JP2007280974A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】 密閉可能な反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（Ｗ）を載置する１または２以上の収容部（円形のポケット孔３ａ）を有するウェハ収容体（ウェハホルダ３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（ガス導入管７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（加熱ヒータ５）とを少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、前記ウェハを収容部に載置した際に、ウェハ表面（１０）がウェハ収容体の上面（３ｂ）よりも上方に位置し、且つ、前記ウェハの周縁部の面取り加工により側部に形成された頂点（１１）が、ウェハ収容体の上面（３ｂ）より下方に位置するように構成した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ウェハを加熱しながら高温状態で原料ガスを供給することによりウェハ表面に化合物半導体等の薄膜を気相成長させるための気相成長装置に関する。

現在、気相成長法は産業界の様々な分野で利用されている。気相成長においてウェハ上に成長した薄膜の膜厚、組成およびドーピング濃度の面内全域の高均一化はいうまでもなく必須項目である。そして、面内全域の均一化の実現手段として、ウェハ加熱の均熱化は最も重要な要素技術とされている。

図１は、一般的な気相成長装置の構成例を示す断面図である。図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハＷを配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。

図２はウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）は上面図で、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。ウェハホルダ３は、その片面にウェハＷを配置するための収容部としての円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成され、反対面でサセプタ４と接触するように構成されている。

なお、サセプタ４は加熱ヒータ５からの熱を均一に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成される。また、ウェハホルダ３にも熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的である。
このような構成を有する気相成長装置としては、縦型の有機金属気相成長装置に係る下記の特許文献１等が存在する。

また、ウェハ表面とウェハホルダとの位置関係を記述した下記の特許文献２等が存在し、当該文献2においてはシリコンエピタキシャル成長においてウェハ表面をウェハホルダ上面より低い位置で調整することが述べられている。
国際公開番号 ＷＯ ９２／０５５７７号公報 特開２００３−１２３９７号公報

上述のような構成を有する気相成長装置においては、加熱ヒータ５でサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハＷに熱を伝え、ウェハＷを所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハＷ表面に均等に供給しながら薄膜の気相成長を行う。

しかしながら、実際にエピタキシャルウェハを成長する場合、例えば、半導体レーザーの層構造を有するエピタキシャルウェハを成長する場合に、該ウェハWに対して原料ガスが流れて供給される上流側の部分の発光波長が短波長側にシフトし、その結果、ウェハW全体での発光波長の分布が広くなるという問題があった。

つまり、従来の気相成長装置１００ではウェハＷは、その表面と凡そ一致する深さあるいは基板より深いウェハホルダ３に収容されるが、化合物半導体の場合、数種類の原料ガスの流れる速度・方向・通過する温度場が必ずしも均等でないために、ウェハＷの面内での反応が均一とならず、そのためウェハＷの面内全域において組成や膜厚などの均一性に優れた薄膜を再現性よく気相成長させるのは困難であることが明かとなった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ウェハ表面をウェハホルダ上面よりも上方に位置させ、その段差を所定の範囲に制御することにより、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る気相成長装置は、密閉可能な反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（Ｗ）を載置する１または２以上の収容部（円形のポケット孔３ａ）を有するウェハ収容体（ウェハホルダ３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（ガス導入管７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（加熱ヒータ５）とを少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、前記ウェハを収容部に載置した際に、ウェハ表面（１０）がウェハ収容体の上面（３ｂ）よりも上方に位置し、且つ、前記ウェハの周縁部の面取り加工により側部に形成された頂点（１１）が、ウェハ収容体の上面（３ｂ）より下方に位置するように構成した。
なお、前記収容部の内周面と、前記ウェハの側部に形成された頂点との隙間（Ｌ２）は、０．０５〜０．４ｍｍに選定されることが望ましい。また、さらに望ましくは０．０５〜０．２ｍｍに選定される。

