JP2019169689A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＳｉＣ膜内の不純物濃度を面内で均一にする。【解決手段】成膜装置１は、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ膜を形成するものであって、ＳｉＣ基板が載置される載置台と、載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿った原料ガスの流れを形成するよう構成されたガス供給機構１５と、ＳｉＣ基板を加熱する誘導コイル１４と、を有し、ガス供給機構１５は、Ｓｉを含有しＣを含有しない第１のＳｉ含有ガス及びＣを含有しＳｉを含有しない第１のＣ含有ガスに加えて、第１のＳｉ含有ガスよりも熱分解温度が高くＳｉを含有しＣを含有しない第２のＳｉ含有ガスおよび第１のＣ含有ガスよりも熱分解温度が低くＣを含有しＳｉを含有しない第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを、原料ガスとして供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜の成膜処理を行う成膜装置及び成膜方法に関する。
近年、半導体パワーデバイスといった電子デバイスに、ＳｉＣが用いられるようになっている。このような電子デバイスの製造では、単結晶の基板上に基板結晶と同じ方位関係を有する膜を成長させるエピタキシャル成長によって、ＳｉＣ膜が成膜される。
特許文献１には、エピタキシャル成長によるＳｉＣ膜の成膜装置として、被処理基板としてのＳｉＣ基板が載置される載置台と、載置台を回転可能に支持する回転軸部と、載置台を収容する内部空間を有するサセプタとを備えるものが開示されている。この特許文献１の成膜装置では、サセプタを誘導加熱することでＳｉＣ基板を加熱しながら、サセプタ内の載置台上のＳｉＣ基板に処理ガスを供給することにより、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ膜を形成する。
また、特許文献１の成膜装置では、上記サセプタと載置台との間に断熱材を設け、この断熱材を用いて、載置台上のＳｉＣ基板の温度の面内バラつきを低減させている。これによりＳｉＣ膜の不純物濃度を面内で均一にしている。
特開２０１６−１００４６２号公報
特許文献１では上述のように載置台上のＳｉＣ基板の温度の面内バラつきを抑えることで、ＳｉＣ膜の不純物濃度の面内均一化を図っていた。しかし、ＳｉＣ膜の不純物濃度の均一化に際し考慮すべきは、載置台上のＳｉＣ基板の温度のみではない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、載置台上のＳｉＣ基板の温度以外の成膜条件を調整して不純物濃度が面内で均一なＳｉＣ膜を形成する新たな成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、被処理基板上に炭化ケイ素膜を形成する成膜装置であって、前記被処理基板が載置される載置台と、前記載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿った原料ガスの流れを形成するよう構成されたガス供給機構と、前記被処理基板を加熱する誘導コイルと、を有し、前記ガス供給機構は、ケイ素を含有し炭素を含有しない第１のＳｉ含有ガス及び炭素を含有しケイ素を含有しない第１のＣ含有ガスに加えて、前記第１のＳｉ含有ガスよりも熱分解温度が高くケイ素を含有し炭素を含有しない第２のＳｉ含有ガスおよび前記第１のＣ含有ガスよりも熱分解温度が低く炭素を含有しケイ素を含有しない第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを、前記原料ガスとして供給することを特徴としている。
本発明によれば、載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿って原料ガスを供給するガス供給機構が、第１のＳｉ含有ガス及び第１のＣ含有ガスに加えて、第１のＳｉ含有ガスよりも熱分解温度が高い第２のＳｉ含有ガスおよび第１のＣ含有ガスよりも熱分解温度が低い第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを原料ガスとして供給する。したがって、処理空間において、炭化ケイ素膜の前駆体としてのケイ素原子の数に対する炭素原子の数が均一となるので、不純物濃度が面内で均一な炭化ケイ素膜を形成することができる。
