JP6376700B2 - ＳｉＣ化学気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ化学気相成長装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、また、バンドギャップが３倍大きく、さらに、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有することから、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。

ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する基板として昇華法等で作製したＳｉＣのバルク単結晶から加工したＳｉＣ単結晶基板を用い、通常、この上に化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によってＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって製造する。

ＳｉＣ半導体デバイスは、この成長するＳｉＣエピタキシャル膜の厚さや組成、添加する不純物の濃度などがばらつくとその性能が変化してしまうため、被処理体上に均一に薄膜を形成することが求められている。
化学気相成長装置において被処理体上に均一に薄膜を形成するためには、被処理体に対して均一に原料ガスを供給することが重要である。そのため、様々な検討が進められてきた。

例えば、特許文献１では、原料ガスを一度処理室に供給し、シャワー部材を介して炉内に均一に原料ガスを供給するＣＶＤ処理装置が記載されている。また、このシャワー部材から炉内へ導入される原料ガスの動圧ムラを小さくするために、処理室への原料ガスの導入口をテーパー形状とすることも記載されている。処理室への原料ガスの導入口をテーパー形状とすることで、炉内へ導入される原料ガスの動圧ムラを小さくすることができるのは、テーパー形状によって供給されるガスの流速が低減され、処理室内の圧力変化を抑制するためである。

また、エピタキシャル成長では、均一性の他に、エピタキシャル膜に結晶欠陥が存在すると特性に悪影響を与えるため、その発生を抑制するという課題がある。結晶欠陥の発生原因の１つに炉体内のパーティクルがある。パーティクルがウェハの表面に付着し、それを起点として結晶欠陥が発生する。炉体内のパーティクルは、原料ガス起因の炉体内堆積物が原因で発生することが多い。特に、ＳｉＣ化学気相成長装置では、炉体内が高温になるので原料ガスが分解しやすく、炉体内にその分解物が堆積しやすいという問題がある。

炉体内の温度としては、ＳｉＣ薄膜を成長させるためには、１２００℃程度以上の温度が必要であることが知られ、特に電子デバイスで用いられる４Ｈ−ＳｉＣは１５００℃程度以上の高温が一般的に用いられていることが知られている。この温度は、Ｓｉ薄膜を成長させるための６００℃程度の温度と比較しても極めて高い。

このような炉体内に付着した堆積物の発生を抑制するために、例えば、特許文献２では、比較的安定性の高いガスによって基板上でのガスの整流状態を形成しながら、別経路を経由して反応性に富むソースガスを基板近傍に供給することが記載されている。

特開２００９−７４１８０号公報 特開２０１１−１９５３４６号公報

本発明者らは鋭意検討の結果、ＳｉＣエピタキシャル膜の均一性を高めるためには、炉体内のガスの対流や拡散を考慮しなければならないことを見出した。また結晶欠陥の原因となるパーティクルの多くは、ガス導入管内でも発生しており、ガス導入管内での反応ガスの分解等も制御しなければならないことを見出した。

特許文献１のＣＶＤ処理装置では、シャワーヘッド内の温度をＣＶＤ用反応ガスの反応温度より低く、かつ、ＣＶＤ用反応ガスを構成する成分の液化温度より高い温度とすることが記載されている（段落００４６）。ＣＶＤ用反応ガスの反応温度より低くすると、ＣＶＤ用反応ガスの分解は抑制することができる。しかし、ＳｉＣ化学気相成長装置において当該構成を用いると、ＳｉＣは高温での成長を必要とするため、炉体内のＳｉＣウェハの載置面とガス導入口付近で温度差が非常に大きくなる。すなわち、温度勾配によるガスの対流や拡散がより促進されてしまい、均一なＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができない。また原料ガスの流れが乱れると、壁面やガス導入管に付着した堆積物がパーティクルとして発生し、ＳｉＣエピタキシャル膜の欠陥を生み出すという問題があった。つまり、特許文献１のような構成は、比較的成長温度の低いＳｉ薄膜等の化学気相成長装置においては利用することができるが、ＳｉＣ等の高温の成長温度を必要とする化学気相成長装置においては、原料ガスが全く分解しない温度に維持することは困難である。また、炉体内に温度勾配の急峻な部分があると、対流や拡散を助長し、弊害を生み出す。
なお、ＣＶＤ用反応ガスを構成する成分の液化温度は、例えばトリクロロシランの場合大気圧下で３２℃であり、当該温度より高くすることは化学気相成長装置において当然の条件である。

また、特許文献２の成膜装置では、反応に使用するガスを分離して導入している。そのため、分解した異なる反応ガス同士が反応することを阻害し、副生成物が発生することを抑制できることが記載されている。しかしながら、第１及び第２のガス供給路は、輻射の影響を受け高温になるため、供給されるガスはガス供給路内で分解する。これらの分解したガスは、異なるガスと反応しなくても堆積物を生み出す可能性があり、この堆積物はパーティクルの原因となる。具体的には、例えば、第１の反応ガスを供給する第１のガス供給路内には、Ｓｉの堆積物が付着していると考えられる。このような堆積物が剥離すると、ＳｉＣエピタキシャル膜の欠陥の原因となりうる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、原料ガス起因のパーティクルを抑制し、かつ炉体内のガスの対流や拡散を抑制したＳｉＣ化学気相成長装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、ガス導入管の周囲にヒートシールドを設け、そのヒートシールド自体を効率的に冷却する構成を設けることで当該問題を解決できることを見出し、発明を完成させた。
即ち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明のＳｉＣ化学気相成長装置は、成長空間を構成する炉体と、前記炉体内に備えられ、ＳｉＣウェハを載置する載置台と、前記炉体内へ原料ガスを導入するガス導入管と、前記ガス導入管の周囲に配置され、貫通孔を有するヒートシールドと、前記ヒートシールドの貫通孔に冷却ガスを供給する冷却ガス供給口とを備える。

