JP2018074040A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組成の急峻な超格子を形成する際、スループットの低下を抑えることができる成膜装置および成膜方法を提供する。【解決手段】基板を配置可能な反応室２と、反応室２上部に設けられ、導入されたガスを基板に対向するように設けられるガス供給孔３１１ａを有し、ガス供給孔３１１ａを介して反応室２内に供給するガス供給部３と、ガス供給部３内に原料ガスを導入する原料ガス導入ライン４１、４２と、ガス供給部３内に置換ガスを導入する置換ガス導入ライン４９と、ガス供給部３からガス供給部３内に残留する原料ガスとともに置換ガスを排出する排出ライン４１０と、置換ガスの導入量、およびガス供給部３内に残留する原料ガスと置換ガスの排出量の、一方を他方に応じた量に制御する制御部６１、６２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

従来から、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた成膜には、シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置が用いられていた。シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置では、導入ラインを通してシャワーヘッド内に導入された原料ガスを、シャワープレートを通してチャンバ内に供給することで、チャンバ内のウェハに膜をエピタキシャル成長させる。

ＭＯＣＶＤ法は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの超格子構造を有する積層膜を形成する際に用いられる。例えばＡｌＮ／ＧａＮ層などの超格子を形成する場合、各層の膜の界面における組成変化の急峻性を確保するために、各層の膜をそれぞれに対応した原料ガスが混合されることなく成膜することが求められる。

特開２０１３‐１０２２００号公報 特開２００９−１３０１０８号公報

しかしながら、一般にシャワープレートのコンダクタンスは小さいため、下層膜の成膜後、上層膜の成膜のために原料ガスを切り替える際に、たとえ、下層膜の原料ガスをベントライン経由で導入ラインから排出したとしても、下層膜の原料ガスがシャワーヘッド内に残留してしまうことがある。下層膜の原料ガスがシャワーヘッド内に残留すると、残留した下層膜の原料ガスが、新たにシャワーヘッド内に導入された上層膜の原料ガスと混合してしまい、結果的に組成の急峻性を確保することが困難となる。

そこで、シャワーヘッド内での原料ガスの混合を防止するため、従来は、原料ガスの切り替えの際に、シャワーヘッドから下層膜の原料ガスが完全に排出するまでシャワーヘッドへの上層膜の原料ガスの導入を待機する長時間の成膜中断を行っていた。

しかしながら、特にＨＥＭＴでは、積層数が例えば８０−１００と多くなるため、層形成毎の長時間の成膜中断によりスループットが大きく低下するといった問題が生じていた。

本発明の目的は、組成の急峻な超格子を形成する際、スループットの低下を抑えることができる成膜装置および成膜方法を提供することにある。

本発明の一態様である成膜装置は、
成膜処理される基板を配置可能な反応室と、
反応室上部に設けられ、導入されたガスを基板に対向するように設けられるガス供給孔を有し、ガス供給孔を介して反応室内に供給するガス供給部と、
ガス供給部内に原料ガスを導入する原料ガス導入ラインと、
ガス供給部内に置換ガスを導入する置換ガス導入ラインと、
ガス供給部からガス供給部内に残留する原料ガスとともに置換ガスを排出する排出ラインと、
置換ガスの導入量、およびガス供給部内に残留する原料ガスと置換ガスの排出量の、一方を他方に応じた量に制御する制御部と、を備えるものである。

上述の成膜装置において、置換ガス導入ラインは、原料ガス導入ラインと独立したラインであってもよい。

上述の成膜装置において、
置換ガス導入ラインは、
原料ガス導入ラインに連通し、置換ガスが導入されるバイパスラインを備え、置換ガスはバイパスラインから原料ガス導入ラインを経て反応室に導入されてもよい。

本発明の一態様である成膜方法は、
反応室内に基板を配置し、
基板に対向しガス供給孔が設けられたガス供給部内に、ガス供給部に連通する原料ガス導入ラインを通して第１膜の成分を含有する第１原料ガスを導入し、ガス供給孔を通してガス供給部から反応室内に第１原料ガスを供給することで基板上に第１膜を形成し、
第１原料ガスの導入を停止し、
ガス供給部内に置換ガスを導入し、ガス供給部に連通する排出ラインを通してガス供給部からガス供給部内に残留する第１原料ガスとともに置換ガスを排出し、置換ガスの導入量と、およびガス供給部内に残留する第１原料ガスと置換ガスの排出量の一方を他方に応じた量に制御する。

上述の成膜方法において、ガス供給部内に残留する第１原料ガスとともに置換ガスを排出した後、第１導入ラインを通してガス供給部内に第２膜の成分を含有する第２原料ガスを導入し、ガス供給孔を通してガス供給部から反応室内に第２原料ガスを供給することで第１膜上に第２膜を形成してもよい。

