JPH09298159A - 半導体製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

半導体製造方法及び半導体製造装置

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JPH09298159A
JPH09298159A JP8115108A JP11510896A JPH09298159A JP H09298159 A JPH09298159 A JP H09298159A JP 8115108 A JP8115108 A JP 8115108A JP 11510896 A JP11510896 A JP 11510896A JP H09298159 A JPH09298159 A JP H09298159A
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liquid nitrogen
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リンの排出工程に要する時間を飛躍的に低減
し、半導体ウエハの生産効率を格段に向上する。 【解決手段】 液体窒素コールドトラップ28が配設さ
れた超高真空室23に、ゲートバルブ22を介して超高
真空排気用のターボ分子ポンプ20を連通し、かつゲー
トバルブ25を介して液体窒素コールドトラップ28に
広帯域ターボ分子ポンプ24を連通する。液体窒素コー
ルドトラップ28に吸着されたリンを追い出す工程を、
ターボ分子ポンプ20を停止し、広帯域ターボ分子ポン
プ24を駆動して行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、分子線エピタキシ
ー法により半導体基板(成長基板)上に化合物半導体を
成長する半導体製造方法及びその実施に使用する半導体
製造装置に関し、特に蒸気圧の高い材料分子を使用する
際の製造工程を効率化できる半導体製造方法及びその実
施に使用する半導体製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体発光素子や高速電子素子に用いら
れる高品質な化合物半導体結晶を成長する方法として、
分子線エピタキシー法、有機金属化学気相成長法及び液
相成長法等の技術が用いられる。なかでも、分子線エピ
タキシー法は、超薄膜の制御性がよいこと、比較的低温
で良質な結晶を成長できること、成長材料の利用効率が
よいこと及び成長中に成長状態をその場で観察できるこ
と等の多くの利点を有する。
【0003】これらの利点を生かして近年様々な材料系
を分子線エピタキシー法を用いて成長することが試みら
れている。このなかには、リン、セレン、イオウ等の非
常に蒸気圧の高い成長材料を用いた例も多く、半導体レ
ーザ素子等の分野で優れた結果が得られている。
【0004】ところで、このような蒸気圧の高い成長材
料を分子線エピタキシー法で用いる場合は、結晶成長中
の成長室内の真空度を継続的に良好に保つ技術が重要に
なる。この技術に関する従来例を、赤色半導体レーザ素
子を成長する場合を例にとって、以下に説明する。
【0005】図7は分子線エピタキシー法により赤色半
導体レーザ素子を成長する半導体製造装置(以下分子線
エピタキシー装置と称する)の一従来例の構成を示す。
この分子線エピタキシー装置を用いて、実用的な赤色半
導体レーザ素子を成長する方法を記載したものとして以
下の参考文献があげられる。
【0006】参考文献1:T.Hayakawa,e
t.al,Journal of Crysta1 G
rowth 95(1989)343−347 参考文献2:K.Takahashi,et.al,J
ournal of Crystal Growth
150(1995)1333−1337 この参考文献1の「コンクルージョンの節」には、分子
線エピタキシー法により固体材料を用いて、AlGaI
nP系の赤色半導体レーザ素子を製作した例が記載され
ており、そこでは層厚やドーピングの制御性、結晶の均
一性が良好であって、p型クラッド層で1018cm-3
高濃度のドーピングが可能であり、利得ガイド型素子に
より波長671nmで室温連続発振が得られたことが報
告されている。
