JPS61279120A - 気相成長装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、気相成長装置、特に半導体工業で利用される
気相成長装置に関するものである。

従来の技術 半導体工業においては、シリコン基板上に反応ガスを供
給して、その基板表面に反応物の膜を形成する工程があ
り、特にシリコン単結晶板を通常８００°Ｃ以上の適当
な温度に加熱しておき、四塩化珪素、捷たはモノシラン
、またはジクロールシランと、水素との混合ガスを供給
することによって、シリコン多結晶膜が形成できる。こ
のような膜を形成する従来の装置の反応室部分は、第３
図のような構造になっていた（例えば、塚本哲男「半導
体・集積回路技術」、（昭和５７・６・２０　）、槙１
店、ＰＯ２）。この装置は、石英管１と、被膜形成する
シリコン基板２を載せるサセプタ３と、シリコン基板２
およヒサセフタ３を加熱するワークコイル４と、ガス供
給ノズル５、および排気口６、扉７とから構成されてい
る。ワークコイル４に高周波電力を印加することによっ
て、シリコン基板２とサセプタ３とが８００°Ｃ以上の
適当な温度に加熱される。一方、図示１〜でいないガス
供給装置で、四塩化珪素等の反応ガスと、ホスフィン等
のドーピングガスとを所定の濃度で水素ガスに混合し、
この混合ガスがガス供給ノズル５から反応室内に供給さ
れる。この混合ガスは、反応室全体に広がって排気１」
６に向かって流れ、このときサセプタ３およびシリコン
基板２に接触して熱を奪い所定温度以上に達した反応ガ
ス分子が分解析出して膜を形成する。

発明が解決しようとする問題点 上記のような装置においては、シリコン基板２およびサ
セプタ３のみが加熱されるだけではなく、石英管１も高
温に加熱される。そのため、石英管１に接触した反応ガ
スは石英管１から熱を受け、石英管１上でも同様に反応
ガス中の反応ガス分子が分解析出して膜を形成する。石
英管１」−のシリコン膜の堆積量は、装置を運転する都
度増加し、ある堆積量を越え７４時点で非常に剥離しや
すい状５へ一／ 態となる。この状態に到ると若干の振動によっても石英
管１上の堆積物が剥離を起こす。例えば、扉７を開けて
、シリコン基板２を出し入れするときなどである。剥離
した不要堆積片は、反応室内を浮遊し、反応ガスと共に
排気口６から外へ排気されるが、一部はシリコン基板２
上に付着する。

剥離片が何着しだ丑ま、気相成長を行うと、剥離片をお
おう形でシリコン多結晶膜がシリコン基板２上に形成さ
れ、剥離片の付着した箇所が異常に盛り上ることになる
。このような状態で形成された膜に、半導体製造工程に
おいて配線ノくターンを焼き付けることはできない。そ
のため一度剥離が起こると石英管１を、第３図には図示
していないガス供給装置とガス排気装置からはずし、更
に内部のサセプタ３まで取りはずした上で、大量の面積
を洗浄乾燥しなくてはならず、石英管１の洗浄・再取付
に大変手間がかかるという欠点を有していた、更に、石
英管１上のシリコン膜の不要堆積は、石英管１全体をほ
ぼ同等の反応分子濃度を有する混合ガスが流れるため、
シリコン基板２上の６　、 膜の堆積と同等に起こるため、ひんばんに洗浄を起こな
わなくてはならないという欠点を有していた。

本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な装置構成で、シリ
コン基板以外でのシリコン多結晶膜の不要堆積を抑え、
装置の洗浄の回数を低減し、かつ装置の洗浄を容易に行
うことができる気相成長装置を提供するものである。

問題点を解決するだめの手段 上記問題点を解消するために本発明の気相成長装置は、
一端に混合ガスを供給する混合ガス供給口を、他端に適
当数の混合ガス噴出口を有する混合ガス整流壁とを有す
る混合ガス室と、一端にキャリヤガスのみを供給するキ
ャリヤガス供給口を、他端に適箔数のキャリヤガス噴出
口を有するキャリヤガス整流壁とを有するキャリヤガス
室と、混合ガス室とキャリヤガス室を区分するしきり板
と、ガス排気口と、基板を載置するサセプタと、基板お
よびサセプタを加熱する輻射加熱手段と、内部にサセプ
タが設置される反応室と、耐熱耐食性金７・・−。

