JPH02148717A - 気相エピタキシャル成長装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体基板（ウェハ）上の所定部分に半導体
層を気相成長させるための気相エピタキシャル成長装置
に係り、特に反応室内壁の壁面温度を基板もしくはこれ
を支持するサセプタの温度とは独立に制御するようにし
た気相エピタキシャル成長装置に関する。

（従来の技術） 半導体基板、例えばシリコン基板上の所定部分に半導体
層を気相成長させるための気相エピタキシャル成長装置
は、反応室（反応炉、ベルジャ）内に基板を配置し、こ
の基板もしくはこれを支持するサセプタを赤外線ランプ
加熱方式あるいは高周波加熱方式等により加熱した後、
反応室内に反応ガス（原料ガス）を供給して基板上にエ
ピタキシャル成長を行わせるものであり、従来、第４図
あるいは第５図に示すように構成されている。

即ち、４０は反応室、４１はサセプタ、４２・・・は基
板、４３・・・はガス導入口、４４は排気管、４５は加
熱源である。反応室４０は、基板４２・・・あるいはサ
セプタ４１が納められ、また加熱源４５からの放射熱の
吸収を抑えるために、透明な石英が用いられている。

また、反応室４０内のエピタキシャル成長条件を一定に
保つために、反応室４０の内壁への反応生成物の堆積（
ウオールデボと称される）を抑制する目的で、反応室４
０の外壁を空冷あるいは水冷により冷却して反応室４０
の内壁の壁面温度を下げるようにしている。

第４図の気相エピタキシャル成長装置では、空冷方式を
採用しており、４６は反応室４０の外壁面との間で通風
が可能となるように外壁面に対向して配設された通風用
ケース、４７および４８はケース４６の外側でケース下
部の温風を取出して冷却し、ケース上部に冷風を注入す
るための熱交換器および送風用ブロアであり、図中矢印
は冷却空気の流れを示している。

第５図の気相エピタキシャル成長装置では、水冷方式を
採用しており、５１は反応室４０の外壁面との間で通水
が可能となるように上記外壁面に対向して配設された通
水用容器、５２は容器５１の上部に設けられた冷却水導
水口、５３は容器５１の下部に設けられた排水口、５４
および５５は容器５１の外側で容器５１下部の温水を取
出して冷却し、容器５１の上部に冷却水を注入するため
の熱交換器およびポンプであり、図中矢印は冷却水の流
れを示している。

一般に、エピタキシャル成長に際しては、個々に成長さ
せるエピタキシャル層の厚さ、比抵抗が異なるために、
使用する反応ガス種（Ｓ　ｉ　ＣＤ　４、Ｓ　Ｉ　ＨＣ
１’　３　、Ｓ　Ｉ　Ｈ２Ｃ４７２、Ｓ　Ｉ　Ｈ４等）
、成長温度（９００〜１２００℃）、ドーパント濃度（
１０−３〜１００％）、キャリアガス（Ｈ２）の流量（
数十〜数百ｉｔ／ｍ１ｎ）　　圧力（数Ｔｏ　ｒ　ｒ　
〜７６０Ｔｏ　ｒ　ｒ）で所定時間のエピタキシャル成
長を行っている。

しかし、上記したように、反応室内のエピタキシャル成
長条件を一定に保つために、反応室内壁のウオールデボ
を抑制する目的で、反応室の外壁を空冷あるいは水冷に
より冷却して反応室内壁の壁面温度を下げて気相エピタ
キシャル成長を行う従来の装置には、次に述べるような
問題がある。

即ち、（１）反応に１１００℃以上の高温を要するＳ　
ｉ　（、Ｑ　４ガス等を用いたエピタキシャル成長とか
、逆にＳｉＨ４ガス等を用いた比較的低温での反応を利
用したエピタキシャル成長では、反応室内壁にウオール
デボが発生するので、これを避けるためには反応温度に
対する上限がそれぞれ定められている。（２）成長速度
を上げる目的で反応ガスの濃度を増加させたり、プロフ
ァイル化制御のために圧力を低下させたりしてエピタキ
シャル成長を行うと、前記ウオールデボが発生し易くな
り、各々のパラメータに対する制約を与えていた。（３
）エピタキシャル成長を何回も行うと、少量のウオール
デボが発生し、バッチ処理間のエピタキシャル層の膜厚
のばらつきが発生する。

