JP7419704B2

JP7419704B2 - 化学的気相成長装置

Info

Publication number: JP7419704B2
Application number: JP2019155927A
Authority: JP
Inventors: 真守堅田; 直人石橋
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: JP2021034656A

Description

本発明は、化学的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、バンドギャップが３倍大きく、熱伝導率が３倍程度高いなどの特性を有する。炭化珪素は、これら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、高温動作デバイスなどの半導体デバイス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単結晶ウェハ上に、半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる方法によって製造されている。ＳｉＣ単結晶ウェハは、昇華法などで作製したＳｉＣバルク単結晶から加工して得られる。ＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜は、化学的気相成長（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）装置を用いて形成される。

ＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜の成膜に用いられるＣＶＤ装置として、回転軸を中心に回転するサセプタを備える装置がある。このような装置では、ウェハの載置されたサセプタを加熱し、上方からウェハ表面に反応ガスを供給して成膜を行う。サセプタ上に載置されたウェハが回転することにより、ウェハの面内方向における反応ガスの供給状態が均一化されるため、均一なＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜が成長する。

ＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜の成膜に用いられるＣＶＤ装置として、例えば、特許文献１には、サセプタとカバー部材とリング状のプレートとを有するサセプタユニットを備える成膜装置が開示されている。

特開２０１６－２５３０９号公報

しかしながら、従来のＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜の成膜装置では、特性の均一なＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成膜するために、成膜時におけるウェハの温度分布をより均一にすることが要求されている。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、成膜時のウェハの温度分布が均一となる化学的気相成長装置を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討した。その結果、ウェハが載置されるサセプタ上の突起を介して、成膜時のウェハからカバー部材に熱が移動することにより、ウェハの温度分布にバラツキが生じることが分かった。そして、ウェハが載置されるサセプタ上の突起とカバー部材とを離間させて配置することにより、成膜時のウェハの温度差を小さくできることを見出し、本発明を想到した。

（１）化学的気相成長法によって、ウェハ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる化学的気相成長装置であって、
上面に前記ウェハが載置される突起を有するサセプタと、
前記サセプタ上に設置されたカバー部材とを有し、
前記カバー部材には、前記突起に載置された前記ウェハが収容される開口部が設けられ、前記開口部の内壁面が前記突起と離間していることを特徴とする化学的気相成長装置。

（２）前記内壁面は、前記ウェハの側面と等間隔で対向配置される平面視円形のウェハ対向面と、前記突起の側面との対向面を含む平面視円形の突起対向面とを有し、
前記ウェハ対向面の半径が、前記突起対向面の半径未満の寸法であることを特徴とする（１）に記載の化学的気相成長装置。

（３）前記突起対向面の半径が、前記サセプタの上面に近い位置に向かって徐々に長くなっていることを特徴とする（１）または（２）に記載の化学的気相成長装置。
（４）前記内壁面が、前記サセプタの上面と等間隔で対向配置されるサセプタ対向面を有することを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の化学的気相成長装置。

本発明の化学的気相成長装置は、カバー部材に設けられた開口部の内壁面が、サセプタの有するウェハが載置される突起と離間している。このため、本発明の化学的気相成長装置では、ウェハが載置されるサセプタ上の突起を介して、成膜時のウェハからカバー部材に熱が移動することがなく、成膜時のウェハの温度差を小さくできる。したがって、本発明の化学的気相成長装置を用いて、化学的気相成長法によってウェハ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させることにより、特性の均一なＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜が得られる。

図１は、本実施形態の化学的気相成長装置の概略を模式的に示した断面図である。図２は、図１に示す化学的気相成長装置の有するサセプタとカバー部材とを模式的に示した断面図である。図２（Ａ）は、ウェハがサセプタに載置された状態におけるサセプタとカバー部材とを示した断面模式図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一部を拡大して示した拡大断面模式図である。図３は、図１に示す化学的気相成長装置の有するサセプタを示した平面図である。図４は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。図５は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。図６は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。図７は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。図８は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。

以下、本発明の化学的気相成長装置について、図面を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る。このため、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、寸法等は一例である。したがって、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要件を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。

図１は、本実施形態の化学的気相成長装置の概略を模式的に示した断面図である。図２は、図１に示す化学的気相成長装置の有するサセプタとカバー部材とを模式的に示した断面図である。図２（Ａ）は、ウェハがサセプタに載置された状態におけるサセプタとカバー部材とを示した断面模式図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一部を拡大して示した拡大断面模式図である。図３は、図１に示す化学的気相成長装置の有するサセプタを示した平面図である。図３には、サセプタとウェハとの位置関係を説明するため、ウェハをサセプタに載置した場合のウェハの位置を点線で示す。

