JPH0587129B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、反応ガス相互の化学反応又は反応ガ
スと基板との化学反応により半導体ウエハその他
の基板上に酸化膜や絶縁膜、又基板と同一の結晶
方位を有する単結晶膜（エピタキシヤル膜）等を
生成する気相成長装置、酸化拡散炉その他の薄膜
成長装置に係り、特に垂直方向に軸線を有する反
応容器の上方位置に導入された反応ガスが、その
下方に位置する複数の基板表面を通過しながら基
板上に薄膜を生成するようにした薄膜生成装置に
関する。

「従来の技術」 従来より、周囲に高周波誘導加熱体を囲設した
ベルジヤ型の反応容器内に円板状のサセプタ板を
回転可能に配置し、前記誘導加熱体によりサセプ
タ板とともに該サセプタ上に密着戴置させた基板
を加熱させながら、基板表面に反応ガスを流し、
所定の気相成長を行う装置や、又円筒状の反応管
内に回転可能に支持された多角形錐台状のサセプ
タの各側面に夫々一又は複数個の基板を装着し、
反応管周囲に囲設された誘導加熱体によりサセプ
タ板とともに前記基板を加熱し、前記と同様に所
定の気相成長を行う装置も存在するが、前者は基
板配列面が平面的であり、又後者においても多面
体の外面にしか基板を装着出来ない為に、反応管
容積に比較して基板処理枚数が必然的に少なく、
而も基板の大口径化が進むにつれ有効処理枚数の
低下が一層進むという問題を有していた。

かかる欠点を解消する為、前記のように主とし
てサセプタを加熱する事により基板を加熱する方
式を取らず、反応管を熱壁として反応室内全体を
高温化し、該反応室内に多数枚の基板を横列状又
は縦列状に配設させて気相成長を図る装置が提案
されている。

第５図はかかる装置の一例を示し、反応室１０
１の下端側に形成された排気口１０２内に沿つて
容器１０３軸線方向に垂直に延設し、反応室１０
１上方位置まで達するガス導入管１０４の両側
に、容器短手方向に横列状に多数の基板１０６が
列設可能な一対の基板保持台１０５を左右に平衡
に配置するとともに、反応容器１０３の外側に囲
設された外容器１０７の外周及び反応容器１０３
下側に位置する基台１０８内に夫々発熱体１０９
を配設し、該発熱体１０９を介して前記反応容器
１０３内を高温度に維持しつつ、前記ガス導入管
１０４より反応室内に反応ガスを流し、該反応ガ
スを基板保持台１０５上に立設する多数の基板１
０６間を通過させながら該基板１０６表面に気相
成長を行わしめた後、容器１０３下端側に設けた
排気口１０２より外部に排出するものである（特
開昭60−70177号他）。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながらこの種ホツトウオール型装置にお
いては反応室を形成する容器壁自体が高温で加熱
されており、而も該容器は基板と同質材料である
シリコン又は石英等で形成されている為に、該反
応室内に導入された反応ガスが容器壁面でも化学
反応を生じせしめ、該反応ガスの生成物が容器内
壁面に付着し、該壁面に付着した生成物が炉壁材
との熱膨張率の違いにより容器壁から脱落し易
く、該生成物の脱落により生じたフレーク状の膜
片が基板表面に付着し、欠陥の原因になる。

特に前記従来技術のように、基板上方位置にガ
ス導入口を配し、該導入口より導入されたガスが
基板上方の容器上壁面に衝突しながら反応室内に
分散される構成を採用すると、基板上方位置であ
る容器内上壁部に最も前記生成物が付着し易く、
前記欠陥が一層促進されるという問題が生じる。

又前記のように単一のガス導入口より反応室内
にガスを分散させる構成では、ガスが乱流化し易
く、而も前記装置においては該導入口の直下に基
板が位置している為に、乱流化されたガスが直接
基板表面に流れ、均一な膜厚分布が得られないと
いう問題が生じる。

又前記従来技術は反応容器の外側に密閉された
外容器を配設し、反応室内が所定の反応温度に維
持されるよう構成されているが、前記反応ガスは
室温状態でガス導入管から反応炉本体内に供給さ
れる為に例えその導入途中で予備加熱されるにし
ても反応室内入口部での温度差が生じ易く、この
結果、前記従来技術のようにガス導入口の直下に
基板群が配置されている前記従来技術の構成では
基板表面の反応域において反応ガス温度の不均一
化が生じ、均一且つ均質な膜厚分布と抵抗分布が
得られないという問題が生じる。

