JP4879693B2 - Ｍｏｃｖｄ装置およびｍｏｃｖｄ法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置およびＭＯＣＶＤ法に関する。

従来から、発光ダイオードおよび半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）またはアルシン（ＡｓＨ₃）などの水素化合物ガスと、を成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ法が用いられている。

ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。

図１２に、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例の模式的な構成を示す。このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源２２から反応炉２１の内部の成長室に原料ガスおよび不活性ガスを導入するためのガス配管２３が接続されており、反応炉２１の内部の成長室の上部には成長室に原料ガスおよび不活性ガスを導入するための複数のガス導入孔を有するシャワーヘッド３０がガス導入部として設置されている。また、反応炉２１の成長室の下部の中央部にはアクチュエータ（図示せず）によって回転自在の回転軸３１が設置され、回転軸３１の先端にはシャワーヘッド３０と対向するようにしてサセプタ２８が取り付けられており、サセプタ２８の下部にはサセプタ２８を加熱するためのヒータ２９が取り付けられている。また、反応炉２１の下部には反応炉２１の内部の成長室内のガスを外部に排気するためのガス排気部２４が設置されており、ガス排気部２４は、パージライン２５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置２６に接続されている。

上記のような構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶の成長の際には、サセプタ２８に基板２７が設置され、その後、回転軸３１の回転によりサセプタ２８が回転させられる。そして、ヒータ２９の加熱によりサセプタ２８を介して基板２７が所定の温度に加熱され、シャワーヘッド３０に形成されている複数のガス導入孔から反応炉２１の内部の成長室に原料ガスおよび不活性ガスが導入される。このような縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置は、シャワーヘッド３０を用いることによって、反応炉２１内の基板２７の表面に均一に原料ガスを導入することができ、基板２７の表面上方を流れる原料ガスの流速のばらつきを低減することができるために、高品質な化合物半導体結晶を均一な厚さに成長させることができるという特徴を有している。

たとえば、特開２００４−１９３１７３号公報（特許文献１）には、従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例が開示されている。ここでは、基板が載置されるステージと対向するようにして設置されたシャワーヘッドに原料ガス用のノズルと不活性ガス用のノズルとを設け、原料ガスをステージの中央に向けて導入すると同時に、不活性ガスを原料ガスに押し付けるように導入することによって、基板の表面上方への原料ガスの拡散を抑制し、原料ガスの利用効率を向上させて、製造コストを低減できるとされている。

また、特開平５−１５２２０８号公報（特許文献２）には、従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の他の一例が開示されている。ここでは、シャワーヘッドから複数種類の原料ガスをそれぞれ別個に導入し、複数種類の原料ガスのそれぞれの流路に中間室を設けることによって、化合物半導体結晶を均一な厚さに成長させることができるとされている。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されているＭＯＣＶＤ装置においては、基板を加熱するヒータの上部にシャワーヘッドが設置されていることによって、シャワーヘッドの面内に原料ガスの気相反応による反応生成物が付着しやすくなり、付着した反応生成物によってガス導入孔が塞がれ、それぞれのガス導入孔から導入されるガスの量が大きくばらついてしまうという問題があった。また、シャワーヘッドに付着した反応生成物が化合物半導体結晶の成長時に剥がれて基板上に落下し、化合物半導体結晶の品質に悪影響を及ぼすため、頻繁にシャワーヘッドのクリーンニングを行なう必要があり、化合物半導体結晶の生産性が著しく低下するという問題があった。

そこで、特開平６−１０１０４８号公報（特許文献３）には、中央からモノシラン（ＳｉＨ₄）などのＳｉを含むソースガスを導入し、両端から酸素ガスを導入し、ソースガスと酸素ガスとの間から不活性ガスを導入することができる矩形状のインジェクタをガス導入部として備えた気相成長装置が開示されている。この気相成長装置によれば、インジェクタから噴出されたソースガスおよび酸素ガスは基板の表面近傍に到達するまで不活性ガスによってその接触が防止されるため、ソースガスと酸素ガスとの反応による反応生成物がインジェクタのガス導入孔に付着するのを防止することができるとされている。
特開２００４−１９３１７３号公報 特開平５−１５２２０８号公報 特開平６−１０１０４８号公報

しかしながら、特許文献３に開示されている気相成長装置においては、各種ガスの流路が細長くなっているため、インジェクタのガス導入孔の近傍において各種ガスの流速が低下し、不活性ガスによるソースガスと酸素ガスとの隔離効果の低下やソースガスの回り込みによるインジェクタのガス導入孔への反応生成物の付着の問題があった。また、インジェクタのガス導入孔から基板の表面近傍に到達するまでの間のソースガスと酸素ガスとの反応を防止するためには、不活性ガスの導入量をソースガスと酸素ガスのいずれの導入量よりも多くする必要があるため、基板の表面近傍におけるソースガスと酸素ガスの濃度がいずれも低く、化合物半導体結晶の成長速度が著しく減少するという問題もあった。さらに、インジェクタから導入される各種ガスは基板の表面の中央部から外側にかけて噴出されるため、基板の表面の中央部にはソースガスしか存在しないことから、基板の表面の中央部の領域には化合物半導体結晶が成長しないという問題もあった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、ガス導入部への反応生成物の付着を抑制することができるとともに、基板の表面における原料ガスの気相反応の均一性を向上することができるＭＯＣＶＤ装置およびその装置を用いたＭＯＣＶＤ法を提供することにある。