属より成り前記反応室を外気から遮断する反応室壁と、
輻射光を透過し、反応室壁と共に反応室を外気から遮断
する透過プレートと、反応室壁を冷却する手段とから構
成し、混合ガス供給口から混合ガス室に供給された混合
ガスを混合ガス噴出口を通して反応室に、キャリヤガス
供給口からキャリヤガス室に供給されたキャリヤガスを
前記キャリヤガス噴出口を通して反応室に、それぞれ平
行に導き、反応室に導かれた混合ガスを基板に平行に基
板側を流すようにするものである。

作　　用 この技術手段による作用は以下のようになる。

輻射加熱手段より発せられた輻射光は、透過プレートを
透過し、サセプタおよび基板のみを選択加熱する。耐熱
耐食性金属より成る反応室壁は直接加熱されることがな
く、しかも反応室壁を冷却する手段により、反応室壁は
、低温に保持される。

しかし、輻射加熱手段Ｊ：り発せられた輻射光と、サセ
プタおよび基板が高温に加熱され赤熱するために、サセ
プタおよび基板が発する輻射光に対し、透過プレートは
完全に透明ではなく、輻射光の約１０％程度を吸収する
ため、冷却手段を有さない透過プレートは、サセプタの
温度に近い温度まで加熱される。加熱された透過プレー
トに反応ガス分子が接触すると、この透過プレートにシ
リコン膜の不要堆積が発生する。そこで、サセプタ側に
、混合ガス室から混合ガス噴出口を通して層流状に混合
ガスを供給し、透過プレート側に、キャリヤガス室から
キャリヤガス噴出口を通して層流状に反応ガス分子を含
丑ないキャリヤガスを供給する。

このとき、混合ガス中の反応ガス分子は、分子拡散によ
ってキャリヤガス中に拡散していくが、キャリヤガスお
よび混合ガスを層流状に供給するとき、乱流状の場合よ
りは分子拡散を抑えることができ、また混合ガスのみを
供給するときＫＪ−ｆ、較して、透過プレート近傍にお
ける反応ガス分子のモル分率を大きく低減することがで
きる。

この結果、耐熱耐食性金属より成る反応室壁でのシリコ
ン膜の不要堆積の解消と、サセプタの温度に近い温度ま
で加熱されるが、透過プレートに９４、　。

おけるシリコン膜の不要堆積を従来の装置に比べ大幅に
低減することができ、従来装置に比べ、装置の洗浄の回
数を低減することができる。′！、た、不要堆積が発生
する場所を透過プレートとだけに限定することが可能な
ため、洗浄は透過プレートのみで済み、洗浄・乾燥を必
要とする面積を従来の装置に比較して大幅に抑えること
ができる。

実施例 以下本発明の一実施例の気相成長装置について、図面を
参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における気相成長装置の具体
構成を示すものである。第１図において、１１は混合ガ
ス供給口であシ、１２は耐熱耐食性金属よシ成る混合ガ
ス整流壁で、１３が混合ガス室である。１４は、混合ガ
ス整流壁に適当数設けられた混合ガス噴出口である。１
５は、図示していない混合ガス供給装置から混合ガス供
給口１１まで混合ガスを導くための混合ガス供給管であ
る。

また、１６はキャリヤガス供給口であり、１７は耐熱耐
食性金属よシ成るキャリヤガス整流壁で、１０１． １８がキャリヤガス室である。本実施例においては、混
合ガス整流壁１２とキャリヤガス整流壁１７け、つなが
っている。１９け、キャリヤガス整流壁に適当数設けら
れたキャリヤガス噴出口である。２０は図示していない
キャリヤガス供給装置からキャリヤガス供給口１６まで
キャリヤガスを導くためのキャリヤガス供給管である。

２１け、混合ガス室１３とキで、２３はガス排気口２２
がら図示していないガス排気装置までガスを導くガス排
気管である。２４は、被膜形成を行うシリコン基板で、
２６はシリコン基板２４を載置するカーボンより成るサ
セプタで、２６は、サセプタ２５に直結しているサセプ
タ２６を回転させるための回転軸で、回転軸２６は、図
示していないサセプタ２５回転装置につなげられている
。

