JP2004103713A

JP2004103713A - System for manufacturing semiconductor

Info

Publication number: JP2004103713A
Application number: JP2002261333A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugiyama; 杉山　聡; Toshimitsu Sukegawa; 助川　俊光
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a system for manufacturing a semiconductor in which an epitaxial layer can be formed with extremely high in-plane uniformity in film thickness. <P>SOLUTION: A rotating planar susceptor 3 is arranged with a plurality of substrates 4 in the circumferential direction and supported while directing the lower surface, i.e. the growing surface, thereof toward a gas channel side and material gas is supplied in the diametral direction in order to grow a semiconductor crystal epitaxially on the heated substrate 4 by metal organic vapor phase epitaxy. In such a system for manufacturing a semiconductor, heating means 21 and 22 for imparting temperature distribution intentionally to the substrates 4 in the diametral direction of the susceptor are provided and such temperature distribution as increasing from the outer circumferential side toward the inner circumferential side of the susceptor is formed by the heating means 21 and 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を均等な膜厚で成長するのに適した半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：レーザーダイオード）などが挙げられる。
【０００３】
一例として、図３にＬＤの基本構造を示す。ＬＤは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、ｐ−クラッド層、発光層、ｎ−クラッド層、ｎ−バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。ｐ−クラッド層はｐ型ドーパントが、またｎ−クラッド層はｎ型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。ｎ−バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。ｎ−基板は単結晶成長するための下地である。
【０００４】
表１にＬＤの構造例を示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−、ｐ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、ｐ型であることを、また、ｕｎ−はエピタキシャル層がアンドープであることを表している。厚さの単位はｎｍ（１０^−９ｍ）である。キャリア濃度の単位はｃｍ^−３であり、例えば１．０Ｅ＋１８で１．０×１０^１８ｃｍ^−３を表す。
【０００５】
表１に示したＬＤエピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。
【０００６】
上記ＬＤの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ　、以下ＭＯＶＰＥ法）による半導体製造装置で成長される。ＭＯＶＰＥ法は、ＩＩＩ族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。
【０００７】
ここで従来のＭＯＶＰＥ装置（半導体製造装置）が採用しているリアクター（反応炉）の構成を図４に示す。これは、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成すると共に、このサセプタ３に、図５、図６の如く、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して前記開口部５に均熱板７をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【０００８】
エピタキシャル層を成長させる基板４をサセプタ３にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。
【０００９】
たとえば、ｕｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ_３（アルシン）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。
【００１０】
ｕｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にＡｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）がある。Ａｌ_０．５ＧａＡｓとはＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓを略したものであり、ＡｌとＧａの比が０．５：０．５であることを意味する。
【００１１】
ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料としてＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）がある。
【００１２】
ここで、例として、図７のようにサセプタ３に基板４を２枚セットし、その基板４の上にエピタキシャル層を成長する場合を考える。従来技術では、一般的に、加熱源（ヒータ２１、２２）を調整し、図７に示すように、基板４のサセプタ直径方向の温度分布が均一（等温）になるようにしていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板４のサセプタ直径方向の温度分布が均一の場合、次のような課題があった。
【００１４】