本発明によれば、組成が急峻な超格子を形成する際のスループットを向上させることが可能となる。

第１の実施形態の気相成長装置の一例を示す断面図である。 第１の実施形態の成膜方法において、原料ガス供給時のガスの流れを説明するための説明図である。 第１の実施形態の成膜方法において、原料ガス停止時のガスの流れを説明するための説明図である。 第２の実施形態の成膜方法において、原料ガス停止時のガスの流れを説明するための説明図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。実施形態は、本発明を限定するものではない。また、図１〜図４において、本発明に係る実施形態を説明する上で必ずしも必要でない構成要素については、図面の煩雑さを防ぐために省略している。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の成膜装置の一例である気相成長装置１の断面図である。図１の気相成長装置１は、ＭＯＣＶＤ法を用いることで、基板の一例であるウェハＷ上に組成が急峻な超格子の一例として第１膜と第２膜とが交互に積層された積層膜を成膜する枚葉型のエピタキシャル成長装置である。以下の説明では、第１膜および第２膜の双方がＩＩＩ−Ｖ族半導体層である例について説明する。

図１に示すように、気相成長装置１は、反応室の一例であるチャンバ２と、ガス供給部の一例であるシャワーヘッド３とを備える。シャワーヘッド３は、内側シャワーヘッド３１と、内側シャワーヘッド３１を包囲する外側シャワーヘッド３２とを備える。

また、気相成長装置１は、第１導入ラインの一例であるＩＩＩ族ランライン４１とＶ族ランライン４２と、第２排出ラインの一例であるＩＩＩ族ベントライン４３とＶ族ベントライン４４とを備え、更に、ＩＩＩ族バイパスライン４５と、Ｖ族バイパスライン４６と、ライナパージライン４７とを備える。また、気相成長装置１は、置換ガスライン４８と、置換ガス導入ライン４９と、第１排出ラインの一例であるシャワーヘッドベントライン４１０とを備える。本実施形態において、置換ガス導入ライン４９は、ＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２（原料ガス導入ライン）から独立した導入ラインである。

また、気相成長装置１は、ＩＩＩ族ランライン４１に設けられるバルブ５１と、Ｖ族ランラインに設けられるバルブ５２と、ＩＩＩ族バイパスライン４５に設けられるバルブ５３と、Ｖ族バイパスライン４６に設けられるバルブ５４と、置換ガスライン４８に設けられる上流側のバルブ５５と、下流側のバルブ５６とを備える。

また、気相成長装置１は、第１制御部の一例として、置換ガスの供給量を制御するマスフローコントローラ６１と、内側シャワーヘッド３１からのベントガスの排出量を制御するマスフローコントローラ６２とを備える。また、気相成長装置１は、回転部８と、ヒータ１０と、ガス排出部１１と、排気機構１２とを備える。

ＩＩＩ族ランライン４１は、内側シャワーヘッド３１の内部に連通するように内側シャワーヘッド３１に接続されている。

積層膜のうち第１膜の原料ガス供給時に、ＩＩＩ族ランライン４１は、内側シャワーヘッド３１内に、第１膜の成分を含有する第１原料ガスの一例であるＩＩＩ族原料ガス（以下、第１膜のＩＩＩ族原料ガスともいう）を導入する。また、内側シャワーヘッド３１内に導入された第１膜のＩＩＩ族原料ガスは、内側シャワープレート３１１を介してチャンバ２内へ供給される。第１膜は、例えば、ＡｌＮ層である。第１膜のＩＩＩ族原料ガスは、例えば、トリメチルアルミニウムガス（以下、ＴＭＡガスともいう）である。ＴＭＡガスは、例えば、液体のトリメチルアルミニウムを水素などのキャリアガスでバブリングすなわち気化することで生成できる。なお、第１膜のＩＩＩ族原料ガスは、キャリアガスと混合して輸送されるため、以下、第１膜のＩＩＩ族原料ガスという用語を用いる際は、キャリアガスも含んでいるものとする。

積層膜のうち第２膜の原料ガス供給時に、ＩＩＩ族ランライン４１は、内側シャワーヘッド３１内に、第２膜の成分を含有する第２原料ガスの一例であるＩＩＩ族原料ガス（以下、第２膜のＩＩＩ族原料ガスともいう）を導入する。また、内側シャワーヘッド３１内に導入された第２膜のＩＩＩ族原料ガスは、内側シャワープレート３１１を介してチャンバ２内へ供給される。第２膜は、例えば、ＧａＮ層である。第１膜がＡｌＮ層、第２膜がＧａＮ層の場合、積層膜は、ＡｌＮ／ＧａＮ層となる。第２膜のＩＩＩ族原料ガスは、例えば、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧガスともいう）である。ＴＭＧガスは、例えば、液体のトリメチルガリウムを水素などのキャリアガスでバブリングすることで生成できる。なお、第２膜のＩＩＩ族原料ガスは、キャリアガスと混合して輸送されるため、以下、第２膜のＩＩＩ族原料ガスという用語を用いる際は、キャリアガスも含んでいるものとする。

