JPWO2019044440A1 - 気相成長装置、及び、気相成長方法 - Google Patents

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Abstract

実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の中に設けられ、基板が載置可能であり、基板の外周を所定の間隙を有して保持可能な保持壁を有する基板保持部と、反応室の上に設けられ、第１のプロセスガスを反応室に供給可能な第１の領域と、第１の領域の周囲に設けられ第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを反応室に供給可能な第２の領域とを有し、第２の領域の内周直径が保持壁の直径の７５％以上１３０％以下であるプロセスガス供給部と、反応室の中の、プロセスガス供給部と基板保持部との間の領域に設けられ、内周直径が第２の領域の外周直径の１１０％以上２００％以下である側壁と、基板保持部の下に設けられた第１のヒータと、側壁と反応室の内壁との間に設けられた第２のヒータと、基板保持部を回転させる回転駆動機構と、を備える。

Description

本発明は、ガスを供給して成膜を行う気相成長装置、及び、気相成長方法に関する。
高品質な半導体膜を成膜する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長技術を用いる気相成長装置では、常圧又は減圧に保持された反応室内の基板保持部にウェハを載置する。
そして、このウェハを加熱しながら、成膜の原料となるソースガス等のプロセスガスを、反応室上部から反応室内のウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱反応が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が成膜される。
エピタキシャル単結晶膜にドーパントとなる不純物を導入する場合がある。エピタキシャル単結晶膜の抵抗分布を均一にするためには、不純物の濃度分布を均一にする必要がある。
特許文献１には、炭化珪素（ＳｉＣ）のエピタキシャル単結晶膜の成膜に際し、不純物の濃度分布を均一にするために、基板の中心部と外周部に異なるＣ（炭素）／Ｓｉ（シリコン）比のプロセスガスを供給する方法が記載されている。
特許第５２６５９８５号公報
本発明が解決しようとする課題は、膜中の不純物の濃度分布の均一性を向上できる気相成長装置、及び、気相成長方法を提供することにある。
本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室の中に設けられ、基板が載置可能であり、前記基板の外周を所定の間隙を有して保持可能な保持壁を有する基板保持部と、前記反応室の上に設けられ、第１のプロセスガスを前記反応室に供給可能な第１の領域と、前記第１の領域の周囲に設けられ前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを前記反応室に供給可能な第２の領域とを有し、前記第２の領域の内周直径が前記保持壁の直径の７５％以上１３０％以下であるプロセスガス供給部と、前記反応室の中の、前記プロセスガス供給部と前記基板保持部との間の領域に設けられ、内周直径が前記第２の領域の外周直径の１１０％以上２００％以下である側壁と、前記基板保持部の下に設けられた第１のヒータと、前記側壁と前記反応室の内壁との間に設けられた第２のヒータと、前記基板保持部を回転させる回転駆動機構と、を備える。
上記態様の気相成長装置において、前記第２の領域の内周直径が前記保持壁の直径の１００％以上であることが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記側壁の内周直径が前記基板保持部の直径の１０５％以上２００％以下であることが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記回転駆動機構は、前記基板を３００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転速度で回転させることが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記プロセスガス供給部は、前記第２の領域の周囲に設けられ、前記側壁と前記第２のヒータとの間の領域に第３のプロセスガスを供給可能な第３の領域を有し、前記側壁は、前記第３のプロセスガスを前記側壁の外側から前記側壁の内側へ通過させるガス通過孔を有することが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記第３のプロセスガスはアルゴンガスであることが好ましい。
本発明の一態様の気相成長方法は、基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、前記基板を加熱し、前記基板に向けて第１の流速で第１のプロセスガスを供給し、前記基板に向けて、前記第１のプロセスガスよりも外側の領域に、第２の流速で前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、前記第１の流速、前記第２の流速、及び、前記回転速度を制御して、前記第２のプロセスガスが前記基板の中心方向に引き込まれる流れを形成し、前記基板の表面に炭化珪素膜を形成する。
本発明の別の一態様の気相成長方法は、基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、前記基板を加熱し、前記基板に向けて、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含む第１のプロセスガスを供給し、前記基板に向けて、前記第１のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含み、前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となる状態で、前記基板の表面に第１の炭化珪素膜を形成し、前記基板に向けて、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含む第３のプロセスガスを供給し、前記基板に向けて、前記第３のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含み、前記第３のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第４のプロセスガスを供給し、前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１以上となる状態で、前記基板の表面に前記第１の炭化珪素膜よりもｎ型不純物濃度の低い第２の炭化珪素膜を形成する。
本発明によれば、膜中の不純物の濃度分布の均一性を向上できる気相成長装置、及び、気相成長方法を提供することが可能となる。
第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図。 第１の実施形態のプロセスガス供給部の別の具体例を示す模式断面図。 第１の実施形態の気相成長装置の部材の寸法の説明図。 第１の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図。 ＳｉＣ膜を形成する際の問題点の説明図。 第１の実施形態の気相成長方法のパラメータとウェハ面内の不純物濃度の分布との関係を示す図。 第１の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図。 第２の実施形態の気相成長装置の模式断面図。 第２の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図。 第３の実施形態の気相成長方法で形成される炭化珪素膜の断面図。 第３の実施形態の気相成長方法の説明図。 第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図。 第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図。 第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本明細書中、同一又は類似の部材について、同一の符号を付す場合がある。
本明細書中、気相成長装置が成膜可能に設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。
