KR102107124B1 - 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법 - Google Patents

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야스시 이예치카
마사유키 츠쿠이
요시타카 이시카와
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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

실시 형태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실 내에 설치되어 기판을 적재하는 환형 홀더이며, 환형의 외주부와, 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더와, 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 구비한다.

Description

기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법 {VAPOR DEPOSITION DEVICE, ANNULAR HOLDER, AND VAPOR DEPOSITION METHOD}
본 발명은, 가스를 공급하여 성막을 행하는 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법에 관한 것이다.
고품질의 반도체 막을 성막하는 방법으로서, 웨이퍼 등의 기판에 기상 성장에 의해 단결정 막을 성장시키는 에피택셜 성장 기술이 있다. 에피택셜 성장 기술을 사용하는 기상 성장 장치에서는, 상압 또는 감압으로 유지된 반응실 내의 지지부에 웨이퍼를 적재한다.
그리고, 이 웨이퍼를 가열하면서, 성막의 원료가 되는 소스 가스 등의 프로세스 가스를, 반응실 상부로부터 반응실 내의 웨이퍼 표면에 공급한다. 웨이퍼 표면에서는 소스 가스의 열 반응이 발생하여, 웨이퍼 표면에 에피택셜 단결정 막이 성막된다.
웨이퍼 표면에 형성되는 에피택셜 단결정 막의 특성은, 웨이퍼의 온도에 의존한다. 이 때문에, 높은 웨이퍼 면 내의 온도의 균일성을 달성할 것이 요망된다.
일본 특허 공개 공보 제2015-195259호에는, 웨이퍼를 적재하는 서셉터에, 정육각형의 꼭지점에 배치된 기판 지지부를 설치한 기상 성장 장치가 기재되어 있다.
본 발명은, 기판의 온도의 균일성을 향상시킬 수 있는 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 상기 반응실 내에 설치되어 기판을 적재하는 환형 홀더이며, 환형의 외주부와, 상기 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더와, 상기 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 구비한다.
본 발명의 일 양태의 환형 홀더는, 환형의 외주부와, 상기 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면이다.
본 발명의 일 양태의 기상 성장 방법은, 환형의 외주부와, 상기 외주부의 상면보다 하방에 설치된 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더에, 표면이 {111}면인 실리콘 기판의 <1-10> 방향이, 대향하는 상기 볼록 영역을 연결하는 방향 또는 대향하는 상기 오목 영역을 연결하는 방향에 일치하도록 상기 실리콘 기판을 적재하고, 상기 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 사용하여 상기 실리콘 기판을 가열하여, 상기 실리콘 기판에 막을 형성한다.
도 1은 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 모식 단면도.
도 2는 제1 실시 형태의 환형 홀더의 모식도.
도 3a, 도 3b는 제1 실시 형태의 환형 홀더의 모식도.
도 4는 제1 실시 형태의 기상 성장 방법의 설명도.
도 5는 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도.
도 6a, 도 6b는 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도.
도 7은 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도.
도 8a, 도 8b는 제2 실시 형태의 환형 홀더의 모식도.
도 9는 제2 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
본 명세서 내에서, 동일 또는 유사한 부재에 대해, 동일한 부호를 붙이는 경우가 있다.
본 명세서 내에서, 기상 성장 장치가 성막 가능하게 설치된 상태에서의 중력 방향을 「하」라고 정의하고, 그 역방향을 「상」이라고 정의한다. 따라서, 「하부」라 함은, 기준에 대해 중력 방향의 위치, 「하방」이라 함은 기준에 대해 중력 방향을 의미한다. 그리고, 「상부」라 함은, 기준에 대해 중력 방향과 역방향의 위치, 「상방」이라 함은 기준에 대해 중력 방향과 역방향을 의미한다. 또한, 「종방향」이라 함은 중력 방향을 말한다.
또한, 본 명세서 내에서, 「프로세스 가스」라 함은, 기판 상에의 성막을 위해 사용되는 가스의 총칭이며, 예를 들어 소스 가스, 캐리어 가스, 희석 가스 등을 포함하는 개념으로 한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실 내에 설치되어 기판을 적재하는 환형 홀더이며, 환형의 외주부와, 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더와, 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 구비한다.
또한, 본 실시 형태의 환형 홀더는, 환형의 외주부와, 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면이다.
또한, 본 실시 형태의 기상 성장 방법은, 환형의 외주부와, 외주부의 상면보다 하방에 설치된 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더에, 표면이 {111}면인 실리콘 기판의 <1-10> 방향이, 대향하는 볼록 영역을 연결하는 방향 또는 대향하는 오목 영역을 연결하는 방향에 일치하도록 실리콘 기판을 적재하고, 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 사용하여 실리콘 기판을 가열하여, 실리콘 기판에 막을 형성한다.