Ｖ族ランライン４２は、内側シャワーヘッド３１の内部に連通するように内側シャワーヘッド３１に接続されている。第１膜および第２膜の原料ガス供給時に、Ｖ族ランライン４２は、内側シャワーヘッド３１内にＶ族原料ガスを導入する。また、内側シャワーヘッド３１内に導入されたＶ族原料ガスは、内側シャワープレート３１１を介してチャンバ２内へ供給される。なお、Ｖ族原料ガスは、第１膜と第２膜とで同一であってもよく、または、異なっていてもよい。ＡｌＮ／ＧａＮ層を成膜するＶ族原料ガスは、例えば、アンモニアガスである。なお、Ｖ族原料ガスは、キャリアガスと混合して輸送されることがあり、その場合、Ｖ族原料ガスという用語を用いる際は、キャリアガスも含んでいるものとする。

ＩＩＩ族ベントライン４３は、ＩＩＩ族ランライン４１上に設けられたバルブ５１を介してＩＩＩ族ランライン４１に接続されている。ＩＩＩ族ベントライン４３には、ＩＩＩ族ベントガスが流れる。ＩＩＩ族ベントガスは、例えば、水素（Ｈ_２）ガス、窒素（Ｎ_２）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスなどを用いることができる。

第１膜および第２膜の一方を成膜した後、他方の成膜を開始する前には、他方の膜の原料ガスの供給に切り替えるために、一方の膜の原料ガスの供給を停止する。このような原料ガスの切り替えのための原料ガス停止時に、ＩＩＩ族ベントライン４３は、バルブ５１を介してＩＩＩ族ランライン４１に連通される。ＩＩＩ族ランライン４１に連通されると、ＩＩＩ族ベントライン４３には、ＩＩＩ族ランライン４１からＩＩＩ族原料ガスが導入される。そして、ＩＩＩ族ベントライン４３は、ＩＩＩ族ランライン４１から導入されたＩＩＩ族原料ガスを、ＩＩＩ族ベントライン４３に流れるＩＩＩ族ベントガスとともに排出する。

Ｖ族ベントライン４４は、Ｖ族ランライン４２上に設けられたＶ族バルブ５２を介してＶ族ランライン４２に接続されている。Ｖ族ベントライン４４には、Ｖ族ベントガスが流れる。Ｖ族ベントガスは、例えば、水素ガス、窒素ガスまたはアルゴンガスなどであってもよい。原料ガス停止時に、Ｖ族ベントライン４４は、Ｖ族バルブ５２を介してＶ族ランライン４２に連通される。Ｖ族ランライン４２に連通されると、Ｖ族ベントライン４４には、Ｖ族ランライン４２からＶ族原料ガスが導入される。そして、Ｖ族ベントライン４４は、Ｖ族ランライン４２から導入されたＶ族原料ガスを、Ｖ族ベントライン４４に流れるＶ族ベントガスとともに排出する。

ＩＩＩ族バイパスライン４５は、ＩＩＩ族バイパスライン４５上に設けられたバルブ５３を経由してＩＩＩ族ランライン４１に接続されている。原料ガス停止時に、ＩＩＩ族バイパスライン４５は、バルブ５３を介してＩＩＩ族ランライン４１に連通される。ＩＩＩ族ランライン４１に連通されると、ＩＩＩ族バイパスライン４５は、ＩＩＩ族ランライン４１に補償ガスを導入する。補償ガスは、ＩＩＩ族原料ガスの停止による内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を抑制するために内側シャワーヘッド３１内に供給されるガスである。

ここで、内側シャワーヘッド３１内の圧力変動は、チャンバ２内の圧力変動を招くことで、チャンバ２内に載置されているウェハＷの位置ずれ、破損またはウェハＷへのパーティクルの付着等の不具合を生じさせる虞がある。このような不具合を防止するため、内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を抑制することが求められる。

ＩＩＩ族補償ガスは、例えば、水素ガス、窒素ガスまたはアルゴンガスなどであってもよい。内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を効果的に抑制するため、ＩＩＩ族ランライン４１へのＩＩＩ族補償ガスの導入量は、ＩＩＩ族ランライン４１からＩＩＩ族ベントライン４３へのＩＩＩ族原料ガスの排出量と同一であることが望ましい。

Ｖ族バイパスライン４６は、Ｖ族バイパスライン４６上に設けられたバルブ５４を経由してＶ族ランライン４２に接続されている。原料ガス停止時に、Ｖ族バイパスライン４６は、バルブ５４を介してＶ族ランライン４２に連通される。ランライン４２に連通されると、Ｖ族バイパスライン４６は、Ｖ族ランライン４２にＶ族補償ガスを導入する。Ｖ族補償ガスは、Ｖ族原料ガスの停止による内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を抑制するために内側シャワーヘッド３１内に供給されるガスである。補償ガスは、例えば、水素ガス、窒素ガスまたはアルゴンガスなどであってもよい。内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を効果的に抑制するため、Ｖ族ランライン４２へのＶ族補償ガスの導入量は、Ｖ族ランライン４２からＶ族ベントライン４４へのＶ族原料ガスの排出量と同一であることが望ましい。