上記成膜装置は、前記載置台をその内部空間に収容するよう構成されたサセプタをさらに有していてもよい。
前記載置台は、回転軸を介して回転可能に当該回転軸に固定されていてもよい。
前記載置台は、前記回転軸の中心軸線に対して周方向に配列された複数の載置領域において複数の被処理基板を保持するように構成されていてもよい。
前記第１のＳｉ含有ガスは、モノシランガスであり、前記第２のＳｉ含有ガスは、ケイ素と水素との間の結合エネルギーよりも高いエネルギーでケイ素と結合された原子を含んでもよい。
前記第２のＳｉ含有ガスは、テトラクロロシランガス、トリクロロシランガス、ジクロロシランガス、モノクロロシランガス、テトラフルオロシランガス、トリフルオロシランガス、ジフルオロシランガスおよびモノフルオロシランガスの少なくともいずれか１つであってもよい。
前記第１のＣ含有ガスは、プロパンガスであり、前記第２のＣ含有ガスは、アセチレンガス、エチレンガスおよびエタンガスの少なくともいずれか１つであってもよい。
別な観点による本発明は、被処理基板上に炭化ケイ素膜を形成する成膜方法であって、前記被処理基板が搭載された載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿って原料ガスを供給する供給工程を有し、該供給工程は、ケイ素を含有し炭素を含有しない第１のＳｉ含有ガス及び炭素を含有しケイ素を含有しない第１のＣ含有ガスに加えて、前記Ｓｉ含有ガスよりも熱分解温度が高くケイ素を含有し炭素を含有しない第２のＳｉ含有ガスおよび前記Ｃ含有ガスよりも熱分解温度が低く炭素を含有しケイ素を含有しない第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを、前記原料ガスとして供給することを特徴としている。
本発明によれば、載置台上のＳｉＣ基板の温度以外の成膜条件を調整して不純物濃度が面内で均一なＳｉＣ膜を形成する新たな成膜方法及び成膜装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る成膜装置の構成の概略を模式的に示した図である。 図１の成膜装置における処理容器内の構成の概略を模式的に示した断面図である。 本発明者らが行った評価試験の結果を示す図である。 第１実施形態に係る成膜装置及び成膜方法の作用及び効果の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る成膜装置の構成の概略を模式的に示した図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る成膜装置の構成の概略を模式的に示した図である。
図１の成膜装置１は、略直方体状の処理容器１１を備える。
処理容器１１には、排気ライン１２が接続されており、処理容器１１は、排気ライン１２により所定の減圧状態（圧力）に調整することが可能となっている。排気ライン１２は、処理容器１１に一端が接続される排気管１２ａを有する。排気管１２ａは、排気マニホールド等から成り、処理容器側とは反対側にメカニカルブースターポンプ等からなる真空ポンプ１２ｂが接続されている。排気管１２ａにおける処理容器１１と真空ポンプ１２ｂとの間には、ＡＰＣ（自動圧力制御）バルブや比例制御弁等からなる、処理容器１１内の圧力を調整する圧力調整部１２ｃが設けられている。また、処理容器１１には、圧力計１３が設けられており、圧力調整部１２ｃによる処理容器１１内の圧力の調整は、圧力計１３での計測結果に基づいて行われる。
処理容器１１は、両端に開口部を有する中空の四角柱状の処理容器本体１１ａと、上記開口部を塞ぐように処理容器本体１１ａの両端それぞれに接続される側壁部１１ｂとを有し、処理容器本体１１ａ及び側壁部１１ｂは、ステンレスまたは、石英等の誘電体材料により形成されている。
処理容器本体１１ａの外側には、高周波電源１４ａに接続された誘導コイル１４が設けられている。誘導コイル１４は、被処理基板を加熱するものであり、例えば、後述のサセプタ２３等を誘導加熱し、誘導加熱されたサセプタ２３からの輻射熱により被処理基板を加熱する。
