JPH01257322A

JPH01257322A - 半導体の製造方法

Info

Publication number: JPH01257322A
Application number: JP63191063A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshino; 明吉野; Kenji Okumura; 健治奥村; Toshiji Onishi; 大西　利治
Original assignee: Daido Sanso Co Ltd
Current assignee: Daido Sanso Co Ltd
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1989-10-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、真空室内、特に真空化学エピタキシー（Ｖ
ＣＥ）系において、化合物半導体層を成長させる半導体
の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、化合物半導体、特に■−Ｖ族化合物（例えばＧａ
Ａｓ）が、従来の珪素半導体よりも優れた性能を有する
としてその需要が増大している。

このような化合物半導体の製造方法として、超高真空中
で、エピタキシャル成長させる化合物に必要な原子を固
体材料からヒートガンによって蒸発させ、これを分子線
の形で基板に衝突させ、基板上に膜を成長させる分子線
エピタキシャル（（ＭＢ　Ｅ　）　Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ
　Ｂｅａｍ　Ｂｐｉｔａｘｙ）法や金属のメチルまたは
エチル化合物の蒸気をＨｚ等のキャリアガスで送って常
圧ないし減圧の反応室に導入し、そこで■族の水素化合
物と混合したのち、加熱した基板上で反応させ結晶を成
長させる有機金属ＣＶ　Ｄ　（（ＭＯＣＶ　Ｄ）　Ｍｅ
ｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のうち、分子線エピタキシャル法は
、大量生産が難しく市場の需要に見合うだけの供給をす
ることが困難であるという問題点を有している。また、
有機金属ＣＶＤ法は、生産能力は上記分子線エピタキシ
ャル法よりも高いが、使用する反応ガスが高価で、かつ
、その成長機構のために反応ガスの利用効率が悪くなる
という問題を有している。そのため、高価格を問題とし
ないような特殊用途以外に使用することは困難である。

また、上記有機金属ＣＶＤ法は、上記のように反応ガス
の利用効率が悪いことから大量の未反応ガス（毒性ガス
）を生じるうえ、蒸気圧の低い■族化合物をガス化し搬
送する目的で、大量に用いるＨｚ等のキャリアガスが、
上記未反応ガスに加わるため大量の毒性廃ガスを生じ、
これの廃棄等に大きな問題を有している。このような有
機金属ＣＶＤ法による従来の装置は、第６図に示すよう
になっている。すなわち、真空室１内に配設されたヒー
タ２の上に基板３を載置し、この基板３に向けて、真空
室１内の上部側に配設されたノズル４から半導体成長用
のガス状化合物を矢印Ａのように吐出するようになって
いる。この装置は、基板３をヒータ２の上に載せ基板３
を下側から加熱するため、基板３の上方で矢印Ｂのよう
な熱対流が生じるとともに、ヒータ２によって加熱され
た基板３から放散される熱が基板３の上面近傍で矢印Ｃ
のように生じる。その結果、ノズル４から吐出されるガ
ス状化合物が、上記矢印Ｂの熱対流、矢印Ｃの放散熱に
より押し上げられてその流れが乱されるため、基板３の
上面に均一な膜成長が行われなくなる。したがって、上
記装置には、得られる半導体膜（半導体層）の表面を平
滑に仕上げることが困難であるという大きな欠点がある
。この欠点は、上記矢印Ｂの熱対流によって基板３面に
到達しえず空中で接触反応して生成したＧａ・Ａｓ粒子
フラッグが空間を浮遊しランダムに半導体膜に付着する
ということにより助長される。

さらに、上記装置では、供給するガスの種類を変える場
合は、上記ノズル４に連結された複数のガス供給管のバ
ルブ５，６．７を切り替えるようになっているため、ノ
ズル４内に、直前に使用した化合物が残留してこれが不
純物となり良質の半導体を得にくいという問題も有して
いる。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、上
記ＭＢＥとＭＯＣＶＤの長所を組み合わせることにより
、半導体層表面が平滑で良質の半導体を、効率よく生産
できる半導体の製造方法の提供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体の製造方
法は、真空化学エピタキシー系の真空室内に配設された
基板の表面に半導体層を成長させる半導体の製造方法で
あって、上記真空室を高真空状態にし、かつ上記基板を
表面を下側にした状態で基板支持体に取り付け、この基
板の下方に半導体層成長用の反応ガスの吐出口を配設す
るとともに、上記基板支持体の上方にヒータを配設し、
上記吐出口から上記ガス体を基板に向けて吐出させると
ともに、上記ヒータの発熱により上記基板を加熱すると
いう構成をとる。

