JP2005109408A - 縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置、ＳｉＣエピタキシャル成長方法及びＳｉＣエピタキシャル成長膜 - Google Patents
縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置、ＳｉＣエピタキシャル成長方法及びＳｉＣエピタキシャル成長膜 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】剥離やクラックの発生が抑制されるサセプタを用いた縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置、この装置を用いたＳｉＣエピタキシャル成長方法及びこれらの装置と方法とを用いて形成されるＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供する。
【解決手段】縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１は、エピタキシャル成長室２と、エピタキシャル成長室２内へガス供給制御するガス供給制御弁３と、エピタキシャル成長室２内をガス供給制御弁３と共に圧力制御する弁４と、エピタキシャル成長室２外壁周辺部に螺旋状に配置されるＲＦコイル５と、エピタキシャル成長室２の中心に配置される角筒形状の黒鉛からなる第１サセプタ８と、第１サセプタ８内部に設けられる角筒形状の黒鉛からなる第２サセプタ９とを備えてなる。高速成長、高精度のエピ膜を得るには、装置１を用いた所定のエピ成長方法を用いる。
【選択図】図１
【解決手段】縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１は、エピタキシャル成長室２と、エピタキシャル成長室２内へガス供給制御するガス供給制御弁３と、エピタキシャル成長室２内をガス供給制御弁３と共に圧力制御する弁４と、エピタキシャル成長室２外壁周辺部に螺旋状に配置されるＲＦコイル５と、エピタキシャル成長室２の中心に配置される角筒形状の黒鉛からなる第１サセプタ８と、第１サセプタ８内部に設けられる角筒形状の黒鉛からなる第２サセプタ９とを備えてなる。高速成長、高精度のエピ膜を得るには、装置１を用いた所定のエピ成長方法を用いる。
【選択図】図１
Description
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）半導体における４Ｈ−ＳｉＣ（４Ｈは六方晶の結晶構造を意味する）エピタキシャル成長に使用する縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置、ＳｉＣエピタキシャル成長方法及びＳｉＣエピタキシャル成長膜（以下、ＳｉＣエピ膜という）に関するものである。特に、厚いＳｉＣエピ膜を作製するための高速のＳｉＣエピタキシャル成長技術（以下、ＳｉＣエピ成長という）に関する。
従来から、ＳｉＣエピ成長は公知となっている。
例えば、下記非特許文献１、２に開示されるものがある。非特許文献１のものは、角筒形状のサセプタを使用したＳｉＣエピ成長である。非特許文献２のものは、分割型の角筒状の本体に設けられた角筒状の断熱材の内壁において、対向するように配置された短冊形サセプタを使用したＳｉＣエピ成長である。
Ａ．Ｅｌｌｉｓｏｎ、Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ａ．Ｈｅｎｒｙ、Ｅ．ｊａｎｚeｎ 「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＳｉＣ ｉｎ ａ ｃｈｉｍｎｅｙ ＣＶＤ ｒｅａｃｔｏｒ」 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２３６ ２００２年 ｐ２２５−２３８ 荒井和雄、吉田貞史 著「ＳｉＣ素子の基礎と応用」、２００３年、ｐ６２
例えば、下記非特許文献１、２に開示されるものがある。非特許文献１のものは、角筒形状のサセプタを使用したＳｉＣエピ成長である。非特許文献２のものは、分割型の角筒状の本体に設けられた角筒状の断熱材の内壁において、対向するように配置された短冊形サセプタを使用したＳｉＣエピ成長である。
Ａ．Ｅｌｌｉｓｏｎ、Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ａ．Ｈｅｎｒｙ、Ｅ．ｊａｎｚeｎ 「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＳｉＣ ｉｎ ａ ｃｈｉｍｎｅｙ ＣＶＤ ｒｅａｃｔｏｒ」 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２３６ ２００２年 ｐ２２５−２３８ 荒井和雄、吉田貞史 著「ＳｉＣ素子の基礎と応用」、２００３年、ｐ６２
しかし、上記非特許文献１、２のものは、肉厚が薄い部分のサセプタ表面やガスの流路であるサセプタ内壁のコーナー部分などにおいて、被覆材の剥離やクラックが発生する場合がある。このような剥離やクラックが発生すると、黒鉛材中に保持されていた窒素、ボロン、アルミニウム、チタン、バナジウムなどの不純物が放出され、ＳｉＣエピ膜に混入してしまい、高純度ＳｉＣエピ膜を作製することはできないこととなる。
そこで、本発明の目的は、サセプタ表面において剥離やクラックの発生が抑制されるサセプタを用いた縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置、この装置を用いたＳｉＣエピタキシャル成長方法を提供することである。また、これらの装置と方法とを用いることにより、高速でエピタキシャル成長し、しかも平坦で、高純度のＳｉＣエピタキシャル成長膜をも提供することである。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、ガスが下から上の方向に流れるように給気口と排気口とが設けられている結晶成長を行うエピタキシャル成長室と、前記エピタキシャル成長室の内部中心に中心軸が上下方向となるように配置され、黒鉛で一体成形されてなる角筒形状の第１サセプタと、前記第１サセプタの内部に設けられ、内壁にＳｉＣウェハが対面して設置可能であって、黒鉛で一体成形されてなる角筒形状の第２サセプタと、前記給気口側に設けられている前記エピタキシャル成長室内へのガスの供給を制御する手段と、前記排気口側に設けられ、前記ガスの供給を制御する手段と共に、前記エピタキシャル成長室内の圧力を制御する弁と、前記エピタキシャル成長室の外壁周辺部に螺旋状に配置されるＲＦコイルとを備えてなる。
上記構成により、第２サセプタが一体成形されてなる角筒形状であるため熱伝導の均一性が良く、均一なエピ膜厚の分布を得ることができる。また、第１サセプタも一体成形されてなる角筒形状であるためにほとんどの過電流が流れて発熱し、第２サセプタは第１サセプタからの熱伝導及び輻射によって間接的に加熱されるため、急激な発熱や急峻な温度変化を防止できる。その結果、ガスの流路となる第２サセプタ内壁の多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。
上記構成により、第２サセプタが一体成形されてなる角筒形状であるため熱伝導の均一性が良く、均一なエピ膜厚の分布を得ることができる。また、第１サセプタも一体成形されてなる角筒形状であるためにほとんどの過電流が流れて発熱し、第２サセプタは第１サセプタからの熱伝導及び輻射によって間接的に加熱されるため、急激な発熱や急峻な温度変化を防止できる。その結果、ガスの流路となる第２サセプタ内壁の多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第１サセプタにおいて、前記第２サセプタのＳｉＣウェハを設置する面方向の前記第１サセプタの壁の厚さｔと、前記厚さｔの壁と垂直な方向の前記第１サセプタの壁の厚さＷとの比ｔ／Ｗが０．８以下であることが好ましく、さらには０．３〜０．６であることが好ましい。
