JP4880624B2 - 気相成長用サセプター及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｓｉ（シリコン）ウェハ等の半導体ウェハにＣＶＤ法によりエピタキシャル膜を成長させる際に、その半導体ウェハを収納載置するための改良された気相成長用サセプター及びその製造方法に関するものである。

従来、この種の気相成長用サセプター（以下単に「サセプター」という。）は、主として黒鉛を基材とするサセプター本体に半導体ウェハを収納配置する円形の座ぐり凹部を複数設け、かつサセプター本体の吸蔵ガスがエピタキシャル処理中に放出されて半導体ウェハが汚染されないようにするため、サセプター本体に対し、予めＣＶＤ法により緻密質の炭化ケイ素膜（以下「ＳｉＣ膜」という。）を一定の厚み（例えば３０〜３００μｍ程度の厚み）にコーティングしたものが使用されている。

ところで、このようなサセプターの製作時のコーティングは、通常、以下の要領で行なわれる。即ち、予め成形された黒鉛製サセプターを適当な治具で支持してＣＶＤ炉内に挿入し所定位置にセットした後、最初のコーティングを行い、黒鉛基材の表面にＳｉＣ膜を所定厚みだけ形成する。この場合、黒鉛基材の表面のうち治具による支持跡、つまり治具で支持していた部分に相当する範囲の表面にはＳｉＣコーティングガスが流れないため、ＳｉＣ膜の形成が不十分となる。そこで、１層のＳｉＣ膜が形成されたサセプターを一旦炉出しした後、ＣＶＤ炉の運転条件（ＣＶＤ操作条件）を上記支持跡に相当する黒鉛基材の表面上にも十分なＳｉＣ膜が形成できるように設定し直す。そして、上記１層のＳｉＣ膜が形成されたサセプターを上記支持跡が露出するようにして再びＣＶＤ炉内にセットし、２回目のコーティングを行い、先に形成された１回目のＳｉＣ膜の表面にさらにＳｉＣ膜を所定厚みだけ積層するように形成する。このようにして通常２回（必要に応じてそれ以上の回数）のコーティングを行って、ＳｉＣ膜の表面むらを無くすと同時に目的の厚み分に達すればコーティングを終了する。

しかし、従来のサセプターでは、Ｓｉウェハ等の半導体ウェハ（以下、Ｓｉウェハで代表する。）をセットしてエピタキシャル膜成長処理を施した場合、形成されたエピタキシャル膜成長層の抵抗値が目的抵抗値から大きくはずれ、ばらつくような現象、いわゆるＳｉウェハの抵抗異常が度々発生し、問題とされていた。また、いわゆるノンドープテストと称される予備的なエピタキシャル膜成長確認実験でもノンドープ不良の事実が度々確認され、エピタキシャル膜成長処理の効率、ひいては半導体製品の生産性にも悪影響が生じることがあった。さらには、サセプター自体にも、使用開始後、比較的早期にＳｉＣ膜にピンホールが発生する場合があった。このようなピンホールが発生すれば、もはやサセプターとしては機能し得ないため新しいサセプターと交換しなければならず、このことも半導体製品の価格を高くする一因とされていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ｓｉウェハの抵抗異常やノンドープ不良の発生を回避し、さらにＳｉＣ膜のピンホール発生を十分に抑制し延命化された新規かつ有用なサセプター及びその製造方法を提供する点にある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明者は、上記のＳｉウェハの抵抗異常やノンドープ不良さらにはＳｉＣ膜のピンホール発生によるサセプターのライフエンド・取替えという事態が発生する原因について様々な角度から検討してきた。その結果、以下の点に大きな原因があることが分かった。
（１）従来のサセプターでは、サセプター本体である黒鉛基材そのものについては、当然、半導体用サセプターとして製造の最終段階で必要な純化処理がなされているわけであるが、ＳｉＣコーティングの前にその黒鉛基材の表面をさらに高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄することは一般に行われていないこと。
（２）また、２回目のコーティングの際にサセプターを炉出して治具による支持位置を変更した後、再び炉入れするという作業が行われること。

