JP6093154B2 - 収容容器の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、主要には、単結晶ＳｉＣ基板の表面をエッチングする際に当該単結晶ＳｉＣ基板を収容する収容容器に関する。
ＳｉＣは、Ｓｉ等と比較して耐熱性及び機械的強度等に優れるため、新たな半導体材料として注目されている。なお、単結晶ＳｉＣ基板の表面には、初めは結晶欠陥等が存在していることがある。
特許文献１は、この単結晶ＳｉＣ基板の表面を平坦化する（修復する）表面平坦化方法を開示する。この表面平坦化方法では、収容容器に収容された単結晶ＳｉＣ基板に炭化層及び犠牲成長層を形成し、この犠牲成長層をエッチングすることで、表面を平坦化する。これにより、エピタキシャル成長のための高品質な種基板を生産することができる。
また、犠牲成長層の形成時等では、Ｓｉ蒸気圧での加熱処理が必要となる。特許文献１では、Ｓｉ蒸気圧を実現するために、図６に示すような収容容器を用いている。図６に示すように、単結晶ＳｉＣ基板９４が収容される収容容器９０は、互いに嵌合可能な上容器９１及び下容器９２を備えている。上容器９１及び下容器９２のうち、内部空間を構成する部分の壁面には、Ｓｉ９３が固着されている。この構成により、加熱処理時にＳｉ１４が蒸発し、収容容器９０の内部空間にＳｉ蒸気圧を形成することができる。
一般的には、上記のようにして生産された種結晶に対して、エピタキシャル成長、イオン注入、及びイオン活性化等の処理が行われる。
特許文献２は、単結晶ＳｉＣ基板の表面にカーボン層（グラフェンキャップ）を形成した上で、上記のイオン活性化を行うことで、イオン活性化時のＳｉ及びＳｉＣの昇華を抑制する方法を開示する。その後、この方法では、カーボン層を除去するとともに、イオン注入不足部分を除去するために、Ｓｉ蒸気圧において単結晶ＳｉＣ基板の表面をエッチングする。なお、特許文献２では、Ｓｉ蒸気圧を実現するために、収容容器にＳｉペレットを配置する方法を開示する。
特開２００８−２３０９４４号公報 特開２０１１−２３３７８０号公報
しかし、特許文献１のように内部空間の壁面にＳｉを固着した場合、加熱処理時に当該Ｓｉが溶融することがある。特に、内部空間の上側の壁面に固着されたＳｉが溶融すると、単結晶ＳｉＣ基板上にＳｉが落下してしまう。なお、内部空間の上側の壁面にＳｉを固着しない場合、Ｓｉの圧力分布が不均一となり加熱処理を適切に行うことができない。
また、特許文献２では収容容器の内部にＳｉペレット置くが、この方法でもＳｉの圧力分布が不均一となり加熱処理を適切に行うことができない。従って、エッチングを均一に行うことができない。
なお、特許文献２では、カーボン層を形成する工程、及びカーボン層を除去する工程が必要であるため、工程が繁雑になってしまう。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、Ｓｉが単結晶ＳｉＣ基板上に落下せず、内部空間内のＳｉの圧力分布を均一とすることが可能な収容容器を提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、Ｓｉの蒸気圧下での加熱処理によりエッチングされる単結晶ＳｉＣ基板を収容する収容容器の製造方法において、以下のタンタルシリサイド層形成工程を含む方法が提供される。この収容容器はタンタル金属からなるとともに、前記タンタル金属の内部空間側に炭化タンタル層が設けられており、前記タンタルシリサイド層形成工程では、当該炭化タンタル層に溶融したＳｉを接触させた状態で加熱することで、当該炭化タンタル層の更に内部空間側にタンタルシリサイド層を形成する。
従来のように収容容器の内面にＳｉを固着させてＳｉを供給する構成は、Ｓｉが溶融することで単結晶ＳｉＣ基板に悪影響を与えることがあるが、本願のように、タンタルシリサイド層によって内部空間にＳｉを供給することで、その悪影響を防止できる。また、上記の方法でタンタルシリサイド層を形成することで、加熱処理時にＳｉが溶融しない収容容器を簡単かつ低コストに作成することができる。
前記の収容容器の製造方法においては、前記タンタルシリサイド層形成工程では、収容された前記単結晶ＳｉＣ基板の少なくとも上方の壁面に、前記タンタルシリサイド層が形成されることが好ましい。
上記の方法で製造した収容容器を用いることにより、溶融したＳｉが単結晶ＳｉＣ基板上に落下することを防止しつつ、Ｓｉ蒸気圧を実現できる。
前記の収容容器の製造方法においては、前記タンタルシリサイド層形成工程では、内部空間を形成する壁面の全体にわたって前記タンタルシリサイド層が形成される。
