JPH1167674A

JPH1167674A - 気相薄膜成長装置及び気相薄膜成長方法

Info

Publication number: JPH1167674A
Application number: JP9240330A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ohashi; 忠大橋; Katsuhiro Chagi; 勝弘茶木; Taira Shin; 平辛; Tatsuo Fujii; 達男藤井; Katsuyuki Iwata; 勝行岩田; Shinichi Mitani; 慎一三谷; Yasuaki Honda; 恭章本多; Yusuke Sato; 祐輔佐藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Machine Co Ltd; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Toshiba Corp; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-03-09
Also published as: KR19990023724A; TW400549B

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質が要求される半導体ウエハ基板の製造
工程に適用される反応ガス流が安定しパーティクルの発
生及び付着が少なくメンテナンスサイクルが長期である
気相薄膜成長装置により結晶欠陥が少なく均一な膜厚の
薄膜を気相成長する。【解決手段】中空の反応炉１０の頂部に複数の反応ガ
ス供給口１６、底部に排気口１５、内部にウエハ基板１
１を載置する回転基板保持体１２、及び、内部上部に複
数の孔が穿設された整流板１７を有し、内部に反応ガス
を供給して回転基板保持体上のウエハ基板表面に薄膜を
気相成長させる気相成長装置において、前記反応炉１０
の中空内部が、内径が異なる上下部１、２に区分され、
上部の内径Ｄ₁ が下部の内径Ｄ₂ より小さく、且つ、上
部下端と下部上端とが連結部により接続され中空内部が
連続すると共に、前記回転基板保持体が反応炉下部内の
該上部下端より所定の高低差Ｈを有して下方に位置して
配設される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気相薄膜成長装置及
び気相薄膜成長方法に関し、特に、高品質が要求される
半導体ウエハ基板の製造工程に適用される汚染物の発生
の少ない気相薄膜成長装置及び結晶欠陥が少なく均一な
膜厚の薄膜を形成する気相薄膜成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の気相成長装置の一例を示
す概略説明図である。図２において、一般に円筒状の反
応炉２０内の下部には、例えばシリコンウエハ等のウエ
ハ基板２１を載置する回転基板保持体２２、回転基板保
持体２２を回転させるための回転軸２３及び加熱用のヒ
ータ２４が配設され、回転軸２３には回転駆動するモー
タ（図示せず）が接続されている。また、反応炉２０底
部には未反応ガス等を排気する複数の排気口２５、２５
が配設されて排気制御装置（図示せず）に接続されてい
る。一方、反応炉２０の頂部には炉内に原料ガスやキャ
リアガスを供給する複数のガス供給管２６、２６と円盤
状の整流板２７とが配設され、整流板２７には、ガスの
流れを整える多数の孔２７ａが穿設されている。従来の
気相成長装置は上記のように構成され、モータの回転駆
動によって所定の回転数で回転する回転基板保持体２２
上に載置された基板２１は、回転しながらヒータ２４に
より所定温度に加熱される。同時に、反応炉２０内には
原料ガスやキャリアガス等の反応ガスを複数のガス供給
管２６、２６を介して導入しガス運動量や圧力分布を均
一化し、次いで反応炉内のガス流速分布が均一なるよう
に整流板８７の多数の孔２７ａを通過させ、回転基板保
持体２２上のウエハ基板２１に反応ガスを均一に供給し
て薄膜を気相成長させている。

