TWI585231B - 氣相成長裝置及氣相成長方法 - Google Patents

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TWI585231B
TWI585231B TW104124305A TW104124305A TWI585231B TW I585231 B TWI585231 B TW I585231B TW 104124305 A TW104124305 A TW 104124305A TW 104124305 A TW104124305 A TW 104124305A TW I585231 B TWI585231 B TW I585231B
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Description

氣相成長裝置及氣相成長方法
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及氣相成長方法。
作為成膜高品質的半導體膜的方法，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，在保持為常壓或減壓的反應室內的支撐部載置晶圓。而且，一面對該晶圓進行加熱，一面將成為成膜的原料的來源氣體(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。在晶圓表面發生來源氣體的熱反應等，從而在晶圓表面成膜磊晶單晶膜。
近年來，作為發光元件或功率元件(power device)的材料，GaN(氮化鎵)系的半導體元件正受到矚目。作為成膜GaN系的半導體的磊晶成長技術，存在有機金屬氣相成長法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD法)。在有機金屬氣相成長法中，作為來源氣體，例如使用三甲基鎵(Trimethyl gallium，TMG)、三甲基銦(Trimethyl indium，TMI)、三甲基鋁(trimethyl aluminum，TMA)等有機金屬或氨(NH3)等。
JP-A H10-158843及JP-A 2002-212735中記載有為了使生產性提高而具備多個反應室的氣相成長裝置。
本發明提供一種具有多個反應室且可靠性高的氣相成長裝置及氣相成長方法。
本發明的一實施方式的氣相成長裝置的特徵在於具備：n(n為2以上的整數)個反應室；主氣體供給路徑，向所述n個反應室供給製程氣體；主質量流量控制器(mass flow controller)，設於所述主氣體供給路徑，對流經所述主氣體供給路徑的所述製程氣體的流量進行控制；(n-1)條副氣體供給路徑，自所述主氣體供給路徑分支，向所述n個反應室中的(n-1)個反應室供給分流後的所述製程氣體；(n-1)個副質量流量控制器，設於所述(n-1)條副氣體供給路徑，對流經所述(n-1)條副氣體供給路徑的所述製程氣體的流量進行控制；以及1條副氣體供給路徑，自所述主氣體供給路徑分支，向所述(n-1)個反應室以外的1個反應室供給未流入所述(n-1)條副氣體供給路徑的所述製程氣體的剩餘部分。
本發明的一實施方式的氣相成長方法的特徵在於：向n個反應室分別搬入基板，使經主質量流量控制器控制流量後的製程氣體流經主氣體供給路徑，使經副質量流量控制器控制流量後的所述製程氣體流經自所述主氣體供給路徑分支的(n-1)條副氣體供給路徑，使未流入所述(n-1)條副氣體供給路徑的所述製程 氣體的剩餘部分流經自所述主氣體供給路徑分支的1條副氣體供給路徑，且自所述(n-1)條副氣體供給路徑與所述1條副氣體供給路徑向所述n個反應室分別供給所述製程氣體而在所述基板上進行成膜。
10a~10d‧‧‧反應室
11‧‧‧第1主氣體供給路徑
12‧‧‧第1主質量流量控制器
13a、23a、33a‧‧‧第1副氣體供給路徑
13b、23b、33b‧‧‧第2副氣體供給路徑
13c、23c、33c‧‧‧第3副氣體供給路徑
13d、23d、33d‧‧‧第4副氣體供給路徑
14a、24a、34a‧‧‧第1副質量流量控制器
14b、24b、34b‧‧‧第2副質量流量控制器
14c、24c、34c‧‧‧第3副質量流量控制器
14d、24d、34d‧‧‧副質量流量控制器
15a~15d‧‧‧副氣體排出路徑
16‧‧‧主氣體排出路徑
17‧‧‧真空泵
18a~18d‧‧‧壓力調整部
19‧‧‧控制部
21‧‧‧第2主氣體供給路徑
22‧‧‧第2主質量流量控制器
31‧‧‧第3主氣體供給路徑
32‧‧‧第3主質量流量控制器
41、51、61‧‧‧壓力計
70‧‧‧壓力調整部
71、81、91‧‧‧質量流量計
100‧‧‧壁面
101‧‧‧噴淋板
112‧‧‧支撐部
114‧‧‧旋轉體單元
116‧‧‧加熱部
118‧‧‧旋轉軸
120‧‧‧旋轉驅動機構
122‧‧‧支撐軸
124‧‧‧支撐台
126‧‧‧氣體排出部
W‧‧‧晶圓
圖1是第1實施方式的氣相成長裝置的構成圖。
圖2是第1實施方式的氣相成長裝置的反應室的示意剖面圖。
圖3是第2實施方式的氣相成長裝置的構成圖。
圖4是第3實施方式的氣相成長裝置的構成圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明的實施方式進行說明。
另外，在本說明書中，將氣相成長裝置可成膜地設置的狀態下的重力方向定義為「下」，將其反方向定義為「上」。因此，「下部」是指相對於基準而為重力方向的位置，「下方」是指相對於基準而為重力方向。而且，「上部」是指相對於基準而為重力方向的反方向的位置，「上方」是指相對於基準而為重力方向的反方向。此外，「縱向」是重力方向。
