JPS5826822B2 - 半導体の気相成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体の気相成長方法に係り、更に詳しくは
、半導体基板上に特定組成の薄膜を気相化学反応によっ
て形成する半導体層の気相成長方法に関するものである
。

従来、半導体の気相成長層を形成するには、高温に加熱
された基板ウェハを収納した反応容器を用い、その一方
から反応原料ガスを供給し、該基板ウェハ上で成長反応
を起させた後、他方から排ガスを排出する方法がとられ
ている。

従来方法を横型反応容器を使用した場合について第１図
により説明する。

反応容器１内の加熱治具（サセプタ）２上に載置された
多数の基板ウェハ３上に反応原料ガス供給系４から例え
ば水素をキャリヤガスとして反応原料ガス、すなわち半
導体化合物ガスと不純物ドーピングガスとを導入管５を
通して送り込み、例えば１１００℃の高温で気相化学反
応を起こさせ、基板ウェハ３上に所定の膜厚と抵抗率を
有する半導体層を堆積させる。

基板ウェハ３上を通過した反応ガスは排出管６から系外
に排出される。

なお、７は加熱用の高周波コイルである。

この場合、半導体原料化合物としては、半導体がシリコ
ンの場合には四塩化ケイ素（ＳｉＣ１４）三塩化シラン
（ＳｉＨＣｌ２）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃ１２）
、モノシラン（Ｓ ｔ Ｈ４）等が使用され、また不純
物ドーピングガスとしては、ホスフィン（ＰＨ３）、ア
ルシン（ＡＳＨ３）、またジボラン（Ｂ２Ｈ６）等が使
用される。

半導体の気相成長により形成する薄膜において、その膜
厚は半導体素子の電気特性を決定する直接的な因子であ
るが、しばしば第２図の曲線Ａに示すように、反応容器
１内のガス流れ方向に沿った不均一が見られる。

このことは素子の電気特性のばらつきの原因となり、ま
た気相成長のバッチ当りの処理数を制限する原因にもな
り、結果的に気相成長ウェハのコストの低減を妨げてい
る。

このような薄膜形成の不均一の原因はガスの下流側柱成
長反応に必要な原料ガスの濃度が減少していくためと考
えられ、気相成長法における本質的な問題である。

このため、従来上述の欠点を解消する方策として、 （１）ガス流を増やして原料ガスの供給量を増す方法、 （２）サセプタをガス流に対して傾けてガス流の基板ウ
ェハへの当りを良くする方法、 （３）反応容器内を減圧にしてガス流速を速める方法、 等が考えられ実施されている。

また、反応炉の構造の面から改良を加え、 （４）デスク型反応炉、 （５）バレル型反応炉等 が提案され実用化されている。

しかしながら、前述の（１）〜（５）の方法によっても
、反応容器の一方から原料を供給し他方から排出する構
造である点から、前述のガス流方向の不均一の問題の解
消は依然として不満足であり、また、基板処理数の飛躍
的な増大は達成されていない。

現状では、反応装置の大きさや、形成する成長層の膜厚
および抵抗率の要求仕様の範囲で異なるが、３インチ径
の基板ウェハ２０枚をチャージした場合、膜厚で±１０
多、抵抗率で±２０多程鹿のばらつきに抑えるのが限度
である。

気相成長層の膜厚分布の均一性を向上する新たな方策と
して最近、特願昭５２−１４７１１９に示されるような
方法が提案されている。

この方法は、膜厚分布の不均一がガス流れ方向の原料ガ
ス濃度の減少に起因していることから、第３図に示すよ
うに反応容器１内の原料ガス濃度の減少量を分析器８に
より検出し、そのモニタ値に応じた量の原料ガス（補充
ガス）を別に設けた補助導入管（供給ノズル）１１から
局所的に補充し、全体としての原料ガス濃度の分布を修
正することにより形成する薄膜の均一性を向上する方法
である。

