JP6370630B2 - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスを供給して成膜を行う気相成長装置および気相成長方法に関する。

高品質な半導体膜を成膜する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長技術を用いる気相成長装置では、常圧または減圧に保持された反応室内の支持部にウェハを載置する。そして、このウェハを加熱しながら、成膜の原料となるソースガス等のプロセスガスを、反応室上部の、例えば、シャワープレートからウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱反応等が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が成膜される。

近年、発光デバイスやパワーデバイスの材料として、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体デバイスが注目されている。ＧａＮ系の半導体を成膜するエピタキシャル成長技術として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。有機金属気相成長法では、ソースガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属や、アンモニア（ＮＨ_３）等が用いられる。

特許文献１、２には、生産性を向上させるために、複数の反応室を備える気相成長装置が記載されている。

特開平１０−１５８８４３号公報 特開２００２−２１２７３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、複数の反応室を有し、信頼性の高い気相成長装置および気相成長方法を提供することにある。

本発明の一態様の気相成長装置は、ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、前記ｎ個の反応室にプロセスガスを供給する主ガス供給路と、前記主ガス供給路に設けられ、前記主ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する主マスフローコントローラと、前記主ガス供給路から分岐され、前記ｎ個の反応室のうちの（ｎ−１）個の反応室に、分流された前記プロセスガスを供給する（ｎ−１）本の副ガス供給路と、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に設けられ、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する（ｎ−１）個の副マスフローコントローラと、前記主ガス供給路から分岐され、前記（ｎ−１）個の反応室以外の１個の反応室に、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れない前記プロセスガスの残部を供給する１本の副ガス供給路と、前記主マスフローコントローラと前記主ガス供給路から前記副ガス供給路への分岐との間の前記主ガス供給路に設けられる圧力計と、前記１本の副ガス供給路に設けられ、前記圧力計の測定結果に基づき前記１本の副ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する副マスフローコントローラと、を備えることを特徴とする。

上記態様の気相成長装置において、前記１本の副ガス供給路に設けられた前記副マスフローコントローラが開度調整型であり、前記（ｎ−１）個の副マスフローコントローラが流量制御型のマスフローコントローラであることが望ましい。

上記態様の気相成長装置において、前記１本の副ガス供給路に設けられ、前記１本の副ガス供給路に流れる前記プロセスガスの流量を測定するマスフローメータを、さらに備えることが望ましい。

上記態様の気相成長装置において、前記ｎ個の反応室からプロセスガスを排出するｎ本の副ガス排出路と、前記ｎ本の副ガス排出路が合流する主ガス排出路と、前記主ガス排出路に設けられるポンプと、をさらに備えることが望ましい。

上記態様の気相成長装置において、前記主ガス排出路の前記反応室と前記ポンプとの間に設けられ、前記ｎ個の反応室の内圧を同時に制御する圧力調整部を、さらに備えることが望ましい。

本発明の一態様の気相成長方法は、ｎ個の反応室のそれぞれに基板を搬入し、主マスフローコントローラで流量を制御したプロセスガスを主ガス供給路に流し、前記主ガス供給路から分岐される（ｎ−１）本の副ガス供給路に、副マスフローコントローラで流量を制御した前記プロセスガスを流し、前記主マスフローコントローラと前記主ガス供給路から前記副ガス供給路への分岐との間の前記主ガス供給路に設けられる圧力計の測定結果に基づき、前記主ガス供給路から分岐される１本の副ガス供給路に、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れない前記プロセスガスの残部を流し、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路と前記１本の副ガス供給路から、前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記プロセスガスを供給して前記基板上に成膜することを特徴とする。

本発明によれば、複数の反応室を有し、信頼性の高い気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能となる。

第１の実施形態の気相成長装置の構成図である。 第１の実施形態の気相成長装置の反応室の模式断面図である。 第２の実施形態の気相成長装置の構成図である。 第３の実施形態の気相成長装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

なお、本明細書中では、気相成長装置が成膜可能に設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。

また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、ソースガス、キャリアガス、分離ガス等を含む概念とする。

また、本明細書中、「分離ガス」とは、気相成長装置の反応室内に導入されるプロセスガスであり、複数の原料ガスのプロセスガス間を分離するガスの総称である。

（第１の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、ｎ個の反応室にプロセスガスを供給する主ガス供給路と、主ガス供給路に設けられる主マスフローコントローラと、主ガス供給路から分岐され、ｎ個の反応室のうちの（ｎ−１）個の反応室に、分流されたプロセスガスを供給する（ｎ−１）本の副ガス供給路と、（ｎ−１）本の副ガス供給路に設けられ、（ｎ−１）本の副ガス供給路に流すプロセスガスの流量を制御する（ｎ−１）個の副マスフローコントローラと、主ガス供給路から分岐され、（ｎ−１）個の反応室以外の１個の反応室に、（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れないプロセスガスの残部を供給する１本の副ガス供給路と、を備える。

