JP2010267702A

JP2010267702A - 化学気相成長半導体膜形成装置および化学気相成長半導体膜形成方法

Info

Publication number: JP2010267702A
Application number: JP2009116415A
Authority: JP
Inventors: Satomi Ito; 里美伊藤; Makoto Harada; 真原田; Yasuo Namikawa; 靖生並川; Masato Tsumori; 将斗津守
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP5251720B2

Abstract

【課題】不純物濃度が均一な半導体膜を化学気相成長により基板上に形成する化学気相成長半導体膜形成装置を提供する
【解決手段】
横型ホットウォールＣＶＤ装置の反応室２５に位置する凸状発熱体１７は、ＳｉＣウエハＢ１が載置される位置に対して、上流側に配置される。凸状発熱体１７によって、混合ガスの流れに対して適度な乱流を発生させつつ、材料ガスを加熱できる。また、ＳｉＣウェハＢ１に対して上流側で材料ガスを加熱できる。これにより、上流側において、材料ガスの熱分解を促進できるので、反応室２５におけるＣ／Ｓｉ比を均一にできる。よって、ＳｉＣウエハＢ１上に形成する炭化珪素膜の不純物濃度を均一にし、局所的に高くなることを防止できる。さらに、ＳｉＣウエハＢ１に対して上流側でのみ凸状発熱体１７により加熱を行うので、反応室２５の全体の温度を上昇させない。よって、炭化珪素膜の成長レートを低下させることもない。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に半導体膜を化学気相成長により形成する化学気相成長半導体膜形成装置に関し、特に不純物濃度が均一な半導体膜を形成するものに関する。

基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成装置として、横型ホットウォールＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）装置が知られている。例えば、図７に示す特許文献１の横型ホットウォールＣＶＤ装置１９０は、反応容器１７０、ガス導入ノズル１１５、ガス排出ノズル１１６、サセプタ１１３、ＲＦワークコイル１２０、断熱材１１２、反射板１３１および冷却管１３２を具備している。ガス導入ノズル１１５は、反応容器１７０の対向する側面の一方に形成される。また、ガス排出ノズル１１６は、ガス導入ノズル１１５が形成された側面に対向する他方の側面に形成される。サセプタ１１３は、発熱体であり、反応容器１７０内に位置する。ＲＦワークコイル１２０は、反応容器１７０の外からサセプタ１１３を誘導加熱するためのものである。また、断熱材１１２は、反応容器１７０内に位置し、サセプタ１１３から外部への熱輻射を防ぐためのものである。反射板１３１は、反応容器１７０外に位置し、反応容器１７０から外部への熱輻射を防ぐためのものである。冷却管１３２は、反応容器１７０外に位置し、反射板１３１を冷却するためのものである。

例えば、横型ホットウォールＣＶＤ装置を用いて炭化珪素の単結晶薄膜を基板上に形成する際には、まず、反応容器１７０内にシランやプロパン等の材料ガス等をガス導入ノズル１５から導入する。そして、ＲＦワークコイル１２０によって誘導加熱されるサセプタ１１３上で基板１１４を、通常は１５００℃程度の成長温度にまで、加熱する。これにより、導入ガスを基板１１４上で反応させて、基板１１４上に炭化珪素膜を堆積させる。

特開２００２−２５２１７６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、サセプタ１１３のガス導入ノズル１１５側（上流側）では材料ガスの加熱が十分でない。このため、材料ガスのうち炭素（Ｃ）の供給源となるプロパンの分解が十分に行われない。一方、サセプタ１１３のガス排出ノズル１１６側（下流側）では材料ガスの加熱が十分行われる。このため、材料ガスの加熱の結果として得られる反応容器１７０内のＣ／Ｓｉ比が、図８に示すように、サセプタ１１３の上流側、下流側で均一とはならない。通常、上流側においてＣ／Ｓｉ比が低く、下流側に向かうにしたがって所定の値に安定していく傾向がある。

このように、サセプタ１１３の上流側、下流側でＣ／Ｓｉ比が均一とならないことから、基板上に形成する炭化珪素膜においても、不純物である窒素の濃度（不純物濃度）が均一とならない。通常、不純物が窒素である場合、窒素は炭素サイトに入り込みやすい。このため、図８に示すように、基板１１４のサセプタ１１３の上流側の部分では不純物濃度が高く、下流側に向かうにしたがって不純物濃度が所定の値に安定していく傾向がある。

なお、図８においては、反応室における材料ガスのＣ／Ｓｉ比を１．２〜２．０にターゲット設定している。また、炭化珪素膜の不純物濃度を２×１０^１７［／ｃｍ^３］にターゲット設定している。この場合、基板の上流側での炭化珪素膜の不純物濃度は、１×１０^１８［／ｃｍ^３］となっている。

