JP6787215B2 - 成膜装置と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、成膜装置と、成膜装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、基板の表面に膜を成長させる成膜装置が開示されている。成膜装置は反応室を有している。成膜処理では、反応室内に基板をセットし、反応室内に成膜用原料を含むガスを導入することで、反応室内の基板の表面に膜を成長させる。この成膜装置では、反応室の上流側の配管（ガスを供給するための配管）に、ガス中の成膜用原料の濃度を測定する濃度測定器が設置されている。濃度測定器により、反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度を測定することができる。

また、引用文献２には、反応室をバイパスするバイパス管を設け、反応室にガスが流れる状態とバイパス管にガスが流れる状態とを切り換えることが可能な成膜装置が開示されている。バイパス管に、濃度測定器が設置されている。成膜処理の途中または成膜処理前に、バイパス管にガスを流すことで、濃度測定器によってガス中の成膜用原料の濃度を測定することができる。

特開２００９−２３１４２８号公報 特開２００４−０９１９１７号公報

特許文献１では、反応室の上流側の配管に濃度測定器が設置されている。このため、反応室の上流側の配管が長く、反応室に到達するまでにガスが流れる経路の長さが長い。したがって、蒸気圧の低いガス等を用いる場合、反応室の上流側の配管内をガスが流れているときに、その配管の内部に成膜用原料が析出し易く、ガス中の成膜用原料の濃度が低下し易い。このため、反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度が安定しないという問題がある。

特許文献２では、反応室の上流側の配管に濃度測定器が設置されていないので、特許文献１の問題は生じない。しかしながら、特許文献２では、反応室にガスを供給している状態では、バイパス管にガスが流れないので、濃度測定器による測定を行うことができない。すなわち、成膜処理を実施しながらガス中の成膜用原料の濃度を測定することができない。

したがって、本明細書では、反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度を安定させながら、成膜処理中にガス中の成膜用原料の濃度を測定することが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する成膜装置は、基板の表面に膜を成長させる。この成膜装置は、キャリアガスを供給するキャリアガス供給器と、前記成膜用原料の供給源を収容する原料容器と、前記キャリアガス供給器から前記原料容器に前記キャリアガスを導入する原料容器供給管と、前記原料容器供給管に設置されているとともに前記原料容器供給管を流れるキャリアガスの流量を制御する第１流量制御器と、前記原料容器内で生成された原料ガスを前記原料容器から排出する原料容器排出管と、反応室と、前記原料容器排出管から前記反応室にガスを供給する反応室供給管と、前記反応室供給管に設置されているとともに前記反応室供給管を流れるガスの流量を制御する第２流量制御器と、前記反応室からガスを排出する反応室排出管と、反応室バイパス管と、圧力制御器と、濃度測定器を備えている。前記反応室バイパス管は、上流端が前記反応室供給管に接続されており、下流端が前記反応室排出管に接続されており、内部にガスが流れる。前記圧力制御器は、前記反応室バイパス管に設置されている。前記圧力制御器は、前記圧力制御器よりも上流側であり、前記第２流量制御器よりも上流側であり、前記第１流量制御器よりも下流側の空間の圧力を制御する。前記濃度測定器は、前記圧力制御器よりも下流側の前記反応室バイパス管に設置されており、前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する。前記原料容器排出管から供給される前記原料ガスが、前記反応室供給管と前記反応室バイパス管とに分岐して流れるように構成されている。

なお、基板は、半導体基板であってもよいし、半絶縁基板や絶縁基板等の他の基板であってもよい。

この成膜装置では、成膜用原料を含むガスが、反応室供給管、反応室及び反応室排出管によって構成される主経路と、反応室バイパス管との両方に流れる。ガスは、主経路と反応室バイパス管とに分岐して流れるので、成膜用原料の濃度が略同じガスが、主経路（すなわち、反応室）と反応室バイパス管とに流れる。したがって、濃度測定器が測定する濃度（すなわち、反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる成膜用原料の濃度）は、反応室供給管を通って反応室に供給されるガス（第２流量制御器を通過するガス）に含まれる成膜用原料の濃度と略等しい。したがって、この成膜装置によれば、反応室にガスを供給しながら、ガス中の成膜用原料の濃度を測定することができる。すなわち、この成膜装置によれば、反応室内で成膜処理を実施しながら、反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度を測定することができる。また、この成膜装置では、反応室バイパス管に濃度測定器が設置されているので、反応室よりも上流側の配管に濃度測定器を設置する必要がない。このため、反応室よりも上流側の配管の長さを短くすることができる。このため、反応室よりも上流側の配管の内部に成膜用原料が析出し難く、反応室に供給されるガスの濃度を安定させることができる。

なお、反応室の圧力を制御するために、反応室排出管と反応室バイパス管との接続点よりも下流側の配管に、圧力制御機構を設けてもよい。

前記原料容器を有する上記成膜装置の一例では、前記原料容器内に収容されている前記成膜用原料の前記供給源が、固体であってもよい。

このような構成においては、ガス中の成膜用原料が配管内に析出し易く、上流側の配管内でガス中の成膜用原料の濃度が低下し易い。したがって、反応室の上流側の配管を短くすることでより高い効果（反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度を安定させる効果）を得ることができる。

