JPH01144624A - 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ＩＩＩ
−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ピタキシャル
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ば困難である。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２日に行われ
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。これば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
パントとして用いる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」二に基板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が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Ｉ−Ｖ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１０−６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１０〜２０
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が
９Ｘ１０３〜１．ＩＸｌ　０’人の無ドープＧａＡｓ層
を析出させ、さらに上記ガスにＡで含有化合物を加えて
無ドープＧａＡｓ層の表面に厚みが３０〜１００人の無
ドープＡ、　４２　ｚ　Ｇ　ａ　＋−ｚ　Ａ　Ｓ層を析
出させ、第３の帯域でこの無ドープＡｆｆｉ２Ｇａ＋−
ＺＡｓ層の表面に上記ガス、ＡｐＶ、含有化合物および
ｎ型ドーパントを接触させて厚みが３００〜７００人で
ドーピング濃度が略２Ｘ１０”原子／　ＣＩＩＩのｎ゛
型ＡＩ！、２Ｇａ、−２Ａｓ層を析出させ、ついでＡｌ
含有化合物を停止させ上記ガスおよびｎ型ドーパントを
接触させることより厚みが５００〜１５００人のｎ＋型
ＧａＡｓ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１０〜２０分保持した
のち、この基板を第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
れの帯域で基板の加熱および基板の表面への半導体層の
析出等の処理を行うようになっている。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ば、それぞれ第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。３０
０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（この上板
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ばそれぞれ床板１２におけ
る上記基板３００の真下の位置に一定間隔（２５，４ｍ
ｍ）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２４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
（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等の■
族化合物およびｎ型ドーパント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ている。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３
６が進退自在に設けられ、側壁に原料注入管２８が連結
されている。この原料注入管２日からトリエチルアルミ
ニウム（ＴＥＡＩ！、）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およびダクト
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３００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。４
２はＡｓ２等のＶ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２
６．３４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４
２ｂ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は反応室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３
００を、その表面で上記化合物が反応できる温度にまで
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、■−Ｖ族化合物半導体のうちのＨＥ
ＭＴ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、１０−６〜１
０−”トルに減圧し、その状態でヒータ４４を電圧を負
荷して発熱させ、反応室１０内を５００〜７００℃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１０〜２０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ごと回転移動させ、その原
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
に向げ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、例えばトリエヂルアルシン（ＴＥＡＳ）を送り込
め、これを孔４２ａおよび孔４２ｂがら反応室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、Ａｓｌ−■３やＴＥＡｓは熱分解し
てＡｓ２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１す る。この処理を略２０分間継続し、上記無ドープＧａＡ
ｓ層の厚みを、９Ｘ１０”　〜１．ｌＸ１０’人にする
。なお、この無ドープＧａＡｓ層内のドーパント不純物
の濃度は１×１０１５原子／　ｃｉ以下とする。さらに
、上記■族化合物等のガス供給に加えて１，１１含有化
合物を、略１０分間第２の混合室３０から吐出させるこ
とにより、上記無ドープＧａＡｓ層の表面に、厚みが３
０〜１００人の無ドープＡ　４２２Ｇ　ａ　＋−ｚ　Ａ
　Ｓ　Ｎを析出させる。次に、この表面に無ドープＧａ
Ａｓ層およびＡ、　ｆｆ２Ｇ　ａ　Ｉ−２Ａ　Ｓ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１００ｃ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族化合物等のガスに加えて
、ｎ型ドーパン１−を基板３００に向けて吐出するよう
になっている。このｎ型ドーパントは、■族化合物とと
もに第１の混合室２４から吐出される。これにより、■
記無ドープＡ　ｊ２　ｚ　Ｇ　ａ　＋−ｚ　Ａ　ｓ層の
表面に、厚みが３００〜７００人で、ドーパント濃度が
略２Ｘ１０１８原子／　ｃｒｙのｎ゛型Ａｐ、２Ｇ　ａ
　＋−ＺＡｓＮを析出させる。ついで、第２の混合室３
０の排出弁３６を開成して上記ガス等のうちのＡｌ含有
化合物の供給を停止させる。これにより上記ｎ１型Ａ　
ｉ！、７．　Ｇ　ａ　＋−ｚ　Ａ　Ｓ層の表面に、厚み
が５００〜１５００人のｎ゛型ＧａＡｓ層を析出させる
。この場合上記Ｚは０．１〜０．９、好ましくは０゜２
〜０．３である。このｎ゛型Ａｊ２ｚＧａ、−ｚ　Ａ、
ｓ層およびｎ゛型ＧａＡｓ層の析出は合計で略１０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１０〜２０分間保
持し、そののち基板３００を、第１の帯域に移動し略１
５分間冷却して真空室２００内から取り出す。なお、上
記すべての工程において、基板３００に接触しない未反
応のガス状化合物は排気口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。