ライナパージライン４７は、外側シャワーヘッド３２の内部に連通するように外側シャワーヘッド３２に接続されている。ライナパージライン４７から外側シャワーヘッド３２内へ導入されたライナパージガスは、外側シャワープレート３２１を介してチャンバ２内に導入され、チャンバ２の壁面への堆積物の付着を防止するライナ２１の側壁と回転部８との間を経由して、ガス排出部１１へ排出される。ライナパージガスは、例えば、水素ガス、窒素ガスまたはアルゴンガスなどであってもよい。

置換ガスライン４８には、内側シャワーヘッド３１内の原料ガスを排気するための置換ガスが流れる。置換ガスは、例えば、水素ガス、窒素ガスまたはアルゴンガスなどであってもよい。

置換ガス導入ライン４９の上流端は、置換ガスライン４８上に設けられたバルブ５５を介して置換ガスライン４８に接続されている。置換ガス導入ライン４９の下流端は、内側シャワーヘッド３１の内部に連通するように内側シャワーヘッド３１に接続されている。原料ガス停止時に、置換ガス導入ライン４９は、バルブ５５を介して置換ガスライン４８に連通される。置換ガスライン４８に連通されることで、置換ガス導入ライン４９は、内側シャワーヘッド３１内に置換ガスを導入する。

シャワーヘッドベントライン４１０の上流端は、内側シャワーヘッド３１の内部に連通するように内側シャワーヘッド３１に接続されている。図１に示すように、シャワーヘッドベントライン４１０の上流端は、複数に分岐して、内側シャワーヘッド３１に接続してもよい。シャワーヘッドベントライン４１０の上流端を複数に分岐して、内側シャワーヘッド３１に接続することで、内側シャワーヘッド３１内のガスを効率的に排出できる。シャワーヘッドベントライン４１０の下流端は、バルブ５５の下流の置換ガスライン４８上に設けられたバルブ５６を介して置換ガスライン４８に接続されている。原料ガス停止時に、シャワーヘッドベントライン４１０は、内側シャワーヘッド３１から、内側シャワーヘッド３１内に残留する原料ガス（以下、残留原料ガスともいう）とともに置換ガスを排出する。内側シャワーヘッド３１から排出された残留原料ガスおよび置換ガスは、置換ガスライン４８に導入され、置換ガスライン４８内を流れる置換ガスとともに排出される。

マスフローコントローラ６１は、バルブ５５の上流側の置換ガスライン４８上に設けられている。マスフローコントローラ６１は、置換ガス導入ライン４９の上流において置換ガスライン４８を流れる置換ガスの流量を制御する。これにより、マスフローコントローラ６１は、置換ガス導入ライン４９を通して内側シャワーヘッド３１に導入される置換ガスの導入量を制御する。

マスフローコントローラ６２は、バルブ５６の下流の置換ガスライン４８上に設けられている。マスフローコントローラ６２は、シャワーヘッドベントライン４１０の下流において置換ガスライン４８を流れる残留原料ガスと置換ガスの流量を制御する。これにより、マスフローコントローラ６２は、シャワーヘッドベントライン４１０を通して内側シャワーヘッド３１から排出される残留原料ガスと置換ガスの排出量を制御する。

気相成長装置１は、内側シャワーヘッド３１に対する置換ガスの導入および残留原料ガスと置換ガスの排出において、導入量および排出量の一方を他方に応じた量に制御する。例えば、マスフローコントローラ６１と６２とは、それぞれを流れるガスの流量を同一の流量に制御することで、内側シャワーヘッド３１に対する導入量と排出量とを同一の量に制御する。これにより、シャワーヘッドベントライン４１０を通して残留原料ガスを排出できるとともに、内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を抑制できる。内側シャワーヘッド３１内の圧力変動を抑制することで、チャンバ２の排気量の制御に頼ることなくチャンバ２の圧力変動を簡便に抑制することができる。

内側シャワーヘッド３１は、チャンバ２の上部に設けられている。内側シャワーヘッド３１は、その底面側に内側シャワープレート３１１を有する。内側シャワープレート３１１には、複数の内側ガス供給孔３１１ａが設けられている。外側シャワーヘッド３２は、チャンバ２の上部に、内側シャワープレート３１１を囲むように設けられている。外側シャワーヘッド３２は、その底面側に外側シャワープレート３２１を有する。外側シャワープレート３２１には、複数の外側ガス供給孔３２１ａが設けられている。内側シャワープレート３１１および外側シャワープレート３２１は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料を用いて構成することができる。

第１膜の原料ガス供給時に、内側シャワーヘッド３１内には、ＩＩＩ族ランライン４１から第１膜のＩＩＩ族原料ガスが導入され、Ｖ族ランライン４２から、Ｖ族原料ガスが導入される。導入された第１膜のＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとは、内側シャワーヘッド３１内で混合された後、内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通してチャンバ２内に供給される。

また、第２膜の原料ガス供給時に、内側シャワーヘッド３１内には、ＩＩＩ族ランライン４１から第２膜のＩＩＩ族原料ガスが導入され、Ｖ族ランライン４２から、Ｖ族原料ガスが導入される。導入された第２膜のＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとは、内側シャワーヘッド３１内で混合された後、内側ガス供給孔３１１ａを通してチャンバ２内に供給される。

