JP2015002209A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

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Abstract

【目的】反応室側壁への膜堆積を抑制し、低欠陥の膜を基板に成膜する気相成長装置を提供する。【構成】実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、反応室内のシャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部と、プロセスガスを供給するプロセスガス供給路と、水素および不活性ガスから選ばれる第１および第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路とを備える。そして、シャワープレートの内側領域にプロセスガス噴出孔が設けられ、シャワープレートの外側領域にパージガスガス噴出孔が設けられる。そして、プロセスガス供給路がプロセスガス噴出孔に接続され、パージガス供給路がパージガス噴出孔に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを供給して成膜を行う気相成長装置および気相成長方法に関する。
高品質な半導体膜を成膜する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長技術を用いる気相成長装置では、常圧または減圧に保持された反応室内の支持部にウェハを載置する。そして、このウェハを加熱しながら、成膜の原料となるソースガス等のプロセスガスを、反応室上部の、例えば、シャワーヘッドからウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱反応等が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が成膜される。
近年、発光デバイスやパワーデバイスの材料として、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体デバイスが注目されている。ＧａＮ系の半導体を成膜するエピタキシャル成長技術として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。有機金属気相成長法では、ソースガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属や、アンモニア（ＮＨ３）等が用いられる。また、ソースガス間の反応を抑制するために分離ガスとして水素（Ｈ２）等が用いられる場合もある。
そして、エピタキシャル成長技術では、反応室内のパーティクル等を低減し、低欠陥の膜を成膜するために、反応室側壁への膜堆積を抑制することが望ましい。このために、成膜の際に、反応室の側壁に沿ってパージガスを供給することが行われる。特許文献１にはパージガスとして、水素、窒素およびアルゴンの混合ガスを供給する方法が記載されている。
特開２００８−２４４０１４号公報
本発明は、反応室側壁への膜堆積を抑制し、低欠陥の膜を基板に成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含む第１のパージガスと、不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含み前記第１のパージガスより分子量が大きい第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路と、前記反応室の上部に配置され、前記第１のガス供給路に接続され第１の水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、前記第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路と、前記第２のガス供給路に接続され前記第１の水平面より上方の第２の水平面内に配置され前記第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、前記第２の横方向ガス流路に接続され前記第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し前記反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路と、前記パージガス供給路に接続され、前記第１および第２のガス噴出孔より前記反応室の側壁側に設けられるパージガス噴出孔とを有し、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートと、を備えることを特徴とする。
上記態様の気相成長装置において、前記第１または第２のプロセスガスがアンモニアであり、前記第１および第２のパージガスが水素と窒素であることが望ましい。
上記態様の気相成長装置において前記パージガス供給路に接続され第１のマスフローコントローラを備え前記第１のパージガスを供給する第１のパージガス供給路と、前記パージガス供給路に接続され第２のマスフローコントローラを備え前記第２のパージガスを供給する前記第２のパージガス供給路と、前記第１のマスフローコントローラと前記第２のマスフローコントローラを制御する制御部を、さらに備えることが望ましい。
本発明の一態様の気相成長方法は、反応室と、前記反応室の上部に配置され、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートと、前記反応室内の前記シャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部とを備える気相成長装置を用いた気相成長方法であって、前記支持部に基板を載置し、前記基板を加熱し、前記シャワープレートの内側領域から、成膜用の複数種のプロセスガスを噴出させ、前記シャワープレートの外側領域から、水素および不活性ガスから選ばれ、前記複数種のプロセスガスの平均分子量よりも分子量の小さい第１のパージガスと、前記平均分子量よりも分子量の大きい第２のパージガスの混合ガスを噴出させ、前記基板表面に半導体膜を成膜することを特徴とする。
上記態様の気相成長方法において、前記複数種のプロセスガスは、有機金属およびアンモニアを含み、前記第１のパージガスが水素であり前記第２のパージガスが窒素であることが望ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記混合ガスの平均分子量が、前記複数種のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましい。
