JPS62104028A - 有機金属気相成長装置 - 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】 〔概　要〕 この発明は有機金属気相成長室と真空準備室との間に、
常時清浄な不活性ガスが循環する搬送室を設けて、外部
から侵入した不純なガスを半導体ウェハがこの搬送室を
通過中に洗浄除去することにより、気相成長室への不純
ガスの侵入を防止し、気相成長室における金属原子の酸
化を防止し、純度の高いエピタキシャル結晶層の成長を
可能にする。

Ｃ産業上の利用分野） 本発明は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法による結高
成長装置に係わり、特に外界からの酸素、水分の侵入を
排除して高純度の結晶成長を行える構造の装置に関する
。

従来、半導体装置を製造する際、半導体基板上に半導体
結晶層を成長するエピタキシャル成長法が知られており
、これは半導体製造の基本的技術として広く用いられて
いる。

このようなエピタキシャル成長法は、化学的気相成長法
（ＣＶＤ）　、物理的気相成長法（ＰＶＣ）　、液相成
長法（ＬＰＩＩり　、固相成長法（ＳＰＥ）の方法に大
別されるが、そのなかのＣｖＤに有機金属気相成長法（
Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａ
ｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　％以下？１ＯＣＶＤと
略す）が開発されており、これは例えばトリメチルアル
ミニュウム（Ｔｒｉ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｌｕｍｉｎｕｍ
、ＴＭ＾と略す）やトリメチルガリュム（Ｔｒｉ−肋【
ｈｙｌ−Ｇａ１１ｉｕｍ、　ＴＭＧと略す）のような有
機金属ガスを原料として、それを熱分解させて金属原子
を供給してエピタキシャル結晶層を成長させる方法であ
る。

ＭＯＣＶＤは非常に薄いエピタキシャル結晶層や、多層
構造や、多原子混晶をその精密な成分制御のちとに行う
のに適し、更にＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ν■族等の化合物
半導体、例えばアルミニュウム・ガリュウム・砒素（Ａ
ｌｕｍｉｎｕｍ−Ｇａ１１ｉｕ＋＋＋−Ａｒｓｅｎｉｄ
ｅ、　ＡｌＧａＡｓと略す）等の大量生産に適している
からである。

従って、ＭＯＣＶＤは半導体産業において、益々重要な
地位を占めるに至ってきた。

しかしながら、ＭＯＣＶＤにより成長されるエピタキシ
ャル結晶層は、当然のことなからＭＯＣＶＤの行われる
ガス成分によりその特性が敏感に影響を受ける。特に、
アルミニウムは非常に酸化し易く、続いてアンチモン、
インジュウム、ガリュウムの順に酸化し易く、それら金
属の酸化は半導体製品の特性を劣化させる。従って、酸
素や水分のような酸化力を持つ不純物を含む外気を反応
室に侵入させないための工夫が従来より種々なされてき
た。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕これら
の工夫のなかで、次の２方法が主な方法としてＭＯＣＶ
Ｄに採用されてきた。即ち、窒素ガスが充填、循環され
た窒素室を、もう１つは真空に引ける準備室を、設け、
半導体ウェハがそれらの室を通過して反応室に装填され
る方法である。

上記の窒素室を用いた装置を第３図に示す。同図の装置
で半導体ウェハを反応室に装填するには、まず窒素室３
１の扉３１ｃを開いて外部よりウェハ３７を同窒素室に
搬入するが、その時サセプタ３３は点線で示す如く、窒
素室内にあって、ウェハ３７をその上に受ける。扉３１
ｃを閉じ、同窒素室３１には清浄で純粋な窒素ガスが、
ガス注入孔３１ａから注入され、ガス排出孔３１ｂから
排出されて常に循環している。この循環ガス流が、ウェ
ハやその工具と共に外部から窒素室内に不必要に導入さ
れた外気を追い出す。続いて、蓋３５は接続棒３６で支
えられたサセプタ３３と共に反応室３２の方向に移動し
て、窒素室３１から反応室３２への入口を閉じる。この
ようにして、ウェハの反応室３２への装填がおこなわれ
る。反応室３２には、当初は清浄で純粋な窒素ガスがガ
ス注入孔３２ａから注入され、ガス排出孔３２ｂから排
出される。この窒素ガスは水素ガス、アルシンガス（Ａ
ｓ１１、ｌ）や有機金属ガスへと切り換えられて、図示
されてない加熱装置によりウェハが加熱されることによ
り、有機金属ガスが熱分解してＭＯＣＶＤ反応が行われ
、ウェハ上にエピタキシャル結晶層が成長される。

