JP2001023903A - Ｉｉｉ‐ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フローチャネルに副生成物が生成しても、結
晶成長条件の変動とフローチャネルの破損を招くことが
なく、さらに、フローチャネルを清掃するときに副生成
物の除去を容易に行うことのできるＩＩＩ‐Ｖ族化合物
半導体のエピタキシャル成長方法を提供する。 【解決手段】 石英から構成されるフローチャネル２の
副生成物が堆積しやすい部分１１に金属インジウム層１
２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩＩ‐Ｖ族化合
物半導体のエピタキシャル成長方法に関し、特に、石英
のフローチャネルに堆積する副生成物による不具合を抑
制したＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体の薄膜結晶を
結晶成長用基板の上に成長させる結晶成長方法として、
有機金属化学気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ：ＭＯＣＶＤ法）が知られている。

【０００３】この成長方法においては、リアクタ内で加
熱状態にされた結晶成長用基板の上に、ＩＩＩ族とＶ族
の元素の原料ガスを含むキャリアガスを送り込み、これ
らの原料ガスを基板の上で熱分解させることによって結
晶の成長を行う。

【０００４】また、この成長方法では、基板の上に原料
ガスを高効率、かつ均一に流すため、石英ガラスから構
成されるフローチャネルを使用することが一般的であ
る。図３は、石英のフローチャネルを組み込んだ横型気
相成長装置の構成を示したもので、１は装置本体、２は
その内部に設けられた石英のフローチャネル、３はフロ
ーチャネル２の先端に設けられたグラファイトサセプ
タ、４はグラファイトサセプタ３の上に設けられた結晶
成長用基板を示す。

【０００５】装置本体１の外面には、冷却水を通過させ
るジャケット５が設けられており、６と７はその冷却水
の入口と出口を示す。８は装置の外周に配置された誘導
加熱コイルを示し、グラファイトサセプタ３を加熱する
ことにより基板４を加熱する。９は原料ガスの導入管、
１０は排気管を示す。

【０００６】ガス導入管９から導入された原料ガスは、
基板４の上で熱分解され、これによって基板４の上に結
晶膜をエピタキシャル成長させる。この方法は、ＩＩＩ
‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長に適した方法
として知られており、広く活用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＩＩＩ
‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長方法による
と、基板４の表面だけで原料ガスを熱分解させることが
難しく、このため、基板４以外の場所に原料ガスからの
副生成物が生成し、この副生成物が結晶成長に悪影響を
もたらすことが多い。

【０００８】図３の符号１１の部分は、原料ガスからの
副生成物が特に生成しやすい部分を示したもので、この
部分に副生成物１５が生成すると、フローチャネル２の
透明性が失われるため、表面の熱輻射率が変化する一
方、副生成物１５の堆積の進行に伴って熱伝導率が変化
するようになる。

【０００９】従って、以上の状態のままで結晶成長を繰
り返し実施すると、装置内の温度分布が徐々に変化し、
このため、エピタキシャル成長の最適条件が結晶を成長
させるたびに崩れて行き、最終的には、結晶成長の再現
性が失われるようになる。

【００１０】また、フローチャネル２への副生成物１５
の堆積が増加すると、フローチャネル２と副生成物１５
の間に熱膨張率の違いが生じて昇降温時に熱歪みが蓄積
されるようになり、このため、熱歪みが繰り返し加えら
れることによって、フローチャネル２に破損を招くこと
がある。

【００１１】これらの問題への対処策として、フローチ
ャネル２を適宜に外してその内面を清掃することが考え
られる。しかし、成長装置の分解と組み立てには、多大
な労力と時間を要するばかりでなく、フローチャネル２
の取り付けに微妙な位置合わせが要求され、このため、
組み立て後の結晶成長に悪影響を与えることがある。

【００１２】また、副生成物１５が窒化物であるときに
は、この化合物が耐薬品性に特に優れており、さらに、
石英ガラスへの付着力が特に大きいことから、一般的な
薬品によってこれを除去することは難しく、完全な清掃
を行えない場合がある。