而且，本說明書中，「製程氣體」是為了在基板上成膜而使用的氣體的統稱，例如設為包括來源氣體、載體氣體、分離氣體等的概念。
而且，本說明書中，「分離氣體」是向氣相成長裝置的反應室內導入的製程氣體，且是將多種原料氣體的製程氣體之間分離的氣體的統稱。
(第1實施方式)
本實施方式的氣相成長裝置具備：n(n為2以上的整數)個反應室；主氣體供給路徑，向n個反應室供給製程氣體；主質量流量控制器，設於主氣體供給路徑；(n-1)條副氣體供給路徑，自主氣體供給路徑分支，向n個反應室中的(n-1)個反應室供給分流後的製程氣體；(n-1)個副質量流量控制器，設於(n-1)條副氣體供給路徑，對流經(n-1)條副氣體供給路徑的製程氣體的流量進行控制；以及1條副氣體供給路徑，自主氣體供給路徑分支，向(n-1)個反應室以外的1個反應室供給未流入(n-1)條副氣體供給路徑的製程氣體的剩餘部分。
而且，本實施方式的氣相成長方法是向n個反應室分別搬入基板，使經主質量流量控制器控制流量後的製程氣體流經主氣體供給路徑，使經副質量流量控制器控制流量後的製程氣體流經自主氣體供給路徑分支的(n-1)條副氣體供給路徑，使未流入(n-1)條副氣體供給路徑的製程氣體的剩餘部分流經自主氣體供給路徑分支的1條副氣體供給路徑，且自(n-1)條副氣體供給路徑與1條副氣體供給路徑向n個反應室分別供給製程氣體而在基板上進行成膜。
本實施方式的氣相成長裝置及氣相成長方法藉由具備 所述構成，當將製程氣體分配供給至多個反應室時，可防止對配管等施加過大的壓力。因此，可實現可靠性高的氣相成長裝置及氣相成長方法。
圖1是本實施方式的氣相成長裝置的構成圖。本實施方式的氣相成長裝置是使用MOCVD法(有機金屬氣相成長法)的磊晶成長裝置。以下，主要以使GaN(氮化鎵)磊晶成長的情況為例進行說明。
本實施方式的氣相成長裝置具備4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d。4個反應室10a~反應室10d分別為例如縱型的單片型磊晶成長裝置。反應室的個數不限於4個，可設為2個以上的任意個數。反應室的個數可表示為n(n為2以上的整數)個。
本實施方式的氣相成長裝置具備向4個反應室10a~反應室10d供給製程氣體的3條主氣體供給路徑即第1主氣體供給路徑11、第2主氣體供給路徑21、第3主氣體供給路徑31。
第1主氣體供給路徑11例如向反應室10a~反應室10d供給包含III族元素的有機金屬與載體氣體的第1製程氣體。第1製程氣體是要在晶圓上成膜III-V族半導體的膜時的包含III族元素的氣體。
III族元素例如為鎵(Ga)、Al(鋁)、In(銦)等。而且，有機金屬為三甲基鎵(Ttrimethyl-Gallium，TMG)、三甲基鋁(Trimethyl-Aluminum，TMA)、三甲基銦(Trimethyl-Indium，TMI) 等。
載體氣體例如為氫氣。第1主氣體供給路徑11亦可僅流通氫氣。
在第1主氣體供給路徑11，設置有第1主質量流量控制器12。第1主質量流量控制器12對流經第1主氣體供給路徑11的第1製程氣體的流量進行控制。
此外，第1主氣體供給路徑11在較第1主質量流量控制器12更靠反應室10a~反應室10d側，分支為4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c、第4副氣體供給路徑13d。第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c、第4副氣體供給路徑13d分別向4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d供給分流後的第1製程氣體。
在第1主氣體供給路徑11，設置有壓力計41。壓力計41設於第1主質量流量控制器12、與向4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c、第4副氣體供給路徑13d的分支之間。壓力計41對第1主氣體供給路徑11的壓力進行監測。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a~第4副氣體供給路徑13d)中，在3條副氣體供給路徑、例如第1副氣體供給路徑13a~第3副氣體供給路徑13c，分別設置有第1副質量流量控制器14a、第2副質量流量控制器14b、第3副質量流量 控制器14c。第1副質量流量控制器14a~第3副質量流量控制器14c對流經第1副氣體供給路徑13a~第3副氣體供給路徑13c的第1製程氣體的流量進行控制。第1副質量流量控制器14a~第3副質量流量控制器14c是流量控制型的質量流量控制器。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a~第4副氣體供給路徑13d)中，在剩餘的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑13d，設置有開度控制型的副質量流量控制器14d。第4副氣體供給路徑13d向由第1副氣體供給路徑13a~第3副氣體供給路徑13c供給第1製程氣體的3個反應室10a、反應室10b、反應室10c以外的1個反應室10d供給第1製程氣體。自第4副氣體供給路徑13d向反應室10d供給自第1主氣體供給路徑11供給的第1製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑13a~第3副氣體供給路徑13c的剩餘部分的流量。