また、本実施形態の気相成長方法は、ｎ個の反応室のそれぞれに基板を搬入し、主マスフローコントローラで流量を制御したプロセスガスを主ガス供給路に流し、主ガス供給路から分岐される（ｎ−１）本の副ガス供給路に、副マスフローコントローラで流量を制御したプロセスガスを流し、主ガス供給路から分岐される１本の副ガス供給路に（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れないプロセスガスの残部を流し、（ｎ−１）本の副ガス供給路と１本の副ガス供給路から、ｎ個の反応室のそれぞれにプロセスガスを供給して基板上に成膜する。

本実施形態の気相成長装置および気相成長方法は、上記構成を備えることにより、複数の反応室にプロセスガスを分配して供給する際に、配管等に過剰な圧力が加わることを防止することができる。したがって、信頼性の高い気相成長装置および気相成長方法を実現できる。

図１は、本実施形態の気相成長装置の構成図である。本実施形態の気相成長装置は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いるエピタキシャル成長装置である。以下、主にＧａＮ（窒化ガリウム）をエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。

本実施形態の気相成長装置は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備えている。４個の反応室１０ａ〜ｄは、例えば、それぞれが、縦型の枚葉型のエピタキシャル成長装置である。反応室の数は、４個に限られず、２個以上の任意の数とすることが可能である。反応室の数は、ｎ（ｎは２以上の整数）個と表すことができる。

本実施形態の気相成長装置は、４個の反応室１０ａ〜ｄにプロセスガスを供給する３本の第１の主ガス供給路１１、第２の主ガス供給路２１、第３の主ガス供給路３１を備えている。

第１の主ガス供給路１１は、例えば、反応室１０ａ〜ｄにＩＩＩ族元素の有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する。第１のプロセスガスは、ウェハ上にＩＩＩ−Ｖ族半導体の膜を成膜する際の、ＩＩＩ族元素を含むガスである。

ＩＩＩ族元素は、例えば、ガリウム（Ｇａ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等である。また、有機金属は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等である。

キャリアガスは、例えば、水素ガスである。第１の主ガス供給路１１は、水素ガスのみを流すことも可能である。

第１の主ガス供給路１１には、第１の主マスフローコントローラ１２が設けられる。第１の主マスフローコントローラ１２は、第１の主ガス供給路１１に流す第１のプロセスガスの流量を制御する。

さらに、第１の主ガス供給路１１は、第１の主マスフローコントローラ１２よりも反応室１０ａ〜ｄ側で、４本の第１の副ガス供給路１３ａ、第２の副ガス供給路１３ｂ、第３の副ガス供給路１３ｃ、第４の副ガス供給路１３ｄに分岐される。第１の副ガス供給路１３ａ、第２の副ガス供給路１３ｂ、第３の副ガス供給路１３ｃ、第４の副ガス供給路１３ｄは、それぞれ、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに分流された第１のプロセスガスを供給する。

第１の主ガス供給路１１には、圧力計４１が設けられる。圧力計４１は、第１の主マスフローコントローラ１２と、４本の第１の副ガス供給路１３ａ、第２の副ガス供給路１３ｂ、第３の副ガス供給路１３ｃ、第４の副ガス供給路１３ｄへの分岐との間に設けられる。圧力計４１は第１の主ガス供給路１１の圧力をモニタする。

４本の副ガス供給路１３ａ〜ｄのうち、３本の副ガス供給路、例えば、第１〜第３の副ガス供給路１３ａ〜１３ｃには、それぞれに第１の副マスフローコントローラ１４ａ、第２の副マスフローコントローラ１４ｂ、第３の副マスフローコントローラ１４ｃが設けられる。副マスフローコントローラ１４ａ〜１４ｃは、第１〜第３の副ガス供給路１３ａ〜１３ｃに流す第１のプロセスガスの流量を制御する。副マスフローコントローラ１４ａ〜１４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。

４本の副ガス供給路１３ａ〜ｄのうち、残りの１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路１３ｄには、開度制御型の副マスフローコントローラ１４ｄが設けられる。第４の副ガス供給路１３ｄは、第１〜第３の副ガス供給路１３ａ〜ｃが第１のプロセスガスを供給する３個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ以外の１個の反応室１０ｄに、第１のプロセスガスを供給する。反応室１０ｄには、第１の主ガス供給路１１から供給される第１のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路１３ａ〜ｃに流れない残部の流量が、第４の副ガス供給路１３ｄから供給される。

具体的には、副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、圧力計４１でモニタされる第１の主ガス供給路１１の圧力の測定結果に基づき制御される。例えば、圧力がゼロになるよう制御される構成を備える。この構成により、反応室１０ｄには、第１の主ガス供給路１１から供給される第１のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路１３ａ〜ｃに流れない残部の流量を、第４の副ガス供給路１３ｄから供給することが可能となる。

