JP6710795B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、半導体製造装置に関する。

ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置等の成膜装置は、例えば、Ｖ族原料ガスとＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、）を含む有機原料ガスとを分解して半導体基板上で反応させ、窒化物半導体等の結晶膜を半導体基板上に成膜する。Ｖ属原料としてはアンモニア（ＮＨ_３）が用いられる。ＮＨ_３は、分解効率が悪いため、１０００℃以上の高温に半導体基板を加熱して供給される。この場合、半導体基板の反りが問題となる。

一方、１０００℃未満の低温で窒化物半導体を成膜するためには、Ｖ族原料ガスをＩＩＩ族原料ガスとは別にプラズマ分解し、イオンやラジカルを発生させる必要がある。この場合、例えば、シャワーヘッドやステージを電極として用いて、約６０ＭＨｚ程度の周波数でＶ族原料ガスを分解し、イオンやラジカルを発生させる。しかし、１００ＭＨｚ以下の比較的低い周波数の場合、Ｖ族原料ガスのイオンやラジカルがシャワーヘッドとステージとの間に印加されるプラズマ分解のための電界によって高エネルギーを有し、半導体基板に対してダメージを与えるという問題があった。

特開２０１５−０９９８６６号公報 米国特許公開第２０１０／０２１００６７号公報 米国特許公開第２０１４／００３７８６５号公報

半導体基板のダメージを抑制しながら成膜することができる半導体製造装置を提供する。

本実施形態による半導体装置の製造方法は、反応室と、ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物ガスを供給する第１供給部と、窒素ガスおよび水素ガスを供給する第２供給部と、マイクロ波を前記反応室に導波する導波部とを備える半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法である。反応室内に収容された基板へ有機化合物ガスを供給し、ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物を該基板に付着させる。反応室内に窒素ガスおよび水素ガスを供給する。導波管から窒素ガスおよび水素ガスにマイクロ波を照射して、該窒素ガスを窒素イオンおよび窒素ラジカルに、該水素ガスを水素イオンおよび水素ラジカルに、プラズマ分解する。窒素ラジカルおよび水素ラジカルを基板上に付着したガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物と結合させて、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれかをエピタキシャル成長させることを具備する。

第１の実施形態に従ったＭＯＣＶＤ装置１の構成の一例を示す概略図。 マイクロ波導波管５０の構成の一例を示す断面図。 複数の導波管５０の配置の一例を示す上面図。 第１の実施形態の変形例による複数の導波管５０の配置の一例を示す上面図。 第２の実施形態に従ったＭＯＣＶＤ装置２の構成の一例を示す概略図。 複数の導波管５０の配置の一例を示す断面図。 第２の実施形態の変形例による複数の導波管５０の配置の一例を示す断面図。 第２供給部４０のシャワーヘッドＳＨの構成例を示す断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に従ったＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置１（以下、単に装置１ともいう）の構成の一例を示す概略図である。装置１は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＮ等の半導体膜の成膜を行うエピタキシャル装置でよい。装置１は、チャンバ１０と、ステージ２０と、ヒータ２５と、第１供給部３０と、第２供給部４０と、マイクロ波導波管５０と、フィルタ６０と、駆動部７０と、コントローラ８０とを備えている。

反応室としてのチャンバ１０の内部は、図示しない真空ポンプによって減圧状態に真空引きされている。チャンバ１０は、ステージ２０、ヒータ２５、第１供給部３０、第２供給部４０、フィルタ６０等を収容している。

ステージ２０は、基板Ｗを搭載可能であり、該基板Ｗを回転させることができる。基板Ｗは、例えば、シリコン基板、サファイヤ基板、ＳｉＣ基板等でよい。

第１供給部３０は、基板Ｗ上にＩＩＩ族元素含有ガスを供給する。ＩＩＩ族元素含有ガスは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである。有機金属ガスは、例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム等のガスである。本実施形態において、第１供給部３０は、例えば、中空のノズルであり、そのノズルを介して基板Ｗの表面にＩＩＩ族元素含有ガスを供給する。

