JP5087983B2 - Silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus and silicon carbide semiconductor crystal film forming method - Google Patents

Silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus and silicon carbide semiconductor crystal film forming method Download PDF

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Description

この発明は、半導体結晶膜を形成する半導体結晶膜形成装置および半導体結晶膜形成方法に関し、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor crystal film forming apparatus and a semiconductor crystal film forming method for forming a semiconductor crystal film, and more particularly to a silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus and a silicon carbide semiconductor crystal film for forming a silicon carbide (SiC) single crystal film. The present invention relates to a forming apparatus.

従来、炭化珪素の単結晶膜を形成する方法として、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によるエピタキシャル成長方式が知られている。図８は、従来技術による半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図９は、図８に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す断面図である。   Conventionally, an epitaxial growth method by chemical vapor deposition (CVD) is known as a method for forming a silicon carbide single crystal film. FIG. 8 is an explanatory view showing the structure of a semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross section along the line D-D ′ of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG. 8.

図８に示す半導体結晶膜形成装置１００は、横型高温壁誘導加熱式の半導体結晶膜形成装置である。半導体結晶膜形成装置１００は、石英管１０４の内側に、断熱材１０３を介してホットウォール１０２を有する。ホットウォール１０２は、グラファイト（黒鉛）で形成されている。ホットウォール１０２の内壁面は、炭化珪素でコーティングされていてもよい。また、断熱材１０３は、カーボンフェルトによって形成されている。また、石英管１０４の外側には、コイル１０１が設けられている。   A semiconductor crystal film forming apparatus 100 shown in FIG. 8 is a horizontal hot wall induction heating type semiconductor crystal film forming apparatus. The semiconductor crystal film forming apparatus 100 has a hot wall 102 inside a quartz tube 104 via a heat insulating material 103. The hot wall 102 is made of graphite (graphite). The inner wall surface of the hot wall 102 may be coated with silicon carbide. The heat insulating material 103 is made of carbon felt. A coil 101 is provided outside the quartz tube 104.

半導体結晶膜形成装置１００で炭化珪素の結晶膜を形成する場合、まず、ホットウォール１０２の上にウエハー１０６を載せる。つぎに、コイル１０１に電流を流して、ホットウォール１０２を誘導加熱する。そして、石英管１０４の中に反応ガス１０５を注入する。反応ガス１０５は、モノシランやプロパンなどの前駆体ガスや、水素などのキャリアガスを混合したガスである。ウエハー１０６および反応ガス１０５は、ホットウォール１０２からの伝熱および熱輻射によって加熱される。それによって、反応ガス１０５が熱化学反応を起こし、ウエハー１０６のおもて面に炭化珪素の結晶膜が成長する。   When forming a silicon carbide crystal film with the semiconductor crystal film forming apparatus 100, first, a wafer 106 is placed on the hot wall 102. Next, current is passed through the coil 101 to inductively heat the hot wall 102. Then, a reaction gas 105 is injected into the quartz tube 104. The reaction gas 105 is a gas in which a precursor gas such as monosilane or propane and a carrier gas such as hydrogen are mixed. The wafer 106 and the reaction gas 105 are heated by heat transfer and heat radiation from the hot wall 102. As a result, the reaction gas 105 causes a thermochemical reaction, and a silicon carbide crystal film grows on the front surface of the wafer 106.

このような半導体結晶膜形成装置として、サセプタ（図８のホットウォールに相当する部材）の内壁面の全面、またはウエハーと対峙する面を、炭化タンタル（ＴａＣ）などの金属炭化物でコーティングした半導体結晶膜形成装置が知られている（下記特許文献１〜３参照。）。   As such a semiconductor crystal film forming apparatus, a semiconductor crystal in which the entire inner wall surface of a susceptor (a member corresponding to the hot wall in FIG. 8) or the surface facing the wafer is coated with a metal carbide such as tantalum carbide (TaC). A film forming apparatus is known (see Patent Documents 1 to 3 below).

特表２００５−５０８０９７号公報JP 2005-508097 gazette 特開２００６−０２８６２５号公報JP 2006-028625 A 特開２００５−１０９４０８号公報JP 2005-109408 A

