JP2009200322A

JP2009200322A - 化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置及び製造方法

Info

Publication number: JP2009200322A
Application number: JP2008041640A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kurosu; 健黒須
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】簡易に生産性の向上が図れる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】複数の基板４が周方向に沿って設置される円盤状のディスク１と、ディスク１をその中心軸回りに水平に回転させる回転機構（回転軸）２と、ディスク１に基板４を設置するためのホルダ５と、ディスク１に対向して配置され、ディスク１との間にガス流路１１を形成する対向板６と、複数の基板４を加熱するヒーター３とを備え、ホルダ５のガス流路１１に面した成長面５ａと基板４のガス流路１１に面した成長面４ａとが同一平面上に位置するように、ホルダ５と基板４が配置され、且つディスク１のガス流路１１に面した成長面１ａよりもホルダ５の成長面５ａが対向板６側に突出して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数枚の基板（ウェハ）に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置及び製造方法に関するものである。

近年、光ピックアップ用光源として用いられる半導体レーザや、携帯電話用受信アンテナなどに用いられるＨＥＭＴ等に化合物半導体の需要が増大しており、それに伴って低価格で高品質な化合物半導体が得られる技術が求められている。このため、有機金属成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて１度に多数枚のエピタキシャルウェハを製造できる技術が必要となっている。

化合物半導体をエピタキシャル成長させるには、例えばIII−Ｖ族化合物半導体の場合
には、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガス等をリアクタ内に導入し、デ
ィスク（サセプタ、基板保持テーブルとも呼ばれる）上に設置されヒーターで加熱された基板上に、これらの原料ガスを供給し熱分解させることで、基板表面にＧａＡｓなどの化合物半導体結晶を気相成長させる。

図２に、従来のＭＯＶＰＥ法を用いた化合物半導体製造装置を示す。リアクタ１０内には、複数の基板４が設置される円盤状のディスク１と、ディスク１をその中心軸回りに回転させる回転軸２と、基板４を加熱するヒーター３と、ディスク１の下方にディスク１に対向させて対向板６とが設けられている。ディスク１と対向板６との間にはガス流路１１が形成される。ディスク１にはその周方向に沿って複数のホルダ５が設置されており、基板４はそれぞれホルダ５内に収納される。基板４下面の成長面４ａがガス流路１１に面した状態でホルダ５に支持されている。図２に一部拡大して示すように、ディスク１のガス流路１１に面した成長面（下面）１ａと、ホルダ５のガス流路１１に面した成長面（下面）５ａと、基板４の成長面４ａとは同一平面上に配置されている。
対向板６の中心部にはガス供給管９が接続され、ガス流路１１の中心部に原料ガスＧが導入される。導入された原料ガスＧはガス流路１１を放射状に広がって流れ、ヒーター３によって加熱された基板４上で熱分解され、分解された物質が基板４上にエピタキシャル成長する。円筒状のホルダ５の上端フランジ部はベアリング７により回転可能にディスク１に支持されている。また、円筒状のホルダ５の上端フランジ部には外歯が形成され、この外歯とリアクタ１０の内周面に沿って形成された内歯８とが噛み合い、ディスク１の公転に合わせて、基板４が公転しながらディスク１上で自転する仕組みになっている。

この化合物半導体製造装置でエピタキシャル成長を行うと、基板４の成長面４ａだけでなく、ディスク１の成長面（下面）１ａ及びホルダ５の成長面（下面）５ａにも熱分解された物質が堆積する。エピタキシャル層が形成された基板４を取り外し、新しい基板を設置して再び成長を行うと、ディスク４及びホルダ５の堆積物はさらに厚くなる。これを複数回繰り返すと、基板４の成長面４ａと、ディスク１及びホルダ５の成長面１ａ、５ａに堆積した堆積物の表面とに段差ができ、その段差が原料ガスＧの流れを乱すことになる。

化合物半導体を基板４上に均一な膜厚でエピタキシャル成長させるには、原料ガスの流れを均一にすることが必要であるため、ディスク４及びホルダ５の堆積物がある程度堆積した時点でディスク４とホルダ５の両方を新しいディスクとホルダに交換し、堆積物の堆積したディスク４とホルダ５を洗浄するというメンテナンスを行っていた。

