JP6540270B2 - 炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ａｌをドーパントとする炭化珪素（以下、ＳｉＣという）半導体をエピタキシャル成長させることができるエピタキシャル成長装置に関するものである。

従来、特許文献１において、ｐ型不純物やｎ型不純物を共にドープできるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置が開示されている。このエピタキシャル成長装置では、反応室と、反応室内にＳｉ（シリコン）を含むＳｉ原料ガスを供給する第１の供給路およびＣ（炭素）を含むＣ原料ガスを供給する第２の供給路と、ｎ型不純物のドーパントガスを供給する第３の供給路と、ｐ型不純物のドーパントガスを供給する第４の供給路とを有している。これら第１〜第４の供給路が反応室のガス導入管の手前でまとめられ、１つのガス導入管を通じて反応室内に各種ガスが供給される。これにより、反応室内に配置されたＳｉＣ半導体基板の上にｎ型不純物やｐ型不純物がドープされたＳｉＣ半導体がエピタキシャル成長させられるようになっている。

特開２０１４−１８７１１３号公報

しかしながら、ｐ型不純物のドーパントガスとして、ＴＭＡ（Trimethylaluminium：トリメチルアルミニウム）ガスを用いる場合、ＴＭＡに含まれるＡｌをドーピングする際に、加熱された反応室やＳｉＣ半導体基板の輻射熱によってガス導入管が加熱され、ガス導入管の内壁にＴＭＡが熱分解されたＡｌが付着する。この付着したＡｌが再蒸発や剥がれによってエピタキシャル成長層中に取り込まれ、エピタキシャル成長層内におけるＡｌのドーピング濃度を安定させることが困難になるという問題がある。

なお、Ｓｉ原料やＣ原料を含む原料ガスと共にドーパントガスを導入する導入管を冷却することで導入ガスを冷却し、それらのガスをＳｉＣ基板表面に供給することでＳｉＣ半導体層を形成する装置もある。しかしながら、この装置では、すべてのガスを冷却しているので、冷却部自身と冷却された大量のガスにより反応室内や基板上での温度分布にバラツキが生じ、エピタキシャル成長膜の品質を基板全面で均一にすることが難しい。

本発明は上記点に鑑みて、Ａｌのドーピング濃度を安定化させられるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部空間を有するチャンバー（１）と、チャンバー内に配置され、ＳｉＣ半導体基板（９）の載置面を構成するサセプタ（２）と、サセプタの周囲を囲むと共にＳｉＣ半導体基板の上にＳｉＣ半導体層（１０）をエピタキシャル成長させる成長空間を構成する反応室（３）と、反応室内にＳｉＣの原料ガスを導入する第１ガス導入管（４）と、反応室内にＡｌを含むｐ型不純物のドーパントガスを導入する第２ガス導入管（５）と、成長空間から流出したガスをチャンバーから排出させるガス排出管（６）と、反応室を加熱する加熱装置（７）と、第２ガス導入管から導入されるドーパントガスを冷却する冷却部（１３）と、を備えていることを特徴としている。

このように、第１ガス導入管と第２ガス導入管を分け、Ａｌが含まれるｐ型不純物のドーパントガスが導入される第２ガス導入管側に冷却部を設けることで、第２ガス導入管を冷却できるようにする。このため、第２ガス導入管から導入されるドーパントガスの温度をＡｌが付着する温度の下限値である５００℃よりも低い４５０℃以下に低下させられ、Ａｌの付着を抑制することが可能となる。したがって、付着したＡｌの再蒸発や剥がれを抑制でき、エピタキシャル成長させられるＳｉＣ半導体層中に余分なＡｌが取り込まれることを抑制できる。これにより、ＳｉＣ半導体層内におけるＡｌのドーピング濃度を安定化させることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面構成を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面構成を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面構成を示す図である。 本発明の第５実施形態にかかるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面構成を示す図である。 反応室３の上壁面３ａを下方から見た図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ半導体におけるエピタキシャル成長装置について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、エピタキシャル成長装置は、チャンバー１、サセプタ２、反応室３、第１、第２ガス導入管４、５、ガス排出管６、第１加熱装置７、断熱材８などを備えた構成とされ、ＳｉＣ半導体基板９の表面にＳｉＣ半導体層１０をエピタキシャル成長させる。

