JP2018160487A - Method and device for forming gallium nitride film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化ガリウム膜の成膜方法および成膜装置に関する。 The present invention relates to a gallium nitride film forming method and a film forming apparatus.
化合物半導体において、V族元素として窒素(N)を用いた半導体は、窒化物半導体と呼ばれている。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)などが、窒化物半導体の代表的な例である。 In a compound semiconductor, a semiconductor using nitrogen (N) as a group V element is called a nitride semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), and the like are typical examples of nitride semiconductors.
中でも、窒化ガリウムは、光学応用分野において青色発光素子として実用化されており、電子デバイス応用分野においても、通信分野等に用いられる高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)として実用化されている。 Among them, gallium nitride has been put into practical use as a blue light emitting element in optical application fields, and has been put into practical use as a high electron mobility transistor (HEMT) used in communication fields and the like in electronic device application fields. ing.
さらに、窒化ガリウムは、ワイドギャップ半導体として、炭化シリコン(SiC)に拮抗する特性を備え、高周波特性、絶縁破壊耐圧については炭化シリコン以上のポテンシャルを秘めるとされる。このことから、更なる実用化の拡大、例えば、高周波、高速、ハイパワーといった広範囲を一度にカバーできる新規デバイスの実現に向けての研究も盛んに行われている。 Further, gallium nitride is a wide-gap semiconductor and has characteristics that antagonize silicon carbide (SiC) and has high-frequency characteristics and dielectric breakdown voltage with potential higher than that of silicon carbide. For this reason, research has been actively conducted for further practical application, for example, realization of new devices capable of covering a wide range of high frequency, high speed, and high power at a time.
窒化ガリウムの成膜方法としては、従来から有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)やハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)(ハライド気相成長法(Halide Vapor Phase Epitaxy)とも呼ばれる)が知られている。典型的なHVPE法は、常圧かつ1000℃以上の温度で、塩化水素ガス(HCl)と、金属ガリウム(Ga)とを高温環境化で反応させて三塩化ガリウムガス(GaCl3)を生成し、三塩化ガリウムガスをアンモニアガス(NH3)と反応させることで、窒化ガリウム結晶をサファイア基板上に気相成長させる(例えば、特許文献1)。 As a method for forming gallium nitride, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and hydride vapor phase epitaxy (HVPE) (Halide Vapor Phase) have been conventionally used. Also known as Epitaxy). A typical HVPE method generates gallium trichloride gas (GaCl 3 ) by reacting hydrogen chloride gas (HCl) with metallic gallium (Ga) in a high temperature environment at normal pressure and at a temperature of 1000 ° C. or higher. By reacting gallium trichloride gas with ammonia gas (NH 3 ), a gallium nitride crystal is vapor-phase grown on a sapphire substrate (for example, Patent Document 1).
一方、近時、スループット向上の要求が強まってきており、複数枚の被処理基板を高さ方向に並べて複数の被処理基板を一度に処理可能な縦型バッチ式成膜装置が注目されている。窒化ガリウム膜に代表される化合物半導体膜の成膜においても、縦型バッチ式成膜装置への転換が模索されつつあり、特許文献2、3には、窒化ガリウムを成膜するための縦型バッチ式成膜装置が開示されている。 On the other hand, recently, there is an increasing demand for throughput improvement, and vertical batch type film forming apparatuses capable of processing a plurality of substrates to be processed at a time by arranging a plurality of substrates to be processed in the height direction have attracted attention. . In the formation of a compound semiconductor film typified by a gallium nitride film, conversion to a vertical batch type film forming apparatus is being sought, and Patent Documents 2 and 3 disclose a vertical type for forming a gallium nitride film. A batch type film forming apparatus is disclosed.
また、分子線エピタキシー(Molecular Beam Eptaxy:MBE)により、高真空かつ低温(600〜900℃)でGaNを成膜する技術も提案されている。 In addition, a technique for forming a film of GaN at high vacuum and low temperature (600 to 900 ° C.) by molecular beam epitaxy (MBE) has been proposed.
ところで、従来のMOCVDやHVPEでは、処理容器内のパーツが耐熱性の高いSiCで形成されているが、SiCには窒化ガリウムが成膜されるため、付着した窒化ガリウムがパーティクル源となったり、処理容器内のパーツのクリーニングに多大なダウンタイムが発生したりしてしまう。 By the way, in conventional MOCVD and HVPE, the parts in the processing vessel are formed of SiC having high heat resistance. However, since gallium nitride is deposited on SiC, the adhered gallium nitride becomes a particle source, A great amount of downtime occurs when cleaning the parts in the processing container.
特許文献2、3の装置は、通常の縦型バッチ式成膜装置と同様、基本的に、処理容器やパーツとして石英を用いたホットウォール型装置であり、特許文献2では成膜温度として1000℃が例示されている。処理容器やパーツとして用いられる石英は窒化ガリウムが成膜されない性質を有するため、基板上への選択成膜によりパーティクル発生やクリーニングの必要性を低減できる可能性があるが、1000℃以上の温度で成膜すると、石英が還元されて膜中に酸素が混入する危険性がある。また、1000℃またはそれ以上の温度でGaN膜を成膜する場合、サファイア基板をN化して成膜しており、得られるGaNはN面GaNであるが、好ましいのはGa面GaNである。 The apparatuses of Patent Documents 2 and 3 are basically hot wall type apparatuses using quartz as a processing container and parts as in the case of a normal vertical batch film forming apparatus. C. is exemplified. Quartz used as a processing vessel or part has the property that gallium nitride is not formed, so there is a possibility that the generation of particles and the need for cleaning can be reduced by selective film formation on the substrate. When the film is formed, there is a risk that quartz is reduced and oxygen is mixed into the film. Further, when the GaN film is formed at a temperature of 1000 ° C. or higher, the sapphire substrate is formed by nitriding, and the obtained GaN is N-plane GaN, but Ga-plane GaN is preferable.
さらに、MBEによりGaNを成膜する技術では、生産性が非常に悪いという欠点がある。 Furthermore, the technique of forming a GaN film by MBE has a drawback that the productivity is very poor.
したがって、本発明は、クリーニングの負担を軽減し、高い生産性を得ることができ、かつ酸素による膜の汚染を抑制することができGa面窒化ガリウムを得ることができる窒化ガリウム膜の成膜方法および成膜装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention reduces the burden of cleaning, obtains high productivity, suppresses contamination of the film by oxygen, and can obtain Ga-plane gallium nitride film formation method. Another object is to provide a film formation apparatus.
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、前記処理室を排気する排気部と、前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置とを有する成膜装置を用いて窒化ガリウム膜を成膜する窒化ガリウム膜の成膜方法であって、前記処理室に複数の被処理基板を水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置し、処理室を密閉空間とする工程と、前記被処理基板の温度を850〜930℃、前記処理容器内の圧力を0.5〜1.8Torrに調整する工程と、前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室にガリウム含有ガスを供給する工程と、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に窒素含有ガスを供給する工程とを有し、前記被処理基板の表面に窒化ガリウムを気相成長させることを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is to define a processing chamber, and a processing container made of quartz in which a plurality of substrates to be processed are arranged in a horizontal orientation in a vertical position. A gallium-containing gas introducing member made of quartz for introducing a gallium-containing gas into the processing chamber, a nitrogen-containing gas introducing member made of quartz for introducing a nitrogen-containing gas into the processing chamber, and an exhaust section for exhausting the processing chamber And a film forming apparatus having a heating apparatus that heats a substrate to be processed disposed in the processing chamber, and forming a gallium nitride film using the film forming apparatus, A process substrate is disposed in a horizontal posture in a state of being arranged in a vertical direction, and a process chamber is set as a sealed space, a temperature of the process substrate is 850 to 930 ° C., and a pressure in the process container is 0.5 to Adjusting to 1.8 Torr; A step of supplying a gallium-containing gas to the processing chamber via the gallium-containing gas introducing member, and a step of supplying a nitrogen-containing gas to the processing chamber via the nitrogen-containing gas introducing member. Provided is a method for forming a gallium nitride film, characterized by vapor-phase growth of gallium nitride on the surface of a substrate.
