JP2004063631A

JP2004063631A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2004063631A
Application number: JP2002217919A
Authority: JP
Inventors: Eitoku Ubukata; 生方　映徳; Hiroki Tokunaga; 徳永　裕樹
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】原料ガス流路となるフローライナー内壁面への中間生成物の付着を防止し、フローライナーの洗浄回数を削減することによって生産性の向上を図れる気相成長装置を提供する。
【解決手段】原料ガス流路１４，１５の基端部１０ａに設けた原料ガス導入ノズル１６，１７から、該原料ガス流路１４，１５を通して基板面１１ａに平行な方向に原料ガスを供給し、前記基板面１１ａに半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、前記原料ガス導入ノズル１６，１７を、前記原料ガス流路１４，１５の基端部中央に設けるとともに、該原料ガス導入ノズル１６，１７の周囲に、前記原料ガス流路１４，１５の内壁面に沿う方向にパージガスを吹き出すパージガス導入ノズル１８，１９を設ける。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、気相成長ガスを基板面と平行に流して基板面に化合物半導体等の薄膜を形成する横型の気相成長装置であって、特に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を製造するのに適した気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
横型フロー式の半導体製造装置（横型気相成長装置）は、一般に、石英ガラス等で製造された反応管（リアクタ）内に、同じく石英ガラス等で製造されたフローライナーを設置し、このフローライナーを介して原料ガス導入ノズルから導入される原料ガスを基板面に平行な方向に流し、あらかじめ設定された温度に加熱されている加熱領域、基板領域で原料ガスを熱分解させることによって基板面に半導体薄膜を成長（エピタキシャル成長）させるように形成されている。
【０００３】
特に、複数の原料ガスを使用して成膜を行う場合、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を製造する場合は、前記フローライナーを上下複数の原料ガス流路に区画し、各区画に異なる原料ガス、例えば、一方の原料ガス流路にＩｎ，Ｇａ，Ａｌ等を含む有機金属化合物を、他方の原料ガス流路にアンモニアをそれぞれ導入し、基板領域上流側での原料ガス同士の混合を抑制するようにしている。
【０００４】
このようにして複数の原料ガスを混ぜ合わせることなく基板領域に供給することにより、基板領域や加熱領域で原料ガスが混合して熱分解反応を開始し、中間生成物が生成することを抑制できるので、原料の利用効率を向上できるとともに、中間生成物に起因する結晶欠陥の発生も低減できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように区画したフローライナーを使用しても、原料ガスが熱分解した中間生成物がフローライナー内壁面に付着することを防止することはできず、フローライナー内壁面に付着した中間生成物が剥がれ落ちると、基板面や膜を汚染することになる。このため、従来は、数回の成膜操作に１回程度の割合でフローライナーを洗浄し、付着物を除去するようにしていたので、装置の稼働効率が低下し、生産性を悪化させる原因となっていた。
【０００６】
そこで本発明は、フローライナー内壁面への中間生成物の付着を防止し、フローライナーの洗浄回数を削減することによって生産性の向上を図れる気相成長装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、原料ガス流路の基端部に設けた原料ガス導入ノズルから、該原料ガス流路を通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、前記原料ガス導入ノズルを、前記原料ガス流路の基端部中央に設けるとともに、該原料ガス導入ノズルの周囲に、前記原料ガス流路の内壁面に沿う方向にパージガスを吹き出すパージガス導入ノズルを設けたことを特徴とている。