【０００３】上記したような半導体ウエハ上へ薄膜を形
成する気相成長装置においては、薄膜形成ガスによるパ
ーティクルの発生や反応炉内壁への析出物の付着を防止
するため、また、薄膜形成時の不都合により結晶欠陥が
生じないようにして薄膜が均質で且つ膜厚が均一な薄膜
形成ウエハが得られるように各種の提案がなされてい
る。例えば、特開平５−７４７１９号公報では原料ガス
の供給流量を所定に制御して反応炉内の温度変化を防止
することにより結晶欠陥の防止を図っている。特開平５
−９０１６７号公報では薄膜形成時のウエハ基板の面内
温度分布を均一にするように原料ガス量、炉内圧力、回
転基板保持体の回転数等を所定に制御してスリップの防
止を図っている。特開平６−２１６０４５号公報では析
出物が生じ易い反応炉内壁の一部に内周面を平滑に維持
して遮蔽管を配設し、薄膜形成操作を行った後の反応炉
洗浄を容易にすると共に、ガス流を層流状態に維持して
均質な薄膜の形成を図るものである。また、特開平７−
５０２６０号公報では、原料ガスやキャリアガスの反応
炉への導入方法を所定にすることにより、ガス運動量や
ガス圧を均一にして均一な流速で原料ガス等を基板上に
供給して薄膜厚の均一化を図るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
各種提案の従来の気相成長装置においても、薄膜成長さ
せたウエハ基板で、結晶欠陥が生じたり、パーティクル
付着等の不都合が十分に防止できるとはいえず、また、
特に近年の半導体における超高集積化に伴い、ウエハ基
板は、ますます高品質化が要求されるようになったこと
から、薄膜形成ウエハ基板の僅かな欠陥の品質低下も問
題になることが多くなっている。本発明は、このような
従来の気相成長装置による気相成長薄膜形成でのウエハ
基板の品質低下に鑑み、それらを解決する目的でなされ
たものである。発明者らは、先ず、従来の気相成長装置
で生じている現象について詳細に検討した。その結果、
反応炉壁にパーティクルが多く付着する現象が観察さ
れ、そのため、メンテナンスサイクルを短縮させたり、
この反応炉壁に付着したパーティクルが、ウエハ基板に
付着し結晶欠陥の原因となったり、付着パーティクルと
して直接にウエハ品質の低下をもたらす原因となってい
ることを知見した。

【０００５】発明者らは、上記知見から、更に、反応炉
壁でのパーティクル多量付着現象の原因を見出すべく、
反応炉内での原料ガス流れ等を検討した。その結果、下
記する現象が反応炉内で生じることが更に明らかになっ
た。即ち、上記のように反応炉頂部より導入され均一
な流速でウエハ基板２１上に供給されるシリコン原料ガ
ス等の反応ガスは、ヒータ２４により加熱され上部より
高温となっている反応炉２０の下部のウエハ基板２１近
傍に到達し加熱される。その結果、図２に矢印で示した
ように、上昇ガス流が生じ、反応炉壁に沿って反応ガス
の舞上り現象が生じ、ガス渦流の発生が起こる。ま
た、加温された反応ガスが上昇することから、反応炉２
０内全域の温度も上昇し気相中での薄膜形成原料ガスの
均一核生成が増大し、気相中でのパーティクル発生が増
大する。更に、上記ガス渦流が発生すると、回転基板
保持体２２上のウエハ基板２１の外周部で反応ガス中の
ドーパントの再取込が起こるおそれがあり、得られるウ
エハ基板の面内抵抗値分布の不均一化の原因ともなる。
更にまた、ウエハ基板近傍に流下した反応ガスの反応
炉上方への舞上り現象は、ガス渦流の発生とは別に、回
転基板保持体２２外周側に、いわゆる“ガス流の荒れ”
といわれるガス流が複雑な流れとなる乱れが生じること
になる。このガス流の荒れが生じると、排気口２５から
排出されるべき未反応ガスが反応して回転基板保持体２
２外周面に薄膜成分が析出したり、その回転基板保持体
２２外周面に対向する反応炉壁にパーティクルが付着し
たりすることになる。また、上記した各種の不都合を
引き起こすガス渦流やガス流の荒れの発生は、従来法に
おいて回転基板保持体２２の回転軸２３方向へのガス流
速を約１ｍ／ｓ以上の極めて速い速度とすることにより
ある程度抑制可能であるが、そのためには大量のキャリ
アガスを流すことが必要となる。

