JPH09330884A

JPH09330884A - エピタキシャル成長装置

Info

Publication number: JPH09330884A
Application number: JP16830996A
Authority: JP
Inventors: Osamu Noguchi; 修野口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】量産性に優れ、占有面積が小さく、エピタキシ
ャル層の基板面内均一性に優れ且つ結晶欠陥が発生し難
く、しかも、エピタキシャル成長室の内壁に薄膜が成膜
されることがないエピタキシャル成長装置を提供する。【解決手段】エピタキシャル成長装置は、（イ）縦型の
エピタキシャル成長室１０と、（ロ）各基板３２を水平
に保持し、且つかかる基板を垂直方向に複数枚保持す
る、エピタキシャル成長室１０内に配置された基板保持
治具３０と、（ハ）エピタキシャル成長室１０の外側に
配設された誘導加熱装置２６と、（ニ）エピタキシャル
成長室１０に設けられ、基板上にエピタキシャル層を形
成するための原料ガスを導入するガス導入部４０、並び
にガス排出部４２とを備えたエピタキシャル成長装置で
あって、基板保持治具３０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で
表面が被覆された導電性材料から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程の一工程である半導体基板等にエピタキシャル層を
形成する工程において使用されるエピタキシャル成長装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばシリコン半導体基板にシリコン単
結晶薄膜を形成するためのエピタキシャル成長工程は、
例えばパイボーラ集積回路の形成におけるトランジスタ
素子間の分離に欠かせない技術となっており、広く用い
られている。エピタキシャル成長装置として、図４の
（Ａ）に一部を切り欠いた模式図を示し、図４の（Ｂ）
に基板を載置したサセプターの模式的な平面図を示すよ
うな、横型のエピタキシャル成長装置が使用されてい
る。しかしながら、基板の大口径化に伴い、このような
横型のエピタキシャル成長装置では１回に処理できる基
板の数が限られており、基板処理枚数を増やすためには
エピタキシャル成長装置を大型化する必要がある。然る
に、装置の大型化に伴い、装置占有面積の増加に加え
て、エピタキシャル成長装置内を流れる原料ガスの下流
側での流速の均一性が確保し難く、その結果、得られた
エピタキシャル層にばらつきが生じるといった問題があ
る。

【０００３】そこで、図５の（Ａ）に概念図を示し、図
５の（Ｂ）に基板を載置したサセプターの模式的な平面
図を示すような円盤状のサセプター上に基板を載置し、
サセプターの中央部上方から基板に原料ガスを供給し、
水平に保持されたサセプターを回転させつつ、高周波コ
イルを用いた高周波誘導加熱方式によりサセプターを加
熱して、基板上にエピタキシャル層を形成する、所謂パ
ンケーキタイプのエピタキシャル成長装置が開発されて
いる。あるいは又、図６に概念図を示すような多角形の
サセプターをエピタキシャル成長室内に配設し、エピタ
キシャル成長室の外側に配設されたランプによって基板
を加熱しながら、基板の表面に略平行な方向に原料ガス
を流しつつ、サセプターを回転させて、基板にエピタキ
シャル層を形成する、所謂バレルタイプのエピタキシャ
ル成長装置も開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パンケ
ーキタイプあるいはバレルタイプのエピタキシャル成長
装置においても、基板の大口径化に伴い、１回に処理で
きる基板の枚数が減少し、これを回避するためにはエピ
タキシャル成長装置を大型化する必要がある。その結
果、エピタキシャル成長装置の占有面積が増大するとい
う問題がある。例えば８インチ径のシリコン半導体基板
に対してエピタキシャル層を形成するためのエピタキシ
ャル成長装置においては、反応室の直径は１．５乃至２
ｍにもなるし、基板搬出入装置までも含めれば相当な占
有面積となる。また、サセプターを回転させるため、基
板の上方を流れる原料ガスが乱流となり、安定してエピ
タキシャル層を形成することが困難である。

【０００５】半導体製造プロセスにおいて多結晶シリコ
ン薄膜を成膜する装置として、図７に模式図を示すよう
な、縦型の減圧ＣＶＤ装置が知られている。この減圧Ｃ
ＶＤ装置には、プロセスチューブとも呼ばれる石英製の
反応管から成るＣＶＤ反応室と、反応管を取り囲む抵抗
加熱方式のヒーターが備えられている。反応管は、隔壁
を備えた二重構造を有する。原料ガスは、反応管の下部
に設けられたガス導入部から反応管の隔壁内側に導入さ
れ、隔壁内側内を上昇した後、隔壁外側に沿って反応管
内を下降し、反応管の下部に設けられたガス排出部から
排出される。隔壁内側における、全体としての原料ガス
の流れは、基板表面に対して略垂直である。基板にエピ
タキシャル層を形成する場合、複数の基板を、ボートと
も呼ばれる石英製の基板保持治具に搭載する。そして、
かかる基板保持治具を反応管内に置き、ＣＶＤ反応室の
外側に配設されたヒーターによって基板を加熱しつつ、
ガス導入部から原料ガスを反応管内に供給し、ガス排出
部から系外に排出すればよい。

