JP2004241460A

JP2004241460A - Apparatus for manufacturing semiconductor

Info

Publication number: JP2004241460A
Application number: JP2003026774A
Authority: JP
Inventors: Ryota Isono; 僚多磯野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for manufacturing a semiconductor of a structure in which the unevenness in the surface of a substrate having characteristics of a pinch-off voltage, etc., of a HEMT is suppressed, by suitably setting the rotating direction on its own axis and the revolving direction of the substrate and setting the rotational speeds of the rotation on its own axis and the revolving rotation to be in suitable ranges. <P>SOLUTION: The apparatus for manufacturing the semiconductor in which the substrate 3 is arranged on a rotating plate-like susceptor 1, the lower surface of the growing surface of the substrate 3 is supported toward a gas channel 4 side, a raw material gas 6 is made to flow radially from the central part of the susceptor, and a semiconductor crystal is epitaxially grown on the heated substrate 3, is constituted by providing a substrate rotary shaft 9 for independently rotatably supporting the substrate 3 separately from the rotary shaft 2 of the susceptor, thereby, both of the rotating directions of the susceptor 1 and the substrate 3 are rotated clockwisely or counterclockwisely. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転する板状のサセプタに支持された基板に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、特にバラツキなく多数枚成長可能な半導体薄膜製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体には、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）等がある。ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓなどの化合物からなる半導体は化合物半導体と呼ばれ、Ｓｉ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、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が挙げられる。ＨＥＭＴは衛星放送用受信アンテナに用いられており、衛星からの微弱な高周波信号を低雑音で増幅できる。
【０００３】
ＨＥＭＴのおおまかな構造を図４に示す。このＨＥＭＴは、基板上に結晶成長したバッファ層、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、及びコンタクト層よりなる。コンタクト層は電極を形成するための層である。キャリア供給層はｎ型ドーパントがドーピングされており、発生した自由電子をチャネル層へ供給する。スペーサ層はチャネル層の自由電子がキャリア供給層のｎ型不純物によりイオン散乱されるのを防ぐ働きがある。チャネル層は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。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】
ＨＥＭＴの構造例を表１に示した。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−，ｉ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型，半絶縁性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である。
【０００５】
【表１】

【０００６】
表１に示したＨＥＭＴエピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。
【０００７】
図５は、気相成長に用いられる従来の成長炉であり、基板３はサセプタと呼ばれる板の下側にフェイスダウンでセットされる。サセプタ１は、成長中、一方向に回転しており、下から上に向かう原料ガス６が、サセプタ１の下を、そのサセプタ中心部から半径方向外側に流れ、自公転する加熱された基板３上で分解し、基板３に結晶成長する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
この成長炉は、軸２を中心として回転する板状のサセプタ１に、半導体ウェハから成る複数の基板３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、且つ面をガス流路４側に向けて支持し、その基板３の裏面側のサセプタ１の上方に基板加熱用ヒータ（成長用加熱ヒータ）５を配置し、このヒータ５でサセプタ１を加熱し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガス６を流し、加熱された基板３上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長装置として構成されている。
【０００９】
エピタキシャル層を成長させる基板３をサセプタ１にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガス６を供給すると、原料ガス６が熱により分解し、基板３上にエピタキシャル層を成長する。
【００１０】
原料として、ｉ−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。
【００１１】
ｉ−Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ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_０．２５ＧａＡｓとはＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓを略したものであり、ＡｌとＧａの比が０．２５：０．７５であることを意味する。
【００１２】
ｉ−Ｉｎ_０．２０ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３、及びＩｎ原料のＩｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）を基板に供給する。Ｉｎ_０．２０ＧａＡｓとはＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ａｓを略したものであり、ＩｎとＧａの比が０．２０：０．８０であることを意味する。
【００１３】
