DE10222114A1

DE10222114A1 - Verfahren und System zur Herstellung eines III-V-Verbindungshalbleiters sowie III-V-Verbindungshalbleiter

Info

Publication number: DE10222114A1
Application number: DE10222114A
Authority: DE
Inventors: Toshihisa Katamine; Yasushi Iyechika; Tomoyuki Takada; Yoshihiko Tsuchida; Masaya Shimizu
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-01-02
Also published as: CN1387233A; US20020170484A1; GB2376694A; SG125069A1; KR20020088397A; US6875273B2; GB0211148D0; GB2376694B

Abstract

In einem Halbleiterherstellungssystem zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters durch MOCVD ist ein Einlaufteil zum Leiten von Speisegas, das aus einer Speisegas-Zufuhreinheit zugeführt wird, auf die Oberfläche eines in einem Reaktor angeordneten Halbleitersubstrats vorgesehen, ein Hauptkörper des Einlaufteils ist durch ein Hohlteil so gebildet, daß es einen Speisegas-Leitkanal zum Leiten des Speisegases in einer vorgeschriebenen Richtung bildet, und ist mit mehreren Öffnungen ausgebildet, und das Speisegas im Speisegas-Leitkanal wird aus den Öffnungen in senkrechter Richtung zur vorgeschriebenen Richtung so ausgestoßen, daß das Halbleitersubstrat in einer Speisegasströmung gebadet wird, die aus dem Einlaufteil auf diese Weise ausgestoßen wird. Ferner kann durch eine Druckdifferenz, die zwischen der Innenseite und Außenseite des Düsenteils erzeugt wird, das aus dem Düsenteil ausgestoßene Speisegas über die gesamte Oberfläche des Substrats mit einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit strömen. Die mehreren Speisegase werden einzeln in die Umgebung des Substrats geleitet, und das Blasegas bläst die mehreren Speisegase zum Substrat, um einen gewünschten Dünnfilmkristall vorteilhaft zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines III-V-Verbindungshalbleiters, die die Bildung einer Kristallwachstumsschicht eines Dünnfilm-Verbindungshalbleiters gleichmäßiger Dicke durch Aufdampfen ermöglichen, sowie einen III-V-Verbindungshalbleiter.

Bei der Fertigung verschiedener Verbindungshalbleiterbauelemente verwendet man in der Praxis herkömmlich einen Halbleiter-Einkristallwafer, der durch aufeinanderfolgendes Überziehen erforderlicher Einkristallschichten auf ein Substrat gebildet wird, wobei Hydrid-VPE, wobei es sich um ein Verfahren zum Ziehen einer Epitaxialkristallschicht unter Verwendung einer Wasserstoffverbindung, z. B. AsH₃ oder PH₃, in einem Rohmaterial der Gruppe V handelt, metallorganisches chemisches Aufdampfen (MOCVD), wobei es sich um ein Verfahren zum Ziehen einer Epitaxialkristallschicht durch thermisches Zersetzen eines metallorganischen Komplexes handelt, oder ein anderes derartiges Verfahren zum Einsatz kommen.

Zum Beispiel führen die am weitesten verbreiteten Halbleiterherstellungssysteme unter Nutzung des MOCVD-Verfahrens das Speisegas durch einen einzelnen Zufuhranschluß in den MOCVD-Reaktor. Bei dieser herkömmlichen Technologie erfolgt der Schritt des Leitens des Speisegases vom Zufuhranschluß zum Substrat, das im Reaktor zum Ziehen einer Einkristall- Dünnfilmschicht darauf plaziert ist, durch Führen des Speisegases über eine relativ lange Entfernung stromaufwärts vom Substrat im Reaktor, um eine Schichtströmung des Speisegases mit einer ausreichend gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit und Rohmaterialkonzentration zu erhalten. Andererseits wurde ein Reaktor entwickelt, der die Entfernung zwischen dem Rohmaterial-Zufuhranschluß und dem Substrat verkürzt, indem eine ebene poröse Platte als Zufuhranschluß verwendet und das Substrat gegenüber der porösen Platte plaziert wird.

Um eine Schichtströmung von Speisegas mit gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit und erwünschter Konzentration mit der o. g. herkömmlichen Konfiguration zu erzielen, ist es aber notwendig, das Speisegas in Berührung mit der Wand des Reaktors, die eine hohe Temperatur hat, über eine relativ lange Entfernung fließen zu lassen. Damit geht eine Reihe von Problemen einher, z. B. daß die Kristallreinheit beeinträchtigt wird, weil die von der Wand absorbierte Wärme verfrühte Zersetzung des Rohmaterials bewirkt, und daß der Wirkungsgrad der Rohmaterialnutzung beeinträchtigt wird.

Da zudem das Speisegase durch einen einzelnen, im Reaktor geeignet gebildeten Einlaß in den Reaktor geführt wird, erfährt das so eingeleitete Speisegas leicht eine unausgeglichene Strömung aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Strömungswegs. Dadurch entstehen verschiedene Probleme, u. a. ungleichmäßige Dicke der Epitaxialkristallschicht, die auf dem Halbleitersubstrat durch Epitaxialaufdampfen gebildet wird. Bei Anwendung eines Zufuhranschlusses vom Typ mit ebener poröser Platte ist außerdem eine Regulierung der Rohmaterial- Zufuhrgeschwindigkeit innerhalb der Ebene unmöglich, was es erschwert, die Dicke des abgeschiedenen Films ausreichend gleichmäßig werden zu lassen.

Bei einem Halbleiter-Einkristallwafer, der z. B. zur Fertigung eines LED-Bauelements zum Einsatz kommt, ist die gleichmäßige Dicke der Epitaxialkristallschichten entscheidend zum Minimieren von Wellenlängen- und Leistungskennwertstreuung unter den mit dem Wafer hergestellten LEDs. Wegen solcher Ungleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schichten ist es aber schwierig, LEDs mit den gleichen Kennwerten über den gesamten Halbleiter-Einkristallwafer zu bilden. Damit steigen die Kosten, da es notwendig ist, z. B. Verfahren zum Prüfen der Kennwerte der gefertigten LEDs und zu ihrem Sortieren nach beabsichtigter Verwendung einzurichten.

Wird eine erforderliche Verbindungshalbleiter-Einkristallschicht durch eines dieser unterschiedlichen Aufdampfverfahren gebildet, beeinflußt die Qualität der gebildeten Epitaxialkristallschicht stark die Eigenschaften des fertigen Halbleiterbauelements.

Um die Dicke einer auf einem Substrat gebildeten Epitaxialkristallschicht durchweg gleichmäßig werden zu lassen, ist es entscheidend, die Strömungsgeschwindigkeit des in den Reaktor geführten Speisegases über die gesamte Oberfläche des Substrats zu vergleichmäßigen. Erschwert wird dies durch die Tatsache, daß das auf dem Heizer im Reaktor angeordnete Substrat so gesteuert wird, daß eine erforderliche Wachstumstemperatur z. B. durch Hochfrequenz-Induktionserwärmung gewahrt bleibt. Da diese Temperatur mit mindestens rund 600°C hoch ist, wird die Strömung des in den Reaktor eingeleiteten Speisegases durch die Wärme gestört. Daher ist es äußerst schwierig, eine gleichmäßige Strömung des Speisegases an der Substratoberfläche zu erreichen. Besonders gilt dies in einem Hochtemperatur-Herstellungsverfahren mit Wachstumstemperaturen von 1000°C und darüber, z. B. bei der Herstellung eines Wafers für GaN-System-LEDs.

Beim Mischen einzeln zugeführter Speisegase, um eine erforderliche Mischkristallabscheidung auf ein Substrat vorzunehmen, wird zur Fertigung von III-V-Halbleiter-Einkristallwafern, die durch aufeinanderfolgendes Auftragen von Einkristall-Dünnfilmschichten auf ein Halbleiter- oder anderes geeignetes Substrat hergestellt werden, die Herstellung von Wafern mit Hilfe von Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE), bei der es sich um ein Verfahren zum Ziehen einer Epitaxialkristallschicht unter Verwendung einer Wasserstoffverbindung, z. B. AsH₃ oder PH₃, in einem Rohmaterial der Gruppe V handelt, metallorganischer chemischer Dampfphasenbeschichtung (MOCVD), bei der es sich um ein Verfahren zum Ziehen einer Epitaxialkristallschicht durch thermisches Zersetzen eines metallorganischen Komplexes handelt, oder ein anderes derartiges Verfahren durchgeführt.

Bei der Herstellung eines GaN-basierten III-V-Verbindungshalbleiter-Einkristallwafers (z. B. eines InGaAlN-Wafers) durch eines dieser Verfahren wird ein vorab auf eine richtige Temperatur gesteuertes Substrat in einen Reaktor eingesetzt, Speisegas der Gruppe III, Speisegas der Gruppe V und Speisegas zum Dotieren werden in den Reaktor aus einer externen Speisegas-Zufuhrquelle eingeleitet, und ein Gemisch aus diesen Speisegasen wird auf das Substrat geleitet, um das erforderliche Kristallwachstum auf dem Substrat durchzuführen.

Allerdings ist bekannt, daß bei Herstellung von III-V- Verbindungshalbleitern durch HVPE oder MOCVD auf diese Weise die hohe Temperatur (700°C bis 1100°C) im Reaktor bewirkt, daß Nebenreaktionen zwischen dem Material der Gruppe V und den die Rohmaterialien der Gruppe III und/oder Gruppe II bildenden metallorganischen Komplexen auftreten, bevor sie das Substrat erreichen. Zum Beispiel kommt es zu Nebenreaktionen aufgrund von vorzeitiger Zersetzung zwischen dem Rohmaterial der Gruppe III Trimethylindium (TMIn) und dem Rohmaterial der Gruppe V Phosphin (PH₃) sowie zwischen dem Rohmaterial der Gruppe III Trimethylgallium (TMGa) und dem Rohmaterial der Gruppe V Ammoniak (NH₃).

Treten Nebenreaktionen zwischen unterschiedlichen III-V- Speisegasen auf diese Weise beim Bilden eines Mischkristalls auf, der sich aus einem GaN-Kristall und AlN-Kristall zusammensetzt, stimmt die Zusammensetzung des produzierten Kristalldünnfilms nicht mit der beabsichtigten Zusammensetzung überein, da das als AlN-Material zugeführte Trimethylaluminium (TMAl) und das als Dotant zugeführte bis-Ethylcyclopentadienylmagnesium ((EtCp)₂Mg) durch Nebenreaktionen verbraucht werden. Als zusätzliches Problem kommt es zu merklicher Abnahme der Kristallabscheidungsgeschwindigkeit. Beim Auftreten von Nebenreaktionen wirken zudem die Produkte der Nebenreaktionen als Keine, die zu abnormem Teilchenwachstum auf dem Substrat führen. Da dies die Kristallqualität beeinträchtigt, wird es schwierig, Bedingungen für stabiles und effektives Wachstum von Dünnfilm-Kristallschichten auf dem Substrat zu gewährleisten, was noch ein weiteres Problem verursacht.

Da ferner die Nebenreaktionen die Kristallabscheidungsgeschwindigkeit verlangsamen, werden die produzierten Kristallfilme dünn. Außerdem oder statt dessen lagern sich die Produkte der Nebenreaktionen in großen Mengen auf der Stromaufwärtsseite des Reaktors ab. Damit steigen Wartungskosten aufgrund von Zeit und Aufwand, die zur häufig notwendigen Entfernung der Ablagerungen aufgebracht werden müssen.

Daher besteht ein herkömmliches Verfahren, das z. B. bei erforderlicher Herstellung hochqualitativer Dünnfilm-Kristallschichten zum Einsatz kommt, darin, das Auftreten von Nebenreaktionen vor der Dünnfilm-Kristallabscheidung zu unterdrücken, indem die Speisegase nach Bedarf einzeln auf das Substrat geführt werden.

