JP4916736B2 - 半導体結晶の成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンカーバイドなどの半導体結晶の成長装置に関する。

シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界強度が約１０倍であり、この他に熱伝導率、電子移動度、バンドギャップなどにおいても優れた物性値を有する半導体であることから、従来のシリコン系パワー半導体素子に比べて飛躍的な性能向上を実現する半導体材料として期待されている。

従来の半導体用シリコンカーバイドの結晶成長を行なう成長装置としては、例えば図７に示すいわゆる横型結晶成長装置１００のように、単結晶基板１０１を支持する筒状の基板支持台（以下、サセプタと呼ぶ）１０２をガス供給管１０４と同方向に設置したものがある。そして、サセプタ１０２の内周部の底面１０２ｂ上に単結晶基板１０１が載置され、サセプタ１０２を誘導加熱する誘導コイル１０５がガス供給管１０４の周囲に設置されている。

そして、誘導コイル１０５によりサセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を１５００℃程度に加熱するとともに反応ガス１０３を矢印方向に供給することにより、単結晶基板１０１の表面に反応ガス１０３の成分元素あるいは化合物を連続的に析出成長させ、単結晶薄膜を成膜している。

ところで、このような結晶成長装置１００では、サセプタ１０２は筒状で反応ガス１０３の流れ方向に平行に配置されているため、サセプタ１０２が誘導加熱されると、このサセプタ１０２が最も高温になる。すると、その高温時にサセプタ１０２の表面が反応ガス１０３あるいはキャリアガスによりエッチングされることがある。このようなサセプタ表面のエッチングは、サセプタからの不純物放出の要因となって、形成された単結晶膜の純度を下げてしまう。また、このサセプタ１０２の表面のエッチング作用は、サセプタ１０２の温度が高くなるにつれて顕著になるので、特に、高温（１５００℃以上）かつ長時間の反応が必要となる膜厚の厚いシリコンカーバイド単結晶膜の成長を阻害するという問題があった。

一方、単結晶基板１０１は高温のサセプタ１０２からの伝熱により加熱されるので、温度上昇に伴って単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向がある。この単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差は、サセプタ１０２のコーティング膜の寿命を短縮させる要因という問題があった。

また、図８に示したように、ガス供給管を縦型に配置したものも提供されている（特許文献２）。
この半導体結晶の成長装置１０では、ガス供給管１１が縦型に配置され、その外周に誘導加熱手段２６が配置されている。そして、第１の隔壁１８と第２の隔壁２２とで断面矩形状に画成された内室１２内に基板保持治具３０が収容され、この基板保持治具３０の各段に基板３２が配置されている。

また、この成長装置１０では、装置本体の下方から反応ガスを導入するとともに上方を周回してきた反応ガスを下方から排出している。このような成長装置１０では、得られた結晶の厚みにばらつきが生じるという問題があった。

加えて、この成長装置１０では、ガスの導入および排出は、ノズルなどを用いて行なっているため、部品点数が多くなるとともに、構造が煩雑になるという問題もあった。
また、図７および図８に示した従来の成長装置１０、１００では、ガス供給管１１、１０４の断熱性が十分でなく、反応室の保熱性が損なわれ、結晶の厚みやドーピング濃度等得られる結晶の品質にばらつきが生じるという問題がある。さらには、一度下がった温度を上昇させるための時間およびエネルギーが余分にかかるという問題があった。

一方、反応ガスの供給方向を縦型にした結晶成長装置においては、図９に示したように、反応ガスの給気口８をサセプタ３の直上に設けたものが知られている。このような縦型の結晶成長装置では、上部に設けた給気口８から基板４に対して反応ガスを直接噴きつけるのが一般的である（特許文献３）。
特開２００１−１２２６９２号公報 特開平９−３３０８８４号公報 特開平５−３３５２５３号公報

