JP2011168492A - 基板上に材料をエピタキシャル成長させるための方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に材料をエピタキシャル成長させる方法と装置を提供する。
【解決手段】基板(1)上に材料をエピタキシャル成長させる方法である。前記方法が、基板の一領域、またはその近傍において前駆物質をそれぞれの分解温度にまで個々に加熱することにより、前記領域に個々に供給されて前記領域に結合する核種を生成することを含む。また、前記方法は、それぞれの前駆物質からの前記核種が前記領域に順次に、個々に供給されてもよく、前記核種を基板の相対移動により前記領域に個々に供給して、前駆物質の分解が発生する位置に対して前記領域を移動させてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に材料をエピタキシャル成長させる方法と装置に関する。

従来の方法は一般に有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）エピタキシャル反応装置を利用する。このような反応では、成長させる元素を含む前駆物質を、加熱したウェーハ・キャリヤー上に保持されたウェーハのような基板上に供給する。熱は前駆物質まで移動し、その前駆物質は発生期原子(nascent atom)に分解または分離して、基板の表面で結合する。典型的な例では、水素と一緒にトリメチルガリウムとアンモニアを基板に供給して、窒化ガリウム層を形成する。

既知の反応装置の持つ問題点は、前駆物質が理想的な成長温度に比べかなり高い分解温度を持つことである。例えば、アンモニアは、効率的に分解するためには一般に最大１０００℃またはそれ以上の温度を必要とするが、理想的な成長温度は約６５０℃である。

従来の反応装置の持つ問題点は、ウェーハ・キャリヤが基板を、一般に理想的成長温度（この例では、６５０℃）であるとして選択される比較的安定した温度に維持することである。アンモニアのようなV族の前駆物質は、この温度において、分解効率が非常に低い。

特開昭５８−１２５６９８号と特開昭５８−１４０３９１号は、前駆物質と分解核種のガス混合物を使用して、ＩｎＰを基板上に成長させる方法を開示している。特開平４−０７４８５８号と特開平５−３３５６２２号は、別の高真空蒸着プロセスを開示しており、そこでは分解核種が前駆物質雰囲気内で反応する。この点で、前記問題点ヘの対処は、離れた位置で1 つの前駆物質を分解し、次に、蒸着に先だって、分解核種を別の前駆物質およびそれらの分解核種と混合するこによりなされる。しかし、依然として残っている問題点は、混合における望ましくない反応の発生であり、それによりプロセスの全体効率が低下する。

特開昭５８−１２５６９８号公報 特開昭５８−１４０３９１号公報 特開平４−０７４８５８号公報 特開平５−３３５６２２号公報

本発明の１つの構成によれば、基板上に材料をエピタキシャル成長させる方法は、基板の一領域、またはその近傍において前駆物質をそれぞれの分解温度にまで個々に（すなわち、別々に）加熱することにより、前記領域に個々に（すなわち、別々に）供給されて前記領域において結合する核種を生成することを含む。

既知の方法と異なり、発明者らは、基板の一つの領域、またはその近傍において前駆物質をそれぞれの分解温度にまで個々に加熱する、また前記領域は核種が結合する成長領域を構成する。この方法では、各前駆物質をそれの最も効率の高い分解（クラッキング）温度に加熱でき、一方で、このプロセスを、基板表面に到達する前に発生期原子が再結合するリスクを最小にする領域の近傍で実行できる。

前駆物質の分解により形成される核種は反応性が高く、すぐにより安定性の高い生成物を形成する。核種が別の反応に関係する確率は、時間と濃度の関数である。成長領域近傍の前駆物質を分解することにより、形成された核種は、望ましくない反応生成物を形成することなく、基板上の成長した領域に結合するのを促進される。成長領域に極めて近い位置での前駆物質の分解は、望ましくない反応が発生する可能性のある時間長さを短くする。

好ましくは、各前駆物質からの核種は、順次に、個々に成長領域に供給される。核種を前記領域に個々に供給するには、基板を移動して、前駆物質の分解が発生する位置に対し前記領域を移動させることにより可能になる。一般に前駆物質の少なくとも１つが、ガス流として前記領域に単体で供給される。

