JP2001077028A - 半導体製造装置および半導体製造システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積の基板上に組成および膜厚が均一な半
導体薄膜を形成する。 【解決手段】 反応容器と、基板を保持する基板ホルダ
ーと、前記反応容器内に原料ガスを供給するための複数
のガス供給手段と、複数のプラズマ発生手段と、を備え
た半導体製造装置において、２以上の前記プラズマ発生
手段と前記基板ホルダーが活性化される原料ガスの供給
方向に沿って直列に配置されたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板に半導体薄膜を
形成するための半導体製造装置およびこの半導体製造装
置を複数並列に配置した半導体製造システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】青色および紫外光領域の光電デバイスの
応用材料として、ワイドバンドギャップを有するＡｌ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＩｎＮ等のＩＩ
Ｉ［ＩＵＰＡＣ（国際純粋及び応用化学連合）の１９８
９年無機化学命名法改訂版による族番号は１３］−Ｖ
［同改訂版による族番号は１５］族化合物半導体が注目
されている。現在、薄膜を成長させる方法として主に分
子線エピタキシー（ＭＢＥ）法と有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）法が用いられている。このうち、ＭＯＣＶＤ
法は気相で輸送された原料で化学反応を起こして、生成
した半導体を基板上に堆積させる方法であり、流量を制
御することで極薄膜形成や混晶比の制御を容易に行うこ
とができる。また、原理的には大面積の基板に均一に結
晶を成長させることが可能であることからＭＯＣＶＤ法
は工業的に重要な方法である。

【０００３】しかし、ＭＯＣＶＤ法において高品質なＧ
ａＮ結晶の成長に必要とされる基板温度は９００から１
２００℃と高温であり、これにより基板に使用される材
料が制限される。また、電極上に半導体を積層するた
め、デバイス構成を作製する上での自由度に限界があ
る。これに対し、原料ガスをマイクロ波や高周波による
プラズマ発振によって分解し、さらにそのリモートプラ
ズマ中に気体状の有機金属化合物を導入し、生成された
半導体を基板上に堆積させるリモートプラズマＭＯＣＶ
Ｄ法は成長温度を下げる上で有効な手段である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このリモートプラズマ
ＭＯＣＶＤ法において、混晶や多層膜を作製する上で問
題となるキャリアガスの種類、圧力、ガス流量などの因
子を独立に制御するために、複数のプラズマ発生手段を
設けた製造装置による成膜も行われている。複数のプラ
ズマ発生手段を用意し、一方から補助材料として水素な
どを導入することで、水素ラジカルによる還元効果によ
り炭素の半導体膜中への混入が減少でき、膜欠陥を抑
え、高品質の薄膜を作製することができる。

【０００５】しかし、従来の複数のプラズマ発生手段を
用いた半導体製造装置では、各プラズマ発生手段が基板
に対して別方向に位置するように配置されていた（特開
平１０−７９３４８号参照）。このため、活性化された
それぞれのガスが基板に対して異なる方向から反応容器
内に進入し、それぞれのプラズマ発生手段により活性化
されたガスの流量の違いによって、反応容器内のガスの
流れが変化し、基板上の位置によって膜厚が異なってし
まう。このため、膜厚を均一にするために、基板の回転
機構を設けるなど複雑な装置を必要とした。また、各プ
ラズマ発生手段により活性化された原料ガスにこの原料
ガスと反応する原料ガスを導入するが、その導入する原
料ガスがプラズマ発生手段により異なり、かつ各プラズ
マ発生手段からの反応ガスを基板直前で混合する場合に
は、反応ガスの混合が十分に行われず、基板上に成長す
る薄膜の組成が位置によって異なってしまう。これは基
板の回転機構を設けても必ずしも回避できない。

【０００６】以上のようなことから最適化された条件で
成長する部分は基板上の僅かな領域に限られ、大面積の
基板上に組成および膜厚が均一な膜を形成できなかっ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、基板の回転機構などの
複雑な構造を用いることなく、大面積の基板上に組成お
よび膜厚が均一な半導体薄膜を形成するための製造装置
およびこの装置を用いた半導体製造システムを提供する
ことを目的とする。

【０００８】本発明は、反応容器と、基板を保持する基
板ホルダーと、前記反応容器内に原料ガスを供給するた
めの複数のガス供給手段と、複数のプラズマ発生手段
と、を備えた半導体製造装置において、２以上の前記プ
ラズマ発生手段と前記基板ホルダーが活性化される原料
ガスの供給方向に沿って直列に配置されたことを特徴と
する半導体製造装置を提供する。

