JP2011501468A - 前駆体ソースを有するシャワーヘッド設計 - Google Patents

前駆体ソースを有するシャワーヘッド設計 Download PDF

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ユリー メルニック，
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サンディープ ニヤワン，
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Abstract

【課題】 金属窒化物膜の水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）のような堆積プロセスに利用可能な方法及び装置を提供する。
【解決手段】 第１組の通路は、金属含有前駆ガスを導入することができる。第２組の通路は、窒素含有前駆ガスを供給することができる。第１組の通路と第２組の通路は、金属含有前駆ガスと窒素含有前駆ガスが基板に到達するまで分離するように散在されているのがよい。不活性ガスは、また、通路を通して流されて、通路での反応或いは通路の近くでの反応を分離し続け制限するのを助けることができ、それによって通路上への望ましくない堆積が防止される。
【選択図】 図２

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）のようなデバイスの製造、特に、水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）堆積に用いられるシャワーヘッド設計に関する。
関連技術の説明
[0002]ＩＩＩ族窒化物半導体は、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、高電力、高周波、高温のトランジスタと集積回路を含む電子デバイスのような様々な半導体デバイスの開発と製造において、より重要性が認められている。ＩＩＩ族の窒化物を堆積させるために用いられてきた１つの方法は、水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）堆積である。ＨＶＰＥでは、ハロゲン化物がＩＩＩ族の金属と反応して、前駆体を含有する金属（例えば、金属塩化物）を形成する。次いで、前駆体を含む金属は、窒素含有ガスと反応して、ＩＩＩ族の金属窒化物を形成する。
[0003]ＬＥＤ、ＬＤ、トランジスタ、集積回路の要求が増大するにつれて、ＩＩＩ族の金属窒化物を堆積させる効率がより重要となる。大きな基板又は複数の基板の上に均一に膜を堆積可能な高堆積速度を有する堆積装置及びプロセスが一般に求められている。更に、基板の上に一貫性のある膜品質のために均一な前駆体の混合が望ましい。それ故、従来技術において、ＨＶＰＥ堆積法及びＨＶＰＥ装置の改善が当該技術において求められている。
[0004]本発明は、一般的には、水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）のような堆積プロセスにおけるガス分配のための方法及び装置に関する。
[0005]一実施形態は、１つ以上の基板上に金属窒化物を形成する方法を提供する。上記方法は、一般的には、金属含有前駆ガスを１つ以上の基板の上方に第１組の通路を通して導入するステップと、１つ以上の基板の上方に第２組の通路を通して窒素含有前駆ガスを導入するステップであって、第２組の通路が、第１組の通路に散在している、前記ステップと、１つ以上の基板に向かって第１組と第２組の通路の上方に不活性ガスを導入して、第１組と第２組の通路で又はその近くでの金属含有前駆ガスと窒素含有前駆ガスの反応を制限するステップとを含む。
[0006]一実施形態は、１つ以上の基板上に金属窒化物を形成する方法を提供する。上記方法は、一般的には、金属含有前駆ガスを１つ以上の基板の上方に一組の通路を通して導入するステップと、窒素含有前駆ガスを一組の通路の上方に窒素含有前駆ガスを導入するので、１つ以上の基板に向かって一組の通路の間を窒素含有前駆ガスが流れるステップとを含む。
[0007]一実施形態は、水素化物気相エピタキシャルチャンバのためのガス分配装置を提供する。上記装置は、一般的には、金属含有前駆ガスソースに結合された第１のガス流入口と、第１のガス流入口から離れた第２のガス流入口であって、第２のガス流入口が窒素含有前駆ガスソースに結合された前記第２のガス流入口と、第１と第２のガス流入口から離れた１つ以上の第３のガス流入口であって、ガスをチャンバ内に少なくとも１つの基板の表面にほぼ垂直な方向に進むように方向付けられている上記第３のガス流入口とを含む。
[0008]一実施形態は、水素化物気相エピタキシャルチャンバのためのガス分配装置を提供する。上記装置は、一般的には、金属含有前駆ガスソースに結合された第１のガス流入口と、第１のガス流入口から離れた第２のガス流入口であって、第２のガス流入口が、窒素含有前駆ガスソースと結合された上記第２のガス流入口とを含み、ここで、第２のガス流入口はガスをチャンバ内に少なくとも１つの基板の表面とほぼ垂直な方向に進むように方向付けられている。
[0009]本発明の上述の特徴が達成され且つ詳細に理解され得るように、上で簡単にまとめられた本発明のより具体的な説明は、添付図面に示された本発明の実施形態によって参照される。
