JP7768044B2

JP7768044B2 - 炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置

Info

Publication number: JP7768044B2
Application number: JP2022092540A
Authority: JP
Inventors: 裕明藤林; 正武長屋; 淳士大原; 真一星
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2025-11-12
Anticipated expiration: 2042-06-07
Also published as: JP2023179294A

Description

本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）半導体のエピタキシャル成長を行うエピタキシャル成長装置に関する。

特許文献１に、エピタキシャル成長が行われる成長空間を囲む側壁を有する炉体と、炉体の側壁から成長空間の中央側へ向かって突出する突出部とを備えるエピタキシャル成長装置が開示されている。成長空間に配置されるＳｉＣ半導体基板に向けて、原料ガスが供給されることで、ＳｉＣ半導体基板の表面上に、ＳｉＣ半導体がエピタキシャル成長して、エピタキシャル成長膜が形成される。このエピタキシャル成長装置によれば、突出部によって、ＳｉＣ半導体基板に向かう原料ガスが、炉体の側壁周辺に向かって広がることを抑制することができる。

特開２０２０－１０２５３３号公報

ところで、エピタキシャル成長膜の形成時では、原料ガスの一部が炉体の側壁に付着することで、寄生生成物が側壁に形成される。上記のような突出部を備えるエピタキシャル成長装置を用いると、寄生生成物の一部がパーティクル（すなわち、粒子）となって落下して、突出部の上面に付着する。同じ装置を用いて、エピタキシャル成長膜の形成が繰り返し行われるとき、先回までのエピタキシャル成長膜の形成によって、このパーティクルが突出部の上面に付着した状態で、今回のエピタキシャル成長膜の形成が行われる。このときの突出部の温度が、パーティクルが昇華する温度よりも低い場合、突出部に付着したパーティクルが飛散して、形成中のエピタキシャル成長膜に到達することで、エピタキシャル成長膜に、パーティクルを起点として、三角欠陥等の結晶欠陥が生じることが、本発明者によって見出された。

また、先回までのエピタキシャル成長膜の形成によって、寄生生成物が側壁に形成されたり、今回のエピタキシャル成長膜の形成中に寄生生成物が側壁に形成されたりする。これらの場合においても、今回のエピタキシャル成長膜の形成中に、寄生生成物の一部がパーティクルとなって突出部の上面に落下し、落下したパーティクルが飛散することでも、上記の問題が生じる。

本発明は上記点に鑑みて、突出部へ落下したパーティクルの飛散を抑制することができる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に記載の発明によれば、
ＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長を行うＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置は、
エピタキシャル成長が行われる成長空間（１１１）を囲む側壁（１１２）を有する炉体（１１）と、
成長空間に配置され、エピタキシャル成長が行われるＳｉＣ半導体基板（２０）が搭載される載置面（１２１）を有する載置台（１２）と、
炉体の上部に設けられ、載置面の上方から載置面に向けて、成長空間に原料ガスを供給する原料ガス供給部（１３）と、
側壁のうち上下方向で原料ガス供給部と載置台との間の位置に設けられ、側壁から成長空間の中央側へ向かって突出する突出部（１４）と、
突出部を加熱するための突出部加熱用ヒータ（１７、４１）と、を備える。

これによれば、エピタキシャル成長膜の形成時または形成後に、突出部の温度が、突出部へ落下したパーティクルが昇華する温度となるように、突出部加熱用ヒータが突出部を加熱する。これにより、突出部へ落下したパーティクルを昇華させ、パーティクルを消滅させることができる。よって、エピタキシャル成長膜の形成時に、突出部へ落下したパーティクルの飛散を抑制することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態におけるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面模式図である。第２実施形態におけるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面模式図である。第３実施形態におけるＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置の断面模式図である。

