JP2013038099A - Vapor growth device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板に薄膜を成長させる装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for growing a thin film on a substrate.
高温で気相から基板に膜を成長させる装置は半導体産業の発達とともに発達した。結晶膜を成長させる装置は気相成長装置の中でも雰囲気の清浄さと基板の上の粒子ゴミの管理を再現性よく行う必要から、その構造は特殊である。コストを競う量産用の装置の構造は、基板の大きさに合わせて、いくつかの代表的な構造が発明された。 An apparatus for growing a film from a gas phase to a substrate at a high temperature has been developed with the development of the semiconductor industry. An apparatus for growing a crystal film has a special structure because it is necessary to clean the atmosphere and manage particle dust on the substrate with high reproducibility among vapor phase growth apparatuses. Several typical structures have been invented in accordance with the size of the substrate for the mass production apparatus that competes for cost.
シリコン半導体産業においては、バイポーラトランジスタをLSI(大規模集積回路)に搭載する開発を競った時代があった。当該トランジスタはシリコン基板の上にシリコンの結晶膜を成長させる結晶構造を用いた。この結晶膜を成長させる装置をシリコンエピタキシャル装置と呼んだ。シリコン基板(ウエハと呼ぶときもある)が現在12インチ直径が主流であるので、現在のエピタキシャル装置は枚葉式である。 In the silicon semiconductor industry, there was a time when the development of mounting bipolar transistors on LSIs (Large Scale Integrated Circuits) competed. The transistor has a crystal structure in which a silicon crystal film is grown on a silicon substrate. An apparatus for growing this crystal film was called a silicon epitaxial apparatus. Since silicon substrates (sometimes called wafers) are currently 12 inches in diameter, the current epitaxial equipment is single wafer.
それは、基板が大きいとき、1枚の基板を処理する装置構造が均一性を得るために好適であるからだ。しかし、2インチや4インチの基板を処理していた1980年代ではバッチ式を用いた。その時代には大量に基板を処理する必要からいくつかの装置構造が発明された。 This is because when the substrate is large, an apparatus structure for processing one substrate is suitable for obtaining uniformity. However, in the 1980's when processing 2 inch and 4 inch substrates, the batch method was used. At that time, several device structures were invented because of the need to process a large number of substrates.
シリコン半導体産業は成熟したが、化合物半導体を用いるデバイスが産業として今成長しつつある。GaAs(砒素化ガリューム)基板を用いるレーザーデバイス、GaN(窒化ガリューム)やサファイアーの基板を用いるLED(Light Emitting Diode)デバイスがその産業である。 Although the silicon semiconductor industry has matured, devices using compound semiconductors are now growing as an industry. The industry is a laser device using a GaAs (gallium arsenide) substrate and an LED (Light Emitting Diode) device using a GaN (gallium nitride) or sapphire substrate.
これらの産業において、基板は2インチないし4インチがまだ主流である。一回の成長で処理できる基板枚数が多いほど製造効率を上げられる産業である。シリコン産業においては、基板の大きさを大きくすることは可能であったので、基板の大きさを大きくして製造コストを下げた。従って、基板は現在12インチまで大きくなったという現実がある。しかし、産業の歴史はシリコン半導体と同じに長いのに、化合物半導体は依然として4インチ基板を用いるのが、実用的にはまだ限度である。 In these industries, substrates of 2 to 4 inches are still mainstream. This is an industry that can increase the production efficiency as the number of substrates that can be processed in one growth increases. In the silicon industry, it was possible to increase the size of the substrate, so the size of the substrate was increased to reduce the manufacturing cost. Therefore, there is a reality that the substrate is now up to 12 inches. However, although the history of the industry is as long as that of silicon semiconductors, compound semiconductors still use a 4-inch substrate, but there is still a practical limit.
その理由の一つは基板の反りとそれに伴う成長結晶膜のクラックの問題があるからである。この問題は基板が大きくなると顕著になる。従って、化合物半導体の産業においては、まだ2インチや4インチの基板を用いる時代が続く。市場が小さかった時代が長く続いたが、現在それが急速に成長している。それにより、コスト競争が市場で激しくなり始めた。反りの問題があるので、コストを下げるために、シリコン半導体と同じように基板を大きくするという方法は用いられない。このため一回の処理に成長できる基板枚数を多くすることが今競争力になる。 One reason is that there is a problem of warping of the substrate and accompanying cracks in the grown crystal film. This problem becomes conspicuous as the substrate becomes larger. Therefore, in the compound semiconductor industry, the era of still using 2 inch or 4 inch substrates continues. The era when the market was small lasted for a long time, but now it is growing rapidly. As a result, cost competition began to intensify in the market. Since there is a problem of warping, the method of enlarging the substrate in the same way as a silicon semiconductor is not used to reduce the cost. Therefore, increasing the number of substrates that can be grown in one process is now competitive.
化合物半導体膜の成長には有機金属ガスを用いる。このガスは熱分解して重合体を気相で形成する。この性質があるので、結晶成長装置の構造の種類は少ない。1枚のサセプタ(基板の載せる加熱板)を用い、その上に1枚または複数枚の基板を載せるのが基本構造であり、進化してない。バッチサイズを大きくするには、この基本構造ではサセプタを大きくするしか、方法がなかった。 An organic metal gas is used for the growth of the compound semiconductor film. This gas is thermally decomposed to form a polymer in the gas phase. Because of this property, there are few types of structures of crystal growth apparatuses. The basic structure is to use one susceptor (a heating plate on which a substrate is placed) and to place one or more substrates thereon, and it has not evolved. The only way to increase the batch size is to increase the susceptor in this basic structure.
