TWI583824B - 氣相成長裝置以及氣相成長方法 - Google Patents

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TWI583824B
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Description

氣相成長裝置以及氣相成長方法
本發明是有關於一種供給氣體而進行成膜的氣相成長裝置以及氣相成長方法。
作為使高品質的半導體膜成膜的方法，有在晶圓等基板上藉由氣相成長而使單晶膜成長的磊晶成長技術。在使用磊晶成長技術的氣相成長裝置中，將晶圓載置於保持為常壓或減壓的反應室內的支撐部。並且，一面對所述晶圓進行加熱，一面將作為成膜的原料的源氣體(source gas)等製程氣體(process gas)自反應室上部的例如噴淋板(shower plate)供給至晶圓表面。在晶圓表面上產生源氣體的熱反應等，從而使磊晶單晶膜在晶圓表面上成膜。
近年來，作為發光元件或功率元件(power device)的材料，GaN(氮化鎵)系的半導體元件受到關注。作為使GaN系的半導體成膜的磊晶成長技術，存在有機金屬氣相成長法(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)。在有機金屬氣相成長法中，使用例如三甲基鎵(TMG(trimethyl gallium))、三甲基 銦(TMI(trimethyl indium))、三甲基鋁(TMA(trimethyl aluminium))等有機金屬或氨氣(NH3)等作為源氣體。並且，為了對源氣體間的反應進行抑制，亦存在使用氫氣(H2)等作為分離氣體的情況。
並且，在磊晶成長技術中，為了降低反應室內的微粒(particle)等而使低缺陷的膜成膜，理想的是對膜堆積於反應室側壁進行抑制。因此，在成膜時，沿反應室的側壁進行沖洗氣體(purge gas)的供給。在日本專利公開公報2008-244014號中記載有供給氫氣、氮氣及氬氣的混合氣體作為沖洗氣體的方法。
本發明提供一種對膜堆積於反應室側壁進行抑制，使低缺陷的膜在基板成膜的氣相成長裝置以及氣相成長方法。
本發明的一實施方式的氣相成長裝置的特徵在於包括：反應室；支撐部，設置於所述反應室內，且可載置基板；第1氣體供給路徑，供給第1製程氣體；第2氣體供給路徑，供給第2製程氣體；沖洗氣體供給路徑，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體，所述第1沖洗氣體包含選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體，所述第2沖洗氣體包含選自惰性氣體中的至少1種氣體，且分子量大於所述第1沖洗氣體；以及噴淋板，配置於所述反應室的上部，對所述反應室內供給氣體，且包括：多個第1橫向氣體流路，與所述第1氣體供給路徑連接，配置於第1水平面內且相互平行地延伸；多個第1縱向氣體流路，與所述第1橫 向氣體流路連接，沿縱向延伸，在所述反應室側具有第1氣體噴出孔；多個第2橫向氣體流路，與所述第2氣體供給路徑連接，配置於比所述第1水平面更上方的第2水平面內，在與所述第1橫向氣體流路為相同方向上相互平行地延伸；多個第2縱向氣體流路，與所述第2橫向氣體流路連接，通過所述第1橫向氣體流路之間而沿縱向延伸，在所述反應室側包括第2氣體噴出孔；以及沖洗氣體噴出孔，與所述沖洗氣體供給路徑連接，設置於比所述第1氣體噴出孔及第2氣體噴出孔更靠所述反應室的側壁側的位置。
本發明的一實施方式的氣相成長方法是使用包括如下構件的氣相成長裝置：反應室；噴淋板，配置於所述反應室的上部，對所述反應室內供給氣體；以及支撐部，設置於所述反應室內的所述噴淋板下方，且可載置基板；所述氣相成長方法的特徵在於：在所述支撐部上載置基板，對所述基板進行加熱，使成膜用的多種製程氣體自所述噴淋板的內側區域噴出，使第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體自所述噴淋板的外側區域噴出，所述第1沖洗氣體選自氫氣及惰性氣體，且分子量小於所述多種製程氣體的平均分子量，所述第2沖洗氣體的分子量大於所述平均分子量，使半導體膜在所述基板表面上成膜。
10‧‧‧反應室
11‧‧‧側壁
12‧‧‧支撐部
14‧‧‧旋轉體單元
16‧‧‧加熱部
18‧‧‧旋轉軸
20‧‧‧旋轉驅動機構
22‧‧‧支撐軸
24‧‧‧支撐台
26‧‧‧氣體排出部
31‧‧‧第1氣體供給路徑
32‧‧‧第2氣體供給路徑
33‧‧‧第3氣體供給路徑
37‧‧‧沖洗氣體供給路徑
37a‧‧‧第1沖洗氣體供給路徑
37b‧‧‧第2沖洗氣體供給路徑
50‧‧‧控制部
100‧‧‧噴淋板
100a‧‧‧內側區域
100b‧‧‧外側區域
101‧‧‧第1橫向氣體流路
102‧‧‧第2橫向氣體流路
103‧‧‧第3橫向氣體流路
107‧‧‧橫向沖洗氣體流路
111‧‧‧第1氣體噴出孔
112‧‧‧第2氣體噴出孔
113‧‧‧第3氣體噴出孔
117‧‧‧沖洗氣體噴出孔
121‧‧‧第1縱向氣體流路
122‧‧‧第2縱向氣體流路
123‧‧‧第3縱向氣體流路
131‧‧‧第1歧管
132‧‧‧第2歧管
133‧‧‧第3歧管
141‧‧‧第1連接流路
142‧‧‧第2連接流路
143‧‧‧第3連接流路
147‧‧‧沖洗氣體連接流路
M1‧‧‧第1質量流量控制器
M2‧‧‧第2質量流量控制器
P1‧‧‧第1水平面
P2‧‧‧第2水平面
P3‧‧‧第3水平面
Pu1‧‧‧第1沖洗氣體
Pu2‧‧‧第2沖洗氣體
W‧‧‧半導體晶圓
