WO2020105212A1 - 炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置 - Google Patents

炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置

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WO2020105212A1
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弘 塩見
容子 渡邊
和田 圭司
土井 秀之
岳見 寺尾
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住友電気工業株式会社
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    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Definitions

  • the present disclosure relates to a silicon carbide epitaxial substrate manufacturing apparatus.
  • This application claims the priority right based on Japanese Patent Application No. 2018-217225 filed on Nov. 20, 2018. All contents described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 JP-A-2018-108916 describes a hot wall type CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus.
  • the CVD device described in Patent Document 1 has a quartz tube, a heating element, a rotating susceptor, and an induction heating coil.
  • the quartz tube has a tubular portion, a wall portion, and a gas introduction pipe.
  • the wall portion closes one end of the tubular portion.
  • a through hole is formed in the wall portion.
  • the gas introduction pipe is connected to the wall portion so as to communicate with the inside of the tubular portion at the through hole.
  • the heating element and rotating susceptor are placed inside the tubular part.
  • a silicon carbide substrate is placed on the rotating susceptor.
  • the induction heating coil is wound around the outer peripheral surface of the tubular portion, and induction heats the heating element and the rotary susceptor.
  • source gas carbon source gas, silicon source gas, impurity source gas
  • carrier gas are supplied onto the surface of the silicon carbide substrate.
  • the source gas reacts on the surface of the silicon carbide substrate, so that an epitaxial layer crystallizes on the surface of the silicon carbide substrate.
  • a silicon carbide epitaxial substrate manufacturing apparatus includes a quartz tube, an induction heating coil, a heating element that is induction-heated by the induction heating coil, and a heat insulating member.
  • the quartz tube closes the tubular portion, one end of the tubular portion, the wall portion in which the first through hole is formed, and the wall portion so as to communicate with the inside of the tubular portion in the first through hole. And a gas introduction pipe connected thereto.
  • the heating element is arranged inside.
  • the heat insulating member is arranged on the inner surface of the wall portion so as to cover the edge of the first through hole.
  • the heat insulating member has a second through hole that is connected to the first through hole. The cross-sectional area of the second through hole at the end on the inner side is larger than the cross-sectional area of the second through hole at the end on the wall side.
  • FIG. 1 is a sectional view of the manufacturing apparatus 100.
  • 2A to 2D are process diagrams for forming an epitaxial layer on the silicon carbide substrate 50.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of an end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 110 on the wall portion 12 side.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of an end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 120 on the wall portion 12 side.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end of the gas introducing pipe 14 of the manufacturing apparatus 200 on the wall 12 side.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 300 on the wall 12 side.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 100 on the wall portion 12 side.
  • the carbon source gas may be insufficiently decomposed above the portion of the silicon carbide substrate on the upstream side (the side close to the gas introduction pipe).
  • impurities are excessively taken into the epitaxial layer.
  • it is effective to preheat the gas passing through the gas introduction pipe with radiant heat from the heating element to accelerate the decomposition of the carbon raw material gas, but the radiant heat causes the wall side of the gas introduction pipe to The edges may be overheated.
  • An object of the present disclosure is to protect a wall-side end of a gas introduction pipe from radiation from a heat source and preheat a gas (a raw material gas and a carrier gas) passing through the gas introduction pipe.
  • An apparatus for manufacturing an epitaxial substrate is provided. [Effect of the present disclosure] According to the apparatus for manufacturing the silicon carbide epitaxial substrate according to the aspect of the present disclosure, the wall-side end of the gas introduction pipe is protected from the radiation from the heat source, and the gas (source gas and carrier gas) passing through the gas introduction pipe is also protected. ) Can be preheated.
  • a silicon carbide epitaxial substrate manufacturing apparatus includes a quartz tube, an induction heating coil, a heating element that is induction-heated by the induction heating coil, and a heat insulating member.
  • the quartz tube closes the tubular portion, one end of the tubular portion, the wall portion in which the first through hole is formed, and the wall portion so as to communicate with the inside of the tubular portion in the first through hole. And a gas introduction pipe connected thereto.
  • the heating element is arranged inside.