Werden aber unterschiedliche Speisegasarten einzeln auf ein Halbleiter- oder anderes Substrat geführt, ist die Vermischung der zugeführten Speisegase unzureichend. Dies führt zu verschiedenen Schwierigkeiten, z. B. daß ein Dünnfilmkristall mit gewünschter Zusammensetzung nicht in der vorgeschriebenen Dicke abgeschieden werden kann. Beim Abscheiden z. B. eines GaN-basierten Dünnfilmkristalls verlangsamt natürlich eine ungenügende Vermischung der Speisegase die Abscheidungsgeschwindigkeit und bewirkt zudem, daß der Mischkristall einen geringeren Gehalt an Al, In und anderen Elementen der Gruppe III neben Ga hat, und senkt im Fall der Zugabe eines Elements der Gruppe II als Dotant die Kristallabscheidungsgeschwindigkeit und/oder verringert den Einbauwirkungsgrad des Elements der Gruppe II.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die die o. g. Problempunkte des Stands der Technik überwinden, und einen Verbindungshalbleiter mit einer oder mehreren Halbleiterdünnfilmschichten hoher Qualität bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die Speisegas so auf ein Substrat führen können, daß eine hochqualitative Halbleiterdünnfilmschicht gebildet wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die Speisegas auf ein Substrat führen können, ohne daß eine unausgeglichene Strömung auftritt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die Speisegas auf ein Substrat führen können, ohne daß es zu vorzeitiger Zersetzung kommt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die Speisegas so auf ein Substrat führen können, daß mehrere Speisegase vollständig gemischt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters bereitzustellen, die eine gleichmäßige Strömung mehrerer Speisegase so auf ein Substrat führen können, daß die mehreren Speisegase vollständig gemischt werden.

Aufgrund von Ergebnissen umfangreicher Untersuchungen des Speisegas-Zufuhrsystems mit dem Ziel der Überwindung der o. g. Probleme wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß diese Probleme gelöst werden können, indem die Rohmaterialzuführ so abgewandelt wird, daß ein Rohmaterial-Zufuhrsystem geschaffen wird, das sich von dem des Stands der Technik unterscheidet. Dadurch kam die Erfindung zustande.

Die o. g. Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Die Erfindung überwindet die Nachteile des Stands der Technik durch Bereitstellung eines Halbleiterherstellungssystems zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters durch MOCVD, wobei ein Einlaufteil zum Leiten von Speisegas, das von außen auf die Oberfläche eines in einem Reaktor angeordneten Halbleitersubstrats geführt wird, als Hohlteil gebildet ist und das Speisegas aus dem Hohlteil in einer gleichmäßigen Menge in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Richtung ausgestoßen wird, in der die Speisegasströmung innerhalb des Hohlteils geleitet wird, so daß das Halbleitersubstrat in der Speisegasströmung, die aus dem Einlaufteil ausgestoßen wird, in gleichmäßiger Menge überflutet bzw. gebadet wird.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem bereit, das mit einer Speisegas-Zufuhreinheit und einem Reaktor zum Aufnehmen von Speisegas aus der Speisegas-Zufuhreinheit und Bilden einer Dünnfilmkristallschicht auf einem Halbleitersubstrat durch metallorganisches chemisches Aufdampfen ausgerüstet ist, wobei das Halbleiterherstellungssystem dadurch gekennzeichnet ist, daß es ein Einlaufteil aufweist, das im Reaktor zum Zuführen des aus der Speisegas-Zufuhreinheit empfangenen Speisegases auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist, wobei das Einlaufteil einen hohlraumartigen Leitkanal zum Leiten des Speisegases aus der Speisegas-Zufuhreinheit in einer vorgeschriebenen ersten Richtung und eine Gasdüse zum Ausstoßen des Speisegases aus dem hohlraumartigen Leitkanal in einer zweiten Richtung aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung ist, wobei das Halbleitersubstrat in der Speisegasströmung aus der Gasdüse gebadet wird.

Gemäß diesem zuvor beschriebenen Verbindungshalbleiter- Herstellungssystem ermöglicht die Verwendung des aus einem geeigneten Hohlteil bestehenden Einlaufteils die Zufuhr des Speisegases auf das Halbleitersubstrat aus einer oder mehreren Öffnungen, die eine Gasdüse bilden und in einem Hohlteil mit einer stabartigen oder Ringform gebildet sind. Durch Bewirken von Kristallwachstum, wobei das Substrat so plaziert es, daß es in der aus der Düse zugeführten Gasströmung gebadet wird, kann daher sehr gleichmäßiges Kristallwachstum erreicht werden. Das Einlaufteil kann durch eine Kühleinrichtung leicht gekühlt werden. Da somit die Speisegas-Zufuhranschlüsse näher an die Kristallwachstumsstelle gebracht werden können, als dies mit einem herkömmlichen System möglich ist, kann das Speisegas temperaturgesteuert und zur Kristallwachstumsstelle in einem frischeren Zustand als bisher gebracht werden, was die Kristallreinheit erhöht und den Wirkungsgrad der Rohmaterialnutzung verbessert.

Erfindungsgemäß ermöglicht eine Druckdifferenz, die zwischen der Innenseite und Außenseite des Speisegas-Düsenteils der Düseneinheit zum Zuführen des Speisegases zur Oberfläche eines im Reaktor angeordneten Substrats erzeugt wird, daß das aus der Düseneinheit ausgestoßene Speisegas über die Substratoberfläche mit einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit strömt.

Da erfindungsgemäß die mehreren Speisegase einzeln in die Umgebung des Substrats geleitet werden, erreichen sie die Umgebung des Substrats im ordnungsgemäßen Zustand, ohne vorzeitig zu zerfallen und zu Nebenreaktionen zu führen, bevor sie am Substrat eintreffen. Die mehreren Speisegase, die die Umgebung des Substrats auf diese Weise erreichen, werden durch das Blasegas zum Substrat geblasen und mischen sich daher erstmals zu dieser Zeit und kommen mit der Oberfläche des Substrats in Berührung. Dadurch kann der gewünschte Dünnfilmkristall auf der Oberfläche des Substrats vorteilhaft abgeschieden werden.

