JP2004165445A - Semiconductor manufacturing arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体を成長・合成する半導体製造装置に関し、特に3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長ウエハーの製造に好適な半導体製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
3族窒化物半導体、特に窒化ガリウムは、緑から青色・紫外の発光デバイス材料としての用途がある材料であり、提供の形態としては、基板(ウエハー)、基板用エピタキシャル成長ウエハー、発光デバイス用エピタキシャルウエハーなどがある。
【0003】
基板用エピタキシャル成長ウエハーは、主にサファイア、シリコン、リチウムカレイトなどの非3族窒化物基板上に3族窒化物をエピタキシー成長し、これを基板とするもので、必要によってはエピタキシー層の厚みを厚くし下地の基板を除去して所望の3族窒化物を得る。
基板用エピタキシャル成長ウエハーは低コストで製造されることが望ましく、3族のハロゲン化物(具体的には3族塩化物)を3族原料とするハライド/ハイドライド気相成長法(HVPE法、以下ハライド気相成長法という)が多くの場合用いられる。この方法は、窒素原料としてアンモニアガスを用い、3族原料としてハロゲン化物を用いるもので、その利点は成膜速度を大きくすることができることであり、スループットとコストの面で有利である。
【0004】
発光デバイス用エピタキシャルウエハーは、発光デバイスに必要な層構造をエピタキシーにより構成するものであって、ブラッグ反射層、量子井戸層構造などの微細且つ均一な成膜が必要であり、製造には3族有機金属を3族原料とする有機金属気相成長法(MOCVD法)が用いられる。
3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長技術として、ハライド気相成長法、有機金属気相成長法はともに1970年前後から存在している。これらの方法の他、分子線エピタキシー法(MBE法)などもある。
【0005】
従来のハライド気相成長法、有機金属気相成長法に共通する技術として、基板と水平方向もしくは傾斜した方向から原料ガスを基板に供給し、基板に垂直な方向から原料を含まない押圧ガスを基板に供給することにより基板上へのエピタキシャル成長操作を向上させるものがある(特許文献1参照)。
有機金属気相成長法に関する技術としては、基板へのアンモニアガスと3族原料ガスの供給方法として、基板到達以前にアンモニアガスと3族原料ガスが混合することを避けることにより気相中での前反応を抑えるものがある(特許文献2、特許文献3参照)。
【0006】
【特許文献1】
特許第2628404号公報
【特許文献2】
特開平08−091989号公報
【特許文献3】
特表2001−506803号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
有機金属気相成長法による3族窒化物の気相成長においては、結晶表面からの窒素の表面脱離が起き、結晶の品質が低下するという問題がある。
窒素の脱離は窒素原料の分圧不足が原因と考えられており、これを補うために過剰なアンモニアガスを供給する必要がある。アンモニアと3族原料の供給量比(5族/3族比)は数千にもなることがある。窒素の表面脱離の対策としては成長温度の低温化が挙げられるが、成長温度を低温化するとアンモニアが十分に分解されない。
【0008】
ハライド気相成長法においても、有機金属気相成長法と同様に窒素の表面脱離の問題がある。
また、ハライド気相成長法においては、立方晶の窒化ガリウム及び立方晶の窒化ガリウムと他の3族窒化物の混晶の成長の問題が挙げられる。有機金属気相成長法においては、近年立方晶窒化ガリウムの成長の報告が多くなされているが、ハライド気相成長法では六方晶の成長の報告が多い。半導体レーザーなど結晶の劈開面を利用するデバイスでは六方晶系よりも立方晶系の材料に利点が多いため、立方晶窒化ガリウムの基板製造が可能な気相成長法の完成が望まれている。ハライド気相成長法においてこの問題を解決するには、従来の技術よりもさらに成長温度を下げる手法の開発が必要である。
【0009】
ハライド気相成長法における装置構成は、反応管を発熱炉内に配置し、反応管内に基板を配置し、原料ガスとして3族ハロゲン化物とアンモニアガスを基板に供給して基板上に3族窒化物のエピタキシャル成長を施す。ハライド気相成長法においても、3族原料と5族原料を基板到達前に混合すると前反応が生じることが知られており、基板到達前に両原料ガスを混合しない工夫がなされるのが一般的である。3族ハロゲン化物は多くの場合塩化物もしくは沃化物である。例えば塩化ガリウムや塩化アルミニウム、沃化ガリウムや沃化アルミニウムが挙げられる。反応管の材質は殆どの場合石英であり、他のセラミックス製の反応管についても実施の例がある。