【０００６】このような縦型の減圧ＣＶＤ装置の構造を
エピタキシャル成長装置に応用した場合、従来のパンケ
ーキタイプあるいはバレルタイプのエピタキシャル成長
装置と比較して、少ない占有面積で多数枚の基板のエピ
タキシャル成長処理が可能となる。ところで、基板上に
エピタキシャル層を形成する場合、拡散律速領域でエピ
タキシャル層は成長する。然るに、図７に示した構造を
有する装置においては、原料ガスの流れが基板に対して
略垂直であるため、基板面内におけるエピタキシャル層
の膜厚均一性が保持できない。その結果、図８に模式的
な断面図を示すように、基板の中央部におけるエピタキ
シャル層が薄く、基板の周辺部におけるエピタキシャル
層が厚くなるという問題が生じる。また、抵抗加熱方式
を採用しているため、反応管の隔壁内壁にも薄膜が成膜
され、かかる薄膜が隔壁内壁から剥がれる結果、エピタ
キシャル層内に結晶欠陥が発生し、エピタキシャル層の
膜質が劣下するという問題もある。

【０００７】従って、本発明の目的は、量産性に優れ、
占有面積が小さく、基板上に形成されるエピタキシャル
層の基板面内均一性に優れ、しかも、エピタキシャル成
長室の内壁に薄膜が成膜されることがなく、エピタキシ
ャル層に結晶欠陥が発生し難い、エピタキシャル成長装
置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のエピタキシャル成長装置は、（イ）縦型の
エピタキシャル成長室と、（ロ）各基板を水平に保持
し、且つかかる基板を垂直方向に複数枚保持する、該エ
ピタキシャル成長室内に配置された基板保持治具と、
（ハ）該エピタキシャル成長室の外側に配設された誘導
加熱装置と、（ニ）該エピタキシャル成長室に設けら
れ、基板上にエピタキシャル層を形成するための原料ガ
スを導入するガス導入部、並びにガス排出部、とを備え
たエピタキシャル成長装置であって、該基板保持治具
は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で表面が被覆された導電性材
料から成ることを特徴とする。

【０００９】本発明のエピタキシャル成長装置において
は、ガス導入部からエピタキシャル成長室内に導入され
た原料ガスの流れは基板の表面と略平行な流れであるこ
とが好ましい。このような原料ガスの流れを達成するた
めに、例えば、エピタキシャル成長室を、内室と、第１
の外室及び第２の外室とから構成し、基板保持治具を内
室に配置し、ガス導入部を第１の外室の下方に設け、ガ
ス排出部を第２の外室の下方に設け、内室と第１の外室
との間に複数のガス導入口を設け、内室と第２の外室と
の間に複数のガス排出口を設けた構造とすることが好ま
しいが、このような構造に限定するものではない。

【００１０】更には、各基板の表面上を流れる原料ガス
の流量若しくは流速の均一化を図るために、前記ガス導
入口及びガス排出口のそれぞれの開口面積を、ガス導入
部及びガス排出部から遠ざかるに従い、大きくすること
が好ましい。また、誘導加熱装置の配設の関係上、及び
誘導加熱装置による基板の加熱状態を均一化するため
に、第１の外室と第２の外室とを一体構造とし、隔壁に
よって隔て、エピタキシャル成長室の垂直方向の軸線に
垂直な面にて切断したときの一体構造の第１の外室と第
２の外室の断面形状を円形とすることが望ましい。エピ
タキシャル成長室の垂直方向の軸線に垂直な面にて切断
したときの内室の断面形状は、円形、正方形、長方形、
多角形等とすることができるが、エピタキシャル成長室
の作製の関係上、中でも正方形であることが好ましい。

【００１１】基板保持治具を構成する導電性材料とし
て、グラファイトを挙げることができる。尚、導電性材
料は炭化ケイ素で被覆されているので、導電性材料が汚
染源となることを防止することができる。エピタキシャ
ル成長室あるいは隔壁は、石英やＳｉＣ等から作製する
ことが好ましい。

