JP2733535B2 - 半導体薄膜気相成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、化合物半導体薄膜成長装置に関し、特に、
供給ガスの流れの基板に対する供給方向を工夫した半導
体薄膜成長装置に関する。

［従来の技術］ 化合物半導体は、今日のオプトエレクトロニクス用材
料として重要な地位を占めている。GaAs、AlAs等の化合
物半導体薄膜のエピタキシャル成長法として、LPE法、V
PE法、MBE法、MOCVD法等がある。特に、MBE法及びMOCVD
法は、場合によっては、熱力学的に安定状態にない混晶
半導体をも成長できるため、化合物半導体が有している
可能性を発揮させるための基幹技術として、特に注目さ
れている。

近年、MBE法によらなければ、困難と考えられていた
量子サイズ（200Å以下）の薄膜エピタキシャル成長
が、MOCVD法で実現できたことによって、従来からのMOC
VD法による装置がMBE装置と比較して安価な装置である
こと及び量産性に富んだ方法であること等の特長と呼応
して、化合物半導体薄膜のエピタキシャル成長方法の主
流になっている。

然し乍ら、有機金属の熱分解反応機構や成長反応理論
が、明らかにされていないため、多くの未解決の技術的
課題が残されている。特に、反応管の構造、原料等の各
種ガスの供給方法等によって、成長したエピタキシャル
層の品質が、大きく左右される傾向があり、大きな課題
となっている。

従来、MOCVD法の反応管方法としては、縦型反応管方
式と横型反応管方式の２種類がある。

例えば、第６図ａは、MOCVD法で用いられている従来
の縦型反応管方式の代表的な構造を簡略に示す断面図で
ある。反応筒１は、石英ガラスで作られた二重構造で内
側の反応管２の外側周囲に外側管３を設け、外側管３の
上下に設けられた給水口４、排水口５に冷却水を流して
反応管２の外壁を水冷する構造である。そして、反応管
の上部には、原料等各種ガスの導入口６からエピタキシ
ャル成長に寄与する有機金属ガス（例えばTMG、TMA等）
及び水素化物ガス（例えばAsH₃、PH₃等）はキャリヤガ
ス（例えば、H₂、He、Ar等）とともに反応管２へ供給さ
れ、反応に寄与しなかった不要なガスを排気口７から排
出できる構造である。また、エピタキシャル成長層が形
成される化合物半導体基板８は、反応管２中に、温度検
出のための熱伝対を内蔵した支持棒９によって保持され
たカーボンサセプター10の上面10aに配置されている。
これを外側管３の外周に設置した加熱装置の高周波誘導
コイル11によって600℃〜800℃に加熱できるようになっ
ている。

更に、縦型反応管方式としては、第６図ｂに示すよう
な多数枚の基板に対して同時に成長せしめることのでき
るバレル型反応管がある。また、横型反応管方式のもの
で、第６図ａのものと同じ構成のものは、第７図に示す
ようなものである。

このような従来の縦型反応管構造では、エピタキシャ
ル成長時に、カーボンサセプター付近の温度上昇によ
り、化合物半導体基板及びカーボンサセプター付近のガ
ス温度が上昇し、導入したガスに熱対流が強く生じるた
めに、エピタキシャル成長に寄与する混合原料ガスが基
板に到達する以前に熱分解をし、基板表面に到達した際
の元素成分の比率の制御性を悪くし、且つバラツキを増
す等の悪影響を及ぼす。ガス流が対流になると、基板表
面での面内均一性及び高品質のエピタキシャル成長層を
得るために大きな障害になる。第８図は、第６図ａの反
応管構造において、カーボンサセプターを加熱した場合
に、周囲の温度上昇によって生じるガスの熱対流の様子
を示している。導入ガスは、カーボンサセプターによっ
て熱せられるために、浮力が生じ、エピタキシャル成長
層を形成すべき基板上に到達する以前に熱分解反応を起
こしてしまうことを示している。そして、ガスの流れが
基板上で均一とならないために、温度分布が生じてしま
い、熱対流により膜厚、組成等を制御できなくなるとい
う問題が、深刻であることを示唆している。このこと
は、第７図で示した横型反応管方式においても、程度の
差こそあれ、同様に生ずるために、エピタキシャル成長
層に高い均一性、均質性を与え、高い品質を与えるため
には、超えるべき深刻な問題である。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、以上述べたような問題点を解決すべく鋭意
研究を行なった結果、特に、原料ガスを低温のままで化
合物半導体基板に供給すると共に、反応後の薄膜成長に
寄与しなかった高温の残留原料ガス及びキャリヤガス或
いはその他の不要なガスを確実に基板表面の原料ガスか
ら分離して排気するように構成し、尚且つ、高い均一
性、均質性を有し、高い品質を有する薄膜成長層を実現
できるものである。従って、本発明は、害となる反応が
起こらないような適切な低い温度で、原料ガスを供給
し、供給ガスの反応管内での流れを適切に制御すること
のできる薄膜成長装置を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、高均質で、高品質の成長半導体薄膜を得
る装置を提供することを目的とする。ここで、“高均
質”とは、“膜厚分布が均一で、組成分布均一で、その
他の電気的特性及び光学的特性分布が均一である”こと
を意味する。また、“高品質”とは、“結晶学的に見て
品質が良好であり、結晶性が良好な”ことを意味する。

