JP4673881B2 - 結晶層堆積装置および結晶層堆積方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応チャンバー中の１又は複数の特に結晶基板の上に、特に結晶層を堆積する装置に関するものである。反応チャンバーは、天井と、垂直に天井の反対側に基板を載せるための加熱された床を有し、ガス入口部材を備え、ガス入口部材は、少なくとも第一及び第二ガス状出発物質をそれぞれ分離して導入するための垂直に上下に配置されたガス入口域を形成する。出発物質は、キャリヤガスとともに反応チャンバーを通過して水平方向に流れ、ガスの流れは均質化され、出発物質は、ガス入口部材に直接隣接した入口域で少なくとも一部があらかじめ分解され、出発物質の分解物は、入口域に隣接した成長域中の基板に堆積され、その間にガスの流れは着実に使い尽くされる。

本発明は、さらに反応チャンバー中の１又は複数の特に結晶基板の上に、特に結晶層を堆積する方法に関するものである。反応チャンバーは、天井と、垂直に天井の反対側に基板を載せるための加熱された床を有し、その上に基板が載る。前記方法においては、少なくとも第一及び第二ガス状出発物質が垂直に上下に配置されたガス入口部材のガス入口域を通過して反応チャンバーに導入される。出発物質は、キャリヤガスとともに反応チャンバーを通過して水平方向に流れ、ガスの流れは均質化され、出発物質はガス入口部材に直接隣接した入口域で少なくとも一部があらかじめ分解され、出発物質の分解物は、入口域に隣接した成長域の基板に堆積され、その間にガスの流れは着実に使い尽くされる。

このタイプの装置及びこのタイプの方法は、ＤＥ１００４３６０１Ａ１に記載されている。この文献には、特にIII−V族の半導体層をIII−V族の半導体基板に堆積させるための円形対称の装置について記載されている。公知の装置は、水平面に延びる円筒形の反応チャンバーを有する。反応チャンバーの床は、加熱された基板ホルダーによって形成されている。基板ホルダーの上には、ホルダーの中心の回りに円形に配置された多数の基板キャリヤがある。それぞれの基板キャリヤの上には、１又は複数の基板が配置されていてもよい。基板キャリヤは回転する。反応チャンバーの天井は、反応チャンバーの床の反対側にあり、同様に加熱される。天井の中心には、ガス入口部材が存在する。これは反応チャンバーへと突き出す。反応チャンバーに突き出すガス入口部材の一部は、水冷されている。ガス入口部材は垂直に上下に存在する２つのガス入口域を形成する。床の直上に配置された入口域は、床平面とガス入口部材の端面との間に存在する。ガス入口部材は、中心に開口を有し、そこから水素化物がキャリヤガスとともに出る。この水素化物は、アルシン、ホスフィン又はアンモニアであってもよい。この入口域の上に、さらに入口域があり、そこを通過して、同様にキャリヤガスに混合したガス状の出発物質が反応チャンバーに導入される。ガス状の出発物質は、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ又はその他の有機金属化合物であってもよい。

典型的な反応状況下においては、反応チャンバーの床に隣接するガス入口域を通過して流れる第一出発物質の流れは、第二ガス入口域を通過する流れよりもかなり大きい。第一ガス入口域を通過して流れる出発物質は、第二ガス入口域を通過して流れる出発物質よりもかなり高濃度でもある、そのため、第一ガス入口域を通過して流れるガス流の速度は、第二ガス入口域を通過して流れるガス流の速度よりかなり大きいばかりでなく、ガスの濃度が非常に異なる。

ガス入口部材に直接隣接した入口域において、出発物質は一部熱的に分解されている。この域において、流体の均質化又はガス相の均質化も行なわれる。２つの出発物質は、互いに混合されなければならない。入口域に隣接した成長域の下流に基板がある。この域において、反応物質、及び特にIII族物質のガス層濃度は、ガス入口部材からの距離が増加するにつれて減少する。ガス層の消耗は、ガス入口部材からの距離が増加するにつれて成長速度が落ちるのに伴う。成長をより均一にするためには、基板キャリヤを回転させる。これらの詳細は、ＤＥ１００５７１３４Ａ１に記載されている。

