(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する基板ホルダーと、
前記基板上に半導体膜を形成させるための反応容器と、
前記反応容器内にＶ族元素源を供給する第１のガス供給手段と、
前記供給されたＶ族元素源をプラズマ状態にする第１のプラズマ発生手段と、
前記第１のプラズマ発生手段によりプラズマ状態にされたＶ族元素源と反応するようにＩＩＩ族元素源を含む有機金属化合物を前記第１のプラズマ発生手段の下流に供給する第２のガス供給手段と、
補助材料を供給する第３のガス供給手段と、
少なくとも前記補助材料を活性化する第２のプラズマ発生手段と、を備え、
前記第１のプラズマ発生手段、前記第２のプラズマ発生手段及び前記基板ホルダーが、前記Ｖ族元素源の供給方向に沿って直列に配置されている
半導体製造装置。
【請求項２】
前記第２のプラズマ発生手段がドーナツ状の電極である請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記第２のプラズマ発生手段がスリットを備えた電極である請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記第１乃至第３のガス供給手段の少なくとも１つがガス噴出口を有する中空のメッシュ状又はスリット状であるガス拡散手段を備える請求項１から３のいずれか１項記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記ガス拡散手段を備えたガス供給手段が上下動可能な請求項４記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記ガス拡散手段がプラズマ発生手段を兼ねる請求項４又は５の半導体製造装置。
【請求項７】
前記基板ホルダーが前記反応容器内を移動可能な請求項１から６のいずれか１項記載の半導体製造装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の複数の半導体製造装置が並列に配置された半導体製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板に半導体薄膜を形成するための半導体製造装置およびこの半導体製造装置を複数並列に配置した半導体製造システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色および紫外光領域の光電デバイスの応用材料として、ワイドバンドギャップを有するＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＩｎＮ等のＩＩＩ［ＩＵＰＡＣ（国際純粋及び応用化学連合）の１９８９年無機化学命名法改訂版による族番号は１３］−Ｖ［同改訂版による族番号は１５］族化合物半導体が注目されている。現在、薄膜を成長させる方法として主に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法と有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられている。このうち、ＭＯＣＶＤ法は気相で輸送された原料で化学反応を起こして、生成した半導体を基板上に堆積させる方法であり、流量を制御することで極薄膜形成や混晶比の制御を容易に行うことができる。また、原理的には大面積の基板に均一に結晶を成長させることが可能であることからＭＯＣＶＤ法は工業的に重要な方法である。
【０００３】
しかし、ＭＯＣＶＤ法において高品質なＧａＮ結晶の成長に必要とされる基板温度は９００から１２００℃と高温であり、これにより基板に使用される材料が制限される。また、電極上に半導体を積層するため、デバイス構成を作製する上での自由度に限界がある。これに対し、原料ガスをマイクロ波や高周波によるプラズマ発振によって分解し、さらにそのリモートプラズマ中に気体状の有機金属化合物を導入し、生成された半導体を基板上に堆積させるリモートプラズマＭＯＣＶＤ法は成長温度を下げる上で有効な手段である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このリモートプラズマＭＯＣＶＤ法において、混晶や多層膜を作製する上で問題となるキャリアガスの種類、圧力、ガス流量などの因子を独立に制御するために、複数のプラズマ発生手段を設けた製造装置による成膜も行われている。複数のプラズマ発生手段を用意し、一方から補助材料として水素などを導入することで、水素ラジカルによる還元効果により炭素の半導体膜中への混入が減少でき、膜欠陥を抑え、高品質の薄膜を作製することができる。
【０００５】
