JP2006303152A - エピタキシャル成膜装置およびエピタキシャル成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々なプロセス条件で膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性が良好なＳｉＣエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル成膜装置を提供する。
【解決手段】材料ガス３０を、反応炉２内のサセプタ５とグラファイト板９の間の領域に、サセプタ５上に載置されたＳｉＣウェハ２０の平面方向で反応炉２の内壁に沿う方向に層流で周回するように供給口７から供給する。ＳｉＣウェハ２０の温度は、パイロメータ１１の検出温度に基づき、反応炉２の外部に設けた高周波コイル６とハロゲンランプ１０によって制御する。材料ガス３０がＳｉＣウェハ２０の表面領域を周回することにより、エピタキシャル成膜装置１にウェハ回転機構を設けることなく、ＳｉＣウェハ２０に様々なプロセス条件で膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性の良いＳｉＣエピタキシャル膜を形成することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明はエピタキシャル成膜装置およびエピタキシャル成膜方法に関し、特に炭化珪素（ＳｉＣ）やシリコン（Ｓｉ）等のエピタキシャル膜の形成に用いられるエピタキシャル成膜装置およびエピタキシャル成膜方法に関する。

現在の半導体装置の材料としてはＳｉが主流であるが、今後は特に電力用半導体装置等の分野でＳｉＣへの置き換えが進むと予想されている。しかしながら、半導体装置を形成するに当たってＳｉＣをエピタキシャル成長によって成膜する場合、成膜時に発生することのあるマイクロパイプやスタッキングフォルトといった結晶欠陥を確実に防ぐことのできる有効な手段がないのが現状である。結晶品質が高く、かつ、１ウェハ面内および複数ウェハ間で膜厚の均一性やドープした不純物の濃度の均一性が良好なＳｉＣエピタキシャル膜の安定的な形成手段が強く要望されている。

従来、半導体のエピタキシャル成膜装置としては、管状炉内にウェハを配置しそこに材料ガスを一方向に流通させて成膜を行うものや、材料ガス流通下の炉内でウェハを回転させながら成膜を行うもの等、様々な形態のものが開発されており、さらに改良も進められている。例えば、Ｓｉエピタキシャル膜の形成に用いるエピタキシャル成膜装置に関し、ウェハ回転機構を設けたときにそのウェハ回転機構のパージ用ガスがＳｉエピタキシャル成長中のウェハにも流れることで発生する金属汚染を回避するため、材料ガスの排気口とは別にパージ用ガスの排気口を設けたもの等が提案されている（特許文献１参照）。

なお、ＳｉやＳｉＣを堆積して成膜を行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に関しては、一方向に材料ガスを流通させたときにチャンバ内の温度分布に起因して材料ガスの流れに乱れが生じてしまうのを回避する目的で、チャンバを一端が閉じた外管と両端が開いた内管で構成し、内管内壁にウェハを配置してそこに一方向から材料ガスを流通させ、その後その材料ガスを外管閉端の内壁に沿って内管外側へ導き、装置外部に排出するようにしたもの等も提案されている（特許文献２参照）。
特開平７−２２１０２２号公報 特開２００２−２５２１７６号公報

しかし、従来のエピタキシャル成膜装置によってＳｉＣエピタキシャル膜を形成しようとする場合には、その結晶品質、膜厚均一性、不純物濃度均一性のほか、温度や圧力等のプロセス条件の範囲の広さ等を同時に高次元で満足することができないという問題点があった。

例えば、管状炉内にウェハを配置してそこに材料ガスを一方向に流通させて成膜を行う構成の装置では、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合に限らずＳｉエピタキシャル膜を形成する場合であっても、ホットウォール型かコールドウォール型かに関わらず材料ガスの上流と下流で膜厚均一性、不純物濃度均一性に差が生じる。これは、上流から順に材料ガスがウェハに結晶化していき、下流にいくに従って材料ガスの組成が少しずつ変化してしまうためであり、原理的に避けられない問題であった。

また、Ｓｉやガリウム砒素（ＧａＡｓ）等のエピタキシャル成長では、その膜質や膜厚の均一性を高めるために、エピタキシャル成膜装置内にウェハの回転機構を設け、１０ｒｐｍ〜５０ｒｐｍ程度の回転速度で回転させながら成膜を行うのが一般的である。しかし、ＳｉＣのエピタキシャル成長では、その成長温度が低いときでも１５００℃、高いときには２０００℃を超えるため、エピタキシャル成膜装置内にウェハ回転機構を設けること自体構成上難しいという問題があった。

