JP4679510B2 - 堆積システムにおける堆積物の形成を制御するための方法および装置、ならびにそれらを含む堆積システムおよび方法 - Google Patents

Description

政府支援の表明
本発明は、海軍研究事務所により与えられた海軍研究事務所契約番号Ｎ０００１４−０２−Ｃ−０３０２に基づいて、政府支援で行われた。政府は、本発明において一定の権利を有する。

本発明は堆積プロセスおよび装置に関し、およびより具体的には、基板上に膜を堆積させるための方法および装置に関する。

堆積システムおよび方法は、一般的には基板上に比較的薄い膜のような層を形成させるために使用される。例えば、基板上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような半導体材料の層を形成するために、化学気相堆積（ＣＶＤ）反応器システムおよびプロセスを使用してもよい。ＣＶＤプロセスは、制御された特性、厚さ、および／または配列（エピタキシャル層のようなもの）を持つ層を形成するために特に有効である。典型的には、ＣＶＤシステムのような堆積システムにおいて、基板を室の中に配置し、および基板上に堆積される試薬または反応物質を含むプロセスガスを基板に隣接する室の中へ導入する。均一または制御された濃度の試薬または反応物質を基板にもたらすために、反応室を通してプロセスガスを流してもよい。望ましくないことには、試薬または反応物質は同様に反応室の内部表面上に堆積する傾向がある可能性がある。そのような堆積物は、プロセスから試薬または反応物質を取り去るため、「寄生」堆積物といわれることがある。

図５を参照して、代表的な慣用の堆積システム４０を図中に示し、および、反応室の意図されない表面上に堆積物が形成される可能性があるプロセスを説明する。システム４０は、例えば、貫流、ホットウォール、ＣＶＤ反応器である。システム４０は、上部サセプタ部材４２および下部サセプタ部材４４を有する。また、システム４０は、上部ライナー４３および下部ライナー４５を有し、それらのライナーはその間に反応室４７を画定する。反応室４７の中にウエハーのような基板２０を置き、および、例えば、プラッタ（回転してもよい）の内部表面上に据えてもよい。プロセスガスを、一方の端において反応室４７に導入し、基板２０を通過して反応室４７を貫流させ、および最終的に反対側の端において反応室４７から排出させる。図５に示される反応室４７の中の矢印によって示されるように、プロセスガスが反応室４７を通って流れる際に、プロセスガスの一部が意図されるように基板２０に接触し、それによって基板２０上に試薬または反応物質が堆積して、その上に層を形成することができる。しかしながら、矢印によって示されるように、プロセスガスの一部は、下部ライナー４５および側壁の内部表面だけでなく、上部ライナー４３の内部表面すなわち天井４６にも同様に接触する。結果として、プロセスガスからの試薬または反応物質の寄生堆積物５０および５２は、側壁上だけでなく天井４６および下部ライナー４５の上にそれぞれ形成する傾向がある。天井４６上の寄生堆積物は、特に有害である可能性がある。なぜならば、それらは、プロセスの間に崩れ（ｄｉｓｌｏｄｇｅ）、そして基板２０上に落ちて、形成される層の質を低下させる可能性があるからである。さらに、寄生堆積物の量の変化は、温度およびガス流の動力学に望ましくない変動をもたらし、それによって基板２０上の層の成長に影響を与える可能性がある。寄生堆積物の形成によるプロセスガスの減損は、反応物質を浪費し、それによって効率および成長速度を減少させる傾向がある可能性がある。

典型的には、堆積プロセスは、寄生堆積物の形成にどうにか対応する。累積成長時間を制限して、生成物に対する寄生堆積物の影響を低減してもよい。一定時間の後、さらなる生成物成長運転を試みる前に、サセプタを洗浄および修理してもよい。本手順は、洗浄サイクル間の任意の単独の成長運転の可能な長さ、および継続時間がより短い運転の数の両方を制限する可能性がある。そのような努力にもかかわらず、パーティクルの形成、プロセス変動性および低下した反応物質利用効率によって、寄生堆積物は、それでもなお生成物に悪影響を与える可能性がある。

米国特許出願第１０／０１７，４９２号明細書 米国特許出願第０９／７５６，５４８号明細書 米国特許出願第１０／１１７,８５８号明細書

本発明の実施形態に従って、基板上に膜を堆積させるための堆積システムにおいて寄生堆積物を制御し、その型の堆積システムは、基板を収容するための反応室を画定し、そして反応室の中のプロセスガスおよび反応室と隣接する内部表面を含む。そのような制御は、バッファガスを流して内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間にガスバリア層を形成して、ガスバリア層が内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止するようにすることによって与えられる。

本発明のさらなる実施形態に従って、プロセスガスを使用して基板上に膜を堆積させるための堆積システムは、基板を収容するのに適合する反応室およびプロセスガスを含む。該システムは、反応室と隣接する内部表面をさらに含む。バッファガス供給系は、内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間にバッファガスの流れを供給するのに適合し、バッファガスの流れはガスバリア層を形成して、プロセスガスが反応室中に配置されるときに内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止する。

本発明のなおさらなる実施形態に従って、基板上に膜を堆積させるための堆積システムにおいて寄生堆積物を制御するために、堆積制御システムを提供し、その型の堆積システムは、基板を保持するための反応室を確定し、および反応室の中のプロセスガスと反応室と隣接する内部表面とを含む。該堆積制御システムは、内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間にバッファガスの流れを提供するのに適合するバッファガス供給系を含み、バッファガスの流れはガスバリア層を形成して内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止する。

