JPH0831418B2

JPH0831418B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JPH0831418B2
Application number: JP9165189A
Authority: JP
Inventors: 明吉野; 健治奥村; 宣典大森
Original assignee: 大同ほくさん株式会社
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1989-04-10
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH02268419A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、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
長を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で衝突さ
せ、基板上に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気を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〕Metal Organic
Chemical 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、上記の二種類の方法のうち、MBE法
は、10_-11トールオーダーの超高真空が必要である、
原料再充填時のダウンタイムが発生する、均一成長
を行うために基板回転機構が必要である等のことから、
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
ことが困難であり、大量生産に向いていない。したがつ
て、MOCVD法が注目され実際に利用されているが、この
方法は層流領域でのプロセスであるため、流れ方向に
分布を生じやすくスケールアツプの際の流れの解析が困
難である、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いという欠点がある。ま
た、このように反応ガスの利用効率が悪いことから多量
の未反応ガス（毒性ガス）を生じるうえ、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、これの廃棄等が大きな問題となつている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようにMBE法およびMOCVD法にはそれぞれ欠点があ
り、それらの欠点を完全に解消した半導体製造装置の提
供に求められている。このため、本発明者らは、本願に
先立つて上記MBE法とMOCVD法の長所を組み合わせた半導
体製造装置の開発に成功し、既に特許出願（特願昭63−
191060号）している。この半導体製造装置は第４図およ
び第５図に示すような構造になつている。これらの図に
おいて101は真空化学エピタキシー（Vacuum Chemical E
pitaxy）系における真空室であり、その真空室101内に
反応室102が設けられている。この反応室102は、床板10
6と、周壁107と、一方向へスライド自在な状態で載置さ
れる上板108とで構成されている。この上板108には穴部
108aが設けられ、この穴部108aに、それぞれ円板状のGa
As基板113が着脱自在に取付けられる。上記反応室102の
周壁には、外周に沿つて所定間隙で排気口110が設けら
れている。これら排気口110の全体の面積は反応室102の
上板108の全体の面積は反応室102の上板108の面積の略
４％に設定されている。109はそれぞれ床板106に一定間
隔で穿設されたノズル孔であり、反応室102の下方に配
設された第１の拡散室104の天井部に穿設されている孔1
09または134に連通している。この孔109は第１の拡散室
104内に連通し、孔134は第１の拡散室104内を貫通して
いるダクト119を介して第１の拡散室104の下側に設けら
れた第２の拡散室124に連通している。第１の拡散室104
内には原料注入管121が連通しており、この原料注入管1
21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の拡散
室104に送り込まれる。第２の拡散室124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136が進退自在に設けられてい
る。そして、上記第２の拡散室124の側壁には、原料注
入管122が連結されており、この原料注入管122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（TE
Al）等のIII族化合物等が第２の拡散室124に送り込まれ
るようになつている。142はAsH₃等のＶ族化合物を反応
室102内に供給するための供給管であり、複数個の孔142
aおよび孔142b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。105は反応室102の上板108の上
方に配設されたヒータ,105cは均熱板である。この半導
体装置において、MESFETエピタキシー層の成長形成に
は、反応室102に基板113（表面が下側になつている）を
装着し、ついで真空室101内を、真空度が１×10^-7トー
ル以下の真空状態にするとともに、ヒータ105に電荷を
負荷してヒータ105を発熱させる。そして、基板温度500
℃程度で供給管142に、AsH₃等のＶ族化合物を送り込
み、これを孔142aおよび孔142bから反応室102内に吐出
させる。反応室102内に供給されるＶ族化合物は、基板1
13の表面を横切つて排気口110の方へ向かい、その間にA
sH₃はホツトウオールである反応室の壁に何度も衝突し
熱分解してAs₂になる。ついで基板温度が所定のプロセ
ス温度（600〜650℃）に達した後、反応室102の原料注
入管121からトリエチルガリウム（TEGa）等のIII族化合
物を第１の拡散室104内に送り込み均一状態に混合した
のち、ノズル孔109から基板113に向けて均一な分子密度
で吐出させる。この際、III族化合物分子の平均自由工
程は、オリフイスからウエハーまでの距離に比べ長くな
るように設定してあるため、III族化合物分子が、原料
分子相互の衝突による散乱をうけず基板に到達する。こ
のIII族化合物分子は、基板113の表面に、上記As₂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113に接触しない未消費の化
合物は、排気口110から外部に排出され、真空室101の側
方に、排気手段によつて吸い込まれる。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の拡散室124から反応室102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。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113を冷却したのち反応室
（真空室101）102から取り出す。このようにして、均一
なMESFET半導体層を有するIII−Ｖ化合物半導体が得ら
れる。

