半导体制造装置及半导体装置的制造方法
【专利摘要】本发明的实施方式提供一种抑制了温度分布的不均匀性的半导体制造装置及半导体装置的制造方法。实施方式的半导体制造装置具备：盖部；气体导入部，设置在所述盖部；以及簇射板，通过与所述盖部的接合而形成能够收容从所述气体导入部所导入的气体的空间，且具有底部及包围所述底部的外框部，且在所述底部设置有多个喷射口、第1冷却路径及第2冷却路径，所述多个喷射口喷射所述气体，所述第1冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于所述底部的中心部，所述第2冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于包围所述中心部的所述底部的外周部且与所述第1冷却路径不连接。
【专利说明】 半导体制造装置及半导体装置的制造方法
[0001][相关申请]
[0002]本申请享有以日本专利申请2015-52741号(申请日:2015年3月16日)作为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
[0003]本发明的实施方式涉及一种半导体制造装置及半导体装置的制造方法。
【背景技术】
[0004]作为半导体制造装置之一，有具备簇射头的成膜装置。在这种成膜装置中，例如，使簇射头与被设置为减压气体氛围的衬底相对向，并从设置在簇射头的多个喷射口朝向衬底喷射原料气体。衬底是通过加热器件而被适当加热。在衬底上原料气体发生反应，形成薄膜。
[0005]但是，如果簇射头的温度分布不均匀，那么从簇射头喷射的原料气体的温度分布也变得不均匀，而有形成于衬底上的薄膜的厚度或膜质变得不均匀的情况。
【发明内容】
[0006]本发明的实施方式提供一种具有抑制了温度分布的不均匀性的簇射头的半导体制造装置以及使用该半导体制造装置的半导体装置的制造方法。
[0007]实施方式的半导体制造装置具备:盖部；气体导入部，设置在所述盖部；以及簇射板，通过与所述盖部的接合而形成能够收容从所述气体导入部所导入的气体的空间，且具有底部及包围所述底部的外框部，且在所述底部设置有多个喷射口、第I冷却路径及第2冷却路径，所述多个喷射口喷射所述气体，所述第I冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于所述底部的中心部，所述第2冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于包围所述中心部的所述底部的外周部且与所述第I冷却路径不连接。
【附图说明】
[0008]图1 (a)是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意剖视图。图1 (a)表示图1 (b)的A1-A2线的截面。图1 (b)是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意仰视图。
[0009]图2是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意图。
[0010]图3是包含第I实施方式的半导体制造装置的成膜装置的主要部分的示意剖视图。
[0011]图4(a)及图4(b)是表示第I实施方式的半导体制造装置的作用的示意剖视图。
[0012]图5是HEMT的示意剖视图。
【具体实施方式】
[0013]以下，一边参照附图，一边对实施方式进行说明。在以下的说明中，对相同部件标注相同符号，并对说明过一次的部件适当省略其说明。在以下例示的图中，导入三维坐标。作为三维坐标的轴向，导入第I方向(以下例如为Z方向)、相对于Z方向交叉的第2方向(以下例如为Y方向)以及与Z方向及Y方向交叉的第3方向(以下例如为X方向)。
[0014](第I实施方式)
[0015]图1 (a)是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意剖视图。图1 (a)表示图1 (b)的A1-A2线的截面。图1 (b)是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意仰视图。在图1(a)及图1(b)中，表示设置在第I实施方式的半导体制造装置内的簇射头。
