JP5395102B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板の表面にシリコン膜を成長させる気相成長装置に関する。

基板の表面にシリコン膜を成長させる気相成長装置が知られている。特許文献１には、気相成長装置を利用して、基板の表面にシリコン膜を結晶成長させる技術が開示されている。特許文献１の技術では、原料ガスである塩化シランガスを気相成長室に供給し、基板の表面にシリコン膜を結晶成長させる。特許文献１には、塩化シランガスの一例として、トリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ_３）が挙げられている。

特開２００９−１０５３２８号公報

トリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ_３）は、分解することによって二塩化シリコンガス（ＳｉＣｌ_２）と塩酸ガス（ＨＣｌ）を生成する。この分解は、ＳｉＨＣｌ_３ガスの温度が高くなるほど活発になる。ＳｉＣｌ_２ガスのＳｉ原子が基板の表面に結合すると、基板の表面にシリコン膜が結晶成長する。

基板の表面にシリコン膜が結晶成長すると、ＳｉＨＣｌ_３ガスが消費されてＨＣｌガスの濃度が相対的に上昇する。そのため、シリコン膜の結晶成長が進行すると、前記の分解反応の逆方向の反応が起こり、シリコン膜の成長速度が低下する。

ＳｉＨＣｌ_３ガスは、他の塩化シランガスよりも安価に入手することができる。しかしながら、原料ガスとしてＳｉＨＣｌ_３ガスを使用すると、上記した理由によりシリコン膜の成長速度を速くすることができなかった。本明細書に開示する技術は、原料ガスとしてＳｉＨＣｌ_３ガスを使用しながら、シリコン膜の結晶成長の速度を速くする技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示する気相成長装置は、ＳｉＨＣｌ_３ガスを分解させてＳｉＣｌ_２ガスとＨＣｌガスを生成させた後、それらのガスにＨＣｌガスと反応するシラン系ガスを加えることを特徴とする。これにより、ＨＣｌガスの濃度を薄く維持することによって、シリコン膜の成長速度の低下を抑制する。

本明細書で開示する気相成長装置は、基板の表面にシリコン膜を成長させるものであって、気相成長室と、加熱室と、混合室と、ＳｉＨＣｌ_３ガスを貯蔵する第１貯蔵庫と、ＨＣｌガスと反応するシラン系ガスを貯蔵する第２貯蔵庫とを備えている。加熱室は、第１貯蔵庫と混合室に連通しており、第１貯蔵庫から供給されたＳｉＨＣｌ_３ガスを加熱した後に混合室に供給している。混合室は、第２貯蔵庫と気相成長室に連通しており、加熱室から供給されたガスとシラン系ガスを混合させて、その混合ガスを気相成長室に供給している。加熱室の室内温度は、混合室の室内温度よりも高い。

上記気相成長装置では、ＳｉＨＣｌ_３ガスを加熱室で加熱することにより、ＳｉＣｌ_２ガスとＨＣｌガスに分解する。混合室において、シラン系ガスが、ＨＣｌガスと反応して加熱室で生成したＨＣｌガスの濃度を薄くする。このときに、ＳｉＣｌ_２ガスの濃度は薄くならない。ＳｉＣｌ_２ガスの濃度が濃く、ＨＣｌガスの濃度が薄いガスを気相成長室に供給することができる。この結果、ＨＣｌガスの濃度を薄く維持することができるので、シリコン膜の成長速度の低下を抑制することができる。

上記のシラン系ガスは、ジクロロシランガス（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）であることが好ましい。ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、ＨＣｌガスと反応するだけでなく、分解することによってＳｉＣｌ_２ガスと水素ガス（Ｈ_２）を生じる。そのため、気相成長室に供給されるＳｉＣｌ_２ガスの濃度をさらに濃くすることができ、シリコン膜の成長速度をより速くすることができる。

加熱室は、ＳｉＨＣｌ_３ガスを７００〜１０００℃に加熱する加熱手段を有することが好ましい。ＳｉＨＣｌ_３ガスの分解は、高温になるほど活発になる。加熱室でＳｉＨＣｌ_３ガスを高温に加熱するほど、ＳｉＣｌ_２ガスを大量に生成することができる。そのため、ＳｉＨＣｌ_３ガスを加熱する温度は７００℃以上であることが好ましい。また、加熱室で加熱する温度が１０００℃以下であると、ＨＣｌガスとシラン系ガスによって生じた生成物が、混合室で再度ＨＣｌガスとシラン系ガスに分解する反応を抑制することができるので、ＨＣｌガスの濃度を薄く維持することができる。