도 1은, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다. 본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 예를 들어 MOCVD법(유기 금속 기상 성장법)을 사용하는 낱장형 에피택셜 성장 장치이다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 반응실(10), 제1 가스 공급로(11), 제2 가스 공급로(12), 제3 가스 공급로(13)를 구비하고 있다. 반응실(10)은, 환형 홀더(14), 회전체 유닛(16), 회전축(18), 회전 구동 기구(20), 샤워 플레이트(22), 인 히터(히터)(24), 아웃 히터(26), 리플렉터(28), 지지 기둥(34), 고정대(36), 고정축(38), 가스 배출구(40)를 구비하고 있다.
제1 가스 공급로(11), 제2 가스 공급로(12), 제3 가스 공급로(13)는, 반응실(10)에 프로세스 가스를 공급한다.
제1 가스 공급로(11)는, 예를 들어 반응실(10)에 III족 원소의 유기 금속과 캐리어 가스를 포함하는 제1 프로세스 가스를 공급한다. 제1 프로세스 가스는, 웨이퍼 상에 III-V족 반도체의 막을 성막할 때의, III족 원소를 포함하는 가스이다.
III족 원소는, 예를 들어 갈륨(Ga), Al(알루미늄), In(인듐) 등이다. 또한, 유기 금속은, 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸인듐(TMI) 등이다.
제2 가스 공급로(12)는, 예를 들어 반응실(10)에 암모니아(NH3)를 포함하는 제2 프로세스 가스를 공급한다. 제2 프로세스 가스는, 웨이퍼 상에 III-V족 반도체의 막을 성막할 때의, V족 원소, 질소(N)의 소스 가스이다.
제3 가스 공급로(13)는, 예를 들어 제1 프로세스 가스 및 제2 프로세스 가스를 희석하는 희석 가스를 반응실(10)에 공급한다. 희석 가스로 제1 프로세스 가스 및 제2 프로세스 가스를 희석함으로써, 반응실(10)에 공급되는 III족 원소 및 V족 원소의 농도를 조정한다. 희석 가스는, 예를 들어 수소 가스, 질소 가스, 또는 아르곤 가스 등의 불활성 가스 또는 이들의 혼합 가스이다.
반응실(10)은, 예를 들어 스테인리스제이며 원통형인 벽면(17)을 구비한다. 샤워 플레이트(22)는, 반응실(10)의 상부에 설치된다. 샤워 플레이트(22)에는, 복수의 가스 분출 구멍이 형성된다. 복수의 가스 분출 구멍으로부터 반응실(10) 내에 프로세스 가스가 공급된다.
환형 홀더(14)는, 반응실(10)의 내부에 설치된다. 환형 홀더(14)에는, 기판의 일례인 웨이퍼(W)가 적재 가능하다. 환형 홀더(14)에는, 중심부에 개구부가 형성된다.
환형 홀더(14)는, 예를 들어 탄화규소(SiC), 탄화탄탈(TaC), 질화붕소(BN), 열분해 흑연(PG) 등의 세라믹스, 또는 카본을 기재로 하여 형성된다. 환형 홀더(14)는, 예를 들어 SiC, BN, TaC, 또는 PG 등을 코팅한 카본을 사용할 수 있다.
환형 홀더(14)는, 회전체 유닛(16)의 상부에 고정된다. 회전체 유닛(16)은, 회전축(18)에 고정된다. 환형 홀더(14)는, 간접적으로 회전축(18)에 고정된다.
회전축(18)은, 회전 구동 기구(20)에 의해 회전 가능하다. 회전 구동 기구(20)에 의해, 회전축을 회전시킴으로써 환형 홀더(14)를 회전시키는 것이 가능하다. 환형 홀더(14)를 회전시킴으로써, 환형 홀더(14)에 적재된 웨이퍼(W)를 회전시키는 것이 가능하다.
예를 들어, 웨이퍼(W)를 50rpm 이상 3000rpm 이하의 회전수로 회전시킨다. 회전 구동 기구(20)는, 예를 들어 모터와 베어링으로 구성된다.
인 히터(24)와 아웃 히터(26)는, 환형 홀더(14)의 하방에 설치된다. 인 히터(24)와 아웃 히터(26)는 회전체 유닛(16) 내에 설치된다. 아웃 히터(26)는, 인 히터(24)와 환형 홀더(14) 사이에 설치된다.
인 히터(24)와 아웃 히터(26)는, 환형 홀더(14)에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 가열한다. 인 히터(24)는, 웨이퍼(W)의 적어도 중심부를 가열한다. 아웃 히터(26)는 웨이퍼(W)의 외주 영역을 가열한다. 인 히터(24)는, 예를 들어 원판형이다. 아웃 히터(26)는, 예를 들어 환형이다.
리플렉터(28)는, 인 히터(24)와 아웃 히터(26)의 하방에 설치된다. 리플렉터(28)와 환형 홀더(14) 사이에, 인 히터(24)와 아웃 히터(26)가 설치된다.
