JPS61191015A - 半導体の気相成長方法及びその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕　　　　　　　　　　アユ％−ｇｏ
”ｉｑ本発明は半導体表面に気相成長層を形成する装に
均一な気相成長層を形成する装置に関する。

〔発明の背景〕

反応容器内に半導体ウェハを収納し、前記ウェハを高温
に加熱しながら原料ガスを導入しウェー・表面に例えば
、単結晶シリコン層や多結晶シリコン層、酸化シリコン
層、窒化シリコン層などの薄膜を形成する気相成長方法
は、ＬＳＩ製造プロセス等半導体デバイス製造に広く適
用されている。

気相成長層を形成するための装置に要求される主な性能
としては、（１）形成する薄膜の厚みがウェハ面内及び
ウェハ間で均一であること、（２）熱歪やダストに起因
した結晶欠陥がウェハ結晶内や気相成長層に導入されな
いことが最少限要求される。

一方、気相成長方法は操作が繁雑である、処理時間が長
い、ウェハ処理数が少ないなどから一般に他のプロセス
に比ベプロセスコストが割高であシ、（３）−操作画シ
大量処理できること４重要な要求性能の一つである。更
にまた、気相成長層は可燃性、毒性ガスを高温の容器内
に導入し形成することから、（４）安全性もまた、装置
の重要な性能の一つである。

以上説明した気相成長装置として具備すべき性能は、１
００００以上の高温成長であること、形成する薄層によ
って素子の電気特性が一義的に決まることなどから、Ｓ
ｉ単結晶ウェハ上に８１単結晶薄膜を形成する、いわゆ
るエピタキシャル成長装置では特に強く要求される。こ
れまで、Ｓｉエピタキシャル成長装置では横型炉から縦
型炉、バレル型炉と炉構造の面から改良が加えられ、前
述（１）〜（４）の性能を備えるエピタキシャル成長装
置が市販されている。しかしながら、近年、ペレット取
得率の向上によって製品コストの低減を図るため基板径
は増々大型化する傾向にオリ、前述（１）の均一性の点
で対応が不十分となシつつある。従来装置の最大の問題
は、いずれの型の装置もウェハ一枚一枚を平面状に並べ
て容器に収納することから前述（３）の性能を達成する
ことが困難な点である。

大量処理を可能とするには装置の大型化が不可欠である
が、熱対策、高純度加熱台の製作限界などからスケール
アップも限度に達している。

従来の縦属、バレル型のエピタキシャル成長装置の問題
点を解消するため、特公昭５２−１１１９８号公報に示
されるようなホットウォール方式（方式Ａ）の気相成長
装置をエピタキシャル成長に適用することが試みられて
いる。この方式は、管状抵抗加熱炉内に設けた管状反応
容器内に、容器の長手方向に対しウェハをその主面が直
角となるように立てて配列することによシ、処理数の大
幅な増大を図る構造となっている。この方式の欠点は、
原料ガスを反応炉の一端から導入し他端から排出する構
造であることから、どうしてもガス上流側と下流側で膜
厚の不均一（ウェハ間不拘−）を生じること、ウェハと
ウェハの間へのガス供給が不均一となり易くウェハ内膜
厚がばらつくことである。この欠点を解消するため減圧
下で成長を行う訳でおるが未だ不十分で、特に大口径ウ
ェハに対する均一性は実用レベルに達していない。

ホットウォール方式の別な欠点は反応容器壁が文字通シ
加熱され、容器壁にも気相成長層が形成されることであ
る。容器壁に析出した析着物は試のため成長の逆反応を
利用する除去工程を行う訳であるが、容器自体が析着に
よう浸蝕され完全な清浄化が行なわれない上、処理時間
の増大を招いている。

本方式の他の欠点は加熱が熱容量の大きな抵抗加熱方式
であシ降温時間が長い点である。これまではこの欠点を
容器を高温に保ち試料を出し入れする方法で解決してい
た。しかしながら、このような方法を直径５インチ以上
の大口径ウェハに適用するとウェハ面内温度不均一が激
しく、熱歪に起因した結晶欠陥が導入される。この解決
策として一度低温（約８０ＱＣ）にし試料を出し入れし
ているが、降温に数時間も費やし処理時間の大幅な増大
を招いている。

