JP4195192B2 - 極めて均一な炭化ケイ素エピタキシャル層の成長 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は炭化ケイ素のエピタキシャル成長、とくに適当な基板上に炭化ケイ素の極めて均一なエピタキシャル層を生成させる化学蒸着法に関する。
【０００２】
発明の背景
本発明は炭化ケイ素エピタキシャル層の成長に関する。半導体材料として、炭化ケイ素は高出力、高周波数、および高温の電子デバイスとしてとくに優れている。炭化ケイ素は熱伝導率が極めて大きく、降伏前に高電界及び高電流密度のいずれにも耐えることができる。炭化ケイ素は禁止帯の幅が広いので、生じる漏れ電流は高温においても全く少ない。これらおよび他の理由から、炭化ケイ素は電力用デバイスすなわち比較的高電圧で操作するように設計されているデバイスには全く望ましい半導体材料である。
【０００３】
しかし、炭化ケイ素は作業しにくい材料である。成長プロセスは比較的高温、エピタキシャル成長の場合には少なくとも約１５００℃以上、昇華成長の場合には約２２００℃で行わなければならない。さらに、炭化ケイ素は、ほとんどが僅かな熱力学的差によって区別される１５０種を上回るポリタイプを形成することができる。したがって、エピタキシャル層または内部結晶による炭化ケイ素単結晶の成長は難しいプロセスである。最後に、炭化ケイ素の極端な固さ（通例工業的に研磨剤として用いられる）は、処理して適当な半導体デバイスを作ることの難しさの一因となる。
【０００４】
それにもかかわらず、過去１０年間にわたり、炭化ケイ素の成長技術には大きな進展が見られ、例えば、米国特許第４,９１２,０６３号；第４,９１２,０６４号；（再発行）３４,８６１号；第４,９８１,５５１号；第５,２００,０２２号；及び第５,４５９,１０７号に反映されており、これらはすべて本発明の譲受人に譲渡されているかまたは独占的にライセンスされている。本発明とともに譲渡されているこれら及び他の特許が、炭化ケイ素の成長技術およびさらに炭化ケイ素からの適当な半導体デバイスの製造に世界的な関心を誘発している。
【０００５】
１つの独特な成長技術を「化学蒸着」または「ＣＶＤ」という。この技術では、ソースガス（たとえば炭化ケイ素の場合にはシランＳｉＨ₄及びプロパンＣ₃Ｈ₈）を、ソースガスを反応させてエピタキシャル層を形成させる基板表面をも含む加熱反応チャンバーに導入する。成長反応速度を制御するのを助けるために、ソースガスを典型的にはキャリヤーガスとともに導入し、その結果キャリヤーガスはガス流の最大容積を占める。
【０００６】
炭化ケイ素の化学蒸着（ＣＶＤ）成長法は温度分布、ガス速度、ガス濃度、化学および圧力に関して改良されている。特定のエピ層を生成させるために用いられる条件の選択は所望の成長速度、反応温度、サイクル時間、ガス容積、設備費、ドーピングの均一性、及び層の厚さのような要因間の妥協であることが多い。
【０００７】
とくに、そして他の要因が同じであれば、均一な層の厚さが、エピタキシャル層からさらに製造される半導体デバイスに、より一貫した性能を与える傾向がある。あるいはまた、あまり均一でない層は、デバイスの性能を低下させるか、またはさらに該層をデバイスの製造に不適当にする傾向がある。
【０００８】
しかし、典型的なＣＶＤ法では、「消耗（ depletion ）」と呼ばれる現象が生じ、これは、ソースガス及びキャリヤーガスが反応容器内を通る際のソースガス濃度の損失と説明される。より詳細には、典型的なＣＶＤシステムでは、ソースガス及びキャリヤーガスは基板及びエピタキシャル成長面に平行に流れる。ソースガスが反応してエピタキシャル層を形成するので、その濃度は反応器のガス入口すなわち「上流」端で最大で、下流端で最小である。すなわち、ソースガスの反応器内の移動中ソースガスの濃度が低下するので、エピタキシャル層は上流端で厚く、下流端で薄くなる傾向がある。前記のように、この均一性の欠如は多くの状況において不利な場合があり、あるデバイスまたはデバイス構造物に厚いエピタキシャル層が望ましいかまたは必要な場合には、とくに面倒な問題である。
【０００９】