리플렉터(28)는, 인 히터(24)와 아웃 히터(26)로부터 하방으로 방사되는 열을 반사하여, 웨이퍼(W)의 가열 효율을 향상시킨다. 또한, 리플렉터(28)는, 리플렉터(28)보다 하방의 부재가 가열되는 것을 방지한다. 리플렉터(28)는, 예를 들어 원판형이다.
리플렉터(28)는, 내열성이 높은 재료로 형성된다. 리플렉터(28)는, 예를 들어 1100℃ 이상의 온도에 대한 내열성을 갖는다.
리플렉터(28)는, 예를 들어 SiC, TaC, 카본, BN, PG 등의 세라믹스, 또는 텅스텐 등의 금속을 기재로 하여 형성된다. 리플렉터(28)에 세라믹스를 사용하는 경우, 소결체나 기상 성장에 의해 제작한 기재를 사용할 수 있다. 리플렉터(28)는 또한, 카본의 기재 등에, SiC, TaC, BN, PG, 유리상 카본 등의 세라믹스를 코팅한 것을 사용해도 된다.
리플렉터(28)는, 예를 들어 복수의 지지 기둥(34)에 의해, 고정대(36)에 고정된다. 고정대(36)는, 예를 들어 고정축(38)에 의해 지지된다.
회전체 유닛(16) 내에는, 웨이퍼(W)를 환형 홀더(14)로부터 탈착시키기 위해, 밀어올림 핀(도시하지 않음)이 설치된다. 밀어올림 핀은, 예를 들어 리플렉터(28) 및 인 히터(24)를 관통한다.
가스 배출구(40)는, 반응실(10)의 저부에 설치된다. 가스 배출구(40)는, 웨이퍼(W) 표면에서 소스 가스가 반응한 후의 잉여의 반응 생성물 및 잉여의 프로세스 가스를 반응실(10)의 외부로 배출한다.
또한, 반응실(10)의 벽면(17)에는, 도시하지 않은 웨이퍼 출입구 및 게이트 밸브가 설치되어 있다. 웨이퍼 출입구 및 게이트 밸브에 의해, 웨이퍼(W)를 반응실(10) 내로 반입하거나, 반응실(10) 외부로 반출하거나 하는 것이 가능하다.
도 2, 도 3a, 도 3b는, 본 실시 형태의 환형 홀더의 모식도이다. 도 2는 사시도, 도 3a는 상면도, 도 3b는 도 3a의 AA' 단면도이다.
환형 홀더(14)는, 환형의 외주부(50)와, 환형의 내주부(52)를 갖는다. 내주부(52)는, 외주부(50)의 내측에 설치된다. 외주부(50)와 내주부(52)는, 예를 들어 일체 성형되어 있다.
내주부(52)는, 환형 홀더(14)의 스폿 페이싱이다. 내주부(52) 상, 또한 외주부(50)의 내측에 기판의 일례인 웨이퍼(W)가 보유 지지된다.
내주부(52)는, 기판 적재면(52a)과 홈(52b)을 갖는다. 기판 적재면(52a)은 환형이다. 기판 적재면(52a)은, 외주부(50)의 상면(50a)보다 하방에 위치한다. 기판 적재면(52a)에 웨이퍼(W)가 적재된다.
기판 적재면(52a)은, 주위 방향으로 볼록 영역(H)과 오목 영역(L)을 반복하는 6회 회전 대칭의 곡면이다. 주위 방향으로 볼록 영역(H)과 오목 영역(L)이 60도 주기로 반복된다. 즉, 기판 적재면(52a)을 주위 방향으로 60도 회전시키면, 회전 전의 기판 적재면(52a)의 형상과 동일한 형상이 된다. 주위 방향이라 함은, 도 2 및 도 3a에 있어서, 양방향 화살표로 나타내는 방향이다.
도 3a 중, 기판 적재면(52a) 상의 흰색 동그라미가 볼록 영역(H)의 최고부이고, 검은색 동그라미가 오목 영역(L)의 최저부이다. 기판 적재면(52a)의 최고부와 최저부의 높이의 차는, 예를 들어 10㎛ 이상 100㎛ 이하이다.
기판 적재면(52a)은, 예를 들어 정현파형이다.
본 명세서 내에서, 「곡면」이라 함은, 미세한 계단형의 면의 연속을 배제하지 않는다. 예를 들어, 계단형의 면의 단차가, 기판 적재면(52a)의 최고부와 최저부의 차의 10분의 1 이하인 경우는, 이 계단형의 면의 연속도 곡면으로 간주한다.
홈(52b)은, 기판 적재면(52a)과 외주부(50) 사이에 형성된다. 홈(52b)은, 환형이다.
외주부(50)의 상면(50a)에는, 예를 들어 기판 적재면(52a)의 최저부 중 하나에 대응하는 위치에, 매치 마크(55)가 형성된다. 매치 마크(55)는, 예를 들어 상면(50a)에 형성되는 선형의 홈이다. 또한 매치 마크는, 환형 홀더(14)의 외주부(50)의 측면으로부터 내주부(52)로 돌출되는 형상으로 해도 된다. 웨이퍼(W)에는 결정 방위를 나타내기 위해 노치나 오리엔테이션 플랫 등의 절결부를 형성하는 것이 통상이며, 상기한 매치 마크의 내주부에 돌출되는 형상을 이 절결부의 형상에 맞추어도 된다.