具體而言，基於由壓力計41監測的第1主氣體供給路徑11的壓力的測定結果而對副質量流量控制器14d的開度進行控制。例如，具備以壓力成為零的方式進行控制的構成。根據該構成，可自第4副氣體供給路徑13d向反應室10d供給自第1主氣體供給路徑11供給的第1製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑13a~第3副氣體供給路徑13c的剩餘部分的流量。
第2主氣體供給路徑21例如向反應室10a~反應室10d供給包含氨(NH3)的第2製程氣體。第2製程氣體是要在晶圓上成膜III-V族半導體的膜時的V族元素、氮(N)的來源氣體。
第2主氣體供給路徑21中亦可僅流通氫氣。
在第2主氣體供給路徑21，設置有第2主質量流量控制器22。第2主質量流量控制器22對流經第2主氣體供給路徑21的第2製程氣體的流量進行控制。
此外，第2主氣體供給路徑21在較第2主質量流量控制器22更靠反應室10a~反應室10d側，分支為4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c、第4副氣體供給路徑23d。第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c、第4副氣體供給路徑23d分別向4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d供給分流後的第2製程氣體。
在第2主氣體供給路徑21，設置有壓力計51。壓力計51設於第2主質量流量控制器22、與向4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c、第4副氣體供給路徑23d的分支之間。壓力計51對第2主氣體供給路徑21的壓力進行監測。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a~第4副氣體供給路徑23d)中，在3條副氣體供給路徑、例如第1副氣體供給路徑23a~第3副氣體供給路徑23c，分別設置有第1副質量流量控制器24a、第2副質量流量控制器24b、第3副質量流量控制器24c。第1副質量流量控制器24a~第3副質量流量控制器24c對流經第1副氣體供給路徑23a~第3副氣體供給路徑23c的 第2製程氣體的流量進行控制。第1副質量流量控制器24a~第3副質量流量控制器24c是流量控制型的質量流量控制器。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a~第4副氣體供給路徑23d)中，在剩餘的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑23d，設置有開度控制型的副質量流量控制器24d。第4副氣體供給路徑23d向由第1副氣體供給路徑23a~第3副氣體供給路徑23c供給第2製程氣體的3個反應室10a、反應室10b、反應室10c以外的1個反應室10d供給第2製程氣體。自第4副氣體供給路徑23d向反應室10d供給自第2主氣體供給路徑21供給的第2製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑23a~第3副氣體供給路徑23c的剩餘部分的流量。
具體而言，基於由壓力計51監測的第2主氣體供給路徑21的壓力的測定結果而對副質量流量控制器24d的開度進行控制。例如，具備以壓力成為零的方式進行控制的構成。根據該構成，可自第4副氣體供給路徑23d向反應室10d供給自第2主氣體供給路徑21供給的第2製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑23a~第3副氣體供給路徑23c的剩餘部分的流量。
第3主氣體供給路徑31供給第3製程氣體。第3製程氣體是所謂的分離氣體，且當向反應室10內噴出第1製程氣體與第2製程氣體時，向兩者之間噴出。藉此，抑制第1製程氣體與第2製程氣體在噴出之後立即反應。第3製程氣體例如為氫氣。
在第3主氣體供給路徑31，設置有第3主質量流量控制 器32。第3主質量流量控制器32對流經第3主氣體供給路徑31的第3製程氣體的流量進行控制。
此外，第3主氣體供給路徑31在較第3主質量流量控制器32更靠反應室10a~反應室10d側，分支為4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c、第4副氣體供給路徑33d。第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c、第4副氣體供給路徑33d分別向4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d供給分流後的第3製程氣體。
在第3主氣體供給路徑31，設置有壓力計61。壓力計61設於第3主質量流量控制器32、與向4條副氣體供給路徑即第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c、第4副氣體供給路徑33d的分支之間。壓力計61對第3主氣體供給路徑31的壓力進行監測。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a~第4副氣體供給路徑33d)中，在3條副氣體供給路徑、例如第1副氣體供給路徑33a~第3副氣體供給路徑33c，分別設置有第1副質量流量控制器34a、第2副質量流量控制器34b、第3副質量流量控制器34c。第1副質量流量控制器34a~第3副質量流量控制器34c對流經第1副氣體供給路徑33a~第3副氣體供給路徑33c的第3製程氣體的流量進行控制。第1副質量流量控制器34a~第3副質量流量控制器34c是流量控制型的質量流量控制器。
