JP2004047658A - 半導体材料成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素、ＶＢ族元素のうちの何れかを含む半導体材料において、成膜用原料として固体を用いて、高速で成膜を行うことが可能な装置を提供すること。
【解決手段】熱シールド材に包んだ坩堝内において、固体原料と被成膜物を非常に近距離に向き合わせて密閉空間を作り、高周波誘導加熱を利用して、平面螺旋型ワークコイルを用いて固体原料を昇華温度以上まで加熱し、坩堝中での原料の昇華拡散現象を用いて、被成膜物上に成膜を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体材料の成膜に関するものであり、特にＳｉＣ、ＡｌＮやＧａＮ等、昇華性材料によるワイドバンドギャップ半導体材料のエピタキシャル成長分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電力需要の増大、エネルギー資源の有効利用、環境保全といった問題がクローズアップされている。これらの問題を解決するためには、高パワー・低損失デバイスのより一層の発展が必要である。
【０００３】そのようなデバイス用材料として最も有望な半導体材料が、大きなバンドギャップを持ち、熱伝導率に優れた炭化珪素（ＳｉＣ：ＳｉｌｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ）である。デバイス応用の際、ＳｉＣエピタキシャル膜には欠陥、不純物がなく、平坦なＳｉＣのエピタキシャル膜が必要不可欠である。又、高耐圧デバイス作製のためには厚いエピタキシャル膜を形成することも必要である。
【０００４】現在ＳｉＣのエピタキシャル成長においてはＣＶＤ法が用いられているが、その成長速度はわずか３μｍ／ｈであり、厚いエピタキシャル膜を形成するにはかなりの長時間装置を運転することが必要となっている。又、原料ガスとして猛毒で危険なシランガス（ＳｉＨ４）を用いるので、高価なガス系の保安設備が必要であり、より安全で高速でコストのかからない方法が求められている。
【０００５】固体原料を用いたＳｉＣのエピタキシャル成長に関して、西野茂弘らにより、「昇華近接法によるＳｉＣのエピタキシャル成長」：２０００年春季第４７回応用物理学関連連合講演会予稿集Ｎｏ．１（Ｐ４０８）などで技術開示されている。これはＳｉＣ単結晶バルク成長において広く用いられている昇華法を応用した方法で、昇華法との相違点は被成膜物原料間距離である。昇華法では１０〜１５ｍｍであるが、昇華近接法においてはグラファイト坩堝内に１．０〜１．５ｍｍの距離を保って被成膜物と原料を配置し、加熱による原料昇華拡散現象を利用した成長方法である。ＳｉＣにおいては例えば、１５００〜２０００℃の温度で行われている。
【０００６】前段の昇華近接法の特徴は、成長速度が５０μｍ／ｈと速いこと、Ａｒガスといった不活性ガス雰囲気内において成長させるため、成長装置は簡単かつ安全で、シランを原料ガスとして用いたＣＶＤ法装置のようなガス保安設備が不要なところにある。
【０００７】次に、昇華近接法の問題点について述べる。図４は現状の昇華近接法によるＳｉＣのエピタキシャル成長を示したものであるが、この坩堝４１１は縦長で、それを加熱する高周波ワークコイル４０２も縦型螺旋状である。この方法では被成膜物面積が大きくなると、加熱は坩堝の周辺のみとなり、被成膜物の動径方向には温度の不均一が生じ、その結果、ＳｉＣエピタキシャル層には不均一な歪みが生じることがわかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体材料の成膜において、低成膜速度で、危険なシランガスを用い、高コストの安全設備が必要であるＣＶＤ法を用いず、安全で高速かつコストのかからない方法で成膜することは課題であり、特にＳｉＣのエピタキシャル成長においては課題となっている。
【０００９】又、固体原料を用いた半導体材料の高速成膜において、被成膜物を均一に加熱することは良質な成膜を生成する上で課題となっている。特に、固体原料を用いたエピタキシャル成長法においては、被成膜物を均一に加熱することは良質なエピタキシャル層を生成する上で課題となっている。
