(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】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(54)【発明の名称】化学的気相成長装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/205 20060101AFI20240116BHJP
C23C 16/458 20060101ALI20240116BHJP
【FI】
H01L21/205
C23C16/458
(21)【出願番号】P 2019155927
(22)【出願日】2019-08-28
【審査請求日】2022-06-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】株式会社レゾナック
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100137017
【氏名又は名称】眞島 竜一郎
(72)【発明者】
【氏名】堅田 真守
(72)【発明者】
【氏名】石橋 直人
【審査官】船越 亮
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-076652(JP,A)
【文献】特開2018-037537(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2017/0175265(US,A1)
【文献】特開2018-107289(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/205
H01L 21/31
H01L 21/365
H01L 21/469
H01L 21/67-21/683
H01L 21/86
C23C 16/00-16/56
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学的気相成長法によって、ウェハ上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる化学的気相成長装置であって、
上面に前記ウェハが載置される突起を有し、平面視円形で開口部のない板状であるサセプタと、
前記サセプタ上に設置されたカバー部材とを有し、
前記カバー部材には、前記突起に載置された前記ウェハが収容される開口部が設けられ、前記開口部の内壁面が前記突起と離間しており、前記内壁面は、前記ウェハの側面と等間隔で対向配置される平面視円形のウェハ対向面と、前記突起の側面との対向面を含む平面視円形の突起対向面と
、前記サセプタの上面と等間隔で対向配置されるサセプタ対向面とを有し、前記ウェハ対向面の半径が、前記突起対向面の半径未満の寸法であることを特徴とする化学的気相成長装置。
【請求項2】
前記突起対向面の半径が、前記サセプタの上面に近い位置に向かって徐々に長くなっていることを特徴とする請求項1に記載の化学的気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、化学的気相成長装置に関する。
【背景技術】
【0002】
炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界が1桁大きく、バンドギャップが3倍大きく、熱伝導率が3倍程度高いなどの特性を有する。炭化珪素は、これらの特性を有することから、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイスなどの半導体デバイスへの応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにSiCエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。
【0003】
SiCエピタキシャルウェハは、SiC単結晶ウェハ上に、半導体デバイスの活性領域となるSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる方法によって製造されている。SiC単結晶ウェハは、昇華法などで作製したSiCバルク単結晶から加工して得られる。SiC単結晶エピタキシャル膜は、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)装置を用いて形成される。
【0004】
SiC単結晶エピタキシャル膜の成膜に用いられるCVD装置として、回転軸を中心に回転するサセプタを備える装置がある。このような装置では、ウェハの載置されたサセプタを加熱し、上方からウェハ表面に反応ガスを供給して成膜を行う。サセプタ上に載置されたウェハが回転することにより、ウェハの面内方向における反応ガスの供給状態が均一化されるため、均一なSiC単結晶エピタキシャル膜が成長する。
【0005】
SiC単結晶エピタキシャル膜の成膜に用いられるCVD装置として、例えば、特許文献1には、サセプタとカバー部材とリング状のプレートとを有するサセプタユニットを備える成膜装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、従来のSiC単結晶エピタキシャル膜の成膜装置では、特性の均一なSiC単結晶エピタキシャル膜を成膜するために、成膜時におけるウェハの温度分布をより均一にすることが要求されている。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、成膜時のウェハの温度分布が均一となる化学的気相成長装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討した。その結果、ウェハが載置されるサセプタ上の突起を介して、成膜時のウェハからカバー部材に熱が移動することにより、ウェハの温度分布にバラツキが生じることが分かった。そして、ウェハが載置されるサセプタ上の突起とカバー部材とを離間させて配置することにより、成膜時のウェハの温度差を小さくできることを見出し、本発明を想到した。