【0010】
ハライド気相成長法の反応炉の温度分布は、発熱炉体の空間的な温度制御能によりほぼ決定される。具体的には発熱体のゾーンの分割数、大きさ、熱容量や強制冷却の有無などにより決定される。原料ガスの流れの方向に対して垂直な面で発熱体のゾーンを分割することになるため、1回当たりの基板の処理枚数を増やすことは反応炉の流路の断面積を大きくすることになる。反応炉の断面積が大きくなると原料ガス及びキャリアガスの供給量が増加し、発熱炉体の断面積も大きくなる。つまり、従来のハライド気相成長法では基板の処理枚数をある程度以上に増やすことができないといった問題がある。
【0011】
本発明は、半導体製造装置における上記課題を解決するものであって、空間的温度分布の制御が可能で、基板上の成長温度を低くすることができ、ハライド気相成長法と有機金属気相成長法の何れの方法も実施可能であり、3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長におけるアンモニアと3族原料の供給量比(5族/3族比)を小さくできる半導体製造装置を提供することを目的とする。また、ハライド気相成長法においてもエピタキシャル成長基板の面積を大きくすることができる半導体製造装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明では、基板の加熱手段を有し、第一ガスと第二ガスとを基板に供給して基板に化合物半導体のエピタキシャル層を成長させる半導体製造装置において、第一ガスの導入部と基板との間に、第一ガスの加熱帯を備えることにより上記課題を解決している。
【0013】
この半導体製造装置は、第一ガスの導入部と基板との間に、第一ガスの加熱帯を備えたことで、基板及び基板付近の温度を積極的に制御できる。しかも、基板加熱源からの加熱のみでは不可能であった温度勾配の設定が可能となり空間的温度分布を制御することができる。
第一ガスをアンモニアガスであるか、又は窒素もしくは窒素化合物ガスで希釈されたアンモニアガスとし、第二ガスを3族有機金属化合物、又は3族ハロゲン化合物を原料とする3族原料ガスとすることで、3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長を行うことができる。このとき、加熱帯でアンモニアが分解されるので、基板における成長温度を低くすることができ、3族窒化物の気相成長において結晶表面からの窒素の表面脱離を防止して結晶の品質を向上させ、アンモニアと3族原料の供給量比(5族/3族比)を小さくすることができる。
【0014】
成長温度を下げることで、ハライド気相成長法における立方晶の窒化ガリウムの基板製造が期待できる。また基板の処理枚数を増やすこともできる。
第二ガスの導入部は第一ガスの導入部より基板面に近い位置に配置することが好ましい。
第一ガスの導入部と第二ガスの導入部は空間的に離隔して、第一ガスの導入部と第二ガスの導入部との中間の位置に第三ガスの導入部を備え、窒素ガス、窒素化合物ガスの何れでもない第三ガスをカーテンガスとなるよう導入し、第一ガス(アンモニアガス)と第二ガス(3族原料ガス)とを隔てると、基板到達前の第一ガスと第二ガスの前反応を抑えることができる。
【0015】
加熱帯には触媒を備えることでアンモニアの分解が促進される。触媒としては窒化珪素担体に担持されたニッケルが好適である。
加熱帯の温度は基板の温度より高く保持し、加熱帯と基板の間の空間で温度勾配をつけるとよい。具体的には、3族原料ガスの流れ、カーテンガスの流れを阻害しない程度まで加熱帯を基板に近づけるのがよく、加熱帯の温度を基板の温度に対して相対的に変えることで温度勾配をつければよい。
【0016】
第一ガスの導入部と加熱帯との間に冷却帯を備えると、第一ガスが加熱帯に到達する前に加熱帯の熱輻射で加熱されるのを防止できる。
基板を円形の取外し可能なサセプター上に配置し、加熱帯をサセプターに対向して配置し、基板を自転させ、且つサセプターとともに公転させると、原料ガスの流れ、カーテンガスの流れをスムーズにすることができる。
【0017】
加熱帯とサセプター間の距離はサセプターの半径の1/2以下であることが好ましい。なお、サセプターの大きさに関わらず76mm以下であることが望ましい。
サセプターをおおよそ円筒形とし、基板をサセプターの内壁に配置し、加熱帯をサセプターより径の小さいおおよそ円筒形としてサセプターの内側に配置して、サセプターと加熱帯とを回転自在とすることもできる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の一形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
