KR950008842B1 - 반도체 제조장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체 제조장치

제1도 (a)는 본 발명의 제1실시예의 반도체 제조장치를 나타내는 단면도.

제1도 (b)는 제1실시예에서 사용된 히터의 평면도.

제2도는 제1도(a)의 주요부의 확대도.

제3도는 제1실시예에서 사용된 반응실의 사시도.

제4도는 제1실시예의 기판 공급장치를 포함한 제1실시예의 평면적 단면도.

제5도는 제1실시예의 반응실의 노즐구멍 및 공급관의 분포 상태를 나타낸 평면도.

제6도는 본 발명의 제2실시예의 연속 반도체 제조장치를 나타내는 평면도.

제7도는 제6도의 A-A'선을 따른 종단면도.

제8도는 제2실시예의 회전 원판 블럭의 평면도.

제9도는 MESFET 에피택시층의 성장 프로세스의 차트도.

제10도는 HEMT 에피택시층의 프로세스 차트도.

제11도는 종래기술에 대한 반도체 제조장치의 개략적인 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 반응실 12 : 바닥판

14 : 노즐구멍 16 : 벽

18 : 상판 18a : 구멍부

18b : 단부 20 : 배기구

22, 28 : 원료주입관 24,30 : 혼합실

26 : 구멍 32 : 덕트

36 : 배기밸브 42 : 공급관

42a, 42b : 구멍 44 : 히터

44c : 균열판 100a,100b,100c : 대역

200 : 진공실 300 : 기판

본 발명은 진공실내, 특히 진공 화학 에피택시(VCE)계에 있어서 화합물 반도체층을 성장시키는 반도체 제조장치에 관한 것이다.

최근 화합물 반도체 특히 Ⅲ-Ⅴ족 화합물(예를들어, GaAs)이 종래의 규소 반도체 보다도 뛰어난 성능을 가지므로 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 화합물 반도체의 제조방법으로 초고진공중에서 에피택셜 성장시키는 화합물에 필요한 원자를 고체 재료로부터 히터건에 의해 증발시켜 이것을 분자선의 형태로 기판에 충돌시켜 기판위에 막을 성장시키는 분자선 에피택셜법이나 금속의 메틸 또는 에틸 화합물의 증기를 H₂등의 운반가스로 보내 상압 내지 감압된 반응실로 도입하며, 거기서 V족의 수소화합물과 혼합한 후 가열한 기판 위에서 반응시켜 결정을 성장시키는 유기금속 CVD법등이 있다.

그러나 상기 분자선 에피택셜법은 대량 생산이 어려워서 시장의 수요에 맞출 만큼의 공급이 곤란하다고 하는 문제점이 있다. 또 유기금속 CVD법은 생산능력은 상기 분자선 에피택셜법보다 높지만 사용하는 반응가스가 고가이며, 또 그 성장기구를 위한반응가스의 이용효율이 나빠진다고 하는 문제점을 갖고 있다. 따라서 가격에 구애받지 않는 특수한 용도의 경우를 제외하고는 사용 일반적으로 하는 것이 곤란하다. 또 상기 유기금속 CVD법은 상기와 같이 반응가스의 이용효율이 나쁘기 때문에 대량의 미반응 가스(독성가스)가 생기며, 증기압이 늦은 Ⅲ족 화합물을 가스화하여 반송할 목적으로 대량으로 사용되는 H₂등의 운반가스가 상기 미반응가스에 가해지기 때문에 다량의 독성가스가 생기며 이 독성가스의 폐기등에 커다란 문제를 갖고 있다.

이러한 유기금속 CVD법에 의한 종래의 장치는 제11도에 개략적으로 도시되어 있다. 즉, 진공실(1) 내에 설치된 히터(2)의 위에 기판(3)을 얹어놓고, 이 기판(3)을 향해 진공실(1) 내의 위쪽에 설치된 노즐(4)로부터 반도체 성장용 가스상태 화합물을 화살표(A)와 같이 분사하도록 되어 있다. 이 장치는 1회의 처리때마다 용적이 큰 진공실(1)에 반도체 성장용의 가스상태 화합물(반응가스)을 충만시켜 처리한 후 그것을 폐기하기 때문에 폐기 가스중에는 미반응가스가 다량 포함되어 있으며 따라서 반응가스의 이용효율이 나쁘다.

또 상기 장치는 기판(3)을 히터(2)의 위에 얹어 기판(3)을 아래쪽으로부터 가열하기 때문에 기판(3)의 위쪽에서 화살표(B)와 같은 열대류가 생김과 동시에 히터(2)에 의해 가열된 기판(3)으로부터 방산되는 열이 기판(3)의 윗면 근방에서 화살표(C)와 같이 발생한다. 그 결과, 노즐(4)로부터 토출되는 가스상태 화합물이 상기 화살표(B)의 열대류, 화살표(C)의 방산열에 의해 들어올려져 그 흐름이 흩어지기 때문에 기판(3)의 윗면에 균일한 막성장이 행해질 수 없게 된다. 따라서 상기 장치에는 얻어진 반도체막(반도체층)의 표면을 평평하게 마무리 하기 곤란하다고 하는 결점이 있다. 이와같은 결점은 상기 화살표(B)의 열대류에 의해 기판 3면에 도달하지 않고 공중에서 접촉반응하여 생성되는 Ga, As입자가 공간을 부유하다가 임의로 반도체막에 부착하기 때문에 발생하는 것이다.

