JP2007180153A

JP2007180153A - 化合物半導体の製造方法及び装置

Info

Publication number: JP2007180153A
Application number: JP2005374827A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Sato; 薫由佐藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】化合物半導体基板への化合物半導体結晶の気相成長を複数回実施した場合にも、得られる各化合物半導体結晶の面内均一性を良好に確保でき、この結果、サセプタの交換回数を低減して量産性を向上できること。
【解決手段】化合物半導体基板１１が加熱状態下でサセプタ装置１７により保持される反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記化合物半導体基板の成長面１１Ａに化合物半導体結晶を気相成長させる化合物半導体の製造方法において、サセプタ装置１７が、化合物半導体基板を保持する基板保持部２０と、化合物半導体基板を囲むように設けられたサセプタ２１とを有し、化合物半導体基板の成長面１１Ａと、上記気相成長の回数に応じて変位するサセプタの表面２１Ａとを、サセプタ装置の昇降モータ２３により同一位置となるように調整して、上記成長面１１Ａに化合物半導体結晶を気相成長させるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、化合物半導体基板（特にIII‐Ｖ族化合物半導体基板）に化合物半導体結晶（特にIII‐Ｖ族化合物半導体結晶）を気相成長させて、半導体素子に用いられるエピタキシャルウェハを作製する化合物半導体の製造方法及び装置に関する。

化合物半導体のエピタキシャル結晶の積層構造は、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどの電子デバイスや、ＬＥＤ、半導体レーザー等の発光デバイスとして広く使用されている。これらの化合物半導体のデバイスは、一般に、ＧａＡｓなどの基板にＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの結晶成長法を用いて所望の組成、厚さの化合物半導体結晶を順次エピタキシャル成長させてエピタキシャルウェハを作製し、このエピタキシャルウェハを用いて製造される。

化合物半導体基板がヒータによる加熱状態下でサセプタにより保持される反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて上記化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長（エピタキシャル成長）させる化合物半導体の製造装置が、特許文献１に開示されている。この製造装置では、図５に示すように、サセプタ１０１の凹部に均熱板１０２を介して化合物半導体基板１００が載置して収容される。

このとき、化合物半導体基板１００は、その成長面１００Ａがサセプタ１０１の表面１０１Ａと同一位置になるように、サセプタ１０１に保持される。このようにして化合物半導体基板１００がサセプタ１０１に保持された状態で、図６に示すように原料ガスを流通させ、化合物半導体基板１００の成長面１００Ａに化合物半導体結晶を成長させてエピタキシャル層１０３を形成する。所望のエピタキシャル層１０３が形成された段階で、化合物半導体基板１００のみを交換し、新たな化合物半導体基板１００の成長面１００Ａに同様のエピタキシャル成長を実施する。
特開２００４‐１０３７０８号公報

ところで、上述の化合物半導体基板１００への結晶成長時には、サセプタ１０１の表面１０１Ａにも化合物半導体結晶が堆積して、エピタキシャル層１０４が形成されてしまう。従って、化合物半導体基板１００を交換して、各化合物半導体基板１００にエピタキシャル層１０３を形成するエピタキシャル成長の成長回数が増加すると、図７に示すように、サセプタ１０１に形成されるエピタキシャル層１０４が積層されて厚くなり、このエピタキシャル層１０４を含むサセプタ１０１の表面１０１Ａと化合物半導体基板１００の成長面１００Ａとが同一位置(同一高さ)にならない事態が生ずる。

