JP2010129587A - 化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタの成長面と基板の成長面との間に生じる段差をウェハ面内の膜厚均一性に影響しないレベルに抑えることのできる化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を提供する。
【解決手段】水平な方向にガス流路が形成される反応管２の上部壁にサセプタ用開口２ａを形成し、そのサセプタ用開口２ａに、基板３を設置した円盤状のサセプタ４を、その成長面４ａ側がガス流路に臨むように設けると共にその中心軸廻りに水平に回転自在に設け、そのサセプタ４の成長面４ａとは反対の面側にヒーター５を設けた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１において、サセプタ４の成長面４ａに対して基板３の成長面３ａの位置を任意に変更できるホルダ６を介して基板３を、サセプタ４に設置するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板（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製造装置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ーや、携帯電話用受信アンテナなどに用いられるＨＥＭＴなど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などをリアクタ内に導入し、サセプタ上に設置された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４は、従来のＭＯＶＰＥ法を用いた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を示す図であり、図４（ａ）は、その断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ部拡大図であり、図４（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１は、複数の基板４２が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタ４３と、サセプタ４３を、その中心軸廻りに水平に回転させるターンテーブル４４からなる回転機構と、サセプタ４３の成長面４３ａと反対の面側に設けられ、基板４２を加熱するためのヒーター４５と、サセプタ４３の成長面４３ａ側にサセプタ用開口４６ａを有し、サセプタ４３に設置された基板４２の成長面４２ａに対して水平な方向に原料ガス流路（図示矢印）を形成し、気相エピタキシャル成長させる反応管４６と、反応管４６を支持する反応管ステージ４７とをリアクタ４８内に備えて構成される。

図示左側の原料ガス導入口４９より原料ガスが導入され、ヒーター４５によって熱分解され、分解された物質が基板４２上でエピタキシャル成長する。サセプタ４３は、その成長面４３ａと反対側の面に、径方向で対向して形成された２本のサセプタフック４３ｂで回転機構を構成するターンテーブル４４に吊下されており、ターンテーブル４４が自転することでサセプタ４３も自転して、基板４２はサセプタ４３の周方向に公転しながら、上述のエピタキシャル成長がなされる仕組みになっている。

この化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１において、エピタキシャル成長中の原料ガスの流れを乱さないため、図４（ｂ）に示すように、サセプタ４３の成長面４３ａと基板４２の成長面４２ａとを同一平面上に配置させる必要がある。

図４（ｃ）に示すように、基板４２は、サセプタ４３に形成され基板４２を設置するためのポケット４３ｃに、１ポケット毎６ヶある突起４３ｄで支持されており、この突起４３ｄの上に置くことで、サセプタ４３の成長面４３ａと基板４２の成長面４２ａとを同一平面上に配置させている。

特開２００２−１７５９９２号公報 特開２００８−７８１８９号公報

しかしながら、エピタキシャル成長を繰り返すことで、サセプタ４３の成長面４３ａにデポ（堆積物）が嵩み、サセプタ４３の成長面４３ａと基板４２の成長面４２ａとの間にデポ厚の分だけ段差が生じてしまう。

この段差が増大すると、基板４２の成長面４２ａ上での原料ガスの流れが乱れていき、ウェハ面内の膜厚均一性が悪くなってしまう。ウェハ面内の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ー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に伴い、歩留が大幅に低下する問題が生じる。

