JPH10223539A

JPH10223539A - 有機金属気相成長方法とその気相成長装置

Info

Publication number: JPH10223539A
Application number: JP2056597A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Imanishi; 大介今西; Sunao Yamamoto; 直山本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＯＣＶＤ装置の構造の簡略化を図り、有機
金属原料ガスとキャリアガスとの流量の制御を簡潔に行
うことができるようにする。【解決手段】同族の２元以上の各有機金属原料ガス
を、有機金属気相成長がなされる基板１６が配置された
反応管１３につながり、キャリアガスが供給されるリア
クタライン２２への供給前で合流させて、有機金属気相
成長がなされる基板１６が配置された反応管１３に供給
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機金属気相成長
方法とその気相成長装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diod
e）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor
）を始めとする種々の半導体デバイス装置における化
合物半導体の成膜、例えばエピタキシャル成長において
は、正確で、再現性のある原料の供給制御ができる有機
金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）や、分子
線エピタキシャル法（ＭＢＥ）が適している。さらにこ
れらの方法は、非平衡状態での結晶成長を特徴としてお
り、液相成長では困難な多元系化合物半導体混晶を得る
ことができる。特に、ＭＯＣＶＤ装置では、その規模を
大きくすることが容易で、化合物半導体の育成を効率良
く、容易に行うことができる。

【０００３】図２に、複数の有機金属原料ガス供給源を
有する従来のＭＯＣＶＤ装置の概略図を示す。例えばＡ
ｌＧａＡｓ化合物半導体層のＭＯＣＶＤ法によるエピタ
キシャル成長を行う場合は、III族原料としては、トリ
メチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡｌ）の有機金属原料ガスを得る有機金属原料ガ
ス供給源６１〜６４が設けられ、Ｖ族原料供給源３２と
しては、アルシン（ＡｓＨ₃）が設けられる。この場
合、有機金属原料ガス供給源６１〜６４については、例
えば６１および６３をトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）
を、６２および６４をトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ
ｌ）の供給源とすることができる。

【０００４】有機金属原料ガス供給源６１〜６４は、そ
れぞれ上述の液体有機金属原料（図示せず）が収容され
ており、これらに、純化装置（図示せず）により高純度
化された水素キャリアガス供給源１２からのキャリアガ
スを、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）８１〜８４を
通じて流量制御して、それぞれキャリアガス供給管５１
〜５４から吹き込み、バブリングを行って、キャリアガ
スとともに有機金属原料ガスを、有機金属原料ガス取り
出し管４１〜４４から取り出し、これらを、有機金属気
相成長がなされる基板が配置された反応管につながり、
キャリアガスが供給されるリアクタライン２２に導き、
最終的に目的とする気相成長を行う反応管１３に導く。

【０００５】このようにして反応管１３に送り込まれた
有機金属原料ガスは、高周波コイル等の加熱手段１４に
よって、一定温度に保たれたサセプタ１５上の基板１６
に送り込まれ、そこで熱分解を起こして基板１６上に目
的とする化合物半導体層のエピタキシャル成長を行う。

【０００６】一方、エピタキシャル成長を停止する場合
には、有機金属原料ガス供給源６１〜６４に対するキャ
リアガスの供給、従って反応管１３に対する有機金属原
料ガスの供給を停止すればよいのであるが、このとき、
反応管１３内の圧力に変化が生じた場合、基板１６上に
成長させた化合物半導体層の膜質の低下、組成の変動を
来す場合がある。

【０００７】そこで、反応管１３内の圧力を一定に保つ
ため、図２に示すように、マスフローコントローラ９７
を介して反応管１３と排気路いわゆるベントライン（Ve
nt Line ）２１に、バルブ７１ａ〜７４ａおよび７１ｂ
〜７４ｂの切り換え手段７１〜７４によって切り換えら
れるキャリアガスのダミーライン２０が設けられる。こ
のダミーのキャリアガスの流量は、化合物半導体層の成
膜に必要な有機金属原料ガスの流量に応じて設定させ
る。一方、有機金属原料ガス供給源６１〜６４からの有
機金属原料ガスについても、切り換え手段７１〜７４の
バルブ７１ａ〜７４ａおよび７１ｂ〜７４ｂによって反
応管１３とベントライン２１とに切り換えて送ることが
できるようにする。

