JPS62249413A - 減圧シリコンエピタキシヤル成長方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は減圧シリコンエピタキシャル成長方法に関し、
特に大規模集積回路（ＬＳＩ）の製造プロセスに利用さ
れる減圧シリコンエピタキシャル成長方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ製造７’ロセスの一つとしてシリコンエピタキシ
ャル成長があり、バイポーラトランジスタをはじめとし
て種々のデバイス製造にエピタキシャル成長技術が用い
られている。エピタキシャル成長プロセスでは、反応ガ
スを各シリコン基板上に均一に供給することが必要であ
るため、酸化、拡散プロセスとは異なシ、一度に大量の
基板をエピタキシャル成長処理することが容易でない。

このため、エピタキシャル成長を大量処理できるような
気相成長方式の開発が望まれており、このような要求に
対して種々の手法が提案されている。

その一つに抵抗加熱を用いた、いわゆるホットフォール
型の減圧エピタキシャル成長方式が知られている。例え
ば反応管の軸方向に対してほぼ垂直にシリコン基板を所
定の間隔で多数枚置き、モノシラン（ＳｉＨ，）のよう
な反応ガスを、反応管の軸に対してほぼ垂直方向に流す
方式（特願昭５３−１０８８００号）や、反応ガスを反
応管の両端から交互に供給するフリップフロップ方式（
特願昭５３−１２０８９９号）が提案されている。これ
らの方式でシリコンエピタキシャル成長を行う場合、通
常成長前に高温下でシリコン基板表面のクリーニングが
行なわれる。このクリーニングはシリコン基板表面の酸
化層を除去することを意味し、これを行わないとシリコ
ン基板表面にシリコン単結面が露出していないためにエ
ピタキシャル成長が阻害されてしまう。このような表面
クリーニングは、従来、塩化水素（Ｈ（４）や水素（Ｈ
，）ガスを用いて１０５０℃以上の高温で行われていた
。従来のプロセスにおける炉内温度を第４図に示す。第
４図でｆｉｌｅ、　ｌ１ｌＧ、　ＩＩＩＲはそれぞれク
リーニング温度、エピタキシャル成長温度、基板の挿入
、取出し温度である。”Ｃｒ　”Ｇ　ｒ　ＴＲとして例
えばＴｃ＝１１００’Ｃ。

ＴＧ＝９００℃、’１’Ｒ＝７００℃が用いられる。シ
リコン基板を′１′Ｒの温度で挿入した後、反応管内を
りＩＪ−ニング温度Ｔｃまで昇温し、例えば水素ガスに
よシ△目（５〜１０分程度）の時間、表面クリーニング
を行なう。次にエピタキシャル成長温度１′Ｇまで降温
し、エピタキシャル成長を△ｔ：の時間桁なう。

次に、エピタキシャル成長後、温度Ｔｎ　ｉで降温して
から基板を取シ出す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の成長方式では表面クリーニング温度がエ
ピタキシャル成長温度よシ１５０℃〜２００℃ぐらい高
いため、クリーニングしたのちエピタキシャル成長する
までに降温時間を要する。

エピタキシャル成長をおこなうには、降温する間、基板
表面状態をクリーニング直後と同じ状態に保持する必要
がある。然しなから、表面を常にクリーンな状態に保つ
のは容易でなく、汚染されやすい。このため、エピタキ
シャル成長温度を８００℃以下にするのは従来の方式で
は難しい。

抵抗加熱方式で、かつ減圧下で大量のシリコン基板をエ
ピタキシャル成長処理する場合には、エピタキシャル膜
厚の均一性の点から反応管内を数Ｔｏｒｒ程度の低い圧
力下にして、各基板上に反応ガスがゆき渡るようにしな
けれはならない。このような低い圧力下でエピタキシャ
ル成長を行なう場合の弊害の１つとして、例えばボロン
（ハ）が高漏度にドープされたＰ１シリコン基板を用い
るような場合には、オートドーピング現象によりエピタ
キシャル層と基板との界面で、ボロ／の急峻な分布を得
ることは難しい。このため、急峻な分布を得るには、エ
ピタキシャル成長源ｋを下げる必要がある。然しなから
従来の方式で１８００℃以下の低温化は難しい。

更に、従来方式では、表面クリーニング温度、エピタキ
シャル成長温度、基板の挿入および取プ出し温度がそれ
ぞれ異なるため、炉内をＬ「足の温度まで昇降温せねは
ならず、表面クリーニング、エピタキシャル成長に要す
る時間以外にこれらの時間が必要となる。抵抗加熱方式
では１この昇降温時間は、高周波加熱などに比べると長
く、スループットを制約する要因となっている。

以上の理由から、エピタキシャル成長の低温化および高
スループツト化を促すためには表面クリーニングの低温
化をとり入れた新しい成長方式が必要とされる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、表面クリーニングのためのガスとしてフッ
素（Ｆ２）ガスを用い、フッ素ガスとシリコン基板表面
との熱的反応を利用することによシ、表面クリーニング
ｍＭをエピタキシャル成長温度に一致させるとい９新規
な手法を用いた。

