JP2006005076A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成長前の反応炉内の不純物を低減し、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑えることができるIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法を提供すること。
【解決手段】反応炉内のサセプタ１に基板３をセットし、その基板３をヒータ５で加熱し、基板３に沿って原料ガス６を流すことにより、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III−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記基板３をセットする前に、反応炉内に、高温ガス７を流すことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などに有用なIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法、特にエピタキシャル成長前に炉内不純物を除去する方法に関するものである。

ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）などの化合物半導体は、シリコン（Ｓｉ）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は高速デバイスに多く用いられている。代表例として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が挙げられる。

ＨＥＭＴのおおまかな構造を図５に示す。ＨＥＭＴは、基板上に結晶成長されたバッファ層、チャネル層、キャリア供給層およびコンタクト層よりなる。バッファ層は基板上の残留不純物の影響によるデバイス特性の劣化を防ぐ働きがある。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。キャリア供給層は自由電子を発生しチャネル層へ供給するための層である。コンタクト層は電極を形成するための層である。

表１に示したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。

図４は、気相成長に用いられる従来の反応炉であり、基板３はサセプタ１の下側にフェイスダウンでセットされ、真上にある基板加熱用のヒータ５で加熱される。サセプタ１は、成長中、回転している。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１の中心部から半径方向外側に流れ、加熱された基板３上で分解し、基板３に結晶成長する。

この反応炉は、軸２を中心として回転するサセプタ１に、複数の基板３を、サセプタ１の中心から少し離れた位置にそれぞれ周方向に配設し、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のヒータ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１の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。

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、反応炉内で加熱する。反応炉内に原料ガス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。

ｉ−ＧａＡｓを成長する場合には、原料として、Ｇａ原料のトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）と、Ａｓ原料のアルシン（ＡｓＨ₃）を基板３に供給する。なお、Ｇａ原料として他にトリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。Ａｓ原料として他にトリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ₃）₃）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）がある。

ｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓを成長する場合には、原料として、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｓ原料のＡｓＨ₃、及びＡｌ原料のトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にトリエチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。

ｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｓ原料のＡｓＨ₃、及びＩｎ原料のトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）を基板に供給する。

ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｓ原料の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シリコン（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）がある。Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）がある。Ｓｅ原料としてはセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）がある。

ところで、反応炉内でエピタキシャル層を連続して成長すると、反応炉内に残留した異物がエピタキシャル層の成長中にウェハの表面に付着し、電気的特性およびエピタキシャル層の表面に影響を及ぼす、という問題がある。

そこで、反応炉内をクリーニングする手段として、従来さまざまな工夫が行われている。例えば、エピタキシャル層の成長を行う直前に、反応管内に塩化メチルを導入して基板表面の不純物を除去する方法（例えば、特許文献１参照）、シャワー状に噴射し、これを炉芯管のフロント側の内壁に付着した反応物に当てて、効率的に反応物を除去する装置（例えば、特許文献２参照）、定期的に、先ず、反応炉全体を均一に例えば５５０℃程度に昇温し、その後、ＣｌＦ₃ガスを７００ｓｃｃｍ程度のガス流量で、希釈用ガスである窒素（Ｎ₂）ガス（ガス流量２７４０ｓｃｃｍ程度）と共に、反応炉内に供給して、反応炉内の残留膜のエッチングを行う方法（例えば、特許文献３参照）などが知られている。
特開２００３−２０３００号公報（段落番号０００７） 特開２００１−６８４１６号公報 特開２０００−１７３９３２号公報（段落番号００２３）

しかしながら、上記の特許文献１〜４は、ＨＥＭＴの電子移動度との関係を直接に明らかにしたものではない。

本発明者らの知見によれば、従来の反応炉でエピタキシャル成長を連続して成長すると、成長回数が増えるにしたがって、反応炉内の残留不純物によって図２に従来例として示すように電子移動度が低下する、という問題が発生する。なお、電子移動度とは、電子が半導体結晶中を動く速度である。電子移動度の単位は、cm²・Ｖ^-1・ｓ^-1である。電子移動度はｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定で求められる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、成長前の反応炉内の不純物を低減し、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑えることができるIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法を提供することにある。

