JP2012248664A

JP2012248664A - 気相成長装置及び気相成長方法、並びにエピタキシャルウェハ

Info

Publication number: JP2012248664A
Application number: JP2011118966A
Authority: JP
Inventors: Tokuo Yano; 徳雄矢野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】膜厚分布の調整を容易、且つより均一な膜厚分布を実現できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】反応炉１１内に半導体原料ガスを供給し、反応炉１１内の基板１２上に化合物半導体膜を成長させる気相成長装置１０において、反応炉１１内に半導体原料ガスの供給口１３を複数設け、複数の供給口１３からそれぞれ半導体原料ガスを供給して反応炉１１内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応炉内に半導体原料ガスを供給し、反応炉内の基板上に化合物半導体膜を成長させる気相成長装置及び気相成長方法、並びにエピタキシャルウェハに関するものである。

エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法などにより製造される。ＭＯＶＰＥ法を適用するために用いられる従来の気相成長装置を図４に示す。

図４に示すように、従来の気相成長装置４０では、サセプタ１５に基板１２をセットし、そのサセプタ１５を成長炉（反応炉）１１内に搬入後、ヒーター１７で基板１２を加熱した状態でサセプタ１５を回転（基板１２を公転）させながら、供給口１３から原料ガスを反応炉１１に導入し、ヒーター１７の熱により熱分解された原料ガスを基板１２上で化学反応させ、基板１２に堆積させることで化合物半導体層（エピタキシャル層）を形成している。

特開２００２−８３７７８号公報

エピタキシャル層の膜厚分布（ウェハ面内均一性）は、エピタキシャル層自身の特性だけでなく、後工程におけるエッチング均一性や、チップ化後の特性の分布に大きく影響する重要な要素である。膜厚分布が悪い（大きい）とウェハの中心部分と外周部分とで特性が異なってしまい、歩留り悪化の原因となる。

エピタキシャル層の膜厚分布は、反応炉内に供給された原料が、ヒーターにより分解され、各原料が基板上で化学反応し、堆積する量（化学反応により堆積に寄与する原料の濃度）で決まる。さらに、膜厚分布は、メンテ等による反応炉内の冶具の微妙なズレや、生産に伴う反応炉内への累積デポ厚等による炉内環境の変化によっても時々刻々変化する。

従来は、膜厚分布の調整は成長温度、及び原料の供給量（濃度）のバランス等により行ってきたが、成長温度の変更には、膜厚分布だけでなく、他の特性への影響もあるため慎重に行う必要があり、製品成長前の条件出しが多数必要となり、生産コストの増加に繋がる。さらに、この成長温度や従来の原料供給量の調整は、原料の供給側から排気側に向かう原料の流れに対して平行な方向の原料濃度の調整であるため、基板が公転しかしない反応炉においてはその調整にも限界があり、場合によっては炉を開放して冶具の設置し直し等を行わざるを得ない場合もあり、時間的なロスも多大であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、膜厚分布の調整を容易、且つより均一な膜厚分布を実現できる気相成長装置及び気相成長方法、並びにエピタキシャルウェハを提供することにある。

上記課題を解決するために創案された本発明は、反応炉内に半導体原料ガスを供給し、反応炉内の基板上に化合物半導体膜を成長させる気相成長装置において、前記反応炉内に半導体原料ガスの供給口を複数設け、前記複数の供給口からそれぞれ半導体原料ガスを供給して前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整する気相成長装置である。

各供給口から供給される前記半導体原料ガスの濃度測定を行い、それに基づいて各供給口に供給する半導体原料ガスの濃度を調整して、前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整してもよい。

各供給口から供給される前記半導体原料ガスの濃度測定を行い、それに基づいて各供給口に供給する半導体原料ガスを希釈するガス量を調整して、前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整してもよい。

また、本発明は、反応炉内に設けられたサセプタの載置部に基板を載置する工程と、前記反応炉内に設けられた複数の供給口から半導体原料ガスを供給し、前記基板上に化合物半導体層を形成する工程とを有し、前記複数の供給口からそれぞれ半導体原料ガスを供給して反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整する気相成長方法である。