図１は、本発明の一実施形態の堆積チャンバの断面図である。 図２は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリの断面斜視側面図である。 図３は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリの上方視点の断面図である。 図４は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリの断面斜視切断図である。 図５は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリのガス通路構成要素の斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリのトッププレート構成要素の斜視図である。 図７は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリの断面斜視側面図である。 図８は、本発明の一実施形態のシャワーヘッドアセンブリのボート構成要素の斜視図である。 本発明の一実施形態によるシャワーヘッドアセンブリのガス通路構成要素の斜視図である。
[0019]理解を容易にするために、図面に共通である同一の要素を示すために、可能な場合は同一の符号が用いられている。一実施形態の要素と特徴は、更に記載せずに他の実施形態に有益に組み込むことができることが企図される。
[0020]しかしながら、添付図面が本発明の例示的な実施形態のみを示しているので、本発明の範囲を制限するものと考えられるべきでなく、本発明が他の等しく効果的な実施形態を含んでもよいことは留意されるべきである。
詳細な説明
[0021]本発明は、一般的には、水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）堆積のような堆積プロセスに用いることができる方法及び装置を提供する。図１は、本発明の一実施形態による本発明を実施するのに用いることができるＨＶＰＥチャンバの概略断面図である。本発明を実施するように適合可能な例示的なチャンバは、米国特許出願第１１／４１１,６７２号、同第１１／４０４,５１６号に記載されており、いずれの開示内容も全体で本明細書に援用されている。
[0022]図１の装置１００は、処理容積部１０８を包囲するチャンバ本体１０２を含む。シャワーヘッドアセンブリ１０４は、処理容積部１０８の一端に配置され、基板キャリヤ１１４は、処理容積部１０８の他端に配置される。基板キャリヤ１１４は、１つ以上の凹部１１６を含んでもよく、処理中、その中に１つ以上の基板が配置されてもよい。基板キャリヤ１１４は、６つ以上の基板を運ぶことができる。サセプタは、基板キャリヤ１１４の下方に位置決めされてもよい。サセプタは、温度の監視と基板の制御を可能にする熱伝導材料（例えば、炭化ケイ素）で形成されている場合がある。一実施形態において、基板キャリヤ１１４は、８つの基板を運ぶ。多少の基板が基板キャリヤ１１４上で運ばれてもよいことは理解されるべきである。典型的な基板は、サファイア、ＳｉＣ又はシリコンである。基板サイズは、直径が５０ｍｍ-１００ｍｍ以上の範囲にあってもよい。基板キャリヤのサイズは、２００ｍｍ-５００ｍｍの範囲にあってもよい。基板キャリヤは、ＳｉＣ又はＳｉＣ被覆グラファイトを含む様々な材料から形成されてもよい。基板がサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、シリコン、石英、ＧａＡｓ、ＡｌＮ又はガラスからなってもよいことは理解されるべきである。他のサイズの基板が、装置１００内で本明細書に記載される方法により処理されてもよいことは理解されるべきである。上述したように、シャワーヘッドアセンブリは、従前のＨＶＰＥチャンバにおけるよりも、より多数の基板又はより大きな基板全体により均一な堆積を可能にすることができ、それにより生産コストが低下する。基板キャリヤ１１４は、処理中、その中心軸の周りを回転することができる。一実施形態において、基板は、基板キャリヤ１１４内で個々に回転可能である。
[0023]基板キャリヤ１１４は、回転してもよい。一実施形態において、基板キャリヤ１１４を約２ＲＰＭ〜約１００ＲＰＭで回転させる場合がある。他の実施形態において、基板１１４を約３０ＲＰＭで回転させる場合がある。基板キャリヤ１１４を回転させることにより、各基板に処理ガスを一様にさらすことが促進される。
[0024]複数のランプ１３０ａ、１３０ｂが基板キャリヤ１１４の下に配置されてもよい。多くの用途に対して、典型的なランプの配置は、基板の上（図示せず）と下（図示されている）にランプの列（banks）を備えることができる。一実施形態は、側面からランプを取り込むことができる。ある実施形態において、ランプは同心円で配列されてもよい。例えば、ランプ１３０ｂの内側のアレイは８個のランプを含むことができ、ランプ１３０ａの外側のアレイは１２個のランプを含むことができる。本発明の一実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂは、それぞれ個別に出力される。他の実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂのアレイは、シャワーヘッドアセンブリ１０４の上に又は中に位置決めされる場合がある。他の配置と他の数のランプも可能であることは理解される。ランプ１３０ａ、１３０ｂのアレイは選択的に出力されて、基板キャリヤ１１４の内側と外側の領域を加熱することができる。一実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂは、内側と外側のアレイとして集合的に出力され、ここで、最上部と底部のアレイは、集合的に或いは別々に出力される。また他の実施形態において、別々のランプ或いは加熱素子がソースボート２８０の上及び／又は下に位置決めされる場合がある。本発明は、ランプのアレイの使用に制限されないことは理解されるべきである。いかなる適切な加熱源も処理チャンバ、その中の基板、金属源に適当な温度が適切に加えられることを確実にするよう利用されてもよい。例えば、急速な熱処理ランプシステムが、米国特許公開第２００６／００１８６３９Ａ１号に記載されるように利用することができることが企図され、この開示内容は本明細書に全体で援用されている。