これに対して、産業成長が急速であった時代のシリコンエピタキシャル装置には多くの構造アイデアがあった。その中に多数のサセプタを用いるアイデアがある。一例として特開昭60−090894気相成長装置(特許文献1)に開示された構造を転写して図1に示す。 On the other hand, there were many structural ideas for silicon epitaxial devices in the era of rapid industrial growth. Among them is the idea of using a large number of susceptors. As an example, the structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-090894 (Patent Document 1) is transferred and shown in FIG.
複数のサセプタ11を放射状に配置して、各サセプタ11の両面に基体(基板と同じ)4を搭載する構造である。図2にシリンダー反応室12の構造を示す。サセプタはヒーター16により加熱され基体回転導入器15により回転する。13原料吹き出しノズル13よりCVD(化学気相成長)のガスが複数の導入口から導入され、サセプタの上の方から流れ、サセプタ上の基体の上で熱分解して結晶膜を成長させ、通過して、排気口14から排気される。 In this structure, a plurality of susceptors 11 are arranged radially, and a base body (same as a substrate) 4 is mounted on both surfaces of each susceptor 11. FIG. 2 shows the structure of the cylinder reaction chamber 12. The susceptor is heated by the heater 16 and rotated by the substrate rotation introducing device 15. 13 Chemical vapor deposition (CVD) gas is introduced from a plurality of inlets from the raw material blowing nozzle 13, flows from above the susceptor, thermally decomposes on the substrate on the susceptor, and grows a crystal film. Then, the air is exhausted from the exhaust port 14.
複数のサセプタを用いる別の発明として特開平03−142823(特許文献2)の主要図を転載して模式的に図3に示す。サセプタ302が多段に連結棒309で連結して積層されている。基板301がサセプタ302の上に1枚載せられている。石英の外筒304の外にワークコイル305があり、このコイルに誘導電流を通じて、サセプタ302を誘導加熱する。サセプタは回転軸303で回転する。CVDガスが独立に吹き出し口をそなえたガス供給管306a,306b、306c,306dから導入されてサセプタの上で熱分解して、基板301の上に結晶膜を成長させて、ガス排気管307の孔308から排気される。 As another invention using a plurality of susceptors, a main diagram of Japanese Patent Laid-Open No. 03-142823 (Patent Document 2) is reprinted and schematically shown in FIG. The susceptor 302 is stacked by connecting bars 309 in multiple stages. One substrate 301 is placed on the susceptor 302. A work coil 305 is provided outside the quartz outer cylinder 304, and the susceptor 302 is inductively heated by passing an induced current through the coil. The susceptor rotates on the rotation shaft 303. CVD gas is introduced from gas supply pipes 306 a, 306 b, 306 c, and 306 d independently provided with blowout ports, thermally decomposed on the susceptor, a crystal film is grown on the substrate 301, and the gas exhaust pipe 307 The air is exhausted from the hole 308.
バッチサイズを大きくする(一度の成長させる基板枚数を多くする)結晶膜成長装置の構造例を公開された発明から以上2つ示した。 Two examples of the structure of the crystal film growth apparatus for increasing the batch size (increasing the number of substrates to be grown at one time) have been shown above.
バッチサイズを大きくするとともに、成長させる結晶膜が基板と異なるヘテロ結晶成長の必要がでてきている。ヘテロ結晶成長の場合、雰囲気は減圧であり、用いるガスの線速度は高速である。先行の特許文献3は減圧でシリコンカーバイド結晶膜をシリコン基板の上に成長させる発明を1987年に公開した。この発明は基板の軸を僅かに傾けることにより、表面の平滑な結晶膜を異種基板の上に成長させる技術である。近年、シリコンカーバイドは高耐圧、高周波、大電力デバイス結晶として実用化が進んでいる。またGaNもLED照明や高速大電力デバイスのための結晶として実用化が進んでいる。これらの結晶をシリコン結晶基板の上にヘテロ結晶成長させる試みが大バッチサイズで行う市場ニーズが強くなっている。 As the batch size is increased, it is necessary to grow a heterocrystal whose crystal film is different from the substrate. In the case of heterocrystal growth, the atmosphere is reduced pressure and the linear velocity of the gas used is high. Prior Patent Document 3 published in 1987 an invention for growing a silicon carbide crystal film on a silicon substrate under reduced pressure. The present invention is a technique for growing a crystal film having a smooth surface on a heterogeneous substrate by slightly tilting the axis of the substrate. In recent years, silicon carbide has been put into practical use as a high breakdown voltage, high frequency, high power device crystal. GaN is also being put into practical use as a crystal for LED lighting and high-speed high-power devices. There is a growing market need for attempts to grow these crystals heterocrystals on a silicon crystal substrate in a large batch size.
サセプタを増加させる構造を用いることで、バッチサイズを大きくすることが可能であることが前述の例で示した。量産を考えるとき、均一性を改良しながらバッチサイズを大きくする構造改良が基本的な課題である。装置の部品の洗浄交換は必要になるが、この周期を長くしたい。真空と気密を保つ石英管の交換頻度を少なくすることが第1課題である。また、CVDガスの基板上での消費効率を上げて、かつ排気系のポンプや排気配管への付着を減らしたい。別の表現では未利用で捨てられる未反応CVDガスの量を減らしたい。これが第2の課題である。有機金属ガスをCVDガスとして用いるとき、気相で重合反応を起こし粒子ゴミを発生させるので、加熱空間を横切る流路を短くしたい。これが第3の課題である。 The above example showed that the batch size can be increased by using a structure that increases the susceptor. When considering mass production, structural improvement to increase batch size while improving uniformity is a fundamental issue. Although it is necessary to clean and replace the parts of the equipment, we want to lengthen this cycle. The first problem is to reduce the frequency of replacement of the quartz tube that maintains vacuum and airtightness. It is also desirable to increase the consumption efficiency of CVD gas on the substrate and reduce the adhesion of the exhaust system to pumps and exhaust pipes. In other words, we want to reduce the amount of unreacted CVD gas that is unused and thrown away. This is the second problem. When an organometallic gas is used as a CVD gas, a polymerization reaction occurs in the gas phase and particle dust is generated. Therefore, it is desired to shorten the flow path across the heating space. This is the third problem.