4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a~第4副氣體供給路徑33d)中，在剩餘的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑33d，設置有開度控制型的副質量流量控制器34d。第4副氣體供給路徑33d向由第1副氣體供給路徑33a~第3副氣體供給路徑33c供給第3製程氣體的3個反應室10a、反應室10b、反應室10c以外的1個反應室10d供給第3製程氣體。自第4副氣體供給路徑33d向反應室10d供給自第3主氣體供給路徑31供給的第3製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑33a~第3副氣體供給路徑33c的剩餘部分的流量。
具體而言，基於由壓力計61監測的第3主氣體供給路徑31的壓力的測定結果而對副質量流量控制器34d的開度進行控制。例如，具備以壓力成為零的方式進行控制的構成。根據該構成，可自第4副氣體供給路徑33d向反應室10d供給自第3主氣體供給路徑31供給的第3製程氣體的總流量中未流入第1副氣體供給路徑33a~第3副氣體供給路徑33c的剩餘部分的流量。
本實施方式的氣相成長裝置具備自4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d排出氣體的4條副氣體排出路徑15a、副氣體排出路徑15b、副氣體排出路徑15c、副氣體排出路徑15d。而且，具備由4條副氣體排出路徑15a、副氣體排出路徑15b、副氣體排出路徑15c、副氣體排出路徑15d合流而成的主氣體排出路徑16。此外，在主氣體排出路徑16，設置有用於抽吸氣體的真空泵17。真空泵17為泵的一例。
在4條副氣體排出路徑15a、副氣體排出路徑15b、副氣體排出路徑15c、副氣體排出路徑15d，分別設置有壓力調整部18a、壓力調整部18b、壓力調整部18c、壓力調整部18d。壓力調整部18a、壓力調整部18b、壓力調整部18c、壓力調整部18d將反應室10a~反應室10d各自的內壓控制為所需的值。壓力調整部18a~壓力調整部18d例如為節流閥(throttle valve)。
此外，本實施方式的氣相成長裝置具備控制部19，該控制部19能夠以大致相同的條件、即大致相同的處理處方(recipe)同時控制4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d的氣相成長條件。控制部19例如為控制電路。控制電路例如包含硬體或硬體與軟體的組合。
圖2是本實施方式的氣相成長裝置的反應室的示意剖面圖。示出4個反應室10a~反應室10d中的一個、例如反應室10a。另外，4個反應室10a~反應室10d均具備大致相同的構成。
如圖2所示，本實施方式的反應室10a具備例如不鏽鋼製且圓筒狀中空體的壁面100。而且，具備噴淋板101，該噴淋板101配置於反應室10a上部，向反應室10a內供給製程氣體。
而且，具備支撐部112，該支撐部112設於反應室10a內的噴淋板101下方，可載置半導體晶圓(基板)W。支撐部112例如為在中心部設置有開口部的環狀保持器、或者為與半導體晶圓W背面的大致整面相接的構造的基座(susceptor)。
3條第1副氣體供給路徑13a、第1副氣體供給路徑23a、 第1副氣體供給路徑33a連接於噴淋板101。在噴淋板101的反應室10a側，設置有多個氣體噴出孔，用於將自第1副氣體供給路徑13a、第1副氣體供給路徑23a、第1副氣體供給路徑33a供給的第1製程氣體、第2製程氣體及第3製程氣體向反應室10a內噴出。
而且，在支撐部112下方具備：旋轉體單元114，在其上表面配置支撐部112且進行旋轉；以及作為加熱部116的加熱器，對載置於支撐部112的晶圓W進行加熱。此處，旋轉體單元114的旋轉軸118連接於位於下方的旋轉驅動機構120。而且，利用旋轉驅動機構120，可使半導體晶圓W以其中心為旋轉中心且以例如50rpm以上3000rpm以下進行旋轉。
圓筒狀的旋轉體單元114的直徑理想的是與支撐部112的外周徑大致相同。另外，旋轉軸118經由真空密封構件而旋轉自如地設於反應室10a的底部。
而且，加熱部116固定地設於支撐台124上，該支撐台124固定於貫通旋轉軸118的內部的支撐軸122。利用未圖示的電流導入端子與電極，對加熱部116供給電力。在該支撐台124設置有例如頂出銷(未圖示)，用於使半導體晶圓W自支撐部112脫附。
此外，在反應室10a底部具備氣體排出部126，該氣體排出部126將在半導體晶圓W表面等處來源氣體發生反應後的反應產物以及反應室10a的殘留製程氣體排出至反應室10a外部。 氣體排出部126連接於副氣體排出路徑15a(圖1)。
另外，圖2所示的反應室10a中，在反應室10a的側壁部位，設置有用於供半導體晶圓W出入的未圖示的晶圓出入口以及閘閥(Gate valve)。而且，構成為可在由該閘閥連結的例如裝載室(load lock chamber)(未圖示)與反應室10a之間，藉由操作臂(handling arm)來搬送半導體晶圓W。此處，例如前端的手部由合成石英形成的操作臂可插入至噴淋板101與晶圓支撐部112的空間。
本實施方式的氣相成長方法使用圖1及圖2的磊晶成長裝置。以下，以使GaN磊晶成長的情況為例而對本實施方式的氣相成長方法進行說明。
本實施方式的氣相成長方法中，利用控制部19以大致相同的條件同時控制4個反應室10a~反應室10d的氣相成長條件。