【０００８】
特に、本発明の気相成長装置は、前記原料ガス流路が、前記基板面より上流側が基板面に平行な仕切板により上下複数に区画されており、各区画内に異なる原料ガスを導入する原料ガス導入ノズルがそれぞれ設けられるとともに、各原料ガス導入ノズルの周囲に前記パージガス導入ノズルをそれぞれ設けたことを特徴としている。
【０００９】
さらに、前記原料ガス導入ノズルが、原料ガス吹き出し方向に向かって原料ガス流路内に水平方向に突出していること、前記パージガス導入ノズルは、前記原料ガス導入ノズルに対して基板面側に位置するパージガス導入ノズルからのパージガスの吹き出し量が少なく設定されていること、前記パージガス導入ノズルは、前記原料ガス流路の内周に設けられた筒体の外壁面と、前記原料ガス流路の内壁面との間に形成されたパージガス導入路を有していることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は原料ガス流路を構成するフローライナーの断面正面図、図２は基板側から見たフローライナーの断面側面図である。このフローライナー１０は、基板１１に向けて二種類の原料ガスを基板面１１ａに平行な状態、即ち水平方向に供給するものであって、流路断面が四角形の本体１２内に基板面１１ａに平行な仕切板１３を設けることにより、本体１２内に上下二区画の原料ガス流路１４，１５を形成している。前記仕切板１３は、フローライナー１０の基端部１０ａから基板面１１ａより上流側の範囲において、本体１２の断面積や断面形状、原料ガスの種類や流速等の条件に応じて任意の長さに設置することができる。
【００１１】
前記各原料ガス流路１４，１５の基端部中央には、原料ガス供給源から供給される原料ガスをフローライナー１０内に吹き出すための原料ガス導入ノズル１６，１７がそれぞれ設けられている。この原料ガス導入ノズル１６，１７は、原料ガス流路１４，１５内にガス流を乱さずに水平方向に原料ガスを導入できるように、基端部１０ａから原料ガス吐出方向に向かって原料ガス流路１４，１５内に水平方向に突出した状態で設けられている。
【００１２】
また、前記原料ガス導入ノズル１６，１７の周囲には、各原料ガス流路１４，１５の内壁面及び仕切板１３の表面に近い位置に複数のパージガス導入ノズル１８，１９がそれぞれ設けられている。このパージガス導入ノズル１８，１９は、パージガス供給源からライン２０ａを経てヘッダー部２０に供給されるパージガス、通常は窒素や水素を、基端部１０ａから原料ガス流路１４，１５の内壁面及び仕切板１３の表面（上下両面）に沿う方向に吹き出すように形成されている。
【００１３】
なお、パージガス導入ノズル１８，１９は、原料ガス流路１４，１５の内壁面及び仕切板１３の表面に接するように設けることもできるが、パージガスの流れを円滑にするためには、これらの面から数ｍｍ離れた位置に設けることが好ましい。また、パージガス導入ノズル１８，１９同士の間隔は、その形状や吹き出し流量によっても異なるが、流路内に突出した状態の原料ガス導入ノズル１６，１７から吹き出す原料ガスを包み込む位置で、各ノズルから吹き出したパージガス同士の間に隙間が無いような状態になっていればよい。
【００１４】
このように原料ガス導入ノズル１６，１７の周囲にパージガス導入ノズル１８，１９を設け、原料ガス導入ノズル１６，１７から流出した原料ガスをパージガス導入ノズル１８，１９から流出したパージガスで包み込むようにして基板方向に流すことにより、原料ガスが熱分解して中間生成物が生成しても、この中間生成物が原料ガス流路１４，１５の内壁面や仕切板１３に付着することをパージガスによって阻止することができる。また、各パージガス導入ノズル１８，１９からのパージガス吹き出し量を適切に設定することにより、両原料ガスを基板領域近くまでパージガスでそれぞれ包み込んだ状態にしておくことができるので、基板領域近傍で両原料ガスを混合させて反応させることが可能となる。
