KR20140098000A - 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

실시형태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실의 상부에 배치되고, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로와, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로를 갖고, 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비한다.

Description

기상 성장 장치 및 기상 성장 방법{VAPOR PHASE GROWING APPARATUS AND VAPOR PHASE GROWING METHOD}
본 발명은, 가스를 공급하여 성막을 실시하는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법에 관한 것이다.
고품질로 두꺼운 반도체막을 성막하는 방법으로서, 웨이퍼 등의 기판에 기상 성장에 의해 단결정막을 성장시키는 에피택셜 성장 기술이 있다. 에피택셜 성장 기술을 사용하는 기상 성장 장치에서는, 상압 또는 감압으로 유지된 반응실 내의 지지부에 웨이퍼를 재치한다. 그리고, 이 웨이퍼를 가열하면서, 성막의 원료가 되는 소스 가스 등의 프로세스 가스를, 반응실 상부의, 예를 들어, 샤워 헤드로부터 웨이퍼 표면에 공급한다. 웨이퍼 표면에서는 소스 가스의 열 반응 등이 발생하여, 웨이퍼 표면에 에피택셜 단결정막이 성막된다.
최근, 발광 디바이스나 파워 디바이스의 재료로서, GaN (질화갈륨) 계의 반도체 디바이스가 주목받고 있다. GaN 계의 반도체를 성막하는 에피택셜 성장 기술로서, 유기 금속 기상 성장법 (MOCVD 법) 이 있다. 유기 금속 기상 성장법에서는, 소스 가스로서, 예를 들어, 트리메틸갈륨 (TMG), 트리메틸인듐 (TMI), 트리메틸알루미늄 (TMA) 등의 유기 금속이나, 암모니아 (NH3) 등이 사용된다. 또, 소스 가스 간의 반응을 억제하기 위해 분리 가스로서 수소 (H2) 등이 사용되는 경우도 있다.
에피택셜 성장 기술, 특히 MOCVD 법에서는, 웨이퍼 표면에서의 균일한 성막을 실시하기 위해, 소스 가스나 분리 가스 등을 적절히 혼합시켜, 웨이퍼 표면에 균일한 정류 상태로 공급하는 것이 중요해진다. JP-A2001-81569호에는, 상이한 가스를 적절히 혼합시키기 위해, 반응실에 소스 가스를 도입할 때까지 상이한 가스 확산실에 분리해 두는 구성이 기재되어 있다.
본 발명은, 프로세스 가스의 흐름을 균일하고 또한 안정적으로 하여, 기판에 균일한 막을 형성할 수 있는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 상기 반응실의 상부에 배치되고, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 상기 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로와, 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 상기 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로를 갖고, 상기 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태의 기상 성장 방법은, 반응실과, 상기 반응실의 상부에 배치되고, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 상기 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로와, 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 상기 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로를 갖고, 상기 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치를 사용한 기상 성장 방법으로서, 상기 지지부에 기판을 재치하고, 상기 기판을 가열하고, 상기 제 1 및 제 2 가스 분출공으로부터 프로세스 가스를 분출시켜, 상기 기판 표면에 반도체막을 성막하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 제 1 실시형태의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다.
도 2 는 제 1 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다.
도 3 은 도 2 의 샤워 플레이트의 AA 단면도이다.
도 4a, 4b, 4c 는 도 2 의 샤워 플레이트의 BB, CC, DD 단면도이다.
도 5 는 제 2 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다.
도 6 은 도 5 의 샤워 플레이트의 EE 단면도이다.
도 7 은 제 3 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다.
도 8 은 도 7 의 샤워 플레이트의 EE 단면도이다.
도 9 는 제 3 실시형태의 샤워 플레이트의 효과를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
또한, 본 명세서 중에서는, 기상 성장 장치가 성막 가능하게 설치된 상태에서의 중력 방향을「아래」로 정의하고, 그 역방향을「위」로 정의한다. 따라서,「하부」란, 기준에 대하여 중력 방향의 위치,「하방」이란, 기준에 대하여 중력 방향을 의미한다. 그리고,「상부」란, 기준에 대하여 중력 방향과 역방향의 위치,「상방」이란, 기준에 대하여 중력 방향과 역방향을 의미한다. 또한,「종방향」이란 중력 방향이다.
또, 본 명세서 중,「수평면」이란, 중력 방향에 대하여 수직인 면을 의미하는 것으로 한다.
또, 본 명세서 중,「프로세스 가스」란, 기판 상으로의 성막을 위해 사용되는 가스의 총칭이며, 예를 들어, 소스 가스, 캐리어 가스, 분리 가스 등을 포함하는 개념으로 한다.
(제 1 실시형태)
본 실시형태의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실의 상부에 배치되고, 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 기상 성장 장치이다. 그리고, 샤워 플레이트가, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로를 구비한다. 또, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 유로를 구비한다.
본 실시형태의 기상 성장 장치는, 상기 구성을 구비함으로써, 프로세스 가스를 반응실에 분출하는 가스 분출공의 간격을 좁혀, 가스 분출공의 배치 밀도를 크게 할 수 있다. 동시에, 가스 분출공에 프로세스 가스가 도달할 때까지의 가스 유로의 유체 저항을 작게 함으로써, 가스 분출공으로부터 분출되는 가스의 유량 분포를 균일화할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 기상 성장 장치에 의하면, 기판 상에 막두께나 막질 등의 균일성이 우수한 막을 성장시키는 것이 가능해진다.
이하, MOCVD 법 (유기 금속 기상 성장법) 을 사용하여 GaN (질화갈륨) 을 에피택셜 성장시키는 경우를 예로 설명한다.
도 1 은 본 실시형태의 기상 성장 장치의 모식 단면도이다. 본 실시형태의 기상 성장 장치는, 매엽형의 에피택셜 성장 장치이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 에피택셜 성장 장치는, 예를 들어 스테인리스제로 원통상 중공체의 반응실 (10) 을 구비하고 있다. 그리고, 이 반응실 (10) 상부에 배치되고, 반응실 (10) 내에, 프로세스 가스를 공급하는 샤워 플레이트 (또는 인젝터 헤드) (100) 를 구비하고 있다.
