JP2008034780A - エピタキシャルＳｉＣ膜付き半導体ＳｉＣ基板の製造方法およびそのエピタキシャルＳｉＣ成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンカーバイド（以下、ＳｉＣ）基板上にＳｉＣの単結晶膜を形成してなる半導体ＳｉＣ基板の製造方法およびそのＳｉＣの単結晶膜の成膜装置に関する。

半導体デバイス用のＳｉＣ半導体基板は通常ＳｉＣ単結晶基板とその上に成膜されるエピタキシャルＳｉＣ膜から構成されている。このＳｉＣ半導体基板に半導体デバイスとしての機能を付与するために、前記エピタキシャルＳｉＣ膜に、さらに種々のデバイス構造が作りこまれるため、最初に成膜されるエピタキシャルＳｉＣ膜の性質、特にその膜厚、膜面内のドーピング濃度の均一性は、最終的な半導体デバイスの特性および良品率を向上させるための重要な要件である。このドーピング濃度の均一性には、成膜装置中においてシリコンカーバイド結晶膜をエピタキシャル成長させるために用いられる反応ガス温度の均一性が大きく影響することが知られている。

ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長により成膜する際には、通常、１５００℃〜１７００℃、さらには２０００℃以上という高温炉中でエピタキシャル成長させる場合もある。このため、前述のような極めて高い温度が得られる加熱源として誘導加熱装置を用いることが多い。また、後で、述べるように誘導加熱により昇温される石英管内の内部部材が第一内部部材だけの場合、この第一内部部材（たとえばウエハ支持部材―サセプタ）とウエハとの温度差に起因して、内部部材のコーティング材の剥離がおこるため、さらにウエハの周囲を、誘導加熱される第二の内部部材（ホットウォール）で取り囲む、図２に示すような、概略構成を有するホットウォールが一般的に用いられる。

図２はＳｉＣのエピタキシャル膜の成膜装置として一般的な横型ホットウォール成膜装置の加熱部２０の概略構成断面図である。図２の（ａ）は石英管内に置かれたＳｉＣ単結晶基板（以降、単位ウエハまたはＳｉＣウエハと略す）主面を上から見ることができる位置で石英管を軸方向に沿って切断した横断面図、（ｂ）はウエハの厚さが現われる切断の向きで石英管を軸方向に沿って切断した横断面図、（ｃ）は石英管をウエハの位置で輪切り方向に切断した縦断面図である。

加熱部２０は、石英管２１と、その内側に断熱材２６を介して配置された第二内部部材としてのホットウォール２２、第一内部部材としての傾斜面付きサセプタ２３、サセプタ２３上に傾斜をつけて支持されたウエハ２４、石英管２１に巻かれた高周波コイル２５などから構成される。ウエハ２４上にＳｉＣエピタキシャル膜を成膜するための反応ガス２７（矢印）が、図示しない流入口から導入され加熱部２０に達すると、高周波コイル２５による誘導加熱により昇温された約１６００℃の高温中で、石英管２１内のホットウォール２２内の反応室空間に置かれたサセプタ２３に傾斜して取り付けられるウエハ２４上で、反応してＳｉＣを生成してエピタキシャル成長し、ＳｉＣ単結晶膜が成膜される。

成膜条件に関しては、石英管２１内を８０Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒは１３３．３３２Ｐａ）程度の低圧の状態に保ち、モノシラン、プロパン、水素などからなる反応ガス２７を石英管端の図示しない流入口から１０リットル／ｍｉｎの流量で流す。石英管２１中央の加熱部２０では石英管２１の外部に巻かれた高周波コイル２５により、管内のグラファイト等のホットウォール２２が誘導加熱により１５００℃〜１７００℃程度の高温に昇温されている。この時、ウエハ２４は、ホットウォール２２に接するグラファイト製サセプタ２３を介した熱伝導と、ホットウォール２２からの輻射によって約１６００℃程度にまで加熱される。また、反応ガス２７はホットウォール２２への接触による熱伝導により加熱され反応し合い、ウエハ２４上にエピタキシャルＳｉＣ膜を形成する。ホットウォール２２、サセプタ２３は、高温の水素に耐性のあるＳｉＣ膜などでコーティングされた高純度グラファイトからなることが好ましい。

