JP6180208B2 - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスを供給して成膜を行う気相成長装置およ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、例えば、シャワーヘッド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、例えば、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。
エピタキシャル成長技術、特に、ＭＯＣＶＤ法では、ウェハ表面での均一な成膜を行うために、ソースガスや分離ガス等を、適切に混合させ、ウェハ表面に均一な整流状態で供給することが重要となる。特許文献１には、分離ガスに混合ガスを用いる構成が記載されている。
本発明は、プロセスガスの流れを安定させ、基板に均一な膜を形成可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、前記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、前記第１のガス供給路に接続され、前記第１のガス供給路に水素または不活性ガスの第１のキャリアガスを供給し、第１のマスフローコントローラを有する第１のキャリアガス供給路と、前記第１のガス供給路に接続され、前記第１のガス供給路に前記第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスを供給し、第２のマスフローコントローラを有する第２のキャリアガス供給路と、を備え、前記第１のマスフローコントローラと前記第２のマスフローコントローラにより前記第1のキャリアガスの流量と前記第２のキャリアガスの流量とを制御して、前記第１のプロセスガスの平均分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることを特徴とする。
上記態様の気相成長装置において、前記第２のガス供給路に接続され、前記第２のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給し、第３のマスフローコントローラを有する第１の補償ガス供給路と、前記第２のガス供給路に接続され、前記第２のガス供給路に前記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給し、第４のマスフローコントローラを有する第２の補償ガス供給路と、をさらに備え、前記第３のマスフローコントローラと前記第４のマスフローコントローラにより前記第１の補償ガスと前記第２の補償ガスの流量とを制御して、前記第１の補償ガスと前記第２の補償ガスの混合ガスの分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記反応室に第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路と、前記第３のガス供給路に接続され、前記第３のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給し、第５のマスフローコントローラを有する第１の分離ガス供給路と、前記第３のガス供給路に接続され、前記第３のガス供給路に前記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給し、第６のマスフローコントローラを有する第２の分離ガス供給路と、をさらに備え、前記第５のマスフローコントローラと前記第６のマスフローコントローラにより前記第１の分離ガスと前記第２の分離ガスの流量とを制御して、前記第１の分離ガスと前記第２の分離ガスの混合ガスの分子量を前記第１のプロセスガス、または、前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記第１のキャリアガスが水素ガスであり、前記第２のキャリアガスが窒素ガスであることが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記第１の補償ガスが水素ガスであり、前記第２の補償ガスが窒素ガスであることが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記第１の分離ガスが水素ガスであり、前記第２の分離ガスが窒素ガスであることが望ましい。
本発明の一態様の気相成長方法は、反応室に基板を搬入し、前記基板を加熱し、有機金属と、水素または不活性ガスの第１のキャリアガスと前記第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスとの第１の混合ガスとを含む第１のプロセスガスの平均分子量を、前記第１のキャリアガスと前記第２のキャリアガスの流量とを制御してアンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量に近づけるように調整し、前記反応室に、平均分子量が調整された前記第１のプロセスガスと、前記第２のプロセスガスとを供給して、前記基板表面に半導体膜を成膜することを特徴とする。
上記態様の気相成長方法において、前記第２のプロセスガスの供給前に、水素または不活性ガスの第１の補償ガスの流量と前記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスの流量とを制御して平均分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけるように調整した第２の混合ガスを、前記反応室に供給し、前記第２の混合ガスから前記第２のプロセスガスに供給を切り替えて、前記基板表面に半導体膜を成膜することが望ましい。
上記態様の気相成長方法において、水素または不活性ガスの第１の分離ガスの流量と前記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスの流量とを制御して平均分子量を前記第１のプロセスガスまたは前記第２の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第３の混合ガスを、前記第１のプロセスガスと前記第２のプロセスガスと同時に前記反応室に供給することが望ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記第３の混合ガスを、前記第１のプロセスガスを前記反応室に噴出する第１のガス噴出孔と、前記第２のプロセスガスを前記反応室に噴出する第２のガス噴出孔との間に設けられる第３のガス噴出孔から噴出することが望ましい。
本発明によれば、プロセスガスの流れを安定させ、基板に均一な膜を形成可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施の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重力方向を「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、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。
また、本明細書中、「水平面」とは、重力方向に対し、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、例えば、ソースガス、キャリアガス、分離ガス、補償ガス等を含む概念とする。
また、本明細書中、「補償ガス」とは、反応室へソースガスを供給する前に、ソースガスと同一の供給路で反応室に供給されるソースガスを含まないプロセスガスである。成膜直前に補償ガスからソースガスへ切り替えることにより、反応室内の圧力、温度変化等の環境変化を極力抑制し、基板上への成膜を安定させる。