本発明によれば、反応室側壁への膜堆積を抑制し、低欠陥の膜を基板に成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能となる。
第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。 第１の実施形態のシャワープレートの模式上面図である。 図２のシャワープレートのＡＡ断面図である。 図２のシャワープレートのＢＢ、ＣＣ、ＤＤ断面図である。 第１の実施形態のシャワープレートの模式下面図である。 第１の実施形態の気相成長方法の説明図である。 第１の実施形態の気相成長方法の作用を示す図である。 第２の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。 第３の実施形態のシャワープレートの模式上面図である。 図９のシャワープレートのＥＥ断面図である。 図９のシャワープレートのＦＦ、ＧＧ、ＨＨ断面図である。 第３の実施形態のシャワープレートの模式下面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、本明細書中では、気相成長装置が成膜可能に設置された状態での鉛直方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し鉛直方向の位置、「下方」とは基準に対し鉛直方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し鉛直方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し鉛直方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは鉛直方向である。
また、本明細書中、「水平面」とは、鉛直方向に対し、垂直な面を意味するものとする。
また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、ソースガス、キャリアガス、分離ガス等を含む概念とする。
また、本明細書中、「パージガス」とは、成膜中に反応室の側壁内面（内壁）に膜が堆積することを抑制するため、基板の外周側に反応室の側壁に沿って供給されるガスを意味する。
（第１の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含む第１のパージガスと、不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含み第１のパージガスより分子量が大きい第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路と、を備える。さらに、反応室の上部に配置され、第１のガス供給路に接続され第１の水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路と、第２のガス供給路に接続され第１の水平面より上方の第２の水平面内に配置され第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、第２の横方向ガス流路に接続され第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路と、パージガス供給路に接続され、第１および第２のガス噴出孔より反応室の側壁側に設けられるパージガス噴出孔とを有し、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、を備える。
本実施形態の気相成長装置は、上記構成を備えることにより、プロセスガスを反応室に噴出するガス噴出孔の間隔を狭め、ガス噴出孔の配置密度を大きくすることが可能である。同時に、横方向ガス流路の断面積を大きくし、ガス噴出孔にプロセスガスが至るまでのガス流路の流体抵抗を小さくすることで、ガス噴出孔から噴出するガスの流量分布を均一化することが可能である。したがって、本実施形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
さらに、パージガスとして、水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種の第１のパージガスと、第１のパージガスより分子量が大きい第２のパージガスとの混合ガスを供給する。これにより、プロセスガスの平均分子量と混合ガスの平均分子量を近づけることが可能となる。したがって、プロセスガスとパージガスとの境界での流れの乱れの発生が抑制され、シャワープレートや反応室側壁への膜堆積を抑制することが可能となる。
以下、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いてＧａＮ（窒化ガリウム）をエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。本実施形態の気相成長装置は、枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
図１に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長装置は、例えばステンレス製で円筒状中空体の反応室１０を備えている。反応室１０の側面は側壁１１である。そして、この反応室１０上部に配置され、反応室１０内に、プロセスガスを供給するシャワープレート１００を備えている。
また、反応室１０内のシャワープレート１００下方に設けられ、半導体ウェハ（基板）Ｗを載置可能な支持部１２を備えている。支持部１２は、例えば、中心部に開口部が設けられる環状ホルダー、または、半導体ウェハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のサセプタである。
また、支持部１２をその上面に配置し回転する回転体ユニット１４、支持部１２に載置されたウェハＷを加熱する加熱部１６としてヒーターを、支持部１２下方に備えている。ここで、回転体ユニット１４は、その回転軸１８が、下方に位置する回転駆動機構２０に接続される。そして、回転駆動機構２０により、半導体ウェハＷをウェハ中心を回転中心として、例えば、数十ｒｐｍ〜数千ｒｐｍで回転させることが可能となっている。
円筒状の回転体ユニット１４の径は、支持部１２の外周径とほぼ同じにしてあることが望ましい。なお、回転軸１８は、反応室１０の底部に真空シール部材を介して回転自在に設けられている。
そして、加熱部１６は、回転軸１８の内部に貫通する支持軸２２に固定される支持台２４上に固定して設けられる。加熱部１６には、図示しない電流導入端子と電極により、電力が供給される。この支持台２４には半導体ウェハＷを環状ホルダー１８から脱着させるための、例えば突き上げピン（図示せず）が設けられている。
