(57)【要約】【課題】複数の反応ガスを充分に混合しつつガス圧の均一化を図り、混合された反応ガスを半導体ウエハ上に良好な状態で供給できるようにすること。【解決手段】反応室３内の半導体ウエハ９の表面９Ａに向けて混合された反応ガスを噴出させるためのガスヘッド１０が、ガス供給ライン４、５からの反応ガスを受け入れるためガス供給ライン４、５の配管断面積Ｓ１より大きい断面積Ｓ２を有するガス受入室１１と、半導体ウエハ９に対向する多孔盤１３がガス出口開口部に設けられているガス出口室１２とを備え、ガス受入室１１からガス出口室１２への反応ガスの供給をガス受入室１１の断面積Ｓ２の１／２以下の断面積Ｓ３を有する絞り通路１４を介して行うと共に、ガス出口室１２の断面積Ｓ４を絞り通路１４の断面積Ｓ３の２倍以上とした。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハを収容する反応室と、該反応室内に反応ガスを導入するためのガス供給ラインと、該ガス供給ラインと接続され前記反応ガスを混合して前記反応室内の前記半導体ウエハに向けて噴出させるためのガスヘッドとを備えて成る気相成長装置において、
前記ガスヘッドが、
前記ガス供給ラインからの前記反応ガスを受け入れるため前記ガス供給ラインの配管断面積より大きい断面積を有するガス受入室と、
多孔盤がガス出口開口に設けられているガス出口室とを備え、
前記ガス受入室から前記ガス出口室への反応ガスの供給を前記ガス受入室の断面積の１／２以下の断面積を有する絞り通路を介して行うと共に、前記ガス出口室の断面積が前記絞り通路の断面の２倍以上となっていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記ガス受入室と前記絞り通路とが２組以上設けられている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記ガスヘッドに前記反応ガスの分解温度又は析出温度以下に保持するための冷却装置が設けられている請求項１又は２記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【特許文献１】
特開平６−１２４９０３号公報
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ上に半導体薄膜を気相成長により形成させるための気相成長装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
各種の化合物半導体素子の製作のため、半導体基板あるいはその他の適宜の基板上に所要の単結晶薄膜層を連続的に積層した３−５族半導体薄膜結晶基板が用いられている。このような目的で用いられる薄膜結晶基板の製造には、従来、５族原料にＡｓＨ３　やＰＨ３　のような水素化物を用いてエピタキシャル結晶層を成長させるハイライド気相エピタキシャル成長法（ＨＶＰＥ法）、或いは有機金属を熱分解させることによりエピタキシャル結晶層を成長させる有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）等が用いられている。
【０００４】
例えば、ＩｎＧａＡｌＮの如きＧａＮ系の３−５族化合物半導体薄膜結晶基板を上述した方法で製造する場合、反応炉内に予め温度制御された基板をセットしておき、３族の原料ガス、５族の原料ガス及びドーピング用の２族の原料ガスを外部の原料ガス供給源から反応炉内に導入し、これらの原料ガスの混合体を基板上に供給することにより基板上で所要の結晶成長を行わせている。
【０００５】
基板上に形成するエピタキシャル結晶層の厚さを全面に亘って均一にすると共にその電気的特性も均一なものとするには、反応装置内に供給した原料ガスの流量が基板の表面全体に亘って均一に流れるようにすると共に反応ガスが基板成長室に導入される前に均一に混合されていることが重要である。
【０００６】
