JP4910105B2 - Vapor thin film growth apparatus and vapor thin film growth method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体上へMOCVD法等により、薄膜を成膜する気相薄膜成長装置およびその装置を用いた気相薄膜成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
加熱された被処理体の表面に原料ガスを供給して反応させることで、被処理体の表面に薄膜を成長させる気相薄膜成長の従来技術において、例えば、回転するサセプタ上に被処理体を装着し、原料ガスを前記サセプタの回転中心より外周全方向へ向けて供給する方法がある。
【0003】
この方法による気相薄膜成長の従来技術の一例を、図2に示す従来の技術に係る気相薄膜成長装置の縦部断面の模式図を用いて説明する。
気相薄膜成長装置は気密構造の反応室1内に、サセプタ回転中心11を中心として回転するサセプタ回転軸10にサセプタ2が取り付けられている。サセプタ2には適宜な数の被処理体4が設置されるが、各々の被処理体4は、被処理体の中心12を回転中心としてサセプタ2上で図示していない回転機構により回転する。
さらに、サセプタ2の被処理体4が設置されていない側には、ヒーター3が設置され、被処理体4およびサセプタ2を所望の温度に加熱している。
【0004】
被処理体4上に成膜される薄膜の原料である原料ガスは、原料ガス流路15を通り原料ガス供給口14より反応室1内に入り、ほぼ、サセプタ中央近傍へ垂直にあたる。サセプタ中央近傍に垂直にあたった原料ガスはサセプタ2と反応室1の壁の間を進行しガス排気口13より反応室1外へ排気される。
【0005】
このとき、原料ガスはヒーター3により加熱されたサセプタ2および被処理体4の表面で熱分解温度の低いガスより徐々に熱分解し、化合物等の形でサセプタ2および被処理体4の上に堆積していく。従って、前記原料ガスの濃度は供給口14の近傍で最も高く、下流側へいくに従って低下する。
この原料ガスの濃度低下に伴い、被処理体4上への堆積により成膜される薄膜の膜厚も原料ガスの供給口に近い側では厚く、下流側にいくにつれて薄くなる。
この被処理体4上における膜厚の不均一を防止するため、上述したように被処理体4は被処理体の中心12を中心として回転している。
【0006】
しかし、上述した成膜操作の1バッチ当たりの生産量を増加しようとした場合、サセプタ2上に設置する被処理体4の数を増やす必要があるが、原料ガスの供給口15と被処理体4との位置関係が被処理体毎に大きく異なると、各被処理体間において成膜される薄膜の膜厚が不均一になるため、サセプタ2上において被処理体4の数を増やすことには制約がある。
【0007】
さらに、一定の原料ガス供給量に対する成膜速度を上げるには、被処理体4を原料ガス供給口15に近づけた方が好ましい。しかし、成膜に用いられる原料ガスにおいても、分解温度の高いものと、低いものとがある。
ここで、分解温度の低い原料ガスは、原料ガス供給口15からの距離が大きくなると、途中で熱分解を受け、被処理体4へ到達する以前にサセプタ2上に堆積してしまうため、被処理体4上でのガス濃度は減少してしまい、堆積量も大きく減少してしまう。
【0008】
一方、分解温度の高い原料ガスは、ガス経路の温度が低かったり、原料ガス供給口15と被処理体4との距離が近すぎたりする場合、原料ガスの熱分解が不十分な状態で被処理体4上へ到達してしまい、膜厚や組成以外にも、例えばこの原料ガスの反応により膜中に取り込まれるべき不純物によるキャリア濃度の均一性が損なわれることになる。
そこで従来の技術においては、この熱分解温度の高い原料ガスと低い原料ガスとの、熱分解の状態が適宜な割合となるところのサセプタ2上に被処理体4が設置されており、被処理体4上へ所望の薄膜が成膜されていた。
【0009】
しかしこれでは、熱分解温度の高い原料ガスと低い原料ガスとにおける熱分解温度の差が、例えば100℃以上ある場合、前記「熱分解温度の高い原料ガスと低い原料ガスとの、熱分解の状態が適宜な割合となるところ」の範囲が狭いため、サセプタ2上に設置できる被処理体4の数が限られてしまい、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を増加するのが困難であった。それに加えて、各被処理体4上に成膜された膜中のキャリア濃度にも、ばらつきが発生する可能性もある。
【0010】
そこで、上述したように実際の成膜操作においては被処理体4上に成膜される薄膜の膜厚およびキャリア濃度の均一性を上げるため、被処理体4をサセプタ2と共にサセプタの回転中心11を中心として回転させている。
しかし、このようなサセプタ2の回転をおこなっても、サセプタ2上において被処理体4上に均一な成膜が実施可能で、且つ原料ガス供給量を増加させることなく、成膜速度は下げずに成膜が実施可能な範囲は、限られた狭い範囲となっている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の背景のもとでなされたものであり、熱分解温度の高い原料ガスと低い原料ガスとにおける熱分解温度の差が、例えば100℃以上ある場合であっても、被処理体上に成膜される薄膜の膜厚および組成成分比およびキャリア濃度の均一性を損なうことなく、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を増加することのできる気相薄膜成長装置および気相薄膜成長方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究した結果、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を増加するためには、成膜に用いられる各原料ガスの熱分解温度に応じて原料ガス流路の温度制御をおこない、各原料ガスの熱分解温度に応じた適宜なガス温度とした後に、サセプタ上または被処理体上へ供給すればよいことに想到した。