  • the heat insulating member is arranged on the inner surface of the wall portion so as to cover the edge of the first through hole.
  • the heat insulating member has a second through hole that is connected to the first through hole. The cross-sectional area of the second through hole at the end portion on the inner side is larger than the cross-sectional area of the second through hole at the end portion on the wall side.
  • the heat insulating member is arranged on the inner surface of the wall portion so as to cover the edge of the first through hole, the wall portion side of the gas introduction pipe is provided. Is protected from radiation from the heating element. Moreover, since the cross-sectional area of the second through-hole at the end portion on the inner side is larger than the cross-sectional area of the second through-hole at the end portion on the wall side, radiation from the heating element causes It is easier to reach inside.
  • the end portion of the gas introduction pipe on the wall side is protected from radiation from the heat source, and the gas (source gas and carrier gas) passing through the gas introduction pipe is protected. ) Can be preheated.
  • the cross-sectional area of the second through hole may continuously increase as the distance from the wall increases.
  • the second through hole may have a first portion and a second portion.
  • the first portion may be connected to the wall-side end of the second portion.
  • the cross-sectional area of the first portion may be constant.
  • the cross-sectional area of the second portion may continuously increase as the distance from the wall increases.
  • the second through hole may have a first portion and a second portion.
  • the first portion may be connected to the wall-side end of the second portion.
  • the cross-sectional area of the first portion may be constant.
  • the cross-sectional area of the second portion may be constant and may be larger than the cross-sectional area of the first portion.
  • the apparatus for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the embodiment will be referred to as “manufacturing apparatus 100”
  • the apparatus for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the first comparative example will be referred to as “manufacturing apparatus 200”
  • the second comparative example will be described.
  • An apparatus for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the above is referred to as a "manufacturing apparatus 300".
  • the manufacturing apparatus 100 is a horizontal hot wall CVD apparatus.
  • the manufacturing apparatus 100 may be a vertical hot wall CVD apparatus, but in the following, a horizontal hot wall CVD apparatus will be described as an example of the manufacturing apparatus 100.
  • the manufacturing apparatus 100 includes a quartz tube 1, a heat generating member 2, a rotating susceptor 3, a rotating shaft 4, a heat insulating member 5a and a heat insulating member 5b, and an induction heating coil 6.
  • the quartz tube 1 has a tubular portion 11, a wall portion 12 and a wall portion 13, a gas introduction pipe 14, and a gas discharge pipe 15.
  • the tubular portion 11 has a tubular shape.
  • the wall portion 12 closes the tubular portion 11 at one end.
  • a through hole 12a is formed in the wall portion 12.
  • the through hole 12a penetrates the wall portion 12 in the thickness direction.
  • the wall portion 13 closes the tubular portion 11 at the other end.
  • a through hole 13a is formed in the wall portion 13.
  • the through hole 13a penetrates the wall portion 13 in the thickness direction.
  • the gas introduction pipe 14 has a tubular shape.
  • the gas introduction pipe 14 is connected to the wall portion 12 (more specifically, the outer wall surface of the wall portion 12) so as to communicate with the inside of the tubular portion 11 at the through hole 12a.
  • the gas exhaust pipe 15 has a tubular shape.
  • the gas introduction pipe 14 is connected to the wall portion 13 so as to communicate with the inside of the tubular portion 11 at the through hole 13a.
  • a carbon raw material gas, a silicon raw material gas, an impurity raw material gas and a carrier gas are introduced into the quartz pipe 1.
  • propane (C 3 H 8 ) gas is used as the carbon source gas.
  • silicon source gas for example, silane (SiH 4 ) gas is used.
  • impurity raw material gas for example, ammonia (NH 3 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas are used.
  • Hydrogen (H 2 ) gas for example, is used as the carrier gas.
  • Gas remaining in the quartz tube 1 after the epitaxial layer, which will be described later, is formed on the silicon carbide substrate 50 is exhausted from the gas exhaust tube 15. In addition, in FIG. 1, the flows of these gases are indicated by arrows.
  • the heat generating member 2 has a tubular shape.
  • the heating element is made of graphite, for example.
