JPH026389A - 半導体薄膜気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、化合物゛ト導体薄膜成長装ｊξに関し、特に
、供給ガスの流れの基板に対する供給方向を五失した半
導体薄膜成長装置δに関する。

［従来の技術］ 化合物゛１′−導体は、今１１のオプトエレクトロニク
ス用材料として重°更な地位を占めている。ＧａＡｓ、
ＡｅＡｓ等の化合物半導体薄膜のエピタキシ八・ル成長
法として、ＬＰＥ法、ＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ
法等がある。特に、ＭＢＥ法及びＭＯＣＶＤ法は、場合
によっては、熱力学的に安定状態にない混晶半導体をも
成長できるため、化合物単導体が有している可能性を発
揮させるための基幹技術として、特に注目されている。

近年、ＭＢＥ法によらなければ、困難と考えられいた１
１１子ナイズ（２００Ａ以下）の薄膜エピタキシャル成
長が、ＭＯＣＶＤ法で実現できたことによって、従来か
らのＭＯＣＶＤ法による装置がＭＢＥＳｌｃ置と比較し
て安価な装置４であること及び［，１産性に富んだＪｊ
法であること等の特長と呼応しで、化合物１″、導体薄
膜の」、ビタキンヤル成艮方法の下流になっている・ 然し乍ら、有機金属の熱分解反応機構や成長反応理論が
、明らかにされていないため、多くの未解決の技術的課
題が９１されている。特に、反応管の構造、原料等の各
種ガスの供給方法等によって、成長したエピタキシャル
層の品質が、大きく左右される傾向があり、大きな課題
となってい従来、ＭＯＣＶＤ法の反応管方式としては、
縦型反応管方式と横型反応方式の２種類がある。

例えば、第６図ａは、ＭＯＣＶＤ法で用いられている従
来の縦型反応方式の代表的な構造を簡略に示す断面図で
ある。反応筒１は、石英ガラスで作られた二重構造で内
側の反応管２の外（１１周囲に外（ＩＩ管３を設け、外
イ１１管３の上下に設けられた給水１１４、排水口５に
冷却水を流して反応管２の外壁を水冷す−る構造である
。そして、反応管の−Ｆ部には、原料等各種ガスの導入
口６からエピタキシへ・ル成艮に寄υ−４る有機金属ガ
ス（例えばＴＭＧ、ＴＭＡ等）及び水素化物ガス（例え
ばＡｓＨｓ、Ｐ　Ｈ、等）はギヤ９〜戸ガス（例えば、
Ｈｌ、Ｈｅ、Ａｒ等）とともに反応管２へ供給され、反
応に寄５′しなかったイζ要なガスを排気［１７から排
出できる構造である。、Ｆ、た、エピタキシャル成長層
が形成される化合物゛ト導体基板８は、反応管２中に、
温度検出のための熱伝対を内蔵した支持棒９によって保
持されたカーボンサセプター１０の上面１０ａに配置さ
れている。これを外側管３の外周に設ｊクシた加熱装置
の高周波誘導コイル１１によって６００℃〜８００°Ｃ
に加熱できるようになっている。

更に、縦型反応管方式としては、第６！Ｉ！Ｊｂに示す
ような多数枚の基板に対して同時に成長せしめることの
できるバレル型反応管がある。また、横型反応管方式の
もので、第６図ａのものと同じ構成のものは、第７図に
示すようなものである。

このような従来の縦型反応管構造では、エピタキシャル
成長時に、カーボンサセプター付近の一一度−Ｌ：　ｒ
ｌ、により、化合物半導体基板及びカーボンサセプター
付近のガス温度が上昇し、導入したガスに熱対流が強く
生じるために、エピタキシャル成長に寄与する混合原料
ガスが基板に到達する以前に熱分解をし、基板表面に到
達した際の元素成分の比率の制御性を悪くし、且つバチ
ツキを増す等の悪影奮を及ばず。ガス流が対流になるき
、基板表面での面内均−性及び高品質のエピタキシャル
成長層を得るために大きな障害になる。第８図１、ｔ、
第６図ａの反応、管構造において、カーボンサセプター
を加熱した場合に、周囲の温度［によって生じるガスの
熱対流の様子を示している。