圖1是第1實施形態的氣相成長裝置的示意剖面圖。
圖2是第1實施形態的噴淋板的示意俯視圖。
圖3是圖2的噴淋板的AA剖面圖。
圖4A、圖4B、圖4C是圖2的噴淋板的BB、CC、DD剖面圖。
圖5是第1實施形態的噴淋板的示意仰視圖。
圖6是第1實施形態的氣相成長方法的說明圖。
圖7A、圖7B、圖7C是表示第1實施形態的氣相成長方法的作用的圖。
圖8是第2實施形態的氣相成長裝置的示意剖面圖。
圖9是第3實施形態的噴淋板的示意俯視圖。
圖10是圖9的噴淋板的EE剖面圖。
圖11A、圖11B、11C是圖9的噴淋板的FF、GG、HH剖面圖。
圖12是第3實施形態的噴淋板的示意仰視圖。
以下，一面參照圖式，一面對本發明的實施形態進行說明。
再者，在本說明書中，將氣相成長裝置設置為可成膜的狀態下的鉛垂方向定義為「下」，將其相反方向定義為「上」。因此，所謂「下部」，是指相對於基準為鉛垂方向的位置，所謂「下方」是指相對於基準為鉛垂方向。並且，所謂「上部」，是指相對於基準為與鉛垂方向相反的方向的位置，所謂「上方」是指相對 於基準為與鉛垂方向相反的方向。又，所謂「縱向」是指鉛垂方向。
又，本說明書中，所謂「水平面」，是指相對於鉛垂方向為垂直的面。
又，本說明書中，所謂「製程氣體」，是用以在基板上成膜的氣體的總稱，例如設為包含源氣體、載氣、分離氣體等的概念。
又，本說明書中，所謂「沖洗氣體」，是指為了對成膜過程中膜堆積於反應室的側壁內面(內壁)進行抑制，對基板的外周側沿反應室的側壁供給的氣體。
(第1實施形態)
本實施形態的氣相成長裝置包括：反應室；支撐部，設置於反應室內，且可載置基板；第1氣體供給路徑，供給第1製程氣體；第2氣體供給路徑，供給第2製程氣體；以及沖洗氣體供給路徑，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體，所述第1沖洗氣體包含選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體，所述第2沖洗氣體包含選自惰性氣體中的至少1種氣體，且分子量大於第1沖洗氣體。此外，包括噴淋板，所述噴淋板配置於反應室的上部，對反應室內供給氣體，且包括：多個第1橫向氣體流路，與第1氣體供給路徑連接，配置於第1水平面內且相互平行地延伸；多個第1縱向氣體流路，與第1橫向氣體流路連接，沿縱向延伸，在反應室側包括第1氣體噴出孔；多個第2橫向氣體流路， 與第2氣體供給路徑連接，配置於比第1水平面更上方的第2水平面內，在與第1橫向氣體流路為相同方向上相互平行地延伸；多個第2縱向氣體流路，與第2橫向氣體流路連接，通過第1橫向氣體流路之間而沿縱向延伸，在反應室側包括第2氣體噴出孔；以及沖洗氣體噴出孔，與沖洗氣體供給路徑連接，設置於比第1氣體噴出孔及第2氣體噴出孔更靠反應室的側壁側的位置。
本實施形態的氣相成長裝置藉由包括所述構成，可縮小對反應室噴出製程氣體的氣體噴出孔的間隔，從而增大氣體噴出孔的配置密度。同時，藉由增大橫向氣體流路的剖面積，減小製程氣體抵達至氣體噴出孔為止的氣體流路的流體阻力，可使自氣體噴出孔噴出的氣體的流量分佈均勻化。因此，根據本實施形態的氣相成長裝置，可使膜厚及膜質等的均勻性優異的膜成長於基板上。
此外，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體作為沖洗氣體，所述第1沖洗氣體是選自氫氣及惰性氣體中的至少1種，所述第2沖洗氣體的分子量大於第1沖洗氣體。藉此，可使製程氣體的平均分子量與混合氣體的平均分子量相接近。因此，可抑制在製程氣體與沖洗氣體的邊界產生流動的混亂，從而可抑制膜堆積於噴淋板或反應室側壁。
以下，以利用MOCVD法(有機金屬氣相成長法)使GaN(氮化鎵)磊晶成長的情況為例進行說明。
圖1是本實施形態的氣相成長裝置的示意剖面圖。本實 施形態的氣相成長裝置為單片型的磊晶成長裝置。
如圖1所示，本實施形態的磊晶成長裝置包括例如不鏽鋼製的圓筒狀中空體的反應室10。反應室10的側面為側壁11。並且，包括配置於所述反應室10上部，對反應室10內供給製程氣體的噴淋板100。
又，包括設置於反應室10內的噴淋板100的下方，可對半導體晶圓(基板)W進行載置的支撐部12。支撐部12例如為在中心部設置有開口部的環狀載具(holder)，或為與半導體晶圓W背面的大致整個面相連接的構造的基座(susceptor)。
又，在支撐部12下方，包括旋轉體單元14以及加熱器，所述旋轉體單元14將支撐部12配置於其上表面並進行旋轉，所述加熱器是作為對載置於支撐部12上的晶圓W進行加熱的加熱部16。此處，旋轉體單元14的旋轉軸18與位於下方的旋轉驅動機構20連接。並且，可藉由旋轉驅動機構20，而使半導體晶圓W以晶圓中心為旋轉中心例如以數十rpm~數千rpm進行旋轉。
圓筒狀的旋轉體單元14的直徑理想的是與支撐部12的外周徑為大致相同。再者，旋轉軸18經由真空密封構件旋轉自如地設置於反應室10的底部。
並且，加熱部16是固定於支撐台24上而設置，所述支撐台24固定於支撐軸22上，所述支撐軸22貫通至旋轉軸18的內部。對加熱部16，藉由未圖示的電流導入端子及電極來供給電力。所述支撐台24設置有用以使半導體晶圓W自環狀載具18脫 離的例如頂起銷(未圖示)。
此外，在反應室10的底部包括氣體排出部26，所述氣體排出部26在半導體晶圓W的表面等之上將源氣體進行反應後的反應生成物以及反應室10的殘留氣體排出至反應室10的外部。再者，氣體排出部26與真空泵(未圖示)連接。
並且，本實施形態的磊晶成長裝置包括供給第1製程氣體的第1氣體供給路徑31、供給第2製程氣體的第2氣體供給路徑32以及供給第3製程氣體的第3氣體供給路徑33。