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。

請求項１の発明に係るIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法は、反応炉内のサセプタに基板をセットし、その基板をヒータで加熱し、基板に沿って原料ガスを流すことにより、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III−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記基板をセットする前に、反応炉内に、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）から成る高温ガスを流すことを特徴とする。

本発明において、エピタキシャル成長前に流す高温ガスの種類としては、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）が使用できる他、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）等の不活性ガスを用いることもできる。

請求項２の発明は、請求項１記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記高温ガスの温度を２０〜３００℃に保ち、反応炉内に流すことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記基板セット前に反応炉内に流す高温ガスの流量を、１０〜１５０Ｌ／分の所定流量に設定することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記高温ガスの所定流量を一定値に維持して流すことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記高温ガスを５〜１２００秒間、反応炉内に流すことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明は、基板をセットする前に、反応炉内に、不活性ガスから成る高温ガスを流すことによりエピタキシャル成長の前に僅かに残留している不純物を反応炉外へ追い出し、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑える等の効果を得る方法である。

これに対し、特許文献１は、ｎ型ドーパントとＶ族元素を含む原料化合物が反応して配管内の清浄化を行うことを狙いとして、気相成長させる前にｎ型ドーパント供給ラインにＶ族元素を含む原料化合物を供給するものであり、この点で反応炉内に、不活性ガスから成る高温ガスを流す本発明と異なる。同様に、特許文献２は、反応炉内に塩化メチル（ＣＨ₃Ｃｌ）を導入して基板表面の不純物を除去する方法であり、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）から成る高温ガスを流す本発明と異なる。

また特許文献４は、定期的に、ＣｌＦ₃ガスを、希釈用ガスである窒素（Ｎ₂）ガスと共に、反応炉内に供給して、反応炉内の残留膜のエッチングを行う方法であり、基板をセットする前に、反応炉内に、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）から成る高温ガスを流す本発明と異なる。

さらに特許文献３は、クリーニング時に不活性ガスを噴射する装置を示すのみであり、その不活性ガスの使用時期や温度などについては開示がない。

本発明の効果を調べるために、ガスを流さずにエピタキシャル層を連続で成長したものと、エピタキシャル成長終了する度にガスを流したものの電子移動度の低下度合いを調べた。エピタキシャル層を連続成長しているものに比べて、毎回反応炉内にガスを流してからエピタキシャル層を成長している方が、電子移動度の低下は見られず、良質のＨＥＭＴが作られているといえる（図２参照）。

さらに、エピタキシャル成長前に反応炉内の不純物を除去することにより、成長したエピタキシャル表面の凹凸も小さくなる（図３参照）。

本発明によれば、基板をセットする前に、反応炉内に、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）から成る高温ガスを流すことにより、エピタキシャル成長の前に僅かに残留している不純物を反応炉外へ追い出すことができ、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑える等の効果を得ることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に本発明のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法を示す。前提となる気相成長装置の構成は、図４において説明したところと同じである。すなわち、サセプタ１に、複数（ここでは４枚）の基板３をセットする開口を、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設してあり、この開口に、成長させる基板面をガス流路側に向けて基板３をセットする構成となっている。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のヒータ５が設けてあり、この基板加熱用のヒータ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。そして、下方の供給口から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を、サセプタ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、上記基板加熱用のヒータ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。

本発明の製造方法では、まず、図１（ａ）に示すように、基板をサセプタ１にセットする前に、反応炉に高温ガス７を供給して、サセプタ中心部より高温ガス７をサセプタ１の表面に沿って放射状に外側へ流す。高温ガス７の種類は水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）のいずれかである。このとき高温ガス７の温度は２０〜３００℃、高温ガス７の流量は１０〜１５０Ｌ／分の範囲で一定とし、ガスを流す時間は５〜１２００秒とする。

