JP3512734B2 - 分子線エピタキシャル成長装置およびそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子に用い
る高品質の薄層構造を高精度に制御形成する分子線エピ
タキシャル成長（以下、ＭＢＥという）装置およびそれ
を用いた半導体素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体エピタキシャル技術の進歩
はめざましく、さまざまな分野で高性能半導体薄膜を利
用した素子が実用化されている。特にＭＢＥ法や有機金
属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法の実用化により成長可能な
薄層構造の種類が増大したことは周知のことである。そ
の中でもＭＢＥ法は、半導体薄層の層厚制御性が優れて
おり、構成元素の単分子層程度までの精度で制御形成が
可能である。したがって、近年注目され、実用化されて
いる量子井戸構造や超格子構造を用いた素子形成に特に
有利である。このため、上記ＭＢＥ法は、半導体レーザ
や高速電子デバイスの薄層形成技術として広く用いられ
ている。

【０００３】上記半導体レーザや高速電子デバイスの分
野では、デバイスの実用化に伴い携帯電話システムや光
ディスクシステムの市場規模が急激に増大しており、製
造工程の効率化のため、成長装置の大型化が著しい。当
初、２インチまたは３インチ径のＧａＡｓ基板を１枚成
長可能なＭＢＥ装置を用いて技術開発が行なわれてき
た。そして、現在では、１２枚の２インチウエハに同時
に結晶成長を行ったり、最大６インチウエハに結晶成長
を行うことが可能な大型のＭＢＥ装置が最も一般的に使
われている。更に、需要の増大に伴って、複数枚の６イ
ンチウエハに同時に結晶成長を行えるＭＢＥ装置も実用
化され、ますます装置の大型化が進展している。

【０００４】従来、ＭＢＥ装置としては、図８（ａ）に
示すように、成長室８０に搭載されたIII族用分子線セ
ル８１,Ｖ族の燐（Ｐ）用クラッカセル８２から、マニ
ピレータ８３の下端部のウエハホルダ８４に向けて分子
線を照射するものがある。上記III族用分子線セル８１
とウエハホルダ８４との間、および、Ｖ族のＰ用クラッ
カセル８２とウエハホルダ８４との間には、分子線のオ
ン・オフを制御するためにセルシャッタ８５,８６を夫
々設置している。上記ウエハホルダ８４はマニピレータ
８３により自転することができて、図８（ｂ）に示すよ
うに、１２枚のＧａＡｓ基板８７を保持している。

【０００５】このように結晶成長面が大面積である場
合、成長層厚の均一性を確保するには、図９（ｂ）に示
すように、円錐形のルツボ９４を有するクヌードセンセ
ル９１Ｄ,９１Ｉを大口径化して、分子線の放射面積を
極力大きくすると共に、その分子線の中心軸がウエハホ
ルダ９２の自転中心を通過するようにする。また、上記
クヌードセンセル９１Ｄ,９１Ｉが照射する分子線をセ
ルシャッタ９５の開閉で制御している。より詳しくは、
図９（ａ）に示すように、分子線材料であるＳｉ、Ｂ
ｅ、Ａｓ、Ｇａが夫々充填された複数のクヌードセンセ
ル９１Ａ,９１Ｂ,…,９１Ｊを成長室９０内に配置して
いて、そのクヌードセンセル９１Ａ,９１Ｂ,…,９１Ｊ
の開口部の外径を１００ｍｍに設定している。このよう
な方法は、分子線材料が特にＧａ、Ａｌ、ＩｎなどのII
I族である場合に有効であるが、分子線材料がＡｓ、Ｐ
などのＶ族の場合は、通常単純な円錐形のルツボは用い
られない。これらの蒸気圧の高いV族の分子線材料では
開口部の面積を絞り込んだ分子線セルを用いる。この場
合でも、材料の発散を大きくするために、分子線セルの
開口形状を調整する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９（ａ）,
（ｂ）のＭＢＥ装置では、以下のような問題（１）〜
（３）が発生してしまう。

【０００７】（１） 分子線の放射角を大きくしたた
め、ウエハ外部へ照射される分子線の割合が増大し、分
子線材料の利用効率が低下するという問題がある。

【０００８】（２） そのような不要な分子線がウエハ
以外の部分に付着することにより、成長室９０内の汚染
が激しくなり、清掃などの装置メンテナンスを困難にす
る。このため、上記メンテナンス間隔の短縮に伴って装
置稼動率が低下するだけでなく、成長室９０内に付着し
た分子線材料の落下により、エピ表面欠陥の増大や結晶
性の低下という問題がある。特に反応性の強いＰを使う
ＭＢＥ成長の場合、大量に付着したＰフレークの酸化物
が、分子線セル９１Ａ,９１Ｂ,…,９１Ｊなどの高温部
分に落下再蒸発し、エピ層内に混入することによる結晶
性の悪化が深刻である。

【０００９】（３） 上記分子線セル９１Ａ,９１Ｂ,
…,９１Ｊの大口径化によって、セル開口部からの熱輻
射が増大するため、セル駆動電力の増大による真空度の
悪化を引き起こすばかりでなく、熱輻射によるウエハ表
面温度の制御性低下を引き起こし、成長層の成長条件が
不安定になるという問題がある。

