JP2016115859A - 気相成長装置及び気相成長方法 - 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及び気相成長方法を提供する。
【構成】
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、アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、第１のガス供給路及び第２のガス供給路と接続され反応室内に第１のガス及び第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、第１の領域の外周に設けられパージガス供給路に接続され反応室内にパージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有するシャワープレートと、を備える。
【選択図】図１
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及び気相成長方法を提供する。
【構成】
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、アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、第１のガス供給路及び第２のガス供給路と接続され反応室内に第１のガス及び第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、第１の領域の外周に設けられパージガス供給路に接続され反応室内にパージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有するシャワープレートと、を備える。
【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及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、たとえば、シャワープレート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、たとえば、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、窒素及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。
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及び気相成長方法を提供することを目的とする。
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、アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、第１のガス供給路及び第２のガス供給路と接続され反応室内に第１のガス及び第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、第１の領域の外周に設けられパージガス供給路に接続され反応室内にパージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有するシャワープレートと、を備える。
上記態様の気相成長装置において、プロセスガス噴出孔は、第１のガス供給路に第１の横方向ガス流路を介して接続される第１のガス噴出孔と、第２のガス供給路に第２の横方向ガス流路を介して接続される第２のガス噴出孔と、を有することが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、第１のガスと第２のガスは、混合されて反応室に供給されることが好ましい。
上記態様の気相成長装置において、第２のガスがトリメチルインジウムを含む場合にはパージガスがアンモニアと窒素を含み、第２のガスがトリメチルインジウムを含まない場合にはパージガスがアンモニアと窒素と水素を含むことが好ましい。
実施形態の気相成長方法は、反応室内に設けられた支持部に基板を載置し、基板を加熱し、反応室の上部より、アンモニアを含む第１のガスと、有機金属ガスを含む第２のガスと、を基板上に供給しながら、反応室の上部より、窒素、水素、及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを支持部より反応室の側壁側に供給し、基板表面に半導体膜を成膜する。
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及び気相成長方法を提供することができる。
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、たとえば、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、アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、第１のガス供給路及び第２のガス供給路と接続され反応室内に第１のガス及び第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、第１の領域の外周に設けられパージガス供給路に接続され反応室内にパージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有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、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、アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、第１のガス供給路及び第２のガス供給路と接続され反応室内に第１のガス及び第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、第１の領域の外周に設けられパージガス供給路に接続され反応室内にパージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有するシャワープレートと、を備える。
以下、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いてＧａＮ（窒化ガリウム）またはＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）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、本実施形態の気相成長装置は、たとえばアルミニウム製又は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、たとえば、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、たとえば、５０ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下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を支持部１２から脱着させるための、たとえば突き上げピン（図示せず）が設けられている。
反応室１０内部の支持部１２の周囲には、リフレクター４０が設けられている。リフレクター４０は、基板Ｗを効率良く加熱するために、加熱部１６により加えられた熱を反射し、側壁１１に伝わることを抑制する。リフレクター４０は、たとえば、石英を用いて作製されていることが好ましい。
