JPS6221869B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気相成長装置に係り、更に詳しくは気
相化学反応によつて基板上に薄膜層を大量、且つ
均一に形成することができる縦（ロータリデイス
ク）型の気相成長装置に関する。

従来、原料ガス補充方式の気相成長は横型炉で
なされてきた。一般に横型炉ではガス流の上流側
で気相成長速度が大きいため原料濃度の減衰を生
じ、基板上に成長する膜厚が不均一となる。これ
を防ぐため、原料ガス導入口とは別に補充ガス導
入管を炉内に入れ、炉を流れるガス流の途中から
新たに原料ガスを補助的に加える方法がとられて
きた。これはサンプリング管により反応ガスの一
部を抽出して分析計に送り込み、ここで原料ガス
及び副生成物の濃度を測定し、この値をマイクロ
コンピユータに入れて補充ガス流量制御装置にフ
イードバツクし、必要な補充ガス流量を補充ガス
導入管から炉内に入れ、均一な成長膜厚分布を得
ようとするものである。

しかし、処理バツチ枚数が増加すると炉が大型
化し、新たな問題としてガス流方向に対して直角
方向に膜厚不均一性が生じてしまう。この不均一
性は規則性、再現性に乏しいため、ガス流方向に
対して直角方向に単に補充ガス導入管を並べると
か、その補充ガス流量を調整するだけでは容易に
成長膜厚均一化をはかることはできない。また、
炉が大型化する以前にも、横型炉ガス補充方式で
はフランジが小さいことや加熱用ワークコイルが
加熱治具部分をおおつていることから、補充ガス
導入管の配置がスペース的に混み入つて複雑にな
るという問題があつた。

横型炉に補充ガス方式を適用した場合に生じる
膜厚分布の修正効果の片寄りを解決する方策とし
て、第１図に示すように縦型炉に補充ガス方式を
適用することが考えられる。ベルジヤ反応炉１内
の加熱台３上に基板４を並べ、軸１２で回転させ
ながら加熱コイル２によつて約1150℃に昇温す
る。原料ガスを主ノズル（主ガス導入管）５から
加熱台３の半径方向に供給すると共に補充ガスノ
ズル（補充ガス導入管）７からも基板４にその上
方より原料ガスを少量供給し膜厚分布を修正する
方法である。図中１３はベース、６は排気口、１
４はコイル保護用カバーである。通常、縦型炉の
膜厚分布は加熱台３を軸１２で回転させているこ
とから加熱台同心円状では均一となり、加熱台３
半径方向で不均一となる。補充ガスによる分布修
正の効果もまた、加熱台を回転させていることか
ら加熱台同心円方向では均一となる。この結果、
第２図に示すように加熱台３半径方向の膜厚方布
の修正は容易となり（図中、実線は修正前の分
布、点線は修正後の分布）、横型炉で見られたよ
うな欠点は軽減される。

縦型炉を用い、補充ガス方式により膜厚分布を
修正する方法について実験的に確かめた結果、下
記するような第１〜第３の事実がわかつた。

第１に、補充ガスによつて修正できる加熱台半
径方向の範囲は、噴出孔形状が一定であれば補充
ガスノズルの噴出孔から加熱台表面までの距離
（ノズル高さ）によつて調節できる。即ち、補充
を加熱台３上方から行なえば補充ガスは加熱台上
の基板４表面に到達する前に主ガスによつて生じ
るガス流や炉内の熱対流によつて生じるガスの流
れの影響を強く受け、その結果修正効果が表われ
る範囲は第３図に、曲線Ａで示すように広くな
る。逆に、ノズル孔を基板４表面に近づければ曲
線Ｂ，Ｃで示すように補充効果を局所的に制限す
ることができる。第２に、補充効果が表われる加
熱台３上の位置はノズル高さを一定にすればノズ
ル孔中心の加熱台半径方向位置によつて決まる。
即ち、第４図の曲線ＤとＦは加熱台回転中心から
噴出孔中心までの距離の異なる２個の補充ガスノ
ズルの修正効果を示している。第３に、補充効果
の量（膜厚）はノズルの形状、ノズルの高さを一
定とすれば、補充ガス中の原料濃度を変えれば、
効果の範囲、位置が変わることなく調節できる。
即ち、第５図の曲線Ｅ〜ＨはＥの方がＨの曲線よ
り原料ガスの濃度を高くした結果である。

