JPS62297467A - 炭化ケイ素被膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野） 本発明は炭化ケイ素被膜の形成方法に関するものであり
、さらに詳しく述べるならばＩＣの製造工程において半
導体ウェハーをエピタキシャル成長、不純物ドーピング
、熱酸化、窒化、アニーリングその他各種のプロセスに
て処理する際に半導体ウェハーを支持するために用いら
れる台に炭化ケイ素被膜を形成する方法に関するもので
ある。

特に、本発明は、処理に必要な熱源が高周波誘導加熱に
より与えられるエピタキシャル成長プロセスで用いられ
る炭素基材からなる台（通常サセプタと言われる）に炭
化ケイ素被膜を形成する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

通常サセプタは直径１５０〜９２０　＋＋ｎ、厚さ５〜
３０ｎ＋の寸法を有しており、そのウェハー支持面に８
０〜２００μｍの炭化ケイ素被膜が被着された炭素より
製作されている。

従来公知の炭化ケイ素被膜形成法によると、ＣＨ３５ｉ
Ｃｈまたは（Ｃ）１３）　＊５ｉＣ１などの炭素ケイ素
化合物を気相で高温下で分解させ、炭素製基材上にＳｉ
Ｃをデポジットさせていた。また５ｉＣ１４とメタン、
エタン、プロパンなどの炭化水素とを約１３００℃程度
で反応させてＳｉＣを生成し、炭素製基材にデポジット
する方法も知られている。しかし、これらの方法で形成
された炭化ケイ素被膜は長時間使用されるとクラック、
ピンホールが入り易いという評価がされていた。よって
、上記方法で炭化ケイ素被膜を形成したサセプタは現在
はとんど業界で使用されていない。

特開昭５４−９０２１６号公報によると、外部からＣ源
とＳｉ源とからなる原料ガスを導入し、常圧下で反応せ
しめて被処理基材表面にＳｉＣを形成する方法（１）、
被処理基材が炭素質の場合、外部からＳｉ源のみからな
る原料ガスを導入し常圧下で加熱して基材のＣとＳｉ　
とを直接反応させてＳｉＣ層を形成する方法（２）があ
るが、（１）の方法では高価なハロゲン珪素を用いなけ
ればならず、しかも均一均質なＳｉＣ膜が形成できない
という欠点があり、また（２）の方法ではＳｉＣ膜の膜
厚が制限されしかもＣ基材の材質が制限されるという欠
点があることが述べられている。そこで、特開昭５４−
９０２１６号公報では、（１）　、　（２）の方法の欠
点を解消せんとして、炭素粉と珪石粉を加熱してＳｉＯ
□十Ｃ→ＳｉＯ＋ＣＯの反応を起こさしめ、生成ＳｉＯ
ガスをＳｉＣ被膜形成反応室に導入し、反応を行なわし
めると炭素製板状体にＳｉＣ被膜が形成される現象を利
用したＳｉＣ膜形成法が提案されている。

また、特開昭５５−１０９２８７号公報によると、難黒
鉛化性の炭素質材料（ガラス状カーボン）を１８００℃
以上で熱処理した非晶質炭素材料をＳｉＯ、Ｓｔ、５ｉ
Ｃ１４，５ｉＨＣ１ａ等と反応させて非晶質炭素材料の
゛表面を炭化ケイ素に転換する方法が記載されている。

この方法によると、炭化珪素の耐摩耗性改良が黒鉛材料
の炭化珪素への転換により達成されると述べられており
、また転換温度としては１８００〜２２００℃、好まし
くは１９５０−２０５０℃が挙げられている。

現在ＩＣ製造で使用されている圧倒的多数のサセプタは
上記ＣＶＤ法以外の方法で製造されたものであることが
分かっている。但し、このサセプタの炭化ケイ素被膜形
成法は詳らかにされていない。

本発明者等は、上記ＣＶＤ法、５ｉＣＩｎ　　・炭化水
素反応法などの欠点を克服しうる炭化ケイ素被膜形成反
応を研究する過程で、固体炭素（Ｃ）とＳｉＯ□粉を反
応させて炭化ケイ素被膜を形成する方法にも着目した。

しかし、この方法は固体（Ｃ）一固体（ＳｉＯ□）反応
であるために、気相が関与する反応に比較して、反応制
御が難しいという難点は克服できないことが分かった。

さらに、本発明者等は炭素製基材を炭素粉およびＳｉＯ
□粉との混合粉末中に埋め込んでＳｉＣ被膜を形成する
方法も試みたが、表面が粗い付着物を生じるのみで膜状
に堆積するに至らないことも分かった。