このメンテナンスの軽減を図った従来技術としては、サセプタ昇降機構を設けることに
より、サセプタの表面と化合物半導体ウェハの表面の高さを同位置になるように調節し、サセプタの交換回数を低減させるという方法（特許文献１）がある。サセプタの交換頻度を低減でき生産性を大幅に向上できるものの、サセプタ昇降機構などが必要となり、図２に示すような自公転型（プラネタリ型）の半導体製造装置には適用しにくい。

また、自公転型の半導体製造装置を用いて基板上に均一な膜厚でエピタキシャル成長させるために、原料ガスの流れを改善した従来技術としては、サセプタの回転方向（基板の公転方向）と基板の自転方向を同一方向にして、基板面内の特性のバラツキを抑える方法（特許文献２）や、放射状に材料ガスを流出させるガス供給部をサセプタとは逆方向に回転させることで、各基板の膜厚を均一にする方法（特許文献３）が提案されている。

特開２００７−１８０１５３号公報特開２００４−２４１４６０号公報特開２００７−１０９６８５号公報

ところで、膜厚が不均一な化合物半導体エピタキシャルウェハを用いて発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光デバイスを作製した場合、得られたデバイスには光学特性や電気的特性の不均一を伴い、歩留りが大幅に低下する。このため、ディスクとホルダに堆積した堆積物を取り除くためのメンテナンス作業を行い、原料ガスの流れの乱れを防ぎ、基板上に均一な膜厚でエピタキシャル成長させることは必要不可欠である。

しかし、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置および製造方法においては、ディスクとホルダにある程度堆積物が堆積すると、その度にディスクとホルダの両方を交換をしなくてはならないため、生産効率が悪いという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決し、簡易に生産性の向上が図れる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置及び製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、複数の基板が周方向に沿って設置される円盤状のディスクと、前記ディスクをその中心軸回りに水平に回転させる回転機構と、前記ディスクに基板を設置するためのホルダと、前記ディスクに対向して配置され、前記ディスクとの間にガス流路を形成する対向板と、前記複数の基板を加熱するヒーターとを備え、前記ガス流路の中心部から放射状に原料ガスを流して前記ディスクに設置された前記複数の基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置において、前記ホルダの前記ガス流路に面した成長面と前記基板の前記ガス流路に面した成長面とが同一平面上に位置するように、前記ホルダと前記基板が配置され、且つ前記ディスクの前記ガス流路に面した成長面よりも前記ホルダの成長面が前記対向板側に突出して配置されていることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置である。

本発明の第２の態様は、複数の基板が周方向に沿って設置される円盤状のディスクと、前記ディスクをその中心軸回りに水平に回転させる回転機構と、前記ディスクに基板を設置するためのホルダと、前記ディスクに対向して配置され、前記ディスクとの間にガス流路を形成する対向板と、前記複数の基板を加熱するヒーターとを備え、前記ガス流路の中心部から放射状に原料ガスを流して前記ディスクに設置された前記複数の基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方
法において、前記ホルダの前記ガス流路に面した成長面と前記基板の前記ガス流路に面した成長面とが同一平面上に位置するように、前記ホルダと前記基板を配置し、且つ前記ディスクの前記ガス流路に面した成長面よりも前記ホルダの成長面が前記対向板側に突出するよう配置して、半導体結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。

本発明の第３の態様は、第２の態様の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ディスク及び前記ホルダに堆積した堆積物を取り除くための交換作業における、前記ディスクの交換頻度が前記ホルダの交換頻度より少ないことを特徴とする。

本発明によれば、ディスクの交換頻度を低減でき、化合物半導体エピタキシャルウェハの生産効率を大幅に向上させることが出来る。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置の概略的な縦断面図を示す。
図１に示すように、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置に用いられる円筒状のリアクタ（反応容器）１０内には、円盤状のディスク１が水平に設けられている。リアクタ１０の上部壁を貫通して設けられた回転軸２の下端部がディスク１の中央部に取り付けられており、回転軸２に連結されたモータ（図示せず）の駆動により、ディスク１がその中心軸回りに水平に回転する。