上記構成により、主に発熱は前記第２サセプタのＳｉＣウェハを設置する面方向の第１サセプタの対向する２つの面で起こり、これらの面と垂直な方向で対向する２つの面の発熱は抑制される。その結果、ガス流路となる第２サセプタ内壁、特に、ガス流路の側面とコーナー部での多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。また、厚みの薄い壁面部では電流密度が増加するため、昇温時の加熱効率も良くできる。
上記構成により、主に発熱は前記第２サセプタのＳｉＣウェハを設置する面方向の第１サセプタの対向する２つの面で起こり、これらの面と垂直な方向で対向する２つの面の発熱は抑制される。その結果、ガス流路となる第２サセプタ内壁、特に、ガス流路の側面とコーナー部での多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。また、厚みの薄い壁面部では電流密度が増加するため、昇温時の加熱効率も良くできる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第１サセプタが、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されているものである。この膜厚は、４０μｍ以上であることが好ましい。多結晶ＳｉＣの膜厚については、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。
上記構成により、黒鉛からなる第１サセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶ＴａＣで被覆されている場合には、ＴａＣが高温特性に優れた材料であり、Ｈ2に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
上記構成により、黒鉛からなる第１サセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶ＴａＣで被覆されている場合には、ＴａＣが高温特性に優れた材料であり、Ｈ2に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第２サセプタにおいて、ＳｉＣウェハを設置する壁面同士の幅が３〜３０ｍｍ、好ましくは５〜２５ｍｍであることが好ましい。
上記構成により、ガスを効率よく加熱することができ、十分なガスの分解と供給を行うことができる。また、ＳｉＣエピ膜厚の均一性をよくすることができる。
上記構成により、ガスを効率よく加熱することができ、十分なガスの分解と供給を行うことができる。また、ＳｉＣエピ膜厚の均一性をよくすることができる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第２サセプタが、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されている。これらの膜厚は、４０μｍ以上であることが好ましい。多結晶ＳｉＣの膜厚については、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。
上記構成により、黒鉛からなる第２サセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶ＴａＣで被覆されている場合には、ＴａＣが高温特性に優れた材料であり、Ｈ2に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
上記構成により、黒鉛からなる第２サセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶ＴａＣで被覆されている場合には、ＴａＣが高温特性に優れた材料であり、Ｈ2に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、多結晶ＳｉＣ単体からなり、前記第２サセプタの内壁の全体又は一部を覆い、かつ、内壁にＳｉＣウェハが対面して設置可能な第３サセプタをさらに備えてなることが好ましい。
上記構成により、第２サセプタの内壁の多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣからなる被覆材が破損したとしても、ＳｉＣエピ膜への不純物の混入を防ぐことができる。また、単一材料からなるため第３サセプタ自体を厚くできるので、各サセプタの寿命を大幅に延ばすことができる。これらの結果から、各サセプタを長期間にわたり使用でき、安定して高純度のＳｉＣエピ膜を得ることができる。
また、第３サセプタが上記構成のように設けられることで、第１サセプタと第２サセプタは半永久的に使用できるようになるので、定期的なメンテナンスは第３サセプタの交換のみでよいこととなる。その結果、メンテナンスが簡便であるだけでなく、コストを抑えることができ、さらに黒鉛からなる第１サセプタ及び第２サセプタから放出されるサセプタ交換時の不純物濃度の変動や汚染も抑制できる。
上記構成により、第２サセプタの内壁の多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣからなる被覆材が破損したとしても、ＳｉＣエピ膜への不純物の混入を防ぐことができる。また、単一材料からなるため第３サセプタ自体を厚くできるので、各サセプタの寿命を大幅に延ばすことができる。これらの結果から、各サセプタを長期間にわたり使用でき、安定して高純度のＳｉＣエピ膜を得ることができる。
また、第３サセプタが上記構成のように設けられることで、第１サセプタと第２サセプタは半永久的に使用できるようになるので、定期的なメンテナンスは第３サセプタの交換のみでよいこととなる。その結果、メンテナンスが簡便であるだけでなく、コストを抑えることができ、さらに黒鉛からなる第１サセプタ及び第２サセプタから放出されるサセプタ交換時の不純物濃度の変動や汚染も抑制できる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第２サセプタの内壁の温度を計測する温度計をさらに備え、前記ＲＦコイルの出力を制御する手段が、前記温度計により計測された温度を基に前記ＲＦコイルの出力を制御するものであることが好ましい。
上記構成により、ＳｉＣウェハが設置されるサセプタの内壁の温度を設定した温度に変化させたり、保持したりすることができるので、より確実な温度制御が可能となる。その結果、高純度及び高平坦度でありながら高速成長するＳｉＣエピ膜を確実に得ることが可能な縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を提供できる。
上記構成により、ＳｉＣウェハが設置されるサセプタの内壁の温度を設定した温度に変化させたり、保持したりすることができるので、より確実な温度制御が可能となる。その結果、高純度及び高平坦度でありながら高速成長するＳｉＣエピ膜を確実に得ることが可能な縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を提供できる。
本発明の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、前記第３サセプタの内壁の温度を計測する温度計をさらに備え、前記ＲＦコイルの出力を制御する手段が、前記温度計により計測された温度を基に前記ＲＦコイルの出力を制御するものであることが好ましい。
上記構成により、ＳｉＣウェハが設置されるサセプタの内壁の温度を設定した温度に変化させたり、保持したりすることができるので、より確実な温度制御が可能となる。その結果、高純度及び高平坦度でありながら高速成長するＳｉＣエピ膜を確実に得ることが可能な縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を提供できる。