好ましくは、核種はIII族およびV族の元素から選択される。代替方法では、シリコンおよび炭素のようなIV族の元素を使用することもできる。

好ましい例では、前駆物質の１つ、好ましくは最低の分解温度を持つ前駆物質を、基板を加熱することにより分解温度に加熱する。この好ましい例では、別の前駆物質が、成長領域近傍の位置でその前駆物質の分解温度に加熱される。したがって、基板は５５０〜８００℃、例えば６５０℃に加熱でき、一方で他の前駆物質が、直接または触媒の存在中でその前駆物質の最適分解温度に加熱される。一般に、この温度は４００〜１８００℃の範囲である。

本発明の第２の構成によれば、基板上に材料をエピタキシャル成長させるための装置は、基板支持体を含むチャンバを備える。このチャンバは、第１前駆物質を供給するための第１注入口と、第１注入口から離れた、第２前駆物質を供給するための第２注入口とを有する。さらに、この装置は、前記第１と第２前駆物質を、基板の一領域またはその近傍において、それぞれの分解温度にまで個々に加熱して、前記領域において結合する核種を生成するための第１と第２加熱手段を有する。

好ましくは、第２注入口が基板支持体に近接して配置される供給管で形成される。これにより、第２前駆物質を基板近くに導くのに都合のよい方法を実現する。

第２注入口は、例えば円形孔またはこれに近い形の各種の形態にできるが、細長いスロット（孔）の形態が望ましい。

第２加熱手段は、前記スロットの上流に間隔を空けて設けることもできるが、スロット内またはそれの近くに設けるのが好都合である。

一般に供給管は、石英、窒化シリコン（ＳｉＮ）、またはアルミナなどの耐熱材料で製作される。一方、好ましくは第２注入口は、例えば２ｍｍの横断寸法を持つ噴射開口を形成する。

好ましくは第２注入口は、前駆物質の流出口方向を、基板支持体に対し鋭角になるように形成され、これによりベンチュリ効果が発生して、遠隔源から供給される水素のような他のガスが供給管の下を通過するのを促進させる。

一般に第２加熱手段は加熱ワイヤの形態であり、例えば鉄、ニッケル、アルミニウム、プラチナ、またはそれらの合金、特にプラチナ−ロジウムから製作される。加熱ワイヤは一般にコイル状である。

大部分の用途では、エピタキシャル成長を基板上の比較的大きい領域に拡大するのが望まれる。これには基板上全域で領域を移動させる、例えば基板支持体と少なくとも１つの注入口との間に相対的移動を生じさせる手段を設けることにより、最も都合よく達成される。

さらに、本発明は、単一基板上に単一領域を設けることのみに限定されない。例えば、複数の供給管を備えて、供給管と基板支持体を相対的に移動可能で、供給管を異なる領域に位置合わせできるようにして、同一または異なる前駆物質を基板上の各領域に供給してもよい。供給管は、前駆物質を個々に、かつ順次に前記領域に供給するように配置してもよい。

本発明の第１実施形態に係る装置の断面図である。 図１に示す装置の一部の拡大断面図である。 図１に示す装置の一部の底面図である。 第２実施形態に係る装置の断面図である。 第２実施形態の平面図である。 第３実施形態の平面図である。

つぎに、本発明による方法と装置のいくつかの例を、添付の図面により説明する。

図１に示す反応装置は反応チャンバ４を含み、その内部に基板支持体（ウェーハ・キャリヤ）２を保持する基板キャリヤ（サスセプタ）３を備える。図１では、基板（ウェーハ）１が基板支持体２上の所定の位置にある状態を示している。基板キャリヤ３は従来の方法、例えば誘導、赤外線または抵抗加熱方式によって加熱されるグラファイト・ブロックにできる。

第１注入口６は反応チャンバ４の側壁に備えられ、一方、ガス・デフレクタ（偏向板）７は反応チャンバ内に取り付けられ、注入口６から流入する前駆物質ガス５をウェーハ１方向に誘導する。

供給管である噴射管９は反応チャンバ４を横切って延びており、例えば細長いスロット１０を持つ石英の耐熱管の形態であり、第２注入口であるスロット１０はウェーハ・キャリヤ２上で前記管の長さ方向に延びる噴射開口を形成している( 図２参照) 。

直線ワイヤまたはコイル１１がスロット１０内に保持され、加熱エレメントを形成している。

使用の際、基板１は基板支持体２上に置かれ、反応チャンバ４が閉じ、その後チャンバ内の圧力が適正（一般に５〜１０００ｔｏｒｒ）に調整される。通常、ウェーハ材料は、材料のエピタキシャル成長を促進するように選択され、またサファイヤ、ＧａＮ、ＧａＡｓ，ＳｉＣ、またはＺｎＯを含むことができる。