一方、原料ガス停止時に、内側シャワーヘッド３１内には、ＩＩＩ族ランライン４１からＩＩＩ族補償ガスが導入され、Ｖ族ランライン４２からＶ族補償ガスが導入される。導入されたＩＩＩ族補償ガスとＶ族補償ガスとは、内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通ってチャンバ２内に供給される。

更に、原料ガス停止時に、内側シャワーヘッド３１内には、置換ガスライン４８から置換ガス導入ライン４９を通して置換ガスが導入される。導入された置換ガスは、シャワーヘッドベントライン４１０を通して内側シャワーヘッド３１内の残留原料ガスとともに内側シャワーヘッド３１から排出される。なお、内側シャワーヘッド３１から排出されるガスには、ＩＩＩ族補償ガスおよびＶ族補償ガスが含まれていてもよい。また、導入された置換ガスと内側シャワーヘッド３１内の残留原料ガスとは、一部が内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通ってチャンバ２内に供給されてもよい。

回転部８は、上部にウェハＷの載置部（不図示）を設けており、ウェハＷを水平に支持する。また、不図示の載置部は、例えばリング状の形状をしており、ウェハＷの外周部を支持する。

回転部８は、チャンバ２内でウェハＷを保持しながら、鉛直方向の回転軸Ａを中心に回転する。回転軸Ａは、ウェハＷの中心を通ってもよい。回転部８が回転することで、回転部８に保持されたウェハＷは回転軸Ａを中心に回転する。回転部８は、モータ等の不図示の駆動源の駆動力によって回転駆動される。

ヒータ１０は、ウェハＷを加熱する。ヒータ１０の具体的な加熱方式は特に限定されず、例えば、抵抗加熱、ランプ加熱などであってもよい。

ガス排出部１１は、余剰の原料ガスや反応副生成物をチャンバ２の内部から外部に排出する。

排気機構１２は、排気バルブ１２ａと真空ポンプ１２ｂとの作用により、ガス排出部１１を通じてチャンバ２内を所望の圧力に制御する。

（成膜方法）
次に、以上のように構成された気相成長装置１を用いた第１の実施形態の成膜方法すなわち気相成長方法について説明する。なお、以下に説明する成膜方法では、ＭＯＣＶＤ法により、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の積層膜を成膜する。図２は、第１の実施形態の成膜方法において、原料ガス供給時のガスの流れを説明するための説明図である。

先ず、不図示のロボットアームによって、チャンバ２の回転部８の上部に備えられた不図示の載置部にウェハＷを載置する。回転部８の上部に供えられた不図示の載置部にウェハＷを載置した後、排気機構１２は、ガス排出部１１を通してチャンバ２内を排気することで、チャンバ２内の圧力を所望の圧力に調整する。また、ヒータ１０は、ウェハＷをエピタキシャル成長温度に加熱する。

次いで、上流側のマスフローコントローラ６１と、下流側のマスフローコントローラ６２に対して、原料ガス停止時に制御すべきガスの流量として、互いに同一の流量を設定する。マスフローコントローラ６１、６２の流量は、ユーザの入力操作で設定してもよく、または、予め設定されたレシピにしたがって気相成長装置１の不図示の制御部が自動的に設定してもよい。

また、回転部８は、回転軸Ａを中心にウェハＷを回転させる。ウェハＷを回転させながら、ウェハＷ上に、先ず、第１膜の原料ガスとして、第１膜のＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給する。

第１膜の原料ガス供給時に、バルブ５１は、ＩＩＩ族ランライン４１を内側シャワーヘッド３１に対して開放かつＩＩＩ族ベントライン４３に対して遮蔽する。これにより、ＩＩＩ族ランライン４１と内側シャワーヘッド３１とが連通され、図２に示すように、ＩＩＩ族ランライン４１を通して内側シャワーヘッド３１内に第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}が導入される。

また、第１膜の原料ガス供給時に、Ｖ族バルブ５２は、Ｖ族ランライン４２を内側シャワーヘッド３１に対して開放かつＶ族ベントライン４４に対して遮蔽する。これにより、Ｖ族ランライン４２と内側シャワーヘッド３１とが連通され、図２に示すように、Ｖ族ランライン４２を通して内側シャワーヘッド３１内にＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓが導入される。

一方、第１膜の原料ガス供給時に、ＩＩＩ族補償バルブ５３は、ＩＩＩ族バイパスライン４５を遮蔽することでＩＩＩ族ランライン４１へのＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}（図３参照）の導入を禁止している。また、Ｖ族補償バルブ５４は、Ｖ族バイパスライン４６を遮蔽することでＶ族ランライン４２へのＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃ（図３参照）の導入を禁止している。

また、第１膜の原料ガス供給時に、バルブ５５は、バルブ５５の上流の置換ガスライン４８を置換ガス導入ライン４９に対して遮蔽かつバルブ５５の下流の置換ガスライン４８に対して開放する。また、バルブ５６は、バルブ５６の下流の置換ガスライン４８をバルブ５６の上流の置換ガスライン４８に対して開放かつシャワーヘッドベントライン４１０に対して遮蔽する。これにより、第１膜の原料ガスの供給時には、内側シャワーヘッド３１への置換ガスＧ_ＶＥＮＴの導入が禁止される。

