JP4002604B2 - Ｃｖｄによるエピタキシャル成長中にサセプターを保護する方法と装置 - Google Patents

Description

発明の技術分野と従来技術
本発明は、ＳｉＣ、第III族元素の窒化物又はそれらの合金が化学蒸着でサセプター（susceptor）の表面に配置された基板上でエピタキシャル成長せしめられるときにそのサセプターを保護する方法にして、その基板とその基板に供給されるエピタキシャル成長用のガス混合物がそのサセプターを加熱することにより加熱されるその方法、並びにそのような結晶を化学蒸着で基板上でエピタキシャル成長させるための、添付請求の範囲の装置に関する独立クレームの前文の装置に関する。
従って、本発明はＳｉＣ、第III族元素の窒化物及びそれらのあらゆるタイプの合金に適用可能であるが、高品質のそのような結晶を成長させる一般的な問題をＳｉＣについてここに非限定例によって更に説明することにする。
ＳｉＣの単結晶は、例えば色々なタイプのダイオード、トランジスタ及びサイリスタのような、特にＳｉと比較してＳｉＣの卓越した性質、即ち極端な条件下でも十分に機能すると言うＳｉＣの能力から利益を得ることが可能な用途に予定される色々なタイプの半導体デバイスで使用するために、特に成長させる。ＳｉＣの価電子帯（valence band）と伝導帯（conduction band）との間の禁止帯の幅が大きいことにより、このＳｉＣ材料から造られたデバイスは高温、即ち１０００Ｋまでの温度で作動可能となる。
しかし、ＳｉＣを良好に配向させて成長させるには高温が必要である。化学蒸着による炭化珪素のエピタキシャル成長は、従って、１４００℃を越える温度を使用する方式で行われる。これらの高温は、当該ガス混合物のＳｉ−及びＣ−含有前駆体ガスをクラッキングすることにより分解を達成し、かつそれら原子を基板表面に配向様式で確実に蒸着させると言う２つのために、必要とされる。高温は、また、色々なタイプの材料から来る不純物に関する問題も意味し、従って成長せしめられるＳｉＣ結晶の層に望まれない不純物が入り込むのを防ぐためには、高温に耐える適切な材料を選ぶことが決定的に重要なことである。グラファイトが、純度が比較的高いこと、色々な大きさと形状が得られること、及び抵抗があって加熱が容易になることから、現在最も適したサセプター材料である。しかし、未保護グラファイトは化学蒸着によるＳｉＣのエピタキシーには適していないことが示されている。当該ガス混合物中に含まれるキャリヤーガスとしての水素ガスとグラファイトのサセプター表面との間の反応により炭化水素が生成し、このことが当該ガス混合物の前駆体ガス類の炭素と珪素の投入比（input ratio）（Ｃ／Ｓｉ比）を変化させるのである。加えて、グラファイト中に存在する不純物（主としてホウ素とアルミニウム）がエピタキシャル層に混入される。金属をサセプター材料として使用するときも依然同じ問題が存在する。但し、この場合は、必要とされる高温に因り他のタイプの不純物が放出されると言うことが唯一の相違である。
グラファイト製サセプターの場合、この問題は高純度のＳｉＣ膜の成長用サセプターとしてＳｉＣ被覆グラファイトを用いることにより解決された。ＳｉＣは高温に耐えるその能力と、それがガス混合物と昇華後に混合されるならば何らの不純物も構成しないだろうと言うことに因り選ばれる。このＳｉＣのコーティングは不純物とＣ／Ｓｉ比の変化に対して実質的な保護になる。エピタキシーの際に用いられる高温に因り、基板の下にあるＳｉＣコーティングはエッチング又は昇華され、幾らか冷たい基板の背面に蒸着せしめられる。この昇華は、サセプターと基板との間に温度勾配があるため、また前駆体ガスが基板の下にあるＳｉＣコーティングには到達せず、そのＳｉＣコーティングと相互作用してそのコーティング上での蒸着とそのコーティングからの昇華との間に、それらの他の領域におけるような適当な平衡を得る可能性がないことから起こるものである。