JP2008034780A - METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SiC SUBSTRATE WITH EPITAXIAL SiC FILM, AND ITS EPITAXIAL SiC FILM-FORMING DEVICE - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SiC SUBSTRATE WITH EPITAXIAL SiC FILM, AND ITS EPITAXIAL SiC FILM-FORMING DEVICE Download PDF

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武志 俵
Yoshiaki Enami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial SiC film-forming device by which doping concentration distribution of an epitaxial SiC film formed on an SiC substrate is made homogeneous even when an area of the SiC substrate is enlarged. <P>SOLUTION: In the epitaxial SiC film-forming device, a first hot wall 2 and a second hot wall 7 are, in a heat-resistant cylindrical pipe which has a reactive gas inlet port and an outlet port on both ends thereof and can be reduced in pressure, arranged side by side in a central axial direction, with a thermal insulating material in-between. A supporting member for fitting an SiC crystal substrate 4 is arranged in a reaction chamber space provided to the first hot wall 2. A device for induction-heating the first hot wall 2 is provided to the outer periphery of the heat-resistant cylindrical pipe at a position facing the first hot wall 2. The second hot wall 7 comprises a gas path which is provided therein in a direction parallel to the axis of the heat-resistant cylindrical pipe, and whose one end is connected to the reactive gas inlet port to rectify inflow reactive gas and the other end leads to the reaction chamber space in the first hot wall 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコンカーバイド(以下、SiC)基板上にSiCの単結晶膜を形成してなる半導体SiC基板の製造方法およびそのSiCの単結晶膜の成膜装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor SiC substrate in which a SiC single crystal film is formed on a silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) substrate, and an apparatus for forming the SiC single crystal film.

半導体デバイス用のSiC半導体基板は通常SiC単結晶基板とその上に成膜されるエピタキシャルSiC膜から構成されている。このSiC半導体基板に半導体デバイスとしての機能を付与するために、前記エピタキシャルSiC膜に、さらに種々のデバイス構造が作りこまれるため、最初に成膜されるエピタキシャルSiC膜の性質、特にその膜厚、膜面内のドーピング濃度の均一性は、最終的な半導体デバイスの特性および良品率を向上させるための重要な要件である。このドーピング濃度の均一性には、成膜装置中においてシリコンカーバイド結晶膜をエピタキシャル成長させるために用いられる反応ガス温度の均一性が大きく影響することが知られている。   A SiC semiconductor substrate for a semiconductor device is usually composed of a SiC single crystal substrate and an epitaxial SiC film formed thereon. In order to provide the SiC semiconductor substrate with a function as a semiconductor device, various device structures are further created in the epitaxial SiC film. Therefore, the properties of the epitaxial SiC film formed first, particularly its film thickness, The uniformity of the doping concentration within the film surface is an important requirement for improving the characteristics and the yield rate of the final semiconductor device. It is known that the uniformity of the doping concentration is greatly affected by the uniformity of the reaction gas temperature used for epitaxial growth of the silicon carbide crystal film in the film forming apparatus.

SiC膜をエピタキシャル成長により成膜する際には、通常、1500℃〜1700℃、さらには2000℃以上という高温炉中でエピタキシャル成長させる場合もある。このため、前述のような極めて高い温度が得られる加熱源として誘導加熱装置を用いることが多い。また、後で、述べるように誘導加熱により昇温される石英管内の内部部材が第一内部部材だけの場合、この第一内部部材(たとえばウエハ支持部材―サセプタ)とウエハとの温度差に起因して、内部部材のコーティング材の剥離がおこるため、さらにウエハの周囲を、誘導加熱される第二の内部部材(ホットウォール)で取り囲む、図2に示すような、概略構成を有するホットウォールが一般的に用いられる。   When the SiC film is formed by epitaxial growth, it may be epitaxially grown usually in a high temperature furnace of 1500 ° C. to 1700 ° C., or even 2000 ° C. or higher. For this reason, an induction heating apparatus is often used as a heating source capable of obtaining an extremely high temperature as described above. Further, as described later, when the internal member in the quartz tube heated by induction heating is only the first internal member, it is caused by the temperature difference between the first internal member (for example, wafer support member-susceptor) and the wafer. Then, since the coating material of the internal member is peeled off, a hot wall having a schematic configuration as shown in FIG. 2 is further provided that surrounds the periphery of the wafer with a second internal member (hot wall) that is heated by induction. Generally used.

図2はSiCのエピタキシャル膜の成膜装置として一般的な横型ホットウォール成膜装置の加熱部20の概略構成断面図である。図2の(a)は石英管内に置かれたSiC単結晶基板(以降、単位ウエハまたはSiCウエハと略す)主面を上から見ることができる位置で石英管を軸方向に沿って切断した横断面図、(b)はウエハの厚さが現われる切断の向きで石英管を軸方向に沿って切断した横断面図、(c)は石英管をウエハの位置で輪切り方向に切断した縦断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the heating unit 20 of a typical horizontal hot wall film forming apparatus as a SiC epitaxial film forming apparatus. FIG. 2A shows a cross section obtained by cutting the quartz tube along the axial direction at a position where the main surface of the SiC single crystal substrate (hereinafter abbreviated as a unit wafer or SiC wafer) placed in the quartz tube can be seen from above. (B) is a cross-sectional view of the quartz tube cut along the axial direction in the cutting direction in which the thickness of the wafer appears, and (c) is a longitudinal cross-sectional view of the quartz tube cut in the ring direction at the wafer position. It is.

加熱部20は、石英管21と、その内側に断熱材26を介して配置された第二内部部材としてのホットウォール22、第一内部部材としての傾斜面付きサセプタ23、サセプタ23上に傾斜をつけて支持されたウエハ24、石英管21に巻かれた高周波コイル25などから構成される。ウエハ24上にSiCエピタキシャル膜を成膜するための反応ガス27(矢印)が、図示しない流入口から導入され加熱部20に達すると、高周波コイル25による誘導加熱により昇温された約1600℃の高温中で、石英管21内のホットウォール22内の反応室空間に置かれたサセプタ23に傾斜して取り付けられるウエハ24上で、反応してSiCを生成してエピタキシャル成長し、SiC単結晶膜が成膜される。   The heating unit 20 is inclined on the quartz tube 21, a hot wall 22 as a second internal member disposed inside through a heat insulating material 26, a susceptor 23 with an inclined surface as a first internal member, and the susceptor 23. The wafer 24 is supported by being attached thereto, and a high-frequency coil 25 wound around the quartz tube 21. When a reaction gas 27 (arrow) for forming a SiC epitaxial film on the wafer 24 is introduced from an inflow port (not shown) and reaches the heating unit 20, the temperature is increased by induction heating by the high frequency coil 25 to about 1600 ° C. The SiC single crystal film is formed by epitaxially growing SiC by reacting on a wafer 24 inclined and attached to the susceptor 23 placed in the reaction chamber space in the hot wall 22 in the quartz tube 21 at a high temperature. A film is formed.

成膜条件に関しては、石英管21内を80Torr(1Torrは133.332Pa)程度の低圧の状態に保ち、モノシラン、プロパン、水素などからなる反応ガス27を石英管端の図示しない流入口から10リットル/minの流量で流す。石英管21中央の加熱部20では石英管21の外部に巻かれた高周波コイル25により、管内のグラファイト等のホットウォール22が誘導加熱により1500℃〜1700℃程度の高温に昇温されている。この時、ウエハ24は、ホットウォール22に接するグラファイト製サセプタ23を介した熱伝導と、ホットウォール22からの輻射によって約1600℃程度にまで加熱される。また、反応ガス27はホットウォール22への接触による熱伝導により加熱され反応し合い、ウエハ24上にエピタキシャルSiC膜を形成する。ホットウォール22、サセプタ23は、高温の水素に耐性のあるSiC膜などでコーティングされた高純度グラファイトからなることが好ましい。   Regarding the film forming conditions, the quartz tube 21 is kept at a low pressure of about 80 Torr (1 Torr is 133.332 Pa), and a reaction gas 27 made of monosilane, propane, hydrogen, etc. is 10 liters from an inlet (not shown) at the end of the quartz tube. Flow at a flow rate of / min. In the heating unit 20 at the center of the quartz tube 21, the hot wall 22 such as graphite in the tube is heated to a high temperature of about 1500 ° C. to 1700 ° C. by induction heating by a high frequency coil 25 wound outside the quartz tube 21. At this time, the wafer 24 is heated to about 1600 ° C. by heat conduction through the graphite susceptor 23 in contact with the hot wall 22 and radiation from the hot wall 22. Further, the reaction gas 27 is heated and reacted by heat conduction due to contact with the hot wall 22 to form an epitaxial SiC film on the wafer 24. The hot wall 22 and the susceptor 23 are preferably made of high-purity graphite coated with a SiC film resistant to high-temperature hydrogen.