【０００８】キャリアガスのダミーライン２０は、バル
ブ７１ａ〜７４ａおよび７１ｂ〜７４ｂの操作によっ
て、エピタキシャル成長を実施しているときには、ベン
トライン２１に流しておくが、エピタキシャル成長を停
止するときには、有機金属原料ガスは、バルブ７１ａ〜
７４ａおよび７１ｂ〜７４ｂの切り換えによって、ダミ
ーのキャリアガスと切り換えて、反応管１３内には、ダ
ミーのキャリアガスを流し、有機金属原料ガスは、ベン
トライン２１に流すようにし、有機金属原料ガスの供給
を止めた状態においても、反応管１３内の圧力は変化し
ないようにしている。

【０００９】なお、反応管１３内の圧力を一定に保つ操
作を，より確実に行うことができるようにするため、図
２中の、キャリアガス供給源１２からリアクタライン２
２につながるサブライン１２０にもキャリアガスを流し
ておく。そして、その流量をマスフローコントローラ１
０７により制御してダミーライン２０のキャリアガスと
併せて、反応管１３内の圧力を一定に保つようになされ
ている。

【００１０】また、有機金属原料ガス取り出し管４１〜
４４に、圧電素子を組み込んだピエゾバルブ５０１〜５
０４を配置することにより、有機金属原料ガス量をより
精密に制御することができる。

【００１１】また、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
８１〜８４を通じて流量制御して、それぞれキャリアガ
ス供給管５１〜５４から有機金属原料ガス供給源６１〜
６４に吹き込まれる水素は、比較的少量であることか
ら、これによるバブリングによって生じた有機金属原料
ガスのガス速度を上げてリアクタライン２２に押し出す
ように、キャリアガスの押し出しライン１３１〜１３４
にキャリアガスをマスフローコントロール１０１〜１０
４により制御して流す。

【００１２】上述のようにして、反応管１３内の圧力を
変化させることなく、エピタキシャル成長を、膜質の低
下および組成の変動を防止しながら行うことができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
にＭＯＣＶＤ法においては、例えばＡｌＧａＡｓ上に、
これとは構成する元素の比率の異なるＡｌＧａＡｓ半導
体膜や、異なる種類の半導体膜を成長させる際に、反応
管１３内に供給する有機金属原料ガスの変更や、それら
の供給量の変更を行う必要があり、その度に、原料ごと
に配管を設置し、キャリアガスと有機金属原料ガスとを
ベントライン２１、リアクタライン２２に切り換える切
り換え手段７１〜７４のバルブ７１ａ〜７４ａ、および
７１ｂ〜７４ｂや、キャリアガス流量制御用のマスフロ
ーコントローラ（ＭＦＣ）等を設置する必要があり、装
置全体として非常に複雑な構成となる。

【００１４】一方、上述した図２における従来のＭＯＣ
ＶＤ装置においては、各有機金属原料ガスごとに、ベン
トライン２１と、リアクタライン２２とに分けて流れる
ようになされていたが、この場合、いずれかの有機金属
原料ガス供給源から、極めて少量の有機金属原料ガスを
リアクタライン２２に送り出す必要がある場合に、この
有機金属原料ガスは、反応管１３に到達するためのガス
の速度が充分でないため、反応管１３への供給に遅延が
生じる場合がある。

【００１５】さらに、組成を異にする多層構造の半導体
膜を生成するためには、必要な有機金属原料ガスを、生
成する半導体膜の各層ごとに切り換え、供給する必要が
あるが、この有機金属原料ガスを各層ごとに切り換える
度に、反応管１３から隔たった位置にある有機金属原料
供給源中の有機金属原料ガスほど反応管１３に到達する
のが遅くなることから、供給ガスの実質的供給比が、所
定の供給比からずれるおそれがあり、結果的に半導体膜
の組成の変動や、膜質の低下を発生させるおそれがあ
る。

【００１６】そこで、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装
置の構造の簡略化を図り、有機金属原料ガスとキャリア
ガスとの流量の制御を簡潔に行うことができるものと
し、また、多層構造の半導体膜を生成する場合、各半導
体層ごとに必要な有機金属原料ガスが同時に反応管１３
に到達できるようにし、さらにこれらの有機金属原料ガ
スを充分反応管１３に行き渡らせることができるように
し、結果として半導体膜の組成、膜質の向上を図ること
とした。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の有機金属気相成
長方法は、同族の２元以上の各有機金属原料ガスを、有
機金属気相成長がなされる基板が配置された反応管につ
ながり、キャリアガスが供給されるリアクタラインへの
供給前で合流させて、有機金属気相成長がなされる基板
が配置された反応管に供給するものである。

【００１８】また、本発明の有機金属気相成長装置にお
いては、同族の２元以上の各有機金属原料ガスの供給源
を設け、各有機金属原料ガスの供給源からの原料ガス
が、有機金属気相成長がなされる基板が配置された反応
管につながりキャリアガスが供給されるリアクタライン
への供給前において合流される合流部を設ける。

