JP2011216885A - テーパ状水平成長チャンバ - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタとテーパ状の管フローブロックとを含むテーパ状の水平成長チャンバを有する、堆積を実行するためのシステム及び技術である。
【解決手段】テーパ状のチャンバは、サセプタとテーパ状の管フローブロックの間に形成される。導入されたガス種は、テーパ状の管ブロックによってサセプタに向かって流れることを強いられ、ガス種とサセプタ上のウエハとの間の反応効率を高める。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、同一出願人による、２０１０年３月３１日に出願され、「テーパ状水平成長チャンバ」と題された米国特許出願番号６１／３１９，７６５に優先権を主張し、それが参照されてあらゆる目的のためにここに組み入れられる。

本発明は、結晶成長を実行するためのシステム及び技術に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、チャンバ中に配置された半導体基板及び／又はウエハの効率的な成長及び反応を可能とするテーパ状水平成長チャンバを提供する。特定の実施形態においては、水平成長チャンバは、サセプタ及びテーパ状の管フローブロックを含む。テーパ状のチャンバは、サセプタとテーパ状の管フローブロックとの間に形成される。複数の管であっても良いノズルは、テーパ状のチャンバの広い端部に位置し、これによりテーパ状のチャンバの狭い端部に向かって流れるガス種を導入できるようにする。ノズルによって導入されたガス種は、テーパ状の管ブロックによってサセプタに向かって流れることを余儀なくされ、これによってガス種とサセプタ上のウエハとの間の効率的な反応を可能とする。

過去数十年間にわたり、コンピュータチップからＬＥＤに及ぶ多様な半導体装置を製造するために多くのシステム及び技術が開発されている。エッチング装置、研磨装置及び堆積チャンバのような多様な装置が広く用いられている。ある種のＬＥＤ装置を形成するために役立つ一つの装置として、高い前駆体消費効率を達成するために設計された、エピタキシャル成長リアクタ構成がある。過去にわたり、多様な従来型のリアクタが用いられてきている。残念ながら、これらの従来型の装置は様々な理由から適切ではない。

本発明は、堆積を実行するためのシステム及び技術に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、チャンバ中に配置された半導体基板及び／又はウエハの効率的な成長及び反応を可能とするテーパ状水平成長チャンバを提供する。特定の実施形態においては、水平成長チャンバは、サセプタ及びテーパ状の管フローブロックを含む。テーパ状のチャンバは、サセプタとテーパ状の管フローブロックとの間に形成される。複数の管であっても良いノズルは、テーパ状のチャンバの広い端部に位置し、これによりテーパ状のチャンバの狭い端部に向かって流れるガス種を導入できるようにする。ノズルによって導入されたガス種は、テーパ状の管ブロックによってサセプタに向かって流れることを余儀なくされ、これによってガス種とサセプタ上のウエハとの間の効率的な反応を可能とする。

一の実施形態によれば、本発明はＭＯＣＶＤ装置を提供する。前記装置は、吸入領域と、排出領域と、前記吸入領域及び前記排出領域の間のサセプタ領域と、を含む。テーパ状のフロー領域は、前記吸入領域における第１の寸法及び前記排出領域における第２の寸法を有する。

本発明は、リアクタ（反応炉）ハウジングと、ウエハのための保持表面を有するサセプタと、を含むエピタキシャル成長のための装置をも提供する。テーパ状のフローブロックは、前記保持表面に面している。前記保持表面と前記テーパ状の表面との間に形成されたチャンバは、第１の端部に第１の高さを、第２の端部に第２の高さを有しており、前記第１の高さは前記第２の高さよりも少なくとも２０％異なる。ノズルは前記チャンバ中にガス種を導入し、そして加熱モジュールは前記サセプタと熱的に連結されている。いくつかの実施形態においては、前記装置は、前記テーパ状のフローブロック内に一体化されたシャワーヘッドアセンブリを含む。

本発明は、例えば２インチから８インチ及びそれ以上の大面積ウエハにおいて、高前駆体消費効率、高エピタキシャル膜品質及び高成長均一性を達成する、エピタキシャル成長リアクタを提供する。前記テーパ状フロー管の設計は、前駆体の利用と均一性の向上を可能にする。加えて、前記垂直に積み重ねられた複数管フローノズルは、前記前駆体をウエハに向かって押し込むこと、及び、前記多様な前駆体を前記ウエハに対して選択的に位置付けることを可能にすること、によって、成長効率を向上させる。前記テーパ状のリアクタチャンバの一つの応用は、ＩｎＧａＮ膜中での混合のためのインジウムの堆積である。

