KR101598911B1 - 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예의 기상 성장 장치는, 반응실과 반응실의 상부에 배치되고, 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 샤워 플레이트 하방에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와, 프로세스 가스를 공급하는 프로세스 가스 공급로와, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 제 1 및 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 구비한다. 그리고, 샤워 플레이트의 내측 영역에 프로세스 가스 분출 홀이 설치되고, 샤워 플레이트의 외측 영역에 퍼지 가스 가스 분출 홀이 설치된다. 그리고, 프로세스 가스 공급로가 프로세스 가스 분출 홀에 접속되고, 퍼지 가스 공급로가 퍼지 가스 분출 홀에 접속된다.

Description

기상 성장 장치 및 기상 성장 방법{VAPOR PHASE GROWING APPARATUS AND VAPOR PHASE GROWING METHOD}
본 발명은, 가스를 공급하여 성막을 행하는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법에 관한 것이다.
고품질인 반도체막을 성막하는 방법으로서, 웨이퍼 등의 기판에 기상 성장에 의해 단결정막을 성장시키는 에피택셜 성장 기술이 있다. 에피택셜 성장 기술을 이용하는 기상 성장 장치에서는, 상압 또는 감압으로 보지된 반응실 내의 지지부에 웨이퍼를 재치한다. 그리고, 이 웨이퍼를 가열하면서, 성막의 원료가 되는 소스 가스 등의 프로세스 가스를, 반응실 상부의, 예를 들면, 샤워 플레이트로부터 웨이퍼 표면으로 공급한다. 웨이퍼 표면에서는 소스 가스의 열반응 등이 발생하고, 웨이퍼 표면에 에피텍셜 단결정막이 성막된다.
최근, 발광 디바이스 또는 파워 디바이스의 재료로서 GaN(질화 갈륨)계의 반도체 디바이스가 주목받고 있다. GaN계의 반도체를 성막하는 에피택셜 성장 기술로서, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD법)이 있다. 유기 금속 기상 성장법에서는, 소스 가스로서, 예를 들면, 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸인디움(TMI), 트리메틸알루미늄(TMA) 등의 유기 금속이나 암모니아(NH3) 등이 이용된다. 또한, 소스 가스 간의 반응을 억제하기 위해, 분리 가스로서 수소(H2) 등이 이용되는 경우도 있다.
그리고, 에피택셜 성장 기술로는, 반응실 내의 파티클 등을 저감하여, 저결함의 막을 성막하기 위해, 반응실 측벽으로의 막 퇴적을 억제하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 성막 시에, 반응실의 측벽을 따라 퍼지 가스를 공급하는 것이 행해진다. 일본특허공개공보 제2008-244014호에는 퍼지 가스로서 수소, 질소 및 아르곤의 혼합 가스를 공급하는 방법이 기재되어 있다.
본 발명은, 반응실 측벽으로의 막 퇴적을 억제하고, 저결함의 막을 기판에 성막하는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법을 제공한다.
본 발명의 일 태양의 기상 성장 장치는, 반응실과, 상기 반응실 내에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로와, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하고 상기 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로와, 상기 반응실의 상부에 배치되어, 상기 제 1 가스 공급로에 접속되고 제 1 수평면 내에 배치되어 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로와, 상기 제 1 가로 방향 가스 유로에 접속되어 세로 방향으로 연신하고 상기 반응실측에 제 1 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로와, 상기 제 2 가스 공급로에 접속되고 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되어 상기 제 1 가로 방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로와, 상기 제 2 가로 방향 가스 유로에 접속되어 상기 제 1 가로 방향 가스 유로의 사이를 지나 세로 방향으로 연신하고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로와, 상기 퍼지 가스 공급로에 접속되어, 상기 제 1 및 제 2 가스 분출 홀로부터 상기 반응실의 측벽측에 설치되는 퍼지 가스 분출 홀을 가지고, 상기 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양의 기상 성장 방법은, 반응실과, 상기 반응실의 상부에 배치되고, 상기 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부를 구비하는 기상 성장 장치를 이용한 기상 성장 방법이며, 상기 지지부에 기판을 재치하고, 상기 기판을 가열해, 상기 샤워 플레이트의 내측 영역으로부터, 성막용의 복수 종의 프로세스 가스를 분출시키고, 상기 샤워 플레이트의 외측 영역으로부터, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되어, 상기 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량보다 분자량이 작은 제 1 퍼지 가스와, 상기 평균 분자량보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스를 분출시켜, 상기 기판 표면에 반도체막을 성막하는 것을 특징으로 한다.
도 1은, 제 1 실시예의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다.
도 2는, 제 1 실시예의 샤워 플레이트의 모식 상면도다.
도 3은, 도 2의 샤워 플레이트의 AA 단면도이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는, 도 2의 샤워 플레이트의 BB, CC, DD 단면도이다.
도 5는, 제 1 실시예의 샤워 플레이트의 모식 하면도이다.
도 6은, 제 1 실시예의 기상 성장 방법의 설명도이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c는, 제 1 실시예의 기상 성장 방법의 작용을 나타내는 도면이다.
도 8은, 제 2 실시예의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다.
도 9는, 제 3 실시예의 샤워 플레이트의 모식 상면도다.
도 10은, 도 9의 샤워 플레이트의 EE 단면도이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c는, 도 9의 샤워 플레이트의 FF, GG, HH 단면도이다.
도 12는, 제 3 실시예의 샤워 플레이트의 모식 하면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
또한, 본 명세서 중에서는, 기상 성장 장치가 성막 가능하게 설치된 상태에서의 연직 방향을 「아래」로 정의하고, 그 역 방향을 「위」로 정의한다. 따라서, 「하부」란, 기준에 대해 연직 방향의 위치, 「하방」이란 기준에 대해 연직 방향을 의미한다. 그리고, 「상부」란, 기준에 대해 연직 방향과 역 방향의 위치, 「상방」이란 기준에 대해 연직 방향과 역 방향을 의미한다. 또한, 「세로 방향」이란 연직 방향이다.
또한, 본 명세서 중, 「수평면」이란, 연직 방향에 대해, 수직인 면을 의미하는 것으로 한다.
또한, 본 명세서 중, 「프로세스 가스」란, 기판 상으로의 성막을 위해 이용되는 가스의 총칭이며, 예를 들면, 소스 가스, 캐리어 가스, 분리 가스 등을 포함한 개념으로 한다.
또한, 본 명세서 중, 「퍼지 가스」란, 성막 중에 반응실의 측벽 내면(내벽)에 막이 퇴적되는 것을 억제하기 위해, 기판의 외주 측에 반응실의 측벽을 따라 공급되는 가스를 의미한다.
