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JP6578158B2 - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスを供給して成膜を行う気相成長装置及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、常圧又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、反応室上部から反応室内の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（ＮＨ３）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。また、特許文献３には、複数の反応室で膜を成長させる際、異常が生じた反応室の圧力の設定値を、通常の設定値から変更する方法が記載されている。
特開平１０−１５８８４３号公報 特開２００２−２１２７３５号公報 特開２００３−４９２７８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、各反応室で同時に成長する膜の特性を調整することが可能な気相成長装置及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、複数の基板をそれぞれ同時に成膜処理するｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室に同時に供給する第１の主ガス供給路と、所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室に同時に供給する第２の主ガス供給路と、各前記ｎ個の反応室に供給される前記第１のプロセスガスの流量及び前記第２のプロセスガスの流量の設定値に基づき、前記第１のプロセスガスの流量及び前記第２のプロセスガスの流量を制御し、各前記ｎ個の反応室で独立に設定された所定のプロセスパラメータの設定値に基づき、前記所定のプロセスパラメータを独立に制御する制御部と、前記ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、前記複数の基板をそれぞれ回転させる回転駆動機構と、前記ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、前記複数の基板を加熱する加熱部と、を備え、前記制御部が、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた膜厚及び組成を含む膜特性と前記所定のプロセスパラメータの相関情報と、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた前記膜特性から、前記ｎ個の反応室における前記所定のプロセスパラメータの前記設定値を演算する演算部を有する。
上記態様の気相成長装置において、前記所定のプロセスパラメータは、前記ｎ個の反応
室に供給されるプロセスガスにおける前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度、基板回
転数、基板温度、及び前記加熱部の出力から選ばれる少なくとも１つ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、前記制御部が、前記第１のプロセスガスの供給開始動作、前記第１のプロセスガスの供給停止動作、前記第２のプロセスガスの供給開始動作、及び、前記第２のプロセスガスの供給停止動作のそれぞれを、前記ｎ個の反応室で同一の時刻に実行するよう制御することが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記ｎ個の反応室のそれぞれに希釈ガスを供給するｎ本の希釈ガス供給ラインを更に備え、前記制御部は、前記ｎ個の反応室それぞれにおいて独立に設定される前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度の設定値に基づき、前記希釈ガスの供給量を制御することが望ましい。
上記態様の気相成長装置において、前記反応室が膜の成長中に膜厚の測定が可能な膜厚測定器を有し、前記制御部が、前記膜の成長中に前記膜厚測定器による膜厚測定結果に基づき、前記所定のプロセスパラメータの内の少なくとも１つの設定値を、前記ｎ個の反応室の間で独立に変動させて調整することが望ましい。
本発明の一態様の気相成長方法は、複数の基板を、ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室のそれぞれに搬入し、所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに第１の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第１のプロセスガスの供給を同時に開始し、所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに第２の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第２のプロセスガスの供給を同時に開始し、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた膜厚及び組成を含む膜特性と所定のプロセスパラメータの相関情報と、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた前記膜特性から、前記所定のプロセスパラメータの設定値を演算し、前記ｎ個の反応室におけるそれぞれの前記所定のプロセスパラメータの前記設定値に基づき、前記ｎ個の反応室における前記所定のプロセスパラメータをそれぞれ独立に制御し、前記ｎ個の反応室で前記複数の基板のそれぞれの上に同時に膜を成長させ、前記ｎ個の反応室への前記第１のプロセスガスの供給を同時に停止し、前記ｎ個の反応室への前記第２のプロセスガスの供給を同時に停止する。
上記態様の気相成長方法において、複数のテスト基板を、前記ｎ個の反応室のそれぞれに搬入し、所定流量の前記第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記第１の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第１のプロセスガスの供給を同時に開始し、所定流量の前記第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記第２の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第２のプロセスガスの供給を同時に開始し、前記所定のプロセスパラメータの初期設定値に基づき、前記所定のパラメータを制御し、前記ｎ個の反応室で前記複数のテスト基板上に同時に膜を成長させ、前記ｎ個の反応室への前記第１のプロセスガスの供給を同時に停止し、前記ｎ個の反応室への前記第２のプロセスガスの供給を同時に停止し、前記複数の前記テスト基板上に成長した前記膜の特性を測定し、測定された前記膜の特性に基づき、前記ｎ個の反応室においてそれぞれの前記所定のプロセスパラメータの設定値を求めることが望ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記所定のプロセスパラメータは、前記ｎ個の反応室に供給されるプロセスガスにおける前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度、基板回転数、基板温度、及び前記反応室内に設けられ、前記複数の基板のそれぞれを加熱する加熱部の電力から選ばれる少なくとも１つであることが望ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記所定のプロセスパラメータは、前記加熱部の電力又は前記基板温度であり、前記ｎ個の反応室のうち少なくとも１つの反応室において、前記加熱部の電力又は前記基板温度の設定値を、前記基板上に前記膜を成長させるときの設定値より低い値に設定して、前記膜の成長を中止することが望ましい。
本発明によれば、複数の反応室を有し、各反応室で同時に成長する膜の特性を調整することが可能な気相成長装置及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１の実施形態の作用・効果の説明図である。 第１の実施形態の作用・効果の説明図である。 第１の実施形態の作用・効果の説明図である。 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反応室の模式断面図である。
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、希釈ガス等を含む概念とする。
（第１の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、複数の基板をそれぞれ同時に成膜処理するｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配してｎ個の反応室に同時に供給する第１の主ガス供給路と、所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配してｎ個の反応室に同時に供給する第２の主ガス供給路と、各ｎ個の反応室に供給される第１のプロセスガスの流量及び第２のプロセスガスの流量の設定値に基づき、第１のプロセスガスの流量及び第２のプロセスガスの流量を制御し、各ｎ個の反応室で独立に設定された所定のプロセスパラメータの設定値に基づき、所定のプロセスパラメータを独立に制御する制御部と、ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、複数の基板をそれぞれ回転させる回転駆動機構と、ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、複数の基板を加熱する加熱部と、を備える。