前記供給源が固体である上記成膜装置の一例では、前記原料容器内に収容されている前記成膜用原料の前記供給源が、マグネシウムを供給してもよい。

上記成膜装置の一例は、成膜処理中に前記濃度測定器の測定結果を繰り返し記録する記録器をさらに有していてもよい。

この構成によれば、成膜処理中にガス中の成膜用原料の濃度をモニタリングすることができる。

また、前記濃度測定器の測定結果に基づいて前記第１流量制御器の流量をフィードバック制御してもよい。

また、本明細書は、成膜装置を用いた成膜処理を備える半導体装置の製造方法を提供する。前記成膜装置は、キャリアガスを供給するキャリアガス供給器と、前記成膜用原料の供給源を収容する原料容器と、前記キャリアガス供給器から前記原料容器に前記キャリアガスを導入する原料容器供給管と、前記原料容器供給管に設置されているとともに前記原料容器供給管を流れるキャリアガスの流量を制御する第１流量制御器と、前記原料容器内で生成された原料ガスを前記原料容器から排出する原料容器排出管と、反応室と、前記原料容器排出管から前記反応室にガスを供給する反応室供給管と、前記反応室供給管に設置されているとともに前記反応室供給管を流れるガスの流量を制御する第２流量制御器と、前記反応室からガスを排出する反応室排出管と、反応室バイパス管と、圧力制御器と、濃度測定器を備えている。前記反応室バイパス管は、上流端が前記反応室供給管に接続されており、下流端が前記反応室排出管に接続されており、内部にガスが流れる。前記圧力制御器は、前記反応室バイパス管に設置されている。前記圧力制御器は、前記圧力制御器よりも上流側であり、前記第２流量制御器よりも上流側であり、前記第１流量制御器よりも下流側の空間の圧力を制御する。前記濃度測定器は、前記圧力制御器よりも下流側の前記反応室バイパス管に設置されており、前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する。前記製造方法が、前記反応室内に基板を配置する工程と、前記反応室供給管、前記反応室、及び、前記反応室排出管を経由する経路に前記成膜用原料を含むガスを流すことによって前記反応室内に配置された前記基板の表面に膜を成長させる工程と、前記膜を成長させる前記工程と並行して、前記反応室バイパス管に前記成膜用原料を含むガスを流しながら、前記濃度測定器によって前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する工程を有する。

この方法によれば、成膜工程と並行して、ガスに含まれる成膜用原料の濃度を測定することができる。また、この方法では、反応室バイパス管内でガス中の成膜用原料の濃度を測定するので、反応室の上流側の配管を短くすることができる。したがって、この方法によれば、反応室に供給されるガス中の成膜用原料の濃度を安定させることができる。

実施形態の成膜装置１０の配管図。 比較例の成膜装置の配管図。 成膜装置１０を用いて製造される縦型ＭＯＳＦＥＴの断面図。 成膜装置１０を用いて製造される横型ＭＯＳＦＥＴの断面図。

図１は、実施形態に係る成膜装置１０を示している。成膜装置１０は、Ｍｇ原料ガス供給器５０と、Ｇａ原料ガス供給器７０と、Ｎ原料ガス供給器７２と、成膜器２０を有している。成膜器２０は、反応室２２を有している。各原料ガス供給器５０、７０、７２から成膜器２０の反応室２２に原料ガスが供給される。成膜処理においては、反応室２２内に基板８０を配置し、基板８０の表面に膜を成長させる。本実施形態では、基板８０として窒化ガリウム系の半導体基板または半絶縁基板を使用する。本実施形態では、基板８０の表面にｐ型のＧａＮ（窒化ガリウム）の半導体膜を成長させる。Ｇａ原料ガス供給器７０は、Ｇａ（ガリウム）を供給するためのＧａ原料ガスとしてトリメチルガリウムを含むガスを供給する。Ｎ原料ガス供給器７２は、Ｎ（窒素）を供給するためのＮ原料ガスとしてアンモニアを含むガスを供給する。Ｍｇ原料ガス供給器５０は、ｐ型不純物であるＭｇ（マグネシウム）を含むＭｇ原料ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム）を含むガスを供給する。本実施形態ではＧａ原料ガス供給器７０とＮ原料ガス供給器７２の構成は一般的であるので、図１においてはＭｇ原料ガス供給器５０がＧａ原料ガス供給器７０とＮ原料ガス供給器７２よりも詳細に示されている。

Ｍｇ原料ガス供給器５０は、キャリアガス供給器５２、キャリアガス供給管５４、原料容器供給管５６、原料容器５８、原料容器排出管６０及び原料容器バイパス管６２を有している。

