專利名稱：氣相生長裝置、氣相生長方法、及半導(dǎo)體元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如縱向噴淋(showerhead)式MOCVD (Metal Organic ChemicalVapor Deposition :金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)等氣相生長裝置、氣相生長方法、及半導(dǎo)體元件的制造方法。
背景技術(shù)：
以往，在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等設(shè)備中，利用GaAs或InGaP等III 一 V族半導(dǎo)體結(jié)晶薄膜。最近，特別是被稱為III 一 V氮化物(nitride)類的、以InGaN、InGaNAs為代表的氮化物結(jié)晶受到關(guān)注。上述被稱為III - V氮化物(nitride)類的InGaN、InGaNAs具有上述InGaP、InGaAs等III 一 V氮化物(nitride)類以外的半導(dǎo)體結(jié)晶所沒有的、0. 8eV I. OeV的帶 隙，因此，可高效地發(fā)光和接收光。此外,還報(bào)告了通過摻雜的氮化物(nitride)的組成來改變帶隙的技術(shù),優(yōu)質(zhì)的氮化物(nitride)類的半導(dǎo)體結(jié)晶受到來自各種半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注。特別是，近年來，在期望高效化的太陽能電池領(lǐng)域中期待較高。在制造這些半導(dǎo)體結(jié)晶時(shí)，眾所周知有如下MOCVD (Metal Organic ChemicalVapor Deposition :有機(jī)金屬氣相沉積)法即，將三甲基鎵(TMG)或三甲基鋁(TMA)等有機(jī)金屬氣體、和氨氣(NH3)、磷化氫(PH3)或砷化氫(AsH3)等氫化合物氣體、或叔丁基胂(TBAs tertiary butyl arsine)等碳?xì)浠衔?hydrocarbon compound)氣體作為對成膜有貢獻(xiàn)的原料氣體而導(dǎo)入到生長室，以生長化合物半導(dǎo)體結(jié)晶。MOCVD法是將上述原料氣體與惰性氣體一起導(dǎo)入到生長室內(nèi)進(jìn)行加熱、以使在規(guī)定基板上進(jìn)行氣相反應(yīng)，從而在該基板上生長化合物半導(dǎo)體結(jié)晶的方法。在利用MOCVD法來制造化合物半導(dǎo)體結(jié)晶時(shí)，對提高所生長的化合物半導(dǎo)體結(jié)晶的品質(zhì)并抑制成本、如何確保最高限度的成品率和生產(chǎn)能力等方面始終有較高的要求。即，表示能從原料氣體成膜多少結(jié)晶的成膜效率越高越好。此外，在用作為良好的器件時(shí)，優(yōu)選膜厚及組成比均勻。圖12表示MOCVD法中使用的現(xiàn)有縱向噴淋式MOCVD裝置200的一示例的示意性結(jié)構(gòu)。在該MOCVD裝置200中，連接有用于將原料氣體和惰性氣體從氣體提供源202導(dǎo)入到反應(yīng)爐201內(nèi)部的生長室211的氣體配管203。在反應(yīng)爐201內(nèi)部的生長室211的上部設(shè)置有噴淋板210作為氣體導(dǎo)入部，該噴淋板210具有用于將原料氣體和惰性氣體導(dǎo)入到該生長室211的多個(gè)氣體噴射孔。此外，在反應(yīng)爐201的生長室211的下部中央設(shè)置有通過未圖示的致動器而旋轉(zhuǎn)自如的轉(zhuǎn)軸212。在該轉(zhuǎn)軸212的前端以與噴淋板210相對的方式安裝有基座(susceptor)208。在上述基座208的下部安裝有用于對該基座208進(jìn)行加熱的加熱器209。此外，在反應(yīng)爐201的下部設(shè)置有用于將該反應(yīng)爐201內(nèi)部的生長室211內(nèi)的氣體排放到外部的氣體排放部204。該氣體排放部204經(jīng)由凈化管(purge line)205與用于對排放出的氣體進(jìn)行無害化處理的廢氣處理裝置206相連接。在上述結(jié)構(gòu)的縱向噴淋式MOCVD裝置200中，在生長化合物半導(dǎo)體結(jié)晶的情況下，在基座208上設(shè)置I片或多片基板207，之后，通過轉(zhuǎn)軸212的旋轉(zhuǎn)使基座208旋轉(zhuǎn)。然后，通過加熱器209的加熱，經(jīng)由基座208將基板207加熱到規(guī)定溫度。從形成于噴淋板210的多個(gè)氣體噴射孔將原料氣體和惰性氣體導(dǎo)入到反應(yīng)爐201內(nèi)部的生長室211中。作為提供多種原料氣體、在基板207上反應(yīng)以形成薄膜的方法，以往，采用如下方法在噴淋板210中對多種氣體進(jìn)行混合，從設(shè)置于噴淋板210的多個(gè)氣體噴射口向基板207噴出原料氣體。近年來，一般多使用如下方法S卩，對多種提供的氣體分別設(shè)置緩沖區(qū)域，使各原料氣體從該緩沖區(qū)域通過噴淋板210的氣體噴射孔，以分離的狀態(tài)提供到生長室。這是為了避免在噴淋頭內(nèi)發(fā)生氣相反應(yīng)。 例如，圖13中示出日本專利特開平8 - 91989號公報(bào)(圖2)(專利文獻(xiàn)I)所公開的反應(yīng)容器300。在該反應(yīng)容器300中，采用如下層疊結(jié)構(gòu)即，將III族原料氣體的緩沖區(qū)域301和V族原料氣體的緩沖區(qū)域302上下設(shè)置，將氣體流動通路分離，以使得各氣體不會在生長室303以外的地方混合。