JP4700602B2 - 一方を前処理した２種のプロセスガスを用いた半導体蒸着プロセス及び装置 - Google Patents

一方を前処理した２種のプロセスガスを用いた半導体蒸着プロセス及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、反応装置のプロセスチャンバ内の基板ホルダにより保持された少なくとも１つの基板上に少なくとも一層を、特に半導体層を蒸着するプロセスに関する。その層は少なくとも２種の材料成分からなり、それらは調整された（固定され又は変動される）化学量論的比率であり、かつ第１プロセスガス及び第２プロセスガスの形態でそれぞれ反応装置へ導入され、そこでこれらのプロセスガスはエネルギー供給されることにより化学的に蒸着され、そして所与の蒸着生成物は層を形成する。第１プロセスガスの供給は熱活性化エネルギーが低くその層の成長速度を決定し、そして第２プロセスガスは熱活性化エネルギーが高く過剰に供給されるとともに特にエネルギーの追加供給により前処理される。第１プロセスガスは、基板ホルダの反対側に位置するガス流入部品の表面上に分散して設けられた多数の孔を通って基板ホルダーの方向に流れる。
さらに、本発明は当該プロセスを行うための装置に関し、反応装置内に設置されたプロセスチャンバを有し、プロセスチャンバは少なくとも１枚の基板のための基板ホルダと、基板ホルダをプロセス温度まで加熱するための加熱装置と、ガス流入部品とを具備し、ガス流入部品は基板ホルダの反対側に位置する。ガス流入部品は第１プロセスガスを放出するための多数の孔を具備し、それらの孔は基板ホルダの反対側に位置するガス流入部品の表面上に分散している。さらに、プロセスチャンバ内に導入される第２プロセスガスを前処理するための装置を具備する。
ＣＶＤシステム、そして特にＭＯＣＶＤシステムは、発光ダイオード、特に緑色、青色及び白色の発光ダイオードを製造するために用いられる。白色発光ダイオードを蒸着するためには窒素化合物が半導体表面上に蒸着される。従来用いられている製造プロセスにおいては、例えばＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＮＨ３の形態の第１及び第２のプロセスガスがプロセスチャンバ内へ通され、その中でこれらのプロセスガスが分解したり互いに反応したりして、反応生成物若しくは分解生成物が基板の表面上に堆積することにより１または複数の層を形成する。従来用いられてきたプロセスは高価であり、それは、材料コスト特に窒素の水素化物のコストが例えばＴＭＧ等のアルキル金属の材料コストより格段に高いためである。ＮＨ３、ＰＨ３またはＡｓＨ３は、アルキル金属よりも大きな桁数で高濃度とした状態でプロセスチャンバ内に導入しなければならない。それらの水素化物はアルキルに比べて相対的に安価であるが、消費量が大きいために消費コストはほぼ同程度となる。消費量が大きいのは、水素化物の熱活性化エネルギーがアルキル金属の熱活性化エネルギーに比べて高いためである。
プロセスガスの蒸着を促進するために、特許文献１では、ガス流入部品と基板ホルダの間でプラズマに点火することを提示する。
特許文献２もまた、この目的のためにプロセスチャンバ内でのプラズマを提案している。
特許文献３は、ＭＯＣＶＤシステムにおける半導体の蒸着に関し、プロセスガスがシャワーヘッドを通してプロセスチャンバ内へ導入される。
プロセスガスのプラズマ前処理は、特許文献４からも知られている。
特許文献５は、水素化物とは別個にアルキル化物を導入することを開示する。
米国特許No.4,539,068号明細書 米国特許No.3,757,733号明細書 米国特許No.6,289,842号明細書 特開平８−１６７５９６号公報 国際公開WO２００１／４６４９８パンフレット 米国特許No.5,871,586号明細書
上記の通りの現状を考慮すると、公知のプロセスを用いて製造される発光ダイオードは、コスト的な理由から広く普及して利用できないことになる。従って、本発明は、光束／コスト比を大幅に改善できる手法を提供することを目的とする。
本発明により、発生する製造コストに対する光量は改善される。これは、第１プロセスガスとは別個にプロセスチャンバ内に導入される第２プロセスガスのみを、プロセスチャンバに導入する前に前処理することにより実現される。その分解生成物は、基板ホルダの周縁の真上においてプロセスチャンバ内に入り、そして拡散境界層の範囲内で基板ホルダ表面に対して平行に拡散する。