此外，包括供給第1沖洗氣體及第2沖洗氣體的混合氣體的沖洗氣體供給路徑37，所述第1沖洗氣體包含選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體。第2沖洗氣體的分子量大於第1沖洗氣體的分子量。惰性氣體例如為氦氣(He)、氮氣(N2)或氬氣(Ar)。
自使為了成膜而流入的第1製程氣體、第2製程氣體及第3製程氣體的平均分子量與混合氣體的平均分子量相接近的角度考慮，理想的是第1沖洗氣體的分子量低於第1製程氣體、第2製程氣體及第3製程氣體的平均分子量，且第2沖洗氣體的分子量大於第1製程氣體、第2製程氣體及第3製程氣體的平均分子量。藉此，藉由對第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合比進行適當調整，可使製程氣體的平均分子量與混合氣體的平均分子量相接近。
理想的是混合氣體的平均分子量與製程氣體的平均分子量為大致相同，沖洗氣體的平均流速與製程氣體的平均流速為 大致相同。若混合氣體的平均分子量為製程氣體的平均分子量的80%以上且120%以下，則在沖洗氣體與製程氣體的邊界不易產生流動的混亂。
例如，當藉由MOCVD法，使GaN的單晶膜在半導體晶圓W上成膜時，例如，作為第1製程氣體，供給氫氣(H2)作為分離氣體。又，例如，作為第2製程氣體，供給成為氮(N)的源氣體的氨氣(NH3)。又，例如，作為第3製程氣體，供給Ga(鎵)的源氣體，即，供給利用作為載氣的氫氣(H2)對作為有機金屬的三甲基鎵(TMG)加以稀釋而成的氣體。
此處，所謂作為第1製程氣體的分離氣體，是藉由自第1氣體噴出孔111噴出，而對自第2氣體噴出孔112噴出的第2製程氣體(此處為氨氣)與自第3氣體噴出孔113噴出的第3製程氣體(此處為TMG)進行分離的氣體。例如，理想的是使用與第2製程氣體及第3製程氣體缺乏反應性的氣體。
第1沖洗氣體例如是分子量為2的氫氣(H2)。又，第2沖洗氣體例如是分子量為28的氮氣(N2)。藉由對該些氣體進行混合，可將混合氣體的平均分子量設定於2至28之間。又，第1沖洗氣體例如是分子量為4的氦氣(He)。又，第2沖洗氣體亦可為例如分子量為40的氬氣(Ar)。
藉由使混合氣體的平均分子量接近於製程氣體的平均分子量，可抑制在兩者的邊界上產生流動的混亂，從而抑制膜堆積於反應室10的側壁11。
再者，在圖1所示的單片型磊晶成長裝置中，在反應室10的側壁11，設置有用以取出或放入半導體晶圓的未圖示的晶圓出入口以及閘閥(gate valve)。並且，構成為可在藉由所述閘閥而連結的例如負載制動(load lock)室(未圖示)與反應室10之間，藉由操作臂(handling arm)來搬送半導體晶圓W。此處，例如由合成石英形成的操作臂可插入至噴淋板100與晶圓支撐部12的空間內。
以下，對本實施形態的噴淋板100進行詳細說明。圖2是本實施形態的噴淋板的示意俯視圖。噴淋板內部的流路結構是以虛線表示。
圖3是圖2的AA剖面圖，圖4A、圖4B、圖4C分別是圖2的BB剖面圖、CC剖面圖、DD剖面圖。圖5是本實施形態的噴淋板的示意仰視圖。
噴淋板100例如為規定厚度的板狀的形狀。噴淋板100例如由不鏽鋼或鋁合金等金屬材料所形成。
在噴淋板100的內部，形成有多個第1橫向氣體流路101、多個第2橫向氣體流路102、多個第3橫向氣體流路103。多個第1橫向氣體流路101配置於第1水平面(P1)內且相互平行地延伸。多個第2橫向氣體流路102配置於比第1水平面更上方的第2水平面(P2)內且相互平行地延伸。多個第3橫向氣體流路103配置於比第1水平面更上方且比第2水平面更下方的第3水平面(P3)內，且相互平行地延伸。
並且，包括多個第1縱向氣體流路121，所述多個第1縱向氣體流路121與第1橫向氣體流路101連接且沿縱向延伸，並且在反應室10側包括第1氣體噴出孔111。又，包括多個第2縱向氣體流路122，所述多個第2縱向氣體流路122與第2橫向氣體流路102連接且沿縱向延伸，並且在反應室10側包括第2氣體噴出孔112。第2縱向氣體流路122通過兩條第1橫向氣體流路101之間。此外，包括多個第3縱向氣體流路123，所述多個第3縱向氣體流路123與第3橫向氣體流路103連接且沿縱向延伸，並且在反應室10側包括第3氣體噴出孔113。第3縱向氣體流路123通過第1橫向氣體流路101之間。
第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102、第3橫向氣體流路103是在板狀的噴淋板100內沿水平方向形成的橫孔。又，第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122、第3縱向氣體流路123是在板狀的噴淋板100內沿鉛垂方向(縱向或垂直方向)形成的縱孔。
第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102以及第3橫向氣體流路103的內徑分別大於所對應的第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122以及第3縱向氣體流路123的內徑。在圖3、圖4A、圖4B、圖4C中，第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102及第3橫向氣體流路103，第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122及第3縱向氣體流路123的剖面形狀為圓形，但並不限於圓形，亦可為橢圓形、矩形、多邊形等其他 形狀。又，第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102以及第3橫向氣體流路103的剖面積亦可為不同。又，第1縱向氣體流路121，第2縱向氣體流路122以及第3縱向氣體流路123的剖面積亦可為不同。