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及び反応室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、本実施形態の気相成長装置は、第１のプロセスガス（第１のガス）を供給する第１のガス供給路３１、第２のプロセスガス（第２のガス）を供給する第２のガス供給路３２、第３のプロセスガス（第３のガス）を供給する第３のガス供給路３３を備えている。
さらに、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路３７を備えている。
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、たとえば、第１のプロセスガス（第１のガス）として、窒素のソースガスとなるアンモニア（ＮＨ３）を供給する。また、たとえば、第２のプロセスガス（第２のガス）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。また、第３のプロセスガスとして、たとえば、水素（Ｈ２）を分離ガスとして供給する。なお、キャリアガスまたは分離ガスとして、窒素（Ｎ２）または窒素と水素の混合ガスを用いてもよい。
また、ＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、第１のプロセスガス（第１のガス）として、たとえば、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、第２のプロセスガス（第２のガス）として、たとえば、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）とＩｎ（インジウム）のソースガスであり有機金属であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、キャリアガスである窒素（Ｎ２）で希釈したガスを供給する。また、第３のプロセスガスとして、たとえば、窒素（Ｎ２）を分離ガスとして供給する。
ここで、第３のプロセスガス（第３のガス）である分離ガスとは、第３のガス噴出孔１１３から噴出させることで、第１のガス噴出孔１１１から噴出する第１のプロセスガスと第２のガス噴出孔１１２から噴出する第２のプロセスガスとを分離するガスである。分離ガスとしては、第１のプロセスガス及び第２のプロセスガスと反応性に乏しいガスを用いることが好ましい。
パージガスは、たとえばＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、分子量が２８の窒素（Ｎ２）、分子量が２の水素（Ｈ２）、及び原子量が４のヘリウム（Ｈｅ）、原子量が４０のアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスから選ばれる少なくとも１種を含む第１のパージガス成分ガスと、分子量が１７のアンモニア（ＮＨ３）を含む第２のパージガス成分ガスと、を含む。
また、たとえばＩｎＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、窒素（Ｎ２）、及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種を含む第１のパージガス成分ガスと、アンモニア（ＮＨ３）を含む第２のパージガス成分ガスと、を含む。これにより、プロセスガスの平均分子量に応じて、パージガスの平均分子量を適宜設定することが可能となる。
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及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たと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、たと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。シャワープレート内部の流路構造は、破線で示している。
図３は、図２のＡＡ断面図、図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、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、たとえば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート１００は、たとえば、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、及び第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、及び第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、及び第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、及び第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、及び第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、及び第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、たとえば、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、たとえば、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及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。
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プレート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。
本実施形態のシャワープレートによれば、第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２及び第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。
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、実施形態の気相成長方法は、反応室内に設けられた支持部に基板を載置し、基板を加熱し、反応室の上部より、アンモニアを含む第１のガスと、有機金属ガスである、トリメチルガリウム及びトリメチルインジウムから選ばれる少なくとも１種を含む第２のガスと、を基板上に供給しながら、反応室の上部より、窒素、水素、及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを支持部より反応室の側壁側に供給し、基板表面に半導体膜を成膜する。
以下、図１〜図５に示した気相成長装置を用いて、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ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Ｈ２などの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、たとえば、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はたとえば突き上げピン（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。