第２の主ガス供給路２１は、例えば、反応室１０ａ〜ｄにアンモニア（ＮＨ_３）を含む第２のプロセスガスを供給する。第２のプロセスガスは、ウェハ上にＩＩＩ−Ｖ族半導体の膜を成膜する際の、Ｖ族元素、窒素（Ｎ）のソースガスである。

第２の主ガス供給路２１には、水素ガスのみを流すことも可能である。

第２の主ガス供給路２１には、第２の主マスフローコントローラ２２が設けられる。第２の主マスフローコントローラ２２は、第２の主ガス供給路２１に流す第２のプロセスガスの流量を制御する。

さらに、第２の主ガス供給路２１は、第２の主マスフローコントローラ２２よりも反応室１０ａ〜ｄ側で、４本の第１の副ガス供給路２３ａ、第２の副ガス供給路２３ｂ、第３の副ガス供給路２３ｃ、第４の副ガス供給路２３ｄに分岐される。第１の副ガス供給路２３ａ、第２の副ガス供給路２３ｂ、第３の副ガス供給路２３ｃ、第４の副ガス供給路２３ｄは、それぞれ、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに分流された第２のプロセスガスを供給する。

第２の主ガス供給路２１には、圧力計５１が設けられる。圧力計５１は、第２の主マスフローコントローラ２２と、４本の第１の副ガス供給路２３ａ、第２の副ガス供給路２３ｂ、第３の副ガス供給路２３ｃ、第４の副ガス供給路２３ｄへの分岐との間に設けられる。圧力計５１は第２の主ガス供給路２１の圧力をモニタする。

４本の副ガス供給路２３ａ〜ｄのうち、３本の副ガス供給路、例えば、第１〜第３の副ガス供給路２３ａ〜２３ｃには、それぞれに第１の副マスフローコントローラ２４ａ、第２の副マスフローコントローラ２４ｂ、第３の副マスフローコントローラ２４ｃが設けられる。副マスフローコントローラ２４ａ〜２４ｃは、第１〜第３の副ガス供給路２３ａ〜２３ｃに流す第２のプロセスガスの流量を制御する。副マスフローコントローラ２４ａ〜２４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。

４本の副ガス供給路２３ａ〜ｄのうち、残りの１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路２３ｄには、開度制御型の副マスフローコントローラ２４ｄが設けられる。第４の副ガス供給路２３ｄは、第１〜第３の副ガス供給路２３ａ〜ｃが第２のプロセスガスを供給する３個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ以外の１個の反応室１０ｄに、第２のプロセスガスを供給する。反応室１０ｄには、第２の主ガス供給路２１から供給される第２のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路２３ａ〜ｃに流れない残部の流量が、第４の副ガス供給路２３ｄから供給される。

具体的には、副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、圧力計５１でモニタされる第２の主ガス供給路２１の圧力の測定結果に基づき制御される。例えば、圧力がゼロになるよう制御される構成を備える。この構成により、反応室１０ｄには、第２の主ガス供給路２１から供給される第２のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路２３ａ〜ｃに流れない残部の流量を、第４の副ガス供給路２３ｄから供給することが可能となる。

第３の主ガス供給路３１は、第３のプロセスガスを供給する。第３のプロセスガスは、いわゆる分離ガスであり、反応室１０内に第１のプロセスガスと第２のプロセスガスを噴出させる際に、両者の間に噴出させる。これにより、第１のプロセスガスと第２のプロセスガスとが噴出直後に反応することを抑制する。第３のプロセスガスは、例えば、水素ガスである。

第３の主ガス供給路３１には、第３の主マスフローコントローラ３２が設けられる。第３の主マスフローコントローラ３２は、第３の主ガス供給路３１に流す第３のプロセスガスの流量を制御する。

さらに、第３の主ガス供給路３１は、第３の主マスフローコントローラ３２よりも反応室１０ａ〜ｄ側で、４本の第１の副ガス供給路３３ａ、第２の副ガス供給路３３ｂ、第３の副ガス供給路３３ｃ、第４の副ガス供給路３３ｄに分岐される。第１の副ガス供給路３３ａ、第２の副ガス供給路３３ｂ、第３の副ガス供給路３３ｃ、第４の副ガス供給路３３ｄは、それぞれ、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに分流された第３のプロセスガスを供給する。

第３の主ガス供給路３１には、圧力計６１が設けられる。圧力計６１は、第３の主マスフローコントローラ３２と、４本の第１の副ガス供給路３３ａ、第２の副ガス供給路３３ｂ、第３の副ガス供給路３３ｃ、第４の副ガス供給路３３ｄへの分岐との間に設けられる。圧力計６１は第３の主ガス供給路３１の圧力をモニタする。

