JP5254295B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

ＧａＮ系化合物半導体（一般式：Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオードおよび紫外線センサなどの受光素子として広範な応用が可能である。

従来法による受光素子の製造方法としては、サファイア等の平坦性の高い基板上にバッファ層を設け、その上に受光領域を含むデバイス層を形成する方法がある。ここで、バッファ層を設ける理由は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔と、受光領域のＧａＡｌＮの格子間隔との間の格子不整合を緩和し、格子不整合により発生し得る受光領域中の貫通転位を少なくさせることにある。

また、サファイア基板とデバイス層との間に単層のバッファ層ではなく、複数のバッファ層を設ける方法もある。例えば、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる低温堆積バッファ層と、ＧａＮからなる結晶改善層と、ＡｌＮからなる低温堆積中間層という多層の窒化物半導体基板層を設け、その上にデバイス層を設ける。この方法によれば、単層のバッファ層を設けた場合以上に、基板と受光領域との間の格子不整合を緩和することが可能となる。

しかしながら、上記方法では、例えば、ＧａＡｌＮを主とする受光素子を構成するデバイス層をその上部に形成した場合、基板側から入射させた光は、ＧａＡｌＮよりバンドギャップエネルギの小さいＧａＮ層内で吸収されてしまう。このため、入射光は上部からの入射に制限される。

一方、上記多層の窒化物半導体基板層において、ＧａＮ層からなる結晶改善層を、デバイス層を構成するＧａＡｌＮよりＡｌＮ組成比の大きいＧａＡｌＮまたはＡｌＮを用いて形成する方法もある。この方法によれば、上記問題は解消される。

ところで、ＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体は、サファイア基板上に、有機金属気相成長法を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させることにより製造される。かかるエピタキシャル成長技術は、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造工程で利用される。

膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハの表面に新たな原料ガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１では、ウェハを支持するリング状のサセプタがサセプタ支えに嵌着されており、サセプタ支えに接続する回転軸が回転することによって、ウェハが回転する。ウェハの裏面側にはヒータが配置されており、さらにウェハとヒータの間には、カーボン製の均熱板が配置されている。

特開平５−１５２２０７号公報

特許文献１の成膜装置によれば、ウェハは、ヒータで加熱された均熱板によって加熱される。ここで、サセプタは、その内周側に設けられた座ぐり内にウェハの外周部を受け入れる構造となっている。つまり、ウェハの外周部はサセプタに接触しており、外周部を通じて熱が逃げやすい。また、ヒータは、通常、外周部の温度の方が内側の温度に比べて低くなる。

こうしたことから、ウェハの外周部を集中的に加熱するヒータを設けることが行われている。しかしながら、この方式によってもウェハの外周部と内周部との間には温度差が生じる。かかる温度差は、形成されるエピタキシャル膜の膜厚を不均一にするため、ウェハの温度分布が均一になるよう加熱する技術が求められている。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、基板の温度分布を任意に調整することのできる成膜装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、基板を均一に加熱して、所望の厚さの膜を形成することのできる成膜方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、成膜室と、
成膜室内に設けられて基板が載置されるサセプタと、
サセプタを回転させる回転部と、
サセプタの下方に位置するヒータと、
ヒータの下方に位置するリフレクタとを有し、
リフレクタは、環状のリフレクタと円盤状のリフレクタとが組み合わされてなることを特徴とする成膜装置に関する。

本発明の第１の態様において、リフレクタは、複数の環状の第１のリフレクタと、複数の円盤状の第２のリフレクタとからなるものとすることができる。この場合、ヒータの下方に複数の第１のリフレクタを配置し、第１のリフレクタのさらに下方に複数の第２のリフレクタを配置することができる。

また、本発明の第１の態様では、第１のリフレクタと第２のリフレクタとの配置を逆にすることもできる。すなわち、ヒータの下方に複数の第２のリフレクタを配置し、第２のリフレクタのさらに下方に複数の第１のリフレクタを配置することもできる。

また、本発明の第１の態様においては、第１のリフレクタと第２のリフレクタとを交互に配置することもできる。

本発明の第１の態様において、リフレクタは、内周部の径の異なる環状の第１のリフレクタを用意し、これらを上から順に内周部の径が大きいものから配置し、最下方に円盤状の第２のリフレクタを配置した構造とすることもできる。

本発明の第１の態様において、ヒータは、基板の内周部に対応する位置に配置されるインヒータと、基板とインヒータの間であって、基板の外周部に対応する位置に配置されるアウトヒータとを有することができる。

本発明の第２の態様は、成膜室と、
成膜室内に設けられて基板が載置されるサセプタと、
サセプタを回転させる回転部と、
サセプタの下方に位置するヒータと、
ヒータの下方に位置するリフレクタとを有し、
リフレクタは、円盤状のリフレクタに異なる径の孔が設けられた構造を有することを特徴とする成膜装置に関する。

本発明の第２の態様において、リフレクタは、ヒータの下方に複数配置されていてもよく、１枚のみ配置されていてもよい。

本発明の第２の態様において、ヒータは、基板の内周部に対応する位置に配置されるインヒータと、基板とインヒータの間であって、基板の外周部に対応する位置に配置されるアウトヒータとを有することができる。