【０００６】発明者らは上記知見に基づき、前記した薄
層形成ウエハ基板の品質低下や反応炉のメンテナンスサ
イクルの短縮等の不都合の原因が、反応炉内でのガスの
上昇流のガス流の乱れにあることを見出した。そして、
発明者らは、大量のキャリアガスを流すことなく、反応
炉の上部と下部の径を変え、また、反応炉の上部径、下
部径及び回転基板保持体径の比率を所定にし、更に、回
転基板保持体と反応炉の上部下端との高低差を所定にす
ることにより、上記した従来の気相成長装置における反
応炉壁や回転基板保持体反応炉下部で外周面へのパーテ
ィクルの多量の付着や薄膜成分の析出、ドーパントのウ
エハ外周部での取り込みを防止し、ウエハ基板の品質低
下を防止できる本発明を完成した。即ち、本発明は、シ
リコン原料ガスの均一核生成で発生したパーティクルが
反応炉周壁で付着したり、薄膜成分の回転基板保持体外
周部や炉内周壁への析出を防止する気相薄膜成長装置を
提供し、同時に欠陥が少なく高品質で均一な薄膜をウエ
ハ基板上に気相成長させる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】本発明によれば、中空の
反応炉の頂部に複数の反応ガス供給口、底部に排気口、
内部にウエハ基板を載置する回転基板保持体、及び、内
部上部に複数の孔が穿設された整流板を有し、内部に反
応ガスを供給して回転基板保持体上のウエハ基板表面に
薄膜を気相成長させる気相成長装置において、前記反応
炉の中空内部が、内径が異なる上下部に区分され、上部
の内径が下部の内径より小さく、且つ、上部下端と下部
上端とが連結部により接続され中空内部が連続すると共
に、前記回転基板保持体が反応炉下部内の該上部下端よ
り所定の高低差を有して下方に位置して配設されること
を特徴とする気相薄膜成長装置が提供される。

【０００８】上記本発明の気相薄膜成長装置において、
前記反応炉上部の側面が前記回転基板保持体上面に対し
垂直であることが好ましい。また、前記反応炉中空内部
の水平断面が円形であって、前記上部直径（Ｄ₁ ）が、
前記ウエハ基板の直径より大であり、且つ、前記回転基
板保持体が円形でその直径（Ｄ_s ）との比（Ｄ₁ ／Ｄ
_S ）が０．７〜１．２であることが好ましく、上部直径
（Ｄ₁ ）と下部直径（Ｄ₂ ）との比（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ）が
１．２以上であることが好ましく、下部直径（Ｄ₂）と
回転基板保持体直径（Ｄ_S ）との比（Ｄ₂ ／Ｄ_S ）が
１．２以上であることが好ましい。更にまた、前記上部
下端と回転基板保持体との高低差（Ｈ）が、該回転基板
保持体上面上のガス流の遷移層厚（Ｔ）より大であるこ
と、遷移層厚（Ｔ）が３．２２（ν／ω）^1/2 （但し、
νは反応炉内雰囲気ガスの動粘性係数（ｍｍ² ／ｓ）
を、ωは回転の角速度（ｒａｄ／ｓ）をそれぞれ表示す
る）の算出値であること、前記連結部は前記回転基板保
持体上面と水平な面内にあることが好ましい。

【０００９】本発明の気相薄膜成長装置は上記のように
構成されて、従来の気相薄膜成長装置における反応炉壁
に沿って生じる反応ガスの舞上り現象によるガス渦流発
生を、上部径を下部径より小さくするという炉形状に変
更して発生空間を欠除させることで抑制できると同時
に、反応炉上部での気相温度の上昇を防止できることか
ら、シリコン等薄膜形成の原料ガスの均一核生成が抑制
され気相中で発生するパーティクルが減少する。そのた
め、パーティクルが反応炉壁に付着しメンテナンスサイ
クルを短縮させたり、ウエハ基板に付着し結晶欠陥の原
因となったり、直接付着パーティクルとなりウエハの品
質を低下すること等が防止される。また、ガス渦流の発
生を抑制することにより、回転基板保持体上に載置され
たウエハ基板直上のガス流が、ウエハ基板の中心から外
周部へウエハ面に平行に流れることを妨害されることな
く均等となる。そのため基板外周部での気相中のドーパ
ントの再取込が生じることもなく、面内抵抗値分布が均
一な高品質な薄層形成ウエハ基板を得ることができる。
更に、反応炉上部を細くしたことから、比較的少ないキ
ャリアガス量で回転基板保持体の回転軸方向のガス流速
を速くすることができ、従来の装置に比しキャリアガス
量が低減できる。