  • the heat generating member 2 is arranged inside the quartz tube 1 (more specifically, inside the cylindrical portion 11). In the following, the space inside the heat generating member 2 may be referred to as a chamber.
  • the rotary susceptor 3 has a first main surface 3a and a second main surface 3b. Silicon carbide substrate 50 (silicon carbide substrate 50 is shown by a dotted line in FIG. 1) is placed on first main surface 3a. The second main surface 3b is the surface opposite to the first main surface 3a.
  • the rotary susceptor 3 is arranged inside the heat generating member 2.
  • the rotary susceptor 3 is made of graphite, for example.
  • the surface of the rotating susceptor 3 may be coated with silicon carbide.
  • Rotating susceptor 3 may be made of silicon carbide.
  • the rotary shaft 4 has, for example, a cylindrical shape.
  • the rotating shaft 4 may have a columnar shape.
  • the rotary shaft 4 is attached to the rotary susceptor 3 (second main surface 3b) at one end.
  • the rotating shaft 4 is attached to a drive mechanism (not shown) at the other end.
  • the rotating shaft 4 extends in a direction intersecting the first main surface 3a and the second main surface 3b.
  • the rotary shaft 4 is rotationally driven around its central axis by a drive mechanism. As a result, the rotary susceptor 3 rotates about its central axis.
  • the heat insulating member 5 a is arranged between the heat generating member 2 and the quartz tube 1 (cylindrical portion 11) so as to surround the outer peripheral surface of the heat generating member 2.
  • the heat insulating member 5a, the heat generating member 2 and the quartz tube 1 (cylindrical portion 11) are formed with through holes for inserting the rotary shaft 4.
  • the heat insulating member 5b is attached to the inner wall surface of the wall portion 12 (the surface of the wall portion 12 on the side of the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3) so as to cover the edge of the through hole 12a.
  • the inner wall surface of the wall portion 12 is the surface opposite to the outer wall surface of the wall portion 12.
  • a through hole 5ba is formed in the heat insulating member 5b.
  • the through hole 5ba is connected to the through hole 12a.
  • the heat insulating member 5b is arranged so that the through hole 5ba overlaps the through hole 12a.
  • the cross-sectional area of the through hole 5ba increases with increasing distance from the wall portion 12.
  • the cross-sectional area of the through hole 5ba referred to here is the cross-sectional area in the cross section orthogonal to the central axis direction of the through hole 5ba. That is, the through hole 5ba has a tapered shape.
  • the heat insulating member 5a and the heat insulating member 5b may be integrally formed.
  • the induction heating coil 6 is wound around the outer peripheral surface of the tubular portion 11.
  • the induction heating coil 6 When the induction heating coil 6 is energized, it induction-heats the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3. That is, the heating member 2 and the rotary susceptor 3 are heating elements that are induction-heated by the induction heating coil 6.
  • Silicon carbide substrate 50 is heated by heat conduction from rotary susceptor 3 and radiation from heat generating member 2 and rotary susceptor 3. Since the heat insulating member 5a is arranged between the heat generating member 2 and the tubular portion 11, the quartz tube 1 is hardly heated.
  • 2A to 2D are process diagrams for forming an epitaxial layer on the silicon carbide substrate 50.
  • an epitaxial layer is formed on silicon carbide substrate 50 by performing preparatory step S1, mounting step S2, temperature raising step S3, and epitaxial growth step S4.
  • silicon carbide substrate 50 is prepared.
  • Preparation of silicon carbide substrate 50 is performed by slicing an ingot made of, for example, a silicon carbide single crystal. This slicing is preferably performed so that the main surface of silicon carbide substrate 50 is inclined with respect to a predetermined crystal plane by a predetermined angle in a predetermined crystal orientation.
  • the predetermined crystal plane is, for example, the ⁇ 0001 ⁇ plane
  • the predetermined crystal orientation is the ⁇ 11-20> direction
  • the predetermined angle is, for example, 2 ° or more and 6 ° or less.
  • the silicon carbide substrate 50 prepared in the preparation step S1 is mounted on the rotary susceptor 3.
  • the steps after the mounting step S2 are performed inside the manufacturing apparatus 100.