一方、前述のように、ウエハは面内が均一な温度分布にされていることがドーピング濃度を均一にする上で重要であるが、ウエハ面の温度分布を均一にする方法としては、高周波コイルが巻かれた水冷二重の減圧石英管内で、グラファイトブロックからなるSiC基板取り付け用サセプタを備えるCVD装置およびこのCVD装置を用いた成膜方法およびこの成膜方法により作製される半導体装置が知られている(特許文献1)。   On the other hand, as described above, it is important for the wafer to have a uniform temperature distribution in the surface to make the doping concentration uniform. As a method for making the temperature distribution on the wafer uniform, a high-frequency coil is used. A CVD apparatus having a SiC substrate mounting susceptor made of a graphite block, a film forming method using this CVD apparatus, and a semiconductor device manufactured by this film forming method are known in a water-cooled double vacuum quartz tube wound with (Patent Document 1).

また、内部に複数のシリコン基板が載置され、このシリコン基板表面にエピタキシャルシリコン膜が形成される半導体基板の反応室と、この反応室内に電磁発生器よりなる基板加熱源とを備える化学的気相成長装置(CVD装置)とすることにより、シリコン基板を均一に短時間に加熱し、欠陥の少ない成膜を行うことに関する記載がある(特許文献2)。サセプタの異なる面に複数のSiC結晶基板を載置してSiC成膜することに関する記載がある(特許文献3)。   In addition, a chemical substrate including a reaction chamber of a semiconductor substrate in which a plurality of silicon substrates are placed and an epitaxial silicon film is formed on the surface of the silicon substrate, and a substrate heating source including an electromagnetic generator in the reaction chamber. There is a description regarding performing a film formation with few defects by heating a silicon substrate uniformly in a short time by using a phase growth apparatus (CVD apparatus) (Patent Document 2). There is a description related to forming a SiC film by placing a plurality of SiC crystal substrates on different surfaces of a susceptor (Patent Document 3).

ガス下流に絶縁性ヒートシールドを設けることにより、ウエハ面内の温度分布を改善するSiCエピタキシャル成膜装置が知られている(特許文献4)。
特開2003−86516号公報 特開2001−308014号公報 特開2002−164294号公報 特開2005−5503号公報
An SiC epitaxial film forming apparatus that improves the temperature distribution in the wafer surface by providing an insulating heat shield downstream of the gas is known (Patent Document 4).
JP 2003-86516 A JP 2001-308014 A JP 2002-164294 A JP 2005-5503 A

しかしながら、近年、SiC半導体装置の発展および拡大に伴い、その価格の低減が求められている。そのために、SiCウエハの大面積化や、生産コストの低減のために多数枚処理(一バッチ内のウエハ枚数の増加)が強く求められている。それを可能にするには大面積ウエハを処理できる大径、大容量の成膜装置が必要であるが、従来の成膜装置では対応することが困難な面がある。   However, in recent years, with the development and expansion of SiC semiconductor devices, there has been a demand for reduction in the price. For this reason, processing of a large number of wafers (increasing the number of wafers in one batch) is strongly demanded in order to increase the area of SiC wafers and reduce production costs. In order to make this possible, a large-diameter and large-capacity film forming apparatus capable of processing a large-area wafer is necessary, but there is a problem that the conventional film forming apparatus is difficult to cope with.

すなわち、従来からも、大面積化、大容量化自体は、大容量炉バレル型、パンケーキ型の炉が知られているが、これらの炉を温度分布の均一化向上の目的で、前述のホットウォール構造のようにすると、ウエハ周囲を発熱体で囲む必要があるため、装置が非常に大型化し、流す必要のあるガス流量も増大し過ぎる傾向がある。さらにまた、ウエハ支持用のサセプタも大きくなるため、熱容量が増し温度に対する制御性の低下、ウエハとサセプタ間の温度差の増大によるサセプタコーティング寿命の低下を引き起こすという問題があって、前記要求に対応することが困難となっていた。   In other words, conventionally, large-area furnace barrel-type and pancake-type furnaces have been known for increasing the area and capacity, but these furnaces have been described above for the purpose of improving the uniformity of temperature distribution. In the case of a hot wall structure, since it is necessary to surround the periphery of the wafer with a heating element, the apparatus becomes very large and the gas flow rate that needs to flow tends to increase too much. Furthermore, since the susceptor for supporting the wafer becomes large, there is a problem that the heat capacity increases, the controllability with respect to temperature decreases, and the life of the susceptor coating decreases due to an increase in temperature difference between the wafer and the susceptor. It was difficult to do.

さらに、図2の従来のホットウォール構造の場合でも、大径構造にすると、反応ガス27は減圧下ではほとんど、ホットウォール22との接触による熱伝導のみにより加熱されるようになるので、ホットウォール22壁面近傍を流れる反応ガスは高温になるが、ホットウォール22の壁面から離れたところを流れる反応ガス27は低温のままになりやすい。また管内は低圧であるために、反応ガスの熱伝導も悪い。これらによってホットウォール22の径方向に反応ガスの温度分布が生じ、エピタキシャル膜のドーピング濃度の均一性が悪化するのである。この傾向はホットウォール22の径を拡大するほど、大きくなる。すなわち、大面積SiCウエハではドーピング濃度分布の均一性の向上が重要な解決すべき課題のひとつとして残されている。   Further, even in the case of the conventional hot wall structure of FIG. 2, when the large diameter structure is adopted, the reaction gas 27 is almost heated under reduced pressure only by heat conduction due to contact with the hot wall 22. Although the reaction gas flowing in the vicinity of the wall surface 22 becomes high temperature, the reaction gas 27 flowing away from the wall surface of the hot wall 22 tends to remain at a low temperature. In addition, since the inside of the pipe is at a low pressure, the heat conduction of the reaction gas is also poor. As a result, the temperature distribution of the reaction gas occurs in the radial direction of the hot wall 22, and the uniformity of the doping concentration of the epitaxial film is deteriorated. This tendency increases as the diameter of the hot wall 22 is increased. That is, in the large-area SiC wafer, improvement of the uniformity of the doping concentration distribution remains as one of the important issues to be solved.

また、前記特許文献4に記載のウエハ温度分布の均一化については、ヒートシールドはガス下流に配置された絶縁部材であり、ウエハ温度分布の改善には貢献するが、反応ガス温度の均一化にはあまり有効ではない点が問題である。
本発明は、以上説明した問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、前述の問題点を解消して、ホットウォールを大口径化してSiC基板を大面積化しても、ホットウォール内の温度分布を均一化し、SiC基板上に形成されるエピタキシャルSiC膜のドーピング濃度分布を均一化することができるエピタキシャルSiC膜付き半導体SiC基板の製造方法およびそのエピタキシャルSiC成膜装置を提供することである。
In addition, regarding the homogenization of the wafer temperature distribution described in Patent Document 4, the heat shield is an insulating member disposed downstream of the gas and contributes to the improvement of the wafer temperature distribution, but the reaction gas temperature is made uniform. The problem is that is not very effective.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and even if the hot wall has a large diameter and the SiC substrate has a large area, Provided is a method for manufacturing a semiconductor SiC substrate with an epitaxial SiC film and an epitaxial SiC film forming apparatus capable of making the temperature distribution in the wall uniform and making the doping concentration distribution of the epitaxial SiC film formed on the SiC substrate uniform. That is.

特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、両端に反応ガス流入口と排出口とを有し減圧可能な耐熱円筒管内に断熱材を介して第一ホットウォールと第二ホットウォールが前記耐熱円筒管の軸方向に並べて配置され、第一ホットウォールに設けられる反応室空間内にSiC結晶基板を取り付ける支持部材が配置され、該第一ホットウォールに対向する位置の前記耐熱円筒管の外周に前記第一ホットウォールを誘導加熱するための誘導加熱装置が設けられ、前記第二ホットウォールは、内部に前記耐熱円筒管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記第一ホットウォール内の前記反応室空間に通じるガス流路を備えるエピタキシャルSiC成膜装置とすることにより、本発明の目的は達成される。   According to the first aspect of the present invention, the first hot wall and the second hot wall are disposed in the heat-resistant cylindrical tube having the reaction gas inlet and the outlet at both ends and capable of being depressurized via the heat insulating material. A support member that is arranged side by side in the axial direction of the heat-resistant cylindrical tube and that attaches a SiC crystal substrate in a reaction chamber space provided in the first hot wall is disposed, and the heat-resistant cylindrical tube at a position facing the first hot wall is arranged. An induction heating device for inductively heating the first hot wall is provided on the outer periphery, and the second hot wall is a gas flow path provided in a direction parallel to the axis of the heat-resistant cylindrical tube, and has one end Is connected to the reaction gas inlet and rectifies the inflowing reaction gas, and the other end is an epitaxial SiC film forming apparatus having a gas flow path leading to the reaction chamber space in the first hot wall. And, the object of the present invention can be achieved.