また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、ソースガス、アシストガス、ドーパントガス、キャリアガス、及び、それらの混合ガスを含む概念とする。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の中に設けられ、基板が載置可能であり、基板の外周を所定の間隙を有して保持可能な保持壁を有する基板保持部と、反応室の上に設けられ、第１のプロセスガスを反応室に供給可能な第１の領域と、第１の領域の周囲に設けられ第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを反応室に供給可能な第２の領域とを有し、第２の領域の内周直径が保持壁の直径の７５％以上１３０％以下であるプロセスガス供給部と、反応室の中の、プロセスガス供給部と基板保持部との間の領域に設けられ、内周直径が第２の領域の外周直径の１１０％以上２００％以下である側壁と、基板保持部の下に設けられた第１のヒータと、側壁と反応室の内壁との間に設けられた第２のヒータと、基板保持部を回転させる回転駆動機構と、を備える。
また、第１の実施形態の気相成長方法は、基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、基板を加熱し、基板に向けて第１の流速で第１のプロセスガスを供給し、基板に向けて、第１のプロセスガスよりも外側の領域に、第２の流速で前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、第１の流速、第２の流速、及び、回転速度を制御して、第２のプロセスガスが基板の中心方向に引き込まれる流れを形成し、基板の表面に炭化珪素膜を形成する。
図１は、第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。第１の実施形態の気相成長装置１００は、例えば、単結晶のＳｉＣ基板上に単結晶のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
第１の実施形態の気相成長装置１００は、反応室１０、及び、プロセスガス供給部１２を備える。反応室１０は、サセプタ１４（基板保持部）、回転体１６、回転軸１８、回転駆動機構２０、第１のヒータ２２、リフレクタ２８、支持柱３０、固定台３２、固定軸３４、フード４０（側壁）、第２のヒータ４２、ガス排出口４４を備える。プロセスガス供給部１２は、第１のガス供給口５２、第２のガス供給口５４、第１のガス噴出孔５６、第２のガス噴出孔５８を備える。プロセスガス供給部１２の第１のガス噴出孔５６が設けられた円形状の領域が第１の領域１２ａであり、第２のガス噴出孔５８が設けられた環状の領域が第２の領域１２ｂである。
以下、気相成長装置１００を用いて、単結晶ＳｉＣのウェハ上に単結晶のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。
プロセスガス供給部１２は、反応室１０の上に設けられる。プロセスガス供給部１２は、反応室１０にプロセスガスを供給する機能を備える。
第１のガス供給口５２、及び、第２のガス供給口５４は、プロセスガス供給部１２の上部に設けられる。第１のガス供給口５２は、例えば、プロセスガス供給部１２内に、第１のプロセスガスＧ１を供給する。第２のガス供給口５４は、例えば、プロセスガス供給部１２内に第２のプロセスガスＧ２を供給する。
第１のガス噴出孔５６、及び、第２のガス噴出孔５８は、プロセスガス供給部１２の下部に設けられる。第１のガス噴出孔５６、及び、第２のガス噴出孔５８は、反応室１０に面して設けられる。
第２のガス噴出孔５８は、第１のガス噴出孔５６の周囲に設けられる。プロセスガス供給部１２の第１のガス噴出孔５６が設けられた領域が第１の領域１２ａであり、第２のガス噴出孔５８が設けられた領域が第２の領域１２ｂである。したがって、第２の領域１２ｂは、第１の領域１２ａの周囲に設けられる。
第１のガス噴出孔５６から反応室１０内に第１のプロセスガスＧ１が供給される。第２のガス噴出孔５８から反応室１０内に第２のプロセスガスＧ２が供給される。言い換えれば、第１の領域１２ａから反応室１０内に第１のプロセスガスＧ１が供給され、第２の領域１２ｂから反応室１０内に第２のプロセスガスＧ２が供給される。
プロセスガス供給部１２は、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂを備えることで、ウェハＷの中心部と外周部に、それぞれ異なる組成のプロセスガスを、それぞれ異なる流速で供給できるようになっている。なお、本明細書において、流速は、 ガス供給口から導入したガス流量、又は、ガス噴出孔を通過するガス流量を、対応するガス噴出孔の断面積で除した値によって求められる。
第１のプロセスガスＧ１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）のソースガス、炭素（Ｃ）のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、シリコンのクラスター化を抑制するアシストガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シラン（ＳｉＨ４）である。炭素のソースガスは、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）である。ｎ型不純物のドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。アシストガスは、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）である。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
第２のプロセスガスＧ２は、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、アシストガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シランである。炭素のソースガスは、例えば、プロパンである。ｎ型不純物のドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。アシストガスは、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）である。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
第２のプロセスガスＧ２の炭素／シリコン原子比（以下、Ｃ／Ｓｉ比とも記載）は、第１のプロセスガスＧ１の炭素／シリコン原子比よりも高い。例えば、第２のプロセスガスＧ２に含まれるシリコンのソースガスの炭素のソースガスに対する割合を、第１のプロセスガスＧ１に含まれるシリコンのソースガスの炭素のソースガスに対する割合よりも低くすることで、第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比を第１のプロセスガスＧ１のＣ／Ｓｉ比よりも高くすることが可能である。また、例えば、第２のプロセスガスＧ２にシリコンのソースガスを含めず、ソースガスを炭素のソースガスのみとすることで、第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比を第１のプロセスガスＧ１のＣ／Ｓｉ比よりも高くすることが可能である。
なお、ここでは、プロセスガス供給部１２にプロセスガスが供給される前に、各プロセスガスを全て混合して第１のプロセスガスＧ１、及び、第２のプロセスガスＧ２とする形態を例に説明している。しかし、各プロセスガスは、プロセスガス供給部１２内で混合される形態でも、反応室１０に供給された後に混合される形態であっても構わない。
例えば、反応室１０に供給されるまで、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、及び、ｎ型不純物のドーパントガス、アシストガスの全て、あるいは、一部が分離されていても構わない。
例えば、第１のガス噴出孔５６として複数種のガス噴出孔を設け、各ガス噴出孔から異なる種類のプロセスガスを供給することが可能である。第２のガス噴出孔５８についても同様である。
図２は、第１の実施形態のプロセスガス供給部の別の具体例を示す模式断面図である。プロセスガス供給部７２は、シリコンのソースガス供給口８２、炭素のソースガス供給口８４、第１の分離室８３、第２の分離室８５、シリコンのソースガス噴出孔８６、炭素のソースガス噴出孔８８を有する。プロセスガス供給部７２を用いた場合、シリコンのソースガスと炭素のソースガスは、反応室１０に供給された後に混合される。