キャリアガス供給器５２は、キャリアガス供給管５４の上流端に接続されている。キャリアガス供給器５２は、キャリアガス供給管５４内にキャリアガスを導入する。キャリアガスは、Ｍｇ原料と反応がなく、かつ、純度の高いガスが好ましく、本実施形態では水素ガスである。キャリアガスは、約２５０ｋＰａの圧力で供給される。キャリアガス供給管５４には、開閉弁５４ａが設置されている。開閉弁５４ａは、キャリアガス供給管５４を開閉することができる。成膜処理中においては、開閉弁５４ａは開かれている。キャリアガス供給管５４の下流端は、原料容器供給管５６と原料容器バイパス管６２に分岐している。キャリアガス供給管５４内を下流端まで流れたキャリアガスは、原料容器供給管５６と原料容器バイパス管６２とに分かれ、それぞれの内部を流れる。

上述したように、原料容器供給管５６の上流端は、キャリアガス供給管５４の下流端に接続されている。原料容器供給管５６の下流端は、原料容器５８に接続されている。原料容器供給管５６には、流量制御器５６ａと開閉弁５６ｂが設置されている。流量制御器５６ａは、流量調整弁を内蔵しており、設定された流量のガスが原料容器供給管５６内に流れるように流量調整弁の開度を調節する。本実施形態では、流量制御器５６ａの最大流量は約１００ｓｃｃｍであり、流量制御器５６ａの設定流量は約５０ｓｃｃｍとされている。流量制御器５６ａは、最大流量の約１％の誤差範囲内で流量を制御することができる。開閉弁５６ｂは、流量制御器５６ａの下流側で、原料容器供給管５６に設置されている。開閉弁５６ｂは、原料容器供給管５６を開閉することができる。原料容器５８には、原料容器排出管６０の上流端が接続されている。原料容器排出管６０には、開閉弁６０ａが設置されている。開閉弁６０ａは、原料容器排出管６０を開閉することができる。原料容器供給管５６と原料容器排出管６０とを接続するように、開閉弁６１ａが接続されている。成膜処理中においては、開閉弁５６ｂ、６０ａは開かれており、開閉弁６１ａは閉じられている。原料容器５８内には、成膜用原料の供給源として、固体原料５８ａが配置されている。本実施形態では、固体原料５８ａは、固体のＣｐ２Ｍｇである。原料容器５８内の固体原料５８ａは、約２０℃に保たれている。キャリアガス供給管５４から原料容器供給管５６に流入したガスは、原料容器供給管５６、原料容器５８及び原料容器排出管６０内を下流側へ流れる。キャリアガスが原料容器５８内に流入すると、原料容器５８内の固体原料５８ａが気化し、成膜用原料となるガス（Ｃｐ２Ｍｇガス）が発生する。発生した成膜用原料は、キャリアガスと混合される。このため、原料容器５８内で、成膜用原料（Ｃｐ２Ｍｇガス）を高濃度に含む高濃度原料ガスが生成される。したがって、原料容器排出管６０には、高濃度原料ガスが流れる。

上述したように、原料容器バイパス管６２の上流端は、原料容器供給管５６の上流端とともにキャリアガス供給管５４の下流端に接続されている。つまり、原料容器バイパス管６２の上流端は、キャリアガス供給管５４の下流端と原料容器供給管５６の上流端とに接続されている。原料容器バイパス管６２の下流端は、原料容器排出管６０と合流して、原料ガス供給管６４になっている。すなわち、原料容器バイパス管６２の下流端は、原料容器排出管６０の下流端と原料ガス供給管６４の上流端とに接続されている。原料容器バイパス管６２には、流量制御器６２ａが設置されている。流量制御器６２ａは、流量調整弁を内蔵しており、原料容器バイパス管６２内に設定された流量のガスが流れるように流量調整弁の開度を調節する。本実施形態では、流量制御器６２ａの最大流量は約１０００ｓｃｃｍであり、流量制御器６２ａの設定流量は約４５０ｓｃｃｍとされている。流量制御器６２ａは、最大流量の約１％の誤差範囲内で流量を制御することができる。

原料容器排出管６０の下流端まで流れた高濃度原料ガスと、原料容器バイパス管６２の下流端まで流れたキャリアガスは、原料ガス供給管６４内に流入し、原料ガス供給管６４内で混合される。その結果、高濃度原料ガスよりも成膜用原料の濃度が低下したガスが、原料ガス供給管６４内で生成される。原料ガス供給管６４内のガスが、Ｍｇ原料ガスとして成膜器２０に供給される。原料ガス供給管６４の下流端は、成膜器２０内で反応室供給管２４と反応室バイパス管２８に分岐している。原料ガス供給管６４内を下流端まで流れたＭｇ原料ガスは、反応室供給管２４と反応室バイパス管２８とに分かれ、それぞれの内部を流れる。

