JP2004103713A

JP2004103713A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2004103713A
Application number: JP2002261333A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugiyama; 杉山　聡; Toshimitsu Sukegawa; 助川　俊光
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】きわめて高い膜厚面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる半導体製造装置を得る。
【解決手段】回転する板状のサセプタ３に、複数の基板４を周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタ３の直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板４上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体製造装置において、基板４のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段２１、２２を設け、該加熱手段２１、２２により上流のサセプタ外周側からサセプタ内周側に向かって上昇する温度分布を形成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を均等な膜厚で成長するのに適した半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：レーザーダイオード）などが挙げられる。
【０００３】
一例として、図３にＬＤの基本構造を示す。ＬＤは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、ｐ−クラッド層、発光層、ｎ−クラッド層、ｎ−バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。ｐ−クラッド層はｐ型ドーパントが、またｎ−クラッド層はｎ型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。ｎ−バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。ｎ−基板は単結晶成長するための下地である。
【０００４】
表１にＬＤの構造例を示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−、ｐ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、ｐ型であることを、また、ｕｎ−はエピタキシャル層がアンドープであることを表している。厚さの単位はｎｍ（１０^−９ｍ）である。キャリア濃度の単位はｃｍ^−３であり、例えば１．０Ｅ＋１８で１．０×１０^１８ｃｍ^−３を表す。
【０００５】
表１に示したＬＤエピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。
【０００６】
上記ＬＤの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ　、以下ＭＯＶＰＥ法）による半導体製造装置で成長される。ＭＯＶＰＥ法は、ＩＩＩ族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。
【０００７】
ここで従来のＭＯＶＰＥ装置（半導体製造装置）が採用しているリアクター（反応炉）の構成を図４に示す。これは、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成すると共に、このサセプタ３に、図５、図６の如く、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して前記開口部５に均熱板７をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【０００８】
エピタキシャル層を成長させる基板４をサセプタ３にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。
【０００９】
たとえば、ｕｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ_３（アルシン）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。
【００１０】
ｕｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にＡｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）がある。Ａｌ_０．５ＧａＡｓとはＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓを略したものであり、ＡｌとＧａの比が０．５：０．５であることを意味する。
【００１１】
ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料としてＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）がある。
【００１２】
ここで、例として、図７のようにサセプタ３に基板４を２枚セットし、その基板４の上にエピタキシャル層を成長する場合を考える。従来技術では、一般的に、加熱源（ヒータ２１、２２）を調整し、図７に示すように、基板４のサセプタ直径方向の温度分布が均一（等温）になるようにしていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板４のサセプタ直径方向の温度分布が均一の場合、次のような課題があった。
【００１４】
まず、サセプタを静止したまま結晶成長すると図８（ａ）のように基板４上に成長される結晶の厚さが不均一となり、基板“１”と基板“２”には厚さの異なるエピタキシャル層が形成される。これは原料ガスが熱で分解され、下流に行くほど原料が枯渇してしまうためである。この上流側から下流側に向かう膜厚分布は、原料ガスの熱分解曲線にほぼ一致している。この場合、厚さの異なる２枚のウェハが得られるが、それぞれ基板面内での膜厚分布が悪く、これらを製品とするには問題がある。特にＬＤでは、最も薄い発光層膜厚の面内均一性が重要であり、素子とした時に発振されるレーザーの波長は、発光層膜厚が薄いと短く、発光層膜厚が厚いと長くなってしまう。