(제 1 실시예)
본 실시예의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실 내에 설치되어 기판을 재치 가능한 지지부와, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로와, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함해 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 구비한다. 또한, 반응실의 상부에 배치되어, 제 1 가스 공급로에 접속되고 제 1 수평면 내에 배치되어 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로와, 제 1 가로 방향 가스 유로에 접속되어 세로 방향으로 연신하고 반응실측에 제 1 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로와, 제 2 가스 공급로에 접속되고 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 제 1 가로 방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로와, 제 2 가로 방향 가스 유로에 접속되어 제 1 가로 방향 가스 유로의 사이를 지나 세로 방향으로 연신하고 반응실측에 제 2 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로와, 퍼지 가스 공급로에 접속되어, 제 1 및 제 2 가스 분출 홀로부터 반응실의 측벽측에 설치되는 퍼지 가스 분출 홀을 가지고, 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한다.
본 실시예의 기상 성장 장치는, 상기 구성을 구비함으로써, 프로세스 가스를 반응실로 분출하는 가스 분출 홀의 간격을 좁히고, 가스 분출 홀의 배치 밀도를 크게 하는 것이 가능하다. 동시에, 가로 방향 가스 유로의 단면적을 크게 하고, 가스 분출 홀에 프로세스 가스가 도달할 때까지의 가스 유로의 유체 저항을 작게 함으로써, 가스 분출 홀로부터 분출되는 가스의 유량 분포를 균일화하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시예의 기상 성장 장치에 의하면, 기판 상에 막 두께 또는 막 질 등의 균일성이 우수한 막을 성장시키는 것이 가능해진다.
또한, 퍼지 가스로서, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 제 1 퍼지 가스와, 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급한다. 이에 의해, 프로세스 가스의 평균 분자량과 혼합 가스의 평균 분자량을 가깝게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 프로세스 가스와 퍼지 가스와의 경계에서의 흐름의 혼란의 발생이 억제되어, 샤워 플레이트 또는 반응실 측벽으로의 막 퇴적을 억제하는 것이 가능해진다.
이하, MOCVD법(유기 금속 기상 성장법)을 이용해, GaN(질화 갈륨)를 에피택셜 성장시키는 경우를 예로 설명한다.
도 1은, 본 실시예의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다. 본 실시예의 기상 성장 장치는, 매엽형의 에피택셜 성장 장치이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 에피택셜 성장 장치는, 예를 들면, 스테인리스제로 원통 형상 중공체의 반응실(10)을 구비하고 있다. 반응실(10)의 측면은 측벽(11)이다. 그리고, 이 반응실(10) 상부에 배치되어, 반응실(10) 내에, 프로세스 가스를 공급하는 샤워 플레이트(100)를 구비하고 있다.
또한, 반응실(10) 내의 샤워 플레이트(100) 하방에 설치되어, 반도체 웨이퍼(기판)(W)를 재치 가능한 지지부(12)를 구비하고 있다. 지지부(12)는, 예를 들면, 중심부에 개구부가 설치되는 환 형상 홀더, 또는, 반도체 웨이퍼(W) 이면의 거의 전면에 접하는 구조의 서셉터이다.
또한, 지지부(12)를 그 상면에 배치하여 회전하는 회전체 유닛(14), 지지부(12)에 재치된 웨이퍼(W)를 가열하는 가열부(16)로서 히터를, 지지부(12) 하방에 구비하고 있다. 여기서, 회전체 유닛(14)은, 그 회전축(18)이, 하방에 위치하는 회전 구동 기구(20)에 접속된다. 그리고, 회전 구동 기구(20)에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 중심을 회전 중심으로 하여, 예를 들면, 수십 rpm ~ 수천 rpm로 회전시키는 것이 가능하도록 되어 있다.
원통 형상의 회전체 유닛(14)의 직경은, 지지부(12)의 외주 직경과 거의 동일하게 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 회전축(18)은, 반응실(10)의 저부에 진공 씰 부재를 거쳐 회전 가능하게 설치되어 있다.
그리고, 가열부(16)는, 회전축(18)의 내부로 관통하는 지지축(22)에 고정되는 지지대(24) 상에 고정되어 설치된다. 가열부(16)에는, 도시하지 않은 전류 도입 단자와 전극에 의해, 전력이 공급된다. 이 지지대(24)에는 반도체 웨이퍼(W)를 환 형상 홀더(12)로부터 탈착시키기 위한, 예를 들면, 승강 핀(도시되지 않음)이 설치되어 있다.
또한, 반도체 웨이퍼(W) 표면 등에서 소스 가스가 반응한 후의 반응 생성물 및 반응실(10)의 잔류 가스를 반응실(10) 외부로 배출하는 가스 배출부(26)를 반응실(10) 저부에 구비한다. 또한, 가스 배출부(26)는 진공 펌프(도시되지 않음)에 접속되어 있다.
그리고, 본 실시예의 에피택셜 성장 장치는, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로(31), 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로(32), 제 3 프로세스 가스를 공급하는 제 3 가스 공급로(33)를 구비하고 있다.
또한, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 및 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로(37)를 구비하고 있다. 제 2 퍼지 가스의 분자량은, 제 1 퍼지 가스의 분자량보다 크다. 불활성 가스는, 예를 들면, 헬륨(He), 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)이다.
성막을 위해 흐르는 제 1, 제 2 및 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량과 혼합 가스의 평균 분자량을 가깝게 하는 관점에서, 제 1 퍼지 가스의 분자량이 제 1, 제 2 및 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량보다 낮고, 제 2 퍼지 가스의 분자량이 제 1, 제 2 및 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량보다 큰 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 퍼지 가스와 제 2 퍼지 가스의 혼합비를 적절히 조정함으로써, 프로세스 가스의 평균 분자량과 혼합 가스의 평균 분자량을 가깝게 하는 것이 가능해진다.
혼합 가스의 평균 분자량이, 프로세스 가스의 평균 분자량과 대략 동일하고, 퍼지 가스의 평균 유속과 프로세스 가스의 평균 유속이 대략 동일한 것이 바람직하다. 혼합 가스의 평균 분자량이, 프로세스 가스의 평균 분자량의 80% 이상 120% 이하이면, 퍼지 가스와 프로세스 가스의 경계에서, 흐름에 혼란이 생기기 어렵다.
예를 들면, MOCVD법에 의해, GaN의 단결정막을 반도체 웨이퍼(W)에 성막하는 경우, 예를 들면, 제 1 프로세스 가스로서 수소(H2)를 분리 가스로서 공급한다. 또한, 예를 들면, 제 2 프로세스 가스로서 질소(N)의 소스 가스가 되는 암모니아(NH3)를 공급한다. 또한, 예를 들면, 제 3 프로세스 가스로서 Ga(갈륨)의 소스 가스이며 유기 금속인 트리메틸갈륨(TMG)을 캐리어 가스인 수소(H2)로 희석한 가스를 공급한다.