成膜器２０は、反応室供給管２４、反応室２２、反応室排出管２６、反応室バイパス管２８を有している。

上述したように、反応室供給管２４の上流端は、原料ガス供給管６４の下流端に接続されている。反応室供給管２４の下流端は、反応室２２に接続されている。反応室供給管２４には、流量制御器２４ａと開閉弁２４ｂが設置されている。流量制御器２４ａは、流量調整弁を内蔵しており、反応室供給管２４内に設定された流量のガスが流れるように流量調整弁の開度を調節する。本実施形態では、流量制御器２４ａの最大流量は約２０ｓｃｃｍであり、流量制御器２４ａの設定流量は約１０ｓｃｃｍとされている。流量制御器２４ａは、最大流量の約１％の誤差範囲内で流量を制御することができる。開閉弁２４ｂは、流量制御器２４ａの下流側で、反応室供給管２４に設置されている。開閉弁２４ｂは、反応室供給管２４を開閉することができる。反応室２２には、反応室排出管２６の上流端が接続されている。反応室排出管２６には、開閉弁２６ａが設置されている。開閉弁２６ａは、反応室排出管２６を開閉することができる。成膜処理中においては、開閉弁２４ｂ、２６ａは開かれている。反応室２２内には基板８０が配置される。反応室２２は、図示しないヒータを備えている。ヒータによって、反応室２２内に配置された基板８０を加熱することができる。本実施形態の成膜処理では、基板８０を約９８０℃に加熱する。反応室供給管２４内を流れるＭｇ原料ガスは、反応室２２内に導入される。同時に、Ｇａ原料ガス供給器７０から反応室２２にＧａ原料ガスが導入され、Ｎ原料ガス供給器７２から反応室２２にＮ原料ガスが導入される。Ｇａ原料ガス、Ｎ原料ガス、及び、Ｍｇ原料ガスが混合されたガスが、反応室２２内の基板８０の表面に供給される。すると、基板８０の表面にｐ型のＧａＮの結晶が析出する。これによって、基板８０の表面にｐ型のＧａＮ膜がエピタキシャル成長する。反応室２２内のガスは、反応室排出管２６に排出される。

上述したように、反応室バイパス管２８の上流端は、反応室供給管２４の上流端とともに原料ガス供給管６４の下流端に接続されている。つまり、反応室バイパス管２８の上流端は、原料ガス供給管６４の下流端と反応室供給管２４の上流端とに接続されている。反応室バイパス管２８の下流端は、反応室排出管２６と合流して、原料ガス排出管３０になっている。すなわち、反応室バイパス管２８の下流端は、反応室排出管２６の下流端と原料ガス排出管３０の上流端とに接続されている。原料ガス排出管３０の下流部は分岐している。分岐した一方の管に真空ポンプ９０が設置されており、分岐した他方の管に流量可変バルブ９２が設置されている。真空ポンプ９０と流量可変バルブ９２は、反応室圧力制御機構の一部を構成している。反応室圧力制御機構は、さらに、反応室２２内の圧力を測定する測定器（図示省略）を有する。流量可変バルブには、圧力調整用ガスが流れる。流量可変バルブ９２は、反応室２２内の圧力が指令値通りになるように圧力調整用ガスの流量をフィードバック制御する。真空ポンプ９０が原料ガス排出管３０内のガスを外部に排出することで、図１の矢印に示すようにガスの流れが生じる。流量可変バルブ９２で圧力調整用ガスの流量を制御することで、反応室２２の圧力を任意に調整することができる。反応室バイパス管２８には、圧力制御器２８ａ、濃度測定器２８ｂ及び開閉弁２８ｃが設置されている。濃度測定器２８ｂは圧力制御器２８ａの下流側に配置されており、開閉弁２８ｃは濃度測定器２８ｂの下流側に配置されている。開閉弁２８ｃは、反応室バイパス管２８を開閉することができる。成膜処理中においては、開閉弁２８ｃは開かれている。圧力制御器２８ａは、圧力制御器２８ａよりも上流側の配管内の圧力を一定の圧力に制御する。より詳細には、圧力制御器２８ａは、流量制御器５６ａより下流側、流量制御器６２ａより下流側、流量制御器２４ａより上流側及び圧力制御器２８ａより上流側の配管内の圧力を制御する。濃度測定器２８ｂは、反応室バイパス管２８内を流れるＭｇ原料ガス中の成膜用原料（すなわち、Ｃｐ２Ｍｇガス）の濃度を測定する。本実施形態では、濃度測定器２８ｂは、フーリエ変換赤外分光方式の濃度測定器である。上述したように、原料ガス供給管６４から成膜器２０に供給されたＭｇ原料ガスは、反応室供給管２４と反応室バイパス管２８に分かれて流れる。したがって、反応室供給管２４内のＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度と、反応室バイパス管２８内のＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度は、略等しい。このため、濃度測定器２８ｂで反応室バイパス管２８内のＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度を測定することで、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度を測定することができる。

濃度測定器２８ｂには、記録器２９が電気的に接続されている。濃度測定器２８ｂは、成膜処理中に繰り返し成膜用原料の濃度（反応室バイパス管２８内のＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度）を測定し、それらの測定値は記録器２９に記憶される。

