JPH0573246B2 - - Google Patents

Description

空準備室１２ とを備えた気相成長装置において、 不活性ガスを注入する第３のガス注入孔１１ａ
と、該不活ガスを排出する第３のガス排出孔１１
ｂと、上記準備室１２に連なり気密に閉じ得る第
１の開口部１２ｄと、上記気相成長反応室１３に
連なり気密に閉じ得る第２の開口部１３ｄと、上
記支持手段２５を上記準備室１２と上記気相成長
室１３の間を搬送する搬送手段１０を有し、上記
第１及び第２の開口部１２ｄ，１３ｄにおいて半
導体ウエハ挿入中は外気、また、気相成長反応中
は反応ガスから遮断され、上記第３のガス注入孔
１１ａと排出孔１１ｂによつて常時、不活性ガス
が循環する搬送室１１を設けることを特徴とする
有機金属気相成長装置。

【発明の詳細な説明】

〔概要〕 この発明は有機金属気相成長室と真空準備室と
の間に、常時清浄な不活性ガスが循環する搬送室
を設けて、外部から侵入した不純なガスを半導体
ウエハがこの搬送室を通過中に洗浄除去すること
により、気相成長室への不純ガスの侵入を防止
し、気相成長室における金属原子の酸化を防止
し、純度の高いエピタキシヤル結晶層の成長を可
能にする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は有機金属気相成長（MOCVD）法に
よる結晶成長装置に係わり、特に外界からの酸
素、水分の侵入を排除して高純度の結晶成長を行
える構造の装置に関する。

従来、半導体装置を製造する際、半導体基板上
に半導体結晶層を成長するエピタキヤル成長法が
知られており、これは半導体製造の基本的技術と
して広く用いられている。

このようなエピタキシヤル成長法は、化学的気
相成長法（CVD）、物理的気相成長法（PVC）、
液相成長法（LPE）、固相成長法（SPE）の方法
に大別されるが、そのなかのCVDに有機金属気
相成長法（Metal Organic Chemical Vapor
Deposition、以下MOCVDと略す）が開発されて
おり、これは例えばトリメチルアルミニユウム
（Tri−Methyl−Aluminm、TMAと略す）やト
リメチルガリユム（Tri−Methyl−Gallium、
TMGと略す）のような有機金属ガスを原料とし
て、それを熱分解させて金属原子を供給してエピ
タキシヤル結晶層を成長させる方法である。

MOCVDは非常に薄いエピタキシヤル結晶層
や、多層構造や、多原子混晶をその精密な成分制
御のもとに行うのに適し、更に−族、−
族等の化合物半導体、例えばアルミニウム・ガリ
ユウム・砒素（Aluminum−Gallium−
Arsenide、AlGaAsと略す）等の大量生産に適し
ているからである。

従つて、MOCVDは半導体産業において、
益々重要な地位を占めるに至つてきた。

しかしながら、MOCVDにより成長されるエ
ピタキシヤル結晶層は、当然のことながら
MOCVDの行われるガス成分によりその特性が
敏感に影響を受ける。特に、アルミニウムは非常
に酸化し易く、続いてアンチモン、インジユウ
ム、ガリユウムの順に酸化し易く、それら金属の
酸化は半導体製品の特性を劣化させる。従つて、
酸素や水分のような酸化力を持つ不純物を含む外
気を反応室に侵入させないための工夫が従来より
種々なされてきた。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕

これらの工夫のなかで、次の２方法が主な方法
としてMOCVDに採用されてきた。即ち、窒素
ガスが充填、循環された窒素室を、もう１つは真
空に引ける準備室を、設け、半導体ウエハがそれ
らの室を通過して反応室に充填される方法であ
る。

上記の窒素室を用いた装置を第３図に示す。同
図の装置で半導体ウエハを反応室に装填するに
は、まず窒素室３１の扉３１ｃを開いて外部より
ウエハ３７を同窒素室に搬入するが、その時サセ
プタ３３は点線で示す如く、窒素室内にあつて、
ウエハ３７をその上に受ける。扉３１ｃを閉じ、
同窒素室３１には清純で純粋な窒素ガスが、ガス
注入孔３１ａから注入され、ガス排出孔３１ｂか
ら排出されて常に循環している。この循環ガス流
が、ウエハやその工具と共に外部から窒素室内に
不必要に導入された外気を追い出す。続いて、蓋
３５は接続棒３６で支えられたサセプタ３３と共
に反応室３２の方向に移動して、窒素室３１から
反応室３２への入口を閉じる。このようにして、
ウエハの反応室３２への装填がおこなわれる。反
応室３２には、当初は清浄で純粋な窒素ガスがガ
ス注入孔３２ａから注入され、ガス排出孔３２ｂ
から排出される。この窒素ガスは水素ガス、アル
シンガス（AsH₃）や有機金属ガスへと切り換え
られて、図示されてない加熱装置によりウエハが
加熱されることにより、有機金属ガスが熱分解し
てMOCVD反応が行われ、ウエハ上にエピタキ
シヤル結晶層が成長される。