しかしながら、上述した従来技術では、半導体結晶膜形成装置内のウエハーの温度にムラが生じ、半導体結晶膜の膜厚に偏りが生じてしまうという問題点がある。半導体結晶膜形成装置の設計にあたっては、加熱時のウエハーの温度分布が重要な意味を持つ。たとえば、炭化珪素は結晶の積層構造に応じて多くの結晶多形（ポリタイプ）を有するが、これらの結晶多形の中で、パワーデバイスの製造に用いられるのは、バンドギャップが大きい４Ｈ型のＳｉＣ（以下、「４Ｈ−ＳｉＣ」という）である。４Ｈ−ＳｉＣを低温で成長させると結晶膜の表面に積層欠陥が生じてしまう。このため、４Ｈ−ＳｉＣの結晶膜を形成する場合、半導体結晶膜形成装置内の温度を１５００℃以上と比較的高温にしなければならない。   However, the above-described prior art has a problem that the temperature of the wafer in the semiconductor crystal film forming apparatus is uneven and the thickness of the semiconductor crystal film is uneven. In designing a semiconductor crystal film forming apparatus, the temperature distribution of the wafer during heating is important. For example, silicon carbide has many crystal polymorphs (polytypes) depending on the crystal stack structure, and among these crystal polymorphs, the 4H type having a large band gap is used for manufacturing power devices. SiC (hereinafter referred to as “4H—SiC”). When 4H—SiC is grown at a low temperature, a stacking fault occurs on the surface of the crystal film. Therefore, when a 4H—SiC crystal film is formed, the temperature in the semiconductor crystal film forming apparatus must be relatively high, such as 1500 ° C. or higher.

半導体結晶膜形成装置内のウエハーは、ホットウォールの内壁の上面（ウエハーおもて面が対峙する面）、下面（ウエハー裏面が接する面）、側面から熱輻射、および下面からの熱伝導によって加熱される。ホットウォールの中央部では、ホットウォールの上面と下面から熱輻射、および下面からの熱伝導によってウエハーが加熱される。一方、ホットウォールの側面に近い領域では、ホットウォールの上面と下面から熱輻射、および下面からの熱伝導に加え、ホットウォールの側面からの熱輻射によってウエハーが加熱される。よって、ホットウォールの側面に近い領域に位置するウエハーは、ホットウォールの中央部と比較して温度が高くなる。ウエハーの温度は、半導体結晶膜の成長に大きな影響を与える。このため、半導体結晶膜形成装置内のウエハーの温度にムラが生じると、半導体結晶膜の膜厚に偏りが生じてしまう。   The wafer in the semiconductor crystal film forming apparatus is heated by the upper surface of the inner wall of the hot wall (surface on which the wafer front surface faces), the lower surface (surface on which the wafer back surface contacts), heat radiation from the side surface, and heat conduction from the lower surface. Is done. In the central portion of the hot wall, the wafer is heated by heat radiation from the upper and lower surfaces of the hot wall and heat conduction from the lower surface. On the other hand, in the region close to the side surface of the hot wall, the wafer is heated by heat radiation from the upper and lower surfaces of the hot wall and heat conduction from the lower surface, and by heat radiation from the side surface of the hot wall. Therefore, the wafer located in the region close to the side surface of the hot wall has a higher temperature than the central portion of the hot wall. The temperature of the wafer has a great influence on the growth of the semiconductor crystal film. For this reason, when unevenness occurs in the temperature of the wafer in the semiconductor crystal film forming apparatus, the thickness of the semiconductor crystal film is biased.

ウエハーの温度にムラが生じるのを避けるためには、ホットウォールの側面から離れた領域にウエハーを配置する方法が考えられる。しかし、ウエハーの口径が大きい場合や、複数のウエハーを同時に処理する場合などは、ホットウォールのサイズを大きくしなければ側面から離れた領域にウエハーを配置することができない。また、ホットウォールのサイズを大きくすると、半導体結晶膜形成装置本体が大型化してしまうという問題点がある。さらに、ホットウォールのサイズを大きくすると、ホットウォールの熱容量が増加するため、ホットウォールの昇降温速度が低下してしまうという問題点がある。   In order to avoid the occurrence of unevenness in the temperature of the wafer, a method of arranging the wafer in a region away from the side surface of the hot wall can be considered. However, when the diameter of the wafer is large or when processing a plurality of wafers at the same time, the wafer cannot be disposed in a region away from the side surface unless the hot wall size is increased. Moreover, when the size of the hot wall is increased, there is a problem that the semiconductor crystal film forming apparatus main body is enlarged. Furthermore, when the size of the hot wall is increased, the heat capacity of the hot wall is increased, so that there is a problem that the temperature raising / lowering rate of the hot wall is lowered.