【0009】
(1)化学的気相成長法によって、ウェハ上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる化学的気相成長装置であって、
上面に前記ウェハが載置される突起を有するサセプタと、
前記サセプタ上に設置されたカバー部材とを有し、
前記カバー部材には、前記突起に載置された前記ウェハが収容される開口部が設けられ、前記開口部の内壁面が前記突起と離間していることを特徴とする化学的気相成長装置。
【0010】
(2)前記内壁面は、前記ウェハの側面と等間隔で対向配置される平面視円形のウェハ対向面と、前記突起の側面との対向面を含む平面視円形の突起対向面とを有し、
前記ウェハ対向面の半径が、前記突起対向面の半径未満の寸法であることを特徴とする(1)に記載の化学的気相成長装置。
【0011】
(3)前記突起対向面の半径が、前記サセプタの上面に近い位置に向かって徐々に長くなっていることを特徴とする(1)または(2)に記載の化学的気相成長装置。
(4)前記内壁面が、前記サセプタの上面と等間隔で対向配置されるサセプタ対向面を有することを特徴とする(1)~(3)のいずれかに記載の化学的気相成長装置。
【発明の効果】
【0012】
本発明の化学的気相成長装置は、カバー部材に設けられた開口部の内壁面が、サセプタの有するウェハが載置される突起と離間している。このため、本発明の化学的気相成長装置では、ウェハが載置されるサセプタ上の突起を介して、成膜時のウェハからカバー部材に熱が移動することがなく、成膜時のウェハの温度差を小さくできる。したがって、本発明の化学的気相成長装置を用いて、化学的気相成長法によってウェハ上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させることにより、特性の均一なSiC単結晶エピタキシャル膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】
図1は、本実施形態の化学的気相成長装置の概略を模式的に示した断面図である。
【
図2】
図2は、
図1に示す化学的気相成長装置の有するサセプタとカバー部材とを模式的に示した断面図である。
図2(A)は、ウェハがサセプタに載置された状態におけるサセプタとカバー部材とを示した断面模式図である。
図2(B)は、
図2(A)の一部を拡大して示した拡大断面模式図である。
【
図3】
図3は、
図1に示す化学的気相成長装置の有するサセプタを示した平面図である。
【
図4】
図4は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【
図5】
図5は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【
図6】
図6は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【
図7】
図7は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【
図8】
図8は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の化学的気相成長装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。このため、各構成要素の寸法比率などは、実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例である。したがって、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要件を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。
【0015】
図1は、本実施形態の化学的気相成長装置の概略を模式的に示した断面図である。
図2は、
図1に示す化学的気相成長装置の有するサセプタとカバー部材とを模式的に示した断面図である。
図2(A)は、ウェハがサセプタに載置された状態におけるサセプタとカバー部材とを示した断面模式図である。
図2(B)は、
図2(A)の一部を拡大して示した拡大断面模式図である。
図3は、
図1に示す化学的気相成長装置の有するサセプタを示した平面図である。
図3には、サセプタとウェハとの位置関係を説明するため、ウェハをサセプタに載置した場合のウェハの位置を点線で示す。
【0016】
本実施形態の化学的気相成長装置(CVD装置)30は、化学的気相成長法によって、ウェハW上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる装置である。
