基板からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量の、単位面積あたりのエネルギー量〔μＷ／ｃｍ²〕を示し、横軸に、反応管の内壁に堆積したＳｉ₃Ｎ₄膜の厚さ〔μｍ〕を示す。
【００５９】
この例においては、Ｓｉ₃Ｎ₄の複素屈折率を２．００＋０．０ｉとする。図４に示されているシミュレーション結果から、反応管１の内壁のＳｉ₃Ｎ₄の堆積膜の厚さが、０〔μｍ〕から１〔μｍ〕未満の範囲においては、堆積膜の厚さの変化に対して、反応管１の壁面が、基板３からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量が大きく変化するが、１〔μｍ〕以上、特に１．５〔μｍ〕程度になると、基板３からの輻射エネルギーを吸収する量と透過する量との合計量が安定する。
【００６０】
この図４に示したシミュレーション結果より、気相成長装置１０で基板３上に成膜を行う場合に、加熱手段２からの輻射熱が反応管に吸収、透過されるエネルギー量の、堆積膜７０の厚さ依存傾向も、図４のシミュレーションと、同様の結果を示すことがわかる。
【００６１】
すなわち、石英ガラスの反応管１の内壁に堆積したＳｉ₃Ｎ₄膜の厚さが、１〔μｍ〕以上、望ましくは１．５〔μｍ〕以上になると、基板３に到達する加熱手段からの輻射熱の熱量が、堆積膜７０の厚さに依存しないようになることがわかる。
【００６２】
ここで、反応管１の壁面に堆積した膜の厚さと、光の吸収量との関係について説明する。光の吸収量は、次の（数１）で表される。
【００６３】
【数１】