本発明のさらなる実施形態に従って、基板上に膜を堆積させるための堆積システムは、基板を収容するのに適合する反応室、および反応室と隣接する内部表面を含む。反応室内にプロセスガスを配置する。内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間にバッファガスの流れを配置する。バッファガスの流れはガスバリア層を形成して、内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止する。

本発明のさらなる実施形態に従って、流れ方向にそれぞれ流されるプロセスガスおよびバッファガスを使用して基板上に膜を堆積させるためのサセプタアセンブリは、少なくとも１つのサセプタ部材を含む。少なくとも１つのサセプタ部材は、反応室、プロセスガス注入口およびバッファガス注入口を画定する。反応室は、基板を収容するのに適合し、およびバッファガスを収容するためのバッファガス領域を有する。反応室は、流れ方向に垂直な第１の断面積を有する。プロセスガス注入口は、流れ方向に垂直な第２の断面積を有する。第２の断面積は、第１の断面積より小さい。バッファガス注入口は、プロセスガス注入口に近接し、およびバッファガスを反応室のバッファガス領域の中に方向づけるのに適合する。

ここで、本発明の実施形態が示される添付図面を参照して、以下により十分に本発明を説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なった形態において具現化されていてもよく、および、本明細書中において説明される実施形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろ、本開示が綿密ならびに完全であり、および当業者に対して本発明の範囲を十分に伝達するように、これらの実施形態を与える。図面において、領域または層の相対的なサイズは、明確さのために誇張されている可能性がある。層、領域または基板のような要素が他の要素の「上」にあるとして言及される時は、他の要素上に直接存在することができ、または介在する要素が存在していてもよいことが理解されよう。対照的に、要素が他の要素の「上に直接」存在するとして言及される時は、介在する要素は存在しない。

図１を参照して、その中に本発明の実施形態に従う堆積システム１０１を概略的に示す。堆積システム１０１は、示されるように、水平な、ホットウォール、貫流、ＣＶＤシステムであってもよく、サセプタアセンブリ１００、貫通通路１８０Ａを画定する石英管１８０、電磁周波数（ＥＭＦ）発生器１８２（例えば、電源および管１８０を取り囲むＲＦコイルを含む）およびプロセスガス供給系１６１を含む。石英管１８０に加えて、または石英管１８０の代わりに、サセプタアセンブリ１００の周りに絶縁性カバーを備えてもよい。本発明に従って、堆積システム１０１はバッファガス供給系１７１をさらに含む。堆積システム１０１を使用して、基板２０上に層または膜を形成してもよい（図３）。図３および図４において単独の基板２０のみを説明するが、システム１０１は、多数の基板２０の上に同時にフィルムを形成するのに適合する可能性がある。

基板２０は、堆積される層の材料と同一または異なる材料で形成されるウエハーまたは他の構造体であってもよい。例えば、ＳｉＣ、サファイア、ＩＩＩ族窒化物、ケイ素、ゲルマニウム、および／またはＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ化合物またはインターアロイ（interalloy）などで基板２０を形成してもよい。その上に膜が堆積される基板表面は、ベース基板、あるいはベース基板上に重ね合わされた第１またはそれに続く層であってもよい。例えば、堆積される膜を受容するための基板２０の表面は、堆積システム１０１または代替の装置を用いて前もって堆積された層であってもよい。本開示に照らして当業者によって理解されるように、本発明の実施形態は、本明細書中に具体的に言及されたもの以外の半導体材料で有利に使用される可能性がある。本明細書中で使用される際に、用語「ＩＩＩ族窒化物」は、窒素と、周期表のＩＩＩＡ族の中の元素、通例、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）との間に形成されるような半導体の化合物を言う。該用語は、同様に、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮのような三元系および四元系化合物を指す。当業者によって十分に理解されるように、ＩＩＩ族元素は、窒素と化合して、二元系化合物（例えば、ＧａＮ）、三元系化合物（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、および四元系化合物（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）を形成することができる。これらの化合物は全て、１モルの窒素が合計１モルのＩＩＩ族元素と化合する実験式を有する。従って、それらを記載するために、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のような式がしばしば使用される。

一般的に、プロセスガス供給系１６１は、以下に論じるように、サセプタアセンブリ１００の中へおよびサセプタアセンブリ１００を通してプロセスガスを供給する。ＥＭＦ発生器１８２はサセプタアセンブリ１００を誘導的に加熱して、サセプタアセンブリ１００の中にホットゾーンを提供し、そこで堆積反応が生じる。プロセスガスは、サセプタアセンブリ１００を通過し、排出ガスとして出続ける。排出ガスは、例えば、反応副生成物だけでなくプロセスガスの残存化合物を含む可能性がある。本発明の実施形態を、ホットウォールＣＶＤシステム以外の堆積システムの型において使用してもよい。本発明のシステムおよび方法に対する他の変形は、本明細書中の説明を読めば当業者にとって明らかであろう。