また、本実施形態の気相成長方法は、複数の基板を、ｎ個の反応室のそれぞれに搬入し、所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配してｎ個の反応室のそれぞれに第１の流量の設定値に基づき制御された流量で第１のプロセスガスの供給を同時に開始し、所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配してｎ個の反応室のそれぞれに第２の流量の設定値に基づき制御された流量で第２のプロセスガスの供給を同時に開始し、ｎ個の反応室におけるそれぞれの所定のプロセスパラメータの設定値に基づき、ｎ個の反応室における所定のプロセスパラメータをそれぞれ独立に制御し、ｎ個の反応室で複数の基板のそれぞれの上に同時に膜を成長させ、ｎ個の反応室への第１のプロセスガスの供給を同時に停止し、ｎ個の反応室への第２のプロセスガスの供給を同時に停止する。
本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法は、上記構成を備えることにより、複数の反応室で同時に基板上に膜を成膜する際に、各反応室で成長する膜の特性を調整し、膜の特性を揃えることが可能となる。膜の特性とは、例えば、膜厚や組成である。
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。
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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにプロセスガスを供給する第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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ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。第１の主ガス供給路１１は、所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに同時に供給する。
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。
更に、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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ側で、３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、１本の第２の副ガス供給路１３ｄに分岐される。第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、第２の副ガス供給路１３ｄは、それぞれ、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄへ、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、第１の圧力計４１が設けられる。第１の圧力計４１は、第１の主マスフローコントローラ１２と、３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１本の第２の副ガス供給路１３ｄへの分岐との間に設けられる。第１の圧力計４１は第１の主ガス供給路１１の圧力をモニタする。
３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれに第１の副マスフローコントローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられる。第１の副マスフローコントローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流す第１のプロセスガスの流量を制御する。第１の副マスフローコントローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。
１本の第２の副ガス供給路１３ｄには、開度制御型の第４の副マスフローコントローラ１４ｄが設けられる。第２の副ガス供給路１３ｄは、第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ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の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流れない残部の第１のプロセスガスが、第２の副ガス供給路１３ｄから供給される。
具体的には、第４の副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、第１の圧力計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、第４の副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、圧力計４１でモニタされる圧力がゼロになるよう制御される。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の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流れない残部の流量の第１のプロセスガスを、第２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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにアンモニア（ＮＨ３）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は、所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに同時に供給する。
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。
更に、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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ側で、３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、１本の第４の副ガス供給路２３ｄに分岐される。第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、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へ、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、第２の圧力計５１が設けられる。第２の圧力計５１は、第２の主マスフローコントローラ２２と、３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、１本の第４の副ガス供給路２３ｄへの分岐との間に設けられる。第２の圧力計５１は第２の主ガス供給路２１の圧力をモニタする。
３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃには、それぞれに第２の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられる。第２の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃに流す第２のプロセスガスの流量を制御する。第２の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。
１本の第４の副ガス供給路２３ｄには、開度制御型の第５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３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ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３の副ガス供給路２３ａ、２４ｂ、２４ｃに流れない残部の第２のプロセスガスが、第４の副ガス供給路２３ｄから供給される。
具体的には、第５の副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、第２の圧力計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、第５の副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、第２の圧力計５１でモニタされる圧力がゼロになるよう制御される。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３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃに流れない残部の流量の第２のプロセスガスを、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１のプロセスガス及び第２のプロセスガスを希釈する希釈ガスを反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄへ供給する。希釈ガスで、第１のプロセスガス及び第２のプロセスガスを希釈することにより、反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度を調整する。希釈ガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、又は、アルゴンガス等の不活性ガスまたはこれらの混合ガスである。