【０００９】本発明によれば、２以上のプラズマ発生手
段と基板ホルダーはこのプラズマ発生手段により活性化
される原料ガスの供給方向に沿って直列に配置されるた
め、活性化された原料ガス（活性種）は一方向から供給
され、活性種の流れが原料ガスの流量に影響されること
がなく、均質で膜厚の均一な薄膜を製造することができ
る。

【００１０】前記活性化されるガスの供給方向の下流側
のプラズマ発生手段がスリットを備えた電極とすること
ができる。

【００１１】また、前記ガス供給手段の少なくとも一つ
がガス噴出口を有する中空のメッシュ状又はスリット状
であるガス拡散手段を備えることができる。このガス拡
散手段は前記２以上のプラズマ発生手段と直列に配置さ
れることが好ましい。前記ガス拡散手段を備えるガス拡
散手段に接続したガス供給手段は上下動可能とすること
ができる。前記ガス拡散手段はプラズマ発生手段を兼ね
ることができる。

【００１２】前記基板ホルダーは前記反応容器内を移動
可能とすることができる。

【００１３】また、本発明は上記いずれかの複数の半導
体製造装置が並列に配置された半導体製造システムを提
供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施の形態に係る半
導体製造装置２０の構成を示す。この半導体製造装置２
０は、略円筒状で、真空に排気しうる反応容器１を備え
る。反応容器１の下部には排気口２が設けられている。
また、反応容器１内には基板５を保持する基板ホルダー
３が配置されている。基板ホルダー３は基板を加熱する
ためのヒーター４を内臓している。反応容器１の上部に
はガス導入管１１が設けられている。このガス導入管１
１の内側には石英管６が同心円状に配置されている。こ
れらガス導入管１１と石英管６で一つのガス供給手段を
構成している。石英管６と直交するようにマグネトロン
を用いたマイクロ発振器に接続されたマイクロ波導波管
７が設けられている。また、石英管６のマイクロ波導波
管７より下流側にはこの石英管６と同心円状にドーナツ
状の容量結合型高周波電極１２が配置されている。さら
に、反応容器１内の容量結合型高周波電極１２より上部
に原料ガス又は活性化される原料ガスのエネルギーの制
御や膜欠陥防止のために使用される補助材料を供給する
ためのガス供給手段としてのガス導入管８が設けられて
いる。

【００１６】容量結合型高周波電極１２の下流側にはガ
ス拡散用のスリットが形成された容量結合型高周波電極
１３が設けられている。これら容量結合型高周波電極１
２、１３はガス導入管８、１１内のガスを活性化する。

【００１７】容量結合型高周波電極１３の下流側にはガ
ス拡散手段、およびガスを反応容器に供給するガス供給
口としてのガス拡散メッシュ１４、１５が直列に配置さ
れている。これらのガス拡散メッシュ１４、１５は中空
になっており、ガス噴出口を備えている。ガス拡散メッ
シュ１４、１５はそれぞれ原料ガスを供給するガス供給
手段としてのガス導入管９、１０が接続している。ガス
導入管９とガス拡散メッシュ１４、ガス導入管１０とガ
ス拡散メッシュ１５でそれぞれガス供給手段を構成して
いる。

【００１８】この半導体製造装置２０では、プラズマ発
生手段としてのマイクロ波導波管７、容量結合型高周波
電極１２、１３、ガス拡散メッシュ１４、１５、および
基板ホルダー３が活性化される原料ガスの供給方向、こ
の場合、ガス導入管１１（又は石英管６）の軸方向に沿
って直列に配置されている。すなわち、活性化される原
料ガスは一方向、すなわち反応容器１の上方向から供給
され、かつ活性化される原料ガスの基板への供給経路の
途上でこの活性化された原料ガスと反応する原料ガスが
供給されるため、十分な混合が得られ、かつガスの流量
によってガスの流れる方向が影響されないので、均質で
均一な厚みの膜を形成することができる。

【００１９】この半導体製造装置２０を用いてＧａＩｎ
Ｎ膜を得るには、基板５を２０〜１２００℃に加熱し、
例えば原料としてのＮ₂をガス導入管１１から導入し、
マイクロ波導波管７に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供
給し、石英管６内で放電させる。ガス導入管９からトリ
メチルガリウムガスを導入し、ガス導入管１０からトリ
メチルインジウムガスをキャリアガスと共に導入する。
このように、Ｖ族元素の下流側にＩＩＩ族元素を導入す
る。このＩＩＩ族元素は最下流に導入しても複数のプラ
ズマ発生手段の中間に導入してもよい。なお、補助材料
としてのＨ₂をガス導入管８から導入してもよい。