本明細書で開示するシリコン膜の気相成長方法は、トリクロロシランガスを加熱する加熱工程と、加熱工程後のガスにシラン系ガスを反応させる反応工程と、反応工程後のガスを基板の表面に供給する供給工程とを備える。

本明細書で開示する技術によると、安価な原料ガスを使用しながら、シリコン膜の結晶成長速度を速くすることができる。

実施例１の気相成長装置の断面図を示す。 実施例２の気相成長装置の断面図を示す。

本明細書で開示される技術的特徴の幾つかを以下に整理して記す。
（特徴１）本明細書で開示するシリコン膜の気相成長方法は、トリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ_３）を加熱・分解して二塩化シリコンガス（ＳｉＣｌ_２）と塩酸ガス（ＨＣｌ）を生成する工程と、生成されたＨＣｌガスをシラン系ガスと混合・反応させてＨＣｌガスの濃度をＳｉＣｌ_２ガスの濃度に対して相対的に低下させる工程と、混合ガスを基板の表面に供給する工程と、を備えていることが望ましい。
（特徴２）混合室内のガスの温度は、５００〜８００℃であることが望ましい。混合室内においてＳｉＨＣｌ_３ガスの分解が抑制されるので、気相成長室内に供給されるＨＣｌガスの濃度が増加することを抑制することができる。
（特徴３）気相成長装置の気相成長室には、ガス供給口と基板の間に仕切り板が設けられていることが望ましい。この場合、混合室は、その仕切り板と気相成長室の壁の一部によって区画された空間であってもよい。気相成長室の一部が混合室を兼ねており、別個に混合室を設ける必要がない。

図１に示すように、気相成長装置１０は、チャンバ３７と、加熱室８と、第１貯蔵庫４２と、第２貯蔵庫４０と、第３貯蔵庫４４を備えている。チャンバ３７は、気相成長室３６と混合室３８を有する。気相成長室３６と混合室３８は、仕切り板２０によって区画されている。仕切り板２０は、基板３２とチャンバ３７の上部に設けられているガス供給口１６，４との間に設けられており、開口２０ａを有している。気相成長室３６の下部には、載置台２２が設けられている。載置台２２の内部にはヒータ２４が設けられており、基板３２を所定の温度に加熱することができる。載置台２２は、矢印２６方向に回転することができる。気相成長室３６の下部にはさらに、排気口２８が設けられている。排気ガス３０は、排気口２８を通じて気相成長室３６の外部に排出される。混合室３８は、連通路２を介して第２貯蔵庫４０に連通している。混合室３８には、ガス供給口１６，４が設けられている。ガス供給口１６，４は、基板３２の表面に直交する方向に形成されている。連通路２は、ガス供給口４に嵌め込まれている。

加熱室８は、連通路６を介して混合室３８に連通しており、連通路１２を介して第１貯蔵庫４２に連通しており、連通路１４を介して第３貯蔵庫４４に連通している。連通路６は、混合室３８に設けられているガス供給口１６に嵌め込まれている。加熱室８には、加熱室８内を加熱する加熱手段１５が設けられている。加熱手段１５として、熱交換器、シースヒータが用いられることが望ましい。

第１貯蔵庫４２には、ＳｉＨＣｌ_３ガスが貯蔵されている。第２貯蔵庫４０にはジクロロシランガス（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）が貯蔵されている。第３貯蔵庫４４には水素ガス（Ｈ_２）が貯蔵されている。そのため、加熱室８には、ＳｉＨＣｌ_３ガスとＨ_２ガスが供給される。ＳｉＨＣｌ_３ガスの供給量はバルブ４３で調整される。Ｈ_２ガスの供給量はバルブ４５で調整される。ＳｉＨＣｌ_３ガスはシリコン膜の原料ガスであり、Ｈ_２ガスはキャリアガスである。混合室３８には、加熱室８から供給されたガスと、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが供給される。ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスの供給量はバルブ４１で調整される。ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、シリコン膜の原料ガスであるとともに、後述するＨＣｌガスと反応するためのガスである。加熱室８から供給されたガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、混合室３８内で混合される。混合室３８内で混合された混合ガス３４は、仕切り板２０の開口２０ａを通じて気相成長室３６の下部に供給される。バルブ４１，４３，４５の開度は、制御装置４６で制御される。制御装置４６には、加熱室８内の温度が入力される。