本発明の第2の観点は、処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記ガリウム含有ガスを供給し、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記窒素含有ガスを供給し、前記処理室にパージガスを供給するガス供給機構と、前記処理室を排気する排気部と、前記排気部を介して前記処理室を排気する排気装置と、前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と、前記被処理基板の温度が850〜930℃、前記処理容器内の圧力が0.5〜1.8Torrになるように、かつ前記処理室に前記ガリウム含有ガスおよび前記窒素含有ガスの供給量を制御して前記被処理基板上に窒化ガリウム膜を気相成長させるように前記ガス供給機構、前記排気装置、および前記加熱装置を制御する制御部とを有することを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, a processing chamber is defined, and a processing vessel made of quartz in which a plurality of substrates to be processed are arranged in a horizontal posture and arranged in a vertical direction, and a gallium-containing gas are provided. A gallium-containing gas introducing member made of quartz introduced into the processing chamber, a nitrogen-containing gas introducing member made of quartz introducing nitrogen-containing gas into the processing chamber, and the gallium into the processing chamber via the gallium-containing gas introducing member A gas supply mechanism that supplies a gas, supplies the nitrogen-containing gas to the processing chamber via the nitrogen-containing gas introduction member, and supplies a purge gas to the processing chamber; an exhaust unit that exhausts the processing chamber; An exhaust device that exhausts the processing chamber through the exhaust unit, a heating device that heats the substrate to be processed disposed in the processing chamber, and a temperature of the substrate to be processed is 850 to 930 ° C., Pressure The vapor deposition of the gallium nitride film on the substrate to be processed by controlling the supply amount of the gallium-containing gas and the nitrogen-containing gas to the processing chamber so that the gallium nitride film is 0.5 to 1.8 Torr. A gallium nitride film deposition apparatus comprising the gas supply mechanism, the exhaust device, and a control unit for controlling the heating device is provided.
前記ガリウム含有ガスは塩化ガリウムガスであり、前記窒素含有ガスは窒素を含むハイドライドガスであり、HVPEにより窒化ガリウム膜を成膜することが好ましい。前記窒素を含むハイドライドガスはアンモニアであることが好ましい。 The gallium-containing gas is a gallium chloride gas, the nitrogen-containing gas is a hydride gas containing nitrogen, and it is preferable to form a gallium nitride film by HVPE. The nitrogen-containing hydride gas is preferably ammonia.
前記複数の被処理基板は、石英からなる基板保持部材により保持された状態で前記処理室に挿入するようにすることができる。前記被処理基板としてサファイア基板を好適に用いることができる。 The plurality of substrates to be processed can be inserted into the processing chamber while being held by a substrate holding member made of quartz. A sapphire substrate can be suitably used as the substrate to be processed.
前記第1の観点において、前記窒化ガリウム膜の成膜を所定回数繰り返した後、前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングする工程を有してもよい。 In the first aspect, after the film formation of the gallium nitride film is repeated a predetermined number of times, a chlorine-containing gas is introduced into the processing chamber through the gallium-containing gas introduction member and the nitrogen-containing gas introduction member, and the gallium You may have the process of cleaning the containing gas introduction member, the nitrogen-containing gas introduction member, and the processing container.
上記第2の観点において、前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングするクリーニングガス供給機構をさらに有してもよい。 In the second aspect, a chlorine-containing gas is introduced into the processing chamber via the gallium-containing gas introduction member and the nitrogen-containing gas introduction member, the gallium-containing gas introduction member, the nitrogen-containing gas introduction member, You may further have the cleaning gas supply mechanism which cleans a process container.
また、前記ガリウム含有ガス導入部材は、前記処理室の高さ方向に亘って形成されたガス拡散空間と、前記拡散空間の高さ方向に沿って前記処理室に向けて前記ガリウム含有ガスを吐出させる複数のガス吐出孔と、前記ガス拡散空間の高さ方向に複数本接続され、水平方向に延びるガリウム含有ガス導入管とを有し、前記窒素含有ガス導入部材は、前記処理室の下方に挿入され、前記処理室の上部に延び、前記複数の被処理基板に向けて窒素含有ガスを吐出する複数のガス吐出孔を有する窒素含有ガス導入管を有することが好ましい。 The gallium-containing gas introduction member discharges the gallium-containing gas toward the processing chamber along the height direction of the diffusion space and a gas diffusion space formed along the height direction of the processing chamber. A plurality of gas discharge holes, a plurality of gas discharge holes connected in the height direction of the gas diffusion space, and a gallium-containing gas introduction pipe extending in the horizontal direction, wherein the nitrogen-containing gas introduction member is disposed below the processing chamber. It is preferable to have a nitrogen-containing gas introduction pipe that is inserted and extends to the upper part of the processing chamber and has a plurality of gas discharge holes for discharging a nitrogen-containing gas toward the plurality of substrates to be processed.
本発明によれば、前記被処理基板の温度を850〜930℃、前記処理容器内の圧力を0.5〜1.8Torrにすることにより、クリーニングの負担を軽減し、高い生産性を得ることができ、かつ酸素による膜の汚染を抑制しつつ、窒化ガリウム膜を成膜することができる。 According to the present invention, the temperature of the substrate to be processed is set to 850 to 930 ° C., and the pressure in the processing container is set to 0.5 to 1.8 Torr, thereby reducing the burden of cleaning and obtaining high productivity. Thus, the gallium nitride film can be formed while suppressing contamination of the film by oxygen.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<本発明に至った経緯>
最初に、本発明に至った経緯について説明する。
従来から窒化ガリウム(GaN)膜の気相成長のための量産機として用いられているMOCVD装置やHVPE装置は、基本的に枚葉式のプラットフォームのコールドウォール型装置である。このような装置においては、常圧において1000℃以上の高温処理が行われるため、処理容器内のパーツとして耐熱性の高いSiCが用いられる。しかし、SiCには窒化ガリウムが成膜されるため、付着したGaNがパーティクル源となったり、処理容器内のパーツのクリーニングに多大なダウンタイムが発生したりしてしまう。
<Background to the Present Invention>
First, the background to the present invention will be described.
Conventionally, MOCVD apparatus and HVPE apparatus used as mass production machines for vapor phase growth of gallium nitride (GaN) films are basically single-wafer type cold wall type apparatuses. In such an apparatus, since high-temperature processing at 1000 ° C. or higher is performed at normal pressure, SiC having high heat resistance is used as a part in the processing container. However, since gallium nitride is deposited on SiC, the adhered GaN becomes a particle source, and a great downtime occurs in cleaning parts in the processing container.
一方、MBEによるGaN膜の気相成長では、高真空かつ低温(600〜900℃)でGaNを成膜するが生産性が悪いという問題がある。 On the other hand, vapor phase growth of a GaN film by MBE forms a GaN film at a high vacuum and a low temperature (600 to 900 ° C.), but there is a problem that productivity is poor.
これに対し、処理容器やパーツとしてとして石英を用いたホットウォール型装置である縦型バッチ式成膜装置は、生産性が高く、所定条件では石英にGaNが成膜されないことから、基板上に選択成膜することができ、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減できる可能性がある。このため、GaN膜の成膜装置として縦型バッチ式成膜装置が検討されてきた。そして、縦型バッチ式成膜装置でも、特許文献2のように、量産機と同様、成膜温度が1000℃またはそれ以上で成膜条件を模索していた。 On the other hand, the vertical batch type film forming apparatus, which is a hot wall type apparatus using quartz as a processing container or a part, has high productivity and does not deposit GaN on quartz under a predetermined condition. There is a possibility that selective film formation can be performed and the necessity of particle generation and cleaning can be reduced. For this reason, a vertical batch type film forming apparatus has been studied as a film forming apparatus for a GaN film. Even in the vertical batch type film forming apparatus, as in Patent Document 2, the film forming temperature is 1000 ° C. or higher as in the mass production machine, and the film forming conditions are searched.
しかし、縦型バッチ式成膜装置の場合は、成膜温度が1000℃またはそれ以上となると、石英(SiO2)が還元されて膜中に酸素が混入する危険性があることが判明した。また、従来は、サファイア基板をN化して1000℃またはそれ以上の成膜温度で成膜することによりGaNを成膜しており、得られるGaNはN面GaNであって、実際に形成したいGa面GaNは得られていなかった。 However, in the case of a vertical batch type film forming apparatus, it has been found that when the film forming temperature reaches 1000 ° C. or higher, there is a risk that quartz (SiO 2 ) is reduced and oxygen is mixed into the film. Conventionally, GaN is formed by forming a sapphire substrate and forming a film at a film forming temperature of 1000 ° C. or higher, and the obtained GaN is N-plane GaN, and Ga is actually formed. Planar GaN was not obtained.
