JPH0573253B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 この発明は単結晶基板の上にエピタキシヤル層
を沈積する方法、更に具体的に言えば、シリコ
ン・ウエハ上にシリコンのエピタキシヤル層を沈
積する方法に関する。

〔従来技術の説明〕

エピタキシヤル半導体材料として、従来からシ
リコンおよびゲルマニウムが使用されている。そ
の中、主にシリコンは、バイポーラ集積回路及び
個別／電力装置を製造する為に最も広く用いられ
ている。最近、CMOS構造に於けるラツチアツ
プ及びダイナミツクRAMに於けるソフトエラー
の様な回路の或る重大な性能の制約をなくす為
に、MOS装置を製造するのにもエピタキシヤ
ル・シリコンが用いられている。エピタキシヤ
ル・シリコンは回路の速度をかなり高め、MOS
の歩留りを改善することが出来る。その為、シリ
コンのエピタキシヤル法が半導体業界では重要な
技術になつて来た。然し、シリコン・エピタキシ
ヤル層で起こる共通の欠陥は、滑り、転位、積重
ね欠陥及びソーサである。滑り及び転位の欠陥は
不純物のシンクであることがよく知られていると
共に、この様なウエハから作られた装置の性能を
劣化させるようなダイオードの漏れ及びエミツ
タ・コレクタ短絡の原因である。この為、こうい
う欠陥をなくし又は少なくすることがエピタキシ
ヤル層の重要な作業になつて来た。

無線周波加熱反応器では、基板にわたる軸方向
の温度勾配を作る受容体により、基板が裏側だけ
から加熱される。前後の温度差により、基板の差
別的な膨張が起こる。事実上、基板が受容体の表
面の上で上向きにカールする、その結果、基板の
周縁に於ける温度が下がり、基板の中心に較べて
更に低下する。こういう半径方向の温度勾配によ
り、基板に転位及び滑り線を発生させる程の内部
応力が生ずる。一般的に、滑り線及び転位は典型
的なパターンに従い、周縁から始まつて基板の中
心に向つて伸びる。基板内に発生したこういう欠
陥が、沈積された層を介して伝播する。こういう
欠陥が存在することは、この様なエピタキシヤ
ル・ウエハから作られた装置の品質に影響を与え
ると共にその歩留りを低下させる。

滑り線及び転位の問題を解決する従来の方法
は、受容体の上側にある専用の平底を持つ浅い凹
部に基板を置くことである。凹部の深さと寸法が
基板の厚さと寸法に大体対応する。こうして凹部
の側壁が基板の周縁に対して放射エネルギを供給
して、基板内の半径方向の温度勾配を少なくする
ことが出来る。これは欠陥の密度を部分的に下げ
ることができるが、滑り線及び転位の発生を完全
に抑制することが出来ない。更に、基板内の温度
勾配を少なくする幾つかの方式が提供されてい
る。これらは、黒鉛加熱器の上側に平底の凹みを
設けること（米国特許第3436255号）、受容体の下
側に凹部を設けること（米国特許第3892940号）、
基板の縁の周りを取り巻くリングを設けること
（米国特許第4113547号）及び受容体の上側に球形
の凹みを設けること（ジヤーナル・オブ・エレク
トロケミカル・ソサイテイ129、2358、1982年）
である。これらの方式は滑り線及び転位の発生を
最小限に抑圧したが、無線周波加熱反応器内での
滑り線及び転位のないエピタキシヤル成長をもた
らすものではなかつた。

従つて、この発明の目的は基板内の温度勾配を
最小劇に少なくして、無線周波加熱反応器内での
滑り及び転位のないエピタキシヤル成長を行わ
せ、簡単で効率のよい方法を提供することであ
る。

〔発明の要約〕

この発明の独特な点は、無線周波加熱反応器に
於けるエピタキシヤル沈積方法の間、滑り線及び
転位の発生を完全に抑制する簡単で効率のよい方
法である。基板と材料及び寸法が同じであるパツ
ド・ウエハを平底の凹部の中で、受容体の上側に
ある同軸の平底を持つ凹みの上に配置し、基板を
一様に加熱する。凹部及び凹みの深さと直径を適
当に調節することにより、基板の半径方向の温度
勾配及び熱応力を最小限に抑えることが出来、滑
り及び転位のないエピタキシヤル成長を達成する
ことができる。