Aus der nachfolgenden näheren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung besser verständlich, und weitere Aufgaben und Vorteile von ihr gehen deutlicher hervor.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterherstellungssystems, das eine Ausführungsform der Erfindung ist.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Einzelheiten des Reaktors von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Perspektivansicht der Düseneinheit von Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Aufbaus eines Druckdifferenz-Erzeugungsmechanismus unter Nutzung von Prallplatten, um eine Druckdifferenz zu erzeugen.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Beispiels für eine Konfiguration, in der mehrere Lochplattenstufen vorgesehen sind.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht des Aufbaus eines lichtemittierenden Bauelements, das unter Verwendung des Halbleiterherstellungssystems von Fig. 1 hergestellt ist.
Fig. 7 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Lage in der Ebene und der Luminanz in Substraten, die zur Fertigung des lichtemittierenden Bauelements von Fig. 6 verwendet werden.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterherstellungssystems, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist.
Fig. 9 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des Einlaufteils von Fig. 8.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht an der Linie A-A in Fig. 9.
Fig. 11 ist eine Perspektivansicht einer Abwandlung des Einlaufteils von Fig. 8.
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht eines Halbleiterherstellungssystems, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist.
Fig. 13 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des Einlaufteils von Fig. 12.
Fig. 14 ist ein Diagramm eines Meßergebnisses der Wafer- Filmdickenverteilung in erfindungsgemäß gefertigten Beispielen und in einem Vergleichsbeispiel.
Fig. 15 ist ein Diagramm eines Meßergebnisses der Waferfilmdickenverteilung in einem weiteren erfindungsgemäß gefertigten Beispiel.
Fig. 16 ist ein Diagramm eines Meßergebnisses der Waferfilmdickenverteilung in einem weiteren erfindungsgemäß gefertigten Beispiel.
Fig. 17 ist ein Diagramm eines Meßergebnisses der optischen Leistungsverteilung einer erfindungsgemäß hergestellten Leuchtdiode.
Fig. 18 ist eine schematische Ansicht eines Systems zur Halbleiterherstellung, das noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist.
Fig. 19 ist eine Vorderansicht des Heizers von Fig. 18.
Fig. 20 ist eine Vorderansicht eines Heizers, der mehrere Substrate bearbeiten kann.
Fig. 21 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die GaN- Schichtabscheidungsgeschwindigkeit verbessert, wenn das Gaszufuhrverfahren der Erfindung zum Einsatz kommt.
Fig. 22 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Zusammensetzung einer AlGaN-Schicht verbessert, wenn das Gaszufuhrverfahren der Erfindung zum Einsatz kommt.
Fig. 23 ist ein Diagramm zur Darstellung gleichmäßiger Dicke innerhalb der Substratebene einer Mg-dotierten GaN- Schicht, wenn das Gaszufuhrverfahren der Erfindung zum Einsatz kommt.
Fig. 24 ist ein Diagramm zur Darstellung ungleichmäßiger Dicke innerhalb der Substratebene und der Abnahme der Abscheidungsgeschwindigkeit einer Mg-dotierten GaN-Schicht, wenn das Gaszufuhrverfahren der Erfindung nicht zum Einsatz kommt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterherstellungssystems, das eine Ausführungsform der Erfindung ist. Das Halbleiterherstellungssystem 1 ist ein System zur Herstellung eines geeigneten Verbindungshalbleiterwafers, z. B. eines GaN-basierten III-V-Verbindungs- (z. B. InGaAlN-) -halbleiter- oder eines GaAs-basierten III-V-Verbindungshalbleiterwafers. Es ist mit einem Reaktor 2 und einer Speisegas- Zufuhreinheit 3 zum Zuführen von Speisegas zum Reaktor 2 ausgestattet.
Der Reaktor 2 weist einen Hauptkörper 21 und innerhalb des Hauptkörpers 21 einen Heizer 22 auf, auf dem ein Substrat S aufgesetzt ist. Der Heizer 22 wird durch eine Hochfrequenz- Induktionsheizspule 23 erwärmt, die auf der Außenfläche 21A des Hauptkörpers 21 vorgesehen ist und der ein Heizstrom von einer (nicht gezeigten) Heizstromquelle zugeführt wird. Die Hochfrequenz-Induktionsheizspule 23 erwärmt den Heizer 22, um das Substrat S auf eine erforderliche Temperatur zu bringen.
Die Speisegas-Zufuhreinheit 3 ist mit einer Speisegas- Zufuhrleitung 31 zum Zuführen von Rohmaterialien in der Dampfphase zu einem Einlaßanschluß 21B des Hauptkörpers 21 ausgerüstet. Trägergas wird zu einem Eingangsende 31A der Speisegas-Zufuhrleitung 31 aus einer (nicht gezeigten) Gaszufuhrquelle mit einem konstanten Druck geführt. Die Speisegas- Zufuhrleitung 31 ist mit Blasenbildern 32, 33, 34 verbunden, die Rohmaterialien zum Aufdampfen auf das Substrat S verdampfen und die verdampften Materialien zur Speisegas-Zufuhrleitung 31 führen. In Fig. 1 sind Zufuhrleitungen für Rohmaterialien mit einem großen Dampfdruck nicht gezeigt, die einen einfacheren Zufuhrleitungsaufbau als jene für Rohmaterialien im flüssigen Zustand oder festen Zustand benötigen.
Die Temperatur des Blasenbildners 32 wird durch ein thermostatisches Bad 32A reguliert. Trägergas, das durch ein Rohr 32C mit einer durch eine Massenstromsteuerung 32B gesteuert Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird, wird in ein im Blasenbildner 32 enthaltenes Rohmaterial A eingeleitet, um das Rohmaterial A zu verschäumen und somit zu verdampfen. Der Blasenbildner 32 und die Speisegas-Zufuhrleitung 31 sind durch ein Rohr 32F miteinander verbunden, das mit einem Absperrventil 32D und einem Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventil 32E versehen ist, die in Reihe geschaltet sind. Ist das Absperrventil geöffnet, wird ein Mischgas, das sich aus dem im Blasenbildner 32 erzeugten Rohmaterial im Dampfzustand und Trägergas zusammensetzt, in die Speisegas-Zufuhrleitung 31 als Speisegas mit einer eingestellten Strömungsgeschwindigkeit geführt. Das so zugeführte Gas wird in den Hauptkörper 21 durch die Speisegas-Zufuhrleitung 31 gemäß der späteren Erläuterung eingeleitet.
Ein Abgasrohr 32H, das mit einem weiteren Absperrventil 32G versehen ist, ist zwischen einer Abgasleitung 35, der Stickstoffgas mit einem vorgeschriebenen Druck zugeführt wird, und dem Verbindungspunkt des Absperrventils 32D und Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventils 32E verbunden. Ist das Absperrventil 32D geschlossen, kann das Speisegas vom Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventil 32E in die Abgasleitung 35 entweichen. Das Öffnen/Schließen der Absperrventile 32D, 32G wird durch eine (nicht gezeigte) Prozeßsteuereinheit so gesteuert, daß im geschlossenen Zustand des einen das andere geöffnet ist. Dadurch kann Gas vom Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventil 32E in die Speisegas-Zufuhrleitung 31 für vorgeschriebene Zeitperioden zu vorgeschriebenen Zeiten geführt werden.
Die Blasenbildner 33, 34 zum Verdampfen von Rohmaterialien B und C haben den gleichen Aufbau wie der Blasenbildner 32. Die Komponenten der Blasenbildner 33, 34, die den Komponenten 32A-32H des Blasenbildners 32 entsprechen, tragen Bezugszahlen 33A-33H bzw. 34A-34H, und auf ihre Erläuterung wird verzichtet.
Jedes der in den Blasenbildnern 32, 33, 34 auf die o. g. Weise erzeugten Speisegase wird mit einem vorgeschriebenen Druck herausgeführt, der durch das zugeordnete Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventil gesteuert wird. Die Mengen der zum Bilden der einzelnen Dünnfilmschichten erforderlichen Speisegase können in den Hauptkörper 21 zu den erforderlichen Zeiten geführt werden, indem das Öffnen der Absperrventile 32D, 32G, 33D, 33G, 34D, 34G und das Öffnen/Schließen der zugeordneten Absperrventile 32D, 33D, 34D gesteuert wird. Die Speisegase werden in den Hauptkörper 21 eingeleitet. Nach Zufuhr in den Hauptkörper 21 werden die Speisegase nahe der Oberfläche des Substrats S thermisch zersetzt, um Epitaxialkristallwachstum auf dem Substrat S zu bewirken. Das verbrauchte Speisegas wird aus einem Abgabeanschluß 21C zu einer Abgasbehandlung geführt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Reaktors 2 von Fig. 1 und veranschaulicht dessen Aufbaueinzelheiten. Der Hauptkörper 21 hat einen doppelwandigen Aufbau und ist wassergekühlt. Insbesondere kühlt Kühlmittel, das über einen oben am Hauptkörper 21 vorgesehenen Kühlmittelzufuhranschluß 21E zugeführt wird, die gesamte Außenfläche des Hauptkörpers 21 und wird aus einem Kühlmittelabgabeanschluß 21D abgegeben.
Das Substrat S ist auf dem Heizer 22 durch einen Substrathalter 24 angeordnet. In der Anordnung von Fig. 2 kann jeweils nut ein Substrat S bearbeitet werden. Allerdings kann der Heizer 22 durch einen anderen ersetzt sein, der mehrere Substrate S durch das gleiche Befestigungsverfahren anordnen kann. Der Einlaßanschluß 21B ist mit einer Düseneinheit 25 zum Leiten des von der Speisegas-Zufuhreinheit 3 eintreffenden Speisegases in den Hauptkörper 21 und zu seinem Zuführen mit gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Oberfläche des Substrats S verbunden, um eine Epitaxialkristallschicht zu bilden.
Gemäß Fig. 3 setzt sich die Düseneinheit 25 aus einem Einlaßrohrteil 26 zum Einleiten von Speisegas und einem Hohlringdüsenteil 27 zusammen, das am stromabwärtsseitigen Ende des Einlaßrohrteils 26 vorgesehen ist. Eine Bodenwand 27A des Düsenteils 27 ist eine Lochplatte, die mit zahlreichen Öffnungen 28 mit relativ kleinem Durchmesser gebildet ist.
Infolge dieses Aufbaus wird das durch das Einlaßrohrteil 26 einströmende Speisegas an den Öffnungen 28 der Bodenwand 27A so gedrosselt, daß eine Druckdifferenz zwischen der Innenseite und Außenseite des Düsenteils 27 auftritt. Da der Ausströmdruck des abgegebenen Speisegases an allen Öffnungen 28 daher im wesentlichen gleich ist, ist die Strömung des Speisegases am Substrat S, das auf dem Heizer 22 angeordnet ist, gleichmäßig. Dadurch ist die Dicke der auf dem Substrat S gebildeten Epitaxialkristallschicht über die gesamte Oberfläche des Substrats S im wesentlichen gleich.
In der Konfiguration von Fig. 3 dient die Lochplatte, die durch Bilden zahlreicher Öffnungen 28 in der Bodenwand 27A des Düsenteils 27 konfiguriert ist, zur Erzeugung einer Druckdifferenz im Speisegas zwischen der Innenseite und Außenseite des Düsenteils 27. Allerdings kann auch eine andere Einrichtung zum Herstellen einer solchen Druckdifferenz zum Einsatz kommen.
Fig. 4 zeigt eine Konfiguration, die die erforderliche Druckdifferenz zwischen der Innenseite und Außenseite der Düseneinheit 25 erzeugt, indem Prallplatten im Strömungsweg des Speisegases in der Düseneinheit 25 vorgesehen sind. In diesem Druckdifferenz-Erzeugungsmechanismus sind mehrere Prallplatten 29 im Einlaßrohrteil 26 in einer gezeigten abwechselnden Anordnung vorgesehen. Dieser Aufbau erzeugt die erforderliche Druckdifferenz durch einen Strömungswiderstand für das innerhalb der Düseneinheit 25 strömende Speisegas. Das aus einem Auslaß 26A des Einlaßrohrteils 26 ausgestoßene Speisegas kann direkt zur Oberfläche des Substrats S geführt werden, wenn mehrere Prallplatten 29 angeordnet sind. Ein geeignetes Düsenteils kann mit dem Auslaß 26A vorgesehen sein, um das Speisegas auf der Oberfläche des Substrats S zu verteilen.
Der Druckdifferenz-Erzeugungsmechanismus unter Verwendung der Prallplatten 29 und der Druckdifferenz-Erzeugungsmechanismus unter Verwendung der an der Bodenwand 27A des Düsenteils 27 gebildeten Lochplatte können in Kombination verwendet werden.
In der Konfiguration von Fig. 3 dient eine Lochplatte, die durch Bilden zahlreicher Öffnungen 28 in der Bodenwand 27A des Düsenteils 27 erhalten wird, zur Erzeugung einer Druckdifferenz des Speisegases zwischen dem Inneren und Äußeren des Düsenteils 27. Am Bodenabschnitt des Düsenteils 27 können zwei oder mehr Lochplatten dieser Art vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine Konfiguration eines Düsenteils mit mehreren Lochplatten dieser Art, die an seinem Bodenabschnitt eingebaut sind. Ein Düsenteil 30 gemäß Fig. 5 hat ein Außenbodenteil 30A, das mit einer Anzahl von Öffnungen 31 mit relativ kleiner Größe versehen ist, um eine Lochplatte zu bilden, und ein Innenbodenteil 30B ist im Düsenteil 30 getrennt vom Außenbodenteil 30A vorgesehen. Mehrere Öffnungen 32 sind im Innenbodenteil 30B gebildet, und die Öffnungen 32 sind relativ zu den Öffnungen des Außenbodenteils 30A so versetzt, daß sie nicht zu ihnen ausgerichtet sind. Diese Bereitstellung einer Zweitstufen-Lochplatte erhöht die Druckdifferenz und steigert die Gleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit auf einen noch höheren Grad als bei Bereitstellung nur einer Stufe.
Die Bereitstellung eines Mechanismus in der Düseneinheit 25 zum Erzeugen einer Druckdifferenz ermöglicht die Speisegaszufuhr mit gleichmäßiger Strömung über die gesamte Oberfläche des Substrats S, was wiederum ermöglicht, daß die auf der Oberfläche des Substrats S gebildete Epitaxialkristallschicht über die gesamte Oberfläche des Substrats S gleichmäßig werden kann. Dadurch sind LEDs oder andere Halbleiterbauelemente, die mit einem Halbleiter-Einkristallwafer gefertigt sind, der durch aufeinanderfolgendes Bilden notwendiger Epitaxialkristallschichten auf einem Substrat S auf diese Weise hergestellt wird, gleichförmige Bauelemente mit geringer Streuung ihrer Kennwerte. Bei LEDs wird daher Gleichmäßigkeit der Luminanz und Wellenlänge gewährleistet, und Unregelmäßigkeiten dieser Kennwerte lassen sich wirksam unterdrücken.

