JPH07111958B2 - 半導体のエピタキシャル成長方法 - Google Patents
半導体のエピタキシャル成長方法Info
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- JPH07111958B2 JPH07111958B2 JP60040912A JP4091285A JPH07111958B2 JP H07111958 B2 JPH07111958 B2 JP H07111958B2 JP 60040912 A JP60040912 A JP 60040912A JP 4091285 A JP4091285 A JP 4091285A JP H07111958 B2 JPH07111958 B2 JP H07111958B2
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-
- H10P14/2905—
-
- H10P14/24—
-
- H10P14/3411—
Description
〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体のエピタキシャル成長方法に係り、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
シャル成長方法に関する。 〔従来の技術〕 反応容器内に半導体ウエハを収容し、高温に加熱しなが
ら原料ガスを供給し基体ウエハ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、LSI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）
基体ウエハ上に抵抗率や導電型の異なる単結晶Si薄膜を
形成するいわゆるSiのエピタキシャル成長プロセスは、
バイポーラLSIの基体プロセスである。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
エハの適用が検討されつつあり、その用途はさらに拡大
させることが予想されている。 従来、エピタキシャル成長装置では反応容器内に加熱台
を備え、その加熱台の上にSi基体ウエハを配置して加熱
し原料ガスを基体ウエハに供給することによって、基体
ウエハ上にSi薄膜を形成する方法が採られていた。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
に基体ウエ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1000℃以
上と高温であるた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、基体ウエハの処理能力
（スループット）は約11枚／φ５″ウエハ・hr程度と低
かった。 この問題は、前述したようにエピタキシャルウエハの適
用が増大するに伴い早急な解決が待たれている。 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号公報に示
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、シリコン基体ウエハをその
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。 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来例の減圧ホットウォールエピタ
キシャル法では、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
エ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、上流側ウエハでの成長と
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確保が困難
となる。また、基体ウエハの直径が大きくなると、立て
て配列した基体ウエハ表面中央部への原料ガスの供給が
不充分となり、基体ウエハ中心部の膜圧が薄くなるとい
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、基体ウエハ間隔を
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
々の基体ウエハ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、基体ウエハ近傍に挿入したノズルも10
00℃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Siがノズル内に付着するのを防止する従来例
（特開昭55−24424号公報）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800℃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
基体ウエハ自体も冷却されることにより、基体ウエハの
温度分布が変わり、均一なSi薄膜を基体ウエハ上に形成
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エハまでとしてい
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。 本発明の目的は、（１）半導体エピタキシャル成長用の
原料ガスを半導体基体ウエハに供給するためのノズルに
Siが析着するのを防止できること、（２）しかも、多数
の半導体基体ウエハに形成するSi薄層の成長速度を低下
させずに済むこと、（３）もって半導体基体ウエハ上に
均一なSi薄層を形成できることにある。 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため本発明は、外気と隔離された発
熱体により複数のSi製半導体基体ウエハを取り囲み、原
料ガスとキャリアガスからなる混合ガスを石英ノズルを
介して供給して前記半導体基体ウエハの主面上にシリコ
ンの薄層を形成する半導体のエピタキシャル成長方法に
おいて、前記石英ノズルはその温度をSi製半導体基体ウ
エハ温度以下に保ち、その温度の下で前記混合ガスにエ
ッチングガスを前記石英ノズルの内壁にシリコン薄層を
形成せず且つ前記Si製半導体基体ウエハ上にシリコン薄
層を形成する範囲内で添加して前記シリコンの薄層を形
成することを特徴とする。
にLSIの製造プロセス等に使用できる半導体のエピタキ
シャル成長方法に関する。 〔従来の技術〕 反応容器内に半導体ウエハを収容し、高温に加熱しなが
ら原料ガスを供給し基体ウエハ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、LSI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）
基体ウエハ上に抵抗率や導電型の異なる単結晶Si薄膜を
形成するいわゆるSiのエピタキシャル成長プロセスは、
バイポーラLSIの基体プロセスである。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
エハの適用が検討されつつあり、その用途はさらに拡大