本明細書において、“供給ガス”とは、“原料等各種
のガス”を意味する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記の問題点を解決するために、供給ガス
の導入管とガス排気口を備えた反応管と当該反応管の内
部に配置された半導体基板を下面に搭載する支持手段と
前記半導体基板を加熱するための加熱装置を備える半導
体薄膜成長装置において、該反応管内において、ガス導
入口を下部に設け、ガス排気口を上部に設置し、且つ、
ガス導入口と支持手段の間には、搭載された半導体基板
の表面に対して、供給ガスを均一に流すように、筒状流
路手段を配置し、更に、前記筒状流路手段の周りに筒状
キャリヤガス流路手段を備え、それにより、反応に寄与
しなかったガスを速やかに排出させ、該筒状流路手段か
ら反応管内の反応領域に供給されたガスの流れを、半導
体基板表面に直角に当るようにガス導入口を配したこと
を特徴とする前記半導体薄膜成長装置を提供する。ま
た、その基板を搭載する支持手段は、一体化され、自転
するものであり、更に、高い均質性を有する薄膜成長層
が得られるものが好適である。

本発明の半導体薄膜成長装置は、供給ガスの導入管と
ガス排気口を備えた反応管とその反応管の内部に配置さ
れた化合物半導体基板を搭載するカーボンサセプターと
反応管の外部に設けられたその反応管を冷却するための
外側管と前記化合物半導体基板を加熱するための加熱装
置を備えるものである。そして、その反応管内には、カ
ーボンサセプターに搭載された基板に接して流れる加熱
ガスが、その浮力に伴い生じる熱対流に合致するよう
に、供給ガスの導入口を下部に設置し、且つガスの排気
口を上部に設置される。更に、そのガス導入構造は、供
給ガスが基板表面に均一に流れるように、ガス導入口と
支持手段の間に、筒状の流路手段を設け、基板に対して
は、供給ガスが均一に供給され、そして、反応に寄与し
なかったガスは、基板表面近傍から速やかに排出される
ように構成したものである。従って、供給ガスは、基板
表面に対して、直角に当るように流れとなり、反応に寄
与しないガスは速やかに支持手段即ち半導体の側面方向
に流れて行く。このために、反応は半導体表面でのみ生
じ、半導体表面近傍には、常に、一定の組成と濃度のガ
スが供給されるようになり、成長された半導体薄膜は、
高均質で高品質のものが得られる。

更に、前記筒状流路手段の周りに筒状キャリヤガス流
路手段を配置し、供給ガスの流れを、より安定化し、一
層、半導体薄膜の成長を均一に行なわしめる。

また、基板を搭載する支持手段は一体化され、自転す
るものが好適であり、即ち、基板表面が、供給ガスの流
れに対して、回転している。そのために、基板表面に供
給されるガスが均一になり、成長される半導体薄膜は、
均一、均質なものになる。

［作用］ 本発明の半導体薄膜成長装置では、原料ガスが下方か
ら上昇し、供給されており、そして、原料ガスは加熱さ
れるため、浮力を持ち、ガスの熱対流方向と一致してい
るので、半導体薄膜のエピタキシャル成長面では、原料
ガスの流れが均一になり、基板面上の温度分布も均一と
なる。そのために、半導体薄膜の成長層が均質になり、
その結果得られる薄膜は、膜厚均一で、組成分布が均一
で、その他の電気的特性、光学的特性が均一なものが得
られる。そのため、更に、結晶学的に見て品質の良好な
半導体薄膜が作製される。

次に、本発明の半導体薄膜気相成長装置について具体
例により説明するが、本発明は、次の実施例に限定され
るものではない。

［実施例］ 第１図は、本発明の半導体薄膜成長装置の１例を示す
断面図である。この図では、本発明を、より容易に理解
できるように簡略化して示したものである。図において
使用した符号番号は、前記の従来技術で用いたものと対
応するものである。