さらに、熱分解温度の異なる複数の原料ガスを供給する場合には、少なくとも2つ以上の原料ガス流路を備え、各原料ガスの熱分解温度に応じて適宜な原料ガス流路に原料ガスを流せばよいことにも想到した。
【0013】
すなわち、本発明における第1の発明は、
ヒーターと、
前記ヒーターによって加熱されながら回転するサセプタと、
前記サセプタ上に設置され、前記サセプタと回転中心を同じくして複数配置される被処理体へ原料ガスを供給する少なくとも2本以上の原料ガス流路を有し、前記被処理体上に所望の薄膜を成膜する気相薄膜成長装置であって、
前記原料ガス流路は、前記サセプタに底面を向けて前記サセプタの回転中心と中心軸を同じくする略円錐形の原料ガス供給ノズルにより形成され、かつ、熱分解温度の異なる原料ガスに対して異なる原料ガス流路を有し、
原料ガス流路の少なくとも1本は、前記サセプタと回転中心と、前記被処理体の中心とを結ぶ距離の2等分点より被処理体に近い位置のサセプタ上または被処理体上に、原料ガスを供給するガス供給口を有していることを特徴とする気相薄膜成長装置である。
【0014】
第2の発明は、
前記原料ガス流路の少なくとも1本は、前記原料ガス供給ノズルに前記原料ガスを冷却する冷却機構を有していることを特徴とする第1の発明に記載の気相薄膜成長装置である。
【0015】
第3の発明は、
前記原料ガス流路の他の少なくとも1本の原料ガス流路は、前記原料ガス供給ノズルを前記サセプタの前記被処理体を載せている面に対して垂直または垂直に近い角度で流れた後、前記サセプタの前記被処理体を載せている面と前記原料ガス供給ノズルの底面との間を流れることを特徴とする第1の発明に記載の気相薄膜成長装置である。
【0016】
第4の発明は、
加熱されながら回転するサセプタ上に設置され、前記サセプタと回転中心を同じくして複数配置される被処理体へ、少なくとも2本以上の原料ガス流路を用いて原料ガスを供給し、前記被処理体上へ所望の薄膜を成膜する気相薄膜成長方法であって、
前記サセプタに底面を向けて前記サセプタの回転中心と中心軸を同じくする略円錐形の原料ガス供給ノズルに形成された熱分解温度の異なる原料ガスに対して形成された前記原料ガス流路の少なくとも1本を用いて、前記サセプタと回転中心と、前記被処理体の中心とを結ぶ距離の2等分点より被処理体に近い位置のサセプタ上または被処理体上に原料ガスを供給し、前記被処理体上へ所望の薄膜を成膜することを特徴とする気相薄膜成長方法である。
第5の発明は、
前記原料ガス流路の少なくとも1本に設けられた冷却機構により、通過する原料ガスを冷却することを特徴とする第4の発明に記載の気相薄膜成長方法である。
第6の発明は、
前記原料ガス流路の他の少なくとも1本を用いて、前記サセプタの前記被処理体を載せている面に対して垂直または垂直に近い角度で原料ガスを供給した後、
前記サセプタの前記被処理体を載せている面と、前記原料ガス供給ノズルの底面との間に、前記原料ガスを流すことを特徴とする第4の発明に記載の気相薄膜成長方法である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明に係る気相薄膜成長装置例の縦部断面の模式図である
図1および上述した図2において、対応する部分には同一の符号を付して示した。
【0018】
図1に示す本発明に係る気相薄膜成長装置例は、気密構造の反応室1と、反応室1内に開口し原料ガスを供給する原料ガス供給ノズル16を有している。
反応室1内には、サセプタ2、ヒーター3、被処理体4、サセプタ回転軸10、ガス排気口13が設置されている。原料ガス供給ノズル16内には、、熱分解温度の低い原料ガスを冷却する冷却機構7、熱分解温度の高い原料ガスの流路8、熱分解温度の低い原料ガスの流路9が設置され、ノズルの底面17には熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口5、熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6が設けられている。
【0019】
反応室1内のサセプタ2は、サセプタ回転軸10に取り付けられサセプタ回転中心11を中心として回転する。さらにサセプタ2には適宜な数の被処理体4が設置されるが、各々の被処理体4は、被処理体の中心12を回転中心としてサセプタ2上で図示していない回転機構により回転する。
さらに、サセプタ2の被処理体4が設置されていない側には、ヒーター3が設置され、被処理体4およびサセプタ2を所望の温度に加熱している。
【0020】
一方、原料ガス供給ノズル16は略円錐形をしており、ノズルの底面17をサセプタ2に向け、底面の中心とサセプタ回転中心11とを一致させた形で、反応室1に接続されている。この円錐形の中心軸には、熱分解温度の高い1種類以上の原料ガスの原料ガス流路8が通り、ノズルの底面17の中心部には熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口5が設けられている。
円錐形の斜面の表面近くには、熱分解温度の低い1種類以上の原料ガスの原料ガス流路9が通り、ノズルの底面17の周辺部に熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6が設置されている。
そして、熱分解温度の高い原料ガスと低い原料ガスとは互いに混合されることなく、それぞれが熱分解温度の高い原料ガス流路8および熱分解温度の低い原料ガス流路9を通り、各々のガス供給口より反応室1内へ供給される。
【0021】
この結果、熱分解温度の低い原料ガス流路9は、原料ガス供給ノズル16中においてヒーター3からの熱を最も受け難い部分に設置されることとなるが、さらに熱分解温度の低い原料ガス流路9には、冷却機構7が設置される。この冷却機構7として、例えば、水、オイル等を循環させる冷却ジャケット、ペルチェ素子等が好個に適用できる。
