KR950014604B1 - 반도체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체의 제조방법

제1(a)도는 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체의 제조방법에 의한 반도체 제조장치를 나타내는 단면도,

제1(b)도는 제1(a)도에 도시된 반도체 제조장치에 사용된 히터의 평면도,

제2도는 제1(a)도의 주요부의 확대도,

제3도는 제1(a)도에 도시된 반도체 제조장치에 사용된 반응실의 사시도,

제4도는 기판 공급장치를 포함한 제1(a)도에 도시된 반도체 제조장치의 평면적 단면도,

제5도는 제1(a)도에 도시된 반도체 제조장치에 사용된 반응실 노즐구멍 및 공급관의 분포상태를 나타내는 평면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 반응실, 12 : 바닥판

14 : 노즐구멍, 16 : 벽

18 : 상판, 20 : 배기구

22,28 : 원료주입관, 24,30 : 혼합실

26 : 구멍, 32 : 덕트

36 : 배기밸브, 42 : 공급관

42a,42b : 구멍, 44 : 히터

44c : 균열판, 200 : 진공실

300 : 기판

본 발명의 진공실 내, 특히 진공화학 에피택시(VCE)계에 있어서 화합물 반도체층을 성장시키는 반도체의 제조방법에 관한 것이다. 최근 화합물 반도체 특히 m-V족 화합물(예를들어, GaAs)이 종래의 규소 반도체 보다도 뛰어난 성능을 가지므로 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 화합물 반도체의 제조방법으로는 초고진공 상태에서 애피택설 성장시키는 화합물에 필요한 원자를 고체재로로부터 히터전으로 증발시켜 이것을분자선의 형태로 기판에 충돌시키므로써 기판위에 막을 성장시키는 분사선 에피택설법이나 금속의 메틸 또는 에틸 화합물의 증기를 H₂등의 운반가스로 보내 상압 또는 감압 반응실로 도입하여, 거기서 V족의 수소화합물과 혼합한 후 가열된 기판위에서 반응시켜 결정을 성장시키는 유기금속 CVD법등이 있다. 그러나, 이들 중 분자선 에피택설법은 대량 생산이 어려워서 시장의 수요에 맞출만큼의 공급이 곤란하다고 하는 문제점이 있다. 또한 유기금속 CVD법의 경우 생산 능력은 상기 분자선 에피택설법 보다 높지만 사용하는 반응가스가 비싸며, 또 그 성장 기구의 반응가스 이용 효율이 나빠진다고 하는 문제점을 갖고 있다. 따라서 비용에 구애받지 않는 특수한 용도를 제외하고는 일반적으로 사용하는 것이 곤란하다. 또 상기 유기금속CVD법은 전술한 바와 같이 반응가스의 이용 효율이 나쁘기 때문에 다량의 미반응가스가 생기며, 증기압이낮은 III족 화합물을 가스화하여 반송할 목적으로 대량으로 사용되는 H₂등의 운반가스가 상기 미반응가스에 가해지기 때문에 다량의 독성가스가 발생하며 이와 같은 독성가스의 폐기등에 커다란 문제를 갖고 있다. 이러한 유기금속 CVD법에 의한 종래의 장치는 제6도에 도시된 것과 같다. 즉, 진공실(1)내에 설치된 히터(2)의 위에 기판(3)을 얹어놓고, 이 기판(3)을 향해 진공실(1)내부의 위쪽에 설치된 노즐(4)로부터 반도체성장용가스 화합물을 화살표(A)와 같이 토출하는 것이다. 이 장치는 1회 처리때마다 용적이 큰 진공실(1)에 반도체 성징용가스 화합물(반응가스)을 충만시켜 처리한 후 그것을 폐기하기 때문에 폐기가스 중에는 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 반응가스가 상기 화살표(B)의 열대류, 화살표(C)의 방산열에 의해 들어 올리져 그 흐름이 흩어지기 때문에 기판(3)의 윗면에 막이 균열하게 성장하기 어렵다. 따라서 상기 장치로는 반도체막(반도체층)의 표면을 평평하게 마무리하기 곤란하다고 하는 결점이 있다.

