特許 6444641 成膜装置、サセプタ、及び成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6444641

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】成膜装置、サセプタ、及び成膜方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20181217BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20181217BHJP

   C23C 16/44 20060101ALI20181217BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   C23C16/42

   C23C16/44 J

   H01L21/68 N

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-150763(P2014-150763)

(22)【出願日】2014年7月24日

(65)【公開番号】特開2016-25309(P2016-25309A)

(43)【公開日】2016年2月8日

【審査請求日】2017年2月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】504162958

【氏名又は名称】株式会社ニューフレアテクノロジー

(73)【特許権者】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(72)【発明者】

【氏名】伊 藤 英 樹

(72)【発明者】

【氏名】土 田 秀 一

(72)【発明者】

【氏名】鎌 田 功 穂

(72)【発明者】

【氏名】伊 藤 雅 彦

(72)【発明者】

【氏名】内 藤 正 美

(72)【発明者】

【氏名】藤 林 裕 明

(72)【発明者】

【氏名】鈴 木 克 己

(72)【発明者】

【氏名】西 川 恒 一

【審査官】 桑原 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０８６２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０４−０１０３３３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−０６０１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１１４８５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１６４１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０７００６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／６８３

Ｃ２３Ｃ １６／４２

Ｃ２３Ｃ １６／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上にＳｉＣの成膜を行う成膜室と、
前記基板が載置されるサセプタユニットと、
前記サセプタユニットを回転させる回転部と、
前記基板を１４００℃以上に加熱するヒータと、
前記成膜室にＳｉＣソースガスを含むプロセスガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記サセプタユニットは、
前記基板を保持するサセプタと、
前記サセプタの少なくとも上部および外周部に設けられ、前記サセプタと異なる材料であり、少なくとも表面がＳｉＣから構成されるカバー部材と、
前記サセプタと前記カバー部材の間に設けられ、前記カバー部材と表面が異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から構成されるリング状のプレートと、
を有することを特徴とする成膜装置。

【請求項2】

前記カバー部材および前記プレートは前記サセプタより着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。

【請求項3】

前記カバー部材は、前記基板が保持される領域から離間して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。

【請求項4】

前記サセプタは、ＴａＣ、又はＴａＣを被覆したカーボンからなり、
前記カバー部材は、ＳｉＣ、又はＳｉＣを被覆したカーボン、からなり、
前記プレートは、少なくとも表面がグラファイト材、カーボン繊維素材又はＴａＣであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜装置。

【請求項5】

前記基板を前記サセプタユニットから取り外す交換室を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の成膜装置。

【請求項6】

基板上にＳｉＣの成膜を行う成膜室に設けられ、前記基板が載置されるサセプタユニットであって、
前記基板を保持するサセプタと、
前記サセプタの少なくとも上部および外周部に設けられ、前記サセプタと異なる材料であり、少なくとも表面がＳｉＣから構成されるカバー部材と、
前記サセプタと前記カバー部材の間に設けられ、前記カバー部材と表面が異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から構成されるリング状のプレートと、
を有することを特徴とするサセプタユニット。

【請求項7】

ＳｉＣ基板を成膜室内に搬入し、
サセプタの少なくとも上部および外周部に、サセプタと異なる材料であり、少なくとも表面がＳｉＣで構成されるカバー部材が配置され、カバー部材と異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から形成されるリング状のプレートが前記サセプタとカバー部材の間に配置されたサセプタユニットにＳｉＣ基板を載置し、
前記ＳｉＣ基板を１４００℃以上に加熱し、
前記成膜室内に、ＳｉＣソースガスを含むプロセスガスを供給して、前記ＳｉＣ基板上へＳｉＣの成膜を行い、前記ＳｉＣ基板上への成膜後、ＳｉＣ基板及びサセプタユニットの少なくとも一部を前記成膜室外に搬出することを特徴とする成膜方法。

【請求項8】

前記成膜室外において、前記プレート及び前記カバー部材を交換することを特徴とする請求項７に記載の成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、成膜装置、サセプタ、及び成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造工程では、ウェーハ等の基板に単結晶薄膜を気相成長させて成膜するエピタキシャル成長技術が利用される。

