JPH06302516A

JPH06302516A - 気相成長法

Info

Publication number: JPH06302516A
Application number: JP8601893A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Nagai; 久隆永井; Tadaitsu Tsuchiya; 忠厳土屋
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】サセプタの総回転数を規定することによって、
薄膜の膜厚を均一化する。【構成】基板を保持したサセプタを回転させつつ、基板
表面に沿って原料ガスを流して結晶薄膜の成長を行う。
このサセプタを回転させつつ結晶薄膜を成長した時の成
長開始から終了までのサセプタの総回転数Ｒは次式で決
定する。Ｒ≧Ｌ／２ｘ−０．５Ｌ（％）はサセプタが静止しているときの薄膜の膜厚ば
らつき、ｘ（％）はサセプタを回転した時の薄膜の膜厚
ばらつきである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サセプタを回転しつつ
基板上に薄膜を形成する気相成長法に係り、特に適切な
サセプタの総回転数を見出して薄膜特性を向上するもの
に関する。

【０００２】

【従来の技術】気相成長法は、反応炉内のサセプタを回
転しつつ、これに支持した基板上に原料ガスを流して薄
膜を形成するものであり、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなど
の化合物半導体の薄膜単結晶を成長するのに好適であ
る。原料ガスとして、高純度の有機金属・水素化物・キ
ャリアガスを用いており、分子線エピタキシーのような
超高真空を必要としないので量産性に優れている。

【０００３】典型的な横型気相成長装置にあっては、基
板を支持するサセプタを回転しつつ、基板と平行に原料
ガスを流して薄膜を形成する。サセプタを回転しつつ薄
膜を形成するのは、サセプタが静止していると、基板に
成長する結晶の膜厚が原料ガスの流れ方向にばらつきを
もつためであり、サセプタを回転して膜厚ばらつきを少
なくしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
横型気相成長装置では、サセプタが静止している場合に
は、基板に成長する結晶の膜厚は、原料ガスの流れ方向
にばらつきをもっている。そこで、サセプタを回転させ
て基板に成長する薄膜の膜厚分布を均一にしている。

【０００５】サセプタを回転させる場合、サセプタを一
定速度で回転させていると、基板に成長する結晶の薄膜
は、その膜厚が厚ければ、その成長開始時点から終了時
点までに要する時間が大きいので、サセプタの総回転数
は多くなる。逆に膜厚が薄ければ総回転数は少なくな
る。また、基板に薄膜を成長している間のサセプタの総
回転数が多いときは、膜厚が厚いのでばらつきの影響は
少ないが、サセプタの総回転数が少ないときは、膜厚が
薄いので膜厚に対するばらつきの影響が大きくなる。

【０００６】この点で、従来では、サセプタの総回転数
が少なく膜厚の薄いときでも、厚いときと区別すること
なく、サセプタを定速回転していたため、結晶層の成長
開始から終了までのサセプタの総回転数Ｒが整数でない
ときには、その結晶層の膜厚が基板内で不均一になると
いう問題があり、各種半導体素子の性能や歩留まりの低
下を招いていた。この問題は、薄膜の膜厚が薄くなれば
成るほど顕著になる。

【０００７】本発明の目的は、サセプタの総回転数を規
定することによって、前記した従来技術の欠点を解消
し、薄膜の膜厚を均一化することができる気相成長法を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の気相成長法は、
反応炉に原料ガスを導入し、その反応炉内のサセプタを
回転しつつサセプタに支持した基板上に薄膜を形成する
気相成長法において、サセプタが静止しているときの薄
膜の膜厚ばらつきをＬ（％）、サセプタを回転して薄膜
を成長した時の薄膜の成長開始から終了までのサセプタ
総回転数をＲ（回）、サセプタを回転した時の薄膜の膜
厚ばらつきをｘ（％）とすると、Ｒ≧Ｌ／２ｘ−０．５の関係を満たすようにしたものである。ここでサセプタ
の総回転数Ｒは、回転速度ではなく、薄膜を成長してい
る間に実際にサセプタが何回回転したかを示す回数を意
味し、単位は回である。

【０００９】この場合において、薄膜の均一性をさらに
向上させるために、サセプタの総回転数Ｒを整数とする
ことが好ましい。また、本発明方法が対象とする好適な
薄膜は化合物半導体の単層のみならず多層の薄膜であっ
てもよい。

【００１０】

【作用】サセプタの回転数Ｒは、基板上に形成される薄
膜の膜厚を均一化するために行われるため、サセプタが
静止しているときの薄膜の膜厚ばらつきＬと密接な関係
がある。本発明はそのＲとＬとの関係を見出したもので
ある。

