JP2017059567A - 熱処理炉及び半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目的とする形状のトレンチを形成しつつ面内におけるトレンチ形状の均一性を高めることができる熱処理炉及び半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】熱処理炉１は、処理室４と、処理室４を加熱する加熱源５と、処理室４へプロセスガスを導入するガス導入ラインＬ１とを有する炉本体と、凹凸パターンを含み炭化珪素層からなる第１の表面を有する複数の基板Ｓをそれぞれ支持する複数のトレイＴと、処理室４に設置され、第１の表面と垂直な方向に５ｍｍ以上の第１の間隙Ｖ１をあけて、かつ、複数のトレイＴ各々の周縁部と処理室４の内壁との間に第１の間隙Ｖ１よりも大きい第２の間隙Ｖ２をあけて、複数のトレイＴを支持する支持部材３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱処理炉及び半導体基板の製造方法に関する。

近年、炭化硅素（ＳｉＣ）はパワー半導体の材料として特に注目されている。パワー半導体の製造工程には、炭化珪素層を含む半導体基板にエッチングにより凹凸パターン（トレンチ）を形成する工程が含まれる。炭化硅素は高い硬度を有する難エッチング材料であるため、このようなトレンチ形成はドライエッチングにより行うのが一般的である。

しかしながら、ドライエッチングにより形成されたトレンチには形状不良があることが多い。例えば、トレンチの側壁や底部に凹凸が見られたりすることがある。このような形状不良がある部分では、電界集中を原因とした絶縁耐圧の低下が起こりやすい。したがって、絶縁耐圧の低下を防止するためには、トレンチの形状を制御する必要がある。具体的には、トレンチの側壁と底部との連結部を丸くしてトレンチ全体の形状をＵ字にするとともに、内壁の表面を凹凸のない滑らかなものすることが好ましい。

このような好ましい形状を有するトレンチの形成方法として、トレンチを有する基板を１６００℃以上１７００℃以下の温度範囲で９０分以上又は１７００℃以上１８００℃以下の温度範囲で６０分以上、シランとアルゴンの混合減圧雰囲気中で熱処理する方法が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００９−２８９９８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、基板上に形成されるトレンチの形状を面内において均一にするために、シランとアルゴンとの混合ガスを各トレンチに対して均等に供給する必要がある。すなわち、熱処理炉内におけるガス分布を均一にしなければならない。しかし、複数の基板を一括処理（バッチ処理）する場合、熱処理炉の構造が複雑になり、ガス分布が均一になるように熱処理炉を設計するのは困難である。さらに、シランガスを使用すると、熱処理炉本体に珪素が付着し、パーティクル発生が助長され、これによりトレンチ開口部がふさがれる恐れもある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、複数の基板を一括処理する場合でも、目的とする形状のトレンチを形成しつつ面内におけるトレンチ形状の均一性を高めることができる熱処理炉及び半導体基板の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱処理炉は、炉本体と、複数のトレイと、支持部材とを備える。
上記炉本体は、処理室と、上記処理室を加熱する加熱源と、上記処理室へプロセスガスを導入するガス導入ラインとを有する。
上記複数のトレイは、凹凸パターンを含み炭化珪素層からなる第１の表面を有する基板をそれぞれ支持する。
上記支持部材は、上記処理室に設置され、上記第１の表面と垂直な方向に１０ｍｍ以上の第１の間隙をあけて、かつ、上記複数のトレイ各々の周縁部と上記処理室の内壁との間に上記第１の間隙よりも大きい第２の間隙をあけて、上記複数のトレイを支持する。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る半導体基板の製造方法は、基板の表面を形成する炭化珪素層にエッチング処理により凹凸パターンを形成し、エッチング済みの上記基板を複数のトレイ上にそれぞれ配置し、熱処理炉の処理室に、上記複数のトレイを、上記基板と垂直な方向に５ｍｍ以上の第１の間隙をあけて、かつ、上記複数のトレイ各々の周縁部と上記処理室の内壁との間に上記第１の間隙よりも大きい第２の間隙をあけて設置し、上記処理室内で上記複数のトレイ上の基板を熱処理することを含む。

上記構成によれば、複数のトレイが５ｍｍ以上の第１の間隙をあけて、かつ、複数のトレイ各々の周縁部と処理室の内壁との間に第１の間隙よりも大きい第２の間隙をあけて支持されているため、プロセスガスが基板上を通過しやすくなる。これにより、プロセスガスが熱媒となって基板表面の温度均一性が高まるため、目的とする形状のトレンチを形成しつつ面内におけるトレンチ形状の均一性を高めることができる。