上記の目的を実現するための本発明による装置は、前処理のための前処理装置が基板ホルダの周縁に設置されることを特徴とする。基板ホルダはリング形状が好適であり、そのリングが中心の周りで回転可能である。前処理装置は、このリングの中心に（この間の内側周縁に）配置される。しかしながら、漏斗形状で直線的にプロセスチャンバに対して設けてもよい。この場合、基板ホルダは長方形または台形が好適である。前処理装置は、受容部の上流側に配置される。第１プロセスガス（アルキル金属）は好適にはトリメチルガリウムであり、多数の孔を通してプロセスチャンバ内へ導入される。この場合、これらの孔は基板ホルダのちょうど反対側に位置する壁に設けられる。ガスの流入方向は、基板ホルダの表面に対して垂直となる。ガスの流出方向は、ガスの流入方向に対して垂直であり基板表面に対して平行、すなわち壁に対して平行である。この壁は、シャワーヘッド形状のガス流入部品を形成する。
さらに、水素又は窒素等のキャリアガスがプロセスチャンバ内に流入する際に通過する孔が、プロセスチャンバの頂部に設けられる。基板ホルダの表面に対して平行なガスの流出方向によってガス流入部品の上流側及び／または下流側に位置する。このキャリアガスの流れは、、ガス流入部品の孔を通って流入するキャリアガスの流れに適合させられる。それは、基板ホルダの上方にできるだけ平坦は拡散／フロー境界層を形成するためである。この場合、拡散／フロー境界層はプロセスチャンバの下半分においてできる限り離れている。
前処理された第２プロセスガスは、この拡散／フロー境界層の範囲内でラジカルの形態でプロセスチャンバ内に注入される。ラジカルを生成するために、前処理装置は好適にはプラズマ発生器またはホットワイヤ装置または触媒装置またはこれらの組合せを具備する。これは、第２プロセスガスを高度に分解できる温度まで加熱するために用いられる。
第１プロセスガスのためのガス流入部品の孔は、互いに近接していることにより、これらの孔から放出されるガスジェットは個々のジェットとして基板ホルダに衝突せず、これらのガスジェットの方向に対して垂直に基板ホルダ上で平坦に入ってくる第２プロセスガスへ圧力をかける。これにより、第２プロセスガスのための材料量を大きく低減することができる。熱活性化エネルギーの低い第１プロセスガスの濃度勾配は基板ホルダの長さ全体に亘って実質的に平坦かつ均一であるが、ラジカルの濃度勾配は主要なガス流方向において減少する。
しかしながら、これにより、基板の直上においてラジカルの濃度が第１プロセスガスの濃度よりも常に高いことを確保する。この結果、第２プロセスガスの分解生成物は常に過剰に存在することとなる。成長速度は第１プロセスガスの供給により決定される。分解された第２プロセスガスを過剰に供給することは、堆積する層のＥＰＤ(エッチピット密度)欠陥の数が少ないことを意味する。欠陥の集中度は、１０１１ｃｍ−２未満、１０ ９ ｃｍ −２ 未満または１０ ８ ｃｍ −２ 未満であることが好適である。このように欠陥生成傾向がないことから、従来技術よりも速い、特に５μm／hも速い成長速度を実現できる。
本発明においては、第２プロセスガスは水素化物でよい。特に、アルシン、フォスフィン、アンモニアまたはＵＤＭＨ(1,1-ジメチルヒドラジン)が適切である。これらのガスは、前処理装置内で熱及び／または触媒手段によりほとんど完全にラジカルに分解することができる。従って、前処理装置へ導入される第２プロセスガスのマスフローは、ガス流入部品へ導入される第１プロセスガスのマスフローより僅かに大きくするだけでよい。第１プロセスガス、例えばＴＭＧのマスフローは通常、数sccmであり、例えば３sccmである。前処理装置へ導入される水素化物ガスのマスフローは、このレベルのほぼ３倍とするだけでよい。
さらに、キャリアガスの極めて大きなマスフローをガス流入部品へ導入することも可能となる。この目的のために用いられる窒素または水素のマスフローは、約３０slmまでの量でよい。第２プロセスガスが前処理装置内で事実上完全に分解するので、基板表面直上の気相中における第２プロセスガスの分解生成物の供給は、分解されたまたは分解されていない第１プロセスガスの供給より大きい。ＴＭＧに追加される第１プロセスガスはＴＭＩまたは他のアルキル金属でもよい。プロセス温度は広い範囲で変化させることができる。その範囲は４００℃〜１６００℃、好適には５００℃〜１２００℃の間でよい。熱的に前処理された第２プロセスガスに起因するプロセスチャンバ内の温度勾配に対する悪影響は、マスフローと熱容量が比較的小さいので無視できる程度である。
前処理された水素化物の拡散が、ＣＣＳシャワーヘッドから放出されるアルキルガス流に対して垂直方向に向けられることは重要である。アルキルガスと共にシャワーヘッドから放出されるキャリアガスは、前処理された水素化物を結晶成長表面に対して流体力学的に押圧する。ガス流入部品を介してキャリアガス流の物質が大量に供給されることから、ガス流入部品の表面位置において水素化物が大きく希釈され、それにより、ガス流入部品上への寄生堆積の形成における反応平衡が１より十分小さくなる。この結果、従来技術において必要であったプロセスチャンバのクリーニング間隔よりもクリーニング間隔を長くすることができる。