【００１３】従って、本発明の目的は、フローチャネル
に副生成物が生成しても、結晶成長条件の変動とフロー
チャネルの破損を招く恐れがなく、さらに、フローチャ
ネルを清掃するときに、副生成物の除去を容易に行うこ
とのできるＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル
成長方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、石英等のフローチャネルに原料ガスを送
り込み、送り込まれた原料ガスを熱分解することによっ
て所定の基板の上に結晶を成長させるＩＩＩ‐Ｖ族化合
物半導体のエピタキシャル成長方法において、前記フロ
ーチャネルの前記原料ガスからの副生成物が堆積する部
分に、金属インジウム、金属ガリウム等の金属層を形成
し、前記金属層が形成された状態で前記結晶の成長を行
うことを特徴とするＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピタ
キシャル成長方法を提供するものである。

【００１５】フローチャネルに形成される上記の金属層
は、エピタキシャル成長させられるＩＩＩ‐Ｖ族化合物
半導体の結晶を汚染するものであってはならない。原料
と同種の金属を使用すればこの心配はなく、従って、Ｉ
ＩＩ族の金属が好適となるが、アルミニウムの使用は避
ける必要がある。アルミニウには、石英と高温で反応す
る性質を有しており、従って、これを金属層の構成材と
するときには、石英のフローチャネルが侵食されるので
好ましくない。

【００１６】本発明においては、これらの金属層をフロ
ーチャネルの所定の個所に予め形成しておくことによ
り、副生成物が堆積することによるフローチャネル内壁
の熱輻射率、熱伝達率、あるいは熱伝導率等の物性値の
変化を抑制するもので、この結果、温度分布の均一性が
保たれることになる。

【００１７】さらに、フローチャネルの内面に金属層が
形成されている結果、フローチャネルを構成する石英と
副生成物の熱膨張率の差に起因する熱歪みが、石英より
も軟らかな金属層の存在によって緩和吸収されることに
なり、従って、副生成物の堆積を原因としたフローチャ
ネルの破損は、未然に防止されることになる。

【００１８】また、金属層を構成する金属インジウム、
金属ガリウム等は、半導体結晶の製造工程において多用
されている塩酸あるいは王水等の一般的な薬品に溶解す
る性質を有しており、従って、フローチャネルの清掃の
際に、金属層をこれらの薬品に溶解させれば、その上に
堆積した副生成物を容易に除去することができる。

【００１９】金属層は、これらの層をそのまま使用する
よりも、結晶を成長させるべきＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導
体を構成するＶ族の元素と同じ元素を含むガス雰囲気中
で、予め熱処理しておくことが好ましい。

【００２０】この結果、金属層の表面には、実際のエピ
タキシャル成長時に生成するＩＩＩ‐Ｖ族化合物からの
副生成物と同種の層が形成されるので、実際のエピタキ
シャル成長の際に副生成物が生成したとき、表面の熱的
物性が変化しないようになり、その分、結晶成長条件を
安定化させることができる。この事前の熱処理の温度
は、結晶を成長させる温度よりも高い温度に設定すべき
である。

【００２１】熱処理に使用されるガスは、エピタキシャ
ル成長の対象であるＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体の種類に
よって決められる。成長対象が砒素化合物のときには、
アルシンガスが使用され、成長対象が燐化合物のときに
はホスフィンガスが使用され、さらに、成長対象が窒素
化合物のときには、アンモニアガスが使用される。

【００２２】結晶を成長させるための原料ガス中の原料
物質としては、ＩＩＩ族原料として、トリメチルガリウ
ム、トリメチルアルミニウムあるいはトリメチルインジ
ウム等が使用され、一方、Ｖ族原料として、アルシンガ
ス、ホスフィンガスあるいはアンモニアガス等が使用さ
れる。

