(57)【要約】【課題】本発明は半導体製造装置に係り、特に膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を低コストで作製するための半導体製造装置に関する。【解決手段】反応容器と温度調整部との間、または対向板と温度調整部との間に熱伝導体を設置する。あるいは反応容器が温度調整部に近接する領域の壁面の厚みを調整する。或いは対向板の厚みを調整する。【効果】本発明によれば、反応容器内部の温度分布を制御することができ、膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
該反応容器の内部に基板が設置され、
該反応容器に接続して該反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、
該反応容器よりガスを排出するガス排気口と、
該反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、
該温度調整部と該反応容器との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱体を該温度調整部と該反応容器との間に有することを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記伝熱体が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記伝熱体が領域によって異なる厚みを有する材料によって構成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記伝熱体の厚みが一定でないことを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記伝熱体と前記反応容器との間隔、あるいは前記伝熱体と前記温度調整部との間隔が一定でないことを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項６】
反応容器と、
該反応容器の内部に基板が設置され、
該反応容器に接続して該反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、
該反応容器よりガスを排出するガス排気口と、
該反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、
該温度調整部が近接した領域における該反応容器の壁面の厚みが領域毎に異なる構造であることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項７】
反応容器の内部の一方の壁面に基板が設置され、該壁面と対向して対向板が設置され、該対向板に隣接して温度調整部が設置され、該壁面と該対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、
該冷却機構と該対向板との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱体を該冷却機構と該対向板との間に設置されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記伝熱体が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項９】
請求項７において、
前記伝熱体が領域によって異なる厚みを有する材料によって構成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項１０】
請求項７において、
前記伝熱体の厚みが一定でないことを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項１１】
請求項７において、
前記伝熱体と前記対向板との間隔、あるいは前記伝熱体と前記温度調整部との間隔が一定でないことを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【請求項１２】
反応容器の内部の一方の壁面に基板が設置され、該壁面と対向して対向板が設置され、該対向板に隣接して冷却機構が設置され、該壁面と該対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、該対向板が厚みの異なる領域を有する構造体により形成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造装置に係り、特に膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を低コストで作製するための半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ウエハ表面に半導体薄膜を形成するための技術としてはＣＶＤ法
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相成長）が用いられている。これは反応容器内部に供給された原料ガス、あるいは原料ガスより生じる反応生成物が、反応容器内部に設置した基板表面で反応することで半導体薄膜として堆積，成長するというものである。このとき半導体薄膜には膜厚や組成，不純物分布などの均一性が求められる。それぞれの分布には反応容器内部でのガス流れや温度分布等が大きく影響しており、これらを高精度に制御することが均一性に優れた半導体薄膜を得るために重要である。このような問題に対して、例えば温度を制御するための技術として、特開平４−１３２２１３号公報が開示されている。これは反応炉の外壁に冷却液用の流路を設け、それぞれに供給する冷却液の温度或いは流量を独立して調整することで反応炉内部の温度分布を制御するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−１３２２１３号公報（請求項１等）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
複数の流路を設けた場合には、各流路に供給される冷却液毎に配管を設け、温度や流量をそれぞれ制御する必要があるため、装置構造は複雑になり、管理コストも増加してしまう問題があった。
【０００５】
以上の技術問題に鑑み、本発明の目的をまとめると以下の通りとなる。
【０００６】