本発明により、水素化物のマスフローが従来技術よりも１００分の１に低減される。同時に、このことは蒸着層における欠陥密度を低減し、それによりこのように製造されたＵＶで発光する発光ダイオード（ＧａＮ）がより大電流で、すなわちより大きな光量で動作可能となる。
本発明の構成をまとめると、以下の通りである。括弧内の半角数字は後述する図面中の参照符号である。
（１）請求項１に係る発明は、反応装置(1)のプロセスチャンバ(2)内に基板ホルダ(4)により保持される少なくとも１つの基板上に少なくとも１層の半導体層を蒸着するプロセスであって、前記半導体層が一定の化学量論的組成の少なくとも２種の材料成分からなりかつそれぞれが第１プロセスガス及び第２プロセスガスの形態で前記反応装置(1)へ導入され、前記第１及び第２のプロセスガスがエネルギー供給によって分解し、その分解生成物が前記半導体層を形成し、熱活性化エネルギーの小さい前記第１プロセスガスの供給は前記半導体層の成長速度を決定し、そして熱活性化エネルギーの大きい前記第２プロセスガスは過剰に供給されかつエネルギーを独立して供給されることにより前処理される前記プロセスにおいて、キャリアガスとともに供給される前記第１プロセスガスは、前記プロセスチャンバ(2)の頂部に位置し前記基板ホルダ(4)の表面全体の真上にて平行に延在するガス流入部品(3)の表面(18)上に分散して設けられた多数のガス流入孔(6)を通して、基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)へ流れる一方、前記第２プロセスガスは、前記プロセスチャンバ(2)へ入る前に前処理され、かつ前記基板ホルダ(4)の周縁(19)において前記プロセスチャンバ (2)に入り、前記基板ホルダの表面(20)に対して平行に流れ、
前記基板ホルダ(4)に対し垂直な前記第１プロセスガスの流れが、前記基板ホルダ(4)に対し平行な前記第２プロセスガスの流れを前記基板の表面(20)に対して平坦に押し付けることにより、前記基板の表面(20)の上方に拡散／フロー境界層(12)を形成し、主要なガスフロー方向(16)の上流側及び／または下流側において前記ガス流入孔(6)に隣接して別の孔(7,8)が設けられ、前記拡散／フロー境界層を調整するために前記別の孔(7、8)を通って前記プロセスチャンバ(2)内へ前記主要なガスフロー方向(16)に垂直な方向にキャリアガスが導入される、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（２）請求項２に係る発明は、前記第２プロセスガスが水素化物であり、該水素化物はＮＨ ３ 、ＰＨ ３ またはＡｓＨ ３ であることを特徴とする請求項１に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（３）請求項３に係る発明は、前記第２プロセスガスが熱または触媒により前処理されることを特徴とする請求項１または２に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（４）請求項４に係る発明は、前記第２プロセスガスがプラズマにより前処理されることを特徴とする請求項１または２に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（５）請求項５に係る発明は、前記前処理の結果形成された前記第２プロセスガスのラジカルの前記プロセスチャンバ内へのマスフローが、前記第１プロセスガスの前記プロセスチャンバ内へのマスフローより多いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（６）請求項６に係る発明は、基板の真上における前記前処理の結果形成されたラジカルの前記第１プロセスガスに対する比率が、前記プロセスチャンバ(2)の全長または前記プロセスチャンバ(2)の全径にわたって１を超えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（７）請求項７に係る発明は、前記半導体層の成長速度が５μm／hを超えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（８）請求項８に係る発明は、前記半導体層のＥＰＤ（エッチピット密度）が１０ １１ ｃｍ −２ 未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（９）請求項９に係る発明は、プロセス温度が４００℃〜１６００℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（１０）請求項１０に係る発明は、前記前処理された第２プロセスガスが前記拡散／フロー境界層(12)の範囲内で前記プロセスチャンバ内へ拡散することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（１１）請求項１１に係る発明は、前記拡散／フロー境界層が前記プロセスチャンバ(2)の高さの下半分に位置することを特徴とする請求項１０に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（１２）請求項１２に係る発明は、前記第１プロセスガスがＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＥＧ、ＴＭＡＬ、ＤｃｐＭｇ、ＤＥＺｎまたは他のアルキル金属であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセスである。
