JP4663912B2

JP4663912B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP4663912B2
Application number: JP2001161711A
Authority: JP
Inventors: 俊尚片峯; 泰家近; 良彦土田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002353151A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長により膜厚の均一な結晶成長層を形成することができるようにした半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種の化合物半導体装置の製造のために、従来から、５族原料にＡｓＨ₃やＰＨ₃のような水素化物を用いてエピタキシャル結晶層を成長させるハイライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）法や有機金属を熱分解させることによりエピタキシャル結晶層を成長させる有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）等を用いて、基板上に所要の単結晶層を連続的に積層した半導体薄膜結晶基板が用いられている。このように、各種のエピタキシャル気相成長法によって基板上に所要の化合物半導体単結晶層を形成する場合、形成されたエピタキシャル結晶層の品質が出来上がった半導体デバイスの特性に大きく影響する。
【０００３】
例えば、ＬＥＤ素子の製造に用いる半導体薄膜結晶基板の場合、各エピタキシャル結晶層の膜厚を均一にすることが、これを用いて製造されたＬＥＤ素子の発光波長及び強度特性のばらつきを抑えるのに必要である。その他の半導体素子の製造の場合でも同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に形成するエピタキシャル結晶層の厚さを全面に亘って均一にするには、反応装置内に供給した原料ガスの流量が基板の表面全体に亘って均一に流れるようにすることが重要である。しかし、反応装置内のサセプタ上に設置された基板は通常高周波誘導加熱等の方法により所要の成長温度になるよう制御されており、少なくとも６００℃程度の高温となっている。このため、反応装置内に導入された原料ガスの流れがこの熱により乱されるため、原料ガスを基板表面上に均一に流すことは極めて困難である。特に、ＧａＮ系のＬＥＤ素子用の基板の場合のように成長温度が１０００℃以上となるようなより高温の製造プロセスを含む場合にはなおさらである。
【０００５】
このため、半導体薄膜結晶基板全体に亘って特性の揃ったＬＥＤ素子またはその他の半導体素子を形成することは難しく、したがって、従来にあっては、出来上がった半導体素子の特性をチェックして目的別に選り分けているのが現状である。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる半導体製造装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、３−５族化合物半導体をエピタキシャル気相成長法を用いて製造するための半導体製造装置において、反応装置内に設けられている基板表面に向けて原料ガスを供給するための吹出口の内側と外側の間に差圧を発生させるようにし、これにより吹出口から吹き出す原料ガスが基板表面上を均一流量で流れるようにしたものである。
【０００８】
請求項１の発明によれば、反応装置と原料ガス供給装置とを備え、前記原料ガス供給装置からの原料ガスを前記反応装置内に配設されている吹出装置から前記反応装置内に配設されているサセプタに取り付けられた複数枚の基板に向けて流出させることにより該複数枚の基板の表面上に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長法によって製造するようにした半導体製造装置において、前記吹出装置は、原料ガスを導入するための導入管部と、前記導入管部から導入された原料ガスを前記複数枚の基板の各基板表面に沿う方向に向けて流出させるため前記導入管部の先端に設けられた中空で円環状の吹出ノズル部とを備えて成り、前記サセプタは前記吹出ノズル部の底部と間隔をあけて対向するように配設されており、前記吹出ノズル部は前記底部から原料ガスを前記サセプタに向かう方向に流出させるようになっており、前記複数枚の基板の夫々は、前記底部から前記サセプタに向かう原料ガス流によって前記原料ガスが各基板表面に沿って流れるように前記サセプタに取り付けられており、前記吹出装置の内側と前記吹出ノズル部の外側との間に差圧を生じさせ、これにより前記原料ガスが各基板表面に沿って均一流量で流れるようにしたことを特徴とする半導体製造装置が提案される。