内側シャワーヘッド３１に導入された第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}とＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓとは、内側シャワーヘッド３１内で混合された後に、内側ガス供給孔３１１ａからウェハＷ上に供給される。内側ガス供給孔３１１ａから供給された第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}とＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓとは、ウェハＷ上で反応する。これにより、ウェハＷ上に第１膜がエピタキシャル成長する。

図３は、第１の実施形態の成膜方法において、原料ガス停止時のガスの流れを説明するための説明図である。第１膜を成膜した後、内側シャワーヘッド３１に対する第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}およびＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓの供給を停止する。

第１膜の原料ガス停止時に、ＩＩＩ族バルブ５１は、ＩＩＩ族ランライン４１を内側シャワーヘッド３１に対して遮蔽かつＩＩＩ族ベントライン４３に対して開放する。これにより、ＩＩＩ族ランライン４１とＩＩＩ族ベントライン４３とが連通され、図３に示すように、ＩＩＩ族ベントライン４３を通してＩＩＩ族ランライン４１から第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}が排出される。より具体的には、ＩＩＩ族ベントライン４３は、ＩＩＩ族ランライン４１から導入された第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}を、ＩＩＩ族ベントライン４３に流れるＩＩＩ族ベントガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｖ}とともに排出する。ＩＩＩ族ランライン４１から第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}が排出されることで、内側シャワーヘッド３１への第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}の導入が停止される。

また、第１膜の原料ガス停止時に、Ｖ族バルブ５２は、Ｖ族ランライン４２を内側シャワーヘッド３１に対して遮蔽かつＶ族ベントライン４４に対して開放する。これにより、Ｖ族ランライン４２とＶ族ベントライン４４とが連通され、図３に示すように、Ｖ族ベントライン４４を通してＶ族ランライン４２からＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓが排出される。より具体的には、Ｖ族ベントライン４４は、Ｖ族ランライン４２から導入されたＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓを、Ｖ族ベントライン４４に流れるＶ族ベントガスＧ_Ｖ＿Ｖとともに排出する。Ｖ族ランライン４２からＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓが排出されることで、内側シャワーヘッド３１へのＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓの導入が停止される。

一方、第１膜の原料ガス停止時に、ＩＩＩ族補償バルブ５３は、ＩＩＩ族バイパスライン４５を開放する。これにより、ＩＩＩ族バイパスライン４５とＩＩＩ族ランライン４１とが連通され、図３に示すように、ＩＩＩ族バイパスライン４５およびＩＩＩ族ランライン４１を通して内側シャワーヘッド３１にＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}が導入される。このとき、ＩＩＩ族ベントライン４３への第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}の排出量と同じ量のＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}を導入するよう、ＩＩＩ族バイパスライン４５に供えられた不図示のマスフローコントローラにより調整することが望ましい。第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}の排出量とＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}の導入量とを一致させることで、シャワーヘッド３の圧力変動を抑制できる。

内側シャワーヘッド３１に導入されたＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}は、内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通ってチャンバ２内に供給される。ＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}は、シャワーヘッドベントライン４１０を通して置換ガスＧ_ＶＥＮＴとともに内側シャワーヘッド３１から排出されてもよい。

また、第１膜の原料ガス停止時に、Ｖ族補償バルブ５４は、Ｖ族バイパスライン４６を開放する。これにより、Ｖ族バイパスライン４６とＶ族ランライン４２とが連通され、図３に示すように、Ｖ族バイパスライン４６およびＶ族ランライン４２を通して内側シャワーヘッド３１にＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃが導入される。このとき、Ｖ族ベントライン４４へのＶ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓの排出量と同じ量のＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃを導入するよう、Ｖ族バイパスライン４６に供えられた不図示のマスフローコントローラにより調整することが望ましい。Ｖ族原料ガスＧ_Ｖ＿Ｓの排出量とＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃの導入量とを一致させることで、シャワーヘッド３の圧力変動を更に抑制できる。

内側シャワーヘッド３１に導入されたＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃは、内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通ってチャンバ２内に供給される。Ｖ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃは、シャワーヘッドベントライン４１０を通して置換ガスＧ_ＶＥＮＴとともに内側シャワーヘッド３１から排出されてもよい。

また、第１膜の原料ガス停止時に、バルブ５５は、バルブ５５の上流の置換ガスライン４８を置換ガス導入ライン４９に対して開放かつバルブ５５の下流の置換ガスライン４８に対して遮蔽する。これにより、置換ガスライン４８と置換ガス導入ライン４９とが連通され、図３に示すように、置換ガス導入ライン４９を通して内側シャワーヘッド３１に置換ガスＧ_ＶＥＮＴが導入される。

