JPH0235452B2 - Handotaikisoseichohoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体薄膜の気相成長方法に関し、さ
らに詳しくは、気相化学反応により基板上に半導
体膜を均一にかつ大量に形成する半導体気相成長
方法に関する。

従来、半導体の気相成長層を形成するには、高
温に加熱された半導体基板ウエハを収納した反応
容器を用い、原料ガス主導入口から反応原料ガス
を供給し、該基板ウエハ上での成長反応により気
相成長層を形成しつつ、反応容器内の気相成長層
の薄い部分に、容器内に挿入した別のノズルから
補助的に原料ガスを供給し、容器内で均一な気相
成長層を形成しながら、反応容器の排出口から排
ガスを排出する方法が採られていた。

従来の方法を、縦（ロータリデイスク）型反応
容器を使用した場合について、第１図により説明
する。第１図において、１は反応容器またはベル
ジヤー、２は加熱治具またはサセプタ、３は基板
ウエハ、４は反応ガス供給系、５は主ガスノズ
ル、６は反応原料ガス供給ノズルまたは補充ガス
ノズル、７は高周波加熱コイル、８は排出管であ
る。

反応容器（ベルジヤー）１内の加熱治具または
サセプタ２の上に載置された多数枚の基板ウエハ
３上に、反応ガス供給系４から、水素をキヤリヤ
ガスとして反応原料ガス、すなわち半導体原料化
合物ガス（および、必要に応じては不純物ドーピ
ングガス）を導入管または主ガスノズル５を通し
て送り込み、基板ウエハ３上に半導体気相成長層
を形成する。

その際、成長膜層が小さい領域には、別の反応
原料ガス供給ノズルまたは補充ガスノズル６を挿
入し、半導体化合物ガスを補助的に導入し、例え
ば1150℃の高温で気相化学反応を起こさせる。

このようにして、基板ウエハ３上に所定の均一
な膜厚を有する半導体層を推積させることができ
る。このとき、基板ウエハ３上を通過した反応廃
ガスは、排出管８から系外に排出される。

この場合、半導体原料化合物としては、半導体
がシリコン（Si）の場合には四塩化ケイ素
（SiCI₄）三塩化シラン（SiHCl₃）、ジクロルシラ
ン（SiH₂Cl₂）、モノシラン（SiH₄）等が使用さ
れ、また、不純物ドーピングガスとしては、ホス
フイン（PH₃）、アルシン（AsH₃）、またはジボ
ラン（B₂H₆）等が使用される。

第２図は、シリコン原料ガスとしてSiCl₄を、
ドーピングガスとしてPH₃を使用しながら、上記
従来法を用いたとき、気相成長層の膜厚分布が均
一化される様子を示す図である。

同図において、横軸には加熱治具２の回転中心
からの半径方向の距離をとり、縦軸には膜厚をと
つてある。曲線Ｌ１は、主ガスノズルだけを用い
た場合の膜厚分布であり、曲線Ｌ２は補充ガスノ
ズル６も用いた場合の分布である。この図から、
補充ガスノズル６を用いることにより、膜厚が均
一化されることが分かる。

第３図は、このときの抵抗率分布の変化の様子
を示す図である。同図において、横軸は加熱治具
の回転中心からの半径方向の距離、縦軸は抵抗率
である。

同図中の曲線Ｌ３は主ガスノズル５だけを用い
た場合の抵抗率分布であり、曲線Ｌ４は補充ガス
ノズル６も用いた場合の抵抗率分布である。

補充ガスはSiCi₄だけで、ドーピングガスを含
んでいないために、補充ガスを加えた場所の気相
中のＰ／Siの比が減少して成長層の抵抗率が上
り、全体の抵抗率分布は、曲線Ｌ４で示したよう
に不均一になつてしまう。

