(57)【要約】【課題】サイドフロー方式で原料ガスが供給される成膜装置及び成膜方法によって形成されるＳｉＣ膜の品質を向上させる。【解決手段】被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜装置であって、誘導加熱により加熱されるサセプタと、前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを供給するガス供給機構と、を有し、前記サセプタの内部空間は、前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する予熱空間を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜装置であって、
誘導加熱により加熱されるサセプタと、
前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、
前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを供給するガス供給機構と、を有し、
前記サセプタの内部空間は、前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する予熱空間を有する、成膜装置。
【請求項２】
前記載置台に対する回転軸が、前記処理ガスの流れ方向における、前記サセプタの中心軸より下流側に位置することにより、前記予熱空間が形成されている、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
誘導加熱による、前記処理ガスの流れ方向における単位長さ当たりの加熱量は、前記処理ガスの流れ方向における前記回転軸より上流側の部分が、前記処理ガスの流れ方向における前記回転軸より下流側の部分に比べて大きい、請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ガス供給機構からの処理ガスを、前記サセプタの内部空間に導入するガス導入部を有し、
前記ガス導入部は、上下方向に多段に形成され、前記処理ガスとしてのシリコン含有ガスを上段から導入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記ガス導入部は、前記処理ガスとしての炭素含有ガスを下段から導入する、請求項４に記載の成膜装置。
【請求項６】
前記ガス供給機構は、前記処理ガスとして、シリコン含有ガス及びハロゲン元素含有ガスを供給する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記ガス供給機構は、前記処理ガスとして、シリコン及びハロゲン元素を含有するガスを導入する、請求項１〜５のいずれか項に記載の成膜装置。
【請求項８】
成膜装置により被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜方法であって、
前記成膜装置は、
誘導加熱により加熱されるサセプタと、
前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、を有し、
当該成膜方法は、
前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを導入する工程と、
前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に位置する予熱空間で、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する工程と、を有する、成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ウェハ上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜をエピタキシャル成長によって形成する成膜装置が開示されている。この成膜装置は、回転軸に接続されると共に、当該回転軸の中心軸線に対して周方向に配列された複数の載置領域において複数のウェハを保持するように構成された回転ステージを有する。また、回転ステージをその内部空間に収容するよう構成されたサセプタと、上記内部空間において、回転ステージの外側から上記中心軸線に直交する方向に沿った処理ガスの流れを形成するように構成されたガス供給機構が設けられている。また、特許文献１の成膜装置では、上記内部空間に断熱材を設け、回転ステージ上のウェハの面内における温度のバラツキを低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１００４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示にかかる技術は、サイドフロー方式で原料ガスが供給される成膜装置及び成膜方法によって形成されるＳｉＣ膜の品質を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様は、被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜装置であって、誘導加熱により加熱されるサセプタと、前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを供給するガス供給機構と、を有し、前記サセプタの内部空間は、前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する予熱空間を有する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、サイドフロー方式で原料ガスが供給される成膜装置及び成膜方法によって形成されるＳｉＣ膜の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る成膜装置の構成の概略を模式的に示した図である。