次に、成膜装置１０を用いた成膜処理により半導体装置を製造する方法について説明する。まず、反応室２２内に基板８０を配置する。次に、開閉弁６１ａを閉じ、開閉弁５４ａ、５６ｂ、６０ａ、２６ａ及び２８ｃを開く。また、流量制御器５６ａ、６２ａ及び２４ａと圧力制御器２８ａの設定値を、所定値に設定する。また、キャリアガス供給器５２によってキャリアガスの供給を開始するとともに、反応室に水素、窒素、アンモニアの混合ガスを基板上に供給し、原料ガス排出管３０に設置されている真空ポンプ９０を作動させることで、図１の矢印に示すガスの流れを生じさせる。ここで、図示していないが、上述した水素及び窒素を供給するガス供給器（原料ガスではないガスを供給する装置）が、反応室２２に接続されている。また、上述したアンモニアは、Ｎ原料ガス供給器７２から供給される。次に、基板８０の温度を成膜温度まで上昇させる。基板８０の温度が成膜温度に到達したら、濃度測定器２８ｂの濃度値が一定値に達していることを確認し、Ｇａ原料ガス供給器７０を作動させて、反応室２２にＧａ原料ガスを供給して、Ｇａ原料ガスを既に供給されているアンモニアガスと反応させる。同時に、開閉弁２４ｂを開く。これによって、反応室２２にＭｇ原料ガスが供給される。このため、基板８０の表面にｐ型のＧａＮの結晶が析出し、その表面にｐ型のＧａＮ膜が成長する。成長の直前に、濃度測定器の濃度値が一定値に達していることを確認しているから、Ｍｇ原料ガスが不安定なまま成膜を行うことを防ぐことができる。反応室２２内の圧力は、流量可変バルブ９２によって約６００Ｔｏｒｒに制御される。このため、基板８０の表面に好適にＧａＮ膜が成長する。また、反応室２２には、流量制御器２４ａで設定された流量のＭｇ原料ガスが供給される。流量制御器２４ａで設定されている流量（１０ｓｃｃｍ）が小さいので、ｐ型不純物濃度が低いＧａＮ膜を成長させることができる。

また、反応室２２内でＧａＮ膜を成長させる工程中に、反応室バイパス管２８内にもＭｇ原料ガスが流れる。反応室バイパス管２８内のＭｇ原料ガス中における成膜用原料の濃度は、濃度測定器２８ｂによって測定される。測定された濃度は、流量制御器２４ａを通過して反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中における成膜用原料の濃度と略等しく、反応室２２内のガス中における成膜用原料の濃度に比例する。したがって、反応室２２で成膜処理を実施しながら、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中のおける成膜用原料の濃度を測定することができる。濃度測定器２８ｂは、成膜処理中に繰り返し成膜用原料の濃度を測定し、その測定結果は記録器２９に記憶される。したがって、この方法によれば、成膜処理中に反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度をモニタリングすることができる。したがって、濃度に異常が生じると、その異常をすぐに検知することができる。このため、異常時に成膜処理を停止することができ、異常が生じたまま成膜処理が継続されることを防止することができる。

上述した成膜処理が終了したら、必要な半導体領域をイオン注入等によって形成して、半導体装置を製造することができる。

なお、実施形態の成膜装置１０では、成膜用原料の供給源として蒸気圧の低い固体原料５８ａを用いている。ここで、固体原料とは、常用温度（２０℃）で固体である原料を意味する。このため、成膜用原料を含むガスが原料容器５８から反応室２２まで流れる経路において、配管内（すなわち、原料容器排出管６０、原料ガス供給管６４及び反応室供給管２４の内部）に固体原料が析出し易い。配管内における固体原料の析出量が多いと、Ｍｇ原料ガス中における原料の濃度が低下し、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の原料の濃度が不安定となる。しかしながら、この成膜装置１０では、原料容器５８から反応室２２に至る経路上に濃度測定器が設置されていないので、当該経路が短い。また、流量制御器２４ａのガス経路方向の寸法は、フーリエ変換赤外分光方式の濃度測定器２８ｂの寸法に比べて十分に小さい（例えば、１／４程度）ので、経路長に対する影響は小さい。これによって、当該経路の配管内に固体原料が析出することを抑制することができる。これによって、ガスが当該経路を流れるときにガス中の成膜用原料の濃度が低下することを抑制することができる。したがって、反応室２２に安定した濃度でＭｇ原料ガスを供給することができる。このため、この成膜装置１０では、成長させる膜のｐ型不純物濃度を高精度に制御することができる。