また、珪素または珪素含有ガスで非晶質黒鉛を炭化珪素
に転換する方法は、１８００〜２２００℃の高温が必要
であるために炭化珪素被膜製造コストが高くなり、さら
に被処理材である難黒鉛化性基材は多孔性であるために
生成被膜を多孔性になってサセプタ用被膜としては不適
切である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明はＩＣ製造プロセスで半導体ウェハーの支持台と
して使用する際に、ピンホール、クラック等の欠陥を生
じない炭化ケイ素被膜を形成する方法を提供することを
ひとつの目的とする。具体的には、下記ランニングテス
ト条件で炭化ケイ素被膜の長時間性能を評価して、要求
を満足する炭化ケイ素被膜を形成することである。

ランニングテスト　：９００°Ｃで３５時間空気中で加
熱して被膜が黄変した場合はピンホールが被膜中に存在
していたと判定して、被膜を不合格にする。

この点で、従来のＣＶＤ法および５ｉＣＬ４　　・炭化
水素反応法は全く不満足な結果しか得られない。

一方、固体炭素−５ｉＯ□反応法は、反応バッチによっ
ては稀には所望の結果が得られることはあるが、量産に
は適当ではない。

さらに、本発明は反応の制御が容易である炭化ケイ素被
膜形成法を提供することを目的とする。

ここで反応の制御とは、化学的反応進行過程を直接制御
するよりもむしろその結果として得られる炭化ケイ素被
膜の性質をサセプタとしての要求水準に制御することに
よって、近年益々大規模化されつつあるＩＣプロセスに
一定の品質のサセプタを多量に提供するとともに任意の
膜厚の炭化ケイ素被膜牽随意に形成することである。こ
の点で、本発明者等が試行した炭素−５ｉＯｚ反応法は
炭素還元による固体プロセスであるため、還元側である
炭素が消耗したときにその消耗量に見合った炭素を供給
することは難しく、反応の制御が困難であることが分か
った。一方、炭素粉および５ｉＯｚ粉との混合粉末中に
炭素製基材を埋め込んで反応させる方法では炭化ケイ素
被膜を形成すべき基材の表面で炭化ケイ素反応が進行す
るが、ｒｃ製造用サセプタに要求される表面粗さく平滑
性）および膜厚が得られない。

［問題点を解決するための手段〕 本発明者等は、珪素と、炭素源と、Ｃ酸化物およびＮ酸
化物の少なくとも１種とを使用する炭化ケイ素被膜形成
法により上記目的が達成できることを見出して、本発明
を完成した。

珪素（Ｓｉ）は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のＳｉを供給する
成分である。炭化ケイ素各反応成分を接触するためには
Ｓｉを溶融温度に加熱して、その他の成分と接触させる
ことが必要である。

Ｓｉは工業的金属シリコン同等の純度を有しておればよ
く、超高純度（半導体用）である必要はない。また、Ｓ
ｉは化合物でなく単体として反応系に存在しておればよ
いため、Ｓｉ粉、塊の形態で反応室内にＳｉを配置して
おくことができる。

このようにして配置するＳｉ　の量はＳｉＣ’ｔＥ成目
標量以上あれば、多すぎるということはない。

Ｃ酸化物およびＮ酸化物は炭化ケイ素被膜形成する他の
反応成分である。本発明者等は、黒鉛基材を配置した黒
鉛断熱室内にＣＯ，ガスを導入しまた黒鉛断熱室内でＳ
ｉを熔融して、種々実験を行なったところ、黒鉛基材表
面に炭化ケイ素被膜の形成を認めた。また、本発明者等
はＣＯ□ガスＮｏの何れかを導入した場合にも炭化ケイ
素被膜が黒鉛基材表面に形成されていることが認められ
た。

上述のところから、Ｃ酸化物およびＮａ化物の少なくと
も一種が使用されていると炭化ケイ素被膜の形成が可能
になる条件が与えられることが認められた。

炭素源はＳｉＣのＣを供給するための成分である。

炭素源としてはｃｄ化物を用いることができる。

また、基材自体あるいは反応炉の炭素質部分を用いるこ
ともできる。これらの基材等も詳しくは後述するように
炭化ケイ素生成反応に関与する。

上記Ｃ酸化物およびＮ酸化物の作用を調べるために、そ
の供給量を変化させて炭化ケイ素被膜形成速度を調べた
ところ、供給量が少ない時は膜形成速度が遅くかつ被膜
が島状に形成され、また供給量が多い時はやはり膜形成
速度が少なくなる傾向が認められた。これに対して、Ｓ
ｉＣ量による膜形成速度の依存性はほとんどないことが
分かった。さらに、炭化ケイ素被膜の組成をＡ　ｕｇｅ
ｒ分析で調べたところ、若干量、例えば数％のＯがＳｉ
Ｃ中に含まれていることが認められた。