[0025]１つ以上のランプ１０３ａ、１３０ｂが出力されて、基板だけでなくソースボート２８０も加熱することができる。ランプは、基板を摂氏約９００度から摂氏約１２００度までの温度に加熱することができる。他の実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂは、摂氏約３５０度から摂氏約９００度までの温度にソースボート内のウェル８２０中に金属源を維持する。熱電対は、ウェル８２０内に位置決めされ、処理中、金属源温度を計測することができる。熱電対で測定される温度は、加熱ランプ１３０ａ、１３０ｂから与えられる熱を調整するコントローラにフィードバックされるので、ウェル８２０中の金属源の温度を必要に応じて制御或いは調整することができる。
[0026]本発明の一実施形態のプロセス中、前駆ガス１０６は、シャワーヘッドアセンブリから基板表面に向けて流れる。基板表面で或いはその近くで前駆ガス１０６が反応すると、基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮを含む様々な金属窒化物層を堆積させることができる。ＡｌＧａＮ及び／又はＩｎＧａＮのような“組み合わせ膜”の堆積に対して複数の金属が利用されてもよい。処理容積部１０８は、約７６０トールから約１００トールまでの圧力に保持されてもよい。一実施形態において、処理容積部１０８は、約４５０トールから約７６０トールまでの圧力に保持される。
[0027]図２は、本発明の一実施形態によれば、図１のＨＶＰＥチャンバの断面斜視図である。ソースボート２８０がチャンバ本体１０２を取り囲んでいる。金属源がソースボート２８０のウェル８２０を満たしている。一実施形態において、金属源は、ガリウム、アルミニウム、又はインジウムのような適切な金属源をも含み、具体的な金属は具体的な用途の要求に基づいて選択される。ハロゲン化物或いはハロゲンのガスは、ソースボート２８０のウェル８２０中の金属源の上のチャネル８１０に流れ込み、金属源と反応して、気体の金属含有前駆体を形成する。一実施形態において、ＨＣｌは、液体ガリウムと反応して、気体のＧａＣｌを形成する。他の実施形態において、Ｃｌ２は、液体ガリウムと反応して、ＧａＣｌとＧａＣｌ３を形成する。本発明の追加の実施形態は、他のハロゲン化物或いはハロゲンを用いて、金属含有気相前駆体を得る。適切な水素化物は、組成ＨＸ（例えば、Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ）を持つものを含み、適切なハロゲンは、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２を含む。ハロゲン化物に対して、不平衡反応式は以下の通りである：
ＨＸ（気体）＋ Ｍ（液体金属）→ ＭＸ（気体）＋Ｈ（気体）、
式中、Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ、Ｍ＝Ｇａ、Ａｌ、又はＩｎ。
ハロゲンに対して、式は以下の通りである：
Ｚ（気体）＋ Ｍ（液体金属）→ ＭＺ（気体）、
式中、Ｚ＝Ｃｌ２、Ｂｒ、又はＩ２、Ｍ＝Ｇａ、Ａｌ、又はＩｎ。
以後、気体金属含有化学種は、“金属含有前駆体”（例えば、金属塩化物）と呼ばれる。
[0028]ソースボート２８０内での反応からの金属含有前駆ガス２１６は、チューブ２５１のような第１組のガス通路を通って処理容積部１０８に導入される。金属含有前駆ガス２１６がソースボート２８０以外のソースから生成可能であることは理解されるべきである。窒素含有ガス２２６は、チューブ２５２のような第２組のガス通路を通って処理容積部１０８に導入される。チューブの配置が適切なガス分配構造の例として示され、一部の実施形態において利用可能である場合があるが、本明細書に記載されるガス分配を与えるように設計される別のタイプの通路の様々な他のタイプの配置も同様に他の実施形態に対して用いられてもよい。このような通路配置の例は、以下により詳細に記載されるように、プレート中に形成されるガス分配チャネルを有する（通路として）ガス分配構造を含んでいる。
[0029]一実施形態において、窒素含有ガスは、アンモニアを含んでいる。金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６は、基板の表面近くで或いは表面で反応させることができ、金属窒化物は、基板に堆積させることができる。金属窒化物は、１時間約１ミクロンから１時間約６０ミクロンまでの速度で基板上に堆積させることができる。一実施形態において、堆積速度は、１時間約１５ミクロンから１時間約２５ミクロンまでである。
[0030]一実施形態において、不活性ガス２０６は、プレート２６０を通って処理容積部１０８に導入される。金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６の間に不活性ガス２０６を流すことによって、金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６は、互いに接触することなく、早く反応しすぎて望ましくない表面上に堆積させることにならない。一実施形態において、不活性ガス２０６は、水素、窒素、ヘリウム、アルゴン、又はこれらの組み合わせを含んでいる。他の実施形態において、アンモニアは不活性ガス２０６に置き換えられる。一実施形態において、窒素含有ガス２２６は、約１ｓｌｍ〜約１５ｓｌｍの速度で処理容積部に供給される。他の実施形態において、窒素含有ガス２２６は、キャリヤガスと同時に流される。キャリヤガスは、窒素ガス或いは水素ガス或いは不活性ガスを含んでいてもよい。一実施形態において、窒素含有ガス２２６は、約０ｓｌｍ〜約１５ｓｌｍの流量で供給される場合があるキャリヤガスと同時に流される。ハロゲン化物或いはハロゲンの典型的な流量は、５-１０００ｓｃｃｍであるが、約５ｓｌｍまでの流量を含んでいてもよい。ハロゲン化物／ハロゲンのガスに対するキャリヤガスは、０.１-１０ｓｌｍであってもよく、前に挙げた不活性ガスを含む。ハロゲン化物／ハロゲン／キャリヤガスの混合物の追加の希釈は、０-１０ｓｌｍの不活性ガスで行うことができる。不活性ガス２０６に対する流量は、５〜４０ｓｌｍである。プロセス圧は、１００-１０００トールの範囲内で変動する。典型的な基板は、５００-１２００℃の範囲である。