請求項１に係る発明によれば、所定のデバイスのための層構造を有するエピタキシャルウェハを成長する場合に、該ウェハに対して原料ガスが供給される上流側と下流側とでエピタキシャル膜の組成がシフトし、例えば半導体レーザーの場合には発光波長が変化するなどの影響を少なくすることができ、膜組成のウェハ面内均一性を改善することができる。具体的には、例えばエピタキシャル層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光波長の面内分布を測定した場合、ウェハ表面がウェハ収容体の上面以下の場合にＰＬ発光波長の標準偏差２nm以上であったものが、本発明によれば標準偏差を２nm未満とすることができた。
請求項２または請求項３に係る発明によれば、同じくＰＬ発光波長の標準偏差を１．４０nm程度とより均一性を向上させることができた。

以下、本発明にかかる気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。図２は、ウェハホルダの構成を示す拡大図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図、図３はウェハホルダの収容部にウェハを載置した状態を示す一部拡大断面図である。
本実施形態に係る気相成長装置の概略構成は背景技術で示した気相成長装置と略同じであるが、ウェハホルダ３の収容部の形態（寸法）が従来とは異なる（詳細については後述する）。

図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハＷを配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。

この気相成長装置１００の各壁体は例えばステンレスで構成される。また、ガス導入管７は上側壁体中央部に設置され、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の第１３（３Ｂ）族原料ガスと、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の第１５（５Ｂ）族原料ガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ₂）等の不活性ガスと、を反応炉内に導入する。

ウェハホルダ３は、円盤状に成型されたα−カーボン（アモルファスカーボン）等からなり、サセプタ４上に載置されている。また、ウェハホルダ３は、その片面にウェハＷを配置するための収容部としての円形のポケット孔３ａが同一円周上に複数個（図２では６個）形成されている。サセプタ４は、加熱ヒータ５からの熱を均等に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成され、回転機構６により回転可能に支持されている。また、サセプタ４の下側にはウェハＷを加熱するための加熱ヒータ５が同心円状に配設されている。

ガス排気管８は、反応炉１の底面に設置される。ガス導入管７を介して導入口より反応炉１内に導入された原料ガスは、反応炉の上流側で分解され下流側に流れてウェハＷ上にＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等の薄膜を形成し、未反応の原料ガスはキャリアガスと共に排気口を介してガス排気管８から外部へ排出される。

また、図には示さないが、例えば回転機構６の外周および反応炉の下側壁面外壁には水冷ジャケットが設けられ、これらの水冷ジャケットおよび加熱ヒータ５で反応炉１内の温度を制御するようになっている。

ここで、図３を参照して、ウェハホルダ３のポケット孔３ａと、当該ポケット孔３ａに収容されるウェハＷとの関係について説明する。
ウェハＷとしては、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイア、ガラス、セラミック等のウェハが用いられ、ウェハＷの周縁部には面取り加工により断面形状が尖った頂点１１を有するように形成されている。
そして、図３に示すように、ウェハホルダ３のポケット孔３ａは、前記ウェハＷを載置した際に、ウェハ表面１０がウェハホルダ３の上面３ｂよりも上方に位置し、且つ、ウェハＷの側部に形成された頂点１１が、ウェハホルダ３の上面３ｂより下方に位置するように構成されている。

上述した構成の気相成長装置１００において、ウェハＷの表面１０に成長膜を形成する場合には、加熱ヒータ５によりサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハＷに熱を伝え、ウェハＷを所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させながらガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハＷ表面に均等に供給して薄膜を気相成長させる。
このとき、ウェハＷ表面とウェハホルダ３表面の温度は略同じとなるので、ウェハＷの面内温度分布は均一となり、均一性に優れた薄膜を気相成長させることができる。

以下に、表１を参照して、本発明者等が上記気相成長装置１００によりウェハＷ表面に半導体薄膜を成長させる実験を行った実施例１〜４と、比較例Ａ，Ｂを示す。
なお、ここで、ウェハ表面１０とウェハホルダ３の上面３ｂとの段差をＬ１、
ウェハＷの側部に形成された頂点１１とポケット孔３ａの内壁との隙間をＬ２とする。