【図２】図１の成膜装置における処理容器内の構成の概略を模式的に示した断面図である。
【図３】従来の成膜装置における処理容器内の構成の概略を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明者らが行った不純物濃度分布に関する評価試験の結果を示す図である。
【図５】本発明者らが行った欠陥分布に関する評価試験の結果を示す図である。
【図６】本発明者らが行った欠陥分布に関する評価試験の結果を示す図である。
【図７】図２のサセプタを基準とした、模式的な温度分布と模式的な不純物濃度分布とを重ね合わせて示す図である。
【図８】確認試験の結果を示す図である。
【図９】第２実施形態に係る成膜装置の構成の概略を説明するための模式断面図である。
【図１０】第３実施形態に係る成膜装置の構成の概略を説明するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
近年、半導体パワーデバイスといった電子デバイスに、ＳｉＣが用いられるようになっている。このような電子デバイスの製造では、単結晶の基板上に基板結晶と同じ方位関係を有する膜を成長させるエピタキシャル成長によって、ＳｉＣ膜が成膜される。
【０００９】
ところで、ＳｉＣ膜の成膜装置では、成膜用に処理ガスを用いており、処理ガスの供給方式として、ダウンフロー方式とサイドフロー方式とがある。ダウンフロー方式では、処理ガスが基板表面に対して衝突するように上方から供給される。サイドフロー方式では、処理ガスが基板表面に沿って流れるように側方から供給される。特許文献１に開示の成膜装置は、回転ステージをその内部空間に収容するよう構成されたサセプタの当該内部空間において、回転ステージの外側から当該回転ステージの中心軸線に直交する方向に沿って処理ガスを供給している。つまり、特許文献１に開示の成膜装置は、処理ガスの供給方式としてサイドフロー方式を採用している。
【００１０】
また、サイドフロー方式を採用した特許文献１に開示の成膜装置では、前述のように、回転ステージ上のウェハの面内における温度のバラツキを低減させていた。これは、ＳｉＣ膜内の不純物濃度のウェハの面内におけるバラツキを抑制するためである。
【００１１】
しかし、サイドフロー方式を採用した成膜装置により形成されたＳｉＣ膜には、不純物濃度のウェハの面内におけるバラツキについて、更に改善されることが好ましい。例えば、本発明者らが後述のように鋭意調査したところによれば、サイドフロー方式を採用した従来の成膜装置により形成されたＳｉＣ膜では、上流側であり回転ステージの外周部に近い領域に位置する部分において、不純物濃度が高くなる。
さらに、ハロゲン元素含有ガスを用いた成膜においても、上記外周部における不純物濃度の立ち上がりが顕著である。また、ハロゲン元素含有ガスを用いた成膜では、欠陥が生じやすくなっている。なお、ハロゲン元素含有ガスを用いた成膜とは、原料ガスとしてＳｉ含有ガス（シランガス等）と共にハロゲン元素含有ガス（塩化水素ガス等）を供給する成膜である。原料ガスとしてケイ素（Ｓｉ）とハロゲン元素の両方を含有するガス（ジクロロシランやトリクロロシラン等）を供給する成膜も、ハロゲン元素含有ガスを用いた成膜に含まれる。
【００１２】
そこで、本開示にかかる技術は、サイドフロー方式で原料ガスが供給される成膜装置及び成膜方法によって形成されるＳｉＣ膜の品質を向上させる。
【００１３】
以下、本実施形態にかかる成膜装置及び成膜方法を、図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る成膜装置の構成の概略を模式的に示した図である。
図１の成膜装置１は、処理ガスの供給方式としてサイドフロー方式を採用するものであり、略直方体状の処理容器１１を備える。
処理容器１１には、排気ライン１２が接続されており、処理容器１１は、排気ライン１２により所定の減圧状態（圧力）に調整することが可能となっている。排気ライン１２は、処理容器１１に一端が接続される排気管１２ａを有する。排気管１２ａは、排気マニホールド等から成り、処理容器１１側とは反対側にメカニカルブースターポンプ等からなる真空ポンプ１２ｂが接続されている。排気管１２ａにおける処理容器１１と真空ポンプ１２ｂとの間には、ＡＰＣ（自動圧力制御）バルブや比例制御弁等からなる、処理容器１１内の圧力を調整する圧力調整部１２ｃが設けられている。また、処理容器１１には、圧力計１３が設けられており、圧力調整部１２ｃによる処理容器１１内の圧力の調整は、圧力計１３での計測結果に基づいて行われる。
【００１５】
処理容器１１は、両端に開口部を有する中空の四角柱状の処理容器本体１１ａと、上記開口部を塞ぐように処理容器本体１１ａの両端それぞれに接続されるフランジ１１ｂとを有する。処理容器本体１１ａは、石英等により形成されている。
【００１６】
処理容器本体１１ａの外側には、高周波電源１４ａに接続された誘導コイル１４が設けられている。誘導コイル１４は、被処理基板を加熱するものであり、例えば、後述のサセプタ３０等を誘導加熱し、誘導加熱されたサセプタ３０からの輻射熱や熱伝導により被処理基板等を加熱する。
なお、本実施形態では、誘導コイル１４による誘導加熱は、処理ガスの流れ方向において、単位長さ当たりの加熱量が一定であるものとする。
【００１７】
処理容器１１内には、ガス供給機構１５により成膜の原料となる原料ガス等が供給されるよう構成されている。ガス供給機構１５は、処理容器１１に接続されるガス供給管１５ａと、該ガス供給管１５ａに接続されるガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ６とを有する。
【００１８】
ガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ６にはそれぞれ、質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ１〜１５ｃ６とバルブ１５ｄ１〜１５ｄ６とが設けられている。