이와같은 결정은 상기 화살표(B)의 열대류에 의해 기판(3)의 윗면에 도달하지 않고 공중에서 접촉반응하여 생성되는 Ga, As 입자가 공간을 부유하다가 임의로 반도체막에 부착되기 때문에 발생하는 것이다. 더욱이 상기 장치는 다른 종류의 반도체층을 형성하기 위하여 반응가스의 종류를 바꿀 경우에는 상기 노즐(4)의 내부에 잔류하는 직전에 사용한 반응가스가 새로운 반응가스에서는 불술물로 작용하여 양질의 반도체를 얻기 어려워진다는 문제점도 가진다.

본 발명은 이와같은 사정을 강안한 것으로서, 상기 MBE와 MOCVD의 장점만을 취하여 표면이 평평한양질의 반도체를 높은 효율로 생산하는 반도체 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체의 제조방법은 진공 화학 에피텍시계의 진공실에 배치된 기판의 표면에 반도체층을 성장시키는 반도체 제조방법으로서, 상기 진공실의 진공도를 매우 높게하고 ; 상기 진공실에 설치된 기판 지지체 위에 상기 기판의 표면이 아래쪽을 향하도록 올려 놓고 ; 상기 기판의 아래쪽에 설치된 반응가스의 토출구로부터 반도체 성장용 반응가스를 토출시키고 ; 상기 기판 지지체 위쪽에 설치된 히터에서 발생한 열을 이 상기 히터와 기판 지지제 사이에 설치된 균열판을 통하여 전달하므로써상기 기판을 가열하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 반도체 제조방법은 진공실의 고도의 진공상태로 함으로써 평균 자유 행정이 큰 가스분자의 분자선을 기판에 충들하도록 하였으므로 반응가스의 이용효율이 크게 향상하게 된다. 또한 진공실이고도의 진공상태로 되어 있어 증기압이 낮은 III족 화합물도 쉽게 기화되기 때문에 III족 화합물의 기화 및 반송용 운반가스가 불필요하며 사용후 가스의 폐기량도 줄일수 있게 된다. 그리고 본 발명에 따른 반도체의제조방법은 기판을 위쪽에서 가열하며 반응가스가 기판의 아래쪽으로부터 토출되도록 하였으므로 반응실로토출된 반응가스가 열대류등에 의해 영향을 받지 않고 기판에 도달하여 표면이 매우 평평한 반도체층이 형성되게 된다.

본 발명은 실시예에 기초하여 상세히 설명한다.

제1도 내지 제4도는 본 발명의 한 실시예에서 사용하는 반도체 제조장치를 나타내고 있다. 이들 도면에있어서 "200"은 진공 화학 에피택시계에 있어서의 진공실이며, 그 진공실(200)내에 반응실(10)이 설치되어있다. 이 반응실(10)은 4각형의 바닥판(12), 그 바닥판(l2)의 가장자리에서 위쪽으로 뻗어 있는 벽(16), 및그 벽(16)의 상단에 한쪽 방향으로 미끄러질 수 있도록 얹어지는 상판(18)으로 구성되어 있다. 이 상판(18)에는 그 중앙부에 2개의 구멍(18a)이 설치되며 이 구멍(18a)의 가장자리에 설치된 단부(18b) 위에 각각 원판형 GaAs 기판(300)을 그 표면이 아래쪽으로 향하도록 올려놓을 수 있게 되어 있다. 상기 상판(l8)은 그좌우 양쪽가장자리가 아래쪽으로 만곡하고 있으며, 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.

