JP3788836B2

JP3788836B2 - 気相成長用サセプタ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3788836B2
Application number: JP35571696A
Authority: JP
Inventors: 栄一外谷; 勝之高村
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社; 徳山東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JPH10189695A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長用サセプタ及びその製造方法に関し、詳しくはウエハ保持部以外の表面部の結晶粒径及び表面粗さを特定することにより、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）ウエハ等の２層構造エピタキシャルウエハ形成のように単結晶シリコン基板等の基体上に化学気相成長により複数層の電気的特性の異なる単結晶膜層を形成するために用い、特に、複数層間の電気的特性を、ＳＲ値（Spreading Resistance：広がり抵抗）に緩やかに低下しながら変化するいわゆるダレ現象を大きく生じさせることなく急峻に変化させることができる気相成長用サセプタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴウエハが、２層構造のエピタキシャルウエハとして化学気相成長法で成膜されることは従来から知られており、一般に第１層目はキャリアの不純物濃度を高くして抵抗値がより低くなるようにすると共に、表層の第２層目は不純物濃度を低くして抵抗がより高くなるように形成される。この第１層と第２層との界面近傍における深さ方向に対するＳＲ値が急峻に変化する２層構造エピタキシャルウエハは、優れた特性を有するデバイスを提供できることが知られている。一方、このＳＲ値にダレ現象が生じる場合には、デバイス特性が悪化することも確認されている。従って、特にＩＧＢＴウエハとして２層構造エピタキシャルウエハを、上記２層間のＳＲ値の変化が急峻に変化するようにエピタキシャル成長して得ることが要望されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の化学気相成長法で２層連続して成膜した２層構造エピタキシャルウエハにおいて、深さ方向に対するＳＲ値について測定した結果、得られるＳＲ値のプロファイルは、一般に、２層の界面近傍でダレ現象が生じることが観察される。また、このような深さ方向へのＳＲ値のダレ現象は、得られるウエハの中央部よりも周辺部で大きくなることも観察される。ウエハの中央部と周辺部でＳＲ値のダレ現象の程度が異なることは、ウエハ面内特性が均質でなくバラツいていることであり、結果的にデバイス特性が不均質となるものである。このようなＳＲ値変化にダレ現象が生じる原因の１つとしては、一般に不純物濃度の低い高抵抗値の第２層が、高濃度不純物である低抵抗値の第１層上に形成されるため、第１層形成時にサセプタ上に堆積する高濃度不純物が、第２層形成時に影響することによると考えられている。また、ウエハ中央部より周辺部においてダレ現象が大きいことは、第１層形成時にサセプタ上に堆積する高濃度の不純物が、第２層形成時にウエハの周辺部により大きく影響するためと考えられている。
【０００４】
上記の第１層形成時の不純物による影響を防止するため、例えば、第１層を形成した後、サセプタを取替えて、または、別の気相成長装置に移して第２層を形成することが行われている。即ち、同一サセプタまたは装置を用いて第１層成膜後に引続き連続して第２層を成膜しないようにして、サセプタに蒸着等した不純物の影響を回避する方法である。また、第１層形成時に堆積した不純物をエッチング除去し、その後、第２層を成膜することもなされている。しかし、上記のサセプタの交換や洗浄、他装置への移動等は、気相成長反応を一旦停止するか、または、切替えて行うものであり、製造工程上操作が繁雑となると同時に生産性も低下し好ましくない。一方、出願人のうちの一人は、先に、上記のようなＩＧＢＴウエハのエピタキシャル相成長の問題から、特開平８−２０３８３１号公報にて基体上に先ず低抵抗の第１層を成長させた後、不純物を含まないアンドープ層を成長させ、その上に高抵抗の第２層を連続的に気相成長させることにより、第１層と第２層との抵抗値の差が急峻する化学気相成長方法を提案した。