【００１０】そこで、本発明の課題は、分子線材料の利
用率を向上でき、結晶性を高めることができて、しか
も、成長層の成長条件を安定させることができるＭＢＥ
装置およびそれを用いた半導体素子の製造方法を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】上記課題を解決するため、本発明のＭＢＥ
装置は、複数枚のウエハを同時に処理、または、ウエハ
を一枚ずつ処理する分子線エピタキシャル成長装置にお
いて、上記ウエハを保持する自転可能なウエハホルダ
と、上記ウエハホルダに向けて分子線を照射し、同一の
分子線材料を有する複数の分子線セルとを備え、上記ウ
エハホルダにおいて上記分子線の中心軸が横切る点と、
上記ウエハホルダの自転中心との距離が夫々異なるよう
に、上記複数の分子線セルが上記分子線を同時に出射す
ることを特徴としている。

【００１７】上記構成のＭＢＥ装置によれば、上記ウエ
ハホルダを自転させると共に、同一の分子線材料が充填
された複数の分子線セルから同時に分子線をウエハホル
ダに向って分子線を照射する。このとき、上記ウエハホ
ルダにおいて分子線の中心軸が横切る点と、ウエハホル
ダの自転中心との距離が夫々異なるように、複数の分子
線がウエハホルダに照射されている。これにより、上記
ウエハホルダの自転に伴って、ウエハホルダの各部に順
次分子線が照射され、ウエハホルダに均一に分子線が照
射される。したがって、上記分子線セルの開口径の小さ
くして、分子線の指向性を向上させることにより、ウエ
ハホルダ以外への分子線の発散量を減少させ、分子線材
料の利用効率を向上させることができる。

【００１８】また、上記ウエハホルダ以外への分子線の
発散量が減少するから、装置内の汚染が少なくなる。し
たがって、清掃などの装置メンテナンスが容易になると
共に、エピ表面欠陥が低下し、結晶性を向上させること
ができる。

【００１９】また、上記分子線セルを小口径化すること
によって、分子線セルの開口部からの熱輻射が低下し、
熱輻射によるウエハ表面温度への悪影響が小さくなる。
その結果、成長層の成長条件を安定させることができ
る。また、上記分子線セルの開口部からの熱輻射が低下
するから、セル駆動電力が減少し、真空度が悪化するの
を防止できる。

【００２０】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記ウエハホ
ルダの内部における分子線強度よりも、上記ウエハホル
ダの外部における分子線強度が弱くなるように、上記分
子線セルの分子線の指向性が高められていることを特徴
としている。

【００２１】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記分子線セ
ルが複数の同心円周上に配置されていることを特徴とし
ている。

【００２２】一実施形態のＭＢＥ装置は、同一の分子線
材料を有する複数の上記分子線セルを単一のセルシャッ
タで開閉することを特徴としている。

【００２３】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記分子線セ
ルはＶ族元素の分子線材料を有することを特徴としてい
る。

【００２４】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記V族元素
が燐であることを特徴としている。

【００２５】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記分子線セ
ルとしてクラッカセルを用いていることを特徴としてい
る。

【００２６】一実施形態のＭＢＥ装置は、上記分子線セ
ルを上記ウエハに対向するように配置したことを特徴と
している。

【００２７】

【００２８】本発明の半導体素子の製造方法は、複数枚
のウエハを同時に処理、または、ウエハを一枚ずつ処理
する半導体素子の製造方法において、上記ウエハを保持
するウエハホルダを自転させると共に、同一の分子線材
料を有する複数の分子線セルからの分子線を上記ウエハ
ホルダに向かって、上記ウエハホルダにおいて上記各分
子線の中心軸が横切る点と、上記ウエハホルダの自転中
心との距離が夫々異なるように、同時に照射することを
特徴としている。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のＭＢＥ装置および
それを用いた半導体素子の製造方法を図示の実施の形態
により詳細に説明する。

【００３０】（第１実施形態） 図１（ａ）に、本発明の第１実施形態のＭＢＥ装置の分
子線セルの配置を上方から見た模式図を示し、図１
（ｂ）に、上記ＭＢＥ装置の分子線セルの配置を側方か
ら見た模式図を示している。なお、図１（ａ）中のＳ
ｉ、Ｂｅなどは、各分子線セルの分子線材料を示してい
る。

【００３１】上記ＭＢＥ装置は、図１（ａ）に示すよう
に、成長室１０と、この成長室１０に収容された自転可
能なウエハホルダ２と、このウエハホルダ２へ向けて分
子線を照射する分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊとを有し
ている。上記ウエハホルダ２は、直径２３０ｍｍのモリ
ブデン製であり、ウエハとしての２インチＧａＡｓ基板
を１２枚保持する。上記分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊ
は同一円周上に配置されていて、Ｇａ用に４個、Ａｓ用
に４個、Ｓｉ用に１個、Ｂｅ用に１個使用される。

【００３２】上記Ｇａ用の分子線セル１Ｄ,１Ｅ,１Ｉ,
１Ｊは、図１（ｂ）に示すように、分子線材料としての
Ｇａが充填される円錐形状のＰＢＮ製ルツボ４を有して
いる。この分子線セル１Ｄ,１Ｅ,１Ｉ,１Ｊの開口部の
外径が７０ｍｍに設定さていて、分子線セル１Ｄ,１Ｅ,
１Ｉ,１Ｊは小口径で指向性が高くなっている。また、
上記分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊは、分子線の中心軸
がウエハホルダ２の自転中心以外を通過するように配置
されている。このウエハホルダ２の自転中心とはウエハ
ホルダ２の内部における自転中心軸のことである。この
自転中心軸に対して分子線の中心軸が交差しないよう
に、分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊを配置している。つ
まり、上記分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊとウエハホル
ダ２との交点は、ウエハホルダ２の自転中心より外側に
位置している。また、上記分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１
Ｊとウエハホルダ２との間にはセルシャッタ３を夫々設
けて、各分子線セル１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊに対して１つの
セルシャッタ３を設けている。