従つて前記従来技術のように基板を多数枚列状
に配置させた反応室内の上方位置より反応ガスを
導入しながら気相成長を図る装置においては均一
且つ均質な膜厚分布や抵抗分布を得る事が困難で
ある為に、絶縁膜の生成を行う装置には適用可能
であるにしても、より薄膜で高精度の膜形成が必
要なエピタキシヤル膜の生成装置に適用する事が
技術上種々の困難さが生じていた。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、容器壁
から脱落した反応生成物が基板表面に付着するの
を防止し得る薄膜生成装置を提供する事を目的と
する。

又本発明の他の目的とする所は、例え反応ガス
導入口の直下に複数の基板を配設する構成を採用
したとしても層流化され且つ均一な温度の反応ガ
スが基板表面の反応域に流れるようにし、この結
果基板処理枚数を著しく増大させつつ均一且つ均
質な膜厚分布と抵抗分布が得られる薄膜生成装置
を提供する事にある。

「問題点を解決する為の手段」 本発明はかかる技術的課題を達成する為に、 反応容器内上方に位置する反応ガス導入口直
下で且つ基板配設空間の上方位置に、少なくと
も前記容器軸線とほぼ直交する面方向に張り出
されたガイド板を配した点、 前記導入口より容器内に導入された反応ガス
がガイド板に沿つて容器周縁側に分散された
後、前記複数の基板表面を通過するように容器
中心側又は／及び容器底側に反応ガス排出手段
を設けた点、 を必須構成要件とする薄膜生成装置を提案し、
特に好ましい実施例においては、前記ガイド板に
沿つて容器周縁側に分散された反応ガスが、容器
中心側に位置する排出手段により単一の基板表面
の反応域を通過後、外部に排出可能に構成するの
がよい。

尚、前記反応ガスは原料ガスやドーピングガス
のみを指すのではなく、キヤリアガス中のこれら
のガスが混入されたものを指す。

又、本発明はいわゆる縦形構造の薄膜生成装置
であれば、加圧、常圧又は減圧下における熱
CVD、プラズマCVD、光CVD、Photo−CVD、
MOCVDに加えて、基板上に酸化膜を形成する
酸化拡散炉等の、反応ガス相互の化学反応又は反
応ガスと基板との化学反応により半導体ウエハそ
の他の基板上に、絶縁膜、酸化膜、単結晶膜等を
生成するのいずれの装置にも適用可能であるが、
特に反応容器壁を熱壁として反応室全体を高温化
するとともに、該反応室内が減圧さされている、
いわゆるホツトウオール型減圧CVD装置に有効
である。

「発明の効果」 かかる技術手段によれば、反応ガス導入口とそ
の下方に位置する基板配設空間との間が、ガイド
板にて遮断されている為に、例え容器上壁面に付
着した生成物が容器壁材との熱膨張率の違いによ
り容器壁から脱落しても前記ガイド板に沿つて容
器周縁側に落下する為に、前記ガイド板直下に位
置する基板に前記生成物が付着する恐れを解消
し、基板表面に生成される薄膜の欠陥を防止出来
る。

又、前記ガス導入口より反応室内に導入された
ガスは、該導入当初において例え乱流化しても、
前記ガイド板と容器上壁間に沿つて容器周縁側に
導かれる間に層流化し、該層流化したガスが基板
表面の反応域を通過させる事が出来、而も前記反
応ガスの導入当初において反応室内温度との間で
温度差が生じている場合であつても前記ガイド板
と容器上壁間に沿つて容器周縁側に導かれる間に
加温されてガス温度の均一化が図られる事とな
る。

従つて、層流化され且つ均一なガス温度を有す
る反応ガスが前記反応域を通過する事となる為
に、均一且つ均質な膜厚分布と抵抗分布が得ら
れ、この結果より薄膜で高精度の膜形成が必要な
エピタキシヤル膜の生成装置への適用も容易であ
る。

尚、前記ガイド板をグラフアイトその他の熱吸
収体で形成する事により前記反応ガスが容器周縁
側に導かれる間に効率的に加温されて前記効果を
一層向上させる事が出来る。