【０００５】
上記提案の方法は、操作上の不都合等のプロセス的な面から検討したもので、気相成長を連続して行うことができ製造工程上好ましいものである。一方、本発明は、上記２層の境界面でのＳＲ値変化のダレやその不均質等の不都合を生じさせないための装置的観点からの改良を目的とする。即ち、ＩＧＢＴウエハ等２層構造エピタキシャルウエハを化学気相成長にて形成するための装置の部材を改良することにより上記不都合を解消しようとするものである。本発明者らは、この目的のため、前記した従来からその影響が問題にされていたサセプタ上の堆積不純物について検討した。その結果、エピタキシャル成長に用いられるサセプタにおいて、ウエハを載置保持する凹部を除き、その表面部の結晶粒径及び表面粗さを特定することにより、上記ＳＲ値のダレ及びウエハ面内での不均質性を解消できることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、カーボン基材表面をＳｉＣ膜で被膜してなる気相成長用サセプタであって、半導体ウエハを載置する凹部を有し、該サセプタ表面の表面粗さ（Ｒａ）が該凹部を除き１５〜３０μｍであり、かつ、該表面におけるＳｉＣ膜の結晶粒の５０％以上が粒径５０〜１５０μｍであることを特徴とする気相成長用サセプタが提供される。
【０００７】
また、本発明は、上記気相成長用サセプタを、カーボン基材上に、シリコンと炭素を０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下、１２００〜１８００℃の範囲で、５〜１００時間熱処理することにより反応させＳｉＣ被膜を形成して、研磨加工や膜厚調整を行うことにより該ＳｉＣ被膜の粒径と表面粗さを調整して得ることを特徴とする気相成長用サセプタの製造方法を提供する。
【０００８】
本発明は上記のように構成され、カーボン基材表面がＳｉＣ（炭化珪素）膜で被覆された気相成長用サセプタにおいて、凹部であるウエハ載置部以外の表面部のＳｉＣ膜のＳｉＣ結晶が所定の粒径を有し、且つ、表面粗さ（Ｒａ）を所定とすることから、不純物高濃度の第１層気相成長時にサセプタ上に取り込まれる不純物量が少なくなる。このため、第１層に引き続き連続して第２層を形成してもサセプタ上の不純物による影響が低減され、第２層が当初より所定の不純物低濃度で形成され、第１層と第２層との境界面近傍におけるＳＲ値の勾配が急傾斜となりダレ現象が抑制される。特に、本発明の気相成長用サセプタは、カーボン基材上に、所定の温度、減圧下で、所定時間シリコンと炭素を反応させてＳｉＣ被膜を形成し、研磨加工、膜厚調整して、上記所定の表面粗さと結晶粒径を付与できる。なお、本発明の気相成長用サセプタにおけるウエハ載置部は、従来のサセプタと同様に必要に応じて研磨加工されるものである。なお、本発明において、表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳＢ０６０１−１９７６で規定される中心線平均粗さを意味するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の気相成長用サセプタは、化学気相反応により所定の薄膜を被処理材上に形成する化学気相成長方法に用いるものである。化学気相成長方法は、既に従来から公知であり、一般に、反応炉内に配設されたサセプタを高周波加熱やランプ加熱により加熱昇温して、その上に載置される半導体ウエハ等の被膜基材を加熱すると同時に、反応炉内に反応ガスを導入して被処理基材上に所定皮膜を成膜する方法である。また、この化学気相成長方法に用いられる気相成長装置も従来から公知であり、反応炉の構造により縦型やバレル型がある。更に、単一工程で処理されるウエハ枚数により、複数のバッチ方式と１枚ずつの枚葉方式に区分されている。各方式により用いるサセプタ形式は多少異なるが、本発明の気相成長用サセプタは、上記従来公知の化学気相成長方法を行ういずれの方式においても適用することができ、半導体ウエハ等被膜基材を載置するザグリ部が形成されている。
