JP2007335800A

JP2007335800A - 半導体薄膜の製造方法および製造装置

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Publication number: JP2007335800A
Application number: JP2006168734A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Saito; 広明斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】基板面内の膜質の均一性が高く、成膜速度も速い、特にＣＶＤ法による半導体薄膜の製造方法と装置を提供すること。
【解決手段】反応炉のチャネルおよびこのチャネルに配置した基板を加熱しながら、チャネルの入り口から反応ガスをキャリアガスとともにチャネル内に導入し，基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造方法において、反応ガス、または反応ガスとキャリアガスの各一部を、チャネルの入り口から分岐した補助ガス流路に案内し、前記基板の上方部からチャネル内に導入する方法、かつこの方法を実施するよう構成した装置。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体薄膜の製造方法および製造装置に関するもので、特に熱CVD法を用いた炭化珪素等の半導体薄膜を製造する方法と装置に関するものである。

炭化珪素等の半導体単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて製造する方法として、一般に熱CVD法が用いられている。熱CVD法は、原料となる反応ガスを反応炉に導入し、反応ガスに熱エネルギーを与えて反応させ、炉内に配置した基板上に半導体単結晶をエピタキシャル成長させる方法である。

このような熱CVD法を実施する装置としては、従来たとえば図５に示すような反応炉が使用されている。この図において、参照数字１１は反応炉であり、サセプタ1２とその外側を覆う断熱材１３と誘導加熱コイル１６を備えている。サセプタ１２はその一端にガスの供給口,他端に排出口を備え、これによって反応ガスの流路となるチャネル１７が構成される。誘導加熱コイル16に通電するとサセプタ１２が誘導加熱されてチャネル１７内を加熱する。半導体薄膜を積層させる単結晶基板１４をチャネル１７に配置し、反応ガスをキャリアガスとともにチャネル17に導入すると、反応ガスは加熱されて反応し、基板14表面に半導体単結晶がエピタキシャル成長し、薄膜が形成される。

上記した反応炉を用いて、たとえば炭化珪素単結晶薄膜を成膜するには、予めチャネル17内を加熱して基板14を１５００℃前後の温度に保ち、チャネル内を所定の減圧状態にし、ガス供給口から反応ガス(たとえば、シラン(SiH4)ガスとプロパン(C3H8)ガス)を、キャリアガス（たとえば水素ガス）とともにチャネル内に所定時間流通して行う。

しかしながら、このような従来の方法は、成膜した膜の均一性（膜厚、不純物密度）や成膜速度が十分満足できるレベルにないといった問題があった。この原因は、炭化珪素薄膜の形成には反応ガスとしてたとえばシランとプロパンというように少なくとも２種類、あるいはそれ以上の原料となるガスを必要とするが、一般に各反応ガスは、それぞれ固有の分解、堆積、あるいは脱離温度を有し、チャネルに反応ガスを所定のガス量比（たとえばシラン/プロパンの流量比）で導入したとしても、チャネル内の温度のバラツキ、特に基板を配置した領域での温度のバラツキや反応ガスが上流から消費され、下流ではその濃度が薄くなる等に起因してガス流域によって反応ガス量比が逐次変化し、基板に堆積する薄膜の膜質（膜厚、不純物密度）を不均一にしてしまうからである。また、チャネル内の基板以外の部分、たとえばサセプタ内面に反応物を堆積してしまい、この結果、ガス濃度がその分希釈されるため、基板上での成膜速度が遅くなると考えられる。

このような問題を解決するため、チャンバーに複数の整流ガス供給ノズルを設け、このノズルから不活性ガスをチャンバー内に整流ガスとして導入しようとする装置も提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この装置によっても、チャンバーのガス供給口から所定の比率で導入した複数の反応ガスは、下流部ではその比率が変化してしまうので、上記した問題点の十分な解決策とはなり難い。

特開２００５−５５９４号公報

本発明は、半導体薄膜をエピタキシャル成長して形成する場合に、基板面内の膜質(膜厚および不純物)の向上を図るとともに、成膜速度も速い、半導体薄膜の改善された製造方法と製造装置を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するため、請求項１に記載した半導体薄膜の製造方法は、反応炉のチャネルおよびこのチャネルに配置した基板を加熱しながら、チャネルの入り口から反応ガスをキャリアガスとともにチャネル内に導入し，基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造方法において、反応ガス、または反応ガスとキャリアガスの各一部を、チャネルの入り口から分岐した補助ガス流路に案内し、前記基板の上方部からチャネル内に導入することを特徴とする。