また、上述した特許文献１〜３にかかる半導体結晶膜形成装置のように、ホットウォールの全面やウエハーと対峙する面を金属炭化物でコーティングすると、金属炭化物でコーティングされた面からの熱輻射量が小さくなる。このため、ウエハーの裏面は下面からの熱伝導で加熱されるのに対して、ウエハーおもて面は冷たい反応ガスによって冷やされ、ウエハーとホットウォールとの間に大きな温度差が生じる。この温度差によって、ホットウォールのコーティング材がウエハー裏面に蒸着し、ホットウォールのコーティングが剥がれたり、ウエハー裏面が汚染されてしまうという問題点がある。   Further, when the entire surface of the hot wall or the surface facing the wafer is coated with metal carbide as in the semiconductor crystal film forming apparatus according to Patent Documents 1 to 3 described above, the amount of heat radiation from the surface coated with the metal carbide is increased. Get smaller. For this reason, the back surface of the wafer is heated by heat conduction from the bottom surface, whereas the front surface of the wafer is cooled by the cold reaction gas, and a large temperature difference is generated between the wafer and the hot wall. Due to this temperature difference, there is a problem that the coating material of the hot wall is deposited on the back surface of the wafer, and the coating of the hot wall is peeled off or the back surface of the wafer is contaminated.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ウエハーの温度が均一となるようにウエハーを加熱して、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成することができる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成装置を提供することを目的とする。   In order to solve the above-described problems caused by the prior art, the present invention can heat a wafer so that the temperature of the wafer is uniform to form a semiconductor crystal film having a uniform thickness. An object is to provide a forming apparatus and a silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、第１の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されていないことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to a first invention supplies a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil. A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus for forming a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of a wafer placed in a gas flow path, wherein the hot wall is made of graphite, , a surface other than the front surface and the opposite faces of the surface and the wafer the wafer is placed is covered with tantalum carbide, the front surface facing a surface and the wafer the wafer is placed The surface to be covered is not covered with the tantalum carbide .

また、第２の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記板状部材が設置されていないことを特徴とする。 The silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to the second aspect of the present invention provides a surface of a wafer placed in a gas flow path by supplying a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil. A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus for forming a silicon carbide semiconductor crystal film on the surface, wherein the hot wall is made of graphite, and the wafer is disposed on the inner wall surface of the hot wall and the wafer A plate-like member formed of graphite and coated with tantalum carbide is installed on a surface other than the surface facing the front surface, and the surface on which the wafer is installed and the front surface of the wafer are opposed. The surface to be formed is characterized in that the plate-like member is not installed .

また、第３の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、第１または第２の発明において、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されていることを特徴とする。 A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to a third aspect of the present invention is the first or second aspect of the invention, wherein the wafer is installed on the inner wall surface of the hot wall and the front surface of the wafer. The surface facing is provided with a plate-like member made of graphite and covered with silicon carbide or a plate-like member made of silicon carbide.

また、第４の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された前記ウエハーを設置するための板状部材を備え、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面には、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面以外の面には、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus, comprising: supplying a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil; A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus for forming a silicon carbide semiconductor crystal film, comprising a plate-like member for placing the wafer formed of graphite and covered with silicon carbide, wherein the hot wall is formed of graphite A plate-like member made of graphite and covered with silicon carbide or a plate-like member made of silicon carbide on the inner wall surface of the hot wall parallel to the plate-like member on which the wafer is installed The surface of the inner wall of the hot wall other than the surface parallel to the plate member on which the wafer is installed is graphite. Is formed, characterized in that coated plate-like member with tantalum carbide is provided.

また、第５の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置は、第４の発明において、前記ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられていることを特徴とする。 The fifth silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to the invention of the fourth aspect, the plate-like member for mounting the wafer is characterized in that provided in plural.

また、第６の発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成方法は、コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成方法であって、前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されておらず、前記ホットウォール内にガスを供給して前記ウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a silicon carbide semiconductor crystal film forming method, comprising: supplying a gas into a gas channel surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil; A method for forming a silicon carbide semiconductor crystal film comprising: forming a silicon carbide semiconductor crystal film, wherein the hot wall is formed of graphite, and a surface on which the wafer is placed among the inner wall surfaces of the hot wall and the wafer front surface facing the surface other than the surface of the are overturned be in tantalum carbide, front and opposite sides of plane and the wafer the wafer is placed is coated with the tantalum carbide and yet not, characterized in that by supplying a gas to form a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of the wafer in the hot wall.

この第１〜６の発明によれば、ホットウォールの内壁面のうち、ウエハーのおもて面または裏面と接触または対向する面以外の面、すなわちホットウォールの側面は、炭化タンタルで被覆され、または炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されている。炭化タンタルの熱輻射率は、グラファイトや炭化珪素の熱輻射率よりも低い。このため、ホットウォール側面から輻射される熱を抑え、ガス流路内の幅方向の温度分布を均一にすることができる。 According to the first to sixth invention, among the inner wall surface of the hot wall, the front surface or back surface contact or face-to-face non-oriented surfaces of the wafer, i.e., the side surface of the hot wall is coated with tantalum carbide Or a plate-like member coated with tantalum carbide. The thermal emissivity of tantalum carbide is lower than that of graphite or silicon carbide. For this reason, the heat radiated from the side surface of the hot wall can be suppressed, and the temperature distribution in the width direction in the gas channel can be made uniform.

