JPH08250430A - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 調整段階において勘や経験に頼ることなく、
均一な膜厚分布を有する単結晶薄膜の製造を容易に達成
することができる方法を提供する。 【構成】 単結晶薄膜１３を製造する前の調整段階で、
自転可能な保持具１４を自転させないで気相成長し、単
結晶薄膜１３の成長速度が原料ガス１９の供給方向と平
行な軸として保持具１４上に仮想される中心軸に対して
左右非対称になるように調整を行って成長条件を求めた
後に該成長条件に基づいて単結晶薄膜１３を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶薄膜の製造方法
に関し、さらに詳しくは、均一な厚さを有する単結晶薄
膜を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水平型気相成長装置内に水平に載置され
た半導体単結晶基板に対して原料ガスを水平方向から供
給して単結晶薄膜を気相成長させる際に、前記半導体単
結晶基板が回転しない場合には、原料ガスの上流側で単
結晶薄膜が厚くなることはよく知られている。そこで、
前記半導体単結晶基板を回転させることにより原料ガス
の上流側と下流側における単結晶薄膜の膜厚分布を平均
化している。

【０００３】通常は、単結晶薄膜の製造を開始する前
に、原料ガスおよびドーパントガスの濃度や流速などの
設定を決定するために、該原料ガスおよびドーパントガ
スの濃度や流速などの設定を変更しながら単結晶薄膜の
テスト成長を行い、該単結晶薄膜の厚さと抵抗率が所望
の値になるまで調整を繰り返す。以下、前記テスト成長
を行う段階を調整段階という。

【０００４】前記調整段階では、製品製造時と同様、図
１及び図２に示すように、気相成長装置１０の反応容器
１７内で自転している保持具１４上に載置され加熱手段
１５により所望の温度に加熱された半導体単結晶基板１
２に対して、原料ガス１９を導入口１６から供給して、
半導体単結晶基板１２上に単結晶薄膜１３を気相成長さ
せる。そして、単結晶薄膜１３の厚さと抵抗率を所望の
値にするための調整のみならず、それらの分布が管理基
準の範囲内に入るようにするための調整も行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、電子デバイス工
程の微細化および半導体単結晶基板の大口径化に伴い、
単結晶薄膜の膜厚分布を小さくすることが要求され、単
結晶薄膜の膜厚ばらつきを式（１）で定義すると、最近
では１％以下であることが要求され始めた。 （最大厚さ−最小厚さ）／（最大厚さ＋最小厚さ）×１００ （％） （１） ところが、膜厚分布を調整する際には、調整段階におい
て相変わらず勘や経験に基づいて試行錯誤により原料ガ
スの濃度や流速などの設定を変更していたので、多大な
調整時間とテスト費用が必要であった。

【０００６】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、調整段階において勘や経験に頼ることな
く、容易に均一な膜厚分布を達成できる単結晶薄膜の製
造方法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶薄膜の製
造方法は、反応容器内で自転する保持具上に載置された
半導体単結晶基板に対して原料ガスを供給して該半導体
単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させる単結晶薄膜
の製造方法において、前記単結晶薄膜を製造する前の調
整段階で、前記保持具を自転させないで前記半導体単結
晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させて成長条件を求め
た後に該成長条件に基づいて前記単結晶薄膜を製造する
ものである。

【０００８】前記調整段階では、単結晶薄膜の成長速度
が原料ガスの供給方向と平行な軸として前記保持具上に
仮想される中心軸に対して左右非対称になるように調整
することが好ましい。また、前記単結晶薄膜の成長速度
は、前記中心軸に対して左右両端に位置する半導体結晶
基板上の２点を比較すると、一方の成長速度が他方の
１．３ないし１．８倍であることが好ましい。

【０００９】

【作用】本発明によると、単結晶薄膜を製造する前の調
整段階で、保持具を自転させないで静止した半導体単結
晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させるので、その気相
成長の条件が平均化されずにそのまま単結晶薄膜の膜厚
分布に反映され、次回の調整で設定の変更が必要なとこ
ろが容易に把握できる。

