JPH0831758A - 気相成長方法およびその装置 - Google Patents

気相成長方法およびその装置

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JPH0831758A
JPH0831758A JP6186460A JP18646094A JPH0831758A JP H0831758 A JPH0831758 A JP H0831758A JP 6186460 A JP6186460 A JP 6186460A JP 18646094 A JP18646094 A JP 18646094A JP H0831758 A JPH0831758 A JP H0831758A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 遷移幅のより小さい半導体結晶薄膜を得るこ
とできる気相成長方法およびその装置を提供する。 【構成】 一端部に反応性原料ガスの供給口5を備え他
端部に反応ガスの排出口6を備えたコールドウオール型
の反応容器3を、ほぼ水平方向に設け、反応容器3の内
部に、半導体結晶基板1を主表面がほぼ水平になるよう
に配置し、反応性原料ガス4をほぼ水平に一方向に流し
て、加熱された半導体結晶基板1上に所望の半導体結晶
薄膜2を成長させる気相成長方法において、反応容器3
の内部幅がW、反応性原料ガスの供給口5から半導体結
晶基板1の供給口側の外周端部までの長さがL、半導体
結晶基板1の主表面と該主表面に相対する反応容器の内
壁との間隔がGの時、反応性原料ガスの供給口5から原
料ガスの流れる方向に(L+W)の範囲内で、W/G比
が15以上となる位置に半導体結晶基板1を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、反応性原料ガスを半導
体結晶基板上に輸送し、該基板上に半導体結晶薄膜を成
長させる方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】水平型(横型)気相成長装置は、図6に
示すように、一端部に反応性原料ガス4の供給口5を備
え他端部に反応ガスの排出口6を備えたコールドウオー
ル型の反応容器3を、水平方向に設け、該反応容器3の
内部に半導体結晶基板1(以下、単に基板と記載する)
をほぼ水平に配置し、該基板1を加熱しながら、前記反
応容器3内に反応性原料ガス4(以下、原料ガスと記載
する)を一方向に流し、基板1上に所望の半導体結晶薄
膜2を成長させるように構成したものである。
【0003】ところで、図7(図6の正面断面図であっ
て、反応容器3を原料ガスの供給口5側から見たもの)
に示す従来の水平型気相成長装置において、反応容器3
の内部高さHは、反応容器3の底面部で基板1を載置す
るサセプター(図示せず)や基板搬送装置の機械的駆動
部(図示せず)などが必要とする高さだけに基づいて決
定されていた。
【0004】また、図7に示す反応容器3の内部幅W
は、基板1の直径Dおよびサセプター(図示せず)の直
径に基づいて、それらの搬入や搬出に必要とされる適当
な幅を加えただけで設定されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このようにして設計さ
れた従来の反応容器3を用いて気相成長を行なうと、特
に、不純物濃度の高い基板1上に2桁以上不純物濃度の
低い半導体結晶薄膜2を成長する際、図5に示すよう
に、基板1と半導体結晶薄膜2との界面で、半導体結晶
薄膜2の不純物濃度が基板1の不純物濃度から所望の半
導体結晶薄膜2の不純物濃度まで変化する部分の幅T
(以下、遷移幅という。)が大きくなるので、これを低
減させるために多くの試みが成されていた。
【0006】遷移幅Tを小さくする条件を見つけるため
には、遷移幅Tの形成原因を検討しなければならない。
この形成原因として従来、固体内外方拡散Oとオートド
ーピングAの二つが挙げられている。
【0007】固体内外方拡散Oは、成長温度に対応して
基板1から半導体結晶薄膜2内に不純物が拡散する現象
である。これは不純物濃度と加熱温度並びに加熱時間に
応じて必ず生じる現象であるから、これを抑えるために
