JP7336841B2 - 気相成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長により基板上に薄膜を形成する気相成膜装置に関し、更に具体的には、材料利用効率の向上と対向面上の堆積物の抑制に関するものである。

気相成膜装置，例えば、横型あるいは自公転式のＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition，有機金属気相成長）装置では、三つのプロセスガス導入部、及び三つの流路を備えた三流路型インジェクタ（注入部）が多く用いられる。例えば、下記特許文献１の図３，特許文献２の図２，特許文献３の図１には、インジェクタ開口の高さ（ないし幅）をほぼ同一とした気相成長装置が開示されている。下記特許文献４の図１に開示されている構造によれば、三つに分かれた流路のうち、下の流路の高さは上または中央の流路の高さよりかなり大きく設定されている。該特許文献では基板表面が下向きである、いわゆるフェイスダウンタイプの装置であり、基板はサセプタに載置される。また、基板ないしサセプタに対向する面（対向面）が対向面部材により形成されている。前記のように、対向面側である一番下の流路高さはインジェクタ部では大きいものの、対向面高さをインジェクタ部まで延長し、そこから下側の仕切り板までの高さを下の流路高さと見なせば、それは中央流路高さとほぼ同一となっている。なお、同特許文献において、下の流路の高さが大きくなっていることに関する理由等は記述されておらず、便宜的にこのように表現されているものと解釈される。下記特許文献５の図１には、床又は天井に隣接する前記ガス流路の垂直高さを、中央のガス流路の垂直高さよりも低くしたＭＯＣＶＤ反応器のインジェクタが開示されている。

以上をまとめれば、フェイスアップ、フェイスダウンに関わらず、縦に並んだ三つの流路を基板・サセプタに近い側から順に第１流路、第２流路、第３流路と定義すれば、第３流路の高さは他の流路高さと同じか小さいというのが従来の形態であった。また三流路型の従来構造では、III族材料は常に第２流路から、Ｖ族材料は第１流路のみ（特許文献１、２、３、４）、あるいは第１流路及び第３流路の二つから供給される（特許文献５）。また当然のことながら材料ガスのみならず、これらのプロセスガスは必要に応じた量、及び必要に応じたガス種（水素、窒素など）のキャリアガスを含む。なお本願では、これらのガスを総称しプロセスガスと呼ぶことにする。

近年では流路数が三より多いものも提案されている。例えば非特許文献１では５つの流路を有する構造、そして特許文献６では６つの流路を有する構造が提案されている。前記の流路の定義に従えば、非特許文献１では、５つの流路のうちの第２流路及び第４流路からIII族材料が供給される。また特許文献６では６つの流路のうち第３流路と第４流路からIII族が供給される。サセプタに最も近い流路（第１流路）、及びそれに対向する対向面に最も近い流路（前者では第５流路、後者では第６流路）からのIII族材料導入が避けられているという類似点から、これらはいずれも三流路タイプの発展形といえる。本明細書においては、主として三流路型インジェクタを基にした改良について記述するが、その概念は、それを発展させる形で、４以上の流路を有する構造にも適用可能である。

特表2013-507779号公報 特開2011-155046号公報 特開2008-177187号公報 特開平9-260291号公報 特表2007-524250号公報 特開2012-190902号公報 Proceedings of CS MANTEC Conference 2013, p.399-402

図１３(A)には、従来構造に従う三流路型インジェクタの基本的な断面構造が模式的に示されている。本断面構造は横型炉、及び自公転炉の双方に適用可能である。横型炉はガス流が一方向へ流れるタイプであり、基板は通常公転のみの動作である。自公転炉では、プロセスガスは平たい円筒状の反応炉の中央から導入され、外周へ向かい放射状に流れる。基板は同一円周上に配置され、自公転の動作をする。横型炉では図１３(B)の断面構造が、奥行き方向にリアクタ幅の範囲で続き、自公転炉では同断面構造が一周すると考えればよい。断面構造が同一であるので、横型炉と自公転炉は似通った性質を示し、従って本発明の効果はいずれのタイプの炉にも同じように適用できる。

サセプタ９００と対向面９０４によって、水平方向の材料ガス流路が形成されている。このガス流路に対して、インジェクタ９１０から成膜用のプロセスガスを供給することで、サセプタ９００に設けられた基板（ウエハ）９０２上に成膜が行われる。インジェクタ９１０は、仕切り板９１２，９１４によって３つに仕切られており、ガスの第１流路～第３流路がそれぞれ形成されている。これら第１流路～第３流路の高さは、それぞれｄ１～ｄ３となっている。各第１流路～第３流路には、例えば、次のような気体が導入されて、基板９０２上に成膜が行われる。
ａ，第１流路：Ｖ族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｂ，第２流路：III族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｃ，第３流路：Ｈ2（and/or Ｎ2，Ｖ族元素）