処理容器１１内には、ガス供給機構１５により成膜の原料となる原料ガス等が供給されるよう構成されている。ガス供給機構１５は、処理容器１１に接続されるガス供給管１５ａと、該ガス供給管１５ａに接続されるガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ６とを有する。
ガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ６にはそれぞれ、質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ１〜１５ｃ６とバルブ１５ｄ１〜１５ｄ６とが設けられている。
ガス供給管１５ｂ１には、ガス供給源１５ｅ１が接続され、該供給源１５ｅ１からＳｉＨ４ガスが供給される。同様に、ガスライン１５ｂ２〜１５ｂ６にはそれぞれガス供給源１５ｅ２〜１５ｅ６が接続され、各ガス供給源１５ｅ２〜１５ｅ６からＣ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＳｉＣｌ４ガス、Ａｒガスが供給される。
被処理基板としてのＳｉＣ基板上に、エピタキシャル成長によりｎ型のＳｉＣ膜の成膜を行う場合には、成膜のための原料ガスとして、ガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ５からＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＳｉＣｌ４ガスが処理容器１１に供給される。なお、ｐ型のＳｉＣ膜の成膜のために、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス用のガス供給源とガス供給管等を設けておいてもよい。
また、処理容器１１内の構造物に付着した異物を除去する際には、例えば、ガス供給管１５ｂ３、１５ｂ６からＨ２ガス、Ａｒガスのうちの１種が、または、これらのガスが混合されて、処理容器１１に供給される。
また、成膜装置１は制御部１００を備えている。制御部１００は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、ＭＦＣ１５ｃ１〜１５ｃ６やバルブ１５ｄ１〜１５ｄ６、高周波電源１４ａ、圧力調整部１２ｃ、後述の回転駆動部や昇降駆動部等を制御して成膜処理を行うためのプログラムも格納されている。
なお、上記のプログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御部１００にインストールされたものであってもよい。
続いて、処理容器１１内の構成について説明する。図２は、図１の成膜装置１における処理容器１１内の構成の概略を模式的に示した断面図である。
処理容器１１の内部には、図２に示すように、被処理基板としてのＳｉＣ基板Ｗ（以下、基板Ｗ）がホルダＨを介して載置される載置台２０と、載置台２０を回転させると共に該載置台２０を支持する回転軸２１と、基板Ｗが載置されたホルダＨを昇降させる昇降部２２と、が設けられている。また、処理容器１１の内部には収容部としてのサセプタ２３が設けられており、サセプタ２３は、載置台２０を収容する内部空間Ｓを有すると共に、処理ガスが、載置台２０の一端から載置台２０の中心上を通り載置台２０の他端に至るように上記内部空間Ｓに供給される。
載置台２０は、鉛直方向下側に凹む凹部２０ａを上面に有する円板状に形成されており、処理容器１１の内部において水平に設けられている。また、上記凹部２０ａにはホルダＨが嵌る。この載置台２０が回転軸２１により載置台２０及び回転軸２１の中心軸線Ｐを中心に回転されることにより、ホルダＨも回転されるようになっている。
載置台２０は、耐熱性が高くかつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で形成されており、例えば、上面がＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。