さらに、半導体ウェハＷ表面等でソースガスが反応した後の反応生成物および反応室１０の残留ガスを反応室１０外部に排出するガス排出部２６を、反応室１０底部に備える。なお、ガス排出部２６は真空ポンプ（図示せず）に接続してある。
そして、本実施形態のエピタキシャル成長装置は、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路３１、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路３２、第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路３３を備えている。
さらに、水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含む第１および第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路３７を備えている。第２のパージガスの分子量は、第１のパージガスの分子量よりも大きい。不活性ガスは、例えば、ヘリウム(Ｈｅ)、窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）である。
成膜のために流される第１、第２および第３のプロセスガスの平均分子量と混合ガスの平均分子量を近づける観点から、第１のパージガスの分子量が第１、第２および第３のプロセスガスの平均分子量よりも低く、第２のパージガスの分子量が第１、第２および第３のプロセスガスの平均分子量よりも大きいことが望ましい。これにより、第１のパージガスと第２のパージガスの混合比を適切に調整することで、プロセスガスの平均分子量と混合ガスの平均分子量を近づけることが可能となる。
混合ガスの平均分子量が、プロセスガスの平均分子量と略同一であり、パージガスの平均流速と、プロセスガスの平均流速が略同一であることが望ましい。混合ガスの平均分子量が、プロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であれば、パージガスとプロセスガスの境界で、流れに乱れが生じにくい。
例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、例えば、第１のプロセスガスとして、水素（Ｈ２）を分離ガスとして供給する。また、例えば、第２のプロセスガスとして窒素（Ｎ）のソースガスとなるアンモニア（ＮＨ３）を供給する。また、例えば、第３のプロセスガスとしてＧａ（ガリウム）のソースガスであり有機金属であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をキャリアガスである水素（Ｈ２）で希釈したガスを供給する。
ここで、第１のプロセスガスである分離ガスとは、第１のガス噴出孔１１１から噴出させることで、第２のガス噴出孔１１２から噴出する第２のプロセスガス（ここではアンモニア）と、第３のガス噴出孔１１３から噴出する第３のプロセスガス（ここではＴＭＧ）とを分離するガスである。例えば、第２のプロセスガスおよび第３のプロセスガスと反応性に乏しいガスを用いることが望ましい。
第１のパージガスは、例えば、分子量が２の水素（Ｈ２）である。また、第２のパージガスは、例えば、分子量が２８の窒素（Ｎ２）である。これらのガスを混合することで、混合ガスの平均分子量を２から２８の間に設定することが可能となる。また、第１のパージガスは、例えば、分子量が４のヘリウム（Ｈe）である。また、第２のパージガスは、例えば、分子量が４０のアルゴン（Ａｒ）でもよい。
混合ガスの平均分子量を、プロセスガスの平均分子量に近づけることで、両者の境界での流れの乱れが抑制され、反応室１０の側壁１１の膜堆積が抑制される。
なお、図１に示した枚葉型エピタキシャル成長装置では、反応室１０の側壁１１に、半導体ウェハを出し入れするための図示しないウェハ出入口およびゲートバルブが設けられている。そして、このゲートバルブで連結する例えばロードロック室（図示せず）と反応室１０との間において、ハンドリングアームにより半導体ウェハＷを搬送できるように構成される。ここで、例えば合成石英で形成されるハンドリングアームは、シャワープレート１００とウェハ支持部１２とのスペースに挿入可能となっている。
以下、本実施形態のシャワープレート１００について詳細に説明する。図２は、本実施形態のシャワープレートの模式上面図である。シャワーヘッド内部の流路構造は、破線で示している。
図３は、図２のＡＡ断面図、図４（ａ）〜（ｃ）は、ぞれぞれ、図２のＢＢ断面図、ＣＣ断面図、ＤＤ断面図である。図５は、本実施形態のシャワープレートの模式下面図である。
シャワープレート１００は、例えば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート１００は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料で形成される。
シャワープレート１００の内部には、複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３が形成されている。複数の第１の横方向ガス流路１０１は、第１の水平面（Ｐ１）内に配置され互いに平行に延伸する。複数の第２の横方向ガス流路１０２は、第１の水平面より上方の第２の水平面（Ｐ２）内に配置され互いに平行に延伸する。複数の第３の横方向ガス流路１０３は、第１の水平面より上方、第２の水平面より下方の第３の水平面（Ｐ３）内に配置され互いに平行に延伸する。
そして、第１の横方向ガス流路１０１に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第１のガス噴出孔１１１を有する複数の第１の縦方向ガス流路１２１を備える。また、第２の横方向ガス流路１０２に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第２のガス噴出孔１１２を有する複数の第２の縦方向ガス流路１２２を備える。第２の縦方向ガス流路１２２は、２本の第１の横方向ガス流路１０１の間を通っている。さらに、第３の横方向ガス流路１０３に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第３のガス噴出孔１１３を有する複数の第３の縦方向ガス流路１２３を備える。第３の縦方向ガス流路１２３は、第１の横方向ガス流路１０１の間を通っている。
第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２、第３の横方向ガス流路１０３は、板状のシャワープレート１００内に水平方向に形成された横孔である。また、第１の縦方向ガス流路１２１、第２の縦方向ガス流路１２２、第３の縦方向ガス流路１２３は、板状のシャワープレート１００内に鉛直方向（縦方向または垂直方向）に形成された縦孔である。