【００１０】加えて現在のＳｉＣ分野でよく使用されているＣＶＤ法装置では被成膜物は１個しか処理できない。そこで、被成膜物を大量に処理するため、複数個同時処理を可能にすることも課題となっている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の装置はＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素、ＶＢ族元素のうちの何れかを含む半導体材料において、容器内に、熱シールド材で密閉した坩堝の中で、固体原料と被成膜物を、非常に近距離に向き合わせて密閉空間を作り、高周波誘導加熱を利用して固体原料を昇華温度以上まで加熱し、坩堝中での昇華拡散現象を用いて被成膜物上に成膜することを特徴とするものである。
【００１２】請求項２記載の発明は請求項１記載の半導体材料成膜装置において、平面螺旋型ワークコイルを用いて高周波誘導加熱を行うことを特徴とする。
【００１３】これにより、固体原料及び被成膜物が密閉された坩堝を底面から加熱することができ、被成膜物面積、坩堝サイズに関係なく、均一に原料、被成膜物とも加熱できる。
【００１４】請求項２記載の発明に係る図５に記載の平面螺旋型ワークコイル５０１は、円を渦巻状にした形に限定されず、例えば角を丸めた四角の螺旋状等多角形のらせん状でも可能であり、ジグザグの形状も考えられる。また、ワークコイルは通常銅でできているが、その断面形状は丸又は多角形である。
【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１又は２いずれかに記載の半導体材料成膜装置において、固体原料を被成膜物に成膜することによってエピタキシャル成長を行うことを特徴とする。
【００１６】被成膜物を単結晶基板、固体原料を被処理物と同組成のものとすることで被成膜物上にエピタキシャル成長を行うことが可能である。
【００１７】請求項４記載の発明は請求項１、２又は３いずれかに記載の半導体材料成膜装置において、スペーサーを用いて固体原料と被成膜物を非常に近距離に向き合わせることを特徴とし、被成膜物の組成がＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ又はＣであることを特徴とする。
【００１８】請求項５記載の発明は、請求項１、２、３又は４いずれかに記載の半導体材料成膜装置において、坩堝内に固体原料、被成膜物を複数配置し、複数個同時の成膜処理を可能とすることを特徴としたものである。
【００１９】これにより、被成膜物の複数個同時処理が可能となり、より低コストで成膜を行うことが可能となる。
【００２０】図６は坩堝、スペーサー及び坩堝蓋の概略図である。坩堝６０１の被成膜物収納部６０２内に固体原料を入れ、その上にスペーサー６０３を入れる。又は被成膜物収納部６０２の底部にスペーサー６０３を格納した後に固体原料を入れる。さらにその上に被成膜物をおく。さらにその上に坩堝蓋６０４を被成膜物上に重ねることで固体原料と被成膜物を近距離に保った密閉空間を作り出す。
【００２１】図６記載の坩堝６０１は３個処理用であるが、坩堝の被成膜物収納部６０２の数を増減させることにより、１個から複数個の成膜処理が可能となる。坩堝６０１、スペーサー６０３及び坩堝蓋６０４の形状は円盤型に限定されず、多角形型も可能である。又、被成膜物収納部６０２及び坩堝蓋６０４の形状を工夫すること、例えば段をつけるなどにより、スペーサー６０３を省くことができ、成膜材料の選択によっては坩堝蓋６０４上に直接成膜することも可能である。
【００２２】請求項６記載の発明は、請求項１、２、３、４又は５いずれかに記載の半導体材料成膜装置において、スペーサーを用いることにより、坩堝を複数回利用することを可能としたものである。
【００２３】これにより成膜後は、図６を記載のスペーサー６０３のみの交換で、再び成膜することが可能で、図６における坩堝６０１及び坩堝蓋６０４を複数回利用できる。
【００２４】図６の坩堝６０１、スペーサー６０３及び坩堝蓋６０４は円盤型であるが、この形状に限定されず、多角形型も可能である。
【００２５】又、図６記載のスペーサー６０３は、スペーサー溝６０５の大きさを調節し、二つ以上の分割したドーナツ上円盤又は多角形の中心部に穴があいたものによって構成することも可能である。さらに、坩堝蓋６０４も坩堝蓋くびれ部６０６の大きさを調節し、２つ以上の分割した円盤又は多角形によって構成することも可能である。
【００２６】
【発明の実施形態】以下、添付図面を参照して、本発明に係る成膜装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
