(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管と、該反応管内に配置されるサセプタと、該サセプタ上に配置された基板に負圧をかけてこれを保持する負圧発生手段と、を備え、
前記基板の結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度が１８０°未満となるように、前記基板が設置され、
前記負圧発生手段として、前記サセプタを貫通する貫通細孔が設けられ、かつ、前記貫通細孔の一部と前記基板の設置部との間を連通する連通部が設けられており、前記貫通細孔を通じて流通ガスを流通させることで、前記連通部に負圧を生じさせて前記基板を保持し、
前記貫通細孔を流通させる流通ガスとして、前記反応管に供給するキャリアガスを用いることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項２】
前記貫通細孔が、前記流通ガスの流通方向上流側から前記連通部に向かって縮径し、前記連通部から流通ガスの流通方向下流側に向かって拡径するベンチェリー構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素半導体を製造するための半導体薄膜製造装置に関し、より詳細には、エピタキシャル成長により基板上に半導体薄膜を形成させる半導体薄膜製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体は、耐熱性及び機械的強度に優れ、青色発光ダイオードの材料等に利用されていることや、高耐圧性及び低イオン抵抗性による省エネルギー化の要求より、高出力低損失の電力用素子への応用などにおいて近年注目されている。かかるＳｉＣ半導体は、基板上にＳｉＣ薄膜を堆積させて形成される。ＳｉＣ半導体を形成するために、ＳｉＣ薄膜を基板上に堆積させるには、例えば、ＳｉＣのエピタキシャル成長を利用することができる。
【０００３】
基板上にＳｉＣ薄膜を堆積させるためには、加熱したＳｉＣウェハ表面でＨ２ガスとＳｉＨ４ガスとＣ３Ｈ８ガス等を含む原料ガスを反応させ、エピタキシャル成長によってＳｉＣ薄膜を堆積させる。この際、ＳｉＣ薄膜を均一に成長させるためには、ＳｉＣウェハ上における原料ガスの流れが均一であり、且つ、原料ガスが均一に混合されていることや、基板に熱が均一に伝わることが重要である。
【０００４】
かかる観点から、基板上に平行なガスの流れを形成して均一な薄膜を形成することができるＣＶＤ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかるＣＶＤ装置によれば、基板が設置された発熱体を通りすぎたガスの流れを調整し、基板の表面に平行なガスの流れを形成可能としている。
【０００５】
しかし、上記ＣＶＤ装置等においても、原料ガスが滞留する部位が存在し、さらに、原料ガスの混合が不均一であるため等の理由から、ＳｉＣ薄膜の膜厚や電気特性の均一性が確保できない場合が生じてしまう。また、原料ガスの混合ガスが不均一である等の理由により、基板上の温度分布が不均一になってしまう。更には、原料ガスが上流側（ガス供給側）で分解し、下流側（ガス排出側）に比して成長速度が低下するため、下流部に向かうに従って開口径を小さくし、原料ガスの流速を上昇させることで原料ガスの供給率を均一化することが必要である。
【０００６】
また、ＳｉＣウェハを加熱するための発熱体や装置の内壁には、ＳｉＣの反応生成物やゴミ等の不純物が付着することがある。かかる不純物は、ＳｉＣの成長時のガス流量が数リットル／ｍｉｎ〜数１０リットル／ｍｉｎと大きいことや、ウェハ搬送時に真空引きとガス充填とを繰り返すこと等の原因によって、内壁等から剥がれ落ちやすくなる。このため、これらの不純物が、反応管内に散在して原料ガスに混入してＳｉＣウェハ表面やＳｉＣ層に付着・混入することがあり、得られたＳｉＣ半導体の機能を低下させてしまう原因となっている。
【０００７】
更に、発熱体は、黒鉛素材のグラスウール等多孔質性状を有する材料等の断熱材を介して反応管の内部に設置されることが多い。しかし、かかる断熱材にも不純物が吸着することが多く、また、断熱材の一部が剥がれ落ちて不純物となることがある。
【０００８】
上記のような不純物の付着を防止しながら結晶を成長させる手段として、結晶を成長させる主表面を下側に向けて基板を保持する化学気相成長装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、かかる装置では、基板縁部がサセプタによって保持されているため、薄膜が形成されない部分が生じてしまう。また、基板面内の温度が不均一であるため、面内均一性が低くなってしまう。