特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記耐熱円筒管が石英管である特許請求の範囲の請求項1記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材がグラファイトを主成分とする特許請求の範囲の請求項1または2記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることがより好ましい。
According to the invention described in claim 2, it is preferable that the heat-resistant cylindrical tube is an epitaxial SiC film forming apparatus according to claim 1, wherein the heat-resistant cylindrical tube is a quartz tube.
According to the invention of claim 3, the support member to which the first hot wall, the second hot wall, and the SiC crystal substrate are attached is mainly composed of graphite. 2 is more preferable.

特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材の表面にSiC膜がコーティングされている特許請求の範囲の請求項1乃至3のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材が前記第二ホットウォール内の反応ガスの流入方向に対向する基板支持傾斜面を有する特許請求の範囲の請求項1乃至4のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることがより望ましい。
According to the invention of claim 4, the SiC film is coated on the surface of the support member to which the first hot wall, the second hot wall, and the SiC crystal substrate are attached. It is desirable to use the epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of Items 1 to 3.
According to the invention described in claim 5, the support member to which the SiC crystal substrate is attached has a substrate support inclined surface facing the inflow direction of the reaction gas in the second hot wall. More preferably, the epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of claims 1 to 4 is used.

特許請求の範囲の請求項6記載の発明によれば、前記第二ホットウォール内のガス流路の数は1つを超え、3つ以下であって、前記ガス流路を合わせた断面積の、第一ホットウォール内のガス流路断面積に対する比が1/6を超え、1/2以下である特許請求の範囲の請求項1乃至5のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることがいっそう好適である。   According to the invention of claim 6, the number of gas flow paths in the second hot wall is more than one and not more than three, and the cross-sectional area of the gas flow paths is combined. The epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a ratio to a gas flow path cross-sectional area in the first hot wall is more than 1/6 and not more than 1/2. Is more preferable.

特許請求の範囲の請求項7記載の発明によれば、特許請求の範囲の請求項1乃至6のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置を用いて、前記成膜装置内の支持基板にSiC結晶基板を載置して、該SiC結晶基板上にSiCエピタキシャル膜を成膜するエピタキシャルSiC膜付きSiC半導体基板の製造方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。   According to the seventh aspect of the present invention, using the epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of the first to sixth aspects, the support substrate in the film forming apparatus is used. The object of the present invention is achieved by providing a method of manufacturing a SiC semiconductor substrate with an epitaxial SiC film in which a SiC crystal substrate is placed on the SiC crystal substrate and an SiC epitaxial film is formed on the SiC crystal substrate.

特許請求の範囲の請求項8記載の発明によれば、耐熱管内に、断熱材を介してホットウォールと該ホットウォールの両端の開口を塞ぐ形状の流入側と排出側の保温部材をそれぞれ有し、前記ホットウォールと前記流入側と排出側の両保温部材とから形成される空間内部に配置されるSiC結晶基板用支持部材と、前記耐熱管の両端に嵌合し、それぞれガス流入口とガス排出口を有して前記耐熱管の両端開口の閉管を可能にする末端治具と、前記ホットウォールの位置に対向する耐熱管の外周に設けられる誘導加熱コイルと、を備えるエピタキシャルSiC成膜装置において、前記流入側保温部材は内部に前記耐熱管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備え、排出側保温部材はSiC結晶基板の通過可能な形状の排出ガス用流路を備えるエピタキシャルSiC成膜装置とすることにより、前記本発明の目的は達成される。   According to the invention of claim 8, the heat-resistant pipe has the hot wall and the inflow side and the discharge side heat retaining members in the shape of closing the openings at both ends of the hot wall through the heat insulating material, respectively. , A SiC crystal substrate support member disposed in a space formed by the hot wall and both the inflow side and the outflow side heat retaining members, and fitted to both ends of the heat-resistant tube, respectively, and a gas inlet and a gas, respectively. Epitaxial SiC film forming apparatus comprising: a terminal jig that has a discharge port and enables the opening of both ends of the heat-resistant tube to be closed; and an induction heating coil provided on the outer periphery of the heat-resistant tube facing the position of the hot wall The inflow-side heat retaining member is a gas flow path provided in a direction parallel to the axis of the heat-resistant tube, and has one end connected to the reaction gas inlet and rectifies the inflowing reaction gas. Said An object of the present invention is to provide an epitaxial SiC film forming apparatus that includes a gas flow path that leads to the space in the wall, and the discharge-side heat retaining member includes a flow path for exhaust gas having a shape that allows passage of the SiC crystal substrate. Achieved.

特許請求の範囲の請求項9記載の発明によれば、前記耐熱管が石英管である特許請求の範囲の請求項8記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項10記載の発明によれば、前記ホットウォールと前記保温部材と前記SiC結晶基板を載置する支持部材とがそれぞれグラファイトを主成分とする特許請求の範囲の請求項8または9記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることがより好ましい。
According to the ninth aspect of the present invention, the epitaxial SiC film forming apparatus according to the eighth aspect of the present invention is preferably such that the heat-resistant tube is a quartz tube.
According to the invention of claim 10, the hot wall, the heat retaining member, and the support member on which the SiC crystal substrate is placed are each composed mainly of graphite. Or it is more preferable to use the epitaxial SiC film forming apparatus described in 9.

特許請求の範囲の請求項11記載の発明によれば、前記ホットウォールと前記保温部材と前記SiC結晶基板を載置する支持部材の表面にSiC膜がコーティングされている特許請求の範囲の請求項8乃至10のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置とすることが望ましい。   According to the invention of claim 11, the SiC film is coated on the surface of the support member on which the hot wall, the heat retaining member, and the SiC crystal substrate are placed. The epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of 8 to 10 is desirable.

本発明によれば、ホットウォールを大口径化してSiC基板を大面積化しても、ホットウォール内の温度分布を均一化し、SiC基板上に形成されるエピタキシャルSiC膜のドーピング濃度分布を均一化することができる、エピタキシャルSiC膜付き半導体SiC基板の製造方法およびそのエピタキシャルSiC成膜装置を提供することができる。   According to the present invention, even if the hot wall is enlarged to increase the area of the SiC substrate, the temperature distribution in the hot wall is made uniform and the doping concentration distribution of the epitaxial SiC film formed on the SiC substrate is made uniform. The manufacturing method of the semiconductor SiC substrate with an epitaxial SiC film and the epitaxial SiC film-forming apparatus which can be provided can be provided.

以下、本発明にかかるエピタキシャルSiC膜付き半導体SiC基板の製造方法およびそのエピタキシャルSiC成膜装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下、説明する実施例の記載のみに限定されるものではない。
図1は本発明にかかるエピタキシャルSiC成膜装置の要部断面図である。図6は本発明にかかる、第二ホットウォールの軸方向横断面図である。図7は本発明にかかる、異なるエピタキシャルSiC成膜装置の要部断面図である。図8は、石英管の加熱部における径方向の反応ガス温度分布図である。図9は本発明の実施例4にかかるエピタキシャル成膜装置の断面模式図である。図10は図9のB−B線、A−A線、C−C線におけるそれぞれの断面図である。図11はホットウォールの軸方向の内壁温度分布図である。図12は本発明の実施例5にかかわるエピタキシャル成膜装置の断面模式図である。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor SiC substrate with an epitaxial SiC film and an epitaxial SiC film forming apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited only to the description of the examples described below unless the gist of the present invention is exceeded.
FIG. 1 is a sectional view of an essential part of an epitaxial SiC film forming apparatus according to the present invention. FIG. 6 is an axial cross-sectional view of the second hot wall according to the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part of a different epitaxial SiC film forming apparatus according to the present invention. FIG. 8 is a reaction gas temperature distribution diagram in the radial direction in the heating part of the quartz tube. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an epitaxial film forming apparatus according to Example 4 of the present invention. 10 is a cross-sectional view taken along line BB, line AA, and line CC in FIG. FIG. 11 is an inner wall temperature distribution diagram in the axial direction of the hot wall. FIG. 12 is a schematic sectional view of an epitaxial film forming apparatus according to Example 5 of the present invention.