噴淋板100包括：第1歧管131，與第1氣體供給路徑31連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第1連接流路141，利用第1橫向氣體流路101的端部將第1歧管131與第1橫向氣體流路101加以連接，且沿縱向延伸。
第1歧管131具備如下功能：將自第1氣體供給路徑31供給的第1製程氣體經由第1連接流路141分配至多個第1橫向氣體流路101。將經分配的第1製程氣體自多個第1縱向氣體流路121的第1氣體噴出孔111導入至反應室10。
第1歧管131沿與第1橫向氣體流路101正交的方向延伸，例如具備中空的長方體形狀。在本實施形態中，第1歧管131設置於第1橫向氣體流路101的兩端部，但亦可設置於任一端部。
又，噴淋板100包括：第2歧管132，與第2氣體供給路徑32連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第2連接流路142，利用第2橫向氣體流路102的端部將第2歧管132與第2橫向氣體流路102加以連接，且沿縱向延伸。
第2歧管132具備如下功能：將自第2氣體供給路徑32供給的第2製程氣體經由第2連接流路142分配至多個第2橫向氣體流路102。將經分配的第2製程氣體自多個第2縱向氣體流路 122的第2氣體噴出孔112導入至反應室10。
第2歧管132沿與第2橫向氣體流路102正交的方向延伸，例如具備中空的長方體形狀。在本實施形態中，第2歧管132設置於第2橫向氣體流路102的兩端部，但亦可設置於任一端部。
此外，噴淋板100包括：第3歧管133，與第3氣體供給路徑33連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第3連接流路143，利用第3橫向氣體流路103的端部將第3歧管133與第3橫向氣體流路103加以連接，且沿垂直方向延伸。
第3歧管133具備如下功能：將自第3氣體供給路徑33供給的第3製程氣體經由第3連接流路143分配至多個第3橫向氣體流路103。將經分配的第3製程氣體自多個第3縱向氣體流路123的第3氣體噴出孔113導入至反應室10。
又，如圖5所示，噴淋板100被劃分為設置第1氣體噴出孔111~第3氣體噴出孔113的內側區域100a以及設置將沖洗氣體加以噴出的沖洗氣體噴出孔117的外側區域100b。沖洗氣體噴出孔117設置於比第1氣體噴出孔111~第3氣體噴出孔113更靠反應室10的側壁11側的位置。
沖洗氣體噴出孔117與橫向沖洗氣體流路107連接。沖洗氣體流路107在噴淋板100的外側區域100b內部形成為環狀的中空部分。並且，橫向沖洗氣體流路107與沖洗氣體連接流路147連接。進而，沖洗氣體供給路徑37與沖洗氣體連接流路147連接。因此，沖洗氣體供給路徑37經由沖洗氣體連接流路147及橫向沖 洗氣體流路107，與多個沖洗氣體噴出孔117連接。
再者，在圖4A、圖4B、圖4C中，沖洗氣體連接流路147的剖面形狀為圓形，但並不限於圓形，亦可為橢圓形、矩形、多邊形等其他形狀。
自確保成膜的均勻性的角度考慮，自氣體噴出孔對反應室10內噴出的製程氣體的流量理想的是在各氣體噴出孔間為均勻，所述氣體噴出孔通常作為製程氣體的供給口而設置於噴淋板上。根據本實施形態的噴淋板100，使製程氣體分配至多個橫向氣體流路，然後，分配至縱向氣體流路而自氣體噴出孔噴出。根據所述構成，可利用簡單的構造來提高自各氣體噴出孔間噴出的製程氣體流量的均勻性。
又，自進行均勻的成膜的角度考慮，理想的是所配置的氣體噴出孔的配置密度儘可能地大。然而，如本實施形態般，設置相互平行的多個橫向氣體流路的構成中，若欲增大氣體噴出孔的密度，則在氣體噴出孔的配置密度與橫向氣體流路的內徑之間要進行權衡(trade-off)。
因此，由於橫向氣體流路的內徑縮小，橫向氣體流路的流體阻力上升，關於橫向氣體流路的伸長方向，自氣體噴出孔噴出的製程氣體流量的流量分佈增大，從而自各氣體噴出孔間噴出的製程氣體流量的均勻性有可能變差。
根據本實施形態，設為將第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102以及第3橫向氣體流路103設置於不同的水平 面的階層構造。藉由所述構造，對於橫向氣體流路的內徑擴大的裕度(margin)得到提高。因此，可一面提高氣體噴出孔的密度，一面抑制由橫向氣體流路的內徑所引起的流量分佈擴大。
此外，藉由供給選自氫氣及惰性氣體的第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體作為沖洗氣體，可使製程氣體的平均分子量與混合氣體的平均分子量相接近。因此，可對在製程氣體與沖洗氣體的邊界產生的流動混亂進行抑制，從而可抑制膜堆積於反應室側壁。
其次，對本實施形態的氣相成長方法進行說明。本實施形態的氣相成長方法是使用包括如下構件的氣相成長裝置：反應室；噴淋板，配置於反應室的上部，對反應室內供給氣體；以及支撐部，設置於反應室內的噴淋板下方，且可載置基板。並且，在支撐部上載置基板，對基板進行加熱，使成膜用的多種製程氣體自噴淋板的內側區域噴出。然後，使第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體自噴淋板的外側區域噴出，使半導體膜在基板表面上成膜，所述第1沖洗氣體選自氫氣及惰性氣體，且分子量小於多種製程氣體的平均分子量，所述第2沖洗氣體的分子量大於所述平均分子量。