【００１０】また、反応炉上部径、反応炉下部径及び回
転基板保持体直径の比率を所定とすることから、反応炉
内のガスの上昇流を防止してパーティクル発生を減少さ
せると共に、ガス渦流やガス流の荒れの発生を防止する
ことができ、更に、炉壁に付着したパーティクルが回転
基板保持体上のウエハ基板上に落下することを回避する
ことができる。更にまた、回転基板保持体を反応炉の上
部下端に対して、回転基板保持体上面に形成されるガス
流の遷移層厚より大きい高低差を有するように配設する
ことにより、上部下端が円滑なガス流れを妨害すること
がなく、また、ガスの上昇流を防止して、ガス渦流やガ
ス流の荒れが発生することがなく、結晶欠陥がなく高品
質の薄膜形成ウエハ基板を得ることができる。なお、本
発明において、遷移層とは、整流板を経て供給された原
料ガス流が、回転基板保持体上において中心から外周辺
部方向へのベクトルを有して流れるガス層をいい、遷移
層厚は回転基板保持体上における上記ベクトルを有する
ガス流の厚さをいう。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づきに詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例に
より制限されるものでない。図１は本発明の気相薄膜成
長装置の一実施例の概略断面説明図である。図１におい
て、反応炉１０は上部１と下部２とに区分され上部１が
下部２より細く形成される。即ち、上部内径Ｄ₁ が下部
内径Ｄ₂ より小さくＤ₁ ＜Ｄ₂ である。反応炉１０を区
分する上下部の各高さＨ₁ 及びＨ₂ の比、即ち、区分比
率は特に制限されるものでなく、下部２内に回転基板保
持体等が所定に配設されればよい。通常、Ｈ₁ ／Ｈ₂ ＝
０．５〜２．０である。反応炉１０は、大径の下部２の
上端部Ｕと小径の上部１の下端部Ｂとが連結部１８によ
り接続され、上下部の径は異なるが反応炉の内部中空間
が連続される。また、反応炉上部１の側壁面は、通常、
下部２の側壁面と平行に形成され、回転基板保持体上面
に対し垂直に形成される。これは、後述する整流板１７
によって整流された供給ガスが、回転基板保持体上面の
ウエハ基板に到達する前に、反応炉上部の側壁面によっ
て偏流することにより、円滑な流れを妨害されないよう
にするためである。

【００１２】図１において、更に、大径の反応炉下部２
には、ウエハ基板１１を載置する回転基板保持体１２が
回転軸１３により回転自在に支持され配設され、その下
方には回転基板保持体１２及びその上に載置されるウエ
ハ基板１１とを加熱するヒータ１４が配設される。回転
基板保持体１２は、上面が反応炉上部下端Ｂより所定の
高低差（Ｈ）を有して下方に位置して配設される。回転
軸１３には回転駆動するモータ（図示せず）が接続され
る。また、反応炉１０底部には未反応ガス等を排気する
複数の排気口１５、１５が配設される。一方、反応炉上
部１には、頂部に複数の反応ガス供給口１６、１６が配
設され、例えばシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジクロロシラン
（ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ）等の原料ガス及び水素（Ｈ₂ ）、ヘ
リウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）等のキャリアガスの
反応ガスが供給される。反応炉上部１内の上方は頂部と
所定の空間域Ｓを保持して複数の孔１７ａが穿設された
円盤状の整流板１７が、供給ガスが偏流路を形成するこ
とがないように反応炉上部の内周面に密接して配備され
る。

【００１３】本発明の気相薄膜成長装置は、上記のよう
に回転基板保持体１２は、その上面が反応炉上部１の下
端Ｂより下方で所定の高低差Ｈを有する。この高低差Ｈ
は、通常、回転基板保持体１２上部に供給されるガス流
の遷移層、即ち、図１に矢印にて示したように整流板１
７を経て供給された原料ガス等のガス流が回転基板保持
体１２上で中心から外周辺部方向へのベクトルを有する
ガス層の厚さ（Ｔ）より大きくなるようにする。この高
低差Ｈが遷移層厚Ｔより小さいと、回転基板保持体１２
上のウエハ基板１１の中心から外周部へのガス流れが、
反応炉上部１の下端Ｂにより阻害され、反応炉内壁に沿
って上方への舞上り現象が生じガス渦流の発生を助長す
るため、連結部１８や反応炉下部２の内壁への析出物が
多量となるためである。また、回転基板保持体１２上面
は、反応炉上部１と下部２の連結部１８と水平な面内に
あることが好ましい。