ＳｉＣエピタキシャル膜を形成するＳｉＣウェハが載置されるサセプタは、一般にグラファイト製のものが使用されるが、これに回転軸として石英ガラスを接続すれば、使用に伴いその石英ガラスが少しずつ変形し、数十〜数百時間の運転ごとに交換が必要になってくる。一方、サセプタに接続する回転軸をサセプタ同様グラファイトで形成すると、熱伝導によって反応炉の外で回転軸を支える部品にまで高温の熱が伝わり、例えば磁気シールチャック等の気密保持機構や回転用モータ等が破壊されてしまう可能性がある。また、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）といった高温域に強い金属を回転軸に用いると、ＳｉＣウェハやＳｉＣエピタキシャル膜に金属汚染が発生する可能性が高くなってしまい、たとえ金属汚染の発生を抑えることのできる構造にしたとしても装置コストが高くなってしまうという問題が残る。

このように、ウェハ回転機構を設けた従来のエピタキシャル成膜装置では、Ｓｉエピタキシャル膜等の形成時には問題にならなかったが、ＳｉＣエピタキシャル膜の形成時等サセプタが非常に高温になるような場合にはそれを保持するための機構を実現することが難しい。そのため、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成しようとする場合にも、その成長温度をせいぜい１５００℃〜１６００℃程度までしか上げることができない。その結果、１８００℃〜２０００℃強の高温域でのＳｉＣエピタキシャル膜の形成は行えず、プロセス条件の範囲が狭くなるため、所望の性質のＳｉＣエピタキシャル膜を形成することが難しかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、様々なプロセス条件で膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性が良好な種々のエピタキシャル膜を形成することのできるエピタキシャル成膜装置およびエピタキシャル成膜方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜装置において、円筒状の内壁を有する反応炉と、前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記内壁と略直交する方向になるようにウェハが載置されるサセプタと、前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する第１の加熱手段と、前記ウェハの前記エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって前記反応炉の内壁に沿う方向に周回するように材料ガスを前記反応炉内に供給する供給口と、前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、を有することを特徴とするエピタキシャル成膜装置が提供される。

このようなエピタキシャル成膜装置によれば、反応炉が円筒状の内壁を有しており、ウェハは、エピタキシャル膜を形成する面の平面方向が反応炉の内壁と略直交する方向になるようにサセプタ上に載置される。ウェハは、第１の加熱手段で加熱され、反応炉内には材料ガスが、ウェハのエピタキシャル膜形成面に略平行な方向であって反応炉の内壁に沿う方向に周回するように、供給口から供給され、ウェハにエピタキシャル膜が形成される。反応炉内に残った材料ガスは排気口から排気される。材料ガスが反応炉内を所定方向に周回することにより、ウェハには膜質や膜厚等の均一性の良いエピタキシャル膜が形成され、エピタキシャル成膜装置にはウェハ回転機構が不要になる。よって、静止しているウェハに対し、エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって、かつウェハ面上を周回するように供給される材料ガスでエピタキシャル膜の形成を行うことができるようになる。

また、本発明では上記問題を解決するために、エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜装置において、管状の反応炉と、前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記反応炉の内壁と略平行になるようにウェハが載置されるサセプタと、前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する加熱手段と、前記反応炉の両端側からそれぞれ材料ガスを供給する供給口と、前記反応炉の管壁に設けられて前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、を有することを特徴とするエピタキシャル成膜装置が提供される。

このようなエピタキシャル成膜装置によれば、ウェハが、エピタキシャル膜を形成する面の平面方向が管状反応炉の内壁と略平行になるようにサセプタ上に載置され、加熱手段で加熱される。その管内には材料ガスがその両端側からそれぞれ例えば適当なタイミングで供給されてウェハにエピタキシャル膜が形成され、管内に残る材料ガスは排気口から排気される。材料ガスが反応炉の両端側からそれぞれ供給されることにより、管内を一方向に流す場合と異なり、ウェハには膜質や膜厚等の均一性の良いエピタキシャル膜が形成され、エピタキシャル成膜装置にはウェハ回転機構が不要になる。よって、静止しているウェハに対し、エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって、かつウェハ面上を異なる方向から交互に供給される材料ガスでエピタキシャル膜の形成を行うことができるようになる。

本発明のエピタキシャル成膜装置は、ウェハ回転機構を設けることなくウェハに膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性の良好なエピタキシャル膜を形成することができる。したがって、１５００℃を大きく上回るような高温でもエピタキシャル膜の形成が行え、Ｓｉエピタキシャル膜をはじめ、ＳｉＣエピタキシャル膜等の種々のエピタキシャル膜を様々なプロセス条件で形成することが可能になる。

その結果、ＳｉＣを用いた高品質かつ高性能の半導体装置を歩留まり良く製造することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合を例に、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。

図１は第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の図１のＢ−Ｂ位置における矢視断面模式図、図４は第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部平面模式図である。