以上説明したように、縦型炉に補充ガス方式を
適用する場合には補充ノズル調節が非常に重要で
あることが分かつた。

それゆえ、本発明の目的は補充ガス方式を縦
（ロータリデイスク）型炉に適用しバツチ当りの
ウエハ処理数を大幅に向上すると共に成長膜厚分
布の均一性をも高めることができる装置を提供す
るにある。

本発明の特徴は、少なくとも１ケ以上の補充ガ
スノズルを備えた縦（ロータリデイスク）型炉に
おいて前述した実験結果をもとに、前記補充ガス
ノズルに回転及び上下調節機能を持たせたことに
ある。

以下本発明を図に従つて更に詳細に説明する。
第６図は補充ガスノズル７を１本設けた縦型炉の
断面構造を示している。１は石英製ベルジヤ、４
は基板、３はカーボン製加熱台で軸１２によつて
矢印方向に回転している。２は加熱用の高周波コ
イル、５は原料ガスを供給するための主ノズル、
１３はベンジヤベース、６は排気孔である。これ
らの構成は従来の縦型炉と同一であるが、後で述
べるように補充ガス方式によつて加熱台半径方向
の膜厚分布を大幅に向上できることから加熱台の
直径は補充ガス方式を適用しない従来の縦型炉に
比べて約1.5倍大きくしてある。以上の構成の
他、本発明の装置には補充ガスノズルが別に設け
てあり、膜厚分布を修正するための補充ガスはノ
ズル先端の噴出孔より図中矢印に示すように基板
４表面に供給される。また、本発明により補充ガ
スノズル７には炉外にモータ駆動による補充ガス
ノズル上下調整機構１５が取りつけてあり、既に
第１の事実に関して説明したように補充効果の範
囲を容易に調節できることから、予備実験におい
て、均一な膜厚を得る最適ノズル高さの設定が簡
便に行なわれ、膜厚分布の精密な制御が可能とな
る。更にまた、補充ガスノズル７にはモータ駆動
の補充ガスノズル回転機構１６が取り付けられて
いる。補充ガスノズル７を回転することによつて
第７図に示すように、ほぼ加熱台４半径方向のノ
ズル孔中心位置の調節が可能となり、この結果、
上記第２の事実で述べた補充効果の位置の調節が
容易にでき、予備実験において均一な膜厚を得る
最適ノズル孔中心位置の設定が簡便に行なわれ、
膜厚分布を正確に修正することができる。このよ
うにして補充ガスノズル位置を一度決定すれば、
以後のエピタキシヤル成長において均一なエピタ
キシヤル層を得ることができる均一性が崩れ始め
た場合には前述の第１〜第３の方針に従つて、補
充ガスノズルを微調整する。

以上説明した本発明の補充ガスノズルを設置し
た縦型炉を用いて気相成長を行なえば加熱台半径
方向膜厚分布均一性が大幅に改善でき、実質的に
ウエハのバツチ当りの処理数の向上を図ることが
できる。

次に具体的な実施例についてシリコンのエピタ
キシヤル成長を例として説明する。

加熱台３直径を約600mmとし、３インチ径（約
φ76mm）のシリコンウエハ（基板４）を36枚並
べ、加熱台３を15rpmの回転速度で回転しながら
加熱コイル２によつて約1150℃に加熱する。主ガ
スノズル５から四塩化シリコンを約2mol％含む
水素ガスを約80／minの流量で供給し、ウエハ
４上にシリコンエピタキシヤル層を形成する。こ
の場合、主ガスの流量、主ガスノズル５の形状、
孔位置は第８図に曲線Ｉで示すように補充ガスを
供給しない場合の加熱台直径方向エピタキシヤル
層厚み分布が最小（約±６％）となる条件を選ん
だ。主ガスノズル５から四塩化シリコンを供給し
エピタキシヤル成長を行なうと同時に補充ガスノ
ズル７から四塩化ケイ素約1.5mol％を含む水素ガ
スを補充ガスとして約２／min供給する。補充
ガスノズル７の上下調節機構１５及び回転機構１
６を前述の通りモータによつて駆使して予備実験
を行ない、ノズルの噴出口直径を30mm、孔先端か
らウエハ４表面までの距離を30mm、ノズル孔中心
の加熱台直径方向位置を加熱台の回転中心から
450mmに決めた。

