JPS61199629A - 半導体のエピタキシヤル成長装置 - 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〕 本発８Ａは半導体のエピタキシャル成長装置に係り、特
にＬＳＩの製造プロセス等に使用できる半導体のエピタ
キシャル成長装置に関する。

〔発明の背景〕

反応容器内に半導体基体ウェハを収容し、高温に加熱し
ながら原料ガスを供給し基体ウニ八表面に気相反応によ
って、薄膜を形成する気相成長方法は、Ｌ８Ｉ製造プロ
セス等に広く適応されている。特に、単結晶シリコン（
Ｓｉ）基体ウェハ上に抵抗率や導電型の異なる単結晶８
ｉ薄膜を形成するいわゆるＳｉエピタキシャル成長プロ
セスは、バイポーラＬＳＩの基体プロセスでるる。最近
、ＭＯＳ　ＬＳＩの高集積化に伴うノイズ対策として、
エピタキシャルウェハの適用が検討されつつあり、その
用途はさらに拡大されることが予想されている。

従来、エピタキシャル成長装置は反応容器内に加熱台を
備え、その加熱台の上にＳｉ基体ウェハを配置して加熱
し原料ガスを基体ウェハに供給することによって、基体
ウェハ上に８ｉ薄膜を形成していた。この加熱台には円
盤状のディスク型と角錐様の加熱台の外周−基体ウェハ
を並べて加熱するバレル型が使用されている。

しかしながら、エピタキシャル成長温度が約１０００Ｃ
以上と高温である九めに反応容器の構造が制約され、装
置の大型化は困難であることから、基体ウェハの処理能
力（スループット）は約１１枚／φ５“ウェハ・ｈｒ程
度と低かつ几。

この問題は、前述したようにエピタキシャルウェハの適
用が増大するに伴い早急な解決が待几れている。

上記スループットを飛躍的に増大する新たなエピタキシ
ャル成長法として、例えば特開昭５０−９１２５５号に
示されているような減圧ホットウォールエピタキシャル
成長法が存在する。この従来例では、管状抵抗加熱炉で
加熱される管状反応容器内に、シリコン基体ウェハをそ
の主面が反応容器の長手方向に垂直となるように立てて
並べ、スループットを大幅に増やそうとしているもので
ある。

しかしながら、上記従来例の減圧ホットウオームエピタ
キシャル法は、以下の点で問題があり、まだ実用化まで
至っていない。

すなわち、減圧ホットウォールエピタキシャル成長法で
は、容器の長手方向に対しその主面を直角にして基体ウ
ェハを立てて配列するのが特徴であるが、原料ガスを反
応容器の一端側から供給し他端側から排出することから
、スループットを増やすと、上流側ウェハでの成長と高
温の反応容器壁への析出により原料ガスが消耗し、必然
的にガス上流側と下流側のガス成分の均一性確保が困難
となる。また、基体ウェハの直径が大きくなると、立て
て配列した基体ウエノ・表面中央部への原料ガスの供給
が不充分となり、基体ウェハ中心部の膜厚が薄くなると
いう問題をも生ずることになる。

この問題を解決する一つの方法には、基体ウエノ・間隔
を大きくする方法があるが、間隔を大きくすると前述の
ようにガス上流側と下流側の間でガス成分の不均一性が
一層増大してしまう。別の方法としてノズル等を用い、
各々の基体ウニノーに新鮮な原料ガスを直接供給するこ
とが考えられる。しかしながら、減圧ホットウォール方
式の加熱方法では、反応容器内の加熱領域全体が高温と
なっていることから、基体ウェハ近傍に挿入したノズル
も１０００ｔ：’以上となり、ノズル内にＳｉが析着し
、孔の目詰りやガス濃度の減少が起り均一なガスの供給
が困難となる。そこで、ノズルを２重管とし、原料ガス
を供給する内壁を冷却して８ｉがノズル内に付着するの
を防止する従来例（Ｉ！＃開昭５５−２４４２４　　）
も存在する。