このような状態でエピタキシャル成長を実施すると、化合物半導体基板１００の成長面１００Ａに沿って流れる原料ガスに乱れが発生して、この成長面１００Ａに形成されるエピタキシャル層１０３の膜厚(厚さ)や結晶電気特性等が化合物半導体基板１００の面内において不均一になってしまう。このため、エピタキシャル成長の成長回数がある程度まで増加した時点で、サセプタ１０１を交換する必要が生じ、これが装置の量産性低下の一因となっている。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、化合物半導体基板への化合物半導体結晶の気相成長(エピタキシャル成長)を複数回実施した場合にも、得られる各化合物半導体結晶の面内均一性を良好に確保でき、この結果、サセプタの交換回数を低減して量産性を向上させることができる化合物半導体の製造方法及び装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明に係る化合物半導体の製造方法は、反応炉内に化合物半導体基板を加熱状態下でサセプタ装置により保持し、上記反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長させる化合物半導体の製造方法において、
上記サセプタ装置が、上記化合物半導体基板を保持する基板保持部と、上記化合物半導体基板を囲むように設けられたサセプタとを有し、上記基板保持部と上記サセプタとが上記成長面に垂直な方向に相対的に移動可能に設けられ、
上記化合物半導体基板の成長面と、上記気相成長の回数に応じて変位する上記サセプタの表面とを、上記サセプタ装置により同一平面上に位置するように調整して、上記化合物半導体基板の上記成長面に化合物半導体結晶を気相成長させることを特徴とするものである。

上記化合物半導体の製造方法は、上記原料ガスとして、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＰＨ_３（ホスフィン）などのＶ族ガスと、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、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）などのIII族ガスと、キャリアガスなどを用いて、有機金属気相成長法により、III‐Ｖ族化合物半導体結晶を気相成長させる方法に好適である。

請求項２に記載の発明に係る化合物半導体の製造装置は、反応炉内に化合物半導体基板を加熱状態下でサセプタ装置により保持し、上記反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長させる化合物半導体の製造装置において、上記サセプタ装置は、上記化合物半導体基板を保持する基板保持部と、この基板保持部に貫通され、上記化合物半導体基板を囲むように設けられたサセプタと、上記基板保持部に保持される上記化合物半導体基板と上記サセプタとの少なくとも一方を昇降可能とする昇降機構と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明に係る化合物半導体の製造装置は、請求項２に記載の発明において、上記サセプタ装置は、基台に基板保持部が固定され、この基板保持部に貫通されるサセプタ保持部にサセプタが保持され、このサセプタ保持部と上記基台との間に昇降機構が設置されて、上記サセプタが昇降可能に構成されたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明によれば、サセプタ装置の基板保持部に保持される化合物半導体基板の成長面と、気相成長の回数に応じて変位する上記サセプタ装置のサセプタの表面とを、当該サセプタ装置により同一平面上に位置するように調整して、化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長させることから、化合物半導体基板の成長面に沿って流れる原料ガスに乱れが発生することを防止できる。このため、上記成長面に成長する化合物半導体結晶の膜厚や結晶電気特性等の面内均一性を良好に確保できる。この結果、気相成長の成長回数に応じてサセプタの表面に化合物半導体結晶が堆積しても、当該サセプタの交換回数を低減でき、装置の量産性を向上させることができる。

請求項２または３に記載の発明によれば、サセプタ装置では、基板保持部に保持される化合物半導体基板とサセプタとの少なくとも一方が、昇降機構により昇降可能に構成されている。ところで、化合物半導体基板の成長面への化合物半導体結晶の気相成長時には、サセプタの表面にも化合物半導体結晶が堆積して、このサセプタの表面の高さが変位する。そこで、上記気相成長の成長回数に応じて昇降機構を駆動することにより、化合物半導体基板の成長面と、成長回数毎に変位するサセプタの表面とを常に同一の水平位置に設定することができる。このため、化合物半導体基板の成長面に沿って流れる原料ガスに乱れが発生せず、この成長面に成長する化合物半導体結晶の膜厚や結晶電気特性等の面内均一性を良好に確保できる。この結果、気相成長の成長回数に応じてサセプタの表面に化合物半導体結晶が堆積しても、当該サセプタの交換回数を低減でき、装置の量産性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る化合物半導体の製造装置における一実施の形態が適用されたIII‐Ｖ族化合物半導体の製造装置を示す構成図である。図２は、図１のサセプタ装置を簡略して示す平面図である。図３は、図２のサセプタ装置を示す側断面図である。

