JPH0544824B2 - - Google Patents

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、特に半導体工業で利
用される気相成長装置に関するものである。

従来の技術 半導体工業においては、シリコン基板上に反応
ガスを供給して、その基板表面に反応物の膜を形
成する工程があり、特にシリコン単結晶板を通常
800℃以上の適当な温度に加熱しておき、四塩化
珪素、またはモノシラン、またはジクロールシラ
ンと、水素との混合ガスを供給することによつ
て、シリコン多結晶膜が形成できる。このような
膜を形成する従来の装置の反応室部分は、第３図
のような構造になつていた（例えば、塚本哲男
「半導体・集積回路技術」、（昭和57・６・20）、槙
書店、P93）。この装置は、石英管１と、被膜形
成するシリコン基板２を載せるサセプタ３と、シ
リコン基板２およびサセプタ３を加熱するワーク
コイル４と、ガス供給ノズル５、および排気口
６、扉７とから構成されている。ワークコイル４
に高周波電力を印加することによつて、シリコン
基板２とサセプタ３とが800℃以上の適当な温度
に加熱される。一方、図示していないガス供給装
置で、四塩化珪素等の反応ガスと、ホスフイン等
のドーピングガスとを所定の濃度で水素ガスに混
合し、この混合ガスがガス供給ノズル５から反応
室内に供給される。この混合ガスは、反応室全体
に広がつて排気口６に向かつて流れ、このときサ
セプタ３およびシリコン基板２に接触して熱を奪
い所定温度以上に達した反応ガス分子が分解析出
して膜を形成する。

発明が解決しようとする問題点 上記のような装置においては、シリコン基板２
およびサセプタ３のみが加熱されるだけではな
く、石英管１も高温に加熱される。そのため、石
英管１に接触した反応ガスは石英管１から熱を受
け、石英管１上でも同様に反応ガス中の反応ガス
分子が分解析出して膜を形成する。石英管１上の
シリコン膜の推積量は、装置を運転する都度増加
し、ある推積量を越えた時点で非常に剥離しやす
い状態となる。この状態に到ると若干の振動によ
つても石英管１上の推積物が剥離を起こす。例え
ば、扉７を開けて、シリコン基板２を出し入れす
るときなどである。剥離した不要推積片は、反応
室内を浮遊し、反応ガスと共に排気口６から外へ
排気されるが、一部はシリコン基板２上に付着す
る。剥離片が付着したまま、気相成長を行うと、
剥離片をおおう形でシリコン多結晶膜がシリコン
基板２上に形成され、剥離片の付着した箇所が異
常に盛り上ることになる。このような状態で形成
された膜に、半導体製造工程において配線パター
ンを焼き付けることはできない。そのため一度剥
離が起こると石英管１を、第３図には図示してい
ないガス供給装置とガス排気装置からはずし、更
に内部のサセプタ３まで取りはずした上で、大量
の面積を洗浄乾燥しなくてはならず、石英管１の
洗浄・再取付に大変手間がかかるという欠点を有
していた、更に、石英管１上のシリコン膜の不要
推積は、石英管１全体をほぼ同等の反応分子濃度
を有する混合ガスが流れるため、シリコン基板２
上の膜の推積と同等に起こるめ、ひんぱんに洗浄
を起こなわなくてはならないという欠点を有して
いた。

本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な装置構成
で、シリコン基板以外でのシリコン多結晶膜の不
要推積を抑え、装置の洗浄の回数を低減し、かつ
装置の洗浄を容易に行うことができる気相成長装
置を提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解消するために本発明の気相成長
装置は、一端に混合ガスを供給する混合ガス供給
口を、他端に適当数の混合ガス噴出口を有する混
合ガス整流壁とを有する混合ガス室と、一端にキ
ヤリヤガスのみを供給するキヤリヤガス供給口
を、他端に適当数のキヤリヤガス噴出口を有する
キヤリヤガス整流壁とを有するキヤリヤガス室
と、混合ガス室とキヤリヤガス室を区分するしき
り板と、ガス排気口と、基板を載置するサセプタ
と、基板およびサセプタを加熱する輻射加熱手段
と、内部にサセプタが設置される反応室と、耐熱
耐食性金属より成り前記反応室を外気から遮断す
る反応室壁と、輻射光を透過し、反応室壁と共に
反応室を外気から遮断する透過プレートと、反応
室壁を冷却する手段とから構成し、混合ガス供給
口から混合ガス室に供給された混合ガスを混合ガ
ス噴出口を通して反応室に、キヤリヤガス供給口
からキヤリヤガス室に供給されたキヤリヤガスを
前記キヤリヤガス噴出口を通して反応室に、それ
ぞれ平行に導き、反応室に導かれた混合ガスを基
板に平行に基板側を流すようにするものである。