더우기 상기 장치에서 공급되는 가스의 종류를 바꿀 경우는, 상기 노즐(4)에 연결된 복수의 가스 공급관의 밸브 (5)(6)(7)를 바꾸도록 되어 있다. 따라서 복수의 종류가 다른 반도체층을 형성하는 경우, 밸브(5)(6)(7)의 전환을 빈번히 행하여야하므로 작업에 불편이 따른다는 문제가 있다.

또 노즐(4) 내부에는 직전에 사용한 화합물이 잔류하므로 이 잔류화합물이 불순물로 작용하므로 양질의 반도체를 얻기 곤란하다고 하는 문제도 있다.

본 발명은 이와같은 사정을 감안하여 행해진 것으로서, 상기 MBE와 MOCVD의 장점만을 취하여 반도체 층 표면이 평평한 양질의 반도체를 높은 효율로 생산하는 반도체 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 반도체 장치는 고도의 진공상태를 진공실; 바닥판, 그 가장자리에 설치된 벽 및 이 벽에 둘러쌓인 반응공간을 덮는 상판에 의하여 상기 진공실내에 설치된 반응실; 이 반응실에 제1반응가스를 공급하는 제1반응가스 공급장치; 기판의 표면이 상기 반응 공간에 접할 수 있도록 하기 위하여 상기 상판에 설치되는 기판 유지부; 상기 반응실의 벽과 상판의 사이 또는 벽에 설치되는 반응가스 배출로; 상기 상판의 위쪽에 설치되는 가열장치; 상기 반응실의 바닥판에 형성되는 다수의 노즐 구멍; 이 반응실의 아래쪽에 일체적으로 설치되는 제1혼합실; 상기 제1혼합실에 제2반응가스를 주입하기 위하여 상기 제1혼합실의 벽면에 형성된 개구부에 연결된 제2반응가스 주입관; 상기 반응실의 바닥판에 형성된 다수의 노즐구멍중 일부의 노즐구멍에 각각 연결되도록 상기 제1혼합실의 천정부에 형성되는 복수의 제1구멍; 상기 제1혼합실의 아래쪽에 일체적으로 설치되는 제2혼합실; 상기 제2혼합실에 제3반응가스를 주입하기 위하여 상기 제2혼합실의 별면에 형성된 개구부에 연결되는 제3반응가스 주입관; 상기 제2혼합실의 천정부에 형성된 복수의 제2구멍; 및 상기 제2혼합실의 천정부에 형성된 복수의 제2구멍과 상기 제1혼합실의 천정부에 형성된 제1구멍중 일부의 노즐구멍을 연결하는 덕트를 구비하고 있다.

즉, 본 발명의 반도체 제조장치는 진공실의 고도의 진공상태로 하여 반응가스 분자의 평균 자유 행정을 크게하여 가스분자의 분자선을 기판을 충돌시킴과 동시에 진공실의 내부에 진공실보다 용적이 작은 반응실을 새롭게 설치하며, 이 반응실에 기판을 올려놓고 반응가스를 공급하여 반도체층을 성장하도록 하기 때문에 반응가스의 이용효율이 크게 향상하게 된다.

또 이 장치는 진공실이 고도의 진공상태로 되어 있어 증기압이 낮은 Ⅲ족 화합물도 기화되기 때문에 Ⅲ족 화합물의 기화 및 반송용 운반가스가 불필요하다. 따라서 사용후 가스의 폐기량도 줄일 수 있게 된다.

또한, 반응실을 구성하는 상판에 기판을 올려 놓으며, 반응실의 바닥판에 반응가스 토출부를 설치함과 동시에 반응실 상판의 위쪽에 히터를 설치함으로써 반응실로 토출된 반응가스가 열대류등에 의해 영향을 받지 않도록 하고 있기 때문에, 표면이 매우 평평한 반도체층이 형성되게 된다.

특히, 본 발명의 반도체 제조장치는 반응실의 아래쪽에 제1 및 제2혼합실을 설치하여 반응가스를 이들 혼합실로부터 각각 다른 경로를 따라 주입하도록 하고 있기 때문에 종류가 다른 반응가스를 동시에 사용할 수 있으며, 따라서 사용방법의 다양화가 실현됨과 동시에, 종래와 같은 번잡한 밸브의 전환이 불필요하며, 더우기 노즐내의 잔류 가스에 의한 문제도 해결할 수 있게 된다.

본 발명을 실시예에 기초하여 상세히 설명한다.

제1도 내지 제4도는 본 발명의 한 실시예의 반도체 제조장치를 나타내고 있다. 이들 도면에 있어서 "200"은 진공 화학 에피택시계에 있어서의 진공실이며, 그 진공실(200) 내에 반응실(10)이 설치되어 있다.