（２）上記（１）のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記貫通孔のガスの流れ方向に対して垂直な方向の断面積が、貫通孔１個あたり１００ｍｍ^２以下であってもよい。

（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記貫通孔が、前記ヒートシールドの厚さ方向に対して傾きを有していてもよい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ヒートシールドを複数備えてもよい。

（５）上記（４）のに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ヒートシールドが複数あり、隣り合うヒートシールドの貫通孔が平面視で重ならないことが好ましい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ヒートシールドが平面視円形であり、前記円形のヒートシールドの中央部から外周部にわたってスリットが設けられていてもよい。

（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記冷却ガスとして、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅからなる群から選ばれる１種以上のガスを用いてもよい。

（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ガス導入管が複数備えられていてもよい。

（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、複数の前記ガス導入管は、その一部がＳｉ系原料ガスを前記炉体内へ導入するＳｉ系原料ガス導入管であり、別の一部がＣ系原料ガスを前記炉体内へ導入するＣ系原料ガス導入管であり、前記Ｓｉ系原料ガス導入管と前記Ｃ系原料ガス導入管はそれぞれ分離されていてもよい。

（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ガス導入管を覆う外管を備え、前記ガス導入管と外管が二重管構造を構成し、前記ガス導入管と外管の間から前記ガス導入管の周囲に冷却ガスを供給できてもよい。

（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載のＳｉＣ化学気相成長装置は、前記ガス導入管が前記載置台の上部に配置された縦型の炉体構造でもよい。

本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ化学気相成長装置は、ガス導入管の周囲に配置されたヒートシールドを備える。ＳｉＣ化学気相成長装置は、ヒートシールドを備えることで、輻射を低減し、ガス導入管の温度が高温になりすぎることを抑制できる。またこのヒートシールドは貫通孔を有しており、冷却ガス供給口から供給された冷却ガスを、貫通孔に供給することができる。そのため、ヒートシールド自体が熱を有し、ヒートシールドからの熱伝導によりガス導入管の温度が高くなることを抑制できる。
すなわち、ガス導入管内で原料ガスが分解し、原料ガス起因のＳｉＣ付着物の生成を抑制することができる。また、輻射の低減による温度上昇の抑制であるため、例えば、ガス導入管を水冷等で冷却するような極端な温度変化を生じさせない。そのため、緩やかな温度勾配による温度上昇の抑制が可能となり、炉体内のガスの対流や拡散を抑制することができる。

本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置は、貫通孔のガスの流れ方向に対して垂直な方向の断面積が、貫通孔１個あたり１００ｍｍ^２以下であってもよい。貫通孔の断面積が小さければ、それだけ輻射によりガス導入管が高温になることを抑制する効果を高めることができる。

本発明のＳｉＣ化学気相成長装置は、貫通孔が、ヒートシールドの厚さ方向に対して傾きを有していてもよい。貫通孔がヒートシールドの厚さ方向に対して傾きを有していることで、平面視した際にヒートシールドが形成されていない部分の面積をより狭くすることができ、輻射によるガス導入管が高温になることをより抑制することができる。また貫通孔の内表面の面積が大きくなるため、ヒートシールドをより効率的に冷やすことができる。そのため、熱伝導によりガス導入管が高温になることを抑制することができる。

本発明のＳｉＣ化学気相成長装置は、ヒートシールドを複数備えてもよい。ヒートシールドを複数備えることで、ヒートシールド毎に輻射低減効果を得ることができ、より段階的かつ効率的に温度変化を行うことができる。そのため、急激な温度変化を避けることができ、炉体内のガスの対流や拡散を抑制することができる。

本発明のＳｉＣ化学気相成長装置は、ヒートシールドが複数あり、隣り合うヒートシールドの貫通孔が平面視で重ならないことが好ましい。ヒートシールドが複数あり、隣り合うヒートシールドの貫通孔が平面視で重ならなければ、輻射を伝播する電磁波が障壁無く通過できる部分を無くすことができ、輻射によりガス導入管が高温になることをより抑制できる。

本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置は、ヒートシールドが平面視円形であり、円形のヒートシールドの中央部から外周部に渡ってスリットが設けられていてもよい。ＳｉＣ化学気相成長装置は、高温でＳｉＣエピタキシャル膜を成長させるため、ヒートシールドも加熱により熱応力を受ける。このような熱応力は、ヒートシールドの破損等を招く。しかしながら、ヒートシールドがスリットを有すれば、このスリットにより熱応力を緩和することができるため、装置の耐久性を高めることができる。またこのスリットは、貫通孔を兼ねることができる。

本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置は、冷却ガスとして、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅからなる群から選ばれる１種以上のガスを用いてもよい。これらのガスは、炉体内に供給された場合、キャリアガス等として機能することができる。そのため、冷却用に特別なガスを準備する必要が無く、経済的な面で効率的である。