【0003】

エピタキシャル成長技術に使用される成膜装置では、常圧または減圧に保持された成膜室の内部に、例えば、ウェーハを載置する。そして、このウェーハを加熱しながら成膜室内に、成膜のための原料となるガス（以下、単に原料ガスとも言う。）を供給する。すると、ウェーハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウェーハ上にエピタキシャル膜が成膜される。

【0004】

膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェーハの表面に新たな原料ガスを次々に接触させて、気相成長の速度を向上させる必要がある。そこで、ウェーハを回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている。

【0005】

従来のＳｉＣエピタキシャル装置では、ウェーハ上だけでなく、ウェーハを保持するサセプタの表面にもＳｉＣ膜が堆積していた。そこで、サセプタ上にカバーを載せサセプタを保護する構造が用いられた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−２６２９６７号公報

【特許文献2】特開平６−５３１３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

サセプタにＳｉＣを用いると、１４００℃以上の高温下においては、サセプタ上にウェーハが載った箇所ではウェーハとの温度差によりサセプタのＳｉＣが昇華し、ウェーハ裏面に付着するなどの問題が生じる。そこで、サセプタにＳｉＣ以外の材料を用いると、サセプタ上に堆積したＳｉＣが剥がれやすくなりパーティクル源となる。

【0008】

そのため、上述のように、サセプタ上にＳｉＣ材のカバーを設けると、今度はカバーのＳｉＣが昇華してサセプタに付着してしまう。本発明は、サセプタへのＳｉＣの付着を抑制することが可能な成膜装置、サセプタユニット、及び成膜方法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】

【0009】

本発明の一態様による成膜装置は、基板上にＳｉＣの成膜を行う成膜室と、ＳｉＣ基板が載置されるサセプタユニットと、サセプタを回転させる回転部と、基板を１４００℃以上に加熱するヒータと、成膜室にＳｉＣソースガスを含むプロセスガスを供給するガス供給部と、を備える。サセプタユニットは、前記基板を保持するサセプタと、前記サセプタの少なくとも上部および外周面に設けられ、サセプタと異なる材料で構成され少なくとも表面がＳｉＣであるカバー部材と、サセプタとカバー部材の間に設けられ、カバー部材と表面が異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から構成されるリング状のプレートと、を有することを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様によるサセプタユニットは、基板上にＳｉＣの成膜を行う成膜室に設けられ、基板が載置されると、基板を保持するサセプタと、の前記サセプタの上部及び外周部に設けられ、サセプタと異なる材料で構成され、少なくとも表面がＳｉＣであるカバー部材と、前記サセプタと前記カバー部材の間に設けられ、カバー部材と表面が異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から構成されるリング状のプレートと、を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様による成膜方法は、ＳｉＣ基板を成膜室内に搬入し、サセプタの少なくとも上部および外周部に、サセプタと異なる材料であり、少なくとも表面がＳｉＣで構成されるカバー部材が配置され、カバー部材と異なる材料でかつ１４００℃以上のＳｉＣプロセス温度で昇華しない材料から形成されるリング状のプレートが前記サセプタとカバー部材の間に配置されたサセプタユニットにＳｉＣ基板を載置し、ＳｉＣ基板を１４００℃以上に加熱し、成膜室内に、ＳｉＣソースガスを含むプロセスガスを供給して、前記ＳｉＣ基板上へＳｉＣの成膜を行い、前記ＳｉＣ基板上への成膜後、ＳｉＣ基板及びサセプタユニットの少なくとも一部を前記成膜室外に搬出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の一態様によれば、サセプタへのＳｉＣの付着を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態による成膜装置の概略構成図。

【図2】本発明の実施形態によるサセプタの概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0015】

図１は、本発明の実施形態による成膜装置の概略構成図である。成膜処理の対象である試料として、ＳｉＣからなる基板１０１が用いられる。図１では、サセプタ１７０に基板１０１を載置した状態を示している。そして、サセプタ１７０上に載置された基板１０１上に、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成するための原料となる複数種類のガス（プロセスガス）を供給し、基板１０１上で気相成長反応させて成膜を行う。