基板の下にあるＳｉＣコーティングのエッチングと昇華のこの効果は、所謂ホット−ウォール反応器（hot-wall reactor）を使用して基板をサセプターのチャンネルの中に配置し、そのチャンネルを取り囲んでいるサセプターの壁を加熱し、しかして基板とサセプターとの間の温度勾配を常用のコールド−ウォール（cold-wall）又はウォーム−ウォール（warm-wall）の反応器の場合より小さくすることにより相殺することができる。これは、しかし、上記効果を遅くするだけであるが、上記問題は依然として存在し、サセプターの寿命を制限する。しかして、ある一定の時間後にはサセプターを変えることが必要であるが、それは、不純物が別にサセプターからも来て、エピタキシャル層に混入し、またＳｉ／Ｃ比が反応器で変わるからである。金属サセプターを使用し、グラファイトの場合と同じ理由からＳｉＣ膜で被覆するときにも、対応する問題が存在する。この問題も第III族元素の窒化物、第III族元素の窒化物の合金又はＳｉＣと１種又は２種以上の第III族元素の窒化物との合金の高品質単結晶がＣＶＤ法でエピタキシャル成長せしめられるべきときにも存在する。ある場合には、温度がより低く、従って高温に因る不純物の問題はＳｉＣの場合ほど目立たないが、サセプター又はその保護コーティングのエッチング、及び基板の下にあるそのようなコーティングに起こり得る昇華に関する問題は残っている。
発明の概要
本発明の目的は、サセプターの寿命を延ばし、そして結晶層をサセプターからの不純物の悪影響なしに基板上で成長させ得るように、そのサセプターをより良好に保護するのを可能にする、導入部で定義した方法、並びにその結晶をこの方法を実施するための化学蒸着によりエピタキシャル成長させるための装置を提供することである。
本発明によれば、この目的は、ＳｉＣ、ＳｉＣと成長される材料との合金又は成長されるその材料からできているプレートをサセプター上に置き、そしてそのプレート上に基板を配置することにより達成される。
ＳｉＣを成長させ、そしてＳｉＣ−プレートを使用する場合、サセプターを前記のようにＳｉＣで一部又は全部被覆するときは、ＳｉＣ−プレートの下にあるサセプター表面のＳｉＣコーティングは昇華し、そのプレートの背面に蒸着されることはあるけれども、プレート背面のそのような蒸着はプレートが用いられないときの基板背面に対する蒸着よりはるかに目立たないことが見いだされた。同時に、ＳｉＣ−プレートから基板背面への昇華もほとんど全く起こらず、そのため基板の背面はエピタキシャル成長の前後で同じように見えることが認められた。かくして、ＳｉＣ−プレートを配置した結果として、サセプターの寿命が伸び、基板上でのＳｉＣ−層のエピタキシャル成長の信頼性が改善される。サセプターのＳｉＣコーティングがない場合、そのＳｉＣ−プレートは、また、いかなる不純物もサセプターから基板に通されず、これら不純物はそのＳｉＣ−プレートに広がって行かなければならないことにより、そのプレートの機能を相当に改善する。本発明は、ＳｉＣを成長させるときにＳｉＣのプレートを使用すると、特に良好な結果をもたらすものであるが、第III族元素の窒化物、第III族元素の窒化物の合金、又はそのような窒化物若しくは窒化物類とＳｉＣとの合金の成長にも、ＳｉＣ、ＳｉＣと成長される材料との合金又はその成長される材料の各プレートの１つを用いると、ＳｉＣ−プレートの場合に対応する結果を得ることができる。
本発明の１つの好ましい態様によれば、上記のプレートは、そのプレートの平面内で、前記ガス混合物の供給の少なくとも上流の方向に、そのプレート上に置かれた基板より実質的に遠くに延在するように選ばれる。このことは、ＳｉＣコーティング又はサセプターの他の表面材料に起こる可能性のあるエッチングが上記の方向で基板に対して相当離れた距離の所で起こり、従ってサセプターから不純物の漏出があるとしても、この漏出は基板から相当離れた距離の所で生じ、エピタキシャル成長に対する影響は以前よりはるかに小さいことを意味している。
もう１つの好ましい態様によれば、前記のプレートは、そのプレートの平面内のあらゆる方向に、そのプレート上に置かれた基板より実質的に遠くに延在するように選ばれ、そのため基板は、それがサセプターより有意に小さいために、サセプターから逸散して来る不純物に対して非常に効率的にかつ高い信頼性で保護される。