[0031]不活性ガス２０６、金属含有前駆ガス２１６、窒素含有ガス２２６は、処理容積部１０８の周囲に配分されてもよい排気部２３６を通って処理容積部１０８から排出することになる。このような排気部２３６の配分は、基板表面全体に一様なガスの流れを与えることができる。
[0032]図３と図４に示されるように、ガスチューブ２５１とガスチューブ２５２は、本発明の一実施形態によれば、離されていてもよい。ガスチューブ２５１内の金属含有前駆ガス２１６の流量は、ガスチューブ２５２内の窒素含有ガス２２６の流量から影響されずに制御することができる。影響されずに制御された散在されたガスチューブは、基板の表面全体にガスのそれぞれのより分配均一性に寄与することができ、より堆積均一性を与えることができる。
[0033]更に、金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６の間の反応の程度は、２つのガスが接触している時間に左右される。基板の表面に平行にガスチューブ２５１とガスチューブ２５２を位置決めすることによって、金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６は、ガスチューブ２５１とガスチューブ２５２から等距離の地点で同時に接触し、それ故、基板の表面上のすべての点でほとんど同じ程度まで反応する。その結果として、堆積均一性がより大きな直径の基板で達成可能である。基板の表面とガスチューブ２５１とガスチューブ２５２の間の距離の変動が、金属含有前駆ガス２１６と窒素含有ガス２２６が反応する程度を支配することは理解されるべきである。それ故、本発明の一実施形態によれば、処理容積部１０８の寸法は、堆積プロセス中、変動してもよい。また、本発明の他の実施形態によれば、ガスチューブ２５１と基板の表面の間の距離は、ガスチューブ２５２と基板の表面の間の距離と異なってもよい。更に、ガスチューブ２５１と２５２の間の分離は、金属含有前駆ガスと窒素含有前駆ガスとの間の反応とチューブ２５１とチューブ２５２での或いはこれらの近くでの望まれていない堆積を阻止することになる。以下に記載されるように、不活性ガスは、チューブ２５１とチューブ２５２の間に流されて、前駆ガスの間の分離を維持するのを促進する。
[0034]本発明の一実施形態において、計量ビューポート３１０は、プレート２６０の中に形成される場合がある。これにより、プロセス中、放射線測定器を処理容積部１０８に近づけることができる。このような測定は、干渉計によって行われて、反射される波長と透過される波長を比較することによって基板上に膜が堆積される速度を求めることができる。測定は、また、パイロメータによって行われて、基板温度を計測することができる。計量ビューポート３１０は、ＨＶＰＥと共に一般に用いられるいかなる放射線測定器にも近づけることができることは理解されるべきである。
[0035]ガスチューブ２５１とガスチューブ２５２の散在は、本発明の一実施形態によれば、図５に示されるようにチューブを構成することによって達成可能である。各組のチューブは、複数の分枝チューブ２５９にも接続される単一の幹チューブ２５７に接続される接続ポート２５３を本質的に含んでいてもよい。分枝チューブ２５９のそれぞれは、基板キャリヤ１１４にほとんど面しているチューブの側面に形成される複数のガスポート２５５を有してもよい。ガスチューブ２５１の接続ポート２５３は、ガスチューブ２５２の接続ポート２５３と処理容積部１０８の間に位置決めされるように構成されてもよい。このとき、ガスチューブ２５１の幹チューブ２５７は、ガスチューブ２５２の幹チューブ２５７と処理容積部１０８の間に位置決めされる。ガスチューブ２５２の各分枝チューブ２５９は、幹チューブ２５７との接続に近い“Ｓ”湾曲部２５８を含有する場合があるので、ガスチューブ２５２の分枝チューブ２５９の長さがガスチューブ２５１の分枝チューブと並行になり、整列する。同様に、ガスチューブ２５１とガスチューブ２５２の散在は、以下に述べられる本発明の他の実施形態によれば、図９に示されるようにチューブを構成することによって達成させることができる。分枝チューブ２５９の数、その結果、隣接の分枝チューブの間の間隔が変動してもよいことは理解されるべきである。隣接の分枝チューブ２５９の間のより大きい距離によって、チューブの表面上の早すぎる堆積を低減することができる。早すぎる堆積は、また、隣接のチューブの間に仕切りを加えることによって低減することもできる。仕切りは、基板の表面に垂直に位置決めされてもよく、仕切りは、ガスフローを案内するように角度をつけてもよい。本発明の一実施形態において、ガスポート２５５は、金属含有前駆ガス２１６をある角度で窒素含有ガス２２６に向けるように形成される場合がある。
[0036]図６は、本発明の一実施形態によれば、プレート２６０を示す図である。前述されたように、不活性ガス２０６は、プレート２６０の表面全体に配分される複数のガスポート２５５を通って処理容積部１０８に導入することができる。プレート２６０の切り込み２６７は、本発明の一実施形態によれば、ガスチューブ２５２の幹チューブ２５７の位置決めを調整する。不活性ガス２０６は、ガスチューブ２５１とガスチューブ２５２の分枝チューブ２５９の間を流れ、それによって、本発明の一実施形態によれば、ガスが基板の表面に近づくまで窒素含有ガス２２６から金属含有前駆ガス２１６の流れの分離を維持することができる。
