JP3163343B2

JP3163343B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP3163343B2
Application number: JP23971992A
Authority: JP
Inventors: 健治奥村; 宣典大森; 秀彦奥; 芳久藤崎; 芳賀　　徹; 敏光宮田
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JPH06132223A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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III−Ｖ族化合
物半導体層を形成させる半導体製造装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、化合物半導体、特にIII −Ｖ族化
合物（例えばＧａＡｓ）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、
エピタキシャル成長を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って蒸発させ、これを分子線の
形で基板に衝突させて結晶膜を成長させる分子線エピタ
キシー（ＭＢＥ）法や、金属のメチルまたはエチル化合
物の蒸気をＨ₂等のキャリアガスで送って常圧ないし減
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）法等がある。

【０００３】しかしながら、上記ＭＢＥ法は、１０
^-11Ｔｏｒｒオーダーの超高真空が必要である、原料
再充填時にダウンタイムが発生する、均一成長を行う
ために基板回転機構が必要である、等の問題を有し、大
量生産が難しく市場の需要に見合うだけの供給を確保す
ることが困難である。また、上記ＭＯＣＶＤ法は、層
流領域でのプロセスであるため、流れ方向に分布を生じ
やすくスケールアップの際の流れの解析が困難である、
反応ガスが高価で、かつその成長機構のために反応ガ
スの利用効率が悪い、等の問題を有する。また、このよ
うに反応ガスの利用効率が悪いことから多量の未反応ガ
スに加わるため大量の毒性ガスを生じ、これの廃棄等が
大きな問題となっている。

【０００４】そこで、本出願人は、上記二つの方法を組
み合わせることにより、互いの欠点を解消し長所を活か
した半導体製造装置の開発に成功し、すでに出願してい
る（特願平１−９１６５１、平成１年４月１０日出
願）。この装置は、図５に示すように、全体がステンレ
ス製の略円筒体で、底部側がターボ分子ポンプ（図示せ
ず）に接続されて矢印Ａで示すように真空引きされて内
部が真空室１になっている。この真空室１には、天井か
らヒータ２が吊り下げ保持されており、さらにその下側
に均熱板２ａが取り付けられている。そして、上記均熱
板２ａの下側に、天板３と、周壁４と、底板５とからな
る反応室６が設けられており、上記天板３の中央に設け
られた開口７の段差部８に、基板９がホルダ１０を介し
て下向きに装着されている。また、上記反応室６の底板
５は、２種類の反応ガスを供給するマニホールドブロッ
ク１１の天板を兼ねており、底板５に形成された２種類
のガス吐出口１２，１３によって、反応室６内に２種類
の反応ガスが導入されるようになっている。すなわち、
上記底板５の下側には、第１の拡散室１４と、第２の拡
散室１５とを有するマニホールドブロック１６が取り付
けられており、第１の反応ガス供給配管１７から第１の
拡散室１４内に導入されるアルシン（ＡｓＨ₃）等の第
１の反応ガスは、フランジ１９によって周方向に拡散さ
れ、破線矢印で示すように底板５のガス吐出口１２から
反応室６内に供給されるようになっている。また、第２
の反応ガス供給配管１８から第２の拡散室１５内に導入
される第２の反応ガスは、邪魔板２０によって周方向に
拡散され、実線矢印で示すように底板５のガス吐出口１
３から反応室６内に供給されるようになっている。な
お、上記反応室６の上部周方向に形成される隙間Ｂは、
反応ガスの排気口として作用する。また、２１は反応室
６を冷却するための冷媒通路である。したがって、この
装置によれば、真空室１内を高真空状態にし、ヒータ２
をＯＮにして第１の反応ガス供給配管１７および第２の
反応ガス供給配管１８からそれぞれ目的とする半導体製
造に必要なガスを適宜供給することにより、基板９表面
に、均一な半導体薄膜結晶を形成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記半
導体製造装置では、マニホールドブロック１６内に、第
２の反応ガス通過用の細管１９を多数本（図５では略し
て示しあるが、実際には、例えば１０２本）立設し、し
かも、各細管１９が、反応室６の底板５に形成されたガ
ス吐出口１２（細管と同数、例えば１０２個）の開口内
に、それぞれ位置決めしなければならないため、その組
み立ておよびメンテナンスが非常に手間を要するという
問題がある。また、基板９の表面に半導体結晶の成長反
応を行う際、第１の反応ガス，第２の反応ガスの利用効
率も３０％と、従来のガスソースを使用する方式に比べ
て高いものの、連続成長による厚膜生成を含めた結晶成
長の全工程の短縮化、効率化のためには成長速度と原料
利用効率を更に高めることが課題とされている。

