JPH01144623A - 半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔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（Ｖ
ＣＥ）系において、■−Ｖ族化合物半導体層を析出させ
る半導体の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、■−Ｖ族化合物（例えばＧａＡｓ等）半導体素子
が、従来の珪素半導体素子よりも優れた性能を有するこ
とを知られその需要が増大している。このような■−ｖ
族化合物半導体素子の製造方法として、超高真空中で、
基板にガス状の化合物材料を分子線の形で衝突させ、基
板上にその材料を堆積させる分子線エビクキシャル法や
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法等がある。上記のうち、分子
線エピタキシャル法は、大量生産が難しく市場の需要に
見合うだけの供給をすることが困難であるという問題点
を有している。

また、有機金属ＣＶＤ法は、生産能力は高いが用いられ
る反応ガスが高価で、かつその利用効率が悪いという問
題点を有しているため、高価格を問題としないような特
殊用途以外に使用することは困難である。さらにその反
応ガスが有毒であることや、キャリアガスを用いるため
ガスの使用量が大量になることのため、使用後の廃棄等
の処理に問題を有している。

このため、大量生産ができ、かつ有毒ガスの処理等の問
題を殆どなくした方法として、真空化学エピタキシー（
ＶＣＥ）が、１９８５年４月３０日〜５月２０に行われ
た「宇宙光電池研究・技術会議」で開示された。このＶ
ＣＥ法はのちに「多接合（マルチジャンクション）用高
効率セルの真空ＭＯＣＶＤ製造」というタイトルの論文
でより詳細に発表された。これは反応室およびこの反応
室にガス状の化合物を射出するためのノズルを複数個設
けて生産性を向上したものである。さらに、炭素をドー
パンＩ・とじて用いるＶＣＥ法が、１９８６年７月１４
日出願の米国特許出願第８８５８９８号に開示されてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のＶＣＥ法も生産性や有毒ガスの処
理等の問題を充分に解決しうるちのではない。また、従
来の装置は、第６図のようになっている。すなわち、真
空室１内に配設されたヒータ２の上に基板３を載置し、
この基板３に向けて真空室１内の上部側に配設されたノ
ズル４から半導体析出用のガス状化合物を吐出するよう
になっている。そして、このノズル４には複数の配管が
接続され、基板３に異なる種類の化合物層を析出させる
場合は、その都度上記配管にそれぞれ設けられたバルブ
５，６．７を切り代えて異なる種類の化合物を吐出させ
ている。そのため、頻繁にバルブの切り代えをしなけれ
ばならず作業性が悪いという問題や、バルブを切り代え
て異なる種類の化合物を吐出させる際、前に使用した化
合物がノズル４内に残留しこれが不純物となって得られ
る半導体の品質を低下させるという問題を有している。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、欠
陥のない良質の■−■族化合物半導体素子を効率良く製
造することのできる半導体の製造方法の提供をその目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体の製造方
法は、真空化学エピタキシー系の真空室内に配設された
基板の表面に半導体層を析出させる半導体の製造方法で
あって、上記真空室を１０−トトル以下の真空状態にす
るとともに３個の帯域に分け、この真空室内の第１の帯
域で上記基板を５００℃〜７００℃の温度で５〜２０分
加熱したのち、第２の帯域で上記基板の表面にガス状の
■族およびＶ族化合物を接触させることにより厚み１０
２〜１０４Ａの無ドープＧ　ａ　Ａ　、ｓ層を析出させ
、第３の帯域でこの無ドープＧａＡｓ層の表面に上記ガ
スおよびｎ型ドーパントを接触させて厚み１０３〜３×
１０３人のｎ型ＧａＡｓ層を析出させ、さらにｎ型ドー
パンＩ・を追加して上記ｎ型ＧａＡｓ層の表面に厚み５
Ｘ１０２〜２．５Ｘ１０１人のｎ＋型ＧａＡｓ層を析出
させ、上記基板への」二記ガスおよびドーパントの接触
を停止した状態で５〜２０分保持したのち、」二記基板
を第１の帯域に移動させ第１の帯域で冷却して真空室の
外部に取り出し、これに信号源接点、ゲート接点および
ドレーン接点を設けるという構成をとる。

〔作用〕

すなわち、この発明の半導体の製造方法は、従来例のよ
うに、バルブを切り変えることによって、複数種類の半
導体析出用のガス状化合物を、基板に向けて吐出させる
のではなく、真空室内を３個の帯域に分け、そのそれぞ
れの帯域で基板の表面に異なる化合物の層を析出させる
ようになっている。そのため、基板を、３個の帯域に順
次移動させながら連続的に処理することができ、生産効
率を大幅に改良できる。また、それぞれの帯域で異なる
ガス状化合物を使用するため、吐出口に前に使用した化
合物が残留しそれが不純物となり得られる半導体の品質
を低下させるということが防止できる。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明する
。