以上の条件によつて20分間エピタキシヤル成長
を行ない、約20μｍのシリコンエピタキシヤル層
を形成した。この時の加熱台直径方向膜厚分布を
第８図に曲線Ｊで示す。

以上説明した本発明の気相成長装置によれば第
８図に示すように、膜厚分布は補充をしない場合
の約±６％を約±３％に、補充ガス方式を採用し
ない場合、±３％以内の均一性が得られるウエハ
数は全チヤージ数のほぼ1/2であることから実質
的にバツチ当りのウエハ処理枚数を約２倍に向上
することができる。

第９図は補充ガスノズルを３本設置した場合の
縦型炉平面図を示す。補充ガスノズル７１，７
２，７３はそれぞれ加熱台３上の領域（）、
（）、（）を分担し膜厚分布を修正する。第１
０図の曲線Ｎ，Ｐはこの場合修正前後の膜厚分布
を示したものである。図中にはノズル７１〜７３
に対応する各ノズル単独の補充効果も曲線Ｋ〜Ｍ
で同時に示してある。補充ガスノズル７３によつ
て大部の領域の修正を行ない、補充ガスノズル７
１，７２のノズル孔とウエハ表面間の距離、ガス
中の原料濃度を補充ガスノズル７３に比べて小さ
くし、補充効果を局所的で且つ少量として残りの
部分の膜厚修正を行なつた。この場合、数回の予
備実験時に補充ガスノズルを回転機構によりすこ
しずつ回してノズル孔中心位置の調整を行ない補
充位置のずれを直した。膜厚分布の精密な修正が
できることから均一性は約±１％まで向上でき
た。本実施例では、補充ガスノズルの上下、回転
の機能をモータ機構で行なつたが、手動で行なつ
ても良い。

本実施例ではシリコンのエピタキシヤル成長を
例に設明したが他のシリコン酸化膜、シリコン窒
化膜、リンガラス、多結晶シリコン等縦（ロータ
リデイスク）型炉を用いて形成する各種の気相成
長膜の膜厚分布の均一性向上に適用できることは
云うまでもない。

本実施例では補充ガスノズルの炉内への挿入は
ベルジヤベースを通して行なつた。勿論、構造上
可能な位置から補充ガスノズルを炉内に挿入し、
ノズル孔と基板表面の距離及びノズル孔の加熱台
半径方向位置の調節が可能であれば本実施例と同
一効果が得られることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は補充ガス方式を適用した縦型気相成長
装置を示す断面図、第２図は第１図に示す装置に
よる成長結果を示す図、第３図〜第５図は第１図
に示す装置において、補充ガスノズルの位置、原
料ガス濃度を変えた時の成長結果を示す図、第６
図は本発明の一実施例を示す縦型気相成長装置を
示す断面図、第７図は第６図に示す装置の加熱台
と主及び補充ガスノズルの関係を示す図、第８図
は第６図に示す装置による成長結果を示す図、第
９図は本発明の他の実施例になる縦型気相成長装
置の加熱台と主及び補充ガスノズルの関係を示す
図、第１０図は第９図に示す装置による成長結果
を示す図である。 １……反応炉、ベルジヤ、２……加熱コイル、
３……加熱台、４……基板、５……主ガスノズ
ル、６……排気口、７，７１，７２，７３……補
充ガスノズル、１２……回転軸、１３……ベー
ス、１４……コイルカバー、１５……補充ガスノ
ズル上下調整機構、１６……補充ガスノズル回転
機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円板型加熱台上に基板を載置し、該加熱台を
   回転しながら加熱手段により加熱し、加熱台回転
   中心位置より原料ガスを供給し前記基板上に気相
   化学反応により薄膜層を形成し、加熱台円周位置
   から廃ガスを排気する構造の縦型の気相成長装置
   において、主原料ガス導入管とは別に上記基板に
   その上方から原料ガスを供給する補充ガス導入管
   を１ケ以上設け、前記補充ガス導入管は上下調整
   機能、及び回転機能を備えたことを特徴とする気
   相成長装置。