(57)【要約】【目的】プロセスガスの流れを適正化し、基板に均一性に優れた膜を形成可能な気相成長装置を提供する。【構成】実施の形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、反応室内のシャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部を備える。そして、シャワープレートが、異なる水平面内に配置される複数の第１および第２の横方向ガス流路と、第１および第２の横方向ガス流路に接続される第１および第２のガス噴出孔と、を備える。さらに、上記支持部の回転中心直上を通る中央ガス横方向ガス流路と、中央ガス横方向ガス流路に接続される第３のガス噴出孔を備える。そして、第１、第２のガス噴出孔、および中央ガス噴出孔から噴出されるガスが独立に制御可能に構成される。【選択図】図１
2015002208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室と、
前記反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、
前記反応室の上部に配置され、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートであって、
第１の水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、前記第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路と、
前記第１の水平面より上方の第２の水平面内に配置され前記第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、前記第２の横方向ガス流路に接続され前記第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し前記反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路と、
前記第１および第２の横方向ガス流路と同一方向に平行に延伸し、前記支持部の回転中心直上を通る中央横方向ガス流路と、前記中央横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に中央ガス噴出孔を有する複数の中央縦方向ガス流路と、を備えるシャワープレートと、
前記第１の横方向ガス流路に接続され第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、
前記第２の横方向ガス流路に接続され第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、
前記中央横方向ガス流路に接続され中央プロセスガスを供給する中央ガス供給路と、
前記第１のガス供給路に接続される第１の流量調整部と、
前記第２のガス供給路に接続される第２の流量調整部と、
前記中央ガス供給路に接続される中央流量調整部と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記中央横方向ガス流路と前記反応室との間が第１の透明部材で形成され、
前記中央縦方向ガス流路が前記第１の透明部材に設けられる縦孔で形成され、
前記中央横方向ガス流路と前記シャワープレート上面との間が第２の透明部材で形成されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第２の透明部材上方に前記基板の状態を光学的にモニタする計測装置を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記第１および第２の透明部材が石英ガラスであることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記中央プロセスガスが、前記第１または第２のプロセスガスと、同一種類のガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを基板に供給して成膜を行う気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質な半導体膜を成膜する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長技術を用いる気相成長装置では、常圧または減圧に保持された反応室内の支持部にウェハを載置する。そして、このウェハを加熱しながら、成膜の原料となるソースガス等のプロセスガスを、反応室上部の、例えば、シャワーヘッドからウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱反応等が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が成膜される。
【０００３】
近年、発光デバイスやパワーデバイスの材料として、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体デバイスが注目されている。ＧａＮ系の半導体を成膜するエピタキシャル成長技術として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。有機金属気相成長法では、ソースガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属や、アンモニア（ＮＨ３）等が用いられる。また、ソースガス間の反応を抑制するために分離ガスとして水素（Ｈ２）等が用いられる場合もある。
【０００４】