一方、成膜温度が低い領域では石英にもGaNが成膜されるようになり、選択的な成膜ができなくなることが判明した。また、このような成膜性や成膜の選択性は成膜処理の際の圧力にも関係していることが判明した。 On the other hand, it has been found that GaN is deposited on quartz in a region where the deposition temperature is low, and selective deposition cannot be performed. It has also been found that such film formation properties and film formation selectivity are also related to the pressure during the film formation process.
そこで、検討を重ねた結果、縦型バッチ式成膜装置において成膜温度および圧力を最適化することにより、本来の高い生産性を維持しつつ、酸素による膜の汚染を抑制することができ、しかも石英にGaNが成膜されない選択的な成膜により、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができ、しかもGa面GaNとなることが見出された。 Therefore, as a result of repeated studies, by optimizing the film forming temperature and pressure in the vertical batch type film forming apparatus, it is possible to suppress the contamination of the film with oxygen while maintaining the original high productivity, In addition, it has been found that selective film formation in which GaN is not formed on quartz can reduce the need for particle generation and cleaning, and can be Ga-face GaN.
<成膜装置>
次に、本発明が適用されるバッチ式縦型熱処理装置として構成される成膜装置の概略構成について説明する。図1は、本発明が適用されるバッチ式縦型成膜装置の概略構成を示す断面図、図2は図1のII−II線による水平断面図である。なお、図1に示す縦断面は図2中のI−I線により切断したものである。
である。
<Deposition system>
Next, a schematic configuration of a film forming apparatus configured as a batch type vertical heat treatment apparatus to which the present invention is applied will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a batch type vertical film forming apparatus to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. Note that the longitudinal section shown in FIG. 1 is taken along the line II in FIG.
It is.
図1に示すように、縦型バッチ式成膜装置(以下成膜装置という)100は、有天井の円筒状の外管101と、外管101の内側に設けられ、有天井の円筒状の内管102とを備えている。外管101および内管102は、石英製であり、これらは処理容器として機能する。内管102の内部に、被処理基板であるサファイア基板1が複数収容され、収容された複数のサファイア基板1に対して一括して、III−V族化合物半導体膜であるGaN膜の成膜処理が行われる処理室103が形成される。 As shown in FIG. 1, a vertical batch-type film forming apparatus (hereinafter referred to as a film forming apparatus) 100 is provided with a cylindrical outer tube 101 having a ceiling and an inner side of the outer tube 101. And an inner tube 102. The outer tube 101 and the inner tube 102 are made of quartz, and these function as processing containers. A plurality of sapphire substrates 1 that are substrates to be processed are accommodated inside the inner tube 102, and a GaN film that is a group III-V compound semiconductor film is collectively formed on the accommodated plurality of sapphire substrates 1. A processing chamber 103 is formed.
内管102の側壁の一方には、処理室103の内部に成膜原料ガスとして塩化ガリウムガスを導入するガス導入部104が設けられている。ガス導入部104は処理室103の高さ方向に亘って形成されたガス拡散空間105aを備え、ガス拡散空間105aには、処理室103に向けてガスを吐出させるガス吐出孔105bを高さ方向に沿って複数有した拡散板105cが取り付けられている。 One side wall of the inner tube 102 is provided with a gas introduction part 104 for introducing gallium chloride gas as a film forming source gas into the processing chamber 103. The gas introduction unit 104 includes a gas diffusion space 105 a formed along the height direction of the processing chamber 103, and a gas discharge hole 105 b that discharges gas toward the processing chamber 103 is formed in the gas diffusion space 105 a in the height direction. A plurality of diffusion plates 105c are attached along the line.
内管102の内部には、ガス吐出孔105bから吐出される窒素を含むハイドライドガスを処理室103内に導入するために、2本のガス導入管106が配置されている。ガス導入管106は、内管102の下部から垂直に起立している。ガス導入管106にも、処理室103に向けてガスを吐出するガス吐出孔106a(図2参照)が高さ方向に沿って複数形成されている。さらに、内管102の内部には、ガス導入管106のほか、温度制御器107が設けられている(図2参照)。温度制御器107は、処理室103の内部の温度をモニタする。温度制御器107もまた、内管102の下部から垂直に起立している。 Two gas introduction pipes 106 are arranged inside the inner pipe 102 in order to introduce a hydride gas containing nitrogen discharged from the gas discharge holes 105 b into the processing chamber 103. The gas introduction pipe 106 stands vertically from the lower part of the inner pipe 102. A plurality of gas discharge holes 106 a (see FIG. 2) for discharging gas toward the processing chamber 103 are also formed in the gas introduction pipe 106 along the height direction. Furthermore, in addition to the gas introduction pipe 106, a temperature controller 107 is provided inside the inner pipe 102 (see FIG. 2). The temperature controller 107 monitors the temperature inside the processing chamber 103. The temperature controller 107 also stands vertically from the lower part of the inner tube 102.
内管102の側壁の他方には、処理室103内を排気する排気口が形成されている。排気口は、例えば、処理室103のゾーン毎に設けられ、本例においては、上段ゾーン排気口108a、中段ゾーン排気口108b、および下段ゾーン排気口108cの3つが設けられている。なお、ゾーンは4つ以上であってもよい。 An exhaust port for exhausting the inside of the processing chamber 103 is formed on the other side wall of the inner tube 102. For example, the exhaust port is provided for each zone of the processing chamber 103. In this example, three exhaust ports, an upper zone exhaust port 108a, a middle zone exhaust port 108b, and a lower zone exhaust port 108c are provided. There may be four or more zones.
排気口108a〜108cはそれぞれ、外管101と内管102とによって区画された空間に連通している。空間は排気空間109として機能し、排気空間109は排気管110を通じて、処理室103内を排気する排気装置111に接続される。排気装置111は、処理室103の内部の雰囲気を排気する。排気装置111は、APCのような圧力調節器(図示せず)を備えており、処理室103の内部の圧力を、処理に必要とされる圧力に調節しながら、処理室103の内部を排気することが可能とされている。 The exhaust ports 108a to 108c communicate with a space defined by the outer tube 101 and the inner tube 102, respectively. The space functions as an exhaust space 109, and the exhaust space 109 is connected through an exhaust pipe 110 to an exhaust device 111 that exhausts the inside of the processing chamber 103. The exhaust device 111 exhausts the atmosphere inside the processing chamber 103. The exhaust device 111 includes a pressure regulator (not shown) such as APC, and exhausts the inside of the processing chamber 103 while adjusting the pressure inside the processing chamber 103 to a pressure required for processing. It is possible to do.
外管101および内管102は、ベース部材112の開孔部112aに挿入されている。ベース部材112には、外管101の外側壁周囲を取り囲むように加熱装置113が設けられている。加熱装置113は、処理室103内に収容された複数枚のサファイア基板1を加熱する。 The outer tube 101 and the inner tube 102 are inserted into the opening 112 a of the base member 112. The base member 112 is provided with a heating device 113 so as to surround the periphery of the outer wall of the outer tube 101. The heating device 113 heats the plurality of sapphire substrates 1 accommodated in the processing chamber 103.
処理室103の下方は開口114となっている。基板載置治具であるボート115は、開口114を介して処理室103の内部に出し入れされる。ボート115は、石英製であり、石英製の複数本の支柱116を有している。支柱116には、複数の溝(図示せず)が形成されており、これらの溝により、複数枚、例えば50〜150枚のサファイア基板1が一括して支持される。このように複数枚のサファイア基板1を載置したボート115が、処理室103の内部に挿入されることで、処理室103の内部には、複数のサファイア基板1が収容される。 An opening 114 is provided below the processing chamber 103. A boat 115 which is a substrate placing jig is taken in and out of the processing chamber 103 through an opening 114. The boat 115 is made of quartz and has a plurality of columns 116 made of quartz. A plurality of grooves (not shown) are formed in the support column 116, and a plurality of, for example, 50 to 150 sapphire substrates 1 are collectively supported by these grooves. As described above, the boat 115 on which the plurality of sapphire substrates 1 are placed is inserted into the processing chamber 103, whereby the plurality of sapphire substrates 1 are accommodated in the processing chamber 103.
