JP2006013326A - Temperature control method of semiconductor manufacturing equipment - Google Patents
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本発明は、半導体製造装置の温度制御方法に関し、特に、チャンバー内に原料ガスと整流ガスとを供給して半導体薄膜を成膜する半導体製造装置の温度制御方法に関するものである。 The present invention relates to a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus for forming a semiconductor thin film by supplying a source gas and a rectifying gas into a chamber.
チャンバー内に原料ガスと整流ガスとを供給して半導体薄膜を成膜する半導体製造装置においては、原料ガスが反応してサファイア等からなる基板上に窒化ガリウム(GaN))、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)あるいはこれらの混晶のエピタキシャル膜をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法で成長させ成膜品とするものであるが、原料ガスが反応する際に、チャンバー内壁面に窒化ガリウム等の副生成物が付着して成長し、それが基板上に落ちることによって成膜品の歩留まりが著しく低下するという問題があった。
この問題点は、特に、チャンバー内壁面の温度が高い場合に顕著であることから、従来は、チャンバー壁内に冷却媒体を流通させることによりチャンバー内壁面を冷却することが行われていた(特許文献1参照)。
しかしながら、この半導体製造装置の温度制御方法では、応答性が悪いため、時間遅れが大きくなり、温度制御を高精度に行うことは困難であった。
また、チャンバー壁内に冷却媒体を流通させる構造にすると、装置が大形化、複雑化するという問題があった。
This problem is particularly noticeable when the temperature of the inner wall surface of the chamber is high. Conventionally, the inner wall surface of the chamber has been cooled by circulating a cooling medium in the chamber wall (patented). Reference 1).
However, in this temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus, since the responsiveness is poor, the time delay becomes large, and it is difficult to perform the temperature control with high accuracy.
Further, when the cooling medium is circulated in the chamber wall, there is a problem that the apparatus becomes large and complicated.
本発明は、上記従来の半導体製造装置の温度制御方法の有する問題点に鑑み、装置を大形化、複雑化することなく簡易な方法で半導体製造装置のチャンバー内壁面の温度を制御することができるようにした半導体製造装置の温度制御方法を提供することを目的とする。 In view of the problems of the temperature control method of the conventional semiconductor manufacturing apparatus, the present invention can control the temperature of the inner wall surface of the chamber of the semiconductor manufacturing apparatus with a simple method without increasing the size and complexity of the apparatus. An object of the present invention is to provide a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus which can be used.
上記目的を達成するため、本発明の半導体製造装置の温度制御方法は、チャンバー内に原料ガスと整流ガスとを供給して半導体薄膜を成膜する半導体製造装置の温度制御方法において、整流ガスに熱伝導率が異なる2種類以上のガスを用いその成分割合を調節することによって、チャンバー内壁面の温度を制御することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention provides a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus in which a raw material gas and a rectifying gas are supplied into a chamber to form a semiconductor thin film. The temperature of the inner wall surface of the chamber is controlled by adjusting the component ratio using two or more kinds of gases having different thermal conductivities.
この場合において、整流ガス成分として水素及び窒素を用いることができる。 In this case, hydrogen and nitrogen can be used as the rectifying gas component.
また、整流ガスの吹き出し角度をチャンバー内に載置する基板上面に対して45度以下の角度に設定することができる。 Further, the flow angle of the rectifying gas can be set to an angle of 45 degrees or less with respect to the upper surface of the substrate placed in the chamber.
本発明の半導体製造装置の温度制御方法によれば、チャンバー内に原料ガスと共に供給する整流ガスに熱伝導率が異なる2種類以上のガスを用いその成分割合を調節することによって、チャンバー内壁面の温度を制御するようにしているので、装置を大形化、複雑化することなく、チャンバー内壁面の温度を制御することができる。
そして、原料ガスが反応する際にチャンバーの内壁面に窒化ガリウム等の副生成物が付着することを抑え、成膜品の歩留まりを向上させるとともに、チャンバー内部の清掃頻度を大幅に削減することのできる。
また、チャンバー壁内に冷却媒体を流通させる温度制御方法と違って、整流ガスの成分割合の調節はマスフローコントローラの制御によって容易かつ瞬時に行うことができるため、MOCVD法によって化合物半導体を製造する際に行う基板温度の急激な変化に対しても高い応答性をもってチャンバー内壁面の温度を一定に保つことができる。
According to the temperature control method of the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, by using two or more kinds of gases having different thermal conductivities for the rectifying gas supplied together with the raw material gas in the chamber, and adjusting the component ratio thereof, Since the temperature is controlled, the temperature of the inner wall surface of the chamber can be controlled without increasing the size and complexity of the apparatus.