【0007】また、参考文献2の「アブストラクト」に
は、分子線エピタキシー法により固体材料を用いて、A
lGaInP系の赤色半導体レーザ素子の実用化に成功
したことが記載されている。また、そこでは半導体レー
ザ素子の特性改善には、結晶中への有害不純物の混入量
を低減すること及び成長温度の最適化を図ることが重要
である旨指摘されている。
【0008】図7において、この分子線エピタキシー装
置は、2つの成長室51,53及び両成長室51,53
を連結する中間室52の3つの超高真空室を有する。ま
ず、成長室51内でGaAs基板上にGaAsバッファ
層を成長し、続いて成長室53内でAlGaInP発光
層を成長し、その後、成長室51内でGaAsキャップ
層を成長する。
【0009】成長室53ではAlGaInP発光層を成
長するためにリンを使用するが、このような方法で赤色
半導体レーザ素子を連続的に成長する場合は、蒸気圧の
高いリンを成長室53から効率的に排気して、成長室5
3内の超高真空状態を維持する必要がある。
【0010】このため、上記の従来例では、成長室53
内の排気を行う排気ポンプとして、超高真空まで排気可
能なターボ分子ポンプが用いられている。ターボ分子ポ
ンプの代わりに油拡散ポンプを使用する場合もあるが、
いずれにしても排気したリンを適当な速度で真空室外部
に排出していくことが重要である。このようなポンプを
使用した場合、成長室53の内壁に沿って配設される液
体窒素クライオパネルを併用すれば、10-10mbar
台の真空度が得られる。なお、イオンポンプ等の吸着ポ
ンプでは長期的に使用した場合、リンの蒸気圧が高く排
気量が飽和してしまうため、適切でない。
【0011】図7に示す構成で結晶成長を行う場合、成
長中は成長室53内の液体窒素クライオパネルと液体窒
素コールドトラップ54に液体窒素を充填し、リン分子
を吸着し高真空を維持する。
【0012】しかし、長期的に成長を連続して行うと、
リンの吸着量が飽和するため、適当な間隔で成長を休止
し、液体窒素を除去し、液体窒素クライオパネル及び液
体窒素トラップ54に吸着したリン分子を排出する必要
がある。
【0013】図8に上記従来例の典型的な結晶成長の流
れを示す。ここでは、1回当たり約3.6時間要するウ
エハ成長工程を20回行っている。よって、ウエハ成長
に要する時間は、3.6×20=約72時間=約3日で
ある。ウエハ成長工程が終了すると、液体窒素クライオ
パネルに吸着したリンの追い出し工程を約8時間行い、
引き続いて液体窒素トラップ54に吸着したリンの追い
出し工程を約20時間行っている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】図8に示すように、従
来例では、成長を約3日間連続的に継続したあと約1日
以上のリン排出の作業が必要であるため、約1日以上ウ
エハ、即ち赤色半導体レーザ素子の製造を停止しなけれ
ばならない。このため、赤色半導体レーザ素子の生産効
率を向上する上でのネックになっていた。
【0015】なお、連続成長日数をこれ以上延長する
と、リンの排気効率が飽和する上、リン排出工程も長く
なるため、生産効率はますます低下する。
【0016】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、リンの排出工程に要する時間を飛躍的に低
減でき、半導体ウエハの生産効率を格段に向上できる半
導体製造方法及びその実施に使用する半導体製造装置を
提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体製造装置
は、分子線エピタキシー法により蒸気圧の高い材料を成
長室内で蒸発させて半導体を製造する半導体製造装置に
おいて、液体窒素コールドトラップを有し、バルブを介
して該成長室に連結された超高真空室と、該超高真空室
に連結され、超高真空排気系からなる第1排気系と、該
液体窒素コールドトラップに連結され、低真空領域でも
排気可能な排気系からなる第2排気系とを備え、該第1
排気系と該第2排気系とが独立して排気を行うように構
成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0018】好ましくは、第1排気系として、ターボ分