この半導体製造装置は、反応容器(図示略)内に、基板8を取付けるサセプター9と、サセプター9を加熱するための加熱部15と、サセプター9に対向して配置された加熱帯1と、第一ガスの導入部5と、第二ガスの導入部6と、第三ガスの導入部7とを備えている。第一ガスの導入部5と加熱帯1との間には冷却帯10を備えている。
【0019】
この半導体製造装置により3族窒化物半導体を製造する場合、第一ガス2は、窒素原料を供給するガスであり、窒素で希釈されたアンモニアガス、希釈されていないアンモニアガスのどちらも使用できるように原料ガス供給装置が設定される。
また、第二ガス3は、3族原料を供給するガスであり、ハライド気相成長法では3族ハロゲン化物、有機金属気相成長法では有機金属が原料となる。
【0020】
ハロゲン化物は塩化物、具体的には塩化ガリウム、塩化アルミニウム、塩化インジウムが用いられる。
有機金属はトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムが用いられる。P型半導体とするためのドーパントも有機金属であるため、第二ガス6と一緒に供給される。具体的にはビスシクロペンタディエニイマグネシウムが用いられる。キャリアガスには水素もしくは水素と窒素の混合ガスが用いられる。
【0021】
第三ガス4には水素が用いられる。N型半導体とするためのドーパントは第三ガス4と一緒に供給される。具体的にはジシランが用いられる。
反応容器は、ステンレス鋼(SUS316L)製で内部を真空にすることができ、0.5MPaの内部圧力にも耐えるチャンバーであり、この反応容器には複数のポートが設けられている。具体的には、サセプター9に回転を導入するための回転導入端子を接続するポート、サセプター9や加熱帯1の発熱体に電流を供給するするための電流導入端子を接続するためのポート、熱電対12の接続ポート、真空・圧力の計測器の測定子を接続するポート、内部を観察するための覗き窓を接続するポート、プロセスモニターのためのポートなどが設けられている。
【0022】
第一ガス2、第二ガス3、第三ガス4を導入するためのガス接続口も複数個必要に応じて設けられている。また、基板8で反応後の排ガス18を排出するための排気ポートも設けられており、排気配管には反応容器の圧力を制御する圧力制御弁が設けられている。
排気ポートの他にターボ分子ポンプに接続される真空排気ポートが設けられており、装置の保守・管理が行いやすい構成となっている。
【0023】
サセプター9や加熱帯1の温度が1000度程度の高温となるため、反応容器は自身を保護するための冷却ジャケットを備えている。内壁は過度に冷却しすぎると粉体やパーティクルの発生原因となるため、内壁から僅かに離してライナーとなるステンレス鋼の板を設けるなど、反応容器の内壁の温度にも留意した構造物が設けられている。ライナーは反応による生成物から反応容器の内面を保護する役割もする。
【0024】
サセプター9は、材質が炭化珪素で、基板8を装填するためのポケットを有していて、回転軸17で回転自在に支持された受台16に着脱可能であり、基板8を装填した状態で受台16と共に回転させることができる。基板8はサセプター9上に装填された状態でサセプター9と共に加熱部15によって加熱される。
加熱温度はエピタキシャル成長を施す材料により様々であるが、おおむね1100度程度である。
【0025】
サセプター9の面は上向きで水平としているが、勿論下向きや斜め向きにしてもよい。
また、サセプター9は、受台16から取り外し可能であり、搬送のための基 板キャリアとしても機能する。
第一ガスの導入部5には、アンモニアなどの第一のガス2を基板8の面全体に均一且つ適切に供給するため、基板8の面にほぼ垂直な方向に第一ガス2を送出する構造を備えている。具体的には、網、多孔を有する板、多孔質材料を用いた板、ノズル、仕切り板などの整流手段を組み合わせた構造となっている。
【0026】
第二ガスの導入部6は、第一ガスの導入部5から空間的に離隔され第一ガスの導入部5より基板面8に近い位置に配置されている。具体的には、サセプター9の回転軸17に、サセプター9の面とほぼ同じ高さに配置されており、3族原料ガスなどの第二ガス3がサセプター9に水平もしくはやや斜め上方から供給される。
【0027】
第二ガスの導入部5も第二ガス3を基板8の面全体に均一且つ適切に供給するする構造を備えている。具体的には、網、多孔を有する板、多孔質材料を用いた板、ノズル、仕切り板などの整流手段を組み合わせた構造となっている。
第二ガスの導入部6は、有機金属気相成長操作の場合には冷却を施し、温度計測をし、3族原料及び3族原料とともに供給されるドーパントの分解温度以下に温度管理を施す。冷却は水やフロロカーボンなどの冷媒11を流通させて実施し、過度の冷却により原料が凝縮しないように留意する。
