JP2007067213A

JP2007067213A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2007067213A
Application number: JP2005252133A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Suzuki; 大輔鈴木; Hideki Komori; 秀樹古森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】構造が簡単で、成長膜厚の制御性に優れた気相成長装置を提供する。
【解決手段】ウェハを保持するためのサセプタ４及び原料ガスを導入するためのガス導入部を有する反応室１と、この反応室からガスを排気する排気部６と、上記反応室及び上記排気部の間に配設され、これら反応室及び排気部を連通する排気口が形成された仕切り部材を備えた気相成長装置において、仕切り部材７に形成する排気口８を、上記反応室の側から上記排気部の側に向けて流路断面積が小さくなるように形成し、余剰生成物の付着を上流側に集中させ、処理を重ねていっても一定のガス流速が得られるように構成したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により例えば化合物半導体結晶をエピタキシャル成長する場合などに好ましく用いることができる気相成長装置に関する。

気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ成膜装置は、例えば光通信システムや各種情報処理装置等の光源として利用される半導体レーザの製造における成膜工程で広く用いられている。例えば反応室内のサセプタにセットされたウェハ上に、例えばＡｌＧａＩｎＰ膜を形成する場合、通常ウェハ温度を７００℃程度に昇温し、原料ガスとして、ＰＨ_３（ホスフィン）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）などの有機金属ガスを通流して成膜するが、このとき、熱分解された一部のガスや未反応のガスは、ウェハ上で結晶成長せず、下流側の排気口近傍等に余剰生成物として付着し、この付着物の堆積が成膜の品質に影響する。このような、付着物を除去する従来の技術として、例えば排気口部分を加熱し、エッチング性ガスを導入して除去するものがある（例えば特許文献１参照。）。

特開昭６１−１６４２１８号公報（第２頁、第１図）

上記のような従来技術においては、堆積した付着物の除去作業が容易になるとはいうものの、例えば成膜処理を数十回行なう毎に付着物の除去作業を行なう方式では、付着物を除去した直後の成膜処理工程と、付着物の除去直前の成膜処理工程では、付着物除去に伴う排気口部分の流路断面積の変化により、得られる結晶の成長膜厚が大きく変化することになるため成長膜厚の制御性が悪いという課題があり、また、成膜処理の回数を減らして付着物の除去作業を頻度高く行なう方式では、製造工程の時間が長くなるという課題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、構造が簡単で、成長膜厚の制御性が向上された気相成長装置を提供することを目的としている。

この発明による気相成長装置は、サセプタを有する反応室と、この反応室からガスを排気する排気部と、上記反応室及び上記排気部の間に配設され、これら反応室及び排気部を連通する排気口が形成された仕切り部材を備えた気相成長装置において、上記仕切り部材に形成された排気口は、上記反応室側から上記排気部側に向けて流路断面積が小さくなるように形成されてなるものである。

この発明においては、仕切り部材に設ける排気口を、反応室側から排気部側に向けて流路断面積が小さくなるように形成したことにより、余剰生成物などの付着物は排気口の反応室側の流路断面積の広い部分から付着し、排気部側の流路断面積の小さい下流側の口径は確保されるので、見かけ上の流路断面積は所定回数の範囲でほぼ一定に保持することが可能になり、処理バッチ間での成長膜厚の制御性を向上できる。また、構造が簡単であるので容易に製造できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ成膜装置の要部を模式的に説明するもので、図１（ａ）は反応室（反応炉）部分を概略的に示す側面断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の斜視図、図１（ｃ）は図１（ａ）の丸で囲むＡ部の拡大断面図である。図において、ＭＯＣＶＤ装置は、反応炉を構成する円形の反応室１、この反応室１内中心部に外部から成膜用の原料ガスを導入するためのガス導入部２、複数のウェハ３を周方向にセットする円盤状のサセプタ４、ウェハ３を加熱するためのヒータ５、反応室１内から反応後のガスを排気するための図示省略している排気装置に連通された排気部６、これら反応室１及び排気部６を連通する多数の排気口８が周方向に略等間隔で形成された仕切り部材７、などから構成されている。なお、８ａは内側開口部、８ｂは外側開口部である。