テーパ状のチャンバを示す図である。 逆テーパ状のチャンバを示す図である。 単一ウエハリアクタ及び複数リアクタウエハの概略図である。 単一ウエハリアクタ及び複数リアクタウエハの概略図である。 ２フローアセンブリを有するテーパ状成長チャンバを示す図である。 ２フローアセンブリを有するテーパ状成長チャンバを示す図である。 円形フロー管を有するシャワーヘッドの上面図である。 矩形フロー管を有するシャワーヘッドの上面図である。 異なる角度の管を有するシャワーヘッドを示す図である。 異なる角度の管を有するシャワーヘッドを示す図である。 異なる角度の管を有するシャワーヘッドを示す図である。 異なる角度の管を有するシャワーヘッドを示す図である。

本発明の実施形態は、テーパ状のチャンバを有するリアクタを提供する。図１は、本発明の実施形態によるテーパ状のチャンバを示す図である。図１に示されるように、テーパ状の水平成長チャンバはテーパ状フローブロックを含む。銅金属テーパ状フローブロックは、効率的な熱伝導性のために好適であるが、グラファイトを用いることもできる。金属のフローブロックは、チャンバ内側上の堆積(deposition)量を減少させる。様々な実施形態において、テーパ状のフローブロックは、冷却水が冷却管の中を流れることで冷却水（例えば水）がテーパ状のフローブロックから熱を取り去ることを可能とする、冷却管を含む。テーパ状の水平成長チャンバの良好な熱導電性によって、冷却水による熱の除去が効率的になる。図１に示すようにウエハ及び／又は基板をサセプタ上に配置することによりウエハの動きを規制し、ウエハが破損することをまれなものとする。ウエハが破損したり、ウエハやサセプタから破片が抜け出した場合には、破片はウエハ上に残るか、ウエハの上に落ちる。そして、成長が完了した際に、その破片はウエハ及びサセプタによって除去される。

テーパ状のフロー管(flow channel)は、ガス流の方向に沿って境界層(boundary
layer)を制限する。境界層を基板表面近く(0.2から10mm)に制限することによって、前駆体利用効率が大きくなり、ガリウム系エピタキシに必要な温度(700-1300C)における高い成長速度が可能となる。さらに、ガス流方向の長さに沿って境界層の厚さが減少するので、ガス流の方向における前駆体の枯渇を埋め合わせることにより、エピタキシャル成長の均一性、及びその結果として生じる厚さの均一性が、大いに改善される。

この水平チャンバの構造は図１に示されるように構成される。ここでは、ウエハ／基板は、サセプタ上に配置され、重力によって垂直に拘束され、そして物理的な表面又は他の手段によって水平に拘束される。他の実施形態においては、チャンバは逆さになってもよく、この場合はウエハ／基板の成長表面は下向きになる。図２は、逆テーパ状のチャンバを示す図である。この逆さのものは、ウエハを垂直及び水平に拘束するための機械的留め具、機械的表面、真空ステージ、又は他の手段を必要とする。

図１及び２に示されるように、テーパ状のフローチャネルブロックは、逆でない構造においてはウエハの上方に位置し、逆構造においてはウエハの下方に位置する。流れの方向に沿ってそれがウエハから離れて位置する距離としてのこの構成要素の構造が、境界層の形状を決定する。図１及び２に示されるように、フローチャネルブロックが成長表面から離れて位置する距離が、流れの方向に沿ってその距離が直線的に変化する、直線的テーパ形状が採用される。テーパの角度及び成長表面からのブロックの距離は、２つの寸法によって特定される；「ｄ１」ウエハの先端部分におけるウエハ成長表面からフローチャネルブロックまでの距離、及び「ｄ２」ウエハの第２の端部におけるウエハ成長表面からフローチャネルブロックまでの距離。最も典型的で望ましい実施形態ではｄ１＞ｄ２であり、ｄ１は２−２０ｍｍの範囲であり、ｄ２は０．５−５ｍｍの範囲である。テーパの断面形状は、非直線的断面形状であっても良く、例えば、指数関数的形状又は放物線状であっても良い。