  • the temperature raising step S3 by energizing the induction heating coil 6, the temperature inside the chamber is raised to a predetermined temperature.
  • a raw material gas carbon raw material gas, silicon raw material gas, impurity raw material gas
  • a carrier gas By reacting this source gas on the surface of silicon carbide substrate 50 placed on rotating susceptor 3, an epitaxial layer made of a single crystal of silicon carbide is formed on silicon carbide substrate 50.
  • the apparatus for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the first modification of the embodiment is referred to as “manufacturing apparatus 110", and the apparatus for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the second modification of the embodiment is “manufacturing apparatus 120". That.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 110 on the wall 12 side.
  • the through hole 5ba has a first portion 5baa and a second portion 5bab.
  • the first portion 5baa is connected to the end of the second portion 5bab on the wall portion 12 side.
  • the cross-sectional area of the first portion 5baa is constant regardless of the distance from the wall portion 12.
  • the cross-sectional area of the second portion 5bab increases as the distance from the wall portion 12 (distance from the first portion 5baa) increases.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 120 on the wall 12 side.
  • the through hole 5ba has a first portion 5baa and a second portion 5bab.
  • the first portion 5baa is connected to the end of the second portion 5bab on the wall portion 12 side.
  • the cross-sectional area of the first portion 5baa is constant regardless of the distance from the wall portion 12.
  • the cross-sectional area of the second portion 5bab is constant regardless of the distance from the wall portion 12.
  • the cross-sectional area of the second portion 5bab is larger than the cross-sectional area of the first portion 5baa.
  • the step structure is formed on the inner wall of the through hole 5ba.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of an end portion of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 200 on the wall portion 12 side.
  • the configuration of the manufacturing apparatus 200 is the same as the configuration of the manufacturing apparatus 100 except that the heat insulating member 5b is not included.
  • the end portion of the gas introduction pipe 14 on the wall 12 side radiates from the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3 (this Radiation is exposed to (indicated by the arrow in FIG. 5).
  • the temperature at the end of the gas introduction pipe 14 on the wall 12 side may rise excessively. This temperature rise causes damage to the end portion of the gas introduction pipe 14 on the wall 12 side.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 300 on the wall 12 side.
  • the structure of the manufacturing apparatus 300 is the same as that of the manufacturing apparatus 100 except the shape of the through hole 5ba.
  • the cross-sectional area of the through hole 5ba is constant regardless of the distance from the wall portion 12. Therefore, radiation from the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3 (this radiation is indicated by an arrow in FIG. 6) is easily blocked by the heat insulating member 5b and does not easily reach the inside of the gas introduction pipe 14. As a result, preheating of the gas (raw material gas and carrier gas) flowing through the gas introduction pipe 14 may be insufficient.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the end of the gas introduction pipe 14 of the manufacturing apparatus 100 on the wall 12 side.
  • the cross-sectional area of the through hole 5ba increases as the distance from the wall portion 12 increases. Therefore, radiation from the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3 (this radiation is shown by an arrow in FIG. 7) is hard to be blocked by the heat insulating member 5b and easily reaches the inside of the gas introduction pipe 14.
  • the end portion of the gas introduction pipe 14 on the wall portion 12 side is the heat generating member. 2 and the radiation from the rotating susceptor 3.
  • the end portion of the gas introduction pipe 14 on the side of the wall portion 12 is protected from the radiation from the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3, and at the same time, the gas (source gas and carrier gas) passing through the gas introduction pipe 14 is protected. Gas) can be preheated.
  • the heat-insulating member 5b protects the end of the gas introduction pipe 14 on the wall 12 side from the radiation from the heat-generating member 2 and the rotary susceptor 3, and at the same time, the heat-generating member 2 Radiation from the rotary susceptor 3 is less likely to be blocked by the heat insulating member 5b. Therefore, according to the manufacturing apparatus 110 and the manufacturing apparatus 120, the end of the gas introduction pipe 14 on the wall 12 side is protected from the radiation from the heat generating member 2 and the rotary susceptor 3, and the gas passing through the gas introduction pipe 14 (source gas And carrier gas) can be preheated.