【００６４】
ここで、ε（λ）は、反応管に堆積膜が積層した構造体の実効放射率（反射率）を示し、Ｉ（λ）は、ある温度における加熱手段の分光放射発散度（任意の温度における、各波長の光強度）を示し、ａ、ｂは積分する波長領域〔μｍ〕を示すものとする。
【００６５】
光の波長に対して、特定の膜厚、すなわち光の波長の１／４程度の膜厚において、光の全反射が生じる。光の全反射が生じる条件では、ポリシリコンのように光を吸収する膜の場合、膜内での繰り返し反射により、光の吸収は波長によらず、一定値に近づく。そのために、堆積膜の膜厚が厚いほど、光の吸収量が安定する。図５に、反応管の壁面に堆積したポリシリコンの厚さが、０．１５〔μｍ〕（曲線２０１）、０．３〔μｍ〕（曲線２０２）、０．５〔μｍ〕（曲線２０３）である場合の、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。また、図６に、反応管の壁面に堆積したポリシリコンの厚さが、１〔μｍ〕（曲線２０４）、３〔μｍ〕（曲線２０５）、５〔μｍ〕（曲線２０６）である場合の、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【００６６】
図５および図６に示すように、堆積膜の膜厚が厚いほど、それぞれの曲線２０１〜２０６の振幅が小さくなり、光の吸収量が安定していることがわかる。
【００６７】
次に、図７に、反応管の壁面に堆積したＳｉ₃Ｎ₄膜の厚さが、０．１５〔μｍ〕（曲線３０１）、０．３〔μｍ〕（曲線３０２）、０．５〔μｍ〕（曲線３０３）である場合の、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。また、図８に、反応管の壁面に堆積したＳｉ₃Ｎ₄の厚さが、１〔μｍ〕（曲線３０４）、３〔μｍ〕（曲線３０５）、５〔μｍ〕（曲線３０６）である場合の、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【００６８】
図７および図８に示すように、堆積膜の膜厚が厚いほど、それぞれの曲線３０１〜３０６の曲線の波の波長が小さくなる。光の吸収量は、（数１）の式に示すように、ある波長領域での積分値であるので、膜厚が厚くて曲線の波長が小さいほど、膜厚が増加して曲線が変化したときの光の吸収量が小さくなり、光の吸収量が安定していることがわかる。
【００６９】
上述した例においては、反応管１の内壁にポリシリコン膜、あるいはＳｉ₃Ｎ₄膜が、堆積することになる場合について説明したが、この例に限定されるものではなく、例えば、シリコン−ゲルマニウムの混晶、多結晶シリコン、多結晶シリコン−ゲルマニウム等、各種の膜が、反応管内壁に堆積する場合についても、同様に、堆積する膜種に応じた所定の厚さａ〔μｍ〕以上の厚さに堆積されると、基板に到達する加熱手段からの輻射熱の熱量が、堆積膜の厚さに依存しないようになることがわかり、精密で安定した温度制御を行うことが可能となる。
【００７０】
上述した本発明の一例の気相成長装置および気相成長方法においては、いわゆる縦型のＵＨＶ−ＣＶＤ装置を用いて気相成長を行う例について説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。すなわち、例えば横型のＵＨＶ−ＣＶＤ装置を用いて気相成長を行う場合についても同様に適用することができる。
【００７１】
上述した本発明の気相成長装置および気相成長方法は、前述の段落［００２１］で説明した分子流量域の圧力で成膜を行う場合にも勿論適用するこができる。
【００７２】
また、上述した本発明の一例においては、基板上にシリコン膜のエピタキシャル成長あるいはＳｉ₃Ｎ₄膜の成長を行う場合について説明したが、本発明は、この例に限定されるものではなく、例えば、シリコン−ゲルマニウムの混晶、多結晶シリコン、多結晶シリコン−ゲルマニウム等の、各種の気相成長膜の形成を行う場合についても、同様に適用することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の気相成長方法によれば、基板上に膜の生成を行う前の工程において、予め反応管の内壁及び温度計の保護管の表面に、反応管の材料と異なる材料の膜を所定の厚さに堆積させておくこととしたため、その後の膜生成工程において、反応管の内壁及び温度計の保護管の表面に被着堆積する生成膜の厚さに影響されることなく、反応管内の温度、膜の生成を行う基板の温度を安定して制御することができ、成膜時の温度に依存する膜特性を精密に制御することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の概略構成図を示す。
【図２】本発明の気相成長装置の一部を構成する反応炉本体の概略図を示す。
【図３】堆積膜の厚さと、単位面積あたりの光の吸収量の関係を示すシミュレーション結果を表す。
【図４】堆積膜の厚さと、単位面積あたりの光の吸収量の関係を示すシミュレーション結果を表す。
【図５】反応管内壁面に、ポリシリコン膜を堆積させたときの、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【図６】反応管内壁面に、ポリシリコン膜を堆積させたときの、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【図７】反応管内壁面に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を堆積させたときの、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【図８】反応管内壁面に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を堆積させたときの、波長と、光の実効吸収率との関係を示す。
【図９】従来の気相成長装置を構成する反応炉本体の一例の概略断面図を示す。
【図１０】従来の気相成長装置を構成する反応炉本体の一例の概略断面図を示す。
【図１１】従来の反応炉本体の要部の一例の概略断面図を示す。
【図１２】従来の気相成長装置を構成する反応炉本体の一例の概略断面図を示す。
【図１３】従来の反応炉本体の要部の一例の概略断面図を示す。
【符号の説明】
１，１０１反応管、１０，１００反応炉本体、２，１０２加熱手段、３，１０３基板、４，１０４ガス供給ノズル、７０，１０５，１０８堆積膜、１０６温度計、１０７保護管、５，１１０ボート、６，１１１ボート昇降機構、１０００気相成長装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Vapor growth method Related to.
[0002]
[Prior art]
A technique for forming a semiconductor thin film on a substrate by chemical vapor deposition (CVD) is used in various fields. In this CVD method, the thermal CVD method in which the substrate is heated to perform vapor phase growth has the advantage that many kinds of reaction gases can be used, and the disadvantage that the substrate has to be relatively hot during film formation. Have.
[0003]
Methods for heating the substrate include a direct heating method and an indirect heating method. The direct heating method includes, for example, a method in which the substrate is directly heated by an infrared lamp, and the indirect heating method is, for example, a method in which the substrate is placed on a graphite susceptor and the susceptor is energized and heated. Examples include a method in which a substrate is placed in a reaction tube for performing phase growth and the reaction tube is heated from the outside by, for example, an electric furnace or the like (CVD handbook, Chemical Society of Japan, Asakura Shoten).
[0004]
In the thermal CVD method, if there are variations in the temperature state of the substrate during film formation, various characteristics of the generated film such as the film thickness, grain size, optical characteristics such as refractive index and light absorption coefficient, film composition, etc. Variation will occur. In order to avoid deterioration of the film quality, it is necessary to perform temperature control with high accuracy in the film generation process.
[0005]
Focusing on the temperature control of the substrate on which the film is formed, in a method in which the reaction tube with the substrate mounted therein is heated by an electric furnace or the like, that is, by heating means outside the reaction tube, There is an advantage that the uniformity of the temperature distribution is good.
[0006]
FIG. 9 shows a schematic view of a vertical structure vapor phase growth apparatus employed in a diffusion / low pressure CVD apparatus, in particular, a reactor main body 100 for performing vapor phase growth on a substrate 103. In this case, a load lock chamber (not shown) is arranged at the bottom of the reaction tube 101. The load lock chamber can be maintained at a high vacuum level by the exhaust means.
[0007]
In the reactor main body 100 shown in FIG. 9, the temperature is adjusted to a predetermined temperature by the heating means 102, and a gas necessary for film formation is supplied from the gas supply nozzle 104 into the reaction tube 101, for example, a silicon substrate. 103 is placed on a boat 110 and can be moved up and down between the load lock chamber and the reaction tube 101 by a boat lifting mechanism 111, and vapor phase growth is performed in the reaction tube 101.
[0008]