１つまたは複数の反応性前駆物質ガス５が注入口６からチャンバ内に導入される。反応性ガスの例には、堆積層の必要な組成に依存して、トリメチルガリウム（Ｇａ蒸着用）、トリメチルインジウム（インジウム蒸着用）その他を含む。このような混合物は半導体ドーパント（dopant：少量の不純物）用の前駆物質を含むものでもよい。また混合物５に水素などのガスを加えて、前駆物質の解離時に生成された遊離基を安定化する。

基板キャリヤ３が加熱されることにより、基板キャリヤ３に近接している基板１と基板支持体２も加熱されて、基板１が適正な成長温度（すなわち注入口６から導入される前駆物質５が最も効率的に分解される温度）に到達する。ＧａＮの成長に適する温度は６００〜８００℃の範囲である。

第２前駆物質ガス８（この例ではアンモニア）は、加圧された管９に沿って供給され、噴射スロット１０を通り噴射されて加熱ワイヤ１１を通過する。ワイヤ１１は一般に、アンモニアを分解してＮとＨ遊離基を発生させるのに最適の４００〜１８００℃の温度に加熱される。図２では、スロット１０をウェーハ１の主面の法線に対して傾斜させ、ベンチュリ効果により、注入口６から導入されるガスを矢印３０で示されるように管９の下に引き込むようにしている。

前駆物質ガス５は、基板１に達すると、従来の方法で分解され、その結果得られた核種（例えばＧａ原子）がガス８からの窒素基と結合し、基板１上に窒化ガリウムのエピタキシャル成長を発生させる。

好ましくはワイヤ１１をプラチナ−ロジウム合金のような触媒材料から製作し、この合金の場合には、一般に６００〜７００℃の範囲に加熱する。これは、ワイヤ・エレメントがフィラメント・ワイヤの形態の場合には、電気抵抗加熱により達成される。ワイヤ１１と基板１の間の距離は短くして、前駆物質８からの最大量の分解生成物が基板表面で前駆物質混合物５と反応するようにする。この最適距離は混合物５の流量によっても影響され、ＧａＮの生成におけるアンモニアに対する典型的な条件では、０．３５ｍ／ｓｅｃの流速に対しては約５ｍｍの距離である。

基板上への第２前駆物質ガス核種の噴射は、噴流がガス遮蔽として作用し、前駆物質ガス５とその分解生成物を一掃し、基板上に付着させない利点を備える。これにより、窒素基および水素基を高濃度で基板に到達させ、それらが基板に到達する前に、前駆物質ガス５またはその分解核種と混合しないようにできる。したがってこの例では、各前駆物質の核種を基板表面に個々に付着させることができる。

成長面積を制御するために、基板支持体２が基板キャリヤ３に移動可能に取り付けられ、管９の下に矢印３１で示された方向、つまり管９の横方向に移動（手段は示していない）できる。この移動により、各前駆物質からの核種は、他の前駆物質またはその分解核種と混合することなく、順次、任意の順序で、個々に基板表面に到達できる。

このプロセスを繰返して、別の層をウェーハ上に重ねて置き、異なる寸法、ドーパント、または組成の材料を含む多層ウェーハを生成できる。

廃ガスは最終的に流出口３３から排出される。

本発明の用途はマイクロ波デバイスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスの製作である。これらのデバイスは異なる電気特性を持つ異なる材料の複数の層を重ねて形成する。これらの層の構成が、そのデバイスがマイクロ波または光放射、すなわち電界効果トランジスタまたは発光ダイオード用かどうかを決定する。最適性能を得るために、層は可能な限り最も理想的は温度で成長する必要がある。この温度は使用される材料と製作されるデバイスに依存して変化する。本発明の利点は、材料の成長温度が、アンモニアのような前駆材料を分解するための高温度を持つ必要性に合わせなくてもよいことである。都合のよいことは、本発明は、ジシクロペンタジエニルマグネシウムのような、ガス相において不適合な前駆物質、（例えばアンモニアからV族の核種を持つ低蒸気圧付加体を形成する前駆物質）を使用できる可能性を提供する。