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２１に流す希釈ガスの流量を制御する。
更に、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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ側で、３本の第５の副ガス供給路（希釈ガス供給ライン）３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、１本の第６の副ガス供給路（希釈ガス供給ライン）３３ｄに分岐される。第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、第６の副ガス供給路３３ｄは、それぞれ、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄへ、分流された希釈ガスを供給する。３本の第５の副ガス供給路と１本の第６の副ガス供給路とが、４本の希釈ガス供給ラインの一例となる。
第３の主ガス供給路３１には、第３の圧力計６１が設けられる。第３の圧力計６１は、第３の主マスフローコントローラ３２と、３本の第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、１本の第４の副ガス供給路３３ｄへの分岐との間に設けられる。第３の圧力計６１は第３の主ガス供給路３１の圧力をモニタする。
３本の第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃには、それぞれに第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃが設けられる。第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、第３の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに流す希釈ガスの流量を制御する。第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、流量制御型のマスフローコントローラである。
１本の第６の副ガス供給路３３ｄには、開度制御型の第６の副マスフローコントローラ３４ｄが設けられる。第６の副ガス供給路３３ｄは、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃが希釈ガスを供給する３個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ以外の１個の反応室１０ｄに、希釈ガスを供給する。反応室１０ｄには、第３の主ガス供給路３１から供給される希釈ガスの総流量のうち、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに流れない残部の希釈ガスが、第６の副ガス供給路３３ｄから供給される。
具体的には、第６の副マスフローコントローラ３４ｄの開度が、第３の圧力計６１でモニタされる希釈ガス供給路３１の圧力の測定結果に基づき制御される。例えば、第６の副マスフローコントローラ３４ｄの開度が、第３の圧力計６１でモニタされる圧力がゼロになるよう制御される。この構成により、反応室１０ｄには、第３の主ガス供給路３１から供給される希釈ガスの総流量のうち、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに流れない残部の流量の希釈ガスを、第６の副ガス供給路３３ｄから供給することが可能となる。
第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、第６の副ガス供給路３３ｄのそれぞれに接続される４本の調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄが設けられる。調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄは、第３の副マスフローコントローラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、第６の副マスフローコントローラ３４ｄよりも反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ側で、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、第６の副ガス供給路３３ｄに接続される。
調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄは、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、第６の副ガス供給路３３ｄに希釈ガスを供給する。調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄには、例えば、水素ガス、窒素ガス、又は、アルゴンガス等の不活性ガスが供給される。
調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄのそれぞれには、調整用マスフローメータ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄが設けられる。調整用マスフローメータ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄは、第５の副ガス供給路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、第６の副ガス供給路３３ｄに供給する希釈ガスの量を調整する。調整用マスフローメータ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄは、例えば、流量制御型のマスフローコントローラである。
調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄは、反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給される希釈ガスの流量を、独立に調整する。調整用ガス供給路１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄにより、反応室に供給されるプロセスガスにおけるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度が独立に調整可能となる。
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が合流して繋がる主ガス排出路１６を備えている。更に、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。
更に、本実施形態の気相成長装置は、制御部１９を備える。制御部１９は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給される第１のプロセスガスの流量及び第２のプロセスガスの流量の設定値に基づき、第１のプロセスガスの流量及び第２のプロセスガスの流量を制御する。また、制御部１９は、各４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで独立に設定された所定のプロセスパラメータの設定値に基づき、所定のプロセスパラメータを独立に制御する。
制御部１９は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのプロセスパラメータの設定値を、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。また、制御部１９は、第１のプロセスガスの供給開始動作、第１のプロセスガスの供給停止動作、第２のプロセスガスの供給開始動作、及び、第２のプロセスガスの供給停止動作の４個の動作のそれぞれが、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで同一の時刻に実行されるよう制御する。
また、制御部１９は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄでの成長される膜の特性を揃えるために、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの所定のプロセスパラメータの設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの間で独立に設定し、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで基板上に同時に膜が成長するよう制御できる。
独立に設定可能な所定のプロセスパラメータは、反応室に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、基板回転数、基板温度、及び、加熱部の出力から選ばれる少なくとも１つの設定値である。
制御部１９は、演算部１９ａを備える。演算部１９ａは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれにおいて予め得られた膜特性と所定のプロセスパラメータとの相関情報と、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにおいて予め得られた膜特性とから、所定のプロセスパラメータの設定値を演算する機能を備える。