（１３）請求項１３に係る発明は、前記請求項１〜１２のいずれかに記載のプロセスを実行する装置であって、反応装置(1)内に設けられ少なくとも１つの基板(5)のための基板ホルダ(4)を具備するプロセスチャンバ(2)と、前記基板ホルダ(4)をプロセス温度まで加熱するための加熱装置(13)と、キャリアガスとともに第１プロセスガスを、前記基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)にて前記プロセスチャンバ内へ導入するべく、前記プロセスチャンバ(2)の頂部に位置し前記基板ホルダ(4)の表面全体の真上にて平行に延在する表面(18)上に多数のガス流入孔(6)を分散させて設けたガス流入部品(3)と、前記プロセスチャンバ(2)内へ導入される第２プロセスガスを前処理するための前処理装置(9)と、
前記前処理装置(9)から出た第２プロセスガスを前記基板ホルダ(4)の周縁(19)において前記プロセスチャンバ (2)に導入する導入口（10）と、を有し、前記第１のプロセスガスが基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)へ流れる一方、前記第２のプロセスガスが前記基板ホルダの表面(20)に対して平行に流れ、前記基板ホルダ(4)に対し垂直な前記第１プロセスガスの流れが、前記基板ホルダ(4)に対し平行な前記第２プロセスガスの流れを前記基板の表面(20)に対して平坦に押し付けることにより、前記基板の表面の上方に拡散／フロー境界層(12)が形成され、主要なガスフロー方向(16)の上流側及び／または下流側において前記ガス流入孔(6)に隣接して別の孔(7、8)が設けられ、前記拡散／フロー境界層(12)を調整するために前記別の孔(7、8)を通って前記プロセスチャンバ(2)内へ前記主要なガスフロー方向(16)に垂直な方向にキャリアガスが導入される、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１４）請求項１４に係る発明は、前記基板ホルダ(4)がリング形状に形成され、かつ前記前処理装置(9)が前記リング形状の内側空間に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１５）請求項１５に係る発明は、前記基板ホルダ(4)が台形であり、前記前処理装置(9)が前記台形の短い辺の上流側に位置することを特徴とする請求項１４に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１６）請求項１６に係る発明は、前記基板ホルダ(4)の上方における前記プロセスチャンバ(2)の断面が、前記ガス流出方向において一定であることを特徴とする１３〜１５のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１７）請求項１７に係る発明は、前記ガス流入部品(3)がシャワーヘッド形状であり、閉鎖され蓋をされたシャワーヘッドとして形成され、かつ前記プロセスチャンバの高さが１０mm〜７５mmであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１８）請求項１８に係る発明は、前記前処理装置(9)がプラズマ発生器を含むことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（１９）請求項１９に係る発明は、前記前処理装置(9)がヒーターを具備し、該ヒータがホットワイヤ装置を具備することを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（２０）請求項２０に係る発明は、前記プロセスチャンバ(2)の高さが７５mmを超え、回転駆動される前記基板ホルダ(4)の回転速度が１００rpmを超え１０００rpmまでであることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（２１）請求項２１に係る発明は、前記第１プロセスガスであるアルキル金属が、２つのチャンバ(21、22)を具備するガス流入部品(3)を介して別個のガス流入孔(6'、6")を通って供給されることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