A heating mechanism in the case where the substrate 103 disposed on the boat 110 is heated by the heating means 102 outside the reaction tube 101 will be described. That is, heat is transferred into the reaction tube 101 through three paths of heat conduction, convection, and radiation by the heating means 102 such as an electric furnace installed outside the reaction tube 101. The heat transferred to the reaction tube 101 reaches the substrate by convection due to the material gas and other gases in the reaction tube 101 and radiation from the inner wall of the reaction tube 101, thereby heating the substrate. Is called.
[0009]
Thus, in the method of heating the substrate 103 by the heating means 102 outside the reaction tube 101, the temperature inside the reaction tube 101 is controlled by controlling the temperature of the heating means 102 itself such as an electric furnace. be able to. However, on the other hand, the following method is mentioned as a method for controlling the temperature in the reaction tube.
[0010]
First, as a first method, a thermometer is provided in the reaction tube 101 in advance, the temperature inside the reaction tube 101 is measured, and the heating means 102 such as an electric furnace is controlled based on this measured value. Is mentioned.
[0011]
As a second method, when a film is not formed on the substrate, a thermometer is inserted into the reaction tube 101, and an arbitrary pressure, for example, a gas such as nitrogen gas is adjusted to an arbitrary supply amount. Then, heating is performed by the heating means 102 such as an electric furnace, and the temperature difference between the heating means 102 and the reaction tube 101 at this time is measured, and based on this, the target temperature in the reaction tube 101 is set. For example, a method of determining the temperature of the heating unit 102 and adjusting the temperature of the heating unit 102 based on the set value of the heating unit 102 can be used. In either of the first and second methods, a thermometer having a thermocouple inserted in a quartz glass tube with a closed tip can be applied.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a film is formed on the substrate 103 by the thermal CVD method, there are the following problems regarding temperature control.
[0013]
When a film is formed on the substrate 103 using the vapor phase growth apparatus having the reaction furnace main body 100 shown in FIG. 9, the deposited film is formed on the inner wall portion of the reaction tube 101 as shown in FIG. 105 is formed, which makes it difficult to precisely control the temperature of the reaction tube 101.
[0014]
For example, when the material of the reaction tube 101 is made of quartz glass, the infrared ray radiated from the heating means 102 passes through the reaction tube 101 because the infrared absorption factor is low. The deposited film 105 adhering to the inside of the reaction tube 101 is made of a material different from the material constituting the reaction tube 101, for example, Si. _Three N _Four In the case of Si or the like, the absorption coefficient and reflectance with respect to infrared rays are different from the material of the reaction tube 101. Therefore, as schematically shown by an arrow in FIG. 11, the infrared rays (the wavy line in the figure) from the heating means 102 are absorbed or reflected by the deposited film 105, so that the deposited film 105 reacts. Compared to the case where the tube 101 is not attached to the inner wall surface, a difference occurs in the heating state of the substrate 103 placed inside the reaction tube 101.
[0015]
Further, the infrared rays of the deposited film 105 adhering to the inner wall of the reaction tube 101 are reduced. Suck The yield and reflectance are also affected by the thickness of the deposited film 105. For this reason, even if the set temperature of the heating means 102 itself is constant, the heating state of the substrate 103 is affected by the thickness of the deposited film 105 and changes over time, so that the stable growth onto the substrate 103 is achieved. It becomes difficult to perform the film.
[0016]
Specifically, in the first method described above, that is, a thermometer is preliminarily provided in the reaction tube 101, the temperature inside the reaction tube 101 is measured, and the heating means 102 such as an electric furnace is measured based on the measured value. 12, the thermometer 106 is installed in the reaction tube 101 in a state of being inserted into a protective tube 107 made of, for example, quartz glass, as shown in FIG. A deposited film also adheres to the surface, which affects the measured temperature in the reaction tube 101.
[0017]
That is, as shown in FIG. 13, after the infrared rays (the wavy line in the figure) from the heating means 102 are absorbed or reflected by the deposited film 105, the surface of the protective tube 107 of the thermometer 106 is further covered. Since the deposited film 108 is absorbed or reflected by the deposited film 108, the thermometer is compared with the case where the deposited films 105 and 108 are not attached to the surface of the reaction tube 101 or the protective tube 107 of the thermometer. A difference occurs in the measured temperature of 106. If only the deposited film 105 is formed and the deposited film 108 is not formed, the thermometer 106 reflects the temperature in the reaction tube 101, so that the temperature in the reaction tube 101 can be controlled by feeding back to the heating means 102. However, since the deposited film 108 is formed, there is a difference between the temperature measured by the thermometer 106 and the temperature in the reaction tube 101, and the temperature in the reaction tube 101 remains from the target temperature even after feedback control of the heating means 102. Deviation occurs. Even when the thickness of the deposited film 108 changes, the measurement temperature of the thermometer 106 is affected, and similarly, the temperature in the reaction tube 101 deviates from the target temperature.