プロセスガス供給系１６１は、プロセスガス供給源１６０を含む。プロセスガスは、試薬、反応物質、種、キャリアなどのような１つまたは複数の成分を含む。１つまたは複数のこれらの成分は、単独で、あるいは（同様に、プロセスガス中に存在していてもよい）１つまたは複数の他の成分と共同して、天井または内部表面１２０のような表面上に堆積物を形成することができる可能性がある（図３）。天井表面１２０と接触する際に堆積物を形成する、あるいは形成を補助する可能性がある代表的な成分は、ＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_２Ｈ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_３（ＣＨ_３）、ＮＨ_３、トリメチルガリウム、およびトリメチルアルミニウムを含む。基板上にＳｉＣ層を形成させることが望まれる場合、プロセスガスは、精製水素ガス（Ｈ_２）のようなキャリアガスと共に、シラン（ＳｉＨ_４）およびプロパン（Ｃ_３Ｈｇ）のような前駆体ガスを含んでもよい。必要とされる際に、流量制御および／または計量装置を備える１つまたは複数の加圧されたガスの容器からプロセスガス供給源１６０を与えてもよい。プロセスガスは、基板２０上にＳｉＣ、ＩＩＩ族窒化物、ケイ素、ゲルマニウム、および／またはＩＩＩ−Ｖおよび／またはＩＩ−ＶＩ化合物またはインターアロイの層を堆積させるのに適合する可能性がある。

バッファガス供給系１７１は、ライン１７２によってサセプタアセンブリ１００に流体的に接続されたバッファガス供給源１７０を含む。必要とされる際に、流量制御および／または計量装置を備える加圧されたガス（単一または複数）の１つまたは複数の容器からバッファガス供給源１７０を与えてもよい。バッファガスを予備加熱するために、サセプタアセンブリ１００の中あるいはサセプタアセンブリ１００において、またはバッファガス供給源１７０において、ライン１７２に沿ってヒーター１７４を与えてもよい。

バッファガスは、任意の適当なガスであってよい。いくつかの実施形態に従って、バッファガスは、プロセスガス中に存在する種あるいは成分の多くまたは選択された成分に関して、比較的低い拡散速度を有するガスである。いくつかの実施形態に従って、バッファガスは希ガスである。希ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、ラドン、またはキセノンを含んでもよい。他の適当なガスは、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３または空気を含む。バッファガスは、プロセスガスの反応物質の堆積物の除去または阻止を化学的に補助することができる種を含んでもよく、または実質的にそれから構成されていてもよい。例えば、いくつかの実施形態に従って、および具体的には基板上にＳｉＣの層を成長させるためのプロセスの場合は、バッファガスは、ＨＣｌ、Ｃｌ_２のようなエッチング剤および／またはプロパンのような炭素含有ガスを含む。

さらに詳細にサセプタアセンブリ１００に目を向けて、および図２から４を参照して、サセプタアセンブリ１００は、上部部材１１０、１対の側面部材１３０、および下部部材１４０を含む。サセプタアセンブリ１００は、入り口端１００Ａから出口端１００Ｂまで伸びる。部材１１０、１３０、１４０は、入り口開口部１０２（端１００Ａにおいて）および出口開口部１０４（端１００Ｂにおいて）を画定する。同様に、部材１１０、１３０、１４０は、プロセスガス入口１０２Ｂから開口部１０４まで伸びる反応室１０６を確定する。いくつかの実施形態に従って、反応室１０６は、約０.１メートルと１メートルとの間の長さ、約０.０５メートルと０.５メートルとの間の幅、および約１ｃｍと１０ｃｍとの間の高さを有する。

上部部材１１０は、層１１４によって被覆される（および好ましくは実質的に完全に包囲される）コアすなわちサセプタ本体１１２を含む。層１１４は、天井、すなわち反応室１０６に向いて隣接する内部表面１２０を含む。

コア１１２は、好ましくは、ＥＭＦ発生器１８２によってその中で発生される渦電流に応答して熱を発生させるのに適当なサセプタ材料で形成され、そのような材料および誘導加熱の配列は当業者によく知られている。コア１１２は、グラファイト、およびより好ましくは高純度グラファイトで形成されてもよい。

層１１４は、高純度を有しおよびプロセス温度（典型的には、ＳｉＣ堆積に関して１５００℃から１８００℃の範囲）に耐えることができる材料で形成されてもよい。層１１４は、例えば、ＳｉＣ、あるいはＴａＣ、ＮｂＣおよび／またはＴｉＣのような耐火性の金属炭化物で形成されてもよい。任意の適当な方法によって、コア１１２に層１１４を塗布してもよい。好ましくは、層１１４は、高密度で不浸透性の被膜であり、および少なくとも約１０μｍ、およびより好ましくは約２０μｍと１００μｍとの間の厚さを有する。

上部部材１１０は、開口部１０２と隣接する下向きの段状部１１６をさらに含む。段状部１１６とライナー１５２の下にある部分とが、プロセスガス注入口１０２Ｂ、および開口部１０２からプロセスガス注入口１０２Ｂまで伸びるプロセスガス注入口通路１０２Ａを画定する。同様に、段状部１１６は、反応室１０６の上部におけるバッファガス領域１０６Ａ（図３）を画定する。

上部部材１１０を通って複数の通路１１７（１つを図３の中に示す）が伸び、およびそれぞれのポート１７６（図３および４を参照のこと）において終わる。バッファガスライン１７２を通路１１７に接続するために、横方向の通路１１７Ｂ（図３）によってマニホールド配列の中で相互に連結されていてもよい共通の供給注入口１１７Ａ（図２および３）を備える。あるいはまた、ポート１７６のいくつかまたはそれぞれに、別個のラインおよび／または入り口を備えていてもよい。上部部材１１０において、通路１１７、注入口１１７Ａおよびポート１７６を、穿孔または成形のような任意の適当な方法によって形成してもよい。