（２２）請求項２２に係る発明は、前記アルキル金属のための前記ガス流入部品(3)と接続された前処理装置(23)を有することを特徴とする請求項２１に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置である。
本発明による装置の実施例を図面を参照しつつ以下に説明する。
図１に示した反応装置１はハウジング（図示せず）を具備する。反応装置１のハウジング内には、基板ホルダ４をプロセス温度に加熱するために用いられる加熱装置１３がある。層が蒸着される基板は、基板ホルダ４上に載置される。基板ホルダ４上に複数の基板５を載置することも可能である。
プロセスチャンバ２は、基板ホルダ４の上方に配置される。プロセスチャンバ２はその頂部においてガス流入部品３により区画されている。このガス流入部品３はガス放出面１８を形成し、ガス放出面は基板ホルダ４の表面２０に対して平行に延びている。ガス流入孔６は、ガス放出面１８に公知の方式で設けられている。これらのガス流入孔６から放出されガス流入方向に沿ってプロセスチャンバに入るガスジェットが、プロセスチャンバの高さの下半分に位置する領域内において基板ホルダ４の方向に均一なガス流の場を形成するように、これらのガス流入孔６はガス放出面１８上に亘って分散して設けられている。しかしながら、ガスの流入方向１１に対して垂直なガスの流出フロー１６は、拡散／フロー境界層１２の上方に形成される。
さらに別のガス流入孔７が、ガス流入孔６の上流側に配置される。さらに別のガス流入孔８をガス流入孔６の下流側に設けてもよい。ガス流入部品３のガス流入孔６については、Ｎ２またはＨ２であるキャリアガスのみでなく特にＴＭＧ（トリメチルガリウム）またはＴＭＩ（トリメチルインジウム）等の第１プロセスガスも通過できるが、これらのガス流入孔６の近傍のガス流入孔７、８については、キャリアガスであるＮ２またはＨ２のみが通過してプロセスチャンバへ入る。これは、基板ホルダ４の上方の周縁領域において、表面２０に対して平行な拡散／フロー境界層１２を規定するためである。
図６に示した実施例においては、基板ホルダ４が上方から見て長方形表面を具備する。この場合、プロセスチャンバは、ガスが流出する方向１６に拡がっている。プロセスチャンバは、ガス流出方向１６において基板ホルダ全体に亘って一定となる断面を具備する。
図３に示す反応装置もまた前述の特性を有する。図１及び図２に示した反応装置の基板ホルダ４は漏斗形であるが、図３に示す反応装置の基板ホルダ４はリング状である。複数の基板５がこのリング状の基板ホルダ４上に載置される。基板ホルダ４は回転駆動可能である。基板ホルダ４上に載置された基板は公知の方式と同様に回転駆動可能である。基板ホルダ４の加熱は高周波加熱または熱放射のいずれの公知の方式でも行うことができる。
キャリアガスを伴うアルキルのみが、シャワーヘッド形状に形成されたガス流入部品３を通ってプロセスチャンバ２へ流入することが重要である。水素化物、例えばＮＨ３、ＰＨ３またはＡｓＨ３は、水素化物供給ライン１５を通って前処理装置９へ流入する。図１及び図２に示した実施例では、前処理装置９は、主要なフロー方向１６において基板ホルダの周縁１９の上流側に配置される。図３に示した実施例では、前処理装置９の半分のみを示しているが、リング状の基板ホルダ４の環状内側空間の中心に配置されている。この場合、水素化物の供給１５は下方からとすることができる。
図７に示した実施例では、基板ホルダ４が同様にリング形状に形成されている。
この場合も、前処理装置９により生成されるラジカルの注入は、基板ホルダの周縁１９から行われる。しかしながら、図３に示した実施例とは異なり、この注入は外側周縁から行われることにより、基板表面に対する圧縮的拡散が形成される。これにより空亡分布を補完する。
前処理装置９は、構成図においては模式的にのみ示されている。前処理装置９はプラズマ発生器でよい。しかしながら、前処理装置９を水素化物の熱分解のための装置とすることも好適である。これは、「ホットワイヤ」装置でもよい。この装置は高温まで加熱されるワイヤを具備し、この装置により水素化物はラジカルまで分解される。水素化物のラジカルへの分解は実質上完全に行われることが好適である。
実施例において前処理装置９内でアンモニアから生成される窒素ラジカルＮ＋は、出口通路１０を通ってプロセスチャンバ２へ通過させられる。出口通路１０は注入孔を形成し、プロセスチャンバ内へ特にチャンバ内の拡散境界層へ開口している。拡散境界層は基板ホルダ４の表面２０の真上にある。この場合、出口通路１０は基板ホルダの周縁１９において開口している。この結果、形成されるＮ＋の流れは基板表面２０に対して平行に延び、ガスジェット１１の流れの方向（流入方向）に対して垂直である。ガスジェット１１は窒素ラジカルの拡散流を基板５の表面に対して押し付ける。