上記構成により、ＳｉＣウェハが設置されるサセプタの内壁の温度を設定した温度に変化させたり、保持したりすることができるので、より確実な温度制御が可能となる。その結果、高純度及び高平坦度でありながら高速成長するＳｉＣエピ膜を確実に得ることが可能な縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長方法は、上記のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用い、かつ、原料ガスとしてＳｉＨ4ガスと、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス又はＣ3Ｈ8ガス、キャリアガスとしてＨ2ガスをエピ成長中に用いるＳｉＣエピタキシャル成長方法であって、成長温度が１５００〜２２００℃、好ましくは１７００〜１９００℃、成長圧力を５３．３ｋＰａ以下、好ましくは４．０〜１３．３ｋＰａ、原料ガスであるＳｉＨ4ガスとキャリアガスであるＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2を０．１０〜０．９５ｍｏｌ％、好ましくは０．３０〜０．５０ｍｏｌ％とするものである。
上記方法により、ＳｉＨ4の流量を増加しても、効率よくガスが分解されＳｉＣウェハ表面に輸送されるため、高速のＳｉＣエピ成長を容易に得ることができる。
上記方法により、ＳｉＨ4の流量を増加しても、効率よくガスが分解されＳｉＣウェハ表面に輸送されるため、高速のＳｉＣエピ成長を容易に得ることができる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長方法は、上記のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いたＳｉＣエピタキシャル成長方法であって、昇温速度が１００℃／ｍｉｎ以上、昇温時の圧力が６．７〜１０１．３ｋＰａとして、キャリアガスにはＨ2、Ａｒ又はＨｅを用いて、原料ガスにはＣ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガス、ＳｉＨ4ガス、又は、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガスのうち何れか一つの炭化水素ガスとＳｉＨ4ガスとからなる混合ガスを用いて昇温中に供給するものである。
上記方法により、昇温中におけるＳｉＣウェハ表面の表面荒れや異物の付着・形成を抑制し、ＳｉＣエピ成長膜のステップ状表面荒れの発生を防止するので、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
上記方法により、昇温中におけるＳｉＣウェハ表面の表面荒れや異物の付着・形成を抑制し、ＳｉＣエピ成長膜のステップ状表面荒れの発生を防止するので、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長方法は、１２５０〜２２００℃までの範囲、好ましくは１３５０℃から、原料ガスであるＣ3Ｈ8ガスとキャリアガスであるＨ2ガスとの混合ガスの比Ｃ3Ｈ8／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．３ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を供給するものであることが好ましい。さらに、１６００℃以上では、顕著にエッチングやＳｉの蒸発・脱離が発生するため、Ｃ3Ｈ8ガスの供給量を段階的に増加することが好ましい。
上記方法により、微量なＣ3Ｈ8を供給することで、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制することができ、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
上記方法により、微量なＣ3Ｈ8を供給することで、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制することができ、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長方法は、１３００〜２２００℃までの範囲、好ましくは１４５０℃から、原料ガスであるＳｉＨ4ガスとキャリアガスであるＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．９５ｍｏｌ％のＳｉＨ4を供給するものであることが好ましい。さらに、１６００℃以上では、顕著にエッチングやＳｉの蒸発・脱離が発生するため、ＳｉＨ4ガスの供給量を段階的に増加することが好ましい。
上記方法により、微量なＳｉＨ4を供給することで、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制することができ、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
上記方法により、微量なＳｉＨ4を供給することで、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制することができ、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長膜は、上記のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されてなる。
上記構成により、平坦性に優れているＳｉＣエピタキシャル成長膜を容易に得ることができる。
上記構成により、平坦性に優れているＳｉＣエピタキシャル成長膜を容易に得ることができる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長膜は、上記のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されてなる。
上記構成により、平坦性に優れているＳｉＣエピタキシャル成長膜を容易に得ることができる。
上記構成により、平坦性に優れているＳｉＣエピタキシャル成長膜を容易に得ることができる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長膜は、窒素、ボロン、アルミニウム、リンの少なくとも１つによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御される上記のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル成長膜である。
上記構成により、低オン抵抗及び高耐圧のデバイスを作製できるＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供できる。
上記構成により、低オン抵抗及び高耐圧のデバイスを作製できるＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長膜は、上記のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に、２６μｍ／ｈ以上の高速成長において形成した、窒素、ボロン、アルミニウム、リンによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下、好ましくは０．２ｎｍ以下の平坦性に優れるものである。
上記構成により、高純度で平坦性に優れている生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。
上記構成により、高純度で平坦性に優れている生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。
本発明のＳｉＣエピタキシャル成長膜は、上記のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に、２６μｍ／ｈ以上の高速成長において形成した、窒素、ボロン、アルミニウム、リンによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下、好ましくは０．２ｎｍ以下の平坦性に優れるものである。
上記構成により、高純度で平坦性に優れている生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。
上記構成により、高純度で平坦性に優れている生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。
