JP4978554B2 - 薄膜の気相成長方法および気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜の気相成長方法および気相成長装置に関し、詳しくは、反応室内に均一に原料ガスを供給することによってウエーハ上に膜厚の均一な薄膜を気相成長させることのできる薄膜の気相成長方法および気相成長装置に関するものである。

図３に典型的な枚葉式の気相成長装置の上視図と垂直断面図を示した。
このような気相成長装置２０において、原料ガスは、左側のインジェクタ２８から反応室２２に入り、ウエーハＷ上に気相成長膜を形成して右側の排気口２３から排出される。このとき、原料ガスは、小さな断面を持つ供給管２１を高速で流れてきた後に大きな断面を持つ反応室２２に導かれる。このため、そのまま供給管２１を反応室２２に接続すると噴流となり、原料ガスの流速分布は大きく乱れることになる。この流速分布は、ウエーハＷ上に生成する気相成長膜の膜厚分布に強く影響するため、噴流ではなく均一な流れが要求される。

そこで通常はインジェクタを流れる原料ガスの流速を均一にするため、原料ガスの供給管２１を直接インジェクタに接続することはせず、図４に示したようにまず断面積の広い前室２６に接続して流速を下げ、スリットもしくは小さな穴が複数設けられた気流調整板２７を通してインジェクタ入口に広く分配して接続する方法がとられる。

しかしながら、供給管内を高速で流れてきた原料ガスは、前室に入っても直ちに減速するわけではない。
図４に示した様な平面的な配置の場合、前室２６に入った原料ガスは噴流となって気流調整板２７にぶつかり、気流調整板２７を通った後の流速分布に強く影響してしまう。前室２６を十分大きなものにすればこのような影響は軽減できるものの、そのようにすると前室２６に残るガスの置換に時間がかかるようになるため素早くガス種を切り換えられなくなると言う問題があった。

そこで普通、図５のように前室で原料ガスが９０度向きを変えるように配管を接続する方法がとられることがある（例えば特許文献１参照）。
この方法では供給管を出た噴流は、すぐに向かい側の壁にぶつかって分散するので、噴流の直接の影響は軽減させることはできる。しかし、気流調整板のある側以外の方向に広がった原料ガスは、前室の側面に沿って流れ、気流調整板を通った後に図６に示したような均一でない新たな流速分布を形成してしまう問題があった。

特開平８−１２４８５９号公報

また、図７のように、チャンバ外からチャンバ内に原料ガスを供給する供給管を、少なくとも２つに分岐させ、その２つに分岐させた供給管の各々をさらに２つに分岐させたのちに、それぞれの供給管をインジェクタに接続して、原料ガスを、インジェクタから吹き出させるようにすることによって、ウエーハ上の原料ガスの流速分布を均一にしようとする気相成長装置もある。

この様な分岐構造をとった反応ガスの供給管では、どの経路も距離と屈曲の回数が等しくなり、圧力抵抗が等しくなる。その結果、各経路からインジェクタに吹き出す原料ガスの速度は等しくなり易く、インジェクタを流れる原料ガスの流速分布が均一になり易い。

しかし、原料ガスの流量が非常に多い場合には、上記のような分岐構造によっても、原料ガスの流速分布が不均一になることがある。その原因は、図７に示したように、供給管が２つに分岐する時に発生する供給管内の流れの方向に対して左右非対称な速度分布である。この非対称性は原料ガスの流量が増すほど大きくなる。この様な左右非対称な速度分布があると次の分岐で均等に分配されなくなる。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、供給管内を高速で流れてきた原料ガスを、短い距離で均等に分配して反応室に導くことができ、また原料ガス流量が非常に多い場合であっても、ウエーハ上の原料ガスの流速分布を均一にすることができる薄膜の気相成長方法及び気相成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる方法であって、少なくとも、原料ガスを、２つのラインに分岐し、その後該分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後更に２つに分岐させて、原料ガスを前記反応室に供給しながら気相成長させることを特徴とする薄膜の気相成長方法を提供する（請求項１）。

このように、原料ガスを、少なくとも、供給管を２つに分岐させた後、それぞれの供給管をさらに２つに分岐させてそれを一旦合流させ、その後それぞれの供給管をまた２つに分岐させた後に、反応室に供給して気相成長を行う。
この様にすると、原料ガスの最初の分岐によって発生した供給管内の流れの方向に対して左右非対称な速度分布を、その直後の分岐と合流によって、ほぼ対称な速度分布にすることができ、それに続く分岐で流量を均等に分配することができる。従って、反応室に供給する原料ガスの流速分布を均一なものとすることができ、よってウエーハ上に均一な膜厚分布を有した薄膜を気相成長させることができる。

また、更に、少なくとも１回以上、前記更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すことが好ましい（請求項２）。
このように、少なくとも１回以上、更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すことによって、より均一に流量を分配することができるため、反応室に供給する原料ガスの流速分布をより均一にすることができる。

また、本発明では、サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する供給管と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、前記供給管は、少なくとも、１本の配管から供給された原料ガスを２つに分岐させ、該２つに分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後に更に２つに分岐させて、原料ガスを前記反応室へ供給するものであることを特徴とする気相成長装置を提供する（請求項３）。