図1に本発明のエピタキシャルSiC成膜装置にかかるホットウォール炉10の概略断面図を示す。前記図2に示す従来の成膜装置の構成と同様に、石英管1内部の反応室空間2−1にウエハ4を取り付けるサセプタ3が配置される構成を有する第一ホットウォール2と、前記石英管1の反応ガス8流入口があるガス導入部(図示せず)との間に、この実施例1で特徴とする、グラファイトを主成分とする第二ホットウォール7が配置される。この第二ホットウォール7には、1流路当たり第一ホットウォール2内の流路(反応室空間)2−1の断面積の1/6の等しい面積を持つ狭いガス流路9が3つの流路空間として軸方向に平行に間隔を持って設けられている。従って、第二ホットウォール7のガス流路総断面積/第一ホットウォールのガス流路断面積比(ガス流路断面積比)は、1/6の3倍であるから1/2である。また、この第二ホットウォール7のガス流路9の長さは第一ホットウォール2全長の1/4である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a hot wall furnace 10 according to the epitaxial SiC film forming apparatus of the present invention. Similar to the configuration of the conventional film forming apparatus shown in FIG. 2, the first hot wall 2 having a configuration in which a susceptor 3 for attaching a wafer 4 is disposed in the reaction chamber space 2-1 inside the quartz tube 1, and the quartz Between the gas introduction part (not shown) where the reaction gas 8 inflow port of the tube 1 is located, the second hot wall 7 mainly composed of graphite, which is characteristic in the first embodiment, is disposed. The second hot wall 7 includes three narrow gas flow paths 9 having an area equal to 1/6 of the cross-sectional area of the flow path (reaction chamber space) 2-1 in the first hot wall 2 per flow path. The flow path space is provided with an interval parallel to the axial direction. Accordingly, the gas channel total cross-sectional area of the second hot wall 7 / the gas channel cross-sectional area ratio of the first hot wall (gas channel cross-sectional area ratio) is 3 times 1/6 and is 1/2. . The length of the gas flow path 9 of the second hot wall 7 is ¼ of the entire length of the first hot wall 2.

この実施例1のホットウォール構造で、水素10slm、第一ホットウォール2中央炉壁温度1600℃、内部圧力80Torrにおける熱流体解析を行った結果と、図2に示す従来のホットウォール構造での熱流体解析結果を比較したところ、実施例1の第二ホットウォール7は流入する反応ガス8の整流と反応ガス8への予加熱の効果の両方を持っており、径方向およびガス流方向のガス温度分布が均一化されていることが分かった。その結果、従来のホットウォール構造に比べて、本発明の第一ホットウォール2、第二ホットウォール7を有する構造では、第一ホットウォール2内の反応室空間2−1におけるガス温度の高い領域が広がり、大面積ウエハを処理することが可能となることが分かった。具体的には、ガス温度が1600℃の領域を基準として、その領域との温度差が100℃以内(すなわち1500℃以上)の領域が1.5倍に広がった。これにより3インチウエハの面内ドーピング濃度のバラツキが、従来の成膜装置では50%であったが、本発明の成膜装置では10%と少なくなり、3インチウエハのドーピング濃度の面内均一性を向上させることができる。   With the hot wall structure of Example 1, the results of thermal fluid analysis at 10 slm hydrogen, the first hot wall 2 central furnace wall temperature 1600 ° C., and the internal pressure 80 Torr, and the heat in the conventional hot wall structure shown in FIG. When the fluid analysis results are compared, the second hot wall 7 of Example 1 has both the rectification of the inflowing reaction gas 8 and the effect of preheating the reaction gas 8, and the gas in the radial direction and the gas flow direction. It was found that the temperature distribution was uniform. As a result, in the structure having the first hot wall 2 and the second hot wall 7 of the present invention as compared with the conventional hot wall structure, the region of the reaction chamber space 2-1 in the first hot wall 2 where the gas temperature is high. It has been found that a large area wafer can be processed. Specifically, on the basis of the region where the gas temperature is 1600 ° C., the region where the temperature difference from that region is within 100 ° C. (that is, 1500 ° C. or more) has spread 1.5 times. As a result, the variation in the in-plane doping concentration of the 3-inch wafer was 50% in the conventional film forming apparatus, but decreased to 10% in the film forming apparatus of the present invention, and the in-plane uniform doping concentration of the 3-inch wafer was reduced. Can be improved.

一方、前記図1に示す第二ホットウォール7の3つのガス流路9のうち、中央の一つ(ガス流路断面積比1/6)としたホットウォールの比較用構造1について、熱流体解析によりホットウォール内のガス温度分布を調べたところ、予加熱効果により、従来のホットウォール構造に比べると、ガス温度の高温領域が若干広がっているが、第二ホットウォール7のガス流路総断面積が小さく(1/2が1/6へと1/3小さく)なったことにより、流速が上がり、ガスが温まりきれず、反応ガス温度が前記3つの流路を有するホットウォール構造に比べて低下することが判明した。ガス流量を下げると、反応ガス8温度の低下傾向については確かに弱まるが、その代わり、反応ガス8の炉内滞在時間が増加し、新規流入反応ガスとの入れ替わりが少なくなり、モノシラン、プロパンなどの反応ガス種の枯渇を招き易くなって、膜厚分布・濃度分布が悪化する惧れがあるので、ガス流量を低下させることはできない。さらに、整流効果もガス流路9が3つのものに比べて充分ではなくなるので、中央一箇所に集中したガス流路口から吹き出される反応ガス8が径方向に広がって均一なガス分布になるのに、ある程度の距離が必要である。このガス流路1つのホットウォールの比較用構造と本発明にかかるガス流路3つの構造とを流体解析によりガス流速分布を比較したところ、ガス流路1つの比較用構造は本発明の3つのものに比べ、ガスが径方向に広がるのに5倍程度の距離を余計に必要としていることが判明した。これはホットウォールの径サイズの増大を招き、無駄な部材を必要とすることになる。以上の理由から、反応ガス温度の均一化には、複数のガス流路を設けた方が有利であることが分かった。   On the other hand, regarding the hot wall comparative structure 1 that is one of the three gas flow paths 9 of the second hot wall 7 shown in FIG. When the gas temperature distribution in the hot wall was examined by analysis, the high temperature region of the gas temperature was slightly widened due to the preheating effect as compared with the conventional hot wall structure. Since the cross-sectional area is small (1/2 is reduced to 1/3, 1/6), the flow rate is increased, the gas cannot be fully heated, and the reaction gas temperature is higher than that of the hot wall structure having the three flow paths. It turned out that it fell. When the gas flow rate is lowered, the tendency of the reaction gas 8 temperature to decrease is certainly weakened, but instead, the residence time of the reaction gas 8 in the furnace is increased, and the replacement with the new inflow reaction gas is reduced, and monosilane, propane, etc. Since the reaction gas species are likely to be depleted and the film thickness distribution / concentration distribution may be deteriorated, the gas flow rate cannot be reduced. Furthermore, since the rectifying effect is not sufficient as compared with the case where the gas flow path 9 is three, the reaction gas 8 blown out from the gas flow path port concentrated in one central portion spreads in the radial direction and becomes a uniform gas distribution. In addition, a certain distance is required. When the gas flow velocity distribution was compared by the fluid analysis of the structure for comparison of one gas channel hot wall and the structure of three gas channels according to the present invention, the structure for comparison of one gas channel was three of the present invention. It was found that an extra distance of about 5 times was required for the gas to spread in the radial direction compared to the gas. This leads to an increase in the hot wall diameter and requires a useless member. For the above reasons, it has been found that it is more advantageous to provide a plurality of gas flow paths in order to make the reaction gas temperature uniform.

第二ホットウォール7のガス流路9はなるべく多いほど良いが、このガス流路空間を開けすぎると、空間比率が大になり、第二ホットウォール7の熱容量が下がることになり、ガスによって逆に冷やされてしまい、予加熱効果が薄れてしまうので、好ましくない。逆に、ガス流路9空間が少なすぎると、前述のように整流効果が薄れるので、やはり好ましくない。従って、ガス流路断面積比は1/6を超え、1/2以下が望ましい。   The number of gas flow paths 9 of the second hot wall 7 is preferably as much as possible. However, if this gas flow path space is opened too much, the space ratio increases, the heat capacity of the second hot wall 7 decreases, and the gas flow is reversed by the gas. This is not preferable because the preheating effect is diminished. On the contrary, if the space of the gas flow path 9 is too small, the rectifying effect is reduced as described above, which is not preferable. Therefore, the gas channel cross-sectional area ratio exceeds 1/6 and is preferably 1/2 or less.