【００１１】Ｒ≧Ｌ／２ｘ−０．５の定性的な説明をす
る。サセプタを回転した時の薄膜の膜厚ばらつきｘを改
善してある所定値に抑え込むためには、サセプタが静止
しているときの薄膜の膜厚ばらつきＬが大きい場合に
は、そのばらつきを均一化するために総回転数を上げる
必要がある。逆にＬが小さい場合には総回転数は小さく
てもよい。

【００１２】このようにｘが所定値に抑え込まれるよう
に、サセプタの総回転数の下限を規定したので、結晶薄
膜の成長開始から終了までのサセプタの総回転数Ｒが整
数でないときでも、その結晶薄膜の膜厚の基板内での均
一化が図れる。

【００１３】

【実施例】図３は、本発明の気相成長法を実施するため
の横型気相成長装置の一実施例を示す縦断面図である。
一端にガス導入管２、他端にガス排気管３を備えた横型
反応炉１の中央に、炉内と連通するチャンバ８を備え
る。そのチャンバ８内にサセプタ５により１枚の基板４
を、基板表面を上にして炉軸と平行に支持する。サセプ
タ５は、サセプタ支持軸７を介してモータ９により回転
自在に支持される。基板４はヒータ６によりサセプタ５
を介して加熱される。

【００１４】このような横型気相成長装置では、原料の
有機金属（例えば、トリメチルガリウム：Ｇａ（Ｃ
Ｈ₃）₃、トリメチルアルミニウム：Ａｌ（Ｃ
Ｈ₃）₃）、水素化物（例えば、アルシン；ＡｓＨ3
）、およびキャリアガス（例えば水素Ｈ2 ）をガス導
入管２から反応炉１に導入する。導入された原料は熱分
解して、ヒータ６により加熱されたサセプタ５上の基板
４に化合物半導体結晶（例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ）が成長する。なお、反応したガスはガス排気管９か
ら排出する。

【００１５】ところで、サセプタが静止した状態では、
膜厚は、原料ガスの流れ方向にあるばらつきＬ（％）を
もって不均一になることは既述したところである。図４
は、そのようなサセプタが静止した状態での薄膜の膜厚
分布を示す。サセプタ５を回転することにより、膜厚を
均一にすることができるが、薄膜が極めて薄かったり、
あるいはばらつきＬが大きかったりすると、その薄膜の
成長開始から終了までの間のサセプタ５の総回転数Ｒが
整数ではないときには、膜厚が不均一になる可能性があ
る。すなわち、サセプタが１回転し終わると膜厚は均一
になるが、半回転止りのときはばらつきを吸収できない
ため、膜厚が不均一になる。

【００１６】例えば、サセプタ５が１回転する間に結晶
が厚さｄだけ成長すると仮定すると、その結晶は、サセ
プタ５がＲ回だけ回転したとき、厚さはｄＲになる。特
に、サセプタ５が半回転だけ回転したときの厚さはｄ／
２になる。サセプタ５が半回転したことによる膜厚のば
らつきは、おおよそ（ｄ／２）（Ｌ／１００）＝ｄＬ／２００（１）になることが分かっている。つまり、結晶の膜厚ｄ（Ｒ
＋０．５）に対してｘ＝（ｄＬ／２００）×１００／ｄ（Ｒ＋０．５）＝Ｌ／２（Ｒ＋０．５）（％）（２）のばらつきが発生する。

【００１７】したがって、膜厚分布を均一にするために
は、式（２）サセプタ５の総回転数Ｒを、Ｒ≧Ｌ／（２ｘ−０．５）（３）にする必要がある。

【００１８】この式（３）で、サセプタ５を回転したと
きのばらつきをｘ＝１（％）にしたときのＬとＲの関係
をグラフ化して示すと図１のようになる。なお、同図
中、Ｌ＝１（％）のときは、回転しなくてもｘ＝１
（％）を確保できることを意味する。

【００１９】本実施例によれば、サセプタの総回転数
を、式（３）を満たすようなＲとすることにより、薄膜
が極めて薄かったり、あるいはばらつきＬが大きかった
りした場合において、結晶層の成長開始から終了までの
サセプタの総回転数Ｒが整数でないときでも、その結晶
層の膜厚が基板内での均一化が図れる。