反応筒１は、石英ガラスで作られた２重構造で内側の
反応管２の外側周囲に外側管３を設け、外側管３の上下
に設けられた給水口４から排水口５に冷却水を流して反
応管２の外側を水冷する構造である。反応管２内への供
給ガスのためのガス導入口６は、図示のように、下部に
設け、上部にガス排気口７を設ける。それらの中間に位
置するように、カーボンサセプター10を配置し、そこに
載置した基板８の表面に、供給ガスの流れが直角に当る
ような構造を有する。即ち、供給ガスの流れは、ガス筒
状流路手段12を経て下部から上部へ向かうものであり、
それに直角に基板８を配置してあるものである。即ち、
反応管２内のガス導入口手段６は、供給ガスのためのガ
ス筒状流路手段12を有し、反応管２の下部に配置され
る。この筒状流路手段12は、カーボンサセプター10の近
くまでガス導入口手段６から、サーボンサセプター10に
対して垂直に設けられており、半導体基板８に対してガ
ス筒状流路手段12の開口部は、適切な間隔に配置する。

着脱自在な筒状コップ14、支持棒９及びカーボンサセ
プター10は、図示のように適切に固定されている。この
具体例では、基板８は、２インチウエハ１枚を固定でき
るものである。

以上のようにガス筒状流路手段12を設けたことによっ
て、カーボンサセプター10及び基板８に対して、原料ガ
ス等を供給した後に、ガスが広角で放射排気される部分
（即ちガス膨張部）15と原料ガスから分離される部分
（即ち分離部）16が、反応管２中に形成される。ガス膨
張部15は、ガス筒状流路手段12（及び13）からの原料ガ
ス及びキャリヤガスがカーボンサセプター10の下面及び
基板８表面に接して加熱され、エピタキシャル成長に寄
与し、或いは寄与しないで、上部へ上昇していく際に、
周辺のガス流に混流するのを防止する役割を果たす。

一方、熱分解して上昇していく、成長には寄与しなか
ったが反応性のある原料ガス等が反応して生じた生成物
が、反応管２の内壁に付着するが、分離部16は、この付
着物が降り落ちてくるものを収集する役割をも果たして
いる。

更に、本発明により、このガス筒状流路手段12の周囲
外側に、キャリヤガス筒状流路手段13を設けて、以上の
効果が更に向上するようにできる。即ち、原料ガスは、
上昇していき、基板８表面等に当り、反転してくるよう
な対流を形成しないように、周辺を定常状態にし、安定
したガス流路が保持できるようにする。

本発明の半導体薄膜成長装置には、更に、従来装置と
同様に、二重管構造になっており、水或いはその他の冷
却媒体によって、反応管２を冷却するようになってい
る。

更に、加熱装置として、高周波誘導コイル11を備えて
おり、エピタキシャル成長に必要な成長温度（例えば、
600℃〜800℃）にカーボンサセプター10及び基板８のみ
を加熱できるものである。

以上の具体例の装置における、本発明による反応管構
造での動作原理を次に説明する。

本発明の半導体薄膜成長装置では、従来の装置、例え
ば、第６図及び第７図に示した反応管方式に対しても、
原料等各種の供給ガスの流れを理想的に制御できる。

即ち、導入口６からのガスの流れ方向とカーボンサセ
プター10等により加熱され浮力を持ったガスの流れの対
流する方向とが、一致するために、エピタキシャル成長
面（即ち、基板８の表面）上でのガスの流れが均一にな
り、基板８表面の上での温度分布も均一となるため、成
長層が均質となる。

伝熱工学的に見た場合の本発明装置による、供給ガス
の流れの１例を、第２図に示す。これによると、第１図
の装置中のカーボンサセプター10（基板８）の表面に対
して、層流で供給ガスが流れることが分かる。一方、ガ
ス膨張部15へ排出されたガスは、反応管２の外側の冷却
のために、再び下方に流れ、図示のように渦を形成す
る。この渦が、混合ガスと混流するのを防止できる。

即ち、本発明の装置では、第１図に示すように、原料
ガス筒状流路手段12を基板８表面に対して垂直に且つ適
切な間隔をとって設けてある。更に、同時に、キャリヤ
ガス筒状流路手段13を、原料ガス流路の周囲に第１図に
示すように、設ける。

従って、本発明の半導体薄膜成長装置では、導入口手
段６より導入され、筒状流路手段12、13を通ることによ
り作られた原料等各種ガスの流れに対して、直角に基板
８を配置することが、本発明の最大の特徴である。更
に、第２図に示したガス対流部17の影響を除くために、
キャリヤ筒状流路手段13を設けたことが、本発明の特徴
である。