【0028】
第二ガスの導入部6は、ハライド気相成長操作の場合には3族塩化物が凝縮しない数百度程度の温度とする必要があるため、材質を石英、セラミックスなどとし、適度の冷却と温度計測を行う。ガスの流通部分の外側に冷却を施した外套をまとうようにしてもよい。
ハライド気相成長と有機金属気相成長とは同時にあるいは切替えて操作可能な構造とすることができる。
【0029】
第三ガスの導入部7は、第一ガスの導入部5と第二ガスの導入部6との間に配置されている。第三ガスの導入部7から供給される第三ガス4は、空間的に離隔されている第一ガスの導入部5と第二ガスのガスの導入部5とからそれぞれ供給される第一ガス2と第二ガス3を隔てるカーテンガスとなる。第三ガス4は、窒素ガス、窒素化合物ガスの何れでもない水素ガスとするのが良い。
【0030】
第三ガス4が原料ガスを含まないバージンガスであるとき、第三ガスの導入部7は、プロセスモニターのプローブ光の射出窓13や受光窓14を配置するのに好適である。
加熱帯1は、第一のガスの導入部5とサセプター9の間の空間に、サセプター9と対向させるように配置されている。加熱帯1の大きさは、サセプター9と同程度であり、タングステンを発熱体としたヒーターを内蔵している。ランプによる加熱が可能であればランプでもよい。
【0031】
加熱帯1とサセプター9間の距離はサセプターの半径の1/2以下であることが好ましい。なお、サセプターの大きさに関わらず76mm以下であることが望ましい。
加熱帯1の加熱温度はサセプター9と同程度もしくはサセプター9より高い温度とし、エピタキシャル成長を施す材料により様々であるが、おおむね1200度までの加熱ができる構成としている。
【0032】
アンモニアの分解を促進するために、窒化珪素セラミックスを担体とし、ニッケルを担持させた触媒も備えている。
冷却帯10は、第一ガスの導入部5と加熱帯1との間に配置されている。冷却帯10は、冷却冷媒の流通する冷却配管を整然と配列し、第一ガスの導入部5を加熱しないように遮蔽して、第一ガス2が加熱帯1に到達する前に加熱帯1の熱輻射により加熱されるのを防止する。
【0033】
冷却帯10の冷却配管及び加熱帯1の発熱体の配置は、第一ガス2が通過する隙間が形成されるように設定されている。この隙間は圧力損失を与える構造でもそうでなくてもよい。
この半導体製造装置は、第一ガスの導入部5と基板8との間に、第一ガス2の加熱帯1を備えたことで、基板8及び基板8付近の温度を積極的に制御できる。しかも、基板8の加熱部15からの加熱のみでは不可能である温度勾配の設定も可能になっている。
【0034】
3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長を行うとき、加熱帯1でアンモニアが分解されるので、基板8における成長温度を低くすることができ、3族窒化物の気相成長において結晶表面からの窒素の表面脱離を防止して結晶の品質を向上させ、アンモニアと3族原料の供給量比(5族/3族比)を小さくすることができる。
【0035】
成長温度を下げることで、ハライド気相成長法における立方晶の窒化ガリウムの基板8の製造が可能となる。また基板の処理枚数を増やすこともできる。
第一ガスの導入部5と第二ガスの導入部6は空間的に離隔して、第一ガスの導入部5と第二ガスの導入部6との中間の位置に第三ガスの導入部7を備え、第三ガス4をカーテンガスとなるよう導入し、第一ガス2(アンモニアガス)と第二ガス3(3族原料ガス)とを隔てて、基板8に到達前の第一ガス2と第二ガス3の前反応を抑えることができる。
【0036】
加熱帯1には触媒を備えることでアンモニアの分解が促進される。
第一ガスの導入部と加熱帯との間に冷却帯を備えると、第一ガスが加熱帯に到達する前に加熱帯の熱輻射で加熱されるのを防止できる。
基板8を自転させ、且つサセプター9とともに公転させて、原料ガスの流れ、カーテンガスの流れをスムーズにすることができる。
【0037】
この半導体製造装置は、3族窒化物半導体の他、これまで製造が困難であった様々な材料について適用できるのは勿論のことである。
図2は本発明の他の実施の形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
この半導体製造装置では、面状のサセプター9上に基板8が配置され、基板8に対向する位置に加熱帯1が配置されている。加熱帯1のサセプター9に対向する面の形状は、サセプター9の面の形状に合わせればよい。第二ガスの導入部6及び第三ガスの導入部7は、サセプター9と加熱帯1の隙間に相当する場所の加熱領域から外れた位置に配置されている。
【0038】