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される。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。昇温中も、反応室１０には例えばＨ２が供給されている。
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）を噴出させる。第１のプロセスガス（第１のガス）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内に噴出される。また、第２のプロセスガス（第２のガス）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内に噴出される。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内に噴出される。
さらに、第１〜第３のプロセスガスを噴出すると同時に、パージガス噴出孔１１７から、所定の流速、流量で、プロセスガスの平均分子量に近づけるように調整されたパージガスを噴出させる（図６中の黒矢印）。
ＧａＮをエピタキシャル成長させる場合は、加熱部１６を制御し、ウェハをＧａＮ膜の成長温度とした後、第１のガス噴出孔１１１にアンモニアを供給し、第２のガス噴出孔１１２にＴＭＧを供給する。これにより、半導体ウェハＷ表面に、ＧａＮの単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
また、ＩｎＧａＮをエピタキシャル成長させる場合は、加熱部１６を制御し、ウェハをＩｎＧａＮの成長温度とした後、第１のガス噴出孔１１１にアンモニアを供給し、第２のガス噴出孔１１２にＴＭＧとＴＭＩを供給し、半導体ウェハＷ表面に、ＩｎＧａＮの単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
そして、エピタキシャル成長終了時には、第２のガス噴出孔１１３へのＴＭＧやＴＭＩの供給を停止し、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、たとえば、回転体ユニット１４の回転数を低下させ、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、たと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プレート１００及び支持部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、たとえば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜を上述のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。
上述したように、パージ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、パージガスとプロセスガスの境界での流れの乱れが抑制され、反応室１０における側壁１１の膜堆積が抑制される。特に、分子量が２の水素と分子量が２８の窒素の間の分子量を有する、分子量が１７のアンモニアを用いることで、いっそう両者の境界での流れの乱れが抑制され、反応室１０における側壁１１の膜堆積が抑制される。また、水素と窒素とアンモニアの動粘度の関係により、さらに反応室１０における側壁１１の膜堆積が抑制されると推測される。
ＩｎＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、パージガスにＨ２を用いるとＩｎが半導体ウェハＷ上の膜に取り込まれにくくなる。そのため、第２のガスがトリメチルインジウムを含む場合にはパージガスがアンモニアと窒素を含み、第２のガスがトリメチルインジウムを含まない場合にはパージガスがアンモニアと窒素と水素を含むことが好ましい。
また、パージガスは、あらかじめ第１のパージガス成分ガスと第２のパージガス成分ガスを混合したガスをパージガス供給路３７に供給し、パージガス噴出孔１１７から反応室１０内部に供給してもよい。あるいは、パージガスを構成するガスを個別に反応室１０内部に供給してもよい。ただし、あらかじめパージガスを構成するガスを混合したガスをパージガス噴出孔１１７から反応室１０内に供給するほうが、シャワープレート１００の構造が簡易になるという点でより好ましい。
支持部１２の周囲に設けられるリフレクター４０は、石英を用いて作製されていることが好ましいが、耐熱性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いてもよい。通常炭化ケイ素は多孔質であるため、不純物の吸着が問題になるが、本実施態様のように、アンモニアを反応室１０の側壁方向に導入することにより、リフレクター４０の表面に窒化膜が形成される。そのため、吸着されたガスの離脱による膜質の劣化を防ぐことが可能となる。
成膜のために流される第１、第２及び第３のプロセスガスの平均分子量とパージガスの平均分子量を近づける観点から、パージ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く、好適である。
本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法によれば、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が抑制される。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。
（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の副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の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第３のマスフローコントローラを備え第３のパージガスを供給する第３の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第４のマスフローコントローラを備え第４のパージガスを供給する第４の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第５のマスフローコントローラを備え第５のパージガスを供給する第５の副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と第３のマスフローコントローラと第４のマスフローコントローラと第５のマスフローコントローラを制御する第１の制御部と、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。