4도에 있어서, "51"은 기판 착탈실(50)로부터 밸브(52)를 열어 진공실(200)내로 뻗는 매직핸드로서 상기상판(18)의 만곡부를 끼운 상태에서 미끄러져 이동하여 상판(18)을 반응실(10)에 올려놓거나 분리하는데 사용된다. "53"은 밸브(52)를 열기전에 기판착탈실(50)을 진공실(200)과 같은 정도의 진공상태로 하는 진공펌프이다. 상기 반응실(10)의 벽에는 소정간격으로 배기구(20)가 설치되며 반응실(10)내의 미반응가스내지잉여 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 열정간격(25.4mm)으로, 또한 상기 기판(300)에 대하여 수직이 되도록 설치된 직경 3.2mm의 노즐구멍(아래쪽으로부터 위쪽에 걸쳐 역방향의 원추형이 되며, 반응가스를 균일토록하도록 되어 있다)이며 반응실(l0)의 아래쪽에 설치된 제l혼합실(24)의 천정부에 위치하는 구멍(26) 또는 (34)에 연이어 통해 있다. 이 구멍"26" 및 "34"는 제5도에 도시된 바와 같이 동일한 수의 구멍이 교대로 설치되어 있으며, 구멍(26)은 제1혼합실(24)로 연이어 통하며, 구멍(34)은 제1혼합실(24)을 관통하는 덕트(32)를 통하여 혼합실(24)의 아래쪽에 설치된 제2혼합실(30)에 연이어 통하고 있다. 제1혼합실(24)내에는 제2도에 도시된 바와 같이 측벽을 관통하여 원로 주입관(22)이 연결되어 있으며, 이 원로 주입관(22)으로부터 트리메틸갈륨(TMGa)이 나트리에틸갈륨(TEGa)등의 III족 화합물(반응가스)이 제1혼합실(24)로 보내지며 또, n형 및 p형 도우펀트가 단독으로 또는 상기 III족 화합물과 동시에 제1혼합실(24)로 보내지도록 되어 있다. 이 화합물들은 제1혼합실(24)내에서 균일하게 혼합된 구멍(26) 및 노즐구멍(14)을 통해 위쪽에 설치되어 있는 기판(300)을 향해균일하게 토출된다. 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 원로주입관(28)이 연결되어 있다. 이 원료주입관(28)으로부터 n형, p형 도우펀트 또는 트리에틸 알루미늄(TEA1)등의 m족 화합물등이 제2혼합실(30)로 보내지도록 되어 있다. 상기 m족 화합물은 제2혼합실(30) 및 덕트(32)내에서 균일한 상태로 혼합된 후, 구멍(34)를 통하여 노즐구멍(14)로부터 기판(300)으로향해 균일한 상태로 토출된다. 또한 상기 덕트(32)는 제1혼합실(24)내에서 반응가스의 유통 저항으로 작용함으로써 휘저어 섞는 작용을 갖게 되기 때문에, 제1혼합실(24)내에 있어서 반응가스의 혼합성의 향상에 기여한다. 또한 상기 제1혼합실(24) 및 제2혼합실(30)은 일체적으로 형성된 스테인레스 강제의 불럭으로되어 있으며 스테인레스 강제의 지지체(40)로 지지되고 있다.

"42"는 AsH₃등의 V족 화합물을 반응실(10)내로 공급하기 위한 공급관이며, 제5도와 같이 바닥판(12)의위에, 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 형성되어 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 반도체화합물이 성장되는 온도까지 가열함과 동시에 그 가열에 의해 열대류등의 영향을 받지 않고 반도체층 기판(300)의 표면에 균열하게 성장할 수 있도록 하고 있다. 상기 히터(44)는 제1(b)도에 도시된 바와 같이 판형 카본 그래파이트를 잘라서(44a) 교대로 설치하며 양단에 전극(44b)을 부착하여 구성된다. 이 히터(44)의 아래쪽에 설치된 균열판(44c)은 가열이 더욱 균일하게 되도록 한다.

전술한 장치를 사용한 반도체의 제조는 다음과 같이 이루어진다.