まず、サセプタを静止したまま結晶成長すると図８（ａ）のように基板４上に成長される結晶の厚さが不均一となり、基板“１”と基板“２”には厚さの異なるエピタキシャル層が形成される。これは原料ガスが熱で分解され、下流に行くほど原料が枯渇してしまうためである。この上流側から下流側に向かう膜厚分布は、原料ガスの熱分解曲線にほぼ一致している。この場合、厚さの異なる２枚のウェハが得られるが、それぞれ基板面内での膜厚分布が悪く、これらを製品とするには問題がある。特にＬＤでは、最も薄い発光層膜厚の面内均一性が重要であり、素子とした時に発振されるレーザーの波長は、発光層膜厚が薄いと短く、発光層膜厚が厚いと長くなってしまう。
【００１５】
次に、サセプタを一定回転数で回転させながら成長した場合には、膜厚は図８（ａ）の回転積分値となるため、結果として図８（ｂ）のように、結晶の厚さを面内である程度均一にすることができる。
【００１６】
しかし、きわめて高い膜厚分布精度を要求される製品には不十分な均一度であった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、きわめて高い膜厚面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる半導体製造装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１９】
請求項１の発明に係る半導体製造装置は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体製造装置において、基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段を設け、該加熱手段により、基板の上流のサセプタ外周側からサセプタ内周側に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体製造装置において、上記基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段により、上流側のサセプタ外周からサセプタ中心に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体製造装置において、上記温度分布の昇温勾配を、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺する温度勾配にしたことを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
従来技術のように、基板のサセプタ直径方向に温度分布が均一（等温）である場合、つまり図９（ｂ）のような温度分布の場合、図９（ｃ）に分解効率の変化で示すように、上流側から供給された原料ガスはそのほとんどがサセプタ中心より上流側で分解していまい、下流側ではほとんど末分解の原料ガスが残っていない、すなわち原料が枯渇した状態となってしまう（図９（ｃ）参照）。よって、サセプタ中心より上流側での反応が支配的であった。図９はこの様子を示すものである。
【００２３】
これに対し、本発明は、基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を持たせるようにしたものである。具体的には、図１（ｂ）に示すように、基板４のサセプタ外周側４ａから内周側４ｂに向かって上昇するような温度勾配、又は上流側のサセプタ外周からサセプタ中心に向かって上昇するような温度勾配を持たせる。こうすることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流のサセプタ中心に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚は非常に均一なものとなる。
【００２４】
この効果は、上記温度分布の昇温勾配を、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺するような温度勾配にすることで顕著となり、下流のサセプタ中心に向かってより均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。
【００２５】
なお本発明においては、上記温度分布に加え、上記加熱手段により、上記サセプタ中心から下流側のサセプタ外周に向かって下降する温度分布を形成するのがよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
前提となる化合物半導体製造装置１は、加熱手段であるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２を除き、図４〜図５のものと同一とした。すなわち、本実施形態の化合物半導体製造装置１は、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成する。このサセプタ３に、図５、図６の如く、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して開口部５に均熱板７をはめ込んだ構成とする。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【００２７】
上記加熱手段たるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２は、本発明に従い、基板４のサセプタ３の直径方向に作為的に温度分布を持たせることができるように、基板４のサセプタ３の直径方向の温度を制御可能に構成されている。
【００２８】
本発明は、上記のように、回転する板状のサセプタ３に、複数の基板４を、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏面側からサセプタをヒータ２１、２２で加熱し、サセプタ３の直径方向一側の入口（サセプタ外周）から他側の出口（サセプタ外周）に一方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる半導体製造装置を前提とし、基板４のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段たるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２により、上流側のサセプタ外周（原料ガス供給口２ａ）からサセプタ中心に向かって上昇する温度分布を形成し、これにより、基板４の上流のサセプタ外周側４ａからサセプタ内周側４ｂに向かって上昇する温度分布を形成する。
【００２９】
この温度分布は、好ましくは、図１（ｂ）に示すように、その昇温勾配が、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺する温度勾配に設定し、下流のサセプタ中心に向かって均一な割合で原料ガスの分解が進むようにする。また、上記加熱手段により、サセプタ中心から下流側のサセプタ外周（ガス排気口２ｂ）に向かって下降する温度分布を形成する。
【００３０】
図２（ａ）にガス流速が遅い場合のガス分解効率の変化を、また図２（ｂ）にガス流速が早い場合のガス分解効率の変化を示す。図２に示すように、原料ガスの分解曲線はガス流速に依存する。すなわち、ガス流速が遅いときは分解曲線の傾きは大きく（急勾配に）なり、逆に速いときは分解曲線の傾きは小さく（ゆるやかに）なる。
【００３１】
そこで、本発明を適用する場合には、この分解曲線の勾配を相殺するように温度勾配を設定してやるのである。つまり、分解曲線の傾きが大きい場合は温度勾配も大きくし、逆に分解曲線の傾きが小さい場合は温度勾配も小さくなるように設定する。
【００３２】
上記のように基板４のサセプタ外周側から内周側に向かって上昇するような温度勾配を持たせることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。この効果を確認するため、実施例として、次のようにＬＤの試作を行った。
