JP2004363456A

JP2004363456A - 半導体装置の製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP2004363456A
Application number: JP2003162133A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fujiwara; 章裕藤原; Shoji Hiramatsu; 正二平松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24
Also published as: US7141497B2; US20050014366A1

Abstract

【課題】信頼性の高い品質を維持できる生産性の高い半導体装置の製造方法および製造装置を提供すること。
【解決手段】ガス供給工程で、並列に配置されたフルスケールの異なる複数個のマスフローコントローラ６ａ〜６ｃの選択的な作動によりキャリアガスをバブリング装置４に供給する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＣＶＤ法により基板の膜に有機金属ガスの気相エピタキシャル成長をおこなう半導体装置の製造方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード、レーザダイオードあるいはフォトダイオード等のオプトエレクトロニクスデバイスの製造においては、例えば、サファイア基板より成る基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物膜、特にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）膜をエピタキシャル成長させることが行われている。このＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）膜のエピタキシャル成長プロセスとしては、従来からＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ有機金属化学的気相成長）法が知られている。
【０００３】
これは、ＬＰＥ（液相エピタキシャル成長）法による場合は、Ａｌの偏析係数の大きさから成長できないこと、また、ＶＰＥ（気相エピタキシー）法では、エピタキシャル成長反応室の壁との反応から成長がきわめて困難である等の理由からである。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法でＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）膜を成膜する場合には、加熱装置によって所定の温度に加熱されたサセプタ上に載置された基板を反応容器の内部に保持し、この反応容器に、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスまたはトリメチルインジウムガスまたはこれらの有機金属ガスの２種以上の混合ガスと、アンモニアとを、水素や窒素のようなキャリアガスと一緒に導入し、有機金属とアンモニアとの反応によってＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）で表わされる膜、すなわちアルミニウム窒化膜、ガリウム窒化膜、インジウム窒化膜或いはアルミニウム−ガリウム窒化膜、アルミニウム−インジウム窒化膜、ガリウム−インジウム窒化膜を基板上に堆積させるようにしている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
図６に模式図を示すように、従来のＭＯＣＶＤ製造装置では、反応容器（不図示）へ原料ガスを供給するガスの供給制御については、各層のエピタキシャル成膜の際に、ガスの流量制御について、１個のバブリング装置３１に対して配設されている１つのガス系統に設けた１個のＭＦＣ（マスフローコントローラ）３２によりおこなっていた。すなわち、ガスの流量制御は図７にグラフを示すように、ＭＦＣ３２の出力と実流量について等分割での流量制御を行ない、その際にＭＦＣ３２の流量制御は±１．０％程度で制御されていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２４６３２３（段落番号０００５）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のＭＯＣＶＤ製造装置ではガス流量制御については、１個のバブラーに対して配設されている１つのガス系統に設けた１個のＭＦＣにより、ＭＦＣの出力と実流量について等分割での流量制御を行なっており、その際にＭＦＣの流量制御は±１．０％で制御されていた。
【０００８】
しかしながら、例えば、使用ガスがＴＭＧ（トリ・メチル・ガリウム）やＴＭＡ（トリ・メチル・アルミニウム）を使用する場合には、相互のＭＦＣのばらつきにより、実際には設計値通りの膜組成のエピ成膜が困難であった。その結果、成膜されたデバイスに関して、エピタキシャル膜のロット間の波長／輝度のばらつきを所定範囲内に抑えることが困難であった。
【０００９】
本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、信頼性の高い品質を維持できる生産性の高い半導体装置の製造方法および製造装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、反応容器内に載置された基板に対してＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル層を成膜する半導体装置の製造方法であって、
キャリアガスをマスフローコントローラを介してバブリング装置に供給し所要の有機金属を含むキャリアガスを反応容器へ供給するガス供給工程と、前記基板にエピタキシャル層を成膜する成膜工程とを具備し、
前記ガス供給工程では、１つのキャリアガス系統に配設されたフルスケールの異なる複数個のマスフローコントローラの選択的な作動により前記キャリアガスがバブリング装置に供給されていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