このように、本発明の気相成長装置では、供給管を、少なくとも、１本の配管から供給された原料ガスを２つに分岐させ、該２つに分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後に更に２つに分岐させて、原料ガスを反応室へ供給するものとすることを特徴とする。
これによって、原料ガスの流量を均一に分配することができ、これによってウエーハ上の流速分布を均一なものとすることができる。従って均一な膜厚分布を有する薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置とすることができる。
また、従来のように、大きな前室を設ける必要がないため、原料ガス種の切り替えにもすばやく対応することができる。

また、前記供給管は、少なくとも１回以上、前記更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すものとすることが好ましい（請求項４）。
このように、少なくとも１回以上、更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返す原料ガスの供給管を備えた気相成長装置であれば、原料ガスをより均一に分配する事ができるため、より均一な流速分布とすることができる。

以上説明したように、本発明の薄膜の気相成長方法及び気相成長装置によれば、原料ガスの供給管が、短い距離で原料ガスを均等に分配して均一な流れを作り出すことができる上に、原料ガスの種類の切り替えにも素早く応答することができる。従って、膜厚が均一で高品質の薄膜を気相成長させることができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、供給管内を高速で流れてきた原料ガスを、短い距離で均等に分配して反応室に導くことができ、また原料ガス流量が非常に多い場合であっても、ウエーハ上の原料ガスの流速分布を均一にすることができる薄膜の気相成長方法及び気相成長装置の開発が待たれていた。

そこで、本発明者は、短い距離で原料ガスを均等に分配して均一な流れを作り出すことができる供給管の構造について鋭意検討を重ねた。

その結果、本発明者は、供給管の構造を、原料ガスを、供給管を２つに分岐させた後、それぞれの供給管をさらに２つに分岐させてそれを一旦合流させ、その後それぞれの供給管をまた２つに分岐させることを、少なくとも１回以上行った後に、反応室に供給するものとすることによって上記問題を解決できることを発想し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。
本発明の気相成長装置１０は、少なくとも、気相成長を行う反応室１２と、該反応室１２に原料ガスを導入する供給管１１と、反応室１２からガスを排気する排出口１３と、ウエーハＷを載置するサセプタ１４と、ウエーハＷを加熱する加熱手段１５とを備えたものである。
このうち、供給管１１は、少なくとも、１本の配管（ａ部）から供給された原料ガスを２つに分岐させ（ｂ部）、該２つに分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ（ｃ部）、その後に更に２つに分岐させて（ｄ部）、原料ガスを反応室１２へ供給するものである。

このとき、供給管１１は、更に２つに分岐させ後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流（ｅ部）、更なる２つへの分岐（ｆ部）を、少なくとも１回以上繰り返すものとすることができる。
このような構造の供給管とすることによって、気相成長の際に供給する原料ガスが反応室に供給される際の流速分布をより均一にすることができる。これによって、ウエーハ上の反応ガスの流速分布をより均一にすることができ、従って、ウエーハ上の薄膜の膜厚をより均一な分布の薄膜とすることができる。

ここで、分岐の上限だが、多ければ多いほど均一な流速分布を得ることができるが、分岐数が多くなってくると、一分岐に対する均一な流速分布を得られる効果が小さくなるため、６回とすることが望ましい。

次に、以上のような本発明の気相成長装置１０を用いてウエーハＷ上に薄膜を成長させる本発明の薄膜の気相成長方法について説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

まず、サセプタ１４上にウエーハＷを載置し、反応室１２を真空排気した後に加熱手段１５によってウエーハＷを加熱し、原料ガスを供給管１１を介して反応室１２に供給して、ウエーハＷ上に薄膜を気相成長させる。
そして気相成長させる際に、原料ガスを、少なくとも、２つのラインに分岐し、その後該分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後更に２つに分岐させて、反応室１２に供給しながら気相成長させる。

このとき、原料ガスを、少なくとも、２つのラインに分岐し、その後該分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後更に２つに分岐させるのに加えて、更に、少なくとも１回以上、上記更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すことが好ましい。
気相成長の際の原料ガスを、更に２つに分岐させた後に、少なくとも１回以上、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すことによって、反応室に供給される原料ガスのウエーハの横方向に対する流速分布をより均一なものとすることができる。このため、ウエーハ上の原料ガスの流速分布をより均一なものとすることができる。従って、ウエーハ上に成長させる薄膜の膜厚をより均一なものとすることができる。

このように、本発明の薄膜の気相成長方法及び気相成長装置によれば、原料ガスの供給管を流れるガスの流量をどの経路であっても均一なものとすることができ、そのため、原料ガスを反応室の横方向に対して均一に供給することができる。これによって、ウエーハ上の原料ガスの流速分布（流量）をウエーハ横方向に対して均一なものとすることができ、よって均一な膜厚の薄膜を気相成長させることができる。
また、分岐と合流によって供給管内に生じた若干の左右非対称な速度分布を短い距離でほぼ対称な速度分布にすることができる。これは、左右非対称な流れが、分岐により、流速の早い側と遅い側に分離し、これらが再び合流するときに流速の早い側が優勢になって合流後の供給管の中央付近を流れるようになるからである。
そして、前室や気流調整板を用いなくとも流速分布を均一なものとすることができるため、原料ガス種を変更する場合でも、残留していた前の原料ガスをすぐ排気して新しい原料ガスを導入することができ、切り替えをスムーズなものとすることができる。