【００２３】金属層は、０．１μｍ以上の厚さに形成す
ることが望ましい。厚さがこれに満たない場合には、結
晶の成長中にＶ族の原料ガスに反応し、金属層の全体が
ＩＩＩ‐Ｖ族化合物に変化してしまう恐れがある。これ
に対して、金属層の厚さが０．１μｍ以上あれば、ＩＩ
Ｉ‐Ｖ族化合物に変化した部分の下に金属層が残るの
で、金属層の存在による上記の作用を確保することがで
きる。

【００２４】但し、エピタキシャル成長させる半導体結
晶が窒化物であるときには、金属層の厚さを１μｍ以上
に設定することが好ましい。これは、窒化物の結晶成長
が高温で行われるのが普通であり、従って、その分、金
属層を厚くする必要があることによる。

【００２５】本発明において、フローチャネルへの金属
層の形成は、副生成物が堆積する全域を対象としてもよ
いが、部分的でもよい。特に副生成物の堆積しやすい部
分を選んで形成すれば、発明の目的は充分に達成され
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるＩＩＩ‐Ｖ族
化合物半導体のエピタキシャル成長方法の実施の形態を
説明する。

【００２７】図１において、１は装置本体、２は装置本
体１の内部に設けられた石英のフローチャネル、３はフ
ローチャネル２の先端部のグラファイトサセプタ、４は
グラファイトサセプタ３の上に設けられた結晶成長用の
基板を示し、この部分にエピタキシャル成長が行われ
る。

【００２８】５は装置本体１の周囲に形成された水冷ジ
ャケット、６はその冷却水の入口、７は出口を示す。８
は水冷ジャケット５の周囲に形成された誘導加熱コイ
ル、９は原料ガスの導入管、１０は排気管、１１は結晶
成長時に副生成物が堆積しやすい部分、１２はこれらの
部分１１に形成された厚さ３μｍの金属インジウム層を
示す。

【００２９】金属インジウム層１２は、別工程において
フローチャネル２に形成され、フローチャネル２が装置
本体１に組み込まれた後、導入管９から送り込まれたア
ンモニアガスの雰囲気の中で、エピタキシャル成長時の
最高到達温度である１，０００℃よりも高い１，１５０
℃に加熱されることによって予め熱処理されている。こ
の熱処理は２時間行われた。

【００３０】図２は、以上の熱処理を施された金属イン
ジウム層１２の観察結果を示し、フローチャネル２の上
には、金属インジウム１３が形成され、この金属インジ
ウム１３の上に厚さ約１μｍの窒化インジウム１４が形
成されていることが確認された。

【００３１】以下、このフローチャネル２を使用しての
エピタキシャル成長の実施結果を示す。基板４としてサ
ファイヤ基板を使用し、この基板４の上に、ＧａＮ／Ａ
ｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＮの複数の膜から
成り、総膜厚が５μｍのエピタキシャル層を成長させ
た。

【００３２】エピタキシャル成長を６０回繰り返し実施
したが、この間において結晶成長の最適条件に変化はな
く、常に、正常な鏡面状の表面を有したエピタキシャル
結晶が得られた。成長間での成長膜厚のばらつきも±
０．０５μｍと少なく、再現性を実証する良好な結果が
得られた。

【００３３】これに対して、金属インジウム層１２を形
成しないフローチャネル２を使用した従来（図３）のエ
ピタキシャル成長を同じく６０回繰り返し実施したとこ
ろ、２０回前後までは結晶の成長条件が安定せず、しか
も、表面が鏡面の良品のエピタキシャル結晶が得られな
い場合もあり、両者の間には明確な差が認められた。

【００３４】結晶成長を６０回実施した後の本実施形態
におけるフローチャネル２を回収し、その内面を観察し
た結果、窒化インジウム１４の上にＧａＮが主成分と思
われるＡｌＧａＩｎＮ系の副生成物が約３００μｍ堆積
していることが確認された。