また、Ｍｇ原料ガス中の成膜用原料の分圧が低すぎると、濃度測定器２８ｂの検出精度が低下する。しかしながら、成膜装置１０では、濃度測定器２８ｂ内を流れるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の分圧を高く維持したまま、反応室２２に供給するＭｇ原料ガスの流量を低くすることが可能とされている。すなわち、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量（流量制御器２４ａで設定される流量）と濃度測定器２８ｂ内のＭｇ原料ガスの圧力（すなわち、圧力制御器２８ａで設定される圧力）を独立して制御することができる。このため、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量を小さくしても、濃度測定器２８ｂ内のＭｇ原料ガスの圧力を高く維持することができる。その結果、濃度測定器２８ｂ内のＭｇ原料ガス中の成膜用原料の分圧も高く維持することができる。このため、反応室２２に供給するＭｇ原料ガスの流量が小さい場合でも、Ｍｇ原料ガス中における成膜用原料の濃度を正確に測定することができる。このため、成膜装置１０によれば、ｐ型不純物濃度が低い膜を成長させる場合であっても、膜のｐ型不純物濃度を正確に制御することができる。なお、成膜装置１０においては、濃度測定器２８ｂ内の成膜用原料の分圧Ｐ１は、Ｐ１＝（Ｆ１・Ｐ２・Ｐ３）／（Ｆ２・Ｐ４）の計算式により表すことができる。なお、記号Ｆ１は流量制御器５６ａの流量を表し、記号Ｐ２は成膜用原料（すなわち、Ｃｐ２Ｍｇガス）の蒸気圧を表し、記号Ｐ３は反応室２２内の圧力を表し、記号Ｆ２は流量制御器５６ａと流量制御器６２ａの流量の合計値を表し、記号Ｐ４は原料容器５８内の圧力を表す。また、反応室供給管２４内を流れるＭｇ原料ガス（すなわち、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス）中の成膜用原料のモル流量Ｍ１は、Ｍ１＝（Ｆ１・Ｐ２・Ｆ４）／（Ｆ２・Ｐ４・Ｍ２）の計算式により表すことができる。なお、記号Ｆ４は流量制御器２４ａの流量を表し、記号Ｍ２は定数（２２４００ｃｃ／ｍｏｌ）を表す。Ｐ１／Ｍ１は、反応室２２に供給される成膜用原料のモル流量あたりの分圧を表すが、上記２つの数式からＰ１／Ｍ１はＰ３／Ｆ４に比例することが分かる。成膜装置１０では、圧力Ｐ３（流量可変バルブ９２で制御される圧力）と流量Ｆ４（流量制御器２４ａで制御される流量）を独立して制御することができるので、Ｐ１／Ｍ１を自由に設定することができる。濃度測定器２８ｂには検出下限があり、あとで比較例に示すような一般的な装置構成では、Ｍ１を小さくすればＰ１が小さくなり、一定濃度以下の成膜用原料を検出できない。本実施形態では、Ｆ４を小さくすることで実効的な濃度検出下限を高めることができるし、所望のＭ１はＦ１、Ｐ２、Ｆ２などのＦ４以外のパラメータで調整が可能である。したがって、より小さいＭ１に対して濃度測定器による検出が可能である。

また、成膜装置１０では、原料容器５８に供給されるガスの流量が少なすぎると、固体原料５８ａが安定して気化しなくなり、成膜処理を安定して実施することができない。しかしながら、成膜装置１０では、原料容器５８を流れるガスの流量（流量制御器５６ａで制御される流量）と反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量（流量制御器２４ａで制御される流量）を独立して制御することができる。このため、流量制御器５６ａに流れるガスの流量を多くしても、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量を小さくすることができる。これによっても、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量を小さくしながら、成膜処理を行うことが可能となっている。流量制御器５６ａの設定流量を流量制御器２４ａの設定流量よりも大きくすることで、このような効果が得られる。この点でも、成膜装置１０は、ｐ型不純物濃度が低い膜を成長させることが可能とされている。

なお、図２は、比較例の成膜装置を示している。なお、図２では、比較例の成膜装置の構成のうち、実施形態（図１）の成膜装置１０の構成に相当する部分については、図１と同じ参照番号を付している。図２に示すように、比較例の成膜装置は、反応室バイパス管を有していない。また、比較例の成膜装置では、濃度測定器２８ｂが、原料容器排出管６０に設置されている。

比較例の成膜装置では、原料容器５８から反応室２２に至る経路に濃度測定器２８ｂが設置されているので、濃度測定器２８ｂの内部の配管の分だけ当該経路が長い。このため、当該経路を構成する配管の内部に、固体原料が析出し易い。このため、当該経路をガスが流れる間に、Ｍｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度が低下し易い。このため、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度を正確に制御することが困難である。これに対し、上述した実施形態の成膜装置１０では、原料容器５８から反応室２２に至る経路が短いので、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度を正確に制御することが可能である。なお、実施形態の成膜装置１０では、反応室２２の上流側に流量制御器２４ａが配置されているが、流量制御器２４ａは濃度測定器２８ｂに比べてサイズが小さく、流量制御器２４ａによる配管の長さの増加の影響は極めて小さい。