本発明の目的は反応容器内部の温度分布制御を低コストで達成できる半導体薄膜の形成装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的のうち、反応容器内部の温度分布を調整可能な半導体薄膜の形成装置は、反応容器と、該反応容器の内部に基板が設置され、該反応容器に接続して該反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、該反応容器よりガスを排出するガス排気口と、該反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、該温度調整部と該反応容器との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱体を該温度調整部と該反応容器との間に有する半導体薄膜装置によって達成される。
【０００８】
さらに、前記伝熱体が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されていることを特徴とする半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【０００９】
さらに、前記伝熱体が領域によって異なる厚みを有する材料である半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１０】
あるいは、反応容器と、該反応容器の内部に基板が設置され、該反応容器に接続して該反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、該反応容器よりガスを排出するガス排気口と、該反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、該温度調整部が近接した領域における該反応容器の壁面の厚みが領域毎に異なる構造である半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１１】
あるいは、反応容器の内部の一方の壁面に基板が設置され、該壁面と対向して対向板が設置され、該対向板に隣接して冷却機構が設置され、該壁面と該対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、該冷却機構と該対向板との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱板を該冷却機構と該対向板との間に設置されている半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１２】
さらに、前記伝熱板が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されている半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１３】
さらに、前記伝熱板が領域によって異なる厚みを有する材料によって構成されている半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１４】
あるいは、反応容器の内部の一方の壁面に基板が設置され、該壁面と対向して対向板が設置され、該対向板に隣接して冷却機構が設置され、該壁面と該対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、該対向板が厚みの異なる領域を有する構造体により形成されている半導体薄膜の形成装置によっても達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例を説明する。本実施例では半導体薄膜の形成装置を説明する。
【００１６】
図１は本発明の半導体薄膜形成装置の断面図である。石英ガラス製の反応容器１０２の内部には単結晶ガリウム砒素からなる基板１０４が設置される。半導体薄膜を形成するための原料ガスと、原料ガスを輸送するために用いられるキャリアガスは反応容器１０２の左側開口部より供給され、基板１０４の表面付近を通過して反応容器１０２の右側の開口部より排出される。ここで原料ガスとしてはＶ族系原料ガスとしてアルシン（ＡｓＨ３）ガス、ＩＩＩ族系原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを用い、キャリアガスには水素ガスを用いた。反応容器１０２の外部の一方には加熱ヒータ１０５を設置し、基板１０４の温度が６００℃になるようにした。反応容器１０２の外部の別な一方には反応容器１０２を冷却するためのステンレス製の冷却ジャケット１０３を設置した。この冷却ジャケット１０３は、領域ごとに厚みの異なるカーボン製の熱伝導調整治具１０１を介して反応容器１０２に接続される。本実施例のように熱伝導調整治具１０１を設置した装置と設置しない装置によって半導体薄膜を形成し、それぞれの平均成長速度及び面内膜厚分布を評価した。熱伝導調整治具１０１を設置しない場合には平均成長速度が１０ナノメートル／秒であったのに対して、設置した場合は１２ナノメートル／秒と向上した。一方、面内膜厚分布は熱伝導調整治具１０１を設置しない場合がプラスマイナス２パーセントだったのに対して、熱伝導調整治具１０１を設置した場合にはプラスマイナス１．０  パーセントと均一性を向上することができた。
【００１７】
このような効果の得られた理由は次の通りである。まず原料ガス及びキャリアガスが反応容器１０２に導入された直後の領域（領域１）では反応容器１０２内部の下側での冷却効果が大きいため、反応容器１０２内部では垂直方向に大きな温度勾配ができる。このような領域に混合ガスを導入した場合、比較的重い分子が温度の低い領域へと拡散する熱拡散現象が発生するため、原料ガスは反応容器１０２下側の低温領域へと集まることになる。その結果、反応容器１０２上側での原料ガス濃度は低下して壁面への半導体膜の堆積が少なくなるため原料ガスの消耗が抑制できる。次に、基板１０４近傍の領域（領域２）においては、反応容器１０２内部の下側の冷却効果が小さいため、反応容器１０２内部に現れる温度勾配も小さくなり、熱拡散の効果も小さくなるため、領域１において反応容器１０２内部の下側に集まって流れていた原料ガスは熱拡散効果の低下に伴って反応容器１０２内部の上側へ広がり、基板１０４表面付近での原料ガス濃度が上昇することで成長速度が向上したと考えられる。また領域１での原料ガスの消耗が抑制されていたため、基板１０４近傍で原料ガスが急速に枯渇することもなく、面内膜厚分布の均一性も向上したと考えられる。