[0018]
In addition, when the above-described second method, that is, when film formation is not performed, a thermometer is inserted into the reaction tube 101, and an arbitrary pressure, for example, a gas such as nitrogen gas is adjusted to an arbitrary supply amount, Measure the temperature difference between the heating means 102 and the reaction tube 101 when heating is performed by the heating means 102 such as an electric furnace, and based on this, set the target temperature in the reaction tube 101 In the method of determining the temperature of the heating means 102 and adjusting the temperature of the heating means 102 based on the set value of the heating means 102, the following effects are observed.
[0019]
That is, even if the temperature in the reaction tube 101 is measured in a state where the deposited film 105 is not deposited on the inner wall of the reaction tube 101, as shown in FIG. Since the deposited film 105 starts to adhere to the inner wall of the tube 101, stable temperature control becomes difficult due to the influence of the deposited film 105 itself, or the temperature control over time is affected by the thickness of the deposited film 105. To do.
[0020]
In the process of forming a film on the substrate 103, by frequently measuring the temperature in the reaction tube 101, the above inconvenience can be reduced to some extent, but the operation efficiency of the film forming apparatus 100 is reduced. Occurs.
[0021]
Further, when the pressure in the reaction tube 101 decreases, the rate of heat transfer to the substrate 103 increases due to radiation. In particular, in the ultra-high vacuum CVD (UHV-CVD) method in which the pressure is extremely low and the film is formed in the molecular flow rate region, the gas flow rate is extremely small, so there is almost no heat conduction by the gas, so there is an influence by radiation. It becomes dominant, and the temperature inside the reaction tube is seriously affected by the influence of the deposited film 105 inside the reaction tube 101.
[0022]
Therefore, in the present invention, stable temperature control can be performed when a film is formed on the substrate 103. Vapor growth method I will provide a.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The vapor phase growth method of the present invention has a thickness of 1 μm or more in advance on the inner wall of a reaction tube made of quartz glass having a heating means on the outside and the surface of a protective tube made of quartz glass containing a thermometer mounted in the reaction tube. Polysilicon or Si ₃ N ₄ Forming a film, and then measuring the temperature in the reaction tube for controlling the heating means with a thermometer, and then inserting a substrate into the reaction tube and heating means on the basis of the measured value of the thermometer A step of vapor-depositing a semiconductor thin film on the substrate while controlling the above.
[0024]
According to the vapor phase growth method of the present invention, in the step before the film is formed on the substrate, the inner wall of the reaction tube and the surface of the protection tube of the thermometer are previously displayed. On the face Since the polysilicon or Si3N4 film having a thickness of 1 μm or more was deposited, the inner wall of the reaction tube in the subsequent film generation process as well as The temperature in the reaction tube and the temperature of the substrate to be deposited are controlled stably without being affected by the thickness of the deposited film deposited on the surface of the thermometer's protective tube. Film characteristics But It is controlled precisely.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The following Clearly However, the present invention is not limited to the following examples.
[0026]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an example of a vapor phase growth apparatus 1000 of the present invention applied to a vertical UHV-CVD apparatus. In this example, the vapor phase growth apparatus 1000 includes a reaction furnace main body 10, a first load lock chamber 11, and a second load lock chamber 12. In the reaction furnace main body 10, a reaction tube 1 made of quartz, for example, having a bell shape is mounted on a mounting table 14 having, for example, a substantially cylindrical shape, and a heating means 2 is disposed on the outer periphery of the reaction tube 1. . A gas introduction nozzle 16 for supplying gas from the outside is arranged in the reaction tube 1.
[0027]
The first load lock chamber 11 is provided with a first gate valve 81 that is opened and closed with respect to the outside. The first load lock chamber 11 is connected to the second load lock chamber 12 and the second gate valve. 82 are connected. The second load lock chamber 12 is disposed below the reaction tube 1 and is connected to the reaction tube 1 via a third gate valve 83.
[0028]
For example, a turbo molecular pump of the first high vacuum evacuation means 31 is connected to the reaction tube 1 via a valve 51, and further, a cryopump of the second high vacuum evacuation means 32 is connected via a valve 52. .
[0029]
A mechanical booster pump 40 and a dry pump 41 are connected to the turbo molecular pump of the first high vacuum evacuation means 31 through a valve 53 so as to be exhausted to the external EXH.
[0030]
On the other hand, a shunt is provided from the exhaust passage between the reaction tube 1 and the valve 51, and the shunt is connected to the mechanical booster pump 42 and the dry pump 43 via

