(57)【要約】【課題】より均一な化合物半導体エピタキシャル層を形成し得るＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】  ＣＶＤ装置１００は、基板６を保持する基板ホルダ５を有する反応室２と、ＣＶＤ装置１００に原料ガスを導入する原料ガス導入口４０と、ＣＶＤ装置１００にキャリアガスを導入するキャリアガス導入口３０と、キャリアガス導入口３０と反応室２との間に設けられ、キャリアガスを加熱するキャリアガス加熱室２１と、キャリアガス加熱室２１と反応室２との間に設けられ、原料ガス導入口４０から導入される原料ガスとキャリアガス加熱室２１で加熱されたキャリアガスとを混合することにより混合ガスＭを得るガス混合室２４と、混合ガスＭを反応室２に導入する混合ガス導入口５０と、反応室２から混合ガスＭを排出する排気口６０とを備え、反応室２において、排気口６０は基板ホルダ５を挟んで、混合ガス導入口５０と反対側の位置に配置されている。【選択図】図１
2016154223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に化合物半導体エピタキシャル層を形成するためのＣＶＤ装置であって、動作時に、
前記基板を保持する基板ホルダを有する反応室と、
前記ＣＶＤ装置に、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスを導入する原料ガス導入口と、
前記ＣＶＤ装置にキャリアガスを導入するキャリアガス導入口と、
前記キャリアガス導入口と前記反応室との間に設けられ、前記キャリアガスを加熱するキャリアガス加熱室と、
前記キャリアガス加熱室と前記反応室との間に設けられ、前記原料ガス導入口から導入される前記原料ガスと前記キャリアガス加熱室において加熱された前記キャリアガスとを混合することにより混合ガスを得るガス混合室と、
前記反応室の一部に設けられ、前記混合ガスを前記反応室に導入する混合ガス導入口と、
前記反応室の他の一部に設けられ、前記反応室から前記混合ガスを排出する排気口と
を備え、
前記反応室において、前記排気口は、前記基板ホルダを挟んで、前記混合ガス導入口と反対側の位置に配置されているＣＶＤ装置。
【請求項２】
動作時に、前記原料ガスの一部を前記反応室に直接導入する少なくとも１つの他の原料ガス導入口をさらに備える、請求項１に記載のＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの他の原料ガス導入口は、第１の他の原料ガス導入口と、第２の他の原料ガス導入口とを含み、
前記第１の他の原料ガス導入口および前記第２の他の原料ガス導入口から前記反応室に導入される前記原料ガスの流量は、それぞれ個別に制御される、請求項２に記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記キャリアガス加熱室の上流側に設けられ、動作時に、前記キャリアガスにドーパントガスを添加するドーパントガス導入口をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記基板は炭化珪素基板であり、前記化合物半導体エピタキシャル層は炭化珪素エピタキシャル層である、請求項１から４のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記キャリアガス加熱室は、前記キャリアガスを１６００℃以上１７５０℃以下の温度に加熱することができるように構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項７】
基板上に化合物半導体エピタキシャル層が配置された化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
キャリアガスを加熱する工程と、
加熱された前記キャリアガスと、加熱された前記キャリアガスよりも低い温度を有する、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスとを混合することにより混合ガスを得る工程と、
前記混合ガスを前記基板上に供給することにより、前記基板上に化合物半導体エピタキシャル層を形成する工程と
を含む化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項８】
前記基板の表面と、前記混合ガスが前記基板に供給される方向とのなす角が、０°以上１０°以下である、請求項７に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項９】
前記キャリアガスを１６００℃以上１７５０℃以下の温度に加熱する、請求項７または８に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１０】
前記原料ガスの一部を、前記キャリアガスと混合することなく、前記基板上に供給する工程をさらに含む、請求項７から９のいずれか１項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１１】
前記キャリアガスを加熱する前に、前記キャリアガスにドーパントガスを添加する工程をさらに含み、
前記キャリアガスを加熱する工程では、前記キャリアガスおよび前記ドーパントガスを加熱する、請求項７から１０のいずれか１項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１２】
前記キャリアガスは水素ガスである、請求項７から１１のいずれか１項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１３】
加熱された前記キャリアガスと、前記原料ガスとを混合することにより、前記混合ガス中において、前記原料ガスの少なくとも一部が分解する、請求項７から１２のいずれか１項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基板は炭化珪素基板であり、前記化合物半導体エピタキシャル層は炭化珪素エピタキシャル層である、請求項７から１３のいずれか１項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、化合物半導体を堆積するＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置および、例えば炭化珪素半導体などの化合物半導体のエピタキシャル基板を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイドバンドギャップ半導体は、パワー素子（パワーデバイスともいう）、耐環境素子、高温動作素子、高周波素子等の種々の半導体装置に応用されている。なかでも、スイッチング素子または整流素子などのパワーデバイスへの応用が注目されている。
【０００３】
ワイドバンドギャップ半導体のなかでも炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）は、基板の製造が比較的容易であり、また、良質のゲート絶縁膜である酸化珪素（ＳｉＯ2）膜を熱酸化により形成することが可能な半導体材料である。このことから、ＳｉＣを用いたパワーデバイスの開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＳｉＣを用いたパワーデバイスの代表的なスイッチング素子として、金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＭＩＳＦＥＴ」）、金属−半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＭＥＳＦＥＴ」）などがある。
【０００５】
ＳｉＣの結晶成長には、一般に、化学気相堆積法（ＣＶＤ）が用いられる。例えば特許文献２、３および非特許文献１は、ホットウォール型のＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＣエピタキシャル層を基板上に形成する方法を開示している。また、非特許文献１および特許文献３は、より均一なＳｉＣエピタキシャル層を形成するために、基板を回転させながら、ＳｉＣのエピタキシャル成長を行うことも提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５１４００号公報