【００１２】本発明のエピタキシャル成長装置は、例え
ばバイポーラ集積回路やＭＯＳ系デバイスあるいはＣＣ
Ｄの製造の際、基板に相当するシリコン半導体基板上
に、エピタキシャル層に相当する単結晶シリコン層を形
成するために用いることができるが、これに限定するも
のではなく、その他、基板に相当するＧａＡｓ基板上
に、エピタキシャル層に相当する各種の化合物半導体層
を形成するために用いることもできる。

【００１３】前述したように、従来の減圧ＣＶＤ装置の
構造をエピタキシャル成長装置に適用した場合、基板面
内におけるエピタキシャル層の膜質の均一性を確保する
こと、及び結晶欠陥を防止することは困難である。本発
明のエピタキシャル成長装置にあっては、基板保持治具
は炭化ケイ素で表面が被覆された導電性材料から成り、
しかも、エピタキシャル成長室の外側に誘導加熱装置が
配設されている。これによって、導電性材料からの汚染
発生を防止しつつ、誘導加熱方式にて基板を基板保持治
具から直接加熱することができる。しかも、本発明のエ
ピタキシャル成長装置は、所謂コールドウォール形式の
エピタキシャル成長装置であり、原料ガスを成分とした
薄膜がエピタキシャル成長室の内壁に成膜することを防
止することができる。それ故、基板に形成されたエピタ
キシャル層に結晶欠陥が発生することを確実に回避する
ことができる。

【００１４】また、ガス導入部からエピタキシャル成長
室内に導入された原料ガスの流れを基板の表面と略平行
な流れとすることで、基板面内におけるエピタキシャル
層の膜質及び膜厚の均一性を確保することが可能とな
る。

【００１５】しかも、エピタキシャル成長室を縦型とす
ることで、１回に処理可能な基板の枚数を増加させるこ
とができ、且つ、エピタキシャル成長装置の占有面積を
現行のエピタキシャル成長装置よりも格段に小さくする
ことが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態に基づき本発明を説明する。

【００１７】本発明のエピタキシャル成長装置の模式的
な断面図を図１に示す。また、図１の線Ａ−Ａに沿った
模式的な断面図を図２に示す。

【００１８】このエピタキシャル成長装置は、上端が閉
じた円筒状の石英製の縦型のエピタキシャル成長室１０
（プロセスチューブとも呼ばれる）と、基板保持治具３
０（ボートとも呼ばれる）と、誘導加熱装置２６と、ガ
ス導入部４０と、ガス排出部４２から構成されている。
高周波コイルから構成された誘導加熱装置２６は、エピ
タキシャル成長室１０の外側に配設されている。エピタ
キシャル成長室１０は基台２８に載置されている。尚、
図２においては、誘導加熱装置２６及び基台２８の図示
は省略した。

【００１９】本発明のエピタキシャル成長装置は、ガス
導入部４０からエピタキシャル成長室１０内に導入され
た原料ガスの流れが基板３２の表面と略平行な流れとな
るような構造を有する。より具体的には、エピタキシャ
ル成長室１０は、内室１２と、第１の外室１４及び第２
の外室１６とから構成されている。基板保持治具３０
は、エピタキシャル成長室１０内、より具体的には、内
室１２に配置される。基板３２上にエピタキシャル層を
形成するための原料ガスを導入するガス導入部４０は、
エピタキシャル成長室１０、より具体的には、第１の外
室１４の下方に設けられている。一方、ガス排出部４２
は、エピタキシャル成長室１０、より具体的には、第２
の外室１６の下方に設けられている。第１の外室１４と
第２の外室１６は一体構造であり、隔壁（第１の隔壁１
８）によって隔てられている。エピタキシャル成長室１
０の垂直方向の軸線に垂直な面にて切断したときの一体
構造の第１の外室１４と第２の外室１６の断面形状は円
形である。内室１２と第１の外室１４とは第１の隔壁１
８で隔てられている。一方、内室１２と第２の外室１６
とは第２の隔壁２２で隔てられている。エピタキシャル
成長室１０の垂直方向の軸線に垂直な面にて切断したと
きの内室１２の断面形状は正方形である。第１の隔壁１
８及び第２の隔壁２２は石英製である。