しかし、ノズル内を冷却してＳｉ析着を防止しようとす
ると、ノズル内壁を８００Ｃ以下に冷却しなければなら
ない。このような温度に冷却すると、原料ガスも冷却さ
れ基体ウェハ自体も冷却されることにより、基体ウェハ
の温度分布が変わり、均一なＳｉ薄膜を基体ウェハ上に
形成することが困難となる。そこで、前述従来例では二
重管ノズルによるガス供給をガス上流側ウェハまでとし
ているが、結局ガス上流側と下流側のガス成分不均一は
完全に解消されていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は原料ガスを基体ウェハに供給するノズル
でのＳｉ析着を防止し、多数の基体ウェハにガス成分の
同一の原料ガスを均一に供給し基体ウェハ上に均一なＳ
ｉ薄層を形成することができる半導体のエピタキシャル
成長装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は複数の半導体基体ウェハを内部に取り囲む発熱
体と、該発熱体を外気と隔離して取り囲む反応容器と、
前記発熱体内部に配設され、核発熱体内の半導体基体ウ
ェハの主面上にシリコンの薄層゛を形成するための原料
ガスとキャリアガスからなる混合ガスを供給するノズル
とを備えてなる半導体のエピタキシャル成長装置におい
て、前記ノズルを基体ウェハ温度以下とし、前記混合ガ
スに前記ノズルのガス吹き出し口にシリコンを形成せず
、かつ前記基体ウェハ上にシリコン薄膜を形成する範囲
内でエツチングガスが添加されていることを特徴とする
半導体のエピタキシャル成長装置である。

上記本発明の構成によれば、エツチングガスを所定の範
囲内で混合ガスに添加することによって半導体基体ウェ
ハ上にのみシリコンの薄膜を成長させることができる。

シリコン薄膜の成長速度はエツチングガスとキャリアガ
スと原料ガスのモル比に応じて、Ｓｉ上および石英上で
は異なっている。したがってＳｉ表面にのみ８ｉ薄膜が
形成される成長速度が、石英表面に８ｉ薄膜が成長する
速度より著しく大きい範囲で前記各種ガスのモル比を調
整することによって、石英で作られたノズルへのＳｔ析
着を防ぎＳｉ基体ウェハ上にのみＳｉ薄膜を形成するこ
とができる。

上記ノズルは２重管構造をとることもできる。

２重管構造をとった場合には、ガスが供給される内管と
外管との間に冷却手段、例えば冷却ガスを流通させるこ
とによって、このノズルのガス吹き出し口に析着する虞
れのある８ｉをさらに少々くすることができる。

上記エツチングガスとして、ａｃｔｓ　ＨＢｒなどのハ
ロゲン化水素を用いそして、キャリアガスとしては還元
ガスであるＨ！を用いる。

〔発明の実施例〕

次に、本発明に係る半導体のエピタキシャル成長装置の
好ましい実施例を添付図面に従って詳説する。

第１図は本発明の一実施例を示す断面図である。

図において、Ｓｉ基体ウェハ１は、その多数枚が水平方
向にほぼ等間隔に並ぶようにホルダ２に支持されている
。このホルダ２は、モータＭに接続した回転軸１２によ
って回転されることから、ガス供給ノズル４から導入さ
れる反応ガスは、基体り：Ｃ／％１−全面に均一に供給
されることになる。

上記ホルダ２には発熱体３で前面が覆われるようになっ
ている。発熱体３は筒状となってお９、基体ウェハ１全
体をほぼ包み込んで、上下両端側の基体ウェハ１をも含
むすべての基体ウェハを均一に加熱するようになってい
る。発熱体３の形状はその他に箱型や種々の形状を選択
することもできる。

上記発熱体３の上部端は円盤状の発熱体（上部バッフ力
３１で密閉され、かつ下部端はホルダ２の回転軸と一部
を除きほぼ密閉するような円盤状発熱体（下部バッファ
）３２が設けられている。

発熱体３およびバッファ３１．３２の材質にはシリコン
カーバイド（Ｓｉｎ）を被覆した高純度カーボンを用い
る。

上記下部バッファ３２にはそれを貫通するように、キャ
リアガス（Ｈ鵞）とｓｉ原料ガス（例えばＳｉＣ／４）
とエツチングガス（ＨＣｔ）を混合した反応ガスを供給
する定めの石英製のガス供給ノズル４が設けられている
。このノズル４は基体ウェハ１の各々の中央まで均一に
反応ガスを供給する几めの多数の孔（ｉたはスリット）
が設けられている。