各々のガス流路断面積は小さいほど、ガスと炉壁の熱交換が盛んになり、ガス温度が上昇する。従って、反応ガス中のパーティクルで目詰まりしない程度に小さい方が好ましい。また、整流効果を十分得るためには、複数のガス流路断面積それぞれを等しくすることが重要である。断面積が異なる場合は、大面積ガス流路にガスが偏って流れ、径方向に均一なガス流が得られないので、好ましくない。   The smaller the cross-sectional area of each gas flow path, the greater the heat exchange between the gas and the furnace wall, and the higher the gas temperature. Therefore, it is preferable that the particle size is small enough not to be clogged with particles in the reaction gas. Further, in order to obtain a sufficient rectifying effect, it is important to equalize each of the plurality of gas flow path cross-sectional areas. When the cross-sectional areas are different, the gas flows unevenly in the large area gas flow path, and a uniform gas flow in the radial direction cannot be obtained.

さらに第二ホットウォール7のガス流路長も重要なパラメータである。第二ホットウォール7のガス流路長を本発明にかかるホットウォール構造のガス流路長の1/10に小さくした比較用構造で、熱流体解析を行ったところ、この比較用構造では整流効果により、ガス温度の径方向分布は向上するが、十分な予加熱効果が得られないことが分かった。その結果、ガス流方向の温度分布が、本発明にかかるガス流路長を有する第二ホットウォール構造に比べて悪化している。第二ホットウォール7の厚み(ガス流方向)は、厚いほど、ガス温度が上昇するが、ガス流方向に均一な温度分布が得られれば、それ以上の厚みは無駄である。これは炉サイズの増大を招くだけでなく、第二ホットウォール7の熱容量を必要以上に増大させてしまい、加熱を困難にするので望ましくない。   Furthermore, the gas flow path length of the second hot wall 7 is also an important parameter. A comparative structure in which the gas flow path length of the second hot wall 7 was reduced to 1/10 of the gas flow path length of the hot wall structure according to the present invention was analyzed by thermofluid analysis. As a result, it was found that the radial distribution of the gas temperature is improved, but a sufficient preheating effect cannot be obtained. As a result, the temperature distribution in the gas flow direction is worse than that of the second hot wall structure having the gas flow path length according to the present invention. As the thickness (in the gas flow direction) of the second hot wall 7 increases, the gas temperature increases. However, if a uniform temperature distribution is obtained in the gas flow direction, the thickness beyond that is useless. This not only increases the furnace size but also undesirably increases the heat capacity of the second hot wall 7 and makes heating difficult.

第二ホットウォールのガス流路の形状が異なる実施例2のホットウォール成膜装置にかかる第二ホットウォール37の軸方向横断面図を図6に示す。図6は第二ホットウォール37をガス流路の断面が現れるように、軸方向(ガス流方向)に沿って切断した第二ホットウォール断面図である。第二ホットウォール37の炉壁と反応ガス38の熱交換を盛んにするため、ガス流路39を蛇行形状にしている。この結果、ガス流路39を短くすることなく第二ホットウォール37の全長を短くすることが可能となり、省スペースになり、また、熱容量を低下させるので、加熱の容易さの点で有利となる。   FIG. 6 shows an axial cross-sectional view of the second hot wall 37 according to the hot wall film forming apparatus of Example 2 in which the shape of the gas channel of the second hot wall is different. FIG. 6 is a cross-sectional view of the second hot wall 37 cut along the axial direction (gas flow direction) so that the cross section of the gas channel appears. In order to actively exchange heat between the furnace wall of the second hot wall 37 and the reaction gas 38, the gas flow path 39 has a meandering shape. As a result, it is possible to shorten the entire length of the second hot wall 37 without shortening the gas flow path 39, which saves space and reduces the heat capacity, which is advantageous in terms of ease of heating. .

実施例3にかかるホットウォール成膜装置40の概略構成断面図を図7に示す。(a)は軸方向の横断面図であり、(b)は(a)の中央における縦断面図である。前述の実施例1、2のホットウォール炉とは異なり、石英管41内に断熱材46を介して第一ホットウォール42と共に並べられるはずの、前記実施例1、2に記載の内部にガス流路を設けられた第二ホットウォールがない。その代わり、実施例3のホットウォールでは、ガス流路の機能とSiCウエハ44の支持機能とを兼用するためのサセプタ(SiCウエハを取り付ける支持部材)43が複数枚、第一ホットウォール42内の反応室空間47内に互いに平行に間隔をおいて、高さ方向に積層される構成にされていることを特徴とする。   FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a hot wall film forming apparatus 40 according to the third embodiment. (A) is a cross-sectional view of an axial direction, (b) is a longitudinal cross-sectional view in the center of (a). Unlike the above-described hot wall furnaces of the first and second embodiments, the gas flow in the inside of the first and second embodiments, which should be arranged with the first hot wall 42 via the heat insulating material 46 in the quartz tube 41. There is no second hot wall with a path. Instead, in the hot wall of the third embodiment, a plurality of susceptors (support members for attaching the SiC wafer) 43 for combining the function of the gas flow path and the support function of the SiC wafer 44 are provided in the first hot wall 42. The reaction chamber space 47 is characterized by being stacked in the height direction at intervals in parallel to each other.

図8は石英管の加熱部における径方向の反応ガス温度分布を、横軸を、軸芯を0とする管径方向、縦軸を反応ガス温度として示す反応ガス温度分布図である。この実施例3のホットウォール42に水素を10リットル/分程度流し、且つ1600℃に加熱昇温した場合の、石英管41径方向の反応ガスの温度分布では、図8に示すように、水素ガスはホットウォール42との接触により、ホットウォール42内壁面近傍ではガスの温度は急激に昇温する温度分布となることを示している。ホットウォール42の壁面から離れた軸芯を中心とする空間では熱伝導と拡散によって得られる、ガス温度の安定した領域48が存在することがわかった。実施例3ではこの温度安定領域48を利用して複数枚同時処理を可能にしている。ガス温度が均一であるため、ウエハ間でのドーピングバラツキを小さく抑えることができる。   FIG. 8 is a reaction gas temperature distribution diagram showing the reaction gas temperature distribution in the radial direction in the heating section of the quartz tube, with the horizontal axis representing the tube diameter direction with the axis being 0, and the vertical axis representing the reaction gas temperature. In the temperature distribution of the reaction gas in the radial direction of the quartz tube 41 when hydrogen is allowed to flow through the hot wall 42 of Example 3 at about 10 liters / minute and heated to 1600 ° C., as shown in FIG. This shows that the gas has a temperature distribution in which the temperature of the gas rapidly increases in the vicinity of the inner wall surface of the hot wall 42 due to contact with the hot wall 42. It was found that a region 48 having a stable gas temperature, which is obtained by heat conduction and diffusion, exists in a space centered on the axial center away from the wall surface of the hot wall 42. In the third embodiment, the temperature stable region 48 is used to enable simultaneous processing of a plurality of sheets. Since the gas temperature is uniform, the doping variation between wafers can be kept small.

図7に示すサセプタ43を7枚とした場合の反応室空間47の温度分布解析をしたところ、サセプタ43の面内温度は、1550℃〜1580℃の範囲でほぼ均一に加熱されていることがわかった。
次に、サセプタ43を7枚とした場合の、水素ガスの流速分布を調べたところ、積層サセプタ間の間隔が異なると、流速が変るので、サセプタ43の高さ方向の間隔を均等にする必要のあることがわかった。
When the temperature distribution analysis of the reaction chamber space 47 when the number of the susceptors 43 shown in FIG. 7 is seven, the in-plane temperature of the susceptor 43 is almost uniformly heated in the range of 1550 ° C. to 1580 ° C. all right.
Next, when the flow rate distribution of hydrogen gas in the case of seven susceptors 43 was examined, the flow rate would change if the spacing between the stacked susceptors was different, so the spacing in the height direction of the susceptors 43 should be made uniform. I found out that

また、サセプタ43には厚さ500μmのSiC多結晶板を用いた。このSiC多結晶からなるサセプタ43は、高温水素に対して耐食性を持ち、輻射率がグラファイトなみに高いため、ホットウォールから容易に輻射熱を吸収し易く加熱され易い特長がある。また、体積が小さいため、ウエハとほぼ同等に小さい熱容量であり、ウエハとサセプタ間の温度差は無視できるほど小さいことが利点である。   The susceptor 43 was a SiC polycrystalline plate having a thickness of 500 μm. The susceptor 43 made of SiC polycrystal has corrosion resistance against high-temperature hydrogen and has a radiation rate as high as that of graphite. Therefore, the susceptor 43 easily absorbs radiant heat from a hot wall and is easily heated. Further, since the volume is small, the heat capacity is almost as small as that of the wafer, and the temperature difference between the wafer and the susceptor is small enough to be ignored.

