JP2006225676A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温でもアルシンを用いたＧａＡｓ系化合物半導体の成長を可能とする気相成長装置を提供すること。
【解決手段】反応管１０と、前記反応管に成長ガスを導入するガス導入管９と、前記反応管内に基板を設置する手段２と、前記基板を加熱する手段４を具備しエピタキシャル層を気相成長する装置において、前記反応管１０またはガス導入管９の少なくとも一方に、アルシンを分解する手段（電磁波を放射する手段１１）を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板の表面に化学的気相成長によりエピタキシャル層を形成する気相成長装置に関するものである。

現在、半導体素子の化合物半導体結晶を成長する方法の一つとして、有機金属を主原料としてエピタキシャル成長を行うＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法が数多く用いられている。ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料ガスを熱分解し、基板上に化合物半導体結晶をエピタキシャル成長する。

ここで、従来の主なＭＯＶＰＥ装置が採用している反応炉（リアクター）を構成する方式を図５に示す。図５（ａ）は基板を載置する手段（サセプタ）３１の角錐斜面に半導体基板（ウェハ）３を保持したバレル型、図５（ｂ）はガスが反応管１０の一側から他側に向かって一方向に流れ、且つ基板３が基板を載置する手段（サセプタ）２２の開口部内において下向き（フェイスダウン）で設けられるタイプ（横型フェイスダウン）、図５（ｃ）は上から下に向かうガスがサセプタ３２の中央から半径方向外側に流れ、且つ基板３が基板を載置する手段（サセプタ）３２の開口部内において上向き（フェイスアップ）に設けられるタイプ（自転公転型フェイスアップ）、そして図５（ｄ）は下から上に向かうガスが基板を載置する手段（サセプタ）２２の中央から半径方向外側に流れ、且つ基板３がサセプタ２２の開口部内において下向き（フェイスダウン）に設けられるタイプ（自転公転型フェイスダウン）を示す。これらのうち、図５（ｂ）〜（ｄ）は横型気相成長装置に属する。

従来の横型気相成長装置の例を図４に示す。 図４に示すように、従来の横型気相成長装置は、両端にガス導入口１０ａおよびガス排気口１０ｂを備えたガス整流管から成る反応管１０と、反応管１０の内部に臨んで設けられると共に、基板３の表側を下向きにした状態で基板３を収納し支持するための開口２７を周方向に複数個有するサセプタ２２と、このサセプタ２２の開口内に収納支持された基板３の裏側に隣接して設けられる均熱板２３と、上記サセプタ２２の上方に設けられ、上記基板３、均熱板２３およびサセプタ２２を加熱して原料ガスＧを熱分解するためのヒータ（加熱手段）２１と、サセプタ２２を回転可能に支持するための回転手段（モータ）２６を備えたものである（例えば、特許文献１、２、３参照）。

図５（ｂ）の横型フェイスダウン方式や図５（ｄ）の自転公転型フェイスダウン方式の化合物半導体製造装置の場合、基板３をサセプタ２２の開口内に載置し支持する構造を得るため、図４に示すように、開口２７の下面周縁部には、開口２７の中心方向に張り出した段差から成る基板支持部、具体的には内向爪２５が一体に形成され、基板３は、この内向爪２５に外周部が支えられて開口２７の下面に保持される。

図４のＭＯＶＰＥ装置にてＧａＡｓ結晶の成長を行う場合、まず、サセプタ２２の開口２７内の下面に、気相成長の対象であるＧａＡｓ基板３を、その成長面を下にして設置する。そして、サセプタ２２の上方のヒータ２１で輻射加熱することにより、ＧａＡｓ基板３を加熱する。通常ＧａＡｓの成長は６００℃付近で加熱され、成長は行われる。加熱されたＧａＡｓ基板３上にＧａの原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＡｓの原料となるアルシン（ＡｓＨ₃）を流すと、ＧａＡｓ基板３の上でこれら原料ガスが熱分解反応を起こし、ＧａＡｓ結晶が基板の上にエピタキシャル成長する。

このように、従来より、ＧａＡｓ系化合物半導体の化学的気相成長におけるＡｓ材料として、アルシン（ＡｓＨ₃）が用いられてきた。しかしながら、アルシンは分解温度が高く、低温（約６００℃以下）でのＧａＡｓ系化合物半導体の成長には不向きであるとされ、そのような低温での成長にはターシャリーブチルアルシン（Ｃ₄Ｈ₉ＡｓＨ₂）が用いられることが多い。