更に別な重大な欠点は反応容器の圧潰という安全上の欠
点である。反応容器壁が１０００’Ｃ以上となること、
容器内が減圧であること、折着物で容器壁が損傷を受け
ることなどから常に圧潰の危険が存在する。特にウェハ
径が大型化し容器径も大きくなるとこの問題は重大な欠
点となる。

以上説明したように、多数のウェハの収納を可能とした
ホットウォール方式の気相成長装置においても前述した
（１）〜（４）要求性能を完全に満たすに至っていない
。特に高温の気相成長を行うエピタキシャル成長におい
て実用化が遅れている。

ホットウォール方式の欠点を解消するため特開昭５９−
５００９３号公報に示されるもの（方式Ｂ）、＞！やる
・ ＋１１）　’ ’ｉ’：ｆ２．ｚこの方式は加熱体を反応容器内に設置
することによって容器の加熱に起因する圧潰の問題は避
けられると思われる。また、この方式においてはガス供
給口をウェハ近傍に設け、それぞれのウェハ間へ原料ガ
スを供給する方法でウニへ面内不拘−の向上が試みられ
ている。しかしながら、廃ガスの排出口がウェハ面に垂
直方向で容器の端部にあり、ガスの流れが一方向となる
点の改善は不十分であシ、流れ方向における膜厚不均一
の問題は必ずしも解消されていない。

流れ方向不均一の一つの改善方法として特開昭５９−５
９８７８号公報に示されるようなもの（方式Ｃ）がある
。この方式は、ノズルによってウェハ間に原料ガスを供
給する点で前述の方式Ｂとほぼ同一であるが、廃ガスの
排出口をフェノ・の直径方向に設け、廃ガスができるだ
け他のフェノ・に達するのを防ぐ方式で、フェノ・間の
ばらつきを小さくする処置が採られている。しかしなが
ら、この方式Ｃでもウェハ径が大型化するにしたがって
ウニし、その他方から排出する方式ではフェノ・面内全
域に均一に原料ガスの供給が困難となシ、気相成長層は
ガス流路上のみ主に形成されてしま°う訳である。更に
又、ガス噴出孔近傍のみ形成が助長される欠点もある。

この欠点は、反応温度が高温で反応がガス供給で律速と
なるエピタキシャル成長において顕著となる。

前述の面内不均一の欠点は類似の構成である方式Ｂにお
いてもウェハ径が大型化するに従って生じることは容易
に推察できる。

以上説明したように、大口径のウェハに対して（１）均
一性良く、（２）高品質の結晶を、（３）大量に、かつ
（４）安全にエピタキシャル成長を行なう気相成長装置
は未だ開発されていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、大口径のウェハに対しても均一で結晶
欠陥のない気相成長層を、短い処理時間で多数のウェハ
に対し安全に形成することができる半導体の気相成長方
法及びその装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、主面をほぼ水平とし、且つほぼ一定間隔で更
に主面のほぼ中央を軸として水平面内で回転する状態で
保持された多数枚の半導体ウェハを、該ウェハ全体をほ
ぼ実質的に取囲む筒状の発熱体内部に載置し、前記発熱
体を外気と隔離するための反応容器内に設置し、該発熱
体を該反応容器外に設けた加熱手段によシ加熱し、前記
各ウェハ周辺の一方の側よりそれぞれの各ウェハ主面に
ほぼ平行に反応ガスを供給し、他方の側よりこれらの反
応ガスを排出することにより前記ウェハ上に薄膜を形成
することを特徴とする。

更に本発明の他の特徴とするところは前記反応容器と開
閉可能な隔離壁で分離される各ウェハを冷却するための
前室を設けるにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第１図に従って詳細に説明する。

