JP2002353151A

JP2002353151A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2002353151A
Application number: JP2001161711A
Authority: JP
Inventors: Toshinao Katamine; 俊尚片峯; Yasushi Iechika; 泰家近; Yoshihiko Tsuchida; 良彦土田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-12-06
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP4663912B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反応装置内に導入された原料ガスが基板表面
全体に亘って均一流量で流れるようにすること。【解決手段】３−５族化合物半導体をエピタキシャル
気相成長法を用いて製造するための半導体製造装置１に
おいて、反応装置２内に設けられている基板Ｓの表面に
向けて原料ガスを供給するための吹出装置２５の吹出ノ
ズル部２７の底部２７Ａに多数の開口２８を設け、これ
により吹出ノズル部２７の内側と外側との間に差圧を発
生させるようにし、これにより吹出ノズル部２７から吹
き出す原料ガスが基板Ｓの表面上を均一流量で流れるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長により膜
厚の均一な結晶成長層を形成することができるようにし
た半導体製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種の化合物半導体装置の製造のため
に、従来から、５族原料にＡｓＨ₃やＰＨ₃のような水
素化物を用いてエピタキシャル結晶層を成長させるハイ
ライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）法や有機金属を熱分解させる
ことによりエピタキシャル結晶層を成長させる有機金属
熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）等を用いて、基板上に所要の
単結晶層を連続的に積層した半導体薄膜結晶基板が用い
られている。このように、各種のエピタキシャル気相成
長法によって基板上に所要の化合物半導体単結晶層を形
成する場合、形成されたエピタキシャル結晶層の品質が
出来上がった半導体デバイスの特性に大きく影響する。

【０００３】例えば、ＬＥＤ素子の製造に用いる半導体
薄膜結晶基板の場合、各エピタキシャル結晶層の膜厚を
均一にすることが、これを用いて製造されたＬＥＤ素子
の発光波長及び強度特性のばらつきを抑えるのに必要で
ある。その他の半導体素子の製造の場合でも同様であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】基板上に形成するエピ
タキシャル結晶層の厚さを全面に亘って均一にするに
は、反応装置内に供給した原料ガスの流量が基板の表面
全体に亘って均一に流れるようにすることが重要であ
る。しかし、反応装置内のサセプタ上に設置された基板
は通常高周波誘導加熱等の方法により所要の成長温度に
なるよう制御されており、少なくとも６００℃程度の高
温となっている。このため、反応装置内に導入された原
料ガスの流れがこの熱により乱されるため、原料ガスを
基板表面上に均一に流すことは極めて困難である。特
に、ＧａＮ系のＬＥＤ素子用の基板の場合のように成長
温度が１０００℃以上となるようなより高温の製造プロ
セスを含む場合にはなおさらである。

【０００５】このため、半導体薄膜結晶基板全体に亘っ
て特性の揃ったＬＥＤ素子またはその他の半導体素子を
形成することは難しく、したがって、従来にあっては、
出来上がった半導体素子の特性をチェックして目的別に
選り分けているのが現状である。

【０００６】本発明の目的は、従来技術における上述の
問題点を解決することができる半導体製造装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、３−５族化合物半導体をエピタキシャ
ル気相成長法を用いて製造するための半導体製造装置に
おいて、反応装置内に設けられている基板表面に向けて
原料ガスを供給するための吹出口の内側と外側の間に差
圧を発生させるようにし、これにより吹出口から吹き出
す原料ガスが基板表面上を均一流量で流れるようにした
ものである。

【０００８】請求項１の発明によれば、反応装置と原料
ガス供給装置とを備え、前記原料ガス供給装置からの原
料ガスを前記反応装置内に配設されている吹出装置から
前記反応装置内に設けられた基板表面に向けて流出させ
ることにより化合物半導体をエピタキシャル結晶成長法
によって製造するようにした製造装置において、前記吹
出装置の原料ガス吹出口の内側と外側との間に差圧を生
じさせるようにしたことを特徴とする半導体製造装置が
提案される。

【０００９】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
において、前記吹出装置に差圧発生装置を設けることに
より前記差圧を生じさせるようにした半導体製造装置が
提案される。

【００１０】請求項３の発明によれば、請求項２の発明
において、前記差圧発生装置が多段に設けられている半
導体製造装置が提案される。

【００１１】請求項４の発明によれば、請求項２又は３
の発明において、前記差圧発生装置が、前記吹出装置の
原料ガス吹出口付近に配設された目皿部材である半導体
製造装置が提案される。