在該反應(yīng)容器300的情況下，上述III族原料氣體噴射孔和V族原料氣體噴射孔在噴淋板上交替地靠近配置。此外，在日本專利特開2000 — 144432號公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中，公開了如下結(jié)構(gòu)即，對與第I氣體空間相連通的噴射孔配置有與第2氣體空間相連通的噴嘴構(gòu)件，從而可防止預(yù)先反應(yīng)，使混合氣體以穩(wěn)定的狀態(tài)向基板噴射。此外，為了確保膜的均勻性、抑制生成物附著于噴淋頭的目的，大多對噴淋頭正上方的氣體導(dǎo)入配管設(shè)置有溫度調(diào)整機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)。例如，在上述專利文獻(xiàn)I中，在噴淋面上設(shè)置有冷卻水流過的通路。此外，圖14中示出了日本專利特開2007 — 273747號公報(bào)(圖I)(專利文獻(xiàn)3)所公開的成膜裝置400。在該成膜裝置400中，在氣體流動通路404的周圍設(shè)置有環(huán)狀的溫度調(diào)整室405，通過使制冷劑或制熱劑流過該溫度調(diào)整室405，從而可控制氣體流動通路404內(nèi)的溫度，將氣體流動通路404內(nèi)的氣體保持在一定溫度。如上所述，MOCVD裝置是為了制作化合物半導(dǎo)體結(jié)晶而經(jīng)常使用的裝置。為了使半導(dǎo)體結(jié)晶得到所需的特性，在制作時(shí)有時(shí)會在半導(dǎo)體內(nèi)摻雜雜質(zhì)。因此，在MOCVD裝置中，有時(shí)也會對原料氣體使用各種摻雜氣體(dopant gas )。此時(shí)，存在如下問題S卩，由于溫度控制不足所導(dǎo)致的溫度下降，Cp2Mg (二茂鎂)等部分金屬材料在噴淋頭內(nèi)的配管內(nèi)、噴淋頭內(nèi)的壁面上凝固。由此,產(chǎn)生材料效率惡化、噴淋頭堵塞、摻雜濃度的控制性惡化等的問題。對此問題，例如在圖15所示的日本專利特開平4 - 111419號公報(bào)(圖I)(專利文獻(xiàn)4)所公開的MOCVD裝置500中，公開了將摻雜氣體在導(dǎo)入到生長室之前預(yù)先升溫的方法。將多種原料氣體分別通過各自的導(dǎo)入配管508a 508d，導(dǎo)入到配置在收納有基座501和基板502的生長室503上部的噴淋頭507內(nèi)。此時(shí)，對將難分解的材料導(dǎo)入的導(dǎo)入配管508d預(yù)先設(shè)置有用于升溫的預(yù)加熱爐506。由此，可對難分解的材料進(jìn)行預(yù)加熱，從而可力圖提高摻雜濃度。認(rèn)為在防止如上述那樣因溫度不足而導(dǎo)致在配管內(nèi)、噴淋頭內(nèi)的壁面上凝固的方面，這種將氣體預(yù)先升溫的方法可期待有效果?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本專利特開平8 — 91989號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利特開2000 - 144432號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本專利特開2007 — 273747號公報(bào)專利文獻(xiàn)4 :日本專利特開平4 - 111419號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題然而，如上所述，近年來，大多對噴淋頭正上方的氣體導(dǎo)入配置設(shè)置冷卻機(jī)構(gòu)，在此情況下，即使預(yù)先升溫，也會在噴淋頭內(nèi)部、特別在生長室跟前的階段會再次冷卻，從而產(chǎn)生金屬材料凝固、隨之而來的材料效率惡化、噴淋頭堵塞、摻雜濃度的控制性變差等問題。本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有問題而完成的，其目的在于提供一種將易凝固的金屬材料有效地導(dǎo)入反應(yīng)爐而不會使其附著于噴淋頭或配管的壁面、從而能進(jìn)行有效的摻雜的氣相生長裝置、氣相生長方法、及半導(dǎo)體元件的制造方法。用于解決技術(shù)問題的技術(shù)手段本發(fā)明的氣相生長裝置將III族原料氣體和V族原料氣體經(jīng)由噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)提供到收納被成膜基板的生長室內(nèi)，使其在所述生長室內(nèi)進(jìn)行混合，以將所述被成膜基板進(jìn)行成膜，該噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)配置有分別進(jìn)行獨(dú)立噴射的、具有多個(gè)III族原料氣體噴射孔的III族原料氣體導(dǎo)入配管和具有多個(gè)V族原料氣體噴射孔的V族原料氣體導(dǎo)入配管，該氣相生長裝置具有以下結(jié)構(gòu)。在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)中，層疊配置有分別導(dǎo)入所述V族原料氣體和所述III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域和III族原料氣體緩沖區(qū)域，所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)包含與所述生長室相接的噴淋板，在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)中，在所述噴淋板與所述V族原料氣體緩沖區(qū)域之間設(shè)置有用于對所述噴淋板進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)，所述V族原料氣體導(dǎo)入配管的內(nèi)徑大于所述III族原料氣體導(dǎo)入配管的外徑，所述III族原料氣體導(dǎo)入配管以I對I的方式位于所述V族原料氣體導(dǎo)入配管的內(nèi)部。