JP2010095431A - ＳｉＣ薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同一のＳｉＣ薄膜形成プロセスの進行中に、基板の前処理段階（昇温過程および高温過程）および基板上への薄膜の成長段階において、あるいは更に降温段階において、供給する炭化水素ガス種を瞬時に切り替えて、各段階に最適な種類の炭化水素ガスを供給できるＣＶＤによるＳｉＣ薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ単結晶の薄膜を成長させる基板１４を保持するサセプタ１２を内蔵したＣＶＤ反応容器１０、および該ＣＶＤ反応容器にそれぞれ接続されたＳｉ原料ガスの供給器２６および炭化水素ガスの供給器２８を備えたＳｉＣ薄膜形成装置において、上記炭化水素ガスの供給器は、それぞれ相互に独立して供給を制御可能な複数の炭化水素ガス源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶の薄膜をＣＶＤにより形成するためのＳｉＣ薄膜形成装置に関する。

ＳｉＣ単結晶の薄膜（以下、単に「ＳｉＣ薄膜」と称する）をＣＶＤ（化学気相成長法）により形成する方法は種々知られている。

しかし、本発明者は、ＣＶＤによりＳｉＣ薄膜を形成する多種多様な実験を通して、基板の前処理段階（昇温過程および成長温度段階）および基板上への薄膜の成長段階において、あるいは更に降温段階において、用いるＣ源ガス（炭化水素ガス）の種類によって膜質が変動することを見出した。

すなわち、基板の前処理時に、エッチングガス（水素ガス：キャリアガス兼用）のエッチング強度制御のために添加する炭化水素の種類によって、基板表面のエッチング速度や得られる平坦性が異なる。また、基板上への薄膜形成時には、Ｃ源として供給する炭化水素の種類によって、形成されるＳｉＣ薄膜の特性が異なる。

したがって、上記の新規な知見によれば、基板の前処理時および薄膜の形成時に、プロセスの進行途中で炭化水素ガスの種類をリアルタイムで切り替えて適正化することにより、望ましい品質の薄膜が得られることになる。

この点について従来技術は何ら認識がなかったし、従って配慮がなされていなかった。

例えば、特許文献１には、ＣＶＤによりＳｉＣ薄膜を形成する際に、成長段階（初期成長段階および高温成長段階）によって、Ｓｉ含有ガスとＣ含有ガスとの混合比およびＣ含有ガス供給量を変えることが開示されている。しかし、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセス進行中にＣ含有ガスのガス種を変更することは開示されていない。

また、特許文献２には、ＣＶＤ法によりＳｉＣ薄膜を形成する際に、時系列的にＳｉガス源の分圧と炭素ガス源の分圧とを可変制御することが開示されている。炭素ガス種としては、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４等のうちの少なくとも１種の炭化水素ガスを用いる。しかし、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセス進行中に炭化水素ガスのガス種を変更することは開示されていない。

特許文献３には、ＣＶＤ法によりＳｉＣ薄膜を形成する際に、炭素源として、４種のフッ化エチレンを用いることが開示されている。しかし、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセス進行中にこれら４種の炭素源を切り替えて用いることは開示されていない。

更に、特許文献４には、レーザーＣＶＤ法によりＳｉＣ薄膜を形成する際に、材料ガス（炭素源ガス、Ｓｉ源ガス、キャリアガス、ドーパントガス等）のガスボンベを複数用いることが図示されている。しかし、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセス進行中に炭素源ガスのガス種を変更することは開示されていない。

このように、従来技術においては、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセスの進行中に、基板の前処理段階（昇温過程および高温過程）および基板上への薄膜の成長段階において、あるいは更に降温段階において、供給する炭化水素ガス種を瞬時に切り替えて、各段階に最適な種類の炭化水素ガスを供給することは、何ら配慮がなされていない。

従来はひたすら、基板へのエピタキシャル成長に適した炭化水素ガス種を選択し、そのガス種をベースとして固定して最適な基板前処理条件および薄膜形成条件を検討したのみであり、前処理と薄膜形成との間で、または、薄膜形成途中で、炭化水素の種類を瞬時に切り替えることの必要性までは、認識が及んでいなかった。

