JP7017084B2

JP7017084B2 - 成膜装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP7017084B2
Application number: JP2018011943A
Authority: JP
Inventors: 哲生成田; 一義冨田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP2019129298A

Description

本明細書に開示の技術は、成膜装置、および、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。

特開２００９－２３１４２８号公報

極めて低濃度の成膜用原料の測定が要求される場合がある。例えば、窒化物半導体のｐ型層の成膜では、ｎｍｏｌ／ｍｉｎのオーダのマグネシウム原料の濃度測定が要求される。このような測定が可能な検出感度の高い濃度測定器として、例えば、ガス中の成膜用原料の「分圧」をモニターする濃度測定器が用いられる。このような濃度測定器の一例としては、赤外分光方式の測定器が挙げられる。分圧をモニターする濃度測定器を、反応室に接続されている配管上に配置すると、反応室の圧力変動に応じて濃度測定器の圧力も変動するため、濃度測定器における原料分圧も同時に変動してしまう。すると、反応室の圧力が低い成膜条件を用いた場合に、濃度測定器における原料分圧が、濃度測定器が測定可能な原料分圧の下限値を下回ってしまう場合がある。このような場合、原料濃度の測定が困難になってしまう。

したがって、本明細書では、反応室の圧力に影響されずに、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、原料ガス供給装置と、反応室と、原料ガス供給装置と反応室とを接続している第１配管と、第１配管に設置されており、第１配管を流れるガスの流量を制御する流量制御器と、流量制御器の上流側で第１配管から分岐する第２配管と、第２配管内を流れるガス中の原料の濃度を測定する濃度測定器と、濃度測定器よりも下流側の第２配管に設置されている第１圧力制御器と、を備えている。第１圧力制御器は、第１圧力制御器および流量制御器よりも上流側の領域であって原料ガス供給装置よりも下流側の領域であって濃度測定器を含んだ領域の圧力を、反応室の圧力とは独立して制御可能である。

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。

第１圧力制御器によって、濃度測定器を含んだ領域の圧力を、反応室の圧力と独立して制御することができる。反応室の圧力変動に応じて、濃度測定器における原料分圧が変動してしまうことがない。よって、反応室の圧力が低い成膜条件を用いた場合であっても、濃度測定器における原料分圧が、濃度測定器が測定可能な分圧の下限値を下回ってしまう事態を防止することができる。反応室の圧力に影響されずに、反応室に供給されるガス中の原料の濃度を高精度に測定することが可能となる。

濃度測定器よりも上流側の第２配管に設置されている第２圧力制御器をさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第２圧力制御器は、第２圧力制御器および流量制御器よりも上流側の領域であって原料ガス供給装置よりも下流側の領域の圧力を制御可能であってもよい。第１圧力制御器は、第１圧力制御器よりも上流側の領域であって第２圧力制御器よりも下流側の領域であって濃度測定器を含んだ領域の圧力を制御可能であってもよい。第２圧力制御器によって制御される圧力は、第１圧力制御器によって制御される圧力よりも高くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第２圧力制御器と濃度測定器との接続経路を一定温度に保持するヒータをさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

濃度測定器と第１圧力制御器とは、バルブを有さない配管で接続されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

濃度測定器は、ガス中の原料の分圧をモニターしてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

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。成膜装置は、原料ガス供給装置と、反応室と、原料ガス供給装置と反応室とを接続している第１配管と、第１配管に設置されており、第１配管を流れるガスの流量を制御する流量制御器と、流量制御器の上流側で第１配管から分岐する第２配管と、第２配管内を流れるガス中の原料の濃度を測定する濃度測定器と、濃度測定器よりも下流側の第２配管に設置されている第１圧力制御器と、を備えている。製造方法は、反応室内に基板を配置する工程と、反応室に成膜用原料を含むガスを流すことによって反応室内に配置された基板の表面に膜を成長させる工程と、膜を成長させる工程と並行して、第２配管に成膜用原料を含むガスを流しながら、濃度測定器によって第２配管内を流れるガスに含まれる成膜用原料の濃度を測定する工程と、を有している。第１圧力制御器は、濃度測定器の圧力を、反応室の圧力より高く制御する。