이 반응실(10)은 4각형의 바닥판(12), 그 바닥판(12)의 가장자리에서 위쪽으로 뻗어 있는 벽(16); 및 그 벽(16)의 상단에 한쪽 방향으로 미끄러질 수 있도록 얹어지는 상판(18)으로 구성되어 있다. 이 상판(18)에는 그 중앙부에 2개의 구멍부분(18a)이 설치되며 이 구멍부분(18a)의 가장자리에 설치된 단부(18b) 위에 각각 원판형 GaAs기판(300)을 그 표면이 아래쪽을 향하도록 올려놓을 수 있게 되어 있다. 상기 상판(18)은 그 좌우 양쪽 가장자리가 아래쪽으로 만곡하고 잇으며, 그 만곡부가 상기 벽(16)중 좌우 한쌍의 벽(16)의 안쪽에 설치된 미끄럼 단부(16a)에 지지되도록 하므로써 진공실(200)에 연결되어 설치된 기판착탈실(50)(제4도 참조)로 미끄러질 수 있도록 되어 있다.

제4도에 있어서, "51"은 기판 착탈실(50)로부터 밸브(52)를 열어 진공실(200) 내로 뻗는 매직핸드로서 상기 상판(18)의 만곡부를 끼운 상태에서 미끄러져 이동하여 상판(18)을 반응실(10)에 적정하게 붙이고 뗀다.

"53"은 밸브(52)를 열기 전에 기판착탈실(50)을 진공실(200)과 같은 정도의 진공상태로 하는 진공펌프이다. 상기 반응실(10)의 벽에는 바깥주위를 따라 소정간격으로 배기구(20)가 설치되며 반응실(10) 내의 미반응가스 내지 잉여 반응가스를 진공실(200)로 배출하도록 되어 있다. 이들 배출구(20)의 전체 면적은 반응실(10)의 상판(18)의 면적의 약 4%로 설정되어 있다.

"14"는 각각 바닥판(12)에 있어서 상기 기판(300)의 아래쪽에 일정간격(25.4mm)으로, 또한 상기 기판(300)에 대하여 수직이 되도록 설치된 직경 3.2mm의 노즐구멍(아래쪽으로부터 위쪽에 걸쳐 역방향의 원추형이 되며, 반응가스를 균일토출하도록 되어 있다)이며 반응실(10)의 아래쪽에 설치된 제1혼합실(24)의 천정부에 위치하는 구멍(26)(34)에 연결되어 있다. 이 구멍 "26" 및 "34"는 제5도에 도시된 바와같이 동일한 수의 구멍에 교대로 설치되어 있으며, 구멍(26)은 제1혼합실(24) 내로 연결되고 구멍(34)은 제1혼합실(24) 내를 관통하고 있는 덕트(32)를 통하여 혼합실(24)의 아래쪽에 설치된 제2혼합실(30)에 연결된다.

제1혼합실(24) 내에는 제2도에 나타나듯이, 측벽을 관통하여 원료주입관(22)이 연이어 통해 있으며, 이 원료주입관(22)으로부터 트리메틸갈륨(TMGa)이나 트리에틸갈륨(TEGa)등의 Ⅲ족 화합물(반응가스)이 제1혼합실(24)로 보내지며 또, n형 및 p형 도우펀트가 단독으로 또는 상기 Ⅲ족 화합물과 동시에 제1혼합실(24)로 보내도록 되어 있다. 이 화합물들은 제1혼합실(24) 내에서 균일하게 혼합된 후 구멍(26) 및 노즐구멍(14)을 통해 위쪽에 설치되어 있는 기판(300)을 향해 균일하게 토출된다. 즉 원료주입관(22)으로부터 반응가스가 제1혼합실(24)로 들어오면 일부의 반응가스입자를 제1혼합실(24)의 내부에 기등과 같이 설치된 복수개의 덕트(32)와 충돌하여 옆으로 흐르며, 다시 충돌하지 않은 가스입자와 다시 충돌하게 되며, 이와같은 충돌이 복수개의 덕트(32) 주위에서 반복하여 일어남으로써 제1혼합실 내부의 반응가스는 충분하게 혼합되어 균일하게 상태가 된다.

또 제2혼합실(30)은 아래쪽에 개구를 가지며 그 개구에는 그 개구를 개폐하기 위한 포핏밸브인 배기밸브(36)가 자유롭게 전진 후퇴할 수 있게 설치되어 있다. 그리고 상기 제2혼합실(3)의 측벽에는 원료주입관(28)이 연결되어 있다. 이 원료주입관(28)으로부터 n형, p형 도우펀트 또는 트리에틸 알루미늄(TEA1)등의 Ⅲ족 화합물등이 제2혼합실(30)로 보내지도록 되어 있다. 상기 Ⅲ족 화합물은 제2혼합실(30) 및 덕트(32)내에서 균일한 상태로 혼합된 후, 구멍(34)를 통하여 노즐구멍(14)로부터 기판(300)으로 향해 균일한 분포상태로 토출된다.

또한 상기 덕트(32)는 제1혼합실(24) 내에서 반응가스의 유통저항으로 작용함으로써 휘저어 섞는 작용을 갖게 되기 때문에, 제1혼합실(24) 내에 있어서 반응가스의 혼합성의 향상에 기여한다.