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）
図１に示すように、本実施形態のＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置１０は、ＣＶＤ法（すなわち、化学的気相成長法）により、ＳｉＣ半導体基板２０の表面上に、ＳｉＣ半導体をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル成長膜２１を形成する。エピタキシャル成長装置１０は、縦型であり、炉体１１と、載置台１２と、原料ガス供給部１３と、突出部１４と、側壁加熱用ヒータ１５と、基板加熱用ヒータ１６と、突出部加熱用ヒータ１７と、を備える。

炉体１１は、その内部に、エピタキシャル成長が行われる成長空間１１１を形成する。炉体１１は、成長空間１１１を囲む円筒状の側壁１１２を有する。側壁１１２は、上下方向に延びており、横方向から成長空間１１１を囲む。炉体１１は、黒鉛、高融点金属炭化物、高融点金属炭化物に覆われた黒鉛などによって構成されている。高融点金属炭化物は、ＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長を行うときの温度でも溶融しない金属炭化物である。高融点金属炭化物としては、ＴａＣ、ＮｂＣ等が挙げられる。

載置台１２は、エピタキシャル成長が行われるＳｉＣ半導体基板２０が搭載される載置面１２１を有する。載置台１２は、成長空間１１１のうち下方に配置される。載置台１２は、円盤形状である。載置台１２は、黒鉛、高融点金属炭化物、高融点金属炭化物に覆われた黒鉛などによって構成されている。

原料ガス供給部１３は、炉体１１の上部に設けられている。原料ガス供給部１３は、載置面１２１の上方から載置面１２１に向けて、成長空間１１１に原料ガスとキャリアガスの混合ガスを供給する。原料ガスは、ＳｉＨ_４等のＳｉ原料ガスと、Ｃ_３Ｈ_８等のＣ原料ガスである。キャリアガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ_２等である。

原料ガス供給部１３は、側壁１１２の上部に設けられたガス導入口１３１と、複数の穴１３２を有する仕切板１３３とを有する。仕切板１３３は、炉体１１の内部空間を、ガス導入口側のガス導入空間１３４と、成長空間１１１とに仕切る。図１中の矢印Ａ１のように、ガス導入口１３１からガス導入空間１３４に混合ガスが導入される。ガス導入空間１３４に導入された混合ガスは、図１中の矢印Ａ２のように、複数の穴１３２から流出する。これにより、載置面１２１に向けて、シャワー状に混合ガスが供給される。

突出部１４は、側壁１１２のうち上下方向で原料ガス供給部１３と載置台１２との間の位置に設けられている。突出部１４は、側壁１１２から成長空間１１１の中央側へ向かって突出している。突出部１４は、側壁１１２とは別体であり、側壁１１２に固定されている。突出部１４は、側壁１１２の全周にわたって円環状に配置されている。突出部１４は、横方向に延びている。図１では、突出部１４は、側壁１１２から水平方向に延びているが、水平方向に対して斜め上側または斜め下側に向かって延びていてもよい。突出部１４は、黒鉛、高融点金属炭化物、高融点金属炭化物に覆われた黒鉛などによって構成されている。突出部１４を構成する材料は、側壁１１２を構成する材料と同じであっても、異なっていてもよい。なお、側壁１１２と突出部１４とは、継ぎ目がない一体成形体であってもよい。

突出部１４は、成長空間１１１のうち突出部１４よりも上側の部分と比較して、原料ガスが通過する空間の断面積を小さくすることで、原料ガスの流れを調整する。すなわち、成長空間１１１の断面積を絞ることで、原料ガス供給部１３からＳｉＣ半導体基板２０に向かう原料ガスが、側壁１１２に向かって広がることを抑制する。換言すると、突出部１４は、ＳｉＣ半導体基板２０に向かう原料ガスを成長空間１１１の中心側に収束させる。

側壁加熱用ヒータ１５は、側壁１１２を加熱する。側壁加熱用ヒータ１５は、側壁１１２の外側に配置される。側壁加熱用ヒータ１５は、通電によって発熱する通電発熱体を用いた直接加熱方式のヒータである。側壁加熱用ヒータ１５は、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱方式のヒータであってもよい。

