JPH08250429A - 半導体の気相成長方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エピタキシャル成長層の膜厚均一性が良好で
再現性が高く、一度に多数のエピタキシャルウエハを製
造できる半導体の気相成長装置を提供する。 【構成】 炉(ベルジャー)７内で回転し上面に並べたウ
エハ２を加熱する円盤状加熱台１と、加熱台１中心位置
に突出し原料ガスを加熱台１上面に沿って放射状に供給
する非回転のガス供給管３とを備え、ウエハ２上にSiの
エピタキシャル層を形成するパン・ケーキ型エピタキシ
ャル成長装置であって、ガス供給管３内に原料ガスを２
系統に配分する流量分割器５を設け、ガス供給管の突出
する部位に２系統からの原料ガスをそれぞれの系統毎に
別個に４方向に噴出する噴出孔４ａ，４ｂを上下２領域
に分け、かつ噴出孔４ａ，４ｂを４５°回転シフトして
形成し、かつ流量分割器３は上領域の噴出孔４ａへの流
量を下領域の噴出孔４ｂより多くかつ噴出ガスの流速を
速くするように形成した二つの流路を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の気相成長方法
及び装置に係り、特にシリコンのエピタキシャル成長方
法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン(Si)の単結晶基板(ウエハ)の上
に基板と同じ方位をもつSi単結晶薄膜を気相化学反応で
形成するSiエピタキシャル(epitaxial)成長技術は、半
導体工業における主要なプロセス技術の一つであり、こ
の技術で形成されるエピタキシャルウエハはLSI、撮像
素子などの集積回路素子をはじめとして、トランジス
タ、ダイオード、サイリスタなどの個別半導体素子等の
製造にも広く適用される。

【０００３】従来、エピタキシャル成長は図５、図６の
断面概略図に示すような、いわゆるパン・ケーキ型やバ
レル型とよばれるエピタキシャル成長炉を用い行なわれ
ている。図５のパン・ケーキ型エピタキシャル炉は回転
する円盤状の加熱台(サセプタ)１にウエハ２を平面的に
並べて加熱し、サセプタ１中心に設けられたガス供給管
３から、エピタキシャル層の原料となるＳｉ化合物ガス
とエピタキシャル層の抵抗率を決めるドーピングガスが
キャリアガスの水素中に一定濃度混入された原料ガスを
放射状に供給し、エピタキシャル成長する方式である。

【０００４】また、図６のバレル型エピタキシャル炉は
立体的な角錐台状の加熱台(サセプタ、図の例は６角錐
台状)１の各斜面上にウエハ２を平面的に並べ加熱し、
これを回転しながらサセプタ１の上方から下方へ原料ガ
スを供給しエピタキシャル成長する方式である。

【０００５】近年、大型化するウエハ径(６インチ以上)
への対応や、ウエハ・チャージ数の増大による生産性の
向上を目的とし、いずれの方式のエピタキシャル炉にお
いても装置を改善し、大型化したサセプタを用いたエピ
タキシャル成長が実施されている。

【０００６】しかしながら、大型サセプタによるエピタ
キシャル成長はサセプタ表面の全ての領域に対する原料
ガスの均一供給が困難となり、回転によってこの不均一
を補償してもサセプタ全領域にチャージしたウエハのエ
ピタキシャル層膜厚を均一にすることは非常に困難であ
る。結局、サセプタを大型化して大口径ウエハのチャー
ジは実現されても、そのチャージ領域はエピタキシャル
層膜厚の均一性が確保されるサセプタの一部の領域に限
られ、チャージ数を増大し生産性を向上するもう一つの
目的は達成されていない。