させることが予想されている。 従来、エピタキシャル成長装置では反応容器内に加熱台
を備え、その加熱台の上にSi基体ウエハを配置して加熱
し原料ガスを基体ウエハに供給することによって、基体
ウエハ上にSi薄膜を形成する方法が採られていた。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
に基体ウエ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1000℃以
上と高温であるた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、基体ウエハの処理能力
（スループット）は約11枚／φ５″ウエハ・hr程度と低
かった。 この問題は、前述したようにエピタキシャルウエハの適
用が増大するに伴い早急な解決が待たれている。 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号公報に示
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、シリコン基体ウエハをその
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。 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来例の減圧ホットウォールエピタ
キシャル法では、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
エ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、上流側ウエハでの成長と
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確保が困難
となる。また、基体ウエハの直径が大きくなると、立て
て配列した基体ウエハ表面中央部への原料ガスの供給が
不充分となり、基体ウエハ中心部の膜圧が薄くなるとい
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、基体ウエハ間隔を
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
々の基体ウエハ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、基体ウエハ近傍に挿入したノズルも10
00℃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Siがノズル内に付着するのを防止する従来例
（特開昭55−24424号公報）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800℃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
基体ウエハ自体も冷却されることにより、基体ウエハの
温度分布が変わり、均一なSi薄膜を基体ウエハ上に形成
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エハまでとしてい
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。 本発明の目的は、（１）半導体エピタキシャル成長用の
原料ガスを半導体基体ウエハに供給するためのノズルに
Siが析着するのを防止できること、（２）しかも、多数
の半導体基体ウエハに形成するSi薄層の成長速度を低下
させずに済むこと、（３）もって半導体基体ウエハ上に
均一なSi薄層を形成できることにある。 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため本発明は、外気と隔離された発
熱体により複数のSi製半導体基体ウエハを取り囲み、原
料ガスとキャリアガスからなる混合ガスを石英ノズルを
介して供給して前記半導体基体ウエハの主面上にシリコ
ンの薄層を形成する半導体のエピタキシャル成長方法に
おいて、前記石英ノズルはその温度をSi製半導体基体ウ
エハ温度以下に保ち、その温度の下で前記混合ガスにエ
ッチングガスを前記石英ノズルの内壁にシリコン薄層を
形成せず且つ前記Si製半導体基体ウエハ上にシリコン薄
層を形成する範囲内で添加して前記シリコンの薄層を形
成することを特徴とする。
本発明によれば、エッチングガスを所定の範囲内で混合
ガスに添加するので、半導体基体ウエハ上にのみシリコ
ンの薄膜を成長させることができる。 すなわち、シリコン薄膜の成長速度は、エッチングガス
とキャリアガスと原料ガスのモル比に応じて、Si表面上
と石英表面上では異なっている。したがってSi表面にSi
薄膜が形成される成長速度が、石英表面にSi薄膜が成長
する速度より大きくなる前記所定の範囲内で前記各種ガ
スのモル比を調整することによって、石英材で作られた
ノズルへのSi析着を防ぎ、Si基体ウエハ上にのみSi薄膜
を形成することができる。 その際、エッチングガス添加量を多くし過ぎると、前記
ノズルへのSi析着を確実に防止することができるが、Si
薄層の絶対的な成長速度が低くなるため、処理能力すな
わち当該半導体ウエハの生産能力が低下することにな
る。そこで、エッチングガスの添加量を少なくするよう
に設定する。この設定により前記ノズルにSiが析着しや
すくなるが、本発明によれば、ノズルの温度は基体ウエ
ハの温度より低く保持されているため、高温時に比して
ノズル部分でのSi成長が抑制され、結果的に、エッチン
グガスの添加量が少なくとも、ノズルへのSi析着を防止
できる。 もって均一なSi薄層を高い成長速度をもって形成するこ
とができる。 上記エッチングガスとして、HCl,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H2を用いる。 〔実施例〕 次に、本発明に係る半導体のエピタキシャル成長方法の
好ましい実施例を添付図面に従って詳説する。 第１図は本発明の方法を実施する装置を示す断面図であ
る。図において、Si基体ウエハ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、ガス供給ノルズ４から導入さ
れる反応ガスは、基体ウエハ１の全面に均一に供給され
ることになる。 上記ホルダ２は発熱体３で全面が覆われるようになって
いる。発熱体３は筒状となっており、基体ウエハ１全体
をほぼ包み込んで、上下両端側の基体ウエハ１をも含む
すべての基体ウエハを均一に加熱するようになってい
る。発熱体３な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
ァ）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31,3
2の材質にはシリコンカーバイド（SiC）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（H2）とSi原料ガス（例えばSiCl4）とエッチン
グガス（KCl）を混合した反応ガスを供給するための石
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は基体ウエハ１各々の中央まで均一に反応ガスを供給
するための多数の孔（またはスリット）が設けられてい