入口域と成長域の間の境界の位置は、成長速度の最大値によって定められる。この最大値は、あらかじめの分解、又はガス層及び流体の均質化が、実質的にどこで行なわれるかにより、成長が制限されるIII族の出発物質は、より低い入口からの密に非常に濃縮されたガスによって拡散させられる。最大値は、流れの方向の成長域の始まりのわずか前に設定される。

公知の装置の能力を向上させ、より多くの基板を同時に被覆したい場合は、成長域の広さを増大させなければならない。同時に、しかしながら、出発物質の供給もまた増加しなければならない。もし、反応チャンバーへの出発物質のガスの流れが増加すれば、入口域と成長域の境界は、ガス入口部材から離れるように移る。しかしながら、このようにしてガス入口域が増加することは望ましくない、なぜなら、望ましくない付加物がこの域で形成されうるからである。一方、しかしながら、基板上に均質に層を成長するためには、成長速度の最大値は、成長域にあってはならない。さらに、入口域の増加は、成長域の減少又は反応チャンバー全体のサイズの構造的増大を必要とする。後者は、費用の面で望ましくない。
ＤＥ１００４３６０１Ａ１ ＤＥ１００５７１３４Ａ１

その結果、本発明の目的は、反応チャンバーの有用な表面域を増加させる方法に関する手段を明確にするものである。この増加は、同時に基板ホルダーの上の基板の充填密度を減少させることなく行なうことが可能である。

本発明により達成された目的は、請求項に記載されている。

請求項１は、まず第一に、入口域の水平方向の広がりを減少させるために、２つの出発物質の１つのためのガス入口部材の追加のガス入口域を提供するものである。請求項２によると、入口域の水平方向の広がりを減少させるためには、２つの出発物質の１つは、ただ１つのガス入口域ではなく、２つのガス入口域を通過して、反応チャンバーに導入される。第一出発物質は、反応チャンバーの床に隣接するガス入口域を通過して導入され、好ましくは、追加ガス入口域を通過して導入される。このガス入口域は、反応チャンバーの天井に隣接していてもよい。このことは、全部で３つのガス入口が提供される結果となる。V族成分又は水素化物は、天井及び床に隣接する２つの外部のガス入口域を通過して反応チャンバーに導入される。III族成分は、任意に圧力バリアを備えた、中央のガス入口域を通過して、反応チャンバーに導入される。この成分は望ましくは有機金属化合物であり、例えば窒素又は水素といったキャリヤガスに薄められるものである。本発明装置又は本発明方法によれば、第一出発物質は、第二出発物質より１００倍から５０００倍の濃度で反応チャンバーに導入することも可能である。

本発明の装置は加熱された床を有していてもよい。天井は加熱されていても、加熱されていなくてもよい。好ましくは、しかしながら、加熱された床と加熱されていない天井を備えた熱壁反応器である。さらに床又は天井に隣接するガス入口域の垂直の高さは、中央のガス入口域の垂直の高さよりも低いことも可能である。床及び天井に隣接するガス入口域の高さの合計もまた中央のガス入口域の高さよりも低くてもよい。ガスは、外部のガス入口域を通過して、中央のガス入口域を通過するよりも早い流速で流れ込む。

反応器は、ＤＥ１００４３６０１Ａ１に記載されているように、回転式の基板ホルダーを有していてもよい。基板ホルダーは、同様に衛星状に基板ホルダーの中心の回りに配置された基板キャリヤを有していてもよい。全部で６つの基板キャリヤを有していてもよく、基板キャリヤは、密に円形に配置され、円形の入口域を囲んでいる。成長域は環状の形状を有している。それぞれの基板キャリヤは、全部で７つの基板を運ぶことができる。このことは、高い充填密度を達成する。先行技術と同様の方法で、反応ガスが反応チャンバーに流れ込む時に、突然発熱が起きてもよいように、ガス入口部材は水冷されていてもよい。入口部材は、３又は３以上の入口域のそれぞれが、個々にガスの供給を受けることができるように設計されている。この目的のために、大量の流体の調整器に対応するもの及びバルブが備えられている。特に、中央のガス入口域は、有機金属成分と関連して、圧力バリアを有していてもよい。この圧力バリアは多孔質の材料から成っていてもよい。これは逆拡散を防ぐ。ガス入口部材は、公知の態様で、例えばDE１００６４９４１A１に記載されているように、回転対称形状を有していてもよい。基板ホルダーは加熱されている。基板ホルダーは、放射及び／又は熱伝導によって加熱される。床を加熱するための熱は、赤外線熱であってもよい。電気抵抗熱であってもよい。

