(57)【要約】【課題】  フェイスダウンタイプＭＯＶＰＥ法を用いたIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、反応管下面に生ずる堆積物を容易に除去し、エピタキシャルウェハの量産数を向上させることにある。【解決手段】  反応管２内に又は反応管２の上壁の一部として板状のサセプタ３を設け、このサセプタ３に気相エピタキシャル成長の対象である基板４をその結晶成長面を下向きに支持して加熱し、上記反応管の入口２ａからIII族およびＶ族原料ガスを基板４の成長面に沿って流し、ＭＯＶＰＥ法により基板４上に化合物半導体結晶を成長するIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記反応管２の下壁領域のうち上記成長の過程で堆積物１３が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板１４により形成し、この底板１４を必要に応じて新品の底板と交換する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管内に又は反応管の上壁の一部として板状のサセプタを設け、このサセプタに気相エピタキシャル成長の対象である基板をその結晶成長面を下向きに支持して加熱し、上記反応管の入口からIII族およびＶ族原料ガスを基板の成長面に沿って流し、ＭＯＶＰＥ法により基板上に化合物半導体結晶を成長するIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、
上記反応管の下壁領域のうち上記成長の過程で堆積物が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板により形成し、この底板を必要に応じて新品の底板と交換することを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、
上記Ｖ族原料としてＡｓＨ3、Ａｓ（ＣＨ3）3、ＰＨ3を用い、上記III族原料としてＡｌ（ＣＨ3）3、Ｇａ（ＣＨ3）3、Ｉｎ（ＣＨ3）3、Ａｌ（ＣＨ3ＣＨ2）3、Ｇａ（ＣＨ3ＣＨ2）3を用いることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、
上記サセプタを反応管の上壁と平行な面内で回転させ、上記交換可能な底板を、上記反応管の入口から始まり上記サセプタの回転中心へ向かう途中までの部分領域として設けることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、
上記交換可能な底板の面積を、反応管全体の下面の約２５％以下にすることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、
上記交換可能な底板の材質が、上記反応管の他の下壁領域部分と同じであることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法、特にフェイスダウン形式でＭＯＶＰＥ法を用いて化合物半導体エピタキシャルウェハを作製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどの化合物半導体エピタキシャル結晶の積層構造はＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）やＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）等の電子デバイスやＬＥＤ、レーザーといった発光デバイスとして広く使用されている。これらの化合物半導体の電子・発光デバイスは、一般的にまずＧａＡｓなどの基板にＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）などの結晶成長法を用いて所望の組成、厚さの化合物半導体結晶を順次エピタキシャル成長させる（以下、このようにして作成された化合物半導体エピタキシャル結晶をエピタキシャルウェハと呼ぶ）。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法では基板を結晶成長炉内に固定する方式の点でいくつかの手法があり、そのうち結晶成長面が下向きになるように基板を固定する方法（例えば、特許文献１参照）はフェイスダウンタイプと呼ばれている。フェイスダウンタイプは原料ガスを基板に供給する際に余分な対流が生じにくいため微細な積層構造作成に優れ、また炉内に蓄積した堆積物が基板表面に舞い降りることが少ないため、表面不良も生じにくいという利点を有している。
【０００４】
図５は、従来のフェイスダウンタイプの気相エピタキシャル成長装置を示した縦断面図である。
【０００５】
気相エピタキシャル成長装置１の上下方向の中間部には、片側に原料ガス供給口（入口）２ａ、反対側にガス排気口（出口）２ｂを備えた横型反応管２が保持台１２上に配置されており、その横型反応管２の中心部には、複数の半導体基板４を保持するサセプタ３が回転可能に配設されている。
【０００６】
サセプタ３は円板形をしており、その円板面内には同一円上に均等に複数の円形の開口５が設けられ、各々の開口５内には、エピタキシャル成長の対象である結晶成長用基板としての半導体基板（ウェハ）４がその表面を下にして収納配置され、さらにその上に均熱板７が重ねて収納配置される。この半導体基板４を開口５内に載置し支持する構造を得るため、開口５の下面周縁部には、開口５の中心方向に一部が張り出した金属製のツメ１１から成る基板支持部６が設けられており、半導体基板４は、この基板支持部６に外周部が支えられて開口５の下面に保持される。なお、開口５内において、半導体基板４の上には均熱板７が設けられる。