サセプター9の面の形状は平面でも曲面でもよく、又図上左右方向に長くても、紙面と垂直方向に長くてもよい。
例えば、サセプター9をおおよそ円筒形とし、基板8をサセプター9の内壁に配置し、サセプター9を外側からもしくは直接加熱できるように加熱部15を設け、サセプター9の内側にサセプター9より径の小さいおおよそ円筒形の加熱帯1を配置し、サセプター9と加熱帯1とを両者が形成する同心円筒形の中心軸を回転中心として回転自在とするように構成することもできる。
【0039】
なお、第一ガスの導入部5は加熱帯1のさらに内側に配置され、第二ガスの導入部6と第三ガスの導入部7は、サセプター9と加熱帯1の隙間に相当する場所の加熱領域から外れた位置に配置される。その他の構成は図1のものと同様である。
さらに他の例として、サセプター9をおおよそ円筒形とし、基板8をサセプター9の外壁に配置し、加熱帯1はサセプター9の周囲に配置して、円筒形の中心軸を回転中心として回転自在とするように構成することもできる。
【0040】
この場合のサセプター9の形は一般にバレル型と呼ばれるものと同じ形状となる。なお、第一ガスの導入部5は加熱帯1のさらに外側に配置され、第二ガスの導入部6と第三ガスの導入部7は、サセプター9と加熱帯1の隙間に相当する場所の加熱領域から外れた位置に配置される。
図3は本発明のさらに他の実施の形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
【0041】
この半導体製造装置では、面状のサセプター9上に基板8が配置され、基板8に対向する位置に加熱帯1が配置されている。加熱帯1のサセプター9に対向する面の形状は、サセプター9の面の形状に合わせればよい。第二ガスの導入部6はサセプター9と同一水平面で加熱領域から外れた位置に配置されている。第三ガスの導入部7は、サセプター9と加熱帯1の隙間に相当する場所の加熱領域から外れた位置に配置されている。
【0042】
サセプター9の面の形状は平面でも曲面でもよく、又図上左右方向に長くても、紙面と垂直方向に長くてもよい。その他の構成は図2のものと同様である。
【0043】
【発明の効果】
本発明の半導体製造装置は、空間的温度分布の制御が可能で、基板上の成長温度を低くすることができ、ハライド気相成長法と有機金属気相成長法の何れの方法も実施可能であり、3族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長におけるアンモニアと3族原料の供給量比(5族/3族比)を小さくできる。
また、ハライド気相成長法においてもエピタキシャル成長基板の面積を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
【図2】本発明の他の実施の形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
【図3】本発明のさらに他の実施の形態を示す半導体製造装置の要部の構成図である。
【符号の説明】
1 加熱帯
2 第一ガス
3 第二ガス
4 第三ガス
5 第一ガスの導入部
6 第二ガスの導入部
7 第三ガスの導入部
8 基板
9 サセプター
10 冷却帯
11 冷媒
12 熱電対
13 プロセスモニターのプローブ光の射出窓
14 プロセスモニターのプローブ光の受光窓
15 加熱部
16 受台
17 回転軸
18 排ガス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus for growing and synthesizing a compound semiconductor, and more particularly to a semiconductor manufacturing apparatus suitable for manufacturing a group III nitride semiconductor vapor phase epitaxial growth wafer.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride semiconductors, especially gallium nitride, are materials that have applications as light emitting device materials from green to blue and ultraviolet, and are provided in the form of substrates (wafers), epitaxial growth wafers for substrates, and epitaxial wafers for light emitting devices. and so on.
