JPS6370416A

JPS6370416A - 半導体基板の製造装置

Info

Publication number: JPS6370416A
Application number: JP21468486A
Authority: JP
Inventors: Toshio Mizuki; 敏雄水木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1986-09-11
Publication date: 1988-03-30

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】産業上の利用分野本発明は、有機金属気相ｙ＆成長法どによる半導体基板
の製造装置に関する。

従来技術近年、オプトエレクトロニクス材料や高速フンピユータ
の回路素子などの素材として、■−■族化合物半導体、
たとえばＧａＡｓ化合物半導体などが注口されている。

すなわち、半導体レーザ素子やＦＥＴ　　（電界効果ト
ランノスタ）などにこれらの化合物半導体が用いられる
ことが多くなった。

一方、これらの化合物半導体の高性能化のためには、高
品質エピタキシャル層が必要であることが知られている
。このようなエピタキシャル層は、気相エピタキシャル
成長法、腋相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシ
ャル成民法などのエピタキシャル成長技術により製？Ｌ
される。気相エピタキシャル成長法に用いられる原料気
体には、ハロゲン化物、水素化物、それに育成金属など
があり、有機金属を原料とする有機金属気相成長法は、
■−Ｖ族や■−■族半導体などの多成分系のエピタキシ
ャル成長に適した技術であり、量産性が高く、かつ成長
可能な混晶組成領域が広いことが知られている。

第４ｘは、典型的な従来技術の有機金属気相成長法によ
る半導体店外の９１遣装置である反応炉１の断面図であ
る。

反応炉１は、反応管２および底部３とを含み、又応管２
は、その輪線が鉛直方向に延びる円筒形の胴部４および
胴部４の上方端部に形成される略円錐台状の案内部材５
とから威ワ、前記底部３は胴部４の下方側端部に設けら
れる。案内部材５の上方端部には原料ガスを注入するた
めの注入口６が形成され、底部３には排出ロアが形成さ
れる。

反応ｇ２のｖＡ部４の半径方向外方には、略円筒形の外
管８が設けられ、外管８の下方ｙａ部付近には、冷却水
を注入するための注入口９が、上方端部付近には排出口
１０がそれぞれ形成される０反応管２の内部には、たと
えば炭素などから戒る略四角錐台状の基台１１が配設さ
れ、基台１１は支持治具１２によって支持され、基台１
１の上方ｙａ部には石英などから成るキャップ１３が設
けられる。

基台１１の側面部には基板１４が１１１ｒ１１され高周
波誘導加熱により６００〜３００℃に加熱され、この状
態で、原料ガスが注入口６がら反応管２内部−・供給さ
れる。原料ガスとしては、トリメチルガリウムＧ　ａ（
ＣＨ＊）＊、アルシンＡ　ｓ　Ｈ３などが選ばれ、キャ
リアガスとして水素ガスが前述の原料ガスと共に混入さ
れる。反応管２内へ供給された原料ガスは前記加熱され
た基台１１付近で熱分解し、基＠１４上にエピタキシャ
ル成長してＧａＡｓ層を形成する。

この過程において、外管８内部には注入口９および排出
口１０により冷却水が流され、反応管２の外壁を冷却す
る。また前記原料ガスは、エピタキシャルＩｆｊ、艮に
寄与した後は、排出ロアより排出される。

発明が解決すべき間圧、克このような反応炉１においては、前述したように、基台
１１付近に供給される原料ガスは加熱されて、その温度
が上昇する。一方、反応管２の外壁は冷却水により冷却
されるので、反応管２の内壁付近に供給される原料ガス
の温度は、基台１１付近に供給される原料ガスの温度に
比べて低くなる。したがってこの温度差によって、反応
管２と基台１１との間に供給される原料ガスの密度に濃
淡１ｒ（生じることになる。すなわち、原料ガスのガス
密度は基台１１付近においては比較的小さく、反応ｉ７
２の内壁付近においては比較的大きくなる。

コレによって基台１１付近に供給される原料ガスに原料
ガスの流れと反対の方向すなわち、鉛直方向上方に向か
って浮力が生じ、この浮力によって基＠１４付近におけ
る原料ガスの流速が低下することになる。

しかしながら、このようなエピタキシャル成長において
、所望の高品買エピタキシャル層を得るためには−、原
料ガスの基板１４付近における流速を一定以上に保つ必
又があるので、従来の反応炉１においては、原料ガスの
流量を当初がら比較的大きく設定しなければならず、コ
ストの低減化を望めなかった。

