JP2006344615A - 化合物半導体製造装置および製造方法 - Google Patents

化合物半導体製造装置および製造方法 Download PDF

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貴志 末吉
Hiranori Hiroki
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Abstract

【課題】 複数の基板間での膜厚および混晶比の均一性が高く、基板面内での混晶比の経時変化も少ない化合物半導体を形成できる化合物半導体製造装置および方法を提供する。
【解決手段】 基板W上に化合物半導体を気相成長させる化合物半導体製造装置を、基板Wが設置される基板ホルダ2を保持した基板保持テーブル3と、基板保持テーブル3および基板ホルダ2を回転させる回転機構と、基板ホルダ2に設置された基板Wを所定温度に加熱するヒータ6と、前記化合物半導体の材料ガスを種類別に分離供給するガス供給管4と、ガス供給管4の材料ガス毎の開口部に設けられて、各材料ガスを基板ホルダ2の近傍であって基板保持テーブル3の回転中心寄りの位置に案内する複数の整流板14,15とを反応容器1内に備えた構造とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は化合物半導体製造装置および製造方法に関する。
化合物半導体を形成するためには、アルシンガス(AsH)に代表されるV族系原料ガスとトリメチルガリウムガス(TMG)に代表されるIII族系原料ガスとを反応容器に導入して、反応容器内のサセプタ上に設置されサセプタ下のランプなどで加熱されているウエハ(基板)の近傍で熱分解を起こさせ、ガリウム砒素(GaAs)などの化合物半導体をウエハの表面に気相成長させる。化合物半導体の薄膜をウエハの表面に均一に形成するには、反応容器内のガス流を制御することが重要であり、そのために、ガス流制御治具を用いてIII族系原料ガスとV族系原料ガスの流れを均一化することが必要である。
このため、たとえば特許文献1に、材料ガスを種類別に分離供給する化合物半導体製造装置が提案されている。この装置では、基板は反応容器の基板保持テーブルに取り付けられて基板保持テーブルの中心周りに回転しながら、少なくとも2種類の反応成分を含むガスに晒されるようになっており、第一の反応成分を含む第一の材料ガスは基板保持テーブルの中央上方から供給され、第二の反応成分を含む第二の材料ガスは、基板保持テーブルの中心に対して対称的に第一の材料ガスより遠くに供給される。特許文献2には、2種類以上の材料ガスを1本のガス供給管で供給する単純なガス供給構造の半導体製造装置が提案されている。
特表2000−511705公報、図2 特開2003−318112公報
しかしながら、特許文献1に記載されている装置は、III族系材料ガスとV族系材料ガスとを別々に供給しながら均一に混合するために、一方の材料ガスを多数のガス噴出し口から噴出させるようにしているので、多数のガス噴出し口、複雑な形状のガス供給部が必要であり、装置コストが高いものとなっていた。また、より高い製品歩留まりを実現するために必要な、複数の基板間での膜厚均一性および混晶比均一性が充分なものではなかった。
後者の原因は次のようなものと思われる。この装置、つまりプラネタリ型MOCVD装置では、上記したように反応容器に導入した材料ガスを基板保持テーブルに吹き付けているのであるが、部品製作時の加工誤差やメンテナンス後の組み立て誤差等によって基板保持テーブルに傾きがある場合、その傾きに材料ガスの流れが支配され、基板保持テーブルに支持されている複数の基板のそれぞれへの材料ガスの供給量に差が生じる。第一の材料ガス、第二の材料ガスがそれぞれ吹き付けられる領域は基板保持テーブルと同時に回転するので、上述の関係は解消されることなく継続する。そのため、各基板への材料ガスの供給量は基板保持テーブル上での基板位置に依存して相違し、基板間の膜厚、混晶比の差が大きくなる。
2種類以上の材料ガスを一本の材料ガス供給管で供給する特許文献2の装置は、ガス供給部の形状は単純でよいため装置コストは低いものの、成膜を進めるうちに基板内の混晶比のバラツキが経時的に大きくなるという問題があった。その原因は、この装置では、材料ガスが混合された状態で基板保持テーブルとその対向面とに沿って流れるのであるが、基板保持テーブルは加熱されており、その輻射熱で対向面も加熱されているため、これらの非対象面に薄膜が形成され、その薄膜の成長が進むにつれて、基板に供給される材料ガスの成分比が変化するためと思われる。
本発明の目的は、上記問題に鑑み、複数の基板間での膜厚および混晶比の均一性が高く、かつ基板面内での混晶比の経時変化が少ない化合物半導体を形成できる化合物半導体製造装置および製造方法を提供することにある。
本発明の直接の目的は、比較的単純な材料ガス供給方法によって、基板保持テーブルに依存しない材料ガス流れを作り出すこと、および、基板保持テーブルおよびその対向面で成膜条件を満たさないようにすることである。
上記課題を解決するために本発明は、基板上に化合物半導体を気相成長させる化合物半導体製造装置を、前記基板が設置される基板ホルダを保持した基板保持テーブルと、前記基板保持テーブルおよび基板ホルダをそれぞれの軸心廻りに回転させる回転機構と、前記基板ホルダに設置された基板を所定温度に加熱する加熱手段と、前記化合物半導体の材料ガスを種類別に分離供給するガス供給管と、前記ガス供給管の材料ガス毎の開口部に設けられて、各材料ガスを前記基板ホルダの近傍であって前記基板保持テーブルの軸心寄りの位置に案内する複数の整流板とを反応容器内に備えた構造としたことを特徴とする。
ガス供給管は基板保持テーブルの軸心に対向して開口しているのが好ましい。基板保持テーブルへの対向面を200℃以下に保持する温度制御手段を有するのが好ましい。
また本発明は、基板上に化合物半導体を気相成長させる際に、反応容器内の基板保持テーブルに保持された基板ホルダに基板を設置し、前記基板保持テーブルおよび基板ホルダをそれぞれの軸心廻りに回転させつつ、前記基板ホルダに設置された基板を所定温度に加熱する状態において、前記化合物半導体の材料ガスをガス供給管により種類別に分離導入し、前記ガス供給管の材料ガス毎の開口部に設けられた整流板によって、前記基板ホルダの近傍であって前記基板保持テーブルの軸心寄りの位置に案内して混合し、前記基板上に流下させることを特徴とする。