本発明の第３の態様は、成膜室と、
成膜室内に設けられて基板が載置されるサセプタと、
サセプタを回転させる回転部と、
サセプタの下方に位置するヒータと、
ヒータの下方に位置する断熱材とを有し、
断熱材は、内周部が外周部に比べて薄い構造を有することを特徴とする成膜装置に関する。

本発明の第３の態様において、ヒータは、基板の内周部に対応する位置に配置されるインヒータと、基板とインヒータの間であって、基板の外周部に対応する位置に配置されるアウトヒータとを有することができる。

本発明の第１の態様、第２の態様および第３の態様は、サセプタの上方に位置する上部ヒータをさらに有することができる。

本発明の第４の態様は、成膜室内で基板をその下方に配置されたヒータで加熱しながら基板の上に所定の膜を形成する成膜方法であって、
ヒータの下方に環状のリフレクタと円盤状のリフレクタとを組み合わせて配置することを特徴とするものである。

本発明の第４の態様においては、ヒータの下方に複数の環状の第１のリフレクタを配置し、この第１のリフレクタのさらに下方に複数の円盤状の第２のリフレクタを配置することができる。

本発明の第４の態様においては、ヒータの下方に複数の円盤状の第２のリフレクタを配置し、この第２のリフレクタのさらに下方に複数の円盤状の第１のリフレクタを配置することもできる。

本発明の第４の態様においては、第１のリフレクタと第２のリフレクタとを交互に配置することもできる。

本発明の第４の態様においては、内周部の径の異なる環状の第１のリフレクタを用意し、これらを上から順に内周部の径が大きいものから配置し、最下方に円盤状の第２のリフレクタを配置することもできる。

本発明の第４の態様において、基板は、基板の内周部に対応する位置に配置されるインヒータと、基板とインヒータの間であって、基板の外周部に対応する位置に配置されるアウトヒータとによって加熱することができる。

本発明の第４の態様は、サセプタの上方に位置する上部ヒータをさらに有することができる。

本発明の他の態様は、成膜室内で基板をその下方に配置されたヒータで加熱しながら基板の上に所定の膜を形成する成膜方法であって、
ヒータの下方に異なる径の孔が設けられた円盤状のリフレクタを配置することを特徴とするものである。

また、本発明の他の態様は、成膜室内で基板をその下方に配置されたヒータで加熱しながら基板の上に所定の膜を形成する成膜方法であって、
ヒータの下方に内周部が外周部に比べて薄い断熱材を配置することを特徴とするものである。

本発明によれば、基板の温度分布を任意に調整することのできる成膜装置が提供される。

また、本発明によれば、基板を均一に加熱して、所望の厚さの膜を形成することのできる成膜方法が提供される。

実施の形態１における成膜装置の模式的な断面図である。 本発明におけるリフレクタ集合部の平面図である。 実施の形態２において、リフレクタ集合部を設けない場合と、設けた場合とで、シリコンウェハの温度分布を比較した一例である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明におけるリフレクタ集合部の変形例である。 本発明に適用可能なリフレクタの他の例である。 本発明に適用可能な断熱材の断面図である。 実施の形態２における成膜装置の模式的な断面図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態における成膜装置１００の模式的な断面図である。

本実施の形態においては、基板としてシリコンウェハ１０１を用いる。但し、これに限られるものではなく、場合に応じて、他の材料からなるウェハを用いてもよい。

成膜装置１００は、成膜室としてのチャンバ１０３を有する。

チャンバ１０３の上部には、加熱されたシリコンウェハ１０１の表面に結晶膜を成長させるための原料ガス１２９を供給するガス供給部１２３が設けられている。また、ガス供給部１２３には、原料ガス１２９の吐出孔が多数形成されたシャワープレート１２４が接続している。シャワープレート１２４をシリコンウェハ１０１の表面と対向して配置することにより、シリコンウェハ１０１の表面に原料ガス１２９が供給される。

チャンバ１０３の下部には、反応後の原料ガス１２９を排気するためのガス排気部１２５が複数設けられている。ガス排気部１２５は、調整弁１２６および真空ポンプ１２７からなる排気機構１２８に接続している。また、排気機構１２８は、図示しない制御機構により制御されてチャンバ１０３内を所定の圧力に調整する。

チャンバ１０３の内部には、サセプタ１０２が、回転部１０４の上方に設けられている。サセプタ１０２は、高温下に曝されることから、例えば高純度のＳｉＣを用いて構成される。チャンバ１０３の内部に搬送されたシリコンウェハ１０１は、サセプタ１０２の上に載置される。

回転部１０４は、円筒部１０４ａと回転軸１０４ｂを有している。回転軸１０４ｂは、チャンバ１０３の外部まで延設されており、図示しない回転機構に接続している。円筒部１０４ａが所定の回転数で回転することにより、サセプタ１０２を回転させることができ、ひいてはサセプタ１０２に支持されたシリコンウェハ１０１を回転させることができる。円筒部１０４ａは、シリコンウェハ１０１の中心を通り、且つ、シリコンウェハ１０１に直交する軸を中心として回転することが好ましい。