【特許文献２】特開平５−００１３８０号公報
【特許文献３】特表２００３−５０７３１９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ  Ｖｏｌｓ．３８９−３９３（２００２）ｐｐ．１８７−１９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳｉＣなどの化合物半導体のエピタキシャル層において、基板面内で、厚さ、不純物濃度などの均一性をさらに高めることが求められている。このため、化合物半導体のエピタキシャル層の均一性をさらに高めることの可能な新規な方法およびＣＶＤ装置が求められている。
【０００９】
なお、本明細書では、基板の表面に化合物半導体のエピタキシャル層を形成する際に、エピタキシャル層が基板の表面に平行な面内で均一性を有することを「基板面内で均一」または単に「面内で均一」であるという。
【００１０】
本開示の一態様は、より均一な化合物半導体エピタキシャル層を形成することの可能なＣＶＤ装置および化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の一態様は、基板の表面に化合物半導体エピタキシャル層を形成するためのＣＶＤ装置であって、動作時に、前記基板を保持する基板ホルダを有する反応室と、前記ＣＶＤ装置に、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスを導入する原料ガス導入口と、前記ＣＶＤ装置にキャリアガスを導入するキャリアガス導入口と、前記キャリアガス導入口と前記反応室との間に設けられ、前記キャリアガスを加熱するキャリアガス加熱室と、前記キャリアガス加熱室と前記反応室との間に設けられ、前記原料ガス導入口から導入される前記原料ガスと前記キャリアガス加熱室において加熱された前記キャリアガスとを混合することにより混合ガスを得るガス混合室と、前記反応室の一部に設けられ、前記混合ガスを前記反応室に導入する混合ガス導入口と、前記反応室の他の一部に設けられ、前記反応室から前記混合ガスを排出する排気口とを備え、前記反応室において、前記排気口は、前記基板ホルダを挟んで、前記混合ガス導入口と反対側の位置に配置されているＣＶＤ装置を含む。
【００１２】
本開示の他の一態様は、基板上に化合物半導体エピタキシャル層が配置された化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、基板を準備する工程と、キャリアガスを加熱する工程と、加熱された前記キャリアガスと、加熱された前記キャリアガスよりも低い温度を有する、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスとを混合することにより混合ガスを得る工程と、前記混合ガスを前記基板上に供給することにより、前記基板上に化合物半導体エピタキシャル層を形成する工程とを含む化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の一態様に係るＣＶＤ装置によれば、厚さおよび不純物のドーピング密度などが面内でより均一な化合物半導体エピタキシャル層を形成することが可能になる。また、本開示の一態様によれば、そのような化合物半導体エピタキシャル層を有する化合物半導体エピタキシャル基板を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態のＣＶＤ装置１００の概略図である。
【図２】ＣＶＤ装置１００の反応室内における、原料ガスから分解されたＳｉとＣ2Ｈ2の濃度および実効Ｃ／Ｓｉ比のガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図３】第２の実施形態のＣＶＤ装置１０１の概略図である。
【図４】ＣＶＤ装置１０１の反応室内における、原料ガスから分解されたＳｉとＣ2Ｈ2の濃度および実効Ｃ／Ｓｉ比のガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図５】従来のＣＶＤ装置２００の概略図である。
【図６】従来のＣＶＤ装置２００を用いて成長させたエピタキシャル層の厚さの、ガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図７】従来のＣＶＤ装置２００を用いて成長させたエピタキシャル層の不純物濃度の、ガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図８】従来のＣＶＤ装置２００の反応室内のガス温度の、ガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図９】従来のＣＶＤ装置２００の反応室内の温度分布およびＳｉとＣ2Ｈ2の濃度分布についてのシミュレーションに用いた反応室の拡大図である。
【図１０】従来のＣＶＤ装置２００の反応室内における、原料ガスから分解されたＳｉとＣ2Ｈ2の濃度および実効Ｃ／Ｓｉ比のガスフロー方向の分布を例示する図である。
【図１１】従来のＣＶＤ装置２００において、サセプタの上流側の端部からガスフロー方向に沿った距離をｘとし、キャリアガスの流量を変化させた場合に実効Ｃ／Ｓｉ比が最大となる距離ｘを示す図である。
【図１２】第１の実施形態の他のＣＶＤ装置を例示する図である。
【図１３】ＣＶＤ装置１００の反応室内のガス温度の、ガスフロー方向の分布を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示の基礎となった知見は以下の通りである。
【００１６】
化合物半導体のエピタキシャル層は、ＣＶＤ装置の反応室にキャリアガスとともに原料ガスを供給することにより、反応室内に設置された基板上に形成される。このとき、基板上で、原料ガスの温度に分布が生じると、原料ガスの分解状態が面内で不均一になる。
【００１７】
横型ＣＶＤ装置を例に説明する。横型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル層を形成する場合、原料ガスおよびキャリアガスは、基板上を水平方向に流通し、反応室から排出される。本明細書では、基板上において、原料ガスおよびキャリアガスの流れる方向を「ガスフロー方向」、キャリアガスおよび原料ガスを含む混合ガスの温度を「ガス温度」と称する。横型ＣＶＤ装置では、基板上において、ガスフロー方向の上流側のガス温度が下流側のガス温度よりも低くなるため、これらの間で原料ガスの分解状態が異なる。このため、基板を回転させずにエピタキシャル成長を行うと、基板の上流側と下流側とでエピタキシャル結晶成長の条件に差が生じる。この結果、エピタキシャル層の面内において厚さ、不純物濃度などに分布が生じ得る。このようなエピタキシャル層を用いると、高い性能を有する半導体素子が得られない場合がある。
【００１８】
なお、「原料ガスの分解状態」とは、原料ガスの分解から発生した活性種の量のことである。「活性種」とは、ＳｉＣ結晶成長を行う場合、ＳｉＣ結晶成長に寄与するＳｉとＣ2Ｈ2のことである。また、エピタキシャル層の成長条件は、例えば、Ｃ源となる活性種とＳｉ源となる活性種の比率である実効Ｃ／Ｓｉ比を含む。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明者による検討結果をより具体的に説明する。
【００２０】
図５は、従来の横型のＣＶＤ装置２００を例示する概略図である。ＣＶＤ装置２００は、化合物半導体のエピタキシャル成長を行う反応室２、反応室２を排気する真空ポンプ１３、および反応生成物等を除去するガス除外装置１４を備える。反応室２には原料ガスおよびキャリアガスを含む混合ガスＭが供給される。ここでは、第１の原料ガス８としてシラン（ＳｉＨ4）ガス、第２の原料ガス９としてプロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ドーパントガス１０として窒素ガスを用いる。第１の原料ガス８、第２の原料ガス９、ドーパントガス１０およびキャリアガス７は、各ガスを収容したボンベから、ガス混合制御系１２を介して反応室２に供給される。ガス混合制御系１２は、例えばガスの流量を制御するマスフローコントローラ等を含む。なお、一般的にキャリアガス７は、キャリアガス純化器１１を経由し、ここで不純物が除去された後で、ガス混合制御系１２に導入される。