また、第４または５の発明によれば、ウエハーへの成膜処理をおこなう度に板状部材を交換することができる。これにより、パーティクルやコーティングの剥げの影響を低減し、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。また、半導体結晶膜の成膜後、ウエハーを並べた板状部材ごと装置から取り出すようにすれば、板状部材の熱容量が小さいため、短時間で冷却することができ、成膜プロセスを短時間で終了させることができる。さらに、第５の発明によれば、ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられているため、１回の処理で複数のウエハーに半導体結晶膜を形成することができる。 According to the fourth or fifth invention, the plate-like member can be exchanged every time the film forming process is performed on the wafer. Thereby, the influence of peeling of particles and coatings can be reduced, and a semiconductor crystal film of stable quality can be formed. In addition, if the whole plate-shaped member on which the wafers are arranged is taken out from the apparatus after the formation of the semiconductor crystal film, the heat capacity of the plate-shaped member is small, so that it can be cooled in a short time and the film forming process can be performed in a short time. It can be finished with. Furthermore, according to the fifth invention, since a plurality of plate-like members for installing the wafer are provided, the semiconductor crystal film can be formed on the plurality of wafers by one process.

本発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成方法によれば、ウエハーの温度が均一となるようにウエハーを加熱して、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成することができる。   According to the silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus and the silicon carbide semiconductor crystal film forming method according to the present invention, the wafer is heated so that the temperature of the wafer is uniform, and the semiconductor crystal film having a uniform film thickness is formed. Can do.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図２は、図１に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ａ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図１に示す半導体結晶膜形成装置１０は、コイル１、ホットウォール２、断熱材３、石英管４によって構成されている。半導体結晶膜形成装置１０で半導体結晶膜を形成する場合は、ホットウォール２の上にウエハー６を載せて、コイル１に電流を流し、ホットウォール２を誘導加熱する。この場合、ホットウォールはサセプタを兼ねている。ホットウォールとは別にサセプタを設けてもよい。そして、石英管４の中に反応ガス５を導入して、ウエハー６のおもて面に半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram of the structure of the semiconductor crystal film forming apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section taken along line AA ′ of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG. A semiconductor crystal film forming apparatus 10 shown in FIG. 1 includes a coil 1, a hot wall 2, a heat insulating material 3, and a quartz tube 4. When the semiconductor crystal film is formed by the semiconductor crystal film forming apparatus 10, the wafer 6 is placed on the hot wall 2, current is passed through the coil 1, and the hot wall 2 is induction heated. In this case, the hot wall also serves as a susceptor. A susceptor may be provided separately from the hot wall. Then, a reaction gas 5 is introduced into the quartz tube 4 to epitaxially grow a semiconductor crystal film on the front surface of the wafer 6.

ここで、ホットウォール２の内壁面のうち、側面（ウエハー６が設置される面およびウエハー６のおもて面と対向する面以外の面）は、炭化タンタル（ＴａＣ）によってコーティングされている（炭化タンタルコート７）。この炭化タンタルコート７によって、ホットウォール２の側面からの熱輻射を抑え、ウエハー６の温度にムラが生じるのを抑えることができる。   Here, of the inner wall surface of the hot wall 2, the side surfaces (the surface other than the surface on which the wafer 6 is installed and the surface facing the front surface of the wafer 6) are coated with tantalum carbide (TaC) ( Tantalum carbide coating 7). The tantalum carbide coat 7 can suppress the heat radiation from the side surface of the hot wall 2 and suppress the occurrence of unevenness in the temperature of the wafer 6.

炭化タンタルは、ホットウォール２全体をコーティングしている炭化珪素よりも熱輻射率が低い。たとえば、１５００℃における炭化珪素の熱輻射率は０．８２、グラファイトの熱輻射率は０．７２である。一方、１５００℃における炭化タンタルの熱輻射率は０．０８である。また、炭化タンタルは、１５００℃以上の高温でも安定しており、かつ高温の水素に対する耐性を有する。このように、炭化タンタルは、ホットウォール２の側面をコーティングするのに適した素材である。   Tantalum carbide has a lower thermal emissivity than silicon carbide coating the entire hot wall 2. For example, the thermal emissivity of silicon carbide at 1500 ° C. is 0.82, and the thermal emissivity of graphite is 0.72. On the other hand, the thermal emissivity of tantalum carbide at 1500 ° C. is 0.08. Further, tantalum carbide is stable even at a high temperature of 1500 ° C. or higher and has resistance to high-temperature hydrogen. Thus, tantalum carbide is a material suitable for coating the side surface of the hot wall 2.

