JPH05226255A - 気相シリコンエピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複数枚のシリコン単結晶基板を所定の間隔で水
平積載し気相エピタキシャル成長を行う際、単結晶基板
面間および面内のエピタキシャル膜抵抗率均一性を改善
する。 【構成】複数枚のシリコン単結晶基板５を基板ホルダー
４に搭載し、この基板５上にキャリアガス、原料ガスよ
り成る混合ガスと水素ガスを導入するノズル管８を設
け、更にドーピング源となる高濃度不純物ドーピング単
結晶基板６を複数の基板５より成る基板群の上部と下部
に配置し、それのみを成長中にガスエッチングしてドー
ピングする為のノズル管９を設けると共に、ノズル管８
にはドーピング源単結晶基板６へ成長用ガス放出孔を設
けていない構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気相シリコンエピタキシ
ャル成長装置に関し、特に反応容器を縦に組み立てた気
相シリコンエピタキシャル成長装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の気相シリコンエピタキシャ
ル成長装置を示した縦断面図である。以下、特開昭６３
−００８６４２４にある本成長装置について説明する。
基板ホルダー４にシリコン単結晶基板５を所定間隔で水
平に積み重ねるように保持し、減圧下で抵抗加熱炉７を
用いて９００〜１２００℃程度に加熱してその基板表面
にジクロルシラン等のシラン系ガス、ホスフィン等のド
ーピングガス、塩化水素ガス等のエッチングガス、アル
ゴンや窒素等のキャリアガスからなる混合ガスをノズル
管８より供給し、またそれとは別のノズル管８より水素
ガスのみを供給して、エピタキシャル成長させるものと
なっている。反応容器は架台３により保持される２重構
造で外管１で真空を保持し、回転する単結晶基板５に複
数のノズル管８を用いて混合ガス、水素ガスを供給す
る。ノズル管８は等間隔でかつ直径の等しい複数のガス
放出孔１２を有している。混合ガス、水素ガスは内管２
の円筒面に設けられた多数のガス排出孔１０を通って排
気口１１より排出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の気相シ
リコンエピタキシャル成長装置では、単結晶基板５上に
成長するエピタキシャル膜への不純物ドーピングはホス
フィン等のドーピングガスを用いて行なっている。ドー
ピングガスが流れるノズル管８は全ての単結晶基板５の
それぞれに対し、ドーピングガスをほぼ平行に放出する
複数のガス放出孔１２を有している。

【０００４】そのため、反応容器を高くして多数枚の単
結晶基板５上に成長するエピタキシャル膜にドーピング
しようとすると、ノズル管８は長くなり、ドーピングガ
スはノズル管８の上流側のガス放出孔１２から主に放出
される為下流側では圧力損失が起こってガス放出孔１２
から放出されるドーピングガス流量が上流側よりも少な
くなる。その結果、複数枚の単結晶基板５の間ではエピ
タキシャル膜の抵抗率は、上流側の単結晶基板５の方が
ドーピングガス流量が大きくドーパント供給量が多いこ
とから、上流側の方が下流側のそれよりも小さくなると
いう現象が起きる。従って、単結晶基板５の成長枚数を
増やすと、単結晶基板５間の抵抗率均一性が著しく悪化
するという欠点がある。

【０００５】単結晶基板５の面内のエピタキシャル膜抵
抗率均一性についてはジクロルシラン等のシラン系ガス
とホスフィン等のドーピングガスとではキャリアガス中
の拡散係数が一致せず、物質輸送律速のエピタキシャル
成長条件であるために、単結晶基板５の面内のエピタキ
シャル膜厚均一性を向上させるためにキャリアガスやシ
ラン系ガスの流れを最適化しても、同時にドーピングガ
スの流れを最適化することは困難である。従って、単結
晶基板５の面内のエピタキシャル膜抵抗率均一性と膜厚
均一性を同時に向上させることは困難であるという欠点
がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の気相シリコンエ
ピタキシャル成長装置は、複数枚の被気相成長シリコン
基板を所定の間隔で水平に積み重ねるように保持し、複
数のガス放出孔を有する複数のエピタキシャル成長用ノ
ズル管より複数枚の被気相成長シリコン基板のそれぞれ
の被気相成長面にエピタキシャル膜を気相成長させる気
相シリコンエピタキシャル成長装置において、エピタキ
シャル膜へのドーピング源として高濃度に不純物をドー
ピングした単結晶基板を有し、これを被気相成長シリコ
ン基板と同時に搭載して被気相成長シリコン基板群の上
部と下部または被気相成長シリコン基板群を上下に分割
したものの上部、中間部、下部に配置し、エピタキシャ
ル成長中にこのドーピング源のみをガスエッチングする
ガスエッチング用ノズル管を設けると共に、前記エピタ
キシャル成長用ノズル管にはドーピング源へのエピタキ
シャル成長用ガス放出孔を設けない構造を備えている。