本発明の目的は、曲述の問題点を解決して、比較的小さ
な原料ガス流量で、所望の高品質エピタキシャル成長層
を得ることができる半導体基板の製造装置を提供するこ
とである６問題点を解決するための手段本発明は、鉛直方向に夏びるＮＪ線を有する反応炉と、反応炉内に、上方から挿入され、半導体基板が上方に向
けて拡開した取付状態で保持される保持部材と、反応炉内に下方から挿入され、その上端部が前記半導体
基板付近で開口したノズルとを含み、前記ノズルからは
半導体基板を所望の性状に変化する第１のガスが上方に
向けて噴出され、前記ノズルと反応炉との間には、下方
から第２のガスが噴出され、反応炉の上端部付近からＭｌおよび第２のガスを排出す
るようにしたことを特徴とする半導体基板の製造装置で
ある。

作　　用本発明に従えば、反応炉内の下方に挿入されたノズルか
ら半導体基板が保持される保持部材に向けて第１のガス
が上方に噴出される。一方、保持部材は所定の温度に加
熱されており、これによって保持部材周辺に流入される
前記第１のガスは熱分解され、半導体基板上に所望の半
導体層を成長させる。また、第１のガスと同時に第２の
ガスが前記ノズルと反応炉との間に噴出される。これに
よって保持部材と反応炉との間には、反応炉の軸線を中
心とする同心円筒状の上方に向う層流が上方に向けて発
生する。すなわち、前記Ｎ流の半径方向内方側には第１
のガスが流れ、半径方向外方には第２のガスが流れる。

したがって、第１のガスが反応炉内壁付近を通過するこ
とが防止され、これによって反応炉内壁に第１のガスに
よる反応生成物が付着することを防ぐことができ、半導
体基板付近を流れる第１のガスの純度が保たれる。すな
わち、第２のガスは半導体基板上に所望の半導体層を成
長させるのに間接的に寄与することになる。このように
して反応炉内を通過する第１および第２のガスは反応炉
の上端部付近から排出される。

実施例第１図は、本発明の一実施例である反応炉１５の断面図
である。反応炉１５は、その軸線が鉛直方向に是びる円
筒形の反応管１６、反応管１６の上端部に設けられる７
ランノ状の排出部１７および反応ｔｒ！１６の内部下方
側に配Ｂｚれるノズル１８などから構成される。反応管
１６の下端部には７ランノ部１９が設けられ、この７ラ
ンノ部１つの中央部には、原料ガスおよび後述されるパ
ーツガスを反応管１６内へ注入するための注入口２０が
形成される。また、排出部１７の上端部には、後述され
る基台３３に新たな基板を装着するための装着室２３が
立設される。

反応管１６の半径方向外方には外管２４が設けられ、外
管２４の下方側には、反応ｌ１７１６を冷却するめだの
冷却水を注入する注入口２５が設けられ、上方側には前
記冷却水を排出する排出口２６が設けられる。また、排
出部１７に形１ｉされる円筒状の側面部２７には、周方
向に沿って等間隔をあけて複数の排出口２８が設けられ
る。なお、反応管１６、ノズル１８および外管２４など
は、耐熱性を有する、たとえば石英などから成り、また
、排出部１７．７ランノ部１９および装着室２３は、た
とえばステンレス鋼などから成る。

ノズル１８は、円筒状の筒部２９、略椀状の案内部３０
および原料ガスを注入する注入管３１から成り、注入管
３１は、７ランノ部１つの注入口２０に挿入され、筒部
２９および案内部３０は反応管１Ｇ内に配設される。案
内部３０には、注入管３１から送られてくる原料ガスが
０（Ｆ＋２９内に万遍なく行き渡るように、網３２が注
入Ｉｒ！３１の軸線に対して垂直な面上に張架されてい
る０反応管１６内には、耐熱性を有するたとえばカーボ
ンなどから成る基台３３が支持治具３４によって吊下げ
られており、基台３３の下端部には、柱状治具３５が固
着される。

第２図は、基台３３付近の将視図である。基台３３は、
逆円角錐台状の形状を有し、その側面部３６．３７＋３
８．３９は、それぞれ第２区下方側に向かうに従い相互
に近接する方向に傾斜しており、これら４つの側面部３
Ｇ、３７，３８．３９には後述される矩形平板状の半導
体基板４０．４１゜４２．４３が嵌着される嵌着凹所４
７，４８．４９゜５０が形Ｉ＆され、基板４０，４１，
４２．４３は、これらの嵌着凹所４７，４８．４９．Ｓ
ｏに、それぞれ４本のビン４０ａ＋４０ｂ＋　４０ｃ＋
４０ｄ；　　、喀］ａ、４１　ｂ、４１　ｃ、４１　ｄ
；・・・によって固定されている。