ホルダＨは、複数枚の基板Ｗをまとめて成膜装置１に搬出入するためのものであり、複数枚の基板Ｗを保持する。このホルダＨの上面には、基板Ｗがそれぞれ載置される複数の載置領域Ｈａが形成されている。複数の載置領域Ｈａは、ホルダＨの中心、すなわち、中心軸線Ｐに対して周方向に等間隔で配列されている。また、ホルダＨは、耐熱性が高くかつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で形成されており、例えば、基板Ｗが搭載される上面がＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。なお、ホルダＨは例えば載置台２０より小径の円板状に形成されている。
回転軸２１は、その一端が載置台２０の下部中央に接続され、他端が処理容器１１の底部を突き抜けてその下方に至り、回転駆動機構（図示せず）に接続されている。上記回転駆動機構により回転軸２１が回転されることにより、載置台２０が回転するようになっている。
昇降部２２は、成膜装置１の外部の基板Ｗの搬送装置と載置台２０との間で基板Ｗを受け渡すためのものであり、本例では、基板Ｗが載置されたホルダＨを受け渡す。この昇降部２２が昇降駆動機構（図示せず）により昇降されることにより、ホルダＨすなわち基板Ｗが昇降されるようになっている。
サセプタ２３は、互いに対向する二つの面に開口が設けられた直方体状に形成され、一方の面の開口から処理ガスが供給され、他方の面の開口から処理ガスが排出される構造となっている。この構造では、基板Ｗ上に供給される処理ガスは、中心軸線Ｐに対して直交する方向である基板Ｗに平行な方向に沿って供給され、排出される。
サセプタ２３は、耐熱性が高くかつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で形成されており、例えば、基板Ｗ側の面がＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。
また、サセプタ２３の外周には、該サセプタ２３と処理容器１１とを断熱する断熱材２４が設けられている。断熱材２４は、例えば、空隙率が大きい繊維状のカーボン材料を用いて形成される。
なお、図示は省略するが、断熱材２４の外側には、断熱材２４を処理容器１１から離間させた状態で該断熱材２４を保持するための保持構造体が設けられている。
次に、成膜装置１を用いた、成膜処理を含む基板処理を説明する。
まず、基板Ｗが載置されたホルダＨを、処理容器１１内に搬入する（ステップＳ１）。具体的には、上記ホルダＨを、成膜装置１の外部の搬送手段（図示せず）を用いて、成膜装置１の外部からゲートバルブ（図示せず）を介して処理容器１１内に搬入し、載置台２０の上方に位置させる。次に、昇降部２２を上昇させ、当該昇降部２２によりホルダＨを支持する。次いで、上記搬送手段を処理容器１１内から退避させると共に、昇降部２２を下降させ、ホルダＨを載置台２０上に載置する。
ホルダＨの搬入後、ガス供給機構１５から原料ガスとキャリアガスを、処理容器１１内において中心軸線Ｐに対して直交する方向に供給すると共に、高周波電源１４ａから高周波電力を、誘導コイル１４に印加することで基板Ｗを加熱し、エピタキシャル成長により基板Ｗ上にｎ型のＳｉＣ膜を成膜する（ステップＳ２）。具体的には、バルブ１５ｄ１〜１５ｄ５を開状態とし、ＭＦＣ１５ｃ１〜１５ｃ５で流量を調整して、処理容器１１内にＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、ＳｉＣｌ４ガスを供給する。また、高周波電源１４ａから誘導コイル１４に高周波電力を印加することで、誘導加熱されたホルダＨ、載置台２０、サセプタ２３からの輻射や熱伝導により基板Ｗを加熱する。なお、成膜中において、処理容器１１内の圧力は例えば１０Ｔｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒであり、基板Ｗの温度は例えば１５００℃〜１７００℃である。
成膜完了後、基板Ｗが支持されているホルダＨを処理容器１１から搬出する（ステップＳ３）。具体的には、バルブ１５ｄ１〜１５ｄ５を閉状態とし、原料ガスとキャリアガスの供給を停止した後、昇降部２２を上昇させ、基板Ｗが支持されているホルダＨを上昇させる。そして、成膜装置１の外部の搬送手段をゲートバルブを介して処理容器１１内に挿入し、ホルダＨの下方に位置させる。その後、昇降部２２を下降させ、ホルダＨを昇降部２２から上記搬送手段に受け渡し、該搬送手段を処理容器１１から退避させることにより、基板Ｗが保持されているホルダＨを処理容器１１から搬出する。なお、基板Ｗの搬出中、誘導コイル１４への高周波電力の供給を遮断してもよいが、次工程において最適な載置台２０及びサセプタ２３の温度になるよう制御しながら誘導コイル１４へ高周波電力を供給することが好ましい。