作 用 この技術手段による作用は以下のようになる。

輻射加熱手段より発せられた輻射光は、透過プ
レートを透過し、サセプタおよび基板のみを選択
加熱する。耐熱耐食性金属より成る反応室壁は直
接加熱されることがなく、しかも反応室壁を冷却
する手段により、反応室壁は、低温に保持され
る。しかし、輻射加熱手段より発せられた輻射光
と、サセプタおよび基板が高温に加熱され赤熱す
るために、サセプタおよび基板が発する輻射光に
対し、透過プレートは完全に透明ではなく、輻射
光の約10％程度を吸収するため、冷却手段を有さ
ない透過プレートは、サセプタの温度に近い温度
まで加熱される。加熱された透過プレートに反応
ガス分子が接触すると、この透過プレートにシリ
コン膜の不要推積が発生する。そこで、サセプタ
側に、混合ガス室から混合ガス噴出口を通して層
流状に混合ガスを供給し、透過プレート側に、キ
ヤリヤガス室からキヤリヤガス噴出口を通して層
流状に反応ガス分子を含まないキヤリヤガスを供
給する。このとき、混合ガス中の反応ガス分子
は、分子拡散によつてキヤリヤガス中に拡散して
いくが、キヤリヤガスおよび混合ガスを層流状に
供給するとき、乱流状の場合よりは分子拡散を抑
えることができ、また混合ガスのみを供給すると
きに比較して、透過プレート近傍における反応ガ
ス分子のモル分率を大きく低減することができ
る。

この結果、耐熱耐食性金属より成る反応室壁で
のシリコン膜の不要推積の解消と、サセプタの温
度に近い温度まで加熱されるが、透過プレートに
おけるシリコン膜の不要推積を従来の装置に比べ
大幅に低減することができ、従来装置に比べ、装
置の洗浄の回数を低減することができる。また、
不要推積が発生する場所を透過プレートとだけに
限定することが可能なため、洗浄は透過プレート
のみで済み、洗浄・乾燥を必要とする面積を従来
の装置に比較して大幅に抑えることができる。