導入ガスは、カーボンサセプターによって熟せられるた
めに、浮力が生じ、エピタキシャル成１＋Ｍを形成４−
べ（！基板上に到達する以前に熱分解反応を起こしてし
まうことを示している。そして、ガスのｄすれが基板上
で均一とならないために、温度分布が生じてしまい、熱
対流により膜厚、組成等を制御できなくなるという問題
が、深刻であることを示唆している。このことは、第７
図で示した横型反応管方式においても、程度の差こそあ
れ、同様に生１゛るために、エピタキシャル成長ｂ′ｊ
に高い均一・性、均質性を≠λ−１高い品質をグえるた
めには、超えるべき深刻な問題である６ ［発明が解決しようとφ−る問題点］ 木発１１１１は、以上述べたような問題点を解決すべく
鋭、０研究を行なった結果、特に、原料ガスを低温のよ
：Ｌで化合物を導体基板に供給すると共に、反応後の簿
膜成長に寄与しなかった高温の残留原料ガス及びキャリ
ヤガス或いはその他の不便なガスを確実に基板表面の原
料ガスから分離して排気Ｃるように構成し、尚且つ、高
い均一性、均質性を有し、高い品質を有する薄膜成長層
を実現できるものである。従って、本発明は、害となる
反応が起こらないような適切な低い温度で、原料ガスを
供給し、供給ガスの反応管内での流れを適切に制御する
ことのできる薄膜成長装置を提供することを目的とする
。また、本発明は、高均質で、高品質の成長半導体薄膜
を得る装置を提供することを目的とする。ここで、”高
均質”とは、”膜厚分布が均一で、組成分布均一で、そ
の他の電気的特性及び光学的特性分布が均一である′”
ことを意味する。また、”高品質”とは、”結晶学的に
見て品質が良好であり、結晶性が良好な”ことを意味す
る。

本明細古において、”供給ガス”とは、′原料等各種の
ガス”を意味する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、供給ガスの導入管とガス排気口を備えた反応
管と当該反応管の内部に配置された化合物半導体基板を
塔載する支持手段（カーボンナセブター）と該反応管の
外部に設けられた該反応管を冷却４−るための外側管と
前記化合物半導体基板を加熱するための加熱装置を備え
る半導体薄膜成長装置において、＋’＋ｉ前記反応管内
で、該基板に接して流れる加熱ガスの対ＢＥを利用でき
るように、前記のガス導入口を下部に設置し、且つ前記
ガス排気［１をｌ二部に設置し、■一つ該ガス導入口と
該支持手段の間に、該）、（板に対して供給ガスを均一
に供給４−る筒状流路手段を配置し、該反応に寄与しな
かったガスを速やかに排出し、前記筒状流路手段から反
応管内に供給したガスの流れは、該基板に直角に゛（す
るようにガス導入口構造を配したｆｆ１ｉ記を導体薄膜
成長装置である。この場合、更に、ｍ１記筒状流路ｆ段
の周りに同心円状に筒状キャリヤガス流路手段を備えた
ものが好適である。また、前記基板を搭載Ｖる支持手段
は一体化され、自転するものであり、更に高い均質性を
有する薄膜成長層が得られるものが好適である。

本発明の半導体薄膜成長装置は、供給ガスの導入管とガ
ス排気口を備えた反応管とその反応管の内部に配置諮れ
た化合物半導体基板を搭載するカーボンサヒブターと反
応管の外部に設けられたその反応管を冷却するための外
側管と前記化合物半導体基板を加熱するだめの加熱装置
を備えるものである。そして、その反応管内には、カー
ボンサセブクーに搭載された基板に接して流れる加熱ガ
スが、その浮力に伴い生じる熱対流に合致するように、
供給ガスの導入口を下部に設置し、几つガスの排気［］
を上部に設置きれる。更に、そのガス導入構造は、供給
ガスが基板表面に均一に流れるように、ガス導入口と支
持手段の間に、筒状の流路手段を設け、基板に対しては
、供給ガスが均一に供給され、そして、反応に寄与しな
かったガスは、基板表面近傍から速やかに排出されるよ
うに構成したものである。従って、供給ガスは、基板表
面に対して、直角に当るように流れとなり、反応に寄与
しないガスは速やかに支持手段即ち半導体の側面方向に
流れて行く、このために、反応は゛１−導体表面でのみ
生じ、半導体表面近傍には、常に、一定の組成と濃度の
ガスが供給されるようになり、成長された半導体薄膜は
、高均質で高品質のものが得られる。