【００１２】請求項５の発明によれば、請求項１の発明
において、前記反応装置に周壁部を冷却するための水冷
装置が設けられている半導体製造装置が提案される。

【００１３】請求項６の発明によれば、請求項２の発明
において、前記差圧発生装置が、前記吹出装置内に少な
くとも１つのせき板部材を配設して成るものである半導
体製造装置が提案される。

【００１４】請求項７の発明によれば、請求項６の発明
において、前記吹出装置の原料ガス吹出口付近に目皿部
材を設けた半導体製造装置が提案される。

【００１５】請求項８の発明によれば、請求項６又は７
の発明において、前記反応装置に周壁部を冷却するため
の水冷装置が設けられている半導体製造装置が提案され
る。

【００１６】吹出装置内に差圧発生装置を設けることに
より、吹出装置内の原料ガスの圧力を吹出装置の出口開
口における原料ガスの圧力より大きくすることができ、
これにより吹出装置から吹き出す原料ガスを基板の表面
全体に亘って均一の流量をもって流すことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例につき詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明による半導体製造装置の実
施の形態の一例を示す概略構成図である。半導体製造装
置１は、例えばＩｎＧａＡｌＮの如きＧａＮ系の３−５
族化合物半導体基板あるいはＧａＡｓ系の３−５族化合
物半導体基板等、適宜の化合物半導体基板を製造するた
めの装置であり、反応装置２と、該反応装置２に原料ガ
スを供給するための原料ガス供給装置３とを備えて成っ
ている。

【００１９】反応装置２は、本体２１内に基板Ｓをセッ
トしておくためのサセプタ２２が設けられており、本体
２１の外側面２１Ａに設けられた高周波誘導加熱コイル
２３によってサセプタ２２を加熱し、サセプタ２２にセ
ットされる基板Ｓを所要の温度となるように加熱するこ
とができる構成となっている。

【００２０】原料ガス供給装置３は、本体２１の入口ポ
ート２１Ｂに原料物質を気相として供給するための原料
供給ライン３１を備えている。原料供給ライン３１の入
力端３１Ａには図示しない水素供給源からキャリアガス
である水素が一定圧力で送り込まれており、原料供給ラ
イン３１には、基板Ｓ上に気相成長させるための原料物
質を気相状態にして原料供給ライン３１に供給できるよ
うにするためのバブラ３２、３３、３４が接続されてい
る。

【００２１】バブラ３２は、恒温槽３２Ａによって温度
調節されており、バブラ３２内に入れられている原料物
質Ａ中にマスフローコントローラ３２Ｂによって流量制
御された水素ガスをパイプ３２Ｃを介して送り込むこと
によって原料物質Ａを泡立たせ、これにより原料物質Ａ
を蒸気とすることができる構成となっている。バブラ３
２と原料供給ライン３１とは、開閉弁３２Ｄと流量調整
弁３２Ｅとが直列に設けられているパイプ３２Ｆによっ
て接続されており、開閉弁３２Ｄを開くことによって、
バブラ３２によって気相状態となっている原料物質Ａと
キャリアガスである水素ガスとの混合ガスが原料供給ラ
イン３１に流量調節されて原料ガスとして送り込まれ、
原料供給ライン３１を介して後述するようにして本体２
１内に導入される。

【００２２】開閉弁３２Ｄが閉じられている場合に流量
調整弁３２Ｅからの原料ガスを窒素ガスが所定の圧力を
もって供給されている排気ガスライン３５内に逃すよう
にするため、開閉弁３２Ｄと流量調整弁３２Ｅとの接続
点と排気ガスライン３５との間は、別の開閉弁３２Ｇが
設けられている排出パイプ３２Ｈによって接続されてい
る。開閉弁３２Ｄ、３２Ｇは一方が閉じている場合には
他方が開くよう図示しないプロセス制御ユニットによっ
て開閉制御されており、これにより流量調整弁３２Ｅか
らの原料ガスを所定のタイミングで所定の時間だけ原料
供給ライン３１に送り出すことができる構成となってい
る。

【００２３】原料物質Ｂ、Ｃをそれぞれ蒸気にするため
のバブラ３３、３４も全く同様の構成となっているの
で、バブラ３３、３４の各部のうちバブラ３２の各部に
対応する部分には３２Ａ〜３２Ｈに対応する３３Ａ〜３
３Ｈ、及び３４Ａ〜３４Ｈの符号を付してそれらの説明
を省略する。