【００２１】
反応室２の内部には、発熱体となる筒状のサセプタ３と、サセプタ３の内側に配置された基板ホルダ５とが配置されている。反応室２の外部には誘導コイル４が配置されている。また、反応室２におけるガスフロー方向を矢印ｆで示す。この例では、反応室２は筒状であり、サセプタ３は反応室２の内壁に沿って配置されている。誘導コイル４は、反応室２の外周に沿って配置されている。基板ホルダ５の上には基板（ウエハ）６が配置される。基板ホルダ５は例えば円形である。基板ホルダ５上には、複数の基板６が間隔を空けて放射状に配置されていてもよい。図５には、これらの基板６のうちガスフロー方向ｆに沿って配置された２枚の基板６を示す。
【００２２】
誘導コイル４に高周波電力を印加することにより、サセプタ３に誘導加熱が発生する。これにより、サセプタ３、基板ホルダ５および基板６は所定の温度まで加熱される。サセプタ３、基板ホルダ５および基板６の温度により、キャリアガス７、第１の原料ガス８、第２の原料ガス９およびドーパントガス１０が加熱され、第１および第２の原料ガス８、９が分解される。分解された第１および第２の原料ガス８、９が基板６の表面で反応することにより、基板６の表面に化合物半導体のエピタキシャル成長が行われる。
【００２３】
図示していないが、ＣＶＤ装置２００は、基板ホルダ５を、基板ホルダ５に水平な面内で回転させる機構をさらに備えている。これにより、エピタキシャル成長中、基板ホルダ５および基板６を、例えば６０回転／分の速度で回転させることが可能である。
【００２４】
本発明者は、まず、ＣＶＤ装置２００を用いて、基板ホルダ５に設置されたＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成し、その厚さおよび不純物濃度のガスフロー方向における分布を調べた。ＳｉＣエピタキシャル層の形成は、基板ホルダ５の回転を停止させた状態で行った。また、反応室２に供給する第１および第２の原料ガス８、９の流量は、供給する原料ガス中のＣとＳｉとの比率（投入Ｃ／Ｓｉ比）が１となるように調整した。
【００２５】
図６は、ＳｉＣエピタキシャル層の厚さの基板面内の分布を示す測定結果である。図７は、ＳｉＣエピタキシャル層の不純物濃度の基板面内の分布を示す測定結果である。図６および図７の横軸は、サセプタ３におけるガスフロー方向の最も上流側の端部から、ガスフロー方向に沿った距離ｘ（ｍｍ）を表す。
【００２６】
図６および図７に示す結果から、ＳｉＣエピタキシャル層の厚さおよび不純物濃度はガスフロー方向に大きな分布を有することが分かる。おおよその傾向として、ＳｉＣエピタキシャル層の厚さはガスフロー方向の上流側で小さく、下流側に向かうにつれて大きくなる。つまり、ガスフロー方向の上流側では、下流側よりもＳｉＣの成長速度が小さい。これは、ガスフロー方向の上流側では原料ガスの分解が不十分であり、エピタキシャル層の成長に寄与する活性種が不足していることを示している。
【００２７】
また、図６から分かるように、ガスフロー方向の最も下流側では、ＳｉＣエピタキシャル層の厚さが急激に減少していることが観察される。これは、原料ガスがガスフロー方向に沿って最も下流側まで流通する間に、原料ガスの活性種がＳｉＣエピタキシャル層の成長に消費され、枯渇したからと考えられる。
【００２８】
一方、図７から分かるように、キャリア不純物濃度の分布はＳｉＣエピタキシャル層の厚さの分布とおおよそ逆の傾向を示している。一般に、ＣＶＤ法によるＳｉＣのエピタキシャル成長では、原料ガスに対するドーパントガスの割合が一定の場合、ＳｉＣの成長速度が小さいとドーパント（不純物）がＣＶＤ結晶内に多く取り込まれるので、ＳｉＣエピタキシャル層のキャリア不純物濃度が上昇する。ＳｉＣの成長速度が大きくなるに従って不純物がＣＶＤ結晶内に取り込まれる量が減少するので、キャリア不純物濃度が低下する。したがって、図７に示される不純物濃度の分布は、図６に示す厚さ、すなわちＳｉＣの成長速度で決まると考えられる。図７では、ガスフロー方向の上流側において、不純物濃度は高くなっており、ドーパントガスがＣＶＤ結晶に容易に取り込まれる状態まで加熱されていると考えられる。
【００２９】
また、ＳｉＣの成長速度とドーパントの取り込まれる量（不純物濃度）との変化の割合については、成長速度の増加割合に対して不純物濃度の低下割合は小さくなることが知られている。しかしながら、図６および図７に示す結果では、不純物濃度の変化の方が成長速度の変化よりも大きくなっている。また、ガスフロー方向の最も上流側においては、成長速度が増加しているのに不純物濃度も増加しており、成長速度と不純物濃度との関係が逆転していることが分かる。これは、ガスフロー方向において、成長速度だけではなく、原料ガスにおける実効Ｃ／Ｓｉ比にも分布があることを示唆している。不純物濃度は実効Ｃ／Ｓｉ比によって変化し得るからである。例えば、実効Ｃ／Ｓｉ比が小さくなると、ドーパントである窒素の取り込まれる量が大きくなるというサイトコンペティション効果が知られている。
【００３０】
なお、本明細書では、反応室に供給される原料ガスにおけるＣ／Ｓｉ比を「投入Ｃ／Ｓｉ比」、反応室内において原料ガスの分解によって生じる活性種のＣ／Ｓｉ比を「実効Ｃ／Ｓｉ比」と呼ぶ。実効Ｃ／Ｓｉ比は、エピタキシャル層の形成に使用された活性種の量も考慮した値である。
【００３１】
そこで、本発明者は、上記の現象をさらに詳細に検討するために、反応室２内の基板６上の温度分布を測定した。まず、ＳｉＣエピタキシャル層を表面に有する基板を準備し、基板ホルダ５に設置した。次いで、基板ホルダ５の回転を停止した状態で、誘導コイル４に高周波電力を印加することにより反応室２の昇温を行った。続いて、ＳｉＣエピタキシャル層をエッチングする水素ガスを反応室２内に流すことにより、ＳｉＣエピタキシャル層のエッチングを行った。その後、エッチングの前後のＳｉＣエピタキシャル層の厚さを比較することにより、ガスフロー方向におけるＳｉＣエピタキシャル層のエッチング量Δｔｘの分布を求めた。
【００３２】
また、ＣＶＤ装置２００を用いて、あらかじめ、基板ホルダ５を回転させた状態で、サセプタ３の温度を異ならせて上記と同様のエッチングを行うことにより、サセプタ３の設定温度とＳｉＣエピタキシャル層のエッチング量との関係を求めておいた。エッチング量は面内で略一定であったため、ここで得られた関係をガス温度とエッチング量との関係とみなすことができる。
【００３３】
次に、あらかじめ求めたサセプタ３の設定温度とエッチング量との関係に基づいて、ＳｉＣエピタキシャル層のエッチング量Δｔｘからガス温度を算出し、ガスフロー方向におけるガス温度の分布を求めた。
【００３４】
図８は、上記方法で算出したガス温度のガスフロー方向の分布を示す図である。図８に示す結果から、ガス温度は、ガスフロー方向の上流側で低く、下流側に向かうにつれて緩やかに上昇することが分かる。このようなガス温度の分布が生じる理由として、室温で反応室２に導入されたガスが、反応室２内を流れる間にサセプタ３および基板ホルダ５により徐々に暖められるからと推察される。また、通常のＣＶＤ条件では、キャリアガス７の流量を１００リットル／分程度、第１および第２の原料ガス８、９の流量をそれぞれ数１０ｃｃ／分程度に設定する。このため、ガス温度は、主にキャリアガス７の温度によって決まると考えられる。
【００３５】
続いて、図８に示すガス温度分布によって、原料ガスの分解がどのような分布になるかをシミュレーションを用いて検証した。図９はシミュレーションに用いた反応室２の断面図である。シミュレーションでは、内部にサセプタ３のみを配置した反応室２において、サセプタ３におけるガスフロー方向ｆの最も上流側の端部Ａから最も下流側の端部Ａ’までの原料ガスに含まれる活性種の濃度を求めた。このシミュレーションでは、原料ガスの分解量だけでなく、基板６および基板ホルダ５にＳｉＣとして堆積することによる活性種の消費も考慮されている。
【００３６】
