JP3700879B2

JP3700879B2 - 有機金属気相成長装置

Info

Publication number: JP3700879B2
Application number: JP19636896A
Authority: JP
Inventors: 幸夫香村; 孝一豊崎
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2016-07-25
Also published as: JPH1036200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機金属気相成長装置の改良に関し、特に、化合物半導体薄膜の有機金属気相成長の生産性を向上させることができる有機金属気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ＧａＡｓ基板あるいはＩｎＰ基板上に薄膜をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェハは、ＦＥＴ、ＨＥＭＴなどのデバイスの製造に使用される。これらのデバイスは、高周波特性が優れ、消費電力が少ないため、需要が急速に拡大している。有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法による化合物半導体薄膜の成長の原理は、以下の通りである。即ち、例えば、反応容器内に、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）の原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の有機金属を水素ガスなどのキャリアガスと共に供給し、砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）の原料としてアルシン（ＡｓＨ_３）やホスフィン（ＰＨ_３）の水素化物のガスを供給し、さらに、不純物としてシリコン（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）をシラン（ＳｉＨ_４）やトリメチルジンク（ＴＭＺｎ）を用いて供給する。そうして、これらのガスを流量制御しながら反応容器内に供給し、反応容器内で加熱分解反応させることにより、加熱した化合物半導体基板（ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）上に所望の組成（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなど）、膜厚、キャリア密度（ｎ型、ｐ型）の薄膜を形成するものである。
【０００３】
ここで、従来の有機金属気相成長装置を図３を用いて説明する。この装置は、原料ガスを供給するＭライン（メインライン）と、反応容器内のガスを水素ガスに置換するＰライン（パージライン）からなっている。図３において、符号１ａ〜ｄはガス流量制御器である。本装置では、反応容器４内の基板上に多層膜を形成する場合には、各層間の組成変化の急峻性をよくするために、以下のようにして各層を成長させる。例えば、原料ガスＡを供給して成膜後に、原料ガスＡの供給を止め、Ｐラインからパージガスを流して、反応容器４の原料ガスＡを排除する。次いで、原料ガスＢを反応容器４内に供給して次の層を積層する。２ｍ、２ｐは上述のガス切り換え用のバルブである。なお、符号７は真空ポンプ、符号１０は廃ガス処理装置である。
【０００４】