この方法で、窒素室内にて好ましくない外気ガ
スは追い出されたと述べたが、まだ幾らかの外気
ガスが同室内に残留する問題が残つている。

上記の第２の方法として、窒素室の代わりに真
空準備室を設ける方法は、図には示してないが、
第１図の窒素室３１をそのまま同じような構造の
真空準備室に置き換えるものである。この装置で
は扉３１ｃを通じてウエハ３７がサセプタ３３に
乗せられてから、扉３１ｃを気密に閉じて、排出
管３１ｂから排気を行い、同準備室を真空にす
る。その後、蓋３５を反応室３２方向に移動して
ウエハ３７を反応室３２に挿入し、蓋３５は準備
室３１から反応室３２に通じる入口を閉じる。そ
れ以後は窒素室の場合と同じである。

この真空準備室を用いると、外気排除の効果は
窒素室を用いる場合よりもかなり大きいが、それ
でも未だ好ましくない外気がウエハ等に付着して
残留し、アルミニウム等酸化し易い金属の酸化防
止は不十分であつた。この残留外気の排除を完全
に行うには、真空準備室での排気に長時間を費や
すとか、ある程度加熱を行うとか、さらに高真空
を達成できる高価な排気装置を用いるとかの対策
が必要であり、従来の技術では、生産の効率を維
持しながら、外気の影響を受けず純度の高い結晶
成長をおこなうことが不可能であつた。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたもの
で、簡易な構成で外気の影響を遮断し純度の高い
エピタキシヤル結晶層の成長が可能な有機金属気
相成長装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、不活性ガスが常時圧入、循環、
排出されていて、ウエハがその中を通過して反応
室に装填される搬送室を、従来の真空準備室と従
来の反応室との間に設けることによつて解決され
る。

さらに詳細には、半導体ウエハを搭載するサセ
プタと、該サセプタに一端が接続されている接続
棒と、該該続棒のもう一端が接続されている蓋と
を有する支持手段と、気相成長ガスを注入する第
１のガス注入孔と、該気相成長ガスを排出する第
１のガス排出孔とを有する気相成長反応室と、不
活性ガスを注入する第２のガス注入孔と、その他
端が排気装置に接続された第２の排気孔と、外界
に通じまた気密に閉じることの出来る扉を有し、
独立に真空にし得る真空準備室とを備えた気相成
長装置において、不活性ガスを注入する第３のガ
ス注入孔と、該不活ガスを排出する第３のガス排
出孔と、上記準備室に連なり気密に閉じ得る第１
の開口部と、上記気相成長反応室に連なり気密に
閉じ得る第２の開口部と、上記支持手段を上記準
備室と上記気相成長室の間を搬送する搬送手段を
有し、上記第１及び第２の開口部において半導体
ウエハ挿入中は外気、また、気相成長反応中は反
応ガスから遮断され、上記第３のガス注入孔と排
出孔によつて常時、不活性ガスが循環する搬送室
を設けた有機金属気相成長装置によつて解決され
る。

〔作用〕

真空準備室内に搬入されたウエハとそれを保持
するサセプタなどの工具類に伴われて真空準備室
に導入された好ましくない外気は、真空準備室を
排気することにより、その殆どは排出されるが、
それでも尚ウエハ等に付着して残留した外気は、
ウエハ等が反応室に向かつて搬送室内を移動する
間に、新鮮な不活性ガスにより洗われて除去され
る。搬送室の内部は常時新鮮な不活性ガスにより
充満、循環されており、真空準備室のように外気
に直接接触する機会がないので、その清浄の度合
は真空準備室のそれよりはるかに良好である。従
つて、反応室への外気の侵入は完全に防止され、
その結果エピタキシヤル結晶層内金属の酸化は防
止され、純度の高いエピタキシヤル結晶成長が可
能になる。

