JPH04324623A - 気相成長装置および気相成長方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気相成長装置と気相成長
方法に関し、特に、その気相成長装置を用いて半導体基
板上に半導体結晶層を形成する技術に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】気相成長装置を用いて半導体結晶を成長
させる際には、原料をそのまま、あるいは不活性ガスで
あるキャリアガスと共に反応炉に導入し、反応炉内で加
熱されている半導体基板上での熱反応を利用して、半導
体結晶層を成長させる。

【０００３】２種類以上の結晶構造を続けて成長させる
場合には、第１の結晶層に必要な原料をオフした後、第
２の結晶層に必要な原料をオンすることによって、異な
る結晶層を積層することができる。このときに、反応炉
に導入されるガスの流速や圧力の変動などがあると、基
板上に供給されるガスの流れに乱れが生じ、結晶の特性
、特に二つの結晶層の切り替わり界面の急峻性を損なう
ことになる。

【０００４】このことを避けるために、急峻な界面を形
成することを目的とする気相成長法では、例えば、以下
に示す専門誌 “Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔ
ｈ　９３　ｐ．３５３−３５８（１９８８）”に示され
ているような、ベントランシステムが用いられる。ベン
トランシステムは図６に示すように、反応炉１に接続さ
れて必要なガスを送り込むランライン４と、反応炉１を
バイパスして排気管８より不要なガスを排気管８より排
気するベントライン５とを持っている。原料ライン７は
、成長時にはランライン４に接続され、成長を停止する
ときにはベントライン５に接続される。このことによっ
て原料ライン７に流すガスの流量を常に一定にしておく
ことができる。しかし、これだけでは、ランライン４を
流れるガスの総量が成長時とベント時とで変化してしま
う。このことを防ぐ役目を果たすのが、ダミーライン６
である。ダミーライン６は通常原料ライン１本に対し１
本設けられ、対応する原料ライン７中のガスの流量と同
じ流量のガスが流される。ダミーライン６には、キャリ
アガスとして用いるために水素あるいは窒素などの不活
性ガスが流される。このダミーライン６を、対応する原
料ライン７がランライン４に接続されているときにはベ
ントライン５に、逆に原料ライン７がベントライン５に
接続されているときにはランライン４に接続させる。こ
のことによりランライン４に流れるガス流量を常に一定
に保つことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ランライン４
に流れるガス流量を一定にするだけでは、ガスの切り替
えに伴うランライン４内のガスの流れの乱れを完全にな
くすことはできない。ガスは通常内径数ミリメートルと
いう細い配管を用いて流される。また、ガスの切り替え
のためには狭いオリフィスを持ったバルブが配管中に挿
入される。ガスはこのような配管、バルブを通るときに
抵抗を受け、その結果として配管内に圧力分布が形成さ
れる。ガスの受ける抵抗は、ガスの流量だけでなく、ガ
スの種類に大きく依存する。特にそのガスの持つ平均分
子量の大きさに依存し、平均分子量が大きくなるほど抵
抗が大きくなる。

【０００６】前述の従来例では、ランラインに流される
ガスの総流量は常に一定であるが、原料ラインに流され
る原料ガスと、ダミーラインに流されるダミーガスとで
はその平均分子量が異なるため、ガスの切り替えに伴い
、配管内の圧力分布に変動が生じ、結果として、形成さ
れる半導体結晶層の界面の急峻性を損ねるという問題が
あった。

【０００７】そこで本発明は、上記の問題点を解決した
気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、内部で気相成
長を行う反応炉と、反応炉に接続されて気相成長に必要
なガスを送るランラインと、反応炉から導出された排気
管まで延設されて不要なガスを送るベントラインと、気
相成長に用いる原料を送る原料ラインと、原料ガスに代
替されるダミーガスを送るダミーラインとを備え、原料
ラインとダミーラインがランラインとベントラインに逆
方向に接続・切り替えされる気相成長装置において、ダ
ミーラインは、対応する原料ガスと等しい平均分子量の
ダミーガスを構成する２種類以上の不活性ガス源に接続
されていることを特徴とする。

【０００９】一方、本発明に係る気相成長方法では、原
料ガスとダミーガスをそれぞれ原料ラインとダミーライ
ンに送り、さらに、気相成長に必要なガスを送るランラ
インあるいは不要なガスを排気するベントラインのいず
れかに別々に同時に送ることによって、反応炉内に設置
された半導体基板表面に半導体結晶層を成長させる気相
成長方法において、ダミーガスをダミーラインに送る際
に、２種類以上の不活性ガスを混合して対応する原料ガ
スと等しい平均分子量のダミーガスとすることを特徴と
する。なお、前述のダミーガスは、水素ガス、窒素ガス
、アルゴンガスの内の２種類以上の不活性ガスで構成さ
れている。

【００１０】

【作用】本発明によれば、ダミーラインは原料ガスと等
しい平均分子量のダミーガスを構成する２種類以上の不
活性ガスの供給装置に接続されているため、予め対応す
る原料ガスの平均分子量に合わせて不活性ガスの混合比
を設定することが可能となる。