ＩＩＩ族元素含有ガスは、基板Ｗ上において加熱分解され、ＩＩＩ族元素が基板Ｗの表面に付着する。尚、第１供給部３０は、第２供給部４０よりもステージ２０および基板Ｗの近く（第２供給部４０よりも低い位置）に配置されている。これにより、ＩＩＩ族元素は、第２供給部４０からのＶ族元素と結合する前に、基板Ｗに付着し、基板Ｗに付着した後に、Ｖ族元素と結合してＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶膜となる。

第２供給部４０は、基板Ｗ上にＶ族元素含有ガスを供給する。Ｖ族元素含有ガスは、例えば、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等のＶ族元素を含むガスである。例えば、本実施形態において、チャンバ１０の上部には、ラジカル生成室１５が設けられている。第２供給部４０はＶ族元素をラジカル生成室１５に供給する。Ｖ族元素は、ラジカル生成室１５においてマイクロ波導波管５０からのマイクロ波によってプラズマ化されて、ラジカルまたはイオンとなる。Ｖ族元素含有ガスのラジカルは、フィルタ６０を介して基板Ｗ上に供給され、基板Ｗの表面のＩＩＩ族元素と結合する。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶が基板Ｗの表面に形成される。例えば、Ｖ族元素含有ガスとして窒素（Ｎ_２）および水素（Ｈ_２）を第２供給部４０に供給した場合、ラジカル生成部１５は、窒素および水素ガスをプラズマ化して、窒素ラジカル（Ｎ^＊）、窒素イオン（Ｎ^＋）、水素ラジカル（Ｈ^＊）、水素イオン（Ｈ^＋）、窒化水素ラジカル（ＮＨ^＊）、窒化水素イオン（ＮＨ^＋）を発生し、これらを基板Ｗへ供給する。これにより、基板Ｗの表面には、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶が形成される。

またＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）の酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３）を成膜する場合には、酸素および水素を用いる。この場合、ラジカル生成部１５は、酸素ガスと水素ガスをプラズマ化して、酸素ラジカル（Ｏ^＊）、酸素イオン（Ｏ^＋）、水素ラジカル（Ｈ^＊）、水素イオン（Ｈ^＋）、窒化水素ラジカル（ＯＨ^＊）、窒化水素イオン（ＯＨ^＋）を生成する。

導波部としてのマイクロ波導波管５０は、第１供給部３０よりも第２供給部４０の近くに配置されており、第２供給部４０から供給されたＶ族元素含有ガスに該マイクロ波を照射する。マイクロ波導波管５０は、第２供給部４０の直上に配置されており、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の上面に設けられている。チャンバ１０の上面は、ステージ２０（基板Ｗ）の表面の上方においてステージ２０（基板Ｗ）の表面と対向している面である。マイクロ波導波管５０がＶ族元素含有ガスに該マイクロ波を照射することによって、Ｖ族元素含有ガスをラジカル化あるいはイオン化（活性化）することができる。ここで使用するマイクロ波は、例えば、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数かつ１ｍｍ〜１ｍの波長を有する電磁波であり、本実施形態においてＶ族元素含有ガスに照射されるマイクロ波は、規格で定められた、約２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波、または、約５．８ＧＨｚ帯のマイクロ波である。マイクロ波導波管５０の配置等については、図２および図３を参照して後述する。

加熱部としてのヒータ２５は、図１に示すようにステージ２０内に内蔵され、基板Ｗを搭載可能なホットプレートでよい。あるいは、ヒータ２５は、図示しないがステージ２０の上方に設けられ、基板Ｗに光を照射するランプまたはレーザでもよい。さらに、ヒータ２５は、マイクロ波導波管５０とは別に設けられ、基板Ｗにマイクロ波を照射するマイクロ波加熱器であってもよい。ヒータ２５は、ステージ２０上の基板Ｗを約１０００℃程度に加熱することができる。尚、本実施形態では、Ｖ族元素含有ガスがマイクロ波によって活性化されているので、ヒータ２５は、ステージ２０上の基板Ｗを約１０００℃未満の低温で加熱すれば足りる。これにより、基板Ｗの歪みの発生を抑制することができる。