以下，以利用圖1~圖5所示的單片型磊晶成長裝置使GaN磊晶成長的情況為例進行說明。又，圖6是本實施形態的氣相成長方法的說明圖。
對反應室10供給載氣，使未圖示的真空泵運行而將反 應室10內的氣體自氣體排出部26排出，在將反應室10控制在規定的壓力的狀態下，將半導體晶圓W載置於反應室10內的支撐部12。此處，例如，打開反應室10的晶圓出入口的閘閥(未圖示)，藉由操作臂，將負載制動室內的半導體晶圓W搬送至反應室10內。然後，將半導體晶圓W例如經由上頂銷(未圖示)而載置於支撐部12，使操作臂返回至負載制動室，將閘閥關閉。
然後，繼續藉由所述真空泵進行排氣，並且一面使旋轉體單元14以所需的速度旋轉，一面使規定的第1製程氣體~第3製程氣體(圖6中的白箭頭)自第1氣體噴出孔111、第2氣體噴出孔112、第3氣體噴出孔113噴出。使第1製程氣體自第1氣體供給路徑31經由第1歧管131、第1連接流路141、第1橫向氣體流路101、第1縱向氣體流路121自第1氣體噴出孔111噴出至反應室10內。又，使第2製程氣體自第2氣體供給路徑32經由第2歧管132、第2連接流路142、第2橫向氣體流路102、第2縱向氣體流路122自第2氣體噴出孔112噴出至反應室10內。又，使第3製程氣體自第3氣體供給路徑33經由第3歧管133、第3連接流路143、第3橫向氣體流路103、第3縱向氣體流路123自第3氣體噴出孔113噴出至反應室10內。
此外，與第1製程氣體~第3製程氣體同時，使第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體作為沖洗氣體自沖洗氣體噴出孔117噴出(圖6中的黑箭頭)，所述第1沖洗氣體的分子量小於第1製程氣體~第3製程氣體的平均分子量，所述第2沖洗氣體 的分子量大於所述平均分子量。
此處，載置於支撐部12上的半導體晶圓W藉由加熱部16而預加熱至規定溫度。繼而，提高加熱部16的加熱輸出而使半導體晶圓W升溫至磊晶成長溫度。
當使GaN在半導體晶圓W上成長時，例如，第1製程氣體是作為分離氣體的氫氣，第2製程氣體是作為氮的源氣體的氨氣，第3製程氣體是經作為載氣的氫氣稀釋的鎵的源氣體即TMG。在升溫過程中，未將氨氣及TMG供給至反應室10。
達到成長溫度之後，對第2氣體噴出孔112供給氨氣，對第3氣體噴出孔113供給TMG，在半導體晶圓W表面上，例如藉由磊晶成長而形成GaN(氮化鎵)的單晶膜。
第1沖洗氣體例如是分子量為2的氫氣(H2)。又，第2沖洗氣體例如是分子量為28的氮氣(N2)。藉由對分子量為2的氫氣(H2)與分子量為28的氮氣(N2)進行混合，可使混合氣體的平均分子量與製程氣體的平均分子量相接近。
然後，當磊晶成長結束時，停止對第3氣體噴出孔113供給TMG，從而使單晶膜的成長結束。
成膜後，開始半導體晶圓W的降溫。半導體晶圓W的溫度下降至規定的溫度為止之後，停止對第2氣體噴出孔112供給氨氣。此處，例如，以如下方式進行調整：使旋轉體單元14的旋轉停止，保持著將形成有單晶膜的半導體晶圓W載置於支撐部12的狀態，使加熱部16的加熱輸出返回至初始狀態，從而下降至 預加熱的溫度。
其次，在半導體晶圓W穩定在規定的溫度之後，例如藉由上頂銷來使半導體晶圓W自支撐部12拆下。然後，再次打開閘閥而將操作臂插入至噴淋板100與支撐部12之間，使半導體晶圓W載置於其上。然後，使載置有半導體晶圓W的操作臂返回至負載制動室。
以如上所述方式，一次相對於半導體晶圓W的成膜結束，例如，亦可接著按照與以上所述相同的製程步驟(process sequence)來進行其他的相對於半導體晶圓W的成膜。
圖7A、圖7B、圖7C是表示本實施形態的氣相成長方法的作用的圖。表示製程氣體及沖洗氣體的流速分佈。圖7A是僅使用氫氣作為沖洗氣體(圖中的黑箭頭)的情況，圖7B是僅使用氮氣作為沖洗氣體的情況，圖7C是使用以達成與製程氣體相同分子量的混合比將氫氣與氮氣混合而成的混合氣體作為沖洗氣體的情況。
此處，製程氣體(圖中的白箭頭)是作為分離氣體的氫氣、作為氮的源氣體的氨氣、經作為載氣的氫氣稀釋的鎵的源氣體即TMG。該些多種製程氣體的平均分子量大於氫氣的分子量2且小於氮氣的分子量28。
在作為單一氣體的圖7A、圖7B的情況，在製程氣體(圖中的白箭頭)與沖洗氣體(圖中的黑箭頭)的邊界上流動產生混亂。另一方面，在作為混合氣體的圖7C的情況，可知在製程氣體 (圖中的白箭頭)與沖洗氣體(圖中的黑箭頭)的邊界上流動幾乎未產生混亂。因此，與圖7A、圖7B的情況相比，可知在圖7C的情況下，製程氣體向反應室的側壁側的流動得到抑制。
在本實施形態的氣相成長方法中，藉由使製程氣體與沖洗氣體的平均分子量相接近，來抑制膜堆積於反應室側壁。因此，反應室內的微粒或灰塵(dust)的產生得到抑制。因此，可使低缺陷的膜在基板上成膜。
再者，理想的是第1沖洗氣體及第2沖洗氣體的混合氣體的平均分子量為第1製程氣體~第3製程氣體的平均分子量的80%以上且120%以下。更理想的是混合氣體的平均分子量與製程氣體的平均分子量為大致相同。在使GaN成長之後，進行InGaN的成長時，將載氣設為N2。在此種情況下，結合製程氣體的平均分子量，來變更第1沖洗氣體及第2沖洗氣體的混合氣體的流量比。
(第2實施形態)
本實施形態的氣相成長裝置除了更包括如下構件以外與第1實施形態相同：第1沖洗氣體供給路徑，與沖洗氣體供給路徑連接，包括第1質量流量控制器(mass flow controller)，供給第1沖洗氣體；第2沖洗氣體供給路徑，與沖洗氣體供給路徑連接，包括第2質量流量控制器，供給第2沖洗氣體；以及控制部，對第1質量流量控制器及第2質量流量控制器進行控制。因此，對於與第1實施形態重複的內容省略描述。
