JP2012504866A - 化学蒸着堆積のための方法および装置 - Google Patents

化学蒸着堆積のための方法および装置 Download PDF

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Abstract

基板（２０）上に化合物半導体を堆積させる方法が開示されている。この方法は、基板（２０）を収容している反応チャンバ（１０）内に、ガス状の反応物質（３０，３４）を導くことと、ガス状の反応物質（３０，３４）の一種を活性化させるには十分であるが、該反応物質を分解させるには不十分であるエネルギーを加えるために、該反応物質にエネルギー（３１ａ，３１ｂ）を選択的に供給することと、そして、該反応物質を他の反応物質と反応させるために、基板（２０）の表面において、該反応物質を分解させることとを含んでいる。好ましいエネルギー源（３１ａ，３１ｂ）は、マイクロ波放射線または赤外線放射線である。これらの方法を実行する反応装置（１０）も開示されている。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００８年１０月３日に出願された米国仮特許出願第６１／１９５，０９３号の出願日の利益を主張するものであり、その開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
［発明の分野］
本発明は、一般的に、化学蒸着方法および化学蒸着装置に関する。
化学蒸着は、一種または複数種の化学種含有ガスを基板の表面上に導き、基板上で反応種を反応させ、該基板上に堆積物を生成させる方法である。例えば、基板上での半導体材料のエピタキシャル成長によって、化合物半導体を生成させることができる。基板は、典型的には、一般的に「ウエハ（wafer）」と呼ばれる円板状の結晶材料である。ＩＩＩ−Ｖ族半導体のような化合物半導体は、一般的に、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＯＶ）を用いて化合物半導体の層をウエハ上に成長させることによって、生成されている。このプロセスでは、化学種は、ＩＩＩ族金属であるガリウム、インジウム、およびアルミニウムのアルキルのような一種または複数種の有機金属化合物、およびＶ族元素の供給源、例えば、ＮＨ３，ＡｓＨ３およびアンチモンの水素化物のような一種または複数種のＶ族元素の一種または複数種の水素化物を含むガスの組合せによって、もたらされている。これらのガスは、サファイアウエハのようなウエハの表面において互いに反応し、一般式ＩｎＸＧａＹＡｌＺＮＡＡｓＢＰＣＳｂＤ（ただし、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝略１、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＝略１、およびＸ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各々は、０から１の間）のＩＩＩ−Ｖ族化合物を生成することになる。場合によっては、ビスマスが、他のＩＩＩ族金属のいくつかまたは全ての種類に代わって用いられていてもよい。
このプロセスでは、ウエハは、反応チャンバ内において高温に維持されている。反応ガスが、典型的には不活性のキャリアガスと混合して、反応チャンバ内に導かれることになる。典型的には、これらのガスは、反応チャンバ内に導かれるとき、比較的低温、例えば、約５０℃以下である。これらのガスが高温のウエハに達すると、該ガスの温度、従って、反応のための有効エネルギーが高まることになる。
この開示に用いられている「有効エネルギー（available energy）」という用語は、化学反応に用いられる反応種の化学ポテンシャルを指している。化学ポテンシャルは、系（粒子、分子、振動状態または電子状態、反応平衡、など）のエネルギーを記述するために、熱力学、物理学、および化学において一般的に用いられている用語である。しかし、化学ポテンシャルという用語のさらに明確な代替的用語、例えば、ギブスの自由エネルギー（熱力学）やフェルミ準位（固体物理学）等が、種々の学術的な分野において用いられている。他に特別の規定がない限り、「有効エネルギー」という用語は、特定の材料の化学ポテンシャルを指すものと理解されたい。
特許文献１によれば、アンモニア源が反応装置内においてＵＶ光によって活性化されるようになっているＣＶＤ反応装置が開示されている。この出願に示されている下降流反応装置では、ＵＶ源は、アンモニアが反応装置に入るときに、該アンモニアを活性化するようになっている、また、これらの出願人は、これによって、真空反応装置内におけるより低温の反応を達成することができることも示している。
特許文献２および他のこのような開示に示されているように、種々の形式のプラズマ反応装置において、反応ガスの少なくとも一部をイオン化し、少なくとも一種の反応種を生成するために、高周波電力が反応装置内の電極に印加されることが知られている。
また、化学蒸着プロセスを促進させるために、レーザが利用されていてもよいことも知られている。例えば、「レーザ誘起送給プロセスによるα窒化ガリウムの単相堆積」と題する非特許文献１によれば、基板表面に平行のレーザ放射が行われ、これによって、種々のガス状分子が励起されるようになっている。これらのガスは、アンモニアのような化合物を含むことができる。「窒化物膜のフッ化アルゴンレーザによって活性化された堆積」と題する非特許文献２によれば、適切な蒸気源からのイオンを基板表面の近くで解離するために、高エネルギー光子が用いられている。同様に、「窒化インジウム（ＩｎＮ）のレーザ支援有機金属気相エピタキシー（ＬＭＯＶＰＥ）」と題する非特許文献３には、ＭＯＶＰＥによって成長させたＩｎＮ膜の電気的特性を改良するために、最適な成長温度でのアンモニアの分解が高められると記載されている。アンモニアおよびトリメチルインジウムなどのような有機前駆体の光解離を行うこの目的のために、ＡｒＦレーザが用いられている。
米国特許出願公開第２００７／０２５６６３５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１５６９８３号明細書