또, 반응실 (10) 내의 샤워 플레이트 (100) 하방에 형성되고, 반도체 웨이퍼 (기판) (W) 를 재치할 수 있는 지지부 (12) 를 구비하고 있다. 지지부 (12) 는, 예를 들어, 중심부에 개구부가 형성되는 고리형 홀더, 또는 반도체 웨이퍼 (W) 이면의 거의 전체면에 접하는 구조의 서셉터이다.
또, 지지부 (12) 를 그 상면에 배치하고 회전하는 회전체 유닛 (14), 지지부 (12) 에 재치된 웨이퍼 (W) 를 복사열에 의해 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 그 중심을 회전 중심으로 하여, 예를 들어, 300 rpm ∼ 1000 rpm 의 고속 회전시키는 것이 가능하게 되어 있다.
원통상의 회전체 유닛 (14) 의 직경은, 지지부 (12) 의 외주 직경과 거의 동일하게 되어 있는 것이 바람직하다. 또, 원통상의 회전축 (18) 은 중공의 회전체 유닛 (14) 내를 배기하기 위한 진공 펌프 (도시 생략) 에 접속된다. 진공 펌프의 흡인에 의해, 반도체 웨이퍼 (W) 가 지지부 (12) 에 진공 흡착되는 구성으로 되어 있어도 된다. 또한, 회전축 (18) 은, 반응실 (10) 의 저부에 진공 시일 부재를 통하여 자유롭게 회전할 수 있도록 형성되어 있다.
그리고, 가열부 (16) 는, 회전축 (18) 의 내부에 관통되는 지지축 (22) 에 고정되는 지지대 (24) 상에 고정되어 형성된다. 이 지지대 (24) 에는 반도체 웨이퍼 (W) 를 고리형 홀더 (18) 로부터 탈착시키기 위한, 예를 들어 이젝터 핀 (도시 생략) 이 형성되어 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 (도시 생략) 에 접속되어 있다.
그리고, 본 실시형태의 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.
예를 들어, MOCVD 법에 의해, GaN 의 단결정막을 반도체 웨이퍼 (W) 에 성막하는 경우, 예를 들어, 제 1 프로세스 가스로서, 수소 (H2) 를 분리 가스로서 공급한다. 또, 예를 들어, 제 2 프로세스 가스로서 질소 (N) 의 소스 가스가 되는 암모니아 (NH3) 를 공급한다. 또, 예를 들어, 제 3 프로세스 가스로서 Ga (갈륨) 의 소스 가스인 유기 금속의 트리메틸갈륨 (TMG) 을 캐리어 가스인 수소 (H2) 로 희석시킨 가스를 공급한다.
여기서, 제 1 프로세스 가스인 분리 가스란, 제 1 가스 분출공 (111) 으로부터 분출시킴으로써, 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터 분출되는 제 2 프로세스 가스 (여기서는 암모니아) 와, 제 3 가스 분출공 (113) 으로부터 분출되는 제 3 프로세스 가스 (여기서는 TMG) 를 분리하는 가스이다. 예를 들어, 제 2 프로세스 가스 및 제 3 프로세스 가스와 반응성이 부족한 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 1 에 나타낸 매엽형 에피택셜 성장 장치에서는, 반응실 (10) 의 측벽 지점에 있어서, 반도체 웨이퍼를 출납하기 위한 도시되지 않은 웨이퍼 출입구 및 게이트 밸브가 형성되어 있다. 그리고, 이 게이트 밸브로 연결되는 예를 들어 로드 로크실 (도시 생략) 과 반응실 (10) 사이에 있어서, 핸들링 아암에 의해 반도체 웨이퍼 (W) 를 반송할 수 있도록 구성된다. 여기서, 예를 들어 합성 석영으로 형성되는 핸들링 아암은, 샤워 플레이트 (100) 와 웨이퍼 지지부 (12) 의 스페이스에 삽입 가능하게 되어 있다.
이하, 본 실시형태의 샤워 플레이트 (100) 에 대해 상세하게 설명한다. 도 2 는 본 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다. 도 3 은 도 2 의 AA 단면도, 도 4a, 4b, 4c 는 도 2 의 BB 단면도, CC 단면도, DD 단면도이다.
샤워 플레이트 (100) 는, 예를 들어, 소정 두께의 판상의 형상이다. 샤워 플레이트 (100) 는, 예를 들어, 스테인리스강이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 형성된다.
샤워 플레이트 (100) 의 내부에는, 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101), 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102), 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 가 형성되어 있다. 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 는, 제 1 수평면 (P1) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 는, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 (P2) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 는, 제 1 수평면보다 상방, 제 2 수평면보다 하방의 제 3 수평면 (P3) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다.
그리고, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 1 가스 분출공 (111) 을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로 (121) 를 구비한다. 또, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 2 가스 분출공 (112) 을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로 (122) 를 구비한다. 제 2 종방향 가스 유로 (122) 는, 2 개의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 사이를 통과하고 있다. 또한, 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 3 가스 분출공 (113) 을 갖는 복수의 제 3 종방향 가스 유로 (123) 를 구비한다. 제 3 종방향 가스 유로 (123) 는, 2 개의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 사이를 통과하고 있다.
제 1 횡방향 가스 유로 (101), 제 2 횡방향 가스 유로 (102), 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 는, 판상의 샤워 플레이트 (100) 내에 수평 방향으로 형성된 횡공 (橫孔) 이다. 또, 제 1 종방향 가스 유로 (121), 제 2 종방향 가스 유로 (122), 제 3 종방향 가스 유로 (123) 는, 판상의 샤워 플레이트 (100) 내에 중력 방향 (종방향 또는 수직 방향) 으로 형성된 종공 (縱孔) 이다.
제 1, 제 2 및 제 3 횡방향 가스 유로 (101, 102, 103) 의 내경은, 각각 대응하는 제 1, 제 2 및 제 3 종방향 가스 유로 (121, 122, 123) 의 내경보다 크게 되어 있다. 도 3, 4a, 4b, 4c 에서는, 제 1, 제 2 및 제 3 횡방향 가스 유로 (101, 102, 103), 제 1, 제 2 및 제 3 종방향 가스 유로 (121, 122, 123) 의 단면 형상은 원형으로 되어 있지만, 원형에 한정되지 않고, 타원형, 사각형, 다각형 등 그 밖의 형상이어도 상관없다.