首先，向4個反應室10a~反應室10d分別搬入作為基板的一例的半導體晶圓W。
當要在半導體晶圓W上成膜例如GaN膜時，自第1主氣體供給路徑11供給例如以氫氣作為載體氣體的TMG(第1製程氣體)。而且，自第2主氣體供給路徑21供給例如氨(第2製程氣體)。此外，自第3主氣體供給路徑31供給例如作為分離氣體的氫氣(第3製程氣體)。
在第1主氣體供給路徑11中流通經第1主質量流量控 制器12控制流量後的第1製程氣體。而且，第1製程氣體分流地流入自第1主氣體供給路徑11分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c、第4副氣體供給路徑13d)。
分流至3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c)的第1製程氣體的流量分別藉由第1副質量流量控制器14a、第2副質量流量控制器14b及第3副質量流量控制器14c而控制。例如，以使由第1主質量流量控制器12指定的第1製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入的方式指定第1副質量流量控制器14a、第2副質量流量控制器14b、第3副質量流量控制器14c的流量。
此外，以由壓力計41監測的第1主氣體供給路徑11的壓力成為零的方式對副質量流量控制器14d的開度進行控制。藉此，未流入3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c)的第1製程氣體的剩餘部分、即相當於第2製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入剩餘的1條第4副氣體供給路徑13d。自第1主氣體供給路徑11分流至4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a、第2副氣體供給路徑13b、第3副氣體供給路徑13c、第4副氣體供給路徑13d)的第1製程氣體分別被供給至4個反應室10a~反應室10d。
在第2主氣體供給路徑21中，流通經第2主質量流量 控制器22控制流量後的第2製程氣體。而且，第2製程氣體分流地流入自第2主氣體供給路徑21分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c、第4副氣體供給路徑23d)。
分流至3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c)的第2製程氣體的流量分別藉由第1副質量流量控制器24a、第2副質量流量控制器24b及第3副質量流量控制器24c而控制。例如，以使由第2主質量流量控制器22指定的第2製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入的方式指定第1副質量流量控制器24a、第2副質量流量控制器24b、第3副質量流量控制器24c的流量。
此外，以由壓力計51監測的第2主氣體供給路徑21的壓力成為零的方式對副質量流量控制器24d的開度進行控制。藉此，未流入3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c)的第2製程氣體的剩餘部分、即相當於第2製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入剩餘的1條第4副氣體供給路徑23d。自第2主氣體供給路徑21分流至4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a、第2副氣體供給路徑23b、第3副氣體供給路徑23c、第4副氣體供給路徑23d)的第2製程氣體分別被供給至4個反應室10a~反應室10d。
在第3主氣體供給路徑31中，流通經第3主質量流量 控制器32控制流量後的第3製程氣體。而且，第3製程氣體分流地流入自第3主氣體供給路徑31分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c、第4副氣體供給路徑33d)。
分流至3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c)的第3製程氣體的流量分別藉由第1副質量流量控制器34a、第2副質量流量控制器34b及第3副質量流量控制器34c而控制。例如，以使由第3主質量流量控制器32指定的第3製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入的方式指定第1副質量流量控制器34a、第2副質量流量控制器34b、第3副質量流量控制器34c的流量。
此外，以由壓力計61監測的第3主氣體供給路徑31的壓力成為零的方式對副質量流量控制器34d的開度進行控制。藉此，未流入3條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c)的第3製程氣體的剩餘部分、即相當於第3製程氣體的總流量的四分之一(1/4)的流量流入剩餘的1條第4副氣體供給路徑33d。自第3主氣體供給路徑31分流至4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a、第2副氣體供給路徑33b、第3副氣體供給路徑33c、第4副氣體供給路徑33d)的第3製程氣體分別被供給至4個反應室10a~反應室10d。
反應室10a~反應室10d的內壓藉由壓力調整部18a~ 壓力調整部18d而控制為大致相同的壓力。