［実施例］ 第１図および第２図はこの発明の一実施例に使用する装
置を示しており、真空化学エピタキシー系における真空
室２００内に半導体製造装置１００　（１００ａ、１０
０ｂ、１００ｃ）が３個配設されている。この半導体製
造装置１００は第３図に示すようになっている。すなわ
ち、第３図において、１０は反応室であり、四角板状の
床板１２と、その床板１２の縁周部から上方に向かって
延びる壁１６と、その天井部である上板１８とで構成さ
れている。上記上板１８は水平方向に回転自在になって
いるとともに、反応室１０に着脱自在になっており、他
の半導体製造装置１００の反応室１０にも着脱できるよ
うになっている。２０は壁１６の上端側に設けられた排
気口であり、全体面積が反応室１０内の上板１８の面積
の略４％になるように設定されている。３００は５０．
１　ｍｍ角の基板であり、反応室１０の天井部である上
板１８の下面に間隔をおいて２枚（この」二板１８には
６個の基板３００を取り付けることができる）が取り付
けられている。１４はそれぞれ床板１２における上記基
板３００の真下の位置に一定間隔（２５，４ｍｍ）で、
かつ上記基板３００に対して垂直になるように穿設され
た直径３．２　ｍｍのノズル孔（上側が大径になってい
る）であり、反応室１０の下方に配設された第１の混合
室２４の天井部に穿設されている孔２６．３４に連通し
ている。この孔２６．３４は第４図に示すように、同数
個が交互に配設されており、孔２６は第１の混合室２４
内に連通し、孔３４は第１の混合室２４内を貫通してい
るダクト３２を介して第１の混合室２４の下側に設けら
れた第２の混合室３０に連通している。第１の混合室２
４内には側壁を貫通して原料注入管２２が連通しており
、この原料注入管２２からトリメチルガリウム（ＴＭＧ
ａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等の■族化合物
およびｎ型ドーパンＩ・が送りこまれるようになってい
る。

この化合物等は第１の混合室２４内で均一に混合された
のち孔２６およびノズル孔１４を通って反応室１０の天
井部に配設されている基板３００に向かって均一な分布
状態で吐出されるようになっでいる。また、第２の混合
室３０は、下部側が開口されその開口に、その開口を開
閉するためのポペット弁からなる排気弁３６が進退自在
に設げられ、側壁に原料注入管２８が連結されている。

この原料注入管２８からトリエチルアルミニウム（ＴＥ
、１１）等の上記■族化合物と種類の異なる■族化合物
等が必要に応じて送りこまれるようになっており、この
化合物は第２の混合室３０およびダクＩ・３２内で均一
状態に混合されたのち、孔３４を介してノズル孔１４か
ら上記第１の混合室２４内の化合物と同様に、基板３０
０に向けて均一な分布状態で吐出される。なお、上記第
１および第２の混合室２４．３０は一体的に形成された
ステンレス鋼製の注入ブロックでできており、その下部
側である支持体４０で支持されている。４２はＡｓｚ等
の■族化合物を反応室１０内に供給するだめの供給管で
あり、第４図のように床板１２上の、孔２６．３４を同
数に２分割する位置に配設されている。そして、この供
給管４２には複数個の孔４２ａおよび孔４２ｂがそれぞ
れ一定間隔を保った状態で左右２列に穿設されている。

このため、上記Ｖ族化合物を反応室１０内に均一な分布
状態で供給できる。４４ば反応室１０の上板１８の上方
に配設されたヒータであり、上板１８を介した輻射熱で
基板３００を加熱することにより、基板３００を、その
表面で上記化合物が反応で】　０ きる温度にまで加熱し、基板３００の表面に半導体層の
析出が円滑に行えるようにしている。

この構成において、ＭＥ　Ｓ　Ｆ　ＥＴエピタキシー層
の析出プロセスを第５図のチャートにより説明する。ま
ず真空室２００内を、１０−６１−ル以下に減圧し、そ
の状態でヒータ４４に電圧を負荷してヒータ４４を発熱
させ、反応室１０内を５００〜７００　”Ｃに加熱する
。ついで、第２図の半導体製造装置１００ａである第１
の帯域に基板３００を装入し５〜２０分間加熱する。そ
して、半導体製造装置１００ｂである第２の帯域に基板
３００を、上板１８ごと移動させ、原料注入管２２から
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム
（ＴＥＧａ）等の■族化合物を第１の混合室２４内に送
り込み、混合室２４内でその化合物を均一状態に混合し
たのち、ノズル孔１４から基板３００に向けて均一な分
布状態で吐出させると同時に、供給管４２に、ＡｓＨ，
またはアルキルアルシン等のＶ族化合物、例えばトリエ
チルアルシン（ＴＥＡｓ）を送り込み、これを孔４２ａ
および孔４２ｂから反応室１０内に過剰に吐出させる。