【0022】
この結果、熱分解温度の低い原料ガス流路9を通ったガスは、冷却機構7によりガス温度が下げられるが、熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6近辺において、熱分解しない安定温度のガス温度であることが好ましい。例えば熱分解温度の低い原料ガスがトリメチルガリウムガスであるなら、この冷却機構7部近傍において、安定温度の350℃程度に設定されるのが好ましい。
このようにして、ガス温度が下げられた熱分解温度の低い原料ガスは、熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6より反応室1内へ供給されサセプタ2に接触するが、接触地点はサセプタ回転中心11ではなく、サセプタ回転中心11と被処理体4の間の適宜な地点である。好ましくはサセプタの回転中心11と、被処理体4の中心12とを結ぶ距離の2等分点より被処理体4に近い位置が考えられる。
【0023】
一方、熱分解温度の高い原料ガス流路8は、上述したように略円錐形をした原料ガス供給ノズル16中の中央軸を通り、ノズルの底面17の中心部に設けられた熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口5より反応室1内へ供給され、サセプタ回転中心11近傍でサセプタ2に接触し、サセプタ2の表面にて加熱されながら移動していく。このとき、ノズルの底面17とサセプタ2との間隔を、反応室1の壁とサセプタ2との間隔より狭くする構成を採ると、熱分解温度の高い原料ガスはノズルの底面17とサセプタ2との狭い間隔の流路を通過する間に、加熱されたサセプタ2より効率的に熱を受け取り、被処理体4に到達前に、熱分解に適した温度まで加熱されることになり好ましい。
【0024】
すなわち、図1に示すように、原料ガス供給ノズル16中において、熱分解温度の高い原料ガス流路8と終端である熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口5とは、サセプタ2における被処理体4を載せている面に対し、垂直または垂直に近い角度でガスを供給するよう設置され、一方、熱分解温度の低い原料ガス流路9と終端である熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6とは、サセプタ2における被処理体4を載せている面に対し、好ましくは45°以下、さらに好ましくは30°以下の角度でガスを供給するよう設置する。
【0025】
この構成をとることにより、上述したノズルの底面17とサセプタ2との狭い間隔を通過する間に十分に加熱された熱分解温度の高い原料ガスと、冷却機構7で冷却された熱分解温度の低い原料ガスとが、熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6の近傍で混合されながらサセプタ2により加熱される。
そしてこの混合されたガスが、被処理体4上に到達する直前に各々の熱分解温度を超えるように、ヒーター3の加熱能力と冷却機構7の冷却能力とを、適宜調整しておけばよい。
【0026】
このとき、熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6が有するガスの供給角度は、上述したようにサセプタ2における被処理体4を載せている面に対し、好ましくは45°以下、さらに好ましくは30°以下の角度でガスを供給するので、熱分解温度の低い原料ガスと熱分解温度の高い原料ガスとは、サセプタ2における被処理体4を載せている面上で効率的に混合される。
この構成により、熱分解温度の低い原料ガスによる、所望の気相薄膜成長が可能な範囲を制御すること、および拡張することが可能となった。
【0027】
この結果、サセプタ2上において、熱分解温度の高い原料ガスにより所望の気相薄膜成長が可能な範囲と、熱分解温度の低い原料ガスにより所望の気相薄膜成長が可能な範囲との両者が可能な領域を拡張することが可能になった。
このことで、サセプタ2上において、被処理体4を設置可能な領域が拡張されると同時に、被処理体4上に成膜された膜組成のばらつきも減少させることが可能になった。
そして、サセプタ2上に設置できる被処理体4の設置枚数を増加できると共に、各被処理体4における生産の歩留まりをも上げることが実現できた。
【0028】
さらに加えて、原料ガス流路を複数設けたことにより、各流路を流れる原料ガスを例えばパルス状に制御することで、被処理体4を設置可能な領域をさらに拡張したり、被処理体4上に成膜された膜組成のばらつきをさらに減少させる構成を採ることも可能になった。
【0029】
以上、発明の実施の形態について、熱分解温度の高い原料ガス流路8と、熱分解温度の低い原料ガス流路9との2つを有する原料ガス供給ノズル16を例として説明した。ここで、原料ガスが3種類以上あり、さらに各々の原料ガスの熱分解温度が異なるため、上述した2本の原料ガス流路では、サセプタ2上における被処理体4を設置可能な領域の拡張が困難な場合は、上述した2本の原料ガス流路の間に、適宜な本数の中程度の熱分解温度を有する原料ガス流路を設けることにより、被処理体4を設置可能な領域を拡張するのも好ましい構成である。
【0030】
この構成を採る場合、必要に応じて中程度の熱分解温度を有する原料ガス流路へも冷却機構を設けることも好ましい構成である。
さらに、この中程度の熱分解温度を有する原料ガス流路のガス供給口を、上述した熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口5と熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口6との間の適宜な位置に、サセプタ2における被処理体4を載せている面に対し、適宜な角度を持たせて設けることも好ましい構成である。