エピタキシャル成長技術、特に、ＭＯＣＶＤ法では、ウェハ表面での均一な成膜を行うために、ソースガスや分離ガス等を、適切に混合させ、ウェハ表面に均一な整流状態で供給することが重要となる。特許文献１には、異なるガスを適切に混合させるため、反応室にソースガスを導入するまで異なるガス拡散室に分離しておく構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８１５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、プロセスガスの流れを適正化し、基板に均一な膜を形成可能な気相成長装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と、前記反応室の上部に配置され、前記反応室内にガスを供給するシャワープレートであって、第１の水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、前記第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路と、前記第１の水平面より上方の第２の水平面内に配置され前記第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、前記第２の横方向ガス流路に接続され前記第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し前記反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路と、前記第１および第２の横方向ガス流路と同一方向に平行に延伸し、前記支持部の回転中心直上を通る中央横方向ガス流路と、前記中央横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し前記反応室側に中央ガス噴出孔を有する複数の中央縦方向ガス流路と、を備えるシャワープレートと、前記第１の横方向ガス流路に接続され第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、前記第２の横方向ガス流路に接続され第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、前記中央横方向ガス流路に接続され中央プロセスガスを供給する中央ガス供給路と、前記第１のガス供給路に接続される第１の流量調整部と、前記第２のガス供給路に接続される第２の流量調整部と、前記中央ガス供給路に接続される中央流量調整部と、を備える。
【０００８】
上記態様の気相成長装置において、前記中央横方向ガス流路と前記反応室との間が第１の透明部材で形成され、前記中央縦方向ガス流路が前記第１の透明部材に設けられる縦孔で形成され、前記中央横方向ガス流路と前記シャワープレート上面との間が第２の透明部材で形成されることが望ましい。
【０００９】
上記態様の気相成長装置において、前記第２の透明部材上方に前記基板の状態を光学的にモニタする計測装置を備えることが望ましい。
【００１０】
上記態様の気相成長装置において、前記第１および第２の透明部材が石英ガラスであることが望ましい。
【００１１】
上記態様の気相成長装置において、前記中央プロセスガスが、前記第１または第２のプロセスガスと、同一種類のガスであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プロセスガスの流れを適正化し、基板に均一性に優れた膜を形成可能な気相成長装置を提供するが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態の気相成長装置の模式断面図である。
【図２】第１の実施の形態のシャワープレートの模式平面図である。
【図３】第１の実施の形態の気相成長装置の模式断面図である。
【図４】図２のシャワープレートのＡＡ断面図である。
【図５】図２のシャワープレートのＢＢ、ＣＣ、ＤＤ断面図である。
【図６】第２の実施の形態のシャワープレートの模式平面図である。
【図７】図６のシャワープレートのＧＧ断面図である。
【図８】図６のシャワープレートのＨＨ、ＩＩ、ＪＪ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
なお、本明細書中では、気相成長装置が成膜可能に設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。
【００１６】
また、本明細書中、「水平面」とは、重力方向に対し、垂直な面を意味するものとする。
【００１７】
また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、ソースガス、キャリアガス、分離ガス等を含む概念とする。
【００１８】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、反応室内に設けられ、基板を載置可能な支持部と反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートを備える。そして、このシャワープレートは、水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路を備える。そして、上記水平面内に配置され第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する第２の横方向ガス流路と、第２の横方向ガス流路に接続され第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路を備える。また、第１および第２の横方向ガス流路と同一方向に平行に延伸し、上記支持部の回転中心直上を通る中央横方向ガス流路と、中央横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し反応室側に中央ガス噴出孔を有する複数の中央縦方向ガス流路と、を備える。本実施の形態の気相成長装置は、さらに、第１の横方向ガス流路に接続され第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、第２の横方向ガス流路に接続され第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、中央横方向ガス流路に接続され中央プロセスガスを供給する中央ガス供給路と、第１のガス供給路に接続される第１の流量調整部と、第２のガス供給路に接続される第２の流量調整部と、中央ガス供給路に接続される中央流量調整部と、を備える。
【００１９】
本実施の形態の気相成長装置は、上記構成を備えることにより、プロセスガスを反応室に噴出するガス噴出孔の間隔を狭め、ガス噴出孔の配置密度を大きくすることが可能である。同時に、横方向ガス流路の断面積を大きくし、ガス噴出孔にプロセスガスが至るまでのガス流路の流体抵抗を小さくすることで、ガス噴出孔から噴出するガスの流量分布を均一化することが可能である。さらに、基板を載置する支持部の回転中心直上近傍から噴出するプロセスガスの流量を独立に制御することが可能である。したがって、本実施の形態の気相成長装置によれば、基板上に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を成長させることが可能となる。