このような、サセプタ１１３の上流側、下流側でのＣ／Ｓｉ比の不均一性に基づく炭化珪素膜における不純物濃度の不均一性を回避するために、材料ガスとともに流すキャリアガスの流量を減らしたり、成長温度を全体的に高くしたりする方法がある。

しかしながら、キャリアガスの流量を減らす方法では、材料ガスがサセプタによって加熱されている領域を通過する時間が長くなる。このため、材料ガスの加熱効果が促進され、下流側でのＮ活性種量が所定の値より高くなってしまう。

また、成長温度を全体的に高くする方法では、水素エッチングの効果により、炭化珪素膜の成長レートが低下してしまう。

本発明の目的は、不純物濃度が均一な半導体膜を化学気相成長により基板上に形成する化学気相成長半導体膜形成装置を提供することにある。

本発明の化学気相成長半導体膜形成装置は、基板の載置位置より材料ガスの上流側で材料ガスの流れを乱す凸状物を有する化学気相成長半導体膜形成装置である。この凸状物により基板の載置位置より材料ガスの上流側でガスが加熱されやすくなるので、基板上における材料ガスの濃度を均一化することができる。よって、基板上に形成する半導体膜の不純物濃度を均一化することができる。

凸状物として、基板の載置位置より材料ガスの上流側に配置され、かつ、熱を発するものを用いることによって、基板の上流側では熱分解されにくかった材料ガスを熱分解できる。よって、基板の上流側、下流側で材料ガスの熱分解後の成分比率を均一化することができる。したがって、基板上に形成する半導体膜の不純物濃度を均一化することができる。

また、凸状物の形状として、円柱形状、楕円柱形状、円錐形状、多角錐形状等を用いることによって、材料ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させ、ガスを加熱することができる。よって、基板上における材料ガスの濃度を均一化することができる。

さらに、凸状物の形状として、キノコ形状を用いることによって、特に、材料ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させることができる。なお、キノコ形状の傘部の高さをａとすると軸部の高さは（１／２）ａ〜（３／２）ａであることが好ましい。また、傘部の幅をｂとすると軸部の幅が（１／５）ｂ〜（１／２）ｂであることが好ましい。これにより、特に、混合ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させ、効率よくガスを加熱できることが確認されている。

凸状物をサセプタと同一材料により構成することによって、特別な構成要素を加えることなく、凸状物を加熱することができる。よって、化学気相成長半導体膜形成装置の製造コストを抑制することができる。

本発明の化学気相成長半導体膜形成装置を、基板上に炭化珪素膜を形成する際に用いると、均一な不純物濃度を有する炭化珪素膜を容易に形成することができる。これにより、高品質な炭化珪素膜を基板上に容易に形成することができる。

本発明の化学気相成長半導体膜形成方法は、サセプタに直接的又は間接的に載置される基板の該載置位置より、材料ガスの上流側で材料ガスの流れを乱し、かつ、上流側で材料ガスを加熱しながら半導体膜を形成する化学気相成長半導体膜形成方法である。これにより、基板の載置位置より材料ガスの上流側で材料ガスの流れを乱し、ガスを十分に加熱することができるので、基板上における材料ガスの濃度を均一化することができる。よって、半導体膜の不純物濃度が均一な半導体膜を基板上に形成することができる。

本発明の半導体膜形成装置によると、基板に対して上流側でガスを加熱することができる。これにより、上流側において、ガスの熱分解を促進することができるので、半導体膜形成時における半導体膜を構成要素の構成成分比率を均一にすることができる。よって、基板上に形成する半導体膜の不純物濃度を均一にし、局所的に高くなることを防止することができる。また、基板に対して上流側でのみ発熱体により加熱を行うので、反応の際の温度を上昇させることがない。よって、半導体の成長レートを低下させることもない。

本発明の実施の形態１に係る横型ホットウォールＣＶＤ装置の炉部に関する要部の斜視図である。実施の形態１に係る横型ホットウォールＣＶＤ装置の炉部の断面図である。実施の形態１に係る横型ホットウォールＣＶＤ装置の炉部の断面図である。他の実施の形態に係る発熱体を示す図である。他の実施の形態に係る発熱体を示す図である。他の実施の形態に係る発熱体を示す図である。従来の横型ホットウォールＣＶＤ装置を説明する図である。従来の横型ホットウォールＣＶＤ装置の反応室におけるＣ／Ｓｉ比および炭化珪素膜の不純物濃度を示すグラフである。