なお本発明では堆積速度分布の概念が重要であるが、III－Ｖ族化合物半導体の成膜では、III族元素が膜の堆積速度を支配する。Ｖ族元素も半導体膜の材料ではあるが、Ｖ族元素は蒸気圧が高く、III族元素と出会って初めて堆積が可能となる。そのため堆積速度の考察においては、Ｖ族元素は従属的な位置づけとなる。また多くの場合におけるＭＯＣＶＤ法においては、III族材料物質の主として拡散による輸送が堆積速度を支配する、いわゆる物質輸送律速の条件下で行われる。従って本発明は、基本的にこの条件を前提とする。なお、完全に物質輸送律速でなくとも、そこから大きく外れない限りは本発明の効果は同様に得られる。

ところで、膜の堆積物９２０は、目的とする基板９０２のみならず、サセプタ９００や対向面９０４にも生じる。これらのうち、サセプタ９００上の堆積は原理的に不可避であるが、対向面９０４上の堆積はできる限り減らしたい。対向面９０４上の堆積物が多いと、その分材料の利用効率が低下する。また、対向面９０４上の堆積物９２０は、プロセスの再現性悪化やパーティクルの問題を引起すため、一定頻度で対向面側のメンテナンス（交換）を行う必要がある。対向面９０４上の堆積が多いと、メンテナンス頻度が増加する。このように材料効率の低下やメンテナンス頻度上昇などの弊害があることから、対向面９０４側における堆積物９２０を抑えることが望ましい。加えて、プロセスガスの流れ方向（図１３の左右方向）の堆積速度曲線においては、急激な傾きは好ましくなく、緩やかなほうがよい。堆積速度曲線の傾きが急だと、基板９０２を自転したとしても、膜厚や、結晶性・不純物濃度などの膜質分布を適正化するのが困難となるからである。

従来構造において、対向面の堆積物量を減らすには、対向面側の第３流路の流量Ｆ３を増やすことが考えられる。ここで、横型炉を基本とした図１３(A)に示すような従来型リアクタモデルを仮定しシミュレーションを行った。図１３(B)に示すように、第１，第２，第３流路の高さｄ１，ｄ２，ｄ３は、全て４ｍｍと等しい。また第１，第２，第３流路の流量をそれぞれＦ１，Ｆ２，Ｆ３で表すと、実施したシミュレーションの流量条件は、以下の＃１～＃３の３条件である。
＃１：Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が等しい）
＃２：Ｆ１＝Ｆ２，Ｆ３＝２×Ｆ１（Ｆ３のみＦ１＝Ｆ２の２倍）
＃３：Ｆ１＝Ｆ２，Ｆ３＝４×Ｆ１（Ｆ３のみＦ１＝Ｆ２の４倍）
これらの条件のもと、流れと材料物質濃度分布のシミュレーションを行った。流れ方向をｘ方向、鉛直方向をｚ方向と定義し、気体の流れのシミュレーションはナビエストークス式を用い、III族元素物質濃度分布シミュレーションは移流拡散方程式を解くことにより実行された。移流拡散方程式を解く際は、物質輸送律速の前提に基づき、サセプタ側及び対向面側の双方の壁面上で材料物質濃度をゼロとする境界条件を用いた。

なお、対向面温度はサセプタないし基板の温度より低いため、物質輸送律速状態からやや外れる場合もあるが、一般にその度合いは大きくはない。特に１０００℃以上の高温で行われる窒化物系III－Ｖ族半導体の成膜では、対向面温度も物質輸送律速となるのに十分な温度となっている。従って前記の境界条件設定は妥当なものである。ちなみに対向面側も物質輸送律速であれば、対向面上でもサセプタ側と同量の堆積が起こる。物質輸送律速から外れれば堆積量は少なくなるものの、実際の経験からは対向面上の堆積量は相当に多く、物質輸送律速に近い状態であることが分かる。この対向面上の堆積は、そこで材料が消費されることによる材料効率の低下を招くだけでなく、対向面のメンテナンス頻度を上昇させ、コスト高を生じさせるのである。

シミュレーションにより、図１４に示すような結果が得られた。ここではＦ３が２倍の＃２の場合は割愛し、＃１の等倍と＃３の４倍のみを示す。まず気流の流れのパターンについては、＃１の場合は同図(A-1)，＃３の場合は同図(A-2)に示す結果がそれぞれ得られた。また、材料物質の濃度分布については、＃１の場合は同図(B-1)，＃３の場合は同図(B-2)に示す結果がそれぞれ得られた。

図１５には、流れ方向の堆積速度分布のシミュレーション結果が示されている。なお、堆積速度は得られた材料物質濃度分布から、式Ｄ・（ｄｃ／ｄｚ）により求められる。ここでＤは材料分子の拡散係数、ｚは基板に対して垂直な方向を表し、Ｃは材料分子の濃度を示し、（ｄｃ／ｄｚ）は基板表面におけるｚ方向の材料物質の濃度勾配を表す。図１５(A)中、グラフＧＡ１～ＧＡ３は、基板面側における各流量条件＃１～＃３による堆積速度分布を示し、図１５(B)中、グラフＧＢ１～ＧＢ３は、対向面側における各流量条件＃１～＃３による堆積速度を示す。これらのグラフを比較すると、対向面の堆積量は、確かにＦ３が大きくなるほど減少し、この点では好ましい結果であると言える。