４本の副ガス供給路３３ａ〜ｄのうち、３本の副ガス供給路、例えば、第１〜第３の副ガス供給路３３ａ〜３３ｃには、それぞれに第１の副マスフローコントローラ３４ａ、第２の副マスフローコントローラ３４ｂ、第３の副マスフローコントローラ３４ｃが設けられる。副マスフローコントローラ３４ａ〜３４ｃは、第１〜第３の副ガス供給路３３ａ〜３３ｃに流す第３のプロセスガスの流量を制御する。副マスフローコントローラ３４ａ〜３４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。

４本の副ガス供給路３３ａ〜ｄのうち、残りの１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路３３ｄには、開度制御型の副マスフローコントローラ３４ｄが設けられる。第４の副ガス供給路３３ｄは、第１〜第３の副ガス供給路３３ａ〜ｃが第３のプロセスガスを供給する３個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ以外の１個の反応室１０ｄに、第３のプロセスガスを供給する。反応室１０ｄには、第３の主ガス供給路３１から供給される第３のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路３３ａ〜ｃに流れない残部の流量が、第４の副ガス供給路３３ｄから供給される。

具体的には、副マスフローコントローラ３４ｄの開度が、圧力計６１でモニタされる第３の主ガス供給路３１の圧力の測定結果に基づき制御される。例えば、圧力がゼロになるよう制御される構成を備える。この構成により、反応室１０ｄには、第３の主ガス供給路３１から供給される第３のプロセスガスの総流量のうち、第１〜第３の副ガス供給路３３ａ〜ｃに流れない残部の流量を、第４の副ガス供給路３３ｄから供給することが可能となる。

本実施形態の気相成長装置は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄからガスを排出する４本の副ガス排出路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備えている。そして、４本の副ガス排出路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが合流する主ガス排出路１６を備えている。さらに、主ガス排出路１６には、ガスを吸引するための真空ポンプ１７が設けられる。真空ポンプ１７はポンプの一例である。

４本の副ガス排出路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄのそれぞれには、圧力調整部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが設けられる。圧力調整部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、反応室１０ａ〜ｄそれぞれの内圧を所望の値に制御する。圧力調整部１８ａ〜１８ｄは、例えば、スロットルバルブである。

さらに、本実施形態の気相成長装置は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの気相成長条件を、同一の条件、すなわち、同一の処理レシピで、同時に制御可能な制御部１９を備える。

図２は、本実施形態の気相成長装置の反応室の模式断面図である。４個の反応室１０ａ〜ｄのうちの一個、例えば、反応室１０ａを示す。なお、４個の反応室１０ａ〜ｄは、すべて同一の構成を備える。

図２に示すように、本実施形態の反応室１０ａは、例えばステンレス製で円筒状中空体の壁面１００を備える。そして、反応室１０ａ上部に配置され、反応室１０ａ内に、プロセスガスを供給するシャワープレート１０１を備えている。

また、反応室１０ａ内のシャワープレート１０１下方に設けられ、半導体ウェハ（基板）Ｗを載置可能な支持部１１２を備えている。支持部１１２は、例えば、中心部に開口部が設けられる環状ホルダー、または、半導体ウェハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のサセプタである。

３本の第１の副ガス供給路１３ａ、２３ａ、３３ａは、シャワープレート１０１に接続される。シャワープレート１０１の反応室１０ａ側には、第１の副ガス供給路１３ａ、２３ａ、３３ａから供給される第１、第２および第３のプロセスガスを、反応室１０ａ内に噴出するための複数のガス噴出孔が設けられている。

また、支持部１１２をその上面に配置し回転する回転体ユニット１１４、支持部１１２に載置されたウェハＷを加熱する加熱部１１６としてヒーターを、支持部１１２下方に備えている。ここで、回転体ユニット１１４は、その回転軸１１８が、下方に位置する回転駆動機構１２０に接続される。そして、回転駆動機構１２０により、半導体ウェハＷをその中心を回転中心として、例えば、５０ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下で回転させることが可能となっている。

円筒状の回転体ユニット１１４の径は、支持部１１２の外周径とほぼ同じであることが望ましい。なお、回転軸１１８は、反応室１０ａの底部に真空シール部材を介して回転自在に設けられている。

そして、加熱部１１６は、回転軸１１８の内部に貫通する支持軸１２２に固定される支持台１２４上に固定して設けられる。加熱部１１６には、図示しない電流導入端子と電極により、電力が供給される。この支持台１２４には半導体ウェハＷを環状ホルダー１１８から脱着させるための、例えば突き上げピン（図示せず）が設けられている。

さらに、半導体ウェハＷ表面等でソースガスが反応した後の反応生成物および反応室１０ａの残留プロセスガスを反応室１０ａ外部に排出するガス排出部１２６を、反応室１０ａ底部に備える。ガス排出部１２６は、副ガス排出路１５ａ（図１）に接続される。