샤워 플레이트 (100) 는, 제 1 가스 공급로 (31) 에 접속되고, 제 1 수평면 (P1) 보다 상방에 형성되는 제 1 매니폴드 (131) 와, 제 1 매니폴드 (131) 와 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 를 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 의 단부 (端部) 에서 접속시키고 종방향으로 연신되는 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 통하여 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 에 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 1 프로세스 가스는, 복수의 제 1 종방향 가스 유로 (121) 의 제 1 가스 분출공 (111) 으로부터 반응실 (10) 에 도입된다.
제 1 매니폴드 (131) 는, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 에 직교하는 방향으로 연신되고, 예를 들어, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시형태에서는, 제 1 매니폴드 (131) 는 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 의 양단부에 형성되지만, 어느 일방의 단부에 형성되는 것이어도 상관없다.
또, 샤워 플레이트 (100) 는, 제 2 가스 공급로 (32) 에 접속되고, 제 1 수평면 (P1) 보다 상방에 형성되는 제 2 매니폴드 (132) 와, 제 2 매니폴드 (132) 와 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 를 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 단부에서 접속시키고 종방향으로 연신되는 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 통하여 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 2 프로세스 가스는, 복수의 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터 반응실 (10) 에 도입된다.
제 2 매니폴드 (132) 는, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 직교하는 방향으로 연신되고, 예를 들어, 중공의 직방체 형상을 구비한다. 본 실시형태에서는, 제 2 매니폴드 (132) 는 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 양단부에 형성되지만, 어느 일방의 단부에 형성되는 것이어도 상관없다.
또한, 샤워 플레이트 (100) 는, 제 3 가스 공급로 (33) 에 접속되고, 제 1 수평면 (P1) 보다 상방에 형성되는 제 3 매니폴드 (133) 와, 제 3 매니폴드 (133) 와 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 를 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 의 단부에서 접속시키고 수직 방향으로 연신되는 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 통하여 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 에 분배하는 기능을 구비한다. 분배된 제 3 프로세스 가스는, 복수의 제 3 종방향 가스 유로 (123) 의 제 3 가스 분출공 (113) 으로부터 반응실 (10) 에 도입된다.
일반적으로 샤워 플레이트에 프로세스 가스의 공급구로서 형성되는 가스 분출공으로부터 반응실 (10) 내에 분출되는 프로세스 가스의 유량은, 성막의 균일성을 확보하는 관점에서, 각 가스 분출공 사이에서 균일한 것이 바람직하다. 본 실시형태의 샤워 헤드 (100) 에 의하면, 프로세스 가스를 복수의 횡방향 가스 유로에 분배하고, 또한 종방향 가스 유로에 분배하여 가스 분출공으로부터 분출시킨다. 이 구성에 의해, 간편한 구조로 각 가스 분출공 사이로부터 분출되는 프로세스 가스 유량의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 균일한 성막을 실시하는 관점에서 배치되는 가스 분출공의 배치 밀도는 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 그렇다고는 하지만, 본 실시형태와 같이, 서로 평행한 복수의 횡방향 가스 유로를 형성하는 구성에서는, 가스 분출공의 밀도를 크게 하려고 하면, 가스 분출공의 배치 밀도와 횡방향 가스 유로의 내경 사이에 트레이드 오프가 발생한다.
이 때문에, 횡방향 가스 유로의 내경이 작아짐으로써 횡방향 가스 유로의 유체 저항이 상승하고, 횡방향 가스 유로의 신장 방향에 대해, 가스 분출공으로부터 분출되는 프로세스 가스 유량의 유량 분포가 커져, 각 가스 분출공 사이로부터 분출되는 프로세스 가스 유량의 균일성이 악화될 우려가 있다.
본 실시형태에 의하면, 제 1 횡방향 가스 유로 (101), 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 및 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 를 상이한 수평면에 형성한 계층 구조로 한다. 이 구조에 의해, 횡방향 가스 유로의 내경 확대에 대한 마진이 향상된다. 따라서, 가스 분출공의 밀도를 높이면서, 횡방향 가스 유로의 내경에서 기인하는 유량 분포 확대를 억제한다. 따라서, 결과적으로, 반응실 (10) 내에 분출되는 프로세스 가스의 유량 분포를 균일화하여, 성막의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 실시형태의 기상 성장 방법에 대해, GaN 을 에피택셜 성장시키는 경우를 예로 설명한다.
본 실시형태의 기상 성장 방법은, 도 1 에 나타낸 매엽형 에피택셜 성장 장치를 사용하여 실시한다.
먼저, 반응실 (10) 내의 지지부 (12) 에 반도체 웨이퍼 (W) 를 재치한다. 여기서, 예를 들어, 반응실 (10) 의 웨이퍼 출입구의 게이트 밸브 (도시 생략) 를 열고 핸들링 아암에 의해 로드 로크실 내의 반도체 웨이퍼 (W) 를 반응실 (10) 내로 반송한다. 그리고, 반도체 웨이퍼 (W) 는 예를 들어 이젝터 핀 (도시 생략) 을 통하여 지지부 (12) 에 재치되고, 핸들링 아암은 로드 로크실로 되돌려지고, 게이트 밸브는 닫힌다.
그리고, 도시되지 않은 진공 펌프를 작동하여 반응실 (10) 내의 가스를 가스 배출부 (26) 로부터 배기시켜 소정의 진공도로 한다. 여기서, 지지부 (12) 에 재치된 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.
그리고, 상기 진공 펌프에 의한 배기를 속행함과 함께, 회전체 유닛 (14) 을 소요 (所要) 의 속도로 회전시키면서, 제 1 내지 제 3 가스 분출공 (111, 112, 113) 으로부터 소정의 제 1 내지 제 3 프로세스 가스를 분출한다. 제 1 프로세스 가스는, 제 1 가스 공급로 (31) 로부터 제 1 매뉴폴드 (131), 제 1 접속 유로 (141), 제 1 수평 가스 유로 (101), 제 1 종방향 가스 유로 (121) 를 경유하여 제 1 가스 분출공 (111) 으로부터 반응실 (10) 내로 분출된다. 또, 제 2 프로세스 가스는, 제 2 가스 공급로 (32) 로부터 제 2 매뉴폴드 (132), 제 2 접속 유로 (142), 제 2 수평 가스 유로 (102), 제 2 종방향 가스 유로 (122) 를 경유하여 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터 반응실 (10) 내로 분출된다. 또, 제 3 프로세스 가스는, 제 3 가스 공급로 (33) 로부터 제 3 매뉴폴드 (133), 제 3 접속 유로 (143), 제 3 수평 가스 유로 (103), 제 3 종방향 가스 유로 (123) 를 경유하여 제 3 가스 분출공 (113) 으로부터 반응실 (10) 내로 분출된다.
