JP2004207545A

JP2004207545A - Semiconductor vapor phase growth system

Info

Publication number: JP2004207545A
Application number: JP2002375824A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugiyama; 聡杉山; Toshimitsu Sukegawa; 俊光助川; Kaoru Nakamura; 薫中村
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor vapor phase growth system which can form an epitaxial layer having extremely high uniformity inside a film-thickness face. <P>SOLUTION: The semiconductor vapor phase growth system comprises the steps of placing a plurality of substrates 4 circumferentially on a rotating platy susceptor 3 while supporting their lower faces or crystal growth faces 4a so as to face a gas passage side, and growing semiconductor crystals epitaxially on the heated substrates 4 while flowing material gas in the direction of the diameter of the susceptor 3 by an organic metal vapor phase growth method. The crystal growth faces 4a of the substrates 4 are arranged so as to be oblique in the flowing direction of the material gas. Concretely, surfaces of the gas passage side of the susceptor 3 are formed of oblique faces 3a or 3b having a predetermined oblique angle θ fallen or raised toward the susceptor center, and the crystal growth faces 4a of the substrates are positioned on the oblique surfaces. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体結晶を有機金属気相成長法により均等な膜厚で成長するのに適した半導体気相成長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 Electronmobility 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６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、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。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。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１．０×１０¹⁸cm^-3を表す。
【０００５】
【表１】

【０００６】
表１に示したＬＤエピタキシャルウエハの成長方法を以下に述べる。
【０００７】
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）による半導体気相成長装置で成長される。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。
【０００８】
ここで従来のＭＯＶＰＥ装置（半導体気相成長装置）が採用しているリアクター（反応炉）の構成を図７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、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内に図８、図９の如く基板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。
【０００９】
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。
【００１０】
たとえば、ｕｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ₃（アルシン）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ₃）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。
【００１１】
ｕｎ−Ａｌ_0.5ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ₃）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（ＣＨ₃ＣＨ₂）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。
【００１２】
ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃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ＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）がある。
【００１３】
ここで、例として、図８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、図９に示すように、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長していた。
【００１４】
なお、図７の装置は、ガスが反応管の一側から他側に向かって一方向に流れ、且つ基板がサセプタの開口部内にフェイスダウンで設けられるタイプ（横型フェイスダウン）のものであるが、これと異なり、上から下に向かうガスがサセプタの中央から半径方向外側に流れ、且つ基板がサセプタの開口部内にフェイスアップで設けられるタイプ（自転公転型フェイスアップ）の装置もある。この後者のタイプの装置については、従来、半導体基板に約３０°の傾斜角を与えることによりサセプタの回転によって生じる遠心力で基板の落下を防止し、且つサセプタを１０００ｒｐｍの高速で回転することによって均一化を目指した場合の問題点として、依然としてサセプタの外周方向で膜厚が薄くなる傾向を呈することから、サセプタの傾斜角度を特定の範囲に規制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−３４９７４８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７〜図９の半導体気相成長装置は、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】
まず、サセプタを静止したまま結晶成長すると図１０（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。
【００１８】
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１０（ａ）の回転積分値となるため、結果として図１０（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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気相成長装置を提供することにある。
【００２１】
