JPH02205316A - エピタキシャル気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、シリコン等のエピタキシャル気相成長法で用
いられる装置に係わり、特に、均一な厚み分布をしたエ
ピタキシャル層が得られるエピタキシャル気相成長装置
に関する。

（従来の技術） シリコン等のエピタキシャル気相成長法では、エピタキ
シャル気相成長用の反応物質を混合したキャリアガスを
サセプタの上部から基板に対して垂直に吹き付けるタイ
プの気相成長装置、或いは、サセプタの横部から基板に
対して平行に反応ガスを吹き付けるタイプの気相成長装
置が使用されている。

第１図は、反応ガスを基板に対して垂直に吹き付けるタ
イプの気相成長装置の一例を示す反応炉部分の概略図で
ある。

図中（１）は石英製の反応炉であり、該反応炉（１）の
上部には、他端が反応ガスの供給源であるガス混合装置
に接続しているガス導入管（２）が接続されている。ま
た、反応炉（１）の内部には基板（３）を載置するため
のサセプタ（４）が、外周部には基板（３）を成長温度
まで加熱するための高周波加熱用コイル（５）が、それ
ぞれ配設されている。さらに反応炉（１）の下部には、
途中に排気ポンプ（７）を有する排気管（６）が接続さ
れている。

このような気相成長装置で、例えば、ＧａＡｓ半導体膜
を成長させる場合は、反応ガスにトリメチルガリウムと
アルシンを用い、水素ガスをキャリアーガスとし、ガス
導入管（２）を通じてこれらの反応ガスを反応炉（１）
内に供給し、基板（３）表面に吹き付けることでエピタ
キシャル層を成長させる。

このエピタキシャル気相成長においては、エピタキシャ
ル層が均一な膜厚分布をしたものほど好ましい。そこで
、従来から均一な膜厚分布のエピタキシャル層を得るた
めの技術改良がなされている。その一つは反応炉の形状
を工夫することである。エピタキシャル成長は一般に反
応ガスの供給律則段階で行われるので反応炉の形状を、
例えばガス導入管の導入孔を細くするか、或いは導入孔
を基板に対して近づけるなどの工夫によって反応ガスの
流れを制御し、エピタキシャル層膜厚を均一化しようと
するものである。しかし、エピタキシャル層の成長分布
は、反応炉の形状によって決まってしまうので、反応炉
の形状を工夫するのみでは、エピタキシャル層膜厚の均
一化には限界がある０例えば、Ｓｉエピタキシャル成長
の場合、４インチ径のウェハ内で膜厚の均一性は３％程
度であるとの報告がある（河東田隆著、産業図書。

［半導体エピタキシャル技術Ｊ　Ｐ、２２）　。

他方、エピタキシャル層膜厚の均一化を図る方法に、基
板表面に対してガスを平行に吹き付けてＭＯＣＶＤでエ
ピタキシャル成長させるに際し、ソースガスのキャリア
ガスに水素およびアルゴンを用い、アルゴンガスの流量
をコントロールする方法（特開昭６１−１５４０２５号
公報）、およびガス流分散用の多孔板を有するプラズマ
化学気相成長装置において、該多孔板をガス供給管路の
開口部に対して接近或いは離間可能とした装置を用いて
気相成長を行う方法（特開昭６１−８７３１９号公報）
、が提案されている。

前者は分子量の大きいアルゴンの流量をコントロールす
るこによって、ソースガスの輸送距離を変、ｔ、ソース
ガス流出側の膜厚が厚くなるのを防止しようとするもの
である。しかし、この方法は基板表面に対してガスを平
行に吹き付ける気相成長装置では有効であるが、本発明
が対象とするような基板に対して垂直にガスを吹き付け
る気相成長装置では適用するのが困難である。また、後
者の方法は、多孔板をガス供給管路の開口部に対して接
近或いは離間させることによって、ガス流分布が均一化
するので膜厚がある程度均一化される効果がある。しか
し、そのためには多孔板から流出させるガスと、多孔板
とガス供給路のガス流出部との間から流出させるガスと
の流量割合を調整し、ウェハ中心部と周辺部に当たるガ
ス流量を精度よくコントロールしてやる必要があるが、
そのコントロールを精度よく行うのが難しい。