又本発明によれば、容器中心側又は／及び容器
底側に反応ガス排出手段を設けた為に、前記ガイ
ド板に沿つて容器周縁側に分散された反応ガス
が、単一の基板表面の反応域を通過後、外部に排
出させる事が可能となり、全ての基板に未反応の
生ガスを通過させる事が出来、この結果により一
層均一且つ均質な膜形成が可能となる。

等の種々の著効を有し、更に本発明を酸化拡散
炉に適用した場合においては前記効果とともに、
従来の酸化拡散炉に比較して多量枚数の基板の酸
化拡散処理が可能であるとともに、而もこのよう
に多量枚数を処理してもスリツプラインやその他
の欠陥のない均一且つ均質な処理が可能である。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を
例示的に詳しく説明する。ただしこの実施例に記
載されている構成部品の寸法、材質、形状、その
相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、
この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではな
く、単なる説明例に過ぎない。

第１図乃至第３図は本発明の実施例に係るホツ
トウオール型の減圧CVD装置を示す。

本装置はガス導入管４を支持し、排気口６を有
する基台１と、該基台１上にシール手段７を介し
て戴設された内容器２と外容器３よりなる反応炉
と、前記内容気２に収容される基板支持治具５と
からなり、これらの部材はいずれも石英ガラス材
で形成されている。

基台１は、その上面に円筒台状の内容器取付台
１１を設けるとともに、該取付台１１の中心部を
貫通する如く、吸引ポンプ１２が連結された排気
口６を設け、該排気口６内に軸線上に沿つて内容
器２内の反応室上方位置にまで延設するガス導入
管４を配設支持する。

そして前記ガス導入管４の先端部を球状に膨出
させるとともにその周面上に多数の貫通孔１３ａ
を穿設してガス導入口１３を形成するとともに、
該導入口１３より反応室１４内に分散された反応
ガスが、内容器２内壁に沿つて放射状に反応室１
Ａ周縁側に導かれるよう構成する。

又前記ガス導入口１３直下には、鏡板状のガイ
ド板９が取り付けられている。

ガイド板９は、その下方に位置する基板支持治
具５配設空間とほぼ同一か僅かに大なる直径を有
する鏡板状をなし、その周端部を垂直下方に腕曲
させる事により、前記ガス導入口１３より反応室
１Ａ内に導入された反応ガスが、前記ガイド板９
に沿つて反応室１Ａ周縁側に分散された後、その
終端位置で内容器２内壁に沿つて反応ガスが垂直
下方に向け流れるように構成する。

尚、ガイド板９は石英ガラス材で形成してもよ
いが、吸熱可能な高純度グラフアイト（表面に
SiCコートすると良い）で形成する事により熱源
１０よりの輻射熱がガイド板９自体にも吸収さ
れ、反応室１Ａ内の均熱化がより一層達成され、
またこのガイド板９は反応室を汚染しないグラフ
アイト以外の断熱材を選ぶことも良い。又前記ガ
ス導入口１３より反応室１Ａ内に導入された反応
ガスが、導入当初にガス温度のバラツキを有して
いても速やかに反応室１Ａ温度まで加温させる事
が出来る。

一方前記取付台１１の内部には石英綿１４その
他の断熱材を封入し、反応室１Ａ内の熱が基台１
側に逃げないように構成している。

外容器３は、赤外線の吸収を低く抑えた透明石
英ガラス材を用いて円筒ドーム状に形成され、基
端側より所定間隔離隔させた外周囲に赤外線ラン
プその他の輻射熱源１０を囲繞する。尚、前記外
容器３は赤外線の吸収を低く抑えた透明石英ガラ
ス材のみに限定されるものではなく、気泡を含ん
だ半透明石英ガラス材も用いる事が出来、これに
より外容器３透過後の赤外線が散乱し、均熱生が
一層向上する。

又前記外容器３の基端側は基台１上に取り付け
られたリング状耐圧シール手段７により密封封止
されている。

内容器２も赤外線吸収性のよい石英ガラス材又
はシリコン材等を用いて、外容器３に対し相似形
に縮小された円筒ドーム状に形成するとともに、
その基端側を隔室と通気可能にして塵埃等が侵入
不可能な程度に取付台１１上に密着戴置させる。
尚、前記内容器２も外容器３と同様に気密的にシ
ールして、内容器２と外容器３間に囲まれる隔室
２Ａ内にパージガスが、又反応室１Ａに反応ガス
が流れるように構成してもよい。