ガス供給管１５ｂ１には、ガス供給源１５ｅ１が接続され、該供給源１５ｅ１からシラン（ＳｉＨ４）ガスが供給される。同様に、ガスライン１５ｂ２〜１５ｂ６にはそれぞれガス供給源１５ｅ２〜１５ｅ６が接続され、各ガス供給源１５ｅ２〜１５ｅ６からプロパン（Ｃ３Ｈ８）ガス、水素（Ｈ２）ガス、窒素ガス（Ｎ２ガス）、塩化水素（ＨＣｌ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。
【００１９】
被処理基板としてのＳｉＣ基板上に、エピタキシャル成長によりｎ型のＳｉＣ膜の成膜を行う場合には、成膜のための原料ガスとして、ガス供給管１５ｂ１〜１５ｂ５からＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＨＣｌガスが処理容器１１に供給される。なお、ｐ型のＳｉＣ膜の成膜のために、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス用のガス供給源とガス供給管等を設けておいてもよい。
また、処理容器１１内の構造物に付着した異物を除去する際には、例えば、ガス供給管１５ｂ３、１５ｂ６からＨ２ガス、Ａｒガスのうちの１種が、または、これらのガスが混合されて、処理容器１１に供給される。
【００２０】
また、成膜装置１は制御部５０を備えている。制御部５０は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、ＭＦＣ１５ｃ１〜１５ｃ６やバルブ１５ｄ１〜１５ｄ６、高周波電源１４ａ、圧力調整部１２ｃ等を制御して成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部５０にインストールされたものであってもよい。
【００２１】
続いて、処理容器１１内の構成について説明する。図２は、図１の成膜装置１における処理容器１１内の構成の概略を模式的に示した断面図である。
処理容器１１の内部には、図２に示すように、被処理基板としてのＳｉＣ基板Ｗ（以下、「基板Ｗ」と省略することがある。）が載置される載置台２０と、載置台２０を回転させると共に該載置台２０を支持する回転軸２１と、が設けられている。また、処理容器１１の内部には、誘導コイル１４による誘導加熱により加熱されるサセプタ３０が設けられている。
【００２２】
載置台２０は、サセプタ３０内において、その載置面（図の上面）が水平になるように配置されている。この載置台２０が、回転軸２１を中心に（具体的には、回転軸の中心軸線Ｐ１を中心に）回転することにより、載置台２０に載置された基板Ｗが回転軸２１を中心に回転する。
載置台２０は、耐熱性が高くかつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で形成されており、例えば、上面がＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。
【００２３】
回転軸２１は、その一端が載置台２０の下部中央に接続され、他端が処理容器１１の底部を突き抜けてその下方に至り、回転駆動機構（図示せず）に接続されている。上記回転駆動機構により回転軸２１が回転されることにより、載置台２０が回転する。
【００２４】
サセプタ３０は、載置台２０を収容する内部空間Ｓを有する。また、サセプタ３０は、互いに対向する二つの側面に開口が設けられた直方体状に形成され、一方の側面の開口から処理ガスが供給され、他方の側面の開口から処理ガスが排出される構造となっている。この構造では、サセプタ３０内において、処理ガスが、回転軸２１の中心軸線Ｐ１に対して直交する方向であり載置台２０上の基板Ｗの被処理面（図の上面）に平行な方向に沿って供給され、排出される。
なお、サセプタ３０の内部空間Ｓの詳細については後述する。
サセプタ３０は、耐熱性が高くかつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で形成されており、例えば、ＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。
【００２５】
また、サセプタ３０の外周を覆うように断熱材３１が設けられている。断熱材３１は、サセプタ３０と処理容器１１とを断熱するものであり、サセプタ３０と同様な直方体状に形成されている。また、断熱材３１の側面には、サセプタ３０の側面の上述の開口と連通する開口が設けられている。この断熱材３１は、例えば、空隙率が大きい繊維状のカーボン材料を用いて形成される。
【００２６】
さらに、断熱材３１を覆うように保持部材３２が設けられている。
保持部材３２は、断熱材３１に覆われたサセプタ３０を収容する空間をその内部に有する本体部３２ａと、サセプタ３０及び断熱材３１の側面の上述の開口を介してサセプタ３０内の内部空間Ｓに通ずる一対の管路３２ｂ１、３２ｂ２とを有する。処理ガスの流れ方向における上流側（以下、「給気側」ということがある。）の管路３２ｂ１は、サセプタ３０と反対側の端部が、ガス供給機構１５側のフランジ１１ｂに接続されている。これにより、ガス供給機構１５からの処理ガスをサセプタ３０内の内部空間Ｓに供給可能となっている。また、処理ガスの流れ方向における下流側（以下、「排気側」ということがある。）の管路３２ｂ２は、サセプタ３０と反対側の端部が、排気ライン１２側のフランジ１１ｂに接続されている。これにより、サセプタ３０内の内部空間Ｓから排気可能となっている。
この保持部材３２は、例えば石英で形成される。なお、保持部材３２は、柱状の支持部３３を介して処理容器１１の内面に支持されている。
【００２７】
本実施形態では、以上のように構成される処理容器１１内において、さらにサセプタ３０の内部空間Ｓが、載置台空間Ｓ１と予熱空間Ｓ２とを有するように構成されている。
【００２８】
載置台空間Ｓ１は、載置台２０が位置する空間である。
予熱空間Ｓ２は、処理ガスの流れ方向（以下、「ガス流方向」ということがある。）における載置台空間Ｓ１すなわち載置台２０より上流側に位置し、成膜時に載置台空間Ｓ１に供給される処理ガスをサセプタ３０により予熱する空間である。
