JPH09115837A - 気相成長方法および気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェハを回転することなく、簡単な構造で均一
な厚みと質の薄膜を成長できるようにする。 【解決手段】ウェハ２と平行に原料ガスを流すフローチ
ャネル１を備える。フローチャネル１の上流部にガス導
入口３を設け、これからフローチャネル１内に主たる原
料ガスＧを導入する。フローチャネル１に、ガス導入口
３の他にウェハ２付近で補助的に原料ガスを導入するガ
ス補充口５ａ、５ｂを設ける。ガス補充口５ａ、５ｂを
ウェハ２ａ、２ｂと正対する位置に設けるとよい。これ
により、原料ガスＧのウェハ上流部での原料の消耗にあ
わせてウェハ下流部で原料ガスＧを補填できるので、ウ
ェハ２上に均一な薄膜を堆積若しくはエピタキシャル成
長させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェハと平行に原
料ガスを流してウェハ上に成膜させる気相成長方法およ
び気相成長装置に係り、特に原料ガスを流すフローチャ
ネルの原料ガス導入機構の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ウェハと平行に原料ガスを流す
ことによってウェハ上に薄膜を堆積若しくはエピタキシ
ャル成長させる横型気相成長装置において、原料ガスは
成膜しようとするフローチャネルの上流部から一括して
導入している。この方式の場合、成長する膜の厚さや質
（たとえばキャリア濃度）は、フローチャネル内の上流
部と下流部で異なる。この原因としてはいくつか考えら
れるが、最大の原因は、ウェハ上に膜が成長することに
よってウェハの上流部の原料が消費され、ウェハの下流
部で原料の濃度が低下するためと考えられる。

【０００３】従来、均一な厚みあるいは質の膜を得るた
めに、ウェハをフローチャネル内で自転させるなどの機
械的操作をおこなっている。原料ガスをウェハの上流
部、下流部にまんべんなく通過させることで、十分な回
転の後に結果として均一な厚みあるいは質の膜を得よう
としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術には次のような欠点があった。

【０００５】(1) 均一な膜を成長しようとする場合、た
だ機械的にウェハを回転しただけでは不十分である。ウ
ェハを静止した状態での膜の厚みと膜質の分布をある程
度制御しなければ、回転により均一な膜を得ることはで
きない。

【０００６】より具体的に言うならば、原料ガスの流れ
方向に、膜厚なりキャリア濃度なりが線形に変化するよ
うに制御すれば、ウェハの回転により均一な膜とするこ
とができる。しかし、従来のフローチャネルの上流部か
ら一括して原料ガスを導入する方法では、膜厚と膜質と
いう独立した複数の物理量を同時に制御することはでき
ない。

【０００７】(2) 機械的にウェハを回転させなければな
らないため、成長炉の構造が複雑になる。

【０００８】(3) 最近、半導体製造の分野において原子
レベルのスケールでの非常に薄い膜の厚み制御が重要と
なっているが、この制御が困難である。すなわち、ウェ
ハが１回転しない間に成長した膜の厚み、質は、均一で
はない。したがって、非常に薄い膜を成長する際には、
回転数を大幅に増すか、成長速度を大幅に落とす必要が
ある。前者は、機械的強度の点で困難であり、後者は通
常膜厚に悪影響を及ぼすことが多い。

【０００９】なお、フローチャネルの上流部とはフロー
チャネルのうちガス導入口に近いほうを意味する。ま
た、ウェハの上流部、中流部、下流部とは、ウェハのう
ちガス導入口に近い部分、ウェハの中間部、ウェハのう
ちガス排気口に近い部分をそれぞれ意味する。

【００１０】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、ウェハを回転することなく、均一な厚みと質
の薄膜を成長できる気相成長方法を提供することにあ
る。また、本発明の目的は、構造が簡単な気相成長装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の気相成長方法
は、ウェハと平行に原料ガスを流すことによってウェハ
上に薄膜を堆積若しくはエピタキシャル成長させる気相
成長方法において、ウェハの上流部での原料の消耗にあ
わせて中流部から下流部にかけて原料ガスを補填するよ
うにしたものである。

【００１２】また、本発明の気相成長装置は、ウェハと
平行に原料ガスを流すフローチャネルを備え、フローチ
ャネルのウェハの上流部に設けたガス導入口からフロー
チャネル内に原料ガスを導入することによってウェハ上
に薄膜を堆積若しくはエピタキシャル成長させる気相成
長装置において、上記フローチャネルのウェハ付近に、
上記ガス導入口の他に補助的に原料ガスを導入するガス
補充口を設けたものである。この場合、ガス補充口をウ
ェハと正対する位置に設けるとよい。

【００１３】なお、薄膜を堆積する手段としては有機金
属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）法などがあり、また薄膜をエピ
タキシャル成長させる手段としては有機金属気相成長
（ＭＯＶＰＥ）法などがある。