[0037]図７に示される本発明の一実施形態によれば、窒素含有ガス２２６は、プレート２６０を通って処理容積部１０８に導入することができる。本実施形態によれば、ガスチューブ２５２の分枝チューブ２５９は、ガスチューブ２５１の追加の分枝チューブ２５９によって置き換えられる。それによって、金属含有前駆ガスは、ガスチューブ２５２を通って処理容積部１０８に導入することができる。
[0038]図８は、本発明の一実施形態によれば、ソースボート２８０の構成要素を示す図である。ボートは、底部（図８Ｂ）を覆っている最上部（図８Ａ）からできている場合がある。二つの部分を接合すると、ウェル８２０の上のチャネル８１０からできた環状空洞が作り出される。前述のように、塩素含有ガス８１１は、チャネル８１０に流れ込むことができ、ウェル８２０中の金属源と反応して、金属含有前駆ガス８１３を生成する。本発明の一実施形態によれば、金属含有前駆ガス８１３は、金属含有前駆ガス２１６として処理容積部へガスチューブ２５１を通って導入することができる。
[0039]本発明の他の実施形態において、金属含有前駆ガス８１３は、図８Ｃに示される希釈ポートにおいて不活性ガス８１２で希釈することができる。或いは、チャネル８１０に入る前に塩素含有ガス８１１に不活性ガス８１２が追加されてもよい。更に、双方の希釈が行われてもよい。即ち、チャネル８１０に入る前に不活性ガス８１２が塩素含有ガス８１１に追加されてもよく、追加の不活性ガス８１２がチャネル８１０の出口で追加されてもよい。次に、希釈された金属含有前駆ガスが金属含有前駆ガス２１６として処理容積部１０８にガスチューブ２５１を通って導入される。金属源の上での塩素含有ガス８１１の滞留時間は、チャネル８１０の長さに直接比例する。より長い滞留時間によって、金属含有前駆ガス２１６の変換効率が大きくなる。それ故、ソースボート２８０でチャンバ本体１０２を取り囲むことによって、より長いチャネル８１０を作り出すことができ、金属含有前駆ガス２１６の変換効率がより大きくなる。チャネル８１０を作る最上部（図８Ａ）と底部（図８Ｂ）の典型的な直径は、１０-１２インチの範囲にある。チャネル８１０の長さは、最上部（図８Ａ）と底部（図８Ｂ）の周囲であり、３０-４０インチの範囲にある。
[0040]図９は、本発明の他の実施形態を示す図である。本実施形態において、ガスチューブ２５１と２５２の幹チューブ２５７は、処理容積部１０８の周囲を辿るように再構成することができる。周辺に幹チューブ２５７を移動することによって、ガスポート２５５の密度は、基板の表面全体で、より一様になってもよい。プレート２６０の再構成を優遇している（complimentary）幹チューブ２５７と分枝チューブ２５９の他の構成も可能であることは理解されるべきである。
[0041]当業者は、本発明の範囲内になおありつつ、上記の実施形態から様々な修正が行われてもよいことを認識する。一例として、内部ボートに対する別のものとして（或いは追加して）、一部の実施形態は、チャンバの外に位置するボートを利用してもよい。一部のこのような実施形態については、別々の加熱源及び／又は加熱されたガスラインが外部ボートからチャンバへ前駆体を分配するのに用いられてもよい。
[0042]一部の実施形態については、チャンバを開放することなく再充填（例えば、液体金属で）されるようにある種のメカニズムがチャンバ内に位置するすべてのボートに利用可能である。例えば、インジェクタとプランジャ（例えば、大規模シリンジのようなもの）を利用するある種の装置がボートの上に位置する場合があるので、チャンバを開放することなく液体金属でボートを再充填することができる。
[0043]一部の実施形態については、内部ボートは、内部ボートに接続される外部の大きなるつぼから充填されてもよい。このようなるつぼは、（例えば、抵抗加熱或いはランプによって）別々の加熱と温度制御システムで加熱されてもよい。るつぼを用いて、オペレータが手動バルブを開閉する、或いはプロセス制御用電子装置とマスフローコントローラの使用してバッチプロセスのような様々な技術によってボートを“供給”することができる。
[0044]一部の実施形態については、チャンバに金属前駆体を分配するのにフラッシュ蒸発技術を利用してもよい。例えば、フラッシュ蒸発金属前駆体は、液体インジェクタによって分配され、ガス流に少量の金属を噴射してもよい。
[0045]一部の実施形態については、前駆ガスを最適な動作温度に維持するのに温度制御の一形式を利用可能である。例えば、ボート（内部にしても外部にしても）は、直接接触している温度センサ（例えば、熱電対）が付けられてボート中の前駆体の温度を決定することができる。この温度センサは、自動フィードバック温度制御と接続されていてもよい。直接接触している温度センサの代わりに、遠隔高温測定がボートの温度を監視するのに利用されてもよい。
[0046]外部ボートの設計については、様々に異なるタイプのシャワーヘッドの設計（例えば、上記或いは下記のもの）が利用されてもよい。このようなシャワーヘッドは、炭化シリコン又は石英又は炭化シリコン被覆グラファイトのような極端な温度（例えば、１０００℃まで）に耐え得る適切な材料から構成されてもよい。上記のように、チューブの温度は、熱電対或いは遠隔高温測定によって監視することができる。
[0047]一部の実施形態については、必要に応じてチューブ温度を調節し、様々な目標を達成するように、チャンバの最上部と底部に位置するランプの列を調整す可能である。このような目標には、チューブ上の堆積を最小にすること、堆積プロセス中、一定温度を維持すること、最大温度限界を超えないことを確実にすること（熱応力による損傷を最小にするために）が含まれる。
[0048]図５Ａ-図５Ｂ、図６、図８Ａ-図８Ｃ、及び図９Ａ-図９Ｂに示される構成要素は、炭化シリコン、炭化シリコン被覆グラファイト、及び／又は石英のような任意の適切な材料から構成されてもよく、いかなる適切な物理的寸法を有してもよい。例えば、一部の実施形態については、図５Ａ-図５Ｂと図９Ａ-図９Ｂに示されるシャワーヘッドチューブの壁厚が１-１０ｍｍ（例えば、一部の用途においては約２ｍｍ）の範囲でもよい。