これを防ぐためには、第４図に示すように、
SiCl₄濃度（≒Si／H₂）とＰ／Si比をそれぞれ一
定に保つた状態で、任意の流量のガスを取り出せ
る補充ガス供給系が必要となる。

第４図において、９−１〜９−５は、そこを通
過する気体の流量を一定に制御するための質量流
量制御装置である。

すなわち、９−１，９−２はキヤリヤガスH₂
の流量を、９−３はドーピングガスPH₃の流量
を、９−４はキヤリヤガスH₂とドーピングガス
PH₃の混合ガス流量を、また９−５はシリコン原
料ガスSiCl₄（またはSiCi₄およびドーピングガス
PH₃）とキヤリヤガスH₂との混合ガス流量を、
それぞれ制御する。

また、１１はSiCl₄蒸発器、１２はSiCl₄槽、１
３はPH₃ボンベである。

図からも理解されるように、第４図の装置では
質量流量制御装置９−１を介して、大量かつ一定
のH₂をSiCl₄蒸発器１１に供給することにより、
発生するSiCl₄のキヤリヤガスH₂に対する濃度を
設定値に保持することができる。

また、質量流量制御装置９−２，９−３によつ
て、H₂およびPH₃の流量をそれぞれ一定に制御
する。その結果、H₂に対して一定濃度を有する
PH₃を得、これを質量流量制御装置９−４に通
し、一方、残りには排出Exすることにより、任
意流量のドーピングガスを得ることができる。

以上のようにして得られたドーピングガスを、
SiCl₄槽１２から発生したSiCl₄−H₂混合ガスに混
合してやれば、H₂に対するSiCl₄の濃度（Si／H₂
にほぼ等しい）およびSiCl₄に対するPH₃の濃度
（Ｐ／Siにほぼ等しい）を、所望値に保つた混合
ガスが得られる。

この混合ガスを質量流量制御装置９−５を介し
て反応炉に導入することにより、所望成分の補充
ガスを、所望量だけ供給することができる。この
場合、残りの混合ガスは排出Exされる。

しかし、このような装置では、補充ガス系の構
成が複雑となるばかりでなく、第４図に符号Ex
で示したように、大部分の原料ガスを常時捨てる
ことになり、極めて不経済であり、コストの増大
をまねくという欠点がある。

本発明の目的は、上述の欠点を解消し、気相成
長層の抵抗分率を変えることなく、その膜厚分布
の均一性を向上させ、従つて、反応炉を大型化し
て１パツチ当りのウエハ処理量を多くすることが
できる半導体気相成長方法を提供することにあ
る。

本発明は、半導体の気相成長方法において、原
料ガスとドーピングガスの混合原料ガスを供給す
る一方のノズル（主ガスノズル）と膜厚分布を修
正する他方のガスノズル（補充ガスノズル）とか
らなる装置を用いて、膜厚修正用の補充ガスノズ
ルからキヤリヤガス（例えば水素）のみ、あるい
は少量の半導体原料化合物を混入されたキヤリヤ
ガスを流すことによつて気相成長層の均一な膜厚
分布を大量に得ることを特徴とする。

本発明は、従来の補充ガス方式を用いた縦（ロ
ータリデイスク）型炉において、補充ガスノズル
から水素ガスのみを流することによつても、成長
層の膜厚が増加することを見い出すことによつて
成し遂げられたものである。

第５図は、補充ガス中のSiCl₄濃度（横軸）と、
成長速度憎加（縦軸）との関係を示す図である。

第５図からわかるように、第１図においてガス
ノズル５の他に、補充ガスノズル６から、一定流
量に保つた補充ガスを加え、補充ガスのSiCl₄濃
度を減少させていくと成長層の膜厚の増加も減少
する。