【００１５】
さらに、各原料ガス導入ノズル１６，１７に対して基板面側、本形態例では下方に位置する下部ノズル１８ａ，１９ａからのパージガス吹き出し量を相対的に他の部分より少なく設定することにより、各原料ガスを基板面１１ａに近い位置にガイドすることができるので、基板領域において基板等からの輻射熱によって高温となっているフローライナー内壁面、特に天井面への反応生成物の付着を抑制し、反応生成物を基板面に有効に堆積させて効率よく半導体薄膜を成長させることができる。
【００１６】
このとき、本形態例に示すようにフローライナー内を上下二段に区画した場合は、上段の原料ガス導入ノズル１６に対して基板側に位置する下段の原料ガス流路１５の上部ノズル１９ｂからのパージガス吹き出し量を、上段側の前記下部ノズル１８ａからのパージガス吹き出し量との合計量で調節することにより、上段の原料ガス流路１４に導入された原料ガスも基板方向にガイドすることができる。
【００１７】
各ノズル位置におけるパージガス吹き出し量の調節は、図２に示すように、同一径のパージガス導入ノズルの配置数（配置間隔）を、基板面側とそれ以外とで異なる設定とし、基板面側のノズル配置数を他より少なくすることにより、基板面側のパージガス吹き出し量を相対的に少なくすることができる。また、各パージガス導入ノズルを異なる口径にしてパージガス吹き出し量を調節するようにしてもよく、前記ヘッダー部２０をパージガス吹き出し量に対応させて複数に分割したり、各パージガス導入ノズルにパージガス導入ラインを個別に接続したりすることによっても各部におけるパージガス吹き出し量を調節できる。
【００１８】
なお、パージガスの吹き出し方向は、原料ガス導入ノズル１６，１７から導入された両原料ガスの流れを乱さずに、かつ、上流側での原料ガス同士の混合を抑制しながら、反応生成物のフローライナー内壁面への付着を抑制できればよく、吹き出し方向が厳密な意味でフローライナー内壁面と平行になっていなくてもよい。また、パージガス導入ノズル１８，１９の形状は任意であり、図に示す円形に限らず、スリット状等に形成することも可能である。
【００１９】
本形態例に示すように、上下二区画の原料ガス流路１４，１５を形成した気相成長装置でＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を製造する際には、例えば、一方の原料ガス流路１４にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）と窒素又は水素との混合ガスを導入し、他方の原料ガス流路１５にアンモニアと窒素との混合ガスを導入するとともに、パージガス導入ノズル１９からは窒素を導入するようにして基板面に半導体薄膜を成長させればよい。
【００２０】
図３及び図４は、本発明の気相成長装置の第２形態例を示すもので、図３は原料ガス流路を構成するフローライナーの断面正面図、図４は基板側から見たフローライナーの断面側面図である。
【００２１】
このフローライナー２１は、一つの原料ガス導入ノズル２２から一種類の原料ガスあるいは二種以上のガスをあらかじめ混合した状態の原料ガスを導入し、基板２３に向けて水平方向に供給することによって基板面２３ａに半導体薄膜を成長させるものである。
【００２２】
このフローライナー２１においても、フローライナー２１の基端部２１ａには、原料ガス導入ノズル２２を囲むようにして複数のパージガス導入ノズル２４が設けられており、ライン２５ａからヘッダー部２５に供給されるパージガスをフローライナー２１の内壁面に沿う方向に吹き出すようにしている。
【００２３】
また、本形態例でも、前記第１形態例と同様に、原料ガス導入ノズル２２の下方に位置する下部ノズル２４ａからのパージガス吹き出し量を上部や両側部分よりも相対的に少なく設定することにより、原料ガスを基板２３に近い位置にガイドすることができ、基板領域におけるフローライナー天井面への反応生成物の付着を抑制して反応生成物を基板面２３ａに有効に堆積させることができる。
【００２４】