特開２００７−３２６７４３号公報 特許第３７０７７２６号 特開平９−２０８３９５号公報 特開平７−５０２６１号公報

本発明は、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセスの進行中に、基板の前処理段階（昇温過程および高温過程）および基板上への薄膜の成長段階において、あるいは更に降温段階において、供給する炭化水素ガス種を瞬時に切り替えて、各段階に最適な種類の炭化水素ガスを供給できるＣＶＤによるＳｉＣ薄膜形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、ＳｉＣ単結晶の薄膜を成長させる基板を保持するサセプタを内蔵したＣＶＤ反応容器、および該ＣＶＤ反応容器にそれぞれ接続されたＳｉ原料ガスの供給器および炭化水素ガスの供給器を備えたＳｉＣ薄膜形成装置において、
上記炭化水素ガスの供給器は、それぞれ相互に独立して供給を制御可能な複数の炭化水素ガス源に接続されていることを特徴とするＳｉＣ薄膜形成装置が提供される。

本発明のＳｉＣ薄膜形成装置によれば、ＳｉＣ薄膜を成長させる基板をサセプタ上に保持したＣＶＤ反応容器に接続された炭化水素ガスの供給器が、それぞれ相互に独立して供給を制御可能な複数の炭化水素ガス源に接続されていることにより、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセスの途中で瞬時に複数種類の炭化水素ガスの供給を開始、停止、供給量変更して、プロセスの各時点で最適な種類の炭化水素ガスを供給することができる。

図１に、本発明によるＳｉＣ薄膜形成装置の望ましい実施形態の一例を示す。

ＣＶＤ反応容器１０は、ＳｉＣ単結晶の薄膜を成長させる基板１４を保持するためのサセプタ１２を内蔵している。ＣＶＤ反応容器１０は、反応温度に加熱保持するためのヒーター（高周波コイル）１６が外周に配置されている。ＳｉＣ薄膜の形成を行なうための反応温度は、基板温度で例えば１４００〜１８００℃程度である。ＣＶＤ反応容器１０は一端に接続された排気装置１８により必要な真空度に減圧できる。反応温度は、放射温度計２０と熱電対２２とによって継続的に検知できる。放射温度計２０は主として６００〜１８００℃の高温域を、熱電対は室温から１８００℃の全温度域をカバーする。

キャリアガス供給源２４、シリコンガス供給源２６、複数の炭化水素ガス供給源２８が、それぞれ独立に操作できる開閉バルブ３０、流量制御器３２、開閉バルブ３４を介して、共通のガス供給管３６に接続され、このガス供給管３６がＣＶＤ反応容器１０の他端に接続されている。炭化水素ガス供給源２８は、異種の炭化水素ガス供給源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３から成り、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ相互に独立して異種の炭化水素ガスを供給、停止、供給量増減を制御できる。キャリアガスとしては一般に水素（Ｈ_２）ガスを用いるが、これに限定する必要は無く、ＳｉＣ薄膜を形成するＣＶＤ反応に影響を及ぼさないガスであればよい。図１には、炭化水素ガス供給源２８が３種類の炭化水素供給源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３から成る例を示したが、これに限定する必要は無く、２種類以上であれば何種類であってもよい。

以下、実施例により本発明の特徴を更に詳細に説明する。

図１に示した本発明の装置１０を用いてＳｉＣ薄膜を形成する際の温度パターンとガス供給パターンを説明する。

〔実施例１〕
図２に示した典型例の場合、前処理段階Ｐ０と薄膜形成段階Ｐ１と、それ以降の降温段階とから成る。図２の上半分は温度パターン、下半分はガス供給パターンを示す。Ｔは温度、ｔは時間である。

前処理段階Ｐ０は前半の昇温過程Ａと後半の高温保持過程Ｂとから成る。基板の前処理は、研磨によるダメージ層をエッチングによって除去する目的で行なう。このエッチングは、基板の表面全体に亘ってエッチング量のバラツキが小さく均一にエッチングされることにより、エッチング後に高い表面平坦性が得られることが重要である。昇温過程Ａでエッチングを進めると、表面にＳｉが生成してドロップレットとなり表面平坦性を損なうことがある。一方、高温保持過程Ｂでは、従来からＳｉＣ製膜に汎用されているＣ_３Ｈ_８を用いて前処理を行なうと、二次生成物の種類が多いため基板上の場所によってＳｉとの反応性が異なりエッチング速度が変動して、高い表面平坦性が得られない。