る。 このノズル４の基端にキャリアガス及びSi原料ガスを供
給する原料供給源21が設けられ、更にエッチングガス添
加手段21が設けられている。原料供給源20から供給され
たキャリアガス及びSi原料ガスと、エッチングガス添加
手段21から供給された所定量のエッチングガスとは、混
合部22で一様に混合されて基体ウエハ１側に供給される
ようになっている。 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が設けられた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
したのは、多重管構造としないと供給ノズル４と基体ウ
エハ１との温度差が小さいために、ノズルにSi析着を防
ぐ量のHClガスを混入すると基体ウエハは同時にエッチ
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H2不活
性ガス例えばHe,Ar又はN2ガスが使用できる。 熱輻射を遮蔽するノズル４の外管43には不透明の石英材
またはSiC被覆したカーボン等を用いることができる。 上記ノズル４の体面には反応後のガスを排出するための
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。反応を終えたガスの排出が一個所に片寄る
と、基体ウエハ１間のガスの流れ状態が不均一になりや
すく、その結果、各各の基体ウエハに対し一様な濃度を
反応ガスの供給は困難となり、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には多数の孔またはスリット51が設けられて
おり、基体１表面で反応を終えた排ガスは比較適すみや
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で基体ウエハ１上に均一にガスを供給
し、排出ノズル５でガスを排出できる構成と、前記回転
軸12による基体ウエハ１の回転構造により、各々の基体
ウエハ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。尚、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および基体ウエハ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は炉体ベース８上に配置され、炉体
ベース８と反応容器６の間にベルジャベース７が設けら
れている。このベルジャベース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を加熱するための加熱源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ベース７
に固定され、ベルジャベース７の昇降で上下移動する。
勿論、加熱源９の上下移動はベルジャベース７と別々と
することもできる。 上記ベルジャベース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のよって作られている。支持台13は
ベルジャベース７の端部に載置され、ベルジャベース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の反応容器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。 次に本発明の動作について説明する。 まず、ベルジャベース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
上方に持ち上げ炉内を開放する。次に、直接12.7cm（５
インチ）のSi基体ウエハ12枚ずつ重ね合わせ、5mmの間
隔で25段、計50枚をホルダ２に収容し、反応炉ほぼ中央
にセットする。次に、回転軸12によってホルダ２を約10
ppmの速度で回転する。その後、ベルジャベース７を下
降し、基体ウエハ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た上部バッファ31が、ま
た発熱体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、炉体ベース８上に支持台14で固定された下
部バッファ31が設けられ、基体ウエハ１はほぼ完全に発
熱体３と上下バッファ31および32によって包囲された状
態となる。 次に、ノズル４より窒素ガスを50/minの流量で５分間
供給し、炉内の空気を置換した後、H2ガスを50/min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1100℃に加熱する。発熱体３は、表面をSiC被
覆した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は別に設けられた冷却ファン（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の温度より
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。また、一方、発熱体３内部の基体ウエハ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
たロータリポンプ（図示せず）を駆動し、炉内を約200T
orr（〜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/minの塩化水素ガス
（HCl）を混入し、基体ウエハ表面１を１分間気相エッ
チングし清浄する。次にHClガスを止めて２分間水素ガ
スによってパージした後、Siソースガスとして四塩化珪
素（SiCl4）とHClガスを混合した反応ガスを供給し、基
体ウエハ１上にエピタキシャル成長を開始させる。 反応ガスに供給されるHCl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SiCl4濃度に対し、ノズルと同材質の石英
ウエハとシリコンウエハを用い、成長温度と原料ガス中
に混入するHCl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、1100℃でHClを3mol％混入すると石
英ノズルを冷却しなくても該ノズルにSi析出は生じずシ
リコンウエハ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
エッチングガスであるHClの混入により約1/3に低下し実
用的でない。また、選択成長領域Ｂも非常に狭く不安定
と考えられる。HCl濃度を1mol％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
℃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、HCl濃度約２％、SiCl4濃度約１％の条件
のとき成長速度約0.5μm/minでシリコン基体ウエハ表面
にのみエピタキシャル成長薄膜が形成された。このと
き、ガス供給ノズル４は石英で構成されたノズル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っ
た。 成長反応時、所望の導電型、抵抗率を得るためにドーピ