一方、前述のように、ウエハは面内が均一な温度分布にされていることがドーピング濃度を均一にする上で重要であるが、ウエハ面の温度分布を均一にする方法としては、高周波コイルが巻かれた水冷二重の減圧石英管内で、グラファイトブロックからなるＳｉＣ基板取り付け用サセプタを備えるＣＶＤ装置およびこのＣＶＤ装置を用いた成膜方法およびこの成膜方法により作製される半導体装置が知られている（特許文献１）。

また、内部に複数のシリコン基板が載置され、このシリコン基板表面にエピタキシャルシリコン膜が形成される半導体基板の反応室と、この反応室内に電磁発生器よりなる基板加熱源とを備える化学的気相成長装置（ＣＶＤ装置）とすることにより、シリコン基板を均一に短時間に加熱し、欠陥の少ない成膜を行うことに関する記載がある（特許文献２）。サセプタの異なる面に複数のＳｉＣ結晶基板を載置してＳｉＣ成膜することに関する記載がある（特許文献３）。

ガス下流に絶縁性ヒートシールドを設けることにより、ウエハ面内の温度分布を改善するＳｉＣエピタキシャル成膜装置が知られている（特許文献４）。
特開２００３−８６５１６号公報 特開２００１−３０８０１４号公報 特開２００２−１６４２９４号公報 特開２００５−５５０３号公報

しかしながら、近年、ＳｉＣ半導体装置の発展および拡大に伴い、その価格の低減が求められている。そのために、ＳｉＣウエハの大面積化や、生産コストの低減のために多数枚処理（一バッチ内のウエハ枚数の増加）が強く求められている。それを可能にするには大面積ウエハを処理できる大径、大容量の成膜装置が必要であるが、従来の成膜装置では対応することが困難な面がある。

すなわち、従来からも、大面積化、大容量化自体は、大容量炉バレル型、パンケーキ型の炉が知られているが、これらの炉を温度分布の均一化向上の目的で、前述のホットウォール構造のようにすると、ウエハ周囲を発熱体で囲む必要があるため、装置が非常に大型化し、流す必要のあるガス流量も増大し過ぎる傾向がある。さらにまた、ウエハ支持用のサセプタも大きくなるため、熱容量が増し温度に対する制御性の低下、ウエハとサセプタ間の温度差の増大によるサセプタコーティング寿命の低下を引き起こすという問題があって、前記要求に対応することが困難となっていた。

さらに、図２の従来のホットウォール構造の場合でも、大径構造にすると、反応ガス２７は減圧下ではほとんど、ホットウォール２２との接触による熱伝導のみにより加熱されるようになるので、ホットウォール２２壁面近傍を流れる反応ガスは高温になるが、ホットウォール２２の壁面から離れたところを流れる反応ガス２７は低温のままになりやすい。また管内は低圧であるために、反応ガスの熱伝導も悪い。これらによってホットウォール２２の径方向に反応ガスの温度分布が生じ、エピタキシャル膜のドーピング濃度の均一性が悪化するのである。この傾向はホットウォール２２の径を拡大するほど、大きくなる。すなわち、大面積ＳｉＣウエハではドーピング濃度分布の均一性の向上が重要な解決すべき課題のひとつとして残されている。

また、前記特許文献４に記載のウエハ温度分布の均一化については、ヒートシールドはガス下流に配置された絶縁部材であり、ウエハ温度分布の改善には貢献するが、反応ガス温度の均一化にはあまり有効ではない点が問題である。
本発明は、以上説明した問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、前述の問題点を解消して、ホットウォールを大口径化してＳｉＣ基板を大面積化しても、ホットウォール内の温度分布を均一化し、ＳｉＣ基板上に形成されるエピタキシャルＳｉＣ膜のドーピング濃度分布を均一化することができるエピタキシャルＳｉＣ膜付き半導体ＳｉＣ基板の製造方法およびそのエピタキシャルＳｉＣ成膜装置を提供することである。

特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、両端に反応ガス流入口と排出口とを有し減圧可能な耐熱円筒管内に断熱材を介して第一ホットウォールと第二ホットウォールが前記耐熱円筒管の軸方向に並べて配置され、第一ホットウォールに設けられる反応室空間内にＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材が配置され、該第一ホットウォールに対向する位置の前記耐熱円筒管の外周に前記第一ホットウォールを誘導加熱するための誘導加熱装置が設けられ、前記第二ホットウォールは、内部に前記耐熱円筒管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記第一ホットウォール内の前記反応室空間に通じるガス流路を備えるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることにより、本発明の目的は達成される。