[0016]图1 (a)及图1 (b)所表示的簇射头100被用于例如ALD (Atomic LayerDeposit1n，原子层沉积)、MLD (Molcular Layer Deposit1n，分子层沉积)、CVD (ChemicalVapor Deposit1n，化学气相沉积)等。
[0017]簇射头100具备盖部101、气体导入部102及簇射板130。在第I实施方式中，将从簇射板130的底部131朝向盖部101的方向设为Z方向。
[0018]气体导入部102设置在盖部101。成膜用原料气体是经由气体导入部102而被导入到簇射头100内的空间110。
[0019]簇射板130具有底部131及包围底部131的外框部132。底部131的平面形状成为圆状。通过使簇射板130与盖部101接合，而在簇射头100内形成空间110。在空间110内，收容从气体导入部102导入的气体。
[0020]在底部131的下表面(在图1 (a)中为下侧的面)，设置有喷射暂时滞留于空间110的气体的多个喷射口 134。例如，与空间110相连的孔133随着朝向下侧分为两个分支。所述分为两个分支的孔在底部131的下表面构成一对喷射口 134。
[0021]在底部131，在多个喷射口 134与盖部101之间，设置有第I冷却路径135及与第I冷却路径135不连接的第2冷却路径138。多个喷射口 134各自沿第I冷却路径135延伸的方向或第2冷却路径138延伸的方向排列。
[0022]第I冷却路径135配置于底部131的中心部130c。中心部130c的平面形状为圆状。在底部131，中心部130c与外周部130e配置成同心圆状。也就是说，中心部130c与外周部130e是在从底部131的中心朝向外框部132的方向上被划分。第I冷却路径135具有沿Y方向延伸的多个部分135a及连接多个部分135a彼此间的连结部135c。第I冷却路径135是在中心部130c例如成为连续的流路。例如，在中心部130c，从第I导入口 136导入的冷却介质经由在多处弯曲的第I冷却路径135而被排出到第I排出口 137。
[0023]第2冷却路径138配置于包围中心部130c的外周部130e。外周部130e具有除中心部130c以外的底部131及外框部132。第2冷却路径138配置于除中心部130c以外的底部131及外框部132。也就是说，第2冷却路径138也可沿外框部132延伸。
[0024]第2冷却路径138具有:沿Y方向延伸的多个部分138a、连接多个部分138a彼此的连结部138c、沿X方向延伸的多个部分138b、连接多个部分138b彼此的连结部138c以及沿外框部132的外端132e延伸的部分1381。第2冷却路径138是在外周部130e成为连续的流路。例如，在外周部130e，从第2导入口 139导入的冷却介质经由在多处弯曲的第2冷却路径138而被排出到第2排出口 140。
[0025]而且，在簇射头100，设置有多个温度检测器Tl?T5。温度检测器Tl?T5例如为热电偶。温度检测器Tl配置于中心部130c的大致中央。温度检测器T2?T5是在外周部130e的外端132e附近，分别隔开大致90°而配置。
[0026]像这样，在簇射头100，冷却路径的配置区域呈同心圆状分成多个区(zone)。例如，多个区为中心部130c及包围中心部130c的外周部130e。因此，冷却路径成为双系统。此外，所谓多个区，并不限定于两个区。被划分为同心圆状的区也可为三个以上。
[0027]图2是表示第I实施方式的半导体制造装置的主要部分的示意图。
[0028]在图2中，未表示簇射头100的喷射口 134。
[0029]在簇射头100，安装有第I供给器(以下例如为冷却器装置151)及第2供给器(以下例如为冷却器装置152)。冷却器装置151是经由管143而对第I冷却路径135供给第I冷却介质141。冷却器装置152是经由管144而对第2冷却路径138供给第2冷却介质142。
[0030]第I冷却介质141及第2冷却介质142的温度由控制部153来控制。第I冷却介质141及第2冷却介质142各自的温度是由控制部153独立地控制。例如，利用控制部153，而使在第2冷却路径138中流动的第2冷却介质142的温度被设定为与在第I冷却路径135中流动的第I冷却介质141不同的温度。