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)中，分別充滿有上述V族原料氣體和III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域和III族原料氣體緩沖區(qū)域以將V族原料氣體緩沖區(qū)域作為氣體噴射側(cè)的方式進(jìn)行層疊。由此，III族原料氣體和V族原料氣體在導(dǎo)入到生長室以進(jìn)行混合之前彼此不會混雜在一起，從而不會在噴淋頭內(nèi)部產(chǎn)生生成物。因此，在通過升溫機(jī)構(gòu)將III族原料氣體緩沖區(qū)域升溫、以使金屬材料不會在噴淋頭內(nèi)凝固時(shí)，可防止原料氣體彼此在噴淋頭內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)而在內(nèi)部附著有生成物。此外，對于III族原料氣體緩沖區(qū)域和V族原料氣體緩沖區(qū)域的位置關(guān)系，通過將V族原料氣體緩沖區(qū)域作為氣體噴射側(cè)而進(jìn)行層疊，從而將與用于對噴淋面進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)相鄰的區(qū)作為V族原料氣體緩沖區(qū)域，可防止III族原料氣體緩沖區(qū)域被冷卻機(jī)構(gòu)所冷卻、導(dǎo)入到III族原料氣體緩沖區(qū)域內(nèi)部的金屬材料在噴淋頭內(nèi)凝固。此外，在導(dǎo)入氣體時(shí)，由于上述III族原料氣體導(dǎo)入配管及V族原料氣體導(dǎo)入配管貫穿上述冷卻機(jī)構(gòu)以將原料氣體導(dǎo)入到生長室，因此，通過配管內(nèi)的金屬材料被冷卻機(jī)構(gòu)冷卻，易于在配管壁面凝固，對于上述問題，通過構(gòu)成為使V族原料氣體導(dǎo)入配管的內(nèi)徑大于III族原料氣體導(dǎo)入配管的外徑，將上述III族原料氣體導(dǎo)入配管以I對I的方式插入到上述V族原料氣體導(dǎo)入配管的內(nèi)部，從而可 防止III族原料氣體配管被冷卻機(jī)構(gòu)冷卻，抑制金屬材料凝固到配管壁面。通過以上效果，可將例如Cp2Mg (二茂鎂)那樣的易凝固的金屬材料適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)到生長室而不會使其在噴淋頭內(nèi)/配管內(nèi)凝固，可高效地進(jìn)行有效成膜。此外，由于原料氣體導(dǎo)入配管為雙重的，從流動通路截面積較小的內(nèi)側(cè)配管導(dǎo)入載運(yùn)氣體較多的III族原料氣體，從流動通路截面積較大的外側(cè)導(dǎo)入載運(yùn)氣體較少的V族原料氣體，因此，可降低整體上的載運(yùn)氣體的使用量，可抑制成本。另外，在本發(fā)明中，易凝固的金屬材料是指如下金屬材料例如是Cp2Mg等常溫下為固體的材料，保管在氣缸中，使載運(yùn)氣體通過內(nèi)部而利用蒸氣壓平衡來取出部分材料，通過起泡(bubbling)的方法來導(dǎo)入時(shí)的取出量較少，此外，盡管取出，也會因有一點(diǎn)點(diǎn)降溫而凝固。


圖I是實(shí)施方式中的氣相生長裝置的一個(gè)示例、即縱向噴淋式氣相生長裝置的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2是表示噴淋板(shower plate)及冷卻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的簡要剖視圖。圖3是表示制作在噴淋板上的氣體噴射孔的排列的一個(gè)示例的俯視圖。圖4是表示制作在噴淋板上的氣體噴射孔的排列的另一示例的俯視圖。圖5是表示制作在噴淋板上的氣體噴射孔的排列的又一示例的俯視圖。圖6是表示III族原料氣體緩沖區(qū)域的結(jié)構(gòu)的簡要剖視圖。圖7是表示組裝好噴淋頭時(shí)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖8是表示V族原料氣體噴射孔與III族原料氣體噴射孔的其他位置關(guān)系的圖。圖9是表示V族原料氣體噴射孔與III族原料氣體噴射孔的另外的位置關(guān)系的圖。圖10是表示V族原料氣體外環(huán)流通路的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖11是表示半導(dǎo)體元件的一個(gè)示例的剖視圖，該半導(dǎo)體元件具有在被成膜基板上利用本實(shí)施方式中的氣相生長裝置、通過有機(jī)金屬氣相沉積法來成膜的膜。圖12是氣相生長法中使用的、現(xiàn)有的縱向噴淋式氣相生長裝置的一個(gè)示例的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。圖13是表示氣相生長法中使用的、利用緩沖區(qū)域來將多種原料氣體進(jìn)行分離以分別導(dǎo)入到生長室的縱向噴淋式氣相生長裝置的一個(gè)示例的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。