valves

54 and 55.
[0031]
On the other hand, a mechanical booster pump 44 and a dry pump 45 are connected to the first load lock chamber 11 via a valve 56 so as to be exhausted to the external EXH. A cryopump of the third high vacuum evacuation means 33 is connected via a valve 57.
[0032]
The second and third high vacuum evacuation means 32 and 33 are connected via

valves

59 and 58, respectively.
[0033]
The second load lock chamber 12 is connected to the mechanical booster pump 42 and the dry pump 43 via

valves

60 and 61, and the second load lock chamber 12 is connected to the second load lock chamber 12 via a valve 62. A fourth high vacuum evacuation means 34 by a pump is connected. A mechanical booster pump 46 and a dry pump 47 are connected to the fourth high vacuum evacuation means 34 through a valve 63 so as to exhaust to the external EXH.
[0034]
In the second load lock chamber 12 arranged below the reaction tube 1, a large number of substrates on which vapor phase growth is performed, for example, semiconductor substrates, for example, silicon substrates, or deposited films are formed in advance on the inner wall of the reaction tube 1. A boat elevator 18 that allows the boat 17 on which the dummy substrate for mounting is mounted to enter and exit the reaction tube 1 is disposed. The boat elevator 18 is provided with a lid 19 for closing the cylindrical mounting table 14 of the reaction tube 1 in a state where the boat 17 is raised and the boat 17 is disposed in the reaction tube 1. On the body 19, the boat 17 is arrange | positioned through the cylindrical heat insulating body 20, for example.
[0035]
Next, a method for vapor-phase growing, for example, a silicon semiconductor layer on the substrate 3 using the vapor-phase growth apparatus 1000 having this configuration will be described. Here, the method for controlling the temperature in the reaction tube employs the first method or the second method described above, which is performed using a thermometer arranged in the reaction tube, as in the past ( Paragraphs [0010], [0011], [0016]). The thermometer in the first method is inserted into a protective tube made of quartz glass as described above (see paragraph [0016]).
[0036]
First, the boat 17 for mounting the substrate 3 is disposed in the first load lock chamber 11. Close the first gate valve 81, the second and third gate valves 82 and 83, open the valve 56 in the first load lock chamber 11, and operate the

pumps

44 and 45 to a predetermined pressure. After evacuation, the valve 56 is closed, the valve 57 is opened, the cryopump of the third high vacuum evacuation means 33 is operated and evacuated, and the

valves

62 and 63 are also connected to the second load lock chamber 12. It is opened and the inside of both the

load lock chambers

11 and 12 is set to about 10 ^-6 Exhaust to Pa.
[0037]
At the same time, the

valves

51 and 52 are opened in the reaction tube 1 in a state where no gas is supplied, and the second high vacuum evacuation is performed simultaneously with the turbo molecular pump 31 of the first high vacuum evacuation means 31. The cryopump of the means 32 is operated, and the inside of the reaction tube 1 is about 10 ^-7 Exhaust to Pa.
[0038]
On the other hand, the substrate 3 to be subjected to vapor phase growth, such as a silicon substrate, is subjected to chemical treatment outside the vertical UHV-CVD apparatus to remove organic substances attached to the substrate surface. Further, after that, particles are removed with an aqueous ammonia-hydrogen peroxide solution heated to a required temperature, and metal contaminants on the substrate surface are removed by dilute hydrofluoric acid treatment, and a natural oxide film generated on the substrate surface is removed. .
[0039]
Next, after the

valves

56 and 57 are closed, the inside of the first load lock chamber 11 is brought to atmospheric pressure, the first gate valve 81 is opened, and the boat 17 in the first load lock chamber 11 is cleaned as described above. A processed substrate 3 is mounted.
[0040]
Thereafter, after the first gate valve 81 is closed, the first load lock chamber 11 is combined with the vacuum exhaust means 33 for about 10 minutes. ^-6 The pressure is set to Pa.
[0041]
In this manner, the inside of the first and second

load lock chambers

11 and 12 is about 10 ^-6 In the state of Pa, the second gate valve 82 is opened, and the boat 17 loaded with the substrate is moved to the second load lock chamber 12 using a boat moving machine (not shown) inside the first load lock chamber 11. The gate valve 82 is closed, and the load lock chamber 12 is moved about 10 times in the same manner as described above. ^-6 The pressure is set to Pa.
[0042]
Next, the third gate valve 83 is opened, and the boat elevator 18 is raised while introducing the hydrogen gas from the gas introduction nozzle 16 in the reaction tube 1, and the boat 17 loaded with the substrate 3 is moved to the reaction tube 1. Move in. During the movement of the boat 17, the

valves

51, 52, 54, 55, 62 are closed, the

valves

60 and 61 are opened, and the mechanical booster pump 42 and the dry pump 43 are operated to exhaust.
[0043]
In this way, with the boat elevator 18 raised, the lid 19 abuts the mounting table 14 and closes the reaction tube 1, and at the same time, the introduction of the hydrogen gas from the gas introduction nozzle 16 is stopped and the

valve

60 and 61 is closed.
[0044]
Next, after opening the

valves

54 and 55 to evacuate the inside of the reaction tube 1 to a desired pressure, the