図１において、円筒部１０４ａは、上部が解放された構造であるが、サセプタ１０２とシリコンウェハ１０１が配置されることにより、上部が覆われて中空領域（以下、Ｐ_２領域と称す。）を形成する。ここで、チャンバ１０３内をＰ_１領域とすると、Ｐ_２領域は、サセプタ１０２とシリコンウェハ１０１によって実質的にＰ_１領域と隔てられた領域となる。

Ｐ_２領域には、加熱部としてのインヒータ１２０とアウトヒータ１２１が設けられている。インヒータ１２０は、シリコンウェハ１０１の内周部に対応する位置に配置され、例えば円盤状とすることができる。一方、アウトヒータ１２１は、シリコンウェハ１０１とインヒータ１２０の間であって、シリコンウェハ１０１の外周部に対応する位置に配置される。アウトヒータ１２１は、例えば環状とすることができる。これらのヒータは、回転軸１０４ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト１０８の内部を通る配線１０９によって給電され、シリコンウェハ１０１をその裏面から加熱する。但し、本実施の形態のヒータは、インヒータとアウトヒータに分かれていない構造、すなわち、シリコンウェハ１０１の外周部のみを加熱するアウトヒータ１２１を有しない構造であってもよい。

加熱により変化するシリコンウェハ１０１の表面温度は、チャンバ１０３の上部に設けられた放射温度計１２２によって計測される。シャワープレート１２４を透明石英製とすることによって、放射温度計１２２による温度測定が、シャワープレート１２４で妨げられないようにすることができる。計測した温度データは、図示しない制御機構に送られた後、インヒータ１２０およびアウトヒータ１２１の出力制御にフィードバックされる。これにより、シリコンウェハ１０１が所望の温度となるように加熱できる。

本実施の形態の成膜装置１００では、インヒータ１２０の下方にリフレクタ集合部１０５が配置されている。リフレクタ集合部１０５は、複数のリフレクタからなり、これらが相互に作用し合って、シリコンウェハ１０１の温度分布に影響を与える。

図２は、リフレクタ集合部１０５の平面図である。この図に示すように、リフレクタ集合部１０５は、複数の環状の第１のリフレクタ１０５ａと、複数の円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとからなる。図１の例では、インヒータ１２０の下方に、複数の第１のリフレクタ１０５ａが配置され、第１のリフレクタ１０５ａのさらに下方に、複数の第２のリフレクタ１０５ｂが配置されている。尚、本明細書において、「円盤状」とは、少なくとも中心を含む領域に孔の開いていない円形状を言う。

インヒータ１２０とアウトヒータ１２１で加熱すると、シリコンウェハ１０１の温度は、外周部に比べて内周部の温度が高くなる。この場合、シリコンウェハ１０１の温度分布を均一にするには、内周部の放熱性を高めて、内周部の温度が下がるようにすればよい。

ところで、リフレクタの本来的な役割は、ヒータからの輻射熱を反射して、ヒータの出力を低減するとともに、下方に配置された部材をヒータの熱から保護することにある。ここで、リフレクタを環状とすると、環状部分からは輻射熱が反射されるが、内周部からは反射されない。したがって、環状のリフレクタによれば、ウェハへの加熱状態に分布を持たせることができる。

そこで、図２に示すように、リフレクタ集合部１０５を、環状の第１のリフレクタ１０５ａと、円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとによって構成し、第１のリフレクタ１０５ａの環状部分がシリコンウェハ１０１の外周部に対応するようにして配置する。このようにすると、シリコンウェハ１０１の外周部は加熱されるが、シリコンウェハ１０１の内周部への加熱は抑制される。したがって、シリコンウェハ１０１の温度分布を、内周部の温度が低下するように変えることが可能である。尚、この場合、円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂを併せて配置するので、下方に配置された部材をヒータの熱から保護することもできる。

上記したように、環状のリフレクタを用いることにより、ウェハへの加熱状態に分布を持たせることができるが、この分布を所望の分布とするには、環状のリフレクタと円盤状のリフレクタとを組み合わせ、さらにこれらを複数配置して調整することが好ましい。すなわち、図１に示すように、第１のリフレクタ１０５ａと第２のリフレクタ１０５ｂとが組み合わされたリフレクタ集合部１０５を用いる。それぞれのリフレクタの数を変えたり、第１のリフレクタ１０５ａにおける内周部の径を変えたりすることによって、シリコンウェハ１０１の温度分布を変えることが可能である。すなわち、内周部の温度が外周部より低くなるようにしたり、あるいは、内周部と外周部の温度が同じとなるようにしたりすることができる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態におけるリフレクタ集合部の変形例である。

図４（ａ）は、図１のリフレクタ集合部１０５とは、第１のリフレクタ１０５ａと第２のリフレクタ１０５ｂとの配置が逆になったものである。すなわち、図１（ａ）のリフレクタ集合部によれば、インヒータ１２０の下方に、複数の第２のリフレクタ１０５ｂが配置され、第２のリフレクタ１０５ｂのさらに下方に、複数の第１のリフレクタ１０５ａが配置されている。このような配置によっても、図１の例と同様の効果が得られる。