下部部材１４０は、被膜すなわち層１４４によって被覆されたコア１４２を含む。コア１４２および層１４４を形成するための適当な材料および方法は、コア１１２および層１１４に関する上述のとおりである。同様に、側面部材１３０は、コア１１２および層１１４に関する上述と同一の材料で形成されおよび同一の方法を使用してもよいそれぞれのコア（図示せず）および被覆層を含む。

図３および４の中に示されるように、下部部材１４０の上にライナー（単数または複数）１５２が重なってもよい。ライナー１５２は、例えば、その開示が参照によって本明細書中に組み込まれる特許文献１に開示されるように、ＳｉＣまたはＳｉＣ被覆グラファイトで形成されてもよい。

基板２０を支持するために、下部部材１４０と基板２０との間にプラッタ１５４などを据えてもよい。いくつかの実施形態に従って、プラッタ１５４を、適当な機構（図示せず）によって回転駆動してもよい。例えば、システムは、それらの開示が全体として参照によって本明細書中に組み込まれる出願人の特許文献２（「炭化ケイ素層を形成するためのガス駆動型回転装置および方法」）および／または出願人の特許文献３（「炭化ケイ素層を形成するためのガス駆動型遊星回転装置および方法」）に記載されるようなガス駆動型回転システムを含んでもよい。あるいはまた、プラッタ１５４は固定されていてもよい。プラッタ１５４は、１つまたは多数の基板２０を保持するのに適合する可能性がある。プラッタ１５４は、ＳｉＣ被覆グラファイト、中実ＳｉＣまたは中実ＳｉＣ合金のような任意の適当な材料で形成されてもよい。下部部材１４０、ライナー１５２、または他の適当な支持体上に基板が載っているように、プラッタ１５４を省略してもよい。

使用にあたって、プロセスガス供給系１６１は、注入口開口部１０２を通して反応室１０６にプロセスガスの流れを供給する。プロセスガスＰは、概して流れ方向Ｒに流れる（図３）。図３においてＰと表示される矢印は、プロセスガスおよびその中の試薬の概略の流路を示す。示されるように、プロセスガスおよびその中の試薬は基板２０と接触して、基板２０の露出表面上に所望の層（例えば、エピ層）を形成する。

同時に、バッファガス供給系１７１は、バッファガスＢが概して流れ方向Ｒにて反応室１０６を貫流するように、ポート１７６を通して反応室１０６のバッファガス領域１０６Ａの中へバッファガスの流れを供給または挿入する。図３においてＢと表示される矢印は、バッファガスの流れの概略の流路を示す。バッファガスＢは、図３の破線から天井表面１２０まで上側に広がって流動するバッファガスのバリア層１７８を形成するように、天井すなわち内部表面１２０に沿ってバッファガス領域１０６Ａの中を流れる。

バリア層１７８は、プロセスガスＰおよびその成分の運動が、プロセスガスＰの試薬または反応物質がさもなければ堆積物を形成する可能性がある天井表面１２０と接触するように移動することを、阻止または防止する役目を果たす。バリア層１７８の下で、プロセスガスＰは、基板２０の方へ、基板２０の上方に、および基板２０を越えて、通常の方法で流れることが許される。このように、プロセスガスＰおよび堆積システム１０１は、基板２０の露出表面（単数または複数）の上に所望の層（単数または複数）を形成する。同様に、バッファガスＢの流れは、基板２０に向かってプロセスガスＰの反応物質流を押して、それによって成長速度を加速する役目を果たす。

以下により詳細に論じるように、いくつかの実施形態に従って、バッファガスＢ流を実質的に層流として維持する。バッファガスＢの流れが層状である限りは、プロセスガスＰからの試薬または他の成分が天井表面に達することができる唯一の方途は、プロセスガスＰ流からのおよびバリアガスＢ流を通り抜ける拡散による。一般的に、拡散する種がタイムスパンｔの間に横断する距離Ｓは関係式

に従い、式中、Ｄは拡散速度である。本発明の場合は、ｔは反応室１０６を通り抜ける種の通過時間である。懸念の通過距離は、どの程度の長さにわたってプロセスガス注入口１０２Ｂの下流の堆積物を阻止することを、オペレーターまたは設計者が望むかに依存する。大抵の場合は、基板２０の下流側の縁に至るまで天井表面１２０上の堆積物の形成を阻止または防止することが、十分であると考えられる。図３において説明されるサセプタアセンブリ１００において、この通過距離を距離Ｌによって示す。一般的に、通過時間を以下のように測定することができる：

式中：
Ｌ＝サセプタの長さ
Ｍ＝質量流量
ρ＝圧力、温度およびガス組成によって決定されるサセプタ内部におけるガスの平均密度
Ａ＝サセプタ開口部の断面積

バリア層１７８がプロセスガスＰの成分の全ての拡散を防止するために、バリア層１７８の厚さＳ（一般的に段状部１１６の高さＩに相当する）は：

を満たすべきである。

本明細書の説明を読めば、本発明に従って、バッファガスＢの完全な層流と前述の基準を満たす厚さＳを有するバリア層１７８とによって達成されるように、プロセスガスＰの全成分が天井表面１２０と接触するのを完全に防止する必要はないことを当業者は理解するであろう。むしろ、システム１０１は、いくらかの乱流を許容するように設計され、および／または全ての堆積物を排除するのに必要な厚さ未満のバリア層厚Ｓを有するように設計される。このように、例えば、システム１０１は、寄生堆積物に大幅な減少を与える一方で、いくらかの堆積物が生じるのを許容してもよい。いくつかの実施形態に従って、天井表面１２０上の寄生堆積物の形成の速度は、好ましくは基板２０上の成長速度の２分の１以下であり、および、より好ましくは基板２０上の成長速度の４分の１以下である。