チャンバー１は、上面１ａや底面１ｂおよび側面１ｃを有した中空形状とされ、内部空間にサセプタ２や反応室３などが配置されるものである。チャンバー１は、例えばＳＵＳ等によって構成されている。

サセプタ２は、エピタキシャル成長が行われるＳｉＣ半導体基板９を搭載する載置面を構成する。本実施形態の場合、サセプタ２は、チャンバー１の底面の中央位置に配置されており、サセプタ２の上面を載置面としてＳｉＣ半導体基板９が搭載されている。サセプタ２は、図示しない回転機構によってエピタキシャル成長中にＳｉＣ半導体基板９の表面に対する法線方向を中心軸方向として回転させられるようになっている。例えば、サセプタ２は、黒鉛製もしくは表面をＴａＣ（炭化タンタル）やＮｂＣ（炭化ニオブ）などの高融点金属炭化物にてコートした黒鉛もしくは全体が高融点金属炭化物によって構成されている。なお、ここでいう高融点金属炭化物とは、ＳｉＣ半導体層１０の成長に用いられる温度（例えば１６００℃程度）でも溶融しない金属炭化物のことを意味している。

反応室３は、チャンバー１の内部空間を仕切ってガス導入が行われる部屋を構成する壁部材であり、サセプタ２の周囲を囲むように配置され、エピタキシャル成長が行われる成長空間１１を構成する。反応室３は、黒鉛製もしくは表面をＴａＣやＮｂＣなどの高融点金属炭化物やＳｉＣにてコートした黒鉛もしくは全体が高融点金属炭化物によって構成されている。本実施形態では、反応室３は、上壁面３ａと側壁面３ｂおよびフランジ面３ｃを有した形状によって構成されている。

上壁面３ａは、サセプタ２およびＳｉＣ半導体基板９の上面に対して対向するように配置されている。上壁面３ａには複数個のガス導入孔が設けられており、ＳｉＣ半導体基板９の上面に対する法線方向から各種ガスを供給できるようにしてある。

側壁面３ｂは、例えば円筒形状のような枠体形状をなしており、サセプタ２の周囲を囲むように配置され、上方端側に上壁面３ａが配置されている。側壁面３ｂと上壁面３ａとは一体化されているが、別体とされていても良い。側壁面３ｂの寸法、例えば円筒形状で構成されている場合の内径寸法は、サセプタ２の寸法よりも大きくされており、側壁面３ｂとサセプタ２との間に隙間が設けられている。

フランジ面３ｃは、側壁面３ｂの下方端側の外周面から径方向外方に向かって延設されている。このフランジ面３ｃがチャンバー１の内周壁に固定されることで、反応室３がチャンバー１内の所望位置に設置されている。

このように構成された反応室３により、チャンバー１の内部空間が２部屋に区画される。そして、反応室３の室内が含まれる部屋、つまりＳｉＣ半導体基板９が配置される部屋がガス導入が行われてＳｉＣ半導体層１０をエピタキシャル成長させる成長空間１１となり、その周囲が不活性ガスが導入される空間１２となる。側壁面３ｂとサセプタ２との間に設けられた隙間があることから、成長空間１１は後述するガス排出管６に繋がっている。

第１ガス導入管４は、チャンバー１の上面に形成された複数の開口部のうちの１つを通じて反応室３の上壁面３ａに形成されたガス導入孔の１つに繋げられた管状部材であり、例えばＳＵＳや黒鉛等によって構成されている。第１ガス導入管４は、Ｓｉ原料ガス（例えばＳｉＨ₄などのシラン系ガス）、Ｃ原料ガス（Ｃ₃Ｈ₈などのプロパン系ガス）を導入する。ここでは、第１ガス導入管４を通じて、Ｓｉ原料ガスやＣ原料ガスと共にキャリアガス（例えばＨ₂（水素）など）を導入している。

第２ガス導入管５も、チャンバー１の上面に形成された複数の開口部のうちの１つを通じて反応室３の上壁面３ａに形成されたガス導入孔の１つに繋げられた管状部材であり、例えばＳＵＳ等によって構成されている。第２ガス導入管５は、ｐ型不純物を含むドーパントガス（例えばＴＭＡなど）を導入する。ここでは、第２ガス導入管５を通じて、ｐ型不純物のドーパントガスに加えて、キャリアガス（例えばＨ₂（水素）など）を導入している。

