JP2016050164A - SiC化学気相成長装置 - Google Patents
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Abstract
Description
化学気相成長装置において被処理体上に均一に薄膜を形成するためには、被処理体に対して均一に原料ガスを供給することが重要である。そのため、様々な検討が進められてきた。
なお、CVD用反応ガスを構成する成分の液化温度は、例えばトリクロロシランの場合大気圧下で32℃であり、当該温度より高くすることは化学気相成長装置において当然の条件である。
即ち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
このような材料は、放射率が高くかつ輻射を受けやすいため、ガス導入管が炉体内からの輻射熱により加温され、炉体内で温度差が生じることを抑制することができる。そのため、ガス導入管の導入口付近に対流及びガス拡散により付着物が再付着することを抑制することができる。すなわち、当該SiC化学気相成長装置を用いてSiCエピタキシャル膜を成長させると、ガス導入管への付着物の量が低減し、その付着物が剥離してウェハ上に付着することに起因する欠陥の発生を抑制することができる。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図1を参照して、本発明の第1実施形態のSiC化学気相成長装置100の一例について説明する。
第1実施形態のSiC化学気相成長装置100は、成長空間を構成する炉体10と、炉体10内に備えられSiCウェハを載置する載置台20と、炉体10内へ原料ガスを導入し導入口32がテーパー形状を有するガス導入管30とを備える。また炉体10はガスを排出する排出口40を有する。また載置台20上にSiCウェハ50を載置し、SiC化学気相成長装置を動作させることで、SiCウェハ50の表面にSiCエピタキシャル膜を成長させる。
なお、図1は、成長用の基板を下側に配置し、上側から原料ガスを供給して、上から下へ原料ガスを流通してエピタキシャル成長を行う縦型の配置の化学気相成長装置である。本発明は、当該縦型の配置の化学気相成長装置に限られず、横型の配置の化学気相成長装置でもよい(図11参照)。
原料ガスは、Si系原料ガス、C系原料ガスを用いる。これらの原料ガスは、それぞれ供給しても、混合して供給してもよい。
Si系原料ガスとしては、例えばシラン系ガスとして、シラン(SiH4)を用いることができるほか、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4などのエッチング作用があるClを含む塩素系Si原料含有ガス(クロライド系原料)を用いることもできる。また、例えばシランに対してHClを添加したガスを用いてもよい。
C系原料ガスとしては、例えばプロパン(C3H8)等を用いることができる。
またこれらのガスと同時に、第3のガスとしてパージガスを供給しても良い。パージガスは、SiやCを含まないガスであり、H2を含むエッチング作用があるガスのほか、Ar,Heなどの不活性ガス(希ガス)を用いることもできる。またSiCウェハ50上に積層されるSiCエピタキシャル膜の導電型を制御する場合、不純物ドーピングガスを同時に供給することもできる。例えば、導電型をn型とする場合にはN2、p型とする場合にはTMA(トリメチルアルミニウム)を用いることができる。
放射率が0.5以上の材料としては、C、SiC、金属炭化物、SiCまたは金属炭化物で被覆されたC等を挙げることができる。また、これらの材料の混合物等でもよく、少なくとも一種の材料を含んでいればよい。金属炭化物としては例えばWC、NbCを用いることができる。これらの材料は、放射率が高くかつ輻射を受けやすい。
ガス導入管30がこれらの材質を含むことで、炉体10内部からの熱輻射によりガス導入管30が加熱される。すなわち、炉体10上部であるガス導入管30付近と、炉体10下部である載置台20付近との温度差を小さくすることができる。ガス導入管30は、炉体10内部からの熱輻射により加熱されるため、ガス導入管30の温度が高くなりすぎることもない。このような炉体10内部での温度差を抑制することにより、温度勾配による対流やガス拡散を抑制することができる。