子ポンプを含むものを用いる。
【0019】また、好ましくは、第1排気系として、油
拡散ポンプを含むものを用いる。
【0020】また、好ましくは、第2排気系として、広
帯域ターボ分子ポンプを含むものを用いる。
【0021】また、好ましくは、第2排気系として、ロ
−タリポンプを含むものを用いる。
【0022】また、本発明の半導体の製造方法は、液体
窒素コールドトラップを有し、バルブを介して成長室に
連結された超高真空室と、該超高真空室に連結され、超
高真空排気系からなる第1排気系と、該液体窒素コール
ドトラップに連結され、低真空領域でも排気可能な排気
系からなる第2排気系とを備え、分子線エピタキシー法
により蒸気圧の高い材料を該成長室内で蒸発させて半導
体を製造する半導体製造方法において、該第2排気系を
停止し、該第1排気系により該超高真空室及び該成長室
を排気しつつ、該成長室でウエハを成長する工程と、該
第1排気系を停止し、該第2排気系により該液体窒素コ
ールドトラップに付着した分子を排出する工程とを包含
しており、そのことにより上記目的が達成される。
【0023】好ましくは、前記液体窒素コールドトラッ
プに付着した分子を排出する工程を、該液体窒素コール
ドトラップの内部にホットエアを導入して液体窒素を蒸
発させ、これにより該分子を排出することにより行う。
【0024】また、好ましくは、前記ホットエアの温度
は、40℃以上250℃以下、好ましくは、約150℃
とする。
【0025】また、好ましくは、蒸気圧の高い材料とし
て、リンを用いる。
【0026】以下に、蒸気圧の高い材料としてリンを用
いた場合を例にとって、作用を説明する。但し、本発明
でいう蒸気圧の高い材料とは、成長待機時に成長室の真
空度がイオンポンプ、拡散ポンプ等の超高真空ポンプで
排気困難になるものを想定しており、一例として、リン
(P)や硫黄(S)のように400°Kで蒸気圧が10
-3torr以上となる材料を対象としている。また、セ
レン(Se)はこの条件を満足するものではないが、真
空排気にイオンポンプを採用する場合、待機時排気困難
な領域(10-5torr以上)に入るため、本発明でい
う蒸気圧の高い材料に含まれる。
【0027】なお、ここでいう400°Kは、具体的に
は水冷されている材料セルの周辺が待機時に保持される
最高温度をいう。
【0028】また、本発明でいう超高真空(度)、低真
空(度)とは、10-3torr程度を境にして定義付け
られるものである。即ち、本発明では10-3torr程
度以上の真空度を超高真空と称し、10-3torr程度
未満の真空度を低真空と称している。
【0029】さて、上記従来例で説明したように、成長
室の内部には液体窒素クライオパネルが配設されてい
る。従って、第1排気系で超高真空室及び成長室を排気
しつつ、成長室でウエハを成長する工程において、成長
中に発生したリン分子の大部分は液体窒素クライオパネ
ル及び液体窒素コールドトラップに吸着される。成長工
程終了後、液体窒素クライオパネルに吸着されたリンは
液体窒素コールドトラップに移動する。
【0030】この状態から、第2排気系によって液体窒
素コールドトラップに吸着されたリンの追い出しが行わ
れるが、この第2排気系は低真空領域でも排気可能な排
気ポンプ、一例として、広帯域ターボ分子ポンプを用い
ているため、急速にリンを液体窒素コールドトラップか
ら追い出すことができる。このため、リンの排出工程に
要する時間を飛躍的に低減できる。
【0031】ここで、広帯域ターボ分子ポンプのような
低真空領域でも排気可能な排気ポンプを用いると、超高
真空まで排気可能なターボ分子ポンプで液体窒素コール
ドトラップからリンを追い出す場合に比べて、排気工程
に要する時間を飛躍的に低減できるのは、以下の理由に
よる。
【0032】即ち、リン分子を超高真空室から排気する
工程は、まず液体窒素コールドトラップの内部にホット
エアを導入して液体窒素コールドトラップを加熱し、こ
れにより液体窒素を蒸発させて吸着しているリン分子を
追い出し、その後、排気ポンプにより超高真空室からリ
ン分子を排気することにより行われる。
【0033】ここで、超高真空用ターボ分子ポンプは、
低真空時に排気量が急激に低下する排気特性を有するた
め、超高真空室の真空度が10-2mbar程度より悪化