シミュレーションにより、シランガスは、ガスフロー方向に流れるに従い、エピタキシャル成長に寄与する活性種であるＳｉに徐々に分解されることが分かった。また、プロパンガスも同様に、ガスフロー方向に流れるに従い、活性種であるＣ2Ｈ2に徐々に分解されることが分かった。分解されたＳｉおよびＣ2Ｈ2の濃度は、いずれも、サセプタ３のガスフロー方向における中心Ｂ近傍でもっとも高くなった。
【００３７】
シミュレーション結果を図１０に示す。図１０は、活性種ＳｉおよびＣ2Ｈ2の濃度分布、およびこれらの活性種の濃度から算出した実効Ｃ／Ｓｉ比の分布を示す図である。図１０の横軸は、サセプタ３の上流側の端部Ａからガスフロー方向ｆに沿った距離ｘを表している。
【００３８】
図１０に示す結果から分かるように、ガスフロー方向ｆに沿った距離ｘによって、実効Ｃ／Ｓｉ比は最小０．１６から最大０．７４まで変化し、その差は０．５８と非常に大きな値となった。実効Ｃ／Ｓｉ比の分布を詳細に見ると、上流側では、シランおよびプロパンの分解速度の違いにより、Ｃ2Ｈ2濃度がＳｉ濃度よりも小さくなる結果、実効Ｃ／Ｓｉ比が小さくなっている。また、前述したように、ガスフロー方向ｆの上流側では、原料となる活性種の濃度が小さいために成長速度が小さくなる。
【００３９】
このことから、図６および図７で示したように、上流側において、ＳｉＣエピタキシャル層における不純物濃度が、ＳｉＣエピタキシャル層の厚さ（成長速度）および下流側と比べた厚さの変化から想定される量よりも上昇したのは、上流側では成長速度が小さいだけでなく、実効Ｃ／Ｓｉ比も小さくなるので、エピタキシャル層に取り込まれる不純物の量が大幅に増加したからと考えられる。
【００４０】
一方、下流側においては、いずれの活性種の濃度も急速に低下している。これは、反応室２内で分解された活性種が基板および基板ホルダ５への結晶成長により消費され、枯渇したためと考えられる。このため、図６に示したように、最も下流側でＳｉＣエピタキシャル層の厚さが急速に低下すると考えられる。
【００４１】
図１１は、キャリアガスである水素の流量と、実効Ｃ／Ｓｉ比が最大となる距離ｘとの関係を示す図である。図１１から分かるように、水素ガスの流量が増加するに従って、実効Ｃ／Ｓｉ比が最大となる距離ｘが下流側へシフトする。水素ガス流量が大きくなると加熱されにくくなるため、室温で反応室２に導入された水素ガスが、原料ガスの分解に有効な温度まで到達するための時間が長くなり、水素ガスがガスフロー方向ｆに流れる距離ｘが大きくなるからである。これは、これまでの説明、例えばガス温度が下流側で高くなるなどの説明を補充するものである。
【００４２】
ガス温度の分布を低減することによって均一なＳｉＣエピタキシャル層を形成するためには、例えば、反応室２、サセプタ３および誘導コイル４のガスフロー方向に沿った長さを大きくし、基板ホルダ５および基板６を従来よりも下流側に配置することが考えられる。これにより、ガス温度が低く、かつ、実効Ｃ／Ｓｉ比の小さい領域で結晶成長を行うことを回避できる。
【００４３】
しかしながら、本発明者が検討した結果、上記の方法には次のような問題があることが分かった。上記方法では、反応室２に導入された第１および第２の原料ガス８、９の一部は、基板６へ到達する前に所定の温度に達して反応する。このため、基板６に到達する前に第１および第２の原料ガス８、９が消費されることになり、有効な成長速度を得ることが難しい。また、基板６の大口径化を行った場合には、基板６の下流側で原料ガスの枯渇が顕著となり、均一性の高いＳｉＣエピタキシャル層を得ることが困難となる。さらに、基板６よりも上流側の領域において、サセプタ３の壁面等にＳｉＣが成長する場合がある。サセプタ３の壁面等に成長したＳｉＣが剥離することによりパーティクルが発生し、歩留まりを低下させる要因となる。
【００４４】
本発明者は、上述した検討結果から得られた知見に基づいて、基板上におけるガス温度の差を低減し得るエピタキシャル層の形成方法、およびその方法に使用され得る新規なＣＶＤ装置を見出し、本明細書に開示される技術を実現させるに至った。
【００４５】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００４６】
本開示の一態様であるＣＶＤ装置は、基板の表面に化合物半導体エピタキシャル層を形成するためのＣＶＤ装置であって、動作時に、前記基板を保持する基板ホルダを有する反応室と、前記ＣＶＤ装置に、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスを導入する原料ガス導入口と、前記ＣＶＤ装置にキャリアガスを導入するキャリアガス導入口と、前記キャリアガス導入口と前記反応室との間に設けられ、前記キャリアガスを加熱するキャリアガス加熱室と、前記キャリアガス加熱室と前記反応室との間に設けられ、前記原料ガス導入口から導入される前記原料ガスと前記キャリアガス加熱室において加熱された前記キャリアガスとを混合することにより混合ガスを得るガス混合室と、前記反応室の一部に設けられ、前記混合ガスを前記反応室に導入する混合ガス導入口と、前記反応室の他の一部に設けられ、前記反応室から前記混合ガスを排出する排気口とを備え、前記反応室において、前記排気口は、前記基板ホルダを挟んで、前記混合ガス導入口と反対側の位置に配置されている。
【００４７】
本開示の一態様に係るＣＶＤ装置によれば、厚さおよび不純物のドーピング密度などが面内でより均一な化合物半導体エピタキシャル層を形成することが可能になる。
【００４８】
上記ＣＶＤ装置は、動作時に、前記原料ガスの一部を前記反応室に直接導入する少なくとも１つの他の原料ガス導入口をさらに備えてもよい。
【００４９】
前記少なくとも１つの他の原料ガス導入口は、例えば、第１の他の原料ガス導入口と、第２の他の原料ガス導入口とを含み、前記第１の他の原料ガス導入口および前記第２の他の原料ガス導入口から前記反応室に導入される前記原料ガスの流量は、それぞれ個別に制御されてもよい。
【００５０】
上記ＣＶＤ装置は、前記キャリアガス加熱室の上流側に設けられ、動作時に、前記キャリアガスにドーパントガスを添加するドーパントガス導入口をさらに備えてもよい。
【００５１】
前記基板は、例えば、炭化珪素基板であり、前記化合物半導体エピタキシャル層は、例えば、炭化珪素エピタキシャル層である。前記キャリアガス加熱室は、前記キャリアガスを１６００℃以上１７５０℃以下の温度に加熱することができるように構成されていてもよい。
【００５２】
本開示の一態様の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、基板上に化合物半導体エピタキシャル層が配置された化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、基板を準備する工程と、キャリアガスを加熱する工程と、加熱された前記キャリアガスと、加熱された前記キャリアガスよりも低い温度を有する、前記化合物半導体エピタキシャル層の原料となる原料ガスとを混合することにより混合ガスを得る工程と、前記混合ガスを前記基板上に供給することにより、前記基板上に化合物半導体エピタキシャル層を形成する工程とを含む。
【００５３】
本開示の一態様に係る化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法によれば、厚さおよび不純物のドーピング密度などが面内でより均一な化合物半導体エピタキシャル層を有する化合物半導体エピタキシャル基板を製造することが可能になる。
【００５４】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、加熱された前記キャリアガスと、前記原料ガスとを混合することにより、前記混合ガス中において、前記原料ガスの少なくとも一部が分解する。
【００５５】
なお、本明細書では、基板の表面に化合物半導体のエピタキシャル層を形成する際に、エピタキシャル層が基板の表面に平行な面内で均一性を有することを「基板面内で均一」または単に「面内で均一」であるという。
【００５６】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記基板の表面と、前記混合ガスが前記基板に供給される方向とのなす角が、０°以上１０°以下であってもよい。すなわち、上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記混合ガスが、前記基板の表面と略平行に前記基板上に供給されてもよい。