この方法で、窒素室内にて好ましくない外気ガスは追い
出されたと述べたが、まだ幾らかの外気ガスが同室内に
残留する問題が残っている。

上記の第２の方法として、窒素室の代わりに真空準備室
を設ける方法は、図には示してないが、第１図の窒素室
３１をそのまま同じような構造の真空準備室に置き換え
るものである。この装置では扉３１ｃを通じてウェハ３
７がサセプタ３３に乗せられてから、扉３１ｃを気密に
閉じて、排出管３１ｂから排気を行い、同準備室を真空
にする。その後、蓋３５を反応室３２方向に移動してウ
ェハ３７を反応室３２に挿入し、蓋３５は準備室３１か
ら反応室３２に通じる入口を閉じる。それ以後は窒素室
の場合と同じである。

この真空準備室を用いると、外気排除の効果は゛窒素室
を用いる場合よりもかなり大きいが、それでも未だ好ま
しくない外気がウェハ等に付着して残留し、アルミニウ
ム等酸化し易い金属の酸化防止は不十分であった。この
残留外気の排除を完全に行うには、真空準備室での排気
に長時間を費やすとか、ある程度加熱を行うとか、さら
に高真空を達成できる高価な排気装置を用いるとかの対
策が必要であり、従来の技術では、生産の効率を維持し
ながら、外気の影響を受けず純度の高い結晶成長をおこ
なうことが不可能であった。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたもので、簡易
な構成で外気の影響を遮断し純度の高いエピタキシャル
結晶層の成長が可能な有機金属気相成長装置を提供する
ことを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

不活性ガスが常時注入、循環、排出されていて、ウェハ
がその中を通過して反応室に装填される搬送室を、従来
の真空準備室と従来の反応室との間に設ける。

〔作　用〕

真空準備室内に搬入されたウェハとそれを保持するサセ
プタなどの工具類に伴われて真空準備室に導入された好
ましくない外気は、真空準備室を排気することにより、
その殆どは排出されるが、それでも尚ウェハ等に付着し
て残留した外気は、ウェハ等が反応室に向かって搬送室
内を移動する間に、新鮮な不活性ガスにより洗われて除
去される。搬送室の内部は常時新鮮な不活性ガスにより
充満、循環されており、真空準備室のように外気に直接
接触する機会がないので、その清浄の度合は真空準備室
のそれよりはるかに良好である。従って、反応室への外
気の侵入は完全に防止され、その結果エピタキシャル結
晶層内金属の酸化は防止され、純度の高いエピタキシャ
ル結晶成長が可能になる。

〔実施例〕

以下図面に示す１実施例により本発明の要旨を具体的に
説明する。

第１図は１実施例の構成を示す水平断面図で、第２図は
第１図の真空準備室と搬送室の側断面図である。本発明
の基本構成は搬送室１１と、それにそれぞれ開口部１２
ｄと１３ｄを通じて、外部に対しては真空気密を維持し
ながら結合された真空準備室１２と気相成長反応室（以
下反応室と略す）１３と、これら３つの室を移動する支
持手段２５と、搬送手段１０から成る。

支持手段２５は蓋１５と、その蓋に保持された接続棒１
６と、その接続棒の先端に保持されたグラファイト製の
サセプタ１７とからなる。蓋１５の接続棒１６とは反対
側の面は搬送部品１８に固定されている。

１１１５はサセプタ１７を真空準備室１２に挿入しなが
ら真空準備室方向に移動することにより、０リング１２
ｅに接触し、最終的には真空準備室の開口部１２ｄを気
密に閉じる。この蓋１５の真空準備室側にはライナ管１
４が図示されてない器具によりサセプタ１７を囲むよう
な形で取りつけられている。このライナ管１４について
は後程詳細に述べる。　１１１５が真空準備室１２の開
口部１２ｄに達してそれを閉じる直前の状態を第１図の
点線にて示す。