これらの課題を解決するために、改良した装置構造を与える。 In order to solve these problems, an improved device structure is provided.
本発明は、請求項1に記載のように、表面に基板を載せる複数の加熱されるサセプタを立てて放射状に配置させ、当該放射状配置のサセプタを回転させながら外周から熱分解CVDガスを供給して当該基板の上にCVD膜を成長せしめ、当該放射状配置サセプタの配置中心に加熱可能な排気管が配置されてあり、当該CVDガスを当該排気管から排気することで、当該基板に膜を成長させる製造装置である。 According to the present invention, as described in claim 1, a plurality of heated susceptors for placing a substrate on the surface are arranged in a radial manner, and the pyrolytic CVD gas is supplied from the outer periphery while rotating the susceptors in the radial arrangement. A CVD film is grown on the substrate, and a heatable exhaust pipe is arranged at the center of the radial arrangement susceptor, and the film is grown on the substrate by exhausting the CVD gas from the exhaust pipe. This is a manufacturing device.
請求項2に係る発明は前記サセプタが2枚以上の加熱円板で挟まれてあることを特徴とする請求項1記載の製造装置である。 The invention according to claim 2 is the manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the susceptor is sandwiched between two or more heating disks.
請求項3に係る発明は、当該加熱円板が誘導加熱されて加熱されることを特徴とする請求項1、2記載の製造装置である。 The invention according to claim 3 is the manufacturing apparatus according to claims 1 and 2, wherein the heating disk is heated by induction heating.
請求項4に係る発明は前記膜がシリコン、ゲルマニューム、カーボン、ガリューム、アルミニューム、インジューム、窒素、酸素、マグネシューム、リン、砒素のいずれか、または複数を含む半導体膜、またはそれらの積層膜であることを特徴とする請求項1〜3記載の製造装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, the film is a semiconductor film containing silicon, germanium, carbon, gallium, aluminum, indium, nitrogen, oxygen, magnesium, phosphorus, arsenic, or a laminated film thereof. It is a manufacturing apparatus of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
請求項5に係る発明は前記サセプタがグラファイト製であることを特徴とする請求項1〜4記載の製造装置である。 The invention according to claim 5 is the manufacturing apparatus according to claims 1 to 4, wherein the susceptor is made of graphite.
請求項6に係る発明は前記基板が前記サセプタの両面に搭載されることを特徴とする請求項1〜5記載の製造装置である。 The invention according to claim 6 is the manufacturing apparatus according to claims 1 to 5, wherein the substrate is mounted on both surfaces of the susceptor.
請求項1から3に係る発明によれば、基板を搭載した複数サセプタが配置された周囲からガスを導入し中心から排気するので、加熱分解したCVDガスは反応室の気密を保つサセプタ外側の石英管から遠ざかるように流れて接触しない。その結果、当該石英管に成長する膜は少なく、当該石英管の交換頻度が減る。これにより第1の課題が解決される。 According to the first to third aspects of the present invention, the gas is introduced from the periphery where the plurality of susceptors on which the substrate is mounted is arranged and exhausted from the center, so that the thermally decomposed CVD gas keeps the reaction chamber chamber airtight. Flow away from the tube and do not touch. As a result, there are few films growing on the quartz tube, and the replacement frequency of the quartz tube is reduced. This solves the first problem.
加熱されたガスは熱分解して基板に結晶膜を成長させるが、そのガスの走行距離は基板の直径を上回ればよい。短いガスの走行距離という第3の課題が解決した。 The heated gas is thermally decomposed to grow a crystal film on the substrate. The travel distance of the gas may be longer than the diameter of the substrate. The third problem of short gas travel distance has been solved.
放射状に配置したサセプタ間の間隔は内側で狭くなる。狭くなると、サセプタ中心に向かうガスの流れは下流ほど速い。早い流れは基板とガスの間の停滞層を薄くするので、反応種の拡散が早くなり、成長速度を増加させる方向に作用する。下流の反応種の濃度低下を、この薄い停滞層による成長速度増加作用が補償するので、放射状配置が均一性を改善する。これによりサセプタの放射状配置は均一性を改善しながらバッチサイズを大きくするという装置の基本課題を解決する。 The distance between the radially arranged susceptors becomes narrower on the inside. When narrowed, the gas flow toward the center of the susceptor is faster toward the downstream. The fast flow thins the stagnant layer between the substrate and the gas, so that the diffusion of the reactive species is accelerated and the growth rate is increased. The radial arrangement improves uniformity because the growth rate increase effect of this thin stagnant layer compensates for the downstream reactive species concentration drop. This solves the basic problem of the apparatus that increases the batch size while improving the uniformity of the susceptor radial arrangement.
請求項4に係る発明によれば、シリコン結晶、SiC結晶、GaN結晶、ZnO結晶などの結晶膜の組成の制御や不純物添加が可能である。 According to the invention of claim 4, the composition of a crystal film such as a silicon crystal, a SiC crystal, a GaN crystal, or a ZnO crystal can be controlled and impurities can be added.