【００３３】上記構成のＭＢＥ装置では、ウエハホルダ
２を自転させながら、分子線セル１Ｄ,１Ｅ,１Ｉ,１Ｊ
からウエハホルダ２に向けて分子線を照射して、ｐ型お
よびｎ型のＧａＡｓ層を成長させる。このとき、上記ウ
エハホルダ２の自転中心以外を分子線の中心軸が通過す
るように分子線が照射されているから、ウエハホルダ２
の自転に伴って、ウエハホルダ２の各部に順次分子線が
照射される。したがって、上記ウエハホルダ２上での分
子線の均一性を確保することができる。その結果、図９
（ａ）,（ｂ）の従来例においてＧａＡｓ成長層の膜厚
均一性が全基板内で±０．５％であったが、本第１実施
形態のＧａＡｓ層の膜厚均一性は、小口径の分子線セル
１Ａ,１Ｂ,…,１Ｊを用いたのにも関わらず、全基板内
で±２％と使用可能な程度の均一性が得られた。更に以
下の利点が得られた。

【００３４】即ち、上記小口径の分子線セル１Ｄ,１Ｅ,
１Ｉ,１Ｊを用いて、分子線の放射角を小さくしている
から、ウエハホルダ２の外部へ照射される分子線の割合
が低下し、分子線材料の利用効率を向上させることがで
きる。

【００３５】また、不要な分子線、つまりウエハホルダ
２の外部に照射される分子線が減少したため、成長室１
０内においてウエハホルダ以外の部分の汚染が減り、清
掃などの装置メンテナンスが容易となった。

【００３６】また、上記成長室１０内の汚染物の低減に
より、エピ表面欠陥が低下した。すなわち、上記ＧａＡ
ｓ層の結晶性を向上させることができる。

【００３７】また、図９（ａ）,（ｂ）の従来例では、
Ｇａ用の分子線セルに対するセルシャッタの開閉によ
り、分子線セルの開口部からの熱輻射の影響で基板表面
温度が約１０℃変動していたが、本第１実施形態では、
基板表面温度の変動を１℃以下に低減でき、成長条件の
制御性が向上した。すなわち、ＧａＡｓ層の成長条件を
安定させることができる。

【００３８】また、上記分子線セル１Ｄ,１Ｅ,１Ｉ,１
Ｊのセル駆動電力が図９（ａ）,（ｂ）の従来例より低
下したため、結晶成長中の炭酸ガス、水分、酸素など結
晶性に有害なガス成分の分圧を低減でき、ＧａＡｓ層の
結晶性をより向上させることができた。

【００３９】上記第１実施形態では、ウエハホルダ２に
１２枚の２インチＧａＡｓ基板を装着していたが、ウエ
ハホルダ２に１枚の６インチＧａＡｓ基板を装着しても
よい。また、ＧａＡｓ基板以外の基板を用いた結晶成長
を行えるのは言うまでもない。

【００４０】（第２実施形態） 図２（ａ）に、本発明の第２実施形態のＭＢＥ装置の分
子線セルの配置を上方から見た模式図を示し、図２
（ｂ）に、上記ＭＢＥ装置の分子線セルの配置を側方か
ら見た模式断面図を示している。図１（ａ）,（ｂ）の
構成部と同じ構成部には同一番号を付して説明を省略す
るか、または説明を簡単にする。

【００４１】上記ＭＢＥ装置は、図２（ａ）に示すよう
に、第１実施形態と同様の直径２３０ｍｍのモリブデン
製のウエハホルダ２を有している。このウエハホルダ２
には６インチＧａＡｓ基板を１枚装着している。上記ウ
エハホルダ２に向けて分子線を照射する分子線セル２１
Ａ,２１Ｂ,…,２１Ｊは、Ｇａ用に６個、Ａｓ用に２
個、Ｓｉ用に１個、Ｂｅ用に１個使用される。

【００４２】上記Ｇａ用の分子線セル２１Ｃ,２１Ｄ,２
１Ｅ,２１Ｈ,２１Ｉ,２１Ｊは、図２（ｂ）に示すよう
に、Ｇａが充填されるＰＢＮ製の円錐型ルツボ４を備え
ていて、開口部の外径が７０ｍｍに設定されている。上
記分子線セル２１Ｃ,２１Ｅ,２１Ｉと分子線セル２１
Ｄ,２１Ｈ,２１Ｊとでは、分子線の中心軸がウエハホル
ダ２を横切る点と、ウエハホルダ２の自転中心との距離
が異なっている。つまり、上記分子線セル２１Ｄ,２１
Ｈ,２１Ｊの分子線の中心軸はウエハホルダ２の自転中
心近傍を横切る一方、分子線セル２１Ｃ,２１Ｅ,２１Ｉ
の分子線の中心軸はウエハホルダ２の自転中心近傍より
も外側を通過する。