図１に示すIII-Ｖ族化合物半導体の製造装置１０は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて、III-Ｖ族化合物半導体基板１１の成長面１１Ａ(図３)にIII-Ｖ族化合物半導体結晶を気相成長(エピタキシャル成長)させて、半導体素子用のエピタキシャルウェハを作製するものである。上記半導体素子としては、ＬＥＤ、半導体レーザー等の発光デバイスや、ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ等の電子デバイスなどである。また、上記III-Ｖ族化合物半導体の製造装置、III-Ｖ族化合物半導体基板、III-Ｖ族化合物半導体結晶のそれぞれを、以下「化合物半導体の製造装置」、「化合物半導体基板」、「化合物半導体結晶」と称する。

上記化合物半導体の製造装置１０は、シリンダキャビネット１２、反応炉１３及び排気系１４を有して構成される。シリンダキャビネット１２に原料ガスボンベ１５が設置され、この原料ガスボンベ１５から反応炉１３へ原料ガスが供給される。

原料ガスとしては、ＡｓＨ_３（アルシン）、ＰＨ_３（ホスフィン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）などのＶ族ガスと、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）などのIII族ガスと、水素などのキャリアガスと、ドーパント原料ガスが含まれる。

上記反応炉１３内には反応管１６が設置されている。気相成長時には反応管１６に、化合物半導体基板１１がセットされた状態のサセプタ装置１７を配置し、これらのサセプタ装置１７及び化合物半導体基板１１をヒータ１８により加熱する。そして、反応管１６内に原料ガスを導入することで、原料ガスが熱分解して、化合物半導体基板１１の反応面１１Ａに化合物半導体結晶がエピタキシャル成長して、エピタキシャルウェハが作製される。このエピタキシャルウェハを用いて前記半導体素子が製造される。上記エピタキシャル成長に使用されなかった原料ガスは、排気系１４により反応炉１３外へ排出される。

上記サセプタ装置１７は、反応炉１３内で原料ガスが流通する反応管１６の下部壁に設置され、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａを上向きに露出させて支持する。このような反応炉方式をフェイスアップタイプと称する。このサセプタ装置１７は、図２及び図３に示すように、基台１９、基板保持部２０、サセプタ２１、サセプタ保持部２２、及び昇降機構としての昇降モータ２３を有して構成され、上記基台１９、基板保持部２０及びサセプタ保持部２２が、熱伝導性の良好な材質、例えばステンレスや銅（本実施形態ではステンレス）にて構成されている。

基台１９は円板形状であり、その周方向複数箇所に基板保持部２０が固定され、この基板保持部２０に均熱板２４を介して化合物半導体基板１１が載置される。基板保持部２０及び化合物半導体基板１１は、基台１９の周方向に複数箇所、図示例では３箇所に設けられている。この基台１９は、図示しないモータなどにより中心軸周りに回転して、化合物半導体基板１１を公転させる。

上記基板保持部２０は、図３に示すように、均熱板２４を介して化合物半導体基板１１を載置して保持するものであり、サセプタ２１の開口部２５及びサセプタ保持部２２の貫通穴２６を貫通する。サセプタ２１及びサセプタ保持部２２は、基台１９と略同一直径の円板形状に構成され、サセプタ保持部２２がサセプタ２１を載置して保持する。このサセプタ２１は、基板保持部２０が開口部２５内に貫通されることで、この基板保持部２０に載置された化合物半導体基板１１を囲むように設けられる。

また、上記昇降モータ２３は、基台１９とサセプタ保持部２２との間に配置されて、サセプタ保持部２２を介しサセプタ２１を、基板保持部２０に載置された化合物半導体基板１１に対し昇降可能とする。この昇降モータ２３は、サセプタ２１を水平状態に維持しながら昇降させるべく、基台１９の適宜位置に３個以上の複数個設置される。

化合物半導体基板１１の成長面１１Ａへの化合物半導体結晶の気相成長（エピタキシャル成長）時には、上記成長面１１Ａにエピタキシャル層２７が形成されるばかりか、サセプタ２１にも化合物半導体結晶が堆積してエピタキシャル層２８が形成され、サセプタ２１の表面２１Ａの高さが変位する。上記昇降モータ２３は、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａと、気相成長の回数に応じて変位するサセプタ２１の表面２１Ａとが同一位置（同一高さ）になるように、サセプタ２１を昇降させるものである。

