JP4663912B2 - 半導体製造装置 - Google Patents
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Description
【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〔(C2 H5 C5 H4 )2 Mg、以下(EtCp)2 Mg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 )3 Ga、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((C2 H5 )3 Ga、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 )3 In、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 )3 Al、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)2 Mg、およびアンモニアを供給してTMG、(EtCp)2 Mg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 (8)
- 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。
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