なお、本発明の対象とするのは、図７のように、ガスがサセプタの直径方向に流れるタイプ（横型）の装置であり、上記特許文献１のように、上から下に向かうガスがサセプタの中央から半径方向外側に流れるタイプの装置とは、異なる技術に属する。
【００２２】
【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、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置するようにしたものであり、具体的には、次のように構成したものである。
【００２３】
請求項１の発明に係る半導体気相成長装置は、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気相成長装置において、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する構成としたことを特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体気相成長装置において、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体気相成長装置において、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする。
【００２６】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、半導体結晶を成長させる基板を保持するサセプタを有し、そのサセプタを加熱及び回転し、その基板上に原料ガス及び希釈用ガスを供給し、III−Ｖ族化合物半導体結晶を成長する有機金属気相成長法の半導体気相成長装置において、上記サセプタに支持された基板の結晶成長面たる例えば下面が、サセプタの中心に向かって窪んだ又は膨らんだ所定の傾斜角度θの傾斜面をなすように、基板を原料ガスの流れ方向に対して傾けてサセプタに設置する構成にある。
【００２７】
従来技術（図９）のように、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長する場合、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未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。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。この様子を図１０（ａ）に示す。
【００２８】
本発明では、サセプタの中心を図１に示すようにへこませるか又は図４に示すように膨らませて、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して角度θだけ傾けるようにした。こうすることにより、上流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりにくくなるため、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて減少し、その結果上流側での原料の消費も減少する。
【００２９】
これに対し、下流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりやすくなるとともに、上流側での原料消費率が減少したため未分解の原料ガスが多く供給され、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて厚くなる。
【００３０】
この結果、本発明を実施してサセプタを静止したまま結晶成長すると、図２（ａ）のように基板上に成長される結晶の厚さは、上流側から下流側に向かってほぼ単調減少の直線とすることができる。この状態でサセプタを一定回転数で回転させながら成長すると、膜厚は図２（ａ）の回転積分値となるため、結果として図２（ｂ）のように極めて均一にすることができる。
【００３１】
ここで基板の傾斜角θの最適条件について吟味するに、図３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、原料ガスの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。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基板の傾き角を設定してやる必要がある。つまり、分解曲線の傾きが大きい場合は基板の傾き角も大きくし、逆に分解曲線の傾きが小さい場合は基板の傾き角も小さくなるように設定する。
【００３２】
【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。
【００３３】
＜実施形態１＞
前提となる化合物半導体気相成長装置１は、サセプタ３の下面の構成を除き、図７〜図８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気相成長装置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、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。
【００３４】
サセプタ３は全体として円板状であり、図１に示すように、その下面、つまりガス流路側の面が、外周縁稜からサセプタ中心へかけてなだらかに窪んだ傾斜面３ａとして形成されている。そしてサセプタ３の基板支持部たる凹部（開口部５）は、これに半導体基板４を支持させた場合、その基板の結晶成長面４ａが、この傾斜面３ａに一致して位置するように構成されている。従って、半導体基板４は、原料ガスの流れ方向である水平面に対して所定の傾斜角度θだけ傾いて設置される。
【００３５】
このように、サセプタ３に支持される半導体基板４の結晶成長面４ａを、原料ガスの流れ方向に対して所定の傾斜角度θで傾けておく構成とすることにより、原料ガスの流れ方向の上流側では、原料ガスが基板の結晶成長面に当たりにくくなる。このため、成長されるエピタキシャル層の膜厚は、従来技術（図９）に比べて減少し、その結果上流側での原料の消費も減少する。他方、下流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりやすくなるとともに、上流側での原料消費率が減少したため未分解の原料ガスが多く供給され、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて厚くなる。
【００３６】
よって、基板上に成長される結晶の厚さを、図２（ａ）に示すように、上流側から下流側に向かってほぼ単調減少の直線とすることができる。この状態でサセプタを一定回転数で回転させながら成長すると、膜厚は図２（ａ）の回転積分値となるため、結果として図２（ｂ）のように極めて均一にすることができる。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。
【００３７】
＜実施例＞
本発明を表１のＬＤエピタキシャルウエハの成長に適用した。
【００３８】
成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ（９３．３ｈｐａ）、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（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃及びＡｓＨ₃を用い、それらの流量はそれぞれ６５cm³／分、４５cm³／分及び１０００cm³／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（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃に加えてＳｉ₂Ｈ₆を使用した。流量はそれぞれ６５cm³／分、１５０cm³／分、１０００cm³／分及び３００cm³／分である。ｎ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ１００cm³／分、３００cm³／分及び２００cm³／分である。
【００３９】
本発明の一実施例を図１を用いて説明する。サセプタ３は、基板の結晶成長面４ａが、原料ガスの流れ方向、すなわち水平方向に対して５．０度傾くようにした。この基板傾斜角（基板セット角度）θが５．０度で半導体基板４を取り付けたサセプタを３０ｒｐｍで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。