第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の内径は、それぞれ対応する第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の内径よりも大きくなっている。図３、図４（ａ）〜（ｃ）では、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。また、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の断面積は、同一でなくてもかまわない。また、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面積も、同一でなくてもかまわない。
シャワープレート１００は、第１のガス供給路３１に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第１のマニフォールド１３１と、第１のマニフォールド１３１と第１の横方向ガス流路１０１とを第１の横方向ガス流路１０１の端部で接続し縦方向に延伸する第１の接続流路１４１を備えている。
第１のマニフォールド１３１は、第１のガス供給路３１から供給される第１のプロセスガスを、第１の接続流路１４１を介して複数の第１の横方向ガス流路１０１に分配する機能を備える。分配された第１のプロセスガスは、複数の第１の縦方向ガス流路１２１の第１のガス噴出孔１１１から反応室１０に導入される。
第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施形態では、第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
また、シャワープレート１００は、第２のガス供給路３２に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第２のマニフォールド１３２と、第２のマニフォールド１３２と第２の横方向ガス流路１０２とを第２の横方向ガス流路１０２の端部で接続し縦方向に延伸する第２の接続流路１４２を備えている。
第２のマニフォールド１３２は、第２のガス供給路３２から供給される第２のプロセスガスを、第２の接続流路１４２を介して複数の第２の横方向ガス流路１０２に分配する機能を備える。分配された第２のプロセスガスは、複数の第２の縦方向ガス流路１２２の第２のガス噴出孔１１２から反応室１０に導入される。
第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施形態では、第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
さらに、シャワープレート１００は、第３のガス供給路３３に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第３のマニフォールド１３３と、第３のマニフォールド１３３と第３の横方向ガス流路１０３とを第３の横方向ガス流路１０３の端部で接続し垂直方向に延伸する第３の接続流路１４３を備えている。
第３のマニフォールド１３３は、第３のガス供給路３３から供給される第３のプロセスガスを、第３の接続流路１４３を介して複数の第３の横方向ガス流路１０３に分配する機能を備える。分配された第３のプロセスガスは、複数の第３の縦方向ガス流路１２３の第３のガス噴出孔１１３から反応室１０に導入される。
また、図５に示すように、シャワープレート１００は、第１〜第３のガス噴出孔１１１〜１１３が設けられる内側領域１００ａと、パージガスを噴出するパージガス噴出孔１１７が設けられる外側領域１００ｂに区分される。パージガス噴出孔１１７は、第１〜第３のガス噴出孔１１１〜１１３より反応室１０の側壁１１側に設けられることになる。
パージガス噴出孔１１７は、横方向パージガス流路１０７に接続される。パージガス流路１０７はシャワープレート１００の外側領域１００ｂ内部に、リング状の中空部分として形成される。そして、横方向パージガス流路１０７は、パージガス接続流路１４７に接続される。さらに、パージガス供給路３７はパージガス接続流路１４７に接続される。したがって、パージガス供給路３７が、パージガス接続流路１４７および横方向パージガス流路１０７を介して、複数のパージガス噴出孔１１７に接続される。
なお、図４（ａ）〜（ｃ）では、パージガス接続流路１４７の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。
一般にシャワープレートにプロセスガスの供給口として設けられるガス噴出孔から、反応室１０内に噴出するプロセスガスの流量は、成膜の均一性を確保する観点から、各ガス噴出孔間で均一であることが望ましい。本実施形態のシャワーヘッド１００によれば、プロセスガスを複数の横方向ガス流路に分配し、さらに、縦方向ガス流路に分配してガス噴出孔から噴出させる。この構成により、簡便な構造で各ガス噴出孔間から噴出するプロセスガス流量の均一性を向上させることが可能となる。
また、均一な成膜を行う観点から配置されるガス噴出孔の配置密度はできるだけ大きいことが望ましい。もっとも、本実施形態のように、互いに平行な複数の横方向ガス流路を設ける構成では、ガス噴出孔の密度を大きくしようとすると、ガス噴出孔の配置密度と横方向ガス流路の内径との間にトレードオフが生じる。
このため、横方向ガス流路の内径が小さくなることで横方向ガス流路の流体抵抗が上昇し、横方向ガス流路の伸長方向について、ガス噴出孔から噴出するプロセスガス流量の流量分布が大きくなり、各ガス噴出孔間から噴出するプロセスガス流量の均一性が悪化するおそれがある。
本実施形態によれば、第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２および第３の横方向ガス流路１０３を異なる水平面に設けた階層構造とする。この構造により、横方向ガス流路の内径拡大に対するマージンが向上する。したがって、ガス噴出孔の密度をあげつつ、横方向ガス流路の内径に起因する流量分布拡大を抑制する。
さらに、パージガスとして、水素および不活性ガスから選ばれる第１および第２のパージガスとの混合ガスを供給することで、プロセスガスの平均分子量と混合ガスの平均分子量を近づけることが可能となる。したがって、プロセスガスとパージガスとの境界での流れの乱れが抑制され、反応室側壁への膜堆積を抑制することが可能となる。
