JPS5913699A - 半導体気相成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体気相成長方法に関し、さらに詳しくは複
数のｌ＋ｙ板上に半導体層を気相化学反応により大〜鼠
にかつ均一に形成する方法に関する。

従来、半導体の気相成長層を形成するには高温に加熱さ
れた複数の半導体基板ウェハを収納した反応８器を用い
、原料ガス主導入口から主原料ガスを供給し、該基板ウ
ェハ上での成長反応によυ気相成長層を形成しつつ、反
応容器内の気相成長層の→い部分に、容器に挿入した別
のノズルから補助的に原料カスを供給して、容器内で均
一な気相成長層を形成しながら、反応容器の排出口から
排ガスを排出する方法が１采られていた。

従来の方法を、縦型反応容器を使用した場合について第
１図によシ説明する。

第１図において、反応容器（ベンジャ−）１内の回転す
る加熱治具（ナセプメ）２の上に載置された複数の基（
反ウェハ３上に原料ガス供給系４ａから水素をキャリア
ガスとして原料ガス、す々わち、半導体原料化合物ガス
と不純物ドーピングガスとを主導入口（主ガスノズル）
５を通して主ガスとして送り込み、成長膜厚が小さい領
域に別の原料ガス供給ノズル（補充ガスノズル）６を挿
入し、原料ガス供給系４ｂから半導体原料化合物ガスど
不純物ドーピングガスとを補充ガスとして補助的に導入
し、例えば１１５０ｔＺ’の高温で気相化学反応を起こ
させ、基板ウエノ・３上に所定の均一な膜厚と抵抗率を
有する半導体層を堆積させる。基板ウェハ３上を通過し
た原料ガスは排出管８かも系外に排出される。なお、７
は高周波加熱コイルである。

この場合、原料ガス、すなわち、半導体原料化合物ガス
としては、半導体がシリコン（Ｓｉ）の場合には四塩化
ケイ素（ＳｉＣ４４）、三塩化シラン（ｆ３　ｊ）（０
７ｇ　）、ジクロルシラン（Ｓ　ｉＨ，Ｃ１，）、モノ
シラン（ｓｉＨ４）等が、また、不純物ドーピングガス
としてはホスフィン（ＰＨ，）　、アルシン（ＡＩ！Ｉ
Ｈ８）　、またはジボラン（Ｂｄｌｅ）等が使用される
。

第２図は上記従来法を用いたときの加熱治具２の回転中
心軸からの距離と気相成長層の膜厚との関係を示したも
のである。（ａ）は補充ガスノズル６から原料ガスを供
給しないで、主ガスノズルだけから原料ガスを供給した
場合の成長膜厚分布である。成長層の膜厚分布は中央部
で凹型の不均一な分布をしている。（ｂ）は補充ガスノ
ズル６から原料ガスを供給して、（ａ）の不均一な分布
を修正し、より均一な分布をめざしたものである。（Ｃ
）は、（ａ）の膜厚分布を完全に均一化するために必要
な膜厚増加分（＝定数−（ａ）の膜厚分布）を曲線Ａで
、また、補充ガスノズル６を用いることによって得られ
た実際の＋ｉｂ厚増加増加分（ｂ）の膜厚分布−（ａ）
の膜厚分布）を曲線日で示している。均一な成長膜厚分
布をイ愕るためには曲ｆｌ′ｉｌＡとＢが一致しなけれ
ばならない。しかし、実際には曲線ＡとＢは極大値の数
、極大値の１’＋′１Ｉｆｆ　、葦犬値における高さ、
分布の広がりが異なっている。（ａ）に比べ（ｂ）では
膜厚のばらつきが小さくなってはいるが、なお膜厚分布
に不均一性がある。これは（Ｃ）における曲線ＡとＢの
分布の不一致が原因している。