【００２４】バブラ３２、３３、３４内で上述の如くし
て作られた各原料ガスは対応する流量調整弁によって所
定の圧力状態に調整されて取り出されており、開閉弁３
２Ｄ、３２Ｇ、３３Ｄ、３３Ｇ、３４Ｄ、３４Ｇを開弁
制御し、対応する開閉弁３２Ｄ、３３Ｄ、３４Ｄの開閉
制御により各薄膜層の形成に必要とされる量の原料ガス
を所要のタイミングで本体２１に送り込むことができる
ようになっている。これらの原料ガスは、本体２１内に
導入され、本体２１内に送り込まれた原料ガスが基板Ｓ
の表面付近で熱分解され、基板Ｓ上にエピタキシャル結
晶を成長させる。

【００２５】図２には、図１に示した反応装置２が拡大
して詳細に示されている。本体２１は２重壁構造となっ
ており、その上部に設けられた冷却水供給口２１Ｄから
供給された冷却水が本体２１の外表面全体を冷却し、冷
却水排出口２１Ｅから排出される、水冷式の構成となっ
ている。

【００２６】サセプタ２２には基板ホルダ２４を介して
基板Ｓが取り付けられている。図２は基板Ｓが１枚だけ
処理できる装置を示している。しかし、サセプタ２２を
交換することで同様の取付構成により基板Ｓを複数枚取
り付けることができるようにすることも可能である。入
口ポート２１Ｂには、原料ガス供給装置３から送られて
くる原料ガスを本体２１内に導入してエピタキシャル結
晶層の形成のために基板Ｓの表面全体に亘って均一流量
で供給するための吹出装置２５が連結されている。

【００２７】図３に示されるように、吹出装置２５は、
原料ガスを導入するための導入管部２６と導入管部２６
の先端に設けられた中空で円環状の吹出ノズル部２７と
から成り、吹出ノズル部２７の底部２７Ａは比較的小径
の開口２８が多数形成された目皿部材となっている。

【００２８】この結果、導入管部２６によって導入され
た原料ガスは、底部２７Ａの開口２８で絞りをかけられ
るため、吹出ノズル部２７の内側と外側との間において
差圧が生じることになる。この結果、これらの開口２８
から流出する原料ガスの各流出圧力は略等しくなり、し
たがって、サセプタ２２に設けられた基板Ｓには原料ガ
スが均一に流れることになるので、基板Ｓ上に形成され
るエピタキシャル結晶層の厚さを基板Ｓの表面全体に亘
って略等しくすることができる。

【００２９】図３に示した構成では、吹出ノズル部２７
の内側と外側との間で原料ガスの圧力に差を生じさせる
ため多数の開口２８を吹出ノズル部２７の底部２７Ａに
形成した目皿部材を用いた。しかし、他の手段によって
上述の如き差圧を発生させることもできる。

【００３０】図４には、吹出装置２５内の原料ガスの流
路中にせき板を設けることにより吹出装置２５の内側と
外側との間に所要の差圧を発生させるようにした構成が
示されている。この差圧発生機構は、導入管部２６内に
複数のせき板２９を図示の如く交互に配置し、これによ
り吹出装置２５内を流れる原料ガスに流れ抵抗を与え、
これにより、所要の差圧を発生させるようにしたもので
ある。

【００３１】なお、これらのせき板２９による差圧発生
機構と吹出ノズル部２７の底部２７Ａに形成した目皿部
とをの両方を差圧発生機構として併用することも可能で
ある。

【００３２】図３に示した構成では、吹出ノズル部２７
の内側と外側とで原料ガスの圧力に差圧を生じさせるた
め多数の開口２８を吹出ノズル部２７の底部２７Ａに形
成した目皿部材を用いた。この種の目皿部材は吹出ノズ
ル部２７の底部に複数段設けることもできる。

【００３３】図５には、この種の目皿部材を吹出ノズル
部２７の底部に複数段設けた場合の構成例が示されてい
る。ここでは、吹出ノズル部２７の内側であって底部２
７Ａ近くに第２の目皿部材２７Ｂを設けている。目皿部
材２７Ｂは複数の開口２８’が設けられて成っており、
これらの開口２８’は、底部２７Ａに形成されている開
口２８と整列しないようずらして形成されている。この
ように目皿部材を２段にすることにより、差圧をより大
きくし、１段の場合に比べて原料ガスの基板Ｓに対する
流量の均一性をより高めることができる。