特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、前記耐熱円筒管が石英管である特許請求の範囲の請求項１記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材がグラファイトを主成分とする特許請求の範囲の請求項１または２記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることがより好ましい。

特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材の表面にＳｉＣ膜がコーティングされている特許請求の範囲の請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材が前記第二ホットウォール内の反応ガスの流入方向に対向する基板支持傾斜面を有する特許請求の範囲の請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることがより望ましい。

特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、前記第二ホットウォール内のガス流路の数は１つを超え、３つ以下であって、前記ガス流路を合わせた断面積の、第一ホットウォール内のガス流路断面積に対する比が１／６を超え、１／２以下である特許請求の範囲の請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることがいっそう好適である。

特許請求の範囲の請求項７記載の発明によれば、特許請求の範囲の請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置を用いて、前記成膜装置内の支持基板にＳｉＣ結晶基板を載置して、該ＳｉＣ結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を成膜するエピタキシャルＳｉＣ膜付きＳｉＣ半導体基板の製造方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。

特許請求の範囲の請求項８記載の発明によれば、耐熱管内に、断熱材を介してホットウォールと該ホットウォールの両端の開口を塞ぐ形状の流入側と排出側の保温部材をそれぞれ有し、前記ホットウォールと前記流入側と排出側の両保温部材とから形成される空間内部に配置されるＳｉＣ結晶基板用支持部材と、前記耐熱管の両端に嵌合し、それぞれガス流入口とガス排出口を有して前記耐熱管の両端開口の閉管を可能にする末端治具と、前記ホットウォールの位置に対向する耐熱管の外周に設けられる誘導加熱コイルと、を備えるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置において、前記流入側保温部材は内部に前記耐熱管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備え、排出側保温部材はＳｉＣ結晶基板の通過可能な形状の排出ガス用流路を備えるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることにより、前記本発明の目的は達成される。

特許請求の範囲の請求項９記載の発明によれば、前記耐熱管が石英管である特許請求の範囲の請求項８記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項１０記載の発明によれば、前記ホットウォールと前記保温部材と前記ＳｉＣ結晶基板を載置する支持部材とがそれぞれグラファイトを主成分とする特許請求の範囲の請求項８または９記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることがより好ましい。

特許請求の範囲の請求項１１記載の発明によれば、前記ホットウォールと前記保温部材と前記ＳｉＣ結晶基板を載置する支持部材の表面にＳｉＣ膜がコーティングされている特許請求の範囲の請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置とすることが望ましい。

本発明によれば、ホットウォールを大口径化してＳｉＣ基板を大面積化しても、ホットウォール内の温度分布を均一化し、ＳｉＣ基板上に形成されるエピタキシャルＳｉＣ膜のドーピング濃度分布を均一化することができる、エピタキシャルＳｉＣ膜付き半導体ＳｉＣ基板の製造方法およびそのエピタキシャルＳｉＣ成膜装置を提供することができる。

以下、本発明にかかるエピタキシャルＳｉＣ膜付き半導体ＳｉＣ基板の製造方法およびそのエピタキシャルＳｉＣ成膜装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下、説明する実施例の記載のみに限定されるものではない。
図１は本発明にかかるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置の要部断面図である。図６は本発明にかかる、第二ホットウォールの軸方向横断面図である。図７は本発明にかかる、異なるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置の要部断面図である。図８は、石英管の加熱部における径方向の反応ガス温度分布図である。図９は本発明の実施例４にかかるエピタキシャル成膜装置の断面模式図である。図１０は図９のＢ−Ｂ線、Ａ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線におけるそれぞれの断面図である。図１１はホットウォールの軸方向の内壁温度分布図である。図１２は本発明の実施例５にかかわるエピタキシャル成膜装置の断面模式図である。