次に、本発明の好適な実施の形態について説明する。まず、本発明の実施の形態に係る縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を示す図であって、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。この縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１は、結晶成長を行うエピタキシャル成長室２と、エピタキシャル成長室２内へのガスの供給を制御するガス供給制御弁３と、エピタキシャル成長室２内の圧力をガス供給制御弁３と共に制御する弁４と、ガス供給制御弁３と弁４とを制御してエピタキシャル成長室２内の圧力を所定値に調整する圧力調整装置１５と、外壁周辺部に螺旋状に配置されるＲＦコイル５と、エピタキシャル成長室２の内部に設けられている円筒型の断熱材６と、エピタキシャル成長室２内壁との間に設けられる一定の厚さの石英チューブ７と、エピタキシャル成長室２の内部中心に配置される角筒形状の黒鉛からなる第１サセプタ８と、この第１サセプタ８内部に設けられる角筒形状の黒鉛からなる第２サセプタ９と、この第２サセプタ９の内壁の温度を計測する温度計１０と、この温度計１０により計測された温度を基に、ＲＦコイル５の出力を制御する出力制御装置１１とを備えてなる。なお、図１の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１のサセプタ９内部には、ＳｉＣウェハ１２が配置されている。
エピタキシャル成長室２は、円筒状であり、その下部と上部には、ガスが下方向から上方向に流れるように給気口２ａと排気口２ｂとが設けられている。給気口２ａからは、キャリアガスとして水素ガス並びにアルゴンガス、ケイ素原料ガスとしてＳｉＨ4（モノシラン）、炭素原料ガスとしてＣ3Ｈ8（プロパン）、Ｃ2Ｈ4（エチレン）並びにＣ2Ｈ2（アセチレン）などが供給される。これらのガスは、第２サセプタ９内部を通過して排気口２ｂから排気される。
ガス供給制御弁３は、給気口２ａ側に設置されており、エピタキシャル成長室２内へのガスの供給制御を行うものである。これにより、第２サセプタ内部のガス流量の調整が可能となる。
弁４は、排気口２ｂ側に設置されており、ガス供給制御弁３と共にエピタキシャル成長室２内の圧力制御を行うものである。この弁４とガス供給制御弁３とは、エピタキシャル成長室２内の圧力が、圧力調整装置１５に設定した圧力値に調整されるように圧力調整装置１５によって制御される。
ＲＦコイル５は、高周波コイルであり、石英チューブ７の外壁から一定の距離をおいて、石英チューブ７を取り巻くように配置されている。このＲＦコイルは、高周波を黒鉛からなる第１サセプタ８に加えて、第１サセプタ８を発熱させることができるものである。
断熱材６は、ＲＦコイル５で加熱された第１サセプタ８から放出される熱が、外部へ漏れないように遮断するものである。
断熱材６は、ＲＦコイル５で加熱された第１サセプタ８から放出される熱が、外部へ漏れないように遮断するものである。
石英チューブ７は、エピタキシャル成長室２の本体であり、図１における給気口２ａ付近から排気口２ｂ付近までの部位が石英で形成されているものである。
第１サセプタ８は、エピタキシャル成長室２の内部中心に中心軸が上下方向となるように配置されている。また、第１サセプタ８は、角筒形状に黒鉛で一体成形されてなるものである。ここで、図１に示すように、第２サセプタ９のＳｉＣウェハ１２を設置する面方向の第１サセプタ８の壁の厚さｔと、厚さｔの壁と垂直な方向の第１サセプタ８の壁の厚さＷとの比ｔ／Ｗは、０．８以下であることが好ましく、さらには０．３〜０．６であることが好ましい。また、第１サセプタ８は、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されているものである。この膜厚は、４０μｍ以上であることが好ましい。多結晶ＳｉＣの膜厚については、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。
第２サセプタ９は、内壁にＳｉＣウェハ１２が対面して設置可能なものであり、ＲＦコイル５で加熱された第１サセプタ８から放出される熱により、間接的に加熱されるものである。また、第２サセプタ９は、角筒形状に黒鉛で一体成形されてなるものである。第２サセプタ９は、ＳｉＣウェハ１２を設置する壁面同士の幅が３〜３０ｍｍ、好ましくは５〜２５ｍｍであり、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されている。これら多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣの膜厚は、４０μｍ以上であることが好ましい。多結晶ＳｉＣの膜厚については、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。
温度計１０は、放射温度計であり、第２サセプタ９の内壁の温度を計測するものである。なお、温度計１０は、第２サセプタ９の内壁の温度を計測できるものであれば、どのようなものでもよい。
出力制御装置１１は、温度計１０で計測された温度を基に、ＲＦコイル５の出力を制御するものである。
出力制御装置１１は、温度計１０で計測された温度を基に、ＲＦコイル５の出力を制御するものである。
次に、縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１の動作について説明する。まず、第２サセプタ９の所定の位置にＳｉＣウェハ１２を設置し、出力制御装置１１に第２サセプタ９内壁の目標温度を設定する。ＲＦコイル５に通電させ、高周波を発生させて黒鉛からなる第１サセプタ８を加熱する。第２サセプタ９は、第１サセプタ８により間接的に加熱され、温度計１０により第２サセプタ９内壁の温度が測定され、この温度が目標温度に到達したと出力制御装置１１が感知すると、この出力制御装置１１により、目標温度を保持するようにＲＦコイル５の出力が制御される。
また、圧力調整装置１５により、エピタキシャル成長室２内の圧力の調整もできる。具体的には、エピタキシャル成長室２内の圧力を図示しない圧力計で測定し、その圧力値が圧力調整装置１５で設定した値となるように、ガス供給制御弁３と弁４とを制御するものである。
また、圧力調整装置１５により、エピタキシャル成長室２内の圧力の調整もできる。具体的には、エピタキシャル成長室２内の圧力を図示しない圧力計で測定し、その圧力値が圧力調整装置１５で設定した値となるように、ガス供給制御弁３と弁４とを制御するものである。
上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１によれば、第２サセプタ９が角筒形状の一体成形であるため熱伝導の均一性が良く、均一なエピ膜厚の分布を得ることができる。また、第１サセプタ８も角筒形状の一体成形であるためにほとんどの過電流が流れて発熱し、第２サセプタ９は第１サセプタ８からの熱伝導及び輻射によって間接的に加熱され、急激な発熱や急峻な温度変化を防止できる。その結果、ガスの流路となる第２サセプタ９内壁の多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。
また、第１サセプタ８は、第２サセプタ９のＳｉＣウェハ１２を設置する面方向の第１サセプタ８の壁の厚さｔと、厚さｔの壁と垂直な方向の第１サセプタ８の壁の厚さＷとの比ｔ／Ｗが０．８以下、好ましくは０．３〜０．６となるように形成される。したがって、主に発熱は第２サセプタ９のＳｉＣウェハ１２を設置する面方向の第１サセプタ８の対向する２つの面で起こり、これらの面と垂直な方向で対向する２つの面の発熱は抑制される。その結果、特にガス流路となる第２サセプタ９内壁での多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離やクラックの発生を抑制できる。また、厚みの薄い壁面部では電流密度が増加するため、昇温時の加熱効率も良くできる。
