JP4327515B2

JP4327515B2 - エピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP4327515B2
Application number: JP2003167667A
Authority: JP
Inventors: 圭一松沢; 利一竹中
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005005503A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主として化合物半導体を構成する有機金属化合物とそれに対応する元素の化合物、主として水素化合物の熱分解反応を利用して半導体結晶を成長させる有機金属化学気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、半導体結晶膜を成長させるための装置および半導体結晶膜成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、化合物半導体（ウエハ）上に成長させる化合物半導体、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ，（Ａｌ_xＧａ_1-x）Ａｓ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＡｓ_1-yＰ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ等の半導体結晶膜は、主としてＭＯＣＶＤにより成長が行われている。
これらのＭＯＣＶＤ成長装置は、初期においてはウエハ（基板）の径も小さく、１枚ずつの処理によって製造が行われており、成長装置内の温度分布も比較的均一であって、あまり温度の均一性について問題はなかったが、生産性を向上し、コストを低下させるため装置規模を大きくすることが必要となってきている。
【０００３】
しかし、ウエハ径の増大や一回あたりの処理枚数の増大は、ＭＯＣＶＤ成長装置内における温度分布の均一性を低下させ、製造された半導体ウエハのエピロット内のエピタキシャル特性値のばらつきが問題となる。
温度均一性を解決する方法としては、ヒーターを複数化する事が考えられるが、この方法は装置の内部部品が複雑になること、ヒーターの電源が複数必要となり装置に要する費用が高くなることなどの問題がある。またヒーターを複数化した場合でも、周辺部からの輻射による熱の逃げ道の為、ウエーハキャリア周辺部までの温度の均一化には限界がある。
さらに周辺部からの輻射による熱の逃げを補うため、ヒーターの周辺部を高くした場合、ヒーター部分、特に端子部分で、回り込んだ原料の分解反応により析出物が生じ、ヒーターの寿命を短くしてしまうという現象が発生するという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シンプルで安価な方法で、ＭＯＣＶＤ成長装置内における温度分布の均一性を向上させ、さらにヒーターの寿命を延長させ、ウエハ径の増大、処理枚数の増加などによるＭＯＣＶＤ成長装置の大型化においても、生産性を効率よく改善することが可能なＭＯＣＶＤ装置の改良並びに半導体結晶膜成長方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］上方から原料ガスを吹き出し、複数のヒートシールド板及びヒーターからなる加熱装置上に、複数のウエハを載置して回転するウエハキャリアを乗せたサセプタを設けたＭＯＣＶＤ装置において、加熱装置のヒーターの周囲でヒーターに近接して、ヒートシールド板の周囲に絶縁性材質で製造された横方向ヒートシールドリングを設けた半導体用エピタキシャル成長装置、
［２］ヒートシールドリングが、六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）で作られたものである上記［１］に記載の半導体用エピタキシャル成長装置、および
【０００６】
［３］上方から原料ガスを吹き出し、複数のヒートシールド板及びヒーターからなる加熱装置上に、複数のウエハを載置して回転するウエハキャリアを乗せたサセプタを設けたＭＯＣＶＤ装置を用い、加熱装置のヒーターの周囲でヒーターに近接して、ヒートシールド板周囲に絶縁性材質で製造された横方向ヒートシールドリングを設け、加熱された基板の表面に半導体結晶膜を成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法、を開発することにより上記の課題を解決した。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の対象となる、単結晶ウエハ上にエピタキシャル成長させる半導体結晶膜は、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ，（Ａｌ_xＧａ_1-x）Ａｓ、（Ｉｎ_xＧａ_1-x）_yＡｓ_1-yＰ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ等、主としてIII−Ｖ族半導体化合物であり、整流、増幅、発振あるいはスイッチングなどの作用を有する半導体装置、特に発光ダイオード製造のためのＭＯＣＶＤ法エピタキシャル成長半導体結晶膜である。