【０００７】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。

【０００８】図１は本発明の第１の実施例の縦断面図で
ある。

【０００９】本実施例は、装置をささえるための架台
３、外管１と内管２からなる二重管構造の反応管、シリ
コン単結晶基板５を保持するための基板ホルダー４、抵
抗加熱炉７、シリコン単結晶基板５上に別系統でキャリ
アガス、シラン系ガス、エッチングガスからなる混合ガ
ス、水素ガスを放出するノズル管８（エピタキシャル成
長用）、ドーピング源の単結晶基板６、及びこの単結晶
基板６のみをガスエッチングするためのノズル管９（ガ
スエッチング用）から構成される。

【００１０】ノズル管８（エピタキシャル成長用）には
窒素またはアルゴン等のキャリアガス、ジクロルシラン
等のシラン系ガス、およびこの石英ノズル管自身にエピ
タキシャル成長中に同時に堆積するポリシリコンをエッ
チングするための塩化水素ガス等のエッチングガスのみ
から成る混合ガスが流れ、所定の間隔で水平に積載され
た複数のシリコン単結晶基板５のそれぞれに対して、こ
の混合ガスがほぼ水平にガス放出孔１２を通して供給さ
れ、ガス排出孔１０を通して排気口１１から排気され
る。またそれとは別のノズル管８（エピタキシャル成長
用）により同様に水素ガスが供給され、シリコン単結晶
基板５上で両者のガスが混合されエピタキシャル成長す
る。ドーピング源となる高濃度に不純物ドーピングされ
たシリコン単結晶基板６はシリコン単結晶基板５の群の
上部と下部に搭載され、この基板６上には前述の混合ガ
ス、水素ガスは供給されないためエピタキシャル成長し
ない。これはノズル管８（エピタキシャル成長用）のガ
ス放出孔１２、およびガス排出孔１０がこのドーピング
源の単結晶基板６の位置においては開孔されていないこ
とにより実現する。さらに、このドーピング源の単結晶
基板６のみに、ノズル管９（ガスエッチング用）により
エピタキシャル成長中に塩化水素ガス等のエッチングガ
ス、キャリアガスが供給され、エッチングされることに
より高濃度ドーピング源中の不純物が蒸発し、その結
果、シリコン単結晶基板５上に成長するエピタキシャル
膜中に不純物が均一にドーピングされる。ドーピング源
の単結晶基板６はシリコン単結晶基板５の群の上部と下
部に搭載されるため、エピタキシャル成長中にエッチン
グにより蒸発した不純物はキャリアガスによって全ての
シリコン単結晶基板５の上にほぼ均一に供給され、エピ
タキシャル膜抵抗率のシリコン単結晶基板５面間均一性
は改善される。またシリコン単結晶基板５の面内におい
て、エピタキシャル膜厚均一性が最適化されるようなガ
スの流れを形成したとき、不純物の気相中の流れはそれ
とは別に制御しているためにエピタキシャル膜厚と抵抗
率の面内均一性を同時に達成することが出来る。

【００１１】以下に本実施例による気相シリコンエピタ
キシャル成長装置を使用したエピタキシャル膜の成長例
を説明する。基板ホルダー４に直径１５０ｍｍのシリコ
ン単結晶基板５を８ｍｍ間隔で１２枚セットし、またド
ーピング源の単結晶基板６を１２枚のシリコン単結晶基
板５の群の上部と下部に各１枚ずつ８ｍｍ間隔でセット
する。ドーピング源の単結晶基板６は、直径１５０ｍｍ
の抵抗率約０．００３Ω・ｃｍのＡｓドーピングシリコ
ン単結晶基板とした。１分間に５回転の回転数（５ｒｐ
ｍ）で基板ホルダー４を回転させ、反応管内温度を抵抗
加熱炉７により１０５０℃とした。ノズル管８（エピタ
キシャル成長用）にはシラン系ガスとしてジクロルシラ
ンを２００ＳＣＣＭ、エッチングガスとして塩化水素ガ
スを１５０ＳＣＣＭ、キャリアガスとして窒素を１２Ｓ
ＬＭで流し、それとは別のノズル管８から水素ガスを１
２ＳＬＭの流量で流した。またノズル管９（ガスエッチ
ング用）にはドーピング源の単結晶基板６のみをガスエ
ッチングするために塩化水素ガスを５０ＳＣＣＭ、キャ
リアガスとして窒素を３ＳＬＭで流した。成長圧力１０
Ｔｏｒｒの条件でシリコン単結晶基板５上にエピタキシ
ャル膜を膜厚３μｍ、抵抗率１Ω・ｃｍで成長した。