【００２９】
本実施形態では、サセプタ３０に対して載置台２０の回転軸２１を排気側にオフセットさせることにより、予熱空間Ｓ２が形成されている。より具体的には、載置台２０の回転軸２１の中心軸線Ｐ１が、ガス流方向における、サセプタ３０の中心軸線Ｐ２より下流側に位置することにより、予熱空間Ｓ２が形成されている。
【００３０】
ところで、サイドフロー方式を採用した従来の成膜装置では、図３に示すように、処理容器１００、載置台１０１、サセプタ１０２それぞれの中心軸線Ｐ１〜Ｐ３が一致するのが一般的な構造である。図２の本実施形態の構造は、上記一般的な構造に対し、処理容器１１の中心軸線Ｐ３に対して、載置台２０の中心軸線Ｐ１の位置を、排気側にオフセットさせ、そのオフセットさせた分だけサセプタ３０を排気側に伸ばした構造と言うことができる。したがって、本実施形態の構造は、ガス供給機構１５側のフランジ１１ｂからサセプタ３０までの距離より、排気ライン１２側のフランジ１１ｂからサセプタ３０までの距離の方が短い構造である。
【００３１】
なお、予熱空間Ｓ２には、載置台２０の給気側端と、サセプタ３０の給気側内周端との間を塞ぐように、回り込み防止部材３４が設けられている。回り込み防止部材３４は、処理ガスが載置台２０の裏側等に回り込むのを防止するためのものである。この回り込み防止部材３４は、耐熱性が高い材料で形成されており、例えば、上面がＳｉＣによりコーティングされたグラファイト製の部材から構成される。
【００３２】
次に、成膜装置１を用いた、成膜処理を含む基板処理を説明する。
まず、基板Ｗが、処理容器１１内に搬入される（ステップ１）。具体的には、基板Ｗを、成膜装置１の外部の搬送手段（図示せず）によって、成膜装置１の外部からゲートバルブ（図示せず）及び給気側の管路３２ｂ１を介して処理容器１１のサセプタ３０の内部空間Ｓに搬入させ、載置台２０の上方に位置させる。次に、昇降部（図示せず）を上昇させ、当該昇降部により基板Ｗを支持させる。次いで、上記搬送手段を処理容器１１内から退避させると共に、昇降部を下降させ、これにより、基板Ｗが載置台２０上に載置される。なお、基板Ｗは、載置台２０上に直接ではなく、円板状部材であるホルダ（図示せず）を介して載置されてもよい。
【００３３】
基板Ｗの搬入後、ガス供給機構１５からの処理ガスとしての原料ガスとキャリアガスを、内部空間Ｓ内において基板Ｗの被処理面に沿って流れるように供給させる。それと共に、高周波電源１４ａからの高周波電力を、誘導コイル１４に印加させる。これにより、基板Ｗが加熱され、エピタキシャル成長により基板Ｗ上にｎ型のＳｉＣ膜が形成される（ステップ２）。具体的には、バルブ１５ｄ１〜１５ｄ５を開状態にさせ、ＭＦＣ１５ｃ１〜１５ｃ５で流量を調整させ、処理容器１１内の内部空間ＳにＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＨＣｌガスを供給させる。また、高周波電源１４ａから誘導コイル１４に高周波電力を印加させ、ホルダ、載置台２０、サセプタ３０を誘導加熱させ、これらからの輻射や熱伝導により基板Ｗを加熱させる。この成膜の過程において、載置台空間Ｓ１へ供給される処理ガスは、予熱空間Ｓ２で加熱されたものである。
【００３４】
なお、成膜中において、処理容器１１内の圧力は例えば１０Ｔｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒであり、基板Ｗの温度は例えば１５００℃〜１７００℃である。また、本例では、ＳｉＨ４ガスと共にＨＣｌガスを供給しているが、ＨＣｌガスの供給は省略してもよい。ただし、ＨＣｌガスを供給することで、塩素（Ｃｌ）によるＳｉＣｌ２の形成により気層でのＳｉ−Ｓｉ結合の形成が抑制されるため、高速成長が可能である。また、ＨＣｌガスを供給することで、ＨＣｌによるエッチング効果により処理容器１１内等の副生成物生成の抑制ができるため、副生成物除去処理に要する時間を短縮できるので、生産性を向上させることができる。なお、ＨＣｌガスに代えて、フッ化水素ガスやジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガス等の他のハロゲン含有ガスを供給するようにしてもよい。
【００３５】
成膜完了後、基板Ｗが処理容器１１から搬出される（ステップ３）。具体的には、バルブ１５ｄ１〜１５ｄ５を閉状態にさせ、原料ガスとキャリアガスの供給を停止させた後、昇降部を上昇させ、基板Ｗを上昇させる。そして、成膜装置１の外部の搬送手段を、ゲートバルブ及び管路３２ｂ１を介して処理容器１１内に挿入させ、基板Ｗの下方に位置させる。その後、昇降部を下降させることで、基板Ｗが昇降部から上記搬送手段に受け渡され、該搬送手段を処理容器１１から退避させることにより、基板Ｗが処理容器１１から搬出される。なお、基板Ｗの搬出中、誘導コイル１４への高周波電力の供給を遮断してもよいが、次工程において最適な載置台２０及びサセプタ３０の温度になるよう制御しながら誘導コイル１４へ高周波電力を供給することが好ましい。
【００３６】
基板Ｗの搬出後、ステップ１に処理が戻され、別の基板Ｗが処理容器１１内に搬入され、ステップ１〜ステップ３の処理が繰り返される。
【００３７】
続いて、本実施形態の作用及び効果を説明する。
サイドフロー方式を採用した成膜装置として、図３に示した従来の一般的な構造を有するものを用いて形成されたｎ型ＳｉＣ膜では、載置台１０１の外周部に近い領域に位置する部分において、不純物濃度が高くなっていた。特に、ハロゲン元素含有ガスを用いた成膜では、その傾向が顕著であった。なお、以下では、「従来の成膜装置」とは、図３の構造を有する成膜装置であるものとする。また、ＳｉＣ膜とは、別途記載がなければ「ｎ型ＳｉＣ膜」であるものとする。
【００３８】