上記排気口８は詳細を図１（ｃ）に示すように、矢印Ｂ、Ｃで示すガスの流れ方向に流路断面積が徐々に小さくなるように円錐状ないしはロート状に形成されている。なお、具体的には下流側の外側開口部８ｂの開口径が凡そ必要十分な開口径に設定され、上流側の内側開口部８ａに向けて流路断面積が大きくなるように開口径を広げて形成されている。なお、上記排気口８を有する仕切り部材７の材質としては、例えば石英（ＳｉＯ_２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及び窒化ボロン（ＢＮ）などの耐熱性を有するものを好ましく用いることができるが、必ずしもこれらのみに限定されるものではない。その他、サセプタ４を回転させるための回転手段、ガス導入部２に供給する原料ガスの供給源、及び原料ガスの供給や反応温度などを制御する各種制御装置など所要の装置類を具備しているが、何れも図示を省略している。また、各図を通じて同一符号は同一もしくは相当部分を示すものとする。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。複数のウェハ３をサセプタ４上の所定位置にセットし、図示省略している排気装置で反応室１内を排気してヒータ５でウェハ３を所定温度に加熱し、図示省略している原料ガスの供給源からガス導入部２を通じて反応室１内に原料ガスを供給することによってウェハ３上に所望の半導体結晶が成膜される。この成膜の過程で、熱分解されたガスや未反応のガスは、反応炉壁である仕切り部材７などに衝突して、排気口８から排気部６の方向に矢印Ｃのように排気されて行くが、このとき仕切り部材７に付着・堆積する余剰生成物は、排気口８の反応室１内壁側から付着し、下流方向には付着量が減少する。

排気口８は、図１（ｃ）に示すようにガス流の上流側である反応室１内壁側の内側開口部８ａが大きく形成されているので、該上流側の内側開口部８ａ付近に余剰生成物が付着しても、所定の処理回数までは、下流側の外側開口部８ｂの開口径よりも開口径が大きい状態が保持され、しかも下流側の外側開口部８ｂには、余剰生成物の付着が上流側よりも少ないので、所要の開口径が維持されるため、処理回数を重ねてもガス流速を略一定に確保でき、従来、処理回数の増加と共に成長膜厚が増加していく傾向が顕著であったのに対し、成長膜厚の増加を抑えることができる。

上記のように、この発明の実施の形態１によれば、反応室（反応炉）壁である仕切り部材7の排気口８を、ガス流れ方向に、徐々に開口径が小さくなるように構成したこと、即ち反応室１側から排気部６に向けて流路断面積が小さくなるように形成したことにより、半導体膜を成膜する際に、熱分解された一部のガスや未反応のガスは、流路断面積が大きく生成された排気口８の反応室１内壁側の内側開口部８ａより付着し、外側開口部８ｂの側には付着量が極めて少ないことにより、余剰生成物が堆積していっても、外側開口部８ｂの開口径を処理回数によらず一定に保持することが可能になり、処理を重ねていっても一定のガス流速が得られ、反応室１内部と排気部６の圧力バランスが安定する。その結果、処理バッチ間での成長膜厚の制御性を向上することができる。また、構造が簡単なので製造も容易である。

なお、上記処理回数を重ね、付着物が内側開口部８ａの側の流路断面積が外側開口部８ｂに近づいてきた場合には、公知の各種従来技術によって付着物を除去することにより、初期の状態に戻すことができる。例えば、仕切り部材７を約８００℃程度に加熱するための温度制御手段を含む加熱手段と、排気口８の内側開口部８ａなどに付着した付着物を加熱状態で除去するための例えばＨＣｌ、ＣＣｌ_４、ＣＨ_３Ｃｌガス等のエッチング性ガスの導入手段を設け、仕切り部材７を加熱下でエッチング性ガスを通流する手段、あるいは仕切り部材７を取り外して塩酸や硝酸などの酸で溶解除去する手段などにより付着物を除去することができる。

