JP3163342B2 - Semiconductor manufacturing equipment - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、真空室内、特に真空
化学エピタキシー(VCE)系においてIII−V族化合
物半導体層を形成させる半導体製造装置に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus for forming a group III-V compound semiconductor layer in a vacuum chamber, particularly in a vacuum chemical epitaxy (VCE) system.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、化合物半導体、特にIII −V族化
合物(例えばGaAs)が、従来の珪素半導体よりも優
れた性能を有するとしてその需要が増大している。この
ような化合物半導体の製造方法として、超高真空中で、
エピタキシャル成長をさせる化合物に必要な原子を固体
材料からヒートガンによって蒸発させ、これを分子線の
形で基板に衝突させて結晶膜を成長させる分子線エピタ
キシー(MBE)法や、金属のメチルまたはエチル化合
物の蒸気をH2 等のキャリアガスで送って常圧ないし減
圧の反応室に導入し、そこでV族の水素化合物と混合し
たのち、加熱した基板上で反応させ結晶を成長させる有
機金属CVD(MOCVD)法等がある。2. Description of the Related Art In recent years, demand for compound semiconductors, particularly III-V compounds (for example, GaAs), has been increasing as they have better performance than conventional silicon semiconductors. As a method of manufacturing such a compound semiconductor, in an ultra-high vacuum,
The atoms required for the compound to be epitaxially grown are evaporated from a solid material by a heat gun, and this is collided with a substrate in the form of a molecular beam to grow a crystal film, such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal methyl or ethyl compound. Vapor is sent by a carrier gas such as H 2 into a reaction chamber at normal pressure or reduced pressure, where it is mixed with a group V hydrogen compound, and then reacted on a heated substrate to grow crystals. There is a law.
【0003】しかしながら、上記MBE法は、10
-11 Torrオーダーの超高真空が必要である、原料
再充填時にダウンタイムが発生する、均一成長を行う
ために基板回転機構が必要である、等の問題を有し、大
量生産が難しく市場の需要に見合うだけの供給を確保す
ることが困難である。また、上記MOCVD法は、層
流領域でのプロセスであるため、流れ方向に分布を生じ
やすくスケールアップの際の流れの解析が困難である、
反応ガスが高価で、かつその成長機構のために反応ガ
スの利用効率が悪い、等の問題を有する。また、このよ
うに反応ガスの利用効率が悪いことから多量の未反応ガ
スに加わるため大量の毒性ガスを生じ、これの廃棄等が
大きな問題となっている。[0003] However, the above MBE method has a
-11 Torr order ultra-high vacuum is required, downtime occurs when refilling raw materials, substrate rotation mechanism is required for uniform growth, etc. It is difficult to secure enough supply to meet demand. Further, since the MOCVD method is a process in a laminar flow region, distribution tends to occur in the flow direction, and it is difficult to analyze the flow at the time of scale-up.
There is a problem that the reaction gas is expensive and the utilization efficiency of the reaction gas is low due to its growth mechanism. Further, since the utilization efficiency of the reactive gas is low, a large amount of toxic gas is generated because it is added to a large amount of unreacted gas, and disposal of the toxic gas is a serious problem.
【0004】そこで、本出願人は、上記二つの方法を組
み合わせることにより、互いの欠点を解消し長所を活か
した半導体製造装置の開発に成功し、すでに出願してい
る(特願平1−91651、平成1年4月10日出
願)。この装置は、図5に示すように、全体がステンレ
ス製の略円筒体で、底部側がターボ分子ポンプ(図示せ
ず)に接続されて矢印Aで示すように真空引きされて内
部が真空室1になっている。この真空室1には、天井か
らヒータ2が吊り下げ保持されており、さらにその下側
に均熱板2aが取り付けられている。そして、上記均熱
板2aの下側に、天板3と、周壁4と、底板5とからな
る反応室6が設けられており、上記天板3の中央に設け
られた開口7の段差部8に、基板9がホルダ10を介し
て下向きに装着されている。また、上記反応室6の底板
5は、2種類の反応ガスを供給するマニホールドブロッ
ク11の天板を兼ねており、底板5に形成された2種類
のガス吐出口12,13によって、反応室6内に2種類
の反応ガスが導入されるようになっている。すなわち、
上記底板5の下側には、第1の拡散室14と、第2の拡
散室15とを有するマニホールドブロック16が取り付
けられており、第1の反応ガス供給配管17から第1の
拡散室14内に導入されるアルシン(AsH3 )等の第
1の反応ガスは、フランジ19によって周方向に拡散さ
れ、破線矢印で示すように底板5のガス吐出口12から
反応室6内に供給されるようになっている。また、第2
の反応ガス供給配管18から第2の拡散室15内に導入
される第2の反応ガスは、邪魔板20によって周方向に
拡散され、実線矢印で示すように底板5のガス吐出口1
3から反応室6内に供給されるようになっている。な
お、上記反応室6の上部周方向に形成される隙間Bは、
反応ガスの排気口として作用する。また、21は反応室
6を冷却するための冷媒通路である。したがって、この
装置によれば、真空室1内を高真空状態にし、ヒータ2
をONにして第1の反応ガス供給配管17および第2の
反応ガス供給配管18からそれぞれ目的とする半導体製
造に必要なガスを適宜供給することにより、基板9表面
に、均一な半導体薄膜結晶を形成することができる。[0004] The present applicant has succeeded in developing a semiconductor manufacturing apparatus utilizing the merits by solving the mutual disadvantages by combining the above two methods, and has already filed an application (Japanese Patent Application No. 1-91651). , Filed April 10, 2001). As shown in FIG. 5, this apparatus is a substantially cylindrical body made entirely of stainless steel, and the bottom side is connected to a turbo-molecular pump (not shown) and is evacuated as shown by an arrow A to form a vacuum chamber 1 inside. It has become. A heater 2 is suspended from the ceiling in the vacuum chamber 1, and a heat equalizing plate 2a is mounted below the heater. A reaction chamber 6 including a top plate 3, a peripheral wall 4, and a bottom plate 5 is provided below the heat equalizing plate 2a, and a step portion of an opening 7 provided at the center of the top plate 3 is provided. 8, a substrate 9 is mounted downward with a holder 10 interposed therebetween. The bottom plate 5 of the reaction chamber 6 also serves as a top plate of a manifold block 11 for supplying two kinds of reaction gases, and the two kinds of gas discharge ports 12 and 13 formed in the bottom plate 5 allow the reaction chamber 6 to be cooled. Two kinds of reaction gases are introduced therein. That is,