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Abstract

炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備える。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第1貫通穴が形成された壁部と、第1貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第1貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第1貫通穴と接続する第2貫通穴が形成されている。内部側の端部における第2貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第2貫通穴の断面積よりも大きい。

Description

炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置
 本開示は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置に関する。本出願は、2018年11月20日に出願した日本特許出願である特願2018-217225号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
 例えば特許文献1(特開2018-108916号公報)には、ホットウォール式のCVD(Chemical Vapor Deposition)装置が記載されている。特許文献1に記載のCVD装置は、石英管と、発熱体と、回転サセプタと、誘導加熱コイルとを有している。
 石英管は、筒状部と、壁部と、ガス導入管とを有している。壁部は、筒状部の一方端を閉塞している。壁部には、貫通穴が形成されている。ガス導入管は、貫通穴において筒状部の内部と連通するように、壁部に接続されている。
 発熱体及び回転サセプタは、筒状部の内部に配置されている。回転サセプタ上には、炭化珪素基板が載置されている。誘導加熱コイルは、筒状部の外周面に巻き回されているとともに、発熱体及び回転サセプタを誘導加熱する。ガス導入管からは、炭化珪素基板の表面上に原料ガス(炭素原料ガス、珪素原料ガス、不純物原料ガス)及びキャリアガスが供給される。原料ガスが炭化珪素基板の表面上において反応することにより、炭化珪素基板の表面上にエピタキシャル層が結晶成長する。
特開2018-108916号公報
 本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備えている。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第1貫通穴が形成された壁部と、第1貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第1貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第1貫通穴と接続する第2貫通穴が形成されている。内部側の端部における第2貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第2貫通穴の断面積よりも大きい。
図1は、製造装置100の断面図である。 図2は、炭化珪素基板50上にエピタキシャル層を形成する際の工程図である。 図3は、製造装置110のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。 図4は、製造装置120のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。 図5は、製造装置200のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。 図6は、製造装置300のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。 図7は、製造装置100のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。
[本開示が解決しようとする課題]
 特許文献1に記載のCVD装置においては、上流側(ガス導入管に近い側)にある炭化珪素基板の部分の上方において、炭素原料ガスの分解が不十分となる場合がある。その結果、上流側にある炭化珪素半導体基板の部分においては、不純物がエピタキシャル層中に過剰に取り込まれる。これを避けるためには、発熱体からの輻射熱でガス導入管を通るガスを予備加熱し、炭素原料ガスの分解を促進することが有効であるが、当該輻射熱によりガス導入管の壁部側の端部が過度に加熱されてしまうおそれがある。
 本開示の目的は、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス(原料ガス及びキャリアガス)を予備加熱することが可能な炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を提供する。
[本開示の効果]
 本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス(原料ガス及びキャリアガス)を予備加熱することが可能となる。
 [本開示の実施形態の説明]
 まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
 (1)本開示の一実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備える。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第1貫通穴が形成された壁部と、第1貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第1貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第1貫通穴と接続する第2貫通穴が形成されている。内部側の端部における第2貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第2貫通穴の断面積よりも大きい。