【００２０】このようにすることによって基板上には活
性化されたＩＩＩ族元素やＶ族元素が独立に制御された
状態で存在し、かつ補助材料としての水素原子がメチル
基をメタン等の不活性分子にするため炭素が半導体薄膜
中に入らず、膜欠陥が抑えられ、濃度や組成が制御され
た半導体膜が精製できる。

【００２１】図２は本発明の第２の実施の形態に係る半
導体製造装置３０の構成を示す。なお、図１の半導体製
造装置２０の構成と同一の構成については同一の符号を
附して説明を省略する。

【００２２】半導体製造装置３０はマイクロ波導波管７
の代わりにガス導入管１１の回りに巻きつけられた高周
波コイル２１を備える。また、容量結合型高周波電極１
２の代わりにドーナツ状であり底部にガス拡散用のスリ
ットが形成された筒状の容量結合型高周波電極２２を有
する。また、ガス導入管８はこの容量結合型高周波電極
２２と接続しており、ガス導入管８から導入されたガス
は容量結合型高周波電極２２により活性化されると共に
スリットから拡散される。さらに、ガス拡散用のスリッ
トが形成された容量結合型高周波電極１３の代わりにガ
ス噴出口を有する中空のガス拡散メッシュ２３が高周波
電極を兼ねるように設けられている。

【００２３】この半導体製造装置３０でも、プラズマ発
生手段としての高周波コイル６、容量結合型高周波電極
２２、ガス拡散メッシュ２３、１５および基板ホルダー
３がガス導入管１１の軸方向に沿って直列に配置されて
おり、活性化される原料ガスは一方向、すなわち反応容
器１の上方向から供給され、かつ活性化される原料ガス
の基板への供給経路の途上でこの活性化された原料ガス
と反応する原料ガスが供給されるため、十分な混合が得
られ、かつガスの流量によってガスの流れが影響され
ず、均質で均一な厚みの膜を形成することができる。

【００２４】半導体製造装置２０、３０において、プラ
ズマ発生手段による放電は直流放電でも交流放電でもよ
い。また、交流放電の場合、高周波放電の他低周波放電
でもよい。さらに、高周波放電の場合、誘導型でも容量
型でもよい。また、マイクロ発導波管のみならず、エレ
クトロンサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラズマ方
式の導波管を使用してもよい。プラズマ発生手段の組み
合わせは任意であり、マイクロ波導波管と容量結合型高
周波電極、高周波コイルと容量結合型高周波電極の組み
合わせに限られない。

【００２５】１つの空間において２種以上のプラズマ発
生手段を用いる場合、同じ圧力で同時に放電が生起でき
るようにする必要があり、プラズマを発生する部分と、
半導体を製膜する基板の近傍とに圧力差を設けてもよ
い。これらの圧力を同一とする場合、異なる種類のプラ
ズマ発生手段、例えば、図１のようにマイクロ波導波管
７と容量結合型高周波電極１２、１３を用いると活性種
の活性エネルギーを大きく変えることができ、膜質制御
に有効である。

【００２６】ガス導入管９とガス拡散メッシュ１４また
は２３、ガス導入管１０とガス拡散メッシュ１５は上下
動可能にしてもよい。また、基板ホルダー３は回転して
もよいし、また上下動可能としてもよい。

【００２７】なお、半導体製造装置２０、３０ではガス
導入管１１は反応容器１の真上に配置されているが、ガ
ス導入管１１は斜めに傾斜していてもよい。

【００２８】さらに、半導体製造装置２０、３０ではガ
ス拡散メッシュを用いているが、メッシュの代わりに底
部に複数のスリットが形成された箱状のガス拡散手段を
用いてもよい。また、ガス導入管９、１０のガス供給口
（下端部）が活性化される原料ガスの供給経路の近傍に
配置されていればガス拡散手段を省略してもよい。ま
た、その場合ガス供給口は必ずしもプラズマ発生手段や
基板ホルダーと直列に配置されていなくてもよい。