さらに、第１サセプタ８及び第２サセプタ９が、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されているものであるので、黒鉛からなる第１サセプタ８及び第２サセプタ９に含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶ＴａＣで被覆されている場合には、ＴａＣが高温特性に優れた材料であり、Ｈ2に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
また、第２サセプタ９が、ＳｉＣウェハ１２を設置する壁面同士の幅が３〜３０ｍｍ、好ましくは５〜２５ｍｍであるので、ガスを効率よく加熱することができ、十分なガスの分解と供給を行うことができる。また、ＳｉＣエピ膜厚の均一性をよくすることができる。
加えて、ＲＦコイル５の出力を制御する手段が、温度計１０により計測された温度を基にＲＦコイル５の出力を制御するため、ＳｉＣウェハ１２が設置される第２サセプタ９の内壁の温度を設定した温度に変化させたり、保持したりすることができるので、より確実な温度制御が可能となる。その結果、高純度及び高平坦度でありながら高速成長するＳｉＣエピ膜を確実に得ることが可能な縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１を提供できる。
次に、全体の図示はしないが、本発明に係る別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置について説明する。図２は、本発明に係る別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置のサセプタ部分を示す拡大図である。この別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１の第２サセプタ９の内壁の全体又は一部を覆い、かつ、内壁にＳｉＣウェハ１２が対面して設置可能な第３サセプタをさらに備える点で、上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１と異なる。なお、この第３サセプタ１３は、多結晶ＳｉＣ単体からなるものである。
この別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１と同様の動作を行うことができる。
この別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置は、上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１と同様の動作を行うことができる。
この別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置によれば、上記縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置１と同様の効果が得られる。また、第２サセプタ９の内壁の全体又は一部を覆い、かつ、内壁にＳｉＣウェハ１２が対面して設置可能な多結晶ＳｉＣ単体からなる第３サセプタ１３をさらに備えているので、第２サセプタ９の内壁の多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣからなる被覆材が破損したとしても、ＳｉＣエピ膜への不純物の混入を防ぐことができる。また、単一材料からなるため第３サセプタ１３自体を厚くできるので、各サセプタの寿命を大幅に延ばすことができる。これらの結果から、各サセプタを長期間にわたり使用でき、安定して高純度のＳｉＣエピ膜を得ることができる。
さらに、第１サセプタ８と第２サセプタ９は半永久的に使用できるようになるので、定期的なメンテナンスは第３サセプタ１３の交換のみでよいこととなる。その結果、メンテナンスが簡便であるだけでなく、コストを抑えることができ、さらに黒鉛からなる第１サセプタ９から放出されるサセプタ交換時の不純物濃度の変動や汚染も抑制できる。
次に、上記各実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いたＳｉＣエピタキシャル成長方法について説明する。
まず、第１の方法について説明する。上記各実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置の第２サセプタ９又は第３サセプタ１３の所定の位置にＳｉＣウェハ１２を設置する。このとき、エピ膜がＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されるようにしておくことが好ましい。そして、温度計１０と出力制御装置１１とによりＲＦコイル５の出力を調整しながら、成長温度が１５００〜２２００℃、好ましくは１７００〜１９００℃とする。また、ガス供給制御弁３及び圧力制御弁４によって、成長圧力を５３．３ｋＰａ以下、好ましくは４．０〜１３．３ｋＰａ、原料ガスであるＳｉＨ4ガスとキャリアガスであるＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2を０．１０〜０．９５ｍｏｌ％、好ましくは０．３０〜０．５０ｍｏｌ％となるように調整する。なお、このときＣ3Ｈ8も原料ガスとして供給される。
また、昇温中又はエピ成長中に窒素、ボロン、アルミニウム、リンの少なくとも１つによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御される。
まず、第１の方法について説明する。上記各実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置の第２サセプタ９又は第３サセプタ１３の所定の位置にＳｉＣウェハ１２を設置する。このとき、エピ膜がＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されるようにしておくことが好ましい。そして、温度計１０と出力制御装置１１とによりＲＦコイル５の出力を調整しながら、成長温度が１５００〜２２００℃、好ましくは１７００〜１９００℃とする。また、ガス供給制御弁３及び圧力制御弁４によって、成長圧力を５３．３ｋＰａ以下、好ましくは４．０〜１３．３ｋＰａ、原料ガスであるＳｉＨ4ガスとキャリアガスであるＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2を０．１０〜０．９５ｍｏｌ％、好ましくは０．３０〜０．５０ｍｏｌ％となるように調整する。なお、このときＣ3Ｈ8も原料ガスとして供給される。
また、昇温中又はエピ成長中に窒素、ボロン、アルミニウム、リンの少なくとも１つによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御される。
上記第１の方法によれば、ＳｉＨ4の流量を増加しても、効率よくガスが分解されＳｉＣウェハ１２表面に輸送されるため、高速のＳｉＣエピ成長及び高純度のエピ成長膜を容易に得ることができる。また、ドーピング制御によって、低オン抵抗及び高耐圧のデバイスを作製できるＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供できる。
次に、第２の方法について説明する。上記第１の方法と同様、上記各実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置の第２サセプタ９又は第３サセプタ１３の所定の位置にＳｉＣウェハ１２を設置する。このときも、エピ膜がＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されるようにしておくことが好ましい。そして、出力制御装置１１によって昇温速度が１００℃／ｍｉｎ以上、ガス供給制御弁３及び圧力制御弁４によって昇温時の圧力が６．７〜１０１．３ｋＰａとなるように調整する。キャリアガスにはＨ2、Ａｒ又はＨｅを用いて、原料ガスにはＣ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガス、ＳｉＨ4ガス、又は、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガスのうち何れか一つの炭化水素ガスとＳｉＨ4ガスとからなる混合ガスを用いて昇温中に供給するものでもよい。