【００４０】
【表２】

【００４１】
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（図１）で成長したエピタキシャル層の膜厚データと、従来技術（図９）で成長したエピタキシャル層の膜厚データとを比較して示す。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。
【００４２】
従来技術（基板の傾斜無し）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（基板セット角度θ＝５．０゜）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキは±０．１４％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。
【００４３】
＜実施形態２＞
図４及び図５に、本発明の他の実施形態を示す。これは上述したような実施例とは逆で、図４に示すように、サセプタ３の中心をふくらませた形状として基板に逆の傾き角を与えた例である。
【００４４】
すなわち、サセプタ３は、図１の場合と同様、全体として円板状であり、その下面、つまりガス流路側の面は、外周縁稜からサセプタ中心へかけてなだらかに膨らませた傾斜面３ｂとして形成されている。そしてサセプタ３の基板支持部たる凹部（開口部５）は、これに半導体基板４を支持させた場合、その基板の結晶成長面４ａが、この傾斜面３ｂに一致して位置するように構成されている。従って、半導体基板４は、原料ガスの流れ方向である水平面に対して所定の傾斜角度θだけ傾いて設置される。
【００４５】
図５に、傾斜面３ｂに下面を一致させて半導体基板４を設置し、サセプタ３を静止したまま結晶成長したときの、ガス流下方向の位置と基板上に成長される結晶の厚さとの関係を示す。図２の場合のような単調な直線とはなっていないが、成長結晶の厚さが上流側から下流側に向かってなだらかに増大する曲線とすることができる。
【００４６】
換言すれば、ガス流速および加熱条件によっては、図５に示すような原料ガスの分解曲線となるので、この場合も分解曲線の勾配を相殺するように半導体基板の傾き角（基板セット角）θを設定してやることにより、膜厚を極めて均一にすることができる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明は、上述してきたような、結晶成長面が下向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスダウン」方式だけでなく、結晶成長面が上向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスアップ」方式にも適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、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、且つ成長面たる例えば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気相成長装置において、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する構成としたものである。具体的には、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ又は膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成する。
【００４９】
従来技術では、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長していたため、上流から供給された原料ガスの熱分解曲線に支配的であり、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。
【００５０】
しかし本発明では、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置するようにしたことから、原料ガスの上流側での消費量が減り、原料ガスが下流に向かって均一な割合で消費されるようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚がきわめて均一なものとなる。
【００５１】
従って、本発明の半導体気相成長装置を用いれば、従来技術では達成できなかったレベルの膜厚均一性を、極めて容易な手段で、しかも低コストに達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る半導体気相成長装置のサセプタにおける基板のセット状態を示す図である。
【図２】図１のサセプタを用いた場合の膜厚均一性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３】原料ガス分解曲線のガス流速依存性を示した説明図であり、（ａ）はガス流速が遅い場合を、（ｂ）はガス流速が速い場合を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る半導体気相成長装置のサセプタにおける基板のセット状態を示す図である。
【図５】図４のサセプタを用いた場合の原料ガス分解曲線の説明図である。
【図６】ＬＤの基本構造を示す説明図である。
【図７】従来技術における化合物半導体気相成長装置の構造を示した断面図である。
【図８】従来技術におけるサセプタへの基板セット方法を示す図である。
【図９】従来技術における基板のセット状態を示す図である。
【図１０】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。
【符号の説明】
１半導体気相成長装置
３サセプタ
３ａ傾斜面
３ｂ傾斜面
４半導体基板
４ａ結晶成長面
５開口部
θ 傾斜角度（基板セット角度）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor vapor deposition apparatus suitable for growing a group III-V compound semiconductor crystal with a uniform thickness by a metal organic chemical vapor deposition method.
[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 HEMT (High Electron Mobility Transistor), LED (Light Emitting Diode: light emitting diode), LD (Laser Diode: laser diode) and the like.
[0003]
As an example, FIG. 6 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 a 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 buffer layer has a function of preventing device characteristics deterioration due to residual impurities on the substrate surface. The 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]
[Table 1]

[0006]
The method of growing the LD epitaxial wafer shown in Table 1 will be described below.
[0007]
The compound semiconductor crystal of the LD is generally grown by a semiconductor vapor phase epitaxy apparatus (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, hereinafter referred to as MOVPE). 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.