【００１９】本発明によれば、同族の２元以上の各有機
金属原料ガスを、リアクタラインへの供給前で合流させ
ることにより、ＭＯＣＶＤ装置の構造の簡略化を図るこ
とができる。

【００２０】また、同族の２元以上の各有機金属原料ガ
スを、リアクタラインへの供給前で合流させることによ
り、大流量の有機金属原料ガスをリアクタラインへ送り
込むことができるため、有機金属原料ガスとキャリアガ
スとの流量の制御を簡潔に行うことができる。

【００２１】また、半導体膜を成膜するために必要な有
機金属原料ガスを、各半導体膜を構成するために必要な
有機金属原料ガスごとに、充分な量をもって反応管に行
き渡らせることができ、結果として各層間の界面におけ
る組成変化が急峻な多層構造の半導体膜を成膜すること
ができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の有機金属気相成
長方法とその有機金属気相成長装置の一実施の形態を説
明する。

【００２３】図１に本発明の有機金属気相成長装置の概
略構成図を示す。この例においては、Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ≠ｙ）の構成の化合物半導
体層、すなわち、第１層と第２層とで、構成する元素の
比率が異なるものとした場合の、ＭＯＣＶＤ法によるエ
ピタキシャル成長を行う場合について説明する。

【００２４】この場合、III族原料としては、トリメチ
ルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡｌ）の有機金属原料ガスを得る有機金属原料ガス供
給源１６１および１６２が設けられ、これらを第１の原
料系１とする。

【００２５】また、第１の原料系とは比率を変えて、ト
リメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウ
ム（ＴＭＡｌ）の有機金属原料ガスを得る有機金属原料
ガス供給源１６３および１６４が設けら、これらを第２
の原料系２とする。

【００２６】また、この場合、Ｖ族の原料供給源３２と
しては、アルシン（ＡｓＨ₃）が設けられる。

【００２７】本発明におけるＭＯＣＶＤ装置において
は、第１の原料系１によって、ＡｌＧａＡｓ半導体膜を
成膜するために必要なIII族有機金属原料、すなわちト
リメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウ
ム（ＴＭＡｌ）の有機金属原料ガスが、リアクタライン
２２に到達する前において、合流するような、合流部３
０１が設けられる。ここで、リアクタライン２２とは、
有機金属気相成長がなされる基板が配置された反応管に
つながり、キャリアガスが供給されるラインであり、図
１においては、点線を付した領域で示すものとする。

【００２８】また、第２の原料系２によって、ＡｌＧａ
Ａｓ半導体膜を成膜するために必要なIII族有機金属原
料、すなわちトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の有機金属原料ガスが、
リアクタライン２２に到達する前において、合流するよ
うな、合流部３０２が設けられる。

【００２９】図１に示した各有機金属原料ガス供給源１
６１〜１６４は、純化装置（図示せず）により高純度化
された水素キャリアガス供給源１２からのキャリアガス
を、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１８１〜１８４
を通じて流量制御して、それぞれキャリアガス供給管１
５１〜１５４から吹き込まれ、バブリングを行って、キ
ャリアガスとともに有機金属原料ガスを、有機金属原料
ガス取り出し管１４１〜１４４から取り出すようになさ
れている。

【００３０】上述のように、有機金属原料ガス取り出し
管１４１および１４２から取り出された有機金属原料ガ
スは、これらのガスがリアクタライン２２に到達する前
の、合流部３０１において合流する。

【００３１】また、有機金属原料ガス取り出し管１４３
および１４４から取り出された有機金属原料ガスについ
ても、同様に、リアクタライン２２に到達する前の、合
流部３０２において合流する。

【００３２】合流部３０１において合流した有機金属原
料ガス（第１の原料系１からの有機金属原料ガス）は、
リアクタライン２２に導かれ、最終的に目的とする気相
成長を行う反応管１３に送り込まれる。

【００３３】また、合流部３０２において合流した有機
金属原料ガス（第２の原料系２からの有機金属原料ガ
ス）についても、リアクタライン２２に導かれ、最終的
に目的とする気相成長を行う反応管１３に送り込まれ
る。

【００３４】反応管１３に送り込まれた第１の原料系
１、および第２の原料系２の有機金属原料ガスは、それ
ぞれ高周波コイル等の加熱手段１４によって、一定温度
に保たれたサセプタ１５上の基板１６に送り込まれ、そ
こで熱分解を起こして基板１６上に目的とする化合物半
導体層のエピタキシャル成長が行われる。すなわち、こ
の例においては、第１の原料系１の有機金属原料ガスに
よって、ＡｌＧａＡｓによる第１の半導体膜を成膜し、
第２の原料系２によって、半導体膜を構成する元素の比
率の異なるＡｌＧａＡｓによる第２の半導体膜を成膜す
る。