Lee et al., "Single-phase Deposition of a α- Gallium Nitride by a Laser-induced Transport Process", J. Mater. Chem., 1993, 3(4), 347-351 Tansley et al., "Argon Fluoride Laser Activated Deposition of Nitride Films", Thin Solid Films, 163 (1988) 255-259 Bhutyan et al., "Laser-Assited Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy (LMOVPE) of Indium Nitride (InN)", phys. stat. sol. (a) 194, No. 2, 501-505 (2002)
このようなことから、アンモニアのような反応物質をより大きな割合でより有効に利用することができ、改良された膜を現在用いられているのと同じ反応装置条件で生成することができる、改良されたＣＶＤ反応プロセスに対する研究が、依然として続けられてきている。
本発明によれば、これらおよび他の目的は、化合物半導体を基板上に堆積させる方法であって、（ａ）基板を反応チャンバ内に保持するステップと、（ｂ）複数種のガス状の反応物質をガス入口から反応チャンバ内に基板の表面に向かって下流方向に導くステップであって、複数種のガス状の反応物質は、基板上に堆積物を生成するために、基板の表面において互いに反応するものである、ステップと、（ｃ）複数種のガス状の反応物質の一種を活性化させるには十分であるが、複数種のガス状の反応物質の該一種を分解させるには十分でないエネルギーを加えるために、ガス入口の下流でかつ基板の上流において、複数種のガス状の反応物質の該一種にエネルギーを選択的に供給するステップと、（ｄ）基板の表面において、複数種のガス状の反応物質を分解させるステップとを含んでなることを特徴とする方法の発見によって達成されている。好ましくは、選択的に供給されるエネルギーは、マイクロ波エネルギーおよび赤外線エネルギーからなる群から選択されるようになっている。
本発明の方法の一実施形態によれば、選択的に供給されるエネルギーは、複数種のガス状の反応物質の該一種の共鳴周波数で供給されるようになっている。
本発明の方法の他の実施形態によれば、本方法は、複数種のガス状の反応物質の該一種を基板の予め選択された領域に導き、同時にエネルギーを基板の予め選択された領域にのみに選択的に供給することを含んでいる。
本発明の方法の他に実施形態によれば、複数種のガス状の反応物質を導く上記ステップは、複数種のガス状の反応物質が、入口と基板の表面との間の流れ領域の少なくとも一部において、実質的に互いに分離して維持されるように、反応物質を基板に向かって導くことを含んでおり、基板を反応チャンバ内に保持する上記ステップは、基板を運動している状態で保持することを含んでいる。好ましくは、基板を運動している状態で保持する上記ステップは、複数種のガス状の反応物質が反応チャンバ内の回転軸を横切っている基板の表面に衝突するように、回転軸を中心として基板を回転させることを含んでいる。好ましい実施形態では、複数種のガス状の反応物質を導く上記ステップは、反応物質を反応チャンバの個別の区域内に導くことを含んでおり、エネルギーを選択的に供給する上記ステップは、複数種のガス状の反応物質の該一種が供給される区域にのみエネルギーを供給し、複数種のガス状の反応物質の他のものが供給される区域にはエネルギーを供給しないことを含んでいる。
本発明の方法の一実施形態によれば、選択的に印加されるエネルギーは、回転軸に対して０°から９０°の間の角度で、複数種の反応物質の該一種に印加されるようになっている。一実施形態では、角度は、回転軸に対して約０°である。他の実施形態では、角度は、回転軸に対して約９０°である。他の実施形態では、角度は、回転軸に対して０°から９０°の間でありうる。
本発明によれば、化合物半導体を基板上に堆積させる方法であって、（ａ）基板を反応チャンバ内に保持するステップと、（ｂ）Ｖ族水素化物およびＩＩＩ族金属の有機化合物を含む複数種のガス状の反応物質をガス入口から反応チャンバ内に基板の表面に向かって下流方向に導くステップと、（ｃ）Ｖ族水素化物を活性化させるには十分であるが、Ｖ族水素化物を分解させるには十分でないエネルギーを加えるために、入口の下流でかつ基板の上流において、Ｖ族水素化物にエネルギーを選択的に供給するステップと、（ｄ）基板の表面において、複数種のガス状の反応物質を分解させるステップとを含んでなることを特徴とする方法も見出されている。好ましい実施形態では、選択的に供給されるエネルギーは、マイクロ波エネルギーおよび赤外線エネルギーからなる群から選択されるようになっている。
本発明の方法の一実施形態によれば、選択的に供給されるエネルギーは、Ｖ族水素化物の共鳴周波数で供給されるようになっている。好ましくは、Ｖ族水素化物は、アンモニアを含んでいる。好ましい実施形態では、本方法は、Ｖ族水素化物を基板の予選択された領域に導き、同時にエネルギーを基板の予選択された領域にのみ選択的に供給することを含んでいる。好ましい実施形態では、ＩＩＩ族金属は、ガリウム、インジウム、またはアルミニウムである。好ましくは、複数種のガス状の反応物質を導く上記ステップは、複数種のガス状の反応物質が、入口と基板の表面との間の流れ領域の少なくとも一部において、実質的に互いに分離して維持されるように、反応物質を基板に向かって導くことを含んでおり、基板を反応チャンバ内に保持する上記ステップは、基板を運動している状態で保持することを含んでいる。好ましくは、基板を運動している状態で保持する上記ステップは、複数種のガス状の反応物質が反応チャンバ内の回転軸を横切っている基板の表面と衝突するように、回転軸を中心として基板を回転させることを含んでいる。
本発明の方法の一実施形態によれば、選択的に印加されるエネルギーは、回転軸に対して０°から９０°の間の角度で、Ｖ族水素化物に印加されるようになっている。一実施形態では、角度は、回転軸に対して約０°である。他の実施形態では、角度は、回転軸に対して約９０°である。他の実施形態では、角度は、回転軸に対して０°から９０°の間の角度でありうる。好ましい実施形態では、ガス状の反応物質を導く上記ステップは、反応物質を反応チャンバの個別の区域内に導くことを含んでおり、エネルギーを選択的に供給する上記ステップは、Ｖ族水素化物が供給される個別の区域にのみエネルギーを供給し、ＩＩＩ族金属の有機化合物が供給される個別の区域にはエネルギーを供給しないことを含んでいる。好ましい実施形態では、ＩＩＩ族金属は、インジウムを含んでいる。