【００２０】
以下、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いてＧａＮ（窒化ガリウム）をエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。
【００２１】
図１および図３は、本実施の形態の気相成長装置の模式断面図である。図２は、本実施の形態のシャワープレートを上方から見る模式平面図である。図１は、図２のＥＥ方向の断面図、図３は、図２のＦＦ方向の断面図である。本実施の形態の気相成長装置は、枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態のエピタキシャル成長装置は、例えばステンレス製で円筒状中空体の反応室１０を備えている。そして、この反応室１０上部に配置され、反応室１０内に、プロセスガスを供給するシャワープレート２００を備えている。
【００２３】
また、反応室１０内のシャワープレート２００下方に設けられ、半導体ウェハ（基板）Ｗを載置可能で回転可能な支持部１２を備えている。支持部１２は、例えば、中心部に開口部が設けられる環状ホルダー、または、半導体ウェハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のサセプタである。
【００２４】
また、支持部１２をその上面に配置し回転する回転体ユニット１４、支持部１２に載置されたウェハＷを輻射熱により加熱する加熱部１６としてヒーターを、支持部１２下方に備えている。ここで、回転体ユニット１４は、その回転軸１８が、下方に位置する回転駆動機構２０に接続される。そして、回転駆動機構２０により、回転軸１８を回転させる。さらに、回転軸１８が回転体ユニット１４および支持部１２を回転させる。これにより、半導体ウェハＷをその中心を回転中心として、例えば、数十ｒｐｍ〜数千ｒｐｍで回転させることが可能となっている。
【００２５】
円筒状の回転体ユニット１４の径は、支持部１２の外周径とほぼ同じにしてあることが望ましい。なお、回転軸１８は、反応室１０の底部に真空シール部材を介して回転自在に設けられている。
【００２６】
そして、加熱部１６は、回転軸１８の内部に貫通する支持軸２２に固定される支持台２４上に固定して設けられる。加熱部１６には、図示しない電流導入端子と電極により、電力が供給される。この支持台２４には半導体ウェハＷを環状ホルダー１８から脱着させるための、例えば突き上げピン（図示せず）が設けられている。
【００２７】
さらに、半導体ウェハＷ表面等でソースガスが反応した後の反応生成物および反応室１０の残留ガスを反応室１０外部に排出するガス排出部２６を、反応室１０底部に備える。なお、ガス排出部２６は真空ポンプ（図示せず）に接続してある。
【００２８】
そして、本実施の形態のエピタキシャル成長装置は、第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路３１、第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路３２、第３のプロセスガスを供給する第３のガス供給路３３、中央プロセスガスを供給する中央ガス供給路３０を備えている。第１のガス供給路３１には第１の流量調整部６１、第２のガス供給路３２には第２の流量調整部６２、第３のガス供給路３３には第３の流量調整部６３、中央ガス供給路３０には、中央流量調整部６０がそれぞれ接続される。第１の流量調整部６１、第２の流量調整部６２、第３の流量調整部６３、中央流量調整部６０は、それぞれ、例えば、マスフローコントローラや流量調整弁、もしくは複数のバルブと複数のマスフローコントローラの組み合わせで構成されているものである。第１の流量調整部６１、第２の流量調整部６２、第３の流量調整部６３、中央流量調整部６０は、反応室１０に導入される第１ないし第３のプロセスガスおよび中央プロセスガスの流量をそれぞれ独立に制御する。
【００２９】
例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮの単結晶膜を半導体ウェハＷに成膜する場合、例えば、第１のプロセスガスとして、水素（Ｈ２）を分離ガスとして供給する。また、例えば、第２のプロセスガスとして窒素（Ｎ）のソースガスとなるアンモニア（ＮＨ３）を供給する。また、例えば、第３のプロセスガスとしてＧａ（ガリウム）のソースガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をキャリアガスである水素（Ｈ２）で希釈したガスを供給する。
【００３０】
中央プロセスガスは、例えば、第１または第２のプロセスガスと同一種類のプロセスガスである。例えば、中央プロセスガスとして、水素（Ｈ２）を分離ガスとして供給する。
【００３１】
ここで、第１のプロセスガスおよび中央プロセスガスである分離ガスとは、第１のガス噴出孔１１１および中央噴出孔１１０から噴出させることで、第２のガス噴出孔１１２から噴出する第２のプロセスガス（ここではアンモニア）と、第３のガス噴出孔１１３から噴出する第３のプロセスガス（ここではＴＭＧ）とを分離するガスである。例えば、第２のプロセスガスおよび第３のプロセスガスと反応性に乏しいガスを用いることが望ましい。上述のように、例えば、水素であり、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガスであってもかまわない。
【００３２】
なお、図１に示した枚葉型エピタキシャル成長装置では、反応室１０の側壁箇所において、半導体ウェハを出し入れするための図示しないウェハ出入口およびゲートバルブが設けられている。そして、このゲートバルブで連結する例えばロードロック室（図示せず）と反応室１０との間において、ハンドリングアームにより半導体ウェハＷを搬送できるように構成される。ここで、例えば合成石英で形成されるハンドリングアームは、シャワープレート２００とウェハ支持部１２とのスペースに挿入可能となっている。
【００３３】
以下、本実施の形態のシャワープレート２００について詳細に説明する。図２は、本実施の形態のシャワープレートの模式平面図である。図４は、図２のＡＡ断面図、図５（ａ）〜（ｃ）は、ぞれぞれ、図２のＢＢ断面図、ＣＣ断面図、ＤＤ断面図である。
【００３４】