如此，對各反應室10a~反應室10d供給第1製程氣體、第2製程氣體、第3製程氣體，從而在半導體晶圓W上形成GaN膜。
4個反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d的氣相成長條件藉由控制部19而控制為大致相同的條件、即大致相同的處理處方。控制部19例如以大致相同的處理處方控制第1主質量流量控制器12、第2主質量流量控制器22、第3主質量流量控制器32。而且，以大致相同的處理處方控制第1副質量流量控制器14a、第1副質量流量控制器24a、第1副質量流量控制器34a。此外，以大致相同的處理處方控制第2副質量流量控制器14b、第2副質量流量控制器24b、第2副質量流量控制器34b。而且，以大致相同的處理處方控制第3副質量流量控制器14c、第3副質量流量控制器24c、第3副質量流量控制器34c。此外，以大致相同的處理處方控制壓力調整部18a、壓力調整部18b、壓力調整部18c、壓力調整部18d。而且，亦以大致相同的處理處方控制反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d的溫度、及基板的轉數等。
以下，以反應室10a為例而對反應室內的具體處理進行說明。
例如自3條第1副氣體供給路徑13a、第1副氣體供給路徑23a、第1副氣體供給路徑33a向反應室10a供給氫氣，且使 真空泵17進行動作而將反應室10a內的氣體自氣體排出部126排出。在將反應室10a控制為規定壓力的狀態下，在反應室10a內的支撐部112載置半導體晶圓W。
當搬入半導體晶圓W時，例如將反應室10a的晶圓出入口的閘閥(未圖示)打開，利用操作臂將裝載室內的半導體晶圓W搬入反應室10a內。然後，將半導體晶圓W例如經由頂出銷(未圖示)而載置於支撐部112，使操作臂返回裝載室，並關閉閘閥。
此處，載置於支撐部112的半導體晶圓W被加熱部116預加熱至規定溫度。之後，提高加熱部116的加熱輸出，使半導體晶圓W升溫至規定的溫度、例如1100℃左右的成膜溫度。半導體晶圓W以規定的轉數進行旋轉。
自第1副氣體供給路徑13a將以氫氣作為載體氣體的TMG(第1製程氣體)經由噴淋板101而供給至反應室10a。而且，自第1副氣體供給路徑23a將氨(第2製程氣體)經由噴淋板101而供給至反應室10a。此外，自第1副氣體供給路徑33a將氫氣(第3製程氣體)作為分離氣體經由噴淋板101而供給至反應室10a。藉此，在半導體晶圓W上使GaN膜磊晶成長。
當磊晶成長結束時，將III族的來源氣體向第1副氣體供給路徑13a的流入阻斷。藉此，GaN單晶膜的成長結束。降低加熱部116的加熱輸出，而使半導體晶圓W的溫度下降，在半導體晶圓W的溫度下降至規定的溫度之後，將自第1副氣體供給路徑23a向反應室10a的氨供給停止。
當該成膜結束時，經由第1副氣體供給路徑13a向反應室10a供給氫氣。而且，經由第1副氣體供給路徑23a向反應室10a供給氫氣。
此處，例如使旋轉體單元114的旋轉停止，維持將形成有單晶膜的半導體晶圓W載置於支撐部112的狀態，對加熱部116的加熱輸出進行調整，使溫度下降至搬送溫度。
繼而，例如利用頂出銷使半導體晶圓W自支撐部112脫附。然後，再次打開閘閥，將操作臂插入至噴淋板101與支撐部112之間，使半導體晶圓W載置於其上。繼而，使載置有半導體晶圓W的操作臂返回裝載室。
如此，對半導體晶圓W的一次成膜結束，例如，繼而對另一半導體晶圓W的成膜亦可依據與所述方法大致相同的製程順序來進行。反應室10b、反應室10c、反應室10d中亦與反應室10a同時地在相同的條件下進行對半導體晶圓W的成膜。例如，將反應室10a、反應室10b、反應室10c、反應室10d的各反應室的半導體晶圓W(基板)的溫度、製程氣體的流量、半導體晶圓W(基板)的轉數、以及內壓以成為大致相同的方式進行控制。
根據本實施方式的氣相成長裝置，當將自1條主氣體供給路徑供給的氣體分流至n條副氣體供給路徑而分配給n(n為2以上的整數)個反應室時，針對(n-1)條副氣體供給路徑，以使製程氣體的總流量的n分之一流入的方式利用副質量流量控制器進行控制，且總流量的剩餘部分的流量流入剩餘的1條副氣體供 給路徑。
考慮如下情況，即，假設在n條副氣體供給路徑均設置流量控制型的副質量流量控制器，且欲以使製程氣體的總流量的n分之一流入的方式進行控制。此時，可能產生如下情況：因副質量流量控制器的特性偏差，向較副質量流量控制器更靠反應室側流動的製程氣體的總流量少於自主氣體供給路徑供給的製程氣體的總流量。此時，有如下擔憂：對主質量流量控制器與副質量流量控制器之間的流路施加過大的壓力(氣體壓力)，導致形成流路的配管或閥等產生氣體洩漏等不良情況。
另外，反之可能產生如下情況：因副質量流量控制器的特性偏差，副質量流量控制器使欲向反應室側流入的製程氣體的總流量大於自主氣體供給路徑供給的製程氣體的總流量。此時，有如下擔憂：無法使指定的流量流入的副質量流量控制器的動作變得不穩定。
根據本實施方式的氣相成長裝置，n條副氣體供給路徑中，針對(n-1)條副氣體供給路徑，以使製程氣體的總流量的n分之一流入的方式利用流量控制型的副質量流量控制器進行控制，且總流量的剩餘部分的流量流入剩餘的1條副氣體供給路徑。具體而言，以設於主氣體供給路徑向副氣體供給路徑的分支之前的壓力計的值成為零的方式，利用開度控制型的質量流量控制器對流經剩餘的1條副氣體供給路徑的製程氣體的量進行控制。藉此，向較副質量流量控制器更靠反應室側流入的製程氣體的總流 量與自主氣體供給路徑供給的製程氣體的總流量大致相同。
因此，不會產生如下情況：主質量流量控制器與副質量流量控制器之間的流路的壓力變得過高，或者副質量流量控制器未使指定的流量流入。藉此，實現具有多個反應室且可靠性高的氣相成長裝置。
