JP2011003677A

JP2011003677A - トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法

Info

Publication number: JP2011003677A
Application number: JP2009144806A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Higashitani; 雅春東谷; Ryota Isono; 僚多磯野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】エピタキシャルウェハ上への異物パーティクルの付着を抑制し、それによって表面欠陥の少ない高品質な化合物半導体エピタキシャルウェハを製造する方法を提供する。
【解決手段】トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法は、化学気相成長法によるIII-Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法であって、複数枚の基板１を設置する成長室内において、同心円状に分割された加熱用ゾーンヒータ１１によって基板サセプタの内周側から外周側にかけて温度が高くなるような温度勾配を設け、前記成長室内で加熱された前記基板上にIII族原料、Ｖ族原料、ドーパント原料および希釈用ガスを供給してIII-Ｖ族化合物半導体層を成長させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法に関し、特にトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法に関する。

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）半導体に比べて電子移動度が高いという特長がある。この特長を活かすべく、GaAsやInGaAsは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。代表例として、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Hetero-junction Bipolar Transistor: HBT）や高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor: HEMT）への利用が挙げられる。HBTはマイクロ波通信の増幅器（例えば、携帯電話の送信等）として広く用いられている。

エピタキシャルウェハの従来の製造方法として、例えば、特許文献１に次のような気相成長装置および気相成長方法が記載されている。ウェハの成長室内には、ウェハの表面温度を測定する放射温度計と、ウェハの回転を検出する磁性体と、磁気センサと、磁気センサからのパルスを検出しウェハの回転位置を測定するパルスカウンタと、温度情報と回転位置情報からウェハの温度分布を分析し、加熱・放熱する箇所を決定するシーケンス制御装置が備えられている。さらに、ウェハの加熱・放熱をするための熱反射体が設けられており、該熱反射体は複数に分割可能であって、それぞれが独立して上下動可能でかつ水平方向に回転可能な機能を有している。特許文献１によると、この熱反射体によりウェハの周方向の温度分布が調整され、気相成長を行うウェハの表面温度を均一にすることができ、その結果、成膜される膜の面内均一性を高めることができるとされている。

特開２００８−６６６５２号公報

化合物半導体エピタキシャルウェハにおいては、従来の製造方法によるエピタキシャル成長中、ウェハ表面にGaAsパーティクルが付着し、その上の成長で欠陥が発生するという問題があった。具体的には、膜の成長に利用されなかった原料ガスが微小なGaAs結晶として成長室内の壁面に付着・堆積する。成長室内が一定以上の温度となるとGaAs結晶の付着堆積物が壁面から剥離する現象が生じる。剥離したGaAsパーティクルがウェハ表面に付着し、成膜を続ける過程で表面欠陥となるという問題があった。

従って、本発明の目的は、上記の問題を解決し、表面欠陥の少ないトランジスタ用エピタキシャルウェハを製造可能な方法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、化学気相成長法によるIII-Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法であって、複数枚の基板を設置する成長室内において内周側から外周側にかけて温度が高くなるような温度勾配を設け、前記成長室内で加熱された前記基板上にIII族原料、Ｖ族原料、ドーパント原料および希釈用ガスを供給してIII-Ｖ族化合物半導体層を成長させることを特徴とするトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係るトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記温度勾配は前記成長室内における同心円の半径方向に形成されており、設置された前記基板よりも内周側の温度が450℃以下で、設置された前記基板のそれぞれの中心を通る同心円領域の温度が690℃以下であり、設置された前記基板のそれぞれの外周側を通る同心円領域の温度が710℃以下である。
（２）前記III族原料としてトリメチルアルミニウム（Al(CH₃)₃）、トリメチルガリウム（Ga(CH₃)₃）、トリメチルインジウム（In(CH₃)₃）、トリエチルアルミニウム（Al(CH₃CH₂)₃）、トリエチルガリウム（Ga(CH₃CH₂)₃）、またはトリエチルインジウム（In(CH₃CH₂)₃）を用い、前記Ｖ族原料としてアルシン（AsH₃）、トリメチル砒素（As(CH₃)₃）、ターシャリーブチルアルシン（TBA）、ホスフィン（PH₃）、またはターシャリーブチルホスフィン（TBP）を用い、前記希釈用ガスとして水素（H₂）、窒素（N₂）、またはアルゴン（Ar）を用いる。
（３）ｐ型の前記ドーパント原料として四臭化炭素（CBr₄）、またはブロモトリクロロメタン（CCl₃Br）を用い、ｎ型の前記ドーパント原料としてモノシラン（SiH₄）、ジシラン（Si₂H₆）、またはセレン化水素（H₂Se）を用いる。

