JPH02275797A - 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】 直友上二且里ユ士 本発明はウェハ表面にエピタキシャル膜を形成する気相
成長装置、特に所謂水平式気相成長装置に関する。

従来波′ｔ−とその課題 エピタキシャル膜とは、シリコン等の単結晶を基板（ウ
ェハ）として、その上にさらに単結晶を気相成長させて
形成された薄膜をいい、このエピタキシャル膜の形成は
・、ＣＣＤ、Ｂｉ−ＣＪ４０Ｓ等のＩＣデバイスの製造
過程において重要な工程の一つとなっている。

この種エピタキシャル膜の形成には従来から水平式気相
成長装置と呼称される形式の気相成長装置が広範に使用
されている。

該水平式気相成長装置は、装置本体内に配置されたウェ
ハ表面に対して略水平方向から原料ガスを流し、前記ウ
ェハ表面にエピタキシャル膜を形成するものである。

このエピタキシャル膜は、製品間で性能のバラツキが生
じないように、その膜厚分布が均一であることが要求さ
れる。

ところで、前記気相成長装置においては、膜の成長速度
は装置本体内を流れる原料ガスの流速の増加とともに増
加することが知られている（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅ
ｍ、Ｓｏｃ、　：５ＯＬＩＤ　５ＴＡＴＥ　ＳにＩＥＮ
ＣＥＶｏ１．１１７．Ｎｏ、７．１９７０．ｐ、９２５
−　ｐ、９３０　Ｆ、Ｃ，Ｅｖｅｒｓｔｅｙｎｅｔ　ａ
ｌ、参照）。

このことは停滞層の厚さと関係があると考えられ、また
ウェハ表面に対して水平方向から原料ガスを１流した場
合、薄膜の成長速度を律速する層流中の停滞層の厚さが
流れ方向で徐々に大きくなるとともに原料ガスは供給側
から出口側に進むにつれて消費される。このため、原料
ガス濃度が除々に薄くなり、原料ガスの流れ方向に関し
て膜厚分布の不均一化を招く。

しかし、前記ウェハが載置されているサセプタを回転さ
せることにより、円周方向における膜厚分布が均一化さ
れ、原料ガスの流れ方向に関しては、ある程度膜厚分布
の均一化を図ることが可能である。したがって、装置本
体内の原料ガスの流れ方向に対して直交する方向（以後
横方向と記す）における膜の成長速度が均一化されれば
、均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜をウェハ表
面に形成することが可能となる。すなわち、装置本体内
の横方向における膜の成長速度が均一化されれば、前記
サセプタの半径方向における膜厚分布も均一化されるこ
ととなり、円周方向及び半径方向の双方向において膜厚
分布が均一化されるからである。

したがって、装置本体内の横方向における原料ガスの速
度が均一化されれば前記膜の成長速度を均一化すること
が可能となる。

一方、供給側から水平方向に原料ガスを流した場合、第
３図に示すように、装置本体５１内の速度分布は、管摩
擦等の要因により略放物線Ｐを描（ことが一般に知られ
ている。

このように速度分布が略放物線Ｐを描くため、特に大型
の気相成長装置において、ウェハ５２を載置しているザ
セブタ６０表面の半径方向（矢印ｙで示す方向）の膜厚
分布が不均一となる。

膜厚分布を均一化する方策としては、装置本体の側壁部
に複数個のノズルを設け、これらノズルから吐出される
流量を適宜調整して速度分布の均一化を図る手段が知ら
れている（図示せず）。

しかし、ノズルの流量を高精度で調整することは、技術
的に困難であり、かなり良く調整した場合においても偏
流（片流れ）することがあった。

このように偏流が生じた場合、渦流が発生するなど膜形
成において種々の不都合が生じ、均一な膜厚分布を有す
るエピタキシャル膜が得られないという問題点があった
。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、ｌＲ本体内における原料ガスの速度分布を均一化し
、均一な膜厚分布を有するエピタキシャル膜をウェハ表
面に形成することができる気相成長装置を提供すること
を目的とする。

課題を解決するための一段 上記目的を達成するために本発明に係る気相成長装置は
、装置本体内に配置されたウェハ表面に対して原料ガス
が略水平方向から流され、前記ウェハ表面にエピタキシ
ャル膜が形成される気相成長装置において、前記ウェハ
を載置するサセプタと前記原料ガスの導入孔との間であ
って、前記装置本体の壁部に複数個の吸気口が配設され
ると共に、圧力を計測する複数個の圧力計が前記壁部に
対向する壁部に設けられ、かつ前記複数個の圧力計の計
測値に基づいて前記装置本体内の圧力を制御する制御機
構が、前記吸気口に接続されていることを特徴とし、 また、前記制御機構に吸気量計測用の流量測定器が含ま
れていることを特徴としている。