ここで、本発明の気相成長装置に備える供給管の作製方法について、以下説明する。
まず、ステンレスブロックに、本発明に記載したような分岐構造をマシニングセンタを用いて刻み、分岐ブロックを作製する。また、これより１回り大きいステンレスブロックにマシニングセンタ、スロッタを用いてちょうど先の分岐ブロックが入る大きさの凹部を形成し、外枠とする。
そして、この外枠に分岐ブロックを挿入して固定すれば、本発明の分岐構造をもつ供給管とすることができる。このような構造とすると、容易に作製することができるため、製造コストを低いものとすることができる。

また、上述の作製方法に限らず、以下に示すような方法によっても本発明の供給管を作製することができる。
先ず、２枚のステンレスブロックに、本発明の分岐構造をマシニングセンタで刻み、拡散接合で両者を貼り合わせて、本発明の分岐構造をもつ供給管を作製する。このとき、拡散接合を用いることで内部まで接合でき、各経路を確実に分離することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示したような円形の分岐・合流構造を持つ供給管を有する本発明の気相成長装置を用いて、エピタキシャルウエーハの作製を行った。
エピタキシャルウエーハの作製条件としては、基板として、直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハを準備した。そして準備したシリコン単結晶ウエーハを気相成長装置のサセプタ上に載置し、反応室を真空排気した後にウエーハを加熱した。その後、原料ガスとして、水素ガスで希釈したＳｉＨＣｌ_３ガスを図１に示したような供給管によって反応室内に導入しながら、ウエーハの回転を行わずに、シリコン単結晶ウエーハ上に膜厚が５〜７μｍ程度のエピ層を形成した。
そして、作製したエピタキシャルウエーハについて、後に示すような評価を行った。

（比較例）
図４に示すような、従来の前室と気流調整板を備えた気相成長装置を用いた以外は実施例と同様の装置でエピタキシャルウエーハの作製を行った。

実施例と比較例の気相成長装置を用いて、シリコン単結晶ウエーハ上の原料ガスの流速分布がどのようになっているかを評価するために、ウエーハを回転させない状態で、エピタキシャルウエーハを作製し、成長速度分布を調べた。その結果を等高線図に表したものを図２に示す。
図２において、各々の図の左側が上流側、右側が下流側にあたる。図２（ａ）は実施例、図２（ｂ）は比較例である。

通常、供給管側は新鮮な原料ガスが供給される。そのため、成長速度が早く、排気口側は上流で原料ガスが消費されて濃度が下がるので成長速度が遅い。従ってウエーハ上の流速分布が均一であれば、成長速度の等高線は流れの方向に垂直でまっすぐな縞模様になるはずである。
しかし、図２（ｂ）に示すように、前室と気流調整板を備えた従来の気相成長装置を用いて作製されたエピタキシャルウエーハのエピ層の膜厚の等高線はそのようになっていない。これはウエーハ上の原料ガスの流速分布が均一でないことを示している。
これに対し、本発明の気相成長装置を用いて作製されたエピタキシャルウエーハのエピ層は、図２（ａ）に示すように、等高線が流れの方向に垂直で滑らかな縞模様になっていることから、流速分布がほぼ均一になっていることがわかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の気相成長装置の一例を示した概略図である。 本発明の実施例と比較例のエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層の直径方向に対する膜厚分布を示した図である。 従来の気相成長装置の一例を示した上視図と垂直断面図である。 従来の気相成長装置の他の一例を示した概略断面図である。 従来の気相成長装置のその他の一例を示した概略断面図である。 従来の気相成長装置の前室部分を拡大した概略図である。 従来の気相成長装置の供給管の一例を示した概略断面図である。

符号の説明

１０…気相成長装置、 １１…供給管、 １２…反応室、 １３…排出口、 １４…サセプタ、 １５…加熱手段、
Ｗ…ウエーハ。

Claims (4)

1. 反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる方法であって、
   少なくとも、原料ガスを、２つのラインに分岐し、その後該分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後更に２つに分岐させて、原料ガスを前記反応室に供給しながら気相成長させることを特徴とする薄膜の気相成長方法。
2. 更に、少なくとも１回以上、前記更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の薄膜の気相成長方法。
3. サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、
   少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する供給管と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、
   前記供給管は、少なくとも、１本の配管から供給された原料ガスを２つに分岐させ、該２つに分岐させた原料ガスの各々を一旦２つに分岐させた後に合流させ、その後に更に２つに分岐させて、原料ガスを前記反応室へ供給するものであることを特徴とする気相成長装置。
4. 前記供給管は、少なくとも１回以上、前記更に２つに分岐させた後に、該分岐ラインの２つへの分岐・合流、更なる２つへの分岐を繰り返すものであることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。

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