A manifold block 16 having a first diffusion chamber 14 and a second diffusion chamber 15 is attached to the lower side of the bottom plate 5. The manifold block 16 has a first diffusion chamber 14 and a first diffusion chamber 14. The first reaction gas such as arsine (AsH 3 ) introduced into the inside is diffused in the circumferential direction by the flange 19, and is supplied into the reaction chamber 6 from the gas discharge port 12 of the bottom plate 5 as indicated by a dashed arrow. It has become. Also, the second
The second reaction gas introduced into the second diffusion chamber 15 from the reaction gas supply pipe 18 is diffused in the circumferential direction by the baffle plate 20, and the gas discharge port 1 of the bottom plate 5 as shown by the solid arrow.
3 is supplied into the reaction chamber 6. The gap B formed in the upper circumferential direction of the reaction chamber 6 is:
Acts as a reaction gas outlet. Reference numeral 21 denotes a refrigerant passage for cooling the reaction chamber 6. Therefore, according to this device, the inside of the vacuum chamber 1 is brought into a high vacuum state,
Is turned on, and a gas necessary for a target semiconductor production is appropriately supplied from the first reaction gas supply pipe 17 and the second reaction gas supply pipe 18, thereby forming a uniform semiconductor thin film crystal on the surface of the substrate 9. Can be formed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では、
半導体製造の分野に関する研究、技術がさらに進歩し、
それに伴い良質なヘテロ接合を持つ界面、その多層構造
である超格子構造が設計、製作されるようになってきて
おり、結晶成長技術において、原子層レベルの制御性を
要求されている。そして、その究極に近い形として、2
種類以上の原料を交互に供給し半導体結晶を1原子層ず
つ成長させる原子層エピタキシ(ALE)法が提案さ
れ、これを再現性よく実施しうる装置の開発が強く望ま
れている。この点に関し、上記図5に示す装置は、通常
のエピタキシー成長を利用した半導体膜の生成には良好
な成績を収めることができる。しかし、上記ALE法を
適用する場合には、多少の問題があることがわかった。
例えば上記装置では、2種類の反応ガスを交互に反応室
6内に導入して結晶を1原子層ずつ成長させようとして
も、先に供給した反応ガスが、つぎの反応ガスと置換す
るのに時間がかかり、反応室6内に残留する先の原子が
つぎの原子と混じり合い、場合によって層界面が荒れた
状態になる。また、上記装置では、反応室6内の圧力
を、反応室6内に導入する反応ガスの圧力によって調整
するが、反応ガス供給配管17,18の根元側に設けら
れた圧力調整弁を操作して圧力調整を行うため、場合に
よっては、反応室6への応答性が悪く、反応条件の制御
を適正に行うことが難しい。By the way, recently,
Research and technology in the field of semiconductor manufacturing have advanced further,
Accordingly, an interface having a high-quality heterojunction and a superlattice structure as a multilayer structure thereof have been designed and manufactured, and controllability at an atomic layer level is required in a crystal growth technique. And as a form near the ultimate, 2
An atomic layer epitaxy (ALE) method of alternately supplying more than one kind of raw materials and growing semiconductor crystals one atomic layer at a time has been proposed, and there is a strong demand for the development of an apparatus capable of performing this with good reproducibility. In this regard, the apparatus shown in FIG. 5 can obtain good results in the formation of a semiconductor film using normal epitaxy growth. However, it has been found that there are some problems when the ALE method is applied.
For example, in the above-described apparatus, even if two kinds of reaction gases are alternately introduced into the reaction chamber 6 to grow crystals one atomic layer at a time, the reaction gas supplied first replaces the next reaction gas. It takes time, and the atom remaining in the reaction chamber 6 mixes with the next atom, and in some cases, the layer interface becomes rough. Further, in the above-described apparatus, the pressure in the reaction chamber 6 is adjusted by the pressure of the reaction gas introduced into the reaction chamber 6, and a pressure adjustment valve provided at the base of the reaction gas supply pipes 17 and 18 is operated. Therefore, in some cases, the response to the reaction chamber 6 is poor, and it is difficult to properly control the reaction conditions.