このため、例えば特許文献１には、複数種の反応ガスを別々の導入孔からガスヘッド内の混合器に導入すると共に、多数の細孔をもつ内部抵抗板によりガスヘッド内の空洞部を分割し、分割された空洞部内で反応ガスを充分に拡散させるようにし、複数種の反応ガスを充分に混合しつつ、噴出孔から噴出される反応ガスの圧力を均一化し、薄膜の膜厚の均一性を向上させることができるようにした化学気相成長装置が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この化学気相成長装置では２種類のガスの混合を、混合器内に設けた曲がり角を有するガス通路をガスが通過することによって行っているが、通路断面を絞る等、ガスの流れを意図的に乱す様な構造にはなっていないため、ガス流速が小さく層流状態である場合等に混合は不十分となる。この問題は、ガスの流速を大きくすることにより改善することが可能であるが、ガスの流速は薄膜形成の速度の観点から決められるので根本的な解決策ではない。また、内部抵抗板によってガスヘッド内を複数の空洞部に分割し、各空洞部に反応ガスを溜め込んで拡散させることにより反応ガスの圧力の均一化を図る構成によると、内部抵抗板には多数の細孔が形成されているため、空洞部内に導入された反応ガスはここで充分に圧力が均一化される前にこれらの細孔から次の空洞部へ移動してしまうので、ガスの圧力の均一化を必ずしも充分に行うことができないという問題点を有している。
【０００８】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決し、反応ガスを充分に混合しつつガス圧の均一化を図り、反応ガスを基板上に良好な状態で供給できるようにした気相成長装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、半導体ウエハを収容する反応室と、該反応室内に反応ガスを導入するためのガス供給ラインと、該ガス供給ラインと接続され前記反応ガスを混合して前記反応室内の前記半導体ウエハに向けて噴出させるためのガスヘッドとを備えて成る気相成長装置において、前記ガスヘッドが、前記ガス供給ラインからの前記反応ガスを受け入れるため前記ガス供給ラインの配管断面積より大きい断面積を有するガス受入室と、多孔盤がガス出口開口に設けられているガス出口室とを備え、前記ガス受入室から前記ガス出口室への反応ガスの供給を前記ガス受入室の断面積の１／２以下の断面積を有する絞り通路を介して行うと共に、前記ガス出口室の断面積が前記絞り通路の断面の２倍以上となっていることを特徴とする気相成長装置が提案される。
【００１０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記ガス受入室と前記絞り通路とが２組以上設けられている気相成長装置が提案される。
【００１１】
請求項３の発明によれば、請求項１又はその発明において、前記ガスヘッドに、前記反応ガスの分解温度又は析出温度以下に保持するための冷却装置が設けられている気相成長装置が提案される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による気相成長装置の実施の形態の一例を示す断面図である。気相成長装置１は、基板である半導体ウエハ９上に半導体薄膜を気相成長により形成するための装置であり、２は本体、３は本体２内に形成されている反応室、４、５は図示しない反応ガス供給装置から複数種の反応ガスを反応室３内に導入するためのガス供給ラインである。本実施の形態では、ガス供給ライン４、５を介して反応室３に複数の反応ガスを供給する場合が示されている。反応ガスの供給方法は成長させるべき薄膜の種類やその結晶構造及び結晶界面の状況に大きな影響を及ぼす。例えば３族、５族の原料ガスをガス供給ライン４、５にそれぞれ分けて供給する方法をとることが可能である。さらには、予め、３族、５族の原料ガスを混合しておきガス供給ライン４、５から同一の混合原料ガスを供給することも可能である。本発明の気相成長装置はガスヘッド内においてガスの均一混合が達成されるため、原料ガスの供給方法を成長薄膜の物性と対比させ、自由に選択することができる。