【００３４】このように、吹出装置２５に差圧発生のた
めの機構を設けることにより、原料ガスを基板Ｓの表面
全体に亘って均一な流量をもって供給できるようにな
り、これにより基板Ｓの表面に形成されるエピタキシャ
ル結晶層を基板Ｓの表面全体に亘って均一なものとする
ことができるようになる。したがって、このようにして
基板Ｓ上に順次所要のエピタキシャル結晶層を形成して
成る半導体薄膜結晶基板を用いて製造されたＬＥＤ素子
又はその他の半導体装置は、その特性においてばらつき
の少ない均一なものとすることができる。したがって、
ＬＥＤ素子であれば、輝度や波長の均一性が確保される
ので、この点における特性の不揃いの発生を有効に抑え
ることができる。

【００３５】

【実施例】上で説明した半導体製造装置１を用いて発光
素子を製作した。この発光素子は、図６に示す構造を有
している。ここで、５１は基板、５２はＧａＮバッファ
層、５３はＳｉドープ高温ＧａＮ層、５４はＳｉドープ
低温ＧａＮ層、５５はＩｎＧａＮ層、５６はＡｌＧａＮ
層、５７はＭｇドープＧａＮ層、５８はｐ電極、５９は
ｎ電極である。ここで、３−５族化合物半導体は、有機
金属気相成長法により作製した。

【００３６】なお、ｎ型ドーパントとしてＳｉをドープ
するために、窒素で希釈したシラン（ＳｉＨ₄）を、ｐ
型ドーパントとしてＭｇをドープするために、ビスエチ
ルシクロペンタジエニルマグネシウム〔（Ｃ₂Ｈ₅Ｃ₅
Ｈ₄）₂Ｍｇ、以下（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇと記すことがあ
る。〕を用いた。

【００３７】基板５１として、サファイアのＣ面を鏡面
研磨したものを有機洗浄して用いた。成膜は、２イン
チ基板１枚を処理できるサセプタを用いて、自転動作し
ながら、行った。反応炉の吹き出し口は、差圧を設け、
ガスの流れが均一になるようにするため、目皿部２段階
の構成を採用した。

【００３８】まず、水素をキャリアガスとし、１１００
℃で塩化水素ガスを供給して、反応炉および基板のクリ
ーニングを行った。クリーニング終了後、基板温度５５
０℃で、ＴＭＧとアンモニアを供給して膜厚５０ｎｍの
ＧａＮバッファ層５２を形成した。

【００３９】次に基板温度を１０４０℃まで上げ、トリ
メチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ、以下ＴＭＧと記す
ことがある）、アンモニア、及びシランガスを供給し
て、Ｓｉをドープしたｎ−型キャリア濃度１×１０¹⁸／
ｃｍ³、膜厚約３μｍのＧａＮ層５３を成長し、さらに
同じ温度にてノンドープのＧａＮ層（図示略）を１５０
ｎｍ成長した。Ｓｉドープ層およびノンドープ層の成膜
速度は、５０ｎｍ／分であった。

【００４０】次に基板温度を７７５℃まで下げ、キャリ
アガスを窒素に換え、トリエチルガリウム（（Ｃ
₂Ｈ₅）₃Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある）、アン
モニア、およびシランを供給して、ＳｉをドープしたＧ
ａＮ層５４を１７ｎｍ成膜した後、ＴＥＧ、トリメチル
インジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すこと
がある）およびアンモニアを供給して発光層であるＩｎ
ＧａＮ層５５を３ｎｍ成膜した。以上のＧａＮ層および
ＩｎＧａＮ層の成膜の操作をさらに４回繰り返した。

【００４１】さらに、同じ温度にてＴＥＧ、トリメチル
アルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ、以下ＴＭＡと記すこ
とがある）およびアンモニアを供給して、保護層である
ＡｌＧａＮ層５６を６ｎｍ成長した。

【００４２】一旦取り出した基板を再度成長装置へ入
れ、保護層であるＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層を４４
ｎｍ成長したのち、基板温度を１０６０℃まで上げ、
（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇ、およびアンモニアを供給してＴＭ
Ｇ、（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇおよびアンモニアを供給してＭ
ｇをドープしたＧａＮ層５７を２００ｎｍ成長した。