【０００７】
フェイスダウンタイプのＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長の様子を図５に示す。フェイスダウンタイプのＭＯＶＰＥ法にてエピタキシャル成長する場合、半導体基板４は上述したサセプタと呼ばれる基板保持具にセットされる。一般的にサセプタ３内に半導体基板４を乗せるための３ｍｍ程度の金具（ツメ１１）があり、半導体基板４は外周３〜５点でこのツメ１１に支えられる。そして基板に加わる熱が基板面内で均一になるように、基板裏面にカーボン製の板から成る均熱板７を乗せる。
【０００８】
上記半導体基板４を支持するサセプタ３を、その回転軸８を磁気シールドユニットを介してモータで回転しつつ、上方のヒータによりサセプタ３を介して半導体基板４を加熱し、サセプタ３と平行に原料ガスを流して半導体基板（ウェハ）４上に所望の構造のエピタキシャル膜を成長させる。
【０００９】
このようにして作成されたエピタキシャルウェハは、表面から所望の結晶層まで層を除去して電極をつけるなどのプロセスを行うことでデバイスとして使用できるようになる。
【特許文献１】特開平１０−２５１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図５のような装置構造のＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長させると、反応管２の下面の特に原料流れの上流側に局部的に堆積物１３が生じやすい。
【００１１】
エピタキシャルウェハ生産過程を積み重ねるにしたがって、この堆積物１３は徐々に大きくなり、やがて原料の流れを著しく乱しエピタキシャルウェハ面内の膜厚分布が悪化する。膜厚分布の許容値を超えるようになった場合には、反応管２そのものを交換しなくてはならない。反応管２を交換すると、半導体基板４への原料の取り込み量が変化するので、原料の供給速度を調整するなど生産再開までに大きなコストがかかる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、フェイスダウンタイプＭＯＶＰＥ法を用いたIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、反応管下面に生ずる堆積物を容易に除去し、エピタキシャルウェハの量産数を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、上記目的を達成するために反応管の下面の一部を容易に交換可能とした。
【００１４】
具体的には、本発明は、次のように構成したものである。
【００１５】
請求項１の発明に係るIII−Ｖ族化合物半導体製造方法は、反応管内に又は反応管の上壁の一部として板状のサセプタを設け、このサセプタに気相エピタキシャル成長の対象である基板をその結晶成長面を下向きに支持して加熱し、上記反応管の入口からIII族およびＶ族原料ガスを基板の成長面に沿って流し、ＭＯＶＰＥ法により基板上に化合物半導体結晶を成長するIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、上記反応管の下壁領域のうち上記成長の過程で堆積物が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板により形成し、この底板を必要に応じて新品の底板と交換することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、上記Ｖ族原料としてＡｓＨ3、Ａｓ（ＣＨ3）3、ＰＨ3を用い、上記III族原料としてＡｌ（ＣＨ3）3、Ｇａ（ＣＨ3）3、Ｉｎ（ＣＨ3）3、Ａｌ（ＣＨ3ＣＨ2）3、Ｇａ（ＣＨ3ＣＨ2）3を用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、上記サセプタを反応管の上壁と平行な面内で回転させ、上記交換可能な底板を、上記反応管の入口から始まり上記サセプタの回転中心へ向かう途中までの部分領域として設けることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、上記交換可能な底板の面積を、反応管全体の下面の約２５％以下にすることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法において、上記交換可能な底板の材質が、上記反応管の他の下壁領域部分と同じであることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体製造方法では、反応管の下壁領域のうち成長の過程で堆積物が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板により形成し、この底板を必要に応じて新品の底板と交換するので、これにより、反応管の堆積物を除去することができる。
【００２１】
上記交換可能な底板の材質は、例えば反応管の他の下壁領域部分の材質と同じであり、この底板を必要に応じて、例えば所定枚数の基板を成長する毎に、新品の底板と交換することにより、成長の過程で反応管入口側近傍に生じる堆積物を、膜厚分布の許容値を超えないように小さく維持することができる。
【００２２】