ところで、特許文献３のように、反応ガスをサセプタ３の直上から噴きつける場合には、基板４に形成される結晶は、回転軸２の中心に近いほど早く成長するため、直径方向において結晶の成長速度にバラツキが発生するという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑み、例えば、大口径の基板に結晶を成長させるにあたり、結晶膜の純度が良好で、結晶の成長速度とドーピング濃度をどの位置においても略一定にすることができる半導体結晶の成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体結晶の成長装置は、限定された空間内に、前記誘導加熱手段の熱影響力の強い部分と弱い部分、あるいは前記反応ガスの流れの強い部分と弱い部分を、前記限定された空間の中心部に対してずれるように偏在的に設けるとともに、これらの環境下に前記基板を周回移動させることにより、前記基板における結晶の成長速度とドーピング濃度を全体として平均化させている。

本発明に係る半導体結晶の成長装置によれば、結晶速度やドーピング濃度に違いがでる条件だとしても、サセプタに載置された基板がサセプタごと周回移動することにより、直径方向へのバラツキを積極的に均一化させることができる。

また、本願発明に係る半導体結晶の成長装置は、
縦型に配置され、内部の限定された空間内に外部から反応ガスが導入されるガス供給管と、
前記ガス供給管の外周面にラセン状に配置される誘導加熱手段と、
前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口とがそれぞれ互いに対向する軸方向の一方の端部側と、軸方向の他方の端部側に形成された有底筒構造の輻射部材と、
前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に基板を支持できるように構成されたサセプタと、
前記サセプタを支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えた半導体結晶の成長装置であって、
前記ガス供給管内の前記輻射部材内へのガス導入口と、前記輻射部材内から輻射部材外へのガス排出口を、前記ガス供給管の中心部以外の対称的な位置にそれぞれ設置したことを特徴としている。

このような製造装置によれば、反応ガスが一箇所に集中して供給されることがなく適宜分散されるとともに、サセプタとともに基板が回転するので、成膜速度やドーピング濃度に影響がでる条件であったとしても、そのバラツキを積極的に均一化するように調整することができる。

さらに、本願発明に係る半導体結晶の成長装置は、
縦型に配置され、内部の限定された空間内に外部から反応ガスが導入されるガス供給管と、
前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口とがそれぞれ互いに対向する軸方向の一方の端部側と、軸方向の他方の端部側に形成された有底筒構造の輻射部材と、
前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に基板を支持できるように構成されたサセプタと、
前記サセプタを支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えた半導体結晶の成長装置であって、
前記有底筒構造の輻射部材を、その軸方向と直交する方向の断面で見た場合のその周方向の一部に、前記誘導加熱手段を設けたことを特徴としている。

このような成長装置によれば、誘導加熱手段での加熱が予め不均衡になっているので、加熱状態に強弱ができた空間内を基板が周回移動することにより、基板が受ける温度差を調整し、結果として基板の直径方向における成膜速度とドーピング濃度の均一化を図ることができる。

本発明に係る半導体結晶の成長装置によれば、反応ガスの供給あるいは加熱条件を予め異にするようにしてあるので、成長速度とドーピング濃度に影響がでる条件であったとしても、基板を周回移動させることによりその差を縮めて結晶の均一化を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例に係る半導体結晶の成長装置の一部を示したものである。なお、本明細書において、「上」「下」「右」「左」などは、説明の都合上便宜的に用いたもので、「上」とは図１において紙面の上を、「右」とは図１において紙面の右を示しているが、上下左右逆転した状態に配置することも可能である。

すなわち、この結晶の成長装置５０は、略筒状のガス供給管５２と、ガス供給管５２の外周面に配置される誘導加熱手段５４と、誘導加熱手段５４と対向するようにガス供給管５２の内周面に配置され、かつ天井面が閉塞された筒状の輻射部材５６と、下方から輻射部材５６の内方に挿入された軸５９と、軸５９に支持されたサセプタ５８と、軸５９に回転力および直線移動力を付与する動力手段６０と、を有している。

