(57)【要約】【課題】膜厚分布がより均一になるように成膜できる気相反応成膜装置を提供する。【解決手段】気相反応成膜装置は、反応室１と、この反応室１内に配置され、成膜対象面が表にくるように複数の基板としての半導体基板２を同心円状に設置するための基板保持部と、反応室１内に反応ガスを供給するための原料ガス供給部１３と、反応室１内から反応ガスを排気するためのガス排出部とを備える。基板保持部としてのサセプタ５は上記複数の基板のうちの一部である第１の基板群を環状に載置するための第１の部分５ａと、上記複数の基板のうちの他の一部である第２の基板群を上記第１の基板群の外側において上記第１の基板群と同心の環状に載置するための第２の部分５ｂとを含む。上記第１の部分５ａと上記第２の部分５ｂとの間には上記反応ガスを上記ガス排出部に導くための略環状のスリット１２が配置されている。【選択図】図３
2008041701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室と、
前記反応室内に配置され、成膜対象面が表にくるように複数の基板を同心円状に設置するための基板保持部と、
前記反応室内に反応ガスを供給するためのガス供給部と、
前記反応室内から反応ガスを排気するためのガス排出部とを備え、
前記基板保持部は前記複数の基板のうちの一部である第１の基板群を環状に載置するための第１の部分と、前記複数の基板のうちの他の一部である第２の基板群を前記第１の基板群の外側において前記第１の基板群と同心の環状に載置するための第２の部分とを含み、前記第１の部分と前記第２の部分との間には前記反応ガスを前記ガス排出部に導くための略環状のスリットが配置されている、気相反応成膜装置。
【請求項２】
前記第１の部分と前記第２の部分とをそれぞれ異なる回転数で回転させることが可能な個別回転機構を備える、請求項１に記載の気相反応成膜装置。
【請求項３】
前記第１の部分と前記第２の部分とは回転のためにそれぞれ独立した駆動源を備えている、請求項２に記載の気相反応成膜装置。
【請求項４】
前記個別回転機構は、前記第１の部分と前記第２の部分との間で周速度が等しくなるように前記第１および第２の部分を回転させることが可能なものである、請求項２または３に記載の気相反応成膜装置。
【請求項５】
前記第１の部分と前記第２の部分とは前記スリットを横切るブリッジ部によって接続されており、前記第１の部分と前記第２の部分とが一体となって回転することが可能となっている、請求項１に記載の気相反応成膜装置。
【請求項６】
前記ブリッジ部は、断面形状が上に尖った形状となっている、請求項５に記載の気相反応成膜装置。
【請求項７】
前記ガス供給部は、前記基板保持部の前記成膜対象面が向く側において前記基板保持部よりも大きな寸法で前記基板保持部に対向するように配置され、前記反応ガスを供給するためのガス噴出口が前記成膜対象基板に対向する領域の全域にわたって設けられたものである、請求項１から６のいずれかに記載の気相反応成膜装置。
【請求項８】
前記基板保持部は平面的に見た中心に前記反応ガスを前記ガス排出部に導くための排気孔を有する、請求項１から７のいずれかに記載の気相反応成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスを供給することにより半導体基板などの表面に成膜などの表面処理を行なうために用いられる気相反応成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子に代表される化合物半導体デバイスは、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて基板の表面にエピタキシャル成長をさせることによって必要な層を形成して製造される。たとえば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）においてエピタキシャル成長させる場合、高温に加熱されたＡｌ2Ｏ3などの基板にＮＨ3、ＴＭＧなどの反応性ガスを接触させて基板上にＧａＮなどの成膜が行なわれる。こういった気相反応による表面処理工程においては気相反応成膜装置が用いられている。このようなエピタキシャル成長の工程は、１枚の基板上に同一仕様の素子を多数形成することを目指して行なわれる。各素子の特性が均一であるためには、成膜速度が基板の面全体において均一であることが必要である。ここで、成膜速度を決定づける主な要因としては、基板上に供給される原料ガスの濃度、流速分布などが挙げられる。これらのパラメータを均一にすることが成長速度の均一化、ひいては素子特性の均一化を図る上で必要となる。このような理由から、成長速度を均一にするために種々の気相反応成膜装置が提案されている。
【０００３】
