(57)【要約】半導体製造反応装置１２は、反応装置チャンバの頂部に搭載された回転可能なサセプタ１４を備える。１つ以上のウェハ１６が、サセプタの表面に据え付けられ、サセプタの回転により、チャンバ内でウェハを回転させる。ヒータ１８が、サセプタを加熱し、チャンバガス入口が、反応装置チャンバ内へ半導体成長ガスを許容して前記ウェハ上に半導体材料を堆積する。成長ガスがチャンバから出ることができるようにするチャンバガス出口４０を含む。入口は、前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの下にあり、出口は、ウェハのレベルまたはウェハのレベルの上にある。
2005528777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造反応装置であって、
反応装置チャンバの頂部に据え付けられた回転可能なサセプタと、
前記サセプタの回転によりウェハを前記チャンバ内で回転させる前記サセプタの表面に据え付けられた１つ以上の前記ウェハと、
前記サセプタを加熱するためのヒータと、
半導体成長ガスを前記反応装置チャンバ内に許容して、前記ウェハ上に半導体材料を堆積するためのチャンバガス入口であって、前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの下にあるチャンバガス入口と、
前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの上にあるチャンバガス出口と
を備えたことを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記サセプタは前記チャンバの底部に向かって下向きの表面を有し、前記ウェハは前記下向きの表面に据え付けられたことを特徴とする請求項１に記載の反応装置チャンバ。
【請求項３】
前記チャンバガス入口は前記反応装置チャンバの底部に通じていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記チャンバガス入口は前記チャンバの前記底部のほぼ中央を通した単一の入口であることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項５】
前記チャンバガス入口は前記チャンバの前記底部を通したシャワーヘッド入口であり、前記シャワーヘッド入口は前記成長ガスを前記チャンバ内に許容するように複数のボアホールを有することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項６】
前記チャンバの頂部に接続された回転ロッドをさらに備え、前記サセプタが前記回転ロッドに取り付けられ、前記回転ロッドの回転により前記サセプタを前記チャンバ内で回転させることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項７】
前記ロッドは中空であり、前記サセプタの表面は前記ロッドと整列した中央入口を有し、前記成長ガスは前記ロッドおよび中央入口を通して前記チャンバに入ることを特徴とする請求項６に記載の反応装置。
【請求項８】
前記チャンバガス入口は前記反応装置チャンバの側壁に通じていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項９】
前記サセプタを上方および下方に動かして、前記入口と前記サセプタとの間の距離を変えることができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記サセプタの角度を調整して、前記入口と前記サセプタとの間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１１】
前記入口の角度を調整して、前記入口と前記サセプタとの間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１２】
半導体製造システムであって、
ウェハ上にエピタキシャル層を形成するためのガスのソースと、
前記エピタキシャル層内のドーパントのためのガスのソースと、
前記ドーパントおよび前記エピタキシャルソースガスを搬送するためのガスラインと、
ウェハ上に半導体デバイスを成長させるための反応装置であって、
反応装置チャンバ内に据え付けられた反転サセプタであって、前記サセプタが回転可能であり、前記ガスライン内の前記ソースガスが反応装置入口を通して前記反応装置チャンバ内に注入される反転サセプタと、
前記サセプタの回転によりウェハを前記チャンバ内で回転させる前記サセプタの表面に据え付けられた１つ以上の前記ウェハと、
前記ソースガスが前記ウェハ上に半導体材料を堆積し、前記入口が前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの下にある前記サセプタを加熱するヒータと、
前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの上にあるチャンバガス出口と
を備えた反応装置と
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