即ち、黒鉛基材そのものをある程度乾式洗浄しても、その表面には時には、微量の不純物やパーティクルが付着しており、この状態の黒鉛基材の表面に対し特別の配慮なしにいきなりＳｉＣ膜を形成すると、黒鉛基材とＳｉＣ膜（第１層）との界面にその微量の不純物やパーティクルがそのまま残ってしまうことがある。さらに、この場合は、２回目のコーティング直前の炉出しの間にＳｉＣ膜（第１層）表面に新たな不純物やパーティクルが付着・混入し、この状態の表面にＳｉＣ層（第２層）が積層され、炉出しされる。従って、ＳｉＣ膜全体としてその内部にも最上面にも無視できない不純物やパーティクルが混入し付着したままのサセプターとなっており、この不純物やパーティクルの混入・付着が最大の原因であることを見出した。そこで、本発明者は、その不純物やパーティクルの混入・付着量を極めて少なくするための技術を開発すべく更に検討を重ねた末、本発明を完成したものである。

本発明の気相成長用サセプターは、黒鉛基材の表面に炭化ケイ素膜が被覆された気相成長用サセプターにおいて、前記炭化ケイ素膜の最表層膜表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下である。
また、別の観点による本発明の気相成長用サセプターは、黒鉛基材の表面に炭化ケイ素膜が被覆された気相成長用サセプターにおいて、前記炭化ケイ素膜を少なくとも２回以上被覆し且つ、前記工程毎に最表面を高温下でハロゲンを含むガスによる乾式洗浄により、最表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１．０×１０ ^１１ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 以下である。

上記構成によると、ＳｉＣ膜の最表面には、従来のサセプターで時折見られたような不純物やパーティクルは確実に取り除かれており、ＳｉＣ膜にピンホールの発生する可能性を小さくすることができる。この結果、不純物等の存在ゆえに度々発生していたＳｉウェハの抵抗異常やノンドープ不良を回避し、エピタキシャル膜成長処理の効率を著しく改善することができる。また、ＳｉＣ膜の最表面の乾式洗浄のレベルが、ＳｉＣ膜の表面の不純物量を基準としてすべての元素において１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であるので、本発明の効果を一層確実、顕著なものとすることができる。

本発明の気相成長用サセプターにおいて、前記黒鉛基材が、乾式洗浄されている表面を有していることが好ましい。また、前記少なくとも２層以上被覆されている炭化ケイ素膜のそれぞれが、乾式洗浄されている表面を有していることが好ましい。これにより、本発明のサセプターにおいて、ＳｉＣ膜中に不純物がほとんど存在しないので、ＳｉＣ膜にピンホールの発生する可能性を極めて小さくすることができる。即ち、従来のサセプターの場合、１０００〜１２００°Ｃという高温下でのエピタキシャル成長処理にＳｉＣ膜中の不純物等がＳｉＣと反応し、ＳｉＣ膜が局所的に消耗してピンホールとなっていたわけである。また、上記のとおりＳｉＣ膜中には不純物がほとんど混入しておらず、言い換えれば混入量は極微量であるため、高温下でのＳｉＣとの反応速度は極めて緩やかであり、従ってピンホール発生までの期間が非常に長くなり、寿命の長いサセプターとすることができる。これにより、Ｓｉウェハの生産コストの低減化に貢献することができる。

本発明の気相成長用サセプターの製造方法は、座ぐり凹部が形成された黒鉛基材の表面に、炭化ケイ素膜を複数回被覆する炭化ケイ素膜被覆工程と、前記炭化ケイ素膜被覆工程において被覆された最表層の前記炭化ケイ素膜を、高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄する工程とを有する。特に、前記最表層炭化ケイ素膜乾式洗浄工程において、前記最表層の炭化ケイ素膜の表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下になることが好ましい。また、前記炭化ケイ素膜被覆工程の前に、前記黒鉛基材の表面を乾式洗浄する黒鉛基材乾式洗浄工程と、前記炭化ケイ素膜被覆工程において形成された前記炭化ケイ素膜を乾式洗浄する炭化ケイ素膜乾式洗浄工程とを有することが好ましい。