多数枚の半導体ウェハ１が水平方向にほぼ等間隔でホル
ダー２に支持されている。各ウェハは水平、に支持され
ているから、回転を与えても、垂直に一一時する場合よ
シも支持構造が単純になシ、可動・１・） ｍ−′分が少ないことから動揺は小さくダスト発生は殆
どなく、また、各ウェハと接する支持部材を少なくする
ことができて熱膨張係数差に伴ってウェハに熱歪が加わ
り、結晶欠陥を生ずることも殆どない。ウェハ処理数を
２倍とするには主面が互いに対向するように各段には裏
面を合せて２枚ずつのウェハを設置してもよい。第２図
（ａ）、（ｔ＞はホルダー２でウェハ１を保持する場合
の詳細図である。

（ａ）は３点でウェハ１を２枚ずつ支持する場合、（ｂ
）はウェハを沿面で１枚ずつ支持する場合である。

第１図に戻って、加熱体３の形状は筒状、箱型その他い
ずれの形状であっても良い。重要な点はウェハ１全体を
ほぼ包む形状とすることにより特に上下両端側のウェハ
をも含む全てのウェハを均一に加熱するにある。本説明
においては加熱体全体を筒様とし上部端を円板上の加熱
体（上部バッファー）３１で密閉し、且つ下部開口端は
ホルダー２の回転軸等一部を除きほぼ密閉する円板状加
熱体（下部バッファー）３２を設けた。加熱体３の材質
にはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）　を被覆した高純度
のカーボン等を用い成長層の不純物汚染を防ぐ。４は反
応の原料ガスを供給するためのノズルで各ウェハ１に均
一に原料ガスを供給するため多数の孔（″またはスリッ
ト）が設けられている。

５は排出ノズルである。反応を終えたガスの排出が一ケ
所に片寄るとウェハ１間のガスの流れ状態が不均一にな
シ易く、結果として成長層の膜厚や抵抗率のウェハ間不
拘−を招く。また、供給ガス流速が速い場合にはガス供
給ノズル４と対向位置天 の加熱体３内壁に衝突したガスは渦状を騨し、その部分
での成長速度を極端に速くし、結局基体面内における膜
厚不均一を招く。以上の点から排出ノズル５にはほぼ供
給口に対応して多数の孔、またはスリットが設けてあシ
、ウェハ表面での反応を終えた廃ガスは比較的速やかに
系外に排出するようになっている。ま之、この様なガス
供給法とすることにより、ウェハ表面以外の加熱体内壁
などに余計な成長層が付着、堆積することを防ぐことも
できる。６は加熱体３、ウェハ１を外気から隔離し気相
反応室を構成する反応容器である。通常石英製のベルジ
ャを用いる。また、７はベルジャペースである。このペ
ース７の昇降によって、ベルジャ及び加熱体３が昇降す
る。８は炉体ペースである。９は加熱体３を加熱するた
めの反応容器６外に設けた加熱源である。この場合、加
熱体３を高周波誘導加熱をするための加熱コイルが示さ
れている。加熱源９はまた赤外ランプであっても良い。

更にまた、加熱体頂部や下部を主に加熱するように赤外
ランプを配し、加熱体３周辺部分を高周波加熱する両者
の共用であっても良い。また、加熱体３に直接通電し加
熱する方法でも良い。

加熱源９として重要なことは反応容器６の加熱をできる
だけ少なくシ、加熱体３のみを選択的に加熱する方法と
することである。加熱源９は支持具１０によってベルジ
ャベース７に固定され、ベース７の昇降で上下移動する
。勿論、加熱源９の上下移動はベース７と別々であって
も良い。

１１はホルダー２を軸１２によって回転するための回転
機構で、また１３は加熱体３の支持台であ多熱伝導の小
さな例えば石英等によシ作られている。この支持台１３
はベルジャベース７の端部に設置されていて、ペース７
の昇降によって加熱体３を上下移動できるようにしてい
る。１４は加熱体下部円板（下部バッファー）３２の支
持台（石英製）で炉体ペース８上に置かれている。排出
ノズル５は減圧排気系に接続される。１５は加熱体３と
反応容器６の間の空間をガス置換するためのガス供給ノ
ズルである。