本実施形態のCVD装置30は、ウェハWを収容し、ウェハW上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる反応炉31と、反応炉31に反応ガスを供給するガス供給機構32と、ウェハWを保持するサセプタ1と、サセプタ1上に設置されたカバー部材21と、ウェハWをサセプタ10の下部より加熱するヒータ33と、ウェハWを回転させる回転機構38とを備える。さらに、本実施形態のCVD装置30は、反応炉31から反応ガスを排出するガス排出部35と、ウェハWを反応炉31内に搬入するための開口部となるゲートバルブ36とを有する。
【0017】
本実施形態のCVD装置30の有するサセプタ1は、
図3に示すように、平面視円形の板状であり、
図1、
図2(A)および
図2(B)に示すように、ウェハWと対向する側の面(
図1、
図2(A)および
図2(B)における上面)に突起1aを有する。本実施形態では、
図3に示すように、サセプタ1に載置されるウエハWの中心位置からの距離が等しく、等間隔で離間して配置された円柱状の3個の突起1aが設けられている。3個の突起1aは、ウエハWと同心円の円周上に立設されている。
なお、本実施形態では、突起1aの数が3個である場合を例に挙げて説明するが、サセプタ1の有する突起1aの数は、特に限定されるものではなく、例えば、サセプタ1に載置されるウエハWと同心円の円周上に等間隔で離間して4~10個設けられていてもよい。
【0018】
ウェハW上に成長するSiC単結晶エピタキシャル膜の特性には、成膜時のウェハWの温度分布が反映される。円周方向に均一な特性を有するSiC単結晶エピタキシャル膜を成膜するためには、サセプタ1の形状は円周方向に対称であることが望ましい。このため、上面にウェハWが載置される3個の突起1aは、サセプタ1の中心からの距離が等しく、等間隔で離間して配置されていることが好ましい。
【0019】
各突起1aとサセプタ1の中心との距離は、各突起1aの上面の少なくとも一部がサセプタ1上のウェハWが載置される領域と平面視で重なる領域内に配置されていればよく、各突起1aの位置がサセプタ1の中心から遠いことが好ましい。具体的には、
図2(A)および
図2(B)、
図3に示すように、3個の突起1aの位置は、各突起1aの上面とウェハWの縁部近傍領域とが対向する位置であってもよいし、各突起1aの上面の一部がウェハWと平面視で重なる領域内からはみ出した位置に配置されていてもよい。
【0020】
また、突起1aの形状は、上面にウェハWを載置できる形状であればよく、
図3に示す円柱状に限定されるものではなく、例えば、楕円柱状、長円柱状、多角柱状などの柱状形状であってもよい。また、突起1aの平面形状は、円形に限定されるものではない。突起1aの平面形状は、例えば、サセプタ1に載置されるウエハWと同心円の円周に沿って間欠的に設けられた円弧状の形状であってもよいし、ウエハWと同心円の円周に沿って連続的に設けられたリング状の形状であってもよい。
【0021】
サセプタ1の材質としては、例えば、黒鉛、SiC、Ta、Mo、Wなどの高温に耐えうる無垢の材質、もしくは、上記の無垢の材質からなる基材に、SiCコート、TaCコートなどの炭化金属コーティングを施した材質などを使用することができる。
サセプタ1の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法により製造できる。
【0022】
図2(A)および
図2(B)に示すように、サセプタ1上の3個の突起1aの外周側の位置には、カバー部材21が設置されている。カバー部材21は、ウェハWをサセプタ1上の所定の位置に保持するとともに、サセプタ1上にSiC膜が堆積するのを防止する機能を有する。カバー部材21は、平面視円環形の板状である。カバー部材21には、サセプタ1の有する3個の突起1aに載置された状態で、ウェハWが収容される開口部2aが設けられている。したがって、開口部2aの内径は、ウェハWの外径よりも大きい。
【0023】
本実施形態のCVD装置30の有するカバー部材21における開口部2aの内壁面は、サセプタ1の突起1aと離間している。開口部2aの内壁面は、
図2(B)に示すように、ウェハ対向面21aと、突起対向面21bと、サセプタ対向面21cとを有している。
【0024】
ウェハ対向面21aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、ウェハ対向面21aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。このことにより、ウェハ対向面21aの下端と突起1aの上面との間に、上下方向の位置の差に基づく隙間が形成されている。したがって、例え、半径方向におけるウェハ対向面21aの位置が、平面視で突起1aの上面と重なる位置に存在していたとしても、開口部2aの内壁面と突起1aとの間には隙間が存在しており、開口部2aの内壁面と突起1aとが接触することはない。
【0025】
また、突起対向面21bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図2(B)に示すように、ウェハ対向面21aの半径は、突起対向面21bの半径未満の寸法となっている。言い換えると、ウェハ対向面21aは、突起対向面21bよりも、サセプタ1の中心に対して内側の位置に配置されている。また、突起対向面21bは、突起1aの上面におけるサセプタ1の中心から最も遠い位置よりも、サセプタ1の中心から離れた位置に配置されている。
サセプタ対向面21cは、サセプタ1の上面と等間隔で対向配置されている。
【0026】
カバー部材21の材質としては、サセプタ1に使用できる材質と同様のものを用いることができる。カバー部材21の材質は、サセプタ1と同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
