JP2003073189A - 半導体製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期間に亘ってエッジチップの発生なしにウ
エハーベースにセットされた基板上に気相成長による成
膜を行えるようにすること。 【解決手段】 原料ガスを反応装置２内に供給しウエハ
ーベース３０の凹部３１にセットして保持されている半
導体基板４０の表面に半導体単結晶層５０を気相成長さ
せるようにした半導体製造装置１において、凹部３１の
深さ寸法Ｄを半導体基板４０の厚さ寸法ｄよりも大きく
した。この寸法差により半導体基板４０の表面レベルは
凹部３１のエッジのレベルよりも下方となり、ウエハー
ベース３０の表面３０Ａに堆積した堆積層６０のせり出
し部６０Ａのの影響を有効に回避することができる。凹
部３１の深さ寸法Ｄを半導体基板４０の厚さ寸法ｄより
小さくしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に化合物半
導体薄膜を気相成長させるための半導体製造方法及び装
置に関する。

【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
ドライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）法、あるいは有機金属を熱
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
ウエハーが用いられている。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
体単結晶層を気相成長させる従来の半導体製造装置にあ
っては、非常に薄い基板をその平面性を保って反応炉内
にしっかりと固定しておくため、ウエハーベースが使用
されている。

【０００３】この従来のウエハーベースは、例えば厚さ
が６００（μｍ）程度の基板に対して０．５（mm）程度
の座ぐり深さの基板収容のための凹部を有する形態のも
のが使用されており、ウエハーベースの凹部に基板をセ
ットした後、原料ガスを反応炉内に送り込み、基板上に
化合物半導体薄膜をエピタキシャル気相成長によって成
膜している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の装置を用いて基板上に気相成長による化合物半
導体薄膜を成膜すると、原料ガスは基板上のみならず、
ウエハーベースの凹部の周囲の表面にも接触してそこに
原料物質が堆積することとなる。このウエハーベース表
面への堆積物は気相成長処理を行う度に累積され、この
累積量が多くなると、この累積された堆積物と基板上に
成長した化合物半導体薄膜とが相互に干渉し、出来上が
った基板にエッジチップと呼ばれる微小な破壊部分が発
生し、製品の歩留りを低下させる一因となっている。上
記の例の場合、累積バッチ数が１０バッチ程度でエッジ
チップが発生し始めていた。

【０００５】エッジチップの発生は、このように、ウエ
ハーベースの表面に堆積する原料物質の量が多くなった
場合に問題となるため、従来ではウエハーベースのメン
テナンスをこまめに行うことによりエッジチップが発生
しないよう、操作者が経験に頼って頻繁にウエハーベー
スの交換を行っている。このため、製造装置の運転停止
時間が長くなる上に、保守コストの増大を招くこととな
り、結局製品のコストを上昇させてしまうという問題が
生じている。また、出来上がった製品の品質の均一性の
確保にも問題が生じている。

【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、改善された半導体製造
方法及び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】長期間に亘ってエッジチ
ップの発生なしにウエハーベースにセットされた基板上
に気相成長による成膜を行うことができるようにし、半
導体製造装置の保守、点検の間隔を長くすることができ
るようにすると共に、製造品質の均一性の確保が図られ
るようにするため、本発明者はエッジチップ発生のメカ
ニズムを解明するため種々検討を行った。その結果、原
料物質の堆積が進むとウエハーベースの基板セット用凹
部の内側エッジ部に堆積物がせり出す状態となり、この
せり出し部分がエッジチップの発生に密接にかかわって
いることが判った。さらに、度重なるウエハーベースの
改良検討及びデータ解析の結果、エッジチップの散発的
発生は、加工公差の範囲内で基板毎に異なる基板厚さ
と、加工公差の範囲内でウエハーベース毎に異なる基板
収容のための凹部のザグリ部深さとが関係していること
が判った。基板の厚さｄとこの基板をセットするための
凹部の深さＤとは、所定の差を有しているそれぞれの加
工公差を考慮することが重要であることが判った。

【０００８】本発明は、上記知見に基づいてなされたも
ので、ウエハーベースの基板セット用凹部の内側エッジ
部分に堆積物のせり出しが生じた場合でもその影響を有
効に抑えることができるよう凹部の深さ寸法と基板の厚
み寸法とを所定の関係とし、これにより、ウエハーベー
スを長期間に亘って用いても、これを用いて製造された
半導体にエッジチップを生じさせないようにしたもので
ある。