しないようにする必要がある。このため、ホットエアの
温度は余り高くすることができず、またその流量も余り
大きくすることができない。即ち、ホットエアの温度を
高くし、流量を大きくすると、液体窒素の蒸発量が増大
し、超高真空室の真空度が10-2mbar以下になるか
らである。
【0034】このため、従来例では、液体窒素コールド
トラップの温度を低い状態に維持して、液体窒素の蒸発
を緩やかに進行させる必要があるため、リン分子を液体
窒素コールドトラップから追い出す迄の時間がかかり、
結果的に超高真空室からリン分子を排気する排気工程に
上記のような多大の時間を要していた。
【0035】これに対して、広帯域ターボ分子ポンプの
ような低真空領域でも排気可能な排気ポンプでは、かか
る制約がないため、より高熱かつより大流量のホットエ
アを液体窒素コールドトラップの内部に導入し、液体窒
素をより急速に蒸発させることができるので、結局、超
高真空室からリン分子を排気する排気工程に要する時間
を飛躍的に短縮できるのである。
【0036】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。
【0037】図1は本発明半導体製造装置であるAlG
aInP系赤色半導体レーザ素子成長用の分子線エピタ
キシー装置を示す。この分子線エピタキシー装置は、2
つの成長室11,13とそれらを連結する中間室12の
3つの超高真空室を有する。また、図示するイオンポン
プ等の構成部材を有する。成長室13の内部には、その
内壁に沿って液体窒素クライオパネル27が配設されて
いる。
【0038】また、成長室13は、GaAs基板(成長
基板)上にAlGaInP結晶を成長するためリン分子
用排気系10を有する。図2はこの部分を拡大して示し
ており、この排気系10は、ゲートバルブ26を介して
成長室13に連通された超高真空室23、ゲートバルブ
22を介して超高真空室23に連通された超高真空排気
用のターボ分子ポンプ20及びゲートバルブ25を介し
て超高真空室23の内部に配設された液体窒素コールド
トラップ28に連通された広帯域ターボ分子ポンプ24
を有する。
【0039】また、ターボ分子ポンプ20にはロータリ
ポンプ21が連結され、広帯域ターボ分子ポンプ24に
もロータリポンプ29が連結されている。
【0040】上記構成により、ターボ分子ポンプ20及
び広帯域ターボ分子ポンプ24はそれぞれ独立して排気
可能になっている。即ち、ターボ分子ポンプ20は超高
真空室23及びこれに連通された成長室13の排気を行
い、広帯域ターボ分子ポンプ24はこれに連結された液
体窒素コールドトラップ28の排気を行うようになって
いる。
【0041】次に、図3に従い、上記の分子線エピタキ
シー装置を用いてAlGaInP系赤色半導体レーザ素
子を連続的に作製する方法について説明する。まず、成
長室11でGaAs基板30上にGaAsバッファ層3
1を成長し、続いて成長室13でAlGaInP発光層
32を成長し、その後、成長室llでGaAsキャップ
層33を成長する。
【0042】なお、この半導体レーザ素子の発振閾値は
V/III比(5属成長材料と3属成長材料との比)やリ
ン分解温度には鈍感であるが、成長温度には敏感である
ので、成長温度を正確に制御する必要がある。
【0043】上記の工程が1回の素子成長であり、図4
に示すようにこれには約3.6時間を要する。この工程
を連続して反復する場合、成長室13の蒸気圧の高いリ
ンを効率的に排気することが重要となる。このため、ウ
エハの成長時にはゲートバルブ22及び26を開放し、
ゲートバルブ25を閉鎖し、超高真空用排気系で超高真
空室23及び成長室13を排気する。このとき超高真空
室23の液体窒素コールドトラップ28と成長室13の
液体窒素クライオパネル27に液体窒素を充填してお
く。成長中に発生したリン分子の大部分はこれらに吸着
されるため超高真空排気系の真空度が10-6mbarよ
り悪化することはない。以上のような方法により約3日
間(3.6×20=72時間=3日)で20回の成長の
後、成長を中断し、リン排出工程に移る。
【0044】このリン排出工程は、まずゲートバルブ2
6を開放し、成長室13内の液体窒素クライオパネル2
7内部の液体窒素を自然蒸発させ、リン分子を超高真空