（４）冷却水の温度変動等により前記ウオールデボが発
生し易くなる。

上記したようにウオールデボが発生すると、堆積物が光
を吸収して部分的に反応室内壁の温度が上昇し、これに
よって益々ウオールデボが進行するので、これを除去す
めために定期的なりリーニング（反応室の取出しおよび
ウオールデボのエツチング）が必要となり、エピタキシ
ャル成長装置の稼動率の低下を引き起こしてしまう。さ
らに、ウオールデボが一度発生すると、エピタキシャル
成長工程中に剥離して基板表面に付着し、パーティクル
と呼ばれる結晶欠陥を発生させ、エピタキシャル層の品
質を低下させるという大問題を引き起こしていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記したように従来の気相エピタキシャル成
長装置は、ウオールデボを避けるためには、反応温度に
対する上限が定められたり、反応ガスのｌ良度や圧力等
のパラメータに対する制約があり、エピタキシャル成長
を何回も行うとウオールデボが発生してバッチ処理間の
エピタキシャル層の膜厚のばらつきが発生し、冷却水の
温度変動等によってもウオールデボが発生し易く、これ
を除去すめために定期的なりリーニングが必要となり、
装置の稼動率の低下を引き起こしてしまい、さらに、ウ
オールデボが一度発生すると、エピタキシャル成長工程
中に剥離して基板表面に付着し、パーティクルと呼ばれ
る結晶欠陥を発生させ、エピタキシャル層の品質を低下
させるという問題点を解決すべくなされたもので、半導
体基板もしくはサセプタの温度とは独立に、個々のエピ
タキシャル成長条件に応じて反応室内壁温度を制御でき
、ウオールデボの発生を抑制でき、反応温度の上限や反
応ガスの濃度や圧力等のパラメータに対する制約が緩和
され、装置の稼動率の向上が可能となり、高品質のエピ
タキシャル層が得られる気相エピタキシャル成長装置を
提供することを目的とする。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明の気相エピタキシャル成長装置は、反応室内に半
導体基板を配置し、この基板もしくはこれを支持するサ
セプタを加熱源により加熱し、反応室内に反応ガスを供
給して半導体基板のエピタキシャル成長を行わせる気相
エピタキシャル成長装置において、反応室内壁を直接ま
たは間接的に冷却する冷却装置と、反応室内壁の壁面温
度を直接または間接的に検知する温度検知手段と、この
温度検知手段の検知出力に基すいて前記冷却装置を制御
し、反応室内壁の壁面温度を半導体基板もしくはサセプ
タの温度とは独立に制御する冷却装置制御部とを具備す
ることを特徴とする。

（作用） 反応室内壁の壁面温度を半導体基板もしくはサセプタの
温度とは独立に制御することが可能になり、個々のエピ
タキシャル成長条件に応じて反応室内壁温度を制御でき
、ウオールデボの発生を抑制でき、反応温度の上限や反
応ガスの濃度や圧力等のパラメータに対する制約が緩和
され、装置の稼動率の向上が可能となり、高品質のエピ
タキシャル層が得られるようになる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図は、空冷方式を採用したシリンダ型の気相エピタ
キシャル成長装置を概略的に示しており、第４図を参照
して前述した従来の空冷方式を採用した気相エピタキシ
ャル成長成長装置に比べて、反応室内壁の壁面温度を直
接または間接的に検知する温度検知手段と、この温度検
知手段の検知出力に基ずいて反応室内壁冷却装置を制御
し、反応室内壁の壁面温度を半導体基板もしくはサセプ
タの温度とは独立に制御する冷却装置制御部を有する点
が異なり、その他は同じである。

即ち、反応室１内にシリコン基板２・・・がサセプタ３
により支持された状態で配置され、この基板２・・・も
しくはサセプタ３を加熱するための加熱源４として、例
えばハロゲンランプが反応室１の外側に配設されている
。反応室１の上部にはガス導入口５・・・が設けられ、
反応室１の下部には排気管６が設けられている。さらに
、反応室１の内壁を直接または間接的に冷却する冷却装
置として、反応室１の外壁面との間で通風が可能となる
ように外壁面に対向して通風用ケース７が配設されてお
り、このケース７の外側でケース下部の温風を取出して
冷却し、ケース上部に冷風を注入するための熱交換器８
および送風用ブロア９が配設されており、図中矢印で示
すような冷却空気の流れを作り出している。反応室１は
、基板２・・・あるいはサセプタ３または加熱源４から
の放射熱の吸収を抑えるために、透明な石英が用いられ
ている。

基板２・・・あるいはサセプタ３の温度を検知する温度
検知手段として、サセプタ３の内部に複数個の第１の温
度センサ１１・・・が配設されている。また、反応室１
の内壁の壁面温度を直接に検知する温度検知手段として
は、たとえば反応室１の内壁面に複数個の第２の温度セ
ンサ１２・・・が分散された配置で取付けられており、
反応室１の内壁の壁面温度を間接的に検知する温度検知
手段としては、反応室１の外壁面に複数個の第３の温度
センサ１３・・・が分散された配置で取付けられると共
に、通風用ケース７下部の熱交換器側への温風取出口付
近に複数個の第４の温度センサ１４・・・が配設されて
いる。゛なお、これらの温度センサ１１〜１４は、必ず
しも全て配設する必要はなく、単独または複数の組合せ
で用いられる。