実施例１では、段差Ｌ１＝１００μｍ，隙間Ｌ２＝０．４ｍｍとし、ＰＬ発光波長の面内分布を測定したところ、ＰＬ発光波長の標準偏差は、１．２７nmと最も良好であった。
実施例２では、段差Ｌ１＝４０μｍ，隙間Ｌ２＝０．４ｍｍとしたところ、同じく標準偏差は、１．４３nmであった。
実施例３では、段差Ｌ１＝０（即ち、ウェハＷの表面と、ウェハホルダ３の上面３ｂとが同じ高さに位置する），隙間Ｌ２＝０．４ｍｍとしたところ、同じく標準偏差は、１．７１nmであった。
実施例４では、段差Ｌ１＝０，隙間Ｌ２＝０．２ｍｍとしたところ、同じく標準偏差は、１．４０nmと良好の結果を得た。
但し、ウェハＷをポケット孔３ａから着脱させる際の作業性を考慮して、ウェハＷの側部に形成された頂点１１とポケット孔３ａの内壁との隙間Ｌ２は、０．０５ｍｍ以上を保持する必要があると考えられる。

一方、比較例Ａでは、段差Ｌ１＝−８０μｍ（即ち、ウェハＷの表面は、ウェハホルダ３の上面３ｂよりも８０μｍ低い位置にある場合），隙間Ｌ２＝０．４ｍｍとしたところ、ＰＬ発光波長の標準偏差は、２．１５nmであった。
また、比較例Ｂでは、段差Ｌ１＝１４０μｍ（即ち、ウェハＷの側部に形成された頂点１１が、ウェハホルダ３の上面３ｂより上方に位置する場合），隙間Ｌ２＝０．４ｍｍとしたところ、実験途中でウェハは破損してしまった。
このように、ウェハＷの側面の頂点１１の位置がウェハホルダ３の上面より上方にある場合には、ウェハＷの破損を生じることが判明した。

以上の実験結果から分かるように、ウェハホルダ３のポケット孔３ａについて、ウェハＷを載置した際に、ウェハ表面１０がウェハホルダ３の上面３ｂよりも上方に位置し、且つ、ウェハＷの側部に形成された頂点１１が、ウェハホルダ３の上面３ｂより下方に位置するという本発明の条件に従う場合には、ＰＬ発光波長の標準偏差を２nm未満とすることができ、ウェハ面内の均一性を向上させることができることが確認された。
これは、ウェハ周縁部の表面温度について、ウェハ収容体の表面温度から受ける影響を少なくすることができるためであると考えられる。

また、ポケット孔３ａの内周面と、ウェハＷの側部に形成された頂点１１との隙間Ｌ２については０．０５ｍｍ未満ではウェハ及びウェハ収容体の寸法精度により着脱が困難となることがあり、また０．４ｍｍを越える場合はウェハが原料ガス等の流れにより保持が困難となって実験途中で破損することがあり得る。従ってＬ２の範囲は０．０５〜０．４ｍｍであることが好ましく、その隙間Ｌ２をなるべく小さい０．０５〜０．２ｍｍに選定した場合に、均一性のさらなる向上が期待できる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。

本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。 ウェハホルダ３の構成を示す拡大図であり、（ａ）は上面図で、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ウェハホルダの収容部にウェハを載置した状態を示す一部拡大断面図である。

符号の説明

１００ 気相成長装置
１ 反応炉
３ ウェハホルダ（ウェハ収容体）
３ａ 円形のポケット孔
４ サセプタ
５ 加熱ヒータ
６ 回転機構
７ ガス導入管
８ ガス排気管
Ｗ ウェハ
１０ ウェハ表面
１１ ウェハの側部に形成された頂点
Ｌ１ 段差
Ｌ２ 隙間

Claims (3)

1. 密閉可能な反応炉と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハを載置する１または２以上の収容部を有するウェハ収容体と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段と、前記ウェハを加熱するための加熱手段と、を少なくとも備え、
   前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、
   前記ウェハ収容体は、
   前記ウェハを収容部に載置した際に、ウェハ表面がウェハ収容体の上面よりも上方に位置し、且つ、
   前記ウェハの周縁部の面取り加工により側部に形成された頂点が、ウェハ収容体の上面より下方に位置するように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記収容部の内周面と、前記ウェハの側部に形成された頂点との隙間は、０．０５〜０．４ｍｍに選定されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記収容部の内周面と、前記ウェハの側部に形成された頂点との隙間が、０．０５〜０．２ｍｍに選定されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

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