JPH0588537B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、例えば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）等
を生成する気相成長装置、酸化拡散炉その他の薄
膜成長方法及びその装置に係り、特に多数枚の基
板に均質な被膜が生成可能な薄膜生成方法及びそ
の装置に関する。

「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載置させた基板を
高温域（1100〜1200℃）に加熱維持させながら、
基板表面に反応ガスを流し、所定の気相成長を行
う装置（以下第１従来技術という）や、又周囲に
高周波誘導加熱体を囲設した円筒状の反応管内
に、軸線に沿つて多角形錐台状のサセプタを回転
可能に配置し、該サセプタの前記加熱体と対面す
る側面に夫々複数枚の基板を密着させて取り付け
た基板表面に反応ガスを流し、所定の気相成長を
行う装置（以下第２従来技術という）が存在す
る。

しかしながら第１従来技術においては、反応容
器軸線と直交する単一平面上に基板を配置する構
成を取る為に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サセプタ有効利用
面積が低下する問題も生じる。

又第２従来技術においても、多角形錐台の夫々
の面に基板を取り付ける構成を取る為に、基板を
大口径化すればするほどその有効利用面積が低下
するとともに、基板配列が複雑になる為に自動ハ
ンドリング操作が困難になる。

又前記いずれの従来技術も基板がその加熱体で
あるサセプタ上に密着して配置される為に、基板
装着／脱着の際に基板表面に何等かの搬送部材を
接触せねばならず、該接触により基板の汚染や歩
留まりの低下を引き起こし易い。

この為、例えば第６図に示す如く、外周部に抵
抗加熱体その他の加熱源１０１を配した円筒状反
応容器１０２内に、該容器１０２を軸線と一致す
る軸線を有する基板支持治具１０３を設け、該支
持治具１０３内に、容器１０２軸線とほぼ直交さ
せて多段状に平行に基板１０４を積層配置すると
ともに、容器１０２上端部に取り付けたノズル１
０５より容器１０２下端側のガス排気口１０６へ
向け、反応ガスを流しながら基板１０４上に所定
の気相成長を行うようにした装置が提案されてい
る。（特開昭60−152675号他、以下第３従来技術
という） かかる装置によれば円筒状容器１０２軸線とほぼ
直交させて多段状に、基板１０４を積層配置する
為に前記２つの従来技術に比較して基板処理枚数
が数段増大するとともに、大口径化に対応出来る
縦型薄膜生成装置を提供出来る。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながらかかる従来技術によれば反応容器
と同軸上に基板を積層配置する構成を取る為に、
基板収納枚数を多くすればする程、反応容器やそ
の周囲に囲撓する加熱源を縦長に配置しなければ
ならず、その分反応容器内の温度管理が困難にな
り、この結果上下に配設した基板相互間の反応ガ
ス温度の不均一化が生じ、基板相互間での均一且
つ均質な膜厚形成が困難になるという問題が生じ
る。

又前記従来技術においては反応容器上端より導
入されたガスを基板配設面と直角方向（軸線方
向）に流しながら反応容器下端側の排出口より排
出する構成を取る為に、上端側の基板の気相成長
により原料ガスが消費されたガス流が順次下方の
基板面に移動、言い換えればガス流が下方に移動
すればする程原料ガス濃度が薄くなり、基板相互
間の膜厚のバラツキが生じ易い。

又前記原料ガス濃度の低減に反比例して気相成
長により生じた副生成物の濃度が大きくなり、ガ
ス温度も上昇する為に、ガス流方向の不純物濃度
の差、言い換えれば低抗率のバラツキも生じ易
い。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、基板処
理枚数を著しく増大させるとともに、大口径化に
対応出来る縦型薄膜生成方法及びその装置を提供
する事を目的とする。

又、本発明の他の目的とする所は、基板相互間
と各基板毎の膜厚と膜質の均一化あるいは前記特
性の実現と低抗率のバラツキ等を解消し得る薄膜
生成方法及びその装置を提供する事にある。

更に本発明の他の目的とする所は装着／脱着の
際のハンドリング操作の容易化と該装着／脱着の
際において基板の汚染や歩留まりの低下を生じせ
しめる恐れのない薄膜生成方法及びその装置を提
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、例
えば加圧、常圧又は減圧下における熱CVD、プ
ラズマCVD、光CVD、Photo−CVD、
MOCVD、に適用される、いわゆる縦型構造の
薄膜生成装置において、 上下に縦列に積層配置した基板群を容器軸線周
囲の容器内空間上に複数組配置するとともに、前
記反応容器のほぼ中心軸上に沿つて反応ガスの導
入管と排出手段とをほぼ同心上に立設させたこと
を特徴とする薄膜生成装置を提案する。

