JP2008053669A - 温度制御されたプロセスガスを用いた結晶成長法及び結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、半導体製造過程で使用される、結晶成長面を下に向けた結晶成長装置でウエハーに材料ガスを供給する時に、各材料ガスの温度を別々に制御出来るものが無かった。そのため成膜効率、成膜品質を向上させる最適な成膜条件の設定が困難であった。
【解決手段】 結晶成長室内にガス冷却機構とガス加熱機構を設置して、各材料ガスを最適な温度に制御してウエハーに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造過程で使用される結晶成長法及び装置に関する。また本発明は半導体製造過程に限らず、他の結晶成長法及び装置にも利用できる。

従来、ウエハーの結晶成長面を下に向けた結晶成長装置では、成長室内で結晶成長温度に加熱したウエハーに向けてプロセスガスを導入しウエハーの結晶成長面で熱分解させ結晶成長していた。またその生産効率を向上させるためにはウエハーの全面に均一の結晶を成長することは必須であり、そのためにはウエハーに対しプロセスガスを平行に、かつ、流速を早く流す方法にて結晶成長していた。

しかしながら上記結晶成長に使用されるプロセスガス中の材料ガスは種類により分解温度が異なっていて、これを結晶成長温度に加熱されたウエハー成長面で熱分解すると分解温度が異なるので、材料ガスの分解効率に差が生じてしまう。この状態で上記のようにウエハーに対し材料ガスを平行にかつ、流速を早く流して成長すると、分解温度の高い材料ガスは分解効率が悪いので、結晶成長面で材料供給不足となって良質の結晶を得ることが出来なくなってしまい、結果として材料ガスを増量して供給することを余儀なくされていた。

また流速を遅くして成長すると、分解温度の低い材料ガスはウエハーの上流部にて分解しきってしまい下流部では材料が枯渇して、結晶成長の歩留まりの悪化が避けられなかった。この事は材料ガスの分解温度差が大きいほど顕著に現れ、たとえば結晶成長中の窒化インジウムの結晶成長面に供給する材料ガスはインジウム源ガスの５００００〜１０００００倍の窒素源ガスが必要であった。ちなみに成長後の窒化インジウム結晶の組成はインジウムと窒素が１対１である。

この様に材料ガスの分解する温度の差が大きい材料を使用した混晶の成長で、高品質の結晶を生産性高く成長することは解決困難であり、経済性にも欠け成膜の信頼性が乏しかった。そこで本発明は上記問題点に鑑み従来技術の欠点を克服除去し、一層簡単な機構によって、結晶成長の材料使用効率が高く、高品質結晶の成長できる結晶成長法及び装置を供することである。

本発明は上記課題を解決する手段として下記の技術を結合した。
（１）分解温度の高い材料ガスとキャリアガスを下部ガス導入口１１より導入し、気体加熱制御装置９を通し、予備加熱し結晶成長室４に誘導する。
（２）上記ガスを結晶成長室４に設けられたプロセスガス加熱機構１０により結晶成長温度近くまで加熱する。
（３）結晶成長温度近くまで加熱された上記ガスを、結晶成長室４のサイドに設けられた排気口５より吸引し、ウエハー８に沿って流れるように制御する。

（４）上記と同時に分解温度の低い材料ガスとキャリアガスを上部ガス導入口１７より結晶成長室４に導入し、結晶成長室４内に設けられたガス冷却機構上部１８，ガス冷却機構下部１９により冷却する。
（５）上記冷却された分解温度の低い材料ガスとキャリアガスを結晶成長室４サイドに設けられた排気口５により吸引し、ウエハー８に沿って流れるように制御する。
（６）結晶成長温度に加熱されたウエハー８の成長面にて、上記の分解温度の高い材料ガスと低いガスを合流させ、熱分解して結晶を成長する。
（７）上記結晶成長中のウエハー８の対向面に対向面加熱機構１２を設け対抗面の温度を制御することにより、通常ウエハー８の熱により生じてしまう、ガスの流れを乱す熱対流の発生を防止する。以上の技術を結合する事により本発明は成り立っている。

半導体製造過程で使用される、ウエハーの結晶成長面を下に向け、材料ガスを熱分解して結晶成長する装置で、本発明の異なる分解温度を持つ材料ガスを個別に温度制御してウエハーに誘導し結晶成長する方法を使用することにより奏する効果は、材料使用効率が揚がる、結晶成長時間が短縮される、生産の歩留まりが揚がる、等による経済的な効果である。