【第１実施形態】図１は本実施形態の半導体材料成膜装置１００を示す断面図である。本実施形態の成膜装置１００は容器１１内に、支持台４上の熱シールド材１４と熱シールド蓋８によって包まれた坩堝３及び坩堝蓋１内に密閉された被成膜物１２と固体原料１５をスペーサー１３によって近距離に保つ。その構成物をＲＦ電源に接続された平面螺旋型ワークコイル５によって高周波誘導加熱を利用し、固体原料１５を昇華温度以上まで加熱し、固体原料１５の昇華拡散現象によって、被成膜物１２上に成膜を行う。
【００２８】この際、スペーサー１３を用いて原料被成膜物間距離を１．０〜１．５ｍｍ程に保つ。スペーサー１３の高さを調節することで、原料被成膜物間距離を調節できる。
【００２９】容器１１は例えばステンレス製であり、熱シールド材１４及び熱シールド蓋８はグラファイト製、覗き窓７は石英製、坩堝蓋１及び坩堝３はカーボン製、スペーサー１３はカーボン製であり、被成膜物１２はＳｉＣ基板で、固体原料１５の組成はＳｉＣである。
【００３０】また、支持台４は上下移動回転機構６によって上下に移動又回転でき、より均一な被成膜物加熱、成長温度の正確な制御、熱による容器１１のダメージを防止することができる。
【００３１】容器１１はガス導入口２と排気口１６を備え、ガス導入口２から例えばＡｒガス等不活性ガスを導入することができ、また、排気口１６の先に図示しないロータリーポンプやターボ分子ポンプを取り付けることで、容器１１内を真空状態に保つことができる。熱シールド１４、熱シールド蓋８、支持台４には温度測定用穴１０を設けてあり、放射温度計９によって温度を測定する。
【００３２】本図では放射温度計は覗き窓７及び温度測定用穴１０は上部と下部に取り付けてあるが、これらの窓及び穴は横にも取り付けることができる。
【００３３】
「実施形態の効果」
この実施形態によれば、容器１１内にガスの導入ができ、真空排気も可能で真空用チャンバーとして機能することができる。また熱シールド１４、熱シールド蓋８、坩堝３、坩堝蓋１、支持台４には温度測定用穴１０を設けてあり、温度測定用穴１０及び覗き窓７を設け、放射温度計９にて成長温度をモニタする構造のため、図示しないプログラムコントローラやＰＬＣ等を接続することでＲＦ電源の出力をコントロールし、成長中の被成膜物温度を制御できる。
【００３４】
【第２実施形態】次に図２を参照して、本発明に係る半導体材料成膜装置の第２実施形態を説明する。本実施形態の半導体材料成膜装置２００において、第１実施形態と異なるのは、第１実施形態が図１に示したように平面螺旋型ワークコイル５が容器１１の内部に設置しているのに対し、第２実施形態では平面螺旋型ワークコイル２０６を容器２０１の外部に設置した点と搬入ドア２１３が設けられた点である。ワークコイルが容器外部に設置されるのに伴い、容器形状が変更される。上部蓋２０８と下部蓋２１７が加わり、それぞれの蓋はＯリング２１２と容器蓋２０７によって固定さている。容器蓋２０７と容器２０１の固定は例えば、お互いにねじ溝が切ってあり、容器蓋２０７をねじ込むことで行う。支持台２０５の形状もワークコイルを容器内部に設置したことで変更される。下部蓋２１７の材質は例えば石英製である。
【００３５】
「実施形態の効果」
第２実施形態において、ワークコイルを容器外部に設置することで、容器内部と外部の導入箇所が減るため、真空漏洩が軽減すると共に、ワークコイルの保守が容易になる。また、搬入ドアにより、被成膜物の取り出しが容易になる。
【００３６】
【第３実施形態】次に図３を参照して、本発明に係る半導体材料成膜装置の第３実施形態を説明する。半導体材料成膜装置３００において、本実施形態が第１実施形態と異なるのは、図３に示すとおり、図１の上下移動回転移動機構６が省かれた点、ワークコイル保護キャップ３０６、搬入用ドア３１２が設けられた点である。上下移動回転移動機構６を省くに伴い、支持台３０５の形状が変更され、ワークコイル保護キャップ３０６が新たに追加されている。
【００３７】
「実施形態の効果」
