JP2001019590A - 気相成長装置 - Google Patents

気相成長装置

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JP2001019590A JP11191321A JP19132199A JP2001019590A JP 2001019590 A JP2001019590 A JP 2001019590A JP 11191321 A JP11191321 A JP 11191321A JP 19132199 A JP19132199 A JP 19132199A JP 2001019590 A JP2001019590 A JP 2001019590A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウエハ面内均一性が高く、ウエハ毎にばらつ
かない均一一様な膜厚及び膜質の薄膜をウエハ上に成長
させる気相成長装置を提供する。 【解決手段】 本MOCVD装置30は、反応室32、
ヒータ室36、ヒータ室の圧力に維持する圧力調節手段
を備える。反応室は、隔板34により区画された反応チ
ャンバ12の上部室であって、ガス供給管20から原料
ガスが導入され、排気管22を介して排気される。基板
ホルダ14は、隔板に摺動して回転する。ヒータ室は、
反応室の下に設けられ、加熱ヒータ16を備える。圧力
調節手段は、窒素ガスを導入するガス導入管38と、ヒ
ータ室の圧力を計測する圧力計40と、ヒータ室を所定
流量で排気する真空ポンプ44と、ガス導入管に設けた
マスフロー・コントローラ46とから構成される。コン
トローラは、圧力計測値に基づいて導入ガスの流量を調
節し、ヒータ室を所定圧力に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置に関
し、更に詳細には、ウエハ面内均一性の高い、更にはウ
エハ毎に均一一様な薄膜を気相成長法により基板上に結
晶成長させる気相成長装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】基板上に気相成長法により半導体等の薄
膜をエピタキシャル成長させる気相成長装置は、半導体
装置の製造過程で多用されている。特に、半導体レーザ
素子等の化合物半導体装置を作製する際には、MOCV
D装置を使って、有機金属気相成長法(MOCVD法)
により、GaAs系、AlGaAs系、AlGaInP
系、GaN系等の化合物半導体層を成膜することが多
い。
【0003】ここで、図4を参照して、従来のMOCV
D装置の構成を説明する。図4は従来のMOCVD装置
の構成を示す模式的断面図である。従来のMOCVD装
置10は、図4に示すように、石英製等の反応チャンバ
12を備え、反応チャンバ12内にウエハWを載置する
基板ホルダ14と、基板ホルダ12の下方に加熱ヒータ
16とを配置している。
【0004】基板ホルダ14は、ウエハの直径より大き
な直径の円板状の部材であって、基板ホルダ14の下側
中心に連結された回転軸18と共に回転軸18の回りに
回転する。反応チャンバ12の一方の側壁には、マスフ
ロー・コントローラ(図示せず)を備えたガス供給管2
0が接続され、ガス供給管20から反応チャンバ12に
原料ガスが所定流量で供給される。また、反応チャンバ
12の他方の側壁には排気管22が接続され、反応チャ
ンバ12を所定の圧力に維持するために、排気管22を
介して反応チャンバ12から未反応の原料ガス等を真空
吸引装置(図示せず)により吸引している。加熱ヒータ
16は、反応チャンバ12内の温度を設定温度に保持す
るように制御され、これにより基板ホルダ14上のウエ
ハWの温度を所定温度に維持している。
【0005】ガス供給管20から導入された原料ガス
は、ウエハWの上で加熱分解され、ウエハ上でGaAs
等の結晶として成長する。未反応の原料ガスは排気管2
2から排気される。例えば、MOCVD法によるGaA
s膜の成長を例にして説明すると、通常、原料ガスとし
て、Gaの有機金属化合物である(CH33 Ga(T
MGa、トリメチルガリウム)と、Asの水素化合物で
あるAsH3 (アルシン)が用いられる。TMGaは、
Pd膜を拡散させて純化した水素をキャリアガスとして
使って、恒温槽中で蒸気圧を制御した状態でガス化され
る。一方、AsH3 は高濃度水素で適当な濃度に希釈し
たものが用いられる。キャリアガスとしての水素とTM
GaとAsH3 とは、混合され、反応チャンバ12に導
入される。反応チャンバ12内に導入された原料ガス
は、次第に、層流を形成して、650℃程度に加熱され
ている結晶基板上に達することにより、 (CH33 Ga+AsH3 → GaAs+3CH4 という反応を進行させ、基板上にGaAsが成長する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のMOCVD装置では、成長させた薄膜の膜質及び膜厚
のウエハ面内均一性が良好でなく、更には、ウエハ毎の
膜質及び膜厚がどうしてもばらつき勝ちで、ウエハ面内
均一性が良好で、ウエハ毎にばらつかない均一一様な膜
質の薄膜を成膜することが難しかった。上述の問題点の
説明では、MOCVD装置を例にして説明したが、MO
CVD装置に限らず、気相成長装置に普遍的な問題であ
った。
【0007】そこで、本発明の目的は、膜厚及び膜質の
ウエハ面内均一性が高く、ウエハ毎にばらつかない均一
一様な膜厚及び膜質の薄膜をウエハ上に気相成長法によ
り成長させる気相成長装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、成長させた
薄膜の膜質及び膜厚がばらつく原因を調べた結果、図5
に示すように、ガス供給管20から導入された原料ガス
が、加熱ヒータ16と基板ホルダ14との間を流れるた
めに、ウエハの温度、即ち薄膜の成長温度が変動するこ
とがわかった。特に、成長させる薄膜の膜種が変わる、
つまり原料ガスの種類、流量が変わると、原料ガスの熱
伝導率が変化するため、加熱ヒータからウエハに熱を伝
達させる際、加熱対象物であるウエハの実温度が変化す
ることが判った。そこで、本発明者は、反応チャンバを
隔板で上下に分割し、隔板上に基板ホルダを収容した反
応室と、熱ヒータを配置するヒータ室とを設け、かつヒ
ータ室に存在する気体の熱伝導率を一定に維持するため
に、単一種のガスで一定の圧力に維持することを着想
し、実験を重ねた末に、本発明を完成するに到った。
【0009】よって、上記目的を達成するために、上述
の知見に基づいて、本発明に係る気相成長装置は、基板
を上面に載置する基板ホルダと、基板ホルダ上の基板を
加熱する加熱ヒータとを内部に有する反応チャンバを備
え、基板ホルダ上に載置した基板を加熱しつつ反応チャ
ンバに原料ガスを導入して、気相成長法により基板上に
薄膜を結晶成長させる気相成長装置において、反応チャ
ンバを横断する隔板により反応チャンバを上下に区画し
てなる上部室として形成され、基板ホルダを隔板上に接
して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜を結晶成
長させる反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱
する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一
種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持す
る圧力調節手段とを備えることを特徴としている。
【0010】本発明で、隔板上に接触させるようにし