シャワープレート２００は、例えば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート２００は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料で形成される。シャワープレート２００の下面、すなわち、反応室１０側の面は円形状を呈する。
【００３５】
シャワープレート２００の内部には、複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３、単一の中央横方向ガス流路１００が形成されている。複数の第１の横方向ガス流路１０１は、第１の水平面（Ｐ１）内に配置され互いに平行に延伸する。複数の第２の横方向ガス流路１０２は、第１の水平面より上方の第２の水平面（Ｐ２）内に配置され互いに平行に延伸する。複数の第３の横方向ガス流路１０３は、第１の水平面より上方、第２の水平面より下方の第３の水平面（Ｐ３）内に配置され互いに平行に延伸する。もしくは、の第２の水平面（Ｐ２）と第３の水平面（Ｐ３）は同じ高さであってもかまわない。中央横方向ガス流路１００は、例えば、第１および第２の水平面より上で第２の水平面と同一または上方の水平面内に配置され、第１〜第３の横方向ガス流路１０１〜１０３に平行に延伸する。中央横方向ガス流路１００の高さは、第１の水平面（Ｐ１）等の高さと関連している必要はない。
【００３６】
そして、中央横方向ガス流路１００は、支持部１２の回転中心３８直上を通るよう設けられている。すなわち、中央横方向ガス流路１００は、シャワープレート２００の中心近傍を通り直径方向に沿って形成される。なお、中央横方向ガス流路１００は、本発明の効果が期待できる範囲で、支持部１２の回転中心３８上の近傍を通るよう形成されてもかまわない。
【００３７】
そして、第１の横方向ガス流路１０１に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第１のガス噴出孔１１１を有する複数の第１の縦方向ガス流路１２１を備える。また、第２の横方向ガス流路１０２に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第２のガス噴出孔１１２を有する複数の第２の縦方向ガス流路１２２を備える。第２の縦方向ガス流路１２２は、第１の横方向ガス流路１０１の間を通っている。さらに、第３の横方向ガス流路１０３に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第３のガス噴出孔１１３を有する複数の第３の縦方向ガス流路１２３を備える。第３の縦方向ガス流路１２３は、第１の横方向ガス流路１０１の間を通っている。また、中央横方向ガス流路１００に接続され縦方向に延伸し反応室１０側に中央ガス噴出孔１１０を有する複数の中央縦方向ガス流路１２０を備える。
【００３８】
第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２、第３の横方向ガス流路１０３、板状のシャワープレート２００内に水平方向に形成された横孔である。また、第１の縦方向ガス流路１２１、第２の縦方向ガス流路１２２、第３の縦方向ガス流路１２３、中央縦方向ガス流路１２０は、板状のシャワープレート２００内に鉛直方向（縦方向または垂直方向）に形成された縦孔である。
【００３９】
中央横方向ガス流路１００と反応室１０との間が第１の透明部材４０で形成され、中央縦方向ガス流路１２０が第１の透明部材４０に設けられる縦孔で形成される。また、中央横方向ガス流路１００とシャワープレート２００上面との間が第２の透明部材４２で形成される。さらに、第２の透明部材４２上方に、半導体ウェハ（基板）Ｗの状態を光学的にモニタする計測装置５０を備える。計測装置５０は、第２の透明部材４２上方に複数設けてもかまわない。複数の計測装置５０は、異なる計測を行うものでもかまわない。
【００４０】
第１の透明部材４０は、計測装置５０に用いられる所定の波長に対して透明である部材であり、例えば、石英ガラスを用いることができる。その他、強度が十分あり、透明でプロセスガス等に対する耐性の高い材料であれば、石英ガラス以外の材料、例えば、サファイア等を適用することも可能である。
【００４１】
計測装置５０は、例えば、レーザを使って半導体ウェハの反りを測定する反りモニタ装置、もしくは、レーザにより、成長する膜の膜厚や膜質を測定する装置、もしくは、ウェハからの輻射によりウェハの温度を測定する放射温度計等である。
【００４２】
このように、中央横方向ガス流路１００の上下を透明部材で形成することで、成膜中のウェハ状態を光学的測定により直接観察することが可能となる。したがって、ウェハ温度や、ウェハの反り等の成膜中の制御性が向上する。
【００４３】
第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の内径は、それぞれ対応する第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の内径よりも大きくなっている。図４（ａ）〜（ｃ）では、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。また、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の断面積は、同一でなくてもかまわない。また、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面積も、同一でなくてもかまわない。
【００４４】
図４では、中央横方向ガス流路１００の断面形状は、矩形となっているが、円形、楕円形、多角形等他の形状であってもかまわない。
【００４５】
シャワープレート２００は、第１のガス供給路３１に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第１のマニフォールド１３１と、第１のマニフォールド１３１と第１の横方向ガス流路１０１とを第１の横方向ガス流路１０１の端部で接続し縦方向に延伸する第１の接続流路１４１を備えている。
【００４６】
第１のマニフォールド１３１は、第１のガス供給路３１から供給される第１のプロセスガスを、第１の接続流路１４１を介して複数の第１の横方向ガス流路１０１に分配する機能を備える。分配された第１のプロセスガスは、複数の第１の縦方向ガス流路１２１の第１のガス噴出孔１１１から反応室１０に導入される。第１のマニフォールド１３１はシャワープレート２００の側面、もしくは、下面に同様な流量配分を行うように設けてもかまわない。