（発明が解決しようとする諜Ｂ） 本発明の課題は、ＭＯＣＶＤによるシリコン等のエピタ
キシャル気相成長において、反応ガスを基板表面に対し
て垂直に吹き付けてエピタキシャル成長させる装置であ
って、均一な膜厚分布のエピタキシャル層を得ることが
できる気相成長装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 反応ガスを基板に対して垂直に吹き付ける気相成長装置
では、反応炉の形状が一定の場合には、反応ガスの流れ
の太さによってエピタキシャル層の成長分布が決まって
しまうことが知られている。

即ち、反応ガスの流れが細麿場合には、第２図（ａｌに
示すようにエピタキシャル層（８）の形状は、基板（３
）の中央部の膜厚が厚い凸状となり、反応ガスの流れが
太い場合には、同図（ｂ）に示すように基板（３）の中
央部の膜厚が薄い凹状となる。

また、エピタキシャル層の成長厚みは反応ガスの流速と
関係があり、反応ガスの流れが速い場合には、第３図（
ａ）に示すようにエピタキシャル層（８）は、膜厚の厚
い不均一な分布となり、反応ガスの流れが遅い場合には
、第３図（ｂ）に示すように膜厚の薄い不均一な分布と
なる。

そこで、本発明者はガス導入管を下記のように改良し、
反応ガスの吹き付けを制御してエピタキシャル成長を行
わせたところ、均一な膜厚分布のエピタキシャル層が得
られることを確認した。

ここに本発明の要旨は、下記の■および■にある。

■反応炉上部のガス導入管より、炉内のサセプタ上に載
置された基板に対して反応ガスを垂直に吹き付けるよう
になしたエピタキシャル気相成長装置であって、前記ガ
ス導入管が内管と外管の二重管構造となっており、且つ
、内管および外管はそれぞれ反応ガス流量を制御する装
置を有していることを特徴とするエピタキシャル気相成
長装置。

■反応炉上部のガス導入管より、炉内のサセプタ上に載
置された基板に対して反応ガスを垂直に吹き付けるよう
になしたエピタキシャル気相成長装置であって、前記ガ
ス導入管が細径の複数本の管を束ねた構造をしており、
且つ、それぞれの管が反応ガス流量を制御する装置を有
していることを特徴とするエピタキシャル気相成長装置
。

（作用） 二重管のガス導入管を備えたエピタキシャル気相成長装
置では、反応ガスの吹き付けを内管又は外管のどちらか
から行い、途中からその吹き付けを内管から外管、もし
くは外管から内管に切り換える０例えば、内管から反応
ガスの吹き付けを開始した場合には、第４図（ａ）に示
すように内管（９）から吹き出す反応ガスの流れは細い
のでエピタキシャルＮ（８）は凸状となる。エピタキシ
ャル層（８）が凸状になれば、内管（９）からの吹き付
けを止めるか、または流量を減らしエピタキシャル層膜
厚の成長条件に応じて適切な流量で適切な時間、同図（
ｂ）に示すように外管００から反応ガスを吹き付ける。

外管０ωからの反応ガスは流れが太いので、基板（３）
周囲の成長が多（なり、エピタキシャル層（８）の膜厚
は均一化される。

或いは、第５図に示すように内管（９）に比べ外管ａω
からのガス流量が多い条件でエピタキシャル成長を開始
すると、その反応ガスの流れは太いのでエピタキシャル
層（８）の膜厚は基板（３）の中央部の方が薄い凹状と
なる。凹状になれば外管ＯＩＤからの吹き付けを止め、
同図Φ）に示すように内管（９）から反応ガスの吹き付
けを行う、途中から流れの細い内管（９）から反応ガス
を吹き付ければ、基板（３）中央部の成長が増すので、
エピタキシャル層（８）は徐々に平坦化されて均一な膜
厚となる。