上記構成によると、ＳｉＣ膜の内部及びその表面から不純物等が十分に除かれた状態の本発明に係るサセプターを確実に得ることができる。また、上記のように、炭化ケイ素膜被覆の開始前と終了後に表面の乾式洗浄が行われると、黒鉛基材の表面および炭化ケイ素膜の乾式洗浄がされ、黒鉛基材とＳｉＣ膜との界面をはじめＳｉＣ膜の内部及びその表面から不純物等が十分に除かれた状態のサセプターを確実に得ることができる。

本発明の気相成長用サセプターの製造方法において、前記乾式洗浄が、高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄されることにより、本発明にかかるサセプターを一層効率良く経済的に得ることができる。

本発明の気相成長用サセプターの製造方法において、前記ハロゲンを含むガスが、塩素ガスであることが好ましい。入手しやすい塩素ガスを使用することで、ランニングコストをできる限り抑制することができ、ひいてはＳｉウェハの生産コストの低減化に貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るサセプターの製作時のコーティングの状況を示す要部（座ぐり凹部の上面側）断面模式図である。図１において、予め円形の座ぐり凹部が周方向に複数設けられた黒鉛製サセプター本体１をＣＶＤ炉にセットした後、炉内を９００〜１３００°Ｃ及び１００ｈＰａ程度に昇温昇圧し、サセプター本体１の表面１ａに対して５〜１０％程度の濃度のハロゲンガス（塩素ガス）をキャリアガス（水素ガス）と共に２０〜６０分間程度吹きつけることにより、表面洗浄を行った。この洗浄により、黒鉛サセプター本体１の表面１ａに付着していた微量の不純物やパーティクルを確実に除去する。

表面洗浄が終われば、サセプターを炉出しすることなく昇温昇圧状態のままでＣＶＤ炉の運転に切り換える。つまり、ＣＶＤ処理用の原料ガスとしては、例えば、三塩化シラン（ＳｉＨＣｌ_３）、水素ガス及びプロパンガス（Ｃ_３ Ｈ_８ ）の組み合わせが挙げられる。ＣＶＤ炉の運転が終了した時点では、サセプター本体１とＳｉＣ膜２の界面（表面１ａに相当）からは不純物等が確実に除去された状態にある。

次に、サセプター本体１の治具による支持跡を変更するためにＣＶＤ炉を一旦冷却した後炉出して、所定の支持跡の位置変更を行い、再びＣＶＤ炉内にセットする。この後、上記と同様の昇温昇圧条件の下で、ＳｉＣ膜２の表面２ａに対して、サセプター本体１の表面１ａに対して行った塩素ガス洗浄と同様の洗浄を行い、炉出しの間に表面２ａに新たに付着した不純物等を除去する。表面２ａの洗浄が終われば、上記と同様に再びＣＶＤ処理運転（第２回目のＣＶＤ運転）に切り換え、ＳｉＣ膜３を形成する。

次に、昇温昇圧状態を保持したままで、ＳｉＣ膜３の表面３ａに対して、ＳｉＣ膜２の表面２ａに対して行った塩素ガス洗浄と同様の洗浄を行い、第２回目のＣＶＤ処理の間に表面３ａに付着した微量の不純物やパーティクルを確実に除去する。但し、最終的な洗浄でもある表面３ａの洗浄に際しては、洗浄後の表面３ａが表面不純物量にしてＢ，Ｃａ，Ｆｅ等のすべての元素において１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下となるように配慮することが望ましい。この程度の表面純度を確保すれば、本発明の目的であるＳｉウェハの抵抗異常やノンドープ不良の発生を１００％確実に回避することができるからである。

上記のように本発明では、同一ＣＶＤ炉を使用して複数回のコーティングによりサセプター本体１の表面１ａ上にＳｉＣ膜２、３を順々に積層形成する際に、積層の界面、ＳｉＣ膜及びその最上面、つまりサセプター本体１の表面１ａ、厚みＬのＳｉＣ膜２、３内及びＳｉＣ膜２、３の表面３ａを塩素ガスで純化するものである。