【0006】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、種類の異なる複数の半導体を1原子層ずつ精
度よく成長させることのできる半導体製造装置の提供を
その目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a semiconductor manufacturing apparatus capable of accurately growing a plurality of different types of semiconductors one atomic layer at a time.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の半導体製造装置は、高度に真空になし得
る真空室と、上記真空室内に設けられ底板と周壁と天板
とからなる反応室と、上記反応室の天板に形成され基板
表面を反応室内に向けた状態で保持しうる段差付開口
と、上記反応室の底部側から反応室内に反応ガスを供給
する反応ガス供給手段と、上記反応室天板の開口に保持
された基板に裏面側から輻射熱を与える加熱手段とを備
えた半導体製造装置であって、上記反応室周壁の少なく
とも一部が、天板に対し進退自在に構成され、上記周壁
の少なくとも一部の進退によって天板と周壁の隙間が適
宜に開閉されるようになっているという構成をとる。In order to achieve the above object, a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention comprises a vacuum chamber capable of achieving a high degree of vacuum, and a bottom plate, a peripheral wall, and a top plate provided in the vacuum chamber. A reaction chamber, a stepped opening formed on a top plate of the reaction chamber and capable of holding the substrate surface facing the reaction chamber, and a reaction gas supply means for supplying a reaction gas into the reaction chamber from the bottom side of the reaction chamber And a heating means for applying radiant heat from the back side to the substrate held in the opening of the reaction chamber top plate, wherein at least a part of the reaction chamber peripheral wall is freely movable with respect to the top plate. The clearance between the top plate and the peripheral wall is appropriately opened and closed by at least part of the peripheral wall moving forward and backward.
【0008】[0008]
【作用】すなわち、この半導体製造装置は、従来、反応
室の天板と周壁との間には、排気用の隙間が周方向に設
けられていたのに対し、上記周壁の少なくとも一部を、
天板に対し進退自在に構成し、その進退によって、天板
と周壁の隙間を適宜に開閉できるようにしたものであ
る。したがって、この装置によれば、第1の反応ガスを
供給して第1の半導体層を形成したのち、周壁を天板側
から大幅に後退させ反応室の周囲を大きく開くことによ
り瞬時に残留ガスを除去して第2の反応ガスに置換する
ことができる。このため、先の半導体層と次の半導体層
の境界面での互いの原子が混じり合うことがない。した
がって、層の厚みではなく、原子層レベルでの膜厚を制
御し、原子を何層積むかまで制御することができる。そ
のうえ、ドーピングも原子層レベルで制御することがで
きる(必要な部分にだけドーピング原子を入れることが
できる)。また、上記周壁の進退によって、排気口とな
る反応室周囲の隙間間隔を適宜に調節することができる
ため、反応時の反応室内の圧力を、応答性よく制御する
ことができ、膜厚を高精度で制御することができる。That is, in this semiconductor manufacturing apparatus, at least a part of the peripheral wall is provided between the top plate of the reaction chamber and the peripheral wall in the circumferential direction.
The device is configured so as to be able to advance and retreat with respect to the top plate, so that the gap between the top plate and the peripheral wall can be appropriately opened and closed by the advance and retreat. Therefore, according to this apparatus, after the first reaction gas is supplied to form the first semiconductor layer, the peripheral wall is largely retracted from the top plate side and the periphery of the reaction chamber is greatly opened, so that the residual gas is instantaneously obtained. Can be removed and replaced with a second reaction gas. For this reason, the atoms of the interface between the first semiconductor layer and the next semiconductor layer do not mix with each other. Therefore, it is possible to control not the layer thickness but the film thickness at the atomic layer level, and to control how many atoms are stacked. Moreover, doping can also be controlled at the atomic layer level (doping atoms can be placed only where needed). In addition, since the gap between the reaction chambers serving as the exhaust ports can be appropriately adjusted by the retreat of the peripheral wall, the pressure in the reaction chamber during the reaction can be controlled with good responsiveness, and the film thickness can be increased. It can be controlled with precision.
【0009】つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳
細に説明する。Next, the present invention will be described in detail based on embodiments.
【0010】[0010]
【実施例】図1はこの発明の一実施例を示している。こ
の半導体製造装置は、図5に示す装置と同様、真空室1
内に、ヒータ2と、均熱板2aと、反応室6とが設けら
れ、上記反応室6の天板3の中央開口7の段差部8に、
基板9がホルダ10を介して下向きに装着されている。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. This semiconductor manufacturing apparatus has a vacuum chamber 1 like the apparatus shown in FIG.
The heater 2, the soaking plate 2 a, and the reaction chamber 6 are provided therein, and the step portion 8 of the central opening 7 of the top plate 3 of the reaction chamber 6
The substrate 9 is mounted downward via the holder 10.