高い温度、典型的には例えばシリコンに対して
は約1050乃至1250℃に於けるエピタキシヤル沈積
方法の間、凹みがみかけは受容体から基板の中心
部分への熱の流れを減少し、基板にわたつて一層
一様な温度分布を作る。同時にパツド・ウエハは
その裏側が受容体と直接的に接触している為に、
受容体の上で上向きにカールする。湾曲したパツ
ド・ウエハが基板に対して球状の凹みの様に振舞
う。事実上、パツド・ウエハを挿入することによ
つて基板の縁とパツド・ウエハ間の熱接触を改善
すると共に、パツド・ウエハから基板の中心部分
への熱の流れを減少し、最終的に基板の一様な加
熱を促進する。凹みを別とするとこの発明のパツ
ド・ウエハは、無線周波加熱反応器に於けるエピ
タキシヤル沈積方法の間、滑り線及び転位の発生
を抑圧するのに重要な役割を果す。

半導体基板は一般的に直径が３吋（76.2mm）乃
至６吋（152.4mm）の公称寸法で製造され、受容
体の上側の凹部及び凹みは、滑り線及び転位の発
生を抑制する為に、こういう標準的な寸法の基板
に合う様に設計すべきである。この発明のパツ
ド・ウエハは再利用が出来る。この発明並びにそ
の他の目的及び特徴は以下図面について説明する
所から明らかになろう。

〔発明の詳しい説明〕

気相エピタキシヤル方法は半導体業界で非常に
重要な技術である。例えば、気体状のシリコン化
合物の高温熱分解により、シリコン基材を使用し
た場合、シリコン単結晶被膜がシリコン単結晶基
板の上に沈積され、その後エピタキヤル・ウエハ
が装置に製造される。この方法は一般的に高温の
反応器内で行われ、基板は受容体の上に取り付け
ている間、高い温度に保たれる。この従来の方法
を第１図について説明すると、反応管が１で示さ
れており、これは透明な石英管で構成するのが普
通である。無線周波発生器の水冷電力出力コイル
２が反応管１の周りに同軸に配置される。板の形
をした受容体４は、黒鉛で作るのが典型的である
が、これが反応室３内に配置され、無線周波コイ
ル２と密結合される。受容体４が基板５に対する
機械的な支持体になると共に所望の反応温度の熱
エネルギ源になる。高温受容体４が石英枠６によ
り、反応管１の内壁と直接的に接触しない様に支
持される。反応管１の軸線に対し、第１図に示す
様に、受容体４は数度の傾斜した姿勢である。一
連の単結晶シリコン基板５が受容体４の上に取り
付けられる。

シリコンエピタキシヤル法の典型的な方法は、
幾つかの工程を含む。反応室３内の空気が水素ガ
スの流れにより、矢印７に沿つてパージされる。
無線周波コイル２を付勢して、受容体４を所望の
温度まで加熱する。反応室３内の熱平衡が設定さ
れた後、普通は1100乃至1250℃の温度で１乃至５
分間、塩化水素のエツチが行われる。その後、基
板５の温度を使うシリコン化合物に関係するが、
1050乃至1200℃の成長温度まで下げられ、必要に
応じて、安定化の為並びにHClの洗い流しの為の
時間を使う。次に、クロロシラン：シリコンテト
ラ４塩化シリコン、トリクロロシラン又はジクロ
ロシランの蒸気と、ジボリン又はフオスピンのド
ーパントを公知の形で水素に供給する。エピタキ
シヤル・シリコン層が基板５の上に沈積される。
所望の層の厚さが得られるのに十分な時間の後、
再び水素だけの担体ガスを流し、その後反応器を
室温に冷却する。沈積方法が完了した時、エピタ
キシヤル・ウエハを炉から取出す。