〔実施例〕

以下図面に示す１実施例により本発明の要旨を
具体的に説明する。

第１図は１実施例の構成を示す水平断面図で、
第２図は第１図の真空準備室と搬送室の側断面図
である。本発明の基本構成は搬送室１１と、それ
にそれぞれ開口部１２ｄと１３ｄを通じて、外部
に対して真空気密を維持しながら結合された真空
準備室１２と気相成長反応室（以下反応室と略
す）１３と、これら３つの室を移動する支持手段
２５と、搬送手段１０から成る。

支持手段２５は蓋１５と、その蓋に保持された
接続棒１６と、その接続棒の先端に保持されたグ
ラフアイト製のサセプタ１７とからなる。蓋１５
の接続棒１６とは反対側の面は搬送部品１８に固
定されている。蓋１５はサセプタ１７を真空準備
室１２に挿入しながら真空準備室方向に移動する
ことにより、Ｏリング１２ｅに接触し、最終的に
は真空準備室の開口部１２ｄを気密に閉じる。こ
の蓋１５の真空準備室側にはライナ管１４が図示
されていない器具によりサセプタ１７を囲むよう
な形で取りつけられている。このライナ管１４に
ついては後程詳細に述べる。蓋１５が真空準備室
１２の開口部１２ｂに達してそれを閉じる直前の
状態を第１図の点線にて示す。

真空準備室１２は一般にロード・ロツク・チエ
ンバと呼ばれるものである。その搬送室１１とは
反対の壁に、気密に開閉可能な扉１２ａを有し、
それを通してこれから気相成長が行われる半導体
ウエハ３７が搬入される。そのウエハは真空準備
室１２に充分挿入されたサセプタ１７の上に置か
れ、搬送室１１への開口部１２ｄは蓋１５とＯリ
ング１２ｅにより気密に閉じられている。扉１２
ａは気密に閉じられ、さらにガス排気孔２１を通
じ排気装置２２により10^-3Torr程度に排気され
る。この際、ウエハ等と共に真空準備室１２に導
入され酸素や水分を含む好ましくない外気は殆ど
排出される。排気ポンプは停止され、ガス注入孔
１２ｂから清浄な純粋窒素ガスが真空準備室内が
略１気圧になる迄注入される。ウエハ３７とライ
タ管１４を持つた支持手段２５は搬送室１１内に
設けられた下記に述べる搬送手段１０により、搬
送部品１８を介して搬送室内に引き出される。

搬送室１１内に設けられた搬送手段１０は、次
のような構成である。即ち、反応室１３や真空準
備室１２の中心軸に平行な１対のレール１９ａ上
を、上記搬送部品１８を保持する第１の搬送支持
体２０ａが、レール１９ａに平行な送りねじ１９
ｃの回転により駆動されて駆動する。この送りね
じは図示されてない電動機などにより回転駆動さ
れる。レール１９ａとその送りねじ１９ｃそれぞ
れの両端は第２の搬送支持体２０ｂにより保持さ
れている（第２図）。この第２の搬送支持体２０
ｂはレール１９ａに直角方向に設られた第２の１
対のレール１９ｂ上を、同レール１９ｂに平行に
設けられた第２の送りねじ１９ｄの回転により駆
動されて移動する。同送りねじ１９ｄは図示され
ていない電動機等により回転駆動される。

従つて、支持手段２５の真空準備室１２や反応
室１３への挿入、封止、引き出し等はレール１９
ａと送りねじ１９ｃによつておこなわれ、真空準
備室１２から反応室１３へ或いはその逆の搬送室
１１内での移動は、レール１９ｂと送りねじ１９
ｄによりおこなわれる。

搬送室１１の、真空準備室１２や反応室１３の
取り付けられている側壁上或いはその側壁近くに
ガス注入孔、１１ａが４個設けられ、またこの側
壁とは反対側の側壁上或いは側壁近くに４個のガ
ス排出孔１１ｂが設けられていて、清浄な純粋窒
素ガスがこれらを通して搬送室１１に常時注入、
排出されている。従つて、真空準備室１２にて排
出されたが尚ウエハやサセプタに付着して搬送室
１１に侵入した残留外気は、ウエハ３７を乗せた
支持手段２５が搬送室１１内を反応室１３に向か
つて移動する間に、搬送室１１内を循環している
上記の新鮮清浄な窒素ガスにより洗い落とされ排
出される。また、搬送室１１の内部は、これら新
鮮なガスにより常時満たされているので、外気に
直接接触することなく、真空準備室１２の内部に
較べて遥かに清浄な状態に維持されているので、
好ましくない外気の反応室１３への侵入はこの搬
送室１１の存在により完全に阻止される。

