JP6458677B2 - 炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法及び製造装置に関する。
近年、シリコン半導体に比べ、バンドギャップ、絶縁破壊電界強度、飽和ドリフト速度、熱伝導度がいずれも相対的に大きいことから、炭化珪素（以下ＳｉＣと記す）半導体が、主に電力制御用パワーデバイス材料として注目されている。事実、このＳｉＣ半導体を用いたパワーデバイスでは、電力損失の大幅な低減、小型化などが可能であり、電源電力変換時の省エネルギー化が実現できることから、電気自動車の高性能化、太陽電池システム等の高機能化等、低炭素社会実現の上で、キーデバイスとなるものである。
ＳｉＣパワーデバイスを作製するには、ＳｉＣバルク単結晶基板上に、半導体デバイスの活性領域となる層を予め熱ＣＶＤ法（熱化学気相堆積法）等によりエピタキシャル成長させることが多い。ここでいう活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度及び膜厚が精密に制御された上で作りこまれている成長方向軸を含む断面領域のことである。バルク単結晶基板に加え、このようなエピタキシャル成長層が必要とされる理由は、デバイスの仕様によりドーピング密度及び膜厚がほぼ既定され、通常、バルク単結晶基板のドーピング密度及び膜厚より高い精度が求められるためである。
ＳｉＣバルク単結晶基板上にエピタキシャル成長層を形成したウエハを、以下、エピタキシャルウエハと称する。炭化珪素半導体装置は、炭化珪素エピタキシャルウエハに対して様々な加工を施して作製される。炭化珪素エピタキシャルウエハに欠陥があると、炭化珪素半導体装置に局所的に高電圧が保持できない箇所ができ、リーク電流が発生する。このような欠陥の密度が増加すると、炭化珪素半導体装置の製造時の良品率が低下する。
炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する際、ウエハのみならず、成長炉の内壁やウエハを載置するウエハホルダの表面にも炭化珪素が付着する。この付着した炭化珪素は構造的に脆いため炭化珪素粒子になりやすい。炭化珪素粒子がウエハの表面に付着すると、当該箇所を起点としてダウンフォールや三角欠陥などの結晶欠陥が発生する。
このような結晶欠陥の原因となる炭化珪素粒子を低減させる方法として、ウエハホルダに付着した炭化珪素を、三フッ化塩素によるエッチングでクリーニングする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、七フッ化ヨウ素を含んだクリーニングガスを用いることにより、部材の基材であるグラファイトをエッチングして損傷を与えることなく、炭化珪素をクリーニングする方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１の方法では、付着した炭化珪素のみならず、成長炉内の部材やウエハホルダの保護膜である炭化珪素被膜までエッチングされてしまうため、クリーニングの管理が困難であった。また、三フッ化塩素は、装置や配管を腐食する他、専用の除外設備が必要となるため、運用面やコスト面で困難が伴っていた。また、炭化珪素はシリコンに比べてエッチング速度が遅いため、クリーニングに長時間を要すると同時に、完全に炭化珪素を除去するのは困難だった。
また、特許文献２の方法では、グラファイトをエッチングしない七フッ化ヨウ素を用いるが、特許文献１と同様に、成長炉内の部材やウエハホルダの保護膜である炭化珪素被膜がエッチングされてしまうため、クリーニングの管理が困難だった。このように、フッ化系のガスをクリーニングガスとして用いた場合、付着した炭化珪素以外の部材をエッチングしてしまうという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は成長炉内の部材やウエハホルダを損傷することなく結晶欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウエハを製造することができる製造方法及び製造装置を得るものである。
本発明に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法は、成長炉内にクリーニングガスを導入して前記成長炉の内壁面に付着した樹枝状の炭化珪素を除去する工程と、前記クリーニングガスを導入した後に前記成長炉内に炭化珪素基板を搬入する工程と、前記成長炉内にプロセスガスを導入して前記炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する工程とを備え、１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つ前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入することを特徴とする。
本発明では、１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つクリーニングガスを成長炉内に導入する。これにより、成長炉内の部材やウエハホルダを損傷することなく結晶欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウエハを製造することができる。