上記ノズル４は第２図に示すように、孔４１が存在する
内管４２の外側に、外管４３が設けられ九２重管構造と
なっている。外管４３は発熱体３からの熱輻射による内
管４２の温度上昇を防ぐ。

このようにガス供給ノズル４を多重管とし九のは、多重
管構造としないと供給ノズル４と基体ウェハ１との温度
差が小さいために、ノズルに８ｉ析Ｎを防ぐ量のＨＣｔ
ガスを混入すると基体ウェハは同時にエツチングされる
虞れもあるためである。

そして、外管４３と内管４２との間にはガス供給口から
の反応ガスの供給を妨げないように、冷却手段（例えば
冷却ガス）を設けることもできる。

このようなガスとして、キャリアガスのＨ３不活性ガス
例えば）（ｅ、／ｌｒ又はＮ鵞ガスが使用できる。

熱輻射を清蔽するノズル４の外管４３には不透明の石英
材ｔたは８ｉＣ被覆し次カーボン等を用いることができ
る。

上記ノズル４の対面には反応後のガスを排出する九めの
排出ノズル５が下部バッファ３２を貫通するように設け
られている。反応を終え次ガスの排出が一個所に片寄る
と、基体ウェハ１間のガスの流れ状態が不均一になりや
すく、その結果、各各の基体ウェハに対し一様な濃度の
反応ガスの供給は回部となり、形成するエピタキシャル
薄膜の均一性を良好にすることはできない。そこで、排
出ノズル５には多数の孔ｔたはスリット５１が設けられ
てあや、基体１表面で反応を終えた排ガスは比較的すみ
やかに孔５１を通して径外に排出するようになっている
。

ガス供給ノズル４と排出ノズル５の各々の基体ウェハ１
上で均一にガスを供給し、ガスを排出できる構成と前記
回転軸１２による基体ウェハ１の回転によりおのおのの
基体ウニ八表面には常に一定濃度の、かつ新鮮な反応ガ
スが供給され、その結果として均一なエピタキシャル薄
膜の形成が可能となる。

上記排出ノズル５には減圧排気系統が接続されている。

発熱体３および基体ウェハ１は、それらを外気から隔離
して気相反応室を構成する反応容器６で覆われている。

この反応容器６は石英製のベルジャを用いて構成される
。この反応容器６は炉体ペース８上に配置され、炉体ベ
ース８と反応容器６の間にベルジャペース７が設けられ
ている。このベルジャペース７の昇降によって発熱体３
および反応容器６が昇降する。上記反応容器６の外周部
には発熱体３を加熱する次めの加熱源９が設けら　　　
・れている。この加熱源９は発熱体３を高周波誘導加熱
するための加熱コイルである。

上記加熱源９は支持具１０によって上記ベルジャペース
７に固定され、ベルジャペース７の昇降で上下移動する
。勿論、加熱源９の上下移動はベルジャペース７と別々
とすることもできる。

上記ベルジャペース７の上には、上記発熱体３を支持す
る支持台１３が設けられている。この支持台は、熱伝導
の小さな例えば石英等によって作られている。支持台１
３はベルジャペース７の端部に載置され、ベルジャペー
ス７の昇降によって発熱体３を上下移動できるように設
置されている。

上記下部バッファ３２と炉体ベース８との間には、下部
バッファ３２を支持するための支持台１４が設けられて
いる。

発熱体３と反応容器６の間の空間をガス置換する九めの
ガス供給ノズル１５が設けられ、置換ガスは排気口１６
より排出される。

次に本実施例の動作について説明する。

まず、ベルジャペース７を上昇し、加熱源９および反応
容器６および支持台１３上に載置された発熱体３を同時
に両方に持ち上げ炉内を開放する。

次に、直径ＩＺ７ｃｙｙｓ（５インチ）の８ｉ基体ウェ
ハ１２枚ずつ重ね合わせ、５ｆｉの間隔で２５段、計５
０枚をホルダ２に収容し、反応炉はぼ中央にセットする
。次に、回転軸１２によってホルダ２を約１０Ｆの速度
で回転する。その後、ベルジャペース７を下降し、基体
ウェハ１全体を発熱体３内に収容するとともに、反応容
器６によって反応室と外気とを隔離する。発熱体３上部
はこれと一体下降し次上部バッファ３１が、ま次発熱体
３下部にはホルダ回転軸１２とが貫通できるように下降
され、炉体ペース８上に支持台１４で固定され九下部バ
ッファ３２が設けられ、基体ウェハ１はほぼ完全に発熱
体３と上下バッファ３１および３２によって包囲され次
状態となる。