ボート115は、石英製の保温筒117を介してテーブル118の上に載置される。テーブル118は、例えば、ステンレススチール製の蓋部119を貫通する回転軸120上に支持される。成膜している間、回転軸120は回転してボート115を回転させるようになっている。 The boat 115 is placed on the table 118 via a quartz heat insulating cylinder 117. The table 118 is supported on a rotating shaft 120 that penetrates a lid portion 119 made of, for example, stainless steel. During film formation, the rotating shaft 120 rotates to rotate the boat 115.
蓋部119は、開口114を開閉する。蓋部119の貫通部には、例えば、磁性流体シール121が設けられ、回転軸120を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部119の周辺部と、例えば、内管102の下端部との間には、例えば、Oリングよりなるシール部材122が介設され、処理室103の内部のシール性を保持している。回転軸120は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構(図示せず)に支持されたアーム123の先端に取り付けられている。これにより、ボート115および蓋部119等は、一体的に高さ方向に昇降されて処理室103に対して挿脱される。 The lid 119 opens and closes the opening 114. For example, a magnetic fluid seal 121 is provided in the penetrating portion of the lid portion 119 and supports the rotary shaft 120 so as to be rotatable while hermetically sealing. In addition, a sealing member 122 made of, for example, an O-ring is interposed between the peripheral portion of the lid portion 119 and the lower end portion of the inner tube 102, for example, to maintain the sealing performance inside the processing chamber 103. Yes. The rotating shaft 120 is attached to the tip of an arm 123 supported by an elevating mechanism (not shown) such as a boat elevator, for example. Accordingly, the boat 115, the lid portion 119, and the like are integrally moved up and down in the height direction and inserted into and removed from the processing chamber 103.
成膜装置100は、処理ガス供給機構130を有している。処理ガス供給機構130は、処理室103の内部に連通されるガス供給路124a〜124dを有し、ガス供給路124a〜124dを介して処理に使用するガスを、処理室103の内部に供給する。ガス供給路124a〜124cは一つのガス供給路124eから分岐している。 The film forming apparatus 100 includes a processing gas supply mechanism 130. The processing gas supply mechanism 130 has gas supply paths 124 a to 124 d communicating with the inside of the processing chamber 103, and supplies gas used for processing into the processing chamber 103 via the gas supply paths 124 a to 124 d. . The gas supply paths 124a to 124c are branched from one gas supply path 124e.
処理ガス供給機構130は、窒素(N)を含むハイドライド(水素化物)ガスを供給するハイドライドガス供給源131a、キャリアガスを供給するキャリアガス供給源131b、および塩化ガリウムを供給する塩化ガリウムガス供給源131cを含んでいる。 The processing gas supply mechanism 130 includes a hydride gas supply source 131a for supplying hydride (hydride) gas containing nitrogen (N), a carrier gas supply source 131b for supplying carrier gas, and a gallium chloride gas supply source for supplying gallium chloride. 131c is included.
ハイドライドガス供給源131aは、ガス供給路124dにより、流量制御器(MFC)132aおよび開閉弁133aを介して、ガス導入管106に接続されている。ガス導入管106は、処理室103の内部に、ハイドライドガスを供給するガス供給路124dを構成する。ハイドライドガス供給源131aは、2本のガス導入管106を介してNを含むハイドライドガスとしてアンモニア(NH3)ガスを、処理室103の内部に供給する。 The hydride gas supply source 131a is connected to the gas introduction pipe 106 via a flow rate controller (MFC) 132a and an on-off valve 133a by a gas supply path 124d. The gas introduction pipe 106 constitutes a gas supply path 124 d for supplying hydride gas inside the processing chamber 103. The hydride gas supply source 131 a supplies ammonia (NH 3 ) gas into the processing chamber 103 as a hydride gas containing N via two gas introduction pipes 106.
キャリアガス供給源131bにはガス流路124fが接続されており、ガス流路124fは、流量制御器(MFC)132bおよび開閉弁133bを介して塩化ガリウムガス供給源131cに接続されている。キャリアガスとしては、N2ガスやArガス等の不活性ガスを用いることができる。 A gas flow path 124f is connected to the carrier gas supply source 131b, and the gas flow path 124f is connected to a gallium chloride gas supply source 131c via a flow rate controller (MFC) 132b and an on-off valve 133b. As the carrier gas, an inert gas such as N 2 gas or Ar gas can be used.
また、塩化ガリウムガス供給源131cにはガス供給路124eの端部が接続されており、ガス供給路124eには、塩化ガリウムガス供給源131c側の開閉弁133fと、ガス供給路124a〜124cに分岐する分岐部側の開閉弁133dとが接続されている。開閉弁133bおよび133fは、塩化ガリウムガス供給源131cの近傍に設けられており、ガス流路124fおよび124eのそれぞれの開閉弁133bおよび133fの上方部分には、ガス流路ガス流路124fおよび124eの間にバイパス開閉弁133cが設けられている。 An end of a gas supply path 124e is connected to the gallium chloride gas supply source 131c, and the gas supply path 124e is connected to an on-off valve 133f on the gallium chloride gas supply source 131c side and gas supply paths 124a to 124c. An opening / closing valve 133d on the branching portion side to be branched is connected. The on-off valves 133b and 133f are provided in the vicinity of the gallium chloride gas supply source 131c, and the gas passage gas passages 124f and 124e are provided above the on-off valves 133b and 133f of the gas passages 124f and 124e, respectively. A bypass opening / closing valve 133c is provided between the two.
塩化ガリウムガス供給源131cは、恒温槽134と、恒温槽134を加熱するヒータ135とを含んで構成される。恒温槽134には塩化ガリウムとして常温で固体の塩化物である三塩化ガリウム(GaCl3)が恒温槽134に収容される。恒温槽134にはガス供給路124fおよび124eが挿入されている。 The gallium chloride gas supply source 131 c includes a thermostatic chamber 134 and a heater 135 that heats the thermostatic chamber 134. The thermostat 134 contains gallium trichloride (GaCl 3 ), which is a solid chloride at room temperature, as gallium chloride. Gas supply paths 124f and 124e are inserted into the thermostatic chamber 134.
固体のGaCl3を恒温槽134に収容し、これをヒータ135を用いて85℃程度に加熱すると、固体のGaCl3は気化してGaCl3の蒸気(GaCl3ガス)が発生する。GaCl3ガスは、開閉弁133bを開き、恒温槽134にキャリアガスを導入するとともに、開閉弁133fおよび133dを開くことにより、キャリアガスとともに、ガス供給路124eおよびガス供給路124a〜124cを介してガス導入部104に導入される。GaCl3ガスは、ガス導入部104を介して処理室103の内部に供給される。 When solid GaCl 3 is accommodated in the thermostatic chamber 134 and heated to about 85 ° C. using the heater 135, the solid GaCl 3 is vaporized and GaCl 3 vapor (GaCl 3 gas) is generated. The GaCl 3 gas opens the on-off valve 133b, introduces the carrier gas into the thermostatic chamber 134, and opens the on-off valves 133f and 133d, thereby supplying the carrier gas together with the gas supply path 124e and the gas supply paths 124a to 124c. It is introduced into the gas introduction unit 104. GaCl 3 gas is supplied into the processing chamber 103 via the gas introduction unit 104.
このようにガス導入部104からは、成膜しようとするGaN膜のうちGaを含むガスが、また、ガス導入管106からは、Nを含むガスが、処理室103内に複数配置されたサファイア基板1の成膜面に沿って供給される。 As described above, a gas containing Ga in the GaN film to be formed is formed from the gas introduction unit 104, and a plurality of gases containing N are arranged in the processing chamber 103 from the gas introduction pipe 106. It is supplied along the film formation surface of the substrate 1.
図3に、ガス供給路124a〜124cの一例を拡大して示す。
図3に示すように、ガス供給路124a〜124cは、第1のガス導入管125と、第1のガス導入管125に接続された第2のガス導入管126とを備えている。第1のガス導入管125は石英製である。第1のガス導入管125は水平方向に設けられている。第1のガス導入管125の一端は、加熱装置113に設けられたスリット113a(図2参照)を介してガス導入部104のガス拡散空間105aに接続される。第1のガス導入管125の他端は基部127に接続されている。基部127は、第1のガス導入管125の他端を塞ぐとともに、第2のガス導入管126を第1のガス導入管125の内部へ挿入する役目を果たす。本例では、基部127の中央部分を通じて第2のガス導入管126が、第1のガス導入管125の内部へと挿入されている。これにより、第2のガス導入管126の一端は第1のガス導入管125の内部へと通じ、他端はガス供給路124eを構成する配管に接続される。第2のガス導入管126の径は、第1のガス導入管125の径よりも細く、第1のガス導入管125の内部において、第2のガス導入管126の外側表面と第1のガス導入管125の内側表面との間には隙間が生じている。
FIG. 3 shows an enlarged example of the gas supply paths 124a to 124c.
