JP2543961B2

JP2543961B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2543961B2
Application number: JP63191062A
Authority: JP
Inventors: 明吉野; 鼎士渡辺; 茂黒宮
Original assignee: Daido Hoxan Inc
Current assignee: Daido Hoxan Inc
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1996-10-16
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JPH01230226A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、真空室内、特に真空化学エピタキシー
（VCE）系において、化合物半導体層を成長させる半導
体製造装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、化合物半導体、特にIII−Ｖ族化合物（例えばG
aAs）が、従来の珪素半導体よりも優れた性能を有する
としてその需要が増大している。このような化合物半導
体の製造方法として、超高真空中で、エピタキシヤル成
長させる化合物に必要な原子を固体材料からヒートガン
によつて蒸発させ、これを分子線の形で基板に衝突さ
せ、基板上に膜を成長させる分子線エピタキシヤル
（〔MBE〕Molecular Beam Epitaxy）法や、金属のメチ
ルまたはエチル化合物の蒸気をH₂等のキヤリアガスで送
つて常圧ないし減圧の反応室に導入し、そこでＶ族の水
素化合物と混合したのち、加熱した基板上で反応させ結
晶を成長させる有機金属CVD（〔MOCVD〕Metalorganic C
hemical Vapor Deposition）法等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のうち、分子線エピタキシヤル法
は、大量生産が難しく市場の需要に見合うだけの供給を
することが困難であるという問題点を有している。ま
た、有機金属CVD法は、生産能力は上記分子線エピタキ
シヤル法よりも高いが、使用する反応ガスが高価で、か
つ、その成長機構のために反応ガスの利用効率が悪くな
るという問題を有している。そのため、高価格を問題と
しないような特殊用途以外に使用することは困難であ
る。また、上記有機金属CVD法は、上記のように反応ガ
スの利用効率が悪いことから大量の未反応ガス（毒性ガ
ス）を生じるうえ、さらに蒸気圧の低いIII族化合物を
ガス化し搬送する目的で、大量に用いるH₂等のキヤリア
ガスが上記未反応ガスに加わるため大量の毒性廃ガスを
生じ、これの廃棄等に大きな問題を有している。このよ
うな有機金属CVD法による従来の装置は、第11図に示す
ようになつている。すなわち、真空室１内に配設された
ヒータ２の上に基板３を載置し、この基板３に向けて真
空室１内の上部側に配設されたノズル４から半導体成長
用のガス状化合物を矢印Ａのように吐出するようになつ
ている。この装置は、１回の処理ごとに容積の大きな真
空室１に半導体成長用のガス状化合物（反応ガス）を充
満させ、処理後にそれを廃棄するため、廃棄ガス中に半
導体成長に関与していない未反応ガスがかなり多量に含
まれており、反応ガスの利用効率が悪い。また、上記装
置は、基板３をヒータ２の上に載せ基板３を下側から加
熱するため、基板３の上方で矢印Ｂのような熱対流が生
じるとともに、ヒータ２によつて加熱された基板３から
放散される熱が基板３の上面近傍で矢印Ｃのように生じ
る。その結果、ノズル４から吐出されるガス状化合物が
上記矢印Ｂの熱対流，矢印Ｃの放散熱により押し上げら
れてその流れが乱されるため、基板３の上面に均一な膜
成長が行われなくなる。したがつて、上記装置には、得
られる半導体膜（半導体層）の表面を平滑に仕上げるこ
とが困難であるという大きな欠点がある。この欠点は、
上記矢印Ｂの熱対流によつて基板３面に到達しえず空中
で接触反応して生成したGa・As粒子フラツグが空間を浮
遊しランダムに半導体膜に付着するということにより助
長される。さらに、上記装置では、供給するガスの種類
を変える場合は、上記ノズル４に連結された複数のガス
供給管のバルブ5,6,7を切り替えるようになつている。
そのため、複数の種類の異なる半導体層を形成する場
合、バルブ5,6,7の切り替えを頻繁に行わなければなら
ず作業性が悪いという問題がある。また、ノズル４内
に、直前に使用した化合物が残留してこれが不純物とな
り良質の半導体を得にくいという問題も有している。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、
上記MBEとMOCVDの長所を組み合わせることにより、半導
体層表面が平滑で良質の半導体を、効率よく生産できる
半導体製造装置の提供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体装置
は、10^-6トル以下の真空度に設定しうる真空室内に、底
板とその外周縁部から起立する周壁とこの周壁で囲われ
た空間を蓋する上板とからなり上記真空室内に設けられ
る反応室と、この反応室に第１の反応ガスを供給する第
１の反応ガス供給手段と、基板を上記反応室内の空間に
接した状態で保持するように上記上板に設けられる基板
保持部と、上記反応室の周壁もしくはこの周壁と上板と
の間に設けられる反応ガス排出路と、上記上板の上方に
設けられる加熱手段と、上記反応室の底板に分布形成さ
れる多数のノズル孔と、この反応室の下側に一体的に設
けられる第１の混合室と、端部が上記第１の混合室の壁
面に開口し第１の混合室に第２の反応ガスを注入する第
２の反応ガス注入管と、上記反応室の底板に形成された
多数のノズル孔のうちの複数のノズル孔にそれぞれ連通
するように上記第１の混合室の天井部に設けられる複数
の第１の孔と、上記第１の混合室の下側に一体的に設け
られる第２の混合室と、端部が上記第２の混合室の壁面
に開口し第２の混合室に第３の反応ガスを注入する第３
の反応ガス注入管と、上記第２の混合室の天井部に形成
された複数の第２の孔と、この第２の孔からそれぞれ上
記反応室の底板の未連通の複数のノズル孔に延び両孔を
連通するダクトと、上記第１および第２の混合室の少な
くとも一方の外周面に巻装される冷却用ジヤケツトと、
上記冷却用ジヤケツトに冷媒を供給する冷媒供給手段と
を備えた反応ブロツクが設けられているという構成をと
る。

