JP2012195422A - Method of manufacturing substrate, method of manufacturing semiconductor device, and substrate processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板の製造方法、半導体デバイスの製造方法及び基板処理装置に関する。 The present invention relates to a substrate manufacturing method, a semiconductor device manufacturing method, and a substrate processing apparatus.
窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体のエピタキシャル膜は、処理室内で基板を１枚のサセプタ上に載せて、ヒータを用いて基板を加熱し、処理室内に原料ガスを供給して高温下で成長させている（特許文献１参照）。 An epitaxial film of a compound semiconductor such as gallium nitride (GaN) is grown at a high temperature by placing the substrate on a single susceptor in a processing chamber, heating the substrate using a heater, and supplying a source gas into the processing chamber. (See Patent Document 1).
この特許文献１では、バッファ層にＡｌＮを形成し、その上にＧａＮのエピタキシャル層を形成することが記載されている。また、ＧａＮのエピタキシャル層を形成する際には、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用いた安価なＨＶＰＥ法を用い、ＡｌＮを形成する際には、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）を供給することが困難なため、安価なＨＶＰＥ法でなく、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属化合物を用いるＭＯＣＶＤ法で形成することが記載される。 This Patent Document 1 describes that AlN is formed in a buffer layer and a GaN epitaxial layer is formed thereon. In addition, when forming an epitaxial layer of GaN, an inexpensive HVPE method using gallium chloride (GaCl) is used, and when forming AlN, it is difficult to supply aluminum chloride (AlCl). It is described that it is formed not by an inexpensive HVPE method but by an MOCVD method using an organometallic compound such as trimethylaluminum (TMA).
しかしながら、このような構成の装置を用いて基板上に膜形成させる場合には、一度に処理する基板の枚数が限られてしまうという問題点があった。 However, in the case of forming a film on a substrate using an apparatus having such a configuration, there is a problem that the number of substrates to be processed at a time is limited.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一度に処理する基板の枚数を増大させ、生産性を向上させることができる基板の製造方法、半導体デバイスの製造方法及び基板処理装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to increase the number of substrates to be processed at a time and improve the productivity of the substrate manufacturing method and the semiconductor device. A manufacturing method and a substrate processing apparatus are provided.
本発明の一態様は、基板を処理室内に搬入する搬入工程と、ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスとアンモニアガスとを前記処理室内に供給し、初期膜を形成する初期膜形成工程と、前記初期膜形成工程の後に、前記処理室内にガリウム塩化物ガスと前記アンモニアガスを同時に供給し、エピタキシャル膜を形成するエピ膜形成工程とを具備する基板の製造方法、又は、半導体デバイスの製造方法である。 One embodiment of the present invention includes a carrying-in process of carrying a substrate into a processing chamber, an organometallic compound gas containing gallium atoms, and an ammonia gas are supplied into the processing chamber to form an initial film, Substrate manufacturing method or semiconductor device manufacturing method comprising an epitaxial film forming step of forming an epitaxial film by simultaneously supplying gallium chloride gas and ammonia gas into the processing chamber after the initial film forming step It is.
また、本発明の他の一態様は、基板処理領域を有し、該基板処理領域で複数の基板を処理する処理室と、前記基板処理領域を加熱維持する加熱装置と、前記基板処理領域内に第１ガス供給口が設けられ、該第１ガス供給口から前記処理室内へガリウム原子を含有する有機金属化合物ガス、及び、ガリウム塩化物ガスを供給する第１ガス供給系と、前記基板処理領域内に第２ガス供給口が設けられ、該第２ガス供給口から前記処理室内へアンモニアガスを供給する第２ガス供給系と、前記第１ガス供給系及び第２ガス供給系を制御するコントローラと、を具備し、前記複数の基板は、高さ方向に並んで配置され、前記第１ガス供給系は、前記処理室内に設けられ、前記高さ方向に延在する第１のガスノズルを有し、前記第２ガス供給系は、前記処理室内に設けられ、前記高さ方向に延在する第２のガスノズルを有し、前記コントローラは、前記複数の基板に前記第１ガス供給系から前記ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスを供給し、前記第２ガス供給系から前記アンモニアガスを供給するように前記第１ガス供給系、前記第２ガス供給系を制御し、更に、その後に、前記第１ガス供給系から前記ガリウム塩化物ガスを供給するとともに前記第２ガス供給系から前記アンモニアガスを供給するように前記第１及び第２ガス供給系を制御する基板処理装置である。 Another embodiment of the present invention includes a substrate processing region, a processing chamber for processing a plurality of substrates in the substrate processing region, a heating apparatus for heating and maintaining the substrate processing region, and the substrate processing region. A first gas supply port, a first gas supply system for supplying an organometallic compound gas containing gallium atoms and a gallium chloride gas into the processing chamber from the first gas supply port, and the substrate processing A second gas supply port is provided in the region, and a second gas supply system that supplies ammonia gas from the second gas supply port into the processing chamber, and the first gas supply system and the second gas supply system are controlled. A controller, wherein the plurality of substrates are arranged side by side in the height direction, and the first gas supply system is provided in the processing chamber, and includes a first gas nozzle extending in the height direction. And the second gas supply system includes the A second gas nozzle provided in a treatment room and extending in the height direction, wherein the controller supplies the plurality of substrates with the organometallic compound gas containing the gallium atoms from the first gas supply system; And controlling the first gas supply system and the second gas supply system so that the ammonia gas is supplied from the second gas supply system, and then, from the first gas supply system, the gallium chloride. The substrate processing apparatus controls the first and second gas supply systems so as to supply gas and supply the ammonia gas from the second gas supply system.
本発明によれば、一度に処理する基板の枚数を増大させ、生産性を向上させることができる基板の製造方法、半導体デバイスの製造方法および基板処理装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a substrate manufacturing method, a semiconductor device manufacturing method, and a substrate processing apparatus capable of increasing the number of substrates to be processed at one time and improving productivity.
＜本発明の一実施形態＞
以下に本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（１）基板処理装置の構成
まず、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置１０１の構成例について、図１を用いて説明する。
<One Embodiment of the Present Invention>
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1) Configuration of Substrate Processing Apparatus First, a configuration example of a substrate processing apparatus 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図１に示すように、本実施形態にかかる基板処理装置１０１は筐体１１１を備えている。シリコンやサファイア等からなるウエハ（基板）２００を筐体１１１内外へ搬送するには、複数のウエハ２００を収納するウエハキャリア（基板収納容器）としてのカセット１１０が使用される。筐体１１１内側の前方（図中の右側）には、カセットステージ（基板収納容器受渡し台）１１４が設けられている。カセット１１０は、図示しない工程内搬送装置によってカセットステージ１１４上に載置され、また、カセットステージ１１４上から筐体１１１外へ搬出されるように構成されている。 As shown in FIG. 1, the substrate processing apparatus 101 according to the present embodiment includes a housing 111. In order to transport a wafer (substrate) 200 made of silicon, sapphire, or the like into and out of the casing 111, a cassette 110 as a wafer carrier (substrate storage container) that stores a plurality of wafers 200 is used. A cassette stage (substrate storage container delivery table) 114 is provided in front of the housing 111 (on the right side in the drawing). The cassette 110 is placed on the cassette stage 114 by an in-process transfer device (not shown), and is carried out of the casing 111 from the cassette stage 114.
カセット１１０は、工程内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、カセットステージ１１４上に載置される。カセットステージ１１４は、カセット１１０を筐体１１１の後方に向けて縦方向に９０度回転させ、カセット１１０内のウエハ２００を水平姿勢とさせ、カセット１１０のウエハ出し入れ口を筐体１１１内の後方を向かせることが可能なように構成されている。 The cassette 110 is placed on the cassette stage 114 so that the wafer 200 in the cassette 110 is in a vertical posture and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces upward by the in-process transfer device. The cassette stage 114 rotates the cassette 110 90 degrees in the vertical direction toward the rear of the casing 111 to bring the wafer 200 in the cassette 110 into a horizontal posture, and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 is placed in the rear of the casing 111. It is configured to be able to face.
筐体１１１内の前後方向の略中央部には、カセット棚（基板収納容器載置棚）１０５が設置されている。カセット棚１０５には、複数段、複数列にて複数個のカセット１１０が保管されるように構成されている。カセット棚１０５には、後述するウエハ移載機構１２５の搬送対象となるカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。また、カセットステージ１１４の上方には、予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。 A cassette shelf (substrate storage container mounting shelf) 105 is installed at a substantially central portion in the front-rear direction in the housing 111. The cassette shelf 105 is configured to store a plurality of cassettes 110 in a plurality of rows and a plurality of rows. The cassette shelf 105 is provided with a transfer shelf 123 in which a cassette 110 to be transferred by a wafer transfer mechanism 125 described later is stored. Further, a preliminary cassette shelf 107 is provided above the cassette stage 114, and is configured to store the cassette 110 in a preliminary manner.
カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置（基板収納容器搬送装置）１１８が設けられている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ（基板収納容器昇降機構）１１８ａと、カセット１１０を保持したまま水平移動可能な搬送機構としてのカセット搬送機構（基板収納容器搬送機構）１１８ｂと、を備えている。これらカセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連携動作により、カセットステージ１１４、カセット棚１０５、予備カセット棚１０７、移載棚１２３の間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。 A cassette transfer device (substrate container transfer device) 118 is provided between the cassette stage 114 and the cassette shelf 105. The cassette transport device 118 includes a cassette elevator (substrate storage container lifting mechanism) 118a that can be moved up and down while holding the cassette 110, and a cassette transport mechanism (substrate storage container transport mechanism) as a transport mechanism that can move horizontally while holding the cassette 110. 118b. The cassette 110 is transported between the cassette stage 114, the cassette shelf 105, the spare cassette shelf 107, and the transfer shelf 123 by the cooperative operation of the cassette elevator 118a and the cassette transport mechanism 118b.
カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構（基板移載機構）１２５が設けられている。ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置（基板移載装置）１２５ａと、ウエハ移載装置１２５ａを昇降させるウエハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂと、を備えている。なお、ウエハ移載装置１２５ａは、ウエハ２００を水平姿勢で保持するツイーザ（基板移載用治具）１２５ｃを備えている。これらウエハ移載装置１２５ａとウエハ移載装置エレベータ１２５ｂとの連携動作により、ウエハ２００を移載棚１２３上のカセット１１０内からピックアップして後述するボート（基板保持具）２１７へ装填（チャージング）したり、ウエハ２００をボート２１７から脱装（ディスチャージング）して移載棚１２３上のカセット１１０内へ収納したりするように構成されている。 A wafer transfer mechanism (substrate transfer mechanism) 125 is provided behind the cassette shelf 105. The wafer transfer mechanism 125 includes a wafer transfer device (substrate transfer device) 125a that can rotate or linearly move the wafer 200 in the horizontal direction, and a wafer transfer device elevator (substrate transfer device) that moves the wafer transfer device 125a up and down. Elevating mechanism) 125b. The wafer transfer device 125a includes a tweezer (substrate transfer jig) 125c that holds the wafer 200 in a horizontal posture. The wafer 200 is picked up from the cassette 110 on the transfer shelf 123 by the cooperative operation of the wafer transfer device 125a and the wafer transfer device elevator 125b, and is loaded into the boat (substrate holder) 217 described later (charging). Or the wafer 200 is unloaded (discharged) from the boat 217 and stored in the cassette 110 on the transfer shelf 123.
筐体１１１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端には開口（炉口）が設けられ、かかる開口は炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。なお、処理炉２０２の構成については後述する。 A processing furnace 202 is provided above the rear portion of the casing 111. An opening (furnace port) is provided at the lower end of the processing furnace 202, and the opening is opened and closed by a furnace port shutter (furnace port opening / closing mechanism) 147. The configuration of the processing furnace 202 will be described later.
処理炉２０２の下方には、ボート２１７を昇降させて処理炉２０２内外へ搬送する昇降機構としてのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設けられている。ボートエレベータ１１５の昇降台には、連結具としてのアーム１２８が設けられている。アーム１２８上には、ボート２１７を垂直に支持するとともに、ボートエレベータ１１５によりボート２１７が上昇したときに処理炉２０２の下端を気密に閉塞する蓋体としての円盤状のシールキャップ２１９が水平姿勢で設けられている。 Below the processing furnace 202, a boat elevator (substrate holder lifting mechanism) 115 is provided as a lifting mechanism that lifts and lowers the boat 217 and transports the boat 217 into and out of the processing furnace 202. The elevator 128 of the boat elevator 115 is provided with an arm 128 as a connecting tool. On the arm 128, a disc-shaped seal cap 219 as a lid that supports the boat 217 vertically and hermetically closes the lower end of the processing furnace 202 when the boat 217 is raised by the boat elevator 115 is in a horizontal posture. Is provided.
ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００を、水平姿勢で、かつその中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に保持するように構成されている。ボート２１７の詳細な構成については後述する。 The boat 217 includes a plurality of holding members, and a plurality of (for example, about 50 to 150) wafers 200 are aligned in the vertical direction in a horizontal posture and in a state where the centers thereof are aligned in multiple stages. Configured to hold. The detailed configuration of the boat 217 will be described later.
カセット棚１０５の上方には、供給ファンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット１３４ａが設けられている。クリーンユニット１３４ａは、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。 Above the cassette shelf 105, a clean unit 134a having a supply fan and a dustproof filter is provided. The clean unit 134a is configured to circulate clean air, which is a cleaned atmosphere, inside the casing 111.
また、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびボートエレベータ１１５側と反対側である筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給フアンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット（図示せず）が設置されている。図示しない前記クリーンユニットから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａ及びボート２１７の周囲を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気されるように構成されている。 In addition, a clean unit (not shown) provided with a supply fan and a dustproof filter so as to supply clean air to the left end portion of the housing 111 opposite to the wafer transfer device elevator 125b and the boat elevator 115 side. Is installed. Clean air blown out from the clean unit (not shown) is configured to be sucked into an exhaust device (not shown) and exhausted to the outside of the casing 111 after circulating around the wafer transfer device 125a and the boat 217. ing.
（２）基板処理装置の動作
次に、本実施形態にかかる基板処理装置１０１の動作について説明する。
(2) Operation of Substrate Processing Apparatus Next, the operation of the substrate processing apparatus 101 according to the present embodiment will be described.
まず、カセット１１０が、図示しない工程内搬送装置によって、ウエハ２００が垂直姿勢となりカセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、カセットステージ１１４上に載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって、筐体１１１の後方に向けて縦方向に９０°回転させられる。その結果、カセット１１０内のウエハ２００は水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口は筐体１１１内の後方を向く。 First, the cassette 110 is placed on the cassette stage 114 by an in-process transfer device (not shown) so that the wafer 200 is in a vertical posture and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces upward. Thereafter, the cassette 110 is rotated 90 ° in the vertical direction toward the rear of the casing 111 by the cassette stage 114. As a result, the wafer 200 in the cassette 110 assumes a horizontal posture, and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces rearward in the housing 111.
カセット１１０は、カセット搬送装置１１８によって、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へ自動的に搬送されて受け渡されて一時的に保管された後、カセット棚１０５又は予備カセット棚１０７から移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。 The cassette 110 is automatically transported to the designated shelf position of the cassette shelf 105 or the spare cassette shelf 107 by the cassette transporting device 118, delivered, temporarily stored, and then stored in the cassette shelf 105 or the spare cassette shelf. The sample is transferred from 107 to the transfer shelf 123 or directly transferred to the transfer shelf 123.
カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００は、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによって、ウエハ出し入れ口を通じてカセット１１０からピックアップされ、ウエハ移載装置１２５ａとウエハ移載装置エレベータ１２５ｂとの連続動作によって移載室１２４の後方にあるボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載機構１２５は、カセット１１０に戻り、次のウエハ２００をボート２１７に装填する。 When the cassette 110 is transferred to the transfer shelf 123, the wafer 200 is picked up from the cassette 110 through the wafer loading / unloading port by the tweezer 125c of the wafer transfer device 125a, and the wafer transfer device 125a and the wafer transfer device elevator 125b are picked up. Are loaded (charged) into the boat 217 behind the transfer chamber 124. The wafer transfer mechanism 125 that has transferred the wafer 200 to the boat 217 returns to the cassette 110 and loads the next wafer 200 into the boat 217.
予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端が、炉口シャッタ１４７によって開放される。続いて、シールキャップ２１９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、ウエハ２００群を保持したボート２１７が処理炉２０２内へ搬入（ローディング）される。ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。かかる処理については後述する。処理後は、ウエハ２００およびカセット１１０は、上述の手順とは逆の手順で筐体１１１の外部へ払出される。 When a predetermined number of wafers 200 are loaded into the boat 217, the lower end of the processing furnace 202 closed by the furnace port shutter 147 is opened by the furnace port shutter 147. Subsequently, when the seal cap 219 is raised by the boat elevator 115, the boat 217 holding the wafer 200 group is loaded into the processing furnace 202. After loading, arbitrary processing is performed on the wafer 200 in the processing furnace 202. Such processing will be described later. After the processing, the wafer 200 and the cassette 110 are discharged to the outside of the casing 111 by a procedure reverse to the above procedure.