【００３３】
＜実施例＞
本発明を表１のＬＤエピタキシャルウェハの成長に適用した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓ基板を用いた。ｕｎ−Ａｌ_０．１ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３を用い、それらの流量はそれぞれ６５ｃｍ^３／分、４５ｃｍ^３／分及び１０００ｃｍ^３／分である。ｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓ層の成長には、ｕｎ−Ａｌ_０．１ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてＳｉ_２Ｈ_６を使用した。流量はそれぞれ６５ｃｍ^３／分、１５０ｃｍ^３／分、１０００ｃｍ^３／分及び３００ｃｍ^３／分である。ｎ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３及びＳｉ_２Ｈ_６を用い、それらの流量はそれぞれ１００ｃｍ^３／分、３００ｃｍ^３／分及び２００ｃｍ^３／分である。
【００３６】
本発明の一実施例を説明する。サセプタを静止した状態で加熱源を調整し、基板両端の温度差、すなわち、
（基板のサセプタ内周側端部温度）−（基板のサセプタ外周側端部温度）＝１０℃
となるように設定した。この温度環境を保ったまま、サセプタを３０ｒｐｍで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２に、エピタキシャル層の膜厚の面内バラツキ（％）を、上記実施例（基板両端温度差１０℃）で成長したエピタキシャル層の膜厚データと、従来技術（基板両端温度差０℃）で成長したエピタキシャル層の膜厚データとで、比較して示す。ここに「面内バラツキ」とは、（面内膜厚最大値−面内膜厚最小値）／（２×膜厚平均値）で定義される量である。
【００３９】
従来技術（基板両端温度差０℃）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキが±１．５２％であるのに対し、上記実施例（基板両端温度差１０℃）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキは±０．１９％と、きわめて小さかった。これより、本発明によれば、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００４１】
従来技術では、基板のサセプタ直径方向の温度分布が均一（等温）になるようにしていたため、上流から供給された原料ガスはそのほとんどが最上流側で一気に分解していまい、成長されたエピタキシャル層の膜厚は、サセプタ外周側で厚く、内周側で薄い分布を持っていた。
【００４２】
しかし、本発明では、基板のサセプタ外周側から内周側に向かって上昇するような温度勾配を持たせた。こうすることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。これにより、従来技術では達成できなかったレベルの膜厚均一性が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体製造装置を示したもので、（ａ）はサセプタと原料ガスの流れの関係を示した図、（ｂ）はサセプタの温度分布を示した図、（ｃ）は分解効率の変化を示した図である。
【図２】原料ガス分解曲線のガス流速依存性を示す説明図である。
【図３】ＬＤの基本構造を示す図である。
【図４】本発明を適用した化合物半導体製造装置の構造を示した断面図である。
【図５】図４のサセプタの詳細を半導体基板及び均熱板を装着した状態で示した平面図である。
【図６】図４の化合物半導体製造装置におけるサセプタの開口部分の断面図である。
【図７】従来技術の化合物半導体製造装置での温度分布を示す説明図である。
【図８】従来技術の問題点である膜厚不均一を説明するための図で、（ａ）はサセプタ静止状態のときの成長厚さを、（ｂ）はサセプタが一定回転しているときの成長厚さを示した図ある。
【図９】従来技術の化合物半導体製造装置を示したもので、（ａ）はサセプタと原料ガスの流れの関係を示した図、（ｂ）はサセプタの温度分布を示した図、（ｃ）は分解効率の変化を示した図である。
【符号の説明】
１　化合物半導体製造装置
２　反応管
３　サセプタ
４　半導体基板
５　開口部
６　基板支持部
７　均熱板
２１　メインヒータ
２２　外周ヒータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus suitable for growing a group III-V compound semiconductor with a uniform thickness.
[0002]
[Prior art]
III-V group compound semiconductors such as GaAs (gallium arsenide) and InGaAs (indium gallium arsenide) have a feature of higher electron mobility than Si (silicon) semiconductors. Taking advantage of this feature, it is widely used in devices requiring high-speed and high-efficiency operation, light-emitting devices, and the like. Representative examples include HEMTs (High Electron Mobility Transistors), LEDs (Light Emitting Diodes), and LDs (Laser Diodes).
[0003]
As an example, FIG. 3 shows a basic structure of an LD. The LD is composed of a cap layer, a p-cladding layer, a light-emitting layer, an n-cladding layer, and an n-buffer layer, which are crystal-grown on a substrate. The cap layer is a layer for forming an electrode. The p-cladding layer is doped with a p-type dopant, and the n-cladding layer is doped with an n-type dopant. The generated carriers are supplied to the light-emitting layer and recombine to emit light. The n-buffer layer has the function of preventing device characteristics from deteriorating due to residual impurities on the substrate surface. The n-substrate is a base for growing a single crystal.