なお、図２に示した反応室１０ａでは、反応室１０ａの側壁箇所において、半導体ウェハＷを出し入れするための図示しないウェハ出入口およびゲートバルブが設けられている。そして、このゲートバルブで連結する例えばロードロック室（図示せず）と反応室１０ａとの間において、ハンドリングアームにより半導体ウェハＷを搬送できるように構成される。ここで、例えば先端のハンド部が合成石英で形成されるハンドリングアームは、シャワープレート１０１とウェハ支持部１１２とのスペースに挿入可能となっている。

本実施形態の気相成長方法は、図１および図２のエピタキシャル成長装置を用いる。以下、本実施形態の気相成長方法について、ＧａＮをエピタキシャル成長させる場合を例に説明する。

本実施形態の気相成長方法では、制御部１９により、４個の反応室１０ａ〜ｄの気相成長条件を、同一の条件で同時に制御する。

まず、４個の反応室１０ａ〜ｄのそれぞれに、基板の一例である半導体ウェハＷを搬入する。

半導体ウェハＷ上に、例えば、ＧａＮ膜を成膜する場合、第１の主ガス供給路１１から、例えば、水素ガスをキャリアガスとするＴＭＧ（第１のプロセスガス）を供給する。また、第２の主ガス供給路２１から、例えば、アンモニア（第２のプロセスガス）を供給する。また、第３の主ガス供給路３１から、例えば、分離ガスとして水素ガス（第３のプロセスガス）を供給する。

第１の主ガス供給路１１には、第１の主マスフローコントローラ１２で流量を制御された第１のプロセスガスが流される。そして、第１のプロセスガスは、第１の主ガス供給路１１から分岐される４本の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに、分流して流される。

３本の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃに分流される第１のプロセスガスの流量は、第１〜第３の副マスフローコントローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃのそれぞれによって、制御される。例えば、第１の主マスフローコントローラ１２で指定される第１のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）の流量を流すよう、第１の副マスフローコントローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの流量が指定される。

さらに、副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、圧力計４１でモニタされる第１の主ガス供給路１１の圧力がゼロになるよう制御される。これにより、３本の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流れない第１のプロセスガスの残部、すなわち、第２のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）に相当する流量が残りの１本の副ガス供給路１３ｄに流れる。第１の主ガス供給路１１から４本の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに分流された第１のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ〜ｄのそれぞれに、供給される。

第２の主ガス供給路２１には、第２の主マスフローコントローラ２２で流量を制御された第２のプロセスガスが流される。そして、第２のプロセスガスは、第２の主ガス供給路２１から分岐される４本の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに、分流して流される。

３本の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃに分流される第２のプロセスガスの流量は、第１〜第３の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃのそれぞれによって、制御される。例えば、第２の主マスフローコントローラ２２で指定される第２のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）の流量を流すよう、第２の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの流量が指定される。

さらに、副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、圧力計５１でモニタされる第２の主ガス供給路２１の圧力がゼロになるよう制御される。これにより、３本の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃに流れない第２のプロセスガスの残部、すなわち、第２のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）に相当する流量が残りの１本の副ガス供給路２３ｄに流れる。第２の主ガス供給路２１から４本の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに分流された第２のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ〜ｄのそれぞれに、供給される。

第３の主ガス供給路３１には、第３の主マスフローコントローラ３２で流量を制御された第３のプロセスガスが流される。そして、第３のプロセスガスは、第３の主ガス供給路３１から分岐される４本の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに、分流して流される。

３本の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに分流される第３のプロセスガスの流量は、第１〜第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃのそれぞれによって、制御される。例えば、第３の主マスフローコントローラ３２で指定される第３のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）の流量を流すよう、第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃの流量が指定される。

さらに、副マスフローコントローラ３４ｄの開度が、圧力計６１でモニタされる第３の主ガス供給路３１の圧力がゼロになるよう制御される。これにより、３本の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに流れない第３のプロセスガスの残部、すなわち、第３のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）に相当する流量が残りの１本の副ガス供給路３３ｄに流れる。第３の主ガス供給路３１から４本の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに分流された第３のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ〜ｄのそれぞれに、供給される。

反応室１０ａ〜ｄの内圧は、圧力調整部１８ａ〜ｄによって、同一の圧力になるよう制御される。

このように、各反応室１０ａ〜ｄには、第１、第２、第３のプロセスガスが供給され、半導体ウェハＷ上にＧａＮ膜が形成される。

４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの気相成長条件は、制御部１９によって、同一の条件、すなわち、同一の処理レシピで、制御される。制御部１９は、例えば、第１、第２、第３の主マスフローコントローラ１２、２２、３２を同一の処理レシピで制御する。また、第１の副マスフローコントローラ１４ａ、２４ａ、３４ａを同一の処理レシピで制御する。また、第２の副マスフローコントローラ１４ｂ、２４ｂ、３４ｂを同一の処理レシピで制御する。また、第３の副マスフローコントローラ１４ｃ、２４ｃ、３４ｃを同一の処理レシピで制御する。また、圧力調整部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを同一の処理レシピで制御する。また、反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの温度や、基板の回転数等も同一の処理レシピで制御する。