本発明法で形成された炭化ケイ素被膜及び従来７双５ｉ
Ｃ１４と炭化水素を用いる方法）で形成された炭化ケイ
素被膜のＳｉ原子分布をＢＥＩ法で求めた結果を第２（
ａ）図及び第２（ｂ）図にそれぞれ示す。

第２　（ａ）　、　（ｂ）図を対照すると明らかなよう
に本発明法によると機密な炭化ケイ素被膜が生成するほ
かに基材表層２０に炭化ケイ素Ｍｉ織が「根」状に表面
から数百μｍの深さにわたり生成することが認められた
。

上述のところからＣ酸化物およびＮ酸化物は、炉内で反
応または分解し、酸化物が中間生成物として生じ、Ｃの
反応系への適当なる供給と相まって、炭化ケイ素が生成
すると考えられる。そして、炭化ケイ素生成反応速度は
このような中間生成物の生成反応および中間生成物間の
反応または中間生成物と基板との反応により律速される
と考えられる。

以下、反応機構について説明する。Ｃ酸化物（ＣＯガス
以外）またはＮ酸化物は分解するかまたは炉内に存在す
る基材、ヒーター、チャンバーおよび断熱材等の黒鉛ま
たは炭素材料のＣと反応してＣ○ガスを発生する。一方
、Ｓｉはこれら画成化物により直接または炉内中の反応
により生じた酸化物により間接的に酸化されＳｉＯガス
を住じる。上述の反応は不明であるが、例えば（１）〜
（１１）式の可能性がある。

ＣＯＨＣＯ＋’Ａ　Ｏｘ　　　　　（１）ＣＯ□＋Ｃ−
一→　２　Ｇ　Ｏ（２） Ｎ２０＋Ｃ−−→　Ｎオ＋ＣＯ（３） Ｎｅｏ　　　　　　　　　Ｎｚ　＋’ＡＯｚ　　　　　
（４）ｒＮＯ＋ｃ−一→　圭Ｎｔ＋ＣＯ（５）２Ｎ、Ｏ
＋Ｃ−一→　２Ｎｔ　　＋ＣＯ，，（６）ｈｏｔ　＋ｃ
−→　ＣＯ（７） Ｓｉ＋ＣＯ□　−ｍ−→　ｓｔｏ＋ｃｏ　　　　　　　
　（８）Ｓｉ　　十Ｎ２０−〉ＳｉＯ＋Ｎｇ　　　　　
　　（９）Ｓｉ　＋ＣＯ−−→　ＳｉＯ＋　Ｃ（１０）
Ｓｉ　＋’ＡＯ□　−）　　ＳｉＯ（１１）３ＣＯ＋Ｓ
ｉＯ−一→ＳｉＣ＋２ＣＯｔ　　　　　（１２）Ｇ　Ｏ
＋３ＳｉＯ，−−→ＳｉＣ＋２ＳｉＯｚ　　　　　　（
１３）このようにして生じたＳｉＯおよびＣＯガスによ
り炭化ケイ素が生成すると考えられる。本発明法により
生成した炭化ケイ素中には少量の酸素原子が存在するこ
とから（１２）式が主反応として起り、（１３）式も副
反応としてわずかに起っていると考えられる。更に基材
が炭素質の場合、反応初期には特開昭５５−１０９２８
７号公報に従えば（１４）式も起っている可能性がある
。

ＳｉＯ＋　２　Ｇ　（纂Ｍ　）　”ＳｉＣ十Ｃ０（１４
）しかし一度基材上に（１２）　、　（１３）式で炭化
ケイ素被膜が生成すると（１４）式は起こらない。第２
（ａ）図に示した基材表層に成長した炭化ケイ素２０が
上述の（１２）式または（１３）式、または（１４）式
のいずれの反応により生じたかは明らかではない。

また反応温度が１５００℃以上であるとＮ酸化物の存在
下であっても窒化ケイ素は生成しにくいのは公知であり
、本発明法にてもＮ酸化物を一原料にした場合、窒化ケ
イ素の生成は認められなかった。

Ｎ酸化物を一原料とした場合、原料中にＣ原子が存在し
ない場合でも炭化ケイ素が生成するのは上述のごとく、
炉内に存在する前述の炭素材料とＮ酸化物とが反応して
一旦Ｃ酸化物が生成するためである。