As shown in FIG. 3, the gas supply paths 124 a to 124 c include a first gas introduction pipe 125 and a second gas introduction pipe 126 connected to the first gas introduction pipe 125. The first gas introduction pipe 125 is made of quartz. The first gas introduction pipe 125 is provided in the horizontal direction. One end of the first gas introduction pipe 125 is connected to the gas diffusion space 105a of the gas introduction unit 104 through a slit 113a (see FIG. 2) provided in the heating device 113. The other end of the first gas introduction pipe 125 is connected to the base 127. The base 127 serves to close the other end of the first gas introduction pipe 125 and to insert the second gas introduction pipe 126 into the first gas introduction pipe 125. In this example, the second gas introduction pipe 126 is inserted into the first gas introduction pipe 125 through the central portion of the base 127. Thereby, one end of the second gas introduction pipe 126 communicates with the inside of the first gas introduction pipe 125, and the other end is connected to a pipe constituting the gas supply path 124e. The diameter of the second gas introduction pipe 126 is smaller than the diameter of the first gas introduction pipe 125, and the outer surface of the second gas introduction pipe 126 and the first gas are formed inside the first gas introduction pipe 125. There is a gap between the inner surface of the introduction pipe 125.
また、キャリアガス供給源131bから延びるガス供給路124fの流量制御器(MFC)132bより下流側の部分からは、ガス供給路124gが分岐し、開閉弁133eを介してハイドライドガス供給源131aから延びるガス供給路124dに接続されている。 A gas supply path 124g branches from a portion of the gas supply path 124f extending from the carrier gas supply source 131b downstream of the flow rate controller (MFC) 132b, and extends from the hydride gas supply source 131a via the on-off valve 133e. It is connected to the gas supply path 124d.
キャリアガス供給源131bから供給される不活性ガスは、塩化ガリウムガス(GaCl3ガス)をピックアップして運ぶキャリアガスとしての役目のほか、開閉弁133bを閉じ、バイパス開閉弁133cと開閉弁133d、および/または開閉弁133eを開くことで、ガス供給路124a〜124dの内部、ガス導入部104の内部、ガス導入管106aおよび106bの内部、ならびに処理室103の内部をパージするパージガスとしても利用することができる。 The inert gas supplied from the carrier gas supply source 131b serves as a carrier gas that picks up and carries gallium chloride gas (GaCl 3 gas), closes the on-off valve 133b, and bypasses the on-off valve 133c and the on-off valve 133d, And / or by opening the on-off valve 133e, it is also used as a purge gas for purging the inside of the gas supply paths 124a to 124d, the inside of the gas introduction unit 104, the inside of the gas introduction pipes 106a and 106b, and the inside of the processing chamber 103. be able to.
例えば、開閉弁133bを閉じ、バイパス開閉弁133c、開閉弁133d、および開閉弁133eを開くと、ガス供給路124a〜124dを介して、ガス導入部104およびガス導入管106の双方にガスが供給され、ガス供給路124a〜124dの内部、ガス導入部104の内部、ガス導入管106の内部、および処理室103の内部をパージすることができる。 For example, when the on-off valve 133b is closed and the bypass on-off valve 133c, the on-off valve 133d, and the on-off valve 133e are opened, gas is supplied to both the gas introduction unit 104 and the gas introduction pipe 106 via the gas supply paths 124a to 124d. Then, the inside of the gas supply paths 124a to 124d, the inside of the gas introduction unit 104, the inside of the gas introduction pipe 106, and the inside of the processing chamber 103 can be purged.
また、開閉弁133b、133eを閉じ、バイパス開閉弁133c、および開閉弁133dを開くと、ガス供給路124a〜124c、およびガス導入部104にガスが供給され、ガス供給路124a〜124cの内部、ガス導入部104の内部、および処理室103の内部をパージすることができる。 Further, when the on-off valves 133b and 133e are closed and the bypass on-off valve 133c and the on-off valve 133d are opened, gas is supplied to the gas supply paths 124a to 124c and the gas introduction unit 104, and the inside of the gas supply paths 124a to 124c, The inside of the gas introduction unit 104 and the inside of the processing chamber 103 can be purged.
また、開閉弁133b、133cを閉じ、開閉弁133eを開くと、ガス供給路124d、およびガス導入管106にガスが供給され、ガス供給路124dの内部、ガス導入管106の内部、および処理室103の内部をパージすることができる。 Further, when the on-off valves 133b and 133c are closed and the on-off valve 133e is opened, gas is supplied to the gas supply passage 124d and the gas introduction pipe 106, and the inside of the gas supply passage 124d, the inside of the gas introduction pipe 106, and the processing chamber. The interior of 103 can be purged.
成膜装置100は、さらに、クリーニングガス供給機構140を有している。クリーニングガス供給機構140は、クリーニングガス供給源141を備えている。クリーニングガス供給源141は、クリーニングガス供給路144aを介してガス供給路124a〜124cに接続され、クリーニングガス供給路144bを介してガス供給路124dに接続されている。クリーニングガス供給路144aには流量制御器142aおよび開閉弁143aが設けられ、クリーニングガス供給路144bには流量制御器142bおよび開閉弁143bが設けられている。これにより、クリーニング処理に使用するクリーニングガスは、ガス供給路124a〜124c、ガス導入部104を介して処理室103の内部に供給されることができ、また、ガス供給路124d、ガス導入管106を介して処理室103の内部に供給することもできる。 The film forming apparatus 100 further includes a cleaning gas supply mechanism 140. The cleaning gas supply mechanism 140 includes a cleaning gas supply source 141. The cleaning gas supply source 141 is connected to the gas supply paths 124a to 124c via the cleaning gas supply path 144a, and is connected to the gas supply path 124d via the cleaning gas supply path 144b. The cleaning gas supply path 144a is provided with a flow rate controller 142a and an on-off valve 143a, and the cleaning gas supply path 144b is provided with a flow rate controller 142b and an on-off valve 143b. As a result, the cleaning gas used for the cleaning process can be supplied into the processing chamber 103 via the gas supply paths 124 a to 124 c and the gas introduction unit 104, and the gas supply path 124 d and the gas introduction pipe 106. It is also possible to supply the inside of the processing chamber 103 via
クリーニングガスとしては、GaNをエッチングすることができ、石英をエッチングし難い塩素含有ガスを用いることができる。特に、塩素ガス(Cl2ガス)は石英をほとんどエッチングしないので好ましい。このため、クリーニングガス供給機構140により、処理容器である内管102の内壁や処理室103内のパーツ、配管類等をin−situクリーニングすることができる。 As the cleaning gas, a chlorine-containing gas that can etch GaN and hardly etch quartz can be used. In particular, chlorine gas (Cl 2 gas) is preferable because it hardly etches quartz. For this reason, the cleaning gas supply mechanism 140 can in-situ clean the inner wall of the inner tube 102 as a processing container, the parts in the processing chamber 103, piping, and the like.
成膜装置100は、さらに、制御部150を有している。制御部150は、成膜装置100の各構成部、例えばバルブ類、流量制御器であるマスフローコントローラ、昇降機構等の駆動機構、ヒータ電源等を制御する。制御部150は、CPU(コンピュータ)を有し、上記各構成部の制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置100で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置100により所定の成膜処理が行われるように制御する。 The film forming apparatus 100 further includes a control unit 150. The control unit 150 controls each component of the film forming apparatus 100, such as valves, a mass flow controller that is a flow rate controller, a driving mechanism such as a lifting mechanism, a heater power source, and the like. The control unit 150 includes a CPU (computer), and includes a main control unit that controls each of the above components, an input device, an output device, a display device, and a storage device. In the storage device, a program for controlling processing executed by the film forming apparatus 100, that is, a storage medium storing a processing recipe is set, and the main control unit stores a predetermined processing recipe stored in the storage medium. The film forming apparatus 100 performs control so that a predetermined film forming process is performed based on the processing recipe.