[0031]由温度检测器Tl?T5各自检测出的温度被传送到控制部153。控制部153能够进行以下反馈控制:根据由温度检测器Tl?T5各自检测出的温度，实时地控制第I冷却介质141及第2冷却介质142各自的温度。
[0032]而且，控制部153能够根据利用多个温度检测器Tl?T5检测出的温度，算出簇射头100内的温度分布。控制部153根据所述温度分布，控制第I冷却介质141或第2冷却介质142的温度。进而，控制部153算出利用多个温度检测器Tl?T5检测出的温度分布的经时变化。温度分布及温度分布的经时变化的信息被存储在存储器154中。
[0033]图3是包含第I实施方式的半导体制造装置的成膜装置的主要部分的示意剖视图。
[0034]第I实施方式的半导体制造装置200具备真空槽300、所述簇射头100、气体排气机构320、基座(susceptor) 302及加热器303。除此以外，半导体制造装置200具备图2中例示的冷却器装置151、152、控制部153、存储器154及管143、144(在图3中未图示)。
[0035]簇射头100设置在真空槽300内。真空槽300内能够通过气体排气机构320而维持比大气压减压后的气体氛围。半导体晶片等衬底301受到基座302支撑。基座302能够旋转。通过使基座302旋转，衬底301旋转。在衬底301下，设置有将衬底301加热的加热器303。衬底301是利用加热器303而被加热至例如700°C?1500°C。
[0036]真空槽300内的簇射头100是与衬底301相对向地设置。簇射头100是在气体导入部102，连接于被设置在真空槽300的气体供给口 310。由此，能够将原料气体从真空槽300的外侧经由气体供给口 310、气体导入部102供给到簇射头100内。如果将原料气体从多个喷射口 134朝向衬底301喷射，那么例如在被加热至特定温度的衬底301上引起化学反应。由此，在衬底301上形成薄膜。
[0037]图4(a)及图4(b)是表示第I实施方式的半导体制造装置的作用的示意剖视图。
[0038]在图4(a)及图4(b)中，在簇射头100上表示簇射头100的温度分布。而且，在衬底301上表示衬底301的温度分布。这里，横轴是距半径方向上的中心(R = O)的距离，纵轴是温度(k)。
[0039]在衬底301上形成薄膜的过程中，衬底301有被加热至1000°C左右的情况。由此，簇射头100受到来自衬底301的热辐射。因此，在簇射头100中，必须流动冷却介质，使其温度降低。
[0040]例如，在图4 (a)所示的状态下，将在第I冷却路径135中流动的第I冷却介质141的温度与在第2冷却路径138中流动的第2冷却介质142的温度设定为相同的温度。所述状态对应于不将冷却路径分割成第I冷却路径135与第2冷却路径138的单系统的簇射头。
[0041]在这种情况下，即便均匀地控制衬底301的温度，簇射头100的温度也是中心部130c的温度相对地变高。其原因在于，中心部130c被外周部130e包围，而在中心部130c，与外周部130e相比，变得容易蓄热。
[0042]在这种状态下，如果将原料气体导入到簇射头100，那么从中心部130c喷射的气体的温度与从外周部130e喷射的气体的温度不同。由此，形成于衬底301的薄膜的生长速度及膜质在衬底301内变得不均匀。
[0043]相对于此，在图4(b)所示的状态下，通过控制部153，将第I冷却介质141的温度设定为比第2冷却介质142的温度低。由此，簇射头100的中心部130c的温度相对降低。因此，在簇射头100中，中心部130c的温度与外周部130e的温度变得大致均匀。
[0044]在此状态下，如果将原料气体导入到簇射头100，那么从中心部130c喷射的气体的温度与从外周部130e喷射的气体的温度变得大致相同。由此，形成于衬底301的薄膜的生长速度及膜质在衬底301内变得大致均匀。
[0045]而且，在制造工艺中，有在衬底301上积层膜质不同的层的情况。在此情况下，形成各层的原料气体不同。进而，形成各层时的衬底301的温度也逐渐变化。
[0046]例如，当为不分割成第I冷却路径135与第2冷却路径138的单系统的簇射头时，有无法跟随于衬底温度变化而相应地进行簇射头的温度分布控制的情况。例如，在将衬底301的温度急剧地从低温设定为高温的情况下，在单系统的簇射头中，有其中心部的温度比目标温度过冲(overshoot)的情况。结果，至到达目标温度为止需要较长时间。相反，在将衬底301的温度急剧地从高温设定为低温的情况下，在单系统的簇射头中，有其外周部的温度比目标温度下冲(undershoot)的情况。