制御部１９は、例えば、制御回路である。制御回路は、例えば、ハードウェア又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで構成される。
制御部１９は、例えば、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれにおいて独立に設定されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値に基づき、希釈ガスの供給量を制御する。
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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ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。反応室１０ａの上部には、シャワープレート１０１が設けられる。シャワープレート１０１は、反応室１０ａ内に、プロセスガスを供給する。
また、反応室１０ａ内に、支持部１１２を備えている。支持部１１２は、半導体ウェハ（基板）Ｗを載置可能である。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、又は、開口部の設けられないサセプタである。
第１の副ガス供給路１３ａ、第３の副ガス供給路２３ａ、第５の副ガス供給路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、シャワープレート１０１内で混合された第１のプロセスガス、第２のプロセスガス及び希釈ガスを、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、反応室１０ａは、回転体ユニット１１４を備える。回転体ユニット１１４の上部に支持部１１２が設けられる。回転体ユニット１１４は、その回転軸１１８が、回転駆動機構１２０に接続される。回転駆動機構１２０により、支持部１１２に載置される半導体ウェハＷを、例えば、５０ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転数で回転させることが可能となっている。
また、回転体ユニット１１４内には、支持部１１２に載置されたウェハＷを加熱する加熱部１１６を備えている。加熱部１１６は、例えば、ヒーターである。
加熱部１１６は、回転体ユニット１１４内に固定して設けられる。加熱部１１６には、回転軸１１８の内部を貫通する電極１２２を介して電力が供給され、加熱部１１６の出力を０％から１００％まで制御することができる。また、半導体ウェハＷを環状ホルダー１１２から脱着させるために、加熱部１１６を貫通する突き上げピン（図示せず）が設けられている。
更に、反応室１０ａ底部に、ガス排出部１２６を備える。ガス排出部１２６は、半導体ウェハＷ表面でソースガスが反応した後の反応生成物、及び、反応室１０ａに残留したプロセスガスを反応室１０ａの外部に排出する。ガス排出部１２６は、副ガス排出路１５ａ（図１）に接続される。
反応室１０ａの壁面１００には、図示しないウェハ出入口及びゲートバルブが設けられている。ウェハ出入口及びゲートバルブにより、半導体ウェハＷを反応室１０ａ内に搬入したり、反応室１０ａ外に搬出したりすることが可能である。
本実施形態の気相成長方法は、図１及び図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説明する。インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含む第１の窒化物半導体膜と、ガリウム（Ｇａ）を含む第２の窒化物半導体膜とが複数積層された積層膜を、ＧａＮ膜上に形成する場合を例に説明する。第１の窒化物半導体膜と第２の窒化物半導体膜は、エピタキシャル成長により形成される単結晶膜である。積層膜は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層である。
本実施形態の気相成長方法では、最初に、テスト用の基板（テスト基板）を用いて、各反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで成長する膜の特性のばらつきを評価する。膜の特性は、膜厚と組成である。テスト用の基板への膜の成長の際、制御部１９により、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのプロセスパラメータを、同一の初期設定値で制御する。
まず、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、テスト用の基板の一例である半導体ウェハＷ２を搬入する。複数の半導体ウェハＷ２には、あらかじめＧａＮ膜が形成されている。
半導体ウェハＷ２のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる。ＩｎＧａＮ膜を成膜する場合、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、第１の主ガス供給路１１から、例えば、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧとＴＭＩの混合ガス（第１のプロセスガス）を供給する。また、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、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。
半導体ウェハＷ２上に、ＧａＮ膜を成膜する場合、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、第１の主ガス供給路１１から、例えば、窒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、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、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。
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。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３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、１本の第２の副ガス供給路１３ｄに、分流して流される。
３本の第１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で設定される第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の流量が設定される。
更に、第４の副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、第１の圧力計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本の第１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１のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）に相当する流量の第１のプロセスガスが残りの１本の第２の副ガス供給路１３ｄに流れる。第１の主ガス供給路１１から３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、及び第２の副ガス供給路１３ｄに分流された第１のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、供給される。
所定流量の第１のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに第１の流量の設定値に基づき制御された流量で第１のプロセスガスの供給を同時に開始する。
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３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、１本の第４の副ガス供給路２３ｄに、分流して流される。
３本の第３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２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で設定される第２のプロセスガスの総流量の４分の１（１／４）の流量の第２のプロセスガスを流すよう、第２の副マスフローコントローラ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの流量が設定される。
更に、第５の副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、第２の圧力計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本の第３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本の第４の副ガス供給路２３ｄに流れる。第２の主ガス供給路２１から３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、及び第４の副ガス供給路２３ｄに分流された第２のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、供給される。