【００２０】さて次に、実際に上式（３）が正しいこと
を確認するために、図３の横型気相成長装置を用いてＨ
ＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor ）構造の
薄膜結晶を気相成長して、その電気特性を調べた。サセ
プタ５を静止したときの薄膜の膜厚ばらつきはＬ＝２０
（％）であった。従って、サセプタ５を回転したときの
薄膜の膜厚ばらつきがｘ＝１（％）になるサセプタ５の
総回転数Ｒは、式（３）から計算上、Ｒ≧９．５となる
はずである。

【００２１】そこで、ＨＥＭＴ構造結晶の薄膜で最も薄
い薄膜（スペーサ層）を成長させるときのサセプタ総回
転数Ｒを、上記計算結果も含まれるように、次のように
変えて、電気特性のばらつき、すなわち膜厚ばらつきに
対応するシートキャリア濃度ｎ_sのばらつきΔｎ（％）
を調べた。

【００２２】Ｒ＝２．５、Ｒ＝５．０、Ｒ＝９．５Ｒ＝２．５のとき△ｎ＝４．５（％）、Ｒ＝５．０のと
き△ｎ＝１．１（％）、Ｒ＝９．５のとき△ｎ＝１．２
（％）となった。

【００２３】計算通りＲ＝９．５で△ｎは小さくなって
いる。Ｒ＝２．５では総回転数Ｒが小さいために△ｎは
大きくなっている。なお、Ｒ＝５．０では、Ｒ≧９．５
を満たしていないが、Ｒが整数であるため△ｎは小さく
なっている。

【００２４】このように本具体例において式（３）が正
しいことが立証され、所望する薄膜の膜厚ばらつきを得
るためのサセプタの総回転数を式（３）から決定するこ
とにより、ＨＥＭＴ構造結晶の電気特性のばらつきを小
さくして、歩留まりを向上することができた。

【００２５】なお、上記実施例では、サセプタに支持す
る基板が１枚である場合について説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、図２に示す変形例のよ
うに、サセプタ１５上に複数の基板４をセットしてもよ
い。この場合にも、サセプタの総回転数を式（３）を満
たすように規定すれば、サセプタ１５にセットされた全
ての基板４の薄層の膜厚分布を同じにすることができ
る。また、本発明を、基板を下向きに支持する気相成長
法にも適用できることは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】

（１）請求項１に記載の気相成長法によれば、サセプタ
静止時のばらつきと、目標とする回転時のばらつきとか
らサセプタの総回転数を規定するようにしたので、サセ
プタを定速回転していた従来の場合と異なり、結晶薄膜
の成長開始から終了までのサセプタの総回転数が整数で
ないときでも、基板内の膜厚を均一化できる。この膜厚
の均一化により、素子の歩留まりの向上を図ることがで
きる。特に、本発明はＨＥＭＴ構造結晶のスペーサ層の
ような極端に薄い結晶薄膜を成長させるような時に有効
になる。

【００２７】（２）請求項２に記載の気相成長法によれ
ば、規定されたサセプタの総回転数を特に整数としたの
で、基板内の膜厚を大幅に均一化できる。

【００２８】（３）請求項３に記載の気相成長法によれ
ば、化合物半導体の薄膜に適用したので、化合物半導体
からなる各種半導体素子の性能や歩留まりの向上を図る
こと。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるサセプタの回転による膜
厚のバラツキを１％にしたときに、サセプタを静止した
時の膜厚のばらつきの大きさＬと、サセプタの総回転数
Ｒとの関係を示す特性図。

【図２】本発明の変形例を示す複数の基板を支持するサ
セプタの平面図。

【図３】本発明方法を実施するための横型気相成長装置
の一実施例を示す縦断面図。

【図４】サセプタが静止した時の原料ガスの流れ方向の
基板内の膜厚分布を示す特性図。

【符号の説明】

１反応炉２ガス導入管３ガス排気管４基板５サセプタ６ヒータ７サセプタ支持軸８チャンバ９モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応炉に原料ガスを導入し、その反応炉内
のサセプタを回転しつつサセプタに支持した基板上に薄
膜を形成する気相成長法において、サセプタが静止して
いるときの薄膜の膜厚ばらつきをＬ（％）、サセプタを
回転しつつ薄膜を成長した時の薄膜の成長開始から終了
までのサセプタの総回転数をＲ（回）、サセプタを回転
した時の薄膜の膜厚ばらつきをｘ（％）とすると、Ｒ≧Ｌ／２ｘ−０．５の関係を満たすことを特徴とする気相成長法。
【請求項２】上記サセプタの総回転数Ｒが整数である請
求項１に記載の気相成長法。
【請求項３】上記薄膜が化合物半導体の単層または多層
の薄膜である請求項１または２に記載の気相成長法。