上記従来法は経験的に膜厚の薄い領域に補充ガスを加え
るという方法であるために、膜厚分布を均一化していく
のに多数回のくりかえし実験が必要である。特に、補充
ガスノズルの数が増加すると実験回数はさらに増加する
。最終的に得られた膜厚分布は必ずしも満足な均一性を
示さない。また、ある程度の膜厚均一性が得られた後、
何等かの理由で均一性が低下するとこれを修正する具体
的方法は容易には得られない。上記従来法はマイクロコ
ンピュータなどを用いてプロセスを自動化していくこと
も困難である。ひいては、反応容器を大型化して１バッ
チ当りのウェハ処理数を多くするのにも限界がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、膜厚の均一化
が開学に得られ、プロセスの自動化が可能であり、ひい
ては反応容器を大型化して１バッチ当りのウェハ処理枚
数を多くすることができる半導体気相成長方法を提供す
ることにある。

本発明は半導体気相成長方法において、まず補充原料ガ
ス（以下、補充ガスと略記）による膜厚の増加分をある
型の分布関数で近似し、次に補充ガスなしの膜厚分布を
均一化するのに必要な前記分布関数の定数部分の具体的
値を数値計算によってもとめ、最後にこの具体的分布関
数を実現するような条件で補充ガスを加えることによっ
て均一な膜厚分布を得ることを特徴とする。

本発明は、補充ガスによる膜厚の増加分は、補充ガスの
条件を変えれば分布の位置、高さ、幅などの定数部分ｄ
、変化するが、常にある型の分布関数で近イ以できるこ
と、まだ、補充ガスなしの膜厚分布は成長条件によって
変化するが、成長条件を一定にしておけば膜厚分布の再
現性がよく、いずれの膜厚分布に対してもこの分布に重
ね合わぜれは均一になるような前記関数の具体的定数を
数値計算でもとめることが可能なこと、また、いずれの
１ＷＪｆ分布に対しても補充ガスによる膜厚の増加分け
もとの分布に重ね合わせができることを見出すことによ
って成し遂げられた。

本発明は、補充ガス条件のパラメータを調整することに
よって補充ガスによる膜厚増加分を均一化に必要な最適
な形の分布とし、補充ガスを加えながら気相成長してこ
の分布をもとの膜厚分布に重ねることにより均一な膜厚
分布を得るものである。

本発明の特徴を具体的に述べれば次のようである。

全体の工程は次のように分類できる。

（１）補充ガスによる膜厚増加分をある型の分布関数で
近似する。

（２）均一化に必要な上記分布関数の定数部分を数値計
算によってもとめる。

（３）上記定数を持った分布関数を補充ガスによる膜厚
増加分で実現するために、あらかじめもとめておいた係
数から補充ガス条件を算出する。

（４）上記補充ガス条件で補充ガス全油えて気相成長す
る。

（５）膜厚分布を測定して補充ガス条件を修正する。

まず（１）について述べる。補充ガスによる膜厚増加分
をちる型の分布関数Ｆｌ　（ｘ）＝Ｆ　（Ｘ、　Ｐ　Ｉ
、　ＡＩ　。

σＩ）Ｃ近似する。Ｘは変数、Ｐ＋　、　Ａｔ　、σ量
は定数である。この分布関数はパラメータによってピー
ク位置Ｐ＋　と高さＡＩと幅σｔ’！ｉｌ−調整できる
ようにする。分布関数の数ｎは補充ガスノズルの数と等
しくする。次に（２）について述べる。補充ガスなしの
均−比すべき膜厚分布Ｇ。（Ｘ）に、上記分布関数をそ
の位置と高さと幅を変えながら重ね合わぜ、膜厚分布が
均一化される。すなわち、ｏ’　ｎＨ＋Σｌ’ｔ（Ｘ）
＝一定となる条件Ｐｔ　、　ＡＩ　、σＩ（１＝１＋１ １、・・・、ｌ］）を数値ｉｔ算によってもとめる。次
に（３）のようにこの分布関数を実現するような補充ガ
ス条件をもとめる。次に（４）で補充ガスを加えながら
気相成長すれば均一性のよい膜厚分布が得られる。次Ｋ
ｆ！３）について述べる。膜１９分布の均一性をさらに
上げるために次のようにする。実際に得られｌ′ζ膜厚
分布から補充ガスによって得られた膜厚増加分布Ｆｅｔ
（Ｘ）　（１＝　１　、　・・・、　ｎ　）を評価する
。