図１に本発明のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置にかかるホットウォール炉１０の概略断面図を示す。前記図２に示す従来の成膜装置の構成と同様に、石英管１内部の反応室空間２−１にウエハ４を取り付けるサセプタ３が配置される構成を有する第一ホットウォール２と、前記石英管１の反応ガス８流入口があるガス導入部（図示せず）との間に、この実施例１で特徴とする、グラファイトを主成分とする第二ホットウォール７が配置される。この第二ホットウォール７には、１流路当たり第一ホットウォール２内の流路（反応室空間）２−１の断面積の１／６の等しい面積を持つ狭いガス流路９が３つの流路空間として軸方向に平行に間隔を持って設けられている。従って、第二ホットウォール７のガス流路総断面積／第一ホットウォールのガス流路断面積比（ガス流路断面積比）は、１／６の３倍であるから１／２である。また、この第二ホットウォール７のガス流路９の長さは第一ホットウォール２全長の１／４である。

この実施例１のホットウォール構造で、水素１０ｓｌｍ、第一ホットウォール２中央炉壁温度１６００℃、内部圧力８０Ｔｏｒｒにおける熱流体解析を行った結果と、図２に示す従来のホットウォール構造での熱流体解析結果を比較したところ、実施例１の第二ホットウォール７は流入する反応ガス８の整流と反応ガス８への予加熱の効果の両方を持っており、径方向およびガス流方向のガス温度分布が均一化されていることが分かった。その結果、従来のホットウォール構造に比べて、本発明の第一ホットウォール２、第二ホットウォール７を有する構造では、第一ホットウォール２内の反応室空間２−１におけるガス温度の高い領域が広がり、大面積ウエハを処理することが可能となることが分かった。具体的には、ガス温度が１６００℃の領域を基準として、その領域との温度差が１００℃以内（すなわち１５００℃以上）の領域が１．５倍に広がった。これにより３インチウエハの面内ドーピング濃度のバラツキが、従来の成膜装置では５０％であったが、本発明の成膜装置では１０％と少なくなり、３インチウエハのドーピング濃度の面内均一性を向上させることができる。

一方、前記図１に示す第二ホットウォール７の３つのガス流路９のうち、中央の一つ（ガス流路断面積比１／６）としたホットウォールの比較用構造１について、熱流体解析によりホットウォール内のガス温度分布を調べたところ、予加熱効果により、従来のホットウォール構造に比べると、ガス温度の高温領域が若干広がっているが、第二ホットウォール７のガス流路総断面積が小さく（１／２が１／６へと１／３小さく）なったことにより、流速が上がり、ガスが温まりきれず、反応ガス温度が前記３つの流路を有するホットウォール構造に比べて低下することが判明した。ガス流量を下げると、反応ガス８温度の低下傾向については確かに弱まるが、その代わり、反応ガス８の炉内滞在時間が増加し、新規流入反応ガスとの入れ替わりが少なくなり、モノシラン、プロパンなどの反応ガス種の枯渇を招き易くなって、膜厚分布・濃度分布が悪化する惧れがあるので、ガス流量を低下させることはできない。さらに、整流効果もガス流路９が３つのものに比べて充分ではなくなるので、中央一箇所に集中したガス流路口から吹き出される反応ガス８が径方向に広がって均一なガス分布になるのに、ある程度の距離が必要である。このガス流路１つのホットウォールの比較用構造と本発明にかかるガス流路３つの構造とを流体解析によりガス流速分布を比較したところ、ガス流路１つの比較用構造は本発明の３つのものに比べ、ガスが径方向に広がるのに５倍程度の距離を余計に必要としていることが判明した。これはホットウォールの径サイズの増大を招き、無駄な部材を必要とすることになる。以上の理由から、反応ガス温度の均一化には、複数のガス流路を設けた方が有利であることが分かった。

第二ホットウォール７のガス流路９はなるべく多いほど良いが、このガス流路空間を開けすぎると、空間比率が大になり、第二ホットウォール７の熱容量が下がることになり、ガスによって逆に冷やされてしまい、予加熱効果が薄れてしまうので、好ましくない。逆に、ガス流路９空間が少なすぎると、前述のように整流効果が薄れるので、やはり好ましくない。従って、ガス流路断面積比は１／６を超え、１／２以下が望ましい。

各々のガス流路断面積は小さいほど、ガスと炉壁の熱交換が盛んになり、ガス温度が上昇する。従って、反応ガス中のパーティクルで目詰まりしない程度に小さい方が好ましい。また、整流効果を十分得るためには、複数のガス流路断面積それぞれを等しくすることが重要である。断面積が異なる場合は、大面積ガス流路にガスが偏って流れ、径方向に均一なガス流が得られないので、好ましくない。