基板加熱用ヒータ１６は、ＳｉＣ半導体基板２０を加熱する。基板加熱用ヒータ１６は、載置台１２の内部に配置される。基板加熱用ヒータ１６は、側壁加熱用ヒータ１５と同様に、直接加熱方式のヒータであるが、誘導加熱方式のヒータであってもよい。なお、載置台１２の内部に限らず、載置台１２が図よりも薄い形状の場合、載置台１２に対して載置面１２１側の反対側に、基板加熱用ヒータ１６が配置されてもよい。

突出部加熱用ヒータ１７は、突出部１４を加熱する。突出部加熱用ヒータ１７は、側壁１１２の外側であって、上下方向で突出部１４と同じ位置に配置される。突出部加熱用ヒータ１７は、側壁加熱用ヒータ１５と同様に、直接加熱方式のヒータであるが、誘導加熱方式のヒータであってもよい。

また、エピタキシャル成長装置１０は、図示しないガス排出部を備える。ガス排出部は、炉体１１のうち載置台１２よりも下側の部分に設けられる。ガス排出部は、成長空間１１１のガスを炉体１１の外部に排出する。

次に、上記したエピタキシャル成長装置１０を用いたエピタキシャル成長膜２１の形成方法について説明する。

ＳｉＣ単結晶で構成されたＳｉＣ半導体基板２０を載置面１２１に設置する。キャリアガスとしてＨ_２、原料ガスとしてＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８を用いる。この場合、側壁１１２の温度がＳｉＨ_４の分解温度以上である１０００℃以上になるように、側壁加熱用ヒータ１５によって、側壁１１２を加熱する。ＳｉＣ半導体基板２０の温度が１６００～１７５０℃になるように、基板加熱用ヒータ１６によって、ＳｉＣ半導体基板２０を加熱する。この状態で、図１中の矢印Ａ１、Ａ２のように、原料ガス供給部１３からＳｉＣ半導体基板２０に向けて原料ガスとキャリアガスの混合ガスを供給する。

側壁１１２が加熱されることで、ＳｉＣ半導体基板２０に向かう原料ガスが加熱分解され、ＳｉＣ半導体基板２０の表面上に、ＳｉＣ半導体がエピタキシャル成長し、エピタキシャル成長膜２１が形成される。エピタキシャル成長膜２１の形成後に、ＳｉＣ半導体基板２０が別のものに取り換えられて、新たにエピタキシャル成長膜２１が形成される。このように、同じ装置を用いて、エピタキシャル成長膜２１の形成が繰り返し行われる。

ところで、エピタキシャル成長膜２１の形成時に、原料ガスの一部が側壁１１２に付着することで、図１に示すように、ＳｉまたはＳｉＣで構成される寄生生成物２２が側壁１１２に形成される。図１中の矢印Ａ３のように、寄生生成物２２の一部がパーティクルとなって落下して、突出部１４の上面に付着する。

先回までのエピタキシャル成長膜２１の形成によって、このパーティクルが突出部１４の上面に付着した状態で、今回のエピタキシャル成長膜２１の形成が行われる。このときの突出部１４の温度が、パーティクルが昇華する温度よりも低い場合、突出部１４に付着したパーティクルが飛散して、形成中のエピタキシャル成長膜２１に到達することで、エピタキシャル成長膜２１に、パーティクルを起点として、三角欠陥等の結晶欠陥が生じる。

また、先回までのエピタキシャル成長膜２１の形成によって、寄生生成物２２が側壁１１２に形成されたり、今回のエピタキシャル成長膜２１の形成中に寄生生成物２２が側壁１１２に形成されたりする。これらの場合においても、今回のエピタキシャル成長膜２１の形成中に、寄生生成物２２の一部がパーティクルとなって突出部１４の上面に落下し、落下したパーティクルが飛散することでも、上記の問題が生じる。