例示的態様は、回転対称反応器を示す。その中心にガスが導入され、その周辺にガスは運ばれる。しかしながら、本発明は、チューブの形状を有する反応器にも関連する。その反応器中にガスは一方の端で導入され、もう一方の端で放出される。

重要な構成部分は、ガス入口部材５である。これは、ガスが反応チャンバーに導入されるところに位置し、すなわち、円対称形状の反応チャンバー１の場合、中心に位置する。ガス入口部材５は、互いに上下に垂直に配置された３つのガス入口域６、７、８を有する。３つのガス入口域は、反応チャンバー１の天井２と床３との間に位置する。

例示的態様において、床３は、適切な手段により加熱される。天井２は、放射及び熱伝導手段によって加熱された床３により、間接的に熱せられる。床３を加熱するための熱は、赤外線による熱であってもよい、しかしながら、熱はＤＥ１００４３６０１Ａ１に記載された方法、つまり高周波数によるものも想定される。

例示的態様の場合において、反応ガスは反応チャンバー１を通過して、中心から周辺へ流れる。III−V族半導体を置くためには、V族成分は水素化物として、それぞれ天井２及び床３に直接隣接したガス入口域６、８を通過して供給される。特に、PH_３、AsH₃又はNH₃がガス入口域６及び８を通過して導入される。

有機金属III成分は、外部のガス入口域６と８の間に配置された中央のガス入口域７を通過して導入される。特に、ＴＭＧ又はＴＭＩ又はＡｌ化合物がここから導入される。

多孔質でガス透過性の材料の環状の圧力バリアは１１に示されている。III族成分は、キャリヤガスとともにこのバリアを通過する。外部のガス入口域６及び８を通過したガスは、中央のガス入口域７を通過して反応チャンバー１に流れ込むガスよりも濃度が高く、大量の流体である。ガス入口域６、８に流れ込むガスは、独立してガス入口域７へのガス流とすることができる。

ガス入口域６、７、８を通過して反応チャンバーに入るガスが分離されるための横材又は分離要素は、１２及び１３によって表されている。ここで、表記はただの概要である。ガス供給装置から反応器まで、互いに分離してガス入口域６、７、８を通過して流れるガスを導入することができるパイプ又はダクトといったガス導入手段が備えられていることは言うまでもない。

図２において入口域は、ＥＺによって示されている。この入口域において、ガス入口域６及び８、又は７から反応チャンバーに入った反応成分は、混合される。このことは、実質的に拡散によって生じる。さらなる混合が図２においてダッシュ線で表されている入口域の境界で達成される。この境界までに、反応チャンバー中の流体プロフィルもまた均質化されている。熱分解成分、特に水素化物は、より分解が困難で、ガス入口域６及び８を通過して反応チャンバー１に流れ込むが、同様にこの境界までに部分的に熱分解されてしまっている。しかしながら、入口域EZの放射状の幅は、非常に小さいので、成分間の付加物の生成が十分に抑えられる。

図２におけるしっかりとしたカーブは、反応チャンバー１の中心からの放射状の距離に依存する成長速度の特徴を表す。成長速度ｒの最大値１０は、入口域EZの境界のわずか手前である。放射状外方向の入口域EZに隣接する成長域GZの領域において、成長速度ｒは、放射状の距離Rが増加するにつれて降下する。この成長速度における降下は、図３に示す円状のディスク形状の基板キャリヤ９自身の軸の回りを回転させることによって、埋め合わせることができる。この場合、DE１００４３６０１A1に記載されているように、基板キャリヤ９はガスクッションの上に載っていて、ガスジェットによって回転させられてもよい。また、反応チャンバー１の床によって形成された基板ホルダー３全体の反応チャンバーの軸の回りの回転により、基板４の上により均一な厚さの層が形成される。

図３からは、個々の基板キャリヤ９が、非常に高い充填密度における調節された７つの２”基板に非常に十分な直径を有している。全部で６つの基板キャリヤは、基板ホルダー３の中心の周りに均等に配置されている。

図２においてダッシュ−ドット線で表されたカーブは、ＤＥ１００４３６０１Ａ１に述べられているようなガス入口部材が用いられる先行技術にあるように、反応チャンバー１の中心からの放射状の距離Rに関して、成長速度ｒの変化を示している。Ｖ族成分のための追加ガス入口域８は、成長速度ｒの最大値をより小さい放射状の距離Rへシフトさせる効果を有する。