さらに第二ホットウォール７のガス流路長も重要なパラメータである。第二ホットウォール７のガス流路長を本発明にかかるホットウォール構造のガス流路長の１／１０に小さくした比較用構造で、熱流体解析を行ったところ、この比較用構造では整流効果により、ガス温度の径方向分布は向上するが、十分な予加熱効果が得られないことが分かった。その結果、ガス流方向の温度分布が、本発明にかかるガス流路長を有する第二ホットウォール構造に比べて悪化している。第二ホットウォール７の厚み（ガス流方向）は、厚いほど、ガス温度が上昇するが、ガス流方向に均一な温度分布が得られれば、それ以上の厚みは無駄である。これは炉サイズの増大を招くだけでなく、第二ホットウォール７の熱容量を必要以上に増大させてしまい、加熱を困難にするので望ましくない。

第二ホットウォールのガス流路の形状が異なる実施例２のホットウォール成膜装置にかかる第二ホットウォール３７の軸方向横断面図を図６に示す。図６は第二ホットウォール３７をガス流路の断面が現れるように、軸方向（ガス流方向）に沿って切断した第二ホットウォール断面図である。第二ホットウォール３７の炉壁と反応ガス３８の熱交換を盛んにするため、ガス流路３９を蛇行形状にしている。この結果、ガス流路３９を短くすることなく第二ホットウォール３７の全長を短くすることが可能となり、省スペースになり、また、熱容量を低下させるので、加熱の容易さの点で有利となる。

実施例３にかかるホットウォール成膜装置４０の概略構成断面図を図７に示す。（ａ）は軸方向の横断面図であり、（ｂ）は（ａ）の中央における縦断面図である。前述の実施例１、２のホットウォール炉とは異なり、石英管４１内に断熱材４６を介して第一ホットウォール４２と共に並べられるはずの、前記実施例１、２に記載の内部にガス流路を設けられた第二ホットウォールがない。その代わり、実施例３のホットウォールでは、ガス流路の機能とＳｉＣウエハ４４の支持機能とを兼用するためのサセプタ（ＳｉＣウエハを取り付ける支持部材）４３が複数枚、第一ホットウォール４２内の反応室空間４７内に互いに平行に間隔をおいて、高さ方向に積層される構成にされていることを特徴とする。

図８は石英管の加熱部における径方向の反応ガス温度分布を、横軸を、軸芯を０とする管径方向、縦軸を反応ガス温度として示す反応ガス温度分布図である。この実施例３のホットウォール４２に水素を１０リットル／分程度流し、且つ１６００℃に加熱昇温した場合の、石英管４１径方向の反応ガスの温度分布では、図８に示すように、水素ガスはホットウォール４２との接触により、ホットウォール４２内壁面近傍ではガスの温度は急激に昇温する温度分布となることを示している。ホットウォール４２の壁面から離れた軸芯を中心とする空間では熱伝導と拡散によって得られる、ガス温度の安定した領域４８が存在することがわかった。実施例３ではこの温度安定領域４８を利用して複数枚同時処理を可能にしている。ガス温度が均一であるため、ウエハ間でのドーピングバラツキを小さく抑えることができる。

図７に示すサセプタ４３を７枚とした場合の反応室空間４７の温度分布解析をしたところ、サセプタ４３の面内温度は、１５５０℃〜１５８０℃の範囲でほぼ均一に加熱されていることがわかった。
次に、サセプタ４３を７枚とした場合の、水素ガスの流速分布を調べたところ、積層サセプタ間の間隔が異なると、流速が変るので、サセプタ４３の高さ方向の間隔を均等にする必要のあることがわかった。

また、サセプタ４３には厚さ５００μｍのＳｉＣ多結晶板を用いた。このＳｉＣ多結晶からなるサセプタ４３は、高温水素に対して耐食性を持ち、輻射率がグラファイトなみに高いため、ホットウォールから容易に輻射熱を吸収し易く加熱され易い特長がある。また、体積が小さいため、ウエハとほぼ同等に小さい熱容量であり、ウエハとサセプタ間の温度差は無視できるほど小さいことが利点である。