【０００９】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記吹出装置に差圧発生装置を設けることにより前記差圧を生じさせるようにした半導体製造装置が提案される。
【００１０】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記差圧発生装置が多段に設けられている半導体製造装置が提案される。
【００１１】
請求項４の発明によれば、請求項２又は３の発明において、前記差圧発生装置が、前記吹出ノズル部の底部に配設された目皿部材である半導体製造装置が提案される。
【００１２】
請求項５の発明によれば、請求項１の発明において、前記反応装置に周壁部を冷却するための水冷装置が設けられている半導体製造装置が提案される。
【００１３】
請求項６の発明によれば、請求項２の発明において、前記差圧発生装置が、前記吹出装置内に少なくとも１つのせき板部材を配設して成るものである半導体製造装置が提案される。
【００１４】
請求項７の発明によれば、請求項６の発明において、前記吹出ノズル部の底部に目皿部材を設けた半導体製造装置が提案される。
【００１５】
請求項８の発明によれば、請求項６又は７の発明において、前記反応装置に周壁部を冷却するための水冷装置が設けられている半導体製造装置が提案される。
【００１６】
吹出装置内に差圧発生装置を設けることにより、吹出装置内の原料ガスの圧力を吹出装置の出口開口における原料ガスの圧力より大きくすることができ、これにより吹出装置から吹き出す原料ガスを基板の表面全体に亘って均一の流量をもって流すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明による半導体製造装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。半導体製造装置１は、例えばＩｎＧａＡｌＮの如きＧａＮ系の３−５族化合物半導体基板あるいはＧａＡｓ系の３−５族化合物半導体基板等、適宜の化合物半導体基板を製造するための装置であり、反応装置２と、該反応装置２に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置３とを備えて成っている。
【００１９】
反応装置２は、本体２１内に基板Ｓをセットしておくためのサセプタ２２が設けられており、本体２１の外側面２１Ａに設けられた高周波誘導加熱コイル２３によってサセプタ２２を加熱し、サセプタ２２にセットされる基板Ｓを所要の温度となるように加熱することができる構成となっている。
【００２０】
原料ガス供給装置３は、本体２１の入口ポート２１Ｂに原料物質を気相として供給するための原料供給ライン３１を備えている。原料供給ライン３１の入力端３１Ａには図示しない水素供給源からキャリアガスである水素が一定圧力で送り込まれており、原料供給ライン３１には、基板Ｓ上に気相成長させるための原料物質を気相状態にして原料供給ライン３１に供給できるようにするためのバブラ３２、３３、３４が接続されている。
【００２１】
バブラ３２は、恒温槽３２Ａによって温度調節されており、バブラ３２内に入れられている原料物質Ａ中にマスフローコントローラ３２Ｂによって流量制御された水素ガスをパイプ３２Ｃを介して送り込むことによって原料物質Ａを泡立たせ、これにより原料物質Ａを蒸気とすることができる構成となっている。バブラ３２と原料供給ライン３１とは、開閉弁３２Ｄと流量調整弁３２Ｅとが直列に設けられているパイプ３２Ｆによって接続されており、開閉弁３２Ｄを開くことによって、バブラ３２によって気相状態となっている原料物質Ａとキャリアガスである水素ガスとの混合ガスが原料供給ライン３１に流量調節されて原料ガスとして送り込まれ、原料供給ライン３１を介して後述するようにして本体２１内に導入される。
【００２２】
開閉弁３２Ｄが閉じられている場合に流量調整弁３２Ｅからの原料ガスを窒素ガスが所定の圧力をもって供給されている排気ガスライン３５内に逃すようにするため、開閉弁３２Ｄと流量調整弁３２Ｅとの接続点と排気ガスライン３５との間は、別の開閉弁３２Ｇが設けられている排出パイプ３２Ｈによって接続されている。開閉弁３２Ｄ、３２Ｇは一方が閉じている場合には他方が開くよう図示しないプロセス制御ユニットによって開閉制御されており、これにより流量調整弁３２Ｅからの原料ガスを所定のタイミングで所定の時間だけ原料供給ライン３１に送り出すことができる構成となっている。