【００１０】従来、温度分布と原料ガスの供給量を該原
料ガスの供給方向に直交する方向で均一にすることによ
り、単結晶薄膜の膜厚分布を均一にしようとする試みが
なされていた。しかし、図１および図２に示す気相成長
装置１０を使用し、半導体単結晶基板１２を静止させた
ままで単結晶薄膜１３の気相成長を行い、原料ガス１９
の供給方向に仮想される中心軸Ａに直交する方向すなわ
ち反応容器１７の幅方向における成長速度の分布を調査
した結果、図３に示すように、成長速度は半導体単結晶
基板１２の周辺部すなわち反応容器１７の側壁に近づく
ほど大きくなることがわかった。なお、成長速度分布が
図３の際に、半導体単結晶基板１２を回転させて得られ
た膜厚分布は、上式（１）に従って計算すると２．６％
であった。

【００１１】ところで、回転軸１１に対して点対称な保
持具１４を自転させながら気相成長する場合、該保持具
１４上に載置された半導体単結晶基板１２上に成長する
単結晶薄膜１３の厚さは、前記半導体単結晶基板１２が
回転する際に辿った径路におけるその時々の成長速度を
時間で加算或いは積分したものである。ここで、半導体
単結晶基板１２の回転とは、自転している保持具１４上
に載置された半導体単結晶基板１２が前記保持具１４と
ともに回ることであり、枚葉式成長装置においては保持
具１４の回転軸１１と同軸で自転することを意味し、バ
ッチ式成長装置による多数枚成長においては保持具１４
の回転軸１１と同軸で公転することを意味する。

【００１２】つまり、加熱手段１５による温度分布と原
料ガス１９の供給量とを前記中心軸Ａに直交する方向で
均一にして半導体単結晶基板１２を回転させながら気相
成長を行うと、前記保持具１４の外周側における膜厚は
中心側よりも必然的に厚くなり、単結晶薄膜１３の膜厚
分布を均一にすることはできない。

【００１３】そこで、前記調整段階において加熱手段１
５による温度分布や原料ガス１９の供給量を調整し、半
導体単結晶基板１２を静止させたままで成長した単結晶
薄膜１３の成長速度が、保持具１４上で前記原料ガス１
９の供給方向に仮想される中心軸Ａに対して左右非対称
になるように調整する。

【００１４】この条件で半導体単結晶基板１２を回転さ
せながら単結晶薄膜１３を成長すると、半導体単結晶基
板１２上の各点が成長速度の大きなところと小さなとこ
ろを繰り返し経由するので、成長速度の大小を埋め合わ
せながら単結晶薄膜１３の成長が進行する。その結果、
半導体単結晶基板１２の中心から外周部にいたるまで極
めて均一な膜厚分布を得ることができるのである。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係る単結晶薄膜の製造方法
の実施例を図１ないし図７に基づいて説明する。

【００１６】（実施例１）図１および図２は、それぞれ
本発明の実施例１に係る単結晶薄膜の製造方法を実施す
るために使用する水平型気相成長装置の説明断面図およ
び説明平面図である。前記水平型気相成長装置１０は、
原料ガス１９の導入口１６と排気口１８とを備え水平に
設置された透明な石英ガラス製の反応容器１７と、該反
応容器１７の周りに配置され半導体単結晶基板１２を加
熱する加熱手段１５と、該加熱手段１５と前記反応容器
１７の外壁を冷却する図示しない冷却手段と、前記半導
体単結晶基板１２の保持具１４とを有する枚葉式のもの
である。

【００１７】前記保持具１４は、炭化珪素で被覆された
グラファイト製であり、回転駆動部の回転軸１１に対し
て軸対称に配置され、前記反応容器１７内に挿入された
半導体単結晶基板１２（例えばシリコン単結晶基板、以
下「シリコン基板１２」という。）を水平に保持して自
転することができる。

【００１８】まず、半導体単結晶薄膜１３（例えばシリ
コン単結晶薄膜、以下「シリコン薄膜１３」という。）
を製造する前の調整段階において、前記保持具１４を自
転させないで前記シリコン基板１２上にシリコン薄膜１
３を気相成長させて気相成長の条件を調整した。

【００１９】直径２００ｍｍのシリコン基板１２を反応
容器１７内に挿入し、前記保持具１４上に該保持具１４
の回転軸１１と同軸に載置した。前記反応容器１７内で
は、加熱手段１５として輻射加熱ランプを用いて前記シ
リコン基板１２を反応温度の１１２５℃に加熱し、キャ
リアガスとして水素ガスを１００リットル／分で供給し
ながら原料ガスのトリクロロシランを２２グラム／分で
導入口１６から排気口１８に向かって水平に流し、シリ
コン薄膜１３を１分間成長させる。

