シリコンエピタキシャル成⻑で発⾒し学んだ製造技術
株式会社フィルテック

古村雄⼆

Production Technology Found and Learned through Silicon Epitaxy
Philtech Inc.

Yuji Furumura

E-mail：furumurayu2@philtech.co.jp
Key words: Silicon Carbide Heteroepitaxy , Off-axial Substrate , オフ基板,
Off-angle Substrate, Step-controlled, Super Steam Cleaning概要
富⼠通株式会社に 1979 年に⼊社して 2001 年に退職するまで、半導体のプロセス開発に従事した。1980 年代はバイポーラトランジスタの性能がコンピューターの CPU の⾼速性能を⽀配する時代であった。その性能を決めるのがシリコンのエピタキシャル膜成⻑技術であったので、製造装置の開発がデバイスメーカーの中で⾏われる時代だった。チップ歩留まりはエピタキシャル膜の⽋陥に依存し、⽋陥は基板結晶と表⾯状態を敏感に表現した。当時、基板結晶の問題を抱えていたので、⾼歩留まりで製造するためには、結晶⾃⾝の⽋陥低減や基板表⾯技術、エピタキシャル量産装置の開発が必要だった。開発の過程で基板Cleaning に使う洗浄⽔中のバクテリアが⽋陥原因であるのを発⾒した。この発⾒と問題対策が<１１１>傾斜軸のシリコン基板(オフ基板)上のシリコンカーバイド膜の結晶成⻑技術につながった。バクテリア汚染と Cleaning で学んだ製造技術のエピソードを紹介する。

１．

エピタキシャル膜の⽋陥原因の思いがけない発⾒⾼速 CPU の実現のために、キャリアーのコレクタ層⾛⾏時間を短かくすることが設計上の要求だった。⾼濃度 As 埋め込みコレクタ埋没層が形成された基板上にシリコンエピタキシャル膜を１µm 程度の薄さで成⻑させたとき、As のオートドーピングがあり、実効的なコレクタ層が薄くなり耐圧性能不⾜の問題があった。解決のために常圧から低圧成⻑に、また⾼温から低温成⻑に成⻑条件を変えた製造装置を社内で開発していた。しかし、低圧にするほど、低温にするほど、エピタキシャル成⻑層の⽋陥が桁違いに増えた。
⽋陥原因の発⾒と対策に数年の試⾏錯誤があった。開発装置はバッチ処理装置であったので、⼀バッチ成⻑で１６枚の４インチ基板を使⽤、１⽇数バッチの実験と測定を⾏うと、⼯夫しても使⽤する基板の枚数が膨⼤だった。膨⼤さのために基板の作製と洗浄も⼯場の数種類の装置を使⽤した。この数種類の洗浄装置の存在が、⽋陥原因の発⾒につながった。
洗浄の⽔に含まれるバクテリアの濃度に装置差があり、⽋陥密度は洗浄装置依存であることを発⾒した。バクテリア除去能⼒の⾼いウルトラフィルターを備えた洗浄装置が⽋陥濃度を桁違いに低くさせた。課題は、洗浄装置に依存することなく、どんなにバクテリア汚染された基板でも仕様を満たす⽋陥数のシリコンエピタキシャル膜製造の量産装置を開発することに移った。