前記サセプタは前記チャンバの底部に向かって下向きの表面を有し、前記ウェハは前記下向きの表面に据え付けられたことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記反応装置入口は前記反応装置チャンバの底部を通した単一の入口であることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記反応装置入口は前記チャンバの前記底部を通したシャワーヘッド入口であり、前記シャワーヘッド入口は前記成長ガスを前記チャンバ内に許容するように複数のボアホールを有することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記反応装置チャンバの頂部に接続された回転ロッドをさらに備え、前記サセプタは前記回転ロッドに取り付けられ、前記回転ロッドの回転により前記サセプタを前記チャンバ内で回転させることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ロッドは中空であり、前記サセプタの表面は前記ロッドと整列した中央入口を有し、前記成長ガスは前記ロッドおよび中央入口を通して前記チャンバに入ることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記反応装置入口は前記反応装置チャンバの側壁を通したことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記サセプタを上方および下方に動かして、前記入口と前記サセプタとの間の距離を変えることができることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
前記サセプタの角度を調整して、前記入口と前記サセプタとの間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項２１】
前記入口の角度を調整して、前記入口と前記サセプタとの間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項２２】
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）半導体製造反応装置であって、
ＭＯＣＶＤ反応装置チャンバ内に据え付けられたサセプタと、
前記サセプタ表面に据え付けられた１つ以上のウェハと、
前記サセプタを回転させて、前記サセプタの回転により前記ウェハを回転させるための手段と、
前記サセプタを加熱することによって生じた境界層が圧迫されるように前記チャンバ内に配置された前記サセプタを加熱するための手段と、
半導体成長ガスを前記反応装置チャンバに入れて、前記ウェハ上に半導体材料を堆積するための入口手段と、
前記ウェハのレベルまたは前記ウェハのレベルの上にある出口手段であって、成長ガスを前記チャンバから出すための出口手段と
を備えたことを特徴とする反応装置。
【請求項２３】
前記入口手段は前記チャンバの底部を通した単一の入口を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の反応装置。
【請求項２４】
前記入口手段は前記チャンバの前記底部を通したシャワーヘッド入口を備え、前記シャワーヘッド入口は前記成長ガスを前記チャンバ内に許容するように複数のボアホールを有することを特徴とする請求項２２に記載の反応装置。
【請求項２５】
前記サセプタは中空の回転ロッドによって反応装置内に据え付けられ、前記回転ロッドの回転により前記サセプタを回転させ、前記入口手段は前記ロッドと整列された前記サセプタに入口を備え、前記成長ガスは前記ロッドおよびサセプタ入口を通して前記反応装置に入ることを特徴とする請求項２２に記載の反応装置。
【請求項２６】
前記サセプタを上方および下方に動かし、一方の側から他方の側へ傾斜させて、前記成長ガスからの半導体材料の前記堆積に関する条件を変えることができることを特徴とする請求項２２に記載の反応装置。
【請求項２７】
前記入口を一方側から他方側へ傾斜させて、前記成長ガスからの半導体材料の前記堆積に関する条件を変えることができることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項２８】
前記入口手段は前記ウェハの場所または前記ウェハの下にあり、前記出口手段は前記ウェハの場所または前記ウェハの上にあることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項２９】
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）半導体製造システムであって、
ウェハ上にエピタキシャル層を形成するためのガスのソースと、
前記エピタキシャル層内のドーパントのためのガスのソースと、
ウェハ上に半導体デバイスを成長させるためのＭＯＣＶＤ反応装置であって、前記反応装置は反応装置チャンバを備え、前記ソースガスは入口を通して前記チャンバ内に注入され、前記反応装置は、
反応装置チャンバ内に据え付けられたサセプタが回転可能な反転サセプタと、
前記サセプタの回転によりウェハを前記チャンバ内で回転させる前記サセプタの表面に搭載された１つ以上の前記ウェハと、
前記ソースガスが前記ウェハ上に半導体材料を堆積する前記サセプタを加熱するヒータと、
前記成長ガスを前記ウェハから出すことができるようにするガス出口と
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