【０００９】請求項１の発明によれば、原料ガスを反応
装置内に供給し該反応装置内にウエハーベースの凹部に
セットして保持されている基板の表面に半導体薄膜結晶
層を気相成長させるようにした半導体製造装置におい
て、前記凹部の深さ寸法を前記基板の厚さ寸法よりも大
きくしたことを特徴とする半導体製造装置が提供され
る。

【００１０】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
において、前記深さ寸法と前記厚さ寸法との差が０．０
４（mm）〜０．１１（mm）の範囲内にある半導体製造装
置が提案される。

【００１１】請求項３の発明によれば、原料ガスを反応
装置内に供給し該反応装置内にウエハーベースの凹部に
セットして保持されている基板の表面に半導体薄膜結晶
層を気相成長させるようにした半導体製造装置におい
て、前記凹部の深さ寸法を前記基板の厚さ寸法よりも小
さくしたことを特徴とする半導体製造装置が提案され
る。

【００１２】請求項４の発明によれば、請求項３の発明
において、前記凹部の深さ寸法Ｄと前記基板の厚さ寸法
ｄとが下式 １２０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） を満足している半導体製造装置が提案される。

【００１３】請求項５の発明によれば、請求項３の発明
において、前記凹部の深さ寸法Ｄと前記基板の厚さ寸法
ｄとが下式 １７０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） を満足している半導体製造装置が提案される。

【００１４】凹部の深さ寸法を基板の厚さ寸法より大き
くしておくことにより、基板をウエハーベースの凹部に
セットした場合、基板の表面レベルは凹部のエッジのレ
ベルよりも下方となるレベル差を生じる。この結果、ウ
エハーベースの表面に堆積した堆積物の凹部のエッジか
ら内側へのせり出しの影響を有効に回避することがで
き、上記レベル差により基板の周縁部にエッジチップが
生じるのを長期間に亘って有効に防止することができ
る。

【００１５】また、凹部の深さ寸法を基板の厚さ寸法よ
り小さくしておく場合には、基板をウエハーベースの凹
部にセットした場合、基板の表面レベルが凹部のエッジ
のレベルよりも上方となるようにレベル差を生じる。こ
の結果、ウエハーベースの表面に堆積した堆積物の凹部
のエッジから内側へのせり出しが生じないので、基板の
周縁部にエッジチップが生じるのを長期間に亘って有効
に防止することができる。気相成長を重ねるにつれ、堆
積物の累積量は多くなるため、やがて上記レベル差がな
くなる。そのため、運転効率、保守コスト等との兼ね合
いから、適当なレベル差を設けることで、問題を解決で
きる。

【００１６】請求項６の発明によれば、原料ガスを反応
装置内に供給し該反応装置内にウエハーベースの凹部に
セットして保持されている基板の表面に半導体薄膜結晶
層を気相成長させて半導体を製造する半導体製造方法に
おいて、前記凹部の深さ寸法が前記基板の厚さ寸法より
も大きい状態で前記半導体薄膜結晶層の気相成長を行う
ようにしたことを特徴とする半導体製造方法が提案され
る。

【００１７】請求項７の発明によれば、原料ガスを反応
装置内に供給し該反応装置内にウエハーベースの凹部に
セットして保持されている基板の表面に半導体薄膜結晶
層を気相成長させて半導体を製造する半導体製造方法に
おいて、前記凹部の深さ寸法が前記基板の厚さ寸法より
も小さい状態で前記半導体薄膜結晶層の気相成長を行う
ようにしたことを特徴とする半導体製造方法が提案され
る。

【００１８】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、累積バッチ数が前記深さ寸法と前記厚
さ寸法との差分に応じて予め定められている値に達した
場合に前記ウエハーベースを交換又は清掃するようにし
た半導体製造方法が提案される。

【００１９】

【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。

【００２０】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
族化合物半導体ウエハーあるいはＧａＡｓ系の３−５族
化合物半導体ウエハー等、適宜の化合物半導体ウエハー
をＭＯＣＶＤ法により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。