ガス入口域６及び８の垂直の高さは、それぞれ同じ高さとなるようにする。好ましくは、単位時間当たり同じ量のガスが、ガス入口域６及び８を通過して流れるようにする。ガス入口域６、８の高さは、中央のガス入口域７の高さより低い。特に、ガス入口域６及び８の高さの合計は、中央のガス入口域７の高さより少ない。

先行技術（DE１００４３６０１A1）の装置の場合のモデル計算は、濃度が異なり、ガス入口域を通過して反応チャンバーに入る流速が非常に異なるガスは、天井の下の入口域EZの領域で、環状の渦を生じることを示す。天井２に隣接した追加ガス入口域８を通過して流れるガスを伴うガスの流れは、この渦を抑制することが観察された。反応チャンバー１の水平方向の中心面に関して対称な流体プロフィルは、入口域EZの領域で形成され、放物線状の流体プロフィルからダッシュ線で表された境界まで均質化される。

ガス入口域６、ガス入口域７、ガス入口域８の互いの高さの比は、好ましくは４：１５：４である。

開示した特長は、全て本発明に関連する。優先権書類（優先権の基礎出願のコピー）に開示された内容もまた全て、これらの書類の特徴を本出願の特許請求の範囲に盛り込む目的で含め、本出願の開示に盛り込まれる。

本発明の例示的態様は、以下に図を用いて説明する。
図１は、回転対称反応器を広く図示した片方の断面図を示す。 図２は、成長速度における放射状の変化を示す。 図３は、全部で６つの基板キャリヤを備えた基板ホルダーであって、それぞれが７つの基板を載せているものの平面図を示す。

Claims (20)