本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ化学気相成長装置は、ガス導入管を複数有していてもよい。ガス導入管を複数有すれば、原料ガスを炉体内へ分散導入することができる。そのため、ガス導入管ごとに付着する堆積物の量を少なくすることができる。また、導入されるガスの面内均一性を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ化学気相成長装置は、複数のガス導入管が、その一部がＳｉ系原料ガスを炉体内へ導入するＳｉ系原料ガス導入管であり、別の一部がＣ系原料ガスを炉体内へ導入するＣ系原料ガス導入管であり、Ｓｉ系原料ガス導入管とＣ系原料ガス導入管はそれぞれ分離されていてもよい。原料ガスを分離して導入することで、不要なＳｉＣ生成物がガス導入管や炉体内壁面等に形成されることを抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ化学気相成長装置は、ガス導入管を覆う外管を備え、ガス導入管と外管が二重管構造を構成し、ガス導入管と外管の間からガス導入管の周囲に冷却ガスを供給することができる構成としてもよい。二重管構造の外側に冷却ガスを供給することで、内管であるガス導入管がヒートシールドと直接接触することを防ぎ、熱伝導によりガス導入管の温度が高くなることをより抑制することができる。またガス導入管の周囲に供給した冷却ガスを、そのまま炉体内に流す構成とすると、冷却ガスにより導入される原料ガスが、ガス導入管に再度回り込むことを防ぐことができる。すなわち、ガス導入管の導入口に堆積物が付着することを効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ化学気相成長装置は、ガス導入管が載置台の上部に配置された縦型の炉体構造でもよい。温度勾配による対流は、上下の温度差によって生じることが多い。従って、対流はガス導入管と載置台に温度差が生じやすい縦型の炉体構造において発生しやすいため、本発明は縦型の炉体構造において特に有用である。またガス導入管の導入口に堆積した付着物は、重力により下部にパーティクルとして落下することが考えられるため、この点においても縦型の炉体構造において特に有用である。

本発明の一実施形態であるＳｉＣ化学成長装置を模式的に説明する断面模式図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドを平面視した図である。 本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、貫通孔を通るように切断した断面の模式図である。 本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、ヒートシールドが複数からなる場合の断面模式図である。 本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、ヒートシールドがスリットを有する場合の平面模式図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置が複数のガス導入管を有する場合の断面模式図であり、簡単のために炉体の下部は図示していない。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置が複数のガス導入管を有する場合に用いられるヒートシールドを平面視した図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置が複数のガス導入管を有する場合に用いられるヒートシールドを平面視した図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるガス導入管が外管によって覆われた二重管構造を有する場合の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるガス導入管の周囲に複数の冷却ガス通過用貫通孔が設けられている場合のＳｉＣ化学気相成長装置の断面模式図であり、簡単のために炉体の下部は図示していない。 本発明の他の実施形態であるＳｉＣ化学成長装置を模式的に説明する断面模式図であり、炉体が横型のＳｉＣ化学気相成長装置の断面模式図である。

以下、本発明を適用したＳｉＣ化学気相成長装置について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１を参照して、本発明の第１実施形態のＳｉＣ化学気相成長装置１００の一例について説明する。
第１実施形態のＳｉＣ化学気相成長装置１００は、成長空間を構成する炉体１０と、炉体１０内に備えられ、ＳｉＣウェハを載置する載置台２０と、炉体１０内へ原料ガスを導入するガス導入管３０と、ガス導入管３０の周囲に配置されたヒートシールド４０と、ヒートシールド４０の貫通孔４１に冷却ガスを供給する冷却ガス供給口５０とを備える。さらに、ヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間と反応空間の仕切り板４２（以下、仕切り板４２と呼ぶ）を備えてもよい。ここで、反応空間とは、ＳｉＣエピタキシャル成長を行うために原料ガスが供給されている空間を意味する。仕切り板４２は、成膜ガスが反応空間から冷却ガス導入空間に流入することを防ぐ。図１では、ヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間は、仕切り板４２によって反応空間と完全に分離されている。この場合、ＳｉＣ化学気相成長装置１００は、ヒートシールド４０を冷やし終えた冷却ガスが、炉体１０の外へ流れ出る流路を有する（図視略）。また、後述するように、ヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間は、炉体１０の反応空間と完全に分離されている必要はなく、接続されていてもよい。炉体１０はガスを排出する排出口６０を有する。載置台２０上にＳｉＣウェハＷを載置し、ＳｉＣ化学気相成長装置を動作させることで、ＳｉＣウェハＷの表面にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる。
なお、図１は、成長用の基板を下側に配置し、上側から原料ガスを供給して、上から下へ原料ガスを流通してエピタキシャル成長を行う縦型の配置の化学気相成長装置である。本発明は、当該縦型の配置の化学気相成長装置に限られず、横型の配置の化学気相成長装置でもよい（図１１参照）。

ＳｉＣ化学気相成長装置１００は、ガス導入管３０の周囲にヒートシールド４０を備える。ヒートシールド４０は、輻射を低減する効果を有し、ガス導入管３０の温度上昇を抑制する。そのため、ガス導入管３０内で原料ガスが分解し、原料ガス起因のＳｉＣ付着物の生成を抑制することができる。また、輻射の低減による温度上昇の抑制であるため、例えば、ガス導入管を水冷等で冷却するような極端な温度変化を生じさせない。そのため、緩やかな温度勾配による温度上昇の抑制が可能となり、炉体内のガスの対流や拡散を抑制することができる。