しかしながら、それと同時に、基板面側（サセプタ側）上流部の堆積速度が非常に高くなっていることも見て取れる。第３流路の流量Ｆ３を多くすると、そのインジェクタ出口付近における局所的な圧力増大から、III族元素が供給される第２流路からの流れがサセプタ方向へ押される。その結果、特に上流での堆積速度が過大となってしまう。この過大な上流における堆積速度は、膜厚や膜質の均一性の低下、上流の堆積物の増加による反応炉状態の不安定化を招く。このように従来構造では、膜厚や膜質の均一性を犠牲にすることなく対向面の堆積量を減らし、材料効率を上げるとともにメンテナンス頻度を下げることは難しかった。

本発明は、以上のような点に着目したもので、膜厚や膜質の分布の悪化や乱流の発生を引起こすことなく、対向面上への堆積を抑制し、材料効率の向上とメンテナンスの頻度の低減を図ることができる気相成膜装置を提供することを、その目的とする。

本発明は、材料気体の導入部と排気部を有するチャンバ内に、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び前記基板に対して水平方向の成膜空間を形成する対向面部材が配置されている気相成膜装置であって、前記材料気体の導入部が、第１～第３の導入口及び流路を有するインジェクタを備えており、前記第２の導入口からは、III族元素を前記チャンバ内に供給し、第３の導入口の流路高さを、他の第１及び第２の導入口の流路高さよりも大きく設定することで、前記第２の導入口の平均導入位置を、前記対向面部材側よりも前記成膜用基板側に近い位置とし、前記第１～第３の導入口の流路における気体の平均流速を等しくしたことを特徴とする。
主要な形態の一つよれば、前記第１～第３の導入口の流路高さを、それぞれｄａ～ｄｃとしたとき、ｄｃ＞ｄａかつｄｃ＞ｄｂ，もしくは、ｄｃ≧ｄａ＋ｄｂとしたことを特徴とする。

他の発明は、材料気体の導入部と排気部を有するチャンバ内に、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び前記基板に対して水平方向の成膜空間を形成する対向面部材が配置されている気相成膜装置であって、前記材料気体の導入部が、第１～第３の導入口及び流路を有するインジェクタを備えており、前記第１の導入口は、前記サセプタないし基板側に位置しており、前記第３の導入口は、前記対向面部材側に位置しており、前記第２の導入口は、前記第１の導入口と前記第３の導入口の間に位置しており、前記第２の導入口からは、III族元素を前記チャンバ内に供給し、前記第２の導入口と第３の導入口を仕切る仕切り板を前記基板上まで延長したときの延長線と前記対向面部材との間隔を、前記第３の導入口の流路高さよりも大きくすることで、前記第２の導入口の平均導入位置を、前記対向面部材側よりも前記成膜用基板側に近い位置としたことを特徴とする。
主要な形態の一つよれば、前記第１～第３の導入口の流路高さが同一であることを特徴とする。

他の形態によれば、前記第１の導入口からＶ族元素を供給することで、有機金属気相成膜法により、III－Ｖ族化合物半導体の成膜を前記基板上に行うことを特徴とする。

更に他の形態によれば、前記第１の導入口から窒素を供給することで、有機金属気相成膜法により、窒化物系の化合物半導体の成膜を前記基板上に行うことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、III族を導入する位置を基板側に相対的に近く、対向面側からは相対的に遠くすることとしたので、インジェクタ出口の流速差を大きくすることなく、従って乱流の発生を生じさせることなく、膜厚分布や膜質分布の悪化や対向面上への材料物質の堆積を抑制し、材料利用効率の向上とメンテナンスの頻度の低減を図ることができる。

本発明の実施例１の気相成膜装置の実施形態１の主要断面を示す図である。 前記実施形態１のサセプタ上における基板配置及びインジェクタの主要部を示す図である。 前記実施例１の気相成膜装置の実施形態２の主要断面を示す図である。 前記実施形態２のサセプタ上における基板配置及びインジェクタの主要部を示す図である。 前記実施例１の気相成膜装置の実施形態３の主要断面を示す図である。 前記実施例１のシミュレーションモデルを示す図である。 前記実施例１のシミュレーションモデルに基づく流れパターン及び材料物質濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。 前記実施例１のシミュレーションモデルに基づく堆積速度のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の実施例２の主要部を示す図である。 前記実施例２のシミュレーションモデルを示す図である。 前記実施例２のシミュレーションモデルに基づく流れパターン及び材料物質濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。 前記実施例２のシミュレーションモデルに基づく堆積速度のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来の気相成膜装置の主要部とシミュレーションモデルを示す図である。 前記従来のシミュレーションモデルに基づく流れのパターン及び材料物質濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。 前記従来のシミュレーションモデルに基づく堆積速度のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１～図８を参照して、本発明の実施例１について説明する。本実施例には、基本的な３つの形態ないしタイプがあるので、まず、各形態の構成から説明する。なお、各形態において機能が共通する構成要素には、同じ符号を用いることとする。

＜実施形態１＞ 図１には本発明の気相成膜装置の実施形態１である横型炉の主要断面が示されており、図２にはサセプタの平面が示されている。これらの図において、リアクタ１０は、チャンバ１００内に、サセプタ１１０が配置された構成となっている。サセプタ１１０の中心は、回転シャフト１１２に接続されており、この回転シャフト１１２を公転モータ１１４で回転駆動することで、サセプタ１１０がチャンバ内で回転するようになっている。公転モータ１１４と下側チャンバ壁１０２との間には、気密性を保持するため、Ｏリングなどによるシーリング１１６が施されている。