しかし、SiCl₄濃度を０として水素ガスだけを
補充ガスノズルから加えても、主ガスノズルだけ
を用いた場合に比べれば、成長速度が増加し、膜
厚が増加する。

本発明は、このような事象に着目し、通常の主
ガスノズルとは別の、補充ガスノズルを用いて、
キヤリヤガスである水素だけ、または少量の原料
化合物ガスを含む水素を導入することにより、炉
内のガス流状態を変化させて膜厚の成長速度を制
御し、抵抗率分布を変えずに均一な膜厚分布を得
るものである。

本発明の特徴を具体的に述べれば、次のようで
ある。

まず、成長炉としては縦（ロータリデイスク）
型炉を用い、主ガスノズル吹き出し方向が、水平
方向で60゜間隔の６方向の場を考える。

炉内に水素ガスを流して炉内のガス流状態を変
化させ、原料ガス（ここではSiCl₄）のサセプタ
２方向への拡散濃度勾配を持つた幅を制御するこ
とにより、膜厚分布が均一化される理由を、以下
に説明する。

第６図は、サセプタ２の半径方向の距離（ｘ：
横軸）とサセプタの表面へSiCl₄が拡散するため
の濃度勾配を持つた層の厚さ、または拡散領域の
幅（Ｌ：縦軸）との関係を示す図である。

なお、同図ａの横軸x₁は、主ガスノズル５の吹
き出し方向での位置示し、ｂの横軸x₂は主ガスノ
ズル５の吹き出し方向の中間、すなわち、ノズル
のない方向で位置を示す。

第６図ａの主ガスノズルを吹き出し方向では、
ノズルからの距離x₁が増加して主ガスノズルから
離れると、これから出たガス流速が減少して濃度
勾配層厚Ｌは増加する。距離x₁がさらに大きくな
つた位置では、主ガスノズル５から出たガスが、
ベルジヤー１の内壁にぶつかり、はね返つた影響
でＬは再び減少する。

一方、第６図ｂの主ガスノズル吹き出し方向の
中間−すなわち、ノズルのない方向では、ベルジ
ヤー１の内壁から中心方向に向けてガスがゆつく
り戻るために、距離x₂の減少と共に−すなわち、
主ガスノズル５に近づくほど、濃度勾配Ｌがゆる
やかに増加する。

第７図は、サセプタ２の半径方向の距離（ｘ：
横軸）と、サセプタ表面での、原料であるSiCl₄
の濃度勾配（∂_c／∂y）_y=0（縦軸）との関係を示す図 である。ここでｙはサセプタ表面からの距離を示
す。また、同図ａは主ガスノズル５の吹き出し方
向での関係、同図ｂは主ガスノズル吹き出し方向
の中間での関係を示している。

なお、サセプタ表面から十分に離れた場所（ｙ
＞Ｌなる領域）では、SiCl₄の濃度はｘにかかわ
りなく一定であり、サセプタ表面ではSiCl₄濃度
は０と近似できる。したがつて、第７図ａ，ｂは
それぞれ第６図ａ，ｂと逆の傾向を示す。

第８図は、サセプタ半径方向の距離（ｘ：横
軸）と膜の成長速度（Ｇ：縦軸）との関係を示す
図である。同図ａは主ガスノズル５の吹き出し方
向での閑係を、またｂは主ガスノズル吹き出し方
向の中間での関係を示している。成長速度Ｇとサ
セプタ表面でのSiCl₄の濃度勾配（∂_C／∂y）_y=0との間 には(1)式 Ｇ＝Ｍ／ρＤ（∂_C／∂y）_y=0………(1) の関係がある。ここで、ＭはSiの原子量、ρは固
体シリコンの密度、ＤはSiCl₄の拡散係数である。

前記(1)式から明らかなように、成長速度Ｇと表
面濃度勾配（∂_c／∂y）_y=0とは比例関係にあるので、 第８図ａ，ｂの関係はそれぞれ第７図ａ，ｂの関
係と類似する。