ここで、ヒートシールド４０を設けることで、ガス導入管３０の温度上昇を抑制できる原理について説明する。ＳｉＣウェハＷ上にＳｉＣエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる際には、１２００℃程度以上の温度が必要であることが知られ、特に電子デバイスで用いられる４Ｈ−ＳｉＣは１５００℃程度以上の高温が一般的に用いられている。すなわち、このような高温の条件下では、数μｍ程度の非常に大きな波長（赤外線波長）を有する電磁波が発生しており、この電磁波による伝熱が熱輻射である。
伝熱は大きく分けて、熱伝導、熱伝達、熱輻射の三パターンにより形成されるが、熱輻射による伝熱を阻害することができれば、ガス導入管３０の温度上昇を抑制することができる。

電磁波は、異なる物質同士の境界面で、透過、吸収及び反射する。すなわち、ガス導入管３０の周囲に、異なる物質の境界面を形成することが出来れば、電磁波による伝熱を阻害し、ガス導入管３０が高温になることを抑制することができる。ヒートシールド４０は、このような境界面を提供する。

ヒートシールド４０を構成する材質としては、１０００度以上の耐熱性を有すれば、特に限定されない。例えば、無垢のカーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＴａＣコートカーボン等のカーボン部材、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＷＣ等の金属炭化物、ＳｉＣ等を用いることができる。

またヒートシールド４０を複数備えることが好ましい。ヒートシールド４０が複数あれば、それだけヒートシールド４０による電磁波の反射及び吸収が行われ、より輻射を低減することができる。またヒートシールド４０が複数あることで、温度変化をより段階的なものとすることができる。そのため、より炉体内のガスの対流や拡散を抑制することができる。

ヒートシールド４０の厚みは、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。ヒートシールド４０の厚みが１ｍｍ以上だと、ヒートシールド４０内の熱伝導により、面内方向の温度分布を均一にすることができる。すなわち、局所的に温度が高くなることを抑制することができる。ヒートシールド４０による面内均一性を高める効果は、ヒートシールド４０の厚みを非常に厚くしても大きく変わるものではない。そのため、３０ｍｍ以下とすることが効率的である。また、ヒートシールド４０の厚みがこの範囲内であれば、強度も十分であり、かつ後述する貫通孔４１等の加工も容易となる。

仕切り板４２を構成する材質としては、１０００度以上の耐熱性を有すれば、特に限定されない。例えば、無垢のカーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＴａＣコートカーボン等のカーボン部材、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＷＣ等の金属炭化物、ＳｉＣ等を用いることができる。
なお、仕切り板４２は熱輻射による伝熱を阻害する。すなわちヒートシールドとしても働きうる。しかし、仕切り板４２として機能させるために、その形状が炉の形状やガス導入構造に応じて制限される。例えば厚みが大きすぎる箇所や、小さすぎる箇所ができてしまうことがある。そのため、必ずしもヒートシールド４０としての機能を十分有さない場合もある。

図２は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールド４０を平面視した図である。ＳｉＣ化学気相成長装置１００として使用する際には、図２のヒートシールド４０の中央部には、ガス導入管３０が配置される。
ヒートシールド４０は貫通孔４１を有し、この貫通孔４１には冷却ガス供給口５０から導入された冷却ガスを供給することができる。貫通孔４１は、円形でも四角形でもよく、その形状を問わない。またヒートシールド４０にランダムに配置されていても、規則的に配置されていてもよい。貫通孔４１の加工方法は、特に問わず、一般に使用される機械加工等を用いることができる。
ヒートシールド４０が貫通孔４１を有し、その貫通孔に冷却ガスを供給することで、ヒートシールド４０自体が熱を有し、ヒートシールド４０からの熱伝導によりガス導入管３０の温度が高くなることを抑制できる。
なお、ヒートシールド４０は、ガス導入管３０の周囲に配置されるものであって、図２の中央のガス導入管３０が配置されるための穴は、貫通孔４１ではない。
冷却ガスとしては、例えば、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅ、等を用いることができる。また、ＨＣｌ等のエッチングガス、Ｎ_２等の不純物ドーピングガスを添加することもできる。これらのガスは分解による堆積物の付着の恐れがなく、冷却ガスに添加しても悪影響がない。

また貫通孔４１のガスの流れ方向に対して垂直な方向の断面積は、貫通孔１個あたり１００ｍｍ^２以下であることが好ましい。また５ｍｍ^２以上であることが好ましい。貫通孔の断面積が小さければ、それだけ輻射によりガス導入管３０が高温になることを抑制する効果を高めることができる。また貫通孔４１の断面積が、５ｍｍ^２以上であれば、冷却ガスが貫通孔４１を十分通過することができ、ヒートシールド４０を効率的に冷却する事ができる。