次に、本実施形態の気相成長方法について説明する。本実施形態の気相成長方法は、反応室と、反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、反応室内のシャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部とを備える気相成長装置を用いた気相成長方法である。そして、支持部に基板を載置し、基板を加熱し、シャワープレートの内側領域から成膜用の複数種のプロセスガスを噴出させる。さらに、シャワープレートの外側領域から、水素および不活性ガスから選ばれ、複数種のプロセスガスの平均分子量よりも分子量の小さい第１のパージガスと、上記平均分子量よりも分子量の大きい第２のパージガスの混合ガスを噴出させ、基板表面に半導体膜を成膜する。
以下、図１〜図５に示した枚葉型エピタキシャル成長装置を用いて、ＧａＮをエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。また、図６は、本実施形態の気相成長方法の説明図である。
反応室１０にキャリアガスが供給され、図示しない真空ポンプを作動して反応室１０内のガスをガス排出部２６から排気して、反応室１０を所定の圧力に制御している状態で、反応室１０内の支持部１２に半導体ウェハＷを載置する。ここで、例えば、反応室１０のウェハ出入口のゲートバルブ（図示せず）を開きハンドリングアームにより、ロードロック室内の半導体ウェハＷを反応室１０内に搬送する。そして、半導体ウェハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して支持部１２に載置され、ハンドリングアームはロードロック室に戻され、ゲートバルブは閉じられる。
そして、上記真空ポンプによる排気を続行すると共に、回転体ユニット１４を所要の速度で回転させながら、第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３から所定の第１〜第３のプロセスガス（図６中の白矢印）を噴出させている。第１のプロセスガスは、第１のガス供給路３１から第１のマニュフォールド１３１、第１の接続流路１４１、第１の横方向ガス流路１０１、第１の縦方向ガス流路１２１を経由して第１のガス噴出孔１１１から反応室１０内に噴出させている。また、第２のプロセスガスは、第２のガス供給路３２から第２のマニュフォールド１３２、第２の接続流路１４２、第２の横方向ガス流路１０２、第２の縦方向ガス流路１２２を経由して第２のガス噴出孔１１２から反応室１０内に噴出させている。また、第３のプロセスガスは、第３のガス供給路３３から第３のマニュフォールド１３３、第３の接続流路１４３、第３の横方向ガス流路１０３、第３の縦方向ガス流路１２３を経由して第３のガス噴出孔１１３から反応室１０内に噴出させている。
さらに、第１〜第３のプロセスガスと同時に、パージガス噴出孔１１７から、第１〜第３のプロセスガスの平均分子量よりも分子量の小さい第１のパージガスと、上記平均分子量よりも分子量の大きい第２のパージガスの混合ガスをパージガスとして噴出させている（図６中の黒矢印）。
ここで、支持部１２に載置した半導体ウェハＷは、加熱部１６により所定温度に予備加熱している。さらに、加熱部１６の加熱出力を上げて半導体ウェハＷをエピタキシャル成長温度に昇温させる。
半導体ウェハＷ上にＧａＮを成長させる場合、例えば、第１のプロセスガスは分離ガスである水素であり、第２のプロセスガスは窒素のソースガスであるアンモニアであり、第３のプロセスガスはキャリアガスである水素で希釈されたガリウムのソースガスであるＴＭＧである。昇温中は、アンモニアとＴＭＧは反応室１０には供給されていない。
成長温度になってから、第２のガス噴出孔１１２にアンモニアを供給し、第３のガス噴出孔１１３にＴＭＧを供給し、半導体ウェハＷ表面に、例えば、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）の単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
第１のパージガスは、例えば、分子量が２の水素（Ｈ２）である。また、第２のパージガスは、例えば、分子量が２８の窒素（Ｎ２）である。分子量が２の水素（Ｈ２）と分子量が２８の窒素（Ｎ２）を混合することで混合ガスの平均分子量を、プロセスガスの平均分子量に近づけることが可能となる。
そして、エピタキシャル成長終了時には、第３のガス噴出孔１１３へのＴＭＧ供給を停止し、単結晶膜の成長が終了される。
成膜後は、半導体ウェハＷの降温を始める。所定の温度まで半導体ウェハＷの温度が低下してから、第２のガス噴出孔１１２へのアンモニア供給を停止する。ここで、例えば、回転体ユニット１４の回転を停止させ、単結晶膜が形成された半導体ウェハＷを支持部１２に載置したままにして、加熱部１６の加熱出力を初期状態に戻し、予備加熱の温度に低下するよう調整する。
次に、半導体ウェハＷが所定の温度に安定した後、例えば突き上げピンにより半導体ウェハＷを支持部１２から脱着させる。そして、再びゲートバルブを開いてハンドリングアームをシャワーヘッド１００および支持部１２の間に挿入し、その上に半導体ウェハＷを載せる。そして、半導体ウェハＷを載せたハンドリングアームをロードロック室に戻す。
以上のようにして、一回の半導体ウェハＷに対する成膜が終了し、例えば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。
図７は、本実施形態の気相成長方法の作用を示す図である。プロセスガスとパージガスの流速分布を示す。図７（ａ）がパージガス（図中の黒矢印）として水素のみを用いた場合、図７（ｂ）がパージガスとして窒素のみを用いた場合、図７（ｃ）がパージガスとして、プロセスガスと分子量が同じになる混合比で水素と窒素を混合した混合ガスを用いた場合である。
ここで、プロセスガス（図中の白矢印）は、分離ガスである水素、窒素のソースガスであるアンモニア、キャリアガスである水素で希釈されたガリウムのソースガスであるＴＭＧである。これら複数種のプロセスガスの平均分子量は、水素の分子量２よりも大きく窒素の分子量２８よりも小さい。
単一のガスである図７（ａ）、（ｂ）の場合は、プロセスガス（図中の白矢印）と、パージガス（図中の黒矢印）の境界で流れが乱れている。一方、混合ガスである図７（ｃ）の場合は、プロセスガス（図中の白矢印）と、パージガス（図中の黒矢印）との境界でほとんど流れは乱れていないことが分かる。したがって、図７（ａ）、（ｂ）の場合にくらべ、図７（ｃ）の場合は、反応室の側壁側へプロセスガスが流れることが抑制されることが分かる
本実施形態の気相成長方法では、プロセスガスとパージガスの平均分子量を近づけることで、反応室側壁への膜堆積を抑制する。したがって、反応室内のパーティクルやダストの発生が抑制される。よって、低欠陥の膜を基板に成膜することが可能となる。