상기 제1혼합실 및 제2혼합실(24)(30)은 일체적으로 형성된 스테인레스 강제의 블럭으로 되어 있으며 스테인레스 강제의 지지체(40)로 지지되어 있다. "42"는 AsH₃등의 Ⅲ족 화합물을 반응실(10) 내로 공급하기 위한 공급관이며, 제5도에서와 같이 바닥판(12)의 위에, 구멍(26)(34)을 좌우 동수로 2등분하는 위치에 설치되어 있다. 그리고 이 공급관(42)에는 복수의 구멍 "42a" 및 "42b"이 각각 일정간격을 유지한 상태로 좌우 2열로 뚫어 설치되어 있다. 이로인해, 상기 V족 화합물이 반응실(10) 내로 균일한 상태로 공급된다.

"44"는 반응실(10)의 상판(18)의 위쪽에 설치된 히터, "44C"는 균열판이며, 기판(300)을 위쪽부터의 복사열을 이용하여 가열함으로써 기판(300)을 그 표면에서 반도체 화합물이 성장되는 온도까지 가열함과 동시에 그 가열에 의해 열대류등의 영향을 받지 않고 반도체층이 기판(300)의 표면에 균일하게 성장할 수 있도록 하고 있다.

상기 히터(44)는 제1도(b)에 나타나 있듯이 판형카본 그래파이트에 줄기형으로 자른것(44a)을 교대로 설치하며 양쪽단에 전극(44b)을 부착하여 구성된다. 이 히터(44)의 아래쪽에 설치된 균열판(44c)에 의해 가열이 더욱 균일하게 되도록 한다. 동작에 있어서, MESFET 에피택시층의 성장형성에는 제1도와 같이 반응실(10)에 기판(300)(표면이 아래쪽으로 되어 있다)이 붙은 상판(18)을 장착하며, 계속하며 진공실(200)내를 진공도를 10^-7토르의 진공상태로 함과 동시에 히터(44)로 전하를 부가하여 히터(44)를 발열시켜 분위기 온도를 650℃로 가열한다. 그 상태에서, 기판(300)을 약 15분간 가열한다.

반응실(10)의 원료주입관(22)으로부터 트리메틸갈륨(TMGa)이나 트리에틸갈륨(TEGa)등의 Ⅲ족 화합물을 제1혼합실(24) 내로 보내 혼합실(24) 내에서 균일한 상태로 혼합한 후 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)을 향해 균일한 상태로 토출시킴과 동시에 공급관(42)에 AsH₃또는 알킬아르세닉등의 V족 화합물, 예를들어, 트리에틸아르세닉(TEAs)을 보내 이것을 구멍 "42a" 및 "42b"로부터 반응실(10) 내로 과잉으로 토출시킨다. 그 결과 반응실(10) 내로 공급되는 V족 화합물은 상기 Ⅲ족 화합물과 동시에 기판(300)의 표면을 가로질러 배기구(20)쪽으로 확산하면서 흘러간다. 그 사이에 AsH₃나 TEAs는 열분해하여 As₂로 되며, 기판(300)의 표면에서 상기 갈륨화합물의 갈륨과 동시에 접촉하여 무도우프의 비화갈륨(GaAs)층등으로서 성장한다. 또 기판(300)에 접촉하지 않는 미반응의 화합물은 배기구(20)로부터 외부로 배출되며 진공실(200)쪽으로 배기장치에 의해 흡입된다.

상기 GaAs층은 매 시간 약 2μm의 속도로 성장시키는 것이 바람직하며, 두께를 약 10⁴

로 형성하는 것이 적합하다. 이 경우 상기 무도우프 GaAs층 내의 불순분의 농도는 1×10¹⁵원자/㎠이하가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 계속하여, n형 도우펀트를 상기 Ⅲ족, Ⅴ족 화합물과 동시에 또는 단독으로 제2혼합실(30)로부터 반응실(10)에 토출시킴에 따라 상기 무도우프 GaAs층의 표면에 n형 활성층을 성장시킨다. 이 n형 활성층은 매 시간 약 2μm의 속도로 성장시키는 것이 바람직하며, 그 두께는 2×10³

, 그 안에 있는 n형 도펀트의 농도는 약 2×10¹⁷원자/㎤로 하는 것이 적합하다. 그후, 가스의 공급을 모두 정지한 상태로 약 15분 유지된다. 그리고 냉각한 후 반응실(진공실 200)(10)로부터 기판(300)을 꺼낸다. 즉, 기판착탈실(50) 내의 진공도를 진공실(200)과 같은 정도로 높이고, 밸브(52)를 열어 매직핸드(51)를 뻗어 반응실(10)의 상판(18)(기판 300을 갖는다)을 잡은 후, 그 상태에서 매직핸드(51)를 후퇴시키므로써, 상판(18)을 반응실(10)의 주벽(16)으로부터 떼어내 기판착탈실(50) 내에 수용한다. 그리고 꺼낸 기판(300)에는 종래의 방법에 의해 신호원전극, 드레인 전극 및 게이트 전극이 설치된다. 이와 같이하여 균일한 MESET반도체층을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 얻을 수 있다.