<GaNの成膜方法>
次に、図1の成膜装置により実施される、本発明のGaN膜の成膜方法について説明する。以下の処理動作は制御部150における記憶部の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて実行される。
<GaN deposition method>
Next, a method for forming a GaN film according to the present invention, which is performed by the film forming apparatus shown in FIG. 1, will be described. The following processing operations are executed based on the processing recipe stored in the storage medium of the storage unit in the control unit 150.
まず、被処理基板であるサファイア基板1をボート115に複数枚、例えば50〜150枚搭載し、テーブル118に保温筒117を介してボート115を載置し、昇降機構によりアーム123を上昇させることにより、下方開口部から処理室103へボート115を挿入し、蓋部119により開口114を密閉し、処理室103を密閉空間とする。 First, a plurality of, for example, 50 to 150, sapphire substrates 1, which are substrates to be processed, are mounted on the boat 115, the boat 115 is placed on the table 118 via the heat retaining cylinder 117, and the arm 123 is raised by the lifting mechanism. Thus, the boat 115 is inserted into the processing chamber 103 from the lower opening, the opening 114 is sealed by the lid 119, and the processing chamber 103 is set as a sealed space.
そして、キャリアガスをパージガスとして処理室103内に供給しつつ、処理室103内の圧力を所定の範囲に制御し、加熱装置113により処理室103内に収容された複数枚のサファイア基板1の温度を所定の範囲に制御する。 Then, while supplying the carrier gas as the purge gas into the processing chamber 103, the pressure in the processing chamber 103 is controlled to a predetermined range, and the temperature of the plurality of sapphire substrates 1 accommodated in the processing chamber 103 by the heating device 113 is controlled. Is controlled within a predetermined range.
その後、塩化ガリウムであるGaCl3ガスおよびNを含むハイドライドガスであるNH3ガスを処理室103内に供給する。 Thereafter, GaCl 3 gas which is gallium chloride and NH 3 gas which is a hydride gas containing N are supplied into the processing chamber 103.
塩化ガリウムであるGaCl3ガスの供給に際しては、塩化ガリウムガス供給源131cの恒温槽134に収容され固体のGaCl3をヒータ135により気化させ、恒温槽134にキャリアガス供給源131bからキャリアガスを導入するとともに、開閉弁133fおよび133dを開く。これにより、GaCl3ガスは、キャリアガスとともにガス供給路124eおよびガス供給路124a〜124cを介してガス導入部104に導入され、ガス導入部104から処理室103に均一に供給される。 When supplying the GaCl 3 gas which is gallium chloride, the solid GaCl 3 contained in the thermostatic chamber 134 of the gallium chloride gas supply source 131c is vaporized by the heater 135, and the carrier gas is introduced into the thermostatic chamber 134 from the carrier gas supply source 131b. At the same time, the on-off valves 133f and 133d are opened. Thus, the GaCl 3 gas is introduced into the gas introduction unit 104 through the gas supply path 124e and the gas supply paths 124a to 124c together with the carrier gas, and is uniformly supplied from the gas introduction part 104 to the processing chamber 103.
また、Nを含むハイドライドガスであるNH3ガスの供給に際しては、ハイドライドガス供給源131aからNH3ガスを、ガス供給路124dおよびガス導入管106のガス吐出孔106aを介して処理室103に均一に供給される。 Further, when supplying NH 3 gas which is hydride gas containing N, NH 3 gas is uniformly supplied from the hydride gas supply source 131 a to the processing chamber 103 through the gas supply path 124 d and the gas discharge hole 106 a of the gas introduction pipe 106. To be supplied.
GaN膜の気相成長に際しては、GaCl3ガスとNH3ガスとを、処理室103内のパージを挟んで交互に供給する原子層堆積法(Atomic Layer Deposition)を好適に用いることができる。GaCl3ガスとNH3ガスとを同時に供給してもよい。このように成膜することにより、1〜10μm程度の膜厚のGaN膜を気相成長(エピタキシャル成長)させる。 At the time of vapor phase growth of the GaN film, an atomic layer deposition method (Atomic Layer Deposition) in which GaCl 3 gas and NH 3 gas are alternately supplied with a purge in the processing chamber 103 interposed therebetween can be suitably used. GaCl 3 gas and NH 3 gas may be supplied simultaneously. By forming the film in this way, a GaN film having a thickness of about 1 to 10 μm is vapor-phase grown (epitaxial growth).
このようなGaN膜の気相成長においては、処理室103内の圧力および処理室103内の温度(基板温度)が最適になるように制御される。 In such vapor phase growth of the GaN film, the pressure in the processing chamber 103 and the temperature in the processing chamber 103 (substrate temperature) are controlled to be optimum.
本実施形態のような石英を用いた縦型バッチ式成膜装置の場合、条件を選択することにより石英にGaN膜が形成され難いこと、および生産性が高いこと等の利点があるが、従来の量産機であるMOCVD装置やHVPE装置で用いられている1000℃またはそれ以上の高温では、石英(SiO2)が還元されて膜中に酸素が混入する危険性がある。 In the case of a vertical batch type film forming apparatus using quartz as in the present embodiment, there are advantages such that it is difficult to form a GaN film on quartz by selecting conditions, and that productivity is high. At a high temperature of 1000 ° C. or higher used in MOCVD apparatus and HVPE apparatus that are mass production machines, there is a risk that quartz (SiO 2 ) is reduced and oxygen is mixed into the film.
そこで、まず、酸素等の不純物と温度との関係を調査した。図4は、成膜温度と、膜中の不純物である酸素(O)、水素(H)、炭素(C)の量との関係を示す図である。図4に示すように、Cの量は温度によって大きく変化しないが、OおよびHの量は940℃以上で急激に上昇することがわかる。 First, the relationship between oxygen and other impurities and temperature was investigated. FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the film formation temperature and the amounts of oxygen (O), hydrogen (H), and carbon (C) that are impurities in the film. As shown in FIG. 4, the amount of C does not change greatly with temperature, but the amounts of O and H increase rapidly at 940 ° C. or higher.
したがって、膜中に酸素等の不純物を効果的に抑制するためには、成膜温度を930℃以下にする。また、このような低温においては、Ga面GaN膜がえられる。また、930℃以下の温度で良好な生産性(成長成膜速度)を得るためには、処理室103内の圧力が1.8Torr(240Pa)以下であることが好ましい。温度および圧力をこの範囲にすることにより、1〜8μm/hの成膜速度が得られる。 Therefore, in order to effectively suppress impurities such as oxygen in the film, the film forming temperature is set to 930 ° C. or lower. Moreover, a Ga-plane GaN film is obtained at such a low temperature. In order to obtain good productivity (growth film formation rate) at a temperature of 930 ° C. or lower, the pressure in the processing chamber 103 is preferably 1.8 Torr (240 Pa) or lower. By setting the temperature and pressure within this range, a film formation rate of 1 to 8 μm / h can be obtained.
また、GaNは、石英(SiO2)に対して選択性を有する。すなわち、GaNは石英には成膜されない性質を有する。このような選択性は、酸素等の不純物を抑制可能な930℃以下において発揮され、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができる。図5は875〜930℃における下地の違いによるGaN膜の成膜性を示すSEM写真であり、下地がGaNで右側に厚さ50nmのSiO2マスクを形成した場合を示す。ただし、SiO2マスクは薄いので図5では見えていない。図5に示すように、GaN膜はSiO2マスク上に物理的にかぶさるのみで、SiO2マスク上に成膜しないことがわかる。このことからGaN膜が石英上に成膜されない選択性を有することが確認される。しかし、成膜温度が850℃より低くなると石英との選択性が発揮され難くなり、石英にGaN膜が形成されるようになる。したがって、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減する観点から処理室103内の温度(基板温度)を850℃以上とする。 GaN has selectivity with respect to quartz (SiO 2 ). That is, GaN has a property that it is not formed on quartz. Such selectivity is exhibited at 930 ° C. or lower where impurities such as oxygen can be suppressed, and the need for particle generation and cleaning can be reduced. FIG. 5 is an SEM photograph showing the film forming properties of the GaN film depending on the base at 875 to 930 ° C., and shows the case where the base is GaN and a SiO 2 mask having a thickness of 50 nm is formed on the right side. However, since the SiO 2 mask is thin, it is not visible in FIG. As shown in FIG. 5, GaN film only covers the physical on SiO 2 mask, it can be seen that not deposited on the SiO 2 mask. This confirms that the GaN film has selectivity so that it is not formed on quartz. However, when the film forming temperature is lower than 850 ° C., selectivity with quartz is hardly exhibited, and a GaN film is formed on quartz. Therefore, the temperature (substrate temperature) in the processing chamber 103 is set to 850 ° C. or more from the viewpoint of reducing the need for particle generation and cleaning.