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に段階状に配置さ
れている基体ウエハ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
のため、各々の基体ウエハ１間でガスの流れと濃度は一
定に保たれ、膜厚と抵抗率のウエ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２の回転によ
り、基体ウエハ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
基体ウエハ内均一性は非常に良好に保たれることにな
る。 10分間の成長で、約５μｍのエピタキシャル成長薄膜を
基体ウエハ上に形成した後、SiCl4とHCl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た
後、水素ガスを止め窒素ガスを50/minの流量で供給
し、炉内の水素を置換すると同時に基体ウエハを約400
℃以下に冷却する。次に、ベルジャベース７を上昇し、
基体ウエハ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、12.7cm（５インチ）径のシリコン基体ウエ
ハ50枚に、厚さ約５μｍ、抵抗率約10Ωcmのｎ型エピタ
キシャル薄膜が形成された。このエピタキシャル薄膜の
膜厚の基体ウエハ内バラツキは±３％、基体ウエハ間均
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べバラツキ幅を約
1/2に向上できた。 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〕 以上説明したように、本発明にかかる半導体のエピタキ
シャル成長方法によれば、石英ノズルはその温度をSi製
半導体基体ウエハ温度以下に保ち、その温度の下で混合
ガスにエッチングガスを前記石英ノズルの内壁にシリコ
ン薄層を形成せず且つ前記Si製半導体基体ウエハ上にシ
リコン薄層を形成する範囲内で添加して前記シリコンの
薄層を形成するので、基体ウエハ表面にのみSi薄膜を形
成することができ、反応ガス供給ノズルのガス吹き出し
口の目詰りを防止でき、しかもSi薄層の成長速度を低下
させずに済み、多数の基体ウエ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Si膜
厚を有する半導体基体ウエハを高い処理能力（生産能
力）をもって製造することができる。
ガスに添加するので、半導体基体ウエハ上にのみシリコ
ンの薄膜を成長させることができる。 すなわち、シリコン薄膜の成長速度は、エッチングガス
とキャリアガスと原料ガスのモル比に応じて、Si表面上
と石英表面上では異なっている。したがってSi表面にSi
薄膜が形成される成長速度が、石英表面にSi薄膜が成長
する速度より大きくなる前記所定の範囲内で前記各種ガ
スのモル比を調整することによって、石英材で作られた
ノズルへのSi析着を防ぎ、Si基体ウエハ上にのみSi薄膜
を形成することができる。 その際、エッチングガス添加量を多くし過ぎると、前記
ノズルへのSi析着を確実に防止することができるが、Si
薄層の絶対的な成長速度が低くなるため、処理能力すな
わち当該半導体ウエハの生産能力が低下することにな
る。そこで、エッチングガスの添加量を少なくするよう
に設定する。この設定により前記ノズルにSiが析着しや
すくなるが、本発明によれば、ノズルの温度は基体ウエ
ハの温度より低く保持されているため、高温時に比して
ノズル部分でのSi成長が抑制され、結果的に、エッチン
グガスの添加量が少なくとも、ノズルへのSi析着を防止
できる。 もって均一なSi薄層を高い成長速度をもって形成するこ
とができる。 上記エッチングガスとして、HCl,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H2を用いる。 〔実施例〕 次に、本発明に係る半導体のエピタキシャル成長方法の
好ましい実施例を添付図面に従って詳説する。 第１図は本発明の方法を実施する装置を示す断面図であ
る。図において、Si基体ウエハ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、ガス供給ノルズ４から導入さ
れる反応ガスは、基体ウエハ１の全面に均一に供給され
ることになる。 上記ホルダ２は発熱体３で全面が覆われるようになって
いる。発熱体３は筒状となっており、基体ウエハ１全体
をほぼ包み込んで、上下両端側の基体ウエハ１をも含む
すべての基体ウエハを均一に加熱するようになってい
る。発熱体３な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
ァ）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31,3
2の材質にはシリコンカーバイド（SiC）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（H2）とSi原料ガス（例えばSiCl4）とエッチン
グガス（KCl）を混合した反応ガスを供給するための石
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は基体ウエハ１各々の中央まで均一に反応ガスを供給
するための多数の孔（またはスリット）が設けられてい
る。 このノズル４の基端にキャリアガス及びSi原料ガスを供
給する原料供給源21が設けられ、更にエッチングガス添
加手段21が設けられている。原料供給源20から供給され
たキャリアガス及びSi原料ガスと、エッチングガス添加
手段21から供給された所定量のエッチングガスとは、混
合部22で一様に混合されて基体ウエハ１側に供給される
ようになっている。 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が設けられた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
したのは、多重管構造としないと供給ノズル４と基体ウ
エハ１との温度差が小さいために、ノズルにSi析着を防
ぐ量のHClガスを混入すると基体ウエハは同時にエッチ
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H2不活
性ガス例えばHe,Ar又はN2ガスが使用できる。 熱輻射を遮蔽するノズル４の外管43には不透明の石英材
またはSiC被覆したカーボン等を用いることができる。 上記ノズル４の体面には反応後のガスを排出するための
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。反応を終えたガスの排出が一個所に片寄る
と、基体ウエハ１間のガスの流れ状態が不均一になりや
すく、その結果、各各の基体ウエハに対し一様な濃度を
反応ガスの供給は困難となり、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には多数の孔またはスリット51が設けられて
おり、基体１表面で反応を終えた排ガスは比較適すみや
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で基体ウエハ１上に均一にガスを供給