第３図中９は炉内ガス抽出用ノズル、１０は補充ガス流
量の調節装置である。

上述のような、主原料ガス流中に不足分の原料ガスを補
充する方法について検討した結果、膜厚不均一の修正効
果は補充ガスの噴出方向、噴出流量により第４，５図に
示すように様々に変わることがわかった。

第４図は噴出ノズルの向きをガス下手方向きとした場合
の１例を示す。

高温に加熱されたサセプタ２上のガス流は乱流層領域Ｍ
と比較的流れの緩やかな停滞層領域Ｎに大別されること
が知られている。

図のように乱流層内Ｍに主ガス流りと同一方向にノズル
１１（通常、全体のガス流の乱れを防ぐため外径２〜３
φの細管）から補充ガスを噴出すると、乱流層Ｍ内への
均一な混合は、補充ガス流量が多い場合には噴出ガスの
流速が大きいためガス下流側で、逆に少ない場合には上
流で達成される。

この結果、形成する成長層の膜厚は図中の曲線Ｂ（補充
ガス流量の多い場合）、Ｃ（少ない場合）の分布となり
、流量の多少により修正効果の示される基板上位置がば
らついてしまう。

また、第５図は噴出ノズルの向きを基板表面側とした場
合を示す。

この場合には、補充ガス流が停滞層領域幅を乱すと共に
原料ガス濃度が局所的に変わることから一部分の成長速
度が極端に速くなり、結局修正効果は一部の基板ウェハ
のみに片寄って図中の曲線りのような膜厚分布となる。

本発明の目的は、上述したガス補充方式の問題点を解消
し、形成する気相成長層の均一性が一段と良好となる気
相成長方法を提供するにある。

本発明者らは種々の実験の結果、前述の問題点の要因が
補充ガスを供給ノズルより噴出するときの噴出方向、噴
出位置にあることを見い出し本発明に達した。

本発明の特徴は、気相成長において、反応容器内に局所
的に設けた供給ノズルから新たな原料ガスを補充して薄
膜の均一性を向上する場合において、主反応ガス流中に
混入する補充ガスが、その流量の影響を左程受けること
なく、噴出口より噴出すると同時に主反応ガス中に均一
に混合し、供給ノズル位置のガス下流側の基板ウェハ土
量てに形成する薄膜の均一性を効果的に修正するため、
供給ノズルの噴出口を乱流層内で且つ主ガス流に対して
逆向きとすることにある。

以下、本発明について実施例によりさらに詳細に説明す
る。

第６図は横型反応炉を用いた場合における本発明の実施
例構成説明図である。

従来方法と同一個所には第１図と同一符号を附しである
。

反応容器１内のサセプタ２上にガス流れ方向に沿って多
数枚の基板ウェハ３を載置し、導入管６を通して所定量
の水素を流しながら高周波加熱コイル７で誘導加熱し、
基板ウェハ３を約１１００℃に保持する。

次いで約１優の塩化水素ガスを混入して基板表面を気相
エツチングした後、Ｈ２ガス中にＳｉ原料の５ｉＣ１４
を約０．５ｍｏ１％混入して気相成長を開始する。

このとき反応容器１内でサセプタ２上のガス下流側（サ
セプタ端より約５關、サセプタ表面より２０ｍｍ）に設
けられた抽出ノズル９により炉内ガスの一部約１００
ｍｌ／ ｍｉｎ を採取し、例えば赤外分析器８によ
り炉内原料ガス濃度を分析する。

さらに、この分析値に対応して流量調節装置１０で制御
された新たな原料ガス（Ｓ ｉ Ｃｌ ４＋Ｈ２）が、
サセプタ中央位置に設けられた供給ノズル１１より補充
される。

本発明により、供給ノズルはその噴出孔位置ヲ乱流層内
で、補充ガスの噴出方向がガス流に対して逆方向で且つ
、基板表面に対して平行となる向き、即ち噴出孔が反応
ガス導入側を向き、孔の端面がガス流にほぼ直角となる
ように設置されている。