天井表面１２０の保護にさらなる余裕を与えるために、またはバッファガス流Ｂにおける乱流を補償するために、バリア層厚Ｓを増大させてもよい。バッファガス領域１０６Ａの高さは、バリア層１７８の最適な厚さＳと比べて、大きくても、小さくても、または同じであってもよい。

さらに、天井表面１２０上の堆積物の所望の減少または防止を得るために必要とされるバッファガスＢ流の層流の程度および距離Ｓを決定する際に、さまざまなプロセスパラメータを考慮してもよい。例えば、典型的なＳｉＣエピ層成長温度（すなわち、約１５００℃から１８００℃の範囲）において、エッチおよび堆積プロセスが同時に生じる可能性がある。従って、所定の成長条件に関して、表面（本件において、天井表面１２０）を安定させるために必要な臨界最小試薬供給速度が存在する可能性がある。臨界値を超える試薬供給速度は天井表面１２０上に寄生堆積物の成長をもたらし、一方、臨界値未満の供給速度は天井表面１２０からの寄生堆積物のエッチングをもたらす。従って、たとえ天井への試薬の流動を臨界供給速度まで単に減少させても、本質的に天井上に正味の堆積は生じないであろう。

好ましくは、堆積システム１０１は、少なくとも基板２０の下流の位置まで、およびより好ましくは、反応室１０６全体を通してバッファガスＢの流れおよびプロセスガスＰの流れを層流として維持するのに適合して、バリア層１７８を通り抜けるプロセスガスＰの輸送を促進する可能性のある流れ間における混合または乱流を減少または防止する。

層流を促進するために、反応室１０６、プロセスガス注入口１０２Ｂ、およびバッファガスポート１７６の相対的な寸法および配置を選択してもよい。いくつかの実施形態に従って、および説明されるように（図３および４を参照のこと）、プロセスガス注入口１０２Ｂは断面（すなわち、ガスの流れ方向Ｒに略垂直、図４中に示される）において反応室１０６より小さいので、プロセスガスの中へまたはプロセスガスＰの変更されていない流路の中へバッファガスＢを挿入することなしに反応室１０６の中へバッファガスＢを挿入するために、反応室１０６の中に残存空間（すなわち、バッファガス領域１０６Ａ）が得られる。

説明される実施形態において、段状の部分１１６の設備は、層流を促進する可能性がある。本発明のいくつかの実施形態に従って、開口部１０２の高さＧと段部分１１６の高さＩとの合計は、反応室１０６の全高Ｈと実質的に同一である（図３参照のこと）。好ましくは、反応室１０６の断面積（すなわち、ガスの流れ方向Ｒに略垂直、および図４の中に示される）が、プロセスガス注入口１０２Ｂおよび階段部分１１６の総断面積と実質的に同一となるように、プロセスガス注入口１０２Ｂ、階段部分１１６、および反応室１０６の幅は実質的に同一である。このように、プロセスガスＰの流れおよびバッファガスＢの流れは、ガスＰ、Ｂの流れの方向Ｒに沿って、反応室１０６において実質的に同軸位置で平行に反応室１０６に入る。プロセスガスＰの自然な流路の上方にバッファガス領域１０６Ａを備えるので、プロセスガスＰを実質的に置換することなしにバッファガスＢを反応室１０６に挿入することができる。結果として、別の方法ではプロセスガスＰの経路の中へバッファガスＢを最初に導入することによって発生する乱流およびガス流の混合が回避される可能性がある。段部分１１６の高さＩは、好ましくは、反応室１０６の高さＨの約５％と２５％との間である。

いくつかの実施形態に従って、および説明されるように、反応室１０６は、実質的にその全長に沿って実質的に均一な高さＨを有する。この場合において、反応室１０６は、その全長に沿って実質的に均一な断面積を有していてもよい。この構造は、プロセスガスＰの流れとバッファガスＢの流れとの間の境界層の完全性を促進する役目を果たす可能性がある。反応室１０６の高さＨは、好ましくは、約０.５ｃｍと５ｃｍとの間である。さらなる実施形態に従って、高さＨは均一でははく、しかしむしろプロセスの均一性または効率を改善するために、天井はどちらかの方向に傾斜または湾曲している。この場合において、反応室１０６の断面積は均一にまたは不均一に変動してもよい。