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。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１０−０１２５５４号公報（図４）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体製造装置では、図５に示すようにサセプタ１のみに回転軸２が存在している。よって、例えば回転軸２に固定の中心ギヤを設けて周囲に位置する基板３を回転させたとすると、図６に示すように基板３の自転方向Ｋと公転方向Ｓが逆の向きに回転する。そうすると、中心の吹き出し口４ｂから出た原料ガス６の流れ方向Ｇは、基板上は渦を巻きながら外側へ向かうことになる。この結果、表２に示すように、ＨＥＭＴのピンチオフ電圧の基板面内のバラツキが±４．４％と比較的大きくなり、均一性に問題がある。なお、ピンチオフ電圧の単位は［Ｖ］である。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板の自転方向と公転方向を適切に設定し、自転と公転の回転数を適当な範囲に設定可能とすることにより、ＨＥＭＴのピンチオフ電圧等の特性の基板面内のバラツキを抑えた構造の半導体製造装置を提供することにある。
【００１７】
【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。
【００１８】
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、基板を配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガスを流し、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において、サセプタの回転軸とは別に上記基板を独立に回転可能に支持する基板回転軸を設け、これによりサセプタおよび基板の回転方向を共に時計回りもしくは反時計回りに回転させる構成としたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２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、基板を配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガスを流し、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において、上記基板をホルダによりサセプタに対して独立に回転可能に支持し、またサセプタの回転軸に対し同軸的に独立に回転可能に基板回転軸を設け、この基板回転軸に設けた中心ギヤの外歯を上記ホルダの外周に設けた外歯と噛み合わせ、これによりサセプタおよび基板の回転方向を共に時計回りもしくは反時計回りに回転する構成としたことを特徴とする。
【００２０】
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、上記サセプタの回転軸に第一モータを連結し、上記基板回転軸に第二モータを連結し、両モータによりサセプタの回転数を０〜１５回転／分および基板の回転数を０〜６０回転／分の範囲で任意に設定できる構成としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体製造装置において、上記回転する板状のサセプタに、複数の基板を、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、多数枚成長できる構成としたことを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体製造装置において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物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として構成され、そのＶ族原料として、ＡｓＨ_３（アルシン）、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）、ＰＨ_３（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用い、またＩＩＩ族原料として、Ａｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルインジウム）を用い、そして希釈用ガスとして、Ｈ_２（水素）、Ｎ_２（窒素）またはＡｒ（アルゴン）を用いることを特徴とする。
【００２３】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、サセプタ及び基板のそれぞれに独立した回転軸を設け、基板の公転および自転の方向を同じとし、またその回転数を厳密に制御することを可能とした構成にある。
【００２４】
従来技術（図５）の場合、サセプタと呼ばれる板の内側にセットされた基板は、成長中、サセプタが回転することで公転すると共に自転（自公転）している。原料ガスは、サセプタ中心部に下より導入され放射状に外側へ流れ、加熱された基板上で分解し、基板に結晶成長する。従来技術では、図６に示すように、基板３およびサセプタ１が逆の方向（Ｋ方向、Ｓ方向）に回転するために、原料ガスは均一に基板上を流れず、渦を巻きながら基板上を矢印Ｇ方向に流れる。
【００２５】
すなわち、従来技術では、反応炉内の基板の自転方向と公転方向が逆の向きに回転することから、サセプタ中心部から出てくる原料ガス及び希釈用ガスが基板上を通過する時に、直線的に通過するのではなく、渦を巻いたように通過してしまう。
【００２６】
これに対し、本発明では、図１のように基板およびサセプタにそれぞれ独立した軸を設け、基板の公転および自転の方向を同じとし、またその回転数を厳密に制御可能としたことにより、図２のように原料ガスが基板上を均一に流れるようになり、ＨＥＭＴのピンチオフ電圧の面内バラツキを抑えることができるようになる。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１に示す気相成長装置は、板状のサセプタ１に、複数（ここでは６枚）の半導体ウェハから成る基板３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、且つ成長させる基板面をガス流路４側に向けた、いわゆるフェイスダウン方式で支持している。この基板３の裏面側において、サセプタ１の上方には基板加熱用ヒータ５（図５参照）が設けてあり、この基板加熱用ヒータ５によりサセプタ１を基板３の裏面側から加熱している。
【００２９】
上記サセプタ１には対向板７が配設され、両者の間にガス流路４が形成される。そして、その下方の原料ガス供給口４ａから対向板７の中心に設けた吹き出し口４ｂに導かれる原料ガス６、つまりサセプタ中心部分に向けて下方から上方へと供給される原料ガス６を、サセプタ１の下面に沿ってサセプタ中心部分から半径方向外側に向けて放射状に流し、上記基板加熱用ヒータ５により加熱された基板３上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる構成となっている。
【００３０】
２は第一モータＭ１により回転駆動されるサセプタ回転軸であり、その下端に上記サセプタ１の中心が固定されている。
【００３１】
上記基板３は、サセプタ１に対して独立に回転可能に支持された中空円筒状のホルダ８の下部に、フェイスダウン方式で保持されている。このホルダ８を回転させる機構を構築するため、サセプタ１の回転軸２に対し、同軸的に、独立に回転可能に基板回転軸９が設けられている。この基板回転軸９は下部に中心ギヤ１０を備えており、その中心ギヤ１０の外歯を、上記ホルダの上部外周に設けた外歯から成る歯車１１と噛み合わせている。また、基板回転軸９の上部は、歯車列またはプーリから成る動力伝達機構１２を介して、第二モータＭ２の出力軸に連結されている。従って、第二モータＭ２を起動させると、その回転力が、動力伝達機構１２、基板回転軸９、歯車１１及びホルダ８と伝わり、基板３をサセプタ１に対して相対的に回転（自転）させることができる。
【００３２】
上記構成により、サセプタ１および基板３の回転方向を独立に時計回りもしくは反時計回りに回転することができ、また、そのサセプタ１および基板３の回転数を任意に設定できる半導体製造装置が得られる。
【００３３】
本発明の半導体製造装置では、上記サセプタ１および基板３の回転方向を、共に時計回り又は反時計回りに設定する。本実施形態の半導体製造装置では、上記二つのモータＭ１及びＭ２を図示してない制御装置により制御することを前提として、図２に示すように、サセプタ１を左回転方向とし、基板３の回転方向をサセプタ１の回転方向と同じ左回転方向に設定する。そして、サセプタ１の回転数を０〜１５回転／分、また基板３の回転数を０〜６０回転／分の範囲で任意に設定可能とする。