[0047]相对于此，在第I实施方式的半导体制造装置200中，在将衬底301的温度急剧地从低温设定为高温的情况下，预先将中心部130c的温度设定为低温。由此，能够避免所述过冲。而且，在将衬底301的温度急剧地从高温设定为低温的情况下，预先将外周部130e的温度设定为高温。由此，能够避免所述下冲。也就是说，半导体制造装置200与衬底301的温度变化对应的控制性优异。
[0048](第2实施方式)
[0049]在第2实施方式中，例如，使用簇射头100，使氮化物半导体层在衬底301上外延生长。氮化物半导体层被应用于HEMT (High Electron Mobility Transistor，高电子迀移率晶体管)、LED (Light Emitting D1de，发光二极管)、及 LD (Laser D1de，激光二极管)等光元件等的电子元件。
[0050]例如，作为电子元件的例子，在图5中表示HEMT的示意剖视图。
[0051]衬底301例如含有硅(Si)。在衬底301上，依次设置有缓冲层31、32。缓冲层31
含有氮化铝。
[0052]在缓冲层31上设置有载流子移行层33。障壁层34设置在载流子移行层33上。载流子移行层33含有非掺杂氮化镓(GaN)、或非掺杂氮化铝镓(AlxGai_xN(O S X < I))。障壁层34含有非掺杂或η型氮化铝镓(AlYGa1 _ΥΝ(O < Y兰1，X < Y))。
[0053]在障壁层34上，设置有源极电极50及漏极电极51。源极电极50连接于障壁层34层。漏极电极51是与源极电极50隔开而设置在障壁层34上。漏极电极51连接于障壁层34。栅极电极52是隔着绝缘膜53而设置在障壁层34上。栅极电极52设置在源极电极50与漏极电极51之间。
[0054]在形成这种元件的情况下，作为原料气体，可使用含镓的第I有机原料气体(以下例如为三甲基镓(TMG))、含铝的第2有机原料气体(以下例如为三甲基铝(TMA))、含铟的第3有机原料气体(以下例如为三甲基铟(TMI))等有机金属气体及含氮气体(以下例如为氨(NH3))等。而且，为了向氮化物半导体层导入杂质元素，也可使用含镁气体、含硅气体。
[0055]例如，⑴将TMG气体与NH3气体在簇射头100的空间110内混合，并将混合气体经由喷射口 134朝向衬底301喷射。衬底301被加热至特定温度。由此，在衬底301上，形成含镓及氮的GaN层。例如，该GaN层为图5所示的载流子移行层33。(2)如果使用包含TMG气体、TMA气体及NH3气体的混合气体，那么在衬底301上，形成含镓、铝及氮的AlGaN层。例如，该AlGaN层为图5所示的障壁层34。(3)如果使用包含TMG气体、TMI气体及NH3气体的混合气体，那么在衬底301上，形成含镓、铟及氮的InGaN层。(4)如果使用包含TMG气体、TMA气体、TMI气体及順3气体的混合气体，那么在衬底301上形成含镓、铝、铟及氮的InAlGaN 层。
[0056]在衬底301，可以单层形成GaN层、AlGaN层、InGaN层及InAlGaN层的至少任一个，也可积层GaN层、AlGaN层、InGaN层及InAlGaN层中的至少两个以上。积层的顺序并无限制。
[0057]例如，在⑴的情况下，将在第I冷却路径135中流动的介质的温度设定为第I温度(例如为60°C?180°C，优选为130°C )，将在第2冷却路径138中流动的介质的温度设定为高于第I温度的第2温度(例如为110°C?230°C，优选为180°C )。这里，衬底301的温度例如为1000°C?1100°C，优选为1050°C。真空槽300内的压力为1kPa?40kPa，优选为20kPa。在因簇射头的温度而使材料的成膜速度及膜质发生变化的情况下，通过控制这种温度，而使在衬底301的面内成膜速度均匀、且膜质大致均匀的GaN层形成于衬底301上。
[0058]例如，在(2)的情况下，将在第I冷却路径135中流动的介质的温度设定为第I温度，将在第2冷却路径138中流动的介质的温度设定为低于第2温度的第3温度(例如为80°C?200°C，优选为150°C )。这里，衬底301的温度例如为1000°C?1100°C，优选为1050°C。真空槽300内的压力为5kPa?30kPa，优选为lOkPa。由此，成膜速度均匀、且膜质大致均勾的AlGaN层形成于衬底301上。