여기서, 제 1 프로세스 가스인 분리 가스란, 제 1 가스 분출 홀(111)로부터 분출시킴으로써, 제 2 가스 분출 홀(112)로부터 분출하는 제 2 프로세스 가스(여기에서는 암모니아)와 제 3 가스 분출 홀(113)로부터 분출하는 제 3 프로세스 가스(여기에서는 TMG)를 분리하는 가스이다. 예를 들면, 제 2 프로세스 가스 및 제 3 프로세스 가스와 반응성이 부족한 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
제 1 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 2인 수소(H2)이다. 또한, 제 2 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 28인 질소(N2)이다. 이들 가스를 혼합함으로써, 혼합 가스의 평균 분자량을 2부터 28 사이에서 설정하는 것이 가능해진다. 또한, 제 1 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 4인 헬륨(He)이다. 또한, 제 2 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 40인 아르곤(Ar)이어도 좋다.
혼합 가스의 평균 분자량을, 프로세스 가스의 평균 분자량에 가깝게 함으로써, 양자의 경계에서의 흐름의 혼란이 억제되어, 반응실(10)의 측벽(11)의 막 퇴적이 억제된다.
또한, 도 1에 도시한 매엽형 에피택셜 성장 장치에서는, 반응실(10)의 측벽(11)에, 반도체 웨이퍼를 넣고 빼기위한 도시하지 않은 웨이퍼 출입구 및 게이트 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 이 게이트 밸브로 연결하는, 예를 들면 로드락실(도시되지 않음)과 반응실(10)과의 사이에서, 핸들링 암에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 반송할 수 있도록 구성된다. 여기서, 예를 들면, 합성 석영으로 형성되는 핸들링 암은, 샤워 플레이트(100)와 웨이퍼 지지부(12)와의 공간에 삽입 가능하도록 되어 있다.
이하, 본 실시예의 샤워 플레이트(100)에 대해 상세하게 설명한다. 도 2는, 본 실시예의 샤워 플레이트의 모식 상면도다. 샤워 플레이트 내부의 유로 구조는, 파선으로 나타내고 있다.
도 3은, 도 2의 AA 단면도, 도 4a, 도 4b, 도 4c는, 각각 도 2의 BB 단면도, CC 단면도, DD 단면도이다. 도 5는, 본 실시예의 샤워 플레이트의 모식 하면도이다.
샤워 플레이트(100)는, 예를 들면, 소정의 두께의 판 모양의 형상이다. 샤워 플레이트(100)는, 예를 들면, 스테인리스강 또는 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 형성된다.
샤워 플레이트(100)의 내부에는, 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101), 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)가 형성되어 있다. 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101)는, 제 1 수평면(P1) 내에 배치되어 서로 평행하게 연신한다. 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102)는, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면(P2) 내에 배치되어 서로 평행하게 연신한다. 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)는, 제 1 수평면보다 상방, 제 2 수평면보다 하방의 제 3 수평면(P3) 내에 배치되어 서로 평행하게 연신한다.
그리고, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 1 가스 분출 홀(111)을 가지는 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로(121)를 구비한다. 또한, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 2 가스 분출 홀(112)을 가지는 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로(122)를 구비한다. 제 2 세로 방향 가스 유로(122)는, 2 개의 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 사이를 지나고 있다. 또한, 제 3 가로 방향 가스 유로(103)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 3 가스 분출 홀(113)을 가지는 복수의 제 3 세로 방향 가스 유로(123)를 구비한다. 제 3 세로 방향 가스 유로(123)는, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 사이를 지나고 있다.
제 1 가로 방향 가스 유로(101), 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 제 3 가로 방향 가스 유로(103)는, 판 모양의 샤워 플레이트(100) 내에 수평 방향으로 형성된 가로 홀이다. 또한, 제 1 세로 방향 가스 유로(121), 제 2 세로 방향 가스 유로(122), 제 3 세로 방향 가스 유로(123)는, 판 모양의 샤워 플레이트(100) 내에 연직 방향(세로 방향 또는 수직 방향)으로 형성된 세로 홀이다.
제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103)의 내경은, 각각 대응하는 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 내경보다 커져 있다. 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 4c에서는, 제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103), 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 단면 형상은 원형으로 되어 있으나, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 직사각형, 다각형 등 그 밖의 형상이어도 상관없다. 또한, 제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103)의 단면적은 동일하지 않아도 상관없다. 또한, 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 단면적도 동일하지 않아도 상관없다.
샤워 플레이트(100)는, 제 1 가스 공급로(31)에 접속되어, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 1 매니폴드(131)와, 제 1 매니폴드(131)와 제 1 가로 방향 가스 유로(101)를 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 단부에서 접속하여 세로 방향으로 연신하는 제 1 접속 유로(141)를 구비하고 있다.
제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가스 공급로(31)로부터 공급되는 제 1 프로세스 가스를, 제 1 접속 유로(141)를 거쳐 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 1 프로세스 가스는, 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로(121)의 제 1 가스 분출 홀(111)로부터 반응실(10)로 도입된다.
제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)에 직교하는 방향으로 연신하여, 예를 들면, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시예에서는, 제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 양단부에 설치되지만, 어느 일방의 단부에 설치되는 것이어도 상관없다.
또한, 샤워 플레이트(100)는, 제 2 가스 공급로(32)에 접속되어, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 2 매니폴드(132)와, 제 2 매니폴드(132)와 제 2 가로 방향 가스 유로(102)를 제 2 가로 방향 가스 유로(102)의 단부에서 접속하여 세로 방향으로 연신하는 제 2 접속 유로(142)를 구비하고 있다.
제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가스 공급로(32)로부터 공급되는 제 2 프로세스 가스를, 제 2 접속 유로(142)를 거쳐 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 2 프로세스 가스는, 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로(122)의 제 2 가스 분출 홀(112)로부터 반응실(10)로 도입된다.
제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)에 직교하는 방향으로 연신하여, 예를 들면, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시예에서는, 제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)의 양단부에 설치되지만, 어느 일방의 단부에 설치되는 것이어도 상관없다.
또한, 샤워 플레이트(100)는, 제 3 가스 공급로(33)에 접속되어, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 3 매니폴드(133)와, 제 3 매니폴드(133)와 제 3 가로 방향 가스 유로(103)를 제 3 가로 방향 가스 유로(103)의 단부에서 접속하여 수직 방향으로 연신하는 제 3 접속 유로(143)를 구비하고 있다.