【００５７】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記キャリアガスを１６００℃以上１７５０℃以下の温度に加熱してもよい。
【００５８】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、前記原料ガスの一部を、前記キャリアガスと混合することなく、前記基板上に供給する工程をさらに含んでいてもよい。
【００５９】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、前記キャリアガスを加熱する前に、前記キャリアガスにドーパントガスを添加する工程をさらに含み、前記キャリアガスを加熱する工程では、前記キャリアガスおよび前記ドーパントガスを加熱してもよい。
【００６０】
上記の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記キャリアガスは水素ガスであってもよい。
【００６１】
前記基板は、例えば、炭化珪素基板であり、前記化合物半導体エピタキシャル層は、例えば、炭化珪素エピタキシャル層である。
【００６２】
以下の説明では、本開示の実施形態のエピタキシャル層の形成に使用可能な装置を図示して、より詳細に説明する。なお、実施形態で使用する装置は図示する装置に限定されず、本開示の実施形態を容易に理解するために、使用可能な装置の一例を挙げたにすぎないことに留意されたい。
【００６３】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本開示による第１の実施形態のＣＶＤ装置１００を説明する。
【００６４】
図１は、本実施形態で使用可能な横型のＣＶＤ装置１００の概略図である。ＣＶＤ装置１００は、基板表面に化合物半導体のエピタキシャル層を形成するためのＣＶＤ装置である。基板として、化合物半導体のウエハを用いてもよい。化合物半導体は、特に限定しないが、ＳｉＣ、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのワイドバンドギャップ半導体であってもよい。
【００６５】
ＣＶＤ装置１００は、基板ホルダ５を有する反応室２、原料ガス導入口４０、キャリアガス導入口３０、キャリアガス加熱室２１、ガス混合室２４、混合ガス導入口５０、及び排気口６０を備える。ＣＶＤ装置１００の反応室２に、例えば化合物半導体の原料となる第１および第２の原料ガス８、９およびドーパントガス１０を導入することにより、反応室２内で基板上に化合物半導体エピタキシャル層を形成できる。以下、ＣＶＤ装置１００の各構成要素をより具体的に説明する。
【００６６】
反応室２は、内部に基板ホルダ５を備える。基板ホルダ５は、基板６を水平に保持する。反応室２は、反応室２内の基板ホルダ５および基板６を加熱する加熱部材を備えていてもよい。加熱部材は、例えば、反応室２の内部に配置された第１のサセプタ３と反応室２の外周に配置された第１の誘導コイル４とを含む。第１のサセプタ３および第１の誘導コイル４の構成および動作は、図５を参照しながら前述したサセプタ３および誘導コイル４の構成および動作と同様であってもよい。
【００６７】
原料ガス導入口４０は、ＣＶＤ装置１００に、化合物半導体エピタキシャル層の原料となる第１および第２の原料ガス８、９を導入する。原料ガス導入口４０によって第１および第２の原料ガス８、９のみが導入されてもよいし、第１および第２の原料ガス８、９とドーパントガス１０とを含むガスが導入されてもよい。この例では、第１および第２の原料ガス８、９およびドーパントガス１０は、ガス混合制御系１２において所定の割合で混合された後、原料ガス導入口４０によってＣＶＤ装置１００に導入される。ガス混合制御系１２は、例えば、ガスの流量を制御するマスフローコントローラ等を含む。なお、本明細書において、原料ガス導入口４０から導入される、第１および第２の原料ガス８、９を含むガスを「原料含有ガスＲ」と称することがある。
【００６８】
キャリアガス導入口３０は、キャリアガス７をＣＶＤ装置１００に導入する。キャリアガス７は、キャリアガス純化器１１において不純物が除去された後、キャリアガス導入口３０によってＣＶＤ装置１００に導入されてもよい。
【００６９】
キャリアガス加熱室２１は、キャリアガス導入口３０と反応室２との間に設けられている。この例では、キャリアガス加熱室２１は、キャリアガスの流れる方向において、キャリアガス導入口３０よりも下流側であり、かつ、反応室２よりも上流側に配置されている。なお、本明細書において、「キャリアガス導入口３０と反応室２との間」とは、キャリアガスの流れる方向において、これらの間に位置することを指す。他の構成要素においても、上記と同様の表現を用いる場合には、その構成要素に導入されるガスの流通方向における配置関係を指す。
【００７０】
キャリアガス加熱室２１では、反応室２に導入される前のキャリアガス７が加熱される。キャリアガス加熱室２１は、例えば、キャリアガス加熱室２１内のキャリアガス７を加熱する加熱部材を備えていてもよい。加熱部材は、例えば、キャリアガス加熱室２１の内部に配置された第２のサセプタ２２と、キャリアガス加熱室２１の外周に配置された第２の誘導コイル２３とを含んでいてもよい。第２の誘導コイル２３に高周波電力を印加することによって誘導加熱が発生し、第２のサセプタ２２およびキャリアガス加熱室２１内のキャリアガス７を所定の温度まで加熱することが可能である。第２のサセプタ２２は、筒状のキャリアガス加熱室２１の内壁に沿って筒状に配置されていてもよい。第２の誘導コイル２３は、キャリアガス加熱室２１の外周に配置されていてもよい。
【００７１】
ガス混合室２４は、キャリアガス加熱室２１と反応室２との間に設けられている。ガス混合室２４では、キャリアガス加熱室２１で加熱されたキャリアガス７と、原料ガス導入口４０から導入された原料含有ガスＲとが混合され、混合ガスＭが得られる。
【００７２】
混合ガス導入口５０は、反応室２の一部に設けられている。ガス混合室２４で得られた混合ガスＭは、混合ガス導入口５０によって反応室２に導入される。
【００７３】
排気口６０は、反応室２の他の一部に設けられている。反応室２内を流通した混合ガスＭは、排気口６０によって反応室２の外部に排出される。反応室２において、排気口６０は、基板ホルダ５を挟んで、混合ガス導入口５０と反対側の位置に配置されている。
【００７４】
排気口６０は、反応室２を排気する真空ポンプ１３に接続されていてもよい。排気口６０から排気されたガスは、反応生成物等を除去するガス除外装置１４に導入されてもよい。
【００７５】
ＣＶＤ装置１００では、ガス混合室２４において、あらかじめ加熱されたキャリアガス７を、例えば室温で供給される第１および第２の原料ガス８、９と混合させることにより、第１および第２の原料ガス８、９を加熱する。キャリアガス７は、反応室２に導入される混合ガスＭの大部分を占めるので、第１および第２の原料ガス８、９と混合させることによって、第１および第２の原料ガス８、９をキャリアガス７の温度と同程度まで速やかに昇温させることが可能である。このため、第１および第２の原料ガス８および９を、反応室２に導入される時点で十分に加熱できる。従って、反応室２の上流側のガス温度を従来よりも高めることができ、ガスフロー方向におけるガス温度の分布を小さく抑えることが可能になる。この結果、反応室２の上流側においても第１および第２の原料ガス８、９の分解が生じ、エピタキシャル層の成長速度を確保できるので、厚さおよび不純物濃度が面内でより均一な化合物半導体エピタキシャル層の形成が可能になる。
【００７６】