請求項5、6係る発明によれば、サセプタ両面に基板搭載可能であるので、CVDガスの利用効率が改善され、第2の課題が解決された。 According to the inventions according to claims 5 and 6, since the substrate can be mounted on both surfaces of the susceptor, the utilization efficiency of the CVD gas is improved, and the second problem is solved.
請求項7に係る発明によれば、GaNやSiCの結晶をそれらと異なる基板であるサファイアーやシリコンの基板上に平滑に成長できる。 According to the invention which concerns on Claim 7, the crystal | crystallization of GaN and SiC can be smoothly grown on the board | substrate of sapphire and silicon which are different substrates.
図4は本発明の基本構造の模式図である。サセプタ401が加熱される円板403の上に放射状に配置されている。当該円板はシリコンカーバイドを被覆したグラファイトである。サセプタ401の両面に基板402が載せられている。基板402は図示しないポケットに収納されてサセプタに接触して安定に置かれる。 FIG. 4 is a schematic diagram of the basic structure of the present invention. Susceptors 401 are arranged radially on a heated disc 403. The disk is graphite coated with silicon carbide. A substrate 402 is placed on both sides of the susceptor 401. The substrate 402 is housed in a pocket (not shown) and is placed stably in contact with the susceptor.
基板402の枚数はサセプタ401の枚数の2倍まで載せることが可能であるので、サセプタ401の数の2倍がバッチサイズである。当該円板は誘導加熱でも、抵抗加熱でも加熱できる。サセプタ401は加熱される円板403と404に挟まれてあり、2つの加熱される円板403と404の輻射熱で加熱される。加熱される円板404はサセプタの配置が分かりやすいように破線で透かして示した。 Since the number of substrates 402 can be up to twice the number of susceptors 401, twice the number of susceptors 401 is the batch size. The disc can be heated by induction heating or resistance heating. The susceptor 401 is sandwiched between heated disks 403 and 404, and is heated by the radiant heat of the two heated disks 403 and 404. The heated disk 404 is indicated by a broken line so as to make the susceptor arrangement easy to understand.
サセプタと当該円板は回転の軸405の上にあり、回転できる。 The susceptor and the disc are on the axis of rotation 405 and can rotate.
基板402の上で熱分解するCVDガス406は当該円板の周囲から供給される。隣接するサセプタの間を通り、排気の孔407から排気される。排気の孔407を通過したCVDガスは、サセプタの中心にある排気の筒408から排気される。各排気の孔407から排気されるガスは集合して排気されるCVDガス409として示した。 A CVD gas 406 that thermally decomposes on the substrate 402 is supplied from the periphery of the disk. It passes between adjacent susceptors and is exhausted from an exhaust hole 407. The CVD gas that has passed through the exhaust hole 407 is exhausted from an exhaust cylinder 408 at the center of the susceptor. The gas exhausted from each exhaust hole 407 is shown as a CVD gas 409 that is exhausted collectively.
基板402は前記円板403,404からの輻射で加熱されると同時に、向かいあった基板またはサセプタ同士も互いに加熱しあう。この効果により、基板の温度はそれを囲むサセプタと円板の温度に従うことになる。このことは、基板の表と裏の温度を同じにする方向に作用するので、基板402の温度差による反りを防止する作用がある。基板の反りが、基板の上に成長させた結晶膜にクラックを入れることがあるので、本発明の構造はこのクラックの障害を減少させる構造になる。 The substrate 402 is heated by the radiation from the discs 403 and 404, and at the same time, the opposing substrates or susceptors also heat each other. Due to this effect, the temperature of the substrate follows that of the surrounding susceptor and disk. This acts in the direction in which the front and back temperatures of the substrate are the same, and thus has an effect of preventing warpage due to the temperature difference of the substrate 402. Since the warping of the substrate may cause cracks in the crystal film grown on the substrate, the structure of the present invention is a structure that reduces the obstacles to this crack.
サセプタの表面は裏表ともに基板で被覆されているので、サセプタの上に成長する結晶膜の面積に対する基板の上に成長させる結晶膜の面積を相対的に大きくする。即ち、CVDガスの利用効率を高める方向に作用する。 Since the front and back surfaces of the susceptor are covered with the substrate, the area of the crystal film grown on the substrate is made relatively larger than the area of the crystal film grown on the susceptor. That is, it works in the direction of increasing the utilization efficiency of CVD gas.
隣接するサセプタ同士の間隔がガスの下流になるに従い、狭くなるので、下流ほど流速が早い。流速の増加は基板の上のガス停滞層の厚みを減少せしめ、成長速度を早め、CVDガスの消費による濃度の減少を補償して成長膜厚の均一性を増す。 Since the distance between adjacent susceptors becomes narrower as the gas becomes downstream, the flow velocity is faster toward the downstream. Increasing the flow rate reduces the thickness of the gas stagnant layer on the substrate, increases the growth rate, and compensates for the decrease in concentration due to the consumption of CVD gas to increase the uniformity of the growth film thickness.
加熱され熱分解したガスは反応種を発生させ基板の上に結晶膜を成長させたあと、排気の孔407から排気されて、逆戻りしない。この一方的な流れが、ガス下流でおきる反応種の重合による巨大粒子の逆流を防止して、温度と加熱履歴により決まる特定の反応種だけの成長を基板の上に実現する。基板を通りすぎたガスは、不要であるので、排気の筒408の大きさを適切に設計してガスの走行距離を短くできる。また、図示しないこれらサセプタの気密を保つ石英管への膜付着も防止するので、当該石英管洗浄のメンテナンス周期を長くできる効果もある。 The heated and pyrolyzed gas generates reactive species and grows a crystal film on the substrate, and then is exhausted from the exhaust hole 407 and does not return. This unidirectional flow prevents the reverse flow of the giant particles due to the polymerization of the reactive species downstream of the gas, and realizes the growth of only the specific reactive species determined by the temperature and heating history on the substrate. Since the gas passing through the substrate is unnecessary, the size of the exhaust cylinder 408 can be appropriately designed to shorten the gas travel distance. Further, since the film adhesion to the quartz tube that keeps airtight of these susceptors (not shown) is also prevented, there is an effect that the maintenance cycle of the quartz tube cleaning can be lengthened.