本発明によれば、エピタキシャルウェハ上へのGaAsパーティクルの付着を抑制することができ、それによって表面欠陥の少ない高品質なトランジスタ用エピタキシャルウェハを製造することができる。

HBT用エピタキシャルウェハの構造例を示す縦断面模式図である。本発明に係る製造方法を実現するためのサセプタと基板と加熱ヒータの位置関係の１例を示す模式図であり、(ａ)は平面模式図、(ｂ)は部分拡大断面模式図である。

本発明者らは、トランジスタ用エピタキシャルウェハ製造方法において、成長室内の温度を制御して成膜するエピタキシャルウェハの近傍に温度勾配を意図的に設けることにより、成長室壁面のGaAs付着堆積物の剥離を抑制できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（トランジスタ用エピタキシャルウェハの構造）
図１は、HBT用エピタキシャルウェハの構造例を示す縦断面模式図である。HBTエピタキシャルウェハ10は、基板１上に結晶成長（成膜）したサブコレクタ層２、コレクタ層３、ベース層４、エミッタ層５、エミッタコンタクト層６およびノンアロイコンタクト層７からなる。基板１は単結晶成長するための下地である。サブコレクタ層２はコレクタ電極を形成するための層である。コレクタ層３、ベース層４、エミッタ層５はそれぞれトランジスタにおけるコレクタ電流、ベース電流、エミッタ電流の流れる層である。エミッタコンタクト層６およびノンアロイコンタクト層７はエミッタ電極を形成するための層である。

（トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法）
HBTエピタキシャルウェハの成長方法を例として以下に述べる。エピタキシャル層を成長させる基板をサセプタと呼ばれる基板保持具にセットする。基板をセットしたサセプタを成長室内に設置し加熱する。

図２は、本発明に係る製造方法を実現するためのサセプタと基板と加熱ヒータの位置関係の１例を示す模式図であり、(ａ)は平面模式図、(ｂ)は部分拡大断面模式図である。ここで、図２に示す加熱用のゾーンヒータ11は、ゾーン毎の制御（例えば、PID制御）により温度を調節することができる構成になっている。図２のＡ、Ｂ、Ｃの位置（Ａは設置された基板１よりも成長室内で内周側の領域、Ｂは設置された基板１のそれぞれの中心を通る同心円領域、Ｃは設置された基板１のそれぞれの外周側を通る同心円領域）に熱電対12を配置し、ゾーンヒータ11をPID制御することによりＡが450℃以下、Ｂが690℃以下、Ｃが710℃以下となるように温度を調節する。

上記のような温度勾配下で加熱された基板１上にIII族原料、Ｖ族原料、ドーパント原料および希釈用ガスを供給することで図１に示したようなHBT用エピタキシャルウェハを製造することができる。本発明者らは、成長室内における同心円の半径方向に温度勾配を設けた環境で成膜することにより、原料ガスが微小なGaAs結晶として炉壁への堆積するのを抑制し、その結果、GaAs付着堆積物の剥離・ウェハ表面へのGaAsパーティクルの付着を抑制できることを見出した。