圖8是本實施形態的氣相成長裝置的示意剖面圖。本實施形態的氣相成長裝置為單片型的磊晶成長裝置。
如圖8所示，本實施形態的磊晶成長裝置包括：第1沖洗氣體供給路徑37a，與沖洗氣體供給路徑37連接，包括第1質量流量控制器M1；第2沖洗氣體供給路徑37b，與沖洗氣體供給路徑37連接，包括第2質量流量控制器M2；以及控制部50，對第1質量流量控制器M1及第2質量流量控制器M2進行控制。
第1沖洗氣體供給路徑37a供給第1沖洗氣體(Pu1)。第1沖洗氣體的流量是藉由第1質量流量控制器M1來控制。又，第2沖洗氣體供給路徑37b供給第2沖洗氣體(Pu2)。第2沖洗氣體的流量是藉由第2質量流量控制器M2來控制。第1沖洗氣體以及第2沖洗氣體在藉由第1質量流量控制器及第2質量流量控制器而控制流量之後，加以混合而成為混合氣體。
控制部50例如藉由傳送控制信號來對第1質量流量控制器M1及第2質量流量控制器M2進行控制。藉此，改變第1沖洗氣體的流量與第2沖洗氣體的流量，從而改變供給至反應室10的沖洗氣體的平均分子量。控制部50例如包括電路等硬體或硬體與軟體的組合。
控制部50在製程氣體的平均分子量因在成膜製程中供給至反應室10的製程氣體的種類等的變化而發生變化時，使沖洗氣體的平均分子量朝向接近於製程氣體的平均分子量的方向進行變化。
例如，使GaN在基板上成長之後，連續地進行InGaN的成長時，製程氣體的平均分子量發生變化。控制部50對第1質量流量控制器M1及第2質量流量控制器M2進行控制，使沖洗氣體的平均分子量朝向接近於InGaN成膜時所使用的製程氣體的平均分子量的方向進行變化。
控制部50例如亦可為如下構成：對分別設置於第1氣體供給路徑31、第2氣體供給路徑32、第3氣體供給路徑33中的質量流量控制器同時進行控制，所述第1氣體供給路徑31供給第1製程氣體，所述第2氣體供給路徑32供給第2製程氣體，所述第3氣體供給路徑33供給第3製程氣體。藉由所述構成，例如對製程氣體的流量及沖洗氣體的流量聯動地進行控制。藉由所述控制，可與製程氣體的平均分子量的變化聯動地，使沖洗氣體的平均分子量發生變化。
又，例如，控制部50亦可為如下構成：自控制部傳送第1製程氣體、第2製程氣體、第3製程氣體的平均分子量的變化的相關資訊，所述控制部對分別設置於第1氣體供給路徑31、第2氣體供給路徑32、第3氣體供給路徑33中的質量流量控制器進行控制。藉由所述控制，亦可與製程氣體的平均分子量的變化聯動地，使沖洗氣體的平均分子量發生變化。
根據本實施形態，即使在成膜製程中製程氣體的平均分子量發生變化，沖洗氣體的平均分子量亦可朝向成為相同的方向進行變化。因此，可抑制膜堆積於反應室側壁，從而抑制反應室 內的微粒或灰塵的產生。因此，可使低缺陷的膜在基板上成膜。
(第3實施形態)
本實施形態的氣相成長裝置包括：反應室；支撐部，設置於反應室內，且可載置基板；第1氣體供給路徑，供給第1製程氣體；第2氣體供給路徑，供給第2製程氣體；以及沖洗氣體供給路徑，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體，所述第1沖洗氣體包括選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體，所述第2沖洗氣體包括選自惰性氣體中的至少1種氣體，且分子量大於第1沖洗氣體。此外，包括配置於反應室的上部，對反應室內供給氣體的噴淋板。並且，在噴淋板的內側區域設置製程氣體噴出孔，在噴淋板的外側區域設置沖洗氣體噴出孔。而且，製程氣體供給路徑與製程氣體噴出孔連接，沖洗氣體供給路徑與沖洗氣體噴出孔連接。
本實施形態的氣相成長裝置除了對噴淋板內的製程氣體的流路未進行限定以外，與第1實施形態或第2實施形態相同。因此，對於與第1實施形態或第2實施形態重複的內容省略描述。
以下，對本實施形態的噴淋板100進行詳細說明。圖9是本實施形態的噴淋板的示意俯視圖。噴淋板內部的流路結構是以虛線表示。
圖10是圖9的EE剖面圖，圖11A、圖11B、圖11C分別使圖9的FF剖面圖、GG剖面圖、HH剖面圖。圖12是本實施形態的噴淋板的示意仰視圖。
噴淋板100例如是規定厚度的板狀的形狀。噴淋板100例如由不鏽鋼或鋁合金等金屬材料所形成。
在噴淋板100的內部，形成有多個第1橫向氣體流路101、多個第2橫向氣體流路102、多個第3橫向氣體流路103。多個第1橫向氣體流路101、多個第2橫向氣體流路102、多個第3橫向氣體流路103配置於相同的水平面內且相互平行地延伸。
並且，包括與第1橫向氣體流路101連接，沿縱向延伸，並在反應室10側包括第1氣體噴出孔111的多個第1縱向氣體流路121。又，包括與第2橫向氣體流路102連接，沿縱向延伸，並在反應室10側包括第2氣體噴出孔112的多個第2縱向氣體流路122。此外，包括與第3橫向氣體流路103連接，沿縱向延伸，並在反應室10側包括第3氣體噴出孔113的多個第3縱向氣體流路123。
第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102、第3橫向氣體流路103是在板狀的噴淋板100內沿水平方向形成的橫孔。又，第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122、第3縱向氣體流路123是在板狀的噴淋板100內沿鉛垂方向(縱向或垂直方向)形成的縱孔。
