JP4719541B2 - 半導体薄膜成長装置 - Google Patents

Description

この発明は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣなどの成長温度が比較的高温の半導体薄膜を成長させるための半導体薄膜成長装置に関する。

図２は、この種の半導体薄膜成長装置の従来の例を示すものである。
図２において、符号１は第１フローライナーを、符号２は第２フローライナーを示す。
第１フローライナー１は、石英などの耐熱性材料からなる中空の筒状のものである。この第１フローライナー１内には原料噴射管３が挿通されている。この原料噴射管３は、石英などからなるものであって、原料ガスの一部、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、塩化アルミニウムなどがガス状で水素、アルゴンなどのキャリアガスに同伴されて供給され、その開口端から噴出されるようになっている。

また、原料噴射管３の外周面と第１フローライナー１の内周面との間には間隙が形成されており、この間隙部分は原料ガスの残部、例えばアンモニアなどが窒素などのキャリアガスに同伴されて供給される原料ガス流路４となっている。
さらに、第１フローライナー１の外周側には、この第１フローライナー１を包囲するように、筒状の冷却部５が設けられている。

この冷却部５は、第１フローライナー１内を流れる原料ガスを冷却し、原料噴射管３の開口端で、原料噴射管３からの原料ガスの一部と原料ガス流路４からの原料ガスの残部とが反応しないようにするためのもので、水冷ジャケットなどが用いられる。

また、第１フローライナー１に連通するようにして第２フローライナー２が設けられている。この第２フローライナー２も石英などの耐熱性材料からなる中空の筒状のものである。第２フローライナー２の外周側には、これをほぼ包囲するようにして、加熱部６が設けられている。

この加熱部６は、炭化ケイ素からなるヒータなどの高温発熱体からなるもので、加熱部６が位置する第２フローライナー２の内部空間を高温に加熱し、この内部空間をＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどからなる半導体薄膜が成長する成長領域とするものである。高温発熱体としては、原料ガスから隔離した構造を持たせることによって、カーボンからなるヒータを用いることができる。

また、第２フローライナー２の底部の一部には、開口部が形成され、この開口部をほぼ塞ぐようにして、ウエハートレイ７が設けられている。このウエハートレイ７は、サセプタ８の上に載せられており、サセプタ８の回転軸９により回転可能となっている。

さらに、サセプタ８の下方には、円盤状の炭化ケイ素ヒータ１０が設けられており、この炭化ケイ素ヒータ１０によりウエハートレイ７上の基板および基板上の空間を加熱するようになっている。この炭化ケイ素ヒータ１０は、上記加熱部６の一部を構成し、上記成長領域を加熱するものでもある。ヒータを設置した空間を窒素ガスなどの不活性ガスでパージして腐食性のあるアンモニアから隔離すれば、ヒータ材料はカーボンでもよい。

第２フローライナー２には排気フローライナー１１が連通して設けられている。この排気フローライナー１１は、上記成長領域内での原料ガスの気相反応に伴って生成する排ガスを外部に排気するもので、筒状の構造のものである。
また、冷却部５と加熱部６との間には、断熱部１２が設けられている。この断熱部１２は、加熱部６からの熱が冷却部５に伝わることを防止し、冷却部５の冷却性能の低下を抑えるためのためのものであって、ガラスウールなどの断熱材を固めた環状のもので第１フローライナー１の外周面を包囲するように設けられている。

また、図中符号１３は、チャンバーを示す。このチャンバー１３は、ステンレス鋼などからなる耐圧気密構造のもので、その内部には、上記第１フローライナー１、第２フローライナー２、冷却部５、加熱部６、ウエハートレイ７、サセプタ８、カーボンヒータ１０等が収容され、外気からこれらが遮断された構造となっている。

このような半導体成長装置では、例えば原料噴射管３にトリメチルアルミニウムとキャリアガスを、原料ガス流路４に、アンモニアと窒素などのキャリアガスを流し、第２フローライナー２の内部の成長領域を加熱部６により、１２００〜１５００℃に加熱する。
これにより、成長領域内部においてトリメチルアルミニウムとアンモニアとが反応し、ＡｌＮが生成し、このＡｌＮが基板上に堆積、成長することになる。

ところで、トリメチルアルミニウムとアンモニアとの反応は、２００℃を越えると開始されるため、この反応が第１フローライナー１内で起こることを抑制する目的で、冷却部５により原料ガスを２００℃以下に冷却し、原料噴射管３の開口端において反応が生じないようにしている。

しかし、原料噴射管３の開口端からわずかに離れた位置では、加熱部６からの熱により、その温度が２００℃を越える。このため、この位置でトリメチルアルミニウムの一部とアンモニアの一部とが反応して、固体状のＡｌＮの微粒子が生成する。