本発明によれば、化学蒸着反応装置であり、（ａ）反応チャンバと、（ｂ）上流方向および下流方向に延在している回転軸を中心として回転するように、反応チャンバ内に取り付けられた基板キャリアであって、１つ以上の基板を該１つ以上の基板の表面が概して上流方向を向くように保持するように構成されている、基板キャリアと、（ｃ）基板キャリアの上流に配置された流入口要素であって、流入口要素は、回転軸を横切る方向における互いに異なる位置に配置された複数の放出区域を有しており、流入口要素は、互いに異なるガスを複数の放出区域の互いに異なる区域に放出するように構成されており、これによって、放出されたガスが回転軸に対して互いに異なる位置における実質的に分離した流れとして、基板キャリアに向かって略下流に導かれるようになっている、流入口要素と、（ｄ）流入口要素と基板キャリアとの間において、実質的に分離した流れの選択された１つと一直線に並んでいる位置にエネルギーを選択的に供給し、これによって、実質的に分離した流れの選択された１つに関連付けられたガスにエネルギーを選択的に供給するように、配置された選択的エネルギー入力装置と、を備えていることを特徴とする化学蒸着反応装置が案出されている。好ましい実施形態では、選択的エネルギー入力装置は、マイクロ波または赤外線エネルギー発生器である。好ましくは、選択的エネルギー入力装置は、実質的に分離した流れの選択された１つに関連付けられたガスによって実質的に吸収される波長により、エネルギーを供給するように構成されている。好ましくは、エネルギーは、実質的に分離した流れの他のものによって実質的に吸収されないようになっている。
本発明の反応装置の一実施形態によれば、選択的エネルギー入力装置は、回転軸を横切る方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿ってエネルギーのビームを導くように、配置されている。好ましい実施形態では、１つ以上のビーム経路は、基板キャリアの表面に隣接する位置において選択された流れと交差するように配置されている。
本発明の反応装置の一実施形態によれば、選択的エネルギー入力装置は、エネルギーのビームを回転軸と平行の方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って導くように、配置されている。他の実施形態では、選択的エネルギー入力装置は、エネルギーのビームを、回転軸に対して約０°から９０°の間の角度にある方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って導くように、配置されている。本発明の装置のさらに他の実施形態では、選択的エネルギー入力装置は、回転軸に対して約９０°の角度にある方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿ってエネルギーのビームを導くように配置されている。
本発明は、図面と関連させて以下の詳細な説明を参照することによって、さらに十分に理解されるであろう。
本発明による反応装置の部分側断面図である。 図１に示されている反応装置の一部の底面図である。 本発明による反応装置内のガス入口の一部の部分拡大図である。 本発明による反応装置内部の一部の部分側方斜視図である。 本発明による反応装置の回転ディスクの一部の上面図である。
本発明は、化合物半導体を生成するためのＭＯＣＶＤ装置に利用される一種または複数種のガス状の反応物質への選択的なエネルギー印加について、特に述べるものである。具体的には、本発明は、この目的のために、マイクロ波放射または赤外線（ＩＲ）放射を特に利用している。マイクロ波エネルギーは、一般的に、１ｍ未満ほどの長い波長から１ｍｍほどの短い波長に及ぶ範囲内の波長、換言すれば、３００メガヘルツから３００ギガヘルツの間の周波数を有する電磁波として知られている。一方、赤外線は、一般的に、可視光（４００−７００ｎｍ）よりも長く、テラヘルツ放射線（１００μｍ−１ｍｍ）およびマイクロ波よりも短い波長を有する電磁波として知られている。本発明によれば、「マイクロ波放射線」という用語は、テラヘルツ放射線を特に含むことが意図されている。すなわち、（マイクロ波域の高周波端と一般的に呼ばれている約１ｍｍから（遠赤外域の長波長端である）１００μｍに至るサブミリ波長域に対応する約３００ギガヘルツから３テラヘルツの間の領域を含んでいる。
化合物半導体の生成に一般的に用いられているＭＯＣＶＤ装置の一形態が、図１に概略的に示されている。この装置は、反応チャンバ１０を備えている。反応チャンバ１０は、該反応チャンバ内に回転可能に取り付けられたスピンドル１２を有している。スピンドル１２は、回転駆動機構１６によって、軸１４を中心として回転可能になっている。軸１４は、上流方向Ｕおよび下流方向Ｄに延在している。典型的には円板状のウエハキャリア１８の形態にある基板キャリアが、スピンドルに該スピンドルと共に回転可能に取り付けられている。典型的には、基板キャリアおよびスピンドルは、約１００−２０００ｒｐｍで回転するようになっている。基板キャリアは、多数の円板状ウエハ２０をこれらのウエハの表面２２が軸１４と直交する面内にあって上流方向を向くように保持するように、適合されている。ウエハキャリアを加熱するために、加熱装置２６、例えば、抵抗加熱要素が、反応チャンバ内に配置されている。流入口要素２８が、基板キャリアおよびスピンドルの上流に取り付けられている。流入口要素は、プロセスに用いられるガス源３０，３２，３４に接続されている。流入口要素は、種々のガスの流れを反応チャンバ内に導くものである。本明細書では「流れ領域（flow region）」３７と呼ばれる流入口要素２８の近くの反応チャンバの領域において、ガス流は、一般的に、基板キャリア１８およびウエハ２０に向かって下流に移動することになる。好ましくは、この下流に移動する流れによって、下流に向かうガスの個別の流れの実質的な混合が生じないようになっている。望ましくは、流れ領域３７における流れは、層流である。基板キャリア１８が急速に回転しているので、基板キャリアの表面およびウエハの表面も、同様に急速に運動している。基板キャリアおよびウエハのこの急速な運動によって、ガスが軸１４を中心とする回転運動および軸１４から離れる半径方向流れに取り込まれ、これによって、種々の流れのガスが、図１において３６によって概略的に示されている境界層内において互いに混合することになる。勿論、実際の操業では、流れ領域３７において矢印３８によって示されている略下流方向の流れの形態と、境界層３６内における急速な回転流れおよび混合と、の間に段階的な移行が存在している。しかし、境界層は、ガスがウエハの表面と実質的に平行に流れる領域と見なすことができる。典型的な操作条件下では、境界層の厚みｔは、約１ｃｍである。一方、流入口要素２８の下流面からウエハの表面２２までの距離ｄは、一般的に、約５−８ｃｍである。