〔作用効果〕

すなわち、この発明の半導体製造装置は、真空室を10
^-6トル以下という高度な真空にして反応ガス分子の平均
自由行程を大きくしガス分子を分子線として基板に効率
よく衝突させると同時に、真空室内に、真空室より小容
量の反応室を新たに設け、この反応室に基板を入れ、そ
の状態で反応室に反応ガス供給手段から反応ガスを供給
して半導体層の成長を行わせるため、反応ガスの利用効
率が大幅に向上するようになる。また、この装置は、真
空室が、10^-6トル以下という高度な真空になつていて蒸
気圧の低いIII族化合物でもそのままガス化して使用で
きるため、III族化合物のガス化ならびに搬送用のキヤ
リアガスが不要になる。そのため使用後のガスの廃棄処
理も少量ですむようになる。そのうえ、反応室を構成す
る上板に基板を保持させ、かつ反応室の底部に反応ガス
吐出部を設けるとともに反応室の上板の上方にヒータを
設け、反応室内に吐出された反応ガスが熱対流等により
影響を受けないようにしているため、極めて表面平滑性
に富んだ半導体層を形成できるようになる。特に、この
発明の半導体製造装置は、反応室の下側に第１および第
２の混合室を設け、これらの混合室から異なる流路で反
応室に反応ガスを注入するようにしているため、種類の
異なる反応ガスを同時に使用でき、使用方法の多様化を
実現できると同時に、従来のような煩雑なバルブ切換を
不要化でき、かつノズル内残留ガスによる不純物汚染の
問題も解消しうるようになる。そのうえ、この発明の装
置は、混合室に冷却用のジヤケツト等を設けてそれに冷
却水等を送り反応ガスを適正温度に冷却できるようにし
ているため、装置の連続使用等により装置全体の温度が
上昇しても、反応ガスの温度が異常に高くなることがな
い。そのため、異常高温にもとづく反応ガスの早期反応
を防止できるようになる。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明す
る。