반도체 웨이퍼 (W) 상에 GaN 을 성장시키는 경우, 예를 들어, 제 1 프로세스 가스는 분리 가스인 수소이고, 제 2 프로세스 가스는 질소의 소스 가스인 암모니아이고, 제 3 프로세스 가스는 캐리어 가스인 수소로 희석된 갈륨의 소스 가스인 TMG 이다.
제 1 내지 제 3 가스 분출공 (111, 112, 113) 으로부터 분출된 제 1 내지 제 3 프로세스 가스는 적당히 혼합되어 반도체 웨이퍼 (W) 상에 정류 상태로 공급된다. 이로써, 반도체 웨이퍼 (W) 표면에, 예를 들어, GaN (갈륨나이트라이드) 의 단결정막이 에피택셜 성장에 의해 형성된다.
그리고, 에피택셜 성장 종료시에는, 제 1 내지 제 3 가스 분출공 (111, 112, 113) 으로부터의 제 1 내지 제 3 프로세스 가스의 분출을 정지시켜, 반도체 웨이퍼 (W) 상으로의 프로세스 가스의 공급이 차단되고, 단결정막의 성장이 종료된다.
성막 후에는, 반도체 웨이퍼 (W) 의 강온을 개시한다. 여기서, 예를 들어, 회전체 유닛 (14) 의 회전을 정지시키고, 단결정막이 형성된 반도체 웨이퍼 (W) 를 지지부 (12) 에 재치한 상태로 하여, 가열부 (16) 의 가열 출력을 처음으로 되돌리고, 예비 가열의 온도로 저하되도록 조정한다.
다음으로, 반도체 웨이퍼 (W) 가 소정의 온도로 안정된 후, 예를 들어 이젝터 핀에 의해 반도체 웨이퍼 (W) 를 지지부 (12) 로부터 탈착시킨다. 그리고, 다시 게이트 밸브를 열어 핸들링 아암을 샤워 헤드 (100) 및 지지부 (12) 의 사이에 삽입하고, 그 위에 반도체 웨이퍼 (W) 를 얹는다. 그리고, 반도체 웨이퍼 (W) 를 얹은 핸들링 아암을 로드 로크실로 되돌린다.
이상과 같이 하여, 1 회의 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 성막이 종료되고, 예를 들어, 계속해서 다른 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 성막을 상기 서술한 것과 동일한 프로세스 시퀀스에 따라 실시할 수도 있다.
본 실시형태의 기상 성장 방법에서는, 도 1 에 나타낸 에피택셜 성장 장치를 사용함으로써, 프로세스 가스의 흐름을 균일하고 또한 안정적으로 하여, 기판에 막두께나 막질 등의 균일성이 우수한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
(제 2 실시형태)
본 실시형태의 기상 성장 장치는, 샤워 헤드의 제 2 종방향 가스 유로의 내경이 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 크고, 또한 인접하는 제 2 종방향 가스 유로의 간격이 인접하는 제 1 종방향 가스 유로의 간격보다 작은 점, 및 제 2 횡방향 가스 유로의 내경이 제 1 횡방향 가스 유로의 내경보다 큰 점에서, 제 1 실시형태와 상이하다. 그리고, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 1 프로세스 가스보다 동점도가 작은 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로를 구비한다. 그리고, 제 1 횡방향 가스 유로에 제 1 가스 공급로가 접속되고, 제 2 횡방향 가스 유로에 제 2 가스 공급로가 접속된다. 이하, 제 1 실시형태와 중복되는 내용에 대해서는, 일부 기술 (記述) 을 생략한다.
본 실시형태에 의하면, 동점도가 작은 프로세스 가스의 분출시의 유속을 억제함으로써, 인접하는 가스 분출공으로부터 분출되는 동점도가 높은 프로세스 가스의 휩쓸림을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 프로세스 가스의 정류성이 향상되어, 막두께나 막질 등의 균일성이 높은 성막을 실현하는 것이 가능해진다.
도 5 는 본 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다. 도 6 은 도 5 의 EE 단면도이다.
제 1 실시형태와 동일하게, 샤워 플레이트 (200) 의 내부에는, 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101), 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102), 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 가 형성되어 있다. 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 는, 제 1 수평면 (P1) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 는, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 (P2) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 는, 제 1 수평면보다 상방, 제 2 수평면보다 하방의 제 3 수평면 (P3) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다.
그리고, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 1 가스 분출공 (111) 을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로 (121) 를 구비한다. 또, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 2 가스 분출공 (112) 을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로 (122) 를 구비한다. 제 2 종방향 가스 유로 (122) 는, 제 1 횡방향 가스 유로 (121) 사이를 통과하고 있다. 또한, 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 3 가스 분출공 (113) 을 갖는 복수의 제 3 종방향 가스 유로 (123) 를 구비한다. 제 3 종방향 가스 유로 (123) 는, 제 1 횡방향 가스 유로 (121) 사이를 통과하고 있다.
여기서, 제 2 종방향 가스 유로 (102) 의 내경이, 제 1 종방향 가스 유로 (101) 의 내경보다 크게 되어 있다. 또한, 제 3 종방향 가스 유로 (103) 의 내경은, 예를 들어, 제 1 종방향 가스 유로 (101) 의 내경과 동일하다. 그리고, 제 1 종방향 가스 유로 (101) 의 내경과 제 1 가스 분출공 (111) 의 직경, 제 2 종방향 가스 유로 (102) 의 내경과 제 2 가스 분출공 (112) 의 직경, 제 3 종방향 가스 유로 (103) 의 내경과 제 3 가스 분출공 (113) 의 직경은 각각 동등해지도록 형성되어 있다.