図３に示した実施例においては、前処理装置９を受容する機器は実質的に円筒形状であり、空洞部をカバーされた円筒を具備する。図１及び図２に示した実施例においては、出口通路１０が漏斗上に形成されている。
図４に示した別の反応装置１は図１〜図３に示した実施例のプロセスチャンバよりも遙かに高いプロセスチャンバ２を具備する。これを補うために、同様にリンク形状である基板ホルダ４は高回転速度で駆動される。これにより、拡散／フロー境界層１２が基板表面５の上方で「引っ張られ平坦」となる。この結果、前処理装置９を受容する機器は、カバーを具備する必要がない。しかしながら、この場合も、プロセスパラメータに依存してカバーを設けることが好適である。出口通路１０から出てくるラジカルは上方を向いているが、出口通路１０の真上のフローによってガスジェット１１に対して横向きに、かつ基板ホルダの表面２０に対して平行に転換させられる。
図５は、基板表面上方の気相における出口通路１０から出てくる窒素ラジカルＮ＋のガリウム濃度に対する濃度勾配を示す。窒素ラジカルは過剰に存在し、窒素ラジカルの濃度１７は主要なガスフローの方向１６において減少する。しかしながら、Ｎ＋／Ｇａの比は、全長（図１及び図２）または全径（図３及び図４）にわたって１を超える状態を維持する。
典型的なプロセス温度は４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００℃及びこれらの間またはこれらを超える任意の温度であり、トリメチルガリウムのマスフローは２〜１０sccmの間でありプロセスチャンバ２内へ導入される。ＮＨ３のマスフローは、ライン１５を通して前処理装置９へ導入され、低レベルのみとされ、特にＴＭＧマスフローより僅かに大きいだけ、特に２または３倍である。これに対して、ガス流入孔６、７、８を通して導入されるキャリアガス（Ｈ２、Ｎ２）のマスフローは、２つのプロセスガスの一方のマスフローより１０００倍大きい。
本発明は、２以上のプロセスガスを用いて実施することもできる。特にトリメチルガリウムに加えて、トリメチルインジウムまたはＴＭＡＬまたはＤｃｐＭｇをプロセスチャンバ２へ導入する。そこに他のアルキルを導入することも可能である。さらに、ＮＨ３ＰＨ３及び／またはＡｓＨ３の替わりにＵＤＭＨ等の任意の他の水素化物もまたプロセスチャンバ内へ導入することができる。前述の方式においてこれらの水素化物を予め調製することも好適である。
水素化物は濃縮形態でまたはキャリアガスとともに前処理装置９内に導入される。水素化物の導入は非常に僅かなキャリアガスとともに行うことが好適である。これは前処理されたガスの希釈を最小限とするためである。前処理装置の温度はこの場合、プロセスチャンバのプロセス温度より高いかまたは低い。
本発明の図示しない変形例では、基板ホルダ自体を回転駆動してもよい。この場合、基板ホルダが回転駆動されるガスクッション上に載置される。可動式に設置される複数の基板ホルダは、個々の基板キャリア上に載置されることにより回転駆動可能である。
図８に示した実施例においては、２つの異なるアルキルがプロセスチャンバ内に導入される。この場合、２つのアルキルの各々はガス流入部品３の別個のチャンバ２１、２２内へ導入される。２つのチャンバ２１、２２の各々は別個のガス流入孔６’、６”を設けられ、それらはプロセスチャンバ内に開口している。このことは個々の金属アルキル同士の早過ぎる反応を防止する。特許文献６はこのタイプのチャンバの詳細を開示している。
図９に示したさらに別の実施例においては、１または複数のアルキルが特別な前処理装置２３内で前処理される。この場合も水素化物は前処理装置９で前処理される。この場合、水素化物の供給部１５は上方から行われる。前処理装置９はプロセスチャンバとほぼ同じ高さに配置される。しかしながら、この場合もラジカルの注入は、基板ホルダ４の周縁に向けて設けられた出口通路１０を通して行われる。ラジカルの注入は拡散境界層内に向けて行われる。
このアルキル用のさらに別の前処理装置２３は、プロセスチャンバの頂部領域におけるシャワーヘッドの領域に配置される。ここで前処理されたプロセスガスはキャリアガスとともに、前述の方式によりガス流入孔６を通りプロセスチャンバ内に入る。前処理装置２３は冷却装置でよい。冷却は、冷媒または所与の他の方法で行わうことが可能である。例えば、ガス流によりまたは熱の放散により行う。この場合熱は、調整可能なガスギャップにより放散させることができる。
ここに開示された全ての特徴は本発明に関するものである。関連する添付の優先権書類の開示内容はその全てを本発明に含めるものとする。
漏斗形状のプロセスチャンバを具備するトンネル反応装置を示す構成図である。 図１の反応装置における基板ホルダ上を示す平面図である。 ラジカル区画における別のリング状反応装置を示す図である。 別のリング状反応装置を示す断面図である。 主要なガス流方向における基板表面直上のラジカルの濃度を示す図である。 図２と同様に示した別の反応装置の形状を示す図である。 図３に示した反応装置に対する別の反応装置の形状を示す図である。 反応装置のさらに別の例を示す図である。 さらに別の例を示す概略図である。