以下、反応室での具体的処理について、反応室１０ａを例に説明する。

反応室１０ａに、例えば、３本の第１の副ガス供給路１３ａ、２３ａ、３３ａから水素ガスが供給され、真空ポンプ１７を作動して反応室１０ａ内のガスをガス排出部１２６から排気する。反応室１０ａを所定の圧力に制御している状態で、反応室１０ａ内の支持部１１２に半導体ウェハＷを載置する。

半導体ウェハＷの搬入に際しては、例えば、反応室１０ａのウェハ出入口のゲートバルブ（図示せず）を開きハンドリングアームにより、ロードロック室内の半導体ウェハＷを反応室１０ａ内に搬入する。そして、半導体ウェハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して支持部１１２に載置され、ハンドリングアームはロードロック室に戻され、ゲートバルブは閉じられる。

ここで、支持部１１２に載置した半導体ウェハＷは、加熱部１１６により所定温度に予備加熱している。その後、加熱部１１６の加熱出力を上げて半導体ウェハＷを所定の温度、例えば、１１００℃程度の成膜温度に昇温させる。

第１の副ガス供給路１３ａから、水素ガスをキャリアガスとするＴＭＧ（第１のプロセスガス）を、シャワープレート１０１を介して反応室１０ａに供給する。また、第１の副ガス供給路２３ａから、アンモニア（第２のプロセスガス）を、シャワープレート１０１を介して反応室１０ａに供給する。また、第１の副ガス供給路３３ａから、水素ガス（第３のプロセスガス）を分離ガスとして、シャワープレート１０１を介して反応室１０ａに供給する。これにより、半導体ウェハＷ上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる。

エピタキシャル成長終了時には、ＩＩＩ族のソースガスの第１の副ガス供給路１３ａへの流入を遮断する。これにより、ＧａＮ単結晶膜の成長が終了する。加熱部１１６の加熱出力を下げて半導体ウェハＷの温度を下げ、所定の温度まで半導体ウェハＷの温度が低下した後、第１の副ガス供給路２３ａから反応室１０ａへのアンモニア供給を停止する。

この成膜終了時には、反応室１０ａへは第１の副ガス供給路１３ａを介して水素ガスが供給される。また、反応室１０ａへは第１の副ガス供給路２３ａを介して水素ガスが供給される。

ここで、例えば、回転体ユニット１１４の回転を停止させ、単結晶膜が形成された半導体ウェハＷを支持部１１２に載置したままにして、加熱部１１６の加熱出力を調整し、搬送温度に低下させる。

次に、例えば突き上げピンにより半導体ウェハＷを支持部１１２から脱着させる。そして、再びゲートバルブを開いてハンドリングアームをシャワープレート１０１および支持部１１２の間に挿入し、その上に半導体ウェハＷを載せる。そして、半導体ウェハＷを載せたハンドリングアームをロードロック室に戻す。

以上のようにして、一回の半導体ウェハＷに対する成膜が終了し、例えば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにおいても反応室１０ａと同時に同じ条件で半導体ウェハＷに対する成膜が行われる。

本実施形態の気相成長装置によれば、１本の主ガス供給路から供給されるガスを、ｎ本の副ガス供給路に分流してｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室に分配する際、（ｎ−１）本の副ガス供給路については、プロセスガスの総流量のｎ分の１が流れるよう副マスフローコントローラで制御し、総流量の残部の流量が残りの１本の副ガス供給路に流れるようにする。

仮に、ｎ本すべての副ガス供給路に流量制御型の副マスフローコントローラを設けて、プロセスガスの総流量のｎ分の１が流れるよう制御しようとする場合を考える。この場合、副マスフローコントローラの特性ばらつきにより、副マスフローコントローラより反応室側に流れるプロセスガスの総流量が、主ガス供給路から供給されるプロセスガスの総流量よりも少なくなる場合が生じ得る。このような場合、主マスフローコントローラと、副マスフローコントローラの間の流路に過剰な圧力（ガス圧）が加わり、流路を形成する配管やバルブ等にガス漏れ等の不具合が生じるおそれがある。

また、逆に副マスフローコントローラの特性ばらつきにより、副マスフローコントローラが反応室側に流そうとするプロセスガスの総流量が、主ガス供給路から供給されるプロセスガスの総流量よりも大きくなる場合が生じ得る。このような場合、指定された流量を流すことができない副マスフローコントローラの動作が不安定になるおそれがある。