反応室１３の先端の壁１３′に設けられたガス
注入孔１３ｂから注入され、また搬送室１１への
開口部１３ｄ近くに設けられたガス排出孔１３ｃ
から排出されるガスは、MOCVD反応工程中以
外は清浄窒素ガスが用いられるが、その圧力は搬
送室１１内の窒素ガスのそれより僅かに高めに保
たれている。従つて、蓋１５が反応室１３を閉じ
る迄は、反応室１３から搬送室１１へ向かつて窒
素ガスが流れている。この流れは搬送室１１内窒
素ガスの循環の流れの方法、即ち反応室１３側か
らその反対側への方向と同じであるので互いに助
けあつて、搬送室１１内のガスの反応室１３内へ
の流入を阻止しており、反応室１３内のガスの純
度維持を行つている。

ウエハ３７が反応室１３内に挿入されると共
に、最終的には蓋１５はＯリング１３ｅを圧縮し
ながら開口部１３ｄを閉じる。反応室１３内の反
応は従来のMOCVDと同じであるが、一応以下
に簡単に説明する。ガス注入孔１３ｂからの注入
ガスは窒素ガスから、成長ガスのキヤリアとして
の水素ガスに切り換えられ、更にアルシンガスに
切り換えられ、続いて外部からの加熱装置たとえ
ば高周波コイル１３ａにより、サセプタ１７とウ
エハ３７はMOCVDの所定の反応温度、例えば
700°〜800℃に加熱される。その状態でガス導入
孔１３ｂからの導入ガスにTMAやTMGのよう
なエピタキシヤル結晶成長の為の成長ガスが図示
されてない源から、やはり図示されてない制御装
置により厳密に組成が制御されながら注入され、
それらがウエハの高温度により熱分解してアルミ
ニウム等の金属原子を供給してエピタキヤル結晶
層を成長させる。エピタキシヤル結晶層の成長が
完了し、成長ガスの供給を停止した後、300℃程
度までウエハの温度を低下させ、その後、アルシ
ンガスは水素ガスに切り換えられれ、更にそれは
窒素ガスに切り換えられる。支持手段２５は搬送
手段１１内に引き出されて、真空準備室１２に戻
るが、その過程は先に述べた反応室１３への装填
過程の単に逆であるに過ぎないので詳細な説明は
省略する。

真空準備室１２へ戻された支持手段２５とその
上のウエハ３７に付着されている反応室１３での
ガスは、排気装置２２によつて排気される。これ
はこれらのガスには砒素等有毒なものがあり、そ
れらを排除するためである。続いて、真空準備室
１２に窒素ガス１気圧まで注入し、扉１２ａを開
いてウエハ３７を取り出す。以上でもつて、
MOCVD反応の１サイクルが完了する。

上記の実施例では、蓋１５はウエハを支持する
手段と真空準備室１２或いは反応室１３の開口部
を閉鎖する手段を兼ねている。従つて、一方の開
口部を閉じている時、あるいは搬送室１１内を移
動中は、これら開口部は開放状態であり、搬送室
１１と他の室との間の隔離（ガスの流通遮断）は
行われていない。この隔離を更に完全にするため
に、それぞれの開口部１２ｄ，１３ｄにシヤツタ
１２ｆ，１３ｆを設けることができる。これらシ
ヤツタは第１図に点線にて示され、通常の蝶番方
式の扉である。これらのシヤツタが、蓋１５が不
在中の開口部を閉じることにより、真空準備室１
２から搬送室１１へ、或いは搬送室１１から反応
室１３への好ましくないガス流入を抑制する事が
できる。

ライナ管１４はMOCVDの反応により析出し
た金属等が反応室１３の内側に付着するのを、遮
蔽して防止するために設けられている。
MOCVDによるエピタキシヤル成長には、その
雰囲気ガスの組成が非常に厳密に制御されなけれ
ばならないが、反応室内壁に付着して残留する成
分があると、いくら厳密に注入ガスの組成を制御
しても、実際の反応にはその組成成分が維持出来
ないということが問題になるからである。

