JP2002124475A - 気相エピタキシャル成長方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶成長用基板３４への原料供給量が大きく
なり、膜厚（成長速度）を大きくし、かつ反応管３１の
側壁に生成した物質が基板３４上に落下堆積しない。 【解決手段】 サセプタ３２を逆ピラミッド型とし、そ
の下向き傾斜面に基板３４を取り付け、分解効率が低い
Ｖ族原料ガスを供給口４６へ供給し、III族原料ガスを
供給口４７へ供給して、Ｖ族原料ガスをIII族原料ガス
より、基板３４に近ずけ、キャリアガスのみを供給口４
８へ供給して、キャリアガスを反応管３１の内側面に沿
わせて原料ガスを基板３４に近ずけ、サセプタ３２の軸
心位置に設けた排気筒４９に上面中心から排気ガスを排
出して、原料ガスを基板３４に近ずける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は反応管内に配した
サセプタに結晶成長用基板を設置し、その結晶成長用基
板をヒータにより加熱し、反応管に原料ガスを供給して
結晶成長用基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキシ
ャル成長させる方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】気相エピタキシャル成長法は、反応炉内
のサセプタを回転しつつ、これに保持した結晶成長用基
板（ウェハ）上に原料ガスを流して薄膜結晶を形成する
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用いられる。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】典型的な気相エピタキシャル成長装置にあ
っては、ウェハを支持するサセプタを回転しつつ、ヒー
タによりサセプタを介してウェハを加熱し、サセプタの
ウェハ保持面と平行に原料ガスを流してウェハ上に薄膜
を形成する。図５は、従来の気相エピタキシャル成長装
置を示した縦断面図である。反応管１１の上半部は円錐
形状としており、その円錐形状部内にピラミッド型（角
錐型）サセプタ１２が同軸心的に配され、サセプタ１２
の各傾斜面に結晶成長用基板１３が収納保持されてい
る。この基板保持位置と対向して反応管１１の外部に
は、ヒータ１４がコイル状に同軸心的に配置され、反応
管１１、結晶成長基板１３及びサセプタ１２が加熱され
る。また、結晶成長基板１３の取り付け結晶成長後の基
板１３の取り出しを行うためのロードロック室１５が反
応管１１の下半部の一例に並んで設けられ、これら反応
管１１とロードロック室１５を隔離するためのゲートバ
ルブ１６が配置される。つまりサセプタ１２を下げた
後、ゲートバルブ１６を開いてロードロック室１５内に
移すことができる。

【０００４】反応管１１の上端部には原料ガス・キャリ
アガス供給口１７が、底面中心部より突出した部分にガ
ス排気口１８が４箇所等角間隔にそれぞれ配設されてい
る。サセプタ１２の底面中心より回転軸１９が下方に延
在して反応管１１の底面より外に露出しており、この回
転軸１９の突出端部に磁気シールドユニット２１を介し
てモータ２２が歯車結合され、モータ２２により回転軸
１９及びサセプタ１２が回転される。また、図に示して
いないがこのサセプタ１２の回転と共に結晶成長用基板
１３が自転する機構がサセプタ１２の内部に設けられ、
基板１３は自公転させられる構成となっている。サセプ
タ１２を回転しつつ薄膜を形成するのは、サセプタ１２
が静止していると結晶成長用基板１３に供給される原料
ガスの供給が場所によってばらつきを持つため、これを
平均化させるためである。結晶成長用基板１３を自公転
させつつ薄膜を形成するのは、ヒータ１４により加熱さ
れた原料ガスが分解して結晶成長されて、ガス排気口１
８に近づくに従って原料ガスの供給量が少なくなるた
め、原料ガス供給量を平均化させるためである。サセプ
タ１２の基板保持面とこれと対向する反応管１１の面は
ほぼ平行とされている。