ガス排出管６は、チャンバー１内から不要ガスを排出させるものである。本実施形態の場合、ガス排出管６は、チャンバー１の底面に設けられており、成長空間１１から流出してきたＳｉ原料ガスやＣ原料ガスの未反応ガス、キャリアガスなどが排出されるようになっている。

加熱装置７は、直接加熱方式もしくは誘導加熱方式いずれの加熱方式による加熱を行うものであっても良いが、本実施形態の場合、加熱装置７として、高周波誘導（ＲＦ）加熱による加熱を行うものが適用されている。この加熱装置７によって側壁面３ｂが加熱され、成長空間１１内に導入されるＳｉ原料ガスやＣ原料ガスを加熱分解し、エピタキシャル成長が行われる雰囲気を形成している。

断熱材８は、反応室３を覆うように配置され、成長空間１１内の温度がエピタキシャル成長に適した温度を維持できるようにしている。

さらに、エピタキシャル成長装置には、第２ガス導入管５を冷却する冷却部１３を備えている。本実施形態の場合、冷却部１３は、第２ガス導入管５の外周に冷却水１３ａが流通させられる流水経路を設けることによって構成されている。冷却部１３は、第２ガス同入管５の外周を囲むように配置されている。冷却部１３は、第２ガス導入管５と別体で構成されていてもよいが、本実施形態の場合はガス導入管５を二重管状構造とし、その内部に冷却水１３ａを配置することで冷却部１３を第２ガス導入管５と一体構造としている。

このようにして、本実施形態にかかるＳｉＣ半導体におけるエピタキシャル成長装置が構成されている。なお、ここでは図示していないが、チャンバー１内のうち成長空間１１と異なる空間１２内にＡｒ（アルゴン）などの不活性ガスを導入している。そして、例えばフランジ面３ｃに開口部を形成し、不活性ガスもガス排出管６を通じて排出させられるように構成している。

このように構成されたエピタキシャル成長装置では、ＳｉＣエピタキシャル成長する際、加熱装置７の加熱によって反応室３を加熱しＳｉＣ基板を例えば１６００℃前後に加熱すると、反応室３やＳｉＣ半導体基板９などの輻射熱によって第１ガス導入管や第２ガス導入管５が、例えば５００〜１２００℃の範囲というＡｌが付着する温度に加熱され得る。

このため、第１ガス導入管４と第２ガス導入管５を分け、Ａｌが含まれるｐ型不純物のドーパントガスが導入される第２ガス導入管５側に冷却部１３を設けることで、第２ガス導入管５を冷却できるようにしている。これにより、第２ガス導入管５から導入されるドーパントガスの温度をＡｌが付着する温度の下限値である５００℃よりも低い４５０℃以下に低下させられ、Ａｌの付着を抑制することが可能となる。

したがって、付着したＡｌの再蒸発や剥がれを抑制でき、エピタキシャル成長させられるＳｉＣ半導体層１０中に余分なＡｌが取り込まれることを抑制できる。これにより、ＳｉＣ半導体層１０内におけるＡｌのドーピング濃度を安定化させることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２ガス導入管５の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２に示すように、本実施形態では、第２ガス導入管５を内側導入管５ａとその外側に設けた外側導入管５ｂとを備えた２重構造としている。そして、内側導入管５ａからＡｌを含むｐ型不純物のドーパントガス（例えばＴＭＡ）やキャリアガス（例えばＨ₂）を導入し、外側導入管５ｂからキャリアガス（例えばＨ₂）を導入する。

そして、冷却部１３をチャンバー１の外側に配置し、チャンバー１の外側において、第２ガス導入管５を冷却している。

このように、Ａｌを含むドーパントガスの周囲にキャリアガスを導入し、そのキャリアガスを冷却することで、第２ガス導入管５から導入されるドーパントガスを冷却し、第２ガス導入管５にＡｌが付着することを抑制することもできる。なお、本実施形態の場合、内側導入管５ａの先端が外側導入管５ｂの先端よりも内側、つまり突き出ないようにしている。このため、内側導入管５ａの先端に的確にキャリアガスが供給さるようにでき、より確実に第１ガス導入管５へのＡｌの付着を抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２ガス導入管５の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３に示すように、本実施形態では、チャンバー１の上方位置を仕切板１４、１５で仕切ることによってガス導入経路を構成している。両仕切板１４、１５の間には、Ｓｉ原料ガスおよびＣ原料ガスを導入する原料ガス経路が構成され、第１ガス導入管４がこの原料ガス経路に接続されて、原料ガス経路を通じて導入された各原料ガスが第１ガス導入管４に供給されるようになっている。また、仕切板１４とチャンバー１の上面との間には、ドーパントガスが導入されるドーパントガス経路が構成され、第２ガス導入管５がこのドーパントガス経路に接続されて、ドーパントガス経路を通じて導入されたドーパントガスが第２ガス導入管５に供給されるようになっている。