実施例 以下本発明の一実施例の気相成長装置につい
て、図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における気相成長装
置の具体構成を示すものである。第１図におい
て、１１は混合ガス供給口であり、１２は耐熱耐
食性金属より成る混合ガス整流壁で、１３が混合
ガス室である。１４は、混合ガス整流壁に適当数
設けられた混合ガス噴出口である。１５は、図示
していない混合ガス供給装置から混合ガス供給口
１１まで混合ガスを導くための混合ガス供給管で
ある。また、１６はキヤリヤガス供給口であり、
１７は耐熱耐食性金属より成るキヤリヤガス整流
壁で、１８がキヤリヤガス室である。本実施例に
おいては、混合ガス整流壁１２とキヤリヤガス整
流壁１７は、つながつている。１９は、キヤリヤ
ガス整流壁に適当数設けられたキヤリヤガス噴出
口である。２０は図示していないキヤリヤガス供
給装置からキヤリヤガス供給口１６までキヤリヤ
ガスを導くためのキヤリヤガス供給管である。２
１は、混合ガス室１３とキヤリヤガス室１９を区
分する耐熱耐食性金属より成るしきり板である。
２２は、ガスを排気するガス排気口で、２３はガ
ス排気口２２から図示していないガス排気装置ま
でガスを導くガス排気管である。２４は、被膜形
成を行うシリコン基板で、２５はシリコン基板２
４を載置するカーボンより成るサセプタで、２６
は、サセプタ２５に直結しているサセプタ２５を
回転させるための回転軸で、回転軸２６は、図示
していないサセプタ２５回転装置につなげられて
いる。サセプタ２５は、回転軸２６により、矢印
Ａの方向に回転する。２７は、シリコン基板２４
およびサセプタ２５を輻射加熱するための赤外線
ランプで、２８は赤外線ランプ２７を収納する赤
外線ランプユニツトである。そして２９が、サセ
プタ２５を内部に設置する反応室である。３０
は、耐熱耐食性金属より成り、反応室２９を外気
から遮断する反応室壁で、３１は赤外線ランプ２
７から発せられる輻射光を透過する透明石英から
成る透過プレートである。透過プレート３１は反
応室壁３０と共に、反応室２９を外気から遮断す
る。３２は、反応室壁３０を水冷するために反応
室壁３０に設けられた水冷溝である。なお、３３
は、透過プレート３１を反応室壁３０に固定する
ための固定具、３４は固定具３３に設けられた固
定具水冷溝である。本発明例においては反応室２
９の底面と、サセプタ２５に載置したシリコン基
板２４の上面が一致するよう構成されている。さ
て、第２図は、本実施例においてつながつている
混合ガス整流壁１２とキヤリヤガス整流壁１７の
具体構成を示す拡大斜視図である。第３図におい
て、混合ガス噴出口１４は、円孔状に適当数設け
られており、また、キヤリヤガス噴出口につい
も、円孔状に適当数設けられている。第３図にお
いて、３５は、混合ガス整流壁１２およびキヤリ
ヤガス整流壁１７を、しきり板２１に締結するボ
ルトのために設けられたボルト穴である。混合ガ
ス整流壁１２およびキヤリヤガス整流壁１７は、
混合ガスとキヤリヤガス反応室２９に混合ガス噴
出口１４およびキヤリヤガス噴出口１９を通して
反応室２９内に供給される前に混合することのな
いよう、しきり板２１にガスシールドを介して締
結され、また反応室３０との間にもガスシールド
が設けられている。なお、第１図において、混合
ガス整流壁１２の断面積と、キヤリヤガス整流壁
１７の断面積の比は２：３に設定されている。