また、本明細書中、「分離ガス」とは、気相成長装置の反応室内に導入されるプロセスガスであり、複数の原料ガスのプロセスガス間を分離するガスの総称である。例えば、横型の気相成長装置で、原料ガスの反応による天井部への膜堆積を抑制するために、反応ガスと天井部を分離するプロセスガス、いわゆるサブフローガス等も含む概念である。
また、本明細書中、「窒素ガス」は、「不活性ガス」に含まれるものとする。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスを供給する第１のガス供給路と、反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、第１のガス供給路に接続され、第１のガス供給路に水素または不活性ガスの第１のキャリアガスを供給し、第１のマスフローコントローラを有する第１のキャリアガス供給路と、第１のガス供給路に接続され、第１のガス供給路に第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスを供給し、第２のマスフローコントローラを有する第２のキャリアガス供給路と、を備える。
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスを供給する第１のガス供給路と、反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、第１のガス供給路に接続され、第１のガス供給路に水素または不活性ガスの第１のキャリアガスを供給し、第１のマスフローコントローラを有する第１のキャリアガス供給路と、第１のガス供給路に接続され、第１のガス供給路に第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスを供給し、第２のマスフローコントローラを有する第２のキャリアガス供給路と、を備える。
また、本実施の形態の気相成長方法は、反応室に基板を搬入し、基板を加熱し、反応室に、有機金属と、水素または不活性ガスの第１のキャリアガスと第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスとの第１の混合ガスとを含む第１のプロセスガスと、アンモニアを含む第２のプロセスガスを供給して、基板表面に半導体膜を成膜する。また、第２のプロセスガスの供給前に、水素または不活性ガスの第１の補償ガスと第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスとの第２の混合ガスを、反応室に供給し、第２の混合ガスから第２のプロセスガスに供給を切り替えて、基板表面に半導体膜を成膜する。さらに、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスを反応室に供給する際に、水素または不活性ガスの第１の分離ガスと第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスとの第３の混合ガスを、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスと同時に反応室に供給する。加えて、第３の混合ガスを、第１のプロセスガスを反応室に噴出する第１のガス噴出孔と、第２のプロセスガスを反応室に噴出する第２のガス噴出孔との間に設けられる第３のガス噴出孔から噴出する。
図１は、本実施の形態の気相成長装置の構成図である。本実施の形態の気相成長装置は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる縦型の枚葉型のエピタキシャル成長装置である。以下、主にＧａＮ（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。
気相成長装置は、ウェハ等の基板への成膜がその内部で行われる反応室１０を備える。そして、反応室にプロセスガスを供給する、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を備えている。
第１のガス供給路３１は、反応室にＩＩＩ族元素の有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する。第１のプロセスガスは、ウェハ上にＩＩＩ−Ｖ族半導体の膜を成膜する際の、ＩＩＩ族元素を含むガスである。
ＩＩＩ族元素は、例えば、ガリウム（Ｇａ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等である。また、有機金属は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等である。
第２のガス供給路３２は、反応室にアンモニア（ＮＨ３）を含む第２のプロセスガスを供給する。第２のプロセスガスは、ウェハ上にＩＩＩ−Ｖ族半導体の膜を成膜する際の、Ｖ族元素、窒素（Ｎ）のソースガスである。気相成長装置は、第２のガス供給路３２に導入されるアンモニアの流量を制御するマスフローコントローラＭ１１を備えている。
また、第３のガス供給路３３は、反応室に第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路３３を備える。第３のプロセスガスは、いわゆる分離ガスであり、反応室１０内に第１のプロセスガスと第２のプロセスガスを噴出させる際に、両者の間に噴出させる。これにより、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとが噴出直後に反応することを抑制する。
気相成長装置は、第１のガス供給路３１に接続される第１のキャリアガス供給路５１と、第１のガス供給路３１に接続される第２のキャリアガス供給路５２とを備える。第１のキャリアガス供給路５１は、第１のガス供給路３１に第１のキャリアガスを供給する。第２のキャリアガス供給路５２は、第１のガス供給路３１に第２のキャリアガスを供給する。第１のキャリアガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が小さく、第２のキャリアガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が大きい。例えば、第１のキャリアガスは水素ガス（Ｈ２）、第２のキャリアガスは窒素ガス（Ｎ２）である。
そして、第１のキャリアガス供給路５１は、第１のキャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ１（第１のマスフローコントローラ）を備える。また、第２のキャリアガス供給路５２は、第２のキャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ２（第２のマスフローコントローラ）を備える。
また、有機金属を貯留する第１〜第３の有機金属貯留容器５５、５６、５７を備える。第１の有機金属貯留容器５５には、例えば、ＴＭＧが、第２の有機金属貯留容器５６には、例えば、ＴＭＡが、第３の有機金属貯留容器５７には、例えば、ＴＭＩが、貯留される。
また、第１〜第３の有機金属貯留容器５５、５６、５７の有機金属をバブリングするためのキャリアガスを導入する第３のキャリアガス供給路５３を備えている。さらに、第１〜第３の有機金属貯留容器５５、５６、５７に導入されるキャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ７、Ｍ８、Ｍ９を備えている。バブリングに用いられるキャリアガスは、例えば水素ガスである。四方バルブが開の場合、有機金属が第１のガス供給路３１へ供給され、四方バルブが閉の場合、有機金属は第１のガス供給路３１へ供給されない。