【0031】
さらに加えて 、上述したガス流路やガス供給口等を、原料ガス供給ノズル16内に収納した結果、反応室1と原料ガス供給ノズル16とを脱着可能な構成とすることもできる。この構成を採ると、装置の設計および保守点検が容易となり、同時に原料ガスが変更される際にはその原料ガスに適した原料ガス供給ノズル16に交換することも容易である
【0032】
(実施例1)
被処理体としてGaAsウエハを用い、熱分解温度の高い原料ガスとしてアルシンガス、熱分解温度の低い原料ガスとしてトリメチルガリウムガス、キャリアガスとして水素ガスを用いた。
ガスの供給量はアルシンガス200SCCMと水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜50SCCM、水素ガス20SLMである。
【0033】
そしてアルシンガスと水素ガスとの混合ガスの供給口は、サセプタ回転中心部にガスを供給するように設置した。
一方、トリメチルガリウムガスと水素ガスは途中の冷却ジャケットにより50〜200℃のガスとし、サセプタ上のウエハに向けて全方向へ供給されるように供給口を設けた。この供給口の位置はサセプタの回転中心より130mmの円周上へガスを供給するように設置した。
【0034】
一方、GaAsウエハはこのウエハの中心と、サセプタ回転中心とが200mmとなるようにサセプタ上に設置した。この結果3インチサイズのウエハをサセプタ上に10枚設置することが可能となった。
サセプタの加熱条件は前記GaAsウエハ上において700℃となるように設定した。
【0035】
上記の条件で、GaAsウエハ上にGaAs薄膜の成膜を実施した。
この成膜において、トリメチルガリウムとアルシンとの分解反応により生じたメチル基(CH3)に由来するカーボンが薄膜中に取り込まれ、キャリアとなる。
この成膜操作の結果、得られた10枚のGaAsウエハにおいて、成膜された膜中のキャリア濃度のばらつきはウエハ面内で±3%以内、同バッチ内の各々のウエハ間においては±1%以内であった。
この結果、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を、約1.7倍に増加させることができた。
【0036】
(実施例2)
被処理体としてGaAsウエハを用い、熱分解温度の高い原料ガスとしてアルシンガスおよびホスフィンガス、熱分解温度の低い原料ガスとしてトリメチルガリウムガス、トリメチルインジウムガスおよびトリメチルアルミニウムガス、キャリアガスとして水素ガスを用い、GaAsウエハ上にInGaP薄膜、およびInGaAlP薄膜、InPウエハ上にInGaAs薄膜の成膜を実施した。
た。
【0037】
成膜にあたっては、InGaP薄膜の成膜においては、フォスフィンガス400SCCMと水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜30SCCM、トリメチルインジウムガスと水素ガスの混合ガス800〜1000SCCM、水素ガス20SLMのガスを供給した。
また、InGaAlP薄膜の成膜においては、フォスフィンガス400SCCMと水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜20SCCM、トリメチルインジウムガスと水素ガスの混合ガス900〜1000SCCM、トリメチルアルミニウムガスと水素ガスの混合ガス50〜100SCCM、水素ガス20SLMのガスを供給した。
さらにInGaAs薄膜の成膜においては、アルシンガス300SCCMと水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜30SCCM、トリメチルインジウムガスと水素ガスの混合ガス800〜1000SCCM、水素ガス20SLMのガスを供給した。
他の成膜条件は、実施例1と同様におこなった。
【0038】
従来、この実施例2のように、熱分解温度の異なる少なくとも2種以上の熱分解温度の低い原料ガスを用いる気相薄膜成長においては、熱分解温度のより低い原料ガスから順に途中で熱分解を受け、被処理体へ到達する以前にサセプタ上に堆積してしまうため、原料ガス供給口からの距離が大きくなると、薄膜中の組成の均一性を維持することは困難なことであった。例えば、トリメチルインジウムガスとトリメチルガリウムガスの場合、トリメチルインジウムは分解温度が約350℃で、トリメチルガリウムの465℃に比較すると低いため、これらのガスを同時に用いる成膜の場合、上述の理由により、成膜された薄膜中のインジウムとガリウムとの、組成の均一性を維持することは困難なことであった。
【0039】
しかし本実施例においては、実施例1と同様に、各々の薄膜について調製された10枚の3インチGaAsウエハおよびInPウエハにおいて、成膜されたInGaP、InGaAlP、およびInGaAs膜中の膜厚ばらつきはウエハ面内で±1.0%以内、各組成のばらつきはウエハ面内で±0.5%以内、同バッチ内の各々のウエハ間においては±0.2%以内であった。
この結果、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を、約1.7倍に増加させることができた。
【0040】
(比較例1)
被処理体、原料ガス、キャリアガス、サセプタおよびヒーターは実施例と同様のものを用い、サセプタの加熱条件も前記GaAsウエハ上において700℃となるように設定した。
ガスの供給量はアルシンガス200SCCM、水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜50SCCMである。
この混合ガスがサセプタ回転中心上に供給されるようにした。
【0041】
この比較例において、GaAsウエハ上に一応満足できるGaAs薄膜の成膜が可能な範囲は、GaAsウエハはこのウエハの中心と、サセプタ回転中心とが130mmの付近であった。このため3インチサイズのウエハをサセプタ上に6枚設置することが可能であった。