【００１０】
本発明の気相成長用サセプタは、上記したように従来公知の気相成長方法に用いられるものであり、その基材はカーボン材からなり、表面が炭化珪素（ＳｉＣ）皮膜により被覆されたものである。ＳｉＣ被覆カーボン部材は、特に制限されず、従来から半導体製造装置に用いられているものを用いることができる。また、カーボン基材も、特に、制限されるものでなく、従来公知の黒鉛等を用いることができる。
【００１１】
本発明のカーボン材上に形成されるＳｉＣ膜の厚さは、特に限定されるものでなく、従来のサセプタと同様に約４０〜１５０μｍとすればよい。本発明のＳｉＣ膜において、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶粒の５０％以上が結晶粒径５０〜１５０μｍとなるように形成する。結晶粒径５０μｍ未満のＳｉＣ結晶が、サセプタ表面を構成するＳｉＣ膜を形成する結晶粒において５０％以上を占める場合は粒界が多くなり、サセプタ表面に取り込まれる不純物量が多くなる。不純物は粒界にトラップされ易いためである。従って、第１層成膜後、そのまま第２層を成膜したときは、粒界にトラップされた不純物が第２層成膜の際に影響することから、深さ方向のＳＲ値のプロファイルにダレが生じ好ましくない。一方、結晶粒径が１５０μｍを超えるＳｉＣ結晶粒が５０％以上になるとＳｉＣ膜にクラックが発生し、カーボン基材からＣＯガスやＣ_n Ｈ_m ガス（炭化水素ガス）等の不純物ガスが発生し、載置する半導体ウエハを汚染するため好ましくない。
【００１２】
本発明のサセプタ表面のＳｉＣ膜の表面粗さ（Ｒａ）は、ウエハを載置するための凹部を除き、１５〜３０μｍとする。このＲａが１５μｍ未満であると、サセプタ表面に取り込まれる不純物量が増大し、その結果、そのようなサセプタを用いて２層構造エピタキシャルウエハを形成した場合に、深さ方向のＳＲ値のプロファイルで層間の界面近傍のＳＲ値変化にダレが生じるため好ましくない。一方、表面粗さＲａが３０μｍを超えた場合は不純物の取り込みは多くないが、結晶粒径１５０μｍを超えるＳｉＣ粒が５０％以上を占める場合と同様に、ＳｉＣ膜にクラックが発生するため好ましくない。
【００１３】
本発明のサセプタは、上記のようにサセプタ表面を構成するＳｉＣ結晶の粒径を所定範囲とし、更に、その表面粗さＲａを所定に調整したものである。このサセプタを用いて、エピタキシャル成長で２層構造のＩＧＢＴウエハ等を形成した場合、第１層目に導入する高濃度不純物がサセプタ表面に取り込まれる量が少なくなり、第２層成膜の際にサセプタ上に堆積した高濃度不純物の影響が低減される。従って、得られる２層構造エピタキシャルウエハの第１層と第２層との界面近傍での抵抗変化が急峻する。即ち、エピタキシャル層の深さ方向にＳＲ値のプロファイルをとると２層の界面近傍でＳＲ値が急峻に変化する。また、ＩＧＢＴウエハ周辺部と中央部とのＳＲ値に差が生じることもない。従って、結果的に均質な優れた特性を有するデバイスを与える２層構造エピタキシャルウエハが得られる。
【００１４】
上記したような本発明のサセプタは、例えば、前記のように黒鉛等の従来公知のカーボン基材を反応室内に設置し、例えば炭素粉末とシリカ粉末との混合粉末等の炭素源及びシリコン源を導入し、約１Ｔｏｒｒ以下、好ましくは０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧に保持し、１２００℃以上、好ましくは１２００〜１８００℃に、５〜１００時間加熱して、炭素とシリコンを反応させてカーボン基材表面に化学的に炭化珪素を形成し、約４０〜１５０μｍの厚さのＳｉＣ膜でカーボン基材表面を被覆することができる。また、ＳｉＣ膜成長時間と反応温度を調整することにより、得られるＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶粒の５０％以上が、粒径５０〜１５０μｍとすることができる。更に、その表面粗さ（Ｒａ＝中心線平均粗さ）は、ＳｉＣ治具やダイヤモンド粉による研磨加工や膜厚を調整することによりＲａ＝１５〜３０μｍに調整できる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものでない。