サセプタ１１０には、図２(A)に示すように比較的大型の基板１２４を１枚配置するか、または、図２(B)に示すように比較的小型の複数の基板１２４を配置する。基板１２４としては、化合物半導体の例では、例えばガリウム砒素，インジウムリン，サファイア，炭化珪素，シリコンウエハなどがある。図１に戻って、サセプタ１１０の周りにはベースプレート１１５が配置され、基本的にサセプタ１１０，基板１２４とともに反応空間の底面を形成する。なお、これはフェイスアップの場合であり、フェイスダウンの場合は逆に上面を形成することとなる。

基板ホルダ１２０の下側には、基板１２４を加熱するためのヒーター１３０が設けられており、このヒーター１３０の周囲には、リフレクタ１３２が設けられている。これらリフレクタ１３２によって、ヒーター１３０の熱が基板１２４の方向に反射され、加熱効率が向上するようになっている。

ガス流の下流側（図１の右側）には、排気ポート１４０が設けられている。一方、上側チャンバ壁１０４の内側には、対向面部材１３４が設けられている。以上の構成については、従来の公知のリアクタと同様である。

ところで、本実施形態では、チャンバ１００の上流側（図１の左側）には、膜形成用の気体（プロセスガス）を導入する気体導入部２０が設けられている。導入部２０は、一番下であり基板側の導入路２０Ａ，その上の導入路２０Ｂ，更にその上の対向面側の導入路２０Ｃによって構成されている。これらの導入路２０Ａ～２０Ｃは、チャンバ内で仕切り板２２Ａ，２２Ｂによって分離されている。すなわち、２２Ａによって導入路２０Ａが（基板面側から数えて）第１流路２４Ａに接続している。仕切り板２２Ａと２２Ｂとによって導入路２０Ｂが第２流路２４Ｂに接続している。また、仕切り板２２Ｂと対向面部材１３４とによって導入路２０Ｃが第３流路２４Ｃに接続している。

ここで、本実施形態においては、流路２４Ａ～２４Ｃのうち、一番上の、つまり対向面側の第３流路２４Ｃの高さｄｃが、他の流路２４Ａ，２４Ｂの高さｄａ，ｄｂよりも、大きく設定されている。すなわち、「ｄｃ＞ｄａ，かつ，ｄｃ＞ｄｂ」，好ましくは、「ｄｃ≧ｄａ＋ｄｂ」となるように設定されている。すなわち、第３流路２４Ｃの高さｄｃを大きくすることで、III族元素が供給される第２流路２４Ｂから見た基板１２４側が相対的に近く、対向面部材１３４側がより遠くなる。従ってIII族元素は基板面側により多く到達することになる。

サセプタ１１０に基板１２４が配置され、公転モータ１１４を駆動すると、回転シャフト１１２が回転し、サセプタ１１０が回転する。そして、ヒーター１３０に通電して基板１２４を加熱する。

このような状態で、チャンバ１００内を真空ポンプ等により排気するとともに、導入路２０Ａ～２０Ｃから成膜用のプロセスガスを導入する。例えば、上述した背景技術と同様に、
ａ，導入路２０Ａ：Ｖ族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｂ，導入路２０Ｂ：III族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｃ，導入路２０Ｃ：Ｈ2（and/or Ｎ2，Ｖ族元素）
を導入する。

＜実施形態２＞ 図３には、実施形態２である自公転炉の主要断面が示されており、図４(A)にはサセプタの平面が示されており、同図(B)には導入部の平面が示されている。これらの図において、リアクタ１１は、チャンバ１０１内に、サセプタ１１０が配置された構成となっている。サセプタ１１０の中心は、回転シャフト１１２に接続されており、この回転シャフト１１２を公転モータ１１４で回転駆動することで、サセプタ１１０がチャンバ内で回転するようになっている。公転モータ１１４と下側チャンバ壁１０２との間には、気密性を保持するため、Ｏリングなどによるシーリング１１６が施されている。

サセプタ１１０には、複数の基板ホルダ１２０がベアリング１２２を介して回転可能に設けられている。本実施例では、図４(A)に示すように、５つの基板ホルダ１２０が設けられている。基板ホルダ１２０には、シリコンウエハなどの基板１２４が配置される。加えて、サセプタ１１０の外周側には、自転用ギア１２６が設けられており、この自転用ギア１２６の内周側に設けられたギア歯と、前記基板ホルダ１２０の外周側に設けられたギア歯が噛み合うようになっている。そして、公転モータ１１４を回転させると、自転用ギア１２６が回転し、これにより基板ホルダ１２０が自転するようになっている。このような基板１２４の自公転の手法としては、特開2002-175992号など、各種の公知技術を適用してよい。

基板ホルダ１２０の下側には、基板１２４を加熱するためのヒーター１３０が設けられており、このヒーター１３０の周囲には、リフレクタ１３２が設けられている。これらリフレクタ１３２によって、ヒーター１３０の熱が基板１２４の方向に反射され、加熱効率が向上するようになっている。