ガス導入管が、第１１図に示すような細径の管を複数本
束ねた構造の気相成長装置の場合には、例えば、エピタ
キシャル層が中央部の膜厚が厚い凸状となる反応炉であ
れば、第６図に示すようにガス導入管の中央部の細管Ｏ
Ｄから吹き付けるガス流速を遅くし、外周部の細管００
から吹き付けるガス流速を速くする。エピタキシャル層
の成長が比較的遅い部分と速い部分とのガス流速に差を
もたせれば、エピタキシャル層は均一な厚み分布となる
。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

（実施例） 第７図は、本願第１発明にかかわる気相成長装置の一実
施例を示す図、第８図は、ガス導入管を示す概略図、第
９図はガス混合装置を示す模式図、である。

図中（１）は反応炉、（３）は基板、（４）はサセプタ
、（５）は高周波加熱用コイル、（６）は排気管、（７
）は排気ポンプ、をそれぞれ示す、これらは、従来の気
相成長装置とその構造および作用は同じである。

０′！Ｊはガス導入管であって、該ガス導入管０２１は
、第８図に示すように内管（９）と外管Ｑ［Ｄとからな
る二重管構造をしており、内管（９）と外管０■には後
述するガス流量制御装置がそれぞれ設けられている。

前記内管（９）および外管０ＩＩＤは、その一端は反応
炉（１）の上部に固定されており、他端は内管（９）に
あってはエピタキシャル成長用の反応ガス源であるガス
混合装置（１３ａ）に、外管（ｌ［１１にあってはこれ
とは別のガス混合装置Ｆ　（１３ｂ）にそれぞれ接続さ
れている。ガス混合装置（１３ａ）および（１３ｂ）は
、いずれも同様の構成をしており、例えば、成長させる
皮膜がＧａＡｓ半導体膜の場合には、第９図に示すよう
な構成のガス混合装置である。

図中（１４ａ）、（１４ｂ）、（１４ｃ）および（１４
ｄ）はいずれもガス流量制御装置であり、夫り管路（１
５ａ）、（１５ｂ）、（１５ｃ）および（１５ｄ）の途
中に介装されている。

そして、管路（１５ａ）の一端はアルシン（ＡｓＨ３）
の供給源に、他端はガス導入管０２１に接続されている
。

管路（１５ｂ）、（１５ｃ）および（１５ｄ）にあって
は、その一端はいずれもキャリヤガス用の水素（Ｈ８）
の供給源に、他端は（１５ｂ）および（１５ｃ）にあっ
ては直接ガス導入管面に、管路（１５ｄ）にあっては有
機金属化合物である、例えばトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）液等が収容されているバブラ０６）を介してガス導
入管０２１に接続されている。即ち、前記管路（１５ａ
）、（１５ｂ）、（１５ｃ）および（１５ｄ）の他端は
ガス導入管Ｑ２１に接続され、ガス導入管、０２）はガ
ス混合装置（１３ａ）にあっては内管（９）に、ガス混
合装置（１３ｂ）にあっては外管０（Ｏにそれぞれ接続
されているのである。

従って、アルシンはガス流量制御装置（１４ａ）によっ
て流量制御されつつ、ガス流量制御装置（１４ｂ）によ
って流量制御された水素ガスをキャリヤガスとして、ト
リメチルガリウムはガス流量制御装置（１４ｄ）にて流
量制御された水素ガスをキャリヤガスとしてバブラ０６
１から内管（９）を通じてそれぞれ反応炉（１）に供給
される。また、外管０［！ｌに対するガス供給も同様に
行われる。

なお、ガス流量制御装置（１４ｃ）は反応炉（１）に供
給する希釈用の水素ガス流量を調整する際に使用される
ものである。

本願第１発明の気相成長装置は、以上の構成であり、エ
ピタキシャル成長は次の様にして行われる。

まず、第７図において反応炉（１）内を所定の真空度に
して高周波加熱用コイル（５）でサセプタ（４）を所定
温度に加熱する０次いで、ガス混合装置（１３ａ）およ
び（１３ｂ）のどちらか一方又は両方を作動させる。そ
して、内管（９）もしくは外管０Φのどちらか一方又は
両方から反応ガスを反応炉（１）内に供給する。