【００２０】内室１２と第１の外室１４との間には、よ
り具体的には、内室１２と第１の外室１４とを隔てる第
１の隔壁１８には、原料ガスの流れが基板３２の表面に
平行な流れとなるように、複数のガス導入口２０が設け
られている。一方、内室１２と第２の外室１６との間に
は、より具体的には、第１の隔壁１８と対向し、そして
内室１２と第２の外室１６とを隔てる第２の隔壁２２の
部分には、基板３２上を流れた原料ガスを排出するため
の複数のガス排出口２４が設けられている。ガス導入口
２０及びガス排出口２４のそれぞれは、ガス導入部４０
及びガス排出部４２から遠ざかるに従い（具体的には、
下から上に向かって）、開口面積が大きくなる構造を有
する。第１の隔壁１８の模式的な正面図を図３に示す。
尚、第１の隔壁１８と対向する第２の隔壁２２の部分に
おけるガス排出口２４の形状も、図３と略同じ形状を有
する。各ガス導入口２０及びガス排出口２４の開口面積
は、各基板３２の上方を流れる原料ガスの流量あるいは
流速が出来る限り等しくなるように、計算及び／又は試
験により決定すればよい。

【００２１】基板保持治具３０は、炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）で表面が被覆された導電性材料（具体的には、グラ
ファイト）から作製されている。基板保持治具３０は、
基板３２を垂直方向（エピタキシャル成長室の垂直方向
の軸線に平行な方向）に複数枚保持し、しかも、各基板
３２を水平に保持する。

【００２２】以上に説明した構造を有するエピタキシャ
ル成長装置において、基板保持治具３０に複数の基板３
２（具体的には、シリコン半導体基板）上に、シリコン
単結晶薄膜から成るエピタキシャル層を形成する場合を
例にとり、以下、エピタキシャル成長装置の操作を説明
する。

【００２３】先ず、複数の基板３２を載置した基板保持
治具３０をエピタキシャル成長室１０の下方に搬入し、
基板保持治具３０をリフター（図示せず）の上に乗せ
る。そして、リフターを上昇させて、基板保持治具３０
をエピタキシャル成長室１０の内室１２内に収納する。
そして、高周波コイルから成る誘導加熱装置２６に高周
波電力を印加することによって基板保持治具３０に誘導
電流を生ぜしめることにより、基板３２を例えば１００
０゜Ｃに加熱する。これによって、基板３２上にエピタ
キシャル層を成長させることが可能になる。尚、基板の
温度は、印加する高周波電力により制御することができ
る。そして、ガス導入部４０から第１の外室１６を経由
し、第１の隔壁１８に設けられたガス導入口２０から基
板３２の表面に原料ガスを供給する。原料ガスとして、
水素及びＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロルシラン）の混合ガスを
使用した。ガスは、第２の隔壁２２の一部に設けられた
ガス排出口２４から第２の外室１６を経由して、ガス排
出部４２から系外に排気される。内室１２内の成膜圧力
は、ガス排出部４２の下流に設けられたブロワー又は真
空ポンプ（図示せず）によって制御することができる。
基板３２上におけるシリコン単結晶薄膜から成るエピタ
キシャル層の形成が完了したならば、原料ガスの供給及
び基板３２の加熱を中止し、その後、基板保持治具３０
をリフターによって下降させ、基板保持治具３０をエピ
タキシャル成長装置から搬出する。

【００２４】以上、本発明を、発明の実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。発明の実施の形態にて説明したエピタキシャル層の
形成条件は一例に過ぎず、適宜変更することができる。
例えば、シリコン単結晶薄膜から成るエピタキシャル層
を形成する場合、原料ガスとして、ＳｉＨ₄やＳｉＣｌ₄
等を用いることができるし、ＧａＡｓ等の基板の上に各
種の化合物半導体層から成るエピタキシャル層を形成す
ることもできる。エピタキシャル成長装置の構造も例示
であり、所望に応じて適宜設計変更することができる。
発明の実施の形態においては、ガス導入口及びガス排出
口の形状を長方形としたが、これらの形状は任意に変更
可能であり、例えば開口面積を変化させた円形や多角形
の孔、あるいは、隔壁単位面積当たりの開口面積を変化
させた円形や多角形の孔とすることもできる。ガス導入
口やガス排出口の数は、処理すべき基板の数と同じとし
てもよいし、処理すべき基板の数より少なくともよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明のエピタキシャル成長装置によれ
ば、エピタキシャル層の膜質及び膜厚の均一性を損なう
ことなく、また基板の大口径化に対しても、エピタキシ
ャル成長装置の占有面積を増加させることなく、多数枚
の基板に対するエピタキシャル成長処理が可能となる。
一例として、本発明のエピタキシャル成長装置の直径は
約１ｍであり、１回のエピタキシャル成長処理にて約１
００枚の基板の処理を行うことが可能である。また、本
発明のエピタキシャル成長装置においては、基板を直接
保持する基板保持治具を導電性材料から作製しているの
で、高周波誘導加熱方式により基板保持治具から基板を
直接加熱することが可能となり、原料ガスの反応効率が
高い。しかも、エピタキシャル成長室の内壁（例えば、
内室の内壁）は加熱され難いため、内壁には薄膜が成膜
されない。それ故、薄膜の剥がれに起因したエピタキシ
ャル層の結晶欠陥の発生が防止でき、高品質のエピタキ
シャル層を形成することができる。