【００２３】
原料物質Ｂ、Ｃをそれぞれ蒸気にするためのバブラ３３、３４も全く同様の構成となっているので、バブラ３３、３４の各部のうちバブラ３２の各部に対応する部分には３２Ａ〜３２Ｈに対応する３３Ａ〜３３Ｈ、及び３４Ａ〜３４Ｈの符号を付してそれらの説明を省略する。
【００２４】
バブラ３２、３３、３４内で上述の如くして作られた各原料ガスは対応する流量調整弁によって所定の圧力状態に調整されて取り出されており、開閉弁３２Ｄ、３２Ｇ、３３Ｄ、３３Ｇ、３４Ｄ、３４Ｇを開弁制御し、対応する開閉弁３２Ｄ、３３Ｄ、３４Ｄの開閉制御により各薄膜層の形成に必要とされる量の原料ガスを所要のタイミングで本体２１に送り込むことができるようになっている。これらの原料ガスは、本体２１内に導入され、本体２１内に送り込まれた原料ガスが基板Ｓの表面付近で熱分解され、基板Ｓ上にエピタキシャル結晶を成長させる。
【００２５】
図２には、図１に示した反応装置２が拡大して詳細に示されている。本体２１は２重壁構造となっており、その上部に設けられた冷却水供給口２１Ｄから供給された冷却水が本体２１の外表面全体を冷却し、冷却水排出口２１Ｅから排出される、水冷式の構成となっている。
【００２６】
サセプタ２２には基板ホルダ２４を介して基板Ｓが取り付けられている。図２は基板Ｓが１枚だけ処理できる装置を示している。しかし、サセプタ２２を交換することで同様の取付構成により基板Ｓを複数枚取り付けることができるようにすることも可能である。入口ポート２１Ｂには、原料ガス供給装置３から送られてくる原料ガスを本体２１内に導入してエピタキシャル結晶層の形成のために基板Ｓの表面全体に亘って均一流量で供給するための吹出装置２５が連結されている。
【００２７】
図３に示されるように、吹出装置２５は、原料ガスを導入するための導入管部２６と導入管部２６の先端に設けられた中空で円環状の吹出ノズル部２７とから成り、吹出ノズル部２７の底部２７Ａは比較的小径の開口２８が多数形成された目皿部材となっている。
【００２８】
この結果、導入管部２６によって導入された原料ガスは、底部２７Ａの開口２８で絞りをかけられるため、吹出ノズル部２７の内側と外側との間において差圧が生じることになる。この結果、これらの開口２８から流出する原料ガスの各流出圧力は略等しくなり、したがって、サセプタ２２に設けられた基板Ｓには原料ガスが均一に流れることになるので、基板Ｓ上に形成されるエピタキシャル結晶層の厚さを基板Ｓの表面全体に亘って略等しくすることができる。
【００２９】
図３に示した構成では、吹出ノズル部２７の内側と外側との間で原料ガスの圧力に差を生じさせるため多数の開口２８を吹出ノズル部２７の底部２７Ａに形成した目皿部材を用いた。しかし、他の手段によって上述の如き差圧を発生させることもできる。
【００３０】
図４には、吹出装置２５内の原料ガスの流路中にせき板を設けることにより吹出装置２５の内側と外側との間に所要の差圧を発生させるようにした構成が示されている。この差圧発生機構は、導入管部２６内に複数のせき板２９を図示の如く交互に配置し、これにより吹出装置２５内を流れる原料ガスに流れ抵抗を与え、これにより、所要の差圧を発生させるようにしたものである。
【００３１】
なお、これらのせき板２９による差圧発生機構と吹出ノズル部２７の底部２７Ａに形成した目皿部とをの両方を差圧発生機構として併用することも可能である。
【００３２】
図３に示した構成では、吹出ノズル部２７の内側と外側とで原料ガスの圧力に差圧を生じさせるため多数の開口２８を吹出ノズル部２７の底部２７Ａに形成した目皿部材を用いた。この種の目皿部材は吹出ノズル部２７の底部に複数段設けることもできる。
【００３３】
図５には、この種の目皿部材を吹出ノズル部２７の底部に複数段設けた場合の構成例が示されている。ここでは、吹出ノズル部２７の内側であって底部２７Ａ近くに第２の目皿部材２７Ｂを設けている。目皿部材２７Ｂは複数の開口２８’が設けられて成っており、これらの開口２８’は、底部２７Ａに形成されている開口２８と整列しないようずらして形成されている。このように目皿部材を２段にすることにより、差圧をより大きくし、１段の場合に比べて原料ガスの基板Ｓに対する流量の均一性をより高めることができる。
【００３４】
このように、吹出装置２５に差圧発生のための機構を設けることにより、原料ガスを基板Ｓの表面全体に亘って均一な流量をもって供給できるようになり、これにより基板Ｓの表面に形成されるエピタキシャル結晶層を基板Ｓの表面全体に亘って均一なものとすることができるようになる。したがって、このようにして基板Ｓ上に順次所要のエピタキシャル結晶層を形成して成る半導体薄膜結晶基板を用いて製造されたＬＥＤ素子又はその他の半導体装置は、その特性においてばらつきの少ない均一なものとすることができる。したがって、ＬＥＤ素子であれば、輝度や波長の均一性が確保されるので、この点における特性の不揃いの発生を有効に抑えることができる。