尚反応ガスとは原料ガスやドーピングガスのみ
を指すのではなく、キヤリアガス中にこれらのガ
スが混入されたものをいう。

この場合前記上下に縦列に積層配置した基板群
は、カセツト化した基板支持治具に装着されてい
るのが一般的である。

「発明の効果」 本発明によれば 垂直方向に積層配置した基板群を、反応容器と
同軸上に配置する事なく、活性空間の中心部位よ
り半径方向に所定距離隔てた周囲空間上に前記基
板群を位置させる為に、前記第３従来技術と異な
り基板収納枚数を多くしても、活性空間を形成す
る反応容器（管）の長さが1/2〜1/4程度になり、
その分活性空間内の温度管理が容易になり、この
結果基板相互間の反応ガス温度の均一化が達成さ
れ、基板相互間での均一且つ均質な膜厚形成が容
易になる。

又前記技術手段によれば、前記活性空間の中心
部位と周縁部位間に夫々基板が空間軸線方向に平
行に位置する事となる為に、前記空間の周辺部位
から中心部位へ向け反応ガスを流す事により、少
なくとも単一の基板表面の反応域を通過した反応
ガスが、他の基板表面の反応域を通過する事なく
活性空間外に排出される、言い換えれば生ガスの
みが基板表面の反応域を通過させる事が出来る為
に、均一の原料ガス濃度での気相成長が可能であ
る為に、基板相互間の膜厚のバラツキが生じる恐
れがなく、而も気相成長により生じた副生成物が
他の基板に接触する事なく外部に排出される為
に、温度管理も容易になり、且つ、ガス流方向の
不純物濃度の差から起因する抵抗率のバラツキも
生ぜず、各基板毎での抵抗率分布や膜圧分布にお
いて均一性がよく欠陥のない均質な薄膜生成が容
易になり、この結果、基板の大口径化にも対応出
来るとともに、膜生成が一層困難なエピタキシヤ
ル膜の生成が容易になる。またこの結果を更にエ
ピタキシヤル膜の生成のみならず、基板の成分と
気相反応ガスとの化学反応による単結晶または非
単結晶薄膜を形成する場合にも、表面反応が律速
でない場合や表面律速であつても副生成物を生成
する場合には同様な効果が顕著に現れる。

又前記基板群は中心部位の周囲に同一配列方向
で配列されている為に、基板配列が簡単化し、而
も所定間隔存して平行に各基板が配設されている
為に装着／脱着動作が容易になり、この結果自動
ハンドリング操作が容易になるとともに、層流状
態で基板表面の反応域に反応ガスを通過させる事
が出来、各基板毎の膜質に均一化が一層向上す
る。

又本発明はカセツト化した基板支持治具を用い
る事により、該支持治具毎に基板を交換する事が
出来、一層効率的に装着／脱着が可能になるとと
もに、後記実施例にしめすように平板状の支持板
を介して基板を支持部材に装着する事により、基
板装置／脱着の際に基板表面に何等かの搬送部材
を接触させる必要がなく、基板の汚染や歩留まり
の低下を引き起す余地がない。

更に本発明の好ましい実施例においては、前記
支持部材上に積層配置した基板が僅かに容器外側
に傾斜させた配設した場合において支持部材にス
トツパーを設けることによつて、ウエハが反応中
一定の位置に保持される。またウエハが反応空間
で静置または公転（自転を含まず）されている場
合には、ウエハの傾斜を最高20°ぐらいまでに選
ぶことによつて反応ガスの流れをスムーズにする
ことが可能である。

更に発明においては反応ガスの導入管と排出手
段（管）が容器中心軸上に沿つて同心上に配設さ
れているために、言い換えれば容器内に導入され
る前の導入管内のガスが、容器内で加熱された後
排出ガスと熱接触し予熱する事が可能となるため
に、ガスの温度差から起因する抵抗率のバラツキ
も生ぜず、各基板毎での抵抗率分布や膜厚分布に
おいて均一性がよく欠陥のない均質な薄膜生成が
容易になる。

「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図は本第１及び第２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、前記内容器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５を配設支持する。

そして前記ガラス導入管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１３
ａを穿設してガス導入口１３を形成するととも
に、該導入管１３より反応室１Ａ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１Ａ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角を有
する鏡板状をなし、その周縁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、吸熱可能な高純度のグラフアイト（表面に
Sicコートすると良い）で形成する事により前記
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
る。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。

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を囲撓する。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、均熱性が
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内に反応ガ
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
する反応容器直経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
の複写熱がサセプタ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ガスをガスガス導入
管５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
囲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を加熱市、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ガス
導入管５より反応室１Ａ内に導入する。

そしてガスガス導入管５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送成長成長を行つた
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３１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
記ガイド導入口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
３１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
２０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。