次に、図１（ｂ）に示すように、基板３をサセプタ１にセットし、サセプタ１の中心部より原料ガス６を放射状に外側へ流し、エピタキシャル成長を開始する。

＜実施例１＞
次に、図１の製造方法により、ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを製造する実施例について説明する。

ここでは、表１に示す縦断面構造を持つＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを試作対象とした。すなわち、半絶縁性のＧａＡｓからなる基板上に、バッファ層として、ｉ−ＧａＡｓ層（厚さ１０００nm、キャリア濃度１×１０¹⁵cm^-3以下）を設け、更に、チャネル層としてｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ層（厚さ２０nm、キャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3以下）を設ける。その上に、スペーサ層として、ｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層（厚さ３nm、キャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3以下）を設ける。その上に更に、キャリア供給層として、ｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層（厚さ２５０nm、キャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3）を設け、ｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層（厚さ５０nm、キャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3以下）を設け、その上にコンタクト層としてｎ−ＧａＡｓ層（厚さ１００nm、キャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3）を設けた。なお、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。

図１（ａ）の如く、高温ガスとして窒素（Ｎ₂）を流した（この実施例１では、高温ガスとしての窒素（Ｎ₂）ガスの温度を５０℃とし、流量を１００Ｌ／分の一定に維持して、６０秒間流した）後の反応炉内において、基板３は図１（ｂ）の如くサセプタ１の下側にフェイスダウンでセットされ、真上にある基板加熱用のヒータ５で加熱される。サセプタ１は、成長中、回転している。原料ガス６が中心から放射状に外側へ流れ、基板加熱用のヒータ５によって加熱され、分解し、基板３上に結晶成長する。

ＨＥＭＴの成長条件は以下の通りである。成長時の基板温度は７００℃、反応炉内圧力は７６Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。サセプタ回転数は１０回転／分である。

ｉ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃とＡｓＨ₃を用いた。Ｇａ（ＣＨ₃）₃の流量は１０．５cm³／分である。ＡｓＨ₃の流量は３１５cm³／分である。

ｉ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃とＡｓＨ₃を用いた。Ｇａ（ＣＨ₃）₃の流量は１０．５cm³／分である。ＡｓＨ₃の流量は３１５cm³／分である。

ｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ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５．３cm³／分、１．４３cm³／分及び６３０cm³／分とした。ｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃及びＡｓＨ₃を用い、それらの流量はそれぞれ５．３cm³／分、２．０９cm³／分及び５００cm³／分とした。

ｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層の成長には、ｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ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。Ｓｉ₂Ｈ₆の流量は７．７８×１０^-3cm³／分である。Ｓｉ₂Ｈ₆以外の流量はｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層の場合と同じである。

ｎ−ＧａＡｓ層の成長には、ｉ−ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃に加えてＳｉ₂Ｈ₆を用いた。Ｓｉ₂Ｈ₆の流量は１．４７×１０^-4cm³／分である。Ｓｉ₂Ｈ₆以外の流量はｉ−ＧａＡｓ層の場合と同じである。

図２に、本実施例によるＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの電子移動度の低下度合いを、従来技術と比較して示す。これは、本発明の効果を調べるために、高温ガスを流さずにエピタキシャル層を連続で成長したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（従来例）と、エピタキシャル成長が終了する度に高温ガスを流したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（実施例）の電子移動度の低下度合いを調べた結果を示すものである。

図２から分かるように、エピタキシャル層を連続成長しているＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（従来例）に比べて、毎回反応炉内に高温ガスを流してからエピタキシャル成長をしているＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（実施例）の方が、電子移動度の低下は見られず、良質のＨＥＭＴが作られた。

このように本発明は、エピタキシャル成長の前に、つまり基板をサセプタにセットする前に、高温ガスを反応炉内に流すので、反応炉内の不純物を炉の外に追い出すことができ、これにより、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑えることができる。つまり、本発明によれば、半導体装置の反応炉内において成長する、ＨＥＭＴやＦＥＴといったデバイスの特性を低下させることなく、これらＨＥＭＴ等の良質のデバイスを安定して生産することができる。