前記反応装置入口は前記チャンバの前記底部を通したシャワーヘッド入口であり、前記シャワーヘッド入口は前記成長ガスを前記チャンバ内に許容するように複数のボアホールを有することを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記サセプタを上方および下方に動かして、前記入口と前記サセプタとの間の距離を変えることができることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造に関し、より詳細には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を使用して半導体デバイスを製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの半導体デバイスが、異なる材料系を使用してＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）システムで製造することができ、ＭＯＣＶＤシステムは、最近では、ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスを製造するために使用されている。ＭＯＣＶＤシステムでのＩＩＩ族窒化物ベースの半導体デバイスの成長は、非特許文献１に概ね記載されている。ＩＩＩ族窒化物デバイスの製造における１つの懸念は、層間のシャープな界面を提供しつつ、最小の不純物で均一な材料をデバイス層に生成する能力である。層間の不純物および不十分な界面は、デバイス性能に悪い影響を与える可能性があり、半導体デバイスの一貫した再現性を妨げる可能性がある。
【０００３】
いくつかの従来のマルチウェハＭＯＣＶＤ反応装置は、反応装置チャンバの底部に据え付けられた回転可能なサセプタを使用する。（Ｅｍｃｏｒｅ  Ｉｎｃ．によって提供されているＴｕｒｂｏＤｉｓｃ  ＴｏｏｌｓのＥｍｃｏｒｅ  ＤｉｓｃｏｖｅｒおよびＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅ  Ｓｅｒｉｅｓを参照されたい。）半導体ウェハは、サセプタの頂部表面に保持され、加熱エレメントは、サセプタの下に配置されて、サセプタおよびウェハを加熱する。反応成長ガスは、反応装置に入って、ウェハ上に所望の材料を堆積し、サセプタが回転している状態で、ウェハ上により均一な材料の堆積を提供する。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３４８６１号明細書
【特許文献２】米国特許第４９４６５４７号明細書
【特許文献３】米国特許第５２０００２２号明細書
【非特許文献１】DenBaars and Keller, Semiconductor and Semimetals, Vol. 50, Academic Press Inc., 1997, p. 11-35
【非特許文献２】Aria et al., "Highly Uniform Growth on a Low-Pressure MOPVE Multiple Wafer System", Journal of Crystal Growth 170, p. 88-91 (1997)
【非特許文献３】Holstein, "Modeling of Chimney CDV Reactors", Journal of Crystal Growth 125, p. 311-319 (1992)
【非特許文献４】Lee, "MOCVD in Inverted Stagnation Point Flow", Journal of Crystal Growth, p. 120-127 (1886)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これら従来のＭＯＣＶＤ反応装置の１つの欠点は、ウェハおよびサセプタ上の高温雰囲気の大きく不均一な境界層の厚みが、サセプタの加熱の結果、形成されることである。成長の間に、サセプタからの熱は、ガスを上昇させ、境界層が反応装置チャンバの頂部表面へ拡大することがある。反応成長ガスは、通常頂部入口を介して反応装置チャンバ内に注入される。より温度の低い成長ガスが高温ガスと遭遇すると、熱対流が発生することがあり、これによって反応装置内に乱流を発生させる。この乱流は、結果としてウェハ上の材料の不均一な堆積をもたらすことがある。また、堆積ガスが、より大きな境界層を通って拡散することは難しく、結果として成長ガスのほとんどが、ウェハ上に堆積しない。これにより、所望の半導体デバイスを形成するために必要な成長ガスの量が増大する。
【０００６】
また、サセプタを覆う大きな境界層は、サセプタの回転速度を制限することがある。加熱されたサセプタの回転速度が増大すると、境界層はより温度の低い成長ガスの対流力からの乱流を加えた乱流をもたらす。これにより、デバイス層においてさらなる不均一性を招くことがある。
【０００７】
従来のＭＯＣＶＤ反応装置の他の欠点は、ウェハ（またはサセプタ）上に堆積しない成長ガスが、サセプタの上の反応装置チャンバの側壁または頂部表面に堆積することがあることである。これらの堆積物は、優れた品質の層を成長する反応装置の性能に悪影響を及ぼすことがある。これら堆積物は、後続の層のためのガスと反応し、製造中にウェハ上に再堆積することがある。これら堆積物は、後続の層内に不純物として導入されることがあり、またこれら堆積物は、層間のシャープさを低下させることがある。これにより、半導体デバイスを正確に再現する反応装置の性能が究極的に制限される可能性がある。