また、上記第２の方法において、例えば、原料ガスにＣ3Ｈ8ガス及びＳｉＨ4ガスからなる混合ガス、キャリアガスにＨ2ガスを用いた場合には、１２５０〜２２００℃までの範囲、好ましくは１３５０℃から、ガス供給制御弁３によって、Ｃ3Ｈ8ガスとＨ2ガスとの混合ガスの比Ｃ3Ｈ8／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．３ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を供給するものであること、若しくは、１３００〜２２００℃までの範囲、好ましくは１４５０℃から、ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．９５ｍｏｌ％のＳｉＨ4を供給するものであることが好ましい。
また、上記第２の方法において、例えば、原料ガスにＣ3Ｈ8ガス及びＳｉＨ4ガスからなる混合ガス、キャリアガスにＨ2ガスを用いた場合には、１２５０〜２２００℃までの範囲、好ましくは１３５０℃から、ガス供給制御弁３によって、Ｃ3Ｈ8ガスとＨ2ガスとの混合ガスの比Ｃ3Ｈ8／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．３ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を供給するものであること、若しくは、１３００〜２２００℃までの範囲、好ましくは１４５０℃から、ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上、好ましくは０．００５〜０．９５ｍｏｌ％のＳｉＨ4を供給するものであることが好ましい。
上記第２の方法によれば、昇温中におけるＳｉＣウェハ表面の表面荒れや異物の付着・形成を抑制し、ＳｉＣエピ成長膜のステップ状表面荒れの発生を防止するので、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
また、微量なＣ3Ｈ8又は微量なＳｉＨ4を供給することで、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制することができるので、平坦性に優れるＳｉＣエピ成長膜を提供できる。
さらに、ＳｉＣエピタキシャル成長膜がＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されるので、平坦性に優れているＳｉＣエピタキシャル成長膜を容易に得ることができる。
加えて、ドーピング制御によって、低オン抵抗及び高耐圧のデバイスを作製できるＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供できる。
したがって、上記各実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置や上記第１、第２の方法を用いれば、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に、２６μｍ／ｈ以上の高速成長において形成した、窒素、ボロン、アルミニウム、リンによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下の平坦性に優れたＳｉＣエピタキシャル成長膜を提供することができる。つまり、高純度で平坦性に優れている生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。なお、このＳｉＣエピ膜はパワーデバイスに使用可能なものである。また、このとき得られるＳｉＣエピ膜の典型的な成長速度は、２８〜４４μｍ／ｈである。
実施例１のエピ膜は、図２に示す上記別の実施の形態の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置において、第１サセプタ８の壁厚Ｗを１２ｍｍ、壁厚ｔを４ｍｍ（ｔ／Ｗ比は０．３３）とし、第２サセプタ９の表面全体を厚み１５０μｍの多結晶ＳｉＣで被膜し、さらに、この第２サセプタ９の内壁全体を厚み１ｍｍの多結晶ＳｉＣ材からなる第３サセプタ１３で覆い、この第３サセプタのギャップ幅Ｇを７ｍｍとしたものを用いて、エピ成長させたものである。なお、ＳｉＣウェハ１２の４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面において８度のオフ角を設け、そして昇温速度を１５０℃／分として、成長温度が１７５０℃、成長圧力が１３．３ｋＰａ、Ｃ／Ｓｉ比が０．７５、Ｈ2流量が５リットル／分、ＳｉＨ4／Ｈ2比が０．４ｍｏｌ％、Ｃ3Ｈ8／Ｈ2比が０．１ｍｏｌ％の成長条件で、３時間エピ成長させた。なお、実施例１においては、図２に示すように、ＳｉＣウェハ１２を第３サセプタ１３内壁で対面して配置し、エピ成長させた。以下の各実施例においても同様である。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が３．２〜８．４×１０12ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さ（１０×１０μｍ2当たりの表面粗さ。以下同様）が０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が３．２〜８．４×１０12ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さ（１０×１０μｍ2当たりの表面粗さ。以下同様）が０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
実施例２のエピ膜は、上記実施例１で使用した縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置のＳｉＣ被膜がされた第２サセプタ９を、厚みが５０μｍの多結晶ＴａＣの被膜がされた第２サセプタに代えた装置を用いて、上記実施例１と同条件で３時間エピ成長させたものである。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が５．５〜７．２×１０12ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が５．５〜７．２×１０12ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
実施例３のエピ膜は、上記実施例１と同様の装置を用いて、上記実施例１と同条件の他に、以下の昇温中における原料ガス供給条件を加えてエピ成長させた。つまり、昇温速度を１５０℃／分として、１３５０℃から０．０１ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を導入し、１４００℃から成長温度の１７５０℃まで温度に合わせて指数関数的に濃度を０．０１から０．１０ｍｏｌ％まで増加させ、かつ、１４５０℃から０．０１ｍｏｌ％のＳｉＨ4を導入し、１５００℃から成長温度の１７５０℃まで温度に合わせて指数関数的に濃度を０．０１から０．４０ｍｏｌ％まで増加させ、３時間かけてエピ成長させた。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
比較例１のエピ膜は、上記実施例１で使用した縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置におけるサセプタを、表面全体を厚み１５０μｍの多結晶ＳｉＣで被覆した、壁厚Ｗが１０ｍｍ、壁厚ｔが１０ｍｍ（ｔ／Ｗ比は１）の第１サセプタ８のみのサセプタに代えて、上記実施例１と同条件で３時間エピ成長させたものである。なお、比較例１においては、第１サセプタのギャップ幅を７ｍｍとし、ＳｉＣウェハ１２を第１サセプタ８内壁で対面して配置して、エピ成長させた。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．３〜２．４×１０15ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８〜３０μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．３〜２．４×１０15ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