【特許文献１】特開２００２−２５２１７６号公報
【特許文献２】特開平９−８２６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、不純物の付着がほとんどなく、均一な薄膜の形成が可能で、成長薄膜の面内均一性を向上させることができる半導体薄膜製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体薄膜製造装置は、反応管と、該反応管内に配置されるサセプタと、該サセプタ上に配置された基板に負圧をかけてこれを保持する負圧発生手段と、を備え、
前記基板の結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度が１８０°未満となるように、前記基板が設置される。
【００１１】
本発明の半導体薄膜製造装置は基板を上部に保持するために、サセプタに保持される基板に対し負圧をかける負圧発生手段を具備する。負圧発生手段により基板の成長面を前記基板の結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度が１８０°未満（例えば、鉛直下方向もしくは水平方向）に保持（設置）することで、不純物の落下による不純物の付着を防止することができる。また、反応中に供給される原料ガスや流通ガスの気流により、反応生成物やゴミ等の不純物が付着することを防止することができる。負圧発生手段により負圧をかける部分は、薄膜を形成する必要のない面であるため、薄膜形成面に均一な膜を形成することができる。さらに、ホルダにてサセプタ上に基板を保持する場合と比べ、当該基板がサセプタと密着する本発明の半導体薄膜製造装置は、基板面内の温度を均一にすることができる。その結果、成長薄膜の面内均一性を向上させることができる。
【００１２】
前記サセプタには当該サセプタを貫通する貫通細孔が設けられ、かつ、前記貫通細孔の一部と前記設置部との間を連通する連通部が設けられており、前記負圧発生手段により前記貫通細孔を通じて流通ガスを流通させることで、前記連通部に負圧を生じさせて前記基板を保持する。
【００１３】
負圧発生手段としては、貫通細孔を通じて流通ガスを流通させて、連通部に負圧を生じさせることで、基板を引き付ける力を発生させる手段を採用する。流通ガスを流通させる上記手段を用いることで、貫通細孔を通過した流通ガスを再び貫通細孔に供給する循環システムを適用することができる。このようなシステムにより、流通ガスを有効に活用することが可能となり、エネルギー的にも環境的にも大きなメリットを見出すことができる。
前記貫通細孔を流通させる流通ガスとしては、前記反応管に供給するキャリアガスを用いる。
【００１４】
前記貫通細孔は、前記流通ガスの流通方向上流側から前記連通部に向かって縮径し、前記連通部から流通ガスの流通方向下流側に向かって拡径するベンチェリー構造となっていることが好ましい。
【００１５】
貫通細孔の連通部で貫通細孔の流通ガス通路を絞り込むような形態とすることで、連通部を通過する流通ガスの流速を上げることが可能となる（ベンチェリー効果）。その結果、連通部の負圧がより大きくなり、基板をより安定して保持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、不純物の付着がほとんどなく、均一な薄膜の形成が可能で、成長薄膜の面内均一性を向上させることができる半導体薄膜製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の半導体薄膜製造装置について、図１および図２を用いて説明する。図１は、当該半導体薄膜製造装置を示す部分断面図である。図１において、半導体薄膜製造装置１０は、反応管１２と、その外周に設けられたＲＦコイル１４と、反応管１２内の反応室１２Ａに原料ガスを流通させる原料供給管１６と流通ガス（キャリアガス）を流通させる流通ガス供給管１８と排出管２４および真空ポンプ３６とを有する。反応管１２の内側には断熱材２６とサセプタ２０とが順次設けられている。サセプタ２０の鉛直方向上部および下部には基板２２Ａおよび２２Ｂを保持する設置部２０Ａが設けられている。サセプタ２０には、当該サセプタ２０を貫通する貫通細孔３０が設けられ、かつ、貫通細孔３０の一部と設置部２０Ａとの間を連通する連通部３２が設けられている。
【００１８】
基板２２Ａを保持した状態で貫通細孔３０に流通ガスを流すと、連通部３２内の気体が矢印Ａ方向（図２参照）に吸引されることで減圧され負圧が発生する。この負圧により基板２２Ａがサセプタ２０と密着して固定されることになる。
【００１９】