そして、第２図に示すように、第１の温度センサ１１・
・・の検知出力は、エピタキシャル成長の全体のシーケ
ンスを制御する本体制御部２０に入力しており、この本
体制御部２０により加熱Ｒ４を制御している。また、第
２の温度センサ１２・・・第３の温度センサ１３・・・
、第４の温度センサ１４・・・の検知出力は、基板２・
・・もしくはサセプタ３の温度とは独立に反応室１の内
壁の壁面温度を制御するために冷却装置制御部２１に入
力し、この冷却装置制御部２１は第２の温度センサ１２
・・・、第３の温度センサ１３・・・、第４の温度セン
サ１４・・・の検知出力を単独にあるいは複数の組み合
わせで用いて前記、冷却装置を制御する。

ここで、冷却装置制御部２１は、個々のエピタキシャル
成長条件に応じてウオールデボの発生を抑制するための
適切な反応室内壁温度が本体制御部２０から指定され、
この反応室内壁温度が指定された温度となるように前記
冷却装置のパワー（例えば送風用ブロア９の送風量）を
制御するように構成されている。

次に、上記したような気相エピタキシャル成長装置を用
いてシリコン基板２・・・にエピタキシャル成長を行う
方法を説明する。この場合、先ず、反応室１内をＮ２ガ
スで置換し、その後、Ｎ２ガスで十分に置換し、加熱源
４によりサセプタ３および基板２・・・を加熱する。こ
の場合、本体制御部２０は、設定した温度まで基板２・
・・が加熱されるように加熱源４を制御する。この時、
同時に、冷却装置制御部２１は、サセプタ温度と共に上
昇する反応室１の内壁温度を第２の温度センサ１２・・
・第３の温度センサ１３・・・、第４の温度センサ１４
・・・を介して検知し、この検知温度に応じて送風用ブ
ロア９の送風量を制御し、反応室１の内壁温度が個々の
エピタキシャル成長条件に応じてウオールデボの発生を
抑制するための適切な一定温度となるように正確に制御
する。

上記したようにサセプタ温度および反応室内壁の壁面温
度を独立にそれぞれ設定制御した後、反応室１内に反応
ガスを供給して基板２・・・のエピタキシャル成長を所
定の膜厚となるまで行わせる。

そして、エピタキシャル成長の終了後、加熱を止め、冷
却装置の能力を上げ、基板２・・・の温度を室温まで低
下させてシーケンスを終了する。

なお、冷却装置制御部２１は、上記したようなシーケン
スの始めの昇温時だけでなく、本体制御部２０からシー
ケンス中の任意の時期が指定された場合にも、上記した
ように冷却装置を制御して反応室内壁温度を設定するこ
とも可能である。即ち、例えばサセプタ温度と連動させ
て反応室内壁温度を上昇させる、また、反応室内壁温度
を一定に保ったままでサセプタ温度を上昇させる、さら
に、シーケンスの途中でサセプタ温度を一定に保ったま
まで反応室内壁温度を変えるといったことなども可能と
なっており、本体制御部２ｏのプログラムにしたがって
、サセプタ温度および反応室内壁の壁面温度を独立に制
御することができる。

上記したようなエピタキシャル成長に際しては、反応室
内壁温度の検知出力に応じて送風用ブロア９の送風量を
制御し、反応室内壁温度が個々のエピタキシャル成長条
件に応じてウオールデボの発生を抑制するための適切な
一定温度となるように正確に制御するので、エピタキシ
ャル成長の進行につれてウオールデボが発生することを
抑制でき、仮に、ウオールデボが瞬間的に少し発生した
としても、このウオールデボがすまます激しく進行する
こともないことが確認された。

上記したような気相エピタキシャル成長装置によれば、
サセプタ温度と反応室内壁温度とを独立にモニタして、
本体制御部２０のプログラムにしたがって独立に制御す
ることができるので、従来の気相エピタキシャル成長装
置のように、一定の能力を持つ冷却装置を常に作動させ
るというｔ４ｉ純な方法で反応室内壁を冷却し、サセプ
タ温度だけを検知して本体制御部で加熱源だけを制御す
る場合と比べて、反応室内壁温度の制御性が向上し、ウ
オールデボの発生を抑制することができる。例えばＳｉ
Ｈ４ガスを用いたエピタキシャル成長に際して、従来の
気相エピタキシャル成長装置は、〜１０００℃程度の反
応温度では、ウオールデボに伴う反応室の失透が激しく
、気相成長した粒子が反応室内壁に多量に付着したのに
対して、上記実施例の気相エピタキシャル成長装置は、
反応室の過冷却による反応ガス温度の低下が抑制され、
気相成長粒子の発生とこの粒子の反応室内壁への付むが
防止された。