図３は、本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、貫通孔を通るように切断した断面の模式図である。
ヒートシールド４０の貫通孔４１は、ヒートシールド４０の厚さ方向に対して傾きを有していることが好ましい。ヒートシールド４０の厚さ方向とは、図３のＺ方向を意味する。貫通孔４１がヒートシールド４０の厚さ方向に対して傾きを有すると、平面視した際にヒートシールド４０が形成されていない部分の面積をより少なくすることができ、輻射によるガス導入管が高温になることをより抑制することができる。また貫通孔４１の内表面の面積が大きくなるため、ヒートシールド４０をより効率的に冷やすことができる。そのため、ヒートシールド４０からの熱伝導によりガス導入管３０が高温になることを抑制することができる。
貫通孔４１の傾斜角は、ヒートシールドの厚みによって異なるが、平面視した際に貫通孔を通して反対側が見えなくなる程度傾けることが好ましい。

図４は、本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、ヒートシールドが複数からなる場合の断面模式図である。
図４に示すように、ヒートシールド４０が複数ある場合、隣り合うヒートシールド４０の貫通孔４１が平面視で重ならないことが好ましい。ヒートシールド４０が複数あり、隣り合うヒートシールド４０の貫通孔４１が平面視で重ならなければ、輻射を伝播する電磁波が障壁無く通過できる部分を無くすことができ、より輻射によりガス導入管が高温になることを抑制できる。

ヒートシールド４０は、平面視円形であり、円形のヒートシールドの中央部から外周部に渡ってスリットが設けられていることが好ましい。図５は、本発明の一態様に係るＳｉＣ化学気相成長装置に用いられるヒートシールドの一例であり、ヒートシールドがスリットを有する場合の平面模式図である。ここで、円形とは、概略円形の形状を有していればよく、円盤及び円環の両方を含む。また「中央部」とは、円環の場合は、円環の内周部を意味し、円盤の場合は中心付近を意味する。ヒートシールド４０に形成されたスリットは、熱応力を緩和することが目的であるため、中心付近とは完全に中心である必要はない。
ヒートシールド４０は、ＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる際に、加熱により熱応力を受け、ヒートシールド４０の破損等を招く。しかしながら、ヒートシールド４０がスリットを有すれば、このスリットにより熱応力を緩和することができるため、装置の耐久性を高めることができる。またスリットを１箇所のみに設けることで、一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続した１つの部材とすることができ、設置等が容易になり作業性を高めることができる。また円形であることで、全方位に対して均等に応力を分散させることができ、より破損を避けることができる。また炉体１０の上面（図視Ｙ方向）の形状が円形の場合は、隙間なくヒートシールド４０を設けることができ、より熱輻射を抑制することができる。

またこのヒートシールド４０に形成されたスリットは、貫通孔４１を兼ねることができる。そのため複数のヒートシールド４０を積層する場合は、スリットが形成されている位置をヒートシールド４０毎にずらしておくことが好ましい。スリット位置をずらして、ヒートシールド４０を積層することで、熱源からの輻射の漏れを抑制し、熱効率を高めることができる。

ヒートシールド４０の形状は、図２の構造に限られない。また後述するが、ガス導入管３０が複数ある場合は、図７に示すように円盤状の形状としてもよい。さらに、炉体１０の上面（図視Ｙ方向）の形状が円形以外の場合には、炉体１０の上面の形状に合わせてもよい。隙間なくヒートシールド４０を設けることにより、より熱源からの輻射の漏れを抑制し、熱効率を高めることができる。

上述のように、ＳｉＣ化学気相成長装置１００は、ヒートシールド４０を有し、そのヒートシールド４０が貫通孔４１を介して冷却ガスにより冷やされることで、ガス導入管３０温度を７００℃〜１１００℃程度にすることができる。この温度領域であれば、原料ガスが分解し、ガス導入管３０に付着物を発生させることを抑制することができる。また１２００℃〜１５００℃程度まで加熱される載置台２０との温度差も、水冷等で冷却する場合と比較して大きくなく、ガスの対流や拡散を抑制することができる。

ガス導入管３０は、図１に示すように、その導入口３２がテーパー形状を有していることが好ましい。原料ガスは、ガス導入路３１を通り、導入口３２から炉体１０内部に供給される。ガス導入管３０の導入口３２がテーパー形状を有していることで、ガス導入管３０の導入口３２付近での乱流を防ぐことができる。乱流を防ぐことができると、ガス導入管３０の導入口３２内壁へ原料ガスが巻上がることを抑制し、ガス導入管３０の導入口３２付近に付着物が付着することを抑制することができる。

原料ガスは、Ｓｉ系原料ガス、Ｃ系原料ガスを用いる。
Ｓｉ系原料ガスとしては、例えばシラン系ガスとして、シラン（ＳｉＨ_４）を用いることができるほか、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４などのエッチング作用があるＣｌを含む塩素系Ｓｉ原料含有ガス（クロライド系原料）を用いることもできる。また、例えばシランに対してＨＣｌを添加したガスを用いてもよい。
Ｃ系原料ガスとしては、例えばプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）等を用いることができる。
またこれらのガスと同時に、第３のガスとしてパージガスを供給しても良い。パージガスは、ＳｉやＣを含まないガスであり、Ｈ_２を含むエッチング作用があるガスのほか、Ａｒ，Ｈｅなどの不活性ガス（希ガス）を用いることもできる。またＳｉＣウェハＷ上に積層されるＳｉＣエピタキシャル膜の導電型を制御する場合、不純物ドーピングガスを同時に供給することもできる。例えば、導電型をｎ型とする場合にはＮ_２、ｐ型とする場合にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いることができる。
Ｓｉ系原料ガス、Ｃ系原料ガス、ＨＣｌ、パージガス、不純物ドーピングガスは、それぞれ分離して供給しても、混合して供給してもよい。