【００２１】反応装置２は、反応チャンバを形成するハ
ウジング本体２１を備え、ハウジング本体２１内に設置
されている回転台２２の回転筒部２２Ａには、ウエハー
ベース３０が取り付けられている。図１では、ウエハー
ベース３０が１つだけ見えているが、ウエハーベース３
０は、回転筒部２２Ａの外周壁に沿って適宜の数設ける
ことができる。

【００２２】ウエハーベース３０には、所要の化合物半
導体薄膜結晶ウエハーを製造するのに必要な半導体基板
４０が装着されており、原料ガス供給装置３からの原料
ガスは供給ライン４を介してハウジング本体２１の上方
から反応装置２内に供給される。

【００２３】ハウジング本体２１内には、原料ガス供給
装置３から送られてくる原料ガスをエピタキシャル結晶
層の形成のために半導体基板４０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２３が設けられてお
り、これにより、ハウジング本体２１内に供給された原
料ガスが、半導体基板４０の外面に沿って流れ、排出ポ
ート２１Ａからハウジング本体２１外に排出される構成
となっている。

【００２４】なお、本実施の形態では、ハウジング本体
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２１Ｂから供給された冷却水がハウジング
本体２１の外表面全体を冷却し冷却水排出口２１Ｃから
排出される、水冷式の構成となっている。

【００２５】図２には、図１に示したウエハーベース３
０の拡大断面図が示されている。ウエハーベース３０
は、例えば６００（μｍ）程度の厚さの極めて薄い半導
体基板４０をその平坦性を保って反応装置２内に保持し
ておくための治具であり、半導体基板４０を収容するた
め、ウエハーベース３０の表面３０Ａに座ぐりを施すこ
とによって形成された凹部３１が設けられている。

【００２６】本実施の形態では、凹部３１の底面３１Ａ
は、そこにセットすべき半導体基板４０の直径寸法より
も若干大きい直径寸法を有する円形形状となっており、
凹部３１の開口３１Ｂの直径は半導体基板４０の直径よ
りは大きいが底面３１Ａの直径よりも若干小さい寸法と
なっている。すなわち、凹部３１は下方に向けて拡大す
る穴となっている。そして、凹部３１の深さ寸法Ｄは、
半導体基板４０の厚さ寸法ｄよりも大きくなっている。
そして、半導体基板４０は凹部３１の底面３１Ａに密着
するようにして凹部３１内に収容されるので、半導体基
板４０が凹部３１内に収容された状態にあっては、半導
体基板４０の表面のレベルがウエハーベース３０の凹部
３１の周囲の表面３０Ａのエッジのレベルよりも低くな
る。

【００２７】ウエハーベース３０は以上のように構成さ
れているので、半導体基板４０が図示しない加熱源によ
って所定の成長温度になるように加熱されている状態で
原料ガスが吹出装置２３から矢印Ａに沿って流れること
により、半導体基板４０の表面４０Ａ上に所要の化合物
半導体単結晶層が成膜される。このとき、ウエハーベー
ス３０の凹部３１の周囲の表面３０Ａ上にも原料物質が
堆積することになる。

【００２８】図３は、半導体基板４０上に半導体単結晶
層５０が成膜され、ウエハーベース３０の表面３０Ａ上
へ原料物質の堆積層６０が形成された様子を示した図で
ある。

【００２９】半導体基板４０は、半導体単結晶層５０の
成膜が終了すればウエハーベース３０から外され、次の
新しい半導体基板４０がセットされる。しかし、表面３
０Ａ上へ堆積した堆積層６０は、半導体基板４０の交換
に拘らず、順次累積され、この累積量が多くなると、堆
積層６０が凹部３１内へせり出すようになり、せり出し
部６０Ａが生じることになる。

【００３０】しかし、Ｄ＞ｄとなっているので、堆積層
６０にせり出し部６０Ａが生じても、せり出し部６０Ａ
とウエハーベース３０上の半導体単結晶層５０との間で
干渉が生じることがなく、したがって、半導体基板４０
及び半導体単結晶層５０にエッジチップが発生するのを
有効に抑えることができる。この結果、エッジチップに
影響されることなく半導体単結晶層５０を成長させるこ
とができ、比較的長期間に亘って所要の品質の半導体を
所定の均一性をもって製造することができる。