そのため、ウェハ面内の膜厚均一性が悪くなる前に、サセプタ４３を交換している。サセプタ４３を交換すると、エピタキシャル層の成長条件の合わせこみ作業が生じるため、スループットが低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、スループットを低下させることなく（サセプタを交換することなく）、エピタキシャルウェハの膜厚がウェハ面内で不均一になることを防ぐため、サセプタの成長面と基板の成長面との間に生じる段差をウェハ面内の膜厚均一性に影響しないレベル（許容レベル）に抑えることのできる化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、水平な方向にガス流路が形成される反応管の上部壁にサセプタ用開口を形成し、そのサセプタ用開口に、基板を設置した円盤状のサセプタを、その成長面側がガス流路に臨むように設けると共にその中心軸廻りに水平に回転自在に設け、そのサセプタの成長面とは反対の面側にヒーターを設けた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置において、前記サセプタの成長面に対して前記基板の成長面の位置を任意に変更できるホルダを介して前記基板を、前記サセプタに設置するようにした化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項２の発明は、前記ホルダは、円筒状のホルダ本体と、そのホルダ本体の上端部外周面に形成されサセプタに嵌合する鍔部と、前記ホルダ本体の下端部に設けられ前記基板をその成長面が水平となるように保持する複数の突起とで構成される請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項３の発明は、前記基板の成長面の位置の変更は、前記ホルダを、ホルダ本体の高さ長が異なる他のホルダに変更することにより行う請求項２に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項４の発明は、前記サセプタには昇降機構が設けられ、その昇降機構で前記反応管の上部内壁面と前記サセプタの成長面および前記基板の成長面とが一致するように昇降される請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

本発明によれば、サセプタの成長面と基板の成長面との間に生じる段差を、サセプタを交換することなく抑えることができ、エピタキシャルウェハの膜厚がウェハ面内で不均一になることを防げる。また、本発明により製造されたエピタキシャルウェハを用いることで発光デバイスの歩留低下を防ぐことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な一実施の形態を示す化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を示す図であり、図１（ａ）は、その断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部拡大図であり、図１（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図であり、図１（ｄ）は、基板を設置するホルダの断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１は、水平な方向にガス流路（図示矢印）が形成される反応管２の上部壁にサセプタ用開口２ａを形成し、そのサセプタ用開口２ａに、基板３を設置した円盤状のサセプタ４を、その成長面４ａ側がガス流路に臨むように設けると共にその中心軸廻りに水平に回転自在に設け、そのサセプタ４の成長面４ａとは反対の面側にヒーター５を設けて構成されたものであり、サセプタ４の成長面４ａに対して基板３の成長面３ａの位置を任意に変更できるホルダ６を介して基板３を、サセプタ４に設置するようにした点に特徴がある。また、この化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１は、直方体形状のリアクタ７内に収容されてなる。

反応管２は、例えば、幅よりも高さが短い扁平筒状に形成され、リアクタ７内を直線的に横断している。反応管２の一端（図１（ａ）では左側）には、原料ガスを供給するための導入口８が形成され、他端（図１（ａ）では右側）には、原料ガスを排出する排出口９が形成される。

導入口８、排出口９の位置と対応するリアクタ７の外壁には、それぞれ原料ガスを供給するための外部配管（図示せず）、原料ガスを排出するための外部配管（図示せず）が接続される。

また、反応管２には、基板３が設置されたサセプタ４を反応管２内の原料ガス流路に臨ませるべく、サセプタ４の成長面４ａを回転可能に収容するサセプタ用開口２ａが形成される。反応管２は、石英ガラスなど、不純物を含まず、エピタキシャル層の高純度化に適した材料で構成するとよい。

さらに、反応管２は、反応管ステージ１０に支持されており、図示しない昇降モーターにより反応管２と一体に昇降するようにされる。

エピタキシャル成長を行う際には、反応管２の導入口８および排出口９が、上述した原料ガスを供給するための外部配管および排出するための外部配管と対応する位置に設置されるようにする。

サセプタ４は、ターンテーブル１１からなる回転機構に吊下されており、上述のように、その中心軸廻りに水平に回転するようになっている。

サセプタ４の外周には、サセプタ４を反応管２内のガス流路に臨ませたときに、サセプタ４が反応管２内に落下しないように、サセプタ用開口２ａの外周面に沿った鍔部４ｂが形成される。