図４（ｂ）は、第１のリフレクタ１０５ａと第２のリフレクタ１０５ｂとを交互に配置したもので、これによっても図１の例と同様の効果が得られる。

図４（ｃ）は、内周部の径の異なる第１のリフレクタ１０５ａ_１〜１０５ａ_３を用意し、これらを上から順に内周部の径が大きいものから配置し、最下方に第２のリフレクタ１０５ｂを配置したものである。これによっても図１の例と同様の効果が得られる。また、内周部の径を少しずつ変えているので、他の構成より細かい温度調整が可能である。

図５は、本実施の形態に適用可能なリフレクタの他の例である。図５のリフレクタ１０６は、円盤状のリフレクタに異なる径の孔１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃが設けられた構造を有している。この場合、リフレクタ１０６はインヒータ１２０の下方に、複数配置されていてもよく、１枚のみ配置されていてもよい。複数配置される場合には、図１や図４の例のように、リフレクタ集合部を構成する。また、孔の径、数および位置などについても適宜変更することができる。シリコンウェハ１０１の内周部における放熱性を高める場合には、図５のように内周部を中心として各孔を配置する。一方、外周部での放熱性を高める必要がある場合には、外周部を中心として各孔を配置する。

本実施の形態におけるリフレクタは、いずれも耐熱性の高い材料、例えばＳｉなどを用いて構成される。但し、ヒータの近くに配置されるリフレクタ、例えば、図２の第１のリフレクタ１０５ａ、図４（ａ）の第２のリフレクタ１０５ｂなどは、高耐熱性の材料、例えば、ＳｉＣまたはＳｉＣで被覆されたカーボンを用いて構成されることが好ましい。

また、本実施の形態では、リフレクタに代えて、断熱材を用いることもできる。図６は、適用可能な断熱材の断面図である。この図に示すように、断熱材１０７は、内周部が外周部に比べて薄い構造を有しており、これによって内周部での放熱性が高められるようにしている。断熱材は、例えば、多孔質カーボンまたは炭素繊維などを用いて構成することができ、具体的には、株式会社クレハ製のクレカ（商品名）などが挙げられる。

次に、図１および図２を参照しながら、実施の形態１における成膜方法の一例を説明する。尚、図２のリフレクタ集合部１０５に代えて、図４（ａ）〜（ｃ）のリフレクタ集合部または図５のリフレクタ（集合部）を用いてもよく、図６の断熱材１０７を用いてもよい。

まず、サセプタ１０２の上にシリコンウェハ１０１を載置する。

次いで、常圧下または適当な減圧下で水素ガスを流しながら、回転部１０４に付随させて、シリコンウェハ１０１を５０ｒｐｍ程度で回転させる。

次に、インヒータ１２０およびアウトヒータ１２１によってシリコンウェハ１０１を１１００℃〜１２００℃に加熱する。例えば、成膜温度である１１５０℃まで徐々に加熱する。

本実施の形態によれば、インヒータ１２０の下方に、リフレクタ集合部１０５を配置している。リフレクタ集合部１０５は、複数の環状の第１のリフレクタ１０５ａと、複数の円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとからなっており、第１のリフレクタ１０５ａによれば、シリコンウェハ１０１の外周部は加熱されるが、シリコンウェハ１０１の内周部への加熱は抑制される。したがって、内周部の温度を低下させて、シリコンウェハ１０１を所望の温度分布となるように加熱することができる。

放射温度計１２２による測定でシリコンウェハ１０１の温度が１１５０℃に達したことを確認した後は、徐々にシリコンウェハ１０１の回転数を上げていく。そして、ガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して原料ガス１２９をチャンバ１０３の内部に供給する。本実施の形態においては、原料ガス１２９としてトリクロロシランを用いることができ、キャリアガスとしての水素ガスと混合した状態で、ガス供給部１２３からチャンバ１０３の内部に導入する。

チャンバ１０３の内部に導入された原料ガス１２９は、シリコンウェハ１０１の方に流下する。そして、シリコンウェハ１０１の温度を１１５０℃に維持し、サセプタ１０２を９００ｒｐｍ以上の高速で回転させながら、ガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して次々に新たな原料ガス１２９をシリコンウェハ１０１に供給する。これにより、高い成膜速度で効率よくエピタキシャル膜を成膜させることができる。

このように、原料ガス１２９を導入しつつサセプタ１０２を回転させることにより、シリコンウェハ１０１の上に均一な厚さのシリコンのエピタキシャル層を成長させることができる。例えば、パワー半導体の用途では、２００ｍｍのシリコンウェハ上に１０μｍ以上、多くは１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が形成される。厚膜を形成するには、成膜時の基板の回転数を高くするのがよく、例えば、上記のように９００ｒｐｍ程度の回転数とするのがよい。

尚、シリコンウェハ１０１のチャンバ１０３内への搬入、あるいは、チャンバ１０３外への搬出には、公知の方法を適用することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体基板の作製を例に挙げて説明する。上記半導体基板としては、例えば、サファイア基板上に、第１のＡｌＮバッファ層、ＡｌＮ半導体層および第２のＡｌＮバッファ層が積層されたものが挙げられる。

第１のＡｌＮバッファ層は、例えば、３００℃〜８００℃の温度範囲内、例えば５００℃の低温で、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）およびアンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて、２０ｎｍの膜厚で形成される。