[0059]通过组合(I)的情况与⑵的情况，而能够在衬底301上形成GaN层/AlGaN层的积层体。这里，在(2)的情况下，与(I)的情况相比，将外周部130e的温度设定为低温。
[0060]如果使TMG气体、TMA气体及NH3气体混合，那么以相对较低的温度进行聚合物化反应。如果在混合气体到达衬底301之前形成AlGaN的聚合物，那么衬底301上的AlGaN层的生长速度变慢。
[0061]例如，如果像(I)的情况那样，将外周部130e的温度设定为高于中心部130c，那么外周部130e下、也就是衬底301的外周部的AlGaN层的生长速度变慢。因此，在(2)的情况下，与⑴的情况相比，将外周部130e的温度设定为低温。
[0062]而且，例如，在⑶的情况下，将在第I冷却路径135中流动的介质的温度设定为温度(例如为30°C?150°C，优选为100°C )，将在第2冷却路径138中流动的介质的温度设定为更高的温度(例如为50°C?170°C，优选为120°C )。这里，衬底301的温度例如为700°C?900°C，优选为800°C。真空槽300内的压力为1kPa?40kPa，优选为20kPa。
[0063]而且，例如，在⑷的情况下，将在第I冷却路径135中流动的介质的温度设定为温度(例如为30°C?150°C，优选为100°C )，将在第2冷却路径138中流动的介质的温度设定为更高的温度(例如为60°C?180°C，优选为130°C )。这里，衬底301的温度例如为800°C?1000°C，优选为900°C。真空槽300内的压力为5kPa?30kPa，优选为lOkPa。
[0064]在本实施方式中，所谓温度x°c?温度Y°c并非仅公开温度X及温度Y，而是包含X0C以上且TC以下的范围内的所有温度。
[0065]所谓“氮化物半导体”，总括来说，包含在BxInyAlzGa1 _ x _ y _ ZN(O兰x兰I，O ^ y ^ 1,0 ^ z ^ I, x+y+z ^ I)的化学式中使组成比x、y及z在各自的范围内变化所得的全部组成的半导体。而且，进而，在所述化学式中还含有除N(氮)以外的V族元素的半导体、还含有为了控制导电型等各种物性而添加的各种元素的半导体、以及还含有意外所含的各种元素的半导体也包含于“氮化物半导体”。
[0066]在所述实施方式中，表达为“A设置在B上”时的“在……上”有以下情况:除了用于A与B接触且A设置在B上的情况的含义以外，也用于A不与B接触且A设置在B上方的情况的含义。而且，“A设置在B上”有以下情况:还适用于使A与B反转而使A位于B下的情况、或A与B横向排列的情况。其原因在于，即便使实施方式的半导体装置旋转，在旋转前后，半导体装置的构造也不会改变。
[0067]以上，一边参照具体例，一边对实施方式进行了说明。然而，实施方式并不限定于这些具体例。也就是说，由业者对这些具体例适当加以设计变更而成的构成只要具备实施方式的特征，那么也包含于实施方式的范围内。所述各具体例所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于所例示的构成，能够适当变更。
[0068]而且，所述各实施方式所具备的各要素能够在技术上可能的范围内复合，组合这些要素而成的构成只要包含实施方式的特征，那么也包含于实施方式的范围内。除此以外，在实施方式的思想范畴内，业者应当能够想到各种变更例及修正例，且应当了解这些变更例及修正例也属于实施方式的范围。
[0069]已对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提出的，并未意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种方式实施，且能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变化包含于发明的范围或主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[0070][符号的说明]
[0071]31 缓冲层
[0072]33载流子移行层
[0073]34障壁层
[0074]50源极电极
[0075]51漏极电极