伍■ 一般に非粘性流体の場合、以下に示すベルヌーイの式が
成立することが知られている。

Ｐ＋　（ｐｖ２／　２　）＋ｐｇＺ＝一定・・・■ここ
で、Ｐ：圧力、ρ；流体密度、■＝流速、Ｚ；高さ、ｇ
：重力加速度 水平式気相成長装置内においては高さ方向の偏位がない
からＺ＝０である。したがって、圧力Ｐを測定すればエ
ピタキシャル膜の成長速度を律する流速が求まる。すな
わち、圧力を適宜制御することにより、該圧力に応じて
流速が制御されることとなる。

したがって、上記構成によれば、装置本体の壁部に配設
された複数個の吸気口の圧力が、前記壁部に対向する壁
部に設けられた圧力計により計測され、さらにこれら圧
力計測値に基づいて装置本体内の圧力を制御する制御機
構が、前記吸気口に接続されているので、前記装置本体
内における圧力分布の均一化が可能となる。

そして、前記装置本体内における圧力分布が均一化され
ることにより、原料ガスの流速分布が均一化され、均一
な膜厚分布を有するエピタキシャル膜がウニ八表面に形
成される。

また、吸気量計測用の流量測定器が前記制御機構に含ま
れているので、前記吸気量の計測値を前記原料ガスの供
給側に適宜フィードバックさせることが可能となる。し
たがって、装置本体内に導入される原料ガスの流量を常
に一定流量に保つことが可能となり、装置本体内に導入
される原料ガスの流量変動を防止することができる。

亙血舅 以下、本発明に係る気相成長装置の実施例を図面に基づ
き詳説する。

第１図及び第２図において、１は本発明に係る気相成長
装置の一例としての水平式気相成長装置であって、石英
製の装置本体２と、複数個のウェハ３・・・を表面に載
置するサセプタ４と、装置本体２の上方及び下方に配設
されて該装置本体２内部を加熱するヒータ部５と、先端
にガスノズル部６が設けられて原料ガス（キャリヤガス
を含む）を装置本体２内に供給する注入配管７と、前記
原料ガスの装置本体２内における圧力を適宜制御する制
御機構８とを主要部として構成されている。

装置本体２は、断面矩形形状の反応管９と、注入配管７
が接続される側壁部１０と、未反応の原料ガスを矢印六
方向に排気する排気部１１とから構成されている。

反応管９の底板２５には第１〜第５の吸気口１２ａ〜１
２ｅが配設されている。具体的には、これら吸気口１２
ａ〜１２ｅは、注入配管７に連なる原料ガスの導入孔と
サセプタ４の中間位置であってサセプタ４近傍、かつ装
置本体２の幅方向（矢印Ｙで示す）に一定間隔を有して
配設されている。さらに前記吸気口１２ａ〜１２ｅの対
向位置には装置本体内の圧力を計測する第１〜第５の圧
力計１３ａ〜１３ｅが設けられている。尚、吸気口及び
圧力計がサセプタ４近傍に設けられているのは、サセプ
タ４上におけ、る圧力とできるだけ近い圧力を計測して
圧力を制御するのが装置本体２内の原料ガスの流速分布
を制御するのに有利なためである。

この実施例では、第２図に示したように、吸気口１２ａ
−１２ｅが平面視直線状に配設されているが、別の実施
例ではサセプタ４の外周に沿って半円形状に配設されて
いてもよい。

また、吸気口と圧力計との位置関係は必ずしも上下に略
対向する位置でなくてもよい。両者の位置がずれていて
も補正を加えることにより原料ガスの流速分布の均一化
は可能である。

サセプタ４は、炭化ケイ素を被覆した炭素からなり、平
面視円形状に形成されて矢印Ｃ方向に回転可能とされて
いる。１４は該サセプタ４の軸受シール部である。

ヒータ部５は、複数個、の赤外線ランプ１５・・・と、
これら赤外線ランプ１５・・・の熱を反射して装置本体
２内部の加熱に寄与する反射板１６とを主要部として構
成されている。

しかして、制御機構８は、吸気口１２ａ〜１２ｅからの
排気流量を制御する第１〜第５の流量調整弁１７ａ〜１
７ｅと、前記吸気口１２ａ〜１２ｅからの流量を計測す
る流量測定器１８と、装置本体２に供給される原料ガス
の流量を制御する流量制御部１９とを主要部として構成
されている。また、前記流量調整弁１７ａ〜１７ｅをそ
の中間位置に備えた第１〜第５の吸気管２０ａ〜２０ｅ
は、−本の吸気配管２１に合流されて流量測定器１８に
接続されている。