フィルタ６０は、ステージ２０とラジカル生成室１５との間に設けられており、直進性の高いイオンをブロックし、イオンとラジカルとを選別する。例えば、基板Ｗの表面に対して略垂直方向（上下方向）に移動しようとするイオンはフィルタ６０を通過できない。
一方、ラジカルは、フィルタ６０を通過することができる。従って、フィルタ６０は、上下方向に直進しようとするイオンを除去しつつ、ラジカルを基板Ｗ側へ通過させることができる。尚、小数のイオンは、散乱してフィルタ６０を通過する場合もあるが、後述するように、６０ｋＨｚ程度の低周波の電界は印加されていないので、基板Ｗにダメージを与えない。

駆動部７０は、ステージ２０を矢印に示すように回転させる。コントローラ８０は、駆動部７０を制御し、ステージ２０の回転速度（回転周期）を制御する。また、コントローラ８０は、第１および第２供給部３０、４０からの原料ガスの流量、ヒータ２５への供給電力等も制御することができる。

図２は、マイクロ波導波管５０（以下、単に、導波管５０ともいう）の構成の一例を示す断面図である。図２は、マイクロ波の進行方向に対して略垂直方向の断面を示す。

導波管５０は、例えば、中空の金属管である。導波管５０には、例えば、銅等の導電性金属を用いている。導波管５０を中空の金属管とすることによって、誘電体損失や導体損失を抑制することができる。誘電体損失や導体損失を低く抑えることによって、導波管５０は、マイクロ波を比較的長い距離伝送可能となる。

導波管５０は、マイクロ波の進行方向に対して略垂直方向の断面において、例えば、短辺ａおよび長辺ｂの長方形を有する。即ち、導波管５０の開口は、例えば、短辺ａおよび長辺ｂの長方形を有する。短辺ａおよび長辺ｂは、導波管５０を伝播するマイクロ波の周波数（波長）によって設定される。マイクロ波の波長をλとすると、長辺ｂがそのマイクロ波の半波長λ／２より大きい場合に、マイクロ波は、導波管５０の短辺の内壁を反射しながら導波管５０内を伝播することができる。しかし、長辺ｂがマイクロ波の半波長λ／２に等しくなると、マイクロ波は、導波管５０中において短辺で反射する反射波と重なり、定在波を成して、導波管５０内を伝播しなくなる。長辺ｂをマイクロ波の半波長λ／２よりさらに小さくしても、マイクロ波は、導波管５０中において導波管５０内を伝播しない。従って、長辺ｂは、マイクロ波の半波長λ／２よりも大きいことが好ましい。但し、導波管５０の開口が大き過ぎると、導波管５０をチャンバ１０に配置できなくなったり、装置１が大きくなってしまう。従って、長辺ｂは、マイクロ波の半波長λ／２より確実に大きくしながらも、できるだけ小さくすることが好ましい。

例えば、マイクロ波の周波数が約２．４５ＧＨｚ帯である場合、マイクロ波の波長λは、約１２．２４ｃｍとなる。従って、長辺ｂは、半波長である約６．１２ｃｍより大きいことが好ましい。

また、導波管５０内におけるマイクロ波の伝送速度（群速度）は、式１で表せる。
ｃ×√（１−λ^２／４ｂ^２｝ （式１）
ここで、ｃは導波管５０の外の空間におけるマイクロ波の伝送速度である。式１から、導波管５０内におけるマイクロ波の伝送速度は、長辺ｂが大きいほど速いことがわかる。よって、式１からも、長辺ｂは、大きいことが好ましいと言える。例えば、マイクロ波の周波数が約２．４５ＧＨｚ帯である場合、長辺ｂを約６．１２ｃｍより大きくすることによって、マイクロ波は高速で導波管５０内を伝播することができる。

同様に、例えば、マイクロ波の周波数が約５．８ＧＨｚ帯である場合、そのマイクロ波の波長λは、約５．１７ｃｍとなる。この場合、長辺ｂは、マイクロ波の半波長λ／２（例えば、約２．５８５ｃｍ）より大きいことが好ましい。これにより、マイクロ波は高速で導波管５０内を伝播することができる。尚、マイクロ波の周波数は、約２．４５ＧＨｚ以上であればよく、特に限定しない。この場合であっても、長辺ｂがマイクロ波の半波長λ／２よりも大きいことが好ましいことに変わりはない。