本発明の更にもう１つの好ましい態様によれば、高結晶質（high crystallinequality）のプレートがサセプターに適用される。ここで、そのサセプターは、その上にＳｉＣコーティングがある場合、サセプター表面のＳｉＣコーティングからそのプレートの背面への蒸着とそのプレートから基板の背面への蒸着を更に減少させる。
本発明のもう１つの態様によれば、前記のプレートは成長される材料からできているか、又はその材料を実質的な成分として含んでいる。ここで、その材料は触媒効果を生むことが見いだされており、そのためそのプレートは前駆体ガスの分解を高める。この分解の向上は、そのプレートによる前駆体ガスの減少がプレートなしの場合に対して大きくなることにより分かる。この触媒効果はプレートが上記のようになっていない場合より低い温度で前駆体ガスを適性に分解するのを可能にし、従って反応器中の温度を下げることが可能となり、それによって、不純物が壁等の中のそれらの場所から離れ易くならず基板の上のガス混合物中に入り込むと言うことにはならなくなる。ＳｉＣが成長され、そしてそのような高結晶質のプレートが得られるときにＳｉＣプレートを使用する場合、そのＳｉＣ−プレートが触媒効果を有することの結果であり、かつ、その成長される材料からできているか又はその材料を実質的成分として含んでいるプレートが高結晶質であることの結果である成長層中への窒素混入の減少は、その触媒効果を増加させる。
本発明の更に他の好ましい態様によれば、前記プレートはチャンネルを備えるサセプターのそのチャンネルの底に配置される。ここで、前記のガス混合物はそのチャンネルを通って供給されるように意図され、そのチャンネルを取り囲むサセプターの壁が加熱されるように配置されている。このプレートの使用とこの構成を持つサセプターを組み合わせることにより、ＳｉＣ又は他の保護膜により被覆されたサセプターの寿命を更に延ばすことができる。
本発明の更なる利点と好ましい特徴は、次の説明と請求の範囲の他の従属項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
下記において、１つの実施例として挙げられる本発明の１つの好ましい態様を添付図面を参照して具体的に説明する。
添付図面において：
図１は本発明による装置の縦断面図であり、そして
図２は図１による装置の右側から見た端面図である。
本発明の好ましい態様の詳細な説明
図１は、ＳｉＣ−基板上でＳｉＣを単純化された方法で化学蒸着によりエピタキシャル成長させるための、本発明の１つの好ましい態様による装置を示すものである。本図から明らかなように、当該装置は、また、ポンプ類、ガス類を供給する導管類、真空ケーシング、加熱手段等々のような他の手段を含んで成るが、これらの本発明とは何の関係もない常用の付帯設備は、本発明の特性を明確かつ重点的に説明するために省かれている。本発明の装置はサセプター１を含み、このサセプターは、この態様では、グラファイトより成り、そしてＳｉＣの薄いコーティング２で被覆されている。サセプターはチャンネル３を備え、そのチャンネルはそれを包囲する壁４を有する。チャンネル３の底面にはあたかも艶出し仕上げされているかのように見える高結晶質のＳｉＣプレート５が適用され、そのプレート上に、上面でＳｉＣ層をエピタキシャル成長させるためのＳｉＣ基板が載置されている。
ＳｉＣプレートの寸法はその二次元平面が基板６の寸法より実質的に大きいそのような寸法であり、従ってその基板はプレート５の外側限界内に十分収まっている。このケースでは、ＳｉＣプレートは長さ１００ｍｍ、幅３１ｍｍ及び厚さ１ｍｍであり、これに対して基板は長さと幅が約１５ｍｍであり、厚さが０．３ｍｍである。ここで重要なことは、ＳｉＣプレートが、成長用に使用されるガス混合物の流れの上流方向に基板より実質的に遠くに延在していることである。これは、使用される層流がサセプターからの不純物を下流に運ぶことを可能にするだけであるからである。サセプターは、また、エピタキシャル成長が起こる真空ケーシングへの導入中とそのケーシングからの除去中にサセプターの取り扱いを容易にするための穴７も有する。図２には、チャンネル３に導入される成長操作用のガス混合物と基板６の両者を加熱することができるように、サセプターを誘導加熱するための手段８が示される。