なお、通細孔３０に流通ガスを流す前の基板２２Ａは、適宜保持具などで仮止めしておくことが好ましい。また、貫通細孔３０の細孔径は、５〜２０ｍｍであることが好ましく、５〜１０ｍｍであることが好ましい。さらに、連通部３２の径は、５〜２０ｍｍであることが好ましく、５〜１０ｍｍであることがより好ましい。
【００２０】
設置部２０Ａは、鉛直方向上部（反応室１２Ａの上面）にあり、その他の領域に複数設けてもよい。ここで、「鉛直方向上部」とは底面よりも高い位置にある部分をいう。なお、設置部２０Ａを反応室１２Ａの側面にも設ける場合は、反応中に基板がサセプタから離れないように、負圧発生手段をそれぞれの設置部２０Ａに設けることが好ましい。そして、基板２２Ａの結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度が１８０°未満となるように、基板２２Ａが設置される。
【００２１】
図６に示すように、基板２２Ａの結晶成長面の法線Ｙと鉛直下方向Ｘとのなす角度θは、９０°以下（より好ましくは９０°）であることが好ましい。ここで、「結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度」とは、角度の小さい方をさす。
【００２２】
図１に示すように、反応室１２Ａ内においては、供給された原料ガスが基板２２Ａおよび２２Ｂの表面で反応することによって、これらの基板上に薄膜が堆積される。
【００２３】
次に、図２を用いてサセプタの構造について説明する。図２は、サセプタ２０のみを抜き出した透視図である。図２に示すようにサセプタ２０は例えば、断面が六角形状で四角形状の中空部を有しており、当該中空部が、原料ガスの流通する反応室１２Ａとなっている。サセプタ２０の壁厚は、例えば、１０〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。なお、サセプタの形状は、図２に示す構成に限定されず、板状にするなど適宜設計変更することができる。
【００２４】
サセプタ２０は、炭化ケイ素でコーティングされたグラファイト製の部材で形成されていることが好ましい。サセプタ２０の鉛直方向上部には、基板２２Ａが接触して保持される領域である設置部２０Ａが設けられ、基板２２Ａが加熱される。
【００２５】
サセプタ２０は、図１に示す反応管１２の外部に設置されたＲＦコイル１４の誘電加熱によって発熱して、間接的に基板を加熱できるようになっている。ＲＦコイル１４は、高周波の磁束を発生して、サセプタ２０に渦電流を誘導する。そして、渦電流によるジュール熱でサセプタ２０を発熱させる。発熱したサセプタ２０により加熱される基板の温度は、１３００℃以上であることが好ましい。特に、ＳｉＣ薄膜を成長させる際には、基板２０Ａ（および２０Ｂ）は、サセプタ２０によって１３００℃以上に加熱されることが好ましく、１４００〜２０００℃程度にまで加熱されることがより好ましい。サセプタ２０の加熱温度は、図示を省略する制御手段にて、サセプタ２０と基板との表面温度に基づいて制御される。
【００２６】
原料ガスが２種類ある場合は、これらを混合した状態で原料供給管１６から供給されるが、原料供給管を複数設けて別々に反応室１２Ａ内に供給してもよい。流通ガス供給管１８は、反応室１２Ａおよび貫通細孔３０のそれぞれに流通ガスを供給するために途中で分岐した構造となっている。そして、原料供給管１６及び流通ガス供給管１８には、各々ＭＦＣ１６Ａ，１８Ａ及び１８Ｂが備えられており、各ガスの供給量を調整できるようになっている。
【００２７】
原料ガスとしては、ＳｉＣ薄膜を形成する場合には、Ｃ３Ｈ８（プロパン）とＳｉＨ４（シラン）とを使用する。また、原料ガスとともに供給する流通ガス（キャリアガス）としては、Ｈ２ガスを用いることができる。また、基板としては、ＳｉＣウェハ（ＳｉＣ基板）を好適に用いることができる。
【００２８】
必要に応じて、ミキシングチャンバを原料供給管１６及び流通ガス供給管１８（以下、これらを合わせて「供給管」ということがある）と反応室１２Ａとの間に設けてもよい。ミキシングチャンバには複数の孔が設けられた混合用シャワー板と複数の孔が設けられた拡散用シャワー板が設置されている。ミキシングチャンバに供給された原料ガスおよび流通ガスは、混合用シャワー板の各孔を通過することによって濃度分布が均一になるように混合される。混合用シャワー板に設けられる孔の径や数は、原料ガスの原料及び混合の程度等を考慮して適宜選定することができる。
【００２９】
断熱材２６は、サセプタ２０の熱が反応管１２に伝わらないように断熱する役割を担っおり、黒鉛素材のグラスウールで構成されていることが好ましい。また、断熱材２６は、反応管１２の内壁に密着するように設置されており、中心側にはサセプタ２２が固定されている。