所定流量の第２のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに第２の流量の設定値に基づき制御された流量で第２のプロセスガスの供給を同時に開始する。
半導体ウェハＷ２のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる際、制御部１９が、第１のプロセスガスの供給開始動作、第１のプロセスガスの供給停止動作、第２のプロセスガスの供給開始動作、及び、第２のプロセスガスの供給停止動作の４個の動作のそれぞれが、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで同一の時刻に実行されるよう制御する。
半導体ウェハＷ２のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる際、第３の主ガス供給路３１から、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄへ同一の初期設定値で希釈ガスが供給される。
半導体ウェハＷ２のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる際、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ２の回転数、及び、半導体ウェハＷ２の温度の３つのプロセスパラメータの初期設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄについて同一の値に設定して、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで複数の半導体ウェハＷ２上に同時に膜を成長させる。
４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値は、例えば、第１の主マスフローコントローラ１２及び第２の主マスフローコントローラ２２の流量の設定値である。半導体ウェハＷ２の回転数の設定値は、回転体ユニット１１４の回転数の設定値である。半導体ウェハＷ２の温度の設定値は、例えば、加熱部１１６に供給される電力の設定値である。
以上の方法で、各反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄには、第１のプロセスガス、第２のプロセスガス、希釈ガスが供給され、半導体ウェハＷ２上にＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とが交互に積層された積層膜が形成される。
次に、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄから半導体ウェハＷ２を搬出し、半導体ウェハＷ２上に成長した膜の特性を測定する。膜の特性とは、例えば、膜厚及び組成である。膜厚は、例えば、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）の画像上で測定することが可能である。膜の組成は、例えば、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＳＩＭＳ）で測定することが可能である。
テスト用の半導体ウェハＷ２上に成長した膜の特性に基づき、次に、同じ積層膜を成長させる際に、設定されるプロセスパラメータの設定値を決定する。プロセスパラメータは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ２の回転数、及び、半導体ウェハＷ２の温度である。
例えば、制御部１９内の演算部１９ａが、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれにおいて、予め得られた膜厚及び組成とＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ２の回転数、及び、半導体ウェハＷ２の温度との相関情報と、半導体ウェハＷ２から得られた膜厚及び組成とから、ＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ２の回転数、及び、半導体ウェハＷ２の温度の設定値を演算する。
各反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄについて設定されるプロセスパラメータの設定値は、各反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで、成長する膜の膜厚及び組成が同一になる値に設定される。
次に、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、基板の一例である半導体ウェハＷ１を搬入する。半導体ウェハＷ１にはあらかじめＧａＮ膜が形成されている。
半導体ウェハＷ１のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる。ＩｎＧａＮ膜を成膜する場合、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、第１の主ガス供給路１１から、例えば、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧとＴＭＩの混合ガス（第１のプロセスガス）を供給する。また、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、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。
半導体ウェハＷ１上に、ＧａＮ膜を成膜する場合、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、第１の主ガス供給路１１から、例えば、窒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、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、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。
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３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、１本の第２の副ガス供給路１３ｄに、分流して流される。
３本の第１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で設定される第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の流量が設定される。
更に、第４の副マスフローコントローラ１４ｄの開度が、第１の圧力計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本の第１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１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本の第２の副ガス供給路１３ｄに流れる。第１の主ガス供給路１１から３本の第１の副ガス供給路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、及び第２の副ガス供給路１３ｄに分流された第１のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、供給される。
所定流量の第１のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに第１の流量の設定値に基づき制御された流量で第１のプロセスガスの供給を同時に開始する。
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３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、１本の第４の副ガス供給路２３ｄに、分流して流される。
３本の第３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２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で設定される第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の流量が設定される。
更に、第５の副マスフローコントローラ２４ｄの開度が、第２の圧力計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本の第３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本の第４の副ガス供給路２３ｄに流れる。第２の主ガス供給路２１から３本の第３の副ガス供給路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、及び第４の副ガス供給路２３ｄに分流された第２のプロセスガスは、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに、供給される。
所定流量の第２のプロセスガスを分配して４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに第２の流量の設定値に基づき制御された流量で第２のプロセスガスの供給を同時に開始する。