図１に示すエピタキシャル成膜装置１は、石英ガラス製の反応容器２ａと、同じく石英ガラス製の蓋２ｂを備えた反応炉２を有しており、蓋２ｂがＯリング３を介して反応容器２ａに取り付けられて反応炉２内が密閉されるようになっている。この反応炉２は、その全体形状が、側部に円筒状の内壁を有すると共に上部に丸みを帯びた略ドーム状になるように構成されている。このように反応炉２を、円筒型ではなくドーム型とすることにより、減圧雰囲気でＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合にも反応炉２が大気圧で押しつぶされないようになっている。

反応容器２ａ内の底部には、断熱材４を介して、例えばグラファイト製のサセプタ５が設置されており、このサセプタ５上に、ＳｉＣエピタキシャル膜が形成されるＳｉＣウェハ２０が載置されるようになっている。ＳｉＣウェハ２０は、ＳｉＣエピタキシャル膜が形成される面の平面方向が反応容器２ａの内壁にほぼ直交する方向となるよう、サセプタ５上に載置される。

サセプタ５には、ザグリ加工が施されていて、図１および図２に示すように、ＳｉＣウェハ２０の口径よりも直径が例えば数ｍｍ程度大きなザグリ５ａが形成されている。ＳｉＣウェハ２０は、このザグリ５ａの部分に載置される。なお、このエピタキシャル成膜装置１は、１度に複数枚、ここでは図３に示すように３枚のＳｉＣウェハ２０のバッチ処理が行えるようになっている。

サセプタ５を構成する上で、ＳｉＣウェハ２０の表面高さとサセプタ５の表面高さとは、図２に示した段差Ｌが１ｍｍ以下、望ましくは３００μｍ以下になるようにする。これは、後述のように材料ガス３０はＳｉＣウェハ２０の表面領域においてＳｉＣエピタキシャル膜形成面とほぼ平行な方向に層流で流されるが、その層流をＳｉＣウェハ２０とサセプタ５との間の段差によって乱さないようにするためである。

また、反応容器２ａの底部周辺には、反応炉２内に供給された材料ガス３０およびＳｉＣウェハ２０を加熱するための高周波コイル６が設置されている。エピタキシャル成膜装置１は、この高周波コイル６の出力、および後述するハロゲンランプ１０等のヒータの出力を制御することによって、ＳｉＣウェハ２０を約１５００℃〜約２２００℃程度に加熱できるようになっている。

反応容器２ａには、材料ガス３０がほぼ水平に所定の方向に向かって供給されるように設けた供給口７が複数箇所、ここでは図３に示したように互いに１２０°角度をずらした３箇所に設けられ、反応炉２内に３方向から材料ガス３０の供給が行えるようになっている。図３中、時計回り方向の矢印は、材料ガス３０の流れ方向を示している。このように、エピタキシャル成膜装置１では、各供給口７をそこから供給された材料ガス３０が反応容器２ａの内壁に沿う方向に流れるように設け、さらにその流量等を適当に設定することにより、材料ガス３０が反応炉２内のＳｉＣウェハ２０の表面領域を層流で周回するような構成とする。そして、このようにして供給された材料ガス３０が反応炉２内を周回しながらＳｉＣウェハ２０の表面でエピタキシャル成膜反応に用いられる。これにより、ＳｉＣウェハ２０を機械的な機構で回転させることなく、ＳｉＣウェハ２０上に均一性良くＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができるようになっている。

さらに、反応容器２ａには、断熱材８およびその内側のグラファイト板９が、供給口７よりも上（蓋２ｂ側）でサセプタ５から数ｃｍ〜数十ｃｍ離れた位置に、サセプタ５と平行に設けられている。このようにグラファイト板９を配置することにより、供給口７から反応炉２内を周回するように供給された材料ガス３０がＳｉＣウェハ２０の表面領域に多く留められ、また、反応炉２内を周回する材料ガス３０の流れが蓋２ｂ側に大きく乱れないようになっている。

グラファイト板９は、反応容器２ａの外側に設けた高周波コイル６および蓋２ｂの外側に設けたハロゲンランプ１０によって加熱されるようになっている。また、蓋２ｂの上部外側の中央部には、ＳｉＣウェハ２０の表面温度をモニタするためのパイロメータ１１が設置されている。グラファイト板９を加熱するハロゲンランプ１０は、図４に示すように、パイロメータ１１を中心にして環状に複数個、ここでは８個設置されている。

ＳｉＣエピタキシャル膜の形成時には、ＳｉＣウェハ２０の面内温度分布および異なるＳｉＣウェハ２０間の温度分布の均一性を維持するため、複数点の表面温度がパイロメータ１１によって検出されるようになっている。そのため、反応炉２内のグラファイト板９には、パイロメータ１１の視線（図１中点線）を確保するために、ＳｉＣウェハ２０の表面温度のモニタ箇所と同数の細孔９ａが設けられている。

ここで、グラファイト板９より下のＳｉＣウェハ２０側の領域に供給された材料ガス３０がその細孔９ａを通過してグラファイト板９より上の蓋２ｂ側に流入しその内壁等に多結晶ＳｉＣが付着すると、パイロメータ１１による温度検出が不正確になり、また、ハロゲンランプ１０による加熱効果も失われる。

