JP4551106B2 - サセプタ - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの化合物半導体をエピタキシャル成長させる際に用いられるサセプタに関し、特に、複数の基板上においてそれぞれ均一なエピタキシャル成長膜（以下、エピ膜とする）が得られるサセプタに関する。
従来、半導体製造工程において、ウェハ上に化学気相成長法（ＣＶＤ法）によって原料ガスを気相反応させてエピタキシャル層を成長させる単結晶製造方法を実施している。具体的にＣＶＤ法とは、サセプタ上に単結晶ウェハを置き、サセプタとウェハをエピタキシャル成長温度まで加熱して保持する。そして、反応炉内にキャリアガスと原料ガスの混合ガスを導入し、高温化で分解した原料ガスがウェハ上に堆積してエピタキシャル層を形成する。高速で厚いエピタキシャル層を形成する反応炉には、ガスを上下に流出させる縦型の気相成長装置が多く用いられている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
特開平１１−１７６７５７号公報 特公平５−８７１２８号公報
しかし、従来のものは、サセプタにおける複数枚の基板と、これらの基板に対向する壁面との距離が大きく異なるので、各基板間に温度差が生じやすい。そのため、基板同士のエピ膜成長速度に差が出て、エピ膜の厚さが異なることとなり、同一品質のエピ膜を同時に複数得ることは困難である。
そこで、本発明の目的は、半導体エピタキシャル成長において用いられ、均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができるサセプタを提供することである。
本発明は、半導体エピタキシャル成長に用いられるサセプタであって、外側に複数の基板を載置できる載置面を複数有するバレル型サセプタと、前記バレル型サセプタが内部に配置され、前記バレル型サセプタの前記載置面のそれぞれに対して平行に対向配置され且つ同一距離となる対向面を有する部材とからなり、前記部材の前記バレル型サセプタ側の前記対向面が、複数の基板を載置できる面であるものである。
上記構成により、本発明に係るサセプタを半導体エピタキシャル成長工程に用いた際、各基板温度を一定にすることができ、均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができる。
本発明は、半導体エピタキシャル成長に用いられるサセプタであって、内側に複数の基板を載置できる載置面を複数有するバレル型サセプタと、前記バレル型サセプタが外周部に配置され、前記バレル型サセプタの前記載置面のそれぞれに対して平行に対向配置され且つ同一距離となる対向面を有する部材とからなり、前記部材の前記バレル型サセプタ側の前記対向面が、複数の基板を載置できる面であるものである。
上記構成により、本発明に係るサセプタを半導体エピタキシャル成長工程に用いた際、各基板温度を一定にすることができ、均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができる。
また、上記構成により、均一性の高いエピ膜をさらに多く同時に得ることができる。
本発明のサセプタにおいて、前記バレル型サセプタ及び前記部材の少なくとも一方がヒーターであることが好ましい。
上記構成により、直接各基板の温度が一定となるように加熱されるので、さらに確実に均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができる。
本発明のサセプタは、黒鉛を含む基材からなることが好ましい。また、本発明のサセプタは、多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆されていることが好ましい。
高周波コイルを用いた加熱方法の半導体エピタキシャル成長を行った際、サセプタ自身を熱源とすることができるため、直接各基板を温度が一定となるように加熱することができる。その結果、さらに確実に均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができる。また、多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆することで、黒鉛からなるサセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶炭化タンタルで被覆されている場合には、炭化タンタルが高温特性に優れた材料であり、水素に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るサセプタの構成物品を別々に示した斜視図であって、（ａ）はバレル型の内サセプタ、（ｂ）は外側部材である。
