JPH03236220A - 半導体気相成長方法 - 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】 〔概要〕 基板上に気相成長により薄膜を堆積させる気相成長装置
に関し、 原料ガスの分解温度がサセプタの温度に近い場合におい
ても、優れた均一性を有する膜を成長できる気相成長方
法を提供することを目的とし、横型反応管内部に設けら
れたライナー管内に置かれたサセプタに載せられた基板
を、前記横型反応管の外部に設けられた誘導加熱装置に
より加熱し、前記ライナー管内に原料ガスを流して、前
記基板上に半導体を気相成長する方法において、基板上
方のライナー管部分に、ライナー管の外側から冷却ガス
を直接吹付は前記基板上方のライナー管部分を低温に冷
却するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、基板上に気相成長により薄膜を堆積させる気
相成長装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は従来の気相成長装置の模式側面断面図である。

第３図において１は反応管、２はライナー管、３は原料
ガス導入管、４はパージ用ガス導入管、５は基板、６は
カーボン製サセプタ、７はサセプタ加熱用高周波コイル
、８は成長期にライナー管内壁に堆積する付着物、９は
排気口である。

成長時には、基板５を載せたサセプタ６が高周波コイル
７により加熱されている。

原料ガス導入管３から導入された原料ガスは基板５上に
薄膜を堆積させ、その後排気口９から反応管１外に排８
される。

気相成長中には、サセプタ６周辺のガスおよびライナー
管２もサセプタ６からの熱伝導や輻射によって加熱され
高温になる。そのため、成長を行っていると、気相中ま
たはライナー管２の内壁表面で原料ガスの一部が加熱・
分解され、次第にライナー管２の内壁に付着物８が堆積
して行（。

付着物８は主にサセプタ６の先端から原料ガスの流れの
下流側にかけてのライナー管２の上方に堆積する。サセ
プタ６の先端から原料ガスの流れ方向で見て上流側では
、原料ガスがまだあまり加熱されていないため付着物の
堆積は少ない。

〔発明が解決しようとする課題］ 上述の従来方法によると、成長中に次第にライナー管２
の内壁に付着物が堆積して行く。付着物が堆積するとい
うことは、その分だけ原料ガスが消費されているという
ことであり、従って原料ガスの流れの上流から下流にか
けて原料ガス中の原料の濃度が次第に下がることになる
。そうすると、基板５に成長する膜の成長速度は原料の
濃度勾配により支配される拡散律速であるから、原料ガ
スの流れの上流で厚く下流で薄い不均一な膜になるとい
う問題を生ずる。

サセプタ６の温度は一般に高い方が成長膜の結晶性は良
くなるが、不純物などが成長膜中に取り込まれ易くなる
。したがって、サセプタ６の温度は成長させる結晶の種
類に応じて所望の特性の結晶が得られるように定められ
る。

原料ガスの分解温度が上記のようにして定められるサセ
プタ６の温度よりも十分高ければ、付着物の堆積は少な
く成長する膜の均一性はまだ良いが、原料ガスの分解温
度がサセプタ６の温度に近かければ、付着物の堆積は多
く成長する膜の均一性は悪（なる。

このような膜の均一性の低下を防止するためには従来は
ライナー管２内を減圧にして成長を行っていた。減圧気
相成長の場合はガス流速が大になるので、サセプタ近傍
での原料ガス濃度勾配が低下し、膜の均一性は良好にな
る。しかし、減圧気相成長装置では装置自体の構造が複
雑になるという問題がある。

したがって、本発明では、原料ガスの分解温度がサセプ
タ６の温度に近い場合においても、優れた均一性を有す
る膜を成長できる気相成長方法を提供することを目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点の解決は、横型反応管内部に設けられたライ
ナー管内に置かれたサセプタに載せられた基板を、前記
横型反応管の外部に設けられた誘導加熱装置により加熱
し、前記ライナー管内に原料ガスを流して、前記基板上
に半導体を気相成長する方法において、 基板上方のライナー管部分に、ライナー管の外側から冷
却ガスを直接吹付は前記基板上方のライナー管部分を冷
却する方法により達成される。

この方法においては、成長中に、サセプタ上に載った基
板の上方のライナー管部分に冷却用ガスを吹き付けてサ
セプタの温度は低下させず、付着物が付き易い部分のラ
イナー管を冷却することにより、成長中のライナー管２
の内壁への付着物の堆積を抑える。これによって、原料
ガスのながれの上流から下流にかけての原料ガス中の原
料の濃度変化を小さくし、成長膜の上流から下流にかけ
ての均一性を改善するものである。

