(57)【要約】【課題】液相エピタキシャル成長において、装置構成が複雑にならずに、不要な多結晶析出物が原因であるウェハー表面の結晶薄膜の成長不良を抑えることができ、歩留り良く半導体単結晶薄膜を成長させるようにする。【解決手段】原料溶液１に満たされた成長容器２内で半導体ウェハー３上に結晶薄膜を成長させる液相エピタキシャル成長方法において、半導体ウェハー３表面に付着してエピタキシャル成長を阻害する大きさの多結晶体が入り込まないように、半導体ウェハー３を平行に間隔をおいて配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料溶液で満たされた成長容器内で複数の半導体ウェハー上に同時に単結晶薄膜を成長させる液相エピタキシャル成長方法において、半導体ウェハー表面に付着してエピタキシャル成長を阻害する大きさの多結晶体が入り込まないように、該半導体ウェハーを平行に間隔をおいて配置することを特徴とする、液相エピタキシャル成長方法。
【請求項２】
前記半導体ウェハーがＧａＡｓウェハーであり、前記単結晶薄膜がＡｌＧａＡｓ単結晶薄膜であり、前記半導体ウェハーの間隔が２．０〜３．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の液相エピタキシャル成長方法。
【請求項３】
原料溶液で満たされた成長容器内で複数の半導体ウェハー上に同時に単結晶薄膜を成長させる液相エピタキシャル成長装置において、上記半導体ウェハーを平行に間隔をおいて保持する基板ホルダーを有し、該間隔が半導体ウェハー表面に付着してエピタキシャル成長を阻害する大きさの多結晶体が入り込まないように設定されていることを特徴とする、液相エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記半導体ウェハーがＧａＡｓウェハーであり、前記単結晶薄膜がＡｌＧａＡｓ単結晶薄膜であり、前記基板ホルダーの間隔を２．０〜３．０ｍｍの範囲としたことを特徴とする、請求項３に記載の液相エピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶薄膜の液相エピタキシャル成長方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハーに半導体単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させるには、多数の半導体ウェハーを収容したカーボン製の成長容器内に、成長原料溶液を満たし、徐々に温度を降下させることで、半導体ウェハーに単結晶薄膜を成長させる方法が採用されている。また、この方法を１回から数回繰り返すことで、半導体ウェハー上に数層のエピタキシャル成長薄膜を形成し、半導体デバイス用のエピタキシャルウェハーを作製する。
【０００３】
そして、成長容器内では、各ウェハーはカーボン製の部材で固定され、さらに薄膜の膜厚を均一化するためにウェハーが等間隔に配置されている。ところで、ウェハーの間隔が広すぎるとウェハー１枚あたりの成長原料の投入量が増大してしまい、逆に間隔が狭すぎると成長速度が低下してしまう。このため従来、ウェハーの間隔は原料コストや目的とする成長膜厚のみを考慮して決められていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、エピタキシャル成長においては、半導体ウェハー上に目的とする物質の単結晶薄膜が成長するだけでなく、カーボン容器の内壁やウェハーを固定しているカーボン製の部材上にも目的とする物質の多結晶体が析出する。これらの多結晶体がカーボン部材から剥離してウェハー表面に付着すると、ウェハー上の正常な結晶の成長が阻害されたり、結晶薄膜の厚さが不均一になったりする。その結果、半導体デバイス用のエピタキシャルウェハーが成長不良となり、これが製品の歩留まり低下の原因となる。
【０００５】
ウェハー以外の部分への不要な多結晶体の析出は、温度を降下させるという液晶エピタキシャル成長の原理上、避けられない。従って、前記の問題を解決するためには、カーボン部材上から剥離した不要な多結晶体をウェハー表面まで到達させない装置構造が必要である。
【０００６】
カーボン部材から剥離した不要な多結晶体をウェハー表面に到達させないためには、従来、溶液を網状のもので濾過して成長容器内に供給することが考えられていたが、装置構成が複雑になる欠点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、装置構成が複雑にならずに、不要な多結晶体が原因であるウェハー表面の単結晶薄膜の成長不良を抑えることができるようにした、半導体結晶薄膜の液相エピタキシャル成長方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の液相エピタキシャル成長方法は、原料溶液で満たされた成長容器内で複数の半導体ウェハー上に同時に単結晶薄膜を成長させる液相エピタキシャル成長方法において、半導体ウェハー表面に付着してエピタキシャル成長を阻害する大きさの多結晶体が入り込まないように、半導体ウェハーを平行に間隔をおいて配置することを特徴とする。
前記液相エピタキシャル成長方法において、半導体ウェハーがＧａＡｓウェハーであり、単結晶薄膜がＡｌＧａＡｓ単結晶薄膜であり、半導体ウェハーの間隔が２．０〜３．０ｍｍである。