これは従来の結晶成長方法では分解温度の高い材料ガスも、低い材料ガスも、同じ温度でウエハーの結晶成長面に供給されるため、分解温度の高い材料ガスは分解効率が悪いので材料ガスの流量を増やすか、流速を遅くしないと結晶成長面で材料不足になってしまい、また流速を遅くすると分解温度の低い材料ガスは分解しやすいのでウエハーの上流部で分解しきってしまい下流まで材料が届かず枯渇してしまった。そのため成長条件としては、ウエハー成長面で材料ガスの流速を早くし、分解温度の高い材料ガスを大量に供給しなければならなかった。然しこれでは分解温度の高い材料ガスを大量に消費してしまい材料使用効率を揚げる事が困難であった。

そこで今回発明の材料ガスがウエハーに接触するときの温度を制御する結晶成長法では、分解しずらい分解温度の高い材料ガスは加熱する事により分解しやすくしてやり、反対に低温で分解してしまう分解温度の低い材料ガスは冷却する事により分解しずらくしてやり、結果として分解温度の高いガスも低いガスもウエハー成長面での熱分解効率を近づける事が可能になり材料の使用効率が揚がるからである。また装置としても機構が簡単になり、作動が容易で安価に提供できる等種々の工業的効果を奏することが出来る。

本発明の好ましい実施の形態を、図１、図２、を参照して説明する。
図１は本発明を説明するための結晶成長装置の断面図を示す。
図２はｘ−ｘ線に沿っての断面図である。

図１に示すように結晶成長室４はパンケーキ状の上部真空槽１とベースフランジ２に囲まれる様に形成されている。上部真空槽１のサイドには８ヵ所に排気口５が配置されており、上部にはウエハー加熱ヒーター７と回転導入機構６が、またその中心に上部ガス導入機構１７が設けられている。この回転導入機構６の下部にはガス冷却機構上部１８が設置されており、ガス冷却機構上部１８には結晶成長面を下に向けたウエハー８をセットしたサセプター３が取り付けられている。

またベースフランジ２上には対向面加熱機構１２とプロセスガス加熱機構１０が設置されており、ベースフランジ２下部には、気体加熱制御装置９が取り付けられている。そしてプロセスガス加熱機構１０の上側にはガス冷却機構下部１９が設置されている。上記結晶成長室４には温度測定子ａ１３、温度測定子ｂ１４、温度測定子ｃ１５、温度測定子ｄ１６が配置され、温度測定子ａ１３はウエハー加熱ヒーター７に、温度測定子ｂ１４は対向面加熱機構１２に、温度測定子ｃ１５はプロセスガス加熱機構１０に、温度測定子ｄ１６はガス冷却機構上部１８、ガス冷却機構下部１９に連係している。各温度測定子は個別に温度制御装置（図示省略）に接続され、各機構が独立して温度制御出来る構成となっている。以上が本発明の構成である

次に結晶成長方法を説明する。本発明の結晶成長装置で成長可能な結晶の代表的なものを列記すると、ＧａＡｓ（ガリウム、砒素）、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム、ガリウム、砒素）、ＩｎＰ（インジウム、リン）、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム、ガリウム、砒素、リン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡＩＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＩｎＧａＮ（インジウム、ガリウム、ナイトライド）が混晶膜としてあげられる。上記各結晶の中で材料ガスの分解温度の差が大きく、結晶成長の難易度が高いのがＩｎＧａＮである。そこでサファイヤ基板上にＩｎＧａＮの成長を一例として説明を進める。ＩｎＧａＮ膜の結晶成長に必要なプロセスガスは材料として、トリメチルインジウム（有機金属）、トリメチルガリウム（有機金属）、アンモニア、ドーパントＮ、ドーパントＰである。またキャリアガスとしては窒素、水素があり合計７種類が最低必要である。

（１） サファイヤのウエハー８を８枚、図２のようにサセプター３にセットする。
（２） 結晶成長室４内を真空ポンプ（図示省略）により真空引きした後、水素に置換する。
（３） 回転導入機構６によりサセプター３の回転を始める。尚、このサセプター３は窒化珪素をコートしたカーボンかボロンナイトライドが好ましく、自公転機構を用いればサセプター３上でウエハー８の回転を加える事もできる。

