JPH03129722A - 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］ 本発明は気相成長装置に関し、特にウニ八面内において
成膜ムラを防止するのに好適な気相成長装置に関するも
のである。

［従来の技術］ ＩＣ，特にコンプリメンタリＭＯ３ＩＣは半導体基板上
に半導体層をエピタキシャル成長法により形威し、該エ
ピタキシャル成長層にイオン注入等の処理を施して半導
体素子を形成すると吃う方法て作られる場合が多い。従
って、半導体ウエノ＼に対してエピタキシャル層を形成
することの重要性か非常に大きい。これはコンプリメン
タリＭＯＳＩＣにおける寄生サイリスタのラッチアップ
、ソフトエラー発生等の問題が半導体基板上のエピタキ
シャル成長層に半導体素子を造るという技術て回避ない
しは軽減することがてきるためである。

この場合エピタキシャル成長層の均質性がＭＯＳ■Ｃの
特性や信頼性に重大な影響を与えることは云うまてもな
い。

ところて、シリコン基板へのエピタキシャル成長は一般
に気相エピタキシャル成長法が利用されている。気相エ
ピタキシャル成長法はウェハを反応室内に入れ、高温下
て反応ガス（例えばシラン５ｉＨ−＋、ホスフィン　Ｐ
ｉｔ３）を流して分解させ、基板上に半導体エピタキシ
ャル膜を成長させる技術である。この時基板上にエピタ
キシャル成長膜を均一に成長させるために、反応室内で
ウェハを回転させて成長を行なっている。代表的なエピ
タキシャル成長装置について見ると、例えば第４図は１
枚のウェハを処理する縦形炉の例であるが、反応室の上
から下へ向かって反応ガス３０が流れており、ウェハを
回転させることにより均一な成膜を得ている。さらに、
１回のウェハの処理枚数を増すための装置として、パン
ケーキ型（第５図）バレル型（第６図ａ、ｂ）等のエピ
タキシャル成長装置が使用されている。これらはいずれ
も縦形炉であり反応ガスは上から下へ向かって流れ、ウ
ェハは図のようにガスの流れを横切るような面内て回転
させている。これらの例の場合には反応ガスの入口に近
いところにあるウェハはエピタキシャル成長過程て一貫
してガス入口近くに位置し逆にガス入口から遠いところ
に配置されたウェハはエピタキシャル成長の過程て常に
ガス出口近くに位置している。反応ガスは高温の反応室
内に入ると熱分解を始めるのて、ガス入口近傍とガス出
口近傍ではガス組成が僅かに異なり、得られたエピタキ
シャル成長膜の特性も異なったものとなる。

また、エピタキシャル成長過程てシリコン基板中に含ま
れていた炭素、アルミニウム等の不純物か反応ガス中に
揮散し反応ガスに搬送されてガス流の風下て沈着するの
で、生成したエピタキシャル成長膜中の不純物濃度も基
板の置かれた場所によって不均一なものとなる。バレル
型エピタキシャル成長装置の場合はウニへ間の不均一が
大きくなり、パンケーキ型エピタキシャル成長装置の場
合は一枚のウェハの面内での特性のバラツキか大きくな
る。

縦形エピタキシャル成長装置はウェハの口径か大きくな
るに従い装置の背丈が高くなり、狭い面積て大きな荷重
を支えなければならないことから、装置製作上の困難性
が生じてくる。また、ウェハの脱着の際に処理を停止し
なければならず、処理能力が上がらない欠点かある。そ
こで本発明者は先に装置を横長とし反応ガスを水平力向
に流し、副室を設けてウェハの載せ替えをしてウェハを
順次反応室に送り込み、半連続式にエピタキシャル成長
を行なう装置を提案した（特開昭６１−５５９１７参照
）。この半連続式エピタキシャル成長装置においてもカ
ス流とウェハの位置関係を見ると、−枚のウェハ内にお
いて常にガス入口に近い部分とガス出口に近い部分か生
している。このため−枚のウェハから得られる半導体素
子の特性にもバラツキが生じる結果となる。

［発明が解決すべき課題］ すなわち、ガス入口近くの部分ては生成する膜厚か厚く
なり、ガス出口近くでは生成する膜厚か薄くなる。また
、エピタキシャル成長膜の抵抗率は、ガス入口近くの部
分ては高くなり、ガス出口近くては低くなる。一般に基
板上に成長させるエピタキシャル層の厚さは３〜１０ｇ
ｍ程度であるか、従来法ては膜厚のバラツキは４〜７％
にも達している。また、抵抗率のバラツキは５〜７％に
も達する。このようにエピタキシャル成長膜にバラツキ
があると、イオンン注入等によってエピタキシャル成長
膜に形成する半導体素子の特性が安定せず、特性を一定
にしようとすると半導体素子の形成条件を刻々変更せね
ばならず、同一特性の半導体素子を量産することは実質
的に不可能である。