上記の方法で製造した収容容器を用いることにより、内部空間内をＳｉの圧力を均一にすることができるので、エッチングを均一に行うことができる。
前記の収容容器の製造方法においては、前記タンタルシリサイド層形成工程では、１μｍから３００μｍの厚みの前記タンタルシリサイド層が形成されることが好ましい。
この厚みのタンタルシリサイド層が設けられることで、内部空間に供給するＳｉを十分に確保しつつ、収容容器の割れを適切に防止することができる。
前記の収容容器の製造方法においては、前記タンタルシリサイド層形成工程では、ＴａＳｉ2からなる前記タンタルシリサイド層が形成されることが好ましい。
これにより、溶融したＳｉを接触させて加熱するだけで、タンタルシリサイド層を形成できる。
本発明の表面処理方法に用いる高温真空炉の概要を説明する図。 坩堝の構成を示す図。 １０００℃で１ａｔｍにおけるＴａ，Ｓｉ，Ｃのフェーズダイアグラム。 加熱温度と、タンタルシリサイドから昇華するＳｉ蒸気圧の分圧を示すグラフ。 各工程における基板の様子を概略的に示す図。 従来例における、収容容器の構成を概略的に示す図。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
初めに、図１を参照して、本実施形態の加熱処理で用いる高温真空炉（半導体製造装置）１０及び坩堝３０について説明する。図１は、本発明の表面処理方法に用いる高温真空炉の概要を説明する図である。図２は、坩堝３０の構成を示す図である。
図１に示すように、高温真空炉１０は、本加熱室２１と、予備加熱室２２と、を備えている。本加熱室２１は、単結晶ＳｉＣ基板を１０００℃以上２３００℃以下の温度に加熱することができる。予備加熱室２２は、単結晶ＳｉＣ基板を本加熱室２１で加熱する前に予備加熱を行うための空間である。
本加熱室２１には、真空形成用バルブ２３と、不活性ガス注入用バルブ２４と、真空計２５と、が接続されている。真空形成用バルブ２３により、本加熱室２１の真空度を調整することができる。不活性ガス注入用バルブ２４により、本加熱室２１内の不活性ガス（例えばＡｒガス）の圧力を調整することができる。真空計２５により、本加熱室２１内の真空度を測定することができる。
本加熱室２１の内部には、ヒータ２６が備えられている。また、本加熱室２１の側壁や天井には図略の熱反射金属板が固定されており、この熱反射金属板によって、ヒータ２６の熱を本加熱室２１の中央部に向けて反射させるように構成されている。これにより、単結晶ＳｉＣ基板を強力且つ均等に加熱し、１０００℃以上２３００℃以下の温度まで昇温させることができる。なお、ヒータ２６としては、例えば、抵抗加熱式のヒータや高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。
また、単結晶ＳｉＣ基板は、坩堝（収容容器）３０に収容された状態で加熱される。坩堝３０は、適宜の支持台等に載せられており、この支持台が動くことで、少なくとも予備加熱室から本加熱室まで移動可能に構成されている。
坩堝３０は、互いに嵌合可能な上容器３１と下容器３２とを備えている。また、坩堝３０は、図２に示すように、坩堝３０の外側から内部空間側の順に、タンタル層（Ｔａ）、タンタルカーバイド層（ＴａＣ及びＴａ2Ｃ）、及びタンタルシリサイド層（ＴａＳｉ2）から構成されている。
タンタル層及びタンタルカーバイド層から構成される坩堝は従来から知られているが、本実施形態の坩堝３０は、更にタンタルシリサイド層が形成されている。このタンタルシリサイド層は、坩堝３０の内部空間をＳｉ蒸気圧にするためのものであり、特許文献１における内壁に固着させたＳｉ、特許文献２におけるＳｉペレットに該当する。
以下、タンタルシリサイド層の形成方法について説明する。タンタルシリサイド層は、溶融させたＳｉを坩堝の内壁面に接触させて、１８００℃以上２０００℃以下程度で加熱することで形成される。これにより、ＴａＳｉ2から構成されるタンタルシリサイド層が実現できる。なお、本実施形態では、３０μｍから５０μｍ程度のタンタルシリサイド層を形成するが、内部空間の体積等に応じて、例えば１μｍから３００μｍの厚みであっても良い。
以上のように処理を行うことで、タンタルシリサイド層を形成することができる。
なお、本実施形態ではタンタルシリサイドとしてＴａＳｉ2が形成される構成であるが、他の化学式で表されるタンタルシリサイド（例えば図３のフェーズダイアグラムに示されているタンタルシリサイド）が形成されていても良い。また、複数のタンタルシリサイドが重ねて形成されていても良い。