他方、従来のホットウォールでは、ホットウォールの熱容量がウエハに比べて極端に大きく、また、ウエハとホットウォールとの接触もウエハのソリなどに起因して完全ではないため、特に冷却時などにおいて、ホットウォールとウエハ間に温度差が生まれる。つまり、ウエハは冷たいガスで冷やされるのに対し、ホットウォールは熱容量が大きいため、熱いままである。この温度差に起因して、ホットウォール壁のコーティングを昇華させ、ウエハ裏面にコーティングを付着させるという問題が発生することがある。

また、実施例３のホットウォール構造により得られる別の効果として、以下のことがあげられる。従来のホットウォールでは炉壁近傍でガスの流れが滞留し、炉壁で発生するパーティクルが流されないため、炉壁にウエハが密着していると、ウエハに反応ガスにより生成されるパーティクルが付着しやすいという問題が発生する。パーティクルはデバイスの良品率を下げるため、パーティクルの付着は極力避けなければならない。本発明では、サセプタを用いて、ウエハを炉壁から離して保持することにより、パーティクルの付着を少なくすることができる。

さらにまた、実施例３のホットウォールを用いる場合、図７に示すホットウォール成膜装置で、丸印を付けたサセプタ４３とホットウォール４２の接触部４９に、伝熱を緩和する措置を設けることがより望ましい。以下、この接触部の拡大断面図である図３、４、５を用いて具体的に説明する。
図３にサセプタ４３−ホットウォール４２接触部４９の構造の接触部１の断面図を示す。図４、図５にその改良案構造の、接触部２、接触部３のそれぞれ断面図を示す。図３の接触部１はサセプタ４３とホットウォール４２の面接触を小さくさせて伝熱を抑える機能を持たせたものである。図４の接触部２はサセプタ４３とホットウォール４２の接触部について、ホットウォール側の接触部に傾斜を付けることにより線接触させて伝熱を抑える機能を持たせたものである。図５の接触部３はさらに、ホットウォール側の接触部を尖らせて周囲のガスによる冷却効果を高めて、伝熱を抑える機能を持たせたものである。下記表１に前記接触部１、２、３の各接触部について、相互の温度差の測定結果を示す。表１によれば、図４、図５の構造で共に、図３より温度差についての改善が見られるので、より好ましいことが分かる。

なお、本発明にかかるホットウォールは横型であることが望ましい。なぜならば、石英間を縦に配置した縦型ホットウォールでは、重力で落下しようとするウエハをサセプタ上に配置するため、サセプタ上にネジやスリットなどの保持部品もしくはサセプタを楔形にする必要があり、サセプタを大型化してしまうので、空間の利用効率が低下する。これは多数枚同時処理には適切ではない。

図９に本発明の実施例４にかかるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。この成膜装置は、石英ガラス製気相反応炉５０、ガス流入口５１、ガス排出口５２よりなる。石英ガラス製気相反応炉５０の最外周は石英ガラス管６５である。図９では正確な縮尺で描かれてはいないので、この石英ガラス管の長さはホットウォール５５の長さに比べて少し長くされているだけであるが、実際にはさらにもっと長く、２倍から５倍の長さである。この石英ガラス管の開放両端にはそれぞれガス流入口５１とガス排出口５２とを備えるステンレス製の末端治具６３が取り付けられる。特にガス排出口側の末端はウエハの出し入れが可能なように開閉機構６４が設けられている。反応炉５０内には、グラファイトもしくはＳｉＣコートしたグラファイトからなるサセプタ５３、グラファイトもしくはＳｉＣコートしたグラファイトからなるホットウォール５４、断熱材５５、ガス流入側保温部材５６、ガス排出側保温部材５７等が配置されている。

前記サセプタ５３の中央部には、図示しないザグリが設けられ、ＳｉＣウエハ５８が定位置に置かれる。ＳｉＣウエハ５８の直径は、現在の量産ベースでは３インチが主流であるが、大口径化が進めば、それに合わせて石英ガラス製気相反応炉の直径を大きくして、５インチ、６インチなどの大きさに対応していけばよい。
ＳｉＣウエハ５８をサセプタ５３に載置した状態のＢ−Ｂ線断面図を図１０（ａ）に示す。両保温部材５６、５７は、グラファイトもしくは、ＳｉＣコートしたグラファイトからなる発熱体５４とそれを取り囲む断熱材５５からなり、ホットウォール両端のガス出入り口にそれぞれ配置される。両保温部材５６、５７には、図１０（ｂ）と（ｃ）の断面図に示すように、ガス通気用のガス通気穴６１が複数開いており、反応ガスが出入りできるようになっている。ガス流入側保温部材５６の通気穴６１の形状は任意であるが、ガス排出側保温部材５７の通気穴６２は、ＳｉＣウエハ５８の交換の際にウエハが取り出せるスペースを有する形状にされている。