圖14是氣相生長法中使用的、具有將配管內(nèi)的溫度保持一定的機(jī)構(gòu)的縱向噴淋式氣相生長裝置的一個(gè)示例的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖15是氣相生長法中使用的、具有預(yù)先將原料氣體升溫的機(jī)構(gòu)的縱向噴淋式氣相生長裝置的一個(gè)示例的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實(shí)施例方式基于圖I至圖11，說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，如下所述。另外，在本實(shí)施方式的附圖中，相同的參考標(biāo)號表示相同部分或相應(yīng)部分。此外，在以下說明的實(shí)施方式中，當(dāng)提及個(gè)數(shù)、量等時(shí)，除了有特別記載的情況外，本發(fā)明的范圍并不一定限于該個(gè)數(shù)、量等。此外，對于同一部件、相應(yīng)部件標(biāo)注同一參考編號，有時(shí)會不進(jìn)行重復(fù)說明。 (裝置的基本結(jié)構(gòu))圖I表示作為基于本發(fā)明的實(shí)施方式中的氣相生長裝置的M0CVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition :有機(jī)金屬氣相沉積)裝置的一個(gè)示例、即縱向噴淋式MOCVD裝置100的示意性結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例。如圖I所示，本實(shí)施方式的MOCVD裝置100包括具有中空部即生長室I的反應(yīng)爐
2;放置被成膜基板3的基座4 ;與上述基座4相對、且在底面具有與生長室I相接的噴淋板21的噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(以下，簡稱為噴淋頭)20。在上述基座4的下側(cè)設(shè)置有對被成膜基板3進(jìn)行加熱的加熱器5及支承臺6，安裝于支承臺6的轉(zhuǎn)軸7通過未圖示的致動器等進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而上述基座4在保持基座4的上表面(噴淋板21側(cè)的表面)與相對的噴淋板21平行的狀態(tài)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在上述基座4、加熱器5、支承臺6及轉(zhuǎn)軸7的周圍，作為加熱器蓋的蓋板(covering plate) 8設(shè)置成包圍該基座4、加熱器5、支承臺6及轉(zhuǎn)軸7。此外，MOCVD裝置100具有用于將生長室I內(nèi)部的氣體排出到外部的氣體排出部
11、與該氣體排出部11相連接的凈化管12以及與該凈化管12相連接的廢氣處理裝置13。由此，導(dǎo)入到生長室I內(nèi)部的氣體通過氣體排出部11排出到生長室I的外部,所排出的氣體通過凈化管12導(dǎo)入到廢氣處理裝置13，在廢氣處理裝置13中實(shí)現(xiàn)無害化。(噴淋頭20的基本結(jié)構(gòu))接著，參照圖I及圖4，對噴淋頭20的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。噴淋頭20從生長室I側(cè)起，依次包括噴淋板21、冷卻機(jī)構(gòu)22、V族原料氣體緩沖區(qū)域23、III族原料氣體緩沖區(qū)域24以及升溫機(jī)構(gòu)25。由III族原料氣體提供源34提供的包含III族元素的III族原料氣體經(jīng)由III族原料氣體配管35、質(zhì)量流量控制器(MFC)36而被導(dǎo)入到III族原料氣體緩沖區(qū)域24中。此外，同樣地，由V族原料氣體提供源31提供的包含V族元素的V族原料氣體經(jīng)由V族原料氣體配管32、質(zhì)量流量控制器33而被導(dǎo)入到V族原料氣體緩沖區(qū)域23中。上述質(zhì)量流量控制器33、36由未圖示的控制部進(jìn)行控制。另外，在本實(shí)施方式中，作為III族原料氣體，可使用包含例如Ga (鎵)、A1 (鋁)或In (銦)等III族元素的氣體、例如三甲基鎵(TMG)或三甲基鋁(TMA)等有機(jī)金屬氣體中的I種以上。此時(shí)，假設(shè)二茂鎂(Cp2Mg)、硅烷(SiH4)、二甲基鋅(DMZn)等摻雜氣體也可包含在III族原料氣體中。此外，作為V族原料氣體，可使用包含例如N (氮)、P (磷)或As (砷)等V族元素的氣體、例如氨氣(NH3)、磷化氫(PH3)、或砷化氫(AsH3)等氫化合物氣體、或叔丁基胂(TBAs)等碳?xì)浠衔餁怏w中的I種以上。
在冷卻機(jī)構(gòu)22中，通過冷水系統(tǒng)配管37從水冷卻裝置38提供冷水。另外，在本實(shí)施方式中，冷卻機(jī)構(gòu)22提供冷卻水，但不一定限于水，可以利用其他液體及氣體所形成的制冷劑。升溫機(jī)構(gòu)25采用將硅橡膠加熱器鋪滿到III族原料氣體緩沖區(qū)域24的上表面的結(jié)構(gòu)，通過未圖示的電源系統(tǒng)通電升溫。另外，在本實(shí)施方式中，對升溫機(jī)構(gòu)25使用加熱器，但也可以與冷卻機(jī)構(gòu)22同樣，在III族原料氣體緩沖區(qū)域24上設(shè)置流動通路，從外部裝置使制熱劑替代制冷劑而流過，從而對III族原料氣體緩沖區(qū)域24進(jìn)行升溫。(噴淋頭20的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)說明)圖2中示出噴淋板21及冷卻機(jī)構(gòu)22的結(jié)構(gòu)的簡圖。