〔実施例〕

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例の半導体製
造装置を示している。これらの図において200は真空化
学エピタキシー（Vacuum Chemical Epitaxy）系におけ
る真空室であり、その真空室200内に反応室10が設けら
れている。この反応室10は、四角板状の底板12と、その
四角板状の底板12の四方の周縁部から上方に向かつて延
びる周壁16と、その周壁16の上端に一方向へのスライド
自在な状態で載置される上板18とで構成されている。こ
の上板18には、その中央部に２個の穴部18aが設けら
れ、この穴部18aに、それぞれ円板状のGaAs基板300が、
表面を下側にして穴部18aの内周縁に設けられた段部18b
に指示され着脱自在に取付けられている。上記上板18
は、その左右両側縁が下方にわん曲していて、そのわん
曲部が、上記四方の周壁16のうちの相対峙する左右一対
の周壁16の内側に設けられたスライド段部16aに支持さ
れることにより、真空室200に連設された基板着脱室50
（第４図参照）に向かつてスライドできるようになつて
いる。第４図において、51は基板着脱室50から弁52を開
いて真空室200内に延びるマジツクハンドで、上記上板1
8のわん曲部を挟んだ状態でスライド移動し、上板18を
反応室10に適正に着脱する。53は弁52を開く前に基板着
脱室50を真空室200と同程度の真空状態にする真空ポン
プである。上記反応室10の周壁には、外周に沿つて所定
間隙で排気口20が設けられ、反応室10内の未反応ガスな
いし余剰反応ガスを真空室10に排出するようになつてい
る。これら排気口20の全体の面積は反応室10の上板18の
面積の略４％に設定されている。14はそれぞれ床板12に
おける上記基板300の真下の位置に一定間隔（25.4mm）
で、かつ上記基板300に対して垂直になるように穿設さ
れた直径3.2mmのノズル孔（上側が大径になつている）
であり、反応室10の下方に配設された第１の混合室24の
天井部に穿設されている孔26または34に連通している。
この孔26および34は第５図に示すように、同数個が交互
に配設されており、孔26は第１の混合室24内に挿通し、
孔34は第１の混合室24内を貫通しているダクト32を介し
て混合室24の下側に設けられた第２の混合室30に連通し
ている。第１の混合室24内には第２図に示すように、側
壁を貫通して原料注入管22が連通しており、この原料注
入管22からトリメチルガリウム（TMGa）やトリエチルガ
リウム（TEGa）等のIII族化合物（反応ガス）が第１の
混合室24に送り込まれ、また、ｎ型ならびにｐ型ドーパ
ントが単独でもしくは上記III族化合物とともに第１の
混合室24に送り込まれるようになつている。この化合物
等は、第１の混合室24内で均一に混合されたのち孔26お
よびノズル孔14を通つて、上方に配設されている基板30
0に向かつて均一な分布状態で吐出される。また、第２
の混合室30は、下部側に開口を有し、その開口に、その
開口を開閉するためのポペツト弁からなる排気弁36が進
退自在に設けられている。そして、上記第２の混合室30
の側壁には、原料注入管28が連結されている。この原料
注入管28からｎ型,p型ドーパントもしくはトリエチルア
ルミニウム（TEAl）等のIII族化合物等が第２の混合室3
0に送り込まれるようになつている。上記III族化合物は
第２の混合室30およびダクト32内で均一状態に混合され
たのち、孔34を介してノズル孔14から基板300に向けて
均一な分布状態で吐出される。なお、上記ダクト32は、
第１の混合室24内において、反応ガスの流通抵抗になり
撹拌作用を奏するため、第１の混合室24内における反応
ガスの混合性の向上に寄与する。上記第１および第２の
混合室24,30は一体的に形成されたステンレス鋼製のブ
ロツクでできており、その外周面には、両混合室24,30
にまたがつた状態でステンレス鋼製の冷却水ジヤケツト
500が巻装され、ステンレス鋼製の冷却水パイプ500aか
ら冷却水の供給を受けるようになつている。上記冷却水
パイプ500aの冷却水は、ポンプ（図示せず）の圧力で冷
却水ジヤケツト500内に送入され、両混合室24,30を外周
面から冷却したのち排水パイプ（図示せず）から排水さ
れる。この冷却水の冷却により、連続操業等により両混
合室24,30が異常高温になるという事態の発生が防止さ
れる。そして、上記両混合室24,30は、ステンレス鋼製
の支持体40で支持されている。42はAsH₃等のＶ族化合物
を反応室10内に供給するための供給管であり、第５図の
ように底板12上の、孔26,34を左右同数に２分割する位
置に配設されている。そして、この供給管42には複数個
の孔42aおよび孔42bがそれぞれ一定間隔を保つた状態で
左右２列に穿設されている。これにより、上記Ｖ族化合
物が反応室10内に均一な分布状態で供給される。44は反
応室10の上板18の上方に配設されたヒータ,44cは均熱板
であり、基板300を上方から主として輻射熱で加熱する
ことにより、基板300を、その表面で半導体化合物が成
長できる温度まで加熱すると同時に、その加熱により、
熱対流等の影響を受けることなく半導体層が基板300の
表面に均一に成長しうるようにしている。上記ヒータ44
は第１図（ｂ）に示すように板状カーボングラフアイト
に筋状切り込み44aを交互に設け、両端に電極44bを取り
付けて構成されている。このヒータ44は面状に均一加熱
可能であるが、ヒータ44の下側に設けられた均熱板44c
により、面状加熱の一層の均一化がなされるようにな
る。