サセプタ１１０の外側（外周側）には、下側チャンバ壁１０２に排気ポート１４０が設けられている。排気ポート１４０は、平面で見ると、複数の穴を等間隔で配置した構成となっている。一方、上側チャンバ壁１０４の内側には、対向面部材１３４が設けられている。以上の構成については、従来の公知のリアクタと同様である。

ところで、本実施形態では、チャンバ１００の中心であって、上側チャンバ壁１０４に、膜形成用の気体を導入する気体導入部２１が設けられている。気体導入部２１は、中心の導入路２１Ａ，その周囲に形成された導入路２１Ｂ，更にその周囲に形成された導入路２１Ｃによって構成されている。これらの導入路２１Ａ～２１Ｃは、チャンバ内で仕切り板２３Ａ，２３Ｂによって径方向に曲折している。すなわち、サセプタ１１０と仕切り板２３Ａとによって導入路２１Ａが曲折され、第１流路２４Ａに接続している。仕切り板２３Ａと２３Ｂとによって導入路２１Ｂが曲折され、第２流路２４Ｂに接続している。また、仕切り板２３Ｂと対向面部材１３４とによって導入路２１Ｃが曲折され、第３流路２４Ｃに接続している。なお、サセプタ側から数えて、第１流路２４Ａ，第２流路２４Ｂ，第３流路２４Ｃとしている。

本実施形態においても、流路２４Ａ～２４Ｃのうち、一番上の、つまり対向面側の第３流路２４Ｃの高さｄｃが、他の流路２４Ａ，２４Ｂの高さｄａ，ｄｂよりも、大きく設定されている。すなわち、「ｄｃ＞ｄａ，かつ，ｄｃ＞ｄｂ」，好ましくは、「ｄｃ≧ｄａ＋ｄｂ」となるように設定されている。すなわち、第３流路２４Ｃの高さｄｃを大きくすることで、III族元素が供給される第２流路２４Ｂから見た基板面側が相対的に近く、対向面部材１３４側がより遠くなる。従ってIII族元素は基板面側により多く到達することになる。

サセプタ１１０の基板ホルダ１２０には、基板１２４が配置される。公転モータ１１４を駆動すると、回転シャフト１１２が回転し、サセプタ１１０が回転する。これにより、基板ホルダ１２０すなわち基板１２４が、回転シャフト１１２を中心として回転するようになる（公転）。一方、サセプタ１１０の外周側の自転用ギア１２６に対して、基板ホルダ１２０すなわち基板１２４が回転するようになる（自転）。また、必要があれば、ヒーター１３０に通電して基板１２４を加熱する。

このような状態で、チャンバ１０１内を真空ポンプ等により排気するとともに、導入路２１Ａ～２１Ｃから成膜用の気体を導入する。例えば、上述した背景技術と同様に、
ａ，導入路２１Ａ：Ｖ族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｂ，導入路２１Ｂ：III族元素＋Ｈ2（and/or Ｎ2）
ｃ，導入路２１Ｃ：Ｈ2（and/or Ｎ2，Ｖ族元素）
を導入する。

＜実施形態３＞ 次に、図５を参照しながら、実施形態３について説明する。上述した非特許文献１にあるような、全５流路で基板から第２流路及び第４流路からIII族元素を導入する場合を考える。このような構造の場合、第２流路から比較的多くのIII族元素を供給し、第４流路からは比較的少ない量のIII族元素を供給するとすれば、本発明と類似の作用を奏することは自明である。また前記特許文献６では、第３流路及び第４流路からIII族元素が導入されるが、第４流路からのIII族元素供給レートをより高くすれば、やはり本発明と類似の作用を奏することは自明である。

これらのことを考慮し、４以上の流路を持つインジェクタの場合にも適用可能なように、本発明の概念を一般化することができる。すなわち、図５に示すように、全部でｎ個の流路があり、基板側から数えてｉ番目流路からのIII族元素の供給レートを、添え字ｉを用いてＳｉ、ｉ番目の流路の中央高さをＨｉと表すなら、III族元素が導入される平均高さＨａ（average）は、Ｈａ＝Σ(Ｓｉ・Ｈｉ) / ΣＳｉという式で表される。基板１２４付近における流路高さをＬとすれば、Ｈａ＜Ｌ／２（つまりＨａは流路中央高さより基板に近い）であれば、本発明の効果が得られる。またさらに好ましくはＨａ＜Ｌ／３とするのがよい。平均導入高さを全体の１／３未満としている根拠は、後述の実施例１において良好な結果を与えた第３流路高さ１６ｍｍが、全体の流路高さ２４ｍｍの２／３であることから来ている。