しかし、従来の複数のプラズマ発生手段を用いた半導体製造装置では、各プラズマ発生手段が基板に対して別方向に位置するように配置されていた（特開平１０−７９３４８号参照）。このため、活性化されたそれぞれのガスが基板に対して異なる方向から反応容器内に進入し、それぞれのプラズマ発生手段により活性化されたガスの流量の違いによって、反応容器内のガスの流れが変化し、基板上の位置によって膜厚が異なってしまう。このため、膜厚を均一にするために、基板の回転機構を設けるなど複雑な装置を必要とした。また、各プラズマ発生手段により活性化された原料ガスにこの原料ガスと反応する原料ガスを導入するが、その導入する原料ガスがプラズマ発生手段により異なり、かつ各プラズマ発生手段からの反応ガスを基板直前で混合する場合には、反応ガスの混合が十分に行われず、基板上に成長する薄膜の組成が位置によって異なってしまう。これは基板の回転機構を設けても必ずしも回避できない。
【０００６】
以上のようなことから最適化された条件で成長する部分は基板上の僅かな領域に限られ、大面積の基板上に組成および膜厚が均一な膜を形成できなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、基板の回転機構などの複雑な構造を用いることなく、大面積の基板上に組成および膜厚が均一な半導体薄膜を形成するための製造装置およびこの装置を用いた半導体製造システムを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は、基板を保持する基板ホルダーと、前記基板上に半導体膜を形成させるための反応容器と、前記反応容器内にＶ族元素源を供給する第１のガス供給手段と、前記供給されたＶ族元素源をプラズマ状態にする第１のプラズマ発生手段と、前記第１のプラズマ発生手段によりプラズマ状態にされたＶ族元素源と反応するようにＩＩＩ族元素源を含む有機金属化合物を前記第１のプラズマ発生手段の下流に供給する第２のガス供給手段と、補助材料を供給する第３のガス供給手段と、少なくとも前記補助材料を活性化する第２のプラズマ発生手段と、を備え、前記第１のプラズマ発生手段、前記第２のプラズマ発生手段及び前記基板ホルダーが、前記Ｖ族元素源の供給方向に沿って直列に配置されている半導体製造装置を提供する。
【０００９】
本発明によれば、前記第１のプラズマ発生手段、前記第２のプラズマ発生手段及び前記基板ホルダーが、前記Ｖ族元素源の供給方向に沿って直列に配置されるため、活性化された前記Ｖ族元素（活性種）は一方向から供給され、活性種の流れがＩＩＩ族元素源ガスの流量に影響されることがなく、均質で膜厚の均一な薄膜を製造することができる。
【００１０】
前記第２のプラズマ発生手段は、ドーナツ状又はスリットを備えた電極であることが好ましい。
【００１１】
また、前記ガス供給手段の少なくとも一つがガス噴出口を有する中空のメッシュ状又はスリット状であるガス拡散手段を備えることができる。このガス拡散手段は前記２以上のプラズマ発生手段と直列に配置されることが好ましい。前記ガス拡散手段を備えるガス拡散手段に接続したガス供給手段は上下動可能とすることができる。前記ガス拡散手段はプラズマ発生手段を兼ねることができる。
【００１２】
前記基板ホルダーは前記反応容器内を移動可能とすることができる。
【００１３】
また、本発明は上記いずれかの複数の半導体製造装置が並列に配置された半導体製造システムを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置２０の構成を示す。この半導体製造装置２０は、略円筒状で、真空に排気しうる反応容器１を備える。反応容器１の下部には排気口２が設けられている。また、反応容器１内には基板５を保持する基板ホルダー３が配置されている。基板ホルダー３は基板を加熱するためのヒーター４を内臓している。反応容器１の上部にはガス導入管１１が設けられている。このガス導入管１１の内側には石英管６が同心円状に配置されている。これらガス導入管１１と石英管６で一つのガス供給手段を構成している。石英管６と直交するようにマグネトロンを用いたマイクロ発振器に接続されたマイクロ波導波管７が設けられている。また、石英管６のマイクロ波導波管７より下流側にはこの石英管６と同心円状にドーナツ状の容量結合型高周波電極１２が配置されている。さらに、反応容器１内の容量結合型高周波電極１２より上部に原料ガス又は活性化される原料ガスのエネルギーの制御や膜欠陥防止のために使用される補助材料を供給するためのガス供給手段としてのガス導入管８が設けられている。
【００１６】
容量結合型高周波電極１２の下流側にはガス拡散用のスリットが形成された容量結合型高周波電極１３が設けられている。これら容量結合型高周波電極１２、１３はガス導入管８、１１内のガスを活性化する。
【００１７】