次に気相成長の実施例についてＳｉのエピタキシを例に
説明する。

先ずベルジャベース７を上昇する。ベース７の上昇によ
ってペース７に固定されている加熱源９、石英製反応容
器６、支持台１３上に載置された加熱体３も同時に上方
に持上げられ炉内が開放される。直径５インチのＳｉ単
結晶ウェハ１を２枚ずつ重ね合せ、５１ｍの間隔で２５
段、合計５０枚を３点支持方式のホルダー（石英製）２
に収納し、反応炉ほぼ中央にセットする。回転機構１１
によってホルダー２を約ｌＱｒｐｍの速度で回転する。

回転軸１２の方向が重力方向であること、回転が緩やか
であることからウェハ１はホルダー２と同−一体で回転
し、ダストの発生やウェハ沿面のカケ等は生じない。次
いでベルジャベース７ｆ：下降し、Ｓｉ単結晶ウェハ１
全体を加熱体３内に収納すると同時にベルジャ６によっ
て反応室と外気分隔離する。尚加熱体上部は管状加熱体
と一体加工した上部バッファー板３１が、また、加熱体
３２下部にはホルダー回転軸１２等が貫通できるように
加工され、炉体ペース８上に石英製支持台１４で固定さ
れた下部バッファー板３２が設けられていることからウ
ェハ１はほぼ完全に加熱体３とバッファー板３１．３２
によって包囲された状態となる。

次にガス供給ノズル４より窒素ガスを５０　ｔ／ｍ　ｉ
　ｎの流量で５分間供給し炉内の空気を置換した後、水
素ガスを５Ｑｌ／ｍｉｎの流量で供給する。

５分間の水素ガス置換の後高周波加熱コイル９に電源を
投入し加熱体３を１１００Ｃに加熱する。加熱体３は表
面にＳｉＣが被覆されたカーボンで作られていることか
ら、高周波誘導によって加熱体３自身が発熱し高温とな
る。この場合、加熱体外周の石英展ベルジャ６は間接的
に加熱されるが、ベルジャが前述した従来装置のように
加熱体３で囲まれていない、石英は熱線を透過すること
、ベルジヤ６全体は別に設置された冷却ファン（図示し
ていない）によって空冷されることなどから加熱体３温
度より数百度低く減圧状態でも圧潰の心配は全くない。

一方、加熱体３は厚さ約１０鵡程度のカーボン材で作ら
れていることから通常の電気炉に比べて熱容量が小さく
、約１５分根度の短時間で所定温度に到達する。加熱体
３の上部及び下部のバッファー板３１．３２もカーボン
材で作製されていることから高周波誘導によって発熱し
、外周の加熱体３のほぼ全体が所定温度に加熱されると
内部空間は一種の積分球を形成し、フェノ・１は均一に
加熱される。加熱体３によって包囲されているため、ホ
ルダー２とフェノ・１の温度差は小さく、１５分の昇温
時間によっても熱応力欠陥は発生しない。

加熱開始とほぼ同時に排気系に別に設置したロータリポ
ンプを駆動し炉内を約２００Ｔｏｒｒ（〜２６６００Ｐ
ａ）の減圧にする。加熱体３が所定温度に加熱された後
、水素ガス中に約１７／ｍｉｎの塩化水素ガスを混入し
、ウェハ１表面を１分間気相エツチングし清浄にする。

塩化水素ガスを止め２分間水素ガスによってパージした
後、Ｓｉソースガスとしてジクロルシラ／（８ｉＨｚｃ
ｔ２　）を２ｔ／ｍｉｎの流量で水素ガス中に混入しエ
ピタキシャル成長を開始する。この時、所望の導電凰、
抵抗率とするためにドービ／グガス（例えばｎ型、抵抗
率１０Ωαとするにはホスフィｙ：ＰＨｓ　を約ｌｐｐ
ｍ程度の濃度で混入）を加える。原料ガスはガス供給ノ
ズル４に設けられている小孔よ）ホルダー２に階段状に
配置されているウェハ１表面に均一に供給された後、廃
ガスは対向位置に配置された排出ノズル５の孔を通って
系外に排出される。