【０００８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を成長させるための金属有機気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）システムは、非特許文献２に記載されている。ウェハは、サセプタに保持され、フローガスが成長表面の下方を流れている状態で、成長チャンバ内で下向きに（反転されて）配置されている。サセプタが回転し、それによってより均一な成長を達成するためにウェハを回転させる。ガスは、トリプルフローチャネル（ｔｒｉｐｌｅ  ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ）を介して、チャンバの側壁の１つからチャンバ内に注入され、ガスは反対側の側壁から排出される。Ｖ族種（水素化物ガス）およびＨ2キャリアガス、ＩＩＩ族（有機金属）およびＨ2キャリアガス、ならびにパージガスが、それぞれトリプルフローチャネルの上方チャネル、中央チャネル、および下方チャネルを介して反応装置内に流入する。
【０００９】
このシステムの１つの欠点は、入口フローチャネルが１つのチャンバ側壁にあり、また出口がほぼ同じ高さで反対側の側壁にあるので、ガスフローが入口と出口との間でチャンバにわたって作られることである。いくつかのガスがウェハ上に反応物を堆積する機会を有することなく、チャンバを通って流れる傾向がある。また、ウェハの前縁部は、反応物の最も高い濃度を有するガスと接触し、これにより、ウェハにわたって不均一な堆積が結果としてもたらされる。
【００１０】
「チムニー」化学気相成長（ＣＶＤ）反応装置に関する流量および質量移送は、非特許文献３において論考されている。チムニー反応装置は、反応装置の内部側壁に垂直方向に据え付けられている加熱サセプタ（通常は２つ）上に保持されたウェハを有する。チムニー反応装置の設計の意図は、急峻なヘテロ接合の成長のために迅速なガスの切り替えを助長するように、サセプタ近くの上向きの対流によるガスの流れを作ることである。反応物が入っている低温キャリアガスが反応装置の基底から入り、上に向かって加熱された領域へ流れる。
【００１１】
この設計の１つの欠点は、非対称なフローの状況により、一次ガスフローが反応装置の一方の側に位置付けられ、反転フローが反対側に位置付けられることになる。これは、２つのサセプタで異なる堆積速度を結果的にもたらす。また、上向きのガスフローにより、サセプタの前縁での成長速度の不均一性が、反応物の枯渇のためにサセプタの後縁よりもかなり大きくなる。
【００１２】
また、ＭＯＣＶＤ反応装置におけるＧａＡｓベースの半導体デバイスの成長は、非特許文献４にて論考されている。この反応装置は、反転された加熱サセプタにクランプされたウェハに向かって反応物が上向きに流れる反転よどみ点流れジオメトリ（ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ  ｆｌｏｗ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）に基づいている。しかしながら、この反応装置は、サセプタが回転しないよどみ流であり、デバイス層の不均一性を低減することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、半導体デバイスの製造、特にＭＯＣＶＤ反応装置における半導体デバイスの製造のための改良された方法および装置を提供することを模索している。
【００１４】
本発明による半導体製造反応装置の一実施形態は、反応装置チャンバの頂部に据え付けられた回転可能なサセプタを備える。１つ以上のウェハが、サセプタの表面に据え付けられ、サセプタの回転によりチャンバ内でウェハを回転させる。ヒータがサセプタを加熱し、チャンバガス入口が反応装置チャンバ内へ半導体成長ガスを許容して、前記ウェハ上に半導体材料を堆積する。入口は前記ウェハのレベルか、または前記ウェハのレベルの下にあることが好ましい。成長ガスがチャンバから出ることを可能にするチャンバガス出口を含む。出口はウェハのレベルか、またはウェハのレベルの上にあることが好ましい。
【００１５】
本発明による他の実施形態は、ウェハ上にエピタキシャル層を形成するためのガスのソースと、前記エピタキシャル層中のドーパントのためのガスのソースとを含む半導体製造システムを備える。ガスラインは、ウェハ上に半導体デバイスを成長するために、反応装置にドーパントおよびエピタキシャルソースガスを搬送し、ガスラインのソースガスは、反応装置入口を通じて反応装置に注入される。反応装置は、回転することができる反応装置チャンバ内に据え付けられた反転サセプタを備える。１つ以上のウェハがサセプタの表面に据え付けられ、サセプタの回転によりウェハをチャンバ内で回転させる。ヒータによりサセプタを加熱し、ソースガスがウェハ上に半導体材料を堆積する。チャンバ出口により成長ガスがチャンバから出ることを可能にする。好ましい実施形態において、入口は前記ウェハのレベルまたは前記ウェハの下にあり、出口は前記ウェハのレベルの上にある。
【００１６】
本発明による好ましい実施形態において、サセプタは前記チャンバの底部に向かって下向きの表面を有し、ウェハは下向きの表面に据え付けられる。以下に十全に記載されるように、サセプタを反転させることによって、境界層の深さが低減され、より低い温度の成長ガスが境界層に遭遇するときに生成される乱流を低減する。また、成長ガスはより容易に境界層に浸透することができ、サセプタはより速い回転速度で回転させることができる。この配置構成は、反応装置チャンバ内の堆積物から導入される半導体材料中の不純物のレベルを低減する助けとなる。