一方、短辺ａは、長辺ｂより小さければよい。これにより、導波管５０の開口面積を小さくすることができる。導波管５０の開口面積が小さいと、他の導波管５０からのマイクロ波の反射波が進入し難くなり、干渉を抑制することができる。このように、短辺ａは長辺ｂより小さくすることによって、複数の導波管５０からのマイクロ波の相互干渉を抑制し、導波管５０は、マイクロ波をラジカル生成部１５内に充分に供給することができる。

図３は、複数の導波管５０の配置の一例を示す上面図である。図３は、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の上面を上方から見た図である。チャンバ１０の上面は、基板Ｗの表面の上方にあり、略円形を有する。１つの導波管５０ｅは、チャンバ１０の上面の略中心または略重心に配置されている。また、他の複数の導波管５０ａ〜５０ｄは、チャンバ１０の上面の略中心または略重心を中心とする同心円Ｃ上に略等間隔で配置されている。
本実施形態では、例えば、４つの導波管５０ａ〜５０ｄが、チャンバ１０の上面の略中心を中心とする同心円Ｃ上に均等配置されている。導波管５０ａ〜５０ｅの開口は、第２供給部４０（ステージ２０、基板Ｗ）へ向けられており、マイクロ波を下方へ向かって照射する。また、導波管５０ａ〜５０ｅは、それぞれの長径ｂが互いに略平行になるように配置されている。

導波部５０ａと同心円Ｃの中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌａとし、導波部５０ａに隣接する導波部５０ｂと中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｂとし、導波部５０ｂに隣接する導波部５０ｃと中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｃとし、導波部５０ｃに隣接する導波部５０ｄと中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｄとする。この場合、直線Ｌａと直線Ｌｂが中心Ｏにおいて成す角度は、約９０度である。同様に、直線Ｌｂと直線Ｌｃが中心Ｏにおいて成す角度も、約９０度である。直線Ｌｃと直線Ｌｄが中心Ｏにおいて成す角度も、約９０度である。直線Ｌｄと直線Ｌａが中心Ｏにおいて成す角度も、約９０度である。このように、同心円Ｃにおいて隣接する２つの導波管５０のうち一方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第１直線とし、その他方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第２直線とすると、第１および第２直線の成す角度は、同心円Ｃにおいて隣接する任意の２つの導波管５０においてほぼ同一である。換言すると、同心円Ｃ上において隣接する任意の２つの導波管５０と中心Ｏとの間において成す中心角は、ほぼ等しい。これにより、導波管５０ａ〜５０ｅは、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の上面に略均等に配置され、第２供給部４０からラジカル生成部１５内に供給されたＶ族元素含有ガスにマイクロ波を略均等に照射することができる。

基板Ｗは、処理中において、例えば、１０００ｒｐｍ（rotation per minute）で回転している。従って、Ｖ族元素含有ガスのラジカルは、基板Ｗの上面においてほぼ平均化される。しかし、複数の導波管５０ａ〜５０ｅの配置が均等でなく偏っている場合、基板Ｗの回転速度を遅くした際に、Ｖ族元素含有ガスのラジカルの供給が不均一になる。

これに対し、本実施形態による複数の導波管５０ａ〜５０ｅは、チャンバ１０の上面の中心に対して略均等に配置されている。これにより、複数の導波管５０ａ〜５０ｅは、ラジカル生成部１５内に供給されたＶ族元素含有ガスにマイクロ波を略均等に照射することができる。その結果、装置１は、基板Ｗの表面に対して略均等にＶ族元素含有ガスのラジカルを供給することができ、略均質の材料膜を略均一の厚みで基板Ｗ上に形成することができる。