제 3 매니폴드(133)는, 제 3 가스 공급로(33)로부터 공급되는 제 3 프로세스 가스를, 제 3 접속 유로(143)를 거쳐 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 3 프로세스 가스는, 복수의 제 3 세로 방향 가스 유로(123)의 제 3 가스 분출 홀(113)로부터 반응실(10)로 도입된다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 샤워 플레이트(100)는, 제 1 ~ 제 3 가스 분출 홀(111~113)이 설치되는 내측 영역(100a)과, 퍼지 가스를 분출하는 퍼지 가스 분출 홀(117)이 설치되는 외측 영역(100b)으로 구분된다. 퍼지 가스 분출 홀(117)은, 제 1 ~ 제 3 가스 분출 홀(111~113)보다 반응실(10)의 측벽(11)측에 설치되게 된다.
퍼지 가스 분출 홀(117)은, 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)에 접속된다. 퍼지 가스 유로(107)는 샤워 플레이트(100)의 외측 영역(100b) 내부에, 링 형상의 중공 부분으로서 형성된다. 그리고, 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)는, 퍼지 가스 접속 유로(147)에 접속된다. 또한, 퍼지 가스 공급로(37)는 퍼지 가스 접속 유로(147)에 접속된다. 따라서, 퍼지 가스 공급로(37)가, 퍼지 가스 접속 유로(147) 및 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)를 거쳐, 복수의 퍼지 가스 분출 홀(117)에 접속된다.
또한, 도 4a, 도 4b, 도 4c에서는, 퍼지 가스 접속 유로(147)의 단면 형상은 원형으로 되어 있으나, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 직사각형, 다각형 등 그 밖의 형상이어도 상관없다.
일반적으로 샤워 플레이트에 프로세스 가스의 공급구로서 설치되는 가스 분출 홀로부터, 반응실(10) 내에 분출하는 프로세스 가스의 유량은, 성막의 균일성을 확보하는 관점에서, 각 가스 분출 홀 사이에서 균일한 것이 바람직하다. 본 실시예의 샤워 플레이트(100)에 의하면, 프로세스 가스를 복수의 가로 방향 가스 유로로 분배하고, 또한, 세로 방향 가스 유로로 분배해 가스 분출 홀로부터 분출시킨다. 이 구성에 의해, 간편한 구조로 각 가스 분출 홀 사이부터 분출하는 프로세스 가스 유량의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 균일한 성막을 행하는 관점에서 배치되는 가스 분출 홀의 배치 밀도는 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 무엇보다, 본 실시예와 같이, 서로 평행한 복수의 가로 방향 가스 유로를 설치하는 구성에서는, 가스 분출 홀의 밀도를 크게 하고자 하면 가스 분출 홀의 배치 밀도와 가로 방향 가스 유로의 내경과의 사이에 트레이드 오프가 발생한다.
이 때문에, 가로 방향 가스 유로의 내경이 작아짐으로써, 가로 방향 가스 유로의 유체 저항이 상승해, 가로 방향 가스 유로의 신장 방향에 대해, 가스 분출 홀로부터 분출하는 프로세스 가스 유량의 유량 분포가 커져, 각 가스 분출 홀 사이로부터 분출하는 프로세스 가스 유량의 균일성이 악화될 우려가 있다.
본 실시예에 의하면, 제 1 가로 방향 가스 유로(101), 제 2 가로 방향 가스 유로(102) 및 제 3 가로 방향 가스 유로(103)를, 다른 수평면에 설치한 계층 구조로 한다. 이 구조에 의해, 가로 방향 가스 유로의 내경 확대에 대한 마진이 향상한다. 따라서, 가스 분출 홀의 밀도를 올리면서, 가로 방향 가스 유로의 내경에 기인하는 유량 분포 확대를 억제한다.
또한, 퍼지 가스로서 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 제 1 및 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급함으로써, 프로세스 가스의 평균 분자량과 혼합 가스의 평균 분자량을 가깝게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 프로세스 가스와 퍼지 가스와의 경계에서의 흐름의 혼란이 억제되어, 반응실 측벽으로의 막 퇴적을 억제하는 것이 가능해진다.
이어서, 본 실시예의 기상 성장 방법에 대해 설명한다. 본 실시예의 기상 성장 방법은, 반응실과, 반응실의 상부에 배치되어, 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 샤워 플레이트 하방에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부를 구비하는 기상 성장 장치를 이용한 기상 성장 방법이다. 그리고, 지지부에 기판을 재치하고, 기판을 가열해, 샤워 플레이트의 내측 영역으로부터 성막용의 복수 종의 프로세스 가스를 분출시킨다. 또한, 샤워 플레이트의 외측 영역으로부터, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되어, 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량보다 분자량이 작은 제 1 퍼지 가스와, 상기 평균 분자량보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스를 분출시켜, 기판 표면에 반도체막을 성막한다.
이하, 도 1 ~ 도 5에 도시한 매엽형 에피택셜 성장 장치를 이용해, GaN를 에피택셜 성장시키는 경우를 예로 설명한다. 또한, 도 6은, 본 실시예의 기상 성장 방법의 설명도이다.
반응실(10)에 캐리어 가스가 공급되어, 도시하지 않은 진공 펌프를 작동해 반응실(10) 내의 가스를 가스 배출부(26)로부터 배기하고, 반응실(10)을 소정의 압력으로 제어하고 있는 상태로, 반응실(10) 내의 지지부(12)에 반도체 웨이퍼(W)를 재치한다. 여기서, 예를 들면, 반응실(10)의 웨이퍼 출입구의 게이트 밸브(도시되지 않음)를 열어, 핸들링 암에 의해, 로드락실 내의 반도체 웨이퍼(W)를 반응실(10) 내로 반송한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)는, 예를 들면 승강 핀(도시되지 않음)을 거쳐 지지부(12)에 재치되고, 핸들링 암은 로드락실에 되돌려져, 게이트 밸브는 닫힌다.