第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102及第3橫向氣體流路103的內徑分別大於所對應的第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122及第3縱向氣體流路123的內徑。在圖10、圖11A、圖11B、圖11C中，第1橫向氣體流路101、第2 橫向氣體流路102及第3橫向氣體流路103，第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122及第3縱向氣體流路123的剖面形狀為圓形，但並不限於圓形，亦可為橢圓形、矩形、多邊形等其他形狀。又，第1橫向氣體流路101、第2橫向氣體流路102及第3橫向氣體流路103的剖面積亦可為不同。又，第1縱向氣體流路121、第2縱向氣體流路122及第3縱向氣體流路123的剖面積亦可為不同。
噴淋板100包括：第1歧管131，與第1氣體供給路徑31連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第1連接流路141，利用第1橫向氣體流路101的端部將第1歧管131與第1橫向氣體流路101加以連接且沿縱向延伸。
第1歧管131具備如下功能：將自第1氣體供給路徑31供給的第1製程氣體經由第1連接流路141分配至多個第1橫向氣體流路101。將經分配的第1製程氣體自多個第1縱向氣體流路121的第1氣體噴出孔111導入至反應室10。
第1歧管131沿與第1橫向氣體流路101正交的方向延伸，例如具備中空的長方體形狀。在本實施形態中，第1歧管131設置於第1橫向氣體流路101的兩端部，但亦可設置於任一端部。
又，噴淋板100包括：第2歧管132，與第2氣體供給路徑32連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第2連接流路142，利用第2橫向氣體流路102的端部將第2歧管132與第2橫向氣體流路102加以連接，且沿縱向延伸。
第2歧管132具備如下功能：將自第2氣體供給路徑32供給的第2製程氣體，經由第2連接流路142分配至多個第2橫向氣體流路102。將經分配的第2製程氣體自多個第2縱向氣體流路122的第2氣體噴出孔112導入至反應室10。
第2歧管132沿與第2橫向氣體流路102正交的方向延伸，例如具備中空的長方體形狀。在本實施形態中，第2歧管132設置於第2橫向氣體流路102的兩端部，但亦可設置於任一端部。
此外，噴淋板100包括：第3歧管133，與第3氣體供給路徑33連接，設置於比第1水平面(P1)更上方的位置；以及第3連接流路143，利用第3橫向氣體流路103的端部將第3歧管133與第3橫向氣體流路103加以連接，且沿垂直方向延伸。
第3歧管133具備如下功能：將自第3氣體供給路徑33供給的第3製程氣體經由第3連接流路143分配至多個第3橫向氣體流路103。將經分配的第3製程氣體自多個第3縱向氣體流路123的第3氣體噴出孔113導入至反應室10。
又，如圖12所示，噴淋板100被劃分為設置第1氣體噴出孔111~第3氣體噴出孔113的內側區域100a及設置將沖洗氣體加以噴出的沖洗氣體噴出孔117的外側區域100b。沖洗氣體噴出孔117設置於比第1氣體噴出孔111~第3氣體噴出孔113更靠反應室10的側壁11側的位置。
沖洗氣體噴出孔117與橫向沖洗氣體流路107連接。沖洗氣體流路107在噴淋板100的外側區域100b內部形成為環狀的 中空部分。並且，橫向沖洗氣體流路107與沖洗氣體連接流路147連接。此外，沖洗氣體供給路徑37與沖洗氣體連接流路147連接。因此，沖洗氣體供給路徑37經由沖洗氣體連接流路147以及橫向沖洗氣體流路107而與多個沖洗氣體噴出孔117連接。
再者，在圖11A、圖11B、圖11C中，沖洗氣體連接流路147的剖面形狀為圓形，但並不限於圓形，亦可為橢圓形、矩形、多邊形等其他形狀。
本實施形態的氣相成長方法與第1實施形態或第2實施形態相同。
根據本實施形態的氣相成長裝置以及氣相成長方法，亦可藉由使製程氣體與沖洗氣體的平均分子量相接近，來抑制膜堆積於反應室側壁。因此，可抑制反應室內的微粒或灰塵的產生。因此，可使低缺陷的膜在基板上成膜。
再者，理想的是製程氣體包含氨氣，且第1沖洗氣體及第2沖洗氣體為氫氣及氮氣。
又，理想的是第1沖洗氣體的分子量低於製程氣體的平均分子量，且第2沖洗氣體的分子量大於製程氣體的平均分子量。
又，理想的是第1沖洗氣體及第2沖洗氣體的混合氣體的平均分子量為製程氣體的平均分子量的80%以上且120%以下，更理想的是混合氣體的平均分子量與製程氣體的平均分子量為大致相同。當製程氣體的平均分子量發生變化時，改變第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合比。
以上，一面參照具體例，一面對本發明的實施形態進行了說明。以上實施形態始終僅是作為示例而舉出，並不對本發明進行限定。又，亦可將各實施形態的構成要素加以適當組合。
例如，在實施形態中是以設置3個系統的橫向氣體流路等流路的情況為例進行說明，但亦可設置4個系統以上的橫向氣體流路等流路，亦可設置2個系統的橫向氣體流路等流路。
又，例如，在實施形態中，是以使GaN(氮化鎵)的單晶膜成膜的情況為例進行說明，但例如亦可將本發明應用於Si(矽)或SiC(碳化矽)的單晶膜等的成膜。
又，在實施形態中，是以每次在1塊晶圓上進行成膜的單片式的磊晶裝置為例進行說明，但氣相成長裝置並不限於單片式的磊晶裝置。例如，亦可將本發明應用於在進行自轉與公轉的多個晶圓上同時進行成膜的行星(planetary)式的化學氣相成長(chemical vapor deposition，CVD)裝置等。