従って、境界層の厚みは、流入口要素２８と基板キャリア１８との間の距離ｄよりもかなり小さく、流れ領域３７は、流入口要素２８と基板キャリアとの間の空間の大部分を占めることになる。基板キャリアの回転運動は、ガスをウエハキャリアの周縁から外方に送り出し、その結果、ガスは、排気システム４０に向かって下流に移動することになる。典型的には、反応チャンバは、約２５−１０００トール、最も典型的には、約１００−７６０トールの絶対圧下に維持されている。さらに、例えば、ＩｎＧａＮ系およびＧａＮ系ＬＥＤの製造におけるようなＩＩＩ族水素化物およびＶ族金属のアルキルの解離の場合、反応チャンバは、５００℃から１，１００℃の間の温度に維持されている。
流入口要素２８は、高温とすることもできるが、流入口要素および流れ領域における反応物質の分解または他の望ましくない反応を阻止するために、比較的低温、典型的には、約６０℃以下に維持されている。また、反応チャンバ１０の壁は、典型的には、約２５℃に冷却されている。基板キャリア１８から遠く離れている流れ領域３８におけるどのようなガス反応の割合も最小限に抑えることが望ましい。境界層３６内におけるガスの滞留時間が短いので、境界層３６におけるガス間、特に、ウエハの表面におけるガス間の迅速な反応を促進することが望ましい。従来のシステムでは、反応のためのエネルギー、例えば、ＮＨ３のようなＶ族水素化物を解離し、ＮＨ２およびＮＨのような反応中間物を生成するためのエネルギーは、基板キャリアおよびウエハからの熱伝達のみから実質的にもたらされている。従って、基板キャリアおよびウエハの温度が高くなると、反応の速度が高まる傾向にある。
しかし、ウエハキャリアおよびウエハの温度を高めると、例えば、堆積した化合物半導体の解離が増大し、該半導体からの窒素が遊離する傾向にある。この現象は、ＩｎＧａＮおよびＩｎＮのような高インジウム化合物の場合、特に顕著である。この場合、これらの化合物は、平衡Ｎ２蒸気圧が高く、高温成長がさらに一層困難になる。すなわち、窒素は、Ｎ２の形態でガス相に存在しようとする傾向にある。この問題は、温度の上昇と共に大きくなり、その結果、Ｎ空孔が生じ、これによって、素子の寿命を短縮し、該素子の性能を劣化させることになる。
加えて、これらの素子の場合、基板表面における種々の成分の滞留時間が極めて短い。滞留時間が短いと、プロセスが非効率になる。従って、基板上に十分なＮを蒸着させるのに必要なアンモニアのようなＶ族水素化物の量がますます増やされ、それに伴って、未反応のＮＨ３の量も多くなる。一方、長い滞留時間も非効率的である。すなわち、滞留時間が長くなると、反応物質間、例えば、Ｖ族水素化物とＩＩＩ族金属化合物のアルキルとの間のガス相反応が生じる可能性があり、最終的に粒子を生成することがある付加化合物を生成し、これによって、反応物質からこれらの材料が失われることになる。
本発明によれば、例えば、ＮＨ３のようなＶ族水素化物を選択的に活性化し、この反応物質の有効エネルギーを高めることによって、短い滞留時間内での分解効率を改良し、その結果、基板の表面における分解を改良し、より大きいラジカルなＮ含有種をもたらし、これによって、例えば、化学量子論的ＧａＮを生成し、最終的な生成物におけるＮ空孔を低減させることが意図されている。滞留時間を長くすることは、望ましくない。なぜならば、水素化物の早期の分解によって、例えば、（アンモニアから）Ｎ２およびＨ２が生成し、その結果、Ｎを基板内に取り込むために利用できなくなるからである。Ｎ２およびＨ２ガスは、安定すぎて、ＩＩＩ族有機金属化合物と反応することができない。従って、本発明の概念は、Ｖ族水素化物が基板に向かって流れているとき、該Ｖ族水素化物の早期の分解を阻止すると共に、基板の表面におけるガス流の短い滞留時間内において、可能な限り基板の表面の近くで、このような分解を最大限にすることにある。これは、本発明によれば、これらの化合物に特定のマイクロ波放射または赤外線放射のいずれかによって、該化合物を選択的に活性化することによって達成されることになる。その結果として、これらの化合物が基板表面に接近したとき、該化合物の有効エネルギーが高められ、該化合物の分解に必要なエネルギーが減少することになる。従って、分解は、これらの表面において、その箇所における高温度によって、容易に開始されることになる。換言すれば、赤外線放射線またはマイクロ波放射線は、Ｖ族水素化物のような選択された反応物質に選択的に印加されることになる。この場合、これらの化合物を分解するには不十分であるが、活性化するには十分なエネルギーが、これらの源から印加されることになる。この活性化は、放射線によるこれらの分子の振動が熱を生成することによって生じると考えられる。
赤外線放射線またはマイクロ波放射線の形態にあるこのエネルギーの印加は、基板の表面またはその近傍において活性化されることが意図されている所望のガス種に、該エネルギーが選択的に衝突することができるように、行われるようになっている。しかし、このエネルギーの印加の方向は、決定的な制限事項ではない。すなわち、エネルギーは、基板表面に対してまたはウエハキャリアの回転軸に対して０°から９０°の間の角度で印加されてもよい。従って、エネルギーは、基板上またはその近傍または境界層の著しく上方において、表面と平行に印加されてもよいし、基板表面に対して斜めの角度で印加されてもよいし、または基板表面とまさに直交して印加されてもよい。本発明に関連する赤外線放射線またはマイクロ波放射線からなる特定のエネルギービームは、表面劣化が概して問題にならないほど十分に低いエネルギーを有しているので、該エネルギーは、例えば、深刻な問題を生じることなく、基板表面とまさに直交して印加されてもよい。種々の他のエネルギー形態、例えば、ＵＶ光の場合、基板表面とまさに直交して導かれるビームは、該ビームの高いエネルギーによって、反応プロセスに悪影響をもたらす可能性がある。一方、前述したように、本発明によれば、基板表面に対して斜めのビームまたは基板表面に対して平行のビームを用いることも可能である。