このため、ガスの流れは各ウニへ間でほぼ一様となり膜
厚や抵抗率のフェノ・間ばらつきを非常に小さくできる
２ 一方、回転軸１２によってホルダー２、ウェハ１に回転
が与えられていることからガスの供給と排気が一方向で
あっても膜厚、抵抗率のフェノ・内均−性は非常に良好
となる。温度の低いベルジヤ６内面にはＳｉ析着はなく
ダストの発生源にはならない。

１０分間の成長で約５μｍのエピタキシャル層を形成し
た後Ｓｉノースガスの供給を止め、炉内を水素ガスで２
分間パージし降温を開始する。

約２０分間で高周波電源の供給を徐々に小さくした後電
源を切り、更にロータリポンプを止めベルジャ６内を常
圧にする。１０分間水素ガスによシ冷却した後、水素ガ
スを止め窒素ガスを５０ｔ／ｍｉｎの流量で５分間供給
し炉内の水素を置換する。この間に加熱体３、及びフェ
ノ・１は熱容量が小さいことからＳｉと空気の接触で酸
化膜が形成しない約３００Ｃまで速やかに冷却される。

ベルジャペース７を上昇しフェノ・１ｆ：取シ出す。

以上の操作で一回の成長工程を終える。

２回目の成長工程の前にはホルダー２に３ｉが析着して
いるため洗浄されたものに交換する（Ｓｉ付着が増える
と昇降温過程で剥離し欠陥発生の原因となる）。ま九、
同時にガス供給ノズル４、排出ノズル５等３ｉが析着し
た石英材部分は交換する。しかしながら、ＳＮが付着し
た加熱体３及び上下バッファー板３１．３２は石英に比
べＳｉとの膨張係数の差が小さいことから交換する必要
はない。約５０回の成長（約２５０μｍ）後フェノ・を
チャージせず気相エツチングによって除去すればよい。

第３図は本発明の気相成長炉に基体冷却用前室を設け、
昇、降温時間を更に短縮すると共に窒素パージ時間をも
省略可能とし、より高スループツトを達成し、且つより
大口径ウェハにも適用できるように改善した装置を示す
。

図中同一箇所には同一符号を記しである。１６は冷却用
前室、８１は可動ペース（隔離プレート）である。成長
反応を終えたウェハ１は加熱体３中で約５ｏｏｃまで１
０分間で冷却される。次いで、加熱体温度をそのままと
し、可動ペース８１を例えば回転軸１７の操作によって
降下しウェハ１、ホルダー２、ガス供給ノズル４、下部
バッファー３２を冷却用前室１６に移動する。加熱体３
外に開放されたウェハ１は急速に冷却される。自動操作
（図示されていない）によってウェハ１の取出しと装填
、ガス供給ノズル４の交換を行う。この場合、前室１６
はパージガス供給口１８よりベルジャ６と同一の水素雰
囲気ガスが供給され排出口１９から排気されていること
から窒素パージ工程を省くことが可能で、処理時間は短
縮される。次いで可動ペース８１を上昇しウェハ１、ホ
ルダー２等を８００Ｃの力ロ熱体３内に挿入する。高周
波電源の出力を高め約１０分間で１１０００の所定温度
まで加熱する。一般に結晶の熱応力による欠陥導入は高
温程激しい。それゆえ、前述した様に、加熱体３内をあ
る程度低温状態に保ち試料を比較的急速に挿入し、次に
その温度から所定温度に加熱する、いわゆるランピンク
操作を行えば、最もウェハの不均一加熱が生じ易いウェ
ハ挿入時（ｔたは取出し時）を低温度で行なうことがで
きる。

この結果、５インチ径以上の大口径ウェハに対しても結
晶欠陥の導入を防ぎ、且つ従来の方法に比べて短時間で
加熱及び降温操作が可能となる。特に降温工程時間を比
較すると、従来法ではランピングを採シ入れても、炉体
の保温材のため熱容量が太きく　１０００Ｃから５ｏｏ
ｔ：’までに１〜２時間を要するが、本発明の加熱体３
の熱容量は従来法の炉体に比べて小さいことから約１／
４以下に短縮可能である。