は加熱温度を下げるか加熱時間を短くするしか方法はな
い。
【0008】しかし、固体内外方拡散Oを抑制するため
に加熱温度を下げると、その影響で成長速度が低下する
上に、結晶薄膜の面状態の劣化を防止するためにさらに
成長速度を下げる必要がある。その結果、反応時間すな
わち加熱時間が長くなるので、再び固体内外方拡散Oを
増大させる要因が発生し、固体内外方拡散Oの抑制効果
が小さいばかりか、成長速度の低下による生産性の低下
をも引き起こしてしまう。
【0009】一方、オートドーピングAは、基板1から
気相中に飛び出した不純物が半導体結晶薄膜2の成長表
面に再び取り込まれてしまう現象である。これも加熱温
度を下げたり加熱時間を短くすることにより抑制できる
が、上記固体内外方拡散Oと同様に、オートドーピング
Aの抑制効果が小さいばかりか、成長速度の低下による
生産性の低下をも引き起こしてしまい、得策ではない。
【0010】近年、気相エピタキシャル成長による半導
体単結晶薄膜を用いた電子デバイスの高集積化に伴い、
膜厚が非常に薄い半導体単結晶薄膜が要求されるように
なり、最近では通常の遷移幅Tの厚さと同じか、または
これより薄い膜厚の半導体単結晶薄膜が要求されるよう
になった。
【0011】そこで、本発明の目的は、従来と同一の反
応条件でも遷移幅のより小さい半導体結晶薄膜を得るこ
とできる気相成長方法およびその装置を提供することに
ある。
【0012】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の気相成
長方法は、一端部に反応性原料ガスの供給口を備え他端
部に反応ガスの排出口を備えたコールドウオール型の反
応容器を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部に、
半導体結晶基板を主表面がほぼ水平になるように配置
し、反応性原料ガスをほぼ水平に一方向に流して、加熱
された前記半導体結晶基板上に所望の半導体結晶薄膜を
成長させる気相成長方法において、前記反応容器の内部
幅がW、反応性原料ガスの供給口から半導体結晶基板の
該供給口側の外周端部までの長さがL、前記半導体結晶
基板の主表面と該主表面に相対する反応容器の内壁との
間隔がGの時、反応性原料ガスの供給口から該原料ガス
の流れる方向に(L+W)の範囲内で、W/G比が15
以上となる位置に前記半導体結晶基板を配置することを
特徴とする。
【0013】また、請求項2に記載の気相成長方法は、
前記半導体結晶基板として、直径が前記反応容器の内部
幅Wより小さいものを配置することを特徴とする。
【0014】また、請求項3に記載の気相成長方法は、
前記反応容器の側壁内面と前記半導体基板の外周端部と
の間隔を3cm以上とすることを特徴とする。
【0015】さらに、請求項4に記載の気相成長装置
は、一端部に反応性原料ガスの供給口を備え他端部に反
応ガスの排出口を備えたコールドウオール型の反応容器
を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部に、半導体
結晶基板の主表面がほぼ水平になるように該半導体結晶
基板の載置手段を配置し、反応性原料ガスをほぼ水平に
一方向に流して、加熱された前記半導体結晶基板上に所
望の半導体結晶薄膜を成長させる気相成長装置におい
て、前記反応容器の内部幅がW、反応性原料ガスの供給
口から半導体結晶基板の該供給口側の外周端部までの長
さがL、半導体結晶基板の主表面と該主表面に相対する
内壁との間隔がGの時、反応性原料ガスの供給口から該
原料ガスの流れる方向に(L+W)の範囲内で、W/G
比が15以上となる位置に半導体結晶基板を載置するよ
うに該半導体結晶基板の載置手段を配置したことを特徴
とする。
【0016】さらに、請求項5に記載の気相成長装置
は、一端部に反応性原料ガスの供給口を備え他端部に反
応ガスの排出口を備えたコールドウオール型の反応容器
を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部に、半導体
結晶基板の主表面がほぼ水平になるように該半導体結晶
基板の載置手段を配置し、反応性原料ガスをほぼ水平に