その結果、反応室１０内に供給されたＶ族化合物は、上
記■族化合物等とともに基板３００の表面を横切って排
気口２０の方へと拡散しながら流れていく。その間に、
ＡｓＩ（、やＴＥＡｓは熱分解してＡｓｚになり、■族
化合物と混合して基板３００の表面に無ドープの砒化ガ
リウム（ＧａＡＳ）層として析出する。この処理を略３
０分間継続し、無ドープＧ　ａ　Ａ　ｓ層の厚みを、１
０２〜１０４人にする。なお、この無ドープＧａＡｓ層
内のドーパント不純物の濃度ば１×１０１５原子／　ｃ
ｉ以下とする。また、この際、基板３００に接触しない
未反応の化合物は排気口２０から反応室１０の外部に排
出され真空室２００の下部側に吸い込まれていく。次に
、この表面に無ドープＧａＡｓ層が析出した基板３００
を、上板１８ごと第３の帯域である半導体製造装置１０
０Ｃに移動させる。この第３の帯域では、上記■族化合
物およびＶ族化合物に加えて、ｎ型ドーパントを基板３
００に向けて吐出するようになっている。このｎ型ド−
パントは、■族化合物とともに第１の混合室２４から吐
出されるか、または単独で第２の混合室３０から吐出さ
れる。これにより、上記無ドープＧａＡｓ層の表面に、
厚みが１０３〜３×１０３人のｎ型ＧａＡｓ層を析出さ
せる。そして、さらにｎ型ドーパントを加え、上記ｎ型
ＧａＡｓ層の表面に５×１０２〜２．５×１０３人のｎ
゛型ＧａＡｓ層を析出させる。このｎ型およびｎ゛型Ｇ
ａＡｓ層の析出は略１５分間行うことにより、上記の厚
みを得られる。次に、上記すべてのガスの供給を停止さ
せた状態で５〜２０分間保持し、そののち基板３００を
、第１の帯域に移動し略１５分間冷却して真空室２００
内から取り出す。そして、既知の方法で、この半導体層
が形成された基板３００に、信号源電極、ドレーン電極
およびゲート電極を設ける。このように、この方法にお
いては、第１の帯域を基板３００の加熱および冷却用と
し、第２の帯域を無ドープ材料の成長用とし、第３の帯
域をドーパントを含む材料の成長用とし、それぞれの帯
域で同時に処理を行えるようになっている。この方法に
より、１帯域当たりに６個の基板３００を配設し、１日
２交替の作業を行うことにより、１週間に９６０個のＭ
Ｅ　Ｓ　Ｆ　ＥＴエビクキシー半導体を製造することが
できる。

なお、上記半導体製造装置１００において、ノズル孔１
４から基板３００までの距離を、その真空状態での■族
化合物のガス分子の平均自由行程よりも短（、かつ基板
３００の表面への化合物の分散状態が均一になるように
設定しておく。これをより詳しく説明すると、各ノズル
孔１４から円錐状に拡散していく■族化合物等の先端に
形成される各日が互いに交わる位置に基板３００を配設
しておくとともに、基板３００に到達するガス分子の分
布状態およびその衝突速度が、ガス分子が基板３００の
表面に適当な速度で析出するために充分であるように設
定しておく。または、予め設定されたノズル孔１４から
基板３００までの距離に対応させて、反応室１０内の真
空度やガス状化合物の吐出速度を調節したり、孔２６．
３４およびノズル孔１４の個数、直径等を調節する。こ
れにより、規定厚み±５％の範囲内の厚み、より好まし
くは規定厚み±１％の範囲の厚みを有する半導体層を得
るようにする。また、ＴＥＧａおよびＡ　ｓ　Ｈ３等か
らＧａＡｓを得る場合の反応速度は、一般に、基板３０
０の温度が高いほど早く進行するようになっているが、
あまり高すぎると層状に形成されたものが再蒸発し層成
長速度を低下させる。このため基板３００の温度は５０
０〜７００℃が好ましく、特に好ましいのば６００〜６
５０℃である。また、反応室１０内のガス停止時の真空
状態は１０−６〜１Ｏ−Ｉｌ＋−ルが好ましい。