図３は、半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度分布を示すグラフである。図３において、縦軸はウエハーの温度（℃）、横軸はホットウォールの幅方向（線分Ａ−Ａ’または線分Ｄ−Ｄ’に沿った方向）の中心からの相対位置（ｍｍ）である。また、図３中黒丸（●）は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で加熱したウエハーの温度、図３中白四角（□）は、図８に示す従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度をそれぞれ示す。   FIG. 3 is a graph showing the temperature distribution of the wafer heated by the semiconductor crystal film forming apparatus. In FIG. 3, the vertical axis represents the wafer temperature (° C.), and the horizontal axis represents the relative position (mm) from the center of the hot wall width direction (direction along the line segment AA ′ or line DD ′). It is. Also, the black circles (●) in FIG. 3 indicate the temperature of the wafer heated by the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first embodiment, and the white squares (□) in FIG. 3 indicate the semiconductor crystal according to the prior art shown in FIG. The temperature of the wafer heated by the film forming apparatus is shown.

図３に示すように、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度は、ホットウォールの中心付近では均一である。しかし、ホットウォールの側面に近づくにつれ、側面からの輻射加熱の影響を受けて、ウエハーの温度が上昇している。一方、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で加熱したウエハーは、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーと比較して、温度が均一な領域が６０％以上増加している。よって、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０は、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置と比較して、口径が大きいウエハーに半導体結晶膜を形成することができる。   As shown in FIG. 3, the temperature of the wafer heated by the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art is uniform near the center of the hot wall. However, as the temperature approaches the side of the hot wall, the temperature of the wafer rises due to the influence of radiant heating from the side. On the other hand, the wafer heated by the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first embodiment has a region having a uniform temperature increased by 60% or more as compared with the wafer heated by the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art. Yes. Therefore, the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first embodiment can form a semiconductor crystal film on a wafer having a large diameter as compared with the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art.

つぎに、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０で形成した半導体結晶膜の膜厚分布と、図８に示す従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置で形成した半導体結晶膜の膜厚分布とを比較した結果について説明する。なお、両方の半導体結晶膜形成装置のホットウォールは、横幅１０ｍｍ、高さ４０ｍｍのガス流路を有する。また、従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置のホットウォールの内壁は、炭化珪素のみで全面をコーティングされている。   Next, the film thickness distribution of the semiconductor crystal film formed by the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first embodiment and the film thickness distribution of the semiconductor crystal film formed by the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art shown in FIG. The result of comparing with will be described. Note that the hot walls of both semiconductor crystal film forming apparatuses have gas flow paths having a width of 10 mm and a height of 40 mm. Further, the inner wall of the hot wall of the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art is coated entirely with silicon carbide.

半導体結晶膜を以下のように形成した。まず、ガス流路内に直径３インチのウエハーを配置する。つぎに、キャリアガスとして流量２０ｓｍｌの水素ガスを流す。つづいて、８０Ｔｏｒｒの減圧雰囲気で１６００℃に加熱する。そして、流量６．３ｓｃｃｍのモノシランガスおよび流量１．８ｓｃｃｍのプロパンガスを、それぞれ１時間に流す。   A semiconductor crystal film was formed as follows. First, a wafer having a diameter of 3 inches is placed in the gas flow path. Next, hydrogen gas with a flow rate of 20 sml is flowed as a carrier gas. Subsequently, it is heated to 1600 ° C. in a reduced-pressure atmosphere of 80 Torr. Then, a monosilane gas with a flow rate of 6.3 sccm and a propane gas with a flow rate of 1.8 sccm are each flowed for 1 hour.

このような処理によってウエハー６の表面に炭化珪素の半導体結晶膜を形成した。そして、膜厚分布の標準偏差を膜厚の平均値で除した値（標準偏差／平均値）を算出した。従来技術にかかる半導体結晶膜形成装置では、半導体結晶膜の標準偏差／平均値は３０％であった。これに対して、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置では、半導体結晶膜の標準偏差／平均値は１０％に改善された。   A silicon carbide semiconductor crystal film was formed on the surface of the wafer 6 by such treatment. Then, a value obtained by dividing the standard deviation of the film thickness distribution by the average value of the film thickness (standard deviation / average value) was calculated. In the semiconductor crystal film forming apparatus according to the prior art, the standard deviation / average value of the semiconductor crystal film was 30%. In contrast, in the semiconductor crystal film forming apparatus according to the first embodiment, the standard deviation / average value of the semiconductor crystal film was improved to 10%.

また、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０は、ウエハー６が設置される面およびウエハー６のおもて面と対向する面には炭化タンタルコート７がなされていない。このため、ウエハー６は、裏面への熱伝導および熱輻射に加え、おもて面への熱輻射によって加熱される。このため、ウエハー６とホットウォール２との温度差を小さくすることができ、ウエハー６とホットウォール２との温度差に起因するホットウォールのコーティング材の剥がれや、ウエハー６裏面の汚染を低減することができる。   Further, in the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first exemplary embodiment, the tantalum carbide coat 7 is not formed on the surface on which the wafer 6 is installed and the surface facing the front surface of the wafer 6. For this reason, the wafer 6 is heated by heat radiation to the front surface in addition to heat conduction and heat radiation to the back surface. For this reason, the temperature difference between the wafer 6 and the hot wall 2 can be reduced, and the peeling of the coating material on the hot wall and the contamination of the back surface of the wafer 6 due to the temperature difference between the wafer 6 and the hot wall 2 are reduced. be able to.