更に、前記筒状流路手段の周りに筒状キャリヤガス流路
手段を配置し、供給ガスの流れを、より安定化し、−層
、半導体薄膜の成長を均一に行な十ンしめる。

、トた、基板を搭載４゛る支持手段は一体化され、自転
ｒるものが好適であり、即も、基板表面が、供給ガスの
ｆＡＥれに対して、回転している。そのために、基板表
面に供給されるガスが均一になり、成長される゛ｒ−導
体薄膜は、均一、均質なものになる。

［作用］ 本発明の半導体薄膜成長装置では、原料ガスがｆ方から
ｌ　Ｖｌ、　Ｌ、供給されており、そして、原料ガスは
加熱されるため、浮力を持し、ガスの熱対流Ｊｊ向と−
・致しているので、半導体薄膜のエピタキシへ・ル成長
面では、原料ガスの流れが均一になリ、ノ、（板面−Ｌ
の温度分布も均一となる。そのために、半導体薄膜の成
長層が均質になり、その結果前られる薄膜は、膜厚均一
で、組成分布が均一で、その他の電気的特性、光学的特
性が均一なものが得られる。そのため、更に、結晶学的
に見て品質の良好な半導体薄膜が作製される。

次に、本発明の半導体薄膜気相成長装置について具体例
により説明するが、本発明は、次の実施例に限定される
ものではない。

［実施例］ 第１１ｙＪは、本発明の半導体薄膜成長装置の１例２示
−４断面図である。この図では、本発明を、より容易に
理解でさるように簡略化して示したものである。図にお
いて使用した符号番号は、前記の従来技術で用いたもの
と対応するものである。

反応尚１は、石英ガラスで作られた２重構造で内（Ｉｌ
ｌの反応管２の外側周囲に外側管３を設け、外（＋１管
３の上ドに設けられた給水口４から排水口５に冷却水を
γメεして反応管２の外側を水冷する構造である。反応
管２内への供給ガスのためのガス導入口６は、図示のよ
うに、下部に設け、上部にガスｔＪト気【］７を設ける
。それらの中間に位置１−るように、カーボンサセプタ
−１０を配置４シ、そこに載置した基板８０表面に、供
給ガスの流れが直角に当るような構造を有する。即ち、
供給ガスの流れは、ガス筒状流路手段１２を経て下部か
ら上部へ向かうものであり、それに直角に基板８を配置
しであるものである。即ち、反応管２内のガス導入［１
丁段６は、供給ガスのためのガス筒状流路手段１２を有
し、反応管２の下部に配ｔｉｆｆｉａれる。この筒状流
路手段１２は、カーボンサセプタ−１０の近くまでガス
導入口手段６から、カーボンサセプタ−１０に対して垂
直に設けられており、半導体基板８に対してガス筒状ｆ
ｉｔ路手段１２の開【」部は、適切な間隔に配置ξ４る
。

着脱自在な筒状コ／プ１４、支持棒９及び力ボンナヒプ
ター１０は、図示のように適切に固定されている。この
具体例では、基板８は、２インチウェハ１枚を固定でき
るものである。

以上のようにガス筒状流路手段１２を設けたことによっ
て、カーボンサセプター１０及び基板８に対して、原料
ガス等を供給した後に、ガスが広角で放射排気される部
分（即ちガス膨張部）１５と原料ガスから分離きれる部
分（即ち分Ｉｌｉ部）１６が、反応管２中に形成される
。ガス膨張部１５は、ガス筒状流路手段１２（及び１３
）からの原料ガス及びキャリヤガスがカーボンサセプタ
ー１０の１而及び基板８表面に接して加熱され、エピタ
キシャル成長に寄与し、或いは寄与しないで、上部へに
昇していく際に、周辺のガス流に混流するのを防１１：
　ス’る役割を果たす。