更に、支持棒９、カーボンサセプター10、基板８及び
コップ14は、一体化して自転するようにでき、そのため
に、直角方向から供給される供給ガスの組成、濃度など
を更に平均化でき、更に、高い均質性を有する化合物半
導体薄膜成長層が得られる。

更に、第３図に、導入原料等の各種ガスの流れに対し
てカーボンサセプター10及び基板８が直角になっていな
い場合を示す。このような配置構造にした場合には、大
面積の基板表面上に高均質な成長層を形成することがで
きなくなる。即ち、カーボンサセプターや基板（固体）
を加熱した状態では、混合ガスの流れ（流体）の中に置
いた場合、流体力学の観点から、固体表面上では、流体
が完全静止であるが、固体表面から離れた点では流体速
度は、急激に上昇増加し、流れ中では一定速度になる。
即ち、固体表面からわずかに離れた点で、流体中の速度
は、高くなり、遠くなるにつれて、一定速度の流れの速
度と同一になる。同様なことが温度についてもあり、固
体表面の温度も、固体表面からわずか離れた点の温度
は、急激に低い温度になる。このように、流体の速度や
温度の勾配が、急激な所を各々、速度境界層及び温度境
界層と呼ぶ。この速度境界層と温度境界層は、密接に関
係しており、固体と流体との間での熱伝達に重要な影響
を及ぼすものである。そして、速度境界層には、層流境
界層と乱流境界層とがあり、層流境界層を有する固体表
面の流れに対する熱伝達と乱流境界層を有する固体表面
の流れに対する熱伝達とを比較すると、乱流境界層を有
する場合の方が、はるかに大きな熱伝達を行なう。この
ために、流れ方向に角度を持つ場合や水平である場合
（第３図ａ、ｂに示す）は、第４図の断面図に示すよう
に、流れ方向Ｘで流れて、ガス流が、固体に当った点Ａ
から流れ方向に沿って速度境界層が発達していくが、Ａ
点からしばらくの間は、層流境界層であり、層の厚さが
ある程度以上に発達すると、乱流に変わる。Ｂ点がその
乱流に変わる点とし、その点を遷移点と称する。乱流に
変わると図示のように急速に熱伝達率が大きくなる。
又、遷移点以降の下流側では、この境界層が、発達して
いくために、基板からの熱の逃げが益々大きくなる。こ
の層が、乱流境界層である。この第４図に示した現象
は、一般に起こるものであり、半導体薄膜成長装置の反
応管中で、ガスの流れに対する基板表面の角度が、重要
であり、その角度により、基板表面内で前記の性質の異
なる２つの境界層が、共存することになり、熱の逃げ方
によって、温度分布と成長層厚分布が出来てしまうこと
になる。

基板表面内で温度分布が生じた場合には、高い均質性
を有する成長層が得られ難くなる。大面積の基板表面に
対しては、流れに沿う基板表面の長さが増加することに
より、それが、著しくなることが理解できる。

従って、速度境界層を層流又は乱流のどちらかに統一
することが重要であり、本発明の実施例に示したよう
に、ガスの流れに、直角に基板表面を配置することが、
大面積の基板に対して高均質なエピタキシャル成長層を
実現するために効果的である。

更に、本発明の薄膜成長装置においては、第２図に示
すように、対流部17を解消してガスの流れを制御するた
めに、キャリヤガス筒状流路手段13が重要であり、効果
があるものである。

更に、以上のように第１図によって示した具体例の変
更例として、多数の基板を搭載できるような構造を、第
５図に示す。即ち、第５図は、ガス導入口手段６の方向
から上部を見た図であり、カーボンサセプター10に組み
込まれた多数の基板８を示す。各基板８は自転し、それ
らが搭載される部分18は、更に回転する。即ち、公転部
分18を有するカーボンサセプター10を下から見た図であ
る。各基板を回転させ、且つ、全体を公転させることに
よって、それに接する供給ガスの組成、濃度などを均一
にできるものである。

以上に説明した本発明を、半導体薄膜成長に適用すれ
ば、MOCVD法の反応管内で、各種の原料ガスが化合物半
導体基板上に到達するまでに、熱分解してしまう影響を
防止し、加熱部に接して加熱されたガスは浮力を持ち、
その浮力による熱対流が生じ、それを積極的に利用し
て、ガス膨張部へ排気することで基板に到達した後のガ
スが到達する前の原料ガス等と混流するのを防止し、混
合ガスと直角に基板を配置することで、基板表面内で均
一な温度分布を形成することになり、大面積の基板に対
してでも良好な結晶性、表面平坦性、電気的特性等を有
する高い均質性を有し、高い品質を有するエピタキシャ
ル成長層を再現性良く成長させることができ、従来の成
長装置では見られない優れた効果を発揮する。

