JP6547444B2 - 炭化珪素半導体のエピタキシャル成長方法 - 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方法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。

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方法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、反応室内に炭化珪素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、反応室を加熱する第１加熱装置（７）と、を備えるエピタキシャル成長装置を用いた炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長方法であって、サセプタの上に炭化珪素半導体基板を搭載し、第１加熱装置の加熱によって反応室を加熱させると共に、第１ガス導入管からの原料ガスの導入と第２ガス導入管からのドーパントガスの導入を行って炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させる際に、第２ガス導入管から、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反応室内に導入す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Ａｌを除去できるエッチングガスを導入するようにしている。このため、第２ガス導入管の内壁面にＡｌが付着しようとしても、エッチングガスによって除去され、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。

請求項３に記載の発明では、第２ガス導入管を加熱する第２加熱装置（１３）を備え、第２加熱装置にて第２ガス導入管を加熱しつつ、第２ガス導入管から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同時に反応室内に導入することを特徴としている。

このように、第２加熱装置を備えることで、第２ガス導入管を加熱できるようにしている。つまり、Ａｌの付着し得る温度はＡｌの融点温度の６６０℃未満であるが、第２ガス導入管を加熱することで、第２ガス導入管がＡｌの付着し得る温度であるＡｌの融点温度の６６０℃以上になるようにできる。これにより、第２ガス導入管にＡｌが付着することを抑制することができる。

請求項５に記載の発明では、第２ガス導入管に連結され、該第２ガス導入管に６６０℃を超える高温ガスを導入する高温ガス導入管（１４）を備え、ＳｉＣ半導体層をエピタキシャル成長させる際に、高温ガス導入管から第２ガス導入管への高温ガスの導入も同時に行うことを特徴としている。

このように、高温ガス導入管を第２ガス導入管に連結し、第２ガス導入管に高温ガスが導入されるようにしている。これにより、第２ガス導入管を加熱でき、Ａｌの付着し得る温度であるＡｌの融点温度の６６０℃以上にできることから、第２ガス導入管にＡｌが付着することを抑制することができる。

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。

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および断熱材８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や黒鉛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、Ａｌを除去することができるエッチングガス（例えばＨＣｌ）やキャリアガス（例えばＨ₂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。

第１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、第１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。この第１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。

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、第１加熱装置７の加熱によって反応室３が加熱させられると、反応室３やＳｉＣ半導体基板９などの輻射熱によって第２ガス導入管５も例えば５００〜１２００℃の範囲というＡｌが付着し得る温度に加熱される。

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Ａｌを除去できるエッチングガスを導入するようにしている。このため、第２ガス導入管５の内壁面にＡｌが付着しようとしても、エッチングガスによって除去され、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）を導入し、外側導入管５ｂからＡｌのエッチングガス（例えばＨＣｌ）を導入する。また、本実施形態の場合、内側導入管５ａと外側導入管５ｂそれぞれから、キャリアガス（例えばＨ₂）も同時に導入している。

このように、Ａｌを含むドーパントガスの周囲にエッチングガスを導入することで、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の先端に的確にエッチング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３に示すように、本実施形態では、第２ガス導入管５を加熱する第２加熱装置１３を備えている。具体的には、第２ガス導入管５の周囲に第２加熱装置１３が配置されており、第２加熱装置１３にて第２ガス導入管５を直接加熱できるようになっている。第２加熱装置１３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、第２加熱装置１３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。

このように、第２加熱装置１３を備えることで、第２ガス導入管５を加熱できるようにしている。つまり、Ａｌの付着し得る温度はＡｌの融点温度の６６０℃未満であるが、第２ガス導入管１３を加熱することで、第２ガス導入管５がＡｌの付着し得る温度であるＡｌの融点温度の６６０℃以上になるようにしている。これにより、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、第２ガス導入管５からは、Ａｌを除去するエッチングガスを導入していなくても良いが、導入することでよりＡｌの付着を抑制できる。

なお、第１ガス導入管４や第２ガス導入管５は、チャンバー１の外部においてガスボンベと接続されることから、チャンバー１の外部では冷却されることになる。このため、第１加熱装置７の加熱に基づく輻射熱の影響で第１ガス導入管４や第２ガス導入管５が加熱されたとしても、その温度はＡｌが付着する温度の範囲内となる。しかしながら、本実施形態のように、第２ガス導入管５を積極的に加熱することで、第２ガス導入管５自体がＡｌの付着温度以上となるようにすることで、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可能となる。

（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内に高温ガス導入管１４を連結し、高温ガス導入管１４の周囲に配置した第２加熱装置１３による加熱に基づいて高温ガス導入管１４から高温ガスが導入されるようにしている。高温ガスは、Ａｌの付着し得る温度であるＡｌの融点温度の６６０℃以上に加熱されたガスである。高温ガスとしては、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、高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高温ガスとして用いている。

このように、高温ガス導入管１４を第２ガス導入管５に連結し、第２ガス導入管５に高温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を加熱でき、Ａｌの付着し得る温度であるＡｌの融点温度の６６０℃以上にできることから、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、第２ガス導入管５からは、Ａｌを除去するエッチングガスを導入していなくても良いが、導入することでよりＡｌの付着を抑制できる。

（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。

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、１３ 第１、第２加熱装置
９ ＳｉＣ半導体基板
１０ ＳｉＣ半導体層
１１ 成長空間
１４ 高温ガス導入管

Claims (7)

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第１加熱装置（７）と、を備えるエピタキシャル成長装置を用いた炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長方法であって、
   前記サセプタの上に前記炭化珪素半導体基板を搭載し、前記第１加熱装置の加熱によって前記反応室を加熱させると共に、前記第１ガス導入管からの前記原料ガスの導入と前記第２ガス導入管からの前記ドーパントガスの導入を行って前記炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させる際に、前記第２ガス導入管から、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同時に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方法。
2. 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前記エッチングガス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方法。
3. 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第１加熱装置（７）と、
   前記第２ガス導入管を加熱する第２加熱装置（１３）と、を備えるエピタキシャル成長装置を用いた炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長方法であって、
   前記サセプタの上に前記炭化珪素半導体基板を搭載し、前記第１加熱装置の加熱によって前記反応室を加熱させると共に、前記第１ガス導入管からの前記原料ガスの導入と前記第２ガス導入管からの前記ドーパントガスの導入を行って前記炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させる際に、前記第２加熱装置にて前記第２ガス導入管を加熱しつつ、該第２ガス導入管から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同時に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方法。
4. 前記第２加熱装置は、前記第２ガス導入管を６６０℃以上に加熱するものであることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長方法。
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第１加熱装置（７）と、
   前記第２ガス導入管に連結され、該第２ガス導入管に６６０℃を超える高温ガスを導入する高温ガス導入管（１４）と、を備えるエピタキシャル成長装置を用いた炭化珪素半導体におけるエピタキシャル成長方法であって、
   前記サセプタの上に前記炭化珪素半導体基板を搭載し、前記第１加熱装置の加熱によって前記反応室を加熱させると共に、前記第１ガス導入管からの前記原料ガスの導入と前記第２ガス導入管からの前記ドーパントガスの導入を行って前記炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させる際に、前記高温ガス導入管から前記第２ガス導入管への前記高温ガスの導入も同時に行う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方法。
6. 前記高温ガス導入管は、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加熱して前記高温ガスとして前記第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方法。
7. 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方法。

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