【００４７】
第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
【００４８】
また、シャワープレート２００は、第２のガス供給路３２に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第２のマニフォールド１３２と、第２のマニフォールド１３２と第２の横方向ガス流路１０２とを第２の横方向ガス流路１０２の端部で接続し縦方向に延伸する第２の接続流路１４２を備えている。
【００４９】
第２のマニフォールド１３２は、第２のガス供給路３２から供給される第２のプロセスガスを、第２の接続流路１４２を介して複数の第２の横方向ガス流路１０２に分配する機能を備える。分配された第２のプロセスガスは、複数の第２の縦方向ガス流路１２２の第２のガス噴出孔１１２から反応室１０に導入される。
【００５０】
第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
【００５１】
さらに、シャワープレート２００は、第３のガス供給路３３に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第３のマニフォールド１３３と、第３のマニフォールド１３３と第３の横方向ガス流路１０３とを第３の横方向ガス流路１０３の端部で接続し垂直方向に延伸する第３の接続流路１４３を備えている。
【００５２】
第３のマニフォールド１３３は、第３のガス供給路３３から供給される第３のプロセスガスを、第３の接続流路１４３を介して複数の第３の横方向ガス流路１０３に分配する機能を備える。分配された第３のプロセスガスは、複数の第３の縦方向ガス流路１２３の第３のガス噴出孔１１３から反応室１０に導入される。
【００５３】
また、シャワープレート２００は、一端が中央ガス供給路３０に接続され、他端が中央横方向ガス流路１００に接続される中央接続流路１４０を備えている。中央ガス供給路３０から供給される中央プロセスガスは、中央接続流路１４０を介して中央横方向ガス流路１００に中央縦方向ガス流路１２０の中央ガス噴出孔１１０から反応室１０に導入される。
【００５４】
一般にシャワープレートにプロセスガスの供給口として設けられるガス噴出孔から、反応室１０内に噴出するプロセスガスの流量は、成膜の均一性を確保する観点から、各ガス噴出孔間で均一であることが望ましい。本実施の形態のシャワーヘッド１００によれば、プロセスガスを複数の横方向ガス流路に分配し、さらに、縦方向ガス流路に分配してガス噴出孔から噴出させる。この構成により、簡便な構造で各ガス噴出孔間から噴出するプロセスガス流量の均一性を向上させることが可能となる。
【００５５】
また、均一な成膜を行う観点から配置されるガス噴出孔の配置密度はできるだけ大きいことが望ましい。もっとも、本実施の形態のように、互いに平行な複数の横方向ガス流路を設ける構成では、ガス噴出孔の密度を大きくしようとすると、ガス噴出孔の配置密度と横方向ガス流路の内径との間にトレードオフが生じる。
【００５６】
このため、横方向ガス流路の内径が小さくなることで横方向ガス流路の流体抵抗が上昇し、横方向ガス流路の伸長方向について、ガス噴出孔から噴出するプロセスガス流量の流量分布が大きくなり、各ガス噴出孔間から噴出するプロセスガス流量の均一性が悪化するおそれがある。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２および第３の横方向ガス流路１０３を異なる水平面に設けた階層構造とする。この構造により、横方向ガス流路の内径拡大に対するマージンが向上する。したがって、ガス噴出孔の密度をあげつつ、横方向ガス流路の内径に起因する流量分布拡大を抑制する。よって、結果的に、反応室１０内に噴出するプロセスガスの流量分布を均一化し、成膜の均一性を向上させることが可能となる。
【００５８】
また、基板を載置する支持部１２を回転させて成膜する構造の気相成長装置の場合、支持部１２の回転中心３８近傍に成膜される膜の特性、例えば膜厚の制御は困難な場合がある。第２のガス噴出孔１１２と第３のガス噴出孔１１３から異なるプロセスガスが供給される場合、支持部１２の回転中心３８近傍のガス組成が他の部分と異なる場合があるからである。
【００５９】
しかしながら、本実施の形態によれば、回転中心３８の直上に中央横方向ガス流路１００を設け、この中央横方向ガス流路１００に接続され、回転中心３８近傍に設けられる中央ガス噴出孔１１０から独立にプロセスガスを供給することが可能となり、支持部１２の回転中心３８近傍のガス組成を制御することが可能になる。したがって、支持部１２の回転中心３８近傍に成膜される膜の特性の制御が容易になり、半導体ウェハ（基板）Ｗに成膜される膜の膜厚、膜質等の均一性が向上する。
【００６０】
中央横方向ガス流路１００に設ける中央縦方向ガス流路１２０および中央ガス噴出孔１１０は、回転中心３８近傍のみに設けられても、直径方向全体にわたって設けられてもかまわない。より、膜特性の均一化を図る観点からは、直径方向全体にわたって設けられことが望ましい。
【００６１】
このような枚葉型エピタキシャル気相成長装置を用いて以下のように半導体ウェハ上に気相成長が行われる。本実施の形態の気相成長方法について、ＧａＮをエピタキシャル成長させる場合を例に、図１〜４を用いて説明する。
【００６２】
反応室１０にキャリアガスが供給され、図示しない真空ポンプを作動して反応室１０内のガスをガス排出部２６から排気して、反応室１０を所定の圧力に制御している状態で、反応室１０内の支持部１２に半導体ウェハＷを載置する。ここで、例えば、反応室１０のウェハ出入口のゲートバルブ（図示せず）を開きハンドリングアームにより、ロードロック室内の半導体ウェハＷを反応室１０内に搬送する。そして、半導体ウェハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して支持部１２に載置され、ハンドリングアームはロードロック室に戻され、ゲートバルブは閉じられる。
【００６３】
