JPH02229788A

JPH02229788A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH02229788A
Application number: JP4954389A
Authority: JP
Inventors: Eiryo Takasuka; 英良高須賀; Kaoru Ikegami; 池上　薫
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-12

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】Ｌ墓よＬ憇皿豆！本発明は基板表面にエピタキシャル膜を形成する気相成
長装置、特に所謂水平式気相成長装置に関する．従迷ヱυ支術エピタキシャル膜とは、シリコン等の単結晶を基叛とし
て，その上にさらに単結晶を気相成長させて形成された
薄膜をいい、このエピタキシャル膜の形成は、ＣＣＤ．
Ｂｉ−ＣＭＯＳ等のＩＣデバイスの製造過程において重
要な工程の一つである．この種エピタキシャル膜の形成には従来から水平式気相
成長装置と呼称される形式の気相成長装置が広範に使用
されている．該水平式気相成長装置は、装置本体内に配置された基板
表面に対して略水平方向から原料ガスを流し、前記基板
表面にエピタキシャル膜を形成するものである．このエピタキシャル膜は、製品間で性能のバラツキが生
じないように、製品及び製品間同士でその膜厚分布が均
一であることが要求される．ところで、原料ガスを基板
表面に対して水平方向から流した場合、薄膜の成長速度
を律速する層流中の停滞層の厚さが流れ方向で徐々に大
きくなるとともに原料ガスは供給側から出口側に進むに
つれて消費されるため，その濃度が除々に薄くなり、原
料ガスの流れ方向に関して膜厚分布の不均一化を招く．しかし、原料ガスの流れ方向に関しては、前記基板が載
置されているサセプタを回転することにより，円周方向
における膿厚分布が均一化される．したがって、装置本
体内の原料ガスの流れ方向に対して直行する方向（以後
横方向と記す）における膜の成長速度が均一化されれば
，均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜が基板表面
に形成されることとなる．すなわち、装置本体内の横方
向における膜の成長速度が均一化されれば、前記サセブ
タの半径方向における膜厚分布も均一化されることとな
り、円周方向及び半径方向の双方向において膜厚分布が
均一化されるからである．ところで，前記気相成長装置
においては、膜の成長速度は装置本体内を流れる原料ガ
スの流速の増加とともに増加することが知られている（
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．：ＳＯＬＩＤ　
ＳＴＡＴＥ　ＳＣＩＥＮＣＥ　　Ｖｏｌ．１１７，Ｎｏ
．７．１９７０．ｐ．９２５〜ｐ．９３０　参照）．し
たがって、装置本体内の横方向における原料ガスの速度
が均一化されれば前記膿の成長速度は均一化されること
となる．しかして、供給側から水平方向に原料ガスを流した場合
，第９図に示すように，装置本体５ｌ内の速度分布は、
管摩擦等の要因により放物線Ｐを描くことが一般に知ら
れている．このように速度分布が放物＆ＩＰを描くため、特に大型
の気相成長装置において、基板５２を載置しているサセ
プタ６０表面の半径方向（矢印ｙで示す）の膜厚分布が
不均一となる．そこで、従来から装置本体５ｌ内の速度分布を均一化す
る試みが種々なされている．例えば，第１０図に示すように、複数個の孔５４・・・
が形成されたノズル５５を原料ガスが搬送される注入配
管５３の先端に設け，これら孔５４・・・の孔径やその
配置、さらにはその形状等を変えることによって、これ
らの孔５４・・・から吐出される原料ガスの流速を各々
変え、装置本体５１内の速度分布の均一化を図っていた