温度勾配による対流やガス拡散は、SiCウェハ50上に積層されるために供給されるべきガスをガス導入管30側に再供給するという問題や、炉体10壁面等に付着したパーティクルをガス導入管30側に巻き上げるという問題を生み出す。これらの再供給された原料ガス及び炉体10壁面からのパーティクルは、導入口32に堆積物として付着する。SiCウェハ50上にこれらの堆積物が落下することで、SiCエピタキシャル膜の欠陥の原因となる。
すなわち、ガス導入管30を構成する材料が、放射率が0.5以上の材料を含むことで、温度差に伴う対流やガス拡散を抑制し、SiCエピタキシャル膜を形成する際の欠陥の原因発生を抑制することができる。
図3は、ガス導入管が複数あり、Si系原料ガスを炉体内へ導入するSi系原料ガス導入管30sと、C系原料ガスを炉体内へ導入するC系原料ガス導入管30cに分離したSiC化学気相成長装置の断面模式図であり、簡単のために炉体10の下部は図示していない。図3は、Si系原料ガス30sとC系原料ガス30cが交互に配置されているが、本発明は当該構成に限らずランダムに配置されていても良い。
図3に示すように、原料ガスを分離して導入することで、不要なSiC生成物がガス導入管30sや炉体10内壁面等に形成されることを抑制することができる。また、Siは比較的生成温度が低いため、Si堆積物を形成しやすい。Si系原料ガス導入管30sをテーパー形状とすることで、当該Si堆積物の付着を効率的に抑制することができる。
図4は、ガス導入管が複数あり、Si系原料ガスを炉体内へ導入するSi系原料ガス導入管と、C系原料ガスを炉体内へ導入するC系原料ガス導入管に分離され、それぞれの導入口がテーパー形状を有する場合のSiC化学気相成長装置の断面模式図であり、簡単のために炉体10の下部は図示していない。
Si堆積物と比較すると、C堆積物は堆積し難いが、Si系ガス導入管30sの導入口32s及びC系原料ガス導入管30cの導入口32cをテーパー形状とすることで、より堆積物の付着を抑制し、パーティクルの発生を抑制することができる。
図5は、ガス導入管30が外管33によって覆われ、ガス導入管30と外管33とが二重管構造を構成したSiC化学気相成長装置の断面模式図であり、簡単のために炉体10の下部は図示していない。
図5に示すように、ガス導入管30の内部から原料ガスgが炉体10内に導入され、ガス導入管30と外管33との間から炉体10内にパージガスpを導入する。内管であるガス導入管30から炉体10内に導入される原料ガスgが、パージガスpによってガス導入管に再度回り込むことを防ぐことができる。すなわち、ガス導入管30の導入口に堆積物が付着をより効果的に抑制することができる。
また外管33のテーパーの勾配角は、ガス導入管30のテーパーの勾配角と同一であることが好ましい。外管33とガス導入管30のテーパーの勾配角が同一であれば、不要な乱流の発生を抑制することができる。
図7に示すSiC化学気相成長装置は、パージガスが成膜処理前室35に供給される。パージガスが供給されるにつれ、成膜処理前室35内部の圧力が高くなると、バージガス導入口34を介して、炉体10内部に供給される。そのため、ガス供給管30の周囲からパージガスがシャワー状に供給される。パージガス導入口34から炉体10内に供給されるパージガスpによって、原料ガスgがガス導入管30に再度回り込むことを防ぐことができる。すなわち、ガス導入管30の導入口32に堆積物が付着することをより効果的に抑制することができる。
なお、図7では、ガス供給管30が3つの場合を例示したが、当該数には限られず一つでも、より複数でもよい。また成膜処理前室35を用いてシャワー状にパージガスを炉体10内に供給しているが、複数のパージガス供給口34を直接炉体10に形成してもよい。
補助ヒーター60を設けることで、補助ヒーター60からの熱輻射によりに、ガス供給管を直接または間接的に加熱することができる。補助ヒーター60は、隔壁61で覆われていてもよい。隔壁61は、パーティクルが補助ヒーター60に付着することを防止することができ、また補助ヒーター60で発生した熱を均一化することもできる。隔壁61は、SiCコートされたカーボン部材等を用いることができる。
ガス供給管30は放射率が高くかつ輻射を受けやすい材料を含むため、補助ヒーター60からの熱輻射により効率的に加熱される。また補助ヒーター60は、同時にサセプタ20上に載置される基板50も加熱するため、炉体10上部であるガス導入管30付近と、炉体10下部である載置台20付近との温度差を小さくすることができる。このような炉体10内部での温度差を抑制することにより、温度勾配による対流やガス拡散を抑制することができる。すなわち、SiCエピタキシャル膜を形成する際の欠陥の原因発生を抑制することができる。