他の半導体材料（例えばケイ素）の成長技術の場合には、エピタキシャル層が成長しつつある基板（典型的にはウエハ）を回転させるようなかなり直接的な技術によって、この問題に対処することができる。しかし、炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させるのに必要とされるはるかに高温で行う場合には、このような技術ははるかにさらに複雑で困難になる。典型的には、炭化ケイ素成長法に用いられるサセプタ（susceptor）を高純度炭化ケイ素被覆を有する高純度黒鉛から作らなければならない。このような材料から可動部品を作るときには、該部品はいくぶん複雑になりやすく、かつ炭化ケイ素の摩耗性のためにダストを生じやすい。このように、消耗の問題に対するこのような機械的及び動きに関連する解決策は、遭遇する機械的困難さおよび、さもなければ抑制しなければならない不純物のために、炭化ケイ素の場合には概して不満足である。したがってプロセスに付加的不純物または機械的複雑性をもたらすことなくしてより均一なエピタキシャル層を生成させる炭化ケイ素のエピタキシャル成長の化学蒸着技術に対する要望が存在する。
【００１０】
発明の目的及び要約
したがって本発明の目的は、炭化ケイ素のさらに均一なエピタキシャル層を得るための方法を提供することにある。本発明は、炭化ケイ素エピタキシャル層の均一性を増し、かつ厚いエピタキシャル層を得るのにとくに有用な改良された化学蒸着法でこの目的に対処する。該方法は、炭化ケイ素ソースガスが反応器内の基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成する温度に反応器を加熱した後、ソースガスとキャリヤーガスの流れを加熱した反応器内に誘導して、基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成させることを含み、そして該ソースガスが反応器を通過する際に、水素を単一キャリヤーガスとして用いる場合に生じると思われるよりもソースガスの消耗が少なくなるように、キャリヤーガスが水素の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい第２のガスと水素との混合物を含む。ある態様では、第２のガスが化学蒸着反応に対して化学的に不活性であることも好ましい。
【００１１】
別の態様では、本発明は、断面に沿う厚さの標準偏差によって証拠だてられるように極めて均一な厚さを有する炭化ケイ素エピタキシャル層を含む。
【００１２】
本発明の前記及び他の目的ならびに利点および本発明を達成する態様は添付図面とともに下記の詳細な説明によって明らかになろう。
【００１３】
詳細な説明
本発明は炭化ケイ素エピタキシャル層の均一性を高め、かつ厚いエピタキシャル層を得るのにとくに有用な改良化学蒸着法である。本発明は、方法態様において、炭化ケイ素ソースガスが反応器内の基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成する温度に反応器を加熱した後、ソースガスおよびキャリヤーガスの流れを加熱された反応器内に誘導して基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成させることを含み、そしてソースガスが反応器内を通過する際に水素を単一キャリヤーガスとして用いる場合に生じると思われるよりもソースガスの消耗が少なくなるように、キャリヤーガスが水素の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい第２のガスと水素との混合物を含む。
【００１４】
好ましい態様では、第２キャリヤーガスがアルゴンを含む。アルゴンは本発明に関して多くの利点を有する。とくに、アルゴンは水素よりも熱伝導率が著しく低い。したがってアルゴンの存在はキャリヤーガスの熱伝導率を下げ、さらにソースガスが反応器内を移行する際にソースガスが消耗する速度を減少させる。
【００１５】