さらに、本実施例では、略筒状のガス供給管５２と輻射部材５６との間に内側断熱材６２が、輻射部材５６の上部に上部断熱材６４が、サセプタ５８の下面に下部断熱部材６６が、それぞれ設置されている。上部断熱材６４は、炭素繊維などからなるもので、輻射部材５６の天井面７２に固定的に設けられている。

これら上部断熱材６４および下部断熱部材６６は、輻射部材５６内の空間Ｓにおける断熱性を向上させるものである。さらに、ガス供給管５２の内周面に配置された内側断熱材６２は、炭素繊維またはガラスウールなどからなるもので、輻射部材５６の外周側を断熱している。

このように本実施例による結晶の成長装置５０では、上方が上部断熱材６４で断熱され、外周面が筒状の内側断熱材６２で断熱され、下部側が下部断熱部材６６で断熱されているので、空間Ｓの保熱性が極めて良好である。

上記ガス供給管５２は、誘導加熱されないように、具体的には石英管により形成され縦型に配置されている。また、誘導加熱手段５４は、より具体的には交流電流により磁界を発生する誘導コイルである。

上記輻射部材５６は、外側の誘導加熱手段５４により誘導加熱されるもので、例えば、表面がシリコンカーバイドにより被覆された導電性材料から構成されている。本実施例の輻射部材５６は、有底二重筒構造で、上下逆転した姿勢、すなわち、閉塞された底部分が天井面７２を構成するように配置されている。このように、本実施例では、輻射部材５６が二重の円筒状に形成されているので、空間Ｓ内の加熱が促進される。

輻射部材５６の環状の内側筒６８と環状の外側筒７０とは互いに連結されているが、図１において左側の上部領域には、開口７２ａが形成され、この開口７２ａは空間Ｓに連通している。一方、開口７２ａの下方は、内側筒６８と外側筒７０とを連結する隔壁７２ｃにより閉塞されている。さらに、天井面７２の図１において右側の上部領域すなわち開口７２ａの対称位置は、天井面７２の一部を構成する隔壁７２ｂにより閉塞されている。さらに、隔壁７２ｃの対称位置は開放され、ここに外部に通じる開口７２ｄが形成されている。

これにより、図１における開口７２ａから供給された反応ガスは、図中矢印で示したように二重筒６８，７０間の壁面に沿い下方に案内されるとともに、空間Ｓ内に広がるように送出され、しかる後、反対側の右下方の開口７２ｄから外部に排出される。

このように、輻射部材５６にこのような開口７２ａおよび開口７２ｄが形成されることにより、反応ガスの多くは、最初は真っ直ぐに、その後周囲に広がるように案内され、しかる後開口７２ｄから外部に排出されることになる。

上記軸５９は、動力手段６０からの力によりサセプタ５８に回転力と直線移動力を付与する。したがって、駆動中においては、動力手段６０により軸５９に回転力が付与され、これによりサセプタ５８上の基板７１が空間Ｓ内で回転する。

このように、本実施例によれば、軸５９が回転駆動され、かつ反応ガスが基板７１に対して斜め方向から吹き付けられることにより、仮に反応ガスの濃淡、量などに差が生じているとしても、サセプタ５８がこれらの領域を万遍なく移動するので、基板７１における結晶成長の均一化を積極的に促進することができる。

なお、上記サセプタ５８は、１個の基板７１を載置できるように構成されているが、サセプタを棚状に設けて、複数枚の基板７１を載置するようにしても良い。
以下、本実施例による半導体結晶の成長装置５０の作用について、図２を参照しながら説明する。

今、図２（Ａ）の状態でサセプタ５８には基板７１、例えば、シリコンカーバイド基板７１が略水平状態に載置されている。また、空間Ｓ内は上記減圧手段により所定の圧力に減圧され、さらに軸５９によりサセプタ５８が回転している。