제6도 내지 제8도는 본 발명의 다른 실시예의 연속 반도체 제조장치를 나타내고 있다. 즉, 이 장치는 원형의 진공실(200) 내를 3개의 대역(100a)(100b)(100c)으로 구분하여 각 대역 (100a)(100b)(100c)에 전술한 것과 같은 반응실(10) 및 제1, 제2혼합실(24),(30)을 각각 설치하고 있다. 이들 반응실(10)의 상판(18)은 진공실(200)과 거의 같은 면적을 가진 회전원판(61)(제8도 참조)의 각 반응실(10)에 대응하는 부분인 아치형의 절단부(60)에 올려진다. 즉, 상기 상판(18)은 상기 아치형의 절단부(60)의 가장자리에 형성된 단부에 의해 붙이고 지지된다.

상기 상판(18)을 유지하는 회전원판(61)은 1회의 작업 종료시 마다 진공실(200)의 중심에 설치된 회전축(400)을 중심으로 천천히 회전하며 각 반응실(10)의 상판(18)을 회전방향쪽으로 위치하는 다음의 반응실(10)로 이동시키도록 되어 있다. 또한 상기 각 반응실(10)의 벽(16)에는 소정의 간격으로 배기구(20)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 각 반응실(10)중 기판착탈실(50)에 가까운 대역"100a"의 반응실(10)은 기판(300)의 예열 및 냉각용, 대역 "100b"의 반응실(10)은 무도우프층 성장용이며, 대역 "100c"의 반응실(10)은 n형 활성층 성장용이다.

동작에 있어서 각 대역 (100a)(100b)(100c)의 상판(18)에 각각 4개의 기판(300)의 표면을 아래쪽으로 하여 설치하며, 1일 2교대의 작업을 행하므로 인해 1주일간 1152개의 반도체를 제조할 수 있다.

이것을 제9도의 MESFET 에피택시층의 성장 프로세스챠트 및 제2도를 사용하여 보다 상세히 설명한다.

먼저 진공실(200) 내를 진공도가 10^-7토로의 진공상태로 함과 동시에 히터(44)로 전하를 부하하여 히터(44)를 발열시켜 온도를 650℃로 가열한다. 그 상태에서, 기판(300)이 부착되어진 상판(18)을 기판착탈실(50)로부터 매직핸드(51)를 뻗어서 제1대역(100a)에 대응하는 회전원판(61)의 아치형의 절단부(60)에 부착하며 이곳에서 약 15분간 가열한다. 계속하여 기판(300)을 상판(18)과 함께 회전시켜 제2대역(100b)의 반응실(10)로 이동시킨다. 여기에서 전술한 장치와 같이 트리메틸갈륨(TMGa)이나 트리에틸갈륨(TEGa)등의 Ⅲ족 화합물을 제1혼합실(24) 내로 보내 혼합실(24) 내에서 균일한 상태로 혼합한 후 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)으로 향해 균일한 상태로 분사한다. 이와 동시에 공급관(42)에 AsH₃또는 알킬아르세닉등의 V족 화합물에 예를들어 트리에틸아르세닉(TEAs)를 보내며 이것을 구멍(42a) 및 구멍(42b)으로부터 반응실(10) 내로 과잉 토출시킨다. 이에 의해 기판(30)(300)의 표면에 무도우프 비화갈륨(GaAs)층을 성장시킨다.

계속하여 상기 처리를 끝낸 기판(300)을 상판(18)과 하몌 제3대역(100c)의 반응실(10)로 이동시킨다. 여기서 n형 도우펀트를 Ⅲ족 화합물과 같이 제1혼합실(24)로부터 반응실(10)로 토출시키든지 또는 단독으로 제2혼합실(30)로부터 반응실(10)로 토출시키므로 인해 상기 무도우프 GaAs층의 표면에 n형 활성을 성장시킨다. 그후에 상기 Ⅲ족 화합물등의 가스공급을 모두 정지한 상태에서 약 15분 유지한다. 그리고 상판(18)을 회전시켜서 상기의 처리를 끝낸 기판(300)을 제1의 대역(100a)의 반응실(10)로 되돌려 여기서 냉각한 후 상판(18)과 함께 기판착탈실(50)에서 매직핸드(51)로 꺼낸다. 이 장치에서는 상기의 조작을 반복하므로 인해 연속적으로 반도체를 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 장치의 각 반응실(10)에서는 동시에 각 반응실에 주어진 처리가 행해 지게 된다.

이와같은 일련의 처리에 필요한 시간은 제1대역(100a)에서의 가열, 냉각에 각각 약 15분, 제2대역(100b)에서의 무도우프층 성장에 약 30분, 제3대역(100c)에서의 n형 활성층의 성장에 약 15분, 무성장 기간(가스상태 화합물등의 공급없음)에 약 15분 걸리며, 합계로 1.5시간이 된다. 따라서 12개의 기판(300)의 제조에 대하여 1.5시간을 필요로 하며, 이것을 1일 2교대로 연속운전하면 1주일간 1152개의 반도체를 제조할 수 있게 된다.