또, 인접하는 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 중심 간의 간격이, 인접하는 제 1 종방향 가스 유로 (121) 의 중심 간의 간격보다 작다. 바꿔 말하면, 제 2 가스 분출공 (112) 의 중심 간의 간격은, 제 1 가스 분출공 (111) 의 중심 간의 간격보다 좁다. 여기서, 인접하는 제 3 종방향 가스 유로 (123) 의 중심 간의 간격은, 예를 들어, 인접하는 제 1 종방향 가스 유로 (121) 의 중심 간의 간격과 동등하다. 즉, 제 3 가스 분출공 (113) 의 중심 간의 간격은, 제 1 가스 분출공의 중심 간의 간격과 동등하다.
또한, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 내경이, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 내경보다 크다.
그리고, 본 실시형태의 에피택셜 성장 장치는, 도 1 에 나타내는 제 1 실시형태의 에피택셜 성장 장치와 동일하게, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로 (31) 와, 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로 (32) 와, 제 3 프로세스 가스를 공급하는 제 3 가스 공급로 (33) 를 구비한다.
제 2 프로세스 가스의 동점도는, 제 1 프로세스 가스보다 작다. 또, 제 3 프로세스 가스의 동점도는, 예를 들어, 제 1 프로세스 가스의 동점도와 동등하다. 즉, 제 3 프로세스 가스의 동점도는, 제 2 프로세스 가스의 동점도보다 크다.
여기서, 동점도 (υ) 란, 유체의 절대 점도 (μ) 를 밀도 (ρ) 로 나눈 값으로,
υ ＝ μ/ρ
로 나타낸다. 동점도는 정성적으로는 유체 그 자체의 움직이기 어려운 정도를 나타내는 지표가 되며, 동점도가 작은 쪽이 유체가 움직이기 쉬워진다.
MOCVD 법에 의해, GaN 의 단결정막을 반도체 웨이퍼 (W) 에 성막하는 경우, 예를 들어, 제 1 프로세스 가스로서, 수소 (H2) 를 분리 가스로서 공급한다. 또, 예를 들어, 제 2 프로세스 가스로서, 질소 (N) 의 소스 가스가 되는 암모니아 (NH3) 를 공급한다. 또, 예를 들어, 제 3 프로세스 가스로서, Ga (갈륨) 의 소스 가스로서 트리메틸갈륨 (TMG) 을 캐리어 가스인 수소 (H2) 로 희석시킨 가스를 공급한다.
이 경우, 제 2 프로세스 가스인 암모니아 (NH3) 는, 제 1 프로세스 가스인 수소 (H2) 보다 동점도가 작다.
GaN 의 성막시에는, 제 2 프로세스 가스인 암모니아 (NH3) 는 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터 분출되고, 제 1 프로세스 가스인 수소 (H2) 는 인접하는 제 1 가스 분출공 (111) 으로부터 분출되게 된다. 이 때, 수소보다 동점도가 작은 암모니아의 분출 속도가 동점도가 큰 수소의 분출 속도보다 빨라짐으로써 암모니아의 동압이 커지고, 수소가 끌어당겨짐으로써 난류가 발생하여, 프로세스 가스의 흐름이 악화될 우려가 있다.
여기서, 전체압 (P0), 정압 (P), 유체의 속도 (v), 유체의 밀도 (ρ) 와의 사이에는 이하의 관계가 성립한다.
P ＋ 0.5ρv2 ＝ P0
여기서, 0.5ρv 가 동압이다. 유체의 속도 v 가 높아질수록 동압이 커지고, 정압 (P) 이 저하되는, 이른바 벤츄리 효과가 발생한다. 예를 들어, 암모니아의 유속이 분리 가스인 수소의 유속보다 크면, 암모니아를 분출하는 가스 분출공 근방의 정압이 낮아지고, 수소가 끌어당겨져 난류가 발생하기 쉬워진다.
본 실시형태에서는, 동점도가 작아 유속이 커지기 쉬운 제 2 프로세스 가스가 흐르는 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 내경을 크게 하고, 또한 간격을 좁혀 수를 늘린다. 이로써, 동점도가 작은 제 2 프로세스 가스, 여기서는 암모니아의 분출 속도를 저하시킨다. 따라서, 동점도가 큰 제 1 프로세스 가스, 여기서는 수소의 분출 속도와의 차이가 작아져 난류를 억제하는 것이 가능해진다.
그렇다고는 하지만, 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 내경을 크게 하고, 또한 간격을 좁혀 수를 늘림으로써, 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 유체 저항이 저하된다. 이 때문에, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 신장 방향의 가스 유량 분포가 커져, 성막의 균일성이 저하될 우려가 있다.
본 실시형태에서는, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 를 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 보다 상측에 형성함으로써, 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 길이를 제 1 종방향 가스 유로 (121) 의 길이보다 길게 하여, 상대적으로 유체 저항이 높아지는 구성으로 하고 있다. 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 유체 저항을 높게 함으로써, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 신장 방향의 가스 유량 분포를 균일화하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 내경이, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 의 내경보다 크다. 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 내경을 크게 하는 것에 의해, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 유체 저항을 작게 함으로써, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 의 신장 방향의 가스 유량 분포를 균일화하는 것이 가능해진다.
횡방향 가스 유로를 계층 구조로 하는 경우, 최상부의 횡방향 가스 유로가 가장 내경 확대의 마진을 크게 하는 것이 가능해진다. 다른 계층의 종방향 가스 유로가 사이를 통과하지 않기 때문이다. 이 때문에, 본 실시형태와 같이, 3 층 이상의 구조로 되는 경우, 동점도가 작은 프로세스 가스가 흐르는 횡방향 가스 유로를 최상부에 형성하는 것이 가스 유량 분포를 균일화하는 관점에서 바람직하다.
또한, 동점도가 작은 제 2 프로세스 가스의 분출 속도를 억제하기 위해서는, 동점도가 작아 유속이 커지기 쉬운 제 2 프로세스 가스가 흐르는 제 2 종방향 가스 유로 (122) 의 내경을 크게 하거나, 또는 간격을 좁혀 수를 늘리거나 중 어느 일방만을 채용하는 구성으로 해도 상관없다.