段状部１１６およびポート１７６を示しおよび説明したが、バッファガスＢの流れの中の乱流を制御するために、他の特徴部および幾何学的配置を使用してバッファガスＢの流れを制御してもよい。プロセスガス注入口通路１０２Ａ、プロセスガス注入口１０２Ｂ、注入口開口部１０２、バッファガス通路１１７、および／またはバッファガス注入口１７６の構造は、プロセスガスＰ、バッファガスＢ、およびそれらの間の層流を促進するのに適合する可能性がある。プロセスガス注入口通路１０２Ａの軸方向の長さＫ（図３）を延長して、プロセスガスＰがプロセスガス注入口１０２Ｂを通って反応室１０６に入る前に、入り口１０２を通って入るプロセスガスＰの中の乱流を減少させてもよい。しかしながら、通路１０２Ａはサセプタアセンブリ１００の内部にあり、および従って加熱されるので、通路１０２Ａの天井表面に堆積物を形成する傾向のある反応が起こる可能性がある。この限りでは、通路１０２Ａの長さを最小化することが望ましい可能性がある。バッファガスポート１７６を１つまたは複数の適当に設計されたスロットに置き換えてもよい。

いくつかの実施形態に従って、反応室１０６を貫くプロセスガスＰの速度とバッファガスＢの速度とは実質的に同一である。ＳｉＣエピタキシーに関して、反応室１０６の長さが約０.１ｍと１ｍとの間である本発明のいくつかの実施形態によれば、バリア層１７８を貫くプロセスガスＰの拡散のための時間を制限するために、ガスＰ、Ｂの速度は少なくとも約１ｍ／ｓ、および好ましくは約５ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの間である。

バリア層１７８の完全性をさらに促進しおよびそれによってそれを貫くプロセスガスＰの拡散を阻止するために、隣接するプロセスガスＰの温度よりも高い温度でバッファガスＢを提供してもよい。より高温のバッファガスＢは、より高温のガスの相対的な浮力のために、天井表面１２０に沿って、相対的により冷たいプロセスガスＰから必然的に分離する。いくつかの実施形態に従って、反応室１０６の中において、バッファガスＢの平均の温度は、プロセスガスの平均の温度よりも少なくとも１０℃高い。

ヒーター１７４を用いてバッファガスＢを加熱してもよい。それに加えて、またはその代わりに、プロセスガスＰが接触する反応室１０６に隣接する下方の表面の温度よりも高い温度まで天井表面１２０を加熱することによって、すなわち、天井表面１２０と、床、プラッタ１５４および／またはプロセスガスＰと接触する他の表面との間に温度差を与えることによって、バッファガスＢを加熱してもよい。つまり、反応室１０６の中の温度プロフィールを、天井表面１２０から反応室１０６に隣接する下方のおよび／または他の表面にまで広がる空間的に不均一（例えば、勾配）であるように、意図的および選択的に維持してもよい。例えば、コア１１２と天井表面１２０との間に備えているよりも優れた断熱材を、コア１４２と、プロセスガスＰに接触するライナー１５２、プラッタ１５４および基板２０の表面との間に備えることによって、このことを達成してもよい。例えば、所望の相対的な断熱効果を与えるために、ライナー１５２および層１１４を（例えば、材料および厚さの選択によって）適当に相対的に構成してもよい。上部部材１１０および下部部材１４０は、主としてそれらのグラファイトコア１１２、１４２の抵抗率によって誘導的に加熱されるので、プロセスガスＰと接触するライナー１５２、プラッタ１５４および基板２０の表面の温度は、それによって、天井表面１２０の温度と比較して低下する。従って、バッファガスＢは、プロセスガスＰよりも速い速度で加熱される。コア１１２から天井表面１２０までの熱の伝導を促進するために、芯１１２上に層１１４を直接被覆して、相対的に一体式または単一式の上部部材１１０を形成してもよい。

その代わりに、またはそれに加えて、層１４４および／またはライナー１５２またはプロセスガスＰ流と接触する他の表面の材料よりも低い放射率を有する材料から層１１４（および、従って、天井表面１２０）を形成することによって、天井表面１２０とライナー１５２または他の下方の表面のような他の表面との間の温度差を生み出し、または増大させることができる。例えば、層１１４をＴａＣ（約０.４の放射率を有する）で形成してもよく、および、ライナー１５２およびプラッタ１５４をＳｉＣ（約０.９の放射率を有する）で形成してもよい。結果として、層１１４、および従って天井表面１２０は、放射線からの熱を比較的ほとんど失わず、天井表面１２０により高い温度をもたらす。その上、寄生堆積物は、ＳｉＣと比べてＴａＣまたは他の金属炭化物に対してあまりよく付着しない傾向がある。更なる利点として、多くの用途において、ＴａＣ被膜は典型的にＳｉＣ被膜より耐久力があり、このことは部品の耐用年数を長引かせるのに役立つ。

バリア効果に加えて、例えば、前述の１つまたは複数の方法で、天井表面１２０を加熱して、天井表面１２０を反応室１０６の中の他の構成要素よりも十分に高温として、天井表面１２０上の堆積物のエッチングまたは昇華を誘発するようにすることができる。すなわち、相対的に熱い天井表面１２０上の堆積物は、天井表面１２０上に残るよりもむしろ、エッチング除去されるかまたは昇華し、そしてバッファガスＢまたはプロセスガスＰに戻る傾向がある。

前述のように、バッファガスＢは、ＨＣｌまたは他の活性ガスから成るかまたはこれを含んで、天井表面１２０上の寄生堆積物の形成を化学的に妨害し、および／またはそのような堆積物を除去することができる。

天井表面１２０上の寄生堆積物の成長は阻止または抑制されるため、洗浄などが必要とされる前に、反応室１０６を通してより大量のプロセスガスＰを流すことができる。本発明に従う堆積システムおよび方法は、繰り返し性および効率を改善すると同時に、許容される成長時間および層厚を大きく拡大する可能性がある。さらに、堆積物形成の速度の減少はより低い天井高さの使用を可能にし、それはプロセスガスのより効率的な使用および改善された熱均一性を可能にする。