Claims (22)

  1. 反応装置(1)のプロセスチャンバ(2)内に基板ホルダ(4)により保持される少なくとも１つの基板上に少なくとも１層の半導体層を蒸着するプロセスであって、
    前記半導体層が一定の化学量論的組成の少なくとも２種の材料成分からなりかつそれぞれが第１プロセスガス及び第２プロセスガスの形態で前記反応装置(1)へ導入され、
    前記第１及び第２のプロセスガスがエネルギー供給によって分解し、その分解生成物が前記半導体層を形成し、
    熱活性化エネルギーの小さい前記第１プロセスガスの供給は前記半導体層の成長速度を決定し、そして熱活性化エネルギーの大きい前記第２プロセスガスは過剰に供給されかつエネルギーを独立して供給されることにより前処理される前記プロセスにおいて、
    キャリアガスとともに供給される前記第１プロセスガスは、前記プロセスチャンバ(2)の頂部に位置し前記基板ホルダ(4)の表面全体の真上にて平行に延在するガス流入部品(3)の表面(18)上に分散して設けられた多数のガス流入孔(6)を通して、基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)へ流れる一方、
    前記第２プロセスガスは、前記プロセスチャンバ(2)へ入る前に前処理され、かつ前記基板ホルダ(4)の周縁(19)において前記プロセスチャンバ (2)に入り、前記基板ホルダの表面(20)に対して平行に流れ、
    前記基板ホルダ(4)に対し垂直な前記第１プロセスガスの流れが、前記基板ホルダ(4)に対し平行な前記第２プロセスガスの流れを前記基板の表面(20)に対して平坦に押し付けることにより、前記基板の表面(20)の上方に拡散／フロー境界層(12)を形成し、
    主要なガスフロー方向(16)の上流側及び／または下流側において前記ガス流入孔(6)に隣接して別の孔(7,8)が設けられ、前記拡散／フロー境界層を調整するために前記別の孔(7、8)を通って前記プロセスチャンバ(2)内へ前記主要なガスフロー方向(16)に垂直な方向にキャリアガスが導入される、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  2. 前記第２プロセスガスが水素化物であり、該水素化物はＮＨ３、ＰＨ３またはＡｓＨ３であることを特徴とする請求項１に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  3. 前記第２プロセスガスが熱または触媒により前処理されることを特徴とする請求項１または２に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  4. 前記第２プロセスガスがプラズマにより前処理されることを特徴とする請求項１または２に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  5. 前記前処理の結果形成された前記第２プロセスガスのラジカルの前記プロセスチャンバ内へのマスフローが、前記第１プロセスガスの前記プロセスチャンバ内へのマスフローより多いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  6. 基板の真上における前記前処理の結果形成されたラジカルの前記第１プロセスガスに対する比率が、前記プロセスチャンバ(2)の全長または前記プロセスチャンバ(2)の全径にわたって１を超えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  7. 前記半導体層の成長速度が５μm／hを超えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  8. 前記半導体層のＥＰＤ（エッチピット密度）が１０１１ｃｍ−２未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  9. プロセス温度が４００℃〜１６００℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  10. 前記前処理された第２プロセスガスが前記拡散／フロー境界層(12)の範囲内で前記プロセスチャンバ内へ拡散することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  11. 前記拡散／フロー境界層が前記プロセスチャンバ(2)の高さの下半分に位置することを特徴とする請求項１０に記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  12. 前記第１プロセスガスがＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＥＧ、ＴＭＡＬ、ＤｃｐＭｇ、ＤＥＺｎまたは他のアルキル金属であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着するプロセス。