図４には、加熱温度と、タンタルシリサイドから昇華するＳｉ蒸気圧の分圧を示すグラフが示されている。図４に示すように、タンタルシリサイドから昇華するＳｉ蒸気圧は比較的高い圧力を示している。更に、タンタルシリサイド層は、内部空間を構成する壁面（当然、単結晶ＳｉＣ基板４０の上側の壁面を含む）の全体にわたって形成される。これにより、内部空間のＳｉの圧力分布を均一にすることができる。
単結晶ＳｉＣ基板を加熱処理する際には、初めに、図１の鎖線で示すように坩堝３０を高温真空炉１０の予備加熱室２２に配置して、適宜の温度（例えば約８００℃）で予備加熱する。次に、予め設定温度（例えば、約１８００℃）まで昇温させておいた本加熱室２１へ坩堝３０を移動させ、単結晶ＳｉＣ基板を加熱する。
次に、上記の高温真空炉１０を利用して単結晶ＳｉＣ基板４０から半導体素子を製造する処理について図５を参照して説明する。図５は、各工程における基板の様子を概略的に示す図である。
初めに、図５（ａ）に示すように、単結晶ＳｉＣ基板４０にエピタキシャル層４１を形成する。エピタキシャル層を形成する方法は、任意であり、公知の気相エピタキシャル法や準安定溶媒エピタキシャル法等を用いることができる。更には、単結晶ＳｉＣ基板４０がＯＦＦ基板である場合、ステップフロー制御によってエピタキシャル層を形成するＣＶＤ法を用いることもできる。
次に、図５（ｂ）に示すように、エピタキシャル層４１が形成された単結晶ＳｉＣ基板４０にイオン注入を行う。このイオン注入は、対象物にイオンを照射する機能を有するイオンドーピング装置を用いて行う。イオンドーピング装置によって、エピタキシャル層４１の表面の全面又は一部に選択的にイオンが注入される。そして、イオンが注入されたイオン注入部分４２に基づいて半導体素子の所望の領域が形成されることになる。
また、イオンが注入されることによって、図５（ｃ）に示すように、イオン注入部分４２を含むエピタキシャル層４１の表面が荒れた状態になる（単結晶ＳｉＣ基板４０の表面が損傷し、平坦度が悪化する）。
次に、注入したイオンの活性化、及び、イオン注入部分４２等へのエッチングを行う。本実施形態では、両方の処理を１つの工程で行う。具体的には、Ｓｉ蒸気圧下で１５００℃以上２２００℃以下、望ましくは１６００℃以上２０００℃以下の環境で加熱処理（アニール処理）を行う。これにより、注入されたイオンを活性化することができる。また、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面がエッチングされることで、イオン注入部分４２の荒れた部分が平坦化されていく（図５（ｄ）を参照）。
この平坦化の際には、以下に示す反応が行われる。
（１） ＳｉＣ（ｓ） → Ｓｉ（ｖ）I ＋ Ｃ（ｓ）
（２） ２ＳｉＣ（ｓ） → Ｓｉ（ｖ）II ＋ ＳｉＣ2（ｖ）
（３） ＳｉＣ（ｓ） ＋ Ｓｉ（ｖ）I+II → Ｓｉ2Ｃ（ｖ）
（４） Ｃ（ｓ）I ＋ ２Ｓｉ（ｖ） → Ｓｉ2Ｃ（ｖ）
ここで、上述のように本実施形態では坩堝３０の内部空間は、Ｓｉの圧力分布を均一にすることができる。また、この内部空間を構成する壁面にタンタルシリサイド層が形成されているため、例えば式（３）及び（４）によりＳｉが減少した場合であっても即座にＳｉが供給されるので、内部空間が常にＳｉの蒸気圧となる。従って、式（１）及び式（２）が起こりにくくなり、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面の炭化を抑制しつつエッチングことができる。
従って、本実施形態の坩堝３０を用いることにより、特許文献２のようにカーボン層（グラフェンキャップ）を形成する必要がない。従って、カーボン層を形成及び除去する工程を省略することができるので、処理を簡素化することができる。
また、イオン注入後における単結晶ＳｉＣ基板４０の表面から数十ｎｍ程度には、イオン濃度が不足する部分（イオン注入不足部分）が表れることが知られている。そのため、上記のエッチングは、このイオン注入不足部分が除去されるまで継続される（図５（ｅ）を参照）。
以上の処理を行うことで、平坦度及び十分な電気的活性を有する半導体素子表面が形成される。この半導体素子表面を利用して、半導体を製造することができる。
以上に説明したように、本実施形態の坩堝３０は、Ｓｉの蒸気圧下での加熱処理によりエッチングされる単結晶ＳｉＣ基板４０を収容する。この坩堝３０は、タンタル金属からなるとともに、内部空間側に炭化タンタル層が設けられ、当該炭化タンタル層の更に内部空間側にタンタルシリサイド層が設けられる。
これにより、Ｓｉを固着させる構成と異なり、Ｓｉが溶融することがないので、Ｓｉが単結晶ＳｉＣ基板４０に悪影響を与えることを防止できる。
また、本実施形態の坩堝３０には、収容された単結晶ＳｉＣ基板４０の少なくとも上方の壁面において、タンタルシリサイド層が設けられている。