そして、上記真空ポンプによる排気を続行すると共に、回転体ユニット１４を所要の速度で回転させながら、第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３および中央ガス噴出孔１１０から所定の第１ないし第３のプロセスガスおよび中央プロセスガスを噴出させている。第１のプロセスガスは、第１のガス供給路３１から第１のマニュフォールド１３１、第１の接続流路１４１、第１の横方向ガス流路１０１、第１の縦方向ガス流路１２１を経由して第１のガス噴出孔１１１から反応室１０内に噴出させている。また、第２のプロセスガスは、第２のガス供給路３２から第２のマニュフォールド１３２、第２の接続流路１４２、第２の横方向ガス流路１０２、第２の縦方向ガス流路１２２を経由して第２のガス噴出孔１１２から反応室１０内に噴出させている。また、第３のプロセスガスは、第３のガス供給路３３から第３のマニュフォールド１３３、第３の接続流路１４３、第３の横方向ガス流路１０３、第３の縦方向ガス流路１２３を経由して第３のガス噴出孔１１３から反応室１０内に噴出させている。そして、中央プロセスガスは、中央ガス供給路３０から中央ガス接続流路１４０、中央横方向ガス流路１００、中央縦方向ガス流路１２０を経由して中央ガス噴出孔１１０から噴出させている。
【００６４】
支持部１２に載置した半導体ウェハＷは、加熱部１６により所定温度に予備加熱している。さらに、加熱部１６の加熱出力を上げて半導体ウェハＷをエピタキシャル成長温度に昇温させる。
【００６５】
半導体ウェハＷ上にＧａＮを成長させる場合、例えば、第１のプロセスガスおよび中央プロセスガスは分離ガスである水素であり、第２のプロセスガスは窒素のソースガスであるアンモニアであり、第３のプロセスガスはキャリアガスである水素で希釈されたガリウムのソースガスであるＴＭＧである。昇温中は、アンモニアとＴＭＧは反応室１０には供給されていない。例えば、第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３および中央ガス噴出孔１１０からは、水素ガスのみが供給されている。
【００６６】
成長温度になってから、第２のガス噴出孔１１２にアンモニアを供給し、第３のガス噴出孔１１３にＴＭＧを供給する。第１〜第３のガス噴出孔１１１、１１２、１１３および中央ガス噴出孔１１０から噴出された第１〜第３のプロセスガスおよび中央プロセスガスは適度に混合されて半導体ウェハＷ上に整流状態で供給される。これにより、半導体ウェハＷ表面に、例えば、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）の単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
【００６７】
そして、エピタキシャル成長終了時には、第３のガス噴出孔１１３へのＴＭＧ供給を停止し、単結晶膜の成長が終了される。
【００６８】
成膜後は、半導体ウェハＷの降温を始める。所定の温度まで半導体ウェハＷの温度が低下してから、第２のガス噴出孔１１２へのアンモニアを停止する。ここで、例えば、回転体ユニット１４の回転を停止させ、単結晶膜が形成された半導体ウェハＷを支持部１２に載置したままにして、加熱部１６の加熱出力を初めに戻し、予備加熱の温度に低下するよう調整する。
【００６９】
次に、半導体ウェハＷが所定の温度に安定した後、例えば突き上げピンにより半導体ウェハＷを支持部１２から脱着させる。そして、再びゲートバルブを開いてハンドリングアームをシャワーヘッド１００および支持部１２の間に挿入し、その上に半導体ウェハＷを載せる。そして、半導体ウェハＷを載せたハンドリングアームをロードロック室に戻す。
【００７０】
以上のようにして、一回の半導体ウェハＷに対する成膜が終了し、例えば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。
【００７１】
本実施の形態の気相成長方法では、図１〜４に示したエピタキシャル成長装置を用いることで、半導体ウェハＷの回転中心近傍に供給される分離ガスを、他の領域とは独立に制御することが可能になる。したがって、成膜上の特異点となる回転中心近傍の成膜特性を他の領域の成膜特性と整合させることが容易となる。したがって、プロセスガスの流れを均一かつ安定にするとともに、回転中心近傍の成膜特性を独立に制御し、基板に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を形成することが可能となる。
【００７２】
（第２の実施の形態）
本実施の形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の上部に配置され、反応室内にガスを供給するシャワープレートと、反応室内のシャワープレート下方に設けられ、基板を載置可能な支持部と、を備える気相成長装置である。そして、シャワープレートが、水平面内に配置され互いに平行に延伸する複数の第１の横方向ガス流路と、第１の横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し反応室側に第１のガス噴出孔を有する複数の第１の縦方向ガス流路を備える。また、上記水平面内に配置され第１の横方向ガス流路と同一方向に互いに平行に延伸する複数の第２の横方向ガス流路と、第２の横方向ガス流路に接続され第１の横方向ガス流路の間を通って縦方向に延伸し反応室側に第２のガス噴出孔を有する複数の第２の縦方向ガス流路を備える。そして、第１および第２の横方向ガス流路と同一方向に平行に延伸し、上記支持部の回転中心直上に存在する中央横方向ガス流路と、中央横方向ガス流路に接続され縦方向に延伸し反応室側に中央ガス噴出孔を有する複数の中央縦方向ガス流路と、第１の横方向ガス流路に接続され第１のプロセスガスを供給する第１のガス供給路と、第２の横方向ガス流路に接続され第２のプロセスガスを供給する第２のガス供給路と、中央横方向ガス流路に接続され中央プロセスガスを供給する中央ガス供給路を備える。さらに、第１のガス供給路に接続される第１の流量調整部と、第２のガス供給路に接続される第２の流量調整部と、中央ガス供給路に接続される中央流量調整部と、を備える。
【００７３】
本実施の形態の気相成長装置は、第１および第２の横方向ガス流路が、同一水平面に配置され、階層構造を備えない点で上記第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態においても、プロセスガスの流れを均一かつ安定にし、回転中心近傍の成膜特性を独立に制御することで、基板に膜厚や膜質等の均一性に優れた膜を形成することが可能となる。
【００７４】