サセプタ５３の加熱は、反応炉５０周囲の石英管の外周囲に配置される加熱用高周波コイル５９によりホットウォール５５を誘導加熱し、そこから伝熱することにより行なわれる。サセプタ５３の温度は、反応炉５０の外に設けたパイロメーター６０でモニターされ、加熱用高周波コイル５９の出力により温度制御を行う。前記両保温部材５６、５７は誘導加熱およびホットウォールからの輻射により加熱されることにより、従来の反応炉で見られたようなホットウォール内壁のガス出入り口付近の温度低下を防ぐ。

従来の保温部材のないホットウォール（従来炉）と図９のような保温部材を有するホットウォールについて、ガス流と平行方向（Ｄ−Ｄ方向）のホットウォール内壁の温度分布を熱電対により比較測定した結果を図１１に示す。実施例４では、従来炉に比べて、ホットウォール端部の温度が上昇していることが分かる。
また、ガス流入側保温部材５６は、ガスの予加熱効果、整流効果を持ち、ホットウォール内の反応ガス温度分布の均一化による、結晶品質、膜厚、不純物濃度分布の均一化に貢献する。反応ガス温度の均一化は、反応ガスが保温部材に空けられたガス通気穴を通過する際に、加熱され、また複数のガス通気穴を通ることにより整流されて均一化するためである。反応ガスは、水素をキャリアガスとし、モノシラン（ＳｉＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）およびドーパントとしてｎ型の場合には窒素（Ｎ_２）、ｐ型の場合にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の混合ガスからなり、ガス流入口より導入され、ガス流入側保温部材５６を通して整流されたガス流となり、サセプタおよびウエハ表面に平行に流れ、ガス排出側保温部材５７を通過して、ガス排出口からドライポンプなどで排気される。炉内気圧の管理は、ドライポンプによる排気と、ガス排出口の先に設けられた、圧力調整弁により行う。実際の成膜は、以下の条件で行う。
炉内気圧 ： １０〜７６０Ｔｏｒｒ
キャリア水素流量： １〜１００ＳＬＭ
ＳｉＨ_４流量 ： １〜１０００ｓｃｃｍ
Ｃ_３Ｈ_８流量 ： １〜１０００ｓｃｃｍ
Ｎ_２流量 ： ０．００１〜１０００ｓｃｃｍ
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量： ０．０００００１〜１ｓｃｃｍ
ウエハ温度 ： １５００℃〜２０００℃
上記条件は、装置のサイズ、内部の詳細な構造に応じて、異なってもよい。本実施例４によれば、ウエハの大径化のため、加熱するためにエネルギーを余計に必要とし、且つ温度制御性も悪化しやすくなる惧れのあるホットウォールの長大化を必要とする場合でも、従来よりは抑制できるので、ＳｉＣエピタキシャル膜の結晶品質、膜厚、不純物濃度の均一性を向上させることができる。

前記実施例４では、ホットウォール型ＣＶＤ炉に本発明を適用した場合を示したが、特に断熱材などから出るパーティクルがウエハ上に付着するの嫌う場合、またさらに、ウエハ上下の温度差をより小さくするため、ホットウォール内中央空間にサセプタを浮かせ、ホットウォールからの輻射によりサセプタを加熱する構造とすることも好ましい。図１２（ａ）は本実施例５にかかるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。本実施例５におけるホットウォール７０両端の流入排出保温部材５６、５７およびその外側のステンレス製の末端治具６３、６４は前記実施例４と同じ構造であってよい。