テーパ形状のフローチャネルブロックは好ましくは冷却されている。様々な実施形態において、本発明は、ブロックの中に冷却水管を形成し、熱を取るために水などの媒体を管に流すなどの方法を提供する。フローチャネルブロックを冷却することによって、チャンバが各洗浄の合間により多くの動作時間を提供できるようにするために、ブロック上の堆積が最小化されうる。さらに、ブロックを冷却することによって、ウエハ／基板の成長表面からフローチャネルブロックに向かって広がる温度勾配は最大化され、境界層の拡張によって促進された対流と伝導を和らげる。

テーパ形状のフローチャネルブロックの一の特徴は、熱放散である。金属及びセラミックを含む、異なる材料が用いられても良い。好ましい実施形態においては、金属のフローチャネルブロックを用いる。金属は、好ましくは、銅、合金銅、ステンレス鋼又はアルミニウムである。銅ブロックは、グラファイト、ＳｉＣに被覆されたグラファイト、ＳｉＣ、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）、又は他の材料から形成され得る。

水平チャンバ構造は、単一ウエハリアクタ又は複数ウエハリアクタの両方に対して構成し得る。両方の構成におけるウエハの直径は、２インチから８インチ又はそれより大きいウエハに亘り、複数ウエハ構成におけるウエハの数はウエハの直径及びチャンバの大きさに応じて２から６０に亘る。図３及び４は、本発明における実施形態による単一ウエハリアクタ及び複数ウエハリアクタの概略図である。

フローノズルはガス供給システムからガスを受け取り、キャリアガス（例えば、III族前駆体、Ｖ族前駆体及びドーパント前駆体）をリアクションチャンバに導入する。適用に応じて、ガス供給システム（例えば、図３に示されるノズル）は、ガスをノズルに対して水平又は垂直に導入するように設計されている。好適な複数ウエハの実施形態では、成長チャンバの上部を通じてガスが供給されないことによって器具が容易に利用可能になるように、ガスはノズルの底部を通じて垂直に供給される。フローノズルの端部からウエハの端部までの距離は、約１ｍｍから約５０ｍｍの範囲である。

一の実施形態においては、ノズルは一つだけの管から形成されており、多種多様なガスは成長チャンバに入る前にノズルの中で混合される。他の実施形態においては、複数フロー管のノズルが提供される。複数フロー管の設計においては、ガスが、チャンバ内で自由に相互作用するまで、又はノズル端部の混合ピンのような所定の混合ポイントにおいて相互作用するまで、ガスは分離されたままである。分離されたフロー管の他の利益は、より効率的な成長及び／又は前反応（pre-reaction）の抑止のために前駆体を互いに関連した位置に戦略的に配置することである。例えば、分離されたフロー管は、横並びに配置されるか垂直に積層されても良い。垂直に積層された構成の複数フロー管ノズルの例が、図１及び図２に示される。垂直に積層された構成において、反応性前駆体とフロー管ブロックとの間に分離層を形成するために、Ｎ２のような不活性ガスをテーパ形状のフロー管ブロックに最も近いフロー管を通じて流入させることが望ましい。これにより、フロー管ブロック上の堆積の抑制が促進され、また、反応性ガスが、反応性ガスが成長のために必要であるウエハ表面のより近くに押しやられる。結果として、前駆体利用効率が向上する。

いくつかの構成において、ＮＨ３のようなＶ族前駆体のみがウエハ表面に最も近いフロー管を通じて注入される。他の構成において、III族前駆体及びキャリアガスが、このウエハ表面に最も近いフロー管を通じて注入される。他の構成において、Ｖ族及びIII族前駆体の組み合わせとキャリアガスが、ウエハ表面に最も近いフロー管を通じて注入される。例えば、垂直に積層されたフロー管の構造では、III族前駆体のいくつかを互いに又はＮＨ３から分離することが可能となり、これは、いくつかの前駆体が互いに前反応する傾向があるために好適である。例えば、アルミニウム前駆体ＴＭＡｌは、前反応を防止するために他の前駆体とは別個の管を通じて導入されても良い。

