JP4943850B2 - 炭化ケイ素層を形成するホモエピタキシャル成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル結晶成長に関し、より詳しく言えば炭化ケイ素のエピタキシャル成長に関する。

エピタキシャル成長は一般的に、基材上に高品質の層を形成するのに使用される。エピタキシャル結晶成長では、大きな成長速度と平坦な表面が望ましい。成長を行う反応器の容量が大きいことも、通常望ましい。

大気圧では、大きな基材上に良質の層を確実に形成するのは困難である。大気圧で成長させた層の表面形態は、通常、高度の均一な核生成のために芳しくない。均一核生成は、１又は数種の前駆物質が気相で反応して成長しクラスター又は微小結晶の物質を生成する場合に得られる結果である。例えば、シランは熱分解することができ、そしてシランの濃度が高い場合、ケイ素の小さな微結晶が成長する。圧力が低下し及び／又は水素キャリアの流量が増加すると状況は著しく改善するが、水素によるＳｉＣ表面のエッチングが目に見えて増大する。

炭化ケイ素の場合、標準的な前駆物質はシランと炭化水素であり、キャリアガスとして水素を同伴する。あいにく、反応器が大きくなるにつれて、より多くのシランを投入するのが必要なことからより高度の均一核生成が起こり、表面形態が不十分となって、深刻な場合には表面の粒子となり、反応器やサセプタの壁から落下した粒子と間違われることがよくある。均一核生成は、反応器内のうっすらとした煙として肉眼で（同等の濃度フィルタで強度についてスクリーニングして）認められることが非常にしばしばある。

シランの濃度が過度に高い（非常に過飽和）場合には、文字通りケイ素を「降らせ」て、基材表面に固まりを形成し、あるいは濃度がいくらか低い場合には、均一核形成により基材上に波状の効果を生じさせる。

これらの問題は、より多くの水素を加え、より低圧にし、及び／又はガスの入口を改良することにより軽減することができる。より多くの水素を、特に低圧との組み合わせで、加えるのは、あいにくながらＳｉＣのエッチング速度を増大させて、正味の成長速度を低下させる。それはまた、反応器内の材料、特にグラファイト材料に応力を加え、そして被覆物に孔をあけてたくさんの不純物を放出することがある。低圧での大きなガス流量は、ポンプの大きさ、ポンプ配管、及び反応器部品の冷却を増加させ、かなりの出費を生じさせることもある。大きなガス流量はまた、反応器の前部を著しく冷やして、その結果層の均一性を著しく低下させることがよくある。水素の一部に代えてアルゴンを添加すると均一性を向上させることができるが、アルゴンの添加は均一核生成の問題を大きくして、大きな反応器に対してそれを使用するのを非現実的にする傾向がある。

Ａｌｅｘ Ｅｌｌｉｓｏｎにより考案された「チムニー法（ｃｈｉｍｎｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」と呼ばれる興味深い成長技術は、非常に小さな水素流量と２００ｍｂａｒというかなり低い圧力を使用する。このシステムは垂直で入口が底部にあるが、圧力が低いために浮力が支配的な力にならず、それゆえ入口は上方からであっても同じようにうまくいくことができる。この技術の原理は、シランが入口領域で分解してケイ素クラスターを形成することである。ケイ素のこれらのクラスターはキャリアの流動により基材に向かって運ばれる。温度が上昇するにつれて（基材温度は１７００〜１９００℃である）、ケイ素クラスターは分裂して（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｅ）成長が可能になる。ケイ素クラスターが分裂するようにガスを十分加熱することが重要である。水平反応器では、試料を逆さまに配置しない限り、この方法はうまくいかない。それらを逆さまに配置すると、降下してくるケイ素の小滴により作られる大きな固まりが基材上に現れる。この技術での成長速度は、小量のシランガスを使用して１０〜５０μｍ／ｈ程度である。ドーピングは非常に小量であるが、高温のためにキャリアの寿命は芳しくなかった。表面形態は場所により非常に良好であったが、残念ながらそれはウエハ表面の全体にわたり均一ではなかった。

従って、十分な成長速度と結晶の均一性を維持しながら、好ましくはより少ないガス流量とより高い圧力で、均一核生成の度合を低下させる必要性が存在する。

本発明は、炭化ケイ素の層を形成する方法であって、ケイ素クラスターが気相で分裂するものを包含する。ケイ素クラスターは、ＶＩＩ族含有成分のようなケイ素エッチングガスにより分裂させることができる。分裂エンハンサーの例は、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＦ及びこれらの化合物の２種以上の組み合わせである。好ましくは、ＶＩＩ族含有成分はＨＣｌである。
本発明はまた、本発明の方法により形成された層を有する半導体デバイスも包含する。