半導体素子の特性のうちバラツキの影響を最も大きく受
けるのはしきい値電圧（Ｖｔｈ）である。しきい値電圧
（ＶＴｈ）は半導体において電流か流れ始める臨界の電
圧てあり、これがハラツクということは安定した回路定
数が定まらないこととなり、半導体集積回路にとって致
命的な欠陥となる。

本発明は上記状況に鑑みなされたものであって。

気相エピタキシャル成長性における成膜のバラツキを少
なくし、均質なエピタキシャル成長膜を得る為の装置を
提供せんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記問題点を解決するため、反応室内で反応ガ
ス流に平行な面内においてウェハを回転可能とする手段
を採用した。

このような装置の一例として、内部で気相成長か行なわ
れる反応室と、内部がウェハと反応しないガスで満たさ
れた副室とを機密一体に接続し、上記反応室と上記副室
との間に遮蔽ゲートを設け、上記反応室と上記副室に至
る経路をウェハ搬送台か往復運動するようにし、かつ上
記反応室内で反応ガス流に平行な面内においてウェハを
回転可能に構成したことを特徴とする気相エピタキシャ
ル成長装置を提供した。

さらにウェハを回転させる手段として、反応室内にウェ
ハを搭載したサセプターを支持するためのターンテーブ
ルを設け、該ターンテーブルにマグネットカプラーを取
り付け、反応室の隔壁を介して反応室外部より回転磁界
を与えてウェハな回転可能に構成する手段を提供した。

［作用］ 本発明は反応ガスの流れに対してウェハ表面の各部が均
等に位置するように、反応ガス流に平行な面内てウェハ
を回転させなからエピタキシャル成長させることにより
、ウニ八面内又はウニへ間のバラツキを抑え、均質なエ
ピタキシャル成長膜を得るようにするものである。

［実施例］ 以下図面に基すいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明のエピタキシャル成長装置の一実施例を
説明するための側面図である。

図において１は石英により形成されたエピタキシャル成
長反応室て扁平な直方体形状を有し、その両端部が中央
部よりも幅が狭く構成され、かつ両端部におのおの反応
ガス入口１６と反応ガス出口１７が設けられている。反
応ガス人口１６からは例えばシラン（Ｓｉｎ、）と水素
（Ｈ２）との混合ガス（混合比１：９．たたし非酸長時
には水素ガスのみが供給される〉か供給され緩やかな反
応ガス流３０となって反応ガス出口１７へ向かっている
。反応室１の底部には回転可能なターンテーブル３かあ
り、回転軸４か接合されてベアリング７を介して反応室
底蓋８のところで支持されている。回転軸４にはマグネ
ットカプラー６が取付けられており、反応室底蓋８の隔
壁を介して反応室外部に設置された外部マグネットカプ
ラーｌＯの回転に追随してターンチーツル３が回転する
よう構成されている。ターンテーブル３は回転軸４とと
もに０リング９を使用して外部雰囲気とは完全に遮断さ
れている。

ウニハロ径大きくなった場合や、第３図に示す複数ウェ
ハ搭ｉＩａ型のターンテーブルの場合は、ターンテーブ
ル下にベアリングを介する等の手段により荷重を支持す
れば良い。

２はウェハを積載するためのサセプタであり、シリコン
カーバイト（ＳｉＣ）をコーチングしたクラファイトあ
るいは石英により構成されたものを使用する。サセプタ
２の上に搭載されたウェハ２１はウェハ搬送台２２によ
ってターンテーブル３の上に運ばれ、ウェハ搬送台２２
か下がるとターンチーフル３の上にサセプタ２に搭載さ
れたまま静置される。サセプタ２の回転数は５〜３０ｒ
ｐｍの間て調整可能としである。

１９及び１１はそれぞれ反応室１の上下に設けられたヒ
ーターである。ヒーターは赤外線ヒーターまたは赤外線
ランプが使用され、反応室１内のウェハをエピタキシャ
ル成長温度（例えば１．２００℃〉に加熱保持すると同
時に、反応室内壁に粉状の半導体物質が沈着するのを防
止する。

ウェハの加熱には赤外線を使用するのて、反応室、サセ
プタ、ターンテーブル等の部材は赤外線に対して透明な
石英製とするのが有利である。

１２は反応室下部の熱反射板である。通気孔５はターン
テーブル回転機構近傍の空気や酸素ガス等の有害ガスを
パージするための孔てあって、回転軸４を含むターンチ
ーツル支持機構の要所に設けである。パージガス人口１
４から吹込んだ水素ガスまたはＡｒガスがターンテーブ
ル４の裏側に滞留した有害ガスや反応ガスをバージし、
パージガス出口１５から排出される。