し、排出ノズル５でガスを排出できる構成と、前記回転
軸12による基体ウエハ１の回転構造により、各々の基体
ウエハ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。尚、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および基体ウエハ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は炉体ベース８上に配置され、炉体
ベース８と反応容器６の間にベルジャベース７が設けら
れている。このベルジャベース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を加熱するための加熱源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ベース７
に固定され、ベルジャベース７の昇降で上下移動する。
勿論、加熱源９の上下移動はベルジャベース７と別々と
することもできる。 上記ベルジャベース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のよって作られている。支持台13は
ベルジャベース７の端部に載置され、ベルジャベース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の反応容器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。 次に本発明の動作について説明する。 まず、ベルジャベース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
上方に持ち上げ炉内を開放する。次に、直接12.7cm（５
インチ）のSi基体ウエハ12枚ずつ重ね合わせ、5mmの間
隔で25段、計50枚をホルダ２に収容し、反応炉ほぼ中央
にセットする。次に、回転軸12によってホルダ２を約10
ppmの速度で回転する。その後、ベルジャベース７を下
降し、基体ウエハ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た上部バッファ31が、ま
た発熱体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、炉体ベース８上に支持台14で固定された下
部バッファ31が設けられ、基体ウエハ１はほぼ完全に発
熱体３と上下バッファ31および32によって包囲された状
態となる。 次に、ノズル４より窒素ガスを50/minの流量で５分間
供給し、炉内の空気を置換した後、H2ガスを50/min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1100℃に加熱する。発熱体３は、表面をSiC被
覆した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は別に設けられた冷却ファン（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の温度より
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。また、一方、発熱体３内部の基体ウエハ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
たロータリポンプ（図示せず）を駆動し、炉内を約200T
orr（〜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/minの塩化水素ガス
（HCl）を混入し、基体ウエハ表面１を１分間気相エッ
チングし清浄する。次にHClガスを止めて２分間水素ガ
スによってパージした後、Siソースガスとして四塩化珪
素（SiCl4）とHClガスを混合した反応ガスを供給し、基
体ウエハ１上にエピタキシャル成長を開始させる。 反応ガスに供給されるHCl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SiCl4濃度に対し、ノズルと同材質の石英
ウエハとシリコンウエハを用い、成長温度と原料ガス中
に混入するHCl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、1100℃でHClを3mol％混入すると石
英ノズルを冷却しなくても該ノズルにSi析出は生じずシ
リコンウエハ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
エッチングガスであるHClの混入により約1/3に低下し実
用的でない。また、選択成長領域Ｂも非常に狭く不安定
と考えられる。HCl濃度を1mol％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
℃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、HCl濃度約２％、SiCl4濃度約１％の条件
のとき成長速度約0.5μm/minでシリコン基体ウエハ表面
にのみエピタキシャル成長薄膜が形成された。このと
き、ガス供給ノズル４は石英で構成されたノズル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っ
た。 成長反応時、所望の導電型、抵抗率を得るためにドーピ
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に段階状に配置さ
れている基体ウエハ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
のため、各々の基体ウエハ１間でガスの流れと濃度は一
定に保たれ、膜厚と抵抗率のウエ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２の回転によ
り、基体ウエハ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
基体ウエハ内均一性は非常に良好に保たれることにな
る。 10分間の成長で、約５μｍのエピタキシャル成長薄膜を
基体ウエハ上に形成した後、SiCl4とHCl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た
後、水素ガスを止め窒素ガスを50/minの流量で供給
し、炉内の水素を置換すると同時に基体ウエハを約400
℃以下に冷却する。次に、ベルジャベース７を上昇し、
基体ウエハ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、12.7cm（５インチ）径のシリコン基体ウエ
ハ50枚に、厚さ約５μｍ、抵抗率約10Ωcmのｎ型エピタ
キシャル薄膜が形成された。このエピタキシャル薄膜の
膜厚の基体ウエハ内バラツキは±３％、基体ウエハ間均
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べバラツキ幅を約
1/2に向上できた。 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〕 以上説明したように、本発明にかかる半導体のエピタキ
シャル成長方法によれば、石英ノズルはその温度をSi製
半導体基体ウエハ温度以下に保ち、その温度の下で混合