【００３４】
このように構成すると、サセプタ中心部から出てくる原料ガス及び希釈用ガスの流れ方向は図２に示すようになる。すなわち、サセプタ中心部に下より導入された原料ガス６は、放射状に外側へ流れる際、基板上を均一に流れるようになる。
【００３５】
詳述するに、従来技術（図５）では、サセプタのみにしか回転軸がなく、基板およびサセプタは逆方向に回転することしか出来ない。つまり、従来技術では、図６に示すように、基板３およびサセプタ１が逆の方向（Ｋ方向、Ｓ方向）に回転するために、原料ガスは均一に基板上を流れず、渦を巻きながら基板上を矢印Ｇ方向に流れる。
【００３６】
これに対し、本実施形態（図１）では、サセプタおよび基板にそれぞれ独立した回転軸（２、９）を設け、サセプタおよび基板の回転方向（Ｓ方向、Ｋ方向）を同じにしている。そのため、サセプタ１および基板３の回転数を適当な範囲に設定することにより、原料ガスの流れる方向Ｇを加減して、図２に示すように原料ガスを基板上に均一に流すことができる。これによりＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハのピンチオフ電圧の面内バラツキを抑えることが出来る。
【００３７】
表２に、従来技術および本実施形態それぞれの半導体製造装置によるＨＥＭＴのピンチオフ電圧の面内バラツキを示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
表２の左欄に示すように、従来技術（自転、公転方向が逆）の場合、ピンチオフ電圧の基板面内のバラツキは±４．４％と比較的大きくなり、均一性に問題がある。
【００４０】
これに対し、表２の右欄に示すように、本実施形態（自転、公転方向が同じ）の場合には、ピンチオフ電圧の面内バラツキを±２．８％に抑えることができる。
【００４１】
本発明の上記効果を確認するために、サセプタの回転数および基板の回転方向と回転数をいろいろと変更して、ＨＥＭＴのピンチオフ電圧の基板面内バラツキの関係を調べた。
【００４２】
図３に、サセプタの回転数、基板の回転方向および回転数と、製造されたＨＥＭＴのピンチオフ電圧バラツキの関係を示す。図３に示す通り、サセプタと基板の回転方向が同じにすると、電圧基板面内バラツキが小さくなると言える。また回転数はある程度大きくなると、ある一定の値に収束するといえる。
【００４３】
＜成長例＞
次に本発明の半導体製造装置を用いた成長例について述べる。図１及び図２の装置構成によっており、基板はサセプタと呼ばれる板の内側にセットされる。サセプタおよび基板は、成長中、任意の同じ回転方向とし、また種々の回転速度に設定する。原料ガスは中心から放射状に外側へ流れ、基板上に結晶成長する。
【００４４】
本半導体製造装置による成長例では、本発明の効果を次の手順で調べた。▲１▼従来技術の反応炉（図５）内にて表１のＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハを気相成長し、その特性を調べる。▲２▼本半導体製造装置（本発明反応炉）内にて表１のＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハを気相成長し、その特性を調べる。基板およびサセプタの回転方向および回転数を制御してやることにより特性の変化を調べる。
【００４５】
表１のＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハの成長条件は以下の通りである。成長時の基板温度は６５０℃、成長炉内圧力は７６Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓ基板を用いた。
【００４６】
ｉ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３とＡｓＨ_３を用いた。Ｇａ（ＣＨ_３）_３の流量は１０．５ｃｍ^３／分である。ＡｓＨ_３の流量は３１５ｃｍ^３／分である。
【００４７】
ｉ−Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ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５．３ｃｍ^３／分、１．４３ｃｍ^３／分及び６３０ｃｍ^３／分である。
【００４８】
ｉ−Ｉｎ_Ｏ．２０ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３を用い、それらの流量はそれそれ５．３ｃｍ^３／分、２．０９ｃｍ^３／分及び５００ｃｍ^３／分である。
【００４９】
ｎ−Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ層の成長には、ｉ−Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ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使用した。Ｓｉ_２Ｈ_６の流量は７．７８×１０^−３ｃｍ^３／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６以外の流量はｉ−Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ層の場合と同じである。
【００５０】
ｎ−ＧａＡｓ層の成長には、ｉ−ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてＳｉ_２Ｈ_６を用いた。Ｓｉ_２Ｈ_６の流量は１．４７×１０^−４ｃｍ^３／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６以外の流量はｉ−ＧａＡｓ層の場合と同じである。
【００５１】
かくして成長したＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハのピンチオフ電圧バラツキと、サセプタの回転数、基板の回転方向および回転数との関係は、図３に示した通りである。ここでは回転制御例として、▲１▼サセプタ回転なし、基板右回転、▲２▼サセプタ左回り５回転／分、基板右回転、▲３▼サセプタ左回り１０回転／分、基板右回転、▲４▼サセプタ左回り１５回転／分、基板右回転、▲５▼サセプタ左回り５回転／分、基板左回転、▲６▼サセプタ左回り１０回転／分、基板左回転、▲７▼サセプタ左回り１５回転／分、基板左回転の場合が示されている。図３から分かるように、サセプタと基板の回転方向が同じ場合（回転制御例▲５▼〜▲７▼）の方が、サセプタ回転なしの場合（回転制御例▲１▼）や逆回転方向の場合（回転制御例▲２▼〜▲４▼）に較べて、ピンチオフ電圧の基板面内バラツキが小さくなると言える。またサセプタ及び基板の回転数はある程度大きくなると、ピンチオフ電圧の基板面内バラツキがある一定の値に収束するといえる。
【００５２】
以上本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、成長中に基板およびサセプタの回転方向および回転数を変更させる制御を行わせることもできる。
【００５３】
また、ＨＥＭＴの成長例について述べたが、ＨＢＴ等の成長において基板およびサセプタの回転方向および回転数を厳密に制御することもできる。すなわち、本発明の半導体製造装置を適用し得る範囲は広く、ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴといった半導体装置ウエハを反応炉内で成長するのに適用することができ、それらＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴといった半導体デバイスのピンチオフ電圧の均一性を向上することができる。これにより製品歩留りも改善できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基板およびサセプタにそれぞれ独立した回転軸を設け、サセプタおよび基板の回転方向を同じにしている。そのため、サセプタおよび基板の回転数を適当な範囲に設定することにより、原料ガスの流れる方向を加減して、原料ガスを基板上に均一に流すことができる。これにより、例えばＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハのピンチオフ電圧の面内バラツキを小さくして、その特性の改善を図ることが可能であり、また生産歩留りの向上にも繋がり、生産性の向上を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体製造装置（反応炉）を横から見た構造図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体製造装置（反応炉）を上から見た構造図である。