これを防ぐため、このエピタキシャル成膜装置１では、反応容器２ａのグラファイト板９より上の位置に、微量の水素（Ｈ₂）またはアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス（「圧調整用ガス」という。）４０を供給するための供給口１２が設けられている。供給口１２から圧調整用ガス４０を供給することで、グラファイト板９の上下の領域間に例えば数Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２Ｐａ）の微差圧を生じさせ、圧調整用ガス４０が上から下へ流れるようにして、材料ガス３０が下から上へ流れるのを防ぐようにしている。

その際、圧調整用ガス４０の流量は、サセプタ５およびＳｉＣウェハ２０の表面領域における材料ガス３０の層流を乱さぬよう、数ｓｃｃｍ〜数百ｓｃｃｍ程度（１ｓｃｃｍ＝１ｍＬ／ｍｉｎ，０℃，１０１．３ｋＰａ）の微量にする。ただし、反応炉２の容積によって圧調整用ガス４０の流量の最適値は変動する。

なお、一般に窒素（Ｎ₂）は不活性ガスとして多用されるが、このようなＳｉＣエピタキシャル膜の形成時には後述のようにＮ₂がｎ型のドーパントとしてはたらくため、圧調整用ガス４０に用いることはできない。

パイロメータ１１は、グラファイト板９の細孔９ａを通してＳｉＣウェハ２０の複数点の表面温度を検出し、エピタキシャル成膜装置１は、１枚のＳｉＣウェハ２０面内および異なるＳｉＣウェハ２０間の温度分布が均一になるよう、高周波コイル６およびハロゲンランプ１０の出力に対しＰＩＤ制御等のフィードバック制御を行う。ＳｉＣウェハ２０は、全体的な温度が主に高周波コイル６の出力によって制御され、局所的な温度が主にハロゲンランプ１０の出力によって制御されるようになっている。

その際、各ハロゲンランプ１０の出力は、ＳｉＣウェハ２０の特定領域の温度が設定値より低くなったときにその特定領域直上のグラファイト板９を局所的に加熱してグラファイト板９からの輻射熱でＳｉＣウェハ２０の特定領域を昇温させるように制御される。このようにエピタキシャル成膜装置１では、各ハロゲンランプ１０の出力がそれぞれフィードバック制御されることで、グラファイト板９を介してＳｉＣウェハ２０面内の温度分布、および異なるＳｉＣウェハ２０間の温度分布が均一に保たれるようになっている。

反応炉２内に供給口７から供給される材料ガス３０としては、例えば、Ｈ₂をキャリアガスとし、モノシラン（ＳｉＨ₄）やプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）等の原料ガス、ドーパントとしてｎ型の場合にはＮ₂、ｐ型の場合にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を含むガスが用いられる。３方向の供給口７から反応炉２内に供給された材料ガス３０は、加熱されたサセプタ５とグラファイト板９の間の領域をＳｉＣウェハ２０の表面領域を層流で周回し、排気されるまでの間、ＳｉＣウェハ２０の表面でエピタキシャル成膜反応が行われる。材料ガス３０がＳｉＣウェハ２０の表面領域で層流になるようにするのは、形成されるＳｉＣエピタキシャル膜の膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性を確保するためである。そのためにエピタキシャル成膜装置１では、供給口７の個数とその配置、供給口７からの材料ガス３０の流量、そして後述する排気口１７の配置等が適切に設定されている。

また、図３に示したように、このエピタキシャル成膜装置１には、供給口７に、反応炉２へ供給する前の材料ガス３０を予備加熱するための予備加熱用ヒータ１３が設けられている。このような予備加熱用ヒータ１３を設けることにより、サセプタ５、ＳｉＣウェハ２０、グラファイト板９が新たに供給されてくる材料ガス３０によって冷却されてそれらの温度分布の均一性等が損なわれてしまうのを最小限に抑えることが可能になっている。さらに、供給口７にはインジェクションバルブ１４が設けられており、その先がＯリング１５を介して材料ガス３０の供給ラインであるＳＵＳ管１６に接続されている。このような材料ガス３０の供給口７と同様、圧調整用ガス４０の供給口１２にも予備加熱用ヒータおよびインジェクションバルブが設けられており、その先はＯリングを介して圧調整用ガス４０の供給ラインに接続されている。

なお、材料ガス３０の予備加熱は、約２００℃〜約３００℃の範囲に調整され、現状では３００℃を上回らない温度で行うことが望ましい。第１の理由は、ＳｉＨ₄の自己分解が２５０℃程度から始まるとされている点にある（ＭＳＤＳデータシート参照）。ＳｉＨ₄の化学的性質や反応性はその取扱いの難しさから正確にわかっていない点も多いが、２５０℃から徐々に分解が始まり３００℃までは緩やかに分解反応が進行すると考えられる。しかし、３００℃を上回るとＳｉＨ₄の自己分解が激しくなると予想され、その場合、その取扱いが非常に難しくなる。また、第２の理由は、Ｏリング１５の耐熱温度が現状では３００℃を少し上回る程度である点にある。