（３）処理炉の構成
続いて、本発明の一実施形態にかかる処理炉２０２の構成について、図２、図３、及び、図４を参照しながら説明する。
(3) Configuration of Processing Furnace Next, the configuration of the processing furnace 202 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4.
（処理室）
本発明の一実施形態にかかる処理炉２０２は、反応管としてのプロセスチューブ２０５と、マニホールド２０９とを備えている。プロセスチューブ２０５は、基板としてのウエハ２００が収容されるインナチューブ２０４と、インナチューブ２０４を取り囲むアウタチューブ２０３と、から構成される。インナチューブ２０４及びアウタチューブ２０３は、それぞれ例えば石英（ＳｉＯ２）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性を有する非金属材料から構成され、上端が閉塞され、下端が開放された円筒形状となっている。マニホールド２０９は、例えばＳＵＳ等の金属材料から構成され、上端及び下端が開放された円筒形状となっている。インナチューブ２０４及びアウタチューブ２０３は、マニホールド２０９により下端側から縦向きに支持されている。インナチューブ２０４、アウタチューブ２０３、及びマニホールド２０９は、互いに同心円状に配置されている。マニホールド２０９の下端（炉口）は、上述したボートエレベータ１１５が上昇した際に、シールキャップ２１９により気密に封止されるように構成されている。マニホールド２０９の下端とシールキャップ２１９との間には、インナチューブ２０４内を気密に封止するＯリングなどの封止部材（図示しない）が設けられている。
(Processing room)
A processing furnace 202 according to an embodiment of the present invention includes a process tube 205 as a reaction tube and a manifold 209. The process tube 205 includes an inner tube 204 that accommodates a wafer 200 as a substrate, and an outer tube 203 that surrounds the inner tube 204. Each of the inner tube 204 and the outer tube 203 is made of a heat-resistant non-metallic material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and has a cylindrical shape with its upper end closed and its lower end open. Yes. The manifold 209 is made of, for example, a metal material such as SUS, and has a cylindrical shape with an open upper end and a lower end. The inner tube 204 and the outer tube 203 are supported vertically by the manifold 209 from the lower end side. The inner tube 204, the outer tube 203, and the manifold 209 are arranged concentrically with each other. The lower end (furnace port) of the manifold 209 is configured to be hermetically sealed by a seal cap 219 when the above-described boat elevator 115 is raised. A sealing member (not shown) such as an O-ring that hermetically seals the inner tube 204 is provided between the lower end of the manifold 209 and the seal cap 219.
インナチューブ２０４の内部にはウエハ２００を処理する処理室２０１（基板処理領域）が形成されている。インナチューブ２０４内（処理室２０１内）には基板保持具としてのボート２１７が下方から挿入されるように構成されている。インナチューブ２０４及びマニホールド２０９の内径は、ウエハ２００を装填したボート２１７の最大外形よりも大きくなるように構成されている。 A processing chamber 201 (substrate processing region) for processing the wafer 200 is formed inside the inner tube 204. A boat 217 as a substrate holder is inserted into the inner tube 204 (inside the processing chamber 201) from below. The inner diameters of the inner tube 204 and the manifold 209 are configured to be larger than the maximum outer shape of the boat 217 loaded with the wafers 200.
ボート２１７は、上下で一対の端板２１７ｃと、一対の端板２１７ｃの間に垂直に架設された複数本（例えば３本）の支柱２１７ａと、を備えている。端板２１７ｃ及び支柱２１７ａは、石英や炭化珪素等の耐熱性を有する非金属材料から構成されている。各支柱２１７ａには、複数の保持溝２１７ｂが、支柱２１７ａの長手方向に沿って等間隔に配列するようにそれぞれ形成されている。各支柱２１７ａは、各支柱２１７ａに形成された保持溝２１７ｂが互いに対向するようにそれぞれ配置されている。各保持溝２１７ｂにウエハ２００の外周部を挿入することにより、複数枚（例えば７５枚から１００枚）のウエハ２００が、略水平姿勢で所定の隙間（基板ピッチ間隔）をもって多段に保持されるように構成されている。このように複数枚のウェハ２００を縦方向に配置することにより、処理する基板の枚数を増大させ、生産性を向上させることができる。 The boat 217 includes a pair of end plates 217c at the top and bottom, and a plurality of (for example, three) support columns 217a that are vertically installed between the pair of end plates 217c. The end plate 217c and the support column 217a are made of a non-metallic material having heat resistance such as quartz or silicon carbide. A plurality of holding grooves 217b are formed in each column 217a so as to be arranged at equal intervals along the longitudinal direction of the column 217a. Each support column 217a is arranged so that the holding grooves 217b formed in each support column 217a face each other. By inserting the outer peripheral portion of the wafer 200 into each holding groove 217b, a plurality of (for example, 75 to 100) wafers 200 are held in multiple stages with a predetermined gap (substrate pitch interval) in a substantially horizontal posture. It is configured. By arranging a plurality of wafers 200 in the vertical direction in this way, the number of substrates to be processed can be increased and productivity can be improved.
また、ボート２１７は、熱伝導を遮断する断熱キャップ２１８上に搭載されている。断熱キャップ２１８は、回転軸２５５により下方から支持されている。回転軸２５５は、インナチューブ２０４内の気密を保持しつつ、シールキャップ２１９の中心部を貫通するように設けられている。シールキャップ２１９の下方には、回転軸２５５を回転させる回転機構２６７が設けられている。回転機構２６７により回転軸２５５を回転させることにより、インナチューブ２０４内の気密を保持したまま、複数枚のウエハ２００を搭載したボート２１７を回転させることが出来るように構成されている。 The boat 217 is mounted on a heat insulating cap 218 that blocks heat conduction. The heat insulating cap 218 is supported from below by the rotating shaft 255. The rotation shaft 255 is provided so as to penetrate the center portion of the seal cap 219 while maintaining airtightness in the inner tube 204. A rotation mechanism 267 that rotates the rotation shaft 255 is provided below the seal cap 219. By rotating the rotating shaft 255 by the rotating mechanism 267, the boat 217 on which a plurality of wafers 200 are mounted can be rotated while maintaining the airtightness in the inner tube 204.
プロセスチューブ２０５（アウタチューブ２０３）の外周には、プロセスチューブ２０５と同心円状に加熱機構としてのヒータ２０７が設けられている。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ２０７の外周部及び上端には、断熱材２０７ａが設けられている。 On the outer periphery of the process tube 205 (outer tube 203), a heater 207 as a heating mechanism is provided concentrically with the process tube 205. The heater 207 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a heater base (not shown) as a holding plate. A heat insulating material 207 a is provided on the outer peripheral portion and the upper end of the heater 207.
（予備室及びガスノズル）
インナチューブ２０４の側壁には、ウエハ２００が積載される方向（鉛直方向）に沿って、インナチューブ２０４の側壁よりもインナチューブ２０４の径方向外側（アウタチューブ２０３の側壁側）に突出した予備室２０１ａが設けられている。予備室２０１ａと処理室２０１との間には隔壁が設けられておらず、予備室２０１ａ内と処理室２０１内とはガスの流通が可能なように連通している。
(Preliminary chamber and gas nozzle)
On the side wall of the inner tube 204, a spare chamber that protrudes radially outward of the inner tube 204 (side wall side of the outer tube 203) from the side wall of the inner tube 204 along the direction (vertical direction) in which the wafer 200 is loaded. 201a is provided. No partition wall is provided between the preliminary chamber 201a and the processing chamber 201, and the inside of the preliminary chamber 201a and the processing chamber 201 communicate with each other so that gas can be circulated.
予備室２０１ａ内には、第１のガスノズル２３３ａと、第２のガスノズル２３３ｂとが、インナチューブ２０４の周方向に沿ってそれぞれ配設されている。第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂは、垂直部と水平部とを有するＬ字形状にそれぞれ構成されている。第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂの垂直部は、ウエハ２００が積層される方向に沿って、予備室２０１ａ内にそれぞれ配設（延在）されている。第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂの水平部は、マニホールド２０９の側壁を貫通するようにそれぞれ設けられている。 A first gas nozzle 233a and a second gas nozzle 233b are disposed in the spare chamber 201a along the circumferential direction of the inner tube 204, respectively. The first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b are respectively configured in an L shape having a vertical portion and a horizontal portion. The vertical portions of the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b are respectively arranged (extended) in the preliminary chamber 201a along the direction in which the wafers 200 are stacked. The horizontal portions of the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b are provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209, respectively.
