JP6744346B2 - 成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、成膜装置に関する。
窒化ガリウム(GaN)等のIII 属窒化物半導体層の成膜方法として、MOCVDが広く知られている。
MOCVDを用いたIII 属窒化物半導体層の成膜方法において、窒素ガスを含有する第1のガスを供給する第1のガス供給部と、有機金属ガスを含有する第2のガスを供給する第2のガス供給部との間に、複数の穴を有する板状部材を配置したものが提案されている。
しかしながら、上述した板状部材が設けられた成膜装置では、板状部材の構成が必ずしも最適化されているとは言えなかった。
特開2015−99866号公報
最適化された板状部材を備えた成膜装置を提供する。
実施形態に係る成膜装置は、基板支持部材と、前記基板支持部材の上方に設けられ、第1のガスを供給する第1のガス供給部と、前記基板支持部材と前記第1のガス供給部との間に設けられ、第2のガスを供給する第2のガス供給部と、前記第1のガス供給部と前記第2のガス供給部との間に設けられ、穴を有する板状部材と、を備えた成膜装置であって、前記第1のガス供給部と前記板状部材との間の領域は、前記第1のガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生領域であり、前記穴の直径は0.1mmから2mmの範囲であり、前記穴の深さは0.1mmから5mmの範囲である。
第1の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 第1の実施形態に係り、板状部材の構成を模式的に示した平面図である。 第1の実施形態に係り、板状部材に設けられた穴の構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係り、基板の直上におけるプラズマ発光スペクトルを示した図である。 第1の実施形態に係り、穴の直径及び深さを変化させたときの、基板の直上での放電の有無のシミュレーション結果を示した図である。 第1の実施形態の変更例に係り、板状部材に設けられた穴の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係り、板状部材に設けられた穴の構成を模式的に示した平面図である。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
(実施形態1)
図1は、第1の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。具体的には、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)装置の構成を模式的に示した図である。
排気口11aを有するチャンバ11内にはサセプタ(基板支持部材)12が配置され、サセプタ12上に基板(例えば、半導体ウェハ)13が載置される。サセプタ12は、回転機構14によって回転できるようになっている。また、サセプタ12の下方にはヒーター15が設けられ、基板13を所望の温度に加熱できるようになっている。
サセプタ12の上方には、第1のガス(後述する)を供給する第1のガス供給部16が設けられている。具体的には、第1のガス供給部16としてシャワーヘッドノズルが設けられている。サセプタ12と第1のガス供給部16との間には、第2のガス(後述する)を供給する第2のガス供給部17が設けられている。具体的には、チャンバ11内に第2のガスを導入するガス導入ノズル17aのガス噴出口が設けられている部分が、第2のガス供給部17に対応する。第1のガス供給部16と第2のガス供給部17との間には、穴18aを有する板状部材18が設けられている。この板状部材18については、後で詳細に説明する。
第1のガス供給部(シャワーヘッドノズル)16は、RF電力を供給するための電極としても用いられる。すなわち、第1のガス供給部16には、RF電源(60MHz程度の高周波電源)19からマッチングボックス20を介してRF電力が供給される。
また、第1のガス供給部(シャワーヘッドノズル)16にはガス供給管21が接続されており、第1のガス供給部(シャワーヘッドノズル)16にはマスフローコントローラ22を介してガス供給管21から所望のガスが供給されるようになっている。
ガス導入ノズル17aにはガス供給管23が接続されており、ガス供給管23にはニードルバルブ(或いは、自動圧力制御部)24を介して原料供給部25が接続されている。原料供給部25には、第2のガスの原料が蓄えられている。原料供給部25には、ガス供給管26からマスフローコントローラ27を介してバブリング用ガスが供給されるようになっており、バブリングによって気化されたガスがチャンバ11内に供給されるようになっている。
本実施形態の成膜装置により、III 属窒化物半導体層28を基板13上に形成することができる。
この場合、第1のガスは少なくとも窒素ガス(N2 ガス)を含有している。具体的には、第1のガスは窒素ガス(N2 ガス)及び水素ガス(H2 ガス)を含有している。
