JP2011165948A

JP2011165948A - 気相成長方法

Info

Publication number: JP2011165948A
Application number: JP2010027721A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Yamaguchi; 一哉山口
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】シリコン半導体基板と対向する石英ガラス管内壁面に堆積物を付着し難くすることのできる気相成長方法の提供。
【解決手段】一端部に原料ガスの供給口を備え、他端部に反応ガスの排出口を備えた管状の反応容器を水平方向に設置し、該反応容器の内部に、半導体結晶基板を主表面が水平になるように配置し、前記反応容器の外周部に配置されたランプにより加熱しながら原料ガスを水平に一方向に流して前記半導体結晶基板の主表面に所望の半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記原料ガスの流速を１１８ｃｍ／秒以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスを半導体結晶基板上に輸送し、該基板上に半導体結晶を成長させる方法に関する。

気相成長装置、たとえば、水平型（横型）エピタキシャル装置は、図３に示すように、一端部に原料ガス１の供給口２を備え、他端部に反応ガスの排出口３を備えた石英ガラス管よりなる反応容器４が水平方向に設置され、この反応容器４内部の中央部にサセプター５を有し、前記反応容器４の外部には外周に沿って容器内部加熱用のランプ群７が配置されている。この気相成長装置を用いて、シリコン半導体基板６の主表面上にシリコン半導体層をエピタキシャル成長させるには、シリコン半導体基板６を前記石英ガラス管内のサセプター５の上に水平に載置し、石英ガラス管の外部に置かれた加熱用ランプ群７により加熱しながら、原料ガス（ジクロロシランガス＋Ｈ_２ガス）１を供給口２から入れて一方向に流し、シリコン半導体基板６上にシリコンエピタキシャル膜を成長させる方法が知られている。

ところで、フォトリソグラフィ工程などで、パターン合わせの基準に用いられるマーカーなどの凹凸を含むパターンが形成されたシリコン半導体基板６（以降、シリコン基板６と略記する）上にエピタキシャル成長させる場合、成長後のシリコン表面に形成されるマーカーのパターン崩れが問題となることがある。パターン崩れとは、所定の凹凸パターンを有する半導体基板面にエピタキシャル成長させる際に、面方位によって成長速度が異なることに起因し、エピタキシャル成長温度、雰囲気圧力条件に関係して特定の条件下で、成長前の基板表面に形成されているパターン形状と、エピタキシャル成長後の半導体基板表面に形成されるパターン形状の変化（違い）が大きくなることである。パターン崩れが大きいと、マスク合わせ精度が悪くなる。

パターン崩れが大きいことは、当然ながら好ましくないので、一般に、パターン崩れを抑えるために、シリコンソースガスとしてジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、高温（たとえば１１５０℃）かつ減圧（たとえば６０Ｔｏｒｒ）でのエピタキシャル成長が試みられている。

しかし、高温（たとえば１１５０℃）でＤＣＳを用いた場合、エピタキシャル成長中に、反応容器４である石英ガラス管４内壁にも多くの、反応生成物であるシリコン堆積物８が蓄積するという別の問題が発生する。しかも、この堆積物８がシリコン基板６と対向する石英ガラス管４内壁面に蓄積した場合、この堆積物８がランプ９からの放射エネルギー１０を吸収し、この部分に対応したシリコン基板６の温度を低下させ、シリコン基板６の面内温度分布の均一性を損なわせる。従って、前記シリコン基板６の温度低下を補うために、更に、堆積物８近傍のランプ９出力を上げる必要が生じる。すると、石英ガラス管４において、ランプ９に対応した部分のみの温度が部分的に上昇し、石英ガラス管の熱分布が不均一となり、熱応力が発生することで、石英ガラス管へダメージを与えることとなる。その結果、石英ガラス管の寿命が短くなるという不具合が生じる。

また、別の問題として、基板と対向する石英ガラス管壁面に堆積物８が蓄積すると、これが、剥離し、シリコン基板６上へ落下して、形成したシリコンエピタキシャル膜の結晶性を低下させるなどの不具合が生じることがある。

そこで、シリコン基板と対向する石英ガラス管内壁面に堆積物を蓄積させないように、図２に示すように、原料ガスｂとは別の供給口から石英ガラス管内壁に沿ってＤＣＳガスを含まないガスａ、たとえばＨ_２や不活性ガスを流す方法等が発表されている。（たとえば、特許文献１参照）

特開平６−３３８４６６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の方法では、図２に示すように、石英ガラス管内壁に沿って流れるガスａが、原料ガスｂの流れに影響を与え、反応生成膜の均一性が損なわれるという問題が生じ易くなる。また、石英ガラス管内壁に沿ってガスを供給するために、装置構成が複雑になるという問題もある。