本実施形態によると、ＳｉＣ膜３の最表面３ａには、従来のサセプターで時折見られたような不純物やパーティクルは確実に取り除かれており、この結果、不純物等の存在ゆえに度々発生していたＳｉウェハの抵抗異常やノンドープ不良を確実に回避し、エピタキシャル膜成長処理の効率を著しく改善することができる。また、ＳｉＣ膜の最表面３ａの純化処理のレベルが、ＳｉＣ膜の表面の不純物量を基準としてすべての元素において１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ 以下であるので、本発明の効果を一層確実、顕著なものとすることができる。さらに、黒鉛サセプター本体１とＳｉＣ膜２、３との界面をはじめＳｉＣ膜２、３の内部及びその表面３ａから不純物等を確実かつ十分に除いた状態のサセプターが得られることになる。

また、ＳｉＣ膜２、３内からも不純物を確実に除去しているので、ＳｉＣ膜２、３にピンホールの発生する可能性は極めて少ない。即ち、従来のサセプターの場合、１０００〜１２００°Ｃという高温下でのエピタキシャル膜成長処理にＳｉＣ膜中の不純物等がＳｉＣと反応し、ＳｉＣ膜が局部的に消耗してピンホールとなっていたわけである。

これに対し、本発明のサセプターでは、上記のとおりＳｉＣ膜２、３中には不純物がほとんど混入しておらず、言い換えれば混入量は極微量であるため、高温下でのＳｉＣとの反応速度は極めて緩やかであり、従ってピンホール発生までの期間が非常に長くなり、寿命の長いサセプターとすることができる。また、Ｓｉウェハの生産コストの低減化に貢献することができる。

また、本実施形態にかかるサセプターの製造方法によると、ＳｉＣ膜２、３の内部及びその表面から不純物等が十分に除かれた状態のサセプターを確実に得ることができる。また、炭化ケイ素膜被覆の開始前と終了後に表面の純化処理が行われているので、黒鉛基材の表面１ａおよび炭化ケイ素膜２、３の純化処理がされ、黒鉛基材1とＳｉＣ膜２との界面をはじめＳｉＣ膜２、３の内部及びその表面３ａから不純物等が十分に除かれた状態のサセプターを確実に得ることができる。

また、純化処理が、高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄されているので、本発明にかかるサセプターを一層効率良く経済的に得ることができる。さらに、ハロゲンを含むガスに、入手しやすい塩素ガスが使用されているので、ランニングコストをできる限り抑制することができ、ひいてはＳｉウェハの生産コストの低減化に貢献することができる。

次に、実施例を用いて説明する。
（実施例）
１２．５μΩｍ（室温時）及び１２．０μΩｍ（１１５０℃）の固有抵抗を有し、嵩密度が１８００ｋｇ／ｍ^３ の等方性黒鉛を円盤状（直径７４０ｍｍ、厚み１８ｍｍ）に削り出した後、エンドミルにて直径１５０ｍｍ、深さ０．７ｍｍのウェハ収納載置用座ぐり凹部を複数加工した。さらに、ハロゲン含有ガス雰囲気中２４００℃に加熱して高純度処理した高純度黒鉛基材からなるパンケーキ型のサセプター本体（図１の１に相当）を得た。

コストのサセプター本体を治具によりＣＶＤ炉内にセットし、以下（１）〜（５）の条件でサセプター本体の乾式表面洗浄を行った。
〔表面洗浄条件〕：
（１）使用ガスとその濃度：塩素ガス（Ｃｌ_２ 濃度：７％）
（２）キャリアガス：水素ガス
（３）洗浄温度：１２００℃
（４）洗浄圧力：１００ｈＰａ
（５）洗浄時間：３０分

次に、表面洗浄が終われば、温度を下げることなくＣＶＤ炉内での洗浄運転をＣＶＤ処理運転に切り換えた。ＣＶＤ条件は、以下の（６）〜（９）のとおりである。
〔ＣＶＤ条件〕：
（６）原料ガス：三塩化シラン（ＳｉＨＣｌ_３ ），水素ガス及びプロパンガス（Ｃ_３ Ｈ_８）
（７）温度：１３００℃
（８）時間：９０分
（９）炉内圧力：１０ｋＰａ（ダイアフラム式圧力計にて測定）