另外，使用單一的控制部，能夠以大致相同的條件、即大致相同的處理處方同時地控制n個反應室的氣相成長條件。藉此，能夠以簡易的構成在多個基板上同時地成膜。而且，藉由使控制系統成為簡易的構成，而實現可靠性高的氣相成長裝置。
而且，根據本實施方式的氣相成長方法，不會產生如下情況：主質量流量控制器與副質量流量控制器之間的流路的壓力異常地變高，或者副質量流量控制器未使指定的流量流入。藉此，實現穩定且可靠性高的氣相成長方法。
(第2實施方式)
本實施方式的氣相成長裝置除進而具備質量流量計(mass flow meter)以外，與第1實施方式相同，該質量流量計設於所述1條副氣體供給路徑，對流經1條副氣體供給路徑的製程氣體的流量進行測定。因此，對於與第1實施方式重複的內容省略記述。
圖3是本實施方式的氣相成長裝置的構成圖。
自第1主氣體供給路徑11分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑13a~第4副氣體供給路徑13d)中，在具 備開度控制型的質量流量控制器的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑13d設置有質量流量計71。質量流量計71對流經第4副氣體供給路徑13d的第1製程氣體的流量進行測定。
同樣地，自第2主氣體供給路徑21分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑23a~第4副氣體供給路徑23d)中，在具備開度控制型的質量流量控制器的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑23d設置有質量流量計81。質量流量計81對流經第4副氣體供給路徑23d的第2製程氣體的流量進行測定。
同樣地，自第3主氣體供給路徑31分支的4條副氣體供給路徑(第1副氣體供給路徑33a~第4副氣體供給路徑33d)中，在具備開度控制型的質量流量控制器的1條副氣體供給路徑、即第4副氣體供給路徑33d設置有質量流量計91。質量流量計91對流經第4副氣體供給路徑33d的第3製程氣體的流量進行測定。
根據本實施方式的氣相成長裝置，利用質量流量計，對不具備流量控制型的質量流量控制器且未控制為預先規定流量的量的1條副氣體供給路徑中流通的製程氣體的流量進行測定。藉此，可對自該副氣體供給路徑供給至反應室的製程氣體的流量進行監測。因此，例如可偵測出自該副氣體供給路徑供給至反應室的製程氣體的流量不在容許的流量範圍般的異常。
而且，亦可進而設置處理停止部，當由質量流量計71、質量流量計81、質量流量計91測定出的製程氣體的流量不在容許範圍時，例如將製程氣體的供給等處理停止。處理停止部例如亦 可組入控制部19。
(第3實施方式)
本實施方式的氣相成長裝置除進而具備壓力調整部以外，與第1實施方式相同，該壓力調整部設於主氣體排出路徑的反應室與泵之間，同時控制n個反應室的內壓。因此，對於與第1實施方式重複的內容省略記述。
圖4是本實施方式的氣相成長裝置的構成圖。
在主氣體排出路徑16的反應室10a~反應室10d與真空泵17之間，設置有1個壓力調整部70。該壓力調整部70同時控制4個反應室10a~反應室10d的內壓。壓力調整部70例如為節流閥。
根據本實施方式的氣相成長裝置，利用單一的壓力調整部控制n個反應室的內壓。因此，容易將n個反應室的內壓均控制為大致相同的壓力。而且，相對於對n個反應室分別設置壓力調整部的構成，而為更簡易的構成。
以上，一面參照具體例一面對本發明的實施方式進行了說明。所述實施方式僅是作為示例而舉出，並不限定本發明。而且，亦可將各實施方式的構成要素適當組合。
例如，只要為自1條副氣體供給路徑向(n-1)個反應室以外的1個反應室供給未流入(n-1)條副氣體供給路徑的製程氣體的剩餘部分的構成，則亦可採用實施方式以外的構成。
例如，實施方式中，以成膜GaN(氮化鎵)的單晶膜的 情況為例進行了說明，但例如AlN(氮化鋁)、AlGaN(氮化鋁鎵)、InGaN(氮化銦鎵)等其他III-V族的氮化物系半導體的單晶膜等的成膜亦可應用本發明。而且，亦可將本發明應用於GaAs等III-V族的半導體。
另外，以有機金屬為TMG的一種的情況為例進行了說明，但亦可為使用兩種以上的有機金屬作為III族元素的來源的情況。而且，有機金屬亦可為III族元素以外的元素。
另外，作為載體氣體，以氫氣(H2)為例進行了說明，但此外可將氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、或者該些氣體的組合用作載體氣體。
另外，製程氣體亦可為例如包含III族元素與V族元素兩者的混合氣體。
另外，實施方式中，以n個反應室分別在一片晶圓上成膜的縱型的單片式磊晶裝置的情況為例進行了說明，但n個反應室並不限於單片式磊晶裝置。例如，亦可將本發明應用於在進行自轉公轉的多個晶圓上同時成膜的行星式化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)裝置或橫型的磊晶裝置等情況。
實施方式中，省略了對裝置構成或製造方法等對於本發明的說明而言並非直接必要的部分等的記載，但亦可適當選擇使用必要的裝置構成或製造方法等。此外，具備本發明的要素且本領域技術人員可適當進行設計變更的所有氣相成長裝置及氣相成 長方法均包含在本發明的範圍內。本發明的範圍由申請專利範圍及其均等物的範圍而定義。
10a~10d‧‧‧反應室
11‧‧‧第1主氣體供給路徑
12‧‧‧第1主質量流量控制器
13a、23a、33a‧‧‧第1副氣體供給路徑