ＡｌＮ半導体層は、約１２８０℃以上の高温、例えば１３００℃で、上記各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて、５００ｎｍ以上、例えば１μｍの膜厚で形成される。このとき、ＡｌＮは単結晶としてエピタキシャル成長させるので、本実施の形態の成膜装置が好ましく用いられる。

第２のＡｌＮバッファ層は、第１のＡｌＮバッファ層と同じ条件で形成される。すなわち、ＡｌＮ半導体層の上に、２０ｎｍの膜厚で形成される。

尚、第１のＡｌＮ層、ＡｌＮ半導体層および第２のＡｌＮバッファ層の何れかをＧａＡｌＮ層として形成する場合には、上記原料ガスにトリメチルガリウム（Ｇａ源）が追加される。

図７は、本実施の形態における成膜装置２００の模式的な断面図である。この図の成膜装置２００は、ＡｌＮ半導体層の成膜に用いることができる。

成膜装置２００は、成膜室としてのチャンバ１と、チャンバ１内に配置された中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂと、チャンバ１内に反応ガス２６を導入するための反応ガス供給部１４と、反応後の反応ガス２６をチャンバ１外に排気する排気部５と、半導体基板６を載置してこれを支持するサセプタ７と、支持部（図示せず）に支持されて半導体基板６を加熱する下部ヒータ８および上部ヒータ１８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９と、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とを有する。

ライナ２は、非常に高い耐熱性を備える材料を用いて構成される。例えば、カーボンにＳｉＣをコートして構成された部材の使用が可能である。ライナ２の頭部３１の開口部には、シャワープレート２０が取り付けられている。シャワープレート２０は、半導体基板６の表面に反応ガス２６を均一に供給するためのガス整流板である。このシャワープレート２０には、反応ガス２６を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。

尚、ライナ２を設ける理由は、一般に、成膜装置におけるチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置２００では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないようにするためにライナ２が用いられる。ライナ２には、結晶膜形成時におけるチャンバ１の壁へのパーティクルの付着や金属汚染を防いだり、チャンバ１の壁が反応ガス２６によって侵食されるのを防いだりする効果がある。

ライナ２は、中空筒状であり、サセプタ７を内部に配置する胴部３０と、胴部３０より内径が小さい頭部３１とを有する。胴部３０内にはサセプタ７が配置される。

サセプタ７上には半導体基板６が載置される。半導体基板６は、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層が形成された基板をすることができる。

サセプタ７は、中空筒状の回転筒２３上に取り付けられている。そして、回転筒２３は、チャンバ１の底部からチャンバ１内部に伸びる回転軸（図示せず）を介して回転機構（図示せず）に接続されている。すなわち、サセプタ７は、ライナ２の胴部３０内の下部ヒータ８の上方で回転可能に配置されている。したがって、気相成長反応時には、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６が高速に回転する。

半導体基板６の上に、ＡｌＮ半導体層を形成する場合、反応ガス２６として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）およびアンモニア（窒素源）のソースガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ_２）ガスとを混合させた混合ガスが使用される。混合ガスは、成膜装置２００の反応ガス供給部１４から導入される。具体的には、ライナ２内、換言すると、反応ガス供給部１４から半導体基板６の周囲に至る第１の空間（空間Ａ）に導入される。

ライナ２の頭部３１の上部開口部には、上述したように、シャワープレート２０が配設されている。シャワープレート２０は、胴部３０内のサセプタ７上に載置された半導体基板６の表面に反応ガス２６を均一に供給する。

ライナ２の頭部３１の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められる。これにより、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た反応ガス２６が拡散する無駄な空間を低減できる。つまり、成膜装置２００は、シャワープレート２０から供給される反応ガス２６が無駄なく、効率良く半導体基板６の表面に集められるように構成される。さらに、半導体基板６の表面での反応ガス２６の流れをより均一にするために、半導体基板６の周縁部分とライナ２との間の隙間ができるだけ狭くなるように構成されている。

ライナ２を上記のような形状とすることで、半導体基板６の表面における気相成長反応を効率良く進めることができる。すなわち、反応ガス供給部１４に供給される反応ガス２６は、空間Ａにおいて、シャワープレート２０の貫通孔２１を通過して整流され、下方の半導体基板６に向かってほぼ鉛直に流下する。つまり、反応ガス２６は、空間Ａにあるシャワープレート２０から半導体基板６の表面に至る領域で、いわゆる縦フローを形成する。そして、高速回転する半導体基板６の引き付け効果により引き付けられ、半導体基板６に衝突した後は、乱流を形成すること無く、半導体基板６の上面に沿いながら水平方向にほぼ層流となって流れる。このように、半導体基板６の表面でガスが整流状態となることにより、膜厚均一性が高く高品質のエピタキシャル膜が形成される。

上記のようにして半導体基板６の表面に供給された反応ガス２６は、半導体基板６の表面で反応を起こす。これにより、半導体基板６の表面にＡｌＮのエピタキシャル膜が形成される。反応ガス２６の内で気相成長反応に使用されたガス以外のものは、変性された生成ガスとなって、チャンバ１の下部に設けられた排気部５から排気される。

図７の成膜装置２００では、チャンバ１のフランジ部９と排気部５のフランジ部１１に、それぞれシールのためのパッキン１０、１２が用いられている。このパッキン１０、１２には、フッ素ゴム製のものが好ましく用いられるが、その耐熱温度は約３００℃である。本実施の形態では、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂを設けることで、パッキン１０、１２が熱で劣化するのを防止できる。