また、第１のガス排出路５４を備える。第１のガス排出路５４は、気相成長装置が成膜時以外の状態にあるときに、第１のプロセスガスを装置下流側に排出するために設けられる。三方バルブが開の場合、有機金属が第１のガス排出路５４へ供給され、三方バルブが閉の場合、有機金属は第１のガス排出路５４へ供給されない。
気相成長装置は、第２のガス供給路３２に接続され、第２のガス供給路３２に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給する第１の補償ガス供給路６１を備える。また、第２のガス供給路３２に接続され、第２のガス供給路３２に第１の補償ガスとは異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給する第２の補償ガス供給路６２を備える。
第１の補償ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が小さく、第２の補償ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が大きい。例えば、第１の補償ガスは水素ガスである。また、例えば、第２の補償ガスは窒素ガスである。
そして、第１の補償ガス供給路６１は、第１の補償ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ３（第３のマスフローコントローラ）を備える。また、第２の補償ガス供給路６２は、第２の補償ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ４（第４のマスフローコントローラ）を備える。
また、第２のガス排出路６４を備える。第２のガス排出路６４は、第２のプロセスガスや補償ガスを装置下流側に排出するために設けられる。
気相成長装置は、第３のガス供給路３３に接続される第１の分離ガス供給路７１と、第３のガス供給路３３に接続される第２の分離ガス供給路７２を備える。第１の分離ガス供給路７１は、第３のガス供給路３３に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給する。また、第２の分離ガス供給路７２は、第３のガス供給路３３に第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給する。
第１の分離ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が小さく、第２の分離ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が大きい。例えば、第１の分離ガスは水素ガスである。また、例えば、第２の分離ガスは窒素ガスである。
そして、第１の分離ガス供給路７１は、第１の分離ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ５（第５のマスフローコントローラ）を備える。第２の分離ガス供給路７２は、第２の分離ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ６（第６のマスフローコントローラ）を備える。
図２は、本実施の形態の気相成長装置の要部の模式断面図である。
図２に示すように、本実施の形態のエピタキシャル成長装置は、例えばステンレス製で円筒状中空体の反応室１０を備えている。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、例えば、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をその中心を回転中心として、例えば、数十ｒｐｍ〜数千ｒｐｍ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、例えば突き上げピン（図示せず）が設けられている。
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および反応室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、本実施の形態のエピタキシャル成長装置は、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路３１、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路３２、第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路３３を備えている。
ここで、第３のプロセス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２のガス噴出孔１１２から噴出する第２のプロセスガス（ここではアンモニア）と、第１のガス噴出孔１１１から噴出する第１のプロセスガス（ここではＴＭＧ）とを分離するガスである。例えば、第２のプロセスガスおよび第３のプロセスガスと反応性に乏しいガスを用いることが望ましい。
なお、図２に示した枚葉型エピタキシャル成長装置では、反応室１０の側壁箇所において、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およ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例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、例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、本実施の形態のシャワープレート１００について詳細に説明する。図３は、本実施の形態のシャワープレートの模式上面図である。図４は、図３のＡＡ断面図、図５（ａ）〜（ｃ）は、ぞれぞれ、図３のＢＢ断面図、ＣＣ断面図、ＤＤ断面図である。
シャワープレート１００は、例えば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート１００は、例えば、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。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。
ガス噴出孔１１１、１１２、１１３の孔径は略同一である。
第２の縦方向ガス流路１２２は、第３の横方向ガス流路１０３の間を通っている。第１の縦方向ガス流路１２１は、第３の横方向ガス流路１０３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内に重力方向（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、および第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、および第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４、５（ａ）〜（ｃ）では、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、および第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。