なお、第１および第２のパージガスの混合ガスの平均分子量が、第１〜第３のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましい。混合ガスの平均分子量が、プロセスガスの平均分子量と略同一であることがさらに望ましい。ＧａＮを成長させた後に、ＩｎＧａＮの成長を行う場合は、キャリアガスをＮ２にする。そのような場合は、プロセスガスの平均分子量に合わせて、第１および第２のパージガスの混合ガスの流量比を変更する。
（第２の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、パージガス供給路に接続され第１のマスフローコントローラを備え第１のパージガスを供給する第１のパージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第２のマスフローコントローラを備え第２のパージガスを供給する第２のパージガス供給路と、第１のマスフローコントローラと第２のマスフローコントローラを制御する制御部を、さらに備える以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図８は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。本実施形態の気相成長装置は、枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
図８に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長装置は、パージガス供給路３７に接続され第１のマスフローコントローラＭ１を備える第１のパージガス供給路３７ａと、パージガス供給路３７に接続され第２のマスフローコントローラＭ２を備える第２のパージガス供給路３７ｂと、第１のマスフローコントローラＭ１と第２のマスフローコントローラＭ２を制御する制御部５０を備える。
第１のパージガス供給路３７ａは第１のパージガス（Ｐｕ１）を供給する。第１のパージガスの流量は、第１のマスフローコントローラＭ１で制御される。また、第２のパージガス供給路３７ａは第２のパージガス（Ｐｕ２）を供給する。第２のパージガスの流量は、第２のマスフローコントローラＭ２で制御される。第１のパージガスおよび第２のパージガスは、第１および第２マスフローコントローラで流量を制御された後、混合され混合ガスとなる。
制御部５０は、第１のマスフローコントローラＭ１と第２のマスフローコントローラＭ２を、例えば、制御信号を伝達することにより制御する。これにより、第１のパージガスの流量と第２のパージガスの流量を変化させ、反応室１０に供給されるパージガスの平均分子量を変化させる。制御部５０は、例えば、電子回路等のハードウェア、または、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせで構成される。
制御部５０は、成膜プロセス中に反応室１０に供給されるプロセスガスの種類等の変化により、プロセスガスの平均分子量が変化した場合に、パージガスの平均分子量がプロセスガスの平均分子量に近づく方向に変化させる。
例えば、基板上にＧａＮを成長させた後に、連続してＩｎＧａＮの成長を行う場合、プロセスガスの平均分子量が変化する。制御部５０は、第１のマスフローコントローラＭ１と第２のマスフローコントローラＭ２を制御して、パージガスの平均分子量がＩｎＧａＮ成膜で用いられるプロセスガスの平均分子量に近づく方向に変化させる。
制御部５０は、例えば、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路３１、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路３２、第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路３３に、それぞれ設けられるマスフローコントローラを同時に制御する構成であってもかまわない。この構成により、例えば、プロセスガスの流量とパージガスの流量を連動して制御する。この制御により、プロセスガスの平均分子量の変化に連動して、パージガスの平均分子量を変化させることが可能となる。
また、例えば、制御部５０は、第１のガス供給路３１、第２のガス供給路３２、第３のガス供給路３３に、それぞれ設けられるマスフローコントローラを制御する制御部から第１、第２、第３のプロセスガスの平均分子量の変化に関する情報が伝達される構成であってもかまわなわい。この制御によっても、プロセスガスの平均分子量の変化に連動して、パージガスの平均分子量を変化させることが可能となる。
本実施形態によれば、成膜プロセス中にプロセスガスの平均分子量が変化しても、パージガスの平均分子量も同一になる方向に変化させることが可能となる。したがって、反応室側壁への膜堆積を抑制され、反応室内のパーティクルやダストの発生が抑制される。よって、低欠陥の膜を基板に成膜することが可能となる。
（第３の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含む第１のパージガスと、不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含み第１のパージガスより分子量が大きい第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路と、を備える。さらに、反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、を備える。そして、シャワープレートの内側領域にプロセスガス噴出孔が設けられ、シャワープレートの外側領域にパージガスガス噴出孔が設けられる。そして、プロセスガス供給路がプロセスガス噴出孔に接続され、パージガス供給路がパージガス噴出孔に接続される。
本実施形態の気相成長装置は、シャワープレート内のプロセスガスの流路が限定されないこと以外は、第１または第２の実施形態と同様である。したがって、第１または第２の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
以下、本実施形態のシャワープレート１００について詳細に説明する。図９は、本実施形態のシャワープレートの模式上面図である。シャワーヘッド内部の流路構造は、破線で示している。
図１０は、図９のＥＥ断面図、図１１（ａ）〜（ｃ）は、ぞれぞれ、図９のＦＦ断面図、ＧＧ断面図、ＨＨ断面図である。図１２は、本実施形態のシャワープレートの模式下面図である。
シャワープレート１００は、例えば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート１００は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料で形成される。