排気の筒408を加熱して当該筒の中でCVDガスを消費しきることで、後の配管への付着と排気ポンプのつまりを防止できる設計が可能である。 By heating the exhaust cylinder 408 and consuming the CVD gas in the cylinder, a design that can prevent adhesion to the piping and clogging of the exhaust pump is possible.
放射状に配置したサセプタは、本図では1段であるが、これを2段以上に重ねることも可能である。またサセプタの並べ方を軸対称でなく、シロッコファンのようにサセプタの面の延長が回転軸の外側を横切る配置も可能である。 Although the susceptor arranged radially is one stage in the figure, it is possible to stack two or more stages. Further, the arrangement of the susceptors is not axially symmetric, and an extension of the surface of the susceptor crosses the outside of the rotating shaft as in a sirocco fan.
サセプタはSiC被覆したグラファイトであるが、SiCやAlNのセラミクス、石英で作製することも可能である。サセプタ401は前記円板403に組み込むことも、それら一体で作製することも可能である。 The susceptor is SiC-coated graphite, but it can also be made of SiC or AlN ceramics or quartz. The susceptor 401 can be incorporated into the disk 403 or can be produced integrally therewith.
実施例1として図5に軸排気の回転放射サセプタ気相成長装置の第1の構造の模式図を示す。 As a first embodiment, FIG. 5 shows a schematic diagram of a first structure of a rotary radiation susceptor vapor phase growth apparatus for axial exhaust.
構造を説明する。基板501を搭載したサセプタ502がある。サセプタは20枚配置されてある。基板はその両面に40枚載せられる。サセプタ502は直径410cmの加熱される円板503と一体である。サセプタ502、当該円板503はグラファイト製であり、シリコンカーバイド膜が約0.1mmの厚みで被覆されている。当該円板503は断熱をかねた加熱される円板504の上に同じ軸上に置かれてある。複数のサセプタ502の上には前記円板503と504の上に、同じ形の加熱される円板505、506が備えられてあり、サセプタ502を加熱して保温する。 The structure will be described. There is a susceptor 502 on which a substrate 501 is mounted. There are 20 susceptors. 40 substrates are placed on both sides of the substrate. The susceptor 502 is integral with a heated disc 503 having a diameter of 410 cm. The susceptor 502 and the disk 503 are made of graphite, and a silicon carbide film is covered with a thickness of about 0.1 mm. The disk 503 is placed on the same axis on a heated disk 504 that also provides heat insulation. On the plurality of susceptors 502, disks 505 and 506 of the same shape are provided on the disks 503 and 504, and the susceptor 502 is heated and kept warm.
サセプタ504は回転軸506と通じて回転駆動508で回転可能にしてある。グラファイト部品である502、503、504、505,506は石英管510の外に巻かれた誘導コイル509により誘導加熱される。その温度は誘導コイルに通じる電力で制御できる。 The susceptor 504 communicates with the rotation shaft 506 and can be rotated by a rotation drive 508. The graphite parts 502, 503, 504, 505 and 506 are induction heated by an induction coil 509 wound outside the quartz tube 510. The temperature can be controlled by the power supplied to the induction coil.
石英管510の内側に配置された内管511は石英製である。両管の間にガス供給器512がリング状に内管511を巻くように配置されてある。ガス供給器512はシリコンカーバイドを被覆したグラファイト製である。この実施例においては、ガス供給器512の内側に3段の溝513a,513b,513cがリング状に切られてある。溝513bには分散して孔514が備えられている。 The inner tube 511 disposed inside the quartz tube 510 is made of quartz. A gas supplier 512 is arranged between the two tubes so as to wind the inner tube 511 in a ring shape. The gas supply unit 512 is made of graphite coated with silicon carbide. In this embodiment, three stages of grooves 513a, 513b, and 513c are cut in a ring shape inside the gas supply unit 512. Dispersed in the grooves 513b are holes 514.
溝513bにはCVDガス供給管515が連結されている。溝513cと溝513aにはCVDガス供給管516が共通も連結されている。パージガス供給管517,518,519,520からのガスは内管511と石英管510の間の空間をパージしてCVDガスが拡散して侵入するのを軽減するとともに、孔514からもサセプタに向かってCVDガスとともに流れる。 A CVD gas supply pipe 515 is connected to the groove 513b. A common CVD gas supply pipe 516 is connected to the grooves 513c and 513a. The gas from the purge gas supply pipes 517, 518, 519, and 520 purges the space between the inner pipe 511 and the quartz pipe 510 to reduce the diffusion and invasion of the CVD gas, and also from the hole 514 toward the susceptor. And flows with CVD gas.