ＡｌＮのエピタキシャル成長は、約１２８０℃以上の高温、例えば１３００℃で行われる。そこで、図７に示す成膜装置２００では、ライナ２内の半導体基板６を加熱するための手段として、上部ヒータ１８と下部ヒータ８を設けている。この場合、半導体基板６の温度調整は、下部ヒータ８によって行われる。

上部ヒータ１８は、カーボン基材の表面をＳｉＣ材料により被覆して構成された抵抗加熱ヒータであり、ライナ２とチャンバ１内壁との間に形成された第２の空間（空間Ｂ）に配置される。そして、上部ヒータ１８は、半導体基板６を効率的に加熱する点から、半導体基板６の近く、具体的には、ライナ２の胴部３０と頭部３１との連結部分近くに配置されている。

下部ヒータ８も、上部ヒータ１８と同様に、カーボン基材の表面をＳｉＣ材料で被覆して構成された抵抗加熱ヒータである。そして、この下部ヒータ８は、半導体基板６の載置されるサセプタ７の下方、回転筒２３の内部空間である第３の空間（空間Ｃ）に配置される。尚、下部ヒータ８は、実施の形態１のように、インヒータとアウトヒータによって構成されてもよい。

上部ヒータ１８と下部ヒータ８を設ける構成では、半導体基板６の内周部の方が外周部より多くの熱を上部ヒータ１８によって与えられる。これは、半導体基板６の内周部と外周部とからそれぞれ上部ヒータ１８を見たとき、外周部では上部ヒータ１８の見える面が小さいのに対し、内周部では上部ヒータ１８の見える面が大きくなることによる。つまり、内周部の方が、上部ヒータ１８との間で輻射による多くの熱交換が行われるため、外周部より温度が高くなる。この場合、下部ヒータ８による温度調整によって、半導体基板６の面内温度を均一化することは困難である。

図３は、成膜装置２００において、リフレクタ集合部４０を設けない場合と、設けた場合とで、半導体基板６の温度分布を比較した一例である。点線は、（１）リフレクタ集合部４０を設けない場合の温度分布を示している。また、実線は、（２）リフレクタ集合部４０を設けた場合の温度分布を示している。尚、図の横軸は、半導体基板６の中心と外周部の一点とを結ぶ線に沿うもので、中心からの距離を表している。また、横軸は、半導体基板６の表面における温度を示している。

図３の点線（１）を見ると、外周部に比べて内周部の温度が高くなる。つまり、上部ヒータ１８と下部ヒータ８で加熱されると、半導体基板６の温度は、外周部に比べて内周部の温度が高くなる。この場合、半導体基板６の温度分布を均一にするには、内周部の放熱性を高めて、内周部の温度が下がるようにすればよい。

そこで、本実施の形態の成膜装置２００では、下部ヒータ８の下方にリフレクタ集合部４０を配置する。リフレクタ集合部４０は、複数のリフレクタからなり、これらが相互に作用し合って、半導体基板６の温度分布に影響を与える。

リフレクタ集合部４０には、実施の形態１と同様のものを用いることができる。例えば、リフレクタ集合部４０は、図２に示すように、複数の環状の第１のリフレクタ１０５ａと、複数の円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとからなるものとすることができる。この場合、図７に示すように、下部ヒータ８の下方に、複数の第１のリフレクタ１０５ａを配置し、第１のリフレクタ１０５ａのさらに下方に、複数の第２のリフレクタ１０５ｂを配置することができる。

また、リフレクタ集合部４０は、図４（ａ）に示すように、第１のリフレクタ１０５ａと第２のリフレクタ１０５ｂとの配置を、図７と逆にすることもできる。また、図４（ｂ）に示すように、第１のリフレクタ１０５ａと第２のリフレクタ１０５ｂとを交互に配置してもよい。

また、本実施の形態においては、図４（ｃ）に示すように、内周部の径の異なる第１のリフレクタ１０５ａ_１〜１０５ａ_３を用意し、これらを上から順に内周部の径が大きいものから配置し、最下方に第２のリフレクタ１０５ｂを配置して、リフレクタ集合部４０とすることもできる。

また、図５に示すように、円盤状のリフレクタに異なる径の孔１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃが設けられた構造のものを、インヒータ１２０の下方に複数または単数配置して、リフレクタ集合部４０とすることもできる。

成膜装置２００において、リフレクタ集合部４０を設けることにより、半導体基板６の温度分布を変えることができる。すなわち、リフレクタを環状とすると、環状部分からは輻射熱が反射されるが、内周部からは反射されない。したがって、環状のリフレクタによれば、半導体基板への加熱状態に分布を持たせることができる。

例えば、図７に示すように、リフレクタ集合部４０を、環状の第１のリフレクタ１０５ａと、円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとによって構成し、第１のリフレクタ１０５ａの環状部分が半導体基板６の外周部に対応するようにして配置する。このようにすると、半導体基板６の外周部は加熱されるが、半導体基板６の内周部への加熱は抑制される。換言すると、半導体基板６の内周部における放熱性が向上する。したがって、半導体基板６の表面の温度分布を、内周部の温度が低下するように変えることが可能である。そして、環状のリフレクタと円盤状のリフレクタについて、それぞれのリフレクタの数を変えたり、環状のリフレクタにおける内周部の径を変えたりすることによって、半導体基板６を所望の温度分布にすることが可能である。すなわち、図３の実線（２）に示すように、内周部の温度が外周部より低くなるようにしたり、あるいは、内周部と外周部の温度が同じとなるようにしたりすることができる。