図１を再び参照すると、マイクロ波放射線または赤外線放射線の形態にあるエネルギーは、図１に示されているように、例えば、エネルギー活性化装置３１ａまたはエネルギー活性化装置３１ｂのようなエネルギー活性化装置から、Ｖ族水素化物に印加されるようになっている。具体的には、エネルギーは、エネルギー活性化装置３１ａから、すなわち、ウエハキャリア１８の直上から、キャリアの回転軸Ｕと平行の方向、従って、ウエハ２０の表面とまさに直交する方向に印加されてもよい。代替的に、このエネルギーは、エネルギー活性化装置３１ｂから、ウエハキャリア１８の表面と平行の方向、従って、ウエハ２０の表面を横切って回転軸Ｕと直交する方向に印加されてもよい。図５に関して以下に述べる代替的実施形態では、エネルギーは、エネルギー活性化装置３１ａ，３１ｂ間の代替的な箇所に配置されたエネルギー活性化装置から印加されてもよい。これによって、エネルギーは、ウエハキャリア１８の表面、従って、ウエハ２０の表面に対して、回転軸Ｕに対して約０°から約９０°の間の角度で、該回転軸Ｕに対して斜めに、すなわち、角度を付けて印加されることになる。
ガスの全種類へのエネルギーの印加ではなく、ガスの一種または複数種へのエネルギーの選択的な印加は、反応装置の互いに異なる領域にガスを選択的に導くことによって、促進されることになる。例えば、流入口要素２８は、図２に示されているように配置されていてもよい。図２は、図１の線２−２によって示されている方向において、流入口要素に向かって上流を見た図である。この配置構造では、流入口要素２８は、軸１４に対して略半径方向に延在している細長の放出区域５０を有している。これらの放出区域は、有機金属反応物質を、典型的には窒素のようなキャリアガスと混合して、放出させるのに用いられるようになっている。例えば、流入口要素は、細長区域５０内に延在する細長の長孔状開口または小円放出開口列を有していてもよい。流入口要素２８は、軸１４の周囲に配置された概略的に４分円パターンの形態にあるさらに他の放出区域５２も有している。これらの区域は、図２において、格子縞領域によって示されている。例えば、流入口要素は、これらの区域の各々内に配置された多数の放出口を有していてもよい。操作時に、下方に向かう有機金属ガスの流れは、区域５０と一直線上にある流れ領域３７（図１）の部分を通過する一方、下方に向かうアンモニアのような水素化物の流れは、水素化物放出区域５２と一直線上にある流れ領域３７の領域を通過することになる。エネルギーは、放出区域５２と一直線上にある流れ領域の部分内にのみエネルギーを導くことによって、水素化物に選択的に印加されることになる。例えば、マイクロ波源または赤外線源（図示せず）は、マイクロ波または赤外線のエネルギーを図２に示されている放射領域、すなわち、エネルギー印加区域５４内にのみまたは図２に示されているより小さいエネルギー印加領域５６内にのみ印加するように、配置されていてもよい。２つの放射領域しか図２に示されていないが、典型的な反応装置は、放出区域５２の各々と一直線上にある放射領域を含みうる。
図３に概略的に示されているように、流入口要素１２８は、軸１４を横切る方向において流入口要素１２８（図３）に沿って延在している１つ以上の細長帯片の形態にある多数の放出区域を有していてもよい。流入口は、この実施形態では有機金属含有ガスを供給するために用いられる細長区域１５０を有している。流入口要素は、この実施形態ではＶ族水素化物を供給するために用いられる細長放出区域１５２も有している。これらの細長放出区域は、互いに入り組んで配置されており、かつ互いに平行に延在している。このような細長放出区域は、各々、適切なガスを放出するための細長長孔、または区域の延長方向に沿って配置された一組の孔または一組の他の離散開口を備えていてもよい。図３にはいくつかの区域しか示されていないが、流入口区域のパターンは、流入口要素の殆どまたは全てに及んでいてもよい。
流入口要素は、不活性ガスの源に接続された付加的な細長放出区域１５４を備えていてもよい。この開示において用いられている「不活性ガス」という用語は、反応に実質的に関与しないガスを指している。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の堆積では、Ｎ２，Ｈ２，Ｈｅ、またはこれらのガスの混合物のようなガスが、不活性ガスとして機能することになる。不活性ガスは、本明細書では「キャリアガス」とも呼ばれる。不活性ガスまたはキャリアガスを放出するために用いられる放出区域１５４は、他のガスに用いられる放出区域１５０，１５２と入り組んで配置されている。具体的には、キャリアガス用の放出区域１５４は、有機金属用の各放出区域１５０と次の隣接する放出区域１５２との間に配置されている。これらの種々の放出区域から放出されたガスは、略平行面内に流れる略厚板状ガス流として、互いに混合することなく反応装置の流れ領域３７内を下流側に移動することになる。このような流れの理想的な図が、図４に示されている。この図は、有機金属ガスの流れ２５０が、水素化物の流れ２５２およびこれらの流れ間に位置するキャリアガスの流れ２５４と平行に、流れ領域３７内を下流に移動する状態を示している。この図において、「パージ／カーテン」として示されている特徴部は、任意選択的なガス放出区域および該区域からの流れを示している。代替的に、「冷板（cold plate）」（上側フランジ）として示されている中実バリアが、流入口要素からいくらか下流側に延在していてもよい。
マイクロ波エネルギーまたはＩＲエネルギーをガスの流れの１つに導くとき、該放射エネルギーが回転軸１４から種々の半径方向距離に位置しているガスの流れの領域に達するように、該エネルギーを加えることが望ましい。一方、印加されるこの放射エネルギーは、典型的には、放射エネルギーが励起されることになる反応種と実質的に相互作用するように選択された波長を有している。従って、放射エネルギーは、この反応種を含んでいるガスの流れによって強く吸収されることになる。図５に示されているように、流入口要素は、一般的に４分円の形態にある２つの第１のガスの流れ３５２をもたらすように、構成されている。流れ３５２のガスは、例えば、アンモニアまたは他の水素化物でありうる。ここでも、流入口要素は、他の第２のガス、例えば、有機金属の流れ３５０Ａ，３５０Ｂをもたらすように構成されている。これらの流れは、流れ３５２の境界に沿って延びていてもよい。流入口要素は、さらに他のキャリアガスのさらに他の流れ３５４をもたらすように構成されていてもよい。この流れ３５４も、回転軸１４を中心とする４分円を占めるように構成されていてもよい。図示されているように、マイクロ波源またはＩＲ源のような放射エネルギー源は、流れ３５２のガスによって強く吸収される一方、流れ３５０，３５４のガスによって強く吸収されない波長の放射エネルギーを導くように、構成されていてもよい。この放射エネルギーは、流れ３５４，３５０を通って流れ３５２の境界３６０と衝突するように導かれていてもよい。