サセプタ２５け、回転軸２６により、矢印への方向に回
転する。２７は、シリコン基板２４およびサセプタ２６
を輻射加熱するための赤外線ランプで、２８は赤外線ラ
ンプ２７を収納する赤外線うンプユニットである。そし
て２９が、サセプタ２５を内部に設置する反応室である
。３０は、耐熱耐食性金属より成り、反応室２９を外気
から遮断する反応室壁で、３１は赤外線ランプ２７から
発ぜられる輻射光を透過する透明石英から成る透過プレ
ートである。透過プレート３１にｊｌ、反応室壁３０と
共Ｋ、反応室２９を外気から遮断する。３２は、反応室
壁３０を水冷するために反応室壁３０に設けられた水冷
溝である。なお、３３け、透過プレート３１を反応室す
１（３０に固定するための固定具、３４は同定具３３に
設けられた固定具水冷溝である。本実施例においては反
応室２９の底面と、サセプタ２５に載置したシリコン基
板２４の１−面が一致するよう構成されている。さて、
第２図は、本実施例においてつながっている混合ガス整
流壁１２とキャリヤガス整流壁１７の具体構成を示すヤ
リャガス噴出１」についても、円孔状に適当数設けられ
ている。第３図において、３５は、混合ガス整流壁１２
およびキャリヤガス整流壁１７を、しきり板２１に締結
するボルトの／ζめに設けられたボルト穴である。混合
ガス整流壁１２お、１ひキャリヤガス整流壁１７υ１、
混合ノノスとキャリヤカスが反応室２９に混合ガス噴出
［１１４およびキャリヤガス噴出口１９を通して反応室
２９内医供給される前に混合することのないよう、しへ
り板２１にガスシールドを介Ｉ７て締結され、捷だ反応
室３０との間にもガスシールドが設けられている。なお
、第１図において、混合カス整流壁１２の断面積と、キ
ャリヤガス整流壁１７の断面積の比ｉ＋、２：３に設定
されている。

以上のように構成された気相成長装置しでついて、以下
第１図を用いてその動作を説明する。第１図において、
赤外線ランプ２７より発せられる輻射光ｄ１透過プレー
ト３１を透過して、反応室２９内部に設置されたサセプ
タ２５およびシリ：１ン基板２４を、所定の温度寸で輻
射加熱する。この輻射加熱の際、赤外線ランプより発せ
られる輻射光は、反応室壁３０を直接加熱することは少
く、ま１３１、 た反応室壁３０に設けられた水冷溝３２に」＝り反応室
壁３０が強制冷却されるため、反応室壁の温度を低温に
保持することが可能となる。しかし、透明石英から成る
透過プレート３１は、赤外光に対し完全に透明ではなく
、約１０係の赤外光を吸収する。また、高温に加熱され
赤熱するサセプタ２５およびシリコン基板２４から発せ
られる輻射光をも透過プレート３１は吸収する。そのた
め、強制冷却手段を持／ヒない透過プレートは、サセプ
タ２５よりやや低い温度まで加熱される。このような状
態の反応室２９内部に、モノシラン等の反応ガス分子を
水素ガス等のキャリヤガスに十分混合拡散し螺合ガスを
流すとき、透過プレート３１において、シリコン膜の堆
積が、シリコン基板２４上と同様に発生する。これは、
透過プレート３１近傍に反応ガス分子が、リッチに存在
するためである。そこで、反応ガス分子を全く含まない
キャリヤガスを、まずキャリヤガス供給口１６を通じて
キャリヤガス室１８に第１図矢印Ｂの方向に沿って供給
し、その後キャリヤガスを、キャリャガス整流壁１７に
設けられたキャリヤガス噴出「１１９を通して、矢印Ｃ
の方向に沿って、層状に整流して反応室２９内部の透過
プレート３１側に供給する。同時に、反応ガス分子を均
一に含む混合ガスを、まず混合ガス供給口１１を通じて
混合ガス室１３に矢印りの方向に沿って供給し、その後
この混合ガスを、混合ガス整流壁１２に設けられた混合
ガス噴出口１４を通して、矢印Ｅの方向に沿って層状に
整流して反応室２９内部のサセプタ２５側に供給する。

このとき、透過プレート３１側には、キャリヤガス雰囲
気が、サセプタ２５ｆｔｌｌｌＫは、反応ガス分子をリ
ッチに含む混合ガス雰囲気が形成される。これに」：す
、透過プレート３１側の反応ガス分子濃度を大きく抑え
ることが可能となる。