【0011】そして、この装置では、上記反応室6の周
壁20が、反応室6の底板21の外周縁部から起立する
起立壁22と、その上部に摺動自在に外嵌されるリング
状の摺動壁23によって構成されている。上記摺動壁2
3は、真空室1の下面に取り付けられたシリンダ24に
よって昇降する昇降ベース25から直立する4本の支持
ロッド26によって支受されている。したがって、上記
摺動壁23は、上記シリンダ24の作動に従って、起立
壁22の外周に沿って矢印Bで示すように昇降し、下降
時に天板3と周壁20との隙間が生じるようになってい
る。なお、上記摺動壁23の下部には、環状に冷媒・熱
媒を通すジャケット部23aが形成されている。In this apparatus, the peripheral wall 20 of the reaction chamber 6 has an upright wall 22 which rises from the outer peripheral edge of the bottom plate 21 of the reaction chamber 6, and a ring-shaped outer wall slidably fitted on an upper portion thereof. It is constituted by a sliding wall 23. The sliding wall 2
3 is supported by four support rods 26 that stand upright from a lifting base 25 that moves up and down by a cylinder 24 attached to the lower surface of the vacuum chamber 1. Therefore, the sliding wall 23 rises and falls along the outer periphery of the upright wall 22 as shown by the arrow B in accordance with the operation of the cylinder 24, and a gap between the top plate 3 and the peripheral wall 20 is generated when descending. I have. In addition, a jacket portion 23 a through which a refrigerant and a heat medium pass is formed in a lower portion of the sliding wall 23.
【0012】一方、上記反応室6の底板21には、この
部分を上から見下ろした状態を示す図2に示すように、
4個のガス吐出口27が等配に形成されており、各吐出
口27に、フランジ付の第1の反応ガス連通管28が内
嵌され、底板21の下部に設けられたマニホールド30
を介して、第1の反応ガスが、実線矢印で示すように導
入されるようになっている。そして、上記各吐出口27
と平面視で重ならないよう、側方から第2の反応ガス供
給配管29が延びている。この配管29の先端面は閉じ
ており、周方向に小孔29aが形成されており、破線矢
印で示すように第2の反応ガスが供給されるようになっ
ている。なお、マニホールド30の下面には、環状に水
ジャケット37が形成されており、水供給配管38と水
排出配管39とが連通されていて、反応終了後に即座に
マニホールド30内を冷却することができるようになっ
ている。On the other hand, the bottom plate 21 of the reaction chamber 6 is shown in FIG.
Four gas discharge ports 27 are formed at equal intervals, and a first reaction gas communication pipe 28 with a flange is fitted in each discharge port 27, and a manifold 30 provided below the bottom plate 21 is provided.
, The first reaction gas is introduced as shown by the solid arrow. Then, each of the discharge ports 27
A second reaction gas supply pipe 29 extends from the side so as not to overlap in plan view. The distal end face of the pipe 29 is closed, and a small hole 29a is formed in the circumferential direction, so that the second reaction gas is supplied as shown by a broken arrow. A water jacket 37 is formed annularly on the lower surface of the manifold 30, and a water supply pipe 38 and a water discharge pipe 39 communicate with each other, so that the inside of the manifold 30 can be cooled immediately after the reaction is completed. It has become.
【0013】また、上記底板21の外周側には、16個
の排気用孔31が等配に形成されており、その下側に設
けられる反応室保持ベース32,低摩擦スペーサ33に
も同様の孔31aが形成されている。そして、マニホー
ルド30に外嵌される上下フランジ付ガイドリング34
の上フランジ34′にも、上記と同様の孔34aが形成
されている。上記ガイドリング34は、図3に示すよう
に、下フランジ34″の外周部にギヤ歯が形成されて小
径ギヤ35のギヤ歯と噛み合っており、この小径ギヤ3
5に、モータ等(図示せず)を介して回転駆動を与える
と、図示のように上記ガイドリング34が周方向に回転
するようになっている。したがって、ガイドリング34
を適宜の角度だけ回転させることにより、上フランジ3
4′に設けられた孔34aが、上記一連の排気用孔3
1,31aと重なって上下方向に貫通孔を形成したり、
あるいはこれを蓋して通気を遮断したりして反応室6か
らの排気量を調節することができるようになっている。
なお、上記ガイドリング34は、低摩擦スペーサ33′
を介してマニホールド下板36によって下から支受され
ている。On the outer peripheral side of the bottom plate 21, 16 exhaust holes 31 are formed at regular intervals, and the same is applied to a reaction chamber holding base 32 and a low friction spacer 33 provided thereunder. A hole 31a is formed. Then, a guide ring 34 with upper and lower flanges that is fitted to the outside of the manifold 30
A hole 34a similar to the above is also formed in the upper flange 34 '. As shown in FIG. 3, the guide ring 34 has gear teeth formed on the outer peripheral portion of the lower flange 34 ″ and meshes with the gear teeth of the small-diameter gear 35.
When a rotational drive is given to the motor 5 via a motor or the like (not shown), the guide ring 34 rotates in the circumferential direction as shown in the figure. Therefore, the guide ring 34
By rotating the upper flange 3 by an appropriate angle.
The hole 34a provided in the exhaust hole 3 '
1, 31a overlaps to form a through hole in the vertical direction,
Alternatively, the amount of exhaust from the reaction chamber 6 can be adjusted by closing this to block ventilation.
The guide ring 34 is provided with a low friction spacer 33 '.
And is received from below by the manifold lower plate 36.