上記の条件で、GaAsウエハ上にGaAs薄膜の成膜を実施した。
この成膜操作の結果、得られた6枚のウエハにおいて、成膜された膜中のキャリア濃度のばらつきはウエハ面内で±15%であった。
【0042】
(比較例2)
被処理体、原料ガス、キャリアガス、サセプタおよびヒーターは実施例2と同様のものを用い、サセプタの加熱条件も3インチGaAsウエハ上において700℃となるように設定し、InGaAlPの成膜を行った。
ガスの供給量は、フォスフィンガス400SCCMと水素ガス20SLM、トリメチルガリウムガスと水素ガスとの混合ガス10〜20SCCM、トリメチルインジウムガスと水素ガスの混合ガス900〜1000SCCM、トリメチルアルミニウムガスと水素ガスの混合ガス50〜100SCCM、水素ガス20SLMとした。
その他の成膜条件は、比較例1と同様である。
この成膜操作の結果、調製された6枚のGaAsウエハにおいて、成膜された膜膜中の膜厚ばらつきはウエハ面内で±3.5%、各組成のばらつきはウエハ面内で±2.5%であった。
【0043】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明は、ヒーターと、前記ヒーターによって加熱されながら回転するサセプタと、前記サセプタ上に設置される被処理体へ原料ガスを供給する少なくとも2本以上の原料ガス流路とを有し、前記被処理体上に所望の薄膜を成膜する気相薄膜成長装置であって、
前記原料ガスの熱分解温度に応じて、前記原料ガス流路の温度制御をおこなうことで、被処理体上に成膜される薄膜の膜厚およびキャリア濃度の均一性を損なうことなく、成膜操作の1バッチ当たりの生産量を増加することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る気相薄膜成長装置の縦部断面の模式図である。
【図2】従来の技術に係る気相薄膜成長装置の縦部断面の模式図である。
【符号の説明】
1.反応室
2.サセプタ
3.ヒーター
4.被処理体
5.熱分解温度の高い原料ガスのガス供給口
6.熱分解温度の低い原料ガスのガス供給口
7.冷却機構
8.熱分解温度の高い原料ガスの流路
9.熱分解温度の低い原料ガスの低温
10.サセプタ回転軸
13.ガス排気口
16.原料ガス供給ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vapor phase thin film growth apparatus for forming a thin film on an object to be processed by MOCVD or the like, and a vapor phase thin film growth method using the apparatus.
[0002]
[Prior art]
In the prior art of vapor phase thin film growth in which a thin film is grown on the surface of the object to be processed by supplying a raw material gas to the surface of the object to be heated and reacting, for example, the object to be processed is placed on a rotating susceptor. There is a method of mounting and supplying the source gas from the center of rotation of the susceptor toward the outer periphery.
[0003]
An example of the prior art of vapor phase thin film growth by this method will be described with reference to the schematic diagram of the vertical section of the vapor phase thin film growth apparatus according to the prior art shown in FIG.
In the vapor phase thin film growth apparatus, a
Further, a heater 3 is installed on the side of the
[0004]
A raw material gas, which is a thin film raw material formed on the object to be processed 4, passes through the raw
[0005]
At this time, the raw material gas is gradually pyrolyzed from the gas having a low thermal decomposition temperature on the surface of the
As the concentration of the source gas decreases, the thickness of the thin film formed by deposition on the object to be processed 4 is thicker on the side closer to the source gas supply port and becomes thinner toward the downstream side.