[0008]
Here, FIG. 7 shows a configuration of a reactor (reactor) employed in a conventional MOVPE apparatus (semiconductor vapor deposition 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. An opening 5 is formed 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 downward in the opening 5 and the lower surface is exposed as shown in FIGS. This is an epitaxial growth apparatus in which a heat equalizing plate 7 is fitted into the opening 5 so as to face the main heater 21 serving as 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.
[0009]
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.
[0010]
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, Ga (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethyl gallium) is another Ga source. Other As raw materials include As (CH ₃ ) ₃ (trimethyl arsenic) and TBA (tertiary butyl arsine).
[0011]
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.
[0012]
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 the Se raw material, there is H ₂ Se (hydrogen selenide).
[0013]
Here, as an example, a case where two substrates 4 are set on the susceptor 3 as shown in FIG. 8 and an epitaxial layer is grown on the substrate 4 is considered. In the prior art, as shown in FIG. 9, the epitaxial layer was grown with the crystal growth surface of the substrate set parallel to the flow direction of the source gas.
[0014]
The apparatus shown in FIG. 7 is of a type (horizontal face down) in which gas flows in one direction from one side of the reaction tube to the other side, and the substrate is provided face down in the opening of the susceptor. Alternatively, there is an apparatus of a type in which a gas flowing from the top to the bottom flows radially outward from the center of the susceptor, and the substrate is provided face-up in the opening of the susceptor (rotating revolving face-up). In the latter type of apparatus, conventionally, a semiconductor substrate is provided with an inclination angle of about 30 ° to prevent the substrate from falling due to centrifugal force generated by the rotation of the susceptor, and by rotating the susceptor at a high speed of 1000 rpm. As a problem in the case of aiming for uniformity, it is proposed that the inclination angle of the susceptor be restricted to a specific range because the film thickness still tends to be thinner in the outer peripheral direction of the susceptor (for example, Patent Documents) 1).
[0015]
[Patent Document 1]
JP-A-6-349748
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor vapor deposition apparatus shown in FIGS. 7 to 9 has insufficient uniformity for products requiring extremely high film thickness distribution accuracy.
[0017]
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. 10A, 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.
[0018]
Next, when the susceptor is grown while rotating at a constant rotation speed, the film thickness becomes the rotation integral value of FIG. 10A, and as a result, as shown in FIG. It can be made uniform to some extent in the plane.
[0019]
However, the uniformity was insufficient for products requiring extremely high film thickness distribution accuracy.
[0020]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems and to provide a semiconductor vapor deposition apparatus capable of obtaining an epitaxial layer having extremely high in-plane thickness uniformity.
[0021]
The object of the present invention is an apparatus of a type (horizontal type) in which gas flows in the diameter direction of the susceptor as shown in FIG. A device of the type that flows radially outward from the center of the device belongs to a different technology.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is configured such that the crystal growth surface of the substrate is installed at an angle with respect to the flow direction of the raw material gas, and specifically, has the following configuration. .
[0023]
The semiconductor vapor deposition apparatus according to the first aspect of the present invention provides a rotating susceptor having a plurality of substrates disposed in a circumferential direction and supporting a growth surface toward a gas flow path, in a diametrical direction of the susceptor. In a semiconductor vapor deposition apparatus for flowing a source gas through a substrate and epitaxially growing a semiconductor crystal on the heated substrate by metal organic chemical vapor deposition, a configuration in which the crystal growth surface of the substrate is inclined with respect to the flow direction of the source gas It is characterized by having.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor vapor deposition apparatus according to the first aspect, the surface of the susceptor on the gas flow path side is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ depressed toward the center of the susceptor, The crystal growth surface of the substrate is located on the inclined surface.
[0025]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor vapor deposition apparatus according to the first or second aspect, the surface of the susceptor on the gas flow path side is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ bulging toward the center of the susceptor. The crystal growth surface of the substrate is located on the inclined surface.