上述の如きＣ酸化物およびＮ酸化物の作用は未確定の部
分も含んでいるが、本発明等により見出された新しい知
見である。

上記の如くＣ酸化物およびＮ酸化物は原料の一成分とし
て直接または間接的にＳｉＣ形成作用をもつことは当然
である。だが、これらの原料成分が炭素質基材と反応す
る可能性がある。すなわち、基材が炭素の場合、Ｎ２０
およびＣＯｚ等により酸化されＣｏ　／　ＣＯ２ガスが
発生する可能性がある。このようなＣＯ／Ｃ（ｈガスの
発生は基材の減量要因である。このような減量が起これ
ば基材は一種のエツチングを受けるとみなすことができ
る。一方、本発明者は実験では炭素質基材の増量が認め
られる。

このような点を勘案すると、基材が炭素質の場合、ＣＯ
□、ＮｊＯ等と炭素質基材の反応（減量を伴う）とＳｉ
Ｃ形成（増量を伴う）がバランスして反応が進行するよ
うに各原料が作用していると想定される。

本発明者等は上述の如き炭化ケイ素被膜形成実験、流量
変化実験、被膜の分析、および原料の作用の考察を行な
い、Ｓｉ　、Ｃ酸化物およびＮ酸化物の少なくとも１種
及び炭素源を接触させることを本発明の要件とした。

以下、本発明の好ましい実施態様について第１図を参照
としつつ説明する。

第１図において、１は図示されていない冷却水流路によ
り水冷されているステンレス製外套、２は外套の底部に
形成されたＣｏ２等のガス導入孔、４は排気孔である。

５は内部に高温反応部を作り出すための断熱を行なう黒
鉛製チャンバ、６はヒータ、９は黒鉛板９′を組立てた
反応室であって、その下部にＣＯ２等のガス導入管１３
を固着したものである。反応室９内には、Ｓｉ粉、塊等
を入れる容器７を適宜収納し、その上方に黒鉛製の基材
１０を配置する。なお、容器７の代りに反応室内の上部
に配置した容器７′を用いてもよい。第１図に示す炭化
ケイ素被膜形成装置による被膜形成は次のように行なわ
れる。

外套１の底板１ａ、黒鉛製チャンバ５の底板５ａを取り
外した状態で、反応室ｌの底部を開放し、所定量のＳｉ
粉等を容器７に入れさらに基材１０をセットする。基材
１０は直径が１５０〜９２０龍、厚さが５〜３０龍のも
のがサセプタとして通常使用される。

反応室１の底部を本体部にねじ止めその他の方法によっ
て固定し、次に底板５ａ、ｌａをビン等によって黒鉛製
チャンバ５、外套１に固定する。

次にガス導入管Ｉ３の弁（図示せず）を閉じた状態で排
気孔４を介して脱気すると、黒鉛製チャンバ５、反応室
９の継目からそれぞれの内部のガスが吸い出され反応室
は減圧状態となる。脱気を続けなからヒータ６の電源を
いれるとやがてＳｉ粉等が溶解され、溶融Ｓｉ　８が得
られる。続いて、ガス導入管１３の弁を開放し、ＣＯｚ
ガスの導入を開始し、反応室９内にＣＯ２ガスが充満し
たならばＣＯ２等のガスの流量を低下させ、反応室９か
ら漏れるガス量に見合ったＣ　Ｏｚ等をガス導入管１３
から反応室に供給する。この状態を所定時間継続して炭
化ケイ素被膜を形成する。一般に炭化ケイ素被模の厚さ
は拡散、エピタキシャル成長等の用途により８０〜２０
０μｍの範囲となる。そして、本方法による炭化ケイ素
被膜形成速度は１〜１０μｍ／時間の範囲となる。

本性において、反応室９内の圧力は０．１〜１０Ｔ　ｏ
ｒｒであることが好ましい。この圧力が０８ｌＴ　ｏｒ
ｒ未満であると被膜中に金属ケイ素が混在するようにな
り、Ｉ　ＯＴｏｒｒを越えると炭化ケイ素被膜形成反応
が起こり難くなる。また、反応室内の温度はＳｉが溶解
する温度以上であればよいが、１５００℃未満では反応
速度が遅くなる。一方、反応室内の温度が１８００℃を
越えると被膜中に金属ケイ素が共析し、またβ型炭化ケ
イ素と共にα型炭化ケイ素も共存するようになることに
なり好ましくない。

