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発明の名称 気相成長装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−19590(P2001−19590A)
公開日 平成13年1月23日(2001.1.23)
出願番号 特願平11−191321
出願日 平成11年7月6日(1999.7.6)
代理人
発明者 我妻 新一 / 山本 直
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 基板を上面に載置する基板ホルダと、基板ホルダ上の基板を加熱する加熱ヒータとを内部に有する反応チャンバを備え、基板ホルダ上に載置した基板を加熱しつつ反応チャンバに原料ガスを導入して、気相成長法により基板上に薄膜を結晶成長させる気相成長装置において、反応チャンバを横断する隔板により反応チャンバを上下に区画してなる上部室として形成され、基板ホルダを隔板上に接して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜を結晶成長させる反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを備えることを特徴とする気相成長装置。
【請求項2】 圧力調節手段は、ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えていることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
【請求項3】 圧力調節手段は、マスフロー・コントローラを備えてヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計から出力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排気ガスの流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、を備えていることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
【請求項4】 圧力調節手段は、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に接続され、排気管に単一種のガスを導入するガス導入管と、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えていることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
【請求項5】 隔板上に接して収容された基板ホルダが、基板ホルダに直交する回転軸の回りに隔板に摺動して自在に回転することを特徴とする請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の気相成長装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置に関し、更に詳細には、ウエハ面内均一性の高い、更にはウエハ毎に均一一様な薄膜を気相成長法により基板上に結晶成長させる気相成長装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】基板上に気相成長法により半導体等の薄膜をエピタキシャル成長させる気相成長装置は、半導体装置の製造過程で多用されている。特に、半導体レーザ素子等の化合物半導体装置を作製する際には、MOCVD装置を使って、有機金属気相成長法(MOCVD法)により、GaAs系、AlGaAs系、AlGaInP系、GaN系等の化合物半導体層を成膜することが多い。
【0003】ここで、図4を参照して、従来のMOCVD装置の構成を説明する。図4は従来のMOCVD装置の構成を示す模式的断面図である。従来のMOCVD装置10は、図4に示すように、石英製等の反応チャンバ12を備え、反応チャンバ12内にウエハWを載置する基板ホルダ14と、基板ホルダ12の下方に加熱ヒータ16とを配置している。
【0004】基板ホルダ14は、ウエハの直径より大きな直径の円板状の部材であって、基板ホルダ14の下側中心に連結された回転軸18と共に回転軸18の回りに回転する。反応チャンバ12の一方の側壁には、マスフロー・コントローラ(図示せず)を備えたガス供給管20が接続され、ガス供給管20から反応チャンバ12に原料ガスが所定流量で供給される。また、反応チャンバ12の他方の側壁には排気管22が接続され、反応チャンバ12を所定の圧力に維持するために、排気管22を介して反応チャンバ12から未反応の原料ガス等を真空吸引装置(図示せず)により吸引している。加熱ヒータ16は、反応チャンバ12内の温度を設定温度に保持するように制御され、これにより基板ホルダ14上のウエハWの温度を所定温度に維持している。
【0005】ガス供給管20から導入された原料ガスは、ウエハWの上で加熱分解され、ウエハ上でGaAs等の結晶として成長する。未反応の原料ガスは排気管22から排気される。例えば、MOCVD法によるGaAs膜の成長を例にして説明すると、通常、原料ガスとして、Gaの有機金属化合物である(CH33 Ga(TMGa、トリメチルガリウム)と、Asの水素化合物であるAsH3 (アルシン)が用いられる。TMGaは、Pd膜を拡散させて純化した水素をキャリアガスとして使って、恒温槽中で蒸気圧を制御した状態でガス化される。一方、AsH3 は高濃度水素で適当な濃度に希釈したものが用いられる。キャリアガスとしての水素とTMGaとAsH3 とは、混合され、反応チャンバ12に導入される。反応チャンバ12内に導入された原料ガスは、次第に、層流を形成して、650℃程度に加熱されている結晶基板上に達することにより、(CH33 Ga+AsH3 → GaAs+3CH4という反応を進行させ、基板上にGaAsが成長する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来のMOCVD装置では、成長させた薄膜の膜質及び膜厚のウエハ面内均一性が良好でなく、更には、ウエハ毎の膜質及び膜厚がどうしてもばらつき勝ちで、ウエハ面内均一性が良好で、ウエハ毎にばらつかない均一一様な膜質の薄膜を成膜することが難しかった。上述の問題点の説明では、MOCVD装置を例にして説明したが、MOCVD装置に限らず、気相成長装置に普遍的な問題であった。