【００３５】一方、エピタキシャル成長を停止する場合
には、有機金属原料ガス供給源１６１〜１６４に対する
キャリアガスの供給、従って反応管１３に対する有機金
属原料ガスの供給を停止すればよいのであるが、このと
き、反応管１３内の圧力に変化が生じた場合、基板１６
上に成長させた化合物半導体層の膜質の低下、組成の変
動を来す場合がある。

【００３６】そこで、反応管１３内の圧力を一定に保つ
ため、図１に示すように、マスフローコントローラ９７
を介して反応管１３と排気路いわゆるベントライン（Ｖ
ｅｎｔＬｉｎｅ）２１にバルブ１７１ａ，１７２ａお
よび１７１ｂ，１７２ｂの切り換え手段１７１および１
７２によって切り換えられるキャリアガスのダミーライ
ン２０が設けられる。このダミーライン２０のキャリア
ガスの流量は、化合物半導体層の成膜に必要な有機金属
原料ガスの流量に応じて設定させる。

【００３７】一方、有機金属原料ガス供給源１６１〜１
６４からの有機金属原料ガスについても、バルブ１７１
ａ，１７２ａ、および１７１ｂ，１７２ｂの切り換え手
段１７１および１７２によって反応管１３とベントライ
ン２１とに切り換えて送ることができるようにする。

【００３８】キャリアガスのダミーライン２０は、バル
ブ１７１ａ，１７２ａおよび１７１ｂ，１７２ｂの操作
によって、エピタキシャル成長を実施しているときに
は、ベントライン２１に流しておくが、エピタキシャル
成長を停止するときには、有機金属原料ガスは、バルブ
１７１ａ，１７２ａおよび１７１ｂ，１７２ｂの切り換
えによって、ダミーのキャリアガスと切り換えて、反応
管１３内には、ダミーのキャリアガスを流し、有機金属
原料ガスは、ベントライン２１に流すようにし、有機金
属原料ガスの供給を止めた状態においても、反応管１３
内の圧力は変化しないようにしている。

【００３９】なお、反応管１３内の圧力を一定に保つ操
作を、より確実に行うことができるようにするため、図
１中のキャリアガス供給源１２からリアクタライン２２
につながるサブライン１２０にもキャリアガスを流して
おく。そして、その流量をマスフローコントローラ１０
７により制御してダミーライン２０のキャリアガスと併
せて、反応管１３内の圧力を一定に保つようになされて
いる。

【００４０】また、合流部３０１および３０２付近に、
圧電素子を組み込んだピエゾバルブ４０１および４０２
を配置することにより、有機金属原料ガス量をより精密
に制御することができる。

【００４１】また、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１８１〜１８４を通じて流量制御して、それぞれキャリ
アガス供給管１５１〜１５４から有機金属原料ガス供給
源１６１〜１６４に吹き込まれる水素は、比較的少量で
あるため、これによるバブリングによって生じた有機金
属原料ガスのガス速度を上げて各合流部３０１および３
０２に押し出すようにする必要があるため、キャリアガ
スの押し出しライン２３１及び２３２にキャリアガスを
マスフローコントローラ２０１および２０２により制御
して流すようにすることが望ましい。

【００４２】上述した実施例によれば、III−Ｖ族化合
物半導体を成長させる場合に、有機金属原料として、II
I族およびＶ族の元素のものを用いたが、本発明はこの
例に限定されるものではなく、II−VI族化合物半導体を
成長させる場合の原料として、II族およびVI族の元素の
ものを用いた場合も、同様の効果を挙げることができ
る。

【００４３】また、上述した実施例においては、３元混
晶の半導体膜を形成する場合について説明したが、本発
明は、この例に限定されるものではなく、２元以上の半
導体膜を形成する場合において、適用することができ
る。

【００４４】本発明の有機金属気相成長方法は、同族の
２元以上の各有機金属原料ガスを、リアクタラインへの
供給前で合流させて、有機金属気相成長がなされる基板
が配置された反応管に供給するものである。

【００４５】また、本発明の有機金属気相成長装置は、
同族の２元以上の各有機金属原料ガスの供給源を設け、
各有機金属原料ガスの供給源からの原料ガスが、有機金
属気相成長がなされる基板が配置された反応管につなが
りキャリアガスが供給されるリアクタラインへの供給前
において合流される合流部を設けるものである。