一方向に流して、加熱された前記半導体結晶基板上に所
望の半導体結晶薄膜を成長させる気相成長装置におい
て、前記反応容器の内部幅がW、内部高さがH、反応性
原料ガスの供給口から半導体結晶基板の該供給口側の外
周端部までの長さがLの時、前記反応容器の内部長さ
(反応性原料ガスが流れる方向の内部寸法)を(L+
W)以上とし、かつW/H比を15以上としたことを特
徴とする。
【0017】
【実施例】まず、オートドピングに関する、数値計算お
よび予備実験の結果について述べる。
【0018】本発明者は、遷移幅が大きくなる原因の1
つであるオートドーピングについて、水平型気相成長装
置を用いて調査検討したところ、ほぼ水平方向に設けら
れたコールドウオール型の反応容器内に基板を載置し、
該基板を加熱しながら反応性原料ガスをほぼ水平に一方
向に流して結晶薄膜を成長させる水平型の気相成長装置
において、反応容器と被加熱領域との間の温度差によ
り、反応性原料ガスが自然対流の渦を形成しながら基板
上を流れる際に、該基板の背面等から飛び出した不純物
が前記自然対流中に混入して運ばれ、基板に接近する度
に結晶薄膜の成長表面に再び取り込まれてしまい、これ
によりオートドーピングが発生することを見出した。
【0019】例えば図6,図7に示すように、反応容器
3内で基板1上の空間が大きい従来の水平型気相成長装
置においては、原料ガス4は反応容器3内を下流側に進
みながら、加熱された基板1の中央部で上昇し、冷却さ
れた反応容器3の側壁7付近で下降する大きな縦渦12
の自然対流11を形成する。
【0020】上記自然対流11について、流体力学に従
ってグラスホフ数(Grashof 数)やレイリー数(Raylei
gh数)を尺度として数値計算したところ、この自然対流
11の縦渦12の生じやすさは、基板1が反応容器3の
底面に直に配置されると仮定した場合、反応容器3の内
部高さHの3乗に比例することが判った。
【0021】このため、基板1上の空間が大きいと、基
板1から自然対流11中に混入した不純物が基板1に再
接近する確率が増えるので、これが原因してオートドー
ピング量が大きくなり、その結果、遷移幅が広くなる。
【0022】そこで、コールドウオール型の反応容器を
有する水平型の気相成長装置において、基板1の主表面
と該主表面に相対する反応容器の内壁との間隔Gを徐々
に小さくしながら半導体結晶薄膜2の成長実験を行って
遷移幅を測定する一方、各条件下での前記縦渦12の回
転数を数値計算と可視化実験により求め、各々に関し
て、前記間隔Gと反応容器3の内部幅Wとの比:W/G
比に対する関係について検討した。
【0023】その結果、内部幅Wが40cmの反応容器
3については、基板1の主表面と該主表面に相対する反
応容器の内壁との間隔Gを2cmとすること、すなわち
前記間隔Gと反応容器3の内部幅Wとの比:W/G比を
20とすることにより、30cmの直径を有する被加熱
領域を原料ガス4が通過する時に基板1上に生じる自然
対流11の縦渦12の回転数を0.5回程度に抑えられ
ることが判った。なお、前記内部幅Wは反応容器3の両
側の側壁7,7の内面間の距離である。
【0024】幾つかの場合について調べたところ、W/
G比を15以上とすると、反応性原料ガスの供給口5か
ら半導体結晶基板の供給口5側の外周端部までの長さが
Lの時、反応性原料ガスの供給口5から該原料ガスの流
れる方向に(L+W)の範囲内で、縦渦12の回転数を
1回以下に抑えることができ、オートドーピングは殆ど
無視できる程度まで小さくできることが判った。
【0025】また、基板1は前記反応容器3内に載置さ
れるので、基板1が載置されている場所における反応容
器3の内部高さがHの時、W/H比を15以上とする
と、必然的にW/G比も15以上となる。
【0026】上記のように、W/G比やW/H比を15
以上とし、基板1の主表面と該主表面に相対する反応容
器の内壁との間隔Gを小さくすることにより、反応性原
料ガスの供給口5から該原料ガスの流れる方向に(L+
W)の範囲内に配置された被加熱領域上で、自然対流1
1の縦渦12の回転が抑えられ、オートドーピングを殆
ど無視できる程度まで小さくできるので、遷移幅を低減
することができる。