【0014】さらに、この半導体製造装置では、上記ヒ
ータ2の上部および前後左右の四側方が、断面コ字状に
成形された下向きの凹状の熱遮蔽板40で囲われてい
る。この熱遮蔽板40は、図4に示すように、8層構造
の積層板からなり、内側の4層41がモリブデンで形成
され、外側の4層42がステンレスで形成さている。こ
の構造によれば非常に保温性が高いため、ヒータ2の加
熱領域を限定し、基板9に対する熱効率を大幅に向上さ
せることができる。Further, in this semiconductor manufacturing apparatus, the upper portion of the heater 2 and the four front, rear, left and right sides are surrounded by a downward concave heat shield plate 40 formed in a U-shaped cross section. As shown in FIG. 4, the heat shield plate 40 is formed of a laminated plate having an eight-layer structure. The inner four layers 41 are formed of molybdenum, and the outer four layers 42 are formed of stainless steel. According to this structure, the heat retention is extremely high, so that the heating area of the heater 2 can be limited, and the thermal efficiency for the substrate 9 can be greatly improved.
【0015】なお、上記熱遮蔽板40(図1は戻る)
は、その上面が、真空室1の上面に取り付けられたシリ
ンダ43のピストンロッドに連結されており、矢印Cで
示すように、昇降自在になっている。これは、上記熱遮
蔽板40による熱効率を高くするために、その下端を反
応室6の天板3近傍まで接近させているので、基板9の
装着・取り出し(ローディング・アンローディング)時
に、天板3の上を側方から進退する基板保持用治具(図
示せず)と当たらないよう考慮したもので、基板9の装
着・取り出し時には上記シリンダ43の作動により、上
記熱遮蔽板40が鎖線で示す位置まで上昇し治具の進退
が妨げられないようになっている。The heat shield plate 40 (FIG. 1 returns).
Is connected at its upper surface to a piston rod of a cylinder 43 attached to the upper surface of the vacuum chamber 1, and is movable up and down as indicated by an arrow C. This is because the lower end is brought close to the vicinity of the top plate 3 of the reaction chamber 6 in order to increase the thermal efficiency by the heat shielding plate 40, so that when the substrate 9 is mounted / removed (loading / unloading), the top plate is removed. In order to avoid contact with a substrate holding jig (not shown) that advances and retreats from the side on the top of the substrate 3, the operation of the cylinder 43 causes the heat shield plate 40 to move in a dashed line when the substrate 9 is mounted and removed. The jig is raised to the position shown to prevent the jig from moving back and forth.
【0016】また、真空室1の周壁の内側には、上記熱
遮蔽板40と同一材質の積層板からなる熱遮蔽筒45が
設けられており、ヒータ2の熱が真空室1の周壁に伝達
しないよう工夫されている。さらに、上記熱遮蔽筒45
の内側には、液体窒素が流入するリング状のジャケット
46が設けられており、このジャケット46の外周に接
した状態で直立するステンレス板46aを冷却して真空
室1の周壁への熱伝導が完全に遮断されるようになって
いる。そして、このジャケット46およびステンレス板
46aの冷却された内周面によって、ガス交換後に真空
室1内に残留する不純ガスを捕捉することができる。A heat shield cylinder 45 made of a laminated plate of the same material as the heat shield plate 40 is provided inside the peripheral wall of the vacuum chamber 1, and the heat of the heater 2 is transmitted to the peripheral wall of the vacuum chamber 1. It is devised not to. Further, the heat shielding cylinder 45
A ring-shaped jacket 46 into which liquid nitrogen flows is provided. The stainless steel plate 46a which stands upright while being in contact with the outer periphery of the jacket 46 is cooled to transfer heat to the peripheral wall of the vacuum chamber 1. It is completely shut off. The jacket 46 and the cooled inner peripheral surface of the stainless steel plate 46a can capture the impurity gas remaining in the vacuum chamber 1 after the gas exchange.