１３は下部測温機構で通常熱電対を使用する。１８は上
部測温機構て通常２色温度計を使用する。

回転装置は有害な空気か反応室内に入らないようにする
必要があることから、マグネットカプラーを使用するの
か好ましい。反応室外部にあるマグネットカプラーを回
転させれば反応室内のターネーブルか回転するようにす
る。マグネットカプラーはターンチーフルの裏面に取付
けても良く、図のように回転軸を設けて取付けてもよい
。マグネットとしてはフェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ、　
Ｆｅ−Ｂ−Ｎｄ等の希土類磁石を使用すればコンパクト
で強力な回転力を与えることかできる。

以上詳説したとおり、第１図のような構成により反応室
内で反応ガス流に平行な面内でウェハを回転させると、
ウニ八表面は反応ガス流３０と平行な面内で回転し、ウ
ェハ表面各部は均等に反応ガス人口１６に近すき均質な
成膜か得られる。平行な面内とは扁平な反応室に添った
面内であれば足りる。

反応ガスは反応室１内の高温部に入ると熱分解して組成
か徐々に変化するから、反応ガス供給孔近傍でウェハ表
面各部か均等に反応ガスに接触すれば均質なエビタキシ
ャウ膜が得られる。本発明によればウェハの回転により
ウェハ表面各部か順次反応ガス人口１６に近ずくから、
常に反応ガス人口１６近傍のガス組成から生成した膜か
沈着することになり、均質なエビタキシャウ膜が得られ
る。

次にこの装置を半連続式の気相エピタキシャル成長装置
に応用する場合について説明する。

第２図はターンテーブルを２台設置した半連続式の気相
エピタキシャル成長装置の一例を示したものてあって、
第２図（ａ）は平面図、第２図（ｂ）は側面図である。

第２図で１は内部で気相成長か行なわれる反応室てあり
、３１は内部がウェハと反応しないガス（例えばアルゴ
ン、水素等）て満たされた副室であり、副室３１は反応
室ｌの両側に位置し、両者は遮蔽ゲート２８を介して機
密−体に接続されている。これらの構造物は石英で製作
するのか好ましい。上記反応室１と上記副室３１に至る
経路をウェハ搬送台２２がウェハ搬送棒２３の操作によ
り往復連動できるようになっている。反応室ｌ内にはウ
ェハ２１を搭載したサセプター２を支持するためのター
ンチーフル３を２台設け、該ターンチーフル３にマグネ
ットカプラー６を取り付け、反応室ｌの隔壁８を介して
反応室１の外部より外部マグネットカプラー１０により
回転磁界を笑えてウェハ２■を回転可能に構成しである
。

この気相エピタキシャル成長装置を使用した操作を説明
すれば、以下のとおりである。

先ず、片方の遮蔽ゲート２８を閉じて反応室１と副室３
１とを完全に遮断し、副室３１内を大気に置換して処理
すべき多数枚のウェハを副室３１内に装填する。次にガ
ス導入孔３２よりアルゴンガスを導入しガス排気孔３３
より排気することにより副室３Ｉ内の空気を完全に追い
出し、副室３１内をアルゴン雰囲気Ｃ置換する。副室３
１内のウェハ２１は真空吸着装置等を使用していくつか
のサセプタ２の上に静置する。サセプタ２は搬送装置（
図示せず〉の付いたホルダー２４の上に静置され、順次
遮蔽ゲート２８の延長ライン上に移動してくる。所定の
位置てウェハ搬送台２２によって下から持ち上げられ、
ウェハ搬送棒２３の操作により反応室１と副室３１との
間を往復運動する。

反応室１の左右にある２５はウェハ出入口てあって、ガ
ス供給孔２６から水素ガスを供給し、ガス排気孔２７か
ら排気することにより、副室３１からの空気や酸素の侵
入を防止し、同時に反応ガスの漏洩を防ぐ役目をする。

遮蔽ゲート２８を開く際はウェハ出入口２５の部分には
ガス導入孔２６から水素ガスを導入し、ガス排気孔２７
から排気してガスカーテンを造っておく。

ウェハ搬送台２２によって反応室１内に搬入されたサセ
プタ２は、所定の位置まて来るとウェハ搬送台２２が降
下してサセプタ２をターンチーフル３上の所定の位置に
静置する。ターンチーフル３はマグネットカプラー６お
よびＩＯの働きにより、反応室底板８を介して外側から
の回転力により緩やかに回転する。