（実施の形態１）
−横型ホットウォールＣＶＤ装置の炉部の構造−
本実施の形態に係る横型ホットウォールＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置の炉部に関する要部の斜視図を図１に示す。横型ホットウォールＣＶＤ装置は、ＳｉＣウェハ（ＳｉＣ：Silicon Carbide）上への炭化珪素膜のエピタキシャル成長による生成等に、広く用いられている半導体製造装置である。

炉部１は、石英管１１、断熱材１３、サセプタ１５、凸状発熱体１７、及び反応室２５により構成されている。石英管１１は、環状の石英製の炉体である。断熱材１３は、石英管１１の内面に沿うように配置されている。サセプタ１５は、断熱材１３の内面に沿うように配置されている。

サセプタ１５は、高周波誘導加熱により加熱される。サセプタ１５は、高周波誘導加熱を可能とするために、高純度カーボンやＳｉＣ焼結体により構成されている。これにより、サセプタ１５における適切な導電率および高温での安定性を実現している。サセプタ１５を誘導加熱するためのＲＦコイル等が石英管１１の外部に配置されるが、図１においては記載を省略している。

なお、サセプタ１５は、ＳｉＣ多結晶体等によって構成するようにしてもよい。また、サセプタ１５の表面に、ＳｉＣコーティング、ＴａＣコーティング等、適当なコーティングを施すようにしてもよい。

サセプタ１５の所定の位置にＳｉＣウェハＢ１が載置される。なお、本実施の形態では、ＳｉＣウェハＢ１は、直接的にサセプタ１５上に載置されているが、ＳｉＣウェハＢ１を載置する部材を用いて、間接的にサセプタ１５上に載置するようにしてもよい。

反応室２５は、サセプタ１５による加熱によって、エピタキシャル成長温度である１５００℃〜１６００℃まで加熱される。本実施の形態では、直径２インチのＳｉＣウェハＢ１を用いている。また、反応室２５には、キャリアガス、材料ガスおよびドーパントガスからなる反応ガスが流れている。本実施の形態では、キャリアガスとして水素ガスを用いている。材料ガスとしては、シラン（SiH₄）およびプロパン（C₃H₈）の混合ガスを用いている。また、ドーパントガスとして、窒素ガス（N₂）を用いている。

反応室２５では、サセプタ１５による加熱によって材料ガスおよびドーパントガスを熱分解し、載置されたＳｉＣウェハＢ１上にＮ型の炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる。

なお、不活性ガス、材料ガスおよび反応ガスは、図１に示すＸ軸方向に向かって流れているものとする。各ガスが流れてくる方向を上流側、流れていく方向を下流側とする。

反応室２５には、ＳｉＣウェハＢ１が載置されている位置に対して上流側に、凸状発熱体１７が配置されている。

−発熱体の構造−
図２は、図１におけるＸ−Ｙ平面に平行なＰ１平面での断面図である。図３は、図１におけるＸ−Ｚ平面に平行なＰ３平面での断面図である。

本実施の形態における反応室２５では、チャネル幅Ｗ（図２参照）は約７０ｍｍであり、チャネル長さＬ（図２参照）は約１２０ｍｍである。また、反応室の高さＨ（図３参照）は、約１０ｍｍである。

凸状発熱体１７は、ＳｉＣウェハＢ１が載置される位置に対して、上流側に配置される。本実施の形態においては、凸状発熱体１７は、断面が直径約７ｍｍの円形であり、また、高さが約５ｍｍである円柱形状を有している。なお、凸状発熱体１７では、長さＬが反応室のチャネル幅の１／１０〜１／５、高さＨが反応室の高さの３／４〜１／４であることが好ましい。このような凸状発熱体１７をＳｉＣウエハＢ１に対して上流側に配置することによって、ガスが発熱体により加熱される。これにより、熱分解後の材料ガスの成分比であるＣ／Ｓｉ比をＳｉＣウエハＢ１の上流側、下流側で均一化できることが実験的に確認されている。

また、凸状発熱体１７は、ＳｉＣウエハＢ１の凸状発熱体１７側の端部から凸状発熱体１７のＳｉＣウエハＢ１側の端部までの距離が３０ｍｍ〜３５ｍｍとなる位置に配置されている。このような位置に凸状発熱体１７を配置することによって、ＳｉＣウエハＢ１に対して上流側で材料ガスを加熱することができる。これにより、上流側において、材料ガスの熱分解を促進することができるので、反応室２５におけるＣ／Ｓｉ比を均一にすることができる。よって、ＳｉＣウエハＢ１上に形成する炭化珪素膜の不純物濃度を均一にし、局所的に高くなることを防止することができる。

