JPS6278190A

JPS6278190A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPS6278190A
Application number: JP60215143A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Omine; 大嶺　俊光
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-10

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】［発明の技術分野］この発明は、半導体の気相成長装置に関づる。

［発明の技術的背量とその問題点］近年、半導体の気相成長技術は、急速な進展をみせてい
る。とりわけ、有機金属と水素化物の混合ガスを所定温
度に加熱した結晶基板上で反応、分解させることにより
薄膜結晶、を成長さ「る化合物半導体の結晶成長装置（
ＭＯＣＶＤ装置）は、成長速度の制御性、操作の単純性
、椿産性等に優れているため、多大の注目を集めている
。

従来のこの種の気相成長装置として、例えば第３図に示
すようなものがある。すなわち、反応ガス供給口１０１
と反応ガス排出口１０３とを有する反応炉体１０５内に
結晶基板１０７を保持するサセプタ１０９が設置されて
いる。サセプタ１０９は反応炉体１０５の底壁１０５ａ
に回転自在に支承された回転軸１１１によって支持され
、図示しないモータ等によって回転される。前記反応炉
体１０５には、結晶基板１０７を加熱するための高周波
誘導加熱装置１１３が設けられている。

そして、結晶させるべき原料ガスを含む反応ガスを反応
ガス供給口１０１から反応炉体１０５内に導入し、反応
ガスをサセプタ１０９上に保持され高周波誘導加熱装置
１１３によって所定温度加熱された結晶基板１０７に向
けて流し、結晶基板１０７表面での反応、分解作用によ
って結晶成長が行なわれる。反応、分解を終了した反応
ガスは、サセプタ１０９の周縁部１０９ａと反応炉体１
０５の内１１０５ｂとの間の空間部１１５を流れて反応
ガス排出口１０３から炉外へ排出されるようになってい
る。

ところで、この秤の気相成長装置に４３ける現状の課題
は、■産生を前記にして、（ａ）結晶基板表面での結晶
成長の均一性、（ｂ）反応ガス組成の切換え時における
組成界面の急峻性を如何にして実現するかにある。

しかしながら、従来の気相成長装置にあっては、反応ガ
スの運転圧力が高く流速が遅い場合は、反応ガスの流線
が第４図に示すように熱対流を生じる状態となり、また
、反応ガスの運転圧力が低くガスのイナーシャが小さい
低レイノルズ数域の場合には第５図に示すようにきれい
な流線が形成されるが基板中央部及びその付近に反応ガ
スが流れにくい状態となる。従って、上記いづれの場合
も、キ板１０７表面の結晶成長速度は、第８図に示すよ
うに、基板１０７の周辺部で大きく中央部で小さくなる
傾向があり、結晶成長の均一性に乏しくなるという問題
点がある。

これに対し、反応ガス供給口１０１を結晶基板の表面に
近づけて第６図に示すような反応ガスの流線状態を形成
せしめることにより、結晶基板の中央部付近の境界層厚
みを簿＜シ、この部分の成長速度を速めればかなり結晶
成長の均一性を向上させることが可能である。この技術
思想に塁づいて、第７図に示ずように、反応炉体１０５
内に反応ガス供給口１０１に連接された反応ガス尋人管
１１７を導入し、この反応ガス導入管１１７のガス放出
口１１７ａを結晶基板１０７の表面近くに配置させるこ
とにより、結晶成長の均一性を得ることができたという
報告がある。

しかしながら、このような構成のものは、結晶基板表面
での結晶成長の均一性を１ｑることができるという利点
を有する反面、第７図に示すように、反応ガス導入管１
１７と反応炉体１０５の内壁１０５ｂとの間の空間部１
１９に渦流を生じて反応ガスが滞溜するため反応ガスの
組成を切換える場合に、反応炉体１０５内のガス組成を
に切換えることができずこのため組成界面の急峻性が茗
しく損なわれるという欠点があった。

Ｕ発明の目的〕この発明は、上記の問題点に鑑み創案されたものであっ
て、結晶基板表面に結晶成長を略均−に行なうことがで
き、しかも、ガス組成の切換えを急峻に行なうことがで
きる気相成長装置の提供を目的とする。

［発明の概要１上記目的を達成するために、この発明は、結晶基板表面
に種々の組成の＋ｔ９膜結品を成長させる気相成長装置
にＪ３いて、反応炉体の上部に設（プられ原料ガスを含
む第１ガスを反応炉体内に保持された結晶ＪＪ板に供給
する第１ガス供給管と、反応炉体の上部に設けられ第２
ガスを前記第１ガス供給管と反応炉体内壁との間の空間
部に供給する第２ガス供給管とを設ける構成とした。し
発明の効果１この発明の構成によれば、第１ガス供給管
から供給する原料ガスを含む第１ガスと、第２ガス供給
管から供給される第２ガスとにより、結晶基板の中央部
と周辺部との結晶成長速度を略均−にすることができる
。