【００２０】この時、シリコン薄膜１３の成長速度が原
料ガス１９の供給方向で前記保持具１４上に仮想される
中心軸Ａに対して左右非対称になるようにするために、
前記中心軸Ａに直交する方向すなわち反応容器１７の幅
方向で流量を変え、排気口１８側に向かって左側の原料
ガス流量が右側の約２倍になるように調整して気相成長
を行った。

【００２１】その結果、シリコン基板１２上で前記中心
軸Ａに対して左右端に位置する点よりも１０ｍｍ内側を
測定上の両端として成長速度を求めると、左右端の成長
速度は図４に示すように左端で４．２μｍ／ｍｉｎ、右
端で３．３μｍ／ｍｉｎとなり、成長速度の大きい値を
小さい値で除して得られる左右端の成長速度比率（以
下、「成長速度比率」という。）は、１．３であった。

【００２２】次に、この気相成長条件において、前記保
持具１４を３５回転／分で自転させてシリコン薄膜１３
を気相成長し、上式（１）に従って計算したところ、そ
の膜厚分布は１．０％であった。

【００２３】さらに同様な調査を進め、キャリアガスで
ある水素の供給量を４０〜１００リットル／分、原料ガ
スであるトリクロロシランの供給量を５〜２２グラム／
分の範囲で反応容器１７の幅方向の流量を変えて、シリ
コン基板１２が回転しない時の成長速度比率とシリコン
基板１２が回転した時の膜厚分布との関係を実験により
求め、その結果を図５に示した。

【００２４】図５に示すように、成長速度比率が増大す
るにつれてシリコン基板回転時の膜厚分布は小さくな
り、成長速度比率が１．１を越えた付近から膜厚分布が
２％以下となり、１．３を越えると１％以下の膜厚分布
になることがわかった。しかし、成長速度比率をさらに
大きくしていくと、１．５付近で膜厚分布が最小になっ
た後は膜厚分布が逆に悪くなり、１．８を越えると膜厚
分布は再び１％以上になった。

【００２５】（実施例２）図６および図７は、それぞれ
本発明の実施例２に係る単結晶薄膜の製造方法を実施す
るために使用する縦型気相成長装置の説明断面図および
説明平面図である。前記縦型気相成長装置２０は、原料
ガス２９の導入口２６を備えた石英ガラス製の反応容器
２７と、排気口２８と、シリコン基板２２の保持具２４
と、該保持具２４の下側に配置され前記シリコン基板２
２を加熱する加熱手段２５とを有するバッチ式のもので
ある。

【００２６】前記保持具２４は、炭化珪素で被覆された
グラファイト製であり、回転駆動部の回転軸２１に対し
て軸対称に配置され、複数のシリコン基板２２を前記反
応容器２７内で水平に保持して自転することができる。

【００２７】まず、前記保持具２４を自転させないで、
シリコン基板２２上にシリコン薄膜２３を成長させて気
相成長の条件を調整する。図６および図７に示すよう
に、直径１２５ｍｍのシリコン基板２２を反応容器２７
内の前記保持具２４上に４枚載置した。そして、加熱手
段２５として輻射加熱ランプを用いて前記保持具２４を
均一に加熱し、間接的に前記シリコン基板２２を反応温
度の９２５℃付近に加熱した。

【００２８】次に、キャリアガスとして水素ガスを１０
０リットル／分で前記反応容器２７内に供給しながら、
原料ガスのトリクロロシランを２２グラム／分の供給量
で、図７に示すように直列に配置された導入口２６から
前記シリコン基板２２に対して垂直に流し、シリコン薄
膜２３を１０分間成長させた。

【００２９】前記反応容器２７内の上部に位置する導入
口２６から保持具２４上に水平に載置されたシリコン基
板２２に対して垂直に供給された原料ガス２９は、保持
具２４の直上において、直列に配置された導入口２６の
配列方向に対し直角に遠ざかる方向に流れる。すると、
シリコン薄膜２３の前記保持具２４上での膜厚分布は、
保持具の中心部で厚く周辺部で薄くなる傾向があった。

【００３０】そこで、前記保持具２４の温度分布を調整
して、前記導入口２６の配列方向に対し直角に遠ざかる
方向すなわち原料ガスの供給方向で前記保持具２４上に
仮想される中心軸Ｂに対し、シリコン薄膜２３の成長速
度が左右非対称になるようにした。すなわち、保持具２
４の前記中心軸Ｂ付近を９２５℃、前記導入口２６から
前記保持具２４に向かって前記中心軸Ｂの右側を略９４
０℃、向かって左側を略９１０℃に調整した。