本発明による装置は、主に高出力の半導体デバイスで使用するために、厚さ２０〜５０μｍの膜を成長させるのに使用されるが、この装置の機能は次のとおりである：ガス混合物は、矢印９で示されるように、サセプターのチャンネル３を通して供給される。このガス混合物はＨ₂−キャリアーガスと、好ましくはプロパンとシランの形をしたＣ−及びＳｉ−含有前駆体ガスを含んでいる。加熱手段８は、基板が１５００〜１７００℃、好ましくは約１５５０℃の温度を得、またチャンネルに導入されるガス混合物をサセプターからの放熱により加熱し、それらにより珪素原子と炭素原子を生成させるための前駆体ガスをクラッキングし、それら原子をＳｉＣ基板６の表面へと蒸着させるように、サセプター１を加熱する。ガス混合物がチャンネル表面に達するそのチャンネル３の内壁表面付近では、Ｓｉ原子とＣ原子の蒸着と昇華に関して平衡が存在する。従来法の装置のように、チャンネルにＳｉＣプレートが存在しなければ、サセプターと基板との間の温度勾配は基板の下にあるサセプターのＳｉＣコーティングを昇華させ、その昇華物をサセプターより若干冷たい基板の背面に蒸着させているはずである。このことは、少し後に、サセプターのグラファイトから炭化水素や、更にはそのグラファイト中に存在するホウ素及びアルミニウムのような不純物を基板付近のチャンネルに漏出させ、この漏出が基板表面付近のＣ／Ｓｉ比を変化させ、それによって基板上への良好な成長とそれら不純物のエピタキシャル層中への混入が影響を受けているであろう。
しかし、高結晶性のＳｉＣプレート５の適用によって、そのＳｉＣプレートの下にあるサセプターのＳｉＣコーティングからの昇華によるＳｉＣのＳｉＣプレートの背面に対するＳｉＣの蒸着をほとんど排除することが可能になった。加えて、基板の下にあるＳｉＣプレートからのＳｉＣの昇華によるその基板の背面に対する蒸着も、従来法の装置での基板背面に対するＳｉＣの蒸着に対して相当に減少せしめられる。これは、サセプターのＳｉＣコーティングの臨界表面が従来法の装置に対して寿命が伸びており、そのためサセプターから出る炭化水素又は他の不純物がガス混合物中に導入される危険が少なくなっていることを意味する。サセプターの水素エッチングもＳｉＣプレートの縁回りに、従って臨界場所でない所で認められただけである。更に、後に全ての不純物が導入されるとしても、これはＳｉＣプレート５のそばで、従って基板６から遠く離れた所で起こり、そのため不純物がエピタキシャル層に混入される可能性は以前よりはるかに少なくなっているだろう。更に、ＳｉＣプレート５はガス混合物中に含まれる前駆体ガスの分解を増す触媒効果を有することも見いだされた。もっとも、このことはＳｉＣプレートがない場合に対して前駆体ガスの減少を大きくすることに通ずるが、これは、所望ならば、サセプターの外形を異なるものとすることにより克服することができる。しかし、この触媒効果はある所定の温度での前駆体ガスの分解がより良好であることを意味し、従って目的とした分解を達成するのにより低い温度を使用することが可能となるだろうし、その低い温度は、また、不純物が反応器の壁を離れ、サセプターのチャンネル３中のガス混合物に入り込むのを更に困難にする。
成長した層の形態はＳｉＣプレート５の使用によってはるかに改善されるが、これは露出したグラファイトからの保護と、主として炭素前駆体の分解を改善する前記触媒効果に因ると考えられる。また、ＳｉＣプレート５を使用する場合、成長した層への窒素の混入が従来法の典型的な窒素濃度である１０¹⁵ｃｍ^-3から、このＳｉＣプレートを使用したときのより少ない１０¹⁴ｃｍ^-3まで低下せしめられることも判明した。これは、恐らくは、ＳｉＣプレートの触媒効果の結果である。
従って、ＳｉＣプレート５とＳｉＣ被覆グラファイト製サセプターとの、発明をなす一体使用は、グラファイト製サセプターから来る所望されない不純物と窒素供与体に関してエピタキシャル層の汚染（impurity）を改善する。これらの利点は、また、グラファイト若しくは金属の非被覆サセプター又は金属のＳｉＣ被覆サセプターが使用される場合にもあるだろう。更に、サセプターの寿命が延ばされ、かつ成長した層の形態が著しく改善される。