【００１２】この第１の実施例の結果を図５に示した従
来の装置でエピタキシャル膜を成長させた場合の結果と
比較して次に説明する。図２は従来の成長装置、第１実
施例および第２実施例（後述する）の成長装置を用いた
場合のシリコン単結晶基板５中心部のエピタキシャル膜
抵抗率の単結晶基板搭載位置依存性を示した図、図３は
従来および第１実施例におけるシリコン単結晶基板５面
内のエピタキシャル膜抵抗率均一性を示した図である。
単結晶基板搭載位置は基板ホルダー最下部の基板を１と
して最上部に向かってカウントした位置である。但しド
ーピング源の基板は除いてカウントする。図２で従来の
成長装置では単結晶基板搭載位置番号が大きくなる、つ
まりノズル管８の下流側に行く程エピタキシャル膜抵抗
率は上昇する。従って抵抗率均一性は±３０％である
が、本実施例の成長装置では±９％と著しく改善され
る。これは従来の成長装置ではノズル管８の上流側から
ドーピングガスが主に放出されるため、下流側では圧力
損失が起こってガス放出孔１２より放出されるドーピン
グガス流量が減少するが、本実施例の成長装置では水平
に積載された１２枚の単結晶基板群の上部と下部に配置
された高濃度ドーピング源の単結晶基板から、エッチン
グにより蒸発したＡｓがキャリアガスにより上下方向か
ら１２枚の単結晶基板にほぼ均一に供給されるためであ
る。本実施例では搭載位置６、７の単結晶基板５は搭載
位置１、１２の単結晶基板５に比べ約０．２Ω・ｃｍ程
高抵抗であるが、これはドーピング源の単結晶基板６よ
り離れるにつれてエッチングにより蒸発したＡｓの気相
中の濃度が低下し、単結晶基板５へのドーパント供給量
が減少するためである。しかし、ドーピング源が搭載位
置１の単結晶基板５の１つ下、及び搭載位置１２の単結
晶基板５の１つ上に搭載されるために１２枚の単結晶基
板５全てに同一のノズル管８でドーパントを供給する従
来の技術に比べれば１２枚の単結晶基板５全ての基板間
抵抗率均一性は改善される。

【００１３】また図３で単結晶基板面内のエピタキシャ
ル膜抵抗率均一性は従来の成長装置では±１６％である
のに対し、本実施例の成長装置では±２％と著しく改善
される。このときの単結晶基板面内のエピタキシャル膜
厚均一性は±２％と最適化してある。単結晶基板面内の
エピタキシャル膜厚均一性が向上するようにジクロルシ
ランやキャリアガスの流れを最適化した場合、従来の成
長装置では同じキャリアガスの中に同時にホスフィンガ
スも混ぜており、しかもジクロルシランとホスフィンガ
スとでキャリアガス中の拡散係数が異なるために必ずし
もホスフィンガスの流れが最適とはならない。一方、本
実施例の成長装置ではジクロルシランとドーピング源か
ら蒸発したＡｓの流れが独立に制御されるため、膜厚均
一性と同時に抵抗率均一性も最適化されるようにガスの
流れを制御することが出来、本実施例では基板面内の抵
抗率均一性を最適化するようにエッチングガス、キャリ
アガス流量を選び±２％の面内均一性を得、従来のそれ
よりも著しく改善されている。

【００１４】またドーピング源自身にはエピタキシャル
成長しない構造としたことにより、同一のドーピング源
を何度使用しても上述の効果を得ることが出来る。

【００１５】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。図４は本発明の第２の実施例の縦断面図である。ド
ーピング源の単結晶基板６を単結晶基板５の群を上下に
分割したその上部、中間部、下部に配置し、それに対応
する位置にのみノズル管９（ガスエッチング用）のガス
放出孔を開孔し、またノズル管８（エピタキシャル成長
用）のガス放出孔１２及びガス排出孔１０はその位置に
開孔しないようにした。それ以外は全て第１の実施例と
同様にした。