なお、炭化タンタルは炭化珪素パーティクルとの密着性が高くない。このため、ホットウォール２の内壁の上面（ウエハー６のおもて面と対向する面）を炭化タンタルでコーティングすると、炭化珪素パーティクルがウエハー６のおもて面に落下しやすくなってしまう。よって、ホットウォール２の内壁の上面は、炭化タンタルでコーティングされていないのが望ましい。   Tantalum carbide does not have high adhesion with silicon carbide particles. For this reason, when the upper surface of the inner wall of the hot wall 2 (the surface opposite to the front surface of the wafer 6) is coated with tantalum carbide, the silicon carbide particles easily fall onto the front surface of the wafer 6. Therefore, it is desirable that the upper surface of the inner wall of the hot wall 2 is not coated with tantalum carbide.

また、図４に示すように、炭化タンタルコート７に代えて、炭化タンタルでコーティングされたグラファイト板（以下、「ＴａＣグラファイト板」という）８でホットウォールの側面を覆うこととしてもよい。図４は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の変形例を示す説明図である。ＴａＣグラファイト板８は取り外しが可能であるため、パーティクルが付着した場合や、炭化タンタルのコーティングが剥がれた場合などは、ＴａＣグラファイト板８を交換することができる。これにより、半導体結晶膜形成装置内の状態を一様に保つことができるので、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。   As shown in FIG. 4, instead of the tantalum carbide coat 7, the side surface of the hot wall may be covered with a graphite plate (hereinafter referred to as “TaC graphite plate”) 8 coated with tantalum carbide. FIG. 4 is an explanatory diagram of a modification of the semiconductor crystal film forming apparatus according to the first embodiment. Since the TaC graphite plate 8 can be removed, the TaC graphite plate 8 can be exchanged when particles adhere or the tantalum carbide coating is peeled off. Thereby, since the state in the semiconductor crystal film forming apparatus can be kept uniform, a semiconductor crystal film of stable quality can be formed.

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。また、図６は、図５に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。また、図７は、図６に示す断面図の領域Ｃを拡大した説明図である。図５に示す半導体結晶膜形成装置２０は、図１に示す半導体結晶膜形成装置１０と同様に、コイル１、ホットウォール２、断熱材３、石英管４によって構成されている。また、ホットウォール２の側面は、炭化タンタルでコーティングされたＴａＣグラファイト板８で覆われている。 (Embodiment 2)
FIG. 5 is an explanatory diagram of the structure of the semiconductor crystal film forming apparatus according to the second embodiment. 6 is a cross-sectional view showing a cross section taken along line BB ′ of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG. Moreover, FIG. 7 is explanatory drawing to which the area | region C of sectional drawing shown in FIG. 6 was expanded. A semiconductor crystal film forming apparatus 20 shown in FIG. 5 includes a coil 1, a hot wall 2, a heat insulating material 3, and a quartz tube 4 similarly to the semiconductor crystal film forming apparatus 10 shown in FIG. The side surface of the hot wall 2 is covered with a TaC graphite plate 8 coated with tantalum carbide.

また、ホットウォール２の上面および下面はＳｉＣグラファイト板９で覆われており、その間のガス流路には、上面および下面を覆うＳｉＣグラファイト板９と平行（縦方向）に複数のＳｉＣグラファイト板９が並べられている。ＳｉＣグラファイト板９は、グラファイト板の表面を炭化珪素でコーティングしたものである。ＳｉＣグラファイト板９は、たとえば図７に示すように、ＴａＣグラファイト板８の表面に形成された凹凸によって支えられている。   The upper and lower surfaces of the hot wall 2 are covered with an SiC graphite plate 9, and a plurality of SiC graphite plates 9 are parallel to the SiC graphite plate 9 covering the upper and lower surfaces (longitudinal direction). Are lined up. The SiC graphite plate 9 is obtained by coating the surface of the graphite plate with silicon carbide. The SiC graphite plate 9 is supported by unevenness formed on the surface of the TaC graphite plate 8, for example, as shown in FIG.