図１１に従来の第１の縦型気相反応成膜装置の構成を模式化して示す。この縦型気相反応成膜装置は、多数枚の半導体基板に対して膜の成長をさせることが可能であり、図１１に示した例においては反応室１内において３枚の半導体基板２をサセプタ５に載置している。反応室１の上側には原料ガスの導入口３が設けられている。反応室１の側方下部には原料ガスの排気口４が設けられている。基板加熱手段としてＲＦ（高周波）コイル４３を備えている。サセプタ５はサセプタ支持軸４１およびモータ４２によって回転可能となっている。図１２はサセプタ５を上方から見たところである。図１２に示すように、エピタキシャル成長させるべき半導体基板２はサセプタ５上に同心円状に載置されている。
【０００４】
エピタキシャル成長に当たっては、ＲＦコイル４３（図１１参照）に高周波電流を流し、サセプタ５を通して半導体基板２を加熱する。この時、原料ガスを導入口３より供給すると、矢印９１に沿って原料ガスが半導体基板２上に流れ、基板上で高温気相による反応が起こり、半導体基板２の上面に材料がエピタキシャル成長する。しかし、サセプタ５の中心付近においては、サセプタ５に対して垂直に供給された原料ガスの一部がサセプタ５の表面に衝突した際に円滑に外周側に向かわず矢印９２に示すように中心に向かうように進行してしまい、その結果、中心付近で対流が発生する。このような原料ガスの対流は、原料ガスの種類を連続的に切り替えて多層成長させる場合において、切り替え前の種類の原料ガスの残留を引き起こす。そのため、エピタキシャル層界面におけるキャリア濃度の急峻性やヘテロ界面の急峻性を悪化させるなど問題となっていた。
【０００５】
この問題に対して、特開平４−２１９９２５号公報（特許文献１）に提案されるような改良が行なわれてきた。この改良の結果として、図１３に従来の第２の縦型気相反応成膜装置の構成を模式化して示す。この装置においては、図１１の構成で問題となっていたサセプタ５の中心付近における原料ガスの対流の問題を解決するために、図１３、図１４に示すようにサセプタ５の中央部に錐体５１が設けられている。図１４はサセプタ５を上方から見たところである。
【０００６】
錐体５１は、対流が発生しがちなサセプタ中央部に設置され、サセプタ５に対して垂直
に吹き付けられる原料ガスを円滑に方向転換するためのものである。錐体５１は、水平方向の流れに変えるように構成されている。これにより、サセプタ５中央部でのガス流の乱れが抑制され、かつ半導体基板２上のガスの流れが均一化する。錐体５１自体の内部には原料ガスが流れ込まないように構成されている。サセプタ５および錐体５１の材質は、高温、少なくとも８００℃以上の温度に耐え得る材料で構成されており、具体的にはＰＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3およびカーボンのいずれかで構成されている。あるいは、カーボンにＰＢＮ，ＡｌＮおよびＡｌ2Ｏ3のいずれかをコーティングしたものもある。
【特許文献１】特開平４−２１９９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、半導体基板２表面には原料ガスの気相反応によりエピタキシャル層が成長するが、このとき、従来の第１，第２のいずれの縦型気相反応成膜装置においても膜厚分布に偏りが発生し、均一に成膜しにくいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、膜厚分布がより均一になるように成膜できる気相反応成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に基づく気相反応成膜装置は、反応室と、上記反応室内に配置され、成膜対象面が表にくるように複数の基板を同心円状に設置するための基板保持部と、上記反応室内に反応ガスを供給するためのガス供給部と、上記反応室内から反応ガスを排気するためのガス排出部とを備え、上記基板保持部は上記複数の基板のうちの一部である第１の基板群を環状に載置するための第１の部分と、上記複数の基板のうちの他の一部である第２の基板群を上記第１の基板群の外側において上記第１の基板群と同心の環状に載置するための第２の部分とを含み、上記第１の部分と上記第２の部分との間には上記反応ガスを上記ガス排出部に導くための略環状のスリットが配置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来問題となっていたサセプタ内周部と外周部との間での原料ガスの濃度および流速分布の差が小さくなるので、膜厚分布がより均一な膜を成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来の第１，第２の縦型気相反応成膜装置において膜厚分布に偏りが発生する原理について、発明者らは以下のように考察した。
【００１２】
たとえば、多数枚の半導体基板をサセプタ５上に同心円状に並べて成膜しようとした場合に、原料ガスは中心付近から外周に向かって流れる。このとき、ガス流は、中心付近から外周まで流れる間に通過する途中の各部位で成膜に利用されることで徐々に消費される。消費されることによって原料ガスの濃度は徐々に減っていくので、ガス流の下流側である外周付近ほど原料ガスの濃度が低くなる。