【０００７】前述した大型サセプタを使用する場合の問
題点を解消する方策の一つとして、特開昭５７−１２２
５１３号公報に記載された技術がある。この方法は大型
サセプタを用いるパン・ケーキ型エピタキシャル炉の膜
厚均一性を向上するため、サセプタ中心に設けられた石
英ガラス製のガス供給管から主原料ガスを放射状に供給
する従来方法の他に、Si化合物ガスの濃度や供給ガスの
流速が主原料ガスとは異なる補充ガスを、別に設けた補
充ガス導入管を用い、サセプタの特定領域に補助的に供
給する方法である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例は、供給す
る補充ガス中のＳi化合物ガスの濃度、補充ガスの流
速、補充ガス導入管端部のノズル位置の制御精度などが
膜厚の均一性に直接影響を及ぼし、制御する因子が増
え、均一化の再現性に難点がある。特に、Ｓi化合物ガ
ス濃度の異なる補充ガスの供給はその供給ガス配管経路
を複雑化する。さらに、補充ガスの局所的な供給はウエ
ハ表面の局所的な領域のエピタキシャル層の抵抗率に強
く影響を及ぼす。この問題を防ぐためドーピングガスの
供給法も複雑化する。さらに、補充ガスの導入管の設置
やＳi化合物ガス濃度の制御装置の増設など装置の構成
が複雑となる難点もある。

【０００９】さらに、上記従来例は設置する補充ガス導
入管端部のノズル(噴出口)がサセプタの熱輻射を受け高
温となり、Ｓiの析出が生じ易く、このＳiが剥離、落下
しエピタキシャル層に結晶欠陥が発生するという問題が
ある。

【００１０】本発明は、前述した問題点を解消し、エピ
タキシャル成長層の膜厚均一性が良好で、かつ、その再
現性が高く、さらに、一度に多数のエピタキシャルウエ
ハを形成できる半導体の気相成長方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体の気相成長方法は、炉内で回転する
円盤状の加熱台上にウエハを平面的に並べて加熱し、加
熱台の中心位置からこの加熱台上に原料ガスを放射状に
供給してシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成する方
法であって、原料ガスを加熱台上に上下に複数段に分け
て供給し、かつ上段のガス流速を下段のそれより速くす
ることを特徴とする。

【００１２】そして、複数段は２段とし、上下各段のガ
スは略９０°間隔で四方に噴出させ、かつ各段のガス流
れの方向は互いに略４５°シフトさせて、原料ガスを供
給することが好ましい。

【００１３】また、上記目的を達成するために、本発明
の半導体の気相成長装置は、炉内で回転し、上面に平面
的に並べたウエハを加熱する円盤状の加熱台と、加熱台
中心位置に突出して非回転で設けられ、原料ガスを加熱
台上面に沿って放射状に供給するガス供給管とを備え
て、ウエハ上にシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成
するパン・ケーキ型エピタキシャル成長装置であって、
ガス供給管内に原料ガスを複数系統に分割、配分する流
量分割器を設け、またガス供給管の突出する部位に複数
系統からの原料ガスをそれぞれの系統毎に別個に噴出す
る噴出孔を上下複数領域に分けて形成し、かつ流量分割
器は上領域の噴出孔への流量を下領域にある噴出孔のそ
れより多くかつ噴出ガスの流速を速くするように形成し
た複数流路を有することを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体の気相成長装置では、ガス
供給管の上下複数領域は２領域とし、そして上下２領域
に設けた噴出孔は、それぞれ等角度間隔で、かつ互いに
該角度の１／２だけシフトして配置することが好まし
く、さらに上下２領域に設けた噴出孔はそれぞれ略９０
°間隔で４方向に向け、かつ互いに略４５°シフトして
配置するのが好ましい。ところで、流量分割器に設ける
複数流路の断面比は、ガス供給管の上領域の噴出孔を有
する実験用ガス供給管と、ガス供給管の下領域の噴出孔
を有する別の実験用ガス供給管を別々に用いて、炉内で
ウエハ上にシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成する
各実験から得たデータを基に求める。