valves

54 and 55 are closed, the

valves

51 and 53 are opened, and high vacuum evacuation is performed. ^-Five When the pressure reaches Pa, the valve 52 is opened and the cryopump of the second high vacuum evacuation means 32 is used together to perform high vacuum evacuation until a desired pressure is reached, and then the valve 52 is closed.
[0045]
Next, while introducing hydrogen gas from the gas introduction nozzle 16 into the reaction tube, it is heated to, for example, about 900 ° C. to reduce and remove the natural oxide film formed on the substrate surface. Thereafter, the temperature is lowered to a desired film forming temperature.
[0046]
Next, the inside of the reaction tube 1 is evacuated with a turbo molecular pump of the first high vacuum evacuation means 31, and a gas necessary for film formation is supplied from the gas introduction nozzle 16. At this time, the source gas for epitaxial growth is set to have a pressure that becomes a molecular flow rate region. This pressure is preferably 0.5 [Pa] or less.
[0047]
In order to perform silicon epitaxial growth, monosilane (SiH) is used as a silicon source gas. _Four ) And disilane (Si ₂ H ₆ ) Can be used. In order to form a silicon-germanium mixed crystal tank, germane (GeH) is used simultaneously with the silane-based source gas. _Four ) Supply gas. Furthermore, when doping the epitaxial growth tank with boron (B) or phosphorus (P) as a dopant, diborane (B ₂ H ₆ ) And phosphine (PH _Three ) Etc. can be introduced.
[0048]
After film formation by vapor phase growth is performed in this manner, the temperature in the reaction tube 1 is lowered, and the boat 17 is moved to the second load lock chamber 12. Thereafter, a procedure reverse to the procedure for transporting the substrate from the atmosphere to the inside of the reaction tube 1 described above is performed, and the substrate having the film formation layer formed by epitaxial growth is unloaded from the vapor phase growth apparatus.
[0049]
In the method of the present invention, as shown in FIG. 2, before the film formation is performed on the target substrate 3, the reaction tube 1 including the boat 17 and the heat insulator 20 shown in FIG. It is assumed that the deposited film 70 having a predetermined thickness a [μm] or more is formed in advance. When the above-described first method is used as a method for controlling the temperature in the reaction tube, the same deposited film 70 is also formed on the surface of the protective tube of the thermometer.
That is, before forming a film on the target substrate 3 by vapor phase growth, a dummy substrate is previously placed in the reaction tube and vapor phase growth is performed to form a deposited film 70 in the reaction tube 1. Is.
[0050]
An example of the conditions for forming this deposited film 70 is shown below.
Silane gas flow rate: 20 [sccm]
Hydrogen gas flow rate: 25 [sccm]
Reaction tube temperature: 650 ° C. Reaction tube pressure: 0.1 [Pa]
Total deposition time: 250 [minutes]
Film thickness: 1.5 [μm]
[0051]
When the deposited film 70 made of a material different from the material constituting the reaction tube 1 adheres to the inner wall of the reaction tube 1, the deposited film does not adhere to the transmittance, absorptivity, and reflectance of the radiation by the heating means As described above, the thickness of the deposited film 70 attached to the inner wall of the reaction tube 1 depends on the absorption rate, transmittance, and reflectance of the radiation light from the heating means in the reaction tube 1. On the other hand, the simulation result about how it affects is shown below.
[0052]
For example, a case where a reaction tube 1 made of quartz glass is applied and a CVD film is formed on a silicon substrate 3 under a temperature condition of 1000 (K) in the reaction tube 1 is shown in FIG. In addition, on the vertical axis, the amount of energy per unit area [μW / cm] of the total amount of the amount of absorption and transmission of the radiation energy from the substrate by the wall of the reaction tube ² The horizontal axis represents the thickness [μm] of the polysilicon film deposited on the inner wall of the reaction tube.
[0053]