本実施形態の気相成長装置によれば、ｎ本の副ガス供給路のうち、（ｎ−１）本の副ガス供給路について、プロセスガスの総流量のｎ分の１が流れるよう流量制御型の副マスフローコントローラで制御し、総流量の残部の流量が残りの１本の副ガス供給路に流れるようにする。具体的には、主ガス供給路の副ガス供給路への分岐前に設けられる圧力計の値がゼロとなるように、残りの１本の副ガス供給路に流れるプロセスガスの量を開度制御型のマスフローコントローラで制御する。これにより、副マスフローコントローラより反応室側に流れるプロセスガスの総流量と、主ガス供給路から供給されるプロセスガスの総流量は同一となる。

したがって、主マスフローコントローラと、副マスフローコントローラの間の流路の圧力が過剰に高くなったり、副マスフローコントローラが指定された流量を流せなくなったりする事態が生じ得ない。よって、複数の反応室を有し、信頼性の高い気相成長装置が実現される。

また、ｎ個の反応室の気相成長条件を、単一の制御部を用いて、同一の条件、すなわち、同一の処理レシピで、同時に制御可能とする。これにより、簡易な構成で多数の基板に同時に成膜することが可能となる。また、制御系が簡易な構成となることで、信頼性の高い気相成長装置が実現される。

そして、本実施形態の気相成長方法によれば、主マスフローコントローラと、副マスフローコントローラの間の流路の圧力が異常に高くなったり、副マスフローコントローラが指定された流量を流せなくなったりする事態が生じ得ない。よって、安定した、信頼性の高い気相成長方法が実現される。

（第２の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、上記１本の副ガス供給路に設けられ、１本の副ガス供給路に流れるプロセスガスの流量を測定するマスフローメータを、さらに備えること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図３は、本実施形態の気相成長装置の構成図である。

第１の主ガス供給路１１から分岐される４本の副ガス供給路１３ａ〜ｄのうち、開度制御型のマスフローコントローラを備える１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路１３ｄにマスフローメータ７１が設けられる。マスフローメータ７１は、第４の副ガス供給路１３ｄに流れる第１のプロセスガスの流量を測定する。

同様に、第２の主ガス供給路２１から分岐される４本の副ガス供給路２３ａ〜ｄのうち、開度制御型のマスフローコントローラを備える１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路２３ｄにマスフローメータ８１が設けられる。マスフローメータ８１は、第４の副ガス供給路２３ｄに流れる第２のプロセスガスの流量を測定する。

同様に、第３の主ガス供給路３１から分岐される４本の副ガス供給路３３ａ〜ｄのうち、開度制御型のマスフローコントローラを備える１本の副ガス供給路、すなわち、第４の副ガス供給路３３ｄにマスフローメータ９１が設けられる。マスフローメータ９１は、第４の副ガス供給路３３ｄに流れる第３のプロセスガスの流量を測定する。

本実施形態の気相成長装置によれば、流量制御型のマスフローコントローラを備えず、流量があらかじめ定められる量に制御されない１本の副ガス供給路に流れるプロセスガスの流量を、マスフローメータで測定する。これにより、この副ガス供給路から反応室に供給されるプロセスガスの流量をモニタリングすることが可能となる。したがって、例えば、この副ガス供給路から反応室に供給されるプロセスガスの流量が、許容される流量の範囲を逸脱するような異常を検知することができる。

また、マスフローメータ７１、８１、９１で測定されるプロセスガスの流量が許容範囲を逸脱するような場合に、例えば、プロセスガスの供給等の処理を停止する処理停止部を、さらに設けてもかまわない。処理停止部は、例えば、制御部１９に組み込むことも可能である。

（第３の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、主ガス排出路の反応室とポンプとの間に設けられ、ｎ個の反応室の内圧を同時に制御する圧力調整部を、さらに備えること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図４は、本実施形態の気相成長装置の構成図である。

主ガス排出路１６の、反応室１０ａ〜ｄと真空ポンプ１７との間に、１個の圧力調整部７０が設けられる。この圧力調整部７０は、４個の反応室１０ａ〜ｄの内圧を同時に制御する。圧力調整部７０は、例えば、スロットルバルブである。

本実施形態の気相成長装置によれば、単一の圧力調整部により、ｎ個の反応室の内圧を制御する。したがって、ｎ個の反応室の内圧を、すべて同一の圧力に制御することが容易となる。また、ｎ個の反応室それぞれに圧力調整部を設ける構成に対し、より簡易な構成となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

例えば、１本の副ガス供給路から、（ｎ−１）個の反応室以外の１個の反応室に、（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れないプロセスガスの残部を供給する構成であれば、実施の形態以外の構成を採用することも可能である。