本発明の化合物半導体製造方法および化合物半導体製造方法によれば、各々の材料ガスを、基板を設置した基板ホルダの近傍、上流側に案内して混合するので、基板保持テーブルやその対向面への薄膜形成を抑えることができ、それに起因する基板面内の混晶比の経時変化を低減できる。各々の材料ガスを静止部材たる整流板によって上記位置に案内するので、万が一、基板保持テーブルが傾いていても基板への材料ガスの分配に影響が及ぶことはなく、基板保持テーブルに保持された複数の基板間での膜厚バラつき、混晶比のバラつきを低減できる。
また、基板保持テーブルへの対向面を、材料ガスが分解しない200℃以下に保持することにより、この対向面への薄膜形成を抑え、基板面内の混晶比の経時変化をより低減することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態における化合物半導体製造装置の概略全体構成を示す断面図、図2は同化合物半導体製造装置の一部拡大断面図である。この化合物半導体製造装置はプラネタリ型MOCVD装置と呼ばれる構造を有している。
密閉構造の反応容器1内に、成膜対象の基板Wが設置される基板ホルダ2を保持した基板保持テーブル3が配置され、基板保持テーブル3によって図示したように上下に仕切られた下部領域に、材料ガスを種類別に分離供給するガス供給管4と、排気ポンプ(図示せず)に連通した複数の排気管5とが開口している。
基板保持テーブル3の上方には、基板ホルダ2に設置された基板Wを所定温度に加熱するためのヒータ6が設けられており、反応容器1の壁部7には、基板保持テーブル3の下面に対向した内面7aを200℃以下に保持する冷却水配管8が設けられている。200℃以下という温度は、材料ガスが分解を起こさない温度として設定されている。
基板保持テーブル3および基板ホルダ2はプラネタリ型の回転機構で回転されるようになっている。すなわち、円板状の基板保持テーブル3は、図示しない駆動装置に接続された回転シャフト9に取り付け蓋10によって同軸状に固定されていて、回転シャフト9の軸心廻りに回転可能である。また筒状の基板ホルダ2は、基板保持テーブル3に周方向に沿って適当間隔で形成された複数の取付穴3aのそれぞれに回転自在に保持されており、それぞれの外周に形成された歯2aで、反応容器1の内周に形成された歯部11と噛み合っている。これらのことにより、回転シャフト9によって基板保持テーブル3が回転されるに伴って、基板ホルダ2がその軸心廻りに回転し、その結果、基板ホルダ2およびその内部に設置された基板Wは基板保持テーブル3の軸心周りを自転しつつ公転する。
ガス供給管4は基板保持テーブルの軸心に対向して開口している。このガス供給管4は2重管となっていて、それぞれ図示しない材料ガス源に接続されており、ガス供給口12aを有した外管12を通じて、TMI(トリメチルインジウム),TMA(トリメチリルアルミニウム),TMG(トリメチルガリウム)等のIII族系材料ガスが導入され、ガス供給口13aを有した内管13を通じて、AsH(アルシン),PH(ホスフィン)等のV族系材料ガスが導入される。
内管12,外管13の開口部には、それぞれから出た材料ガスを基板ホルダの近傍であって基板保持テーブルの回転中心寄りの位置に案内する整流板14,15が設けられている。整流板14は円盤状であって、内管13の軸芯位置に設けられた支持軸16の端部に固着されており、周縁部は外方へ斜め上向きに延びている。整流板15は外管13の開口端に鍔状に設けられており、周縁部は外方へ斜め上向きに延びている。整流板14よりも整流板15の傾斜が大きい。
上記した化合物半導体製造装置における化合物半導体の製造方法を説明する。
反応容器1内を排気管5を通じて所定の真空度に排気し、反応容器1内の基板ホルダ2のそれぞれに基板Wを設置する。次いで、回転シャフト9を回転させることにより、基板ホルダ2を自転運動、公転運動させながら、基板ホルダ2内の基板Wをヒータ6によって均一に加熱する。基板Wが所定温度(例えば750℃)まで昇温したら、その状態で、ガス供給管4の内管12,外管13を通じてV族系材料ガス,III族系材料ガスを導入し、反応容器1内を所定のガス圧に維持する。
この間に内管12から出たV族系材料ガスは、整流板14に衝突した後に整流板14,15に沿うように基板保持テーブル3側へ流れ、その一方で外管13から出たIII族系材料ガスは、整流版15に衝突した後に整流版15に沿うように壁部7側を流れる。より分解されやすいIII族系材料ガスが、上記したように200℃以下に冷却されている壁部7側を流れるのである。そしてこれらの材料ガスが、基板ホルダ2の近傍であって基板ホルダ2よりも回転中心寄りの位置で合流して、基板ホルダ2に保持されてヒータ6で加熱されている基板W上に流下し、それによって基板W上に気相成長による薄膜が形成される。
基板W以外の領域ではこのような成膜条件は整わないので、基板保持テーブル3やそれに対向する壁部7の内面には薄膜は形成されず、したがって、成膜を続けても材料ガス成分比は一定となり、基板Wの面内の混晶比の経時変化を抑制することができる。
また、整流板14,15は回転しない静止部材であって、回転シャフト9,基板保持テーブル3の回転にしたがってその周方向に移動する(公転運動する)基板Wとの相対位置は変化するので、基板保持テーブル3およびそれに保持された基板の成膜面が水平方向から多少ずれていても、基板保持テーブル3が回転する間に材料ガス流れのむらは平均化されることになり、基板保持テーブル3上の複数の基板W間で膜厚や混晶比のバラつきが生じることはない。
なお、この実施形態では、材料ガスを種類別に2分割して反応容器1に導入するものとして説明したが、3分割して導入する場合も同様に整流板を設けるという単純なガス供給構造で同様の効果を得ることができる。
またV族系材料ガスとIII族系材料ガスとを用いるものとして説明したが、II族系材料ガスとIV族系材料ガスとを用いる場合も同様である。
本発明の化合物半導体製造装置および製造方法は、ダイオードレーザ、フォトダイオード、太陽電池やトランジスタを構成する半導体デバイスなどの製造に有用である。
本発明の一実施形態における化合物半導体製造装置の概略全体構成を示す断面図 図1の化合物半導体製造装置の一部拡大断面図
符号の説明
W 基板
1 反応容器
2 基板ホルダ
2a 歯
3 基板保持テーブル
4 ガス供給管
6 ヒータ
8 冷却水配管
9 回転シャフト
11 歯部
14,15 整流板