基板支持治具５は第３図に示す如く、所定間隔
存して上下に水平に配置された底板１５と天板１
６間に３本の棒状キール部材１８を直立して固設
し、該キール部材１８の内周面側に多数の支持溝
１９を刻設して、円板状のサセプタ２１により支
持された半導体ウエハ２０が軸線とほぼ直交する
平面上に沿つて20〜数十枚積層して配置可能に構
成する。

前記支持治具５は、ハンドリング操作の容易化
を図る為に、キール部材１８を容器中央側に片寄
せて配置し、容器２周面側の側方位置より、ウエ
ハ２０を支持するサセプタ２１を装着／抜出可能
に構成するとともに、ウエハが反応中安定してそ
の位置が保持されるようわずかに傾斜させてあ
る。またウエハ保持具が自転しない場合には、ガ
スフローの全体バランスから反応容器軸線に直交
する反応容器直径上で中心方向または外側方向に
下方に最高20°程度傾斜させると反応ガスをスム
ーズに流すことができる。

そしてかかる支持治具５を排気口６を挟んでそ
の周囲空間上の反応室１Ａ内に２〜４台夫々対称
位置に戴置させる。

尚、前記ウエハ２０を支持するサセプタ２１は
石英ガラス材で形成してもよいが、吸熱可能なグ
ラフアイトで形成する事により前記熱源１０より
の輻射熱がサセプタ２１自体にも吸収され、ウエ
ハ２０の均熱化がより一層達成される。

次にかかる実施例の作用を説明する。

先ず、反応室１Ａ内をパージガスで置換し、次
いで前記反応室１Ａ内にH₂ガスをガス導入管４
より流しながら反応室１Ａ及び隔室２Ａ内を１〜
10torr前後の減圧下に置き、外容器３外周面に囲
設した輻射熱源１０により外容器３を介して内容
器２を加熱し、反応室１Ａ内を所定温度（1100〜
1200℃）まで加熱維持させた後、キヤリアガス
（H₂ガス）内に原料ガスとドーピングガスを所定
割合で混入した反応ガスを前記ガス導入管４より
反応室１Ａ内に導入する。

そしてガス導入管４先端に位置する前記ガス導
入口１３より反応室１Ａ内上方位置に導入された
反応ガスは、前記ガイド板９に沿つて反応室１Ａ
周縁側に分散され層流化されながら、その終端位
置で内容器２内壁に沿つて反応ガスが垂直下方に
向けカーテン状に流れ、そして該容器周縁部位と
対面するウエハ積層間隔位置２２より順次各ウエ
ハ２０表面の反応域に流れ込み、層流化され且つ
未反応の生ガスにより気相成長を行つた後、単一
のウエハ２０表面の反応域を通過した反応ガスが
他のウエハ２０表面の反応域を通過する事なく中
央空間より排気口６を通つて容器外に排出され
る。

かかる実施例によれば、反応ガスが筒状の内容
器２内壁面に沿つて垂直下方に向けカーテン状に
流れる為に、下方に位置するウエハ２０にも順次
未反応の生ガスが供給可能であるが、上方位置に
あるウエハ２０表面の反応域を通過し中央空間に
滞留した反応ガスの一部が下方に位置するウエハ
２０表面の反応域に再度入り込む場合がある。

第４図はかかる欠点を解消したもので、その構
成を前記実施例との差異を中心に説明する。

反応室１Ａ中央部位の排気口６延長線上には、
ガイド板９下面にまで達する円筒管３０が連接さ
れており、該円筒管３０の周面上の、支持治具５
のウエハ積層間隔位置２２と対応する部位に貫通
孔を穿設する。

又内容器取付台１１上の内容器周縁部位と対応
する位置には多数の小孔３３が円周方向に環状に
穿設されており、該小孔３３は取付台１１内部に
形成されたリング状空隙輪３４と連通させ、該空
隙輪３４は排出管３５を介して吸引ポンプ３６と
連結されている。

かかる実施例によれば、例えば前記排気口６よ
りの吸引力と、小孔３３と連通する排出管３５よ
りの吸引力を、所定割合に配分する事により、前
記ガス導入口１３より反応室１Ａ内上方位置に導
入され、ガイド板９に沿つて反応室１Ａ周縁側に
分散された反応ガスが小孔３３の吸引力により内
容器２内壁に沿つて確実にカーテン状に流れ、下
方に位置するウエハ積層間隔位置２２内にも確実
に、層流化され且つ未反応の生ガスが流れ込むと
ともに、各ウエハ２０表面の反応域を通過した反
応ガスは円筒管３０の周面上に穿孔した貫通孔３
１より容器外に確実に排出され、ウエハ２０表面
で反応したガスの一部が下方に位置するウエハ２
０表面の反応域に再度入り込む恐れを確実に解消
し得る。