本発明は、添付の図面とともに読めば以下の詳しい説明から最もよく理解される。

本発明は、均一核生成をなくしあるいは大いに減らすことができることから、標準的なＳｉＣエピタキシーを改良するものである。ケイ素源を含有する前駆物質流に分裂エンハンサーを添加することによって、ケイ素クラスターを気相中で分裂させることができる。分裂エンハンサーは、例えば、ＶＩＩ族含有成分、例として塩素含有成分など、でよい。本発明の好ましい態様では、ＨＣｌを分裂エンハンサーとして使用する。このほかのケイ素エッチングガスも、本発明の範囲内である。

実験から、分裂エンハンサーを用いて表面形態を著しく改善することができるだけでなく、以外にも、恐らくは成長のためにより多くのケイ素が利用可能であることにより、成長速度も上昇するということが示される。これらの結果は、ＨＣｌなどのような塩素含有化合物はそれが接触する全てのものをエッチングすると長い間保持されてきた批判に照らして、特に驚くべきことである。

本発明は、ホモエピタキシャル成長に特に適用可能であるが、ヘテロエピタキシャル成長、多結晶及びアモルファス成長に適用してもよい。

ＶＩＩ族含有化合物は、例えばＨＣｌ、ＨＢｒ又はＨＦでよい。ＶＩＩ族含有化合物はケイ素源と一緒に、好ましくはほぼ等しい量でもって、加えることができる。それはまたケイ素源とは別に、好ましくはクラスターを分裂させなくてはならないところの近く、すなわち試料の近くで間隔をあけて、加えることもできる。ＶＩＩ族含有化合物は、好ましくは、試料から約１０ｍｍ〜約３００ｍｍの距離を置いて加えられる。更に実例となる範囲は約１０ｍｍ〜１００である。

ＶＩＩ族含有化合物とケイ素源とを別々の流れとすることの利点は、ケイ素源が反応しケイ素クラスターを形成することができることである。これらのクラスターは反応器を通して簡単に運ぶことができ、それにより反応器の壁のケイ素被着物を減らし又はなくすものと思われる。分裂すると、それらはより容易に被着する。それゆえ、ＶＩＩ族含有化合物とケイ素源を分けて流せば、投入する前駆物質の効率をよりよくすることができる。

シランとＶＩＩ族含有化合物を使用する代わりに、あるいはそれに加えて、ケイ素とＶＩＩ族原子を組み合わせて一つの分子にすることができる。この場合、ケイ素源は、例えば、クロロシラン、例としてトリクロロシランなど、四塩化ケイ素、Ｓｉ₂Ｃｌ₆、Ｓｉ₃Ｃｌ₈、あるいはこれらの化合物の２種以上の組み合わせであることができる。これら及びその他のＶＩＩ族含有化合物は、単独で使用しても、あるいはお互いとの任意の組み合わせで使用してもよい。トリクロロシランと四塩化ケイ素は、シラン及びジクロロシランよりも気相中でクラスターを形成しにくい。それらはケイ素のエピタキシーで普通に使用されており、従って低価格で容易に入手可能である。これらの分子を分解するためには、水素が存在すべきである。従って、トリクロロシラン又は四塩化ケイ素は成長室の高温ゾーンへ別々に加え、そしてその上に成長を行わせる試料の近くで水素及び１種以上の炭化水素と混合して、効率を向上させることができる。試料の近くは「高温」又は「被着」ゾーンにある。好ましくは、クロロシランはキャリアガス、例えば不活性ガスでもって運ばれる。最も好ましくは、キャリアガスはヘリウムである。

本発明の更なる態様では、クロロシランの少なくとも一部、水素及び炭化水素は、成長室へ一緒に加えられる。

図１は、例えば炭化水素と水素を含有するようなプロセスガスを、ケイ素の核を含む環境へ導入して炭化ケイ素物質を生成する従来技術の方法を示している。このプロセスでは塩素含有物質は使用されない。このプロセスは、上に試料１０４のあるサセプタ１０２を有する成長室１００（要部を示す）で行われる。ＲＦコイル１０６で、化学蒸着を行うための十分な熱を生じさせる。

図２と３は、本発明の方法の実例となる態様を示す。図２は、ケイ素源を炭化水素及び塩素含有成分と同時に加えるのを示している。図３は、塩素含有成分をケイ素源及び炭化水素とは別に加えるのを示している。