このＡｌＮの微粒子は、キャリアガスの流れに乗って、第２フローライナー２内の成長領域に流入し、本来基板上で成長すべき気体状態のＡｌＮがこの微粒子を成長核としてさらに大きく成長してしまい、これによって基板での薄膜形成が阻害される問題が生じていた。
特開平１１−７４２０２号公報

よって、本発明における課題は、ＡｌＮなどの半導体薄膜を成膜する成長装置おいて、トリメチルアルミニウムなどの原料ガスの一部を噴射する原料噴射管の開口端付近で固体状の微粒子が生成しても、この微粒子がそのまま第２フローライナー内の成長領域に流入しないようにし、成長領域での薄膜形成が阻害されないようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、原料ガスの一部を流す原料噴射管と原料ガスの残部を流す原料ガス流路とがその内部に設けられた第１フローライナーと、
この第１フローライナーに連続する第２フローライナーと、
この第２フローライナーの外周に配された第１加熱部および第２加熱部を備えてなり、
第１加熱部は、第１フローライナー寄りに配され、第２フローライナー内の第１加熱部が位置する解離領域を加熱するものであり、
第２加熱部は、第１加熱部を挟んで第１フローライナーの反対側に配され、第２フローライナー内の第２加熱部が位置する成長領域を加熱するものであり、
解離領域の温度が、成長領域の温度よりも高温とされ、
上記解離領域では、第１フローライナー内の原料噴射管の開口端付近での原料ガスの反応により生成した固体状の微粒子が気体状に解離分解され、
上記成長領域では、原料ガスの反応により基板上に半導体薄膜が形成されることを特徴とする半導体薄膜成長装置である。

請求項２にかかる発明は、上記第１フローライナーの外周には、第１フローライナー内の空間を冷却する冷却部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜成長装置である。

請求項３にかかる発明は、上記冷却部と第１加熱部との間に、第１加熱部からの熱を遮る断熱部を設けたことを特徴する請求項２記載の半導体薄膜成長装置である。

本発明によれば、原料噴射管の開口端付近で生成したＡｌＮなどの固体状の微粒子が解離領域において高温に加熱されて解離分解され、気体状となる。このため、微粒子がそのまま第２フローライナー内の成長領域に流入することがなくなって、成長領域での薄膜形成を阻害することがない。

また、成長領域での気相反応を制御するために、第２フローライナー内のガスの流速を高めても、解離領域でガスを高温に加熱しているので、ガスの流れ方向での温度分布の制御が容易となる。

さらに、微粒子を解離領域において解離分解するため、微粒子が発生しやすい高い成長圧力、例えば大気圧でも成膜操作を行うことが可能になる。この結果として、高温では解離しやすいガリウムを含むＡｌＧａＮ膜の成膜時においても、ガリウム分圧を上げることができ、良質なＡｌＧａＮ膜を成膜できる１３００℃以上での成長が可能となる。

図１は、本発明の半導体薄膜成長装置の一例を示すもので、図２に示した従来の装置と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
この例の装置にあっては、第２フローライナー２の長さが第１フローライナー１側に延長されており、この延長部分の外周側に第１加熱部２１が設けられている。

この第１加熱部２１は、炭化ケイ素ヒータなど高温発熱体からなる箱型の断面を有するもので、第２フローライナーの外周全体を包囲するように設けられている。そして、第１加熱部２１は、この第１加熱部２１が位置する第２フローライナー２の内部空間を高温に加熱し、原料噴射管３の開口端付近で生成したＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどの固体状の微粒子を気体状に解離分解し、この空間を解離領域Ａとするものである。

また、従来装置における加熱部６は、第２加熱部２２となっている。この第２加熱部２２は、先と同様に、炭化ケイ素ヒータなど高温発熱体からなるもので、第２加熱部２２が位置する第２フローライナー２の内部空間を高温に加熱し、この内部空間をＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどからなる半導体薄膜が成長する成長領域Ｂとするものである。
また、従来装置と同様に炭化ケイ素ヒータ１０は、第２加熱部２２の一部を構成するものである。なお、第１加熱部２１をなす高温発熱体としては、従来の装置と同様に、気密構造とするか不活性ガス供給してパージするなどすれば、カーボンヒータも使用できる。

そして、第１加熱部２１によって加熱される解離領域Ａの温度が、第２加熱部２２によって加熱される成長領域Ｂの温度よりも高くなるように、それぞれの加熱部２１、２２の温度設定がなされている。

次に、この成長装置を用いて半導体薄膜を形成する方法について説明する。初めに、ＡｌＮ膜の成膜例について説明する。
原料噴射管３に原料ガスとしてトリメチルアルミニウムまたは塩化アルミニウムを供給し、原料ガス流路４にアンモニアとキャリアガスとしての窒素を供給し、第２フローライナー２に向けて流す。