上述の不純物濃度の不均一性を解消するべく本発明者らが行った評価試験のうちの１つの結果が図４に示されている。図４には、従来の成膜装置を用いて成膜されたＳｉＣ膜の不純物濃度分布が示されている。この評価試験では、処理ガスとしてＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガスを供給した成膜（以下、「通常エピ」という。）と、処理ガスとしてさらにＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを追加供給した成膜（「ハロゲンエピ」という。）とを行った。なお、通常エピとハロゲンエピにおいて、処理ガス中のＳｉ濃度が同じになるように、ガス流量を調整した。また、この評価試験に係る成膜では、３枚の直径約７５ｍｍの基板Ｗが、直径約３００ｍｍのホルダを介して、直径約３４５ｍｍの載置台１０１に載置され、載置台１０１の回転は行われなかった。なお、図４の横軸は、ホルダの給気側端部からの距離、縦軸は不純物濃度としての窒素（Ｎ）濃度を示している。
【００３９】
図４に示すように、通常エピの場合もハロゲンエピの場合も、ＳｉＣ膜の不純物濃度は、給気側端部で最も高く、ガス流れ方向に沿って低下し、ホルダの直径の１／３の部分を過ぎたあたりから、ガス流れ方向に沿って再び増加している。
載置台１０１を回転させないときの成膜でこのような不純物濃度の分布が生ずため、載置台１０１を回転させて形成されたＳｉＣ膜では、載置台１０１の外周部に近い領域に位置する部分において、不純物濃度が高くなるものと考えられる。
【００４０】
図４に示すような不純物濃度分布の不均一性は、以下の理由から生じるものと推察される。すなわち、従来の成膜装置では、供給された原料ガスはサセプタ１０２内を通過する際に急激に加熱される。したがって、原料ガスのガス温度は、給気側が低温であり排気側に向かって温度が上昇する。したがって、８００℃付近から前駆体に分解するとされるＣ３Ｈ８の分解量は給気側で少なく、排気側に向かって増加していく。一方で、ＳｉＨ４は４００℃程度の低温から前駆体に分解される。そのため、給気側では、雰囲気中の前駆体におけるＳｉ原子の数に対する同前駆体における炭素（Ｃ）原子の数の比（Ｃ／Ｓｉ比）が非常に低いため、後述のサイトコンペティション効果により、Ｎの膜内への取り込み量が多くなる。また、排気側に向かうと、サセプタ１０２の内壁との反応等によりＳｉが消費されることによりＳｉ濃度は減少するのに対し、Ｃ３Ｈ８の分解量は前述のように増加するため、Ｃ／Ｓｉ比は高くなる。その結果、Ｎの取り込みは減少してくる。そして、排気側に向かうにつれ、雰囲気中のＣにかかる前駆体であるＣ２Ｈ２の濃度は飽和する一方で、温度上昇に伴いＮ２分解量は増加するため、Ｎの取り込み量は再び増加する。その結果、上述のような不純物濃度分布の不均一性が生じていると推察される。
【００４１】
この推察結果によれば、給気側において処理ガスの温度を高くしＣ３Ｈ８の分解量を多くして給気側の不純物濃度を下げるために、サセプタ１０２による加熱量を大きくすると、排気側の処理ガスの温度も高くなり、排気側においてＮ２の分解量が多くなり不純物濃度が高くなってしまう。また、排気側の処理ガスの温度を低くしＮ２の分解量を少なくし排気側の不純物濃度を下げるために、サセプタ１０２による加熱量を小さくすると、給気側の処理ガスの温度も低くなる。その結果、給気側において、Ｃ３Ｈ８の分解量が少なくなり、Ｎの膜内への取り込み量が多くなるため、不純物濃度が高くなってしまう。
このように、従来の成膜装置では、不純物濃度の最適化のための条件出しが難しい。
【００４２】
さらに、従来の成膜装置において、サセプタ１０２による加熱量を大きくすると、以下に説明するように欠陥の問題がある。
【００４３】
図５及び図６は、図４の結果が得られた評価試験で成膜したＳｉＣ膜の表面の欠陥マップを示す図であり、図５は通常エピで得られた膜表面について示し、図６はハロゲンエピで得られた膜表面について示している。また、図５及び図６では、ガス流れ方向に沿って欠陥マップを示している。例えば、図の上側に位置する欠陥マップの上部は、給気側に載置された基板の給気側端部に相当し、図の下側に位置する欠陥マップの下部は、排気側に載置された基板の排気側端部に相当する。
【００４４】
図５に示すように、通常エピの表面では、給気側の一部でのみ、欠陥が多い領域Ｒ１が存在するが、大部分は欠陥の少ない領域である。
それに対し、ハロゲンエピの表面では、図６に示すように、欠陥が多い領域Ｒ２が、給気側の一部分だけでなく、ホルダすなわち載置台１０１の中心付近に相当する部分から排気側端部にかけて存在し、広範囲を占めている。なお、給気側の欠陥は、Ｓｉが凝集したＳｉドロップレットに起因するものが主であり、排気側は三角欠陥等の結晶欠陥が主である。
【００４５】
また、本発明者らが光学顕微鏡を用いて確認したところによれば、ハロゲンエピの表面は、排気側に向かうにつれて粗さが大きくなっていた。
【００４６】
ハロゲンエピの表面に多くの欠陥が生じる理由としては、上述の光学顕微鏡での観察結果も踏まえれば、以下の理由が推察される。すなわち、上記欠陥は、排気側の高温領域におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガスによるエッチングで生じるエッチピットに由来すると推察される。具体的には、処理ガスが高温となる排気側で過剰に活性化したＳｉＨ２Ｃｌ２ガスが基板Ｗの表面にダメージを与え、そのダメージが与えられた部分に成長した結晶に欠陥が導入されたものと推察される。
この推察結果によれば、従来の成膜装置において、不純物濃度分布の均一性の改善のためにサセプタ１０２による加熱量を大きくし処理ガスの温度を上げると、ハロゲンエピではエッチピット由来の欠陥が多く生じてしまう。
【００４７】