．また、第１１図に示すように、複数個のスリット５８・
・・が形成された流速調整部材５９を原料ガスの導入口
５６が形成されている装置本体５１の側壁部５７に付設
し，これらスリット５８・・・の間隔や形状等を変える
ことによって、これらのスリット５８・・・から吐出さ
れる原料ガスの流速を各々変え，装置本体５ｌ内の速度
分布の均一化を図っていた．が　゛しよ　とする一上記従来例においては、設計条件の異なる多数のノズル
５５や多数の流速調整部材５９を製作し、これらのノズ
ル５５や流速調整部材５９のそれぞれについて，装置本
体５ｌ内の速度分布、すなわち膜の成長速度に関する特
性を調べ最適条件を選定する必要がある．しかし５上記従来例においては、１個の注入配管５３か
ら供給される原料ガスの流速を前記ノズル５５や前記流
速調整部材５９でもって変化させて速度分布の制御を行
なっているため、１個の孔５４の孔径や１個のスリット
５８の形状等を変えると、その流速変化がその他の孔５
４・・・やその他のスリット５８・・・にも影響を及ぼ
し、速度分布均一化のための調整に多大な時間と経費を
要し、生産性が悪いという問題点があった．また，的確な流速分布を得るためには多量の経験的なデ
ータを必要とし、かつその調整に熟練を要するという問
題点があった．本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、比較的簡単な方法で装置本体内の速度分布を均一化
し、膜厚分布の均一なエピタキシャル膜を基板表面に形
成することができる気相成長装置を提供することを目的
とする．課　を　′するための　「上記目的を達成するために本発明に係る気相成長装置は
、装置本体内に配置された基板表面に対して略水平方向
から原料ガスを流し、前記基板表面にエピタキシャル膜
を形成する気相成長装！であって、前記原料ガスを前記
装置本体内に導入する複数個の注入配管が、前記装置本
体の側壁部に配設され、前記注入配管の少なくとも１つ
以上に流量制御器が装備されていることを第１の特徴と
している．さらに、本発明に係る気相成長装置は、装置本体内に配
置された基板表面に対して略水平方向から原料ガスを流
し、前記基板表面にエピタキシャル膜を形成する気相成
長装置であって，前記原料ガスを前記装置本体内に導入
する複数個の注入配管が、前記装置本体の側壁部に配設
されると共に、前記原料ガスの流量を制御する流量制御
機構が設けられ、該流量制御機構が、前記注入配管と対
向状に配設された複数個の流速計と、前記注入配管のそ
れぞれに設けられた複数個の流量調整器と、前記流速計
の流速を検知して前記流量調整器のそれぞれに適宜動作
信号を送信する制御手段とから構成されていることを第
２の特徴としている． ■ 上記第１の特徴によれば、複数個の注入配管が、前記装
置本体の側壁部に配設されているので、原料ガスは複数
個のそれぞれの注入配管から装置本体内に供給される．
さらに、これらの注入配管の少な《とも１つ以上に流量
制御器が装備されているので，他の注入配管に影響を与
えることなく流量制御を独立的に行なうことができる．
したがって、まず第１回目の膜を形成した後、任意の方
法でその膜厚分布を計測し、この後速度分布が均一とな
るように前記流量制御器を操作して流量を調整すること
が可能となる．そして、この操作を適数回繰り返すこと
によって、装置本体内における速度分布の均一化が可能
となり、均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜を基
板表面に形成することができる．また、上記第２の特徴によれば，流量制御機構が、注入
配管と対向状に配設された複数個の流速計と、前記注入
配管のそれぞれに設けられた複数個の流量調整器と、前
記流速計の流速を検知して前記流量調整器のそれぞれに
適宜動作信号を送信する制御手段とから構成されている
ので、流速計により計測された流速に応じ前記制御手段
を介してそれぞれの流量調整器に適宜動作信号が送られ