＜実施例１の作用＞ 次に、図６～図８も参照しながら、本実施例の作用を説明する。なお、理解を容易にするため、横型炉を基本とした図６に示すような寸法のリアクタモデルを仮定する。前述の従来型のシミュレーションモデルと基本的に同じであるが、第３流路の高さｄｃのみが従来型と異なる。すなわち、第１流路２４Ａ，第２流路２４Ｂ，第３流路２４Ｃの高さを、それぞれｄａ，ｄｂ，ｄｃとし、第１流路２４Ａ，第２流路２４Ｂ，第３流路２４Ｃの流量を、それぞれＦ１，Ｆ２，Ｆ３で表し、シミュレーション条件を下記の＃Ａ１，＃Ａ２，＃Ａ３として記載する。なお、＃Ａ１は参照データであり、これは上述した従来型のシミュレーションの条件＃１と同じである。
＃Ａ１：ｄａ＝ｄｂ＝４ｍｍ，ｄｃ＝４ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３
＃Ａ２：ｄａ＝ｄｂ＝４ｍｍ，ｄｃ＝８ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２，Ｆ３＝２×Ｆ１
＃Ａ３：ｄａ＝ｄｂ＝４ｍｍ，ｄｃ＝１６ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２，Ｆ３＝４×Ｆ１

条件＃Ａ２，＃Ａ３については、第３流路２４Ｃの高さｄｃが、それぞれ他の２倍である８ｍｍ，４倍である１６ｍｍとなっており、第３流路２４Ｃの流量Ｆ３は、平均流速が維持されるよう、高さに応じてそれぞれ２倍，４倍の流量設定とした。このような条件に基づいて、気体の流れシミュレーション及びIII族元素物質濃度分布シミュレーションを行った。シミュレーションの方法は、上述した従来型のシミュレーションの場合と同様である。

その結果、気体の流れシミュレーションの結果は、図７(A-1)，(A-2)に示すようなパターンとなった。同図(A-1)は、第３流路２４Ｃの高さｄｃを８ｍｍとした場合の流れパターンであり、同図(A-2)は、第３流路２４Ｃの高さｄｃを１６ｍｍとした場合の流れパターンである。第３流路２４Ｃにおける気体の平均流速を、他の流路２４Ａ，２４Ｂにおける平均流速と等しくしているので、乱流の発生は一切生じていない。また、同図(B-1)，(B-2)は、それぞれ同図(A-1)，(A-2)の条件に対応する材料物質濃度分布である。これから分かるように、第２流路２４Ｂから導入されるIII族元素物質の対向面部材１３４表面への到達が低減されるようになる。

図８には、図７(B-1)，(B-2)のフローチャネル内の材料物質濃度分布より求められる材料物質の堆積速度分布の結果が示されている。横軸は流れ方向であり、縦軸は堆積速度を示す。図８(A)中、グラフＧ１１～Ｇ１３は、前記条件＃Ａ１～＃Ａ３における基板面側の堆積速度を示す。これらのグラフを比較すると、第３流路２４Ｃの高さｄｃが大きくなるほど、上流側の堆積速度は相対的に下がり、全体として勾配が緩やかになっている。これは膜厚分布及び膜質分布の均一性にとって有利である。図６に示したように、基板１２４の上流端を１４０ｍｍとし、４インチ基板を用いるなら、この範囲の平均堆積速度は条件＃Ａ３の場合が最も堆積速度が速い。すなわち、第３流路２４Ｃの高さｄｃが大きいほど材料利用効率が良好であることが分かる。また、図８(B)中、グラフＧ２１～Ｇ２３は、前記条件＃Ａ１～＃Ａ３における対向面側の堆積速度を示す。これらのグラフを比較すると、対向面側の堆積速度は、第３流路２４Ｃの高さｄｃが大きくなるほど顕著に低下していることが分かる。このように、条件＃Ａ３によれば、対向面上の堆積量が減り、対向面部材のメンテナンス頻度を下げられる。

以上のように、本実施例によれば、流路２４Ａ～２４Ｃのうち、対向面側の第３流路２４Ｃの高さｄｃを、他の第１流路２４Ａ，第２流路２４Ｂの高さｄａ，ｄｂよりも大きく設定することとしたので、次のような効果が得られる。
ａ，材料物質の堆積速度がなだらかになって、膜厚や膜質の分布が良好に改善され、更には、材料物質の利用効率が向上する。
ｂ，特に、第２流路２４Ｂから対向面部材１３４までの距離を大きくしたため、第２流路２４Ｂから導入されるIII族元素の対向面への到達量が低減され、対向面への堆積量が減る。このため、サセプタ１１０のメンテナンスの頻度も低減することができる。また、平均流速を流路間で揃えたため、流れの乱れは一切生じない。

なお、第３流路２４Ｃの高さｄｃをさらに大きくすれば、本発明効果はさらに増大する。しかしながら、第３流路２４Ｃからの平均流速を保つために、流路高さに比例してガスの消費量が増加する。第３流路２４Ｃの供給ガスは、基本的に窒素や水素が主であるため安価ではあるが、流量が余りに多くなるとコストに響いてくる。また真空ポンプの能力を増大する必要も生じるであろう。また、第３流路２４Ｃの高さｄｃが大きくなると、流路２４Ａ～２４Ｃ全体の流路高さも大きくなるが、そうすると自然対流の発生等、気体の流れが不安定となるリスクが生じる。第３流路２４Ｃの高さｄｃは、これらの点を総合的に考慮して適宜選択するのがよい。前記シミュレーションにより示した第３流路２４Ｃの高さｄｃを１６ｍｍ、すなわち全体の流路高さの２／３程度としたのは、その意味で有力な選択支の一つと言えよう。