〔作用効果〕

すなわち、この発明の半導体の製造方法は、真空室を高
度に真空にして反応ガス分子の平均自由行程を大きくし
ガス分子を分子線として基板に効率よく衝突させるよう
にするため、反応ガスの利用効率が大幅に向上するよう
になる。そのうえ、真空室が上記のように高度に真空に
なっているため蒸気圧の低い■族化合物でもそのままガ
ス化して使用できる。その結果、■族化合物のガス化な
らびに搬送用のキャリアガスが不要になり、使用後のガ
スの廃棄処理も少量ですむようになる。さらに、この発
明の半導体の製造方法は、基板に対して、上方から加熱
を施し、下方から反応ガスを吐出させるため、熱対流は
基板の上側で生じ基板の下側では生じない、したがって
、基板の下側から吐出された反応ガスは、熱対流によっ
て影響を受けることなく基板面に到達し、基板面に極め
て表面平滑性に富んだ半導体層を形成するようになる。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明する
。

〔実施例〕

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例に用いる半導
体製造装置を示している。これらの図において２００は
真空化学エピタキシー（ＶａｃｕｕｍＣｈｅｍｉｃａｌ
　Ｈｐｉｔａｘｙ）系における真空室であり、その真空
室２００内に反応室１０が設けられている、この反応室
１０は、四角板状の床板１２と、その四角板状の床板１
２の四方の周縁部から上方に向かって延びる周壁１６と
、その周壁１６の上端に一方向へのスライド自在な状態
で載置される上板１８とで構成されている。この上板１
８には、その中央部に２個の穴部１８ａが設けられ、こ
の穴部１８ａに、それぞれ円板状のＧａＡｓ基板３００
が、表面を下側にした状態で穴部１８ａの内周縁に設け
られた段部１８ｂに支持され着脱自在に取付けられてい
る。上記上板１８は、その左右両側縁が下方にわん曲し
ていて、そのわん曲部が、上記四方の周壁１６のうちの
相対峙する左右−対の周壁１６の内側に設けられたスラ
イド段部１６ａに支持されることにより、真空室２００
に連設された基板着脱室５０（第４図参照）に向がって
スライドできるようになっている。第４図において、５
１は基板着脱室５０から弁５２を開いて真空室２００内
に延びるマジックハンドで、上記上板１８のわん曲部を
挟んだ状態でスライド移動し、上板１８を反応室１０に
適正に着脱する。５３は弁５２を開く前に基板着脱室５
０を真空室２００と同程度の真空状態にする真空ポンプ
である、上記反応室１０の周壁には、外周に沿って所定
間隙で排気口２０が設けられ、反応室ＩＯ内の未反応ガ
スないし余剰反応ガスを真空室１０に排出するようにな
っている。これら排気口２０の全体の面積は反応室１０
の上板１８の面積の略４％に設定されている。１４はそ
れぞれ床板１２における上記基板３００の真下の位置に
一定間隔（２５゜４ｍ）で、かつ上記基板３００に対し
て垂直になるように穿設された直径３．２閣のノズル孔
（下側から上側にかけて逆向き円錐状になり反応ガスを
均一吐出するようになっている）であり、反応室１０の
下方に配設された第１の混合室２４の天井部に穿設され
ている孔２６または３４に連通している。この孔２６お
よび３４は第５図に示すように、同数個が交互に配設さ
れており、孔２６は第１の混合室２４内に連通し、孔３
４は第１の混合室２４内を貫通しているダクト３２を介
して混合室２４の下側に設けられた第２の混合室３０に
連通している。第１の混合室２４内には第２図に示すよ
うに、側壁を貫通して原料注入管２２が連通しており、
この原料注入管２２からトリメチルガリウム（ＴＭＧａ
）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等の■族化合物（
反応ガス）が第１の混合室２４に送り込まれ、また、ｎ
型ならびにｐ型ドーパントが単独でもしくは上記■族化
合物とともに第１の混合室２４に送り込まれるようにな
っている。この化合物等は、第１の混合室２４内で均一
に混合されたのち孔２６およびノズル孔１４を通って、
上方に配設されている基板３００に向かって均一な分布
状態で吐出される。また、第２の混合室３０は、下部側
に開口を有し、その開口に、その開口を開閉するための
ポペット弁からなる排気弁３６が進退自在に設けられて
いる。そして、上記第２の混合室３０の側壁には、原料
注入管２８が連結されている。この原料注入管２８から
ｎ型、ｐ型ドーパントもしくはトリエチルアルミニウム
（ＴＥＡｆ）等の■族化合物等が第２の混合室３０に送
り込まれるようになっている。上記■族化合物は第２の
混合室３０およびダクト３２内で均一状態に混合された
のち、孔３４を介してノズル孔１４から基板３００に向
けて均一な分布状態で吐出される。なお、上記ダクト３
２は、第１の混合室２４内において、反応ガスの流通抵
抗になり撹拌作用を奏しめるため、第１の混合室２４内
における反応ガスの混合性の向上に寄与する、また、上
記第１および第２の混合室２４．３０は一体的に形成さ
れたステンレス鋼製のプロックでできており、ステンレ
ス鋼製の支持体４０で支持されている。４２はＡＳＨ３
等の■族化合物（反応ガス）を反応室１０内に供給する
ための供給管であり、第５図のように床板１２上の、孔
２６．３４を左右同数に２分割する位置に配設されてい
る。そして、この供給管４２には複数個の孔４２ａおよ
び孔４２ｂがそれぞれ一定間隔を保った状態で左右２列
に穿設されている。これにより、上記■族化合物が反応
室１０内に均一な分布状態で供給される。４４は反応室
１０の上４１８の上方に配設されたヒータ、４４ｃは均
熱板であり、基板３００を上方から主として輻射熱で加
熱することにより、基板３００を、その表面で半導体化
合物が成長できる温度まで加熱すると同時に、その加熱
により、熱対流等の影響を受けることなく半導体層が基
板３００の表面に均一に成長しうるようにしている。上
記ヒータ４４は第１図（ｂ）に示すように板状カーボン
グラファイトに筋状切り込み４４ａを交互に設け、両端
に電極４４ｂを取り付けて構成されている。このヒータ
４４は面状に均一加熱可能であるが、ヒータ４４の下側
に設けられた均熱板４４ｃにより、面状加熱の一層の均
一化がなされるようになる。