図４に本発明の第２実施形態を示す。この場合、反応チャンバ４’はセル・ブロック端部６１に取り付けたほぼ円形断面の管状の石英外側セル６０を備える。外側セル内に、ほぼ正方形の管状断面の内側セル６５が配置されている。取外し可能なモリブデンのキャリヤ・プレート６６が内側セル６５内に置かれている。キャリヤ・プレート６６は内側セル６５の底面に沿った方向に突出している。加熱手段（図示なし）を備えた基板キャリヤ３はキャリヤ・プレート６６上に置かれている。さらに、自己保持型の石英ガス・デフレクタ７’がキャリヤ・プレート６６上に配置されている。ガスの流出孔６７がセル・ブロック端部６１を貫通して設けられている。

噴射管９はセル・ブロック端部６１を貫通してセルに入り、図１に示す例とは異なり、ガスの主流の方向（図４に矢印で示される）にほぼ平行な方向に置かれ、基板１全体の中間点まで延びているだけである。細長いスロット１０と加熱エレメント１１（図２）は適正な寸法とされ、基板１の外側縁と中心の間の領域に堆積物を生成する。この場合、基板支持体２は基板キャリヤ３にある凹所７０内に配置される。基板支持体自体も凹所７１を含み、蒸着中はその凹所内に基板１が置かれている。凹所１と基板１の両方の寸法は、基板１の上面と基板支持体２が基板キャリヤ３の上面とほぼ面一になる寸法である。基板支持体２はシャフト７５上方に取り付けられ、そのシャフト７５は下方からセルに入り、基板キャリヤ３、キャリヤ・プレート６６、およびセル壁６０、６５の孔を貫通している。セル壁６０、６５は適正なガス・シールを備えて、セルの気密を維持している。シャフトの下端はモータ８０または他の適正な回転手段に取り付けられている。

動作中、外側および内側セル６０、６５の両方は排気され、内側セル壁６５の内外の圧力差を減少している。前の例と同様に、１つまたは複数の前駆物質ガスが図の右の注入口（図示なし）から内側セルに入る。材料の堆積物が同様な方法で生成される。しかしここでは、モータによるシャフトの回転（図４で矢印７６で示す）により、噴射管９に対して往復運動ではなく、相対回転が発生する。

この例では、噴射管９とシャフト７５は装置から取外し可能であり、キャリヤ・プレート６６、ガス・デフレクタ７’、基板キャリヤ・アセンブリをスライドさせて取外しできる。

図５は、チャンバ（図示なし）内の加熱されたサスセプタ（基板キャリア）１８上に取り付けられた複数の基板１７上に材料を成長させる装置を示す。管１９とサスセプタ１８の一方または両方が回転する。半導体ウェーハの各層は、管９と同様に、サスセプタの中心から噴射する複数の前駆物質供給管１９を使用して順次堆積できる。１つの例では、供給管を図のようにグループ化して、両方の反応核種に対する前駆物質を同時に単一領域に導くようにする。基板１７は管１９と基板１７の相対移動により、供給管１９に近接する位置に順次移動される。この例では、水素、窒素、アルゴン、または他の適正な掃気用ガスを基板支持体の中心でシステムに導入し、前駆物質の１つに直接供給するのではなく、径方向外方に向けて流す。この流れにより、使用済み反応生成物を一掃する。

図６に示す代替例では、管１９ａ，１９ｂは個々に前駆物質を成長領域に順次供給する、各基板１７と各前駆物質管の速い相対移動により、各核種の供給の時間間隔は短くなる。したがって、前駆物質からの核種が、他の前駆物質またはその前駆物質自体からの核種と反応することなく、基板に到達できるので、蒸着プロセスの効率が高くなる。

管１９ａと１９ｂは、環状サスセプタ１８の外周から前駆物質を供給する。基板１７は、環状サスセプタ１８の表面に円周方向に並んで配置される。１つまたは複数の管に、１つまたは複数の供給された前駆物質を分解するための手段を装着できることは明らかである。

この例では、管の各々が別個の前駆物質をそれぞれの温度で分解するための加熱ワイヤを装備している。管１９ａはV族の前駆物質アンモニアを供給し、管１９ｂはIII族の前駆物質トリメチルガリウムを供給する。基板１７も前の例と同様な方法で加熱される、加熱により堆積される材料の均一性を保証する。