[0026]
<The gist of the invention>
The gist of the present invention is to have a susceptor that holds a substrate on which a semiconductor crystal is grown, heat and rotate the susceptor, supply a source gas and a diluting gas onto the substrate, and form a III-V compound semiconductor crystal. In the growing semiconductor metal-organic chemical vapor deposition apparatus of the metal organic chemical vapor deposition method, the crystal growth surface of the substrate supported by the susceptor, for example, the lower surface is inclined toward the center of the susceptor at a predetermined inclination angle θ. The substrate is arranged on the susceptor so as to form a plane and inclined with respect to the flow direction of the source gas.
[0027]
When the epitaxial layer is grown with the crystal growth surface of the substrate set parallel to the flow direction of the source gas as in the prior art (FIG. 9), most of the source gas supplied from the upstream side is mostly at the center of the susceptor. The gas is decomposed more upstream, and almost undecomposed raw material gas remains on the downstream side, that is, the raw material is depleted. Therefore, the reaction upstream of the susceptor center was dominant. This situation is shown in FIG.
[0028]
In the present invention, the center of the susceptor is dented as shown in FIG. 1 or expanded as shown in FIG. 4, so that the crystal growth surface of the substrate is inclined by an angle θ with respect to the flow direction of the source gas. This makes it difficult for the source gas to hit the crystal growth surface of the substrate on the upstream side, so that the thickness of the epitaxial layer to be grown is reduced as compared with the prior art, and as a result, the consumption of the source material on the upstream side is also reduced. .
[0029]
On the other hand, on the downstream side, the source gas easily hits the crystal growth surface of the substrate, and since the raw material consumption rate on the upstream side has decreased, a large amount of undecomposed source gas has been supplied, and the thickness of the epitaxial layer grown has been reduced. It is thicker than technology.
[0030]
As a result, when the crystal is grown with the susceptor stationary according to the present invention, the thickness of the crystal grown on the substrate decreases almost monotonically from the upstream side to the downstream side as shown in FIG. It can be a straight line. If the susceptor is grown while rotating at a constant rotation speed in this state, the film thickness becomes the rotation integral value of FIG. 2A, and as a result, it can be made extremely uniform as shown in FIG. 2B.
[0031]
Here, when examining the optimum condition of the inclination angle θ of the substrate, as shown in FIG. 3, the decomposition curve of the source gas depends on the gas flow rate. That is, when the flow rate of the raw material gas is slow, the slope of the decomposition curve is large (streak), and when it is fast, the slope of the decomposition curve is small (gently). Therefore, when the present invention is applied, it is necessary to set the inclination angle of the substrate so as to offset the gradient of the decomposition curve. That is, when the inclination of the decomposition curve is large, the inclination angle of the substrate is set to be large, and when the inclination of the decomposition curve is small, the inclination angle of the substrate is set to be small.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0033]
<First embodiment>
The compound semiconductor vapor phase epitaxy apparatus 1 as the premise was the same as that of FIGS. 7 and 8 except for the configuration of the lower surface of the susceptor 3. That is, the compound semiconductor vapor phase epitaxy apparatus 1 of this embodiment is provided with a plate-shaped susceptor 3 on the upper wall of a reaction tube 2 through which a source gas flows from a source gas supply port 2a to a gas exhaust port 2b. To be rotatable. 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 downward in the opening 5 and supported with the lower surface exposed. I do. 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.
[0034]
The susceptor 3 has a disk shape as a whole, and as shown in FIG. 1, the lower surface thereof, that is, the surface on the gas flow path side is formed as an inclined surface 3a that is gradually depressed from the outer peripheral edge to the center of the susceptor. . The concave portion (opening portion 5) serving as a substrate supporting portion of the susceptor 3 is configured such that, when the semiconductor substrate 4 is supported on the concave portion, the crystal growth surface 4a of the substrate coincides with the inclined surface 3a. ing. Accordingly, the semiconductor substrate 4 is installed at a predetermined inclination angle θ with respect to a horizontal plane that is the flow direction of the source gas.