In order to prevent this non-uniform film thickness on the
[0006]
However, when it is intended to increase the production amount per batch of the film forming operation described above, it is necessary to increase the number of objects to be processed 4 installed on the
[0007]
Furthermore, in order to increase the film forming rate for a certain amount of source gas supply, it is preferable that the object to be processed 4 be closer to the source
Here, the source gas having a low decomposition temperature is subject to thermal decomposition in the middle when the distance from the source
[0008]
On the other hand, when the temperature of the gas path is low or the distance between the source
Therefore, in the conventional technique, the object to be treated 4 is installed on the
[0009]
However, in this case, when the difference in the thermal decomposition temperature between the raw material gas having a high thermal decomposition temperature and the raw material gas having a low thermal decomposition temperature is 100 ° C. or more, for example, Since the range of “where the state is in an appropriate ratio” is narrow, the number of objects to be processed 4 that can be installed on the
[0010]
Therefore, as described above, in the actual film forming operation, in order to increase the uniformity of the film thickness and the carrier concentration of the thin film formed on the object to be processed 4, the object to be processed 4 together with the
However, even if the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under the above-mentioned background, and even if the difference in thermal decomposition temperature between a raw material gas having a high thermal decomposition temperature and a raw material gas having a low thermal decomposition temperature is, for example, 100 ° C. or higher, Vapor-phase thin film growth apparatus and vapor-phase thin film that can increase the production amount per batch of the film-forming operation without impairing the uniformity of the film thickness, composition ratio, and carrier concentration of the thin film formed thereon To provide a growth method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above-described problems, in order to increase the production amount per batch of the film forming operation, it depends on the thermal decomposition temperature of each raw material gas used for film forming. Thus, it has been conceived that the temperature of the source gas flow path is controlled to supply the gas on the susceptor or the object to be processed after setting the gas temperature appropriately according to the thermal decomposition temperature of each source gas.
Further, when supplying a plurality of source gases having different pyrolysis temperatures, at least two source gas channels are provided, and source gases are supplied to appropriate source gas channels according to the pyrolysis temperature of each source gas. I also thought of what I should do.
[0013]
That is, the first invention in the present invention is:
A heater,
A susceptor that rotates while being heated by the heater;
There are at least two source gas flow paths that are installed on the susceptor and supply source gas to a plurality of objects to be processed that have the same rotational center as the susceptor, and a desired gas channel is provided on the object to be processed. A vapor phase thin film growth apparatus for forming a thin film,
The source gas channel is formed by a substantially conical source gas supply nozzle having the same center axis as the rotation center of the susceptor with the bottom surface facing the susceptor , and is different for source gases having different pyrolysis temperatures. A source gas channel,
At least one of the source gas flow paths is formed on the susceptor or the target object at a position closer to the target object than the bisector of the distance connecting the susceptor, the rotation center, and the center of the target object. A vapor phase thin film growth apparatus having a gas supply port for supplying a gas.
[0014]
The second invention is
At least one of the source gas flow paths has a cooling mechanism for cooling the source gas in the source gas supply nozzle . The vapor phase thin film growth apparatus according to the first aspect of the invention is characterized in that
[0015]
The third invention is
After at least one other source gas channel of the source gas channel flows through the source gas supply nozzle at an angle that is perpendicular or nearly perpendicular to the surface of the susceptor on which the target object is placed, The vapor-phase thin film growth apparatus according to the first aspect, wherein the apparatus flows between a surface of the susceptor on which the object to be processed is placed and a bottom surface of the source gas supply nozzle .
[0016]
The fourth invention is:
A source gas is supplied to a target object that is disposed on a susceptor that rotates while being heated and is arranged in the same manner as the center of rotation of the susceptor by using at least two source gas flow paths, A vapor phase thin film growth method for forming a desired thin film on a body,
At least a source gas channel formed for source gases having different pyrolysis temperatures formed in a substantially conical source gas supply nozzle having a bottom surface facing the susceptor and having the same center axis as the rotation center of the susceptor. Using one, a raw material gas is supplied onto the susceptor or the object to be processed at a position closer to the object to be processed than the bisector of the distance connecting the susceptor, the rotation center, and the center of the object to be processed, It is a vapor phase thin film growth method characterized by forming a desired thin film on the object to be processed.
The fifth invention is:
The vapor phase thin film growth method according to the fourth aspect of the invention, wherein the source gas passing therethrough is cooled by a cooling mechanism provided in at least one of the source gas flow paths.
The sixth invention is:
After supplying the source gas at an angle that is perpendicular or nearly perpendicular to the surface of the susceptor on which the object is mounted, using at least one other source gas channel,
The vapor phase thin film growth method according to the fourth aspect, wherein the source gas is allowed to flow between a surface of the susceptor on which the object to be processed is placed and a bottom surface of the source gas supply nozzle. .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a longitudinal section of an example of a vapor phase thin film growth apparatus according to the present invention, and in FIG. 2 described above, the corresponding portions are denoted by the same reference numerals.
[0018]
The example of the vapor phase thin film growth apparatus according to the present invention shown in FIG. 1 has a
A
[0019]
The
Further, a heater 3 is installed on the side of the
[0020]
On the other hand, the source
Near the surface of the conical slope, a raw material gas flow path 9 of one or more kinds of raw material gases having a low thermal decomposition temperature passes, and a
The source gas having a high pyrolysis temperature and the source gas having a low pyrolysis temperature are not mixed with each other, but pass through the
[0021]
As a result, the raw material gas flow path 9 having a low thermal decomposition temperature is installed in a portion of the raw material
[0022]
As a result, although the gas temperature of the gas passing through the raw material gas flow path 9 having a low thermal decomposition temperature is lowered by the
In this way, the raw gas having a low pyrolysis temperature with the gas temperature lowered is supplied into the
[0023]
On the other hand, the raw material
[0024]
That is, as shown in FIG. 1, in the source
[0025]
By adopting this configuration, the raw material gas having a high thermal decomposition temperature that is sufficiently heated while passing through the narrow space between the bottom surface 17 of the nozzle and the
Then, the heating capacity of the heater 3 and the cooling capacity of the
[0026]
At this time, the gas supply angle of the
With this configuration, it is possible to control and expand the range in which a desired vapor-phase thin film can be grown with a raw material gas having a low thermal decomposition temperature.