13b、23b、33b‧‧‧第2副氣體供給路徑
13c、23c、33c‧‧‧第3副氣體供給路徑
13d、23d、33d‧‧‧第4副氣體供給路徑
14a、24a、34a‧‧‧第1副質量流量控制器
14b、24b、34b‧‧‧第2副質量流量控制器
14c、24c、34c‧‧‧第3副質量流量控制器
14d、24d、34d‧‧‧副質量流量控制器
15a~15d‧‧‧副氣體排出路徑
16‧‧‧主氣體排出路徑
17‧‧‧真空泵
18a~18d‧‧‧壓力調整部
19‧‧‧控制部
21‧‧‧第2主氣體供給路徑
22‧‧‧第2主質量流量控制器
31‧‧‧第3主氣體供給路徑
32‧‧‧第3主質量流量控制器
41、51、61‧‧‧壓力計

Claims (14)

  1. 一種氣相成長裝置，包括：n(n為2以上的整數)個反應室；主氣體供給路徑，向所述n個反應室供給製程氣體；主質量流量控制器，設於所述主氣體供給路徑，對流經所述主氣體供給路徑的所述製程氣體的流量進行控制；(n-1)條第1副氣體供給路徑，自所述主氣體供給路徑分支，向所述n個反應室中的(n-1)個反應室分別供給分流後的所述製程氣體；(n-1)個第1副質量流量控制器，分別設於所述(n-1)條第1副氣體供給路徑，分別對分流後的所述製程氣體的流量進行控制；以及1條第2副氣體供給路徑，自所述主氣體供給路徑分支，向所述(n-1)個反應室以外的1個反應室供給未流入所述(n-1)條第1副氣體供給路徑的所述製程氣體的剩餘部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其更包括：壓力計，設於所述主質量流量控制器與自所述主氣體供給路徑向所述(n-1)條第1副氣體供給路徑及所述1條第2副氣體供給路徑的分支之間的所述主氣體供給路徑；以及開度控制型的第2副質量流量控制器，設於所述1條第2副氣體供給路徑，基於所述壓力計的測定結果，對流經所述1條第2 副氣體供給路徑的所述製程氣體的流量進行控制，其中所述(n-1)個第1副質量流量控制器為流量控制型的質量流量控制器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其更包括質量流量計，所述質量流量計設於所述1條第2副氣體供給路徑，對流經所述1條第2副氣體供給路徑的所述製程氣體的流量進行測定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其更包括：n條副氣體排出路徑，將所述製程氣體自所述n個反應室排出；主氣體排出路徑，由所述n條副氣體排出路徑合流而成；以及泵，設於所述主氣體排出路徑。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的氣相成長裝置，其更包括壓力調整部，所述壓力調整部設於所述主氣體排出路徑的所述n個反應室與所述泵之間，同時控制所述n個反應室的內壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長裝置，其更包括控制部，所述控制部對所述主質量流量控制器與所述(n-1)個第1副質量流量控制器進行控制。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的氣相成長裝置，其更包括控制部，所述控制部對所述主質量流量控制器、所述第2副質量流量控制器、以及所述(n-1)個第1副質量流量控制器進行控制。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的氣相成長裝置，其更包 括：n條副氣體排出路徑，將所述製程氣體自所述n個反應室排出；主氣體排出路徑，由所述n條副氣體排出路徑合流而成；泵，設於所述主氣體排出路徑；以及壓力調整部，設於所述主氣體排出路徑的所述n個反應室與所述泵之間，同時控制所述n個反應室的內壓，其中所述控制部控制所述壓力控制部。
  9. 如申請專利範圍第5項所述的氣相成長裝置，其中所述壓力調整部包含節流閥。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的氣相成長裝置，其中所述控制部包含控制電路。
  11. 一種氣相成長方法，包含：向n個反應室分別搬入基板，使經主質量流量控制器控制流量後的製程氣體流經主氣體供給路徑，使經副質量流量控制器控制流量後的所述製程氣體流經自所述主氣體供給路徑分支的(n-1)條副氣體供給路徑，使未流入所述(n-1)條副氣體供給路徑的所述製程氣體的剩餘部分流經自所述主氣體供給路徑分支的1條副氣體供給路徑，且自所述(n-1)條副氣體供給路徑與所述1條副氣體供給路徑向所述n個反應室分別供給所述製程氣體而在所述基板上進行成膜。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的氣相成長方法，其中在所述n個反應室中，分別在大致相同的條件下在所述基板上進行成膜。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的氣相成長方法，其中所述製程氣體為包含III族元素的氣體。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的氣相成長方法，其中所述相同的條件包含基板溫度、基板轉數、所述製程氣體的流量、所述n個反應室的內壓。
TW104124305A 2014-07-31 2015-07-28 氣相成長裝置及氣相成長方法 TWI585231B (zh)

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