【００４３】上記構成のＭＢＥ装置は、ウエハホルダ２
を自転させると共に、分子線セル２１Ｄ,２１Ｈ,２１Ｊ
のうち少なくとも１つと、分子線セル２１Ｃ,２１Ｅ,２
１Ｉのうち少なくとも１つとを同時に開放して、ｐ型お
よびｎ型のＧａＡｓ層を成長させる。その結果、上記ウ
エハホルダ２の外部への分子線の発散量を増加させるこ
となく、第１実施形態の場合よりも、ウエハホルダ２内
での分子線の均一性をより向上させることができた。そ
の結果、小口径の分子線セル２１Ｃ,２１Ｄ,２１Ｅ,２
１Ｈ,２１Ｉ,２１Ｊを用いたのにも関わらず、ＧａＡｓ
成長層の膜厚均一性が±０．５％になった。

【００４４】また、上記小口径の分子線セル２１Ｃ,２
１Ｄ,２１Ｅ,２１Ｈ,２１Ｉ,２１Ｊを用いて、分子線の
放射角を小さくしているから、ウエハホルダ２の外部へ
照射される分子線の割合が低下し、分子線材料の利用効
率を向上させることができる。

【００４５】また、不要な分子線、つまりウエハホルダ
２の外部に照射される分子線が減少したため、成長室１
０内においてウエハホルダ以外の部分の汚染が減り、清
掃などの装置メンテナンスが容易となった。

【００４６】また、上記成長室１０内の汚染物の低減に
より、エピ表面欠陥が低下した。すなわち、上記ＧａＡ
ｓ層の結晶性が向上している。

【００４７】また、図９（ａ）,（ｂ）の従来例では、
Ｇａ用の分子線セルに対するセルシャッタの開閉によ
り、分子線セルの開口部からの熱輻射の影響で基板表面
温度が約１０℃変動していたが、本第２実施形態では、
基板表面温度の変動を１℃以下に低減でき、ＧａＡｓ層
の成長条件に対する制御性が向上した。

【００４８】また、上記分子線セル２１Ｃ,２１Ｄ,２１
Ｅ,２１Ｈ,２１Ｉ,２１Ｊのセル駆動電力が図９（ａ）,
（ｂ）の従来例より低下したため、結晶成長中の炭酸ガ
ス、水分、酸素など結晶性に有害なガス成分の分圧を低
減でき、ＧａＡｓ層の結晶性を向上させることができ
た。

【００４９】（第３実施形態） 上記第２実施形態の場合、小口径化によってＧａ用の円
錐型ルツボ４の容量は、図９（ｂ）のルツボ９４と比べ
て約１／３に低下してしまうが、分子線材料であるＧａ
の利用効率が向上したため、分子線セル全体における成
長可能枚数は１／２程度までしか低下しなかった。しか
し、分子線材料の充填量が低下したため、分子線材料を
充填する頻度が多くなり、成長室１０を開放する周期が
短くなってしまった。以下、この対策となるＭＢＥ装置
について説明する。

【００５０】図３（ａ）に、本発明の第２実施形態のＭ
ＢＥ装置の分子線セルの配置を上方から見た模式図を示
し、図３（ｂ）に、上記ＭＢＥ装置の分子線セルの配置
を側方から見た模式断面図を示している。図１（ａ）,
（ｂ）の構成部と同じ構成部には同一番号を付して説明
を省略する。

【００５１】上記ＭＢＥ装置では、図３（ｂ）に示すよ
うに、円錐型ルツボ４の代わりに、円筒型の外ルツボ３
５と円錐型の分子線制御用内ルツボ３４とを組み合わせ
たルツボを使用する。上記円筒型の外ルツボ３５には分
子材料が充填され、この分子線材料から生じる分子線を
円錐型の内ルツボ３４で制御する。また、上記内ルツボ
３４の底部は、開口していて、外ルツボ３５に収容され
ている。上記内ルツボ３４と外ルツボ３５からなルツボ
は、Ｇａ用の分子線セル３１Ｃ,３１Ｄ,３１Ｅ,３１Ｈ,
３１Ｉ,３１Ｊに搭載されている。そして、上記Ｇａ用
の分子線セル３１Ｃ,３１Ｄ,３１Ｅ,３１Ｈ,３１Ｉ,３
１Ｊにおいて、分子線セル３１Ｄ,３１Ｈ,３１Ｊの分子
線の中心軸はウエハホルダ２の自転中心近傍を横切り、
分子線セル３１Ｃ,３１Ｅ,３１Ｉの分子線の中心軸はウ
エハホルダ２の自転中心近傍よりも外側を通過するよう
に設定されている。このように、上記ルツボ３４と外ル
ツボ３５からなるルツボを用いたことのみ、第２実施形
態と異なっている。なお、図１（ａ）において、３１Ａ
はＳｉ用の分子線セルであり、３１ＢはＢｅ用の分子線
セルであり、３１Ｆ,３１ＧはＡｓ用の分子線セルであ
る。

【００５２】上記構成のＭＢＥ装置は、上記第２実施形
態と同様の効果を奏すると共に、分子線材料の充填量を
大口径の分子線セルと同様に増大できるため、分子線材
料を交換するためのメンテナンス周期を延長することが
できる。