このような構成において、炭素のソースガス噴出孔８８とシリコンのソースガス噴出孔８６とに供給するガスの流量を調整することで、反応室１０に導入されるＣ／Ｓｉ比を変化させることが可能である。また、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂとにおける炭素のソースガス噴出孔８８とシリコンのソースガス噴出孔８６の密度（単位面積あたりのガス噴出孔の個数）を変えることで、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂとにおけるＣ／Ｓｉ比を変化させる（第２の領域１２ｂのＣ／Ｓｉ比を第１の領域１２ａのＣ／Ｓｉ比より高くする）ことが可能である。また、例えば、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂとにおける炭素のソースガス噴出孔８８とのシリコンのソースガス噴出孔８６の断面積を調整して、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂとにおけるＣ／Ｓｉ比を変化させる（第２の領域１２ｂのＣ／Ｓｉ比を第１の領域１２ａのＣ／Ｓｉ比より高くする）ことが可能である。
反応室１０は、例えば、ステンレス製である。反応室１０は、円筒状の内壁１０ａを有する。反応室１０内で、ウェハＷ上にＳｉＣ膜を成膜する。
サセプタ１４は、反応室１０の内部に設けられる。サセプタ１４には、基板の一例であるウェハＷが載置可能である。サセプタ１４には、中心部に開口部が設けられていても構わない。
サセプタ１４は、ウェハＷの外周を所定の間隙を有して保持可能な保持壁１４ａを有する。保持壁１４ａにより、ウェハＷの水平方向の動きが抑制される。保持壁１４ａの直径と、ウェハＷの直径との差は、例えば、３ｍｍ以下である。
サセプタ１４は、例えば、ＳｉＣやカーボン、又は、ＳｉＣやＴａＣでコートしたカーボン等の耐熱性の高い材料で形成される。
サセプタ１４は、回転体１６の上部に固定される。回転体１６は、回転軸１８に固定される。サセプタ１４は、間接的に回転軸１８に固定される。
回転軸１８は、回転駆動機構２０によって回転可能である。回転駆動機構２０により、回転軸１８を回転させることによりサセプタ１４を回転させることが可能である。サセプタ１４を回転させることにより、サセプタ１４に載置されたウェハＷを回転させることが可能である。
例えば、ウェハＷを３００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転速度で回転させる。回転駆動機構２０は、例えば、モータとベアリングで構成される。
第１のヒータ２２は、サセプタ１４の下に設けられる。第１のヒータ２２は、回転体１６内に設けられる。第１のヒータ２２は、サセプタ１４に保持されたウェハＷを下方から加熱する。第１のヒータ２２は、例えば、抵抗加熱ヒータである。第１のヒータ２２は、例えば、櫛形のパターンが施された円板状である。
リフレクタ２８は、第１のヒータ２２の下に設けられる。リフレクタ２８とサセプタ１４との間に、第１のヒータ２２が設けられる。
リフレクタ２８は、第１のヒータ２２から下方に放射される熱を反射し、ウェハＷの加熱効率を向上させる。また、リフレクタ２８は、リフレクタ２８より下方の部材が加熱されるのを防止する。リフレクタ２８は、例えば、円板状である。リフレクタ２８は、例えば、ＳｉＣで被覆したカーボン等の耐熱性の高い材料で形成される。
リフレクタ２８は、例えば、複数の支持柱３０によって、固定台３２に固定される。固定台３２は、例えば、固定軸３４によって支持される。
回転体１６内には、サセプタ１４を回転体１６から脱着させるために、突き上げピン（図示せず）が設けられる。突き上げピンは、例えば、リフレクタ２８、及び、第１のヒータ２２を貫通する。
第２のヒータ４２は、フード４０と反応室１０の内壁１０ａとの間に設けられる。第２のヒータ４２は、サセプタ１４に保持されたウェハＷを上方から加熱する。ウェハＷを第１のヒータ２２に加えて第２のヒータ４２で加熱することにより、ウェハＷをＳｉＣ膜の成長に必要とされる温度、例えば、１５００℃以上の温度に加熱することが可能となる。第２のヒータ４２は、例えば、抵抗加熱ヒータである。
フード４０は、反応室１０の中のプロセスガス供給部１２とサセプタ１４との間の領域に設けられる。フード４０は、例えば、円筒状である。フード４０は、第２のヒータ４２に第１のプロセスガスＧ１や第２のプロセスガスＧ２が接することを防ぐ機能を備える。フード４０は、例えば、ＳｉＣで被覆したカーボン等の耐熱性の高い材料で形成される。
ガス排出口４４は、反応室１０の底部に設けられる。ガス排出口４４は、ウェハＷ表面でソースガスが反応した後の余剰の反応生成物、及び、余剰のプロセスガスを反応室１０の外部に排出する。ガス排出口４４は、例えば、図示しない真空ポンプに接続される。
また、反応室１０には、図示しないウェハ出入口及びゲートバルブが設けられている。ウェハ出入口及びゲートバルブにより、ウェハＷを反応室１０内に搬入したり、反応室１０外に搬出したりすることが可能である。
図３は、第１の実施形態の気相成長装置の部材の寸法の説明図である。図３には、プロセスガス供給部１２の一部、フード４０、サセプタ１４、及び、サセプタ１４に載置されたウェハＷを示す。
図３の上図は断面図、下図は平面図である。平面図では、第１の領域１２ａ及び第２の領域１２ｂにハッチングを施している。平面図では、オリエンテーション・フラットやノッチを省略したウェハＷを点線で示す。
第２の領域１２ｂの内周直径をｄ１とする。第２の領域１２ｂの内周直径は、第２のガス噴出孔５８の内、最も内側に存在する噴出孔に内接する円の直径で定義する。第２の領域１２ｂの外周直径をｄ２とする。第２の領域１２ｂの外周直径は、第２のガス噴出孔５８の内、最も外側に存在する噴出孔に外接する円の直径で定義する。
サセプタ１４の保持壁１４ａの直径をｄ３とする。サセプタ１４の直径をｄ４とする。また、フード４０の内周直径をｄ５とする。
第２の領域１２ｂの内周直径ｄ１は、保持壁１４ａの直径ｄ３の７５％以上１３０％以下である。第２の領域１２ｂの外周直径ｄ２は、例えば、保持壁１４ａの直径ｄ３よりも大きい。
フード４０の内周直径ｄ５は、第２の領域１２ｂの外周直径ｄ２の１１０％以上２００％以下である。また、フード４０の内周直径をｄ５は、サセプタ１４の直径ｄ４の、１０５％以上２００％以下であることが好ましい。
次に、第１の実施形態の気相成長方法について説明する。第１の実施形態の気相成長方法は、図１に示すエピタキシャル成長装置を用いる。単結晶ＳｉＣのウェハの表面に、窒素がｎ型不純物としてドーピングされた単結晶のＳｉＣ膜を形成する場合を例に説明する。
最初に、ウェハＷを載置したサセプタ１４を、反応室１０内に搬入する。ウェハＷは、単結晶ＳｉＣである。
次に、ウェハＷを回転駆動機構２０により３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させる。そして、ウェハＷを第１のヒータ２２、及び、第２のヒータ４２により加熱する。
次に、ウェハＷの表面の中心部に向けて、プロセスガス供給部１２の第１の領域１２ａから第１のプロセスガスＧ１を、第１の流速で供給する。第１のガス噴出孔５６から噴出された第１のプロセスガスＧ１は、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。
また、ウェハＷの中心部よりも外側の領域に向けて、プロセスガス供給部１２の第２の領域１２ｂから第２のプロセスガスＧ２を、第２の流速で供給する。第２のプロセスガスＧ２は、第１のプロセスガスＧ１よりもウェハＷの外側の領域に供給される。第２のガス噴出孔５８から噴出された第２のプロセスガスＧ２は、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。
第１の流速及び第２の流速は、例えば、０．２ｍ／ｓｅｃ以上１．０ｍ／ｓｅｃ以下である。
第１のプロセスガスＧ１は、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、アシストガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シラン（ＳｉＨ４）である。炭素のソースガスは、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）である。ｎ型不純物のドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。アシストガスは、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