本実施形態の化学的気相成長装置（ＣＶＤ装置）３０は、化学的気相成長法によって、ウェハＷ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる装置である。
本実施形態のＣＶＤ装置３０は、ウェハＷを収容し、ウェハＷ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる反応炉３１と、反応炉３１に反応ガスを供給するガス供給機構３２と、ウェハＷを保持するサセプタ１と、サセプタ１上に設置されたカバー部材２１と、ウェハＷをサセプタ１０の下部より加熱するヒータ３３と、ウェハＷを回転させる回転機構３８とを備える。さらに、本実施形態のＣＶＤ装置３０は、反応炉３１から反応ガスを排出するガス排出部３５と、ウェハＷを反応炉３１内に搬入するための開口部となるゲートバルブ３６とを有する。

本実施形態のＣＶＤ装置３０の有するサセプタ１は、図３に示すように、平面視円形の板状であり、図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、ウェハＷと対向する側の面（図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）における上面）に突起１ａを有する。本実施形態では、図３に示すように、サセプタ１に載置されるウエハＷの中心位置からの距離が等しく、等間隔で離間して配置された円柱状の３個の突起１ａが設けられている。３個の突起１ａは、ウエハＷと同心円の円周上に立設されている。
なお、本実施形態では、突起１ａの数が３個である場合を例に挙げて説明するが、サセプタ１の有する突起１ａの数は、特に限定されるものではなく、例えば、サセプタ１に載置されるウエハＷと同心円の円周上に等間隔で離間して４～１０個設けられていてもよい。

ウェハＷ上に成長するＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜の特性には、成膜時のウェハＷの温度分布が反映される。円周方向に均一な特性を有するＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成膜するためには、サセプタ１の形状は円周方向に対称であることが望ましい。このため、上面にウェハＷが載置される３個の突起１ａは、サセプタ１の中心からの距離が等しく、等間隔で離間して配置されていることが好ましい。

各突起１ａとサセプタ１の中心との距離は、各突起１ａの上面の少なくとも一部がサセプタ１上のウェハＷが載置される領域と平面視で重なる領域内に配置されていればよく、各突起１ａの位置がサセプタ１の中心から遠いことが好ましい。具体的には、図２（Ａ）および図２（Ｂ）、図３に示すように、３個の突起１ａの位置は、各突起１ａの上面とウェハＷの縁部近傍領域とが対向する位置であってもよいし、各突起１ａの上面の一部がウェハＷと平面視で重なる領域内からはみ出した位置に配置されていてもよい。

また、突起１ａの形状は、上面にウェハＷを載置できる形状であればよく、図３に示す円柱状に限定されるものではなく、例えば、楕円柱状、長円柱状、多角柱状などの柱状形状であってもよい。また、突起１ａの平面形状は、円形に限定されるものではない。突起１ａの平面形状は、例えば、サセプタ１に載置されるウエハＷと同心円の円周に沿って間欠的に設けられた円弧状の形状であってもよいし、ウエハＷと同心円の円周に沿って連続的に設けられたリング状の形状であってもよい。

サセプタ１の材質としては、例えば、黒鉛、ＳｉＣ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなどの高温に耐えうる無垢の材質、もしくは、上記の無垢の材質からなる基材に、ＳｉＣコート、ＴａＣコートなどの炭化金属コーティングを施した材質などを使用することができる。
サセプタ１の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法により製造できる。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、サセプタ１上の３個の突起１ａの外周側の位置には、カバー部材２１が設置されている。カバー部材２１は、ウェハＷをサセプタ１上の所定の位置に保持するとともに、サセプタ１上にＳｉＣ膜が堆積するのを防止する機能を有する。カバー部材２１は、平面視円環形の板状である。カバー部材２１には、サセプタ１の有する３個の突起１ａに載置された状態で、ウェハＷが収容される開口部２ａが設けられている。したがって、開口部２ａの内径は、ウェハＷの外径よりも大きい。

本実施形態のＣＶＤ装置３０の有するカバー部材２１における開口部２ａの内壁面は、サセプタ１の突起１ａと離間している。開口部２ａの内壁面は、図２（Ｂ）に示すように、ウェハ対向面２１ａと、突起対向面２１ｂと、サセプタ対向面２１ｃとを有している。

ウェハ対向面２１ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、ウェハ対向面２１ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。このことにより、ウェハ対向面２１ａの下端と突起１ａの上面との間に、上下方向の位置の差に基づく隙間が形成されている。したがって、例え、半径方向におけるウェハ対向面２１ａの位置が、平面視で突起１ａの上面と重なる位置に存在していたとしても、開口部２ａの内壁面と突起１ａとの間には隙間が存在しており、開口部２ａの内壁面と突起１ａとが接触することはない。