上記のように、本発明によれば、複数の基板を一括処理する場合でも、目的とする形状のトレンチを形成しつつ面内におけるトレンチ形状の均一性を高めることができる熱処理炉及び半導体基板の製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理炉を示す図である。 基板の表面に形成された凹凸パターンを示す拡大図である。 複数の支持部によりトレイが支持される様子を示す上面図である。 上記第１実施形態に係る半導体基板の製造方法のフローを示すフローチャートである。 上記熱処理炉により形成されたトレンチの形状を示す拡大図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱処理炉１を示す図である。熱処理炉１は、複数の基板Ｓに対して一括に熱処理を施すことができるバッチ炉であり、炉本体２と、複数のトレイＴと、支持部材３とを備える。
なお、各図において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は相互に直交する３軸方向を示している。

炉本体２は、処理室４と、加熱源５と、ガス導入ラインＬ１と、排気ラインＬ２とを有する。

処理室４はカーボン等の高い耐熱性を有する材料により円筒状に形成され、内部に支持部材３を収容するための空間を有する。処理室４は、側壁部４１と天井部４２と底部４３とを含む。本実施形態において、処理室４の内径ｄ１は２００ｍｍである。処理室４の図中Ｚ軸方向における高さは、内部に支持部材３を収容可能であれば特に限定されない。なお、後述するように、処理室４の内径ｄ１は、複数のトレイＴの大きさ及び複数のトレイＴの設置間隔に応じて調整可能である。

加熱源５は、処理室４の外壁に巻回されるコイル等の加熱体５１と、加熱体５１に高周波電流を印加する電源５２とを有する。加熱体５１に高周波電流が印加されることにより、複数のトレイＴが誘導加熱される。本実施形態において、加熱源５は、処理室４内を１５００℃〜２０００℃の範囲の温度で加熱可能に構成される。なお、加熱方法はこれに限定されない。例えば、抵抗加熱方式により処理室４内を加熱してもよい。この場合、加熱体５１として電熱線を用いることができる。

ガス導入ラインＬ１は、図示しないマスフローコントローラを含み、処理室４の天井部４２に接続される。これにより、処理室４に所定流量のプロセスガスを導入することができる。本実施形態では、プロセスガスとしてアルゴンガスを用いる。ただし、これに限られず、窒素ガス等の不活性ガスを用いてもよい。また、ガス導入ラインＬ１は、天井部４２に限らず、処理室４のどの部分に接続してもよい。

排気ラインＬ２は真空ポンプＰを含み、処理室４の底部４３に接続される。これにより、処理室４は、その内部が所定の減圧雰囲気に排気又は維持される。また、排気ラインＬ２は、底部４３に限らず、処理室４のどの部分に接続してもよい。

複数のトレイＴは、それぞれ、グラファイト、炭素系複合材料等のカーボン系材料からなり、厚さ２ｍｍ、直径１５５ｍｍの円板状に形成され、複数の基板Ｓをそれぞれ支持可能に構成される。複数のトレイＴは、処理室４内で加熱されることで、複数の基板Ｓを略均等に加熱する。なお、複数のトレイＴの形状、サイズ、及び材料は上記のものに限られない。処理室４の内径や複数のトレイＴの設置間隔に応じて調整可能である。

複数の基板Ｓは、それぞれ、表面に炭化珪素層を含み、当該炭化珪素層に凹凸パターンが形成されている。図２は、基板Ｓの表面に形成された凹凸パターンを示す図である。このような凹凸パターンは、炭化珪素層を物理エッチング等により処理することで形成される。このように表面に凹凸パターンが形成された基板Ｓが複数のトレイＴにそれぞれ配置される。基板Ｓを配置した複数のトレイＴは、支持部材３に収容される。なお、複数のトレイＴを支持部材３に収容してから、複数の基板Ｓを配置してもよい。

支持部材３は、図１に示すように、複数の支持柱３１と天板３２とを有する。複数の支持柱３１の長軸方向（図中Ｚ軸方向）の一端はそれぞれ天板３２に接続され、他端は炉本体の底部４３に接続される。このようにして、支持部材３が処理室４内に設置される。