上記方法の実施態様において多層気相成長を行う際に、
少なくとも一つの半導体層の成長中に前記冷却ガスの直
接吹付けを行い、サセプタの加熱温度が原料ガスの分解
温度より低い原料ガスを用いる半導体層の成長について
は前記冷却ガスの直接吹付けを行わない方法も可能であ
る。

以下、上記方法の具体例を図面に基づき説明する。

第１図において１は反応管、２はライナー管、３は原料
ガス導入管、４はパージ用ガス導入管、５は基板、６は
カーボン製サセプタ、７はサセプタ加熱用高周波コイル
、８は成長中にライナー管内壁に堆積する付着物、９は
排気口、１０は冷却ガス吹付管、１１は基板の上方のラ
イナー管部分である。

冷却ガスの吹付管ｌＯを用い、基板上方のライナー管部
分に冷却ガスを直接吹付けることによって、原料ガスの
流れの下流にかけての均一性が、基板の上方のライナー
管部分１１を冷却しない場合と比較して改善される。

例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）とＡｓＨｓ（アルシン）を原料とし
て、ＩｎＧａＡｓ層を成長する場合、基板の上方のライ
ナー管部分１１を冷却することによって、基板５の下流
部においても、分解しゃすいＴＭＩが枯渇することがな
（流れの上流から下流にかけて高均一なＩｎＧａＡｓ層
を成長することができる。

しかし上述の方法によると、基板の上方のライナー管部
分１１を冷却することによって、基板５付近のガスの温
度もある程度下がってしまう。このことは、ある種の半
導体層を成長するときにはデメリットとなる。例えば、
ＴＭＧ　（トリメチルガリウム）とＴＭＩ　（トリメチ
ルインジウム）とＰＨ５（フォスフイン）を原料として
、ＩｎＧａＰ層を成長する場合、基板の上方のライナー
管部分１１を冷却することによって、成長したＩｎＧａ
Ｐ層のＰＬ（フォトルミネッセンス）強度が、基板の上
方のライナー管部分１１を冷却しない場合と比較して弱
くなった。これは、基板の上方のライナー管部分１１を
冷却することによって、基板５付近のガスの温度がある
程度下がってしまったため、熱分解しに（いＰＨ，の分
解が十分でなくなり、よって成長表面のリン圧が不足し
結晶性が悪くなったものと思われる。

従って、例えばＩｎＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層よりから
なる半導体多層構造を成長する際に、冷却用ガスを流さ
ないとＩｎＧａＡｓ層の均一性が悪くなり、冷却用ガス
を流すとＩｎＧａＰ層の結晶性が悪くなり、良好な結晶
性と均一性を両立できない。このため本発明の一実施態
様においては、半導体多層構造の各々の層ごとに最適な
ライナー管冷却用ガス流量で各々の層を成長する成長方
法を採用する。

ここで、難（易）分解性ガスとは、相対的なものであっ
て、例えばＡ　ｓ　ＨｓとＰＨ，を比較すると前者が易
分解性、後者が難分解性である。従って、ＴＭＩ　　（
）リメチルインジウム）とこれらのガスを混合した原料
ガスにあってはＴＭＩ＋Ａ　ｓ　Ｈｓが易分解性ガス、
ＴＭＩ＋ＰＨ，が難分解性ガスとなる。またＴＭＧ（ト
リチルガリウム）＋ＡｓＨｉが易分解性ガス、ＴＭＧ＋
ＰＨ３が難分解性ガスとなる。

ＴＭＩとＴＭＧを比較すると前者が易分解性、後者が難
分解性である。したがって、ＴＭＩ＋Ａ　ｓ　ＨｓとＴ
　Ｍ　Ｇ　＋　Ａ　ｓ　Ｈｓ　、およびＴＭＩ＋ＰＨ，
とＴＭＧ＋ＰＨ，ではＴＭＩを含有する前者が易分解性
ガスである。

またＴ　Ｍ　Ｉ　＋　Ａ　ｓ　ＨｓとＴＭＧ＋ＰＨｓを
比較すると前者が易分解性ガス、後者が難分解性ガスで
ある。

上記以外のガスについては冷却用ガスを流さない場合に
ついて付着物８（第１図）の量の大小により難（易）分
解性を決定し、難分解性原料ガスと易分解性原料ガスを
用いて異なる半導体層の成長を行う多層気相成長方法に
おいて、難分解性原料ガスによる気相成長工程において
、易分解性原料ガスによる気相成長工程よりも前記冷却
ガスの流量を少なくする。