る，そして，原料ガスはこれら流量調整器により所望流
量に制御されて装置本体内に供給される６したがって、
装置本体内における原料ガスの流速を計測するのみで流
量の自動制御を行なうことが可能となり、上述と同様、
成長速度の均一化が可能となり、均一な膜厚分布を有す
るエピタキシャル膜を基板表面に形成することができる
．夾旌］以下、本発明に係る気相成長装置の実施例を図面に基づ
き詳説する．第１図及び第２図において、１は本発明に係る気相成長
装置の一例としての水平式気相成長装置であって、石英
製の装置本体２と、複数個の基板３・・・を表面に載置
して装着するサセプタ４と、装置本体２の上方に配設さ
れて該装置本体２内部を加熱するヒータ部５と，原料ガ
ス（キャリャガスを含む）を装置本体２内に供給する第
１〜第３の注入配管６８〜６ｃと、前記原料ガスの流量
を制御する第１〜第３の流量制御器７ａ〜７ｃとを主要
部として構成されている．装置本体２は、断面矩形形状の反応管８と、第１〜第３
の注入配管６ａ〜６ｃが接続される側壁部９と、未反応
の原料ガスを矢印Ｂ方向に排気する排気部ｌＯとから構
成されている．サセブタ４は、炭化ケイ素を被覆した炭素からなり，平
面視円形状に形成されて矢印Ｃ方向に回転可能とされて
いる．１１は該サセプタ３の軸受シール部である．ヒータ部５は、複数個の赤外線ランブ１２・・・と、こ
れら赤外線ランブｌ２・・・の熱を反射して装置本体２
内部の加熱に寄与する反射板ｌ３とを主要部として構成
されている．第１〜第３の注入配管６ａ〜６Ｃは、装置本体２の幅方
向（矢印Ｙで示す）に一定間隔を有して側壁部９に接続
されている．第１〜第３の流量制御器７ａ〜７ｃは，流量を計測する
流量計１５ａ〜１５ｃと，これら流量計１５ａ〜１５ｃ
の上部に設けられた流量調整弁１６ａ−１６ｃとから構
成されている．そしてこれら流量制御器７８〜７Ｃは、
第１〜第３の注入配管６８〜６ｃのそれぞれに取り付け
られ、これら注入配管６ａ〜６Ｃを通過する原料ガスの
流量がそれぞれ独立的に可変可能とされている．このよ
うに構成された気相成長装置においては，以下のように
してエピタキシャル膜が基板表面に形成される．まず、複数個の基板３・・・をサセプタ４に載置して装
着した後、サセブタ４を矢印Ｃ方向に回転駆動させると
共に、ヒータ部５の電源をｒＯＮＪ　Ｌ，て基板３・・
・及びサセブタ４を約１０００℃に加熱する．そしてこ
の後、ＳｉＨ４、ＳｉＣ１４等のシリコン系ガスとＨｚ
，Ｈｅ等のキャリャガスとからなる原料ガスを矢印Ｄ方
向から搬送する．そしてマスフローコントローラ１７に
よって原料ガスの総流量を制御し，次いで３系統に分割
し、第１〜第３の注入配管６８〜６ｃから装置本体２内
部に原料ガスを供給する．そして，この原料ガスが基板
３・・・の上面に到達すると、ヒータ部５からの熱によ
って前記シリコン系ガスが分解反応を起こし、シリコン
が基板３・・・に堆積し，エピタキシャル膜を形成する
．しかして、本発明においては、第１〜第３の流量制御器
７ａ〜７ｃを操作して装置本体２内の速度分布が均一化
できるように構成されている．以下、その速度分布均一
化の方法について説明する．まず、第１〜第３の流量制御器７ａ〜７Ｃの流量を適当
に設定して第１〜第３の注入配管６ａ〜６ｃから原料ガ
スを装置本体２内に供給し，サセブタ４上の基板３に膜
を堆積させる．そして，基板３上に形成された膜の膜厚
分布を「繰返し反射干渉（ＭＢＩ）法」等の膜厚測定法
で測定する．この場合、サセブタ４は前述の如く回転し
ているので円周方向の膜厚は均一であるが、原料ガスの
速度分布が不均一の場合は半径方向の膜厚が均一とはな
らず，均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜を形成
することができない．そこで、半径方向の膜厚分布を均
一化するために装置本体２内の速度分布を均一化する必
要がある．第３図は装置本体２内における原料ガスの速度調整法を