なお、本発明と直接には関係がないが、膜厚分布及び成長速度を変化させることなく、キャリア濃度分布をコントロールするため、サセプタの上方に、メインヒータとサブの下流ヒータを配設する工夫（例えば、特許文献１参照）や、高純度な結晶成長を実現するため、均熱板とサセプタとの間の間隙を狭める工夫（例えば、特許文献２参照）や、膜厚均一性を良好にするため、上流ヒータを設けて、原料ガスを予め分化させるようにする工夫（例えば、特許文献３参照）が知られている。
特開平１１−２１４３１４号公報 特開２００１−６８４１８号公報 特開平１１−８７２５２号公報

ところで、ターシャリーブチルアルシンにはＶ族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の分解促進効果があることが確認されている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．１６４２−１６４９）。すなわち、トリメチルガリウムの分解速度は成長雰囲気中のターシャリーブチルアルシンの量に左右されることになり、結果としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）の成長速度がターシャリーブチルアルシンの濃度に左右されることになる。

この効果は、トリメチルガリウムとターシャリーブチルアルシンの成長雰囲気中の濃度が近い（いわゆる低Ｖ／III比）ほど顕著となる。すなわち、低Ｖ／III比の状態ではＧａＡｓの成長速度を制御することが非常に難しい。

一方、アルシンではこのような効果は見られないが、アルシンの分解にはおよそ６００℃程度の温度が必要であるため、これより低温の領域での成長には適さない。

以上をまとめると、低Ｖ／III比、且つ低温領域でのＧａＡｓ成長については、ターシャリーブチルアルシン、アルシンともに一長一短があるといえる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低温でもアルシンを用いたＧａＡｓ系化合物半導体の成長を可能とする気相成長装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る気相成長装置は、反応管と、前記反応管にアルシンを含む成長ガスを導入するガス導入管と、前記反応管内に基板を設置する手段と、前記基板を加熱する手段を具備しエピタキシャル層を気相成長する装置において、前記反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、アルシンを分解する手段を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、反応管と、前記反応管にアルシンを含む成長ガスを導入するガス導入管と、前記反応管内に基板を設置する手段と、前記基板を加熱する手段を具備しエピタキシャル層を気相成長する装置において、前記反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、周波数６３テラヘルツ以上６４テラヘルツ以下の電磁波を放射する手段を設けたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の気相成長装置において、前記反応管内に基板を設置する手段が、反応管内に横型に配置されたサセプタから成ることを特徴とする。これには図１、図３、図５（ｂ）〜（ｄ）の形態が含まれる。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の気相成長装置において、前記反応管内に基板を設置する手段が、反応管内に配置されたバレル型のサセプタから成ることを特徴とする。これには図５（ａ）の形態が含まれる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の気相成長装置において、気相成長するエピタキシャル層が、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかから選ばれたものであることを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明に関わる半導体製造装置は、反応管と、前記反応管に成長ガスを導入するガス導入管と、前記反応管内に基板を設置する手段と、前記基板を加熱する手段（加熱手段）を具備し、且つ反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、アルシンを分解する手段を具備する。アルシンを分解する手段としては、周波数６３テラヘルツ以上６４テラヘルツ以下の電磁波を放射する手段（以下、テラヘルツ波発生装置と称する）が考えられる。

アルシンの固有振動数は２１１２cm^-1、すなわち６３．４テラヘルツであるため、反応管またはガス導入管中のアルシンは、テラヘルツ波発生装置からの電磁波と共鳴し、加熱、分解が促進される。この効果は、６３〜６４テラヘルツの周波数であれば得ることができる。

一方、III族原料ガスは電磁波と共鳴しないため、電磁波によって加熱、分解が促進されることはなく、従来通り加熱された基板近傍で分解を開始する。したがって、電磁波照射領域に化合物半導体が析出することはない。

また、一般に成長ガス中の大部分を占めるキャリアガスも電磁波と共鳴しないため、同様に加熱されることはなく、電磁波照射領域の温度が著しく上昇することもない。

このように、アルシンだけを選択的に分解し、その他の材料、及び炉内状態（温度、炉内堆積物等）に影響を与えないことが本発明の特徴である。

本発明に関わる半導体製造装置で製造されるエピタキシャル層に特に制限はないが、電磁波がアルシンの分解に適した波長であることを考慮すると、エピタキシャル層はＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等、Ａｓを含む層であることが望ましい。