Beispiel 1

Ein lichtemittierendes Bauelement wurde mit dem zuvor erläuterten Halbleiterherstellungssystem 1 gefertigt. Das lichtemittierende Bauelement hatte den in Fig. 6 gezeigten Aufbau. In dieser Zeichnung bezeichnen 51 ein Substrat, 52 eine GaN-Pufferschicht, 53 eine Si-dotierte Hochtemperatur- GaN-Schicht, 54 eine Si-dotierte Niedertemperatur-GaN- Schicht, 55 eine InGaN-Schicht, 56 eine AlGaN-Schicht, 57 eine Mg-dotierte GaN-Schicht, 58 eine p-Elektrode und 59 eine n-Elektrode. Die III-V-Verbindungshalbleiter wurden durch metallorganisches chemisches Aufdampfen hergestellt.
Mit Stickstoff verdünntes Silan (SiH₄) diente als n-Dotant zum Si-Dotieren, und bis-Ethylcyclopentadienylmagnesium ((C₂H₅C₅H₄)₂Mg; im folgenden (EtCp)₂Mg) genannt), diente als p- Dotant zum Mg-Dotieren.
Saphir, dessen C-Fläche hochglanzpoliert war, wurde mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und als Substrat 51 verwendet. Zum Einsatz kam ein Heizer, der ein einzelnes Zwei-Inch-Substrat bearbeiten konnte. Bei der Filmabscheidung wurde er gedreht. Die Düse des Reaktors war mit dem zweistufigen Lochplattenaufbau von Fig. 5 zum Aufbauen einer Druckdifferenz und Herstellen einer gleichmäßigen Gasströmung ausgerüstet.
Zunächst wurden der Reaktor und das Substrat durch Einleiten von Chlorwasserstoffgas bei 1100°C mit Wasserstoff als Trägergas gereinigt. Nach Reinigungsabschluß wurden TMG und Ammoniak bei einer Substrattemperatur von 550°C zugeführt, um die GaN-Pufferschicht 52 in 50 nm Dicke zu bilden.
Die Substrattemperatur wurde auf 1040°C erhöht, und Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga; im folgenden mitunter TMG genannt), Ammoniak und Silangas wurden zum Ziehen der GaN- Schicht 53 auf 3 µm Dicke zugeführt. Die GaN-Schicht war mit Si so dotiert, daß sie eine n-Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸/cm³ hatte. Eine (nicht gezeigte) undotierte GaN-Schicht wurde anschließend auf 150 nm Dicke bei der gleichen Temperatur gezogen. Die Abscheidungsgeschwindigkeit der Si-dotierten und undotierten Schicht betrug 50 nm/min.
Die Substrattemperatur wurde auf 775°C gesenkt, das Trägergas wurde auf Stickstoff umgestellt, und Triethylgallium ((C₂H₅)₃Ga; im folgenden mitunter TEG genannt), Ammoniak und Silangas wurden zum Ziehen der Si-dotierten GaN-Schicht 54 auf 17 µm Dicke zugeführt. Als nächstes wurden TEG, Trimethylindium ((CH₃)₃In; im folgenden mitunter TMI genannt), und Ammoniak zum Abscheiden der InGaN-Schicht 55, der lichtemittierenden Schicht, auf 3 nm Dicke zugeführt. Die o. g. Abscheidung von GaN- und InGaN-Schichten wurde viermal wiederholt.
TEG, Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al; nachfolgend mitunter TMA genannt) und Ammoniak wurden zugeführt, um die AlGaN- Schicht 56, eine Schutzschicht, in 6 nm Dicke abzuscheiden.
Der so erhaltene Epitaxialwafer wurde einmal aus dem Reaktor entnommen und wieder in den Reaktor gegeben, wonach eine Mg-dotierte AlGaN-Schicht, eine Schutzschicht, in 44 nm Dicke abgeschieden wurde. Danach wurde die Substrattemperatur auf 1060°C erhöht, und die Mg-dotierte GaN-Schicht 57 wurde in 200 nm Dicke durch Zuführen von TMG, (EtCp)₂Mg und Ammoniak abgeschieden.
Die so erzeugte III-V-Verbundhalbleiterprobe wurde aus dem Reaktor 2 entnommen und 20 min bei 800°C in Stickstoff ausgeheizt, um die Mg-dotierte GaN-Schicht zu einer niederohmigen p-Schicht zu machen. Die so erhaltene Probe wurde durch ein gewöhnliches Verfahren mit Elektroden versehen, um eine Leuchtdiode (LED) zu erhalten. Ni-Au-Legierung kam für die p- Elektrode 58 und Al für die n-Elektrode 59 zum Einsatz. Bei Anlegen von Strom an der LED in Vorwärtsrichtung zeigte sie eine ausgeprägte Lichtemission mit einer Emissionswellenlänge von 460 nm. Die Luminanz in der Mitte des Substrats bei 20 mA angelegtem Strom betrug 0,7 cd. Wie die Symbole A in Fig. 7 zeigen, hatte die Emissionsluminanz hohe Gleichmäßigkeit innerhalb der Substratebene.