【0016】

成膜装置１００は、基板１０１上で気相成長をさせてＳｉＣエピタキシャル膜の成膜を行う成膜室として、チャンバ１０３を有する。チャンバ１０３の内部において、サセプタユニット１７０が、回転部１０４の上方に設けられている。

【0017】

図２に示すように、サセプタユニット１７０は、開口部を有して構成されたリング状の形状を有する外周サセプタ１７１と、外周サセプタ１７１の内側に開口部を塞ぐように設けられた内部サセプタ１７２と、外周サセプタ１７１の内周に沿って内部サセプタ１７２上に設けられ、基板を保持する保持部１７３と、から構成されるサセプタと、外周サセプタ１７１と保持部１７３の一部上に設けられたリング形状のプレート１７４と、プレート１７４上に設けられ、プレート１７４の上面、外周面、及び外周サセプタ１７１の外周面を覆い、表面の少なくとも一部がＳｉＣから構成されるカバー部材１７５とを備える。すなわち、サセプタとカバー部材の間にプレートが設けられる構造となっている。ここで、プレート１７４は複数枚であってもよい。

【0018】

保持部１７３の内周側には座ぐりが設けられ、この座ぐり内に基板１０１の外周部を受け入れて支持する構造を有する。

【0019】

保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５は、外周サセプタ１７１及び内部サセプタ１７２から着脱自在となっている。

【0020】

外周サセプタ１７１、内部サセプタ１７２、及び保持部１７３は、ＴａＣ、又は表面にＴａＣを被覆したカーボンなど、少なくとも表面がＳｉＣ以外の材料を用いて構成される。プレート１７４は、１４００〜１７００℃のプロセス温度で昇華しない材料であり、例えばグラファイト材、カーボン繊維素材、ＴａＣなど少なくとも表面がＳｉＣ以外の材料を用いて構成される。また、カバー部材１７５は少なくとも表面がＳｉＣで形成されている材料であり、例えばＳｉＣ、又は表面にＳｉＣを被覆したカーボンを用いて構成される。

【0021】

なお、サセプタ１７０の構造は、図２に示すものに限定されない。例えば、内部サセプタ１７２を省略した構成としてもよい。

【0022】

図１に示すように、回転部１０４は、円筒部１０４ａと回転軸１０４ｂを有している。回転部１０４では、円筒部１０４ａの上部でサセプタ１７０を支持している。そして、回転軸１０４ｂが図示しないモータによって回転することにより、円筒部１０４ａを介してサセプタ１７０が回転する。こうして、サセプタ１７０の上に基板１０１が載置された場合、その基板１０１を回転させることができる。

【0023】

図１において、円筒部１０４ａは、上部が開口する構造を有し、上部が開放された構造である。円筒部１０４ａ内には、ヒータ（主ヒータ）１２０が設けられている。ヒータ１２０には抵抗加熱ヒータを用いることが可能であり、例えば所定の抵抗値を持つカーボン（Ｃ）材で構成される。ヒータ１２０は、回転軸１０４ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト１０８の内部を通る配線（図示せず）によって給電され、基板１０１をその裏面から加熱する。

【0024】

また、円筒部１０４ａ内には、ヒータ１２０による加熱を効率的に行うために、ヒータ１２０の下方にリフレクタ１１０が設けられている。リフレクタ１１０は、カーボン、ＳｉＣ、又はＳｉＣを被覆したカーボンなどの耐熱性の高い材料を用いて構成される。また、リフレクタ１１０の下方には断熱材１１１が設けられており、ヒータ１２０からの熱がシャフト１０８等に伝わることを防止することができ、加熱時のヒータ電力を抑制することもできる。