[0035]
As described above, the crystal growth surface 4a of the semiconductor substrate 4 supported by the susceptor 3 is inclined at a predetermined inclination angle θ with respect to the flow direction of the source gas, so that the upstream side in the flow direction of the source gas is formed. On the side, the source gas is less likely to hit the crystal growth surface of the substrate. Therefore, the thickness of the epitaxial layer to be grown is reduced as compared with the prior art (FIG. 9), and as a result, the consumption of the raw material on the upstream side is also reduced. On the other hand, on the downstream side, the raw material gas easily hits the crystal growth surface of the substrate, and the raw material consumption rate on the upstream side is reduced, so that a large amount of undecomposed raw material gas is supplied. It becomes thicker than compared.
[0036]
Therefore, as shown in FIG. 2A, the thickness of the crystal grown on the substrate can be made a substantially monotonically decreasing straight line from the upstream side to the downstream side. If the susceptor is grown while rotating at a constant rotation speed in this state, the film thickness becomes the rotation integral value of FIG. 2A, and as a result, it can be made extremely uniform as shown in FIG. 2B. In order to confirm this effect, as an example, an LD was prototyped as follows.
[0037]
<Example>
The present invention was applied to the growth of the LD epitaxial wafer shown in Table 1.
[0038]
The substrate temperature during the growth was 700 ° C., the pressure inside the growth furnace was 70 Torr (93.3 hpa), and the diluent gas was hydrogen. A GaAs substrate was used as the substrate. Ga (CH ₃ ) ₃ , Al (CH ₃ ) ₃ and AsH ₃ are used for growing the un-Al _0.1 GaAs layer, and their flow rates are 65 cm ³ / min, 45 cm ³ / min and 1000 cm ³ / min, respectively. . For growing the n-Al _0.5 GaAs layer, Si ₂ H ₆ was used in addition to Ga (CH ₃ ) ₃ , Al (CH ₃ ) ₃ and AsH ₃ used for growing un-Al _0.1 GaAs. 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.
[0039]
One embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The susceptor 3 is configured such that the crystal growth surface 4a of the substrate is tilted 5.0 degrees with respect to the flow direction of the source gas, that is, the horizontal direction. This substrate inclination angle (substrate set angle) θ was 5.0 degrees, and the susceptor on which the semiconductor substrate 4 was mounted was rotated at 30 rpm to perform epitaxial growth.
[0040]
[Table 2]

[0041]
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 (FIG. 1), and the film thickness of the epitaxial layer grown in the conventional technique (FIG. 9). Shown in comparison with the data. 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).
[0042]
While the in-plane variation of the epitaxial layer grown by the conventional technique (without substrate tilt) is ± 1.52%, the surface of the epitaxial layer grown by the above embodiment (substrate set angle θ = 5.0 °) The variation among them was extremely small at ± 0.14%. 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.
[0043]
<Embodiment 2>
4 and 5 show another embodiment of the present invention. This is opposite to the above-described embodiment, and is an example in which the substrate is given a reverse inclination angle as a shape in which the center of the susceptor 3 is inflated as shown in FIG.
[0044]
That is, as in the case of FIG. 1, the susceptor 3 has a disk shape as a whole, and its lower surface, that is, the surface on the gas flow path side is formed as an inclined surface 3b gently swelling from the outer peripheral edge to the center of the susceptor. Have been. The concave portion (opening portion 5) serving as a substrate supporting portion of the susceptor 3 is configured such that, when the semiconductor substrate 4 is supported on the concave portion, the crystal growth surface 4a of the substrate coincides with the inclined surface 3b. ing. Accordingly, the semiconductor substrate 4 is installed at a predetermined inclination angle θ with respect to a horizontal plane that is the flow direction of the source gas.
[0045]
FIG. 5 shows the relationship between the position in the gas flow direction and the thickness of the crystal grown on the substrate when the semiconductor substrate 4 is placed so that the lower surface thereof is aligned with the inclined surface 3b and the susceptor 3 is stationary, and the crystal is grown. Is shown. Although not a monotonous straight line as in the case of FIG. 2, it can be a curve in which the thickness of the grown crystal gradually increases from the upstream side to the downstream side.
[0046]
In other words, depending on the gas flow rate and the heating conditions, a decomposition curve of the raw material gas is obtained as shown in FIG. 5, and also in this case, the inclination angle (substrate set angle) θ of the semiconductor substrate is set so as to cancel the gradient of the decomposition curve. By setting, the film thickness can be made extremely uniform.