この装置は特に、各基板の近くで化学物質のガス流れを切り換えることなく、大量にデバイスを製造するために、装置をスケールアップできる利点がある。これは、環状サスセプタ１８の半径を増加させて、より多くの基板をサセプタの周囲に配置させ、それに合わせて、より多くの数の管１９ａと１９ｂを備えることにより達成できる。さらに、異なるサイズの基板を使用することもできる。

図６では示していないが、この例では水素の径方向流れも提供されている。代替方法では、窒素またはアルゴンなどの他のガスも使用できる。

１，１７ 基板
２ 基板支持体
３ キャリヤ
４，４’ チャンバ
６ 第１注入口
９，１９ 供給管
１０ 第２注入口

Claims (27)

1. 基板上に材料をエピタキシャル成長させる方法であって、
   基板の一領域、またはその近傍において前駆物質をそれぞれの分解温度にまで個々に加熱することにより、前記領域に個々に供給されて前記領域に結合する核種を生成することを含む方法。
2. 請求項１において、それぞれの前駆物質からの前記核種が前記領域に順次に、個々に供給される方法。
3. 請求項１または２において、前記核種を基板の相対移動により前記領域に個々に供給して、前駆物質の分解が発生する位置に対して前記領域を移動させる方法。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、少なくとも１つの前駆物質が、ガス流として、個々に前記領域に供給される方法。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記核種がIII族およびV族元素よりなる群から選択されている方法。
6. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記核種がIV族元素から選択されている方法。
7. 請求項５において、前記核種がガリウムおよび窒素を含んでいる方法。
8. 請求項６において、前記核種が炭素およびシリコンを含んでいる方法。
9. 請求項７において、前記前駆物質の１つがアンモニアである方法。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、前記基板がガリウム−砒化物(Gallium-Arsenide)のような半導体を含んでいる方法。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記前駆物質の１つが、基板を加熱することにより前駆物質の分解温度にまで加熱される方法。
12. 請求項６において、前記基板が低分解温度を持つ前駆物質の分解温度にまで加熱される方法。
13. 請求項１１または１２において、前記基板が５００〜８００℃の範囲の温度に加熱される方法。
14. 請求項１〜１３のいずれかにおいて、前記前駆物質の１つが、前記領域に近接した位置で前駆物質の分解温度にまで加熱される方法。
15. 請求項１４において、前記前駆物質が４００〜１８００℃の範囲の温度に加熱される方法。
16. 請求項１〜１５のいずれかにおいて、さらに、前記基板全体にわたって前記領域を移動させることを含む方法。
17. 基板上に材料をエピタキシャル成長させるための装置であって、
    基板サポートを含むチャンバを備え、
    前記チャンバは第１前駆物質を供給するための第１注入口と、第１注入口から離れた、第２前駆物質を供給するための第２注入口とを有し、
    前記第１と第２前駆物質を、基板の前記領域またはその近傍において、前駆物質をそれぞれの分解温度にまで個々に加熱することにより、前記領域に個々に供給されて前記領域において結合する核種を生成させる第１と第２加熱手段を有している装置。
18. 請求項１７において、前記第２注入口が前記基板サポートに近接して配置された供給管によって形成されている装置。
19. 請求項１８において、前記第２注入口が細長いスロット形状である装置。
20. 請求項１８または１９において、前記第２加熱手段を前記スロット内またはその近傍に備えている装置。
21. 請求項１７〜２０のいずれかにおいて、前記第２加熱手段が加熱ワイヤである装置。
22. 請求項１７〜２１のいずれかにおいて、前記第１加熱手段が前記基板サポートを加熱する位置に配置されている装置。
23. 請求項１７〜２２のいずれかにおいて、さらに、前記基板サポートと前記注入口の少なくとも１つとの間に相対移動を発生させるための手段を備えている装置。
24. 請求項１８に従属する請求項２３において、前記基板上の各領域に同一または異なる前駆物質を供給する複数の供給管を備え、前記管と基板サポートが相対移動可能に設定され、前記管を移動させて異なる領域に位置合わせする装置。
25. 請求項２４において、前記供給管が、前駆物質を順次に、個々に前記領域に供給するように配置されている装置。
26. 請求項２３において、前記基板サポートと注入管の少なくとも１つとの間の前記相対移動が、横方向移動である装置。
27. 請求項２３において、前記基板サポートと注入管の少なくとも１つとの間の前記相対移動が、回転移動である装置。

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