そこで、本実施形態では、エピタキシャル成長膜２１の形成時、すなわち、原料ガスを供給して、ＳｉＣ半導体基板２０の表面上にＳｉＣ半導体をエピタキシャル成長させるときに、突出部加熱用ヒータ１７によって、突出部１４を加熱する。突出部１４の加熱温度は、下記のように、側壁１１２の加熱温度に応じて設定される。

側壁１１２の加熱温度によって、寄生生成物２２の成分が異なる。このため、側壁１１２の加熱温度が寄生生成物２２の主成分がＳｉとなる温度であるとき、突出部１４の加熱温度は、Ｓｉで構成されるパーティクルが昇華する温度、すなわち、１４００℃以上とされる。また、側壁１１２の加熱温度が寄生生成物２２の主成分がＳｉＣとなる温度であるとき、突出部１４の温度は、ＳｉＣで構成されるパーティクルが昇華する温度、すなわち、２０００℃以上とされる。

これにより、突出部１４に落下したパーティクルを昇華させ、パーティクルを消滅させることができる。よって、エピタキシャル成長膜２１の形成時に、突出部１４へ落下したパーティクルの飛散を抑制することができる。パーティクルを起点とする結晶欠陥がエピタキシャル成長膜２１に生じることを回避することができる。

突出部１４の加熱を、エピタキシャル成長膜２１の形成時ではなく、エピタキシャル成長膜２１の形成後に行ってもよい。エピタキシャル成長膜２１の形成後とは、エピタキシャル成長膜２１が形成されたＳｉＣ半導体基板２０を炉体１１の外部へ取り出した後のことである。突出部１４の加熱を、エピタキシャル成長膜２１の形成後に行うことで、エピタキシャル成長膜２１の形成時における突出部１４の加熱によるＳｉＣ半導体基板２０およびエピタキシャル成長膜２１への温度影響を回避することができる。

本実施形態と異なり、エピタキシャル成長装置１０が突出部加熱用ヒータ１７を備えていない場合、エピタキシャル成長膜２１の形成を複数回行うときに、突出部１４の上面にパーティクルがある程度付着する度に、パーティクルを除去するメンテナンスを行う必要がある。これに対して、本実施形態によれば、突出部１４の加熱を、エピタキシャル成長膜２１の形成時または形成後に行うことで、上記のメンテナンス頻度を低減でき、エピタキシャル成長膜２１の生産性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図２に示すように、本実施形態のＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置１０は、３つのトラップ用壁３１を備える点で、第１実施形態と異なる。他の構成は、第１実施形態と同じである。

３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、突出部１４から上側に向かって延びている。図２では、３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、鉛直方向上側に向かって延びているが、鉛直方向に対して斜め上側に向かって延びていてもよい。

３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、突出部１４と同様に、側壁１１２に沿う円環状であって、側壁１１２から成長空間１１１の中心側に向かう一つの方向での側壁１１２からの距離が異なる位置に配置されている。換言すると、３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、半径が異なる円筒形状であって、同心円状に配置されている。３つのトラップ用壁３１のうち最も側壁１１２に近い壁３１は、側壁１１２に対して間をあけて配置されている。３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、互いに間をあけて配置されている。

３つのトラップ用壁３１のそれぞれは、黒鉛、高融点金属炭化物、高融点金属炭化物に覆われた黒鉛などによって構成されている。３つのトラップ用壁３１のそれぞれを構成する材料は、突出部１４を構成する材料と同じであっても、異なっていてもよい。なお、３つのトラップ用壁３１のそれぞれと突出部１４とは、継ぎ目がない一体成形体であってもよい。

本実施形態によれば、第１実施形態と共通の構成から奏される効果を、第１実施形態と同様に得ることができる。さらに、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）エピタキシャル成長装置１０は、３つのトラップ用壁３１を備える。３つのトラップ用壁３１によって、パーティクルをトラップ（すなわち、捕捉）することができる。このため、突出部１４からのパーティクルの飛散を抑制する効果が第１実施形態よりも高い。