ＶＩＩ族含有化合物、例えばＨＣｌ、に代わるものの添加を利用してもよい。本発明の実例となる態様では、シランを完全に又は部分的になくして、気相中でクラスターを形成しにくいトリクロロシラン又は四塩化ケイ素と取り替えることができる。ジクロロシランは、この前駆物質を使用すると均一核生成の問題があるため、実用的でない。この前駆物質は、まさにこの理由で、Ｓｉ産業で敬遠されている。

成長速度は、本発明の態様を実施するとこれまでのエピタキシー方法より１０倍上昇させることができると推定される。成長温度は低下させてもよく、水素流量は減らしてもよく、そして圧力は上昇させてもよい。その結果、エピタキシャル層の品質をより良好にし、反応器をより低価格にし、反応器内部のグラファイト部品の寿命をより長くすることができる。

本発明の典型的な態様では、炭化水素の成長速度は約３μｍ／ｈと５０μｍ／ｈの間である。特定の態様では、成長速度は約５μｍ／ｈより大きく、更なる態様では、成長速度は約２０μｍ／ｈより大きい。

実例となる成長温度は約１６００℃未満であり、更なる態様では、成長温度は約１４５０℃未満である。典型的態様では、成長温度は約１１００℃〜約１５００℃の範囲内である。

圧力は、好ましくは約２００ｍｂａｒより高く、より好ましくは約５００ｍｂａｒより高い。

水素流量は、好ましくは約５０ＳＬＭ未満であり、より好ましくは約２０ＳＬＭ未満である。

更に、好ましくは不活性である、低熱伝導度のガスを、必要ならガス流に加えて均一性を更に向上させてもよい。この用途には、アルゴンが特によく適している。最もよく適したガスは、約０．１〜０．０１Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導度を有する。

〔炭化水素エピタキシャル成長実験〕
第１の実験： パラメーターは、シラン流量２０ｍｌ／ｍｉｎ、エチレン１２ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂ ８０ＳＬＭ、温度１６００℃、圧力２００ｍｂａｒ、であった。この第１の実験はＨＣｌなしで行った。成長速度は３μｍ／ｈであり、ドーピングは小量で、５×１０¹⁴ｃｍ^-3ｎ型であった。

第２の実験： ＨＣｌを２０ｍｌ／ｍｉｎの流量で加えたことを除き、第１の実験と同じパラメーターを使用した。この試料は、驚いたことに、３．５μｍ／ｈというより大きな成長速度と２×１０ ¹⁵ ｃｍ^-3ｎ型というより多くのドーピングをもたらした。成長速度の増大は、成長のために利用できるケイ素がより多いことを示しているものと思われる。より多くのケイ素が利用可能であれば、ＨＣｌ添加の試料については有効Ｃ／Ｓｉ比が小さくなり、従って窒素のドーピングがより多くなることが予想されるので、ドーピングの増加はこの所見と一致している。

本発明はまた、ここに記載した１つ以上の方法により形成した炭化ケイ素層を有する半導体デバイスを包含する。炭化ケイ素層を有することができる半導体デバイスの例は、ショットキーダイオード、ＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＣＭＯＳデバイス及びＭＥＭデバイスである。

実例の態様により本発明を説明してきたが、当業者にはそのほかの利点と改変が思い浮かぶことであろう。従って、より広い側面における本発明は、ここに示し説明した特定の内容に限定されない。例えばＶＩＩ族含有化合物の種類、プロセスパラメーター及びエピタキシャル成長装置などに対する改変を、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに行うことができる。よって、意図するところは、本発明は特定の実例の態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されたものの最大限の精神と範囲及びそれらの均等のものの範囲内で解釈されることである。

炭化ケイ素を生成する従来技術の方法を示す図である。 本発明の実例となる態様による化学蒸着法を示す図である。 本発明の更に別の実例となる態様による化学蒸着法を示す図である。

Claims (43)