본 실시형태의 기상 성장 장치에 의하면, 가스 분출공 근방에 있어서의 난류의 발생을 억제함으로써, 프로세스 가스의 흐름을 균일하고 또한 안정적으로 하여, 기판에 막두께나 막질 등의 균일성이 우수한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 실시형태의 기상 성장 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태의 기상 성장 방법은, 제 2 종방향 가스 유로의 내경이 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 크고, 제 2 횡방향 가스 유로의 내경이 제 1 횡방향 가스 유로의 내경보다 크고, 제 2 횡방향 가스 유로에 제 1 횡방향 가스 유로보다 동점도가 작은 프로세스 가스를 공급하고, 제 2 가스 분출공으로부터 제 1 가스 분출공으로부터 분출되는 가스보다 동점도가 작은 가스를 분출시키는 것 이외에는, 제 1 실시형태의 기상 성장 방법과 동일하다.
본 실시형태의 기상 성장 방법은, 도 5 에 나타낸 샤워 헤드 (200) 를 구비하는 매엽형 에피택셜 성장 장치를 사용하여 실시한다.
제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 보다 동점도가 작은 프로세스 가스를 공급하고, 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터 제 1 가스 분출공으로부터 분출되는 가스보다 동점도가 작은 가스를 분출시킨다.
GaN 을 성막하는 경우, 제 1 가스 분출공 (111) 으로부터는 분리 가스인 수소 (제 1 프로세스 가스), 제 2 가스 분출공 (112) 으로부터는 수소보다 동점도가 작은 질소의 소스 가스인 암모니아 (제 2 프로세스 가스), 제 3 가스 분출공 (113) 으로부터는 캐리어 가스인 수소로 희석된 갈륨의 소스 가스인 TMG (제 3 프로세스 가스) 를 분출한다.
제 1 내지 제 3 가스 분출공 (111, 112, 113) 으로부터 분출된 프로세스 가스는, 적당히 혼합되어 반도체 웨이퍼 (W) 상에 정류 상태로 공급된다. 특히, 동점도가 상이한 수소와 암모니아의 흐름이 벤츄리 효과에 의해 난류가 되는 것을 억제한다. 이로써, 반도체 웨이퍼 (W) 표면에 GaN (질화갈륨) 의 단결정막이 양호한 균일성으로 에피택셜 성장에 의해 형성된다.
본 실시형태의 기상 성장 방법에서는, 가스 분출공 근방에 있어서의 난류의 발생을 억제함으로써, 프로세스 가스의 흐름을 균일하고 또한 안정적으로 하여, 기판에 막두께나 막질 등의 균일성이 우수한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 변형예의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실의 상부에 배치되고, 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 기상 성장 장치이다. 그리고, 샤워 플레이트가, 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로를 구비한다. 또, 상기 수평면 내에 배치되고 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 유로를 구비한다.
또한, 제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 1 프로세스 가스보다 동점도가 작은 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로를 추가로 구비하고, 제 1 횡방향 가스 유로에 제 1 가스 공급로가 접속되고, 제 2 횡방향 가스 유로에 제 2 가스 공급로가 접속된다. 그리고, 제 2 종방향 가스 유로의 내경이 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 크거나, 또는 인접하는 제 2 종방향 가스 유로의 간격이 인접하는 제 1 종방향 가스 유로의 간격보다 작다.
본 변형예는, 제 1 및 제 2 횡방향 가스 유로가 동일 수평면에 배치되고, 계층 구조를 구비하지 않는 점에서 상기 실시형태와 상이하다. 본 변형예에 있어서도, 가스 분출공 근방에 있어서의 난류의 발생을 억제함으로써, 프로세스 가스의 흐름을 균일하고 또한 안정적으로 하여, 기판에 막두께나 막질 등의 균일성이 우수한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 유량 분포를 균일하게 하는 관점에서, 제 2 횡방향 가스 유로의 내경이 제 1 횡방향 가스 유로의 내경보다 큰 것이 바람직하다.
또, 유량 분포를 균일하게 하는 관점에서, 제 2 종방향 가스 유로의 내경이 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 크고, 또한 인접하는 제 2 종방향 가스 유로의 간격이 인접하는 제 1 종방향 가스 유로의 간격보다 작은 것이 바람직하다.
(제 3 실시형태)
본 실시형태의 기상 성장 장치는, 접속되는 제 1 종방향 가스 유로의 수가 k (k 는 1 이상의 정수 (整數)) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 와, n (k ＜ n, n 은 2 이상의 정수) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 이 존재하고, 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 에 접속되는 제 1 접속 유로의 유체 저항이, 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 에 접속되는 제 1 접속 유로의 유체 저항보다 크다. 또는, 접속되는 제 2 종방향 가스 유로의 수가 k (k 는 1 이상의 정수) 개인 제 2 횡방향 가스 유로 (k) 와, n 개 (k ＜ n, n 은 2 이상의 정수) 개인 제 2 횡방향 가스 유로 (n) 이 존재하고, 제 2 횡방향 가스 유로 (k) 에 접속되는 제 2 접속 유로의 유체 저항이, 제 2 횡방향 가스 유로 (n) 에 접속되는 제 2 접속 유로의 유체 저항보다 크다. 상기 이외의 점에 대해서는, 제 1 실시형태와 동일하다. 따라서, 제 1 실시형태와 중복되는 내용에 대해서는, 일부 기술을 생략한다.
본 실시형태에 의하면, 제 1 또는 제 2 횡방향 가스 유로에 프로세스 가스를 도입하는 제 1 또는 제 2 접속 유로의 유체 저항을 조정함으로써, 복수의 제 1 또는 제 2 횡방향 가스 유로의 사이에서 분출되는 가스의 유량에 차이가 발생하는 것을 억제한다. 따라서, 프로세스 가스의 유량 분포가 균일화되어, 막두께나 막질 등의 균일성이 높은 성막을 실현하는 것이 가능해진다.
도 7 은 본 실시형태의 샤워 플레이트의 모식 상면도이다. 도 8 은 도 7 의 FF 단면이다.
제 1 실시형태와 동일하게, 샤워 플레이트 (300) 의 내부에는, 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101), 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102), 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 가 형성되어 있다. 복수의 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 는, 제 1 수평면 (P1) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 는, 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 (P2) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다. 복수의 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 는, 제 1 수평면보다 상방, 제 2 수평면보다 하방의 제 3 수평면 (P3) 내에 배치되고 서로 평행하게 연신된다.