上述のようなサセプタ装置１７を備えた反応炉１３（図１）では、サセプタ装置１７の基台１９がヒータ１８からの輻射熱によって加熱される。この熱は、図３に示すように、基板保持部２０及び均熱板２４を経て化合物半導体基板１１へ伝熱される。このとき化合物半導体基板１１は、均熱板２４によって面内が均一温度に加熱される。更に、化合物半導体基板１１は、サセプタ装置１７により公転する。この状態で、反応管１６内に原料ガスが導入されると、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａ上で原料ガスが熱分解及び化学反応して、この成長面１１Ａに化合物半導体結晶がエピタキシャル成長し、当該成長面１１Ａにエピタキシャル層２７が形成される。その後、この化合物半導体基板１１を、エピタキシャル層２７が形成されていない新たな化合物半導体基板１１と交換する。

上記化合物半導体基板１１の成長面１１Ａの気相成長時には、サセプタ装置１７におけるサセプタ２１の表面２１Ａにもエピタキシャル層２８が形成されるので、このエピタキシャル層２８の厚さに相当する分だけ、昇降モータ２３を駆動してサセプタ２１を下降させる。エピタキシャル層２８が形成されてサセプタ２１の高さが変位したサセプタ２１の表面２１Ａと、新たな化合物半導体基板１１の成長面１１Ａとが同一の水平位置になった段階で、化合物半導体結晶のエピタキシャル成長を再び実施する。

このように、気相成長の成長回数に応じて変位するサセプタ２１の表面２１Ａを、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａと同一の水平位置に調整することによって、気相成長時に、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａに沿って流れる原料ガスに乱れの発生を防止することが可能となる。このため、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａに形成されるエピタキシャル層２７の膜厚や結晶電気特性等に、化合物半導体基板１１の面内において均一性が確保される。

次に、本実施形態の効果を確認するために、本実施形態の化合物半導体の成長装置１０と従来技術の化合物半導体の製造装置（図５〜図７）とを用いて、半導体レーザー素子用のエピタキシャルウェハを作製する試作を行った。

両化合物半導体の製造装置では、化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板を用い、気相成長時の上記基板温度を６５０℃に保持し、反応炉の炉内圧力を約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）に保持した状態で、半導体レーザー素子の構造設計に基づいて順次所望の結晶を成長させるために、昇温、降温、インターバル、原料ガスの流量変更を実施し、エピタキシャルウェハを作製した。

従来技術の化合物半導体の製造装置で作製されたエピタキシャルウェハにおけるエピタキシャル層の膜厚(厚さ)分布は、図４の実線Ｂに示すように、気相成長の成長回数が増すごとに、面内において不均一になっていることがわかる。これに対し、本実施形態の化合物半導体の成長装置１０で作製されたエピタキシャルウェハにおけるエピタキシャル層の膜厚(厚さ)分布は、上記の実線Ａに示すように、気相成長の成長回数が増加しても面内において略一定であり、成長回数に依存していなことがわかる。

以上のように構成されたことから、上記実施の形態によれば、次の効果を奏する。
サセプタ装置１７では、サセプタ２１が昇降モータ２３により昇降可能に構成されている。ところで、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａへの化合物半導体結晶の気相成長時には、サセプタ装置１７のサセプタ２１の表面にも化合物半導体結晶が堆積して、このサセプタ２１の表面２１Ａの高さが変位する。そこで、上記気相成長の成長回数に応じて昇降モータ２３を駆動することにより、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａと、成長回数毎に変位するサセプタ２１の表面２１Ａとを常に同一位置に設定することができる。このため、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａに沿って流れる原料ガスに乱れが発生せず、この成長面１１Ａに成長する化合物半導体結晶からなるエピタキシャル層２７の膜厚(厚さ)や結晶電気特性等の面内均一性を良好に確保できる。この結果、気相成長の成長回数に応じてサセプタ２１の表面２１Ａに化合物半導体結晶が堆積しても、当該サセプタ２１の交換回数を低減でき、製造装置１０の量産性を向上させることができる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態では、サセプタ装置１７においてサセプタ２１が、基板保持部２０に載置された化合物半導体基板１１に対し昇降モータ２３により昇降可能に構成されたものを述べたが、化合物半導体基板１１がサセプタ２１に対し昇降可能に構成されてもよい。つまり、このサセプタ装置では、サセプタ２１を保持するサセプタ保持部２２が基台１９に固定され、このサセプタ保持部２２及びサセプタ２１に基板保持部２０が貫通し、この基板保持部２０と上記基台１９との間に昇降モータ２３が設置されて、基板保持部２０に保持される化合物半導体基板１１が昇降可能に構成される。ただし、この場合には、化合物半導体基板１１が良好に加熱されるために、昇降モータ２３の例えばケーシングが、熱伝導性の良好な材質にて構成される必要がある。