그리고, 상기 진공 펌프에 의한 배기를 계속 행함고, 또한, 회전체 유닛(14)을 소정의 요구되는 속도로 회전시키면서, 제 1 ~ 제 3 가스 분출 홀(111, 112, 113)로부터 소정의 제 1 ~ 제 3 프로세스 가스(도 6 중의 흰색 화살표)를 분출시키고 있다. 제 1 프로세스 가스는, 제 1 가스 공급로(31)로부터 제 1 매니폴드(131), 제 1 접속 유로(141), 제 1 가로 방향 가스 유로(101), 제 1 세로 방향 가스 유로(121)를 경유하여, 제 1 가스 분출 홀(111)로부터 반응실(10) 내로 분출시키고 있다. 또한, 제 2 프로세스 가스는, 제 2 가스 공급로(32)로부터 제 2 매니폴드(132), 제 2 접속 유로(142), 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 제 2 세로 방향 가스 유로(122)를 경유하여, 제 2 가스 분출 홀(112)로부터 반응실(10) 내로 분출시키고 있다. 또한, 제 3 프로세스 가스는, 제 3 가스 공급로(33)로부터 제 3 매니폴드(133), 제 3 접속 유로(143), 제 3 가로 방향 가스 유로(103), 제 3 세로 방향 가스 유로(123)를 경유하여, 제 3 가스 분출 홀(113)로부터 반응실(10) 내로 분출시키고 있다.
또한, 제 1 ~ 제 3 프로세스 가스와 동시에, 퍼지 가스 분출 홀(117)로부터, 제 1 ~ 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량보다 분자량이 작은 제 1 퍼지 가스와, 상기 평균 분자량보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스를 퍼지 가스로서 분출시키고 있다(도 6 중의 검정색 화살표).
여기서, 지지부(12)에 재치한 반도체 웨이퍼(W)는, 가열부(16)에 의해 소정 온도로 예비 가열하고 있다. 또한, 가열부(16)의 가열 출력을 높여, 반도체 웨이퍼(W)를 에피택셜 성장 온도로 승온시킨다.
반도체 웨이퍼(W) 상에 GaN를 성장시키는 경우, 예를 들면, 제 1 프로세스 가스는 분리 가스인 수소이며, 제 2 프로세스 가스는 질소의 소스 가스인 암모니아이며, 제 3 프로세스 가스는 캐리어 가스인 수소로 희석된 갈륨의 소스 가스인 TMG이다. 승온 중에는, 암모니아와 TMG는 반응실(10)에는 공급되어 있지 않다.
성장 온도가 되고 나서, 제 2 가스 분출 홀(112)에 암모니아를 공급하고, 제 3 가스 분출 홀(113)에 TMG를 공급하고, 반도체 웨이퍼(W) 표면에, 예를 들면, GaN(갈륨나이트라이드)의 단결정막이 에피택셜 성장에 의해 형성된다.
제 1 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 2인 수소(H2)이다. 또한, 제 2 퍼지 가스는, 예를 들면, 분자량이 28인 질소(N2)이다. 분자량이 2인 수소(H2)와 분자량이 28인 질소(N2)를 혼합함으로써, 혼합 가스의 평균 분자량을, 프로세스 가스의 평균 분자량에 가깝게 하는 것이 가능해진다.
그리고, 에피택셜 성장 종료 시에는, 제 3 가스 분출 홀(113)로의 TMG 공급을 정지하여, 단결정막의 성장이 종료된다.
성막 후는, 반도체 웨이퍼(W)의 강온을 시작한다. 소정의 온도까지 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 저하하고 나서, 제 2 가스 분출 홀(112)로의 암모니아 공급을 정지한다. 여기서, 예를 들면, 회전체 유닛(14)의 회전을 정지시켜, 단결정막이 형성된 반도체 웨이퍼(W)를 지지부(12)에 재치한 채로 하고, 가열부(16)의 가열 출력을 초기 상태로 되돌려, 예비 가열의 온도로 저하하도록 조정한다.
이어서, 반도체 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 안정된 후, 예를 들면, 승강 핀에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 지지부(12)로부터 탈착시킨다. 그리고, 다시 게이트 밸브를 열어 핸들링 암을 샤워 플레이트(100) 및 지지부(12)의 사이로 삽입하고, 그 위에 반도체 웨이퍼(W)를 싣는다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)를 실은 핸들링 암을 로드락실로 되돌린다.
이상과 같이 하여, 1 회의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 성막이 종료하고, 예를 들면, 계속하여 다른 반도체 웨이퍼(W)에 대한 성막이, 상술한 바와 동일한 프로세스 시퀀스에 따라 행하는 것도 가능하다.
도 7a, 7b, 7c는, 본 실시예의 기상 성장 방법의 작용을 나타내는 도면이다. 프로세스 가스와 퍼지 가스의 유속 분포를 나타낸다. 도 7a가 퍼지 가스(도면 중의 검정색 화살표)로서 수소만을 이용한 경우, 도 7b가 퍼지 가스로서 질소만을 이용한 경우, 도 7c가 퍼지 가스로서 프로세스 가스와 분자량이 같아지는 혼합비로 수소와 질소를 혼합한 혼합 가스를 이용한 경우이다.
여기서, 프로세스 가스(도면 중의 흰색 화살표)는, 분리 가스인 수소, 질소의 소스 가스인 암모니아, 캐리어 가스인 수소로 희석된 갈륨의 소스 가스인 TMG이다. 이들 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량은, 수소의 분자량 2보다 크고 질소의 분자량 28보다 작다.
단일의 가스인 도 7a, 도 7b의 경우는, 프로세스 가스(도면 중의 흰색 화살표)와 퍼지 가스(도면 중의 검정색 화살표)의 경계에서 흐름이 흐트러지고 있다. 한편, 혼합 가스인 도 7c의 경우는, 프로세스 가스(도면 중의 흰색 화살표)와 퍼지 가스(도면 중의 검정색 화살표)와의 경계에서 거의 흐름은 흐트러지지 않았음을 알 수 있다. 따라서, 도 7a, 도 7b의 경우에 비교하여, 도 7c의 경우는, 반응실의 측벽측으로 프로세스 가스가 흐르는 것이 억제됨을 알 수 있다.
본 실시예의 기상 성장 방법에서는, 프로세스 가스와 퍼지 가스의 평균 분자량을 가깝게 함으로써, 반응실 측벽으로의 막 퇴적을 억제한다. 따라서, 반응실 내의 파티클 또는 더스트의 발생이 억제된다. 따라서, 저결함의 막을 기판에 성막하는 것이 가능해진다.
또한, 제 1 및 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스의 평균 분자량이, 제 1 ~ 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량의 80% 이상 120% 이하인 것이 바람직하다. 혼합 가스의 평균 분자량이, 프로세스 가스의 평균 분자량과 대략 동일한 것이 보다 바람직하다. GaN를 성장시킨 후에, InGaN의 성장을 행하는 경우는, 캐리어 가스를 N2로 한다. 그러한 경우는, 프로세스 가스의 평균 분자량에 맞추어, 제 1 및 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스의 유량비를 변경한다.