従来の他の有機金属気相成長装置を図４を用いて説明する。この装置は、原料ガスを供給するＭライン（メインライン）と、ガスを排出するＶライン（ベントライン）と、原料をガス化するＢ（バブルライン）ラインからなっている。図４において、符号１ａ〜１ｅはガス流量制御器であり、２ａ〜２ｊはバルブである。この装置では、高純度の水素ガスがガス流量制御器１ａを通ってＭラインに供給される。原料ガスのＡｓＨ_３はガス流量制御器１ｃを通ってＭラインに流される。この際、バルブ２ａを閉じ、バルブ２ｂを開く。また、水素ガスはＢラインからガス流量制御器１ｄを通ってバブラー３ａに入り、ＴＭＧａを気化させ、ＴＭＧａがＭラインに供給される。この際、バルブ２ｃを閉じ、バルブ２ｄを開く。同様に、ＴＭＡｌがバブラー３ｂからＭラインに供給される。これらの原料ガスは、Ｍラインから反応容器４に供給される。これらの原料ガスは、必要に応じてバルブ２ａ、ｃ、ｅを開き、Ｖラインに流される。なお、Ｖライン内を流れる水素ガスはガス流量制御器１ｂで制御されている。さらに、ＶラインとＭラインの内圧を同一にする必要があるが、この操作は調圧バルブ５で行われる。このＶラインは反応容器４の排気部８および前室９からの廃ガス管６と結合されて、真空ポンプ７に接続され、真空ポンプ７は廃ガス処理装置１０に接続されている。本装置では、Ｍラインから水素ガスのみを反応容器４に供給して、反応容器４内を水素ガスに置換する間、原料ガスをＶラインに流しておく。従って、あらかじめＶラインで原料ガスの流量調節をしておくことができるから、反応容器４に流すガスを水素ガスから原料ガスに切り替える際に流量制御がしやすい。
【０００５】
このような有機金属気相成長装置の中で、一回の処理で多数枚の半導体基板（ウェハ）を処理する装置として、それら基板を装着するサセプタを多角形錐体状に作り（一般にバレル型サセプタと称される）、その各面に基板を装着する装置が量産装置として多く用いられている。このバレル型サセプタを用いた場合、基板数が６〜１０枚のバッチ処理で化合物半導体薄膜を成長させる。バッチ処理に要する時間は、原料ガスの供給による薄膜の成長時間自体は１〜２時間／１バッチであるが、その他にサセプタの温度上昇および下降、反応容器内のガス置換、基板の着脱に時間を要する。そのため、バッチ処理の生産性は４〜５バッチ／日程度になっている。
【０００６】
上記バッチ処理の工程を具体的に記すと、以下の通りである。即ち、
１）パージ工程（α）は、Ｍラインから水素ガスのみを反応容器に供給する。この工程では、毒性の強い原料ガスを排出して反応容器内を水素ガスに置換するとともに、基板取り出し作業時に基板の酸化による品質の低下を防ぐために、基板の温度を低下させる。このため、ガス流量も多く、１時間程度の時間を要する。また、この工程では、水素ガスをＭラインから前室にも送り、前室も同時にガス置換する。この間、原料ガスはＶラインに流す。
２）基板をサセプタに脱着するローダー・アンローダー工程（β）は、２０分〜１時間程度かかる。
３）成長準備工程（γ）は、反応容器内の水素ガスを原料ガスに置換し、基板温度を上昇させる。３０分〜１時間程度かかる。
４）有機金属気相成長工程（δ）は、１．５〜２時間程度かかる。
５）再び、パージ工程（α）を行う。
このように、工程（α）→（β）→（γ）→（δ）→（α）を繰り返す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、エピタキシャルウェハの生産量を上げるためには、設備を増加することが考えられるが、ガス制御系の設備が高価であるため、単に生産設備を増加することは、設備費の点で困難であるという問題があった。
【０００８】
ところで、Ｓｉ用ではあるが、単一のガス制御系に複数の反応容器を設けて、設備費を節減する技術が開示されている（特開平４−１３９０８８号公報参照）。この技術を化合物半導体のエピタキシャルウェハの成長に利用すると、例えば、以下のような工程になる。即ち、２個の反応容器（ＡとＢ）を単一のガス制御系に接続して、稼働させると、これらの反応容器の工程間の関係は図５に示すようになる。反応容器（Ａ）にガス系統を接続して工程（γ、δ、α）を進めている間に、反応容器（Ｂ）では工程（β）の基板のローダー・アンローダーを行う。その後、ガス系統を反応容器（Ａ）から反応容器（Ｂ）に接続を切替え、反応容器（Ａ）では工程（β）を行い、反応容器（Ｂ）で工程（γ、δ、α）を進める。