上記の不都合を回避するために、昇温過程Ａではエッチング防止剤として反応性の高いＣ_２Ｈ_２を用い、高温保持過程Ｂでは二次生成物の種類が少ないＣＨ_４を用いて、基板表面全体に亘って均一なエッチング速度を確保し、エッチング後に高い表面平坦性を達成する。

ＳｉＣ薄膜形成段階Ｐ１では、安定したエピタキシャル成長条件が確定しているＣ_３Ｈ_８を用いる。

詳細な一例として下記のガス供給パターンを用いる。

＜ガス供給パターン＞
前処理段階Ｐ０ （Ａ）昇温過程：キャリアガスＨ_２にＣ１として０．０２％のＣ_２Ｈ_２を添加。

（Ｂ）高温保持過程：１６００℃保持。キャリアガスＨ_２にＣ２として０．０５％のＣＨ_４を添加。

薄膜形成段階Ｐ１：１６００℃保持。Ｓｉ源（Ｓｉ）としてＳｉＨ_４と炭素源Ｃ３としてＣ_３Ｈ_８を供給。Ｃ／Ｓｉ＝１．５。

キャリアガスＨ_２はプロセスサイクルの全体に亘って連続して供給する。

〔実施例２〕
図３に、別の実施例による温度パターンとガス供給パターンの対応を示す。図２と同じ記号は同じ意味である。

炭化水素原料の種類によって、生成したＳｉＣ薄膜中に含まれる空孔Ｖ_Ｓｉ、Ｖ_Ｃの密度が異なるためキャリアの取り込み率が異なり、キャリア濃度の異なる層を短周期で交互に積層する。

詳細な一例として下記のガス供給パターンを用いる。

＜ガス供給パターン＞
前処理段階Ｐ０：１６００℃保持。キャリアガスＨ_２にＣ１として０．０５％のＣＨ_４を添加。

薄膜形成段階Ｐ１：１６００℃保持。Ｓｉ源（Ｓｉ）としてＳｉＨ_４は一定量１５ｃｃ／ｍｉｎを供給。炭化源Ｃ２としてＣ_３Ｈ_８を７．５ｃｃ／ｍｉｎと、炭素源Ｃ３としてＣ_２Ｈ_２を７．５ｃｃ／ｍｉｎとを交互に供給。

キャリアガスＨ_２はプロセスサイクルの全体に亘って連続して供給する。

〔実施例３〕
図４に、別の実施例による温度パターンとガス供給パターンの対応を示す。図２と同じ記号は同じ意味である。

炭化水素原料の種類によって、生成したＳｉＣ薄膜中に含まれる空孔Ｖ_Ｓｉ、Ｖ_Ｃの密度が異なるためキャリアの取込率が異なり、キャリア濃度が傾斜した層を積層する。

詳細な一例として下記のガス供給パターンを用いる。

＜ガス供給パターン＞
前処理段階Ｐ０：１６００℃保持。キャリアガスＨ_２にＣ１として０．０５％のＣＨ_４を添加。

薄膜形成段階Ｐ１：１６００℃保持。Ｓｉ源（Ｓｉ）としてＳｉＨ_４は一定量１５ｃｃ／ｍｉｎを供給。炭化源Ｃ２としてＣ_３Ｈ_８を初期９０ｃｃ／ｍｉｎから終期１０ｃｃ／ｍｉｎまで連続的に減少させ、炭素源Ｃ３としてＣ_２Ｈ_２を逆に初期１０ｃｃ／ｍｉｎから終期９０ｃｃ／ｍｉｎまで連続的に増加させる。