[0003]
An epitaxial growth wafer for a substrate is mainly formed by epitaxially growing a group III nitride on a non-group III nitride substrate such as sapphire, silicon, and lithium carbonate, and using this as a substrate. If necessary, the thickness of the epitaxy layer is reduced. Thicken and remove the underlying substrate to obtain a desired group III nitride.
The epitaxial growth wafer for a substrate is desirably manufactured at low cost, and is preferably a halide / hydride vapor phase epitaxy (HVPE, hereinafter referred to as a halide vapor) method using a Group 3 halide (specifically, a Group 3 chloride) as a Group 3 raw material. Phase growth is often used. This method uses an ammonia gas as a nitrogen source and a halide as a Group 3 source. The advantage thereof is that the film formation rate can be increased, which is advantageous in terms of throughput and cost.
[0004]
An epitaxial wafer for a light-emitting device has a layer structure required for a light-emitting device formed by epitaxy, and requires fine and uniform film formation such as a Bragg reflection layer and a quantum well layer structure. A metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) using an organic metal as a group 3 raw material is used.
As a vapor phase epitaxial growth technique of a group III nitride semiconductor, a halide vapor phase epitaxy method and an organometallic vapor phase epitaxy method have been around since 1970. In addition to these methods, there is also a molecular beam epitaxy method (MBE method).
[0005]
As a technique common to the conventional halide vapor deposition method and metal organic chemical vapor deposition method, a raw material gas is supplied to a substrate from a direction horizontal or inclined to the substrate, and a pressing gas containing no raw material is supplied from a direction perpendicular to the substrate. There is one that improves the operation of epitaxial growth on a substrate by supplying it to the substrate (see Patent Document 1).
As a technique related to the metal organic chemical vapor deposition method, as a method of supplying the ammonia gas and the group 3 source gas to the substrate, by avoiding the mixing of the ammonia gas and the group 3 source gas before reaching the substrate, the gas in the gas phase Some suppress the pre-reaction (see
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2628404 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-091989 [Patent Document 3]
JP 2001-506803 A
[Problems to be solved by the invention]
In the vapor phase growth of Group III nitrides by the metal organic vapor phase epitaxy, there is a problem that surface elimination of nitrogen from the crystal surface occurs, and the quality of the crystal deteriorates.
It is thought that nitrogen desorption is caused by insufficient partial pressure of the nitrogen raw material, and it is necessary to supply an excessive amount of ammonia gas to make up for this. The feed ratio of ammonia to the Group 3 raw material (
[0008]
The halide vapor phase epitaxy also has a problem of surface desorption of nitrogen as in the case of the metal organic vapor phase epitaxy.
Further, the halide vapor phase epitaxy involves a problem of growth of cubic gallium nitride and a mixed crystal of cubic gallium nitride and another group III nitride. In the metalorganic vapor phase epitaxy, there have been many reports of the growth of cubic gallium nitride in recent years. In the halide vapor phase epitaxy, there are many reports of the growth of hexagonal crystals. In a device using a cleavage plane of a crystal such as a semiconductor laser, a cubic material is more advantageous than a hexagonal material. Therefore, it is desired to complete a vapor phase growth method capable of manufacturing a cubic gallium nitride substrate. In order to solve this problem in the halide vapor deposition method, it is necessary to develop a method for lowering the growth temperature further than the conventional technique.
