(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉の中心部から原料ガスを導入し、反応炉内に設けられた円盤状の回転式サセプタの中央から外側に向かって前記原料ガスを放射状に供給する気相成長装置を用いて、上記回転式サセプタ上に載置した基板に対して公転運動及び自転運動を与えながら薄膜を成長させる気相成長方法であって、
上記基板に公転運動を与え、自転運動を与えない状態で薄膜を成長させたときに得られる上記回転式サセプタの中心と上記基板の中心を通る直線上での成長薄膜の膜厚のサセプタ中心での膜厚を１０とした相対値を、上記直線上における上記回転式サセプタの中心からの距離を変数とする関数で表したとき、上記変数が上記基板の中心位置から±２インチの値となる範囲において、上記関数の２次微分係数が常に正の単調減少関数となり、かつ、上記関数の最小値が４以上で、最大値と最小値の差が２以下となるように成長条件を設定し、
該成長条件の下で上記基板に対して公転運動及び自転運動を与えながら薄膜を成長させることを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
上記２次微分係数が正となるように上記反応炉内に供給する原料ガスの供給速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
【請求項３】
上記基板上に成長させる薄膜の構成元素の少なくとも一つと同一の元素を含む２種類以上の原料ガスを供給する場合、
上記２次微分係数が正となるように上記２種類以上の原料ガスを所定の比率で混合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長方法。
【請求項４】
上記同一の元素を含む２種類以上の原料ガスは、同じ温度における分解効率の異なる原料から構成されることを特徴とする請求項３に記載の気相成長方法。
【請求項５】
ＭＯＣＶＤ法において、上記同一の元素はＧａであり、該Ｇａを含む２種類以上の原料ガスはＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＥＧａ（トリエチルガリウム）であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の気相成長方法。
【請求項６】
上記２次微分係数が正となるように上記原料ガスの上流側に熱分解を促進する触媒を配置することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応炉内に設けられた回転式サセプタ上に載置した基板に対して公転運動および自転運動を与えながら薄膜を成長させる気相成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体の分野では生産性向上のためウェハサイズの大口径化が推進されている。
【０００３】
これに伴い、大口径化された基板上に薄膜を気相成長させる装置における膜厚の均一性の向上が大きな技術的課題となっている。
【０００４】
即ち、基板が大口径になると、反応炉内へ原料ガスを供給する場合に、原料ガスが上流側から下流側へ移行するにしたがって徐々に原料成分が消費されていく。そのため、膜厚が原料ガスの上流側で厚く、下流側で薄くなってしまうという問題があった。
【０００５】
また、反応炉の中心部から原料ガスを導入するタイプの放射状縦型気相成長装置では、ガスの拡散により大口径基板上の膜厚分布の変化は更に大きくなってしまうという難点があった。
【０００６】
そこで、基板を回転式のサセプタ上に載置し、基板に公転運動や自転運動を与えながら薄膜を成長させることにより、形成する薄膜の膜厚分布の均一性を向上させる方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その後の研究により、上述のように基板に公転運動や自転運動を与えながら薄膜を成長させる方法によっても、大口径の基板について十分に均一化した膜厚分布を得ることはできないことが明らかとなってきた。
【０００８】
例えば、半径５０ｍｍの基板上に薄膜を気相成長する場合を考える。
基板中心が公転中心から１１５０ｍｍのところにあり、自公転比が２４：１１の場合、基板中心から距離ｒの点は、公転面内で図３に示すようなトロコイド曲線を描く。
ここで、基板面内での膜厚分布は、各距離ｒの軌跡と公転時の膜厚分布から決定される。
【０００９】
図４および〔表１〕に示すように公転のみの場合の膜厚分布が±２０％の点対称であるものを自公転させたとき、基板の外周部は中心部に比べて平均の滞留時間が短いため、中心部に対して相対膜厚は０．９５と薄くなってしまう。
【００１０】
【表１】
0003743945.tif 000002
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべく案出されたものであり、基板に公転運動および自転運動を与えて薄膜を形成する場合に膜厚分布の均一性を高めることのできる気相成長方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、反応炉内に設けられた回転式サセプタ上に載置した基板に対して公転運動および自転運動を与えながら薄膜を成長させる気相成長方法であって、上記基板について公転運動を与え、自転運動を与えない状態における膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を見つけ、上記膜厚分布の２次微分係数が正となる条件の下で、上記基板に対して公転運動および自転運動を与えながら薄膜を成長させるようにしたものである。