本発明の減圧シリコンエピタキシャル成長方法は、減圧
された反応管内に予め定められた間隔で複数板のシリコ
ン基板を配置し、このシリコン基板を抵抗加熱してシリ
コン基板上にシリコンエピタキシャル層を形成する減圧
シリコンエピタキシャル成長方法において、反応管内を
６５００以上の所定の温度に保持し１０Ｔｏｒ、以下の
圧力下でフッ素カスを用い又シリコン基板表面をクリー
ニングする工程と、その後１０Ｔｏｒｒ以下の圧力下で
該シリコン基板上にシリコンエピタキシャル層を成長さ
せる工程とを有することを特徴としている。

〔実施例〕

第１図は本発明の減圧シリコンエピタキシャル成長方法
の一例を炉内温度一時間座標系で示したものである。

第】図で、ＴＲ＊　”Ｃｒ　ＴＧは各々シリコン基板の
挿入および取出し温度、表面クリーニング温度、エピタ
キシャル成長温度を示す。第１図は、ＴＲ−Ｔｃ−ｌ１
ｌＧである例を示している。本発明の基本的概念は、表
面クリーニングとエピタキシャル成長とを同一温度にす
ることにあり　ｌ１ｌＲがＴｃ、ＴＧと同一であること
は必ずしも必要でない。

第２図は、本発明を実施するために用いたエピタキシャ
ル成長装置の反応管構造を示したものである。このよう
な反応管構造は既に本発明者が特願昭５３−１０８８０
０号で示したもので、反応管の内壁の一部に、多孔状の
反応ガス供給口３と、該反応ガス供給口３と相対する内
壁に排気ガス排出口４とを設け、更に、該反応ガス供給
口の外側に、複数個の反応ガス導入管１と、該反応ガス
導入管毎に互いに独立となるように仕切られている反応
ガス供給室６とを設け、前記排気ガス排出口４の外側に
は、排気ガス導出管８と排気ガス排出室７とを設け、前
記反応管の軸に対してほぼ垂直方向に反応ガスを流すこ
とを特徴としている。このような反応管構造をもった抵
抗加熱型の縦型減圧エピタキシャル成長装置内に裏面と
二酸化シリコン（８ｉ０ｚ）で被覆した直径１５０ｍｍ
、ボロンドープした比抵抗０，０１ΩｃｍのＰ＋シリコ
ン基板を５０枚、ｌＱｍｍ間隔で互いに平行に配置した
。

炉内に挿入する前に、前記Ｐ＋シリコン基板に対して過
酸化水素水、アンモニア水、純水との混合液による洗浄
処理を施した。エピタキシャル成長前の炉内での表面ク
リーニングには、ヘリクムＨｅで希釈したフッ素ガスを
用いた。

第３図は、シリコン基板表面を２μｍエツチングするた
めの所要時間と処理温度との関係を示したものである。

Ｈｅで希釈したフッ素濃度４０％のガスを流して反応管
内を２Ｔｏｒｒに保ったときのものである。高温はどエ
ツチング時間は短して済む。

次に、炉内を７００℃に保った時のプロセスについて述
べる。フッ素ガスを用いて各Ｐ＋シリコン基板表面をク
リーニングしたのちモノシラン（ＳｉＨ，）ガスを用い
て３Ｔｏｒｒの圧力でエピタキシャル成長を１時間行な
った。成長後、炉内温度を７００℃に保った状態でシリ
コン基板を炉内から取シだした。平均膜厚約４５０ＯＡ
のシリコンエピタキシャル膜が得られ、ウェーハおよび
９工−ハ間の膜厚偏差は±５％以内であった。次に、エ
ピタキシャル成長面を斜め研摩して拡がシ抵抗測定から
ポロンの分布を評価した。その結果、エピタキシャル膜
−Ｐ＋基板界面の遷移領域は約７００＾であった。

この結果から本発明の方法が急峻な不純物分布を有する
サブミクロン厚のシリコンエピタキシャル膜を一度に大
姓の基板上に形成する方法として有効であることがわか
る。表面りＩＪ　−ニング温度およびエピタキシャル成
長温度として７００℃以外に６００℃、６５０℃、７５
０℃、ｓｏｏ’ｃ。

８５０℃の場合についても検討を行なった結果、６５０
℃以上では鏡面のエピタキシャル膜が得られたが６００
℃では結晶性の良いエピタキシャル膜は得られなかった
。又、表面クリーニング、エピタキシャル成長時の反応
管内圧力を１０　’ｌ’ｏｒｒ以上にした場合には、ウ
ェーハ間のエピタキシャル膜厚の不均一性が大きくなシ
、±５％以下に抑えるにはｓ　　１０　”’Ｏｆｔ以下
が必要であった。