第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂの垂直部側面には、第１のガス噴出口２４８ａ及び第２のガス噴出口２４８ｂが、ウエハ２００が積層される方向（鉛直方向）に沿ってそれぞれ複数個ずつ開設されている。従って、第１のガス噴出口２４８ａ及び第２のガス噴出口２４８ｂは、インナチューブ２０４の側壁よりもインナチューブ２０４の径方向外側に突出した位置に開設されている（図５参照）。なお、第１のガス噴出口２４８ａ及び第２のガス噴出口２４８ｂは、複数枚のウエハ２００のそれぞれに対応する位置（高さ位置）に開設されている。また、第１のガス噴出口２４８ａ及び第２のガス噴出口２４８ｂの開口径は、インナチューブ２０４内のガスの流量分布や速度分布を適正化するように適宜調整することができ、下部から上部にわたって同一としてもよく、下部から上部にわたって徐々に大きくしてもよい。 On the side surfaces of the vertical portions of the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b, the first gas jet port 248a and the second gas jet port 248b are respectively along the direction (vertical direction) in which the wafers 200 are stacked. Several are opened. Accordingly, the first gas outlet 248a and the second gas outlet 248b are opened at positions projecting radially outward of the inner tube 204 from the side wall of the inner tube 204 (see FIG. 5). The first gas outlet 248a and the second gas outlet 248b are opened at positions (height positions) corresponding to the plurality of wafers 200, respectively. The opening diameters of the first gas outlet 248a and the second gas outlet 248b can be adjusted as appropriate so as to optimize the flow rate distribution and velocity distribution of the gas in the inner tube 204. It may be the same over the range, or may gradually increase from the bottom to the top.
（ガス供給ユニット）
マニホールド２０９の側壁から突出した第１のガスノズル２３３ａの水平端（上流側）には、第１のガス供給管２４３ａが接続されている。第１のガス供給管２４３ａの上流側には、開閉バルブ２４１ａ及び開閉バルブ２４１ｂが設けられている。また、開閉バルブ２４１ａの上流には、流量コントローラ（以下、「ＭＦＣ」と呼ぶ。）２４２ａを介して、アンモニア（ＮＨ３）の供給源２４０ａが設けられている。更に、開閉バルブ２４１ｂの上流には、ＭＦＣ２４２ｂを介して、水素（Ｈ２）ガスの供給源２４０ｂが設けられている。
(Gas supply unit)
A first gas supply pipe 243a is connected to the horizontal end (upstream side) of the first gas nozzle 233a protruding from the side wall of the manifold 209. On the upstream side of the first gas supply pipe 243a, an opening / closing valve 241a and an opening / closing valve 241b are provided. Further, an ammonia (NH 3 ) supply source 240a is provided upstream of the on-off valve 241a via a flow rate controller (hereinafter referred to as “MFC”) 242a. Further, a hydrogen (H 2 ) gas supply source 240b is provided upstream of the opening / closing valve 241b via the MFC 242b.
一方、第２のガスノズル２３３ｂの水平端（上流側）には、第２のガス供給管２４３ｂが接続されている。第２のガス供給管２４３ｂの上流側には、開閉バルブ２４１ｃ、２４１ｄ、２４１ｆが設けられている。また、開閉バルブ２４１ｃの上流には、ＭＦＣ２４２ｃを介して、不活性ガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））の供給源２４０ｃが設けられている。開閉バルブ２４１ｄの上流には、塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）が貯蔵されるタンク２４５が設けられている。塩化ガリウムは、常温では固体であるが、融点である７８℃以上に加熱することにより、液化され貯蔵されている。また、このタンク２４５には、不活性ガス（例えばＡｒ）がＭＦＣ２４２ｅ及び開閉バルブ２４１ｅを介して供給される。タンク２４５内の液体状の塩化ガリウムから蒸発した気体状の塩化ガリウムガスは、タンク２４５に供給されるキャリアガスとしての不活性ガスと共に開閉バルブ２４１ｄを介して第２のガス供給管２４３ｂに供給される。 On the other hand, a second gas supply pipe 243b is connected to the horizontal end (upstream side) of the second gas nozzle 233b. On the upstream side of the second gas supply pipe 243b, open / close valves 241c, 241d, and 241f are provided. Further, an inert gas (for example, argon (Ar)) supply source 240c is provided upstream of the opening / closing valve 241c via the MFC 242c. A tank 245 for storing gallium chloride (GaCl 3 ) is provided upstream of the opening / closing valve 241d. Gallium chloride is solid at room temperature, but is liquefied and stored by heating to 78 ° C. or higher, which is the melting point. In addition, an inert gas (for example, Ar) is supplied to the tank 245 via the MFC 242e and the opening / closing valve 241e. The gaseous gallium chloride gas evaporated from the liquid gallium chloride in the tank 245 is supplied to the second gas supply pipe 243b through the open / close valve 241d together with an inert gas as a carrier gas supplied to the tank 245. The
開閉バルブ２４１ｆの上流には、液体状のトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）が貯蔵されるタンク２４７が設けられている。また、このタンク２４７には、不活性ガス（例えばＡｒ）がＭＦＣ２４２ｇ及び開閉バルブ２４１ｇを介して供給される。タンク内の液体状のＴＭＧａから蒸発した気体状のＴＭＧａガスは、タンク２４７に供給されるキャリアガスとして不活性ガスと共に開閉バルブ２４１ｆを介して第２のガス供給管２４３ｂに供給される。 A tank 247 for storing liquid trimethylgallium (TMGa) is provided upstream of the opening / closing valve 241f. Further, an inert gas (for example, Ar) is supplied to the tank 247 via the MFC 242g and the opening / closing valve 241g. The gaseous TMGa gas evaporated from the liquid TMGa in the tank is supplied to the second gas supply pipe 243b through the open / close valve 241f together with an inert gas as a carrier gas supplied to the tank 247.
ここで、一般的には、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとして、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と呼ぶ。」やトリエチルガリウム（以下、「ＴＥＧ」と呼ぶ。）といった有機金属系の原料ガスを用いることが多い。その一方で、本発明のように複数のウェハを縦方向に並べ、生産性の向上を実現しようとする場合、複数ウェハ間の面間均一性を保つためには、縦方向に延在するガスノズルを設ける必要がある。この場合、上述の有機金属系の原料ガスを用いると原料ガスの下流側（処理室の上部側）に到達する途中で、熱により分解してしまい、縦方向に延在するガスノズル内に堆積が起こり、ガスノズルが閉塞してしまう可能性がある。そこで、本発明では、高温でも原料が分解しにくいガリウムの塩化物（例えば、ＧａＣｌ３）を用いる。これにより、ＧａＮ膜の生産性を向上させることが可能になる。その一方で、ガリウムの塩化物の代表であるＧａＣｌ３及びＮＨ３を用いると、ＧａＣｌ３のＮＨ３との反応は爆発的であり、また、その成膜レートは２０ｎｍ／ｍｉｎと高速であるため、薄い初期層を形成しようとした場合の膜厚の制御性が悪くなる可能性がある。そこで、本実施形態では、薄い膜を形成するためガスの使用量が少なく、ガスノズルの閉塞の問題が小さい初期層（バッファ層）形成時には、有機金属化合物系のガリウム含有ガスを用いて、膜厚制御性を向上させ、一方で厚いエピタキシャル膜を形成するため、ガスの使用量の多いエピタキシャル膜形成工程では、塩化物系のガリウム含有ガスを用い、ガスノズルの閉塞の問題を回避する。これにより、縦方向に複数のウェハ２００を配置した、所謂縦型バッチ式熱処理装置にてＧａＮのエピタキシャル成長を実現でき、生産性を向上させることができる。 Here, generally, as a gallium (Ga) source gas, an organometallic source gas such as trimethylgallium (hereinafter referred to as “TMG”) or triethylgallium (hereinafter referred to as “TEG”) is used. On the other hand, when a plurality of wafers are arranged in the vertical direction as in the present invention to improve productivity, in order to maintain the uniformity between the surfaces of the plurality of wafers, the vertical direction is used. In this case, if the above-mentioned organometallic source gas is used, it is decomposed by heat in the middle of reaching the downstream side of the source gas (upper side of the processing chamber), vertically deposited in extending the gas nozzle occurs, there is a possibility that the gas nozzle is clogged. Therefore, in the present invention, the chloride of gallium difficult to raw material decomposed even at a high temperature (for example, GaCl 3) It is. Thus, it is possible to improve the productivity of the GaN film. On the other hand, the use of GaCl 3 and NH 3 are representative of chloride gallium, the reaction of NH 3 of GaCl 3 Explosion In addition, since the film formation rate is as high as 20 nm / min, there is a possibility that the controllability of the film thickness when a thin initial layer is formed may be deteriorated. When forming the initial layer (buffer layer), which uses a small amount of gas to form a thin film, and the problem of clogging of the gas nozzle is small, an organic metal compound-based gallium-containing gas is used to improve film thickness controllability. In order to form a thick epitaxial film, a chloride-based gallium-containing gas is used in the epitaxial film forming process in which a large amount of gas is used, thereby avoiding the problem of gas nozzle clogging. Ri, with a plurality of wafers 200 in the vertical direction, can be realized GaN epitaxial growth at called vertical batch type heat treatment apparatus, it is possible to improve the productivity.