【００３５】
【実施例】
上で説明した半導体製造装置１を用いて発光素子を製作した。この発光素子は、図６に示す構造を有している。ここで、５１は基板、５２はＧａＮバッファ層、５３はＳｉドープ高温ＧａＮ層、５４はＳｉドープ低温ＧａＮ層、５５はＩｎＧａＮ層、５６はＡｌＧａＮ層、５７はＭｇドープＧａＮ層、５８はｐ電極、５９はｎ電極である。ここで、３−５族化合物半導体は、有機金属気相成長法により作製した。
【００３６】
なお、ｎ型ドーパントとしてＳｉをドープするために、窒素で希釈したシラン（ＳｉＨ₄）を、ｐ型ドーパントとしてＭｇをドープするために、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム〔（Ｃ₂Ｈ₅Ｃ₅Ｈ₄）₂Ｍｇ、以下（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇと記すことがある。〕を用いた。
【００３７】
基板５１として、サファイアのＣ面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用いた。成膜は、２インチ基板１枚を処理できるサセプタを用いて、自転動作しながら、行った。反応炉の吹き出し口は、差圧を設け、ガスの流れが均一になるようにするため、目皿部２段階の構成を採用した。
【００３８】
まず、水素をキャリアガスとし、１１００℃で塩化水素ガスを供給して、反応炉および基板のクリーニングを行った。クリーニング終了後、基板温度５５０℃で、ＴＭＧとアンモニアを供給して膜厚５０ｎｍのＧａＮバッファ層５２を形成した。
【００３９】
次に基板温度を１０４０℃まで上げ、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある）、アンモニア、及びシランガスを供給して、Ｓｉをドープしたｎ−型キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³、膜厚約３μｍのＧａＮ層５３を成長し、さらに同じ温度にてノンドープのＧａＮ層（図示略）を１５０ｎｍ成長した。Ｓｉドープ層およびノンドープ層の成膜速度は、５０ｎｍ／分であった。
【００４０】
次に基板温度を７７５℃まで下げ、キャリアガスを窒素に換え、トリエチルガリウム（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある）、アンモニア、およびシランを供給して、ＳｉをドープしたＧａＮ層５４を１７ｎｍ成膜した後、ＴＥＧ、トリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがある）およびアンモニアを供給して発光層であるＩｎＧａＮ層５５を３ｎｍ成膜した。以上のＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の成膜の操作をさらに４回繰り返した。
【００４１】
さらに、同じ温度にてＴＥＧ、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ、以下ＴＭＡと記すことがある）およびアンモニアを供給して、保護層であるＡｌＧａＮ層５６を６ｎｍ成長した。
【００４２】
一旦取り出した基板を再度成長装置へ入れ、保護層であるＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層を４４ｎｍ成長したのち、基板温度を１０６０℃まで上げ、（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇ、およびアンモニアを供給してＴＭＧ、（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇおよびアンモニアを供給してＭｇをドープしたＧａＮ層５７を２００ｎｍ成長した。
【００４３】
以上により作製した３−５族化合物半導体資料を反応装置２から取り出したのち、窒素中で８００℃、２０分アニールを施し、ＭｇをドープしたＧａＮ層を低抵抗のｐ型層にした。こうして得た試料に常法により電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）とした。ｐ電極５８としてＮｉ−Ａｕ合金、ｎ電極５９としてＡｌを用いた。このＬＥＤに順方向に電流を流したところ、発光波長４６０ｎｍの明瞭な発光を示した。２０ｍＡでの基板の中心部での輝度は０．７ｃｄであり、基板面内の発光輝度は、図７中符号Ａで示されているように高い均一性を示した。