この方法によれば、第１圧力制御器によって、濃度測定器の圧力を、反応室の圧力より高く制御することができる。よって、反応室の圧力が低い成膜条件を用いた場合であっても、濃度測定器における原料分圧が、濃度測定器が測定可能な分圧の下限値を下回ってしまう事態を防止することができる。

実施例１の成膜装置１０の配管図。比較例の測定結果を示すグラフ。本実施例の測定結果を示すグラフ。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。実施例２の成膜装置１０Ａの配管図。

（成膜装置１０の構成）
図１は、本実施例に係る成膜装置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。本実施例では、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。本実施例では、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。本実施例では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。よって図１においては、Ｍｇ原料ガス供給器５０の方が、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の構成）
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、本実施例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。本実施例では、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１００ｓｃｃｍ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。本実施例では、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。本実施例では、流量制御器６２ａの最大流量は約２０００ｓｃｃｍであり、流量制御器６２ａの設定流量は１００～１９００ｓｃｃｍ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の構成）
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。本実施例では、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。本実施例の成膜処理では、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、図１の領域Ｒ１内の圧力を任意に調整することができる。換言すると、流量可変バルブ９２によって、反応室２２の圧力を制御可能である。

反応室バイパス管２８には、第２圧力制御器２８ａ、濃度測定器２８ｂ、第１圧力制御器２８ｃ、及び開閉弁２８ｄが設置されている。濃度測定器２８ｂは、第２圧力制御器２８ａの下流側に配置されている。第１圧力制御器２８ｃは、濃度測定器２８ｂの下流側に配置されている。開閉弁２８ｄは、第１圧力制御器２８ｃの下流側に配置されている。

第２圧力制御器２８ａは、第２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、第２圧力制御器２８ａは、原料容器５８と原料容器５８より下流側、流量制御器６２ａより下流側、流量制御器２４ａより上流側及び第２圧力制御器２８ａより上流側の配管内の圧力を制御する。すなわち第２圧力制御器２８ａは、図１における領域Ｒ２内の圧力を制御可能である。換言すると、第２圧力制御器２８ａは、原料容器５８内の圧力を制御可能である。

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。本実施例では、濃度測定器２８ｂは、成膜用原料の「分圧」をモニターする測定器である。具体的には、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（Fourier transform infrared spectrometer：FT-IR）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。

第１圧力制御器２８ｃは、第１圧力制御器２８ｃよりも上流側の領域であって第２圧力制御器２８ａよりも下流側の領域であって濃度測定器２８ｂを含んだ領域の圧力を、一定の圧力に制御する。すなわち第１圧力制御器２８ｃは、図１における領域Ｒ３内の圧力を制御可能である。換言すると、第１圧力制御器２８ｃは、濃度測定器２８ｂ内の圧力を制御可能である。

濃度測定器２８ｂと第１圧力制御器２８ｃとは、バルブを有さない配管で接続されている。これにより、バルブの影響を排除できるため、第１圧力制御器２８ｃによって濃度測定器２８ｂ内の圧力をより高精度に制御することができる。

また第２圧力制御器２８ａ、濃度測定器２８ｂ、第１圧力制御器２８ｃは、ヒータ３１を備えている。これにより、第２圧力制御器２８ａと濃度測定器２８ｂとの接続経路を一定温度に保持することができる。温度変動に起因する、成膜用原料の「分圧」の変動を抑制することができるため、成膜用原料の濃度測定の精度を高めることが可能となる。