他方、従来のホットウォールでは、ホットウォールの熱容量がウエハに比べて極端に大きく、また、ウエハとホットウォールとの接触もウエハのソリなどに起因して完全ではないため、特に冷却時などにおいて、ホットウォールとウエハ間に温度差が生まれる。つまり、ウエハは冷たいガスで冷やされるのに対し、ホットウォールは熱容量が大きいため、熱いままである。この温度差に起因して、ホットウォール壁のコーティングを昇華させ、ウエハ裏面にコーティングを付着させるという問題が発生することがある。   On the other hand, in the conventional hot wall, the heat capacity of the hot wall is extremely large compared to the wafer, and the contact between the wafer and the hot wall is not perfect due to the warpage of the wafer. A temperature difference is created between the hot wall and the wafer. In other words, the wafer is cooled by a cold gas, whereas the hot wall has a large heat capacity and remains hot. Due to this temperature difference, the problem of sublimating the coating on the hot wall wall and causing the coating to adhere to the back surface of the wafer may occur.

また、実施例3のホットウォール構造により得られる別の効果として、以下のことがあげられる。従来のホットウォールでは炉壁近傍でガスの流れが滞留し、炉壁で発生するパーティクルが流されないため、炉壁にウエハが密着していると、ウエハに反応ガスにより生成されるパーティクルが付着しやすいという問題が発生する。パーティクルはデバイスの良品率を下げるため、パーティクルの付着は極力避けなければならない。本発明では、サセプタを用いて、ウエハを炉壁から離して保持することにより、パーティクルの付着を少なくすることができる。   Further, as another effect obtained by the hot wall structure of Example 3, the following can be mentioned. In the conventional hot wall, the gas flow stays in the vicinity of the furnace wall, and particles generated on the furnace wall do not flow.Therefore, when the wafer is in close contact with the furnace wall, the particles generated by the reaction gas adhere to the wafer. The problem that it is easy to occur. Since particles reduce the yield rate of devices, particle adhesion should be avoided as much as possible. In the present invention, the adhesion of particles can be reduced by using a susceptor to hold the wafer away from the furnace wall.

さらにまた、実施例3のホットウォールを用いる場合、図7に示すホットウォール成膜装置で、丸印を付けたサセプタ43とホットウォール42の接触部49に、伝熱を緩和する措置を設けることがより望ましい。以下、この接触部の拡大断面図である図3、4、5を用いて具体的に説明する。
図3にサセプタ43−ホットウォール42接触部49の構造の接触部1の断面図を示す。図4、図5にその改良案構造の、接触部2、接触部3のそれぞれ断面図を示す。図3の接触部1はサセプタ43とホットウォール42の面接触を小さくさせて伝熱を抑える機能を持たせたものである。図4の接触部2はサセプタ43とホットウォール42の接触部について、ホットウォール側の接触部に傾斜を付けることにより線接触させて伝熱を抑える機能を持たせたものである。図5の接触部3はさらに、ホットウォール側の接触部を尖らせて周囲のガスによる冷却効果を高めて、伝熱を抑える機能を持たせたものである。下記表1に前記接触部1、2、3の各接触部について、相互の温度差の測定結果を示す。表1によれば、図4、図5の構造で共に、図3より温度差についての改善が見られるので、より好ましいことが分かる。
Furthermore, when the hot wall of Example 3 is used, a measure for relaxing heat transfer is provided at the contact portion 49 between the susceptor 43 and the hot wall 42 marked with a circle in the hot wall film forming apparatus shown in FIG. Is more desirable. Hereinafter, the contact portion will be specifically described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the contact portion 1 having the structure of the contact portion 49 of the susceptor 43 and the hot wall 42. 4 and 5 are cross-sectional views of the contact portion 2 and the contact portion 3, respectively, of the improved structure. The contact portion 1 in FIG. 3 has a function of suppressing heat transfer by reducing the surface contact between the susceptor 43 and the hot wall 42. The contact portion 2 in FIG. 4 has a function of suppressing heat transfer by bringing the contact portion between the susceptor 43 and the hot wall 42 into line contact by inclining the contact portion on the hot wall side. The contact portion 3 in FIG. 5 further has a function of suppressing heat transfer by sharpening the contact portion on the hot wall side to enhance the cooling effect by the surrounding gas. Table 1 below shows the measurement results of the temperature difference between the contact portions 1, 2, and 3 of the contact portions. According to Table 1, it can be seen that both the structures of FIG. 4 and FIG. 5 are more preferable because the temperature difference is improved as compared with FIG.

Figure 2008034780
なお、本発明にかかるホットウォールは横型であることが望ましい。なぜならば、石英間を縦に配置した縦型ホットウォールでは、重力で落下しようとするウエハをサセプタ上に配置するため、サセプタ上にネジやスリットなどの保持部品もしくはサセプタを楔形にする必要があり、サセプタを大型化してしまうので、空間の利用効率が低下する。これは多数枚同時処理には適切ではない。
Figure 2008034780
The hot wall according to the present invention is preferably a horizontal type. This is because in a vertical hot wall in which quartz is vertically arranged, a wafer to be dropped due to gravity is placed on the susceptor, so that holding parts such as screws and slits or the susceptor must be wedged on the susceptor. Since the susceptor is enlarged, the space utilization efficiency is lowered. This is not suitable for simultaneous processing of a large number of sheets.

図9に本発明の実施例4にかかるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。この成膜装置は、石英ガラス製気相反応炉50、ガス流入口51、ガス排出口52よりなる。石英ガラス製気相反応炉50の最外周は石英ガラス管65である。図9では正確な縮尺で描かれてはいないので、この石英ガラス管の長さはホットウォール55の長さに比べて少し長くされているだけであるが、実際にはさらにもっと長く、2倍から5倍の長さである。この石英ガラス管の開放両端にはそれぞれガス流入口51とガス排出口52とを備えるステンレス製の末端治具63が取り付けられる。特にガス排出口側の末端はウエハの出し入れが可能なように開閉機構64が設けられている。反応炉50内には、グラファイトもしくはSiCコートしたグラファイトからなるサセプタ53、グラファイトもしくはSiCコートしたグラファイトからなるホットウォール54、断熱材55、ガス流入側保温部材56、ガス排出側保温部材57等が配置されている。   FIG. 9 shows a sectional view of an epitaxial film forming apparatus according to Example 4 of the present invention. This film forming apparatus includes a quartz glass vapor phase reactor 50, a gas inlet 51, and a gas outlet 52. The outermost periphery of the quartz glass gas phase reactor 50 is a quartz glass tube 65. Since it is not drawn to an accurate scale in FIG. 9, the length of this quartz glass tube is only slightly longer than the length of the hot wall 55, but actually it is much longer and doubles. Is 5 times longer. A stainless steel end jig 63 having a gas inlet 51 and a gas outlet 52 is attached to both ends of the quartz glass tube. In particular, an opening / closing mechanism 64 is provided at the end on the gas outlet side so that a wafer can be taken in and out. Arranged in the reaction furnace 50 are a susceptor 53 made of graphite or SiC-coated graphite, a hot wall 54 made of graphite or SiC-coated graphite, a heat insulating material 55, a gas inflow side heat retaining member 56, a gas discharge side heat retaining member 57, and the like. Has been.

前記サセプタ53の中央部には、図示しないザグリが設けられ、SiCウエハ58が定位置に置かれる。SiCウエハ58の直径は、現在の量産ベースでは3インチが主流であるが、大口径化が進めば、それに合わせて石英ガラス製気相反応炉の直径を大きくして、5インチ、6インチなどの大きさに対応していけばよい。
SiCウエハ58をサセプタ53に載置した状態のB−B線断面図を図10(a)に示す。両保温部材56、57は、グラファイトもしくは、SiCコートしたグラファイトからなる発熱体54とそれを取り囲む断熱材55からなり、ホットウォール両端のガス出入り口にそれぞれ配置される。両保温部材56、57には、図10(b)と(c)の断面図に示すように、ガス通気用のガス通気穴61が複数開いており、反応ガスが出入りできるようになっている。ガス流入側保温部材56の通気穴61の形状は任意であるが、ガス排出側保温部材57の通気穴62は、SiCウエハ58の交換の際にウエハが取り出せるスペースを有する形状にされている。
A counterbore (not shown) is provided at the center of the susceptor 53, and the SiC wafer 58 is placed at a fixed position. The diameter of the SiC wafer 58 is 3 inches on the current mass production base, but if the diameter increases, the diameter of the quartz glass gas phase reactor will be increased accordingly and 5 inches, 6 inches, etc. It is enough to correspond to the size of.
FIG. 10A shows a cross-sectional view taken along the line BB in a state where the SiC wafer 58 is placed on the susceptor 53. Both heat retaining members 56 and 57 are composed of a heating element 54 made of graphite or SiC-coated graphite and a heat insulating material 55 surrounding the heating element 54, and are arranged at gas inlets and outlets at both ends of the hot wall. As shown in the cross-sectional views of FIGS. 10B and 10C, a plurality of gas ventilation holes 61 for gas ventilation are opened in both the heat retaining members 56 and 57 so that the reaction gas can enter and exit. . Although the shape of the vent hole 61 of the gas inflow side heat retaining member 56 is arbitrary, the vent hole 62 of the gas exhaust side heat retaining member 57 is formed into a shape having a space where the wafer can be taken out when the SiC wafer 58 is replaced.