基板５が板の形をした受容体４の上に直接的に
置かれるか、或いは受容体４の上側にある平底を
持つ浅い凹部８の中に置かれると第２図に示す様
に、高い温度に於けるエピタキシヤル沈積方法の
間、受容体の表面の上で上向きにカールする。基
板５が湾曲するのは、基板５にわたつて軸方向の
温度勾配がある為である。無線周波加熱反応器で
は基板５は受容体４により、裏側だけから加熱さ
れ、基板５内に軸方向の温度勾配を作る。湾曲の
為基板５の周縁９は受容体４の表面から若干持上
る。これによつて基板５の周縁９と受容体４の間
の熱接触が更に悪くなり、その為その部分では、
温度が更に下がつて基板５が更に湾曲する。従つ
て基板５の周縁９の温度は、基板５の中心部分１
０よりも一層低い。この湾曲により、基板５に半
径方向の温度勾配が生ずる。その正味の結果とし
て大きな熱応力が生じ、基板内に転位及び滑り線
が発生する。転位は熱応力が最も大きい基板５の
周縁から始まり、基板５の中心に向つて伸びる。
加熱された基板５の変形の程度は、普通は持上る
距離１１によつて決定されるが、この距離が基板
５の直径と厚さ及び受容体４の温度、特に基板５
の直径に関係する。直径が大きければ大きい程、
持上る距離１１が大きい。これは、直径が大きけ
れば大きい程、エピタキシヤル沈積方法の後、基
板５内に発生される転位と滑り線が一層多いこと
を意味する。第２ｂ図に示す様に、基板５が受容
体４の凹部８の中に配置される時、持上る距離１
１は第２ａ図より小さい。これは、凹部８の側壁
１２が基板５の周縁９に対して放射エネルギを供
給して、半径方向の温度勾配を幾分下げることが
できるからである。普通、凹部８の深さ１３は基
板５の厚さに等しいか又はそれ以下である。凹部
８の深さ１３が基板５の厚さより大きいと、基板
のエピタキシヤル成長が不均一になる。平底を持
つ浅い凹部８の設計により、滑り線及び転位の密
度が減少するが、こういう欠陥の発生を完全に抑
制することは出来ない。

第３図ａ及びｂはそれぞれこの発明の方法に用
いられる受容体の一実施例を示す平面図と縦断面
図である。

前述の通り、エピタキシヤル法に用いられる半
導体単結晶基材はシリコン、ゲルマニウムがある
が、この実施例に於てはシリコンを用いた場合に
ついて説明する。なお、シリコン単結晶基板の寸
法として商業上通用されているものには、公称寸
法２吋、３吋、４吋、５吋、６吋などがあり、そ
れらの直径と厚さはそれぞれ50.8×0.28mm、76.2
×0.38mm、100.0×0.45mm、125.0×0.525mm、152.0
×0.58mmであるが、この例に於ては、直径３吋
（76.2）、厚さ0.4mm（0.38±0.15mm）の円形板を取
上げて説明する。