添字のｅは実測呟であることを示す。次の成長ロットテ
は分布関数をＦ　ｅ　ｔ　（Ｘ）から、１′、（Ｘ）　
（１＝　１　＋・・・、ｎ）に近づけるように補充ガス
条件を微少調整し、さらに膜厚の均一性を向上させる。

以下、本発明の一実施例を説明する。

第３図は本実施例を行うための装（萌である。（ａ）は
本装置の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断
線に沿った横断面図である。反応炉は高周波加熱方式の
縦型炉であり、補充ガスノズルは３つの鳴合である。

図において、Ｓｉ単結晶基板ウェハ３Ｉｌ−ｉ石英反応
容器（ペルジャー）１内の加熱治具２上に載置され、加
熱治具２の下の高周波ワークコイル７に電流を通じるこ
とによって加熱される。原料ガスは原料ガス供給系４ａ
から主ガスノズル５を経て導入され、基板ウェハ３上を
通って、排ガス管８よシ排出される。原料ガスは主ガス
ノズルの他に原料ガス供給系４ｂからも補充ガスノズル
６を経て導入される。加熱治具２の直径は６００ｍ＋ｎ
である。加熱治具２上には直径４インチの基板ウェハ３
が２０枚載置しである。基板ウェハ３は１２００Ｃまで
加熱する。原料ガスとして四塩化ケイ素、不純′吻ドー
ピングガスとしてホスフィ／を用いている９、加熱治具
２を毎分１５回で回転させながら気相成長を行う。

第４図を用いて本実施例の方法を説明する。

１本の１市充ガスによる膜厚増加分布をここでは正規分
布 １’ｔ（Ｘ）＝Ａｔ　ｅＸｐＣ（Ｘ−Ｐｔ）２／２ｃ＋
＋”）・”・・（１）で近似することにする。ノズルを
３本用いればｉ＝１．２．３となる。ＡＩはピーク位置
における分布の高さ、ＰＬはピーク位置、σＩは分布の
幅に相当する標準偏差である。次に、正規分布の定縁の
決め方について述べる。補充ガスなし即ち、主原料ガス
のみによる膜厚分布を（］。（Ｘ）とすると、補充ガス
を用いたときの膜厚分布Ｇ　ｔ　（ｘ）は（−１＋　（
ｘ）　＝　Ｇ　ｎ　（ｘ）＋ΣＦ１（ｘ）・・・・・・
・・・（２）１．１ で表わされる。膜厚分布を均一化する条件をもと占）る
ことは、目標とする均一化後の膜厚分布をＴとすると ｆ　（Ｘ、）＝Ｔ−０，（Ｘｊ）＝０　　　　　・・・
・・・・・・（３）ｔ、ｊ＝１．・・・、９） となるようなＡＩ、ＰＩ、σＩ（””１＋　２＋　３’
　　をもとめることでちる。ここで、Ｘｓ　（、Ｊ＝１
．・・・。

９）は膜厚分布を均一化するだめの監視位置で未知ａＡ
Ｉ、　Ｐ＋　、　＋７＋　　（１＝１．２．３　）（７
）数に等しい数だけとることができる。第３式の解は解
析的にＶよもとまらないので、普ａｔまニュートン法に
よってもとめることがよく行なわれている。ｆ　（ｘ）
＝０なる解を一変数ニュートン法でもとめるには、解Ｘ
に近いＸｏなる任意の値を卯１っけてｆ　（ｘｏ） ’　　ｆ’（ｘｏ） なる計算をくυかえせばよいつ多変数の場合も同様にし
てニュートン法でもとまる。すなわらなる− 変数ニュートン法の微分係数にイＵ当する行列りをヘ シＶ義すると、 でもとめることができる。ここで、Ｄ−１はＤの逆行列
である。ＡＩ’、σ、／、ｐ、／は初期値として入れて
おく解に近い値である。第５図に第５式を計算機を用い
て解くためのフローチャートラ示す。