図１に示すサセプタ１は、黒鉛を基材とする内サセプタ２と黒鉛を基材とする外側部材３とからなる。これらの表面は多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆されていることが好ましい。
内サセプタ２は、凹状のザグリ部４を２つ有する台形平面４枚（台形平面４枚はすべて同面積）のそれぞれを、垂直に対し所定角度傾斜させて斜辺同士を結合させて構成され、いわゆるバレル型サセプタとなっている。
外側部材３は、内サセプタ２と略相似形状のものであり、内サセプタ２を内部に配置することができるものである。また、内サセプタ２を内部に配置したとき、内サセプタ２のザグリ部４を有する台形平面（載置面）のそれぞれに対し、平行又は略平行に対向配置できる台形平面４枚（台形平面４枚はすべて同面積）を有するものである。 つまり、外側部材３の台形平面（対向面）は、それぞれ垂直に対し所定角度傾斜させられているものである。
なお、内サセプタ２の台形平面（載置面）の傾斜角度は垂直方向に対し２〜４５°であることが好ましく、外側部材３の台形平面（対向面）の傾斜角度は垂直方向に対し２〜４５°であることが好ましい。ここで、略平行に対向配置する場合には、ガスの入口側の流路が広く、出口側の流路が狭い方が好ましい。これは、例えば、内サセプタ２の台形平面（載置面）の傾斜角度を垂直方向に対し１２°とし、外側部材３の台形平面（対向面）の傾斜角度を垂直方向に対し８°とすることにより達成される。このような構成とすることで、ガスの加熱を適度に抑制することが可能である。また、内サセプタ２と外側部材３との平面間距離（載置面と対向面との距離）は５〜６０ｍｍ、望ましくは１０〜２５ｍｍである。
また、ザグリ部４は１つ以上設けられていればよい。さらに、内サセプタ２及び外側部材３の台形平面（載置面及び対向面）の枚数は４枚に限らず、それぞれ３枚以上であればよい。
次に、第１実施形態のサセプタを用いたエピタキシャル成長装置について説明する。図２は、図１のサセプタを用いたエピタキシャル成長装置の反応室付近を示す概略図である。
図２に示すエピタキシャル成長装置の反応室５の内部には、反応室５中心部に配置される第１実施形態のサセプタ１と、サセプタ１の外周部に配置される断熱材６とが設けられている。反応室５の外周部には、螺旋状に高周波コイル７が設けられている。
サセプタ１は、図１（ｂ）の外側部材の向きを上下反転させ、これを図１（ａ）の内サセプタに被せた場合の配置構成となっている。なお、内サセプタ２の台形平面と外側部材３の台形平面とが平行又は略平行となるように調整されて配置されている。
断熱材６は、サセプタ１の放熱を防止するために、反応室５の内壁とサセプタ１の外周部との間に設けられている。
高周波コイル７は、高周波を黒鉛からなるサセプタ１に加えて、サセプタ１を発熱させることができるものである。
次に、第１実施形態のサセプタを用いたエピタキシャル成長について、図２を参照して説明する。
まず、サセプタ１の内サセプタ２にエピタキシャル成長させるための基板８を載置する。次に、図２の位置に内サセプタ２を配置し、高周波コイル７を作動させて、エピタキシャル成長させるのに適切な温度にまでサセプタを加熱する。そして、反応ガスをサセプタ１の内サセプタ２と外側部材３との間を通過させる（図２の矢印参照）。
上記構成によれば、第１実施形態のサセプタを半導体エピタキシャル成長工程に用いるので、各基板温度を一定にすることができ、均一性の高いエピ膜を同時に複数得ることができる。また、多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆することで、黒鉛からなるサセプタに含まれる不純物の放出を防止する。特に、多結晶炭化タンタルで被覆されている場合には、炭化タンタルが高温特性に優れた材料であり、水素に対する耐食性にも優れているので、被覆材の昇華や黒鉛の露出を防止でき、不純物の放出を防止することができる。
なお、本実施形態の変形例として内サセプタ２及び外側部材３の少なくとも一方をヒーターとしてもよい。
また、反応室５内の配置の変形例として、図３に示すように、図２のサセプタ１と断熱材６とを上下反転させた構成としてもよい。このとき、反応ガスを流す方向は下から上方向となる（図３の矢印参照）。
次に、本発明に係る第２実施形態のサセプタを説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係るサセプタの構成物品を別々に示した斜視図であって、（ａ）は内側部材、（ｂ）はバレル型の外サセプタである。
図４に示すサセプタ９は、黒鉛を基材とする内側部材１０と黒鉛を基材とする外サセプタ１１とからなる。これらの表面は多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆されていることが好ましい。