しかも、第２ガスの供給により第１ガスの死容積部を常
にパージし、かつ、渦流の発生を抑えることができるの
で、ガスの組成を切換える際の組成界面の急峻性が穫め
て良好となる。

［発明の実施例］以下、この発明の一実施例を第１図及び第２図に基づい
て説明する。

第１図は気相成長装置の断面図を示し、反応炉体１内に
回転軸３に支）在されたサセプタ５が配置されており、
このサセプタ５上に結晶基板７が保持されている。前記
サセプタ５を支持する回転軸３は、反応炉体１の底壁１
ａに回転自在に支持され、図示しないモータ等によって
回転駆動される。

反応炉体１の上部中央部には、原料ガスを含む第１ガス
を反応炉体１内に供給する第１ガス供給管９が設けられ
ている。この第１ガス供給管９の径ｄは結晶基板７の径
りに対して小径に形成されており、そのガス吹出口９ａ
は、前記サセプタ５上に保持される結晶基板７の表面の
近傍位置に配置されている。

反応炉体１の上部側方部にはキャリアガスとしての第２
ガスを反応炉体１内の上部に供給する第２ガス供給管１
１が設けられている。前記第１ガス供給管９には、第２
ガス供給管１１のガス吹出口１１ａの下方に配置される
フランジ状の邪魔板１３が設けられている。従って、第
２ガス供給管１１から反応炉体１内の上部に供給された
第２ガスは、前記邪魔板１３によって第１ガス供給管９
の周方向に均一に分散され、その後第１ガス供給管９と
反応炉体１の内壁１ｂとの間の空間部１５に流入される
ようになっている。

前記第１ガス供給管９から供給される原料ガスを含む第
１ガスと、第２ガス供給管１１から供給されるキャリア
ガスとしての第２ガスとの流量は、図示しないバルブ等
による適宜な流量調節手段により、それぞれ独立に流量
調部可能に構成されている。

前記反応炉体１の下部には、結晶基板７の表面で反応、
分解を終了した第１ガスとキャリアガスとしての第２ガ
スとを炉外へ排出するガス排出管１７が設置プられてい
る。

また、反応炉体１には、該反応炉体１内に配置されたサ
セプタ５上に保持された結晶基板７を、所定温度に加熱
するための高周波誘導加熱装置１９が設けられている。

つぎに、上記一実施例の作用について述べる。

反応炉体１の上部中央部に設けられた第１ガス供給管９
から原料ガスを含んだ第１ガスが、サセプタ５上に保持
される結晶基板７の表面に向けて吹き付けられる。この
第１ガスは、例えば■族元素の有機金属トリメチルガリ
ウム（（ＣＩ−１３＞３０ａ　）とＶ俗元素の水素化物
アルシンガス（Ａｓ・Ｈ３）及び水素ガス（Ｈ２）の混
合ガスにより組成されている。そして、結晶基板７の表
面に向【ノて吹き付けられた第１ガスは、高周波誘導加
熱装置１９によって所定温度に加熱された結晶基板７の
表面で反応、分解してヒ化ガリウム（Ｇａ　ＡＳ）結晶
となって結晶基板７表面で成長する。

一方、反応炉体１の上部側方部に設けられた第２ガス供
給管１１からキャリヤガスとしての第２ガスが、反応炉
体１内の上部に供給される。この第２ガスは、例えば第
１ガスのキャリヤガスである水素ガス（Ｈ２）からなっ
ている。そして、反応炉体１内上部に供給された第２ガ
スは、邪魔板１３によって第１ガス供給管９の周方向に
均一に分散され、その後、第１ガス供給管９と反応炉体
１の内壁１ｂとの間の空間部１５を流下し、前記結晶基
板７表面での反応、分解を終了した第１ガスとともに反
応炉体１下部のガス排出管１７から炉外へυ［出される
。

前記結晶基板７表面の結晶成長速度は、第１ガスのキャ
リヤガスへの原料ガスの拡散速度によって律速されるの
で、結晶基板７に沿ったガス濃度境界層分布を均一にす
ることによって結晶成長が均一化される。従って、結晶
基板７表面と第１ガス供給管９のガス吹出口９ａとの距
離を最適に配置することによって、ある程度の結晶成長
の均一性を得ることができる。