From the simulation results shown in FIG. 3, when the thickness of the polysilicon deposited film 70 on the inner wall of the reaction tube 1 is in the range of 0 [μm] to less than 1 [μm], the thickness of the deposited film 70 is With respect to the change, the total amount of the wall surface of the reaction tube 1 that absorbs and transmits the radiation energy from the substrate 3 changes greatly, but the thickness of the deposited film 70 is 1 [μm] or more, In particular, when the thickness is about 1.5 [μm], the total amount of the amount that absorbs and transmits the radiation energy from the substrate 3 is stable. That is, it hardly changes.
[0054]
From the simulation results shown in FIG. 3, when the vapor phase growth apparatus 10 forms a silicon epitaxial thin film on the substrate 3, the amount of energy that is absorbed and transmitted through the reaction tube by the radiant heat from the heating means 2, It can be seen that the thickness dependence tendency of the deposited film 70 also shows the same result as the simulation of FIG.
[0055]
That is, when the thickness of the polysilicon film deposited on the inner wall of the reaction tube 1 made of quartz glass is 1 [μm] or more, preferably 1.5 [μm] or more, the radiation heat from the heating means reaching the substrate 3 is reduced. It can be seen that the amount of heat does not depend on the thickness of the deposited film 70.
[0056]
Thus, when the thickness of the deposited film 70, that is, the polysilicon film becomes 1 [μm] or more, preferably 1.5 [μm] or more, the temperature of the substrate 3 is precisely controlled in the vapor phase growth process. Is possible.
[0057]
Therefore, as a vapor phase growth apparatus, a film made of a material different from the material of the reaction tube 1 in advance on the inner wall of the reaction tube 1 has a predetermined thickness, for example, 1 [μm] or more, preferably 1.5 [μm] or more. When vapor deposition is performed using a film deposited to a thickness, precise and stable temperature control can be performed, and film deposition characteristics in vapor deposition can be increased in accuracy.
[0058]
Next, in the same manner as described above, a reaction tube 1 made of quartz glass is applied, and within this reaction tube 1, Si substrate 3 is coated with Si. _Three N _Four Will be described for an example in which film formation is performed under a temperature condition of, for example, 1000 (K). In FIG. 4, on the vertical axis, the amount of energy per unit area [μW / cm2] of the total amount of the amount of absorption and transmission of the radiation energy from the substrate by the wall of the reaction tube. ² In the horizontal axis, Si deposited on the inner wall of the reaction tube _Three N _Four The thickness of the film [μm] is shown.
[0059]
In this example, Si _Three N _Four The complex refractive index of 2.00 is set to 2.00 + 0.0i. From the simulation results shown in FIG. 4, the Si wall of the inner wall of the reaction tube 1 _Three N _Four When the thickness of the deposited film is in the range from 0 [μm] to less than 1 [μm], the wall surface of the reaction tube 1 absorbs the radiation energy from the substrate 3 with respect to changes in the thickness of the deposited film. The total amount of the amount and the amount of transmitted light changes greatly. However, when the amount is 1 [μm] or more, especially about 1.5 [μm], the total amount of the amount that absorbs and transmits the radiation energy from the substrate 3 Is stable.
[0060]
From the simulation results shown in FIG. 4, when the vapor deposition apparatus 10 forms a film on the substrate 3, the amount of energy of the deposited film 70 of the amount of energy that is absorbed and transmitted through the reaction tube by the radiant heat from the heating means 2 is absorbed. It can be seen that the thickness dependence tendency shows the same result as the simulation of FIG.
[0061]
That is, Si deposited on the inner wall of the reaction tube 1 made of quartz glass. _Three N _Four When the thickness of the film is 1 [μm] or more, preferably 1.5 [μm] or more, the amount of radiant heat from the heating means reaching the substrate 3 does not depend on the thickness of the deposited film 70. I understand that.
[0062]
Here, the relationship between the thickness of the film deposited on the wall surface of the reaction tube 1 and the light absorption amount will be described. The amount of light absorption is expressed by the following (Equation 1).
[0063]
[Expression 1]