室23内の液体窒素コールドトラップ28に移動させ
る。図4に示すように、この工程には約8時間を要す
る。
【0045】次に、ゲートバルブ22及び26を閉鎖
し、ゲートバルブ25を開放し、液体窒素コールドトラ
ップ28からのリン分子追い出しを広帯域ターボ分子ポ
ンプ24を用いて行う。このとき、具体的には液体窒素
コールドトラップ28の内部にホットエアを導入し、こ
れによって液体窒素コールドトラップ28を加熱昇温し
て液体窒素を蒸発させる。これにより、吸着しているリ
ン分子が液体窒素コールドトラップ28から追い出され
る。
【0046】ここで、液体窒素コールドトラップ28の
加熱昇温速度は、ホットエアの温度、流量によって決定
され、ホットエアの温度としては、40℃以上250℃
以下であればよく(室温で放置した際に白リンが再び蒸
発しないように40℃以上とし、分子線エピタキシー装
置の仕様で決まる250℃以下とする)、好ましくは、
約150℃とする。なお、流量は約100L/secと
した。
【0047】なお、本実施形態では、広帯域ターボ分子
ポンプ24として、排気量450リットル/secのも
のを用いた。
【0048】図4に示すように、この工程に要する時間
は約3時間であり、従来例の約20時間に比べて格段に
排気時間を短縮できることがわかる。
【0049】その理由は、作用の項で説明したように、
本実施形態では、液体窒素コールドトラップ28に吸着
されたリン分子の排出工程を、低真空領域でも排気可能
な広帯域ターボ分子ポンプ24を用いて行うため、上記
従来例に比べて、液体窒素コールドトラップ28の内部
に導入されるホットエアの温度を高く、かつその流量を
大きくして、液体窒素コールドトラップ28に充填され
る液体窒素を急速に蒸発させてリン分子を追い出し、こ
れによって真空度が低下しても、広帯域ターボ分子ポン
プ24の排気量が急激に低下することがないからであ
る。
【0050】このように、本実施形態によれば、液体窒
素コールドトラップ28からのリン分子の追い出し工程
を従来の約20時間から約3時間に短縮することができ
る。この結果、例えば20回の成長を行うのに要する分
子線エピタキシー装置の装置稼働時間を100時間から
83時間にまで短縮できるので、20%近くの生産性の
向上が可能となる。
【0051】なお、上記実施形態では超高真空排気ポン
プとして、ターボ分子ポンプ20を用いたが、油拡散ポ
ンプを用いても全く同様の効果が得られる。また、イオ
ンポンプやクライオポンプを用いることも可能である。
但し、この場合は、ポンプ内に蓄積したリン分子を排出
するためのメンテナンスが必要になる。
【0052】図5は本発明への適用が可能な各種ポンプ
の代表的な排気量の圧力依存性を示す。排気量は各ポン
プの最大排気量で規格化してある。なお、最大排気量は
同種のポンプでもその仕様値によって決定される。
【0053】また、本実施形態では低真空用の排気ポン
プとして、広帯域ターボ分子ポンプ24を用いたが、リ
ン排出時には超高真空室23の真空度は低下するためロ
ータリポンプを使用することも可能である。
【0054】また、上記実施形態では、固体リン材料を
用いた赤色半導体レーザ素子を成長する場合を例にとっ
て説明したが、本発明はセレンや硫黄等の蒸気圧の高い
材料系を用いた場合にも全く同様の原理で適応可能であ
る。また、ホスフィン(PH3)等のガス材料を用いた
場合にも同様に生産性の大幅な向上が可能である。
【0055】図6に本発明で使用される上記の成長材料
の温度(°K)と蒸気圧(torr)との関係を示して
おく。なお、リンはP4であり、分子線エピタキシー法
による成長では、ホスフィンは熱分解されて供給される
ので、リン排出工程には関与しない。成長材料としてホ
スフィンを使用する場合も、P4が成長室に吸着され
る。
【0056】更には、成長する素子に関しても赤色半導
体レーザ素子に限定されるものではなく、AlCaIn
AsP系,MgCdZnSSe系等の各種半導体レーザ
素子や高速電子デバイス等の成長を行う場合にも有用で
あることは勿論である。
【0057】
【発明の効果】以上の本発明半導体製造方法によれば、
超高真空室内の液体窒素コールドトラップに吸着された
リンの追い出し工程を、低真空領域でも排気可能な排気
ポンプを用いて行うので、リンの排出工程に要する時間