真空準備室１２は一般にロード・ロック・チェンバと呼
ばれるものである。その搬送室１１とは反対の壁に、気
密に開閉可能な扉１２ａを有し、それを通してこれから
気相成長が行われる半導体ウェハ３７が搬入される。そ
のウェハは真空準備室１２に充分挿入されたサセプタ１
７の上に置かれ、搬送室１１への開口部１２ｄは蓋１５
と０リング１２ｅにより気密に閉じられている。扉１２
ａは気密に閉じられ、さらにガス排気孔２１を通じ排気
装置２２により１０−　’Ｔ。

ｒｒ程度に排気される。この際、ウェハ等と共に真空準
備室１２に導入され酸素や水分を含む好ましくない外気
は殆ど排出される。排気ポンプは停止され、ガス注入孔
１２ｂから清浄な純粋窒素ガスが真空準備室内が略ｌ気
圧になる迄注入される。ウェハ３７とライナ管１４を持
った支持手段２５は搬送室１１内に設けられた下記に述
べる搬送手段１０により、搬送部品１８を介して搬送室
内に引き出される。

搬送室１１内に設けられた搬送手段ＩＯは、次のような
構成である。即ち、反応室１３や真空準備室１２の中心
軸に平行な１対のレール１９ａ上を、上記搬送部品１８
を保持する第１の搬送支持体２０ａが、レール１９ａに
平行な送りねじ１９ｃの回転により駆動されて移動する
。この送りねじは図示されてない電動機などにより回転
駆動される。レール１９ａとその送りねじ１９ｃそれぞ
れの両端は第２の搬送支持体２０ｂにより保持されてい
る（第２図）、この第２の搬送支持体２０ｂはレール１
９ａに直角方向に設けられた第２の１対のレール１９ｂ
上を、同レール１９ｂに平行に設けられた第２の送りね
じ１９ｄの回転により駆動されて移動する。同送りねじ
１９ｄは図示されていない電動機等により回転駆動され
る。

従って、支持手段２５の真空準備室１２や反応室１３へ
の挿入、封止、引き出し等はレール１９ａと送りねじ１
９ｃによっておこなわれ、真空準備室１２から反応室１
３へ或いはその逆の搬送室１１内での移動は、レール１
９ｂと送りねじ１９ｄによりおこなわれる。

搬送室１１の、真空準備室１２や反応室１３の取り付け
られている側壁上或いはその側壁近くにガス注入孔１１
ａが４個設けられ、またこの側壁とは反対側の側壁上或
いは側壁近くに４個のガス排出孔１１ｂが設けられてい
て、清浄な純粋窒素ガスがこれらを通して搬送室１１に
常時注入、排出されている。

従って、真空準備室１２にて排出されたが尚ウェハやサ
セプタに付着して搬送室１１に侵入した残留外気は、ウ
ェハ３７を乗せた支持手段２５が搬送室１１内を反応室
１３に向かって移動する間に、搬送室１１内を循環して
いる上記の新鮮清浄な窒素ガスにより洗い落とされ排出
される。また、搬送室１１の内部は、これら新鮮なガス
により常時溝たされているので、外気に直接接触するこ
となく、真空準備室１２の内部に較べて道かに清浄な状
態に維持されているので、好ましくない外気の反応室１
３への侵入はこの搬送室１１の存在により完全に阻止さ
れる。

反応室１３の先端の壁１３′に設けられたガス注入孔１
３ｂから注入され、また搬送室１１への開口部１３ｄ近
くに設けられたガス排出孔１３ｃから排出されるガスは
、ＭＯＣＶＤ反応工程中以外は清浄窒素ガスが用いられ
るが、その圧力は搬送室１１内の窒素ガスのそれより僅
かに高めに保たれている。従って、蓋１５が反応室１３
を閉じる迄は、反応室１３から搬送室１１へ向かって窒
素ガスが流れている。この流れは搬送室１１内窒素ガス
の循環の流れの方向、即ち反応室１３側からその反対側
への方向と同じであるので互いに助けあって、搬送室１
１内のガスの反応室１３内への流入を阻止しており、反
応室１３内のガスの純度維持を行っている。

ウェハ３７が反応室１３内に挿入されると共に、最終的
には蓋１５は０リング１３ｅを圧縮しながら開口部１３
ｄを閉じる０反応室１３内の反応は従来のＭＯＣＶＤと
同じであるが、一応以下に簡単に説明する。