シャワープレート１００の内部には、複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３が形成されている。複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３は、同一の水平面内に配置され互いに平行に延伸する。
そして、第１の横方向ガス流路１０１に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第１のガス噴出孔１１１を有する複数の第１の縦方向ガス流路１２１を備える。また、第２の横方向ガス流路１０２に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第２のガス噴出孔１１２を有する複数の第２の縦方向ガス流路１２２を備える。さらに、第３の横方向ガス流路１０３に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第３のガス噴出孔１１３を有する複数の第３の縦方向ガス流路１２３を備える。
第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２、第３の横方向ガス流路１０３は、板状のシャワープレート１００内に水平方向に形成された横孔である。また、第１の縦方向ガス流路１２１、第２の縦方向ガス流路１２２、第３の縦方向ガス流路１２３は、板状のシャワープレート１００内に鉛直方向（縦方向または垂直方向）に形成された縦孔である。
第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の内径は、それぞれ対応する第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の内径よりも大きくなっている。図１０、図１１（ａ）〜（ｃ）では、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。また、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の断面積は、同一でなくてもかまわない。また、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面積も、同一でなくてもかまわない。
シャワープレート１００は、第１のガス供給路３１に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第１のマニフォールド１３１と、第１のマニフォールド１３１と第１の横方向ガス流路１０１とを第１の横方向ガス流路１０１の端部で接続し縦方向に延伸する第１の接続流路１４１を備えている。
第１のマニフォールド１３１は、第１のガス供給路３１から供給される第１のプロセスガスを、第１の接続流路１４１を介して複数の第１の横方向ガス流路１０１に分配する機能を備える。分配された第１のプロセスガスは、複数の第１の縦方向ガス流路１２１の第１のガス噴出孔１１１から反応室１０に導入される。
第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施形態では、第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
また、シャワープレート１００は、第２のガス供給路３２に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第２のマニフォールド１３２と、第２のマニフォールド１３２と第２の横方向ガス流路１０２とを第２の横方向ガス流路１０２の端部で接続し縦方向に延伸する第２の接続流路１４２を備えている。
第２のマニフォールド１３２は、第２のガス供給路３２から供給される第２のプロセスガスを、第２の接続流路１４２を介して複数の第２の横方向ガス流路１０２に分配する機能を備える。分配された第２のプロセスガスは、複数の第２の縦方向ガス流路１２２の第２のガス噴出孔１１２から反応室１０に導入される。
第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施形態では、第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
さらに、シャワープレート１００は、第３のガス供給路３３に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第３のマニフォールド１３３と、第３のマニフォールド１３３と第３の横方向ガス流路１０３とを第３の横方向ガス流路１０３の端部で接続し垂直方向に延伸する第３の接続流路１４３を備えている。
第３のマニフォールド１３３は、第３のガス供給路３３から供給される第３のプロセスガスを、第３の接続流路１４３を介して複数の第３の横方向ガス流路１０３に分配する機能を備える。分配された第３のプロセスガスは、複数の第３の縦方向ガス流路１２３の第３のガス噴出孔１１３から反応室１０に導入される。
また、図１２に示すように、シャワープレート１００は、第１〜第３のガス噴出孔１１１〜１１３が設けられる内側領域１００ａと、パージガスを噴出するパージガス噴出孔１１７が設けられる外側領域１００ｂに区分される。パージガス噴出孔１１７は、第１〜第３のガス噴出孔１１１〜１１３より反応室１０の側壁１１側に設けられることになる。
パージガス噴出孔１１７は、横方向パージガス流路１０７に接続される。パージガス流路１０７はシャワープレート１００の外側領域１００ｂ内部に、リング状の中空部分として形成される。そして、横方向パージガス流路１０７は、パージガス接続流路１４７に接続される。さらに、パージガス供給路３７はパージガス接続流路１４７に接続される。したがって、パージガス供給路３７が、パージガス接続流路１４７および横方向パージガス流路１０７を介して、複数種のパージガス噴出孔１１７に接続される。
なお、図１１（ａ）〜（ｃ）では、パージガス接続流路１４７の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。
本実施形態の気相成長方法は、第１または第２の実施形態と同様である。
本実施形態の気相成長装置および気相成長方法によっても、プロセスガスとパージガスの平均分子量を近づけることで、反応室側壁への膜堆積を抑制される。したがって、反応室内のパーティクルやダストの発生が抑制される。よって、低欠陥の膜を基板に成膜することが可能となる。
なお、プロセスガスがアンモニアを含み、第１および第２のパージガスが水素と窒素であることが望ましい。
また、第１のパージガスの分子量がプロセスガスの平均分子量よりも低く、第２のパージガスの分子量がプロセスガスの平均分子量よりも大きいことが望ましい。