請求項２に記載の半導体薄膜の製造装置は、サセプタ、サセプタによって形成されガスの流路となるチャネル、サセプタの外側を覆う断熱材およびサセプタを誘導加熱する手段を備えた反応炉を含んで構成され、チャネルのガス供給口から反応ガスをキャリアガスとともにチャネル内に導入し、チャネル内に配置した基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造装置において、第二のガス流路となる補助ガス通路を前記チャネルのガス供給口から分岐してチャネル外に設け、この補助ガス通路の出口を基板配置位置の上方部のチャネル内に開口させ、補助ガス通路に案内された反応ガスまたは反応ガスを含むガスをこの通路の出口からチャネル内に導入するように構成したことを特徴とする。

請求項３に記載の半導体薄膜の製造装置は、請求項２に記載の装置において、サセプタの少なくてもガス供給側の端部を、サセプタ他部の厚みより薄く形成し、この厚み差の部分を断熱材で覆いかつ前記サセプタ端部の先端部を前記断熱材の端部よりも突出するように構成したことを特徴とする。

請求項４に記載の半導体薄膜の製造装置は、請求項２または請求項３に記載の装置において、サセプタを、基板を配置しないチャネル上流部と基板を配置するこれより下流部とに分割し、これら各サセプタを独立して温度調節できるように各サセプタに対応した誘導加熱手段を設け、チャネル上流部の温度を下流部よりも低く設定できるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、反応ガスはキャリアガスとともにチャネルのガス供給口の外にチャネル内に配置した基板の上方からも積極的に供給されるので、基板中心部に反応ガスが十分に行きわたり、形成される薄膜の膜厚の基板内均一性が向上する。

また、本発明の方法によれば、チャネルのガス供給口からはキャリアガスのみを供給し、反応ガスはチャネル内に配置した基板の上方から供給することもでき、このようなガス供給方式によれば、反応ガスの反応は基板配置付近だけで行われしかも反応ガスの混合比が基板内のいずれの位置においてもほぼ同じにすることができる。この結果、叙述した従来方法の問題点をより効果的に解消することができ、形成される薄膜の膜厚の均一性は一層向上しかつ成膜速度も速くなる。また、成膜した薄膜内への不純物の混入も防止でき、膜質を向上することができる。

以下、本発明に係る半導体薄膜の製造方法および製造装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る熱CVD法による半導体薄膜の製造方法を実施するための装置の一例を示す概念図である。

この図において、反応炉１はサセプタ２とサセプタを覆う断熱材３、そしてサセプタ２を加熱するための誘導加熱コイル６を備えている。サセプタ２には一端にガスの供給口７a,他端に排出口７bが形成されており、これによって反応ガスの流路となるチャネル７が構成される。排出口７ｂの下流部には真空ポンプ（図示せず）が接続されており、チャネル内を減圧雰囲気にすることができる。サセプタ２と断熱材３の間に空間部８が形成されている。空間部８は、サセプタ２を貫通し基板配置位置上方に出口が開口した通路９によってチャネル７と連通している。このように本発明の装置では、チャネル７へのガスの供給は、ガス供給口７ａの外に、空間部８と通路９によって形成された第二のガス流路である補助ガス流路１０からも行われる。通路９の数は、基板４の寸法、導入ガス量あるいは通路９の太さ等考慮して適宜決定する。

サセプタ２は耐腐食性に優れ、熱的にも安定した導電性材料、たとえばグラファイトから作られており、コイル6に通電するとサセプタ２が誘導加熱されてチャネル７内を加熱する。半導体薄膜を積層させる単結晶基板４はトレイ５に載せ、チャネル７内の所定位置に配置される。

反応ガスはキャリアガスとともに、チャネル７内に導入されるが、その一部は供給口７aから、他の一部はこの供給口7aから分岐した補助ガス流路１０を通ってチャネル７に導入される。補助ガス流路１０を通って導入されたガスは、チャネル内基板配置位置の上方からチャネル７内に導入される。