ただし、材料ガス３０を、ジシラン（ＳｉＨ₆）、モノクロロシラン（ＳｉＨ₃Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ₄）等のより自己分解しにくいガスに代えることによって予備加熱温度を高めることも可能である。また、Ｏリング１５に代えてガスケット等の耐熱性に優れた気密保持機構を導入することによって予備加熱温度を高めることも可能である。

グラファイト板９より下の領域の材料ガス３０およびこれに微量含まれる圧調整用ガス４０は、図１および図３に示したように、断熱材４およびサセプタ５の中央部に設けられた貫通孔５ｂを介して排気口１７から排気されるようになっている。排気口１７は、流量調整バルブを通してＳＵＳ配管にＯリングを介して接続され、さらに下流で減圧用のドライポンプまたはターボポンプに接続されている。また、材料ガス３０の供給前は、この排気口１７から反応炉２内のガスを排気できるようになっている。

このような構成のエピタキシャル成膜装置１によってＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合には、まずサセプタ５上にＳｉＣウェハ２０を載置して反応炉２内を減圧し、パイロメータ１１で温度を検出しながら高周波コイル６およびハロゲンランプ１０によってＳｉＣウェハ２０の加熱を行う。そして、さらにＳｉＣウェハ２０の温度制御を行いながら、予備加熱した材料ガス３０を供給口７から所定方向に所定流量で反応炉２内に供給すると共に、予備加熱した圧調整用ガス４０を供給口１２から所定流量で反応炉２内に供給する。供給口７から供給された材料ガス３０は、反応炉２内で加熱され、ＳｉＣウェハ２０の表面領域を層流で周回する。そして、その際、材料ガス３０はエピタキシャル成膜反応に用いられ、残りは排気口１７から反応炉２の外部に排気される。なお、ＳｉＣエピタキシャル膜形成前後のＳｉＣウェハ２０の出し入れには、蓋２ｂを開けてから清浄なテフロン（登録商標）製のピンセット等を用いたり、非接触型のベルヌーイチャック式の搬送装置を用いたりすることができる。

このようなＳｉＣエピタキシャル膜の形成は、例えば次のようなプロセス条件で行うことが可能である。
気圧：２０Ｔｏｒｒ〜７０Ｔｏｒｒ
キャリアＨ₂流量：５ｓｌｍ〜４０ｓｌｍ（１ｓｌｍ＝１Ｌ／ｍｉｎ，０℃，１０１．３ｋＰａ）
ＳｉＨ₄流量：０．４ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ
Ｃ₃Ｈ₈流量：０．２ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍ
Ｎ₂流量：０．０４ｓｃｃｍ〜２ｓｃｃｍ
ＴＭＡ流量：０．０００６ｓｃｃｍ〜０．０３ｓｃｃｍ
ウェハ温度：１５００℃〜２２００℃
ただし、材料ガス３０を構成する各ガスの流量は、３箇所の各供給口７から供給する量の合計で示している。また、キャリアＨ₂を除く各ガスの流量は実流量であり、実際はＨ₂ベースで１０％程度に希釈して供給される。したがって、Ｈ₂の実流量は、キャリアＨ₂の流量に希釈Ｈ₂の流量分を足したものになる。

以上説明したように、第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置１によれば、機械的なウェハ回転機構を用いることなく膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性の良いＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができる。さらに、ウェハ回転機構を設けないため、１５００℃〜１６００℃を大きく上回る高温でＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができる。また、ＳｉＣウェハ２０を高周波コイル６で加熱すると共に、ハロゲンランプ１０によってグラファイト板９を介して局所的に加熱するようにしたので、ＳｉＣウェハ２０面内および異なるＳｉＣウェハ２０間の温度を適正に制御することができる。それにより、様々なプロセス条件で膜質、膜厚、不純物濃度等の均一性に優れた所望のＳｉＣエピタキシャル膜を安定的に形成することができるようになる。

また、このエピタキシャル成膜装置１は、バッチ式であるため、複数枚のＳｉＣウェハ２０のそれぞれに対して効率的に所望のＳｉＣエピタキシャル膜を形成することが可能である。

さらに、このエピタキシャル成膜装置１では、ウェハ回転機構を設けず、また、圧調整用ガス４０を利用する等して反応炉２内壁の不要なＳｉＣ付着を抑えるようにしているため、メンテナンス周期を長くすることができる。