【００２６】また、ガス導入部からエピタキシャル成長
室内に導入された原料ガスの流れを基板の表面と略平行
な流れとすることで、基板面内におけるエピタキシャル
層の膜質及び膜厚の均一性を確保することが可能とな
る。更には、本発明のエピタキシャル成長装置の好まし
い態様によれば、ガス導入口とガス排出口とを対向して
設け、それぞれの開口部の大きさを、ガス導入部及びガ
ス排出部から遠ざかるに従い大きくすることによって、
基板に平行に且つ均一に原料ガスを供給できる結果、均
一なエピタキシャル成長を行うことが可能となる。更に
は、隔壁やガス導入口も加熱され難いため、原料ガスの
供給が不安定になることもない。しかも、従来技術と異
なり、基板保持治具を回転させていなので、基板の上方
を流れる原料ガスが乱流となることがなく、安定してエ
ピタキシャル層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエピタキシャル成長装置の模式的な断
面図である。

【図２】図１の線Ａ−Ａに沿った本発明のエピタキシャ
ル成長装置の模式的な断面図である。

【図３】本発明のエピタキシャル成長装置における隔壁
の模式的な正面図である。

【図４】従来の横型のエピタキシャル成長装置及び基板
を載置したサセプターの模式図である。

【図５】従来のパンケーキタイプのエピタキシャル成長
装置及び基板を載置したサセプターの模式図である。

【図６】従来のバレルタイプのエピタキシャル成長装置
の模式図である。

【図７】従来の縦型の減圧ＣＶＤ装置の模式図である。

【図８】従来の縦型の減圧ＣＶＤ装置の構造をエピタキ
シャル成長装置に応用した場合の問題点を説明するため
の基板及びエピタキシャル層の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１０・・・エピタキシャル成長室、１２・・・内室、１
４・・・第１の外室、１６・・・第２の外室、１８・・
・第１の隔壁、２０・・・ガス導入口、２２・・・第２
の隔壁、２４・・・ガス排出口、２６・・・誘導加熱装
置、２８・・・基台、３０・・・基板保持治具、３２・
・・基板、４０・・・ガス導入部、４２・・・ガス排出
部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 16/44 Ｃ２３Ｃ 16/44 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）縦型のエピタキシャル成長室と、（ロ）各基板を水平に保持し、且つかかる基板を垂直方
向に複数枚保持する、該エピタキシャル成長室内に配置
された基板保持治具と、（ハ）該エピタキシャル成長室の外側に配設された誘導
加熱装置と、（ニ）該エピタキシャル成長室に設けられ、基板上にエ
ピタキシャル層を形成するための原料ガスを導入するガ
ス導入部、並びにガス排出部、とを備えたエピタキシャ
ル成長装置であって、該基板保持治具は、炭化ケイ素で表面が被覆された導電
性材料から成ることを特徴とするエピタキシャル成長装
置。
【請求項２】ガス導入部からエピタキシャル成長室内に
導入された原料ガスの流れは基板の表面と略平行な流れ
であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャ
ル成長装置。
【請求項３】前記エピタキシャル成長室は、内室と、第
１の外室及び第２の外室とから構成されており、前記基板保持治具は該内室に配置され、前記ガス導入部は該第１の外室の下方に設けられ、前記ガス排出部は該第２の外室の下方に設けられ、内室と第１の外室との間には、複数のガス導入口が設け
られており、内室と第２の外室との間には、複数のガス排出口が設け
られていることを特徴とする請求項２に記載のエピタキ
シャル成長装置。
【請求項４】前記ガス導入口及びガス排出口のそれぞれ
は、ガス導入部及びガス排出部から遠ざかるに従い、開
口面積が大きくなることを特徴とする請求項３に記載の
エピタキシャル成長装置。
【請求項５】第１の外室と第２の外室は一体構造であ
り、隔壁によって隔てられており、エピタキシャル成長
室の垂直方向の軸線に垂直な面にて切断したときの一体
構造の第１の外室と第２の外室の断面形状は円形である
ことを特徴とする請求項３に記載のエピタキシャル成長
装置。