反応室１内に搬入されたウェハ２１は必要な温度になる
まで例えば５分間程度保持される。その間反応室１内を
完全な水素雰囲気に保つ必要がある。

ウェハ２１か所定の温度例えば１．２００℃に達したと
ころでシランと水素の混合ガスをガス供給孔１６から供
給する。するとシランの熱分解によりウェハ２１上にエ
ピタキシャル成長層か形成される。反応ガスはウェハ搬
送台２２の移動方向と直角な方向から流すと、ウニ八表
面に均一に接触させることかてきる。ウェハ２１上に形
成されるエピタキシャル成長層の厚さは３〜１０ｇｍで
あり、成長に要する時間は１５分程度である。この間ウ
ェハを５〜３０ｒｐｍの速度で緩やかに回転させる。所
定のエピタキシャル成長処理を施されたところてシラン
の供給を停止し、その後反応室ｌには水素を流し５分間
程度保つ。　反応室ｌでエピタキシャル成長を終えたウ
ェハ２１は回転を停止し、副室３１に戻され副室３１内
のウェハが全部処理し終るまてストックされている。こ
のような副室３１を反応室１の左右に設け、交互にウェ
ハの積み替えを行なう。

副室３１に戻されたウェハ搬送台２２上のウェハ２１は
温度か十分低下したところでガス供給孔３２からのアル
ゴンンガスの供給を停止し、副室３１内の雰囲気を大気
に戻す。その状態でエピタキシャル成長−済のウェハが
載置されたサセプタ２をウェハ搬送台２２からサセプタ
ホルダー２４の上に下ろし処理済エリアに移送する。ウ
ェハ搬送台２２の上には未処理のウェハを載置したサセ
プタをセットする。

このような処理を繰返すことにより、エピタキシャル成
長処理を連続して行なうことかできる。

第２図はターンテーブルを２台設置した例を示したが、
構造材料の許容するかぎり多数設置してもよい・。

第３図には１枚のサセプタの上に複数のウェハを載置し
た本発明の別の態様を示した。

図においてＯはサセプタの回転の中心であり、Ｏを中心
とする同心円りの上に３枚のウェハ２１か搭載されてい
る。ウェハ搬送台２２は前記と同様サセプタ２を搬送し
てきてターンテーブル３の上に載せる。ウェハ２１はＯ
を中心として反応ガス流３０に平行な面内で回転する。

この複数式サセプタの場合は、ウェハの処理枚数が増え
ても、またウェハの直径が大きくなった場合ても装置の
占める平面積が少なくてすみ、装置作成上の問題もおこ
らない利点かある。複数式サセプタの場合は一組の回転
装置て多数のウェハを処理できる利点もある。

［発明の効果］ 本発明の装置を使用すれば１枚の□ウェハ内、あるいは
ｌバッチのウニへ間のエピタキシャル成長層の特性のバ
ラツキを極めて小さくすることか可能となる。例えば、
エピタキシャル成長層の厚さのバラツキは±２％以内、
抵抗率のバラツキは±３％以内にすることが可能となる
。また、ウェハの口径か大きくなっても処理能力を低下
させることなく、均質な成膜を達成することかてきる。

本発明から得られるウェハを使用すればコンプリメンタ
リＭＯＳＩＣなどの半導体素子の性能と信頼性を著しく
高めることができ、半導体産業に寄与するところが極め
て大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の概要を示す側面図、第２図は本
発明を使用した半連続式装置の概要を示す図、第３図は
本発明の他の態様を示す図、第４図から第６図まては従
来のエピタキシャル戒長装置の例を示す図である。 １・・・反応室　　　　　　　２・・・サセプタ３・・
・ターンテーブル　　　４・・・回転軸６・・・マグネ
ットカプラー　１６・・・ガス供給孔１７・・・ガス排
気孔　　　　　２１・・・ウェハ２２・・・ウェハ搬送
台 ２５・・・ウェハ出入口　　　　２８・・・遮蔽ゲート
３１・・・副室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）反応ガス流に平行な面内においてウェハを回転可能
   としたことを特徴とする気相成長装置。 ２）内部で気相成長が行なわれる反応室と、内部かウェ
   ハと反応しないガスで満たされた副室とを機密一体に接
   続し、上記反応室と上記副室との間に遮蔽ゲートを設け
   、上記反応室と上記副室に至る経路をウェハ搬送台が往
   復運動するようにし、かつ上記反応室内で反応ガス流に
   平行な面内においてウェハを回転可能に構成したことを
   特徴とする気相成長装置。 ３）反応室内にウェハを搭載したサセプターを支持する
   ためのターンテーブルを設け、該ターンテーブルにマグ
   ネットカプラーを取り付け、反応室の隔壁を介して反応
   室外部より回転磁界を与えてウェハを回転させるように
   構成したことを特徴とする第１項又は第２項記載の気相
   成長装置。 ４）ターンテーブルを複数個設けたことを特徴とする第
   ３項記載の気相成長装置。 ５）サセプター上のターンテーブルの回転の中心を中心
   とする同心円上に複数個のウェハを配置したことを特徴
   とする、第３項又は第４項記載の気相成長装置。