なお、本実施形態では、トラップ用壁３１の数は、３つであるが、これに限られず、１つ以上であればよい。トラップ用壁３１が１つの場合、「側壁１１２から成長空間１１１の中心側に向かう一つの方向での距離が異なる位置に配置されている」は、「側壁１１２から所定距離の位置に配置されている」という意味である。

（第３実施形態）
図３に示すように、本実施形態のＳｉＣ半導体のエピタキシャル成長装置１０は第１実施形態の突出部加熱用ヒータ１７の代わりに、突出部加熱用ヒータ４１を備える。突出部加熱用ヒータ４１は、第１実施形態の突出部加熱用ヒータ１７と同じ目的のものである。突出部加熱用ヒータ４１は、突出部１４の内部に配置されている。突出部加熱用ヒータ４１は、直接加熱方式のヒータであるが、誘導加熱方式のヒータであってもよい。

エピタキシャル成長装置１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態によれば、第１実施形態と共通の構成から奏される効果を、第１実施形態と同様に得ることができる。さらに、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）突出部加熱用ヒータ４１は、突出部１４の内部に配置されている。これによれば、突出部加熱用ヒータが側壁１１２の外側に配置される場合と比較して、突出部１４の上面から突出部加熱用ヒータ４１までの距離が短いため、突出部１４を効率的に加熱することができる。すなわち、ヒータのエネルギロスを小さくでき、突出部１４を狙いの温度に加熱するときのヒータのパワーを小さくすることができる。

（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、突出部１４は、円環状の部材である。しかしながら、突出部１４は、円環状の部材ではなく、側壁１１２の円周方向に互いに間をあけて配置された複数の部材であってもよい。この場合であっても、突出部１４が存在する部分では、突出部１４によって原料ガスが流れる空間の断面積が絞られることで、突出部１４による効果が得られる。また、この場合、第２実施形態のトラップ用壁３１は、突出部１４と同様に、側壁１１２の円周方向に互いに間をあけて配置される。

（２）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り、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。すなわち、炉体１１、載置台１２のそれぞれの形状を他の形状に変更することが可能である。原料ガス供給部１３の構成を他の構成に変更することが可能である。また、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせることが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

１１炉体
１１１成長空間
１１２側壁
１２載置台
１２１載置面
１３原料ガス供給部
１４突出部
１７、４１突出部加熱用ヒータ
２０ＳｉＣ半導体基板

Claims

炭化珪素半導体のエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置であって、
前記エピタキシャル成長が行われる成長空間（１１１）を囲む側壁（１１２）を有する炉体（１１）と、
前記成長空間に配置され、前記エピタキシャル成長が行われる炭化珪素半導体基板（２０）が搭載される載置面（１２１）を有する載置台（１２）と、
前記炉体の上部に設けられ、前記載置面の上方から前記載置面に向けて、前記成長空間に原料ガスを供給する原料ガス供給部（１３）と、
前記側壁のうち上下方向で前記原料ガス供給部と前記載置台との間の位置に設けられ、前記側壁から前記成長空間の中央側へ向かって突出する突出部（１４）と、
前記突出部を加熱するための突出部加熱用ヒータ（１７、４１）と、を備える、炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置。
前記側壁から前記成長空間の中心側に向かう一つの方向での前記側壁からの距離が異なる位置に配置され、前記突出部から上側に向かって延びる２つ以上の壁（３１）をさらに備える、請求項１に記載の炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置。
前記側壁から前記成長空間の中心側に向かう一つの方向での前記側壁から所定距離の位置に配置され、前記突出部から上側に向かって延びる１つの壁（３１）をさらに備える、請求項１に記載の炭化珪素半導体のエピタキシャル成長装置。
前記突出部加熱用ヒータ（４１）は、前記突出部の内部に配置されている、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のエピタキシャル成長装置。