表１に、本実施例で製造したHBTエピタキシャルウェハの構造と原料ガスおよびその流量を示す。エピタキシャル層名称の「n-」、「p-」は、エピタキシャル層の電気伝導性がそれぞれｎ型、ｐ型であることを示している。本実施例において、サブコレクタ層成長時における図２のＡ、Ｂ、Ｃの位置の温度は、それぞれ450℃、690℃、710℃とした。成長時の成長室内圧力は70 Torr、希釈用ガスはH₂とした。

p−GaAsを成長する場合には、Ga(CH₃)₃またはGa(CH₃CH₂)₃のGa源と、AsH₃のAs源と、ｐ型ドーパントとを基板に供給する。ｐ型ドーパントの元素としては、例えば炭素（C）がある。C原料としてはCBr、CCl₃Brがある。

n−GaAsを成長する場合には、Ga(CH₃)₃のGa源と、AsH₃のAs源と、ｎ型ドーパントとを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としては、SiやSeがある。Si原料としてSiH₄、Si₂H₆がある。Se原料としてはH₂Seがある。

n−InGaPを成長する場合には、In(CH₃)₃のIn源と、Ga(CH₃)₃またはGa(CH₃CH₂)₃のGa源と、PH₃のP源と、ｎ型ドーパントとを基板に供給する。P原料としては他にTBP（ターシャリーブチルホスフィン）がある。

上記条件で成長したエピタキシャルウェハの表面に関し、表面検査装置を用いて0.5〜100μmの付着異物数を測定した。ここで従来技術の例として、成長室内の温度（Ａ、Ｂ、Ｃの位置の温度）を690℃均一に保持して製造したHBTエピタキシャルウェハを比較のために用意した（比較例）。

その結果、比較例における付着異物数は直径６インチウェハ１枚当たり486個であるのに対し、実施例における付着異物数は147個と大きく減少した。また、歩留まり（ウェハ良品率）においては、比較例が75％であったのに対し、実施例では83％となった。なお、サンプル数（ウェハ数）は150枚である。

以上説明したように、本発明に係る製造方法により、HBTエピタキシャルウェハ上の付着異物数は1/3以下に減少し、また歩留まりも向上させることができた。なお、本発明は、同じ電子デバイス用途のHEMT、FETおよび他のすべてのエピタキシャル製品に展開することができる。

１…基板、２…サブコレクタ層、３…コレクタ層、４…ベース層、５…エミッタ層、
６…エミッタコンタクト層、７…ノンアロイコンタクト層、
10…HBTエピタキシャルウェハ、11…加熱用ゾーンヒータ、12…熱電対。

Claims

化学気相成長法によるIII-Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法であって、
複数枚の基板を設置する成長室内において内周側から外周側にかけて温度が高くなるような温度勾配を設け、前記成長室内で加熱された前記基板上にIII族原料、Ｖ族原料、ドーパント原料および希釈用ガスを供給してIII-Ｖ族化合物半導体層を成長させることを特徴とするトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。
請求項１に記載のトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記温度勾配は前記成長室内における同心円の半径方向に形成されており、設置された前記基板よりも内周側の温度が450℃以下で、設置された前記基板のそれぞれの中心を通る同心円領域の温度が690℃以下であり、設置された前記基板のそれぞれの外周側を通る同心円領域の温度が710℃以下であることを特徴とするトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。
請求項１または請求項２に記載のトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記III族原料としてトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルアルミニウム、トリエチルガリウム、またはトリエチルインジウムを用い、
前記Ｖ族原料としてアルシン、トリメチル砒素、ターシャリーブチルアルシン、ホスフィン、またはターシャリーブチルホスフィンを用い、
前記希釈用ガスとして水素、窒素、またはアルゴンを用いることを特徴とするトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、
ｐ型の前記ドーパント原料として四臭化炭素、またはブロモトリクロロメタンを用い、
ｎ型の前記ドーパント原料としてモノシラン、ジシラン、またはセレン化水素を用いることを特徴とするトランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。