別の利点として、アルゴンはほとんどすべての条件下で、他の元素又は化合物との反応を回避する傾向があることを意味する「貴」ガスである。したがって、アルゴンはエピタキシャル成長基板、成長しつつあるエピタキシャル層、またはシステム内の他のガスに対して好ましくない影響を無くす。しかし、第２キャリヤーガスはアルゴンに限定されないで、（１）キャリヤーガスの熱伝導率を下げ、そして（２）ソースガス、基板、またはエピタキシャル層との望ましくない反応を回避するように機能的に選択し得ることは理解されよう。
【００１６】
好ましい態様では、キャリヤーガスが多量の水素と少量の第２キャリヤーガスと混合される。もっとも好ましい態様では、水素とアルゴンとで混合物を作る場合に、該混合物は、好ましくは少なくとも７５容量％の水素流、もっとも好ましくは最大約９０容量％の水素流である。さらに、該混合物を水素と熱伝導率の低いガスとに限定する必要はない。必要な場合には、全体的な混合物が前記の機能的必要条件を満たしさえすれば、他のガス（たとえばヘリウム）を存在させることができる。
【００１７】
本明細書中に記載した容量は毎分当たりの容積流量（flow volume）を指し、これが化学蒸着システムで用いられる典型的なガス量測定法であることを理解されたい。
【００１８】
反応器を加熱する際には、該温度が炭化ケイ素のエピタキシャル成長に対して十分なほど高く、ただし水素キャリヤーガスが炭化ケイ素を腐食する傾向がある温度よりも低くなければならない。該システムの温度は好ましくは約１８００℃未満、もっとも好ましくは約１５００℃ないし１６５０℃に保たれる。約１８００℃を上回る温度では、種々の種類の反応が起こる傾向がある。たとえば Kordinaらの Growth of SiC by “ Hot-Wall ” CVD and HTCVD, Phys. Stat. 501(B)202, 321(1997) を参照されたい。
【００１９】
本発明は、ソースガスおよびキャリヤ−ガスを、反応器内でエピタキシャル成長面に平行な方向に炭化ケイ素基板上、もっとも好ましくは４Ｈおよび６Ｈポリタイプからなる群から選ばれる１つのポリタイプ上に誘導するときにとくに有用であることが見出されている。
【００２０】
図１は本発明に関して有用な典型的な反応システムの略図である。該化学蒸着システムの基本構造および配置は通常当業者には周知であって、当業者が必要以上の実験を行うことなく本発明を実施するために使用することができる。
【００２１】
図１において全般的なＣＶＤシステムを大まかに１０で示す。該システムはサセプタ１２を含む反応器チャンバーを包含する。該サセプタ１２は反応器の外の電極１３を用いる誘導法（例えば高周波）によって典型的に加熱される。基板１４は、電極１３からの放射線がサセプタ１２を加熱すると、該サセプタが基板１４を加熱するようにサセプタ１２上に載置される。
【００２２】
該システムはそれぞれ１５及び１６と略図で示されるソースガス及びキャリヤーガスの供給を含む。これらは概して１７で示される適当な一連の通路または管を経て反応器に誘導されて、曲線２０で示すように反応器内を流れる。該線２０は単に例示的に概略示すためのもので化学蒸着システムにおけるガスの典型的な実際のフローパターンではない。ガスはさらに同様の管又は通路２１を経て反応器の下流端から出る。
【００２３】
多くの比較例が本発明の利点を示し、表１及び図２−５に要約される。これらのデータはすべて本発明の譲受人であるノースカロライナ州、Durham の Gree Research, Inc. で行った実験から集められた。本明細書に示すように、炭化ケイ素のエピタキシャル層は、先行技術（すなわちキャリヤーガスとして水素単独）または本発明（キャリヤーガスとして水素とアルゴンとの混合物）のいずれかを用いて炭化ケイ素基板上に成長させた。いずれの場合にも、ソースガスはシランおよびプロパンであって、キャリヤーガスよりもかなり小さい流量で供給した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