多個(gè)V族原料氣體噴射孔41設(shè)置在噴淋板21上，通過V族原料氣體導(dǎo)入配管42而通到設(shè)置在上述噴淋板21的上方的V族原料氣體緩沖區(qū)域23。如圖3所示，所設(shè)置的多個(gè)V族原料氣體噴射孔41及V族原料氣體導(dǎo)入配管42的排列方向形成為水平方向和垂直方向即格子狀。但是，該格子并不限于正方格子，如圖4所示，也可以是菱形格子。此外，如圖5所示，也可以設(shè)置成輻射狀。此外，V族原料氣體導(dǎo)入配管42和V族原料氣體噴射孔41的截面不一定限于圓形，也可以是矩形管、橢圓管或其他截面。在噴淋板21的正上方、V族原料氣體導(dǎo)入配管42的周圍設(shè)置有冷卻機(jī)構(gòu)22。冷卻機(jī)構(gòu)22具有制冷劑提供通路51，例如，冷卻水從噴淋頭20的側(cè)邊流入到該制冷劑提供通路51中，從噴淋頭20的相反側(cè)的側(cè)邊流出。通過上述冷卻機(jī)構(gòu)22，將噴淋板21冷卻到一
定溫度以下。圖6示出表示III族原料氣體緩沖區(qū)域24的結(jié)構(gòu)的簡要剖視圖。多個(gè)III族原料氣體導(dǎo)入配管44從III族原料氣體緩沖區(qū)域24伸出，通過設(shè)置于前端的III族原料氣體噴射孔43向生長室I導(dǎo)入III族原料氣體。所設(shè)置的多個(gè)V族原料氣體噴射孔41及III族原料氣體導(dǎo)入配管44的排列方向與圖3所示的V族原料氣體噴射孔41的配置相對應(yīng)，形成為水平方向和垂直方向即格子狀。但是，該格子并不限于正方格子，也可以與圖4所示的V族原料氣體噴射孔41的配置相對應(yīng)，是菱形格子等。此外，也可以與圖5所示的V族原料氣體噴射孔41的配置相對應(yīng)，設(shè)置成輻射狀。此外，III族原料氣體導(dǎo)入配管44和III族原料氣體噴射孔43的截面不一定限于圓形，也可以是矩形管、橢圓管或其他截面。在III族原料氣體緩沖區(qū)域24的上部設(shè)置有升溫機(jī)構(gòu)25，將III族原料氣體緩沖區(qū)域24從上表面升溫至常溫以上。圖7表示組裝好噴淋頭20時(shí)的剖視圖。冷卻機(jī)構(gòu)22和III族原料氣體緩沖區(qū)域24在外周部分接合，構(gòu)成噴淋頭20。此時(shí)，通過冷卻機(jī)構(gòu)22的上表面?zhèn)鹊陌枷菘臻g、和構(gòu)成為III族原料氣體緩沖區(qū)域24的底面的空間，來規(guī)定V族原料氣體緩沖區(qū)域23。另外，由于使用未圖示的0型圈(0-ring)或墊圈(gasket)等來將冷卻機(jī)構(gòu)22和III族原料氣體緩沖區(qū)域24進(jìn)行接合，因此，提供給V族原料氣體緩沖區(qū)域23的V族原料氣體不會泄漏到外部。
此外，上述V族原料氣體導(dǎo)入配管42的內(nèi)徑(Wl)大于上述III族原料氣體導(dǎo)入配管44的外徑(W2)，III族原料氣體導(dǎo)入配管44以I對I的方式插入到V族原料氣體導(dǎo)入配管42的內(nèi)部。由此，可在III族原料氣體導(dǎo)入配管44與冷卻機(jī)構(gòu)22之間形成空間，防止III族原料氣體被冷卻。
此外，若利用該配管結(jié)構(gòu)，則V族原料氣體的流動通路比III族原料氣體的流動通路要大(例如，若設(shè)III族原料氣體導(dǎo)入配管44與V族原料氣體導(dǎo)入配管42的直徑之比為1:2，則III族原料氣體與V族原料氣體的流動通路的面積比為1:3)。因此，可減少需要的載運(yùn)氣體的流量。眾所周知，一般在利用MOCVD裝置來成膜的情況下，V/III比、即V族原料與III族原料的摩爾數(shù)之比會對膜質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。為了形成優(yōu)質(zhì)的膜，大多使該值為500以上。然而，實(shí)際上，若使V族原料以III族原料的500倍的流量流過，則流速較快的V族材料先到達(dá)被成膜基板3，在被成膜基板3上擴(kuò)散，并阻礙流速較慢的III族氣體的到達(dá)等，從而難以控制反應(yīng)時(shí)的V/III比。因此，需要在III族原料側(cè)使大量與反應(yīng)無關(guān)的載運(yùn)氣體流過，使氣體流速相等，將V/III比控制成一定。此時(shí)，在本實(shí)施方式的配管結(jié)構(gòu)中，流量較多的V族原料氣體的導(dǎo)入流動通路增大，為了獲得某一流速必然增加需要的V族原料氣體的流量，因此，與III族/V族原料氣體的導(dǎo)入流動通路的大小相等的情況相比，可減少需要的載運(yùn)氣體流量。另外，如圖7所示，在本實(shí)施方式中，雖然V族原料氣體噴射孔41和III族原料氣體噴射孔43設(shè)置成位于同一平面，但V族原料氣體噴射孔41和III族原料氣體噴射孔43的位置關(guān)系不一定需要處于同一平面，也可以如圖8及圖9所示，其中一方相對于另一方處于突出的位置。此外，V族原料氣體緩沖區(qū)域23在緩沖區(qū)域側(cè)壁部分包括V族原料氣體外環(huán)流通路61，以將從噴淋頭20的例如周邊部提供的V族原料氣體均勻地導(dǎo)入到V族原料氣體導(dǎo)入配管42。另一方面，同樣地，III族原料氣體緩沖區(qū)域24在緩沖區(qū)域側(cè)壁部分包括III族原料氣體外環(huán)流通路62，以將從噴淋頭20的例如周邊部提供的原料氣體均勻地導(dǎo)入到III族原料氣體導(dǎo)入配管44。此處，圖10是V族原料氣體外環(huán)流通路61的立體圖(III族原料氣體外環(huán)流通路62也具有相同結(jié)構(gòu)，因此省略其說明)。