【００１４】上記の回転基板保持体１２上でのガス流の
遷移層厚さＴは、従来から用いられる一般的な反応炉に
おいて、主に反応炉内の雰囲気ガスの種類、反応炉内圧
力、回転基板保持体の回転数により変化するが、下記式
（１）で算出することができる。下記式（１）は、流体
力学において一般的に示されるものである。Ｔ＝３．２２（ν／ω）^1/2 （１）（但し、νは反応炉内反応ガスの動粘性係数（ｍｍ² ／
ｓ）を、ωは回転の角速度（ｒａｄ／ｓ）をそれぞれ表
示する。）この場合、ωは気相薄膜成長装置での薄膜形
成稼働中の最小値を採るものとする。例えば、原料ガス
がシランガス、キャリアガスが水素ガスであり、回転基
板保持体の回転数が５００〜２０００ｒｐｍ（５２〜２
０９ｒａｄ／ｓ）である場合は、遷移層厚Ｔは約５〜５
０ｍｍとなる。従って、小径の反応炉上部１の下端Ｂか
ら上記のＴ値より大きな高低差Ｈで回転基板保持体上面
が位置するように配設することが好ましい。これによ
り、ウエハ基板上の中心から外周へのガス流れが円滑と
なり炉内壁に薄膜形成原料のパーティクルの付着がな
く、また得られる薄膜形成ウエハは結晶相に欠陥が無
く、均一な薄膜が形成される。

【００１５】また、本発明の気相薄膜成長装置の異なる
径を有する上下部からなる反応炉において、反応炉上部
１の小径Ｄ₁ 、下部２の大径Ｄ₂ 、回転基板保持体１２
の直径Ｄ_S とが、それぞれ下記のような比率関係にある
ことが好ましい。例えば、Ｄ₁ がウエハ直径より大き
く、（１）Ｄ₂ ／Ｄ₁ 比が１．２以上（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≧
１．２）である。Ｄ₁ がウエハ直径より小さいと、炉上
部１内壁面から脱落したパーティクルが、回転基板保持
体１２上に載置したウエハ基板に付着し易く、結果的に
ＬＰＤ（ウエハ表面レーザー散乱体（パーティクルを含
む））として計測される結晶欠陥が増加するためであ
る。また、通常気相薄膜成長工程で行われるウエハ基板
外周部の赤外線による非接触温度測定が困難となるため
である。一方、Ｄ₂ ／Ｄ₁ 比が１．２より小さいと、反
応炉壁に沿ってガス流の上方への舞上り現象が生じガス
渦流が発生し、反応炉上部径を細くしてガス舞上り現象
を防止しガス渦流の発生の抑制効果が低下するためであ
る。

【００１６】（２）Ｄ₁ ／Ｄ_S 比が０．７〜１．２
（０．７≦Ｄ₁ ／Ｄ_S ≦１．２）にある。Ｄ₁ ／Ｄ_S 比
が０．７より小さいと、上部１の壁面が回転基板保持体
１２上に載置されたウエハ基板に近接し過ぎて炉内壁面
から脱落したパーティクルがウエハ基板に付着し易くな
る。そのため、上記Ｄ₁ がウエハ基板直径より小さい場
合と同様に、ＬＰＤとして測定される結晶欠陥が増加し
薄膜形成ウエハ基板の品質が低下するためである。一
方、Ｄ₁ ／Ｄ_S 比が１．２より大きいと、Ｄ_S ／Ｄ₁比
が１．２より小さい場合と同様に、反応炉内壁に沿って
ガス流が上方への舞上り現象が生じガス渦流の発生が起
こる等の不都合があるためである。（３）Ｄ₂／Ｄ_S 比
が１．２以上（Ｄ₂ ／Ｄ_S ≧１．２）である。Ｄ₂ ／Ｄ
_S 比が１．２より小さいと、回転基板保持体１２外側の
ガス流の荒れが抑制できないため、回転基板保持体１２
外側に対向する反応炉内壁にパーティクルが付着した
り、未反応ガスが回転基板保持体１２の下方で反応して
反応炉下部２の内壁に薄膜形成成分が析出するためであ
る。