一方、上述したように、温度が850〜930℃の範囲において、処理室103内の圧力が1.8Torr(240Pa)以下で良好な成膜速度が得られるが、圧力が0.5Torr(66.7Pa)より低いと、基板上にほとんど成膜されなくなる。 On the other hand, as described above, in the temperature range of 850 to 930 ° C., a good film forming speed can be obtained when the pressure in the processing chamber 103 is 1.8 Torr (240 Pa) or less, but the pressure is 0.5 Torr (66. If it is lower than 7 Pa), almost no film is formed on the substrate.
以上のように、温度を850〜930℃の範囲、圧力を0.5〜1.8Torr(66.7〜240Pa)の範囲内とすることで、縦型バッチ式成膜装置本来の高い生産性を維持しつつ、酸素による膜の汚染を抑制してGa面GaN膜を得ることができ、石英にGaNが成膜されない選択的な成膜により、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができる。 As described above, by setting the temperature in the range of 850 to 930 ° C. and the pressure in the range of 0.5 to 1.8 Torr (66.7 to 240 Pa), the original high productivity of the vertical batch type film forming apparatus. The Ga-face GaN film can be obtained while suppressing the contamination of the film with oxygen, and the selective film formation with no GaN film on quartz can reduce the need for particle generation and cleaning. it can.
温度および圧力のより好ましい範囲は、900〜930℃、0.5〜1.0Torr(66.5〜133Pa)である。この範囲で、処理容器等を構成する石英へGaN膜が成長しない選択性をより高めることができ、汚染することなく高品質な成膜を維持することができる。 More preferable ranges of temperature and pressure are 900 to 930 ° C. and 0.5 to 1.0 Torr (66.5 to 133 Pa). Within this range, it is possible to further increase the selectivity with which a GaN film does not grow on quartz constituting the processing container and the like, and it is possible to maintain high-quality film formation without contamination.
なお、処理室103の圧力が15Torr(2000Pa)を超えると石英の白濁または成膜されない状態となる。また、温度が950℃を超えると、Ga面GaNが成膜されなくなる。 Note that when the pressure in the processing chamber 103 exceeds 15 Torr (2000 Pa), quartz becomes cloudy or no film is formed. On the other hand, when the temperature exceeds 950 ° C., Ga-plane GaN is not formed.
以上のような温度および圧力による成膜状況をまとめて図6に示す。 FIG. 6 shows a summary of the film formation state at the above temperature and pressure.
また、成膜する際のガス流量としては、
キャリアガス(N2ガス):50〜100sccm
(GaCl3:5〜10sccm相当)
NH3ガス:3〜5slm
とすることができる。
In addition, as the gas flow rate during film formation,
Carrier gas (N 2 gas): 50-100 sccm
(GaCl 3 : equivalent to 5-10 sccm)
NH 3 gas: 3-5 slm
It can be.
また、本実施形態の成膜装置100は、以上のように処理容器を構成する内管102、外管101、および処理室内およびその近傍に存在するパーツであるボート115、ガス導入部104、ガス導入管106等の全てが石英で構成されているため、クリーニングガス供給機構140により塩素含有ガスを用いてin−situクリーニングが可能である。 In addition, the film forming apparatus 100 according to the present embodiment includes the inner tube 102, the outer tube 101, and the boat 115, the gas introduction unit 104, and the gas that are present in the processing chamber and in the vicinity thereof. Since all of the introduction pipe 106 and the like are made of quartz, the cleaning gas supply mechanism 140 can perform in-situ cleaning using a chlorine-containing gas.
クリーニングの際には、クリーニングガス供給機構140のクリーニングガス供給源141から、クリーニングガスとして塩素含有ガス、好ましくは、Cl2ガスを、クリーニングガス供給路144aを介してガス供給路124a〜124cに供給し、クリーニングガス供給路144bを介してガス供給路124dに供給する。これにより、クリーニングガスをガス供給路124a〜124cからガス導入部104を介して処理室103の内部に供給し、また、ガス供給路124dからガス導入管106を介して処理室103の内部に供給してクリーニングを行う。 At the time of cleaning, a chlorine-containing gas, preferably Cl 2 gas, is supplied as a cleaning gas from the cleaning gas supply source 141 of the cleaning gas supply mechanism 140 to the gas supply paths 124a to 124c via the cleaning gas supply path 144a. Then, the gas is supplied to the gas supply path 124d through the cleaning gas supply path 144b. Accordingly, the cleaning gas is supplied from the gas supply paths 124 a to 124 c to the inside of the processing chamber 103 through the gas introduction unit 104, and is supplied from the gas supply path 124 d to the inside of the processing chamber 103 through the gas introduction pipe 106. And perform cleaning.
縦型バッチ式成膜装置のin−situクリーニングについては、上記特許文献3(特許6026351号公報)に詳細に記載されており、その記載も本明細書に含まれるものとする。 The in-situ cleaning of the vertical batch type film forming apparatus is described in detail in Patent Document 3 (Japanese Patent No. 6026351), and the description thereof is also included in this specification.
本実施形態では上述したように、石英へのGaN膜の付着が抑制された条件でGaN膜の成膜を行うので、パーティクルの発生やクリーニングの必要性が低いが、たとえGaN膜が付着したとしても、クリーニングガス供給機構140によるin−situクリーニングにより、付着したGaN膜を容易に除去することができ、高いメンテナンス性を確保することができる。 In the present embodiment, as described above, since the GaN film is formed under the condition that the adhesion of the GaN film to the quartz is suppressed, the generation of particles and the necessity for cleaning are low. In addition, the attached GaN film can be easily removed by in-situ cleaning by the cleaning gas supply mechanism 140, and high maintainability can be ensured.
また、GaCl3は熱分解温度が700℃と低く、また、比較的大きな量を必要とするため、従来のような垂直のガス導入管を用いると、GaN膜の成膜温度では処理室103内のサファイア基板1に到達するまでに熱分解して、サファイア基板に対して十分に供給できないおそれがある。このため、本実施形態では、第1のガス導入管125を、水平方向に配置することによって、GaCl3ガスの助走距離を短くし、第1のガス導入管125の内部、ガス導入部104の内部、および処理室103内部における熱分解を抑制し、高い活性度を維持したままで処理室103内に供給することができる。これにより、GaCl3ガスをより効率的にサファイア基板1に供給してGaN膜の成膜に寄与させることが可能となる。また、水平に配置した第1のガス導入管125を縦方向に複数配置し、ガス導入部104のガス拡散空間105aで拡散させて処理室103に供給することにより、GaCl3ガスをより均一に供給することができる。 Moreover, since the thermal decomposition temperature of GaCl 3 is as low as 700 ° C. and requires a relatively large amount, if a conventional vertical gas introduction tube is used, the GaN film is formed at a temperature within the processing chamber 103. There is a possibility that the material cannot be sufficiently supplied to the sapphire substrate due to thermal decomposition before reaching the sapphire substrate 1. For this reason, in this embodiment, the first gas introduction pipe 125 is disposed in the horizontal direction, thereby shortening the run distance of the GaCl 3 gas, and the inside of the first gas introduction pipe 125, the gas introduction part 104. Thermal decomposition in the inside of the processing chamber 103 and inside the processing chamber 103 can be suppressed and supplied into the processing chamber 103 while maintaining high activity. As a result, GaCl 3 gas can be more efficiently supplied to the sapphire substrate 1 and contribute to the formation of the GaN film. Further, a plurality of first gas introduction pipes 125 arranged horizontally are arranged in the vertical direction, diffused in the gas diffusion space 105a of the gas introduction unit 104, and supplied to the processing chamber 103, thereby making the GaCl 3 gas more uniform. Can be supplied.