【００１５】

【作用】上記構成の本発明半導体の気相成長装置におい
ては、ガス供給管の上部に設けた噴出孔から噴出する原
料ガスは、加熱台表面から遠く離れて流れかつ流速が速
いので、加熱台の外周部に達して主として外周部でのエ
ピタキシャル層の形成に寄与し、またガス供給管より下
部に設けた噴出孔から噴出する原料ガスは加熱台表面か
ら近くでかつ流速はより遅いので、主として加熱台の中
心寄りでエピタキシャル層の成長に寄与することにな
る。したがってガス供給管から上下方向に複数段で流れ
る原料ガスによるエピタキシャル層の成長を組み合わせ
ることにより、加熱台の中心寄りから外周部に至る全域
でエピタキシャル層を均一に形成することが可能とな
り、また加熱台上でエピタキシャル層を均一に形成でき
る領域を拡大することができる。

【００１６】ところで、上下に分割して流す原料ガスそ
れぞれの流量、噴出速度の条件は上記手段の項で述べた
ように実験をして決める点、また装置を単純な構造にす
る点を考慮して、ガス供給管から上下２段流とし、それ
ぞれが略９０°間隔で４方向に噴出する構造が好まし
い。さらに上段でのガス流の４方向と下段でのガス流の
４方向を互いに略４５°シフトすることにより、上段の
ガス流と下段のガス流との干渉がなくなり、上記条件の
決定をより容易にすることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳
細に説明する。図１は本発明の一実施例の半導体の気相
装置、すなわちパン・ケーキ型エピタキシャル炉の構成
を説明する図である。

【００１８】図１に示すように、本実施例のパン・ケー
キ型エピタキシャル炉は、概してベルジャー７内にそれ
ぞれ設置された、回転する円盤状の加熱台(サセプタ)１
と、加熱台(サセプタ)１の中心部に突出し、ガスをサセ
プタ上面に沿うように上下２段に分けて噴出するガス供
給管３と、ガス供給管３突出部の上下２段の領域にそれ
ぞれ原料ガスを分けて送給する流量分割器５とから構成
されている。

【００１９】円盤状のサセプタ１は、中心部下面に中空
の回転軸９を取り付けられ、下面全面にわたって加熱コ
イル８を設置され、そして上面にはウエハ２が適宜平面
的に並べて載置される。ガス供給管３は、回転軸９の中
空部を通ってサセプタ１上面に突出して固定されてお
り、該突出部には上下２段の領域にそれぞれ放射状にガ
スを噴出する孔４ａ，４ｂを形成し、そして上端に蓋を
有している。流量分割器５はガス供給管３内に設けられ
該ガス供給管の上下２段の領域それぞれに所定流量比で
原料ガスを供給するガス系統６ａ，６ｂを設けている。
ベルジャー７は加熱台１、ガス供給管３を内包してお
り、底部には排気口１０を設けている。

【００２０】ウエハ２のエピタキシャル層を成長させる
原料ガスは、Ｓｉ化合物ガスとエピタキシャル層の抵抗
率を決めるドーピングガスとをキャリアガスの水素中に
一定濃度混入したガスである。この原料ガスは流量分割
器５により２系統６ａ，６ｂに分割、配分され、そのう
ちの一系統６ａはガス供給管３の上部に設けられた噴出
孔４ａ群より放射状に噴出し、別の一系統６ｂはガス供
給管の下部に設けられた噴出孔４ｂ群より噴出する。

【００２１】流量分割器５を内蔵するガス供給管３の構
造を図２に示す。本実施例の流量分割器５は、２系統の
流路の断面積比を変える単純な方法で各流路の原料ガス
流量を配分する。２系統の流路断面積比の最適値は以下
のようにして決めた。まず、それぞれの系統６ａ，６ｂ
の噴出孔群と等価な噴出孔群の一方のみ独立に備えた試
験用のガス供給管を用いて実験し、それぞれの系統の原
料ガス流量と、サセプタ１半径方向の膜厚分布の関係を
事前に調べる。独立のガス流による成長を重ね合わせた
場合にサセプタ１全体で膜厚が均一となるガス流量の組
合せを求め、このガス流量を得られるように流量分割器
５の流路断面積を決定する。