さらに、ＳｉＣウエハＢ１に対して上流側でのみ凸状発熱体１７により加熱を行うので、反応室２５の全体としては温度を上昇させることがない。よって、炭化珪素膜のエピタキシャル成長レートを低下させることもない。

本実施の形態においては、凸状発熱体１７は、サセプタ１５と同一の材質により、サセプタ１５と一体形成されている。このように、サセプタ１５と同一の材質により形成することによって、サセプタ１５と同様に、外部に配置されたＲＦコイルによる誘導加熱により発熱させることができる。なお、サセプタ１５にコーティングを形成する際には、凸状発熱体１７にも同様のコーティングを形成するようにしてもよい。

−実施の形態の効果−
本実施形態の横型ホットウォールＣＶＤ装置によると、以下の作用効果が得られる。凸状発熱体１７は、ＳｉＣウエハＢ１の上流側に配置されている。このような位置に凸状発熱体１７を配置することによって、ＳｉＣウエハＢ１の上流側で混合ガスの流れに対して適度な乱流を発生させ、ガスを加熱することができる。これにより、熱分解後の材料ガスの成分比であるＣ／Ｓｉ比をＳｉＣウエハＢ１の上流側、下流側で均一化できる

また、ＳｉＣウエハＢ１に対して上流側で、材料ガスを、特に炭素の供給源であるプロパンを、加熱することができる。これにより、上流側において、材料ガスの熱分解を促進することができるので、反応室２５におけるＣ／Ｓｉ比を上流側、下流側で均一にすることができる。よって、ＳｉＣウェハＢ１上に形成する炭化珪素膜の不純物濃度を均一にし、局所的に不純物濃度が高くなることを防止することができる。

また、これまで加熱分解が不十分であった上流側において、材料ガスを加熱分解できる。よって、材料ガスの分解効率を上昇させることができる。したがって、材料ガスの熱分解効率を上げるために、キャリアガスの流量を減少させて、材料ガスがサセプタ１５によって加熱されている領域を通過する時間を長くする必要もない。つまり、材料ガスは下流側に到達するまでに特別長く加熱分解することがないので、下流側でＮ活性種量を上昇させることもない。つまり、上流側ではＣ／Ｓｉ比を上昇させ、下流側ではＮ活性種量を上昇させることがないので、反応室２５の全体としては、Ｃ／Ｓｉ比およびＮ活性種量を均一化することができる。

さらに、ＳｉＣウエハＢ１に対して上流側でのみ、凸状発熱体１７により材料ガスの加熱を行うので、反応室２５の成長温度を上昇させることがない。よって、炭化珪素膜のエピタキシャル成長レートを低下させることもない。

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、凸状発熱体１７は、サセプタ１５のＳｉＣウエハＢ１を載置する反応室２５の下面からＺ軸の正方向に突出するように構成したが、反応室２５の上面からＺ軸の負方向に突出するように構成してもよい。また、反応室２５の側面から発熱体を支持するようにしてもよい。

上記実施の形態において、凸状発熱体１７を、サセプタ１５とは別体として構成するようにしてもよい。別体として構成する場合、凸状発熱体１７をサセプタ１５に載置するだけの構成としてもよく、また、所定の方法によりサセプタ１５に取り付けるようにしてもよい。例えば、凸状発熱体１７の下面に凸部を、サセプタ１５に凹部を、それぞれ設け、凸状発熱体１７の凸部をサセプタ１５の凹部に差し込むようにしてもよい。また、凸部、凹部にネジをきって、互いに螺合することによって固定するようにしてもよい。

また、凸状発熱体１７、サセプタ１５のそれぞれに係合部を設け、互いに係合させるようにしてもよい。

上記実施の形態では、凸状発熱体１７を円柱形状により構成したが、例えば、凸状発熱体１７を図４（ａ）に示すような楕円柱形状としてもよい。この場合、楕円の長軸を図１におけるＸ軸に沿うように、楕円柱を配置する。これにより、混合ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させつつ、上流側において材料ガスを加熱分解することができる。

また、凸状発熱体１７を図４（ｂ）に示すような円錐形状としてもよい。このような円錐形状とすることによって、混合ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させつつ、上流側において材料ガスを加熱分解することができる。

さらに、図５（ａ）に示すように、凸状発熱体１７に混合ガスを通過させることができる通過孔を設けるようにしてもよい。この場合、通過孔は一つでも、複数であってもよい。これにより、混合ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させつつ、上流側において材料ガスを加熱分解することができる。さらに、図５（ｂ）に示すように、凸状発熱体１７に一つの通過孔を設け、凸状発熱体１７を門型とするようにしてもよい。