第３実施形態において、ワークコイルと被成膜物との最適位置関係を見出し、上下回転機構を省き、ワークコイル保護キャップ３０６を支持台として使用することにより、装置の低コスト化が可能である。又、コイルを容器内部に設置することで、坩堝とワークコイル間をより近づけることが可能となり、加熱効率を上げることが可能となる。また搬入ドアにより、被成膜物の取り出しが容易になる。さらに実施例２では図２の下部蓋２１７を例えば石英製にしなければならないが、実施例３の場合覗き穴３０８を除いた容器３０１を例えばステンレス製に変更でき、より低コストで容器が作製可能でまた保守も容易となる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、、成膜用原料として固体を用いるため、ガス除外装置等、高価なガス保安設備を導入する必要がなく装置の低コスト化が可能である。又、平面螺旋型コイルを使用することで、坩堝を底面から加熱することができ、被成膜物面積、坩堝サイズに関係なく、均一に原料、被成膜物とも加熱できる。さらに、坩堝設計の際に被成膜物収納部の数を増減させることにより、少数から多数の被成膜物を同時処理でき、低コストで半導体材料の成膜を行うことが可能となる。従来のＣＶＤ法による成膜に比較すると高速の成膜が可能であり、特に現在主にＣＶＤ法で行われているワイドバンドギャップ半導体におけるエピタキシャル成長の欠点を充分に補うものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワークコイル容器内部型上下移動回転機構付半導体材料成膜装置の第１実施形態における概略構成の断面図である。
【図２】ワークコイル容器外部型半導体材料成膜装置の第２実施形態における概略構成の断面図である。
【図３】ワークコイル容器外部型の半導体材料成膜装置の第３実施形態における概略構成の断面図である。
【図４】縦型坩堝と縦型ワークコイルを用いた従来の技術を示す図である。
【図５】平面螺旋型コイルを上部から見た図である。
【図６】坩堝、スペーサー及び坩堝蓋の概略図である。
【符号の説明】
１、２１０、３１０、４０７　坩堝蓋
２、２０２、３０２　ガス導入口
３、２０３、３０３、４１１　坩堝
４、２０５、３０５、４０４　支持台
５、２０６、３０７、５０１　平面螺旋型ワークコイル
６　上下移動回転機構
７、３０８　覗き窓
８、２０９、３０９、４０５　熱シールド蓋
９　放射温度計
１０、２１１、３１１、４０６　温度測定用穴
１１、２０１、３０１　容器
１２、２１４、３１３、４０８　被成膜物
１３、２１５、３１４、４０９　スペーサー
１４、２０４、３０４、４０３　熱シールド
１５、２１８、３１６、４１０　固体原料
１６、２１６、３１５　排気口
１００，２００，３００　半導体材料成膜装置
２０７　容器蓋
２０８　上部蓋
２１２　Ｏリング
２１３、３１２　搬入用ドア
２１７　下部蓋
３０６　ワークコイル保護キャップ
４０１　石英管
４０２　ワークコイル
６０１　　坩堝上から見た図
６０１ａ　坩堝横から見た図
６０２　　被成膜物収納部
６０３　　スペーサー上から見た図
６０３ａ　スペーサー横から見た図
６０４　　坩堝蓋
６０５　　スペーサー溝
６０６　　坩堝蓋くびれ部

Claims (6)

1. ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素、ＶＢ族元素のうちの何れかを含む半導体材料において、容器内に、熱シールド材で密閉した坩堝の中で、固体原料と被成膜物を、非常に近距離に向き合わせて密閉空間を作り、高周波誘導加熱を利用して固体原料を昇華温度以上まで加熱し、坩堝中での昇華拡散現象を用いて被成膜物上に成膜することを特徴とする半導体材料成膜装置
2. 平面螺旋型ワークコイルを用いて高周波誘導加熱を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体材料成膜装置
3. 固体原料を被成膜物に成膜することによってエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項１又は２いずれかに記載の半導体材料成膜装置
4. スペーサーを用いて固体原料と被成膜物を非常に近距離に向き合わせることを特徴とし、被成膜物の組成がＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ又はＣであることを特徴とする請求項１、２又は３いずれかに記載の半導体材料成膜装置
5. 坩堝内に固体原料、被成膜物を複数配置し、複数個同時の成膜処理を可能とすることを特徴とした請求項１、２、３又は４いずれかに記載の半導体材料成膜装置
6. スペーサーを用いることにより、坩堝を複数回利用することを可能とした請求項１、２、３、４又は５いずれかに記載の半導体材料成膜装置

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