매치 마크(55)는, 예를 들어 환형 홀더(14)를, 회전체 유닛(16)에 설치할 때의 위치 정렬의 표식으로서 이용된다. 또한, 예를 들어 웨이퍼(W)를 환형 홀더(14)에 적재할 때의 위치 정렬의 표식으로서 이용된다. 기판 적재면(52a)의 요철은 눈으로 확인하는 것이 곤란하기 때문에, 매치 마크(55)를 형성하는 것이 유용하다.
또한, 매치 마크(55)는 복수 개소에 형성되어도 상관없다. 또한, 기판 적재면(52a)의 최고부에 대응하는 위치에 형성되어도 상관없다. 또한, 기판 적재면(52a)의 최저부 및 최고부의 양쪽에 대응하는 위치에 형성되어도 상관없다. 또한, 외주부(50)의 상면(50a) 이외의 위치에 형성되어도 상관없다.
다음으로, 본 실시 형태의 기상 성장 방법에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 기상 성장 방법은, 도 1에 도시한 에피택셜 성장 장치를 사용한다. 도 4는, 본 실시 형태의 기상 성장 방법의 설명도이다.
질화인듐갈륨막(InGaN막)과, 질화갈륨막(GaN막)이 교대로 복수 적층된 적층막을, 하지 GaN막 상에 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다. GaN막, InGaN막은, 질화물 반도체 막의 일례이다. 상기한 적층막은, 예를 들어 LED(Light Emitting Diode)의 발광층에 사용되는 MQW(Multi Quantum Well)층이다.
먼저, 웨이퍼(W)를, 반응실(10) 내에 반입한다. 웨이퍼(W)는, 표면이 {111}면인 실리콘 기판이다. 웨이퍼(W)의 면 방위의 오차는 3도 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2도 이하이다. 도 4의 예에서는 노치(N)를 포함하는 실리콘 기판의 직경 방향이, [1-10] 방향이다. 실리콘 기판의 두께는, 예를 들어 700㎛ 이상 1.2㎜ 이하이다. 또한, {111}면은, (111)면과 결정학적으로 등가인 면을 나타낸다. 또한 도 4는 기판의 결정 축의 방향을 나타내기 위해 노치를 형성한 예를 나타내고 있지만, 마찬가지의 목적을 위해 오리엔테이션 플랫 등을 형성하는 경우도 있다.
다음으로, 웨이퍼(W)를 환형 홀더(14)의 기판 적재면(52a)에 적재한다. 웨이퍼(W)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판의 <1-10> 방향이, 대향하는 오목 영역(L)을 연결하는 방향에 일치하도록 적재한다. 보다 정확하게는, 실리콘 기판의 <1-10> 방향이, 환형 홀더(14) 내에서 환형 홀더(14)의 중심을 사이에 두고 직경 방향으로 대향하는 오목 영역(L)의 최저부끼리를 연결하는 방향에 일치하도록 적재한다.
예를 들어, 웨이퍼(W)의 노치(N)를 매치 마크(55)에 맞춤으로써, 실리콘 기판의 [1-10] 방향이 대향하는 오목 영역(L)을 연결하는 방향에 일치하도록 적재된다. 또한, <1-10> 방향이라는 표기는, [1-10] 방향과 결정학적으로 등가인 방향을 나타낸다.
웨이퍼(W)의 노치(N)를 매치 마크(55)에 맞춤으로써, 대향하는 오목 영역(L)을 연결하는 방향인 3개의 방향 모두가, 실리콘 기판의 [1-10] 방향과 일치한다. 또한, 실리콘 기판의 [1-10] 방향은, 대향하는 오목 영역(L)을 연결하는 방향에 완전히 일치하고 있지 않아도, 통상 웨이퍼(W)를 환형 홀더(14)에 적재할 때에 발생할 수 있는 오차의 범위에서 실질적으로 일치하고 있으면 된다. 예를 들어, 각도로 환산하여 ±3도의 범위에서 일치하고 있으면 된다.
다음으로, 웨이퍼(W)를 회전 구동 기구(20)에 의해 회전시키면서, 환형 홀더(14)의 하방에 설치된 인 히터(24) 및 아웃 히터(26)에 의해 가열한다.
다음으로 웨이퍼 상에 TMA, TMG 및 암모니아를 사용하여, AlN(질화알루미늄) 및 AlGaN(질화알루미늄갈륨)의 버퍼층을 성막한 후, 하지 GaN막을 성장시킨다. 다음으로, 이 하지 GaN막 상에 InGaN막과 GaN막을 교대로 성막하여 MQW층을 형성한다.