本発明の実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法及び製造装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置を示す断面図である。エピタキシャル成長を行う成長炉１（エピタキシャル成長炉）内に、炭化珪素基板２を載置するウエハホルダ３が設けられている。プロセスガス導入口４が、エピタキシャル成長工程時に、キャリアガスと原料ガスを含むプロセスガスを成長炉１内に導入する。プロセスガス排気口５が、プロセスガス導入口４から導入されたプロセスガスを成長炉１から排出する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置を示す断面図である。エピタキシャル成長を行う成長炉１（エピタキシャル成長炉）内に、炭化珪素基板２を載置するウエハホルダ３が設けられている。プロセスガス導入口４が、エピタキシャル成長工程時に、キャリアガスと原料ガスを含むプロセスガスを成長炉１内に導入する。プロセスガス排気口５が、プロセスガス導入口４から導入されたプロセスガスを成長炉１から排出する。
クリーニングガス導入口６が、クリーニング工程時に、成長炉１の内壁面に付着した樹枝状の炭化珪素を除去するためのクリーニングガスを成長炉１内に導入する。ガス排気口７が、クリーニングガス導入口６から導入されたクリーニングガスを成長炉１から排出する。ガス導入条件制御部８が、プロセスガス導入口４及びクリーニングガス導入口６に接続されたガス流量制御装置や圧力制御装置を制御し、クリーニング工程又はエピタキシャル工程におけるプロセスガス及びクリーニングガスの導入条件（ガス流量と圧力）を制御する。クリーニングガス導入口６は、ガス導入条件制御部８を介して、クリーニングガスのボンベ（不図示）に接続されている。
図２は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造工程を示すフローチャートである。以下、図１，２を用いて炭化珪素エピタキシャルウエハの製造工程を説明する。
まず、ウエハホルダ３を成長炉１内に搬入した状態で成長炉１にクリーニングガスを導入して成長炉１の内壁及びウエハホルダ３に付着した樹枝状の炭化珪素を除去する（ステップＳ１）。この工程をクリーニング工程と呼ぶ。但し、ウエハホルダ３のクリーニングが不要な場合は、ウエハホルダ３を成長炉１から搬出しておいてもよい。クリーニング工程におけるクリーニングガスの導入条件については後述する。
次に、炭化珪素基板２をウエハホルダ３上に載置して成長炉１内に搬入する（ステップＳ２）。次に、成長炉１内にプロセスガスを導入して炭化珪素基板２上に炭化珪素エピタキシャル層９を成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を製造する（ステップＳ３）。その後、完成した炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１から搬出する（ステップＳ４）。以上の工程により炭化珪素エピタキシャルウエハ１０が製造される。
ここで、クリーニング工程の意義について説明する。エピタキシャル成長工程において、炭化珪素基板２上に炭化珪素エピタキシャル層９が成長するが、同時に、成長炉１の内壁面やウエハホルダ３にも炭化珪素が付着し、樹枝状に成長する。そして、プロセスガス導入時の気流の変動によって、構造的に弱い樹枝状の細い箇所が切断及び剥離することによって炭化珪素粒子が発生する。この炭化珪素粒子を除去（クリーニング）しなければ、次のエピタキシャル成長工程において、導入するガスの気流変動によって成長炉１内を飛散して炭化珪素エピタキシャルウエハ１０のエピタキシャル成長面に付着し、それに伴う結晶欠陥が発生してしまう。クリーニング工程（ステップＳ１）は、このような事態を回避するためのものである。
続いて、クリーニング工程におけるクリーニングガスの導入条件について説明する。まず、ガスの流体エネルギーについて説明する。流体エネルギーはクリーニング工程中におけるガスの総エネルギー量を示したものであり、クリーニング工程中に流したガスの合計質量をｍ［ｋｇ］とし、その時のガスの流速をｖ［ｍ／ｓ］とすれば以下の数式１で定義される。
図３は、成長炉内におけるクリーニングガスの流体エネルギーと、そのときの成長炉内に残存する粒子数の相対値との関係を示す図である。ここで、成長炉１にある流体エネルギーに制御されたクリーニングガスを導入した後、例えばシリコンウエハを成長炉１内へ搬送し、例えばアルゴンガスを導入する。その後、シリコンウエハを搬出する。搬出されたシリコンウエハ上に堆積された粒子をパーティクルカウンターで計数することで「残存する粒子数」が得られる。図３の縦軸は流体エネルギーが８．０Ｅ−５［Ｊ］の場合の残存する粒子数を１とした相対値で示している。図３によれば、流体エネルギーが１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の場合に、粒子数の相対値が０．０８以下と急激に低減している。これは１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーによって成長炉１の内壁面及びウエハホルダ３に付着している炭化珪素が除去できていることを示している。また、流体エネルギーが８．１Ｅ−４［Ｊ］の場合では、さらに粒子数の相対値を０．０１５以下まで低減することができる。さらには、流体エネルギーが２．０Ｅ−２［Ｊ］の場合では、粒子数の相対値を０．００５以下まで低減することができる。ここで流体エネルギーの上限値については特に設けないが、一般的な成長炉の場合には流体エネルギーが１．０Ｅ−１［Ｊ］より大きいと、クリーニング工程時間が非常に長くなってしまい生産性の低下を招く恐れがあるため、流体エネルギーは１．０Ｅ−１［Ｊ］以下であることが好ましい。
そこで、本実施の形態では、クリーニング工程（ステップＳ１）において当該工程のガス総量に対して１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つクリーニングガスを成長炉１内に導入する。この際に、ガス導入条件制御部８がクリーニングガスの流体エネルギーを１．６Ｅ−４［Ｊ］以上に制御する。このクリーニング工程により、エピタキシャル工程の前に、成長炉１の内壁面及びウエハホルダ３に付着している樹枝状の炭化珪素を除去することができる。このため、エピタキシャル成長工程におけるプロセスガス導入時に炭化珪素粒子がほとんど発生しない。従って、炭化珪素粒子に起因する結晶欠陥が大幅に低減された炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を形成することができる。