また、例えば、第２供給部４０のシャワーヘッドやステージ２０を電極として用いて、約６０ＭＨｚ程度の比較的低い周波数でＶ族元素含有ガスをプラズマ分解した場合、イオンが電界によって高エネルギーを得て、基板Ｗに衝突し、基板Ｗにダメージを与えるおそれがある。また、シャワーヘッドやステージ２０を電極としてマイクロ波をチャンバ１０内へ導入しようとしても、マイクロ波は、チャンバ１０外へ逃げてしまう。

これに対し、本実施形態による装置１は、導波管５０を用いて、比較的高い周波数帯のマイクロ波（例えば、約５．８ＧＨｚ帯、約２．４５ＧＨｚ帯）をＶ族元素含有ガスに直接照射する。このように、装置１は、シャワーヘッドやステージ２０を電極として用いずに、導波管５０を用いて、比較的高い周波数帯のマイクロ波をチャンバ１０内へ導入し、このマイクロ波でＶ族元素含有ガスをプラズマ分解する。これにより、Ｖ族元素含有ガスから生成された窒素ラジカル、窒素イオン、水素ラジカル、水素イオンの運動エネルギーは小さくなり、基板Ｗへのダメージを抑制することができる。基板Ｗへのダメージとは、基板Ｗの結晶格子内の原子を弾き飛ばすことによって、基板Ｗの表面に生成された結晶欠陥等である。

さらに、本実施形態によれば、導波管５０は、マイクロ波をＶ族元素含有ガスに照射しており、基板Ｗに照射するマイクロ波アニールとは異なる。マイクロ波アニールは、マイクロ波を基板Ｗに照射して基板Ｗを加熱または基板Ｗを改質する。しかし、本実施形態によれば、Ｖ族元素含有ガスを活性化するためにマイクロ波をＶ族元素含有ガスに照射している。また、本実施形態によれば、導波管５０は、第１供給部３０よりも第２供給部４０の近くに配置されており、Ｖ族元素含有ガスに該マイクロ波を照射するが、ＩＩＩ族元素含有ガスには照射しない。このように、基板Ｗや第１供給部３０から離間した位置でマイクロ波をＶ族元素含有ガスに供給することによって、装置１は、ＩＩＩ族元素含有ガスを分解すること無く、Ｖ族元素含有ガスを活性化することができる。

（変形例）
図４は、第１の実施形態の変形例による複数の導波管５０の配置の一例を示す上面図である。１つの導波管５０ｆ＿１は、チャンバ１０の上面の略中心または略重心に配置されている。また、他の複数の導波管５０ａ＿１〜５０ｅ＿１は、チャンバ１０の上面の略中心または略重心を中心とする同心円上に略等間隔で配置されている。本変形例では、例えば、５つの導波管５０ａ＿１〜５０ｅ＿１が、チャンバ１０の上面の略中心を中心とする同心円Ｃに略等間隔で略均等に配置されている。導波管５０ａ＿１〜５０ｆ＿１の開口は、第２供給部４０（ステージ２０、基板Ｗ）へ向かっており、マイクロ波を下方へ向かって照射する。また、導波管５０ａ＿１〜５０ｅ＿１は、それぞれの長径ｂが中心Ｏを中心として放射方向に延伸するように配置されている。本変形例のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。

導波部５０ａ＿１と同心円Ｃの中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌａ＿１とし、導波部５０ａ＿１に隣接する導波部５０ｂ＿１と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｂ＿１とし、導波部５０ｂ＿１に隣接する導波部５０ｃ＿１と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｃ＿１とし、導波部５０ｃ＿１に隣接する導波部５０ｄ＿１と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｄ＿１とし、導波部５０ｄ＿１に隣接する導波部５０ｅ＿１と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を直線Ｌｅ＿１とする。この場合、直線Ｌａ＿１と直線Ｌｂ＿１が中心Ｏにおいて成す角度は、約７２度である。同様に、直線Ｌｂ＿１と直線Ｌｃ＿１が中心Ｏにおいて成す角度も、約７２度である。直線Ｌｃ＿１と直線Ｌｄ＿１が中心Ｏにおいて成す角度は、約７２度である。直線Ｌｄ＿１と直線Ｌｅ＿１が中心Ｏにおいて成す角度は、約７２度である。直線Ｌｅ＿１と直線Ｌａ＿１が中心Ｏにおいて成す角度は、約７２度である。このように、同心円Ｃにおいて隣接する２つの導波管の一方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第１直線とし、その他方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第２直線とすると、第１および第２直線の成す角度は、同心円Ｃにおいて隣接する任意の導波部においてほぼ同一である。換言すると、同心円Ｃにおいて隣接する任意の導波部が中心Ｏにおいて成す中心角は、ほぼ等しい。これにより、導波管５０ａ＿１〜５０ｆ＿１は、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の上面に略均等に配置され、第２供給部４０からラジカル生成部１５内に供給されたＶ族元素含有ガスにマイクロ波を略均等に照射することができる。従って、本変形例は、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例では、導波管５０ａ＿１〜５０ｅ＿１の長辺ｂが中心Ｏを中心として放射方向に延伸している。これにより、装置１は、マイクロ波を、ラジカル生成部１５内のＶ族元素含有ガスにさらに均等に照射することができる。