【００３１】以上の説明から判るように、エッジチップ
を発生させないためには、深さ寸法Ｄと厚さ寸法ｄとの
差を大きくすればよいことが理解される。しかし、深さ
寸法Ｄを大きくするにつれせり出し部６０Ａの半導体単
結晶層５０に対する影響は小さくなるが、反面ウエハー
ベース３０における原料ガスの流れが乱れやすくなり、
ウエハーベース３０上に成膜すべき半導体単結晶層５０
の品質に悪影響を与えることになる。したがって、深さ
寸法Ｄの大きさは、このような不具合を生じさせない範
囲でなるべく大きな値に定めることが好ましい。

【００３２】本発明者の実験によれば、ウエハーベース
３０の直径が７６．２±０．１（mm）の大きさで厚さ寸
法ｄが６２５±１０（μｍ）の場合、Ｄ−ｄの値が０．
０４〜０．１１（mm）の範囲であれば、原料ガスの乱れ
を生じさせず、且つエッジチップの発生を累積バッチ数
１００程度まで抑えておくことが確認された。

【００３３】図２に示したウエハーベース３０では、Ｄ
＞ｄとすることによりエッジチップの発生を抑えるよう
にしたものである。しかし、Ｄ＜ｄとすることにより、
表面３０Ａ上に堆積される堆積層６０による影響を除去
する構成とすることもできる。

【００３４】図４には、Ｄ＜ｄとしたウエハーベース１
３０の一実施形態が示されている。図４の各部のうち図
２の各部に対応する部分には１００番台の同一の符号を
付して示してある。ウエハーベース１３０では、凹部１
３１の深さ寸法Ｄが半導体基板４０の厚み寸法ｄよりも
小さくなっており、したがって、凹部１３１内にセット
された半導体基板４０は、その表面４０Ａのレベルが、
表面１３０Ａのレベルよりも上方となっている。

【００３５】したがって、原料ガスを矢印Ａ方向に流し
て半導体基板４０上に半導体単結晶層５０を成膜した場
合、表面１３０Ａ上に堆積される堆積層６０は凹部１３
１内へせり出すことができず、堆積層６０が半導体単結
晶層５０及び半導体基板４０に対して干渉するのを有効
に抑えることができる。

【００３６】図４に示した構成の場合、ｄ−Ｄの値を大
きくするほどウエハーベース１３０のメンテナンスなし
にエッジチップの発生を長期間に亘って抑えることがで
きるが、ｄ−Ｄの値が大きくなると、半導体基板４０の
表面における原料ガスの流れに乱れが生じやすくなり、
出来上がった製品の品質に問題を生じることになる。

【００３７】したがって、ｄ−Ｄの値はある範囲内にあ
ることが望ましいことが判る。そこで、種々実験を行っ
た結果、図５に示す関係があることが判った。図５に示
したグラフは、ｄ−Ｄの大きさ（μｍ）とエッジチップ
が発生し始める累積バッチ数（Ｂ）との間の関係を示す
ものである。

【００３８】実験の結果、１回当たり２（μｍ）の膜厚
の半導体結晶層を成長させた場合、ｄ−Ｄを１００（μ
ｍ）とした場合の累積バッチ数（Ｂ）は１０であり、ｄ
−Ｄを１２０（μｍ）とした場合の累積バッチ数（Ｂ）
は３８であった。この実験結果に基づき、次の推測が成
立する。

【００３９】すなわち、メンテナンス後には、２０バッ
チ程度の製品特性の合わせ込みが必要である。そして、
続けて製品製造を１０バッチ行うとすると少なくとも３
０バッチの間、エッジチップの発生が起こらないことが
必要である。したがって、図５より １２０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ の関係式を満足することが望ましい。さらに、定期に行
うメンテナンス間隔を１００バッチとすると、 １７０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ の関係式を満足することが望ましい。原料ガスが乱れる
ことによって生じる格子欠陥の許容値を考慮すると、 ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） であることが望ましい。以上から、ｄ−Ｄの値は、 １２０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） より好ましくは １７０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） であることが判る。