容量結合型高周波電極１３の下流側にはガス拡散手段、およびガスを反応容器に供給するガス供給口としてのガス拡散メッシュ１４、１５が直列に配置されている。これらのガス拡散メッシュ１４、１５は中空になっており、ガス噴出口を備えている。ガス拡散メッシュ１４、１５はそれぞれ原料ガスを供給するガス供給手段としてのガス導入管９、１０が接続している。ガス導入管９とガス拡散メッシュ１４、ガス導入管１０とガス拡散メッシュ１５でそれぞれガス供給手段を構成している。
【００１８】
この半導体製造装置２０では、プラズマ発生手段としてのマイクロ波導波管７、容量結合型高周波電極１２、１３、ガス拡散メッシュ１４、１５、および基板ホルダー３が活性化される原料ガスの供給方向、この場合、ガス導入管１１（又は石英管６）の軸方向に沿って直列に配置されている。すなわち、活性化される原料ガスは一方向、すなわち反応容器１の上方向から供給され、かつ活性化される原料ガスの基板への供給経路の途上でこの活性化された原料ガスと反応する原料ガスが供給されるため、十分な混合が得られ、かつガスの流量によってガスの流れる方向が影響されないので、均質で均一な厚みの膜を形成することができる。
【００１９】
この半導体製造装置２０を用いてＧａＩｎＮ膜を得るには、基板５を２０〜１２００℃に加熱し、例えば原料としてのＮ2をガス導入管１１から導入し、マイクロ波導波管７に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、石英管６内で放電させる。ガス導入管９からトリメチルガリウムガスを導入し、ガス導入管１０からトリメチルインジウムガスをキャリアガスと共に導入する。このように、Ｖ族元素の下流側にＩＩＩ族元素を導入する。このＩＩＩ族元素は最下流に導入しても複数のプラズマ発生手段の中間に導入してもよい。なお、補助材料としてのＨ2をガス導入管８から導入してもよい。
【００２０】
このようにすることによって基板上には活性化されたＩＩＩ族元素やＶ族元素が独立に制御された状態で存在し、かつ補助材料としての水素原子がメチル基をメタン等の不活性分子にするため炭素が半導体薄膜中に入らず、膜欠陥が抑えられ、濃度や組成が制御された半導体膜が精製できる。
【００２１】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置３０の構成を示す。なお、図１の半導体製造装置２０の構成と同一の構成については同一の符号を附して説明を省略する。
【００２２】
半導体製造装置３０はマイクロ波導波管７の代わりにガス導入管１１の回りに巻きつけられた高周波コイル２１を備える。また、容量結合型高周波電極１２の代わりにドーナツ状であり底部にガス拡散用のスリットが形成された筒状の容量結合型高周波電極２２を有する。また、ガス導入管８はこの容量結合型高周波電極２２と接続しており、ガス導入管８から導入されたガスは容量結合型高周波電極２２により活性化されると共にスリットから拡散される。さらに、ガス拡散用のスリットが形成された容量結合型高周波電極１３の代わりにガス噴出口を有する中空のガス拡散メッシュ２３が高周波電極を兼ねるように設けられている。
【００２３】
この半導体製造装置３０でも、プラズマ発生手段としての高周波コイル６、容量結合型高周波電極２２、ガス拡散メッシュ２３、１５および基板ホルダー３がガス導入管１１の軸方向に沿って直列に配置されており、活性化される原料ガスは一方向、すなわち反応容器１の上方向から供給され、かつ活性化される原料ガスの基板への供給経路の途上でこの活性化された原料ガスと反応する原料ガスが供給されるため、十分な混合が得られ、かつガスの流量によってガスの流れが影響されず、均質で均一な厚みの膜を形成することができる。
【００２４】
半導体製造装置２０、３０において、プラズマ発生手段による放電は直流放電でも交流放電でもよい。また、交流放電の場合、高周波放電の他低周波放電でもよい。さらに、高周波放電の場合、誘導型でも容量型でもよい。また、マイクロ発導波管のみならず、エレクトロンサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラズマ方式の導波管を使用してもよい。プラズマ発生手段の組み合わせは任意であり、マイクロ波導波管と容量結合型高周波電極、高周波コイルと容量結合型高周波電極の組み合わせに限られない。
【００２５】
１つの空間において２種以上のプラズマ発生手段を用いる場合、同じ圧力で同時に放電が生起できるようにする必要があり、プラズマを発生する部分と、半導体を製膜する基板の近傍とに圧力差を設けてもよい。これらの圧力を同一とする場合、異なる種類のプラズマ発生手段、例えば、図１のようにマイクロ波導波管７と容量結合型高周波電極１２、１３を用いると活性種の活性エネルギーを大きく変えることができ、膜質制御に有効である。
【００２６】
ガス導入管９とガス拡散メッシュ１４または２３、ガス導入管１０とガス拡散メッシュ１５は上下動可能にしてもよい。また、基板ホルダー３は回転してもよいし、また上下動可能としてもよい。
【００２７】