다음으로 제10도는 HEMT 에피택시층의 성장과정의 챠트를 나타낸다.

즉, 이상과 같은 방법에 있어서, 제2 및 제3 대역(100b)(100c)에서 제2혼합실(30)(제7도)로부터 트리에틸알루미늄(TEAL)등의 A1을 함유하는 Ⅲ족 화합물을 공급하므로서 HEMT 에피택시층을 성장시킬 수 있다.

이 경우 먼저, 상기 방법과 같이 기판(300)을 제1대역(100a)에서 가열한 후, 제2대역(100b)에서 가스 상태의 Ⅲ족 및 족화합물을 사용하여 도우펀트의 농도가 1×10¹⁵원자/㎤인 두께가 약 10⁴

의 GaAs층을 성장시키며 더우기 상기 가스에 덧붙여, Al 함유화합물을 제2혼합실(30)로부터 토출시켜 상기 GaAs층의 표면에 두께가 30-100

인 무도우프의 Al_ZGa_1-ZAs층을 성장시킨다. 더우기 제3대역(100c)에서 상기 가스등에 덧붙여 n형 도우펀트를 토출시키며 상기 Al_zGa_1-zA_s층의 표면에 두께가 50

인 n⁺형 Al_zGa_1-zAs층을 성장시킨다. 이 경우 z는 0.1-0.9이며, 바람직하게는 0.2-0.3이다. 그후에 제2혼합실(30)의 원료공급관(28)에 설치된 배출밸브(도면표시 않음)을 닫으므로써 상기 가스등에서의 Al화합물의 공급을 중지시키며, n두께가 약 103

인 n형 도우펀트를 함유하는 층을 성장시킨다. 그리고 상기와 같이 표면에 반도체층이 형성된 기판(300)을 제1대역(100a)에서 냉각한 후, 반도체 제조장치의 외부로 꺼내 신호원 전극등을 붙인다. 이와같이 하여, HEMT반도체를 얻을 수 있다. 이 경우에 필요한 시간도 상기의 경우와 같다.

또한 상기의 장치에 있어서 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)까지의 거리를 그 진공상태에서의 Ⅲ족 화합물 가스분자의 평균 자유행정(가스분자가 다른 분자와 충돌하여 반응하기까지 진행하는 거리)보다 짧게, 또한 기판(300)의 표면에서의 화합물의 분산상태가 균일하게 되도록 설정해둔다. 이것을 보다 상세하게 설명하면 각 노즐구멍(14)으로부터 위쪽방향으로 역 원뿔과 같이 확산해 가는 Ⅲ족 화합물등의 선단에 형성되는 원(역원뿔의 바닥)들이 교차하는 위치에 기판(300)을 설치해 둠과 동시에 기판(300)에 도달하는 가스분자의 분포상태 및 그 충돌 속도를 가스분자가 기판(300)의 표면에 소정 속도로 성장하기에 충분하도록 설정해 둔다. 또는 미리 설징된 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)가지의 거리에 대응시켜서 진공실(200)내의 진공도나 가스상태 화합물의 토출속도의 조절, 구멍(26)(34) 및 노즐구멍(14)의 수, 직경등을 조절한다. 이에 의해 규정두께의 ±5%의 범위 내의 두께, 보다 바람직하게는 규정두께의 ±1%의 범위의 두께를 갖는 반도체층을 얻도록 한다. 또 TEGa 및 AsH₃등으로부터 GaAs를 얻을 경우의 반응속도는 일반적으로 기판(300)의 온도가 높을 수록 빨리 진행되도록 되어 있지만 기판(300)의 온도가 너무 높으면 형성된 GaAs층이 재증발하여 층 성장속도를 저하시킨다. 이 때문에 기판(300)의 온도 500-700℃가 바람직하며, 특히 바람직한 것은 600-650℃이다. 또 반응실(10)내의 진공상태는 10^-6토르 이하가 바람직하다.

그 외에 TEGa 및 AsH₃등의 속도, 기판(300)의 온도등 여러가지 조건관계를 하기의 식(1),(2),(3)으로 나타낼 수 있다.

이 식(1)에 있어서, f는 아래쪽 옆에 나타나는 화합물의 비임유속, F는 2유량, A는 성장영역 면적, a는 배기구(20)의 면적이다. 배기구(20)의 면적 a는 성장영역 면적(A)의 4% 정도인 것이 바람직하며, 4%를 넘으면 V족 화합물이 외부로 과잉 배출되어 반응실(10) 내에서의 분포상태가 균일해지지 않는다. 그 대문에 얻어진즌 반도체층의 균일성이 나빠진다. 또 4% 이하가 되면 V족 화합물의 반응실(10) 내부로부터 외부로의 흐름이 나빠지며 Ⅲ족 화합물의 이용효율이 저하하여 효과적인 반도체층의 성장을 얻을 수 없게된다. 이 식(1)은 As₂와 Gs의 밀도비가 성장영역 면적(A)과 배기구(20)의 면적(a)의 비율 및 AsH₃와 TEGa의 유량비와의 합에 비례하는 것을 나타내고 있다.