また、ＣＶＤ装置１００では、混合する前のキャリアガス７のみをあらかじめ加熱する。第１および第２の原料ガス８、９をあらかじめ加熱すると、基板６に到達する前に、熱により分解した活性種同士が反応することにより、ＣＶＤ装置１００内の壁面等で活性種が消費される可能性がある。本実施形態では、キャリアガス７のみをあらかじめ加熱し、ガス混合室２４においてキャリアガス７によって第１および第２の原料ガス８、９を速やかに加熱するので、基板６に達する前に消費される活性種の量を抑えることができる。ガス混合室２４を反応室２の直近に配置すると、すなわちガス混合室２４と反応室２とが混合ガス導入口５０を介して隣接するように配置すると、基板６に達する前に消費される活性種の量をより効果的に低減できる。また、ガス混合室２４を小さくしても、原料含有ガスＲを十分に昇温できるので、ガス混合室２４を小さくすることによって、基板６に達する前に消費される活性種の量をさらに効果的に低減できる。例えば、ガス混合室２４のキャリアガスの流通方向における幅を、キャリアガス加熱室２１のキャリアガスの流通方向における幅の１／２未満に抑えてもよい。
【００７７】
このように、ＣＶＤ装置１００を用いると、化合物半導体エピタキシャル層を、所定の成長速度で、効率よく基板６上に成長させることが可能となる。また、原料含有ガスＲの活性種が下流側で減少することを抑制できるので、化合物半導体エピタキシャル層の厚さの均一性をより効果的に高めることができる。さらに、基板６に到達する前に壁面等に成長した化合物半導体が剥離することによる歩留まりの低下を抑制できる。
【００７８】
本実施形態によると、基板を回転させながらエピタキシャル層を形成しなくても、より均一なエピタキシャル層を得ることが可能である。このため、ＣＶＤ装置１００に基板回転機構を設ける必要がないので、ＣＶＤ装置１００の構成をより容易にすることができる。また、基板回転機構を設けないことによって、ＣＶＤ装置１００の初期費用、運転費用およびメンテナンス費用などのコストを低減できる。この結果、エピタキシャル層形成に要する総コストを低く抑えることが可能である。なお、ＣＶＤ装置１００は、基板回転機構を備えていてもよい。ＣＶＤ装置１００を用いて、基板を回転させながらエピタキシャル層の形成を行うと、より効果的にエピタキシャル層の均一性を改善し得る。
【００７９】
なお、従来の方法では、ガスフロー方向にガス温度が分布を有するので、基板を回転させながらエピタキシャル層を形成しても、良好な面内均一性を有するエピタキシャル層が得られない場合がある。例えば、基板ホルダおよび基板の配置によっては、基板の一方の端部が反応室の中央付近のみを回転し、他方の端部が反応室の壁面近傍を大きく回転する場合があり、基板の面内で成長速度および不純物濃度に分布が生じ得る。これに対し、本開示の実施形態では、ガスフロー方向ｆのガス温度分布を小さくすることができるので、エピタキシャル層の面内均一性をより確実に確保できる。本開示の実施形態では、基板を回転させずにエピタキシャル層の形成を行なっても十分な面内均一性が得られるが、基板を回転させながら行うとより効果的に面内均一性を改善できる。さらに、基板ホルダ５を回転させることによって、ガスフロー方向における上流側および下流側の両方を通過するように基板６を回転させてもよい。
【００８０】
ＣＶＤ装置１００は、例えば、化合物半導体エピタキシャル基板の製造に適用され得る。化合物半導体エピタキシャル基板は、化合物半導体基板の表面に化合物半導体エピタキシャル層を有する基板である。本明細書では、このような基板を「エピ基板」と略する。また、ＣＶＤ装置１００は、エピ基板を用いた種々の半導体素子の製造にも使用され得る。
【００８１】
次に、ＣＶＤ装置１００を使用して、化合物半導体エピタキシャル層を形成する方法の一例を説明する。ここでは、基板６としてＳｉＣ基板を用い、ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成する方法を例に説明する。
【００８２】
まず、基板６をＣＶＤ装置１００の基板ホルダ５に設置し、反応室２内で水平に保持する。基板６として、オフ角を有するＳｉＣ基板、例えば（０００１）面から４°のオフ角θを有する第１導電型（ｎ型）の４Ｈ−ＳｉＣ基板（径：１５０ｍｍ）を用いてもよい。オフ方向は、例えば＜１１−２０＞方向とする。
【００８３】
次いで、キャリアガス７をキャリアガス導入口３０からキャリアガス加熱室２１に導入し、キャリアガス加熱室２１で所定の温度まで加熱する。キャリアガス７として、例えば水素ガスを用いる。キャリアガス７は、例えば、原料ガスを反応させる際の温度と同程度の温度まで加熱してもよい。この場合、キャリアガス加熱室２１の第２のサセプタ２２と、反応室２の第１のサセプタ３とを同じ温度に設定してもよい。設定温度は特に限定しないが、例えば１６００から１７５０℃である。なお、第２のサセプタ２２の設定温度は第１のサセプタ３の設定温度と一致していなくてもよく、第１のサセプタ３の設定温度よりも高くてもよいし、低くてもよい。第２のサセプタ２２の設定温度が、供給時のキャリアガス７の温度（例えば室温）よりも高ければ同様の効果が得られる。
【００８４】
次いで、加熱されたキャリアガス７と、第１および第２の原料ガス８、９を含む原料含有ガスＲとをガス混合室２４に導入して混合させ、混合ガスＭを得る。原料含有ガスＲは、例えば、第１の原料ガス８としてシラン（ＳｉＨ4）ガスなどのシリコン系ガス、第２
の原料ガス９としてプロパン（Ｃ3Ｈ8）ガスなどのカーボン系ガス、ドーパントガス１０として窒素ガスなどｎ型不純物ガスを含む。これらのガスは、ガス混合制御系１２を経由して、原料ガス導入口４０からガス混合室２４に導入されてもよい。ガス混合制御系１２によって各ガスの流量を制御することにより、各ガスを所定の割合で混合させることができる。シランガスおよびプロパンガスの流量は、特に限定しないが、例えば水素で１０％に希釈したシランガスをシランガス流量として５０ｓｃｃｍ以上４５０ｓｃｃｍ以下に設定され得る。プロパンガスの流量はシランガスの流量に応じて変更される。これらの流量は、例えば、供給ガスにおけるＣ原子数とＳｉ原子数の比（投入Ｃ／Ｓｉ比）が１となるように設定されてもよい。ドーパントガスの流量は、ＳｉＣエピタキシャル層の不純物濃度が例えば３．０×１０15から１．０×１０16ｃｍ-3となるように設定されてもよい。なお、原料ガスの種類および割合は、形成しようとする化合物半導体エピタキシャル層の種類によって異なる。また、ドーパントガス１０としてｐ型不純物ガスを用いることにより、ｐ型のエピタキシャル層を形成してもよい。
【００８５】
続いて、ガス混合室２４で得られた混合ガスＭを、混合ガス導入口５０から反応室２内に導入する。混合ガスＭは、基板６の表面と平行な方向に沿って基板６上に供給される。これにより、基板６上に、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層が形成される。混合ガスＭは、混合ガス導入口５０から排気口６０に向かって反応室２内を流通し、排気口６０から排出される。
【００８６】
本実施形態では、原料ガス８、９と、原料ガス８、９よりも温度の高いキャリアガス７とを混合し、得られた混合ガスＭを反応室に供給する。これにより、反応室２の上流側におけるガス温度を高めることができる。基板の上流側におけるガス温度と基板の下流側におけるガス温度との差を低減できるので、基板上の実効Ｃ／Ｓｉ比の分布を小さくできる。従って、上流側および下流側におけるガスの分解状態がより均一になる。また、エピタキシャル結晶成長条件が上流側および下流側で略同様になるので、基板の上流側および下流側におけるエピタキシャル層の厚さおよび不純物濃度の変動を低減できる。また、原料ガスを、反応室２に導入する直前に速やかに加熱することが可能になり、原料ガスが基板６に達する前に分解し、消費されることを抑制できる。
【００８７】
ＣＶＤ装置１００を用いてＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成する場合の、活性種の濃度および実効Ｃ／Ｓｉ比の面内の分布を、シミュレーションにより調べたので、その方法および結果を説明する。
【００８８】
シミュレーションでは、図８に示した従来のＣＶＤ装置２００の反応室内の距離ｘが１００ｍｍの部分のガス温度と同じ温度になるように、ＣＶＤ装置１００のキャリアガス加熱室２１においてキャリアガスである水素ガスをあらかじめ加熱するものとした。ＣＶＤ装置１００の反応室内のガス温度は、距離ｘが０の部分で、従来のＣＶＤ装置２００の反応室内の距離ｘが１００ｍｍの部分でのガス温度と同じ温度（１６３８℃）になるものとし、従来のＣＶＤ装置２００と同様に、距離ｘが２９０ｍｍの部分で、最高温度（１７２７℃）に到達するものとした。また、ＣＶＤ装置１００の反応室内のガス温度は、距離ｘが０から２９０ｍｍの間で、従来のＣＶＤ装置２００の反応室内のガス温度と同じ比率で温度上昇するものとして、ＣＶＤ装置１００の反応室内のガス温度分布を導出した。
