(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を放出する開口を有する坩堝と、
前記坩堝の外周及び前記開口の縁を覆う遮蔽部材と、
前記遮蔽部材を冷却する冷却部材と、
前記坩堝に対向するように基板を保持する基板保持部材と、
前記坩堝及び前記冷却部材が取り付けられたフランジと、
を備え、
前記遮蔽部材は、鉛直上方から前記坩堝を覆う被覆部を有することを特徴とする分子線結晶成長装置。
【請求項２】
前記遮蔽部材は、前記開口の縁を覆う部分のうちで鉛直下方側の部分から延出し、前記坩堝が固定されるチャンバの壁部に接する第１の突出部を有することを特徴とする請求項１に記載の分子線結晶成長装置。
【請求項３】
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第１の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直下方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第２の突出部を有することを特徴とする請求項２に記載の分子線結晶成長装置。
【請求項４】
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第２の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直下方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第３の突出部を有することを特徴とする請求項３に記載の分子線結晶成長装置。
【請求項５】
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第１の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直上方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第４の突出部を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の分子線結晶成長装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分子線結晶成長装置を用いて化合物半導体層を基板上に成長させる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子線結晶成長装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ及び高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）等の製造では、ＧａＡｓ等のIII-V族化合物半導体の結晶成長が行われ、この結晶成長に、分子線結晶成長（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）装置が用いられている。一般的に、ＭＢＥ装置を用いることにより、高品質の結晶を成長させることが可能である。
【０００３】
しかしながら、結晶の品質が十分に良好なものとならないこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１０８４００号公報
【特許文献２】特開平６−２９９３５３号公報
【特許文献３】特開平１０−３６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、良好な結晶を安定して成長させることができる分子線結晶成長装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
分子線結晶成長装置の一態様には、原料を放出する開口を有する坩堝と、前記坩堝の外周及び前記開口の縁を覆う遮蔽部材と、前記遮蔽部材を冷却する冷却部材と、前記坩堝に対向するように基板を保持する基板保持部材と、前記坩堝及び前記冷却部材が取り付けられたフランジと、が設けられている。前記遮蔽部材には、鉛直上方から前記坩堝を覆う被覆部が設けられている。
【０００７】
半導体装置の製造方法の一態様では、上記の分子線結晶成長装置を用いて化合物半導体層を基板上に成長させる。
【発明の効果】
【０００８】