上記の装置を用いての半導体装置の製造はつぎのように
して行われる。すなわち、ＭＥＳＦＥＴエピタキシー層
の成長形成には、第１図のように反応室１０に基板３０
０（表面が下側になっている）付きの上板１８を装着し
、ついで真空室２００内を、真空度が１０”’トルの真
空状態にするとともに、ヒータ４４に電荷を負荷してヒ
ータ４４を発熱させ雰囲気温度を６５０°Ｃに加熱する
。その状態で、基板３００を、略１５分間加熱する。

ついで反応室１０の原料注入管２２からトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等
の■族化合物（反応ガス）を第１の混合室２４内に送り
込み混合室２４内で均一状態に混合したのち、ノズル孔
１４からＩ＋７ｉ３００の表面に向けて均一な分布状態
で吐出させると同時に、供給管４２に、ＡＳＨ＋または
アルキルアルシン等の■族化合物（反応ガス）、例えば
トリエチルアルシン（ＴＥＡｓ）を送り込み、これを孔
４２ａおよび孔４２ｂから反応室１０内に過剰に吐出さ
せる。その結果、反応室１０内に供給されるＶ族化合物
は、上記■族化合物等とともに基板３００の表面を横切
って排気口２０の方へと拡散しながら流れていく。その
間に、ＡＳＨ３やＴＥＡｓは熱分解してＡｓ、になり、
基板３００の表面に、上記ガリウム化合物のガリウムと
ともに接触し、無ドープの砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層
等として成長する。また、基板３００に接触しない未反
応の化合物は、排気口２０から外部に排出され、真空室
２００の側方に、排気手段によって吸い込まれる。上記
ＧａＡｓ層は、毎時路２μｍの成長速度で成長させるこ
とが好ましく、厚みを略１０４人に形成させることが好
適である。この場合、上記無ドープＧａＡｓ層内の不純
分の濃度はｌＸｌ０”原子／ｃＴ１以下になるように設
定することが好ましい。つぎに、ｎ型ドーパントを上記
■族、Ｖ族化合物とともに、もしくは単独で第２の混合
室３０から反応室１０に吐出させることにより、上記無
ドープＧａＡｓ層の表面にｎ型活性層を成長させる。こ
のｎ型活性層は、毎時路２μｍの成長速度で成長させる
ことが好ましく、その厚みが２Ｘ１０３人で、その中の
ｎ型ドーパントの濃度が略２Ｘ１０”原子／　ｃ４にな
るようにすることが好適である。そののち、ガスの供給
をすべて停止した状態で略１５分保持する。そして、基
板３００を冷却したのち反応室（真空室２００）１０か
ら取り出す、この取り出しは、つぎのようにして行われ
る。すなわち、基板着脱室５０内の真空度を真空室２０
０と同程度に高め、ついで弁５２を開き、マジックハン
ド５１を延ばして反応室１０の上板１８（基板３００を
有する）を把持させ、その状態でマジックハンド５１を
後退させ、上板１８をスライドさせて反応室１０の周壁
１６から取り外し基板着脱室５０内へ収容するというこ
とにより行われる。そして、取り出された基板３００に
は、既知の手段によって、信号源電極。