て、基板ホルダを配置しているので、従来の気相成長装
置のように、原料ガスが基板ホルダ下を流れるようなこ
とは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原
料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエ
ハを加熱することができる。また、本発明では、ヒータ
室に充満する単一種のガス、例えば窒素ガスが所定の圧
力に維持されているので、熱伝導率が一定となり、加熱
ヒータの発熱量が一定である限り、加熱ヒータから隔板
及び基板ホルダを経てウエハWに伝達される熱量が一定
になる。これにより、加熱対象物であるウエハWの温度
(実温度)が所定温度に安定して維持することができ
る。
【0011】本発明で、ヒータ室に導入する単一種のガ
スは、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、及び
水素ガスである。尚、混合比が一定である限り、混合ガ
ス、例えば窒素ガスとアルゴンとの混合ガスでも良い。
尚、ヒータ室に供給する単一種のガスを不活性ガスとす
ることにより、加熱ヒータの寿命が長くなる。仮に、活
性ガスを導入すると、加熱ヒータの熱により分解して加
熱ヒータを劣化させるおそれがある。ヒータ室の圧力に
は特に制約はないものの、実用的には、例えば大気圧以
下であれば数Torrから数百Torrの範囲で良く、大気圧以
上の加圧状態でも良い。隔板には、耐熱性の高い例えば
石英板、カーボン板等を使用する。加熱ヒータは、従来
の既知の加熱ヒータであって、例えば電気抵抗線コイル
の電気ヒータ、高周波ヒータ等である。
【0012】本発明に係る気相成長装置は、MOCVD
法により基板上に化合物半導体膜を成膜するMOCVD
装置に限らず、高温気相中で化学反応を利用して基板上
にシリコン、化合物半導体等の単結晶層を成長させる、
気相エピタキシャル成長装置全般に適用できる。
【0013】本発明の好適な実施態様では、圧力調節手
段は、ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを
導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力
計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気
管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、ガ
ス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に
維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基
づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック
制御するマスフロー・コントローラとを備えている。
【0014】本発明の別の好適な実施態様では、圧力調
節手段は、マスフロー・コントローラを備えてヒータ室
に接続され、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入
するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測
値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を
介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸
引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計から出
力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排気ガス
の流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧力を所
定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、を備え
ている。
【0015】本実施態様で使用する圧力調節弁は、ヒー
タ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する弁であ
る限り、その種類に制約はないが、例えばピエゾ・バル
ブを使用することができる。
【0016】本発明の更に別の好適な実施態様では、圧
力調節手段は、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を
出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介し
て、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポ
ンプの上流の排気管に接続され、排気管に単一種のガス
を導入するガス導入管と、ガス導入管に取り付けられ、
ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計か
ら出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れる
ガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コン
トローラとを備えている。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例1 本実施形態例は、本発明に係る気相成長装置の実施形態
の一例であって、図1は本実施形態例の気相成長装置の
構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気相成
長装置30は、MOCVD法によりウエハ上にGaAs
系、AlGaAs系、AlGaInP系、GaN系等の
化合物半導体膜を成膜するMOCVD装置であって、図
4を参照して説明した従来のMOCVD装置10の構成
に加えて、反応チャンバ12を上下に分割して設けた反
応室及びヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入
し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段
とを設けたことを除いて、従来のMOCVD装置10の
構成と同じ構成を備えている。
【0018】反応室32は、反応チャンバ12を横断す
る石英製の隔板34により反応チャンバ12を上下に区
画してなる上部室として形成されていて、ガス供給管2
0から原料ガスが導入され、排気管22を介して排気さ
れるようになっている。ウエハWを上面に載置させる基
板ホルダ14は、反応室32内の隔板34上に配置され
ていて、隔板34に摺動して自在に回転する。ヒータ室
36は、反応室32の下に設けられ、ウエハWを加熱す
る加熱ヒータ16が配置されている。
【0019】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒー
タ室36に単一種のガス、例えば窒素ガスを導入するた
めにヒータ室36に接続されたガス導入管38と、ヒー
タ室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計
40と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管42
を介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ
44と、ガス導入管36に取り付けられたマスフロー・