(제 2 실시예)
본 실시예의 기상 성장 장치는, 퍼지 가스 공급로에 접속되고 제 1 매스플로우 컨트롤러를 구비하여 제 1 퍼지 가스를 공급하는 제 1 퍼지 가스 공급로와, 퍼지 가스 공급로에 접속되고 제 2 매스플로우 컨트롤러를 구비하여 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2 퍼지 가스 공급로와, 제 1 매스플로우 컨트롤러와 제 2 매스플로우 컨트롤러를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것 이외에는 제 1 실시예와 같다. 따라서, 제 1 실시예와 중복되는 내용에 대해서는 기술을 생략한다.
도 8은, 본 실시예의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다. 본 실시예의 기상 성장 장치는, 매엽형의 에피택셜 성장 장치이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 에피택셜 성장 장치는, 퍼지 가스 공급로(37)에 접속되고 제 1 매스플로우 컨트롤러(M1)를 구비하는 제 1 퍼지 가스 공급로(37a)와, 퍼지 가스 공급로(37)에 접속되고 제 2 매스플로우 컨트롤러(M2)를 구비하는 제 2 퍼지 가스 공급로(37b)와, 제 1 매스플로우 컨트롤러(M1)와 제 2 매스플로우 컨트롤러(M2)를 제어하는 제어부(50)를 구비한다.
제 1 퍼지 가스 공급로(37a)는 제 1 퍼지 가스(Pu1)를 공급한다. 제 1 퍼지 가스의 유량은, 제 1 매스플로우 컨트롤러(M1)로 제어된다. 또한, 제 2 퍼지 가스 공급로(37a)는 제 2 퍼지 가스(Pu2)를 공급한다. 제 2 퍼지 가스의 유량은, 제 2 매스플로우 컨트롤러(M2)로 제어된다. 제 1 퍼지 가스 및 제 2 퍼지 가스는, 제 1 및 제 2 매스플로우 컨트롤러로 유량이 제어된 후, 혼합되어 혼합 가스가 된다.
제어부(50)는, 제 1 매스플로우 컨트롤러(M1)와 제 2 매스플로우 컨트롤러(M2)를, 예를 들면, 제어 신호를 전달함으로써 제어한다. 이에 의해, 제 1 퍼지 가스의 유량과 제 2 퍼지 가스의 유량을 변화시켜, 반응실(10)에 공급되는 퍼지 가스의 평균 분자량을 변화시킨다. 제어부(50)는, 예를 들면, 전자 회로 등의 하드웨어, 또는, 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구성된다.
제어부(50)는, 성막 프로세스 중에 반응실(10)에 공급되는 프로세스 가스의 종류 등의 변화에 의해, 프로세스 가스의 평균 분자량이 변화했을 경우에, 퍼지 가스의 평균 분자량이 프로세스 가스의 평균 분자량에 가까워지는 방향으로 변화시킨다.
예를 들면, 기판 상에 GaN를 성장시킨 후에, 연속하여 InGaN의 성장을 행하는 경우, 프로세스 가스의 평균 분자량이 변화한다. 제어부(50)는, 제 1 매스플로우 컨트롤러(M1)와 제 2 매스플로우 컨트롤러(M2)를 제어해, 퍼지 가스의 평균 분자량이 InGaN 성막으로 이용되는 프로세스 가스의 평균 분자량에 가까워지는 방향으로 변화시킨다.
제어부(50)는, 예를 들면, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로(31), 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로(32), 제 3 프로세스 가스를 공급하는 제 3 가스 공급로(33)에 각각 설치되는 매스플로우 컨트롤러를 동시에 제어하는 구성이어도 상관없다. 이 구성에 의해, 예를 들면, 프로세스 가스의 유량과 퍼지 가스의 유량을 연동하여 제어한다. 이 제어에 의해, 프로세스 가스의 평균 분자량의 변화에 연동하여, 퍼지 가스의 평균 분자량을 변화시키는 것이 가능해진다.
또한, 예를 들면, 제어부(50)는, 제 1 가스 공급로(31), 제 2 가스 공급로(32), 제 3 가스 공급로(33)에 각각 설치되는 매스플로우 컨트롤러를 제어하는 제어부로부터, 제 1, 제 2, 제 3 프로세스 가스의 평균 분자량의 변화에 관한 정보가 전달되는 구성이어도 상관없다. 이 제어에 의해서도, 프로세스 가스의 평균 분자량의 변화에 연동하여, 퍼지 가스의 평균 분자량을 변화시키는 것이 가능해진다.
본 실시예에 의하면, 성막 프로세스 중에 프로세스 가스의 평균 분자량이 변화해도, 퍼지 가스의 평균 분자량도 동일해지는 방향으로 변화시키는 것이 가능해진다. 따라서, 반응실 측벽으로의 막 퇴적이 억제되어, 반응실 내의 파티클 또는 더스트의 발생이 억제된다. 따라서, 저결함의 막을 기판에 성막하는 것이 가능해진다.
(제 3 실시예)
본 실시예의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실 내에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로와, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하고 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 구비한다. 또한, 반응실의 상부에 배치되어, 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비한다. 그리고, 샤워 플레이트의 내측 영역에 프로세스 가스 분출 홀이 설치되고, 샤워 플레이트의 외측 영역에 퍼지 가스 가스 분출 홀이 설치된다. 그리고, 프로세스 가스 공급로가 프로세스 가스 분출 홀에 접속되고, 퍼지 가스 공급로가 퍼지 가스 분출 홀에 접속된다.
본 실시예의 기상 성장 장치는, 샤워 플레이트 내의 프로세스 가스의 유로가 한정되지 않는 것 이외에는 제 1 또는 제 2 실시예와 동일하다. 따라서, 제 1 또는 제 2 실시예와 중복되는 내용에 대해서는 기술을 생략한다.
이하, 본 실시예의 샤워 플레이트(100)에 대해 상세하게 설명한다. 도 9는, 본 실시예의 샤워 플레이트의 모식 상면도다. 샤워 플레이트 내부의 유로 구조는, 파선으로 나타내고 있다.
도 10은, 도 9의 EE 단면도, 도 11a, 도 11b, 도 11c는, 각각 도 9의 FF 단면도, GG 단면도, HH 단면도이다. 도 12는, 본 실시예의 샤워 플레이트의 모식 하면도이다.
샤워 플레이트(100)는, 예를 들면, 소정의 두께의 판 모양의 형상이다. 샤워 플레이트(100)는, 예를 들면, 스테인리스강 또는 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 형성된다.
샤워 플레이트(100)의 내부에는, 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101), 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)가 형성되어 있다. 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101), 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)는, 동일한 수평면 내에 배치되어 서로 평행하게 연신한다.