第２のプロセスガスＧ２は、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シランである。炭素のソースガスは、例えば、プロパンである。ｎ型不純物のドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
プロセスガス供給部１２から反応室１０に供給される第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比は、第１のプロセスガスＧ１のＣ／Ｓｉ比よりも高い。
第１のプロセスガスＧ１と第２のプロセスガスＧ２をウェハＷの表面に供給することにより、ウェハＷの表面にｎ型不純物である窒素がドーピングされた単結晶のＳｉＣ膜を形成する。単結晶のＳｉＣ膜を形成する際、第１のプロセスガスＧ１の第１の流速、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速、及び、ウェハＷの回転速度を制御して、第２のプロセスガスＧ２がウェハＷの中心方向に引き込まれる流れを形成するよう制御する。
第１の流速は、例えば、第１のガス噴出孔５６へ供給されるプロセスガスの流量を、図示しないマスフローコントローラで変更することで、制御が可能である。また、第２の流速は、例えば、第２のガス噴出孔５８へ供給されるプロセスガスの流量を、図示しないマスフローコントローラで変更することで、制御が可能である。また、ウェハＷの回転速度は、回転駆動機構２０により制御することが可能である。
図４は、第１の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図である。単結晶のＳｉＣ膜の成膜の際、第１の領域１２ａから、鉛直方向に層流として噴出した第１のプロセスガスＧ１は、ウェハＷの表面で、ウェハＷの外側に向かう水平方向の流れとなる。第２の領域１２ｂから、鉛直方向に層流として噴出した第２のプロセスガスＧ２は、ウェハＷの中心方向に引き込まれるように流れた後、ウェハＷの表面で、ウェハＷの外側に向かう水平方向の流れとなる。言い換えれば、第２のプロセスガスＧ２の流れの方向は、ウェハＷの表面に達する前にウェハＷの中心方向に向かう成分を有する。
単結晶のＳｉＣ膜を形成した後、第１のヒータ２２、及び、第２のヒータ４２による加熱を停止し、ウェハＷの温度を下げる。その後、サセプタ１４とともにウェハＷを反応室１０から搬出する。
次に、第１の実施形態の気相成長装置、及び、気相成長方法の作用及び効果について説明する。
図５は、ＳｉＣ膜を形成する際の問題点の説明図である。図５は、ウェハ上にｎ型不純物として窒素をドーピングしたＳｉＣ膜を形成した際の不純物濃度の面内分布を示す。
図５に示すようにウェハＷの外周部で、ＳｉＣ膜中の窒素の濃度が高くなる。このためＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布が不均一となり、ウェハＷの面内抵抗分布が不均一となる。
ウェハＷの外周部で窒素の濃度が高くなる一因として、ウェハＷの外側のサセプタ１４表面に付着したシリコンを含む付着物から昇華したシリコンが、ウェハＷの外周部のプロセスガス中に混入することが考えられる。昇華したシリコンが、ウェハＷの外周部のプロセスガス中に混入することで、ウェハＷの外周部に供給されるプロセスガス中のＣ／Ｓｉ比が低くなる。窒素は、ＳｉＣ結晶中の炭素格子位置に入ることで、結晶中に取り込まれる。このため、プロセスガス中のＣ／Ｓｉ比が低くなると炭素が少なくなり、ＳｉＣ結晶中の炭素格子位置に窒素が入りやすくなる。したがって、ウェハＷの中心部より外周部の窒素の濃度が高くなる。
第１の実施形態の気相成長装置、及び、気相成長方法では、まず、ウェハＷの外周部にＣ／Ｓｉ比の高い第２のプロセスガスＧ２を供給する。さらに、ウェハＷの中心部に供給する第１のプロセスガスＧ１の第１の流速と、ウェハＷの外周部に供給する第２のプロセスガスＧ２の第２の流速と、ウェハＷの回転速度を制御することにより、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性を向上させる。
図６は、第１の実施形態の気相成長方法のパラメータとウェハ面内の不純物濃度の分布との関係を示す図である。図６（ａ）は、パラメータが第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比、図６（ｂ）は、パラメータがウェハＷの回転速度、図６（ｃ）は、パラメータが第２のプロセスガスＧ２の第２の流速の場合である。
図６（ａ）に示すように、第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比を高くするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が低くなり、Ｃ／Ｓｉ比を低くするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が高くなる。これは、Ｇ２のＣ／Ｓｉ比を高くするとウェハＷの外周部でＣ／Ｓｉ比が高くなり、ＳｉＣ結晶中に窒素が入りにくくなるためと考えられる。また、Ｇ２のＣ／Ｓｉ比を低くするとウェハＷの外周部でＣ／Ｓｉ比が低くなり、ＳｉＣ結晶中に窒素が入りやすくなるためと考えられる。
また、図６（ｂ）に示すように、ウェハＷの回転速度を大きくするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が低くなり、ウェハＷの回転速度を小さくするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が高くなる。これは、ウェハＷの回転速度を大きくすることで、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が大きくなるからであると考えられる。Ｃ／Ｓｉ比の高い第２のプロセスガスＧ２の引き込み量が大きくなることで、ウェハＷの外周部でＣ／Ｓｉ比が高くなり、ＳｉＣ結晶中に窒素が入りにくくなると考えられる。逆に、ウェハＷの回転速度を小さくすることで、Ｃ／Ｓｉ比の高い第２のプロセスガスＧ２の引き込み量が小さくなり、ウェハＷの外周部でＣ／Ｓｉ比が低くなるため、ＳｉＣ結晶中に窒素が入りやすくなると考えられる。
また、図６（ｃ）に示すように、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速を大きくするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が高くなり、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速を小さくするとウェハＷの外周部の窒素の濃度が低くなる。これは、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速を大きくすると第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が小さくなり、ウェハＷの外周部でＳｉＣ結晶中に窒素が入りやすいからであると考えられる。逆に、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速を小さくすると第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が大きくなり、ウェハＷの外周部でＳｉＣ結晶中に窒素が入りにくくなると考えられる。
第１の実施形態の気相成長装置１００、及び、気相成長方法では、第１のプロセスガスＧ１よりも外側の領域に、第１のプロセスガスＧ１よりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスＧ２を供給する。そして、第１のプロセスガスＧ１の第１の流速と、ウェハＷの外周部に供給する第２のプロセスガスＧ２の第２の流速と、ウェハＷの回転速度を制御することにより、第２のプロセスガスＧ２がウェハＷの中心方向に引き込まれる流れを形成して、ＳｉＣ膜を成膜する。これにより、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性が向上する。
特に、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速と、ウェハＷの回転速度を変化させることによる濃度分布の調整が加わることにより、第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比だけによる濃度分布の調整よりも、更に高い精度で不純物の濃度分布の均一性を向上させることが可能となる。