【００１７】上記したように本発明の気相薄膜成長装置
は、反応炉が上下部で区分されて異なる径を有して連続
する中空筒体であって、反応炉の上部径、下部径及び回
転基板保持体径の比率を所定にし、更に、回転基板保持
体と反応炉の上部下端との高低差を所定に配設する以外
は、前記の従来の気相薄膜成長装置の同一径の中空筒体
からなる反応炉とほぼ同様にして設計、製造することが
できる。また、本発明の気相薄膜成長装置を用いて行う
気相成長方法も同様に行うことができる。上記のように
構成された本発明の気相薄膜成長装置において、排気口
１５、１５に接続されている排気制御装置により反応炉
１０内を排気し、炉内圧力、例えば原料ガスやキャリア
ガスの反応ガスで２０〜５０ｔｏｒｒに調整する。一
方、回転基板保持体１２はモータを稼働し回転軸１３の
回転駆動により回転し、その上のウエハ基板１１が同時
に回転させられると同時に、ヒータ１４により回転基板
保持体１２上のウエハ基板１１は、例えば約９００〜１
２００℃に加熱される。また同時に、複数の反応ガス供
給口１６、１６からは流量を所定に制御しながら原料ガ
ス及びキャリアガスからなる反応ガスを反応炉１０内に
供給する。複数の反応ガス供給口１６、１６から空間域
Ｓに供給されるガス流は、運動量や圧力分布が均一化さ
れ、更に、整流板１７の孔１７ａを通過することにより
反応炉内のガス流速分布を均一にして基板上に供給さ
れ、基板上に薄膜を均一に気相成長させることができ
る。

【００１８】

【実施例】実施例１〜７及び比較例１〜４においては、
前記図１に示した反応炉と同様に中空円筒に構成され、
反応炉上部内径Ｄ₁ 、下部内径Ｄ₂ 及び回転基板保持体
直径Ｄ_S がそれぞれ表１〜３に示した径を有し、また上
部下端Ｂと回転基板保持体１７上面とが表１〜３に示し
た高低差Ｈを有するように配設した気相成長装置を用い
た。原料ガスとしてＳｉＨ₄ ガスを、キャリアガスとし
てＨ₂ ガスを、また、ドーパントとしてジボラン（Ｂ₂
Ｈ₆ ）をＨ₂ ガス中０．１ｐｐｍ含有させたガスを、そ
れぞれ表１〜３に示した流量で供給した。反応温度、反
応圧力及び回転基板保持体の回転数を表１〜３に併せて
示した。

【００１９】表１〜３に示した気相成長条件下でシリコ
ンウエハ上にＢ₂ Ｈ₆ ドーパントシリコン薄膜の気相成
長を行った。気相成長薄膜を形成した後、使用した気相
薄膜成長装置の連結部及び反応炉下部内周壁のパーティ
クル付着を目視観察し、その多少を表１〜３に示した。
また、得られた薄膜形成ウエハ基板面の結晶相の性状に
ついてテンコール社製サーフスキャン６２００を用い
０．１３５μｍ以上のＬＰＤ（ウエハ表面レーザー散乱
体）の個数を計測し、その結果をウエハ当たりの個数と
して表１に示した。また、形成薄膜の膜厚を赤外干渉膜
厚計により測定し、その最大厚さ（Ｆ_max ）及び最低厚
さ（Ｆ_min ）を求め、薄膜厚さの均一性を（Ｆ_max −Ｆ
_min ）／（Ｆ_max ＋Ｆ_min ）×１００として算出して表
１〜３に示した。また、得られた薄膜形成ウエハ基板の
抵抗値をＣ−Ｖ法を用いて測定し、その最大値（Ｒ
_max ）及び最低値（Ｒ_min ）を求め、ドーパント取込み
による抵抗値の均一性を（Ｒ_max −Ｒ_min ）／（Ｒ_max
＋Ｒ_min ）×１００として算出して表１〜３に示した。