Vergleichsbeispiel 1

Das o. g. Beispiel wurde auf gleiche Weise mit der Ausnahme wiederholt, daß die Öffnungen der Lochplatte der Düseneinheit mit einem großen Durchmesser gebildet waren, der keine große Druckdifferenz erzeugen konnte, und daß das Substrat nicht gedreht wurde.
Eine Leuchtdiode wurde gefertigt, und Strom wurde an der LED in Vorwärtsrichtung angelegt. Gemäß den Symbolen B in Fig. 7 zeigte die Emissionsluminanz ungleichmäßige Verteilung innerhalb der Substratoberfläche.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterherstellungssystems, das eine Ausführungsform der Erfindung ist. Das Halbleiterherstellungssystem 60 ist ein System zur Herstellung eines geeigneten Verbindungshalbleiterwafers, z. B. eines GaN-basierten III-V-Verbindungs- (z. B. InGaAlN-) -halbleiter- oder eines GaAs-basierten III-V-Verbindungshalbleiterwafers. Es ist mit einem Reaktor 61 und einer Speisegas-Zufuhreinheit 62 zum Zuführen von Speisegas zum Reaktor 61 ausgestattet.
Der Reaktor 61 verfügt über einen Hauptkörper 63, der aus einem Quarzrohr o. ä. gebildet ist, und einen Heizer 64, auf dem ein Substrat S aufgesetzt ist. Der Heizer 64 wird durch eine Heizererwärmungseinheit 65 erwärmt, z. B. eine Hochfrequenz-Induktionsspule oder eine Infrarotlampe, die innerhalb des Hauptkörpers 63 eingebaut ist. Die Heizererwärmungseinheit 65 erwärmt das auf den Heizer 64 aufgesetzte Substrat S auf die gewünschte Temperatur.
Die Speisegas-Zufuhreinheit 62 ist eine herkömmlich konfigurierte Einheit zum Versorgen des Reaktors 61 mit dem Speisegas, das er zur Bildung einer Einkristall-Dünnfilmschicht auf dem Substrat S durch MOCVD benötigt. Das Speisegas von der Speisegas-Zufuhreinheit 62 wird durch eine Speisegas-Zufuhrleitung 66 zu einem im Hauptkörper 63 vorgesehenen Einlaß 67 zum Aufnehmen des Speisegases geführt.
Im Hauptkörper 63 ist ein Einlaufteil 68 in Verbindung mit dem Einlaß 67 zum Zuführen des zum Einlaß 67 auf die o. g. Weise geleiteten Speisegases auf die Oberfläche des Substrats 5 mit einer gleichmäßigen Menge je Längeneinheit vorgesehen. Das Speisegas aus dem Einlaufteil 68 wird in Y- Richtung im Hauptkörper 63 geleitet, das verbrauchte Speisegas wird aus dem Reaktor 61 zu einer Abgasbehandlung 69 zur Behandlung geführt, und das behandelte Gas wird aus einem Abgabeanschluß 70 in die Atmosphäre abgegeben.
Anhand von Fig. 9 und 10 wird das Einlaufteil 68 näher erläutert. Das Einlaufteil 68 weist einen Hauptkörper 71 auf, der als stabförmiges Hohlteil gebildet ist. Das Innere des Hauptkörpers 71 ist in drei Teilstücke durch Trennwände 72, 73 unterteilt, die sich der Länge nach im Hauptkörper erstrecken und so einen oberen Kühlmittelkanal 74, einen unteren Kühlmittelkanal 75 und einen Speisegas-Leitkanal (hohlraumartigen Leitkanal) 76 bilden.
Die Bezugszahl 77 bezeichnet ein Rohrteil zum Leiten von Speisegas vom Einlaß 67 zum Hauptkörper 71. Sein eines Ende 77A ist mit dem Hauptkörper 71 so verbunden, daß es mit dem Speisegas-Leitkanal 76 des Hauptkörpers 71 kommuniziert, und sein anderes Ende 77B ist mit dem Einlaß 67 verbunden. Daher wird vom Einlaß 67 in den Hauptkörper 63 geführtes Speisegas durch das Rohrteil 77 zum Speisegas-Leitkanal 76 innerhalb des Hauptkörpers 71 geleitet.
Damit das so in den Speisegas-Leitkanal 76 geleitete Speisegas gleichmäßig zum Substrat S aus dem Hauptkörper 71 des Einlaufteils 68 ausgestoßen werden kann, ist die Vorderwand 71A des Hauptkörpers 71 mit mehreren Öffnungen 78 ausgebildet, die den Speisegas-Leitkanal 76 nach außen verbinden. Die Öffnungen 78 sind mit einer vorgeschriebenen Teilung in Axialrichtung des Hauptkörpers (mit dem Pfeil X bezeichnete Richtung) gebildet. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen 78 als feine Durchgangslöcher mit kreisförmigem Querschnitt in regelmäßigen Abständen gebildet. Das in den Speisegas-Leitkanal 76 des Hauptkörpers 71 auf die o. g. Weise geführte Speisegas strömt innerhalb des Speisegas-Leitkanals in X-Richtung, um aus den Öffnungen 78 senkrecht zur X-Richtung, d. h. in Y-Richtung, ausgestoßen und zum Substrat S geführt zu werden. Die Anzahl und Teilung der Öffnungen 78 ist so festgelegt, daß gewährleistet ist, daß die zur Filmabscheidung auf das Substrat S zugeführte Speisegasmenge, d. h. die aus den Öffnungen 78 ausgestoßene Speisegasmenge, in X- Richtung des Substrats S je Längeneinheit gleichmäßig ist. Dadurch kann das Substrat S gleichmäßig im Speisegas gebadet werden, das aus den Öffnungen 78 des Einlaufteils 68 ausgestoßen wird.
Aus einer Kühlmittelzufuhreinheit 98 zugeführtes Kühlmittel wird durch den oberen Kühlmittelkanal 74 und unteren Kühlmittelkanal 75 zirkuliert, was ein Kühlsystem zum Steuern der Temperatur des Hauptkörpers 71 bildet.
In dieser Ausführungsform wird das Kühlmittel von der Kühlmittelzufuhreinheit 98 durch ein Rohr 98A zum oberen Kühlmittelkanal 74 transportiert, und das den oberen Kühlmittelkanal 74 durchlaufende Kühlmittel wird durch ein weiteres Rohr 98B zum unteren Kühlmittelkanal 75 geführt. Danach wird das den unteren Kühlmittelkanal 75 durchlaufende Kühlmittel durch ein Rohr 98C zur Kühlmittelzufuhreinheit 98 zurückgeführt, und das Kühlmittel wird erneut zum oberen Kühlmittelkanal 74 transportiert, nachdem die Temperatur des Kühlmittels gesenkt wurde, indem es durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher strömt. Diese Konfiguration verhindert wirksam eine vorzeitige Zersetzung und andere Nachteile, die entstehen würden, sollte das Speisegas im Speisegas-Leitkanal 76 durch die Heizererwärmungseinheit 65 auf eine hohe Temperatur erwärmt werden.
Da das Halbleiterherstellungssystem 60 auf diese Weise aufgebaut ist, ermöglicht das Einlaufteil 68, daß das Speisegas aus der Speisegas-Zufuhreinheit 62 auf die Oberfläche des Substrats S in einer gleichmäßigen Menge je Längeneinheit in X-Richtung geführt wird. Daher wird das Substrat S in einer gleichmäßigen Speisegasströmung gebadet, durch die sehr gleichmäßiges Kristallwachstum auf der Oberfläche des Substrats S erfolgen kann. Weil zudem das Einlaufteil 68 das Einlaufgas mit einem Kühlmittel kühlen kann, läßt sich die Temperatur des Speisegases so abkühlen/steuern, daß es sich nicht vorzeitig zersetzt, während es vom Einlaß 67 zu den Öffnungen 78 strömt. Da das Speisegas also zur Kristallwachstumsstelle auf dem Substrat S in einem frischeren Zustand als bisher geleitet werden kann, ist nicht nur die Reinheit des auf dem Substrat S gebildeten Kristalls deutlich erhöht, sondern auch der Wirkungsgrad der Rohmaterialnutzung verbessert.
Das thermisch zersetzte verbrauchte Speisegas wird von einem Abgabeanschluß 79 des Hauptkörpers 63 durch eine Abgabeleitung 80 zur Abgasbehandlung 69 geführt.
In der o. g. Ausführungsform sind die Öffnungen 78, die zum Ausstoßen des Speisegases dienen, als Löcher ausgebildet, d. h. als feine Durchgangslöcher. Allerdings sind die Öffnungen 78 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Eine spezifische Konfiguration, die anstelle der Durchgangslochkonfiguration verwendbar ist, ist eine aus einem sehr schmalen Schlitz gebildete. Sind die Öffnungen 78 als Löcher (Durchgangslöcher) gebildet, lassen sich Größe, Abstand, Richtung usw. der Durchgangslöcher als Parameter zum Einstellen der Gleichmäßigkeit der Strömung des durch den Hauptkörper 71 zugeführten Speisegases auswählen.
Weiterhin läßt sich das Verfahren zum Anordnen der Durchgangslöcher von der o. g. Anordnung in einer einzelnen Reihe in X-Richtung zu einer Anordnung in zwei oder mehr Reihen abwandeln.
Fig. 11 zeigt eine Abwandlung des Einlaufteils 82, bei der die Speisegasdüse als Öffnung 81 mit schlitzartiger Form ausgebildet ist. In diesem Fall braucht die Schlitzbreite W der Öffnung 81 in X-Richtung nicht gleichmäßig zu sein. Die Schlitzbreite W der Öffnung 81 kann als Funktion ihrer Lage in X-Richtung so geeignet festgelegt sein, daß die durch den Hauptkörper 71 zugeführte Speisegasströmung gleichmäßig ist. Zudem braucht die Anzahl von Schlitzen nicht eins zu sein, sondern kann zwei oder mehr betragen.
Unabhängig davon, ob die Öffnung(en) zum Ausstoßen von Gas als Durchgangslöcher oder Schlitz(e) ausgebildet sind, kann man den Öffnungen 78 oder der Öffnung 81 eine Schnittform verleihen, die von innen nach außen zunehmend breiter wird, die im Gegensatz dazu von innen nach außen zunehmend schmaler wird, die eine konstante Breite von innen nach außen wahrt, die sich zwischen dem Inneren und Äußeren ausbaucht oder die im Gegensatz dazu innen und außen breiter und dazwischen schmaler ist. Zusätzlich können die Durchgangslochöffnungen 78 und die schlitzartige Öffnung(en) 81 in Kombination vorgesehen sein, um als Gasdüse zu wirken.
Sind die Öffnungen 78 als Durchgangslöcher gebildet, können die in einer beliebigen von verschiedenen Formen ausgebildet sein, z. B. kreisförmig, dreieckig oder quadratisch. Ggemäß Fig. 9 sind aber kreisförmige Öffnungen bevorzugt, da die Durchgangslöcher mit guter Genauigkeit hergestellt werden können. Der Durchmesser der Durchgangslöcher läßt sich unter derer Eigenschaften des Speisegases und der Menge des zuzuführenden Speisegases festlegen. Während der eigentliche Durchmesser der Durchgangslöcher von der Speisegasart und der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, beträgt der Innendurchmesser bei kreisförmigen Durchgangslöchern vorzugsweise 0,01 mm bis 5 mm. Ist der Innendurchmesser der Durchgangslöcher kleiner als 0,01 mm, läßt sich kein ausreichender Grad an Bearbeitungsgenauigkeit erreichen. Übersteigt er 5 mm, wird es schwierig, eine Strömung des durch die Durchgangslöcher zugeführten Speisegases zu erreichen, die in X-Richtung gleichmäßig ist. Angesichts dieser Bedingungen beträgt der Innendurchmesser der Durchgangslöcher stärker bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm, noch stärker bevorzugt 0,5 mm bis 1 mm.
Ist die Gasdüse mit der (den) schlitzartigen Öffnung(en) 81 ausgebildet, kann die Schlitzbreite W unter Berücksichtigung solcher Faktoren wie der Viskosität und anderer Eigenschaften der Strömungsgeschwindigkeit des Speisegases festgelegt werden. Obwohl die eigentliche Schlitzweite W von der Speisegasart und der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, beträgt sie vorzugsweise 0,01 bis 5 mm. Ist die Schlitzbreite W kleiner als 0,01 mm, läßt sich kein ausreichender Grad an Bearbeitungsgenauigkeit erreichen. Übersteigt sie 5 mm, wird es schwierig, eine Strömung des vom Hauptkörper 71 zugeführten Speisegases zu erreichen, die in X-Richtung gleichmäßig ist. Angesichts dieser Bedingungen beträgt die Schlitzbreite W stärker bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm, noch stärker bevorzugt 0,5 mm bis 1 mm.
In der o. g. Ausführungsform wird das Speisegas vom Einlaufteil zum Reaktor nur durch einen Satz von Öffnungen geführt. Alternativ können aber ein oder mehrere zusätzliche Öffnungssätze innerhalb des Einlaufteils gebildet sein, und das Speisegas kann durch die zwei oder mehr Öffnungssätze in den Reaktor geführt werden. Eine gleichmäßige Speisegasströmung läßt sich leichter mit einem Aufbau erzielen, der das Speisegas durch mehrere Öffnungssätze strömen läßt.
Während zuvor verschiedene Arten von Gasdüsenaufbauten erläutert wurden, kann bei allen Arten das verwendete Verfahren zur Bildung der Öffnung(en) 78, 81 zum Ausstoßen des ren zur Bildung der Öffnung(en) 78, 81 zum Ausstoßen des Speisegases aus solchen herkömmlichen wie Laserschneiden, Ultraschallschneiden, Elektronenstrahlschneiden, Bohren u. ä. ausgewählt sein. Nach Bildung der Öffnung(en) ist es vorteilhaft, die Schnittflächen der Öffnung(en) 78, 81 durch elektrolytisches Polieren, mechanisch-chemisches Polieren o. ä. zu polieren, da das Glätten der Schnittflächen die Abgabe von Verunreinigungen in das Speisegas, die Reaktion des Speisegases mit den Wänden der Öffnung(en) 78, 81 und andere derartige negative Effekte unterdrückt.
In einigen Fällen reagieren die Rohmaterialbestandteile miteinander. In einem solchen Fall sollten die unterschiedlichen Rohmaterialbestandteile möglichst nahe an das Substrat S geleitet werden, ohne gemischt zu werden. Bei Gebrauch des Einlaufteils 68 kann ein separates Rohmaterial-Einlaufteil problemlos für jeden Rohmaterialbestandteil bereitgestellt werden. Dadurch lassen sich die Speisegase leicht sehr nahe an das Substrat ohne Vermischung einleiten. Als Ergebnis kann ein Halbleiterherstellungssystem realisiert werden, das die Vorteile der Erfindung nutzt.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterherstellungssystem 90 von Fig. 12 ähnelt dem Halbleiterherstellungssystem 60 von Fig. 8 mit der Ausnahme, daß sein Reaktor 91 einen anderen Aufbau als der Reaktor 61 hat. Daher ist in Fig. 12 nur der Reaktor 91 gezeigt, und die anderen Komponenten sind weggelassen.
Der Reaktor 91 ist vom senkrechten Typ, wobei Substrate 5 im wesentlichen senkrecht an einem Heizer 93 angeordnet sind, der im Hauptkörper 92 vorgesehen ist. Der Hauptkörper 92 hat einen doppelwandigen Aufbau und ist wassergekühlt. Insbesondere kühlt Kühlmittel, das durch einen Kühlmittelzufuhranschluß 92A nahe dem Boden des Hauptkörpers 92 zugeführt wird, die gesamte Außenfläche des Hauptkörpers 92 und wird aus einem Kühlmittelabgabeanschluß 92B nahe der Oberseite des Hauptkörpers 92 abgegeben. Fig. 12 zeigt ein Beispiel, in dem mehrere Substrate S in regelmäßigen Abständen am Heizer 93 angeordnet sind.
Ein Einlaufteil 94 ist mit einem Einlaß 92C des Hauptkörpers 92 verbunden. Das Einlaufteil 94 leitet Speisegas, das aus der Speisegas-Zufuhreinheit 62 durch die Rohmaterial- Zufuhrleitung 66 eintrifft, in den Hauptkörper 92 und führt es entlang der Umfangsfläche des Heizers 93 und auf die Oberflächen der Substrate S mit einer gleichmäßigen Menge je Längeneinheit, um Epitaxialkristallschichten auf den Substraten S zu bilden.
Wie Fig. 13 näher zeigt, weist das Einlaufteil 94 einen Hohlring-Hauptkörper 95 und ein Rohrteil 96 zum Leiten von Speisegas, das durch den Einlaß 92C eintrifft, in den Hauptkörper 95 auf. Das Rohrteil 96 ist aus quadratischem Rohrmaterial gebildet und hat ein Einlaßende 96A, das mit dem Einlaß 92C verbunden ist. Auf seiner Auslaßseite ist es mit vier Auslaßzweigen 96B-96E versehen, die in vier Richtung in 90- Grad-Abständen verzweigen. Die Auslaßzweige 96B-96E sind mit einer Ringrückwand 95A des Hauptkörpers 95 so verbunden, daß sie mit einem (nicht gezeigten) Ringhohlraum kommunizieren, der im Hauptkörper 95 gebildet ist, um einen hohlraumartigen Leitkanal zum Führen von Speisegas in X-Richtung zu bilden. Somit leitet das Rohrteil 96 Speisegas, das vom Einlaß 92C zum Hauptkörper 95 strömt, in den Hauptkörper 95 an Stellen im 90-Grad-Abstand in Umfangsrichtung des Hauptkörpers 95.
Die Schnittform des Rohrteils 96 braucht nicht unbedingt quadratisch zu sein, sondern läßt sich unter verschiedenen geeigneten Formen zweckmäßig auswählen. Die Anzahl von Auslaßzweigen braucht nicht unbedingt vier zu betragen, sondern es läßt sich jede geeignete Anzahl von Auslaßzweigen auswählen und mit dem Einlaßhauptkörper 95 verbinden. Während ferner das Einlaufteil 68, 94 und der zugehörige Reaktor 61, 91 in den Ausführungsformen von Fig. 8 und 12 getrennt hergestellt sind, kann das Einlaufteil 68, 94 statt dessen in einem Stück mit dem Reaktor 61, 91 als Teil seines Außengehäuses gefertigt sein.
Damit das so in den Hauptkörper 95 geleitete Speisegas gleichmäßig aus dem Hauptkörper 95 zu den Substraten S ausgestoßen werden kann, ist eine Ringvorderwand 95B des Hauptkörpers 95 mit mehreren Öffnungen 97 zum Abgeben von Speisegas, das im Ringhohlraum innerhalb des Hauptkörpers 95 vorhanden ist, nach außen in Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung ausgebildet. Die mehreren Öffnungen 97 sind in Form von Durchgangslöchern mit vorgeschriebener Teilung in Axialrichtung des Hauptkörpers 95 (durch den Pfeil X bezeichnete Richtung) vorgesehen. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen 97 als feine Durchgangslöcher mit kreisförmigem Querschnitt in regelmäßigen Abständen gebildet. Das in den Hauptkörper 95 auf diese Weise geführte Speisegas strömt in Umfangsrichtung (X-Richtung), geleitet durch den Ringhohlraum im Hauptkörper 95, und fließt aus den Öffnungen 97 nach unten (in Y-Richtung), um sich entlang der Oberflächen der Substrate S zu bewegen. Anders ausgedrückt wird das Speisegas aus dem Hauptkörper 95 in einer Richtung (Y-Richtung) abgegeben, die im wesentlichen senkrecht zur Speisegas-Strömungsrichtung im Hauptkörper 95 (X-Richtung) ist.
Die Öffnungen 97 sind feine Durchgangslöcher, die in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung der Ringvorderwand 95B gebildet sind. Die Anzahl und Teilung der Öffnungen 97 ist so festgelegt, daß gewährleistet ist, daß die zur Filmabscheidung auf die Substrate S zugeführte Speisegasmenge, d. h. die aus den Öffnungen 97 ausgestoßene Speisegasmenge, gleichmäßig je Längeneinheit jedes Substrats S in Umfangsrichtung des Hauptkörpers 95 ist. Die Substrate S sind parallel zu den Öffnungen 97 des Hauptkörpers 95 ausgerichtet. Dadurch können die Substrate S im Speisegas gebadet werden, das aus dem Hauptkörper 95 des Einlaufteils 94 ausgestoßen wird.
Da das Halbleiterherstellungssystem 90 auf diese Weise aufgebaut ist, ermöglicht das Einlaufteil 94, daß das Speisegas aus der Speisegas-Zufuhreinheit 62 auf die Oberflächen der Substrate S in einer gleichmäßigen Menge je Längeneinheit geführt wird. Die parallel zu den Öffnungen 97 des Einlaufteils 94 ausgerichteten Substrate S werden daher in einer gleichmäßigen Speisegasströmung gebadet, die sehr gleichmäßiges Kristallwachstum auf den Oberflächen der Substrate S ermöglicht. Wie das Einlaufteil 68 ist auch das Einlaufteil 94 so konfiguriert, daß es das Einlaufgas mit einem Kühlmittel kühlen kann, weshalb sich die Temperatur des Speisegases so abkühlen/steuern läßt, daß es sich nicht vorzeitig zersetzt, während es sich vom Einlaß 92C zu den Öffnungen 97 bewegt. Da durch diese Konfiguration das Speisegas zu den Kristallwachstumsstellen auf den Substraten S in einem frischeren Zustand als bisher geleitet werden kann, ist nicht nur die Reinheit des auf den Substraten S gebildeten Kristalls deutlich erhöht, sondern auch der Wirkungsgrad der Rohmaterialnutzung verbessert.
Das thermisch zersetzte verbrauchte Speisegas wird von einem Abgabeanschluß 92D des Hauptkörpers 92 durch die Abgabeleitung 80 zur Abgasbehandlung 69 geführt.
Im folgenden werden Beispiele für Verwendungsfälle eines erfindungsgemäß konfigurierten Halbleiterherstellungssystems erläutert, um eine Epitaxialkristall-Dünnfilmschicht auf einem Saphirsubstrat zu bilden und um eine Epitaxialkristall- Dünnfilmschicht auf einem GaAs-Substrat zu bilden.