また、突起対向面２１ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図２（Ｂ）に示すように、ウェハ対向面２１ａの半径は、突起対向面２１ｂの半径未満の寸法となっている。言い換えると、ウェハ対向面２１ａは、突起対向面２１ｂよりも、サセプタ１の中心に対して内側の位置に配置されている。また、突起対向面２１ｂは、突起１ａの上面におけるサセプタ１の中心から最も遠い位置よりも、サセプタ１の中心から離れた位置に配置されている。
サセプタ対向面２１ｃは、サセプタ１の上面と等間隔で対向配置されている。

カバー部材２１の材質としては、サセプタ１に使用できる材質と同様のものを用いることができる。カバー部材２１の材質は、サセプタ１と同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
カバー部材２１の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法により製造できる。

（ＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜の成長方法）
次に、本実施形態のＣＶＤ装置３０を用いて、化学的気相成長法によって、ウェハＷ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる方法について説明する。
まず、サセプタ１の有する３個の突起１ａの上面に、ウェハＷを載置して、突起１ａにウェハＷの下面を支持させる。本実施形態では、ウェハＷとして、ＳｉＣ単結晶ウェハを用いる。

次に、サセプタ１上に載置されたウェハＷの側面Ｗａを囲むように、カバー部材２１を設置する。このことにより、カバー部材２１の開口部２ａにウェハＷが収容される。このとき、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、カバー部材２１における開口部２ａの内壁面は、サセプタ１の突起１ａと離間して配置される。

その後、図１に示すヒータ３３に通電してサセプタ１を加熱することにより、ウェハＷを所定の温度に加熱する。そして、ガス供給機構３２から、シリコン原料であるシラン、炭素原料であるプロパン、キャリアガスである水素、ドーパントとなる窒素などの原料ガスを流通させる。このことにより、ウェハＷ上に、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させることができる。

本実施形態のＣＶＤ装置３０は、カバー部材２１に設けられた開口部２ａの内壁面が、サセプタ１の有するウェハＷが載置される突起１ａと離間している。このため、本実施形態のＣＶＤ装置３０では、ウェハＷが載置されるサセプタ１上の突起１ａを介して、成膜時のウェハＷからカバー部材２１に熱が移動することがなく、成膜時のウェハＷの温度差を小さくできる。したがって、本実施形態のＣＶＤ装置３０を用いて化学的気相成長法によって、ウェハＷ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させることにより、特性の均一なＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜が得られる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
（変形例）
図４～図８は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
図４～図８に示す化学的気相成長装置が、図１～図３に示す上述したＣＶＤ装置３０と異なるところは、カバー部材の形状のみである。
したがって、図４～図８に示す化学的気相成長装置において、カバー部材以外の部材は、図１～図３に示す上述したＣＶＤ装置３０と同一であり、同じ符号を付し、説明を省略する。

図４に示すカバー部材２２における開口部の内壁面は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、サセプタ１の突起１ａと離間している。カバー部材２２の開口部の内壁面は、図４に示すように、ウェハ対向面２２ａと、突起対向面２２ｂとを有している。
ウェハ対向面２２ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すウェハ対向面２１ａと同様に、ウェハ対向面２２ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。したがって、例え、半径方向におけるウェハ対向面２２ａの位置が、平面視で突起１ａの上面と重なる位置に存在していたとしても、突起対向面２２ｂの高さが突起１ａの上面よりも上側に位置している領域内では、開口部２ａの内壁面と突起１ａとの間には隙間が存在しており、開口部２ａの内壁面と突起１ａとが接触することはない。

また、突起対向面２２ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図４に示すように、ウェハ対向面２２ａの半径は、突起対向面２２ｂの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面２２ｂの半径は、ウェハ対向面２２ａの下端からサセプタ１の上面に近い位置に向かって、一定の割合で徐々に長くなっている。このことにより、図４に示すウェハ対向面２２ａの下端から突起対向面２２ｂの半径方向に沿う断面形状が、一定の割合で傾斜する連続した直線とされている。また、突起対向面２２ｂにおける少なくとも突起１ａの側面１ｂとの対向面は、突起１ａの上面におけるサセプタ１の中心から最も遠い位置よりも、サセプタ１の中心から離れた位置に配置される。

図５に示すカバー部材２３における開口部の内壁面は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、サセプタ１の突起１ａと離間している。カバー部材２３の開口部の内壁面は、図５に示すように、ウェハ対向面２３ａと、突起対向面２３ｂと、サセプタ対向面２３ｃとを有している。
ウェハ対向面２３ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すウェハ対向面２１ａと同様に、ウェハ対向面２３ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。