なお、半導体製造装置２０、３０ではガス導入管１１は反応容器１の真上に配置されているが、ガス導入管１１は斜めに傾斜していてもよい。
【００２８】
さらに、半導体製造装置２０、３０ではガス拡散メッシュを用いているが、メッシュの代わりに底部に複数のスリットが形成された箱状のガス拡散手段を用いてもよい。また、ガス導入管９、１０のガス供給口（下端部）が活性化される原料ガスの供給経路の近傍に配置されていればガス拡散手段を省略してもよい。また、その場合ガス供給口は必ずしもプラズマ発生手段や基板ホルダーと直列に配置されていなくてもよい。
【００２９】
また、１つの半導体製造装置において、複数のプラズマ発生手段のうちの２個以上が直列であればよく、すべてのプラズマ発生手段が直列でなくてもよい。
【００３０】
図３は本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造システム４０の構成を示す。半導体製造装置２０、３０の構成と同一の構成については同一の符号を附して説明を省略する。この半導体製造システム４０は２つの半導体製造ユニット４３、４４およびこれらのユニットを連結する連結室４１を備えている。連結室４１と各ユニットの間にはゲートバルブ４２が設けられている。半導体製造ユニット４３、４４は高周波コイル２１の代わりにマイクロ波導波管７を備えたこと、およびユニット間を水平移動可能とされた一つの基板ホルダー３が半導体製造ユニット４３、４４に共有されていることを除いて半導体製造装置３０と同じである。
【００３１】
また、図４は本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造システム５０の構成を示す。半導体製造装置２０、３０の構成と同一の構成については同一の符号を附して説明を省略する。この半導体製造システム５０は３つの半導体製造ユニット５１、５２、５３を備えている。これらの半導体製造ユニット５１、５２、５３は高周波コイル２１の代わりにマイクロ波導波管７を備えたこと、およびユニット間を移動可能とされた一つの基板ホルダー３が半導体製造ユニット５１、５２、５３に共有されていること、及び３つの反応容器１の代わりに開閉可能なしきり板５６で内部空間がしきられた１つの反応容器５４が使用されていることを除いて半導体製造装置３０と同じである。
【００３２】
このような半導体製造システムを使用することによって異なる活性化条件（例えば、放電電力、原料ガスの流量、ドーピング元素など）を用いて短時間で異なる組成の層を任意の膜厚で積層することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、大面積の基板上に組成および膜厚が均一な半導体薄膜を形成するための製造装置およびこの装置を用いた半導体製造システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造システムの構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体製造システムの構成図である。
【符号の説明】
１        反応容器
３        基板ホルダー
６        石英管（ガス供給手段）
７        マイクロ波導波管（プラズマ発生手段）
８        ガス導入管（ガス供給手段）
９        ガス導入管（ガス供給手段）
１０      ガス導入管（ガス供給手段）
１１      ガス導入管（ガス供給手段）
１２      容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段）
１３      容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段、ガス拡散手段）
１４      ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段）
１５      ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段）
２０      半導体製造装置
２１      高周波コイル（プラズマ発生手段）
２２      容量結合型高周波電極（プラズマ発生手段）
２３      ガス拡散メッシュ（ガス拡散手段、プラズマ発生手段）
３０      半導体製造装置
４０      半導体製造システム
４３      半導体製造ユニット
４４      半導体製造ユニット
５０      半導体製造システム
５１      半導体製造ユニット
５２      半導体製造ユニット
５３      半導体製造ユニット
【図１】
0003757698.tif 000002
【図２】
0003757698.tif 000003
【図３】
0003757698.tif 000004
【図４】
0003757698.tif 000005