InGaN막을 성막하는 경우, 반응실(10)에 제1 가스 공급로(11)로부터, 예를 들어 질소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMG와 TMI의 혼합 가스를 공급한다. 또한, 반응실(10)에, 제2 가스 공급로(12)로부터, 예를 들어 암모니아를 공급한다. 또한, 반응실(10)에, 제3 가스 공급로(13)로부터, 희석 가스로서, 예를 들어 질소 가스를 공급한다.
GaN막을 성막하는 경우, 반응실(10)에 제1 가스 공급로(11)로부터, 예를 들어 질소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMG를 공급한다. 또한, 반응실(10)에, 제2 가스 공급로(12)로부터, 예를 들어 암모니아를 공급한다. 또한, 반응실(10)에, 제3 가스 공급로(13)로부터, 희석 가스로서, 예를 들어 질소 가스를 공급한다.
MQW층을 형성한 후, 인 히터(24) 및 아웃 히터(26)에 의한 가열을 정지하고, 웨이퍼(W)의 온도를 낮춘다. 그 후, 웨이퍼를 반응실(10)로부터 반출한다.
다음으로, 본 실시 형태의 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
웨이퍼(W) 표면에 형성되는 에피택셜 단결정 막의 특성, 예를 들어 막 두께, 화학 조성, 결정성 등은, 웨이퍼(W)의 온도에 의존한다. 따라서, 웨이퍼(W) 면 내의 온도 변동이 커지면 막의 특성이 웨이퍼(W)의 면 내에서 변동된다. 따라서, 웨이퍼 면 내의 온도의 균일성을 향상시킬 것이 요망된다.
도 5, 도 6a, 도 6b 및 도 7은, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도이다.
도 5는, 비교 형태의 환형 홀더(15)의 사시도이다. 비교 형태의 환형 홀더(15)는, 기판 적재면(52a)이 곡면이 아닌 평면인 점에서, 본 실시 형태의 환형 홀더(14)와 상이하다. 비교 형태의 환형 홀더(15)는, 기판 적재면(52a)에 주위 방향으로 볼록 영역(H) 및 오목 영역(L)이 존재하지 않는 점에서, 본 실시 형태의 환형 홀더(14)와 상이하다.
도 6a, 도 6b는, 비교 형태의 환형 홀더(15)를 사용하여, 상기 기상 성장 방법과 마찬가지의 방법으로 MQW층을 형성한 경우의 결과를 나타내는 도면이다. 도 6a는 웨이퍼(W) 면 내의 특성 분포를 나타내는 도면, 도 6b는 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 특성 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6b의 횡축은 주위 방향의 위치, 종축은 MQW층의 발광 피크 파장 및 웨이퍼 높이이다. 실선이 발광 피크 파장, 점선이 웨이퍼 높이이다. 또한, 주위 방향이라 함은, 도 6a의 화살표로 표시된 방향이다. 웨이퍼 높이는, 웨이퍼(W)에 MQW를 포함하는 층을 성막한 후에 계측한 웨이퍼 표면의 높이이며, 웨이퍼 표면의 가장 낮은 위치를 기준으로 하여 나타나 있다.
발광 피크 파장은, 웨이퍼(W)에 여기 광을 조사하고, MQW층으로부터 방출되는 형광의 파장을 측정함으로써 구한다. 도 6b는, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 발광 피크 파장의 주위 방향의 의존성을 나타내고 있다.
MQW층의 발광 피크 파장은, 웨이퍼(W)의 온도에 의존한다. 예를 들어, MQW의 성막 시의 웨이퍼(W)의 온도가 높을수록 발광 피크 파장은 짧아진다. 또한, 예를 들어 MQW의 성막 시의 웨이퍼(W)의 온도가 낮을수록, 발광 피크 파장은 길어진다.
실제로 MQW를 포함하는 층을 성장시킨 웨이퍼(W)에 대해 외주부에서의 발광 피크 파장의 분포와 웨이퍼 높이의 분포 측정 결과를 나타낸 예가 도 6b이다. 도 6b에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(W)의 외주부에서의 발광 피크 파장은 주기적으로 변화되는 것을 알 수 있고, 또한 그 변화 모습은 웨이퍼(W)의 웨이퍼 높이와 일치하고 있다. 또한 도 6b에 나타낸 바와 같이, 각 영역은 60도 주기로 나타난다. 바꾸어 말하면, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 발광 피크 파장의 분포는, 6회 회전 대칭이다.
이 결과와, MQW의 성장 시의 웨이퍼의 온도와 발광 피크 파장의 관계를 감안하면, MQW의 성막 시에 도 6a에 나타낸 바와 같이 웨이퍼(W)의 외주 영역에, 발광 피크 파장이 짧은, 즉, MQW의 성막 시의 온도가 높았던 영역(도면 중, 단파장·고온)과, 발광 피크 파장이 긴, 즉, 성막 시의 온도가 낮았던 영역(도면 중, 장파장·저온)이 주위 방향으로 교대로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 성막 시의 온도가 높았던 영역의 웨이퍼(W) 높이는 낮고, 성막 시의 온도가 낮았던 영역의 웨이퍼(W) 높이는 높다. 성막 시의 온도가 높았던 영역은, 웨이퍼(W)의 외주부에서 웨이퍼의 중심으로부터 보아 실리콘 기판의 <1-10> 방향에 상당하는 영역이다.