Beispiel 2

Eine Anzahl von Saphirsubstraten mit 50 mm Durchmesser wurde im Reaktor 91 des Halbleiterherstellungssystems 90 von Fig. 12 angeordnet, und das erforderliche Speisegas wurde auf die Saphirsubstrate aus den Öffnungen 97 des Einlaufteils 94 geführt. Die Wachstumstemperatur war auf 550°C eingestellt. Eine Galliumnitrid- (GaN) Pufferschicht wurde in einer Dicke von 50 nm mit Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak abgeschieden, wobei Wasserstoff das Trägergas war.
Die TMG-Zufuhr wurde gestoppt, die Temperatur wurde auf 1060°C erhöht, und die TMG-Zufuhr wurde wieder aufgenommen, um GaN zu ziehen. Die TMG-Zufuhr wurde eingestellt, und die Abkühlung begann unmittelbar nach Abschluß der Abscheidung. Die Substrate wurden während des Wachstums gedreht und im Umlauf geführt. Erreichte die Temperatur 600°C, wurde auch die Ammoniakzufuhr gestoppt. Nach gründlicher Abkühlung wurde das Gas im Reaktor durch Stickstoff ersetzt, und die Substrate wurden entnommen. Alle Substrate zeigten eine Spiegeloberfläche. Die auf die Substrate abgeschiedenen Filme wurden einer Dickenmessung und Gleichmäßigkeitsbewertung unterzogen. In Fig. 14 sind die Ergebnisse gezeigt.
Die waagerechte Achse in Fig. 14 stellt die Entfernung von der Mitte zur Kante der Saphirsubstrate dar, und die Kurven zeigen die normalisierte Filmdickenverteilung als Anzeige der Mitte-Kante-Variation der Dicke der auf den Saphirsubstraten gebildeten Epitaxialkristallwachstumsschichten.

Beispiel 3

Ein Saphirsubstrat, auf dem GaN vorab abgeschieden war, wurde in den Reaktor 61 des Halbleiterherstellungssystems 60 von Fig. 8 gegeben, und eine weitere GaN-Schicht wurde auf der vorhandenen GaN-Schicht gezogen. Die zweite GaN-Schicht wurde mit TMG und Ammoniak gezogen, wobei Wasserstoff das Trägergas war. Das Halbleiterherstellungssystem 60 konnte jeweils nur ein Substrat bearbeiten. Während der Abscheidung der zweiten GaN-Schicht wurde das Saphirsubstrat gedreht. Nach Abscheidungsabschluß wurde die Dickengleichmäßigkeit des neu gezogenen Abschnitts bewertet. In Fig. 14 sind die Ergebnisse gezeigt.

Vergleichsbeispiel 2

Ein herkömmliches System diente zum Ziehen einer GaN- Schicht auf einem Saphirsubstrat zum Vergleich mit den Ergebnissen der Beispiele 2 und 3. Dazu wurde das Einlaufteil 68 aus dem im Beispiel 3 verwendeten System entfernt, und das System wurde so rekonfiguriert, daß es das Speisegas direkt auf das Saphirsubstrat von oben blies. Das Saphirsubstrat war waagerecht auf den Heizer aufgesetzt. In anderen Aspekten waren die Konfigurations- und Wachstumsbedingungen die gleichen wie im Beispiel 2. Bewertet wurde die Gleichmäßigkeit der Dicke der erhaltenen GaN-Schicht. In Fig. 14 sind die Ergebnisse gezeigt.
Aus den Versuchsergebnissen von Fig. 14 geht hervor, daß die Dickengleichmäßigkeit der gezogenen Epitaxialdünnfilmschichten, die mit dem erfindungsgemäß konfigurierten Halbleiterherstellungssystemen erhalten wurden, gegenüber dem Fall der Verwendung des herkömmlichen Systems (Vergleichsbeispiel 2) spürbar überlegen war.

Beispiel 4

Epitaxialdünnfilmschichten wurden auf einer Anzahl von Substraten mit 150 mm Durchmesser gezogen, die im Halbleiterherstellungssystem 90 von Fig. 12 eingesetzt waren. Wasserstoff diente als Trägergas, und TMG, TMA (Trimethylarsen) und AsH₃ dienten als Rohmaterialien. Bei einer Temperatur von 670°C wurde eine AlGaAs-Schicht (Al: 0,5) auf jedem GaAs- Substrat in 50 nm Dicke gezogen, wonach TMG und Arsin zugeführt wurden, um eine GaAs-Schicht abzuscheiden. Nach gründlicher Abkühlung wurde das Gas im Reaktor 91 durch Stickstoff ersetzt, und die GaAs-Substrate wurden entfernt. Ein Schutzfilm aus Fotoresist wurde auf einem Teil jedes GaAs-Substrats gebildet, und nur der freiliegende Abschnitt der GaAs-Schicht wurde mit Citronensäure geätzt. Danach wurde das Fotoresist mit Aceton entfernt, und die Höhe der Stufe am Abschnitt, der der GaAs-Schicht entsprach, wurde mit einer Fühlerstufenlehre gemessen. In Fig. 15 sind die Ergebnisse gezeigt. Die waagerechte Achse in Fig. 15 stellt die Entfernung von der Kante zur Mitte des Substrats dar. Aus Fig. 15 wird deutlich, daß eine gute Gleichmäßigkeit in der Ebene erhalten wurde.

Beispiel 5

Mit dem im Beispiel 4 verwendeten Halbleiterherstellungssystem wurde eine laminierte GaAs- und AlGaAs-Struktur mit 1050 nm kombinierter Dicke auf einem GaAs-Substrat mit 150 mm Durchmesser gezogen. Darauf wurden anschließend eine 13 nm dicke InGaAs-Einzelquantentrogschicht (In: 0,15) und eine laminierte Struktur aus einer GaAs- und AlGaAs-Schicht mit 152 nm kombinierter Dicke gezogen. Nach Abkühlung wurde das Gas im Reaktor 91 durch Stickstoff ersetzt, und das GaAs- Substrat wurde entnommen. Gemessen wurde das Fotolumineszenzspektrum der gefertigten Probe. Festgestellt wurde, daß die Lichtemission aus dem InGaAs-Quantentrog eine Mittenwellenlänge von 984 nm hatte und die Standardabweichung der Peakwellenlänge in der Ebene 0,75 nm betrug.

Beispiel 6

Mit dem im Beispiel 4 verwendeten Halbleiterherstellungssystem wurde eine 250-nm-InGaP-Schicht auf einem GaAs- Substrat mit 150 mm Durchmesser bei 650°C unter Verwendung von TMG, TMI (Trimethylindium) und Phosphin als Rohmaterialien gezogen. Danach dienten TMG und Arsin zum Ziehen einer 24-nm-GaAs-Schicht. Nach Abkühlung wurde das Gas im Reaktor 91 durch Stickstoff ersetzt, und das GaAs-Substrat wurde entnommen. Die Gitterkonstante wurde durch Röntgenbeugung gemessen, und die In-Komponentenverteilung in der Ebene der InGaP- Schicht wurde bewertet. In Fig. 16 sind die Ergebnisse gezeigt. Aus Fig. 16 geht hervor, daß eine gute Gleichmäßigkeit der In-Komponente in der Ebene erhalten wurde.