[0009]
The apparatus configuration in the halide vapor phase epitaxy method is as follows. A reaction tube is placed in a heating furnace, a substrate is placed in the reaction tube, and a group III halide and an ammonia gas are supplied to the substrate as raw material gases to form a group III nitride on the substrate. The material is epitaxially grown. It is known that, even in the halide vapor phase epitaxy method, a pre-reaction occurs when a Group 3 material and a
[0010]
The temperature distribution of the reactor in the halide vapor deposition method is substantially determined by the spatial temperature controllability of the heating furnace. Specifically, it is determined by the number of divisions of the heating element, the size of the zone, the heat capacity, the presence or absence of forced cooling, and the like. Since the zone of the heating element is divided on a plane perpendicular to the direction of the flow of the source gas, increasing the number of substrates to be processed at one time requires increasing the cross-sectional area of the flow path of the reactor. Become. As the cross-sectional area of the reactor increases, the supply amounts of the raw material gas and the carrier gas increase, and the cross-sectional area of the heating furnace also increases. That is, the conventional halide vapor deposition method has a problem that the number of substrates to be processed cannot be increased to a certain degree or more.
[0011]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in a semiconductor manufacturing apparatus, and can control a spatial temperature distribution, can lower a growth temperature on a substrate, and can use a halide vapor deposition method and an organometallic vapor phase method. It is an object of the present invention to provide a semiconductor manufacturing apparatus which can carry out any of the growth methods and can reduce the supply ratio of ammonia and a group 3 raw material (
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in a semiconductor manufacturing apparatus having a substrate heating means and supplying a first gas and a second gas to a substrate to grow an epitaxial layer of a compound semiconductor on the substrate, the first gas introduction unit and the substrate The above problem is solved by providing a heating zone for the first gas.
[0013]
Since the semiconductor manufacturing apparatus includes the first gas heating zone between the first gas introduction unit and the substrate, the temperature of the substrate and the vicinity of the substrate can be positively controlled. In addition, it is possible to set a temperature gradient that could not be achieved only by heating from the substrate heating source, and it is possible to control the spatial temperature distribution.
The first gas is an ammonia gas or an ammonia gas diluted with nitrogen or a nitrogen compound gas, and the second gas is a Group 3 source gas using a Group 3 organometallic compound or a Group 3 halogen compound as a raw material. Thus, the vapor phase epitaxial growth of the group III nitride semiconductor can be performed. At this time, since ammonia is decomposed in the heating zone, the growth temperature on the substrate can be lowered, and in the vapor phase growth of Group III nitride, surface elimination of nitrogen from the crystal surface is prevented to improve the quality of the crystal. It is possible to reduce the supply ratio of the ammonia and the Group 3 raw material (
[0014]
By lowering the growth temperature, the production of cubic gallium nitride substrates in the halide vapor phase epitaxy can be expected. Further, the number of processed substrates can be increased.
It is preferable that the introduction part of the second gas is arranged at a position closer to the substrate surface than the introduction part of the first gas.
The first gas inlet and the second gas inlet are spatially separated from each other, and a third gas inlet is provided between the first gas inlet and the second gas inlet. A third gas, which is neither a gas nor a nitrogen compound gas, is introduced as a curtain gas to separate the first gas (ammonia gas) from the second gas (group 3 source gas). And the second reaction of the second gas can be suppressed.
[0015]
By providing a catalyst in the heating zone, decomposition of ammonia is promoted. As a catalyst, nickel supported on a silicon nitride carrier is preferable.
The temperature of the heating zone may be maintained higher than the temperature of the substrate, and a temperature gradient may be provided in the space between the heating zone and the substrate. Specifically, the heating zone is preferably brought close to the substrate to such an extent that the flow of the Group 3 source gas and the flow of the curtain gas are not hindered. You just need to add
[0016]
If a cooling zone is provided between the introduction part of the first gas and the heating zone, it is possible to prevent the first gas from being heated by the heat radiation of the heating zone before reaching the heating zone.
When the substrate is placed on a circular removable susceptor, the heating zone is placed facing the susceptor, and the substrate rotates and revolves with the susceptor, the flow of the raw material gas and the flow of the curtain gas become smooth. Can be.