ガス注入孔１３ｂからの注入ガスは窒素ガスから、成長
ガスのキャリヤとしての水素ガスに切り換えられ、更に
アルシンガスに切り換えられ、続い°ζ外部からの加熱
装置たとえば高周波コイル１３ａにより、サセプタ１７
とウェハ３７はＭＯＣＶＤの所定の反応温度、例えば７
０００〜８００’Ｃに加熱される。その状態でガス導入
孔１３ｂからの導入ガスにＴＭＡやＴＭＧのようなエピ
タキシャル結晶成長の為の成長ガスが図示されてない源
から、やはり図示されてない制御装置により厳密に組成
が制御されながら注入され、それらがウェハの高温度に
より熱分解してアルミニウム等の金属原子を供給してエ
ピタキシャル結晶層を成長させる。エピタキシャル結晶
層の成長が完了し、成長ガスの供給を停止した後、３０
０６Ｃ程度までウェハの温度を低下させ、その後、アル
シンガスは水素ガスに切り換えられれ、更にそれは窒素
ガスに切り換えられる。支持手段２５は搬送室１１内に
引き出されて、真空準備室１２に戻るが、その過程は先
に述べた反応室１３への装填過程の単に逆であるに過ぎ
ないので詳細な説明は省略する。

真空準備室１２へ戻された支持手段２５とその上のウェ
ハ３７に付着されている反応室１３でのガスは、排気装
置２２によって排気される。これはこれらのガスには砒
素等有毒なものがあり、それらを排除するためである。

続いて、真空準備室１２に窒素ガスを１気圧まで注入し
、扉１２ａを開いてウェハ３７を取り出す。以上でもっ
て、ＭＯＣＶＤ反応の１サイクルが完了する。

上記の実施例では、１１１５はウェハを支持する手段と
真空準備室１２或いは反応室１３の開口部を閉鎖する手
段を兼ねている。従って、一方の開口部を閉じている時
、あるいは搬送室１１内を移動中は、これら開口部は開
放状態であり、搬送室１１と他の室との間の隔離（ガス
の流通遮断）は行われていない、この隔離を更に完全に
するために、それぞれの開口部１２ｄ、１３ｄにシャッ
タ１２ｆ、　１３ｆを設けることができる。これらシャ
ッタは第１図に点線にて示され、通常の蝶番方式の扉で
ある。これらのシャッタが、蓋１５が不在中の開口部を
閉じることにより、真空準備室１２から搬送室１１へ、
或いは搬送室１１から反応室１３への好ましくないガス
流入を抑制する事ができる。

ライナ管１４はＭＯＣＶＤの反応により析出した金属等
が反応室１３の内側に付着するのを、遮蔽して防止する
ために設けられている。　ＭＯＣＶＤによるエピタキシ
ャル成長には、その雰囲気ガスの組成が非常に厳密に制
御されなければならないが、反応室内壁に付着して残留
する成分があると、いくら厳密に注入ガスの組成を制御
しても、実際の反応にはその組成成分が維持出来ないと
いうことが問題になるからである。

ライナ管１４は石英管で作成されており、その外径はや
はり石英管で作成されている反応室１３の内径より僅か
に小さくされている。その軸方向の長さはライナ管１４
が反応室１３に挿入されて、蓋１５がその開口部１３ｄ
を閉じた時、反応室１３の奥の側壁１３°にライナ管１
４の先端が達するように選ばれている。また、ライナ管
１４が反応室１３に完全に挿入された時の位置で、ガス
排出孔１３ｃに近い所のライナ管１４上に、ライナ管の
排出孔１３ｇが設けられている。これらは、その側壁１
３’にあるガス注入孔１３ｂからの注入ガスをライナ管
１４の中側に容易に流入させ、ライナ管１４内を容易に
流通した後、容易に排出させることにより、反応室１３
の内壁とライナ管１４の間隙に成長ガスを流入させない
ためである。若し、この間隙に成長ガスが流入すると、
サセプタやウェハからの高温度により、このガスは熱分
解して金属成分を析出して反応室１３内部に付着するか
らである。

ライナ管１４のＭ２Ｓへの取り付けは、図示されてない
部品により取り付けられているが、取り外しが容易な構
造となっている。従ってＭＯＣＶＤで汚れたライナ管１
４は真空準備室１２に入った時、ａ　１２ａを通して、
洗浄された新鮮なライナ管と容易に交換される。反応室
１３の内壁はその入口部分に搬送室１１があるためその
清掃作業は容易でない、従ってライナ管１４を用いるこ
とにより、反応室１３内の純度維持と同時に装置維持の
ための作業が簡単になり、生産性向上に大きく貢献して
いる。