그리고, 제 1 횡방향 가스 유로 (101) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 1 가스 분출공 (111) 을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로 (121) 를 구비한다. 또, 제 2 횡방향 가스 유로 (102) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 2 가스 분출공 (112) 을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로 (122) 를 구비한다. 제 2 종방향 가스 유로 (122) 는, 제 1 횡방향 가스 유로 (121) 사이를 통과하고 있다. 또한, 제 3 횡방향 가스 유로 (103) 에 접속되고 종방향으로 연신되고, 반응실 (10) 측에 제 3 가스 분출공 (113) 을 갖는 복수의 제 3 종방향 가스 유로 (123) 를 구비한다. 제 3 종방향 가스 유로 (123) 는, 제 1 횡방향 가스 유로 (121) 사이를 통과하고 있다.
샤워 헤드 (300) 에는, 접속되는 제 1 종방향 가스 유로의 수가 3 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (3) (101a) 와, 7 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (7) (101b) 가 존재한다. 그리고, 제 1 횡방향 가스 유로 (3) (101a) 에 접속되는 제 1 접속 유로 (141a) 의 유체 저항이, 제 1 횡방향 가스 유로 (7) (101b) 에 접속되는 제 1 접속 유로 (141a) 의 유체 저항보다 크게 되어 있다. 구체적으로는, 제 1 접속 유로 (3) (141a) 의 내경을 제 1 접속 유로 (7) (141b) 의 내경보다 작게 함으로써, 제 1 접속 유로 (3) (141a) 의 유체 저항을 크게 하고 있다.
종방향 가스 유로의 수가 적은, 즉 가스 분출공이 적은 횡방향 가스 유로에서는, 종방향 가스 유로의 수가 많은, 즉 가스 분출공이 많은 횡방향 가스 유로와 비교하여, 가스 분출공으로부터 분출하는 프로세스 가스의 유량이 많아질 우려가 있다. 본 실시형태와 같이, 접속 유로의 유체 저항을 종방향 가스 유로의 수에 의해 조정함으로써, 종방향 가스 유로의 수에 의존하는 프로세스 가스의 유량의 편차를 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 분출되는 프로세스 가스의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다.
또한, 여기서는, 제 1 종방향 가스 유로, 제 1 횡방향 가스 유로, 제 1 접속 유로에 대해 설명하였지만, 동일한 형태를, 제 2 종방향 가스 유로, 제 2 횡방향 가스 유로, 제 2 접속 유로, 또는 제 3 종방향 가스 유로, 제 3 횡방향 가스 유로, 제 3 접속 유로에 대해 채용할 수도 있다.
또, 여기서는, k ＝ 3, n ＝ 7 의 경우에 대해 설명하였지만, k 가 1 이상의 정수이고, k ＜ n, n 이 2 이상의 정수이면, 그 밖의 값을 채용할 수도 있다. 또, 횡방향 가스 유로에 접속되는 종방향 가스 유로의 개수의 배리에이션은 2 가지에 한정되지 않고, 3 가지 이상이어도 상관없다.
또, 여기서는 접속 유로의 내경을 변경함으로써 접속 유로의 유체 저항을 조정하는 경우를 예로 설명하였지만, 예를 들어, 접속 유로를 복수로 하고 그 수를 변경하거나, 오리피스를 형성하거나 함으로써 유체 저항을 조정할 수도 있다.
도 9 는 접속 유로의 내경으로 유체 저항을 조정하는 효과를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 횡축은 가스 분출공의 위치, 종축은 가스 분출공으로부터 분출되는 가스 유량이다. 가스 분출공의 위치는 2 차원 상의 위치를 편의적으로 1 차원 상에 나타내고 있다.
도면 중, × 마크가 1 개의 횡방향 가스 유로에 접속되는 종방향 가스 유로의 수에 관계없이 접속 유로의 내경을 동등하게 한 경우이다. 점선으로 둘러싸이는 마크가, 접속되는 종방향 가스 유로의 수가 적은 횡방향 가스 유로의 데이터이다. 다른 위치에 비해, 분출되는 가스의 유량이 많음을 알 수 있다.
이것에 대하여, ○ 표시는, 접속되는 종방향 가스 유로의 수가 적은 횡방향 가스 유로에 대해, 접속 유로의 내경을 작게 한 경우이다. 종방향 가스 유로의 수가 적은 횡방향 가스 유로에서는, 분출되는 가스의 유량이 감소하고, 그 밖의 횡방향 가스 유로에서는 분출되는 가스의 유량이 증가하고 있다. 결과적으로, 분출되는 가스의 유량이 횡방향 가스 유로 사이에서 균일화되어 있다.
본 실시형태의 변형예의 기상 성장 장치는, 반응실과, 반응실의 상부에 배치되고, 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 반응실 내의 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 기상 성장 장치이다. 그리고, 샤워 플레이트가, 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 횡방향 가스 유로와, 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 반응실측에 가스 분출공을 갖는 종방향 가스 유로를 구비한다.
그리고, 접속되는 종방향 가스 유로의 수가 k (k 는 1 이상의 정수) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 와, n (k ＜ n, n 은 2 이상의 정수) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 이 존재하고, 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 에 접속되는 제 1 접속 유로의 유체 저항이, 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 에 접속되는 제 1 접속 유로의 유체 저항보다 크다.
본 변형예는, 반드시 상이한 수평면에 형성되는 계층 구조의 제 1 과 제 2 횡방향 가스 유로를 전제로 하지 않는 점에서, 상기 실시형태와 상이하다. 본 변형예에 있어서도, 접속 유로의 유체 저항을 종방향 가스 유로의 수에 의해 조정함으로써, 종방향 가스 유로의 수에 의존하는 프로세스 가스의 유량의 편차를 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 분출되는 프로세스 가스의 유량을 균일화하는 것이 가능해진다.
이상, 구체예를 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였다. 상기 실시형태는 어디까지나 예로써 예시되어 있을 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 각 실시형태의 구성 요소를 적절히 조합해도 상관없다.
예를 들어, 실시형태에서는 횡방향 가스 유로 등의 유로를 3 계통 형성하는 경우를 예로 설명하였지만, 횡방향 가스 유로 등의 유로를 4 계통 이상 형성해도 되고, 2 계통이어도 상관없다.