開閉弁２８ｄ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２８ｄは開かれている。

（半導体装置の製造方法）
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２８ｄを開く。また、流量制御器５６ａ、６２ａ及び２４ａ、第１圧力制御器２８ｃ、第２圧力制御器２８ａ、流量可変バルブ９２の設定値を、所定値に設定する。第２圧力制御器２８ａにより制御される領域Ｒ２の圧力は、第１圧力制御器２８ｃにより制御される領域Ｒ３の圧力よりも高くてもよい。また第１圧力制御器２８ｃにより制御される領域Ｒ３の圧力は、流量可変バルブ９２によって制御される反応室２２内の圧力よりも高くてもよい。

本実施例では、第２圧力制御器２８ａによって、領域Ｒ２の圧力が１２００Ｔｏｒｒに設定される。また第１圧力制御器２８ｃによって、領域Ｒ３の圧力が６００Ｔｏｒｒに設定される。また流量可変バルブ９２によって、領域Ｒ１の圧力（すなわち反応室２２内の圧力）が約３００Ｔｏｒｒに制御される。

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。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。

（効果）
本実施例に係る成膜装置１０では、濃度測定器２８ｂ内の成膜用原料であるＣｐ２Ｍｇの分圧Ｐ１は、下式（１）により表すことができる。
分圧Ｐ１＝（流量Ｆ１・蒸気圧Ｐ２・圧力Ｐ３）／（流量Ｆ２・圧力Ｐ４）・・・式（１）
ここで、流量Ｆ１は、流量制御器５６ａの流量である。蒸気圧Ｐ２は、成膜用原料（すなわち、Ｃｐ２Ｍｇガス）の蒸気圧である。圧力Ｐ３は、第１圧力制御器２８ｃによって設定される、濃度測定器２８ｂ内の圧力である。流量Ｆ２は、流量制御器５６ａと流量制御器６２ａの流量の合計値である。圧力Ｐ４は、第２圧力制御器２８ａによって設定される、原料容器５８内の圧力である。

式（１）から、Ｃｐ２Ｍｇの分圧Ｐ１は、反応室２２の圧力とは独立して制御可能であることが分かる。また、分圧Ｐ１は、第１圧力制御器２８ｃにより設定される圧力Ｐ３に比例することが分かる。よって、圧力Ｐ３を第１圧力制御器２８ｃで適切に制御することで、分圧Ｐ１が、濃度測定器２８ｂで測定可能な原料分圧の下限値を下回らないようにすることができる。圧力Ｐ３の適切な制御例としては、濃度測定器２８ｂの圧力を反応室２２の圧力より高くする制御が挙げられる。反応室２２の圧力に影響されずに、反応室２２に供給されるガス中の原料の濃度を、濃度測定器２８ｂで高精度に測定することが可能となる。よって、本実施例の成膜装置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。

原料容器５８から供給される成膜用原料（Ｃｐ２Ｍｇガス）は、固体原料５８ａを気化させることで生成する。よって原料ガス濃度は、原料容器５８の圧力の影響を受けてしまう。本実施例に係る成膜装置１０は、第２圧力制御器２８ａを備えている。これにより、領域Ｒ２内の圧力を、領域Ｒ３内の圧力と独立して制御できる。換言すると、原料容器５８の圧力を、濃度測定器２８ｂの圧力から独立した任意の圧力にすることができる。従って、原料ガスの濃度の自由度を高めることが可能となる。

第２圧力制御器２８ａによって制御される領域Ｒ２の圧力は、第１圧力制御器２８ｃによって制御される領域Ｒ３の圧力よりも高くされる。これにより、第２圧力制御器２８ａ側から第１圧力制御器２８ｃ側へのガスフローを生み出すことができる。成膜装置１０の配管内でガスが滞留してしまうことがない。

（測定例）
成膜装置１０を用いた測定例を説明する。例として、反応室２２に０．５～５ｎｍｏｌ／ｍｉｎのＣｐ２Ｍｇを供給する場合における濃度測定結果を説明する。反応室２２の圧力は、流量可変バルブ９２によって３００Ｔｏｒｒに制御される。原料容器５８を含んだ領域Ｒ２の圧力は、第２圧力制御器２８ａによって１２００Ｔｏｒｒに制御される。また、濃度測定器２８ｂの検出下限が０．７ｍＴｏｒｒである場合を説明する。