ただし、反応室２９内部で反応ガス分子モル分率が異な
゛るため、反応ガス分子は、モル分率を均一にする方向
で、分子拡散を起こす。この場合、透過プレート３１側
へ反応ガス分子が分子拡散を起こす。分子拡散は、その
名の通り分子レベルで生じる現象であるため、透過プレ
ート３１近傍における反応カス分子のモル分率をゼロと
することは不１１■能である。しかし、キャリヤガスを
別に流すことに」：って、透過プレー１・近傍における
反応ガス分子−のモル分率を・大きく抑えることが可能
である４、／ζだし、分子拡散を促進する混合ガスおＪ
：びキャリヤガスの流し方はさけなくてはならない。

分子拡散を助長するカスの流し方としてＬ［、乱流。

大きな渦のある流Ｊ′ｌがある。従って、反応室２９内
部に混合ガスおよび゛キャリヤカスを導くときは、それ
ぞれ整流１〜で層流状に導くことが望−コシ〜い。

本実施例の混合ガス整流壁１２お」＝びキャリヤガス整
流壁１７は、そのために設けられているものである。」
／（、大きな渦を発生させない／こめに、ノズルを用い
てのガス供給や、反応室壁３ｏの凹凸を極力避けること
が望寸しい。本実姉例のシリコン基１１１１ｉ、２４の
−１−而が反応室壁３０の底面と一致し７ているの（メ
：土ぞの／こめである。更に、混合ガス噴出「１１４を
通して導かｔ］る混合ガスの流速と、キャリヤガス唱出
［」１９を通して導かれるキャリヤガスの流ｉｊｌ　’
Ｊｉ、同等であることが望せしい。一方の流速が他方に
比べて大きいと、圧力差が生じ、流速の小さい方のガス
が、大きい力のガスに引き寄せられる形（きり吹きの原
理）となり、ガスの混合拡散が助長されるためである。

これらに加えて、混合ガス整流壁１２の断面積とキャリ
ヤガス整流壁１７の断面積との比も問題となる。混合ガ
ス中に含４れる反応ガス分子の宿を一定とするとき、反
応室２９に導かれる混合ガスとキャリヤガスのそれぞれ
の流速を同等とする限り、キャリヤガス整流壁１２の断
面積が大きい（キャリヤガス供給拓が多い）はど、透過
プレート３１側の反応ガス分子のモル分率を抑えること
ができるが、同時にシリコン基４Ｊ９．２４側における
反応ガス分子のモル分率変化が犬きくシリコン基板２４
に形成されるシリコン多結晶膜の膜厚不均一性の原因と
なる。逆に、混合カス整流壁１７の断面積が大きいほど
、シリコン基板２４側の反応ガス分子のモル分率変化を
小さく抑えることかできるが、同時に透過プレート３１
側への反応ガス分子の拡散が犬きぐなる。種々に混合ガ
ス整流壁１２とキャリヤ１７、、− ガス整流壁１７の断面積を変えてみたところ、透過プレ
ート３１近傍への反応ガス分子の拡散を抑えると同時に
シリコン基板２４近傍での反応ガス分子のモル分率変化
が８係程度に抑えられるときの、混合ガス整流壁１２と
キャリヤガス整流壁１７との断面積の比が２：３である
。なお、シリコン基板２４を載置しているザセプタ２５
を回転させると、シリコン基板２４上に形成されるシリ
コン多結晶膜の膜厚均一性が更に良くなる。

以上詳述した形で、混合カスとキャリヤガスを反応室２
９内部に導くとき、適当な温度に加熱されたザセプタ２
５お」：びシリコン基板２４に触れた反応ガス分子が分
解析出してシリコン基板２４上にシリコン多結晶膜が形
成される。そしてこのとき、透過プレート３１近傍では
シリコン基板２４近傍に比較して、その反応ガス分子モ
ル分率が５０分の１から４０分の１に抑えることができ
る。址だ、反応室壁３０−：、強制冷却されているため
、反応室壁３０では、不要なシリコン多結晶膜が形成さ
れることはない。従って、従来の装置に比較１８・、 して、不要な多結晶膜が発生する部分を減少させること
ができると共に、シリコン多結晶膜の成長速度が反応ガ
ス分子モル分率に比例することに」：す、不要多結晶膜
の成長速度を激減することができる。ずなわぢ、従来装
置に比べ、装置の洗浄の回数を低減することが可能とな
る。丑だ、不要堆積が発生ずる部分が透過プレート３１
のみであり、本実施例では、透過プレート３１の着脱が
、ガス供給系、ＪＪＩ気系をその１畳［の状態で行うこ
とが可能なため、装置内部の洗浄・乾燥を必要とする面
積とし、その手間を従来の装置に比較して大幅に削減す
ることが可能である。