【0017】このように、この装置は、ヒータ2の周囲
が熱遮蔽板40で覆われており、反応室6からのガス排
出量が摺動壁23の高さと排気孔31の開度で調節さ
れ、かつ反応室6の周壁の一部を構成する摺動壁23内
のジャケット部23aに熱媒が導入されるようになって
いるため、反応室6内を適宜の温度および圧力に設定す
ることができる。したがって、第1の反応ガスを供給し
た上で、応答性よく目的とする反応条件を反応室6内に
実現することができ、第1の反応ガスに由来する1原子
層の半導体層を精度よく製造することができる。そし
て、反応終了後には、上記ジャケット部23aおよびマ
ニホールド30下部の水ジャケット37に冷媒(水)を
導入することにより、反応室6およびマニホールド30
を瞬時に冷却するとともに、上記反応室6の周囲の摺動
壁23を下降させて天板3との隙間を大きく開けて排気
を瞬時に行うことができる。このため、つぎに第2の反
応ガスを供給すると、反応室6内は、即座に第2の反応
ガスと置換され、第1の反応ガスが残留することがな
い。そこで、再び摺動壁23を上昇させて反応室6の天
板3との隙間を適宜の間隔に絞るとともに、排気孔31
の開度を調整し、反応室6に対する加熱を行うことによ
り、第2の反応ガスに由来する1原子層の半導体層を精
度よく製造することができる。これを交互に繰り返すこ
とにより、非常にきれいな層界面を有する超格子構造か
らなる半導体を得ることができる。より詳しく説明する
と、前記図5の装置では、反応室内の圧力が導入する原
料ガス流量と排気口コンダクタンスで決定されてしま
い、反応室自身の排気口コンダクタンスはプロセス中に
変化させられない。したがって、反応室圧力を変化させ
ようとした場合、導入ガス流量を変化させるか、真空チ
ャンバーを排気する真空排気系のコンダクタンスを変化
させ、反応室とともに真空チャンバー全体の圧力を変え
る必要があった。そうした場合、前者では、反応圧力を
2桁以上変化させることは困難であり、また1つの原料
ガスを高い圧力で導入した後にガスを切り替えるような
場合、反応室内の残留ガスを排気するのに時間がかかる
という問題があった。本発明の実施例によれば、これら
を解決することができる。また、後者の場合は、反応室
だけでなく、真空チャンバー全体の圧力を変化させるた
め、短時間で圧力を大きく変化させることができないば
かりか、反応室を粘性流領域のような高い圧力にする場
合には、熱の問題や雰囲気中の不純物濃度が高くなる等
の問題が生ずる。本発明の実施例によれば、これらを解
決することができる。As described above, in this device, the periphery of the heater 2 is covered with the heat shield plate 40, and the amount of gas discharged from the reaction chamber 6 is adjusted by the height of the sliding wall 23 and the opening of the exhaust hole 31. Since the heat medium is introduced into the jacket 23a in the sliding wall 23 which forms a part of the peripheral wall of the reaction chamber 6, the inside of the reaction chamber 6 is set to an appropriate temperature and pressure. be able to. Therefore, after supplying the first reaction gas, the desired reaction conditions can be realized in the reaction chamber 6 with good responsiveness, and the one atomic layer of the semiconductor layer derived from the first reaction gas can be precisely formed. Can be manufactured. After completion of the reaction, a coolant (water) is introduced into the jacket portion 23a and the water jacket 37 below the manifold 30, so that the reaction chamber 6 and the manifold 30
Can be instantaneously cooled, and the sliding wall 23 around the reaction chamber 6 can be lowered to make a large gap with the top plate 3 so that exhaust can be performed instantaneously. Therefore, when the second reaction gas is supplied next, the inside of the reaction chamber 6 is immediately replaced with the second reaction gas, and the first reaction gas does not remain. Then, the sliding wall 23 is raised again to narrow the gap between the reaction chamber 6 and the top plate 3 to an appropriate distance, and the exhaust holes 31
By adjusting the opening degree of the substrate and heating the reaction chamber 6, a one-atom semiconductor layer derived from the second reaction gas can be manufactured with high accuracy. By repeating this alternately, a semiconductor having a superlattice structure having a very clean layer interface can be obtained. More specifically, in the apparatus shown in FIG. 5, the pressure in the reaction chamber is determined by the flow rate of the source gas to be introduced and the conductance of the outlet, and the conductance of the outlet of the reaction chamber itself cannot be changed during the process. Therefore, when trying to change the pressure of the reaction chamber, it is necessary to change the flow rate of the introduced gas or the conductance of the evacuation system for evacuating the vacuum chamber to change the pressure of the reaction chamber and the entire vacuum chamber. In such a case, in the former, it is difficult to change the reaction pressure by more than two orders of magnitude, and in the case of switching the gas after introducing one source gas at a high pressure, it takes time to exhaust the residual gas in the reaction chamber. There was a problem that it took. According to the embodiment of the present invention, these can be solved. In the latter case, not only the pressure in the reaction chamber but also the entire vacuum chamber is changed, so that the pressure cannot be largely changed in a short time, and the reaction chamber is set to a high pressure such as a viscous flow region. In such a case, problems such as heat and an increase in impurity concentration in the atmosphere occur. According to the embodiment of the present invention, these can be solved.
【0018】なお、上記実施例では、周壁20を、起立
壁22と摺動壁23とを組み合わせ、摺動壁23を、天
板3に対し進退自在に構成しているが、周壁20全体
を、天板3に対し進退自在となるよう構成してもよい。
ただし、この場合は、反応室6内に供給される反応ガス
が底板21と周壁20の接合部から漏れて、基板9への
反応ガスの流れが妨げられやすいため、この部分を気密
に保持することが重要な課題となる。In the above embodiment, the peripheral wall 20 is constituted by combining the upright wall 22 and the sliding wall 23, and the sliding wall 23 is configured to be able to advance and retreat with respect to the top plate 3. Alternatively, it may be configured to be able to advance and retreat with respect to the top plate 3.
However, in this case, the reaction gas supplied into the reaction chamber 6 leaks from the joint between the bottom plate 21 and the peripheral wall 20 and the flow of the reaction gas to the substrate 9 is easily hindered. Is an important issue.
【0019】また、上記実施例では、ヒータ2を上面側
から覆う熱遮蔽板40を設けているが、反応温度が比較
的低い半導体を製造する場合には、特に設ける必要はな
い。Further, in the above embodiment, the heat shield plate 40 for covering the heater 2 from the upper surface side is provided. However, when a semiconductor having a relatively low reaction temperature is manufactured, it is not particularly necessary to provide the heat shield plate.