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３の水平面（Ｐ３）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、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、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３の水平面（Ｐ３）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、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、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３の水平面（Ｐ３）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。
ＩＩＩ−Ｖ族半導体膜をＭＯＣＶＤ法で形成する場合、例えば、ＩＩＩ族元素を含むガス（第１のプロセスガス）として、ＩＩＩ族有機金属ガスをキャリアガスである水素ガス（Ｈ２）で希釈したガスが用いられる。一方、Ｖ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）としてはアンモニア（ＮＨ３）が用いられる。
ＩＩＩ族有機金属ガスの流量が、キャリアガスである水素ガス流量に比べ、少ない場合、ＩＩＩ族元素を含むガス（第１のプロセスガス）の平均分子量（平均密度）が、Ｖ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）の平均分子量（平均密度）より格段に小さくなる。このように、平均分子量が異なると、ＩＩＩ族元素のソースガス（第１のプロセスガス）とＶ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）を同時に反応室１０に供給する際に、両ガスの境界で流れが乱れやすくなる。
例えば、シャワーヘッド１００の第１のガス噴出孔１１１からＩＩＩ族の第１のプロセスガス、第２のガス噴出孔１１２から第２のプロセスガスが反応室１０内に噴出される場合、本来は基板上に均一に混合した両ガスが整流状態で到達することが望ましい。しかしながら、上述のように、平均分子量の差が大きい場合には、平均分子量の大きいプロセスガスの動圧が、平均分子量の小さいプロセスガスの同圧に比べ、大きいため、平均分子量の大きいプロセスガスの静圧が低下し、平均分子量の小さいプロセスガスが、平均分子量の大きいプロセスガスに引き込まれやすくなる。そのため、両ガスの境界で流れが乱れやすくなり、均一な整流状態を保つことが困難になる。
本実施の形態の気相成長装置では、キャリアガスに、水素ガス（第１のキャリアガス）と窒素ガス（第２のキャリアガス）の混合ガスを適用することが可能となる。これにより、ＩＩＩ族元素のソースガス（第１のプロセスガス）の平均分子量（平均密度）をＶ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）であるアンモニアに近づけることが可能となる。したがって、ＩＩＩ族元素のソースガス（第１のプロセスガス）とＶ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）を同時に反応室１０に供給する際に生じる流れの乱れを、抑制することが可能となる。よって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体膜をＭＯＣＶＤ法で形成する場合、成膜用のソースガスを反応室に供給する前の、例えば、水素ベーク時に、第２のガス供給路３２に補償ガスとして、例えば、水素ガスを供給する。この場合、先に流す水素ガスの平均分子量が、アンモニアガスの平均分子量より格段に小さくなる。このため、水素ガスからアンモニアガスへと切り替えた際に、反応室１０内のガス濃度分布やアンモニアガスの流れに乱れが生じ、成膜特性が悪化する恐れがある。
本実施の形態の気相成長装置では、アンモニアガスの補償ガスに、水素ガス（第１の補償ガス）と窒素ガス（第２の補償ガス）の混合ガスを適用することが可能となる。これにより、半導体膜の成膜前に反応室１０に供給する補償ガスの平均分子量を、成膜時のアンモニアガスを含む第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることが可能となる。したがって、補償ガスからアンモニアガスにガスを切り替える際の、反応室１０の環境変化やアンモニアガスの流れの乱れの発生を、抑制することが可能となる。よって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
さらに、ＩＩＩ族元素のソースガス（第１のプロセスガス）とＶ族元素のソースガス（第２のプロセスガス）同士を反応室１０内で分離する際、分離ガスとして、アンモニアガスよりも平均分子量の格段に小さいガス、例えば、水素ガスを用いる場合、平均分子量の違いによりアンモニアガスと分離ガスとの境界で流れに乱れが生じる恐れがある。
本実施の形態の気相成長装置では、分離ガスに、水素ガス（第１の分離ガス）と窒素ガス（第２の分離ガス）の混合ガスを適用することが可能となる。これにより、反応室１０に供給する分離ガスの平均分子量を、第１のプロセスガス、または、アンモニアガスを含む第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることが可能となる。したがって、反応室１０内に噴出される分離ガスと、第１または第２のプロセスガスとの境界で生じる流れの乱れの発生を抑制することが可能となる。よって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
また、一般に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。本実施の形態のシャワーヘッド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、本実施の形態のように、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。
本実施の形態の気相成長装置によれば、第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２および第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。よって、結果的に、反応室１０内に噴出するプロセスガスの流量分布を均一化し、成膜の均一性を向上させることが可能となる。
このような枚葉型エピタキシャル成長装置を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させる場合を例に、本実施の形態の気相成長方法について説明する。
反応室１０に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、例えば、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は例えば突き上げピン（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。
ここで、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している。
さらに、加熱部１６の加熱出力を上げて半導体ウェハＷを所定の温度、例えば、１１５０℃程度のベーク温度に昇温させる。
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、成膜前のベークを行う。このベークにより、例えば、半導体ウェハＷ上の自然酸化膜が除去される。