【０００６】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、構造が簡単で、しかも反応ガスの利用効率が
高く基板上での半導体結晶の成長速度が速い半導体製造
装置の提供をその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の半導体製造装置は、高度に真空になし得
る真空室と、上記真空室内に設けられ底板と周壁と天板
とからなる反応室と、上記反応室の天板に形成され基板
表面を反応室内に向けた状態で保持しうる段差付開口
と、上記反応室の底部側から反応室内に反応ガスを供給
する反応ガス供給手段と、上記反応室天板の開口に保持
された基板に裏面側から輻射熱を与える加熱手段とを備
えた半導体製造装置であって、上記反応室底板の、底板
中心を中心とする同一円周上に、複数のガス吐出口が等
配で形成され、これらのガス吐出口に、上記反応室底板
の下側に設けられた第１の反応ガス混合空間を経由して
第１の反応ガスが供給されるようになっており、かつ上
記反応室の側方から周壁を貫通し反応室内部の中央まで
延びる第２の反応ガス供給配管が配設され、この第２の
反応ガス供給配管の先端外周部に設けられた複数個のガ
ス吐出小孔から、反応室中央部に第２の反応ガスが供給
されるようになっているという構成をとる。

【０００８】

【作用】すなわち、この半導体製造装置は、従来、反応
室内に供給する複数の反応ガスは、いずれも反応室底板
のガス吐出口から反応室内に導入していたのに対し、第
１の反応ガスのみ反応室底板のガス吐出口から導入し、
第２の反応ガス供給配管を、直接反応室内中央に延ば
し、この配管の先端外周部の複数個のガス吐出小孔か
ら、配管の周方向に第２の反応ガスを吐出させるように
したものである。この装置によれば、反応ガス供給機構
が従来に比べて非常に簡単であるにもかかわらず、効率
よく反応ガスを利用することができ、基板上での半導体
結晶の成長速度も大幅に速くなることを見いだしこの発
明に到達した。

【０００９】つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳
細に説明する。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示している。こ
の半導体製造装置は、図５に示す装置と同様、真空室１
内に、ヒータ２と、均熱板２ａと、反応室６とが設けら
れ、上記反応室６の天板３の中央開口７の段差部８に、
基板９がホルダ１０を介して下向きに装着されている。

【００１１】そして、この装置では、上記反応室６の周
壁２０が、反応室６の底板２１の外周縁部から起立する
起立壁２２と、その上部に摺動自在に外嵌されるリング
状の摺動壁２３によって構成されている。上記摺動壁２
３は、真空室１の下面に取り付けられたシリンダ２４に
よって昇降する昇降ベース２５から直立する４本の支持
ロッド２６によって支受されている。したがって、上記
摺動壁２３は、上記シリンダ２４の作動に従って、起立
壁２２の外周に沿って矢印Ｂで示すように昇降し、下降
時に天板３と周壁２０との隙間が生じるようになってい
る。なお、上記摺動壁２３の下部には、環状に冷媒・熱
媒を通すジャケット部２３ａが形成されている。

【００１２】一方、上記反応室６の底板２１には、この
部分を上から見下ろした状態を示す図２に示すように、
４個のガス吐出口２７が等配に形成されており、各吐出
口２７に、フランジ付の第１の反応ガス連通管２８が内
嵌され、底板２１の下部に設けられたマニホールド３０
を介して、第１の反応ガスが、実線矢印で示すように導
入されるようになっている。なお、上記マニホールド３
０の内側は、上広がりの反応ガス混合空間に形成されて
おり、第１の反応ガスが均一に拡散して混合されるよう
になっている。そして、上記各吐出口２７と平面視で重
ならないよう、側方から第２の反応ガス供給配管２９
が、反応室６の起立壁２２を貫通して延びている。この
配管２９の先端面は閉じており、先端部外周面に、周方
向に複数個の小孔２９ａが形成されており、破線矢印で
示すように第２の反応ガスが供給されるようになってい
る。なお、マニホールド３０の下面には、環状に水ジャ
ケット３７が形成されており、水供給配管３８と水排出
配管３９とが連通されていて、反応終了後に即座にマニ
ホールド３０内を冷却することができるようになってい
る。

