JPH0831415B2

JPH0831415B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JPH0831415B2
Application number: JP19106188A
Authority: JP
Inventors: 明吉野; 宣典大森; 利治大西
Original assignee: 大同ほくさん株式会社
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH02311A

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
（VCE）系において、化合物半導体層を成長させる半導
体製造装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、化合物半導体、特にIII−Ｖ族化合物（例えばG
aAs）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、エピタキシヤル成
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
によつて蒸発させ、これを分子線の形で基板に衝突さ
せ、基板上の膜を成長させる分子線エピタキシヤル
（〔MBE〕Molecular Beam Epitaxy）法や、金属のメチ
ルまたはエチル化合物の蒸発をH₂等のキヤリアガスで送
つて常圧ないし減圧の反応室に導入し、そこでＶ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CVD（〔MOCVD〕Metalorgamic C
hemical Vapor 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、分子線エピタキシヤル法
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
シヤル法よりも高いが、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III族化合物をガス化
し搬送する目的で大量に用いるH₂等のキヤリアガスが上
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
つている。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つている。
この装置は、１回の処理ごとに容積の大きな真空室１に
半導体成長用のガス状化合物（反応ガス）を充満させ、
処理後にそれを廃棄するため、廃棄ガス中に半導体成長
に関与していない未反応ガスがかなり多量に含まれてお
り、反応ガスの利用効率が悪い。また、上記装置は、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によつて加熱された基板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。したがつて、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の熱対流によつて基板３面に到達しえず空中で接触反
応して生成したGa・As粒子フラツグが空中を浮遊しラン
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。

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
半導体製造装置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、この発明の半導体製造装
置は、高度に真空になしうる真空室と、この真空室内に
配設された基板支持用の基板支持具と、反応ガス供給手
段と、基板の加熱手段とを備えた半導体製造装置におい
て、底面部とその外周縁部から起立する周壁とこの周壁
で囲われた反応空間を開閉自在に蓋する上板とからなる
反応室を上記真空室内に設け、上記反応室の上板に、基
板を上記反応空間に接した状態で保持する保持部を設け
るとともに、反応室の底面部に、上記保持部に保持され
た基板に対して反応ガスを吐出する反応ガス供給手段を
設け、反応室の周壁もしくはこの周壁と上板との間に反
応ガス排出路を設け、かつ上記反応室の上板の上方に加
熱手段を位置決め配設するという構成をとる。

〔作用効果〕

すなわち、この発明の半導体製造装置は、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
にすると同時に、真空室内に、真空室より小容量の反応
室を新たに設け、この反応室に基板を入れ、その状態で
反応室に反応ガスを供給して半導体層の成長を行わせる
ため、反応ガスの利用効率が大幅に向上するようにな
る。また、この装置は、真空室が高度に真空になつてい
て蒸気圧の低いIII族化合物でもそのままガス化して使
用できるため、III族化合物のガス化ならびに搬送用の
キヤリアガスが不要になる。そのため使用後のガスの廃
棄処理も少量ですむようになる。そのうえ、反応室を構
成する上板に基板を保持させ、かつ反応室の底部に反応
ガス吐出部を設けるとともに反応室の上板の上方にヒー
タを設け、反応室内に吐出された反応ガスが熱対流等に
より影響を受けないようにしているため、極めて表面平
滑性に富んだ半導体層を形成できるようになる。

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の半導体製
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（Vacuum Chemical Epitaxy）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12の四方の周縁部から上方に向かつて延
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18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
右一対の周壁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）に向かつてスライドできるように
なつている。第４図において、51は基板着脱室50から弁
52を開いて真空室200内に延びるマジツクハンドで、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50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、外周に沿つ
て所定間隙で排気口20が設けられ、反応室10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
つている。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.
4mm）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3.2mm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
つている）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34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III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III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つてい
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を通つて、上方に配設さ
れている基板300に向かつ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ツト弁からな
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（TEAl）等のIII族化合物等
が第２の混合室30に送り込まれるようになつている。上
記III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32は、第１の混合室24内において、反応ガス
の流通抵抗になり攪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ブロツクでできており、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Ｖ
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
定間隔を保つた状態で左右２列に穿設されている。これ
により、上記Ｖ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の上板18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
して軸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
カーボングラフア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。