Beispiel 7

Mit dem im Beispiel 2 verwendeten System würde ein Mehrfachguantentrog, gebildet aus fünf Wiederholungen einer 3-nm- InGaN- und 15-nm-GaN-, einer AlGaN-Schicht und einer p-GaN- Schicht, nacheinander auf einer n-GaN-Schicht auf einem 2- Inch-Saphirsubstrat gefertigt. Aus dem erhaltenen Epitaxialsubstrat wurde eine Leuchtdiode hergestellt. Die optische Leistung wurde bei Ansteuerung mit 20 mA in Richtung des Substratdurchmessers gemessen. In Fig. 17 sind die Ergebnisse gezeigt. Aus Fig. 17 wird deutlich, daß die Verteilung der Emissionsleistung bis zum Randbereich sehr gleichmäßig war.
Wie zuvor erläutert wurde, kann erfindungsgemäß durch Verwendung des Einlaufteils, das aus einem geeigneten Hohlteil mit stabartiger oder Ringform besteht und mit einer Gasdüse versehen ist, das Speisegas auf das Halbleitersubstrat mit einer gleichmäßigen Menge je Längeneinheit geführt werden. Indem man also Kristallwachstum bewirkt, wobei das Substrat so plaziert ist, daß es in der aus der Düse zugeführten Gasströmung gebadet wird, läßt sich sehr gleichmäßiges Kristallwachstum erreichen. Da das Einlaufteil leicht abgekühlt und die Speisegas-Zufuhranschlüsse näher an die Kristallwachstumsstelle gebracht werden können, als dies mit einem herkömmlichen System möglich ist, kann das Speisegas die Kristallwachstumsstelle in einem frischeren Zustand als bisher erreichen, was die Kristallreinheit erhöht und den Wirkungsgrad der Rohmaterialnutzung verbessert.
Fig. 18 ist eine schematische Ansicht eines Systems zur Halbleiterherstellung, das eine Ausführungsform der Erfindung ist. Das Halbleiterherstellungssystem 101 ist ein System zur Herstellung eines geeigneten Verbindungshalbleiterwafers, z. B. eines GaN-basierten III-V-Verbindungs- (z. B. InGaAlN-) -halbleiter- oder eines GaAs-basierten III-V-Verbindungshalbleiterwafers. Es ist mit einem Reaktor 102 und einer Speisegas-Zufuhreinheit 103 zum Zuführen von Speisegas zum Reaktor 102 ausgestattet.
Der Aufbau der Speisegas-Zufuhreinheit 103 gleicht im wesentlichen dem der Einheit 3 von Fig. 1, während sich die Einheit 103 von der Einheit 3 darin unterscheidet, daß jedes der Speisegase zum Reaktor 102 ohne Vermischung geführt wird. Da aber die Speisegaseinheit, bei der jedes der Speisegase zum Reaktor 102 ohne Mischen geführt wird, bekannt ist, sind die Einzelheiten der Speisegas-Zufuhreinheit 103 nicht in Fig. 18 gezeigt.
Der Reaktor 102 verfügt über eine Haupteinheit 104, eine innerhalb der Haupteinheit 104 vorgesehene Stufe 105 und einen an der Stufe 105 angeordneten Heizer 106, und ein Substrat S ist durch einen Halter 107 am Heizer 106 befestigt (siehe Fig. 19). Das Substrat S wird über den Heizer 106 durch eine (nicht gezeigte) geeignete Wärmequelle erwärmt, die innerhalb oder außerhalb des Heizers 106 vorgesehen ist, wodurch das Substrat S auf der erforderlichen Temperatur gehalten werden kann. Die Erwärmung kann durch eine Infrarotheizung oder eine Widerstandsheizung erfolgen. Ansonsten kann er durch Verwendung eines Hochfrequenzgenerators erwärmt werden, um Induktionsstrom im Heizer zu erzeugen.
Das System von Fig. 18 kann jeweils nur ein Substrat S bearbeiten. Gemäß Fig. 20 können aber durch Anwendung eines Heizers 106, der der gleiche wie für ein einzelnes Substrat mit der Ausnahme ist, daß er als Polyeder gebildet ist, so viele Substrate befestigt werden, wie der Heizerpolyeder Flächen hat. Daher ist die Anzahl befestigter Substrate S nicht beschränkt, und eine Konfiguration kann zum Einsatz kommen, durch die eine geeignete Anzahl von Substraten S angeordnet werden kann. Der Halter 107 kann mit einem Drehmechanismus versehen sein. Bei Gebrauch eines Polyederheizers kann außerdem die Stufe 105 mit einem Rotationsmechanismus zum Rotieren des Heizers insgesamt um die Mitte des Polyeders versehen sein.
Die Haupteinheit 104 hat einen doppelwandigen Aufbau und ist wassergekühlt. Insbesondere kühlt Kühlmittel, das über einen Kühlmittelzufuhranschluß 109 oben an der Haupteinheit 104 zugeführt wird, die Außenfläche der Haupteinheit 104 insgesamt oder teilweise und wird von einem Kühlmittelabgabeanschluß 108 abgegeben. In Fig. 18 ist der vom Kühlmittel durchlaufene Kanal schraffiert dargestellt.
Ein Einlaßanschluß 110 ist oben an der Haupteinheit 104 zum Einleiten der unterschiedlichen Gase vorgesehen, die aus der Speisegas-Zufuhreinheit 103 in die Haupteinheit 104 geführt werden. Die Speisegas-Zufuhreinheit 103 und der Einlaßanschluß 110 sind durch eine Zufuhrleitung 111 verbunden.
Das Innere der Zufuhrleitung 111 ist mit mehreren unabhängigen Kanälen ausgebildet. Ein Speisegas A der Gruppe II, ein Speisegas B der Gruppe III, ein Speisegas C der Gruppe V und ein Blasegas D, die durch die Speisegas-Zufuhreinheit 103 zugeführt werden, werden einzeln zum Einlaßanschluß 110 durch getrennte Kanäle in der Zufuhrleitung 111 transportiert. Bei Verwendung eines Dotanten der Gruppe IV kann dieser zum Einlaßanschluß 110 getrennt von den anderen Speisegasen geführt oder zwischen der Speisegas-Zufuhreinheit 103 und dem Einlaßanschluß 110 gemischt mit dem Speisegas der Gruppe III zugeführt werden. Wird kein Dotant der Gruppe II verwendet, so wird ein Gas, z. B. Wasserstoff oder Stickstoff, durch die Zufuhrleitung für das Speisegas A der Gruppe II geführt.
Vorgesehen ist ein Einlaufgerät 112 innerhalb der Haupteinheit 104 zum Einleiten von drei oder mehr Gasarten, die einzeln zum Einlaßanschluß 110 auf die o. g. Weise geführt werden, in die Umgebung des Substrats S, während sie getrennt voneinander gehalten werden.
Das Einlaufgerät 112 setzt sich aus einem Rohrteilstück 113 und einem Blas-Misch-Teilstück 114 zusammen. Das Rohrteilstück 113 ist wie die Zufuhrleitung 111 aufgebaut. Es leitet die vom Einlaßanschluß 110 aufgenommenen drei oder mehr Gasarten zum Blas-Misch-Teilstück 114, während es sie voneinander getrennt hält. Daher ist das Innere des Rohrteilstücks 113 in mehrere Kanäle unterteilt.
Das Blas-Misch-Teilstück 114 ist mit einem zylindrischen Gehäuseteil 114A versehen. Eine im Gehäuseteil 114A eingebaute Trennplatte 114B bildet einen Kanalraum im Gehäuseteil 114A zum Leiten von Speisegasen, die aus dem Rohrteilstück 113 austreten, in die Umgebung des Substrats S. Innerhalb des Kanalraums, der durch das Gehäuseteil 114A und die Trennplatte 114B gebildet ist, sind geeignet beabstandete Teiler 114C, 114D, 114E eingebaut, die vier Kanäle 115, 116, 117, 118 bilden. Das Speisegas C der Gruppe V wird durch den Kanal 115 zugeführt, das Speisegas B der Gruppe III durch den Kanal 116, das Speisegas A der Gruppe II durch den Kanal 117 und das Blasegas D durch den äußersten Kanal 118.
Die Blasanschlüsse 115A, 116A, 117A, 118A der Kanäle 115, 116, 117, 118 sind etwas über dem Substrat S positioniert. Das Speisegas B der Gruppe III und das Speisegas C der Gruppe V werden in einem Schichtstrom am Substrat entlang geblasen.
Eine Lochplatte 119 ist am Blasanschluß 118A des Kanals 118 eingebaut. Die Löcher der Lochplatte 119 sind auf einen Bereich stromaufwärts vom Substrat S gerichtet. Daher wird das aus. dem Kanal 118 austretende Blasegas D in einen Bereich stromaufwärts vom Substrat 5 mit Hilfe der Lochplatte 119 wie aus einer Dusche geblasen.
Das Speisegas B der Gruppe III und das Speisegas C der Gruppe V fließen zwischen der Lochplatte 119 und dem Substrat S in einem Schichtstrom. Beim Dotieren mit einem Element der Gruppe II strömt ein Speisegas der Gruppe II zusammen mit diesen beiden Gasen ebenfalls in seiner eigenen Schicht. Das duschartig aus der Lochplatte 119 geblasene Blasegas D vermischt sich dabei zunächst mit dem Speisegas B der Gruppe III und dem Speisegas C der Gruppe V und bläst das resultierende Gemisch aus dem Speisegas B der Gruppe III und dem Speisegas C der Gruppe V wirksam auf die Oberfläche des Substrats S.
In dieser Ausführungsform erstreckt sich das distale Ende 114Aa des Gehäuseteils 114A bis unter das Substrat S, Da das Gehäuseteil 114A somit den gesamten Reaktionsbereich einschließt, berühren das Speisegas B der Gruppe III und das Speisegas C der Gruppe V, die durch das Blasegas D gemischt sind, wirksam die Oberfläche des Substrats S, wodurch der erforderliche Dünnfilmkristall effizient abgeschieden werden kann.
Aufgrund dieser Konfiguration erfahren das Speisegas A der Gruppe II, Speisegas B der Gruppe III und Speisegas C der Gruppe V keine Nebenreaktionen, bis sie die Umgebung des Substrats S erreichen. Daher kann der erforderliche Dünnfilmkristall auf der Oberfläche des Substrats S in der vorgeschriebenen Zusammensetzung und Dicke gebildet werden. Die verbrauchten Gase werden durch einen Abgabeanschluß 120 abgegeben und in einer Abgasbehandlung (nicht gezeigt) behandelt.
Dank der Verwendung des Blasegases D zum Blasen der einzeln zugeführten Speisegase, d. h. des Speisegases A der Gruppe II, Speisegases B der Gruppe III und Speisegases C der Gruppe V, zum Substrat S auf diese Weise, werden das einzeln zugeführte Speisegas A der Gruppe II, Speisegas B der Gruppe III und Speisegas C der Gruppe V durch das Blasegas D gemischt, kurz bevor sie am Substrat S eintreffen. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Abscheidungsgeschwindigkeit und erhöht auch den Gehalt an Al, In und anderen Elementen der Gruppe III neben Ga im GaN-basierten Mischkristall. Außerdem läßt sich beim Dotieren mit einem Element der Gruppe II der Wirkungsgrad des Dotanteinbaus erhöhen, ohne die Kristallabscheidungsgeschwindigkeit zu reduzieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Arbeitsbeispielen näher erläutert. Allerdings ist die Erfindung keineswegs auf diese Beispiel beschränkt.
Der nachfolgend dargestellte III-V-Verbindungshalbleiter wurde durch metallorganisches chemisches Aufdampfen unter Verwendung des Halbleiterherstellungssystems von Fig. 18 gezogen.
Bis-Ethylcyclopentadienylmagnesium ((C₂H₅C₅H₄)₂Mg; im folgenden (EtCp)₂Mg) genannt), diente als p-Dotant zum Mg- Dotieren.

Beispiel 8

Saphir, dessen C-Fläche hochglanzpoliert war, wurde mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und für die Substrate verwendet. Zum Einsatz kam ein Heizer, der ein einzelnes Zwei-Inch-Substrat bearbeiten konnte. Bei der Filmabscheidung wurde er gedreht. Zunächst wurden der Reaktor und das Substrat durch Einleiten von Chlorwasserstoffgas bei 1100°C mit Wasserstoff als Trägergas gereinigt. Nach Reinigungsabschluß wurden Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga; im folgenden mitunter TMG genannt) und Ammoniak bei einer Substrattemperatur von 550°C zugeführt, um eine GaN-Pufferschicht in 50 nm Dicke zu bilden. Die Substrattemperatur wurde auf 1040°C erhöht, und TMG und Ammoniak wurden zugeführt, um eine GaN- Schicht auf 3 µm Dicke zu ziehen. Die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 50 nm/min.
Der so erhaltene Epitaxialwafer wurde nach Abkühlung aus dem Reaktor entfernt, und die Dickenverteilung der GaA- Schicht wurde gemessen. Danach wurde der Wafer wieder in den Reaktor eingesetzt, und die Substrattemperatur wurde auf 750°C in der Mischatmosphäre aus Stickstoff und Ammoniak erhöht. Nach Erreichen der Temperatur von 750°C wurden Triethylgallium ((C₂H₅)₃Ga; im folgenden mitunter TEG genannt) und Ammoniak zugeführt, um eine GaN-Schicht zu ziehen. Die Temperatur des TEG-Blasenbildners betrug 27,5°C.
Die Substrate wurden aus dem Reaktor entnommen. Die Gesamtfilmdicke wurde gemessen, und die Abscheidungsrate von bei 750°C gezogenem GaN wurde durch Subtrahieren der Dicke der bei 1040°C gezogenen GaN-Schicht bestimmt. Dieses Experiment wurde mehrmals unter Änderung der Gesamtspeisegasmenge durchgeführt, wobei aber das Verhältnis zwischen der Strömung von Speisegasen konstant blieb. Wie Symbole A in. Fig. 21 zeigen, betrug die Abscheidungsgeschwindigkeit bei 30 slm (Standard-Liter pro Minute) Gesamtströmungsvolumen 60 nm/min. wobei die Abscheidungsgeschwindigkeit für die TEG- Blasegasmenge normalisiert wurde.

Vergleichsbeispiel 3

Beispiel 8 wurde auf die gleiche Weise mit der Ausnahme wiederholt, daß die in Fig. 18 gezeigte Lochplatte 119 nicht verwendet wurde.
Eine GaN-Schicht wurde bei 750°C gezogen, und das Substrat wurde aus dem Reaktor entfernt. Die Filmdicke wurde gemessen und die Abscheidungsgeschwindigkeit bestimmt. Wie Symbole B in Fig. 21 zeigen, betrug die Abscheidungsgeschwindigkeit bei 30 slm Gesamtströmungsvolumen 20 nm/min. also 1/3 der Abscheidungsgeschwindigkeit bei Verwendung der Lochplatte 119. Wie im Beispiel 8 wurde die Abscheidungsgeschwindigkeit für die TEG-Blasegasmenge normalisiert.