また、本性においてＣＯ□等のガスは特に脱水する必要
はなく通常の純度のものであってよい。

さらにＣＯ２等を通常の純度のＡ、ガスで希釈して用い
ることができる。

なお、本発明方法を実施する装置は第１図のものに限ら
れず、Ｓｉ溶解室とＳｉＣ形成室を分けた装置等を使用
することができる。

さらに、ＣＯ２等を反応室内の一端から他端に向かって
流動させる型式の反応室を用いることもできる。

〔発明の効果〕

本発明方法における制御因子は温度、反応室内圧力、反
応時間およびＣＯｚ等の供給量となる。

そして、これらの因子を適宜制御することにより所定の
膜厚の炭化ケイ素被膜を量産できるようになる。特に、
本発明は原料の供給量に対して炭化ケイ素被膜形成速度
が不敏感であるために、原料の供給量に過度の注意を払
う必要はなく、基本的には温度、圧力、反応時間の制御
により所定の膜厚が良好な再現性をもって得られるので
ある。ここで、ｃｏｌ等の原料成分を第１図に示した如
き密閉チャンバーに供給する供給法を採用すると、ＣＯ
ｚ等の供給量に対する炭化ケイ素被膜依存性はさらに少
なくなる。

また、本発明によると長期ランニングテストによりピン
ホールが検出されない’ｆ？ｘ’Ｅな炭化ケイ素被膜が
形成される。このような膜質は該被膜が数％の酸素を含
有していることと関係があるものと思われる。

以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図の如き装置であって、内径１９０Ｉ、高さ５００
ｕの外套ｌ内に各部材を設置した装置を使用した。また
ヒータ６の電源は２０ｋＷの容量のものを用いた。

ポンプにより１０．００Ｏｆ／分の排気速度で外套ｌ内
を排気し、反応室９内をＩＴｏｒｒの減圧にするととも
に、ヒータ６により１７００℃に加熱を行なった。

Ｃ０２ガスを２０ｍ／／分の分割でｌｏｏｍｊｌ！／分
のアルゴンとともに反応室内に供給したところ４μｍ／
時間の速度で被膜が形成された。この被膜をＡ　ｕｇｅ
ｒ分析して数％の酸素を含有するＳｉＣであることを確
認した。厚さ１００μｍの被膜をランニングテストした
ところ被膜はテストに合格した。

実施例２ 実施例１と同様の方法をＮ２０ガスを用いて実施した。

本実施例ではＮｅｏガスおよびＡｒガスの流量をそれぞ
れ２０　ｍ　ｌ！　７分および１００ｍ　ｌ　７分とし
、反応室内の圧力を０．５Ｔｏｒｒとし、さらにＳｉを
収容した容器は反応室上方の容器７′を用いたところ実
施例１と同様の結果が得られた。

なお、本実施例では次の事項の測定も行なった。

（１）Ｓｉ減量−１３，８ｇ／時間 （２）基材の重量増加−約０．８　ｇ　／時間（処理前
基材重量約１０２ｇ、基材寸法１０５ｍＸ　１０５鰭×
５龍） （３）β型炭化ケイ素の（２２０）　、　（３１１）及
び（２２２）面のＸ線回折ピーク（Ｃｕターゲット、３
５ＫＶ、　１５ｍＡ印加）がＫｄｌ及びにシ２回折瞭！
）す分離帯した。

上記（１）　、　（２）は溶融Ｓｉのうち気化したＳｉ
部分のさらに極く一部が化学的に活性になってＳｉＣ被
膜中の成分になることを示している。残部のＳｔは反応
室等の壁面に付着する。

上記（３）は炭化ケイ素被膜が、基本的に単一の結晶系
物質（β−３ｉＣ）より構成され、かつすぐれた結晶性
をもつことを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法を実施する装置の一写真であ
って、（ａ）図は本発明法、（ｂ）図は従来法を示す。 ｌ−外套、　　　　５−黒鉛製チャンバ、６−ヒータ、
　　　　８−溶融５ｉｓ ９−反応室、　　　ｌ〇−炭素質基材。 （ａ） 第２図 手続補正書（方式） 昭和６１年９月：Ｌ上口 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 ｌ、事件の表示 昭和６１年特許願第１４０３８５号 ２、発明の名称 炭化ケイ素被膜形成方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名称　（５２２）富士通株式会社 名称　東洋炭素株式会社 ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、
補正命令の日付 ６、補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明、」の欄 ７、補正の内容 明細書第２０頁第６行の「分布」のあとに「を示す金属
Ｍｉ織の顕微鏡」を加入する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｓｉと、Ｃ酸化物およびＮ酸化物の少なくとも１種
   と、炭素源とを接触させることによって基材に炭化ケイ
   素被膜を形成することを特徴とする炭化ケイ素被膜形成
   方法。