[0047]
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the so-called “face-down” method in which the substrate is arranged so that the crystal growth surface faces downward as described above. Can be applied to a so-called “face-up” system in which a substrate is arranged so that the substrate faces upward.
[0048]
【The invention's effect】
The present invention provides a rotating plate-shaped susceptor, in which a plurality of substrates are disposed in a circumferential direction, and a growth surface, for example, a lower surface is supported toward a gas flow path, and a raw material gas flows in a diameter direction of the susceptor, and is heated. In a semiconductor vapor phase growth apparatus for epitaxially growing a semiconductor crystal on a substrate subjected to metalorganic vapor phase epitaxy, a crystal growth surface of the substrate is arranged to be inclined with respect to a flow direction of a source gas. Specifically, the surface on the gas flow path side of the susceptor is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ that is depressed or expanded toward the center of the susceptor, and the crystal growth surface of the substrate is positioned on the inclined surface. It is constituted so that.
[0049]
In the prior art, since the epitaxial layer was grown by setting the crystal growth surface of the substrate parallel to the flow direction of the source gas, it was dominant in the thermal decomposition curve of the source gas supplied from upstream, and The thickness of the epitaxial layer was thicker on the outer peripheral side of the susceptor and thinner on the inner peripheral side.
[0050]
However, in the present invention, since the crystal growth surface of the substrate is set to be inclined with respect to the flow direction of the source gas, the amount of consumption of the source gas on the upstream side is reduced, and the source gas is uniformly distributed downstream. Will be consumed in proportion. As a result, the thickness of the epitaxial layer grown on the substrate becomes extremely uniform.
[0051]
Therefore, by using the semiconductor vapor deposition apparatus of the present invention, it is possible to achieve a level of film thickness uniformity that could not be achieved by the conventional technique, with extremely easy means and at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a substrate set state in a susceptor of a semiconductor vapor deposition apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining film thickness uniformity when the susceptor of FIG. 1 is used, wherein FIG. 2A shows a growth thickness when the susceptor is stationary, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a growth thickness when the slab is in the state.
3A and 3B are explanatory diagrams showing a gas flow rate dependency of a raw material gas decomposition curve, wherein FIG. 3A is a diagram showing a case where the gas flow speed is low, and FIG.
FIG. 4 is a view showing a substrate set state in a susceptor of a semiconductor vapor deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a raw material gas decomposition curve when the susceptor of FIG. 4 is used.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a basic structure of an LD.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a compound semiconductor vapor deposition apparatus according to a conventional technique.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method of setting a substrate on a susceptor according to the related art.
FIG. 9 is a view showing a setting state of a substrate according to a conventional technique.
10A and 10B are diagrams for explaining the non-uniformity of the film thickness, which is a problem of the prior art, wherein FIG. 10A shows the growth thickness when the susceptor is stationary, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a growth thickness of the first embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 semiconductor vapor deposition apparatus 3 susceptor 3a inclined surface 3b inclined surface 4 semiconductor substrate 4a crystal growth surface 5 opening θ inclination angle (substrate set angle)

Claims

A plurality of substrates are arranged in a circumferential direction on a rotating plate-shaped susceptor, and a growth surface is supported toward a gas flow path side. A source gas flows in a diameter direction of the susceptor, and a semiconductor crystal is formed on the heated substrate. In a semiconductor vapor phase growth apparatus for epitaxially growing by metalorganic vapor phase epitaxy,
A semiconductor vapor phase growth apparatus characterized in that a crystal growth surface of a substrate is set to be inclined with respect to a flow direction of a source gas.

The semiconductor vapor deposition apparatus according to claim 1,
The gas flow path side surface of the susceptor is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ depressed toward the center of the susceptor, and the crystal growth surface of the substrate is positioned on the inclined surface. Semiconductor vapor deposition apparatus.

The semiconductor vapor deposition apparatus according to claim 1,
The surface of the susceptor on the gas flow path side is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ bulging toward the center of the susceptor, and the crystal growth surface of the substrate is located on the inclined surface. Semiconductor vapor deposition apparatus.