[0049]チューブは、また、化学エッチング及び／又は腐食からの損傷を阻止するようにして構成されてもよい。例えば、チューブは、ある種のコーティング、例えば、炭化シリコン又は化学エッチング及び腐食からの損傷を最小にする他のある適切なコーティングを含んでもよい。別の方法として、或いは更に、チューブは、エッチングや腐食から保護する別々の部品によって取り囲まれてもよい。一部の実施形態について、主要な（例えば、中央の）チューブは石英、分枝チューブは炭化シリコンでもよい。
[0050]一部の用途では、チューブ上に形成する堆積物のリスクがある場合があり、例えば、ガスポートを塞ぐことによって、性能を妨げる場合がある。一部の実施形態については、堆積を阻止或いは最小にするために、ある種のバリヤ（例えば、バッフル又はプレート）をチューブの間に置いてもよい。このようなバリヤは、取り外し可能なので、容易に交換できるように設計され、それによって維持と修理を容易にすることができる。
[0051]分枝チューブを利用するシャワーヘッド設計を本明細書で説明してきたが、一部の実施形態について、チューブ構成は、同様の機能を達成するように設計された別の種類の構成と置き換えることができる。一例として、一部の実施形態については、主チャンバへのガスの分離と分配に関してチューブとして同様の機能を与える一体プレートにドリルで分配用チャネルと穴を開けてもよい。別法として、一体というより、分配プレートが何らかの方法（例えば、接着、溶接、焼付け）で一緒に取り付けるか組み立てることができる複数の部品によって構成されてもよい。
[0052]他の実施形態については、炭化シリコンで被覆された固体グラファイトチューブが形成されてもよく、その後、グラファイトが除去されて、一連のチャネルと穴が残されてもよい。一部の実施形態については、シャワーヘッドは、その中に穴が形成された種々の形状（例えば、楕円形、円形、矩形、又は正方形）の透明或いは不透明の石英プレートで構成されてもよい。適切な寸法のチューブ類（例えば、２ｍｍＩＤ×４ｍｍＯＤを有するチャネル）は、ガス分配用のプレートに溶融させてもよい。
[0053]一部の実施形態については、種々の構成要素が異なる材料で形成されてもよい。このような場合には、構成要素をしっかりと取り付けることを行わせ且つガス漏れを防止するために基準を用いることができる。一例として、一部の実施形態については、ガス漏れを防止するために、カラーを用いて、金属部品に石英チューブをしっかりと取り付けることができる。このようなカラーは、例えば、部品を異なる量で膨張させ且つ収縮させ、さもなければ部品に対する損傷又はガス漏れを引き起こす異なる部品の熱膨張差を可能にする適切な材料で形成されてもよい。
[0054]上記のように（例えば、図２を参照して）、堆積プロセスにハロゲン化物ガスやハロゲンガスを用いることができる。更に、前述のハロゲン化物やハロゲンは、リアクタのインサイチュ洗浄のためのエッチャントガスとして用いることができる。このような洗浄プロセスは、チャンバ内に（不活性キャリヤガス含んでも含まなくても）ハロゲン化物ガス或いはハロゲンガスを流すことを伴ってもよい。１００-１２００℃の温度で、エッチャントガスはリアクタの壁と表面から堆積を取り除くことができる。エッチャントガスの流量は、１-２０ｓｌｍに変動し、不活性ガスの流量は、０-２０ｓｌｍに変動する。対応する圧力は、１００-１０００トールに変動してもよく、チャンバ温度は、２０-１２００℃に変動してもよい。
[0055]更に、前述のハロゲン化物ガスとハロゲンガスは、基板の前処理でも用いられ、例えば、高品質の膜成長を促進させることができる。一実施形態は、ボート２８０に流し込むことなくチューブ２５１或いはプレート２６０を通ってチャンバにハロゲン化物ガス或いはハロゲンガスを流すことを伴ってもよい。不活性キャリヤ及び／又は希釈ガスはハロゲン化物ガス或いはハロゲンガスと組み合わせてもよい。同時に、ＮＨ３或いは同様の窒素含有前駆体がチューブ２５２に流れ込んでもよい。前処理の他の実施形態は、窒素含有前駆体のみを不活性ガスを含んで又は含まずに流すことを提供する。追加の実施形態は、一連の２つ以上の不連続のステップを有してもよく、その各々は、持続時間、ガス、流量、温度及び圧力の点で異なっていてもよい。ハロゲン化物或いはハロゲンの典型的な流量は、５０-１０００ｓｃｃｍの範囲内にあるが、５ｓｌｍまでの流量を含んでもよい。ハロゲン化物ガス／ハロゲンガスのためのキャリヤガスは、１-４０ｓｌｍの範囲の流量を有してもよく、前に挙げた不活性ガスを含有する。ハロゲン化物ガス／ハロゲンガス／キャリヤガス混合物の追加の希釈は、０-１０ｓｌｍの不活性ガスで行われてもよい。ＮＨ３の流量は、1-３０ｓｌｍの間であり、典型的にはエッチャントガス流量より大きい。プロセス圧は、１００-１０００トールの間で変動してもよい。典型的な基板温度は、５００-１２００℃の範囲内である。
[0056]更に、Ｃｌ２プラズマが洗浄／堆積プロセスのために生成されてもよい。更に、本明細書に記載されるチャンバは、米国出願第１１／４０４,５１６号に記載されているマルチチャンバシステムの一部として実施することができ、この開示内容は本明細書に全体で援用されている。本明細書に記載されるように、遠隔プラズマ生成器がチャンバハードウェアの一部として含まれてもよく、本明細書に記載されるＨＶＰＥチャンバに用いることができる。本出願に記載される堆積プロセスと洗浄プロセス双方に対するガスラインとプロセス制御ハードウェア／ソフトウェアも、本明細書に記載されるＨＶＰＥチャンバに適用することができる。一部の実施形態については、塩素ガス或いはプラズマが図６に示されるようにトッププレートの上から分配され、或いはＧａ含有前駆体を分配するチューブを通って分配されてもよい。利用可能なプラズマの種類は、塩素にのみ限定されず、フッ素、ヨウ素、又は臭素を含んでもよい。プラズマを生成させるのに用いられるソースガスは、Ｃｌ２、Ｂｒ、Ｉ２のようなハロゲンであってもよく、ＮＦ３のような７Ａ族元素を含有するガスであってもよい。