 上記(1)の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置においては、断熱部材が第1貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されているため、ガス導入管の壁部側の端部が発熱体からの輻射から保護されている。また、内部側の端部における第2貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第2貫通穴の断面積よりも大きくなっているため、発熱体からの輻射は、ガス導入管の内部に到達しやすくなる。そのため、上記(1)の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス(原料ガス及びキャリアガス)を予備加熱することが可能となる。
 (2)上記(1)の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置において、第2貫通穴の断面積は、壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加していてもよい。
 (3)上記(1)の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置において、第2貫通穴は、第1部分と、第2部分とを有していてもよい。第1部分は、第2部分の壁部側の端に連なっていてもよい。第1部分の断面積は、一定であってもよい。第2部分の断面積は、壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加していてもよい。
 (4)上記(1)の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置において、第2貫通穴は、第1部分と、第2部分とを有していてもよい。第1部分は、第2部分の壁部側の端に連なっていてもよい。第1部分の断面積は、一定であってもよい。第2部分の断面積は、一定であり、かつ第1部分の断面積よりも大きくてもよい。
 [本開示の実施形態の詳細]
 本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。また、以下においては、実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置100」とし、第1比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置200」とし、第2比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置300」とする。
 (製造装置100の構成)
 以下に、製造装置100の構成を説明する。
 図1は、製造装置100の断面図である。図1に示されるように、製造装置100は、横型のホットウォール式CVD装置である。製造装置100は、縦型のホットウォール式CVD装置であってもよいが、以下においては、横型のホットウォール式CVD装置を製造装置100の例として説明する。
 製造装置100は、石英管1と、発熱部材2と、回転サセプタ3と、回転軸4と、断熱部材5a及び断熱部材5bと、誘導加熱コイル6とを有している。
 石英管1は、筒状部11と、壁部12及び壁部13と、ガス導入管14と、ガス排出管15とを有している。
 筒状部11は、筒状の形状を有している。壁部12は、一方端において筒状部11を閉塞している。壁部12には貫通穴12aが形成されている。貫通穴12aは、壁部12を厚さ方向に貫通している。壁部13は、他方端において筒状部11を閉塞している。壁部13には貫通穴13aが形成されている。貫通穴13aは、壁部13を厚さ方向に貫通している。
 ガス導入管14は、筒状の形状を有している。ガス導入管14は、貫通穴12aにおいて筒状部11の内部と連通するように、壁部12(より具体的には、壁部12の外壁面)に接続されている。
 ガス排出管15は、筒状の形状を有している。ガス導入管14は、貫通穴13aにおいて筒状部11の内部と連通するように、壁部13に接続されている。
 ガス導入管14からは、石英管1の内部に炭素原料ガス、珪素原料ガス、不純物原料ガス及びキャリアガスが導入される。炭素原料ガスには、例えば、プロパン(C)ガスが用いられる。珪素原料ガスには、例えばシラン(SiH)ガスが用いられる。不純物原料ガスには、例えばアンモニア(NH)ガス及び窒素(N)ガスが用いられる。キャリアガスには、例えば水素(H)ガスが用いられる。ガス排出管15からは、後述するエピタキシャル層が炭化珪素基板50上に形成された後に石英管1の内部に残存するガスが排出される。なお、図1中において、これらのガスの流れは、矢印で示されている。
 発熱部材2は、筒状の形状を有している。発熱体は、例えば黒鉛で形成されている。発熱部材2は、石英管1の内部(より具体的には、筒状部11の内部)に配置されている。なお、以下においては、発熱部材2の内部の空間を、チャンバということがある。
 回転サセプタ3は、第1主面3aと第2主面3bとを有している。第1主面3a上には、炭化珪素基板50(炭化珪素基板50は、図1中において点線で示されている)が載置されている。第2主面3bは、第1主面3aの反対面である。回転サセプタ3は、発熱部材2の内部に配置されている。回転サセプタ3は、例えば黒鉛で形成されている。回転サセプタ3の表面は、炭化珪素によりコーティングされていてもよい。回転サセプタ3は、炭化珪素で形成されていてもよい。