従って、上記実施例の気相エピタキシャル成長装置は、
エピタキシャル成長時の反応温度の上限や、成長時のパ
ラメータ（反応ガス種、反応ガスの濃度、流量、圧力等
）に対する制約が緩和される。また、仮に、ウオールデ
ボが瞬間的に少し発生したとしても、益々ウオールデポ
が進行することもないので、これを除去すめために定期
的なりリーニング（反応室の取出しおよびウオールデボ
のエツチング）が必要とならず、エピタキシャル成長装
置の稼動率の向上が可能となる。また、エピタキシャル
成長工程中に剥離して基板表面に付着してパーティクル
と呼ばれる結晶欠陥を発生させることもなくなり、エピ
タキシャル層の品質が向上し、基板の製造歩留まりの向
上および安定化が可能となる。

また、従来の気相エピタキシャル成長装置は、１つのシ
ーケンスでガス種を変えることは不可能であったが、上
記実施例の気相エピタキシャル成長装置は、反応ガスと
して最初に５ＩＨ２ＣＩ２ガスを〜１０００℃程度の反
応温度で用いてエピタキシャル成長させた後、続いて、
５ＩＨ４ガスを〜８００℃程度の反応温度で用いて連続
的にエピタキシャル成長させることが可能となった。

なお、上記実施例では、空冷方式を採用したシリンダ型
の気相エピタキシャル成長装置を示したが、第５図に示
したような水冷方式を採用したシリンダ型の気相エピタ
キシャル成長装置に対しても、例えば第３図に示すよう
に、反応室１の内壁の壁面温度を直接に検知する温度検
知手段として、反応室１の内壁面に複数個の第５の温度
センサ１５・・・を分散された配置で取り付け、反応室
１の内壁の壁面温度を間接的に検知する温度検知手段と
して、反応室１の外壁面に複数個の第６の温度センサ１
６・・・を分散された配置で取付けると共に、水冷用容
器下部の熱交換器３１側への温水取出口付近に複数個の
第７の温度センサ１７・・・を配設し、これらの温度検
知手段の検知出力に基ずいて冷却装置（例えばポンプ３
２）を制御して反応室１の内壁の壁面温度を半導体基板
もしくはサセプタの温度とは独立に制御する冷却装置制
御部（図示せず）を設けることによって、冷却水による
赤外光の吸収の影響はあるが、上記実施例とほぼ同様の
効果が得られる。

［発明の効果］ 上述したように本発明の気相エピタキシャル成長装置に
よれば、半導体基板もしくはサセプタの温度とは独立に
、個々のエピタキシャル成長条件に応じて反応室内壁温
度を制御でき、ウオールデボの発生を抑制でき、反応温
度の上限や反応ガスの濃度や圧力等のパラメータに対す
る制約が緩和され、装置の稼動率の向上が可能となり、
高品質のエピタキシャル層が得られるなどの効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の気相エピタキシャル成長装置の一実施
例を概略的に示す構成説明図、第２図は第１図の装置に
おける制御系統を示すブロック図、第３図は第１図の装
置の変形例の要部を示す構成説明図、第４図および第５
図はそれぞれ従来の気相エピタキシャル成長装置を示す
構成説明図である。 １・・・・・・反応室、２・・・・・・シリコン基板、
３・・・・・・サセプタ、４・・・・・・加熱源、５・
・・・・・ガス導入口、６・・・・・・排気管、７・・
・・・・通風用ケース、８．３１・・・・・・熱交換器
、９・・・・・・送風用ブロア、１１〜１７・・・・・
・温度センサ、２０・・・・・・本体制御部、２１・・
・・・・冷却装置制御部、３２・・・・・・ポンプ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 反応室内に半導体基板を配置し、この基板もしくはこれ
   を支持するサセプタを加熱源により加熱し、反応室内に
   反応ガスを供給して半導体基板上にエピタキシャル成長
   を行わせる気相エピタキシャル成長装置において、 反応室内壁を直接または間接的に冷却する冷却装置と、 反応室内壁の壁面温度を直接または間接的に検知する温
   度検知手段と、 この温度検知手段の検知出力に基ずいて前記冷却装置を
   制御し、反応室内壁の壁面温度を半導体基板もしくはサ
   セプタの温度とは独立に制御する冷却装置制御部と を具備することを特徴とする気相エピタキシャル成長装
   置。