上記の実施例では、それぞれ１個の真空準備室と反応室
が設けられていたが、それらをそれぞれ複数個設けるこ
とができる。複数個の真空準備室はウェハの出し入れや
ライナ管交換のための待ち時間を短縮し、複数個の反応
室はＭＯＣＶＤ反応のための待ち時間を短縮できる。そ
れらの設置数は、各装置における各工程の待ち時間等に
より決定される。

また、上記実施例では、レール１９ａとその駆動部の、
真空準備室１２と反応室１３間の移動はレール１９ｄに
よる横這い的な直線移動によって行われたが、このよう
な直線移動でなく、搬送室内の成る軸を中心とした回転
動作による移動により、出し入れする室を選択する方法
も用いることが出来る。

その場合、当然それらの室は、前記の軸を中心にして放
射状に配列されることになる。

また、上記実施例の反応室、真空準備室は横型の場合を
例として説明しているが、反応室、真空準備室が垂直型
の場合にも本発明の趣旨が適用出来ることは言うまでも
ない。

上記実施例における排出管１１ｂ、１３Ｃおよび排気装
置２２からの排出ガスは図示されてないガス収集装置に
より集められ、反応に用いられた砒素等の有毒成分が処
理される。

以上の説明により判るごとく、本発明の装置によれば、
外界の好ましくないガス、即ち酸素や水分の反応室への
侵入を防止でき、これらのガスに容易に酸化され易いＡ
ｌＧａＡｓ等の純度の高いエビタキシャル結晶層の成長
が得られ、ＡｌＧａＡｓ等を用いた素子の特性向上が達
成された。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、極めて簡易な搬送
室を設けることにより、ＭＯＣＶＤ反応室へのウェハの
装填に際し、酸素や水分等好ましくない成分を含む外気
の反応室に侵入を、装置の稼動効率を高く維持しながら
完全に防止でき、その結果純度の高いＡｌＧａＡｓ等の
化合物半導体のエピタキシャル結晶層成長を可能にし、
特性のよい化合物半導体素子の大量生産を行え、その工
業的効果は頗る大である。

４、　　ｌｘｌ市のｗｔ単す帆明 第１図は本発明の１実施例を示す水平断面図、第２図は
第１図の側断面図、 第３図は従来の装置の側断面図である。

図において、 ｌＯは搬送手段、 １１は搬送室、 １２は真空準備室、 １３は気相成長反応室、 １１ａ、　１２ｂ、　１３ｂはガス注入孔、１１ｂ、　
１３ｂは伊ス排出孔、 １４はライナ管、 １５は蓋、 １７はサセプタ、 １９ａ、　１９ｂはレール、 ２２は排気装置、 ２５は支持手段、 ３７はウェハである。

木ｆニーー宝如と脅・１カフに平１作市図％　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体ウェハ（３７）を搭載するサセプタ（１７）と、
   該サセプタに一端が接続されている接続棒（１６）と、
   該接続棒のもう一端が接続されている蓋（１５）とを有
   する支持手段（２５）と、 気相成長ガスを注入する第１のガス注入孔（１３ｂ）と
   、該気相成長ガスを排出する第１のガス排出孔（１３ｃ
   ）とを有する気相成長反応室（１３）と、不活性ガスを
   注入する第２のガス注入孔（１２ｂ）と、その他端が排
   気装置（２２）に接続された第２の排気孔（２１）と、
   外界に通じまた気密に閉じることの出来る扉（１２ａ）
   を有し、独立に真空にし得る真空準備室（１２） とを備えた気相成長装置において、 不活性ガスを注入する第３のガス注入孔（１１ａ）と、
   該不活性ガスを排出する第３のガス排出孔（１１ｂ）と
   、上記準備室（１２）に連なり気密に閉じ得る第１の開
   口部（１２ｄ）と、上記気相成長反応室（１３）に連な
   る第２の開口部（１３ｄ）と、上記支持手段（２５）を
   上記準備室（１２）と上記気相成長室（１３）の間を搬
   送する搬送手段（１０）を有する搬送室（１１）を設け
   ることを特徴とする有機金属気相成長装置。