第９図は、サセプタの半径方向の距離（ｘ：横
軸）と成長層の膜厚（ｔ：縦軸）との関係を示
す。サセプタの円周方向に成長速度Ｇを積分する
と、平均成長速度が得られるから、膜厚ｔは(2)式 ｔ（ｘ）＝T∫²〓₀Ｇ（ｘ）dθ ………(2) で表される。ここで、Ｔは成長時間、θはサセプ
タの円周方向の角度である。

明らかなように、第９図は、第８図ａおよびｂ
を重ね合わせた傾向を示す。

ここで、主ガスノズル５の吹き出し方向の中間
の位置（このｘ座標をx₂′で表わす）で、炉の上
方からサセプタ方向に水素ガスを流すと、炉内の
ガス流状態が変化する。その結果、サセプタ表面
へSiCl₄が拡散するための濃度勾配を持つた層の
厚さ、または拡散領域の幅Ｌが減少する。

第１０図にサセプタ半径方向の距離（x₂：横
軸）と層厚Ｌ（縦軸）との関係を示す。なお、図
中の矢印H₂は、このx₂座標位置に補充ガスノズ
ル６が配置されることを示している。この場合
は、炉の上方からサセプタ２の表面に向つて水素
ガスが流されるため、上方から濃度一定の原料ガ
スが補充されることとなり、この部分では濃度勾
配層厚Ｌが小さくなる。

第１１図に、半径方向距離x₂と成長速度Ｇまた
は濃度勾配（∂_c／∂y）_y=0との関係を示す。Ｇと （∂_c／∂y）_y=0は同じ傾向を示すから、サセプタ方向
に 水素ガスを流した場所では、成長速度Ｇは増加す
る。

第１２図に、このときの膜厚分布を示す。明ら
かなように、第１２図の場合は、第９図の場合に
比べ均一性が向上している。

以上の結果は、質量分析計で炉内のガスを「そ
の場」（イン・シチユー：in−situ）計測し、さ
らに成長層の膜厚分布を測定することによつて得
られたものである。

なお、前述のように、炉内に水素ガスを補充的
に供給しても、成長層の抵抗分率は変化しない。
これは、炉内に水素を流しても比Ｐ／Siの値は変
化しないからである。

以下に、本発明の一実施例を、第１３図および
第１７図により説明する。これらの図において、
第１図と同一の符号は同一または同等部分をあら
わしており、１０は本発明にしたがつて設置され
た水素ガス（一般には、キヤリヤガス）ノズルで
ある。

第１７図は、サセプタ２に対する主ガスノズル
５および水素ガスノズル１０の配置関係を示す要
部の平面図である。

この実施例に用いた反応炉は、縦（ロータリデ
イスク）型であり、サセプタ２の直径は600mmで
ある。主ガスノズル５の吹き出し方向は水平であ
り、また第１７図に点線矢印で明示したように、
円周方向には60゜間隔で、６方向にノズルが並ん
でいる。

水素ガス吹き出しのための水素ガスノズル１０
は、主ガスノズル５の吹き出し方向の中間の位置
に、120゜間隔で３ケ所挿入されている。水素ガス
ノズル１０のサセプタ２から高さは通常30mm〜50
mmである。また、ノズルの開口断面は20mm×40mm
に設定されている。

原料としては、四塩化ケイ素（SiCl₄）を用い
る。主ガスノズル５から、四塩化ケイ素濃度1.5
ｍα％、流量70／minの原料ガスを流す。ドー
ピングガスとしては、ホスフイン（PH₃）を用い
る。水素ガスノズル１０から通常１〜５／min
の水素を流す。

このとき、加熱治具（サセプタ）２上に約10cm
（４インチ）φの基板ウエハ20枚を載置する。高
周波コイル７により基板ウエハ３を1200℃まで加
熱する。サセプタ２を毎分15回転で回転させなが
ら気相成長を行う。