λ=KTV_b/πd_a ²V_hP……………………………………………………(2)

이 식(2)에 있어서 "λ"은 Ⅲ족 화합물의 평균 자유행정, "d_a"는 기판(300)에 충돌하는 분자의 평균 직경, "T"는 온도, "Vb"는 노즐구멍(14)으로부터 토출되는 Ⅲ족 화합물의 선분자의 속도, "V_h"는 기판(300)의 근방에서 가열된 V족 화합물의 분자의 속도를 나타내고 있다. 이 식(2)에 의해 반응실(10)의 형상을 적정하게 설정할 수 있으며 노즐구멍(14)과 기판(300)의 사이의 거리는 Ⅲ족 화합물의 평균 자유행정(λ)보다도 작으며 또한 기판(300)의 표면에 V족 화합물이 균일하게 분포되도록 거리를 두는 것이 중요하다. 다음에, 반응실(10) 내의 중앙부로부터 배기구(20)까지의 사이의 압력저하는 배기구(20)를 끼운 반응실(10) 내부와 바깥의 압력차에 비하여 작게되도록 하지 않으면 안된다.

예를들어 반응실(10)의 길이와 폭이 같은 경우라면 반응실(10) 내에 있어서 그 중앙부로부터 측벽쪽까지의 컨덕턴스(Ca)와 상기 반응실(10) 외부의 컨덕턴스(Co)와의 비는 하기의 (3)식으로 나타난다.

Ca/Co=4h²/a……………………………………………………………(3)

이 식에 있어서 "h"는 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)까지의 거리 "a"는 배기구(20)의 면적을 나타내고 있다. 이 관계에 있어서, Ca/Co가 4로 되는 것이 바람직하다. 즉, 반응실(10) 내에서의 압력변동은 약 25% 이하인 것이 바람직하다. 더우기, 이 반응실(10)내로 토출되는 V족 화합물은 이 반응실(10) 내의 압력변동에 영향받지 않도록 과잉으로 공급하는 것이 바람직하다. 그 경우에도 종래의 유기금속 CVD법과 비교하여 그 사용량은 1/20 정도에서 끝난다.

이와같이 이 반도체의 연속제조 장치는 진공실(200) 내를 3개의 대역(100a)(100b)(100c)으로 구분하며, 그 각 대역 (100a)(100b)(100c)으로 설치한 반응실(10)에 기판(300)을 순차적으로 이동시키면서 연속적으로 다른 처리를 행할 수 있도록 되어 있다. 그 때문에 높은 효율로 생산을 할 수 있다.

또 각각의 대역(100a)(100b)(100c)에 반응실(10)이 설치되며 그 반응실(10) 내에서 기판(300)의 처리가 행해지기 때문에 반응가스를 유효하게 사용할 뿐만아니라 각 대역(100a)(100b)(100c)의 반응실(10)에서 각각 다른 화합물을 사용할 수 있다. 따라서, 반응가스의 이용효율을 향상시킬 수 있음과 동시에, 다른 종류의 화합물이 섞임으로써 반도체층의 품질이 저하하는 것을 방지할 수 있다. 또한 상기 실시예에 있어서, 반응실(10)을 원통형으로 하고 그에 따라 각 상판(18)도 원형으로 하여 상단을 각 반응실(10) 위로 이동할 수 있도록하며 또한 각 상판(18)을 그 반응실(10)의 중심을 축으로 하여 천천히 회전시키도록 하여도 좋다. 이와같이 하므로써 반도체층이 더욱 균일한 상태로 형성되게 된다.

또 상기 실시예에서는 반응실(10)의 벽(16)에 배기구(20)를 설치하고 있지만 벽(16)에 배기구(20)을 설치하지 않고 벽(16)과 상판(18)의 틈새를 배기로로 하도록 하여도 좋다.

또 상기 장치는 동일한 형태의 반응실(10)을 3개 사용하도록 하고 있지만 반드시 이에 한정되지는 않으며, 더우기, 많은 반응실을 덧붙여 처리공정을 증가시켜서 다층형의 반도체를 제조한다든지, 가열과 냉각을 별도의 장치로 행해도 좋다.

또 기판(300)의 각 반응실(10)로의 이동은 상기 실시예와 같이 회전원판(61)의 회전에 의해 상판(18)을 회전시키는 것에 한정되는 것이 아니며, 상판(18) 및 혼합실을 고정해 놓고 바닥판(12)을 벽(16)과 함께 다음의 반응실로 이동시켜 행하도록 하여도 좋다. 더우기 제1대역(100a)에서 사용하는 반응실(10)은 노즐등을 설치하지 않고, 단순히 가열 및 냉각만 가능하도록 하여도 좋으며 다른 대역(100b)(100c) 반응실(10)도 그곳에서 행하여지는 처리에 대응하여 혼합실을 1개로 하거나, 아래쪽에 혼합실을 하나 더 추가하여 3개로 하는등 변형시켜도 좋다.