また、第2のガスは、III 属金属元素を含有する有機金属ガスを含有する。III 属金属元素としては、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)及びインジウム(In)があげられる。窒化ガリウム(GaN)を形成する場合には、有機金属ガスとしてトリメチルガリウムを用いる。窒化アルミニウム(AlN)を形成する場合には、有機金属ガスとしてトリメチルアルミニウムを用いる。窒化インジウム(InN)を形成する場合には、有機金属ガスとしてトリメチルインジウムを用いる。
第1のガス供給部16からチャンバ11内に第1のガスを供給し、第1のガス供給部16にRF電源19からRF電力を供給することで、第1のガス供給部16と板状部材18との間の領域にプラズマが発生する。すなわち、第1のガス供給部16と板状部材18との間の領域が第1のガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生領域29となる。このプラズマ発生領域29で第1のガスがプラズマ化され、窒素ラジカル(Nラジカル)が発生する。窒素ラジカルは、板状部材18に設けられた複数の穴18aを通過して基板13の表面に供給される。一方、第2のガス供給部17からは、有機金属ガスを含有する第2のガスが基板13の表面に供給される。その結果、窒素ラジカルと有機金属ガスとが反応して、基板上にIII 属窒化物半導体層28が形成される。
良質なIII 属窒化物半導体層28を形成するためには、プラズマをプラズマ発生領域29内に閉じ込めておくことが重要である。すなわち、プラズマ発生領域29内で発生したプラズマが、板状部材18に設けられた穴18aを通して板状部材18の外側に漏れ出さないようにすることが重要である。
プラズマをプラズマ発生領域29内に閉じ込めておくためには、穴18aの直径や穴18aの深さ(板状部材18の厚さ)等が重要であることが判明した。以下、穴18aを有する板状部材18の詳細について説明する。
図2は、板状部材18の構成を模式的に示した平面図である。図2に示すように、板状部材18には複数の円状の穴18aが網目状に設けられている。
図3は、穴18aの構成を模式的に示した断面図である。図3に示すように、穴18aの直径はφであり、穴18aの深さ(板状部材18の厚さ)はdである。
板状部材18は金属部材又は絶縁物をコーティングされた金属部材で形成されていることが好ましい。また、板状部材18は接地されていることが好ましい。
図4は、基板13の直上におけるプラズマ発光スペクトルを示した図である。穴18aの直径φ及び深さdを適切に調整することにより、基板13の直上で放電が生じないようにすることが可能である。
図5は、穴18aの直径φ及び深さdを変化させたときの、基板13の直上での放電の有無のシミュレーション結果を示した図である。シミュレーション条件は、RE電力=4kW、圧力=100Pa、である。
図5に示すように、放電の有無は、穴18aの直径φ、穴18aの深さd、及び穴18aのアスペクト比(穴18aの直径φに対する板状部材18の厚さdの比率:d/φ)に関連していることがわかる。図5のシミュレーション結果から、穴18aの直径φが1mmの時には、穴18aの深さdが少なくとも0.5mmから5.0mmの範囲で、基板13の直上において放電が生じないことがわかる。また、穴18aの直径φが2mmの時には、穴18aの深さdが少なくとも3.0mmから5.0mmの範囲で、基板13の直上において放電が生じないことがわかる。また、図5のシミュレーション結果から、穴18aのアスペクト比(d/φ)も、放電の有無の要因になることがわかる。また、図5のシミュレーション条件は、RE電力=4kW、圧力=100Pa、の場合であるが、一般的には、成膜装置に供給されるRF電力が1kWから5kWの範囲で且つ、チャンバ内の圧力が10Paから1000Pa(より一般的には、50Paから400Pa)の範囲で成膜が行われることが多い。そこで、穴18aの直径が0.1mmから2mmの範囲であり、穴18aの深さが0.1mmから5mmの範囲であり、穴18aの直径に対する穴の深さの比率(アスペクト比)が0.5から2.0の範囲であることが好ましい。
以上のように、本実施形態によれば、第1のガス供給部と第2のガス供給部との間に穴18aを有する板状部材18を設け、穴18aの直径φ、穴18aの深さd、及び穴18aのアスペクト比(d/φ)を最適化することにより、プラズマ発生領域29内で発生したプラズマが穴18aを通して板状部材18の外側に漏れ出さないようにすることが可能である。その結果、プラズマに晒されることなく、基板13上にIII 属窒化物半導体層等の良質な層を形成することが可能となる。
図6は、本実施形態の変更例の構成を模式的に示した図である。具体的には、板状部材18に設けられた穴18aの構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、板状部材18の下部分(プラズマ発生領域29に対して逆側の部分)がテーパー状に形成されている。板状部材18の厚さが厚い場合には、このようにテーパー状に加工された部分を設けることにより、実質的な穴の深さ(非テーパー部分の穴の深さd)を的確に調整することが可能である。