本発明の半導体成長装置は、主に化合物半導体を作製
するために、特に、有効であるが、更に、高効率の発光
素子、高速FET亦これらの集積化素子等を基幹材料又は
構造とするものを形成するためにも有効である。即ち、
エピタキシャル成長層の特性を向上できるので、作製さ
れた素子の性能向上や素子製造の歩留り向上等に著しい
貢献ができるものである。

本発明の成長装置は、前記の実施例にのみ限定される
ものでないことは明らかである。例えば、供給ガスの流
れのための筒状流路手段は、他の構造でも用いられる。
即ち、ガスの流れが下から上へ流れるようにした反応管
において、基板がガスの流れに直角になっており、不用
なガスの流れと有用なガスの流れが、効果的に分離する
構造であり、ガス膨張部とガス分離部が各々流路を取る
構造であれば、良い。更に、反応管は、石英以外の材料
でも可能である。

［発明の効果］ 本発明の半導体薄膜成長装置は、 第１に、供給ガスが熱対流の方向と同じ向きで流れる
配置であるために、供給ガスが安定した流れで、基板表
面に供給され、排気されるべきガスと混合することのな
い成長装置が提供されること 第２に、供給ガスの流れに直角に基板表面を配置する
ことによって、大きな面積の基板に対しても高均質なエ
ピタキシャル成長層が得られる成長装置を提供するこ
と、 第３に、供給ガスが基板表面に達する前に熱分解反応
して、成長層に悪影響を及ぼすのを防止し、熱対流を利
用して反応に寄与しなかったガスを排気し、基板に到達
する前のガスと到達後のガスが混流することを防止でき
た成長装置を提供すること 第４に、金属有機化合物気相成長において、大きな面
積の基板に対してでも、良好な結晶性、表面平坦性、電
気的特性等を有する高均質で高品質なエピタキシャル成
長層を再現性良く成長させることができる、従来の装置
では見られない優れた半導体薄膜成長装置を提供するこ
と、 などの技術的効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体薄膜成長装置の１具体例を示
す断面図である。 第２図は、本発明の半導体薄膜成長装置における熱対流
の１例を示す説明図である。 第３図は、本発明によるものでない原料ガスの流れを示
す説明図であり、第３図ａは、ガス流に角度をもつ基板
に成長させた場合、第３図ｂは、ガス流に水平に配置さ
れた基板の場合である。 第４図は、原料ガスの流れと成長薄膜表面を示す説明断
面図である。 第５図は、本発明の半導体薄膜成長装置の１応用例を示
す多数枚の半導体薄膜成長用の反応管の断面を示す。 第６図は、従来の半導体薄膜成長装置として縦型反応管
方式（ａ）とバレル型縦型反応管（ｂ）を示す断面図で
ある。 第７図は、従来の半導体薄膜成長装置の横型反応管方式
を示す断面図である。 第８図は、従来の縦型反応管方式での原料ガスの熱対流
を示す説明図である。 ［主要部分の符号の説明］ ２……反応管 ３……冷却外側管 ６……ガス導入口 ７……排気口 ８……半導体基板 10……カーボンサセプター 11……加熱装置 12……ガス流路管 13……キャリヤ流路管 15……ガス膨張部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給ガスの導入管とガス排気口を備えた反
   応管と当該反応管の内部に配置された半導体基板を下面
   に搭載する支持手段と前記半導体基板を加熱するための
   加熱装置を備える半導体薄膜成長装置において、 該反応管内において、ガス導入口を下部に設け、ガス排
   気口を上部に設置し、且つ、ガス導入口と支持手段の間
   には、搭載された半導体基板の表面に対して、供給ガス
   を均一に流すように、筒状流路手段を配置し、更に、前
   記筒状流路手段の周りに筒状キャリヤガス流路手段を備
   え、それにより、反応に寄与しなかったガスを速やかに
   排出させ、該筒状流路手段から反応管内の反応領域に供
   給されたガスの流れを、半導体基板表面に直角に当るよ
   うにガス導入口を配したことを特徴とする前記半導体薄
   膜成長装置。
2. 【請求項２】基板を搭載する支持手段は、一体化され、
   自転するものである特許請求の範囲第１項に記載の半導
   体薄膜成長装置。