次に、基板１０４よりも下流側の領域（領域３）では、再び冷却ジャケット１０３による冷却効果が大きくなるため、原料ガスは反応容器１０２内部の下側に集まり、半導体膜の壁面への堆積を抑制できる。なお、本実施例では熱伝導調整治具１０１の形状が厚い部分と薄い部分の２水準からなる場合を説明したが、図２に示すような曲線状の断面形状や、図３に示すような複数の段差を有する断面形状とすることも、領域ごとの温度を微調整できるという点で有効である。さらに、熱伝導調整治具の高さを調整する方法として、図４（ａ）のように熱伝導調整治具１０１を複数重ね合わせても、図４（ｂ）のように高さの異なる複数の熱伝導調整治具１０１を横に並べて配置しても同様の効果を得ることができる。また、本実施例では熱伝導調整治具１０１と反応容器１０２とが直接に接触している場合について述べたが、それぞれが直接に接触せずに隙間を介して近接させた場合においても同様の効果を得ることができる。また、本実施例では熱伝導調整治具の材料としてカーボンを用いた例を示したが、これ以外にも金属やセラミックス材料を用いることももちろん可能である。
【００１８】
このように、熱伝導調整治具の高さによって領域毎の温度調整を行うことで、装置構造を複雑にすること無く、反応容器内部の温度分布やガス濃度分布を制御することが可能な半導体薄膜の形成装置を得ることができる。
【００１９】
（実施例２）
本実施例では半導体薄膜の形成装置の別な例を説明する。
【００２０】
図５は本発明の半導体薄膜形成装置の断面図である。前述の実施例と異なり、ステンレス製の冷却ジャケット１０３は、ステンレス製の構造体１０８，１１０及びカーボン製の構造体１０９を組み合わせて構成される熱伝導調整治具１０７を介して石英製の反応容器１０２に接続される。この場合、例えばステンレス製の構造体１０８，１１０の熱伝導率はカーボン製の構造体１０９と比べて熱伝導率が大きく、構造体１０８，１１０が反応容器１０２と接触している部分は構造体１０９と接触する部分と比べてより冷却されるため、前述の実施例の場合と同様の効果により反応容器１０２内部の温度を調整することが可能である。前述の実施例と同様の条件で、熱伝導調整治具１０１を設置した装置と設置しない装置によって半導体薄膜を形成し、それぞれの平均成長速度及び面内膜厚分布を評価した結果、熱伝導調整治具１０１を設置しない場合には平均成長速度が１０ナノメートル／秒であったのに対して、設置した場合は１２ナノメートル／秒と向上した。一方、面内膜厚分布は熱伝導調整治具１０１を設置しない場合がプラスマイナス２パーセントだったのに対して、熱伝導調整治具１０１を設置した場合にはプラスマイナス０．９  パーセントと均一性が向上した。
【００２１】
なお、本実施例では熱伝導調整治具１０１を構成する構造体１０８，１０９，１１０のそれぞれが単一の材料で構成された場合を説明したが、例えば図６に示すように構造体１０９の代わりに複数の構造体１１１，１１２を高さ方向に積み重ねて熱伝導率を調整することによっても同様に反応容器内の温度分布を調整することが可能である。また、本実施例では構造材にカーボンやステンレスを使用した例を示したが、銅やアルミニウムなどの金属やセラミックス材料を用いても構わない。
【００２２】
このように、熱伝導調整治具の各領域の熱伝導率を調節することによっても装置構造を複雑にすること無く、反応容器内部の温度分布やガス濃度分布を制御することが可能な半導体薄膜の形成装置を得ることができる。
【００２３】
（実施例３）
本実施例では半導体薄膜の形成装置の別な例を説明する。
【００２４】
図７は本発明の半導体薄膜形成装置の断面図である。前述の実施例と異なり、石英製の反応容器１０２がステンレス製の冷却ジャケット１０３と近接する部分において、反応容器１０２の壁面の厚みが領域ごとに異なる構造となっている。このような構造によっても、反応容器１０２の壁面厚みが最も厚い部分で冷却ジャケット１０３に接触することで冷却効果が大きくなり、壁面厚みが薄い部分では間に空隙１０６が存在するため冷却効果が小さくなることで、前述の実施例のように熱伝導調整治具を設けた場合と同様に、反応容器１０２内部の温度を調整することが可能である。実施例１と同様の条件で、反応容器１０２の壁面厚みを領域ごとに調整した装置と調整していない装置によって半導体薄膜を形成し、それぞれの平均成長速度及び面内膜厚分布を評価した。その結果、反応容器１０２の壁面厚みを調整しない場合には平均成長速度が１０ナノメートル／秒であったのに対して、壁面厚みを調整した場合は１１．８  ナノメートル／秒と向上した。一方、面内膜厚分布は壁面厚みを調整しない場合がプラスマイナス２パーセントだったのに対して、調整した場合にはプラスマイナス１．１  パーセントと均一性が向上する結果が得られた。
【００２５】
（実施例４）
本実施例では半導体薄膜の形成装置の別な例を説明する。
【００２６】
前述までの実施例では反応容器内部でのガス流れがおおむね一方向である横型装置について説明したが、異なる形状の装置においても本発明を適用することが可能である。図８は本発明を適用した半導体薄膜形成装置の断面図である。反応容器２０８内部の上側にはカーボン製のサセプタ２０９が設置され、下側にはステンレス製の水冷ジャケット２０３が設置されている。この水冷ジャケット２０３の上面にはステンレス製の熱伝導調整治具２０１を介して石英板２０２が設置されている。ガスノズル２０７は反応容器２０８の中心位置に接続して設置される。サセプタ２０９の下側表面には、ガスノズル２０７から等距離となるような位置に、単結晶ガリウム砒素からなる基板２０４が複数枚設置されている。これらの基板２０４及びサセプタ２０９は反応容器２０８の上部に設置された加熱ヒータ２０５によって平均温度が６００℃になるよう加熱される。
【００２７】
この装置において、ガスノズル２０７より反応容器２０８内に導入された原料ガスのアルシンガス，トリメチルガリウム及びキャリアガスの水素ガスはサセプタ２０９と石英板２０２とで挟まれた空間を半径方向に向かって進み、基板２０４近傍を通過して反応容器２０８の外周側より排出される。このような構造の場合、装置の外周側にいくほどガスの流れる領域の断面積が増加するのでガス流速度は急速に低下することになる。ガス流速度が遅くなると原料ガスの濃度分布に対する熱拡散の影響は大きくなるため、均一な半導体薄膜の形成には本発明のような熱伝導調整治具を設置して反応容器内部の温度分布を調整することがより有効である。