なお、以上の説明では、１度に３枚のＳｉＣウェハ２０をバッチ処理するエピタキシャル成膜装置１を例にして述べたが、１度の処理枚数は３枚に限定されるものではなく、サセプタ５の直径を大きくする等して４枚以上並べるようにしても構わない。サセプタ５の形態（ザグリ５ａの寸法や個数等）は、ＳｉＣウェハ２０の口径や１バッチの処理枚数に応じて変更可能である。

また、ここでは、反応炉２の３箇所に設けた供給口７によって材料ガス３０を反応炉２内に３方向から供給するようにしたが、供給口７を３箇所以上に設けて３方向以上から材料ガス３０を供給するようにしても構わない。

また、ここでは、８個のハロゲンランプ１０をパイロメータ１１を中心にして環状に設けたが、その個数は必要に応じて増減してよく、また、その配置の仕方もパイロメータ１１を中心に同心円状に並べるようにしてもよい。例えば、１２個のハロゲンランプ１０を、内側の円周上に４個配置し、外側の円周上に８個配置する、といったことも可能である。また、ハロゲンランプ１０は比較的安価で高出力であるが、輻射型のヒータであればハロゲンランプ１０以外のものを使用しても構わない。

次に、第２の実施の形態について説明する。
図５は第２の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図、図６は第２の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の図５のＣ−Ｃ位置における矢視断面模式図である。ただし、図５および図６では、図１および図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。

図５および図６に示すエピタキシャル成膜装置５０は、枚葉式で１枚ずつＳｉＣウェハ２０の処理を行う構成としている点で、複数枚のＳｉＣウェハ２０をバッチ式で処理する構成とした上記第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置１と相違する。

この第２の実施の形態のエピタキシャル成膜装置５０では、枚葉式で処理を行うため、中央部にザグリ５１ａが形成されたサセプタ５１が用いられ、そこにＳｉＣウェハ２０が１枚載置される。サセプタ５１とＳｉＣウェハ２０との段差は、上記第１の実施の形態と同様、ＳｉＣウェハ２０の表面領域を層流で周回する材料ガス３０の流れを乱さないよう、所定の範囲に抑えられる。サセプタ５１に対向して配置されたグラファイト板５２には、サセプタ５１上に載置された１枚のＳｉＣウェハ２０のパイロメータ１１による温度検出用に複数の細孔５２ａが設けられている。なお、ＳｉＣウェハ２０の温度制御は、上記第１の実施の形態と同様の方法で、パイロメータ１１、高周波コイル６、ハロゲンランプ１０を用いて行われる。

また、このような枚葉式のエピタキシャル成膜装置５０の場合、ＳｉＣウェハ２０をサセプタ５１の中心部に配置するため、上記第１の実施の形態のバッチ式のエピタキシャル成膜装置１で排気口１７に通じる貫通孔５ｂをサセプタ５の中心部に設けたのと異なり、反応炉２内に供給された材料ガス３０および微量含まれる圧調整用ガス４０の排気口５３が炉壁の複数箇所に設けられている。このように反応炉２の炉壁に排気口５３を設ける場合には、図６に示したように、各供給口７の付近に、反応炉２内を層流で周回する材料ガス３０の流れを乱さないようにスムーズに排気されていくような向きで設けることが望ましい。図５、図６では、供給口７と排気口５３の構造が理解しやすいように、ＳｉＣウェハ２０の方向から見た高さを変えて配置している。このように供給口７と排気口５３の高さを変えていても材料ガス３０の流れが乱されなければ問題ない。より望ましくは、供給口７と排気口５３の高さをＳｉＣウェハ２０の方向から見て同一平面とするのがよい。

このような構成のエピタキシャル成膜装置５０によっても、機械的なウェハ回転機構を用いることなく高温でＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができ、かつ、適正な温度制御によって膜質や膜厚等の均一性に優れたＳｉＣエピタキシャル膜を安定的に形成することができる。また、このような枚葉式のエピタキシャル成膜装置５０は、バッチ式に比べサセプタ５１の直径を小さくすることができるので、全体的な寸法を小さくすることが可能になる。

なお、以上の説明では、反応炉２の３箇所に設けた供給口７に対応して３箇所に排気口５３を設けたが、供給口７、排気口５３共に３箇所以上に設けて材料ガス３０の供給、排気を行うようにしても構わない。また、上記第１の実施の形態と同様、ハロゲンランプ１０その他ヒータの個数や配置等は適当に変更して構わない。

次に、第３の実施の形態について説明する。
図７は第３の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図である。ただし、図７では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。

図７に示すエピタキシャル成膜装置６０は、石英管の反応炉６１を有しており、その内面の所定領域に断熱材６２が周設され、さらにその断熱材６２の内側にサセプタ６３が周設されている。サセプタ６３には、一部にここでは２つのザグリ６３ａが形成されており、そこにＳｉＣウェハ２０が１枚ずつ載置されるようになっている。なお、サセプタ６３とＳｉＣウェハ２０との段差は、反応炉６１内に流通する材料ガス３０の流れを乱さないよう、所定の範囲に抑えられている。また、反応炉６１の外周には、ＳｉＣウェハ２０および供給後の材料ガス３０を加熱するための高周波コイル６４が設置されている。ＳｉＣウェハ２０は、この高周波コイル６４により、約１５００℃〜約２２００℃程度まで加熱できるようになっている。