ディスク１には、その周方向に沿って等間隔に複数の開口が形成され、各開口に円筒形のホルダ５が設置されている。ホルダ５上端の外向フランジ部は、ベアリング７を介してディスク１に回転自在に支持されている。また、各ホルダ５内の底部には基板（ウェハ）４が収納され、その成長面４ａを下向きにして支持されている。

ディスク１上方のリアクタ１０内には、基板４を加熱するヒータ３が設けられると共に、基板４の直上を覆うように、ホルダ５上部の開口部には、基板４の面内温度分布を均一にするための均熱板（図示せず）が嵌め込まれる。

ディスク１の下方にはディスク１に対向して円板状の対向板６が設けられ、ディスク１と対向板６との間にはガス流路１１が形成される。対向板６の中心部にはガス供給管９が接続され、ガス流路１１の中心部下方から原料ガスＧが導入される。導入された原料ガスＧは、ガス流路１１を放射状に広がり、複数の基板４の成長面４ａに沿って流れ、リアクタ１０の側壁開口から排気される。

ホルダ５上端の外向フランジ部の外周には外歯５ｂが形成され、外向フランジ部の外歯（外歯車）５ｂと、リアクタ１０の側壁内周面に形成された内歯（内歯車）８とが噛み合うよう構成されている。このため、ディスク１が回転駆動されると、ホルダ５はディスク１と一緒に回転軸２周りに回転すると共に、ホルダ５の外歯５ｂがリアクタ１０の内歯８と噛み合っているため、ホルダ５はディスク１上でディスク１とは逆回りに回転する。従って、ホルダ５内に保持された基板４は、公転と自転とを行うことになる。

原料ガスＧには、例えば、III−Ｖ族化合物半導体結晶を有機金属気相成長法（ＭＯＶ
ＰＥ法）により成長する場合には、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、希釈用ガス及びドー
パント原料ガスが含まれる。
具体的には、Ｖ族原料ガスとしては、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＰＨ_３（ホスフィン）などが挙げられる。III族原料としては、Ａｌ（Ｃ
Ｈ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルインジウム）などが挙げられる。
また、希釈用ガスとしては、Ｈ_２（水素）、Ｎ_２（窒素）などが挙げられ、ドーパント原料ガスとしては、Ｚｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２（ジエチルジンク）、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスペンタジエニルマグネシウム）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、Ｔｅ（Ｃ_２Ｈ_５）_２（ジエチルテルル）、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）、ＣＢｒ_４（四臭化炭素）などが挙げられる。

上記製造装置においては、図１に一部拡大して示すように、基板４とホルダ５を、基板４の成長面４ａとホルダ５のガス流路１１に面した成長面（下面）５ａとが同一平面上に位置するように配置され、且つホルダ５の成長面（下面）５ａが、ディスク１のガス流路１１に面した成長面（下面）１ａよりも対向板６側（下側）に突出するように配置した構造となっている。

化合物半導体をエピタキシャル成長させる際には、ディスク１を回転して基板４を自公転させながら、対向板６の中心部に接続されたガス供給管９から原料ガスＧをガス流路１１に導入する。導入された原料ガスＧは、ディスク１の下方中心部から放射状に広がって半径方向外方に基板４の表面に沿って流れ、ヒーター３によって加熱された基板４上で熱分解され、分解された物質が基板４上にエピタキシャル成長する。また、ディスク１及びホルダ５の成長面１ａ、５ａにも堆積物が堆積する。