図9を参照して、本発明の第2実施形態のSiC化学気相成長装置200の一例について説明する。
第2実施形態のSiC化学気相成長装置200は、成長空間を構成する炉体10と、炉体10内に備えられSiCウェハ50を載置する載置台20と、炉体10内へ原料ガスを導入し、導入口32がテーパー形状を有するガス導入管30と、ガス導入管30の導入口を700℃〜1400℃に加熱できるヒーター70とを備える。第2実施形態のSiC化学気相成長装置200は、第1実施形態のSiC化学気相成長装置100と、ヒーター70を備える点が異なる。ヒーター70はガス導入管の導入口の周囲を囲繞する位置に配置されることが好ましい。
またヒーター70を用いることで、ガス導入管30を積極的に加熱することができるため、SiC化学気相成長装置100と異なり、ガス導入管30の材質の選択の幅を広くすることができる。すなわち、SiC化学気相成長装置200においてガス導入管30は、高温に耐えられる材質からなればよく、例えば、カーボン、SiC、SiCコートされたカーボン、TaC、TaCコートされたカーボン、NbC、NbCコートされたカーボン、SiO2等を用いることができる。
図10を参照して、本発明の第3実施形態のSiC化学気相成長装置300の一例について説明する。
第3実施形態のSiC化学気相成長装置300は、成長空間を構成する炉体10と、炉体10内に備えられSiCウェハ50を載置する載置台20と、炉体10内へ原料ガスを導入し、導入口32がテーパー形状を有するガス導入管30と、成長空間に面し、ガス導入管を取り囲むガス導入管加熱部材80を備える。第3実施形態のSiC化学気相成長装置300は、第1実施形態のSiC化学気相成長装置100と、ガス導入管加熱部材80を備える点が異なる。
ガス導入管加熱部材80の材料としては、例えば、C、SiC、金属炭化物、SiCまたは金属炭化物で被覆されたC等を挙げることができる。また、これらの材料の混合物等でもよく、少なくとも一種の材料を含んでいればよい。金属炭化物としては例えばWC、NbCを用いることができる。これらの材料は、放射率が高くかつ輻射を受けやすい。
ガス導入管加熱部材80がこれらの材質を含むことで、炉体10内部からの熱輻射によりガス導入管加熱部材80が加熱され、間接的にガス導入管加熱部材が加熱される。すなわち、炉体10上部であるガス導入管30付近と、炉体10下部である載置台20付近との温度差を小さくすることができる。ガス導入管30は、主にガス導入管加熱部材80により間接的に加熱されるため、ガス導入管30の温度が高くなりすぎることもない。このような炉体10内部での温度差を抑制することにより、温度勾配による対流やガス拡散を抑制することができる。
本実施例においては、SiCエピタキシャル膜を成長させる際のガス導入管に付着する堆積物の量をシミュレーションで計算した。
SiC化学気相成長装置は、縦型のSiC化学気相成長装置とし、ガス導入管はSi系原料ガスを炉体内へ導入するSi系原料ガス導入管と、C系原料ガスを炉体内へ導入するC系原料ガス導入管に分離されている構造とした。またSi系原料ガス導入管及びC系原料ガス導入管のそれぞれは、その周りを覆う外管を有し、二重管構造となっているものとし、Si系原料ガス導入管及びその外管はそれぞれテーパー形状を有しているものとした。
Si系原料ガスは、トリクロロシラン(SiHCl3)とし、Si系原料ガス導入管からは、トリクロロシランとアルゴンを1:32の比率で混合したガスを、ガス導入路のテーパー形状開始位置における平均流速(流量/ガス流路断面積)が0.26m/sとなるように炉体内に導入するものとした。また外管とSi系原料ガス導入管の間には、パージガスとして水素と塩化水素を23:1で混合したガスを、ガス導入路のテーパー形状開始位置における平均流速(流量/ガス流路断面積)が0.19m/sとなるように流すものとした。
このときSi系原料ガス導入管の導入口の炉体内部側終端部の断面積は、ガス導入路の導入口直前の断面積に対して、2.74倍とした。またSi系原料ガス導入管の導入口のテーパーの勾配角は、ガス導入路の延長線に対して16.7°とした。さらに、Si系原料ガス導入管を覆う外管のテーパーの勾配角は、外管の導入路に対して16.7°とした。