このような基板に適応する受容体１４は一般に
は黒鉛で構成されていて、25mmの厚さを持ち、そ
の上側には平底を持つ基板収容用円形凹部１５が
設けられていて、パツド・ウエハ１６及び基板１
７を配置する。各々の円形凹部１５の下には同軸
に平底を持つ円形の凹み１８が設けられ、受容体
１４から基板の中心への熱の流れを減少して、基
板１７にわたつて一層一様な温度分布を持たせ
る。凹部１５の直径は基板１７の全体的な直径寸
法より僅か大きく、好ましくは0.1〜0.2mm大き
い。凹部１５の深さ１９は基板１７の厚さの２
倍、即ち基板１７及びパツド・ウエハ１６の合計
厚さ、この実施例では0.8mmである。凹み１８の
直径は基板１７の直径の1/2〜1/3、この例では約
35乃至50mmにすることが出来る。凹み１８の深さ
２０は基板１７の直径の大きさによつて異なる
が、一般には基板１７の厚さの０〜3/4倍の深さ
を有し、好ましくは0.10乃至0.30mmの範囲内であ
る。最も隣接した凹部の間の中心距離は例えば80
mmである。この後、加工した受容体１４を洗浄、
高温焼成及び炭化珪素の被膜にかけてから使う。
76.2mmの直径及び0.40mmの厚さを持つ、パツド・
ウエハ１６及び基板１７は第３ｂ図に示す様に配
置する。この発明のパツド・ウエハ１６は基板１
７と同じ材料及び寸法であり、再利用出来る。基
板１７は受容体１４の上に取り付ける前に、実質
的に転位がなく、その表面は普通の方法で注意深
く洗浄してエツチした。第３図について説明する
とパツド・ウエハ１６及び基板１７を凹部１５に
入れた受容体１４をエピタキシヤル反応器内に装
入した、上に述べたのと同様の普通の方法で、エ
ピタキシヤル沈積方法を実施して基板の表面２１
の上にエピタキシヤル層を作つた。エピタキシヤ
ル沈積方法が完了した時、エピタキシヤル・ウエ
ハに形成された基板１７を取出し、パツド・ウエ
ハ１６は再利用の為に受容体１４の上に残した。
沈積されたエピタキシヤル・ウエハ１７は、検査
したところ完全に滑り及び転位がないことが判つ
た。

高温に於けるエピタキシヤル沈積方法の間、受
容体１４の上側にある凹部１５内に置かれるパツ
ド・ウエハ１６及び基板１７の間に幾何学的な関
係が第４図に誇張して示されている。凹み１８の
作用は受容体１４からパツド・ウエハ１６の中心
部分への熱伝達を少なくすることである。この
為、これがパツド・ウエハ１６から基板１７の中
心部分への熱伝達を少なくする。基板１７の中心
部分を通る熱の流れが減少することは、基板１７
の中心部分の温度に較べて、基板１７の周縁部分
の温度低下を補償する。高温に於けるエピタキシ
ヤル沈積方法の間、パツド・ウエハ１６の裏側が
受容体１４と接触しており、パツド・ウエハ１６
が第４図に示す様に、受容体の上側にある凹部１
５内で、上向きに湾曲する。湾曲したパツド・ウ
エハ１６は、基板１７に対して球状の凹みと同様
に振舞う。パツド・ウエハ１６の曲率は受容体１
４の温度と共に自動的に調節することができる。
事実上、パツド・ウエハ１６を挿入し、凹み１８
を追加したことにより、基板１７の周縁とパツ
ド・ウエハ１６の間の熱接触が改善され、パツ
ド・ウエハ１６から基板１７への中心への熱の流
れが減少し、こうして基板１７の一様な加熱を促
進する。この発明のパツド・ウエハ１６は、半径
方向の温度勾配を少なくし、この結果熱応力を最
小限に抑えて、無線周波加熱反応器に於けるエピ
タキシヤル沈積方法の間、基板１７に於ける滑り
線及び転位の発生を完全に抑制する上で重要な役
割を果す。更に、パツド・ウエハがこの発明では
基板１７のウエハであつて再利用可能であり、容
易に求めることが出来るので、エピタキシヤル・
ウエハの製造費を高くするものではない。

この発明では、凹部の深さ１９は、パツド・ウ
エハ１６及び基板１７の厚さの合計に等しい最適
にした値である。凹部の深さ１９が最適の値より
もごく僅かに小さいと、エピタキシヤル・ウエハ
の滑り線及び転位の発生を完全に抑制しない。凹
部の深さ１９が最適の値よりごく僅かに大きい
と、滑り線及び転位の発生を抑制するが、基板１
７のエピタキシヤル成長が不均一になる。平底を
持つ円形の凹み１８の寸法も最適の値を持ち、深
さは0.10乃至0.30mmであり、直径は基板の直径の
１／２乃至2/3である。凹みの寸法がこういう最適値
を越えると、基板１７に於ける滑り線及び転位の
発生を完全に抑制することが出来ない。