半導体結晶膜形成装置２０で半導体結晶膜を形成する場合は、それぞれのＳｉＣグラファイト板９（ホットウォール２の上面および下面を覆う板を除く）にウエハー６を載せて、コイル１に電流を流し、ホットウォール２を誘導加熱する。そして、石英管４の中に反応ガス５を注入して、ウエハー６のおもて面に半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる。このように、半導体結晶膜形成装置２０は、実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置１０と比較して、一度の処理で複数のウエハー６に半導体結晶膜を形成することができる。   When the semiconductor crystal film is formed by the semiconductor crystal film forming apparatus 20, the wafer 6 is placed on each SiC graphite plate 9 (excluding the plate covering the upper and lower surfaces of the hot wall 2), and a current is passed through the coil 1. The hot wall 2 is induction heated. Then, a reaction gas 5 is injected into the quartz tube 4 to epitaxially grow a semiconductor crystal film on the front surface of the wafer 6. As described above, the semiconductor crystal film forming apparatus 20 can form the semiconductor crystal films on the plurality of wafers 6 in one process, as compared with the semiconductor crystal film forming apparatus 10 according to the first embodiment.

なお、ウエハー６を並べる板としてＳｉＣグラファイト板９を用いる理由は、第１に炭化珪素の熱輻射率が高いためであり、第２に炭化珪素のパーティクルとの密着性が高いためである。また、図５および図６は、３枚のＳｉＣグラファイト板９にウエハー６を並べて同時に処理をおこなう構成を示したが、ＳｉＣグラファイト板９の枚数を調整することによって、同時に処理できるウエハーの枚数は適宜調整することができる。   The reason why the SiC graphite plate 9 is used as a plate on which the wafers 6 are arranged is because the thermal radiation rate of silicon carbide is high first, and secondly, the adhesion with silicon carbide particles is high. 5 and 6 show a configuration in which wafers 6 are arranged on three SiC graphite plates 9 and processing is performed at the same time. By adjusting the number of SiC graphite plates 9, the number of wafers that can be processed simultaneously is as follows. It can be adjusted appropriately.

以上説明したように、実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置２０は、ホットウォール２の側面をＴａＣグラファイト板８で、ホットウォール２の上面および下面をＳｉＣグラファイト板９で覆っている。これにより、ホットウォール側面からの熱輻射を避けつつ、ホットウォール上面および下面からの熱輻射を有効に利用して、ウエハーの温度分布を均一にすることができる。   As described above, in the semiconductor crystal film forming apparatus 20 according to the second embodiment, the side surface of the hot wall 2 is covered with the TaC graphite plate 8 and the upper and lower surfaces of the hot wall 2 are covered with the SiC graphite plate 9. This makes it possible to make uniform the temperature distribution of the wafer by effectively using the heat radiation from the upper and lower surfaces of the hot wall while avoiding the heat radiation from the side surface of the hot wall.

また、ホットウォール２の各面を覆うグラファイト板は取り外し可能であるため、成膜をおこなう度に交換することができる。これにより、パーティクルやコーティングの剥げの影響を低減し、安定した品質の半導体結晶膜を形成することができる。さらに、半導体結晶膜の成膜後、ウエハー６を並べたＳｉＣグラファイト板９ごと装置から取り出すようにすれば、ＳｉＣグラファイト板９の熱容量が小さいため、短時間で冷却することができ、成膜プロセスを短時間で終了させることができる。なお、本実施例では、ＳiＣグラファイト板を用いたが、炭化珪素からなる板で代用しても同様の効果が得られる。   Further, since the graphite plate covering each surface of the hot wall 2 is removable, it can be exchanged every time a film is formed. Thereby, the influence of peeling of particles and coatings can be reduced, and a semiconductor crystal film of stable quality can be formed. Further, if the SiC graphite plate 9 on which the wafers 6 are arranged is taken out from the apparatus after the semiconductor crystal film is formed, the SiC graphite plate 9 can be cooled in a short time because the heat capacity of the SiC graphite plate 9 is small. Can be completed in a short time. In this embodiment, the SiC graphite plate is used, but the same effect can be obtained even if a plate made of silicon carbide is substituted.

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体結晶膜形成装置および炭化珪素半導体結晶膜形成方法は、膜厚が均一な半導体結晶膜を形成するのに有用であり、特に、パワーデバイスの製造に用いられる４Ｈ−ＳｉＣの結晶膜の形成に適している。   As described above, the silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus and the silicon carbide semiconductor crystal film forming method according to the present invention are useful for forming a semiconductor crystal film having a uniform film thickness, particularly for the manufacture of power devices. It is suitable for forming a 4H—SiC crystal film to be used.