よって、原料の流れを著しく乱す堆積物のない状態で、つまりエピタキシャルウェハの面内分布を悪化させない常に安定した同じ成長環境下で、ウェハ表面に所望のエピタキシャル膜を成長させることができる。また従来の反応管そのものを交換しなくてはならない不都合を回避することができる。
【００２３】
本発明においては、上記交換可能な底板の面積を、反応管全体の下面の約２５％以下にする。その理由は、堆積物が成長の過程で生じる箇所は反応管入口側近傍であり、堆積物を除去する見地からは、反応管下面の２５％を超えるような大きな面積の領域を交換する必要性がないばかりか、反応管下面の２５％を超えるような大きな面積の領域を交換すると基板への原料の取り込み量（成長速度）が許容限度以上に変化するので、好ましくないからである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、反応管の下壁領域のうち成長の過程で堆積物が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板により形成し、この底板を必要に応じて新品の底板と交換するので、これによりエピタキシャルウェハの量産中に、反応管内から堆積物を除去することができる。従って、エピタキシャルウェハの膜厚面内分布を改善させ、生産回数を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２６】
図１に本発明の実施形態で用いた気相エピタキシャル成長装置１を示す。この成長装置は、基本的には図５と同じ構成であり、成長炉内に、原料ガスが流通する横型反応管２の上部壁の一部として機能するように、板状のサセプタ３を設け、このサセプタ３に、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５を開け、この開口５内の下部に基板支持部６を形成し、これに上記開口５内の半導体基板４をその結晶成長面を下向きにして支持する構成としている。また横型反応管２は保持台１２上に配置されている。
【００２７】
しかし、従来と異なり、上記反応管２の下壁領域は、そのうちの成長の過程で堆積物１３が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域が、交換可能な底板１４により形成されている。この実施形態の場合、上記交換可能な底板１４は、反応管２の原料ガス供給口（入口）２ａから始まり上記サセプタの回転中心（回転軸８）へ向かう途中までの部分領域として設けており、その交換可能な底板１４の面積は、反応管全体の下面の２５％以下となっている。
【００２８】
図３に、具体的な反応管下面の底板１４の大きさとそれ以外の部分（反応管本体の下面）１５の大きさの関係を示す。底板１４は、原料ガスの流れ方向に見て底板１４の両側に反応管本体の下面１５Ａ、１５Ｂが残り、底板１４の下流に下面１５Ｃが残るように形成されており、この形において、底板１４の面積は、反応管全体の下面の約２５％（１／４）となっている。換言すれば、反応管本体の下面１５は、下面１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃで囲まれる長方形の開口を有し、この開口内に同じ形状・材質・厚さの底板１４を嵌め込んで塞いでおり、かつこの底板１４を交換可能としている。
【００２９】
交換可能な底板１４の面積の上限を反応管全体の下面の約２５％とする理由は、堆積物１３が成長の過程で生じる箇所は反応管入口側近傍であり、堆積物１３を除去する見地からすると、底板１４は反応管下面の２５％を有する面積があれば十分であり、また、それ以上に反応管下面の２５％を超えるような大きな面積とすると、基板への原料の取り込み量（成長速度）が許容限度以上に変化するので、好ましくないからである。
【００３０】
この実施形態の場合、図１に示すように、上記底板１４の交換操作手段１７として、当該底板１４に対応する反応管保持台１２の一部が切り欠かれ、上記底板１４を支持する昇降可能な台座１６が形成されている。すなわち、台座１６は図示してない昇降装置により昇降可能であり、これを底板１４と共に昇降することにより、底板１４を必要に応じて新品の底板と交換することができる。
【００３１】
図２は、堆積物を除去するため反応管２の下面の一部（底板１４）を交換している様子（底板１４が非作用位置にある状態）を示している。底板１４は保持台（台座１６）に保持されており、この交換部の保持台（台座１６）が下がることで、下面の一部（底板１４）が反応管２の本体から離れる。なお、保持台１２の下部には反応管下面の一部を新品に交換するための搬送装置等がある。
【００３２】
上記交換可能な底板１４の材質は、反応管２の他の下壁領域部分の材質と同じであり、この底板１４を、所定枚数の基板を成長する度に新品の底板と交換することにより、堆積物１３の大きさを、膜厚分布の許容値を超えない状態に維持するよう管理することができる。
【００３３】
よって、原料の流れを著しく乱す堆積物１３のない状態で、つまりエピタキシャルウェハの面内分布を悪化させない常に安定した同じ成長環境下で、ウェハ表面に所望のエピタキシャル膜を成長させることができる。また従来のように堆積物１３の存在が原因で反応管２そのものを交換しなくてはならない事態の発生をなくすことができる。
【実施例】
【００３４】