CVDガス供給管515、516には気相成長させる目的の膜に応じて異なる種類のCVDガスを供給する。シリコンを成長させるときには、水素とシランガスとドーピングガスを用いる。シランガスは例えばモノシラン、ジクロルシランである。ドーピングガスは例えばリン(P)を含むフォスフィン、ボロン(B)を含むジボランである。供給管515、516の水素に対するそれぞれのガス濃度は、基板の面内で均一な成長速度と不純物濃度が得られるように制御する。 Different types of CVD gas are supplied to the CVD gas supply pipes 515 and 516 depending on the target film to be vapor-phase grown. When growing silicon, hydrogen, silane gas, and doping gas are used. Silane gas is, for example, monosilane or dichlorosilane. The doping gas is, for example, phosphine containing phosphorus (P) or diborane containing boron (B). The gas concentrations of hydrogen in the supply pipes 515 and 516 are controlled so that a uniform growth rate and impurity concentration can be obtained in the plane of the substrate.
パージガス供給管517,518,519,520には水素または窒素を流す。 Hydrogen or nitrogen is allowed to flow through the purge gas supply pipes 517, 518, 519, and 520.
CVDガス供給管515、516からのCVDガスはサセプタの上の基板の上で熱分解してシリコン結晶膜を成長させ、排気管521に集まり、排気口522より排出される。排気管521には排気加熱器523が備えられている。排気加熱器523はサセプタ502の温度分布を調節するとともに、その上に基板で未反応だったガスをその上で熱分解して消費させる。この消費により、排気口522から排出される未反応のCVDガス濃度を低下させ、排気口より後方の排気配管の副生成物の堆積を低減させ、ポンプの吸い込み量を低減させそのメンテナンス周期を長くさせる。 The CVD gas from the CVD gas supply pipes 515 and 516 is thermally decomposed on the substrate on the susceptor to grow a silicon crystal film, collects in the exhaust pipe 521, and is discharged from the exhaust port 522. The exhaust pipe 521 is provided with an exhaust heater 523. The exhaust heater 523 adjusts the temperature distribution of the susceptor 502 and thermally decomposes and consumes the gas that has not reacted on the substrate. This consumption reduces the concentration of unreacted CVD gas discharged from the exhaust port 522, reduces the accumulation of by-products in the exhaust pipe behind the exhaust port, reduces the pump suction amount, and lengthens its maintenance cycle. Let
サセプタの加熱温度は用いるシランガスの種類に応じて変化させた。用いるガスがモノシランSiH4であれば温度が600℃以上で分解する。基板がシリコンウエハであり、その上に成長させる結晶膜はシリコン(Si)であるとき、サセプタ502の温度と排気加熱器523の温度は800ないし900℃が好適である。用いるガスがジクロルシランのとき、それらの温度は900ないし1050℃が好適である。
圧力はポンプの排気量で制御した。上記シランガスを用いるとき、圧力は0.1気圧以下の減圧が好ましい。大気圧に近い圧力より、均一な膜厚分布が得られやすい。
The heating temperature of the susceptor was changed according to the type of silane gas used. If the gas used is monosilane SiH 4, it decomposes at a temperature of 600 ° C. or higher. When the substrate is a silicon wafer and the crystal film grown thereon is silicon (Si), the temperature of the susceptor 502 and the temperature of the exhaust heater 523 are preferably 800 to 900 ° C. When the gas used is dichlorosilane, the temperature is preferably 900 to 1050 ° C.
The pressure was controlled by the displacement of the pump. When using the silane gas, the pressure is preferably reduced to 0.1 atm or less. A uniform film thickness distribution is easily obtained from a pressure close to atmospheric pressure.
図5では、示すことが可能なCVDガス供給管515,516とパージガス供給管517,518,519,520を示した。これらのガス供給管はサセプタの周囲に任意の数を設計して配置可能である。
ガス供給器512はシリコンカーバイドを被覆したグラファイト製である例を示したが、温度領域によっては、金属で構成することも可能である。
In FIG. 5, CVD gas supply pipes 515 and 516 and purge gas supply pipes 517, 518, 519, and 520 that can be shown are shown. Any number of these gas supply pipes can be designed and arranged around the susceptor.
Although the example in which the gas supply unit 512 is made of graphite coated with silicon carbide is shown, it may be made of metal depending on the temperature range.
実施例2として図6に軸排気の回転放射サセプタ気相成長装置の第2の構造の模式図を示す。 As a second embodiment, FIG. 6 shows a schematic diagram of a second structure of a rotary radiation susceptor vapor phase growth apparatus with axial exhaust.
実施例1と異なる構造部分を説明する。サセプタ504は回転軸506と通じて回転駆動508で回転する。グラファイト部品である502、503、504、505,506は石英製のリング状の箱614と615の中に収納された誘導コイル608と609により誘導加熱される。その温度は誘導コイルに通じる電力で制御できる。誘導コイルの端子610,611,612,613は外に取り出される。端子間の接続はそれぞれのコイルが作り出す誘導電磁界が増大するように接続される。誘導コイルは銅パイプでできていて、水が通じてある。誘導コイルは渦巻き状に巻かれていて、ここでは2回巻かれている。加熱するべき部品502,503,504,505,506の近くに誘導コイルがあり、コイルの場所を調整することで、当該部品の温度を制御しやすい。 A structural portion different from that of the first embodiment will be described. The susceptor 504 is rotated by a rotational drive 508 through the rotation shaft 506. The graphite parts 502, 503, 504, 505 and 506 are induction-heated by induction coils 608 and 609 accommodated in quartz ring-shaped boxes 614 and 615. The temperature can be controlled by the power supplied to the induction coil. The induction coil terminals 610, 611, 612, and 613 are taken out. The connection between the terminals is made so that the induction electromagnetic field generated by each coil is increased. The induction coil is made of copper pipe and has water. The induction coil is wound in a spiral shape, and is wound twice here. There is an induction coil near the parts 502, 503, 504, 505, and 506 to be heated, and the temperature of the part can be easily controlled by adjusting the location of the coil.