本発明は、勿論、いかなる意味でも、以上述べた装置と方法の好ましい態様に制限されるものではなく、本発明の基本的な着想から逸脱しない範囲でこれら態様を修正する幾つかの可能性は当業者には明白であろう。
既に述べたように、本発明は第III族元素の窒化物、第III族元素の窒化物の合金、又はＳｉＣと１種又は２種以上の第III族元素の窒化物との合金の成長にも適用可能であり、そして成長されるエピタキシャル層の質に対して、発明をなすそのプレートのＳｉＣ−プレートの場合に対応するプラスの影響をもたらす。
サセプターは前記のものとは異なる形状及び寸法を有することができ、そしてこの発明は冷たい壁のサセプターにも、この場合温度勾配とこの温度勾配によるサセプターのＳｉＣコーティングからのＳｉＣの昇華（これが存在する場合）が増加するけれども、適用可能である。
プレートは、前記の好ましい態様に示されるものとは異なる他の寸法を、また基板に関しては他の割合を有していることもできるものであり、従って請求の範囲で定義される“プレート”はその最も広い意味において解されるべきであり、そしてこれには基板を置くことができる表面を有するあらゆるタイプの構造が包含される。例えば、プレートを、サセプターに導入され、そのサセプター表面の大きな部分を保護する中空のビーム品（beam-piece）として作ることが可能であるだろう。但し、チャンネルの“天井”と基板との間の距離が１０ｍｍを越えると、この天井からの不純物が問題にならないとは言えないだろう。
“高結晶質”のプレートとは、プレートが高純度を有するが、純粋な単結晶であってはならず、単結晶性領域（monocrystalline regions）を有していることができることを意味する。
ＳｉＣプレートの場合、“ＳｉＣプレート”は、プレートがＳｉＣ分子より構成されていなければならないことを意味せず、それはＣ−及びＳｉ−粉末を焼結することによっても製造可能であって、１：１以外の他のＣ／Ｓｉ比も有することができ、例えば４０：６０も考えられるだろう。プレート材料に関して請求の範囲で定義される“ＳｉＣ”は、プレートが実質的にＳｉＣのみより成るが、少量の他の化合物、例えば第III族元素の窒化物がＳｉＣと混合されていてもよいことを意味する。
基板は、ＳｉＣ以外の、第III族元素の窒化物のような他の材料のものであってもよい。
更に、プレート材料の重要な性格は、前記エピタキシー成長に使用される温度で拡散率が小さく、かつ純度が高いことである。これはＳｉＣのプレートで特によく得ることが可能であるが、本発明はＳｉＣと成長される材料との、１種若しくは数種の第III族元素の窒化物を更に含んでいてもよい合金、又は成長される材料の合金のプレートも包含する。

Claims (17)

1. ＳｉＣ、第III族元素の窒化物又はそれらの合金が化学蒸着によりサセプター（１）の表面に配置された基板（６）の上でエピタキシャル成長せしめられるときに該サセプター（１）を保護する方法にして、該基板とその基板に供給される該エピタキシャル成長用のガス混合物とが該サセプターを加熱することにより加熱される方法において、ＳｉＣ、ＳｉＣと成長される材料との合金又はその成長される材料からできているプレート（５）が該サセプターに置かれ、そして該基板はそのプレートの上に配置されていることを特徴とする、上記の方法。
2. ＳｉＣがエピタキシャル成長され、そして前記プレートがＳｉＣプレート（５）であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 前記プレート（５）がそのプレートの平面内で、前記ガス混合物の供給の少なくとも上流の方向に、該プレート上に設けられた基板（６）より延在するように選ばれることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