ホルダＨの搬出後、ステップＳ１に処理を戻して、別の基板Ｗが載置されたホルダＨを処理容器１１内に搬入し、ステップＳ１〜ステップＳ３の処理を繰り返す。
続いて、本実施形態の作用及び効果を説明する。
従来のエピタキシャル成長によるＳｉＣ膜の成膜では、Ｓｉ原料ガス及びＣ原料ガスとしてそれぞれ単一のものを用いることが多く、Ｓｉ原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガス、Ｃ原料ガスとしては例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスが用いられていた。
一方で、ＳｉＣ膜の成膜装置における原料ガスの供給方式として、ダウンフロー方式とサイドフロー式とがある。ダウンフロー方式では、原料ガスがＳｉＣ基板表面に対して略垂直となるように上から供給され、サイドフロー方式では、原料ガスがＳｉＣ基板表面に対して略平行となるように横から供給される。
また、サイドフロー方式を採用する成膜装置では、ＳｉＣ基板を複数枚乗せたホルダを回転させて成長させる場合があり、この場合、ＳｉＣ基板上方の成長空間の長さ、すなわち、上記成長空間における処理ガスの給気側から排気側までの距離が長い。例えば、直径６インチのＳｉＣ基板を３枚載せた場合には上記成長空間の長さは３４０ｍｍ程度となる。これは、直径６インチのＳｉＣ基板を多数枚同時に処理するダウンフロー方式の装置の２倍以上である。
このように上記成長空間の長いサイドフロー方式を採用した成膜装置において、従来と同様に、原料ガスとしてＳｉＨ４ガスとＣ３Ｈ８ガスのみを用いてｎ型ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長により成膜する場合、ホルダＨの中心部とホルダＨの外周部とでは、得られるＳｉＣ膜において不純物濃度に差があった。
この不純物濃度の不均一性を解消するべく本発明者らが行った評価試験のうちの１つの結果が図３に示されている。図３には、Ｓｉ原料ガスとしてＳｉＨ４ガスのみを用いＣ原料ガスとしてＣ３Ｈ８ガスのみを用いドーパントガスとしてＮ２ガスを用いて成膜されたｎ型ＳｉＣ膜の不純物濃度分布を測定した結果が示されている。なお、この成膜の際に用いた成膜装置の処理容器及び処理容器内の構造は図１及び図２の成膜装置と同様であるため、以下の説明では図１及び図２の符号を用いて説明する。また、図３の結果が得られた成膜では、ホルダＨの全面に基板Ｗを載置しホルダＨが載置された載置台２０は回転させなかった。
図３に示すように、上述の評価試験では、ｎ型ＳｉＣ膜における不純物濃度すなわち窒素（Ｎ）濃度は、ガス給気側で高く、ホルダＨの中央あたり、すなわち回転軸２１の直上あたりにかけて低下し、再びガス排気側で増加している。
上述のような不純物濃度分布の不均一性は、以下の理由から生じるものと考えられる。すなわち、サイドフロー方式では、供給された原料ガスはサセプタ２３からの輻射熱により緩やかに加熱され、サセプタ２３内を通過する際に急激に加熱される。したがって、原料ガスのガス温度は、給気側が低温であり排気側に向かって温度が上昇する。したがって、８００℃付近から前駆体に分解するとされるＣ３Ｈ８の分解量は給気側で小さく、排気側に向かって増加していく。一方で、ＳｉＨ４は４００℃程度の低温から前駆体に分解される。したがって、ガス供給口側では、雰囲気中の前駆体におけるケイ素（Ｓｉ）原子の数に対する同前駆体における炭素（Ｃ）原子の数の比（Ｃ／Ｓｉ比）が非常に低いため、後述のサイトコンペティション効果により、ｎ型ＳｉＣ膜のドーパントであるＮの膜内への取り込み量が大きくなる。また、排気側に向かうと、サセプタ２３の内壁との反応等によりＳｉが消費されることによりＳｉ濃度は減少するのに対し、Ｃ３Ｈ８の分解量は前述のように増加するため、Ｃ／Ｓｉ比は高くなる。その結果、Ｎの取り込みは減少してくる。そして、排気側の近傍になると、雰囲気中のＣにかかる前駆体であるＣ２Ｈ２の濃度は飽和する一方で、温度上昇に伴いＮ２分解量の分解量は増加するため、Ｎの取り込み量（サセプタ２３の内壁に付着した不要な反応生成物がエッチングされた際に発生するＮＨｘが基板Ｗに取り込まれる分も含む）は再び増加する。その結果、上述のような不純物濃度分布の不均一性が生じていると推察される。