このとき、上記のようなディスク１、基板４およびホルダ５の成長面１ａ、４ａ、５ａの配置にしておくことで、ディスク１の成長面（下面）１ａに堆積する堆積物の表面が、基板４の成長面４ａやホルダ５の成長面（下面）５ａないし成長面（下面）５ａに堆積する堆積物の表面より下方に突出して、ディスク１の堆積物が原料ガスＧの流れを不均一にさせる膜厚に至るまでの成長回数を増やすことができ、メンテナンスの際のディスク１の交換回数を減らすことができる。この結果、メンテナンス時にはディスク１の堆積物の膜厚が原料ガスＧの流れを不均一にさせる厚さに至るまでは、ホルダ５の交換のみを行えば良いので、化合物半導体エピタキシャルウェハの生産効率が向上する。また、上記のようにディスク１、基板４およびホルダ５の成長面１ａ、４ａ、５ａの配置を設定・変更するだけで、特別な回転・移動機構などを必要とせず、簡易に実現できる。

基板４の成長面４ａとホルダ５の成長面５ａは、ディスク１の成長面１ａに対して、図２に一部拡大示するように、Δだけ下方に突出しているが、この突出量Δは０.２ｍｍ以
下の範囲にすることが望ましい。これは、０.２ｍｍよりも大きな段差が存在すると、原
料ガスＧの流れが乱されて、基板４上を原料ガスＧが均一に流れなくなるからである。

なお、上記の実施形態では、基板４がその成長面４ａを下向きにしてホルダ５に保持されたフェイスダウンタイプの気相成長であったが、基板４がその成長面４ａを上向きにしてホルダに保持されたフェイスアップタイプの気相成長にも勿論適用できる。

次に、本発明の実施例を説明する。
図３は実施例及び比較例で作製した化合物半導体エピタキシャルウェハの断面構造を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、この化合物半導体エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２０上に、シリコンをドーピングしたＡｌ_０.５０Ｇａ_０.５０Ａｓ層２１を２０００ｎｍ、ア
ンドープのＡｌ_０.３０Ｇａ_０.７０Ａｓ層２２を１０ｎｍ、アンドープのＧａＡｓ層２３を５ｎｍ、アンドープのＡｌ_０.３０Ｇａ_０.７０Ａｓ層２４を１０ｎｍ及び亜鉛をドーピングしたＡｌ_０.５０Ｇａ_０.５０Ａｓ層２５を２０００ｎｍ、順次積層した構造となっている。

（実施例）
実施例として、図１に示す上記実施形態の化合物半導体製造装置を用い、図３に示す構造の３インチ径の化合物半導体エピタキシャルウェハの成長を繰り返し行った。この繰り返し成長の途中において、リアクタ内の堆積物の累積膜厚２００μｍおきにホルダを交換しながら繰り返した。図４に、本実施例でのリアクタ内の堆積物の膜厚［μｍ］の変化に対するエピタキシャル厚さ分布［％］の推移を測定した結果を示す。
上記エピタキシャル厚さ分布［％］は、｛（周辺部のエピタキシャル厚さ−中心のエピタキシャル厚さ）／中心のエピタキシャル厚さ×１００｝から求めた。ここでいう周辺部とは、エピタキシャルウェハの中心から半径方向に３０ｍｍ離れた位置のことを指す。
なお、エピタキシャル厚さ分布［％］は、５％以内であることを条件とし、５％を超えたところで成膜を中止した。以下の比較例でも同じである。また、エピタキシャル厚さ分布［％］の測定は、以下の比較例でも実施例と同一である。
（比較例１）
比較例１として、図２に示す従来の化合物半導体製造装置を用い、図３に示す構造の３インチ径の化合物半導体エピタキシャルウェハの成長を繰り返した。比較例１においては、繰り返し成長の途中で、ホルダの交換を行わずに成長を繰り返し行った。図５に、比較例１でのリアクタ内の堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す。
（比較例２）
比較例２として、図２に示す従来の化合物半導体製造装置を用い、図３に示す構造の３インチ径の化合物半導体エピタキシャルウェハの成長を繰り返した。この繰り返し成長の途中において、リアクタ内の堆積物の累積膜厚２００μｍおきにホルダを交換しながら繰り返し行った。図６に、比較例２でのリアクタ内の堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す。
（比較例３）
比較例３として、図１に示す上記実施形態の化合物半導体製造装置を用い、図３に示す構造の３インチ径の化合物半導体エピタキシャルウェハの成長を繰り返した。比較例３においては、繰り返し成長の途中で、ホルダの交換を行わずに成長を繰り返し行った。図７に、比較例３でのリアクタ内の堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す。