And, by suppressing the adhesion of by-products such as gallium nitride to the inner wall surface of the chamber when the source gas reacts, the yield of the film-formed product is improved and the frequency of cleaning inside the chamber is greatly reduced. it can.
In addition, unlike the temperature control method in which a cooling medium is circulated in the chamber wall, the adjustment of the rectifying gas component ratio can be easily and instantaneously controlled by the mass flow controller. The temperature of the inner wall surface of the chamber can be kept constant with high responsiveness even when the substrate temperature is changed rapidly.
また、整流ガス成分として水素及び窒素を用いることにより、熱伝導率が高い水素と熱伝導率が低い窒素との成分割合を適宜設定することにより、チャンバー内壁面の温度を制御することができる。 Further, by using hydrogen and nitrogen as the rectifying gas component, the temperature of the inner wall surface of the chamber can be controlled by appropriately setting the component ratio between hydrogen having high thermal conductivity and nitrogen having low thermal conductivity.
また、整流ガスの吹き出し角度をチャンバー内に載置する基板上面に対して45度以下の角度に設定することにより、窒化ガリウム等の副生成物が付着しやすいチャンバー内壁の天井面に対して整流ガスを有効に作用させることができる。 In addition, by setting the blowing angle of the rectifying gas to an angle of 45 degrees or less with respect to the upper surface of the substrate placed in the chamber, rectification is performed with respect to the ceiling surface of the inner wall of the chamber where gallium nitride and other byproducts are likely to adhere A gas can be made to act effectively.
以下、本発明の半導体製造装置の温度制御方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。 Embodiments of a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明の半導体製造装置の温度制御方法の一実施例を示す。
この半導体製造装置20は、MOCVD法によって化合物半導体を製造するための装置であり、チャンバー1と、原料ガスMGの導入ノズル(原料ガス吹き出し部)2a、2bと、不活性ガスRGの導入用ノズル2cと、複数の整流ガスSGの供給ノズル(整流ガス吹き出し部)3bと、排気口4と、サセプタ5と、ターンテーブル6と、ヒータ7と、タングステンリング(触媒部材)8とを主要構成要素として有している。
FIG. 1 shows an embodiment of a temperature control method for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.
This
この場合において、導入ノズル2aからは有機金属ガスOGを、導入ノズル2bからはアンモニアガスNH(NH3)を導入するようにしている。
In this case, the organometallic gas OG is introduced from the
チャンバー1は、内部の反応室内に基板W等(例えば、サファイア単結晶基板、炭化シリコン、窒化ガリウム、シリコン等)を保持することができるようにしている。
基板Wを載置保持するサセプタ5は、ターンテーブル6上に載置されており、ターンテーブル6によって回動可能にされている。
ヒータ7は、ターンテーブル6の下部に配設されており、ターンテーブル6及びサセプタ5を通して成膜反応の起こる任意の温度(例えば、800〜1200℃)に基板Wを加熱し、温度制御するために設けられている。
また、タングステンリング8が、アンモニアガスNHを触媒作用により分解するための触媒部材として、サセプタ5の外周を取り囲むように配設されている。
The chamber 1 can hold a substrate W or the like (for example, a sapphire single crystal substrate, silicon carbide, gallium nitride, silicon, or the like) in an internal reaction chamber.