この推察結果を踏まえ、本発明者は、鋭意検討した結果、Ｃ原子を含まないがＳｉ原子を含むＳｉ含有ガスとして熱分解温度が異なるものを同時に供給することで、ＳｉＣ膜内の不純物濃度分布の均一性を向上可能であることを知見した。ここで、熱分解温度とは、Ｓｉ含有ガスからＳｉＣ膜の前駆体の状態に分解するために必要な温度のことをいう。例えば、熱分解温度は、Ｓｉ含有ガスがＳｉＨ４ガスの場合はＳｉＣ膜の前駆体であるＳｉ原子まで分解するのに必要な温度であり、ＳｉＣｌ４ガスの場合はＳｉＣ膜の前駆体であるＳｉＣｌ２まで分解するのに必要な温度である。熱分解温度は、分子中に含まれるＳｉ原子と、Ｓｉ原子以外の原子との結合のエネルギーに依存する。Ｓｉ含有ガスの１つがＳｉＨ４ガスの場合は、例えばＳｉとの結合エネルギーがＳｉ−Ｈの結合エネルギーより大きい原子を含むＳｉ含有ガス、例えばＳｉＣｌ４ガスを同時に供給する。ここで、Ｓｉ−Ｈの結合エネルギーは３１８ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｓｉ−Ｃｌの結合エネルギーは３８１ｋＪ／ｍｏｌである。
上述の知見に基づき、本実施形態では、成膜に際し、第１のＳｉ含有ガスとしてのＳｉＨ４ガスと、このＳｉＨ４ガスより熱分解温度が高い第２のＳｉ含有ガスとしてテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）ガスとを同時に供給する。本実施形態にかかる成膜装置１を用いて、図３で結果を示した評価試験と同様に、ホルダＨの全面に基板Ｗを載置しホルダＨが載置された載置台２０は回転させずに、上述のようにＳｉＨ４ガスとＳｉＣｌ４ガスとを同時に供給して成膜した場合の結果を図４に示す。なお、以下の説明では、成膜装置１を用いた成膜におけるＳｉ含有ガスの総流量と、従来のＳｉＨ４ガスを単体で流す場合の当該ＳｉＨ４ガスの流量とが同じであるものとする
成膜装置１を用いた成膜では、従来に比べ、ＳｉＨ４ガスの流量が減少しており、また、ガス給気側においてＳｉＣｌ４ガスは前駆体に分解されにくい。そのため、図４に示すように、給気側において、従来に比べて、前駆体におけるＳｉ原子の量が少なく、Ｓｉ原子の吸着量は減少する。一方、ＳｉＣｌ４ガスは、分解温度の高さから、より排気側の位置で分解が始まり、従来前駆体としてのＳｉ原子が不足していた領域（中央から排気側）にＳｉ原子を補うようになる。これにより、給気側での低Ｃ／Ｓｉ比の抑制と、中央から排気側での高Ｃ／Ｓｉ比の抑制が可能となり、成長空間のＣ／Ｓｉ比の分布が均一化される。さらに、給気側からホルダＨの中央付近にかけてのＳｉＣ膜内へのＮの取り込みはサイトコンペティション効果が支配的であったことから、上記ホルダＨの中央付近でＮ濃度が増加するため、ＳｉＣ膜内のＮ濃度の面内均一性も向上する。
なお、サイトコンペティションとは、ＳｉＣ膜へのドーパントの取り込みにおいてＮはＣサイトを置換し、アルミニウム（Ａｌ）はＳｉサイトを置換することから、表面上でＣもしくはＳｉとドーパントの競合が生じ、ドーパントの取り込みに影響が出ることをいう。例えば、低Ｃ／Ｓｉ比の場合、Ｎと競合するＣが少ないことから高Ｎ濃度となる。
以上は、載置台２０を回転させず停止させた状態で成膜した場合についての説明である。しかし、回転させた場合にも、ホルダＨの外周付近に位置する基板領域でのＮ濃度増加が抑制され、ホルダＨ中央付近でのＮ濃度が増加されため、ＳｉＣ膜内のＮ濃度の面内均一性が向上する。
また、成膜装置１では以下の（１）〜（５）の効果も得られる。
（１）通常、過度に低Ｃ／Ｓｉ比な状態（Ｓｉリッチ状態ともいう）では、Ｓｉドロップレットが発生し当該Ｓｉドロップレットに起因した欠陥が発生する。また、過度に高Ｃ／Ｓｉ比な状態（Ｃリッチ状態ともいう）では△欠陥が発生する。従来は、前述のようにガスの給気側では低Ｃ／Ｓｉ比であり、ガスの排気側では高Ｃ／Ｓｉ比であった。それに対し、成膜装置１では、給気側において低Ｃ／Ｓｉ比が抑制され、排気側において高Ｃ／Ｓｉ比が抑制されるため、欠陥の数を減少させることができる。
（２）Ｃリッチ状態では、基板Ｗ／ＳｉＣ膜の表面の原子ステップが束になるステップバンチングが発生しやすい。したがって、従来は、排気側でＣリッチ状態となるためステップバンチングが生じることがあったが、成膜装置１では、排気側においてＣリッチ状態とならないため、ステップバンチングの発生を抑制することができる。