本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、シリコン半導体基板と対向する石英ガラス管内壁面に堆積物を付着し難くすることのできる気相成長方法を提供することである。

本発明の気相成長方法では、一端部に原料ガスの供給口を備え、他端部に反応ガスの排出口を備えた管状の反応容器を水平方向に設置し、該反応容器の内部に、半導体結晶基板を主表面が水平になるように配置し、前記反応容器の外周部に配置されたランプにより加熱しながら原料ガスを水平に一方向に流して前記半導体結晶基板の主表面に所望の半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記原料ガスの流速を１１８ｃｍ／秒以上とする気相成長方法とすることにより、前記本発明の目的が達成される。また、前記原料ガスに不活性ガスが含まれていることが好ましい。

またさらに、成長温度１１００℃以上、反応容器内圧力が２０×１３３．３３Ｐａ乃至８０×１３３．３３Ｐａ、ジクロロシランガス流量が２００ｓｃｃｍ乃至３５０ｓｃｃｍ、Ｈ_２流量が４０ｓｌｍ乃至０ｓｌｍ、不活性ガス流量が０ｓｌｍ乃至５０ｓｌｍを満たす気相成長条件で気相成長させることが好ましい。

前述のように、原料ガスの流速を１１８ｃｍ／秒以上のように速くすることで、シリコン半導体基板と対向する石英ガラス管内壁面に蓄積する堆積物を、堆積物があっても不具合を生じさせない位置に蓄積するように移動させる気相成長方法である。より具体的には、堆積物を排出口により近い石英ガラス管内壁面へ蓄積させることができる。

本発明によれば、シリコン基板と対向する石英ガラス管壁面に堆積物を蓄積させ難い、また、不具合を生じさせ難い気相成長方法を提供できる。

本発明の実施例２および実施例３にかかる気相成長装置の概略断面図である。従来の、特許文献１に記載の気相成長装置の概略断面図である。従来の気相成長装置の概略断面図である。

以下、本発明の気相成長方法にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

図１に、本発明の気相成長方法の実施例１にかかる気相成長装置の概略断面図を示す。断面積Ａが１４４ｃｍ^２の石英ガラス管４内の圧力を６０Ｔｏｒｒ（６０×１３３．３３Ｐａ）とし、加熱ランプ群７によりマーカーパターン付きシリコン基板６の表面温度を上昇させてシリコン成長温度を１１５０℃とする。同時に一定の流量２００ｓｃｃｍのＤＣＳガスと流量を変化させたＨ_２とを混合した原料ガス１を供給する。さらに不活性ガス（Ａｒ）を一定流量の流量４０ｓｌｍで加えることにより、原料ガス１の流量と流速を下記表１のように変化させた。

表１から、Ｈ_２流量を増加させるにしたがって、６０Ｔｏｒｒ（６０×１３３．３Ｐａ）における流速が速くなり、１１８ｃｍ／秒（表１ではｃｍ／ｓと表記、以降同じ）以上の流速で、堆積物１１を排出口方向へ移動させることができる。しかし、成長速度は、Ｈ_２流量を増加させるにしたがって減少し、１１８ｃｍ／秒以上の流速では０．６２μｍ／分以下となる。高生産性を保つために必要な成長速度（０．７μｍ／分以上）を考慮すると、Ｈ_２流量の増加だけでは、生産効率の点からも最適なシリコンエピタキシャル成長条件を決定することは難しいことを示している。

そこで、成長速度を低下させずに流速を速くするために、ＤＣＳガスとＨ_２ガスとを混合した原料ガス１に、さらにＡｒガスを４０ｓｌｍだけ添加した。すると、表１から、６０Ｔｏｒｒ（６０×１３３．３Ｐａ）における１１８ｃｍ／秒〜１４６ｃｍ／秒の流速範囲で、０．７μｍ／分以上の成長速度を保ちながら、堆積物１１が排出口方向へ移動することが分かる。堆積物１１はシリコン基板とランプ群７の間の石英ガラス管に付着しなければ、前述のような問題は起こらない。

次に、マーカーのパターン崩れを評価するために、前述の最適流速条件にて、マーカーパターン付きシリコン基板上に７μｍの厚さのシリコンエピタキシャル成長を実施した。結果として、パターン崩れは見られなかった。

図１に、本発明の気相成長方法の実施例２にかかる気相成長装置の概略断面図を示す。前記実施例１において、石英ガラス管内の圧力を６０Ｔｏｒｒ（６０×１３３．３Ｐａ）から８０Ｔｏｒｒ（８０×１３３．３３Ｐａ）に変えたときの結果を下記表２に示す。