第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向に向かう流れを実現し、均一性の高い不純物の濃度分布を実現する観点から、気相成長装置１００の第２の領域１２ｂの内周直径ｄ１は、保持壁１４ａの直径ｄ３の７５％以上１３０％以下である必要がある。上記範囲を下回ると、ウェハＷの中心部の不純物濃度が低くなり不純物の濃度分布が不均一になるおそれがある。また、上記範囲を上回ると、第２のプロセスガスＧ２の引き込み量が不足し不純物の濃度分布が不均一になるおそれがある。
第２の領域１２ｂの内周直径ｄ１は、保持壁１４ａの直径ｄ３の１００％以上であることが、ウェハＷの中心部の不純物濃度の低下を抑制する観点から好ましい。一方、第２の領域１２ｂの内周直径ｄ１は、保持壁１４ａの直径ｄ３の１００％未満であることが、第２のプロセスガスＧ２の引き込み量の不足を抑制する観点から好ましい。
第１の実施形態の気相成長装置１００において、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向に向かう流れを実現し、均一性の高い不純物の濃度分布を実現する観点から、フード４０の内周直径ｄ５は、第２の領域１２ｂの外周直径ｄ２の１１０％以上２００％以下である必要があり、１１０％以上１５０％以下であることが好ましい。上記範囲を下回ると第２のプロセスガスＧ２の鉛直方向に向かう層流がフード４０の影響で乱れるおそれがある。また、上記範囲を上回ると、第２のプロセスガスＧ２がフード４０側に向かって流れ、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向に向かう流れが実現しにくくなる。
また、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向に向かう流れを実現し、均一性の高い不純物の濃度分布を実現する観点から、フード４０の内周直径ｄ５は、サセプタ１４の直径ｄ４の、１０５％以上２００％以下であることが好ましい。
第１の実施形態の気相成長方法において、ウェハＷの回転速度を３００ｒｐｍ以上とする必要がある。回転速度が３００ｒｐｍより小さくなると、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が十分でなくなるおそれがある。
また、第１の流速、及び、第２の流速は、０．２ｍ／ｓｅｃ以上１．０ｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましく、０．２ｍ／ｓｅｃ以上０．５ｍ／ｓｅｃ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると第１のプロセスガスＧ１と第２のプロセスガスＧ２とが混合されやすくなり、第１の実施形態の作用が発現できなくなる。また、上記範囲を上回ると、第２のプロセスガスＧ２の鉛直方向への流れが速くなりすぎ、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が十分でなくなるおそれがある。
第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量を制御する観点から、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速が、第１のプロセスガスＧ１の第１の流速の５０％以上、２００％以下であることが好ましい。第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量を大きくする観点からは、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速が、第１のプロセスガスＧ１の第１の流速よりも小さくすることが好ましい。また、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量を抑制する観点からは、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速が、第１のプロセスガスＧ１の第１の流速よりも大きくすることが好ましい。
また、第１の実施形態の気相成長装置、及び、気相成長方法では、ウェハＷの直径を変更する場合においても、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性を向上させることが可能である。例えば、ウェハＷの直径を小さくする場合、プロセスガス供給部１２の第２の領域１２ｂの内周直径ｄ１を小さくしてウェハＷの外周部のＣ／Ｓｉ比を高くすることは、プロセスガス供給部１２の設計変更又は交換が必要となり容易ではない。
図７は、第１の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図である。図７では、図４のウェハＷに対し直径が約３分の２になったウェハＷに成膜する場合を示している。
図７に示すように、ウェハＷの回転速度を大きくするか、あるいは、第２のプロセスガスＧ２の第２の流速を小さくすることにより、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量を大きくすることが可能となる。したがって、ウェハＷの直径が変化した場合でも、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性を向上させることが容易である。
以上、第１の実施形態の気相成長装置、及び、気相成長方法によれば、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性が向上する。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の気相成長装置は、プロセスガス供給部が第３の領域を、更に有し、側壁にガス通過孔が設けられる点以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については一部記述を省略する。
図８は、第２の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。第２の実施形態の気相成長装置は、例えば、単結晶のＳｉＣ基板上に単結晶のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
第２の実施形態の気相成長装置２００は、反応室１０、及び、プロセスガス供給部１２を備える。反応室１０は、サセプタ１４（基板保持部）、回転体１６、回転軸１８、回転駆動機構２０、第１のヒータ２２、リフレクタ２８、支持柱３０、固定台３２、固定軸３４、フード４０（側壁）、第２のヒータ４２、ガス排出口４４を備える。プロセスガス供給部１２は、第１のガス供給口５２、第２のガス供給口５４、第３のガス供給口５５、第１のガス噴出孔５６、第２のガス噴出孔５８、第３のガス噴出孔５９を備える。プロセスガス供給部１２の第１のガス噴出孔５６が設けられた領域が第１の領域１２ａであり、第２のガス噴出孔５８が設けられた領域が第２の領域１２ｂであり、第３のガス噴出孔５９が設けられた領域が第３の領域１２ｃである。
第１のガス供給口５２、第２のガス供給口５４、及び、第３のガス供給口５５は、プロセスガス供給部１２の上部に設けられる。第１のガス供給口５２は、例えば、プロセスガス供給部１２内に、第１のプロセスガスＧ１を供給する。第２のガス供給口５４は、例えば、プロセスガス供給部１２内に第２のプロセスガスＧ２を供給する。第３のガス供給口５５は、例えば、プロセスガス供給部１２内に第３のプロセスガスＧ３を供給する。
第１のガス噴出孔５６、第２のガス噴出孔５８、及び、第３のガス噴出孔５９は、プロセスガス供給部１２の下部に設けられる。第１のガス噴出孔５６、第２のガス噴出孔５８、及び、第３のガス噴出孔５９は、反応室１０に面して設けられる。
第２のガス噴出孔５８は、第１のガス噴出孔５６の周囲に設けられる。第３のガス噴出孔５９は、第２のガス噴出孔５８の周囲に設けられる。プロセスガス供給部１２の第１のガス噴出孔５６が設けられた領域が第１の領域１２ａであり、第２のガス噴出孔５８が設けられた領域が第２の領域１２ｂであり、第３のガス噴出孔５９設けられた領域が第３の領域１２ｃである。
第３のガス噴出孔５９は、フード４０と第２のヒータ４２との間の領域に、第３のプロセスガスＧ３を供給する。第３のプロセスガスＧ３は、例えば、アルゴンガスである。
フード４０は、ガス通過孔６０を有する。ガス通過孔６０は第３のプロセスガスＧ３が第２のヒータ４２側からウェハＷ側へと通過することが可能となるように設けられる。