【００３０】
基板２２Ａ，２２Ｂの厚さは、目的に応じて適宜選定すればよく、本実施の形態においては４００μｍ程度とすることが好ましい。基板２２Ｂが載置される搬送トレイ２８は、多結晶ＳｉＣ製の部材で形成されていることが好ましい。
【００３１】
排出管２４には、真空ポンプ３６が備えられており、減圧下での成長の実現と反応管１２内の原料ガスを装置外に排出できるように構成されている。
【００３２】
次に、本発明の半導体薄膜製造装置による半導体薄膜の製造過程について、ＳｉＣ半導体を例に説明する。まず、供給管から供給されたＨ２ガス、ＳｉＨ４ガス及びＣ３Ｈ８ガスは、供給管を介して反応室１２Ａに供給される。この際、供給されるＨ２ガス、ＳｉＨ４ガス及びＣ３Ｈ８ガスの比率は、体積比率でおよそ１２０００／２／３（＝Ｈ２／ＳｉＨ４／Ｃ３Ｈ８）程度である。
【００３３】
供給管と反応室１２Ａとの間にミキシングチャンバが設けられた場合は、各ガス（原料ガス）は、混合用シャワー板に設けられて複数の孔を通過すると共に混合された後、拡散用シャワー板に設けられた孔を通過して拡散しながら反応室１２Ａに供給される。この際、原料ガスは混合用シャワー板及び拡散用シャワー板によって濃度分布が均一になるように十分に混合されている。
【００３４】
反応室１２Ａに供給された原料ガスが、サセプタ２０付近にまで流通すると、原料ガスもサセプタ２０によって加熱される。反応室１２Ａ内に進入した原料ガスは、基板の表面側に形成された流通路を通過する際に約１５００℃程度にまで加熱され、基板２４上で反応する。この結果、基板上にＳｉＣが堆積して、ＳｉＣ薄膜が形成される。その後、基板２２Ａおよび２２Ｂ上を通過した原料ガスは、排出管２４及び真空ポンプ２６を介して装置外に排出される。
【００３５】
供給管に備えられたＭＦＣ１６Ａ、１８Ａおよび１８Ｂは、図示を省略するＣＰＵ等の制御手段によって各々制御されており、基板上を通過する原料ガスの流れや濃度が均一になるように、前記制御手段によって反応室１２Ａ内の原料ガスの流量及び圧力が調整されている。
【００３６】
尚、前記ＳｉＣ半導体の製造過程においては、通常、原料ガスを導入するに先だってキャリアガス及びエッチングガスを導入して、基板表面をエッチングする工程が含まれる。その際、ＳｉＣ基板は表面温度が１３００〜１６００℃程度に加熱されていることが好ましい。キャリアガスとしてはＨ２ガスが挙げられ、エッチングガスとしては、塩化水素及びＨ２ガスが挙げられる。
【００３７】
本発明の半導体薄膜製造装置によれば、基板２２Ａの下面側に原料ガスの流通路が形成されることから、薄膜形成面を常に重力方向下向きにすることができる。これにより、反応生成物や断熱剤の欠片等の不純物が基板２２Ａの薄膜形成面や薄膜自体に付着するのを防止することができる。また、基板２２ＡのＳｉＣ薄膜形成面が重力方向下向きであることから、上昇熱流を受け、高温時の加熱効率に優れるとともに温度勾配の均一性に優れる。更に、基板２２Ａの温度勾配の均一化を図ることができる。
【００３８】
また、基板をホルダで保持する部分がほとんどないため薄膜成長の歩留まりを向上させることができる。さらに、基板とサセプタとの隙間が無くなることで基板裏面への薄膜堆積はないため、基板裏面への再研磨が不要となる。貫通細孔に流通ガスを供給して負圧により基板を保持する構成とすれば、基板吸着のための真空ポンプといった機器の新規設置が不要となるためコスト削減にもなる。
【００３９】
本発明の半導体薄膜製造装置は、上記構成を主として、種々の変形を加えることができる。
【００４０】
例えば、図１における反応室１２Ａは、原料ガスの供給口の高さをＬ０とし排出口をＬ１とした場合、Ｌ１はＬ０よりも小さくなるように構成されていることが好ましい。
【００４１】
このように、原料ガス排出口の高さＬ１を供給側の供給口の高さＬ０よりも小さくすることで、排出側において、原料ガスの流速を向上させることができる。これにより、反応室１２Ａの原料ガス排出側において原料供給量が低下することによって、原料ガス供給側と排出側とにおいてＳｉＣ薄膜の成長速度が異なるのを防止することができ、ＳｉＣ薄膜の成長速度の均一性を向上させることができる。
【００４２】
また、図３に示すように、貫通細孔３０が、流通ガスの流通方向上流側から連通部３２Ａに向かって縮径し、連通部３２から流通ガスの流通方向下流側に向かって拡径するベンチェリー構造とすることもできる。なお、図３において、図１と同一の符号については、図１の場合と同様の機能を発揮するため説明を省略する（後述する図４および図５においても同様）。
【００４３】