[0004]
Table 1 shows an example of the structure of the LD. The crystal growth is called epitaxial. The names n− and p− of the epitaxial layers indicate that the epitaxial layers are n-type and p-type, respectively, and un− indicates that the epitaxial layers are undoped. The unit of the thickness is nm (10 ⁻⁹ m). The unit of the carrier concentration is cm ⁻³ , for example, 1.0E + 18 represents 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .
[0005]
The method of growing the LD epitaxial wafer shown in Table 1 will be described below.
[0006]
In general, the compound semiconductor crystal of the LD is grown by a semiconductor manufacturing apparatus using a metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter, MOVPE) method. In the MOVPE method, a group III organic metal source gas and a group V source gas are introduced into a reaction furnace as a mixed gas of a high-purity hydrogen carrier gas, and the raw material is thermally decomposed near a substrate heated in the reaction furnace, The compound semiconductor crystal grows epitaxially on the substrate.
[0007]
Here, FIG. 4 shows a configuration of a reactor (reactor) employed in a conventional MOVPE apparatus (semiconductor manufacturing apparatus). This is because a plate-shaped susceptor 3 is provided on the upper wall of the reaction tube 2 through which the raw material gas flows from the raw material gas supply port 2a to the gas exhaust port 2b, and the susceptor 3 is configured to be rotatable by a motor 10. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, an opening 5 was opened in substantially the same shape as the semiconductor substrate 4 to be subjected to vapor phase epitaxial growth, and the surface of the substrate 4 was housed downward in the opening 5 to expose the lower surface. This is an epitaxial growth apparatus in which the heat equalizing plate 7 is fitted into the opening 5 facing the main heater 21 which is a heating source for heating the substrate 4 while supporting the substrate 4 in a state. Reference numeral 9 denotes a magnetic shield unit, and reference numeral 22 denotes an outer peripheral heater.
[0008]
The substrate 4 on which the epitaxial layer is grown is set on the susceptor 3 and heated in a growth furnace. When the source gas is supplied into the growth furnace, the source gas is decomposed by heat, and an epitaxial layer is grown on the substrate.
[0009]
For example, when growing un-GaAs, Ga source material Ga (CH ₃ ) ₃ (trimethylgallium) and As source material AsH ₃ (arsine) are supplied to the substrate. In addition, there is Ga (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethylgallium) as another Ga raw material. Other As raw materials include As (CH ₃ ) ₃ (trimethyl arsenic) and TBA (tertiary butyl arsine).
[0010]
When growing un-Al _0.5 GaAs, Ga (CH ₃ ) ₃ , AsH ₃ , and Al (CH ₃ ) ₃ (trimethylaluminum) as an Al raw material are supplied to the substrate. In addition, there is Al (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethylaluminum) as another Al raw material. Al _0.5 GaAs is an abbreviation for Al _0.5 Ga _0.5 As, and means that the ratio of Al to Ga is 0.5: 0.5.
[0011]
When growing n-GaAs, Ga (CH ₃ ) ₃ , AsH ₃ and an n-type dopant are supplied to the substrate. Elements of the n-type dopant include Si and Se (selenium). Si raw materials include SiH ₄ (monosilane) and Si ₂ H ₆ (disilane). As a Se raw material, there is H ₂ Se (hydrogen selenide).
[0012]
Here, as an example, a case where two substrates 4 are set on the susceptor 3 as shown in FIG. 7 and an epitaxial layer is grown on the substrate 4 will be considered. In the prior art, generally, the heating sources (heaters 21 and 22) are adjusted so that the temperature distribution of the substrate 4 in the susceptor diameter direction becomes uniform (isothermal) as shown in FIG.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the temperature distribution in the susceptor diameter direction of the substrate 4 is uniform, there are the following problems.
[0014]
First, if the crystal is grown while the susceptor is stationary, the thickness of the crystal grown on the substrate 4 becomes non-uniform as shown in FIG. 8A, and the substrates "1" and "2" have different thicknesses. A layer is formed. This is because the raw material gas is decomposed by heat, and the raw material is depleted as it goes downstream. The film thickness distribution from the upstream side to the downstream side substantially matches the thermal decomposition curve of the source gas. In this case, two wafers having different thicknesses can be obtained, but the film thickness distribution in each of the substrates is poor, and there is a problem in using these as products. Particularly in LD, the in-plane uniformity of the thinnest light emitting layer thickness is important, and the wavelength of the laser oscillated when the device is used is short when the light emitting layer thickness is small, and long when the light emitting layer thickness is large. Would.