各工程に要する時間をＴ（α）〜Ｔ（γ）とすると、この装置の平均的な製造の１サイクル時間はＴ（α）＋Ｔ（γ）＋Ｔ（δ）となる。従って、一反応容器に単一のガス制御系を固定して接続した場合（製造の１サイクル時間は、Ｔ（α）＋Ｔ（β）＋Ｔ（γ）＋Ｔ（δ））に比較して、製造の１サイクル時間はＴ（β）だけ短縮するに過ぎず、生産性の向上には限界がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、請求項１記載の発明は、バッチ処理が可能な複数の反応容器と、前記反応容器に接続されたガス供給・制御系を備え、前記反応容器内で有機金属気相成長を行う有機金属気相成長装置であって、前記ガス供給・制御系は単一の原料ガス供給・制御系統と、複数のパージガス供給・制御系統、および単一のガス排出・制御系統を有し、前記単一の原料ガス供給・制御系統は前記複数の反応容器に切替え接続可能であり、原料ガスが前記単一のガス排出・制御系統と前記単一の原料ガス供給・制御系統との間で切替え可能であり、また、前記複数のパージガス供給・制御系統は前記複数の反応容器にそれぞれ接続されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の反応容器の排気側に、前記複数の反応容器に切替え接続可能に異なる処理容量の２基の廃ガス処理装置を設け、有機金属気相成長工程にある反応容器には処理容量の大きい方の廃ガス処理装置を接続し、他の工程にある反応容器には処理容量の小さい方の廃ガス処理装置を接続することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１記載の有機金属気相成長装置によれば、単一の原料ガス供給・制御系統を複数の反応容器のうちの一つの反応容器に接続して、有機金属気相成長を行っている間に、パージガス供給・制御系統で他の反応容器のパージ工程を同時に進めることができる。従って、単一の原料ガス供給・制御系統を、一つの反応容器で有機金属気相成長が終わり次第、他のパージ済みの反応容器に接続を切替え、直ちに有機金属気相成長を続行することができるので、複数の反応容器による製造のサイクル時間を短縮することができ、生産性が向上する。また、本装置では、複数の反応容器に対して、高価な原料ガス供給・制御系統を一系統とし、比較的安価なパージガス供給・制御系統を複数化しているので、設備費に対する生産性の効果が向上する。
【００１２】
また、請求項２記載の有機金属気相成長装置によれば、複数の反応容器に対して、大容量の廃ガス処理装置と小容量の廃ガス処理装置をそれぞれ１基づつ設け、原料ガスの排出量の多い有機金属気相成長工程にある反応容器には、大容量の廃ガス処理装置を接続し、他の工程にある反応容器には、小容量の廃ガス処理装置を接続するため、複数の反応容器に対して高価な大容量の廃ガス処理装置を１基で済ますため、設備費に対する生産性の効果が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる有機金属気相成長装置の一実施形態の説明図である。この有機金属気相成長装置は、２個の反応容器１４ａ、１４ｂと、単一の原料ガス供給・制御系統であるＭラインと、高純度水素からなる２系統のパージガス供給・制御系統であるＰa およびＰb ラインと、原料ガスおよびパージガスを抜く単一のガス排出・制御系統であるＶラインと、原料をガス化するＢラインと、高純度窒素からなる置換ガス用のＮラインを備えている。図中、１１ａ〜１１ｇはガス流量制御器、１２ａ〜１２ｙ、および２２ａ〜２２ｈはバルブである。
【００１４】