以下、本実施の形態のシャワープレート２００について詳細に説明する。図６は、本実施の形態のシャワープレートの模式平面図である。図７は、図６のＧＧ断面図、図８（ａ）〜（ｃ）は、ぞれぞれ、図６のＨＨ断面図、ＩＩ断面図、ＪＪ断面図である。
【００７５】
シャワープレート２００は、例えば、所定の厚さの板状の形状である。シャワープレート２００は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料で形成される。シャワープレート２００の下面、すなわち、反応室１０側の面は円形状を呈する。
【００７６】
シャワープレート２００の内部には、複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３、単一の中央横方向ガス流路１００が形成されている。複数の第１の横方向ガス流路１０１、複数の第２の横方向ガス流路１０２、複数の第３の横方向ガス流路１０３は、同一の水平面内に配置され互いに平行に延伸する。中央横方向ガス流路１００は、例えば、第１および第２の水平面より上で第２の水平面と同一または上方の水平面内に配置され、第１〜第３の横方向ガス流路１０１〜１０３に平行に延伸する。
【００７７】
そして、中央横方向ガス流路１００は、支持部１２の回転中心３８直上を通るよう設けられている。すなわち、中央横方向ガス流路１００は、シャワープレート２００の中心近傍を通り直径方向に沿って形成される。支持部１２の回転中心３８直上とは、支持部１２の回転中心３８から支持部１２の上面に対し垂直な方向の上方である。
【００７８】
そして、第１の横方向ガス流路１０１に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第１のガス噴出孔１１１を有する複数の第１の縦方向ガス流路１２１を備える。また、第２の横方向ガス流路１０２に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第２のガス噴出孔１１２を有する複数の第２の縦方向ガス流路１２２を備える。さらに、第３の横方向ガス流路１０３に接続され縦方向に延伸し、反応室１０側に第３のガス噴出孔１１３を有する複数の第３の縦方向ガス流路１２３を備える。また、中央横方向ガス流路１００に接続され縦方向に延伸し反応室１０側に中央ガス噴出孔１１０を有する複数の中央縦方向ガス流路１２０を備える。
【００７９】
第１の横方向ガス流路１０１、第２の横方向ガス流路１０２、第３の横方向ガス流路１０３、板状のシャワープレート２００内に水平方向に形成された横孔である。また、第１の縦方向ガス流路１２１、第２の縦方向ガス流路１２２、第３の縦方向ガス流路１２３、中央縦方向ガス流路１２０は、板状のシャワープレート２００内に鉛直方向（縦方向または垂直方向）に形成された縦孔である。
【００８０】
中央横方向ガス流路１００と反応室１０との間が第１の透明部材４０で形成され、中央縦方向ガス流路１２０が第１の透明部材４０に設けられる縦孔で形成される。また、中央横方向ガス流路１００とシャワープレート２００上面との間が第２の透明部材４２で形成される。さらに、第２の透明部材４２上方に、半導体ウェハ（基板）Ｗの状態を光学的にモニタする計測装置５０を備える。計測装置５０は、第２の透明部材４２上方に複数設けてもかまわない。複数の計測装置５０は、異なる計測を行うものでもかまわない。
【００８１】
第１の透明部材４０は、計測装置５０に用いられる所定の波長に対して透明である部材であり、例えば、石英ガラスを用いることができる。その他、強度が十分あり、透明でプロセスガス等に対する耐性の高い材料であれば、石英ガラス以外の材料、例えば、サファイア等を適用することも可能である。
【００８２】
計測装置５０は、例えば、レーザを使って半導体ウェハの反りを測定する反りモニタ装置、もしくは、レーザにより、成長する膜の膜厚や膜質を測定する装置、もしくは、ウェハからの輻射によりウェハの温度を測定する放射温度計等である。
【００８３】
このように、中央横方向ガス流路１００の上下を透明部材で形成することで、成膜中のウェハ状態を光学的測定により直接観察することが可能となる。したがって、ウェハ温度や、ウェハの反り等の成膜中の制御性が向上する。
【００８４】
第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の内径は、それぞれ対応する第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の内径よりも大きくなっている。図８（ａ）〜（ｃ）では、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面形状は円形となっているが、円形に限らず、楕円形、矩形、多角形等その他の形状であってもかまわない。また、第１、第２、および第３の横方向ガス流路１０１、１０２、１０３の断面積は、同一でなくてもかまわない。また、第１、第２、および第３の縦方向ガス流路１２１、１２２、１２３の断面積も、同一でなくてもかまわない。
【００８５】
図４では、中央横方向ガス流路１００の断面形状は、矩形となっているが、円形、楕円形、多角形等他の形状であってもかまわない。
【００８６】
シャワープレート２００は、第１のガス供給路３１に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第１のマニフォールド１３１と、第１のマニフォールド１３１と第１の横方向ガス流路１０１とを第１の横方向ガス流路１０１の端部で接続し縦方向に延伸する第１の接続流路１４１を備えている。
【００８７】
第１のマニフォールド１３１は、第１のガス供給路３１から供給される第１のプロセスガスを、第１の接続流路１４１を介して複数の第１の横方向ガス流路１０１に分配する機能を備える。分配された第１のプロセスガスは、複数の第１の縦方向ガス流路１２１の第１のガス噴出孔１１１から反応室１０に導入される。第１のマニフォールド１３１はシャワープレート２００の側面、もしくは、下面に同様な流量配分を行うように設けてもかまわない。
【００８８】
第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、第１のマニフォールド１３１は、第１の横方向ガス流路１０１の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
【００８９】