【００３５】また、このフローチャネル２を王水に浸漬
して放置したところ、副生成物は完全にフローチャネル
２から剥離し、未使用のものと同じ表面状態のフローチ
ャネルが得られた。さらに、このフローチャネル２に破
損の兆候はなく、従って、完全に再利用可能であること
が確認された。

【００３６】一方、これに対して従来の成長方法におけ
るフローチャネルの場合には、王水に浸漬しても副生成
物の除去は不可能であり、唯一副生成物の除去が可能で
あるフッ酸に浸漬した結果では、副生成物の除去は行え
たものの、フローチャネルの透明性が失われ、さらに、
寸法も微妙に変化していた。フッ酸に侵されているため
に再利用は難しく、透明性の喪失と変形の生じない本実
施形態との差は明白であった。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるＩＩ
Ｉ‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長方法によれ
ば、石英のフローチャネルの副生成物が堆積する部分に
予め金属インジウム、金属ガリウム等の金属層を形成
し、この金属層が形成された状態でエピタキシャル成長
を行うため、フローチャネルに副生成物が堆積したとし
ても、金属層の存在が、結晶成長条件の変動とフローチ
ャネルの破損を防止するとともに、清掃性を保証するこ
とができ、従って、結晶成長の安定性、フローチャネル
の保護性、および清掃性に富むＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導
体のエピタキシャル成長方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピ
タキシャル成長方法の実施の形態を示す説明図。

【図２】図１における金属インジウム層の拡大図。

【図３】従来のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシ
ャル成長方法を示す説明図。

【符号の説明】

１ 装置本体 ２ フローチャネル ３ グラファイトサセプタ ４ 結晶基板 ５ 冷却ジャケット ８ 誘導加熱コイル １１ 副生成物が堆積しやすい部分 １２ 金属インジウム層 １３ 金属インジウム １４ 窒化インジウム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木原 倫夫 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 Ｆターム(参考） 5F045 AB09 AB14 AB17 AC09 AC12 AC19 AD14 AF09 BB14 DP04 EB02 EK02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石英等のフローチャネルに原料ガスを送り
   込み、送り込まれた原料ガスを熱分解することによって
   所定の基板の上に結晶を成長させるＩＩＩ‐Ｖ族化合物
   半導体のエピタキシャル成長方法において、 前記フローチャネルの前記原料ガスからの副生成物が堆
   積する部分に、金属インジウム、金属ガリウム等の金属
   層を形成し、前記金属層が形成された状態で前記結晶の
   成長を行うことを特徴とするＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体
   のエピタキシャル成長方法。
2. 【請求項２】前記金属層は、前記結晶を成長させるべき
   前記ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体におけるＶ族の元素と同
   じ元素を含むガスの雰囲気中において、前記結晶を成長
   させる温度よりも高い温度のもとに予め熱処理されるこ
   とを特徴とする請求項１項記載のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半
   導体のエピタキシャル成長方法。
3. 【請求項３】前記ガスは、前記ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導
   体が砒素化合物のとき、アルシンガスであることを特徴
   とする請求項２項記載のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエ
   ピタキシャル成長方法。
4. 【請求項４】前記ガスは、前記ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導
   体が燐化合物のとき、ホスフィンガスであることを特徴
   とする請求項２項記載のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエ
   ピタキシャル成長方法。
5. 【請求項５】前記ガスは、前記ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導
   体が窒素化合物のとき、アンモニアガスであることを特
   徴とする請求項２項記載のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体の
   エピタキシャル成長方法。
6. 【請求項６】前記金属層は、０．１μｍ以上の厚さに形
   成されることを特徴とする請求項１項記載のＩＩＩ‐Ｖ
   族化合物半導体のエピタキシャル成長方法。
7. 【請求項７】前記金属層は、前記結晶が窒化物結晶のと
   き、１μｍ以上の厚さに形成されることを特徴とする請
   求項６項記載のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体のエピタキシ
   ャル成長方法。