そこで、本実施形態では、サセプタ３０の内部空間における、基板Ｗの載置台空間Ｓ１の給気側に予熱空間Ｓ２を設け、載置台空間Ｓ１に供給する処理ガスをこの予熱空間Ｓ２で予熱している。本実施形態と同様にサイドフロー方式を採用するが本実施形態とは異なり予熱空間Ｓ２を有していない従来の成膜装置では、ガス流れ方向に沿って処理ガスの温度が上昇してしまう。それに対し、本実施形態では、予熱空間Ｓ２を設けているため、載置台空間Ｓ１における排気側の処理ガスの温度上昇を抑えながら、給気側の処理ガスの温度を従来の成膜装置より上げることができる。例えば、ガス流方向にかかる単位長さ当たりの誘導加熱量を下げ、且つ、予熱空間Ｓ２で予熱を行うことにより、載置台空間Ｓ１における排気側の処理ガスの温度上昇を抑えながら、給気側の処理ガスの温度を従来の成膜装置より上げることができる。また、この際、予熱空間Ｓ２のガス流方向にかかる長さを大きくすれば、載置台空間Ｓ１における排気側の処理ガスの温度を下げながら、給気側の処理ガスの温度を上げることができる。
【００４８】
図７は、サセプタ３０を基準とした、模式的な温度分布と模式的な不純物濃度分布とを重ね合わせて示す図である。
図７において、実線は載置台２０を回転させない場合の処理ガスの温度分布、点線は、載置台２０を回転させた場合の処理ガスの温度分布の温度分布を示す。また、仮想線は、不純物濃度分布を示し、具体的には、ガス流方向にかかる位置毎に、成膜の際に当該位置で取り込まれ得る不純物としてのＮの量を示している。図中、Ａ１は、サセプタ３０の給気側端を示し、Ａ２は、従来の成膜装置における載置台空間の給気側端に相当する位置を示し、Ａ３は、本実施形態における載置台空間Ｓ１の給気側端を示す。また、Ａ４は、従来の成膜装置における載置台空間の排気側端に相当する位置を示し、Ａ５は、本実施形態における載置台空間Ｓ１の排気側端を示す。
【００４９】
本実施形態では、上述のように予熱空間Ｓ２を設けている。言い換えれば、従来の成膜装置における載置台空間の給気側端に相当する位置Ａ２より、本実施形態における載置台空間Ｓ１の給気側端Ａ３の方が、サセプタ３０の給気側端Ａ１から遠い位置にある。そのため、本実施形態では、載置台空間Ｓ１の給気側端Ａ３においても、処理ガスの温度が高いため、サイトコンペティション効果により取り込まれるＮの量を減らすことができる。したがって、載置台空間Ｓ１の給気側端で成膜されるＳｉＣ膜の不純物濃度を下げることができる。これにより、載置台空間Ｓ１内においては、給気側で窒素取り込み量が少なく、排気側に向けて徐々に窒素取り込み量が増えていくことになる。そのため、成膜の際に載置台２０を回転させることにより、不純物濃度が面内で均一なＳｉＣ膜を得ることができる。つまり、ＳｉＣ膜の品質を向上させることができる。
なお、サイトコンペティションとは、ＳｉＣ膜へのドーパントの取り込みにおいてＮはＣサイトを置換し、アルミニウム（Ａｌ）はＳｉサイトを置換することから、表面上でＣもしくはＳｉとドーパントの競合が生じ、ドーパントの取り込みに影響が出ることをいう。例えば、低Ｃ／Ｓｉ比の場合、Ｎと競合するＣが少ないことから高Ｎ濃度となる。
【００５０】
また、前述のように、成膜した際にＮの取り込み量が大きい領域は、サイトコンペティション効果によりＮの取り込み量が大きい給気側の領域と、高温下でのＮ２ガスの熱分解によりＮの取り込み量が大きい排気側の領域と、がある。成膜した際にＮの取り込み量が大きい領域のうち、本実施形態では、上記給気側の領域での成膜を行わずに、上記排気側の領域でのみ成膜を行う。したがって、Ｎの取り込みのモードが絞られるため、不純物濃度を最適化するための条件を容易に得ることができる。
【００５１】
さらに、予熱空間Ｓ２を有する構造では、前述のように、載置台空間Ｓ１における排気側の処理ガスの温度を下げながら、給気側の処理ガスの温度を上げることが可能である。したがって、処理ガスの温度の上昇に伴い欠陥が増加するハロゲンエピについて、本実施形態の成膜装置を用いることにより、不純物濃度が面内で均一で、欠陥の少ない高品質なＳｉＣ膜を成膜することができる。
【００５２】
本実施形態は、言い換えると、載置台２０を排気側にオフセットさせて予熱空間Ｓ２を設けることで、以下の点（Ａ）〜（Ｃ）を達成している。
（Ａ）高不純物濃度の膜が形成されＳｉドロップレットが生じる給気側の領域での成膜の回避
（Ｂ）載置台空間Ｓ１における給気側での温度上昇による不純物濃度分布及び欠陥の改善
（Ｃ）載置台空間Ｓ１における排気側での温度低下によるハロゲンエピでの欠陥導入防止
したがって、反応領域が広いサイドフロー方式でも、高速成長化や高スループット化が可能なハロゲンエピによって、高品質のＳｉＣ膜を得ることができる。
なお、図４では示されていないが、従来の成膜装置を用いたハロゲンエピでは、給気側端の不純物濃度が１０１７ｃｍ−３レベルとなっており、給気端部において不純物濃度の立下りが非常に大きい。本実施形態では、このような領域での成膜を回避している。
【００５３】
また、本実施形態の構造は、前述のように、ガス供給機構１５側のフランジ１１ｂからサセプタ３０までの距離より、排気ライン１２側のフランジ１１ｂからサセプタ３０までの距離の方が短い構造である。このように排気ライン１２側のフランジ１１ｂが近いことで、サセプタ３０の加熱に使われるべき誘導磁場がフランジ１１ｂの加熱に使われて、サセプタ３０の排気側の温度が従来よりも低下する。つまり、サイドフロー方式では温度が高くなる傾向にある、載置台空間Ｓ１内の排気側の処理ガスの温度を低下させることができる。そのため、ハロゲンエピの際に、より欠陥の少ない高品質なＳｉＣ膜を成膜することができる。
【００５４】
（確認試験）
従来の成膜装置と本実施形態の成膜装置において、ＨＣｌガスによるエッチングを行い、載置台空間における処理ガスの温度を確認する試験を行った。その結果を図８に示す。なお、この試験で用いた成膜装置の載置台２０、１０１は直径３４５ｍｍであり、本実施形態の成膜装置の載置台２０はサセプタ３０の中心から排気側に７０ｍｍオフセットされ、サセプタ３０はそのオフセットの分、従来の成膜装置より長く形成した。また、この試験に係る成膜では、３枚の直径約７５ｍｍの基板Ｗが、直径約３００ｍｍのホルダを介して、載置台２０、１０１に載置され、載置台２０、１０１の回転は行われなかった。