（４） 上部ガス導入口１７により水素を、下部ガス導入口１１より水素と窒素の混合ガスを流し始める。尚、下部ガス導入口１１より導入するガスは、気体温度制御装置９を通した３００℃に予備加熱したガスを導入する。この気体加熱制御装置９は気体用の熱交換器であり、通過する気体を５０℃〜３００℃に加熱する能力を有する。
（５） ウエハー加熱用ヒーター７によりウエハー８の結晶成長面が１２００℃以上になるように加熱してサーマルクリーニングする。時間として５〜１０分間保持する。尚ウエハー加熱用ヒーター７は抵抗加熱ヒーターかハロゲンランプヒーターが望ましい。

（６） ウエハー８の結晶成長面を６００℃に下げる。
（７） 下部ガス導入口１１より導入している３００℃に予備加熱した水素と窒素の混合ガスにアンモニアを混ぜて流し始める。次にこのガスをプロセスガス加熱機構１０により加熱してウエハー８に６００℃で接触するように制御する。尚、プロセスガス加熱機構１０のプロセスガス加熱ヒーター１０ａは抵抗加熱ヒーターかハロゲンランプヒーターが望ましい。
（８） （７）と同時に、上部ガス導入口１７より導入している水素にＴＭＧ，ＴＭＩを混ぜて流し始める。次にこのガスをガス冷却機構上部１８、ガス冷却機構下部１９により冷却しながらウエハーに３０℃で接触するように制御する。この冷却機構は冷媒により温度制御している。

（９） （６）（７）（８）の状態でＩｎＧａＮの結晶成長が始まるがこの時、ウエハー８の対向面を対向面加熱機構１２にて６００℃に加熱するとウエハー８温度及び下部ガス導入口１１より導入しているガス温度と同じになり、ウエハー８結晶成長面で熱平衡状態に近くなり、熱対流の無い、すなおな層流を得る事が出来、結果として高均一で高品質のＩｎＧａＮの結晶を成長できる。上記の対向面加熱機構１２の対向面加熱ヒーター１２ａは抵抗加熱ヒーターかハロゲンランプヒーターが望ましい。尚、結晶成長中の結晶成長室４の圧力はＩｎの分解温度が低く、熱分解しやすいので流速を早くしないとウエハー８全面に材料供給が出来なくなるので、減圧下の５０Ｔｏｒｒ〜３００Ｔｏｒｒが望ましい。

本発明の実施形態である、成膜装置の断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。

符号の説明

１、 上部真空槽
２、 ベースフランジ
３、 サセプター
４、 成膜室
５、 排気口
６、 回転導入機構
７、 ウエハー加熱ヒーター
８、 ウエハー
９、 気体温度制御装置
１０、 プロセスガス加熱機構
１０ａ、プロセスガス加熱用ヒーター
１１、 下部ガス導入口
１２、 対向面加熱機構
１２ａ，対向面加熱用ヒーター
１３、 温度測定子ａ
１４、 温度測定子ｂ
１５、 温度測定子ｃ
１６、 温度測定子ｄ
１７、 上部ガス導入口
１８、 ガス冷却機構上部
１９、 ガス冷却機構下部

Claims (6)

1. 半導体製造過程で使用される、化学的気相成長法を用い、ウエハーの結晶成長面を下に向けた結晶成長方法において、プロセスガスがウエハーに接する時の温度を制御する、プロセスガス温度制御機構を複数設けた事を特徴とする結晶成長方法。
2. 半導体製造過程で使用される、化学的気相成長法を用い、ウエハーの結晶成長面を下に向けた結晶成長装置において、プロセスガスがウエハーに接する時の温度を制御する、プロセスガス温度制御機構を複数設けた事を特徴とする結晶成長装置。
3. 請求項１記載の結晶成長方法において、さらに、複数のウエハーを一度に結晶成長する結晶成長方法。
4. 請求項２記載の結晶成長装置において、さらに、複数のウエハーを一度に結晶成長する結晶成長装置。
5. 請求項３記載の結晶成長方法において、さらにプロセスガスを成長室へ導入前に予備加熱する気体加熱制御装置を設けた結晶成長方法。
6. 請求項５記載の結晶成長装置において、さらにプロセスガスを成長室へ導入前に子備加熱する気体加熱制御装置を設けた結晶成長装置。

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