サセプタ53の加熱は、反応炉50周囲の石英管の外周囲に配置される加熱用高周波コイル59によりホットウォール55を誘導加熱し、そこから伝熱することにより行なわれる。サセプタ53の温度は、反応炉50の外に設けたパイロメーター60でモニターされ、加熱用高周波コイル59の出力により温度制御を行う。前記両保温部材56、57は誘導加熱およびホットウォールからの輻射により加熱されることにより、従来の反応炉で見られたようなホットウォール内壁のガス出入り口付近の温度低下を防ぐ。   The susceptor 53 is heated by inductively heating the hot wall 55 by a high frequency coil 59 for heating disposed around the outer periphery of the quartz tube around the reaction furnace 50 and transferring heat therefrom. The temperature of the susceptor 53 is monitored by a pyrometer 60 provided outside the reaction furnace 50, and the temperature is controlled by the output of the heating high frequency coil 59. Both the heat retaining members 56 and 57 are heated by induction heating and radiation from the hot wall, thereby preventing a temperature drop in the vicinity of the gas inlet / outlet of the inner wall of the hot wall as seen in a conventional reactor.

従来の保温部材のないホットウォール(従来炉)と図9のような保温部材を有するホットウォールについて、ガス流と平行方向(D−D方向)のホットウォール内壁の温度分布を熱電対により比較測定した結果を図11に示す。実施例4では、従来炉に比べて、ホットウォール端部の温度が上昇していることが分かる。
また、ガス流入側保温部材56は、ガスの予加熱効果、整流効果を持ち、ホットウォール内の反応ガス温度分布の均一化による、結晶品質、膜厚、不純物濃度分布の均一化に貢献する。反応ガス温度の均一化は、反応ガスが保温部材に空けられたガス通気穴を通過する際に、加熱され、また複数のガス通気穴を通ることにより整流されて均一化するためである。反応ガスは、水素をキャリアガスとし、モノシラン(SiH)、プロパン(C)およびドーパントとしてn型の場合には窒素(N)、p型の場合にはトリメチルアルミニウム(TMA)の混合ガスからなり、ガス流入口より導入され、ガス流入側保温部材56を通して整流されたガス流となり、サセプタおよびウエハ表面に平行に流れ、ガス排出側保温部材57を通過して、ガス排出口からドライポンプなどで排気される。炉内気圧の管理は、ドライポンプによる排気と、ガス排出口の先に設けられた、圧力調整弁により行う。実際の成膜は、以下の条件で行う。
炉内気圧 : 10〜760Torr
キャリア水素流量: 1〜100SLM
SiH流量 : 1〜1000sccm
流量 : 1〜1000sccm
流量 : 0.001〜1000sccm
TMA(トリメチルアルミニウム)流量: 0.000001〜1sccm
ウエハ温度 : 1500℃〜2000℃
上記条件は、装置のサイズ、内部の詳細な構造に応じて、異なってもよい。本実施例4によれば、ウエハの大径化のため、加熱するためにエネルギーを余計に必要とし、且つ温度制御性も悪化しやすくなる惧れのあるホットウォールの長大化を必要とする場合でも、従来よりは抑制できるので、SiCエピタキシャル膜の結晶品質、膜厚、不純物濃度の均一性を向上させることができる。
Comparison of the temperature distribution of the inner wall of the hot wall in the direction parallel to the gas flow (DD direction) using a thermocouple for a conventional hot wall without a heat retaining member (conventional furnace) and a hot wall having a heat retaining member as shown in FIG. The results are shown in FIG. In Example 4, it can be seen that the temperature at the end of the hot wall is higher than that in the conventional furnace.
In addition, the gas inflow side heat retaining member 56 has a gas preheating effect and a rectifying effect, and contributes to the uniformity of crystal quality, film thickness, and impurity concentration distribution by making the reaction gas temperature distribution in the hot wall uniform. The reaction gas temperature is made uniform because the reaction gas is heated when passing through the gas ventilation holes formed in the heat retaining member, and is rectified and made uniform by passing through the plurality of gas ventilation holes. The reaction gas is made of monosilane (SiH 4 ), propane (C 3 H 8 ), and nitrogen (N 2 ) in the case of n-type and trimethylaluminum (TMA) in the case of p-type using hydrogen as a carrier gas. It consists of mixed gas, is introduced from the gas inlet, becomes a rectified gas flow through the gas inflow side heat retaining member 56, flows parallel to the susceptor and the wafer surface, passes through the gas outlet side heat retaining member 57, and passes through the gas outlet. It is exhausted with a dry pump. The pressure inside the furnace is controlled by exhaust using a dry pump and a pressure regulating valve provided at the end of the gas discharge port. Actual film formation is performed under the following conditions.
Furnace pressure: 10 to 760 Torr
Carrier hydrogen flow rate: 1-100 SLM
SiH 4 flow rate: 1-1000 sccm
C 3 H 8 flow rate: 1-1000 sccm
N 2 flow rate: 0.001 to 1000 sccm
TMA (trimethylaluminum) flow rate: 0.000001-1 sccm
Wafer temperature: 1500 ° C. to 2000 ° C.
The above conditions may vary depending on the size of the device and the detailed structure inside. According to the fourth embodiment, in order to increase the diameter of the wafer, extra energy is required for heating, and it is necessary to increase the length of the hot wall, which is likely to deteriorate the temperature controllability. However, since it can be suppressed as compared with the prior art, the crystal quality, film thickness, and uniformity of impurity concentration of the SiC epitaxial film can be improved.

前記実施例4では、ホットウォール型CVD炉に本発明を適用した場合を示したが、特に断熱材などから出るパーティクルがウエハ上に付着するの嫌う場合、またさらに、ウエハ上下の温度差をより小さくするため、ホットウォール内中央空間にサセプタを浮かせ、ホットウォールからの輻射によりサセプタを加熱する構造とすることも好ましい。図12(a)は本実施例5にかかるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。本実施例5におけるホットウォール70両端の流入排出保温部材56、57およびその外側のステンレス製の末端治具63、64は前記実施例4と同じ構造であってよい。   In the fourth embodiment, the case where the present invention is applied to a hot wall type CVD furnace has been shown. In particular, when the particles coming from the heat insulating material do not like to adhere to the wafer, the temperature difference between the upper and lower sides of the wafer is further increased. In order to reduce the size, a structure in which the susceptor is floated in the central space inside the hot wall and the susceptor is heated by radiation from the hot wall is also preferable. FIG. 12A is a sectional view of the epitaxial film forming apparatus according to the fifth embodiment. The inflow / discharge heat retaining members 56 and 57 at both ends of the hot wall 70 in the fifth embodiment and the stainless steel end jigs 63 and 64 outside the hot wall 70 may have the same structure as in the fourth embodiment.

実施例5では、図12のように、実施例4に比べて、ホットウォール70内中央空間にサセプタ73を浮かせ、その上にSiCウエハ78を載置する構造が異なり、その他の構造は実施例4と同様の構造であるので、ウエハの大径化のため、加熱するためにエネルギーを余計に必要とし、且つ温度制御性も悪化しやすくなる惧れのあるホットウォールの長大化を必要とする場合でも、従来よりは長大化を抑制できるので、ホットウォール70内壁の温度分布およびホットウォール70内の反応ガス温度分布をより均一化できるようになり、エピタキシャル膜の結晶品質、膜厚、不純物濃度の均一性を向上させることができる。   In the fifth embodiment, as shown in FIG. 12, the structure in which the susceptor 73 is floated in the central space in the hot wall 70 and the SiC wafer 78 is placed thereon is different from that in the fourth embodiment. Since the structure is the same as that of No. 4, it is necessary to increase the diameter of the wafer and to increase the length of the hot wall, which requires extra energy for heating and the temperature controllability is likely to deteriorate. Even in this case, since the increase in length can be suppressed as compared with the conventional case, the temperature distribution of the inner wall of the hot wall 70 and the reaction gas temperature distribution in the hot wall 70 can be made more uniform, and the crystal quality, film thickness, impurity concentration of the epitaxial film can be achieved. Can improve the uniformity.