このように減圧された空間Ｓ内にサセプタ５８が回転自在にセットされたら、誘導加熱手段５４に高周波電力を印加することにより、輻射部材５６を誘導加熱し、基板７１を例えば１５００℃に加熱する。そして、図の上方側から矢印で示したように、ガス供給管５２内に所定の反応ガスを開口７２ａから二重筒内に導入すれば、基板７１上にエピタキシャル層を成長させることが可能になる。

このように本実施例では、反応ガスは、サセプタ５８上の基板７１に対して一方側から偏在的に導入されるとともに、この状態で軸５９が回転移動するので、反応ガスの量、濃淡などに差があるとしても、基板７１に成長する結晶が部分的に速くなることがない。また、結晶速度やドーピング濃度の差が生じる場合は、その差を積極的に縮めることが促進される。

なお、反応ガスとしてはモノシランおよびプロパンなどを例示することができる。
こうして、エピタキシャル層の形成が完了したら、図２（Ｂ）に示したように、ガス供給管５２の下端を開放し、軸５９を下方向に移動し、軸５９とともにサセプタ５８を成長装置５０の外方に取り出す。この状態から、サセプタ５８に収納された基板７１を新たなものと入れ替える。なお、この入れ替え作業を行なう場合に、誘導加熱手段５４を継続して駆動しておき輻射部材５６を加熱しておくことが好ましい。このようにすれば、空間Ｓ内の温度を高温状態に維持することができる。

次いで、図２（Ｃ）に示したように、再び軸５９を上動させ再びセットする。
このようにすれば、成長装置全体の温度を上げ下げする必要がないので、昇温時間の短縮化が図れる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。例えば、上記実施例では、上方から反応ガスを導入し、下方から反応ガスを排出するようにしているが、逆の態様で設置することもできる。

さらに、上記実施例では、ガス導入口とガス排出口を構成する開口７２ａと開口７２ｄを図３（Ａ）に示したように、互いに対向する側壁の一部に直線的な開口として設けているが、例えば、図３（Ｂ）に示したように、半円弧状に開口部７２ａ、７２ｄを設けることもできる。また、図３（Ｃ）に示したように、開口７２ａ、７２ｄを小さな丸孔としても良い。このように図３（Ａ）〜図３（Ｃ）のような開口であったとしても同様の作用効果を奏することができる。

図４は、本発明の他の実施例による基板の成長装置の概略を、図１と同一要素を同一符号で示したものである。すなわち、この成長装置８０では、誘導加熱手段５４の軸心が、輻射部材５６およびサセプタ５８の同心円の中心からずれて楕円状に設置されている。

この状態でサセプタ５８が回転駆動すれば、サセプタ５８上の基板は、加熱誘導５４から熱影響を強く受ける部分と、弱く受ける部分との領域を交互に周回することになる。こ
れにより、例えば、サセプタ５８が例えば、矢印で示したように回転すれば、サセプタ５８上の図示しない基板は誘導加熱手段５４により強く加熱されたり、弱く加熱されたりしながら周回する。結果として結晶成長速度とドーピング濃度に違いがあるとしても、その差を積極的に縮めることができる。図５は、図４のように誘導加熱手段５４を配置した場合の空間Ｓ内の温度分布を、楕円の長軸方向の断面位置で表示したもので、点Ｏは、サセプタ５８の中心軸を示している。

すなわち、図５（Ａ）に示したように、基板が回転しない場合はサセプタ５８の中心Ｏから、誘導加熱手段５４に近い程（左側に近づく程）温度は高くなり、誘導加熱手段５４に遠い程（右側に近づく程）温度は低くなる。しかしながら、基板が回転した場合には、図５（Ｂ）に示したように、点Ｏからの距離に何ら関係なく、空間Ｓ内の温度が略一定になるように調整される。

本実施例では、このように誘導加熱手段５４の配設姿勢を調整することにより熱影響の受ける部分を調整することができる。また、これに代えて、誘導加熱手段５４で基板の温度分布を調整するにあたり、図６に示したように誘導加熱手段５４の配置位置を部分的に設けることによっても、温度分布を調整することができる。