【0027】一方、反応容器3の側壁7に近い領域で
は、該側壁による粘性の影響を受けて原料ガス4の境界
層(流速の小さな領域)が形成される。この境界層の厚
さは、反応容器3の内部幅Wや載置される基板1の直径
Dに関係なく、最低3cm程度であることが把握され
た。
【0028】基板1の背面等から飛び出した不純物が前
記境界層中に取り込まれると、該境界層は流速が小さい
ので、それだけ前記不純物が境界層中で長く漂い、オー
トドーピングを起こす確率が高くなる。そこで、基板1
の外周端部を側壁7から3cm以上離した状態で気相成
長を行わせると、基板1が前記側壁7近傍における原料
ガス4の境界層内に含まれないので、境界層に起因する
オートドーピングは発生せず、基板1全体が原料ガス4
の流れに関して同一の環境下に置かれることになる。
【0029】次に、常圧における本発明装置の実施例
を、図を参照しながら詳細に説明する。
【0030】実施例1 図1は気相成長装置の要部の構成説明図であって、
(a)は反応容器3の概略斜視図、(b)は反応容器3
の一部を示す平面図、(c)は反応容器3の一部を示す
縦断面図である。基板1を反応容器3内に配置し、所望
温度に加熱昇温した状態において原料ガス4を流し、基
板1上に半導体結晶薄膜2を成長する。基板1を所望温
度に昇温するための方法としては、赤外線などの放射光
を反応容器3を透過させて基板1に到達させる方法、基
板1の下部に抵抗加熱体を設けて通電する方法、同じく
誘導加熱体を設けて通電することにより加熱する方法等
が可能である。
【0031】基板1上にシリコンなどの半導体結晶薄膜
2を気相成長させるときには、半導体結晶が反応容器3
の壁に堆積しないようにするため、反応容器3の壁を低
温に保持し、基板1のみを昇温する。即ち、反応環境と
しては基板1のみが高温に加熱され、それ以外は室温か
ら少々高い温度に達する程度とする。このような温度環
境を形成する容器をコールドウオール型と呼ぶが、コー
ルドウオール型の容器においては、基板1と反応容器3
の壁との温度差が大きいので、自然対流11が発生し易
い。
【0032】そこで、シリコン単結晶基板上にシリコン
単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させる場合につい
て詳細に検討した結果を以下に示す。
【0033】抵抗率が約0.02Ω・cmのp型で、直
径Dが20cmのシリコン製単結晶基板1枚を、図1に
示す反応容器3内で該反応容器3内部幅よりもやや小さ
い直径のサセプター上(図示せず)に載置し1100℃
に加熱した。
【0034】反応性原料ガスの供給口5から基板1の外
周端部までの長さLを20cm、反応容器3の側壁7と
該側壁7,7に対峙する基板1の外周端部との間隔d1
およびd2 を5cm、反応容器3の内部幅Wを30cm
とし、基板1の主表面と該主表面に相対する反応容器の
内壁との間隔Gを1.5〜6cmの間(W/G比は5〜
20)で変化させ、以下のようにして気相エピタキシャ
ル成長を行った。
【0035】トリクロロシランガス3.6リットル/分
を水素ガスに混合し、この混合ガスすなわち原料ガス4
を流量100リットル/分で、反応容器3の供給口5か
ら水平に一方向に導入した。この場合に、原料ガス4が
基板1上を通過する間に被加熱領域であるサセプター上
で自然対流により形成される縦渦12の回転数を、流体
力学による数値計算と可視化実験により調査し、W/G
比に対する関係について検討した結果を図2に示す。
【0036】図2から明らかなように、W/G比が15
以上の時に縦渦12の回転数Nは、1回転以下になるこ
とが判った。これは、W/G比を15以上とすれば、基
板1の最も上流側の端において基板1内の不純物が気相
中に飛び出したとしても、単結晶薄膜2内に再度混入し
ない条件を達成できることを示すものである。
【0037】そこで、実際の効果を確認するためシリコ
ン単結晶薄膜2の成長を行ない、その遷移幅を測定し
た。成長条件は、上記縦渦12を調査したときの条件と
基本的に同一であるが、シリコン単結晶薄膜2の成長前
に基板1の表面を清浄化するために、基板1を水素ガス
の雰囲気中で1190℃で90秒間保持した。トリクロ