外サセプタ１１は、ザグリ部１２を有する台形平面４枚（台形平面４枚はすべて同面積）のそれぞれを、垂直に対し所定角度傾斜させ、斜辺同士を結合させて構成されている。
内側部材１０は、外サセプタ１１と略相似形状のものであり、外サセプタ１１の内部に配置することができるものである。また、内側部材１０が内部に配置されたとき、外サセプタ１１のザグリ部１２を有する台形平面（載置面）のそれぞれに対し、平行又は略平行に対向配置できる台形平面４枚（台形平面４枚はすべて同面積）を有するものである。つまり、内側部材１０の台形平面（対向面）は、それぞれ垂直に対し所定角度傾斜させられているものである。
なお、内側部材１０の台形平面（対向面）の傾斜角度は垂直方向に対し２〜４５°であることが好ましく、外サセプタ１１の台形平面（載置面）の傾斜角度は垂直方向に対し２〜４５°であることが好ましい。ここで、略平行に対向配置する場合には、ガスの入口側の流路が広く、出口側の流路が狭い方が好ましい。これは、例えば、内側部材１０の台形平面（対向面）の傾斜角度を垂直方向に対し１２°とし、外サセプタ１１の台形平面（載置面）の傾斜角度を垂直方向に対し８°とすることにより達成される。このような構成とすることで、ガスの加熱を適度に抑制することが可能である。また、内側部材１０と外サセプタ１１との平面間距離は５〜６０ｍｍ、望ましくは１０〜２５ｍｍである。
また、ザグリ部１２は１つ以上設けられていればよい。さらに、内側部材１０及び外サセプタ１１の台形平面（対向面及び載置面）の枚数は４枚に限らず、それぞれ３枚以上であればよい。
なお、本実施形態に係るサセプタ９は、図２におけるエピタキシャル成長装置の反応室５内のサセプタ１に代えて適用できる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態の変形例として内側部材１０及び外サセプタ１１の少なくとも一方をヒーターとしてもよい。
また、第１実施形態及び第２実施形態の変形例として、図１の内サセプタ２と図４の外サセプタ１１とを適用したサセプタ１３とする構成としてもよい（図５）。このサセプタ１３は、図２におけるエピタキシャル成長装置の反応室５内のサセプタ１に代えて適用できる。
また、重力に逆らう方向に基板を載置したときには、ピン等を用いて落下しないように固定してもよい。
図１の四面のバレル型サセプタ１の代わりに、六面のバレル型サセプタ（不図示）を用いたバレル型気相反応装置を用いたエピタキシャル層の形成の一実施例を示す。ここでは、化合物半導体の一つである炭化珪素のエピタキシャル層の形成について述べる。
六面のバレル型サセプタの内面に設けられた各ザグリにそれぞれ直径２インチの単結晶炭化珪素ウェハを置き、サセプタを所定の場所に設置した。反応室内をＨ2ガスによって置換した後、５×１０-6Ｔｏｒｒまで真空引きした。真空引き後、キャリアガスであるＨ2ガスを原料ガス供給口（不図示）から、不活性ガスであるＡｒガスを不活性ガス供給口（不図示）から導入して反応室内を１００Ｔｏｒｒに保持した。Ｈ2ガスとＡｒガスは排気口（不図示）から連続的に排出されており、排気口の下流に設けられた圧力制御バルブ（不図示）によって、反応室内の圧力は制御されている。
螺旋状の高周波誘導コイル７に電力を投入することでサセプタを加熱して、１３５０℃まで昇温した。この時、炉内の温度は、放射温度計によってウェハ面上の温度を測定した。１３５０℃以上から少量の原料ガスを供給口（不図示）から導入し、炭化珪素ウェハのＨ2エッチングによるダメージを抑えた。この場合、原料ガスには、ＳｉＨ4とＣ3Ｈ8を用いた。サセプタが加熱源であることや断熱材が設置されていることで、加熱効率が非常によく消費電力が節電できただけでなく、急速な昇温ができたことで昇温中のウェハのＨ2エッチングによるダメージを抑えることもできた。その結果、高品質なエピタキシャル層を得ることができた。
さらに、エピタキシャル成長温度としては高温の１８３５℃までサセプタとウェハを加熱した後、炉内温度を一定に保持した。サセプタを加熱源としてウェハを直接加熱していることや断熱材を設置していることによって、加熱効率が大幅に向上したために、急速な昇温や高温下でのエピタキシャル成長が可能になった。この時、ＳｉＨ4の流量を１２０ｓｃｃｍ、Ｃ3Ｈ8の流量を３０ｓｃｃｍに増加し、ドーピングガスであるＮ2ガスを０．０５ｓｃｃｍ供給して、エピタキシャル層の形成を開始した。炭化珪素エピタキシャル層の形成条件は、成長温度が１８３５℃、成長圧力が１００Ｔｏｒｒ、Ｃ／Ｓｉ比が０．７５、ＳｉＨ4／Ｈ2比が０．４ｍｏｌ％、Ｃ3Ｈ8／Ｈ2比が０．１ｍｏｌ％であり、４時間の成長を行った。