[0064]
Here, ε (λ) indicates the effective emissivity (reflectance) of the structure in which the deposited film is laminated on the reaction tube, and I (λ) is the spectral radiant divergence (arbitrary temperature) of the heating means at a certain temperature. , And a and b denote wavelength regions [μm] to be integrated.
[0065]
Total reflection of light occurs at a specific film thickness with respect to the wavelength of light, that is, about 1/4 of the wavelength of light. Under conditions where total reflection of light occurs, in the case of a film that absorbs light, such as polysilicon, the absorption of light approaches a constant value regardless of the wavelength due to repeated reflection within the film. Therefore, the thicker the deposited film, the more stable the light absorption. In FIG. 5, the thickness of polysilicon deposited on the wall of the reaction tube is 0.15 [μm] (curve 201), 0.3 [μm] (curve 202), 0.5 [μm] (curve 203). In this case, the relationship between the wavelength and the effective light absorptance is shown. FIG. 6 shows the case where the thickness of the polysilicon deposited on the wall of the reaction tube is 1 [μm] (curve 204), 3 [μm] (curve 205), and 5 [μm] (curve 206). The relationship between the wavelength and the effective light absorptance is shown.
[0066]
As shown in FIGS. 5 and 6, it can be seen that the thicker the deposited film, the smaller the amplitude of each of the curves 201 to 206 and the more stable the light absorption.
[0067]
Next, FIG. 7 shows Si deposited on the wall surface of the reaction tube. _Three N _Four When the film thickness is 0.15 [μm] (curve 301), 0.3 [μm] (curve 302), 0.5 [μm] (curve 303), the wavelength and the effective absorption of light The relationship with the rate is shown. FIG. 8 shows Si deposited on the wall of the reaction tube. _Three N _Four The relationship between the wavelength and the effective light absorptance in the case where the thickness is 1 [μm] (curve 304), 3 [μm] (curve 305), and 5 [μm] (curve 306) is shown.
[0068]
As shown in FIGS. 7 and 8, the thicker the deposited film, the smaller the wavelength of the wave of the curves 301 to 306. Since the light absorption is an integral value in a certain wavelength region as shown in the equation (Equation 1), the film thickness increases and the curve changes as the film thickness increases and the curve wavelength decreases. It can be seen that the amount of light absorption is small and the amount of light absorption is stable.
[0069]
In the above-described example, a polysilicon film or Si on the inner wall of the reaction tube 1 _Three N _Four Although the case where the film is to be deposited has been described, the present invention is not limited to this example. For example, various films such as silicon-germanium mixed crystal, polycrystalline silicon, and polycrystalline silicon-germanium may react. Similarly, in the case of depositing on the inner wall of the tube, the amount of radiant heat from the heating means reaching the substrate is similarly reduced when deposited to a thickness of a predetermined thickness a [μm] or more according to the film type to be deposited. It turns out that it becomes independent of the thickness of a deposited film, and it becomes possible to perform precise and stable temperature control.
[0070]
In the above-described vapor deposition apparatus and vapor deposition method of the present invention, an example of performing vapor deposition using a so-called vertical UHV-CVD apparatus has been described. However, the present invention is limited to this example. It is not a thing. That is, the present invention can be similarly applied to the case of performing vapor phase growth using, for example, a horizontal UHV-CVD apparatus.
[0071]
Of course, the above-described vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method of the present invention can also be applied to the case where film formation is performed at a pressure in the molecular flow rate range described in the paragraph [0021] above.
[0072]
In the example of the present invention described above, a silicon film is epitaxially grown on the substrate or Si. _Three N _Four Although the case where film growth is performed has been described, the present invention is not limited to this example. For example, various gas phases such as silicon-germanium mixed crystal, polycrystalline silicon, and polycrystalline silicon-germanium are used. The same applies to the case where a growth film is formed.
[0073]
【The invention's effect】
Of the present invention Vapor growth method According to the method, in the step before forming the film on the substrate, a film made of a material different from the material of the reaction tube is deposited to a predetermined thickness on the inner wall of the reaction tube and the surface of the protection tube of the thermometer in advance. In the subsequent film formation process, the inner wall of the reaction tube & Thermometer protective tube surface It is possible to stably control the temperature in the reaction tube and the temperature of the substrate on which the film is formed without being affected by the thickness of the deposited film deposited on the film. Can be controlled precisely.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a vapor phase growth apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a reactor main body constituting a part of the vapor phase growth apparatus of the present invention.
FIG. 3 shows simulation results showing the relationship between the thickness of a deposited film and the amount of light absorbed per unit area.
FIG. 4 shows a simulation result showing the relationship between the thickness of a deposited film and the amount of light absorbed per unit area.
FIG. 5 shows the relationship between the wavelength and the effective light absorption rate when a polysilicon film is deposited on the inner wall surface of a reaction tube.
FIG. 6 shows the relationship between the wavelength and the effective light absorption rate when a polysilicon film is deposited on the inner wall surface of a reaction tube.
[Fig. 7] Si on the inner wall of the reaction tube. _Three N _Four The relationship between the wavelength and the effective absorption rate of light when a film is deposited is shown.
[Fig. 8] Si on the inner wall of the reaction tube _Three N _Four The relationship between the wavelength and the effective absorption rate of light when a film is deposited is shown.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an example of a reaction furnace main body constituting a conventional vapor phase growth apparatus.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an example of a reaction furnace main body constituting a conventional vapor phase growth apparatus.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an example of a main part of a conventional reactor main body.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an example of a reactor main body constituting a conventional vapor phase growth apparatus.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an example of a main part of a conventional reactor main body.
[Explanation of symbols]
1,101 reaction tube, 10,100 reaction furnace main body, 2,102 heating means, 3,103 substrate, 4,104 gas supply nozzle, 70, 105, 108 deposited film, 106 thermometer, 107 protective tube, 5,110 Boat, 6,111 Boat lifting mechanism, 1000 Vapor growth equipment

Claims

Polysilicon or Si ₃ N _{4 having a} thickness of 1 μm or more in advance on the inner wall of a reaction tube made of quartz glass having a heating means on the outside and the surface of a protection tube made of quartz glass containing a thermometer mounted in the reaction tube. Forming a film of
Next, measuring the temperature in the reaction tube for controlling the heating means with the thermometer,
Then, a step of inserting a substrate into the reaction tube and vapor-phase-growing a semiconductor thin film on the substrate while controlling the heating means based on a measurement value of the thermometer is provided. Phase growth method.

The vapor phase growth method according to claim 1 , wherein the method is performed by supplying a raw material gas having a molecular flow rate pressure.