ガスにエッチングガスを前記石英ノズルの内壁にシリコ
ン薄層を形成せず且つ前記Si製半導体基体ウエハ上にシ
リコン薄層を形成する範囲内で添加して前記シリコンの
薄層を形成するので、基体ウエハ表面にのみSi薄膜を形
成することができ、反応ガス供給ノズルのガス吹き出し
口の目詰りを防止でき、しかもSi薄層の成長速度を低下
させずに済み、多数の基体ウエ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Si膜
厚を有する半導体基体ウエハを高い処理能力（生産能
力）をもって製造することができる。
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図の成長方法
を実施する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……基体ウエハ、３……発熱体、４……ガスノズル、
６……反応容器、９……加熱コイル、21……エッチング
ガス添加手段、41……ガス吹き出しの小孔、42……内
管、43……外管。
ャル成長装置を示す断面図、第２図は第１図の成長方法
を実施する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……基体ウエハ、３……発熱体、４……ガスノズル、
６……反応容器、９……加熱コイル、21……エッチング
ガス添加手段、41……ガス吹き出しの小孔、42……内
管、43……外管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡村 昌弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 秋山 登 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−6428（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−43470（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭55−6285（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】外気の隔離された発熱体により複数のSi製
半導体基体ウエハを取り囲み、原料ガスとキャリアガス
からなる混合ガスを石英ノズルを介して供給して前記半
導体基体ウエハの主面上にシリコンの薄層を形成する半
導体のエピタキシャル成長方法において、前記石英ノズ
ルはその温度をSi製半導体基体ウエハ温度以下に保ち、
その温度の下で前記混合ガスにエッチングガスを前記石
英ノズルの内壁にシリコン薄層を形成せず且つ前記Si製
半導体基体ウエハ上にシリコン薄層を形成する範囲内で
添加して前記シリコンの薄層を形成することを特徴とす
る半導体のエピタキシャル成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60040912A JPH07111958B2 (ja) | 1985-03-01 | 1985-03-01 | 半導体のエピタキシャル成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60040912A JPH07111958B2 (ja) | 1985-03-01 | 1985-03-01 | 半導体のエピタキシャル成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61199629A JPS61199629A (ja) | 1986-09-04 |
| JPH07111958B2 true JPH07111958B2 (ja) | 1995-11-29 |
Family
ID=12593711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60040912A Expired - Lifetime JPH07111958B2 (ja) | 1985-03-01 | 1985-03-01 | 半導体のエピタキシャル成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07111958B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200111247A (ko) * | 2018-03-28 | 2020-09-28 | 가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭 | 기판 처리 장치, 가스 노즐, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0682626B2 (ja) * | 1987-10-22 | 1994-10-19 | 日本電気株式会社 | 気相成長装置 |
| JP2744934B2 (ja) * | 1989-07-25 | 1998-04-28 | 東京エレクトロン株式会社 | 縦型処理装置 |
| JP6266145B2 (ja) * | 2012-03-21 | 2018-01-24 | 住友化学株式会社 | 窒化物半導体自立基板の製造方法 |
| KR101402236B1 (ko) * | 2012-05-25 | 2014-06-02 | 국제엘렉트릭코리아 주식회사 | 노즐 유닛 및 그 노즐 유닛을 갖는 기판 처리 설비 |
| JP2015153983A (ja) * | 2014-02-18 | 2015-08-24 | 東京エレクトロン株式会社 | 基板処理装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS566428A (en) * | 1979-06-28 | 1981-01-23 | Sanyo Electric Co Ltd | Epitaxial growth apparatus |
-
1985
- 1985-03-01 JP JP60040912A patent/JPH07111958B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200111247A (ko) * | 2018-03-28 | 2020-09-28 | 가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭 | 기판 처리 장치, 가스 노즐, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 |
| US12188124B2 (en) | 2018-03-28 | 2025-01-07 | Kokusai Electric Corporation | Substrate processing apparatus, gas nozzle and method of manufacturing semiconductor device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61199629A (ja) | 1986-09-04 |
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