第８図には、供給ノズル１１の噴出孔の形状例を幾つか
示している。

これらの場合の補充ガス流量は、分析値のモニタ値が、
別に求めた均一性の最良となるＳ ｉＣｌ ４原料濃度
となる流量−例えば１〜２１１７ｍ ｉ ｎである。

このようにして所定の時間の間気相成長を行い、成長を
行なった後、Ｓ ｔ Ｃｌ ４の供給を止め、降温、冷
却して試料を取り出す。

以上説明した本発明の方法によれば、第７図に示すよう
に新たに供給したＳ Ｉ Ｃｌ ４原料ガスは、その噴
出方向が主ガス流と逆向きのためガス流線が相殺され、
供給ノズルの噴出孔より噴出すると同時に主反応ガス流
中は均一に混合し、その直下からガス流下手側の基板ウ
ェハ全てに対して形成される薄膜の不均一を効果的に補
正することができる。

一方、補充ガスの噴出方向が主ガス流に対して平行であ
ることから停滞層領域を局所的に乱すことがなく、結果
的に局所的な薄膜の不均一は生じない。

更にまた、補充ガス流量変動による薄膜不均一の補正効
果が表われる位置の変動も減少し、例えば第７図の曲線
Ｅに示す如く均一性の良い薄膜形成が可能どなる。

本実施例では一反応容器１内に補充ガス供給用のノズル
１１、および炉内ガス濃度を検出するための抽出管９を
それぞれ１個所づつ設けた場合について説明したが、こ
れらの供給ノズル１１．抽出管９は装置の大きさ、要求
される精度、ガス流量に１個以上が適宜選ばれる。

第７図の曲線Ｅは上記実施例により気相成長した場合の
膜厚分布のガス流れ方向測定例である。

図かられかるように補充ガスによる修正効果は供給ノズ
ル設置点からガス下手側基板全体に現われ、薄膜の膜厚
分布均一性はガス補充を行なわない場合（約±１０％）
に比べて牛革（約±５俤）した。

また、本方式により２０回の繰り返し実験を行った結果
その再現性は従来の補充ガス方式に比べて１１５以下で
あった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法を説明するための気相成長装置の概略図
、第２図は従来法によるガス流方向の膜厚および抵抗率
の分布を示す図、第３図は従来の原料ガス補充方式によ
り薄膜分布を均一にする気相成長方法の説明図、第４図
、第５図は原料ガス補充方式により薄膜の膜厚分布を修
正する場合の説明図、第６図は本発明の詳細な説明図、
第７図は本発明の詳細な説明する図、第８図は本発明に
使用し得る補充ガス供給ノズルの構造例を示す断面図で
ある。 １・・・・・・反応容器、２・・・・・・加熱治具、３
・・・・・・半導体基板ウェハ、５・・・・・・導入管
、６・・・・・・排出管、８・・・・・・分析器、９・
・・・・・抽出器、１０・・・・・・補充ガス流量調節
装置、１１・・・・・・補充ガス供給ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 反応原料ガスの導入口と反応排ガスの排出口を有す
   る反応容器内に反応原料ガスの流れ方向に沿って半導体
   基板を加熱台上に配置し、反応容器内で該基板を所定の
   温度に保ち、反応容器内に主導入口より主反応原料ガス
   を導入しつつ、少なくともｌ箇所に設けた新たな反応原
   料ガスを補充するための補助導入管により反応原料ガス
   の不足分を反応容器内に補充しつつ排出口から反応排ガ
   スを放出する気相成長方法において、前記新たな反応原
   料ガスを補充するための補助導入管のガス噴出孔を、前
   記基板表面上のガス流の乱流層領域内に位置させ、かつ
   補充ガスの噴出方向を主反応ガス流の流れ方向とほぼ平
   行、且つ逆向きとすることを特徴とする半導体の気相成
   長方法。