4. 前記プレート（５）がそのプレートの平面内のあらゆる方向に、該プレート上に置かれた基板（６）より延在するように選ばれることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の方法。
5. 前記サセプター（１）に高結晶質のプレート（５）が適用されていることを特徴とする、請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法。
6. 前記サセプター（１）を被覆しているＳｉＣ層（２）よりも実質的に厚いプレート（５）が該サセプターに適用されている、請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の方法。
7. 前記ガス混合物が通って供給されるように意図されたチャンネルを備えたサセプター（１）にして、該チャンネルを取り囲む該サセプターの壁（４）が加熱されるように配置されているそのサセプターのチャンネル（３）の底に、前記プレート（５）が配置されていることを特徴とする、請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方法。
8. 保護用ＳｉＣ層（２）により覆われているグラファイトのサセプター（１）上で実施されることを特徴とする、請求の範囲第１〜７項のいずれかに記載の方法。
9. 前記プレート（５）が前記の成長される材料からできているか、又は該材料を実質的な成分として含んでいることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。
10. サセプター（１）にして、その表面に基板（６）を受容できるようになっている該サセプター、及び該サセプターを加熱し、それによって該基板とその基板に供給されるエピタキシャル成長用のガス混合物とを加熱する手段（８）を含んで成る、該基板（６）の上でＳｉＣ、第III族元素の窒化物又はそれらの合金を化学蒸着によりエピタキシャル成長させるための装置において、ＳｉＣ、ＳｉＣと成長される材料との合金又はその成長される材料からできているプレート（５）にして、該サセプターに適用され、かつそのプレートの上面に該基板を受容できるようになっているプレートを更に含んでおり、前記サセプター（１）が、前記ガス混合物が通って供給されるように意図されたチャンネル（３）を備え、ここで前記加熱手段（８）が該チャンネルを取り囲んでいる該サセプターの壁（４）を加熱するようになっており、そして前記プレート（５）が該チャンネルの底に設けられていることを特徴とする、上記の装置。
11. ＳｉＣがエピタキシャル成長され、そして前記プレートがＳｉＣプレート（５）であることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載の装置。
12. 前記プレート（５）がそのプレートの平面内で、前記ガス混合物の供給の少なくとも上流の方向に、該プレートが受容するようになっている基板（６）より延在するように配置されていることを特徴とする、請求の範囲第１０項又は第１１項に記載の装置。
13. 前記プレート（５）がそのプレートの平面内のあらゆる方向に、該プレートが受容するようになっている基板（６）より延在するように配置されていることを特徴とする、請求の範囲第１２項に記載の装置。
14. 前記プレート（５）が高結晶質のものからできている、請求の範囲第１０〜１３項のいずれかに記載の装置。
15. 前記プレート（５）が前記サセプター（１）を被覆しているＳｉＣ層（２）よりも実質的に厚い、請求の範囲第１０〜１４項のいずれかに記載の装置。
16. 前記サセプター（１）が保護用ＳｉＣ層（２）により被覆されたグラファイトからできていることを特徴とする、請求の範囲第１０〜１５項のいずれかに記載の装置。
17. 前記プレート（５）が前記の成長される材料からできているか、又は該材料を実質的な成分として含んでいることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載の装置。

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