[0015]
Next, when the susceptor is grown while rotating at a constant rotation speed, the film thickness becomes the rotation integral value of FIG. 8A, and as a result, as shown in FIG. It can be made uniform to some extent in the plane.
[0016]
However, the uniformity was insufficient for products requiring extremely high film thickness distribution accuracy.
[0017]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor manufacturing apparatus which can solve the above-mentioned problems and can obtain an epitaxial layer having extremely high film thickness uniformity in a plane.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0019]
In the semiconductor manufacturing apparatus according to the first aspect of the present invention, a plurality of substrates are disposed on a rotating plate-shaped susceptor in a circumferential direction, and a lower surface, which is a growth surface, is supported toward a gas flow path side. In a semiconductor manufacturing apparatus in which a source gas is flowed and a semiconductor crystal is epitaxially grown on a heated substrate by a metal organic chemical vapor deposition method, a heating means for intentionally providing a temperature distribution in a susceptor diameter direction of the substrate is provided. Thus, a temperature distribution is formed which rises from the outer peripheral side of the susceptor upstream of the substrate toward the inner peripheral side of the susceptor.
[0020]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the first aspect, a heating means for intentionally providing a temperature distribution in a susceptor diameter direction of the substrate is provided with a temperature distribution rising from the outer periphery of the upstream susceptor toward the center of the susceptor. Is formed.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the first or second aspect, the temperature rising gradient of the temperature distribution is a temperature gradient that offsets the gradient of the decomposition curve of the source gas.
[0022]
<The gist of the invention>
When the temperature distribution is uniform (isothermal) in the diameter direction of the susceptor of the substrate as in the related art, that is, when the temperature distribution is as shown in FIG. 9B, the change in the decomposition efficiency is shown in FIG. 9C. Meanwhile, most of the raw material gas supplied from the upstream side is decomposed on the upstream side from the center of the susceptor, and almost no raw material gas for the final decomposition remains on the downstream side, that is, the raw material is depleted ( FIG. 9 (c)). Therefore, the reaction upstream of the susceptor center was dominant. FIG. 9 shows this state.
[0023]
On the other hand, in the present invention, a temperature distribution is intentionally provided in the susceptor diameter direction of the substrate. Specifically, as shown in FIG. 1B, the temperature gradient rises from the outer peripheral side 4a of the susceptor to the inner peripheral side 4b of the substrate 4, or the temperature gradient rises from the outer periphery of the susceptor on the upstream side toward the center of the susceptor. Have a temperature gradient such as By doing so, the raw material gas is not decomposed at once at the uppermost stream, but decomposes at a uniform rate toward the center of the downstream susceptor. As a result, the thickness of the epitaxial layer grown on the substrate becomes very uniform.
[0024]
This effect is remarkable by setting the temperature rising gradient of the temperature distribution to a temperature gradient that offsets the gradient of the decomposition curve of the raw material gas, so that the decomposition proceeds at a more uniform rate toward the center of the downstream susceptor. become. As a result, the thickness of the epitaxial layer grown on the substrate becomes extremely uniform.
[0025]
In the present invention, in addition to the above-described temperature distribution, it is preferable that the above-mentioned heating means form a temperature distribution that descends from the center of the susceptor toward the outer periphery of the downstream susceptor.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
The compound semiconductor manufacturing apparatus 1 as a premise is the same as that shown in FIGS. 4 and 5 except for a main heater 21 and an outer peripheral heater 22 which are heating means. That is, in the compound semiconductor manufacturing apparatus 1 of the present embodiment, the plate-shaped susceptor 3 is provided on the upper wall of the reaction tube 2 through which the source gas flows from the source gas supply port 2a to the gas exhaust port 2b, and the susceptor 3 is rotated by the motor 10. Configure as possible. As shown in FIGS. 5 and 6, an opening 5 is formed in the susceptor 3 in substantially the same shape as the semiconductor substrate 4 to be subjected to vapor phase epitaxial growth, and the surface of the substrate 4 is housed in the opening 5 in a downward direction. It is supported with the lower surface exposed. The heat equalizing plate 7 is fitted in the opening 5 so as to face the main heater 21 which is a heating source for heating the substrate 4. Reference numeral 9 denotes a magnetic shield unit, and reference numeral 22 denotes an outer peripheral heater.