境界３６０は、中心軸１４または回転軸に向かう方向および該軸１４から離れる方向において、実質的な半径方向長さを有している。放射エネルギーは、流れ３５０，３５４を通過するが、これらの流れ内のガスによって実質的に吸収されない。放射エネルギーは、境界３６０にそれらの半径方向長さに沿って衝突するので、中心軸１４から半径方向の距離の全てに存在しているガスの部分によって吸収されることになる。以下にさらに説明するように、放射エネルギーは、流れ領域の下端の近傍および境界層３６の上側境界の近傍において、ガス流との相互作用によって確実に吸収されることが望ましい。図５の実施形態では、放射エネルギー源３５６は、放射エネルギーのビームを回転軸１４と直交する面、すなわち、ウエハの表面２２（図１）および基板キャリア１８の上面と略平行の面内にある方向に導くようになっている。放射エネルギーのビームがこのような面内に正確に導かれることは、不可欠な条件ではなく、図５の実施形態では、放射エネルギーの方向がこのような面に実質的な方向成分を有していることが望ましい。従って、放射エネルギーのビームは、境界層３６の近傍において境界３６０と交差するように、中心軸１４を斜めに横切る面に導かれてもよい。もし放射エネルギーがウエハの表面と略平行の面に導かれるなら、放射エネルギーをウエハの表面に導くのを避けることが可能である。従って、ウエハ表面への放射エネルギーの望ましくない影響が制限または回避されることになる。しかし、前述したように、本明細書に記載されている比較的低いエネルギー源の場合、ウエハ表面への悪影響が最小限に抑えられることになる。これによって、基板キャリアの回転軸に対して０°から９０°の範囲内の角度で、エネルギーを印加することが可能である。
この構成の変更形態では、流れ３５０Ａが図示されているように位置している一方で、流れ３５０Ｂが省略されていてもよい。従って、第１の反応物質の各流れ３５２は、１つの半径方向延在境界３６０Ｂにおいて、不活性ガスまたはキャリアガスの流れ３５４と境界を接している。放射エネルギーは、不活性ガスまたはキャリアガスの流れ３５４内に導かれ、境界３６０Ｂを通って、第１のガスの流れに入ることになる。この変更形態では、放射エネルギーは、第２の反応ガスの流れ３５０を通過することなく、第１のガス３５２内に入ることになる。この構成は、例えば、第２の反応ガスが実質的に放射エネルギーを吸収する場合に用いられうる。例えば、ＮＨ３を特に励起する波長のＩＲ光を用いることができる。従って、ＩＲ光は、アンモニアの内在振動数と直接結合されることになるが、このアンモニアの内在振動数は、有機金属の内在振動数と同じあってもよいし、同じでなくてもよい。これは、勿論、利用される特定の有機金属に依存することになる。これらの特定の有機金属は、利用される特定の波長のＩＲ光を吸収しないように、選択されてもよい。一方、マイクロ波エネルギーの場合、有機金属およびアンモニアがいずれも無極性なので、いずれもが同一の周波数のマイクロ波エネルギーを吸収する一方、窒素および水素のような極性分子は、マイクロ波エネルギーを吸収しない。ここでも、これらの因子は、特定の場合に用いられる最適なＩＲエネルギーまたはマイクロ波エネルギーを選択するように、利用されうる。
図４に概略的に示されているように、放射エネルギーＲは、放射エネルギーと実質的に相互作用しない平板なガス流２５０，２５４の１つを通って反応チャンバ内に通され、放射エネルギーを吸収する目標ガス流２５２の理論上の面に斜めの角度で導かれるようになっていてもよい。放射エネルギーＲは、境界層３６の近く、従って、流れ領域３７の下端の近くで流れ２５２に入り、その結果として、放射エネルギーは、境界層の近くで吸収されることになる。
典型的には、反応物質は、比較的低温で反応チャンバ内に導入されるので、反応物質の迅速な反応を誘発するのに必要とされるよりもかなり低い有効エネルギーを有していることになる。従来のプロセスでは、反応物質が入口から境界層に向かって下流に移動するときに、放射熱伝達によって、反応物質をいくらか加熱するようになっている。しかし、加熱の殆ど、従って、反応物質の有効エネルギーの増大の殆どは、境界層内において生じている。さらに、加熱の全てが、基板キャリアおよびウエハの温度に依存している。対照的に、前述した実施形態では、反応物質が流れ領域にある間に、かなりのエネルギーが反応物質の少なくとも一種に供給されるようになっており、このようなエネルギーは、基板キャリア、基板、および反応装置の壁以外の手段によって供給されるようになっている。さらに、エネルギーが供給される箇所を制御することができる。流れ領域と境界層との間の移行部の近くにおいて、エネルギーを一種または複数種の反応物質に印加することによって、反応物質の所定の部分が高い有効エネルギーに達する時点とその部分がウエハ表面に衝突する時点との間の時間を最小限に抑えることができる。これは、望ましくない副反応を最小限に抑えるのを役立つことになる。例えば、高い有効エネルギーを有するアンモニアは、ＮＨ２およびＮＨのような化学種に同時に分解し、そして、このような化学種は、単原子窒素に分解するが、この単原子窒素は、極めて急速にＮ２を生成する。Ｎ２は、本質的に、有機金属との反応には無効である。アンモニアが境界層に入る直前または境界層にちょうど入るときに、該アンモニアにエネルギーを印加することによって、表面に半導体を堆積させる望ましい反応、例えば、ウエハ表面における励起されたＮＨ３と有機金属との反応、すなわち、ＮＨ２種またはＮＨ種と有機金属との反応を高めることができ、その一方、望ましくない副反応を抑えることができる。
さらに、基板キャリアおよびウエハからの熱伝達のようなエネルギー伝達以外の手段によって、エネルギーが一種または複数種の反応物質に印加されるので、基板の温度とは無関係に、反応物質の有効エネルギーを少なくともある程度制御することができる。従って、ウエハおよび基板キャリアの温度を上昇させることなく、境界層における反応物質の有効エネルギーを高めることができる。逆に言えば、許容レベルの有効エネルギーを維持しながら、ウエハおよび基板キャリアを低温に維持することができる。勿論、典型的には、基板キャリアおよびウエハから反応物質へのいくらかのエネルギー入力が行われることになる。