Ｍラインは、反応容器１４ａ、１４ｂと切替え接続可能になっており、ガス流量制御器１１ａを通った高純度の水素ガス、ガス流量制御器１１ｅを通った原料ガスのＡｓＨ_３、気化したＴＭＧおよびＴＭＡを反応容器１４ａ、１４ｂに供給する。なお、ＴＭＧおよびＴＭＡは、Ｂライン（バブルライン）からガス流量制御器１１ｆ、１１ｇを通ってバブラー１３ａ、１３ｂに入った水素ガスによって気化され、Ｍラインに供給される。なお、バルブ１２ｎ、１２ｏ、１２ｐ間の配管内容積は、できるだけ小さくすることが望ましい。この容積が大きいと、この部分がデッドスペースとなり、成長層の積層界面の急峻性が悪くなるとともに、反応容器１４ａ、１４ｂの切替え時には、切替えに要する時間が長くなる。
【００１５】
また、Ｐa およびＰb ラインはそれぞれ、反応容器１４ａ、１４ｂに接続されており、ガス流量制御器１１ｃ、１１ｄを通った高純度の水素ガスをパージガスとして反応容器１４ａ、１４ｂに供給する。なお、バルブ１２ｐ、１２ｑ、１２ｌ間の配管内容積、およびバルブ１２ｏ、１２ｒ、１２ｓ間の配管内容積は、できるだけ小さくすることが望ましい。こうすることにより、原料ガスとパージガスの切替えをよくすることができる。
【００１６】
また、Ｖラインは、真空ポンプ１７を介して大容量の廃ガス処理装置２０ａに接続している。
【００１７】
さらに、Ｂラインは分岐して、バルブ１２ｖ、１２ｗを介して反応容器１４ａ、１４ｂの前室１９ａ、１９ｂに接続している。そうして、前室１９ａ、１９ｂ内に水素をカウンターフローとして流し、反応容器１４ａまたは１４ｂで有機金属気相成長中に、それらの下側に設けられた前室１９ａ、１９ｂ内に原料ガスが過剰に入らないようにする。こうすることにより、前室１９ａ、１９ｂ内の原料ガス濃度が低くなるため、前室１９ａ、１９ｂ内のガス置換に要する時間を短縮することができる。このカウンターフローは、反応容器１４ａまたは１４ｂに供給される原料の流れと同期して断続し、原料流量の変動を防ぐ。そのために、予めＢラインが分岐したＦラインを介してＶラインに水素を流し、所定の流れを作った後、水素の流れを前室１９ａ、１９ｂの方向に変える。
【００１８】
反応容器１４ａ、１４ｂからの排気系には、圧力調整弁２１ａ、２１ｂ、真空ポンプ１７を介した大処理容量の廃ガス処理装置２０ａと、圧力調整弁２１ａ、２１ｂを介した小処理容量の廃ガス処理装置２０ｂが設けられている。圧力調整弁２１ａ、２１ｂは、有機金属気相成長中の反応容器１４ａ、１４ｂ内の圧力制御を精度よく行うために設置されている。反応容器１４ａ、１４ｂの排気部１８ａ、１８ｂからの排気ガスは、有機金属気相成長中については、原料ガスの濃度が高いので、圧力調整弁２１ａ、２１ｂおよび真空ポンプ１７を介して大処理容量の廃ガス処理装置２０ａで処理される。また、原料ガスをパージ中の排気部１８ａ、１８ｂからの排気ガスは、原料ガスの濃度が低いので、小処理容量の廃ガス処理装置２０ｂで処理される。
【００１９】
本実施形態の装置による有機金属気相成長工程は、次のとおりである。即ち、反応容器１４ａについては、
１）パージ工程（α）：前段の成長終了後、圧力調整弁２１ａを制御して、Ｐa ラインにより反応容器１４ａ内の原料ガスをパージし、基板を冷却し、大気圧にする。この際、廃ガスは小容量の廃ガス処理装置２０ｂで処理する。この間、Ｍラインの原料ガスはＶラインに流し、大容量の廃ガス処理装置２０ａで処理する。
２）ローダー・アンローダー工程（β）：次いで、サセプタ（図示されず）を反応容器１４ａ内から前室１９ａに下げ、排気部１８ａの下流側にあるゲートバルブ（図示せず）を閉めて、反応容器１４ａを密閉する。その後、Ｎラインにより前室１９ａ内を窒素ガスに置換する。その際の廃ガスは廃ガス処理装置２０ｂで処理する。その後、前室１９ａを開いて、サセプタ上の基板を着脱、交換する。
３）成長準備工程（γ）：次いで、サセプタを反応容器１４ａ内に移す。その後、Ｍラインを反応容器１４ａに接続する。そうして、高純度水素をガス流量制御器１１ａ、１１ｂを通してＭライン、Ｖラインに流し、また、Ｂライン（バブルライン）にも流して、原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ）を反応容器１４ａに供給し、さらに、ガス流量制御器１１ｅを通して原料ガスＡｓＨ_３を反応容器１４ａに供給し、基板温度を成長温度まで上昇させる。