[0027]
As a result, on the
As a result, on the
In addition, the number of objects to be processed 4 that can be installed on the
[0028]
In addition, by providing a plurality of source gas channels, the source gas flowing through each channel is controlled in a pulse shape, for example, to further expand the region where the
[0029]
As described above, the embodiment of the invention has been described by taking, as an example, the source
[0030]
In the case of adopting this configuration, it is also a preferable configuration to provide a cooling mechanism for the raw material gas flow path having a moderate pyrolysis temperature as required.
Further, the gas supply port of the raw material gas flow path having a medium pyrolysis temperature is composed of the
[0031]
In addition, as a result of housing the gas flow path, the gas supply port, and the like described above in the source
Example 1
A GaAs wafer was used as an object to be processed, arsine gas as a raw material gas having a high thermal decomposition temperature, trimethylgallium gas as a raw material gas having a low thermal decomposition temperature, and hydrogen gas as a carrier gas.
The gas supply amounts are arsine gas 200 SCCM and hydrogen gas 20 SLM, a mixed gas of 10 to 50 SCCM of trimethylgallium gas and hydrogen gas, and hydrogen gas 20 SLM.
[0033]
And the supply port of the mixed gas of arsine gas and hydrogen gas was installed so that gas might be supplied to a susceptor rotation center part.
On the other hand, trimethylgallium gas and hydrogen gas were changed to 50 to 200 ° C. by a cooling jacket in the middle, and a supply port was provided so as to be supplied in all directions toward the wafer on the susceptor. The position of the supply port was set so as to supply gas to a circumference of 130 mm from the rotation center of the susceptor.
[0034]
On the other hand, the GaAs wafer was placed on the susceptor so that the center of the wafer and the susceptor rotation center were 200 mm. As a result, ten 3 inch wafers can be placed on the susceptor.
The heating conditions for the susceptor were set to 700 ° C. on the GaAs wafer.
[0035]
Under the above conditions, a GaAs thin film was formed on a GaAs wafer.
In this film formation, carbon derived from the methyl group (CH 3 ) generated by the decomposition reaction of trimethylgallium and arsine is taken into the thin film and becomes a carrier.
As a result of this film forming operation, in the 10 GaAs wafers obtained, the carrier concentration variation in the formed film is within ± 3% within the wafer surface, and ± 1 between each wafer in the batch. %.
As a result, it was possible to increase the production amount per batch of the film forming operation by about 1.7 times.
[0036]
(Example 2)
Using a GaAs wafer as the object to be processed, using arsine gas and phosphine gas as source gases with high pyrolysis temperature, trimethylgallium gas, trimethylindium gas and trimethylaluminum gas as source gases with low pyrolysis temperature, and hydrogen gas as carrier gas, InGaP thin film and InGaAlP thin film were formed on the GaAs wafer, and InGaAs thin film was formed on the InP wafer.
It was.
[0037]
In forming the InGaP thin film, the phosphine gas 400 SCCM and hydrogen gas 20 SLM, the
Further, in the formation of an InGaAlP thin film, a phosphine gas 400 SCCM and hydrogen gas 20 SLM, a
Further, in the formation of an InGaAs thin film, a gas of arsine gas 300 SCCM and hydrogen gas 20 SLM, a
Other film forming conditions were the same as in Example 1.
[0038]
Conventionally, in the vapor phase thin film growth using at least two kinds of source gases having different pyrolysis temperatures as in Example 2, the pyrolysis is performed in the order from the source gas having the lower pyrolysis temperature. Therefore, it is difficult to maintain the uniformity of the composition in the thin film when the distance from the source gas supply port is increased because the material is deposited on the susceptor before reaching the object to be processed. For example, in the case of trimethylindium gas and trimethylgallium gas, trimethylindium has a decomposition temperature of about 350 ° C., which is lower than that of trimethylgallium, which is 465 ° C. It has been difficult to maintain the uniformity of the composition of indium and gallium in the deposited thin film.
[0039]
However, in this example, as in Example 1, in the three 3 inch GaAs wafers and InP wafers prepared for each thin film, the film thickness variations in the formed InGaP, InGaAlP, and InGaAs films were as follows. Within ± 1.0% within the wafer surface, each composition variation was within ± 0.5% within the wafer surface, and within ± 0.2% between each wafer in the batch.
As a result, it was possible to increase the production amount per batch of the film forming operation by about 1.7 times.
[0040]
(Comparative Example 1)
The object to be processed, source gas, carrier gas, susceptor and heater were the same as in the example, and the heating conditions of the susceptor were set to 700 ° C. on the GaAs wafer.
The supply amount of gas is arsine gas 200 SCCM, hydrogen gas 20 SLM, and a mixed gas of trimethylgallium gas and hydrogen gas, 10 to 50 SCCM.