チャネル内への反応ガスの導入方法は、このようにキャリアガスとともに導入してもよいが、ガス供給口7aからはキャリアガスのみを、そして補助ガス流路１０からは反応ガスのみを、というように区分して導入してもよい。

補助ガス流路１０はチャネル内ほどの温度には加熱されていないので、反応ガスをこの流路を通って導入すると、反応ガスはチャネルに入るまでは反応を起こさない。この結果、基板以外の場所に反応堆積物が生成することを防止でき、基板への成膜速度を速くすることができる。また、反応ガスの混合比が基板面内のいずれの場所でも一定するので、基板面内の薄膜の膜厚も均一となる。さらに、サセプタ内壁への反応堆積物の付着が少なくなるので、チャネル内の掃除頻度を少なくでき、管理面においても有利である。

図２は本発明に係る半導体薄膜の製造装置の他の実施の形態を示す概念図である。この装置では、補助ガス流路１０はパイプで構成され、パイプは断熱材３の中を通り、サセプタ２を貫通してその出口１０ａがチャネル７内の基板配置位置の上方部に開口している。

この装置は、図１の装置に比べて、補助ガス流路１０を流れるガス量の微妙な制御が容易であり、反応ガスを単独でこの流路からのみ導入し、チャネルガス供給口からはキャリアガスのみ導入して成膜する場合に、特に好適である。また、補助ガス流路１０を流れる反応ガスまたは反応ガスとキャリアガスの混合ガスは、断熱材３の中を通ってチャネル内の基板配置位置に送られるので、ガス輸送の途中で、反応ガスが反応したりあるいは、分解したりすることを防止することができる。

図３は本発明に係る半導体薄膜の製造装置のさらに別の実施の形態を示す概念図であり、サセプタ２のガス供給口側の端部２aの厚みX1がサセプタ本体部の厚みY1より薄く形成され、この厚み差Y1−X1の部分も断熱材３で覆いかつサセプタ端部２ａの先端２ｂが前記断熱材３の端面部３aよりも突出するよう構成されている。

この結果、サセプタのほぼ全体が断熱材で覆われ、チャネル内、特に基板配置付近の温度のバラツキが小さくなり、基板に成長する薄膜の膜厚の均一化を一層向上させることができる。またサセプタの先端２ｂが断熱材の端部３aよりも突出して庇の役割を果たすので、断熱材３から発生する塵埃粉などがチャネル７内に巻き込まれて薄膜中に混入することを防止でき、薄膜の品質が向上する。

サセプタのガス排出口側の端部も供給側の端部と同様に構成してもよい。ガス流に逆らって、塵埃粉がサセプタのガス排出口からサセプタ内に入る可能性は極めて少ないが、このように構成すればサセプタのガス排出側端部も断熱材で覆うことができ、チャネル内温度の均一性を一層高めることができる。

図４の装置は、本発明のさらに別の実施の形態を示す概念図である。この装置はサセプタ２を、基板を配置しないチャネル上流部のサセプタ２aと、基板を配置するこれより下流部のサセプタ２ｂとに分割し、これら各サセプタを独立して温度調節できるよう各サセプタに対応した誘導加熱手段６a、６ｂを設け、上流部のチャネル７a内温度を下流部チャネル７b内の温度よりも低く設定できるように構成されている。

こうすることによって、チャネル上流部７aは予熱室として機能し、基板を配置する下流部チャネル７ｂ内の温度のバラツキを小さくすることができる。また、チャネル上流部７aでは反応ガスの分解が生ぜず、また反応物が堆積することも防止できるので、導入した反応ガスのほぼ全量を基板配置位置に搬送でき、成膜速度が速くなる。また、下流部のチャネル内に、反応生成堆積物などの不純物を持ち込むことがなくなり、膜質の向上を図ることができる。

図１から図４に示した本発明に係る装置を使い、下記に示した条件で、熱CVD法によって炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長させ成膜した。成膜後の基板の面内から５個所を選択し、その薄膜の膜厚を測定することによりそのバラツキ（面内均一性）を比較した。また、成膜速度、すなわち薄膜の成長速度を計算して求め、比較した。さらに、得られた薄膜の表面をノマルスキ光学顕微鏡を使って、欠陥数（異物の数）を観察した。