【００１３】
また、原料ガスは、サセプタ５の内周部から外周部に向かうにつれて放射状に流れるため、原料ガスの流速はサセプタ中央部からの距離の２乗に反比例する。この関係を図１に示す。通常、エピタキシャル成長は、基板表面への原料供給速度が成長速度を支配している領域、すなわち原料供給律速の領域を利用して行なわれる。この領域では、エピタキシャル成長速度は基板表面の境界層厚さに反比例すると考えられ、また境界層理論により境界層厚さはガス流速に反比例するため、エピタキシャル成長速度と原料ガス流速は比例関係になる。図１に示すように、原料ガスの濃度および流速は中心からの距離が小さいほど
大きくなるので、サセプタ５の内周部は外周部と比較して成長速度が速くなる。そのように成長速度に差がある状態で成膜が行なわれるので、最終的に得られる膜厚は図２に示すようになる。すなわち、基板上に膜厚分布の偏りが発生する。この問題に対して、サセプタ５を回転させることにより膜厚分布の偏りを打ち消すような対策が取られているが、その効果は十分ではない。したがって、膜厚分布をより均一にするためには、サセプタ上の原料ガス濃度およびガス流速のばらつきを小さくすることが必要となる。
【００１４】
以上の観点から、発明者らは検討を重ね、本発明をなすに至った。
（実施の形態１）
（構成）
図３、図４を参照して、本発明に基づく実施の形態１における気相反応成膜装置について説明する。図３に示すように、縦型気相反応成膜装置は、反応室と、前記反応室内に配置され、成膜対象面が表にくるように複数の基板を同心円状に設置するための基板保持部と、前記反応室内に反応ガスを供給するためのガス供給部と、前記反応室内から反応ガスを排気するためのガス排出部とを備え、前記基板保持部は前記複数の基板のうちの一部である第１の基板群を環状に載置するための第１の部分と、前記複数の基板のうちの他の一部である第２の基板群を前記第１の基板群の外側において前記第１の基板群と同心の環状に載置するための第２の部分とを含み、前記第１の部分と前記第２の部分との間には前記反応ガスを前記ガス排出部に導くための略環状のスリットが配置されている。
【００１５】
図３に示すように反応室１には、均一に撹拌された原料ガスを導入するための導入口３、原料ガスを排気するための排気口４が設けられている。排気口４は「ガス排出部」に該当する。「複数の基板」に相当するものは複数の半導体基板２である。各半導体基板２において成長対象面は上面である。基板保持部としてのサセプタ５は、第１の部分５ａと第２の部分５ｂとを含む。サセプタ５に半導体基板２を載置した状態の上面図を図４に示す。
【００１６】
この縦型気相反応成膜装置では、多数枚の半導体基板２に対して成膜処理を行なうことが可能である。本実施の形態では図４に示すように１２枚の半導体基板２を載置している。図３に示すようにサセプタ５の下側には基板加熱ヒータ６が配置されている。サセプタ５のうち第１の部分５ａは、支持軸７およびモータ８によって回転可能となっている。サセプタ５のうち第２の部分５ｂは、支持軸９およびモータ１０によって回転可能となっている。
【００１７】
したがって、この縦型気相反応成膜装置は、第１の部分５ａと第２の部分５ｂとをそれぞれ異なる回転数で回転させることが可能な個別回転機構を備える。特に好ましいことに、この縦型気相反応成膜装置においては、第１の部分５ａと第２の部分５ｂとは回転のためにそれぞれ独立した駆動源を備えているといえる。この場合、駆動源とはモータ８，１０である。
【００１８】
基板保持部としてのサセプタ５の上方にはガス供給部として原料ガス供給部１３が配置されている。原料ガス供給部１３の外径はサセプタ５の外径より大きい。原料ガス供給部１３においては、半導体基板２と対向する部位の全域にわたって原料ガス噴出口１４が設けられている。すなわち、この縦型気相反応成膜装置において、前記ガス供給部は、前記基板保持部の前記成膜対象面が向く側において前記基板保持部よりも大きな寸法で前記基板保持部に対向するように配置され、前記反応ガスを供給するためのガス噴出口が前記成膜対象基板に対向する領域の全域にわたって設けられたものである。
【００１９】
図４に示すように、エピタキシャル成長をさせる対象となる半導体基板２はサセプタ５上に同心円状に２列に並べて載置される。この際、内周部に相当する第１の部分５ａには
３枚の半導体基板２が載置され、外周部に相当する第２の部分５ｂには９枚の半導体基板２が載置される。第１の部分５ａと第２の部分５ｂとは互いに別部品となっている。両者の間には原料ガスを排気するための略環状のスリット１２が設けられている。
【００２０】