【００１２】
これにより、上記基板に自転運動を与えて薄膜を成長させる場合に、従来であれば中央部が厚くなっていた膜厚分布が、膜厚分布の２次微分係数が正となる条件下によって相殺され、基板全体の膜厚分布の均一性を向上させることができる。
【００１３】
なお、上記基板上の膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を、上記反応炉内に供給する原料ガスの供給速度を制御して得るようにしてもよい。
【００１４】
即ち、例えば、原料ガスの供給速度を制御すると共に基板付近を加熱して、基板上流で原料ガスの十分な分解時間を稼ぐことにより、基板中央部では原料ガスの成分が希薄な状態となり、膜厚分布のグラフ曲線が下凸型つまり膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を得ることができ、この条件下で基板に公転運動と自転運動を与えながら薄膜を形成することにより基板全体の膜厚分布の均一性を高めることができるようになる。
【００１５】
また、上記基板上の膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を、上記反応炉内に上記基板上に成長させる薄膜の構成元素の少なくとも一つと同一の元素を含む２種類以上の原料ガスを所定の混合比で供給するようにして得ることもできる。
【００１６】
さらに、上記同一の元素を含む２種類以上の原料ガスは、同じ温度における分解効率の異なる原料から構成されるようにしてもよい。
【００１７】
この場合に、例えば、分解効率の速い原料ガスと分解効率の遅い原料ガスとを所定の混合比で供給して、分解効率の速い原料が基板付近で殆ど無くなるように設定することにより膜厚分布のグラフ曲線が下凸型つまり膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を得ることが可能となり、基板全体の膜厚分布の均一性を向上させることができるようになる。
【００１８】
なお、上記同一の元素はＧａであり、該Ｇａを含む２種類以上の原料ガスはＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＥＧａ（トリエチルガリウム）であるようにしてもよい。
【００１９】
さらにまた、上記基板上の膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を、上記反応炉内に供給される原料ガスの上流側の熱分解を促進する触媒を用いて得ることもできる。
【００２０】
即ち、例えば、反応炉内の原料ガスの上流側に、触媒を設置することにより、原料ガスの上流側における熱分解が促進され、基板付近での原料ガスの成分を低減することができ、膜厚分布のグラフ曲線が下凸型つまり膜厚分布の２次微分係数が正とすることが可能となり、基板全体の膜厚分布の均一性を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の実施形態の一例を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓエピタキシャル成長において基板を自転させないときの気相成長装置内でのＧａＡｓ膜厚分布を示すグラフであり、図２は、基板を自転させたときのＧａＡｓ膜厚分布を示すグラフである。
【００２３】
図１において、横軸は気相成長装置内において原料ガス供給口からの距離を示し、６５ｍｍから１６５ｍｍの領域が直径４インチのＧａＡｓ基板２に相当している。また、縦軸は膜厚を示している。
【００２４】
本実施形態では、例えば前出の図４の（ｂ）のように、反応炉内に設けられる回転式サセプタ１に上記基板２を三枚載置し、公転運動および自転運動を与えながら、原料ガスを中央から外側に向かって放射状に供給して薄膜を形成するようにした。
【００２５】
また、本実施形態では、原料ガスとしてＧａを含むＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＥＧａ（トリエチルガリウム）およびＡｓＨ3（アルシン）等のＶ族水素化物などを用いて、基板２上にＧａＡｓの薄膜を形成した。
【００２６】
そして、反応炉において、まず基板２が自転しないようして（即ち公転運動のみを与えるようにして）、所定混合比の数種類の原料ガス（（１）＝ＴＭＧａ１００％，（２）＝ＴＥＧａ１０％／ＴＭＧａ９０％，（３）＝ＴＥＧａ２０％／ＴＭＧａ８０％，（４）＝ＴＥＧａ５０％／ＴＭＧａ５０％，（５）＝ＴＥＧａ１００％）を供給して、それぞれＧａＡｓ薄膜を形成する実験を行った。
【００２７】
なお、この場合に、ＡｓＨ3は、ＴＥＧａおよびＴＭＧａの総量に対して例えば２００の割合で供給した。
【００２８】
その結果、図１に示すように、原料ガス（１）〜（５）の何れにおいても上記４インチ基板領域において原料供給口からの距離が離れるほど膜厚が薄くなる分布となった。
【００２９】
４インチ基板領域における各膜厚の分布は、原料ガス（１）では最大で約９．０，最小で約７．８、原料ガス（２）では最大で約８．０，最小で約６．０、原料ガス（３）では最大で約７．２，最小で約５．５、原料ガス（４）では最大で約５．５，最小で約４．０、原料ガス（５）では最大で約２．８，最小で約１．０という結果を得た。
【００３０】
また、各原料ガス（１）〜（５）について、４インチ基板領域における各膜厚分布曲線の傾向を見ると、少なくとも原料ガス（４）（ＴＥＧａ５０％／ＴＭＧａ５０％）では若干下凸型、原料ガス（５）（ＴＥＧａ１００％）では明確な下凸型を示し、双方とも膜厚分布の２次微分係数が正となっていることが判る。