【００１４】
反応室３内には、フローガイド６、サセプタ７、ヒータ８が図示の如く設けられており、サセプタ７上に半導体ウエハ９が公知の適宜の手段によってセットされている。サセプタ７には、図示しない駆動モータに連結されているサセプタ回転軸７Ａが取り付けられており、半導体ウエハ９をサセプタ７と一緒に回転させることができる構成となっている。
【００１５】
ガス供給ライン４、５によって供給される反応ガスを均一に混合し、混合された反応ガスを半導体ウエハ９の表面９Ａ上に均一のガス圧力をもって噴出させるため、反応室３内にはガスヘッド１０が設けられている。
【００１６】
ガスヘッド１０には、ガス供給ライン４、５を介して供給される反応ガスをそれぞれ別個に受け入れるためのポート１１Ａ、１１Ｂを有する受入室１１と、半導体ウエハ９の表面９Ａに噴出させる混合された反応ガスが溜め込まれるガス出口室１２とが形成されている。受入室１１及びガス出口室１２は、いずれも、偏平な円筒状の室であり、サセプタ７上にセットされる半導体ウエハ９と略同軸に整列するようにして形成されている。
【００１７】
ガス出口室１２には、半導体ウエハ９に対向するようにガス出口開口１２Ａが形成されており、ガス出口開口１２Ａには微細な透孔１３Ａが多数形成されている多孔盤１３が嵌め込まれるようにして設けられている。これらの透孔１３Ａは、本実施の形態では、それらの軸線が半導体ウエハ９の表面９Ａに垂直な線と平行となるように設けられている。そして、受入室１１とガス出口室１２とは直管形状の絞り通路１４によって連通されており、したがって、ガス供給ライン４、５からの反応ガスは、一旦受入室１１に受け入れられた後、絞り通路１４を通ってガス出口室１２に入り、多孔盤１３の透孔１３Ａから半導体ウエハ９に向けて噴出する構成となっている。
【００１８】
ガスヘッド１０に導入された反応ガスがガスヘッド１０内で上述した経路を辿って多孔盤１３から噴出したときに、反応ガスが充分に混合されており、且つその噴出ガス圧力が半導体ウエハ９の表面９Ａにおいて略均一となるようにするため、
（１）ガス供給ライン４、５の各配管断面積の合計値Ｓ１と受入室１１のＸ−Ｘ線に沿う断面積Ｓ２とが
Ｓ１＜Ｓ２
の関係を有し、
（２）絞り通路１４の断面積Ｓ３と上記断面積Ｓ２とが
（１／２）×Ｓ２≧Ｓ３
の関係を有し、且つ、
（３）ガス出口室１２のＹ−Ｙ線に沿う断面積Ｓ４と断面積Ｓ３とが
２×Ｓ３≦Ｓ４
の関係を有する
ようにガスヘッド１０が形成されている。
【００１９】
ここで、各断面積Ｓ１〜Ｓ４は、いずれも、対応する部材において最小流量を与える流路部分の流路断面積である。
【００２０】
ガスヘッド１０は、以上のように構成されていることにより、ガス供給ライン４、５から受入室１１内に反応ガスが導入されたとき、断面積Ｓ１、Ｓ２の差によりガス供給ライン４、５内と受入室１１内との間で圧力差が生じる。圧力差を増加させるために必要となる断面積Ｓ２は、断面積Ｓ１より大きいことが必要であり、好ましくは断面積Ｓ１の１０倍以上、さらに好ましくは３０倍以上である必要がある。断面積Ｓ２が断面積Ｓ１以下の場合、受入室１１で絞りの効果が発生し、絞り通路１４の部分で発生する圧力差が減少するため、受入室１１内でのガスの均一混合を達成することができない。
【００２１】
絞り通路１４での圧力変化が微小であると仮定すると、反応ガスに対してベルヌーイの式（１）が成立する。また、ガス流に対する連続の式（２）が成立する。
Ｐ２−Ｐ３＝ρ×（ｗ３２　−ｗ２２　）／２　　　（１）
Ｓ２×ｗ２＝Ｓ３×ｗ３　　　　　　　　　　　（２）
両式よりｗ３を消去すると、
Ｐ２−Ｐ３＝ρ×（（Ｓ２／Ｓ３）２　−１）×ｗ２２　／２
Ｓ２≧２×Ｓ３　から
Ｐ２−Ｐ３≧３×ρ×ｗ２２　／２　　　　（３）
ここで、
Ｓ２：受入室１１のＸ−Ｘ線に沿う断面積
