JP2000219596A - 気相成長方法 - Google Patents

気相成長方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的とする不純物分布や組成比の気相成長膜
を再現性よく成長させる気相成長方法を提供する 【解決手段】 (a) 複数の原料ガス源11,12,13
と、(b) それぞれのガス源に一端が接続された複数の原
料配管21,22,23と、(c) それぞれの原料配管の
他端が接続され、原料ガスを成長室60と排気系70に
切り替える切り替えバルブ31,32,33,41,4
2,43とを有する装置を用い、(d) 原料配管と切り替
えバルブを介して原料ガスを成長室60に導入すること
で気相成長を開始し、気相成長を行う気相成長方法にお
いて、(e) 気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少な
くとも1つの原料配管21,22,23に流した後に気
相成長を開始するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】半導体装置に用いられる半導体薄
膜のエピタキシャル成長などに用いられる気相成長法に
関する。
【0002】
【従来の技術】気相成長法として、有機金属化合物のガ
スを原料として用いるMOCVD法は、III-V族化合物
半導体などのエピタキシャル膜(以下、エピ膜ともい
う)の成長に多く用いられている。
【0003】従来例として、図1に示す気相成長装置に
よるGaAs基板上へのn型GaAsエピ膜の気相成長
を説明する。n型GaAsの原料ガスは、Ga源として
はトリメチルガリウムなどのアルキルガリウムを、As
源としてはアルシンを、不純物ドーピングのためのSi
源としてはシラン化合物を用いる。これらの原料ガス
は、それぞれの原料ガス源11,12,13から、原料
配管21,22,23、成長室側バルブ31,32,3
3を経て、各原料ガスが混合されて、成長室60に導入
される。原料ガスの導入により成長を開始し、成長室6
0内のGaAs基板61上にn型GaAsエピ膜が成長
する。この際の原料ガス源11,12,13からの流量
は、流量制御装置51,52,53により設定される。
【0004】エピ膜成長時の不純物による汚染を防ぎ、
安定した成長を行うために、通常、成長前に水素ガスで
置換した原料配管21,22,23および流量制御装置
51,52,53に、成長時と同流量の原料ガスを流
し、成長室側バルブ31,32,33を閉じ、排気側バ
ルブ41,42,43を開くことにより、これらのガス
を排気系70へバイパスしている。そして、バルブを切
り替え、成長室側バルブ31,32,33を開き、排気
側バルブ41,42,43を閉じることにより、原料ガ
スを成長室60側に切り替え、成長を開始する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、成長膜の組成
が目的のものにならないため、必要とする組成比や不純
物ドーピングプロファイルが得られない場合がある。特
に、エピ膜中の不純物のドーピング濃度や、その深さ方
向の分布は、半導体装置の性能・特性に大きな影響を与
える。この不純物ドーピングは、その原料ガスの流量に
より制御しているが、一定流量の原料ガスを流しても同
一の不純物濃度分布が得られないことがある。
【0006】本発明の目的は、目的とする不純物分布や
組成比の気相成長膜を再現性よく成長させる気相成長方
法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
課題を詳細に検討したところ、原料ガスの配管内壁への
吸着などにより、成長時の原料ガス流量に比べて配管の
容積が大きい場合などに、再現性が低下していることを
見いだした。そこで、気相成長開始時に原料ガスを確実
に供給する方法を検討し、その結果、本発明に想到し
た。
【0008】本発明による気相成長方法は、(a) 複数の
原料ガス源と、(b) それぞれのガス源に一端が接続され
た複数の原料配管と、(c) それぞれの原料配管の他端が
接続され、原料ガスを成長室と排気系に切り替える切り
替えバルブとを有する装置を用い、(d) 原料配管と切り
替えバルブを介して原料ガスを成長室に導入することで
気相成長を開始し、気相成長を行う気相成長方法におい
て、(e) 気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なく
とも1つの原料配管に流した後に気相成長を開始するも
のである。
【0009】特に、成長開始前に原料配管を真空とし、
その後、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なく
とも1つの原料配管に流した後に成長を開始することが
好ましい。
【0010】
【発明の作用・効果】気相成長時の流量よりも多い流量
の原料ガスを原料配管に流した後に成長を開始するもの
であるため、原料ガス成分の配管内への吸着による原料
ガス濃度低下の影響を受けることなく、また、原料配管
中を原料ガスで置換する時間が短時間であっても、成長
時に所定の原料ガス濃度に設定できる。このため、短い
作業時間で、再現性のよい気相成長が可能となる。
【0011】
【好ましい実施の形態】[原料ガス源] 本発明における