以上、ウェハ冷却用前室を設けた本発明の気相成長装置
によれば、直径５インチ以上の大口径ウェハに対しても
高スループツトで、且つ欠陥等発生することなく均一な
エピタキシャル層を形成することができる。

第４図は石英製ノズル４の交換頻度を少なくする目的で
ノズル設置場所を加熱体３外とした例である。この場合
、加熱体３にもガスの均一な供給が行なわれるようにガ
ス供給ノズルの孔４１（スリット）に対応した位置に孔
３０１（またはスリット）が設けられている。本実施例
によればガス排出ノズル５には加熱体３と同じＳｉＣ被
覆したカーボンを使用することにより交換を不要として
いる。

以上本発明の実施例においては発明の効果が最も顕著で
あるシリコン（８ｉ）エピタキシャル成長を例として説
明したが、本発明が多結晶シリコン等地のＣＶ　Ｄ　（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　１）ｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ　）膜の形成に対しても適用可能であることは当然で
ある。

また、本発明においては減圧気相成長を例としたが常圧
法にも適用することも可能である。

〔発明の効果〕

以上本発明の気相成長方法によって直径５インチのシリ
コンウェハ５０枚に、厚さ約５μｍ１抵抗率約１０Ωｍ
のｎ型エピタキシャル層を形成した結果、膜厚のウェハ
内ばらつき±３％、ウニへ間均−性±５％、抵抗率のば
らつきはそれぞれ士５％を得、従来法に比べばらつき幅
を約１７２向上できた。また、熱応力転位（スリップ欠
陥）、未決の約１／２に短縮できた。また、石英製反応
容器壁の温度は約５ｏｏｃ、容器壁への３ｉ析着はほと
んど見られず、容器の安全性は十分高いことも確認でき
た。

【図面の簡単な説明】

第１図本発明の一実施例を示す断面説明図、第２図は本
発明の一実施例で用いたウェハ支持法の見取り図、第３
図は本発明の他の実施例を示す断面説明図、第４図は更
に他の実施例におけるガス供給ノズルの配置位ａを示す
断面拡大説明図である。 １・・・３ｉ単結晶ウェハ、２・・・ホルダー、３・・
・加熱体、４・・・ガス供給ノズル、５・・・排出ノズ
ル、６・・・反応容器（ベルジャ）、９・・・加熱源、
１６・・・ウェハ冷却用前室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主面をほぼ水平とし、且つほぼ一定間隔で配置され
   主面のほぼ中央を軸として水平面内で回転する状態で保
   持された多数枚の半導体ウェハを、該ウェハ全部をほぼ
   実質的に取囲む筒状の加熱体内部に納め、前記加熱体を
   外気と隔離するための反応容器内に設置し、該加熱体を
   該反応容器外に設けた加熱源により加熱し、前記ウェハ
   周辺の一方の側よりそれぞれのウェハ主面にほぼ平行に
   反応ガスを供給し、ほぼ供給口に対応した他方の側より
   これらの反応ガスを排気することにより前記半導体ウェ
   ハを回転させつつその上に薄膜を気相成長させる半導体
   の気相成長方法。 ２、半導体ウェハの主面をほぼ水平とし、且つほぼ一定
   の間隔で積層状に多数枚保持し該ウェハのほぼ中心で且
   つ重力方向を回転の軸としてウェハを回転させる手段と
   、前記多数枚のウェハ全体を実質的に取囲む加熱体と、
   ウェハ周辺の一方の側より表面にほぼ平行に反応ガスを
   供給する手段と、各ウェハ表面で気相反応を終えた廃ガ
   スを他方の側より迅速に排出する手段と、前記各ウェハ
   及び加熱体、ガス供給手段、ガス排出手段とを包含し外
   気と隔離するための反応容器と、該反応容器外に設けた
   前記加熱体を加熱する加熱手段からなる気相成長装置。 ３、反応容器の中心軸方向の一方端に接続され外気と隔
   離密閉された前室と、該反応容器と該前室との間の半導
   体ウェハの搬送機構と、前記反応容器と前記前室を開閉
   操作によつて接続または分離する隔離プレートとを有す
   る特許請求の範囲第２項の気相成長装置。