【００４４】
比較例
吹き出し口の目皿部の、開口の口径が大きく、差圧を大きく取れない構成を用い、かつ基板の自転動作をさせないこと以外は、実施例と同様に行った。
発光ダイオードとした後、このＬＥＤに順方向に電流を流したところ、基板面内の発光輝度は、図７中符号Ｂで示されているように不均一な分布を示した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、以上の如く、吹出装置内に差圧発生装置を設けることにより、吹出装置内の原料ガスの圧力を吹出装置の出口開口における原料ガスの圧力より大きくしたので、吹出装置から吹き出す原料ガスを基板の表面全体に亘って均一の流量をもって流すことができ、これにより基板上に形成されるエピタキシャル結晶層の厚さを基板の表面全体に亘って略等しくすることができる。この結果、基板上に順次所要のエピタキシャル結晶層を形成して成る半導体薄膜結晶基板を用いて製造されたＬＥＤ素子又はその他の半導体装置は、その特性においてばらつきの少ない均一なものとすることができる。したがって、ＬＥＤ素子であれば、輝度や波長の均一性が確保されるので、この点における特性の不揃いの発生を有効に抑え、製品の歩留りを著しく改善することができ、半導体装置の製造コストの低減を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体製造装置の実施の形態の一例を示す概略構成図。
【図２】図１の反応装置を拡大して詳細に示す断面図。
【図３】図２に示す吹出装置の拡大斜視図。
【図４】せき板による差圧発生のための差圧発生機構の構成を示す断面図。
【図５】目皿部材を複数段設けた場合の構成の一例を示す断面図。
【図６】図１に示した半導体製造装置を用いて製造した発光素子の構造を示す断面図。
【図７】図６に示した発光素子の製造のために使用した基板における内面位置と輝度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１半導体製造装置
２反応装置
３原料ガス供給装置
２１本体
２２サセプタ
２３高周波誘導加熱コイル
２４基板ホルダ
２５吹出装置
２６導入管部
２７吹出ノズル部
２７Ａ底部
２７Ｂ目皿部材
２８、２８’ 開口
２９せき板
３１原料供給ライン
３２、３３、３４バブラ
Ｓ基板

Claims

反応装置と原料ガス供給装置とを備え、前記原料ガス供給装置からの原料ガスを前記反応装置内に配設されている吹出装置から前記反応装置内に配設されているサセプタに取り付けられた複数枚の基板に向けて流出させることにより該複数枚の基板の表面上に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長法によって製造するようにした半導体製造装置において、
前記吹出装置は、原料ガスを導入するための導入管部と、前記導入管部から導入された原料ガスを前記複数枚の基板の各基板表面に沿う方向に向けて流出させるため前記導入管部の先端に設けられた中空で円環状の吹出ノズル部とを備えて成り、
前記サセプタは前記吹出ノズル部の底部と間隔をあけて対向するように配設されており、
前記吹出ノズル部は前記底部から原料ガスを前記サセプタに向かう方向に流出させるようになっており、
前記複数枚の基板の夫々は、前記底部から前記サセプタに向かう原料ガス流によって前記原料ガスが各基板表面に沿って流れるように前記サセプタに取り付けられており、
前記吹出装置に供給される原料ガスの圧力と前記吹出ノズル部から流出する原料ガスの圧力との間に差圧を生じさせ、これにより前記原料ガスが各基板表面に沿って均一流量で流れるようにした
ことを特徴とする半導体製造装置。
前記吹出装置に差圧発生装置を設けることにより前記差圧を生じさせるようにした請求項１記載の半導体製造装置。
前記差圧発生装置が多段に設けられている請求項２記載の半導体製造装置。
前記差圧発生装置が、前記吹出ノズル部の底部に配設された目皿部材である請求項２又は３記載の半導体製造装置。
前記反応装置に周壁部を冷却するための水冷装置が設けられている請求項１記載の半導体製造装置。
前記差圧発生装置が、前記吹出装置内に少なくとも１つのせき板部材を配設して成るものである請求項２記載の半導体製造装置。
前記吹出ノズル部の底部に目皿部材を設けた請求項６記載の半導体製造装置。
前記反応装置に周壁部を冷却するための水冷装置が設けられている請求項６又は７記載の半導体製造装置。