ベークの際には、例えば、水素ガス第１のガス供給路３１を通って、反応室１０に供給される。また、例えば、水素ガスが第２のガス供給路３２を通って、反応室１０に供給される。また、例えば、水素ガスが第３のガス供給路３３を通って、反応室１０に供給される。自然酸化膜が除去された後、例えば、水素ガスと窒素ガスの混合ガスが第１のガス供給路３１を通って、反応室１０に供給される。また、例えば、水素ガスと窒素ガスの混合ガスが第２のガス供給路３２を通って、反応室１０に供給される。また、例えば、水素ガスと窒素ガスの混合ガスが第３のガス供給路３３を通って、反応室１０に供給される。
そして、例えば、水素ガスの第１の補償ガスと窒素ガスの第２の補償ガスとの混合ガス（第２の混合ガス）である補償ガスを、反応室に供給する。第１の補償ガスは、マスフローコントローラＭ３（第３のマスフローコントローラ）により流量を制御され、第１の補償ガス供給路６１から第２のガス供給路３２に供給される。第２の補償ガスは、マスフローコントローラＭ４（第４のマスフローコントローラ）により流量を制御され、第２の補償ガス供給路６２から第２のガス供給路３２に供給される。
補償ガスを、アンモニアガスに切り替えた際の反応室１０内の環境変化や乱流の発生を抑制する観点から、第２の噴出孔１１２から反応室１０内に噴出される補償ガスの平均分子量（密度）を、成膜時に第２のガス噴出孔１１２から反応室１０内に噴出されるアンモニアの平均分子量に近づけることが望ましい。
補償ガスの平均分子量が、アンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましく、９０％以上１１０％以下であることがより望ましい。補償ガスの平均分子量が、第２のプロセスガスの平均分子量と略同一であることがさらに望ましい。
補償ガスの平均分子量は、マスフローコントローラＭ３（第３のマスフローコントローラ）とマスフローコントローラＭ４（第４のマスフローコントローラ）で、第１の補償ガスと第２の補償ガスの流量を調整することで、制御可能である。
次に、加熱部１６の加熱出力を下げて半導体ウェハＷをエピタキシャル成長温度、例えば、１１００℃に降温させる。
そして、第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３から所定の第１〜第３のプロセスガスを噴出する。第１のプロセスガスは、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の水平ガス流路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の水平ガス流路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（第３の混合ガスまたは分離ガス）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の水平ガス流路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。第３のプロセスガスは、第１および第２のプロセスガスと同時に反応室１０内に供給される。
第２のガス噴出孔１１２から噴出していた補償ガスは、アンモニアを含む第２のプロセスガスに切り替わる。互いの平均分子量が近づくよう制御されているため、切り替えに起因する反応室１０内の環境変化や乱流の発生が抑制される。よって、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
また、第１のプロセスガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）が、第１のキャリアガスである水素ガスと第２のキャリアガスである窒素ガスの混合ガス（第１の混合ガス）で希釈されたガスである。第１のキャリアガスは、マスフローコントローラＭ１（第１のマスフローコントローラ）により流量を制御され、第１のキャリアガス供給路５１から第１のガス供給路３１に供給される。第２のキャリアガスは、マスフローコントローラＭ２（第２のマスフローコントローラ）により流量を制御され、第２のキャリアガス供給路５２から第１のガス供給路３１に供給される。
反応室１０に噴出された際に、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとの間で流れに乱れが生じることを抑制するために、第１のガス噴出孔１１１から反応室１０内に噴出される第１のプロセスガスの平均分子量（密度）を、第２のガス噴出孔１１２から反応室１０内に噴出されるアンモニアの平均分子量に近づけることが望ましい。
第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとの間で流れに乱れを生じさせないようにするためには、第１のプロセスガスの平均分子量が、アンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましく、９０％以上１１０％以下であることがより望ましい。第１のプロセスガスの平均分子量が、第２のプロセスガスの平均分子量と略同一であることがさらに望ましい。
第１のプロセスガスの平均分子量は、マスフローコントローラＭ１（第１のマスフローコントローラ）とマスフローコントローラＭ２（第２のマスフローコントローラ）により、第１のキャリアガスと第２のキャリアガスの流量を調整することで、制御可能である。
第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとの平均分子量が、近づくよう制御されているため、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとの境界で発生する流れの乱れが抑制される。よって、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
さらに、第１のプロセスガスを反応室１０に噴出する第１のガス噴出孔１１１と、第２のプロセスガスを反応室１０に噴出する第２のガス噴出孔１１２との間に設けられる第３のガス噴出孔１１３から分離ガス（第３の混合ガスまたは第３のプロセスガス）は、第１の分離ガスである水素ガスと、第２の分離ガスである窒素ガスとの混合ガス（第３の混合ガス）である。
反応室１０に噴出された際に、分離ガスと第１のプロセスガスまたは第２のプロセスガスとの間で流れに乱れが生じることを抑制するために、第３のガス噴出孔１１３から噴出される分離ガスの平均分子量（密度）を、第１のガス噴出孔１１１から反応室１０内に噴出される第１のプロセスガスの平均分子量（密度）、または、第２のガス噴出孔１１２から反応室１０内に噴出されるアンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることが望ましい。
分離ガスと第１のプロセスガスまたは第２のプロセスガスとの間で流れに乱れが生じることを抑制するためには、分離ガスの平均分子量が、第１のプロセスガス、または、アンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量の８０％以上１２０％以下であることが望ましく、９０％以上１１０％以下であることがより望ましい。分離ガスの平均分子量が、第１のプロセスガスの平均分子量、または、第２のプロセスガスの平均分子量と略同一であることがさらに望ましい。
なお、第１のプロセスガスの平均分子量と第２のプロセスガスの平均分子量との間に差がある場合には、双方のガスとの間に流れに乱れが発生することを抑制する観点から、分離ガスの平均分子量を第１のプロセスガスの平均分子量以上、第２のプロセスガスの平均分子量以下にすることが望ましい。