カバー部材21の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法により製造できる。
【0027】
(SiC単結晶エピタキシャル膜の成長方法)
次に、本実施形態のCVD装置30を用いて、化学的気相成長法によって、ウェハW上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる方法について説明する。
まず、サセプタ1の有する3個の突起1aの上面に、ウェハWを載置して、突起1aにウェハWの下面を支持させる。本実施形態では、ウェハWとして、SiC単結晶ウェハを用いる。
【0028】
次に、サセプタ1上に載置されたウェハWの側面Waを囲むように、カバー部材21を設置する。このことにより、カバー部材21の開口部2aにウェハWが収容される。このとき、
図2(A)および
図2(B)に示すように、カバー部材21における開口部2aの内壁面は、サセプタ1の突起1aと離間して配置される。
【0029】
その後、
図1に示すヒータ33に通電してサセプタ1を加熱することにより、ウェハWを所定の温度に加熱する。そして、ガス供給機構32から、シリコン原料であるシラン、炭素原料であるプロパン、キャリアガスである水素、ドーパントとなる窒素などの原料ガスを流通させる。このことにより、ウェハW上に、SiC単結晶エピタキシャル膜を成長させることができる。
【0030】
本実施形態のCVD装置30は、カバー部材21に設けられた開口部2aの内壁面が、サセプタ1の有するウェハWが載置される突起1aと離間している。このため、本実施形態のCVD装置30では、ウェハWが載置されるサセプタ1上の突起1aを介して、成膜時のウェハWからカバー部材21に熱が移動することがなく、成膜時のウェハWの温度差を小さくできる。したがって、本実施形態のCVD装置30を用いて化学的気相成長法によって、ウェハW上にSiC単結晶エピタキシャル膜を成長させることにより、特性の均一なSiC単結晶エピタキシャル膜が得られる。
【0031】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
(変形例)
図4~
図8は、本発明の化学的気相成長装置の他の例を模式的に示した断面図である。
図4~
図8に示す化学的気相成長装置が、
図1~
図3に示す上述したCVD装置30と異なるところは、カバー部材の形状のみである。
したがって、
図4~
図8に示す化学的気相成長装置において、カバー部材以外の部材は、
図1~
図3に示す上述したCVD装置30と同一であり、同じ符号を付し、説明を省略する。
【0032】
図4に示すカバー部材22における開口部の内壁面は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、サセプタ1の突起1aと離間している。カバー部材22の開口部の内壁面は、
図4に示すように、ウェハ対向面22aと、突起対向面22bとを有している。
ウェハ対向面22aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、
図2(B)に示すウェハ対向面21aと同様に、ウェハ対向面22aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。したがって、例え、半径方向におけるウェハ対向面22aの位置が、平面視で突起1aの上面と重なる位置に存在していたとしても、突起対向面22bの高さが突起1aの上面よりも上側に位置している領域内では、開口部2aの内壁面と突起1aとの間には隙間が存在しており、開口部2aの内壁面と突起1aとが接触することはない。
【0033】
また、突起対向面22bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図4に示すように、ウェハ対向面22aの半径は、突起対向面22bの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面22bの半径は、ウェハ対向面22aの下端からサセプタ1の上面に近い位置に向かって、一定の割合で徐々に長くなっている。このことにより、
図4に示すウェハ対向面22aの下端から突起対向面22bの半径方向に沿う断面形状が、一定の割合で傾斜する連続した直線とされている。また、突起対向面22bにおける少なくとも突起1aの側面1bとの対向面は、突起1aの上面におけるサセプタ1の中心から最も遠い位置よりも、サセプタ1の中心から離れた位置に配置される。
【0034】
図5に示すカバー部材23における開口部の内壁面は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、サセプタ1の突起1aと離間している。カバー部材23の開口部の内壁面は、
図5に示すように、ウェハ対向面23aと、突起対向面23bと、サセプタ対向面23cとを有している。
ウェハ対向面23aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、
図2(B)に示すウェハ対向面21aと同様に、ウェハ対向面23aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。
【0035】