本形態例に示すように、原料ガス流路が一区画の気相成長装置でＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を製造する場合は、原料ガス導入ノズル２２からＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＭＡやＣｐ_２Ｍｇとアンモニアと窒素との混合ガスを導入し、パージガス導入ノズル２４から窒素を導入するようにして気相成長を行えばよい。
【００２５】
図５及び図６は、本発明の気相成長装置の第３形態例を示すもので、図５は原料ガス流路を構成するフローライナーの断面正面図、図６は基板側から見たフローライナーの断面側面図である。
【００２６】
このフローライナー３１の基端部３１ａには、前記原料ガス流路の内周に、原料ガス導入ノズル３２を囲むようにして断面四角形の筒体３３を設け、この筒体３３の外壁面と、前記フローライナー３１の内壁面との間にパージガス導入路３４を形成している。
【００２７】
前記筒体３３は、フローライナー３１と相似形に形成されており、パージガス導入路３４におけるフローライナー内外方向の寸法が全周にわたって略同一になるようにしている。
【００２８】
したがって、原料ガス導入ノズル３２からフローライナー内に吹き出した原料ガスは、ライン３５ａからヘッダー部３５に供給され、ノズル部３５ｂを経てパージガス導入路３４からフローライナー３１の内壁面に沿うように吹き出したパージガスに包み込まれた状態で基板３６の方向に流れ、基板面３６ａに半導体薄膜を成長させる。
【００２９】
このように、全周にわたるパージガス導入路３４を設けることにより、パージガスによって原料ガスをより確実に包み込んだ状態にすることができる。また、本形態例でも、前記第１形態例と同様に、原料ガス導入ノズル３２の下方に位置する下部パージガス導入路３４ａからのパージガス吹き出し量を上部や両側部分よりも相対的に少なく設定することにより、あるいは、図６に示すように、筒体３３を中心より僅かに下方に配置して下部パージガス導入路３４ａの内外方向の寸法を小さくすることにより、フローライナー３１の上部や両側部分を流れるパージガス量を多くすることができる。これによって原料ガスを基板３６に近い位置にガイドすることができるので、基板領域におけるフローライナー天井面への反応生成物の付着を抑制して反応生成物を基板面３６ａに有効に堆積させることができる。
【００３０】
なお、各形態例では、基板をフローライナーの底部に、基板面を上方に向けて設置した例を示したが、基板の設置状態はこれに限るものではなく、例えば、フローライナー天井部に基板面を下方に向けて設置することもできる。
【００３１】
【実施例】
実施例１
図１，図２に示すように、フローライナー内に水平方向の仕切板を設けて幅２００ｍｍ、高さ１０ｍｍの原料ガス流路を上下に形成した。各流路には内径４ｍｍの原料ガス導入ノズルをそれぞれ設けるとともに、その周囲に内径１ｍｍのパージガス導入ノズルを、上部及び側部は５ｍｍ間隔で、下部は１０ｍｍ間隔で設けた。
【００３２】
上段の原料ガス導入ノズルからＴＭＧと水素との混合ガスを３０ＳＬＭで、下段の原料ガス導入ノズルからアンモニアと窒素との混合ガスを３０ＳＬＭで、それぞれ導入した。
【００３３】
そして、パージガス導入ノズルからパージガスとしての窒素を合計で２０ＳＬＭ導入したときと、パージガス導入ノズルから窒素を導入しなかったときとにおける中間生成物の付着状況を観察した。その結果、３回の成膜操作で、パージガス導入ノズルから窒素を導入しなかったときにはフローライナー内壁面に中間生成物が付着堆積したのが認められたが、パージガス導入ノズルから窒素を導入したときには中間生成物の付着堆積は見られなかった。
【００３４】
実施例２
図３，図４に示すように、幅２００ｍｍ、高さ１５ｍｍの原料ガス流路を有するフローライナーの周壁に沿うように、内径１ｍｍのパージガス導入ノズルを、上部及び側部は５ｍｍ間隔で、下部は１０ｍｍ間隔で設けた。
【００３５】
内径４ｍｍの原料ガス導入ノズルからＴＭＧとアンモニアと窒素との混合ガスを３０ＳＬＭで導入し、パージガス導入ノズルからパージガスとしての窒素を合計で１０ＳＬＭで導入した。
【００３６】