【００３１】
一方、原料ガス（１）（ＴＭＧａ１００％）の膜厚分布曲線は略直線的であり、ＴＥＧａの割合を増やすにつれて徐々に分布曲線の形状が下凸型となり、膜厚分布の２次微分係数が正の傾向を示すことが判る（原料ガス（２），（３））。
【００３２】
したがって、例えば原料ガス（４）と原料ガス（５）の中間帯の混合比、即ち、ＴＥＧａを５０〜１００％の範囲でＴＭＧａと混合した原料ガスを用いるならば、上記のように膜厚分布の２次微分係数が正となる効果から、基板２に自転運動を与えた際に中央部の膜厚が厚くなる傾向を相殺して、ＧａＡｓ膜の膜厚分布を均一化するように作用すると推論することができる。
【００３３】
図２は、上記推論の実証と、他の混合比の原料ガスを用いた場合の比較を目的として、基板２に公転運動および自転運動を与えながら、反応炉内に上記原料ガス（１）〜（５）を供給してＧａＡｓの薄膜を形成した。
【００３４】
その結果、図２のような膜厚分布を示すグラフを得た。図２のグラフにおいて、横軸は基板中心からの距離、縦軸は相対膜厚を示している。
【００３５】
これによれば、４インチ基板上のＧａＡｓ膜の膜厚分布は、原料ガス（４）（ＴＥＧａ５０％／ＴＭＧａ５０％）を用いた場合に最も均一性が高かった。即ち、最も膜厚の厚い基板中央部を約１．０００とした場合に、最も薄い周縁部でも０．９９００以上であり、膜厚分布のバラツキは±０．５％と極めて均一なＧａＡｓ薄膜が形成されていることが確認できた。
【００３６】
これは、先の推論のように、原料ガス（４）における膜厚分布の２次微分係数が正となる効果から、中央部の膜厚が厚くなる傾向が相殺されたためであると考えられる。
【００３７】
また、原料ガス（２），（３）については、ＴＥＧａをそれぞれ１０％，２０％混合した効果で、ＴＭＧａ１００％の原料ガス（１）よりも若干膜厚分布の均一性が向上しているが、前記原料ガス（４）の効果には及ばなかった。
【００３８】
一方、原料ガス（５）は、膜厚分布の２次微分係数が正となる傾向が強すぎるため、逆に基板の周縁部の膜厚が厚く中央部が薄いという膜厚分布となってしまい、膜厚の均一化の向上を図ることができなかった。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、ＴＥＧａ５０％／ＴＭＧａ５０％で混合した原料ガスを用いることにより、ＧａＡｓ基板２上に形成するＧａＡｓ薄膜の膜厚分布の均一性を向上させることができ、特に基板が大口径化した場合に均一な膜厚の薄膜を形成するのに有効である。
【００４０】
なお、さらに実験を重ね、ＴＥＧａとＴＭＧａのより最適な混合比を割り出すことにより基板の中央部と周縁部との膜厚差をより小さくして、膜厚分布の一層の均一化を達成することが期待できる。
【００４１】
また、本実施形態では、基板に自転運動を与えない状態において、原料ガスとしてのＴＥＧａとＴＭＧａの混合比を変えることにより、膜厚分布の２次微分係数が正となるようにする場合について説明したが、これに限られるものではなく、その他、同じ温度における分解効率の異なる原料を適当な割合で混合して供給するようにしてもよい。
【００４２】
また、例えば一種類の原料ガスを用いる場合であっても反応炉内への供給速度を適当に制御することにより、膜厚分布の２次微分係数が正となるようにすることも可能である。
【００４３】
さらに、反応炉内に一方向に供給される原料ガスの上流側の熱分解を促進する触媒を用いることにより、膜厚分布の２次微分係数を正とすることも考えられる。
【００４４】
以上、基板上にＧａＡｓ薄膜を成長させる場合について説明したが、これに限られるものではなく、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの３元系，４元系はもちろん、一般的な気相成長法による薄膜の形成にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、反応炉内に設けられた回転式サセプタ上に載置した基板に対して公転運動および自転運動を与えながら薄膜を成長させる気相成長方法であって、上記基板について公転運動を与え、自転運動を与えない状態における膜厚分布の２次微分係数が正となる条件を見つけ、上記膜厚分布の２次微分係数が正となる条件の下で、上記基板に対して公転運動および自転運動を与えながら薄膜を成長させるようにしたので、上記基板に公転運動と自転運動を与えて薄膜を成長させる場合に、従来であれば中央部が厚くなっていた膜厚分布が、膜厚分布の２次微分係数を正としたことで相殺され、基板全体の膜厚分布の均一性を向上させることができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓエピタキシャル成長において基板を自転させないときの気相成長装置内でのＧａＡｓ膜厚分布を示すグラフである。
【図２】本実施形態に係るＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓエピタキシャル成長において基板を自転させたときのＧａＡｓ膜厚分布を示すグラフである。
【図３】基板に公転運動と自転運動を与えた際の軌跡のパターンを示す参考図である。
【図４】従来において基板に公転運動および自転運動を与えた際の膜厚分布を示すグラフおよび基板を載置した回転式サセプタを示す概略図である。
【符号の説明】
１  回転式サセプタ
２  基板
【図１】
0003743945.tif 000003
【図２】
0003743945.tif 000004
【図３】
0003743945.tif 000005
【図４】
0003743945.tif 000006