第１４図は、主ガスノズル５からの主原料ガス
とは別に、水素ガスノズル１０から炉に流し込む
水素ガスの流量Ｆ（横軸）と、これによつて引き
起こされる気相成長層の成長速度の増加ΔG（縦
軸）との関係を示す図である。

この図から、水素ガス流量Ｆを増加すると成長
速度の増加ΔGも大となることが分る。

第１５図は、水素ガスノズル１０のサセプタ２
からの高さｈ（横軸）と、水素ガスによる成長速
度の増加分布（正規分布と見なせる）の標準偏差
σ（縦軸）との関係を示す図である。

高さｈを増加すると、成長速度の増加分布はな
だらかになり、標準偏差σは増加することがわか
る。

第１６図は、水素ガスノズル１０のサセプタ半
径方向の位置x_N（横軸）と水素ガスによる成長速
度増加分布の極大値を生ずる箇所の半径方向の位
置x_P（縦軸）との関係を示す図である。この図か
ら明らかなように、x_Nを増加すればx_Pも増加す
る。

以上のように、水素ガスノズルの半径方向の位
置とサセプタからの高さ、および水素の流量を調
整することにより、任意の位置に、任意の大きさ
と幅の成長速度増加分布を得ることができる。

この実施例では、修正すべき主原料ガスによる
膜厚（成長速度）分布を考慮して、３本の水素ガ
スノズル１０のサセプタ半径方向の位置を、それ
ぞれ150mm、200mm、230mmに設定し、またサセプ
タ２の表面からの高さを、それぞれ25mm、30mm、
25mmに設定した。さらに、水素ガス流量は、各水
素ガスノズル１０について1.5／min、3.5／
min、2.0／minとした。

本発明者らの実験によれば、約10cm（４イン
チ）の基板ウエハ20枚を、サセプタ２上に載置し
た場合の膜厚のばらつきを、従来のウエハ内±６
％、バツチ内±10％から、それぞれウエハ内±２
％、バツチ内±３％まで改善することができた。

以上に述べた実施例は、サセプタの半径方向の
中間部分で気相成長速度がおそく、したがつて、
この部分で気相成長層の膜厚が他の部分より薄く
なるような反応容器を用いる場合に適用した膜厚
補正方法であつた。

しかし、反応容器の構造や設計によつては、反
対に、サセプタの半径方向の中間部分で、気相成
長速度が速く、この部分で気相成長層の膜厚が他
の部分より厚くなるような場合もある。

このような場合は、主ガスノズルおよび、水素
ガスノズルの配置は、例えば、第１７図と同じに
し、水素ガスノズルの吹き出し方向を、サセプタ
の表面とほぼ平行になるように変更するのがよ
い。

前記水素ガスノズルの吹き出し方向をサセプタ
の表面とほぼ平行に、かつ半径方向外向きに設定
しておけば、主ガスノズルから半径方向外向きに
吹き出され、ベルジヤーの内壁に衝突して内向き
に反転した主原料ガスの流れが、水素ガスノズル
からの水素ガスによつて妨げられ、主原料ガスの
流速が小さくなる。

このために、主原料ガスのサセプタ方向への拡
散濃度勾配を持つた層の厚さが大きくなり、部分
的に（中間部分での）成長速度が減少して膜厚が
小さくなる。

なお、このとき、水素ガスノズルの断面積を大
きくして大量の水素を流すと、主原料ガスが希釈
されて濃度が減少し、このために成長速度が小さ
くなる効果もある。

これにより、膜厚分布の厚い場所を局部的に薄
くして、膜厚分布の均一性を向上させることがで
きる。

また、以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、水素ガスノズル設置位置、およびそこ
から水素ガス吹き出し方向や吹き出し量などを、
適宜に（成長層の厚さ分布などに基づいて）選定
することにより、主原料ガスのサセプタ方向への
拡散濃度勾配を持つた層の厚さ、主原料ガスの流
速などを調節し、これによつて成長層の膜厚分布
を半径方向のすべての位置で均一化することがで
きる。