この時の成長速度は３３μｍ／ｈであり、４時間の成長で約１３０μｍの厚いエピタキシャル層が形成できた。厚い炭化珪素エピタキシャル層の表面形態は鏡面であり、大きな表面欠陥はなく高品質な層が形成できた。また、図６に炭化珪素のエピタキシャル層の（ａ）ガス流れに対して平行方向と（ｂ）直交方向の膜厚と表面粗さの分布を示す。エッジ部を除けば、σ／ｍで２〜４％の良好な均一性が得られている。これは、サセプタを加熱源として用いたことや断熱材を設置したことによって、ウェハの温度均一性が改善された効果である。なお、図６におけるＲＭＳとは二乗平均粗さのことであり、以下同様である。
さらに、１８３５℃の成長条件におけるＳｉＨ4流量と成長速度の関係を調べたところ、図７のように、ＳｉＨ4流量に比例して成長速度は増加し、４４μｍ／ｈの高速成長が得られた。これは、サセプタが加熱源であるためにウェハ近傍の反応に寄与する原料ガスが効率よく加熱されて分解したことによる効果である。多量のＳｉＨ4を供給した４４μｍ／ｈの成長速度の場合でも０．３ｎｍの平坦な表面形態が得られている。なお、ここでのＲＭＳは、１０×１０μｍ2の範囲のものである。
また、炭化珪素エピタキシャル層のドーピング密度分布を調べたところ、図８のように、ガスの流れに対して平行方向と直交方向ともに５×１０14ｃｍ-3の高純度領域におけるドーピング制御ができている。これは、サセプタとウェハの効率よい加熱や断熱材の設置によって加熱効率が大幅に向上したことで加熱の負荷が低減されてサセプタと内壁の劣化が抑制されたことによる効果である。また、ドーピング密度の分布において２〜５％の良好な均一性が得られた。これは、サセプタを加熱源としてウェハを直接加熱したことや断熱材を設置したことによってウェハ面内の温度の均一性が向上した効果である。
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。
本発明の第１実施形態に係るサセプタの構成物品を別々に示した斜視図であって、（ａ）はバレル型の内サセプタ、（ｂ）は外側部材である。 図１のサセプタを用いたエピタキシャル成長装置の反応室付近を示す概略図である。 図２の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るサセプタの構成物品を別々に示した斜視図であって、（ａ）は内側部材、（ｂ）はバレル型の外サセプタである。 図１の第１実施形態に係るサセプタ及び図４の第２実施形態に係るサセプタの変形例を示す図である。 本発明の実施例に係るエピタキシャル層の膜厚と表面粗さ分布との関係を示すグラフであって、（ａ）がガス流れ方向に対して平行方向、（ｂ）がガス流れ方向に対して垂直方向のエピタキシャル層の膜厚と表面粗さ分布との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係るエピタキシャル層の膜厚の成長速度及び表面粗さのＳｉＨ4流量依存性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るエピタキシャル層のドーピング密度分布を示すグラフであって、（ａ）がガス流れ方向に対して平行方向、（ｂ）がガス流れ方向に対して垂直方向のエピタキシャル層のドーピング密度分布を示すグラフである。
符号の説明
１、９、１３ サセプタ
２ 内サセプタ
３ 外側部材
４ ザグリ部
５ 反応室
６ 断熱材
７ 高周波コイル
８ 基板
１０ 内側部材
１１ 外サセプタ
１２ ザグリ部

Claims (5)

  1. 半導体エピタキシャル成長に用いられるサセプタであって、
    外側に複数の基板を載置できる載置面を複数有するバレル型サセプタと、
    前記バレル型サセプタが内部に配置され、前記バレル型サセプタの前記載置面のそれぞれに対して平行に対向配置され且つ同一距離となる対向面を有する部材とからなり、
    前記部材の前記バレル型サセプタ側の前記対向面が、複数の基板を載置できる面であるサセプタ。
  2. 半導体エピタキシャル成長に用いられるサセプタであって、
    内側に複数の基板を載置できる載置面を複数有するバレル型サセプタと、
    前記バレル型サセプタが外周部に配置され、前記バレル型サセプタの前記載置面のそれぞれに対して平行に対向配置され且つ同一距離となる対向面を有する部材とからなり、
    前記部材の前記バレル型サセプタ側の前記対向面が、複数の基板を載置できる面であるサセプタ。
  3. 前記バレル型サセプタ及び前記部材の少なくとも一方がヒーターである請求項１又は２に記載のサセプタ。
  4. 黒鉛を含む基材からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のサセプタ。
  5. 多結晶炭化珪素又は多結晶炭化タンタルで被覆されている請求項４記載のサセプタ。
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