そして、実施例１と同様に、パージガス導入ノズルからの窒素の導入の有無による中間生成物の付着状況を観察した結果、３回目の成膜操作で窒素を導入しなかったときにはフローライナー内壁面に中間生成物が付着堆積したのが認められたが、窒素を導入したときには中間生成物の付着堆積は見られなかった。
【００３７】
実施例３
図５、図６に示すように、幅２００ｍｍ、高さ１５ｍｍの原料ガス流路を有するフローライナーの内部に、フローライナーと相似形の内筒を、上部及び両側部の間隔が２ｍｍ、下部の間隔が１ｍｍになるように配置した。
【００３８】
内径４ｍｍの原料ガス導入ノズルからＴＭＧとアンモニアと窒素との混合ガスを３０ＳＬＭで導入し、パージガス導入ノズルからパージガスとしての窒素を合計で１０ＳＬＭで導入した。
【００３９】
そして、実施例１，２と同様に、パージガス導入ノズルからの窒素の導入の有無による中間生成物の付着状況を観察した結果、３回目の成膜操作で窒素を導入しなかったときにはフローライナー内壁面に中間生成物が付着堆積したのが認められたが、窒素を導入したときには中間生成物の付着堆積は見られなかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相成長装置によれば、フローライナーの内壁面や仕切板表面に中間生成物が付着することを確実に防止することができるので、原料の利用効率向上や中間生成物に起因する結晶欠陥の発生防止を図れるとともに、フローライナーの洗浄回数が削減されることによって生産性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の第１形態例を示すフローライナーの断面正面図である。
【図２】基板側から見たフローライナーの断面側面図である。
【図３】本発明の気相成長装置の第２形態例を示すフローライナーの断面正面図である。
【図４】基板側から見たフローライナーの断面側面図である。
【図５】本発明の気相成長装置の第３形態例を示すフローライナーの断面正面図である。
【図６】基板側から見たフローライナーの断面側面図である。
【符号の説明】
１０…フローライナー、１０ａ…基端部、１１…基板、１１ａ…基板面、１２…本体、１３…仕切板、１４，１５…原料ガス流路、１６，１７…原料ガス導入ノズル、１８，１９…パージガス導入ノズル、１８ａ，１９ａ…下部ノズル、１９ｂ…上部ノズル、２０…ヘッダー部、２１…フローライナー、２１ａ…基端部、２２…原料ガス導入ノズル、２３…基板、２４…パージガス導入ノズル、２５…ヘッダー部、３１…フローライナー、３１ａ…基端部、３２…原料ガス導入ノズル、３３…筒体、３４…パージガス導入路、３５…ヘッダー部、３６…基板

Claims

原料ガス流路の基端部に設けた原料ガス導入ノズルから、該原料ガス流路を通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、前記原料ガス導入ノズルを、前記原料ガス流路の基端部中央に設けるとともに、該原料ガス導入ノズルの周囲に、前記原料ガス流路の内壁面に沿う方向にパージガスを吹き出すパージガス導入ノズルを設けたことを特徴とする気相成長装置。
前記原料ガス流路は、前記基板面より上流側が基板面に平行な仕切板により上下複数に区画されており、各区画内に異なる原料ガスを導入する原料ガス導入ノズルがそれぞれ設けられるとともに、各原料ガス導入ノズルの周囲に前記パージガス導入ノズルをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記原料ガス導入ノズルは、原料ガス吹き出し方向に向かって原料ガス流路内に水平方向に突出していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記パージガス導入ノズルは、前記原料ガス導入ノズルに対して基板面側に位置するパージガス導入ノズルからのパージガスの吹き出し量が少なく設定されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記パージガス導入ノズルは、前記原料ガス流路の内周に設けられた筒体の外壁面と、前記原料ガス流路の内壁面との間に形成されたパージガス導入路を有していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。