基板３２の表面にシリコン膜が結晶成長する反応について説明する。加熱室８には、ＳｉＨＣｌ_３ガスとＨ_２ガスが供給される。制御装置４６は、ＳｉＨＣｌ_３ガスとＨ_２ガスの供給量を調整する。加熱室８に供給されたＳｉＨＣｌ_３ガスは、加熱手段１５によって７００〜１０００℃に加熱され、下記式（１）に示すように分解する（加熱工程）。なお、下記式（１）の反応は、ＳｉＨＣｌ_３ガスの加熱温度が高くなるほど起こり易く、特に、９００℃を超えると活発になる。
式（１）：ＳｉＨＣｌ_３→ＳｉＣｌ_２＋ＨＣｌ

加熱室８で分解しなかったＳｉＨＣｌ_３ガスと加熱室８で生じたＳｉＣｌ_２ガスと加熱室８で生じたＨＣｌガスは、キャリアガス（Ｈ_２ガス）とともに混合室３８に供給される。混合室３８には、第２貯蔵庫４０よりＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが供給される。制御装置４６は、加熱室８内の温度と加熱室８に供給したＳｉＨＣｌ_３ガスの供給量に応じて、混合室３８に供給するＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスの供給量を調整する。混合室３８では、加熱室８から供給されたガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが混合され、混合ガスの温度が加熱室８内のガス温度よりも低下する。加熱室８から供給されるガスの温度にもよるが、混合室３８内の混合ガスの温度は５００〜８００℃である。混合室３８では、下記式（２）及び（３）の反応が起こる（反応工程）。
式（２）：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２
式（３）：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２→ＳｉＣｌ_２＋Ｈ_２

上記式（２）は、加熱室８で生じたＨＣｌガスがＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスと反応して、ＳｉＨＣｌ_３ガスを生成する反応を示している。上記式（２）において、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、ＨＣｌガスの濃度を薄くするためのガスとして働く。これにより、ＳｉＣｌ_２ガスの濃度は薄くなることなく、ＨＣｌガスの濃度が薄くなる。上記したように、上記式（１）の反応は、ＳｉＨＣｌ_３ガスの加熱温度が高くなるほど起こり易くなる。すなわち、ＳｉＨＣｌ_３ガスの加熱温度が高くなるほど、混合室３８に供給されるＨＣｌガスの濃度が濃くなる。しかしながら、制御装置４６によって加熱室８内の温度に応じた量のＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが混合室３８に供給されるので、ＨＣｌガスの濃度を所望する濃度まで薄くすることができる。

なお、上記式（２）の反応によって、混合室３８内で新たにＳｉＨＣｌ_３ガスが生成する。しかしながら、混合室３８内のガスの温度は、加熱室８内のガスの温度よりも低い。そのため、混合室３８内では、加熱室８内よりも上記式（１）の反応が起こり難く、ＨＣｌガスの生成が抑制される。よって、気相成長室３６には、ＳｉＣｌ_２ガスの濃度が濃く、ＨＣｌガスの濃度が薄い混合ガスが供給される。

混合室３８内では、上記式（３）に示すように、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスがＳｉＣｌ_２ガスに分解する反応も起こる。そのため、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、ＨＣｌガスの濃度を薄くするだけでなく、ＳｉＣｌ_２ガスの濃度を濃くするガスとしても働く。混合ガス３４が基板３２の表面に達すると、混合ガス３４中のＳｉＣｌ_２ガスのＳｉ原子が、基板３２の表層部のＳｉ原子に結合する（供給工程）。

ＳｉＣｌ_２ガスのＳｉ原子が基板３２の表層部のＳｉ原子に結合すると、基板３２の表面では下記式（４）に示す反応が起こる。下記式（４）は、基板３２の表層部に結合したＳｉＣｌ_２のＣｌ原子がＨ_２ガス（キャリアガス）と反応し、基板３２の表面にＳｉ原子が残存することを示している。下記式（４）の反応により、基板３２の表面にシリコン膜が結晶成長する。下記式（４）に示すように、基板３２の表面にシリコン膜が結晶成長すると、副生成物としてＨＣｌガスが生成される。
式（４）：ＳｉＣｌ_２＋Ｈ_２→Ｓｉ＋２ＨＣｌ

基板３２の表面では、上記式（４）の反応に加え、一定の割合で下記式（５）の反応も起こる。下記式（５）の反応は、上記式（４）の逆反応であり、基板３２の表面に結晶成長したシリコン膜がＨＣｌガスでエッチングされることを示している。下記式（５）の反応が活発になると、シリコン膜の結晶成長の速度は遅くなる。下記式（５）から明らかなように、気相成長室３６内のＨＣｌガスの濃度が濃くなるほど、基板３２の表面で下記式（５）の反応が起こり易くなり、シリコン膜の結晶成長の速度が遅くなる。
式（５）：Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２