このとき導入口３２のテーパーの勾配角θは、ガス導入路３１の延長線に対して５°以上４５°以下であることが好ましく、１０°以上３０°以下であることがより好ましい。テーパーの勾配角θが５°以上４５°以下であれば、ガスの回り込みを十分防ぐことができ、導入口３２に堆積物が付着することを効率的に抑制することができる。

また導入口３２の炉体１０側の終端部の断面積Ｓ_３２は、ガス導入路３１の導入口３２直前の断面積Ｓ_３１に対して、１．５倍以上６倍以下であることが好ましく、２倍以上４倍以下であることがより好ましい。ガス導入管３０の形状が当該形状であれば、ガス流量の変化を所定の範囲内とすることができ、ガスの回り込みを十分防ぐことができる。すなわち、導入口３２に堆積物が付着することを効率的に抑制することができる。

ガス導入管３０から炉体１０内部に供給されるガスのガス導入路３１における平均流速（流量／断面積Ｓ_３１）は、０．００１ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓであることが好ましく、０．０１ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓであることがより好ましい。ガスの流速を当該範囲とすることで、導入口３２付近での乱流の発生を抑制することができる。すなわち、導入口３２に堆積物が付着することを効率的に抑制することができる。

またガス導入管３０は、複数備えられていることが好ましい。図６は、複数のガス導入管を有する場合のＳｉＣ化学気相成長装置１００の断面模式図であり、簡単のために炉体１０の下部は図示していない。ガス導入管３０が複数あれば、原料ガスを炉体１０内へ分散導入することができ、ガス導入管３０ごと供給する原料ガスの量を少なくすることができる。すなわち、各ガス導入管３０に付着する堆積物の量を少なくすることができる。

また図６に示すように、複数のガス導入管３０は、その一部がＳｉ系原料ガスを炉体１０内へ導入するＳｉ系原料ガス導入管３０ｓであり、別の一部がＣ系原料ガスを炉体１０内へ導入するＣ系原料ガス導入管３０ｃであり、Ｓｉ系原料ガス導入管３０ｓとＣ系原料ガス導入管３０ｃはそれぞれ分離されていることが好ましい。ここで、「一部」とは、Ｓｉ系原料ガス３０ｓ及びＣ系原料ガス３０ｃがそれぞれ領域ごとに形成されていてもよく、またＳｉ系原料ガス３０ｓ及びＣ系原料ガス３０ｃが領域を形成するように配置されず、一つ一つがランダムで配置されても良い。ＳｉＣウェハＷ上に均一にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させるためには、Ｓｉ系原料ガス３０ｓ及びＣ系原料ガス３０ｃが領域を形成せずに、一つ一つがランダムで配置されていることが好ましい。
図６に示すように、原料ガスを分離して導入することで、不要なＳｉＣ生成物がガス導入管３０ｓや炉体１０内壁面等に形成されることを抑制することができる。

またＳｉ系原料ガス導入管３０ｓとＣ系原料ガス導入管３０ｃを分離して設ける場合、少なくともＳｉ系原料ガス導入管３０ｓの導入口３２ｓがテーパー形状を有していることが好ましい。Ｓｉ系原料ガスとして用いられるシラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランや四塩化珪素等が分解することによってＳｉが生成される温度はＣ系原料の生成物生成温度よりも比較的低いため、Ｓｉ堆積物を形成しやすい。そのため、少なくともＳｉ系原料ガス導入管がテーパー形状を有することが好ましい。当該構造とすることで、当該Ｓｉ堆積物の付着を効率的に抑制することができる。

またＳｉ系ガス導入管３０ｓの導入口３２ｓだけでなく、Ｃ系原料ガス導入管３０ｃの導入口３２ｃもテーパー形状を有することが好ましい。
Ｓｉ堆積物と比較すると、Ｃ堆積物は堆積し難いが、Ｓｉ系ガス導入管３０ｓの導入口３２ｓ及びＣ系原料ガス導入管３０ｃの導入口３２ｃをテーパー形状とすることで、より堆積物の付着を抑制し、パーティクルの発生を抑制することができる。

図７は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ化学気相成長装置が複数のガス導入管３０を有する場合に用いられるヒートシールド４０を平面視した図である。ガス導入管３０が複数ある場合、それぞれのガス導入管３０の周囲に、図２で図示したような円環状のヒートシールド４０を設けてもよい。また、図７に示すように、全体として大きな円盤状として、その中に複数のガス導入管３０（図６の構成の場合は、Ｓｉ系ガス導入管３０ｓとＣ系ガス導入管３０ｃ）を通すための穴を設ける構成としてもよい。
また、図８に示すように、ヒートシールドが分割されており、それぞれのヒートシールドが別々のガス導入管を取り囲むような構成としてもよい。図８では２分割の構成としているが、いくつに分割してもよい。