基板保持部は平面的に見た中心に前記反応ガスを前記ガス排出部に導くための排気孔を有する。すなわち、第１の部分５ａの中心には排気孔１５が設けられている。最外周部としての第２の部分５ｂのさらに外側は原料ガスが下方に自由に抜けることのできる排気空間１６となっている。
【００２１】
このようにサセプタ５をスリット１２によって同心円状に分割した構造とする場合、内周部と外周部のサセプタの円環としての幅は同一とすることが好ましい。本実施の形態では、幅が同一となっている。すなわち、第１の部分５ａの幅Ｗ１と第２の部分５ｂの幅Ｗ２とが同一となっている。
【００２２】
（作用・効果）
本実施の形態における縦型気相反応成膜装置においては、原料ガスの供給および排気は第１の部分５ａと第２の部分５ｂとで差異なく同一の状態で行なわれることとなる。エピタキシャル成長に当たっては、基板加熱ヒータ６（図３参照）により、サセプタ５を介して半導体基板２が加熱される。原料ガスは導入口３から入って原料ガス供給部１３に設けられた多数の原料ガス噴出口１４を通して、全ての半導体基板２に対して矢印１１に沿ってほぼ均一に供給される。このようにしてほぼ均一に供給された原料ガスが半導体基板２上に流れ、半導体基板２上で高温気相による反応が起こる。その結果、半導体基板２上に所望の膜がエピタキシャル成長する。
【００２３】
本実施の形態では、サセプタ５が内外２つの同心円状の部分に分割された例を示したが、サセプタはより多くの数に同心円状に分割されていてもよい。
【００２４】
図５には、サセプタが同心円状に３つの部分に分割された例の断面図を示す。このサセプタ５ｎは第１〜第３の部分５ａ，５ｂ，５ｃに分割されている。図５では原料ガスの流れを矢印で示している。全ての半導体基板２に対して原料ガスがほぼ均一に流れる。原料ガスは、スリット１２、排気孔１５、排気空間１６のそれぞれから排出される。
【００２５】
また、従来の第１の縦型気相反応成膜装置においてはサセプタの中心付近における原料ガスの対流が問題となっていたが、本実施の形態では、サセプタ５の中心部に排気孔１５が設けられているので、中心に向かったガス流も排気孔１５から円滑に排出される。その結果、中心付近における対流を防止でき、原料ガス残留の問題はない。
【００２６】
本実施の形態における縦型気相反応成膜装置のように分割されたサセプタ構造とすれば、基板に対して垂直な方向から原料ガスを供給するという構成のもとで従来問題となっていたサセプタ内周部と外周部との間での原料ガスの濃度および流速分布の差が小さくなり、しかも供給から排気までにわたる距離関係が内周部でも外周部でも同一となることから膜厚分布が均一な膜を成長させることができ、特性が均一な素子を提供することが可能となる。
【００２７】
（実施の形態２）
（構成）
図６を参照して、本発明に基づく実施の形態２における気相反応成膜装置について説明する。この気相反応成膜装置においては、半導体基板２を設置するための基板保持部としてのサセプタ５は同心形状の３つの部分に分割された構造となっている。
【００２８】
このような構成において、もし分割されていない従来の一体型のサセプタ構造を採用した場合は、内周部の半導体基板２に対して外周部の半導体基板２はサセプタ中心からの半径に比例した周速度で回転することとなるので、外周寄りの半導体基板２ほど周速度が速いということになる。前述したエピタキシャル成長速度と原料ガス流速とが比例するという関係からすれば、外周寄りの部位ほど成長速度が大きいということになる。そのような状況では、均一な成膜が困難となる。
【００２９】
しかし、本実施の形態においては、サセプタ５に含まれる各部分の回転速度が独立して設定可能であるので、内周部に設置された半導体基板２と外周部に設置された半導体基板２との間で周速度が一定になるように回転を設定することが可能である。これは、サセプタの分割数が多くなっても同様である。
【００３０】
本実施の形態では、図６に示す矢印３１，３２，３３で各部分の周速度を示しているが、内周寄りの部分ほど回転数を下げ、外周寄りの部分ほど回転数を上げることによって、矢印３１，３２，３３で示すように周速度をいずれも等しくすることができる。このように回転させることにより、内外周部で成長速度に差がなくなるので、均一な成膜が可能となる。また、サセプタ５の各部分間で半導体基板２の成長速度に微妙な差が生じた場合には、その成長速度に応じた周速度のフィードバック制御を行なうことにより、さらに膜厚均一性の良い成膜を行なうことが可能となる。したがって、より特性が均一な素子を得ることが可能となる。
【００３１】
これまでの各実施の形態では、サセプタが２列または３列に同心形状に分割されている例を示したが４列以上の更に多数列に分割された構成であってもよい。
【００３２】
これまでの各実施の形態においては、半導体基板２が載置されているサセプタ５が公転する場合に関して説明したが、サセプタ５の公転の有無にかかわりなく、サセプタ５上で個々の半導体基板２が自転する構成であってもよい。さらに、サセプタ５の公転と半導体基板２の自転との組合せとすれば特に好ましい。