示した図であって、横軸は装置本体２の幅方向の距離Ｙ
を示し、縦軸は速度■を示している．サセブタ４には複数個の基板３・・・が装着されている
が、例えばサセブタ４の外周近傍に位置する基板３の膜
厚がサセブタ４の中央部近傍に位置する基板３の膜厚よ
りも薄い場合においては、第１の注入配管６ａからの流
速Ｖ，及び第３の注入配管６ｃからの流速Ｖ，が第２の
注入配管６ｂからの流速ｖ２に比べて遅いため、速度分
布は破線で示すように放物線Ｑを描いている．したがっ
て、第２の注入配管６ｂの流量設定はそのままにしてお
いて、第１及び第３の流量調整弁１６ａ．ｌ６Ｃを操作
して第１及び第３の注入配管６ａ．６ｃの流量（流速）
を変化させ、ｖ．−Ｖ１　＝Δｖ．及びｖ．−ｖ．＝Δ
Ｖ，だけ第１及び第３の注入配管６ａ、６Ｃを通過する
原料ガスの流速を増加させると、実線Ｒで示すように、
装置本体２内の速度分布が容易に均一化される．そして
このように均一化された速度分布のもと、気相成長を行
なわせるとサセブタ４上の複数個の基板３・・・すべて
に対して均一な成長速度でもって膜が形成され、製品及
び製品間同士でバラツキのない均一な膜厚分布を有する
エピタキシャル膜が基板３・・・表面に形成される．第４図は速度分布を均一化させるための流量制御器７ａ
〜７Ｃの最適変化量が、不明の場合における速度調整法
を示した図であり、第３図と同様、横軸は装置本体２の
幅方向の距ｉｉＩＹを示し，縦軸は速度Ｖを示している
．まず前述と同様、第１回目の膜形成を行ない、膜厚測定
の結果、速度分布が破線のような曲線Ｓを描いている場
合、第２の注入配管６ｂの管内流速はそのままにしてお
いて，第１及び第３の流量調整弁１６ａ，１６ｃを操作
し第１及び第３の注入配管の流速をそれぞれｖ４、■，
に設定して第２回目の膜形成を行なう．そして、この膜
厚分布を計測した結果、サセブタ４の外周近傍に位置す
る基板３の膜厚がサセブタ４の中央部近傍に位置する基
板３の膜厚よりも厚い場合は、反応管８の管壁近傍の流
速が中央部近傍の流速に比べ速いため，一点鎖線で示す
如く、速度分布は曲線Ｔを描く．次に、再び第１及び第
３の流量調整弁１６ａ１６ｃを操作して前記流速ｖ４、
Ｖｓと第１回目に設定した流速Ｖ　ｌ．Ｖ　＊との間の
値にそれぞれ設定して再度膜形成を行なう．この過程を
複数回繰り返すことによって、最終的に実線Ｕで示す如
く所望流速Ｖ，に収束され、装置本体２内の速度分布が
均一化される．そして上述と同様、このように均一な速
度分布においては、サセブタ４上の複数個の基板３・・
・すべてに対して均一な成長速度でもって膜が形成され
，均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜が形成され
る．第５図は速度分布が均一化された状態を示す装置本体内
の速度分布図である．このように流量制御器７ａ〜７Ｃ
を介して注入配管６ａ〜６Ｃからの流速を制御すること
により装置本体２内の速度分布を容易に均一化すること
ができる．上述の如く，この実施例では３個の注入配管
６ａ〜６Ｃを設け、これら注入配管６ａ〜６ｃのそれぞ
れに流量制御器７ａ〜７ｃが装備されているので，個々
の注入配管６ａ〜６ｃの流量を独立して変化させること
ができ、一方の流量制御器、例えば第１の流量制御器７
ａを変化させても他方の流量制御器、例＾ば第２の流量
制御器７ｂの流量に影響を与えることがなく、容易に速
度分布の均ー化が図れる．尚、上記実施例において，第１〜第３の流量制御器７８
〜７ｃが第１〜第３の注入配管６ａ〜６Ｃのそれぞれに
設けられ，いずれも独立可変とされているが、少な《と
も１つ以上の流量制御器がいずれかの注入配管に設けら
れていれば原料ガスの流量制御は可能である．例えば第
２の注入配管６ｂには流量制御器を設けず、第１及び第
３の注入配管６ａ、６ｃにのみ流量制御器７ａ、７ｃを
設け、これらの流量制御器７ａ、７ｃにより原料ガスの
流量を独立的に制御しても一定範囲内でその流量を制御