さらに、前記流量制御部１９は、注入配管７中に設けら
れ、装置本体２への供給流ｆｆ１Ｖ。を制御する第１の
流量制御器２３ａと、矢印Ｅ方向に原料ガスの一部を排
気する排気流量Ｖ　Ｅを制御する第２の流量制御器２３
ｂとを備えている。

このように構成された気相成長装置においては、以下の
ようにしてエピタキシャル膜がウニ八表面に形成される
。

まず、複数個のウェハ３・・・をサセプタ４に載置した
後、サセプタ４を矢印Ｃ方向に回転駆動させると共に、
ヒータ部５の電源を「○ＮＪｔ、てウェハ３・・・及び
サセプタ４を約１０００°Ｃに加熱する。そしてこの後
、５ＩＨ４，５ＩＣ１４等のシリコン系ガスと１（２、
Ｈｅ等のキャリヤガスとからなる原料ガスを矢印り方向
から搬送する。そして、この原料ガスがウェハ３・・・
の上面に到達すると、ヒータ部５からの熱によって前記
シリコン系ガスが分解反応を起こし、シリコンがウェハ
３・・・の表面に堆積し、エビクキシャルｌ莫が形成さ
れる。

しかして、本発明においては、均一な膜厚分布が得られ
るように、制御機構８を介して装置本体２内における各
点の圧力を均一化し、装置本体２内における原料ガスの
速度分布の均一化がなされるように構成されている。

以下、該制御機構８について説明する。

注入配管７の先端に設けられたガスノズル部６から装置
本体２内に原料ガスが供給されると、般には「従来技術
とその課題」の項で述べたように、速度分布は放物線Ｐ
を描く（第３図参照）。

すなわち、第３の吸気口Ｌ２ｃに相当する中央部の位置
で流速が最大となり、「作用」の項で述べたベルヌーイ
の式（０式）により、この第３の吸気口１２ｃに相当す
る位置で圧力は最低になる。

そこで、第３の流量調整弁１７ｃを「開」状態にし、一
部の原料ガスを第３の吸気口１７ｃから排気させると、
前記中央部において、流速は低下する一方、圧力は上昇
する。そして、本発明においては、第１〜第５の圧力計
１３ａ〜１３ｅにより計測された圧力値がすべて同一圧
力となるように第１〜第５の流量調整弁１７ａ〜１７ｅ
の開度調整が行なわれ、装置本体２内における圧力分布
の均一化がなされる。例えば、第１の吸気口１２ａ及び
第５の吸気口１２ｅの圧力が所望の設定圧力である場合
、前記第３の吸気口１２ｃの圧力値が第３の圧力計１３
ｃにより計測されると、該圧力値が電気信号に変換され
て第３の流量調整弁１７Ｃに入力される。そして、該第
３の流量調整弁１７ｃの開度が前記電気信号に応じて変
動し、第１の圧力計１３ａ及び第５の圧力計１３ｅと同
一の圧力値となるように開度が調整され、装置本体２内
の圧力分布の均一化がなされるのである。

また、装置本体２内に供給される原料ガスの供給流ＭＶ
ｏは、流量制御部１９を介して一定流量となるようにｉ
ｌｌ　ｆ卸することができる。すなわち、例えば、上記
第３の流量調整弁１７ｃを「開」状態とした場合、第３
の吸気口Ｌ２ｃから流量ＶＸが排気されるため、前記原
料ガスの供給流量ｖ。

が変動する虞があるが、本実施例では流量制御部１９を
介して前記供給流Ｂｙ。が常に一定流量となるように匍
■卸される。

すなわち、所望の供給流量がＶ。である場合、矢印り方
向から搬送される原料ガスの流量を■に設定すると共に
（Ｖ＞Ｖｏ）、流ＺＶＡ　（＝Ｖ−Ｖ、）をＶ　Ａ＞　
Ｖ　ｘの条件下、第２の流量制御器２３ｂから排気して
おく。そして前記第３の吸気口１２ｃから排気される流
量Ｖｘが、流量測定器】８により検知されると、該流量
ＶＸが電気信号に変換されて第２の７Ｍ量制御器２３ｂ
に送信される。そして、該第２の流量制御器２３ｂから
排気される流量がＶ、＝ＶＡ−Ｖ、に設定され、供給流
ｉＶ。は常に所望の一定流量に保持される。つまり、第
２の流量制御器２３ｂから排気される流量を第３の吸気
口１７ｃから排気された流量ＶＸだけ初期の排気流量ｖ
Ａから減らずことにより、供給流量Ｖ。を常に所望流量
に維持することができるのである。