Ｓ３：絞り通路１４の断面積
ｗ２：Ｘ−Ｘ線断面における平均ガス流速
ｗ３：絞り通路１４の断面における平均ガス流速
Ｐ２：受入室１１における静圧
Ｐ３：絞り通路における静圧
ρ：平均圧力（Ｐ２＋Ｐ３）／２におけるガス密度
【００２２】
したがって、式（３）より受入室１１における動圧（ρ×ｗ２２　／２）の３倍以上の圧力差が絞り通路１４との間に発生する。ガスの均一混合に必要となる圧力差は動圧の３倍以上で、好ましくは７倍以上、さらに好ましくは、１０倍以上に設定することが必要である。圧力差が受入室１１の動圧の３倍未満では、均一に反応ガスの混合を行うことが困難である。したがって、受入室１１の断面積Ｓ２と絞り通路１４の断面積Ｓ３との関係においては、Ｓ２≧２×Ｓ３であり、好ましくはＳ２≧２．８３×Ｓ３、さらに好ましくはＳ２≧３．３２×Ｓ３の関係を保つことが必要である。
【００２３】
受入室１１内に入った反応ガスは、絞り通路１４を介して流速を増しながらガス出口室１２内に流れ込むため、反応ガスの均一混合が最終的に達成される。また、２×Ｓ３≦Ｓ４の関係から絞り通路１４内の圧力よりもガス出口室１２内の圧力の方が高いので、ガス出口室１２内での混合された反応ガスの圧力分布は略均一となり、多孔盤１３の各透孔１３Ａからよく混合された反応ガスが略等しい圧力で表面９Ａに向けて噴出する。
【００２４】
圧力分布を均一にするためには、断面積Ｓ４は、断面積Ｓ３の２倍以上であり、好ましくは断面積Ｓ３の４倍以上、さらに好ましくは断面積Ｓ３の５倍以上である必要がある。断面積Ｓ４が断面積Ｓ３の２倍未満では絞りの効果を緩和することができず、圧力を均一にする効果が不十分となる。表面９Ａには、反応ガスが良好に混合された状態で、且つ略その全面に亘って均一の圧力で噴出され、表面９Ａ上に、膜厚及び電気的特性が共に均一な半導体薄膜を形成することができる。なお、使用済みの反応ガスは、排気口１５、１６から排出され図示しない排気ガス処理装置へ送られる。
【００２５】
図１に示した実施の形態では、受入室１１内で混合された反応ガスを絞り通路１４を介してすぐにガス出口室１２内に送るようにした構成を示した。しかし、反応ガスの混合をより完全にするためには、受入室１１と絞り通路１４との組み合わせを複数とすることが好ましい。
【００２６】
図２には、受入室１１と絞り通路１４との組み合わせを２組とした場合の実施の形態が示されている。図２の各部のうち、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。図２に示した気相成長装置２０では、ガスヘッド１０１が受入室１１と絞り通路１４とを備えている上にさらにそれらと同一の構成のもう１組の受入室１１’と絞り通路１４’とをガス出口室１２と絞り通路１４との間に備えているように構成されている点でのみ、図１に示した気相成長装置１と異なっている。
【００２７】
絞り通路１４と１４’との位置関係は、絞り通路１４’が絞り通路１４の直下以外の場所に設置される位置関係となっている。絞り通路１４’が絞り通路１４の直下に位置した場合には、絞り通路１４より噴出した反応ガスは受入室１１’を通過して、直ちに絞り通路１４’に達してしまうため、受入室１１’内での反応ガスの混合が不十分となり、混合動作を繰り返すといった目的が達成されない。
【００２８】
受入室１１と絞り通路１４に加えて、受入室１１’と絞り通路１４’とをさらに設けると、圧力差による反応ガスの混合動作が１回多く実行されるので、表面９Ａに噴出される混合された反応ガスの均一性をより一層良好なものとすることができるので、より高性能の半導体エピタキシャル基板を製造することができる。
【００２９】