キャリアガスＨ_２はプロセスサイクルの全体に亘って連続して供給する。

〔実施例４〕
図５に、別の実施例による温度パターンとガス供給パターンの対応を示す。図２と同じ記号は同じ意味である。

本実施例は、昇温過程Ｐ０と成長過程Ｐ１、降温過程Ｐ２で構成する。
昇温過程Ｐ０として、６００℃（Ｔ１）まではＨ_２を流し、続いて実施例１と同様に１２００℃（Ｔ２）まで、Ｈ_２キャリアガスと０．０２％Ｃ_２Ｈ_２（Ｃ１）ガスを流し、続いて、０．０５％ＣＨ_４（Ｃ２）ガスに切り替え、１６００℃（Ｔ３）まで温度上昇させ、３０分程度待機し、Ｐ０過程を終了した。この結果、基板表面の研磨ダメージの除去と伴に平坦な基板表面を確保した。

続いて、成長過程Ｐ１として、１６００℃にて、Ｓｉ源（Ｓｉ）にＳｉＨ_４と炭素源Ｃ_３Ｈ_８（Ｃ３）及びＨ_２キャリアガスを導入し、Ｃ／Ｓｉ＝１．５とし、ＳｉＣのエピタキシャル層を基板上に形成する。

続いて、降温過程Ｐ２として、Ｈ_２キャリアガスと０．０５％ＣＨ_４（Ｃ２）ガスに切り替え１２００℃（Ｔ２）まで降温し、更に、Ｈ_２キャリアガスのみで、室温付近あるいは搬出可能温度１００℃以下まで降温した。この結果、降温時でのＣ離脱による成長結晶の表面荒れを抑制し、平坦性の良い、ＳｉＣエピタキシャル成長結晶を実現する。

本発明によれば、同一のＳｉＣ薄膜形成プロセスの進行中に、基板の前処理段階（昇温過程および高温過程）および基板上への薄膜の成長段階において、あるいは更に降温段階において、供給する炭化水素ガス種を瞬時に切り替えて、各段階に最適な種類の炭化水素ガスを供給できるＣＶＤによるＳｉＣ薄膜形成装置が提供される。

図１は、本発明によるＳｉＣ薄膜形成装置の望ましい実施形態の一例を示す断面図である。 図２は、図１のＳｉＣ薄膜形成装置を用いた各プロセス段階における温度と炭化水素ガスの供給パターンの実施例１を示すグラフである。 図３は、図１のＳｉＣ薄膜形成装置を用いた各プロセス段階における温度と炭化水素ガスの供給パターンの実施例２を示すグラフである。 図４は、図１のＳｉＣ薄膜形成装置を用いた各プロセス段階における温度と炭化水素ガスの供給パターンの実施例３を示すグラフである。 図５は、図１のＳｉＣ薄膜形成装置を用いた各プロセス段階における温度と炭化水素ガスの供給パターンの実施例４を示すグラフである。

符号の説明

１０ ＣＶＤ反応容器
１２ サセプタ
１４ 基板
１６ ヒーター
１８ 排気装置
２０ 放射温度計
２２ 熱電対
２４ キャリアガス供給源
２６ シリコンガス供給源
２８ 複数の炭化水素ガス供給源
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 個々の炭化水素ガス供給源
３０ 開閉バルブ
３２ 流量制御器
３４ 開閉バルブ
３６ 共通のガス供給管

Claims (3)

1. ＳｉＣ単結晶の薄膜を成長させる基板を保持するサセプタを内蔵したＣＶＤ反応容器、および該ＣＶＤ反応容器にそれぞれ接続されたＳｉ原料ガスの供給器および炭化水素ガスの供給器を備えたＳｉＣ薄膜形成装置において、
   上記炭化水素ガスの供給器は、それぞれ相互に独立して供給を制御可能な複数の炭化水素ガス源に接続されていることを特徴とするＳｉＣ薄膜形成装置。
2. 請求項１において、室温からＳｉＣ薄膜形成温度までの全温度範囲に亘って上記基板の温度を監視するための温度計を備えていることを特徴とするＳｉＣ薄膜形成装置。
3. 請求項２において、上記温度計は、高温域の基板温度を監視する放射温度計と、低温域の基板温度を監視する熱電対とから成ることを特徴とするＳｉＣ薄膜形成装置。

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