動作において、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300（表面が下側に
なつている）付きの上板18を装着し、ついで真空室200
内を、真空度が10^-7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℃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
III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
ら基板300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、AsH₃またはアルキルアルシン等
のＶ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III族化合物等とともに基
板300の表面を横切つて排気口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As₂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、排気手段によつて吸い込まれる。上記GaAs層
は、毎時略２μｍの成長速度で成長させることが好まし
く、厚みを略10⁴Å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１×10
¹⁵原子／cm³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III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、毎時略２μ
ｍの成長速度で成長させることが好ましく、その厚みが
２×10³Åで、その中のｎ型ドーパントの濃度が略２×1
0¹⁷原子／cm³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20
0）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200と同程度に高め、ついで弁52を開き、マジツクハ
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、その状態でマジツクハンド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
よつて、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III−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III族化合物を
吐出させるとともに、供給管42からＶ族化合物を吐出さ
せて基板300上に無ドープのGaAs層を成長させたのた、
上記III族化合物およびＶ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（TEAl）等のAlを含
有するIII族化合物を供給し、AlGaAsからなるHEMTエピ
タキシー層を成長させる。ついで、ｎ型ドーパントを上
記Al含有III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AlGaAs層を成長させる。そのの
ちAl含有III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HEMT
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300
までの距離を、その真空状態でのIII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III族化合物等の先端に形成される
各円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AsH₃等からGaAsを得る場合の反応速度は、一般
に、基板300の温度が高いほど早く進行するようになつ
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600〜650℃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
の装置および第１図の装置では、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に送るようになつているが、
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ヤケツ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、上記実施例の装置は、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に向かつ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、上記半導体製造装置は、混合室24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III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、バルブ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つ
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に連通する複数個のノズル
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10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、III−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。さらに、反応ガスの利用効率が高くかつキヤリ
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。

【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、44c……均熱板、200……真
空室、300……基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高度に真空になしうる真空室と、この真空
室内に配設された基板支持用の基板支持具と、反応ガス
供給手段と、基板の加熱手段とを備えた半導体製造装置
において、底面部とその外周縁部から起立する周壁とこ
の周壁で囲われた反応空間を開閉自在に蓋する上板とか
らなる反応室を上記真空室内に設け、上記反応室の上板
に、基板を上記反応空間に接した状態で保持する保持部
を設けるとともに、反応室の底面部に、上記保持部に保
持された基板に対して反応ガスを吐出する反応ガス供給
手段を設け、反応室の周壁もしくはこの周壁と上板との
間に反応ガス排出路を設け、かつ上記反応室の上板の上
方に加熱手段を位置決め配設した半導体製造装置。
【請求項２】上記反応室の底面部に反応ガス吐出用の複
数のノズル孔を設けるとともに、反応室の下側に第１お
よび第２の混合室を多段式に設け、これら第１および第
２の混合室にそれぞれ異種の反応ガスを注入する注入手
段を設け、上記第１の混合室の天井部にその混合室内の
反応ガスを上記反応室の底面部の所定のノズル孔に導く
出口を設け、かつ上記第２の混合室の天井部にその混合
室内の反応ガスを取り出す出口を設けるとともに、この
出口から上記第１の混合室を通り抜けて上記反応室の底
面部の所定のノズル孔に延びる反応ガス流路を設けた請
求項（１）記載の半導体製造装置。
【請求項３】上記反応室の底面部に設けられた反応ガス
吐出用の複数のノズル孔を実質的に同数からなるノズル
孔群に左右に分割するよう上記反応室の底面部上に設け
られた反応ガス吐出用の吐出源を設けた請求項（１）ま
たは（２）記載の半導体製造装置。