以上のように構成された気相成長装置につい
て、以下第１図を用いてその動作を説明する。第
１図において、赤外線ランプ２７より発せられる
輻射光は、透過プレート３１を透過して、反応室
２９内部に設置されたサセプタ２５およびシリコ
ン基板２４を、所定の温度まで輻射加熱する。こ
の輻射加熱の際、赤外線ランプより発せられる輻
射光は、反応室壁３０を直接加熱することは少
く、また反応室壁３０に設けられた水冷溝３２に
より反応壁３０が強制冷却されるため、反応室壁
の温度を低温に保持することが可能となる。しか
し、透明石英から成る透過プレート３１は、赤外
光に対し完全に透明ではなく、約10％の赤外光を
吸収する。また、高温に加熱され赤熱するサセプ
タ２５およびシリコン基板２４から発せられる輻
射光をも透過プレート３１は吸収する。そのた
め、強制冷却手段を持たない透過プレートは、サ
セプタ２５よりやや低い温度まで加熱される。こ
のような状態の反応室２９内部に、モノシラン等
の反応ガス分子を水素ガス等のキヤリヤガスに十
分混合拡散した混合ガスを流すとき、透過プレー
ト３１において、シリコン膜の推積が、シリコン
基板２４上と同様に発生する。これは、透過プレ
ート３１近傍に反応ガス分子が、リツチに存在す
るためである。そこで、反応ガス分子を全く含ま
ないキヤリヤガスを、まずキヤリヤガス供給口１
６を通じてキヤリヤガス室１８に第１図矢印Ｂの
方向に沿つて供給し、その後キヤリヤガスを、キ
ヤリヤガス整流壁１７に設けられたキヤリヤガス
噴出口１９を通して、矢印Ｃの方向に沿つて、層
状に整流して反応室２９内部の透過プレート３１
側に供給する。同時に、反応ガス分子を均一に含
む混合ガスを、まず混合ガス供給口１１を通じて
混合ガス室１３に矢印Ｄの方向に沿つて供給し、
その後この混合ガスを、混合ガス整流壁１２に設
けられた混合ガス噴出口１４を通して、矢印Ｅの
方向に沿つて層状に整流して反応室２９内部のサ
セプタ２５側に供給する。このとき、透過プレー
ト３１側には、キヤリヤガス雰囲気が、サセプタ
２５側には、反応ガス分子をリツチに含む混合ガ
ス雰囲気が形成される。これにより、透過プレー
ト３１側の反応ガス分子濃度を大きく抑えること
が可能となる。ただし、反応室２９内部で反応ガ
ス分子モル分率が異なるため、反応ガス分子は、
モル分率を均一にする方向で、分子拡散を起こ
す。この場合、透過プレート３１側へ反応ガス分
子が分子拡散を起こす。分子拡散は、その名の通
り分子レベルで生じる現象であるため、透過プレ
ート３１近傍における反応ガス分子のモル分率を
ゼロとすることは不可能である。しかし、キヤリ
ヤガスを別に流すことによつて、透過プレート近
傍における反応ガス分子のモル分率を大きく抑え
ることが可能である。ただし、分子拡散を促進す
る混合ガスおよびキヤリヤガスの流し方はさけな
くてはならない。分子拡散を助長するガスの流し
方としては、乱流、大きな渦のある流れがある。
従つて、反応室２９内部に混合ガスおよびキヤリ
ヤガスを導くときは、それぞれ整流して層流状に
導くことが望ましい。本実施例の混合ガス整流壁
１２およびキヤリヤガス整流壁１７は、そのため
に設けられているものである。また、大きな渦を
発生させないために、ノズルを用いてのガス供給
や、反応室壁３０の凹凸を極力避けることが望ま
しい。本実施例のシリコン基板２４の上面が反応
室壁３０の底面と一致しているのはそのためであ
る。更に、混合ガス噴出口１４を通して導かれる
混合ガスの流速と、キヤリヤガス噴出口１９を通
して導かれるキヤリヤガスの流速は、同等である
ことが望ましい。一方の流速が他方に比べて大き
いと、圧力差が生じ、流速の小さい方のガスが、
大きい方のガスに引き寄せられる形（きり吹きの
原理）となり、ガスの混合拡散が助長されるため
である。これらに加えて、混合ガス整流壁１２の
断面積とキヤリヤガス整流壁１７の断面積との比
も問題となる。混合ガス中に含まれる反応ガス分
子の量を一定とするとき、反応室２９に導かれる
混合ガスとキヤリヤガスのそれぞれの流速を同等
とする限り、キヤリヤガス整流壁１２の断面積が
大きい（キヤリヤガス供給量が多い）ほど、透過
プレート３１側の反応ガス分子のモル分率を抑え
ることができるが、同時にシリコン基板２４側に
おける反応ガス分子のモル分率変化が大きくシリ
コン基板２４に形成されるシリコン単結晶膜の膜
厚不均一性の原因となる。逆に、混合ガス整流壁
１７の断面積が大きいほど、シリコン基板２４側
の反応ガス分子のモル分率変化を小さく抑えるこ
とができるが、同時に透過プレート３１側への反
応ガス分子の拡散が大きくなる。種々に混合ガス
整流壁１２とキヤリヤガス整流壁１７の断面積を
変えてみたところ、透過プレート３１近傍への反
応ガス分子の拡散を抑えると同時にシリコン基板
２４近傍での反応ガス分子のモル分率変化が８％
程度に抑えられるときの、混合ガス整流壁１２と
キヤリヤガス整流壁１７との断面積の比が２：３
である。なお、シリコン基板２４を載置している
サセプタ２５を回転させると、シリコン基板２４
上に形成されるシリコン多結晶膜の膜厚均一性が
更に良くなる。

以上詳述した形で、混合ガスとキヤリヤガスを
反応室２９内部に導くとき、適当な温度に加熱さ
れたサセプタ２５およびシリコン基板２４に触れ
た反応ガス分子が分解析出してシリコン基板２４
上にシリコン多結晶膜が形成される。そしてこの
とき、透過プレート３１近傍ではシリコン基板２
４近傍に比較して、その反応ガス分子モル分率が
50分の１から40分の１に抑えることができる。ま
た、反応室壁３０は、強制冷却されているため、
反応室壁３０では、不要なシリコン多結晶膜が形
成されることはない。従つて、従来の装置に比較
して、不要な多結晶膜が発生する部分を減少させ
ることができると共に、シリコン多結晶膜の成長
速度が反応ガス分子モル分率に比例することによ
り、不要多結晶膜の成長速度を激減することがで
きる。すなわち、従来装置に比べて、装置の洗浄
の回数を低減することが可能となる。また、不要
推積が発生する部分が透過プレート３１のみであ
り、本実施例では、透過プレート３１の着脱が、
ガス供給系、排気系をそのままの状態で行うこと
が可能なため、装置内部の洗浄・乾燥を必要とす
る面積とし、その手間を従来の装置に比較して大
幅に削減することが可能である。