比較例２のエピ膜は、上記実施例１で使用した縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置におけるサセプタを、表面全体を厚み１５０μｍの多結晶ＳｉＣで被覆した、壁厚Ｗが１２ｍｍ、壁厚ｔが４ｍｍ（ｔ／Ｗ比は０．３３）の第１サセプタ８と、第１サセプタ８内部に対面して配置される短冊型サセプタ１４（図３参照）とからなるサセプタに代えて、上記実施例１と同条件で３時間エピ成長させたものである。なお、比較例２においては、短冊型サセプタ１４のギャップ幅Ｇを７ｍｍとし、ＳｉＣウェハ１２を短冊型サセプタ１４内壁側の面に対面して配置し、エピ成長させた。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．８〜３．６×１０15ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．８〜３．６×１０15ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが０．１３〜０．２５ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
比較例３のエピ膜は、上記実施例１と同様の装置を用いて、３時間エピ成長させたものである。但し、Ｃ3Ｈ8及びＳｉＨ4を全く供給しないという条件で、エピ成長させた。その他の条件は、実施例１と同様である。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが５．４ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが５．４ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
比較例４のエピ膜は、上記実施例１と同様の装置を用いて、上記実施例１と同条件の他に、以下の昇温中における原料ガス供給条件を加えてエピ成長させた。つまり、昇温速度を１５０℃／分として、１２００℃から０．０１ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を導入し、１２５０℃から成長温度の１７５０℃まで温度に合わせて指数関数的に濃度を０．０１から０．１０ｍｏｌ％まで増加させ、かつ、１２５０℃から０．０１ｍｏｌ％のＳｉＨ4を導入し、１３００℃から成長温度の１７５０℃まで温度に合わせて指数関数的に濃度を０．０１から０．４０ｍｏｌ％まで増加させ、３時間かけてエピ成長させた。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが１．６ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが１．６ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
比較例５のエピ膜は、上記実施例１と同様の装置を用いて、上記実施例１と同条件の他に、以下の昇温中における原料ガス供給条件を加えてエピ成長させた。つまり、１６００℃から０．０２ｍｏｌ％のＣ3Ｈ8を導入し、１６００℃から成長温度の１７５０℃まで段階的に０．０２から０．１０ｍｏｌ％まで増加させ、かつ、１７００℃から０．１６ｍｏｌ％のＳｉＨ4を導入し、１７００℃から成長温度の１７５０℃まで段階的に０．１６から０．４０ｍｏｌ％まで増加させ、３時間かけてエピ成長させた。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが３．１ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
上記構成により、成長速度が２８μｍ／ｈであって、アンドープ時の実効ドナー密度及びアクセプタ密度が０．６〜５．０×１０13ｃｍ-3の純度で、１０μｍ以上の厚膜での平均二乗粗さが３．１ｎｍのＳｉＣエピ膜（膜厚５６〜６０μｍ）を得た。
ここで、下記の表１に、サセプタの形状と、サセプタのライフタイム及びＳｉＣエピ膜中の不純物密度との関係を示す。また、図４は、実施例１、２及び比較例１、２におけるサセプタのランニング回数とＳｉＣエピ膜中の不純物密度との関係を示すグラフである。
なお、ＳｉＣエピ膜中の不純物密度（実効ドナー密度及び実効アクセプタ密度）は、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ、容量−電圧）法によって評価したものである。
なお、ＳｉＣエピ膜中の不純物密度（実効ドナー密度及び実効アクセプタ密度）は、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ、容量−電圧）法によって評価したものである。
ＳｉＣエピ層中の不純物密度を評価した結果、実施例１、２のサセプタでは、ＳｉＣエピ層中の不純物の悪化が見られなかった。逆に、比較例１、２では、それぞれ５回（１５時間）および５３回（１５９時間）で多結晶ＳｉＣ被覆材にクラックや剥離が発生し、実効ドナー密度が３×１０16〜１×１０18ｃｍ-3となり、ＳｉＣエピ膜の純度に著しい悪化が見られた。（表１、図４）
このように、比較例１、２において、ｎ型のＳｉＣエピ膜が得られたことは、ドナー型の不純物であるＮ（窒素）の取り込みが増加したことを示唆している。黒鉛サセプタ中のＮ（窒素）が、剥離やクラックを通して流路内に混入したと考えられる。
このように、比較例１、２において、ｎ型のＳｉＣエピ膜が得られたことは、ドナー型の不純物であるＮ（窒素）の取り込みが増加したことを示唆している。黒鉛サセプタ中のＮ（窒素）が、剥離やクラックを通して流路内に混入したと考えられる。
また、従来のサセプタでは、剥離やクラック発生前の不純物密度も約３×１０15ｃｍ-3と比較的に悪く、初回の昇温中において多結晶ＳｉＣ被覆材に微細なマイクロクラックが発生しているものと推測する。
なお、実施例のサセプタをそれぞれ５００回（１５００時間）使用したが、不純物密度の増加は見られず、大幅なサセプタの寿命の向上を達成することができた。（表１、図４）
なお、実施例のサセプタをそれぞれ５００回（１５００時間）使用したが、不純物密度の増加は見られず、大幅なサセプタの寿命の向上を達成することができた。（表１、図４）
よって、本発明で使用したサセプタは、流路内の多結晶ＳｉＣ被覆材の剥離およびクラックの発生を抑制でき、ＳｉＣエピ膜中の不純物密度の低減とサセプタの寿命の向上に効果があると言える。また、本サセプタを使用することによって、長期的に安定して高純度なＳｉＣエピ膜を形成できることが確認できた。
次に、下記の表２に昇温パターンとＳｉＣエピ膜の表面粗さとの関係について示す。実施例３ならびに比較例３、４、および５の昇温時の原料ガス供給条件が表面粗さに及ぼす影響を検証するため、Ｎｏｍａｒｓｋｉ顕微鏡とＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、原子間力顕微鏡）によって、ＳｉＣエピ成長後のＳｉＣエピ膜の表面形態を観察した。また、ＡＦＭによってＳｉＣエピ膜の表面粗さである、１０×１０μｍ2当たりの平均二乗粗さを評価した。
Ｎｏｍａｒｓｋｉ顕微鏡で表面を観察したところ、実施例３と比較例４において、鏡面が観察された。しかし、比較例３と比較例５において、マクロなステップバンチングが観察された。
次に、ＡＦＭで表面粗さを評価したところ、実施例３は０．１５ｎｍ、比較例３は５．４ｎｍ、比較例４は１．６ｎｍならびに比較例５は３．１ｎｍであった。ＡＦＭによる表面観察で実施例３は平坦な表面であったが、比較例４ではステップバンチングが観察された。
次に、ＡＦＭで表面粗さを評価したところ、実施例３は０．１５ｎｍ、比較例３は５．４ｎｍ、比較例４は１．６ｎｍならびに比較例５は３．１ｎｍであった。ＡＦＭによる表面観察で実施例３は平坦な表面であったが、比較例４ではステップバンチングが観察された。
よって、本発明で使用した昇温中における原料ガスの供給条件は、Ｈ2によるＳｉＣウェハのエッチングやＳｉの蒸発・脱離を抑制でき、ステップバンチングの存在しない平均二乗粗さで０．５ｎｍ以下の表面平坦性に優れたＳｉＣエピ膜の作製に効果がある。