半導体ウェハＷ１のＧａＮ膜上に、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させる際、制御部１９が、第１のプロセスガスの供給開始動作、第１のプロセスガスの供給停止動作、第２のプロセスガスの供給開始動作、及び、第２のプロセスガスの供給停止動作の４個の動作のそれぞれが、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで同一の時間に実行されるよう制御する。
更に、反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ１の回転数、及び、半導体ウェハＷ１の温度から選ばれる少なくとも１つのプロセスパラメータの設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内の少なくとも１つの反応室について他の反応室と異なる値に設定して、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ内で半導体ウェハＷ１上に同時に膜を成長させる。
制御部１９は、４個の反応室反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにおけるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ１の回転数、及び、半導体ウェハＷ１の温度の設定値に基づき、４個の反応室におけるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ１の回転数、及び、半導体ウェハＷ１の温度の少なくとも一つのプロセスパラメータをそれぞれ独立に設定し制御する。
本実施形態では、テスト用の半導体ウェハＷ２上に成長した膜の特性に基づき、決定されたＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、半導体ウェハＷ１の回転数、及び、半導体ウェハＷ１の温度の設定値を適用する。
例えば、ＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値を、特定の反応室について他の反応室と異なる値に設定する場合、第３の主ガス供給路３１から、特定の反応室に供給する希釈ガスの流量の設定値を、他の反応室と異なる値に設定する。
例えば、反応室１０ａのＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値を、他の３つの反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄよりも減らす場合、４個の調整用マスフローメータ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄの内、調整用マスフローメータ１３４ａの流量の設定値を増加させる。第５の副ガス供給路３３ａに供給される希釈ガスの流量が増加し、反応室１０ａのＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値が、他の反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに対して減少することになる。
また、例えば、反応室１０ａのＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値を、他の３つの反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄよりも増やす場合、４個の調整用マスフローメータ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄの内、３個の調整用マスフローメータ１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄの流量の設定値を、調整用マスフローメータ１３４ａの流量の設定値よりも大きくする。第５の副ガス供給路３３ａに供給される希釈ガスの流量が減少し、反応室１０ａのＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度の設定値が、他の反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに対して増加することになる。
例えば、半導体ウェハＷ１の回転数の設定値を、特定の反応室について他の反応室と異なる値に設定する場合、特定の反応室の回転体ユニット１１４の回転数の設定値を、他の反応室と異なる値に設定する。
また、例えば、半導体ウェハＷ１の温度の設定値を、特定の反応室について他の反応室と異なる値に設定する場合、特定の反応室の加熱部１１６に供給される電力の設定値を、他の反応室と異なる値に設定する。
以上の方法で、各反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄには、第１のプロセスガス、第２のプロセスガス、希釈ガスが供給され、複数の半導体ウェハＷ１上にＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とが交互に積層された積層膜が同時に形成される。
以下、本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法の作用・効果について説明する。
複数の反応室を用いて、複数の基板上に同時に同じ特性の膜を成長させる場合、各反応室のプロセスパラメータを同じ設定値に設定する。各反応室のプロセスパラメータを同じ設定値に設定することにより、理論的には、複数の基板上に同時に同じ特性の膜を成長させることが可能となる。
もっとも、各反応室のプロセスパラメータを同じ設定値に設定したとしても、各反応室で成長する膜の特性にばらつきが生じる場合がある。膜の特性ばらつきは、例えば、各プロセスパラメータの設定値と実際に実現される値との誤差に起因する。
成長する膜の特性の中で、主要な特性は膜厚と組成である。複数の反応室を用いて、複数の基板上に同時に同じ特性の膜を成長させる場合、各反応室の処理時間は一定とすることが前提となる。言い換えれば、プロセスガスの供給開始及び供給停止のタイミングは全ての反応室で同一となる。
したがって、例えば、一つの反応室で膜厚のみが他の反応室とずれる場合、他の反応室と膜厚を揃えるためには、同一の処理時間内で膜の組成を変化させずに、膜厚のみを変化させる必要がある。
また、複数の反応室に流されるプロセスガスの流量の設定値を反応室毎に変化させて、プロセスガスの流量を各反応室で独立に制御しようとすると、気相成長装置の装置構成が複雑化するため望ましくない。したがって、各反応室に供給するプロセスガスの流量の設定値は、独立に設定しないことが望ましい。また、各反応室に供給するプロセスガスの流量を独立に制御しないことが望ましい。
図３は、本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法の作用・効果を示す図である。図３は、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させてＭＱＷを形成した場合の、プロセスガスの総ガス流量と、ＭＱＷ周期及び膜中のインジウム組成との関係を示す図である。
ＩｎＧａＮ膜の成膜には、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧとＴＭＩの混合ガス（第１のプロセスガス）と、アンモニア（第２のプロセスガス）を用いた。ＧａＮ膜の成膜には、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧ（第１のプロセスガス）と、アンモニア（第２のプロセスガス）を用いた。
総ガス流量は、希釈ガスの流量を変化させることで変化させた。したがって、総ガス流量が大きい場合、供給されるＩＩＩ族元素とＶ族元素の濃度は低い。一方、総ガス流量が小さい場合、供給されるＩＩＩ族元素とＶ族元素の濃度は高い。
ＭＱＷ周期は、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜が一層ずつの場合の合計膜厚である。
図３から明らかなように、総ガス流量の変化に対するＭＱＷ周期の変化の依存性は大きいが、膜中のインジウム組成の変化の依存性は小さい。総ガス流量の変化に対し、膜厚と組成が異なる挙動を示す。したがって、例えば、希釈ガスの流量を変化させることで同一の処理時間内で、膜の組成を変化させずに、膜厚のみを変化させることが可能である。
図４は、本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法の作用・効果を示す図である。図４は、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させてＭＱＷを形成した場合の、基板の回転数と、ＭＱＷ周期及び膜中のインジウム組成との関係を示す図である。成膜に用いたプロセスガス等は図３の場合と同様である。
図４から明らかなように、基板回転数の変化に対するＭＱＷ周期の変化の依存性は大きいが、膜中のインジウム組成の変化の依存性は小さい。回転数の変化に対し、膜厚と組成が異なる挙動を示す。したがって、例えば、回転数を変化させることで同一の処理時間内で、膜の組成を変化させずに、膜厚のみを変化させることが可能である。
図５は、本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法の作用・効果を示す図である。図５は、ＩｎＧａＮ膜とＧａＮ膜とを交互に成長させてＭＱＷを形成した場合の、基板温度と、ＭＱＷ周期及び膜中のインジウム組成との関係を示す図である。成膜に用いたプロセスガス等は図３の場合と同様である。
図５から明らかなように、基板温度の変化に対するＭＱＷ周期の変化の依存性は小さいが、膜中のインジウム組成の変化の依存性は大きい。基板温度の変化に対し、膜厚と組成が異なる挙動を示す。したがって、例えば、基板温度を変化させることで同一の処理時間内で、膜厚を変化させずに、膜の組成のみを変化させることが可能である。