またガス導入管３０は、外管３３によって覆われ、ガス導入管３０と外管３３とが二重管構造を構成し、ガス導入管３０と外管３３との間からガス導入管３０の周囲に冷却ガスを供給することができる構成であることが好ましい。
図９は、ガス導入管３０が外管３３によって覆われ、ガス導入管３０と外管３３とが二重管構造の断面模式図である。簡単のために一つのガス導入管３０を含む二重構造の周囲のみを図示した。図９に示すように、ガス導入管３０の内部から原料ガスｇが炉体１０内に導入され、ガス導入管３０と外管３３との間からガス導入管３０の周囲に冷却ガスを導入する。冷却ガスを通す外管３３が内管であるガス導入管３０を覆っており、ヒートシールド４０が直接ガス導入管３０と接触することを避けることができる。すなわち、ヒートシールド４０からガス導入管３０への熱伝導を阻害することができる。
また、この外管３３から供給される冷却ガスを炉体１０内に供給できる構成とすることが好ましい。内管であるガス導入管３０から炉体１０内に導入される原料ガスｇが、冷却ガスによってガス導入管に再度回り込むことを防ぐことができる。すなわち、ガス導入管３０の導入口に堆積物が付着を効果的に抑制することができる。
外管３３から供給される冷却ガスとしては、例えば、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅ、等を用いることができる。また、ＨＣｌ等のエッチングガス、Ｎ_２等の不純物ドーピングガスを添加することもできる。これらのガスは分解による堆積物の付着の恐れがなく、冷却ガスに添加しても悪影響がない。

図９に示すように、外管３３から冷却ガスを供給する場合、炉体内への導入口は、テーパー形状を有していることが好ましい。ガス導入管３０及び外管３３がテーパー形状を有することで、より滑らかに冷却ガスを流すことができる。これにより乱流の発生を抑制し、ガス導入管３０の導入口に堆積物が生じることをより効果的に抑制することができる。
また外管３３のテーパーの勾配角は、ガス導入管３０のテーパーの勾配角と同一であることが好ましい。外管３３とガス導入管３０のテーパーの勾配角が同一であれば、不要な乱流の発生を抑制することができる。

またヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間は、炉体１０の反応空間と完全に分離されている必要はない。例えば、図１０に示すように、接続されていてもよい。ここで、反応空間とは、ＳｉＣエピタキシャル成長を行うために、原料ガスが供給されている空間を意味する。
冷却ガスが供給される空間と反応空間の仕切り板４２に貫通孔を形成することで、貫通孔を通して、冷却ガスを反応空間へ流すことができる。そのため、ガス導入管３０の周囲の仕切り板４２に、複数の冷却ガス通過用貫通孔３４が形成されていることが好ましい。複数の冷却ガス通過用貫通孔３４は、小さな穴が多数あいたシャワーヘッド状に形成され、冷却ガスが供給される空間と反応空間に圧力差があることにより各穴からガスを均一に反応空間に流す構造になっていることが、より好ましい。

図１０は、ガス導入管３０の周囲に複数の冷却ガス通過用貫通孔３４が設けられている場合のＳｉＣ化学気相成長装置の断面模式図であり、簡単のために炉体１０の下部は図示していない。
図１０に示すように、ガス導入管３０の周囲にシャワーヘッド状の冷却ガス通過用貫通孔３４が形成されていると、冷却ガス供給口５０から供給された冷却ガスが成膜処理前室（ヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間）３５に供給される。成膜処理前室３５は、冷却ガスで充填されているため、ヒートシールド４０を効率的に冷却することができる。
また冷却ガスがさらに供給され、成膜処理前室３５内部の圧力が高くなると、冷却ガス通過用貫通孔３４を介して、冷却ガスが炉体１０内部に供給される。すなわち、ガス導入管３０の周囲から冷却ガスがシャワー状に供給される。冷却ガス通過用貫通孔３４から炉体１０内に供給される冷却ガスによって、原料ガスｇがガス導入管３０に再度回り込むことを防ぐことができる。すなわち、ガス導入管３０の導入口３２に堆積物が付着することをより効果的に抑制することができる。
なお、図１０では、ガス導入管３０が３つの場合を例示したが、当該数には限られず一つでも、より複数でもよい。

冷却ガス供給口５０は、ヒートシールド４０の貫通孔に冷却ガスを供給することができれば特に形状は問わない。図１及び図１０に示すように一つでもよく、複数でもよい。また冷却ガスが、上流から下流に向けて全てのヒートシールド４０を通るように、冷却ガス供給口５０は全てのヒートシールド４０より載置台２０の反対側（図１のＹ方向）に設けることが好ましい。

冷却ガスは、ヒートシールド４０を冷却する事が出来れば、そのガス種は問わないが、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅからなる群から選ばれる１種以上のガスであることが好ましい。これらのガスは、ＳｉＣエピタキシャル成長において、エッチングガスやキャリアガスとして機能することができ、ヒートシールド４０を冷やすための冷却ガスが供給される空間と反応空間が接続されている時でも、好適に用いることができる。
また、ＨＣｌ等のエッチングガス、Ｎ_２等の不純物ドーピングガスを添加することもできる。これらのガスは分解による堆積物の付着の恐れがなく、冷却ガスに添加しても悪影響がない。

炉体１０は、成長室を構成する中空部を有する。原料ガスは、炉体１０にガス導入管３０から導入され、ガス排出口６０から排出される。また中空部内に、載置台２０が設置され、その載置台２０上にＳｉＣウェハＷを載置し、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜することができる。炉体１０は特に限定されるものではないが、ＳＵＳ等の金属によって構成されていることが一般的である。