次に、図９～図１２を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。図９(A)には、本実施例の主要部が示されており、仕切り板３２Ａ，３２Ｂによって形成されたインジェクタ３０の流路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃに対し、対向面部材３３４の厚さを薄くすることにより、その表面を後退させて、基板１２４付近の空間を拡張した構成となっている。流路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの高さｄ2ａ，ｄ2ｂ，ｄ2ｃは任意であり、例えば従来よく見られるようなｄ2ａ＝ｄ2ｂ＝ｄ2ｃなどとしてよい。仕切り板高さを基板１２４付近まで延長し、対向面との高さの違いを見かけ上の第３流路３４Ｃの高さｄwｃと定義する。従って、「ｄ2ａ＝ｄ2ｂ＝ｄ2ｃ」であったとしても、基板１２４付近では、「ｄｗｃ＞ｄ2ａ＝ｄ2ｂ」となる。もちろん、ｄｗｃ≧ｄ2ａ＋ｄ2ｂとするようにしてもよい。

本実施例のような対向面部材３３４は、もちろん当初から上記のように寸法設計して製作するようにしてもよいが、図９(B-1)，(B-2)に示すようにしてもよい。従来のチャンバ構造においても、同図(B-1)に示すようにインジェクタ３１と対向面部材１３４は分離されることが多い。そして、対向面部材１３４は自動搬送機構等により、日常の運用において着脱可能となっている。それに対しインジェクタ３１は、通常ネジ止め等によりチャンバに固定される。従って、日常の運用でこれを交換することは難しく、交換する際は比較的大規模なメンテナンスを必要とする。

一方、上述した実施例１における第３流路２４Ｃの高さｄ３は、目的とする成膜プロセスの種類に応じてそれぞれ適当な数値があると考えられる。してみると、例えば同一装置で様々な種のプロセス（例えば対象とする膜種や膜積層構造が異なるなど）を行おうとする際は、各プロセス種に応じてインジェクタを交換する必要を生じ、煩雑な作業が必要となる。しかし、同図(B-2)の構成であれば、異なる形状の対向面部材３３４を複数用意しておけば、これを交換することにより、インジェクタ３１を交換することなく、様々な高さｄｗｃを実現できる。また、従来構成を持つ既存の装置にも容易に適用可能である。同図(A)の構成が、実施例１と類似の作用を奏するならば、これは日常の運用の範囲内で高さｄｗｃを変更できるため、プロセスの条件出しや、同一装置で複数のプロセス種を実施する必要があるときなどに大きな利点を有する。

ここで、横型炉を基本とした図１０に示すような寸法のリアクタモデルを仮定する。各流路の高さをｄ2ａ＝ｄ2ｂ＝ｄ2ｃ＝４ｍｍと固定し、第３流路３４Ｃの見かけ上の高さｄｗｃを変えてシミュレーションを行った。流量は先の実施例１と同じく、第１流路３４Ａ，第２流路３４Ｂ，第３流路３４Ｃの流量をそれぞれＦ１，Ｆ２，Ｆ３で表し、実施したシミュレーション条件を下の＃Ｂ１，＃Ｂ２，＃Ｂ３とする。なお、条件＃Ｂ１は参照データであり、これは上述した従来型のシミュレーションの＃１の場合と同じである。
＃Ｂ１：ｄｗｃ＝４ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３
＃Ｂ２：ｄｗｃ＝８ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２、Ｆ３＝２×Ｆ１
＃Ｂ３：ｄｗｃ＝１６ｍｍ，Ｆ１＝Ｆ２，Ｆ３＝４×Ｆ１

このような条件に基づいて、気体の流れパターン及び材料物質濃度を二次元シミュレーションすると、図１１に示すようなパターンとなった。同図(A-1)，(A-2)は、それぞれ条件＃Ｂ２，＃Ｂ３の場合の流れパターンであり、同図(B-1)，(B-2)は、それぞれ条件＃Ｂ２，＃Ｂ３の場合の材料物質濃度分布である。流れパターンに関しては、流路３４Ａ～３４Ｃの出口直後の限定された領域において多少の歪みを観測するものの、乱流ないし渦流とまでは至っておらず、十分許容範囲内である。そこから先では、フローチャネルが広がる効果から、流れは直ちに安定化する。同図(B-1)，(B-2)からは、前記実施例１と同様に、第２流路３４Ｂから導入されるIII族元素物質の対向面部材３３４表面への到達が低減されていることが分かる。

図１２には、図７Ｂのフローチャネル内の材料物質濃度分布より求められる材料物質の堆積速度分布の結果が示されている。横軸は流れ方向であり、縦軸は堆積速度を示す。図１２(A)中、グラフＧ３１～Ｇ３３は前記条件＃Ｂ１～＃Ｂ３の基板面側の堆積速度を示す。これらのグラフを比較すると、第３流路３４Ｃの見かけ上の高さｄｗｃが大きくなるほど上流の堆積速度は相対的に下がり、全体として勾配が緩やかになっている。これは膜厚分布や膜質分布の均一性にとって有利である。図１０に示したように、基板１２４の上流端を１４０ｍｍとし、４インチ基板を用いるなら、この範囲の平均堆積速度は＃Ｂ３が最も堆積速度が速い。即ち高さｄｗｃが大きいほど材料効率が良好であることが分かる。また、図１２(B)中、グラフＧ４１～Ｇ４３は前記条件＃Ｂ１～＃Ｂ３の対向面側の堆積速度を示す。これらのグラフを比較すると、対向面側の堆積速度は、第３流路３４Ｃの見かけ上の高さｄｗｃの高さが大きくなるほど顕著に低下していることが分かる。