本発明によってマイクロ波エネルギーを印加するとき、エネルギーは、コヒーレントビームとして印加されていてもよいし、または拡散ビームとして印加されていてもよい。このビームは、基板近くまたは境界層から著しく上方の箇所において基板の表面と平行に印加されていてもよいし、基板と直交して印加されていてもよいし、または基板に対して直交する位置と基板に対して平行の位置との間の位置において任意の角度で印加されていてもよい。マイクロ波エネルギーは、基板表面から種々の高さの位置において印加されてもよい。さらに、マイクロ波は、１つ以上の源から生じさせてもよく、これらの源は、反応物質の２つ以上と相互作用するように制御されていてもよい。従って、例えば、Ｖ族水素化物およびＩＩＩ族金属のアルキルの場合、マイクロ波源は、これらの源の１つ以上のものと相互作用するように制御されていてもよい。
同様に、赤外線エネルギーの場合も、コヒーレントビームまたは拡散ビームとして、基板と平行に印加されていてもよいし、基板と直交して印加されていてもよいし、またはそれらの間の位置において任意の角度で印加されていてもよい。ここでも、赤外線エネルギーは、ビームの方位とは無関係に、基板表面から種々の高さの位置において印加されてもよく、１つ以上の源から生じさせてもよく、一種または複数種の反応物質と相互作用するように制御されていてもよい。
本発明の方法および装置は、レーザや太陽電池やＬＥＤ等に用いられる化合物半導体の製造に特に適用可能である。
本明細書では本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理および用途の単なる例示にすぎないことを理解されたい。従って、例示的な実施形態に対して多くの修正がなされてもよく、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の構成が案出されうることを理解されたい。

Claims (32)

  1. 化合物半導体を基板上に堆積させる方法であって、
    （ａ）前記基板を反応チャンバ内に保持するステップと、
    （ｂ）ガス入口から前記反応チャンバ内にある前記基板の表面に向かって、複数種のガス状の反応物質を下流方向に導くステップであって、該複数種のガス状の反応物質は、前記基板上に堆積物を生成するために、前記基板の前記表面において互いに反応するものである、複数種のガス状の反応物質を下流方向に導くステップと、
    （ｃ）前記複数種のガス状の反応物質の一種を活性化させるには十分であるが、前記複数種のガス状の反応物質の前記一種を分解させるには十分でないエネルギーを加えるために、前記入口の下流でかつ前記基板の上流において、前記複数種のガス状の反応物質の前記一種にエネルギーを選択的に供給するステップと、
    （ｄ）前記基板の前記表面において、前記複数種のガス状の反応物質を分解させるステップと
    を含んでなることを特徴とする方法。
  2. 前記選択的に供給されるエネルギーは、マイクロ波エネルギーおよび赤外線エネルギーからなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記選択的に供給されるエネルギーは、前記複数種のガス状の反応物質の前記一種の共鳴周波数で供給されるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記複数種のガス状の反応物質の前記一種を前記基板の予め選択された領域に導き、同時に前記エネルギーを前記基板の前記予め選択された領域にのみに選択的に供給することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記複数種のガス状の反応物質を下流方向に導くステップは、前記複数種のガス状の反応物質が、前記入口と前記基板の前記表面との間の流れ領域の少なくとも一部において、実質的に互いに分離して維持されるように、前記反応物質を前記基板に向かって導くことを含んでおり、前記基板を前記反応チャンバ内に保持するステップは、前記基板を運動している状態で保持することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記基板を運動している状態で保持するステップは、前記複数種のガス状の反応物質が前記反応チャンバ内の回転軸と平行になっている前記基板の前記表面に衝突するように、前記回転軸を中心として前記基板を回転させることを含んでいることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記複数種のガス状の反応物質を導くステップは、前記反応物質を前記反応チャンバの個別の区域内に導くことを含んでおり、前記エネルギーを選択的に供給するステップは、前記複数種のガス状の反応物質の前記一種が供給される区域にのみエネルギーを供給し、前記複数種のガス状の反応物質の他のものが供給される区域にはエネルギーを供給しないことを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記選択的に印加されるエネルギーは、前記回転軸に対して０°から９０°の間の角度で、前記複数種の反応物質の前記一種に印加されるようになっていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  9. 前記角度は、前記回転軸に対して０°であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記角度は、前記回転軸に対して９０°であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 化合物半導体を基板上に堆積させる方法であって、
    （ａ）前記基板を反応チャンバ内に保持するステップと、
    （ｂ）Ｖ族水素化物およびＩＩＩ族金属の有機化合物を含む複数種のガス状の反応物質をガス入口から前記反応チャンバ内に前記基板の表面に向かって下流方向に導くステップと、
    （ｃ）前記Ｖ族水素化物を活性化させるには十分であるが、前記Ｖ族水素化物を分解させるには十分でないエネルギーを加えるために、前記入口の下流でかつ前記基板の上流において、前記Ｖ族水素化物にエネルギーを選択的に供給するステップと、
    （ｄ）前記基板の前記表面において、前記複数種のガス状の反応物質を分解させるステップと
    を含んでいることを特徴とする方法。