【図３】サセプタの回転数、基板の回転方向および回転数を変化させたときのピンチオフ電圧の面内バラツキを示す図である。
【図４】本発明の半導体製造装置による成長対象となるＨＥＭＴの縦断面図である。
【図５】従来技術の半導体製造装置（反応炉）を横から見た構造図である。
【図６】従来技術の半導体製造装置（反応炉）を上から見た構造図である。
【符号の説明】
１サセプタ
２サセプタ回転軸
３基板
４ガス流路
５基板加熱用ヒータ
６原料ガス
７対向板
８ホルダ
９基板回転軸
１０中心ギヤ
１１歯車
１２動力伝達機構
Ｍ１第一モータ
Ｍ２第二モータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus for epitaxially growing a semiconductor crystal on a substrate supported by a rotating plate-shaped susceptor, and more particularly to a semiconductor thin film manufacturing apparatus capable of growing a large number of semiconductor crystals without variation.
[0002]
[Prior art]
Semiconductors include Si (silicon), GaAs (gallium arsenide), and InGaAs (indium gallium arsenide). A semiconductor made of a compound such as GaAs or InGaAs is called a compound semiconductor, and has a feature that electron mobility is higher than that of a Si semiconductor. Taking advantage of this feature, GaAs and InGaAs are widely used in devices that require high-speed operation and high-efficiency operation. A representative example is HEMT (High Electron Mobility Transistor). HEMTs are used in satellite broadcast receiving antennas and can amplify weak high-frequency signals from satellites with low noise.
[0003]
The general structure of the HEMT is shown in FIG. The HEMT includes a buffer layer, a channel layer, a spacer layer, a carrier supply layer, and a contact layer grown on a substrate. The contact layer is a layer for forming an electrode. The carrier supply layer is doped with an n-type dopant and supplies generated free electrons to the channel layer. The spacer layer functions to prevent free electrons in the channel layer from being scattered by ions due to n-type impurities in the carrier supply layer. The channel layer is a layer through which free electrons flow and needs to have high purity. The buffer layer has the function of preventing device characteristics from deteriorating 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 HEMT. The crystal growth is called epitaxial. The names n− and i− of the epitaxial layers indicate that the epitaxial layers are n-type and semi-insulating, respectively. The unit of the thickness is nm (10 ⁻⁹ m). The unit of the carrier concentration is cm ⁻³ .
[0005]
[Table 1]

[0006]
The method of growing the HEMT epitaxial wafer shown in Table 1 will be described below.
[0007]
FIG. 5 shows a conventional growth furnace used for vapor phase growth, in which a substrate 3 is set face down on a lower side of a plate called a susceptor. The susceptor 1 rotates in one direction during growth, and a source gas 6 flowing from below to above flows under the susceptor 1 radially outward from the center of the susceptor, and revolves around the heated substrate 3. It decomposes above and grows crystals on the substrate 3 (for example, see Patent Document 1).
[0008]
In this growth furnace, a plurality of substrates 3 composed of semiconductor wafers are arranged in a circumferential direction at a position slightly away from the center of a susceptor on a plate-shaped susceptor 1 which rotates about a shaft 2, and a gas flow is formed on the surface. A substrate heating heater (growth heater) 5 is disposed above the susceptor 1 on the back side of the substrate 3, and the susceptor 1 is heated by the heater 5, and the susceptor 1 is heated from the center of the susceptor. The apparatus is configured as a vapor phase growth apparatus for flowing a source gas 6 radially and epitaxially growing a semiconductor crystal on a heated substrate 3.