【００２２】この場合、ガス供給管３が石英ガラス製で
あるため噴出孔等の加工が困難であることや、必要以上
に系統を多くすると最適流量条件の決定が複雑となるこ
と、またサセプタ１の回転によりサセプタ１全領域の膜
厚均一化を図ることから、実用上、原料ガス流の分岐は
２系統でよく、多くとも３系統である。

【００２３】図３は、流量分割器５からサセプタ１上面
へのガス供給状態を平面的に見た略図である。流量分割
器５の系統６ａを経てガス供給管３の上部の噴出孔４ａ
群より噴出するガス流（長い矢印で図示）は９０°間隔
で四方に供給され、また流量分割器５の系統６ｂを経て
ガス供給管３の下部の噴出孔４ｂ群より噴出するガス流
（短い矢印で図示）は９０°間隔で四方に、かつ噴出孔
４ａ群から噴出するガス流と４５°シフトした方向に供
給され、これら二系統のガス流が平面的に見ると４５度
の間隔で交互に供給される。これにより、二つの系統の
ガス流は水平断面において互いに干渉することなく、そ
れぞれのガス流によるエピタキシャル成長がほぼ独立に
行われる。この結果、ガス供給管３の上部に設けられた
噴出孔４ａ群より噴出する流速の速いガス流により主と
してサセプタ１外周部の同心円状領域のエピタキシャル
層が形成され、同供給管３の下部に設けられた噴出孔群
より噴出する流速の遅いガス流により主としてサセプタ
１内周部の同心円状領域のエピタキシャル層が形成され
る。

【００２４】同様に各系統の原料ガス流の噴出方向をそ
れぞれ８方向としても、膜厚分布の均一化が可能であ
る。ただしこの場合には、２つの系統の原料ガス流の噴
出方向が水平面上で２２.５度と接近して相互干渉が生
じ、得られる膜厚分布は、それぞれの系統の原料ガス流
を独立に供給した場合の分布の足し合わせとは異なるた
め、最適流量条件の決定が複雑となる。したがって、各
系統のガス噴出方向は８方向以下とする必要がある。

【００２５】以上に説明した装置により、最適化された
二つの異なる系統のガス流をサセプタ１中心に設けた流
量分割器５を有するガス供給管３から供給し、エピタキ
シャル成長することで、図４のサセプタ半径方向におけ
る膜厚分布の説明図に示すように、ガス供給管の上部に
設けられた噴出孔４ａ群より噴出する流速の速いガス流
はサセプタ表面から遠いこと、噴出後ガス温度が低いこ
となどから成長は主としてサセプタ１外周部で起こり、
その結果分布Ａが形成される。また、ガス供給管の下部
に設けられた噴出孔群４ｂより噴出する流速の遅いガス
流では、温度上昇も大きく、サセプタ表面に近いことか
ら分布Ｂが形成される。両者が重ね合わされてＡ＋Ｂの
分布が形成され、パン・ケーキ型エピタキシャル炉のサ
セプタ１の全領域の膜厚を均一にすることができる。