  12. 前記選択的に供給されるエネルギーは、マイクロ波エネルギーおよび赤外線エネルギーからなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記選択的に供給されるエネルギーは、前記Ｖ族水素化物の共鳴周波数で供給されるものであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  14. 前記Ｖ族水素化物は、ＮＨ３を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  15. 前記Ｖ族水素化物を前記基板の予め選択された領域に導き、同時に前記エネルギーを前記基板の前記予め選択された領域にのみ選択的に供給することを含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  16. 前記ＩＩＩ族金属は、ガリウムとインジウムとアルミニウムとからなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. 前記複数種のガス状の反応物質を導くステップは、前記複数種のガス状の反応物質が、前記入口と前記基板の前記表面との間の流れ領域の少なくとも一部において、実質的に互いに分離して維持されるように、前記反応物質を前記基板に向かって導くことを含んでおり、前記基板を前記反応チャンバ内に保持するステップは、前記基板を運動している状態で保持することを含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  18. 前記基板を運動している状態で保持するステップは、前記複数種のガス状の反応物質が前記反応チャンバ内の回転軸を横切っている前記基板の前記表面と衝突するように、前記基板を前記回転軸を中心として回転させることを含んでいることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 前記選択的に印加されるエネルギーは、前記回転軸に対して０°から９０°の間の角度で、前記Ｖ族水素化物に印加されるものであることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 前記角度は、前記回転軸に対して０°であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 前記角度は、前記回転軸に対して９０°であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  22. 前記複数種のガス状の反応物質を導くステップは、前記反応物質を前記反応チャンバの個別の区域内に導くことを含んでおり、前記エネルギーを選択的に供給するステップは、前記Ｖ族水素化物が供給される個別の区域にのみエネルギーを供給し、ＩＩＩ族金属の前記有機化合物が供給される個別の区域にはエネルギーを供給しないことを含んでいることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  23. 前記ＩＩＩ族金属の有機化合物は、インジウムを含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  24. 化学蒸着反応装置であって、
    （ａ）反応チャンバと、
    （ｂ）上流方向および下流方向に延在している回転軸を中心として回転するように、前記反応チャンバ内に取り付けられた基板キャリアであって、１つ以上の基板を前記基板の表面が概して前記上流方向を向くように保持するように構成されている、基板キャリアと、
    （ｃ）前記基板キャリアの上流に配置された流入口要素であって、該流入口要素は、前記回転軸を横切る方向における互いに異なる位置に配置された複数の放出区域を有しており、前記流入口要素は、互いに異なるガスを前記複数の放出区域の互いに異なる区域に放出するように構成されており、これによって、前記放出されたガスが前記回転軸に対して互いに異なる位置における実質的に分離した流れとして、前記基板キャリアに向かって下流に導かれるようになっている、流入口要素と、
    （ｄ）前記流入口要素と前記基板キャリアとの間において、前記実質的に分離した流れの選択された１つと一直線に並んでいる位置にエネルギーを選択的に供給し、これによって、前記実質的に分離した流れの前記選択された１つに関連付けられた前記ガスにエネルギーを選択的に供給するように配置された、選択的エネルギー入力装置と
    を備えていることを特徴とする化学蒸着反応装置。
  25. 前記選択的エネルギー入力装置は、マイクロ波発生器および赤外線発生器からなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  26. 前記選択的エネルギー入力装置は、前記実質的に分離した流れの前記選択された１つに関連付けられた前記ガスによって実質的に吸収される波長で、前記エネルギーを供給するように構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  27. 前記エネルギーは、前記実質的に分離した流れの他のものによって実質的に吸収されないものであることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  28. 前記選択的エネルギー入力装置は、前記回転軸を横切る方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って前記エネルギーのビームを導くように配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  29. 前記１つ以上のビーム経路は、前記基板キャリアの前記表面に隣接する位置において前記分離した流れの前記選択された１つと交差するように配置されていることを特徴とする請求項２７に記載の反応装置。
  30. 前記選択的エネルギー入力装置は、前記回転軸と平行の方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って前記エネルギーのビームを導くように配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  31. 前記選択的エネルギー入力装置は、前記回転軸に対して０°から９０°の間の角度にある方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って前記エネルギーのビームを導くように配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
  32. 前記選択的エネルギー入力装置は、前記回転軸に対して９０°の角度にある方向の成分を有する１つ以上のビーム経路に沿って前記エネルギーのビームを導くように配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
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