This mixed gas was supplied onto the susceptor rotation center.
[0041]
In this comparative example, the range in which a GaAs thin film that can be satisfactorily formed on a GaAs wafer can be formed is such that the center of the GaAs wafer and the susceptor rotation center are in the vicinity of 130 mm. For this reason, it was possible to install six 3-inch wafers on the susceptor.
Under the above conditions, a GaAs thin film was formed on a GaAs wafer.
As a result of this film forming operation, in the obtained six wafers, the variation in carrier concentration in the formed film was ± 15% within the wafer surface.
[0042]
(Comparative Example 2)
The object to be processed, source gas, carrier gas, susceptor and heater were the same as those in Example 2, and the susceptor heating conditions were set to 700 ° C. on a 3-inch GaAs wafer to form an InGaAlP film. It was.
The gas supply amount is: phosphine gas 400 SCCM and hydrogen gas 20 SLM, trimethyl gallium gas and hydrogen gas mixed
Other film forming conditions are the same as those in Comparative Example 1.
As a result of this film forming operation, in the six GaAs wafers prepared, the film thickness variation in the formed film film is ± 3.5% within the wafer surface, and each composition variation is ± 2 within the wafer surface. .5%.
[0043]
【Effect of the invention】
As described above in detail, the present invention includes a heater, a susceptor that rotates while being heated by the heater, and at least two source gas passages that supply source gas to an object to be processed installed on the susceptor. A vapor phase thin film growth apparatus for forming a desired thin film on the object to be processed,
By controlling the temperature of the raw material gas flow path according to the thermal decomposition temperature of the raw material gas, film formation is performed without impairing the uniformity of the film thickness and carrier concentration of the thin film formed on the object to be processed. It has become possible to increase production per batch of operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a vertical section of a vapor phase thin film growth apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a vertical cross section of a vapor phase thin film growth apparatus according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1.
Claims (6)
前記ヒーターによって加熱されながら回転するサセプタと、
前記サセプタ上に設置され、前記サセプタと回転中心を同じくして複数配置される被処理体へ原料ガスを供給する少なくとも2本以上の原料ガス流路を有し、前記被処理体上に所望の薄膜を成膜する気相薄膜成長装置であって、
前記原料ガス流路は、前記サセプタに底面を向けて前記サセプタの回転中心と中心軸を同じくする略円錐形の原料ガス供給ノズルにより形成され、かつ、熱分解温度の異なる原料ガスに対して異なる原料ガス流路を有し、
原料ガス流路の少なくとも1本は、前記サセプタと回転中心と、前記被処理体の中心とを結ぶ距離の2等分点より被処理体に近い位置のサセプタ上または被処理体上に、原料ガスを供給するガス供給口を有していることを特徴とする気相薄膜成長装置。A heater,
A susceptor that rotates while being heated by the heater;
There are at least two source gas flow paths that are installed on the susceptor and supply source gas to a plurality of objects to be processed that have the same rotational center as the susceptor, and a desired gas channel is provided on the object to be processed. A vapor phase thin film growth apparatus for forming a thin film,
The source gas channel is formed by a substantially conical source gas supply nozzle having the same center axis as the rotation center of the susceptor with the bottom surface facing the susceptor , and is different for source gases having different pyrolysis temperatures. A source gas channel,
At least one of the source gas flow paths is formed on the susceptor or the target object at a position closer to the target object than the bisector of the distance connecting the susceptor, the rotation center, and the center of the target object. A vapor phase thin film growth apparatus having a gas supply port for supplying a gas.
前記サセプタに底面を向けて前記サセプタの回転中心と中心軸を同じくする略円錐形の原料ガス供給ノズルに形成された熱分解温度の異なる原料ガスに対して形成された前記原料ガス流路の少なくとも1本を用いて、前記サセプタと回転中心と、前記被処理体の中心とを結ぶ距離の2等分点より被処理体に近い位置のサセプタ上または被処理体上に原料ガスを供給し、前記被処理体上へ所望の薄膜を成膜することを特徴とする気相薄膜成長方法。A source gas is supplied to a target object that is disposed on a susceptor that rotates while being heated and is arranged in the same manner as the center of rotation of the susceptor by using at least two source gas flow paths, A vapor phase thin film growth method for forming a desired thin film on a body,
At least a source gas channel formed for source gases having different pyrolysis temperatures formed in a substantially conical source gas supply nozzle having a bottom surface facing the susceptor and having the same center axis as the rotation center of the susceptor. Using one, a raw material gas is supplied onto the susceptor or the object to be processed at a position closer to the object to be processed than the bisector of the distance connecting the susceptor, the rotation center, and the center of the object to be processed, A vapor phase thin film growth method, comprising forming a desired thin film on the object to be processed.
前記サセプタの前記被処理体を載せている面と、前記原料ガス供給ノズルの底面との間に、前記原料ガスを流すことを特徴とする請求項4に記載の気相薄膜成長方法。5. The vapor phase thin film growth method according to claim 4, wherein the source gas is allowed to flow between a surface of the susceptor on which the object to be processed is placed and a bottom surface of the source gas supply nozzle.
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