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の副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の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第３のマスフローコントローラを備え第３のパージガスを供給する第３の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第４のマスフローコントローラを備え第４のパージガスを供給する第４の副パージガス供給路と、パージガス供給路に接続され第５のマスフローコントローラを備え第５のパージガスを供給する第５の副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と第３のマスフローコントローラと第４のマスフローコントローラと第５のマスフローコントローラを制御する第１の制御部と、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７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７に示すように、本実施形態の気相成長装置は、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の副パージガス供給路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の副パージガス供給路３７ｂと、パージガス供給路３７に接続され第３のマスフローコントローラＭ３を備える第３の副パージガス供給路３７ｃと、パージガス供給路３７に接続され第４のマスフローコントローラＭ４を備える第４の副パージガス供給路３７ｄと、パージガス供給路３７に接続され第５のマスフローコントローラＭ５を備える第５の副パージガス供給路３７ｅ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と第３のマスフローコントーラＭ３と第４のマスフローコントーラＭ４と第５のマスフローコントーラＭ５を制御する第１の制御部５０を備える。
第１の副パージガス供給路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の副パージガス供給路３７ｂ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。また、第３の副パージガス供給路３７ｃは第３のパージガス（Ｐｕ３）を供給する。第３のパージガスの流量は、第３のマスフローコントローラＭ３で制御される。また、第４の副パージガス供給路３７ｄは第４のパージガス（Ｐｕ４）を供給する。第４のパージガスの流量は、第４のマスフローコントローラＭ４で制御される。また、第５の副パージガス供給路３７ｅは第５のパージガス（Ｐｕ５）を供給する。第５のパージガスの流量は、第５のマスフローコントローラＭ５で制御される。第１のパージガス、第２のパージガス、第３のパージガス、第４のパージガス及び第５のパージガスは、第１のマスフローコントーラＭ１、第２のマスフローコントローラＭ２、第３のマスフローコントローラＭ３、第４のマスフローコントローラＭ４及び第５のマスフローコントローラＭ５で流量を制御され、混合されて混合ガスとなる。
第１の制御部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と第３のマスフローコントローラＭ３と第４のマスフローコントローラＭ４と第５のマスフローコントローラＭ５を、たとえば、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と第３のパージガスの流量と第４のパージガスの流量と第５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。
第１の制御部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。
基板上にＧａＮを成長させる場合には、たとえば、第１の副パージガス供給路３７ａを用いて窒素を、第２の副パージガス供給路３７ｂを用いて水素を、第３の副パージガス供給路３７ｃを用いて不活性ガスであるヘリウムを、第４の副パージガス供給路３７ｄを用いて不活性ガスであるアルゴンを、また第５の副パージガス供給路３７ｅを用いてアンモニアを供給する。
たとえば、第１の副パージガス供給路３７ａ、第２の副パージガス供給路３７ｂ、第３の副パージガス供給路３７ｃ、第４の副パージガス供給路３７ｄを用いて第１のパージガス成分ガスを混合できる。また、第５の副パージガス供給路３７ｅを用いて、第２のパージガス成分ガスを混合できる。
また、その後連続してＩｎＧａＮを成長させる場合には、たとえば、第１の副パージガス供給路３７ａを用いて窒素を、第３の副パージガス供給路３７ｃを用いてヘリウムを、第４の副パージガス供給路３７ｄを用いてアルゴンを、また第５の副パージガス供給路３７ｅを用いてアンモニアを供給する。パージガスの平均分子量は、それぞれＧａＮ成膜またはＩｎＧａＮ成膜に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。
第２の制御部５２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第６のマスフローコントローラＭ６、第７のマスフローコントローラＭ７及び第８のマスフローコントローラＭ８を、たとえば、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のガスと、第２のガスと、第３のガスの流量を制御する。
第１の制御部５０と第２の制御部５２は互いに接続され、第１のマスフローコントローラＭ１、第２のマスフローコントローラＭ２、第３のマスフローコントローラＭ３、第４のマスフローコントローラＭ４、第５のマスフローコントローラＭ５、第６のマスフローコントローラ、第７のマスフローコントローラ及び第８の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、たとえば、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、第１の制御部５０または第２の制御部５２のいずれか一方が、第１のマスフローコントローラＭ１、第２のマスフローコントローラＭ２、第３のマスフローコントローラＭ３、第４のマスフローコントローラＭ４、第５のマスフローコントローラＭ５及び第６のマスフローコントローラ、第７のマスフローコントローラ及び第８のマスフローコントローラに接続され、上記８個のマスフローコントローラを制御してもよい。
なお、第１の制御部５０及び第２の制御部５２は、たとえば、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。
また、パージガスの構成は適宜選択することができ、例えば、不活性ガスを供給する第３、第４の副パージガス供給路及びその流量をコントロールする第３、第４のマスフローコントローラーは必ずしも設けられなくてよい。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、パージガスの平均分子量を容易に制御することが可能となる。さらに、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、第１の横方向ガス流路と第３の横方向ガス流路を接続する第１の横方向ガス流路接続流路と、第２の横方向ガス流路と第３の横方向ガス流路を接続する第２の横方向ガス流路接続流路と、をさらに備える点以外は、第１の実施形態及び第２の実施形態の気相成長装置と同様である。したがって、第１の実施形態及び第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。
本実施形態の気相成長装置は、第１の横方向ガス流路と第３の横方向ガス流路を接続する第１の横方向ガス流路接続流路と、第２の横方向ガス流路と第３の横方向ガス流路を接続する第２の横方向ガス流路接続流路と、をさらに備える点以外は、第１の実施形態及び第２の実施形態の気相成長装置と同様である。したがって、第１の実施形態及び第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。