また基台３３の上端面４４には、後述される反応生成物
を受けとめるための凹所４５が形成され、この凹所４５
の中央部には前記支持治バ３４が固定される。支持治具
３４の基台３３の上方側には、上方に開口部を有するラ
ッパ状の案内部材４６が同軸に配設される。なお、柱状
治具３５、支持治具３４および案内部材４６は、反応管
１６などと同様に石英などから成る。一方、基台３３の
下端部に設けられる柱状治具３５は、略四角柱状の形状
を有し、原料ガスの流れを円滑にするために下方先端部
が半球状に、また上方側部は基台３３の側面部３６．３
７．３８．３９と段差部が生じないように、基台３３と
面一に形成される。

このような構成を有する基台３３および柱状治具３５は
、基台３３および柱状治具３５の共通軸線がノズル１８
の軸線と同一線上に配設されるようにする。これによっ
て柱状治具３５の外壁と、７ズル１８の筒部２９の内壁
との間隔が、周方向にほぼ均一となるように、ノズル１
８の筒部２９内に配設される。

次に、以上のような構造を有する反応炉１５における半
導体基板の１！遣過程について説明する。

たとえば、トリメチルガリウム　Ｇ　１１（Ｈ３）−、
アルシンＡｓＨ，などから成る原料ガスは、キャリアガ
スとしての水素ガスＨ２と共に、ノズル１８の注入管３
１から所定の圧力で鉛直方向上方に向けて噴出される。

このようにして噴出された原料がスは、案内部３０のｌ
Ａ３２を介して分散され、柱状治具３５によって円筒状
ガス流となる。なお、柱状治具３５の軸線とノズル１８
の軸線とが一致しない場合であっても、網３２によって
ガス流は分散されるので、柱状治具３５の周辺部には均
一な円筒状ガス流が生じる。

この円筒状ガス流は、第３図に図示のごとく基台３３の
それぞれの側面部３ｆ３．３７．３８．３９に入射角θ
で入射される。なお基台３３は高周波誘導加熱により６
００〜８００℃まで加熱されている。したがって、基台
３３の側面部３６，３７．３８．３９に入射される原料
ガスは、この付近で熱分解され、側面部３６，３７，３
８．３９に配置される基板４０．４１，４２．４３上に
ＧａＡｓ層を形成する。

このＧ　ａＡ　ｓ／ｌ成長過程においては、加熱された
基台３３からの輻射熱により反応管１６の内壁も加熱さ
れ、この付近でも原料ガスが熱分解される。

これによってたとえばヒ素などの反応生成物が、固形物
として反応Ｗ１６の内壁に付着することがある。この反
応生成物が、たとえばＧａＡｓ層成長途中に反応Ｗ１６
内壁からはがれ、原料ガスに混入した場合には、Ｇ　ａ
Ａ　ｓ／！！１表面を荒らす原因となる。すなわち、形
成されるＧａＡｓＷＩにおいて、フラットな表面を得る
ことが困難になる。また製造される半導体基板の前記Ｇ
ａＡｓ層の品質を低下させてしまう。

このため、７ランノ部１９に形成される注入口２０とノ
ズル１８の注入９７３１との間から反応管１６′内に、
たとえば水素ガスなどによるパージガスを流入する。こ
れによって反応管１Ｇと基台３３との間には、基台３３
の軸線を中心とする同心円筒状の層流が上方に向けて流
れることになる。

すなわち、反応管１６の内壁付近には、パージガスが供
給され、原料ガスがあまり供給されなくなる。したがっ
て前述のごとき反応生成物の付着を防止することができ
る。

さらに、反応１ｒ１１６内の他の場所、たとえば案内部
材４６に付着した反応生成物が落下してくる場合には、
基台３３の上端面に形成される凹所４５で受けとめるこ
とができ、また、この凹所４５で受止められない反応生
成物は、ノズル１８の筒部２９と反応ｌ１７１Ｇの間を
通過して、７ランノ部１９の上面に落下する。すなわち
、基台３３の上端面４４は、前記筒部２つの周縁部より
広く設けてあり、これによって基台３３の凹所４５で受
止められない反応生成物がノズル１８内に落下すること
が防がれる。

ＧａＡｓ／１ｆｆ成長に直接寄与しなかった残余の原料
ガスおよびキャリアガスは、基台３３の側面部３Ｇ、３
７，３８．３９周辺を通過して、案内部材４６に案内さ
れて、排出部１７に設けられる複数の排出口２８から排
出される。なお、複数の排出口２８は前述したように円
筒状の側面部２７上に等間隔に設けであるので、排出ガ
スの流れを反応管１Ｇの軸線まわりに均一にすることが
できる。また、ＧａＡｓ１成長過程においては、基台３
３の加熱により反応管１６も加熱されるので、これを冷
却するために、外管２４に設けられる注入口２５から冷
水を注入する。これによって反応管１６が異常に加熱さ
れるのを防止し、冷却後の冷却水は排出口２６から排出
される。