【００１３】また、上記底板２１の外周側には、１６個
の排気用孔３１が等配に形成されており、その下側に設
けられる反応室保持ベース３２，低摩擦スペーサ３３に
も同様の孔３１ａが形成されている。そして、マニホー
ルド３０に外嵌される上下フランジ付ガイドリング３４
の上フランジ３４′にも、上記と同様の孔３４ａが形成
されている。上記ガイドリング３４は、図３に示すよう
に、下フランジ３４″の外周部にギヤ歯が形成されて小
径ギヤ３５のギヤ歯と噛み合っており、この小径ギヤ３
５に、モータ等（図示せず）を介して回転駆動を与える
と、図示のように上記ガイドリング３４が周方向に回転
するようになっている。したがって、ガイドリング３４
を適宜の角度だけ回転させることにより、上フランジ３
４′に設けられた孔３４ａが、上記一連の排気用孔３
１，３１ａと重なって上下方向に貫通孔を形成したり、
あるいはこれを蓋して通気を遮断したりして反応室６か
らの排気量を調節することができるようになっている。
なお、上記ガイドリング３４は、低摩擦スペーサ３３′
を介してマニホールド下板３６によって下から支受され
ている。

【００１４】さらに、この半導体製造装置では、上記ヒ
ータ２の上部および前後左右の四側方が、断面コ字状に
成形された下向きの凹状の熱遮蔽板４０で囲われてい
る。この熱遮蔽板４０は、図４に示すように、８層構造
の積層板からなり、内側の４層４１がモリブデンで形成
され、外側の４層４２がステンレスで形成さている。こ
の構造によれば非常に保温性が高いため、ヒータ２の加
熱領域を限定し、基板９に対する熱効率を大幅に向上さ
せることができる。

【００１５】なお、上記熱遮蔽板４０（図１は戻る）
は、その上面が、真空室１の上面に取り付けられたシリ
ンダ４３のピストンロッドに連結されており、矢印Ｃで
示すように、昇降自在になっている。これは、上記熱遮
蔽板４０による熱効率を高くするために、その下端を反
応室６の天板３近傍まで接近させているので、基板９の
装着・取り出し（ローディング・アンローディング）時
に、天板３の上を側方から進退する基板保持用治具（図
示せず）と当たらないよう考慮したもので、基板９の装
着・取り出し時には上記シリンダ４３の作動により、上
記熱遮蔽板４０が鎖線で示す位置まで上昇し治具の進退
が妨げられないようになっている。

【００１６】また、真空室１の周壁の内側には、上記熱
遮蔽板４０と同一材質の積層板からなる熱遮蔽筒４５が
設けられており、ヒータ２の熱が真空室１の周壁に伝達
しないよう工夫されている。さらに、上記熱遮蔽筒４５
の内側には、液体窒素が流入するリング状のジャケット
４６が設けられており、このジャケット４６の外周に接
した状態で直立するステンレス板４６ａを冷却して真空
室１の周壁への熱伝導が完全に遮断されるようになって
いる。そして、このジャケット４６およびステンレス板
４６ａの冷却された内周面によって、ガス交換後に真空
室１内に残留する不純ガスを捕捉することができる。