また、クリーニングガスはアルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガス又は水素ガスである。従って、クリーニングガスは炭化珪素をエッチングするエッチングガスではないため、クリーニング工程で成長炉１内の部材やウエハホルダ３の保護膜の炭化珪素皮膜がエッチングされる心配がなく、管理が容易である。この結果、本実施の形態により、成長炉１内の部材やウエハホルダ３を損傷することなく結晶欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を製造することができる。さらに、この炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を用いることで、結晶欠陥が少なく、安価で高歩留りな炭化珪素デバイスを作製することができる。
また、ウエハホルダ３の載置面は成長炉１の天井面に対向している。炭化珪素エピタキシャルウエハ１０のエピタキシャル成長面と対向した位置にある成長炉１の天井面（上面）に付着する炭化珪素は、成長炉１の他の場所に付着した炭化珪素に比べて結晶欠陥の原因となりやすい。また、成長炉１の天井面は、付着する炭化珪素の量が成長炉１の他の場所に比べて多いため、重点的にクリーニングを行う必要がある。そこで、クリーニングガス導入口６は、クリーニングガスが成長炉１の天井面に沿って流れるように、ウエハホルダ３より上方において成長炉１の側面に設けられている。これにより、炭化珪素エピタキシャルウエハ１０のエピタキシャル成長面に対向する天井面に付着した炭化珪素を短時間で効率良く除去することができる。
また、クリーニングガス排気口７は、クリーニング工程で炭化珪素粒子を回収するための、クリーニング専用のガス排気口である。成長炉１では、エピタキシャル成長用のプロセスガスが水平方向（図１の紙面の左右方向）に流れるため、プロセスガス排気口５は、プロセスガス導入口４の反対側に設けられている。この場合、プロセスガス排気口５に達しなかった炭化珪素粒子は回収されず、成長炉１の底面に溜まる。そして、成長炉１の底面に溜まった炭化珪素粒子は、エピタキシャル成長時のプロセスガス導入時に巻き上げられ、炭化珪素エピタキシャルウエハ１０のエピタキシャル成長面に付着し結晶欠陥の原因となる。そこで、クリーニングガス排気口７は成長炉１の底面に設けられている。これにより、プロセスガス排気口５に達することなく成長炉１の底面に溜まった炭化珪素粒子を効率よく回収することができる。従って、エピタキシャル成長時のガス導入時に炭化珪素粒子が巻き上がることがないため、結晶欠陥の低減が可能である。なお、クリーニングガス排気口７は、プロセスガス排気口５と同時に使用でき、プロセスガス用の真空ポンプや圧力調整バルブ等を共用できる。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造工程を示すフローチャートである。本実施の形態の製造工程に用いる製造装置は実施の形態１と同様である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造工程を示すフローチャートである。本実施の形態の製造工程に用いる製造装置は実施の形態１と同様である。
まず、実施の形態１と同様にクリーニング工程（ステップＳ１）、炭化珪素基板２の搬送工程（ステップＳ２）及びエピタキシャル成長工程（ステップＳ３）を実施し、炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を形成する。これらのステップは実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略する。クリーニング工程（ステップＳ１）で成長炉１の内壁面及びウエハホルダ３に付着した樹枝状の炭化珪素を除去してからエピタキシャル成長工程（ステップＳ３）を実施するので、エピタキシャル成長工程で炭化珪素粒子はほとんど発生しない。そのため、炭化珪素粒子に起因する結晶欠陥が大幅に低減された炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を形成することができる。
次に、完成した炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１から搬出せず、そのままクリーニング工程を実施する（ステップＳ５）。その後、完成した炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１から搬出する（ステップＳ４）。クリーニング工程（ステップＳ５）では、実施の形態１のクリーニング工程（ステップＳ１）と同様に炭化珪素をエッチングするエッチングガスではなく、１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つクリーニングガスを成長炉１内に導入する。
実施の形態１では、完成した炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１から搬出した後にクリーニング工程を実施していたが、本実施の形態では炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１内に載置したままクリーニング工程を実施する。これにより、炭化珪素エピタキシャルウエハ１０に炭化珪素粒子が付着する場合があるが、既にエピタキシャル成長した後であるため、付着した炭化珪素粒子が結晶欠陥の原因となることはない。この結果、成長炉１内の部材やウエハホルダ３を損傷することなく結晶欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を製造することができる。