水平な、ホットウォール、ＣＶＤ、貫流堆積プロセスに関するものとして前述の堆積システム１０１および方法を説明したが、堆積システムおよびプロセスの他の型において、本発明の様々な態様を使用してもよい。「上部」、「下部」などを言及して特定の実施形態を説明したが、本発明に従って他の配列および構造を採用してもよい。例えば、堆積システムおよびプロセスは、コールドウォールおよび／または非水平貫流システムおよびプロセスであってもよい。堆積システムおよびプロセスは、ＣＶＤシステムまたはプロセスではなく、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）、またはプラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）堆積システムおよびプロセスであってもよい。本発明は、反応室の天井表面にバリア層を与えることに限定されない。バッファガス供給系を変形して、天井表面に加えて、または天井表面の代わりに、１つまたは複数の表面に沿ってバッファガス流を与えてもよい。例えば、バッファガス供給系を採用して、下方のライナーまたは基板２０から上流の他の表面上、または寄生堆積物が問題となる他の位置において、寄生堆積物が形成されることを阻止してもよい。

半導体ウエハーのような基板上に層を堆積するためのプロセスに関してシステムおよび方法を説明してきたが、他の型の基板上に層などを堆積させるためのプロセスにおいて、本発明を採用してもよい。本発明のシステムおよび方法は、基板上にエピタキシャル層を形成させるためのプロセスにおいて特に有用である可能性がある。

本発明に従って、様々な他の変形を行っても良い。例えば、貫通通路を備えるのではなく、一端または両端で反応室を閉鎖してもよい。誘導性の加熱以外の、または誘導性の加熱に加えて、加熱システムを使用してもよい。

本明細書中に使用される際に「システム」は、１つまたは多数の要素または特徴部を含んでもよい。添付の特許請求の範囲において、「堆積システム」、「堆積制御システム」、「バッファガス供給系」、「プロセスガス供給系」などは、前述の成分、態様、要素または特徴部、あるいは相当する成分、態様、要素または特徴部の全てを含むシステムに限定されない。

前述のものは、本発明の例示であり、およびそれを限定するものとして解釈されるものではない。本発明のいくつかの代表的な実施形態を説明してきているが、本発明の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなしに、代表的な実施形態において多くの変形が可能であることを当業者は容易に認識するであろう。従って、そのような変形の全ては、本発明の範囲内に含まれることを意図される。従って、前述のものは、本発明の例示であり、および開示された特定の実施形態に限定されるように解釈されるものではなく、および、開示された実施形態に対する変形は、他の実施形態と同様に、本発明の範囲内に含まれることを意図することが理解されるだろう。

本発明の実施形態に従う堆積システムの概略図である。 図１の堆積システムの一部を形成するサセプタアセンブリの斜視図である。 図２の線３−３に沿って取られた図２のサセプタアセンブリの断面図であり、その中で、バッファガス供給ライン、基板、バッファガスの流れ、およびプロセスガスの流れを同様に示す図である。 図２のサセプタアセンブリおよび基板の後部正面図である。 図５は、慣用の堆積システムの概略図である。

Claims (52)