また、サセプタ４には、基板３を設置するためのポケット４ｃがサセプタ４の周方向に沿って複数形成されており、そのポケット４ｃにホルダ６を介して基板３が設置される。

さらに、サセプタ４は、その成長面４ａと反対側の面に、径方向で対向した一対のサセプタフック４ｄ，４ｄが形成される。このサセプタフック４ｄ，４ｄは、サセプタ４を回転機構、すなわちターンテーブル１１に係合させるためのものである。

ターンテーブル１１は、サセプタ４を支持する円盤状のテーブル部１１ａと、そのテーブル部１１ａの中心軸上に形成され、サセプタ４を回転させるための回転軸部１１ｂとからなる。回転軸部１１ｂは、図示しない回転モーターにより支持されており、回転モーターの回転力をサセプタ４に伝達するものである。また、ターンテーブル１１は、図示しない昇降モーター（昇降機構）により昇降するようになっている。

この昇降機構でサセプタ４を昇降させ、反応管２の上部内壁面２ｂとサセプタ４の成長面４ａおよび基板３の成長面３ａとが一致するようにされる。

また、ヒーター５は、ヒーターハウジング１２により、基板３を効果的に加熱できるようになっている。

さて、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１は、上述したように、サセプタ４の成長面４ａに対して基板３の成長面３ａの位置を任意に変更できるホルダ６を介して基板３を、サセプタ４に設置するようにした点に特徴がある。

図１（ｂ）に示すように、ホルダ６は、円筒状のホルダ本体６ａと、そのホルダ本体６ａの上端部外周面に形成されサセプタ４のポケット４ｃに嵌合する鍔部６ｂと、ホルダ本体６ａの下端部に設けられ基板３をその成長面３ａが水平となるように保持する複数の突起６ｃとで構成される。

図１（ｃ）に示すように、基板３は、ホルダ６の突起６ｃ上に設置される。これにより、サセプタ４の成長面４ａと基板３の成長面３ａとを同一平面上に配置させている。

基板３の成長面３ａの位置の変更は、図１（ｄ）に示すように、ホルダ６を、ホルダ本体６ａの高さ長Ｈが異なる他のホルダに変更することにより行う。

次に、化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１の作用を説明する。

膜厚が均一なエピタキシャルウェハを得るためには、エピタキシャル成長中の原料ガスの流れを乱さないため、図１（ｂ）に示すように、反応管２の上部内壁面２ｂとサセプタ４の成長面４ａと基板３の成長面３ａとを同一平面上に配置させる必要がある。

ところが、エピタキシャル成長を繰り返すことで、サセプタ４の成長面４ａにデポが嵩み、サセプタ４の成長面４ａと基板３の成長面３ａとの間にデポ厚の分だけ段差が生じてしまう。

この段差が増大すると、基板３の成長面３ａ上での原料ガスの流れが乱れていき、ウェハ面内の膜厚均一性が悪くなってしまう。ウェハ面内の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ー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に伴い、歩留が大幅に低下する問題が生じる。

そのため、従来、ウェハ面内の膜厚均一性が悪くなる前に、サセプタ４を交換しているが、サセプタ４を交換すると、エピタキシャル層の成長条件の合わせこみ作業が生じるため、スループットが低下してしまう。

本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１では、サセプタ４の成長面４ａに対して基板３の成長面３ａの位置を任意に変更できるホルダ６を介して基板３を、サセプタ４に設置するようにしているため、デポが嵩みウェハ面内の膜厚均一性が悪くなる前に、ホルダ６を、ホルダ本体６ａの高さ長Ｈがデポ厚さ分だけ長い他のホルダに変更することで、エピタキシャル成長を繰り返してもサセプタ４の成長面４ａと基板３の成長面３ａとを同一平面上に配置させることができる。