特定の実施形態においては、本発明では、インジウム前駆体ＴＭＩｎ又はＴＥＩｎ及びキャリアガス及びＮＨ３などの任意のＶ族前駆体が、ウエハ表面に最も近いフロー管を通じて導入される。このような構成において、ＴＥＧａ、ＴＭＧａ又はＴＭＡｌのような他のIII族前駆体は、ウエハ表面からより遠くに位置するフロー管を通じて導入される。この構成によれば、ＩｎＧａＮのようなエピタキシャル膜の中により効率的にインジウムを混合させることができる。高品質・高インジウム含有ＩｎＧａＮの実現は、ＧａＮを基にした成長では良く知られた課題であり、このような構成は非常に有益である。

フローノズルは、銅、合金銅、様々な等級(grades)のステンレス鋼、アルミニウム又はその他のような、多種多様な材料から形成されても良い。好適な実施形態においては、ノズルは銅である。

逆構造又は逆でない構造のいずれにおいても、サセプタは、ヒータからウエハに熱を伝導するように構成されている。様々な実施形態において、サセプタは、熱をウエハに対して均一に与えるように構成されている。一の実施形態においては、サセプタは回転するように構成されている。回転は、フローガスがサセプタが回転するように駆り立てるという翼の概念によって達成される。特定の実施形態においては、歯車のような機械的回転手段が、サセプタを回転させるために提供される。サセプタの回転は図３に図示される。

複数ウエハの実施においては、サセプタは、全てのウエハを含むサセプタ全体及びサセプタ上の個別のウエハについて独立した回転を提供することができる。例えば、回転手段を有する複数波(multiple-wave)サセプタ構造が図４に図示されている。適用に応じて、サセプタは、グラファイト、ＳｉＣに被覆されたグラファイト、ＳｉＣ及び他の材料から形成されても良い。

様々な実施形態において、サセプタ及びウエハの加熱は、抵抗加熱器（ヒータ）又は誘導加熱器（ヒータ）によって実現される。一の実施形態において、複数又は単一ウエハリアクタ設計において、加熱器は、ウエハからサセプタの反対側に位置する。他の実施形態において、単一ウエハリアクタ設計において、加熱器はサセプタの周囲に位置する。加熱器は、サセプタ上に亘る温度勾配が補償されるように独立して制御され得る複数の領域を有していても良い。一の実施形態においては、加熱器は熱電対からのフィードバックを通じて制御される。他の実施形態においては、加熱器は抵抗の構成においてある電流／電圧を出力するように設計されている。

テーパ形状のフロー管ブロックは、シャワーヘッドアセンブリのような分配手段を含んでも良い。例えば、２フローアセンブリがテーパ形状フロー管ブロックの内部のシャワーヘッド設計を通じて実現されても良い。サブフローガス及び／又はキャリアガス又はＭＯｓ及びＮＨ_３が、堆積の全領域の上方のシャワーヘッド表面を用いて、リアクタ内に導入され得る。図５及び６は、本発明の実施形態による２フローアセンブリを有するテーパ形状成長チャンバを示す図である。

多様な実施形態において、テーパ状の成長チャンバにおけるシャワーヘッドは水で冷やされている。なお、他の冷却液も使用できる。一の実施形態において、シャワーヘッドは、テーパ状の水冷フロー管ブロック内部に多数の小さい管又は垂直フロー管を有しており、全ての管又はフロー管は同じ場所から始まっている。この管又はフロー管はリアクタの軸に対して垂直であるかある角度をなしていても良い。シャワーヘッドのフロー又はサブフローは、成長表面上方での境界層の輪郭の正確な制御を提供することになる。サブフローはメインフローの方向を変化させ、反応物を基板に接触させる。これにより、膜の均一性を向上させる。多様な実施形態において、シャワーヘッドアセンブリは、成長速度、Ｘ線を用いた構造特性、高温計を用いた表面温度モニタリング、偏光解析法、屈曲等のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリングのための光学的窓をも含んでも良い。

シャワーヘッドの管又はフロー管は、円筒状、立方体状、台形状等を含む、異なる断面の幾何学的形状を有していても良い。管又はフロー管同士の間隔は、所望の境界層の輪郭及び膜の均一性に基づいて調整されても良い。図７は、本発明の実施形態による円形フロー管を有するシャワーヘッドの上面図である。図８は、矩形フロー管を有するシャワーヘッドの上面図である。