これにより、溶融したＳｉが単結晶ＳｉＣ基板４０上に落下することを防止しつつ、Ｓｉ蒸気圧を実現できる。
また、本実施形態の坩堝３０において、タンタルシリサイド層は、内部空間を形成する壁面の全体にわたって設けられている。
これにより、内部空間内をＳｉの圧力を均一にすることができるので、エッチングを均一に行うことができる。
また、本実施形態の坩堝３０は、イオンが注入された単結晶ＳｉＣ基板４０の表面のイオン注入不足部分を除去するエッチング工程において、単結晶ＳｉＣ基板４０を収容するために用いられる。
これにより、イオン注入不足部分を除去するエッチング工程において、上記の効果を発揮させることができる。また、本実施形態では内部空間のＳｉの圧力が均一であるので、単結晶ＳｉＣ基板４０の炭化を抑制することができるので、カーボン層（グラフェンキャップ）を形成することなく、イオン活性化処理を行うことができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
なお、本実施形態では、収容容器９０をイオン注入後のエッチングのために用いたが、均一なエッチング等が要求される工程であれば、様々な工程に上記の制御を適用することができる。
例えば、エピタキシャル成長を行う前の基板（結晶欠陥等を有する基板）を平坦化する方法として、特許文献１に示すように、炭化層及び犠牲成長層を形成して犠牲成長層をエッチングする方法が知られている。この犠牲成長層のエッチングを行う際に本実施形態の収容容器９０を用いることができる。この場合、犠牲成長層を均一に除去することができる。
上記実施形態では、カーボン層（グラフェンキャップ）を形成する処理を行わないが、この処理を行っても良い。また、カーボン層を形成する工程を行った後は、上記の式（４）によりカーボン層を除去することができる。従って、カーボン層を除去する処理と、イオンを活性化する処理と、単結晶ＳｉＣ基板をエッチングする処理と、を１つの工程で行うことができる。
タンタルシリサイド層を形成する方法は上記実施形態で示した方法に限られず、上記で説明した構成（組成）の収容容器が形成できるのであれば、任意の方法を用いることができる。
処理を行った環境及び用いた単結晶ＳｉＣ基板等は一例であり、様々な環境及び単結晶ＳｉＣ基板に対して適用することができる。例えば、加熱温度は上記で挙げた温度に限られず、より低温とすることでエッチング速度を一層低下させることができる。また、上述した高温真空炉以外の加熱装置を用いても良い。
収容容器は、内部空間が形成されており、上記で説明した構成（組成）であれば形状は任意である。例えば、外形が円柱状であっても良いし、立方体状又は直方体状であっても良い。
１０ 高温真空炉（半導体製造装置）
２１ 本加熱室
２２ 予備加熱室
３０ 坩堝（収容容器）
４０ 単結晶ＳｉＣ基板
４１ エピタキシャル層
４２ イオン注入部分

Claims (5)

  1. Ｓｉの蒸気圧下での加熱処理によりエッチングされる単結晶ＳｉＣ基板を収容する収容容器の製造方法であって、
    前記収容容器はタンタル金属からなるとともに、前記タンタル金属の内部空間側に炭化タンタル層が設けられており、当該炭化タンタル層に溶融したＳｉを接触させた状態で加熱することで、当該炭化タンタル層の更に内部空間側にタンタルシリサイド層を形成するタンタルシリサイド層形成工程を含むことを特徴とする収容容器の製造方法。
  2. 請求項１に記載の収容容器の製造方法であって、
    前記タンタルシリサイド層形成工程では、収容された前記単結晶ＳｉＣ基板の少なくとも上方の壁面に、前記タンタルシリサイド層が形成されることを特徴とする収容容器の製造方法。
  3. 請求項１又は２に記載の収容容器の製造方法であって、
    前記タンタルシリサイド層形成工程では、内部空間を形成する壁面の全体にわたって前記タンタルシリサイド層が形成されることを特徴とする収容容器の製造方法。
  4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の収容容器の製造方法であって、
    前記タンタルシリサイド層形成工程では、１μｍから３００μｍの厚みの前記タンタルシリサイド層が形成されることを特徴とする収容容器の製造方法。
  5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の収容容器の製造方法であって、
    前記タンタルシリサイド層形成工程では、ＴａＳｉ2からなる前記タンタルシリサイド層が形成されることを特徴とする収容容器の製造方法。
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