또한, 웨이퍼(W)를 미리 30도 회전시켜 환형 홀더(15)에 적재해도, 성막 시의 온도가 높았던 영역은, 웨이퍼(W)의 실리콘 기판의 <1-10> 방향과 일치한다. 따라서, 환형 홀더(15)에 발생한 온도 분포가, 주기적인 온도 분포의 원인으로 되어 있는 것은 아니다.
상기 결과로부터, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 온도 분포가 발생하는 이유는 이하와 같이 생각된다. 즉, MQW층의 성막 중에, 웨이퍼(W)가 결정 방위에 의존하여 변형되고, 웨이퍼(W)의 외주 영역에 주위 방향의 주기적인 휨이 발생한다. 웨이퍼(W)가 휜 결과, 웨이퍼(W)의 높이가 낮은 영역은, 환형 홀더(15)의 기판 적재면(52a)에 웨이퍼(W) 이면이 접촉한다. 한편, 웨이퍼(W)의 높이가 높은 영역은, 환형 홀더(15)의 기판 적재면(52a)으로부터 웨이퍼(W) 이면이 이격되어 비접촉이 된다.
웨이퍼(W)는, 성막 중, 인 히터(24)와 아웃 히터(26)에 의해 이면측으로부터 가열된다. 웨이퍼(W)의 이면과 환형 홀더(15) 사이에서는, 기판 적재면(52a)을 통해 열전도가 일어난다.
이 때문에, 예를 들어 기판 적재면(52a)에 웨이퍼(W) 이면이 접촉하는 영역은 고온이 되고, 접촉하지 않는 영역은 저온이 된다. 본 실시 형태의 예에서는, 실리콘 기판의 <1-10> 방향의 웨이퍼(W)의 높이가 낮아져, 기판 적재면(52a)에 접촉하여 고온이 된다. 한편, <1-10> 방향으로부터 30도 어긋난 영역의 웨이퍼(W)의 높이가 높아져, 기판 적재면(52a)에 접촉하지 않게 되어 저온이 된다.
본 실시 형태의 환형 홀더(14)는, 도 2 및 도 3a에 도시한 바와 같이, 주위 방향으로 볼록 영역(H)과 오목 영역(L)이 60도 주기로 반복되는 기판 적재면(52a)을 구비한다. 실리콘 기판의 <1-10> 방향을, 오목 영역(L)에 맞춤으로써, 웨이퍼(W)의 휨에 의해 발생하는 웨이퍼(W) 이면의 요철 형상을, 기판 적재면(52a)의 요철에 맞추는 것이 가능해진다. 따라서, 웨이퍼(W)의 이면이, 균등하게 기판 적재면(52a)에 접하여, 웨이퍼(W)의 외주 영역에 결정 방위에 의존한 주기적인 온도 분포가 발생하는 것을 억제한다.
또한, 기판 적재면(52a)의 곡면의 형상을, 완전히 웨이퍼(W)의 이면 형상에 맞출 수 없어, 웨이퍼(W) 이면의 일부가 비접촉으로 되었다고 해도, 기판 적재면(52a)과 웨이퍼(W) 이면의 거리는, 비교 형태의 경우에 비하면 현저하게 가까워진다. 웨이퍼(W)의 온도는, 기판 적재면(52a)으로부터의 방사열에 의해서도 상승한다. 따라서, 웨이퍼(W) 이면의 일부가 비접촉이라도, 기판 적재면(52a)과의 거리가 가까워짐으로써, 웨이퍼(W)의 외주 영역에 결정 방위에 의존한 주기적인 온도 분포가 발생하는 것이 억제된다.
본 실시 형태의 환형 홀더(14)에 있어서, 기판 적재면(52a)의 최고부와 최저부의 차는, 10㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 20㎛ 이상 50㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위를 하회하면 웨이퍼(W)의 휨에 충분히 대응할 수 없을 우려가 있다. 상기 범위를 상회하는 웨이퍼(W)의 휨이 발생하면 웨이퍼(W)에 슬립이 발생할 우려가 있다.
도 7은, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(14)의 중심으로부터 어긋나 적재된 상태를 도시하는 상면도이다. 예를 들어, 웨이퍼(W)의 성막 중, 환형 홀더(14)는 웨이퍼(W)를 적재한 상태로 회전한다. 이때, 웨이퍼(W)에 가해지는 원심력에 의해, 환형 홀더(14)의 중심으로부터 웨이퍼(W)가 어긋나는 경우가 있다.
예를 들어, 환형 홀더에 홈(52b)이 형성되어 있지 않은 경우, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(14)의 중심으로부터 어긋나면, 웨이퍼(W) 이면의 외주의 환형 홀더와의 접촉 면적이 장소에 따라 달라지게 된다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 온도 변동이 발생하기 쉬워진다.