試料は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定した。ウエハは流れの方向に沿って切断した。次いでウエハをＳＥＭの端に置いた。層は基板よりもかなり浅くドープされたので、層と基板とのコントラストが認められた（図６）。したがって層の厚さを測定することができよう。図２−５で分かるように、このように切断端面に沿ういくつかの等距離点について厚さの測定を行うことによって厚さの均一性を計算することができよう。厚さの均一性を測定する他の方法があるが、ここでは述べない。エピクラウン（epi-crown）に付随するデータ点（たとえばウエハ外辺部に２ｍｍぎりぎりの点）を除くことは、表１に示す均一性を再現させるためにすべての技法に共通である。
【００２６】
得られたエピタキシャル層の厚さは、それぞれ得られたウエハの直径全体にわたって１０ないし１５個の位置で測定した。ついで各ウエハについて平均（すなわち統計的平均）厚さ、標準偏差、および百分率偏差（平均厚さの百分率として表した標準偏差）を測定した。先行技術または本発明から得られた結果の特性についてエッジ効果が誤った記述をしないように、計算に先立って母集団から１または２個のデータ点を除いた。
【００２７】
人為的に結果を向上させるために、これらデータ点を無作為に取り出したのではないことを理解されよう。そうではなくて、エピタキシャル成長において概して普通に見られそして消耗効果に通常関係のない「エピクラウン」を含まないようにウエハの一端または両端のデータ点を除いた。
【００２８】
図２、３および４が示すように、本発明はエピタキシャル層の厚さの均一性に劇的な改善をもたらす。たとえば、キャリヤーガスとして水素単独を用いた場合に（図２及び３）エピクラウンで測定したデータ点を除くと、百分率偏差は５.６６％および２.６６％であった。しかし、５.６６％の百分率偏差を示したと同じ水素単独流量の場合に、本発明を用いると２.３４％の百分率偏差が得られた。本発明の有利な効果は、反応器の流れ方向に次々に置かれる数個のウエハを用いて行う場合にさらに一層明らかである。図５はこれらの結果を図示したもので、ウエハ３種すべての均一性が同じ条件で成長させた単一ウエハの均一性に遜色ないことを示す。
【００２９】
図２は４４リットル／分の流量においてキャリヤーガスとして水素単独の先行技術の方法を用いるときのエッジの厚さの変化を示す。図３は６０リットル／分の流量において水素単独を用いるときのエッジの厚さの変化を示す。対照的に、図４および５は本発明を用いるときの優れた結果を示す。とくに、図５は多重ウエハ成長システムに用いられるときの本発明の利点を示す。図５が示すように、本発明の方法を用いる３つのウエハ間の偏差は、先行技術の方法を用いるときの１つのウエハ（たとえば図３）両端の偏差によく類似する。
【００３０】
したがって、別の態様では、エピクラウンで測定したデータ点を母集団から除くと、本発明は断面に沿う厚さの標準偏差が３％未満の炭化ケイ素エピタキシャル層を含む。さらに好ましい態様では、母集団からエピクラウンにおける２つのデータ点を除くと標準偏差が２％未満であり、もっとも好ましい態様では、標準偏差が１％未満である。
【００３１】
いうまでもなく、エピタキシャル層という用語が基板の存在を含み、好ましい態様では、該基板が４Ｈおよび６Ｈポリタイプの炭化ケイ素からなる群から選ばれる単結晶炭化ケイ素であることが理解されよう。
【００３２】
本明細書で用いる「平均」、「標準偏差」、「試料」および「母集団」という用語は通常の意味で用いられる。これらの数値及び定義は統計の分野ではよく理解されており、従ってその定義及びその計算方法は別に詳細には述べない。
【００３３】
アルゴンは概して比較的精製しにくく、幾分高価で、そして経験的観察に基づくと物質の品質を損なうように思われ、一方水素は成長しつある物質を純粋にすると思われるので、水素およびアルゴンの混合物はキャリヤーガスとして純粋なアルゴンよりも好ましい。言い換えると、キャリヤーガスとしての水素は幾分浄化性を有するように思われる。純アルゴンのキャリヤーガスは熱伝導率が低いので、概して望ましい点を超えると成長速度を遅延させるようにも思われる。
【００３４】
アルゴンと水素との混合物の選択比率は多くの要因によることができる。しかし、これらの要因は当該技術分野では比較的周知であり、したがっていったん本発明の概念が理解されると、当業者は必要以上の実験をせずに混合物を選択することができる。しかし、（制限というよりは）例として、水素と混合されるアルゴンの量は加熱帯域の長さ、アルゴンの価格、総ガス流、ガスの純度、及び帯域の温度のような要素による。とくに、ほとんどの場合、加熱帯域の距離が長いほど、かつ予想温度または必要温度が高いほど、消耗効果を抑えるのに、より多くのアルゴンを用いるのが望ましい。