【0020】さらに、マニホールド30の形状および第
1の反応ガス供給方法および第2の反応ガス供給方法に
ついても上記実施例に限るものではなく、適宜に設定す
ることができる。Further, the shape of the manifold 30 and the first reaction gas supply method and the second reaction gas supply method are not limited to those in the above embodiment, but can be set as appropriate.
【0021】また、上記実施例では、摺動壁23の内部
に冷媒・熱媒通過用のジャケット部23aを形成した
が、これも必ずしも必要ではない。ただし、加熱効率を
あげるには反応室6近傍を加熱することが好ましい。こ
のような加熱方法としては、上記ジャケット部23aに
熱媒を通す以外に、摺動壁23の周囲に、加熱用のヒー
トコイル等を巻回する方法があげられる。In the above embodiment, the jacket 23a for passing the refrigerant / heat medium is formed inside the sliding wall 23, but this is not always necessary. However, it is preferable to heat the vicinity of the reaction chamber 6 to increase the heating efficiency. As such a heating method, besides passing a heat medium through the jacket portion 23a, a method of winding a heating heat coil or the like around the sliding wall 23 may be mentioned.
【0022】さらに、上記実施例では、マニホールド3
0に外嵌されたガイドリング34を周方向に回動させる
ことによって、反応室6の底板21に設けた排気用孔3
1の開度を調節して排気量を調節するようにしている
が、この機構を設けずに、摺動壁23と天板3の隙間を
調節することのみで反応時の排気量を調節するようにし
ても差し支えはない。Further, in the above embodiment, the manifold 3
By rotating the guide ring 34 externally fitted to the outer periphery 0 in the circumferential direction, the exhaust holes 3 provided in the bottom plate 21 of the reaction chamber 6 are formed.
Although the exhaust amount is adjusted by adjusting the opening degree of 1, the exhaust amount at the time of reaction is adjusted only by adjusting the gap between the sliding wall 23 and the top plate 3 without providing this mechanism. There is no harm in doing so.
【0023】そして、上記実施例では、基板9を、水平
に装着するようにしているが、基板9を垂直に装着して
水平方向からガスを供給するタイプの装置にこの発明を
適用してもよい。In the above embodiment, the substrate 9 is mounted horizontally. However, the present invention may be applied to an apparatus of a type in which the substrate 9 is mounted vertically and gas is supplied from a horizontal direction. Good.
【0024】なお、この発明の半導体製造装置では、反
応室6の底面21をモリブデンで形成し、摺動壁23
を、タンタル,タングステンおよび表面窒化処理ステン
レスのいずれかで形成することが好適である。あるい
は、底面21を金属で形成し、摺動壁23を、炭化珪素
コーティングを施したグラファイトによって形成しても
よい。これらの組み合わせにすると、モリブデンは高融
点金属材料であるため、成長中にモリブデン材料から素
材原料が蒸発することがほとんどなく、またヒータから
の輻射熱を効率よく受け、反応室の壁面が適度に加熱さ
れ、壁面に衝突するIII 族の有機金属分子、V族のAs
原子が吸着することなく、効率よく成長反応に利用され
るので優れた品質の半導体を得ることができる。In the semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention, the bottom surface 21 of the reaction chamber 6 is formed of molybdenum,
Is preferably formed of any of tantalum, tungsten and surface-nitrided stainless steel. Alternatively, bottom surface 21 may be formed of metal, and sliding wall 23 may be formed of graphite coated with silicon carbide. When these combinations are used, molybdenum is a high melting point metal material, so the raw material hardly evaporates from the molybdenum material during growth, and radiant heat from the heater is efficiently received, and the wall of the reaction chamber is appropriately heated. Group III metalorganic molecules, group V As
Since atoms are efficiently used for the growth reaction without being adsorbed, a semiconductor of excellent quality can be obtained.
【0025】[0025]
【発明の効果】以上のように、この発明の半導体製造装
置は、反応室の周壁の少なくとも一部を、天板に対し進
退自在に構成し、その進退によって、天板と周壁の隙間
を適宜に開閉できるようにしたものである。したがっ
て、この装置によれば、第1の反応ガスを供給して第1
の半導体層を形成したのち、周壁を天板側から大幅に後
退させ反応室の周囲を大きく開くことにより瞬時に残留
ガスを除去して第2の反応ガスに置換することができ
る。このため、先の半導体層と次の半導体層の境界面で
互いの原子が混じり合うことがなく、原子層レベルの膜
厚ならびにドーピングの制御性が得られる。また、上記
周壁の進退によって排気口となる反応室周囲の間隙隙間
を適宜に調整することができるため、反応時の反応室内
の圧力を、応答性良く制御することができ、成長する半
導体に最適な反応空間を容易に形成することができる。As described above, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention, at least a part of the peripheral wall of the reaction chamber is configured to be able to advance and retreat with respect to the top plate, and the gap between the top plate and the peripheral wall is appropriately adjusted by the advance and retreat. It can be opened and closed. Therefore, according to this apparatus, the first reactant gas is supplied and the first reactant gas is supplied.