また、比較例の成膜装置では、反応室バイパス管２８が存在しないので、原料容器５８を流れたガスと原料容器バイパス管６２を流れたガスの略全てが反応室２２に供給される。このため、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガス中の成膜用原料の濃度と、反応室２２内の圧力とを独立して制御することができない。さらに、上述した通り、固体原料５８ａを安定して気化させるために原料容器５８を流れるガスの流量（すなわち、流量制御器５６ａで制御される流量）を一定値以上とする必要がある。また、比較例の成膜装置では、反応室２２に供給されるガスの流量は、原料容器５８を流れるガスの流量と原料容器バイパス管６２を流れるガスの流量の和となるので、反応室２２に供給されるＭｇ原料ガスの流量を上記一定値未満にすることができない。このため、比較例の成膜装置では、低流量での成膜処理ができない。これに対し、上述した実施形態の成膜装置１０では、低流量でも正確な成膜処理が可能である。例えば、比較例の成膜装置において、流量制御器５６ａの最大流量が約１００ｓｃｃｍであり、流量制御器５６ａの設定流量を約５０ｓｃｃｍとし、固体原料５８ａの温度を−２１℃に制御した場合には、反応室２２に１．０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの流量で成膜用原料（すなわち、Ｃｐ２Ｍｇガス）を供給することができる。この流量は、上述した実施形態の成膜装置１０が反応室２２に供給する原料の流量と略等しい。この流量は、ｐ型不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型不純物濃度の膜を成長させる場合の流量である。この場合において、実施形態では濃度測定器２８ｂにおいて１．４ｍＴｏｒｒの分圧が得られるのに対し、比較例では濃度測定器２８ｂにおいて０．２７ｍＴｏｒｒの分圧しか得られない。比較例では、濃度測定器２８ｂの検出下限（約１ｍＴｏｒｒ）を下回り、成膜用原料の濃度を検出することが困難である。これに対し、実施形態によれば、濃度測定器２８ｂにおいて高い分圧が得られるので、成膜用原料の濃度を検出できる。つまり、実施形態では、流量制御器５６ａを流れるガスと流量制御器６２ａを流れるガスの大部分が濃度測定器２８ｂに流れるので、濃度測定器２８ｂで高い分圧を得ることができ、濃度測定器２８ｂで正確な測定が可能である。なお、比較例において成膜用原料の蒸気圧を高めるために、固体原料５８ａの温度を−８℃（Ｃｐ２Ｍｇガス蒸気圧１．４ｍＴｏｒｒ）として、流量制御器５６ａの設定流量を１０ｓｃｃｍとすることが考えられる。しかし、この場合には、原料容器５８に流入するガスの流量が少なく、固体原料５８ａを安定して気化させることができない。実施形態では、このような問題も生じない。

図３、４は、実施形態の成膜装置１０で製造可能な半導体装置を例示している。図３の半導体装置は、縦型のＭＯＳＦＥＴである。図３のＭＯＳＦＥＴは、ＧａＮ半導体基板の表面に、ゲート電極１１０、ソース電極１１２、ドレイン電極１１４、層間絶縁膜１１６、ゲート絶縁膜１１８を有している。半導体基板は、ｎ^＋型のドレイン層１２０、ｎ⁻型のドリフト層１２２、ｐ型のボディ層１２４及びｎ^＋型のソース層１２６を有している。ボディ層１２４は、実施形態の成膜装置１０によってエピタキシャル成長させた層である。ソース層１２６は、エピタキシャル成長させたｐ型のボディ層１２４にｎ型不純物をイオン注入することで形成されたｎ型層である。図３のＭＯＳＦＥＴにおいて、閾値電圧として一般に３〜１０Ｖが要求される。このような閾値を満たすために、ボディ層１２４のｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）として５×１０^１７ｃｍ^−３以下の濃度が必要であり、深さ方向において均一な濃度プロファイルが必要である。実施形態の成膜装置１０によれば、このようなボディ層１２４の成膜が可能である。図４の半導体装置は、横型のＭＯＳＦＥＴである。図４のＭＯＳＦＥＴでは、半絶縁基板２３０上にｐ型のボディ層２２４が設けられている。また、ボディ層２２４の一部に、ｎ^＋型のドレイン層２２０とｎ^＋型のソース層２２６が形成されている。半導体層の表面には、ゲート電極２１０、ソース電極２１２、ドレイン電極２１４、層間絶縁膜２１６、ゲート絶縁膜２１８が配置されている。ボディ層２２４は、実施形態の成膜装置１０によって半絶縁基板２３０上にエピタキシャル成長させた層である。ドレイン層２２０とソース層２２６は、エピタキシャル成長させたｐ型のボディ層２２４にｎ型不純物をイオン注入することで形成されたｎ型層である。図４のＭＯＳＦＥＴにおいて、閾値電圧として一般に５Ｖ以下が要求される。このような閾値を満たすために、ボディ層２２４のｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）として１×１０^１７ｃｍ^−３以下の濃度が必要である。実施形態の成膜装置１０によれば、このようなボディ層２２４の成膜が可能である。

なお、上述した実施形態において、濃度測定器２８ｂの測定値が一定となるように、流量制御器５６ａ、６２ａの設定流量をフィードバック制御してもよい。この構成によれば、成長させる膜のｐ型不純物濃度をさらに正確に制御することが可能となる。

また、上述した実施形態において、流量制御器５６ａの精度は流量５０ｓｃｃｍに対して誤差がプラスマイナス１ｓｃｃｍであり、流量制御器６２ａの精度は流量４５０ｓｃｃｍに対して誤差がプラスマイナス１０ｓｃｃｍであり、流量制御器２４ａの精度は流量１０ｓｃｃｍに対してプラスマイナス０．２ｓｃｃｍである。この条件で、反応室２２に供給される原料の濃度の精度は５．９％である。このような構成によれば、成長させる膜のｐ型不純物濃度のばらつきを１０％以下にでき、スイッチング素子（例えば、図３、４のＭＯＳＦＥＴ）を製造するときにその閾値電圧のばらつきを１０％以下にすることができる。仮に上記フィードバック制御を行わなかったとしても、濃度測定器２８ｂの測定値に基づいて規格から外れたウエハを除外することで、閾値電圧のばらつきを１０％以下に制御しながらＭＯＳＦＥＴを製造することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：成膜装置
２０ ：成膜器
２２ ：反応室
２４ ：反応室供給管
２６ ：反応室排出管
２８ ：反応室バイパス管
２９ ：記録器
３０ ：原料ガス排出管
５０ ：Ｍｇ原料ガス供給器
５２ ：キャリアガス供給器
５４ ：キャリアガス供給管
５６ ：原料容器供給管
５８ ：原料容器
６０ ：原料容器排出管
６２ ：原料容器バイパス管
６４ ：原料ガス供給管
７０ ：Ｇａ原料ガス供給器
７２ ：Ｎ原料ガス供給器
８０ ：基板