このように上記実施例においては、供給流量ｖｏが常に
一定流量に保持されると共に、複数個の圧力計１３ａ〜
１３ｅにより計測された測定値が全て同一値となるよう
に制御する制御機構８が設けられているので、装置本体
２内の圧力分布が均−化され、したがって、装置本体２
内における原料ガスの速度分布も均一化され、供給流量
が変化することもない。すなわち、膜の成長速度が均一
化され、サセプタ４に載置されたウェハ３表面には均一
な膜厚分布を有するエピタキシャル膜が形成され、信頼
性の高い高品質のＣＣＤ等のＩＣデバイスを得ることが
できる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく要旨
を逸脱しない役回において変更可能なことはいうまでも
ない。上記実施例では第１及び第５の吸気口２０ａ、２
０ｅの圧力を所望圧力としたが、その他の吸気口、例え
ば第２の吸気口２０ｂや第４の吸気口２０ｄを所望圧力
としても、同様に装置本体２内の圧力を容易に均一化す
ることができる。また、吸気口を反応管９の底板２５に
形成する代わりに、反応管９の上板２６に形成すると共
に、圧力計を反応管９の底板２５に取り付けても上記実
施例と同様、本発明の作用効果を奏することができる。

また、本発明は、吸気口を５個以上設けた場合について
も同様に高精度の圧力制御を施すことができるのはいう
までもなく、速度分布の不均一化を招来し易い大型装置
に好都合なものである。

さらに、上記実施例においては、吸気口と圧力計とを上
下対向する位置に設け、各吸気口に相当する位置の圧力
が同一となるように制御し、原料ガスの流速分布の均一
化を図った。しかし、吸気口と圧力計の位置は必ずしも
上下対向する位置でなくてもよく、前述のように、吸気
口をサセプタの外周に沿って設けてもよい。この場合、
各圧力計の計測値が同一値となるように制御すれば、ザ
セブタ上における原料ガスの流速分布はより一層均−化
されたものとなり、ウニへ表面にはより層均−化された
エピタキシャル膜を形成することができる。

また、本発明では圧力が高い領域のガスを吸弓し、流速
分布の均一化を図っている。しがし、圧力が低い領域に
原料ガスを供給する方法でも流速分布の均一化を図るこ
とができる。この場合には装置本体２内に堆積している
粒子が導入ガスにょって巻き上げられエピタキシャル膜
を汚染しないように配慮する必要がある。

ｌ」ユ四】 以上詳述したように本発明に係る気相成長装置は、複数
個の吸気口が前記装置本体の壁部に配設されると共に、
圧力を計測する複数個の圧力計が前記壁部に対向する壁
部に設けられている。さらに、前記複数個の圧力計の計
測値に基づいて装置本体内の圧力を制御する制御機構が
前記吸気口に接続されているので、装置本体内の圧力分
布を均一化することができ、装置本体内における原料ガ
スの速度分布の均一化を容易に図ることができる。

したがって、膜の成長速度も均一化され、サセプタに載
置されたウニ八表面には均一な膜厚を有するエピタキシ
ャル膜を形成することができる。

このように本発明に係る気相成長装置によれば、装置本
体内の圧力分布を均一化することにより、装置本体内に
おいて原料ガスの流速は偏流することなく容易に均一化
され、ウニ八表面には均一な膜厚分布を有するエピタキ
シャル膜が形成され、ＣＣＤ等ＩＣデバイスの性能向上
に寄与するという顕著な効果がある。

また、吸気量計測用の流量測定器が前記制御機構に含ま
れることにより、吸気量の計測値を原料ガスの供給伸１
に適宜フィードバックさせることが可能となる。すなわ
ち、前記流ｉｎ測定器が制御（幾構に含まれることによ
り、装置本体内に導入される原料ガスの流量を常に一定
流量に保つことが可能となり、装置本体内に導入される
原料ガスの流量変動を防止することができ、装置本体内
におり−３る圧力分布の均一化を容易になすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例を示す正面断面図、第２
図は第１図の平面断面図、第３図は装置本体内における
一般的な速度分布を示す速度分布図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）装置本体内に配置されたウェハ表面に対して原料
   ガスが略水平方向から流され、前記ウェハ表面にエピタ
   キシャル膜が形成される気相成長装置において、 前記ウェハを載置するサセプタと前記原料ガスの導入孔
   との間であって、前記装置本体の壁部に複数個の吸気口
   が配設されると共に、圧力を計測する複数個の圧力計が
   前記壁部に対向する壁部に設けられ、 かつ、前記複数個の圧力計の計測値に基づいて前記装置
   本体内の圧力を制御する制御機構が、前記吸気口に接続
   されていることを特徴とする気相成長装置。
2. （２）制御機構に吸気量計測用の流量測定器が含まれて
   いることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。