動作において、MESFETエピタキシー層の成長形成に
は、第１図のように反応室10に基板300（表面が下側に
なつている）付きの上板18を装着し、ついで真空室200
内を、真空度が10^-7トルの真空状態にするとともに、ヒ
ータ44に電荷を負荷してヒータ44を発熱させ雰囲気温度
を650℃に加熱する。その状態で、基板300を、略15分間
加熱する。ついで反応室10の原料注入管22からトリメチ
ルガリウム（TMGa）やトリエチルガリウム（TEGa）等の
III族化合物を第１の混合室24内に送り込み混合室24内
で均一状態に混合したのち、ノズル孔14から基板300に
向けて均一な分布状態で吐出させると同時に、供給管42
に、AsH₃またはアルキルアルシン等のＶ族化合物、例え
ばトリエチルアルシン（TEAs）を送り込み、これを孔42
aおよび孔42bから反応室10内に過剰に吐出させる。その
結果、反応室10内に供給されるＶ族化合物は、上記III
族化合物等とともに基板300の表面を横切つて排気口20
の方へと拡散しながら流れていく。その間に、AsH₃やTE
Asは熱分解してAs₂になり、基板300の表面に、上記ガリ
ウム化合物のガリウムとともに、接触し、無ドープの砒
化ガリウム（GaAs）層等として成長する。また、基板30
0に接触しない未反応の化合物は、排気口20から外部に
排出され、真空室200の側方に、排気手段によつて吸い
込まれる。上記GaAs層は、毎時略２μｍの成長速度で成
長させることが好ましく、厚みを略10⁴Åに形成させる
ことが好適である。この場合、上記無ドープGaAs層内の
不純分の濃度は１×10¹⁵原子/cm³以下になるように設定
することが好ましい。つぎに、ｎ型ドーパントを上記II
I族,V族化合物とともに、もしくは単独で第２の混合室3
0から反応室10に吐出させることにより、上記無ドープG
aAs層の表面にｎ型活性層を成長させる。このｎ型活性
層は、毎時略２μｍの成長速度で成長させることが好ま
しく、その厚みが２×10³Åで、その中のｎ型ドーパン
トの濃度が略２×10¹⁷原子/cm³になるようにすることが
好適である。これらの操作過程において、第１および第
２の混合室24,30は、冷却水ジヤケツト500の冷却水によ
り適正温度に保持される。そののち、ガスの供給をすべ
て停止した状態で略15分保持する。そして、基板300を
冷却したのち反応室（真空室200）10から取り出す。こ
の取り出しは、つぎのようにして行われる。すなわち、
基板着脱室50内の真空度を真空室200と同程度に高め、
ついで弁52を開き、マジツクハンド51を延ばして反応室
10の上板18（基板300を有する）を把持させ、その状態
でマジツクハンド51を後退させ、上板18をスライドさせ
て反応室10の周壁16から取り外し基板着脱室50内へ収容
するということにより行われる。そして、取り出された
基板300には、既知の手段によつて、信号源電極，ドレ
ーン電極およびゲート電極が設けられる。このようにし
て、均一なMESFET半導体層を有するIII−Ｖ化合物半導
体を得ることができる。

第６図ないし第８図は、この発明の他の実施例の連続
半導体製造装置を示している。すなわち、この装置は、
円形の真空室200内を３個の帯域100a,100b,100cに区分
し、各帯域100a,100b,100cに前記と同様の反応室10およ
び第1,第２の混合室24,30等からなる反応ブロツクを設
けている。そして、上記両混合室24,30は、前記と同
様、冷却水ジヤケツト500で適正温度に冷却されるよう
になつている。これらの反応室10の上板18は、真空室20
0と略同寸法の回転円板61（第８図参照）において、各
反応室10に対応する部分に形成されたアーチ状切欠部60
に着脱自在に装着される。すなわち、上記上板18は上記
アーチ状切欠部60と略同形状をしていて、上記アーチ状
切欠部60の内周縁に形成された段部により着脱自在に支
持される。上記上板18を保持する回転円板61は、１回の
作業終了ごとに、真空室200の中心に設けられた回転軸4
00を中心にゆつくり回転し、各反応室10の上板18を回転
方向側に位置する次の反応室10に移動させるようになつ
ている。なお上記各反応室10の周壁16には外周に沿つて
所定間隔で排気口20が設けられている。そして、上記各
反応室10の作用は、基板着脱室50に近い帯域100aの反応
室10が基板300の予熱，冷却用で、帯域100bの反応室10
が無ドープ層成長用で、帯域100cの反応室10がｎ型活性
層の成長用である。