反応炉６１の両端は、それぞれ材料ガス３０の供給ラインに接続されており、インジェクションバルブ、予備加熱領域を経て、ＳｉＣウェハ２０まで材料ガス３０を供給する供給口になっている。また、反応炉６１には、断熱材６２およびサセプタ６３が設置されている領域外の２箇所に排気口６５が設けられており、材料ガス３０は、反応炉６１の両端側から供給され、排気口６５から排気されるようになっている。

このようにエピタキシャル成膜装置６０では、材料ガス３０が管状の反応炉６１の両端側からそれぞれ供給できるようになっている。すなわち、その一端Ｄ側からも、他端Ｅ側からも、材料ガス３０の供給が行える。実際に成膜を行う際には、Ｄ側からの材料ガス３０の供給とＥ側からの材料ガス３０の供給をそれぞれ適当なタイミングで行うようにする。

図８および図９は材料ガスの供給量と供給時間の関係を示す図である。なお、図８および図９において、点線はＤ側からの材料ガス３０の供給量と供給時間の関係を示し、鎖線はＥ側からの材料ガス３０の供給量と供給時間の関係を示している。

エピタキシャル成膜装置６０において、材料ガス３０は、図８に示すように、Ｄ，Ｅ側からそれぞれ矩形パルスで供給し、ＳｉＣウェハ２０の表面領域への材料ガス３０の供給が重複せず、かつ、途切れないように供給する。そして、供給された材料ガス３０の排気は、例えば、材料ガス３０がそれぞれＤ，Ｅ側から供給されてＳｉＣウェハ２０の表面領域を通過してから排気口６５に到達するまでの時間分のタイムラグをおき、Ｄ，Ｅ側からの材料ガス３０の供給と同位相のタイミングで行う。排気に使用する排気口６５は、材料ガス３０がＤ，Ｅ側のいずれから供給されたかに応じて、バルブ６６の開閉により制御される。例えば、材料ガス３０がＤ側から供給されたときにはＳｉＣウェハ２０を挟んだＥ側の排気口６５のみから排気を行い、材料ガス３０がＥ側から供給されたときにはＳｉＣウェハ２０を挟んだＤ側の排気口６５のみから排気を行う。

なお、ここでは材料ガス３０を矩形パルスで供給するようにしたが、同様にして材料ガス３０をＤ，Ｅ側からそれぞれ正弦パルスで供給することもできる。
また、図９に示すように、材料ガス３０を正弦波状に供給することも可能である。その場合は、例えばＤ，Ｅ側からの材料ガス３０の供給波形の位相を１／２波長ずらし、Ｄ側からの供給中はＥ側からの供給を抑え、Ｅ側からの供給中はＤ側からの供給を抑えるようにする。排気は、例えば、Ｄ，Ｅ側からの各供給波形で多量に供給されたときの材料ガス３０がＳｉＣウェハ２０の表面領域を通過してから排気口６５に到達するまでの時間分のタイムラグをおいて行う。

このように、第３の実施の形態のエピタキシャル成膜装置６０によれば、管状の反応炉６１を用いた簡単な装置構成によって高温でＳｉＣエピタキシャル膜を成膜することが可能になり、さらに、膜質や膜厚等の均一性に優れたＳｉＣエピタキシャル膜の形成が可能になる。

なお、以上の説明では、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合を例にして述べたが、勿論、上記第１〜第３の実施の形態のエピタキシャル成膜装置１，５０，６０は、Ｓｉエピタキシャル膜等、その他の種々の半導体のエピタキシャル膜の形成に適用可能である。

第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図である。 図１のＡ部拡大図である。 第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の図１のＢ−Ｂ位置における矢視断面模式図である。 第１の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部平面模式図である。 第２の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図である。 第２の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の図５のＣ−Ｃ位置における矢視断面模式図である。 第３の実施の形態のエピタキシャル成膜装置の要部断面模式図である。 材料ガスの供給量と供給時間の関係を示す図（その１）である。 材料ガスの供給量と供給時間の関係を示す図（その２）である。

符号の説明

１，５０，６０ エピタキシャル成膜装置
２，６１ 反応炉
２ａ 反応容器
２ｂ 蓋
３，１５ Ｏリング
４，８，６２ 断熱材
５，５１，６３ サセプタ
５ａ，５１ａ，６３ａ ザグリ
５ｂ 貫通孔
６，６４ 高周波コイル
７，１２ 供給口
９，５２ グラファイト板
９ａ，５２ａ 細孔
１０ ハロゲンランプ
１１ パイロメータ
１３ 予備加熱用ヒータ
１４ インジェクションバルブ
１６ ＳＵＳ管
１７，５３，６５ 排気口
２０ ＳｉＣウェハ
３０ 材料ガス
４０ 圧調整用ガス