【００２９】また、１つの半導体製造装置において、複
数のプラズマ発生手段のうちの２個以上が直列であれば
よく、すべてのプラズマ発生手段が直列でなくてもよ
い。

【００３０】図３は本発明の第３の実施の形態に係る半
導体製造システム４０の構成を示す。半導体製造装置２
０、３０の構成と同一の構成については同一の符号を附
して説明を省略する。この半導体製造システム４０は２
つの半導体製造ユニット４３、４４およびこれらのユニ
ットを連結する連結室４１を備えている。連結室４１と
各ユニットの間にはゲートバルブ４２が設けられてい
る。半導体製造ユニット４３、４４は高周波コイル２１
の代わりにマイクロ波導波管７を備えたこと、およびユ
ニット間を水平移動可能とされた一つの基板ホルダー３
が半導体製造ユニット４３、４４に共有されていること
を除いて半導体製造装置３０と同じである。

【００３１】また、図４は本発明の第３の実施の形態に
係る半導体製造システム５０の構成を示す。半導体製造
装置２０、３０の構成と同一の構成については同一の符
号を附して説明を省略する。この半導体製造システム５
０は３つの半導体製造ユニット５１、５２、５３を備え
ている。これらの半導体製造ユニット５１、５２、５３
は高周波コイル２１の代わりにマイクロ波導波管７を備
えたこと、およびユニット間を移動可能とされた一つの
基板ホルダー３が半導体製造ユニット５１、５２、５３
に共有されていること、及び３つの反応容器１の代わり
に開閉可能なしきり板５６で内部空間がしきられた１つ
の反応容器５４が使用されていることを除いて半導体製
造装置３０と同じである。

【００３２】このような半導体製造システムを使用する
ことによって異なる活性化条件（例えば、放電電力、原
料ガスの流量、ドーピング元素など）を用いて短時間で
異なる組成の層を任意の膜厚で積層することが可能とな
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、大面積の基板上に組成および
膜厚が均一な半導体薄膜を形成するための製造装置およ
びこの装置を用いた半導体製造システムを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装
置の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装
置の構成図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造シ
ステムの構成図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体製造シ
ステムの構成図である。

【符号の説明】

１ 反応容器 ３ 基板ホルダー ６ 石英管（ガス供給手段） ７ マイクロ波導波管（プラズマ発生手段） ８ ガス導入管（ガス供給手段） ９ ガス導入管（ガス供給手段） １０ ガス導入管（ガス供給手段） １１ ガス導入管（ガス供給手段） １２ 容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段） １３ 容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段、
ガス拡散手段） １４ ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段） １５ ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段） ２０ 半導体製造装置 ２１ 高周波コイル（プラズマ発生手段） ２２ 容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段） ２３ ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段、プラズマ
発生手段） ３０ 半導体製造装置 ４０ 半導体製造システム ４３ 半導体製造ユニット ４４ 半導体製造ユニット ５０ 半導体製造システム ５１ 半導体製造ユニット ５２ 半導体製造ユニット ５３ 半導体製造ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 茂 神奈川県南足柄市竹松1600番地 富士ゼロ ックス株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AA08 AB17 AC08 AC15 BB02 BB04 DP03 DP28 DQ10 DQ15 DQ17 EB02 EF05 EF10 EH12 EH14 EK07

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器と、基板を保持する基板ホルダ
   ーと、前記反応容器内に原料ガスを供給するための複数
   のガス供給手段と、複数のプラズマ発生手段と、を備え
   た半導体製造装置において、 ２以上の前記プラズマ発生手段と前記基板ホルダーが活
   性化される原料ガスの供給方向に沿って直列に配置され
   たことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 前記活性化される原料ガスの供給方向の
   下流側のプラズマ発生手段がスリットを備えた電極であ
   る請求項１記載の半導体製造装置。
3. 【請求項３】 前記ガス供給手段の少なくとも一つがガ
   ス噴出口を有する中空のメッシュ状又はスリット状であ
   るガス拡散手段を備える請求項１又は２記載の半導体製
   造装置。
4. 【請求項４】 前記ガス拡散手段が前記２以上のプラズ
   マ発生手段と直列に配置された請求項１から３のいずれ
   か１項記載の半導体製造装置。
5. 【請求項５】 前記ガス拡散手段を備えたガス供給手段
   が上下動可能な請求項３又は４記載の半導体製造装置。
6. 【請求項６】 前記ガス拡散手段がプラズマ発生手段を
   兼ねる請求項３から５のいずれか１項記載の半導体製造
   装置。
7. 【請求項７】 前記基板ホルダーが前記反応容器内を移
   動可能な請求項１から６のいずれか１項記載の半導体製
   造装置。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか１項記載の複
   数の半導体製造装置が並列に配置された半導体製造シス
   テム。