すなわち、本発明によれば、抵抗率分布を変化
させることなく、膜厚分布を均一化することがで
きる。

なお、以上では、水素ガスノズルからは、水素
ガスだけを供給するものとして説明したが、少量
のSiCl₄などを混合してもほぼ同様の効果が得ら
れる。

その理由は、水素ガスノズルの吹出口近傍で
は、Ｐ／Si比が多少低下するが、Ｐの拡散係数が
Siのそれに比べて十分に大きいので、サセプタの
表面でのＰ／Si比はほぼ一定に保たれるからであ
ると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の縦型気相成長装置の概略図、第
２図はサセプタ半径方向の膜厚分布図、第３図は
サセプタ半径方向の抵抗率分布図、第４図は従来
法に必要な補充ガス供給装置の概略図、第５図は
補充ガス濃度と成長速度増加との関係を示す図、
第６図は原料ガスが拡散濃度勾配を持つ層厚のサ
セプタ半径方向の分布図、第７図はサセプタ表面
における原料ガス濃度勾配のサセプタ半径方向の
分布図、第８図はサセプタ半径方向の成長速度分
布図、第９図はサセプタ半径方向の膜厚分布図、
第１０図は原料ガスが拡散濃度勾配を持つ層厚の
サセプタ半径方向の分布図、第１１図はサセプタ
半径方向の成長速度および濃度勾配分布図、第１
２図はサセプタ半径方向の膜厚分布図、第１３図
は本発明の実施に適した縦型気相成長装置の概略
図、第１４図は水素流量と成長速度増加との関係
を示す図、第１５図は水素ノズル高さと成長速度
増加分布の標準偏差との関係を示す図、第１６図
はサセプタ半径方向における水素ノズル位置と成
長速度増加分布極大位置との関係を示す図、第１
７図は第１３図のサセプタに対する主ガスノズル
および水素ガスノズルの配置関係の平面図であ
る。 １……ベルジヤー、２……加熱治具（サセプ
タ）、３……基板ウエハ、４……原料ガス供給装
置、５……主ガスノズル、６……補充ガスノズ
ル、７……高周波加熱コイル、８……排出管、９
……質量流量制御装置、１０……水素ガスノズ
ル、１１……SiCl₄蒸発器、１２……SiCl₄槽、１
３……PH₃ボンベ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応容器と、その内部に配置され、その上に
   基板ウエハを載置されるサセプタと、サセプタを
   加熱する手段と、前記サセプタ上の基板ウエハ表
   面に、キヤリヤガスおよび、少なくとも半導体原
   料化合物の混合ガスよりなる反応原料ガスを導入
   するための主ガスノズルであつて、その吹出し方
   向が、サセプタの回転中心から、放射状かつ等間
   隔になるように設定された主ガスノズルと、反応
   廃ガスを排出する排出口とを具備した半導体気相
   成長装置を用い、 サセプタ上に載置された基板ウエハを予定温度
   に加熱した状態で、サセプタをその中心軸のまわ
   りに回転させながら、主ガスノズルから反応原料
   ガスを前記基板ウエハの表面に導き、基板ウエハ
   上に所望の半導体層を気相成長させる半導体気相
   成長方法において、 主ガスノズルの吹出し方向の中間で、サセプタ
   の半径上の中間位置に設けられたキヤリヤガスノ
   ズルから、キヤリヤガスを導入し、反応容器内に
   おける反応原料ガスの流動状態を、基板ウエハ上
   に気相成長する半導体層の厚みが均一化するよう
   に変化させることを特徴とする半導体気相成長方
   法。 ２ キヤリヤガスノズルの吹出し方向が、サセプ
   タ表面に向いていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の半導体気相成長方法。 ３ キヤリヤガスノズルの吹出し方向が、サセプ
   タ表面とほぼ平行で、かつ半径方向であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体
   気相成長方法。