【０００８】
本発明で使用するＭＯＣＶＤ法エピタキシャル成長装置としては、上方から原料ガスを吹き出し、複数のヒートシールド板及びヒーターからなる加熱装置上に、複数のウエハを載置して回転するウエハキャリアを乗せたサセプタを設けたＭＯＣＶＤ装置であれば特に制限はない。
ここで原料ガスとしては、成長させるべき２元（３元または４元であってもかまわない。）の化合物半導体がＡＢとして表されるとすると、原料としてＡＭとＢＮのように表される化合物が用意される。ＡＭとＢＮの両方が熱分解してＡＢの半導体が合成される。ここでＡをＧａとすると、Ｍに相当するものはアルキル基のような有機物となることが多い。Ｂの化合物としては水素化物を使用することが多い。上記では２元化合物について説明したが３元または４元化合物を使用することも多いケースである。
【０００９】
製造する半導体装置により規模が異なるが、ＭＯＣＶＤ法エピタキシャル成長装置としては概念的な図面であるが、例えば図２に示すような装置が多く使用されている。
即ち、減圧及び加熱しても問題が起きない原料ガスに対する耐食性装置（１０）であって、装置上方から原料ガス（例えばＶ族ガス及びIII族ガス）及びキャリアガス（通常は水素ガス）の導入口（１１〜１５）を有し、下部に排気の通路（２）を設け、内部に複数のからなる加熱装置、ウエハ（７）を載置したウエハキャリア（６）を乗せて高速に回転することができるサセプタ（５）を設けた成長装置が使用される。
【００１０】
図３に下部ヒートシールド板（３）及びヒーター（４）、ウエハ（７）を載置したウエハキャリア（６）を乗せて高速に回転することができるサセプタ（５）の部分を少し拡大して示す。
【００１１】
黒鉛製からなる円盤状のヒーター（４）により、サセプター（５）を下方から熱輻射によって加熱する。サセプター（５）は通常モリブデン製で、中央部で回転軸となる駆動部分と接続される。
ヒーター（４）は黒鉛製で、なるべく均一に加熱される様に切り込みを入れた形状に加工され、通常その電流導入端子は、円盤状の外周部に設けられる。
ヒーター（４）の下方には、熱輻射を遮断する目的で１枚乃至複数枚の金属製、通常はステンレスやモリブデンの円盤状のヒートシールド板（３）が設置される。
ウエーハキャリア（６）は、通常モリブデン又は黒鉛製で、加熱されたサセプター（５）からの熱伝導により加熱される。
【００１２】
上記のような構造をしているため、装置の大型化に伴って温度の均一性の保持が困難となってくる。
ＭＯＣＶＤでは、面内の特性のバラツキ、例えば成長速度、結晶組成、キャリア濃度分布等を均一化するために、成長条件としてガスの流量分布などを調整を行う。しかし、成長温度は非常に影響の大きい因子であるため、他のパラメータを全て調整した段階でもウエーハ面内に生じている温度差の影響を消しきることはできず、できる限り温度分布を均一化することが、均一な特性を得るためには不可欠である。
しかし、従来の装置を用いてヒーター（４）の発熱分布の調整で解決しようとし、極端に外周部の発熱量を増大させた場合、ヒーター（４）が劣化しやすくなり、また熱分解した反応物が電流導入端子に付着することを加速して、ヒーター（４）及びその周辺の部品の寿命が短くなってしまい実用的ではない。
【００１３】
本発明者らは、装置の大型化においても装置内、特に装置加熱部とサセプタ（５）、ウエハキャリア（６）近辺の温度の均一化を図る手段の検討を行い、簡単な手段でかつ安価な改造によってこれを達成できることを見出し本発明に到達した。
即ち、ヒートシールド板（３）およびヒーター（４）を、サセプタ（５）より下記ヒートシールドリング（９）が乗せられる程度まで外側に広げると共に、ヒートシールド板（３）の外縁に、ヒーター（４）より上部までサセプタ（５）に接触しない範囲で高いヒートシールドリング（９）を設けることにより、サセプタ（５）、ウエハキャリア（６）全体の温度の均一性（最高と最低の温度差）を従来の１６℃から３℃以下までに大幅に改善できることが分かった。この結果、ウエハ（７）のエピタキシャル量の均一性を確保できるだけでなく、ヒーター（４）にも局部的に加熱を大きくする必要がなくなり、ヒーター（４）のライフの延長が可能となった副次的なメリットも発生した。
【００１４】
ヒートシールドリング（９）は、セッティングの精度の点から、ヒーター（４）と接触する可能性があるため、電気的なリークを防止する為、絶縁性物質とする必要がある。材料として石英等も考えられるが、強度や加工精度の点で問題がある。我々は六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）を採用することにより、加工精度が高く、熱サイクルに対する耐久性に優れるヒートシールドリング（９）を作製することができた。