次に、ノズル４より窒素ガスを５０　ｔ／―の流量で５
分間供給し、炉内の空気を置換した後、Ｈｚガスを５０
ｔ／−の流量で５分間供給し水素ガスに炉内を置換する
。炉内のガス置換が終った後、高周波加熱源９に通電し
て、発熱体３を約１１００Ｃに加熱する。発熱体３は、
表面をＳｉＣ被覆しｔカーボンで作られていることから
、発熱体自体３が発熱して高温になる。それゆえ、発熱
体３外周の石英容器６はこの際、間接的に加熱されるが
、従来のホットウォール方式のように反応容器全体が発
熱体で囲まれていない。しかも、石英が熱線を透過する
ことや、反応容器６は別に設けられ九冷却ファン（図示
せず）によって冷却されていることなどの理由から発熱
体３の温度よシも数１００°も低く、減圧状態において
も圧損する心配は全くない。ま九、一方、発熱体３内部
の基体ウェハ１は、外周をすべて発熱体３で包まれ一種
の積分球中に収容された状態であるから均一な温度に加
温される。このため、エピタキシャル層は膜厚が均一な
ものとなる。

発熱体３の加熱開始をほぼ同時に、排気系に別に設置し
九ロータリポンプ（図示せず）を駆動し、炉内を約２０
０’ｌ’□ｒｒ　（〜２６６００Ｐａ）の減圧にする。

発熱体３が所定温度に加熱された後、水素ガス中に約１
ｔ／−の塩化水素ガス＜ＨＣｌ）を混入し、基体ウェハ
表面１を１分間気相エツチングし清浄する。次に、ＨＣ
ｔガスを止めて２分間水素ガスによってページした後、
Ｓｉソースガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｔａ）とＨＣ
ｔガスを混合し几反応ガスを供給した、基体ウェハ１上
にエピタキシャル成長を開始する。

反応ガスに供給されるＨＣｔガスの濃度は、例えば第３
図に示す斜線部の範囲内で選択される。

すなわち、第３図はある一定の５ｉＣｔ４濃度に対し、
ノズルと同材質の石英ウェハとシリコンウェハを用い成
長温度と原料ガス中に混入するＨＣ４濃度、及びシリコ
ン析出状態の関係を示す。領域Ａは石英にもシリコンに
も析出しない。Ｂはシリコンのみに析出し石英に析出し
ない。Ｃはシリコンにも石英にも析出する領域を示す。

このように、ＨＣｌを混入することによりシリコンと石
英で選択性が生じることが知られている。今、１１Ｇ０
ＣでＨＣｌを３ｍｏ　１％混入すると石英ノズルを冷却
しなくても析出は生じずシリコンウニノー上にエピタキ
シャル成長が可能である。しかしながら、この場合のエ
ピタキシャル層の成長速度はエツチングガスであるＨＣ
ｌの混入により約１／３に低下し実用的でない。ま友、
選択成長領域Ｂも非常に狭く不安定と考えられる。ＨＣ
１濃度を１ｍｏ１％に下げ実用的成長速度を確保すると
共に、冷却ガスによってノズルのみ約１００’Ｃ’程度
冷却して低温とすればノズルへのシリコン析出を防止で
きることは図から容易に理解できる。

実験によれば、ＨＣ１濃度約２％、ＳｉＣｔａ濃度約１
％の条件のとき成長速度的０．５μｍ／―でシリコン基
体ウェハ表面にのみエピタキシャル成長薄膜が形成され
次。このとき、ガス供給ノズル４は石英で構成されノズ
ル４の外管４３によって内管４２が冷却されているため
にノズル４の内管にはＳｉ析着がみられず、孔の目詰り
も生じなかつ九。