実施例１〜４及び比較例１〜４
（気相成長用サセプタの調製）
反応温度を１２００〜１８００℃の範囲で変化させ、０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下で５〜１００時間処理して炭素とシリコンを反応させ、カーボン基材上に化学的にＳｉＣ膜を形成させた。ＳｉＣ治具による研磨加工や膜厚を調整することにより表面粗さを調整し、表１に示した表面粗さ（Ｒａ）及びＳｉＣ結晶粒径のＳｉＣ膜により被覆された表面を有する各サセプタを得た。得られた各サセプタの凹部を、それぞれ従来法により研磨処理して表面粗さ（Ｒａ）約１〜１５μｍとした。なお、サセプタ表面のＳｉＣ膜の結晶粒径については、凹部以外のＳｉＣ膜表面の電子顕微鏡写真を撮り、単位面積当たりに各粒径の結晶粒が占める面積比率から算出して求めた。また、表面粗さは、接触式表面粗さ計により測定した。
【００１６】
（気相成長）
次いで、図１に示した気相成長装置とほぼ同様な装置で上記のようにして調製した各気相成長用サセプタを用いて、単結晶シリコンウエハ上にエピタキシャル成長してシリコンの成膜を行った。図１は、本実施例に用いた縦型化学気相成長装置の斜視説明図である。図１において、化学気相成長装置１は、縦型反応管２内に、上面に複数枚の単結晶シリコンウエハ３を保持可能に凹部を有するサセプタ４が配設されている。また、サセプタ４の中心には上部にガス吹出口５を有する原料ガス導入ノズル６が立設され、反応管２の下部には排気管７が設けられ、さらにサセプタ４の下側には高周波コイル８が配設されて、サセプタ４を介して凹部に載置されたウエハ３を所望の温度に加熱することができるようになっている。
【００１７】
上記のように構成された縦型化学気相成長装置１に調製した各サセプタ４を配置し、表面を清浄化した単結晶シリコンウエハ３を、サセプタ４の凹部に装着した。その後、高周波コイル８により基板を１０８０〜１１２０℃に加熱し、原料ガス導入ノズル６の吹出口５から反応管２内に、シランガスとしてＳｉＨＣｌ₃ 、キャリアガスとして水素ガス、ドーパントガスとしてホスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、ＳｉＨＣｌ₃ を７．５ｇ／分で、ＰＨ₃ ガスを３００ｃｃ／分の高濃度で原料ガスを導入して低抵抗の第１層の成膜を行った。その後、そのまま室温まで降温して、凹部以外のサセプタのＳｉＣ膜表面に取り込まれた単位体積当たりの不純物（Ｐ）量を測定した。測定は２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により、任意の面積で、深さ２．５μｍの範囲で行った。その結果を表１に示した。
【００１８】
上記実施例及び比較例より明らかなように、凹部以外のＳｉＣ膜表面の表面粗さがＲａで１５〜３０μｍであり、且つ、粒径５０〜１５０μｍの結晶がＳｉＣ膜表面を占める割合が５０％以上である時、サセプタに取り込まれる不純物（Ｐ）濃度が減少することが分かる。特に、Ｒａ２５〜３０、粒径１１０〜１５０では、不純物濃度が極めて低い。一方、粒径が５０μｍ未満の小さい結晶が占める割合が５０％以上である比較例１では、サセプタ表面に取り込まれる不純物量が多くなることが分かる。これは不純物が粒界にトラップされ易く、結晶粒径が小さく粒界が多いためである。また、ＳｉＣ膜表面の結晶粒径５０μｍが５０％以上であっても表面粗さが１５μｍ未満の比較例２では、サセプタ表面の不純物が多くなることが分かる。更に、表面粗さが３０μｍを超えたり、粒径１５０μｍを超える結晶の占める割合が５０％以上の比較例では、サセプタ表面の不純物（Ｐ）量は少ないが、サセプタのＳｉＣ膜にクラックが発生し、カーボン基材からＣＯガスやＣ_n Ｈ_m ガスの不純物ガスが発生しウエハを汚染した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