【０００５】このような構成の気相エピタキシャル成長
装置の、ガス供給口１７から、III族原料ガスであるト
リエチルガリウム、トリメチルアルミニウム（ＴＥＧ
ａ、ＴＭＡｌ：有機金属）やＶ族原料ガスであるアルシ
ン（ＡｓＨ₃ ）、又はドーパントガスであるテトラヨー
ドシリコン（ＳｉＩ₄ ）等が水素などのキャリアガスと
共に反応管１１内に供給される。つまり、ＧａＡｓを成
長する場合、III族原料ガスであるトリエチルガリウム
（ＴＥＧａ）とＶ族原料ガスであるアルシン（Ａｓ
Ｈ₃ ）を反応管１１内へ送り込み、これらガスがサセプ
タ１２に沿って流れることによって、ＧａＡｓ基板１３
上でトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）とアルシン（Ａｓ
Ｈ₃ ）の熱分解が生じ、ＧａＡｓ結晶が基板１３上に成
長する。ＡｌＧａＡｓ結晶を成長する場合には、III族
原料ガスであるトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｖ族原料ガスである
アルシン（ＡｓＨ₃ ）をキャリアガスと同時に流し、Ｉ
ｎＧａＰ結晶を成長する場合には、III族原料ガスであ
るトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジ
ウム（ＴＭＩｎ）、Ｖ族原料ガスであるホスフィン（Ｐ
Ｈ₃ ）をキャリアガスと同時に流す。化合物半導体のｎ
型結晶成長時には、Ｓｉの原料となるテトラヨードシリ
コン（ＳｉＩ₄ ）をｎ型ドーパントとして反応管１１へ
ごく微量に流す。

【０００６】結晶成長用基板１３はヒータ１４によって
加熱されているため、基板１３の近傍に到達した原料ガ
スは熱分解反応を起こし、エピタキシャル成長が行われ
る。この際、過剰になった原料ガスは、ガス排気口１８
から排気される。熱分解反応中はモータ２２によってサ
セプタ１２を回転し、結晶成長用基板１３を自公転させ
ることにより、結晶成長用基板１３上に膜厚の均一なエ
ピタキシャル層が形成されるようにする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
気相エピタキシャル成長装置で結晶成長用基板上にＧａ
Ａｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰを成長させる場合、以
下に述べる問題があった。 （１）エピタキシャル層の膜厚（成長速度）を大きくす
ることが比較的困難であった。 （２）エピタキシャル層の膜厚（成長速度）は、原料の
供給量が促進されるほど大きくなる。よって原料が結晶
成長用基板１３の近傍を通過させるように反応管１１を
構成しなければ原料効率は向上されない。一方、サセプ
タ１２と反応管１１とのギャップをあまり小さくする
と、反応管１１の側壁に熱分解反応によって生成した堆
積物の影響によりガスの流れを乱す可能性があるため、
適正な反応管構成とする必要がある。 （３）結晶成長用基板１３がサセプタ１２にその表面を
上にして収納配置されると、原料の熱分解反応により反
応管１１の側壁に生成したＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｉ
ｎＧａＰといった堆積物が落下して、結晶成長用基板１
３を汚染させる恐れがある。

【０００８】そこでこの発明は、上記（１）〜（３）の
問題点の少くとも１つを改善させた気相エピタキシャル
成長方法及びその装置を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、反応管内にサセプタにより設置され
た結晶成長用基板をヒータにより加熱し、反応管に原料
ガスを供給して、結晶成長用基板上に化合物半導体結晶
を気相エピタキシャル成長させる方法を前提とし、 （１）分解効率の低い原料ガスを混合したキャリアガス
を、この原料ガスより分解効率が高い他の原料ガスを混
合したキャリアガスよりも結晶成長用基板近傍に供給さ
せる。 （２）サセプタをピラミッド型とし、その頂部側から原
料ガスを供給し、反応管のガス排気口をサセプタの底面
中心部付近に設置する。

【００１０】（３）サセプタの結晶成長用基板保持面と
対向する反応管の内面近傍にキャリアガスのみをその内
面に沿って供給する。これら（１）〜（３）の何かによ
り、またこれら（１）〜（３）の複数を組合せることに
より、結晶成長用基板への原料の供給量が大きくなり、
エピタキシャル層の膜厚（成長速度）が大きくなる。ま
た、この発明による気相エピタキシャル成長装置は、サ
セプタの下向きの面に結晶成長用基板に収納配置される
よう構成されている。