図９は、第２の実施形態の気相成長方法のプロセスガスの反応室内での流れの説明図である。図９に示すように、第３のプロセスガスＧ３はガス通過孔６０を通過して、ウェハＷ側へと流れる。そして、第３のプロセスガスＧ３の流れにより、第２のプロセスガスの流れを、ウェハＷの中心方向へと押し出すことが可能となる。結果的に、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量が大きくなる。
第２の実施形態の気相成長装置、及び、気相成長方法によれば、第３のプロセスガスＧ３により、第２のプロセスガスＧ２のウェハＷの中心方向への引き込み量の調整が可能となる。したがって、ＳｉＣ膜中のｎ型不純物の濃度分布の均一性が更に向上する。
（第３の実施形態）
第３の実施形態の気相成長方法は、基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、基板を加熱し、基板に向けて、炭素、シリコン、及び、前記ｎ型不純物を含む第１のプロセスガスを供給し、基板に向けて、第１のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、及び、前記ｎ型不純物を含み、第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となる状態で、基板の表面に第１の炭化珪素膜を形成し、基板に向けて、炭素、シリコン、及び、前記ｎ型不純物を含む第３のプロセスガスを供給し、基板に向けて、第３のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、及び、前記ｎ型不純物を含み、第３のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第４のプロセスガスを供給し、基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１以上となる状態で、基板の表面に第１の炭化珪素膜よりも前記ｎ型不純物濃度の低い第２の炭化珪素膜を形成する。
第３の実施形態の気相成長方法は、基板の上に前記ｎ型不純物濃度の異なる第１の炭化珪素膜と第２の炭化珪素膜とを形成する点で、第１の実施形態の気相成長方法と異なっている。以下、第１の実施形態の気相成長装置及び気相成長方法と重複する内容については一部記述を省略する。
第３の実施形態の気相成長方法は、図１に示すエピタキシャル成長装置を用いる。また、第３の実施形態の気相成長方法は、図２に示すプロセスガス供給部を有するエピタキシャル成長装置を用いる。以下、ｎ型不純物が窒素である場合を例に説明する。
図１０は、第３の実施形態の気相成長方法で形成される炭化珪素膜の断面図である。基板５００の上に、バッファ膜５０１（第１の炭化珪素膜）及びｎ型膜５０２（第２の炭化珪素膜）が形成される。
基板５００は、単結晶ＳｉＣのウェハである。基板５００は、窒素をｎ型不純物として含む。基板５００の窒素濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
バッファ膜５０１は、単結晶のＳｉＣ膜である。バッファ膜５０１は、基板５００に含まれる基底面転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）の、ｎ型膜５０２への伝搬を抑制する機能を有する。バッファ膜５０１の成長中に、例えば、基底面転位を他の転位に変換する。
バッファ膜５０１は、窒素をｎ型不純物として含む。バッファ膜５０１の窒素濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。バッファ膜５０１の厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下である。
基底面転位の、ｎ型膜５０２への伝搬を抑制する観点から、バッファ膜５０１の窒素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。
ｎ型膜５０２は、単結晶のＳｉＣ膜である。ｎ型膜５０２は、窒素をｎ型不純物として含む。ｎ型膜５０２の窒素濃度は、例えば、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下である。ｎ型膜５０２の窒素濃度は、バッファ膜５０１の窒素濃度より低い。ｎ型膜５０２の厚さは、例えば、１０μｍ以上３００μｍ以下である。
ｎ型膜５０２は、例えば、トランジスタやダイオードなどの高耐圧デバイスのドリフト層として用いられる。ｎ型膜５０２は、少数キャリアのライフタイムを長くする観点から、ライフタイムキラーとして働く炭素空孔の量を少なくすることが好ましい。
トランジスタやダイオードにおいて高耐圧を実現する観点から、ｎ型膜５０２の窒素濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。
最初に、ウェハＷを載置したサセプタ１４を、反応室１０内に搬入する。ウェハＷは、単結晶ＳｉＣである。
次に、ウェハＷを回転駆動機構２０により３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させる。そして、ウェハＷを第１のヒータ２２、及び、第２のヒータ４２により加熱する。
次に、ウェハＷの表面の中心部に向けて、プロセスガス供給部１２の第１の領域１２ａから第１のプロセスガスＧ１を供給する。第１のガス噴出孔５６から噴出された第１のプロセスガスＧ１は、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。第１のプロセスガスは、炭素、シリコン、及び、窒素を含む。
また、ウェハＷの中心部よりも外側の領域に向けて、プロセスガス供給部１２の第２の領域１２ｂから第２のプロセスガスＧ２を供給する。第２のプロセスガスＧ２は、第１のプロセスガスＧ１よりもウェハＷの外側の領域に供給される。第２のガス噴出孔５８から噴出された第２のプロセスガスＧ２は、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。第２のプロセスガスは、炭素、及び、窒素を含む。
第１のプロセスガスＧ１は、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、アシストガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シラン（ＳｉＨ４）である。炭素のソースガスは、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）である。ｎ型不純物のドーパントガスは、窒素ガスである。アシストガスは、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
第２のプロセスガスＧ２は、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シランである。炭素のソースガスは、例えば、プロパンである。ｎ型不純物のドーパントガスは、窒素ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
プロセスガス供給部１２から反応室１０に供給される第２のプロセスガスＧ２のＣ／Ｓｉ比は、第１のプロセスガスＧ１のＣ／Ｓｉ比よりも高い。
第１のプロセスガスＧ１と第２のプロセスガスＧ２をウェハＷの表面に供給することにより、ウェハＷの表面に窒素をｎ型不純物として含むバッファ膜５０１が形成される。バッファ膜５０１の窒素濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上である。バッファ膜５０１の厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下である。
バッファ膜５０１は、ウェハＷの表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となる状態で形成される。例えば、バッファ膜５０１を形成する際にウェハＷの中心部及びウェハＷの外周部の領域のウェハＷの表面の直上の実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となるようにする。実効的な炭素／シリコン原子比を、以下、「実効Ｃ／Ｓｉ比」と称する。
なお、ウェハ中心部とは、例えば、ウェハＷ中心から５ｍｍ以内の領域を意味する。また、ウェハ外周部とは、例えば、ウェハＷの外周端から５ｍｍ内側の領域を意味する。
図１１は、第３の実施形態の気相成長方法の説明図である。図１１は、導入Ｃ／Ｓｉ比と、基板の上のＳｉＣ膜の膜成長速度との関係を示す説明図である。
ここで、「導入Ｃ／Ｓｉ比」とは、図２に示すプロセス供給部に導入されるプロセスガスの炭素／シリコン原子比である。より具体的には、ソースガス供給口８２に導入されるシリコンのソースガス中のシリコンと、ソースガス供給口８４に導入される炭素のソースガス中の炭素との炭素／シリコン原子比である。