前記複数の供給口から供給される半導体原料ガスは、それぞれ独立に濃度制御されてもよい。

前記基板上に化合物半導体層を形成する際に、前記基板を公転させてもよい。

さらに、本発明は、前記気相成長方法を用いて形成され、化合物半導体層の厚さの面内分布が０．１％未満のエピタキシャルウェハである。

本発明によれば、膜厚分布の調整を容易、且つより均一な膜厚分布を実現できる。

本実施の形態に係る気相成長装置の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。サセプタの載置部に載置した基板の反応炉内での位置を示した図である。気相成長装置内における基板上の膜厚分布（原料濃度分布）を示す模式図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ’線断面矢視図、（ｂ）及び（ｃ）は図２のＢ−Ｂ’線断面矢視図である。従来技術における気相成長装置の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。

本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本実施の形態に係る気相成長装置を模式的に示したものであり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る気相成長装置１０は、ＭＯＶＰＥ法を適用するための装置であり、成長炉（反応炉）１１内に半導体原料ガス（以下、原料ガス）を供給し、反応炉１１内の基板１２上に化合物半導体膜を成長させるものである。

反応炉１１の一端側には反応炉１１内に原料ガスを供給するための供給口１３が設けられ、他端側には使用済みのガスを排気するための排気口１４が設けられる。供給口１３から供給される原料ガスは、化合物半導体膜の原料となる材料のガスとキャリアガスとからなる。

基板１２のエピタキシャル成長面と反対の面側には基板１２を加熱するためのヒーター１７が配置される。

サセプタ１５は、基板１２をセットするための複数（ここでは４つ）の載置部が形成された基板セット冶具である。このサセプタ１５に図２に示すような配置で基板１２ａ〜１２ｄをセットして化合物半導体膜を成長させる場合、成長時の炉内の原料濃度は供給側（上流側）が高く、排気側（下流側）が低くなっているため、図３（ａ）に示すように、基板１２ａ，１２ｃに成長される化合物半導体膜の膜厚分布は、供給側（上流側）から排気側（下流側）にかけて薄くなってしまう。

この問題を回避すべく、サセプタ１５の中心には回転軸１６が接続される。これにより、回転軸１６と共にサセプタ１５が回転し、基板１２が公転するようにされ、上流側と下流側の原料濃度（膜厚）差がキャンセルされる。これは、図３（ｂ）に示すように、原料ガスの流れ垂直方向（図２では上下方向）の濃度分布が均一であることを前提としている。

しかしながら、サセプタ１５の設置位置のズレや生産の進行に伴う反応炉１１内への累積堆積物等により、常に原料ガスの流れ垂直方向の濃度分布を均一に保つのは困難であり、成長後のエピタキシャルウェハにおける化合物半導体膜の膜厚分布が悪い場合は、図３（ｃ）に示すように、原料ガスの流れ垂直方向の膜厚分布が均一でない場合が多い。これは、サセプタ１５外の原料ガス濃度が高いため、回転させてもこの濃度分布をキャンセルすることはできないためである。

そこで、本実施の形態に係る気相成長装置１０では、反応炉１１内に原料ガスの供給口１３を複数（ここでは３つ）設け、図３（ｃ）に示した流れ垂直方向の膜厚分布が均一でない場合に、複数の供給口１３からそれぞれ原料ガスを供給して反応炉１１内の半導体原料ガス濃度（原料ガス濃度）を局所的に調整するようにした。

つまり、原料ガスの供給口１３が従来は１つであるのに対し、気相成長装置１０では原料ガスの流れ垂直方向に３つ並べた形であり、各供給口１３から供給される原料ガスの濃度を独立して制御できることを特徴とする。各供給口１３には、供給される原料ガスの濃度を測定するための濃度測定手段（図示せず）が設けられている。

この気相成長装置１０を用いた気相成長方法を説明する。

本実施の形態に係る気相成長方法は、反応炉１１内に設けられたサセプタ１５の載置部に基板１２を載置する工程と、反応炉１１内に設けられた複数の供給口１３から原料ガスを供給し、基板１２上にエピタキシャル層を形成する工程とを有し、複数の供給口１３からそれぞれ原料ガスを供給して反応炉１１内の原料ガス濃度を局所的に調整することを特徴とする。