シャワーヘッドは、他の角度で構成されても良い。図９−１２は、本発明の実施形態に基づく他の角度の管を有するシャワーヘッドを示す簡略図である。上記は特定の実施形態の全ての記載ではあるが、多様な改変、代替の構造及びそれに相当するものが使用されても良い。

Claims (20)

1. 吸入領域と、
   排出領域と、
   前記吸入領域及び前記排出領域の間のサセプタ領域と、
   前記吸入領域における第１の寸法から前記排出領域における第２のより小さい寸法に次第に細くなるフロー領域と、
   を含むＭＯＣＶＤ装置。
2. 前記サセプタ領域に連結されたヒータをさらに含む、請求項１の装置。
3. 前記フロー領域の近くに位置する冷却管をさらに含む、請求項１の装置。
4. 前記吸入領域は冷却管を含む、請求項１の装置。
5. 前記フロー領域中に分配するように構成されたシャワーヘッド分配器をさらに含む、請求項１の装置。
6. リアクタハウジングと、
   ウエハを保持するための保持表面を有するサセプタと、
   テーパ状のフローブロックであって、前記保持表面に面しているテーパ状の表面を有する前記テーパ状のフローブロックと、
   前記保持表面と前記テーパ状の表面との間に形成されたチャンバであって、前記チャンバは、第１の端部に第１の高さを、第２の端部に第２の高さを有することで特徴付けられ、
   前記第１の高さは、前記第１の端部における、前記テーパ状の表面と前記保持表面との間の第１の距離によって定義され、
   前記第２の高さは、前記第２の端部における、前記テーパ状の表面と前記保持表面との間の第２の距離によって定義され、
   前記第１の高さは前記第２の高さよりも少なくとも２０％大きい前記チャンバと、
   前記チャンバ中にガス種を導入するためのノズルと、
   前記サセプタと熱的に連結された加熱モジュールと、
   を含むエピタキシャル成長のための装置。
7. 前記テーパ状のフローブロックは、金属を含み、また、冷却液を分配するためのシャワーヘッドアセンブリを含む、請求項６の装置。
8. 前記サセプタは回転可能である、請求項６の装置。
9. 前記サセプタの近くに位置し、前記サセプタを回転させるための翼をさらに含む、請求項８の装置。
10. 前記ノズルは、複数の垂直に積み重ねられたフロー管を含む、請求項６の装置。
11. 前記ノズルは、並んで配置されたフロー管を含む、請求項６の装置。
12. 前記テーパ状の表面は実質的に平坦である、請求項６の装置。
13. 前記第１の高さは約２ｍｍから２０ｍｍであり、前記第２の高さは約０．５ｍｍから５ｍｍである、請求項６の装置。
14. 前記サセプタは、所定の速度で回転するウエハ受け板を含む、請求項６の装置。
15. 前記ガス種は、ＮＨ３、ＭＯ、Ｈ２及びＮ２を含む、請求項６の装置。
16. 前記テーパ状のフローブロックの内部に位置し、実質的に円形状であり、かつ、複数の円形のフロー管を有する、シャワーヘッドと、
    前記シャワーヘッド上に位置した光学的窓と、
    をさらに含む、請求項６の装置。
17. 前記サセプタは前記テーパ状のフローブロックの下方に位置する、請求項１６の装置。
18. 前記サセプタは前記テーパ状のフローブロックの上方に位置する、請求項１６の装置。
19. リアクタハウジングと、
    ウエハを保持するための保持表面を有するサセプタと、
    前記保持表面に面しているテーパ状の表面を有するテーパ状のフローブロックと、
    前記保持表面と前記テーパ状の表面との間のチャンバであって、前記チャンバは、第１の端部に第１の高さを、第２の端部に第２の高さを有することで特徴付けられ、
    前記第１の高さは、前記第１の端部における、前記テーパ状の表面と前記保持表面との間の第１の距離によって定義され、
    前記第２の高さは、前記第２の端部における、前記テーパ状の表面と前記保持表面との間の第２の距離によって定義され、
    前記第１の高さは前記第２の高さよりも少なくとも２０％異なる前記チャンバと、
    前記チャンバ中にガス種を導入するためのノズルと、
    を含むエピタキシャル成長のための装置。
20. 前記サセプタの周囲に位置する加熱モジュールをさらに含む、請求項１９の装置。