しかし、従来の装置のように第２ガス供給管１１から第
２ガスを供給しないときには、熱対流を生じさせないイ
ナーシャの流量を供給すれば第７図に示すような流線状
態となり、第１ガス供給管９から供給される第１ガスが
結晶基板７の周辺部で加熱され浮力によって上界して結
晶基板７から離れるため結晶基板７の周辺部の結晶成長
速度の制御が困難となるが、この実施例の構成によれば
、第２図に示すように結晶基板７の周辺部に生じる浮力
による第１ガスの上昇が、第２ガス供給管１１から供給
される第２ガスのイナーシＰによって抑制されるため、
結晶基板７の周辺部での結晶成長速度制御を行なうこと
ができる。すなわち、第２ガス供給管１１から供給され
る第２ガスの流量を多くずれは結晶基板７周辺部のガス
濃度境界層が薄くなり、結晶基板７周辺部の結晶成長速
度を増加させることがぐき、また、逆に第２ガスの流量
を少なくすれば、結晶基板７周辺部のガス濃度境界層が
厚くなり、結晶基板７周辺部の結晶成長速度を減少させ
ることができる。従って、第１万ス供給管９から供給さ
れる第１ガスと、第２ガス供給管１１から供給される第
２ガスとの流出をそれぞれ独立にｍ　ｒＬ　ｔ＋）御す
ることにより、第２図に示７ように、結晶基板７の中央
部にも第１ガスの均一な流線が形成され、かつ、結晶基
板７周辺部における浮力による流線の上昇が第２ガスに
よって抑制される。このように、結晶基板７周辺部での
結晶成長速度を制御することができるので、結晶基板７
の大面積にわたって結晶成長の均一性を確保プることが
できる。

また、第２ガス供給管１１から供給される第２ガスによ
って従来の装置で発生していた第７図に示すような渦流
の発生が防止されるとともに、第１ガス供給管９と反応
炉体１の内１１ｂとの間の空間部１７が第２ガスにより
常にパージされるため、死容積が著しく減少される。従
ってガスの組成を切換える際の組成界面の急峻性が極め
て良好になる。例えば、ガス組成をＴＭＧ＋Ａｓト１３
＋Ｈ２からＴ　Ｍ　Ｇ　＋　Ｔ　Ｍ　Ａ　＋　Ａ　Ｓ　
Ｈ３＋　１１２に切換えたとき、切換え前後のガスの混
合はほとんど無く、極めて急峻に結晶組成がＧａＡＳか
らＧａΔ斐Ａｓへと切換えられる。

なお、第１ガス供給管を偏心して設ければ結晶基板の回
転と相俟って、温度の均一化が図れる。

第２ガスを第１ガスと濃度が異なる原料ガスと水素ガス
の混合ガスで組成すれば、第１ガスと第２ガスとの平均
流速を等しくなるように設定しても結晶基板７周縁の結
晶成長を促進させることができ、結晶成長の均一性を向
、トさせることができる。

第１ガスとして結晶成長原料ガスを含む任意のガスを、
第２ガスとして任意の不活性ガスを用いることもできる
。

第１ガスと第２ガスとを原料ガス濃度を等しくして流出
を異ならせることもできる。

第１ガス供給管９の管径を結晶基板７よりも大きくし、
急峻性を向上させることもできる。

反応炉体１の形状は、上記一実施例による円錐部を半球
状あるいは任意の曲面に形成することもできる。第１ガ
ス供給管の形状は、その外径を下方に向けて拡大または
縮小することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る気相成長装置の断
面図、第２図はこの発明の一実施例に係る気相成長装置
におけるガスの流れを示す説明図、第３図は従来例によ
る気相成長装置の断面図、第４図〜第７図は従来例によ
る気相成長装置におＣノるガスの流れを示す説明図、第
８図は従来例による気相成長装置によって得られる代表
的な結晶成長速度分布を示す説明図である。（図面の主要部を表わす符号の説明）１・・・反応炉体　　　　７・・・結晶基板９・・・第
１ガス供給管　１１・・・第２ガス供給管１５・・・空
間部演３図第４図注５図竺６図成＆蓬度第８図

Claims

【特許請求の範囲】

結晶基板表面に種々の組成の薄膜結晶を成長させる気相
成長装置において、反応炉体の上部に設けられ原料ガス
を含む第１ガスを反応炉体内に供給する第１ガス供給管
と、反応炉体の上部に設けられ第２ガスを前記第１ガス
供給管と反応炉体内壁との間の空間部に供給する第２ガ
ス供給管とを設けたことを特徴とする気相成長装置。