導波管５０の個数は、チャンバ１０の上面に略均等に配置されている限りにおいて、７個以上であってもよく、４個以下であってもよい。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に従ったＭＯＣＶＤ装置２（以下、単に装置２ともいう）の構成の一例を示す概略図である。第２の実施形態によれば、導波管５０は、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の側壁に設けられている。第２の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。

導波管５０は、第２供給部４０のシャワーヘッドよりも低い位置く、かつ、基板Ｗ、ステージ２０、第１供給部３０およびフィルタ６０よりも高い位置に配置されている。即ち、導波管５０は、第１供給部３０と第２供給部４０との間の高さに位置付けられている。
また、導波管５０の開口は、チャンバ１０の内面に対して略垂直方向へ向かっており、チャンバ１０の内面に対して略垂直方向へマイクロ波を射出する。導波管５０の開口は、第１の実施形態と同様に、例えば、短辺ａおよび長辺ｂの長方形を有する。

図６は、複数の導波管５０の配置の一例を示す断面図である。図６は、基板Ｗまたはステージ２０の表面に対して略平行方向に切断した断面を示す。複数の導波管５０ａ＿２〜５０ｄ＿２は、図５に示す断面において、チャンバ１０またはラジカル生成部１５の略中心または略重心を中心Ｏとする同心円上に略等間隔で配置されている。第２の実施形態では、例えば、４つの導波管５０ａ＿２〜５０ｄ＿２が、同心円Ｃ上に略均等配置されている。導波管５０ａ＿２〜５０ｅ＿２の開口は、中心Ｏへ向かっており、マイクロ波を該中心Ｏへ向かって矢印方向へ照射する。

隣接する２つの導波管の一方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第１直線とし、その他方と中心Ｏとの間を繋ぐ直線を第２直線とすると、第１および第２直線の成す角度は、隣接する任意の導波部においてほぼ同一である。換言すると、換言すると、同心円Ｃにおいて隣接する任意の導波部が中心Ｏにおいて成す中心角は、ほぼ等しい。これにより、導波管５０ａ＿２〜５０ｅ＿２は、ラジカル生成部１５に略均等に配置され、第２供給部４０からラジカル生成部１５内に供給されたＶ族元素含有ガスにマイクロ波を略均等に照射することができる。

第２の実施形態によれば、導波管５０ａ＿２〜５０ｅ＿２は、第１供給部３０と第２供給部４０との間の高さにおいてチャンバ１０（ラジカル生成部１５）の側壁に配置されている。しかし、基板Ｗまたはステージ２０の表面に対して略平行方向に切断した断面において、導波管５０ａ＿２〜５０ｅ＿２は、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の中心Ｏに対して略均等（ほぼ等間隔）に配置されている。これにより、複数の導波管５０ａ〜５０ｅは、ラジカル生成部１５内に供給されたＶ族元素含有ガスにマイクロ波を略均等に照射することができる。その結果、第２の実施形態による装置２は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２の実施形態による装置２は、導波管５０を用いて、比較的高い周波数帯のマイクロ波（例えば、約５．８ＧＨｚ、約２．４５ＧＨｚ）をＶ族元素含有ガスに供給する。このように装置２は、シャワーヘッドやステージ２０を電極として用いずに、比較的高い周波数帯のマイクロ波でＶ族元素含有ガスをプラズマ分解する。これにより、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、ＩＩＩ族元素含有ガスの分解を抑制することができ、かつ、基板Ｗへのダメージを抑制することができる。第２の実施形態は、第１の実施形態のその他の効果も得ることができる。