[0009]
The substrate 3 on which the epitaxial layer is grown is set on the susceptor 1 and heated in a growth furnace. When the source gas 6 is supplied into the growth furnace, the source gas 6 is decomposed by heat to grow an epitaxial layer on the substrate 3.
[0010]
When i-GaAs is grown as a raw material, Ga (CH ₃ ) ₃ (trimethylgallium) as a Ga raw material and AsH ₃ (arsine) as an As raw material 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).
[0011]
When growing i-Al _0.25 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 _0.25 GaAs is short for Al _0.25 Ga _0.75 As and means that the ratio of Al to Ga is 0.25: 0.75.
[0012]
When growing i-In _0.20 GaAs, Ga (CH ₃ ) ₃ , AsH ₃ , and In (CH ₃ ) ₃ (trimethylindium) as an In raw material are supplied to the substrate. In _0.20 GaAs is short for In _0.20 Ga _0.80 As and means that the ratio of In to Ga is 0.20: 0.80.
[0013]
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).
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-10-012554 (FIG. 4)
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional semiconductor manufacturing apparatus, only the susceptor 1 has the rotation shaft 2 as shown in FIG. Therefore, for example, if a fixed center gear is provided on the rotating shaft 2 and the substrate 3 located around is rotated, the rotation direction K and the revolving direction S of the substrate 3 rotate in opposite directions as shown in FIG. Then, the flow direction G of the raw material gas 6 that has flowed out of the central outlet 4b goes outward while swirling on the substrate. As a result, as shown in Table 2, the in-plane variation of the pinch-off voltage of the HEMT becomes relatively large at ± 4.4%, and there is a problem in uniformity. The unit of the pinch-off voltage is [V].
[0016]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, appropriately set the rotation direction and the revolving direction of the substrate, and set the number of rotations of the rotation and the revolving to an appropriate range. It is an object of the present invention to provide a semiconductor manufacturing apparatus having a structure in which the in-plane variation of the characteristics described above is suppressed.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0018]
In the semiconductor manufacturing apparatus according to the first aspect of the present invention, a substrate is arranged on a rotating plate-shaped susceptor, and a lower surface serving as a growth surface is supported toward a gas flow path side, and a source gas is radially emitted from a central portion of the susceptor. In a semiconductor manufacturing apparatus in which a semiconductor crystal is epitaxially grown on a heated substrate, a substrate rotation axis that supports the substrate independently and rotatably is provided separately from the rotation axis of the susceptor, and thereby the rotation direction of the susceptor and the substrate is changed. It is characterized in that both are configured to rotate clockwise or counterclockwise.
[0019]
In the semiconductor manufacturing apparatus according to the second aspect of the present invention, a substrate is disposed on a rotating plate-shaped susceptor, and a lower surface serving as a growth surface is supported toward a gas flow path side, and a source gas is radially emitted from a central portion of the susceptor. In a semiconductor manufacturing apparatus in which a semiconductor crystal is epitaxially grown on a heated and heated substrate, the substrate is supported by a holder so as to be rotatable independently with respect to a susceptor, and is rotatable coaxially and independently with respect to a rotation axis of the susceptor. A substrate rotating shaft is provided, and external teeth of a center gear provided on the substrate rotating shaft are meshed with external teeth provided on the outer periphery of the holder, thereby rotating the susceptor and the substrate in a clockwise or counterclockwise direction. It is characterized in that the configuration is such that:
[0020]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the first or second aspect, a first motor is connected to a rotation shaft of the susceptor, a second motor is connected to the substrate rotation shaft, and rotation of the susceptor is performed by both motors. The number of rotations can be arbitrarily set in the range of 0 to 15 rotations / minute and the number of rotations of the substrate can be set in the range of 0 to 60 rotations / minute.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor manufacturing apparatus according to any one of the first to third aspects, a plurality of substrates are circumferentially arranged on the rotating plate-shaped susceptor at a position slightly away from the center of the susceptor. And a growth surface is supported with the lower surface facing the gas flow channel side so that a large number of substrates can be grown.
[0022]
The invention of claim 5 is the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, configured to group III-V compound semiconductor crystal as a semiconductor manufacturing apparatus for epitaxial growth, as a group V raw material, AsH 3 _(arsine ), As (CH ₃ ) ₃ (trimethyl arsenic), TBA (tertiary butyl arsine), PH ₃ (phosphine) or TBP (tertiary butyl phosphine), and Al (CH ₃ ) ₃ ( _{_{trimethylaluminum), Ga (CH 3) 3}} ( _{_{trimethylgallium), In (CH 3) 3}} ( trimethyl _{_{indium), Al (CH 3 CH 2}} ) 3 ( _{_{triethylaluminum), Ga (CH 3 CH 2}} ) 3 ( triethyl gallium ), use the _{_{_{In (CH 3 CH 2) 3}}} ( triethyl indium) And as a diluent gas, characterized by using _{H 2} (hydrogen), _{N 2} (nitrogen) or Ar (argon).