After the semiconductor layer is formed, the peripheral wall is largely retracted from the top plate side and the periphery of the reaction chamber is greatly opened, whereby the residual gas can be instantaneously removed and replaced with the second reaction gas. Therefore, atoms do not mix with each other at the boundary surface between the first semiconductor layer and the next semiconductor layer, and controllability of the film thickness and doping at the atomic layer level can be obtained. In addition, since the gap between the reaction chambers serving as the exhaust ports can be appropriately adjusted by the retreat of the peripheral wall, the pressure in the reaction chamber during the reaction can be controlled with good responsiveness, which is optimal for a growing semiconductor. A simple reaction space can be easily formed.
【図1】この発明の一実施例を示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of the present invention.
【図2】上記実施例の反応室底板部分を上から見下ろし
た図である。FIG. 2 is a view of the bottom plate of the reaction chamber of the above embodiment as viewed from above.
【図3】上記実施例の排気量調節機構の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a displacement adjusting mechanism of the embodiment.
【図4】上記実施例の熱遮蔽板の構成の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a configuration of a heat shield plate of the above embodiment.
【図5】従来の半導体製造装置を示す縦断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a conventional semiconductor manufacturing apparatus.
1 真空室 2 ヒータ 3 天板 6 反応室 7 開口 8 段差 20 周壁 21 底板 22 起立壁 23 摺動壁 24 シリンダ 27 ガス吐出口 28 第1の反応ガス連通管 29 第2の反応ガス供給配管 30 マニホールド DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Heater 3 Top plate 6 Reaction chamber 7 Opening 8 Step 20 Peripheral wall 21 Bottom plate 22 Standing wall 23 Sliding wall 24 Cylinder 27 Gas discharge port 28 First reaction gas communication pipe 29 Second reaction gas supply pipe 30 Manifold
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤崎 芳久 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 芳賀 徹 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 宮田 敏光 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平3−183128(JP,A) 特開 平4−349929(JP,A) 特開 平1−257323(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Yoshihisa Fujisaki 1-280 Higashi-Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (72) Inventor Toshimitsu Miyata 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (56) References JP-A-3-183128 (JP, A) JP-A-4-349929 (JP) , A) JP-A-1-257323 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205
Claims (5)
空室内に設けられ底板と周壁と天板とからなる反応室
と、上記反応室の天板に形成され基板表面を反応室内に
向けた状態で保持しうる段差付開口と、上記反応室の底
部側から反応室内に反応ガスを供給する反応ガス供給手
段と、上記反応室天板の開口に保持された基板に裏面側
から輻射熱を与える加熱手段とを備えた半導体製造装置
であって、上記反応室周壁の少なくとも一部が、天板に
対し進退自在に構成され、上記周壁の少なくとも一部の
進退によって天板と周壁の隙間が適宜に開閉されるよう
になっていることを特徴とする半導体製造装置。1. A vacuum chamber capable of achieving a high degree of vacuum, a reaction chamber provided in the vacuum chamber, comprising a bottom plate, a peripheral wall, and a top plate, and a substrate surface formed on the top plate of the reaction chamber with the substrate surface facing the reaction chamber. A stepped opening that can be held in a state where it is held, a reaction gas supply means for supplying a reaction gas into the reaction chamber from the bottom side of the reaction chamber, and radiant heat from the back side to the substrate held in the opening of the reaction chamber top plate. And a heating means for applying the heat, wherein at least a part of the peripheral wall of the reaction chamber is configured to be able to advance and retreat with respect to the top plate, and a gap between the top plate and the peripheral wall is formed by at least a part of the peripheral wall. A semiconductor manufacturing apparatus characterized in that it is opened and closed appropriately.
れ、天板に対し進退しうる周壁部分がタンタル,タング
ステンおよび表面窒化処理を施したステンレスのいずれ
かによって形成されている請求項1記載の半導体製造装
置。2. The reaction chamber according to claim 1, wherein a bottom plate of the reaction chamber is formed of molybdenum, and a peripheral wall portion capable of moving back and forth with respect to the top plate is formed of any of tantalum, tungsten, and stainless steel subjected to surface nitriding. Semiconductor manufacturing equipment.
板に対し進退しうる周壁部分が炭化珪素コーティングを
施したグラファイトによって形成されている請求項1記
載の半導体製造装置。3. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a bottom plate of the reaction chamber is formed of metal, and a peripheral wall portion capable of moving forward and backward with respect to the top plate is formed of graphite coated with silicon carbide.
に、第2の基板加熱手段が設けられている請求項1〜3
のいずれか一項に記載の半導体製造装置。4. The apparatus according to claim 1, wherein a second substrate heating means is provided at or near the peripheral wall of the reaction chamber.
The semiconductor manufacturing apparatus according to any one of the above.
に、基板冷却手段が設けられている請求項1〜4のいず
れか一項に記載の半導体製造装置。5. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a substrate cooling means is provided at or near the peripheral wall of the reaction chamber.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23971892A JP3163342B2 (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Semiconductor manufacturing equipment |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP23971892A JP3163342B2 (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Semiconductor manufacturing equipment |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH06132222A JPH06132222A (en) | 1994-05-13 |
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23971892A Expired - Lifetime JP3163342B2 (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Semiconductor manufacturing equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3163342B2 (en) |
-
1992
- 1992-09-08 JP JP23971892A patent/JP3163342B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JPH06132222A (en) | 1994-05-13 |
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