【００２６】次に、成長方法の実施例について説明す
る。直径９８０mmのサセプタ１上に直径２００mmのSiウ
エハを半径１９０mmの同心円上に４枚、半径３８０mmの
同心円上に９枚並べて計１３枚チャージする。反応炉
（ベルジャー７内）に水素キャリアガスを１００ l/min
供給し、サセプタ１を回転しながら昇温しウエハ２を１
０００℃まで加熱する。サセプタ１中心の流量分割器５
を有するガス供給管３より水素キャリアガス中にＳi化
合物ガスとしてのジクロルシラン(ＳiＨ₂Ｃl₂)１.０%、
及びエピタキシャル層を一定の抵抗率にするためのドー
ピングガスを一定濃度含む原料ガスを供給し、エピタキ
シャル成長を開始する。この場合、サセプタ１中心の流
量分割器５を有するガス供給管３には図２に示すように
上部に直径２mmの孔、１２孔からなる噴出孔４ａ群が、
下部に直径２mmの孔、１０孔からなる噴出孔群４ｂがそ
れぞれ設けられ、これらの噴出孔群から流量分割器によ
り２系統に分割、配分された原料ガスがそれぞれ供給さ
れる。原料ガスの総流量を１０１ l/minに一定とし、流
量分割器５の２つの系統の流路断面積比を上部噴出孔４
ａ群に至る系統の４に対して下部噴出孔群４ｂに至る系
統６ｂを１とする。この断面積比４：１は、流量分割器
５を有するガス供給管３の上部、下部それぞれの噴出孔
群４ａ，４ｂと同じ噴出孔群構造を有するガス供給管を
用いて、重ね合わせた場合にサセプタ１半径方向で均一
な膜厚分布が得られる原料ガス流量比を予め実験的に求
めて決定する。所望の厚みが得られる時間Si化合物ガス
とドーピングガスを含む原料ガスを供給し、エピタキシ
ャル成長をした後Si原料ガスとドーピングガスの供給を
とめ、水素キャリアガスのみを供給しながらウエハ２を
降温する。ウエハを冷却した後、水素キャリアガスを窒
素ガスに置き換え、ウエハ２を反応炉(ベルジャ７)より
取り出す。

【００２７】以上の実施例により、直径９８０mmのサセ
プタ１にチャージした１３枚の直径２００mmウエハに膜
厚バラツキを±３%以下のエピタキシャル層を形成する
ことができた。また、得られたエピタキシャルウエハは
結晶欠陥のない良質なエピタキシャルウエハであった。

【００２８】このように本実施例により、直径９８０ｍ
ｍのサセプタを使用するパン・ケーキ方式エピタキシャ
ル炉のエピタキシャルウエハ生産能力を９枚から１３枚
に増大することができ、生産効率を４４％向上できた。
また、エピタキシャルウエハにおける結晶欠陥発生の不
良率を、従来法の１０％から３％以下まで低減できた。
以上の本発明の実施例では原料ガスをサセプタ表面に
ほぼ水平に供給する場合について説明したが、サセプタ
表面に水平以外（例えば表面に傾斜角度をもって）原料
ガスを供給するパン・ケ−キ型成長方法及び装置にも適
用可能である。

【００２９】さらにまた、本発明の実施例はＳiのエピ
タキシャル成長を例に説明したが、パン・ケーキ型成長
炉を用いガス状原料を供給しながら気相反応で薄膜を形
成する他の気相成長方法及び装置にも適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、半導体の気相成長方法
および装置を、炉内で回転する加熱台上にウエハを並べ
て加熱し、加熱台の中心位置から上面に原料ガスを放射
状に供給してSiのエピタキシャル層を形成するために、
原料ガスを加熱台上に上下に複数段に分けて供給し、か
つ上段のガス流速を下段のそれより速くするものとする
ので、上段の原料ガスは主として加熱台の外周部でのエ
ピタキシャル層の形成に寄与し、また下段の原料ガスは
主として加熱台の中心寄りでエピタキシャル層の成長に
寄与し、これらエピタキシャル層の成長を組み合わせる
ことにより、加熱台全域でエピタキシャル層を均一に形
成することでき、したがって、加熱台上に一度に多数の
ウエハ並べてエピタキシャル成長層の膜厚均一性が良好
なエピタキシャルウエハを、再現性よく形成することが
可能となる。