また、シャワープレート２００は、第２のガス供給路３２に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第２のマニフォールド１３２と、第２のマニフォールド１３２と第２の横方向ガス流路１０２とを第２の横方向ガス流路１０２の端部で接続し縦方向に延伸する第２の接続流路１４２を備えている。
【００９０】
第２のマニフォールド１３２は、第２のガス供給路３２から供給される第２のプロセスガスを、第２の接続流路１４２を介して複数の第２の横方向ガス流路１０２に分配する機能を備える。分配された第２のプロセスガスは、複数の第２の縦方向ガス流路１２２の第２のガス噴出孔１１２から反応室１０に導入される。
【００９１】
第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２に直交する方向に延伸し、例えば、中空の直方体形状を備える。本実施の形態では、第２のマニフォールド１３２は、第２の横方向ガス流路１０２の両端部に設けられるが、いずれか一方の端部に設けられるものであってもかまわない。
【００９２】
さらに、シャワープレート２００は、第３のガス供給路３３に接続され、第１の水平面（Ｐ１）より上方に設けられる第３のマニフォールド１３３と、第３のマニフォールド１３３と第３の横方向ガス流路１０３とを第３の横方向ガス流路１０３の端部で接続し垂直方向に延伸する第３の接続流路１４３を備えている。
【００９３】
第３のマニフォールド１３３は、第３のガス供給路３３から供給される第３のプロセスガスを、第３の接続流路１４３を介して複数の第３の横方向ガス流路１０３に分配する機能を備える。分配された第３のプロセスガスは、複数の第３の縦方向ガス流路１２３の第３のガス噴出孔１１３から反応室１０に導入される。
【００９４】
また、シャワープレート２００は、一端が中央ガス供給路３０に接続され、他端が中央横方向ガス流路１００に接続される中央接続流路１４０を備えている。中央ガス供給路３０から供給される中央プロセスガスは、中央接続流路１４０を介して中央横方向ガス流路１００に中央縦方向ガス流路１２０の中央ガス噴出孔１１０から反応室１０に導入される。
【００９５】
なお、成膜中のウェハ（基板）状態を光学的測定により直接観察することを可能にする観点から、中央横方向ガス流路と反応室との間が第１の透明部材で形成され、中央縦方向ガス流路が第１の透明部材に設けられる縦孔で形成され、中央横方向ガス流路とシャワープレート上面との間が第２の透明部材で形成されることが望ましい。
【００９６】
また、第２の透明部材上方に基板の状態を光学的にモニタする計測装置を備えることが望ましい。
【００９７】
また、第１および第２の透明部材が石英ガラスであることが望ましい。
【００９８】
さらに、中央プロセスガスが、第１または第２のプロセスガスと、同一種類のガスであることが望ましい。
【００９９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
【０１００】
例えば、中央プロセスガスを分離ガスとする場合を例に説明したが、ソースガス等その他のガス種としてもかまわない。中央プロセスガスを分離ガスとする場合、第２のガス噴出孔１１２と第３のガス噴出孔１１３から異なるプロセスガスが供給される場合、支持部１２の回転中心３８近傍のガス組成を制御しやすい。
【０１０１】
例えば、実施の形態では横方向ガス流路等の流路を４系統設ける場合を例に説明したが、横方向ガス流路等の流路を５系統以上設けても、２系統または３系統であってもかまわない。
【０１０２】
また、例えば、実施の形態では、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶膜を成膜する場合を例に説明したが、例えば、Ｓｉ（珪素）やＳｉＣ（炭化珪素）の単結晶膜等を成膜にも本発明を適用することが可能である。基板はサファイア、ＳｉＣ、シリコン等が用いられる。ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を成長させるときは、原料ガスのアンモニアとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が気相中で容易に反応し、ＡｌＮの粉を生成したり、アンモニアとＴＭＡの重合体がＡｌＮ膜の膜質を悪化させたりする。分離ガスを供給することにより、気相でのアンモニアとＴＭＡの反応を抑制し、ＡｌＮの膜質を向上させることが可能になる。この場合も中央プロセスガスを分離ガスとする場合の方が、支持部１２の回転中心３８近傍の膜質や膜厚を制御しやすい。
【０１０３】
また、実施の形態では、ウェハ１枚毎に成膜する枚葉式のエピタキシャル装置を例に説明したが、気相成長装置は、枚葉式のエピタキシャル装置に限られるものではない。例えば、自公転する複数のウェハに同時に成膜するプラネタリー方式のＣＶＤ装置等にも、本発明を適用することが可能である。
【０１０４】
実施の形態では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０      反応室
１２      支持部
１８      回転軸
３０      中央ガス供給路
３１      第１のガス供給路
３２      第２のガス供給路
３３      第３のガス供給路
４０      第１の透明部材
４２      第２の透明部材
５０      計測装置
６０      中央流量調整部
６１      第１の流量調整部
６２      第２の流量調整部
６３      第３の流量調整部
１００    中央横方向ガス供給路
１０１    第１の横方向ガス流路
１０２    第２の横方向ガス流路
１０３    第３の横方向ガス流路
１１０    中央ガス噴出孔
１１１    第１のガス噴出孔
１１２    第２のガス噴出孔
１１３    第３のガス噴出孔
１２０    中央縦方向ガス流路
１２１    第１の縦方向ガス流路
１２２    第２の縦方向ガス流路
１２３    第３の縦方向ガス流路
２００    シャワープレート
【図１】
2015002208.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015002208.tif 000005
【図４】
2015002208.tif 000006
【図５】
2015002208.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015002208.tif 000009
【図８】
2015002208.tif 000010