装置２は、図５に示すように、ラジカル生成部１５の内壁にマイクロ波の反射板９５を設けてもよい。反射板９５は、マイクロ波を多重反射させ、効率的にマイクロ波をＶ族元素含有ガスに照射する。これにより、Ｖ族元素含有ガスを効率的に活性化（ラジカル化）することができる。

（変形例）
図７は、第２の実施形態の変形例による複数の導波管５０の配置の一例を示す断面図である。図７は、基板Ｗまたはステージ２０の表面に対して略平行方向に切断した断面を示す。複数の導波管５０ａ＿３〜５０ｅ＿３は、第２の実施形態と同様に、チャンバ１０（ラジカル生成部１５）の側壁に設けられているが、その個数は、５個である。本変形例のその他の構成は、第２の実施形態の対応する構成と同様でよい。

このような変形例であっても、第２の実施形態の効果は失われない。また、導波管５０の個数は、チャンバ１０の上面に略均等に配置されている限りにおいて、７個以上であってもよく、４個以下であってもよい。

（第２供給部４０のシャワーヘッドについて）
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、第２供給部４０のシャワーヘッドＳＨの構成例を示す断面図である。シャワーヘッドＳＨは、Ｖ族元素含有ガスのラジカルを基板Ｗに供給するために、基板Ｗに対向する底面に多数の孔ＨＬを有する。孔ＨＬは、ラジカルを基板Ｗに略均等に供給するために、シャワーヘッドＳＨの底面に略均等に設けられている。また、後述するように、孔ＨＬの深さを適切に調節することによって、Ｖ族元素含有ガスが孔ＨＬを通過する際に効率良くラジカル化あるいはイオン化することができる。

シャワーヘッドＳＨには、例えば、石英等の非導電体を用いている。石英はマイクロ波を透過させるので、シャワーヘッドＳＨ内にあるＶ族元素含有ガスおよびシャワーヘッドＳＨから出たＶ族元素含有ガスには、マイクロ波が充分に照射され得る。マイクロ波は、シャワーヘッドＳＨによって遮蔽されず、Ｖ族元素含有ガスをラジカル化あるいはイオン化することができる。また、シャワーヘッドＳＨは、電極として用いる訳ではないので、導電体である必要は無い。

石英の成分が堆積膜に混入することを抑制するために、シャワーヘッドＳＨは、コーティングされていることが好ましい。シャワーヘッドＳＨのコーティング材は、例えば、成膜材料がＩＩＩ族窒化物である場合、コーティング材も、ＩＩＩ族窒化物（例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等）であることが好ましい。コーティング材は、成膜材料と異なるＩＩＩ族窒化物であってもよいが、成膜材料と同一材料であることが好ましい。この場合、シャワーヘッドＳＨは、成膜材料でコーティングされた石英となる。また、例えば、成膜材料がＩＩＩ族酸化物である場合、コーティング材は、ＩＩＩ族酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３等）でよい。この場合も、コーティング材は、成膜材料と異なるＩＩＩ族窒化物であってもよいが、成膜材料と同一材料であることが好ましい。

このように、シャワーヘッドＳＨが成膜材料またはそれに類似する材料でコーティングされていることによって、マイクロ波が照射されても、シャワーヘッドＳＨの成分（例えば、石英）が堆積膜に混入することを抑制することができる。