また、第１膜の原料ガス停止時に、バルブ５６は、バルブ５６の下流の置換ガスライン４８をバルブ５６の上流の置換ガスライン４８に対して遮蔽かつシャワーヘッドベントライン４１０に対して開放する。これにより、シャワーヘッドベントライン４１０と置換ガスライン４８とが連通され、図３に示すように、内側シャワーヘッド３１に導入された置換ガスＧ_ＶＥＮＴが、シャワーヘッドベントライン４１０を通して第１膜の残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓとともに内側シャワーヘッド３１から排出される。

このとき、マスフローコントローラ６１、６２は、それぞれの流量を互いに同一の流量に制御している。すなわち、置換ガス導入ライン４９を通して内側シャワーヘッド３１に導入される置換ガスＧ_ＶＥＮＴの導入量は、シャワーヘッドベントライン４１０を通して内側シャワーヘッド３１から排出される置換ガスＧ_ＶＥＮＴ、および、残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓの排出量と一致する。

これにより、シャワーヘッド３の圧力変動を簡便かつ確実に抑制しながら、シャワーヘッド３から迅速に第１膜の残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓを排出できる。

第１膜の残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓとともに置換ガスＧ_ＶＥＮＴを排出した後、第１膜の上に、第２膜を成膜する。第２膜の成膜時の気相成長装置１の動作は、第１膜のＩＩＩ族原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}の代わりに第２膜のＩＩＩ族原料ガスを使用すること以外は、第１膜の成膜時の動作と同様である。

すなわち、ＩＩＩ族ランライン４１を通して内側シャワーヘッド３１内に第２膜のＩＩＩ族原料ガスを導入し、また、Ｖ族ランライン４２を通して内側シャワーヘッド３１にＶ族原料ガスを導入する。このとき、既述したシャワーヘッドベントライン４１０を通じた排出により、内側シャワーヘッド３１内には第１膜の残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓが殆ど存在しない。このため、従来のような長時間の成膜中断を要することなく、内側シャワーヘッド３１内に第２膜の原料ガスを迅速に導入することができる。内側シャワーヘッド３１に導入された第２膜のＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとは、内側シャワープレート３１１の内側ガス供給孔３１１ａを通ってチャンバ２内のウェハＷ上に供給される。供給された第２膜のＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとは、ウェハＷ上で反応する。これにより、第１膜上に第２膜がエピタキシャル成長する。

第２膜の上に更に第１膜および第２膜の成膜を交互に繰り返す場合には、新たな膜を成膜した都度、残留原料ガスの排出動作（図３参照）を経た上で、次の膜を成膜する。

なお、積層膜としてＡｌＮ／ＧａＮ層を成膜する場合、ＡｌＮ層の成膜時のＶ族原料ガスおよびＧａＮ層の成膜時のＶ族原料ガスは、いずれもアンモニアである。この場合、ＡｌＮ層の成膜とＧａＮ層の成膜との間にアンモニアの供給を停止しなくてもよい。アンモニアを供給し続けることで、アンモニアが熱分解することで生じた窒素によって、ＡｌＮ層およびＧａＮ層のエッチングを抑制することができる。

また、第１の実施形態の成膜方法は、ＡｌＮ／ＧａＮ層以外にも、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層等の組成が急峻な超格子構造を有する種々のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層膜の成膜に適用できる。また、第１の実施形態の成膜方法は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体積層膜等のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層膜以外の半導体積層膜の成膜に適用してもよい。

以上述べたように、第１の実施形態によれば、シャワーヘッドベントライン４１０を通して内側シャワーヘッド３１内に残留する原料ガスを迅速に排出できるので、次の膜の成膜を迅速に開始できる。これにより、組成が急峻な超格子を迅速に形成することができる。

また、第１の実施形態によれば、内側シャワーヘッド３１内への置換ガスＧ_ＶＥＮＴの導入と、内側シャワーヘッド３１からの残留原料ガスＧ１_{ＩＩＩ＿Ｓ}、Ｇ_Ｖ＿Ｓと置換ガスＧ_ＶＥＮＴの排出において、導入量および排出量の一方を他方に応じた量に制御できる。これにより、内側シャワーヘッド３１の圧力変動を抑制することができる。また、圧力変動の抑制を内側シャワーヘッド３１内で完結できるので、チャンバ２の排気量に頼ることなく、原料ガスの切り替えにともなうチャンバ２の圧力変動を抑制できる。

（第２の実施形態）
次に、置換ガスＧ_ＶＥＮＴを補償ガスで代替する第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。

図４は、第２の実施形態の成膜方法において、原料ガス停止時のガスの流れを説明するための説明図である。図４に示すように、第２の実施形態の成膜方法に適用可能な気相成長装置１は、置換ガスライン４８および置換ガス導入ライン４９が設けられていない。

第１の実施形態と異なり、第２の実施形態では、原料ガス停止時に、独立したラインを用いて置換ガスを導入する代わりに、第２の実施形態では、ＩＩＩ族補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}およびＶ族補償ガスＧ_Ｖ＿Ｃを置換ガスとして用いる。