【0007】そこで、本発明の目的は、膜厚及び膜質のウエハ面内均一性が高く、ウエハ毎にばらつかない均一一様な膜厚及び膜質の薄膜をウエハ上に気相成長法により成長させる気相成長装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、成長させた薄膜の膜質及び膜厚がばらつく原因を調べた結果、図5に示すように、ガス供給管20から導入された原料ガスが、加熱ヒータ16と基板ホルダ14との間を流れるために、ウエハの温度、即ち薄膜の成長温度が変動することがわかった。特に、成長させる薄膜の膜種が変わる、つまり原料ガスの種類、流量が変わると、原料ガスの熱伝導率が変化するため、加熱ヒータからウエハに熱を伝達させる際、加熱対象物であるウエハの実温度が変化することが判った。そこで、本発明者は、反応チャンバを隔板で上下に分割し、隔板上に基板ホルダを収容した反応室と、熱ヒータを配置するヒータ室とを設け、かつヒータ室に存在する気体の熱伝導率を一定に維持するために、単一種のガスで一定の圧力に維持することを着想し、実験を重ねた末に、本発明を完成するに到った。
【0009】よって、上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る気相成長装置は、基板を上面に載置する基板ホルダと、基板ホルダ上の基板を加熱する加熱ヒータとを内部に有する反応チャンバを備え、基板ホルダ上に載置した基板を加熱しつつ反応チャンバに原料ガスを導入して、気相成長法により基板上に薄膜を結晶成長させる気相成長装置において、反応チャンバを横断する隔板により反応チャンバを上下に区画してなる上部室として形成され、基板ホルダを隔板上に接して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜を結晶成長させる反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを備えることを特徴としている。
【0010】本発明で、隔板上に接触させるようにして、基板ホルダを配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。また、本発明では、ヒータ室に充満する単一種のガス、例えば窒素ガスが所定の圧力に維持されているので、熱伝導率が一定となり、加熱ヒータの発熱量が一定である限り、加熱ヒータから隔板及び基板ホルダを経てウエハWに伝達される熱量が一定になる。これにより、加熱対象物であるウエハWの温度(実温度)が所定温度に安定して維持することができる。
【0011】本発明で、ヒータ室に導入する単一種のガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、及び水素ガスである。尚、混合比が一定である限り、混合ガス、例えば窒素ガスとアルゴンとの混合ガスでも良い。尚、ヒータ室に供給する単一種のガスを不活性ガスとすることにより、加熱ヒータの寿命が長くなる。仮に、活性ガスを導入すると、加熱ヒータの熱により分解して加熱ヒータを劣化させるおそれがある。ヒータ室の圧力には特に制約はないものの、実用的には、例えば大気圧以下であれば数Torrから数百Torrの範囲で良く、大気圧以上の加圧状態でも良い。隔板には、耐熱性の高い例えば石英板、カーボン板等を使用する。加熱ヒータは、従来の既知の加熱ヒータであって、例えば電気抵抗線コイルの電気ヒータ、高周波ヒータ等である。
【0012】本発明に係る気相成長装置は、MOCVD法により基板上に化合物半導体膜を成膜するMOCVD装置に限らず、高温気相中で化学反応を利用して基板上にシリコン、化合物半導体等の単結晶層を成長させる、気相エピタキシャル成長装置全般に適用できる。
【0013】本発明の好適な実施態様では、圧力調節手段は、ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えている。
【0014】本発明の別の好適な実施態様では、圧力調節手段は、マスフロー・コントローラを備えてヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計から出力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排気ガスの流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、を備えている。
【0015】本実施態様で使用する圧力調節弁は、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する弁である限り、その種類に制約はないが、例えばピエゾ・バルブを使用することができる。
【0016】本発明の更に別の好適な実施態様では、圧力調節手段は、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に接続され、排気管に単一種のガスを導入するガス導入管と、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えている。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1本実施形態例は、本発明に係る気相成長装置の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気相成長装置30は、MOCVD法によりウエハ上にGaAs系、AlGaAs系、AlGaInP系、GaN系等の化合物半導体膜を成膜するMOCVD装置であって、図4を参照して説明した従来のMOCVD装置10の構成に加えて、反応チャンバ12を上下に分割して設けた反応室及びヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを設けたことを除いて、従来のMOCVD装置10の構成と同じ構成を備えている。
【0018】反応室32は、反応チャンバ12を横断する石英製の隔板34により反応チャンバ12を上下に区画してなる上部室として形成されていて、ガス供給管20から原料ガスが導入され、排気管22を介して排気されるようになっている。ウエハWを上面に載置させる基板ホルダ14は、反応室32内の隔板34上に配置されていて、隔板34に摺動して自在に回転する。ヒータ室36は、反応室32の下に設けられ、ウエハWを加熱する加熱ヒータ16が配置されている。
【0019】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室36に単一種のガス、例えば窒素ガスを導入するためにヒータ室36に接続されたガス導入管38と、ヒータ室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計40と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管42を介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ44と、ガス導入管36に取り付けられたマスフロー・コントローラ46とから構成されている。マスフロー・コントローラ46は、圧力計40から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管38を流れるガスの流量を調節し、ヒータ室36の圧力を所定圧力、例えば500Torrにフィードバック制御する。