第１のプロセスガスの平均分子量は、マスフローコントローラＭ１（第１のマスフローコントローラ）とマスフローコントローラＭ２（第２のマスフローコントローラ）によって、第１のキャリアガスと第２のキャリアガスの流量を調整することで、制御可能である。
分離ガスの平均分子量と、第１のプロセスガス、または、第２のプロセスガスとの平均分子量が、近づくよう制御されているため、分離ガスと、第１のプロセスガスまたは第２のプロセスガスとの境界で発生する流れの乱れが抑制される。よって、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３から噴出された第１〜第３のプロセスガスは適度に混合されて半導体ウェハＷ上に整流状態で供給される。このとき、半導体ウェハＷは、例えば８００〜１２００ｒｐｍで回転しながら、１０００〜１２００℃に加熱されている。これにより、半導体ウェハＷ表面に、例えば、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）の単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。適切な回転数を設定することにより、半導体ウェハＷ面内の膜厚均一性を高めることができる。また、ＡｌＮ（アルミナイド）のように気相中で粉が発生しやすい膜を成長させるときは、２０００〜３０００ｒｐｍ程度まで回転数を上昇させることにより、半導体ウェハＷ上に形成される境界層が薄くなり、粉の発生を低減させることができる。ＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）を成長させるときは、半導体ウェハＷは７００〜９００℃程度の温度に加熱して成膜する。
そして、エピタキシャル成長終了時には、ＩＩＩ族のソースガスの第１のガス供給路３１への流入を遮断し、第１のガス排出路５４へ流し、単結晶膜の成長が終了される。加熱部１６の加熱出力を下げて半導体ウェハＷの温度を下げ、所定の温度まで半導体ウェハＷの温度が低下した後、第２のガス供給路３２から反応室１０へのアンモニア供給を停止し、補償ガスを第２のガス供給路３２に供給する。
ここで、例えば、回転体ユニット１４の回転を停止させ、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の加熱出力を初めに戻し、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、例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ヘッド１００および支持部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、例えば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。
本実施の形態の気相成長方法では、プロセスガスの流れを均一かつ安定にし、基板に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を形成することが可能となる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、上記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、上記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、上記第２のガス供給路に接続され、上記第２のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給し、第３のマスフローコントローラを有する第１の補償ガス供給路と、上記第２のガス供給路に接続され、上記第２のガス供給路に上記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給し、第４のマスフローコントローラを有する第２の補償ガス供給路を備える。
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、上記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、上記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、上記第２のガス供給路に接続され、上記第２のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給し、第３のマスフローコントローラを有する第１の補償ガス供給路と、上記第２のガス供給路に接続され、上記第２のガス供給路に上記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給し、第４のマスフローコントローラを有する第２の補償ガス供給路を備える。
本実施の形態の気相成長装置は、第１の実施の形態の装置から、第１のガス供給路と第３のガス供給路に混合ガスを供給する機構を省いたこと以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
図６は、本実施の形態の気相成長装置の構成図である。
本実施の形態の気相成長装置は、第２のガス供給路３２に接続され、第２のガス供給路３２に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給する第１の補償ガス供給路６１を備える。また、第２のガス供給路３２に接続され、第２のガス供給路３２に第１の補償ガスとは異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給する第２の補償ガス供給路６２を備える。
また、本実施の形態の気相成長方法は、反応室に基板を搬入し、上記基板を加熱し、水素または不活性ガスの第１の補償ガスと上記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスとの第２の混合ガスを、上記反応室に供給し、上記反応室に、有機金属と、水素または不活性ガスのキャリアガスとを含む第１のプロセスガスと、アンモニアを含む第２のプロセスガスを供給して、上記基板表面に半導体膜を成膜する。第２の混合ガスと第２のプロセスガスは、同一のガス噴出孔から上記反応室内に噴出される。
第１の補償ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が小さく、第２の補償ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が大きい。例えば、第１の補償ガスは水素ガスである。また、例えば、第２の補償ガスは窒素ガスである。
そして、第１の補償ガス供給路６１は、第１の補償ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ３（第３のマスフローコントローラ）を備える。また、第２の補償ガス供給路６２は、第２の補償ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ４（第４のマスフローコントローラ）を備える。
本実施の形態の気相成長装置では、アンモニアガスの補償ガスに、水素ガス（第１の補償ガス）と窒素ガス（第２の補償ガス）の混合ガスを適用することが可能となる。これにより、半導体膜の成膜前に反応室１０に供給する補償ガスの平均分子量を、成膜時のアンモニアガス（第２のプロセスガス）の平均分子量に揃えることが可能となる。したがって、補償ガスからアンモニアガスにガスを切り替える際の、反応室１０の環境変化やアンモニアガスの流れの乱れを抑制することが可能となる。よって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