しかしながら、上記の構造の半導体製造装置では、大
面積基板あるいは多数枚の基板の成長を行う場合、すな
わち、供給管を排気口との間の距離が長くなる場合に
は、AsH₃等のＶ族化合物供給管部と排気口部との間にＶ
族化合物の分子密度の分布を生じ、均一な半導体層の形
成が場合（低V/III比で成長する場合）によつて困難に
なるという欠点がある。また、基板113の外周縁部が第
６図に示すように、円周の全体に渡つて、段部108bから
なる基板保持部で支受されているため、反応室102の下
側部分から矢印Ｘのように上向きに走行する分子線が上
記段部108bで邪魔され基板113の外周縁部に到達しな
い。したがつて、第７図に示すように基板113の外周縁
部のみが未処理部として残つてしまい不経済である。

この発明はこのような事情を鑑みなされたもので、反
応室内にすべての反応ガスを均一な状態で分布させるこ
との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、真空室と、上記真空室内に設けられる反応室と、基
板を反応空間に接した状態で保持するように上記反応室
の天井部に設けられる基板保持部と、上記基板を加熱す
るように上記反応室の上方に設けられる加熱体と、上記
反応室の下側に設けられる反応ガス拡散室と、上記反応
ガス拡散室と反応室との境界部に所定間隔で一面に設け
られ両室を連通させる複数の連通孔と、先端側が上記反
応ガス拡散室内に延びその先端開口が反応ガス拡散室の
底面に向かつて開口している第１の反応ガス供給管と、
上記第１の反応ガス供給管の先端開口の外周部に水平に
設けられるつば部と、上記反応ガス拡散室の下側に設け
られる第２の拡散室と、上記第２の拡散室の天井部から
上記反応ガス拡散室の各連通孔に孔壁との間で隙間がで
きるようにそれぞれ延びる複数の連通管と、上記第２の
拡散室に第２の反応ガスを供給する反応ガス供給管を備
えるという構成をとる。

〔作用効果〕

すなわち、この半導体製造装置は、反応室の下側に新
たに反応ガス拡散室を設け、その反応ガス拡散室内に第
１の反応ガス供給管を延ばしてその先端開口を反応ガス
拡散室の底面に向け、かつ先端開口の外周に水平につば
部を形成している。したがつて、上記第１の反応ガス供
給管からAsH₃のような第１の反応ガスは、ガス分散効果
を有する反応ガス拡散室内に下向きに吹出し、ついでつ
ば部に当接し、つば部に沿つて水平に全方向に広がつて
ガス拡散室内に均一に拡散し、つぎにガス拡散室と反応
室の境界に設けられた連通孔から反応室内に供給され
る。したがつて、反応室には、反応ガスが均一な分子線
状態で供給されるようになる。すなわち、この半導体製
造装置では、第１の反応ガス供給管の下向き開口と、こ
の開口外周に設けられたつば部と、反応ガス拡散室の反
応ガス分散効果と、反応ガス拡散室と反応室との境界部
に所定間隔で一面に設けられた複数の連通孔との作用に
よりAsH₃のようなＶ族反応ガスが均一な分子線状態で反
応室に供給されるようになる。なお、TEAl等からなる第
２の反応ガスと、TEGa等からなる第３の反応ガスは反応
ガス拡散室の下側に設けられた第２の拡散室内で混合さ
れ、その状態で連通管を通つて上記反応室に均一供給さ
れる。この場合、第２の拡散室の底部に凹部を形成する
とともに凹部の開口の上側近傍に邪魔板を設け、凹部と
邪魔板とでつくられる空間を第３の拡散室に形成し、こ
の第３の拡散室の周壁の部分に、上記第２の反応ガスの
供給管と第３の反応ガスの供給管とを開口を略対面させ
た状態で取付け、上記両開口から第2,第３の反応ガスを
第３の拡散室に吹き出して混合したのち、上記第２の拡
散室の邪魔板と凹部開口との隙間から上記第２の拡散室
に供給するときには、両ガスの混合がより一層良好に行
われるようになる。また、上記反応室の天井部に基板寸
法と略同寸法の切欠穴を形成し、穴部の反応室に面した
周縁部に穴部円周に沿つて所定間隔で基板支持片を突設
するときには、穴部内周の全体に支持部を設ける場合に
比べて基板支持片によつて隠される基板の部分が極めて
少なくなるため、基板面の略全体を半導体層の形成に利
用できるようになる。