まず、比較例の成膜装置での測定結果を説明する。比較例の成膜装置は、第１圧力制御器２８ｃを備えず、濃度測定器２８ｂが開閉弁２８ｄに直接に接続されている装置構成を有する。比較例の成膜装置は、第１圧力制御器２８ｃを備えないため、濃度測定器２８ｂの圧力は反応室２２の圧力と同じ３００Ｔｏｒｒとなる。図２に、比較例での測定結果を示す。横軸は飽和蒸気圧から計算される分圧であり、右側に行くほどＣｐ２Ｍｇの供給量が多くなることを示している。縦軸は、濃度測定器２８ｂで実測されたＣｐ２Ｍｇの分圧値である。図２において、検出限界である０．７ｍＴｏｒｒ以下の領域にハッチングをしている。この領域で実測された分圧値は、信頼性が低い。

図２の領域Ｒ１１に示すように、比較例の成膜装置では、Ｃｐ２Ｍｇの供給量が最も少ない場合には、濃度測定器２８ｂで実測されたＣｐ２Ｍｇの分圧が検出限界の０．７ｍＴｏｒｒ以下になってしまう。すなわち比較例の成膜装置は、Ｃｐ２Ｍｇの供給量が少ない場合に、Ｃｐ２Ｍｇの濃度が測定できない場合がある。

次に、本実施例に係る成膜装置１０での測定結果を説明する。本実施例に係る成膜装置１０では、第１圧力制御器２８ｃによって、濃度測定器２８ｂの圧力は、反応室２２の圧力よりも高い６００Ｔｏｒｒとされている。図３に、本実施例での測定結果を示す。図３の領域Ｒ１２に示すように、本実施例の成膜装置１０では、Ｃｐ２Ｍｇの供給量が最も少ない場合であっても、濃度測定器２８ｂで実測されたＣｐ２Ｍｇの分圧を検出限界の０．７ｍＴｏｒｒ以上にすることができる。これは、本実施例の濃度測定器２８ｂの圧力を、比較例の濃度測定器２８ｂの圧力に対して２倍にすることができるため、実測されるＣｐ２Ｍｇの分圧も２倍にすることができるためである。すなわち、第１圧力制御器２８ｃによって濃度測定器２８ｂの圧力を適切に制御することで、Ｃｐ２Ｍｇの供給量が少ない場合においても、Ｃｐ２Ｍｇの濃度を高精度で測定することが可能になる。

なお、第１圧力制御器２８ｃによる濃度測定器２８ｂの圧力の設定値は一例である。例えば濃度測定器２８ｂの圧力を１２００Ｔｏｒｒに設定すれば、実測されるＣｐ２Ｍｇの分圧を、比較例に対して４倍に上昇させることが可能になる。

（半導体装置の例示）
図４および図５は、本実施例の成膜装置１０で製造可能な半導体装置を例示している。図４の半導体装置は、縦型のＭＯＳＦＥＴである。図４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、本実施例の成膜装置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４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。本実施例の成膜装置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５の半導体装置は、横型のＭＯＳＦＥＴである。図５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、本実施例の成膜装置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５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。本実施例の成膜装置１０によれば、このようなボディ層２２４の成膜が可能である。

図６に、実施例２に係る成膜装置１０Ａを示す。図６において、実施例１の成膜装置１０と異なる部分には、符号の末尾に「Ａ」を付している。図１と図６で同一の符号が付されている部分は同一内容であるため、説明を省略する。