ついで、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複数の
基板３００の処理を行えるようになっている。この処理
に要する時間は、第１帯域での加熱、冷却にそれぞれ略
１５分、第２帯域での無ドープ層析出に略３０分、第３
帯域てのｎ゛型ＡＩ２．、Ｇ’ａ、−ｚ　Ａｓ層および
ｎ゛型ＧａＡｓ層の析出に略１０分、無成長期間（ガス
状化合物等の供給なし）に略２０分かかり、合計で略１
．５時間となる。したがって、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ＨＥＭＴエピク
キシー半導体を製造することができることになる。

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く、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
形成される各回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３
００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薫発し層
成長速度を低下させる。このため基板３００の温度は５
００〜７００℃が好ましく、特に好ましいのば６００〜
６５０℃である。また、反応室１０内の真空状態は１０
−６トル以下が好ましい。

このように、この半導体製造装置１００は、真空室２０
０内を３個の帯域に分り、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１
４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１８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３０
０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３００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２４．３０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■族化合物等を送ることがで
き■−■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。また、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■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
ことが好ましい。

なお、上記実施例において、３個の半導体製造装置１０
０を同形のものとしているがこれに限定するものではな
く、第１の帯域に使用する半導体製造装置１００ａには
、ノズル等を設けず、単に加熱および冷却ができる室と
してもよいし、他の半導体製造装置１００についてもそ
こで行われる処理に対応して混合室を１個にしたり、さ
らに加法に追加して３個以上にする等変形させてもよい
。また、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
する場合、排気弁３６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
子を効率良く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図はその要部縦断面図
、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■４　Ｅ　Ｍ　Ｔ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。 １００ａ、１００ｂ、］、ＯＯｃ・・・半導体製造装置
　２００・・・真空室　３００・・・基板Ｏ□　　　　
　□　　　　　□

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１０〜
   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III族およびＶ族化合物を接触させることにより
   厚みが９×１０＾３〜１．１×１０＾４Åの無ドープＧ
   ａＡｓ層を析出させ、さらに上記ガスにＡｌ含有化合物
   を加えて無ドープＧａＡｓ層の表面に厚みが３０〜１０
   ０Åの無ドープＡｌ＿ＺＧａ＿１＿−＿ＺＡｓ層を析出
   させ、第３の帯域でこの無ドープＡｌ＿ＺＧａ＿１＿−
   ＿ＺＡｓ層の表面に上記ガス、Ａｌ含有化合物およびｎ
   型ドーパントを接触させて厚みが３００〜７００Åでド
   ーピング濃度が略２×１０＾１＾８原子／ｃｍ＾３のｎ
   ＾＋型Ａｌ＿ＺＧａ＿１＿−＿ＺＡｓ層を析出させ、つ
   いでＡｌ含有化合物を停止させ上記ガスおよびｎ型ドー
   パントを接触させることより厚みが５００〜１５００Å
   のｎ＾＋型ＧａＡｓ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１０〜２０
   分保持したのち、この基板を第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。