更に上方位置にあるウエハ２０表面の反応域を
通過し、中央空間に滞留したガスの一部がウエハ
支持台の間隙を通し、下方のウエハ表面に影響を
与えることを妨げるもう一つの手段として、排気
管を複数並列しあるいは同心円状配置の多重構造
としてその上端の排気孔をウエハ毎、または隣接
するウエハのグループ毎に設け、それぞれから一
定の排ガス流量で排気することも採用できる。

以上記載した如く、前述した２つの実施例によ
れば、前記した本発明の効果に加えて、シール手
段７が外容器３のみである為に、内容器２と外容
器３の内圧をほぼ同一に設定出来る為に、交換の
必要性のほとんどない外容器３さえ丈夫であれ
ば、内容器２は薄肉の異形管でも使用可能であ
り、この結果製造コストの低減とともに内容器２
の形状を自由に設定出来る為に、例えばガスを均
一にウエハ２０表面に流すのに都合のよい形状に
設定する事も可能である。

又ウエハ２０が内容器２の横断面に沿つておお
よそ配置されている為に、同一ウエハ２０内の均
熱性がよくスリツプライン等の欠陥が発生しにく
い。

而もウエハ２０はガス流れ方向に対し上向きに
数°の角度をもつて平行に配置されている為に、
ガスはウエハ積層間隔位置２２内に侵入し易くウ
エハ２０面上を炉管中央に向かつて層流状態で通
過させる事が出来る。

尚、前記実施例においては、基板２０の表面
（薄層の成長される側）が上側となるよう配置さ
れているが、これを逆に下側になるよう配置する
ことも可能である。この場合には、基板の周辺で
できるだけ少ない接触部で保持したり、また背面
に薄膜の成長がないよう適当なカバーが必要とな
るが、しばしばウエハー表面が上側に配置されて
いる場合に多発する突起状の結晶欠陥の原因とな
る反応ガスまたは反応ガスの稀釈ガスによるウエ
ーハ表面上への微粒子の搬入着地が妨げられると
いう効果を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第２図は本発明の実施例に係るホツ
トウオール型の減圧CVD装置を示し、第１図は
正面断面図、第２図は第１図の横断面図である。
第４図は本発明の他の実施例を示す正面断面図で
ある。第３図はこれらの実施例に使用される基板
支持治具を示す概略斜視図である。第５図は従来
技術を示す正面断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 垂直方向に軸線を有する反応容器の上方位置
   に導入された反応ガスが、その下方に位置する複
   数の基板表面を通過しながら、反応ガス相互の化
   学反応又は反応ガスと基板との化学反応により該
   基板上に薄膜を生成するようにした薄膜生成装置
   において、 反応容器内上方に位置する反応ガス導入口直下
   で且つ基板配設空間の上方位置に、少なくとも前
   記容器軸線とほぼ直交する面方向に張り出された
   ガイド板を配すると共に、 少なくとも容器中心側に反応ガス排出手段を設
   け、前記導入口より容器内に導入された反応ガス
   がガイド板に沿つて容器周縁側に分散された後、
   前記複数の基板表面を通過するように構成した事
   を特徴とする薄膜生成装置 ２ 容器中心側に位置する排出手段を設け、前記
   ガイド板に沿つて容器周縁側に分散された反応ガ
   スが、前記排出手段により単一の基板表面の反応
   域を通過後、外部に排出するように構成した特許
   請求の範囲第１項記載の薄膜生成装置 ３ 前記ガイド板をグラフアイトその他の熱吸収
   体で形成した特許請求の範囲第１項記載の薄膜生
   成装置 ４ 前記薄膜生成装置が、基板表面に単結晶膜や
   非単結晶膜を生成する気相成長装置である特許請
   求の範囲第１項記載の薄膜生成装置 ５ 前記薄膜生成装置が、熱酸化反応により基板
   表面に酸化膜を生成する酸化拡散炉である特許請
   求の範囲第１項記載の薄膜生成装置。