また本発明によれば、前記半導体装置がＬＥＤであり、前記バブリング装置には有機金属供給源としてトリ・メチル・ガリウムまたはトリ・メチル・アルミニウムが収納されていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１２】
また本発明によれば、反応容器内に載置された基板に対して、キャリアガス供給源からのキャリアガスをマスフローコントローラにより流量制御してバブリング装置に供給して、前記基板にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル層を成膜する半導体装置の製造装置であって、
前記マスフローコントローラは、１つのキャリアガス系統に対してフルスケールの異なる複数個が並列に配置されていることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１３】
また本発明によれば、前記マスフローコントローラの少なくとも１つは、デュアルレンジタイプであることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態を示す有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の概略構成図である。原料供給部１に対して配管Ｐで接続された気相成長反応部である反応容器２が設けられて構成されている。原料供給部１は、例えば、ＩＩＩ族あるいはＶ族の半導体の気相成長を行う場合、ＩＩＩ族元素の有機金属源供給源３、すなわち、例えばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ原料の例えばＴＭＡ（トリ・メチル・アルミニウム）、ＴＭＧ（トリ・メチル・ガリウム）、ＴＭＩ（トリ・メチル・インジウム）もしくはＴＥＡ（トリ・エチル・アルミニウム）、ＴＥＧ（トリ・エチル・ガリウム）、ＴＥＩ（トリ・エチル・インジウム）等の原料がそれぞれ収容されたバブリング装置４が設けられ、これら各有機金属供給源３の各バブリング装置４にそれぞれキャリアガス供給源５からのガス例えばＨ_２を、それぞれ流量制御装置いわゆるＭＦＣ６ａ〜６ｃ（マスフローコントローラ、詳細は後述する）を通じて供給してバブリングを行うことができるように形成され、所要の有機金属を含むキャリアガスを、被処理物７である例えば半導体基体が配置された反応容器２に供給するように構成されている。
【００１６】
一方、この原料供給部１には、Ｐ、Ａｓ等のＶ族原料ガスＰＨ_３、ＡｓＨ_３等の供給源として特殊高圧原料ガス供給源８が設けられ、これより所要のＶ族原料ガスが、バルブＶ_４を介してＭＦＣ９によってその流量が制御されて、反応容器２に供給するように構成されている。
【００１７】
更に、Ｈ_２、Ｎ_２等のいわゆるパージガス供給源１１が設けられ、これよりのガスを、反応容器２の内部における反応すなわち気相成長作業の終了後、気相成長作業の開始前等において、それぞれバルブを操作して反応容器２の内部に供給して残留気体等を排除するように構成されている。
【００１８】
なお、図１においては、有機金属供給源３および特殊高圧原料ガス供給源８とこれらに付随する構成を各１組を代表的に示したが、実際には目的とする気相成長に応じて用いられるＩＩＩ族およびＶ族元素の数に応じた組数の有機金属供給源３および特殊高圧原料ガス供給源８とこれらに付随する構成が配置される。
【００１９】
反応容器は、被処理物７を載置するテーブル１２の下方に高周波コイル等の加熱手段１３を具備し、また図示しないが排気系、すなわち排気ポンプ、排気気体の浄化手段等が連結されている。
【００２０】
キャリアガス供給源５、特殊高圧原料ガス供給源８、パージガス供給源１１には、それぞれ開閉バルブＶ_１〜Ｖ_５が設けられている。
【００２１】
また、ＭＯＣＶＤ装置では、１組の原料供給部１に対して１つの反応容器２が設けられた構成とは限らず、１組の原料供給部１に対して複数の反応容器２を設けることもできる。
【００２２】
次に、図２の模式図を参照して、ＭＦＣ６ａ〜６ｃの配置について説明する。ＭＦＣ６ａ〜６ｃは１個の原料供給部１に対して、それぞれバルブを介して並列に３個が管路で接続されている。この３個のＭＦＣ６ａ〜６ｃは、フルスケールが異なり、例えば、第１ＭＦＣ６ａはフルスケールが２００ｃｃｍまたはｓｃｃｍ（標準状態でのｃｍ^３／ｍｉｎ）であり、第２ＭＦＣ６ｂはフルスケールが６０ｃｃｍであり、第２ＭＦＣ６ｃはフルスケールが２０ｃｃｍに設定されている。また、各ＭＦＣ６ａ〜６ｃの制御精度は、図３に示した通りである。
【００２３】
これらにより、バルブの開閉により、任意のＭＦＣ６ａ〜６ｃを作動させて、設定流量に対する制御精度を上げることができる。
【００２４】
例えば設定流量５ｃｃｍの場合、各ＭＦＣ６ａ〜６ｃのガス制御が±１．０％で同じであっても、フルスケールが２００ｃｃｍのＭＦＣ６ａ、からフルスケールが２０ｃｃｍＭＦＣ６ｃへ切替えると、フルスケール２００ｃｃｍでは±１．０ｃｃｍに対して、フルスケール２０ｃｃｍでは±０．１ｃｃｍとなり制御精度を上げることができる。
【００２５】
なお、フルスケールに応じた各ＭＦＣ６ａ〜６ｃの選定は、成膜するエピタキシャル層の膜厚に応じて設定する。ガスに応じた膜厚と流量との関係は予めデータとして記憶されているので、例えば、流量が１８ｃｃｍであるならば、フルスケールが２０ｃｃｍのＭＦＣ６ｃを用いる。
【００２６】