【００４６】本発明によれば、同族の２元以上の各有機
金属原料ガスを、リアクタラインへの供給前で合流させ
ることにより、ＭＯＣＶＤ装置の構造の簡略化を図るこ
とができ、部品、配管、圧力制御装置の数を減らすこと
ができ、コストの低減化を図ることができる。

【００４７】また、同族の２元以上の各有機金属原料ガ
スを、リアクタラインへの供給前で合流させることによ
り、従来よりも大流量の有機金属原料ガスをリアクタラ
インへ送り込むことができるため、有機金属原料ガスと
キャリアガスとの流量の制御を簡潔に行うことができ、
半導体膜の成膜する際の原料の切り換えを急峻に行うこ
とができる。

【００４８】また、半導体膜を成膜するために必要な有
機金属原料ガスを、各半導体膜を構成する有機金属原料
ガスごとに、充分な量をもって反応管に同時に到達さ
せ、かつ行き渡らせることができ、結果として各層間の
界面における組成変化が急峻な多層構造の半導体膜を成
膜することができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、同族の２元以上の各有
機金属原料ガスを、リアクタラインへの供給前で合流さ
せることにより、ＭＯＣＶＤ装置の構造の簡略化を図る
ことができ、これにより部品、配管、圧力制御装置の数
を減らすことができ、コストの低減化を図ることができ
た。

【００５０】また、同族の２元以上の各有機金属原料ガ
スを、リアクタラインへの供給前で合流させることによ
り、大流量の有機金属原料ガスをリアクタラインへ送り
込むことができるため、有機金属原料ガスとキャリアガ
スとの流量の制御を簡潔に行うことができた。

【００５１】また、半導体膜を成膜するために必要な有
機金属原料ガスを、各半導体膜を構成するための有機金
属原料ガスごとに、充分な量をもって反応管に同時に到
達させ、かつ行き渡らせることができ、結果として各層
間の界面における組成変化が急峻な多層構造の半導体膜
を成膜することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における複数の有機金属原料ガス供給源
を有するＭＯＣＶＤ装置の概略図を示す。

【図２】従来における複数の有機金属原料ガス供給源を
有するＭＯＣＶＤ装置の概略図を示す。

【符号の説明】

１第１の原料系、２第２の原料系、１２キャリア
ガス供給源、１３反応管、１４加熱手段、１５サ
セプタ、１６基板、２０キャリアガスのダミーライ
ン、２１ベントライン、２２リアクタライン、３２
原料ガス供給源、４１〜４４，１４１〜１４４有機
金属原料ガス取り出し管、５１〜５４，１５１〜１５４
キャリアガス供給管、６１〜６４，１６１〜１６４
有機金属原料ガス供給源、７１〜７４，１７１，１７２
切り換え手段、７１ａ〜７４ａ，７１ｂ〜７４ｂ，１
７１ａ，１７２ａ，１７１ｂ，１７２ｂバルブ、８１
〜８４，９７，１０１〜１０４，１０７，１８１〜１８
４，２０１，２０２マスフローコントローラ、１２０
キャリアガスのサブライン、１３１〜１３４，２３
１，２３２キャリアガスの押し出しライン、３０１
第１の合流部、３０２第２の合流部、４０１，４０２，
５０１〜５０４ピエゾバルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同族の２元以上の各有機金属原料ガス
を、有機金属気相成長がなされる基板が配置された反応
管につながり、キャリアガスが供給されるリアクタライ
ンへの供給前で合流させて、有機金属気相成長がなされ
る基板が配置された反応管に供給することを特徴とする
有機金属気相成長方法。
【請求項２】上記２元以上の各有機金属原料ガスが、
III族元素の各有機金属原料ガスであることを特徴とす
る請求項１に記載の有機金属気相成長方法。
【請求項３】上記２元以上の各有機金属原料ガスが、
II族元素の各有機金属原料ガスであることを特徴とする
請求項１に記載の有機金属気相成長方法。
【請求項４】同族の２元以上の各有機金属原料ガスの
供給源が設けられ、該各有機金属原料ガスの供給源からの原料ガスが、有機
金属気相成長がなされる基板が配置された反応管につな
がりキャリアガスが供給されるリアクタラインへの供給
前において合流される合流部が設けられて成ることを特
徴とする有機金属気相成長装置。
【請求項５】上記同族の２元以上の各有機金属原料ガ
スが、III族元素の各有機金属原料ガスであることを特
徴とする請求項４に記載の有機金属気相成長装置。
【請求項６】上記同族の２元以上の各有機金属原料ガ
スが、II族元素の各有機金属原料ガスであることを特徴
とする請求項４に記載の有機金属気相成長装置。