また、突起対向面２３ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図５に示すように、ウェハ対向面２３ａの半径は、突起対向面２３ｂの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面２３ｂの半径は、サセプタ１の上面に近い位置に向かって、一定の割合で徐々に長くなっている。このことにより、図５に示す突起対向面２３ｂの半径方向に沿う断面形状が、一定の割合で傾斜する直線とされている。
サセプタ対向面２３ｃは、サセプタ１の上面と等間隔で対向配置されている。

図６に示すカバー部材２４における開口部の内壁面は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、サセプタ１の突起１ａと離間している。カバー部材２４の開口部の内壁面は、図６に示すように、ウェハ対向面２４ａと、突起対向面２４ｂとを有している。
ウェハ対向面２４ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すウェハ対向面２１ａと同様に、ウェハ対向面２４ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。

また、突起対向面２４ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図６に示すように、ウェハ対向面２４ａの半径は、突起対向面２４ｂの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面２４ｂの半径は、ウェハ対向面２４ａの下端からサセプタ１の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、図６に示すウェハ対向面２４ａの下端から突起対向面２４ｂの半径方向に沿う断面形状が、外面に向かって凸状の連続した曲線とされている。

図７に示すカバー部材２５における開口部の内壁面は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、サセプタ１の突起１ａと離間している。カバー部材２５の開口部の内壁面は、図７に示すように、ウェハ対向面２５ａと、突起対向面２５ｂと、サセプタ対向面２５ｃとを有している。
ウェハ対向面２５ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すウェハ対向面２１ａと同様に、ウェハ対向面２５ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。

また、突起対向面２５ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図７に示すように、ウェハ対向面２５ａの半径は、突起対向面２５ｂの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面２５ｂの半径は、サセプタ１の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、図７に示す突起対向面２５ｂの半径方向に沿う断面形状が、外面に向かって凸状の曲線とされている。
サセプタ対向面２５ｃは、サセプタ１の上面と等間隔で対向配置されている。

図８に示すカバー部材２６における開口部の内壁面は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、サセプタ１の突起１ａと離間している。カバー部材２６の開口部の内壁面は、図８に示すように、ウェハ対向面２６ａと、突起対向面２６ｂとを有している。
ウェハ対向面２６ａは、ウェハＷの側面Ｗａと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、図２（Ｂ）に示すウェハ対向面２１ａと同様に、ウェハ対向面２６ａの下端が、突起１ａの上面よりも上側に位置している。

また、突起対向面２６ｂは、突起１ａの側面１ｂとの対向面を含む平面視円形のものである。図８に示すように、ウェハ対向面２６ａの半径は、突起対向面２６ｂの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面２６ｂの半径は、サセプタ１の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、図８に示す突起対向面２６ｂの半径方向に沿う断面形状が、内面に向かって凸状の曲線とされている。

図４～図８に示すカバー部材２２、２３、２４、２５、２６は、図２（Ｂ）に示すカバー部材２１と同様に、従来公知の方法により製造できる。

図４～図８に示すカバー部材２２、２３、２４、２５、２６を有する化学的気相成長装置においても、カバー部材に設けられた開口部の内壁面が、サセプタ１の有するウェハＷが載置される突起１ａと離間している。このため、ウェハＷが載置されるサセプタ１上の突起１ａを介して、成膜時のウェハＷからカバー部材に熱が移動することがなく、成膜時のウェハＷの温度差を小さくできる。

１サセプタ
１ａ突起
１ｂ側面
２ａ開口部
２１、２２、２３、２４、２５、２６カバー部材
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａウェハ対向面
２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ突起対向面
２１ｃ、２３ｃ、２５ｃサセプタ対向面
３０化学的気相成長装置（ＣＶＤ装置）
３１反応炉
３２ガス供給機構
３３ヒータ
３５ガス排出部
３６ゲートバルブ
３８回転機構
Ｗウェハ
Ｗａ側面

Claims

化学的気相成長法によって、ウェハ上にＳｉＣ単結晶エピタキシャル膜を成長させる化学的気相成長装置であって、
上面に前記ウェハが載置される突起を有し、平面視円形で開口部のない板状であるサセプタと、
前記サセプタ上に設置されたカバー部材とを有し、
前記カバー部材には、前記突起に載置された前記ウェハが収容される開口部が設けられ、前記開口部の内壁面が前記突起と離間しており、前記内壁面は、前記ウェハの側面と等間隔で対向配置される平面視円形のウェハ対向面と、前記突起の側面との対向面を含む平面視円形の突起対向面と、前記サセプタの上面と等間隔で対向配置されるサセプタ対向面とを有し、前記ウェハ対向面の半径が、前記突起対向面の半径未満の寸法であることを特徴とする化学的気相成長装置。
前記突起対向面の半径が、前記サセプタの上面に近い位置に向かって徐々に長くなっていることを特徴とする請求項１に記載の化学的気相成長装置。