つぎに、実施例について説明する。

〔実施例〕

第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はこの発明の一実施例
の構成を示している。第１図（Ａ）において１は真空化
学エピタキシー（Vacuum Chemical Epitaxy）系におけ
るステンレス製の円筒状真空室であり、この真空室１内
に、壁面が炭化ケイ素コーテイングされたカーボングラ
フアイト製の反応室２と、上記と同様のカーボングラフ
アイトからなる反応ガス拡散室３と、ステンレス製の第
２の拡散室４とが一体化された状態で配設されている。
上記反応室２は、ヒータ５による加熱によつて壁面がホ
ツトウオールになり、そこに反応ガスの分子線が衝突し
てもその分子粒が付着せず反射するように、上記カーボ
ングラフアイトで構成されており、床板６と周壁７と天
井板８から構成されている。上記床板６には、一定間隔
で複数の連通孔９が形成され、それによつて反応室２と
その下側の反応ガス拡散室３とが連通状態になつてい
る。そして、上記周壁７の上部には円周に沿つて帯状に
排気口10が形成されている。また、上記天井板８には第
１図（Ｂ）に示すように４個の円形の切欠穴11が設けら
れ、その各切欠穴11の下側周縁部に、第２図および第３
図に示すように円周方向に1/4間隔で基板支持片12が突
設されている。この四個の基板支持片12によつて基板支
持部が構成される。そして、上記切欠穴11に円形の基板
13が着脱自在に挿嵌され、上記基板支持片12によつて支
持される。

反応室２の下に設けられた上記反応ガス拡散室３は、
上記反応室同様、壁面がホツトウオールになるように配
慮されており、床板と、周壁と、反応室２の床板６から
なる天井板とから構成されている。この反応ガス拡散室
３には、外部から第１の反応ガス供給管15が延びてお
り、その先端部が下向きに曲成されその開口16が下向き
に開口している。そして、開口16の外周部には円板状の
つば部17が水平に形成されている。これにより上記開口
16から吐出される第１の反応ガスがつば部17に沿つて水
平に全方向に均一拡散するようになつている。この反応
ガス拡散室３の下側には第２の拡散室４が形成されてい
る。

上記第２の拡散室４は、壁面をホツトウオールにする
必要が少ないことからステンレスによつて形成されてお
り、底板18と周壁７と、反応ガス拡散室３の底板14から
なる天井板とから構成されている。この拡散室４の天井
板から、ステンレス製の複数の連通管19が反応ガス拡散
室３の天井板６と同じに設けられた複数の連通孔９に向
かつてそれぞれ延びている。この場合、上記連通管19
と、それが延びている連通孔９の孔壁との間に隙間がで
きるように設定されている。そして、上記連通管19の存
在によつて拡散室４と反応室２とが連通状態になり、連
通管19と連通孔９の孔壁との間の隙間により反応ガス拡
散室３と反応室２とが連通状態になる。また、上記第２
の拡散室４の底部は、中央部が凹部20に形成され、その
凹部20の相対向する周壁の部分に、第２の反応ガスの供
給管21と第３の反応ガスの供給管22の先端開口21a,22a
が相対峙状態で開口している。そして凹部20の開口の少
し上側には、邪魔板23がその開口に対面した状態で設け
られており、この邪魔板23と上記凹部20とによつて第３
の拡散室24が形成されている。この第３の拡散室24内
で、上記第２および第３の反応ガスが、その吹き出し圧
力と邪魔板23との作用によつて均一混合状態となり、そ
の状態で邪魔板23と凹部20の開口との隙間から上記第２
の拡散室４に入る。そして、上記混合ガスは、さらに第
２の拡散室４内で均一に混合されたのち、上記連通管19
を通つて反応室２に到達する。なお、第１図（Ａ）にお
いて５はプレート状のヒーター、5aは均熱板であり、基
板13を上方から、主として輻射熱で加熱することによ
り、基板表面で半導体化合物が成長できる温度にする。
上記ヒーター５は第１図（Ｃ）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５′を交互に設け、両端
に電極を取付けて構成されている。このヒーター５は面
状に均一加熱が可能であるが、ヒーター５の下側に設け
られた均熱板5aにより面状加熱の一層の均一化がなされ
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（Ａ）のように、反応室２に基板13（表面が
下向きになつている）を装着し、ついで真空室１内を高
真空室状態にするとともに、ヒーター５に通電して発熱
させる。基板温度500℃程度で第１の反応ガス供給管15
からAsH₃等のＶ族化合物ガスをガス拡散室３内に送り込
み、内部で均一拡散状態にする。ついで、それを、反応
ガス拡散室３の天井部の一面に、均一間隔で形成された
連通孔９から反応室２内に吐出させる。反応室２内で
は、AsH₃等のガスが基板13の表面に接触しながら、反応
室２の周壁面に、円周に沿つて全周に帯状に設けられた
排気口の方へ拡散しながら流れる。その間にAsH₃等は熱
分解してAs₂になる。ついで、基板温度が所定の温度（6
00〜650℃）に達したのち第２の反応ガス供給管21から
トリエチルガリウム（TEGa）等のIII族化合物ガスを第
３の拡散室24内に送り込むと同時に、第３の反応ガス供
給管22からトリエチルアルミニウム（TEAl）等のIII族
化合物ガスを第３の拡散室24に送り込んで、先の反応ガ
スと混合し、その状態で第２の拡散室４内に供給する。
これらが基板の表面にAs₂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。なお、基板13
に接触しない未消費の化合物は、排気口10から外部に排
出され、排気手段によつて排出される。この場合、排気
口10が反応室２の周壁の全周に帯状に形成されているた
め、未消費ガスの排出が周壁の全周から均一になされる
ようになり、これも反応室２内における反応ガスの均一
分布に寄与している。つぎに、ｎ型ドーパントを上記II
I族,V族化合物とともに、もしくは単独で第２の拡散室
４から反応室２へ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。この後ガスの
供給をすべて停止した状態で所定時間保持し、基板13を
冷却したのち、反応室２から取り出す。このようにし
て、均一なMESFET半導体層を有する半導体を得ることが
できる。