上記のＣＶＤ処理より約５０μｍのＳｉＣ膜（第１層）が形成されたサセプターを一旦炉出しした後、先の治具による支持跡が露出するようにして再びＣＶＤ炉内にセットした。この後、再昇温及び昇圧し、上記と同一の条件で塩素ガスによる表面洗浄，ＣＶＤ処理によるＳｉＣ膜（第２層）の形成を順次実施し、さらに最後にＳｉＣ膜（第２層）の表面を同様に塩素洗浄して本発明のサセプターを得た。

（比較例）
実施例１で得たサセプター本体に対し、従来の方法で直ちにＣＶＤ処理して、その表面にＳｉＣ膜を１層、２層と順次コーティングし、同一厚みのＳｉＣ膜が形成されたサセプター（従来型サセプター）を得た。

本発明のサセプターと従来型サセプターの各ＳｉＣ膜表面の純度を調べ、分析を行った。その結果を表１に示す。また、ノンドープテストを行って、ノンドープ不良率の割合を調べると共に、サセプターのＳｉＣ膜にピンホールが発生するまでの回数、即ち寿命の程度を調べた。それぞれの結果を表２に併せて示す。

表１からも明らかなように、本発明に係るサセプターでは、ＳｉＣ膜の表面が従来型サセプターに比べて著しく純化されていることが分かる。この結果、ノンドープ不良が完全に回避され、しかも２倍以上の寿命を有する改良型サセプターが得られていることが分かる。

上記の実施例では、パンケーキ型のサセプターを取り上げて説明したが、本発明のサセプターは、このパンケーキ型に限られることなく、バレル型や枚葉型等のサセプターにも有効に適用することができる。

以上、本発明の実施形態の気相成長用サセプター及びその製造方法について説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。

本発明に係るサセプターの製作時のコーティングの状況を示す要部（座ぐり凹部の上面側）断面模式図である。

符号の説明

１ 黒鉛製サセプター本体
１ａ サセプター本体の表面
２ ＳｉＣ膜（第１層）
２ａ ＳｉＣ膜（第１層）の表面
３ ＳｉＣ膜（第２層）
３ａ ＳｉＣ膜（第２層）の表面
Ｌ ＳｉＣ膜全体の厚み

Claims (7)

1. 黒鉛基材の表面に炭化ケイ素膜が被覆された気相成長用サセプターにおいて、
   前記炭化ケイ素膜の最表層膜表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１．０×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする気相成長用サセプター。
2. 黒鉛基材の表面に炭化ケイ素膜が被覆された気相成長用サセプターにおいて、前記炭化ケイ素膜を少なくとも２回以上被覆し且つ、前記炭化ケイ素膜の最表面を高温下でハロゲンを含むガスによる乾式洗浄により、前記最表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１．０×１０ ^１１ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 以下であることを特徴とする気相成長用サセプター。
3. 前記ハロゲンを含むガスが、塩素ガスであることを特徴とする請求項２に記載の気相成長用サセプター。
4. 座ぐり凹部が形成された黒鉛基材の表面に、炭化ケイ素膜を複数回被覆する炭化ケイ素膜被覆工程と、
   前記炭化ケイ素膜被覆工程において被覆された最表層の前記炭化ケイ素膜を、高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄する工程とを有することを特徴とする気相成長用サセプターの製造方法。
5. 前記最表層炭化ケイ素膜乾式洗浄工程において、前記最表層の炭化ケイ素膜の表面の不純物量が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕのいずれの元素においても１．０×１０^１１ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下になることを特徴とする請求項４に記載の気相成長用サセプターの製造方法。
6. 前記炭化ケイ素膜被覆工程の前に、前記黒鉛基材の表面を高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄する黒鉛基材乾式洗浄工程と、
   前記炭化ケイ素膜被覆工程において形成された前記炭化ケイ素膜を高温下でハロゲンを含むガスにより乾式洗浄する炭化ケイ素膜乾式洗浄工程とを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の気相成長用サセプターの製造方法。
7. 前記ハロゲンを含むガスが、塩素ガスであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の気相成長用サセプターの製造方法。

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