(実施形態2)
次に、第2の実施形態に係る成膜装置について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図7は、第2の実施形態に係る成膜装置における板状部材18の穴18aの構成を模式的に示した平面図である。なお、成膜装置の構成は図1と同様である。
図7に示すように、本実施形態では、板状部材18がスリット状の穴18aを有している。具体的には、板状部材18がスリット状で且つ楕円状の穴18aを有している。穴18aの基本的な断面形状は、第1の実施形態と同様である。この場合、楕円の短軸方向の短径をφとして、第1の実施形態で示した穴18aの条件が満たされていることが好ましい。
このように、板状部材18にスリット状の穴18aを設けた場合にも、プラズマ発生領域29内で発生したプラズマが穴18aを通して板状部材18の外側に漏れ出さないようにすることが可能である。その結果、第1の実施形態と同様に、本実施形態でも、プラズマに晒されることなく、基板13上にIII 属窒化物半導体層等の良質な層を形成することが可能となる。
また、スリット状の穴18aを設けることで、円状の穴を設ける場合によりも開口率を増加させることができ、成膜効率を高めることが可能である。
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
11…チャンバ 11a…排気口 12…サセプタ(基板支持部材)
13…基板 14…回転機構 15…ヒーター
16…第1のガス供給部 17…第2のガス供給部 17a…ガス導入ノズル
18…板状部材 18a…穴 19…RF電源
20…マッチングボックス 21…ガス供給管
22…マスフローコントローラ 23…ガス供給管
24…ニードルバルブ 25…原料供給部 26…ガス供給管
27…マスフローコントローラ 28…III 属窒化物半導体層
29…プラズマ発生領域

Claims (8)

  1. 基板支持部材と、
    前記基板支持部材の上方に設けられ、第1のガスを供給する第1のガス供給部と、
    前記基板支持部材と前記第1のガス供給部との間に設けられ、第2のガスを供給する第2のガス供給部と、
    前記第1のガス供給部と前記第2のガス供給部との間に設けられ、穴を有する板状部材と、
    を備えた成膜装置であって、
    前記第1のガス供給部と前記板状部材との間の領域は、前記第1のガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生領域であり、
    前記穴の直径は1mmから2mmの範囲であり、前記穴の深さは0.5mmから5.0mmの範囲であり、
    前記穴の直径に対する前記穴の深さの比率は0.5から5.0の範囲であって、
    前記比率の最大値は前記穴の直径が小さいほど大きく、前記穴の直径が1mmのとき最大で5.0で、前記穴の直径が2mmのとき最小で2.5であり、
    前記比率の最小値は前記穴の直径が小さいほど小さく、前記穴の直径が2mmのとき最大で1.5で、前記穴の直径が1mmのとき最小で0.5である
    ことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記穴は、スリット状の穴である
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記第1のガスは、少なくとも窒素ガスを含有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  4. 前記第2のガスは、III 属金属元素を含有する有機金属ガスを含有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  5. 前記板状部材は、金属部材又は絶縁物をコーティングされた金属部材で形成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  6. 前記第1のガスは、少なくとも窒素ガスを含有し、
    前記第2のガスは、III 属金属元素を含有する有機金属ガスを含有し、
    前記第1のガスをプラズマ化することで発生した窒素ラジカルと、前記第2のガスとによって、前記支持部材に支持された基板上にIII 属窒化物半導体層が形成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  7. 前記III 属窒化物半導体層が形成されるチャンバ内の圧力は、10Paから1000Paの範囲である
    ことを特徴とする請求項6に記載の成膜装置。
  8. 前記成膜装置に供給される電力は、1kWから5kWの範囲である
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
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