[0057]上記は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他の多くの実施形態が本発明の基本的範囲から逸脱することなく構成され、本発明の範囲が以下の特許請求の範囲によって決定される。
ソースボートを実施せずに導入される金属含有前駆ガス
[0058]前述した実施形態において、ソースボート中でハロゲン化物或いはハロゲンガスを金属ソースと混合することによって金属含有前駆ガスを形成したが、金属含有前駆ガスをソースボートを実施せずに形成することができる。このような本発明の実施形態は、ソースボート２０８の必要を排除することができ、それによって、基板表面全体に金属窒化物の堆積の均一性を維持し且つ望ましくない表面上への堆積を制限しつつ、生産を簡易化することができる。
[0059]例えば、図１０は、本発明の一実施形態を示し、不活性ガスは、ＩＩＩ族三塩化物１００２（例えば、ＧａＣｌ３）の固体或いは液体形態を含むアンプル１０００の上を流れる場合がある。アンプルは加熱されて、ＩＩＩ族三塩化物１００４を蒸発させ、これが不活性キャリヤガスと合わせて、金属含有前駆ガス１０５１を得ることができる。次に、金属含有前駆ガスは、第１組のガスチューブ２５１によって処理容積部１０８に供給されてもよい。窒素含有前駆ガスは、第２組のガスチューブ２５２を通して処理容積部１０８中に導入されてもよい。ある実施形態において、窒素含有前駆ガスは、アンモニアを含有する場合がある。
[0060]ＧａＣｌ３は、摂氏５０度から摂氏１５０度の間で蒸発することができるが、ＧａＣｌ３を蒸発させる典型的な温度は、摂氏１００度である。ある実施形態において、ＩＩＩ族三塩化物は、ＩＩＩ族三ヨウ化物或いはＩＩＩ族三臭化物で置き換えることができる。このような実施形態において、物質は、摂氏５０度から摂氏２５０度の間で蒸発できる。
処理容積部への分配前の金属含有前駆ガスとアンモニアの混合
[0061]前述の実施形態において、前駆ガスを、基板表面で或いはその近くで金属窒化物が形成される処理容積部１０８に、別々のチューブを通して分配したが、金属含有前駆ガスと窒素含有前駆ガスを、処理容積部、処理容積部の外側であるが処理チャンバの内側、或いは処理チャンバの完全に外側で、摂氏５０度と摂氏５５０度の間に温度制御できる混合域で混合してもよく、処理チャンバは、図１において全体の装置として画成されている。このような本発明の実施形態は、（１）混合の均一性の改善し、（２）設計を簡易化し、（３）表面上の望ましくない堆積と前駆体の減少を最少にする。
[0062]例えば、図１１は、本発明の一実施形態を示し、窒素含有前駆ガス２２６と金属含有前駆ガス２１６が、タンクチューブ２５７に入る直前に、シャワーヘッドアセンブリ１０４内で、加熱された混合域１１００において混合されてもよい。ある実施形態において、窒素含有ガスは、アンモニアを含めてもよい。ある実施形態において、加熱された混合域は、窒素含有前駆ガスと金属含有前駆ガスのソースとシャワーヘッドとの間のどこでもよい。加熱されたチャンバ１１００を所定の温度、例えば、摂氏５０度から摂氏５５０度までの温度範囲内に維持するように、温度監視と制御構成要素が含まれるのがよい。
[0063]図１１では、シャワーヘッドチューブの１つの実施形態だけを示しているが、当業者は、本発明の範囲内で、様々な修正をなすことができることを認識するであろう。このような修正の例は、図５Ｂ、図６、図９Ａ、図９Ｂに見ることができる。
[0064]前述した範囲内のいかなる温度も十分であるが、理想的な混合域は、摂氏４２５度に維持されるのがよい。所定の温度、例えば摂氏５０度と摂氏５５０度の範囲内で、混合された前駆ガスにさらされてもよいが、ＧａＣｌ３では理想的には摂氏約４２５度に維持されるのがよい表面を有するすべての部品を設定し、維持するように、温度制御構成要素を用いてもよいことは留意すべきである。ある実施形態において、このような制御構成要素は、前駆ガスにさらされる様々な領域の全体的な或いは独立した制御を可能にすることができる。これらの域は、例えば、処理容積部の内側或いは外側（場合によりチャンバの外側）でもよい混合域、チャンバ部品（例えば、シャワーヘッド構成要素）、基板或いはその近くの域（例えば、サセプタ又はその近く）を含む。前駆体の供給のためにアンプルを用いる実施形態では、アンプル温度もまた、全体的に或いは独立して制御されるのがよい。
[0065]例えば、複数のランプ１３０ａ、１３０ｂを、望ましい温度範囲を維持するために用いてもよい。ある実施形態において、ランプは、同心円に配置され場合がある。例えば、ランプ１３０ｂの内側列は、８つのランプを含んでもよく、ランプ１３０ｂの外側列は、１２のランプを含んでもよい。本発明の一実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂは、各々個々に出力される。ある実施形態において、ランプ１３０ａ、１３０ｂの列は、シャワーヘッドアセンブリ１０４の上方或いはシャワーヘッドアセンブリ１０４内に位置決めされる場合がある。ランプの他の配置と他の数が可能であることが理解される。本発明がランプの列の使用に限定されるものではないことは理解されるべきである。
[0066]１つ以上の基板を含有する処理容積部を混合域と同様の方法で加熱するが、処理容積部の加熱は、混合域の加熱に影響されない。ある実施形態において、容積部を加熱するために用いられる加熱装置は、基板を加熱するために用いられるのと同一の加熱装置でもよい。基板とサセプタは、理想的には、複数のランプによって摂氏１０５０度まで加熱可能である。
[0067]上記実施形態は、加熱ランプを用いて温度を維持することを述べているが、適切な温度を、処理チャンバ、シャワーヘッド、ガス前駆体に確実に充分に加えるために、いかなる適切な加熱源を用いてもよい。