【００１１】この構成により、原料の熱分解反応により
反応管の壁面に生成したＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＰといった堆積物が落下して、結晶成長用基板上を
汚染させることがなくなるものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施例を
図面を参照して説明する。図１にこの発明による気相エ
ピタキシャル成長装置の実施例を示す。反応管３１は逆
円錐筒状とされ、その内部に逆ピラミッド型（逆角錐
型）のサセプタ３２が同軸心的に配され、サセプタ３２
の各下向きの傾斜面に基板収納保持部３３が設けられ、
これらに結晶成長用基板３４が収納設置され、図に示し
ていないが、結晶成長用基板３４が落下しないように爪
などで係止されている。この爪などはガスの流れをなる
べく乱さないような構造とする。結晶成長用基板３４の
結晶成長面が、サセプタ３２の保持された面とほぼ同一
面上に位置される。サセプタ３２の基板収納保持部３３
と対向して、コイル状のヒータ３５が反応管３１の外部
にこれと同軸心的に配置され、反応管３１、結晶成長用
基板３４及びサセプタ３２を加熱することができる。ま
たサセプタ３２に対する結晶成長用基板３４の取り付
け、結晶成長後の基板３４の取り出しを行うためのロー
ドロック室３６が反応管３１の上面上に配置され、反応
管３１とロードロック室３６を隔離するためのゲートバ
ルブ３７が配置される。

【００１３】サセプタ３２の下端面に、これと同軸心的
に、筒状回転軸３８が取り付けられ、回転軸３８は下方
に延長されて、反応管３１の下方から外部へ突出され、
その外部へ突出した部分に磁気シールドユニット３９を
介し、更に歯車によりモータ４１の軸と結合されてい
る。サセプタ３２は下部を除き大部分である本体３２ａ
が上下動可能とされ、かつ回転軸３８とその回転方向に
は結合されている。例えば、回転軸３８の上端外周の歯
車が、サセプタ本体３２ａの底面中心に形成された内周
面歯車と結合される。よってサセプタ本体３２ａはロー
ドロック室３６内に入れることができる。また図に示し
ていないが、サセプタ３２内に、保持された結晶成長用
基板３４が自転する機構が従来装置と同様に設けられて
いる。つまりサセプタ３２に保持された結晶成長用基板
３４は自公転させられる。

【００１４】この例では反応管３１の下部から原料ガス
を反応管３１に給するようになされている。このため回
転軸３８の外側にガス供給筒部４３が同軸心に設けら
れ、その下端は磁気シールドユニット３９と接して気密
封止され、ガス供給筒部４３の更に外側にガス供給筒部
４４及び４５が同軸心的に順次設けられ、ガス供給角部
４３，４４,４５は順次短かくされ、ガス供給筒部４
４，４５の下端はそれぞれガス供給筒部４３，４４の外
周面と気密に塞さがれている。ガス供給筒部４３，４４
の各上端は反応管３１内に挿入され、かつ、サセプタ３
１の傾斜面とほぼ平行して、上側供給が徐々に大とさ
れ、つまり逆円錐状とされ、上端はサセプタ本体３２ａ
の近くに位置している。なお反応管３１の側面と、サセ
プタ３２の傾斜面ともほぼ平行とされている。

【００１５】この実施例ではＶ族原料ガスを混合したキ
ャリアガス供給口４６、III族原料ガスを混合したキャ
リアガス供給口４７、キャリアガス供給口４８がそれぞ
れガス供給筒部４３，４４，４５に各４箇所等角間隔に
配設されている。更にサセプタ３２の軸心位置に排気筒
４９が貫通され、排気筒４９は筒状回転軸３８内を通
り、その下端より外部に突出し、その突出端にガス排気
口５１とされる。ガス供給口４６，４７へ供給された各
原料ガスとキャリアガスの混合ガスはそれぞれサセプタ
３２の傾斜面に沿って上昇し、反応管３１の上端におい
て、サセプタ３２の上端面の中心に設けられた排気筒４
９に向って曲げられ、排気筒４９を通り、その下端から
排気される。原料ガスがサセプタ３２の傾斜面に沿って
流れる際に、ヒータ３５により、結晶成長用基板３４、
サセプタ３２が加熱されているため、原料ガスは熱分解
反応を起こして、結晶成長用基板３４上にエピタキシャ
ル成長が行われる。

【００１６】この際に、この実施例では分解効率が低い
Ｖ族原料ガスが、このガスよりも分解効率が高いIII族
原料ガスが供給されるガス供給筒部４４よりも内側のガ
ス供給筒部４３に供給されているため、結晶成長用基板
３４の近くにおいても、Ｖ族原料ガスがIII族原料ガス
より結晶成長用基板３４の近くを通ることになり、それ
だけ原料効率が向上する。またこの実施例ではキャリア
ガスのみが最も外側のガス供給筒部４５へ供給され、こ
のキャリアガスは反応管３１の内周面に沿って上昇し、
つまり、Ｖ族原料ガスの流れIII族原料ガスの流れの外
側を、これらを囲うように流れるため、原料ガスが強制
的に結晶成長用基板３４側に近ずけられ、効率的に熱分
解反応が行われる。