【００３１】またガス供給管は、このガス供給管からの
原料ガスを上下２段流とし、それぞれが９０°間隔で４
方向に噴出させ、さらに上下段のガス流の４方向を互い
に４５°シフトした構造とすれば、上下段のガス流の相
互干渉がなくなり、加熱台の回転と相俟ってエピタキシ
ャル成長の均一性が向上する。さらに原料ガスの分配条
件を決定する予備実験をより容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエピタキシャル成長装置の実施例
の構成を示す図である。

【図２】本発明に係るガス供給管構造の一例を示す図で
ある。

【図３】図２に示すガス供給管からの原料ガスの供給状
態を示す概略平面図である。

【図４】原料ガスの２段供給によるサセプタ半径方向の
膜厚分布を示す図である。

【図５】従来のエピタキシャル成長装置の構成を示す概
略断面図である。

【図６】従来の別のエピタキシャル成長装置の構成を示
す概略断面図である。

【符号の説明】

１ サセプタ ２ ウエハ ３ ガス供給管 ４ａ，４ｂ 噴出孔 ５ 流量分割器 ６ａ，６ｂ 原料ガス供給系統 ７ ベルジャー ８ 加熱コイル ９ 回転軸 １０ 排気口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内で回転する円盤状の加熱台上にウエ
   ハを平面的に並べて加熱し、前記加熱台の中心位置から
   該加熱台上に原料ガスを放射状に供給して前記ウエハ上
   にシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成する半導体の
   気相成長方法において、前記原料ガスを前記加熱台の中
   心位置から上下複数段に分けて送給し、かつ上段のガス
   流速を下段のそれより速くすることを特徴とする半導体
   の気相成長方法。
2. 【請求項２】 前記複数段は２段とし、上下各段のガス
   は略９０°間隔で四方に噴出し、かつ各段のガス流れの
   方向は互いに略４５°シフトすることを特徴とする請求
   項１記載の半導体の気相成長方法。
3. 【請求項３】 炉内で回転し、上面に平面的に並べたウ
   エハを加熱する円盤状の加熱台と、該加熱台中心位置に
   突出して非回転で設けられ、原料ガスを前記加熱台上面
   に沿って放射状に供給するガス供給管とを備え、前記ウ
   エハ上にシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成するパ
   ン・ケーキ型エピタキシャル成長装置としての半導体の
   気相成長装置において、前記ガス供給管内に前記原料ガ
   スを複数系統に分割、配分する流量分割器を設け、前記
   ガス供給管の突出する部位に前記複数系統からの原料ガ
   スをそれぞれの系統毎に別個に噴出する噴出孔を上下複
   数領域に分けて形成し、かつ前記流量分割器は上領域の
   噴出孔への流量を下領域にある噴出孔のそれより多くか
   つ噴出ガスの流速を速くするように形成した複数流路を
   有することを特徴とする半導体の気相成長装置。
4. 【請求項４】 前記ガス供給管の上下複数領域は２領域
   として、該上下２領域に設けた噴出孔はそれぞれ等角度
   間隔で、かつ互いに該角度の１／２だけシフトして配置
   したことを特徴とする請求項２記載の半導体の気相成長
   装置。
5. 【請求項５】 前記流量分割器に設ける複数流路の断面
   比は、前記ガス供給管の上領域の噴出孔を有する実験用
   ガス供給管と前記ガス供給管の下領域の噴出孔を有する
   別の実験用ガス供給管を別々に用いて、前記炉内でウエ
   ハ上にシリコン(Si)のエピタキシャル層を形成する各実
   験から得たデータを基に求めることを特徴とする請求項
   ３記載の半導体の気相成長装置。
6. 【請求項６】 前記ガス供給管の上下複数領域は２領域
   として、該上下２領域に設けた噴出孔はそれぞれ略９０
   °間隔で、かつ互いに略４５°シフトして配置したこと
   を特徴とする請求項４または５に記載の半導体の気相成
   長装置。