(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が空間を介することなく直に接する基板ホルダと、基板ホルダ上の基板を加熱する加熱ヒータとを内部に有する反応チャンバを備え、基板ホルダ上に載置した基板を加熱しつつ反応チャンバに原料ガスを導入して、気相成長法により基板上に薄膜を結晶成長させる気相成長装置において、反応チャンバを横断する隔板により反応チャンバを上下に区画してなる上部室として形成され、基板ホルダを隔板上に接して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜を結晶成長させる反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを備え、前記ヒータ室を前記ガスが所定の圧力に維持され、かつ充満された状態で、前記基板が前記隔板に密着し、前記隔板上に接して収容された前記基板ホルダが、前記基板ホルダに直交する回転軸の回りに前記隔板に摺動して自在に回転することを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
圧力調節手段は、ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
圧力調節手段は、マスフロー・コントローラを備えてヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入するガス導入管と、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計から出力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排気ガスの流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
圧力調節手段は、ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、気体吸引ポンプの上流の排気管に接続され、排気管に単一種のガスを導入するガス導入管と、ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関し、更に詳細には、ウエハ面内均一性の高い、更にはウエハ毎に均一一様な薄膜を気相成長法により基板上に結晶成長させる気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に気相成長法により半導体等の薄膜をエピタキシャル成長させる気相成長装置は、半導体装置の製造過程で多用されている。
特に、半導体レーザ素子等の化合物半導体装置を作製する際には、ＭＯＣＶＤ装置を使って、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系等の化合物半導体層を成膜することが多い。
【０００３】
ここで、図４を参照して、従来のＭＯＣＶＤ装置の構成を説明する。図４は従来のＭＯＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。
従来のＭＯＣＶＤ装置１０は、図４に示すように、石英製等の反応チャンバ１２を備え、反応チャンバ１２内にウエハＷを載置する基板ホルダ１４と、基板ホルダ１２の下方に加熱ヒータ１６とを配置している。
【０００４】
基板ホルダ１４は、ウエハの直径より大きな直径の円板状の部材であって、基板ホルダ１４の下側中心に連結された回転軸１８と共に回転軸１８の回りに回転する。
反応チャンバ１２の一方の側壁には、マスフロー・コントローラ（図示せず）を備えたガス供給管２０が接続され、ガス供給管２０から反応チャンバ１２に原料ガスが所定流量で供給される。また、反応チャンバ１２の他方の側壁には排気管２２が接続され、反応チャンバ１２を所定の圧力に維持するために、排気管２２を介して反応チャンバ１２から未反応の原料ガス等を真空吸引装置（図示せず）により吸引している。
加熱ヒータ１６は、反応チャンバ１２内の温度を設定温度に保持するように制御され、これにより基板ホルダ１４上のウエハＷの温度を所定温度に維持している。
【０００５】
ガス供給管２０から導入された原料ガスは、ウエハＷの上で加熱分解され、ウエハ上でＧａＡｓ等の結晶として成長する。未反応の原料ガスは排気管２２から排気される。
例えば、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓ膜の成長を例にして説明すると、通常、原料ガスとして、Ｇａの有機金属化合物である（ＣＨ3 ）3 Ｇａ（ＴＭＧａ、トリメチルガリウム）と、Ａｓの水素化合物であるＡｓＨ3 （アルシン）が用いられる。ＴＭＧａは、Ｐｄ膜を拡散させて純化した水素をキャリアガスとして使って、恒温槽中で蒸気圧を制御した状態でガス化される。一方、ＡｓＨ3 は高濃度水素で適当な濃度に希釈したものが用いられる。キャリアガスとしての水素とＴＭＧａとＡｓＨ3 とは、混合され、反応チャンバ１２に導入される。反応チャンバ１２内に導入された原料ガスは、次第に、層流を形成して、６５０℃程度に加熱されている結晶基板上に達することにより、
（ＣＨ3 ）3 Ｇａ＋ＡｓＨ3 →  ＧａＡｓ＋３ＣＨ4
という反応を進行させ、基板上にＧａＡｓが成長する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のＭＯＣＶＤ装置では、成長させた薄膜の膜質及び膜厚のウエハ面内均一性が良好でなく、更には、ウエハ毎の膜質及び膜厚がどうしてもばらつき勝ちで、ウエハ面内均一性が良好で、ウエハ毎にばらつかない均一一様な膜質の薄膜を成膜することが難しかった。