또, 예를 들어, 실시형태에서는, GaN (질화갈륨) 의 단결정막을 성막하는 경우를 예로 설명하였지만, 예를 들어, Si (규소) 나 SiC (탄화규소) 의 단결정막 등의 성막에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또, 동점도가 비교적 큰 프로세스 가스에 대해서는 수소 (H2) 를 예로 설명하였지만, 그 밖에, 예를 들어, 헬륨 (He) 도 동점도가 큰 프로세스 가스로서 들 수 있다. 또, 동점도가 비교적 작은 프로세스 가스로서, 암모니아 (NH3) 를 예로 설명하였지만, 그 밖에, 예를 들어, 질소 (N2) 나 아르곤 (Ar) 도 동점도가 작은 프로세스 가스로서 들 수 있다.
또, 실시형태에서는, 웨이퍼 1 장마다 성막하는 매엽식의 에피택셜 장치를 예로 설명하였지만, 기상 성장 장치는 매엽식의 에피택셜 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 자공전하는 복수의 웨이퍼에 동시에 성막하는 플래니터리 방식의 CVD 장치 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
실시형태에서는, 장치 구성이나 제조 방법 등, 본 발명의 설명에 직접 필요로 하지 않는 부분 등에 대해서는 기재를 생략하였지만, 필요하다고 여겨지는 장치 구성이나 제조 방법 등을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 그 밖에, 본 발명의 요소를 구비하고, 당업자가 적절히 설계 변경할 수 있는 모든 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 범위는, 특허청구범위 및 그 균등물의 범위에 의해 정의되는 것이다.

Claims (10)

  1. 반응실과,
    상기 반응실의 상부에 배치되고, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 상기 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 상기 반응실 측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로와, 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 상기 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로를 갖고, 상기 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와,
    상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 프로세스 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와,
    상기 제 1 프로세스 가스보다 동점도가 작은 제 2 프로세스 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로를 추가로 구비하고,
    상기 제 1 횡방향 가스 유로에 상기 제 1 가스 공급로가 접속되고, 상기 제 2 횡방향 가스 유로에 상기 제 2 가스 공급로가 접속되는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 종방향 가스 유로의 내경이, 상기 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    인접하는 상기 제 2 종방향 가스 유로의 간격이, 인접하는 상기 제 1 종방향 가스 유로의 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 횡방향 가스 유로의 내경이, 상기 제 1 횡방향 가스 유로의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 공급로에 접속되고, 상기 제 1 수평면보다 상방에 형성되는 제 1 매니폴드와,
    상기 제 1 매니폴드와 상기 제 1 횡방향 가스 유로를 상기 제 1 횡방향 가스 유로의 단부에서 접속시키고 종방향으로 연신되는 제 1 접속 유로와,
    상기 제 2 가스 공급로에 접속되고, 상기 제 1 수평면보다 상방에 형성되는 제 2 매니폴드와,
    상기 제 2 매니폴드와 상기 제 2 횡방향 가스 유로를 상기 제 2 횡방향 가스 유로의 단부에서 접속시키고 종방향으로 연신되는 제 2 접속 유로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    접속되는 상기 제 1 종방향 가스 유로의 수가 k (k 는 1 이상의 정수) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 와, n (k ＜ n, n 은 2 이상의 정수) 개인 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 가 존재하고, 상기 제 1 횡방향 가스 유로 (k) 에 접속되는 상기 제 1 접속 유로의 유체 저항이, 상기 제 1 횡방향 가스 유로 (n) 에 접속되는 상기 제 1 접속 유로의 유체 저항보다 크거나, 또는
    접속되는 상기 제 2 종방향 가스 유로의 수가 k (k 는 1 이상의 정수) 개인 제 2 횡방향 가스 유로 (k) 와, n 개 (k ＜ n, n 은 2 이상의 정수) 개인 제 2 횡방향 가스 유로 (n) 가 존재하고, 상기 제 2 횡방향 가스 유로 (k) 에 접속되는 상기 제 2 접속 유로의 유체 저항이, 상기 제 2 횡방향 가스 유로 (n) 에 접속되는 상기 제 2 접속 유로의 유체 저항보다 큰 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  8. 제 7 항에 잇어서,
    상기 제 1 접속 유로 (k) 의 내경이, 상기 제 1 접속 유로 (n) 의 내경보다 작거나, 또는
    상기 제 2 접속 유로 (k) 의 내경이, 상기 제 2 접속 유로 (n) 의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
  9. 반응실과, 상기 반응실의 상부에 배치되고, 제 1 수평면 내에 배치되고 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 1 횡방향 가스 유로와, 상기 제 1 횡방향 가스 유로에 접속되고 종방향으로 연신되고 상기 반응실 측에 제 1 가스 분출공을 갖는 복수의 제 1 종방향 가스 유로와, 상기 제 1 수평면보다 상방의 제 2 수평면 내에 배치되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로와 동일 방향으로 서로 평행하게 연신되는 복수의 제 2 횡방향 가스 유로와, 상기 제 2 횡방향 가스 유로에 접속되고 상기 제 1 횡방향 가스 유로 사이를 통과하여 종방향으로 연신되고 상기 반응실측에 제 2 가스 분출공을 갖는 복수의 제 2 종방향 가스 유로를 갖고, 상기 반응실 내에 가스를 공급하는 샤워 플레이트와, 상기 반응실 내의 상기 샤워 플레이트 하방에 형성되고, 기판을 재치할 수 있는 지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치를 사용한 기상 성장 방법으로서,
    상기 지지부에 기판을 재치하고,
    상기 기판을 가열하고,
    상기 제 1 및 제 2 가스 분출공으로부터 프로세스 가스를 분출시켜,
    상기 기판 표면에 반도체막을 성막하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 종방향 가스 유로의 내경이 상기 제 1 종방향 가스 유로의 내경보다 크고,
    상기 제 2 횡방향 가스 유로의 내경이 상기 제 1 횡방향 가스 유로의 내경보다 크고,
    상기 제 2 횡방향 가스 유로에 상기 제 1 횡방향 가스 유로보다 동점도가 작은 프로세스 가스를 공급하고, 상기 제 2 가스 분출공으로부터 상기 제 1 가스 분출공으로부터 분출되는 가스보다 동점도가 작은 상기 프로세스 가스를 분출시키는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
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