【００５５】
図示するように、従来の成膜装置では、載置台空間における給気側のエッチング量が少なく、排気側のエッチング量が多かった。エッチング量は処理ガスの温度に対応するので、上述の結果を言い換えると、従来の成膜装置では、載置台空間における給気側で処理ガスの温度が低く、排気側で処理ガスの温度が高かった。
それに対し、本実施形態の装置では、載置台空間Ｓ１における給気側のエッチング量が従来の成膜装置より上がっており、また、載置台空間Ｓ１において、排気側にかけてのエッチング量の上昇率は小さかった。つまり、本実施形態の成膜装置では、給気側の処理ガスの温度が高く、その温度上昇率も抑えることができる。
【００５６】
この確認試験の結果からも、本実施形態の成膜装置によれば、載置台空間Ｓ１における排気側の処理ガスの温度を下げながら、給気側の処理ガスの温度を上げることが可能であることが分かる。つまり、本実施形態の成膜装置によれば、不純物濃度が面内で均一なＳｉＣ膜等、高品質なＳｉＣ膜を得ることが可能であることが分かる。
【００５７】
なお、図示するように、本実施形態の成膜装置では、従来の成膜装置より、排気側において、エッチング量が少なく、つまり、処理ガスの温度が低かった。これは、前述のように、排気ライン１２側のフランジ１１ｂが近いことでサセプタ３０の加熱に使われるべき誘導磁場がフランジ１１ｂの加熱に使われてサセプタ３０の排気側の温度が従来よりも低下していること等が影響しているものと考えられる。
【００５８】
なお、確認試験の例では、載置台２０のオフセット量は７０ｍｍであるとしたが、図４からも明らかな通り、上記オフセット量が６０〜１２０ｍｍの範囲であれば、同様の結果を得ることができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る成膜装置の構成の概略を説明するための図であり、当該成膜装置が有する処理容器１１の周囲の状態を示した模式断面図である。
第１の実施形態では、誘導コイル１４の密度がガス流方向に関して均一であった。そのため、誘導コイル１４を用いた誘導加熱による、ガス流方向における単位長さ当たりの加熱量が一定であった。それに対し、本実施形態では、図９に示すように、誘導コイル１４の密度が、回転軸２１に対して排気側より給気側の方が大きい。したがって、誘導コイル１４を用いた誘導加熱による、ガス流方向における単位長さ当たりの加熱量が、回転軸２１に対して排気側より給気側の方が大きくなっている。これにより、載置台空間Ｓ１における給気側の処理ガスの温度を上げながら排気側の処理ガスの温度を従来の成膜装置より下げることが容易となる。つまり、ＳｉＣ膜の品質を容易に向上させることができる。
【００６０】
誘導コイル１４を用いた誘導加熱による、ガス流方向における単位長さ当たりの加熱量を、回転軸２１に対して排気側より給気側で大きくさせる方法は、以下の方法であってもよい。すなわち、誘導コイル１４に印加する高周波電力を、回転軸２１に対して排気側より給気側の方で大きくする方法である。この方法を採用する場合、高周波電源１４ａは排気側と給気側とで別々に設けてもよい。
【００６１】
（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る成膜装置の構成の概略を説明するための図であり、当該成膜装置が有する処理容器１１の周囲の状態を示した模式断面図である。
従来の成膜装置における給気側で不純物濃度が高い理由として、前述のようにＣ／Ｓｉ比が低いことがある。本実施形態では、図１０に示すように、ガス導入部としての給気側の管路３２ｂ１を多段に形成し、上段からＳｉＨ４ガスを供給し、下段から他の処理ガス（例えば、Ｈ２ガスとＣ３Ｈ８ガス）を供給する。これにより、Ｓｉの基板Ｗへの拡散を遅らせて、給気側の基板表面付近におけるＣ／Ｓｉ比を上げることができる。したがって、給気側の不純物濃度をさらに下げることができる。よって、不純物濃度の均一性をさらに向上させることができる。
【００６２】
なお、本発明者らが調査したところによれば、成膜速度は、給気側で最も高く排気側にかけて減少していく。この現象は、給気側で成長を律速するＳｉの消費が多く、排気側に向けてＳｉ密度が減少していることに対応する。したがって、本実施形態のように、給気側の管路３２ｂ１を多段に形成し、上段からＳｉＨ４ガスを供給し、下段から他の処理ガスを供給することにより、給気側において、Ｓｉの基板Ｗへの拡散を遅らせ、成長を抑制することができる。
【００６３】
給気側で成長速度が速いことは、予熱空間Ｓ２での成長に多くのＳｉが消費されることを意味するところ、本実施形態によれば、給気側で成長速度を遅くすることができるため、予熱空間Ｓ２での成長に多くのＳｉが消費されるのを防ぐことができる。
また、載置台２０のオフセットにより、給気側における不純物の高濃度部の発生は解消することができるものの、載置台２０のオフセットを行っても、給気側では不純物濃度の変動が大きく、排気側では不純物濃度の変動が緩やかである。
本実施形態では、給気側で成長速度を遅くすることで、上述の不純物濃度の変動が緩やかな領域で成長する部分の割合が増えるため、膜形成時に載置台２０を回転させた際の不純物濃度の均一性をさらに改善することができる。
【００６４】
本実施形態では、図示するように、管路３２ｂ１は、上段の方が下段より太くなっている。これは、管路３２ｂ１の上段を介して基板Ｗが搬出入されるからである。このように、上段と下段で太さが異なる場合、上段からの処理ガスの流速と下段からの処理ガスの流速が等しくなるように、細い下段からの処理ガスの流量を少なくしてもよい。
なお、図の例では、管路３２ｂ１の上段と下段を隔てる仕切り４０が設けられている。しかし、当該管路３２ｂ１への処理ガスの射出速度が高い場合、処理ガスの直進性が良いため、当該管路３２ｂ１へのガス供給が上段と下段で分かれていれば、仕切り４０を設けなくてもよい。
【００６５】