なお、第１のガスノズルには、アンモニアガスとともに水素ガスが供給できる構成となっており、アンモニアガスの濃度が調整可能となっている。また、第２のガスノズルには、希釈用の不活性ガスを供給する構成となっており、ＴＭＧａやＧａＣｌ３の濃度が調整可能となっている。 The first gas nozzle can be supplied with hydrogen gas together with ammonia gas, and the concentration of ammonia gas can be adjusted. The second gas nozzle is configured to supply an inert gas for dilution, and the concentration of TMGa or GaCl 3 can be adjusted.
（ガス排気部及びガス排気口）
インナチューブ２０４の側壁には、ウエハ２００が積載される方向に沿って、インナチューブ２０４の側壁の一部を構成するガス排気部２０４ｂが設けられている。ガス排気部２０４ｂは、インナチューブ２０４内に収容されたウエハ２００を挟んで、インナチューブ２０４内に配設された複数本のガスノズルと対向する位置に設けられている。また、インナチューブ２０４の周方向におけるガス排気部２０４ｂの幅は、インナチューブ２０４内に配設された複数本のガスノズルにおける両端のガスノズル間の幅よりも広くなるように構成されている。本実施形態において、ガス排気部２０４ｂは、ウエハ２００を挟んで第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂと対向する位置（第１のガスノズル２３３ａ及び第２のガスノズル２３３ｂと１８０度反対側の位置）に設けられている。また、インナチューブ２０４の周方向におけるガス排気部２０４ｂの幅は、第１のガスノズル２３３ａと第２のガスノズル２３３ｂとの間の距離よりも広くなるように構成されている。
(Gas exhaust part and gas exhaust port)
On the side wall of the inner tube 204, a gas exhaust part 204b constituting a part of the side wall of the inner tube 204 is provided along the direction in which the wafer 200 is stacked. The gas exhaust unit 204b is provided at a position facing a plurality of gas nozzles disposed in the inner tube 204 with the wafer 200 accommodated in the inner tube 204 interposed therebetween. Further, the width of the gas exhaust part 204 b in the circumferential direction of the inner tube 204 is configured to be wider than the width between the gas nozzles at both ends of the plurality of gas nozzles disposed in the inner tube 204. In the present embodiment, the gas exhaust unit 204b is opposed to the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b across the wafer 200 (a position opposite to the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b by 180 degrees). ). Further, the width of the gas exhaust part 204b in the circumferential direction of the inner tube 204 is configured to be wider than the distance between the first gas nozzle 233a and the second gas nozzle 233b.
ガス排気部２０４ｂの側壁にはガス排気口２０４ａが開設されている。ガス排気口２０４ａは、ウエハ２００を挟んで気化ガス噴出口２４８ａ及び反応ガス噴出口２４８ｂと対向する位置（例えば、気化ガス噴出口２４８ａ及び反応ガス噴出口２４８ｂと約１８０度反対側の位置）に開設されている。本実施形態にかかるガス排気口２０４ａは、穴形状であって、複数枚のウエハ２００のそれぞれに対応する位置（高さ位置）に開設されている。従って、アウタチューブ２０３とインナチューブ２０４とに挟まれる空間２０３ａは、ガス排気口２０４ａを介してインナチューブ２０４内の空間に連通することになる。なお、ガス排気口２０４ａの穴径は、インナチューブ２０４内のガスの流量分布や速度分布を適正化するように適宜調整することができ、例えば、下部から上部にわたって同一としてもよく、下部から上部にわたって徐々に大きくしてもよい。 A gas exhaust port 204a is opened on the side wall of the gas exhaust unit 204b. The gas exhaust port 204a is opposed to the vaporized gas jet port 248a and the reactive gas jet port 248b across the wafer 200 (for example, a position on the opposite side of the vaporized gas jet port 248a and the reactive gas jet port 248b by about 180 degrees). It has been established. The gas exhaust port 204 a according to the present embodiment has a hole shape and is opened at a position (height position) corresponding to each of the plurality of wafers 200. Therefore, the space 203a sandwiched between the outer tube 203 and the inner tube 204 communicates with the space in the inner tube 204 through the gas exhaust port 204a. Note that the hole diameter of the gas exhaust port 204a can be adjusted as appropriate so as to optimize the flow rate distribution and velocity distribution of the gas in the inner tube 204. For example, the hole diameter may be the same from the lower part to the upper part. It may be gradually increased over time.
また、ガス排気部２０４ｂの下端の高さ位置は、処理室２０１内に搬入されるウエハ２００のうち最下端のウエハ２００の高さ位置に対応させることが好ましい。同様に、ガス排気部２０４ｂの上端の高さ位置は、処理室２０１内に搬入されるウエハ２００のうち最上端のウエハ２００の高さ位置に対応させることが好ましい。ウエハ２００の存在しない領域にまでガス排気部２０４ｂが設けられていると、ウエハ２００間を流れるべきガスがウエハ２００の存在しない領域に流れてしまい、上述のサイドフロー／サイドベント方式の効果が減少してしまう場合があるからである。 Further, it is preferable that the height position of the lower end of the gas exhaust unit 204 b corresponds to the height position of the lowermost wafer 200 among the wafers 200 loaded into the processing chamber 201. Similarly, the height position of the upper end of the gas exhaust unit 204 b preferably corresponds to the height position of the uppermost wafer 200 among the wafers 200 loaded into the processing chamber 201. If the gas exhaust unit 204b is provided even in a region where the wafer 200 does not exist, the gas that should flow between the wafers 200 flows in a region where the wafer 200 does not exist, and the above-described side flow / side vent system effect is reduced. This is because there is a case where it ends up.
（排気ユニット）
マニホールド２０９の側壁には排気管２３１が接続されている。排気管２３１には、上流側から順に、圧力検出器としての圧力センサ２４５、圧力調整器としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２３１ａ、真空排気装置としての真空ポンプ２３１ｂ、排気ガス中から有害成分を除去する除害設備２３１ｃが設けられている。真空ポンプ２３１ｂを作動させつつ、ＡＰＣバルブ２４２の開閉弁の開度を調整することにより、インナチューブ２０４内を所望の圧力とすることが可能なように構成されている。主に、排気管２３１、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２３１ａ、真空ポンプ２３１ｂ、除害設備２３１ｃにより、排気ユニットが構成される。
(Exhaust unit)
An exhaust pipe 231 is connected to the side wall of the manifold 209. In order from the upstream side, the exhaust pipe 231 includes a pressure sensor 245 as a pressure detector, an APC (Auto Pressure Controller) valve 231a as a pressure regulator, a vacuum pump 231b as a vacuum exhaust device, and harmful components from the exhaust gas. An abatement facility 231c for removal is provided. The inner tube 204 is configured to have a desired pressure by adjusting the opening degree of the opening / closing valve of the APC valve 242 while operating the vacuum pump 231b. An exhaust unit is mainly constituted by the exhaust pipe 231, the pressure sensor 245, the APC valve 231a, the vacuum pump 231b, and the abatement equipment 231c.