本実施列では第２図に示すように反応ガスの供給および
残留ガスの排気は反応管の鵬に対して垂直方向に行なう
場合について示したが、本発明では、反応ガスの供給、
残留ガスの排気方向には特に限定されず、例えば反応管
の両端部から反応管の軸方向に反応ガスを交互に供給す
るスリップ・フロップ方式に対しても有効である。

７ツ累ガスがシリコンと反応し、シリコンをエツチング
することは例えは科学技術雑誌〔ジャーナル・オブ・二
Ｖクトロケミカル・ノサイアティ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ
ｆ　Ｅｉｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｉ　５ｏｃｉｅｔｙ
）　ｌ　２６４゜１９４６ページ、１９７９年〕に報告
さｎている。

然しなから、この報告では、反応炉内は常圧で、温度領
域は２２０’Ｃまでが対象となっている。このため、フ
ッ素ガスが本発明の減圧シリコンエピタキシャル成長方
式における成長前の表面クリーニングに適しているかど
うかは、これまでのデータから予測しがたい。

本発明では、まず、常圧、２２０℃以下という従来の報
告例とは異なりた条件下でのフッ素ガスのエツチング作
用について櫨々の検討を行なった。

その結果、６’ｒ。１．という減圧下でも６００℃以上
の所定の＠度でフッ素ガスにより十分実用に供する程度
の短い時間で表面クリーニングがｏＴ　能であることを
見いだした。

本発明は、このような種々の検討結果から見いだされた
新たな知見に基づいてなされたもので、表面クリーニン
グにフッ素ガスを用いることによす、狭面クリーニング
とエピタキシャル成長を同一温度にし、かつ−友に大量
にエビター？７ヤル成長処理することをはじめて来現し
７ζものである。

〔発明の効果〕

本発明は、成長前の表曲クリーニングに７ツ累ガスを用
いることにより表面クリーニング温度をエピタキシャル
成長温度に一致させることが出来、これにより、従来の
エピタキシャル成長方法では達成さｎなかりた幾つかの
利点をもたらす。

まず、エピタキシャル成長の低温化が可１ヒとなったこ
とである。６５０℃という従来に比べて２００℃程度も
低い温度でエピタキシャル成長が可能になったことから
、高ａＬ’／’）コン基板上でも遷移領域が１００ＯＡ
以下の急峻な不純物分布をもったエピタキシャル膜を一
度に大量に、かつ容易に得ることができる。

また、このような低温で表面クリーニングとエピタキシ
ャル成長の両方が可能になったことによシ、反応管内の
温度を一定に保つｔまま基板の出し入れも行なうことも
でき、エピタキシャルプロセスのスルーブツトを飛躍的
に高めることができる。従来の方法では表面クリーニン
グがエピタキシャル成長よ）も高く、又、エピタキシャ
ル成長温度は基板の出し入れ′＆度よシ・＆ｌ高いンし
め、昇降温に多大の時間を要した。本発明では、この昇
降温時間を省くことができ、スループットを従来の２倍
程度に高めることができる。

以上のように、本発明は、従来に比べてエピタキシャル
成長の低温化、高スループツト化を可能にし、ＬＳＩの
製造分野に多大の効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の減圧シリコンエピタキシ
ャル成長方法の炉内温度一時間の座標系で示した温度変
化図、第２図は、本発明を実施するために用いたエピタ
キシャル成長装置の反応管構造を示す断面図、第３図は
フッ素ガスがシリコン基板表面を２μｍエツチングする
ための所要時間と処理温度との関係を示すグラフ、第４
図は、従来のエピタキシャル成長法の一例を炉内温度一
時間の座標系で示した温度変化図である。 １・・・・・・反応ガス導入管、２・・・・・・反応管
、３・・・・・・反応ガス供給口、４・・・・・・排気
ガス排出口、５・・・・・・しきシ板、６・・・・・・
反応ガス供給室、７・・・・・・排気ガス排出室、８・
・・・−・排気ガス導出管、９・・・・・・シリコン基
板、１０・・・・・・抵抗加熱体。 代理人　弁理士　　内　原　　　ヨ ０ｔｔｔｚ　　　　　　　ｔｊ ｙｆｆ明−一一今 千　１　図 算　２Ｉ！Ｔ ”９７ＪＬ　ＡεＣ＃Ｃノ ｆ　３　回 碕閏−一−÷ 茅　４−　厘

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 減圧された反応管内に予め定められた間隔で複数枚のシ
   リコン基板を配置し、該シリコン基板を抵抗加熱してシ
   リコン基板上にシリコンエピタキシャル層を形成する減
   圧シリコンエピタキシャル成長方法において、前記反応
   管内を６５０℃以上の所定の温度に保持し１０Ｔｏｒｒ
   以下の圧力下でフッ素ガスを用いて該シリコン基板表面
   をクリーニングする工程と、その後１０Ｔｏｒｒ以下の
   圧力下で該シリコン基板上にシリコンエピタキシャル層
   を成長させる工程とを有することを特徴とする減圧シリ
   コンエピタキシャル成長方法。