【００１７】
本発明の上記および他のさらなる特徴および利点は、当業者には付随する図面とともに以下の詳細な記載から当業者には明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による反転型のサセプタを有するＭＯＣＶＤ反応装置は、多くの異なる半導体製造システムで使用することができるが、図１に示したタイプのＭＯＣＶＤ製造システムでの使用に特に適合されている。ＭＯＣＶＤは、前駆物質（ｐｒｅｓｃｕｒｓｅｒ）の気相搬送と、加熱ゾーンにおけるＩＩＩ属アルキルおよびＶ属水素化物のその後の反応とに依拠する非平衡成長技術である。組成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）および成長速度は、ＭＯＣＶＤ反応装置へのガス流の様々な成分の質量流量（ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ）および希釈率を制御することによって制御される。
【００１９】
有機金属ＩＩＩ属の成長ガスのソースは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）などの液体か、またはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの固体である。有機金属ソースは、キャリアガス（一般的には水素）が流れるバブラに格納される。バブラ温度はソース材料の蒸気圧を制御する。キャリアガスは有機金属ソースからの蒸気で飽和し、加熱された基板に蒸気を搬送する。
【００２０】
Ｖ属成長ガスソースは、例えば窒化物成長のためのＮＨ3など、最も一般には気体状の水素化物である。ドーパント材料は、有機金属前駆物質（ジエチルジン（ＤＥＺｎ））、シクロペニンジエチルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ｊ、または水素化物（シランまたはジシラン）とすることができる。成長ガスおよびドーパントは、反応装置に供給され、基板またはウェハ上にエピタキシャル層として堆積される。１つ以上のウェハが無線周波数（ＲＦ）コイル、抵抗加熱、またはストリップヒータによる放射加熱によって加熱することができるサセプタと呼ばれるグラファイト構造上に保持され、これによってウェハを加熱する。
【００２１】
ＭＯＣＶＤ半導体製造システム１０は、サセプタ１４を有する反応装置チャンバ１２を備え、サセプタ１４は、チャンバ１２の頂部に据え付けられ、反転されている。サセプタ１４は、サファイヤ、シリコン（Ｓｉ）、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、アルミニウムガリウム窒化物（ＡｌＧａＮ）、ガリウム砒化物（ＧａＡｓ）などの多くの様々な材料からできている複数のウェハ１６を保持することができる。ＩＩＩ属窒化物ベースの半導体デバイスについての好ましいウェハはＳｉＣ製である。なぜなら、ＳｉＣは、他の材料と比べてＩＩＩ属窒化物により近い結晶格子整合を有し、それによってより高品質なＩＩＩ属窒化物膜を生じることになるからである。ＳｉＣも、非常に高い熱伝導性を有し、ＳｉＣ上のＩＩＩ属窒化物デバイスの総出力パワーが、ウェハの熱散逸によって制限されない。半絶縁性のＳｉＣウェハが利用できることにより、市販のデバイスを可能にするデバイス絶縁性および低い寄生容量の性能が提供される。ＳｉＣ基板は、Ｎｏｒｔｈ  ＣａｒｏｌｉｎａのＤｕｒｈａｍの本願特許出願人から利用可能であり、それらを製造するための方法は、科学文献、ならびに特許文献１、特許文献２および特許文献３に示されている。
【００２２】
成長の間、サセプタ１４は、ウェハ１６を所定の温度に維持するためにヒータ１８によって加熱される。温度は、一般に４００℃から１２００℃の間であるが、所望の成長のタイプに応じて高くすることも低くすることもできる。ヒータ１８は、上記に列挙した加熱デバイスのいずれとすることもできるが、通常、無線周波数（ＲＦ）または抵抗コイルである。
【００２３】
水素または窒素キャリアガス２０は、ガスライン２２に供給される。キャリアガス２０は、また、それぞれのバブラ２６ａ〜ｃに質量流コントローラ２４ａ〜ｃを通じて供給される。バブラ２６ａは、上述のような有機金属ＩＩＩ属ソースを有することができる。また、バブラ２６ｂおよび２６ｃは、同様の有機金属化合物を収容して、ＩＩＩ属化合物の合金を成長させることができる。バブラ２６ａ〜ｃは、一般に、有機金属化合物がキャリアガス２０によって反応装置チャンバ１２に搬送される前に、有機金属化合物の一定の蒸気圧を確実にするために、一定温度のバス２８ａ〜ｃによって所定の温度に維持される。
【００２４】
バブラ２８ａ〜ｃを通過するキャリアガス２０は、弁３０ａ〜ｃの所望の組合せを開放することによって、ガスライン２２内を流れるキャリアガス２０と混合される。混合されたガスは、次に、ガス入口ポート３２を通じて反応装置チャンバ１２に導入され、この入口ポートは、反応装置で異なる位置に配置することができるが、システム１０においては、チャンバ１２の底部に配置されている。
【００２５】
アンモニアなどの窒素入りガス３４が、質量流コントローラ３６を通じてガスライン２２に供給され、窒素入りガスの流れは、弁３８によって制御される。キャリアガス２０が、窒素入りガス３４と混合され、ガスライン２２内の有機金属気体が、反応装置チャンバ１２内に導入される場合、これらの元素が存在して、有機金属および窒素を含むガスの分子の熱分解を通じて、基板１６上にガリウム窒化物を成長する。