−ＪＴ、熱分解して上昇していく、成長には寄与しなか
ったが反応性のあるＷ、料ガス等が反応して生じた生成
物が、反応管２の内壁にイ・１着するが、分離部１６は
、この付着物が降り落してくるものを収集する役割をも
果たしている。

史に、本発明により、このガス筒状流路手段１２の周囲
外イ１１に、キルリヤガス筒状流路手段１３を設（ｊで
、以上の効果が更に向上するようにできる。即し、原料
ガスは、Ｊ：昇していき、基板８表面等に当り、反転し
てくるような対流を形成しないように、周辺を定常状態
にし、安定したガス流路が保持できるようにする。

本発明の゛ト導体薄膜成艮装置には、更に、従来装Ｊ／
ｆと同様に、二重管構造になっており、水或いはその他
の冷却媒体によって、反応管２を冷却するようになって
いる。

更に、加熱装置として、高周波誘導コイル１１を備λて
おり、エピタキシャル成長に必髪な成長温度（例えば、
６００℃〜８００℃）にカーボンサセプター１０及び基
板８のみを加熱できるものである。

以−トの具体例の装置における、本発明による反応管構
造での動作原理を次に説明する。

本発明の半導体薄膜成長装置では、従来の装置、例えば
、第６図及び第７図に示した反応管方式に対しても、原
料等各種の供給ガスの流れを理想的に制御できる。

即も、導入Ｌ」５からのガスの流れｊｊ向とカーボンサ
セブター１０等により加熱され浮力を持ったガスの流れ
の対流する方向とが、一致するために、エピタキシャル
成艮面（即ち、基板８の表面）にでのガスの流れが均一
になり、基板８表面のにでの温度分布も均一となるため
、成長層が均質となる。

伝熱工学的に見た場合の本発明装置による、供給ガスの
流れの１例を、第２図に示す。これによると、第１図の
装置中のカーボンサセプター１０（基板８）の表面に対
して、層流で供給ガスが流れることが分かる。一方、ガ
ス膨張８？！１５へ排出されたガスは、反応管２の外側
の冷却のために、ｐＴびＦ方に流れ、図示のように渦を
形成する。この渦が、混合ガスと混流するのを防ＩＦで
きる。

即ら、本発明の装置４では、第１図に示すように、原料
ガス筒状流路手段１２を基板、８表面に対して垂直に且
つ適切な間隔をとって設けである。

更に、同時に、ギヤリヤガス筒状流路手段１３を、Ｐｇ
、料ガス流路の周囲に第１図に示すように、設ける。

従って、本発明のｔ導体薄膜成長装置では、導入１１手
段６より導入され、筒状流路手段１２．１３を通ること
により作られた原料等各種ガスの流れに対しで、直角に
基板８を配置することが、本発明の最大の特徴である。

更に、第２図に示したガス対流部１７の影響を除くため
に、キャリヤ筒状流路手段１３を設けたことが、本発明
の特徴である。

史に、支持棒９、カーボンサセプター１０．基板８及び
′：Ｊ／プ１４は、一体止して自転するようにでき、そ
のために、直角方向から供給される供給ガスの組成、濃
度などを更に平均化でき、更に、高い均質性を有ｒる化
合物半導体薄膜成長層が得られる。