第５図は第３発明の実施例に係る減圧CVD装
置を示し、前記実施例との差異を中心に説明する
に、本実施例は、シール手段７を介して外容器３
を戴置する基台４０と、該基台４０中心軸上に環
状シール４１を介して回転可能に軸支され、その
先端部に前記ガイド板９が連結された円筒管４２
と、該円筒管４２の途中位置に固設され、前記円
筒管４２の回転に追従して回転する内容器戴置台
４３と、前記円筒管４２より半径方向に所定距離
隔てた内容器戴置台４３上に、支軸４４を介して
回転可能に軸支された治具取付台４５とからな
る。

そして内容器戴置台４３上方に位置する円筒管
４２周面上には、前記第２実施例と同様に支持治
具５のウエハ積層間隔位置２２と対応する部位に
貫通孔３１が穿設されている。

又前記円筒管４２の基台４０下方位置にはモー
タ歯車４６と噛合する第１の歯車４７が同心状に
嵌着されており、又基台４０と内容器戴置台４３
間に狭まれる隔室内には、且つ円筒管４２を貫通
させる中心孔４９ａを介して円筒管４２軸線と同
心状に基台４０上に固設された第２の歯車４９を
有し、該第２の歯車４９は、内容器戴置台４３に
軸支された支軸４４下端に取り付けられた歯車４
８と噛合している。

前記円筒管４２内の軸線上には前述したガス導
入管５が挿設されており、該導入管５の先端部に
設けたガス導入口１３をガイド板９の中心に穿設
した穴５１よりその上方位置まで延設させるとと
もに、該ガス導入管５は前記円筒管４２の回転に
追従して回転する事なく図示しない支持手段によ
り所定位置に固定可能に支持させている。

かかる実施例によれば、前記モータ５０の回転
により、モータ歯車４６−第１の歯車４７−円筒
管４２を介して内容器戴置台４３と該戴置台４３
に戴置された内容器２が回転し、容器軸線を中心
として基板支持治具５の公転をなすとともに、該
基板支持治具５の回転に追従して、基台４０上に
固設された第２の歯車４９の周囲を同心状に支軸
４４が移動（公転）しながら、該第２の歯車４９
に噛合している歯車４８が従動回転し、これによ
り歯車４８−支軸４４−治具取付台４５を介し
て、基板支持治具５が前記公転に追従して自転す
る事となる。

一方、前記ガス導入管５は前記円筒管４２の回
転に追従して回転する事なく所定位置に固定され
ている為に、前記内容器２の回転によりガス流方
向が相対的に周方向に変化し、前述した本発明の
効果が円滑に達成される。

尚、本実施例においては、基板支持治具５に積
層支持される基板２０が自転する為に、前記実施
例にように該基板を僅かに容器中心部側に傾斜さ
せる必要はなく、略水平状態を維持すればよい。

第７図は第４発明の実施例に係る減圧CVD装
置を示し、前記第３発明の実施例との差異を中心
に説明するに、内容器戴置台５３は支持棒５６に
より基台４０上に固定されており、一方円筒間４
２は環状シール４１及び５３ａを介して軸線上に
挿通されており、基台４０と内容器戴置台５３に
狭まれる隔室内に中継歯車５９を連結し、該中継
歯車５９を治具取付台５５側の歯車４８と噛合さ
せている。

かかる構成によれば、円筒管４２の回転により
中継歯車５９が従動回転し、該中継歯車５９の回
転により歯車４８が夫々回転し、支軸４４を介し
て治具取付台５５、基板支持治具５が回転し、基
板群を夫々自転させる。尚、この際、内容器戴置
台５３は支持棒５６により基台４０上に固定され
ている為に公転せず、基板支持治具５を介した基
板群の自転のみが行われる。

以上記載した如く、前述したいずれの実施例に
おいても前述した夫々の発明の効果が円滑に達成
されるが、これらの実施例はかかる効果に加えて
下記のような効果を併せ有す。

即ち前記実施例はいずれも内容器２と外容器３
からなる二重容器で形成され且つシール手段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は薄肉の異形容器でも使用可能であり、この
効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2257内に侵入し易くウ
エハ２０面上を炉管中央に向かつておおよそ層流
状態で通過させる事が出来る。等の効果を上げる
事が出来る 更に前記いずれの実施例についても基板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
るという効果が発生する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第２図は本第１及び第２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図の中央
横断断面図である。第４図は前記実施例の変形例
を示す正面断面図である。第５図は第３発明の実
施例に係る減圧CVD装置を示す断面図である。
第７図は第４発明の実施例に係る減圧CVD装置
を示す断面図である。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６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を用いて複
   数の基板表面に薄膜を生成する薄膜生成装置にお
   いて、 上下に縦列に積層配置した基群を容器軸線周囲
   の容器内空間上に複数組配置するとともに、前記
   反応容器のほぼ中心軸上に沿つて反応ガスの導入
   管と排出手段とをほぼ同心上に立設させことを特
   徴とする薄膜生成装置。