また、上記排気口８が設けられた仕切り部材７の材質としては、熱分解された一部のガスや未反応のガスが結晶成長しにくく、上記例示したエッチング性ガスに対して高温で安定な、石英（ＳｉＯ_２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化ボロン（ＢＮ）等を用いることは特に好ましい。また、これらの材料は塩酸や硝酸などの薬液に対して耐腐食性が高く、このような耐腐食性が高い物質を用いることによって、容易に洗浄することが可能になり、メンテナンス（洗浄）のコストを削減することができる。さらに、排気口８は円錐状としたが、これに限定されるものではなく、例えば角錐状、楕円錐状など他の錘状であっても差し支えない。

実施の形態２．
図２及び図３はこの発明の実施の形態２による気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ成膜装置の要部を模式的に説明するもので、図２（ａ）は反応室部分を概略的に示す側面断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の丸で囲むＤ部の排気口の断面構成を説明する図、図２（ｃ）は該Ｄ部の排気口に隣接する排気口の断面構成を説明する図、図３は仕切り部材を平面方向に見たときの排気口の位置関係を説明する断面図である。図に示すように、この実施の形態２においては、リング状の仕切り部材７は径方向内側から外側に向けて第１のプレート部材７１、第２のプレート部材７２、第３のプレート部材７３、第４のプレート部材７４、及び第５のプレート部材７５からなる多段プレートで構成され、各プレート部材７１〜７５の相互の間は、所定の間隔９を保持して互いに離間されている。

そして上記第１〜第５のプレート部材７１〜７５には、それぞれ貫通孔からなる排気口８１〜８５が周方向に等間隔（等角度）で設けられており、各排気口８１〜８５の開口径を、それぞれ順にＲ８１〜Ｒ８５とすると、Ｒ８１〜Ｒ８５は、
Ｒ８１＞Ｒ８２＞Ｒ８３＞Ｒ８４＞Ｒ８５
のように、内側から外側に向けて、即ち気体の流れる方向に順次小さくなるように構成され、しかも図３に示すように各排気口８１〜８５の周方向の位置を交互にずらして、いわゆる「てれこ」に配設されている。なお、上記第１〜第５のプレート部材７１〜７５の材質としては、例えばモリブデン、タングステンなど耐熱性に優れた金属類の薄板は好ましく用いることができるが、特にこれらのみに限定されるものではない。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、反応室１内に送給された原料ガスは、ウェハ３上で熱分解して上記実施の形態１と同様に結晶成長して成膜に寄与した後、側壁を構成する内側の第１のプレート部材７１に衝突し、排気口８１を通過し、その後、順次その外側のプレート部材の中心部側壁面に衝突した後、当該プレート部材の排気口を通過していき、最外周部の第５のプレート部材７５の排気口８５を通過した後、排気ガスとして排気部６を矢印Ｃで示すように通流して図示省略している排気装置によって排気される。

その間、熱分解されたガスの一部は、第１〜第５のプレート部材７１〜７５の内側（中心部側）表面、それらプレート部材に設けられた排気口８１〜８５などに付着し、処理回数の積み重ねによって該付着物の厚みも増して行くが、その付着量はプレート部材、排気口の径方向内側ほど大きく、最外周部の第５のプレート部材７５、及びその排気口８５への付着量は極めて少ない。その結果、処理回数によらず略一定のガス流速が得られ、ウェハ３に成膜された成長膜厚は処理回数の進行に伴って長期間略一定に保持できる。

結局、第１〜第５のプレート部材７１〜７５からなる仕切り部材７に設けられた排気口８１〜８５は、全体として反応室側から排気部６側に向けて流路断面積が徐々に小さくなるように形成したものと同様であり、余剰生成物などの付着物は反応室１側の第１のプレート部材７１から付着し、排気部６側の流路断面積の小さい第５のプレート部材７５の排気口８５の口径は確保されることにより、見かけ上の開口径は所定回数の範囲でほぼ一定に保持される。