することが可能であり、速度分布の均一化を図り得る．
また、注入配管が２個で足りる小型の装置本体２の場合
は，一方の注入配管のみに流量制御器を備え付け、該流
量制御器のみで原料ガスの流量を制御しても装置本体内
の速度分布は均一化され得る．さらに，上記実施例では流量制御器は、流量計と流量調
整弁で構成されているが、可変オリフィス等により注入
配管の配管抵抗が可変となるように前記流量制御器を構
成してもよく、流量計や流量調整弁に代＾て圧力計や圧
力調整弁で流量制御器を構成してもよい．また、流量制
御器を流量測定器を含めて構成し、注入配管の流量をフ
ィードバック可能となるように構成してもよい．また、
これらの場合においても、少なくとも１つ以上の注入配
管に流量制御器が備え付けられていればよいことはいう
までもない．第６図は第２の実施例を示した平面断面図であり，第７
図は第６図のＡ−Ａ断面図を示したものである．この第
２の実施例は、装置本体２内の速度分布を均一化する手
段として、流量制御機横２２が設けられている．該流量制御機構２２は、具体的には、装置本体２内にお
ける原料ガスの流量を計測する第１〜第３の流速計１９
ａ−１９ｃと、注入配管６ａ〜６Ｃ内における原料ガス
の流量を所望流量に調整する第１〜第３の流量調整器２
０ａ〜２０ｃと，前記流速計１９ａ−１９ｃの流速を検
知して前記流量調整器２０ａ〜２０ｃのそれぞれに適宜
動作信号を送信する制御手段２１とから構成されている
。

第１〜第３の流速計１９ａ〜１９ｃは、流速検知部２３
ａ〜２３ｃが第１〜第３の注入配管６８〜６ｃと対向状
になるように、サセプタ４近傍に配設されている．尚、
これら流速計１９ａ〜１９Ｃがサセプタ４近傍に配設さ
れたのは、膜形成に関与する流速に対してできるだけ近
い流速を計測するためであるのはいうまでもない．また、第１〜第３の流量調整器２０ａ〜２０ｃは、第１
〜第３の注入配管６８〜６Ｃのそれぞれに備λつけられ
、第１〜第３の注入配管６ａ〜６Ｃの流量がそれぞれ独
立的に可変可能とされている．しかして、第１〜第３の注入配管６８〜６ｃから装置本
体２内に供給された原料ガスは、第１〜第３の流速計１
９ａ〜１９ｃによってその流速が計測され、この流速は
電圧信号に変換されて制御手段２ｌに送信される．該制
御手段２ｌにおいては，予め所望の装置本体２内におけ
る所望の流速値が電圧信号Ｖ。とじて設定されており、
この電圧信号Ｖ０と流速計１９ａ〜１９ｃからの電圧信
号■１〜Ｖ，とを前記制御手段２ｌで比較する。

そして、該制御手段２１は、これらの差、■。±Ｖｔ　
、Ｖｏ　ｆＶｉ　、Ｖｏ　ｆＶｘ　を動作信号トシテ第
１〜第３の流量調整器２０ａ〜２０ｂにそれぞれ送信す
る．この後この動作信号を受信した流量調整器２０ａ〜
２０ｂが作動してこれら注入配管６ａ〜６ｃにおける原
料ガスの流量を所望流量に設定し、装置本体２内の原料
ガスの流速が均一化される．ここで、流量制御器の入力
電圧Ｖと原料ガスの流量Ｆとの関係は、第８図に示すよ
うに、比例関係にあり、電圧値から容易に所望流量、す
なわち所望流速が設定され、装置本体２内、特にサセブ
タ４近傍の速度分布を均一にすることができる．そして，このように均一化された速度分布のもとにおい
て、基板上に気相成長させると、上記第１の実施例と同
様、膜厚分布の均一なエピタキシャル膜な形成すること
ができる．しかも、この実施例においては、前記流量制
御機構２２により原料ガスの流量が制御されているので
、流量制御の自動化が可能となり、生産性等において極
めて好都合なものとなる．このように本発明に係る気相成長装置においては、従来
のようなノズル５５や流速調整部材５９（第１０図及び
第１１図参照）による調整を排して前記流量制御器又は
前記流量制御機構により流量を制御することにより、速
度分布の均一化がなされたので、その調整に長時間を要
したり、調整に熟練を要することもなく比較的容易に速
度分布の均一化を図ることができ、所期の目的を達成す