【００３１】上記反応条件で前記保持具２４を回転させ
ずに気相成長し、該保持具２４上でのシリコン薄膜２３
の成長速度分布を測定したところ、前記中心軸Ｂの右側
端では略０．９μｍ／ｍｉｎ、左側端では略０．６μｍ
／ｍｉｎであり、左右の成長速度比率は１．５であっ
た。次に、この気相成長条件において、前記保持具２４
を３５回転／分で自転させて膜厚が約８μｍのシリコン
薄膜２３を１０分間で気相成長し上式（１）に従って計
算したところ、その膜厚分布は０．８％になった。

【００３２】さらに同様な調査を進めた結果、膜厚分布
が１％以下になり始めるのはやはり左右端の成長速度比
率が１．３以上の時であり、左右端の成長速度比率が増
大するにつれて前記保持具２４が回転する時の膜厚分布
はさらに小さくなった。しかし、左右端の成長速度比率
を大きくするために、シリコン基板２２に向かって前記
中心軸Ｂの左側の温度をさらに下げていくと、左右端の
成長速度比率が２．０以上になったところでシリコン薄
膜２３の表面にマイクロラフネスと呼ばれる凹凸が発生
し始めた。

【００３３】

【発明の効果】本発明によると、単結晶薄膜を製造する
前の調整段階で、保持具を自転させないで静止した半導
体単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させるので、そ
の気相成長の条件が平均化されずにそのまま単結晶薄膜
の膜厚分布に反映され、勘や経験に頼ることなく、均一
な膜厚分布を有する単結晶薄膜の製造を容易に達成する
ことができる。

【００３４】また、前記調整段階で半導体単結晶基板上
の成長速度分布を原料ガスの供給方向に直交する方向で
非対称にすると、前記半導体単結晶基板を回転する時に
は成長速度の大小が打ち消されて、極めて均一な単結晶
膜厚が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る単結晶薄膜の製造方法
を実施するために使用する水平型気相成長装置の説明断
面図である。

【図２】本発明の実施例１に係る単結晶薄膜の製造方法
を実施するために使用する水平型気相成長装置の説明平
面図である。

【図３】半導体単結晶基板を回転させずに従来法で気相
成長を行った場合の成長速度を半導体単結晶基板上の各
位置で測定した結果を示す図である。

【図４】半導体単結晶基板を回転させずに本発明に係る
方法で気相成長を行った場合の成長速度を半導体単結晶
基板上の各位置で測定した結果を示す図である。

【図５】半導体単結晶基板を回転させない場合の左右端
の成長速度比率と半導体単結晶基板を回転させた場合の
膜厚分布との関係を示す図である。

【図６】本発明の実施例２に係る単結晶薄膜の製造方法
を実施するために使用する縦型気相成長装置の説明断面
図である。

【図７】本発明の実施例２に係る単結晶薄膜の製造方法
を実施するために使用する縦型気相成長装置の説明平面
図である。

【符号の説明】

１０ 水平型気相成長装置 ２０ 縦型気相成長装置 １１，２１ 回転軸 １２，２２ シリコン単結晶基板 １３，２３ シリコン薄膜 １４，２４ 保持具 １５，２５ 加熱手段 １６，２６ 原料ガスの導入口 １７，２７ 反応容器 １８，２８ 排気口 １９，２９ 原料ガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器内で自転する保持具上に載置さ
   れた半導体単結晶基板に対して原料ガスを供給して該半
   導体単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させる単結晶
   薄膜の製造方法において、前記単結晶薄膜を製造する前
   の調整段階で、前記保持具を自転させないで前記半導体
   単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させて成長条件を
   求めた後に該成長条件に基づいて前記単結晶薄膜を製造
   することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】 前記調整段階では、単結晶薄膜の成長速
   度が原料ガスの供給方向と平行な軸として前記保持具上
   に仮想される中心軸に対して左右非対称になるように調
   整することを特徴とする請求項１記載の単結晶薄膜の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記単結晶薄膜の成長速度は、前記中心
   軸に対して左右両端に位置する半導体結晶基板上の２点
   を比較すると、一方の成長速度が他方の１．３ないし
   １．８倍であることを特徴とする請求項２記載の単結晶
   薄膜の製造方法。