[0017]
The distance between the heating zone and the susceptor is preferably not more than の of the radius of the susceptor. In addition, it is desirable that it is 76 mm or less regardless of the size of the susceptor.
The susceptor may be approximately cylindrical, the substrate may be disposed on the inner wall of the susceptor, and the heating zone may be disposed inside the susceptor as a generally cylindrical shape having a smaller diameter than the susceptor, so that the susceptor and the heating zone can be freely rotated.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
This semiconductor manufacturing apparatus includes a
[0019]
In the case where a group III nitride semiconductor is manufactured by this semiconductor manufacturing apparatus, the
The second gas 3 is a gas for supplying a Group 3 raw material. The second gas 3 is a Group 3 halide in the halide vapor phase growth method and an organic metal in the metal organic vapor phase growth method.
[0020]
As the halide, chloride, specifically, gallium chloride, aluminum chloride, or indium chloride is used.
As the organic metal, trimethylgallium, trimethylaluminum, and trimethylindium are used. Since the dopant for forming the P-type semiconductor is also an organic metal, it is supplied together with the
[0021]
Hydrogen is used for the third gas 4. A dopant for forming an N-type semiconductor is supplied together with the third gas 4. Specifically, disilane is used.
The reaction vessel is a chamber made of stainless steel (SUS316L), the inside of which can be evacuated and withstands an internal pressure of 0.5 MPa. This reaction vessel has a plurality of ports. Specifically, a port for connecting a rotation introduction terminal for introducing rotation to the
[0022]
A plurality of gas connection ports for introducing the
A vacuum exhaust port connected to a turbo-molecular pump is provided in addition to the exhaust port, so that the device can be easily maintained and managed.
[0023]
Since the temperature of the
[0024]
The
The heating temperature varies depending on the material to be epitaxially grown, but is generally about 1100 degrees.
[0025]
The surface of the
The
In order to uniformly and appropriately supply the
[0026]
The
[0027]
The second
In the case of the metalorganic vapor phase epitaxy operation, the second
[0028]
In the case of the vapor phase growth operation of the halide, the second
The structure which can be operated simultaneously or by switching between the halide vapor deposition and the organometallic vapor deposition can be employed.
[0029]
The
[0030]
When the third gas 4 is a virgin gas containing no source gas, the third
The heating zone 1 is arranged in a space between the
[0031]
The distance between the heating zone 1 and the
The heating temperature of the heating zone 1 is about the same as or higher than that of the
[0032]
In order to promote the decomposition of ammonia, a catalyst supporting silicon nitride ceramics and supporting nickel is also provided.
The cooling
[0033]
The arrangement of the cooling pipes in the
Since the semiconductor manufacturing apparatus includes the heating zone 1 for the
[0034]
When performing vapor phase epitaxial growth of a group III nitride semiconductor, ammonia is decomposed in the heating zone 1, so that the growth temperature on the
[0035]
By lowering the growth temperature, it becomes possible to manufacture the cubic
The first
[0036]
By providing the heating zone 1 with a catalyst, the decomposition of ammonia is promoted.
If a cooling zone is provided between the introduction part of the first gas and the heating zone, it is possible to prevent the first gas from being heated by the heat radiation of the heating zone before reaching the heating zone.
By rotating the
[0037]
This semiconductor manufacturing apparatus can of course be applied to various materials that have been difficult to manufacture up to now, in addition to the group III nitride semiconductor.
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
In this semiconductor manufacturing apparatus, a
[0038]
The shape of the surface of the
For example, the
[0039]
In addition, the
As yet another example, the
[0040]
In this case, the shape of the
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus showing still another embodiment of the present invention.
[0041]
In this semiconductor manufacturing apparatus, a
[0042]
The shape of the surface of the
[0043]
【The invention's effect】
The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention can control the spatial temperature distribution, can lower the growth temperature on the substrate, and can carry out any of the halide vapor phase growth method and the metal organic vapor phase growth method. In addition, in the vapor phase epitaxial growth of the group III nitride semiconductor, the supply ratio of the ammonia and the group 3 raw material (
Further, the area of the epitaxial growth substrate can be increased also in the halide vapor phase epitaxy method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of a semiconductor manufacturing apparatus showing still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1
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