［作用］ 即ち本発明は、半導体の単層の種類に応じて、また多層
構造の各々の層ごとに最適なライナー管冷却用ガス流量
で成長する成長方法を採用することによって、例えばＩ
ｎＧａＡｓ層とＩ　ｎＧａＰ層よりからなる半導体多層
構造を成長した場合においても、結晶性と均一性の双方
に優れた半導体多層構造を成長可能とするものである。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を具体的に説明する。

第１図に示すような気相成長装置を用いて、第２図に示
すようなＧａＡｓ基板２０上にＩｎＧａＡｓ層２１とＩ
　ｎＧａＰ層２２からなる半導体多層構造を成長する例
を説明する。ＩｎＧａＡｓ層２１の成長時にはＴＭＩと
ＴＭＧとＡ　ｓ　Ｈｓを原料ガス導入管３を通してライ
ナー管２内へ導入する。この時、基板の上方のライナー
管部分１１をライナー管冷却用ガス導入管１０から冷却
用ガスを吹き出して冷却することにより、高均一なＩｎ
ＧａＡｓ層を成長する。次に、Ｉ　ｎＧａＡｓ層からＩ
ｎＧａＰ層の成長に移る時にヘテロ界面の急峻性を良く
するために成長中断を入れる。このとき、Ｖ族元素の成
長層表面からの蒸発を防ぐためＰ　Ｈｓをライナー管２
内へ導入しておく。これと同時にライナー管冷却用ガス
導入管ｌＯから吹き出す冷却用ガスの流量をほとんど零
まで絞りこむ。ガスの流れが定常状態になったところで
、ライナー管２内へＴＭＩとＴＭＧとＰＨｓを導入しＩ
ｎＧａＰ贋２２を成長する。ＩｎＧａＰ層の成長時には
基板の上方のライナー管部分１１を冷却していないため
、良好な結晶性のＩｎＧａＰ層を成長できる。

上述のような成長方法により、結晶性と均一性の双方に
優れたＩ　ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ半導体多層構造を成
長できる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、常圧での成長中に、基板
の上方のライナー管部分１１に冷却用ガスを吹き付けこ
の部分を冷却することにより、成長中の基板の上方のラ
イナー管部分１１の内への付着物の堆積を抑えることが
でき、原料ガスの流れの上流から下流にかけての原料ガ
ス中の原料の濃度変化を小さくすることができるため、
成長層の上流から下流にかけての高均一化に有効である
。

本発明は減圧で使用しても減圧の程度に応じて効果はあ
るが、常圧に近い方が効果は大である。

さらに半導体多層構造の各々の層ごとに最適なライナー
管冷却用ガス流量で各々の層を成長できるため、半導体
多層構造の結晶性や均一性の向上に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の気相成長方法を実施する装置の模式側
断面図、 第２図はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ半導体多層構造の構
造図、 第３図は従来法について第１図と同様の図面である。 図において１は反応管、２はライナー管、３は原料ガス
導入管、４はパージ用ガス導入管、５は基板、６はカー
ボン製サセプタ、７はサセプタ加熱用高周波コイル、８
は成長中にライナー管内壁に堆積する付着物、９は排気
口、ｌＯはライナー管冷却用ガス導入管、１１は基板の
上方のライナー管部分である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、横型反応管内部に設けられたライナー管内に置かれ
   たサセプタに載せられた基板を、前記横型反応管の外部
   に設けられた誘導加熱装置により加熱し、前記ライナー
   管内に原料ガスを流して、前記基板上に半導体を気相成
   長する方法において、 基板上方のライナー管部分に、ライナー管の外側から冷
   却ガスを直接吹付け前記基板上方のライナー管部分を冷
   却することを特徴とする半導体気相成長方法。 ２、多層気相成長を行う際に、少なくとも一つの半導体
   層の成長中に前記冷却ガスの直接吹付けを行う請求項１
   記載の半導体気相成長方法。 ３、難分解性原料ガスと易分解性原料ガスを用いて異な
   る半導体層の成長を行う請求項２記載の半導体の気相成
   長方法において、難分解性原料ガスによる気相成長工程
   において易分解性原料ガスによる気相成長工程よりも前
   記冷却ガスの流量を少なくする半導体の気相成長方法。