４）成長工程（δ）：次いで、有機金属気相成長を行う。なお、工程（γ）および（δ）においては、圧力調整弁２１ａを制御して真空ポンプ１７で排気し、反応容器１４ａ内を減圧して所定圧に保つとともに、大容量の廃ガス処理装置２０ａで廃ガスを処理する。また、この間、前室１９ａにはＢラインの分岐から水素のカウンターフローを流す。成長工程（δ）が終了後、再びパージ工程（α）が始まり、工程（α）→（β）→（γ）→（δ）→（α）を繰り返す。
【００２０】
反応容器１４ｂについては、反応容器１４ａと同様であって、
１）パージ工程（α）：前段の成長終了後、Ｐb ラインにより反応容器１４ｂ内の原料ガスをパージし、大気圧にする。この際、Ｍラインの原料ガスはＶラインに流し、大容量の廃ガス処理装置２０ａで処理する。
２）ローダー・アンローダー工程（β）：次いで、サセプタ（図示されず）を反応容器１４ｂ内から前室１９ｂに下げ、排気部１８ｂの下流側にあるゲートバルブ（図示せず）を閉めて、反応容器１４ｂを密閉する。その後、Ｎラインにより前室１９ｂ内を窒素ガスに置換する。その際の廃ガスは廃ガス処理装置２０ｂで処理する。その後、前室１９ｂを開いて、サセプタ上の基板を着脱、交換する。
３）成長準備工程（γ）：次いで、サセプタを反応容器１４ｂ内に移す。その後、Ｍラインを反応容器１４ｂに接続する。そうして、高純度水素をガス流量制御器１１ａ、１１ｂを通してＭライン、Ｖラインに流し、また、Ｂラインに流して、原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ）を反応容器１４ｂに供給し、さらに、ガス流量制御器１１ｅを通して原料ガスＡｓＨ_３を反応容器１４ｂに供給し、基板温度を成長温度まで上昇させる。
４）成長工程（δ）：次いで、有機金属気相成長を行う。なお、工程（γ）および（δ）においては、圧力調整弁２１ｂを制御して真空ポンプ１７で排気し、反応容器１４ｂ内を減圧して所定圧に保つとともに、大容量の廃ガス処理装置２０ａで廃ガスを処理する。また、この間、前室１９ｂにはＢラインの分岐から水素のカウンターフローを流す。成長工程（δ）が終了後、再びパージ工程（α）が始まり、工程（α）→（β）→（γ）→（δ）→（α）を繰り返す。
【００２１】
上述の反応容器１４ａの工程と反応容器１４ｂの工程の関係は、Ｍラインを間断なく反応容器１４ａまたは反応容器１４ｂに接続するようにする。図２は、反応容器１４ａの工程と反応容器１４ｂの工程との関係を示す図である。即ち、反応容器１４ａがＭラインに接続されて、成長準備工程（γ）と成長工程（δ）に入っている間、反応容器１４ｂはＰb ラインに接続されてパージ工程（α）に入り、また、Ｎラインに接続されてローダー・アンローダー工程（β）に入るようにする。さらに、反応容器１４ｂがＭラインに接続されて、成長準備工程（γ）と成長工程（δ）に入っている間、反応容器１４ａはＰa ラインに接続されてパージ工程（α）に入り、また、Ｎラインに接続されてローダー・アンローダー工程（β）に入るようにする。このようにすると、通常は、成長準備工程（γ）と成長工程（δ）に要する時間、Ｔ（γ）＋Ｔ（δ）がパージ工程（α）とローダー・アンローダー工程（β）に要する時間、Ｔ（α）＋Ｔ（β）よりも長いため、一方の反応容器が工程（γ）と工程（δ）に入っている間に、他方の反応容器は工程（α）と工程（β）を余裕をもって済ますことができる。従って、二つの反応容器１４ａと反応容器１４ｂからは化合物半導体薄膜を、Ｔ（γ）＋Ｔ（δ）のサイクルで産出することができる。