動作において、各帯域100a,100b,100cの上板18にそれ
ぞれ４個の基板300を表面を下側にして配設し、１日２
交替の作業を行うことにより、１週間に1152個の半導体
を製造することができる。これを第９図のMESFETエピタ
キシー層の成長プロセスのチヤートおよび第２図を用い
てより詳しく説明する。まず、真空室200内を、真空度
が10^-7トルの真空状態にするとともに、ヒータ44に電荷
を負荷してヒータ44を発熱させ雰囲気温度を650℃に加
熱する。その状態で、基板300が取り付けられた上板18
を、基板着脱室50からマジツクハンド51を延ばして第１
の帯域100aに対応する回転円板61のアーチ状切欠部60に
取付け、そこで略15分間加熱する。ついで基板300を上
板18ごと回転させて第２の帯域100bの反応室10に移動さ
せる。そこで、前記の装置と同様、トリメチルガリウム
（TMGa）やトリエチルガリウム（TEGa）等のIII族化合
物を第１の混合室24内に送り込み混合室24内で均一状態
に混合したのち、ノズル孔14から基板300に向けて均一
な分布状態で吐出させる。これと同時に、供給管42に、
AsH₃またはアルキルアルシン等のＶ族化合物、例えばト
リエチルアルシン（TEAs）を送り込み、これを孔42aお
よび孔42bから反応室10内に過剰に吐出させる。これに
より基板300の表面に無ドープの砒化ガリウム（GaAs）
層を成長させる。つぎに、上記処理を終えた基板300を
上板18ごと第３の帯域100cの反応室10に移動させる。そ
こで、ｎ型ドーパントを、III族化合物とともに、第１
の混合室24から反応室10に吐出させるか、または単独で
第２の混合室30から反応室10に吐出させることにより、
上記無ドープGaAs層の表面にｎ型活性層を成長させる。
そののち、上記III族化合物等のガスの供給をすべて停
止した状態で略15分保持する。そして、さらに、上板18
を回転させて上記の処理を終えた基板300を第１の帯域1
00aの反応室10に戻し、そこで冷却したのち上板18ごと
基板着脱室50へマジツクハンド51により取り出す。この
装置では、上記の操作を繰返すことにより連続的に半導
体を製造することができる。この場合、冷却水ジヤケツ
ト500の作用により、連続操業による両混合室24,30の異
常上昇が防止され常時適正温度に保持される。このよう
にして連続操業する場合には、上記装置の各反応室10で
は同時に、各反応室10に課された処理がなされることと
なる。このような一連の処理に要する時間は、第１帯域
100aでの加熱，冷却にそれぞれ略15分、第２帯域100bで
の無ドープ層成長に略30分、第３帯域100cでのｎ型活性
層の成長に略15分、無成長期間（ガス状化合物等の供給
なし）に略15分かかり、合計で略1.5時間となる。した
がつて、12個の基板300の製造に対して1.5時間を要し、
これを１日２交替で連続運転すると、１週間で1152個の
半導体を製造することができることになる。