【００３５】
さらに、アルゴンの価格（前記のように高価である）が、どれぐらいの量のアルゴンを用いるのが最も望ましいかの理論的ではないにしても実際的な制約である。
【００３６】
第３の要因は総ガス流である。総ガス流が少ないと、ポンプ輸送システムの負荷を抑え、エネルギーが少なくて済んで乱流を減らし、そしてサセプタを冷却しないで済むので、ＣＶＤシステムでは少ない総ガス流が概して有利である。
【００３７】
アルゴンの純度が別の要因を表す。アルゴンは水素と同等には精製できないので、使用量を最少にして、付随する不純物を最少にするのが好ましい。幸いなことに、アルゴンの熱伝導率は水素の熱伝導率の約１０分の１であるので、本発明を行うには比較的僅かな量のアルゴンで十分である。
【００３８】
化学蒸着中の均一な厚さ管理に付随する問題はすべて、厚い層を成長させつつある場合には一層悪化する。さらに、本発明はガスの混合を必要とするだけであるので、消耗を減少させるための可動部品及び二三の他のシステムの機械的複雑性を不要にする。
【００３９】
図面及び明細書に本発明の典型的な態様が開示されており、そして特定用語が用いられているけれども、それらは一般的かつ例示的な意味でのみ用いられるにすぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲において示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明で用いることができる例示的な化学蒸着システムの略図である。
【図２】 図２は先行技術の方法を用いて成長させたエピタキシャル層のウエハの厚さ対上流端からの距離のプロットである。
【図３】 図３は先行技術の方法を用いて成長させたエピタキシャル層のウエハの厚さ対上流端からの距離のプロットである。
【図４】 図４は本発明の方法を用いて成長させたエピタキシャル層のウエハの厚さ対上流端からの距離のプロットである。
【図５】 図５は本発明の方法を用いて単一反応器内の３つの隣接するウエハ上に成長させたそれぞれのエピタキシャル層についてのウエハの厚さ対上流端からの距離のプロットである。
【図６】 図６は本発明によって成長させたエピタキシャル層を有する基板の切断面の走査型電子顕微鏡（SEM）で撮った写真である。

Claims (15)

1. 炭化ケイ素エピタキシャル層の均一性を増大し、かつ厚いエピタキシャル層を得るのにとくに有用な改良された化学蒸着法であって、該方法は
   放射線源に対して熱的に感応する反応器を１５００℃〜１８００℃の温度に加熱すること、ここで、当該温度は、反応の温度及び圧力条件下で昇華が生じる温度よりも低く、かつ炭化ケイ素ソースガスが該反応器内の基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成する温度よりも高く；
   そして
   ソースガスおよびキャリヤーガスの流れを該加熱した反応器内に誘導して該基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成させることを含み；
   該キャリヤーガスが、水素を含む第１キャリヤーガスと第２キャリヤーガスとの混合物を含み、そこにおいて該混合物中の該水素の量は少なくとも７５％で、かつ該ソースガスが反応器を通過する際に水素を唯一のキャリヤーガスとして用いる場合に生じると思われるよりも該ソースガスの消耗が少なくなるように、該第２キャリヤーガスが水素の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有することを特徴とする化学蒸着法。
2. 該第２キャリヤーガスがアルゴンを含む、請求項１記載の化学蒸着法。
3. 該第１キャリヤ−ガスがヘリウムと水素との混合物を含む、請求項１記載の化学蒸着法。
4. 化学蒸着によって適当な基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成させる方法であって、