例如，從V族原料氣體外環(huán)流通路61的橫向提供的V族原料氣體經(jīng)由均勻配置在V族原料氣體外環(huán)流通路61的內(nèi)周側(cè)的多個(gè)V族原料氣體提供口 63，沿周向均勻地提供到V族原料氣體緩沖區(qū)域23。然后，V族原料氣體緩沖區(qū)域23的V族原料氣體通過上述多個(gè)V族原料氣體導(dǎo)入配管42，從V族原料氣體噴射孔41提供到生長室I。(利用MOCVD裝置100的半導(dǎo)體元件的制造方法)接下來，以下對基于利用MOCVD裝置(氣相生長裝置)100的氣相生長方法的、半導(dǎo)體元件的制造方法進(jìn)行說明。例如，將包含例如Ga (鎵)、Al (招)等III族元素的氣體、例如三甲基鎵(TMG)或三甲基鋁(TMA)等有機(jī)金屬氣體中的I種以上作為III族原料氣體，導(dǎo)入到本實(shí)施方式中的MOCVD裝置100。此外，將包含例如N (氮)、P (磷)或As (砷)等V族元素的氣體、例如氨氣(NH3)、磷化氫(PH3)、或砷化氫(AsH3)等氫化合物氣體、或叔丁基胂(TBAs)等碳?xì)浠衔餁怏w中的I種以上作為V族原料氣體，導(dǎo)入到本實(shí)施方式中的MOCVD裝置100。此時(shí)，設(shè)例如二茂鎂(Cp2Mg)等易凝固的摻雜氣體也包含在III族原料氣體中。導(dǎo)入到MOCVD裝置100的III族原料氣體從III族原料氣體緩沖區(qū)域24經(jīng)由III族原料氣體導(dǎo)入配管44導(dǎo)入到生長室1，此外，V族原料氣體從V族原料氣體緩沖區(qū)域23經(jīng)由V族原料氣體導(dǎo)入配管42導(dǎo)入到生長室I。導(dǎo)入到生長室I的III族原料氣體及V族原料氣體噴到在生長室I內(nèi)的基座4上設(shè)置的被成膜基板3上。被成膜基板3通過設(shè)置在基座4下的加熱器5升溫到規(guī)定的溫度，噴到被成膜基板3上的原料氣體因該熱量而分解并反應(yīng)，如圖11所示，在被成膜基板3上形成所希望的膜70。將對反應(yīng)無貢獻(xiàn)的原料氣體通過氣體排出部11排出到生長室I的外部，所排出的氣體通過凈化管12導(dǎo)入到廢氣處理裝置13，在廢氣處理裝置13中實(shí)現(xiàn)無害化。通過反復(fù) 進(jìn)行上述工序，在半導(dǎo)體基板即被成膜基板3上形成規(guī)定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件。(作用和效果)這樣，根據(jù)本實(shí)施方式中的MOCVD裝置100，使噴淋頭20采用如下結(jié)構(gòu)S卩，分別充滿有V族原料氣體和III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域23和III族原料氣體緩沖區(qū)域24以將V族原料氣體緩沖區(qū)域23作為氣體噴射側(cè)的方式進(jìn)行層疊。由此，III族原料氣體和V族原料氣體在導(dǎo)入到生長室I以進(jìn)行混合之前彼此不會混雜在一起，從而不會在噴淋頭20內(nèi)部產(chǎn)生生成物。因此，在通過升溫機(jī)構(gòu)25將III族原料氣體緩沖區(qū)域24升溫、以使得金屬材料不會在噴淋頭20內(nèi)凝固時(shí)，可防止原料氣體彼此在噴淋頭內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)而在內(nèi)部附著有生成物。此外，對于III族原料氣體緩沖區(qū)域24和V族原料氣體緩沖區(qū)域23的位置關(guān)系，通過將V族原料氣體緩沖區(qū)域23作為氣體噴射側(cè)而進(jìn)行層疊，從而將與用于對噴淋板21的噴淋面進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)22相鄰的區(qū)作為V族原料氣體緩沖區(qū)域23，可防止III族原料氣體緩沖區(qū)域24被冷卻機(jī)構(gòu)22冷卻、導(dǎo)入到III族原料氣體緩沖區(qū)域24內(nèi)部的金屬材料在噴淋頭20內(nèi)凝固。此外，在導(dǎo)入氣體時(shí)，由于上述III族原料氣體導(dǎo)入配管44及V族原料氣體導(dǎo)入配管42貫穿上述冷卻機(jī)構(gòu)22以將原料氣體導(dǎo)入到生長室1，因此，通過配管內(nèi)的金屬材料被冷卻機(jī)構(gòu)22冷卻，易于在配管壁面凝固，對于上述問題，通過構(gòu)成為使V族原料氣體導(dǎo)入配管42的內(nèi)徑(Wl)大于III族原料氣體導(dǎo)入配管44的外徑(W2)，將上述III族原料氣體導(dǎo)入配管44以I對I的方式插入到上述V族原料氣體導(dǎo)入配管42的內(nèi)部，從而可防止III族原料氣體導(dǎo)入配管44被冷卻機(jī)構(gòu)冷卻，抑制金屬材料凝固到配管壁面。通過以上效果，可將例如Cp2Mg (二茂鎂)那樣的易凝固的金屬材料適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)到生長室而不會使其在噴淋頭內(nèi)/配管內(nèi)凝固，可高效地進(jìn)行有效成膜。此外，由于原料氣體導(dǎo)入配管為雙重的，從流動通路截面積較小的內(nèi)側(cè)配管導(dǎo)入載運(yùn)氣體較多的III族原料氣體，從流動通路截面積較大的外側(cè)導(dǎo)入載運(yùn)氣體較少的V族原料氣體，因此，可降低整體上的載運(yùn)氣體的使用量，可抑制成本。另外，雖然對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但應(yīng)認(rèn)為這里所揭示的實(shí)施方式在所有方面均是舉例示出，而不是限制性的?？