그리고, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 1 가스 분출 홀(111)을 가지는 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로(121)를 구비한다. 또한, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 2 가스 분출 홀(112)을 가지는 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로(122)를 구비한다. 또한, 제 3 가로 방향 가스 유로(103)에 접속되어 세로 방향으로 연신하고, 반응실(10)측에 제 3 가스 분출 홀(113)을 가지는 복수의 제 3 세로 방향 가스 유로(123)를 구비한다.
제 1 가로 방향 가스 유로(101), 제 2 가로 방향 가스 유로(102), 제 3 가로 방향 가스 유로(103)는, 판 모양의 샤워 플레이트(100) 내에 수평 방향으로 형성된 가로 홀이다. 또한, 제 1 세로 방향 가스 유로(121), 제 2 세로 방향 가스 유로(122), 제 3 세로 방향 가스 유로(123)는, 판 모양의 샤워 플레이트(100) 내에 연직 방향(세로 방향 또는 수직 방향)으로 형성된 세로 홀이다.
제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103)의 내경은, 각각 대응하는 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 내경보다 커져 있다. 도 10, 도 11a, 도 11b, 도 11c에서는, 제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103), 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 단면 형상은 원형으로 되어 있으나, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 직사각형, 다각형 등 그 밖의 형상이어도 상관없다. 또한, 제 1, 제 2, 및 제 3 가로 방향 가스 유로(101, 102, 103)의 단면적은 동일하지 않아도 상관없다. 또한, 제 1, 제 2, 및 제 3 세로 방향 가스 유로(121, 122, 123)의 단면적도 동일하지 않아도 상관없다.
샤워 플레이트(100)는, 제 1 가스 공급로(31)에 접속되고, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 1 매니폴드(131)와, 제 1 매니폴드(131)와 제 1 가로 방향 가스 유로(101)를 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 단부에서 접속하여 세로 방향으로 연신하는 제 1 접속 유로(141)를 구비하고 있다.
제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가스 공급로(31)로부터 공급되는 제 1 프로세스 가스를, 제 1 접속 유로(141)를 거쳐 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로(101)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 1 프로세스 가스는, 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로(121)의 제 1 가스 분출 홀(111)로부터 반응실(10)로 도입된다.
제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)에 직교하는 방향으로 연신하고, 예를 들면, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시예에서는, 제 1 매니폴드(131)는, 제 1 가로 방향 가스 유로(101)의 양단부에 설치되지만, 어느 일방의 단부에 설치되는 것이어도 상관없다.
또한, 샤워 플레이트(100)는, 제 2 가스 공급로(32)에 접속되고, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 2 매니폴드(132)와, 제 2 매니폴드(132)와 제 2 가로 방향 가스 유로(102)를 제 2 가로 방향 가스 유로(102)의 단부에서 접속하여 세로 방향으로 연신하는 제 2 접속 유로(142)를 구비하고 있다.
제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가스 공급로(32)로부터 공급되는 제 2 프로세스 가스를, 제 2 접속 유로(142)를 거쳐 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로(102)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 2 프로세스 가스는, 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로(122)의 제 2 가스 분출 홀(112)로부터 반응실(10)로 도입된다.
제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)에 직교하는 방향으로 연신하여, 예를 들면, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시예에서는, 제 2 매니폴드(132)는, 제 2 가로 방향 가스 유로(102)의 양단부에 설치되지만, 어느 일방의 단부에 설치되는 것이어도 상관없다.
또한, 샤워 플레이트(100)는, 제 3 가스 공급로(33)에 접속되고, 제 1 수평면(P1)보다 상방에 설치되는 제 3 매니폴드(133)와, 제 3 매니폴드(133)와 제 3 가로 방향 가스 유로(103)를 제 3 가로 방향 가스 유로(103)의 단부에서 접속하여 수직 방향으로 연신하는 제 3 접속 유로(143)를 구비하고 있다.
제 3 매니폴드(133)는, 제 3 가스 공급로(33)로부터 공급되는 제 3 프로세스 가스를, 제 3 접속 유로(143)를 거쳐 복수의 제 3 가로 방향 가스 유로(103)로 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 3 프로세스 가스는, 복수의 제 3 세로 방향 가스 유로(123)의 제 3 가스 분출 홀(113)로부터 반응실(10)로 도입된다.
또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 샤워 플레이트(100)는, 제 1 ~ 제 3 가스 분출 홀(111~113)이 설치되는 내측 영역(100a)과, 퍼지 가스를 분출하는 퍼지 가스 분출 홀(117)이 설치되는 외측 영역(100b)으로 구분된다. 퍼지 가스 분출 홀(117)은, 제 1 ~ 제 3 가스 분출 홀(111~113)로부터 반응실(10)의 측벽(11)측에 설치되게 된다.
퍼지 가스 분출 홀(117)은, 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)에 접속된다. 퍼지 가스 유로(107)는 샤워 플레이트(100)의 외측 영역(100b) 내부에, 링 형상의 중공 부분으로서 형성된다. 그리고, 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)는, 퍼지 가스 접속 유로(147)에 접속된다. 또한, 퍼지 가스 공급로(37)는 퍼지 가스 접속 유로(147)에 접속된다. 따라서, 퍼지 가스 공급로(37)가, 퍼지 가스 접속 유로(147) 및 가로 방향 퍼지 가스 유로(107)를 거쳐, 복수 종의 퍼지 가스 분출 홀(117)에 접속된다.
또한, 도 11a, 도 11b, 도 11c에서는, 퍼지 가스 접속 유로(147)의 단면 형상은 원형으로 되어 있으나, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 직사각형, 다각형 등 그 밖의 형상이어도 상관없다.
본 실시예의 기상 성장 방법은, 제 1 또는 제 2 실시예와 같다.
본 실시예의 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법에 의해서도, 프로세스 가스와 퍼지 가스의 평균 분자량을 가깝게 함으로써, 반응실 측벽으로의 막 퇴적이 억제된다. 따라서, 반응실 내의 파티클 또는 더스트의 발생이 억제된다. 따라서, 저결함의 막을 기판에 성막하는 것이 가능해진다.
또한, 프로세스 가스가 암모니아를 포함하여, 제 1 및 제 2 퍼지 가스가 수소와 질소인 것이 바람직하다.
또한, 제 1 퍼지 가스의 분자량이 프로세스 가스의 평균 분자량보다 낮고, 제 2 퍼지 가스의 분자량이 프로세스 가스의 평균 분자량보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 제 1 및 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스의 평균 분자량이, 프로세스 가스의 평균 분자량의 80% 이상 120% 이하인 것이 바람직하고, 혼합 가스의 평균 분자량이, 프로세스 가스의 평균 분자량과 대략 동일한 것이 보다 바람직하다. 프로세스 가스의 평균 분자량이 변화하는 경우는, 제 1 퍼지 가스와 제 2 퍼지 가스의 혼합비를 변화시킨다.