【００１５】
【実施例】
ヒートシールドリングの効果を検証するために、ガス導入フランジの一部に、内部が観察できる窓を設け、パイロメーターで実測することにより、ウエーハキャリア表面の半径方向の温度分布を測定した。
ヒートシールドリングなしの場合、ヒーター周辺部からの輻射による熱の放散の影響が大きく、外側で急激に温度が低下する温度分布となる（図４、曲線Ｂ参照）。通常、ヒーター形状は、この輻射による熱の放散の影響による温度の低下を抑える目的で周辺部を薄くして電気抵抗を上げて発熱量を大きくする方法をとっており、実施例でもそれを考慮した形状のものを使用したが、それだけでは、周辺部の温度低下を抑えることは難しい。
同じ形状のヒーターで、ヒートシールドリングを入れた場合、容易に外周部の温度低下を防ぐ効果が得られ（図４，曲線Ａ参照）、半径方向の温度分布を小さくすることができた。
【００１６】
この場合、ヒーター外周部の発熱量が少なくすることができ、また、ヒートシールドリング自体、原料の反応ガスがヒーター部分へ流入することを防ぐという遮蔽効果もあり、ヒーター部特に電流導入端子部への反応物の付着が全く見られず、ヒーターの寿命を延ばすことが可能であると考えられる。
【００１７】
また、ヒートシールドリングとして、加工性に優れたＨＢＮを使用することにより、寸法精度を出すことができるため、ヒーターに対する位置精度を出すことができる。また白色であるＨＢＮは、熱輻射のシールドとして有効である事が、温度分布測定により確認された。
【００１８】
上記の温度実測で実証された、ヒートシールドリングを設置することで、半径方向の温度分布が改善された加熱部をもつ反応装置で、ＩｎＧａＡｓＰの成長を実施したところ、中心波長１３００ｎｍの組成で、ヒートシールドリングがない場合に面内の波長バラツキが２０ｎｍ程度あったものが、ヒートシールドリングを入れた場合、５ｎｍ程度に改善される効果が得られた。
【００１９】
【発明の効果】
この発明は、主として化合物半導体を構成する有機金属化合物とそれに対応する元素の化合物、主として水素化合物の熱分解反応を利用して半導体結晶を成長させる有機金属化学気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、半導体結晶膜を成長させるための装置において、ヒートシールド板の周辺に加工が容易で耐熱性がありかつ絶縁性のヒートシールドリングを設けるという簡易で安価な方法で、ＭＯＣＶＤ成長装置内における温度分布の均一性を向上させ、さらにヒーターの寿命を延長させ、ウエハ径の増大、処理枚数の増加などによるＭＯＣＶＤ成長装置の大型化においても、生産性を効率よく改善することが可能なＭＯＣＶＤ装置の改良並びに半導体結晶膜成長方法が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置とサセプタとウエハキャリアの部分の拡大図
【図２】従来のＭＯＣＶＤ法エピタキシャル成長装置の概念的断面図
【図３】従来の加熱装置とサセプタとウエハキャリアの部分の拡大図
【図４】同一の装置において、ヒートシールドリングを設けた場合（Ａ）と、設けない場合（Ｂ）の温度のバラツキ。
【符号の説明】
１原料ガス導入口
２排気通路
３ヒートシールド板
４ヒーター
５サセプタ
６ウエハキャリア
７ウエハ
９ヒートシールドリング
１０ＭＯＣＶＤ法エピタキシャル成長装置

Claims

上方から原料ガスを吹き出し、複数のヒートシールド板及びヒーターからなる加熱装置上に、複数のウエハを載置して回転するウエハキャリアを乗せたサセプタを設けたＭＯＣＶＤ装置において、加熱装置のヒーターの周囲でヒーターに近接して、ヒートシールド板の周囲に、六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）から製造された横方向ヒートシールドリングを設けた半導体用エピタキシャル成長装置。
上記ヒートシールドリングが、ヒートシールド板の周面に載置された構成からなる請求項１に記載の半導体用エピタキシャル成長装置。
上方から原料ガスを吹き出し、複数のヒートシールド板及びヒーターからなる加熱装置上に、複数のウエハを載置して回転するウエハキャリアを乗せたサセプタを設けたＭＯＣＶＤ装置を用い、加熱装置のヒートシールド板の周囲に、ヒーターの周囲でヒーターに近接して、ヒートシールド板周囲に六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）から製造された横方向ヒートシールドリングを設け、加熱された基板の表面に半導体結晶膜を成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法。