本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法は、反応室に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、基板回転数、及び、基板温度から選ばれる少なくとも１つのプロセスパラメータの設定値を、ｎ個の反応室の間で独立に設定し、ｎ個の反応室で基板上に同時に膜が成長するよう制御する。したがって、複数の反応室で同時に複数の基板上に膜を成膜する際に、各反応室で成長する膜の特性を調整し、膜の特性を揃えることが可能となる。
（第２の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、ｎ本の副ガス排出路のそれぞれに、圧力調整部を、更に備える。そして、制御部が反応室内の圧力の設定値を、ｎ個の反応室の間で独立に設定し、ｎ個の反応室で基板上に同時に膜が成長するよう制御する。上記の点で、本実施形態の気相成長装置は、第１の実施形態の気相成長装置と異なっている。
また、本実施形態の気相成長方法は、反応室内の圧力の設定値を、ｎ個の反応室の内の少なくとも１つの反応室について他の反応室と異なる値に設定して、ｎ個の反応室で基板上に同時に膜を成長させる点で、第１の実施形態と異なっている。
以下、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６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、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。更に、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、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄそれぞれの内圧を所望の値に制御する。圧力調整部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、例えば、スロットルバルブである。
制御部１９は、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ内の圧力の設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの間で独立に設定し、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで基板上に同時に膜が成長するよう制御する。
また、本実施形態の気相成長方法では、制御部１９が、圧力調整部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの内の少なくとも一つの圧力の設定値が、他の圧力調整部の圧力の設定値と異なる値となるように設定する。これにより、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内の少なくとも１つの反応室について、反応室内の圧力の設定値が、他の反応室の圧力の設定値と異なる値となるように制御する。そして、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで基板上に同時に膜を成長させる。
本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法は、反応室内の圧力を、ｎ個の反応室の間で独立に同時に制御することができる。したがって、複数の反応室で同時に複数の基板上に膜を成膜する際に、各反応室で成長する膜の特性を調整し、膜の特性を揃えることが可能となる。
（第３の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、反応室が膜の成長中に膜厚の測定が可能な膜厚測定器を有する。そして、制御部が、膜の成長中に膜厚測定器による膜厚測定結果に基づき、反応室に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、基板回転数、及び、基板温度の設定値の内の少なくとも１つの設定値を、ｎ個の反応室の間で独立に設定する。上記の点で、第１の実施形態の気相成長装置と異なっている。
また、本実施形態の気相成長方法は、膜の成長中に膜厚測定器による膜厚測定結果に基づき、反応室に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、基板回転数、及び、基板温度の内の少なくとも１つの設定値を、ｎ個の反応室の内の少なくとも１つの反応室について他の反応室と異なる値に変更して、ｎ個の反応室で基板上に同時に膜を成長させる点で、第１の実施形態と異なっている。
以下、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７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。
本実施形態の気相成長装置は、シャワープレート１０１上に膜厚測定器１５０を備える。膜厚測定器１５０は、ウェハＷ上への膜の成長中に膜厚の測定が可能である。膜厚測定器１５０は、例えば、光の干渉をモニタすることにより、基板上に成長する膜の膜厚を測定する。
制御部１９（図１）は、膜の成長中に膜厚測定器１５０による膜厚測定結果に基づき、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、ウェハＷの回転数、及びウェハＷの温度、及び、加熱部１１６の内の少なくとも１つの設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの間で独立に設定する。
また、本実施形態の気相成長方法では、制御部１９が、膜の成長中に膜厚測定器１５０による膜厚測定結果に基づき、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、ウェハＷの回転数、及び、ウェハＷの温度の内の少なくとも１つの設定値を、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内の少なくとも１つの反応室について他の反応室と異なる値に変更する。そして、変更した設定値を用いて、４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで基板上に同時に膜を成長させる。
本実施形態の気相成長装置及び気相成長方法は、膜の成長中に膜厚測定器による膜厚測定結果に基づき、反応室に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度、ウェハＷの回転数、及び、ウェハＷの温度の内の少なくとも１つのプロセスパラメータの設定値を変更する。そして変更した設定値に基づき、ｎ個の反応室で基板上に同時に膜が成長するよう制御する。したがって、膜の成長中に膜厚の異常が判明した場合でも、反応室間の膜の特性ばらつきを調整し、膜の特性を揃えることが可能となる。
（第４の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、第１の実施形態の気相成長装置と同じ構成であるが、本実施形態の気相成長方法は、加熱部の電力の設定値を低くして、ｎ個の反応室の内の少なくとも１つの反応室について成膜処理を中止している点で、第１の実施形態と異なっている。以下、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。
本実施形態の気相成長方法は、第１の実施形態と同様に予め各プロセスパラメータの設定値に基づき、同様に４個の反応室１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれで、基板の一例である半導体ウェハＷ１に成膜処理を行う。
成膜処理中に、反応室１０ａでトラブルが生じて成膜続行が不可能になった場合、プロセスガスをそのまま流しながら、加熱部１１６の電力の設定値を０ｋＷとし、成膜処理を中止し、トラブルのない反応室１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにおいて、第１の実施形態と同様に、成膜処理を続行させる。
本願実施形態の気相成長装置のように、所定流量のプロセスガスを分配して各反応室に同時に供給する場合、トラブルが生じた反応室のプロセスガスを止めると様々な問題が生じる。具体的には、例えば、マスフローコントローラの制御下限で流量調整ができなくなる。また、例えば、排気側バルブに反応副生成物が堆積し、バルブの出流れ（内部リーク）により、反応室１０ａからガスが出流れしたり、排気側からガスが逆流したりするため、排気側にバルブを設ける必要が生じる。また、プロセスガスの総流量を変動させる必要があるが、設定値を再調整する必要が生じる。さらに、上流配管側にデッドスペースがあるため、分岐部にバルブを設ける必要が生じる。
しかしながら、本実施形態のように、いずれかの反応室でトラブルが生じても、全ての反応室にプロセスガスをそのまま流し続けることにより、これらの問題を回避することができる。
このとき、２以上の反応室でトラブルが生じても、同様に残りの反応室で成膜処理を続行させることができる。また、トラブルが生じた反応室において、ウェハＷの回転が可能な場合は、回転させたままでも、回転を止めてもよい。また、加熱部に電源を入れることが可能な場合は、ウェハＷへの成膜を中止するために、必ずしも加熱部の電力の設定値を０ｋＷとする必要はなく、ウェハＷが低温で加熱されていてもよい。すなわち、加熱部の出力の設定値を、成膜プロセスでの設定値より低いプロセスガスが反応しない値（例えば０〜５ｋＷ）に設定することで、成膜を中止してもよい。或いは、基板温度の設定値を、成膜プロセスでの設定値より低いプロセスガスが反応しない温度（例えば室温〜３００℃）に設定することで、成膜を中止してもよい。