1. 炭化ケイ素層を増大した成長速度で形成するホモエピタキシャル成長方法であって、
   ケイ素源として働くケイ素前駆物質流部分及び炭素源として働く炭素前駆物質流部分で構成される炭化ケイ素前駆物質流中において、前記炭化ケイ素層を成長させること、
   前記炭化ケイ素前駆物質流中に、前記ケイ素前駆物質、前記炭素前駆物質、及びキャリアガスのほかに分裂エンハンサーを導入して、ケイ素クラスターを気相中で分裂させること、
   を含み、前記分裂エンハンサーを、ケイ素源の量にほぼ等しい量で加えられるＶＩＩ属含有成分として加え、前記増大した成長速度は３μ／ｈより大きい、
   炭化ケイ素層を形成するホモエピタキシャル成長方法。
2. 前記分裂エンハンサーがＳｉエッチングガスである、請求項１記載の方法。
3. 前記ＶＩＩ族含有成分を、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＦ及びこれらの化合物の２種以上の組み合わせからなる群より選ぶ、請求項１記載の方法。
4. 前記ＶＩＩ族含有成分が塩素含有成分である、請求項１記載の方法。
5. 前記塩素含有成分がＨＣｌである、請求項４記載の方法。
6. 前記塩素含有成分がトリクロロシラン又は四塩化ケイ素である、請求項４記載の方法。
7. 水素をトリクロロシラン又は四塩化ケイ素と混合することを更に含む、請求項６記載の方法。
8. 前記水素を前記トリクロロシラン又は四塩化ケイ素と、成長室の高温ゾーンで混合する、請求項７記載の方法。
9. 前記塩素含有成分が四塩化ケイ素である、請求項６記載の方法。
10. 成長温度が１５００℃未満である、請求項１記載の方法。
11. 成長温度が１４００℃未満である、請求項１０記載の方法。
12. 成長温度が１１００℃〜１５００℃の範囲である、請求項１記載の方法。
13. 圧力が２００ｍｂａｒより高い、請求項１記載の方法。
14. 圧力が５００ｍｂａｒより高い、請求項１３記載の方法。
15. 前記キャリアガスが水素であり、水素流量が５０ＳＬＭ未満である、請求項１記載の方法。
16. 水素流量が２０ＳＬＭ未満である、請求項１５記載の方法。
17. 熱伝導度が０．１〜０．０１Ｗ／ｍ・Ｋの範囲のガスを前記ＶＩＩ族含有成分とともに含めることを更に含む、請求項６記載の方法。
18. 前記ガスが不活性である、請求項１７記載の方法。
19. 前記ガスがアルゴンである、請求項１８記載の方法。
20. 前記ＶＩＩ族含有成分をケイ素源とは別に導入する、請求項１記載の方法。
21. 前記ＶＩＩ族含有成分を、炭化ケイ素を上に形成する試料と１０ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲の間隔をあけて導入する、請求項１記載の方法。
22. 炭化ケイ素の成長速度が２０μｍ／ｈより大きい、請求項１記載の方法。
23. 炭化ケイ素の成長速度が４０μｍ／ｈより大きい、請求項２２記載の方法。
24. 請求項１記載の方法により形成した炭化ケイ素層を有する半導体デバイス。
25. 当該デバイスがショットキーダイオード、ＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＣＭＯＳ、及びＭＥＭからなる群より選ばれる、請求項２４記載の半導体デバイス。
26. 当該デバイスがＣＭＯＳデバイスである、請求項２５記載の半導体デバイス。
27. 当該デバイスがＭＥＭデバイスである、請求項２５記載の半導体デバイス。
28. １種以上のクロロシランと１種以上の炭化水素を成長室の高温ゾーンに導入することを含む、請求項１記載の方法。
29. 前記炭化水素が水素キャリアガス中にあることを更に含む、請求項２８記載の方法。
30. 成長室内で行われ、前記１種以上のクロロシランのうちの少なくとも一部と前記１種以上の炭化水素のうちの少なくとも一部とを当該成長室へ一緒に導入する、請求項２８記載の方法。
31. 成長室で行われ、前記炭化水素を前記クロロシランと別々に導入して、当該成長室の高温ゾーンで互いに混合する、請求項２８記載の方法。
32. 前記クロロシランが不活性キャリアガス中にある、請求項３１記載の方法。
33. 前記キャリアガスがヘリウムである、請求項３２記載の方法。
34. 前記高温ゾーンが、前記炭化ケイ素を成長させる表面から垂直に１０ｍｍ〜３００ｍｍの間隔をあけている、請求項２８記載の方法。
35. 前記高温ゾーンが、前記炭化ケイ素を成長させる表面から垂直に２０ｍｍ〜１００ｍｍの間隔をあけている、請求項３４記載の方法。
36. 前記クロロシランをトリクロロシラン及び四塩化ケイ素からなる群より選ぶ、請求項２８記載の方法。
37. 成長温度が１５００℃未満である、請求項２８記載の方法。
38. 成長温度が１４００℃未満である、請求項３７記載の方法。
39. 成長温度が１１００℃〜１５００℃の範囲である、請求項２８記載の方法。
40. 請求項２８記載の方法により形成した炭化ケイ素層を有する半導体デバイス。
41. ショットキーダイオード、ＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＣＭＯＳ、及びＭＥＭからなる群より選ばれる、請求項４０記載の半導体デバイス。
42. 当該デバイスがＣＭＯＳデバイスである、請求項４１記載の半導体デバイス。
43. 当該デバイスがＭＥＭデバイスである、請求項４１記載の半導体デバイス。

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