図１１は、ソースガス供給口８２に導入されるシリコンのソースガス中のシリコンの量は固定し、ソースガス供給口８４に導入される炭素のソースガス中の炭素の量を変化させて導入Ｃ／Ｓｉ比を変化させる場合を示す。
導入Ｃ／Ｓｉ比が増加し、所定の値を超えると膜成長速度が飽和する。膜成長速度が飽和する点を飽和点と称する。膜成長速度の飽和は、基板の表面の直上のプロセスガスの実効Ｃ／Ｓｉ比が１となる点で生じる。言い換えれば、炭素：シリコン＝１：１となる点で生じる。ＳｉＣ膜中のＣ／Ｓｉ比は１であるため、基板の表面の直上のプロセスガスの実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上となると、膜成長速度が飽和する。
ウェハ中心部の飽和点Ａは、図１１中のＡの矢印の位置である。ウェハ外周部の飽和点Ｂは、図１１中のＢの矢印の位置である。第３の実施形態の気相成長装置では、ウェハ中心部に対してウェハ外周部に向かうＣ／Ｓｉ比が高くなるようにプロセスガスを制御しているため、ウェハ外周部の飽和点Ｂの方がウェハ中心部の飽和点Ａよりも導入Ｃ／Ｓｉ比が低くなる。
ウェハ中心部では、飽和点Ａ以上の導入Ｃ／Ｓｉ比で実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上、飽和点Ａ未満の導入Ｃ／Ｓｉ比で実効Ｃ／Ｓｉ比が１未満となる。また、ウェハ外周部では、飽和点Ｂ以上の導入Ｃ／Ｓｉ比で実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上、飽和点Ｂ未満の導入Ｃ／Ｓｉ比で実効Ｃ／Ｓｉ比が１未満となる。
ウェハ中心部、ウェハ外周部ともに実効Ｃ／Ｓｉ比を１以上とするには、飽和点Ａ以上の導入Ｃ／Ｓｉ比が必要となる。一方、ウェハ中心部、ウェハ外周部ともに実効Ｃ／Ｓｉ比を１未満とするには、飽和点Ｂ未満の導入Ｃ／Ｓｉ比が必要となる。
適切な導入Ｃ／Ｓｉ比を設定することで、所望のウェハＷ表面位置での所望の実効Ｃ／Ｓｉ比が実現できる。
バッファ膜５０１を形成した後、ウェハＷの表面の中心部に向けて、プロセスガス供給部１２の第１の領域１２ａから第３のプロセスガスを供給する。第１のガス噴出孔５６から噴出された第３のプロセスガスは、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。第３のプロセスガスは、炭素、シリコン、及び、窒素を含む。
また、ウェハＷの中心部よりも外側の領域に向けて、プロセスガス供給部１２の第２の領域１２ｂから第４のプロセスガスを供給する。第４のプロセスガスは、第３のプロセスガスよりもウェハＷの外側の領域に供給される。第２のガス噴出孔５８から噴出された第４のプロセスガスは、プロセスガス供給部１２からウェハＷの表面に向かう層流となる。第４のプロセスガスは、炭素、及び、窒素を含む。
第３のプロセスガスは、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、アシストガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シランである。炭素のソースガスは、例えば、プロパンである。ｎ型不純物のドーパントガスは、窒素ガスである。アシストガスは、例えば、塩化水素ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
第４のプロセスガスは、例えば、シリコンのソースガス、炭素のソースガス、ｎ型不純物のドーパントガス、及び、キャリアガスを含む混合ガスである。シリコンのソースガスは、例えば、シランである。炭素のソースガスは、例えば、プロパンである。ｎ型不純物のドーパントガスは、窒素ガスである。キャリアガスは、例えば、アルゴンガス、又は、水素ガスである。
プロセスガス供給部１２から反応室１０に供給される第４のプロセスガスのＣ／Ｓｉ比は、第３のプロセスガスのＣ／Ｓｉ比よりも高い。
第３のプロセスガスと第４のプロセスガスをウェハＷの表面に供給することにより、ウェハＷの表面に窒素を含むｎ型膜５０２が形成される。ｎ型膜５０２の窒素濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ−３以下である。ｎ型膜５０２の厚さは、例えば、１０μｍ以上３００μｍ以下である。
ｎ型膜５０２は、ウェハＷの表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比、すなわち、実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上となる状態で形成される。ｎ型膜５０２を形成する際にウェハＷの中心及びウェハＷの外周から５ｍｍ内側のウェハＷの表面の直上のプロセスガスの領域の実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上となるようにする。実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上となるように、導入Ｃ／Ｓｉ比を設定する。
バッファ膜５０１、ｎ型膜５０２を形成した後、第１のヒータ２２、及び、第２のヒータ４２による加熱を停止し、ウェハＷの温度を下げる。その後、サセプタ１４とともにウェハＷを反応室１０から搬出する。
次に、第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果について説明する。
図１２は、第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図である。図１２は、導入Ｃ／Ｓｉ比とウェハＷ面内の窒素濃度の分布形状との関係を示す図である。なお、図１２は、各条件間での窒素濃度分布の形状変化のみを定性的に説明する図であり、各条件間での窒素濃度の高低変化を説明するものではない。
図１２に示すように、導入Ｃ／Ｓｉ比が低い状態（導入Ｃ／Ｓｉ比低）では、ウェハＷの外周部の窒素濃度がウェハＷの中心部の窒素濃度より高くなっており、導入Ｃ／Ｓｉ比低から中程度の状態（導入Ｃ／Ｓｉ比中）まで増加すると、ウェハＷの外周部の窒素濃度が下がり、ＳｉＣ膜中の窒素濃度分布が均一になる。また、導入Ｃ／Ｓｉ比を高い状態（導入Ｃ／Ｓｉ高）に増加させると、ウェハＷの外周部の窒素濃度が更に下がり、ＳｉＣ膜中の窒素濃度分布の均一性は低下する。そして、さらに導入Ｃ／Ｓｉ比を非常に高い状態（導入Ｃ／Ｓｉ比超高）に増加させると、再度窒素濃度分布が均一になる。
導入Ｃ／Ｓｉ比低から導入Ｃ／Ｓｉ比中にかけては、ウェハＷの面内の実効Ｃ／Ｓｉ比が１よりも十分に低い状態にある。また、導入Ｃ／Ｓｉ比高ではウェハＷの中心部の実効Ｃ／Ｓｉ比が１よりも十分に低い状態にあり、ウェハＷの外周部の実効Ｃ／Ｓｉ比は１に近い状態にある。更に、導入Ｃ／Ｓｉ比超高ではウェハＷの面内の実効Ｃ／Ｓｉ比が１よりも十分に高い状態にある。実効Ｃ／Ｓｉ比が１より低い領域では、実効Ｃ／Ｓｉ比の増加に伴うＳｉＣ膜中の窒素濃度の減少率が大きく、実効Ｃ／Ｓｉ比が１より高い領域では、実効Ｃ／Ｓｉ比の増加に伴うＳｉＣ膜中の窒素濃度の減少率が小さくなる。すなわち、導入Ｃ／Ｓｉ比低から導入Ｃ／Ｓｉ比高にかけて導入Ｃ／Ｓｉ比を増加させると、ウェハＷの外周部の実効Ｃ／Ｓｉ比と、ウェハＷの中心部の実効Ｃ／Ｓｉ比との差が大きくなり、且つ、実効Ｃ／Ｓｉ比の増加に伴うＳｉＣ膜中の窒素濃度の減少率が大きいため、ウェハＷの外周部の窒素濃度がウェハＷの中心部の窒素濃度より下がりやすくなる。一方、導入Ｃ／Ｓｉ比高から導入Ｃ／Ｓｉ比超高にかけて導入Ｃ／Ｓｉ比を増加させると、ウェハＷの外周部では導入Ｃ／Ｓｉ比を僅かに増加させただけで実効Ｃ／Ｓｉ比が１を上回り、ＳｉＣ膜中の窒素濃度の減少率が低下するが、ウェハＷの中心部では導入Ｃ／Ｓｉ比を大きく増加させないと実効Ｃ／Ｓｉ比は１を超えないため、ウェハＷの中心部の窒素濃度がウェハＷの外周部の窒素濃度より下がりやすくなる。このような理由により、図１２のようなＳｉＣ膜中の窒素濃度分布形状の変化が生じることになる。
図１３は、第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図である。導入Ｃ／Ｓｉ比と膜成長速度の関係の実測値を示す。ウェハ中心部の飽和点Ａは、導入Ｃ／Ｓｉ比が１．６５程度の位置にある。ウェハ外周部の飽和点Ｂは、導入Ｃ／Ｓｉ比が１．５程度の位置にある。
ウェハ中心部、ウェハ外周部ともに実効Ｃ／Ｓｉ比を１以上とするには、飽和点Ａ以上の導入Ｃ／Ｓｉ比、すなわち、導入Ｃ／Ｓｉ比１．６５以上が必要となる。一方、ウェハ中心部、ウェハ外周部ともに実効Ｃ／Ｓｉ比を１未満とするには、飽和点Ｂ未満の導入Ｃ／Ｓｉ比、すなわち導入Ｃ／Ｓｉ比１．５未満が必要となる。