【００８９】
図１３は、上記方法で算出したＣＶＤ装置１００のキャリアガスの温度の、ガスフロー方向ｆの分布を示す図である。横軸は、第１のサセプタ３の上流側の端部からガスフローに沿った距離ｘを表す。左側の縦軸には図８と同じレンジでプロットした結果を、右側の縦軸にはレンジを拡大したプロットを示す。この結果から、本実施の形態では、従来のＣＶＤ装置２００を用いた場合のガス温度分布（図８）と比べて、上流側のガス温度が高くなり、キャリアガスの温度分布がより均一になることが分かる。従って、キャリアガスをあらかじめ加熱することにより、ガス温度のガスフロー方向ｆにおける分布を改善できることが確認される。
【００９０】
次に、シミュレーションを用いて、得られたキャリアガス温度分布から、シランガスおよびプロパンガスが分解されて生じる活性種Ｓｉ、Ｃ2Ｈ2の濃度分布を求める。図９を参照しながら前述したように、シミュレーションでは、原料ガスの分解とともに化合物半導体基板および基板ホルダにＳｉＣとして堆積することによる活性種の消費も考慮されている。
【００９１】
図２はシミュレーション結果を示す図であり、活性種としてのＳｉおよびＣ2Ｈ2の濃度分布、および活性種の濃度から計算される実効Ｃ／Ｓｉ比の分布を示す。
【００９２】
図２に示すように、本実施の形態では、実効Ｃ／Ｓｉ比が下流側で大きく低下するものの、上流側から第１のサセプタ３のガスフロー方向ｆにおける中心Ｂまでの領域では、実効Ｃ／Ｓｉ比の分布は、従来のＣＶＤ装置２００を用いた場合の実効Ｃ／Ｓｉ比の分布（図１０）よりも小さく抑えられている。従来のＣＶＤ装置２００を用いた例では、上流側からサセプタ３のガスフロー方向ｆにおける中心Ｂまでの領域（上流側領域と呼ぶ。）において、実効Ｃ／Ｓｉ比の差は０．５８である。これに対し、本実施の形態では、上流側領域における実効Ｃ／Ｓｉ比の最小値０．５６と最大値０．７６との差は０．２０であり、従来よりも大きく改善されている。
【００９３】
このように、本実施の形態によると、第１のサセプタ３の上流側領域において、ＳｉＣ基板上の実効Ｃ／Ｓｉ比の分布がより均一になるので、基板上に形成されるエピタキシャル層の厚さおよび不純物濃度の均一性を向上できる。従って、上流側領域に基板６を設置した場合に、特に顕著な効果が得られる。
【００９４】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本開示による第２の実施形態のＣＶＤ装置１０１の一例を説明する。
【００９５】
図３は、本実施形態で使用可能な横型のＣＶＤ装置１０１の概略図である。ＣＶＤ装置１０１は、動作時に、原料含有ガスＲの一部を反応室２に直接導入する他の原料ガス導入口２５を少なくとも１つ備える点で、図１を参照しながら前述した第１の実施形態のＣＶＤ装置１００と異なる。
【００９６】
他の原料ガス導入口は、反応室２において、例えば、混合ガス導入口５０よりも下流側に配置されている。これにより、反応室２内のガスフローの途中で、原料ガスを追加することが可能である。他の原料ガス導入口は複数あってもよい。例えば、反応室２に、第１の他の原料ガス導入口と、第２の他の原料ガス導入口とが設けられていてもよい。第２の他の原料ガス導入口は、第１の他の原料ガス導入口よりも下流側に配置されていてもよい。他の原料ガス導入口からは原料ガスが供給されればよく、例えば、原料ガスおよびドーパントガス１０を含む原料含有ガスが供給されてもよい。
【００９７】
また、第１の他の原料ガス導入口及び第２の他の原料ガス導入口から反応室２に導入される原料ガスの流量は、それぞれ、個別に制御されていてもよい。例えば、第１の他の原料ガス導入口には、第１の他のガス混合制御系から原料ガスが供給され、第２の他の原料ガス導入口には、第２の他のガス混合制御系から原料ガスが供給されていてもよい。他のガス混合制御系は、例えばガスの流量を制御するマスフローコントローラ等を含む。
【００９８】
それぞれの他の原料ガス導入口に導入される第１および第２の原料ガス８、９の流量は、実効Ｃ／Ｓｉ比の分布が小さくなるように適宜調整され得る。複数の他の原料ガス導入口から、第１の原料ガス８としてシランガス、第２の原料ガス９としてプロパンガスを導入する場合、例えば、プロパンの導入量が下流側で大きくなり、シランの導入量が上流側で大きくなるように設定されてもよい。これにより、実効Ｃ／Ｓｉ比が下流側で低下するのを補償することが可能になる。
【００９９】
図３に例示するＣＶＤ装置１０１は、第１の他の原料ガス導入口２５ａから第ｎの（ｎは整数）の他の原料ガス導入口２５ｎまで、ｎ個の他の原料ガス導入口を備えている。
【０１００】
他の原料ガス導入口を設けることにより、反応室２の内部で基板６等に化合物半導体が成長することによって消費される原料ガスを補充することが可能になる。このため、ガスフローの経路における原料ガスの活性種の枯渇を抑制できる。
【０１０１】
ＣＶＤ装置１０１は、さらに第１の他の原料ガス導入口２５ａに原料ガスを供給する第１の他のガス混合制御系２７ａから、第ｎの他の原料ガス導入口２５ｎに原料ガスを供給する第ｎの他のガス混合制御系２７ｎを備えていてもよい。これにより、他の原料ガス導入口のそれぞれから反応室２に導入される原料含有ガスＲの流量を個別に制御することが可能である。
【０１０２】
ＣＶＤ装置１０１は、前述の実施形態のＣＶＤ装置１００と同様に、エピ基板の製造および化合物半導体素子の製造に好適に用いられ得る。ＣＶＤ装置１０１を用いて化合物半導体エピタキシャル層を形成する方法は、前述したＣＶＤ装置１００を用いた方法と同様である。ただし、本実施形態では、第１および第２の原料ガス８、９およびドーパントガス１０の一部を、反応室２内を流通する混合ガスＭに直接追加する点で、前述した方法と異なる。
【０１０３】
ＣＶＤ装置１０１を用いてＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成する場合の、活性種の濃度および実効Ｃ／Ｓｉ比の分布をシミュレーションにより調べたので、その方法および結果を説明する。
【０１０４】
本実施の形態では、第１の他の原料ガス導入口２５ａから第４の他の原料ガス導入口まで、４個の他の原料ガス導入口を反応室２に配置する。第１の他の原料ガス導入口２５ａを、反応室２のガスフロー方向ｆにおける中心付近に設置し、第２から第４の他の原料ガス導入口を、この順で、反応室２の中心から下流側に向けてほぼ均等に配置する。これらの他の原料ガス導入口の素材として、反応室内部の温度に耐えることが可能な素材である例えば石英を用いる。また、ガスフロー方向ｆに垂直な方向の原料ガス分布を均一にするために、ガスフロー方向ｆに垂直な方向にも複数の他の原料ガス導入口を配置する。なお、「ガスフロー方向ｆに垂直な方向」とは、図３の奥行き方向、すなわち、基板６を上方から見たときにガスフロー方向ｆを横切る方向である。
【０１０５】
本実施の形態における第１および第２の原料ガス８、９の供給条件は次のとおりである。第１の他の原料ガス導入口２５ａから第４の他の原料ガス導入口に導入されるシランの流量を、それぞれ、原料ガス導入口４０からガス混合室２４に導入されるシランの流量に対して５倍、５倍、１倍および１倍となるように設定する。また、第１の他の原料ガス導入口２５ａから第４の他の原料ガス導入口に導入されるプロパンの流量を、それぞれ、原料ガス導入口４０からガス混合室２４に導入されるプロパンの流量に対して１倍、１倍、３倍および１０倍となるように設定する。
【０１０６】
第１の実施の形態と同様に、シミュレーションを用いて、ＣＶＤ装置１０１の反応室２におけるキャリアガスの温度分布から、シランガスおよびプロパンガスが分解されて生じる活性種Ｓｉ、Ｃ2Ｈ2の濃度分布を求めた。キャリアガスの温度分布は、第１の実施の形態で求めたＣＶＤ装置１００の反応室２内におけるキャリアガスの温度分布と同じとした。また、上記の原料ガス８、９の供給条件以外のシミュレーション条件、例えば第１および第２のサセプタ３、２２の設定温度などは、第１の実施の形態と同様とした。
【０１０７】