さらに、温度条件としては、Si系原料ガス導入管の導入口側の先端部温度を1375℃とし、反対側の端部温度を300℃に固定した。ガス導入管の導入口側の先端部から版端側の端部までの長さは130.5mmであり、その間のSi系原料ガス導入管の温度は、両端部の温度から線形で補完した。また、Si系原料ガス導入管内や炉体内の気相温度は、熱伝導と輻射から導き出される温度とした。
このときのSi系原料ガス導入管の導入口におけるSiの成長速度は、334μm/h以下であった。
なお、今回のシミュレーションでは、Si系原料ガス導入管のSi堆積物の付着量を計算で求めた。Si系原料ガス導入管とC系原料ガス導入管とは分離されているため、Si系原料ガス導入管のSi堆積物の付着量を求める上で、C系原料ガス導入管からの影響は受けない。またSi堆積物の付着量を求めたのは、Si堆積物はC堆積部と比較して堆積しやすく、Si堆積物の付着量を確認すれば十分であるためである。
Si系原料ガス導入管の導入口のテーパーの勾配角を、ガス導入路の延長線に対して31.0°とした点のみが実施例1と異なるものとして、計算を行った。
このときのSi系原料ガス導入管の導入口におけるSiの成長速度は、373μm/h以下であった。
Si系原料ガス導入管の導入口のテーパーの勾配角を、ガス導入路の延長線に対して11.3°とした点のみが実施例1と異なるものとして、計算を行った。
このときのSi系原料ガス導入管の導入口におけるSiの成長速度は、355μm/h以下であった。
Si系原料ガス導入管及びその外管が、テーパー形状を有していない点が実施例1と異なるものとして、計算を行った。
このときのSi系原料ガス導入管の導入口におけるSiの成長速度は、467μm/h以下であった。
Claims (11)
- 成長空間を構成する炉体と、
前記炉体内に備えられ、SiCウェハを載置する載置台と、
前記炉体内へ原料ガスを導入し、導入口がテーパー形状を有するガス導入管とを備え、
前記ガス導入管を構成する材料が、放射率が0.5以上の材料を含むことを特徴とするSiC化学気相成長装置。 - 成長空間を構成する炉体と、
前記炉体内に備えられSiCウェハを載置する載置台と、
前記炉体内へ原料ガスを導入し、導入口がテーパー形状を有するガス導入管と、
少なくとも前記ガス導入管の導入口を700℃〜1400℃に加熱できるヒーターとを備えることを特徴とするSiC化学気相成長装置。 - 成長空間を構成する炉体と、
前記炉体内に備えられ、SiCウェハを載置する載置台と、
前記炉体内へ原料ガスを導入し、導入口がテーパー形状を有するガス導入管と、
前記成長空間に面し前記ガス導入管を取り囲むガス導入管加熱部材を備え、
前記ガス導入管加熱部材が、放射率が0.5以上の材料を含むことを特徴とするSiC化学気相成長装置。 - 前記ガス導入管が複数備えられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のSiC化学気相成長装置。
- 複数の前記ガス導入管は、その一部がSi系原料ガスを前記炉体内へ導入するSi系原料ガス導入管であり、別の一部がC系原料ガスを前記炉体内へ導入するC系原料ガス導入管であり、
前記Si系原料ガス導入管と前記C系原料ガス導入管はそれぞれ分離され、
少なくともSi系原料ガス導入管の導入口がテーパー形状を有することを特徴とする請求項4に記載のSiC化学気相成長装置。 - 前記C系原料ガス導入管の導入口が、さらにテーパー形状を有することを特徴とする請求項5に記載のSiC化学気相成長装置。
- 前記ガス導入管を覆う外管を備え、
前記ガス導入管と外管が二重管構造を構成し、
前記ガス導入管と外管の間から前記炉体内にパージガスを導入できることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のSiC化学気相成長装置。 - 前記外管の前記炉体内への導入口がテーパー形状を有することを特徴とする請求項7に記載のSiC化学気相成長装置。
- 前記ガス供給管の周囲に複数のパージガス導入口が設けられていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のSiC化学気相成長装置。
- ガス導入管の導入口を加熱する補助ヒーターが、炉体の内部であってガス導入管とサセプタの間の位置に設けられている請求項1〜9に記載のSiC化学気相成長装置。
- 前記ガス導入管が前記載置台の上部に配置された縦型の炉体構造を備える請求項1〜10のいずれか一項に記載のSiC化学気相成長装置。
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