上述したように、アウタチューブ２０３とインナチューブ２０４とに挟まれる空間２０３ａは、ガス排気口２０４ａを介してインナチューブ２０４内の空間に連通している。そのため、第１のガスノズル２３３ａ或いは第２のガスノズル２３３ｂを介してインナチューブ２０４内にガスを供給しつつ、排気ユニットによりアウタチューブ２０３とインナチューブ２０４とに挟まれる空間２０３ａを排気することにより、第１のガス噴出口２４８ａ及び第２のガス噴出口２４８ｂからガス排気口２０４ａへと向かう水平方向のガス流１０が、インナチューブ２０４内に生成される。 As described above, the space 203a sandwiched between the outer tube 203 and the inner tube 204 communicates with the space in the inner tube 204 through the gas exhaust port 204a. Therefore, by supplying gas into the inner tube 204 via the first gas nozzle 233a or the second gas nozzle 233b, the exhaust unit evacuates the space 203a sandwiched between the outer tube 203 and the inner tube 204, thereby A horizontal gas flow 10 from the first gas outlet 248 a and the second gas outlet 248 b toward the gas exhaust outlet 204 a is generated in the inner tube 204.
（コントローラ）
制御部であるコントローラ２８０は、ヒータ２０７、ＡＰＣバルブ２３１ａ、真空ポンプ２３１ｂ、回転機構２６７、ボートエレベータ２１５、開閉バルブ２４１、ＭＦＣ２４２等にそれぞれ接続されている。コントローラ２８０により、ヒータ２０７の温度調整動作、ＡＰＣバルブ２３１ａの開閉及び圧力調整動作、真空ポンプ２３１ｂの起動・停止、回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータ２１５の昇降動作、開閉バルブ２４１の開閉動作、流量コントローラ２４２の流量調整等の制御が行われる。
(controller)
The controller 280 as a control unit is connected to the heater 207, the APC valve 231a, the vacuum pump 231b, the rotation mechanism 267, the boat elevator 215, the opening / closing valve 241, the MFC 242, and the like. The controller 280 adjusts the temperature of the heater 207, opens and closes the APC valve 231a and adjusts the pressure, starts and stops the vacuum pump 231b, adjusts the rotation speed of the rotating mechanism 267, moves up and down the boat elevator 215, and opens and closes the opening and closing valve 241. Then, control such as flow rate adjustment of the flow rate controller 242 is performed.
（基板処理工程）
次に図５を用いて、本発明のＬＥＤ等の半導体デバイスの製造工程の一つである基板の製造工程の一実施形態を説明する。なお、以下の基板の製造工程は、上述した基板処理装置の夫々の部材をコントローラ２８０が制御することに行われる。
(Substrate processing process)
Next, an embodiment of a substrate manufacturing process, which is one of the manufacturing processes of a semiconductor device such as an LED of the present invention, will be described with reference to FIG. The following substrate manufacturing process is performed by the controller 280 controlling each member of the above-described substrate processing apparatus.
夫々の工程については、後に詳述するが、本実施例における基板処理工程は、主に（１）基板表面をクリーニングする基板表面処理工程、（２）ＧａＮのアモルファス薄膜を形成する初期層形成工程、（３）初期層の上にＧａＮのエピタキシャル層（以下、「エピ層」と呼ぶ。）を形成するエピ層形成工程の順で行われる。なお、初期層として、ＡｌＮ膜を形成することも考えられるが、本実施形態では、ＧａＮのアモルファス薄膜を形成する。これにより、初期膜形成工程からエピ層形成工程に移る際に、処理室内に初期層形成工程時に使用した成膜ガスが残留してしまったとしても、エピ層形成と同じガリウムを主成分としているためエピ層形成時の影響を小さくすることができる。 Although each process will be described in detail later, the substrate processing process in the present embodiment mainly includes (1) a substrate surface processing process for cleaning the substrate surface, and (2) an initial layer forming process for forming an amorphous thin film of GaN. (3) An epitaxial layer forming step of forming an epitaxial layer of GaN (hereinafter referred to as “epi layer”) on the initial layer is performed in this order. Although an AlN film may be formed as the initial layer, in this embodiment, an amorphous thin film of GaN is formed. As a result, when moving from the initial film formation step to the epi layer formation step, the same gallium as the epi layer formation is the main component even if the deposition gas used in the initial layer formation step remains in the processing chamber. Therefore, the influence at the time of forming the epi layer can be reduced.
以下、各工程について詳述する。
（基板搬入工程）
まず、複数枚のウエハ２００をボート２１７に装填（ウエハチャージ）する。そして、複数枚のウエハ２００を保持したボート２１７を、ボートエレベータ２１５によって持ち上げてインナチューブ２０４内に搬入（ボートローディング）する。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。
Hereinafter, each process is explained in full detail.
(Substrate loading process)
First, a plurality of wafers 200 are loaded into the boat 217 (wafer charge). Then, the boat 217 holding the plurality of wafers 200 is lifted by the boat elevator 215 and loaded into the inner tube 204 (boat loading). In this state, the seal cap 219 seals the lower end of the manifold 209 via the O-ring 220b.
（減圧及び昇温工程）
続いて、インナチューブ２０４内（処理室２０１内）が所望の処理圧力（真空度）となるように、真空ポンプ２３１ｂにより排気する。この際、圧力センサ２４５で測定した圧力に基づき、ＡＰＣバルブ２３１ａの開度をフィードバック制御する。また、ウエハ２００表面が所望の処理温度となるようにヒータ２０７への通電量を調整する。この際、温度センサが検出した温度情報に基づき、ヒータ２０７への通電具合をフィードバック制御する。そして、回転機構２６７により、ボート２１７及びウエハ２００を回転させる。
(Decompression and temperature rise process)
Subsequently, the inside of the inner tube 204 (inside of the processing chamber 201) is evacuated by the vacuum pump 231b so that a desired processing pressure (degree of vacuum) is obtained. At this time, the opening degree of the APC valve 231a is feedback-controlled based on the pressure measured by the pressure sensor 245. Further, the energization amount to the heater 207 is adjusted so that the surface of the wafer 200 has a desired processing temperature. At this time, feedback control of the power supply to the heater 207 is performed based on the temperature information detected by the temperature sensor. Then, the boat 217 and the wafer 200 are rotated by the rotation mechanism 267.
なお、減圧及び昇温工程終了時の条件としては、例えば、以下が例示される。
処理圧力：１３３〜２６６０Ｐａ、好ましくは１３３０Ｐａ、
処理温度：８００〜１２００℃、好ましくは１０００℃
In addition, as conditions at the time of completion | finish of pressure reduction and temperature rising process, the following is illustrated, for example.
Processing pressure: 133 to 2660 Pa, preferably 1330 Pa,
Treatment temperature: 800-1200 ° C, preferably 1000 ° C
（基板表面処理工程）
次に開閉バルブ２４１ｂを開け、水素ガスを第１のガスノズル２３３ａを介して処理室に供給し、基板表面のクリーニングを行う。水素ガスの流量は、ＭＦＣ２４２ｂを制御することにより定められる。
(Substrate surface treatment process)
Next, the opening / closing valve 241b is opened, and hydrogen gas is supplied to the processing chamber via the first gas nozzle 233a to clean the substrate surface. The flow rate of hydrogen gas is determined by controlling the MFC 242b.
（初期層形成工程）
続いて、インナーチューブ２０４内（処理室２０１内）が所望の圧力（真空度）となるように、真空ポンプやＡＰＣバルブ２３１ａを制御する。また、並行して、インナーチューブ２０４内の温度を所望の温度となるように制御する。なお、所望の圧力、及び、温度は、以下が例示される。
処理圧力： ５０ 〜 ３００ Ｐａ、好ましくは １５０ Ｐａ、
処理温度： ４５０〜 ６５０ ℃、好ましくは ５５０ ℃
(Initial layer formation process)
Subsequently, the vacuum pump and the APC valve 231a are controlled so that the inside of the inner tube 204 (inside the processing chamber 201) has a desired pressure (degree of vacuum). In parallel, the temperature in the inner tube 204 is controlled to be a desired temperature. The desired pressure and temperature are exemplified as follows.