  13. 前記請求項１〜１２のいずれかに記載のプロセスを実行する装置であって、
    反応装置(1)内に設けられ少なくとも１つの基板(5)のための基板ホルダ(4)を具備するプロセスチャンバ(2)と、
    前記基板ホルダ(4)をプロセス温度まで加熱するための加熱装置(13)と、
    キャリアガスとともに第１プロセスガスを、前記基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)にて前記プロセスチャンバ内へ導入するべく、前記プロセスチャンバ(2)の頂部に位置し前記基板ホルダ(4)の表面全体の真上にて平行に延在する表面(18)上に多数のガス流入孔(6)を分散させて設けたガス流入部品(3)と、
    前記プロセスチャンバ(2)内へ導入される第２プロセスガスを前処理するための前処理装置(9)と、
    前記前処理装置(9)から出た第２プロセスガスを前記基板ホルダ(4)の周縁(19)において前記プロセスチャンバ (2)に導入する導入口（10）と、を有し、
    前記第１のプロセスガスが基板ホルダ (4)の表面に対して垂直な方向(11)へ流れる一方、前記第２のプロセスガスが前記基板ホルダの表面(20)に対して平行に流れ、
    前記基板ホルダ(4)に対し垂直な前記第１プロセスガスの流れが、前記基板ホルダ(4)に対し平行な前記第２プロセスガスの流れを前記基板の表面(20)に対して平坦に押し付けることにより、前記基板の表面の上方に拡散／フロー境界層(12)が形成され、
    主要なガスフロー方向(16)の上流側及び／または下流側において前記ガス流入孔(6)に隣接して別の孔(7、8)が設けられ、前記拡散／フロー境界層(12)を調整するために前記別の孔(7、8)を通って前記プロセスチャンバ(2)内へ前記主要なガスフロー方向(16)に垂直な方向にキャリアガスが導入される、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  14. 前記基板ホルダ(4)がリング形状に形成され、かつ前記前処理装置(9)が前記リング形状の内側空間に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  15. 前記基板ホルダ(4)が台形であり、前記前処理装置(9)が前記台形の短い辺の上流側に位置することを特徴とする請求項１４に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  16. 前記基板ホルダ(4)の上方における前記プロセスチャンバ(2)の断面が、前記ガス流出方向において一定であることを特徴とする１３〜１５のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  17. 前記ガス流入部品(3)がシャワーヘッド形状であり、閉鎖され蓋をされたシャワーヘッドとして形成され、かつ前記プロセスチャンバの高さが１０mm〜７５mmであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  18. 前記前処理装置(9)がプラズマ発生器を含むことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  19. 前記前処理装置(9)がヒーターを具備し、該ヒータがホットワイヤ装置を具備することを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  20. 前記プロセスチャンバ(2)の高さが７５mmを超え、回転駆動される前記基板ホルダ(4)の回転速度が１００rpmを超え１０００rpmまでであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  21. 前記第１プロセスガスであるアルキル金属が、２つのチャンバ(21、22)を具備するガス流入部品(3)を介して別個のガス流入孔(6'、6")を通って供給されることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれかに記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
  22. 前記アルキル金属のための前記ガス流入部品(3)と接続された前処理装置(23)を有することを特徴とする請求項２１に記載の、基板上に半導体層を蒸着する装置。
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