図８は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。
本実施形態では、第１の横方向ガス流路１０１と第３の横方向ガス流路１０３を接続する第１の横方向ガス流路接続流路１０４と、第２の横方向ガス流路１０２と第３の横方向ガス流路１０３を接続する第２の横方向ガス流路接続流路１０５と、がさらに設けられている。このため、第１のプロセスガス（第１のガス）と第２のプロセスガス（第２のガス）と第３のプロセスガス（第３のガス）はシャワープレート１００で混合されて、第４のガス噴出孔１１４から反応室に供給される。
本実施形態によれば、プロセスガスを構成するガスを混合した後均一に基板Ｗ上に供給する場合であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２の実施形態と同様に副パージガス供給路を設けることにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスと第３のプロセスガスが混合される第４のマニフォールドを備える点以外は、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の気相成長装置は、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスと第３のプロセスガスが混合される第４のマニフォールドを備える点以外は、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３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９は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。
本実施形態では、第１のガス供給路３１から供給される第１のプロセスガスと、第２のガス供給路３２から供給される第２のプロセスガスと、第３のガス供給路３３から供給される第３のプロセスガスが、第４のマニフォールド１３５に供給される。第１のプロセスガスと第２のプロセスガスと第３のプロセスガスは、第４のマニフォールドで混合された後、第４のガス噴出孔１１４から反応室に供給される。これにより、プロセスガスをより均一に混合することが可能になる。
本実施形態によれば、プロセスガスを構成するガスを混合した後均一に基板Ｗ上に供給する場合であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２の実施形態と同様に副パージガス供給路を設けることにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
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。
たとえば、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、たとえば、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、たとえば、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。たとえば、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及び気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及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の副パージガス供給路
３７ｂ 第２の副パージガス供給路
３７ｃ 第３の副パージガス供給路
３７ｄ 第４の副パージガス供給路
３７ｅ 第５の副パージガス供給路
４０ リフレクター
５０ 第１の制御部
５２ 第２の制御部
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
１０４ 第１の横方向ガス流路接続流路
１０５ 第２の横方向ガス流路接続流路
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
１１４ 第４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
１３５ 第４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
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の副パージガス供給路
３７ｂ 第２の副パージガス供給路
３７ｃ 第３の副パージガス供給路
３７ｄ 第４の副パージガス供給路
３７ｅ 第５の副パージガス供給路
４０ リフレクター
５０ 第１の制御部
５２ 第２の制御部
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
１０４ 第１の横方向ガス流路接続流路
１０５ 第２の横方向ガス流路接続流路
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
１１４ 第４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
１３５ 第４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 (5)
- 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、
アンモニアを含む第１のガスを供給する第１のガス供給路と、
有機金属ガスを含む第２のガスを供給する第２のガス供給路と、
窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを供給するパージガス供給路と、
前記第１のガス供給路及び前記第２のガス供給路と接続され前記反応室内に前記第１のガス及び前記第２のガスを供給するプロセスガス噴出孔を有する第１の領域と、前記第１の領域の外周に設けられ前記パージガス供給路に接続され前記反応室内に前記パージガスを供給するパージガス噴出孔を有する第２の領域と、を有するシャワープレートと、
を備える気相成長装置。 - 前記プロセスガス噴出孔は、前記第１のガス供給路に第１の横方向ガス流路を介して接続される第１のガス噴出孔と、前記第２のガス供給路に第２の横方向ガス流路を介して接続される第２のガス噴出孔と、を有することを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
- 前記第１のガスと前記第２のガスは、混合されて前記反応室に供給されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
- 前記第２のガスがトリメチルインジウムを含む場合には前記パージガスがアンモニアと窒素を含み、前記第２のガスがトリメチルインジウムを含まない場合には前記パージガスがアンモニアと窒素と水素を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 反応室内に設けられた支持部に基板を載置し、
前記基板を加熱し、
前記反応室の上部より、アンモニアを含む第１のガスと、有機金属ガスを含む第２のガスと、を前記基板上に供給しながら、
前記反応室の上部より、窒素、水素及び不活性ガスから選ばれる少なくとも１種と、アンモニアと、を含むパージガスを前記支持部より前記反応室の側壁側に供給し、
前記基板表面に半導体膜を成膜する気相成長方法。
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