【００２０】また比較例５、６においては、前記図２に
示した従来の気相薄膜成長装置の反応炉と同様に、即
ち、上下部に区分がなく上下同径で連結部の無い反応炉
２０と同様に構成された反応炉を用い、表３に示した気
相成長反応条件下でシリコンウエハ表面上にＢ₂ Ｈ₆ ド
ーパントシリコン薄膜を形成した。その後、装置内の観
察及び得られた薄膜形成ウエハ基板について同様に測定
した結果を表３に示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】上記実施例及び比較例より明らかなよう
に、反応炉を径の異なる上下部に区分し、また、反応炉
の上部径、下部径及び回転基板保持体径の比率を所定に
し、更に、回転基板保持体と反応炉の上部下端との高低
差を所定にすることにより、得られる薄膜形成ウエハ基
板表面の結晶相のＬＰＤ個数も、４８７以下で同一条件
で従来の気相成長装置を用いた比較例５に比し、約１．
４４％以下に低減されることが分かる。更に、形成され
る薄膜厚の均一性が４以下で極めて均一な薄膜が形成さ
れることが明らかである。また、抵抗値の均一性も６．
３以下と結晶相の欠陥のなさと共にドーパントの再取込
みも防止され均質な薄膜が形成されることも分かる。一
方、比較例６のように、従来の装置でキャリアガス流量
を大量に流通させた場合は、膜厚は比較的均一でＬＰＤ
も少なく結晶相も比較的良好であるが、回転基板保持体
の外周側でガス流の荒れが生じることにより、抵抗値の
均一性が劣っている。この結果、反応炉下部で析出物が
多く、炉のメンテナンスサイクルが短縮されることが予
測できる。

【００２５】また、実施例１〜７と同様に上下部の径が
異なり区分された反応炉を用いた場合であっても、比較
例１のように、上部径と回転基板保持体の直径との比を
０．５とすると、ドーパントの再取込みが防止できる以
外は、明らかに実施例１〜７より劣っている。これは、
反応炉上部の壁面が回転基板保持体上に載置されたウエ
ハ基板に近接し過ぎて炉内壁面から脱落したパーティク
ルがウエハ基板に付着し易くなったためと推測できる。
また、比較例２のように、上部径と回転基板保持体の直
径との比を１．５とし、下部径と上部径との比を０．８
３とすると、反応炉内壁に沿ってガス流が上方への舞上
り現象が生じガス渦流が発生し、反応炉上部径を細くし
てガス舞上り現象を防止しガス渦流の発生の抑制効果が
低下したため、得られたウエハ基板は実施例１〜７に比
べ品質が低下している。

【００２６】更に、反応炉の上部下端Ｂと回転基板保持
体上面との高低差を５ｍｍと近接させた比較例３におい
ては、反応炉上部下端が円滑な妨害し、その結果、ガス
が上昇し、ガス渦流やガス荒れが発生したため、ＬＰＤ
個数が著しく増加し、結晶相の欠陥、薄膜厚の均一性、
抵抗値の均一性が著しく損なわれた。また、反応炉下部
径と上部径との比を１．１とし、下部径と回転基板保持
体の直径との比を１．１とした比較例４の場合には、回
転基板保持体外側のガス流の荒れが抑制できず、回転基
板保持体１２外側に対抗する反応炉内壁にパーティクル
が付着し、未反応ガスが回転基板保持体の下方で反応し
て反応炉下部の内壁に薄膜形成成分が析出している。な
お、上記実施例及び比較例における遷移層厚Ｔは、上記
式（１）によりω＝２０９ｒａｄ／ｓ、ν＝６６０８〜
８８１１ｍｍ² ／ｓを導入した算出値が１０〜３０ｍｍ
であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明の気相薄膜成長装置は、反応炉を
小径の上部と大径の下部とで上下部を区分し上部下端と
下部上端を接合して中空内部空間を連続させて構成し、
反応ガスの上昇空間が欠除することから、反応ガスの上
方への舞上り現象を防止できる。また、そのため反応ガ
スの温度上昇も抑止でき、原料ガスの均一核生成が抑制
され、気相中で発生するパーティクルが減少する。従っ
て、反応炉壁に付着しメンテナンスサイクルを短縮させ
たり、ウエハに付着し結晶欠陥の原因となるパーティク
ルが減少することから、高品質の薄膜形成ウエハ基板を
製造することができる。結局、本発明の気相薄膜成長装
置による気相薄膜成長は、反応炉内のガス流れをパーテ
ィクルの発生もなく、乱流や偏流を生じることなく安定
に維持して、炉内壁へのパーティクルの付着もなく、ウ
エハへの付着パーティクルの増加を防止して結晶欠陥が
なく高品質で膜厚が均一な薄膜形成ウエハ基板を得るこ
とができ、高集積化用として好適なウエハを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の気相薄膜成長装置の一実施例の概略断
面説明図