また、突起対向面23bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図5に示すように、ウェハ対向面23aの半径は、突起対向面23bの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面23bの半径は、サセプタ1の上面に近い位置に向かって、一定の割合で徐々に長くなっている。このことにより、
図5に示す突起対向面23bの半径方向に沿う断面形状が、一定の割合で傾斜する直線とされている。
サセプタ対向面23cは、サセプタ1の上面と等間隔で対向配置されている。
【0036】
図6に示すカバー部材24における開口部の内壁面は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、サセプタ1の突起1aと離間している。カバー部材24の開口部の内壁面は、
図6に示すように、ウェハ対向面24aと、突起対向面24bとを有している。
ウェハ対向面24aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、
図2(B)に示すウェハ対向面21aと同様に、ウェハ対向面24aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。
【0037】
また、突起対向面24bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図6に示すように、ウェハ対向面24aの半径は、突起対向面24bの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面24bの半径は、ウェハ対向面24aの下端からサセプタ1の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、
図6に示すウェハ対向面24aの下端から突起対向面24bの半径方向に沿う断面形状が、外面に向かって凸状の連続した曲線とされている。
【0038】
図7に示すカバー部材25における開口部の内壁面は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、サセプタ1の突起1aと離間している。カバー部材25の開口部の内壁面は、
図7に示すように、ウェハ対向面25aと、突起対向面25bと、サセプタ対向面25cとを有している。
ウェハ対向面25aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、
図2(B)に示すウェハ対向面21aと同様に、ウェハ対向面25aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。
【0039】
また、突起対向面25bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図7に示すように、ウェハ対向面25aの半径は、突起対向面25bの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面25bの半径は、サセプタ1の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、
図7に示す突起対向面25bの半径方向に沿う断面形状が、外面に向かって凸状の曲線とされている。
サセプタ対向面25cは、サセプタ1の上面と等間隔で対向配置されている。
【0040】
図8に示すカバー部材26における開口部の内壁面は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、サセプタ1の突起1aと離間している。カバー部材26の開口部の内壁面は、
図8に示すように、ウェハ対向面26aと、突起対向面26bとを有している。
ウェハ対向面26aは、ウェハWの側面Waと等間隔で対向配置される平面視円形のものである。本実施形態では、
図2(B)に示すウェハ対向面21aと同様に、ウェハ対向面26aの下端が、突起1aの上面よりも上側に位置している。
【0041】
また、突起対向面26bは、突起1aの側面1bとの対向面を含む平面視円形のものである。
図8に示すように、ウェハ対向面26aの半径は、突起対向面26bの半径未満の寸法となっている。また、突起対向面26bの半径は、サセプタ1の上面に近い位置に向かって徐々に長くなっている。このことにより、
図8に示す突起対向面26bの半径方向に沿う断面形状が、内面に向かって凸状の曲線とされている。
【0042】
図4~
図8に示すカバー部材22、23、24、25、26は、
図2(B)に示すカバー部材21と同様に、従来公知の方法により製造できる。
【0043】
図4~
図8に示すカバー部材22、23、24、25、26を有する化学的気相成長装置においても、カバー部材に設けられた開口部の内壁面が、サセプタ1の有するウェハWが載置される突起1aと離間している。このため、ウェハWが載置されるサセプタ1上の突起1aを介して、成膜時のウェハWからカバー部材に熱が移動することがなく、成膜時のウェハWの温度差を小さくできる。
【符号の説明】
【0044】
1 サセプタ
1a 突起
1b 側面
2a 開口部
21、22、23、24、25、26 カバー部材
21a、22a、23a、24a、25a、26a ウェハ対向面
21b、22b、23b、24b、25b、26b 突起対向面
21c、23c、25c サセプタ対向面
30 化学的気相成長装置(CVD装置)
31 反応炉
32 ガス供給機構
33 ヒータ
35 ガス排出部
36 ゲートバルブ
38 回転機構
W ウェハ
Wa 側面