【００５３】（第４実施形態） 図４（ａ）に、本発明の第４実施形態のＭＢＥ装置の分
子線セルの配置を上方から見た模式図を示し、図４
（ｂ）に、上記ＭＢＥ装置の分子線セルの配置を側方か
ら見た模式断面図を示している。図３（ａ）,（ｂ）の
構成部と同じ構成部には同一番号を付して説明を省略す
るか、または説明を簡単にする。

【００５４】上記ＭＢＥ装置はより複雑な多元混晶を成
長する時に適していて、図４（ａ）に示すように、直径
２３０ｍｍのモリブデン製のウエハホルダ２と、このウ
エハホルダ２に向かって分子線を照射する分子線セル４
１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔとを備えている。上記ウエハホ
ルダ２は、２インチＧａＡｓ基板を１２枚装着してい
る。上記分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔは、２つ
の異なる同心円周上に配置されていて、Ｇａ用として６
個、Ｉｎ用として４個、Ａｌ用として４個、Ｐ用として
２個、Ｓｉ用として２個、Ｂｅ用として２個使用され
る。装置の全体の大きさに対して開口径の小さな分子線
セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔを用いているから、従来
では考えられなかったような２０個もの分子線セル４１
Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔを成長室１０内に設置することが
できた。この分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔを用
いて、ｐ型およびｎ型の赤色レーザ用のＡｌＧａＩｎＰ
の多層膜を成長する。Ｇａ用の分子線セル４１Ｈ,４１
Ｉ,４１Ｊ,４１Ｍ,４１Ｎ,４１Ｏ、および、Ｉｎ用の分
子線セル４１Ｅ,４１Ｆ,４１Ｋ,４１Ｔは、分子線材料
の充填量を多くするために、円筒型の外ルツボ３５と円
錐型の分子線制御用内ルツボ３４とからなるルツボを搭
載している。

【００５５】上記分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔ
において同一の分子線材料を有するものは、図４（ｂ）
に示すように、分子線の中心軸とウエハホルダ２との交
差点から、ウエハホルダ２の自転中心までの距離が異な
るように配置されている。例えば、Ｇａ用の分子線セル
４１Ｉの分子線の中心軸はウエハホルダ２の外周縁部を
通過する一方、Ｇａ用の分子線セル４１Ｊの分子線の中
心軸はウエハホルダ２の自転中心を通過する。なお、上
記分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔは、２つの異な
る同心円周上に位置している。

【００５６】上記構成のＭＢＥ装置は、結晶成長時、ウ
エハホルダ２において分子線の中心軸が通過する箇所が
異なるように配置され、同一の分子線材料を有する分子
線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔの少なくとも２個を同
時に開放する。このとき、上記ウエハホルダ２が自転し
ているから、ウエハホルダ２の自転に伴って、ウエハホ
ルダ２の各部に順次分子線が照射される。したがって、
上記ウエハホルダ２上での分子線の均一性を確保するこ
とができて、小口径の分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,４
１Ｔを用いたのにも関わらず、膜厚均一性±０．５％を
達成することができた。

【００５７】また、上記小口径の分子線セル４１Ａ,４
１Ｂ,…,４１Ｔを用いて、分子線の放射角を小さくして
いるから、ウエハホルダ２の外部へ照射される分子線の
割合が低下し、分子線材料の利用効率を向上させること
ができる。

【００５８】また、不要な分子線、つまりウエハホルダ
２の外部に照射される分子線が減少したため、成長室１
０内においてウエハホルダ以外の部分の汚染が減り、清
掃などの装置メンテナンスが容易となった。また、上記
成長室１０内の汚染物の低減により、エピ表面欠陥が低
下した。すなわち、上記ＡｌＧａＩｎＰの多層膜の結晶
性が向上している。

【００５９】また、図９（ａ）,（ｂ）の従来例では、
Ｇａ分子線セルに対するセルシャッタの開閉により、分
子線セルの開口部からの熱輻射の影響で基板表面温度が
約１０℃変動していたが、本第２実施形態では、基板表
面温度の変動を１℃以下に低減でき、ＡｌＧａＩｎＰの
多層膜の成長条件の制御性が向上した。

【００６０】また、上記分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,
４１Ｔのセル駆動電力が図９（ａ）,（ｂ）の従来例よ
り低下している。その結果、結晶成長中の炭酸ガス、水
分、酸素など結晶性に有害なガス成分の分圧を低減で
き、成長層の結晶性をより向上させることができた。

【００６１】（第５実施形態） 上記第４実施形態では、分子線セル４１Ａ,４１Ｂ,…,
４１Ｔの夫々に対して各１つのセルシャッタ３で分子線
の制御を行っていたが、この場合、上記セルシャッタ３
の数が多くなるために、セルシャッター３の駆動系が複
雑になる。そこで、上記セルシャッタ３の数を減らすこ
とができる第５実施形態のＭＢＥ装置について説明す
る。

【００６２】上記ＭＢＥ装置では、図５（ａ）に示すよ
うに、２０個の分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,…,５１Ｔを
２つの異なる同心円周上に配置している。この分子線セ
ル５１Ａ,５１Ｂ,…,５１Ｔは、Ｇａ用に６個、Ｉｎ用
に４個、Ａｌ用に４個、Ｐ用に２個、Ｓｉ用に２個、Ｂ
ｅ用に２個使用して、ｐ型およびｎ型（もしくはノンド
ープ）の赤色レーザ用のＡｌＧａＩｎＰの多層膜を成長
する。そして、上記分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,…,５１
Ｔにおいて、半径方向で隣り合う分子線セル５１Ａ,５
１Ｂ,…,５１Ｔには同一の分子線材料を充填している。