Claims (13)

1. エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜装置において、
   円筒状の内壁を有する反応炉と、
   前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記内壁と略直交する方向になるようにウェハが載置されるサセプタと、
   前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する第１の加熱手段と、
   前記ウェハの前記エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって前記反応炉の内壁に沿う方向に周回するように材料ガスを前記反応炉内に供給する供給口と、
   前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、
   を有することを特徴とするエピタキシャル成膜装置。
2. 前記反応炉内に前記サセプタの前記ウェハが載置される側に前記サセプタに対向して配置された板を有し、
   前記サセプタと前記板との間の領域に前記供給口から前記材料ガスが前記反応炉内に供給されることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成膜装置。
3. 前記板を加熱する第２の加熱手段を有し、
   前記第１，第２の加熱手段の出力を制御することによって前記ウェハの温度を制御することを特徴とする請求項２記載のエピタキシャル成膜装置。
4. 前記ウェハは、前記第１，第２の加熱手段によって約１５００℃〜約２２００℃に加熱されることを特徴とする請求項３記載のエピタキシャル成膜装置。
5. 前記反応炉外に前記板に対向して配置されて前記ウェハの温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記板には、前記サセプタ上に載置された前記ウェハの前記温度検出手段による温度検出用の孔が設けられていることを特徴とする請求項２記載のエピタキシャル成膜装置。
6. 前記板の前記サセプタが配置されている側と反対側の領域に、前記サセプタと前記板との間の領域に供給された前記材料ガスの前記孔を介した流出を防止するための圧調整用ガスを供給する供給口を有していることを特徴とする請求項５記載のエピタキシャル成膜装置。
7. 前記サセプタは、中央部に前記反応炉内と前記排気口とを連通する貫通孔を有し、
   前記ウェハは、前記貫通孔の周囲に載置されることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成膜装置。
8. エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜装置において、
   管状の反応炉と、
   前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記反応炉の内壁と略平行になるようにウェハが載置されるサセプタと、
   前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する加熱手段と、
   前記反応炉の両端側からそれぞれ材料ガスを供給する供給口と、
   前記反応炉の管壁に設けられて前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、
   を有することを特徴とするエピタキシャル成膜装置。
9. 前記反応炉の一端側からの前記材料ガスの供給と他端側からの前記材料ガスの供給とを異なるタイミングで行うようにしたことを特徴とする請求項８記載のエピタキシャル成膜装置。
10. 前記排気口は、前記サセプタ上に載置された前記ウェハを挟んで前記反応炉の一端側と他端側の２箇所に設けられ、
    前記反応炉の一端側から供給された前記材料ガスを前記ウェハを挟んだ他端側の排気口から排気し、前記反応炉の他端側から供給された前記材料ガスを前記ウェハを挟んだ一端側の排気口から排気するようにしたことを特徴とする請求項８記載のエピタキシャル成膜装置。
11. 前記加熱手段は、前記ウェハを約１５００℃〜約２２００℃に加熱することを特徴とする請求項８記載のエピタキシャル成膜装置。
12. エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜方法において、
    円筒状の内壁を有する反応炉と、
    前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記内壁と略直交する方向になるようにウェハが載置されるサセプタと、
    前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する第１の加熱手段と、
    前記ウェハの前記エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって前記反応炉の内壁に沿う方向に周回するように材料ガスを前記反応炉内に供給する供給口と、
    前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、
    を有するエピタキシャル成膜装置を用い、
    静止している前記ウェハに対し、前記エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって、かつ前記ウェハ面上を周回するように供給される前記材料ガスで前記エピタキシャル膜の形成を行うことを特徴とするエピタキシャル成膜方法。
13. エピタキシャル膜の形成を行うエピタキシャル成膜方法において、
    管状の反応炉と、
    前記反応炉内に設けられて前記エピタキシャル膜の形成される面の平面方向が前記反応炉の内壁と略平行になるようにウェハが載置されるサセプタと、
    前記サセプタ上に載置された前記ウェハを加熱する加熱手段と、
    前記反応炉の両端側からそれぞれ材料ガスを供給する供給口と、
    前記反応炉の管壁に設けられて前記反応炉内の前記材料ガスを排気する排気口と、
    を有するエピタキシャル成膜装置を用い、
    静止している前記ウェハに対し、前記エピタキシャル膜の形成される面に略平行な方向であって、かつ前記ウェハ面上を異なる方向から交互に供給される前記材料ガスで前記エピタキシャル膜の形成を行うことを特徴とするエピタキシャル成膜方法。
    

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