なお、上記の実施例では基板13を４個使用している
が、基板13の数はこれに限定されるものではなく、１個
でもよいし、また複数個を使用するようにしても差し支
えはない。

このように、この実施例によれば真空室１内に真空室
１より小容量の反応室２を設け、この反応室２に基板13
を入れその状態で反応ガスを分子線の形で供給してその
成長を行わせるため、無駄なガスが少なくなり、反応ガ
スの利用効率を大幅に向上させることができる。また、
この装置では真空室１を高真空にできるため、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。
したがつて、その化合物搬送用のキヤリアガスが不要に
なり、使用後のガスの排気処理も少量で済むようにな
る。特に上記装置では、新たに反応ガス拡散室３を設
け、この内部に第１の反応ガス供給管15を下向きに配設
して、先端開口16につば部17を設け、反応ガスを均一拡
散した状態にするため、反応ガスが均一な状態で反応室
２に供給されるようになり、特に基板あるいはサセプタ
ーを回転させずに、大面積基板や多数枚の基板に、均質
な半導体層の形成を実現しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明の一実施例の構成を示す断面
図、第１図（Ｂ）はその基板保持部の平面図、第１図
（Ｃ）は同じくその加熱体の拡大平面図、第２図は基板
保持部の断面図、第３図はその配置状態を説明する平面
図、第４図はこの発明の基礎となる装置の断面図、第５
図はその要部の拡大図、第６図はその基板保持部の断面
図、第７図はその保持状態を説明する平面図である。１…真空室、２…反応室、３…反応ガス拡散室、４…第
２の拡散室、５…ヒータ、９…連通孔、10…排気口、11
…切欠穴、12…基板支持片、13…基板、15…第１の反応
ガス供給管、16…開口、17…つば部、19…連通管、21,2
2…第2,第３の反応ガス供給管、23…邪魔板、24…第３
の拡散室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室と、上記真空室内に設けられる反応
室と、基板を反応空間に接した状態で保持するように上
記反応室の天井部に設けられる基板保持部と、上記基板
を加熱するように上記反応室の上方に設けられる加熱体
と、上記反応室の下側に設けられる反応ガス拡散室と、
上記反応ガス拡散室と反応室との境界部に所定間隔で一
面に設けられ両室を連通させる複数の連通孔と、先端側
が上記反応ガス拡散室内に延びその先端開口が反応ガス
拡散室の底面に向かつて開口している第１の反応ガス供
給管と、上記第１の反応ガス供給管の先端開口の外周部
に水平に設けられるつば部と、上記反応ガス拡散室の下
側に設けられる第２の拡散室と、上記第２の拡散室の天
井部から上記反応ガス拡散室の各連通孔に孔壁との間で
隙間ができるようにそれぞれ延びる複数の連通管と、上
記第２の拡散室に第２の反応ガスを供給する反応ガス供
給管を備えていることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】第２の拡散室の底部に凹部が形成され、こ
の凹部の周壁部に、第２の反応ガス供給管と第３の反応
ガス供給管とが取付けられ、凹部の開口部の上側近傍に
邪魔板が開口に対面して設けられている請求項（１）記
載の半導体製造装置。
【請求項３】反応室の天井部に、基板寸法と略同寸法の
穴が形成され、その穴部の反応室に面した周縁部に、穴
部円周に沿つて所定間隔で基板支持片からなる基板保持
部が形成されている請求項（１）または請求項（２）記
載の半導体製造装置。