ドレーン電極およびゲート電極が設けられる。このよう
にして、均一なＭＥＳＦＥＴ半導体層を有する■−Ｖ化
合物半導体を得ることができる。

つぎに、ＨＥＭＴエピタキシー層の成長形成は、前記の
ように、反応室１０内に第１の混合室２４から■族化合
物を吐出させるとともに、供給管４２から■族化合物を
吐出させて基板３００上に無ドープのＧａＡｓ層を成長
させたのち、上記■族化合物および■族化合物に加えて
、第２の混合室３０からトリエチルアルミニウム（ＴＥ
Ａｆｆｉ）等のＡｌを含有する■族化合物を供給し、Ａ
ｌＧａＡｓ層る。ついで、ｎ型ドーパントを上記ＡＮ含有■族化合物
とともに反応室１０に吐出させ、上記ＡｌＧａＡｓ層の
上に、ｎ型Ａｊ！ＧａＡｓ層を成長させる。そののちへ
２含有■族化合物の供給を止め、ｎ型ドーパントを含有
するｎ型ＧａＡｓ層を成長させる。このようにしてＨＥ
ＭＴエピタキシー層の成長形成がなされる。

なお、上記の装置において、ノズル孔１４から基板３０
０までの距離を、その真空状態での■族化合物のガス分
子の平均自由行程（ガス分子が他の分子と衝突して反応
するまでに進む距離）よりも短く、かつ基板３００の表
面への化合物の分散状態が均一になるように設定してお
く。これをより詳しく説明すると、各ノズル孔１４から
円錐状に拡散していく■族化合物等の先端に形成される
各日が互いに交わる位置に基板３００を配設しておくと
ともに、基板３００に到達するガス分子の分布状態およ
びその衝突速度が、ガス分子が基板３００の表面に適当
な速度で成長するために充分であるように設定しておく
。または、予め設定されたノズル孔１４から基板３００
までの距離に対応させて、真空室２００内の真空度やガ
ス状化合物の吐出速度を調節したり、孔２６．３４およ
びノズル孔１４の個数、直径等を調節する。これにより
、規定厚み±５％の範囲内の厚み、より好ましくは規定
厚み±１％の範囲の厚みを有する半導体層を得ることが
できる。また、ＴＥＧａおよびＡｓＨ，等からＧａＡｓ
を得る場合の反応速度は、−触に、基板３００の温度が
高いほど早く進行するようになっているが、基板３００
の温度があまり高すぎると層状に形成されたものが再蒸
発し層成長速度を低下させる。このため基板３００の温
度は５００〜７００℃が好ましく、特に好ましいのは６
００〜６５０℃である。また、反応室１０内の真空状態
は１０″６トル以下が好ましい。