【００２６】
ウェハ１６上のガリウム窒化物の合金をドープするために、有機金属化合物のために使用されていないバブラ２６ａ〜ｃの１つをドーパント材料のために使用することができる。好ましい材料は、マグネシウム（Ｍｇ）またはシリコン（Ｓｉ）であるが、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、または炭素などの多くの異なるドーピング材料を使用することができる。バブラ２６ｂまたは２６ｃは、ボロン、アルミニウム、インジウム、リン、砒素、または他の材料などの合金材料のために使用することができる。いったん、ドーパントおよび／または合金が選択され、適切な弁３０ａ〜ｃが開かれて、ドーパントが有機金属および窒素入りガス３４とともにガスライン２２内を流れることができるようになると、ガリウム窒化物のドープされた層の成長が、基板１６上で起こることができる。
【００２７】
反応装置チャンバ１２内のガスは、流体圧力下で動作可能なポンプ４２に接続されたガスパージライン４０を通してパージすることができる。さらに、パージ弁４４により、反応装置チャンバ１２にガス圧力を構築するまたは抜き去ることができる。
【００２８】
通常、弁３０ａ〜ｃを閉鎖することで有機金属およびドーパントソースを遮断し、窒素入りガス３６およびキャリアガス２０を流れ続けさせることで成長プロセスを停止する。あるいは、反応装置チャンバ１２は、質量流コントローラ４８および弁５０を通して制御することができるガス４６でパージすることができる。パージは弁４４を開放することによって支援されて、ポンプ４２が過剰な成長ガスを反応装置チャンバ１２から排出することができるようにする。一般に、パージガス４６は水素であるが、他のガスであってもよい。次に、ヒータ１８への電力をオフにすることで基板１６を冷却する。
【００２９】
図２は、本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置６０の一実施形態を示す。反応装置６０は、異なる材料系から異なる半導体デバイスを製造するために使用することができるが、特に、ＭＯＣＶＤ製造システムにおいて、ＩＩＩ属窒化物材料系およびその合金からデバイスを製造することに適用される。
【００３０】
反応装置６０は、反転され、反応装置の頂部表面６６から据え付けられるサセプタ６４を有する反応装置チャンバ６２を備えている。サセプタ６４は、適した材料はグラファイトであるが、多くの熱伝導性材料から作ることができる。半導体ウェハ６８は、チャンバの底部表面７２に向いており、サセプタの下を向いた表面７０に据え付けられ、一般的なサセプタでは、約６枚の３インチウェハを保持することができ、１８枚の２インチウェハまで保持することができる。ウェハは、これらに限定されないが、据え付けフェースプレート、クランプ、クリップ、接着剤、テープなどを含む多くの異なる機構によって、サセプタ表面７０に保持することができる。
【００３１】
サセプタ６４は、回転ロッド７４によって反応装置チャンバ６０内に保持され、このロッドは、サセプタ６４も回転するように回転することができる。サセプタは、サセプタ６４とチャンバの頂部表面との間に配置された加熱エレメント８０によって加熱される。ヒータ８０は、上記で列挙した任意の加熱デバイスとすることができるが、通常、無線周波数（ＲＦ）または抵抗コイルである。ヒータ８０がサセプタ６４を加熱すると、高温ガスの境界層８２がサセプタ表面７０およびウェハ６８上に形成される。ウェハ６８上の半導体材料の成長の間、成長ガスは、多くの異なる手段でチャンバ６２の異なる壁を通して、チャンバ６２に入ることができる。
【００３２】
サセプタを反転することによって、境界層８２の深さは、底部にサセプタを有する従来の反応装置チャンバと比べて低減される。サセプタ６４が加熱され、高温ガスを生成すると、加熱されたガスは上昇する。したがって、境界層８２は、高温ガスの上昇によって、サセプタ６４およびウェハ６８に対して圧迫される。低減された境界層の高さは、より低温の成長ガスが境界層８２と遭遇するときに生成される乱流を低減し、これによりウェハ６８上により均一な材料の堆積を可能にする。成長ガスは、また、境界層８２により容易に浸透することができ、結果として、より多くの成長ガスがウェハ６８上に堆積する。これにより、所望の半導体デバイスを形成するために必要な堆積ガスの量を低減する。
【００３３】
低減した境界層は、また、サセプタ６４が回転するときに発生することがあるガス対流を低減する。結果として、サセプタ６４は、従来のように配置されたサセプタより高速に回転することができる。反応装置１０内で、サセプタは、１分間に約１００回転で回転することができ、数千ｒｐｍまで回転することができる。
【００３４】
低減した境界層８２は、また、増大した反応装置チャンバ圧力下で、堆積ガスをウェハ６８上に堆積することができるようにして、さらに効果的な製造を容易にする。製造されるデバイスに応じて、圧力は大気圧の１／８未満から大気圧の１０倍を超えるまでとすることができる。
【００３５】