上記の分子線結晶成長装置等によれば、遮蔽部材に鉛直上方から開口を覆う被覆部が設けられているため、鉛直上方からの坩堝への異物の混入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【図２】セル４の構造を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態において開口１１ａを正面から見た状態を示す模式図である。
【図４】各部材の寸法の一例を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【図６】第３の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【図７】第４の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【図８】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本願発明者は、従来の技術において、十分に良好な品質の結晶が得られないことがある原因について検討を行った。この結果、成膜対象である基板だけでなくチャンバの内壁にも原料が徐々に堆積しており、ＭＢＥ装置を長期にわたって使用すると、堆積物が厚くなって剥片となって剥落し、原料供給源（セル）上に落下することがあることが判明した。剥片がセル上に落下すると、当該剥片が原料と共に加熱されてガスを発生させる。そして、チャンバ内の真空度を悪化させたり、成長中の結晶に不純物として混入したりする。このような要因で、結晶の品質が低下することがあるのである。
【００１１】
なお、セルの周囲に冷却筒が設けられたＭＢＥ装置では、セルの側面に落下してきた剥片による悪影響は抑制されるが、冷却筒に覆われていない上面に落下してきた剥片の影響を排除することはできない。
【００１２】
本願発明者は、このような知見に基づいて以下に示す諸態様に想到した。
【００１３】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【００１４】
図１に示すように、ＭＢＥ装置１では、真空チャンバ２内に成膜対象である基板７を保持する基板保持部材６が設けられている。また、基板保持部材６に保持された基板７に向けて原料（分子線）を放出する１又は２以上、例えば４個のセル４が設けられており、セル４毎にシャッタ５が設けられている。シャッタ５の開閉に応じて各原料の供給が制御される。真空チャンバ２には排気装置３が接続されている。なお、真空チャンバ２の内側に液体窒素シュラウドが設けられていてもよい。液体窒素シュラウドが設けられている場合、真空チャンバ２内の真空度を上げやすくなる。
【００１５】
次に、セル４の詳細について説明する。図２は、セル４の構造を示す断面図である。
【００１６】
セル４には、原料が入れられる坩堝１１、坩堝１１内の原料を加熱するヒータ１２、及び坩堝１１の外面を覆う熱シールド１３が設けられている。また、坩堝１１には、原料を放出する開口１１ａが設けられている。また、セル４毎に、坩堝１１の温度を測定する熱電対１５、ヒータ１２に電力を供給するコード１６、真空チャンバ２の壁部２ａに固定されるフランジ２０、及びフランジ２０に固定され、坩堝１１を支持する支柱１７が設けられている。セル４は、分子線３１の放出方向の中心軸（セル４の中心軸）が鉛直方向から傾斜した方向となるように配置される。更に、坩堝１１の外周及び開口１１ａの縁を覆う遮蔽部材１８、及び遮蔽部材１８を冷却する冷却部材２１が設けられている。冷却部材２１は、例えば、フランジ２０外部の冷却水管１４から冷却水が供給される冷却筒であり、遮蔽部材１８を冷却すると共に、セル４の外周を覆っている。なお、冷却筒とフランジとの間に支柱を設け、ヒータ部分のみを冷却できる構造としてもよい。遮蔽部材１８の坩堝１１の外周（側壁）を覆う側壁部１８ａは二重構造になっており、この間に冷却部材２１が嵌合されている。従って、遮蔽部材１８は冷却部材２１に密着している。単に遮蔽部材１８の側壁部が冷却部材２１に内接又は外接する構造でもよい。
【００１７】
図３は、第１の実施形態において開口１１ａを正面から見た状態を示す模式図である。図２及び図３に示すように、遮蔽部材１８には、坩堝１１の外周を覆う側壁部１８ａ、及び坩堝１１の開口１１ａが設けられた面を覆う上面部１８ｂが含まれており、上面部１８ｂに、坩堝１１から放出された分子線を通過させる開口１８ｃ（原料通過開口）が設けられている。遮蔽部材１８には、更に、鉛直上方から見たときに坩堝１１、特に開口１８ｃから露出している部分を覆う被覆部１９が設けられている。被覆部１９は、例えば、坩堝１１から離間するほど広がる逆円錐状の突起となっており、開口１８ｃの鉛直上方側の縁から突出している。遮蔽部材１８の材料は特に限定されないが、例えばステンレス又はタンタルを用いることが好ましい。