即ち、上記実施の形態によれば、二つの反応容器１４ａ、１４ｂを備え、パージガス供給・制御系統を２系統（Ｐa およびＰb ライン）にするだけで、化合物半導体薄膜の産出サイクルを、反応容器が一個の場合のＴ（α）＋Ｔ（β）＋Ｔ（γ）＋Ｔ（δ）からＴ（γ）＋Ｔ（δ）に短縮することができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、各反応容器１４ａ、１４ｂにパージガス供給・制御系統、Ｐa およびＰb ラインを設けたが、このようにすることにより、パージ工程が反応容器１４ａ、１４ｂで重なっても処理することができる。なお、Ｐa およびＰb ラインのＶライン部分を真空ポンプ１７の後に接続してもよい。また、Ｐa およびＰb ラインは廃ガス処理機を通さなくともよい。さらに、上記実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、バッチ処理が可能な複数の反応容器と、前記反応容器に接続されたガス供給・制御系を備え、前記反応容器内で有機金属気相成長を行う有機金属気相成長装置であって、前記ガス供給・制御系は単一の原料ガス供給・制御系統と、複数のパージガス供給・制御系統、および単一のガス排出・制御系統を有し、前記原料ガス供給・制御系統は前記複数の反応容器に切替え接続可能であり、原料ガスが前記単一のガス排出・制御系統と前記単一の原料ガス供給・制御系統との間で切替え可能であり、また、前記複数のパージガス供給・制御系統は前記複数の反応容器にそれぞれ接続されているため、化合物半導体薄膜の産出サイクル時間を短縮することができ、生産性が向上するという優れた効果がある。また、高価な原料ガス供給・制御系統を一系統とし、比較的安価なパージガス供給・制御系統のみを複数化しているので、設備費に対する生産性の効果が向上するという優れた効果がある。
【００２４】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、複数の反応容器の排気側に、前記複数の反応容器に切替え接続可能に異なる処理容量の２基の廃ガス処理装置を設け、有機金属気相成長工程にある反応容器には高価な処理容量の大きい方の廃ガス処理装置を接続し、他の工程にある反応容器には処理容量の小さい方の安価な廃ガス処理装置を接続するため、設備費に対する生産性の効果が向上するという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る有機金属気相成長装置の一実施形態の説明図である。
【図２】上記実施形態における二つの反応容器の工程間の関係を示す図である。
【図３】従来の有機金属気相成長装置の説明図である。
【図４】従来の他の有機金属気相成長装置の説明図である。
【図５】２個の反応容器単一のガス制御系に接続した場合のこれら反応容器の工程間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｇガス流量制御器
１２ａ〜１２ｙ、２２ａ〜２２ｈバルブ
１３ａ、１３ｂバブラー
１４ａ、１４ｂ反応容器
１７真空ポンプ
１８ａ、１８ｂ排気部
１９ａ、１９ｂ前室
２０ａ、２０ｂ廃ガス処理装置
２１ａ、２１ｂ圧力調整弁

Claims

バッチ処理が可能な複数の反応容器と、前記反応容器に接続されたガス供給・制御系を備え、前記反応容器内で有機金属気相成長を行う有機金属気相成長装置であって、前記ガス供給・制御系は単一の原料ガス供給・制御系統と、複数のパージガス供給・制御系統、および単一のガス排出・制御系統を有し、前記単一の原料ガス供給・制御系統は前記複数の反応容器に切替え接続可能であり、原料ガスが前記単一のガス排出・制御系統と前記単一の原料ガス供給・制御系統との間で切替え可能であり、また、前記複数のパージガス供給・制御系統は前記複数の反応容器にそれぞれ接続されていることを特徴とする有機金属気相成長装置。
前記複数の反応容器の排気側に、前記複数の反応容器に切替え接続可能に異なる処理容量の２基の廃ガス処理装置を設け、有機金属気相成長工程にある反応容器には処理容量の大きい方の廃ガス処理装置を接続し、他の工程にある反応容器には処理容量の小さい方の廃ガス処理装置を接続することを特徴とする請求項１に記載の有機金属気相成長装置。