   炭化ケイ素ソースガスと水素を含む第１キャリヤーガスとを混合し、放射線源に対して熱的に感応をする反応器内に該ガスを誘導し、この際、反応器を１５００℃〜１８００℃の温度に加熱し、ここで、当該温度は、反応の温度及び圧力の条件下で昇華が生じる温度よりも低くかつ該ソースガスが反応して該反応器内の基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成するよりも高いことを特徴とし、；
   そしてさらに
   第２キャリヤーガスと該第１キャリヤーガスとを混合し、そこにおいて該混合物中の該水素の量は少なくとも７５％で、該第２キャリヤーガスが該水素の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有し、さらに該基板上での炭化ケイ素のエピタキシャル層の成長中にソースガスの消耗を減少又は皆無にするのに十分に温度を適度にする量であるが該ソースガスが反応して該エピタキシャル層を形成することを阻止するのに十分に温度を低下させると思われる量よりは少ない量で該第２キャリヤーガスが存在することを特徴とする方法。
5. 該第２キャリヤーガスが化学蒸着反応及び該炭化ケイ素に対して化学的に不活性である、請求項１または４記載の化学蒸着法。
6. 該ソースガスがケイ素含有化合物及び炭素含有化合物を含む、請求項１または４記載の化学蒸着法。
7. 該反応器を１５００℃〜１６５０℃の温度に加熱し、そこにおいてシランおよびプロパンが反応して基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成する、請求項１または４記載の化学蒸着法。
8. エピタキシャル成長面に平行な方向に該反応器内で該ガス流を誘導することを含む、請求項１又は４記載の化学蒸着法。
9. 化学蒸着によって複数の適当な基板上に炭化ケイ素エピタキシャル層を形成させる方法であって、
   炭化ケイ素ソースガスと、水素を含む第１キャリヤーガスとを混合し；
   放射線源に対して熱的に感応を示しそして該キャリヤーガスおよびソースガスがエピタキシャル成長面に平行に上流から下流に配列される基板上を流れるように、該反応器内のガス流路に沿って直線状に並べられる複数の該基板を収容する反応器内に該ソースガスを誘導し；そして
   該反応器を１５００℃〜１８００℃に加熱する、ここで、当該温度は、該ソースガスが反応して該反応器内の該基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成する温度よりも高く、反応の温度及び圧力の条件下で昇華が生じる温度よりも低い；
   以上の工程を含む方法において
   第２キャリヤーガスと該第１キャリヤーガスとを混合し、そこにおいて該混合物中の該水素の量は少なくとも７５％で、該第２キャリヤーガスが該第１キャリヤーガスの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有し、さらに該基板上での炭化ケイ素のエピタキシャル層の成長中にソースガスの消耗を減少又は皆無にするのに十分に温度を適度にする量であるが該ソースガスが反応して該エピタキシャル層を形成することを阻止するのに十分に温度を低下させると思われる量よりは少ない量で該第２キャリヤーガスが存在することを特徴とする方法。
10. 該第２キャリヤーガスがアルゴンを含む、請求項４または９記載の化学蒸着法。
11. 水素およびアルゴンの混合物が７５容量パーセントを上回る水素流を含む、請求項１０記載の化学蒸着法。
12. 該混合物が９０容量パーセントの水素流を含む、請求項１１記載の化学蒸着法。
13. 該ソースガスがシランおよびプロパンを含む、請求項９記載の化学蒸着法。
14. 該反応器を１５００℃〜１６５０℃の温度に加熱する、請求項１３記載の化学蒸着法。
15. ４Ｈ及び６Ｈポリタイプからなる群から選ばれる炭化ケイ素基板上に該ソースガスおよびキャリヤーガスを誘導することを含む、請求項１、４または９記載の化学蒸着法。

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