The
The
A
排気口4は、サセプタ5上部を通過した使用済みのガスを排気するために設けられており、各ノズル2a、2b、2cの反対側のチャンバー1の側壁に設けられている。
The exhaust port 4 is provided to exhaust the used gas that has passed through the upper part of the
複数の整流ガス供給ノズル3bの各々は、ガス流路3aを流れる整流ガスSG(例えば、水素ガス、窒素ガス等のガス)をチャンバー1内に噴射するもので、複数の整流ガス供給ノズル3bは、基板Wの上面に対向するチャンバー内壁面1aに形成されている。
この複数の整流ガス供給ノズル3bの各々は、基板Wの上面と角度θをなす斜め方向に向かって整流ガスSGを吹き出すように、かつチャンバー1内における原料ガスの流れに対して上流側から下流側に向かって整流ガスSGを吹き出すように形成されている。
各整流ガス供給ノズル3bの基板Wの上面に対する角度θは、45°以下、より好ましくは、5〜20°(本実施例においては、約10°)の角度で傾斜していることが好ましい。
また、チャンバー内壁面1aは整流ガス供給ノズル3bの傾斜角度と実質的に同じ角度、換言すると、整流ガス供給ノズル3bと平行に傾斜していることが好ましい。
Each of the plurality of rectifying
Each of the plurality of rectifying
The angle θ of each rectifying
The chamber
また、有機金属ガスOGとしては、例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム(TEI)及び他の不純物元素を含む有機金属を用いることができる。 Examples of the organometallic gas OG include trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), triethyl aluminum (TEA), trimethyl indium (TMI), triethyl indium (TEI), and other impurities. An organic metal containing an element can be used.
また、チャンバー1の原料ガスMG及び整流ガスSGに触れる部分の材質はニッケルで形成することが好ましい。 Moreover, it is preferable to form the material of the part which contacts the source gas MG and the rectification gas SG of the chamber 1 with nickel.
また、サセプタ5を取り囲むように配置されたタングステンリング8は、アンモニアを触媒作用により分解できる触媒部材であればよい。
アンモニアを分解しやすくするために、予め300℃程度に予備加熱されたアンモニアガスNHがチャンバー1内に供給されてもよい。
The
In order to facilitate the decomposition of ammonia, ammonia gas NH preheated to about 300 ° C. in advance may be supplied into the chamber 1.
上記構成において、サセプタ5に単結晶サファイア等の基板Wを載置し、サセプタ5を1200℃まで加熱する。
基板Wの実際の温度をチャンバー1の外部に設けた放射温度計(図示省略)によりモニターする。
In the above configuration, a substrate W such as single crystal sapphire is placed on the
The actual temperature of the substrate W is monitored by a radiation thermometer (not shown) provided outside the chamber 1.
上記のガス条件と温度条件とを維持した状態で10分間放置する。このとき、5rpm〜10rpmでサセプタ5をターンテーブル6により回転させる。サセプタ5の回転は成膜終了まで継続する。上記放置時間経過後にサセプタ5の温度を800℃まで下げる。
It is left to stand for 10 minutes while maintaining the above gas conditions and temperature conditions. At this time, the
ノズル2bからアンモニアガスNHを15リットル/分の流量で、かつノズル2cから不活性ガスRGとして窒素ガスを6リットル/分の流量で、それぞれチャンバー1内に供給する。このアンモニアガスNHと窒素ガスとの供給状態を維持しながら、サセプタ5上を通過したアンモニアガスと窒素ガスとを排気口4からチャンバー1外部へ排気する。この状態で、6リットル/分の流量の窒素ガスをキャリアガスとして、ノズル2aからトリメチルインジウムを9.6×10−5モル/分で、トリメチルガリウムを8.0×10−6モル/分でチャンバー1内に供給する。この状態で、基板W上にて窒化インジウムガリウム薄膜の成長が開始され、窒化インジウムガリウム薄膜を1時間成長させる。これにより、約0.3μmの窒化インジウムガリウム薄膜が基板W上に成長する。
The ammonia gas NH is supplied into the chamber 1 from the
ところで、本実施例においては、チャンバー内壁面1aの温度を制御するために、整流ガス供給ノズル3bから吹き出す整流ガスSGの成分割合を調節して行うようにしている。
具体的には、整流ガスSGは、熱伝導率が異なる2種類以上のガスを用いその成分割合を調節することによって、チャンバー内壁面1aの温度を制御するようにする。
By the way, in the present embodiment, in order to control the temperature of the
Specifically, the rectifying gas SG uses two or more kinds of gases having different thermal conductivities and adjusts the component ratio thereof to control the temperature of the chamber
この際、整流ガスSGの成分として、熱伝導率が高い水素(熱伝導率17.53)と熱伝導率が低い窒素(熱伝導率2.38)とを用いることが好ましく、両者の成分割合を適宜設定することにより、チャンバー内壁面1aの温度を制御することができる。
整流ガスSGの成分としては、水素、窒素以外に、アルゴン、ヘリウム、ネオン等を用いることができる。熱伝導率が1.63のアルゴンは、窒素の熱伝導率2.38よりも低く、チャンバー内壁面1aの温度を上昇させる必要がある場合には、窒素の代替ガスとして好適に用いることができる。