본 실시 형태의 환형 홀더(14)는, 기판 적재면(52a)과 외주부(50) 사이에 홈(52b)이 형성된다. 이 때문에, 웨이퍼(W) 이면은, 내주부(52)의 기판 적재면(52a)에서만 환형 홀더(14)와 접촉한다.
따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(14)의 중심으로부터 어긋나 적재된 경우라도, 웨이퍼(W) 이면의 외주와 환형 홀더(14)의 접촉 면적은 장소에 따라 변화되지 않는다. 따라서, 예를 들어 홈(52b)이 형성되지 않는 환형 홀더와 비교하여 웨이퍼(W)의 외주 영역의 온도 변동이 발생하기 어렵다.
이상, 본 실시 형태의 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법에 의하면, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 온도 변동을 저감함으로써, 웨이퍼의 온도의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 특성 변동이 작은 막을 성막하는 것이 가능해진다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태의 기상 성장 장치 및 환형 홀더는, 내주부에, 외주부의 내측으로 돌출된 복수의 섬 형상의 볼록부를 갖는 것 이외에는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 중복되는 내용에 대해서는, 기술을 생략한다.
도 8a, 도 8b는, 본 실시 형태의 환형 홀더의 모식도이다. 도 8a는 상면도, 도 8b는 도 8a의 BB' 단면도이다.
본 실시 형태의 환형 홀더(64)는, 내주부(52)에, 외주부(50)의 내측으로 돌출된 복수의 섬 형상의 볼록부(52c)를 갖는다. 예를 들어, 외주부(50)의 내주면의 8개소에 중심 방향으로 돌출된 섬 형상의 볼록부(52c)가 설치된다. 복수의 섬 형상의 볼록부(52c)는, 기판 적재면(52a)과 이격되어 있다.
도 9는, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 작용 및 효과의 설명도이다. 도 9는, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(64)의 중심으로부터 어긋나 적재된 상태를 도시하는 상면도이다.
기판 적재면(52a)의 요철은, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(64)의 중심에 일치하는 것을 전제로 형성된다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(64)의 중심으로부터 어긋나 적재되면, 웨이퍼(W)의 휨에 의해 발생한 웨이퍼(W) 이면의 요철 형상이, 기판 적재면(52a)의 요철에 맞지 않게 되어, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 온도 변동이 커질 우려가 있다.
예를 들어, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태의 환형 홀더(14)의 경우, 웨이퍼(W)의 중심과 환형 홀더(14)의 중심 사이에 큰 어긋남이 발생한다. 또한, 웨이퍼(W)의 단부와 외주부(50)가 넓은 범위에서 접촉 또는 근접하여, 예를 들어 외주부(50)로부터의 열전도에 의한 웨이퍼 단부의 온도 상승이 발생한다. 따라서, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 온도 변동이 더욱 커질 우려가 있다.
본 실시 형태의 환형 홀더(64)의 경우, 내주부(52)에, 외주부(50)의 내측으로 돌출된 복수의 섬 형상의 볼록부(52c)를 갖는다. 이 때문에, 도 9에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)의 중심이, 환형 홀더(64)의 중심으로부터 어긋나도, 섬 형상의 볼록부(52c)에 웨이퍼(W)의 단부가 접촉하여, 웨이퍼(W)의 중심과 환형 홀더(64)의 중심 사이의 어긋남을 작게 그치게 하는 것이 가능하다. 따라서, 웨이퍼(W)의 휨에 의해 발생한 웨이퍼(W) 이면의 요철 형상과, 기판 적재면(52a)의 요철의 어긋남도 작게 억제할 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)의 단부와 외주부(50)는, 섬 형상의 볼록부(52c)에서만 접촉한다. 따라서, 도 7에 나타낸 제1 실시 형태의 경우와 비교하여, 웨이퍼(W)의 단부와 외주부(50)의 접촉 면적이 작아진다. 따라서, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 온도 변동이 저감된다.
또한, 섬 형상의 볼록부(52c)의 수는, 반드시 8개로 한정되는 것은 아니고, 8개 미만이라도, 8개보다 많아도 상관없다. 단, 웨이퍼(W)가 환형 홀더(64)의 중심으로부터 어긋난 경우에, 웨이퍼(W)의 단부가 반드시 볼록부(52c)에 접하도록 하는 것이 바람직하다. 이 관점에서, 적어도, 섬 형상의 볼록부(52c)의 수는 3개 이상인 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치에 의하면, 제1 실시 형태보다 웨이퍼(W)의 외주 영역의 주위 방향의 온도 변동을 더욱 저감시키는 것이 가능해지고, 따라서 웨이퍼의 온도 균일성을 더욱 향상시키는 것이 가능해진다.
이상, 구체예를 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였다. 상기 실시 형태는 어디까지나 예로서 언급되어 있을 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 각 실시 형태의 구성 요소를 적절하게 조합해도 상관없다.