成長反応時、所望の導電型、抵抗率を得る危めにドーピ
ングガスとして例えばホスフィンガス（ｎ型ドーピング
ガス）等を混入することができる。反応ガスはノズル４
に設けられている小孔４１よりホルダ２に階段状に配置
されている基体ウェハ１表面に均一に供給された後、排
ガスは対向位置の排気ノズル５から系外に排出される。

この九め、各々の基体ウェハ１間でガスの流れと濃度は
一定に保すれ、膜厚と抵抗率のウェハ間のバラツキを非
常に小さくすることができる。一方、ホルダ２０回転に
より、基体ウェハ１に回転が与えられていることから、
反応ガスの供給と排気が一方向であっても膜厚、抵抗率
の基体ウェハ内均−性は非常に良好に保次れることにな
る。

１０分間の成長で、約５μｍのエピタキシャル成長薄膜
を基体ウェハ上に形成し次後、８ｉＣ１ａとＨＣｔガス
の供給を止め、炉内を水素ガスで２分間パージし、炉内
温度の低下を開始する。約２０分間で高周波電源の出力
を徐々に下げた後、電源を切り、さらにロータリポンプ
を止め反応容器６内を常圧にする。１０分間水素ガスに
より冷却しｔ後、水素ガスを止め窒素ガスを５０　ｔ７
’ｍの流量で供給し、炉内の水素を置換すると同時に基
体ウェハを約４００Ｃ以下に冷却する。次て、ベルジャ
ペース７を上昇し、基体ウエノ・１を取り出す。

以上の操作により一回の成長工程を終える。この成長工
程によって、１１７ｃｍ（５インチ）径のシリコン基体
ウェハ５０枚に、厚さ約５μｍ１抵抗率約１０Ω画のｎ
型エピタキシャル薄膜が形成され次。このエピタキシャ
ル薄膜の膜厚の基体ウェハ内バラツキは±３％、基体ウ
ェハ間均一性は±５％、抵抗率のバラツキはそれぞれ±
５％であり、従来法のホットウォール方式に比ベバラツ
キ幅を約１／２に向上でき穴。

上記本実施例においてはＳｉのエピタキシャル成長を例
に説明したが、同様の方法で、エピタキシャル成長を行
なうゲルマニウム（Ｇｅ）、さらにはＧａＡｓ等化合物
半基体のエピタキシャル成長への応用も可能である。そ
して、本実施例においては減圧エピタキシャル成長の例
として説明したが、ロータリーポンプで炉内を吸引しな
い常圧エピタキシャル成長への応用も可能である。

〔発明の効果〕

以上説明し九ように本発明にかかる半導体のエピタキシ
ャル成長装置によれば、基体ウェア１表面にのみ８ｉ薄
膜を形成することができるために反応ガス供給ノズルの
ガス吹き出し口の目詰りを防ぎ、多数の基体ウェハに均
一なガス成分の原料ガスを供給することができる。した
がって均一な８ｉ模厚を有する半導体基体ウェハを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる半導体のエピタキシ
ャル成長装置を示す断面図、第２図は第１図の成長装置
に用いられる二重管構造を有するガスノズルを示す斜視
図、第３図はＳｉ表面にのみＳｉ薄膜を形成し、石英に
はＳｉ薄膜を形成しない範囲を示すグラフである。 １・・・基体ウェハ、３・・・発熱体、４・・・ガスノ
ズル、６・・・反応容器、９・・・加熱コイル、４１・
・・ガス吹き出しの小孔、４２・・・内管、４３・・・
外管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の半導体基体ウェハを内部に取り囲む発熱体と
   、該発熱体を外気と隔離して取り囲む反応容器と、前記
   発熱体内部に配設され、該発熱体内の半導体基体ウェハ
   の主面上にシリコンの薄層を形成するための原料ガスと
   、キャリアガスからなる混合ガスを供給するノズルとを
   備えてなる半導体のエピタキシャル成長装置において、
   前記ノズルはその温度が基体ウェハ濃度以下に保たれる
   構造を有し、前記混合ガスは前記ノズルの内壁にシリコ
   ン薄層を形成せず、かつ前記基体ウェハ上にシリコン薄
   層を形成する範囲内でエッチングガスが添加されている
   ことを特徴とする半導体のエピタキシャル成長装置。