Processing pressure: 50 to 300 Pa, preferably 150 Pa,
Treatment temperature: 450-650 ° C, preferably 550 ° C
所望の圧力、及び、温度に安定した後、初期層を形成を行うために原料ガスの供給を開始する。本実施形態では、開閉バルブ２４１ｇ、２４１ｆを開放し、第２のガスノズル２３３ｂを介して、ガリウム含有の有機金属化合物ガス（例えば、ＴＭＧａ）及び、必要であれば希釈用の不活性ガス（例えば、Ａｒ）を供給する。なお、ＴＭＧａガスは、液体状のＴＭＧａが貯蔵されたタンク２４７にＭＦＣ２４２ｇ、開閉バルブ２４１ｇを介してキャリアガス（例えば、Ａｒ）を供給することにより、タンク内で気化しているＴＭＧａガスをキャリアガスとともに運び出すことで供給される。また、それと並行して、開閉バルブ２４１ａ、２４１ｂを開放し、アンモニアガス（ＮＨ３）、及び、必要であれば水素ガス（Ｈ２）を供給する。ＮＨ３ガス及び水素ガスの流量は、ＭＦＣ２４２ａ、２４２ｂにより制御される。これにより、ウェハ２００上にＧａＮの初期層が形成される。 After the desired pressure and temperature are stabilized, the supply of the raw material gas is started in order to form the initial layer. In the present embodiment, the open / close valves 241g and 241f are opened, and a gallium-containing organometallic compound gas (for example, TMGa) and, if necessary, an inert gas for dilution (for example, the second gas nozzle 233b). Ar) is supplied. In addition, TMGa gas supplies TMGa gas vaporized in the tank by supplying carrier gas (for example, Ar) to the tank 247 in which liquid TMGa is stored via the MFC 242g and the open / close valve 241g. Supplied by carrying out together. In parallel with this, the on-off valves 241a and 241b are opened, and ammonia gas (NH 3 ) and, if necessary, hydrogen gas (H 2 ) are supplied. The flow rates of NH 3 gas and hydrogen gas are controlled by MFCs 242a and 242b. As a result, an initial layer of GaN is formed on the wafer 200.
初期層形成工程における条件の例示は以下の通りである。
ＴＭＧａ 流量 ５ 〜 ５０ ｓｃｃｍ
希釈Ａｒ 流量 ０ 〜 ５００ ｓｃｃｍ
ＮＨ３ 流量 １００ 〜 ５００ ｓｃｃｍ
Ｈ２ 流量 １００ 〜 １０００ ｓｃｃｍ
ＨＣｌ 流量 １０ 〜 １００ ｓｃｃｍ
Examples of conditions in the initial layer forming step are as follows.
TMGa flow rate 5-50 sccm
Dilution Ar flow rate 0-500 sccm
NH 3 flow rate 100-500 sccm
H 2 flow rate of 100 ~ 1000 sccm
HCl flow rate 10-100 sccm
（エピ層形成工程）
続いて、インナーチューブ２０４内（処理室２０１内）が所望の圧力（真空度）となるように、真空ポンプやＡＰＣバルブ２３１ａを制御する。また、並行して、インナーチューブ２０４内の温度を所望の温度となるように制御する。なお、所望の圧力、及び、温度は、以下が例示される。
処理圧力：２０〜１３３００Ｐａ、好ましくは２６６０Ｐａ、
処理温度：８５０〜１１５０℃、好ましくは１０５０℃
(Epi layer formation process)
Subsequently, the vacuum pump and the APC valve 231a are controlled so that the inside of the inner tube 204 (inside the processing chamber 201) has a desired pressure (degree of vacuum). In parallel, the temperature in the inner tube 204 is controlled to be a desired temperature. The desired pressure and temperature are exemplified as follows.
Processing pressure: 20 to 13300 Pa, preferably 2660 Pa,
Treatment temperature: 850 to 1150 ° C, preferably 1050 ° C
所望の圧力、及び、温度に安定した後、開閉バルブ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄを開放することにより、ガリウム塩化物ガス、希釈用不活性ガス、アンモニアガス、水素ガスを並行して供給する。これにより、ガリウム塩化物ガス及びアンモニアガスが反応し、初期層形成時と比較して速い速度でＧａＮエピタキシャル層（以下、「エピ層」と呼ぶ。」が形成される。エピ層形成工程は、所望の厚さのエピ層が形成されるまで続けられる。なお、エピ層形成工程の時間は、初期層形成工程の時間より長い。 After the pressure and temperature are stabilized, the open / close valves 241a, 241b, 241c, and 241d are opened to supply gallium chloride gas, diluting inert gas, ammonia gas, and hydrogen gas in parallel. As a result, the gallium chloride gas and the ammonia gas react to form a GaN epitaxial layer (hereinafter referred to as “epi layer”) at a speed higher than that at the time of initial layer formation. The process is continued until an epi layer having a desired thickness is formed, and the time of the epi layer forming process is longer than the time of the initial layer forming process.
エピ層形成工程における条件の例示は以下の通りである。
圧力 １０ 〜 １３３００Ｐａ
温度 ８５０ 〜 １１５０℃
ＧａＣｌ３ 流量 ５ 〜 ５００ ｓｃｃｍ
（キャリアＡｒ １０ 〜 ５０００ ｓｃｃｍ）
希釈Ａｒ 流量 １００ 〜 ５０００ ｓｃｃｍ
ＮＨ３ 流量 １００ 〜 ５００００ ｓｃｃｍ
Ｈ２ 流量 １００ 〜 ５００００ ｓｃｃｍ
Examples of conditions in the epi layer forming step are as follows.
Pressure 10-13300Pa
Temperature 850 to 1150 ° C
GaCl 3 flow rate 5 to 500 sccm
(Carrier Ar 10 to 5000 sccm)
Dilution Ar flow rate 100 ~ 5000 sccm
NH 3 flow rate 100 to 50000 sccm
H 2 flow rate of 100 ~ 50000 sccm
（昇圧工程、基板搬出工程）
ウエハ２００上に所望の厚さのＧａＮ膜を形成した後、ＡＰＣバルブ２３１ａの開度を小さくし、プロセスチューブ２０５内（インナチューブ２０４内及びアウタチューブ２０３内）の圧力が大気圧とする。そして、基板搬入工程とほぼ逆の手順により、成膜済のウエハ２００をインナチューブ２０４内から搬出する。
(Pressurization process, substrate unloading process)
After the GaN film having a desired thickness is formed on the wafer 200, the opening degree of the APC valve 231a is reduced, and the pressure in the process tube 205 (inner tube 204 and outer tube 203) is set to atmospheric pressure. Then, the film-formed wafer 200 is unloaded from the inner tube 204 by a procedure almost opposite to the substrate loading step.
以上の工程により基板上にＧａＮ膜を形成することにより、基板を縦方向に並べ処理を行う、所謂縦型バッチ式基板処理装置により、ＧａＮ膜を形成することが可能となり、生産性が向上する。 By forming the GaN film on the substrate through the above steps, it becomes possible to form the GaN film by a so-called vertical batch type substrate processing apparatus that performs the process of arranging the substrates in the vertical direction, thereby improving productivity. .
以上、実施例に従って本発明を説明してきたが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本発明は、所謂縦型バッチ式基板処理装置を用いたＧａＮ膜の形成を検討する過程において創生されたものであるため、縦型バッチ式基板処理装置を例示して説明した。しかしながら、一枚ずつ処理する所謂枚葉式装置や、平面状に複数の基板を並べる多枚葉式装置であっても、ガリウム塩化物ガスとアンモニアガスの爆発的な反応速度を考慮すれば、本発明の初期層形成工程を用いると面内の膜厚制御性が向上すると考えられる。 Although the present invention has been described according to the embodiments, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention was created in the process of studying the formation of a GaN film using a so-called vertical batch type substrate processing apparatus, and has been described by exemplifying the vertical type batch type substrate processing apparatus. However, even in the so-called single-wafer type apparatus for processing one sheet at a time and the multiple single-wafer type apparatus in which a plurality of substrates are arranged in a plane, considering the explosive reaction rate of gallium chloride gas and ammonia gas, When the initial layer forming step of the present invention is used, it is considered that the in-plane film thickness controllability is improved.
以下、本実施例に含まれる発明の態様を例示する。
（付記１）
基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスとアンモニアガスとを前記処理室内に供給し、初期膜を形成する初期膜形成工程と、
前記初期膜形成工程の後に、前記処理室内にガリウム塩化物ガスと前記アンモニアガスを同時に供給し、エピタキシャル膜を形成するエピ膜形成工程とを具備する基板の製造方法又は半導体デバイスの製造方法。
これにより、エピタキシャル膜形成のためにガリウム塩化物ガスとアンモニアガスを用いた場合であっても初期層の膜厚制御性を向上させることができる。
Hereinafter, embodiments of the invention included in this example will be exemplified.
(Appendix 1)
A loading step of loading the substrate into the processing chamber;
An initial film forming step of supplying an organometallic compound gas containing gallium atoms and ammonia gas into the processing chamber to form an initial film;
A method for manufacturing a substrate or a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: an epitaxial film forming step of forming an epitaxial film by simultaneously supplying gallium chloride gas and ammonia gas into the processing chamber after the initial film forming step.