【００１７】更にこの実施例ではピラミッド型サセプタ
３２の底面（図１の例では上面の中心部から排気ガスを
取り出すようにしているため、原料ガスが結晶成長用基
板３４に近づいて流れるようになり、分解反応が効率的
に行われる。次に、具体例を述べる。結晶成長用基板３
４として３インチ（約７．５ｃｍ）ＧａＡｓ基板上にア
ンドープＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長させた場合
について説明する。

【００１８】トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）
を反応管３１内へ送ることによって、ＧａＡｓ基板３４
上でトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアル
ミニウム（ＴＭＡｌ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）の熱分解
を生じさせ、ＡｌＧａＡｓ結晶を成長させた。図２は、
図１の実施例においてガス供給口４８へ供給するキャリ
アガス流量を０,４，８ＬＭとし各原料ガスとキャリア
ガス混合ガスの流量を１ＬＭとしたときに、アンドープ
ＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長させたときの膜厚分
布を示す特性図である。この発明と比較のために、従来
の気相エピタキシャル成長装置で上記アンドーブＡｌＧ
ａＡｓをエピタキシャル成長させたときの膜厚分布も併
せて示した。成長後の膜厚（μｍ）については、結晶成
長用基板３４の中心から１０ｍｍピッチで測定した。

【００１９】図３に図１に示した実施例で上記アンドー
プＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長させたときの成長
後表面の異物数測定結果を示す。この発明との比較のた
めに、従来の気相エピタキシャル成長装置で上記アンド
ープＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長させたときの結
果も併せて示した。成長後表面の異物数は、φ０．５μ
ｍ以上のものについて測定した。図２に示したように、
この発明による気相エピタキシャル成長方法では、分解
効率の低いＶ族原料ガスを混合したキャリアガスを結晶
成長用基板３４近傍に供給することにより、エピタキシ
ャル層の膜厚（成長速度）は従来の気相エピタキシャル
成長装置に比較して５％程度大きくなった。また、供給
口４８に供給するキャリアガスの流量を増加させるに従
ってエピタキシャル膜の膜厚が大きくなり、エピタキシ
ャル層の膜厚（成長速度）は従来の気相エピタキシャル
成長装置に比較して２０％程度大きくなった。

【００２０】図３に示したように、この発明による気相
エピタキシャル成長方法では、従来の気相エピタキシャ
ル成長装置に比較して成長後表面の異物数が半分に軽減
される結果が得られた。上述において、キャリアガスの
みの供給は行わなくてもよい、つまりガス供給口４８は
省略してもよい。また逆にガス供給口４８を設けて、キ
ャリアガスのみの供給を行う場合は、ガス供給口４６に
III族原料ガスを供給し、ガス供給口４７にＶ族原料ガ
スを供給してもよい。また原料ガスの供給を、従来と同
様に行い、つまりIII族原料ガスとＶ族原料ガスを同一
のガス供給口から反応管３１へ供給してもよい。この場
合も、サセプタ３２の平面部の中心近傍から排気用ガス
を取込んで排気することにより、両原料ガスを結晶成長
用基板３４に近ずけることができる。排気筒４９は回転
軸３８間を通すことなく、サセプタ３２の上面中心部と
対向して排気筒の一端を設け、その排気筒をほぼ直角に
折り曲げて横方向に、反応管３１から外部へ出してもよ
く、あるいは、曲げることなく、上方に延長して外部へ
出してもよい。