図１４は、第３の実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図である。図１４は、図１３と同様のプロセス条件での、導入Ｃ／Ｓｉ比をパラメータとしてウェハＷ面内の窒素濃度分布を示す。導入Ｃ／Ｓｉ比は、１．２０から１．９５の間で変化させている。図１４は、直径１５０ｍｍのウェハＷを用いた測定結果である。
図１４から明らかなように、導入Ｃ／Ｓｉ比１．３５と導入Ｃ／Ｓｉ比１．８０以上で窒素濃度のウェハＷ面内の分布が均一になる。それぞれ、実効Ｃ／Ｓｉ比が１未満の場合と、実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上の場合に対応する。
第３の実施形態の気相成長方法では、窒素濃度の高いバッファ膜５０１の形成において、ウェハＷの表面の実効Ｃ／Ｓｉ比を１未満とする。これにより、窒素濃度が高く、かつ、窒素濃度のウェハＷ面内均一性の高いバッファ膜５０１が形成可能となる。また、窒素濃度の低いｎ型膜５０２の形成において、ウェハＷの表面の実効Ｃ／Ｓｉ比を１以上とする。これにより、窒素濃度が低く、かつ、窒素濃度のウェハＷ面内均一性の高いｎ型膜５０２が形成可能となる。
そして、ｎ型膜５０２の形成において、ウェハＷの表面の実効Ｃ／Ｓｉ比を１以上とすることにより、膜内の炭素空孔の量を少なくすることが可能となる。実効Ｃ／Ｓｉ比が１以上であることから、炭素が余剰に存在するため、膜内の炭素空孔の発生が抑制される。
第３の実施形態の気相成長方法によれば、トランジスタやダイオードなどの高耐圧デバイスの製造に適した炭化珪素膜の形成が可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
実施形態では、単結晶のＳｉＣ膜を形成する場合を例に説明したが、多結晶又はアモルファスのＳｉＣ膜の形成にも本発明を適用することが可能である。
また、実施形態では、単結晶ＳｉＣのウェハを基板の一例として説明したが、基板は単結晶ＳｉＣのウェハに限定されるものではない。
また、実施形態では、ｎ型不純物として窒素を例に説明したが、ｎ型不純物として、例えば、リン（Ｐ）を適用することも可能である。
実施形態では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置、環状ホルダ、及び、気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 反応室
１０ａ 内壁
１２ プロセスガス供給部
１２ａ 第１の領域
１２ｂ 第２の領域
１４ サセプタ（基板保持部）
１４ａ 保持壁
２０ 回転駆動機構
２２ 第１のヒータ
４０ フード（側壁）
４２ 第２のヒータ
１００ 気相成長装置
Ｇ１ 第１のプロセスガス
Ｇ２ 第２のプロセスガス
Ｗ ウェハ（基板）
ｄ１ 第２の領域の内周直径
ｄ２ 第２の領域の外周直径
ｄ３ 保持壁の直径
ｄ５ フード（側壁）の内周直径

Claims (15)

  1. 反応室と、
    前記反応室の中に設けられ、基板が載置可能であり、前記基板の外周を所定の間隙を有して保持可能な保持壁を有する基板保持部と、
    前記反応室の上に設けられ、第１のプロセスガスを前記反応室に供給可能な第１の領域と、前記第１の領域の周囲に設けられ前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを前記反応室に供給可能な第２の領域とを有し、前記第２の領域の内周直径が前記保持壁の直径の７５％以上１３０％以下であるプロセスガス供給部と、
    前記反応室の中の、前記プロセスガス供給部と前記基板保持部との間の領域に設けられ、内周直径が前記第２の領域の外周直径の１１０％以上２００％以下である側壁と、
    前記基板保持部の下に設けられた第１のヒータと、
    前記側壁と前記反応室の内壁との間に設けられた第２のヒータと、
    前記基板保持部を回転させる回転駆動機構と、
    を備える気相成長装置。
  2. 前記第２の領域の内周直径が前記保持壁の直径の１００％以上である請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記側壁の内周直径が前記基板保持部の直径の１０５％以上２００％以下である請求項１記載の気相成長装置。
  4. 前記回転駆動機構は、前記基板を３００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転速度で回転させる請求項１記載の気相成長装置。
  5. 前記プロセスガス供給部は、前記第２の領域の周囲に設けられ、前記側壁と前記第２のヒータとの間の領域に第３のプロセスガスを供給可能な第３の領域を有し、
    前記側壁は、前記第３のプロセスガスを前記側壁の外側から前記側壁の内側へ通過させるガス通過孔を有する請求項１記載の気相成長装置。
  6. 前記第３のプロセスガスはアルゴンガスである請求項５記載の気相成長装置。
  7. 基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、
    前記基板を加熱し、
    前記基板に向けて第１の流速で第１のプロセスガスを供給し、
    前記基板に向けて、前記第１のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、第２の流速で前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、
    前記第１の流速、前記第２の流速、及び、前記回転速度を制御して、前記第２のプロセスガスが前記基板の中心方向に引き込まれる流れを形成し、前記基板の表面に炭化珪素膜を形成する気相成長方法。
  8. 前記第１の流速、及び、前記第２の流速は、０．２ｍ／ｓｅｃ以上１．０ｍ／ｓｅｃ以下である請求項７記載の気相成長方法。
  9. 前記第２の流速が前記第１の流速の５０％以上２００％以下である請求項７記載の気相成長方法。
  10. 前記基板を１５００℃以上に加熱する請求項７記載の気相成長方法。
  11. 前記第１のプロセスガス及び前記第２のプロセスガスは窒素を含む請求項７記載の気相成長方法。
  12. 基板を３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、
    前記基板を加熱し、
    前記基板に向けて、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含む第１のプロセスガスを供給し、
    前記基板に向けて、前記第１のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、及び、ｎ型不純物を含み、前記第１のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第２のプロセスガスを供給し、
    前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となる状態で、前記基板の表面に第１の炭化珪素膜を形成し、
    前記基板に向けて、炭素、シリコン、及び、ｎ型不純物を含む第３のプロセスガスを供給し、
    前記基板に向けて、前記第３のプロセスガスが供給される領域よりも外側の領域に、炭素、及び、ｎ型不純物を含み、前記第３のプロセスガスよりも炭素／シリコン原子比の高い第４のプロセスガスを供給し、
    前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１以上となる状態で、前記基板の表面に前記第１の炭化珪素膜よりもｎ型不純物の低い第２の炭化珪素膜を形成する気相成長方法。
  13. 前記第１の炭化珪素膜を形成する際に前記基板の中心部及び前記基板の外周部の前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１未満となり、
    前記第２の炭化珪素膜を形成する際に前記基板の中心部及び前記基板の外周部の前記基板の表面の直上のプロセスガスの実効的な炭素／シリコン原子比が１以上となる請求項１２記載の気相成長方法。
  14. 前記第１の炭化珪素膜のｎ型不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であり、前記第２の炭化珪素膜のｎ型不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下である請求項１２記載の気相成長方法。
  15. 前記ｎ型不純物は窒素である請求項１２記載の気相成長方法。
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