次に、第10図にHEMTエピタキシー層の成長プロセスの
チヤートを示す。すなわち、上記の方法と同様の方法に
おいて、第２および第３の帯域100b,100cで、第２の混
合室30（第７図）からトリエチルアルミニウム（TEAl）
等のAlを含有するIII族化合物を供給することによりHEM
Tエピタキシー層を成長させることができる。この場
合、まず、上記方法と同様、基板300を、第１の帯域100
aで加熱したのち、第２の帯域100bでガス状のIII族およ
びＶ族化合物を用いて、ドーパントの濃度が１×10¹⁵原
子/cm³以下で、厚みが略10⁴ÅのGaAs層を成長させ、さ
らに上記ガスに加えて、Al含有化合物を第２の混合室30
から吐出させ、上記GaAs層の表面に、厚みが30〜100Å
で、無ドープのAl_ZGa_1-ZAsを成長させる。さらに、第３
の帯域100cで、上記ガス等に加えてｎ型ドーパントを吐
出させ、上記Al_ZGa_1-ZAs層の表面に厚みが500Åのn⁺型A
l_ZGa_1-ZAs層を成長させる。この場合、上記の数Ｚは0.1
〜0.9、好ましくは0.2〜0.3である。そののち、第２の
混合室30の原料供給管28に設けられた排出弁（図示せ
ず）を閉じることによつて、上記ガス等のうちのAl含有
化合物の供給を止め、ｎ型ドーパントを含有する厚みが
略10³Åのｎ型GaAs層を成長させる。そして、上記と同
様、表面に半導体層が形成された基板300を第１の帯域1
00aで冷却したのち、半導体製造装置の外部に取り出し
信号源電極等を付す。このようにして、HEMT半導体を得
ることができる。この場合に要する時間も上記の方法の
場合と同様である。

なお、上記の装置において、ノズル孔14から基板300
までの距離を、その真空状態でのIII族化合物のガス分
子の平均自由行程（ガス分子が他の分子と衝突して反応
するまでに進む距離）よりも短く、かつ基板300の表面
への化合物の分散状態が均一になるように設定してお
く。これをより詳しく説明すると、各ノズル孔14から上
方に逆向き円錐状に拡散していくIII族化合物等の先端
に形成される各円が互いに交わる位置に基板300を配設
しておくとともに、基板300に到達するガス分子の分布
状態およびその衝突速度が、ガス分子が基板300の表面
に適当な速度で成長するために充分であるように設定し
ておく。または、予め設定されたノズル孔14から基板30
0までの距離に対応させて、真空室200内の真空度やガス
状化合物の吐出速度を調節したり、孔26,34およびノズ
ル孔14の個数，直径等を調節する。これにより、規定厚
み±５％の範囲内の厚み、より好ましくは規定厚み±１
％の範囲の厚みを有する半導体層を得るようにする。ま
た、TEGaおよびAsH₃等からGaAsを得る場合の反応速度
は、一般に、基板300の温度が高いほど早く進行するよ
うになつているが、基板300の温度があまり高すぎると
層状に形成されたものが再蒸発し層成長速度を低下させ
る。このため基板300の温度は500〜700℃が好ましく、
特に好ましいのは600〜650℃である。また、反応室10内
の真空状態は10^-6トル以下でなければならない。その
外、TEGaおよびAsH₃等の速度，基板300の温度等の種々
の条件の関係を下記の式（１），（２），（３）で表す
ことができる。

この式（１）において、ｆは横下に示す化合物のビー
ム流束、Ｆはその流量、Ａは成長域面積、ａは排気口20
の面積である。この排気口20の面積ａは、成長域面積Ａ
の４％程度であることが好ましく、４％を越すとＶ族化
合物が外部に過剰に排出され反応室10内での分布状態が
均一でなくなる。そのため、得られる半導体層の均一性
が悪くなる。また、４％以下になると、Ｖ族化合物の反
応室10内部から外部への流れが悪くなりIII族化合物の
利用効率が低下し効果的な半導体層の成長が得られなく
なる。この式（１）はAs₂とGaの密度比が、成長域面積
Ａと排気口20の面積ａの比およびAsH₃とTEGaの流量比と
の積に比例することを示している。

λ＝kTV_b/πd_a ²V_hP. ……（２）この式（２）において、λはIII族化合物の平均自由
行程、d_aは基板300に衝突する分子の平均直径、Ｔは温
度、V_bはノズル孔14から吐出されるIII族化合物の線分
子の速度、V_hは基板300の近傍で加熱されたＶ族化合物
の分子の速度を示している。この式（２）により反応室
10の形状を適正に設定することができ、ノズル孔14と基
板300との間の距離は、III族化合物の平均自由行程λよ
りも小さく、かつ基板300の表面でＶ族化合物が均一に
分布されるような距離にしておくことが重要である。