（３）従来は、給気側において雰囲気中の前駆体におけるＳｉ濃度が局所的に高くなり過ぎることでＳｉドロップレットが発生するため、Ｓｉの原料ガスの供給量を抑えざるを得ず、更なる高速成長化を阻害していた。それに対し、本実施形態によれば、従来のような給気側におけるＳｉ濃度の局所的な増加が生じないため、Ｓｉ原料ガスの流量を増加させた高速成長も行うことができる。
（４）さらに、本実施形態によれば、従来のような給気側におけるＳｉ濃度の局所的な増加が生じないため、Ｓｉの原料ガス流量以外のプロセスウィンドウも拡大させることができる。例えば、処理温度（例えば、成膜時の基板温度やガス温度）や、ガス供給比（Ｃ／Ｓｉ比）のプロセスウィンドウを拡大させることができる。より具体的には、処理温度を下げる場合、低温化によりＳｉドロプレットは生じ易くなることから、従来の方法では所定の温度以下となると高品質なエピ膜を得るプロセスができないのに対し、本実施形態では、Ｓｉドロプレットが生じ難い環境をガス種により予め作ることで、従来の方法より低温まで、高品質なエピ膜を得るプロセスが可能となる。
同様に、ガス供給比を高める場合、従来高かった処理空間の排気側のＣ／Ｓｉを本実施形態では下げておくことができるため、排気側で欠陥発生が生じる従来の最大のガス供給比より高いガス供給比まで高めて、プロセスを実施できる。
（５）成膜装置の給気側の構造物（例えば断熱材２４）に生じる不要な反応生成物はＳｉＣ基板を搬入出する搬送装置と接触するおそれがある。そのため、上記反応生成物を取り除くためにクリーニングが行われている。本実施形態では、成膜装置１のガスの給気側におけるＳｉ濃度が従来に比べて低いため、上記不要な反応生成物の量が少ないので、クリーニング周期を長期化することができ、スループットを向上させることができる。
以上の説明では、第２のＳｉ含有ガスとして、ＳｉＣｌ４ガスを用いていたが、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスや、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガス、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）ガス、テトラフルオロシラン（ＳｉＦ４）ガス、トリフルオロシラン（ＳｉＨＦ３）ガス、ジフルオロシランガス（ＳｉＨ２Ｆ２）ガス、モノフルオロシラン（ＳｉＨ３Ｆ）ガスを用いてもよい。なお、ＳｉＦ４ガス、ＳｉＨ２Ｆ２ガスが有するＳｉ−Ｆ結合の結合エネルギーは５６５ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、Ｓｉ−Ｃｌ結合の結合エネルギーより高く、ＳｉＦ４ガス、ＳｉＨ２Ｆ２ガスの熱分解温度は、ＳｉＣｌ４ガスやＳｉＨＣｌ３ガスより高い。
なお、第２のＳｉ含有ガスとして、単一のガスを用いていたが、複数のガスを混合して用いてもよい。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、Ｃ原子を含まないがＳｉ原子を含むＳｉ含有ガスとして熱分解温度が異なるものを同時に供給していた。これに対し、第２の実施形態の成膜装置は、Ｓｉ原子を含まないがＣ原子を含むＣ含有ガスとして熱分解温度が異なるものを同時に供給する。具体的には、図５に示すように、成膜装置１は、第１実施形態におけるガス供給管１５ｂ５、ＭＦＣ１５ｃ５、バルブ１５ｄ５、ガス供給源１５ｅ５に代えて、第１実施形態におけるガス供給管１５ｂ７、ＭＦＣ１５ｃ７及びバルブ１５ｄ７と、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを供給するガス供給源１５ｅ７とを有する。そして、本実施形態の成膜装置１では、第１のＣ含有ガスとしてのＣ３Ｈ８ガスと、このＣ３Ｈ８ガスより熱分解温度が低い第２のＣ含有ガスとしてアセチレンガスとを同時に供給する。