なお、比較のため図５に示す従来の装置を用いて同じ条件で成膜を行い、同様の試験を行った。

これらの結果を表１に示す。この表において、実施例１〜実施例４及び比較例はそれぞれ図１〜図４及び図５の装置に対応したデータである。

[用いた基板]
４H−SiCの直径２インチ基板で、成長面は＜１１−２０＞方向へ８度オフ（０００１）面を用いた。

[使用ガスおよびその量]
反応ガス：シラン（SiH4）ガス１０ｓｃｃｍ
プロパン（C3H8）ガス５ｓｃｃｍ
キャリアガス：水素ガス２５ｓｌｍ
[ガスの導入方法]
図１および図４の装置においては、反応ガス（シランとプロパン）とキャリアガス（水素）との混合ガスを、チャネル供給口から８５％、補助ガス流路から１５％の割合でチャネルに導入。

図２および図３の装置においては、チャネル供給口からはキャリアガスのみ全量を、補助ガス流路からは反応ガスのみの混合ガスの全量を導入。

｛成長条件｝
チャネル内圧力：１１ｋｐa
反応温度：基板温度が１５００℃±５℃になるように、サセプタを誘導加熱。ただし図４の装置では上流部サセプタ内チャネル中心部の温度を１０００℃に制御。

[成長時間]
上記したガスを，チャネル内に１時間流通して基板に薄膜を成長させた。

｛膜厚の測定および測定位置｝
薄膜の膜厚は，顕微ＦＴＩＲにて測定した。

測定位置は、基板中央部を中心とし、座標（０，０）、(２０，０)、(−２０，０)、（０，２０）、および（０、−２０）の５点〈単位はｍｍ〉。チャネル内のガスの流れに対して、座標軸(−２０，０)は上流、（０，０）は中流、そして(２０，０)は下流である。

｛成長速度の計算｝
成長速度＝成長膜厚/成長時間

表１の結果から、本発明の方法あるいは装置によれば、従来のものと比べて、成膜速度が速く、製造される薄膜の膜厚面内の均一性に優れ、また異物による欠陥も少ない高品質の半導体薄膜を製造することができることが判る。

本発明に係る半導体薄膜の製造装置の一例を示す概念図である。本発明に係る半導体薄膜の製造装置の他の例を示す概念図である。本発明に係る半導体薄膜の製造装置の他の例を示す概念図である。本発明に係る半導体薄膜の製造装置の他の例を示す概念図である。従来の半導体薄膜の製造装置の一例を示す概念図である。

符号の説明

１反応炉
２サセプタ
３断熱材
４基板
６誘導加熱コイル
７チャネル
１０補助ガス流路

Claims

反応炉のチャネルおよびこのチャネルに配置した基板を加熱しながら、チャネルの入り口から反応ガスをキャリアガスとともにチャネル内に導入し，基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造方法において、反応ガス、または反応ガスとキャリアガスの各一部を、チャネルの入り口から分岐した補助ガス流路に案内し、前記基板の上方部からチャネル内に導入することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
サセプタ、サセプタによって形成されガスの流路となるチャネル、サセプタの外側を覆う断熱材およびサセプタを誘導加熱する手段を備えた反応炉を含んで構成され、チャネルのガス供給口から反応ガスをキャリアガスとともにチャネル内に導入し、チャネル内に配置した基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造装置において、第二のガス流路となる補助ガス通路を前記チャネルのガス供給口から分岐してチャネル外に設け、この補助ガス通路の出口を基板配置位置の上方部のチャネル内に開口させ、補助ガス通路に案内された反応ガスまたは反応ガスを含むガスをこの通路の出口からチャネル内に導入するように構成したことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
サセプタの少なくてもガス供給側の端部を、サセプタ本体部の厚みより薄く形成し、この厚み差の部分を断熱材で覆いかつ前記サセプタ端部の先端部を前記断熱材の端面部よりも突出するように構成したことを特徴とする請求項2に記載の半導体薄膜の製造装置。
サセプタを、基板を配置しないチャネル上流部と基板を配置するこれより下流部とに分割し、これら各サセプタを独立して温度調節できるように各サセプタに対応した誘導加熱手段を設け、チャネル上流部の温度を下流部よりも低く設定できるように構成したことを特徴とする請求項2または請求項３に記載の半導体薄膜の製造装置。