また、上記実施例の装置において、混合室を追加する場
合、排気弁３６は最下段の混合室に設けるか、またはそ
れぞれの混合室に設けるようにしてもよい、また、上記
の実施例では反応室１０の周壁１６に排気口２０を設け
ているが、周壁１６に排気口２０を設けず、周壁１６と
上板１８との隙間を排気路にするようにしてもよい、ま
た、上記実施例の装置では、混合室２４と３０を隔離し
た室とし、それぞれの混合室に連通したノズル孔１４か
ら異なる原料ガスを反応室１０に送るようになっている
が、混合室２４および３０を孔等により連通させ、それ
ぞれの原料注入管２２．２８から送られてくる原料ガス
を混合室２４内で混合したのち反応室１０に送るように
してもよい、さらに混合室に冷却用のジャケット等を設
けてそれに冷却水等を送ることにより、ガス状化合物を
適正温度に冷却できるようにしてもよい。これにより、
ガス状化合物の温度が過剰に高くなることを防止し、ガ
ス状化合物の早期反応を防止できるようになる。

以上のように、上記実施例は、ヒータ４４を上板１８の
上方に配設し、上方から基板３００を加熱するとともに
、半導体成長用のガス状化合物を基板３００の下方から
基板３００に向かって上向きに吐出させるため、ヒータ
４４の発熱による気体の対流に左右されず適正な処理が
でき、表面平滑性に富んだ半導体層を均一に成長させる
ことができる。また、反応ガスの利用効率が高くかつキ
ャリアガスを用いる必要がないため使用ガスが少量にな
り、廃棄等の処理が容易になる。

なお、上記実施例で用いた半導体製造装置は、混合室２
４および混合室３０から基板３００に向けて種類の異な
るガス状の■族化合物等を吐出できるようにしているた
め、従来の装置のように、′パルプの切り代え等の作業
を必要とせず効率のよい半導体の製造ができる。また、
ノズル孔１４に他種類のガス状化合物が残留しそれが不
純物となって得られる半導体の品質を低下させるという
ことがない。そのうえ、混合室２４．３０に連通ずる複
数個のノズル孔１４を同一平面上に一定間隔で配設する
とともに、上記複数個のノズル孔１４を２分割する位置
に配設した供給管４２からＶ族化合物を反応室１０内に
供給するようにし、かつ未反応の反応ガスを排出口２０
から反応室１０の外部に排出することにより、反応室１
０内に一定の流速の反応ガスの流れを生じさせるように
しているため、基板３００の表面に均一状態で反応ガス
を送ることができ、■−Ｖ族化合物からなる半導体層を
均一な状態で成長させることができる。

また、第２の混合室３０に排気弁３６を設けているため
ガス状化合物の基板３００への断続的な供給も可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の半導体製造装置を
示す縦断面図、第１図（ｂ）はそのヒータの平面図、第
２図は第１図（ａ）の要部の拡大図、第３図はさらにそ
の反応室の斜視図、第４図は基板供給装置を含めた平面
的断面図、第５図は反応室のノズル孔および供給管の分
布状態を示す平面図、第６図は従来例の断面図である。１０・・・反応室　１２・・・床板　１４・・・ノズル
孔１６・・・周壁　１８・・・上板　１８ａ・・・穴部
　１８ｂ・・・段部　２０・・・排気口　２２．２８・
・・原料注入管２４．３０・・・混合室　２６・・・孔
　３２・・・ダクト３６・・・排気弁　４２・・・供給
管　４２ａ、４２ｂ・・・孔　４４・・・ヒータ　４４
ｃ・・・均熱板　２００・・・真空室　３００・・・基
板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空化学エピタキシー系の真空室内に配設された
基板の表面に半導体層を成長させる半導体の製造方法で
あって、上記真空室を高真空状態にし、かつ上記基板を
表面を下側にした状態で基板支持体に取り付け、この基
板の下方に半導体層成長用の反応ガスの吐出口を配設す
るとともに、上記基板支持体の上方にヒータを配設し、
上記吐出口から上記ガス体を基板に向けて吐出させると
ともに、上記ヒータの発熱により上記基板を加熱するこ
とを特徴とする半導体の製造方法。
（２）ヒータによる基板の加熱が、ヒータと基板との間
に介在する均熱板を介して行われる請求項（１）記載の
方法。
（３）基板支持体に対する基板の取り付けが、基板支持
体に基板より僅かに小さい口径の穴部を設けるとともに
穴部の周縁に段部を設け、基板を上記穴部に合わせて段
部で支受させることにより行われている請求項（１）記
載の半導体の製造方法。