【００６３】このように、半径方向で隣合って同一の分
子線材料を有する分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,…,５１Ｔ
の開閉を、図５（ｂ）に示すように、単一で大型のセル
シャッタ５３で制御する。つまり、１つのセルシャッタ
５３が２つの分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,…,５１Ｔの開
閉制御を同時に行っている。また、半径方向で隣り合っ
て同一の分子線材料を有する分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,
…,５１Ｔは、分子線の中心軸がウエハホルダ２を横切
る点が異なっている。例えば、上記分子線セル５１Ｎに
おける分子線の中心軸はウエハホルダ２の自転中心を通
過し、分子線セル５１Ｄにおける分子線の中心軸はウエ
ハホルダ２の外周縁部を通過する。

【００６４】上記構成のＭＢＥ装置は、上記第４実施形
態と同様の効果を奏すると共に、同一の分子線材料を有
する少なくとも２つの分子線セル５１Ａ,５１Ｂ,…,５
１Ｔの分子線を、単一で大型のセルシャッタ５３で制御
するから、セルシャッタ５３の駆動系を簡略することが
できる。

【００６５】上記第５実施形態では、単一のセルシャッ
タ５３で２つの分子線セル５１Ｄ,５１Ｎの分子線を同
時に制御していたが、単一のシャッタで例えば４つの分
子線セル５１Ｃ,５１Ｄ,５１Ｍ,５１Ｎの分子線を制御
してもよい。

【００６６】（第６実施形態） これまで、分子線材料であるIII族のＧａ,Ｉｎ等を供給
する分子線セルに注目して本発明について説明してきた
が、第６実施形態では、分子線材料であるＶ族のＰを供
給する分子線セルに注目し、図６（ａ）,（ｂ）を用い
て説明する。

【００６７】図６（ａ）は、本発明の第６実施形態のＭ
ＢＥ装置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であ
り、図６（ｂ）は上記分子線セルの配置を側面から見た
模式断面図である。なお、図１（ａ）,（ｂ）と同一の
構成部材について同一番号を付して説明を省略する。

【００６８】上記ＭＢＥ装置は、図６（ａ）に示すよう
に、ウエハホルダ２に向って分子線を照射する分子線セ
ル６１Ａ,６１Ｂ,６１Ｃ,６１Ｅ,６１Ｆ,６１Ｇ,６１
Ｈ,６１Ｊおよびクラッカセル６１Ｄ,６１Ｉを備えてい
る。この分子線セル６１Ａ,６１Ｂ,…,６１Ｊおよびク
ラッカセル６１Ｄ,６１Ｉは、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｐ、
ＩｎおよびＡｌの分子線材料を有している。Ｐを分子線
材料として使用する場合、材料の赤燐をそのまま蒸発し
てウエハに供給すると、４原子分子Ｐ4の分子線が発生
し、Ｐは白リンとして成長室に蓄積される。その結果、
メンテナンスのために大気開放すると、常温でも自然発
火する。この対策として、図６（ｂ）に示すようなクラ
ッカセル６１Ｄ,６１Ｉを用いてＰをウエハに供給して
いる。Ｐは蒸発後、クラッカゾーン６５で約９００℃に
加熱分解しＰ2の分子線としてウエハに供給される。上
記クラッカセル６１Ｄ,６１Ｉは、Ｐを充填する部分の
口径や容量に関係なく、クラッカゾーン６５の形状で分
子線の指向性を制御することができる。

【００６９】また、III／Ｖ族半導体の成長では、成長
層厚はIII族の分子線の分布で決まり、Ｖ族の分子線材
料はＶ／III比が１以上となる比較的広い条件で供給す
ればよい。しかし、Ｐなどの反応性の強いＶ族の分子線
材料は、酸化されやすいため、一度成長室１０に付着し
たものが酸化物となり、分子線セル６１Ａ,６１Ｂ,…,
６１Ｊやクラッカセル６１Ｄ,６１Ｉなどの高温部分に
落下し、再蒸発し、成長層へ酸素成分を供給する可能性
が高い。このため、上記ウエハホルダ２以外の部分への
分子線の供給を極力減らすために、分子線の指向性をＧ
ａ等のIII族の場合以上に高める必要がある。上記クラ
ッカセル６１Ｄ,６１Ｉは、指向性を極力高められてい
て、分子線の中心軸のウエハホルダ２と交差する点から
ウエハホルダ２の自転中心までの距離が異なるように配
置されている。すなわち、上記クラッカセル６１Ｄ,６
１Ｉにおいて、分子線の中心軸がウエハホルダ２を横切
る点が夫々異なっている。

【００７０】また、図示しないが、Ｓｉ用の分子線セル
６１Ａ、Ｂｅ用の分子線セル６１Ｂ、Ｇａ用の分子線セ
ル６１Ｃ,６１Ｈ,６１Ｊ、Ｉｎ用の分子線セル６１Ｅお
よびＡｌ用の分子線セル６１Ｈ,６１Ｇの配置も、分子
線の中心軸のウエハホルダ２と交差する点からウエハホ
ルダ２の自転中心までの距離が異なるように設定されて
いる。上記分子線セル６１Ａ,６１Ｂ,６１Ｃ,６１Ｅ,６
１Ｈ,６１Ｊ,６１Ｈ,６１Ｇは、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｉ
ｎおよびＡｌを充填する第１,２実施形態と同様のルツ
ボ４を有している。