[0068]本明細書に前述した前駆体に加えて、他の前駆体をシャワーヘッドアセンブリ１０４で用いることができる。例えば、一般式ＭＸ３（式中、ＭはＩＩＩ族原子（例えば、ガリウム、アルミニウム、又はインジウム）であり、Ｘは、ＶＩＩ族原子（例えば、臭素、塩素又はヨウ素）である）を有する前駆体を用いてもよい（例えば、ＧａＣｌ３）。ガス分配システム１２５の構成要素（例えば、バブラー、供給ライン）は、ＭＸ３前駆体をシャワーヘッドアセンブリ１０４に分配するように適切に適合されてもよい。
[0069]上記は、本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他多くの実施形態を、本発明の基本的な範囲から逸脱することなしに構成されてもよく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。
１００…装置、１０２…チャンバ本体、１０４…シャワーヘッドアセンブリ、１０６…前駆ガス、１０８…処理容積部、１１４…基板キャリヤ、１１６…凹部、１３０ａ…ランプ、１３０ｂ…ランプ、２０６…不活性ガス、２１６…金属含有前駆ガス、２２６…窒素含有ガス、２３６…排気部、２５１…ガスチューブ、２５２…ガスチューブ、２５３…接続ポート、２５５…ガスポート、２５７…幹チューブ、２５８…“Ｓ”湾曲部、２５９…分枝チューブ、２６０…プレート、２６７…切り込み、２８０…ソースボート、３１０…計量ビューポート、８１０…チャネル、８１１…塩素含有ガス、８１２…不活性ガス、８１３…金属含有前駆ガス、８２０…ウェル、１０００…アンプル、１００２…ＩＩＩ族三塩化物、１００４…ＩＩＩ族三塩化物、１０５１…金属含有前駆ガス、１１００…加熱された混合域。

Claims (15)

  1. １つ以上の基板上にＩＩＩ-Ｖ族膜を形成する方法であって、
    固体又は液体のＩＩＩ族金属含有ソースの上に不活性ガスを流すことにより１つ以上の金属前駆ガスを形成するステップと、
    該１つ以上の金属含有前駆ガスを第１組の通路を通して該１つ以上の基板の上方に導入するステップと、
    窒素含有前駆ガスを第２組の通路を通して該１つ以上の基板の上方に導入するステップであって、該第２組の通路が、該第１組の通路と離されている、前記ステップと、
    を含む、前記方法。
  2. 該ＩＩＩ族金属含有ソースが、固体又は液体の状態で少なくとも１つのＩＩＩ族三塩化物を含有するアンプルである、請求項１に記載の方法。
  3. 少なくとも１つのＩＩＩ族三塩化物を含有する該アンプルの温度を監視するステップと、
    該アンプルの監視された温度に基づいて該アンプルの該温度を制御するステップと、
    を更に含む、請求項２に記載の方法。
  4. 固体又は液体の状態でＩＩＩ族三塩化物を含有する該アンプルが所定の温度に加熱され維持され、ここで、該所定の温度が、摂氏５０度と摂氏２５０度の間の範囲であり、気体のＩＩＩ族三塩化物が形成される、請求項２に記載の方法。
  5. 該ＩＩＩ族金属含有ソースが、
    ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの金属と、
    塩素、ヨウ素、及び臭素からなる群より選ばれる少なくとも１つのＶＩＩ族元素と、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 水素化物気相エピタキシャルチャンバのためのガス分配装置であって、
    金属含有前駆ガスを与える固体又は液体の状態で少なくとも１つのＩＩＩ族三塩化物を含有するアンプルと、
    該金属含有前駆ガスの流れを供給する第１組の通路と、
    窒素含有前駆ガスの流れを供給する第２組の通路と、
    を備える、前記ガス分配装置。
  7. ＩＩＩ族三塩化物ガスが得るために、固体又は液体の状態で少なくとも１つのＩＩＩ族三塩化物を含有する該アンプルが、所定の温度に加熱され、維持され、該所定の温度が、摂氏５０度と摂氏２５０度の間の範囲である、請求項６に記載のガス分配装置。
  8. 該第１組と第２組の通路の各々が、
    該少なくとも１つの基板の該表面の上方に位置決めされた中空の幹チューブと、
    該幹チューブに流体で接続され、該少なくとも１つの基板の該表面の上方且つほぼ平行に位置決めされた１つ以上の中空の枝チューブと、
    該枝チューブ中の該ガスが、該少なくとも１つの基板に向かって該枝チューブを出るように、該枝チューブ内に形成された複数のガスポートと、
    を備え、該第１のガス流入口の該枝チューブが、該第２のガス流入口の枝チューブに散在されている、請求項７に記載のガス分配装置。
  9. 該中空の幹チューブと中空の枝チューブが、異なる材料から構成されている、請求項８に記載の装置。
  10. 該幹チューブの各々が、幹チューブによって形成された弧に沿って位置決めされ、更に、
    該枝チューブの各々が、該幹チューブから離れて該チャンバ全体に伸びている、請求項８に記載の装置。
  11. 混合された前駆ガスにさらされる場合がある表面を有する該装置の全ての部品が、所定の温度に加熱され、維持され、該所定の温度が、摂氏５０度と摂氏２５０度の間の範囲である、請求項８に記載の装置。
  12. １つ以上の前駆ガスにさらされる１つ以上の域を１つ以上の所定の温度に維持する温度制御構成要素、
    を更に備える、請求項６に記載の装置。
  13. 該温度制御構成要素が、該域の少なくとも２つの独立した制御が可能である、請求項１２に記載の装置。
  14. 該１つ以上の域が、該アンプルを備えている、請求項１２に記載の装置。
  15. 該１つ以上の域が、該基板の域或いは基板近くの域を更に備えている、請求項１４に記載の装置。
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