【００１６】図２に従来の装置と第１の実施例と本実施
例を用いて成長したときのエピタキシャル膜抵抗率の単
結晶基板搭載位置依存性を示したが、本実施例は抵抗率
均一性は±４％と第１の実施例の±９％に比べ改善され
ている。これはドーピング源を単結晶基板５の群の上半
分と下半分の間にも配置したことで、１２枚の単結晶基
板５のあらゆる場所へＡｓの供給がより促進されたため
である。すなわち、第１の実施例においてドーピング源
より離れるにつれエッチングによる蒸発Ａｓの気相中濃
度の減少が見られたが、前述のようにドーピング源を配
置したことによりこのような現象が抑えられ、本実施例
では第１の実施例に比べ基板間抵抗率均一性が改善され
る。また単結晶基板５の群の間や上部、下部に配置する
ドーピング源の枚数を更に増やすようにすれば更に基板
間抵抗率均一性が改善される。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の気相シリ
コンエピタキシャル成長装置は所定の間隔で水平に積載
された複数のシリコン単結晶基板の群の上部と下部に高
濃度に不純物ドーピングされたドーピング源の単結晶基
板を配置し、その上にはエピタキシャル膜が成長しない
ようにし、このドーピング源の単結晶基板のみがエピタ
キシャル成長中にガスエッチングされるようなガスエッ
チング専用ノズル管を配置することにより、エピタキシ
ャル膜抵抗率の単結晶基板面間均一性および面内均一性
を同時に改善するという効果がある。これは複数の単結
晶基板の上下のドーピング源よりエッチングされ蒸発し
たＡｓが全ての単結晶基板にほぼ均一にエピタキシャル
成長中に供給され、またエピタキシャル膜厚単結晶基板
面内均一性の最適化とエピタキシャル膜抵抗率の単結晶
基板面内均一性の最適化を独立に行なうことが出来るた
めである。さらにドーピング源を単結晶基板の群を上下
に分割したその上部と中間部と下部にも配置すること
で、エピタキシャル膜抵抗率の単結晶基板面間均一性は
改善されるという効果がある。これはドーピング源のエ
ッチングによる蒸発Ａｓの濃度のばらつきが基板間にお
いて改善され、複数の単結晶基板へのドーパントの供給
がより均一になったためである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の縦断面図である。

【図２】本発明の第１、第２の実施例と従来の気相シリ
コンエピタキシャル成長装置を用いた場合のエピタキシ
ャル膜抵抗率のシリコン単結晶基板搭載位置依存性を示
した図である。

【図３】本発明の第１の実施例と従来の気相シリコンエ
ピタキシャル成長装置を用いた場合のエピタキシャル膜
抵抗率均一性を示した図である。

【図４】本発明の第２の実施例の縦断面図である。

【図５】従来の気相シリコンエピタキシャル成長装置の
縦断面図である。

【符号の説明】

１ 外管 ２ 内管 ３ 架台 ４ 基板ホルダー ５ 単結晶基板 ６ ドーピング源の単結晶基板 ７ 抵抗加熱炉 ８ ノズル管（エピタキシャル成長用） ９ ノズル管（ガスエッチング用） １０ ガス排出孔 １１ 排気口 １２ ガス放出孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚の被気相成長シリコン基板を所定
   の間隔で水平に積み重ねるように保持し、複数のガス放
   出孔を有する複数のエピタキシャル成長用ノズル管を有
   し、前記複数枚の被気相成長シリコン基板のそれぞれの
   被気相成長面に対してほぼ平行にシラン系ガス、エッチ
   ングガス、キャリアガスからなる混合ガスと水素ガスを
   それぞれ別の前記ノズル管より流し、前記被気相成長面
   にエピタキシャル膜を気相成長させる気相シリコンエピ
   タキシャル成長装置において、前記エピタキシャル膜へ
   のドーピング源として高濃度に不純物をドーピングした
   単結晶基板を有し、これを前記被気相成長シリコン基板
   と同時に搭載して前記エピタキシャル成長中にこの前記
   ドーピング源のみをガスエッチングするガスエッチング
   用ノズル管を設けると共に、前記エピタキシャル成長用
   ノズル管には前記ドーピング源へのエピタキシャル成長
   用ガス放出孔を設けないことを特徴とする気相シリコン
   エピタキシャル成長装置。
2. 【請求項２】 前記エピタキシャル膜へのドーピング源
   の高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板を前記被
   気相成長シリコン基板群の上部と下部に配置した請求項
   １記載の気相シリコンエピタキシャル成長装置。
3. 【請求項３】 前記エピタキシャル膜へのドーピング源
   の高濃度に不純物ドーピングされた単結晶基板を前記被
   気相成長シリコン基板群を上下に２分割したその上部と
   中間部と下部に配置した請求項１記載の気相シリコンエ
   ピタキシャル成長装置。