実施例1では装置の構造とシランガスを用いるシリコン(Si)の結晶膜の例を示した。実施例3では有機金属ガスを用いる結晶成長の例を示す。有機金属ガスのトリメチルガリューム(TMG)とアンモニア(NH3)をCVDガスとして用いるとガリュームナイトライド(GaN)の結晶膜を成長させることが可能である。基板としては異種基板であるサファイアーウエハ(C面)を用いた。C面は正方向から2度傾けた基板を用いた。傾けた基板を用いる理由はステップ密度を大きくするためである(特許文献3参照)。結晶膜の組成は基板と異なるので、これはヘテロ結晶成長の例である。まず、真空排気して大気を無くしてから、ガスの供給管515,516,517,518,519,520から窒素を流し、再び真空にして、水素を減圧で導入しながら、1000℃にサセプタ502と排気加熱器523を加熱する。基板表面と反応室の部品の汚染物質を水素化して昇華させたあと500℃に温度を下げる。 In Example 1, the structure of the device and an example of a silicon (Si) crystal film using silane gas are shown. Example 3 shows an example of crystal growth using an organometallic gas. When the organometallic gases trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) are used as the CVD gas, a crystalline film of gallium nitride (GaN) can be grown. As the substrate, a sapphire wafer (C surface), which is a different substrate, was used. As the C plane, a substrate inclined by 2 degrees from the positive direction was used. The reason for using the inclined substrate is to increase the step density (see Patent Document 3). This is an example of heterocrystal growth because the composition of the crystal film is different from the substrate. First, after evacuating and eliminating the atmosphere, nitrogen was passed through the gas supply pipes 515, 516, 517, 518, 519, and 520, and the vacuum was again applied. And the exhaust heater 523 is heated. The contaminants on the substrate surface and reaction chamber parts are hydrogenated and sublimated, and then the temperature is lowered to 500 ° C.
CVDガス供給管515からトリメチルガリューム(TMG)とアンモニア(NH3)を水素キャリアーとともに流す。他の供給管からは水素を流す。基板502に20nmのアモルファスGaNが成長する。CVDガスを水素に切り替え、水素雰囲気のままこれを1000℃に加熱すると、アモルファスGaNは結晶GaNの粒子となり基板の上に形成される。 Trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) are allowed to flow from the CVD gas supply pipe 515 together with the hydrogen carrier. Hydrogen is allowed to flow from the other supply pipe. A 20 nm amorphous GaN grows on the substrate 502. When the CVD gas is switched to hydrogen and heated to 1000 ° C. in a hydrogen atmosphere, amorphous GaN becomes crystalline GaN particles and is formed on the substrate.
この状態の上に再びトリメチルガリューム(TMG)とアンモニア(NH3)をCVDガスとして用いるとガリュームナイトライド(GaN)の結晶膜が上記GaN粒子を核として成長する。 When trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) are used again as CVD gases on this state, a gallium nitride (GaN) crystal film grows with the GaN particles as nuclei.
この後、トリメチルインジューム(TMIn)を混合した上記CVDガスを用いるとその混合比に応じた(GaXIn1−X)Nの結晶膜が成長する。またトリメチルアルミニューム(TMAl)を混合した上記CVDガスを用いるとその混合比に応じた(GaXAl1−X)Nの結晶膜が成長する。またモノシラン(SiH4)を添加した上記CVDガスを用いるとその添加量に応じたn型GaNの結晶膜が成長する。またCp2Mgを添加した上記CVDガスを用いるとその添加量に応じたp型GaNの結晶膜が成長する。またこれらの結晶膜を任意に積層させる設計が可能である。成長させた膜は平滑であった。 Thereafter, when the above-described CVD gas mixed with trimethylindium (TMIn) is used, a (Ga X In 1-X ) N crystal film corresponding to the mixing ratio grows. Further, when the above-mentioned CVD gas mixed with trimethylaluminum (TMAl) is used, a crystal film of (Ga X Al 1-X ) N corresponding to the mixing ratio grows. When the above-mentioned CVD gas added with monosilane (SiH 4) is used, an n-type GaN crystal film grows according to the added amount. When the above-mentioned CVD gas added with Cp 2 Mg is used, a p-type GaN crystal film corresponding to the added amount grows. Further, it is possible to design these crystal films to be arbitrarily laminated. The grown film was smooth.
実施例の4ではシリコンカーバイド(SiC)のヘテロ結晶成長の別の例を示す。シリコン基板にシリコンカーバイド(SiC)の結晶膜を成長させる。これは成長させたSiC結晶膜とシリコン基板の組成が異なるのでヘテロ結晶成長である。シリコン基板としては<211>方向に4度傾けた(111)面を主面とするシリコン基板を用いた。ここでは指数にマイナスを意味する記号をつけてない。軸を傾ける理由は、一定の密度で主面にステップを設けるためである。軸を傾けるこの技術は1987年に特許文献3で既に公開された。トリクロルシラン(SiHCl3)とプロパンガス(C3H8)、キャリアガス水素(H2)の混合ガスが導入された。反応室圧力は200Paの減圧に制御された。シリコン基板を1000℃に加熱させると、ガスの濃度と流量に応じて立方晶の3C−SiCをシリコン基板の上に25〜45nm/minの速度で成長させることが可能である。成長させたSiC膜は鋭い(111)X線回折ピークを示す。表面はストリークパタンの電子線回折が観察されるほど平滑であった。 Example 4 shows another example of the heterocrystal growth of silicon carbide (SiC). A silicon carbide (SiC) crystal film is grown on a silicon substrate. This is heterocrystal growth because the composition of the grown SiC crystal film and the silicon substrate are different. As the silicon substrate, a silicon substrate having a (111) plane inclined at 4 degrees in the <211> direction as a main surface was used. Here, no sign meaning minus is added to the index. The reason for tilting the axis is to provide steps on the main surface with a constant density. This technique of tilting the axis was already published in US Pat. A mixed gas of trichlorosilane (SiHCl 3 ), propane gas (C 3 H 8 ), and carrier gas hydrogen (H 2 ) was introduced. The reaction chamber pressure was controlled at a reduced pressure of 200 Pa. When the silicon substrate is heated to 1000 ° C., cubic 3C—SiC can be grown on the silicon substrate at a rate of 25 to 45 nm / min depending on the gas concentration and flow rate. The grown SiC film shows a sharp (111) X-ray diffraction peak. The surface was so smooth that electron diffraction of the streak pattern was observed.