複数の支持柱３１は複数の支持部３１ａをそれぞれ有する。図３は、複数の支持部３１ａが複数のトレイＴを支持する様子を示す上面図である。なお、分かりやすくするため、天板３２の図示は省略している。図３に示すように、複数の支持部３１ａは、複数の支持柱３１から支持部材３の中心軸Ｃに向かって突出した突起部により形成される。これにより、複数の支持柱３１は、複数のトレイＴ各々の周縁部を部分的に支持する。なお、複数の支持部３１ａの突出方向はこれに限定されず、複数のトレイＴを支持可能であれば、どのような方向に突出していてもよい。

また、複数の支持部３１ａは、図１に示すように、複数の支持柱３１の長軸方向（Ｚ軸方向）に所定の間隔を置いて設けられる。具体的には、複数のトレイＴがＺ軸方向に第１の間隙Ｖ１をあけて収容されるように、複数の支持部３１ａが設けられる。第１の間隙Ｖ１とは、複数のトレイＴの設置間隔を示す。本実施形態において、第１の間隙Ｖ１は１０ｍｍである。一方、複数のトレイＴの厚さは、上記のように２ｍｍである。したがって、本実施形態において、複数の支持部３１ａはＺ軸方向に１２ｍｍの間隔を置いて設けられる。

また、支持部材３は、複数のトレイＴ各々の周縁部と処理室４の内壁との間に第２の間隙Ｖ２をあけて設置される。第２の間隙Ｖ２とは、複数のトレイＴと処理室４の内壁との距離を示す。第２の間隙Ｖ２は、複数のトレイＴの直径をｄ２とすると、Ｖ２＝（ｄ１−ｄ２）÷２で表される。上記のようにｄ１＝２００ｍｍ、ｄ２＝１５５ｍｍであるため、Ｖ２＝（２００−１５５）÷２＝２２．５ｍｍである。本実施形態において、第２の間隙Ｖ２は、Ｖ１より大きくなるように設定される。したがって、式（ｄ１−ｄ２）÷２＞Ｖ１が成立する。例えば本実施形態の場合、ｄ１＞２×Ｖ１＋ｄ２より、処理室４の内径ｄ１は１７５ｍｍを超えていればよい。上記のように、本実施形態において、処理室４の内径は２００ｍｍであり、上記式を満たすことになる。

以下、本実施形態の半導体基板の製造方法について説明する。図４は、本実施形態の半導体基板の製造方法のフローを示す図である。

基板Ｓの表面に酸化シリコンからなるマスクＭ（図２参照）を形成し、その後、基板Ｓの表面にドライエッチング処理によりトレンチＴＲを形成する（ステップＳＴ１）。ドライエッチングにより形成されたトレンチＴＲには、形状不良が存在する。例えば、図２に示すように、底面と内壁面との連結部に角部があり、側壁や底部に凹凸が見られる。このような形状不良を解消するために、本実施形態に係る熱処理炉１を用いて、以下の処理を実施する。

トレンチＴＲを形成した基板ＳをトレイＴに配置し、支持部材３に当該トレイＴを収容する（ステップ２）。このステップを繰り返し、複数のトレイＴを支持部材３に収容する。

処理室４内を所定の真空度まで真空引きした後、マスフローコントローラにより所定の流量のアルゴンガスを処理室４に導入する（ステップ３）。なお、アルゴンガスの代わりに、窒素ガス等の不活性ガスを用いてもよい。

電源５２から加熱体５１に高周波電流を印加して、処理室４内を誘導加熱する（ステップ４）。これにより、処理室４内を、１５００℃まで加熱する。なお、加熱温度は１５００℃に限られず、１５００℃〜２０００℃の範囲であればよい。加熱温度が１５００℃未満の場合、目的とする形状のトレンチＴＲに加工するまでに時間がかかり、生産性が低下してしまう。一方、加熱温度が２０００℃以上の場合、昇華する珪素の量が過剰となり、トレンチＴＲの形状制御が困難である。

以上のようにして複数の基板Ｓを加熱すると、トレンチＴＲの内壁から珪素が脱離し、脱離した珪素が再びトレンチＴＲの内壁に付着して炭化珪素が生成される。このように、トレンチＴＲの内壁において珪素の脱離と炭化硅素の生成とを繰り返して平衡状態になると、トレンチＴＲの内壁と底部との連結部の角部が丸くなり、トレンチＴＲの内壁が滑らかになる。その結果、図５に示すように、複数の基板Ｓに目的とする形状を有するトレンチＴＲがそれぞれ形成される。