ライナ管１４は石英管で作成されており、その
外径はやはり石英管で作成されている反応質１３
の内径より僅かに小さくされている。その軸方向
の長さはライナ管１４が反応室１３に挿入され
て、蓋１５がその開口部１３ｄが閉じた時、反応
室１３の奥の側壁１３′にライナ管１４の先端が
達するように選ばれている。また、ライナ管１４
が反応室１３に完全に挿入された時の位置で、ガ
ス排出孔１３ｃに近い所のライナ管１４上に、ラ
イナ管の排出孔１３ｇが設けられている。これら
は、その側壁１３′にあるガス注入孔１３ｂから
の注入ガスをライナ管１４の中側に容易に流入さ
せ、ライナ管１４内を容易に流通した後、容易に
排出させることにより、反応室１３の内壁とライ
ナ管１４の間隙に成長ガスを流入させないためで
ある。若し、この間隙に成長ガスが流入すると、
サセプタやウエハからの高温度により、このガス
な熱分解して金属成分を分析して反応室１３内部
に付着するからである。

ライナ管１４の蓋１５へ取り付けは、図示され
てない部品により取り付けられているが、取り外
しが容易な構造となつている。従つてMOCVD
で汚れたライナ管１４は真空準備室１２に入つた
時、扉１２ａを通して、洗浄された新鮮なライナ
管と容易に交換される。反応室１３の内壁はその
入口部分に搬送室１１があるためその清掃作業は
容易でない。従つてライナ管１４を用いることに
より、反応室１３内の純度維持と同時に装置維持
のための作業が簡単になり、生産性向上に大きく
貢献している。

上記の実施例では、それぞれ１個の真空準備室
の反応室が設けられていたが、それらをそれぞれ
複数個設けることができる。複数個の真空準備室
はウエハの出し入れやライナ管交換のための待ち
時間を短縮し、複数個の反応室はMOCVD反応
のための待ち時間を短縮できる。それらの設置数
は、各装置における各工程の待ち時間等により決
定される。

また、上記実施例では、レール１９ａとその駆
動部の、真空準備室１２と反応室１３間の移動は
レール１９ｄによる横這い的な直線移動によつて
行われたが、このような直線移動でなく、搬送室
内の或る軸を中心とした回転動作による移動によ
り、出し入れする室を選択する方法も用いること
が出来る。その場合、当然それらの室は、前記の
軸を中心にして放射状に配列されることになる。

また、上記実施例の反応室、真空準備室は横型
の場合を例として説明しているが、反応室、真空
準備室が垂直型の場合にも本発明の趣旨が適用出
来ることは言うまでもない。

上記実施例における排出管１１ｂ，１３ｃおよ
び排気装置２２からの排出ガスは図示されていな
いガス収集装置により集められ、反応に用いられ
た砒素等の有毒成分が処理される。

以上の説明により判るごとく、本発明の装置に
よれば、外界の好ましないガス、即ち酸素や水分
の反応室への侵入を防止でき、これらのガスに容
易に酸化され易いAlGaAs等の純度の高いエピタ
キシヤル結晶層の成長が得られ、AlGaAs等を用
いた素子の特性向上が達成された。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、極めて簡
易な搬送室を設けることにより、MOCVD反応
室へのウエハの装填に際し、酸素や水分等好まし
くない成分を含む外気の反応室に侵入を、装置の
稼動効率を高く維持しながら完全に防止でき、そ
の結果純度の高いAlGaAs等の化合物半導体をエ
ピタキシヤル結晶層成長を可能にし、特性のよい
化合物半導体素子の大量生産を行え、その工業的
効果は頗る大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す水平断面図、
第２図は第１図の側断面図、第３図は従来の装置
の側断面図である。 図において、１０は搬送手段、１１は搬送室、
１２は真空準備室、１３は気相成長反応室、１１
ａ，１２ｂ，１３ｂはガス注入孔、１１ｂ，１３
ｂはガス排出孔、１４はライナ管、１５は蓋、１
７はサセプタ、１９ａ，１９ｂはレール、２２は
排気装置、２５は支持手段、３７はウエハであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエハ３７を搭載するサセプタ１７
   と、該サセプタに一端が接続されている接続棒１
   ６と、該該続棒のもう一端が接続されている蓋１
   ５とを有する支持手段２５と、 気相成長ガスを注入する第１のガス注入孔１３
   ｂと、該気相成長ガスを排出する第１のガス排出
   孔１３ｃとを有する気相成長反応室１３と、 不活性ガスを注入する第２のガス注入孔１２ｂ
   と、その他端が排気装置２２に接続された第２の
   排気孔２１と、外界に通じまた気密に閉じること
   の出来る扉１２ａを有し、独立に真空にし得る真