２．

バクテリアとエピタキシャル⽋陥

洗浄後の基板表⾯には汚染物質としてバクテリアがあった。成⻑のプログラムを開始す
ると最初に⽔素中の基板加熱⼯程がある。この⼯程の室温から８００℃に⾄る時間の中でバクテリア死骸が基板表⾯から除去される。常圧の装置では⽔素と⽔分の分圧が⾼い。⾼温のチャンバーの中では過熱⽔蒸気（Super Steam）が発⽣し過熱⽔蒸気はバクテリアを気化させる。⾼い分圧の⽔素もバクテリアを気化して基板表⾯を清浄にする（基板 Cleaning）。
従来から製造に使⽤していた常圧の装置は古い装置ではあったが、バクテリアの除去という意味では⾃然に基板 Cleaning 効果の⾼い装置であった。このことに気が付いたのは、低圧・低温の⾼気密の成⻑装置のエピタキシャル膜の⽋陥が増える問題に直⾯したからであった。
バクテリア汚染の基板を⽤いて低温低圧装置でエピタキシャル成⻑させると⽋陥密度が増えたのは⽔素の流量が少なく常圧装置よりも⽔素分圧が低いことに原因があると推定した。温度を上昇させる前に、チャンバー内の⼤気を排気して、⽔素パージできたので⽔分がないことも原因と推定した。⽔分のない⽔素の流れの中で、基板加熱の⼯程を開始したので過熱⽔蒸気の発⽣がなかった。過熱⽔蒸気の発⽣がなく、かつ、相対的に⽔素分圧が低い条件で温度上昇させると表⾯の汚染物質は⼗分に気化できない。気化しなかったバクテリア死骸を構成するカーボンはシリコン基板表⾯を⾼温で局所炭化してシリコンカーバイド（SiC）を作る。この異物 SiC は Si エピタキシャルでは膜⽋陥の出発点になる。汚染された基板でも、異物 SiC を作らせない対策が汚染に強い量産装置の開発課題だった。先ず、⽔素分圧を⾼くする対策を⾏った。⾼速で⼤流量⽔素を流せるようにポンプ排気容量を増加させた。次の対策は⽔の導⼊による過熱⽔蒸気の発⽣だった。しかし、⽔の導⼊は、当時は、適当なクリーン部品が無くできなかった。ただ、過熱⽔蒸気のバクテリア除去効果を確かめる実験は必要だった。そのため、⽔素を流しながら、同時に酸素を導⼊して強制的に過熱⽔蒸気を発⽣させる⽅法を⽤いた。エピタキシャル⽋陥の密度は導⼊した酸素流量に応じて１/100 以下まで減少した。流量の関係でそれ以上は危険であったのでやめた。また事故の可能性を製造現場に持ち込めないので、酸素導⼊の技術は製造技術としては採⽤しなかった。現実的な対応としては⽔素流量を増加させる、バクテリア汚染をさせない洗浄装置を指定して使⽤する、という製造現場の設備の範囲で可能な対応策を取った。もし、設備の改良や追加が許されるなら、基板表⾯を過熱⽔蒸気で Cleaning するのが直接的な製造技術になる。今では、気体として過熱⽔蒸気を定量的に導⼊する部品があるので、安全に対策することは簡単にできる。