第１フローライナー１内を流れる原料ガスは、冷却部５によって２００℃以下に冷却されるが、原料噴射管３の開口端付近の温度は第１加熱部２１からの熱によって２００℃を超える温度に加熱されており、原料噴射管３の開口端から流れ出た原料ガスは、ここでその一部が反応し、固体状のＡｌＮの微粒子が生成する。原料ガスの残部は、第２フローライナー２内を成長領域Ｂに向けて流れる。

原料噴射管３の開口端付近で生成した微粒子は、ガスの流れに乗って第２フローライナー２の解離領域Ａに入る。この際、解離領域Ａは、第１加熱部２１によって、１５００〜１７００℃に加熱されている。この解離領域Ａに入った微粒子は、この温度に加熱されて解離分解され、気体状となって、消滅する。

この気体状に解離分解されたＡｌＮは、解離領域Ａから成長領域Ｂに流れる。成長領域Ｂは、第２加熱部２２によって１２００〜１５００℃のＡｌＮの成長温度に加熱されており、ここでＡｌＮは過飽和蒸気となって、基板上に堆積してＡｌＮ膜が成長する。

次に、ＩｎＮの成膜例について説明する。
この場合、原料噴射管３にトリメチルガリウムを、原料ガス流路４にアンモニアとキャリアガスとしての窒素を供給し、第２フローライナー２に向けて流す。この例では、第１加熱部２１によって解離領域Ａの温度を６００〜７００℃に、第２加熱部２２によって成長領域Ｂの温度を５００〜６００℃とする。これにより、先の例と同様の作用効果が得られ、基板上にＩｎＮ膜が堆積、成長する。

ＡｌＧａＮ膜の成膜例について説明する。
この場合、原料噴射管３にトリメチルアルミニウムとトリメチルガリウムを、原料ガス流路４にアンモニアとキャリアガスとしての窒素を供給し、第２フローライナー２に向けて流す。この例では、第１加熱部２１によって解離領域Ａの温度を１２００〜１４００℃に、第２加熱部２２によって成長領域Ｂの温度を１１００〜１２００℃とする。これにより、先の例と同様の作用効果が得られ、基板上にＡｌＧａＮ膜が堆積、成長する。

さらに、ＳｉＣ膜の成膜例では、原料噴射管３にＳｉＨ４とキャリアガスとしてのアルゴンを、原料ガス流路４にメタンあるいはエタンを供給する。第１加熱部２１によって解離領域Ａの温度を１５００〜１８００℃に、第２加熱部２２によって成長領域Ｂの温度を１４００〜１７００℃とする。これにより、先の例と同様の作用効果が得られ、基板上にＳｉＣ膜が堆積、成長する。

なお、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣについては、ＡｌＮと同様に解離領域Ａがない従来装置によって成膜した場合には、微粒子が生成し、これが成長領域Ｂに流れて、良好な成膜を阻害するものであることが知られている。

以上の説明では、基板に対して水平方向に原料ガスを流す横型半導体薄膜成長装置を例示して説明を行ったが、本発明では、これに限定されず、基板に対して鉛直方向に原料ガスを流す縦型半導体薄膜成長装置においても同様の作用効果が得られ、本発明の半導体薄膜成長装置に包含されるものである。

本発明の半導体成長装置の一例を示す概略構成図である。 従来の半導体成長装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・第１フローライナー、２・・第２フローライナー、３・・原料噴射管、４・・原料ガス流路、５・・冷却部、１２・・断熱部、２１・・第１加熱部、２２・・第２加熱部、Ａ・・解離領域、Ｂ・・成長領域

Claims (3)

1. 原料ガスの一部を流す原料噴射管と原料ガスの残部を流す原料ガス流路とがその内部に設けられた第１フローライナーと、
   この第１フローライナーに連続する第２フローライナーと、
   この第２フローライナーの外周に配された第１加熱部および第２加熱部を備えてなり、
   第１加熱部は、第１フローライナー寄りに配され、第２フローライナー内の第１加熱部が位置する解離領域を加熱するものであり、
   第２加熱部は、第１加熱部を挟んで第１フローライナーの反対側に配され、第２フローライナー内の第２加熱部が位置する成長領域を加熱するものであり、
   解離領域の温度が、成長領域の温度よりも高温とされ、
   上記解離領域では、第１フローライナー内の原料噴射管の開口端付近での原料ガスの反応により生成した固体状の微粒子が気体状に解離分解され、
   上記成長領域では、原料ガスの反応により基板上に半導体薄膜が形成されることを特徴とする半導体薄膜成長装置。
2. 上記第１フローライナーの外周には、第１フローライナー内の空間を冷却する冷却部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜成長装置。
3. 上記冷却部と第１加熱部との間に、第１加熱部からの熱を遮る断熱部を設けたことを特徴する請求項２記載の半導体薄膜成長装置。
   

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