図３には、受入室１１から多孔盤１３までの組み合わせを２組並列して設置した場合の実施の形態が示されている。図３に示した気相成長装置３０は、ガス供給ラインから多孔盤までの通路を１組増やして並列して設けている以外は図１に示した気相成長装置と同等である。気相成長装置３０では、反応ガスＡ、Ｂをそれぞれ別個にガス供給ライン４、５を介して導入し、各反応ガスの均一性をより向上させ、反応室３内において反応ガスを混合させて用いる装置の例を示している。気相成長させる薄膜の種類によっては、半導体ウエハの直前で異なる反応ガスを混合する方が良好な結晶が得られるものがあり、気相成長装置３０はそういった薄膜成長を対象にしたものである。気相成長装置３０では、混合前の各反応ガスＡ、Ｂの均一性をより向上させることができ、薄膜の成長制御が容易に行える。
【００３０】
図４に示されるのは、本発明の他の実施の形態を示す断面図である。図４に示される気相成長装置４０は、ガスヘッド１０２内に水冷式の冷却部１７を付加した点でのみ図１に示した気相成長装置１と異なっている。したがって、図４の各部のうち、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３１】
冷却部１７は、受入室１１及びガス出口室１２を囲むように配設された円環状の冷却水通路１８に冷却水の入口ポート１９Ａと出口ポート１９Ｂとを設けて成っている。入口ポート１９Ａ及び出口ポート１９Ｂは、図示しない冷却水循環装置に接続されており、この冷却水循環装置により冷却水通路１８内を冷却水が循環する構成となっている。
【００３２】
このように、冷却部１７を設けることにより、特に絞り通路１４を通過する反応ガスから摩擦熱を奪い取り、ガスヘッド１０２の温度が、反応ガスの分解温度及び析出温度のいずれよりも高くなることがないようにしている。この結果、絞り通路１４及び多孔盤１３の透孔１３Ａにおいて反応ガスが析出して目詰まりを生じるのを防止し、常に反応ガスがガスヘッド１０２内を円滑に流れて透孔１３Ａから反応ガスを良好に噴出させることができる。さらに、反応ガスがガスヘッド１０２内で分解する所謂前分解が生じるのを有効に防止できるので、表面９Ａ上に所要の半導体薄膜を高品質に形成することができる。
【００３３】
以上本発明の実施形態を半導体ウエハ１枚に気相成長させるフェイスアップ方式について説明してきたが、本発明は半導体ウエハを多数枚同時に成長させるタイプの反応炉や半導体ウエハを縦に配したバレルタイプの反応炉についても応用することが可能であり、半導体ウエハの設置状態によって限定されるものではない。
【００３４】
なお、いずれの実施の形態においても、絞り通路１４を直管部として形成した場合の例を図示したが、絞り部の形状は、直管以外にも先細、末広の形状を選択することができ、背圧との関係から反応ガスの流れの状態を設計することにより、適宜に所定の形状を選択することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、複数の反応ガスを、ガスヘッド内に多数に設けられた各空間の圧力差を利用して良好に混合できると共に、この混合された反応ガスを均一の圧力で半導体ウエハ表面に噴出させることができるので、半導体ウエハ上に所要の半導体薄膜を均一な膜厚で、且つ電気的特性のばらつきを少なくして良好に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気相成長装置の実施の形態の一例を示す断面図。
【図２】本発明による気相成長装置の他の実施の形態の一例を示す断面図。
【図３】本発明による気相成長装置のさらに他の実施の形態の一例を示す断面図。
【図４】本発明による気相成長装置の別の実施の形態の一例を示す断面図。
【符号の説明】
１、２０、３０、４０　気相成長装置
２　本体
３　反応室
４、５　ガス供給ライン
７　サセプタ
９　半導体ウエハ
９Ａ　表面
１０、１０１、１０２　ガスヘッド
Ａ、Ｂ　反応ガス
１１、１１’　受入室
１２　ガス出口室
１３　多孔盤
１３Ａ　透孔
１４、１４’　絞り通路
１７　冷却部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004103879.tif 000006