コントローラ46とから構成されている。マスフロー・
コントローラ46は、圧力計40から出力された圧力計
測値に基づいてガス導入管38を流れるガスの流量を調
節し、ヒータ室36の圧力を所定圧力、例えば500To
rrにフィードバック制御する。
【0020】本実施形態例では、隔板34上に接触させ
るようにして、基板ホルダ14を配置しているので、従
来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ14
下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相
成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、ウ
エハを加熱することができる。また、上述した圧力調節
手段により、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の
圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒ
ータ16の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16か
ら隔板34及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達さ
れる熱量が一定になる。よって、加熱対象物であるウエ
ハWの温度(実温度)を所定温度に安定して維持するこ
とができる。例えば、MOCVD法により化合物半導体
膜を成長させる時、加熱対象物(基板)の実温度が安定
し、成長条件の安定化が向上し、更には不純物のドーピ
ングなど温度に影響を受ける条件が安定化する。
【0021】実施形態例2 本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の
別の例であって、図2は本実施形態例の気相成長装置の
構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気相成
長装置50は、実施形態例1と同様にMOCVD装置で
あって、実施形態例1のMOCVD装置30とはヒータ
室36の圧力調節手段の構成が異なることを除いて同じ
構成を備えている。
【0022】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒー
タ室36に単一種のガス、例えば窒素ガスを設定流量で
導入するために、マスフロー・コントローラ52を有し
てヒータ室36に接続されたガス導入管54と、ヒータ
室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計5
6と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管58を
介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ6
0と、真空ポンプ60の上流のヒータ室排気管58に取
り付けられ圧力調節弁62とから構成されている。圧力
調節弁62は、圧力計56から出力された圧力計測値に
基づいてフィードバク制御によりヒータ室排気管58を
流れる排気ガスの流量を調整して、ヒータ室36の圧力
を所定圧力、例えば500Torrに制御するように動作す
る。圧力調節弁62には、電圧を印加してバルブ内の径
を変化させることのできる、例えばピエゾ・バルブ等を
使用する。
【0023】本実施形態例では、実施形態例1と同様
に、隔板34上に接触させるようにして、基板ホルダ1
4を配置しているので、従来の気相成長装置のように、
原料ガスが基板ホルダ14下を流れるようなことは生じ
ない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの
影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱
することができる。また、上述した圧力調節手段によ
り、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の圧力に維
持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ16
の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16から隔板3
4及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達される熱量
が一定になる。よって、実施形態例1と同様に、加熱対
象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定
して維持することができる。
【0024】実施形態例3 本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の
更に別の例であって、図3は本実施形態例の気相成長装
置の構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気
相成長装置70は、実施形態例1と同様にMOCVD装
置であって、実施形態例1のMOCVD装置30とはヒ
ータ室36の圧力調節手段の構成が異なることを除いて
同じ構成を備えている。
【0025】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒー
タ室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計
72と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管74
を介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ
76と、ヒータ室排気管74に単一種のガス、例えば窒
素ガスを導入するためにヒータ室排気管74に接続され
たガス導入管78と、ガス導入管78に取り付けられた
マスフロー・コントローラ80とから構成されている。
マスフロー・コントローラ80は、圧力計72から出力
された圧力計測値に基づいてフィードバク制御によりヒ
ータ室排気管74に導入する窒素ガスの流量を調整し
て、ヒータ室36の圧力を所定圧力、例えば500Torr
に制御する。
【0026】本実施形態例では、実施形態例1と同様
に、隔板34上に接触させるようにして、基板ホルダ1
4を配置しているので、従来の気相成長装置のように、
原料ガスが基板ホルダ14下を流れるようなことは生じ
ない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの
影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱
することができる。また、上述した圧力調節手段によ
り、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の圧力に維
持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ16
の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16から隔板3
4及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達される熱量
が一定になる。よって、実施形態例1と同様に、加熱対
象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定