３．バクテリア汚染と Off-axial Substrate Silicon Carbide Heteroepitaxy
エピタキシャル膜⽋陥の発⽣原因の発⾒により、どのくらいのバクテリア汚染で⽋陥が発⽣するのかを調べることに興味がわいた。バクテリアと違うがプロパンガス C3H８をシリコンエピタキシャル膜成⻑の前に導⼊してシリコン基板表⾯を炭素で局所汚染(炭化)させ異物 SiC を⽣成させることを試みた。その上にシリコンエピタキシャル膜を成⻑させて、⽋陥の数を数えて汚染を定量しようと試みた。エピタキシャル装置は 1０，０００（ｌ／分）の排気ポンプを備え、⽔素キャリアーを７ＳＬＭの流量で導⼊し２００Ｐａの圧⼒に制御できる低圧エピタキシャル社内製量産装置であった。基板を両⾯にセットした SiC 被覆の円盤状の炭素サセプタを８ＫＨｚ誘導加熱で１０００℃に加熱した。サセプタは⽯英管の軸に沿って 16 枚並べてセットし、バッチ成⻑させた。
基板としては＜２１１＞⽅向に 4 度傾けた（１１１）シリコンオフ基板（off-axial substrate）を⽤いた。この off-axial substrate を⽤いる⽬的は、１）平滑な表⾯のエピタキシャル膜を得るため、２）埋没コレクタ層パタンのへこみが平滑になり消失するのを防ぐため、３）パタンがエピタキシャル膜の成⻑とともに横⽅向にシフトするのを防ぐため、であった。このオフ基板の技術は当時の⼯場ノウハウだった。後に表れるステップ制御(Step-controlled )という⽤語や、傾斜させない（１１１）正基板(normal-, just-substrate)は⼯場に無かった。
シリコンの原料ガスとしてはトリクロロシラン SiHCl3 を⽤いていた。先ず、C3H8 を⽔素キャリアーとともに導⼊して、カーボンで表⾯を制御して炭化し汚染させることを試みた。
この試験で、C3H8 が⼀⽅的にガス相から分解してシリコン基板の上にカーボン膜が成⻑することは起きないことを確認した。表⾯は炭化されていた。この炭化された基板を⽤いて、SiHCl3 と⽔素キャリアーを導⼊して装置の標準条件のシリコン膜成⻑を試みた。この試験でシリコン膜成⻑が起きないことを確認した。表⾯が炭化されＳｉＣ層が形成されているＳｉ基板上には、カーボン膜の単独成⻑もシリコン膜の単独成⻑も起きなかった。
しかし、SiHCl3 と C3H8 の原料ガスを⽔素キャリアーとともに同時に導⼊すると鏡⾯ SiC膜が連続して成⻑した。原料ガスの流量⽐を⼀定範囲で変化させてもストイキオメトリーと鏡⾯が維持された。即ち、SiＣ膜以外のカーボン単体やシリコン単体の成⻑が起きない。
このことが、安定にＳiC 膜を成⻑させるのに作⽤した。この研究は 1985 年に特許出願１)
し、1986 年に電⼦通信学会誌Ｃ２)に投稿した(1987 年にその英語翻訳版 3）が公開された) 。
また時間が経過していたが考察を補強して研究を英語で伝えるため 1988 年に Journal ofElectrochemicalSociety4）に報告した。参考のため以下にデータの⼀部を転載しておく。全体の内容は、各参考⽂献を参照してもらいたい。
参考⽂献
１) ⼟岐雅彦、三重野⽂健、古村雄⼆、「β-SiC のエピタキシャル成⻑⽅法」 特許出願⽇1985 年 12 ⽉ 27 ⽇、特願昭 60(1985)-298071、特公昭 62-1555125。

２) Y. Furumura, M. Doki, F. Mieno, and M. Maeda: “Characteristicsof β-SiC Films

Grown from a SiHCl3-C3H8-H2 System”, Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi , Vol.69-C,
No.6; pp.705~714 (1986).
３) Y. Furumura, M. Doki, F. Mieno, and M. Maeda: “Characteristics
Grown from a SiHCl3-C3H8-H2 System”,of β-SiC Films

Electronics and Communications in Japan

Part2 Vol.70, No.5 (1987).
４) Y. Furumura, M. Doki, F. Mieno, T. Eshita, T. Suzuki, and M. Maeda: “Heteroepitaxial
β-SiC on Si ”, Journal of the Electrochemical Society, Vol.135, No.5, 1255 (1988）.

図１β-SiC／Ｓｉヘテロエピタキシャル
膜成⻑に⽤いた傾斜シリコン基板⾯⽅位（特願昭 60(1985)-298071 の図１の転載）。＜211＞⽅向に 4 度傾けた傾斜(111)
基板（Off-angle substrate）を使⽤した。

図２Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi ,Vol.69C,No.6;pp.705~714(1986) ；Communications

Electronics andin Japan Part2

Vol.70,No.5(1987)の Fig.11(b)の転載。 β-SiC の(111)回折ピークのみ観測した。

図 ３ Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi,
Vol.69-C,No.6;pp.705~714(1986);
Electronics and Communications in Japan

図 ４ Journal of the Electrochemical

Part2 Vol.70, No.5 (1987)の Fig.13 の転載。

Society, Vol.135, No.5, 1255(1988) のRHEED ストリークパターンが SiC 膜表⾯のFig.8 の転載。
Si の<111>軸⽅向に SiC 層平滑さを⽰す。

が接続された界⾯の断⾯ TEM 格⼦像。