本発明によれば、反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、周波数６３テラヘルツ以上６４テラヘルツ以下の電磁波を放射する手段を設けたので、アルシンだけの選択的な分解を、その他の材料、及び炉内状態（温度、炉内堆積物等）に影響を与えることなく、達成することができる。従って、６００℃以下の低温領域であってもアルシンを用いたＧａＡｓ系化合物半導体の成長が可能となる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１に本発明の第一の実施形態に係る気相成長装置の構造を示す。

この図１の気相成長装置では、反応管１０内に基板を載置する手段（サセプタ）２を取りつけ、反応管１０のガス導入口１０ａからガス排気口１０ｂへ原料ガスを通す。この例では、サセプタ２上に基板３を載せ、反応管１０の外周囲に設けた加熱手段（ヒータ）４により基板３を加熱しつつ、形成したいエピタキシャル層に合わせたガスをガス導入口１０ａに供給する。すなわち、ドーパント用原料ガス６、III族有機金属原料ガス７、Ｖ族原料ガス８を、キャリアガス５とともにガス導入管９から供給し、基板３の表面にエピタキシャル層を得る。未反応の成長ガス及びキャリアガスは、反応管１０の後方に設けられたガス排気口１０ｂから排気される。

さらに、ガス導入管９の上部（外周囲）には、周波数６３．４テラヘルツの電磁波を発生するテラヘルツ波発生装置１１が設けられ、必要に応じてガス導入管９に電磁波を照射することができる構成となっている。このテラヘルツ波発生装置１１は反応管１０に設けることもできる。

この気相成長装置において、Ｖ族原料ガス８としてアルシン（ＡｓＨ₃）を、またIII族有機金属原料ガス７としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、キャリアガスとして水素を供給しながら、ＧａＡｓの成長を行う。その際、テラヘルツ波発生装置１１を作動させて、ガス導入管９（又は反応管１０）に、周波数６３．４テラヘルツの電磁波を放射した状態で、ＧａＡｓエピタキシャル層を形成する。

アルシンの固有振動数は２１１２cm^-1、すなわち６３．４テラヘルツであるため、ガス導入管９中のアルシンは、テラヘルツ波発生装置１１からの電磁波と共鳴し、加熱、分解が促進される。一方、III族原料ガスのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）は電磁波と共鳴しないため、電磁波によって加熱、分解が促進されることはなく、従来通り加熱された基板近傍で分解を開始する。したがって、電磁波照射領域に化合物半導体が析出することはない。

次に、試作例について説明する。

＜試作条件１＞
上記した図１に示す気相成長装置を用い、Ｖ族原料ガスとしてアルシンを５．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、III族有機金属原料ガスとしてトリメチルガリウムを１．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素を５Ｌ／ｍｉｎずつ供給しながら、ＧａＡｓの成長を行った。成長は基板温度を４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃と５０℃ずつ変化させたものを７回行った。成長中はテラヘルツ波発生装置１１からガス導入管９に電磁波を照射し続けた。すなわち、この成長は本発明に関わる気相成長装置を用い、且つ本発明に関わる半導体エピタキシャルウェハの製造方法を用いたＧａＡｓ成長に相当する。この成長を試作条件１と呼称する。

＜試作条件２＞
次に、Ｖ族原料ガスとしてアルシンを５．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、III族有機金属原料ガスとしてトリメチルガリウムを１．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素を５ｌ／ｍｉｎずつ供給しながら、ＧａＡｓの成長を行った。成長は基板温度を４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃と５０℃ずつ変化させたものを７回行った。成長中はテラヘルツ波発生装置１１の電磁波の照射を行わなかった。この点を除けば他の成長条件は試作条件１と全く同じではあるが、この成長はアルシンを用いた従来のＧａＡｓ成長に相当する。この成長を試作条件２と呼称する。

＜試作条件３＞
引き続き、Ｖ族原料ガスとしてターシャリーブチルアルシンを５．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、III族有機金属原料ガスとしてトリメチルガリウムを１．０×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素を５Ｌ／ｍｉｎずつ供給しながら、ＧａＡｓの成長を行った。成長は基板温度を４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃と５０℃ずつ変化させたものを７回行った。成長中はテラヘルツ波発生装置１１の電磁波の照射を行わなかった。この点及びＡｓ原料ガスが異なる点を除けば、他の成長条件は試作条件１と全く同じではあるが、この成長はターシャリーブチルアルシンを用いた従来のＧａＡｓ成長に相当する。この成長を試作条件３と呼称する。