基板４０．４１．４２．４３にＧａＡｓ層が形成された
後には、基台３３は支持治具３・ｔを介して引上げられ
、￥Ｃ着室２３内へ移動する。ここで、ＧａＡｓＪｍが
形成された基板４０．４１，４２．４３を基台３３から
取外し、新たな基板が装着される。

なお、装着室２３の上方側にはパージガスを注入するた
めの注入口５１が設けられており、ここからパーツガス
を注入することにより、装着室２３内に反応管１６下方
側からの排出ガスが流入することが防止できる。

ところで、ＧａＡｓ層成長時において、原料ガスは前述
したごとく基台３３の側面部３６，３７．３８．３９に
、入射角θ（第３図参照）で入Ｊｌｔされるわけである
が、形状の異なる種々の基台３３を用いることにより、
前記入射角θの値を０°から９０°の範囲内で任意に選
ぶことができる。これによって、成ｆｆｃ／ｌｌ厚の均
一性を向上させることかでき　　る　。

なお、本実施例においては、基台３３の形状を四角錐台
としたが、四角錐台に限らず、たとえば５角錐台や６角
錐台などの多角錐台を用゛いてもよく、他の形状でもよ
い。これによって基台に装着されるべき基板の数を任意
に選ぶことができる。

また、本実施例においては、反応１１６の形状を円筒状
としたが、基台３３と同様の形状としてもよい。たとえ
ば四角錐台の基台３３を眉いるならば、反応Ｉｒ１１６
も四角柱状にし、五角錐台の基台３３であれば、五角柱
状の反応ｇ１Ｇを用いるようにしてもよい。このように
すれば、半導体基板上に形成されるＧａＡｓ層厚および
不純物の水平方向の均一性が、さらに向上される。なお
、成長する半導体はＧａＡｓに限らず、他の半導体でも
よしＩＩｌ効　　果以上のように本発明に従えば、ノズルから第１のガスを
噴出させ、第１のガスと共にノズルと反応炉の開から第
２のガスを噴出させることにより、反応炉の軸線を中心
とする同心円筒状の層流が発生する。これによって、ｍ
ｌのガスによる反応生成物が、反応炉内壁に付着するこ
とが防がれ、半導体基板を所望の半導体層を有利に変化
させることができる。また、半導体基板が保持される保
持部材と反応炉内壁との温度差によって、保持部材付近
に供給される第１のガスには、上方側に浮力が発生する
。

従来、第１のがスは反応炉の上方側から噴出されていた
ので、保持部材付近で所望のガス流速を得るためには前
記浮力に抗して、当初からむやみに大きな流速をＰｔ５
１のガスに与えなければならなかった。しかるに、本発
明に従えば、第１のガスは反応炉の下゛力価から上方に
向けて噴出されるために、前記浮力は、ガス流速と同方
向に加えられる。したがって比較的少ないガス流量で所
望のガス流速を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である反応炉１５の断面図、
Ｐｔ５２図は基台３３付近の斜視図、ｔｔＳ３図は原料
ガスが基台３３に入射する様子を説明するための図、第
４図は典型的な従来技術の反応炉１の断面図である。１５・・・反応炉、１６・・・反応管、１７・・・徘畠
部、１８・・・ノズル、１９・・・７ランノ部、２０，
２５．５１・・・注入口、２３・・・装着室、３３・・
・基台、３４・・・支持治具、３５・・・柱状治具、３
　Ｃｉ、３７，３８．３９・・・側面部、４０．＝４１
．４２．４３　　・・・基板、４５・・・凹所、４６・
・・案内部材、４７．４８．４９．５０・・・嵌着凹所代理人　　弁理士　四教　圭一部第１図第２　図第３図第４　図

Claims

【特許請求の範囲】　鉛直方向に延びる軸線を有する反応炉と、反応炉内に
、上方から挿入され、半導体基板が上方に向けて拡開し
た取付状態で保持される保持部材と、反応炉内に下方から挿入され、その上端部が前記半導体
基板付近で開口したノズルとを含み、前記ノズルからは
半導体基板上に所望の半導体層を成長させる第１のガス
が上方に向けて噴出され、前記ノズルと反応炉との間には、下方から第２のガスが
噴出され、反応炉の上端部付近から第１および第２のガスを排出す
るようにしたことを特徴とする半導体基板の製造装置。