【００１７】このように、この装置は、第１の反応ガス
を、反応室６の底板２１に形成した４個のガス吐出口２
７から反応室内に導入し、第２の反応ガスを、反応室６
の側方から延ばした一本の配管によって反応内に導入す
るという、極めて簡単な構造で２種類の反応ガスを供給
できるようになっている。このため、反応室６の製造コ
ストを低く抑えることができ、また組み立ておよびメン
テナンスに煩雑な手間を要しないという利点を有する。
そして、この反応ガス供給機構によれば、従来ガスの利
用率が３０％程度であったところ、これを約５０％にま
で引き上げることができ、これがゆえに基板９の表面で
の結晶成長速度を大幅に速めることができた。しかも、
この装置では、ヒータ２の周囲が熱遮蔽板４０で覆われ
ており、反応室６からのガス排出量が摺動壁２３の高さ
と排気孔３１の開度で調節され、かつ反応室６の周壁の
一部を構成する摺動壁２３内のジャケット部２３ａに熱
媒が導入されるようになっているため、反応室６内を適
宜の温度および圧力に設定することができる。したがっ
て、第１の反応ガスと第２の反応ガスとを交互に供給し
て半導体結晶を１原子層ずつ交互に成長させる原子層エ
ピタキシ（ＡＬＥ）法において、第１の反応ガスを供給
した上で、応答性よく目的とする反応条件を反応室６内
に実現することができ、第１の反応ガスに由来する１原
子層の半導体層を精度よく製造することができる。そし
て、反応終了後には、上記ジャケット部２３ａおよびマ
ニホールド３０下部の水ジャケット３７に冷媒（水）を
導入することにより、反応室６およびマニホールド３０
を瞬時に冷却するとともに、上記反応室６の周囲の摺動
壁２３を下降させて天板３との隙間を大きく開けて排気
を瞬時に行うことができる。このため、つぎに第２の反
応ガスを供給すると、反応室６内は、即座に第２の反応
ガスと置換され、第１の反応ガスが残留することがな
い。そこで、再び摺動壁２３を上昇させて反応室６の天
板３との隙間を適宜の間隔に絞るとともに、排気孔３１
の開度を調整し、反応室６に対する加熱を行うことによ
り、第２の反応ガスに由来する１原子層の半導体層を精
度よく製造することができる。これを交互に繰り返すこ
とにより、非常にきれいな層界面を有する超格子構造か
らなる半導体を得ることができる。より詳しく説明する
と、前記図５の装置では、成長に必要な原料ガスを同時
に導入する通常の成長しか考慮しておらず、この反応室
で通常の連続成長とＡＬＥ成長を併用する場合、その複
雑な構造のため、ＡＬＥ成長の際、反応ガスの切り替え
時のガス置換に時間を要し、多数回成長に時間がかかる
という問題がある。本発明の実施例によれば、これらを
解決することができる。また、前記図５の装置の成長速
度はかなり大きく、反応ガスの利用効率も３０％と、従
来のガスソースを使用する方式に比べて高いものの、連
続成長による厚膜成長を含めた結晶成長の全工程の短縮
化、効率化のためには成長速度と原料利用効率を更に高
めることが課題とされている。本発明の実施例によれ
ば、これらを解決することができる。

【００１８】なお、上記実施例では、第１の反応ガスを
供給するために、反応ガス６の底板２１に、４個のガス
吐出口２７を形成しているが、このガス吐出口２７の個
数は４個に限らず、適宜の複数に設定することができ
る。ただし、その配置は、必ず底板２１の中心を中心と
する同一円周上に等配となるような配置でなければなら
ない。そして、上記各ガス吐出口２７の中心からの距離
は、基板９の半径の２／３〜４／５の長さに設定するこ
とが好適である。ガス吐出口２７が上記範囲内より外れ
ると、反応ガスの均一分散性が損なわれる傾向がみられ
る。

【００１９】また、上記実施例では、周壁２０を、起立
壁２２と摺動壁２３とを組み合わせ、摺動壁２３を、天
板３に対し進退自在に構成しているが、必ずしも周壁２
０の一部を天板３に対し進退自在に構成する必要はな
い。ただし、上記実施例のように周壁２０の一部を進退
自在にすると、反応終了後に周壁２０と天板３の隙間を
大きく開けて反応室６内の排気を一気に行うことがで
き、不用なガスを瞬時に反応室６内から除去することが
できるという利点を有する。

【００２０】また、上記実施例では、ヒータ２を上面側
から覆う熱遮蔽板４０を設けているが、反応温度が比較
的低い半導体を製造する場合には、特に設ける必要はな
い。

【００２１】さらに、上記実施例では、マニホールド３
０に外嵌されたガイドリング３４を周方向に回動させる
ことによって、反応室６の底板２１に設けた排気用孔３
１の開度を調節して排気量を調節するようにしている
が、この機構を設けずに、摺動壁２３と天板３の隙間を
調節することのみで反応時の排気量を調節するようにし
ても差し支えはない。もちろん、このような特殊な排気
機構を設けず、従来のように、天板３と周壁２０の間
に、固定的な隙間を設けるようにしても差し支えはな
い。