Claims (7)

1. 基板の表面に膜を成長させる成膜装置であって、
   キャリアガスを供給するキャリアガス供給器と、
   成膜用原料の供給源を収容する原料容器と、
   前記キャリアガス供給器から前記原料容器に前記キャリアガスを導入する原料容器供給管と、
   前記原料容器供給管に設置されており、前記原料容器供給管を流れるキャリアガスの流量を制御する第１流量制御器と、
   前記原料容器内で生成された原料ガスを前記原料容器から排出する原料容器排出管と、
   反応室と、
   前記原料容器排出管から前記反応室にガスを供給する反応室供給管と、
   前記反応室供給管に設置されており、前記反応室供給管を流れるガスの流量を制御する第２流量制御器と、
   前記反応室からガスを排出する反応室排出管と、
   上流端が前記反応室供給管に接続されており、下流端が前記反応室排出管に接続されており、内部にガスが流れる反応室バイパス管と、
   前記反応室バイパス管に設置されている圧力制御器であって、前記圧力制御器よりも上流側であり、前記第２流量制御器よりも上流側であり、前記第１流量制御器よりも下流側の空間の圧力を制御する圧力制御器と、
   前記圧力制御器よりも下流側の前記反応室バイパス管に設置されており、前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する濃度測定器、
   を備えており、
   前記原料容器排出管から供給される前記原料ガスが、前記反応室供給管と前記反応室バイパス管とに分岐して流れるように構成されている成膜装置。
2. 上流端が前記キャリアガス供給器に接続されており、下流端が前記原料容器排出管に接続されており、内部に前記キャリアガスが流れる原料容器バイパス管と、
   前記原料容器バイパス管に設置されており、前記原料容器バイパス管を流れるキャリアガスの流量を制御する第３流量制御器、
   を有し、
   前記原料容器排出管内の前記原料ガスと前記原料容器バイパス管内の前記キャリアガスとが混合されたガスが、前記反応室供給管と前記反応室バイパス管に供給される、
   請求項１の成膜装置。
3. 前記原料容器内に収容されている前記成膜用原料の前記供給源が、固体である請求項２の成膜装置。
4. 前記原料容器内に収容されている前記成膜用原料の前記供給源が、マグネシウムを供給する請求項３の成膜装置。
5. 成膜処理中に前記濃度測定器の測定結果を繰り返し記録する記録器をさらに有する請求項１〜４のいずれか一項の成膜装置。
6. 前記濃度測定器の測定結果に基づいて前記第１流量制御器の流量をフィードバック制御する請求項１〜５のいずれか一項の成膜装置。
7. 成膜装置を用いた成膜処理を備える半導体装置の製造方法であって、
   前記成膜装置が、
   キャリアガスを供給するキャリアガス供給器と、
   成膜用原料の供給源を収容する原料容器と、
   前記キャリアガス供給器から前記原料容器に前記キャリアガスを導入する原料容器供給管と、
   前記原料容器供給管に設置されており、前記原料容器供給管を流れるキャリアガスの流量を制御する第１流量制御器と、
   前記原料容器内で生成された原料ガスを前記原料容器から排出する原料容器排出管と、
   反応室と、
   前記原料容器排出管から前記反応室にガスを供給する反応室供給管と、
   前記反応室供給管に設置されており、前記反応室供給管を流れるガスの流量を制御する第２流量制御器と、
   前記反応室からガスを排出する反応室排出管と、
   上流端が前記反応室供給管に接続されており、下流端が前記反応室排出管に接続されており、内部にガスが流れる反応室バイパス管と、
   前記反応室バイパス管に設置されている圧力制御器であって、前記圧力制御器よりも上流側であり、前記第２流量制御器よりも上流側であり、前記第１流量制御器よりも下流側の空間の圧力を制御する圧力制御器と、
   前記圧力制御器よりも下流側の前記反応室バイパス管に設置されており、前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する濃度測定器、
   を備えており、
   前記製造方法が、
   前記反応室内に基板を配置する工程と、
   前記反応室供給管、前記反応室、及び、前記反応室排出管を経由する経路に前記成膜用原料を含むガスを流すことによって前記反応室内に配置された前記基板の表面に膜を成長させる工程と、
   前記膜を成長させる前記工程と並行して、前記反応室バイパス管に前記成膜用原料を含むガスを流しながら、前記濃度測定器によって前記反応室バイパス管内を流れるガスに含まれる前記成膜用原料の濃度を測定する工程、
   を有する製造方法。

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