このとき内管（９）からの反応ガスの吹き付は流量が多
い場合には、エピタキシャル層膜厚は凸状になる。エピ
タキシャル層膜厚が凸状になれば、内管（９）からの吹
き付けを止めるか、または流量を減らして外管（至）か
らの反応ガスのを吹き付けを開始するか、または流量を
増加させて膜厚分布の不均一を解消する。或いは、反応
ガスの吹き付は流量が内管（９）に比べて外管ＯＩの方
が多い条件で始めればエピタキシャル層膜厚は凹状とな
る。凹状になれば外管０（ｌｌからの吹き付けを止める
か、または流量を減らして内管（９）からの吹き付けを
行い膜厚分布の不均一を解消する。

前記内管および外管の大きさ（径）は、ウェハの径、サ
セプタの径、ガス流量、ガス導入孔とウェハの距離等よ
り適宜決定すればよいが、−例を示せば内管の直径２ｃ
ｍ、外管の直径４．５ｃｍである。

第１０図は、本願第２発明にかかわる気相成長装置の一
実施例を示す図、第１１図は、ガス導入管の一例を示す
模式図、である。

この気相成長装置の特徴とするところは、前記気相成長
装置における二重管のガス導入管にかえて、第１１図に
示すようにガス導入管０ηを複数本の細い管００を束ね
た構造としたことにある。

このガス導入管０は、図示するように複数本の細い管θ
０を円筒形に束ねたものであって、それぞれの管００に
は、前記のガス流量制御装置（１４ａ）〜（１４ｄ）と
は別のガス流量制御装置（１８ａ）　〜（１８ｎ）が更
に取り付けられている。それぞれの管０１）の一端は、
ガス流量制御装置０１０の入側で一つにまとめられ、他
端がガス混合装置に接続されているガス導入管０２１に
接続されている。

従って、この細い管（１０を束ねたガス導入管ｑ′？）
を備えた気相成長装置では、アルシンはガス流量制御装
置（１４ａ）によって、流量制御されつつガス流量制御
袋！（１４ｂ）によって流量制御された水素ガスをキャ
リヤガスとして導入管ｃ′ｌＪを通じて流量制御袋Ｗａ
８）まで送られる。一方、トリメチルガリウムはガス流
量制御装置（１４ｄ）にて流量制御された水素ガスをキ
ャリヤガスとしてバブラ０６１から導入管ｑりを通じて
流量制御装置０［Ｄまで送られる。流量制御装置θ印に
送られたガスは、ここでそれぞれの管００に分岐し、そ
れぞれのガス流量制御装置（１８ａ）〜（１８ｎ）で流
量制御されつつ反応炉（１）内に供給される。

流量制御装置（１８ａ）〜（１８ｎ）で、エピタキシャ
ル層の成長が遅い部分のガス流速を速く、エビタキシャ
ル層の成長が速い部分のガス流速を遅（制御する０例え
ば、基板中央部のエピタキシャル層の成長が遅いもので
は、ガス導入管θ力の中央部の管ａＯから吹き付けるガ
ス流速を、外周部の管００から吹き付けるガス流速より
遅くなるように制御する。

このように各部位のガス流速をエピタキシャル層の成長
に応じた速度とすることにより、均一な膜厚分布を得る
ことができる。

前記ガス導入管を構成する細い管の大きさ（径）および
本数は、ウェハの径、サセプタの径、ガス流量、ガス導
入孔とウェハの距離等より適宜決定すればよい、−例を
あげれば直径５ｍｍの管で、８５本を円筒形に束ねたガ
ス導入管である。

第１２図は、内管の直径が２ｃｍ、外管の直径が４．５
０■である二重管のガス導入管を備えた本願第１発明の
装置および直径が５ｍｓの管を８５本円筒形に束ねたガ
ス導入管を備えた本願第２発明の装置を用い、直径が２
インチのシリコン基板表面にＧａＡｓ半導体皮膜をエピ
タキシャル成長させたときの基板半径方向の膜厚分布を
調べたものである。