[0023]
<The gist of the invention>
The gist of the present invention resides in a configuration in which independent rotation axes are provided for each of the susceptor and the substrate, the directions of revolution and rotation of the substrate are the same, and the number of revolutions thereof can be strictly controlled.
[0024]
In the case of the prior art (FIG. 5), a substrate set inside a plate called a susceptor revolves and rotates (revolves) as the susceptor rotates during growth. The source gas is introduced from below into the center of the susceptor, flows radially outward, decomposes on the heated substrate, and grows crystals on the substrate. In the prior art, as shown in FIG. 6, since the substrate 3 and the susceptor 1 rotate in opposite directions (K direction, S direction), the raw material gas does not flow uniformly on the substrate, but swirls on the substrate. Flows in the direction of arrow G.
[0025]
That is, in the prior art, since the rotation direction and the revolving direction of the substrate in the reaction furnace rotate in opposite directions, when the raw material gas and the diluting gas coming out of the susceptor center pass over the substrate, Instead of passing through, it passes like a swirl.
[0026]
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1, the substrate and the susceptor are provided with independent shafts, the directions of rotation and rotation of the substrate are the same, and the number of rotations thereof can be strictly controlled. 2, the source gas flows uniformly over the substrate, and the in-plane variation of the pinch-off voltage of the HEMT can be suppressed.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0028]
In the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1, a substrate 3 composed of a plurality of (here, six) semiconductor wafers is disposed on a plate-shaped susceptor 1 in a circumferential direction at a position slightly away from the center of the susceptor, and The substrate to be grown is supported by a so-called face-down method in which the substrate surface faces the gas flow path 4 side. On the back side of the substrate 3, a substrate heating heater 5 (see FIG. 5) is provided above the susceptor 1, and the susceptor 1 is heated from the back side of the substrate 3 by the substrate heating heater 5.
[0029]
The susceptor 1 is provided with an opposing plate 7, and a gas flow path 4 is formed between the two. Then, the raw material gas 6 guided from the lower raw material gas supply port 4a to the blowout port 4b provided at the center of the opposing plate 7, that is, the raw material gas 6 supplied from the lower side to the upper side toward the susceptor center portion, is supplied to the susceptor. In this configuration, a semiconductor crystal is caused to flow radially outward from the center of the susceptor along the lower surface of the susceptor radially outward, and epitaxially grow a semiconductor crystal on the substrate 3 heated by the substrate heating heater 5.
[0030]
Reference numeral 2 denotes a susceptor rotating shaft that is driven to rotate by the first motor M1, and the center of the susceptor 1 is fixed to the lower end thereof.
[0031]
The substrate 3 is held in a face-down manner under a hollow cylindrical holder 8 supported rotatably independently of the susceptor 1. In order to construct a mechanism for rotating the holder 8, a substrate rotation shaft 9 is provided so as to be independently rotatable coaxially with the rotation shaft 2 of the susceptor 1. The substrate rotating shaft 9 has a central gear 10 at a lower portion, and external teeth of the central gear 10 are meshed with a gear 11 composed of external teeth provided on an upper outer periphery of the holder. The upper portion of the substrate rotating shaft 9 is connected to the output shaft of the second motor M2 via a power transmission mechanism 12 composed of a gear train or a pulley. Therefore, when the second motor M2 is started, its rotational force is transmitted to the power transmission mechanism 12, the substrate rotating shaft 9, the gear 11, and the holder 8, and the substrate 3 is rotated (rotated) relative to the susceptor 1. be able to.
[0032]
With the above configuration, it is possible to obtain a semiconductor manufacturing apparatus in which the rotation directions of the susceptor 1 and the substrate 3 can be independently rotated clockwise or counterclockwise, and the rotation speeds of the susceptor 1 and the substrate 3 can be set arbitrarily. .
[0033]
In the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, the rotation directions of the susceptor 1 and the substrate 3 are both set clockwise or counterclockwise. In the semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment, assuming that the two motors M1 and M2 are controlled by a control device (not shown), as shown in FIG. The direction is set to the same left rotation direction as the rotation direction of the susceptor 1. The rotation speed of the susceptor 1 can be arbitrarily set in the range of 0 to 15 rotations / minute, and the rotation speed of the substrate 3 can be set in the range of 0 to 60 rotations / minute.
[0034]
With such a configuration, the flow directions of the raw material gas and the diluent gas coming out of the central portion of the susceptor are as shown in FIG. That is, when the raw material gas 6 introduced from below into the center of the susceptor flows radially outward, it flows uniformly on the substrate.
[0035]
More specifically, in the related art (FIG. 5), only the susceptor has a rotation axis, and the substrate and the susceptor can only rotate in opposite directions. That is, in the prior art, as shown in FIG. 6, since the substrate 3 and the susceptor 1 rotate in the opposite directions (K direction, S direction), the source gas does not flow uniformly on the substrate, but swirls. It flows in the direction of arrow G on the substrate.