実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing a structure of a semiconductor crystal film forming apparatus according to a first embodiment; 図１に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ａ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section along line segment A-A 'of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG. 半導体結晶膜形成装置で加熱したウエハーの温度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature distribution of the wafer heated with the semiconductor crystal film forming apparatus. 実施の形態１にかかる半導体結晶膜形成装置の変形例を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view showing a modification of the semiconductor crystal film forming apparatus according to the first embodiment. 実施の形態２にかかる半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a structure of a semiconductor crystal film forming apparatus according to a second embodiment. 図５に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section along line segment B-B 'of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG. 図６に示す断面図の領域Ｃを拡大した説明図である。It is explanatory drawing which expanded the area | region C of sectional drawing shown in FIG. 従来技術による半導体結晶膜形成装置の構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the semiconductor crystal film forming apparatus by a prior art. 図８に示す半導体結晶膜形成装置の線分Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section along line segment D-D 'of the semiconductor crystal film forming apparatus shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ コイル
２ ホットウォール
３ 断熱材
４ 石英管
５ 反応ガス
６ ウエハー
７ 炭化タンタルコート
８ ＴａＣグラファイト板
９ ＳｉＣグラファイト板
１０，２０ 半導体結晶膜形成装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coil 2 Hot wall 3 Heat insulating material 4 Quartz tube 5 Reaction gas 6 Wafer 7 Tantalum carbide coating 8 TaC graphite plate 9 SiC graphite plate 10,20 Semiconductor crystal film formation apparatus

Claims (6)

コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されていないことを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。 A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus that supplies a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil and forms a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of a wafer placed in the gas flow path. There,
The hot wall is made of graphite,
Of the inner wall surface of the hot wall, surfaces other than the surface on which the wafer is installed and the surface facing the front surface of the wafer are coated with tantalum carbide, and the surface on which the wafer is installed and the surface A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus , wherein a surface facing a front surface of a wafer is not covered with the tantalum carbide. コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記板状部材が設置されていないことを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。 A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus that supplies a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil and forms a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of a wafer placed in the gas flow path. There,
The hot wall is made of graphite,
Of the inner wall surface of the hot wall, the surface other than the surface on which the wafer is installed and the surface facing the front surface of the wafer is provided with a plate-like member formed of graphite and coated with tantalum carbide. A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus , wherein the plate-like member is not installed on a surface on which the wafer is installed and a surface opposite to the front surface of the wafer . 前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体結晶膜形成装置。 Of the inner wall surface of the hot wall, the surface on which the wafer is placed and the surface facing the front surface of the wafer are plate members made of graphite and covered with silicon carbide, or plate shapes made of silicon carbide The member is installed, The silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成装置であって、
グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された前記ウエハーを設置するための板状部材を備え、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面には、グラファイトで形成され炭化珪素で被覆された板状部材または炭化珪素からなる板状部材が設置されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置された板状部材と平行な面以外の面には、グラファイトで形成され炭化タンタルで被覆された板状部材が設置されていることを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成装置。 A silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus that supplies a gas into a gas flow path surrounded by a hot wall that is induction-heated by a coil and forms a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of a wafer placed in the gas flow path. There,
A plate-like member for installing the wafer formed of graphite and covered with silicon carbide;
The hot wall is made of graphite,
A plate-like member made of graphite and covered with silicon carbide or a plate-like member made of silicon carbide is placed on the inner wall surface of the hot wall parallel to the plate-like member on which the wafer is placed. And
Of the inner wall surface of the hot wall, a plate-like member formed of graphite and coated with tantalum carbide is provided on a surface other than a surface parallel to the plate-like member on which the wafer is installed. An apparatus for forming a silicon carbide semiconductor crystal film. 前記ウエハーを設置するための板状部材が複数設けられていることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体結晶膜形成装置。   The silicon carbide semiconductor crystal film forming apparatus according to claim 4, wherein a plurality of plate-like members for installing the wafer are provided. コイルによって誘導加熱されるホットウォールによって囲まれるガス流路内にガスを供給して当該ガス流路内に置かれたウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成する炭化珪素半導体結晶膜形成方法であって、
前記ホットウォールはグラファイトで形成されており、
前記ホットウォールの内壁面のうち、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面以外の面は、炭化タンタルで被覆されており、前記ウエハーが設置される面および前記ウエハーのおもて面と対向する面は、前記炭化タンタルで被覆されておらず、
前記ホットウォール内にガスを供給して前記ウエハーの表面に炭化珪素半導体結晶膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体結晶膜形成方法。 A silicon carbide semiconductor crystal film forming method for forming a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of a wafer placed in a gas flow path surrounded by a hot wall induction-heated by a coil and placed in the gas flow path There,
The hot wall is made of graphite,
Of the inner wall surface of the hot wall, front surface which faces the other surface side and the wafer the wafer is placed is overturned be in tantalum carbide, the surface wherein the wafer is placed and The surface facing the front surface of the wafer is not coated with the tantalum carbide,
A method for forming a silicon carbide semiconductor crystal film, comprising: supplying a gas into the hot wall to form a silicon carbide semiconductor crystal film on a surface of the wafer.
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