更に、第３図に、導入原料等の各種ガスの流れに対して
カーボンサセプター１０及び基板８が１ｕ角になってい
ない場合を示す、このような配置構造にした場合には、
大面積の基板表面上に高均質な成長層を形成することが
できなくなる。即ち、カーボンサセプターや基板（固体
）を加熱した状態では、混合ガスの流れ（流体）の中に
置いた場合、流体力学の観点から、固体表面上では、流
体が完全静１にであるが、固体表面から離れた点では流
体速度は、急激に上昇増加し、流れ中では一定速度にな
る。即ち、固体表面かられずかに離れた点で、流体中の
速度は、高くなり、遠くなるにつれて、一定速度の流れ
の速度と同一になる。同様なことが温度についてもあり
、固体表面の温度も、固体表面かられずか離れた点の温
度は、急激に低い温度になる。このように、流体の速度
や温度の勾配が、急激な所を各々、速度境界層及び温度
境界層と呼ぶ、この速度境界層と温度境界層は、密接に
関係しており、固体と流体との間での熱伝達に重要な影
響を及ぼすものである。そして、速度境界層には、層流
境界層と乱流境界層とがあり、層流境界層を有する固体
表面の流れに対する熱伝達と乱流境界層を有する固体表
面の流れに対する熱伝達とを比較すると、乱流境界層を
有４−る場合の方が、はるかに大きな熱伝達を行なう、
このために、流れ方向に角度を持つ場合や水平である場
合（第３図ａ、ｂに示す）は、第４図の断面図に示１−
ように、流れ方向Ｘで流れて、ガス流が、固体に当った
点Ａから流れ方向に沿って速度境界層が発達していくが
、Ａ点からしばらくの間は、層流境界層であり、層の厚
きがある程度以［−に発達すると、乱流に変わる。Ｂ点
がその乱流に変わる点とし、その点を遷移点と称する。

乱流に変わると図示のように急速に熱伝達率が大きくな
る。又、遷移点以降の下流側では、この境界層が、発達
していくために、基板からの熱の逃げが益々大きくなる
。この層が、乱流境界層である。この第４図に示した現
象は、一般に起こるものであり、゛ｂ導導体薄膜成製装
置反応管中で、ガスの流れに対１−る基板表面の角度が
、重要であり、その角度により、基板表面内で前記の性
質の異なる２つの境界層が、共存Ｖることになり、熱の
逃げ方によって、温度分布と成長層厚分布が出来てしま
うことになる。

）、（板表面内で温度分布が生じた場合には、高い均質
性をイ１する成長層が得られ難くなる。大而積の基板表
面に対しては、流れに沿う基板表面の長さが増加するこ
とにより、それが、著しくなることが理解できる。

従って、速度境界層を層流又は乱流のどちらかに統一す
ることが重要であり、本発明の実施例に示したように、
ガスの流れに、直角に基板表面を配置することが、大面
積の基板に対して高均質なエピタキシャル成長層を実現
４゛るために効果的である。

更に、本発明の薄膜成長装置においては、第２図に示ｒ
ように、対流部１７を解消してガスの流れを制御ｒるた
めに、キルリヤガス筒状流路手段１３がｆｆｆ要であり
、効果があるものである。

更に、以上のように第１図によって示した具体例の変更
例として、多数の基板を搭載できるような構造を、第５
図に示す、即ち、第５図は、ガス導入口手段６の方向か
ら上部を見た図であり、カーボンサセプター１０に組み
込まれた多数の基板８を示す、各基板８は自転し、それ
らが搭載される部分１８は、更に回転する。即ち、公転
部分１８を有するカーボンサセプタ−１０を下から見た
図である。各裁板を回転させ、且つ、全体を公転させる
ことによって、それに接する供給ガスの組成、濃度など
を均一にできるものである。

以−Ｌ：に説明した本発明を、半導体薄膜成長に適用す
れば、ＭＯＣＶＤ法の反応管内で、各種の原料ガスが化
合物半導体基板上に到達するまでに、熱分解してしまう
影響を防止し、加熱部に接して加熱されたガスは浮力を
持ち、その浮力による熱対流が生じ、それを積極的に利
用して、ガス膨張部へ排気４−ることで基板に到達した
後のガスが到達り°る前の原料ガス等と混流するのを防
１ｈｔ、、混合ガスと直角に基板を配置することで、基
板表面内で均一な温度分布を形成することになり、大面
るマの基板に対しででも良好な結晶性、表面平坦性、電
気的特性等を有１−る高い均質性を有し、高い品質を有
４゛るエピタキシャル成長層を再現性良く成長させるこ
とができ、従来の成長装置では見られない優れた効果を
発揮する。

本発明のｔ導体成長装置は、主に化合物半導体を作製す
るために、特に、有効であるが、更に、高効率の発光素
子、高速ＦＥＴ亦これらの集積化素ｆ等を基幹材料又は
構造とするものを形成するためにも有効である。即ち、
エピタキシャル成長層の特性を向上できるので、作製さ
れた素子の性能向上や素子製造の歩留り向と等に著しい
貢献ができるものである。