また、例えば、Nを含むハイドライドガスとして用いるNH3ガスのように、高い活性化エネルギーが必要なガスについては、反対に助走距離を長くする。本例では、NH3ガスを、縦に長い処理室103内に、内管102の下部から垂直に起立する2本のガス導入管106中を助走させる。助走距離を長くすることで、NH3ガスには熱エネルギーがさらに加えられるようになり、活性度をさらに向上させることができるという利点を得ることができる。これにより、例えば、NH3ガスをより高い活性度で処理室103内に供給することができ、アンモニアガスをより効率的に化合物半導体膜であるGaN膜の成膜に寄与させることも可能となる。 In contrast, for a gas that requires high activation energy, such as NH 3 gas used as a hydride gas containing N, the running distance is increased. In this example, NH 3 gas is run through two gas introduction pipes 106 standing vertically from the lower part of the inner pipe 102 in a vertically long processing chamber 103. By increasing the run-up distance, the thermal energy can be further added to the NH 3 gas, and the advantage that the activity can be further improved can be obtained. Accordingly, for example, NH 3 gas can be supplied into the processing chamber 103 with higher activity, and ammonia gas can be more efficiently contributed to the formation of a GaN film that is a compound semiconductor film. .
本実施形態では、このように熱分解を抑制したいGaCl3ガスと熱的に活性化させたいNH3ガスを、それぞれに適した供給手法で別個に供給することで、上記温度範囲において、処理室103内のサファイア基板1の表面で最適な反応を生じさせることができる。 In the present embodiment, the GaCl 3 gas that is desired to suppress thermal decomposition and the NH 3 gas that is thermally activated are separately supplied by a supply method suitable for each in the above-described temperature range. An optimum reaction can be caused on the surface of the sapphire substrate 1 in the substrate 103.
<他の適用>
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
<Other applications>
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施の形態では、Ga含有ガスとして塩化ガリウムであるGaCl3ガスを用い、N含有ガスとしてNを含有するハイドライドガスであるNH3ガスを用いてHVPEによりGaN膜を成膜する例を示したが、他のGa含有ガスおよび他のN含有ガスを用いてもよい。例えばGa含有ガスとして、トリメチルガリウム等の有機金属原料を用いてMOCVDによりGaN膜を成膜してもよい。ただし、Ga原料としてトリメチルガリウム等のGaCl3よりも熱分解温度が低いガスを用いる場合には、成膜温度を低くしたり、助走距離をさらに短くする等の工夫が必要である。また、N含有ガスとしては、ヒドラジンを用いることもできる。 For example, in the above-described embodiment, an example in which a GaN film is formed by HVPE using GaCl 3 gas that is gallium chloride as the Ga-containing gas and NH 3 gas that is a hydride gas containing N as the N-containing gas. Although shown, other Ga-containing gases and other N-containing gases may be used. For example, a GaN film may be formed by MOCVD using an organometallic raw material such as trimethylgallium as a Ga-containing gas. However, when a gas having a lower thermal decomposition temperature than GaCl 3 such as trimethylgallium is used as the Ga raw material, it is necessary to devise measures such as lowering the film forming temperature and further shortening the running distance. Moreover, hydrazine can also be used as the N-containing gas.
また、上記実施の形態ではGa含有ガスとN含有ガスによりGaN膜を気相成長する場合について示したが、GaNに他の元素をドープしてもよい。さらに、上記実施形態では基板としてサファイア基板を用いた例を示したが、GaNがエピタキシャル成長できれば、他の基板であってもよい。 Moreover, although the case where the GaN film was vapor-phase grown with the Ga-containing gas and the N-containing gas was shown in the above embodiment, GaN may be doped with other elements. Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which a sapphire substrate is used as a substrate has been shown, but other substrates may be used as long as GaN can be epitaxially grown.
1;サファイア基板(基板)
100;成膜装置
101;外管
102;内管
103;処理室
104;ガス導入部
106;ガス導入管
111;排気装置
113;加熱装置
115;ボート
124a〜124g;ガス供給路
125;第1のガス導入管
126;第2のガス導入管
130;処理ガス供給機構
140;クリーニングガス供給機構
150;制御装置
1: Sapphire substrate (substrate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100; Film-forming apparatus 101; Outer tube 102; Inner tube 103; Processing chamber 104; Gas introduction part 106; Gas introduction pipe 111; Exhaust device 113; Heating device 115; Boat 124a-124g; Gas introduction pipe 126; second gas introduction pipe 130; processing gas supply mechanism 140; cleaning gas supply mechanism 150; control device
Claims (12)
ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、
窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、
前記処理室を排気する排気部と、
前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と
を有する成膜装置を用いて窒化ガリウム膜を成膜する窒化ガリウム膜の成膜方法であって、
前記処理室に複数の被処理基板を水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置し、処理室を密閉空間とする工程と、
前記被処理基板の温度を850〜930℃、前記処理容器内の圧力を0.5〜1.8Torrに調整する工程と、
前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室にガリウム含有ガスを供給する工程と、
前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に窒素含有ガスを供給する工程と
を有し、前記被処理基板の表面に窒化ガリウムを気相成長させることを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜方法。 A processing chamber made of quartz, in which a processing chamber is defined, and a plurality of substrates to be processed are arranged in a state of being arranged vertically in a horizontal posture;
A gallium-containing gas introduction member made of quartz for introducing a gallium-containing gas into the processing chamber;
A nitrogen-containing gas introduction member made of quartz for introducing a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
An exhaust section for exhausting the processing chamber;
A gallium nitride film forming method for forming a gallium nitride film using a film forming apparatus having a heating apparatus for heating a substrate to be processed disposed in the processing chamber,
Arranging a plurality of substrates to be processed in the processing chamber in a state of being arranged in the vertical direction in a horizontal posture, and making the processing chamber a sealed space;
Adjusting the temperature of the substrate to be processed to 850 to 930 ° C., and adjusting the pressure in the processing container to 0.5 to 1.8 Torr;
Supplying a gallium-containing gas to the processing chamber via the gallium-containing gas introduction member;
A step of supplying a nitrogen-containing gas to the processing chamber through the nitrogen-containing gas introduction member, and vapor-phase-growing gallium nitride on the surface of the substrate to be processed. Method.
ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、
窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、
前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記ガリウム含有ガスを供給し、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記窒素含有ガスを供給し、前記処理室にパージガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室を排気する排気部と、
前記排気部を介して前記処理室を排気する排気装置と、
前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と、
前記被処理基板の温度が850〜930℃、前記処理容器内の圧力が0.5〜1.8Torrになるように、かつ前記処理室に前記ガリウム含有ガスおよび前記窒素含有ガスの供給量を制御して前記被処理基板上に窒化ガリウム膜を気相成長させるように前記ガス供給機構、前記排気装置、および前記加熱装置を制御する制御部と
を有することを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜装置。 A processing chamber made of quartz, in which a processing chamber is defined, and a plurality of substrates to be processed are arranged in a state of being arranged vertically in a horizontal posture;
A gallium-containing gas introduction member made of quartz for introducing a gallium-containing gas into the processing chamber;
A nitrogen-containing gas introduction member made of quartz for introducing a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
The gallium-containing gas is supplied to the processing chamber via the gallium-containing gas introducing member, the nitrogen-containing gas is supplied to the processing chamber via the nitrogen-containing gas introducing member, and a purge gas is supplied to the processing chamber. A gas supply mechanism;
An exhaust section for exhausting the processing chamber;
An exhaust device for exhausting the processing chamber through the exhaust unit;
A heating device for heating the substrate to be processed disposed in the processing chamber;
The supply amount of the gallium-containing gas and the nitrogen-containing gas to the processing chamber is controlled so that the temperature of the substrate to be processed is 850 to 930 ° C. and the pressure in the processing container is 0.5 to 1.8 Torr. And a control unit that controls the gas supply mechanism, the exhaust device, and the heating device so that the gallium nitride film is vapor-phase grown on the substrate to be processed. apparatus.
前記窒素含有ガス導入部材は、前記処理室の下方に挿入され、前記処理室の上部に延び、前記複数の被処理基板に向けて窒素含有ガスを吐出する複数のガス吐出孔を有する窒素含有ガス導入管を有することを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。 The gallium-containing gas introduction member includes a gas diffusion space formed over the height direction of the processing chamber, and a plurality of gallium-containing gas discharges toward the processing chamber along the height direction of the diffusion space. A plurality of gas discharge holes, and a plurality of gallium-containing gas introduction pipes connected in the height direction of the gas diffusion space and extending in the horizontal direction,
The nitrogen-containing gas introduction member is inserted below the processing chamber, extends to an upper portion of the processing chamber, and has a plurality of gas discharge holes for discharging nitrogen-containing gas toward the plurality of substrates to be processed. The apparatus for forming a gallium nitride film according to any one of claims 7 to 11, further comprising an introduction pipe.
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| JP2017055333A JP2018160487A (en) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | Method and device for forming gallium nitride film |
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