図６に示したように誘導加熱手段５４のコイルを配置すれば、輻射部材５６が誘導加熱手段５４により積極的に加熱される部分と、あまり加熱されない部分の両方が具備されるので、この状態でサセプタ５８が回転駆動されれば、基板に対する熱影響力が周期的に変化するので、基板の成長を均一化することができる。

このように基板の成長速度とドーピング濃度を調整するには、空間Ｓ内に誘導加熱手段５４の熱影響力の強い部分と弱い部分を設けるか、あるいは反応ガスの流れの強い部分と弱い部分を設け、これに加えて基板を周回移動させれば良い。このように本発明に係る半導体結晶の製造方法およびこれを実施するための装置によれば、基板における半導体結晶の成長速度とドーピング濃度を略均一に調整することができる。

図１は本発明の一実施例による半導体結晶の成長装置を示した要部断面図である。 図２は図１の成長装置における作業工程を順番に示した概略図で、図２（Ａ）はエピタキシャル層の成長工程時の概略図、図２（Ｂ）は基板を入れ替えるときの概略図、図２（Ｃ）は再びエピタキシャル層を成長させるためにセットしたときの概略図である。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は図１に示した輻射部材に形成されたガス導入用の開口と、ガス排出用の開口の形成域とその形状を示した輻射部材の概略断面図である。 図４は本発明の他の実施例による半導体結晶の成長装置の要部断面図である。 図５は図４に示した結晶成長装置の作用を説明するもので、図５（Ａ）は、基板を回転させる前の温度分布を示すグラフで、図５（Ｂ）は図４の状態から基板を回転させた場合の温度分布を示すグラフである。 図６は本発明の他の結晶成長装置の概略を示すもので、誘導加熱手段が筒状部材の一部分に限定されて配置されたときの要部概略断面図である。 図７は特開２００１−１２２９２号公報に開示された従来の半導体結晶の成長装置の断面図である。 図８は特開平９−３３０８８４号公報に開示された従来の半導体結晶の成長装置の断面図である。 図９は特開平５−３３５２５３号公報に開示された従来の縦型結晶装置の概略図である。

符号の説明

５０ 結晶装置
５２ ガス供給管
５４ 誘導加熱手段
５６ 輻射部材
５８ サセプタ
５９ 軸
６０ 動力手段
６８ 内側筒
７０ 外側筒
７２ 天井面
７２ａ 開口
７２ｄ 開口
８０ 結晶装置
Ｓ 空間

Claims (2)

1. 縦型に配置され、内部の限定された空間内に外部から反応ガスが導入されるガス供給管と、
   前記ガス供給管の外周面にラセン状に配置される誘導加熱手段と、
   前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口とがそれぞれ互いに対向する軸方向の一方の端部側と、軸方向の他方の端部側に形成された有底筒構造の輻射部材と、
   前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に基板を支持できるように構成されたサセプタと、
   前記サセプタを支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えた半導体結晶の成長装置であって、
   前記ガス供給管内の前記輻射部材内へのガス導入口と、前記輻射部材内から輻射部材外へのガス排出口を、前記ガス供給管の中心部以外の対称的な位置にそれぞれ設置したことを特徴とする半導体結晶の成長装置。
2. 縦型に配置され、内部の限定された空間内に外部から反応ガスが導入されるガス供給管と、
   前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口とがそれぞれ互いに対向する軸方向の一方の端部側と、軸方向の他方の端部側に形成された有底筒構造の輻射部材と、
   前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に基板を支持できるように構成されたサセプタと、
   前記サセプタを支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えた半導体結晶の成長装置であって、
   前記有底筒構造の輻射部材を、その軸方向と直交する方向の断面で見た場合のその周方向の一部に、前記誘導加熱手段を設けたことを特徴とする半導体結晶の成長装置。

Images