Claims (4)

  1. 基板上に化合物半導体を気相成長させる化合物半導体製造装置であって、
    前記基板が設置される基板ホルダを保持した基板保持テーブルと、
    前記基板保持テーブルおよび基板ホルダをそれぞれの軸心廻りに回転させる回転機構と、
    前記基板ホルダに設置された基板を所定温度に加熱する加熱手段と、
    前記化合物半導体の材料ガスを種類別に分離供給するガス供給管と、
    前記ガス供給管の材料ガス毎の開口部に設けられて、各材料ガスを前記基板ホルダの近傍であって前記基板保持テーブルの軸心寄りの位置に案内する複数の整流板と
    を反応容器内に備えた化合物半導体製造装置。
  2. ガス供給管は基板保持テーブルの軸心に対向して開口している請求項1記載の化合物半導体製造装置。
  3. 基板保持テーブルへの対向面を200℃以下に保持する温度制御手段を有した請求項1記載の化合物半導体製造装置。
  4. 基板上に化合物半導体を気相成長させる化合物半導体製造方法であって、
    反応容器内の基板保持テーブルに保持された基板ホルダに基板を設置し、前記基板保持テーブルおよび基板ホルダをそれぞれの軸心廻りに回転させつつ、前記基板ホルダに設置された基板を所定温度に加熱する状態において、
    前記化合物半導体の材料ガスをガス供給管により種類別に分離導入し、前記ガス供給管の材料ガス毎の開口部に設けられた整流板によって、前記基板ホルダの近傍であって前記基板保持テーブルの軸心寄りの位置に案内して混合し、前記基板上に流下させる
    化合物半導体製造方法。
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