つぎに、反応室10内の中央部から排気口20までの間の
圧力低下は、排気口20を挟んだ反応室10内と室外との圧
力差に比較して小さくなるようにしなければならない。
例えば反応室10の長さと幅が同じ場合であれば、反応室
10内においてその中央部から側壁側までのコンダクタン
スCaと、上記反応室10の外部のコンダクタンスCoとの比
は下記の（３）式で表される。

C_a/C_o＝4h²/a ……（３）この式において、ｈはノズル孔14から基板300までの
距離、ａは排気口20の面積を示している。この関係にお
いて、Ca/Coが４になることが好ましい。すなわち、反
応室10内での圧力変動は略25％以下であることが好まし
い。さらに、この反応室10内に吐出されるＶ族化合物
は、この反応室10内の圧力変動に影響されないように過
剰に供給することが好ましい。その場合でも従来の有機
金属CVD法と比べてその使用量は1/20程度ですむ。

このように、この半導体の連続製造装置は、真空室20
0内を３個の帯域100a,100b,100cに区分し、その各帯域1
00a,100b,100cに配設した反応室10に基板300を順次移動
させながら連続的に異なる処理を行えるようになつてい
る。そのため、効率のよい生産ができる。また、それぞ
れの帯域100a,100b,100cに反応室10が設けられ、その反
応室10内で基板300の処理がなされるため、反応ガスを
有効に使用できるうえ、各帯域100a,100b,100cの反応室
10でそれぞれ異なる化合物を使用することができる。し
たがつて、反応ガスの利用効率の向上を実現できるとと
もに、異種の化合物が他の化合物に不純物となつて混入
することにより、半導体層の品質が低下するという事態
の発生が防止できる。

なお、上記実施例において、反応室10を円筒形にする
とともに、各上板18もそれに合わせて円形にして独自に
各反応室10に移動できるようにし、かつ各上板18をその
反応室10の中心を軸としてゆつくり回転させるようにす
るようにしてもよい。これにより、半導体層を一層均一
状態に形成しやすくなる。また、上記の実施例では、反
応室10の周壁16に排気口20を設けているが、周壁16に排
気口20を設けず、周壁16と上板18との隙間を排気路にす
るようにしてもよい。また、上記装置は、反応室10とし
て、同形の装置を３個用いるようにしているが、これに
限定するものではなく、さらに多くの反応室を加え処理
工程を増加させて多層状の半導体を製造したり、加熱と
冷却を別の装置で行つてもよい。また、基板300の各反
応室10への移動は、上記実施例のように、回転円板61の
回転により上板18を回転させて行うことに限定するもの
でなく、上板18および混合室は固定しておき、底板12を
周壁16ごと、次の反応室へ移動させて行うようにしても
よい。さらに、第１の帯域100aで用いる反応室10は、ノ
ズル等を設けなく、単に加熱および冷却ができる室とし
て構成してもよいし、他の帯域100b,100cの反応室10も
そこで行われる処理に対応して混合室を１個にしたり、
さらに下方に追加して３個にするなど変形させてもよ
い。また、上記実施例の装置および第１図の装置におい
て、混合室を追加する場合、排気弁36は最下段の混合室
に設けるか、またはそれぞれの混合室に設けるようにし
てもよい。また、上記実施例の装置および第１図の装置
では、混合室24と30を隔離した室とし、それぞれの混合
室に連通したノズル孔14から異なる原料ガスを反応室10
に送るようになつているが、混合室24および30を孔等に
より連通させ、それぞれの原料注入管22,28から送られ
てくる原料ガスを混合室24内で混合したのち反応室10に
送るようにしてもよい。

以上のように、上記実施例の装置および第１図の装置
は、共に、一個の反応室10にそれぞれ２個の混合室24,3
0を設けているため、複数の異なる化合物をそれぞれの
ノズルから吐出でき使用方法を多様化することができ
る。さらにヒータ44を上板18の上方に配設し、上方から
基板300を加熱するとともに、半導体成長用のガス状化
合物を基板300の下方から基板300に向かつて上向きに吐
出させるため、ヒータ44の発熱による気体の対流に左右
されず適正な処理ができ、効果的に良質の半導体層を均
一に成長させることができる。さらに、未反応のガス状
化合物を排出口20から反応室10の外部に排出することに
より、反応室10内に一定の流速の化合物の流れを生じさ
せるようになつているとともに、混合室24,30に連通す
る複数個のノズル孔14を２分割する位置に供給管42を配
設しているため、基板300の表面に均一状態でＶ族化合
物等を送ることができIII−Ｖ族化合物からなる半導体
層を均一な状態で成長させることができる。また、上記
両装置は、混合室24,30に冷却用のジヤケツト500を設け
て冷却水を送り反応ガスを適正温度に冷却できるように
しているため、装置の連続使用等により装置全体の温度
が上昇しても、反応ガスの温度が異常に高くなることが
ない。そのため、異常高温にもとづく反応ガスの早期反
応を防止できるようになる。なお、第１図の装置は、第
２の混合室30に排気弁36を設けているためガス状化合物
の基板300への断続的な供給も可能になる。また、上記
両装置において、TEAsは毒性が少ないため、これをＶ族
化合物として使用すると使用後の処理が容易である。さ
らに、キヤリアガスを用いないため使用ガスが少量にな
り、廃棄等の処理が容易になる。