また、本実施の形態の気相成長方法によれば、第２のガス噴出孔１１２から噴出していた補償ガス（第２の混合ガス）は、アンモニアを含む第２のプロセスガスに切り替わる。互いの平均分子量が近づくよう制御されているため、切り替えに起因する反応室１０内の環境変化や流れの乱れの発生が抑制される。よって、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
（第３の実施の形態）
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、上記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、上記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、上記反応室に第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路と、上記第３のガス供給路に接続され、上記第３のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給し、第５のマスフローコントローラを有する第１の分離ガス供給路と、上記第３のガス供給路に接続され、上記第３のガス供給路に上記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給し、第６のマスフローコントローラを有する第２の分離ガス供給路と、を備える。
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、上記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、上記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、上記反応室に第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路と、上記第３のガス供給路に接続され、上記第３のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給し、第５のマスフローコントローラを有する第１の分離ガス供給路と、上記第３のガス供給路に接続され、上記第３のガス供給路に上記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給し、第６のマスフローコントローラを有する第２の分離ガス供給路と、を備える。
また、本実施の形態の気相成長方法は、反応室に基板を搬入し、上記基板を加熱し、上記反応室に、有機金属と、水素または不活性ガスのキャリアガスを含む第１のプロセスガスと、アンモニアを含む第２のプロセスガスと、水素または不活性ガスの第１の分離ガスと上記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスとの第３の混合ガス（分離ガスまたは第３のプロセスガス）と、を供給して、上記基板表面に半導体膜を成膜する。
本実施の形態の気相成長装置は、第１の実施の形態の装置から、第１のガス供給路と第２のガス供給路に混合ガスを供給する機構を省いたこと以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
図７は、本実施の形態の気相成長装置の構成図である。
本実施の形態の気相成長装置は、第３のガス供給路３３に接続される第１の分離ガス供給路７１と、第２の分離ガス供給路７２を備える。第１の分離ガス供給路７１は、第３のガス供給路３３に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給する。また、第２の分離ガス供給路７２は、第３のガス供給路３３に第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給する。
第１の分離ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が小さく、第２の分離ガスはアンモニア（ＮＨ３）より分子量が大きい。例えば、第１の分離ガスは水素ガスである。また、例えば、第２の分離ガスは窒素ガスである。
そして、第１の分離ガス供給路７１は、第１の分離ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ５（第５のマスフローコントローラ）を備える。第２の分離ガス供給路７２は、第２の分離ガスの流量を制御するマスフローコントローラＭ６（第６のマスフローコントローラ）を備える。
本実施の形態の気相成長装置では、分離ガスに、水素ガス（第１の分離ガス）と窒素ガス（第２の分離ガス）の混合ガスを適用することが可能となる。これにより、反応室１０に供給する分離ガスの平均分子量を、第１のプロセスガス、または、アンモニアガスを含む第２のプロセスガスの平均分子量に揃えることが可能となる。したがって、反応室１０内に噴出される分離ガスと、第１または第２のプロセスガスとの境界で生じるガスの乱れの発生を抑制することが可能となる。よって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
また、本実施の形態の気相成長方法によれば、分離ガスの平均分子量と、第１のプロセスガス、または、第２のプロセスガスとの平均分子量が、近づくよう制御される。このため、分離ガスと、第１のプロセスガスまたは第２のプロセスガスとの境界で発生する乱流が抑制される。よって、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
なお、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとの分離性を上げる観点から、第３の混合ガスを、第１のプロセスガスを反応室１０に噴出する第１のガス噴出孔１１１と、第２のプロセスガスを反応室１０に噴出する第２のガス噴出孔１１２との間に設けられる第３のガス噴出孔１１３から噴出することが望ましい。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、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、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
例えば、実施の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、例えば、実施の形態では、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、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）等、その他のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物系半導体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、各混合ガスに用いられるガスの組み合わせとして、水素ガス（Ｈ２）と窒素ガス（Ｎ２）を例に説明したが、例えば、水素ガス（Ｈ２）とアルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウムガス（Ｈｅ）と窒素ガス（Ｎ２）等、その他の、水素または不活性ガスから選ばれる組み合わせを適用することが可能である。