エピタキシャル成長は、二重管のガス導入管を備えた装
置では、内管から２１！　／＋＋ｉｎ、外管から８．５
１　／ｓｉｎの流量で反応ガスを約６０分間吹き付け、
次に、外管からの吹き付けを止めて内管から２ｊ！／ｗ
ｉｎの流量で反応ガスを同時間吹き付けた。複数本の細
い管からなるガス導入管を備えた装置では、ガス導入管
の外周部の管（ＩＱの流速を約１．５ｃｍ／ｓ、中心部
の流速を約２．０ｃｍ／ｓにとって約６０分間反応ガス
を吹き付けた。

比較例として、直径が４．５ｍ−のガス導入管を備えた
従来の装置を使用し、８゜５　ｊ！　／ｌｌ１ｎの流量
で反応ガスを約６０分間吹きつけてエピタキシャル成長
を行った。

二重管のガス導入管を備えた本発明の装置でエピタキシ
ャル成長を行ったもの（曲線＾）は、膜厚分布が＋３％
〜−３％であり、複数本の細い管を束ねた導入管を備え
た本発明の装置でエピタキシャル成長を行ったもの（曲
４１１８）は、膜厚分布が＋１％〜−１％といずれも非
常に均一であるのに対して、従来の装置で行ったもの（
曲線Ｃ）は、膜厚分布が＋６％〜−６％と不均一である
。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明のエピタキシャル気相成長装
置を用いてエピタキシャル成長を行えば、膜厚分布が均
一なエピタキシャル層を得ることができる。従って、得
られる製品は抵抗率の均一性、デバイス加工の容易性等
の特性に優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の反応ガスを基板に対して垂直に吹き付
けるタイプの気相成長装置の一例を示す反応炉部分の概
略図、 第２図は、反応ガスの流れの太さの違いによるエピタキ
シャル層の成長形状を示す説明図、第３図は、反応ガス
の流速の違いによるエピタキシャル層厚の違いを示す説
明図、 第４図は、二重管のガス導入管によるエピタキシャル層
の成長形状を示す説明図、 第５図は、同じく二重管のガス導入管によるエピタキシ
ャル層の成長形状を示す説明図、第６図は、複数本の絹
い管を束ねたガス導入管によるエピタキシャル層の成長
形状を示す説明図、第７図は、本願第１発明にかかる気
相成長装置の一実施例を示す図、 第８図は、二重管のガス導入管を示す概略図、第９図は
、ガス混合装置を示す模式図、第１Ｏ図は、本願第２発
明にかかる気相成長装置の一実施例を示す図、 第１１図は、複数本の細い管を束ねたガス導入管を示す
概略図、 第１２図は、本発明装置と従来装置を使用してエピタキ
シャル成長を行ったときの基板半径方向の膜厚分布を調
べたグラフ、である。 （１）反応炉、（２）ガス導入管、（３）基板、（４）
サセプタ、（５）加熱用コイル、（６）排気管、（７）
排気ポンプ、（８）エピタキシャル層、（９）内管、０
Φ外管、００細い管、Ｏのガス導入管、０クガス混合装
置、（ロ）ガス流量制御装置、０５１管路、０１９バブ
ラ、０７）ガス導入管、Ｏｅガス流量制御装置、である
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応炉上部のガス導入管より、炉内のサセプタ上
   に載置された基板に対して反応ガスを垂直に吹き付ける
   ようになしたエピタキシャル気相成長装置であって、前
   記ガス導入管が内管と外管の二重管構造となっており、
   且つ、内管および外管はそれぞれ反応ガス流量を制御す
   る装置を有していることを特徴とするエピタキシャル気
   相成長装置。
2. （２）反応炉上部のガス導入管より、炉内のサセプタ上
   に載置された基板に対して反応ガスを垂直に吹き付ける
   ようになしたエピタキシャル気相成長装置であって、前
   記ガス導入管が細径の複数本の管を束ねた構造をしてお
   り、且つ、それぞれの管が反応ガス流量を制御する装置
   を有していることを特徴とするエピタキシャル気相成長
   装置。