【００１５】
次に、サセプタを一定回転数で回転させながら成長した場合には、膜厚は図８（ａ）の回転積分値となるため、結果として図８（ｂ）のように、結晶の厚さを面内である程度均一にすることができる。
【００１６】
しかし、きわめて高い膜厚分布精度を要求される製品には不十分な均一度であった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、きわめて高い膜厚面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる半導体製造装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１９】
請求項１の発明に係る半導体製造装置は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体製造装置において、基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段を設け、該加熱手段により、基板の上流のサセプタ外周側からサセプタ内周側に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体製造装置において、上記基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段により、上流側のサセプタ外周からサセプタ中心に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体製造装置において、上記温度分布の昇温勾配を、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺する温度勾配にしたことを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
従来技術のように、基板のサセプタ直径方向に温度分布が均一（等温）である場合、つまり図９（ｂ）のような温度分布の場合、図９（ｃ）に分解効率の変化で示すように、上流側から供給された原料ガスはそのほとんどがサセプタ中心より上流側で分解していまい、下流側ではほとんど末分解の原料ガスが残っていない、すなわち原料が枯渇した状態となってしまう（図９（ｃ）参照）。よって、サセプタ中心より上流側での反応が支配的であった。図９はこの様子を示すものである。
【００２３】
これに対し、本発明は、基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を持たせるようにしたものである。具体的には、図１（ｂ）に示すように、基板４のサセプタ外周側４ａから内周側４ｂに向かって上昇するような温度勾配、又は上流側のサセプタ外周からサセプタ中心に向かって上昇するような温度勾配を持たせる。こうすることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流のサセプタ中心に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚は非常に均一なものとなる。
【００２４】
この効果は、上記温度分布の昇温勾配を、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺するような温度勾配にすることで顕著となり、下流のサセプタ中心に向かってより均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。
【００２５】
なお本発明においては、上記温度分布に加え、上記加熱手段により、上記サセプタ中心から下流側のサセプタ外周に向かって下降する温度分布を形成するのがよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
前提となる化合物半導体製造装置１は、加熱手段であるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２を除き、図４〜図５のものと同一とした。すなわち、本実施形態の化合物半導体製造装置１は、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成する。このサセプタ３に、図５、図６の如く、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して開口部５に均熱板７をはめ込んだ構成とする。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【００２７】
上記加熱手段たるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２は、本発明に従い、基板４のサセプタ３の直径方向に作為的に温度分布を持たせることができるように、基板４のサセプタ３の直径方向の温度を制御可能に構成されている。
【００２８】
本発明は、上記のように、回転する板状のサセプタ３に、複数の基板４を、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏面側からサセプタをヒータ２１、２２で加熱し、サセプタ３の直径方向一側の入口（サセプタ外周）から他側の出口（サセプタ外周）に一方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる半導体製造装置を前提とし、基板４のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段たるメインヒータ２１及び外周ヒータ２２により、上流側のサセプタ外周（原料ガス供給口２ａ）からサセプタ中心に向かって上昇する温度分布を形成し、これにより、基板４の上流のサセプタ外周側４ａからサセプタ内周側４ｂに向かって上昇する温度分布を形成する。
【００２９】
この温度分布は、好ましくは、図１（ｂ）に示すように、その昇温勾配が、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺する温度勾配に設定し、下流のサセプタ中心に向かって均一な割合で原料ガスの分解が進むようにする。また、上記加熱手段により、サセプタ中心から下流側のサセプタ外周（ガス排気口２ｂ）に向かって下降する温度分布を形成する。
【００３０】