図４はシミュレーション結果を示す図であり、活性種としてのＳｉおよびＣ2Ｈ2の濃度分布、および活性種の濃度から計算される実効Ｃ／Ｓｉ比の分布を示す。
【０１０８】
本実施の形態では、基板ホルダ５上の全領域において、実効Ｃ／Ｓｉ比の分布は、従来のＣＶＤ装置２００を用いた場合の実効Ｃ／Ｓｉ比の分布（図１０）よりも均一になることが分かる。従来のＣＶＤ装置２００を用いた例では、基板ホルダ５上の全領域における実効Ｃ／Ｓｉ比の差は０．５８である。これに対し、本実施の形態では、基板ホルダ５上の全領域における実効Ｃ／Ｓｉ比の最小値０．５６と最大値０．７６との差は０．２０であり、従来よりも大きく改善されている。また、第１の実施の形態の実効Ｃ／Ｓｉ比の分布（図２）と比べると、本実施の形態では、基板ホルダ５のガスフロー方向ｆにおける中心Ｂから下流側の端部までの領域（下流側領域）における実効Ｃ／Ｓｉ比の分布が、第１の実施の形態よりも改善されることが分かる。
【０１０９】
このように、本実施の形態によると、基板ホルダ５上の全領域において、化合物半導体基板上において実効Ｃ／Ｓｉ比の分布がより均一になるので、化合物半導体基板上に形成されるエピタキシャル層の厚さおよび不純物濃度の均一性を向上できる。従って、基板ホルダ５上の基板６を設置する位置にかかわらず、より均一なエピタキシャル層が形成される。
【０１１０】
なお、本実施の形態では反応室２に４つの他の原料ガス導入口を設けたが、他の原料ガス導入口を少なくとも１つ設けることによって、上記効果が得られる。また、５つ以上、さらには６つ以上の他の原料ガス導入口を設けると、実効Ｃ／Ｓｉ比をより高い精度で制御できる。
【０１１１】
本開示のＣＶＤ装置は、図１および図３に例示するＣＶＤ装置１００、１０１に限定されない。また、本開示のエピタキシャル層の形成方法も上記の実施形態の方法に限定されない。
【０１１２】
第１および第２の実施形態では、キャリアガス７のみをあらかじめ加熱したが、原料ガス以外のガス、例えばドーパントガス１０をキャリアガス７と同時に加熱してもよい。図１２に例示するように、ＣＶＤ装置１０２は、キャリアガス導入口３０の上流側に配置されたドーパントガス導入口７０をさらに備えていてもよい。このような構成では、ドーパントガス１０は、ドーパントガス導入口７０から加熱前のキャリアガス７に添加され、キャリアガス加熱室２１においてキャリアガス７とともに加熱される。図示しないが、ＣＶＤ装置１０１に、上記と同様のドーパントガス導入口７０をさらに設けてもよい。
【０１１３】
また、ＣＶＤ装置１００、１０１、１０２では、サセプタおよび誘導コイルを用いた誘導加熱によってキャリアガス加熱室２１および反応室２の内部を加熱するが、他の加熱方法を用いてもよい。キャリアガス加熱室２１および反応室２は、サセプタおよび誘導コイル以外の加熱部材を備えていてもよい。
【０１１４】
さらに、ＣＶＤ装置１００、１０１、１０２では、ガス混合室２４が反応室２の一方の端部に配置されているが、ガス混合室２４は反応室２の上部に配置されていてもよい。例えば、ガス混合室２４および混合ガス導入口５０は、反応室２のガスフロー方向ｆにおける中央部の上部に配置されていてもよい。この場合、混合ガスＭは、反応室２の中央部分の上部から反応室２に導入され、反応室２の両端に向かって左右に流通するように構成されていてもよい。このような場合でも、上記と同様の効果が得られる。
【０１１５】
ＣＶＤ装置１００、１０１、１０２は、基板ホルダ５を回転させる機構をさらに備えていてもよい。上記の実施の形態では、基板ホルダ５を固定した状態でエピタキシャル層の形成を行う例を示したが、基板ホルダ５を回転させながらエピタキシャル層の形成を行ってもよい。これにより、より均一なエピタキシャル層が得られる。
【０１１６】
また、上記では、横型のＣＶＤ装置を例に説明したが、縦型のＣＶＤ装置においても、あらかじめ加熱したキャリアガスと原料ガスとを混合させることにより、化合物半導体の成長速度を確保しつつ、反応室内のガス温度分布を小さくできる。さらに、横型または縦型のＣＶＤ装置において、基板は水平に設置されていなくてもよい。例えば、基板を反応室内に垂直方向に設置し、基板表面に平行に原料ガスを流通させてもよい。このような場合でも、ガスフロー方向ｆにおけるガス温度分布を小さくできるので、より均一なエピタキシャル層の形成が可能になる。
【０１１７】
上記の実施形態において、ＳｉＣエピタキシャル層を形成する際に用いる原料ガスはシランおよびプロパンに限定されない。例えば、シランおよびプロパンをそれぞれ例えば水素で希釈した原料ガスを用いてもよい。また、さらに他の組成を有する原料ガスを用いても同様の効果が得られる。
【０１１８】
基板上にエピタキシャル成長させる化合物半導体はＳｉＣに限定されない。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等の他のワイドバンドギャップ半導体を成長させてもよい。なお、ＳｉＣ以外の化合物半導体を成長させる場合には、原料ガスとして、形成しようとする化合物半導体を構成する元素を含むガスを適宜使用すればよい。また、化合物半導体エピタキシャル層を形成させる基板６は、化合物半導体を含む化合物半導体基板であってもよいし、Ｓｉ基板などの他の半導体基板であってもよい。
【０１１９】
本開示による実施形態のエピ基板の製造方法は、上述した第１および第２の実施形態で説明した方法に限定されない。例えば、キャリアガスの加熱をＣＶＤ装置の外部で行っても構わない。また、エピ基板の製造に使用する装置も、ＣＶＤ装置１００、１０１、１０２に限定されず、上記方法を実施し得る装置を適宜使用できる。
【０１２０】
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。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示の一態様に係るＣＶＤ装置は、化合物半導体のエピタキシャル層の形成に広く適用できる。特に、炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体のエピタキシャル成長に好適に利用され得る。従って、ワイドバンドギャップ半導体のエピタキシャル層を有する基板または素子の製造に使用され得る。また、本開示の一態様に係る化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、特に、炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体のエピタキシャル基板の製造に好適に利用され得る。
【符号の説明】
【０１２２】
１００、１０１、１０２、２００  ＣＶＤ装置
２    反応室
３    第１のサセプタ（サセプタ）
４    第１の誘導コイル（誘導コイル）
５    基板ホルダ
６    基板
７    キャリアガス
８    第１の原料ガス
９    第２の原料ガス
１０  ドーパントガス
１１  キャリアガス純化器
１２  ガス混合制御系
１３  真空ポンプ
１４  ガス除外装置
２１  キャリアガス加熱室
２２  第２のサセプタ
２３  第２の誘導コイル
２４  ガス混合室
２５ａ  第１の他の原料ガス導入口
２５ｎ  第ｎの他の原料ガス導入口
２７ａ  第１の他のガス混合制御系
２７ｎ  第ｎの他のガス混合制御系
３０  キャリアガス導入口
４０  原料ガス導入口
５０  混合ガス導入口
６０  排気口
７０  ドーパントガス導入口
【図１】
2016154223.tif 000003
【図２】
2016154223.tif 000004
【図３】
2016154223.tif 000005
【図４】
2016154223.tif 000006
【図５】
2016154223.tif 000007
【図６】
2016154223.tif 000008
【図７】
2016154223.tif 000009
【図８】
2016154223.tif 000010
【図９】
2016154223.tif 000011
【図１０】
2016154223.tif 000012
【図１１】
2016154223.tif 000013
【図１２】
2016154223.tif 000014
【図１３】
2016154223.tif 000015