反転型サセプタの配置構成の他の利点は、ウェハ上に堆積しない成長ガスのほとんどが、サセプタ６４を越えてチャンバ６２の頂部へ上昇することである。これらのガスは、側壁およびサセプタの背後のチャンバ６２の頂部表面上に堆積物８４を形成することがある。これらの堆積物は後続の成長ガスと作用することが少なく、ウェハ６８上に堆積した材料内に不純物を導入する可能性が低い。なぜなら、成長ガスは、成長ガスがウェハを越えるまでこれら堆積物と遭遇しないであろうからである。すなわち、こうしたガスは、ガスがウェハ上に反応物を堆積している点を越えたときに、これらの不純物と遭遇する。ウェハまたは反応装置壁に堆積しないガスは、ガス出口をチャンバの異なる位置とすることができるが、頂部ガス出口を通してチャンバから出ることができる。
【００３６】
図３は、図２の反応装置６０と類似する本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置９０の一実施形態を示す。反応装置は中空の回転ロッド９２を有し、堆積ガスが回転ロッド９２を通して反応装置チャンバ９４に入ることができる。
【００３７】
図４は、反応装置９０で使用することができるサセプタ９６を示し、このサセプタは、ガスが回転ロッド９２からサセプタ９６を通って反応装置チャンバ９４に入ることを可能にする中央ガス入口９８を含む。サセプタ９６が回転すると、入口からのガスはサセプタの周辺に引き出され、その途中でいくらかの成長ガスがウェハ１００上に堆積する。ウェハ上に堆積しないガスは、サセプタ９６の縁部を通り過ぎて、チャンバの頂部表面１０２に向かって引き寄せられる。上記のように、これらのガスは、サセプタ９６の下流側でサセプタ９６の背後にある、チャンバの側壁１０８ａ、１０８ｂの内側およびチャンバの頂部表面１０２の内側に堆積物１０６を形成することがある。これらの堆積物は、上述のように後続の層の製造に悪影響を及ぼす可能性は少ない。ガスは、好ましくは反応装置チャンバの頂部にあるガス出口１１０を通して反応装置チャンバ９４から出ることができ、これにより、ウェハを越えてチャンバの頂部へのガスの流れを助長する。
【００３８】
図５は、本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置１２０の他の実施形態を示し、この実施形態では、成長ガスは回転するサセプタ１２８上のウェハ１２６に向けられている中央底部入口１２４を通してチャンバ１２２に入る。成長ガスは、ガスがウェハ１２６上に堆積されるサセプタ１２８に向かって上昇する。図３の実施形態と同様に、ウェハ１２６上に堆積しないいかなるガスもサセプタ１２８を越えて引き出され、チャンバの側壁１３２ａ、１３２ｂの内側およびチャンバの頂部表面１３４の内側に堆積物１３０を形成することがある。反応装置は、頂部ガス出口１３６も有する。
【００３９】
図６は、本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置１４０の他の実施形態を示し、この実施形態では、成長ガスは、底部「シャワーヘッド」入口１４４を通して反応装置チャンバ１４２に入る。入口１４４は、成長ガスをチャンバ内へ通すための複数のボアホール１４５を有し、回転するサセプタ１４８上に据え付けられたウェハ１４６に向かって上昇する。入口１４４にあるボアホール１４５は、サセプタ１４８にわたって成長ガスのより均一な適用を実現し、ウェハ１４６上で材料のより均一な堆積を提供する。上記のように、ウェハ上に堆積しないガスは下流側に引かれ、そのガスが反応装置チャンバ１４２の壁に堆積しなければ、頂部出口１４９を通してチャンバから出ることができる。
【００４０】
図７は、本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置１５０の他の実施形態を示し、この実施形態では、堆積ガスは側壁入口１５４を通して反応装置チャンバ１５２に入る。回転するサセプタ１５８上のウェハ１５６上に堆積しないガスは下流側に引かれ、そのガスは反応装置壁の内側に堆積物１５９を形成することがある。反応装置は頂部ガス出口１６０を有することができ、この頂部ガス出口は、ガスがチャンバ１５２の頂部に向かって入口１５４から通過するように配置される。成長ガスは、ウェハ１５６上に堆積されることができるサセプタ１５８に向かって上昇する。
【００４１】
図８は、本発明によるＭＯＣＶＤ反応装置１７０の他の実施形態を示し、この実施形態は反応装置チャンバ１７１、回転するサセプタ１７２、サセプタ上のウェハ１７４、およびシャワーヘッドガス入口１７５を含み、これら全ては、図６の反応装置１４０におけるものと類似する。ほとんどの点において、反応装置１７０は、図６の反応装置１４０と同じように動作する。しかしながら、反応装置１７０において、サセプタ１７２は、ロッド１７８によって反応装置の頂部表面１７６に据え付けられ、このロッドは、シャワーヘッド入口１７５とサセプタ１７２との間の距離を調整するために、矢印１７７ａ、１７７ｂで示した方向に可動である。この調整により、ウェハ１７４と反応する成長ガス中の反応物質の濃度を変えて、半導体成長条件および速度を変えることができる。
【００４２】
図８にさらに示したように、サセプタ１７２は矢印１７８ａ、１７８ｂで示した方向にさらに調整して、サセプタ１７２とガス入口１７５との間の角度を変えることができる。同様に、ガス入口１７５の角度は矢印１７９ａ、１７９ｂで示した方向に調整して、サセプタ１７２とガス入口１７５との間の角度も変えることができる。また、これらの調整により、ウェハ１７４上の半導体成長条件および速度を変えることができる。可動なサセプタ構成、角度調整可能なサセプタ、および入口の配置構成は、それぞれサセプタ、底部入口、および側部入口を通じてのガス入口を有する反応装置６０、１２０、１５０にも使用することができる。反応装置は、１つだけまたは全てのこれら調整オプションを含むことができる。