Thereby, even when gallium chloride gas and ammonia gas are used for forming the epitaxial film, the film thickness controllability of the initial layer can be improved.
（付記２）
付記１において、前記初期膜工程における処理温度は、前記エピ膜形成工程における処理温度より低い基板の製造方法又は半導体デバイスの製造方法。
これにより、初期膜をアモルファス状態で形成することができる。
(Appendix 2)
Appendix 1 The substrate manufacturing method or the semiconductor device manufacturing method, wherein a processing temperature in the initial film process is lower than a processing temperature in the epi film forming process.
Thereby, the initial film can be formed in an amorphous state.
（付記３）
付記１または付記２において、前記初期膜形成工程において、前記ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスと共に希釈用の不活性ガスを供給すると共に前記アンモニアガスと共に水素ガスを更に供給し、前記エピ膜形成工程において、前記ガリウム塩化物ガスと共に前記希釈用の不活性ガスを供給すると共に、前記アンモニアガスと共に前記水素ガスを供給する基板の製造方法又は半導体デバイスの製造方法。
これにより、ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガス、ガリウム塩化物ガス、及び、アンモニアガスの濃度を調整することが可能となる。
(Appendix 3)
In the supplementary note 1 or the supplementary note 2, in the initial film forming step, an inert gas for dilution is supplied together with the organometallic compound gas containing the gallium atom, and hydrogen gas is further supplied together with the ammonia gas, thereby forming the epitaxial film A method of manufacturing a substrate or a method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step, the inert gas for dilution is supplied together with the gallium chloride gas and the hydrogen gas is supplied together with the ammonia gas.
This makes it possible to adjust the concentrations of the organometallic compound gas containing gallium atoms, the gallium chloride gas, and the ammonia gas.
（付記４）
付記１から付記３のいずれか一つにおいて、前記基板は、前記処理室内において高さ方向に複数並んで配置され、前記ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガス、及び、ガリウム塩化物ガスは、前記複数の基板が並んで配置される方向に延在する第１のガスノズルを介して供給され、前記アンモニアガスは、前記複数の基板が並んで配置される方向に延在する第２のガスノズルを介して供給される基板の製造方法又は半導体デバイスの製造方法。
これにより、多数の基板を一括して処理できるようになるため生産性が向上する。
(Appendix 4)
In any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 3, a plurality of the substrates are arranged in a height direction in the processing chamber, and the organometallic compound gas containing gallium atoms and the gallium chloride gas are The ammonia gas is supplied via a second gas nozzle that extends in a direction in which the plurality of substrates are arranged side by side, and is supplied through a first gas nozzle that extends in a direction in which the plurality of substrates are arranged side by side. A method of manufacturing a substrate or a method of manufacturing a semiconductor device.
As a result, a large number of substrates can be processed at a time, so that productivity is improved.
（付記５）
付記１から付記４のいずれか一つにおいて、前記初期膜形成工程の前に、前記処理室内に水素ガスを供給し、前記基板表面をクリーニングする基板表面処理工程を更に有する基板の製造方法又は半導体デバイスの製造方法。
これにより、基板表面をきれいにすることができ、高品質なＧａＮ膜を形成できる。
(Appendix 5)
The method for manufacturing a substrate or the semiconductor according to any one of appendices 1 to 4, further comprising a substrate surface treatment step of supplying hydrogen gas into the treatment chamber and cleaning the substrate surface before the initial film formation step Device manufacturing method.
Thereby, the substrate surface can be cleaned and a high-quality GaN film can be formed.
（付記６）
基板処理領域を有し、該基板処理領域で複数の基板を処理する処理室と、 前記基板処理領域を加熱維持する加熱装置と、 前記基板処理領域内に第１ガス供給口が設けられ、該第１ガス供給口から前記処理室内へガリウム原子を含有する有機金属化合物ガス、及び、ガリウム塩化物ガスを供給する第１ガス供給系と、 前記基板処理領域内に第２ガス供給口が設けられ、該第２ガス供給口から前記処理室内へアンモニアガスを供給する第２ガス供給系と、 前記第１ガス供給系及び第２ガス供給系を制御するコントローラと、を具備し、 前記複数の基板は、高さ方向に並んで配置され、 前記第１ガス供給系は、前記処理室内に設けられ、前記高さ方向に延在する第１のガスノズルを有し、 前記第２ガス供給系は、前記処理室内に設けられ、前記高さ方向に延在する第２のガスノズルを有し、 前記コントローラは、前記複数の基板に前記第１ガス供給系から前記ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスを供給し、前記第２ガス供給系から前記アンモニアガスを供給するように前記第１ガス供給系、前記第２ガス供給系を制御し、更に、その後に、前記第１ガス供給系から前記ガリウム塩化物ガスを供給するとともに前記第２ガス供給系から前記アンモニアガスを供給するように前記第１及び第２ガス供給系を制御する基板処理装置。 これにより、多数の基板を一括して処理できるようになり、生産性が向上する。
(Appendix 6)
A substrate processing region, a processing chamber for processing a plurality of substrates in the substrate processing region, a heating device for heating and maintaining the substrate processing region, and a first gas supply port provided in the substrate processing region, A first gas supply system for supplying an organometallic compound gas containing gallium atoms and a gallium chloride gas from the first gas supply port into the processing chamber; and a second gas supply port provided in the substrate processing region. A second gas supply system for supplying ammonia gas from the second gas supply port into the processing chamber; and a controller for controlling the first gas supply system and the second gas supply system, and the plurality of substrates. Are arranged side by side in the height direction, the first gas supply system includes a first gas nozzle provided in the processing chamber and extending in the height direction, and the second gas supply system is Provided in the processing chamber, A second gas nozzle extending in a height direction, wherein the controller supplies an organometallic compound gas containing the gallium atoms from the first gas supply system to the plurality of substrates, and supplies the second gas. The first gas supply system and the second gas supply system are controlled so as to supply the ammonia gas from the system, and then the gallium chloride gas is supplied from the first gas supply system and the first gas supply system is supplied. A substrate processing apparatus for controlling the first and second gas supply systems so as to supply the ammonia gas from a two-gas supply system. As a result, a large number of substrates can be processed at once, and productivity is improved.
１０１ 基板処理装置
２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室
２０１ａ 予備室
２０３ アウタチューブ
２０４ インナチューブ
２０４ａ ガス排気口
２０４ｂ ガス排気部
２０５ プロセスチューブ
２３３ａ 気化ガスノズル
２３３ｂ 反応ガスノズル
２４８ａ 気化ガス噴出口
２４８ｂ 反応ガス噴出口
２８０ コントローラ（制御部）
101 substrate processing apparatus 200 wafer (substrate)
201 processing chamber 201a preliminary chamber 203 outer tube 204 inner tube 204a gas exhaust port 204b gas exhaust unit 205 process tube 233a vaporized gas nozzle 233b reactive gas nozzle 248a vaporized gas outlet 248b reactive gas outlet 280 controller (control unit)
Claims (4)
ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスとアンモニアガスとを前記処理室内に供給し、初期膜を形成する初期膜形成工程と、
前記初期膜形成工程の後に、前記処理室内にガリウム塩化物ガスと前記アンモニアガスを同時に供給し、エピタキシャル膜を形成するエピ膜形成工程とを具備する基板の製造方法。 A loading step of loading the substrate into the processing chamber;
An initial film forming step of supplying an organometallic compound gas containing gallium atoms and ammonia gas into the processing chamber to form an initial film;
A method of manufacturing a substrate comprising: an epitaxial film forming step of forming an epitaxial film by simultaneously supplying gallium chloride gas and ammonia gas into the processing chamber after the initial film forming step.
ガリウム原子を含有する有機金属化合物ガスとアンモニアガスとを前記処理室内に供給し、初期膜を形成する初期膜形成工程と、
前記初期膜形成工程の後に、前記処理室内にガリウム塩化物ガスと前記アンモニアガスを同時に供給し、エピタキシャル膜を形成するエピ膜形成工程とを具備する半導体デバイスの製造方法。 A loading step of loading the substrate into the processing chamber;
An initial film forming step of supplying an organometallic compound gas containing gallium atoms and ammonia gas into the processing chamber to form an initial film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising: an epitaxial film forming step of forming an epitaxial film by simultaneously supplying gallium chloride gas and ammonia gas into the processing chamber after the initial film forming step.
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