【００１８】
ここで、各部材の寸法の一例について説明する。図４は、各部材の寸法の一例を示す図である。この例では、壁部２ａに設けられたセル４用の開口部の直径はφ７０ｍｍである。また、セル４の直径はφ３０ｍｍ、長さは８０ｍｍである。ヒータ１２の直径はφ２４ｍｍ、坩堝１１の開口１１ａの直径がφ６ｍｍ、坩堝１１内部の原料格納部の内径はφ２０ｍｍである。冷却部材２１の内径はφ３８ｍｍ、外径はφ４８ｍｍである。また、冷却部材２１の水冷筒の部分の長さは９０ｍｍである。つまり、図４（ｂ）に示す例では、冷却部材２１の右端から９０ｍｍの部分が水冷筒となっており、それよりも左側の部分が支柱（水冷管）となっている。
【００１９】
また、遮蔽部材１８の厚さは０．５ｍｍ、上面部１８ｂと坩堝１１との間隔は３ｍｍ、側壁部１８ａの長さは９３ｍｍである。上面部１８ｂの外径はφ６０ｍｍであり、冷却部材２１の外径（φ４８ｍｍ）より大きく、壁部２ａに設けられた開口部の直径（φ７０ｍｍ）より小さい。開口１８ｃの直径は、例えば、開口１１ａから放出される分子線の広がりに応じて設定することが好ましく、セル４の中心軸から１５度の角度の円錐状に分子線が放出されると仮定すると、開口１８ｃの直径がφ７．６ｍｍ以上であれば分子線は遮蔽されない。そこで、この例では、開口１８ｃの直径がφ８ｍｍである。
【００２０】
被覆部１９の広がりの程度も、例えば、開口１１ａから放出される分子線の広がりに応じて設定することが好ましく、セル４の中心軸から１５度の角度の円錐状に分子線が放出されると仮定すると、被覆部１９の広がりは１５度以上であれば分子線は遮蔽されない。そこで、この例では、被覆部１９の広がりはセル４の中心軸から１５度である。また、セル４の中心軸が鉛直方向から４５度傾斜している場合、被覆部１９の長さが１１．３ｍｍ以上であれば、鉛直上方から開口１８ｃが覆われ、鉛直方向から開口１８ｃへの剥片の落下が防止される。そこで、この例では、被覆部１９の長さは１２ｍｍである。
【００２１】
このように構成されたＭＢＥ装置を用いて化合物半導体等の結晶成長を行う場合、坩堝１１に入れた原料をヒータ１２で所望の温度に加熱し、シャッタ５を開閉することで所望の温度に加熱された基板７上に原料（分子線）を供給する。この結果、基板７上に結晶が成長する。また、熱シールド１３により、ヒータ１２により生じた熱が坩堝１１に向けて反射され、セル４外への熱の放出が抑制される。このようにして、結晶成長が行われるが、結晶成長の継続に伴って真空チャンバ２の内壁に原料が徐々に堆積し、剥片（異物）となってセル４に向かって鉛直方向に落下してくることがある。このような場合であっても、本実施形態では、遮蔽部材１８に被覆部１９が設けられているため、剥片は遮蔽部材１８に捕捉され、剥片がセル４に接することはない。また、剥片が遮蔽部材１８上に残存しても、遮蔽部材１８は冷却部材２１により冷却されているため、遮蔽部材１８上の剥片が加熱されてガス化することも防止される。
【００２２】
更に、本実施形態では、冷却部材２１が遮蔽部材１８に密着しているため、遮蔽部材１８が高効率で冷却される。また、冷却部材２１が遮蔽部材１８に嵌合されているだけなので、遮蔽部材１８は冷却部材２１から容易に取り外すことが可能であり、また、冷却部材２１に容易に取り付けることも可能である。従って、剥片により遮蔽部材１８が汚れてきた場合等でも、遮蔽部材１８を取り外して洗浄し、再利用することが可能である。
【００２３】
なお、被覆部１９は、鉛直上方から見たときに開口１８ｃの全体を覆っている必要はなく、少なくとも一部を覆っていれば、剥片の落下に伴う結晶品質の低下を抑制することは可能である。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図５（ａ）は、第２の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図であり、図５（ｂ）は、第２の実施形態において開口１１ａを正面から見た状態を示す模式図である。
【００２５】
第２の実施形態の構成は、遮蔽部材１８の構成を除き、第１の実施形態と同様である。図５に示すように、第２の実施形態では、遮蔽部材１８の開口１８ｃの中心より鉛直下方において、上面部１８ｂの外径が第１の実施形態より大きくなっている。また、上面部１８ｂの鉛直下方側の端部から基板保持部材６側に突出すると共に壁部２ａに接する突出部４１が遮蔽部材１８に設けられている。例えば、上面部１８ｂの開口１８ｃの中心より鉛直上方側の外径はφ６０ｍｍであり、鉛直下方側の外径はφ７０ｍｍである。また、突出部４１の長さは３ｍｍである。