気相成長装置１０では、式（１）に示すように、加熱室８でＳｉＨＣｌ_３ガスをＳｉＣｌ_２ガスとＨＣｌガスに分解する。その後、式（２）に示すように、混合室３８でＨＣｌガスを除去することができる。そのため、式（５）の反応が起こりにくくなり、シリコン膜の成長速度を速くすることができる。なお、混合室３８では、式（２）の反応によって、新たにＳｉＨＣｌ_３ガスが生成する。しかしながら、混合室３８の温度は加熱室８の温度よりも低いので、ＳｉＨＣｌ_３ガスの分解が抑制され、ＨＣｌガスの発生が抑制される。

図２に示すように、気相成長装置５０では、冷却室３８ａが、チャンバ３７の外部に設けられている。冷却室３８ａには、冷却室３８ａ内を冷却する冷却手段６４が設けられている。冷却手段６４として、熱交換器、ペルチェ素子が用いられることが望ましい。チャンバ３７の上部にガス供給口６２が設けられており、連通路６０がガス供給口６２に嵌め込まれている。連通路６０によって、冷却室４８と混合室３８ｂが連通している。冷却室３８ａには、加熱室８から供給されたガスと、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが供給される。冷却室３８ａでは、加熱室８から供給されたガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスが、混合されながら冷却される。よって、冷却室３８ａと混合室３８ｂを併せて混合室３８とみなすことができる。

上記したように、気相成長装置５０では、冷却手段６２によって、混合室３８内のガスを冷却することができる。加熱室８から供給されるガスの温度が高くても、混合室３８内のガスの温度を所望する温度に調整することができる。上記式（２）で生じたＳｉＨＣｌ_３ガスが、再度ＳｉＣｌ_２ガスとＨＣｌガスに分解することをより確実に抑制することができる。

上記実施例では、ＨＣｌガスと反応するシラン系ガスとして、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスを使用する例を説明した。ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスに代えて、例えば、モノシランガス（ＳｉＨ_４）、ジシランガス（Ｓｉ_２Ｈ_６）、モノクロロシランガス（ＳｉＨ_３Ｃｌ）等を使用することもできる。これらのガスを使用する場合も、混合室３８内のガスの温度を加熱室８内のガスの温度よりも低くすることが好ましい。なお、上記したように、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスは、ＨＣｌガスを除去するだけでなく、分解によりＳｉＣｌ_２ガスを生成する。そのため、ＨＣｌガスと反応するシラン系ガスとして、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスを使用することが特に好ましい。なお、実施例のガスに加え、加熱室８又は混合室３８に不純物のドーパントガスを供給してもよい。不純物のドーパントガスを供給すれば、ｎ型又はｐ型のシリコン膜を結晶成長させることができる。

基板３２の材料として、シリコン、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌＯ_４）、III族窒化物半導体（ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等）を使用することができる。基板３２の材料としてシリコンを使用すれば、材料が同じなので、成長したシリコン膜に変形等の不具合が生じにくい。基板３２の材料としてシリコン以外の材料を使用すれば、基板を加熱する温度をシリコンの融点近くに設定しても、基板に変形等が生じにくい。そのため、高品質のシリコン膜を結晶成長させることができる。なお、シリコン以外の材料としては、窒化アルミニウムと炭化シリコンが特に好ましい。窒化アルミニウムと炭化シリコンは、熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近い。そのため、より高品質のシリコン膜を結晶成長させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

８：加熱室
１０，５０：気相成長装置
３２：基板
３６：気相成長室
３８：混合室
４０：第２貯蔵庫
４２：第１貯蔵庫

Claims (3)

1. 基板の表面にシリコン膜を成長させる気相成長装置であって、
   気相成長室と、加熱室と、混合室と、トリクロロシランガスを貯蔵する第１貯蔵庫と、塩酸ガスと反応するシラン系ガスを貯蔵する第２貯蔵庫と、を備えており、
   前記加熱室は、前記第１貯蔵庫と前記混合室に連通しており、前記第１貯蔵庫から供給された前記トリクロロシランガスを加熱した後に前記混合室に供給しており、
   前記混合室は、前記第２貯蔵庫と前記気相成長室に連通しており、前記加熱室から供給されたガスと前記シラン系ガスを混合させて、その混合ガスを前記気相成長室に供給しており、
   前記加熱室の室内温度が、前記混合室の室内温度よりも高い気相成長装置。
2. 前記シラン系ガスが、ジクロロシランガスである請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記加熱室は、前記トリクロロシランガスを７００〜１０００℃に加熱する加熱手段を有する請求項１又は２に記載の気相成長装置。

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