載置台２０は、ＳｉＣウェハＷを載置するサセプタ２１と、サセプタ２１上に載置されたＳｉＣウェハＷを加熱する加熱機構２２とを有する構成とされている。サセプタ２１は、上面がＳｉＣウェハＷの載置面となっており、内部に加熱機構２２が配置される空間が形成されている。サセプタ２１には下方に延びる管状の支持軸が備えられ、この支持軸が図示しない回転機構に連結されることで回転可能とされている。加熱機構２２は、ＳｉＣウェハＷの載置面と対向するヒーターなどによって構成されており、サセプタ２１内に設置されている。加熱機構２２には、サセプタ２１の支持軸内部を通して外部から通電されている。

ガス排出口６０は、炉体１０のうち載置台２０におけるＳｉＣウェハＷの載置面よりも下方に配置されており、ＳｉＣウェハＷを通過した後の未反応ガスを排出する。またこのガス排出口６０からは真空吸引が行えるようになっており、炉体１０内部の雰囲気圧力を適宜調整することができる。

またこれらの他、炉体１０の載置台２０からガス導入管３０の間を加熱するヒーター（図視略）等を適宜設けてもよい。ヒーターを設けることにより、炉体１０内の温度分布を適切に調整することが可能となり、ガスの対流や拡散をより抑制することができる。

また上述の実施形態では、縦型の炉体構造を有するＳｉＣ化学気相成長装置を図示した。しかし、本発明は当該縦型に限らず、図１１に示すように横型の炉体構造を有するＳｉＣ化学気相成長装置においても適用することができる。また、図示していないが縦型でガス導入管を下側に配置した上下逆の配置の場合にも適用することができる。いずれも本発明により原料ガスの過分解や対流、拡散を防ぐことができる。ただし、温度勾配による対流は、上下の温度差によって生じることが多い。従って対流はガス導入管と載置台に温度差が生じやすい縦型の炉体構造において発生しやすいため、本発明は縦型の炉体構造において特に有用である。またガス導入管の導入口等に堆積した付着物は、重力により下部にパーティクルとして落下することが考えられるため、この点においても縦型の炉体構造において特に有用である。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明のＳｉＣ化学気相成長装置は、ガス導入管内での反応ガスの分解、温度分布によるガスの対流や拡散を抑制することができ、均質かつ欠陥の少ないＳｉＣエピタキシャルウェハを製造することができる。これらのＳｉＣエピタキシャルウェハは、例えば、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等に用いることができる。

１００：ＳｉＣ化学気相成長装置、１０：炉体、２０：載置台、２１：サセプタ、２２：加熱機構、３０：ガス導入管、３１：ガス導入路、３２：ガス導入口、３２ａ：ガス導入端、３０ｓ：Ｓｉ系原料ガス導入管、３２ｓ：導入口、３０ｃ：Ｃ系原料ガス導入管、３２ｃ：導入口、３３：外管、３４：冷却ガス通過用貫通孔、３５：成膜処理前室、４０：ヒートシールド、４１：貫通孔、５０：冷却ガス供給口、６０：ガス排出口、ｇ：原料ガス、Ｓｉ：Ｓｉ系原料ガス、Ｃ：Ｃ系原料ガス、Ｗ：ＳｉＣウェハ

Claims (11)

1. 成長空間を構成する炉体と、
   前記炉体内に備えられ、ＳｉＣウェハを載置する載置台と、
   前記炉体内へ原料ガスを導入するガス導入管と、
   前記ガス導入管の周囲に配置され、貫通孔を有するヒートシールドと、
   前記ヒートシールドの貫通孔に冷却ガスを供給できる冷却ガス供給口とを備え、
   前記ガス導入管は、ガス導入路とガス導入口とを備え、
   前記ヒートシールドは複数あり、ガス導入口の周囲を囲んでいることを特徴とする、
   ＳｉＣ化学気相成長装置。
2. 前記貫通孔のガスの流れ方向に対して垂直な方向の断面積が、貫通孔１個あたり１００ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
3. 前記貫通孔が、前記ヒートシールドの厚さ方向に対して傾きを有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
4. 前記ヒートシールドが複数あり、隣り合うヒートシールドの貫通孔が平面視で重ならないことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
5. 前記ヒートシールドが平面視円形であり、前記円形のヒートシールドの中央部から外周部にわたってスリットが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
6. 前記冷却ガスとして、Ｈ_２、Ａｒ、Ｈｅからなる群から選ばれる１種以上のガスを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
7. 前記ガス導入管が複数備えられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
8. 複数の前記ガス導入管は、その一部がＳｉ系原料ガスを前記炉体内へ導入するＳｉ系原料ガス導入管であり、別の一部がＣ系原料ガスを前記炉体内へ導入するＣ系原料ガス導入管であり、
   前記Ｓｉ系原料ガス導入管と前記Ｃ系原料ガス導入管はそれぞれ分離されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
9. 前記ガス導入管を覆う外管を備え、
   前記ガス導入管と外管が二重構造を構成し、
   前記ガス導入管と外管の間から前記ガス導入管の周囲に冷却ガスを供給できることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
10. 前記ガス導入管が前記載置台の上部に配置された縦型の炉体構造を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
11. 冷却ガスが供給される空間と反応空間を仕切る仕切り板を備え、前記ヒートシールドが、前記冷却ガスが供給される空間内の前記ガス導入管の周囲に配置されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＳｉＣ化学気相成長装置。
    

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