烧J(rèn)為本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書表示，包含與權(quán)利要求書同等的意義及范圍內(nèi)的所有變更。工業(yè)上的實(shí)用性本發(fā)明可用于將易凝固的金屬材料及難分解的材料用作原料的縱向MOCVD裝置等氣相生長裝置、及使用該氣相生長裝置的半導(dǎo)體元件的制造方法。標(biāo)號說明I生長室、2反應(yīng)爐、3被成膜基板、4基座、5加熱器、6支承臺、7轉(zhuǎn)軸、8蓋板、11氣體排出部、12凈化管、13廢氣處理裝置、20噴淋頭、21噴淋板、22冷卻機(jī)構(gòu)、23V族原料氣體緩沖區(qū)域、24III族原料氣體緩沖區(qū)域、25升溫機(jī)構(gòu)、31V族原料氣體提供源、32V族原料氣體配管、33質(zhì)量流量控制器、34111族原料氣體提供源、35111族原料氣體配管、36質(zhì)量流量控制器、37水冷卻系統(tǒng)配管、38水冷卻裝置、41V族原料氣體噴射孔、42V族原料氣體導(dǎo)入配管、43III族原料氣體噴射孔、44III族原料氣體導(dǎo)入配管、51制冷劑提供通路、61V族原料 氣體外環(huán)流通路、62III族原料氣體外環(huán)流通路、63V族原料氣體提供口、70薄膜。
權(quán)利要求
1.一種氣相生長裝置，該氣相生長裝置將III族原料氣體和V族原料氣體經(jīng)由噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)提供到收納被成膜基板(3)的生長室(I)內(nèi)，使其在所述生長室(I)內(nèi)進(jìn)行混合，以將所述被成膜基板(3)進(jìn)行成膜，該噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)配置有分別進(jìn)行獨(dú)立噴射的、具有多個(gè)III族原料氣體噴射孔(43)的III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)和具有多個(gè)V族原料氣體噴射孔(41)的V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)，其特征在于， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，層疊配置有分別導(dǎo)入所述V族原料氣體和所述III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)和III族原料氣體緩沖區(qū)域(24)， 所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20 )包含與所述生長室(I)相接的噴淋板(21)， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，在所述噴淋板(21)與所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)之間設(shè)置有用于對所述噴淋板(21)進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)(22)， 所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)徑(Wl)大于所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)的外徑(W2)，所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)以I對I的方式位于所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求I所述的氣相生長裝置，其特征在于， 在所述III族原料氣體緩沖區(qū)域(23)中，用于將所述III族原料氣體從所述III族原料氣體緩沖區(qū)域(23)導(dǎo)入到所述生長室(I)的多個(gè)所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)設(shè)置成貫穿所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)和所述冷卻機(jī)構(gòu)(22)。
3.如權(quán)利要求I所述的氣相生長裝置，其特征在于， 在所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)中，用于將所述V族原料氣體從所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)導(dǎo)入到所述生長室(I)的多個(gè)所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)設(shè)置成貫穿所述冷卻室(22)。
4.如權(quán)利要求I所述的氣相生長裝置，其特征在于， 還包括有對所述III族原料氣體緩沖區(qū)域(23)進(jìn)行升溫或保溫的機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求I所述的氣相生長裝置，其特征在于， 所述III族原料氣體包含金屬材料和摻雜氣體中的至少任一種。