【００１４】半導体などの薄膜の成長では、通常、成長
する膜の厚みをもっぱら原料の供給量によって制御する
ような成長条件のもとで成長をおこなう。このような条
件下で、ウェハと平行に原料ガスを流す横型気相成長装
置により成長をおこなった場合、成長する膜厚の分布を
悪化させる大きな要因に、ウェハの上流部での原料の消
耗がある。

【００１５】ウェハ上流部での成長によって原料が消耗
するとウェハ下流部で原料の濃度が低下し、ガスの流れ
にそって膜厚が徐々に減少する。したがって、成長する
膜の厚さを流れ方向で一定とするには、ウェハ上流部で
の原料の消耗にあわせて中流部から下流部にかけて原料
ガスを補填する方法が有効である。

【００１６】この点で本発明は、ウェハ付近に補助的な
原料ガス導入口を設けて、ウェハ上流部での成長に伴っ
て消費される原料ガスをウェハ中流部からウェハ下流部
にかけて補填・調整するために、均一な厚みおよび質を
もった膜を成長することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。図１は、ウェハ２と平行に原料ガスＧを流すこと
によってウェハ２上に薄膜を堆積若しくはエピタキシャ
ル成長させる横型気相成長装置におけるガス流れ方向で
のフローチャネル１の断面を示す。

【００１８】フローチャネル１の上面６に、流れ方向に
沿ってウェハ２用の穴を複数個（図示例では２個）設
け、その穴にウェハ２ａ、２ｂをフェイスダウン（成長
面を下向き）にして配置し、フローチャネル１内の原料
ガスＧがウェハ２と平行に流れるようにする。主たる原
料ガスＧはフローチャネル１のガス吹出し口となるガス
導入口３を通って排気口４から排気される。

【００１９】フローチャネル１の下面７には、ガス導入
口３の他に各ウェハ２ａ、２ｂ付近で補助的に原料ガス
Ｇを導入するガス補充口５を設けて、ウェハ上流部での
成長に伴って消費される原料ガスＧをウェハ中流部から
下流部にかけて補填・調整するようにする。具体的に
は、各ウェハ２ａ、２ｂと正対する位置のウェハ上流部
からウェハ中流部にかけて、原料ガスを種類ごとに補填
制御できるように、複数個の開口を有するガス補充口５
ａ、５ｂをそれぞれ設けてある。

【００２０】ガス導入口３から原料ガスＧがフローチャ
ネル１内に導入されると、その原料ガスは１枚目のウェ
ハ２ａにさしかかった時、ウェハ２ａの上流部で原料が
消耗され、そのままだと、ウェハ２ａの中流部から下流
部にかけて原料ガスＧが不足してウェハ２ａ上に成長す
る膜厚の厚さが流れ方向で一定にならない。

【００２１】しかし、ウェハ２ａと正対する位置の上流
部から中流部にかけてガス補充口５ａを設けてあると、
ここからウェハ上流部での原料の消耗にあわせてウェハ
中流部から下流部にかけて原料ガスＧが補充されるた
め、原料ガスの不足分が補填・調整され、ウェハ２ａ上
に成長する膜の厚さを流れ方向で一定にすることができ
る。ウェハ２ｂについてもガス補充口５ｂからの補填に
より、同様にウェハ２ｂ上に成長する膜の厚さを一定に
することができる。

【００２２】以上述べたように、本実施の形態によれ
ば、フローチャネルの長さ方向に対して原料ガスを分割
して導入するので、膜厚と膜質という独立した複数の物
理的量を同時に制御することができ、ウェハ上の膜の厚
みおよび質を均一化できる。

【００２３】また、機械的にウェハを回転させる必要が
ないので、成長炉の構造が複雑にならない。さらに、ウ
ェハを回転させないので、数原子層という薄膜もウェハ
面内での膜厚を容易に均一にすることができ、超格子構
造など、超薄膜の積層構造を必要とする構造の成長が面
内で均一に行えるようになった。

【００２４】なお、本発明はフローチャネルが円盤状で
ある円形横型気相成長装置にも適用できる。図２に円形
でガスの流れ方向で厚さを変化させた横型フローチャネ
ル９の実施の形態を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は断
面図である。

【００２５】このフローチャネル９の上面８に、流れ方
向に沿ってウェハ２用の穴を複数個放射状に設け、その
穴にウェハ２をフェイスダウンにして配置することによ
り、フローチャネル９内の原料ガスがウェハ２と平行に
流れるようにする。原料ガスは、フローチャネル９の中
央から導入されて、ガス導入口１０を通って径方向外方
に排気される。１１はそのガスの流れを示す。図１と同
様に、フローチャネル９の下面１２に、ガス導入口１０
の他にウェハ２付近で補助的に原料ガスＧを導入するガ
ス補充口５ａ、５ｂを設けて、ウェハ上流部での成長に
伴って消費される原料ガスＧをウェハ中流部から下流部
にかけて補填・調整するようにする。この場合にも、ウ
ェハ上の膜の厚みおよび質を均一化できる。