実施例２に係る成膜装置１０Ａは、実施例１の成膜装置１０に比して、第２圧力制御器２８ａを備えない構成を有している。第１圧力制御器２８ｃは、原料容器５８を含んだ領域であって、原料容器５８および流量制御器６２ａより下流側の領域であって、第１圧力制御器２８ｃおよび流量制御器２４ａよりも上流側の領域であって、濃度測定器２８ｂを含んだ領域の圧力を、一定の圧力に制御する。すなわち第１圧力制御器２８ｃは、図６における領域Ｒ２Ａ内の圧力を制御可能である。換言すると、第１圧力制御器２８ｃは、濃度測定器２８ｂ内の圧力を、反応室２２の圧力と独立して制御可能である。

（効果）
実施例１に係る成膜装置１０と同様に、第１圧力制御器２８ｃによって、濃度測定器２８ｂの圧力を、反応室２２の圧力とは独立して適切に制御することができる。これにより、濃度測定器２８ｂで測定可能な原料分圧の下限値を、原料ガスの分圧が下回らないようにすることができる。反応室２２の圧力に影響されずに、反応室２２に供給されるガス中の原料の濃度を高精度に測定することが可能となる。

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。

原料容器５８は、原料ガス供給装置の一例である。反応室供給管２４は、第１配管の一例である。反応室バイパス管２８は、第２配管の一例である。

１０：成膜装置、２０：成膜器、２４：反応室供給管、２４ａ：流量制御器、２８：反応室バイパス管、２８ａ：第２圧力制御器、２８ｂ：濃度測定器、２８ｃ：第１圧力制御器、３１：ヒータ、５８：原料容器、６０：原料容器排出管

Claims

基板の表面に膜を成長させる成膜装置であって、
原料ガス供給装置と、
反応室と、
前記原料ガス供給装置と前記反応室とを接続している第１配管と、
前記第１配管に設置されており、前記第１配管を流れるガスの流量を制御する流量制御器と、
前記流量制御器の上流側で第１配管から分岐する第２配管と、
第２配管内を流れるガス中の原料の濃度を測定する濃度測定器と、
前記濃度測定器よりも下流側の前記第２配管に設置されている第１圧力制御器と、
前記濃度測定器よりも上流側の前記第２配管に設置されている第２圧力制御器と、
を備えており、
前記第１圧力制御器は、前記第１圧力制御器および前記流量制御器よりも上流側の領域であって前記原料ガス供給装置よりも下流側の領域であって前記濃度測定器を含んだ領域の圧力を、前記反応室の圧力とは独立して制御可能である、成膜装置。
前記第２圧力制御器は、前記第２圧力制御器および前記流量制御器よりも上流側の領域であって前記原料ガス供給装置よりも下流側の領域の圧力を制御可能であり、
前記第１圧力制御器は、前記第１圧力制御器よりも上流側の領域であって前記第２圧力制御器よりも下流側の領域であって前記濃度測定器を含んだ領域の圧力を制御可能であり、
前記第２圧力制御器によって制御される圧力は、前記第１圧力制御器によって制御される圧力よりも高い、請求項１に記載の成膜装置。
前記第２圧力制御器と前記濃度測定器との接続経路を一定温度に保持するヒータをさらに備える、請求項１または２に記載の成膜装置。
前記濃度測定器と前記第１圧力制御器とは、バルブを有さない配管で接続されている、請求項１～３の何れか１項に記載の成膜装置。
前記濃度測定器は、ガス中の原料の分圧をモニターする、請求項１～４の何れか１項に記載の成膜装置。
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、
原料ガス供給装置と、
反応室と、
前記原料ガス供給装置と前記反応室とを接続している第１配管と、
前記第１配管に設置されており、前記第１配管を流れるガスの流量を制御する流量制御器と、
前記流量制御器の上流側で第１配管から分岐する第２配管と、
第２配管内を流れるガス中の原料の濃度を測定する濃度測定器と、
前記濃度測定器よりも下流側の前記第２配管に設置されている第１圧力制御器と、
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、
前記反応室に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、前記第２配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第２配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と、
を有し、
前記第１圧力制御器は、前記濃度測定器の圧力を、前記反応室の圧力より高く制御する、製造方法。