なお、本実施例では、混合ガス整流壁１２とキャリヤガ
ス整流壁１７はつながっているが、前記した動作をする
限り、分離していてもか捷わないことは言う寸でもない
。丑だ、本実施例では、シリコン基板２４の」−面と反
応室壁３０の底面が一致しているが、反応室２９内での
ガスの流れが犬きぐ乱されることがなければ、一致して
いる必要はない。更に、シリコン基板２４上に形成され
る１９、−、− 多結晶膜の均一性が確保されている限り、サセプタ２５
を回転さぜる必要がないことは言うまでもない。そして
、本実施例では、混合ガス噴出口１４およびキャリヤガ
ス噴出口１９を円孔としたが、混合ガス、キャリヤガス
を層流状に整流することが可能ならば、長円状等種々の
変更が可能である。

発明の効果 以トの」：うに、本発明は、シリコン基板を載置するサ
セプタを内部に設置し、水冷によって低温に保たれる反
応室壁と、シリコン基板お」：びサセプタのみを加熱す
る輻射加熱手段から発せられる輻射光を透過する透過プ
レートにより四重れる反応室と、反応室内部に混合ガス
を整流した後層流状にサセプタ側に供給する混合ガス室
と、キャリヤガスを混合ガスと平行に整流した後層流状
に透過プレート側に供給するキャリヤガス室とから装置
を構成することによって、従来の装置では頻繁に行なわ
れていた装置の洗浄回数の削減と、洗浄の手間の大幅な
軽減が実現できるので、その効果は極めて大きいもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における気相成長装置の断面
図、第２図は混合ガス整流壁およびキャリヤガス整流壁
の一実施例を示す拡大斜視図、第３図は従来の気相成長
装置の断面図である。 １３・・・−混合ガス室、１８・・・・−キャリヤガス
室、２１・・・・・・しきり仮、２２・・・・−ガス排
気１」、２，２４・・・・、シリコン基板、３，２５・
・・−・サセプタ、２７・・・・・赤外線ランプ、２９
・・　反応室、３０　・・・・反応室壁、３１・・・・
・透過プレート、３２・・・・水冷溝、１２・・・・・
・混合ガス整流壁、１７・・・・・・キャリヤガス整流
壁、１４・・・・・・混合ガス噴出口、１９・・・・・
キャリヤガス噴出口。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端に反応ガスあるいは反応ガスとキャリヤガス
   との混合ガスを供給する混合ガス供給口を有し、他端に
   適当数の混合ガス噴出口を有する混合ガス整流壁を有す
   る混合ガス室と、一端にキャリヤガスのみを供給するキ
   ャリヤガス供給口を有し、他端に適当数のキャリヤガス
   噴出口を有するキャリヤガス整流壁を有するキャリヤガ
   ス室と、前記混合ガス室とキャリヤガス室を区分するし
   きり板と、前記混合ガス噴出口とキャリヤガス整流壁と
   に対向して設けた反応室とこの反応室につづいて設けら
   れ、ガスを排気するガス排気口と、前記反応室内にあっ
   て被膜形成する基板を載置するサセプタと、前記基板お
   よびサセプタを輻射加熱する手段と、耐熱食性金属より
   成り前記反応室を外気から遮断する反応室壁と、輻射光
   を透過し、前記反応室壁と共に前記反応室を外気から遮
   断する透過プレートと、前記反応室壁を冷却する手段と
   から成り、前記混合ガス供給口から混合ガス室に供給さ
   れた混合ガスが前記混合ガス噴出口を通して前記反応室
   に、前記キャリヤガス供給口からキャリヤガス室に供給
   されたキャリヤガスが前記キャリヤガス噴出口を通して
   前記反応室に、それぞれ平行に導かれ、前記反応室に導
   かれた混合ガスが前記基板側を基板に平行に流れるよう
   設定した気相成長装置。
2. （２）サセプタ上に載置された基板上面が、反応室底面
   と一致することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の気相成長装置。
3. （３）サセプタが、前記反応室底面と平行な面内で回転
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の気相
   成長装置。
4. （４）混合ガス噴出口を通して前記反応室内部に供給さ
   れる混合ガスの流速が、前記キャリヤガス噴出口を通し
   て前記反応室内部に供給されるキャリヤガスの流速とほ
   ぼ同等であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の気相成長装置。