このように、本実施例によっても、前記実施例と同様の効果を得ることができる。更に、本実施例によれば、図９に示したように、従来のインジェクタを変更することなく、メンテナンスのために着脱可能となっている対向面部材のみを交換することで同様の効果を得ることができるといった利点がある。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例では、自公転式気相成膜装置及び横型気相成膜装置を例に挙げて説明したが、本発明は、水平方向の成膜空間（フローチャネル）が形成される反応炉全般に適用可能である。特に、基板面と対向面を上下逆とした配置であってもよい。すなわち、基板表面が上向きのフェイスアップ，下向きのファイスダウンのいずれにも適用可能である。
(3)前記実施例で示した各部の材料や、プロセスガス、対向面温度制御ガス、パージガスも一例であり、同様の効果を奏する範囲内で、適宜変更可能である。

本発明によれば、気体導入部の複数の流路のうち、対向面側の流路の高さ、もしくは見かけ上の高さを、他の流路よりも大きくする等の手段により、インジェクタからのIII族元素供給の平均導入位置を、基板側に近く、対向面側から遠くすることとしたので、材料効率が向上する上に、膜厚や膜質の分布改善が容易となり、また乱流を発生させることなく、対向面上への材料物質の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度の低減を図ることができる。例えば、有機金属気相成膜法による成膜、特に窒化物系の化合物半導体の成膜に好適である。

１０，１１：リアクタ
２０，２１：気体導入部
２０Ａ～２０Ｃ，２１Ａ～２１Ｃ：導入路
２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ：仕切り板
２４Ａ～２４Ｃ，３４Ａ～３４Ｃ：流路
３０，３１：インジェクタ
３２Ａ，３２Ｂ：仕切り板
１００，１０１：チャンバ
１０２：下側チャンバ壁
１０４：上側チャンバ壁
１１０：サセプタ
１１２：回転シャフト
１１４：公転モータ
１１５：ベースプレート
１１６：シーリング
１２０：基板ホルダ
１２２：ベアリング
１２４：基板
１２６：自転用ギア
１３０：ヒーター
１３２：リフレクタ
１３４：対向面部材
１４０：排気ポート
３３４：対向面部材
９００：サセプタ
９０２：基板
９０４：対向面
９１０：インジェクタ
９１２，９１４：仕切り板
９２０：堆積物

Claims (6)

1. 材料気体の導入部と排気部を有するチャンバ内に、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び前記基板に対して水平方向の成膜空間を形成する対向面部材が配置されている気相成膜装置であって、
   前記材料気体の導入部が、第１～第３の導入口及び流路を有するインジェクタを備えており、
   前記第２の導入口からは、III族元素を前記チャンバ内に供給し、
   第３の導入口の流路高さを、他の第１及び第２の導入口の流路高さよりも大きく設定することで、前記第２の導入口の平均導入位置を、前記対向面部材側よりも前記成膜用基板側に近い位置とし、
   前記第１～第３の導入口の流路における気体の平均流速を等しくしたことを特徴とする気相成膜装置。
2. 前記第１～第３の導入口の流路高さを、それぞれｄａ～ｄｃとしたとき、ｄｃ＞ｄａかつｄｃ＞ｄｂ，もしくは、ｄｃ≧ｄａ＋ｄｂとしたことを特徴とする請求項１記載の気相成膜装置。
3. 材料気体の導入部と排気部を有するチャンバ内に、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び前記基板に対して水平方向の成膜空間を形成する対向面部材が配置されている気相成膜装置であって、
   前記材料気体の導入部が、第１～第３の導入口及び流路を有するインジェクタを備えており、
   前記第１の導入口は、前記サセプタないし成膜用基板側に位置しており、
   前記第３の導入口は、前記対向面部材側に位置しており、
   前記第２の導入口は、前記第１の導入口と前記第３の導入口の間に位置しており、
   前記第２の導入口からは、III族元素を前記チャンバ内に供給し、
   前記第２の導入口と第３の導入口を仕切る仕切り板を前記基板上まで延長したときの延長線と前記対向面部材との間隔を、前記第３の導入口の流路高さよりも大きくすることで、前記第２の導入口の平均導入位置を、前記対向面部材側よりも前記成膜用基板側に近い位置としたことを特徴とする気相成膜装置。
4. 前記第１～第３の導入口の流路高さが同一であることを特徴とする請求項３記載の気相成膜装置。
5. 前記第１の導入口からＶ族元素を供給することで、有機金属気相成膜法により、III－Ｖ族化合物半導体の成膜を前記基板上に行うことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
6. 前記第１の導入口から窒素を供給することで、有機金属気相成膜法により、窒化物系の化合物半導体の成膜を前記基板上に行うことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の気相成膜装置。

Images