【0025】

シャフト１０８の内部には、基板昇降手段として昇降ピン（図示せず）が配置されている。昇降ピンの下端は、シャフト１０８の下部に設けられた図示されない昇降装置まで伸びている。そして、その昇降装置を動作させて昇降ピンを上昇または下降させることができる。この昇降ピンは、基板１０１を保持する保持部１７３を、プレート１７４及びカバー部材１７５とともに、チャンバ１０３内へ搬入する時、及びチャンバ１０３外へ搬出する時に使用される。昇降ピンは保持部１７３を下方から支持し、持ち上げて外周サセプタ１７１及び内部サセプタ１７２から引き離す。そして、搬送用ロボット（図示されない）との間で、基板１０１を保持する保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５の受け渡しができるように、昇降ピンは、保持部１７３を回転部１０４上の外周サセプタ１７１及び内部サセプタ１７２から離れた上方の所定の位置に配置するように動作する。

【0026】

チャンバ１０３の下部には、ガスを排気するためのガス排気部１２５が設けられている。ガス排気部１２５は、調整バルブ１２６および真空ポンプ１２７からなる排気機構１２８に接続している。排気機構１２８は、図示しない制御機構により制御されてチャンバ１０３内を所定の圧力に調整する。

【0027】

また、チャンバ１０３内には、成膜処理が行われる成膜領域と、チャンバ１０３の側壁（内壁）１０３ａとを仕切る円筒型のライナ１３０が設けられている。ライナ１３０は、カーボン又はＳｉＣを被覆したカーボンなどの耐熱性の高い材料を用いて構成される。

【0028】

ライナ１３０と側壁１０３ａとの間には、基板１０１を上方から加熱する補助ヒータ１３１が設けられている。補助ヒータ１３１は例えば抵抗加熱型のヒータである。また、補助ヒータ１３１と側壁１０３ａとの間には断熱材１３２が設けられており、補助ヒータ１３１からの熱がチャンバ１０３に伝わることを防止する。このことにより、加熱時のヒータ電力を抑制することができる。

【0029】

成膜装置１００のチャンバ１０３の上部には、熱効率を上げるために、ヒータ１２０や補助ヒータ１３１からの輻射を反射するリフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２が設けられている。リフレクタユニットＲＵ２はリフレクタユニットＲＵ１の下方に設けられている。

【0030】

リフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２は、カーボン、ＳｉＣ、又はＳｉＣを被覆したカーボンを用いた薄板により構成されている。リフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２は１枚の薄板で構成してもよいし、複数枚の薄板を積層してもよい。

【0031】

図１に示すように、成膜装置１００のチャンバ１０３の上部には、ガス供給部１６０が設けられている。ガス供給部１６０は、ガス流路（ガスパイプ）１６１〜１６３を介して、成膜領域にパージガス、ＳｉＣソースガス、ドーピングガス等のプロセスガスを供給する。例えば、ガス流路１６１を介して成膜領域１０３ｂにパージガスとしてのアルゴンガス又は水素ガスが供給される。また、ガス流路１６２、１６３を介して、成膜領域１０３ｂにＳｉＣソースガスとしてシランガスやプロパンガスが供給される。また、図示しないガス流路を介して、ドーピングガスとして窒素ガスが供給される。図１では、各ガスに対して１本のガス流路が設けられているが、複数のガス流路を設けてもよい。

【0032】

なお、チャンバ１０３の上部に放射温度計を設け、基板１０１の温度を測定できるようにしてもよい。この場合、チャンバ１０３の一部に石英ガラス窓を設け、石英ガラス窓を介して放射温度計で基板１０１の温度を測定する。

【0033】

次に、本実施形態による成膜方法について説明する。

【0034】

まず、チャンバ１０３内に、基板１０１とこれを保持する保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５を搬入し、外周サセプタ１７１及び内部サセプタ１７２上に載置する。このとき、カバー部材１７５は、外周サセプタ１７１の外周面を覆う。

【0035】

次に、ヒータ１２０及び補助ヒータ１３１を用いて基板１０１を１５０℃／分程度のレートで、１５００℃以上になるまで加熱する。そして、回転部１０４により基板１０１を回転させながら、ガス供給部１６０からＳｉＣソースガス及びドーピングガスを供給する。これにより、基板１０１上にＳｉＣエピタキシャル膜が形成される。このとき、基板１０１上だけでなく、カバー部材１７５の表面にもＳｉＣ膜が形成される。しかし、外周サセプタ１７１の外周面はカバー部材１７５に覆われているため、外周サセプタ１７１の外周面へのＳｉＣの付着を防止できる。