すなわち、貫通細孔の連通部で貫通細孔の流通ガス通路を絞り込むような形態とすることで、連通部を通過する流通ガスの流速を上げることが可能となる。その結果、連通部の負圧がより大きくなり、基板をより安定して保持することが可能となる。
【００４４】
図３中のベンチェリー構造の傾斜の度合いを示す傾斜角θ１〜θ４は、それぞれ１〜３０°であることが好ましく、５〜１０°であることがより好ましい。
【００４５】
また、図３では、流通ガス供給管１８と原料供給管１６とを途中からひとつの供給管にまとめて、流通ガスおよび原料ガスを反応室１２Ａおよび貫通細孔３０に供給しているが、本発明では図１に示すように、前記貫通細孔を流通させる流通ガスとして、前記反応管に供給するキャリアガスを用いる。
【００４６】
なお、排気したガスを再び利用する構造とすれば、流通ガスおよび原料ガスを有効利用することができる。
【実施例】
【００４７】
（実施例１）
図１に示す半導体薄膜製造装置を用い、基板へのＳｉＣエピタキシャル薄膜の形成を行った。なお、基板の保持形態としては、反応管１２を断面図で示す図４に示すように、保持具５０で仮止めした状態で、貫通細孔３０（細孔径：８ｍｍ）に流通ガス（水素ガス：１００ｓｃｃｍ）を流通させて設置する形態とした。また、連通部の径は８ｍｍであった。
【００４８】
基板は、４Ｈ−ＳｉＣの８°オフ（０００１）Ｓｉ面を用いた。エピタキシャル成長は、化学気相堆積（ＣＶＤ法）によって行った。用いた装置は横型ホットウォール型ＣＶＤ装置である。そのほかの成長条件と結果を下記表１に示す。下記表１から、上部基板への落下物は無かった。基板裏面への薄膜堆積も無かった。また、面内均一性も良好であった。なお、表１中の欠陥数および裏面への薄膜成長の有無などは、光学顕微鏡および目視により行った。
【００４９】
（実施例２）
貫通細孔が図３に示すベンチェリー構造となっている以外は、実施例１と同様のサセプタを具備する半導体薄膜製造装置を用いて基板へのＳｉＣエピタキシャル薄膜形成を行った。なお、θ１、θ２、θ３およびθ４は、それぞれ８°とした。貫通細孔の両端の細孔径は８ｍｍであった。そのほか成長条件と結果は下記表１の通りである。下記表１から、上部基板への落下物は無かった。基板裏面への薄膜堆積も無かった。また、面内均一性も良好であった。
【００５０】
（比較例）
反応管を断面図で示す図５に示すように、保持具で基板を固定した状態とし、貫通細孔を有しない構成とした以外は、図１に示す半導体薄膜製造装置を用い、基板へのＳｉＣエピタキシャル薄膜の形成を行った。使用した基板などの条件は、実施例１と同様である。そのほかの主な成長条件と結果は下記表１の通りである。下記表１から、上部基板への落下物は無かったが、基板裏面への薄膜堆積があった。また、面内均一性も実施例に比べ低いものであった。
【００５１】
【表１】
0004534978.tif 000002
【００５２】
上記表１から、比較例では、面内均一性が低かった。この原因としては基板面内の温度の不均一性が考えられる。また、比較例では、基板縁部がホルダにより保持されているため、設置部に薄膜が形成されず、基板裏面には薄い膜の成長が確認された。これに対し、実施例では、上部基板への落下物は無かった。基板裏面への薄膜堆積も無かった。また、面内均一性も良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の半導体薄膜製造装置の概略を例示する部分断面図である。
【図２】図１におけるサセプタのみを抜き出した透視図である。
【図３】本発明の他の半導体薄膜製造装置の概略を例示する部分断面図である。
【図４】実施例に係る半導体薄膜製造装置における基板の保持態様を説明する断面図である。
【図５】比較例に係る半導体薄膜製造装置における基板の保持態様を説明する断面図である。
【図６】基板の結晶成長面の法線と鉛直下方向とのなす角度を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０・・・半導体薄膜製造装置
１２・・・反応管
１２Ａ・・・反応室
１４・・・ＲＦコイル
１６・・・原料供給管
１８・・・ガス供給管
１６Ａ，１８Ａ，１８Ｂ・・・ＭＦＣ
２０・・・サセプタ
２０Ａ・・・設置部
２２Ａ，２２Ｂ・・・基板
２４・・・排出管
２６・・・断熱材
２８・・・搬送トレイ
３０・・・貫通細孔
３２・・・連通部
【図１】
0004534978.tif 000003
【図２】
0004534978.tif 000004
【図３】
0004534978.tif 000005
【図４】
0004534978.tif 000006
【図５】
0004534978.tif 000007
【図６】
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