して維持することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、気相成長法により基板
上に薄膜を成長させる気相成長装置において、反応室
と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータ
を配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入
し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段
とを設ける。これにより、ヒータ室に充満する単一種の
ガス、例えば窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝
導率が一定となるので、加熱ヒータの発熱量が一定であ
る限り、加熱ヒータから隔板及び基板ホルダを経てウエ
ハWに伝達される熱量が一定になり、従って加熱対象物
であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定して
維持することができる。よって、本発明に係る気相成長
装置を適用することにより、例えばMOCVD法により
化合物半導体膜を成長させる時、加熱対象物(ウエハ)
の実温度が安定し、従って成長条件が安定するので、高
いウエハ面内均一性で、かつウエハ毎にばらつくことな
く、良好な膜質の薄膜を基板上に安定して結晶成長させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1の気相成長装置の構成を示す模式
的断面図である。
【図2】実施形態例2の気相成長装置の構成を示す模式
的断面図である。
【図3】実施形態例3の気相成長装置の構成を示す模式
的断面図である。
【図4】従来のMOCVD装置の構成を示す模式的断面
図である。
【図5】従来のMOCVD装置の反応チャンバ内のガス
の流れを示す模式的断面図である。
【符号の説明】
10……従来のMOCVD装置、12……反応チャン
バ、14……基板ホルダ、16……加熱ヒータ、18…
…回転軸、20……ガス供給管、22……排気管、30
……実施形態例の気相成長装置、32……反応室、34
……隔板、36……ヒータ室、38……ガス導入管、4
0……圧力計、42……ヒータ室排気管、44……真空
ポンプ、46……マスフロー・コントローラ、50……
実施形態例2のMOCVD装置、52……マスフロー・
コントローラ、54……ガス導入管、56……圧力計、
58……ヒータ室排気管、60……真空ポンプ、62…
…圧力調節弁、70……実施形態例3のMOCVD装
置、72……圧力計、74……ヒータ室排気管、76…
…真空ポンプ、78……ガス導入管、80……マスフロ
ー・コントローラ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板を上面に載置する基板ホルダと、基
    板ホルダ上の基板を加熱する加熱ヒータとを内部に有す
    る反応チャンバを備え、基板ホルダ上に載置した基板を
    加熱しつつ反応チャンバに原料ガスを導入して、気相成
    長法により基板上に薄膜を結晶成長させる気相成長装置
    において、 反応チャンバを横断する隔板により反応チャンバを上下
    に区画してなる上部室として形成され、基板ホルダを隔
    板上に接して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜
    を結晶成長させる反応室と、 反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配
    置したヒータ室と、 ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所
    定圧力に維持する圧力調節手段とを備えることを特徴と
    する気相成長装置。
  2. 【請求項2】 圧力調節手段は、 ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを導入す
    るガス導入管と、 ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計
    と、 ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気
    する気体吸引ポンプと、 ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力
    に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に
    基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバッ
    ク制御するマスフロー・コントローラとを備えているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
  3. 【請求項3】 圧力調節手段は、 マスフロー・コントローラを備えてヒータ室に接続さ
    れ、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入するガス
    導入管と、 ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計
    と、 ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気
    する気体吸引ポンプと、 気体吸引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計
    から出力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排
    気ガスの流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧
    力を所定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、 を備えていることを特徴とする請求項1に記載の気相成
    長装置。
  4. 【請求項4】 圧力調節手段は、 ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計
    と、 ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気
    する気体吸引ポンプと、 気体吸引ポンプの上流の排気管に接続され、排気管に単
    一種のガスを導入するガス導入管と、 ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力
    に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に
    基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバッ
    ク制御するマスフロー・コントローラとを備えているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
  5. 【請求項5】 隔板上に接して収容された基板ホルダ
    が、基板ホルダに直交する回転軸の回りに隔板に摺動し
    て自在に回転することを特徴とする請求項1から4のう
    ちのいずれか1項に記載の気相成長装置。
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