上述の問題点の説明では、ＭＯＣＶＤ装置を例にして説明したが、ＭＯＣＶＤ装置に限らず、気相成長装置に普遍的な問題であった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、膜厚及び膜質のウエハ面内均一性が高く、ウエハ毎にばらつかない均一一様な膜厚及び膜質の薄膜をウエハ上に気相成長法により成長させる気相成長装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、成長させた薄膜の膜質及び膜厚がばらつく原因を調べた結果、図５に示すように、ガス供給管２０から導入された原料ガスが、加熱ヒータ１６と基板ホルダ１４との間を流れるために、ウエハの温度、即ち薄膜の成長温度が変動することがわかった。
特に、成長させる薄膜の膜種が変わる、つまり原料ガスの種類、流量が変わると、原料ガスの熱伝導率が変化するため、加熱ヒータからウエハに熱を伝達させる際、加熱対象物であるウエハの実温度が変化することが判った。
そこで、本発明者は、反応チャンバを隔板で上下に分割し、隔板上に基板ホルダを収容した反応室と、熱ヒータを配置するヒータ室とを設け、かつヒータ室に存在する気体の熱伝導率を一定に維持するために、単一種のガスで一定の圧力に維持することを着想し、実験を重ねた末に、本発明を完成するに到った。
【０００９】
よって、上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る気相成長装置は、基板が空間を介することなく直に接する基板ホルダと、基板ホルダ上の基板を加熱する加熱ヒータとを内部に有する反応チャンバを備え、基板ホルダ上に載置した基板を加熱しつつ反応チャンバに原料ガスを導入して、気相成長法により基板上に薄膜を結晶成長させる気相成長装置において、反応チャンバを横断する隔板により反応チャンバを上下に区画してなる上部室として形成され、基板ホルダを隔板上に接して収容し、原料ガスを導入して基板上に薄膜を結晶成長させる反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを備え、ヒータ室をガスが所定の圧力に維持され、かつ充満された状態で、基板が隔板に密着し、該隔板上に接して収容された基板ホルダが、該基板ホルダに直交する回転軸の回りに隔板に摺動して自在に回転することを特徴としている。
【００１０】
本発明で、隔板上に接触させるようにして、基板ホルダを配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。
また、本発明では、ヒータ室に充満する単一種のガス、例えば窒素ガスが所定の圧力に維持されているので、熱伝導率が一定となり、加熱ヒータの発熱量が一定である限り、加熱ヒータから隔板及び基板ホルダを経てウエハＷに伝達される熱量が一定になる。
これにより、加熱対象物であるウエハＷの温度（実温度）が所定温度に安定して維持することができる。
【００１１】
本発明で、ヒータ室に導入する単一種のガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、及び水素ガスである。尚、混合比が一定である限り、混合ガス、例えば窒素ガスとアルゴンとの混合ガスでも良い。尚、ヒータ室に供給する単一種のガスを不活性ガスとすることにより、加熱ヒータの寿命が長くなる。仮に、活性ガスを導入すると、加熱ヒータの熱により分解して加熱ヒータを劣化させるおそれがある。
ヒータ室の圧力には特に制約はないものの、実用的には、例えば大気圧以下であれば数Torrから数百Torrの範囲で良く、大気圧以上の加圧状態でも良い。
隔板には、耐熱性の高い例えば石英板、カーボン板等を使用する。
加熱ヒータは、従来の既知の加熱ヒータであって、例えば電気抵抗線コイルの電気ヒータ、高周波ヒータ等である。
【００１２】
本発明に係る気相成長装置は、ＭＯＣＶＤ法により基板上に化合物半導体膜を成膜するＭＯＣＶＤ装置に限らず、高温気相中で化学反応を利用して基板上にシリコン、化合物半導体等の単結晶層を成長させる、気相エピタキシャル成長装置全般に適用できる。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、圧力調節手段は、
ヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを導入するガス導入管と、
ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、
ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、
ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラと
を備えている。
【００１４】
本発明の別の好適な実施態様では、圧力調節手段は、
マスフロー・コントローラを備えてヒータ室に接続され、ヒータ室に単一種のガスを設定流量で導入するガス導入管と、
ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、
ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、
気体吸引ポンプの上流の排気管に取り付けられ、圧力計から出力された圧力計測値に基づいて排気管を流れる排気ガスの流量をフィードバック制御して、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する圧力調節弁と、
を備えている。
【００１５】
本実施態様で使用する圧力調節弁は、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように動作する弁である限り、その種類に制約はないが、例えばピエゾ・バルブを使用することができる。