以上に述べた結晶膜だけでなく、CVDガスとしてゲルマン(GeH4)を用いればゲルマニューム(Ge)の結晶膜またはそれを含む結晶膜を得ることが可能である。窒素を5価のガスとしてあげたが、アルシンのガスを用いれば砒素(As)を含む結晶膜を得ることが可能である。5価でなく6価のガス、例えば酸素を含むガスを用いて酸化物結晶膜を得ることも可能である。 In addition to the crystal film described above, a germanium (Ge) crystal film or a crystal film including the same can be obtained by using germane (GeH 4 ) as a CVD gas. Although nitrogen is given as a pentavalent gas, a crystal film containing arsenic (As) can be obtained by using an arsine gas. It is also possible to obtain an oxide crystal film using a hexavalent gas instead of pentavalent gas, for example, a gas containing oxygen.
以上、大きなバッチで基板上に結晶膜を気相成長させる装置を製作した。 As described above, an apparatus for vapor-phase growth of a crystal film on a substrate in a large batch was manufactured.
本発明は、大きなバッチサイズで結晶膜を安価に製造できるので、LEDや化合物半導体LSIを安価に製造する技術に好適である。 Since the present invention can manufacture a crystal film with a large batch size at a low cost, it is suitable for a technique for manufacturing an LED or a compound semiconductor LSI at a low cost.
4 基体
11 サセプタ
12 シリンダー反応室
13 原料吹き出しノズル
14 排気口
15 基体回転導入器
16 ヒーター
301 基板
302 サセプタ
303 回転軸
304 外筒
305 ワークコイル
306a, 306b, 306c, 306d, 吹き出し口をしなえたガス供給管
307 ガス排気管
308 孔
309 連結棒
310 吹き出し口
401 サセプタ
402 基板
403 加熱される円板
404 加熱される円板
405 回転の軸
406 CVDガス
407 排気の孔
408 排気の筒
409 排気されるCVDガス
501 基板
502 サセプタ
503 円板
504 円板
505 円板
506 円板
507 回転軸
508 回転駆動
509 誘導コイル
510 石英管
511 内管
512 ガス供給器
513a,513b,513c 溝
514 孔
515 CVDガス供給管
516 CVDガス供給管
517 パージガス供給管
518 パージガス供給管
519 パージガス供給管
520 パージガス供給管
521 排気管
522 排気口
523 排気加熱器
524 反応室下部パージガス供給管
525 反応室上部パージガス供給管
608 誘導コイル
609 誘導コイル
610 誘導コイルの端子
611 誘導コイルの端子
612 誘導コイルの端子
613 誘導コイルの端子
614 石英製のリング状の箱
615 石英製のリング状の箱
4 Substrate 11 Susceptor 12 Cylinder reaction chamber 13 Raw material blowing nozzle 14 Exhaust port 15 Substrate rotation introducer 16 Heater 301 Substrate 302 Susceptor 303 Rotating shaft 304 Outer cylinder 305 Work coil 306a, 306b, 306c, 306d, Gas with a blowout port Supply pipe 307 Gas exhaust pipe 308 Hole 309 Connecting rod 310 Outlet
401 susceptor 402 substrate 403 heated disc 404 heated disc 405 shaft of rotation 406 CVD gas 407 exhaust hole 408 exhaust cylinder 409 exhausted CVD gas 501 substrate 502 susceptor 503 disc 504 disc 505 disc 506 Disc 507 Rotating shaft 508 Rotation drive 509 Inductive coil 510 Quartz tube 511 Inner tube 512 Gas supply 513a, 513b, 513c Groove 514 Hole 515 CVD gas supply tube 516 Purge gas supply tube 518 Purge gas supply tube 519 Purge gas Supply pipe 520 Purge gas supply pipe 521 Exhaust pipe 522 Exhaust port 523 Exhaust heater 524 Reaction chamber lower purge gas supply pipe 525 Reaction chamber upper purge gas supply pipe 608 Inductive coil 609 Inductive coil 610 Inductive coil terminal 611 Inductive coil end 612 terminals 614 made of quartz ring-shaped box 615 quartz ring-shaped box terminal 613 induction coil of the induction coil
Claims (7)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015204325A (en) * | 2014-04-11 | 2015-11-16 | 信越半導体株式会社 | Epitaxial wafer manufacturing method |
| WO2019216024A1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide epitaxial substrate and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device |
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2011
- 2011-08-03 JP JP2011170328A patent/JP2013038099A/en not_active Withdrawn
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| JP7310805B2 (en) | 2018-05-09 | 2023-07-19 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide epitaxial substrate and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device |
| US12020924B2 (en) | 2018-05-09 | 2024-06-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Silicon carbide epitaxial substrate and method of manufacturing silicon carbide semiconductor device |
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