1. 基板上に膜を堆積させるための堆積システムにおいて寄生堆積物を制御するための方法であって、その型の堆積システムは、基板を収容するための反応室を画定し、および反応室中のプロセスガスおよび反応室と隣接する内部表面を含み、該方法は：
   反応室の中のプロセスガスの温度よりも高い温度で反応室にバッファガスを与えること、および
   前記バッファガスを流して内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間に流動するガスバリア層を形成して、流動するガスバリア層が内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止するようにすること
   を含むことを特徴とする方法。
2. バッファガスを流す工程が、内部表面に沿ってバッファガスを流すことを含むこと特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 反応室を貫いて流れ方向にプロセスガスを流すことを含む方法であって、およびバッファガスを流す工程が反応室を貫いて前記流れ方向にバッファガスを流すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. バッファガスを流す工程が、プロセスガスと実質的に同じ速度で反応室を貫いてバッファガスを流すことを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. それぞれの流れの中および流れ間の乱流を阻止するように、バッファガスおよびプロセスガスの両方を流れ方向に沿って実質的に同じ位置において反応室へ導入することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. プロセスガス注入口を通して反応室の中へプロセスガスを流すことを含み、および：
   プロセスガス注入口が、反応室の中にバッファガス領域を画定するように、反応室の断面よりも小さい断面積を有することと；
   バッファガスを流す工程が、バッファガス領域の中へバッファガスを流すことを含むことと
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
7. バッファガスを流す工程が、内部表面に沿ってバッファガスの実質的に層状の流れを与えることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 内部表面が基板の上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. バッファガスを反応室の中へ導入する前にバッファガスを加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. バッファガスが内部表面に沿って流れる際にバッファガスを加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 内部表面上に堆積するプロセスガスからの寄生堆積物の昇華を促進するのに十分な温度まで内部表面を加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 内部表面と隣接するサセプタ部材を誘導的に加熱し、それによって内部表面を加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. バッファガスを流す工程が、少なくとも約１ｍ／ｓの速度で反応室を貫いてバッファガスを流すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. バッファガスを流す工程が、約５ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの間の速度で反応室を貫いてバッファガスを流すことを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. バッファガスが希ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. バッファガスが、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３および／または空気を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. バッファガスが、内部表面上の寄生堆積物の堆積を化学的に阻止すること、および／または内部表面から寄生堆積物を除去することができる活性物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 活性物質がエッチング剤を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記エッチング剤が、ＨＣｌ、Ｃｌ_２および炭素含有ガスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 堆積システムが化学気相堆積（ＣＶＤ）システムであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
21. 堆積システムがホットウォール型ＣＶＤシステムであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 基板が、ＳｉＣ、サファイア、ＩＩＩ族窒化物、ケイ素、ゲルマニウム、およびＩＩＩ−Ｖ化合物およびＩＩＩ−ＶＩ化合物およびインターアロイからなる群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. プロセスガスが、ＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_２Ｈ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_３（ＣＨ_３）、ＮＨ_３、トリメチルガリウム、およびトリメチルアルミニウムからなる群から選択される試薬を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
25. プロセスガスが、ＳｉＣ、ＩＩＩ族窒化物、ケイ素、ゲルマニウム、およびＩＩＩ−Ｖ化合物およびＩＩＩ−ＶＩ化合物およびインターアロイからなる群から選択される材料の層を基板上に堆積させるのに適合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
26. 前記バッファガスの平均温度は、前記反応室内のプロセスガスの平均温度よりも少なくとも１０℃高温であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
27. プロセスガスを使用する、基板上に膜を堆積させるための堆積システムであって、前記堆積システムが：
    ａ）基板およびプロセスガスを収容するのに適合する反応室と；
    ｂ）反応室と隣接する内部表面と；
    ｃ）プロセスガスを反応室の中に配置するときに、バッファガスの流れがガスバリア層を形成して内部表面とプロセスガスの成分との間の接触を阻止するように、内部表面とプロセスガスの少なくとも一部との間にバッファガスの流れを供給するのに適合するバッファガス供給系と
    を含み、前記堆積システムが反応室の中のプロセスガスの温度よりも高い温度で反応室にバッファガスを与えるのに適合することを特徴とする堆積システム。
28. バッファガス供給系が、内部表面に沿ってバッファガスを流すのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 反応室にプロセスガスの流れを供給するためのプロセスガス供給系を含むことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
30. プロセスガス供給系が、反応室を貫いて流れ方向にプロセスガスの流れを供給するのに適合し；およびバッファガス供給系が、前記反応室を貫いて前記流れ方向にバッファガスを流すのに適合する
    ことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
31. バッファガス供給系およびプロセスガス供給系が、実質的に同じ速度で反応室を貫いてバッファガスおよびプロセスガスを流すのに適合することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. バッファガス供給系およびプロセスガス供給系が、バッファガス流およびプロセスガス流の中および間の乱流を阻止するように、バッファガスおよびプロセスガスの両方を流れ方向に沿って実質的に同じ位置において反応室の中へ導入するのに適合することを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
33. 反応室にプロセスガスを供給するためのプロセスガス注入口を含み：
    反応室の中にバッファガス領域を画定するように、プロセスガス注入口が反応室の断面積より小さい断面積を有し；および
    バッファガス供給系が、バッファガス領域の中へバッファガスを流すのに適合する
    ことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
34. バッファガス供給系が、内部表面に沿ってバッファガスの実質的に層状の流れを与えるのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
35. 内部表面が反応室の天井表面であることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
36. バッファガス供給系が、反応室の中へバッファガスを導入する前にバッファガスを加熱するのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
37. バッファガスが内部表面に沿って流れる際にバッファガスを加熱するのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
38. 内部表面上に堆積するプロセスガスからの寄生堆積物の昇華を促進するのに十分な温度まで内部表面を加熱するのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
39. バッファガス供給系が、反応室を貫いて少なくとも約１ｍ／ｓの速度でバッファガスを流すのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
40. バッファガス供給系が、反応室を貫いて約５ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの間の速度でバッファガスを流すのに適合することを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
41. バッファガス供給系がバッファガスの供給源を含むことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
42. バッファガスが希ガスを含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
43. バッファガスが、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３および／または空気を含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
44. バッファガスが、内部表面上の寄生堆積物の堆積を化学的に阻止すること、および／または内部表面から寄生堆積物を除去することができる活性物質を含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
45. 活性物質がエッチング剤を含むことを特徴とする請求項４４に記載のシステム。
46. 前記エッチング剤が、ＨＣｌ、Ｃｌ_２および炭素含有ガスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４５に記載のシステム。
47. システムがホットウォール型ＣＶＤシステムであることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
48. プロセスガスを反応室の中に配置する際に、プロセスガスと接触するのに適合する第２の表面よりも高い温度まで内部表面を加熱するのに適合することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
49. 第２の表面は第１の材料を含み、および内部表面は第２の材料を含み、前記第２の材料が第１の材料よりも低い放射率を有することを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
50. 第２の表面がＳｉＣで形成され、および内部表面が金属炭化物で形成されることを特徴とする請求項４９に記載のシステム。
51. 第２の表面が、ＴａＣおよびＮｂＣの少なくとも１つで形成されることを特徴とする請求項５０に記載のシステム。
52. 渦電流に応答して内部表面および第２の表面のそれぞれを加熱する少なくとも１つのサセプタ部材を含むことを特徴とする請求項４９に記載のシステム。

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