【図２】従来の気相薄膜成長装置の一例の概略断面説明
図

【符号の説明】

１０、２０反応炉１１、２１ウエハ基板１２、２２回転基板保持体１３、２３回転軸１４、２４ヒータ１５、２５排気口１６、２６ガス供給口１８、２８連結部１反応炉上部２反応炉下部Ｓ空間部Ｂ上部下端Ｕ下部上端Ｄ₁ 反応炉上部内径Ｄ₂ 反応炉下部内径Ｄ_S 回転基板保持体直径

フロントページの続き (72)発明者茶木勝弘神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者辛平神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者藤井達男山口県徳山市大字徳山字江口開作8231−５徳山東芝セラミックス株式会社内 (72)発明者岩田勝行山口県徳山市大字徳山字江口開作8231−５徳山東芝セラミックス株式会社内 (72)発明者三谷慎一静岡県沼津市大岡2068−３東芝機械株式会社沼津事業所内 (72)発明者本多恭章静岡県沼津市大岡2068−３東芝機械株式会社沼津事業所内 (72)発明者佐藤祐輔神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空の反応炉の頂部に複数の反応ガス供
給口、底部に排気口、内部にウエハ基板を載置する回転
基板保持体、及び、内部上部に複数の孔が穿設された整
流板を有し、内部に反応ガスを供給して回転基板保持体
上のウエハ基板表面に薄膜を気相成長させる気相成長装
置において、前記反応炉の中空内部が、内径が異なる上
下部に区分され、上部の内径が下部の内径より小さく、
且つ、上部下端と下部上端とが連結部により接続され中
空内部が連続すると共に、前記回転基板保持体が反応炉
下部内の該上部下端より所定の高低差を有して下方に位
置して配設されることを特徴とする気相薄膜成長装置。
【請求項２】前記上部の側面が前記回転基板保持体上
面に対し垂直である請求項１記載の気相薄膜成長装置。
【請求項３】前記反応炉中空内部の水平断面が円形で
あって、前記上部直径（Ｄ₁ ）が、前記ウエハ基板の直
径より大であり、且つ、前記回転基板保持体が円形でそ
の直径（Ｄ_S ）との比（Ｄ₁ ／Ｄ_S ）が０．７〜１．２
である請求項１または２記載の気相薄膜成長装置。
【請求項４】前記上部直径（Ｄ₁ ）と前記下部直径
（Ｄ₂ ）との比（Ｄ₂／Ｄ₁ ）が１．２以上である請求
項１〜３のいずれか記載の気相薄膜成長装置。
【請求項５】前記下部直径（Ｄ₂ ）と前記回転基板保
持体直径（Ｄ_S ）との比（Ｄ₂ ／Ｄ_S ）が１．２以上で
ある請求項１〜４のいずれか記載の気相薄膜成長装置。
【請求項６】前記上部下端と回転基板保持体との高低
差（Ｈ）が、該回転基板保持体上面上のガス流の遷移層
厚（Ｔ）より大である請求項１〜５のいずれか記載の気
相薄膜成長装置。
【請求項７】前記遷移層厚（Ｔ）が３．２２（ν／
ω）^1/2 （但し、νは反応炉内雰囲気ガスの動粘性係数
（ｍｍ² ／ｓ）を、ωは回転の角速度（ｒａｄ／ｓ）を
それぞれ表示する）による算出値である請求項６記載の
気相薄膜成長装置。
【請求項８】前記連結部は、前記回転基板保持体上面
と水平な面内にある請求項１〜７のいずれか記載の気相
薄膜成長装置。
【請求項９】前記１〜５のいずれか記載の気相成長装
置において、前記回転基板保持体上部のガス流の遷移層
厚（Ｔ）が、前記上部下端と前記回転基板保持体上面と
の高低差（Ｈ）より小さくなるように、前記複数の反応
ガス供給口から薄膜形成原料ガス及びキャリアガスから
なる反応ガスを供給して整流板の孔を通過させて前記ウ
エハ基板上に流通させることを特徴とする気相薄膜形成
方法。
【請求項１０】前記遷移層厚（Ｔ）が、３．２２（ν
／ω）^1/2 （但し、νは反応ガスの動粘性係数（ｍｍ²
／ｓ）を、ωは回転の角速度（ｒａｄ／ｓ）をそれぞれ
表示する）により前記高低差（Ｈ）より小さくなるよう
に前記回転基板保持体の回転を制御する請求項９記載の
気相薄膜成長方法。