【００７１】上記構成のＭＢＥ装置によれば、分子線セ
ル６１Ａ,６１Ｂ,６１Ｃ,６１Ｅ,６１Ｈ,６１Ｊ,６１
Ｈ,６１Ｇおよびクラッカセル６１Ｄ,６１Ｉを用いて、
ｐ型またはｎ型（もしくはノンドープ）の赤色レーザ用
のＡｌＧａＩｎＰの多層膜を成長する。その結果、第２
実施形態と同様の効果を奏すると共に、Ｐ酸化物の落下
物の再蒸発による酸素の混入がなくなり、成長層の発光
効率の向上と安定化が達成できた。

【００７２】（第７実施形態） 次に、上記第６実施形態をさらに改良した第７実施形態
を、図７を用いて説明する。

【００７３】図７（ａ）に、本発明の第７実施形態のＭ
ＢＥ装置における分子線セルの配置を上方から見た模式
図を示し、図７（ｂ）に、上記分子線セルの配置を側面
から見た模式断面図を示している。なお、図５（ａ）,
（ｂ）と同一構成部材については同一番号を付して説明
を省略する。

【００７４】上記ＭＢＥ装置では、図７（ａ）に示すよ
うに、分子線セル７１Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔおよびバル
ブクラッカセル７１Ｕ,７１Ｖを３つの異なる同心円周
上に配置している。上記分子線セル７１Ａ,７１Ｂ,…,
７１Ｔにおいて、半径方向で隣り合う分子線セル７１
Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔは同一の分子線材料を有してい
る。また、上記分子線セル７１Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔ
は、図７（ｂ）に示すように、円筒型の外ルツボ３５と
円錐型の分子線制御用内ルツボ３４とからなるルツボを
有していて、このルツボに分子線材料が充填される。ま
た、半径方向で隣り合って同一の分子線材料を有する分
子線セル７１Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔは、分子線の中心軸
がウエハホルダ２を横切る点が夫々異なっている。例え
ば、上記分子線セル７１Ｎにおける分子線の中心軸はウ
エハホルダ２の自転中心近傍を通過し、分子線セル７１
Ｄにおける分子線の中心軸はウエハホルダ２の外周縁部
を通過する。

【００７５】上記バルブクラッカセル７１Ｕ,７１Ｖ
は、Ｐ分子線の指向性をより高くするために、ウエハホ
ルダ２に対向して設置されている。これにより、Ｐ分子
線の指向性がより高くなり、ウエハホルダ２以外へのＰ
分子線の発散を抑止できる。また、上記バルブクラッカ
セル７１Ｕ,７１Ｖは、分子線の中心軸とウエハホルダ
２と交差する点から、ウエハホルダ２の自転中心までの
距離が異なるように配置されている。具体的には、一方
のバルブクラッカセル７１Ｕにおける分子線の中心軸は
ウエハホルダ２の自転中心近傍を通過し、他方のバルブ
クラッカセル７１Ｖ分子線セル７１Ｄにおける分子線の
中心軸はウエハホルダ２の外周縁部を通過する。

【００７６】上記構成のＭＢＥ装置によれば、分子線セ
ル７１Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔおよびバルブクラッカセル
７１Ｕ,７１Ｖを用いて、ｐ型またはｎ型（もしくはノ
ンドープ）の赤色レーザ用のＡｌＧａＩｎＰの多層膜を
成長する。この結果、上記第５実施形態と同様の効果を
奏すると共に、Ｐ酸化物である落下物の再蒸発による酸
素の混入がなくなり、成長層の発光効率の向上と安定化
が図ることができる。

【００７７】また、上記バルブクラッカセル７１Ｕ,７
１Ｖはウエハホルダ２に対向しているために、バルブク
ラッカセル７１Ｕ,７１Ｖに対するセルシャッタの設置
は困難である。しかし、上記バルブクラッカセル７１
Ｕ,７１Ｖがバルブ７６を備えているから、セルシャッ
タを必要とせず、Ｐ分子線の供給制御を行うことができ
る。

【００７８】上記第１〜第７実施形態では、２インチウ
エハ１２枚または６インチウエハ１枚を成長可能なＭＢ
Ｅ装置に関して述べてきたが、近年、さらに大口径のウ
エハホルダを用いる超大型のＭＢＥ装置が実用化され、
従来例で述べたような問題点は、ますます深刻となって
いる。したがって、本発明は、そのような超大型のＭＢ
Ｅ装置においてますます有用な効果を示すものである。

【００７９】

【発明の効果】以上より明らかなように、本発明のＭＢ
Ｅ装置は、ウエハホルダを自転させると共に、ウエハホ
ルダにおいて分子線の中心軸が横切る点からウエハホル
ダの自転中心までの距離が夫々異なるように、複数の分
子線がウエハホルダへ向って照射されるから、ウエハホ
ルダ上での分子線の均一性を確保することができる。し
たがって、上記分子線セルの開口径を小さくして、分子
線の指向性を向上させることにより、ウエハホルダ以外
への分子線の発散量を減少させ、分子線材料の利用効率
を向上させることができる。