本発明にかかるホットウォールの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the hot wall concerning this invention. 従来のホットウォールの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the conventional hot wall. 実施例3にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部1の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the contact part 1 of the susceptor-hot wall concerning Example 3. FIG. 実施例3にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部2の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the contact part 2 of the susceptor-hot wall concerning Example 3. FIG. 実施例3にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部3の拡大断面図である。6 is an enlarged cross-sectional view of a contact portion 3 of a susceptor-hot wall according to Example 3. FIG. 実施例2にかかる第二ホットウォールのガス流路方向断面図である。It is sectional drawing of the gas channel direction of the 2nd hot wall concerning Example 2. FIG. 実施例3にかかるホットウォールの要部断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a hot wall according to Example 3. 実施例3にかかるホットウォールの管径方向の反応ガス温度分布図である。FIG. 7 is a reaction gas temperature distribution diagram in the tube diameter direction of a hot wall according to Example 3. 実施例4にかかる成膜装置の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a film forming apparatus according to Example 4. FIG. 図9の成膜装置にかかるサセプタ−ホットウォールのA−A、B−B、C−C線で切断した各断面図である。It is each sectional drawing cut | disconnected by the AA, BB, CC line of the susceptor hot wall concerning the film-forming apparatus of FIG. 従来のものと、実施例4にかかるホットウォールとのD−D方向における内壁温度分布図である。It is an inner-wall temperature distribution figure in the DD direction of the conventional thing and the hot wall concerning Example 4. FIG. 実施例5にかかる成膜装置の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a film forming apparatus according to Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1… 石英管
2… 第一ホットウォール
3… サセプタ
4… SiC結晶基板、ウエハ、SiCウエハ
5… 高周波コイル
6… 断熱材
7… 第二ホットウォール
8… 反応ガス
9… ガス流路
10… ホットウォール反応炉
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quartz tube 2 ... 1st hot wall 3 ... Susceptor 4 ... SiC crystal substrate, wafer, SiC wafer 5 ... High frequency coil 6 ... Heat insulating material 7 ... 2nd hot wall 8 ... Reaction gas 9 ... Gas flow path 10 ... Hot wall Reactor

Claims (11)

両端に反応ガス流入口と排出口とを有し減圧可能な耐熱円筒管内に第一ホットウォールと第二ホットウォールが断熱材を介して前記耐熱円筒管の軸方向に並べて配置され、第一ホットウォールに設けられる反応室空間内にSiC結晶基板を取り付ける支持部材が配置され、該第一ホットウォールに対向する位置の前記耐熱円筒管の外周に前記第一ホットウォールを誘導加熱するための誘導加熱装置が設けられ、前記第二ホットウォールは、内部に前記耐熱円筒管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記第一ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備えることを特徴とするエピタキシャルSiC成膜装置。 A first hot wall and a second hot wall are arranged in the axial direction of the heat-resistant cylindrical tube through a heat insulating material in a heat-resistant cylindrical tube having a reaction gas inlet and a discharge port at both ends and capable of being depressurized. A support member for attaching a SiC crystal substrate is disposed in a reaction chamber space provided in the wall, and induction heating for inductively heating the first hot wall on the outer periphery of the heat-resistant cylindrical tube at a position facing the first hot wall An apparatus is provided, and the second hot wall is a gas flow path provided in a direction parallel to the axis of the heat-resistant cylindrical tube, one end of which is connected to the reaction gas inlet and rectifies the inflowing reaction gas An epitaxial SiC film forming apparatus, wherein the other end is provided with a gas flow path leading to the space in the first hot wall. 前記耐熱円筒管が石英管であることを特徴とする請求項1記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 2. The epitaxial SiC film forming apparatus according to claim 1, wherein the heat-resistant cylindrical tube is a quartz tube. 前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材がグラファイトを主成分とすることを特徴とする請求項1または2記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 The epitaxial SiC film-forming apparatus according to claim 1 or 2, wherein a supporting member for attaching the first hot wall, the second hot wall, and the SiC crystal substrate contains graphite as a main component. 前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材の表面にSiC膜がコーティングされていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 4. The epitaxial SiC composition according to claim 1, wherein a SiC film is coated on a surface of a support member to which the first hot wall, the second hot wall, and the SiC crystal substrate are attached. Membrane device. 前記SiC結晶基板を取り付ける支持部材が前記第二ホットウォール内の反応ガスの流入方向に対向する基板支持傾斜面を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 5. The epitaxial SiC according to claim 1, wherein the support member to which the SiC crystal substrate is attached has a substrate support inclined surface facing the inflow direction of the reaction gas in the second hot wall. Deposition device. 前記第二ホットウォール内のガス流路の数は1つを超え、3つ以下であって、前記ガス流路を合わせた断面積の、第一ホットウォール内のガス流路断面積に対する比が1/6を超え、1/2以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置 The number of gas passages in the second hot wall is more than one and not more than three, and the ratio of the sectional area of the gas passages combined with the sectional area of the gas passages in the first hot wall is 6. The epitaxial SiC film forming apparatus according to claim 1, wherein the epitaxial SiC film forming apparatus is more than 1/6 and not more than 1/2. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置を用いて、前記成膜装置内の支持部材にSiC結晶基板を載置して、該SiC結晶基板上にSiCエピタキシャル膜を成膜することを特徴とするエピタキシャルSiC膜付きSiC半導体装置の製造方法。 Using the epitaxial SiC film forming apparatus according to any one of claims 1 to 6, a SiC crystal substrate is placed on a support member in the film forming apparatus, and an SiC epitaxial film is formed on the SiC crystal substrate. A method of manufacturing a SiC semiconductor device with an epitaxial SiC film, comprising forming a film. 耐熱管内に、断熱材を介してホットウォールと該ホットウォールの両端の開口を塞ぐ形状の流入側と排出側の保温部材をそれぞれ有し、前記ホットウォールと前記流入側と排出側の両保温部材とから形成される空間内部に配置されるSiC結晶基板用支持部材と、前記耐熱管の両端に嵌合し、それぞれガス流入口とガス排出口を有して前記耐熱管の両端開口の閉管を可能にする末端治具と、前記ホットウォールの位置に対向する耐熱管の外周に設けられる誘導加熱コイルと、を備えるエピタキシャルSiC成膜装置において、前記流入側保温部材は内部に前記耐熱管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備え、排出側保温部材はSiC結晶基板の通過可能な形状の排出ガス用流路を備えることを特徴とするエピタキシャルSiC成膜装置。 In the heat-resistant pipe, a hot wall and an inflow side and an exhaust side heat retaining member configured to block the openings at both ends of the hot wall via a heat insulating material, respectively, the hot wall, both the inflow side and the exhaust side heat retaining member The SiC crystal substrate support member disposed inside the space formed from the two ends of the heat-resistant tube, fitted with both ends of the heat-resistant tube, each having a gas inlet and a gas outlet, and closed pipes at both ends of the heat-resistant tube. An epitaxial SiC film forming apparatus comprising: a terminal jig to be enabled; and an induction heating coil provided on an outer periphery of the heat-resistant tube facing the position of the hot wall, wherein the inflow-side heat retaining member is disposed inside the shaft of the heat-resistant tube Gas flow path provided in a direction parallel to the gas flow path, one end of which is connected to the reaction gas inlet and rectifies the inflowing reaction gas, and the other end is a gas flow path leading to the space in the hot wall. For example, the discharge-side heat insulating member epitaxial SiC film forming apparatus characterized by comprising an exhaust gas passage of the passable shape of SiC crystal substrate. 前記耐熱管が石英管であることを特徴とする請求項8記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 9. The epitaxial SiC film forming apparatus according to claim 8, wherein the heat-resistant tube is a quartz tube. 前記ホットウォールと前記保温部材と前記SiC結晶基板を載置する支持部材とがそれぞれグラファイトを主成分とすることを特徴とする請求項8または9記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 10. The epitaxial SiC film forming apparatus according to claim 8, wherein the hot wall, the heat retaining member, and the supporting member on which the SiC crystal substrate is placed mainly comprise graphite. 11. 前記ホットウォールと前記保温部材と前記SiC結晶基板を載置する支持部材の表面にSiC膜がコーティングされていることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載のエピタキシャルSiC成膜装置。 The epitaxial SiC film formation according to any one of claims 8 to 10, wherein a SiC film is coated on a surface of a support member on which the hot wall, the heat retaining member, and the SiC crystal substrate are placed. apparatus.
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