また、他の形態として、凸状発熱体１７を図６（ａ）に示すようなキノコ型にしてもよい。この場合、凸状発熱体１７は、傘部６１および軸部６３により構成される。図６（ｂ）に、図６（ａ）に示すキノコ型の凸状発熱体１７の断面図を示す。この場合、傘部６１の高さをａとすると軸部６３の高さが（１／２）ａ〜（３／２）ａであることが好ましい。また、傘部６１の幅をｂとすると軸部６３の幅が（１／５）ｂ〜（１／２）ｂであることが好ましい。これにより、混合ガスの流れを極端に阻害することなく、適度な乱流を発生させつつ、上流側において材料ガスを加熱分解することができる。

上記実施の形態では、一つのＳｉＣウエハＢ１がサセプタ１５上に載置されるとしたが、複数のＳｉＣウエハＢ１をサセプタ１５上に載置するようにしてもよい。また、複数のＳｉＣウエハＢ１を所定の形態、例えば円形に並べて配置する構成としてもよい。この場合、複数のＳｉＣウエハＢ１を載置する載置部材を用いるようにすれば、ＳｉＣウエハＢ１を反応室２５に出し入れする作業が容易となる。また、上記載置部材を回転させるようにすれば、各ＳｉＣウエハＢ１でばらつきなく、均一に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させることができるという効果を発揮できる。また、円形に並べた各ＳｉＣウエハＢ１を自転させることによって、個々のＳｉＣウエハＢ１においても、均一な炭化珪素膜をエピタキシャル成長させることができるという効果を発揮できる。

前述の実施の形態では、ドーパントガスとして窒素ガスを用いることとしたが、ドーパントガスとして、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ_３（アンモニア）等のガスを用いるようにしてもよい。これらの場合、ＳｉＣウエハＢ１上に形成する炭化珪素膜は、ＴＭＡではＮ型、ＮＨ_３ではＰ型となる。

また、ドーパントガスとして、Ａｌ（アルミニウム）等のガスを用いるようにしてもよい。この場合、ＳｉＣウエハＢ１上に形成する炭化珪素膜はＰ型となる。

前述の実施の形態では、横型ホットウォールＣＶＤ装置を用いて炭化珪素膜をＳｉＣウエハＢ１上に形成する場合を示したが、縦型ホットウォールＣＶＤ装置を用いるようにしてもよい。

前述の実施の形態では、炭化珪素膜をＳｉＣウエハＢ１上に形成するとしたが、他の半導体膜、例えば窒化ガリウム膜（ＧａＮ）をＳｉＣウェハＢ１上に形成するようにしてもよい。

本発明に係る半導体膜形成装置は、例えば、炭化珪素膜をエピタキシャル成長させてＳｉＣウエハ上に形成する横型ホットウォールＣＶＤ装置に用いることができる。

１・・・・・炉部
１１・・・・・石英管
１３・・・・・断熱材
１５・・・・・サセプタ
１７・・・・・凸状発熱体
２１・・・・・上部管路
２３・・・・・下部管路
２５・・・・・反応室
Ｂ１・・・・・ＳｉＣウエハ

Claims

上流から下流に向かって所定のガスを流しながら、所定位置に載置された基板上に化学気相成長法により半導体膜を形成する化学気相成長半導体膜形成装置であって、
前記ガスを加熱するサセプタであって、前記基板が直接的又は間接的に載置されるサセプタと、
前記基板の載置位置より前記ガスの上流側で前記ガスの流れを乱す凸状物と、
を有する化学気相成長半導体膜形成装置。
請求項１記載の化学気相成長半導体膜形成装置において、
前記凸状物は、前記基板の載置位置より前記ガスの上流側に配置され、かつ、熱を発する、化学気相成長半導体膜形成装置。
請求項１または２記載の化学気相成長半導体膜形成装置において、
前記半導体膜は、炭化珪素膜である、化学気相成長半導体膜形成装置。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の化学気相成長半導体膜形成装置において、
前記凸状物は、キノコ形状を有する、化学気相成長半導体膜形成装置。
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の化学気相成長半導体膜形成装置において、
前記凸状物は、前記サセプタと同一材料により構成されている、化学気相成長半導体膜形成装置。
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の化学気相成長半導体膜形成装置を用いて半導体膜を形成する化学気相成長半導体膜形成方法であって、
サセプタに直接的又は間接的に載置される基板の該載置位置より、前記ガスの上流側で前記ガスの流れを乱し、かつ、前記上流側で前記ガスを加熱しながら前記半導体膜を形成する、化学気相成長半導体膜形成方法。