また、半導体基板６の内周部における放熱性を向上させることにより、下部ヒータ８の出力を増大させて、半導体基板６に対する温度調整機能を働かせるようにすることができる。さらに、下部ヒータ８の出力が増大すると、上部ヒータ１８の出力が大きく減少するので、リフレクタ集合部４０を設けない場合に比べて、上部ヒータ１８と下部ヒータ８の合計出力を減少させることもできる。

尚、リフレクタ集合部４０に代えて、図６に示すような断熱材１０７、すなわち、内周部が外周部に比べて薄い構造を有する断熱材を用いることもでき、この場合にも、上記と同様の効果が得られる。

次に、図７を参照しながら、本実施の形態における成膜方法の一例を説明する。尚、上記したように、図７のリフレクタ集合部４０に代えて、図４（ａ）〜（ｃ）と同様のリフレクタ集合部、または、図５で説明したのと同様のリフレクタ（集合部）を用いてもよく、図６の断熱材１０７を用いてもよい。

まず、半導体基板６をチャンバ１の内部に搬入してサセプタ７の上に載置する。次に、回転筒２３およびサセプタ７に付随させて、サセプタ７上に載置された半導体基板６を５０ｒｐｍ程度で回転させる。

上部ヒータ１８および下部ヒータ８に電流を供給して作動させ、上部ヒータ１８および下部ヒータ８から発せられる熱によって半導体基板６を加熱する。半導体基板６の温度が、成膜温度である約１２８０℃以上の高温、例えば１３００℃に達するまで徐々に加熱する。このとき、上部ヒータ１８および下部ヒータ８の温度は１３００℃より高い温度となる。したがって、チャンバ１の壁部分に設けた流路３ａ、３ｂに冷却水を流し、過度にチャンバ１が昇温するのを防止する。

本実施の形態によれば、下部ヒータ８の下方に、リフレクタ集合部４０を配置している。リフレクタ集合部４０は、複数の環状の第１のリフレクタ１０５ａと、複数の円盤状の第２のリフレクタ１０５ｂとからなっており、第１のリフレクタ１０５ａによれば、半導体基板６の外周部は加熱されるが、半導体基板６の内周部への加熱は抑制される。したがって、内周部の温度を低下させて、半導体基板６を所望の温度分布となるように加熱することができる。

半導体基板６の温度が１３００℃に達した後は、下部ヒータ８により１３００℃近辺での緻密な温度調整がなされる。このとき、半導体基板６の温度測定は、成膜装置に付設された放射温度計（図示せず）を用いて行われる。そして、放射温度計による測定で半導体基板６の温度が所定温度に達したことを確認した後は、徐々に半導体基板６の回転数を上げていく。

次に、反応ガス供給部１４から反応ガス２６を供給し、シャワープレート２０を介して、反応ガス２６をライナ２の胴部３０内に置かれた半導体基板６の上に流下させる。このとき、反応ガス２６は、整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を通過して整流され、下方の半導体基板６に向かってほぼ鉛直に流下する。すなわち、いわゆる縦フローを形成する。そして、加熱された半導体基板６の表面に反応ガス２６が到達すると、反応ガス２６は反応を起こして、半導体基板６の表面にＡｌＮエピタキシャル膜を形成する。

ＡｌＮエピタキシャル膜が所定の膜厚に達したら、反応ガス２６の供給を停止する。このとき、キャリアガスである水素ガスの供給は停止せず、放射温度計（図示せず）による測定で半導体基板６が所定の温度より低くなったのを確認してから停止するようにしてもよい。

半導体基板６が所定の温度まで冷却されたのを確認した後は、チャンバ１の外部に半導体基板６を搬出する。

以上、ＡｌＮエピタキシャル膜の成膜を例として、実施の形態２の成膜装置および成膜方法について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、ＧａＡｌＮエピタキシャル膜など他のエピタキシャル膜の成膜にも適用可能である。尚、本実施の形態で示す、ＡｌＮやＧａＡｌＮのエピタキシャル膜の成長温度は、Ａｌを含むためにＧａＮエピタキシャル膜の成長温度より高くなる。それ故、これらの膜に対しては本発明の効果が顕著である。すなわち、基板を均一に加熱して、所望の厚さの膜を形成できるという効果が大きい。

本発明による成膜装置は、上記したように、サセプタ上に載置されるウェハの上面から成膜に必要なガスが供給され、サセプタの裏面側にヒータが設けられている、所謂縦型のエピタキシャル成長装置に適用されることが望ましい。

本実施の形態の成膜方法によりＡｌＮ半導体層を形成した後は、第２のＡｌＮバッファ層を２０ｎｍの膜厚で形成する。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体基板が製造される。

上記で得られた半導体基板上にデバイス層を形成することにより、半導体装置が製造される。例えば、デバイス層に形成される受光素子としてＰＩＮ接合型フォトダイオードを形成する例について述べる。