【００１６】
本発明の更に別の好適な実施態様では、圧力調節手段は、
ヒータ室の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計と、
ヒータ室に接続された排気管を介して、ヒータ室を排気する気体吸引ポンプと、
気体吸引ポンプの上流の排気管に接続され、排気管に単一種のガスを導入するガス導入管と、
ガス導入管に取り付けられ、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持するように、圧力計から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管を流れるガスの流量をフィードバック制御するマスフロー・コントローラと
を備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る気相成長装置の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の気相成長装置３０は、ＭＯＣＶＤ法によりウエハ上にＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系等の化合物半導体膜を成膜するＭＯＣＶＤ装置であって、図４を参照して説明した従来のＭＯＣＶＤ装置１０の構成に加えて、反応チャンバ１２を上下に分割して設けた反応室及びヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを設けたことを除いて、従来のＭＯＣＶＤ装置１０の構成と同じ構成を備えている。
【００１８】
反応室３２は、反応チャンバ１２を横断する石英製の隔板３４により反応チャンバ１２を上下に区画してなる上部室として形成されていて、ガス供給管２０から原料ガスが導入され、排気管２２を介して排気されるようになっている。
ウエハＷを上面に載置させる基板ホルダ１４は、反応室３２内の隔板３４上に配置されていて、隔板３４に摺動して自在に回転する。
ヒータ室３６は、反応室３２の下に設けられ、ウエハＷを加熱する加熱ヒータ１６が配置されている。
【００１９】
本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室３６に単一種のガス、例えば窒素ガスを導入するためにヒータ室３６に接続されたガス導入管３８と、ヒータ室３６の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計４０と、ヒータ室３６に接続されたヒータ室排気管４２を介してヒータ室３６を所定流量で排気する真空ポンプ４４と、ガス導入管３６に取り付けられたマスフロー・コントローラ４６とから構成されている。
マスフロー・コントローラ４６は、圧力計４０から出力された圧力計測値に基づいてガス導入管３８を流れるガスの流量を調節し、ヒータ室３６の圧力を所定圧力、例えば５００Torrにフィードバック制御する。
【００２０】
本実施形態例では、隔板３４上に接触させるようにして、基板ホルダ１４を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ１４下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、ウエハを加熱することができる。
また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室３６に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ１６の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ１６から隔板３４及び基板ホルダ１４を経てウエハＷに伝達される熱量が一定になる。
よって、加熱対象物であるウエハＷの温度（実温度）を所定温度に安定して維持することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体膜を成長させる時、加熱対象物（基板）の実温度が安定し、成長条件の安定化が向上し、更には不純物のドーピングなど温度に影響を受ける条件が安定化する。
【００２１】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の別の例であって、図２は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の気相成長装置５０は、実施形態例１と同様にＭＯＣＶＤ装置であって、実施形態例１のＭＯＣＶＤ装置３０とはヒータ室３６の圧力調節手段の構成が異なることを除いて同じ構成を備えている。
【００２２】
本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室３６に単一種のガス、例えば窒素ガスを設定流量で導入するために、マスフロー・コントローラ５２を有してヒータ室３６に接続されたガス導入管５４と、ヒータ室３６の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計５６と、ヒータ室３６に接続されたヒータ室排気管５８を介してヒータ室３６を所定流量で排気する真空ポンプ６０と、真空ポンプ６０の上流のヒータ室排気管５８に取り付けられ圧力調節弁６２とから構成されている。
圧力調節弁６２は、圧力計５６から出力された圧力計測値に基づいてフィードバク制御によりヒータ室排気管５８を流れる排気ガスの流量を調整して、ヒータ室３６の圧力を所定圧力、例えば５００Torrに制御するように動作する。
圧力調節弁６２には、電圧を印加してバルブ内の径を変化させることのできる、例えばピエゾ・バルブ等を使用する。