At this time, it is preferable to use hydrogen having a high thermal conductivity (thermal conductivity 17.53) and nitrogen having a low thermal conductivity (thermal conductivity 2.38) as components of the rectifying gas SG. Is appropriately set, the temperature of the chamber
As a component of the rectifying gas SG, argon, helium, neon, or the like can be used in addition to hydrogen and nitrogen. Argon having a thermal conductivity of 1.63 is lower than the thermal conductivity of nitrogen 2.38, and can be suitably used as an alternative gas for nitrogen when the temperature of the chamber
整流ガス濃度(水素ガス濃度)と壁面温度の関係を図2に示す。
基板Wの温度が1091℃のときに、水素ガス0%、窒素ガス100%の整流ガスSGを使用した場合には壁面温度が161℃、水素ガス50%、窒素ガス50%の整流ガスSGを使用した場合には壁面温度が126℃、水素ガス100%、窒素ガス0%の整流ガスSGを使用した場合には壁面温度が91℃となった。
この結果からも明らかなように、水素濃度と壁面温度の関係は比例関係にある。
FIG. 2 shows the relationship between the rectifying gas concentration (hydrogen gas concentration) and the wall surface temperature.
When the temperature of the substrate W is 1091 ° C. and the rectifying gas SG of
As is clear from this result, the relationship between the hydrogen concentration and the wall surface temperature is proportional.
チャンバー内壁面1aの温度を計測する温度計測器10は、チャンバー内壁面1aの近傍に配設するもので、図示のように中央に1箇所設けるほか、数箇所に配設してその平均値を採るように構成してもよい。
通常、チャンバー内壁面1aの温度が200℃を越えると有機物が分解し、チャンバー内壁面1aに析出し、100℃を下回ると液化して付着する。
したがって、温度計測器10によって測定されるチャンバー内壁面1aの温度が100〜200℃を保つように、整流ガス供給ノズル3bから吹き出す整流ガスSGの水素の成分と窒素の成分割合をマスフローコントローラ(図示省略)の制御によって調節するようにする。
すなわち、チャンバー内壁面1aの温度を低下させる必要があるときは水素濃度を上昇させ、窒素濃度を低下させる。反対にチャンバー内壁面1aの温度を上昇させる必要があるときは水素濃度を低下させ、窒素濃度を上昇させる。
The
Usually, when the temperature of the
Therefore, the mass ratio of the hydrogen component and the nitrogen component of the rectifying gas SG blown out from the rectifying
That is, when it is necessary to lower the temperature of the chamber
以上、本発明の半導体製造装置の温度制御方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。 As mentioned above, although the temperature control method of the semiconductor manufacturing apparatus of this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the structure described in the said Example, In the range which does not deviate from the meaning, it is appropriate. The configuration can be changed.
以上、本発明の半導体製造装置の温度制御方法は、装置を大形化、複雑化することなく、整流ガスの成分割合を調節するという簡易な方法でチャンバー内壁面の温度を制御することができることから、新規の半導体製造装置のほか、既存の半導体製造装置にも適用することができる。 As described above, the temperature control method of the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention can control the temperature of the inner wall surface of the chamber by a simple method of adjusting the component ratio of the rectifying gas without increasing the size and complexity of the apparatus. Therefore, the present invention can be applied not only to a new semiconductor manufacturing apparatus but also to an existing semiconductor manufacturing apparatus.
1 チャンバー
1a チャンバー内壁面
2 原料ガスの導入ノズル
2a 原料ガス(有機金属ガス)の導入ノズル
2b 原料ガス(アンモニアガス)の導入ノズル
2c 不活性ガスの導入用ノズル
3a ガス流路
3b 整流ガス供給ノズル
4 排気口
5 サセプタ
6 ターンテーブル
7 ヒータ
8 タングステンリング(触媒部材)
20 半導体製造装置
MG 原料ガス
SG 整流ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
20 Semiconductor manufacturing equipment MG Source gas SG Rectification gas
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