[0076]52栅极电极
[0077]53绝缘膜
[0078]100簇射头
[0079]101盖部
[0080]102气体导入部
[0081]110空间
[0082]130簇射板
[0083]130c中心部
[0084]130e外周部
[0085]131底部
[0086]132外框部
[0087]133孔
[0088]134喷射口
[0089]135第I冷却路径
[0090]135a部分
[0091]135c连结部
[0092]136第 I 导入口
[0093]137第 I 排出口
[0094]138第2冷却路径
[0095]138a部分
[0096]138b部分
[0097]1381部分
[0098]138c连结部
[0099]139第 2 导入口
[0100]140第 2 排出口
[0101]141第I冷却介质
[0102]142第2冷却介质
[0103]143、144 管
[0104]151第I供给器
[0105]152第2供给器
[0106]153控制部
[0107]154存储器
[0108]200半导体制造装置
[0109]300真空槽
[0110]301衬底
[0111]302 基座
[0112]303 加热器
[0113]310 气体供给口
[0114]320 气体排气机构
[0115]Tl?T5温度检测器
【主权项】
1.一种半导体制造装置，其特征在于具备: 盖部； 气体导入部，设置在所述盖部；以及 簇射板，通过与所述盖部的接合而形成能够收容从所述气体导入部所导入的气体的空间，且具有底部、及包围所述底部的外框部，且在所述底部设置有多个喷射口、第I冷却路径及第2冷却路径，所述多个喷射口喷射所述气体，所述第I冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于所述底部的中心部，所述第2冷却路径在所述多个喷射口与所述盖部之间配置于包围所述中心部的所述底部的外周部且与所述第I冷却路径不连接。2.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于还具备: 第I供给器，能够对所述第I冷却路径供给第I冷却介质；以及 第2供给器，能够对所述第2冷却路径供给第2冷却介质。3.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于:所述第2冷却路径沿所述外框部延伸。4.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于:所述底部的平面形状为圆状；且 在所述底部，所述外周部与被所述外周部包围的所述中心部配置成同心圆状。5.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于:所述第I冷却路径具有沿相对于从所述底部朝向所述盖部的第I方向交叉的第2方向延伸的部分。6.根据权利要求5所述的半导体制造装置，其特征在于:所述第2冷却路径具有沿所述第2方向延伸的部分、沿相对于所述第I方向及所述第2方向交叉的第3方向延伸的部分以及沿所述外框部的外端延伸的部分。7.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于:所述多个喷射口沿所述第I冷却路径延伸的方向或所述第2冷却路径延伸的方向排列。8.一种半导体装置的制造方法，其特征在于:使用根据权利要求1至7中任一项所述的半导体制造装置，且具备以下步骤: 将所述第I冷却路径的温度设定为第I温度，将所述第2冷却路径的温度设定为高于所述第I温度的第2温度，将包含含镓的第I有机原料气体及含氮气体的第I混合气体导入到所述空间，在衬底上形成含镓及氮的第I氮化物半导体层；以及 将所述第I冷却路径的温度设定为所述第I温度，将所述第2冷却路径的温度设定为低于所述第2温度的第3温度，将包含含镓的第I有机原料气体、含铝的第2有机原料气体及含氮气体的第2混合气体导入到所述空间，在所述第I氮化物半导体层上形成含镓、铝及氮的第2氮化物半导体层。
【文档编号】H01L21/67GK105990190SQ201510553387
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年9月2日
【发明人】原田佳幸, 财满康太郎, 羽生秀则, 片冈敬
【申请人】株式会社东芝