また、サセプタ装置１７において、基板保持部２０に保持される化合物半導体基板１１とサセプタ２１との両者を、昇降機構により昇降させてもよい。

更に、上記実施の形態では、サセプタ装置１７のサセプタ２１が、化合物半導体基板１１の成長面１１Ａを上向きに露出して当該基板１１を保持するフェイスアップタイプの反応炉１３を述べた。ところが、サセプタ装置のサセプタが、化合物半導体基板の成長面を下向きに露出させて当該基板を保持するフェイスダウンタイプの反応炉にも本発明を適用することができる。

本発明に係る化合物半導体の製造装置における一実施の形態を示す構成図である。図１のサセプタ装置を示す平面図である。図２のサセプタ装置を示す側断面図である。図１の化合物半導体の製造装置と従来の化合物半導体の製造装置とにおいて、それぞれ気相成長により作製されたエピタキシャルウェハにおけるエピタキシャル層の膜厚(厚さ)の面内均一性と、気相成長の成長回数との関係を示すグラフである。従来の化合物半導体の製造装置におけるサセプタ及び化合物半導体基板等を示す側断面図である。図５の化合物半導体の製造装置において、化合物半導体基板の成長面に気相成長を実施してエピタキシャル層を形成する工程を示す側断面図である。図５の化合物半導体の成長装置において、化合物半導体基板の成長面に原料ガスの乱れが生じている状態を示す側断面図である。

符号の説明

１０化合物半導体の成長装置
１１化合物半導体基板
１１Ａ成長面
１３反応炉
１７サセプタ装置
１９基台
２０基板保持部
２１サセプタ
２１Ａ表面
２２サセプタ保持部
２３昇降モータ（昇降機構）
２７エピタキシャル層
２８エピタキシャル層

Claims

反応炉内に化合物半導体基板を加熱状態下でサセプタ装置により保持し、上記反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長させる化合物半導体の製造方法において、
上記サセプタ装置が、上記化合物半導体基板を保持する基板保持部と、上記化合物半導体基板を囲むように設けられたサセプタとを有し、上記基板保持部と上記サセプタとが上記成長面に垂直な方向に相対的に移動可能に設けられ、
上記化合物半導体基板の成長面と、上記気相成長の回数に応じて変位する上記サセプタの表面とを、上記サセプタ装置により同一平面上に位置するように調整して、上記化合物半導体基板の上記成長面に化合物半導体結晶を気相成長させることを特徴とする化合物半導体の製造方法。
反応炉内に化合物半導体基板を加熱状態下でサセプタ装置により保持し、上記反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記化合物半導体基板の成長面に化合物半導体結晶を気相成長させる化合物半導体の製造装置において、
上記サセプタ装置は、上記化合物半導体基板を保持する基板保持部と、
この基板保持部に貫通され、上記化合物半導体基板を囲むように設けられたサセプタと、
上記基板保持部に保持される上記化合物半導体基板と上記サセプタとの少なくとも一方を昇降可能とする昇降機構と、を有して構成されたことを特徴とする化合物半導体の製造装置。
上記サセプタ装置は、基台に基板保持部が固定され、この基板保持部に貫通されるサセプタ保持部にサセプタが保持され、このサセプタ保持部と上記基台との間に昇降機構が設置されて、上記サセプタが昇降可能に構成されたことを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体の製造装置。