本実施形態によれば、複数のトレイＴがＺ軸方向に第１の間隙Ｖ１をあけて、かつ、複数のトレイＴ各々の周縁部と処理室４の内壁との間に第１の間隙Ｖ１よりも大きい第２の間隙Ｖ２をあけて設置されることにより、複数の基板Ｓ上にアルゴンガスを通過させやすくすることができる。これにより、アルゴンガスが熱媒となって基板Ｓの表面の温度均一性が高まるため、珪素の脱離・吸着がトレンチＴＲ間において同程度繰り返される。その結果、トレンチＴＲの形状が面内において均一になる。したがって、本実施形態によれば、面内におけるトレンチＴＲの形状の均一性を高めつつ、目的とする形状のトレンチＴＲを有する半導体基板を製造することができる。しかも、従来のようにシランガスを使用する必要はないため、低コストに半導体基板を形成することができる。

なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態において、第１の間隙Ｖ１は１０ｍｍとしたが、これに限られない。第１の間隙Ｖ１が５〜２０ｍｍの場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。第１の間隙Ｖ１が５ｍｍ未満であると、複数の基板Ｓにプロセスガスが十分に供給されず、所望の効果を得ることができない。一方、第１の間隙Ｖ１が２０ｍｍを超えると、処理できる基板Ｓの数が減り、生産性に影響が出てしまう。なお、第１の間隙Ｖ１を変更した場合、それに合わせて、（ｄ１−ｄ２）÷２＞Ｖ１を満たすようにすればよい。

また、上記実施形態において、複数のトレイＴの厚さを２ｍｍとしたが、これに限られない。この場合、第１の間隙Ｖ１と複数のトレイＴの厚さを足した間隔を置いて複数の支持部３１ａが設けられればよい。

また、上記実施形態において、複数の支持柱３１の数は３としたが、これに限られない。複数のトレイＴを支持できる限り、任意の数の支持柱を設けることができる。

また、上記実施形態において、複数の支持部３１ａは複数の支持柱３１から突出する突起部で形成されたが、これに限られない。例えば、複数の支持３１に形成された溝部により複数の支持部３１ａを形成してもよい。この場合、当該溝部に複数のトレイＴを挿入することにより、複数のトレイＴを支持すればよい。

１…熱処理炉
２…炉本体
３…支持部材
４…処理室
５…加熱源
Ｓ…複数の基板
Ｔ…複数のトレイ
Ｖ１…第１の間隙
Ｖ２…第２の間隙

Claims (6)

1. 処理室と、前記処理室を加熱する加熱源と、前記処理室へプロセスガスを導入するガス導入ラインとを有する炉本体と、
   凹凸パターンを含み炭化珪素層からなる第１の表面を有する基板をそれぞれ支持する複数のトレイと、
   前記処理室に設置され、前記第１の表面と垂直な方向に５ｍｍ以上の第１の間隙をあけて、かつ、前記複数のトレイ各々の周縁部と前記処理室の内壁との間に前記第１の間隙よりも大きい第２の間隙をあけて、前記複数のトレイを支持する支持部材と
   を具備する熱処理炉。
2. 請求項１に記載の熱処理炉であって、
   前記支持部材は、前記複数のトレイ各々の周縁部を部分的に支持する複数の支持柱を有する
   熱処理炉。
3. 請求項１に記載の熱処理炉であって、
   前記第１の間隙は１０ｍｍ以上である
   熱処理炉。
4. 基板の表面を形成する炭化珪素層にエッチング処理により凹凸パターンを形成し、
   エッチング済みの前記基板を複数のトレイ上にそれぞれ配置し、
   熱処理炉の処理室に、前記複数のトレイを、前記基板と垂直な方向に５ｍｍ以上の第１の間隙をあけて、かつ、前記複数のトレイ各々の周縁部と前記処理室の内壁との間に前記第１の間隙よりも大きい第２の間隙をあけて設置し、
   前記処理室内で前記複数のトレイ上の基板を熱処理する
   半導体基板の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体基板の製造方法であって、
   前記基板は、１５００℃以上２０００℃以上の温度で熱処理される
   半導体基板の製造方法。
6. 請求項４に記載の半導体基板の製造方法であって、
   前記第１の間隙は１０ｍｍ以上である
   半導体基板の製造方法。

Images