例えば、実施形態では、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶膜を成膜する場合を例に説明したが、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）等、その他のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物系半導体の単結晶膜等の成膜にも本発明を適用することが可能である。また、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族の半導体にも本発明を適用することが可能である。

また、有機金属がＴＭＧ１種の場合を例に説明したが、２種以上の有機金属をＩＩＩ族元素のソースとして用いる場合であっても、かまわない。また、有機金属は、ＩＩＩ族元素以外の元素でもかまわない。

また、キャリアガスとして水素ガス（Ｈ_２）を例に説明したが、その他、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウムガス（Ｈｅ）、あるいは、それらのガスの組み合わせをキャリアガスとして適用することが可能である。

また、プロセスガスが、例えば、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の両方を含む混合ガスであってもかまわない。

また、実施形態では、ｎ個の反応室がウェハ１枚毎に成膜する縦型の枚葉式のエピタキシャル装置である場合を例に説明したが、ｎ個の反応室は、枚葉式のエピタキシャル装置に限られるものではない。例えば、自公転する複数のウェハに同時に成膜するプラネタリー方式のＣＶＤ装置や、横型のエピタキシャル装置等の場合にも、本発明を適用することが可能である。

実施形態では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置および気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ａ〜ｄ 反応室
１１ 第１の主ガス供給路
１２ 第１の主マスフローコントローラ
１３ａ〜ｄ 第１〜第４の副ガス供給路
１４ａ〜ｄ 第１〜第４の副マスフローコントローラ
１５ａ〜ｄ 副ガス排出路
１６ 主ガス排出路
１７ 真空ポンプ
１８ａ〜ｄ 圧力調整部
１９ 制御部
２１ 第２の主ガス供給路
２２ 第２の主マスフローコントローラ
２３ａ〜ｄ 第１〜第４の副ガス供給路
２４ａ〜ｄ 第１〜第４の副マスフローコントローラ
３１ 第３の主ガス供給路
３２ 第３の主マスフローコントローラ
３３ａ〜ｄ 第１〜第４の副ガス供給路
３４ａ〜ｄ 第１〜第４の副マスフローコントローラ
４１ 圧力計
５１ 圧力計
６１ 圧力計
７０ 圧力調整部
７１ マスフローメータ
８１ マスフローメータ
９１ マスフローメータ

Claims (6)

1. ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、
   前記ｎ個の反応室にプロセスガスを供給する主ガス供給路と、
   前記主ガス供給路に設けられ、前記主ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する主マスフローコントローラと、
   前記主ガス供給路から分岐され、前記ｎ個の反応室のうちの（ｎ−１）個の反応室に、分流された前記プロセスガスを供給する（ｎ−１）本の副ガス供給路と、
   前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に設けられ、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する（ｎ−１）個の副マスフローコントローラと、
   前記主ガス供給路から分岐され、前記（ｎ−１）個の反応室以外の１個の反応室に、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れない前記プロセスガスの残部を供給する１本の副ガス供給路と、
   前記主マスフローコントローラと前記主ガス供給路から前記副ガス供給路への分岐との間の前記主ガス供給路に設けられる圧力計と、
   前記１本の副ガス供給路に設けられ、前記圧力計の測定結果に基づき前記１本の副ガス供給路に流す前記プロセスガスの流量を制御する副マスフローコントローラと、
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記１本の副ガス供給路に設けられた前記副マスフローコントローラが開度調整型であり、
   前記（ｎ−１）個の副マスフローコントローラが流量制御型のマスフローコントローラであることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記１本の副ガス供給路に設けられ、前記１本の副ガス供給路に流れる前記プロセスガスの流量を測定するマスフローメータを、さらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記ｎ個の反応室からプロセスガスを排出するｎ本の副ガス排出路と、前記ｎ本の副ガス排出路が合流する主ガス排出路と、前記主ガス排出路に設けられるポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の気相成長装置。
5. 前記主ガス排出路の前記反応室と前記ポンプとの間に設けられ、前記ｎ個の反応室の内圧を同時に制御する圧力調整部を、さらに備えることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
6. ｎ個の反応室のそれぞれに基板を搬入し、
   主マスフローコントローラで流量を制御したプロセスガスを主ガス供給路に流し、
   前記主ガス供給路から分岐される（ｎ−１）本の副ガス供給路に、副マスフローコントローラで流量を制御した前記プロセスガスを流し、
   前記主マスフローコントローラと前記主ガス供給路から前記副ガス供給路への分岐との間の前記主ガス供給路に設けられる圧力計の測定結果に基づき、前記主ガス供給路から分岐される１本の副ガス供給路に、前記（ｎ−１）本の副ガス供給路に流れない前記プロセスガスの残部を流し、
   前記（ｎ−１）本の副ガス供給路と前記１本の副ガス供給路から、前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記プロセスガスを供給して前記基板上に成膜することを特徴とする気相成長方法。
   

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