シャワーヘッドＳＨの孔ＨＬは、マイクロ波の周波数帯に依って最適な深さ（長さ）ｄがある。例えば、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を用いる場合、シャワーヘッドＳＨの孔ＨＬの深さｄを約１ｍｍ以下とすれば、Ｖ族元素含有ガスのラジカルまたはイオンの濃度は、約２×１０^１２／ｃｍ^３となる。孔ＨＬの深さｄを約５ｍｍとすれば、ラジカルまたはイオンの濃度は、約５×１０^１２／ｃｍ^３となる。孔ＨＬの深さｄを約１０ｍｍとすれば、ラジカルまたはイオンの濃度は、約４．３×１０^１２／ｃｍ^３となる。孔ＨＬの深さｄを約２０ｍｍとすれば、ラジカルまたはイオンの濃度は、約３．５×１０^１２／ｃｍ^３となる。孔ＨＬの深さｄを約３０ｍｍとすれば、ラジカルまたはイオンの濃度は、約２．８×１０^１２／ｃｍ^３ となる。従って、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を用いる場合、ラジカルまたはイオンの濃度（密度）が最大となるシャワーヘッドＳＨの孔ＨＬの深さｄは、約５ｍｍ程度であることがわかる。このように、孔ＨＬの深さｄを最適化することによって、Ｖ族元素含有ガスが孔ＨＬを通過する際に効率良くラジカル化またはイオン化し、ラジカルまたはイオンの濃度（密度）を大きくすることができる。ラジカルまたはイオンの濃度が大きくなることによって、材料膜が基板Ｗ上に効率良く形成され得る。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）では、矢印Ａに示すように、Ｖ族元素含有ガスのラジカルまたはイオンが孔ＨＬを介してシャワーヘッドＳＨから出る。図８（Ａ）に示すように、孔ＨＬは、隣接する突起Ｐ間の底部に設けられていてもよい。あるいは、図８（Ｂ）に示すように、孔ＨＬは、突起Ｐの頂部に設けられていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・ＭＯＣＶＤ装置、１０・・・チャンバ、２０・・・ステージ、２５・・・ヒータ、３０・・・第１供給部、４０・・・第２供給部、５０・・・マイクロ波導波管、６０・・・フィルタ、７０・・・駆動部、８０・・・コントローラ

Claims (4)

1. 反応室と、ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物ガスを供給する第１供給部と、窒素ガスおよび水素ガスを供給する第２供給部と、マイクロ波を前記反応室に導波する導波部と、を備える半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   前記反応室内に収容された基板へ前記有機化合物ガスを供給し、前記ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物を該基板に付着させ、
   前記反応室内に窒素ガスおよび水素ガスを供給し、
   前記導波部から前記窒素ガスおよび前記水素ガスにマイクロ波を照射して、該窒素ガスを窒素イオンおよび窒素ラジカルに、該水素ガスを水素イオンおよび水素ラジカルに、プラズマ分解し、
   前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルを前記基板上に付着した前記ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物と結合させて、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれかをエピタキシャル成長させることを具備する、半導体装置の製造方法。
2. 前記導波部は、約２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波、または、約５．８ＧＨｚ帯のマイクロ波を前記窒素ガスに照射する、請求項１に記載の方法。
3. 前記半導体製造装置は、前記第１供給部と前記第２供給部および前記導波部との間に設けられたフィルタをさらに備え、
   前記プラズマ分解後、前記フィルタによって、前記窒素イオンおよび前記水素イオンを前記基板側へ通過させず、前記窒素ラジカルおよび前記水素ラジカルを前記基板側へ通過させることをさらに具備する、請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 反応室と、ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物ガスを供給する第１供給部と、酸素ガスおよび水素ガスを供給する第２供給部と、マイクロ波を前記反応室に導波する導波部と、を備える半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   前記反応室内に収容された基板へ前記有機化合物ガスを供給し、前記ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物を該基板に付着させ、
   前記反応室内に酸素ガスおよび水素ガスを供給し、
   前記導波部から前記酸素ガスおよび前記水素ガスにマイクロ波を照射して、該酸素ガスを酸素イオンおよび酸素ラジカルに、該水素ガスを水素イオンおよび水素ラジカルに、プラズマ分解し、
   前記酸素ラジカルおよび前記水素ラジカルを前記基板上に付着した前記ガリウム、アルミニウムまたはインジウムの有機化合物と結合させて、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３のいずれかを成膜させることを具備する、半導体装置の製造方法。

Images