ロシランを導入してシリコン単結晶薄膜2を成長させる
時間は1分間とした。また、ドーパントとしてジボラン
ガスを、シリコン単結晶薄膜2の抵抗率がp型の10Ω
・cmとなるように流した。
【0038】このようにしてシリコン単結晶薄膜を約3
μmの厚さに成長後、基板1上に得られたシリコン単結
晶薄膜2内のドーパントの分布の様子を二次イオン質量
分析(SIMS)を用いて測定し、図3に示すような遷
移幅とW/G比との関係を得た。
【0039】図3から、原料ガスの条件が同一であって
も遷移幅はW/G比と共に変化し、W/G比が15を超
えると、もはや0.5μm以下には低減できないことが
判った。この下限値は、基板1の前処理と半導体結晶薄
膜2の成長中の固体内外方拡散によるものである。すな
わち、W/G比を15以上とすることにより、オートド
ーピングの影響を無視できるまでに抑えた、遷移幅の小
さいシリコン単結晶薄膜を成長できることが判った。
【0040】実施例2 図4は反応装置3の概略正面断面図である。この反応容
器3は、底面の一部を凹状に形成し、この凹状底部8内
にサセプター9を配置し、サセプター9に載置した基板
1の主表面と該主表面に相対する内壁との間隔をGとす
る時、W/G比を15以上としたものである。
【0041】この反応容器3では、基板1をサセプター
9に載置した時に、基板1の主表面が前記凹状底部8を
除く底面と相対的に同じ高さになるようにして配置した
ので、原料ガス4がサセプター9の外周面には勿論、基
板1の外周面にも衝突することがなくなるため、原料ガ
ス4の流れに乱れが発生しにくくなり、本発明の目的を
より確実に達成することができる。
【0042】ところで、基板の主表面と該主表面に相対
する内壁との間で発生する自然対流をガスの流速で抑制
することによりオートドーピングの影響を抑えようとす
ると、極めて大きなガス流量が必要である。つまり、ガ
スの流速で遷移幅を制御しようとすることは、エピタキ
シャル成長基板の製造コストを大幅に引き上げるので望
ましくない。
【0043】上記実施例1,2において、シリコン単結
晶基板上にシリコン単結晶薄膜を気相エピタキシャル成
長させる場合について詳細に検討したが、本発明は上記
実施例にのみ限定されず、種々の変更が可能であること
は言うまでもない。
【0044】例えば、実施例1,2では1枚の基板上に
気相成長させたが、原料ガスの供給口からガスの流れ方
向に(L+W)の範囲内であれば、複数の基板上に気相
成長させてもよい。また、基板上に多結晶を気相成長さ
せる場合にも効果がある。
【0045】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
気相成長方法およびその装置では、該装置を構成する反
応容器内の基板上の空間を小さくし、且つ、該基板を反
応容器内のある範囲内に配置すると、基板上の空間で発
生する原料ガスの自然対流を抑制する作用が得られるた
め、気相成長時に基板背面等から飛び出した不純物によ
るオートドーピングを抑え、基板全体にわたって一様に
遷移幅を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る気相成長装置の要部を
示す構成説明図であって、(a)は反応容器の概略斜視
図、(b)は反応容器の概略平面図、(c)は反応容器
の概略縦断面図である。
【図2】実施例1による気相エピタキシャル成長実験の
結果を示すグラフであって、反応容器内のW/G比と、
原料ガスが被加熱領域上を通過する間に自然対流により
形成される原料ガスの縦渦の回転数との関係を示すもの
である。
【図3】実施例1による気相エピタキシャル成長実験の
結果を示すグラフであって、反応容器内のW/G比と、
半導体結晶薄膜の遷移幅との関係を示すものである。
【図4】実施例2の反応装置の概略正面断面図である。
【図5】不純物濃度の深さ方向の分布を示す図である。
【図6】従来の水平型気相成長装置の反応容器内に形成
される、原料ガスの自然対流の様子を説明する斜視図で
ある。
【図7】図6の正面断面図であって、反応容器内に形成
される原料ガスの縦渦の様子を説明するものである。
【符号の説明】