計譜をくりかえすことによってＡＩ　＋σｔ、Ｐｔ＜Ｉ
＝ｘ、２．３）は解に近づいていく。第６図は第５図の
フローチャートにおけるくシかえし計算回数と膜厚の均
一性との関係を示す一例である。

計算をくりかえしていくともとの分布に重ね合わせたと
きに膜厚分布ばらつきがより小さくなるような解かもと
まる。このくりかえし計算は行列りが４１　Ｊ′！にな
って逆行列かもとめられなくなるまで行える。第３式は
必ずしも厳密な解が存在するゎけではないので第３式を
ニュートン法によって解くということはｆ（Ｘ、）（ｊ
＝１．・・・、９）をＯに近づけていくような近似解Ａ
Ｉｌσｔ、Ｐ＋（（＝１．２．３）をもとめるというこ
とである。次に均−化後の目標膜厚Ｔを変化させるとも
との分布と分布関数を重ね合わせたときに得られる可能
である計算上の膜厚の均一性あるいは膜厚のばらつきも
変化する。第７図はＴ、！：膜厚分布のばらつきＶの関
係を示す。■は極小［直を持つ。すなわち、ある膜厚分
布に対しては目標とすると膜厚分布のばらつきが小さく
なり、均一化しゃすい膜厚が存在することを示している
。このときのＴの値Ｔ。

を最終的に用いることにする。以上で、もとの膜厚分布
Ｇ。（Ｘ）　Ｋ重ね合わせると均一性がよくなる理想的
正規分布Ａ＋　ｅＸｐ［−（Ｘ−Ｐｔ）’／２σｔ’〕
（ｊ＝１．２．３）を数値的にもとめることができた。

この正規分布を均一化のための最適分布と呼ぶことにす
る。

第８図は上記のような言１算の後に得られた様々な膜厚
分布を均一化するのに必要な正規分布を示す。いｌ“れ
の分布に対しても重ね合わせれば高い均一性が得られる
ような正規分布の＾［合せが存在することがわかる。こ
こで、縦軸は単位時間当りの成長速度、すなわち、成長
速度で示しである。

次１／？二、上記正規分布を実際に、補充ガスによって
膜厚の１￥！加分布というかたちで実現するだめの補充
ガス条件をもとめる方法について説明する。

補充ガス条件のパラメータとして、ノズルの形、ノズル
位置、ノズル高さ、補充ガス流量、補充ガス濃度の５挿
引がある。−例として２種類のパラメータを固定する。

すなわちノズルの形、つまりノズルのｉ所面はいずれも
３５ｍＸ３５ｗｎの補充ガスノズル６を用いた。補充ガ
ス流計は、加熱治具３を同上・円状に区切った３つの領
域の面積比に近いｊｉ＆、、すなわち３　ｔ／ｍｉｎ、
　４１．／ｒｒａ、　６１７ｍＭとしプこ。このように
すれば、数値針環によって得られに一１立ｊｉＰ＋、高
さＡ」、標準偏差σｔ（１＝４゜２．３）の正規分布（
岐適分布）を実現するためにｔよ、浦ｌ己ガスのパラメ
ータであるノズル位置１１１補充ガス濃度Ｃ１、ノズル
高さ１１をｄＩＭ姥すればよいことになる。つ捷り、Ａ
Ｉ、σ＋、Ｐ＋は補充ガス条件であるノズル位置ＡＩ、
ノズル高さｈ１１補充ガス濃度ＣＩ　（ｉ＝１．２．３
　）の関数であるから、ＡＩ、Ｃｔ　、　Ｐｔの微少変
化量ΔＡ＋、ΔσｈΔＰ１はＣｔ　、ｈ、、　ｔｔの微
少変化量ΔＣ＋、ΔｈＩ、Δ１１と次の関係によって結
ばれる。