[0027]
According to the present invention, the main heater 21 and the outer peripheral heater 22 serving as the heating means are provided with a temperature distribution in the diameter direction of the susceptor 3 of the substrate 4 so that the temperature distribution can be intentionally provided in the diameter direction of the susceptor 3 of the substrate 4. Is configured to be controllable.
[0028]
As described above, the present invention arranges a plurality of substrates 4 on the rotating plate-shaped susceptor 3 in the circumferential direction at a position slightly away from the center of the susceptor, and places the lower surface, which is the growth surface, on the gas flow channel side. The susceptor is heated from the back side of the substrate by

heaters

21 and 22, and the raw material gas is supplied in one direction from an inlet (outer periphery of the susceptor) on one side in the diameter direction of the susceptor 3 to an outlet (outer periphery of the susceptor) on the other side. Assuming a semiconductor manufacturing apparatus in which a semiconductor crystal is epitaxially grown on a flowing and heated substrate, an upstream susceptor is provided by a main heater 21 and an outer peripheral heater 22 serving as heating means for intentionally providing a temperature distribution in a susceptor diameter direction of the substrate 4. A temperature distribution is formed which rises from the outer periphery (source gas supply port 2a) toward the center of the susceptor, whereby the susceptor outer peripheral side 4a upstream of the substrate 4 is moved from the susceptor inner peripheral side 4b. Headed to form a temperature distribution increases.
[0029]
As shown in FIG. 1B, this temperature distribution is preferably set such that the temperature rising gradient is such that the gradient of the decomposition curve of the raw material gas is offset, and a uniform gradient toward the center of the downstream susceptor. So that the decomposition of the source gas proceeds. Further, the above-mentioned heating means forms a temperature distribution that descends from the center of the susceptor toward the outer periphery of the susceptor on the downstream side (gas exhaust port 2b).
[0030]
FIG. 2A shows a change in gas decomposition efficiency when the gas flow rate is low, and FIG. 2B shows a change in gas decomposition efficiency when the gas flow rate is high. As shown in FIG. 2, the decomposition curve of the source gas depends on the gas flow rate. In other words, when the gas flow rate is slow, the slope of the decomposition curve becomes large (a steep slope), and when it is fast, the slope of the decomposition curve becomes small (slowly).
[0031]
Therefore, when applying the present invention, the temperature gradient is set so as to cancel the gradient of the decomposition curve. That is, if the gradient of the decomposition curve is large, the temperature gradient is set to be large, and if the gradient of the decomposition curve is small, the temperature gradient is set to be small.
[0032]
By providing a temperature gradient that rises from the outer peripheral side to the inner peripheral side of the susceptor of the substrate 4 as described above, the raw material gas is not decomposed at once at the uppermost stream, but is decomposed at a uniform rate toward the downstream. Will progress. As a result, the thickness of the epitaxial layer grown on the substrate becomes extremely uniform. In order to confirm this effect, as an example, an LD was prototyped as follows.
[0033]
<Example>
The present invention was applied to the growth of the LD epitaxial wafer shown in Table 1.
[0034]
[Table 1]

[0035]
The substrate temperature during the growth was 700 ° C., the pressure inside the growth furnace was 70 Torr, and the diluent gas was hydrogen. A GaAs substrate was used as the substrate. The growth of the _un-Al 0.1 GaAs layer with _{_{Ga (CH 3) 3, Al}} (CH 3) 3 and AsH _3, their flow rate 65cm ³ / min respectively, 45cm ³ / min and 1000 cm ³ / min It is. For growing the n-Al _0.5 GaAs layer, Si ₂ H ₆ is used in addition to Ga (CH ₃ ) ₃ , Al (CH ₃ ) ₃ and AsH ₃ used for growing the un-Al _0.1 GaAs. did. The flow rates are 65 cm ³ / min, 150 cm ³ / min, 1000 cm ³ / min and 300 cm ³ / min, respectively. Ga (CH ₃ ) ₃ , AsH ₃ and Si ₂ H ₆ are used for growing the n-GaAs layer, and their flow rates are 100 cm ³ / min, 300 cm ³ / min and 200 cm ³ / min, respectively.
[0036]
An embodiment of the present invention will be described. With the susceptor stationary, the heating source was adjusted, and the temperature difference between both ends of the substrate, that is,
(Temperature of inner edge of substrate susceptor)-(Temperature of outer edge of substrate susceptor) = 10 ° C.