【００１１】また、前述のダミーラインには、対応する
原料ガスとほぼ等しい平均分子量となる２種類以上の不
活性ガスの混合体を送って接続の切り替えを行うため、
ランラインに流すガスの総流量を常に一定にすると共に
、その配管内の圧力分布も常に一定に保つことができる
。なお、原料ガスの平均分子量に対応させて、ダミーラ
インに流すガスを水素ガス、窒素ガス、アルゴンガスの
中から選択することが可能である。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例に係る気相成長装置を、有機
金属気相成長方法に用いる場合について説明する。図１
は、その気相成長装置を示す図である。図示されている
ように、半導体結晶層を成長させる基板２がサセプタ３
上に設置されている反応炉１の上部、及び下部には、半
導体結晶層の成長に必要なガスを導入するためのランラ
イン４及び反応炉１をバイパスして不要なガスを排気管
８より排気するためのベントライン５がそれぞれ接続さ
れている。これらランライン４とベントライン５には、
そのいずれかのラインに別々に同時に、原料ガスあるい
はダミーガスを送る原料ライン７とダミーライン６が接
続されている。この原料ライン７は、原料のＶ族ガスと
してＡｓＨ３　（アルシン）、ＰＨ３　（フォスフィン
）、同じくＩＩＩ　族ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガ
リウム）、ＴＥＧ　　（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ
（トリメチルインジウム）などの有機金属が入れられて
いるバブラー等に接続されている。このＶ族ガスは通常
水素ガスにより一定の濃度に希釈されたものが原料ガス
として原料ライン７に導入され、一方、ＩＩＩ　族ガス
は一般に常温で液体、又は固体であるので、これを収め
たバブラーの中に水素ガスを流すことにより、その蒸気
を原料ライン７に導入する。さらにダミーライン６には
、原料ガスの平均分子量とほぼ等しくなるように混合し
た水素ガス及び窒素ガスの混合体の流量を調整する流量
制御弁（ＭＦＣ）が設けられている。

【００１３】上記の気相成長装置では、前述したように
ダミーライン６に２種類の不活性ガスの混合体の流量を
制御するＭＦＣが備えられているため、予めダミーライ
ン６に流す水素ガス及び窒素ガスの混合比を所望の割合
に設定し、対応する原料ガスの平均分子量と等しくする
ことができる。

【００１４】次に、上述の気相反応装置を用いた気相成
長方法について説明する。まず、図２に、水素をキャリ
アガスとしてこれらの原料ガスを用いたときに原料ライ
ン７を流れる原料ガスの平均分子量を示す。同図（ａ）
はＶ族ガスであるＡｓＨ３　及びＰＨ３　の平均分子量
であり、キャリアガスである水素中の濃度がそれぞれ１
０％、２０％の場合の値である。同図（ｂ）は、ＩＩＩ
　族ガスであるＴＭＧ、　　ＴＥＧ、ＴＭＡ、そしてＴ
ＭＩの平均分子量を示している。このＩＩＩ　族ガスを
用いた原料ガスの平均分子量は、バブラーから出てくる
有機金属ガスのモル分率Ｐｍ／（Ｐｏ−Ｐｍ）で表せる
。ここにＰｍは有機金属ガスの使用温度での蒸気圧であ
り、Ｐｏはバブラー内の圧力である。一方、ダミーライ
ン６に水素、窒素、アルゴンの３種類の混合ガスを用い
る場合の平均分子量は、それぞれの組成をｘ、ｙ、（１
−ｘ−ｙ）としたとき、　　２．０ｘ＋２８．０ｙ＋３
９．９（１−ｘ−ｙ）で求められる。上述の式によって
、原料ガス、及びダミーガスの平均分子量を求めること
ができるので、原料ライン７に流れる原料ガスの平均分
子量と等しくなるように、ダミーガスの組成ｘ、ｙを決
定すれば良い。

【００１５】本実施例においては図２からわかるように
、ＴＭＧを２０℃で使用する時以外は、原料ガスの平均
分子量が窒素の分子量より小さくなるので、ダミーライ
ン６に流すダミーガスは、水素と窒素の２種類のガスの
組み合わせにより本発明を実現することができる。この
ときのダミーライン６内を流れるダミーガスの平均分子
量は２．０ｘ＋２８．０（１−ｘ）で求められる。この
ときの各原料に対するｘの値を同図に示した。