め１つずつパラメータをふった実験からもとめておく必
要がある。この係数の算出の基礎となるプロットの例を
第９図に示す。プロットを結ぶ線が直線の場合はその傾
きが、また曲線の場合はその接線の傾きが偏微分係数を
与える。第６式〜第８式は、あくまでも、正規分布のパ
ラメータと補充ガス粂注のパラメータとの変化量を結び
つりる式であるから、１つの規準、すなわち、ある正規
分布をつくるある補充ガス条件が必要である。ＡＩ。

σ＋　、Ｐ＋（１＝１．２．３　）なる分布を実現する
ために、補充ガス条件Ｃｎ＋　＋　ｈａｔ　、　Ｐ、）
＋　（＋＝１゜２．３）でＡｎ　＋　１σ。ｔ、　ｔｏ
＋　（１＝ｌ、　２．３）となる１つの分布を規準にす
れば、 とおくことにより第６式〜第８式からΔＣＩ、ΔｈＩ。

Δムがもとまる。最終的に補充ガス条件はとしてもと捷
る。

第１２式〜１合１４式でもとめられる補充ガス条件でｒ
１１ｉ充ガスを加えながら気相成長すれば相当に均一性
のよい気相成長等が得られる。しかしながら、現実問題
として第６式から第８式で用いた偏微分係数は実験値か
らもとめるために誤差を必ず含むものである。また、そ
もそも、補充ガスによる膜厚増加分を正規分布で表わし
だことも誤差を含んでいる。従って、次のように成長を
くりかえして補充ガス条件を修正していくと均一性はさ
らに向上することに々る。第１０図は補充ガス条件を修
正する方法をブロック図で示している。一般に、第６式
〜第８式における偏微分係数は実験値からもとめたもの
であるだめ誤差を含んでいる。

従って、第１２式〜第１４式によりもとめた補充ガス条
件は最適補充ガス条件かられずかずれている場合がある
。このとき、第一回目の成長による膜厚の均一性は第７
図から予想された値よりもわずかに悪い。第二回目以後
の「成長における補充ガス条件を以下のようにして修正
することができる。

すなわち、補充ガスを加えて気相成長した膜厚分布から
実際にどのような正規分布が重ね合わされたかを計算し
、本来、重ね合わせねばならない正規分布と比較するこ
とによって次回の気相成長の補充ガス条件を微小量修正
しようというものである。すなわち、第一回目の成長後
の膜厚分布をＱｅ、（ｘ）とする。第２式におけるＧ。

（Ｘ）のかわりにｏｎ（ｘ）−（’ｒ−ｏ　ｅ＋（ｘ）
）とおイテ膜厚ノ不均一性ヲモとのＷｆｉ）ν分布に組
入れ、Ｇ、（ｘ）をもとめ、最終的に湖５式からＧｅ、
（Ｘ）ｅ実現した分布Ａｅｔ、σｅｔ。

Ｐｅ＋（ｉ＝１．２．３）をもとめることができる。

均一な膜厚分布を得るだめにはＡｔ、Ｃｔ　、　Ｐ＋（
ｉ＝１．２．３）なる分布が入っていなければならない
から、その差を とおくことによって第６式〜第８式から補充ガス条件の
修正駄ΔＣ１，Δｈ１．Δｔｌ（１＝ｌ、２．３）かも
とまる。第２回目の成長における補充ガス条件は となる。膜厚分布の不均一性がなくなれば実際に補充さ
れた分布は最適分布となりＮ　Ａｅ＋　＝　Ａ　Ｉ。

σｅｌ＝σＩ、　ｔｅ、　＝ｔ＋　、である。このとき
の補充ガス条件はもはや修正の必要のない最適条件であ
る。膜厚分布が均一化された後、何らかの理由で均一性
が悪くなった場合、上記と同様に第１５式〜第２０式を
用いて次の成長ロットの補充ガス条件を修正すればよい
。

第１１図に膜厚分布が均一化されていく過程を示す。（
ａ）は補充ガスなしのもとの膜厚分布である。

均一性（膜厚分布のばらつき）は１６．９％である。

（ｂ）は（ａ）を均一化するのに必要な最適分布で計算
機を用いてもとめたものである。均一性は±０，２５％
までいくことがわかった。（Ｃ）は、算出された条件で
補充ガスを加えて成長させたものである。均一性は１１
．４％まで改善された。（ｄ）は、（Ｃ）で実現された
補充ガスによる分布を＠［算し、最適補充分布と比較し
て補充ガス条件を修正し、この条件で補充ガスを加えて
成長させたものである。膜厚分布の均一性は±０，７％
が得られた。