【００２６】
第１の実施形態では、上面部１８ｂの開口１８ｃの中心より鉛直下方では、遮蔽部材１８と壁部２ａとの間に隙間が存在するため、この隙間からフランジ２０に向けて剥片が侵入することがあるが、第２の実施形態では、このような剥片の侵入を抑制することができる。従って、より確実に剥片のガス化に伴う結晶品質の低下を抑制することができる。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【００２８】
第３の実施形態の構成は、遮蔽部材１８の構成を除き、第２の実施形態と同様である。図６に示すように、第３の実施形態では、遮蔽部材１８の開口１８ｃの中心より鉛直下方側で、かつ、突出部４１よりも基板保持部材６から離間した位置に、突出部４２が形成されている。突出部４２には、側壁部１８ａから壁部２ａに向かって延出する延出部４２ａ、及び延出部４２ａの端部から基板保持部材６側に突出すると共に壁部２ａに接する接触部４２ｂが含まれている。例えば、延出部４２ａの上面部１８ｂからの距離は４０ｍｍであり、延出部４２ａの外径はφ７０ｍｍであり、接触部４２ｂの長さは３ｍｍである。
【００２９】
第１及び第２の実施形態では、上面部１８ｂの鉛直上方側の壁部２ａとの隙間からフランジ２０に向けて剥片が侵入することがあるが、第３の実施形態では、このような剥片の侵入も抑制することができる。従って、より一層確実に剥片のガス化に伴う結晶品質の低下を抑制することができる。
【００３０】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図７は、第４の実施形態に係るＭＢＥ装置の概要を示す模式図である。
【００３１】
第４の実施形態の構成は、遮蔽部材１８の構成を除き、第３の実施形態と同様である。図７に示すように、第４の実施形態では、遮蔽部材１８の開口１８ｃの中心より鉛直下方側で、かつ、突出部４２よりも基板保持部材６から離間した位置に、突出部４３が形成されている。突出部４３には、側壁部１８ａから壁部２ａに向かって延出する延出部４３ａ、及び延出部４３ａの端部から基板保持部材６側に突出すると共に壁部２ａに接する接触部４３ｂが含まれている。更に、遮蔽部材１８の開口１８ｃの中心より鉛直上方側で、かつ、突出部４２よりも基板保持部材６から離間し、突出部４３よりも基板保持部材６に近い位置に、突出部４４が形成されている。突出部４４には、側壁部１８ａから壁部２ａに向かって延出する延出部４４ａ、及び延出部４４ａの端部から基板保持部材６側に突出すると共に壁部２ａに接する接触部４４ｂが含まれている。例えば、延出部４２ａの上面部１８ｂからの距離は２０ｍｍであり、延出部４３ａの上面部１８ｂからの距離は６０ｍｍであり、延出部４３ａの外径はφ７０ｍｍであり、接触部４３ｂの長さは３ｍｍである。また、例えば、延出部４４ａの上面部１８ｂからの距離は４０ｍｍであり、延出部４４ａの外径はφ７０ｍｍであり、接触部４４ｂの長さは３ｍｍである。
【００３２】
第４の実施形態によれば、上面部１８ｂの鉛直上方側の壁部２ａとの隙間からフランジ２０に向けて侵入してくる剥片をより確実に捕捉することができる。また、第１〜第３の実施形態では、真空チャンバ内で反射された分子線（原料ビーム）が遮蔽部材１８と壁部２ａとの間の僅かな隙間からフランジ２０に向けて入り込むことがあるが、このような分子線の入り込みをも防止することができる。分子線が隙間に入り込んだ場合には、熱電対１５及びコード１６等のフランジ２０に設けられた端子の近傍に原料が徐々に堆積し、導通不良が生じることもあるが、第４の実施形態によれば、このような導通不良を防止することができる。
【００３３】
また、突出部４４と突出部４２及び４３との側壁部１８ａにおける位置が相違しており、これらの間に空間が確保されているため、フランジ２０の近傍の空間の真空度も十分に高く確保することができる。なお、突出部４２及び４３が設けられていなくても、突出部４４による剥片の侵入の防止、分子線の入り込みの防止の効果は得られる。従って、突出部４２及び４３の一方又は両方が設けられていなくてもよい。
【００３４】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、第１〜第４の実施形態に係るＭＢＥ装置のいずれかを用いて半導体装置、例えば赤外線検知器を製造する。図８は、第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３５】