【００４３】
本発明は、その特定の好ましい構成を参照して相当に詳しく記載したが、他の形態も可能である。多くの異なるガス入口、ガス出口、およびサセプタを使用することができる。ガス入口および出口は、多くの異なる位置に配置することができる。本発明による反応装置は、多くの異なる半導体製造システムにおいて、多くの異なる材料系から多くの異なる半導体デバイスを成長するために使用することができる。それゆえ、本発明の精神および範囲は、上記明細書または添付の特許請求の範囲における好ましい形態に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明によるＭＯＣＶＤ半導体製造システムの実施形態の概略図である。
【図２】本発明による反応装置の一実施形態の断面図である。
【図３】中央回転ロッドガス入口を有する本発明による反応装置の他の実施形態の断面図である。
【図４】図３における反応装置で使用することができる本発明によるサセプタの実施形態の下方斜視図である。
【図５】中央底部ガス入口を有する本発明による反応装置の他の実施形態の断面図である。
【図６】底部シャワーヘッドガス入口を有する本発明による反応装置の他の実施形態の断面図である。
【図７】側壁ガス入口を有する本発明による反応装置の他の実施形態の断面図である。
【図８】高さ調整可能なサセプタを有する本発明による反応装置の他の実施形態の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月10日(2005.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造反応装置であって、
反応装置チャンバ（６２）の頂部に据え付けられた回転可能なサセプタ（６４）と、
前記サセプタ（６４）の回転によりウェハ（６８）を前記チャンバ（６２）内で回転させる前記サセプタ（６４）の表面に搭載された１つ以上の前記ウェハ（６８）と、
前記サセプタ（６４）を加熱するヒータ（８０）と、
半導体成長ガスを前記反応装置チャンバ（６２）内に許容するように前記ウェハ（６８）上に半導体材料を堆積するチャンバガス入口（９８、１２４、１４４、１５４、１７５）であって、前記ウェハ（６８）のレベルまたは前記ウェハ（６８）のレベルの下にある前記ガス入口（９８）と、
前記ウェハ（６８）のレベルまたは前記ウェハ（６８）のレベルの上にあるチャンバガス出口（１１０、１４９、１６０）と
を備えたことを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記サセプタ（６４）は前記チャンバ（６２）の底部に向かって下向きの表面（７０）を有し、前記ウェハ（６８）は前記下向きの表面（７０）に据え付けられたことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記チャンバガス入口（１２４、１４４、１７５）は前記反応装置チャンバ（６２）の底部に通じていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記チャンバガス入口（１４４、１７５）は前記チャンバ（６２）の前記底部を通したシャワーヘッド入口（１４４、１７５）であり、前記シャワーヘッド入口は前記成長ガスを前記チャンバ（６２）内に許容するように複数のボアホール（１４５）を有することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項５】
前記チャンバ（６２）の頂部に接続された回転ロッド（９２）をさらに備え、前記サセプタ（６４）は前記回転ロッド（９２）に取り付けられ、前記回転ロッド（９２）の回転により前記サセプタ（６４）を前記チャンバ（６２）内で回転させることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項６】
前記ロッド（９２）は中空であり、前記サセプタの表面は前記ロッド（９２）と整列した中央入口（９８）を有し、前記成長ガスは前記ロッド（９２）および中央入口（９８）を通して前記チャンバ（６２）に入ることを特徴とする請求項５に記載の反応装置。
【請求項７】
前記チャンバガス入口（１５４）は前記反応装置チャンバ（６２）の側壁に通じていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項８】
前記サセプタ（６４）を上方および下方に動かして、前記入口（１２４、１４４、１７５）と前記サセプタ（６４）との間の距離を変えることができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項９】
前記サセプタ（６４）の角度を調整して、前記入口（１２４、１４４、１７５）と前記サセプタ（６４）との間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記入口（１２４、１４４、１７５）の角度を調整して、前記入口（１２４、１４４、１７５）と前記サセプタ（６４）との間の角度を調整することができることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【国際調査報告】
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2005528777.tif 000013
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