【００２１】図４に示すように、ピラミッド型サセプタ
１２の頂部が上側の場合も、Ｖ族原料ガスとキャリアガ
スの供給を最も中心部の管にガス供給口４６から供給
し、その外側の円筒状管にIII族原料ガスをガス供給口
４７から供給し、更にその外の円筒状管にキャリアガス
のみをガス供給口４８から供給して、反応管１１へ供給
し、Ｖ族原料ガスがIII族原料ガスより結晶成長用基板
１３の近くを流れるようにし、またキャリアガスのみが
反応管１１の内周面に沿って流れ、そのキャリアガスの
流れにより両原料ガスが結晶成長用基板１３に強制的に
近づけられるようにしてもよい。更に排気筒２５の一端
面をサセプタ１２の底面中心部と近接対向させ、排気筒
２５を折り曲げて横方向に延長して反応管１１の外へ導
出してもよい。この構成により、原料ガスが結晶成長用
基板１３に近づくようにすることもできる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明による気相
エピタキシャル成長方法によれば、以下の１つ乃至複数
を行うことにより結晶成長用基板への原料の供給量が大
きくなり、エピタキシャル層の膜厚（成長速度）が大き
くなる。 （１）分解効率の低い原料ガスを混合したキャリアガ
ス、その原料ガスよりも分解効率が高い他の原料ガスを
混合したキャリアガスよりも結晶成長用基板の近傍に供
給して、原料効率を向上させる。 （２）反応管のガス排気口をサセプタの平面部の中心部
に設置し、原料ガスが結晶成長用基板の近傍を通過させ
る。 （３）反応管のサセプタの斜面と対向する内面近傍にキ
ャリアガスのみを供給し、原料ガスがサセプタに保持さ
れた結晶成長用基板の近傍を強制的に流れるようにす
る。

【００２３】また、この発明による気相エピタキシャル
成長装置は、サセプタが逆ピラミッド型をしており、そ
の下向きの傾斜面に結晶成長用基板が収納配置される構
成となっている。この構成により、原料ガスの熱分解反
応により反応管の側壁に生成したＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＰといった堆積物が落下して、結晶成長用
基板上を汚染させることがない。よってこの発明によれ
ば、エピタキシャル層の均一性、原料効率及び歩留の向
上を行うことができ、製品の生産性を向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による気相エピタキシャル成長装置の
実施例を示す縦断面図。

【図２】この発明による気相エピタキシャル成長方法及
び従来技術による気相エピタキシャル成長装置でエピタ
キシャル成長を行ったときの膜厚分布を示す特性図。

【図３】この発明による気相エピタキシャル成長装置及
び従来技術による気相エピタキシャル成長装置でエピタ
キシャル成長を行ったときの成長後表面異物数の測定結
果を示す図。

【図４】この発明による気相エピタキシャル成長装置の
他の実施例を示す縦断面図。

【図５】従来の気相エピタキシャル成長装置を示す縦断
面図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応管内に配したサセプタに結晶成長用
   基板を設置し、その結晶成長用基板をヒータにより加熱
   し、反応管に原料ガスを供給して、結晶成長用基板上に
   化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる方法
   において、 分解効率の低い原料ガスを混合したキャリアガスを、そ
   の原料ガスよりも分解効率が高い他の原料ガスを混合し
   たキャリアガスよりも結晶成長用基板近傍に供給するこ
   とを特徴とする気相エピタキシャル成長方法。
2. 【請求項２】 反応管内にピラミッド型サセプタを配
   し、そのサセプタに結晶成長用基板を設置し、その結晶
   成長用基板をヒータにより加熱し、反応管に原料ガスを
   供給して、結晶成長用基板上に化合物半導体結晶を気相
   エピタキシャル成長させる方法において、 結晶成長用基板への原料ガスの供給をサセプタの頂部側
   から行い、反応管のガス排気口をサセプタ底面の中心部
   に設けて排気することを特徴とする気相エピタキシャル
   成長方法。
3. 【請求項３】 反応管内の中心部にサセプタを配し、そ
   のサセプタに結晶成長用基板を設置し、その結晶成長用
   基板をヒータにより加熱し、反応管に原料ガスを供給し
   て結晶成長用基板上に化合物半導体結晶を気相エピタキ
   シャル成長させる方法において、 サセプタの結晶成長基板保持面と対向する反応管の内面
   近傍にキャリアガスのみをその内面に沿って流すことを
   特徴とする気相エピタキシャル成長方法。
4. 【請求項４】 反応管内にサセプタが配され、そのサセ
   プタに結晶成長用基板を設置し、その結晶成長用基板が
   ヒータにより加熱され、反応管に原料ガスが供給され、
   結晶成長用基板上に化合物半導体結晶を上記サセプタは
   逆ピラミッド型をしており、その逆ピラミッド型サセプ
   タの傾斜面に結晶成長用基板が取り付け配置される構成
   とされていることを特徴とする気相エピタキシャル成長
   装置。