【００４０】以上の説明から判るように、累積バッチ数
（Ｂ）が深さ寸法Ｄと厚さ寸法ｄとの差分に応じた所定
の値になったときにウエハーベース１３０のメンテナン
ス、すなわち、交換又は清掃を行うことにより出来上が
った製品の品質を高品質且つ均一に保つことができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、ウエハーベースの凹部
の深さ寸法Ｄとそこにセットされる基板の厚さ寸法ｄと
を所定の関係にするだけで、ウエハーベースのメンテナ
ンスなしに長期間に亘ってエッジチップを発生させるこ
となく半導体の製造を行うことができる。したがって、
従来よりも装置の運転停止期間を短くすることができ、
装置の稼動効率を高めることができるので、半導体の製
造コストの低減を期待できる。また、メンテナンスの時
間間隔も長くすることができるので、そのためのコスト
も低減できる。また、累積バッチ数が深さ寸法と厚さ寸
法との差分に応じた所定の値になったときにウエハーベ
ースのメンテナンス、すなわち、交換又は清掃を行うこ
とにより出来上がった製品の品質を高品質且つ均一に保
つことができる。

【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に示したウエハーベースの拡大断面図。

【図３】図１に示したウエハーベース表面上に原料物質
の堆積層が形成された様子を示す拡大断面図。

【図４】図１に示した半導体製造装置に用いることがで
きる他のウエハーベースの拡大断面図。

【図５】エッジチップの発生開始となる累積バッチ数と
半導体基板の厚みとウエハーベースの凹部の深さ寸法と
の差分ｄ−Ｄとの間の関係を示すグラフ。

【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 ４ 供給ライン ２１ ハウジング本体 ２２ 回転台 ２３ 吹出装置 ３０、１３０ ウエハーベース ３１、１３１ 凹部 ３１Ａ、１３１Ａ 底面 ４０ 半導体基板 ４０Ａ 表面 ５０ 半導体単結晶層 ６０ 堆積層 Ｄ 深さ寸法 ｄ 厚さ寸法

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを反応装置内に供給し該反応装
   置内にウエハーベースの凹部にセットして保持されてい
   る基板の表面に半導体薄膜結晶層を気相成長させるよう
   にした半導体製造装置において、 前記凹部の深さ寸法を前記基板の厚さ寸法よりも大きく
   したことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 前記深さ寸法と前記厚さ寸法との差が
   ０．０４（mm）〜０．１１（mm）の範囲内にある請求項
   １記載の半導体製造装置。
3. 【請求項３】 原料ガスを反応装置内に供給し該反応装
   置内にウエハーベースの凹部にセットして保持されてい
   る基板の表面に半導体薄膜結晶層を気相成長させるよう
   にした半導体製造装置において、 前記凹部の深さ寸法を前記基板の厚さ寸法よりも小さく
   したことを特徴とする半導体製造装置。
4. 【請求項４】 前記凹部の深さ寸法Ｄと前記基板の厚さ
   寸法ｄとが下式 １２０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） を満足している請求項３記載の半導体製造装置。
5. 【請求項５】 前記凹部の深さ寸法Ｄと前記基板の厚さ
   寸法ｄとが下式 １７０（μｍ） ≦ ｄ−Ｄ ≦ ３００（μｍ） を満足している請求項３記載の半導体製造装置。
6. 【請求項６】 原料ガスを反応装置内に供給し該反応装
   置内にウエハーベースの凹部にセットして保持されてい
   る基板の表面に半導体薄膜結晶層を気相成長させて半導
   体を製造する半導体製造方法において、 前記凹部の深さ寸法が前記基板の厚さ寸法よりも大きい
   状態で前記半導体薄膜結晶層の気相成長を行うようにし
   たことを特徴とする半導体製造方法。
7. 【請求項７】 原料ガスを反応装置内に供給し該反応装
   置内にウエハーベースの凹部にセットして保持されてい
   る基板の表面に半導体薄膜結晶層を気相成長させて半導
   体を製造する半導体製造方法において、 前記凹部の深さ寸法が前記基板の厚さ寸法よりも小さい
   状態で前記半導体薄膜結晶層の気相成長を行うようにし
   たことを特徴とする半導体製造方法。
8. 【請求項８】 累積バッチ数が前記深さ寸法と前記厚さ
   寸法との差分に応じて予め定められている値に達した場
   合に前記ウエハーベースを交換又は清掃するようにした
   請求項６又は７記載の半導体製造方法。