原料ガス源は、気相成長の原料となる原料ガスを供給す
る手段であり、ガスボンベ、液状の原料を気化させるバ
ブラーなどが用いられる。通常、成長させる化合物に含
まれる元素に対応した数の原料ガス源が用意される。II
I-V族化合物半導体薄膜を成長させる場合には、薄膜の
特性を向上するため、III族元素源としてアルキル化金
属などの有機金属化合物を用いることが好ましい。ま
た、半導体膜を成長する場合には、Si、Ga、In、As、P
などの半導体を構成する元素と、ドーパントといわれる
半導体型を制御する微量の元素が用いられる。
【0012】[原料配管] 本発明における原料配管は、
原料ガス源と切り替えバルブの間の配管であり、原料ガ
ス源以降にある流量制御装置(マスフローコントロー
ラ)、水素導入バルブなどの配管部分をも含む。通常
は、原料配管の数は、原料ガス源の数と同じである。
【0013】[切り替えバルブ] 本発明における切り替
えバルブは、原料ガスを成長室と排気系に切り替えるこ
とにより、原料の供給により気相成長を制御する手段で
ある。切り替えバルブは、原料配管に対応して(したが
って、通常は原料元素に対応して)設けられており、主
成分となる原料ガスを切り替えることで気相成長を開始
・停止できる。切り替えバルブは、通常、成長室の近傍
に設けられており、これにより、成長の開始・停止によ
らず、原料ガス源から一定状態で原料を安定に供給する
ことができる。切り替えバルブは、成長室へのバルブ
と、排気系へのバルブとの2つを組み合わせて構成され
ていてもよい。
【0014】切り替えバブルから成長室に切り替えられ
た原料ガスは、通常、混合された後に成長室に導入され
る。半導体エピタキシャル成長の場合、成長室には、加
熱された基板が配置される。成長時には成長室内から排
気系へ、原料ガスの反応生成物や未反応の原料ガスが導
出される。この導出のために排気系が設けられている。
排気系は、通常、真空ポンプなどにより排気ガスを吸引
している。気相成長開始前には、原料ガスは成長室を経
由せずに切り替えバルブから直接に排気系へ吸引され
る。
【0015】[成長開始直前の原料配管流量] 本発明
は、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを原料配管に
流した後に気相成長を開始するものである。この流量と
しては、充分に多い流量、具体的には、成長時流量の5
倍以上、特には、10倍から100倍が好ましい。特
に、原料配管内の容量の1.5倍以上、特には2倍から
10倍の容積となる時間流した後、成長時の流量に設定
して、すぐに気相成長を開始することが好ましい。
【0016】対象となる原料配管としては、ドーパント
などの低濃度でかつ流量が少ない配管での効果が大き
い。例えば、原料ガス濃度が1000ppm以下、特には
100ppm以下であり、原料配管内の容積を成長時のガ
ス流量で割った値が10分以上、特には20〜2000
分である場合に効果が顕著である。
【0017】気相成長前に、多い流量の原料ガスを原料
配管に流す方法としては、原料配管の流量を制御してい
るマスフローコントローラの流量値の設定を変更するこ
とが容易であるが、原料ガス源からの配管を別に設けて
流量を増すなどの方法もある。
【0018】[原料配管の真空化] 本発明では、成長開
始前に原料配管を真空とし、その後、特にはその直後
に、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを原料配管に
流した後に成長を開始することが好ましい。原料配管を
真空とした場合の管内の圧力は、成長時の2分の1以
下、特には10分の1以下とすることが好ましい。
【0019】排気系が真空ポンプなどの減圧手段を備え
ている場合、原料ガス源からのガス供給をなくし、切り
替えバルブを介して排気することで、原料配管を真空に
することで、簡便に原料配管を真空にできる。また、排
気系とは別に真空ポンプなどの減圧手段を設けて原料配
管を真空としてもよい。
【0020】
【実施例】以下、減圧MOCVD法によりGaAs基板
上のn型GaAsエピタキシャル層を気相成長する場合
を実施例として、本発明を具体的に説明するが、本発明
はこの実施例に何ら限定されるものではない。
【0021】先ず、図1を用いて減圧MOCVD法によ
る気相成長を説明する。原料化合物としては、トリメチ
ルガリウム、アルシン、ジシランを用いた。トリメチル
ガリウム(Ga(CH)は、バブラー11から成
長時には500cc/分の流量が供給される。バブラー
11では、トリメチルガリウムが密閉容器に収められ、
水素でバブリングされる。供給される流量は、バブラー
11へ供給される水素量を流量制御装置51で制御する
ことで設定している。
【0022】アルシン(AsH)は、100%濃度の
ガスがアルシンボンベ12から供給され、成長時の流量
は500cc/分である。ジシラン(Si)は、
水素で10ppmに希釈したガスがジシランボンベ13
から供給され、成長時の流量は4cc/分である。アル
シンとジシランの流量は、原料配管22,23の途中に
設けられた流量制御装置52,53で設定している。原
料ガスは、原料配管21,22,23を経て、成長室側
バルブ31,32,33および排気側バルブ41,4
2,43の一端にそれぞれ供給される。原料配管21,