【００２２】そして、上記実施例では、基板９を、水平
に装着するようにしているが、基板９を垂直に装着して
水平方向からガスを供給するタイプの装置にこの発明を
適用してもよい。

【００２３】なお、この発明の半導体製造装置では、反
応室６の天板３１，基板９を保持するホルダ１０，周壁
２０のいずれをもモリブデンで形成することが好まし
い。すなわち、モリブデンは高融点金属材料であるた
め、成長中に素材から素材原子が蒸発することがほとん
どなく、またヒータからの輻射熱を効率よく受け、反応
室の壁面が適度に加熱され、壁面に衝突するIII 族の有
機金属分子、Ｖ族のＡｓ原子が吸着することなく、効率
よく成長反応に利用されるからである。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体製造装
置は、第１の反応ガスのみ反応室底板のガス吐出口から
導入され、第２の反応ガス供給配管は、反応室側方から
直接反応室内中央に延びて、この配管の先端外周部の複
数個のガス吐出小孔から、配管の周方向に第２の反応ガ
スが吐出されるようになっている。したがって、この装
置によれば、反応ガス供給機構が従来に比べて非常に簡
単であり、反応室の製造コストを低く抑えることができ
る。そして、反応室の組み立て・メンテナンスも簡単で
ある。しかも、上記のように、反応ガス供給機構が簡単
であるにもかかわらず、効率よく反応ガスを利用するこ
とができ、基板上での半導体結晶の成長速度が大幅に速
くなるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】上記実施例の反応室底板部分を上から見下ろし
た図である。

【図３】上記実施例の排気量調節機構の説明図である。

【図４】上記実施例の熱遮蔽板の構成の説明図である。

【図５】従来の半導体製造装置を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１真空室２ヒータ３天板６反応室７開口８段差２０周壁２１底板２２起立壁２３摺動壁２４シリンダ２７ガス吐出口２８第１の反応ガス連通管２９第２の反応ガス供給配管３０マニホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤崎芳久東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者芳賀徹東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者宮田敏光東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開昭64−73619（ＪＰ，Ａ) 特開平１−257322（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高度に真空になし得る真空室と、上記真
空室内に設けられ底板と周壁と天板とからなる反応室
と、上記反応室の天板に形成され基板表面を反応室内に
向けた状態で保持しうる段差付開口と、上記反応室の底
部側から反応室内に反応ガスを供給する反応ガス供給手
段と、上記反応室天板の開口に保持された基板に裏面側
から輻射熱を与える加熱手段とを備えた半導体製造装置
であって、上記反応室底板の、底板中心を中心とする同
一円周上に、複数のガス吐出口が等配で形成され、これ
らのガス吐出口に、上記反応室底板の下側に設けられた
第１の反応ガス混合空間を経由して第１の反応ガスが供
給されるようになっており、かつ上記反応室の側方から
周壁を貫通し反応室内部の中央まで延びる第２の反応ガ
ス供給配管が配設され、この第２の反応ガス供給配管の
先端外周部に設けられた複数個のガス吐出小孔から、反
応室中央部に第２の反応ガスが供給されるようになって
いることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】上記反応室底板に形成されたガス吐出口
と底板中心との距離が、基板半径の２／３〜４／５の長
さに設定されている請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】上記反応室底板に反応ガス排気用孔が形
成され、この底板の下側に、上記排気用孔と同一径・同
一配置の排気用孔が形成された回転板が摺動自在に当接
されているとともに上記回転板を周方向に回動させる回
動手段が設けられ、上記回動板の周方向への回動動作に
よって上記排気用孔の開度が調節できるようになってい
る請求項１または２記載の半導体製造装置。
【請求項４】上記反応室底板がモリブデンで形成さ
れ、上記反応室周壁がタンタル，タングステンおよび表
面窒化処理を施したステンレスのいずれかによって形成
されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体
製造装置。