なお、本発明実施例では、混合ガス整流壁１２
とキヤリヤガス整流壁１７はつながつているが、
前記した動作をする限り、分離していてもかまわ
ないことは言うまでもない。また、本実施例で
は、シリコン基板２４の上面と反応室壁３０の底
面が一致しているが、反応室２９内でのガスの流
れが大きく乱されることがなければ、一致してい
る必要はない。更に、シリコン基板２４上に形成
される多結晶膜の均一性が確保されている限り、
サセプタ２５を回転させる必要がないことは言う
までもない。そして、本発明例では、混合ガス噴
出口１４およびキヤリヤガス噴出口１９を円孔と
したが、混合ガス、キヤリヤガスを層流状に整流
することが可能ならば、長円状等種々の変更が可
能である。

発明の効果 以上のように、本発明は、シリコン基板を載置
するサセプタを内部に設置し、水冷によつて低温
に保たれる反応室壁と、シリコン基板およびサセ
プタのみを加熱する輻射加熱手段から発せられる
輻射光を透過する透過プレートにより囲まれる反
応室と、反応室内部に混合ガスを整流した後層流
状にサセプタ側に供給する混合ガス室と、キヤリ
ヤガスを混合ガスと平行に整流した後層流状に透
過プレート側に供給するキヤリヤガス室とから装
置を構成することによつて、従来の装置では頻繁
に行なわれていた装置の洗浄回数の削減と、洗浄
の手間の大幅な軽減が実現できるので、その効果
は極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における気相成長装
置の断面図、第２図は混合ガス整流壁およびキヤ
リヤガス整流壁の一実施例を示す拡大斜視図、第
３図は従来の気相成長装置の断面図である。 １３……混合ガス室、１８……キヤリヤガス
室、２１……しきり板、２２……ガス排気口、
２，２４……シリコン基板、３，２５……サセプ
タ、２７……赤外線ランプ、２９……反応室、３
０……反応室壁、３１……透過プレート、３２…
…水冷溝、１２……混合ガス整流壁、１７……キ
ヤリヤガス整流壁、１４……混合ガス噴出口、１
９キヤリヤガス噴出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端に反応ガスあるいは反応ガスとキヤリヤ
   ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給口を有
   し、他端に適当数の混合ガス噴出口を有する混合
   ガス整流壁を有する混合ガス室と、一端にキヤリ
   ヤガスのみを供給するキヤリヤガス供給口を有
   し、他端に適当数のキヤリヤガス噴出口を有する
   キヤリヤガス整流壁を有するキヤリヤガス室と、
   前記混合ガス室とキヤリヤガス室を区分するしき
   り板と、前記混合ガス噴出口とキヤリヤガス整流
   壁とに対向して設けた反応室とこの反応室につづ
   いて設けられ、ガスを排気するガス排気口と、前
   記反応室内にあつて被膜形成する基板を載置する
   サセプタと、前記基板およびサセプタを輻射加熱
   する手段と、耐熱食性金属より成り前記反応室を
   外気から遮断する反応室壁と、輻射光を透過し、
   前記反応室壁と共に前記反応室を外気から遮断す
   る透過プレートと、前記反応室壁を冷却する手段
   とから成り、前記混合ガス供給口から混合ガス室
   に供給された混合ガスが前記混合ガス噴出口を通
   して前記反応室に、前記キヤリヤガス供給口から
   キヤリヤガス室に供給されたキヤリヤガスが前記
   キヤリヤガス噴出口を通して前記反応室に、それ
   ぞれ平行に導かれ、前記反応室に導かれた混合ガ
   スが前記基板側を基板に平行に流れるよう設定す
   るとともに、サセプタ上に載置された基板上面が
   反応室底面と一致し、かつ混合ガス噴出口を通し
   て前記反応室内部に供給される混合ガスの流速
   が、前記キヤリヤガス噴出口を通して前記反応室
   内部に供給されるキヤリヤガスの流速とほぼ同等
   であることを特徴とする気相成長装置。