1. 反応チャンバー（１）中の１又は複数の結晶基板上に、結晶層を堆積するための結晶層堆積装置であって、
   前記反応チャンバー（１）は、天井（２）と、垂直に当該天井（２）の反対側に基板（４）を載せるための加熱された床（３）を有し、ガス入口部材（５）を備え、
   前記ガス入口部材（５）は、少なくともガス状の第一出発物質及びガス状の第二出発物質をそれぞれ分離して導入するための垂直に上下に配置された３つのガス入口域（６、７、８）を有し、
   前記第一出発物質及び前記第二出発物質は、キャリヤガスとともに前記反応チャンバー（１）を通過して水平方向に流れ、
   前記第一出発物質は水素化物であり、前記第二出発物質は有機金属化合物であり、
   前記第一出発物質、前記第二出発物質及び前記キャリヤガスで構成されるガスの流れは均質化され、前記第一出発物質及び前記第二出発物質は前記ガス入口部材（５）に直接隣接した入口域（ＥＺ）中で少なくとも一部があらかじめ分解され、
   前記第一出発物質及び前記第二出発物質の分解物は、前記入口域（ＥＺ）に隣接した成長域（ＧＺ）中の前記基板（４）上に堆積され、その間に前記ガスの流れは着実に使い尽くされ、
   前記第一出発物質が、前記反応チャンバー（１）の前記床（３）に隣接する前記ガス入口域（６）及び前記反応チャンバー（１）の前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（８）を通過して導入され、前記第二出発物質が、前記床（３）に隣接する前記ガス入口域（６）と、前記天井に隣接する前記ガス入口域（８）の間の中央の前記ガス入口域（７）を通過して導入され、
   前記入口域（ＥＺ）の水平方向の広がりを減少させる、
   ことを特徴とする結晶層堆積装置。
2. 前記第一出発物質が、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３又はＮＨ_３であることを特徴とする請求項１に記載の結晶層堆積装置。
3. 前記第一出発物質の分解物がV族の元素であり、前記第二出発物質の分解物がIII族の元素であることを特徴とする請求項１に記載の結晶層堆積装置。
4. 前記第一出発物質及び／又は前記第二出発物質が、前記キャリヤガスによって、前記ガス入口域（６、７、８）を通過して、前記反応チャンバー（１）にそれぞれ導入されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
5. 前記第一出発物質が、前記第二出発物質よりも１００倍から５０００倍高い濃度で、前記反応チャンバーに導入されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
6. 前記床（３）又は前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（６、８）の垂直の高さが、前記中央のガス入口域（７）の垂直の高さよりも低いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
7. 前記床（３）又は前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（６、８）の高さの合計が、前記中央のガス入口域（７）の高さよりも低いことを特徴とする請求項６に記載の結晶層堆積装置。
8. 基板ホルダーを形成する前記反応チャンバー（１）の前記床（３）が、下から加熱されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
9. 前記反応チャンバー（１）が軸対称であって、前記ガス入口部材（５）が中心に位置することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
10. 前記基板ホルダーが前記反応チャンバー（１）の中心の回りを回転することを特徴とする請求項９に記載の結晶層堆積装置。
11. 多数の円状のディスク形状の基板キャリア（９）が、前記基板ホルダーの円周の方向に互いに隣合わせに配置され、前記基板ホルダーに関し回転し、１又は複数の基板（４）を運ぶことを特徴とする請求項９又は１０に記載の結晶層堆積装置。
12. それぞれの前記基板キャリヤ（９）が７つの円状の前記基板（４）を運び、全部で６つの前記基板キャリヤ（９）が、前記基板ホルダーと関連付けられ、互いに密接して円周に均一に分配されていることを特徴とする請求項１１に記載の結晶層堆積装置。
13. 最大の成長速度（１０）の領域が、前記入口域（ＥＺ）の境界の領域中の前記環状の成長域（ＧＺ）内に放射状に広がることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の結晶層堆積装置。
14. 前記入口域（ＥＺ）の直径が、前記成長域（ＧＺ）の放射状の広がりよりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の結晶層堆積装置。
15. 反応チャンバー（１）中の１又は複数の結晶基板上に、結晶層を堆積するための結晶層堆積方法であって、
    前記反応チャンバー（１）は、天井（２）と、垂直に当該天井（２）の反対側に加熱された床（３）を有し、その上に基板（４）が載り、
    少なくともガス状の第一出発物質及びガス状の第二出発物質が、垂直に上下に配置されたガス入口部材（５）の３つのガス入口域（６、７、８）を通過して前記反応チャンバー（１）に導入され、
    前記第一出発物質及び前記第二出発物質は、キャリヤガスとともに前記反応チャンバー（１）を通過して水平方向に流れ、
    前記第一出発物質は水素化物であり、前記第二出発物質は有機金属化合物であり、
    前記第一出発物質、前記第二出発物質及びキャリヤガスで構成されるガスの流れは均質化され、前記第一出発物質及び前記第二出発物質は前記ガス入口部材（５）に直接隣接した入口域（ＥＺ）で少なくとも一部があらかじめ分解され、
    前記第一出発物質及び前記第二出発物質の分解物は、前記入口域（ＥＺ）に隣接した成長域（ＧＺ）中の前記基板（４）上に堆積され、その間に前記ガスの流れは着実に使い尽くされ、
    前記入口域（ＥＺ）の水平方向の広がりを減少させるために、前記第一出発物質が、前記反応チャンバー（１）の前記床（３）に隣接する前記ガス入口域（６）及び前記反応チャンバー（１）の前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（８）を通過して導入され、前記第二出発物質が、前記床（３）に隣接する前記ガス入口域（６）と、前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（８）の間の中央の前記ガス入口域（７）を通過して導入される、
    ことを特徴とする結晶層堆積方法。
16. 前記第一出発物質が、ＡｓＨ _３ 、ＰＨ _３ 又はＮＨ _３ であることを特徴とする請求項１５に記載の結晶層堆積方法。
17. 前記第一出発物質及び／又は前記第二出発物質が、前記キャリヤガスによって、前記ガス入口域（６、７、８）を通過して、前記反応チャンバー（１）にそれぞれ導入されることを特徴とする請求項１５に記載の結晶層堆方法。
18. 前記床（３）又は前記天井（２）に隣接する前記ガス入口域（６、８）の垂直の高さが、前記中央のガス入口域（７）の垂直の高さよりも低いことを特徴とする請求項１５に記載の結晶層堆積方法。
19. 基板ホルダーを形成する前記反応チャンバー（１）の前記床（３）が、下から加熱されることを特徴とする請求項１５に記載の結晶層堆積方法。
20. 前記反応チャンバー（１）が軸対称であって、前記ガス入口部材（５）が中心に位置することを特徴とする請求項１５に記載の結晶層堆積方法。

Images