6.一種氣相生長方法，該氣相生長方法包含利用氣相生長裝置、在被成膜基板(3)上利用有機(jī)金屬氣相沉積法來形成膜的工序，其特征在于， 所述氣相生長裝置中， 將III族原料氣體和V族原料氣體經(jīng)由噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)提供到收納被成膜基板(3 )的生長室(I)內(nèi)，使其在所述生長室(I)內(nèi)進(jìn)行混合，以將所述被成膜基板(3 )進(jìn)行成膜，該噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)配置有分別進(jìn)行獨(dú)立噴射的、具有多個(gè)III族原料氣體噴射孔(43)的III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)和具有多個(gè)V族原料氣體噴射孔(41)的V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，層疊配置有分別導(dǎo)入所述V族原料氣體和所述III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)和III族原料氣體緩沖區(qū)域(24)， 所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20 )包含與所述生長室(I)相接的噴淋板(21)， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，在所述噴淋板(21)與所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23 )之間設(shè)置有用于對所述噴淋板(21)進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)(22 )， 所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)徑(Wl)大于所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)的外徑(W2)，所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)以I對I的方式位于所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)部。
7.一種半導(dǎo)體元件的制造方法，該半導(dǎo)體元件的制造方法包含利用氣相生長裝置、在被成膜基板(3)上利用有機(jī)金屬氣相沉積法來形成膜的工序，其特征在于， 所述氣相生長裝置中， 將III族原料氣體和V族原料氣體經(jīng)由噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20) 提供到收納被成膜基板(3 )的生長室(I)內(nèi)，使其在所述生長室(I)內(nèi)進(jìn)行混合，以將所述被成膜基板(3 )進(jìn)行成膜，該噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)配置有分別進(jìn)行獨(dú)立噴射的、具有多個(gè)III族原料氣體噴射孔(43)的III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)和具有多個(gè)V族原料氣體噴射孔(41)的V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，層疊配置有分別導(dǎo)入所述V族原料氣體和所述III族原料氣體且彼此隔離的V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)和III族原料氣體緩沖區(qū)域(24)， 所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20 )包含與所述生長室(I)相接的噴淋板(21)， 在所述噴淋式氣體提供機(jī)構(gòu)(20)中，在所述噴淋板(21)與所述V族原料氣體緩沖區(qū)域(23)之間設(shè)置有用于對所述噴淋板(21)進(jìn)行冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)(22)， 所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)徑(Wl)大于所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)的外徑(W2)，所述III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)以I對I的方式位于所述V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)部。
全文摘要
在本氣相生長方法中，通過使V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)徑(W1)大于III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)的外徑(W2)，將III族原料氣體導(dǎo)入配管(44)以1對1的方式插入到V族原料氣體導(dǎo)入配管(42)的內(nèi)部，從而可防止III族原料氣體配管(44)被冷卻機(jī)構(gòu)冷卻，抑制金屬材料凝固到配管壁面。由此，可提供一種將易凝固的金屬材料有效地導(dǎo)入反應(yīng)爐而不會使其附著于噴淋頭或配管的壁面、從而能進(jìn)行有效摻雜的氣相生長裝置、氣相生長方法及半導(dǎo)體元件的制造方法。
文檔編號C23C16/455GK102656665SQ201180004990
公開日2012年9月5日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者坂上　英和, 足立　雄介 申請人:夏普株式會社