表２から分かるように、Ａｒガスの追加供給無しの場合、Ｈ_２流量を１００ｓｌｍとしても、８０Ｔｏｒｒ（８０×１３３．３Ｐａ）における流速は１１０ｃｍ／秒（表２ではｃｍ／ｓと表記）と遅いため、堆積物を排出口方向へ移動させることができない。そこで、流速を速くするために、Ｈ_２に加えてＡｒを５０ｓｌｍ添加した。その結果、Ａｒ有りの場合、１２２ｃｍ／秒〜１３２ｃｍ／秒の流速範囲で、成長速度を０．７μｍ／分以上を保ち、生産性を低下させずに堆積物１１を排出口方向へ移動させることができることが分かる。

次に、マーカーのパターン崩れを評価するために、前述の最適流速条件にて、マーカーパターン付きシリコン基板上に７μｍの厚さのエピタキシャル成長を実施した。結果として、マーカーのパターン崩れは見られなかった。

図１に、本発明の気相成長方法の実施例３にかかる気相成長装置の概略断面図を示す。前記実施例１において、石英ガラス管内の圧力を６０Ｔｏｒｒ（６０×１３３．３Ｐａ）から２０Ｔｏｒｒ（２０×１３３．３３Ｐａ）に変え、成長温度を１１５０℃から１１００℃に変えたときの結果を下記表３に示す。

表３から、圧力を２０Ｔｏｒｒ（２０×１３３．３３Ｐａ）まで下げると、少ない水素流量でも、流速は速くなる。ただし、圧力が２０Ｔｏｒｒまで下がり、また、成長温度が１１００℃まで下がったので、成長速度が低下する。この成長速度の低下を補うために、ＤＣＳを３５０ｓｃｃｍまで増加させた。その結果、圧力が２０Ｔｏｒｒにおける１３３．５ｃｍ／秒〜３５３ｃｍ／秒（表３ではｃｍ／ｓと表記）の流速範囲で、生産性を低下させずに堆積物１１を排出口方向へ移動させることができる。

次に、マーカーのパターン崩れを評価するために、前述の最適流速条件にて、マーカーパターン付きシリコン基板上に７μｍの厚さのエピタキシャル成長を実施した。その結果、成長速度が１．２１μｍ／分となる条件では、マーカーのパターン崩れが大きくなった。このパターン崩れを考慮すると、望ましい流速範囲は１７７．５〜３５３ｃｍ／秒となる。

上述したように、本発明によれば、不活性ガスを用いて原料ガスの流速を速くすることで、生産性に大きな影響を与えずに、シリコン基板と対向する石英ガラス管壁面に蓄積していた堆積物を、排出口方向へ蓄積させることができる。前述の説明では不活性ガスとしてＡｒガスを用いたが、他の不活性ガス（Ｈｅ、Ｎｅなど）としても良い。また、前記特許文献１のような複雑な装置構成は必要ない。また、本発明では、供給するガスは原料ガス１または原料ガス＋不活性ガスの混合ガスのみの一本の流速のみである。従って、特許文献１のように、原料を含まないガスと原料ガスとの二層からなるガスが、お互いのガスの流れに影響を及ぼし合うこともない。結果として、石英ガラス管に付着した堆積物が加熱用ランプからの放射エネルギーを吸収することにより生じる不具合と、堆積物が剥離し、落下することで発生するエピタキシャル膜の結晶性の低下という不具合とを回避することができる。

１原料ガス
２供給口
３排出口
４反応容器、石英ガラス管
５サセプター
６シリコン半導体基板、シリコン基板
７加熱用ランプ群
８堆積物
９ランプ
１０放射エネルギー
１１堆積物

Claims

一端部に原料ガスの供給口を備え、他端部に反応ガスの排出口を備えた管状の反応容器を水平方向に設置し、該反応容器の内部に、半導体結晶基板を主表面が水平になるように配置し、前記反応容器の外周部に配置されたランプにより加熱しながら原料ガスを水平に一方向に流して前記半導体結晶基板の主表面に所望の半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記原料ガスの流速を１１８ｃｍ／ｓｅｃ以上とすることを特徴とする気相成長方法。
前記原料ガスの流速を上げるために不活性ガスを含ませることを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
成長温度１１００℃以上、反応容器内圧力が２０×１３３．３３Ｐａ乃至８０×１３３．３３Ｐａ、ジクロロシランガス流量が２００ｓｃｃｍ乃至３５０ｓｃｃｍ、Ｈ_２流量が４０ｓｌｍ乃至０ｓｌｍ、不活性ガス流量が０ｓｌｍ乃至５０ｓｌｍを満たすことを特徴とする請求項１または２記載の気相成長方法。