このように、この装置は、真空室２００内を３個の帯域
に分け、その各帯域に基板３００を順次移動させながら
連続的に異なる処理を行えるようになっている。そのた
め、効率よく生産ができ、かつ異なる種類の化合物が不
純物となって得られる半導体の品質を低下させるという
ことを防止できる。また、各半導体製造装置１００に、
２個の混合室２４．３０を設けているため、複数の種類
の異なるガスをそれぞれのノズル孔１４から吐出できる
ようになり、使用方法を多様化することができる。さら
に、ヒータ４４を上板１８の上方に配設し、この上板１
８を介して間接的に基板３００を加熱するとともに、半
導体析出用のガス状化合物を基板３００の下方から吐出
させるため、ヒータ４４の発熱による気体の対流に左右
されず適正な処理ができ、効果的に良質の半導体層を析
出させることができる。また、ノズル孔１４と基板３０
０との距離が■族化合物の平均自由行路よりも短くなっ
ているため、基板３００に接触する前にこの化合物が反
応することがない。そのため、得られる半導体に表面欠
陥を生じるということを防止できる。さらに、未反応の
化合物を排出口２０から反応室１０の外部に排出するこ
とにより、反応室１０内に一定の流速の化合物の流れを
生じさせるようになっているとともに、混合室２４゜３
０に連通ずる複数個のノズル孔１４を２分割する位置に
供給管４２を配設しているため、基板３００の表面に均
一状態でＶ族化合物等を送ることができＩ−Ｖ族化合物
からなる半導体層を均一な状態で析出させることができ
る。第２の混合室３０に排気弁３６を設けているためガ
ス状化合物の基板への断続的な供給も可能になる。また
、ＴＥＡｓは毒性が少ないため、これをＶ族化合物とし
て使用すると使用後の処理が容易である。さらに、キャ
リアガスを用いないため使用ガスが少量になり、廃棄等
の処理が容易になる。また、上板１８を反応室１０の上
部側で回転させることにより均一層を得やすくなる。な
お、この場合は、反応室１０を円柱状に形成しておく。

なお、上記実施例において、混合室２４．３０を上下２
段に設けたが、これに限定するものではなく、さらに第
２の混合室３０の下方に他の混合室を設けて他種類の■
族化合物等を基板３００に吐出できるようにしてもよい
。この場合、排気弁は最下段の混合室に設けるか、また
はそれぞれの混合室に設けてもよい。

〔発明の効果〕 この発明の半導体の製造方法は、以上のように構成され
ているため、欠陥のない良質の■−Ｖ族化合物半導体素
子を効率良（製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に用いる装置を示す縦断面
図、第２図はその横断面図、第３図はその要部樅断面図
、第４図はその孔および供給管の分布状態を示す平面図
、第５図はＭＥ　Ｓ　Ｆ　ＥＴエピタキシー層の析出プ
ロセスのチャート図、第６図は従来例の断面図である。 １００・・・半導体製造装置　２００・・・真空室　３
００・・・基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空化学エピタキシー系の真空室内に配設された
   基板の表面に半導体層を析出させる半導体の製造方法で
   あつて、上記真空室を１０＾−＾６トル以下の真空状態
   にするとともに３個の帯域に分け、この真空室内の第１
   の帯域で上記基板を５００℃〜７００℃の温度で５〜２
   ０分加熱したのち、第２の帯域で上記基板の表面にガス
   状のIII族およびＶ族化合物を接触させることにより厚
   み１０＾２〜１０＾４Åの無ドープＧａＡｓ層を析出さ
   せ、第３の帯域でこの無ドープＧａＡｓ層の表面に上記
   ガスおよびｎ型ドーパントを接触させて厚み１０＾３〜
   ３×１０＾３Åのｎ型ＧａＡｓ層を析出させ、さらにｎ
   型ドーパントを追加して上記ｎ型ＧａＡｓ層の表面に厚
   み５×１０＾２〜２．５×１０＾３Åのｎ＾＋型ＧａＡ
   ｓ層を析出させ、上記基板への上記ガスおよびドーパン
   トの接触を停止した状態で５〜２０分保持したのち、上
   記基板を第１の帯域に移動させ第１の帯域で冷却して真
   空室の外部に取り出し、これに信号源接点、ゲート接点
   およびドレーン接点を設けることを特徴とする半導体の
   製造方法。
2. （２）III族化合物が、ガリウム含有ガスである特許請
   求の範囲第１項記載の半導体の製造方法。
3. （３）Ｖ族化合物がアルシン含有ガスである特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の半導体の製造方法。