本発明の成長装置は、前記の実施例にのみ限定されるも
のでないことは明らかである０例えば、供給ガスの流れ
のための筒状流路手段は、他の構造でも用いられる。即
ち、ガスの流れが丁から上へ流れるようにした反応管に
おいて、基板がガスの流れに直角になっており、不用な
ガスの流れと有用なガスの流れが、効果的に分離する構
造であり、ガス膨張部とガス分離部が各々流路を取る構
造であれば、良い、更に、反応管は、石英以外の材料で
も可能である。

［発明の効果］ 本発明の半導体薄膜成長装置は、 第１に、供給ガスが熱対流の方向と同じ向きで流れる配
置であるために、供給ガスが安定した流れで、基板表面
に供給され、排気されるべきガスと混合４゛ることのな
いｔＬ長装置が提供されること第２に、供給ガスの流れ
に直角に基板表面を配置することによって、大きな面積
の基板に対しても高均質なエピタキシャル成長層が得ら
れる成長装置を提供すること、 第３に、供給ガスが基板表面に達する前に熱分解反応し
て、成長層に悪影響を及ぼすのを防止し、熱対流を利用
して反応の与知らないガスを排気し、基板に到達する前
のガスと到達後のガスが４シ流することを防止できた成
長装置を提供すること 第４に、金属有機化合物気相成長において、大きな面積
の基板に対してでも、良好な結晶性、表面７坦性、電気
的特性等を有する高均質で高品質なエピタキシャル成長
層を再現性良く成艮キせることができる、従来の装ｆｊ
、ｆでは見られない優れた゛ｉ導体薄膜成艮装置ξを提
供すること、などの技術的効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体薄膜成長装置の１具体例を示
４″断面図である。 第２図は、本発明の半導体薄膜成焚装置における熱対流
の１例を示す説明図である。 第３図は、本発明によるものでない原料ガスの流れを示
４′説明図であり、第３図１は、ガス流に角度をもつ基
板に成長させた場合、第３図すは、ガスｒＭに水トに配
置きれた基板の場合である。 第４図は、原料ガスの流れと成長薄膜表面を示ｒ説明断
面図である。 第５図は、本発明の）ト導体薄膜成長装置の１応用例を
示４−多数枚の半導体薄膜成長用の反応管の断面を示′
１゜ 第６図は、従来の半導体薄膜成長装置として縦型反応管
方式（ａ）とバレル型縦型反応管（ｂ）を示す断面図で
ある。 第７図は、従来の半導体薄膜成技装置の横型反応管方式
を示す断面図である。 第８図は、従来の縦型反応管方式での原料ガスの熱対流
を示す￥９．四図である。 ［主要部分の符号の脱甲］ ２９０６反応管 ３９１．冷却外側管 ６００．ガス導入口 ア３．．排気口 ８、　、半導体基板 １０、、、カーボンサセプター １１、、、加熱装置４ １２）、、ガス流路管 １３、、、キャリヤ流路管 １５、、、ガス膨張部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）供給ガスの導入管とガス排気口を備えた反応管と
   当該反応管の内部に配置された半導体基板を搭載する支
   持手段（カーボンサセプター）と該反応管の外部に設け
   られた該反応管を冷却するための外側管と前記半導体基
   板を加熱するための加熱装置を備える半導体薄膜成長装
   置において、 前記反応管内において（基板に接して流れる加熱ガスの
   対流を利用するように）、前記のガス導入口を下部に、
   且つ前記ガス排気口を上部に設置し、且つ該ガス導入口
   と該支持手段の間に、該基板表面に対して供給ガスを均
   一に供給する筒状流路手段を配置し、該反応に寄与しな
   かったガスを速やかに排出し、前記筒状流路手段から反
   応管内に供給したガスの流れを、該基板に直角に当るよ
   うにガス導入口構造を配したことを特徴とする前記半導
   体薄膜成長装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の半導体薄膜成長装置
   において、更に、前記筒状流路手段の周りに筒状キャリ
   ヤガス流路手段を備えた前記半導体薄膜成長装置。
3. （３）前記基板を搭載する支持手段は一体化され、自転
   するものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   半導体薄膜成長装置。