【００２８】
本実施例においても、熱伝導調整治具２０１を設置した装置と設置しない装置によって半導体薄膜を形成し、それぞれの平均成長速度及び面内膜厚分布を評価した。熱伝導調整治具２０１を設置しない場合には平均成長速度が１２ナノメートル／秒であったのに対して、設置した場合は１５ナノメートル／秒と向上した。一方、面内膜厚分布は熱伝導調整治具２０１を設置しない場合がプラスマイナス１．８  パーセントだったのに対して、熱伝導調整治具２０１を設置した場合にはプラスマイナス０．６  パーセントと均一性を向上することができた。
【００２９】
本実施例では熱伝導調整治具２０１として、領域ごとに厚みの違う構造材を使用した場合の例を示したが、実施例２のように領域ごとに熱伝導率の異なる材料からなる構造材を用いても良い。あるいは図９のように領域によって厚みの異なる石英板２０２を用いることも可能である。
【００３０】
以上説明した実施例においては、ガス流れと平行な方向に熱伝導率を調整した場合について述べてきたが、本発明は特に熱伝導率の調整方向を限定するものではない。例えばガス流れと垂直な方向に熱伝導率を調整することによっても反応容器内部の温度分布を制御する効果が得られることは明らかであり、同様に膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を得ることが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明では、反応容器と、反応容器の内部に基板が設置され、反応容器に接続して反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、反応容器よりガスを排出するガス排気口と、反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、温度調整部と反応容器との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱体を温度調整部と反応容器との間に設置することで、反応容器内部の温度分布を制御することができ、膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を得ることができる。また、伝熱体が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されていても同様の効果が得られる。また、伝熱板が領域によって異なる厚みを有する材料によって構成されていても同様の効果が得られる。また、厚みが一定でない伝熱板を用いることによっても同様の効果が得られる。また、伝熱板と反応容器との間隔、あるいは伝熱板と温度調整部との間隔を一定でないように調整することによっても同様の効果が得られる。
【００３２】
さらに、本発明では、反応容器と、反応容器の内部に基板が設置され、反応容器に接続して反応容器内に原料となるガスを供給するガス供給管と、反応容器よりガスを排出するガス排気口と、反応容器の壁面近傍の温度を調節するための温度調整部とを有する半導体薄膜の形成装置において、温度調整部と近接した領域における反応容器の壁面の厚みを領域毎に異なるように調整することによっても、反応容器内部の温度分布を制御でき、膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を得ることができる。
【００３３】
さらに本発明では、反応容器の内部の一方の壁面に基板が配置され、壁面と対向して対向板が設置され、対向板に隣接して温度調整部が設置され、壁面と対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、冷却機構と対向板との間での熱伝導率を領域毎に異なるように調整するための伝熱板を冷却機構と対向板との間に設置することで反応容器内部の温度分布を制御でき、膜厚や組成比の均一性に優れた半導体薄膜を得ることができる。また、伝熱板が異なる熱伝導率を有する複数の材料によって構成されていることによっても同様の効果を得られる。また、伝熱板が領域によって異なる厚みを有する材料を用いることでも同様の効果を得られる。また、厚みが一定でない伝熱板を用いることでも同様の効果が得られる。また、伝熱板と対向板との間隔、あるいは伝熱板と温度調整部との間隔を一定でないようにすることでも同様の効果が得られる。
【００３４】
さらに、本発明では、反応容器の内部の一方の壁面に基板が配置され、壁面と対向して対向板が設置され、対向板に隣接して冷却機構が設置され、壁面と対向板を含む壁面で挟まれた領域に原料となるガスが供給される半導体薄膜の形成装置において、対向板に厚みの異なる領域を有する構造体を利用することによっても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造装置の断面概略図。
【図２】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図３】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図４】熱伝導調整板の高さ調整方法を説明するための断面図。
【図５】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図６】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図７】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図８】別な構造の製造装置の断面概略図。
【図９】別な構造の製造装置の断面概略図。
【符号の説明】
１０１，１０７，２０１…熱伝導調整治具、１０２，２０８…反応容器、１０３…冷却ジャケット、１０４，２０４…基板、１０５，２０５…加熱ヒータ、１０６，２０６…空隙、１０８，１０９，１１０，１１１，１１２…構造体、２０２…石英板、２０３…水冷ジャケット、２０７…ガスノズル、２０９…サセプタ。
【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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【図９】
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