【００８０】また、上記ウエハホルダ以外への分子線の
発散量が減少するから、装置内の汚染が少なくなるか
ら、清掃などの装置メンテナンスが容易になると共に、
エピ表面欠陥が低下し、成長層の結晶性を向上させるこ
とができる。

【００８１】また、上記分子線セルを小口径化すること
によって、分子線セルの開口部からの熱輻射が低下し、
熱輻射によるウエハ表面温度への悪影響が小さくなるの
で、成長層の成長条件を安定させることができる。

【００８２】また、上記分子線セルの開口部からの熱輻
射が低下するから、セル駆動電力が減少して、セル駆動
電力の増大による真空度の悪化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１（ａ）は本発明の第１実施形態のＭＢＥ
装置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、
図１（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式
断面図である。

【図２】 図２（ａ）は本発明の第２実施形態のＭＢＥ
装置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、
図２（ｂ）は上記分子線セルの配置の側方から見た模式
断面図である。

【図３】 図３（ａ）は本発明の３実施形態のＭＢＥ装
置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、図
３（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式断
面図である。

【図４】 図４（ａ）は本発明の４実施形態のＭＢＥ装
置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、図
４（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式断
面図である。

【図５】 図５（ａ）は本発明の５実施形態のＭＢＥ装
置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、図
５（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式断
面図である。

【図６】 図６（ａ）は本発明の６実施形態のＭＢＥ装
置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、図
６（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式断
面図である。

【図７】 図７（ａ）は本発明の７実施形態のＭＢＥ装
置の分子線セルの配置を上方から見た模式図であり、図
７（ｂ）は上記分子線セルの配置を側方から見た模式断
面図である。

【図８】 図８（ａ）は従来のＭＢＥ装置の模式断面図
であり、図８（ｂ）は上記従来のＭＢＥ装置のウエハホ
ルダを上方から見た図である。

【図９】 図９（ａ）は他の従来のＭＢＥ装置の分子線
セルの配置を上方から見た模式図であり、図９（ｂ）は
上記ＭＢＥ装置の分子線セルの配置を側方から見た模式
断面図である。

【符号の説明】

２ ウエハホルダ １Ａ,１Ｂ,…,１Ｊ 分子線セル ２１Ａ,２１Ｂ,…,２１Ｊ 分子線セル ３１Ａ,３１Ｂ,…,３１Ｊ 分子線セル ４１Ａ,４１Ｂ,…,４１Ｔ 分子線セル ５１Ａ,５１Ｂ,…,５１Ｔ 分子線セル ６１Ａ,６１Ｂ,６１Ｃ,６１Ｅ 分子線セル ６１Ｆ,６１Ｇ,６１Ｈ,６１Ｊ 分子線セル ６１Ｄ,６１Ｉ クラッカセル ７１Ａ,７１Ｂ,…,７１Ｔ 分子線セル ７１Ｕ,７１Ｖ バルブクラッカセル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/203,21/363 C30B 23/08

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚のウエハを同時に処理、または、
   ウエハを一枚ずつ処理する分子線エピタキシャル成長装
   置において、 上記ウエハを保持する自転可能なウエハホルダと、 上記ウエハホルダに向けて分子線を照射し、同一の分子
   線材料を有する複数の分子線セルとを備え、 上記ウエハホルダにおいて上記分子線の中心軸が横切る
   点と、上記ウエハホルダの自転中心との距離が夫々異な
   るように、上記複数の分子線セルが上記分子線を同時に
   出射することを特徴とする分子線エピタキシャル成長装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の分子線エピタキシャル
   成長装置において、 上記ウエハホルダの内部における分子線強度よりも、上
   記ウエハホルダの外部における分子線強度が弱くなるよ
   うに、上記分子線セルの分子線の指向性が高められてい
   ることを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
3. 【請求項３】 請求項１乃至２のいずれか１つに記載の
   分子線エピタキシャル成長装置において、上記分子線セ
   ルが複数の同心円周上に配置されていることを特徴とす
   る分子線エピタキシャル成長装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の
   分子線エピタキシャル成長装置において、同一の分子線
   材料を有する複数の上記分子線セルを単一のセルシャッ
   タで開閉することを特徴とする分子線エピタキシャル成
   長装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の
   分子線エピタキシャル成長装置において、上記分子線セ
   ルはＶ族元素の分子線材料を有することを特徴とする分
   子線エピタキシャル成長装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の分子線エピタキシャル
   成長装置において、 上記V族元素が燐であることを特徴とする分子線エピタ
   キシャル成長装置。
7. 【請求項７】 請求項５または６に記載の分子線エピタ
   キシャル成長装置にいて、 上記分子線セルとしてクラッカセルを用いていることを
   特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の
   分子線エピタキシャル成長装置において、 上記分子線セルを上記ウエハに対向するように配置した
   ことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
9. 【請求項９】 複数枚のウエハを同時に処理、または、
   ウエハを一枚ずつ処理する半導体素子の製造方法におい
   て、 上記ウエハを保持するウエハホルダを自転させると共
   に、同一の分子線材料を有する複数の分子線セルからの
   分子線を上記ウエハホルダに向かって、上記ウエハホル
   ダにおいて上記各分子線の中心軸が横切る点と、上記ウ
   エハホルダの自転中心との距離が夫々異なるように、同
   時に照射することを特徴とする半導体素子の製造方法。