図５は、本発明の実施の形態２に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置の変形例を示す断面図である。炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１内に載置したままクリーニング工程を実施する場合、図５に示すように炭化珪素基板２上にシャッター１１を有した製造装置を用いてもよい。このシャッター１１はエピタキシャル工程（ステップＳ３）では炭化珪素基板２上を覆うことはなく、クリーニングガスを成長炉１内に導入するクリーニング工程（ステップＳ５）のみで炭化珪素エピタキシャルウエハ１０上に配置される。これにより、炭化珪素エピタキシャルウエハ１０上に炭化珪素粒子が付着することを防ぐことができる。
通常、エピタキシャル工程を終えた炭化珪素エピタキシャルウエハ１０を成長炉１から搬出する前に、成長炉１内の成長ガスを不活性ガスで置換するサイクルパージが行われる。そこで、クリーニング工程（ステップＳ５）とサイクルパージを兼用してもよい。これにより、クリーニング工程が製造タクトに及ぼす影響を小さくすることができる。
以上の実施の形態１，２の記述は本発明の適用可能な形態を例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能であり、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。例えば図４の点線矢印で示したように工程を変更することができる。
１ 成長炉、２ 炭化珪素基板、３ ウエハホルダ、４ プロセスガス導入口、５ プロセスガス排気口、６ クリーニングガス導入口、７ クリーニングガス排気口、９ 炭化珪素エピタキシャル層、１０ 炭化珪素エピタキシャルウエハ、１１ シャッター
Claims (8)
- 成長炉内にクリーニングガスを導入して前記成長炉の内壁面に付着した樹枝状の炭化珪素を除去する工程と、
前記クリーニングガスを導入した後に前記成長炉内に炭化珪素基板を搬入する工程と、
前記成長炉内にプロセスガスを導入して前記炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する工程とを備え、
１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つ前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入することを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。 - 成長炉内に炭化珪素基板を搬入する工程と、
前記成長炉内にプロセスガスを導入して前記炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する工程と、
前記成長炉内にクリーニングガスを導入して前記成長炉の内壁面に付着した樹枝状の炭化珪素を除去する工程とを備え、
１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つ前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入することを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。 - 前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入する際に前記炭化珪素エピタキシャルウエハ上にシャッターを配置することを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- 前記クリーニングガスは不活性ガス又は水素ガスであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- エピタキシャル成長を行う成長炉と、
前記成長炉内に設けられ、炭化珪素基板を載置するウエハホルダと、
プロセスガスを前記成長炉内に導入するプロセスガス導入口と、
前記プロセスガスを前記成長炉から排出するプロセスガス排気口と、
前記成長炉の内壁面に付着した樹枝状の炭化珪素を除去するためのクリーニングガスを前記成長炉内に導入するクリーニングガス導入口と、
前記クリーニングガスを前記成長炉から排出するクリーニングガス排気口とを備え、
前記クリーニングガス導入口から１．６Ｅ−４［Ｊ］以上の流体エネルギーを持つ前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入することを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。 - 前記ウエハホルダの載置面は前記成長炉の天井面に対向し、
前記クリーニングガス導入口は、前記クリーニングガスが前記成長炉の前記天井面に沿って流れるように、前記ウエハホルダより上方において前記成長炉の側面に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。 - 前記クリーニングガス排気口は前記成長炉の底面に設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。
- 前記クリーニングガスを前記成長炉内に導入する際に前記炭化珪素エピタキシャルウエハ上に配置されるシャッターを更に備えることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。
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