【００２６】なお、上述した実施の形態は、いずれもウ
ェハをフェイスダウン（成長面を下向き）とした場合に
ついて説明したが、本発明では上下に本質的な意味はな
く、フェイスアップでも同様の効果が得られる。また、
砒化ガリウムを成長したが、本発明は気相成長可能な全
ての材料系に適用可能である。

【００２７】

【実施例】実際に、ガス導入口３の他に原料ガスＧを補
充するガス補充口５を設けた図１の横型のフローチャネ
ル１を用いて、ＭＯＶＰＥ法により無添加砒化ガリウム
の成長をおこなった。

【００２８】フローチャネル１のガス導入口３から排気
口４までの距離は４００mmとした。また、原料として、
トリメチルガリウム、アルシン、基板は砒化ガリウム、
原料を輸送するキャリアガスは純水素、成長温度は６０
０〜７００℃で行い、流れ方向にウェハを２枚並べて流
れ方向での成長膜厚とキャリア濃度の変化を調べた。

【００２９】補充するガスの流量は、成長温度、成長圧
力、ガス流速、原料ガス流量などによって変わるため、
補充ガス流量を最適化した。その結果、図３および図４
にそれぞれ示すように均一な膜厚分布と、均一なキャリ
ア濃度分布とがウェハ間およびウェハ面内で同時に得ら
れた。なお、これらの図において、横軸はともに原料導
入口からの距離（mm）であり、縦軸はそれぞれ平均値で
規格化した膜厚、キャリア濃度である。

【００３０】比較のため、従来使用されているフローチ
ャネルの場合の典型的な膜厚分布とキャリア濃度分布と
を併せて示す（なお、ウェハは自転させない。）。両者
の成長の条件は、比較例のガス流量がゼロである点を除
いて同じであり、次の通りである。

【００３１】 成長圧力 ：０．１気圧（約１×１０⁴ Ｐａ） ガス流速（平均） ：約１ｍ／sec 原料ガスの流量 ：５０ｌ／min （トリメチルガリウム、アルシン、 Ｈ₂ ガスの合計） 補充ガスの流量 ：２ｌ／min （複数の補充口の各々から分散して 流す） 図３および図４から明らかな改善が認められる。

【００３２】

【発明の効果】本発明方法によれば、ウェハ上流部での
原料の消耗にあわせてウェハ中流部から下流部にかけて
原料ガスを補填するようにしたので、ウェハを回転する
ことなく、膜の厚さおよび質の均一な薄膜を成長でき
る。

【００３３】本発明装置によれば、ガス補充口を設ける
だけの簡単な構造で、ウェハ上流部での成長によって原
料が消耗してウェハ下流部で原料の濃度が低下しても、
ウェハ上の膜厚を均一にすることができる。

【００３４】ガス補充口をウェハと正対する位置に設け
た場合には、補填制御が容易になるため、ウェハ上の膜
厚をより均一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による横型フローチャネル
の形状を示した縦断面図である。

【図２】他の実施の形態による円形横型フローチャネル
の形状を示した図で、（ａ）はフローチャネルの上面を
取り除いた平面図、（ｂ）は断面図である。

【図３】図１の実施例と比較例とについてのガス導入口
からの距離に対する成長膜厚分布を示す図である。

【図４】図１の実施例と比較例とについてのガス導入口
からの距離に対するキャリア濃度分布を示す図である。

【符号の説明】

１ フローチャネル ２、２ａ、２ｂ ウェハ ３ ガス導入口 ５、５ａ、５ｂ ガス補充口 Ｇ 原料ガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウェハと平行に原料ガスを流すことによっ
   てウェハ上に薄膜を堆積若しくはエピタキシャル成長さ
   せる気相成長方法において、ウェハの上流部での原料の
   消耗にあわせてウェハの中流部から下流部にかけて原料
   ガスを補填するようにしたことを特徴とする気相成長方
   法。
2. 【請求項２】ウェハと平行に原料ガスを流すフローチャ
   ネルを備え、フローチャネルの上流部に設けたガス導入
   口からフローチャネル内に原料ガスを導入することによ
   ってウェハ上に薄膜を堆積若しくはエピタキシャル成長
   させる気相成長装置において、上記フローチャネルのウ
   ェハ付近に、上記ガス導入口の他に補助的に原料ガスを
   導入するガス補充口を設けた気相成長装置。
3. 【請求項３】上記ガス補充口をウェハと正対する位置に
   設けた請求項２に記載の気相成長装置。