【００２３】
本実施形態例では、実施形態例１と同様に、隔板３４上に接触させるようにして、基板ホルダ１４を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ１４下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。
また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室３６に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ１６の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ１６から隔板３４及び基板ホルダ１４を経てウエハＷに伝達される熱量が一定になる。
よって、実施形態例１と同様に、加熱対象物であるウエハＷの温度（実温度）を所定温度に安定して維持することができる。
【００２４】
実施形態例３
本実施形態例は本発明に係る気相成長装置の実施形態の更に別の例であって、図３は本実施形態例の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の気相成長装置７０は、実施形態例１と同様にＭＯＣＶＤ装置であって、実施形態例１のＭＯＣＶＤ装置３０とはヒータ室３６の圧力調節手段の構成が異なることを除いて同じ構成を備えている。
【００２５】
本実施形態例では、圧力調節手段は、ヒータ室３６の圧力を計測し、圧力計測値を出力する圧力計７２と、ヒータ室３６に接続されたヒータ室排気管７４を介してヒータ室３６を所定流量で排気する真空ポンプ７６と、ヒータ室排気管７４に単一種のガス、例えば窒素ガスを導入するためにヒータ室排気管７４に接続されたガス導入管７８と、ガス導入管７８に取り付けられたマスフロー・コントローラ８０とから構成されている。
マスフロー・コントローラ８０は、圧力計７２から出力された圧力計測値に基づいてフィードバク制御によりヒータ室排気管７４に導入する窒素ガスの流量を調整して、ヒータ室３６の圧力を所定圧力、例えば５００Torrに制御する。
【００２６】
本実施形態例では、実施形態例１と同様に、隔板３４上に接触させるようにして、基板ホルダ１４を配置しているので、従来の気相成長装置のように、原料ガスが基板ホルダ１４下を流れるようなことは生じない。従って、薄膜の気相成長時、供給する原料ガスの影響を受けることなく、加熱対象物であるウエハを加熱することができる。
また、上述した圧力調節手段により、ヒータ室３６に充満する窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータ１６の発熱量が一定である限り、加熱ヒータ１６から隔板３４及び基板ホルダ１４を経てウエハＷに伝達される熱量が一定になる。
よって、実施形態例１と同様に、加熱対象物であるウエハＷの温度（実温度）を所定温度に安定して維持することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、気相成長法により基板上に薄膜を成長させる気相成長装置において、反応室と、反応室の下に設けられ、基板を加熱する加熱ヒータを配置したヒータ室と、ヒータ室に単一種のガスを導入し、ヒータ室の圧力を所定圧力に維持する圧力調節手段とを設ける。
これにより、ヒータ室に充満する単一種のガス、例えば窒素ガスが所定の圧力に維持されて、熱伝導率が一定となるので、加熱ヒータの発熱量が一定である限り、加熱ヒータから隔板及び基板ホルダを経てウエハＷに伝達される熱量が一定になり、従って加熱対象物であるウエハＷの温度（実温度）を所定温度に安定して維持することができる。
よって、本発明に係る気相成長装置を適用することにより、例えばＭＯＣＶＤ法により化合物半導体膜を成長させる時、加熱対象物（ウエハ）の実温度が安定し、従って成長条件が安定するので、高いウエハ面内均一性で、かつウエハ毎にばらつくことなく、良好な膜質の薄膜を基板上に安定して結晶成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】実施形態例２の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
【図３】実施形態例３の気相成長装置の構成を示す模式的断面図である。
【図４】従来のＭＯＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。
【図５】従来のＭＯＣＶＤ装置の反応チャンバ内のガスの流れを示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０……従来のＭＯＣＶＤ装置、１２……反応チャンバ、１４……基板ホルダ、１６……加熱ヒータ、１８……回転軸、２０……ガス供給管、２２……排気管、３０……実施形態例の気相成長装置、３２……反応室、３４……隔板、３６……ヒータ室、３８……ガス導入管、４０……圧力計、４２……ヒータ室排気管、４４……真空ポンプ、４６……マスフロー・コントローラ、５０……実施形態例２のＭＯＣＶＤ装置、５２……マスフロー・コントローラ、５４……ガス導入管、５６……圧力計、５８……ヒータ室排気管、６０……真空ポンプ、６２……圧力調節弁、７０……実施形態例３のＭＯＣＶＤ装置、７２……圧力計、７４……ヒータ室排気管、７６……真空ポンプ、７８……ガス導入管、８０……マスフロー・コントローラ。
【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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