 回転軸4は、例えば、円筒形状を有している。回転軸4は、円柱形状を有していてもよい。回転軸4は、一方端において、回転サセプタ3(第2主面3b)に取り付けられている。回転軸4は、他方端において、駆動機構(図示せず)に取り付けられている。回転軸4は、第1主面3a及び第2主面3bに交差する方向に延在している。回転軸4は、駆動機構により、その中心軸周りに回転駆動される。その結果、回転サセプタ3は、その中心軸周りに回転することになる。
 断熱部材5aは、発熱部材2の外周面を取り囲むように、発熱部材2と石英管1(筒状部11)との間に配置されている。なお、断熱部材5a、発熱部材2及び石英管1(筒状部11)には、回転軸4を挿通するための貫通穴が形成されている。
 断熱部材5bは、貫通穴12aの縁を覆うように、壁部12の内壁面(壁部12の発熱部材2及び回転サセプタ3側の面)上に取り付けられている。壁部12の内壁面は、壁部12の外壁面の反対面である。
 断熱部材5bには、貫通穴5baが形成されている。貫通穴5baは、貫通穴12aと接続している。このことを別の観点からいえば、断熱部材5bは、貫通穴5baが貫通穴12aと重なるように配置されている。貫通穴5baは、壁部12から離れるにつれて、その断面積が大きくなっている。ここでいう貫通穴5baの断面積は、貫通穴5baの中心軸方向に直交する断面における断面積のことである。すなわち、貫通穴5baは、テーパ形状を有している。なお、断熱部材5a及び断熱部材5bは、一体に形成されていてもよい。
 誘導加熱コイル6は、筒状部11の外周面に沿って巻き回されている。誘導加熱コイル6は、通電されることにより、発熱部材2及び回転サセプタ3を誘導加熱する。すなわち、発熱部材2及び回転サセプタ3は、誘導加熱コイル6により誘導加熱される発熱体となっている。炭化珪素基板50は、回転サセプタ3からの熱伝導並びに発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射により加熱される。なお、発熱部材2と筒状部11との間には断熱部材5aが配置されているため、石英管1は、殆ど加熱されない。
 以下に、製造装置100の動作を説明する。図2は、炭化珪素基板50上にエピタキシャル層を形成する際の工程図である。図2に示されるように、準備工程S1、載置工程S2、昇温工程S3及びエピタキシャル成長工程S4が行われることにより、炭化珪素基板50上にエピタキシャル層が形成される。
 準備工程S1においては、炭化珪素基板50が準備される。炭化珪素基板50の準備は、例えば炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより行われる。このスライスは、炭化珪素基板50の主面が所定の結晶面に対して、所定の結晶方位において所定の角度だけ傾くように行われることが好ましい。この所定の結晶面は例えば{0001}面であり、この所定の結晶方位は<11-20>方向であり、所定の角度は例えば2°以上6°以下である。このスライスが行われた後に、炭化珪素基板50の表面は、研磨されてもよい。
 載置工程S2においては、準備工程S1において準備された炭化珪素基板50が、回転サセプタ3上に載置される。載置工程S2以降の工程は、製造装置100の内部において行われる。
 昇温工程S3においては、誘導加熱コイル6に通電することにより、チャンバ内が所定の温度まで昇温される。
 エピタキシャル成長工程S4においては、ガス導入管14を介して、チャンバ内に原料ガス(炭素原料ガス、珪素原料ガス、不純物原料ガス)及びキャリアガスが導入される。この原料ガスが回転サセプタ3上に載置された炭化珪素基板50の表面において反応することにより、炭化珪素の単結晶からなるエピタキシャル層が、炭化珪素基板50上に形成される。
 以下に、製造装置100の変形例を説明する。ここでは、実施形態の第1変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置110」といい、実施形態の第2変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置120」という。
 図3は、製造装置110のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。図3に示されるように、製造装置110において、貫通穴5baは、第1部分5baaと、第2部分5babとを有している。第1部分5baaは、第2部分5babの壁部12側の端に連なっている。
 第1部分5baaの断面積は、壁部12からの距離に関わらず、一定となっている。第2部分5babの断面積は、壁部12からの距離(第1部分5baaからの距離)が大きくなるにしたがって、大きくなっている。
 図4は、製造装置120のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。図4に示されるように、製造装置120において、貫通穴5baは、第1部分5baaと、第2部分5babとを有している。第1部分5baaは、第2部分5babの壁部12側の端に連なっている。
 第1部分5baaの断面積は、壁部12からの距離に関わらず、一定となっている。第2部分5babの断面積は、壁部12からの距離に関わらず、一定となっている。第2部分5babの断面積は、第1部分5baaの断面積よりも大きくなっている。このことを別の観点からいえば、製造装置120においては、貫通穴5baの内壁に、ステップ構造が形成されている。
 以下に、製造装置100の効果を比較例と対比しながら説明する。
 図5は、製造装置200のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。製造装置200の構成は、断熱部材5bを有していない点を除き、製造装置100の構成と同一である。図5に示されるように、製造装置200においては、断熱部材5bが配置されていないため、ガス導入管14の壁部12側の端部は、発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射(この輻射は、図5中において矢印で示されている)に曝される。その結果、ガス導入管14の壁部12側の端部における温度が過度に上昇するおそれがある。この温度上昇は、ガス導入管14の壁部12側の端部における損傷の原因となる。