また、第１および第２のパージガスの混合ガスの平均分子量が、プロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましく、混合ガスの平均分子量が、プロセスガスの平均分子量と略同一であることがさらに望ましい。プロセスガスの平均分子量が変化する場合は、第１のパージガスと、第２のパージガスの混合比を変化させる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
例えば、実施形態では横方向ガス流路等の流路を３系統設ける場合を例に説明したが、横方向ガス流路等の流路を４系統以上設けても、２系統であってもかまわない。
また、例えば、実施形態では、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶膜を成膜する場合を例に説明したが、例えば、Ｓｉ（珪素）やＳｉＣ（炭化珪素）の単結晶膜等の成膜にも本発明を適用することが可能である。
また、実施形態では、ウェハ１枚毎に成膜する枚葉式のエピタキシャル装置を例に説明したが、気相成長装置は、枚葉式のエピタキシャル装置に限られるものではない。例えば、自公転する複数のウェハに同時に成膜するプラネタリー方式のＣＶＤ装置等にも、本発明を適用することが可能である。
実施形態では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置および気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 反応室
１１ 側壁
１２ 支持部
１４ 回転体ユニット
１６ 加熱部
２０ 回転駆動機構
３１ 第１のガス供給路
３２ 第２のガス供給路
３３ 第３のガス供給路
３７ パージガス供給路
３７ａ 第１のパージガス供給路
３７ｂ 第２のパージガス供給路
５０ 制御部
１００ シャワープレート
１００ａ 内側領域
１００ｂ 外側領域
１０１ 第１の横方向ガス流路
１０２ 第２の横方向ガス流路
１０３ 第３の横方向ガス流路
１０７ 横方向パージガス流路
１１１ 第１のガス噴出孔
１１２ 第２のガス噴出孔
１１３ 第３のガス噴出孔
１１７ パージガス噴出孔
１２１ 第１の縦方向ガス流路
１２２ 第２の縦方向ガス流路
１２３ 第３の縦方向ガス流路
１３１ 第１のマニフォールド
１３２ 第２のマニフォールド
１３３ 第３のマニフォールド
１４１ 第１の接続流路
１４２ 第２の接続流路
１４３ 第３の接続流路
１４７ パージガス接続流路

Claims (6)

  1. 反応室と、
    前記反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、
    第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、
    第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、
    水素および不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含む第１のパージガスと、不活性ガスから選ばれる少なくとも１種のガスを含み前記第１のパージガスより分子量が大きい第２のパージガスとの混合ガスを供給するパージガス供給路と、
    前記反応室の上部に配置され、
    前記第１のガス供給路に接続され第１の水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、前記第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路と、
    前記第２のガス供給路に接続され前記第１の水平面より上方の第２の水平面内に配置され前記第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、前記第２の横方向ガス流路に接続され前記第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し前記反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路と、
    前記パージガス供給路に接続され、前記第１および第２のガス噴出孔より前記反応室の側壁側に設けられるパージガス噴出孔とを有し、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートと、
    を備えることを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記第１または第２のプロセスガスがアンモニアであり、前記第１および第２のパージガスが水素と窒素であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記パージガス供給路に接続され第１のマスフローコントローラを備え前記第１のパージガスを供給する第１のパージガス供給路と、前記パージガス供給路に接続され第２のマスフローコントローラを備え前記第２のパージガスを供給する前記第２のパージガス供給路と、前記第１のマスフローコントローラと前記第２のマスフローコントローラを制御する制御部を、さらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。
  4. 反応室と、前記反応室の上部に配置され、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートと、前記反応室内の前記シャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部とを備える気相成長装置を用いた気相成長方法であって、
    前記支持部に基板を載置し、
    前記基板を加熱し、
    前記シャワープレートの内側領域から、成膜用の複数種のプロセスガスを噴出させ、
    前記シャワープレートの外側領域から、水素および不活性ガスから選ばれ、前記複数種のプロセスガスの平均分子量よりも分子量の小さい第１のパージガスと、前記平均分子量よりも分子量の大きい第２のパージガスの混合ガスを噴出させ、
    前記基板表面に半導体膜を成膜することを特徴とする気相成長方法。
  5. 前記複数種のプロセスガスは、有機金属およびアンモニアを含み、前記第１のパージガスが水素であり前記第２のパージガスが窒素であることを特徴とする請求項４記載の気相成長方法。
  6. 前記混合ガスの平均分子量が、前記複数種のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることを特徴とする請求項４または請求項５記載の気相成長方法。
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