また、実施の形態では、ウェハ１枚毎に成膜する縦型の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。例えば、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装置や、横型のエピタキシャル装置等にも、本発明を適用することが可能である。
例えば、横型のエピタキシャル装置のサブフローガスを、第３の実施の形態の第３のプロセスガス（第３の混合ガス）とする構成は有効である。
実施の形態では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要と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および気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およ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
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
５１ 第１のキャリアガス供給路
５２ 第２のキャリアガス供給路
６１ 第１の補償ガス供給路
６２ 第２の補償ガス供給路
７１ 第１の分離ガス供給路
７２ 第２の分離ガス供給路
Ｍ１ 第１のマスフローコントローラ
Ｍ２ 第２のマスフローコントローラ
Ｍ３ 第３のマスフローコントローラ
Ｍ４ 第４のマスフローコントローラ
Ｍ５ 第５のマスフローコントローラ
Ｍ６ 第６のマスフローコントローラ
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
５１ 第１のキャリアガス供給路
５２ 第２のキャリアガス供給路
６１ 第１の補償ガス供給路
６２ 第２の補償ガス供給路
７１ 第１の分離ガス供給路
７２ 第２の分離ガス供給路
Ｍ１ 第１のマスフローコントローラ
Ｍ２ 第２のマスフローコントローラ
Ｍ３ 第３のマスフローコントローラ
Ｍ４ 第４のマスフローコントローラ
Ｍ５ 第５のマスフローコントローラ
Ｍ６ 第６のマスフローコントローラ
Claims (10)
- 反応室と、
前記反応室に有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、
前記反応室にアンモニアを含む第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、
前記第１のガス供給路に接続され、前記第１のガス供給路に水素または不活性ガスの第１のキャリアガスを供給し、第１のマスフローコントローラを有する第１のキャリアガス供給路と、
前記第１のガス供給路に接続され、前記第１のガス供給路に前記第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスを供給し、第２のマスフローコントローラを有する第２のキャリアガス供給路と、
を備え、
前記第１のマスフローコントローラと前記第２のマスフローコントローラにより前記第１のキャリアガスの流量と前記第２のキャリアガスの流量とを制御して、前記第１のプロセスガスの平均分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることを特徴とする気相成長装置。 - 前記第２のガス供給路に接続され、前記第２のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の補償ガスを供給し、第３のマスフローコントローラを有する第１の補償ガス供給路と、
前記第２のガス供給路に接続され、前記第２のガス供給路に前記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスを供給し、第４のマスフローコントローラを有する第２の補償ガス供給路と、
をさらに備え、
前記第３のマスフローコントローラと前記第４のマスフローコントローラにより前記第１の補償ガスと前記第２の補償ガスの流量とを制御して、前記第１の補償ガスと前記第２の補償ガスの混合ガスの分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。 - 前記反応室に第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路と、
前記第３のガス供給路に接続され、前記第３のガス供給路に水素または不活性ガスの第１の分離ガスを供給し、第５のマスフローコントローラを有する第１の分離ガス供給路と、
前記第３のガス供給路に接続され、前記第３のガス供給路に前記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスを供給し、第６のマスフローコントローラを有する第２の分離ガス供給路と、
をさらに備え、
前記第５のマスフローコントローラと前記第６のマスフローコントローラにより前記第１の分離ガスと前記第２の分離ガスの流量とを制御して、前記第１の分離ガスと前記第２の分離ガスの混合ガスの分子量を前記第１のプロセスガス、または、前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。 - 前記第１のキャリアガスが水素ガスであり、前記第２のキャリアガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか一項記載の気相成長装置。
- 前記第１の補償ガスが水素ガスであり、前記第２の補償ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
- 前記第１の分離ガスが水素ガスであり、前記第２の分離ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
- 反応室に基板を搬入し、
前記基板を加熱し、
有機金属と、水素または不活性ガスの第１のキャリアガスと前記第１のキャリアガスと異なる水素または不活性ガスの第２のキャリアガスとの第１の混合ガスとを含む第１のプロセスガスの平均分子量を、前記第１のキャリアガスと前記第２のキャリアガスの流量とを制御してアンモニアを含む第２のプロセスガスの平均分子量に近づけるように調整し、
前記反応室に、平均分子量が調整された前記第１のプロセスガスと、前記第２のプロセスガスとを供給して、前記基板表面に半導体膜を成膜することを特徴とする気相成長方法。 - 前記第２のプロセスガスの供給前に、水素または不活性ガスの第１の補償ガスの流量と前記第１の補償ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の補償ガスの流量とを制御して平均分子量を前記第２のプロセスガスの平均分子量に近づけるように調整した第２の混合ガスを、前記反応室に供給し、
前記第２の混合ガスから前記第２のプロセスガスに供給を切り替えて、前記基板表面に半導体膜を成膜することを特徴とする請求項７記載の気相成長方法。 - 水素または不活性ガスの第１の分離ガスの流量と前記第１の分離ガスと異なる水素または不活性ガスの第２の分離ガスの流量とを制御して平均分子量を前記第１のプロセスガスまたは前記第２の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第３の混合ガスを、前記第１のプロセスガスと前記第２のプロセスガスと同時に前記反応室に供給することを特徴とする請求項７または請求項８記載の気相成長方法。
- 前記第３の混合ガスを、前記第１のプロセスガスを前記反応室に噴出する第１のガス噴出孔と、前記第２のプロセスガスを前記反応室に噴出する第２のガス噴出孔との間に設けられる第３のガス噴出孔から噴出することを特徴とする請求項９記載の気相成長方法。
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