 図6は、製造装置300のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。製造装置300の構成は、貫通穴5baの形状を除き、製造装置100の構成と同一である。図6に示されるように、製造装置300においては、貫通穴5baの断面積は、壁部12からの距離に関わらず、一定となっている。そのため、発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射(この輻射は、図6中において矢印で示されている)は、断熱部材5bで遮られやすく、ガス導入管14の内部に到達しがたい。その結果、ガス導入管14を流れるガス(原料ガス及びキャリアガス)の予備加熱が不十分となるおそれがある。
 図7は、製造装置100のガス導入管14の壁部12側の端部近傍における拡大断面図である。図7に示されるように、製造装置100においては、貫通穴5baの断面積が壁部12から離れるほど、大きくなっている。そのため、発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射(この輻射は、図7中において矢印で示されている)は、断熱部材5bで遮られにくく、ガス導入管14の内部に到達しやすい。その結果、ガス導入管14を流れるガス(原料ガス及びキャリアガス)の予備加熱が相対的に行われやすくなり、炭素原料ガスの分解が促進されることで、上流側(ガス導入管14に近い側)にある炭化珪素基板50の部分において不純物がエピタキシャル層中に過度に取り込まれることが抑制される。
 また、製造装置100においては、断熱部材5bが貫通穴12aの縁を覆うように壁部12の内壁面上に配置されているため、ガス導入管14の壁部12側の端部が発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射から保護されている。このように、製造装置100によると、ガス導入管14の壁部12側の端部を発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射から保護するとともに、ガス導入管14を通るガス(原料ガス及びキャリアガス)を予備加熱することが可能となる。
 製造装置110及び製造装置120においても、同様に、ガス導入管14の壁部12側の端部が断熱部材5bにより発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射から保護されているとともに、発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射が断熱部材5bで遮られにくくなっている。そのため、製造装置110及び製造装置120によると、ガス導入管14の壁部12側の端部を発熱部材2及び回転サセプタ3からの輻射から保護するとともに、ガス導入管14を通るガス(原料ガス及びキャリアガス)を予備加熱することが可能となる。
 今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 石英管、2 発熱部材、3 回転サセプタ、3a 第1主面、3b 第2主面、4 回転軸、5a,5b 断熱部材、5ba 貫通穴、5baa 第1部分、5bab 第2部分、6 誘導加熱コイル、11 筒状部、12,13 壁部、12a,13a 貫通穴、14 ガス導入管、15 ガス排出管、100,110,120,200,300 製造装置、S1 準備工程、S2 載置工程、S3 昇温工程、S4 エピタキシャル成長工程、50 炭化珪素基板。

Claims (4)

  1.  石英管と、
     誘導加熱コイルと、
     前記誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、
     断熱部材とを備え、
     前記石英管は、筒状部と、前記筒状部の一方端を閉塞するとともに、第1貫通穴が形成された壁部と、前記第1貫通穴において前記筒状部の内部と連通するように前記壁部に接続されているガス導入管とを有しており、
     前記発熱体は、前記内部に配置されており、
     前記断熱部材は、前記第1貫通穴の縁を覆うように前記壁部の前記内部側の面上に配置されており、
     前記断熱部材には、前記第1貫通穴と接続する第2貫通穴が形成されており、
     前記内部側の端部における前記第2貫通穴の断面積は、前記壁部側の端部における前記第2貫通穴の断面積よりも大きい、炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
  2.  前記第2貫通穴の断面積は、前記壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加している、請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
  3.  前記第2貫通穴は、第1部分と、第2部分とを有しており、
     前記第1部分は、前記第2部分の前記壁部側の端に連なっており、
     前記第1部分の断面積は、一定であり、
     前記第2部分の断面積は、前記壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加している、請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
  4.  前記第2貫通穴は、第1部分と、第2部分とを有しており、
     前記第1部分は、前記第2部分の前記壁部側の端に連なっており、
     前記第1部分の断面積は、一定であり、
     前記第2部分の断面積は、一定であり、かつ前記第1部分の断面積よりも大きい、請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
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