이상, 구체적인 예를 참조하면서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였다. 상기 실시예는 어디까지나 예로 들어지고 있는 것일 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 각 실시예의 구성 요소를 적절히 조합해도 상관없다.
예를 들면, 실시예에서는 가로 방향 가스 유로 등의 유로를 3 계통 설치되는 경우를 예로 설명했으나, 가로 방향 가스 유로 등의 유로를 4 계통 이상 설치되어도 상관없고, 2 계통이어도 상관없다.
또한, 예를 들면, 실시예에서는, GaN(질화 갈륨)의 단결정막을 성막하는 경우를 예로 설명했으나, 예를 들면, Si(규소) 또는 SiC(탄화 규소)의 단결정막 등의 성막에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
또한, 실시예에서는, 웨이퍼 1 매 마다 성막하는 매엽식의 에피텍셜 장치를 예로 설명했으나, 기상 성장 장치는 매엽식의 에피텍셜 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 자공전하는 복수의 웨이퍼에 동시에 성막하는 플래네터리(planetary) 방식의 CVD 장치 등에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
실시예에서는, 장치 구성 또는 제조 방법 등, 본 발명의 설명에 직접 필요하지 않은 부분 등에 대해서는 기재를 생략했으나, 필요시되는 장치 구성 또는 제조 방법 등을 적의 선택하여 이용할 수 있다. 그 밖에, 본 발명의 요소를 구비하고, 당업자가 적의 설계 변경할 수 있는 모든 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 범위는, 특허 청구의 범위 및 그 균등물의 범위에 의해 정의되는 것이다.

Claims (8)

  1. 반응실과,
    상기 반응실 내에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와,
    제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와,
    제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로와,
    수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하고 상기 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스로서, 상기 혼합 가스의 평균 분자량이 상기 제 1 프로세스 가스와 상기 제 2 프로세스 가스와의 평균 분자량에 가까워지도록 상기 제 1 퍼지 가스와 상기 제 2 퍼지 가스의 혼합비가 조정된 상기 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로와,
    상기 반응실의 상부에 배치되어,
    상기 제 1 가스 공급로에 접속되고 제 1 수평면 내에 배치되어 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 1 가로 방향 가스 유로와, 상기 제 1 가로 방향 가스 유로에 접속되어 세로 방향으로 연신하고 상기 반응실측에 제 1 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 1 세로 방향 가스 유로와,
    상기 제 2 가스 공급로에 접속되고 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되어 상기 제 1 가로 방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신하는 복수의 제 2 가로 방향 가스 유로와, 상기 제 2 가로 방향 가스 유로에 접속되어 상기 제 1 가로 방향 가스 유로의 사이를 지나 세로 방향으로 연신하고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출 홀을 가지는 복수의 제 2 세로 방향 가스 유로와,
    상기 퍼지 가스 공급로에 접속되어, 상기 제 1 및 제 2 가스 분출 홀로부터 상기 반응실의 측벽측에 설치되는 퍼지 가스 분출 홀을 가지고, 상기 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 프로세스 가스가 암모니아이며, 상기 제 1 퍼지 가스가 수소이며, 상기 제 2 퍼지 가스가 질소인 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지 가스 공급로에 접속되고 제 1 매스플로우 컨트롤러를 구비하여 상기 제 1 퍼지 가스를 공급하는 제 1 퍼지 가스 공급로와, 상기 퍼지 가스 공급로에 접속되고 제 2 매스플로우 컨트롤러를 구비하여 상기 제 2 퍼지 가스를 공급하는 상기 제 2 퍼지 가스 공급로와, 상기 제 1 매스플로우 컨트롤러와 상기 제 2 매스플로우 컨트롤러를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  4. 반응실과,
    상기 반응실 내에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와,
    제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와,
    제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로와,
    수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하고 상기 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스로서, 상기 혼합 가스의 평균 분자량이 상기 제 1 프로세스 가스와 상기 제 2 프로세스 가스와의 평균 분자량에 가까워지도록 상기 제 1 퍼지 가스와 상기 제 2 퍼지 가스의 혼합비가 조정된 상기 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로와,
    상기 반응실의 상부에 배치되어,
    상기 제 1 가스 공급로에 접속되고, 상기 반응실측에 설치되는 제 1 가스 분출 홀과, 상기 제 2 가스 공급로에 접속되고, 상기 반응실측에 설치되는 제 2 가스 분출 홀과, 상기 퍼지 가스 공급로에 접속되고, 상기 제 1 및 제 2 가스 분출 홀로부터 상기 반응실의 측벽측에 설치되는 퍼지 가스 분출 홀을 가지고, 상기 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  5. 반응실과, 상기 반응실의 상부에 배치되어, 상기 반응실 내로 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부를 구비하는 기상 성장 장치를 이용한 기상 성장 방법으로서,
    상기 지지부에 기판을 재치하고,
    상기 기판을 가열하고,
    상기 샤워 플레이트의 내측 영역으로부터, 성막용의 복수 종의 프로세스 가스를 분출시키고,
    상기 샤워 플레이트의 외측 영역으로부터, 수소 및 불활성 가스로부터 선택되고, 상기 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량보다 분자량이 작은 제 1 퍼지 가스와, 상기 평균 분자량보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스의 혼합 가스로서, 상기 혼합 가스의 평균 분자량이 상기 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량에 가까워지도록 상기 제 1 퍼지 가스와 상기 제 2 퍼지 가스의 혼합비가 조정된 상기 혼합 가스를 분출시키고,
    상기 기판 표면에 반도체막을 성막하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수 종의 프로세스 가스 중에, 유기 금속 및 암모니아를 포함하고, 상기 제 1 퍼지 가스가 수소이며 상기 제 2 퍼지 가스가 질소인 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 가스의 평균 분자량이, 상기 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량의 80% 이상 120% 이하인 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  8. 반응실과,
    상기 반응실 내에 설치되어, 기판을 재치 가능한 지지부와,
    복수 종의 프로세스 가스를 공급하는 공급로와,
    수소 및 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하는 제 1 퍼지 가스와, 불활성 가스로부터 선택되는 적어도 1 종의 가스를 포함하고 상기 제 1 퍼지 가스보다 분자량이 큰 제 2 퍼지 가스와의 혼합 가스로서, 상기 혼합 가스의 평균 분자량이 상기 복수 종의 프로세스 가스의 평균 분자량에 가까워지도록 상기 제 1 퍼지 가스와 상기 제 2 퍼지 가스의 혼합비가 조정된 상기 혼합 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
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