It was set to be. While maintaining the temperature environment, the susceptor was rotated at 30 rpm to perform epitaxial growth.
[0037]
[Table 2]

[0038]
Table 2 shows the in-plane variation (%) of the film thickness of the epitaxial layer, the film thickness data of the epitaxial layer grown in the above example (temperature difference between both ends of the substrate of 10 ° C.), and the conventional technology (temperature difference between both ends of the substrate of 0 ° C.). This is compared with the thickness data of the epitaxial layer grown in the above. Here, “in-plane variation” is an amount defined by (in-plane film thickness maximum value-in-plane film thickness minimum value) / (2 × film thickness average value).
[0039]
While the in-plane variation of the epitaxial layer grown by the conventional technique (temperature difference between both ends of the substrate is 0 ° C.) is ± 1.52%, the in-plane variation of the epitaxial layer grown by the above embodiment (temperature difference between both ends of the substrate is 10 ° C.). The variation was as extremely small as ± 0.19%. From this, it can be seen that according to the present invention, an epitaxial layer having extremely high in-plane uniformity of film thickness can be obtained.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be obtained.
[0041]
In the prior art, since the temperature distribution in the susceptor diameter direction of the substrate is made uniform (isothermal), most of the raw material gas supplied from the upstream is decomposed at once at the most upstream side, and the grown epitaxial layer is formed. Has a distribution that is thicker on the outer peripheral side of the susceptor and thinner on the inner peripheral side.
[0042]
However, in the present invention, the substrate has a temperature gradient that rises from the outer peripheral side to the inner peripheral side of the susceptor. By doing so, the raw material gas is not decomposed at once in the uppermost stream portion, but decomposes at a uniform rate toward the downstream. As a result, the thickness of the epitaxial layer grown on the substrate becomes extremely uniform. As a result, a level of film thickness uniformity that cannot be achieved by the conventional technique can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a compound semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, in which FIG. 1A shows a relationship between a susceptor and a flow of a source gas, FIG. 1B shows a temperature distribution of the susceptor, and FIG. FIG. 3 is a diagram showing a change in decomposition efficiency.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a gas flow rate dependency of a raw material gas decomposition curve.
FIG. 3 is a diagram showing a basic structure of an LD.
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a compound semiconductor manufacturing apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a plan view showing details of the susceptor of FIG. 4 with a semiconductor substrate and a heat equalizing plate mounted thereon.
6 is a sectional view of an opening portion of a susceptor in the compound semiconductor manufacturing apparatus of FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a temperature distribution in a conventional compound semiconductor manufacturing apparatus.
8A and 8B are diagrams for explaining non-uniform film thickness, which is a problem of the prior art, where FIG. 8A shows a growth thickness when the susceptor is stationary, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing the growth thickness of the GaN layer.
9A and 9B show a conventional compound semiconductor manufacturing apparatus, in which FIG. 9A shows a relationship between a susceptor and a flow of a source gas, FIG. 9B shows a temperature distribution of the susceptor, and FIG. FIG. 3 is a diagram showing a change in decomposition efficiency.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compound semiconductor manufacturing apparatus 2 Reaction tube 3 Susceptor 4 Semiconductor substrate 5 Opening 6 Substrate support 7 Heat equalizing plate 21 Main heater 22 Outer peripheral heater

Claims

On a rotating plate-shaped susceptor, a plurality of substrates are arranged in the circumferential direction, and the lower surface, which is the growth surface, is supported toward the gas flow channel side, and the raw material gas flows in the diameter direction of the susceptor, and the In a semiconductor manufacturing apparatus for epitaxially growing a semiconductor crystal by metal organic chemical vapor deposition,
A heating means for intentionally providing a temperature distribution in the susceptor diameter direction of the substrate is provided, and the heating means forms a temperature distribution that rises from the outer peripheral side of the susceptor upstream to the inner peripheral side of the susceptor. Semiconductor manufacturing equipment.

The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1,
A semiconductor manufacturing apparatus, wherein a temperature distribution rising from the outer periphery of the susceptor on the upstream side toward the center of the susceptor is formed by heating means for intentionally providing a temperature distribution in the susceptor diameter direction of the substrate.

The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein
A semiconductor manufacturing apparatus, wherein the temperature rising gradient of the temperature distribution is a temperature gradient that offsets the gradient of the decomposition curve of the raw material gas.