Beispiel 9

Saphir, dessen C-Fläche hochglanzpoliert war, wurde mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und als Substrat verwendet. Zum Einsatz kam ein Heizer, der ein einzelnes Zwei-Inch-Substrat bearbeiten konnte. Bei der Filmabscheidung wurde er gedreht. Zunächst wurden der Reaktor und das Substrat durch Einleiten von Chlorwasserstoffgas bei 1100°C mit Wasserstoff als Trägergas gereinigt. Nach Reinigungsabschluß wurden Trimethylgallium TMG und Ammoniak bei einer Substrattemperatur von 550°C zugeführt, um eine GaN-Pufferschicht in 50 nm Dicke zu bilden. Die Substrattemperatur wurde auf 1040°C erhöht, und TMG und Ammoniak wurden zugeführt, um eine GaN-Schicht auf etwa 3 µm Dicke zu ziehen. Die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 50 nm/min.
Die Substrattemperatur wurde auf 750°C gesenkt, das Trägergas wurde auf Stickstoff umgestellt, und TEG, TMA und Ammoniak wurden zugeführt, um 1 h eine Al_xGa_1-xN-Schicht zu ziehen.
Die TMA- und TEG-Mengen wurden so gesteuert, daß drei Al_xGa_1-xN-Schichten gezogen wurden, die sich im Al- und Ga-Gehaltsverhältnis unterschieden.
Nach Entnahme aus dem Reaktor wurde jedes Substrat durch Röntgenbeugung auf den Al-Gehalt hin untersucht. Wie Symbole A in Fig. 22 zeigen, stieg der Al-Gehalten der Al_xGa_1-xN- Schichten der Substrate proportional zur zugeführten TMA- Menge.

Vergleichsbeispiel 4

Beispiel 9 wurde auf die gleiche Weise mit der Ausnahme wiederholt, daß die in Fig. 18 gezeigte Lochplatte 119 nicht verwendet wurde.
Nach Ziehen der Al_xGa_1-xN-Schicht wurde jedes Substrat aus dem Reaktor entnommen und durch Röntgenbeugung auf den Al- Gehalt hin untersucht. Wie Symbole B in Fig. 22 zeigen, blieb der Al-Gehalt der Al_xGa_1-xN-Schichten der Substrate trotz Erhöhung der zugeführten TMA-Menge im wesentlichen unverändert.

Beispiel 10

Ein Epitaxialwafer aus 3 µm dickem GaN auf Saphir wurde wie in der Beschreibung von Beispiel 8 gefertigt, und die Dickenverteilung der GaN-Schicht wurde gemessen.
Als nächstes wurde der Wafer in den Reaktor gegeben, und die Temperatur wurde auf 1040°C in der Mischatmosphäre aus Wasserstoff und Ammoniak erhöht. Nach Erreichen der Temperatur von 1040°C wurden TMG, (EtCp)₂Mg und Ammoniak zugeführt, um 1 h eine mit Mg dotierte GaN-Schicht zu ziehen. Das zugeführte (EtCp)₂Mg wurde durch Durchblasen von Wasserstoff mit 600 ml/min im (EtCp)₂Mg-Blasenbildner verdampft, der auf 30°C gehalten wurde.
Das so bearbeitete Substrat wurde aus dem Reaktor entfernt, und die Dicke der Mg-dotierten GaN-Schicht wurde gemessen. Gemäß Fig. 23 war die 3-µm-GaN-Schicht, die mit 1 × 10¹⁹/cm³ Mg dotiert war, innerhalb der Substratebene gleichmäßig abgeschieden.

Vergleichsbeispiel 5

Beispiel 10 wurde auf die gleiche Weise mit der Ausnahme wiederholt, daß die in Fig. 18 gezeigte Lochplatte 119 nicht verwendet wurde.
Das mit der Mg-dotierten GaN-Schicht gezogene Substrat wurde aus dem Reaktor entnommen, und die Dicke der Schicht wurde gemessen. Gemäß Fig. 24 variierte die Abscheidungsrate innerhalb der Substratebene zwischen 0,7 µm in der Mitte und 1,5 µm am Rand. Die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug höchstens die Hälfte der im Beispiel 10. Die GaN-Schicht war mit 1 × 10¹⁹/cm³ Mg dotiert.
Da in der Erfindung ein Blasegas zum Blasen der einzeln zugeführten Speisegase zum Substrat zum Einsatz kommt, werden die mehreren einzeln zugeführten Gase unmittelbar vor Eintreffen am Substrat gemischt und stellen eine gute Berührung mit der Substratoberfläche her. Dadurch kann die Abscheidungsgeschwindigkeit verbessert werden, und es erhöht sich der Gehalt an Elementen der Gruppe III im Mischkristall auf GaN-Basis. Verbessert wird auch der Einbauwirkungsgrad der Dotierelemente.

Claims

1. Halbleiterherstellungssystem, das mit einem Reaktor und einer Speisegas-Zufuhreinheit ausgestattet ist und einen Verbindungshalbleiter durch ein Epitaxialaufdampfverfahren unter Verwendung einer im Reaktor eingebauten Düseneinheit zum Abgeben von Speisegas aus der Speisegas-Zufuhreinheit zu einer Oberfläche eines im Reaktor angeordneten Substrats herstellen kann, wobei eine Druckdifferenz zwischen der Innenseite und Außenseite eines Speisegas-Düsenteils der Düseneinheit erzeugt wird.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Druckdifferenz durch Einbau einer Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung in der Düseneinheit erzeugt ist.

3. System nach Anspruch 2, wobei mehrere Stufen der Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung vorgesehen sind.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung mindestens eine Lochplatte ist, die in der Umgebung des Speisegas-Düsenteils der Düseneinheit eingebaut ist.

5. System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Reaktor mit einem Kühlsystem zum Abkühlen des Umfangswandabschnitts des Reaktors versehen ist.

6. System nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, wobei die Druckdifferenz-Erzeugungsvorrichtung durch Einbau mindestens einer Prallplatte in der Düseneinheit gebildet ist.

7. System nach Anspruch 6, wobei eine Lochplatte in der Umgebung des Speisegas-Düsenteils der Düseneinheit eingebaut ist.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Reaktor mit einem Kühlsystem zum Abkühlen eines Umfangswandabschnitts des Reaktors versehen ist.

9. Halbleiterherstellungssystem, das mit einer Speisegas- Zufuhreinheit und einem Reaktor zum Aufnehmen von Speisegas aus der Speisegas-Zufuhreinheit und zum Bilden einer Dünnfilmkristallschicht auf einem Halbleitersubstrat durch metallorganisches chemisches Aufdampfen ausgestattet ist,
wobei das Halbleiterherstellungssystem dadurch gekennzeichnet ist, daß es aufweist:
ein Einlaufteil, das im Reaktor zum Zuführen des aus der Speisegas-Zufuhreinheit aufgenommenen Speisegases auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist, wobei das Einlaufteil aufweist: einen hohlraumartigen Leitkanal zum Leiten des Speisegases aus der Speisegas-Zufuhreinheit in einer ersten vorgeschriebenen Richtung und eine Gasdüse zum Ausstoßen des Speisegases aus dem hohlraumartigen Leitkanal in einer zweiten Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung ist,
wobei das Halbleitersubstrat in der Speisegasströmung aus der Gasdüse gebadet wird.

10. System nach Anspruch 9, wobei das Einlaufteil mit einem stabförmigen Hohlteil versehen ist, in dem der hohlraumartige Leitkanal und die Gasdüse gebildet sind.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, wobei sich die Gasdüse aus mehreren Öffnungen zusammensetzt, die in der ersten Richtung beabstandet sind.

12. System nach Anspruch 11, wobei der Abstand der mehreren Öffnungen so ist, daß die Gasströmung, die durch das aus den mehreren Öffnungen ausgestoßene Speisegas gebildet ist, auf dem Halbleitersubstrat gleichmäßig ist.

13. System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Öffnungen als Durchgangslöcher gebildet sind.

14. System nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, wobei sich die Gasdüse aus einem Schlitz zusammensetzt, der sich in der ersten Richtung erstreckt.

15. System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Einlaufteil innen mit mindestens einem Kühlmittelkanal zum Durchführen eines Kühlmittels zum Kühlen des den hohlraumartigen Leitkanal durchlaufenden Speisegases gebildet ist.

16. System nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Kühlmittelkanal benachbart zum hohlraumartigen Leitkanal vorgesehen ist.

17. System nach Anspruch 16, wobei zwei Kühlmittelkanäle benachbart zum hohlraumartigen Leitkanal auf entgegengesetzten Seiten vorgesehen sind.

18. System nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei das Einlaufteil mit einem Hohlringteil versehen ist, in dem der hohlraumartige Leitkanal und die Gasdüse gebildet sind.

19. System nach Anspruch 18, wobei sich die Gasdüse aus mehreren Öffnungen zusammensetzt, die in der ersten Richtung beabstandet sind.

20. System nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Öffnungen als Durchgangslöcher gebildet sind.

21. System nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Abstand der mehreren Öffnungen so ist, daß die Gasströmung, die durch das aus den mehreren Öffnungen ausgestoßene Speisegas gebildet ist, auf dem Halbleitersubstrat gleichmäßig ist.

22. Verbindungshalbleiter-Herstellungssystem zur Herstellung eines Verbindungshalbleiters unter Verwendung eines der Halbleiterherstellungssysteme nach Anspruch 9 bis 21.

23. Verfahren zur Herstellung eines III-V-Verbindungshalbleiters durch Einleiten mehrerer Speisegasarten in einen Reaktor, in dem ein Substrat angeordnet wurde, auf dem Dünnfilmkristallschichten zu bilden sind, und Abscheiden von Dünnfilmkristallschichten auf das Substrat durch Hydrid-Dampfphasenepitaxie oder metallorganisches chemisches Aufdampfen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: einzelnes Leiten der mehreren Speisegase in die Umgebung des Substrats und Verwenden eines getrennt in den Reaktor geleiteten Blasegases, um die in der Umgebung des Substrats vorhandenen mehreren Speisegase zu mischen und dann die gemischten Speisegase zum Substrat zu blasen.

24. System zur Herstellung eines III-V-Verbindungshalbleiter, das geeignet ist, mehrere Speisegasarten in einen Reaktor einzuleiten, in dem ein Substrat angeordnet wurde, und Dünnfilmkristallschichten auf dem Substrat durch Hydrid-Dampfphasenepitaxie oder metallorganisches chemisches Aufdampfen zu bilden, wobei das System aufweist: ein im Reaktor vorgesehenes Einlaufteil zum Einleiten der mehreren Speisegase und zu ihrem einzelnen Leiten in die Umgebung des Substrats und zum Leiten eines von außerhalb des Reaktors zugeführten Blasegases in die Umgebung des Substrats, und ein Blaseteil, das an einem Auslaß des Einlaufteils vorgesehen ist, zum nach Mischen der aus dem Einlaufteil austretenden mehreren Speisegase durch das Blasegas erfolgenden Blasen des Blasegases auf die mehreren Speisegase, um sie zum Substrat zu blasen.

25. System nach Anspruch 24, wobei das Blaseteil eine Lochplatte ist.

26. System nach Anspruch 24 oder 25, ferner mit einem Kühlsystem zum Abkühlen eines Umfangswandabschnitts des Reaktors mit einem Kühlmittel.

27. System nach Anspruch 24, 25 oder 26, wobei das Einlaufteil die mehreren in die Umgebung des Substrats geführten Speisegase in Schichten anordnet.

28. III-V-Verbindungshalbleiter, der mit dem Verfahren bzw. mit dem System nach einem der Ansprüche 1 bis 27 herstellbar ist.