本実施例の製造方法では、反応管２の上壁の一部として板状のサセプタ３を設け、このサセプタ３に気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４をその結晶成長面を下向きに支持して加熱し、上記反応管の原料ガス供給口（入口）２ａからIII族およびＶ族原料ガスをドーピング原料及びキャリアガスと共に半導体基板４の成長面に沿って流し、半導体基板４上に化合物半導体結晶を成長した。その際、反応管２の下壁領域のうち上記成長の過程で堆積物１３が生じやすい反応管入口側近傍の一部領域を、交換可能な底板１４（台座）により形成し、この底板１４を必要に応じて保持台１２の一部分である昇降可能な台座１６により昇降して新品の底板と交換した。
【００３５】
詳述するに、本発明の実施例として、上記の反応管を持つフェイスダウンタイプＭＯＶＰＥ装置を用い、レーザーダイオード構造のエピタキシャルウェハを作製した。
【００３６】
エピタキシャル成長時の基板温度は６５０℃、成長炉内圧力は５０Ｔｏｒｒである。基板はＧａＡｓ基板を用いた。
【００３７】
レーザーダイオードの構造設計に基づいて順次所望の結晶を成長させるため、昇温、高温、インターバル、原料流量変更を行っていく。ＧａＡｓ層／ＩｎＧａＰ層の部分を例に成長法を述べる。
【００３８】
ＧａＡｓ層の成長には、III族原料としてＧａ（ＣＨ3ＣＨ2）3、Ｖ族原料としてＡｓＨ3を用い、それぞれの反応管への供給速度は４７０ｃｍ3／分、３０ｃｍ3／分であり、供給時間は５分であった。その後次のＩｎＧａＰ層成長のため、Ｉｎ（ＣＨ3）3、Ｇａ（ＣＨ3ＣＨ2）3、ＰＨ3及びＳｉ2Ｈ6を、それぞれ２９０ｃｍ3／分、９８ｃｍ3／分、１．０ｃｍ3／分及び６ｃｍ3／分の速度で２分間供給した。
【００３９】
このように様々のエピタキシャル層を基板上に順次形成して所望のエピタキシャルウェハの成長が完了したら、基板を交換し同様の成長を行う。
【００４０】
そして、一定量以上の堆積物１３が上記反応管入口側近傍の一部領域つまり底板１４に堆積したとき、この実施例では所定の生産回数が経過して膜厚面内分布の限界（１．０％）に近づいた１３回目において、図２の如く底板１４及び台座１６を非作用位置に下降させ、当該底板１４を新品と交換してから上昇させて、再び図１に示す作用位置に底板１４を戻し、生産を続行する。
【００４１】
図４に本実施例（本発明）の製造方法により作製したエピタキシャルウェハの面内分布を、従来方法と比較した状態で示す。図４の横軸は成長回数であり、縦軸は膜厚面内分布（％）である。従来方法では成長回数が増えるにつれ膜厚面内分布が大きくなり、１８回目以降において膜厚面内分布の限界（１．０％）を突破している。これに対し、本実施例（本発明）の製造方法では、途中の１３回目の製造後において底板１４を新品と交換していることから、この時点からエピタキシャルウェハの膜厚面内分布がそれまでより小さくなる。従って、本実施例の場合、以後、底板１４を新品と交換しないものと仮定しても、膜厚面内分布の限界（１．０％）を突破するのは２９回目以降と、従来より成長条件が適正に維持される期間が大幅に延びる。すなわち、成長条件が適正に維持されるのは、従来方法では成長回数が１７回目までであるが、本実施例の方法では２８回目まで膜厚面内分布の限界（１．０％）内に収めることができる。
【００４２】
このように本発明による製造方法では、反応管の下面の一部を交換することでエピタキシャルウェハの膜厚面内分布が改善しており、成長回数を増やすことが出来た。
【００４３】
＜最適条件についての根拠＞
本発明者等の研究によれば、反応管下面の交換部分（底板１４）の面積が大きいほど、交換後のエピタキシャル膜の成長速度への影響が大きい。交換部分（底板１４）の面積が反応管下面の約２５％のとき、成長速度は交換前に比較して０．５％増大した。経験上、エピタキシャル膜の結晶性として量産途中に許容できる成長速度の変化は約０．５％である。よって交換部分の面積は反応管下面の２５％程度が限界と思われる。
【００４４】
＜使用方法、応用システムなど＞
本発明の製造方法は、フェイスダウンＭＯＶＰＥ法を用いた化合物エピタキシャルウェハの作製において効力を発揮する。従って、本発明は、成長対象の素子のエピタキシャル膜が、ＨＥＭＴ用、ＨＢＴ用、ＬＥＤ用、レーザー用などのいずれであってもよく、製造する素子の品種は問わない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例に係るIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法の様子を、交換可能な底板が作用位置に在る状態にて示した図である。
【図２】本発明の一実施例に係るIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法の様子を、交換可能な底板が非作用位置に在る状態にて示した図である。
【図３】本発明の一実施例における反応管を下面側から見た図である。
【図４】本発明の方法で製造されたエピタキシャルウェハの成長回数に対する膜厚面内分布の推移を、従来の方式の場合と比較して示した図である。
【図５】従来のフェイスダウンタイプのＭＯＶＰＥ法によりIII−Ｖ族化合物半導体を製造する様子を示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  気相エピタキシャル成長装置
２  反応管
２ａ  原料ガス供給口（入口）
２ｂ  ガス排気口（出口）
３  サセプタ  
４  半導体基板（ウェハ）
７  均熱板
８  回転軸
１２  保持台
１３  堆積物
１４  交換可能な底板
１５  反応管本体の下面
１６  台座
１７  交換操作手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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