実施例５では、図１２のように、実施例４に比べて、ホットウォール７０内中央空間にサセプタ７３を浮かせ、その上にＳｉＣウエハ７８を載置する構造が異なり、その他の構造は実施例４と同様の構造であるので、ウエハの大径化のため、加熱するためにエネルギーを余計に必要とし、且つ温度制御性も悪化しやすくなる惧れのあるホットウォールの長大化を必要とする場合でも、従来よりは長大化を抑制できるので、ホットウォール７０内壁の温度分布およびホットウォール７０内の反応ガス温度分布をより均一化できるようになり、エピタキシャル膜の結晶品質、膜厚、不純物濃度の均一性を向上させることができる。

本発明にかかるホットウォールの要部断面図である。 従来のホットウォールの要部断面図である。 実施例３にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部１の拡大断面図である。 実施例３にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部２の拡大断面図である。 実施例３にかかるサセプタ−ホットウォールの接触部３の拡大断面図である。 実施例２にかかる第二ホットウォールのガス流路方向断面図である。 実施例３にかかるホットウォールの要部断面図である。 実施例３にかかるホットウォールの管径方向の反応ガス温度分布図である。 実施例４にかかる成膜装置の概略断面図である。 図９の成膜装置にかかるサセプタ−ホットウォールのＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ線で切断した各断面図である。 従来のものと、実施例４にかかるホットウォールとのＤ−Ｄ方向における内壁温度分布図である。 実施例５にかかる成膜装置の概略断面図である。

符号の説明

１… 石英管
２… 第一ホットウォール
３… サセプタ
４… ＳｉＣ結晶基板、ウエハ、ＳｉＣウエハ
５… 高周波コイル
６… 断熱材
７… 第二ホットウォール
８… 反応ガス
９… ガス流路
１０… ホットウォール反応炉

Claims (11)

1. 両端に反応ガス流入口と排出口とを有し減圧可能な耐熱円筒管内に第一ホットウォールと第二ホットウォールが断熱材を介して前記耐熱円筒管の軸方向に並べて配置され、第一ホットウォールに設けられる反応室空間内にＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材が配置され、該第一ホットウォールに対向する位置の前記耐熱円筒管の外周に前記第一ホットウォールを誘導加熱するための誘導加熱装置が設けられ、前記第二ホットウォールは、内部に前記耐熱円筒管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記第一ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備えることを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
2. 前記耐熱円筒管が石英管であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
3. 前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材がグラファイトを主成分とすることを特徴とする請求項１または２記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
4. 前記第一ホットウォールと第二ホットウォールと前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材の表面にＳｉＣ膜がコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
5. 前記ＳｉＣ結晶基板を取り付ける支持部材が前記第二ホットウォール内の反応ガスの流入方向に対向する基板支持傾斜面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
6. 前記第二ホットウォール内のガス流路の数は１つを超え、３つ以下であって、前記ガス流路を合わせた断面積の、第一ホットウォール内のガス流路断面積に対する比が１／６を超え、１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置を用いて、前記成膜装置内の支持部材にＳｉＣ結晶基板を載置して、該ＳｉＣ結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を成膜することを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ膜付きＳｉＣ半導体装置の製造方法。
8. 耐熱管内に、断熱材を介してホットウォールと該ホットウォールの両端の開口を塞ぐ形状の流入側と排出側の保温部材をそれぞれ有し、前記ホットウォールと前記流入側と排出側の両保温部材とから形成される空間内部に配置されるＳｉＣ結晶基板用支持部材と、前記耐熱管の両端に嵌合し、それぞれガス流入口とガス排出口を有して前記耐熱管の両端開口の閉管を可能にする末端治具と、前記ホットウォールの位置に対向する耐熱管の外周に設けられる誘導加熱コイルと、を備えるエピタキシャルＳｉＣ成膜装置において、前記流入側保温部材は内部に前記耐熱管の軸に平行な方向に設けられるガス流路であって、一端が反応ガス流入口に接続されて流入する反応ガスを整流し、他端は前記ホットウォール内の前記空間に通じるガス流路を備え、排出側保温部材はＳｉＣ結晶基板の通過可能な形状の排出ガス用流路を備えることを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
9. 前記耐熱管が石英管であることを特徴とする請求項８記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
10. 前記ホットウォールと前記保温部材と前記ＳｉＣ結晶基板を載置する支持部材とがそれぞれグラファイトを主成分とすることを特徴とする請求項８または９記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。
11. 前記ホットウォールと前記保温部材と前記ＳｉＣ結晶基板を載置する支持部材の表面にＳｉＣ膜がコーティングされていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ成膜装置。

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