[0036]
On the other hand, in the present embodiment (FIG. 1), the susceptor and the substrate are provided with independent rotation axes (2, 9), and the susceptor and the substrate have the same rotation direction (S direction, K direction). Therefore, by setting the number of rotations of the susceptor 1 and the substrate 3 in an appropriate range, the direction G in which the source gas flows can be adjusted, and the source gas can flow uniformly on the substrate as shown in FIG. Thereby, the in-plane variation of the pinch-off voltage of the epitaxial wafer for HEMT can be suppressed.
[0037]
Table 2 shows the in-plane variation of the pinch-off voltage of the HEMT by the semiconductor manufacturing apparatus of the related art and the semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment.
[0038]
[Table 2]

[0039]
As shown in the left column of Table 2, in the case of the related art (the rotation direction and the revolving direction are opposite), the variation in the pinch-off voltage in the substrate surface is relatively large at ± 4.4%, and there is a problem in uniformity.
[0040]
On the other hand, as shown in the right column of Table 2, in the case of the present embodiment (the rotation and the revolving direction are the same), the in-plane variation of the pinch-off voltage can be suppressed to ± 2.8%.
[0041]
In order to confirm the above effects of the present invention, the relationship between the rotation speed of the susceptor and the rotation direction and rotation speed of the substrate was varied and the in-plane variation of the pinch-off voltage of the HEMT was examined.
[0042]
FIG. 3 shows the relationship between the rotation speed of the susceptor, the rotation direction and the rotation speed of the substrate, and the pinch-off voltage variation of the manufactured HEMT. As shown in FIG. 3, when the rotation direction of the susceptor and the substrate is the same, it can be said that the in-plane variation of the voltage substrate is reduced. Also, it can be said that when the number of rotations increases to some extent, it converges to a certain value.
[0043]
<Growth example>
Next, a growth example using the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention will be described. According to the apparatus configuration of FIGS. 1 and 2, the substrate is set inside a plate called a susceptor. The susceptor and the substrate are oriented in any of the same directions during growth and at various rotational speeds. The source gas flows radially outward from the center, and crystal grows on the substrate.
[0044]
In the growth example using the semiconductor manufacturing apparatus, the effect of the present invention was examined in the following procedure. {Circle around (1)} An epitaxial wafer for HEMT shown in Table 1 is vapor-phase grown in a conventional reactor (FIG. 5), and its characteristics are examined. {Circle over (2)} The epitaxial wafer for HEMT shown in Table 1 is vapor-phase grown in the present semiconductor manufacturing apparatus (reactor of the present invention), and its characteristics are examined. Changes in characteristics are examined by controlling the rotation direction and the number of rotations of the substrate and the susceptor.
[0045]
The growth conditions for the epitaxial wafer for HEMT in Table 1 are as follows. The substrate temperature during growth is 650 ° C., the pressure inside the growth furnace is 76 Torr, and the diluting gas is hydrogen. A GaAs substrate was used as the substrate.
[0046]
The growth of the i-GaAs layer with Ga _(CH ₃₎ 3 and AsH _3. The flow rate of Ga (CH ₃ ) ₃ is 10.5 cm ³ / min. The flow rate of AsH ₃ is 315 cm ³ / min.
[0047]
Ga (CH ₃ ) ₃ , Al (CH ₃ ) ₃ and AsH ₃ are used for growing the i-Al _0.25 GaAs layer, and their flow rates are 5.3 cm ³ / min, 1.43 cm ³ / min and 630 cm ³ / min.
[0048]
i-In _{O.I. 20} _Ga _(CH 3) The growth of the GaAs layer 3, with an In _(CH _{3) 3} and AsH _3, they flow it it 5.3 cm ³ / min, 2.09Cm ³ / min and 500 cm ³ / min It is.
[0049]
For growing the n-Al _0.25 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 i-Al _0.25 GaAs. . The flow rate of Si ₂ H ₆ is 7.78 × 10 ⁻³ cm ³ / min. The flow rates other than Si ₂ H ₆ are the same as in the case of the i-Al _0.25 GaAs layer.
[0050]
In growing the n-GaAs layer, Si ₂ H ₆ was used in addition to Ga (CH ₃ ) ₃ and AsH ₃ used for growing i-GaAs. The flow rate of Si ₂ H ₆ is 1.47 × 10 ⁻⁴ cm ³ / min. The flow rates other than Si ₂ H ₆ are the same as in the case of the i-GaAs layer.
[0051]
The relationship between the pinch-off voltage variation of the epitaxial wafer for HEMT thus grown and the rotation speed of the susceptor, the rotation direction and the rotation speed of the substrate is as shown in FIG. Here, as examples of rotation control, (1) no susceptor rotation, right rotation of the substrate, (2) 5 rotations / minute of the susceptor counterclockwise, right rotation of the substrate, (3) 10 rotations / minute of the susceptor counterclockwise, right rotation of the substrate, (4) ▼ susceptor counterclockwise 15 rotations / minute, substrate clockwise rotation, ５5 susceptor counterclockwise 5 rotations / minute, substrate counterclockwise rotation, ６6 susceptor counterclockwise rotation 10 minutes / minute, substrate counterclockwise rotation, ７7 サ susceptor counterclockwise rotation 15 The rotation / minute and the left rotation of the substrate are shown. As can be seen from FIG. 3, when the rotation direction of the susceptor and the substrate is the same (rotation control example {circle around (5)} to {circle around (7)}), when there is no susceptor rotation (rotation control example {circle around (1)}) or when the rotation direction is reversed. It can be said that the in-plane variation of the pinch-off voltage is smaller than in the case (rotation control examples {circle around (2)} to {circle around (4)}). Further, it can be said that when the number of rotations of the susceptor and the substrate increases to some extent, the in-plane variation of the pinch-off voltage converges to a certain value.