そして、チャンバー１の上面の上方に、冷却部１３が備えられている。冷却部１３は、空冷式もしくは水冷式のいずれであっても良く、空冷式であればファンなどが配置されることでチャンバー１の上面を冷却し、水冷式であればチャンバー１の上面に冷却管などを配置することでチャンバー１の上面を冷却する。

このような構成によれば、チャンバー１の上面を冷却することで、ドーパントガス経路を冷却することが可能となる。このため、第１実施形態と同様、第２ガス導入管５から導入されるドーパントガスを冷却でき、第２ガス導入管５にＡｌが付着することを抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してＡｌの付着抑制の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、本実施形態では、第２ガス導入管５に冷却ガス導入管１６を連結し、冷却ガス導入管１６の周囲に配置した冷却部１３による冷却に基づいて冷却ガス導入管１６から冷却ガスが導入されるようにしている。冷却部１３は、空冷式もしくは水冷式のいずれであってもよい。冷却ガスは、第２ガス導入管５の内径をＡｌの付着温度となる５００℃以下となる４５０℃以下の温度に冷却できるガスである。冷却ガスとしては、例えばＨ₂、Ｈｅ（ヘリウム）などの不活性ガス、ＨＣｌなどのエッチングガスを用いることができる。ＴＭＡガスのようなＡｌを含むｐ型不純物ガスについては、ドーパントガスとして用いるのに適した温度があることから、例えば約１５℃以下の低温にするのが好ましくない場合がある。したがって、ドーパントガスではないガスを冷却ガスとして用いている。

このように、冷却ガス導入管１６を第２ガス導入管５に連結し、第２ガス導入管５に冷却ガスが導入されるようにしている。これにより、第２ガス導入管５を冷却でき、第２ガス導入管５から導入されるドーパントガスを冷却できるため、Ａｌの付着する温度以下である４５０℃以下にできる。したがって、第２ガス導入管５にＡｌが付着することを抑制することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して第１ガス導入管４の構成などを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態でも、チャンバー１の上方位置を仕切板１４、１５で仕切ることによってガス導入経路を構成している。そして、両仕切板１５を反応室３の上面としても用い、図５および図６に示すように、仕切板１５のうちの成長空間１１と対応する位置に複数の穴を形成し、これを第１ガス導入管４として機能させることで、シャワー状に原料ガスが供給されるようにしている。

また、図６に示すように、第２ガス導入管５は、チャンバー１の中心から径方向に沿って延設されている。このように形成されることで、エピタキシャル成長中にサセプタ２を回転させたときに、ＳｉＣ半導体基板１の表面に均一にガスが吹き付けられるようになっている。そして、第２ガス導入管５の周囲を囲むように冷却部１３が設けられている。

このような構成によれば、シャワー状に原料ガスを流す際に、第２ガス導入管５より導入されるドーパントガスを冷却することができ、第１実施形態と同様、第２ガス導入管５にＡｌが付着することを抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１〜第４実施形態で説明したチャンバー１、サセプタ２および反応室３などの形状、さらにはガス種などは一例を示したに過ぎず、他の形状やガス種を用いても構わない。また、上記実施形態では、Ａｌを含むｐ型不純物のドーパントガスを導入するエピタキシャル成長装置を例に挙げたが、これに加えて熱分解温度が低いＳｉＨ₄やＢ₂Ｈ₆などのガスやＮ₂などのｎ型不純物のドーパントガスも導入できる構造であっても良い。

また、上記各実施形態では、チャンバー１内に反応室３を設けた構造とし、これらを別々のものとして構成した場合について説明したが、チャンバー１自体が反応室３を構成する構造であっても良い。すなわち、反応室３がサセプタ２の周囲を囲むようにして成長空間１１を構成されるものであれば、反応室３がチャンバー１自体によって構成されていても、チャンバー１と別体のものであっても、いずれであっても構わない。