また図３に示すように、エピタキシャル成長前に反応炉内の不純物を除去することにより、表面の凹凸も小さくなる。図３は表面の凹凸を調べるために、表面のヘイズレベルを測定したものである。このヘイズレベルというのは表面の曇りの程度を調べる目安であり、測定値が大きいほど表面が曇っていることを示す。なお、単位はｐｐｍである。図３における比較から、従来例よりも本実施例の方がヘイズレベルが小さく改善されており、表面がより平坦になっていることが分かる。

＜他の実施例、変形例＞
上記実施例では、基板セット前に流す高温ガスの温度を５０℃にしたが、これはできるだけ反応炉の温度をエピタキシャル成長温度に近づける、つまり原料の分解する温度（４００℃以上）に近づけるためである。しかし、２０℃〜３００℃の温度範囲であれば、本発明の高温ガスによるクリーニング効果を得ることができるので、この温度範囲の任意の温度に設定することができる。またガス流量は多いほど、例えば１５０Ｌ／分とするほど効果があるが、１０Ｌ／分程度でもクリーニング効果を得ることができるので、この流量範囲の任意の一定流量値に設定することができる。また、これと関連して、ガスを流す時間は５秒程度流すだけでもある程度のクリーニング効果が得られる。そして、ある段階までは、ガスを流す時間が多いほどクリーニング効果があるが、最大１２００秒程度の間、ガスを流せば、十分なクリーニング効果が得られるので、この５〜１２００秒の間の任意の一定時間幅に設定するとよい。

上記実施例では、ＨＥＭＴの場合を例にしたが、本発明はＦＥＴやＨＢＴにおいても適用することができ、例えばＨＢＴのエピタキシャル層を成長する前に、つまり基板をサセプタにセットする前に、高温ガスを反応炉内に流すことで、ＨＢＴの電気的特性を向上させるクリーニング効果を得ることができる。

また、上記実施例では、窒素（Ｎ₂）ガスを反応炉内に流したが、エピタキシャル成長前に流す高温ガスとしては、水素（Ｈ₂）、アルゴン（Ａｒ）、あるいはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）などの不活性ガスを用いることもできる。

また上記実施例では、反応炉として、下から上に向かう原料ガス６がサセプタ中央から半径方向外側に流れ、且つ基板３がフェイスダウンで設けられるタイプについて説明したが、本発明は、上から下に向かうガスがサセプタ中央から半径方向外側に流れ、且つ基板がフェイスアップで設けられるタイプ、あるいは原料ガス６がサセプタの直径方向に流れるタイプにも適用することができる。

本発明の製造方法の一実施例を示す図である。 本発明の製造方法により得られるＨＥＭＴの電子移動度の変化を、従来例と比較して示す図である。 本発明の製造方法により得られるＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの表面の凹凸の変化を、従来例と比較して示す図である。 従来の反応炉の構造図である。 本発明の実施例で製造対象とするＨＥＭＴの縦断面図である。

符号の説明

１ サセプタ
２ 軸
３ 基板
４ ガス流路
５ ヒータ
６ 原料ガス
７ 高温ガス

Claims (5)

1. 反応炉内のサセプタに基板をセットし、その基板をヒータで加熱し、基板に沿って原料ガスを流すことにより、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III−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
   上記基板をセットする前に、反応炉内に、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）から成る高温ガスを流すことを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
2. 請求項１記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
   上記高温ガスの温度を２０〜３００℃に保ち、反応炉内に流すことを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
3. 請求項１又は２記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
   上記基板セット前に反応炉内に流す高温ガスの流量を、１０〜１５０Ｌ／分の所定流量に設定することを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
4. 請求項３記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
   上記高温ガスの所定流量を一定値に維持して流すことを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
   上記高温ガスを５〜１２００秒間、反応炉内に流すことを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。

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