したがって、２６μｍ／ｈ以上の高速成長で形成され、かつ、５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下の平坦性に優れたＳｉＣエピ膜を作製できる。つまり、高純度で平坦性に優れ、しかも生産効率のよいＳｉＣエピ膜を提供できる。
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。
本発明に係るＳｉＣエピ膜は、様々な種類のパワーデバイスに用いることができる。
１ エピタキシャル装置
２ エピタキシャル成長室
２ａ 給気口
２ｂ 排気口
３ ガス供給制御弁
４ 圧力制御弁
５ ＲＦコイル
６ 断熱材
７ 石英チューブ
８ 第１サセプタ
９ 第２サセプタ
１０ 温度計
１１ 出力制御装置
１２ ＳｉＣウェハ
１３ 第３サセプタ
１４ 短冊型サセプタ
１５ 圧力調整装置
２ エピタキシャル成長室
２ａ 給気口
２ｂ 排気口
３ ガス供給制御弁
４ 圧力制御弁
５ ＲＦコイル
６ 断熱材
７ 石英チューブ
８ 第１サセプタ
９ 第２サセプタ
１０ 温度計
１１ 出力制御装置
１２ ＳｉＣウェハ
１３ 第３サセプタ
１４ 短冊型サセプタ
１５ 圧力調整装置
Claims (17)
- ガスが下から上の方向に流れるように給気口と排気口とが設けられている結晶成長を行うエピタキシャル成長室と、
前記エピタキシャル成長室の内部中心に中心軸が上下方向となるように配置され、黒鉛で一体成形されてなる角筒形状の第１サセプタと、
前記第１サセプタの内部に設けられ、内壁にＳｉＣウェハが対面して設置可能であって、黒鉛で一体成形されてなる角筒形状の第２サセプタと、
前記給気口側に設けられている前記エピタキシャル成長室内へのガスの供給を制御する手段と、
前記排気口側に設けられ、前記ガスの供給を制御する手段と共に、前記エピタキシャル成長室内の圧力を制御する弁と、
前記エピタキシャル成長室の外壁周辺部に螺旋状に配置されるＲＦコイルと
を備えてなる縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。 - 前記第１サセプタは、前記第２サセプタのＳｉＣウェハを設置する面方向の前記第１サセプタの壁の厚さｔと、前記厚さｔの壁と垂直な方向の前記第１サセプタの壁の厚さＷとの比ｔ／Ｗが０．８以下である請求項１記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 前記第１サセプタが、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されている請求項１又は２に記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 前記第２サセプタは、ＳｉＣウェハを設置する壁面同士の幅が３〜３０ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 前記第２サセプタが、多結晶ＳｉＣ又は多結晶ＴａＣで被覆されている請求項１〜４のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 多結晶ＳｉＣ単体からなり、前記第２サセプタの内壁の全体又は一部を覆い、かつ、内壁にＳｉＣウェハが対面して設置可能な第３サセプタをさらに備えてなる請求項１〜５のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 前記第２サセプタの内壁の温度を計測する温度計をさらに備え、前記ＲＦコイルの出力を制御する手段が、前記温度計により計測された温度を基に前記ＲＦコイルの出力を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 前記第３サセプタの内壁の温度を計測する温度計をさらに備え、前記ＲＦコイルの出力を制御する手段が、前記温度計により計測された温度を基に前記ＲＦコイルの出力を制御する請求項６記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用い、かつ、原料ガスとしてＳｉＨ4ガスと、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス又はＣ3Ｈ8ガス、キャリアガスとしてＨ2ガスをエピ成長中に用いるＳｉＣエピタキシャル成長方法であって、成長温度が１５００〜２２００℃、成長圧力が５３．３ｋＰａ以下、前記ＳｉＨ4ガスと前記Ｈ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2が０．１０〜０．９５ｍｏｌ％であるＳｉＣエピタキシャル成長方法。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いたＳｉＣエピタキシャル成長方法であって、昇温速度が１００℃／ｍｉｎ以上、昇温時の圧力が６．７〜１０１．３ｋＰａとして、キャリアガスにはＨ2、Ａｒ又はＨｅを用いて、原料ガスにはＣ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガス、ＳｉＨ4ガス、又は、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ8ガスのうち何れか一つの炭化水素ガスとＳｉＨ4ガスとからなる混合ガスを用いて昇温中に供給するＳｉＣエピタキシャル成長方法。
- 昇温中の１２５０〜２２００℃までの範囲において、前記Ｃ3Ｈ8ガスと前記Ｈ2ガスとの混合ガスの比Ｃ3Ｈ8／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上の前記Ｃ3Ｈ8を供給する請求項１０記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法。
- 昇温中の１３５０〜２２００℃までの範囲において、前記ＳｉＨ4ガスと前記Ｈ2ガスとの混合ガスの比ＳｉＨ4／Ｈ2が０．０００５ｍｏｌ％以上の前記ＳｉＨ4を供給する請求項１０記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されてなるＳｉＣエピタキシャル成長膜。
- 請求項９〜１２のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に形成されてなるＳｉＣエピタキシャル成長膜。
- 窒素、ボロン、アルミニウム、リンの少なくとも１つによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御される請求項１３又は１４に記載のＳｉＣエピタキシャル成長膜。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の縦型ホットウォールＣＶＤエピタキシャル装置を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に、２６μｍ／ｈ以上の高速成長において形成した、窒素、ボロン、アルミニウム、リンによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下の平坦性に優れたＳｉＣエピタキシャル成長膜。
- 請求項９〜１２のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル成長方法を用いて、ＳｉＣウェハの４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面で０．１〜１０°のオフ角を設けたもの、６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）面のいずれかの上に、２６μｍ／ｈ以上の高速成長において形成した、窒素、ボロン、アルミニウム、リンによって５×１０12〜３×１０19ｃｍ-3の範囲でドーピング制御され、かつ、１０μｍ以上の厚膜における二乗平均粗さが０．５ｎｍ以下の平坦性に優れたＳｉＣエピタキシャル成長膜。
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