さらに、基板３とヒーター５との距離を、ホルダ６交換前と合わせるため、サセプタ４の位置をホルダ６の高さ長Ｈの変更分だけ、ターンテーブル１１の昇降機構により上昇させる。これにより、上部内壁面２ｂとサセプタ４の成長面４ａおよび基板３の成長面３ａとを同一平面上に配置させることができる。

そのため、化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１により製造されたエピタキシャルウェハは、ウェハ面内の膜厚がウェハ面内で均一となり、このエピタキシャルウェハを用いることで発光デバイスの歩留を向上させることができる。

図１（ａ）〜（ｄ）に示した本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１と、図４（ａ）〜（ｃ）に示した従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１を用い、エピタキシャル成長実験を行った。

実験内容は、図２に示すエピタキシャル構造のエピタキシャルウェハを３０回繰り返しエピタキシャル成長したときのウェハ面内の膜厚分布の変化の推移を比較する内容である。

図２に示すように、本実験で用いたエピタキシャル構造２０は、ＧａＡｓ基板２１上に膜厚５０ｎｍのｕｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ層２２を成長させ、そのｕｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ層２２上に膜厚１０００ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＡｓ層２３を成長させたものである。ここで、ｕｎ−はアンドープを示す。

実験結果を表１、２および図３、５に示す。

表１は、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１を用いて作製したエピタキシャルウェハの厚さの推移を示し、表２は、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１を用いて作製したエピタキシャルウェハの厚さの推移を示す。

図３、５は、それぞれ表１、２の結果をグラフ化したものである。

表２、図５に示すように、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１を用いたエピタキシャル成長では、２１回目からウェハ面内の膜厚均一性が許容レベル（２％）を超えてしまったのに対して、表１、図３に示すように、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１を用いたエピタキシャル成長においては、２１回目から、サセプタ４の成長面４ａのデポ厚さ分だけ高さ長Ｈを変更したホルダに交換することで３０回目までウェハ面内の膜厚均一性を許容レベル以下に抑えることができた。

以上より、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１によれば、サセプタの成長面と基板の成長面との間に生じる段差をウェハ面内の膜厚均一性に影響しないレベルに抑えられることが分かる。

図１（ａ）は、本発明の好適な一実施の形態を示す化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部拡大図であり、図１（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図であり、図１（ｄ）は、基板を設置するホルダの断面図である。 エピタキシャル成長実験に用いたエピタキシャル構造を示す断面図である。 本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を用いたエピタキシャル成長実験の結果を示す実験図である。 図４（ａ）は、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置の断面図であり、図４（ｂ）は、そのＢ部拡大図であり、図４（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図である。 従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を用いたエピタキシャル成長実験の結果を示す実験図である。

符号の説明

１ 化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置
２ 反応管
２ａ サセプタ用開口
３ 基板
３ａ 基板の成長面
４ サセプタ
４ａ サセプタの成長面
５ ヒーター
６ ホルダ

Claims (4)

1. 水平な方向にガス流路が形成される反応管の上部壁にサセプタ用開口を形成し、そのサセプタ用開口に、基板を設置した円盤状のサセプタを、その成長面側がガス流路に臨むように設けると共にその中心軸廻りに水平に回転自在に設け、そのサセプタの成長面とは反対の面側にヒーターを設けた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置において、
   前記サセプタの成長面に対して前記基板の成長面の位置を任意に変更できるホルダを介して前記基板を、前記サセプタに設置するようにしたことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
2. 前記ホルダは、円筒状のホルダ本体と、そのホルダ本体の上端部外周面に形成されサセプタに嵌合する鍔部と、前記ホルダ本体の下端部に設けられ前記基板をその成長面が水平となるように保持する複数の突起とで構成される請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
3. 前記基板の成長面の位置の変更は、前記ホルダを、ホルダ本体の高さ長が異なる他のホルダに変更することにより行う請求項２に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
4. 前記サセプタには昇降機構が設けられ、その昇降機構で前記反応管の上部内壁面と前記サセプタの成長面および前記基板の成長面とが一致するように昇降される請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。

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