具体的には、原料ガス停止時に、ＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２に連通するＩＩＩ族ベントライン４３、Ｖ族ベントライン４４を通して原料ガスを排出し、ＩＩＩ族バイパスライン４５、Ｖ族バイパスライン４６よりＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２を介して内側シャワーヘッド３１内に補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃを導入する。すなわち、内側シャワーヘッド３１内への補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃの導入は、ＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２を通して行う。

ＩＩＩ族バイパスライン４５には、マスフローコントローラ６１ａが、Ｖ族バイパスライン４６には、マスフローコントローラ６１ｂがそれぞれ設けられ、内側シャワーヘッド３１にそれぞれ流量がコントロールされた補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃを導入すると共に、内側シャワーヘッド３１から残留原料ガスおよび補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃの一部をシャワーヘッドベントライン４１０を通して排出する。

このとき、内側シャワーヘッド３１内への補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃの導入量と、シャワーヘッドベントライン４１０を通した内側シャワーヘッド３１からの補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃおよび残留原料ガスの排出量の一方を他方に応じた量に制御する。

導入量と排出量は、例えば、バイパスライン４５、４６に設けられたマスフローコントローラ６１ａ、６１ｂと、マスフローコントローラ６２によって制御することができる。マスフローコントローラ６２の流量は、特に限定するものではないが、流量を大きくした方が内側シャワーヘッド３１内における残留原料ガスの排出の効率が高くなるため望ましい。典型的には、ＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２からＩＩＩ族ベントライン４３、Ｖ族ベントライン４４へ排出する原料ガスの流量に対して、０．１〜１０倍程度の流量である。また、内側シャワーヘッド３１への補償ガスＧ_{ＩＩＩ＿Ｃ}、Ｇ_Ｖ＿Ｃの導入量は、ＩＩＩ族ランライン４１、Ｖ族ランライン４２からＩＩＩ族ベントライン４３、Ｖ族ベントライン４４へ排出する原料ガスと同等の流量に、上記第２マスフローコントローラ６２にて設定した流量を上乗せした流量とすることができる。

第２の実施形態によれば、置換ガスライン４８を省略できるので、組成が急峻な超格子を、内側シャワーヘッド３１内の圧力変動の抑制しながら迅速かつ低コストで形成することができる。

上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、本実施形態においては、ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを内側シャワーヘッド３１内で混合するプレミックス型のシャワーヘッドを例として挙げているが、ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを分離してチャンバ２内へ供給可能な分離供給型のシャワーヘッドとしてもよい。

また、本実施形態では、ウェハＷ上に超格子構造を直接形成する方法について説明しているが、バッファー層などの下地層を形成したのちに、超格子構造を形成してもよい。

さらに、本実施形態では、超格子構造の形成工程を主に説明しているが、超格子構造の上に形成される他のエピタキシャル膜の形成にも利用することができる。

２ チャンバ、３ シャワーヘッド、３１１ａ 内側ガス供給孔、４１ ＩＩＩ族ランライン、４１０ シャワーヘッドベントライン

Claims (5)

1. 成膜処理される基板を配置可能な反応室と、
   前記反応室上部に設けられ、導入されたガスを前記基板に対向するように設けられるガス供給孔を有し、前記ガス供給孔を介して前記反応室内に供給するガス供給部と、
   前記ガス供給部内に原料ガスを導入する原料ガス導入ラインと、
   前記ガス供給部内に置換ガスを導入する置換ガス導入ラインと、
   前記ガス供給部から前記ガス供給部内に残留する前記原料ガスとともに前記置換ガスを排出する排出ラインと、
   前記置換ガスの導入量、および前記ガス供給部内に残留する前記原料ガスと前記置換ガスの排出量の、一方を他方に応じた量に制御する制御部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
2. 前記置換ガス導入ラインは、前記原料ガス導入ラインと独立したラインであることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記置換ガス導入ラインは、
   前記原料ガス導入ラインに連通し、置換ガスが導入されるバイパスラインを備え、前記置換ガスは前記バイパスラインから前記原料ガス導入ラインを経て前記反応室に導入されることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 反応室内に基板を配置し、
   前記基板に対向しガス供給孔が設けられたガス供給部内に、前記ガス供給部に連通する原料ガス導入ラインを通して第１膜の成分を含有する第１原料ガスを導入し、前記ガス供給孔を通して前記ガス供給部から前記反応室内に前記第１原料ガスを供給することで前記基板上に前記第１膜を形成し、
   前記第１原料ガスの導入を停止し、
   前記ガス供給部内に置換ガスを導入し、前記ガス供給部に連通する排出ラインを通して前記ガス供給部から前記ガス供給部内に残留する前記第１原料ガスとともに前記置換ガスを排出し、前記置換ガスの導入量と、前記ガス供給部内に残留する第１原料ガスと前記置換ガスの排出量の一方を他方に応じた量に制御することを特徴とする成膜方法。
5. 前記ガス供給部内に残留する第１原料ガスとともに前記置換ガスを排出した後、前記第１導入ラインを通して前記ガス供給部内に第２膜の成分を含有する第２原料ガスを導入し、前記ガス供給孔を通して前記ガス供給部から前記反応室内に前記第２原料ガスを供給することで前記第１膜上に前記第２膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。

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