より具体的には、反応炉１１内に設けられたサセプタ１５の載置部に基板１２を載置する（あるいは、サセプタ１５の載置部に基板１２をセットし、そのサセプタ１５を反応炉１１内に搬入する）。

その後、ヒーター１７で基板１２を加熱した状態でサセプタ１５を回転（基板１２を公転）させながら、原料ガスを反応炉１１に導入する。このとき、各供給口１３からそれぞれ供給される原料ガスの濃度測定を行い、それに基づいて各供給口１３に供給する原料ガスの濃度を調整、あるいは原料ガスを希釈するガス量を調整して、反応炉１１内の原料ガス濃度を局所的に調整する。原料の濃度の調整にあたっては、各供給口１３に設けられた濃度測定手段により、実際の成長時の各供給口１３における原料濃度測定を行うのが望ましい。

このようにして基板１２上に化合物半導体膜を成長させることで、エピタキシャル層の厚さの面内分布が０．１％未満であるエピタキシャルウェハが得られる。

以上説明したように、本発明では、原料ガスの供給口１３を増設し、それぞれ独立して制御することができるので、図３（ｃ）のような膜厚分布の場合は、サセプタ１５外周側に相当する中心以外の原料ガス供給量を下げることで、サセプタ１５外周側の原料ガス濃度を下げ、化合物半導体膜の膜厚分布を図３（ｂ）のように均一にすることが可能である。つまり、本発明によれば、膜厚分布の調整を容易、且つより均一な膜厚分布を実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、基板１２上のエピタキシャル層の膜厚分布を均一なものとする場合を説明したが、平坦な膜厚分布を望まない場合、外周側が厚い（または薄い）分布のエピタキシャル層を得たい場合は外周側の濃度の調整により、ウェハ外周側を厚く、または薄くといったように微調整してもよい。また、均一な積層構造の一部の層だけ分布を調整することも可能である。

また、上記実施の形態では、原料の供給口１３を２つ増設した（つまり供給口１３を３つ設けた）が、供給口は３つ以上増設してもよい。さらに、原料の供給口をサセプタの直前に配置してもよい。

さらにまた、上記実施の形態では、原料供給口１３から供給する原料ガスの濃度をそれぞれ調整したが、原料供給口以外から原料の流路上（上流側）で希釈ガスを添加できる構成としてもよい。また、原料ガスの供給口、または原料ガスの供給口以外から原料ガスの流路上（上流側）で希釈ガスを添加できる形で局所的に原料ガスの流速を調整できるようにしてもよい。

１０気相成長装置
１１反応炉
１２基板
１３供給口
１４排気口
１５サセプタ
１６回転軸
１７ヒーター

Claims

反応炉内に半導体原料ガスを供給し、反応炉内の基板上に化合物半導体膜を成長させる気相成長装置において、前記反応炉内に半導体原料ガスの供給口を複数設け、前記複数の供給口からそれぞれ半導体原料ガスを供給して前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整することを特徴とする気相成長装置。
各供給口から供給される前記半導体原料ガスの濃度測定を行い、それに基づいて各供給口に供給する半導体原料ガスの濃度を調整して、前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整する請求項１記載の気相成長装置。
各供給口から供給される前記半導体原料ガスの濃度測定を行い、それに基づいて各供給口に供給する半導体原料ガスを希釈するガス量を調整して、前記反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整する請求項１記載の気相成長装置。
反応炉内に設けられたサセプタの載置部に基板を載置する工程と、前記反応炉内に設けられた複数の供給口から半導体原料ガスを供給し、前記基板上に化合物半導体層を形成する工程とを有し、
前記複数の供給口からそれぞれ半導体原料ガスを供給して反応炉内の半導体原料ガス濃度を局所的に調整することを特徴とする気相成長方法。
前記複数の供給口から供給される半導体原料ガスは、それぞれ独立に濃度制御される請求項４記載の気相成長方法。
前記基板上に化合物半導体層を形成する際に、前記基板を公転させる請求項４又は５記載の気相成長方法。
請求項４〜６記載の気相成長方法を用いて形成され、化合物半導体層の厚さの面内分布が０．１％未満であることを特徴とするエピタキシャルウェハ。