本実施形態において、トラブルが生じた反応室について独立制御を行ったが、ロット端数（例えば１ロットが２５枚の場合で、４個の反応室から構成されている場合、１枚端数になる）がある場合などにも適用可能である。すなわち、同様に、新たなウェハＷを処理する際に、全ての反応室にプロセスガスを流しながら、成膜を行わない反応室の加熱部１１６の電力の設定値を０ｋＷ或いは低出力、又は基板温度の設定値を室温以上の低温としてもよい。ロット内でパラメータの設定値を再調整する必要がなく、そのまま一連の成膜処理を続行することが可能となる。
このとき、成膜を行わない反応室には、回転ユニット内へのプロセスガスの流入を防ぐために、支持部１１２上にダミーウェハを載置することが好ましい。
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、上記実施形態において、プロセスパラメータの具体例を挙げて説明したが、これらのプロセスパラメータに必ずしも限定されるものではなく、ｎ個の反応室で成膜処理が行われる際の所定時刻において各反応室で独立に制御可能なプロセスパラメータ、すなわち時間以外のプロセスパラメータであれば適用可能である。
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膜上にインジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含む第１の窒化物半導体膜と、ガリウム（Ｇａ）を含む第２の窒化物半導体膜とが複数積層された積層膜をエピタキシャル成長させ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）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、キャリアガスとして水素ガス（Ｈ２）を例に説明したが、その他、窒素ガス（Ｎ２）、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、プロセスガスがシャワープレート内で混合される場合を例に説明したが、プロセスガスがシャワープレートに入る前に混合される構成であってもかまわない。また、プロセスガスがシャワープレートから反応室内に噴出されるまで分離された状態となる構成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及び気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及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
１９ 制御部
１９ａ 演算部
２１ 第２の主ガス供給路
３３ａ〜ｃ 第５の副ガス供給路（希釈ガス供給ライン）
３３ｄ 第６の副ガス供給路（希釈ガス供給ライン）
３４ａ〜ｄ 第３の副マスフローコントローラ
１１６ 加熱部
１２０ 回転駆動機構
１５０ 膜厚測定器
Ｗ 半導体ウェハ（基板）

Claims (9)

  1. 複数の基板をそれぞれ同時に成膜処理するｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室と、
    所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室に同時に供給する第１の主ガス供給路と、
    所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室に同時に供給する第２の主ガス供給路と、
    各前記ｎ個の反応室に供給される前記第１のプロセスガスの流量及び前記第２のプロセスガスの流量の設定値に基づき、前記第１のプロセスガスの流量及び前記第２のプロセスガスの流量を制御し、各前記ｎ個の反応室で独立に設定された所定のプロセスパラメータの設定値に基づき、前記所定のプロセスパラメータを独立に制御する制御部と、
    前記ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、前記複数の基板をそれぞれ回転させる回転駆動機構と、
    前記ｎ個の反応室にそれぞれ設けられ、前記複数の基板を加熱する加熱部と、
    を備え、
    前記制御部が、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた膜厚及び組成を含む膜特性と前記所定のプロセスパラメータの相関情報と、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた前記膜特性から、前記ｎ個の反応室における前記所定のプロセスパラメータの前記設定値を演算する演算部を有する気相成長装置。
  2. 前記所定のプロセスパラメータは、前記ｎ個の反応室に供給されるプロセスガスにおける前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度、基板回転数、基板温度、及び前記加熱部の出力から選ばれる少なくとも１つである請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記制御部が、前記第１のプロセスガスの供給開始動作、前記第１のプロセスガスの供給停止動作、前記第２のプロセスガスの供給開始動作、及び、前記第２のプロセスガスの供給停止動作のそれぞれを、前記ｎ個の反応室で同一の時刻に実行するよう制御する請求項１又は請求項２記載の気相成長装置。
  4. 前記ｎ個の反応室のそれぞれに希釈ガスを供給するｎ本の希釈ガス供給ラインを更に備え、
    前記制御部は、前記ｎ個の反応室それぞれにおいて独立に設定される前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度の設定値に基づき、前記希釈ガスの供給量を制御する請求項２又は請求項３記載の気相成長装置。
  5. 前記反応室が膜の成長中に膜厚の測定が可能な膜厚測定器を有し、前記制御部が、前記膜の成長中に前記膜厚測定器による膜厚測定結果に基づき、前記所定のプロセスパラメータの内の少なくとも１つの設定値を、前記ｎ個の反応室の間で独立に変動させて調整する請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の気相成長装置。
  6. 複数の基板を、ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室のそれぞれに搬入し、
    所定流量のＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに第１の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第１のプロセスガスの供給を同時に開始し、
    所定流量のＶ族元素を含む第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに第２の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第２のプロセスガスの供給を同時に開始し、
    前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた膜厚及び組成を含む膜特性と所定のプロセスパラメータの相関情報と、前記ｎ個の反応室のそれぞれにおいて予め得られた前記膜特性から、前記所定のプロセスパラメータの設定値を演算し、
    前記ｎ個の反応室におけるそれぞれの前記所定のプロセスパラメータの前記設定値に基づき、前記ｎ個の反応室における前記所定のプロセスパラメータをそれぞれ独立に制御し、前記ｎ個の反応室で前記複数の基板のそれぞれの上に同時に膜を成長させ、
    前記ｎ個の反応室への前記第１のプロセスガスの供給を同時に停止し、
    前記ｎ個の反応室への前記第２のプロセスガスの供給を同時に停止する気相成長方法。
  7. 複数のテスト基板を、前記ｎ個の反応室のそれぞれに搬入し、
    所定流量の前記第１のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記第１の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第１のプロセスガスの供給を同時に開始し、
    所定流量の前記第２のプロセスガスを分配して前記ｎ個の反応室のそれぞれに前記第２の流量の設定値に基づき制御された流量で前記第２のプロセスガスの供給を同時に開始し、
    前記所定のプロセスパラメータの初期設定値に基づき、前記所定のパラメータを制御し、
    前記ｎ個の反応室で前記複数のテスト基板上に同時に膜を成長させ、
    前記ｎ個の反応室への前記第１のプロセスガスの供給を同時に停止し、
    前記ｎ個の反応室への前記第２のプロセスガスの供給を同時に停止し、
    前記複数の前記テスト基板上に成長した前記膜の特性を測定し、
    測定された前記膜の特性に基づき、前記ｎ個の反応室においてそれぞれの前記所定のプロセスパラメータの設定値を求める請求項６記載の気相成長方法。
  8. 前記所定のプロセスパラメータは、前記ｎ個の反応室に供給されるプロセスガスにおける前記ＩＩＩ族元素及び前記Ｖ族元素の濃度、基板回転数、基板温度、及び前記反応室内に設けられ、前記複数の基板のそれぞれを加熱する加熱部の電力から選ばれる少なくとも１つである請求項６又は請求項７記載の気相成長方法。
  9. 前記所定のプロセスパラメータは、前記加熱部の電力又は前記基板温度であり、
    前記ｎ個の反応室のうち少なくとも１つの反応室において、前記加熱部の電力又は前記基板温度の設定値を、前記基板上に前記膜を成長させるときの設定値より低い値に設定して、前記膜の成長を中止する請求項８記載の気相成長方法。
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