以上の例では、Ｓｉ含有ガスとハロゲン含有ガスとの両方を供給していたが、シリコン及びハロゲン元素の両方を含むガス、例えば、ＳｉＣｌ４ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスや、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガス、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）ガス、テトラフルオロシラン（ＳｉＦ４）ガス、トリフルオロシラン（ＳｉＨＦ３）ガス、ジフルオロシランガス（ＳｉＨ２Ｆ２）ガス、モノフルオロシラン（ＳｉＨ３Ｆ）ガスを供給するようにしてもよい。
なお、シリコン及びハロゲン元素の両方を含むガスと共に、ハロゲン含有ガスを供給してもよい。
【００６６】
以上の説明は、ｎ型ＳｉＣ膜の成膜に関するものであるが、ｐ型のＳｉＣ膜の成長にも各実施形態は適用することができる。ただし、不純物濃度の分布の傾向等は、ｎ型ＳｉＣ膜と、ｐ型ＳｉＣ膜とでは反対になる。
また、ｐ型ＳｉＣ膜の場合は、ｎ型ＳｉＣ膜に比べて、不純物濃度が基板温度に依存する。それに対し、各実施形態では、載置台空間Ｓ１の給気側の処理ガスの温度を予熱することで、基板Ｗが処理ガスにより冷えにくくなるため、基板温度の均一性が向上する。
【００６７】
今回開示された実施形態はすべ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。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【００６８】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜装置であって、
誘導加熱により加熱されるサセプタと、
前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、
前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを供給するガス供給機構と、を有し、
前記サセプタの内部空間は、前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する予熱空間を有する、成膜装置。
前記（１）によれば、載置台が位置する空間内の、処理ガスの流れ方向における下流側（排気側）の処理ガスの温度上昇を抑えながら、処理ガスの流れ方向における上流側（給気側）の処理ガスの温度を従来の成膜装置より上げることができる。また、載置台が位置する空間における排気側の処理ガスの温度を下げながら、給気側の処理ガスの温度を上げることができる。したがって、サイドフロー方式で原料ガスが供給されて形成されるＳｉＣ膜内の不純物濃度分布を均一にすることができる。また、処理ガスとしてハロゲン含有ガスも供給する場合において、上記ＳｉＣ膜内の欠陥を少なくすることができる。つまり、サイドフロー方式で原料ガスが供給される成膜装置によって形成されるＳｉＣ膜の品質を向上させることができる。
【００６９】
（２）前記載置台に対する回転軸が、前記処理ガスの流れ方向における、前記サセプタの中心軸より下流側に位置することにより、前記予熱空間が形成されている、前記（１）に記載の成膜装置。
【００７０】
（３）誘導加熱による、前記処理ガスの流れ方向における単位長さ当たりの加熱量は、前記処理ガスの流れ方向における前記回転軸より上流側の部分が、前記処理ガスの流れ方向における前記回転軸より下流側の部分に比べて大きい、前記（１）または（２）に記載の成膜装置。
前記（３）によれば、ＳｉＣ膜の品質を容易に向上させることができる。
【００７１】
（４）前記ガス供給機構からの処理ガスを、前記サセプタの内部空間に導入するガス導入部を有し、
前記ガス導入部は、上下方向に多段に形成され、前記処理ガスとしてのシリコン含有ガスを上段から導入する、前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の成膜装置。
前記（４）によれば、ＳｉＣ膜内の不純物濃度の均一性をさらに向上させることができる。
【００７２】
（５）前記ガス導入部は、前記処理ガスとしての炭素含有ガスを下段から導入する、前記（４）に記載の成膜装置。
【００７３】
（６）前記ガス供給機構は、前記処理ガスとして、シリコン含有ガス及びハロゲン元素含有ガスを供給する、前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の成膜装置。
【００７４】
（７）前記ガス供給機構は、前記処理ガスとして、シリコン及びハロゲン元素を含有するガスを導入する、前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の成膜装置。
【００７５】
（８）成膜装置により被処理基板にＳｉＣ膜を形成する成膜方法であって、
前記成膜装置は、
誘導加熱により加熱されるサセプタと、
前記サセプタ内に配置され、被処理基板が載置された状態で回転軸を中心に回転する載置台と、を有し、
当該成膜方法は、
前記載置台に載置された被処理基板の表面に沿って処理ガスが流れるように、前記サセプタの内部空間に対し側方から前記処理ガスを導入する工程と、
前記処理ガスの流れ方向における前記載置台より上流側に位置する予熱空間で、前記載置台に載置された被処理基板に供給される前記処理ガスを予熱する工程と、を有する、成膜方法。
【符号の説明】
【００７６】
１    成膜装置
２０  載置台
２１  回転軸
３０  サセプタ
Ｓ    内部空間
Ｓ１  載置台空間
Ｓ２  予熱空間
Ｗ    基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020126885.tif 000009
【図８】
2020126885.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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