【００１６】次に、上述の方法で調整したダミーガスを
用い、実際にＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの多層構造をＩｎＰ
結晶の上に成長させる時の手順を示す。この結晶の多層
構造は、図３に示すような３０オングストロームの厚さ
のＧａＩｎＡｓ層をＩｎＰ層で挟んだ量子井戸構造であ
る。この構造を成長させるときの手順を図４に示す。こ
こで、重要なのはＩｎＰ層からＧａＩｎＡｓ層への切り
替え、及びＧａＩｎＡｓ層からＩｎＰ層への切り替えで
ある。まず、ＩｎＰ層の成長を終えるときにはＴＭＩ１
ラインをランライン４からベントライン５に切り替える
。その０．５秒後にＰＨ３　ラインをランライン４から
ベントライン５に切り替え、同時にＡｓＨ３　ラインを
ベントライン５からランライン４に切り替える。さらに
、０．５秒後にＴＭＩ２ラインとＴＥＧラインを同時に
ベントライン４からランライン５に切り替えＧａＩｎＡ
ｓ層の成長を開始する。ＧａＩｎＡｓ層からＩｎＰ層に
切り替えるときには、この逆の操作を行う。即ちＧａＩ
ｎＡｓ層の成長終了と同時にＰＨ３　ラインをベントラ
イン５からランライン４に切り替え、その０．５秒後に
ＴＭＩ１ラインをベントライン５からランライン４に切
り替える。従ってこの１秒の間、計５本の原料ライン７
を切り替えることになるが、そのすべての原料ライン７
が、その原料ガスと同じ流量で同じ平均分子量を持つダ
ミーガスが流れるダミーライン６と共に切り替えられる
ため、反応炉１に導入されるランライン４内の圧力分布
は一定で、ガスの流れに乱れが生じることがなく、従っ
て急峻な界面を形成することができる。

【００１７】この実施例では、５本の原料ライン７全て
に、本発明の方法を用いた。しかし図２に示されている
ように、ＡｓＨ３　、ＰＨ３　などのガスはその平均分
子量が水素ガスの５倍近くあり、本発明の効果が大きく
期待できるが、ＴＭＩのような原料では、その平均分子
量が水素ガスに比べて１割強大きいにすぎない。従って
、ＴＭＩラインなどについては、従来の方法を用い、Ａ
ｓＨ３　、ＰＨ３　についてのみ本発明の方法を用いる
ことによっても、ある程度、急峻な界面を形成すること
ができる。

【００１８】図５は、本発明に係る気相成長方法によっ
て得られた量子井戸構造からの４Ｋでのフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。スペクトルの半値幅
が８ｍｅＶという狭い半値幅を持つ結晶層が得られた。 フォトルミネッセンススペクトルはそのＧａＩｎＡｓ／
ＩｎＰの界面が乱れていると、その半値幅が広がること
が知られている。すべてのダミーライン６に流すガスを
水素のみとした従来例の方法で成長した同様の結晶構造
からのフォトルミネッセンススペクトルの半値幅は１６
ｍｅＶであるから、界面の急峻性が本発明の効果によっ
て大幅に向上したことを示している。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ダミーラインに流す不
活性ガスの混合比を予め設定することができるため、原
料ガスの平均分子量に対応させて、その不活性ガスの組
成を調整することができる。

【００２０】また、ランライン内のガスの総流量を常に
一定にすることができると共に、ガスの切り替えに伴う
配管内の圧力分布の変動も抑えることができる。この結
果、ガスの切り替えに伴うガスの流れの乱れがなくなり
、基板上に成長させる半導体結晶層の品質を向上させ、
特に急峻な界面を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気相成長装置を示す図である。

【図２】各原料ガスの平均分子量と、それに対応する水
素と窒素の混合比率を示す表である。

【図３】成長した結晶層を示す図である。

【図４】本発明に係る制御手順を示す図である。

【図５】本発明の方法で作製された結晶の４Ｋでのフォ
トルミネッセンススペクトルを示す図である。

【図６】従来の気相成長装置を示す図である。

【符号の説明】

１…反応炉 ２…半導体基板 ３…サセプタ ４…ランライン ５…ベントライン ６…ダミーライン ７…原料ライン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内部で気相成長を行う反応炉と、前記
   反応炉に接続されて気相成長に必要なガスを送るランラ
   インと、前記反応炉から導出された排気管まで延設され
   て不要なガスを送るベントラインと、気相成長に用いる
   原料ガスを送る原料ラインと、前記原料ガスに代替され
   るダミーガスを送るダミーラインとを備え、当該原料ラ
   インと当該ダミーラインが、前記ランラインと前記ベン
   トラインに逆方向に接続・切り替えされる気相成長装置
   において、前記ダミーラインは、対応する原料ガスと等
   しい平均分子量のダミーガスを構成する２種類以上の不
   活性ガスの供給装置に接続されていることを特徴とする
   気相成長装置。
2. 【請求項２】　　原料ガスとダミーガスをそれぞれ原料
   ラインとダミーラインに送り、さらに、気相成長に必要
   なガスを送るランラインあるいは不要なガスを排気する
   ベントラインのいずれかに別々に同時に送ることによっ
   て、反応炉内に設置された半導体基板表面に半導体結晶
   層を成長させる気相成長方法において、前記ダミーガス
   を前記ダミーラインに送る際に、２種類以上の不活性ガ
   スを混合して対応する原料ガスと等しい平均分子量のダ
   ミーガスとすることを特徴とする気相成長方法。
3. 【請求項３】　　前記ダミーガスは、水素ガス、窒素ガ
   ス、アルゴンガスの内の２種類以上の不活性ガスで構成
   されていることを特徴とする、請求項２記載の気相成長
   方法。