【0020】本実施形態例では、隔板34上に接触させるようにして、基板ホルダ14を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ14下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、ウエハを加熱することができる。また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ16の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16から隔板34及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達される熱量が一定になる。よって、加熱対象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定して維持することができる。例えば、MOCVD法により化合物半導体膜を成長させる時、加熱対象物(基板)の実温度が安定し、成長条件の安定化が向上し、更には不純物のドーピングなど温度に影響を受ける条件が安定化する。
【0021】実施形態例2本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の別の例であって、図2は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気相成長装置50は、実施形態例1と同様にMOCVD装置であって、実施形態例1のMOCVD装置30とはヒータ室36の圧力調節手段の構成が異なることを除いて同じ構成を備えている。
【0022】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室36に単一種のガス、例えば窒素ガスを設定流量で導入するために、マスフロー・コントローラ52を有してヒータ室36に接続されたガス導入管54と、ヒータ室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計56と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管58を介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ60と、真空ポンプ60の上流のヒータ室排気管58に取り付けられ圧力調節弁62とから構成されている。圧力調節弁62は、圧力計56から出力された圧力計測値に基づいてフィードバク制御によりヒータ室排気管58を流れる排気ガスの流量を調整して、ヒータ室36の圧力を所定圧力、例えば500Torrに制御するように動作する。圧力調節弁62には、電圧を印加してバルブ内の径を変化させることのできる、例えばピエゾ・バルブ等を使用する。
【0023】本実施形態例では、実施形態例1と同様に、隔板34上に接触させるようにして、基板ホルダ14を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ14下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ16の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16から隔板34及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達される熱量が一定になる。よって、実施形態例1と同様に、加熱対象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定して維持することができる。
【0024】実施形態例3本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の更に別の例であって、図3は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。本実施形態例の気相成長装置70は、実施形態例1と同様にMOCVD装置であって、実施形態例1のMOCVD装置30とはヒータ室36の圧力調節手段の構成が異なることを除いて同じ構成を備えている。
【0025】本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室36の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計72と、ヒータ室36に接続されたヒータ室排気管74を介してヒータ室36を所定流量で排気する真空ポンプ76と、ヒータ室排気管74に単一種のガス、例えば窒素ガスを導入するためにヒータ室排気管74に接続されたガス導入管78と、ガス導入管78に取り付けられたマスフロー・コントローラ80とから構成されている。マスフロー・コントローラ80は、圧力計72から出力された圧力計測値に基づいてフィードバク制御によりヒータ室排気管74に導入する窒素ガスの流量を調整して、ヒータ室36の圧力を所定圧力、例えば500Torrに制御する。
【0026】本実施形態例では、実施形態例1と同様に、隔板34上に接触させるようにして、基板ホルダ14を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ14下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室36に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ16の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ16から隔板34及び基板ホルダ14を経てウエハWに伝達される熱量が一定になる。よって、実施形態例1と同様に、加熱対象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定して維持することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、気相成長法により基板上に薄膜を成長させる気相成長装置において、反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを設ける。これにより、ヒータ室に充満する単一種のガス、例えば窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータの発熱量が一定である限り、加熱ヒータから隔板及び基板ホルダを経てウエハWに伝達される熱量が一定になり、従って加熱対象物であるウエハWの温度(実温度)を所定温度に安定して維持することができる。よって、本発明に係る気相成長装置を適用することにより、例えばMOCVD法により化合物半導体膜を成長させる時、加熱対象物(ウエハ)の実温度が安定し、従って成長条件が安定するので、高いウエハ面内均一性で、かつウエハ毎にばらつくことなく、良好な膜質の薄膜を基板上に安定して結晶成長させることができる。




 

 


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