在實施形態中，對於裝置構成或製造方法等對本發明的說明無直接需要的部分等省略了記載，但可適當選用所需要的裝置構成或製造方法等。此外，具備本發明的要素、本領域技術人員可進行適當設計變更的所有的氣相成長裝置及氣相成長方法均包含於本發明的範圍內。本發明的範圍是由申請專利範圍及其同等物的範圍來定義。
10‧‧‧反應室
11‧‧‧側壁
12‧‧‧支撐部
14‧‧‧旋轉體單元
16‧‧‧加熱部
18‧‧‧旋轉軸
20‧‧‧旋轉驅動機構
22‧‧‧支撐軸
24‧‧‧支撐台
26‧‧‧氣體排出部
31‧‧‧第1氣體供給路徑
32‧‧‧第2氣體供給路徑
33‧‧‧第3氣體供給路徑
37‧‧‧沖洗氣體供給路徑
100‧‧‧噴淋板
101‧‧‧第1橫向氣體流路
102‧‧‧第2橫向氣體流路
103‧‧‧第3橫向氣體流路
107‧‧‧橫向沖洗氣體流路
111‧‧‧第1氣體噴出孔
117‧‧‧沖洗氣體噴出孔
121‧‧‧第1縱向氣體流路
122‧‧‧第2縱向氣體流路
123‧‧‧第3縱向氣體流路
131‧‧‧第1歧管
132‧‧‧第2歧管
133‧‧‧第3歧管
141‧‧‧第1連接流路
142‧‧‧第2連接流路
143‧‧‧第3連接流路
147‧‧‧沖洗氣體連接流路
P1‧‧‧第1水平面
P2‧‧‧第2水平面
P3‧‧‧第3水平面
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (7)

  1. 一種氣相成長裝置，其特徵在於包括：反應室；支撐部，設置於所述反應室內，且可載置基板；第1氣體供給路徑，供給第1製程氣體；第2氣體供給路徑，供給第2製程氣體；沖洗氣體供給路徑，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體，所述第1沖洗氣體包含選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體，所述第2沖洗氣體包含選自惰性氣體中的至少1種氣體，且分子量大於所述第1沖洗氣體；以及噴淋板，配置於所述反應室的上部，對所述反應室內供給氣體，且包括：多個第1橫向氣體流路，與所述第1氣體供給路徑連接，配置於第1水平面內且相互平行地延伸；多個第1縱向氣體流路，與所述第1橫向氣體流路連接，沿縱向延伸，且在所述反應室側具有第1氣體噴出孔；多個第2橫向氣體流路，與所述第2氣體供給路徑連接，配置於比所述第1水平面更上方的第2水平面內，且在與所述第1橫向氣體流路為相同方向上相互平行地延伸；多個第2縱向氣體流路，與所述第2橫向氣體流路連接，通過所述第1橫向氣體流路之間，沿縱向延伸，且在所述反應室側具有第2氣體噴出孔；以及 沖洗氣體噴出孔，與所述沖洗氣體供給路徑連接，且設置於比所述第1氣體噴出孔及第2氣體噴出孔更靠所述反應室的側壁側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其中所述第1製程氣體或第2製程氣體為氨氣，所述第1沖洗氣體為氫氣，所述第2沖洗氣體為氮氣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其中更包括：第1沖洗氣體供給路徑，與所述沖洗氣體供給路徑連接，具備第1質量流量控制器，且供給所述第1沖洗氣體；第2沖洗氣體供給路徑，與所述沖洗氣體供給路徑連接，具備第2質量流量控制器，且供給所述第2沖洗氣體；以及控制部，對所述第1質量流量控制器及所述第2質量流量控制器進行控制。
  4. 一種氣相成長裝置，其特徵在於包括：反應室；支撐部，設置於所述反應室內，且可載置基板；第1氣體供給路徑，供給第1製程氣體；第2氣體供給路徑，供給第2製程氣體；沖洗氣體供給路徑，供給第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體，所述第1沖洗氣體包含選自氫氣及惰性氣體中的至少1種氣體，所述第2沖洗氣體包含選自惰性氣體中的至少1種氣體，且分子量大於所述第1沖洗氣體；以及噴淋板，配置於所述反應室的上部，對所述反應室內供給氣 體，且包括：第1氣體噴出孔，與所述第1氣體供給路徑連接，且設置於所述反應室側；第2氣體噴出孔，與所述第2氣體供給路徑連接，且設置於所述反應室側；以及沖洗氣體噴出孔，與所述沖洗氣體供給路徑連接，且設置於比所述第1氣體噴出孔及第2氣體噴出孔更靠所述反應室的側壁側。
  5. 一種氣相成長方法，使用包括反應室；配置於所述反應室的上部、且對所述反應室內供給氣體的噴淋板；以及設置於所述反應室內的所述噴淋板下方、且可載置基板的支撐部的氣相成長裝置，所述氣相成長方法的特徵在於：將基板載置於所述支撐部，對所述基板進行加熱，使成膜用的多種製程氣體自所述噴淋板的內側區域噴出，使第1沖洗氣體與第2沖洗氣體的混合氣體自所述噴淋板的外側區域噴出，所述第1沖洗氣體選自氫氣及惰性氣體，且分子量小於所述多種製程氣體的平均分子量，所述第2沖洗氣體的分子量大於所述平均分子量，使半導體膜在所述基板表面上成膜。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的氣相成長方法，其中在所述多種製程氣體中包含有機金屬及氨氣，所述第1沖洗氣體為氫氣，所述第2沖洗氣體為氮氣。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的氣相成長方法，其中 所述混合氣體的平均分子量為所述多種製程氣體的平均分子量的80%以上且120%以下。
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