【図面の簡単な説明】第１図（ａ）はこの発明の一実施例の半導体製造装置を
示す縦断面図、第１図（ｂ）はそのヒータの平面図、第
２図は第１図（ａ）の要部の拡大図、第３図はさらにそ
の反応室の斜視図、第４図は基板供給装置を含めた平面
的断面図、第５図は反応室のノズル孔および供給管の分
布状態を示す平面図、第６図はこの発明の他の実施例の
連続半導体製造装置を示す平面図、第７図はそのＡ−
Ａ′における縦断面図、第８図はその回転円板ブロツク
の平面図、第９図はMESFETエピタキシー層の成長プロセ
スのチヤート図、第10図はHEMTエピタキシー層の成長プ
ロセスのチヤート図、第11図は従来例の断面図である。 10……反応室、12……底板、14……ノズル孔、16……周
壁、18……上板、18a……穴部、18b……段部、20……排
気口、22,28……原料注入管、24,30……混合室、26……
孔、32……ダクト、36……排気弁、42……供給管、42a,
42b……孔、44……ヒータ、44c……均熱板、100a,100b,
100c……帯域、200……真空室、300……基板、500……
冷却水ジヤケツト、500a……冷却水パイプ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】10^-6トル以下の真空度に設定しうる真空室
内に、底板とその外周縁部から起立する周壁とこの周壁
で囲われた空間を蓋する上板とからなり上記真空室内に
設けられる反応室と、この反応室に第１の反応ガスを供
給する第１の反応ガス供給手段と、基板を上記反応室内
の空間に接した状態で保持するように上記上板に設けら
れる基板保持部と、上記反応室の周壁もしくはこの周壁
と上板との間に設けられる反応ガス排出路と、上記上板
の上方に設けられる加熱手段と、上記反応室の底板に分
布形成される多数のノズル孔と、この反応室の下側に一
体的に設けられる第１の混合室と、端部が上記第１の混
合室の壁面に開口し第１の混合室に第２の反応ガスを注
入する第２の反応ガス注入管と、上記反応室の底板に形
成された多数のノズル孔のうちの複数のノズル孔にそれ
ぞれ連通するように上記第１の混合室の天井部に設けら
れる複数の第１の孔と、上記第１の混合室の下側に一体
的に設けられる第２の混合室と、端部が上記第２の混合
室の壁面に開口し第２の混合室に第３の反応ガスを注入
する第３の反応ガス注入管と、上記第２の混合室の天井
部に形成された複数の第２の孔と、この第２の孔からそ
れぞれ上記反応室の底板の未連通の複数のノズル孔に延
び両孔を連通するダクトと、上記第１および第２の混合
室の少なくとも一方の外周面に巻装される冷却用ジヤケ
ツトと、上記冷却用ジヤケツトに冷媒を供給する冷媒供
給手段とを備えた反応ブロツクが設けられていることを
特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】上記反応室の底板に分布形成されたノズル
孔が、底板の裏面側から表面側にかけて逆向き円錐状に
形成されている請求項（１）記載の半導体製造装置。
【請求項３】10^-6トル以下の真空度に設定しうる真空室
内が、複数の帯域に区分され、この複数の帯域のうち一
つの帯域に、請求項（１）記載の反応ブロツクが設けら
れ、他の帯域のそれぞれに、上記反応ブロツクと同一の
反応ブロツクもしくは構成の異なる他の処理ブロツクが
設けられ、基板が、上記真空室内の各帯域を順次移動し
ながら連続的に処理されるようになつている請求項
（１）記載の半導体製造装置。