現在、半導体ウエハは一般的に直径３乃至６吋
の公称寸法で製造されている。この発明の受容体
を３吋の基板上に転位のないエピタキシヤル成長
を行わせる場合について説明したが、これより大
きい基板、例えば直径が４吋、５吋及び６吋のも
のを使うことができ、必要なことは、受容体１４
の上側にある平底を持つ円形の凹み１８及び凹部
１５の深さと直径をその最適の値に調節する必要
があることだけである。

直径２吋（50.8mm）以下の一層小さい円形の基
板１７に対するエピタキシヤル法の特別の場合、
平底を持つ円形の凹み１８を用いずにパツド・ウ
エハ１６だけを凹部の中に挿入することにより、
滑り線及び転位のないエピタキシヤル成長を達成
することができる。この場合、高い温度に於ける
エピタキシヤル沈積方法の間に、一層小さい円形
の基板内に存在する熱応力は滑り線及び転位の発
生を開始する様な熱応力の臨界値より低い。

この発明の基板を円形として説明したが、矩形
を含めて種々の形を用いることが出来、必要なの
は凹部及び凹みの形状を受容体の上にある基板と
同じ形に修正することだけである。

単結晶シリコン基板の上にシリコン材料をエピ
タキシヤル沈積する特定の実施例についてこの発
明を省略したが、この発明がホモエピタキシヤル
及びヘテロエピタキシヤル沈積を含めて、無線周
波加熱反応器内で半導体以外に任意のエピタキシ
ヤル材料を沈積する場合に役立つことは明らかで
ある。更に、この発明の方法をエピタキシヤル沈
積として説明したが、無線周波数加熱装置内で、
単結晶基板の上の単結晶被膜の沈積及び非結晶質
被膜の沈積を含む種々の沈積に用い、基板に滑り
線及び転位が発生しない様にすることが出来る。
滑り線及び転位の欠陥は、最初に単結晶基板内で
発生し、その後沈積した層に伝播することが判つ
た。この為、こういう欠陥のパターンはエピタキ
シヤル層を適用しなくても大体同じである。この
為、この発明の方法は、無線周波加熱装置内で高
温の熱処理のみを受ける単結晶基板の滑り線及び
転位の発生を完全に抑制する手段になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は無線周波誘導によつて加熱される化学
反応気相成長反応器の縦断面図、第２図はその上
で基板を加熱する従来の受容体の一部分の簡略垂
直断面図であり、第２ａ図では基板が受容体の上
に直接的に置かれており、第２ｂ図では受容体の
上側にある浅い凹部の中に置かれている。第３ａ
図及び第３ｂ図はこの発明に従つてエピタキシヤ
ルの結晶成長を行わせる１実施例の受容体の平面
図及び垂直断面図、第４図はこの発明による高温
エピタキシヤル沈積方法の際、第３図に示す受容
体の位置に取り付けられるパツド・ウエハ及び基
板のモデルの垂直断面図である。 主な符号の説明、１４……受容体、１５……凹
部、１７……基板、１８……凹み。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 無線周波加熱反応器内で半導体単結晶基板上
   に化学反応気相成長によつて成長させたエピタキ
   シヤル被膜内の滑り線及び転位の発生を、基板の
   部分に対する熱の流れを制御することによつて完
   全に抑制する方法に於て、板状の受容体１４の上
   面に上面開口の、平底を持つ基板収容用の円形凹
   部１５及び該円形凹部１５内にこれと同軸の平底
   を持つ小径の円形の凹み１８を成形し、上記円形
   凹部１５の深さをこれに収容する基板１７及び該
   基板と同一材料及び同サイズのパツド・ウエハ１
   ６の合計厚味と同じとし、上記円形の凹み１８を
   基板直径の1/2〜1/3の径サイズ及び0.1〜0.3ミリ
   深さの範囲内とし、上記円形凹部に収容したパツ
   ド・ウエハから基板の中心部分への熱伝達を少な
   くし、基板の半径方向の温度勾配及びその結果の
   熱応力を最小限に抑え、無線周波加熱反応器内で
   の単結晶基板上の滑り線及び転位のないエピタキ
   シヤル成長が行われる様にする工程を含む方法。