22,23は、それぞれ長さ6m、内径4.5mmであ
り、内容積は約100ccである。
【0023】成長室側バルブ31,32,33を開き、
排気側バルブ41,42,43を閉じることにより、原
料ガスを供給配管62から成長室60に供給することで
成長を開始する。成長室60内には、GaAs基板61
が置かれており、その上にn型GaAsエピ膜を成長す
る。n型GaAsエピ膜は、厚さ0.5μm、不純物濃
度1016/cmを目標とする。GaAs基板61
は、500〜800℃にランプヒータ63で加熱され
る。成長室60内は、20〜100torrの圧力とな
るように排気系70により排気されている。排気系70
は、ロータリーポンプ71で吸引されており、その排気
は除外装置72で処理される。
【0024】[成長例1](比較例) 原料配管21,22,23、成長室60内などを水素ガ
スで置換してある状態から、成長室側バルブ31,3
2,33を閉じ、排気側バルブ41,42,43を開く
ことにより原料ガスを排気側に切り替え、気相成長時の
流量で原料ガスを40分間流す。その後、成長室側バル
ブ31,32,33を開き、排気側バルブ41,42,
43を閉じることにより原料ガスを成長室側に切り替え
て、気相成長を開始した。これにより得られたn型Ga
Asエピ膜のドーピングプロファイルを図2に示す。成
長開始当初は目的とする不純物濃度が得られていないこ
とがわかる。
【0025】[成長例2](実施例1) 原料配管21,22,23、成長室60内などを水素ガ
スで置換してある状態から、ジシランボンベ13を閉じ
てジシランガス原料の供給を中止したまま、ジシランガ
スの原料配管23の切り替えバルブである成長室側バル
ブ33を閉じ、排気側バルブ43を開き、排気系70に
より原料配管23内を0.01torrの真空状態にす
る。その後、成長室側バルブ31,32,33を閉じ、
排気側バルブ41,42,43を開いた状態で、ジシラ
ンガスの供給を開始して50cc/分の流量で、また、
他の原料ガスは気相成長時と同じ流量で5分間流す。そ
して、ジシランガスの流量を気相成長時の流量である4
cc/分として、直ちに成長室側バルブ31,32,3
3を開き、排気側バルブ41,42,43を閉じること
により成長を開始した。これにより得られたn型GaA
sエピ膜のドーピングプロファイルを図3に示す。成長
開始当初から目的とする不純物濃度が得られていること
がわかる。
【0026】[成長例3](実施例2) 原料配管21,22,23、成長室60内などを水素ガ
スで置換してある状態から、成長室側バルブ31,3
2,33を閉じ、排気側バルブ41,42,43を開い
た状態で、ジシランガスの供給を開始して50cc/分
の流量で、また、他の原料ガスは気相成長時と同じ流量
で5分間流す。そして、ジシランガスの流量を気相成長
時の流量である4cc/分として、直ちに成長室側バル
ブ31,32,33を開き、排気側バルブ41,42,
43を閉じることにより成長を開始した。これにより得
られたn型GaAsエピ膜のドーピングプロファイルは
図3と同じであった。成長開始当初から目的とする不純
物濃度が得られていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例で用いた気相成長装置を説明するため
の図
【図2】 成長例1(比較例)によるエピ膜のドーピン
グプロファイルを示す図
【図3】 成長例2、3(実施例)によるエピ膜のドー
ピングプロファイルを示す図
【符号の説明】
11 バブラー 12 アルシンボンベ 13 ジシランボンベ 21,22,23 原料配管 31,32,33 成長室側バルブ 41,42,43 排気側バルブ 51,52,53 流量制御装置 60 成長室 61 GaAs基板 62 供給配管 63 ランプヒータ 70 排気系 71 ロータリーポンプ 72 除外装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a) 複数の原料ガス源と、(b) それぞれの
    ガス源に一端が接続された複数の原料配管と、(c) それ
    ぞれの原料配管の他端が接続され、原料ガスを成長室と
    排気系に切り替える切り替えバルブとを有する装置を用
    い、(d) 原料配管と切り替えバルブを介して原料ガスを
    成長室に導入することで気相成長を開始し、気相成長を
    行う気相成長方法において、(e) 気相成長時よりも多い
    流量の原料ガスを少なくとも1つの原料配管に流した後
    に気相成長を開始する気相成長方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の気相成長方法において、 成長開始前に原料配管を真空とし、その後、気相成長時
    よりも多い流量の原料ガスを少なくとも1つの原料配管
    に流した後に成長を開始する請求項1記載の気相成長方
    法。
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WO2013118260A1 (ja) * 2012-02-08 2013-08-15 岩谷産業株式会社 三フッ化塩素使用装置での三フッ化塩素供給路の内面処理方法
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