ることができた．尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく要旨
を逸脱しない設囲において変更可能なことはいうまでも
ない．また、装置本体の大型化に対応すべく注入配管を
４個以上設けた場合についても同様に対応できることは
いうまでもない．１匪五盈】以上詳述したように本発明に係る気相成長装置は、原料
ガスを装置本体内に導入する複数個の注入配管が、前記
装置本体の側壁部に配設され、前記注入配管の少なくと
も１つ以上に流量制御器が装備されているので，注入配
管を通過する原料ガスの流量を注入配管毎に独立的に制
御することができる．したがって、装置本体内における
速度分布の均一化を容易に図ることができ、サセプタに
載置された基板上には均一なエピタキシャル膜を形成す
ることができる．さらに、前記注入配管と対向状に配設された複数個の流
速計と、前記注入配管のそれぞれに設けられた複数個の
流量調整器と、前記流速計の流速を検知して前記流量調
整器のそれぞれに適宜動作信号を送信する制御手段とか
らなる流量制御機構を設けることにより、速度分布の均
一化を自動的に行なうことが可能となる。

このように本発明に係る気相成長装置によれば、装置本
体内における原料ガスの流速を均一化するための調整に
長時間を要したり、その調整に熟練を要することもなく
、比較的容易かつ効率よく均一な速度分布を得ることが
できる。したがって、基板上には均一な膜厚分布を有す
るエピタキシャル膜が形成されると共に、エピタキシャ
ル膜形成工程の時間が短縮され、延ではＣＣＤ等ＩＣデ
バイスの生産性向上に寄与するという顕著な効果がある
．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面断面図，第２図は
第１図の正面断面図、第３図及び第４図は装置本体内の
速度調整法を説明するための説明図，第５図は装置本体
内の速度分布を示す速度分布図、第６図は本発明の第２
の実施例を示す平面断面図、第７図は第６図のＡ−Ａ断
面図、第８図は流量調整器の入力電圧と原料ガスの流量
との関係を示す特性図、第９図は一般的な装置本体内の
速度分布を示す速度分布図、第ｌＯ図及び第１１図は従
来例の気相成長装置を示す平面断面図である．２・・・装置本体、３・・・基板、６ａ・・・第１の注
入配管、６ｂ・・・第２の注入配管．６ｃ・・・第３の
注入配管、７ａ・・・第１の流量制御器．７ｂ・・・第
２の流量制御器、７ｃ・・・第３の流量制御器、９・・
・側壁部，１９ａ・・・第１の流速計、１９ｂ・・・第
２の流速計、１９ｃ・・・第３の流速計、２０ａ・・・
流量調整器、２０ｂ・・・流量調整器、２０ｃ・・・流
量調整器、２１・・・制御手段、２２・・・流量制御機
構．特許出願人　：　住友金属工業株式会社代理人　　
　：　弁理士　　井内　龍ニ第３図第４図第５図第９図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）装置本体内に配置された基板表面に対して略水平
方向から原料ガスを流し、前記基板表面にエピタキシャ
ル膜を形成する気相成長装置であって、前記原料ガスを前記装置本体内に導入する複数個の注入
配管が、前記装置本体の側壁部に配設され、前記注入配管の少なくとも１つ以上に流量制御器が装備
されていることを特徴とする気相成長装置。
（２）装置本体内に配置された基板表面に対して略水平
方向から原料ガスを流し、前記基板表面にエピタキシャ
ル膜を形成する気相成長装置であって、前記原料ガスを前記装置本体内に導入する複数個の注入
配管が、前記装置本体の側壁部に配設されると共に、前
記原料ガスの流量を制御する流量制御機構が設けられ、該流量制御機構が、前記注入配管と対向状に配設された
複数個の流速計と、前記注入配管のそれぞれに設けられ
た複数個の流量調整器と、前記流速計の流速を検知して
前記流量調整器のそれぞれに適宜動作信号を送信する制
御手段とから構成されていることを特徴とする気相成長
装置。