本実施形態では、先ず、図８（ａ）に示すように、ＧａＳｂ基板等の基板１０１上に、下部電極層１０２を形成する。下部電極層１０２としては、例えば、Ｔｅ等の不純物がドーピングされたＧａＳｂ層を形成する。次いで、図８（ｂ）に示すように、下部電極層１０２上に障壁層１０３を形成する。障壁層１０３としては、例えばＧａＳｂ層を形成する。その後、図８（ｃ）に示すように、障壁層１０３上に量子井戸層１０４を形成する。量子井戸層１０４としては、例えばＩｎＡｓ層、ＩｎＳｂ層及びＩｎＡｓ層の積層体を形成する。続いて、図８（ｄ）に示すように、障壁層１０３の形成及び量子井戸層１０４の形成を所定の回数繰り返す。そして、同じく図８（ｄ）に示すように、障壁層１０３上に上部電極層１０５を形成する。上部電極層１０５としては、例えば、Ｂｅ等の不純物がドーピングされたＧａＳｂ層を形成する。次いで、図８（ｅ）に示すように、上部電極層１０５、障壁層１０３及び量子井戸層１０４のパターニングを行い、下部電極層１０２上に下部電極１０６を形成し、上部電極層１０５上に上部電極１０７を形成する。
【００３６】
本実施形態では、例えば、下部電極層１０２、障壁層１０３、量子井戸層１０４及び上部電極層１０５等の化合物半導体層の形成の際に、第１〜第４の実施形態に係るＭＢＥ装置のいずれかを用いる。
【００３７】
なお、ＭＢＥ装置を用いて製造する半導体装置は、赤外線検知器に限定されず、半導体レーザ及びＨＥＭＴ等を製造することも可能である。
【００３８】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００３９】
（付記１）
原料を放出する開口を有する坩堝と、
前記坩堝の外周及び前記開口の縁を覆う遮蔽部材と、
前記遮蔽部材を冷却する冷却部材と、
前記坩堝に対向するように基板を保持する基板保持部材と、
を備え、
前記遮蔽部材は、鉛直上方から前記坩堝を覆う被覆部を有することを特徴とする分子線結晶成長装置。
【００４０】
（付記２）
前記遮蔽部材は、前記開口の縁を覆う部分のうちで鉛直下方側の部分から延出し、前記坩堝が固定されるチャンバの壁部に接する第１の突出部を有することを特徴とする付記１に記載の分子線結晶成長装置。
【００４１】
（付記３）
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第１の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直下方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第２の突出部を有することを特徴とする付記２に記載の分子線結晶成長装置。
【００４２】
（付記４）
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第２の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直下方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第３の突出部を有することを特徴とする付記３に記載の分子線結晶成長装置。
【００４３】
（付記５）
前記遮蔽部材は、前記坩堝の外周を覆う部分のうちで前記第１の突出部よりも前記基板保持部材から離間した位置の鉛直上方側の部分から延出し、前記チャンバの壁部に接する第４の突出部を有することを特徴とする付記２乃至４のいずれか１項に記載の分子線結晶成長装置。
【００４４】
（付記６）
付記１乃至５のいずれか１項に記載の分子線結晶成長装置を用いて化合物半導体層を基板上に成長させる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００４５】
１：ＭＢＥ装置
２：真空チャンバ
３：排気装置
４：セル
５：シャッタ
６：基板支持部材
７：基板
１１：坩堝
１１ａ：開口
１２：ヒータ
１８：遮蔽部材
１８ａ：遮蔽部材側壁部
１８ｂ：遮蔽部材上面部
１８ｃ：遮蔽部材開口
１９：被覆部
２１：熱シールド
４１、４２、４３、４４：突出部
【図１】
0005760747.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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