또 상기 실시예의 장치 및 제1도의 장치에 있어서 혼합실을 추가하는 경우 배기밸브(36)는 최하단의 혼합실에 설치하든지, 또는 각각의 혼합실에 설치하도록 하여도 좋다.

또 상기 실시예의 장치 및 제1도의 장치에서는 혼합실 "24"와 "30"을 별도로 구비하며, 각각의 혼합실을 연결하는 노즐구멍(14)로부터 다른 원료가스를 반응실(10)로 보내도록 되어 있지만 구멍등을 이용하여 혼합실 "24" 및 "30"을 연결함으로써 각각의 원료주입관(22)(28)에서 공급되는 원료가스를 혼합실(24) 내에서 혼합한 후 반응실(10)로 보내도록 하여도 좋다.

이상과 같이 상기 실시예의 장치 및 제1도의 장치는 1개의 반응실(10)에 각각 2개의 혼합실(24)(30)을 설치하고 있기 때문에 복수의 다른 화합물을 각각의 노즐로부터 분사할 수 있으며 사용방법을 다양화할 수 있다. 더우기, 히터(44)를 상판(18)의 위쪽에 배치하여 위쪽으로부터 기판(300)을 가열함과 동시에 반도체 성장용의 가스상태 화합물을 기판(300)의 아래쪽으로부터 기판(300)을 향하여 윗방향으로 토출시키기 때문에, 히터(44)의 발열에 의한 기체의 대류에 좌우되지 않고 적정한 처리가 가능하며, 효과적으로 양질의 반도체층을 균일하게 성장시킬 수 있다. 더우기 미반응의 가스 상태 화합물을 배출구(20)로부터 반응실(10)의 외부로 배출함으로써, 반응실(10) 내에서 일정한 유속의 화합물의 흐름을 발생시키도록 되어 있음과 아울러 혼합실(24), (30)에 연이어 통하는 복수의 노즐구멍(14)을 2등분하는 위치에 공급관(42)을 설치하고 있기 때문에, 기판(300)의 표면에 균일한 상태로 V족 화합물등을 보낼 수 있으며 Ⅲ-Ⅴ족 화합물등을 보낼 수 있으며 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로부터 반도체층을 균일한 상태에서 성장시킬 수 있다.

또 제1도의 장치는 제2혼합실(30)에 배기밸브(36)를 설치하고 있기 때문에 가스상태 화합물의 기판(300)에의 단속적인 공급도 가능하게 된다.

또 상기 양 장치에 있어서 TEAs는 독성이 적기 때문에 V족 화합물로서 이를 사용하면 사용후의 처리가 용이하다. 더우기 운반가스를 사용하지 않기 때문에 사용가스의 양을 줄일 수 있으며, 폐기등의 처리가 용이하게 된다.

Claims (3)

1. 고도의 진공상태를 갖는 진공실; 바닥판, 이 바닥판의 가장자리부에 형성된 벽 및 이 벽에 둘러싸인 반응공간을 덮는 상판에 의하여 상기 진공실 내에 형성되는 반응실; 상기 반응실에 제1반응가스를 공급하는 제1반응가스 공급장치; 기판의 표면이 상기 반응공간에 접할 수 있도록 하기 위하여 상기 상판에 설치되는 기판 유지부; 상기 반응실의 벽과 상판의 사이 또는 벽에 설치되는 반응가스 배출로; 상기 상판의 위쪽에 설치되는 가열장치; 상기 반응실의 바닥판에 형성되는 다수의 노즐구멍; 이 반응실의 아래쪽에 설치되는 제1혼합실; 상기 제1혼합실에 제2반응가스를 주입하기 위하여 상기 제1혼합실의 벽면에 형성된 개구부에 연결도니 제2반응가스 주입관; 상기 반응실의 바닥판에 형성된 다수의 노즐구멍중 일부의 노즐구멍에 각각 연결되도록 상기 제1혼합실의 천정부에 형성되는 복수의 제1구멍; 상기 제1혼합실의 아래쪽에 설치되는 제2혼합실; 상기 제2혼합실에 제3반응가스를 주입하기 우하여 상기 제2혼합실의 벽면에 형성된 개구부에 연결되는 제3반응가스 주입관; 상기 제2혼합실의 천정부에 형성된 복수의 제2구멍; 및 상기 제2혼합실 천정부에 형성된 복수의 제2구멍과 상기 제1혼합실의 천정부에 형성된 제1구멍 중 일부 노즐구멍을 연결하는 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 반응실의 바닥판에 형성된 노즐구멍이 바닥판의 뒷면에서 앞면에 걸쳐 역방향의 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
3. 복수의 대역으로 구분되며 고도의 진공상태를 갖는 진공실; 바닥판, 이 바닥판의 가장자리에 형성된 벽 및 이 벽에 둘러싸인 반응공간을 덮는 상판에 의하여 상기 복수의 대역중 임의의 대역에 형성되는 반응실; 제1반응가스 공급장치; 기판유지부; 반응가스 배출로; 가열장치; 복수의 노즐구멍; 제1혼합실; 제2반응가스 주입관; 복수의 제1구멍; 제2혼합실; 제3반응가스 주입관; 복수의 제2구멍; 및 덕트를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.

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