さらに、本発明の液相エピタキシャル成長装置は、原料溶液で満たされた成長容器内で複数の半導体ウェハー上に同時に単結晶薄膜を成長させる液相エピタキシャル成長装置において、半導体ウェハーを平行に間隔をおいて保持する基板ホルダーを有し、間隔が半導体ウェハー表面に付着してエピタキシャル成長を阻害する大きさの多結晶体が入り込まないように設定されていることを特徴とする。
前記液相エピタキシャル成長装置は、好ましくは、半導体ウェハーがＧａＡｓウェハーであり、単結晶薄膜がＡｌＧａＡｓ単結晶薄膜であり、基板ホルダーの間隔を２．０〜３．０ｍｍの範囲とした。
【０００９】
上記液相エピタキシャル成長方法または装置によれば、ウェハーを平行に配置し、ウェハーが対面する間隔を狭めることによる仕切り作用により、ウェハー間にその間隔より大きい不要な多結晶が入り込まないので、不要な多結晶が含まれない溶液がウェハー表面に到達する。その結果、不要な多結晶体が原因であるウェハー表面の結晶薄膜の成長不良を抑えることができる。また、この手段は、ウェハーの間隔を適正な値に変更するだけで良いので、装置構成が複雑になることが避けられる。
【００１０】
なお、ウェハーの間隔を狭めることで成長速度が低下するが、不良率及び成長速度共に実用的に十分なウェハー間隔を選択することができる。この場合、ＧａＡｓウェハー上にＡｌＧａＡｓ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるには、ウェハーの間隔は２．０〜３．０ｍｍが最適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、装置構成が複雑にならずに、不要な多結晶析出物に基づくウェハー表面の単結晶薄膜の成長不良を抑えることができるとともに、結晶薄膜の厚さが不均一になるのが避けられ、半導体ウェハーに歩留り良く半導体単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による液相エピタキシャル成長方法及び装置を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の液相エピタキシャル成長装置の構成を模式的に示す断面図である。
この装置には、成長原料溶液１を収容した溶液槽２と、ウェハー３（ＧａＡｓ基板）上にＡｌＧａＡｓ薄膜結晶の成長を行う成長容器４と、成長に使用した後の溶液をためておく廃溶液槽５とが含まれる。成長容器４内には多数のウェハー３を平行に間隔ｄをおいて固定するウェハーホルダー６が備えられ、ウェハーホルダー６は成長容器４の壁に回転可能に支持されている。
【００１３】
このウェハーホルダー６は多数のウェハー３をそれぞれ垂直に配置して、互いに隣り合うウェハー３同士を、最適値に調節した所定の間隔ｄをおいて平行に固定している。ここで、所定の間隔ｄは、所望の成長膜厚を得ることができ、且つ成長容器内に析出する不要な多結晶体の大きさよりも小さく設定することにより与えられる。溶液槽２は成長容器４の上面に、図示では両矢印で示すような左右方向に摺動可能に、連設して複数個載置されている。なお、成長容器４の上壁には溶液通路４ａが設けられていて、各溶液槽２の位置に応じてこの溶液通路４ａが開閉・遮断されることにより溶液槽２内の溶液１が成長容器４内に導入・遮断されるようになっている。
【００１４】
また、成長容器４の底部であって廃溶液槽５との間には、成長に使用した後の溶液を廃溶液槽５へ排出させたり遮断したりするための可動式、図示では両矢印で示すように左右にスライド可能な仕切り板７が設けられている。これらの部材はすべてカーボン（カーボン・グラファイト）で作られており、装置全体が水素雰囲気の図示しない電気炉の中に入れられており、電気炉により溶液１の温度を任意に設定できるようになっている。
また、溶液槽２および仕切り板７には、石英製の操作棒８，９がそれぞれ接続されて電気炉の外部から操作できるようになっている。
【００１５】
液相エピタキシャル成長は下記のようにして行われる。ここでは、ＧａＡｓウェハー上にＡｌＧａＡｓを成長する場合を例にとって説明する。
溶液槽２は複数の、図示の場合、三つの溶液槽２ａ，２ｂ，２ｃを有する装置を示している。それぞれの溶液槽２ａ，２ｂ，２ｃに、溶媒となるＧａと溶質であるＧａＡｓとＡｌ、また、所定のｐ型またはｎ型のドーパントを投入して成長原料溶液１を作製する。溶質が完全に溶解する温度まで昇温させた後、操作棒８をスライドして溶液槽２ａを成長容器４の上壁に形成した溶液通路４ａ上に搬送して溶液槽２ａ内の成長原料溶液１を成長容器４内に導入し、所定の温度勾配で温度を下げていくことでＧａＡｓウェハー３上にＡｌＧａＡｓ薄膜が成長する。所定の成長膜厚に達した後は、操作棒９を操作して成長容器４の底部に設けられたスライド可能な仕切り板７を開いて、使用済みの溶液を成長容器４から廃溶液槽５へ排出することで成長を終了する。ここで、成長を行う温度は、好ましくは、５００℃から１０００℃の間である。また、必要に応じて、次の溶液槽２ｂ、溶液槽２ｃを使用して同様の方法を数回繰り返し、ＡｌＧａＡｓの多層膜を成長させる。
【００１６】
本発明により、ウェハー間隔ｄを変化させてエピタキシャル成長を行い、不良率とウェハー間隔ｄとの相関を測定した。なお、不良率は成長したウェハー表面を顕微鏡観察し、多結晶による凸部分が一つ以上ある場合を不良とした。また、成長膜厚は１００μｍである。