本実施の形態の成膜装置を用いて製造された半導体基板上に、ｎ型ＧａＡｌＮ層、ｉ型ＧａＡｌＮ層、ｐ型ＧａＡｌＮ超格子層およびｐ型ＧａＡｌＮ層を順次積層して、デバイス層を形成する。

ｎ型ＧａＡｌＮ層は、例えば、次のようにして形成される。すなわち、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）およびアンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ_４（モノシラン）ガスを流す。これにより、Ｓｉ（シリコン）が注入（ドープ）されたｎ型ＧａＡｌＮ層を成長させることができる。ｎ型ＧａＡｌＮ層の膜厚は、５００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲とし、例えば、１０００ｎｍで形成される。

続いて、ｉ型ＧａＡｌＮ層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて膜厚約１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で、例えば、２００ｎｍで形成する。

次に、ｉ型ＧａＡｌＮ層の上に、ｐ型ＧａＡｌＮ超格子層を形成する。ｐ型ＧａＡｌＮ超格子層は、膜厚２ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚３ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を２０層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。ｐ型ＧａＡｌＮ超格子層のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、ＧａＡｌＮの原料として上記の各原料ガスを使用し、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。

ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、ＧａＮ層の成長時にｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを流しながら、Ｍｇ（マグネシウム）を注入（ドープ）する。

続いて、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＡｌＮの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ_２Ｍｇガスを流しながら、Ｍｇを注入したｐ型ＧａＡｌＮ層を膜厚約２０ｎｍで成長させる。ここで、ｐ型ＧａＡｌＮ層は、後述するｐ型電極とのオーミック接触を確実にし、十分なｐ型活性化を行って低抵抗化するために、ＡｌＮ組成比を２０％以下としたコンタクト層であり、ＡｌＮ組成比が０％のｐ型ＧａＮ層であっても構わない。

以上のようにして、デバイス層を形成した後は、ｎ型ＧａＡｌＮ層が部分的に露出するようにデバイス層をエッチング除去し、その露出部位にｎ型電極を形成し、さらにｐ型ＧａＡｌＮ層上にｐ型電極を形成する。ｐ型電極およびｎ型電極は、それぞれの極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉなどの公知の材料を用いて、公知の方法で作製される。例えば、ｐ型電極として、第１層にＰｄ（パラジウム）、第２層にＡｕ（金）をそれぞれ１０ｎｍずつ蒸着した後、所定の平面形状にパターニングする。また、ｐ型電極またはｎ型電極として、ＺｒＢ_２を電極材料として用いてもよい。

上記のようにして得られた半導体装置に対して外部から光が照射された場合、その光は基板側から入射し、ｎ型ＧａＡｌＮ層を透過して、受光領域であるｉ型ＧａＡｌＮ層に入射して吸収され、光キャリアが発生する。ｐ型電極およびｎ型電極の間には所定の逆バイアス電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。

尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、上記各実施の形態では、基板を回転させながら成膜する構成としたが、基板を回転させずに成膜してもよい。

また、上記各実施の形態では、成膜装置の一例としてエピタキシャル成長装置を挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。成膜室内に反応ガスを供給し、成膜室内に載置される基板を加熱して基板の表面に膜を形成する成膜装置であれば、ＣＶＤ装置などの他の成膜装置であってもよい。

１、１０３ チャンバ
２ ライナ
３ａ、３ｂ 流路
５ 排気部
６ 半導体基板
７、１０２ サセプタ
８ 下部ヒータ
９、１１ フランジ部
１０、１２ パッキン
１４ 反応ガス供給部
１８ 上部ヒータ
２０、１２４ シャワープレート
２１ 貫通孔
２３ 回転筒
２６ 反応ガス
３０ 胴部
３１ 頭部
４０、１０５ リフレクタ集合部
１０５ａ 第１のリフレクタ
１０５ｂ 第２のリフレクタ
１０６ リフレクタ
１０７ 断熱材
１００、２００ 成膜装置
Ａ、Ｂ、Ｃ 空間
１０１ シリコンウェハ
１０４ 回転部
１０４ａ 円筒部
１０４ｂ 回転軸
１０８ シャフト
１０９ 配線
１２０ インヒータ
１２１ アウトヒータ
１２２ 放射温度計
１２３ ガス供給部
１２５ ガス排気部
１２６ 調整弁
１２７ 真空ポンプ
１２８ 排気機構

Claims (4)

1. 成膜室と、
   前記成膜室内に設けられて基板が載置されるサセプタと、
   前記サセプタを回転させる回転部と、
   前記サセプタの上方に位置する上部ヒータと、
   前記サセプタの下方に位置する下部ヒータと、
   いずれも前記下部ヒータの下方に位置し、外径が同一で、上下方向に所定間隔で配置される環状のリフレクタと円盤状のリフレクタと
   を有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記環状のリフレクタが、前記円盤状のリフレクタの上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記環状のリフレクタと外径が同一で内径が異なる他の環状のリフレクタを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記下部ヒータは、前記基板の内周部に対応する位置に配置されるインヒータと、前記基板と前記インヒータとの間であって、前記基板の外周部に対応する位置に配置されるアウトヒータとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
   

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