図２（ａ）にガス流速が遅い場合のガス分解効率の変化を、また図２（ｂ）にガス流速が早い場合のガス分解効率の変化を示す。図２に示すように、原料ガスの分解曲線はガス流速に依存する。すなわち、ガス流速が遅いときは分解曲線の傾きは大きく（急勾配に）なり、逆に速いときは分解曲線の傾きは小さく（ゆるやかに）なる。
【００３１】
そこで、本発明を適用する場合には、この分解曲線の勾配を相殺するように温度勾配を設定してやるのである。つまり、分解曲線の傾きが大きい場合は温度勾配も大きくし、逆に分解曲線の傾きが小さい場合は温度勾配も小さくなるように設定する。
【００３２】
上記のように基板４のサセプタ外周側から内周側に向かって上昇するような温度勾配を持たせることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。この効果を確認するため、実施例として、次のようにＬＤの試作を行った。
【００３３】
＜実施例＞
本発明を表１のＬＤエピタキシャルウェハの成長に適用した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓ基板を用いた。ｕｎ−Ａｌ_０．１ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３を用い、それらの流量はそれぞれ６５ｃｍ^３／分、４５ｃｍ^３／分及び１０００ｃｍ^３／分である。ｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓ層の成長には、ｕｎ−Ａｌ_０．１ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてＳｉ_２Ｈ_６を使用した。流量はそれぞれ６５ｃｍ^３／分、１５０ｃｍ^３／分、１０００ｃｍ^３／分及び３００ｃｍ^３／分である。ｎ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３及びＳｉ_２Ｈ_６を用い、それらの流量はそれぞれ１００ｃｍ^３／分、３００ｃｍ^３／分及び２００ｃｍ^３／分である。
【００３６】
本発明の一実施例を説明する。サセプタを静止した状態で加熱源を調整し、基板両端の温度差、すなわち、
（基板のサセプタ内周側端部温度）−（基板のサセプタ外周側端部温度）＝１０℃
となるように設定した。この温度環境を保ったまま、サセプタを３０ｒｐｍで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２に、エピタキシャル層の膜厚の面内バラツキ（％）を、上記実施例（基板両端温度差１０℃）で成長したエピタキシャル層の膜厚データと、従来技術（基板両端温度差０℃）で成長したエピタキシャル層の膜厚データとで、比較して示す。ここに「面内バラツキ」とは、（面内膜厚最大値−面内膜厚最小値）／（２×膜厚平均値）で定義される量である。
【００３９】
従来技術（基板両端温度差０℃）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキが±１．５２％であるのに対し、上記実施例（基板両端温度差１０℃）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキは±０．１９％と、きわめて小さかった。これより、本発明によれば、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００４１】
従来技術では、基板のサセプタ直径方向の温度分布が均一（等温）になるようにしていたため、上流から供給された原料ガスはそのほとんどが最上流側で一気に分解していまい、成長されたエピタキシャル層の膜厚は、サセプタ外周側で厚く、内周側で薄い分布を持っていた。
【００４２】
しかし、本発明では、基板のサセプタ外周側から内周側に向かって上昇するような温度勾配を持たせた。こうすることで、原料ガスは最上流部で一気に分解せず、下流に向かって均一な割合で分解が進むようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚はきわめて均一なものとなる。これにより、従来技術では達成できなかったレベルの膜厚均一性が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体製造装置を示したもので、（ａ）はサセプタと原料ガスの流れの関係を示した図、（ｂ）はサセプタの温度分布を示した図、（ｃ）は分解効率の変化を示した図である。
【図２】原料ガス分解曲線のガス流速依存性を示す説明図である。
【図３】ＬＤの基本構造を示す図である。
【図４】本発明を適用した化合物半導体製造装置の構造を示した断面図である。
【図５】図４のサセプタの詳細を半導体基板及び均熱板を装着した状態で示した平面図である。
【図６】図４の化合物半導体製造装置におけるサセプタの開口部分の断面図である。
【図７】従来技術の化合物半導体製造装置での温度分布を示す説明図である。
【図８】従来技術の問題点である膜厚不均一を説明するための図で、（ａ）はサセプタ静止状態のときの成長厚さを、（ｂ）はサセプタが一定回転しているときの成長厚さを示した図ある。
【図９】従来技術の化合物半導体製造装置を示したもので、（ａ）はサセプタと原料ガスの流れの関係を示した図、（ｂ）はサセプタの温度分布を示した図、（ｃ）は分解効率の変化を示した図である。
【符号の説明】
１　化合物半導体製造装置
２　反応管
３　サセプタ
４　半導体基板
５　開口部
６　基板支持部
７　均熱板
２１　メインヒータ
２２　外周ヒータ

Claims

回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面たる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体製造装置において、
基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段を設け、該加熱手段により、基板の上流のサセプタ外周側からサセプタ内周側に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置において、
上記基板のサセプタ直径方向に作為的に温度分布を与える加熱手段により、上流側のサセプタ外周からサセプタ中心に向かって上昇する温度分布を形成したことを特徴とする半導体製造装置。
請求項１又は２記載の半導体製造装置において、
上記温度分布の昇温勾配を、原料ガスの分解曲線の勾配を相殺する温度勾配にしたことを特徴とする半導体製造装置。