【００４３】以上により作製した３−５族化合物半導体
資料を反応装置２から取り出したのち、窒素中で８００
℃、２０分アニールを施し、ＭｇをドープしたＧａＮ層
を低抵抗のｐ型層にした。こうして得た試料に常法によ
り電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）とした。ｐ
電極５８としてＮｉ−Ａｕ合金、ｎ電極５９としてＡｌ
を用いた。このＬＥＤに順方向に電流を流したところ、
発光波長４６０ｎｍの明瞭な発光を示した。２０ｍＡで
の基板の中心部での輝度は０．７ｃｄであり、基板面内
の発光輝度は、図７中符号Ａで示されているように高い
均一性を示した。

【００４４】比較例吹き出し口の目皿部の、開口の口径が大きく、差圧を大
きく取れない構成を用い、かつ基板の自転動作をさせな
いこと以外は、実施例と同様に行った。発光ダイオード
とした後、このＬＥＤに順方向に電流を流したところ、
基板面内の発光輝度は、図７中符号Ｂで示されているよ
うに不均一な分布を示した。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、以上の如く、吹出装置
内に差圧発生装置を設けることにより、吹出装置内の原
料ガスの圧力を吹出装置の出口開口における原料ガスの
圧力より大きくしたので、吹出装置から吹き出す原料ガ
スを基板の表面全体に亘って均一の流量をもって流すこ
とができ、これにより基板上に形成されるエピタキシャ
ル結晶層の厚さを基板の表面全体に亘って略等しくする
ことができる。この結果、基板上に順次所要のエピタキ
シャル結晶層を形成して成る半導体薄膜結晶基板を用い
て製造されたＬＥＤ素子又はその他の半導体装置は、そ
の特性においてばらつきの少ない均一なものとすること
ができる。したがって、ＬＥＤ素子であれば、輝度や波
長の均一性が確保されるので、この点における特性の不
揃いの発生を有効に抑え、製品の歩留りを著しく改善す
ることができ、半導体装置の製造コストの低減を期待す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体製造装置の実施の形態の一
例を示す概略構成図。

【図２】図１の反応装置を拡大して詳細に示す断面図。

【図３】図２に示す吹出装置の拡大斜視図。

【図４】せき板による差圧発生のための差圧発生機構の
構成を示す断面図。

【図５】目皿部材を複数段設けた場合の構成の一例を示
す断面図。

【図６】図１に示した半導体製造装置を用いて製造した
発光素子の構造を示す断面図。

【図７】図６に示した発光素子の製造のために使用した
基板における内面位置と輝度との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１半導体製造装置２反応装置３原料ガス供給装置２１本体２２サセプタ２３高周波誘導加熱コイル２４基板ホルダ２５吹出装置２６導入管部２７吹出ノズル部２７Ａ底部２７Ｂ目皿部材２８、２８’ 開口２９せき板３１原料供給ライン３２、３３、３４バブラＳ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土田良彦茨城県つくば市北原６番住友化学工業株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 DB01 EG23 TG13 TH06 TH11 5F045 AA04 AB14 AB17 AB18 AC01 AC08 AC09 AC12 AD09 AD11 AD14 AF09 AF13 BB01 BB08 CA10 DA53 DP03 EB02 EE03 EE17 EF04 EF13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応装置と原料ガス供給装置とを備え、前記原料ガス供給装置からの原料ガスを前記反応装置内
に配設されている吹出装置から前記反応装置内に設けら
れた基板表面に向けて流出させることにより化合物半導
体をエピタキシャル結晶成長法によって製造するように
した製造装置において、前記吹出装置の原料ガス吹出口の内側と外側との間に差
圧を生じさせるようにしたことを特徴とする半導体製造
装置。
【請求項２】前記吹出装置に差圧発生装置を設けるこ
とにより前記差圧を生じさせるようにした請求項１記載
の半導体製造装置。
【請求項３】前記差圧発生装置が多段に設けられてい
る請求項２記載の半導体製造装置。
【請求項４】前記差圧発生装置が、前記吹出装置の原
料ガス吹出口付近に配設された目皿部材である請求項２
又は３記載の半導体製造装置。
【請求項５】前記反応装置に周壁部を冷却するための
水冷装置が設けられている請求項１記載の半導体製造装
置。
【請求項６】前記差圧発生装置が、前記吹出装置内に
少なくとも１つのせき板部材を配設して成るものである
請求項２記載の半導体製造装置。
【請求項７】前記吹出装置の原料ガス吹出口付近に目
皿部材を設けた請求項６記載の半導体製造装置。
【請求項８】前記反応装置に周壁部を冷却するための
水冷装置が設けられている請求項６又は７記載の半導体
製造装置。