1 基板 2 半導体結晶薄膜 3 反応容器 4 原料ガス 5 供給口 6 排出口 7 側壁 8 凹状底部 9 サセプター 11 原料ガスの自然対流 12 原料ガスの縦渦 A オートドーピング G 基板の主表面と該主表面に相対する反応容器の内壁
との間隔 H 反応容器の内部高さ L 原料ガス供給口から基板の前記供給口側の外周端部
までの長さ O 固体内外方拡散 T 遷移幅 W 反応容器の内部幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片山 正健 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越半 導体株式会社半導体磯部研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一端部に反応性原料ガスの供給口を備え
    他端部に反応ガスの排出口を備えたコールドウオール型
    の反応容器を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部
    に、半導体結晶基板を主表面がほぼ水平になるように配
    置し、反応性原料ガスをほぼ水平に一方向に流して、加
    熱された前記半導体結晶基板上に所望の半導体結晶薄膜
    を成長させる気相成長方法において、 前記反応容器の内部幅がW、反応性原料ガスの供給口か
    ら半導体結晶基板の該供給口側の外周端部までの長さが
    L、前記半導体結晶基板の主表面と該主表面に相対する
    反応容器の内壁との間隔がGの時、反応性原料ガスの供
    給口から該原料ガスの流れる方向に(L+W)の範囲内
    で、W/G比が15以上となる位置に前記半導体結晶基
    板を配置することを特徴とする気相成長方法。
  2. 【請求項2】 前記半導体結晶基板として、直径が前記
    反応容器の内部幅Wより小さいものを配置することを特
    徴とする請求項1に記載の気相成長方法。
  3. 【請求項3】 前記反応容器の側壁内面と前記半導体基
    板の外周端部との間隔を3cm以上とすることを特徴と
    する請求項2に記載の気相成長方法。
  4. 【請求項4】 一端部に反応性原料ガスの供給口を備え
    他端部に反応ガスの排出口を備えたコールドウオール型
    の反応容器を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部
    に、半導体結晶基板の主表面がほぼ水平になるように該
    半導体結晶基板の載置手段を配置し、反応性原料ガスを
    ほぼ水平に一方向に流して、加熱された前記半導体結晶
    基板上に所望の半導体結晶薄膜を成長させる気相成長装
    置において、 前記反応容器の内部幅がW、反応性原料ガスの供給口か
    ら半導体結晶基板の該供給口側の外周端部までの長さが
    L、半導体結晶基板の主表面と該主表面に相対する内壁
    との間隔がGの時、反応性原料ガスの供給口から該原料
    ガスの流れる方向に(L+W)の範囲内で、W/G比が
    15以上となる位置に半導体結晶基板を載置するように
    該半導体結晶基板の載置手段を配置したことを特徴とす
    る気相成長装置。
  5. 【請求項5】 一端部に反応性原料ガスの供給口を備え
    他端部に反応ガスの排出口を備えたコールドウオール型
    の反応容器を、ほぼ水平方向に設け、該反応容器の内部
    に、半導体結晶基板の主表面がほぼ水平になるように該
    半導体結晶基板の載置手段を配置し、反応性原料ガスを
    ほぼ水平に一方向に流して、加熱された前記半導体結晶
    基板上に所望の半導体結晶薄膜を成長させる気相成長装
    置において、 前記反応容器の内部幅がW、内部高さがH、反応性原料
    ガスの供給口から半導体結晶基板の該供給口側の外周端
    部までの長さがLの時、前記反応容器の内部長さ(反応
    性原料ガスが流れる方向の内部寸法)を(L+W)以上
    とし、かつW/H比を15以上としたことを特徴とする
    気相成長装置。
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