MESFET 에피택시층의 성장에는 제1도와 같이 반응실(10)에 기판(300)(표면이 아래쪽으로 되어 있다)이 붙은 상판(18)을 장착하며, 진공실(200) 내부를 진공도를 10토르의 진공상태로 함과 동시에 히터(44)를 발열시켜 주위 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 제 l혼합실(24)로 보내 혼합실(24)내에서 균열한 상태로 혼합한 후 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)을 향해 균일한 상태로토출시킴과 동시에 공급관(42)에AsH₃또는 알킬아르세닉등의 V족 화합물, 예를 들어, 트리에틸아르세닉(TEAs)을 보내 이것을 구멍 "42a" 및 구멍 "42b"로부터 반응실(10)내부로 과잉토출시킨다. 그 결과 반응실(10)내로 공급되는 V족 화합물은 상기 III족 화합물등과 동시에 기판(300)의 표면을 가로질러 배기구(20)쪽으로 확산하면서 흘러간다. 그 사이에 AsH₃나 TEAs는 열분해하여 As₂로 되며, 기판(300)의 표면에서상기 갈륨화합물의 갈륨과 동시에 접촉하여 무 도우프 비화갈륨(GaAs)층 등으로서 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 약10⁴Å로 형성하는 것이 적합하다. 이 경우 상기 무 도우프 GaAs층 내의 불순분의 농도는 1×10^l5원자/cm³이하가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 다음으로는, n형 도우펀트를 상기 III족, V족 화합물과 동시에, 또는 단독으로 제2혼합실(30)로부터 반응실(l0)에 토출시킴에 따라 상기 무 도우프 GaAs층의 표면에 n형 활성층을 성장시킨다. 이 n형 활성층은 매 시간 약 2μm의 속도로 성장시키는 것이 바람직하며, 그 두께는2×10³Å, 그 안에 있는 n형 도펀트의 농도는 약 2×10¹⁷원자/cm³로 하는 것이 적합하다. 그후 가스의 공급을 모두 정지한 상태에서 약 15분 동안 그냥 둔다. 그리고 이를 냉각한 후 반응실(진공실 200)(10)로부터기판(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, 매직핸드(51)를 후퇴시키므로써 상판(18)을 반응실(10)의 주벽(16)으로부터 떼어내 기판 착탈실(50)내에 수용한다. 그리고 꺼낸 기판(300)에는 종래의 방법에 의해 신호원 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극이 설치된다. 이와같이 하여 균일한 MESET 반도체층을갖는 III-V족 화합물 반도체를 얻을 수 있다.

이와같이 하여, HEMT 반도체를 얻을 수 있다. 또한 상기의 장치에 있어서 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)까지의 거리를 진공상태에서의 III족 화합물가스분자의 평균 자유행정(가스분자가 다른 분자와 충돌하여 반응하기까지 진행하는 거리)보다 짧게, 또한 기판(300)의 표면에서의 화합물의 분산상태가 균일하게 되도록 설정해 둔다. 이것을 보다 상세하게 설명하면 각 노즐구멍(14)으로부터 위쪽방향으로 역 원뿔과 같이확산해 가는 m족 화합물등의 선단에 형성되는 원(역원뿔의 바닥)들이 교차하는 위치에 기판(300)을 설치해둠과 동시에 기판(300)에 도말하는 가스분자의 분포상태 및 그 충돌속도를 가스분자가 기판(300)의 표면에 소정속도로 성장하기에 충분하도록 설정해 둔다. 또는 미리 설정된 노즐구멍(14)으로부터 기판(300)까지의 거리에 대응시켜서 진공실(200)내의 진공도나 가스상태 화합물의 토출속도의 조절, 구멍(26),(34) 및 노즐구멍(14)의 갯수, 직경등을 조절한다. 이에 의해 규정두께의 ±5%의 범위내의 두께, 보다 바람직하게는 규정두께의 ±1의 범위의 두께를 갖는 반도체층을 얻도록 한다. 또 TEGa 및 AsH₃등으로부터 GaAs를 얻는경우의 반응속도는 일반적으로 기판(300)의 온도가 높을수록 빨리 진행되도록 되어 있지만 기판(300)의 온도가 너무 높으면 형성된 GaAs층이 재증발하여 층 성장속도를 저하시킨다. 이 때문에 기판(300)의 온도500-700℃가 바람직하며, 특히 바람직한 것은 600-650℃이다. 또 반응실(10)내의 진공상태는 10^-6토르 이하가 바람직하다.