また、各ＭＦＣ６ａ〜６ｃはＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのものを用いている。すなわち、ＤｕａｌＲａｎｇｅタイプを用いることで、ＭＦＣ６ａ〜６ｃのフルスケール内での特定のガス流量範囲で制御性を±０．５から±０．２％に変更して高制御可能になる。すなわち、図４にＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのガス制御イメージを示す。ＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのＭＦＣ６ａ〜６ｃはフルスケールの切り分けを小流領域Ｎで細かく取ることにより、小流領域Ｎでの精度低下を防止することが可能になる。つまり、ＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのＭＦＣ６ａ〜６ｃはフルスケールの切り分けを小流領域で細かく取ることにより、小流領域での精度低下を防止することを可能になる。図２に示したように、フルスケールの異なるＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのＭＦＣ６ａ〜６ｃを３個並列に配置することにより、例えば、ＴＭＧ等の使用ガスの流量範囲が０〜２０ｃｃｍにおいては、流量制御が±０．２％以下にすることができる。なお、フルスケールの切り分けは、小流領域で細かく切る必要はなく、他の領域で細かいレンジを取ることも可能である。
【００２７】
（実施例）
上述の複数個のフルスケールの異なるＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのＭＦＣ６ａ〜６ｃによる流量制御によるＭＯＣＶＤ装置により製造された、実際の半導体デバイス（ＬＥＤ）の波長特性のばらつきについて確認を行った。
【００２８】
デバイスの製造は、まず、ＧａＡｓ基板をＭＯＣＶＤ装置の反応容器の内部に入れ、反応ガスのＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩｎ（トリ・メチル・インジウム）およびホスフィン（ＰＨ_３）を、キャリアガスの水素（Ｈ_２）と共に導入し、５００〜９００℃程度でエピタキシャル成長させ、ノンドープのＩｎ０．４９（Ｇａ０．６０Ａｌ０．４０）０．５１Ｐからなる層を０．５μｍ程度エピタキシャル成長させた。
【００２９】
ＴＭＧおよびＴＭＡのベース流量を設定値からずらした際の波長を調べたところ、従来のＭＯＣＶＤ装置でのＭＦＣ６ａ〜６ｃの流量制御では、±１．０％で成膜されたＬＥＤの波長のばらつきが±２．０ｎｍであるのに対して、図５にグラフで示したように、上述の実施の形態で示したＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのＭＦＣ６ａ〜６ｃによる流量制御によるＭＯＣＶＤ装置では、流量制御が±０．２％で成膜されたＬＥＤの波長のばらつきが±０．５ｎｍに改善されていることを確認した。
【００３０】
以上に説明したように、上述の実施の形態によれば、ＭＯＣＶＤ装置でガス流量を制御するＭＦＣ６ａ〜６ｃを、複数個のフルスケールの異なるＤｕａｌＲａｎｇｅタイプのものを用いて、エピタキシャル成長層の厚さに応じてフルスケールの値を設定し、それによりガスの流量制御をおこなった。したがって、エピタキシャル成長層の厚さに応じて、設計値通りの高精度のエピタキシャル成長層の成膜が可能になった。
【００３１】
高精度のエピタキシャル成長層の成膜により、成膜された半導体デバイスであるＬＥＤにおいては、製造ロット間の波長および輝度ばらつきが抑制された。また、それにより高輝度ＬＥＤの歩留まりおよび信頼性が飛躍的に向上した。
【００３２】
なお、上述のＭＯＣＶＤ装置による成膜は、上述の実施の形態では半導体デバイスとしてＬＥＤの場合について説明したが、その他の半導体デバイスであってもＭＯＣＶＤ装置でエピキシャル層を成膜するものであれば、それらに適用することができるのは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度で信頼性の高い成膜が可能になり、それにより、高精度の半導体デバイスを高い生産性で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の概略構成図。
【図２】本発明の実施の形態を示すＭＯＣＶＤ装置のＭＦＣの配置図。
【図３】ＭＦＣの制御精度のデータ。
【図４】デュアルレンジによる制御の説明のグラフ。
【図５】ＬＥＤの波長のばらつきの説明のグラフ。
【図６】従来のＭＦＣの配置図。
【図７】従来の制御の説明グラフ。
【符号の説明】
１…原料供給部、２…反応容器、３…有機金属供給源、４…バブリング装置、５…キャリアガス供給源、６ａ〜６ｃ…ＭＦＣ、７…被処理物、８…特殊高圧ガス供給源、９…ＭＦＣ、１１…パージガス供給源、１２…テーブル、１３…加熱手段

Claims

反応容器内に載置された基板に対してＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル層を成膜する半導体装置の製造方法であって、
キャリアガスをマスフローコントローラを介してバブリング装置に供給し所要の有機金属を含むキャリアガスを反応容器へ供給するガス供給工程と、前記基板にエピタキシャル層を成膜する成膜工程とを具備し、
前記ガス供給工程では、１つのキャリアガス系統に配設されたフルスケールの異なる複数個のマスフローコントローラの選択的な作動により前記キャリアガスがバブリング装置に供給されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記半導体装置がＬＥＤであり、前記バブリング装置には有機金属供給源としてトリ・メチル・ガリウムまたはトリ・メチル・アルミニウムが収納されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
反応容器内に載置された基板に対して、キャリアガス供給源からのキャリアガスをマスフローコントローラにより流量制御してバブリング装置に供給して、前記基板にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル層を成膜する半導体装置の製造装置であって、
前記マスフローコントローラは、１つのキャリアガス系統に対してフルスケールの異なる複数個が並列に配置されていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
前記マスフローコントローラの少なくとも１つは、デュアルレンジタイプであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造装置。