【００３３】
（実施の形態３）
（構成）
図７、図８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における気相反応成膜装置について説明する。この気相反応成膜装置は、基本的には実施の形態１で説明したものと似ているが、サセプタ５の構造が異なる。本実施の形態では、図７、図８に示すように、サセプタ５に含まれる第１の部分５ａと第２の部分５ｂとが完全に分断されておらず、ブリッジ部１７によってつながって一体構造となっている。
【００３４】
すなわち、前記第１の部分と前記第２の部分とは前記スリットを横切るブリッジ部によって接続されており、前記第１の部分と前記第２の部分とが一体となって回転することが可能となっている。
【００３５】
（作用・効果）
本実施の形態では、実施の形態２に比べれば各部分ごとに周速度を制御できないという点では劣るが、サセプタ構造を実施の形態２よりも簡単なものとすることができるという利点がある。本実施の形態においても、原料ガスが各部分同士の境界をなすスリット１２から排出されるので、実施の形態１で説明した効果は得られ、従来技術に比べれば均一な成膜を行なうことができる。
【００３６】
なお、スリット１２の形状に関しては、完全に連続した環状に限らず、図８に示すようにブリッジ部１７が円周の途中に１つ以上あるような環状であってもよい。
【００３７】
なお、前記ブリッジ部は、断面形状が上に尖った形状となっていることが好ましい。たとえば、図９に示すように断面形状が楔形になっていてもよい。あるいは、図１０に示すように断面形状が上にも下にも尖った形状となっていてもよい。このようになっていれば、図９、図１０にそれぞれ矢印で示すようにスリットを通り抜けようとする原料ガスが円滑に下方に流れることができるので、ブリッジ部１７が原料ガスの排出の妨げとなることを防ぐことができる。
【００３８】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】発明者らが考察した過程で想定した、中心からの距離と原料ガスの濃度および流速との関係を示すグラフである。
【図２】発明者らが考察した過程で想定した、中心からの距離と得られる膜厚との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に基づく実施の形態１における気相反応成膜装置の模式的断面図である。
【図４】本発明に基づく実施の形態１における気相反応成膜装置のサセプタの上面図である。
【図５】本発明に基づく実施の形態１における気相反応成膜装置のサセプタの変形例の断面図である。
【図６】本発明に基づく実施の形態２における気相反応成膜装置の動作の説明図である。
【図７】本発明に基づく実施の形態３における気相反応成膜装置の模式的断面図である。
【図８】本発明に基づく実施の形態３における気相反応成膜装置のサセプタの上面図である。
【図９】本発明に基づく実施の形態３における気相反応成膜装置のブリッジ部の第１の例の断面図である。
【図１０】本発明に基づく実施の形態３における気相反応成膜装置のブリッジ部の第２の例の断面図である。
【図１１】従来技術に基づく第１の縦型気相反応成膜装置の模式的断面図である。
【図１２】従来技術に基づく第１の縦型気相反応成膜装置のサセプタの上面図である。
【図１３】従来技術に基づく第２の縦型気相反応成膜装置の模式的断面図である。
【図１４】従来技術に基づく第２の縦型気相反応成膜装置のサセプタの上面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  反応室、２  半導体基板、３  導入口、４  排気口、５  サセプタ、６  基板加熱ヒータ、７，９  支持軸、８，１０  モータ、１１，９１，９２  矢印、１２  スリット、１３  原料ガス供給部、１４  原料ガス噴出口、１５  排気孔、１６  排気空間、１７
ブリッジ部、４１  サセプタ支持軸、４２  モータ、４３  ＲＦコイル、５１  錐体。
【図１】
2008041701.tif 000003
【図２】
2008041701.tif 000004
【図３】
2008041701.tif 000005
【図４】
2008041701.tif 000006
【図５】
2008041701.tif 000007
【図６】
2008041701.tif 000008
【図７】
2008041701.tif 000009
【図８】
2008041701.tif 000010
【図９】
2008041701.tif 000011
【図１０】
2008041701.tif 000012
【図１１】
2008041701.tif 000013
【図１２】
2008041701.tif 000014
【図１３】
2008041701.tif 000015
【図１４】
2008041701.tif 000016