図２は、ウェハー間隔ｄとＡｌＧａＡｓ単結晶膜の不良率の相関を示す図である。図から明らかなように、ウェハー間隔ｄが狭いほど不要に析出した多結晶による成長不良が少なく、間隔３．０ｍｍ以下、すなわちエピキタシャル成長膜の膜厚の約３０倍以下では不良率は１％以下と、充分な歩留まりであった。
【００１７】
このことから、本発明によれば、装置を複雑化することなく、隣り合うウェハー同士の間隔を最適値に調節するだけで、カーボン容器の内壁やウェハーを固定しているカーボン製の部材上に析出した目的とする物質の多結晶体が、剥離してウェハー表面に付着することを防止できることがわかる。
【００１８】
図３は、ウェハー間隔ｄとＡｌＧａＡｓ単結晶膜の成長速度の相関を示す図である。ウェハー間隔ｄを変化させて同一の時間成長させ、ウェハー間隔ｄが３．２ｍｍの場合の成長膜厚を基準として各ウェハー間隔ｄにおける膜厚を比で表している。図から明らかなように、ウェハー間隔ｄが小さくなると成長速度が小さくなることがわかる。
しかしながら、図２及び図３の結果から、ウェハー間隔ｄが約２．０ｍｍでは不良率が十分に低く、かつ、成長速度もあまり小さくならないことがわかる。
すなわち、本発明によれば、不良率が小さく、かつ、実用的な成長速度でエピタキシャル成長できることがわかる。
なお、ウェハー間隔ｄは、成長する単結晶薄膜の厚さが１００μｍより薄い場合には２．０ｍｍより狭くても良く、また、原料溶液の粘度、温度、表面張力等によって変化する場合もある。
【００１９】
上記例において、ウェハー間隔ｄは、エピタキシャル成長後でも、０．２ｍｍ程度狭くなる程度であり、最初に設定した間隔と比べてあまり違わない。にもかかわらず、図２に示したように極めて大きな不良率の減少がある。このことは、単に、ウェハー３間による仕切り作用によってウェハー３間への異常成長物の侵入が阻止されることだけではなく、ウェハー上の異常成長物の成長速度が、ウェハー間隔ｄを狭くすることによって著しく押さえられるためと推定される。
従って、他の組成の化合物のエピタキシャル成長においても、ウェハー間隔とウェハー上の異常成長物の成長速度との相関を考慮して成長することにより、歩止まり良く、かつ、成長速度があまり低下せずに、エピタキシャルウェハーを製造できるものと考えられる。
【実施例】
【００２０】
次に、本発明による実施例を示す。
液相エピタキシャル成長法を用いて、３００μｍ厚さのＧａＡｓウェハー上に厚さ５０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、厚さ１μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層、厚さ５０μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層を順次成長させることにより、発光ダイオード用エピタキシャルウェハーを作製する例について説明する。
この場合、上記液相エピタキシャル成長装置において、ウェハーホルダー６はウェハー３の間隔ｄが２．７ｍｍ（成長膜厚の２７倍）になるように設計されている。まず、電気炉温度９５０℃で１時間保持し、溶液槽２の溶液を完全に溶解した後、０．３５℃／ｍｉｎ．の速度で降温し、９００℃になったところで溶液槽２を操作してｐクラッド層用溶液を成長容器へ導入する。次に、０．２５℃／ｍｉｎ．で８００℃まで降温し、仕切り板７を操作してｐクラッド層用溶液を廃溶液槽５へ排出すると、ＧａＡｓウェハー上に厚さ５０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層が成長する。
以下同様にして、ｐ活性層を８００℃から７９９℃の間で１μｍ成長させ、ｎクラッド層を７９９℃から６００℃の間で５０μｍ成長させる。
このようにしてエピタキシャル成長を行った際、不要に析出した多結晶による成長不良率は０．７％であった。
【００２１】
次に比較例を示す。
ウェハー３の間隔ｄが３．２ｍｍ（成長膜厚の約３２倍）になるようなウェハーホルダー６を用いてエピタキシャル成長を行った。他の条件は実施例１と同一である。そのときの、不要に析出した多結晶による成長不良率は５．５％であった。
【００２２】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、装置構成が複雑にならずに、不要な多結晶析出物に基づくウェハー表面の単結晶薄膜の成長不良を抑えることができるとともに、結晶薄膜の厚さが不均一になるのが避けられ、半導体ウェハーに歩留り良く半導体単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の液相エピタキシャル成長装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】ウェハー間隔ｄと不良率の相関を示す図である。
【図３】ウェハー間隔ｄとＡｌＧａＡｓ単結晶膜の成長速度の相関を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  成長原料溶液
２  溶液槽
３  ウェハー
４  成長容器
５  廃溶液槽
６  ウェハーホルダー
７  仕切り板
８，１０  操作棒
ｄ  ウェハー同士の間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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