を飛躍的に低減できる。この結果、所定回数の成長を行
うのに要する分子線エピタキシー装置の装置稼働時間を
従来例に比べて大幅に短縮できるので、半導体ウエハの
生産効率を格段に向上できる。
【0058】また、特に、請求項8記載の半導体製造方
法によれば、リンの排出工程に要する時間を飛躍的に低
減する上で有効な方法となる。
【0059】また、本発明半導体製造装置によれば、そ
のような効果を奏する半導体製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分子線エピタキシー装置を示す模式的
平面図。
【図2】図1の分子線エピタキシー装置の成長室及びこ
れに連結される排気系を拡大して示す模式的平面図。
【図3】分子線エピタキシー装置を用いてAlGaIn
P系赤色半導体レーザ素子を連続的に作製する場合の工
程図。
【図4】本発明半導体製造方法の概略工程図。
【図5】本発明への適用が可能な各種ポンプの代表的な
排気量の圧力依存性を示すグラフ。
【図6】本発明で使用される上記の成長材料の温度(°
K)と蒸気圧(torr)との関係を示すグラフ。
【図7】従来の分子線エピタキシー装置を示す模式的平
面図。
【図8】図7の分子線エピタキシー装置を用いた製造方
法の概略工程図。
【符号の説明】
10 排気系 11,13 成長室 12 中間室 20 ターボ分子ポンプ 22,25,26 ゲートバルブ 23 超高真空室 24 広帯域ターボ分子ポンプ 27 液体窒素クライオパネル 28 液体窒素コールドトラップ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分子線エピタキシー法により蒸気圧の高
    い材料を成長室内で蒸発させて半導体を製造する半導体
    製造装置において、 液体窒素コールドトラップを有し、バルブを介して該成
    長室に連結された超高真空室と、 該超高真空室に連結され、超高真空排気系からなる第1
    排気系と、 該液体窒素コールドトラップに連結され、低真空領域で
    も排気可能な排気系からなる第2排気系とを備え、該第
    1排気系と該第2排気系とが独立して排気を行う半導体
    製造装置。
  2. 【請求項2】 該第1排気系がターボ分子ポンプを含む
    ものである請求項1記載の半導体製造装置。
  3. 【請求項3】 該第1排気系が油拡散ポンプを含むもの
    である請求項1記載の半導体製造装置。
  4. 【請求項4】 該第2排気系が広帯域ターボ分子ポンプ
    を含むものである請求項1記載の半導体製造装置。
  5. 【請求項5】 該第2排気系がロ−タリポンプを含むも
    のである請求項1記載の半導体製造装置。
  6. 【請求項6】 液体窒素コールドトラップを有し、バル
    ブを介して成長室に連結された超高真空室と、該超高真
    空室に連結され、超高真空排気系からなる第1排気系
    と、該液体窒素コールドトラップに連結され、低真空領
    域でも排気可能な排気系からなる第2排気系とを備え、
    分子線エピタキシー法により蒸気圧の高い材料を該成長
    室内で蒸発させて半導体を製造する半導体製造方法にお
    いて、 該第2排気系を停止し、該第1排気系により該超高真空
    室及び該成長室を排気しつつ、該成長室でウエハを成長
    する工程と、 該第1排気系を停止し、該第2排気系により該液体窒素
    コールドトラップに付着した分子を排出する工程とを包
    含する半導体製造方法。
  7. 【請求項7】 前記液体窒素コールドトラップに付着し
    た分子を排出する工程を、該液体窒素コールドトラップ
    の内部にホットエアを導入して液体窒素を蒸発させ、こ
    れにより該分子を排出することにより行う請求項6記載
    の半導体製造方法。
  8. 【請求項8】 前記ホットエアの温度は、40℃以上2
    50℃以下、好ましくは、約150℃とする請求項7記
    載の半導体製造方法。
  9. 【請求項9】 前記蒸気圧の高い材料がリンである請求
    項6〜請求項8記載の半導体製造方法。
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