[0052]
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and control for changing the rotation direction and the number of rotations of the substrate and the susceptor can be performed during growth.
[0053]
In addition, although the growth example of the HEMT has been described, the rotation direction and the number of rotations of the substrate and the susceptor can be strictly controlled in the growth of the HBT or the like. That is, the range in which the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention can be applied is wide, and it can be applied to growing semiconductor device wafers such as FETs, HEMTs, and HBTs in a reaction furnace. The uniformity of the pinch-off voltage can be improved. Thereby, the product yield can be improved.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the substrate and the susceptor are provided with independent rotation axes, and the susceptor and the substrate are rotated in the same direction. Therefore, by setting the number of rotations of the susceptor and the substrate in an appropriate range, the direction in which the source gas flows can be adjusted, and the source gas can flow uniformly on the substrate. As a result, for example, it is possible to reduce the in-plane variation of the pinch-off voltage of the epitaxial wafer for HEMT, to improve the characteristics thereof, and also to improve the production yield, and to expect an improvement in productivity. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural view of a semiconductor manufacturing apparatus (reactor) according to an embodiment of the present invention as viewed from the side.
FIG. 2 is a structural view of a semiconductor manufacturing apparatus (reactor) according to one embodiment of the present invention as viewed from above.
FIG. 3 is a diagram showing the in-plane variation of the pinch-off voltage when the rotation speed of the susceptor, the rotation direction of the substrate, and the rotation speed are changed.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a HEMT to be grown by the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a structural view of a conventional semiconductor manufacturing apparatus (reactor) as viewed from the side.
FIG. 6 is a structural view of a conventional semiconductor manufacturing apparatus (reactor) as viewed from above.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 susceptor 2 susceptor rotating shaft 3 substrate 4 gas flow path 5 substrate heating heater 6 source gas 7 opposed plate 8 holder 9 substrate rotating shaft 10 center gear 11 gear 12 power transmission mechanism M1 first motor M2 second motor

Claims

A substrate is arranged on a rotating plate-shaped susceptor, and the lower surface, which is the growth surface, is supported toward the gas flow channel side. Semiconductor manufacturing equipment
In addition to the rotation axis of the susceptor, a substrate rotation axis that supports the substrate independently and rotatably is provided, whereby the rotation direction of the susceptor and the substrate is both rotated clockwise or counterclockwise. Semiconductor manufacturing equipment.

A substrate is arranged on a rotating plate-shaped susceptor, and the lower surface, which is the growth surface, is supported toward the gas flow channel side. Semiconductor manufacturing equipment
The substrate is supported by the holder so as to be independently rotatable with respect to the susceptor, and a substrate rotation shaft is provided so as to be coaxially and independently rotatable with respect to the rotation axis of the susceptor. Meshes with the external teeth provided on the outer periphery of the holder,
Thus, the semiconductor manufacturing apparatus is configured to rotate both the susceptor and the substrate in a clockwise or counterclockwise direction.

The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein
A first motor is connected to the rotation shaft of the susceptor, a second motor is connected to the substrate rotation shaft, and the rotation speed of the susceptor is 0 to 15 rotations / minute and the rotation speed of the substrate is 0 to 60 rotations / minute by both motors. A semiconductor manufacturing apparatus characterized in that it can be arbitrarily set within a range of minutes.

The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1,
A configuration in which a plurality of substrates are arranged on the rotating plate-shaped susceptor in the circumferential direction at a position slightly away from the center of the susceptor, and the lower surface, which is the growth surface, is supported toward the gas flow path, so that a large number of substrates can be grown. A semiconductor manufacturing apparatus characterized in that:

The semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor manufacturing apparatus configured to epitaxially grow a group III-V compound semiconductor crystal,
As a group V material, AsH ₃ (arsine), As the _(CH _{3) 3} (trimethyl arsenic), TBA (tertiary butyl arsine), PH ₃ (phosphine) or TBP (tertiary butyl phosphine) used,
As group III raw materials, Al (CH ₃ ) ₃ (trimethylaluminum), Ga (CH ₃ ) ₃ (trimethylgallium), In (CH ₃ ) ₃ (trimethylindium), Al (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethylaluminum) ), Ga (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethylgallium), In (CH ₃ CH ₂ ) ₃ (triethyl indium),
A semiconductor manufacturing apparatus using H ₂ (hydrogen), N ₂ (nitrogen), or Ar (argon) as a diluting gas.