本実施形態の成膜装置１でも、給気側での低Ｃ／Ｓｉ比の抑制と、中央から排気側での高Ｃ／Ｓｉ比の抑制が可能であるため、成長空間のＣ／Ｓｉ比の分布が均一化される。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、第２のＣ含有ガスとして、アセチレンガスを用いていたが、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスや、エタン（Ｃ２Ｈ６）ガスを用いてもよい。
以上の説明は、ｎ型ＳｉＣ膜の成膜に関するものであるが、ｐ型のＳｉＣ膜の成長にも本発明は適用することができる。
なお、ｐ型ＳｉＣ膜の場合は、ｎ型ＳｉＣ膜とは異なり、ホルダＨの中央付近でのＳｉリッチ化によりＡｌの取り込みを抑制することができるため、ＳｉＣ膜内の不純物濃度を面内で均一にすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、エピタキシャル成長によりＳｉＣ膜を成膜する技術に有用である。
１ 成膜装置
１１ 処理容器
１２ 排気ライン
１４ 誘導コイル
１５ ガス供給機構
２０ 載置台
２１ 回転軸
２３ サセプタ
２４ 断熱材
１００ 制御部

Claims (8)

  1. 被処理基板上に炭化ケイ素膜を形成する成膜装置であって、
    前記被処理基板が載置される載置台と、
    前記載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿った原料ガスの流れを形成するよう構成されたガス供給機構と、
    前記被処理基板を加熱する誘導コイルと、を有し、
    前記ガス供給機構は、ケイ素を含有し炭素を含有しない第１のＳｉ含有ガス及び炭素を含有しケイ素を含有しない第１のＣ含有ガスに加えて、前記第１のＳｉ含有ガスよりも熱分解温度が高くケイ素を含有し炭素を含有しない第２のＳｉ含有ガスおよび前記第１のＣ含有ガスよりも熱分解温度が低く炭素を含有しケイ素を含有しない第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを、前記原料ガスとして供給することを特徴とする成膜装置。
  2. 前記載置台をその内部空間に収容するよう構成されたサセプタをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記載置台は、回転軸を介して回転可能に当該回転軸に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記載置台は、前記回転軸の中心軸線に対して周方向に配列された複数の載置領域において複数の被処理基板を保持するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
  5. 前記第１のＳｉ含有ガスは、モノシランガスであり、
    前記第２のＳｉ含有ガスは、ケイ素と水素との間の結合エネルギーよりも高いエネルギーでケイ素と結合された原子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜装置。
  6. 前記第２のＳｉ含有ガスは、テトラクロロシランガス、トリクロロシランガス、ジクロロシランガス、モノクロロシランガス、テトラフルオロシランガス、トリフルオロシランガス、ジフルオロシランガスおよびモノフルオロシランガスの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
  7. 前記第１のＣ含有ガスは、プロパンガスであり、
    前記第２のＣ含有ガスは、アセチレンガス、エチレンガスおよびエタンガスの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜装置。
  8. 被処理基板上に炭化ケイ素膜を形成する成膜方法であって、
    前記被処理基板が搭載された載置台の外側から当該載置台の中心軸線に対して直交する方向に沿って原料ガスを供給する供給工程を有し、
    該供給工程は、ケイ素を含有し炭素を含有しない第１のＳｉ含有ガス及び炭素を含有しケイ素を含有しない第１のＣ含有ガスに加えて、前記Ｓｉ含有ガスよりも熱分解温度が高くケイ素を含有し炭素を含有しない第２のＳｉ含有ガスおよび前記Ｃ含有ガスよりも熱分解温度が低く炭素を含有しケイ素を含有しない第２のＣ含有ガスの少なくとも一方のガスを、前記原料ガスとして供給することを特徴とする成膜方法。
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