以上、加熱治具の半径方向の膜厚分布について周方向の
膜厚均一性は±０．３％以下である。上記の方法で基板
ウェハ内の膜厚分布の均一性は±０．７％、ロット（バ
ッチ）内の均一性は１１．０％が得られた。

以北の操作は、上記に述べた一定の論理的すじ道にもと
づき大型計算機を利用しながらおこなわれ／ヒ。従って
、マイクロコンピユータラ用いて操作を全自動化するこ
とも容易である。

本発明によれば、少ない実験回数で最適条件を傅て１膜
厚分布均−性のよいものが得られ、一度均一化された分
布が悪くなっても容易にもとの均一性が１′ｑられ、マ
イクロコンピュータなどを用いたプｌ’Ｊセスの自動化
が容易であり一度に複数の基板ウェハーＨに均一に半導
体層を気相成長させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１１￥１は従来の半導体気相成長方法において用いら
れる装置の縦断面図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は第１図に
示Ｊ装置を用いて行った従来方法に↓る膜厚分布状態を
示す図、第３図は本発明方法において用いられる装置を
示しておシ、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけ
るＡ−Ａ切断線に沿った横断面図、第４図は本発明方法
による膜厚分布均一化の考え方を示す図、第５図は本発
明を計算機を用いて処理する時のフローチャート、第６
図は合算のくシかえし回数と膜厚分布ばらつきの関係を
示ｆ図、第７図は目標とする膜厚と膜厚分布ばらつきの
関係を示す図、第８図は様々な膜厚分布を均一化するの
に必要な正規分布を示す図、第９図は第３図に示す装置
における各補充ガスノズルの濃度、高さ、ノズル位置と
成長速度、標準偏差、ピーク位置の関係をそれぞれ示す
図、第１０図は本発明方法のブロック図、第１１図は第
３図に示す装置により本発明方法を実施した時の膜厚分
布均一化状態を示す図である。 Ｊ・・・反応容器（ペルジャー）、２・・・加熱治具（
サセプタ）、３・・・基板ウェハ、４・・・原料ガス供
給系、５・・・主ガスノズル、６・・・補充ガスノズル
、７・・・高周波加熱コイル、８・・・排ガス管。 第　１　図 第　４０ ｃｐ　＋Ｃ７１’うめ穎巨凧偉　χ（包夙）第５目 目標ヒす亀ｌ１ｌｌ吸８　Ｔ　９罹） 第　ｑ　？ シ農廖Ｃ（−％　）　　　　高之長（包筑）０　　ｔｏ
ｏ　　２００　３００ ／久゛ルイひ雷　え（ｎ館）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 工、原料ガスの主導入口と補助導入口および排ガスの排
   出口を有する反応容器内の回転する加熱治具上に半導体
   基板を載置し、上記導入口から原料ガスを供給して半導
   体基板上に所望の半導体層を気相成長させる半導体気相
   成長方法において、補助導入口からの補充原料ガスのみ
   による半導体層の膜厚増加分をある分布関数で近（Ｅし
   、主導入口からの主原料ガスのみによる半導体層の膜厚
   分布を求めてこの膜２１分布を均一化するだめの補充原
   料ガスの最適分布関数を得、この最適分布関数を実現す
   るために補助導入口の位置および補充原料ガス濃度を設
   定して補充原料ガスを主原料ガスに重ねて供給し、実際
   の膜厚の分布関数と上記最適分布関数を比較して、更に
   補助導入口の位置および補充原料ガス濃度を修正して所
   望の半導体層を得ることをｉｇ徴とする半導体気相成長
   方法。 ２、上記特許請求の範囲第１項において、実際の膜厚の
   分布関数と最適分布関数の比較を１回以し′白うことを
   待望とする半導体気相成長方法。