さらに、上記各実施形態において、Ａｌを含むｐ型不純物のドーパントガスと共にキャリアガスを導入しているが、それに加えてもしくはそれに代えて、第４実施形態で説明したようなＨＣｌなどのエッチングガスを導入することもできる。勿論、第４実施形態に関しても、キャリアガスの代わりにエッチングガスのみを導入することもできる。このようなエッチングガスを導入すれば、より第２ガス導入管５にＡｌが付着することを抑制することができる。

また、本発明では、ガス導入管をＳｉＣ半導体基板の上方の位置に設置した装置構成であったが、ガス導入管を基板に対して横方向に設置し、Ａｌを含むｐ型不純物のドーパントガスと共にキャリアガスを基板に対して横方向に流す横型装置構成であっても構わない。

１ チャンバー
２ サセプタ
３ 反応室
４、５ 第１、第２ガス導入管
５ａ、５ｂ 内側、外側導入管
７ 加熱装置
９ ＳｉＣ半導体基板
１０ ＳｉＣ半導体層
１１ 成長空間
１３ 冷却部

Claims (9)

1. 内部空間を有するチャンバー（１）と、
   前記チャンバー内に配置され、炭化珪素半導体基板（９）の載置面を構成するサセプタ（２）と、
   前記サセプタの周囲を囲むと共に前記炭化珪素半導体基板の上に炭化珪素半導体層（１０）をエピタキシャル成長させる成長空間を構成する反応室（３）と、
   前記反応室内に炭化珪素の原料ガスを導入する第１ガス導入管（４）と、
   前記反応室内にＡｌを含むｐ型不純物のドーパントガスを導入する第２ガス導入管（５）と、
   前記成長空間から流出したガスを前記チャンバーから排出させるガス排出管（６）と、
   前記反応室を加熱する加熱装置（７）と、
   前記第２ガス導入管から導入される前記ドーパントガスを冷却する冷却部（１３）と、
   前記第２ガス導入管に連結され、該第２ガス導入管に４５０℃以下の冷却ガスを導入する冷却ガス導入管（１６）と、を備え、
   前記冷却ガス導入管は、Ｈ _２ 、Ａｌを除去するエッチングガスもしくは不活性ガスのいずれかを冷却して前記冷却ガスとして前記第２ガス導入管に導入するものであることを特徴とする炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
2. 前記冷却部は、前記第２ガス導入管を４５０℃以下に冷却するものであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
3. 前記冷却部は、前記第２ガス導入管の周囲に冷却水（１３ａ）が流通させられる流水経路を構成するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
4. 前記第２ガス導入管は、前記ドーパントガスに加えて、Ａｌを除去するエッチングガスも前記反応室内に導入することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
5. 内部空間を有するチャンバー（１）と、
   前記チャンバー内に配置され、炭化珪素半導体基板（９）の載置面を構成するサセプタ（２）と、
   前記サセプタの周囲を囲むと共に前記炭化珪素半導体基板の上に炭化珪素半導体層（１０）をエピタキシャル成長させる成長空間を構成する反応室（３）と、
   前記反応室内に炭化珪素の原料ガスを導入する第１ガス導入管（４）と、
   前記反応室内にＡｌを含むｐ型不純物のドーパントガスを導入する第２ガス導入管（５）と、
   前記成長空間から流出したガスを前記チャンバーから排出させるガス排出管（６）と、
   前記反応室を加熱する加熱装置（７）と、
   前記第２ガス導入管から導入される前記ドーパントガスを冷却する冷却部（１３）と、を備え、
   前記第２ガス導入管は、前記ドーパントガスに加えて、Ａｌを除去するエッチングガスも前記反応室内に導入することを特徴とする炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
6. 前記冷却部は、前記第２ガス導入管を４５０℃以下に冷却するものであることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
7. 前記冷却部は、前記第２ガス導入管の周囲に冷却水（１３ａ）が流通させられる流水経路を構成するものであることを特徴とする請求項５または６に記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
8. 前記第２ガス導入管は、前記Ａｌを含むｐ型不純物のドーパントガスを前記反応室内に導入する内側導入管（５ａ）と、前記内側導入管の外側に設けられキャリアガスとＡｌを除去するエッチングガスの少なくとも一方を前記反応室内に導入する外側導入管（５ｂ）とを有する２重構造とされていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。
9. 前記第２ガス導入管に連結され、該第２ガス導入管に４５０℃以下の冷却ガスを導入する冷却ガス導入管（１６）、を備えていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長装置。

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