예를 들어, 실시 형태에서는, 내주부(52)에 환형의 홈(52b)을 형성하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 환형의 홈(52b)을 형성하지 않는 형태로 하는 것도 가능하다.
또한, 실시 형태에서는, 낱장형 기상 성장 장치를 예로 들어 설명하였지만, 환형 홀더를 사용하는 장치라면 낱장형에 한정되지 않고, 복수의 웨이퍼(W)에 동시에 성막하는 뱃치식 기상 성장 장치에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
또한, 실시 형태에서는, GaN막 상에 질화인듐갈륨막과, 질화갈륨막이 복수 적층된 적층막을 에피택셜 성장시키는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 예를 들어 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등, 그 밖의 III-V족의 질화물계 반도체의 단결정 막 등의 성막에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, GaAs 등의 III-V족의 반도체에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명은 그 밖의 막의 성막에도 적용하는 것이 가능하다.
또한, 실시 형태에서는, 프로세스 가스가 샤워 플레이트 내에서 혼합되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 프로세스 가스가 샤워 플레이트에 들어가기 전에 혼합되는 구성이어도 상관없다. 또한, 프로세스 가스가 샤워 플레이트로부터 반응실 내에 분출될 때까지 분리된 상태로 되는 구성이어도 상관없다.
또한, 환형 홀더(14, 64)의 외주부(50)와 내주부(52)가 일체 성형되어 있는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 환형 홀더(14, 64)는, 내주부(52) 또는 그 일부가 분리 가능한 구조여도 상관없다. 내주부(52) 또는 그 일부를 분리 가능하게 함으로써, 예를 들어 다양한 형상의 환형 홀더가 적용 가능해져, 웨이퍼(W)의 외주 영역의 온도 분포의 미세 조정이 용이해진다. 또한, 환형 홀더(14, 64)는, 원반형의 홀더와 조합하여 사용되어도 되고, 또한 원반형 홀더와 일체여도 된다.
또한, 실시 형태에서는, 히터로서, 인 히터(24)와 아웃 히터(26)의 2종을 구비하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 히터는 1종 뿐이어도 상관없다. 또한, 히터는 3종 이상 있어도 상관없다.
이상 설명해 온 실시 형태에 따라서 웨이퍼(W) 상에 성막을 행하여, 주위 방향의 특성을 평가한 후, 오목부와 볼록부의 고저 차를 더욱 미세 조정함으로써, 주위 방향의 특성의 균일성을 더욱 높일 수 있는 경우가 있고, 이러한 경우에는 당해 미세 조정을 행하는 것이 바람직하다.
실시 형태에서는, 장치 구성이나 제조 방법 등, 본 발명의 설명에 직접 필요로 하지 않는 부분 등에 대해서는 기재를 생략하였지만, 필요한 장치 구성이나 제조 방법 등을 적절하게 선택하여 사용할 수 있다. 그 밖에, 본 발명의 요소를 구비하고, 당업자가 적절하게 설계 변경할 수 있는 모든 기상 성장 장치, 환형 홀더 및 기상 성장 방법은, 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 범위는, 청구범위 및 그 균등물의 범위에 의해 정의되는 것이다.

Claims (6)

  1. 반응실과,
    상기 반응실 내에 설치되어 기판을 적재하는 환형 홀더이며, 환형의 외주부와, 상기 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더와,
    상기 환형 홀더의 하방에 설치된 히터
    를 구비하는, 기상 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내주부가, 상기 기판 적재면과 상기 외주부 사이에 환형의 홈을 갖는, 기상 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내주부가, 상기 외주부의 내측으로 돌출된 복수의 볼록부를 갖는, 기상 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 표면이 {111}면인 실리콘 기판이며,
    상기 환형 홀더는 상기 실리콘 기판의 <1-10>방향이, 대향하는 상기 볼록 영역을 연결하는 방향 또는 대향하는 상기 오목 영역을 연결하는 방향에 일치하도록 상기 실리콘 기판을 적재하는, 기상 성장 장치.
  5. 환형의 외주부와, 상면이 상기 외주부의 상면보다 하방에 위치하는 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인, 환형 홀더.
  6. 환형의 외주부와, 상기 외주부의 상면보다 하방에 설치된 기판 적재면을 갖는 환형의 내주부를 갖고, 상기 기판 적재면이 주위 방향으로 볼록 영역과 오목 영역이 반복되는 6회 회전 대칭의 곡면인 환형 홀더에, 표면이 {111}면인 실리콘 기판의 <1-10> 방향이, 대향하는 상기 볼록 영역을 연결하는 방향 또는 대향하는 상기 오목 영역을 연결하는 방향에 일치하도록 상기 실리콘 기판을 적재하고,
    상기 환형 홀더의 하방에 설치된 히터를 사용하여 상기 실리콘 기판을 가열하여,
    상기 실리콘 기판에 막을 형성하는, 기상 성장 방법.
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