実施例５
上記実施例１のサセプタを用い、実施例１と同様にして、先ず、ＳｉＨＣｌ₃ を７．５ｇ／分、ＰＨ₃ ガスを３００ｃｃ／分の高濃度で導入して低抵抗の第１層の成膜を行った後、引き続いて高濃度のＰＨ₃ ガスを水素ガスで置換した後、ＳｉＨＣｌ₃ を３０ｇ／分、ＰＨ₃ ガスを３０ｃｃ／分の低濃度で導入して高抵抗の第２層を成膜した。得られた２層構造エピタキシャルウエハの中心部と周辺部についてＳＲ値を測定した。その結果の中心部のＳＲ値と深さ方向との関係を図２に示した。図２から明らかなように、得られたエピタキシャルウエハの深さ方向でのＳＲ値は、第１層と第２層との境界面近傍で緩やかな低下がなく急激に低下することが分かる。また、ウエハ面内での周辺部と中心部においてのＳＲ値の変化はなく、ほぼ均質に２層構造にエピタキシャル成長されていることが明らかであった。
【００２１】
比較例５
比較例２のＳｉＣ被覆カーボン材サセプタを用いて、実施例５と同様に単結晶シリコンウエハ上に２層のエピタキシャル膜を成長させた。得られた２層構造エピタキシャルウエハの中心部と周辺部についてＳＲ値を測定した。その結果の中心部のＳＲ値と深さ方向との関係を図２に示した。図２から明らかなように、得られたエピタキシャルウエハの深さ方向でのＳＲ値は、第１層と第２層との境界面近傍で緩やかに低下し第１層と第２層の層間にはっきりした区別がなく、第１層から第２層にかけてＳＲ値が低下してしまう部分（ダレ）が生じていることが分かる。また、深さ方向のＳＲ値は、ウエハの中心部よりも周辺部においてダレがより強く生じていた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の気相成長用サセプタは、カーボン基材上に所定条件下に化学的にＳｉＣ被膜を形成し、所定にその表面のＳｉＣ膜の表面粗さとＳｉＣ結晶粒径を所定範囲に調整されて得ることができる。この本発明のサセプタを用いて、単結晶シリコンウエハ上に高濃度不純物を含む低抵抗の第１層を気相成長させた場合、サセプタ表面に取り込まれる高濃度不純物量が低減できることから、同一サセプタ上で引き続き連続して高抵抗の第２層を形成してもサセプタからの不純物のオートドープを抑制することができる。そのため、得られる２層構造エピタキシャルウエハ、例えばＩＧＢＴウエハで、エピタキシャル成長した第１層と第２層の間に大きな抵抗差が形成でき、ウエハの深さ方向のＳＲ値のプロファイルにおいてダレが生じることなく、変化が急峻となる。また、ウエハの中心部と周辺部での特性の差異も減少し、これらのウエハを用いてデバイスを形成することにより均質に優れた特性を付与でき好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた縦型化学気相成長装置の斜視説明図
【図２】本発明の実施例及び比較例で得られた２層構造エピタキシャルウエハの深さ方向に対するＳＲ値を示すプロファイル
【符号の説明】
１縦型気相成長装置
２縦型反応管
３単結晶シリコンウエハ
４サセプタ
５ガス吹出口
６原料ガス導入ノズル
７排気管
８高周波コイル

Claims

半導体ウエハ上に複数層の電気的特性の異なる単結晶薄膜層を形成するために用いられる気相成長用サセプタであって、
カーボン基材表面をＳｉＣ膜で被膜してなり、半導体ウエハを載置する凹部を有し、該サセプタ表面の表面粗さ（Ｒａ）が該凹部を除き１５〜３０μｍであり、かつ、該表面におけるＳｉＣ膜の結晶粒の５０％以上が粒径５０〜１５０μｍであることを特徴とする気相成長用サセプタ。
カーボン基材上に、シリコンと炭素を０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下、１２００〜１８００℃の範囲で、５〜１００時間熱処理することにより反応させＳｉＣ被膜を形成して、研磨加工や膜厚調整を行うことにより該ＳｉＣ被膜の粒径と表面粗さを調整して、前記請求項１に記載された気相成長用サセプタを得ることを特徴とする気相成長用サセプタの製造方法。