上記のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、仕切り部材７に設ける排気口を、反応室１側から排気部６側に向けて流路断面積が小さくなるように、複数の互いに離間されたプレート部材７１〜７５を用い、貫通孔からなる排気口８１〜８５の大きさを内側から外側方向に小さくなるように設け、しかも隣接するプレート部材の排気口を互い違いにずらした位置に配設したことにより、余剰生成物などの付着物は反応室１側の第１のプレート部材７１の内壁部分や開口径の大きい排気口８１部分から付着し、排気部６側の流路断面積の小さい下流側のプレート部材の開口径はほぼ一定に確保され、見かけ上の開口径は所定回数の範囲でほぼ一定に保持することが可能になり、処理バッチ間での成長膜厚の制御性を向上することができる。また、順次外側のプレート部材の壁面に衝突するようにしたことにより、衝突部分にも余剰生成物が付着するので、外側の排気口に付着する余剰生成物が一層少なくなり、処理回数をさらに伸ばすことができる。

なお、上記実施の形態２の説明では、仕切り部材７を５つのプレート部材７１〜７５によって構成した例を示したが、プレート部材の数は特に限定されるものではなく、例えば最低２つでもよい。また、プレート部材相互の間隔９を略一定にした例を示したが、排気口８１〜８５の開口径Ｒ８１〜Ｒ８５が外側に向けて小さく形成されていることに対応させて、間隔を例えば外側に向けて段階的に小さくするようにしてもよい。その他、この発明の精神の範囲内で種々の変形や変更が可能であることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ成膜装置の要部を模式的に説明するもので、図１（ａ）は反応室部分を概略的に示す側面断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の斜視図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ部の拡大断面図である。この発明の実施の形態２による気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ成膜装置の要部を模式的に説明するもので、図２（ａ）は反応室部分を概略的に示す側面断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の丸で囲むＤ部の排気口の断面構成を説明する図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＤ部の排気口に隣接する排気口の断面構成を説明する図である。図２に示す仕切り部材を平面方向に見たときの排気口の位置関係を説明する断面図である。

符号の説明

１反応室、２ガス導入部、３ウェハ、４サセプタ、５ヒータ、６排気部、７仕切り部材、７１〜７５（第１〜第５の）プレート部材、８排気口、８ａ内側開口部、８ｂ外側開口部、８１〜８５排気口、９間隔。

Claims

サセプタを有する反応室と、この反応室からガスを排気する排気部と、上記反応室及び上記排気部の間に配設され、これら反応室及び排気部を連通する排気口が形成された仕切り部材を備えた気相成長装置において、上記仕切り部材に形成された排気口は、上記反応室側から上記排気部側に向けて流路断面積が小さくなるように形成されてなることを特徴とする気相成長装置。
上記仕切り部材は、石英（ＳｉＯ_２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、及び窒化ボロン（ＢＮ）から選ばれた少なくとも一つの材料を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
上記排気口は、上記反応室側から上記排気装置側に向けて内径が連続的に小さくなるように錐体状に形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
上記仕切り部材は、上記反応室側に配設され流路断面積が大きい貫通孔からなる排気口が設けられた第１のプレート部材と、この第１のプレート部材に対して上記排気装置の側に離間して配設され、かつ上記第１のプレート部材の排気口とはずらした位置に、流路断面積が上記第１のプレート部材の貫通孔よりも小さい貫通孔からなる排気口を有する第２のプレート部材とを用いて構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
上記仕切り部材は、耐熱性の金属材料からなることを特徴とする請求項４に記載の気相成長装置。
上記仕切り部材は、上記サセプタのまわりを囲むようにリング状に形成され、上記排気口は上記仕切り部材の周方向に多数設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の気相成長装置。