【0036】

また、外周サセプタ１７１及び保持部１７３の上面とカバー部材１７５との間にはプレート１７４が設けられている。そのため、カバー部材１７５に形成されたＳｉＣが昇華して外周サセプタ１７１、保持部１７３にＳｉＣが付着することを防止できる。

【0037】

外周サセプタ１７１にＳｉＣが付着した場合、熱膨張率の違いにより外周サセプタ１７１は変形し得る。しかし、本実施形態では、カバー部材１７５及びプレート１７４により外周サセプタ１７１へのＳｉＣの付着が防止され、外周サセプタ１７１が変形することを防止できる。そのため、基板１０１を高速回転することができ、基板１０１上に均一なＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができる。

【0038】

また、図２に示すように、基板１０１とカバー部材１７５との間には、ＴａＣ、又は表面にＴａＣを被覆したカーボンを用いて構成される保持部１７３が介在している。すなわち、カバー部材１７５は、保持部１７３を介して、保持部１７３の基板保持領域から離間して設けられている。そのため、カバー部材１７５に形成されたＳｉＣが昇華して基板１０１に付着することを防止でき、基板１０１上に均一なＳｉＣエピタキシャル膜を形成することができる。

【0039】

次に、基板１０１上にＳｉＣエピタキシャル膜を形成した後、チャンバ１０３内を降温し、パージガスを供給する。そして、保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５とともに基板１０１をチャンバ１０３から搬出する。

【0040】

このとき、チャンバ１０３から搬出された基板１０１を、保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５とともに、チャンバ１０３の外部に設けられた交換室に搬送し、前記基板１０１を取り外してもよい。

【0041】

カバー部材１７５は、ＳｉＣ、又は表面にＳｉＣを被覆したカーボンを用いて構成されているため、他の材料で構成されている場合と比較して、表面に形成されているＳｉＣ膜が剥がれにくく、チャンバ１０３からの搬出の際にＳｉＣ膜が剥がれてパーティクル源になることを防止できる。

【0042】

チャンバ１０３の外部において、保持部１７３から基板１０１が取り外される。カバー部材１７５やプレート１７４へのＳｉＣの付着量が多い場合は、新品の（又は洗浄した）カバー部材１７５、プレート１７４に交換する。カバー部材１７５やプレート１７４の交換をチャンバ１０３の外部で行うことで、付着したＳｉＣ膜が剥がれたとしても容易に対処することができ、チャンバ１０３内でのパーティクル源になることを防止できる。

【0043】

そして、保持部１７３に新たな基板１０１を取り付け、保持部１７３、プレート１７４、及びカバー部材１７５とともに基板１０１をチャンバ１０３内に搬入する。

【0044】

このように、本実施形態によれば、カバー部材１７５を設けることでサセプタ（外周サセプタ１７１）にＳｉＣが付着することを防止できる。また、カバー部材１７５と外周サセプタ１７１との間にプレート１７４を設けることで、カバー部材１７５から昇華したＳｉＣが外周サセプタ１７１に付着することを防止できる。そのため、熱膨張率の違いから生じるサセプタの変形を防止し、基板を高速回転させ、基板上に均一なＳｉＣ膜を形成することができる。

【0045】

また、プレート１７４及びカバー部材１７５を基板１０１とともにチャンバ１０３から搬出し、チャンバ１０３の外部でプレート１７４及びカバー部材１７５を交換することで、剥がれたＳｉＣがパーティクル源となることを防止できる。

【0046】

ＳｉＣエピタキシャル成長では、窒素がドーパントガスになるため、上記実施形態におけるプレート１７４の窒素不純物濃度は低いことが好ましく、例えば、１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

【0047】

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0048】

１００ 成膜装置
１０１ 基板
１０３ チャンバ
１２０ 主ヒータ
１６０ ガス供給部
１７０ サセプタ
１７１ 外周サセプタ
１７２ 内部サセプタ
１７３ 保持部
１７４ プレート
１７５ カバー部材

【図1】

【図2】