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

또 전술한 실시예에서는 반응실(10)의 벽(16)에 배기구(20)을 설치하고 있지만 배기구를 설치하지 않고상기 벽(16)과 상판(18)의 사이에 있는 틈으로 배기하여도 된다.

또 상기 실시예의 장치 및 제1도의 장치에서는 혼합실 "24"와 "30"을 열도로 구비하며, 각각의 혼합실을 연결하는 노즐구멍(14)로부터 다른 원료가스를 반응실(10)로 보내도록 되어 있지반 구멍등을 이용하여 혼합실 "24" 및 "30"을 연결함으로써 각각의 원료 주입관(22),(28)에서 공급되는 원로가스를 혼합실(24)내에서혼합한 후 반응실(10)로 보내도록 하여도 좋다.

또한 혼합실에 냉각용 재킷등을 설치한 후 냉각용 재킷으로 냉각수를 보내므로써 가스 상태 화합물을 적정 온도로 냉각할 수 있도록 하여도 좋다. 이렇게 하므로써 가스상태 화합물이 과열되는 것을 방지하여 가스상태 화합물이 조기반응을 입으키는 것을 방지할 수 있다.

이상과 같이 전술한 실시예에서는 히터(44)를 상판(18)의 위쪽에 배치하여 위쪽으로부터 기판(300)을 가열함과 동시에 반도체 성장용 가스상태 화합물을 기판(300)의 아래쪽으로부터 기판(300)을 향하여 윗방향으로 토출시키기 때문에, 히터(44)의 발열에 의한 기체의 대류에 좌우되지 않고 적당한 처리가 가능하며, 효과적으로 양질의 반도체층을 균일하게 성장시킬 수 있다.

또한 반응가스의 이용 효율이 높으며 운반체 가스를 사용할 필요가 없어지므로 사용되는 가스의 양이 감소하여 이들 가스의 폐기도 용이해 진다.

그리고 전술한 실시예에서 사용된 반도체 제조장치는 혼합실(24)(30)으로부터 기판(300)을 향해 종류가 다른 III족 화합물가스를 토출할 수 있도록 하였으므로 종래의 장치에서와는 달리 밸보의 교체 작업이 필요하지 않게 된다.

또한 노즐 구멍(14)에 다른 종류의 가스상태 화합물이 잔류하여 불순물로 작용하는 것을 방지하므로써 반도체의 품질을 향상시키게 된다.

그리고 혼합실(24)(30)로 통하는 복수개의 노즐구멍(14)을 동일 평면상에 열정한 간격으로 배치함과 아울러 상기 노즐구멍(14)의 수를 이등분하는 위치에 배치된 공급관(42)으로부터 V족 화합물을 반응실(10)으로 공급하도록 하여 미반응가스를 배출구(20)를 통하여 반응실(10) 밖으로 배출함에 따라 반응실(10)내부에 일정한 유속의 반응가스가 흐르도록하고 있으므로 기판(300)의 표면에 균일한 상태로 반응가스를 보낼수 있어III-V족 화합물 반도체층을 균일하게 성장시킬 수 있게 된다.

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

Claims (2)

1. 진공화학 에피텍시계의 진공실에 배치된 기판의 표면에 반도체층을 성장시키는 반도체 제조방법에 있어서, 상기 진공실의 진공도를 매우 높게하고 상기 진공실에 설치된 기판 지지체 위에 상기 기판의 표면이 아래쪽을 향하도록 올려 놓고 상기 기판의 아래쪽에 설치된 반응가스의 토출구로부터 반도체 성장용 반응가스를 토출시키고 상기 기판 지지체 위쪽에 설치된 히터에서 발생한 열을 이 상기 히터와 기판 지지체 사이에 설치된 균열판을 통하여 전달하므로써 상기 기판을 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 진공실 내에 설치된 기판 지지부에는 상기 기판보다 약간작은 구경의 구멍과 상기 구멍의 가장자리에는 단부가 형성되어 상기 기판은 상기 단부에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는반도체의 제조방법.

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