図５の比較例１（従来装置、ホルダ交換せず）と、図６の比較例２（従来装置、途中ホルダ交換）の測定結果から、従来の化合物半導体製造装置では、途中でホルダのみを交換しても、堆積物の累積膜厚に対するエピタキシャル厚さ分布の悪化は、ほとんど改善されないことが分かる。
また、図５の比較例１（従来装置、ホルダ交換せず）と、図７の比較例３（実施形態の装置、ホルダ交換せず）の測定結果から、本発明の実施形態の化合物半導体製造装置を用いてエピタキシャル成長を繰り返しても、途中でホルダの交換を行わなかった場合には、堆積物の累積膜厚に対するエピタキシャル厚さ分布の悪化は、ある程度堆積物が累積すると、ほとんど改善されないことが分かる。

また、図４の実施例（実施形態の装置、途中ホルダ交換）と、図５〜７に示す比較例１〜３の測定結果から、実施形態の化合物半導体製造装置を用い、途中でホルダの交換を行うことで、堆積物の累積膜厚に対するエピタキシャル厚さ分布の悪化を改善できることが分かる。
この結果から、本発明を用いれば、ディスクとホルダのメンテナンス時に、ディスクの堆積物の膜厚が原料ガスの流れを不均一にさせる厚さに至るまでは、ホルダの交換のみを行えば良いことになるので、化合物半導体エピタキシャルウェハの生産効率を大幅に向上させることができると言える。

本発明の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置の概略構造を示す縦断面図である。従来の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置の概略構造を示す縦断面図である。実施例および比較例において作製した化合物半導体エピタキシヤルウェハの模式的な断面構造を示す断面図である。実施例でのエピタキシャル成長において、堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す図である。比較例１でのエピタキシャル成長において、堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す図である。比較例２でのエピタキシャル成長において、堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す図である。比較例３でのエピタキシャル成長において、堆積物の膜厚の変化に対するエピタキシャル厚さ分布の推移を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１ディスク
１ａ成長面（下面）
２回転軸
３ヒーター
４基板
４ａ成長面
５ホルダ
５ａ成長面（下面）
６対向板
７ベアリング
８内歯
９ガス供給管
Δ 突出量

Claims

複数の基板が周方向に沿って設置される円盤状のディスクと、前記ディスクをその中心軸回りに水平に回転させる回転機構と、前記ディスクに基板を設置するためのホルダと、前記ディスクに対向して配置され、前記ディスクとの間にガス流路を形成する対向板と、前記複数の基板を加熱するヒーターとを備え、前記ガス流路の中心部から放射状に原料ガスを流して前記ディスクに設置された前記複数の基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置において、
前記ホルダの前記ガス流路に面した成長面と前記基板の前記ガス流路に面した成長面とが同一平面上に位置するように、前記ホルダと前記基板が配置され、且つ前記ディスクの前記ガス流路に面した成長面よりも前記ホルダの成長面が前記対向板側に突出して配置されていることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造装置。
複数の基板が周方向に沿って設置される円盤状のディスクと、前記ディスクをその中心軸回りに水平に回転させる回転機構と、前記ディスクに基板を設置するためのホルダと、前記ディスクに対向して配置され、前記ディスクとの間にガス流路を形成する対向板と、前記複数の基板を加熱するヒーターとを備え、前記ガス流路の中心部から放射状に原料ガスを流して前記ディスクに設置された前記複数の基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記ホルダの前記ガス流路に面した成長面と前記基板の前記ガス流路に面した成長面とが同一平面上に位置するように、前記ホルダと前記基板を配置し、且つ前記ディスクの前記ガス流路に面した成長面よりも前記ホルダの成長面が前記対向板側に突出するよう配置して、半導体結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
請求項２に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ディスク及び前記ホルダに堆積した堆積物を取り除くための交換作業における、前記ディスクの交換頻度が前記ホルダの交換頻度より少ないことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。