さて、上記の試作条件１〜３の成長速度をそれぞれ算出し、成長速度を基板温度の逆数にしてプロットしたもの、すなわちアレニウスプロットが図２である。

図２から明らかように、試作条件１が最も成長速度が大きい。これはテラヘルツ波照射によりアルシンの分解が促進された効果である。

さらに、成長速度が基板温度にほとんど依存しない領域、いわゆる輸送律速の領域が、試作条件１は試作条件２よりも低温側に広がっており、試作条件３と同等の領域が得られている。すなわち、従来のターシャリーブチルアルシンと同等まで低温で成長可能であることを示している。

本試作例により、本発明に関わる気相成長装置により、従来よりも低温の領域で、アルシンによる安定なＧａＡｓの成長が可能であることが示された。

［実施形態２］
図３に本発明の他の実施形態を示す。

この気相成長装置においては、図３に示すように、ガス導入口１０ａからガス排気口１０ｂへ原料ガスが流通する反応管１０の上部壁に、グラファイト製の円盤から成る板状のサセプタ２２を設け、このサセプタ２２の下面に気相成長の対象であるＧａＡｓ基板３をその成長面を下にして設置する。そして、サセプタ２２の上方のターンテーブル２４と呼ばれる円盤を、加熱手段（ヒータ）２１で輻射加熱することにより、基板３を加熱する。通常ＧａＡｓの成長は６００℃付近で加熱され、成長が行われる。

この気相成長装置のガス導入口１０ａは、ガス導入管９を通して、ドーパント用原料ガス６、III族有機金属原料ガス７、Ｖ族原料ガス８、キャリアガス５のガス源に接続されている。また、このガス導入管９には、周波数６３．４テラヘルツの電磁波を発生するテラヘルツ波発生装置１１が設けられており、ガス導入管９に電磁波を照射する構成となっている。このテラヘルツ波発生装置１１は反応管１０に設けることもできる。

かかる構成において、加熱された基板３上にＧａの原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＡｓの原料となるアルシン（ＡｓＨ₃）を流すと、基板３上でこれら原料ガスが熱分解反応を起こし、ＧａＡｓ結晶が基板３上にエピタキシャル成長する。その際、アルシンは、テラヘルツ波発生装置１１からの電磁波と共鳴し、加熱、分解が促進される。なお成長に寄与しなかったガスは、そのままガス排気口１０ｂを通過して排気される。

上記の実施形態においては、横型のサセプタの気相成長装置を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４の気相成長装置や、図５に示した気相成長装置のいずれに対しても適用することができる。

本発明の一実施形態に関わる気相成長装置の模式的な断面図である。 試作条件１〜３の成長速度を、基板温度の逆数との関連でプロットしたアレニウスプロット図である。 本発明の他の実施形態に関わる気相成長装置の模式的な断面図である。 従来の横型の気相成長装置の断面図である。 従来の気相成長装置の主なリアクター方式を示した図である。

符号の説明

２ 基板を載置する手段（サセプタ）
３ 基板（ＧａＡｓ基板）
４ 加熱手段（ヒータ）
５ キャリアガス
６ ドーパント用原料ガス
７ III族有機金属原料ガス
８ Ｖ族原料ガス
９ ガス導入管
１０ 反応管
１１ 電磁波を放射する手段（テラヘルツ波発生装置）
２１ 加熱手段（ヒータ）
２２ 基板を載置する手段（サセプタ）
２４ ターンテーブル

Claims (5)

1. 反応管と、前記反応管にアルシンを含む成長ガスを導入するガス導入管と、前記反応管内に基板を設置する手段と、前記基板を加熱する手段を具備しエピタキシャル層を気相成長する装置において、
   前記反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、アルシンを分解する手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
2. 反応管と、前記反応管にアルシンを含む成長ガスを導入するガス導入管と、前記反応管内に基板を設置する手段と、前記基板を加熱する手段を具備しエピタキシャル層を気相成長する装置において、
   前記反応管またはガス導入管の少なくとも一方に、周波数６３テラヘルツ以上６４テラヘルツ以下の電磁波を放射する手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項１又は２に記載の気相成長装置において、
   前記反応管内に基板を設置する手段が、反応管内に横型に配置されたサセプタから成ることを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項１又は２に記載の気相成長装置において、
   前記反応管内に基板を設置する手段が、反応管内に配置されたバレル型のサセプタから成ることを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の気相成長装置において、
   気相成長するエピタキシャル層が、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかから選ばれたものであることを特徴とする気相成長装置。

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