本発明は、成長室と、少なくともＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとＶ族元素を含むＶ族系ガスと不活性ガスとを成長室に導入するためのガス導入部と、を備え、ガス導入部は、ＩＩＩ族系ガスを導入するためのＩＩＩ族系ガス導入孔と、Ｖ族系ガスを導入するためのＶ族系ガス導入孔と、不活性ガスを導入するための不活性ガス導入孔と、を有し、不活性ガス導入孔は、ＩＩＩ族系ガス導入孔とＶ族系ガス導入孔との間に配置されており、不活性ガス導入孔から導入される不活性ガスの導入量をＩＩＩ族系ガス導入孔から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量およびＶ族系ガス導入孔から導入されるＶ族系ガスの導入量の少なくとも一方よりも少なくするための制御部を備え、不活性ガス導入孔は、不活性ガスの導入量を独立に制御することが可能な第１の不活性ガス導入孔と第２の不活性ガス導入孔とを有している、ＭＯＣＶＤ装置である。

ここで、本発明のＭＯＣＶＤ装置においては、不活性ガス導入孔の開口部の面積が、ＩＩＩ族系ガス導入孔の開口部の面積およびＶ族系ガス導入孔の開口部の面積のいずれよりも大きいことが好ましい。

また、本発明は、上記のいずれかに記載のＭＯＣＶＤ装置を用いたＭＯＣＶＤ法であって、不活性ガス導入孔から導入される不活性ガスの導入量をＩＩＩ族系ガス導入孔から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量およびＶ族系ガス導入孔から導入されるＶ族系ガスの導入量の少なくとも一方よりも少なくするとともに、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの少なくとも一方の導入量の変化に応じて不活性ガスの導入量を変化させながら化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ法である。

また、本発明のＭＯＣＶＤ法においては、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスがそれぞれ成長室に導入される前に不活性ガスが成長室に導入されることが好ましい。

また、本発明のＭＯＣＶＤ法においては、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの成長室への導入がそれぞれ停止した後に不活性ガスの成長室への導入が停止されることが好ましい。

本発明によれば、ガス導入部への反応生成物の付着を抑制することができるとともに、基板の表面における原料ガスの気相反応の均一性を向上することができるＭＯＣＶＤ装置およびその装置を用いたＭＯＣＶＤ法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明のＭＯＣＶＤ装置の一例である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な構成の一例を示す。このＭＯＣＶＤ装置は、中空部である成長室１４を有する反応炉１と、成長室１４の上部の内壁面である上面１４ａに設置されたガス導入部としてのシャワーヘッド１０と、成長室１４の下部の内壁面である下面１４ｂに設置された回転軸１１と、成長室１４の下面１４ｂに回転軸１１を取り囲むようにして設置された被覆板１５と、回転軸１１の一端に備え付けられた支持台１６と、支持台１６上に設置されたヒータ９と、ヒータ９上に設置されたサセプタ８と、を含んでいる。ここで、シャワーヘッド１０はサセプタ８と向かい合うようにして設置されている。また、回転軸１１はアクチュエータ（図示せず）などによって回転自在とされており、回転軸１１の回転によりサセプタ８の上面（シャワーヘッド１０側の表面）が成長室１４の下面１４ｂと平行な状態を保ちながら回転する。

また、このＭＯＣＶＤ装置は、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスの供給源となるＩＩＩ族系ガス供給源２ａと、ＩＩＩ族系ガス供給源２ａから供給されたＩＩＩ族系ガスをシャワーヘッド１０に導入するためのＩＩＩ族系ガス配管４ａと、ＩＩＩ族系ガス供給源２ａから供給されるＩＩＩ族系ガスのシャワーヘッド１０への導入量を調節することができるＩＩＩ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ３ａと、を有している。ここで、ＩＩＩ族系ガス供給源２ａは、ＩＩＩ族系ガス配管４ａによって、マスフローコントローラ３ａを介して、シャワーヘッド１０に接続されている。

なお、本発明において、ＩＩＩ族元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはＩｎ（インジウム）などがあり、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとしては、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。

また、このＭＯＣＶＤ装置は、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源２ｂと、Ｖ族系ガス供給源２ｂから供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド１０に導入するためのＶ族系ガス配管４ｂと、Ｖ族系ガス供給源２ｂから供給されるＶ族系ガスのシャワーヘッド１０への導入量を調節することができるＶ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ３ｂと、を有している。ここで、Ｖ族系ガス供給源２ｂは、Ｖ族系ガス配管４ｂによって、マスフローコントローラ３ｂを介して、シャワーヘッド１０に接続されている。

なお、本発明において、Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）またはアルシン（ＡｓＨ₃）などの水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。

また、このＭＯＣＶＤ装置は、不活性ガスの供給源となる不活性ガス供給源２ｃと、不活性ガス供給源２ｃから供給された不活性ガスをシャワーヘッド１０に導入するための中空の不活性ガス配管４ｃと、不活性ガス供給源２ｃから供給される不活性ガスのシャワーヘッド１０への導入量を調節することができる不活性ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ３ｃと、を有している。ここで、不活性ガス供給源２ｃは、不活性ガス配管４ｃによって、マスフローコントローラ３ｃを介して、シャワーヘッド１０に接続されている。

また、本発明において、不活性ガスとしては、たとえば、アルゴン等の希ガスの１種類以上、窒素、またはアルゴン等の希ガスの１種類以上と窒素との混合ガスなどを用いることができる。

また、このＭＯＣＶＤ装置は、不活性ガス供給源２ｃからシャワーヘッド１０に導入される不活性ガスの導入量がＩＩＩ族系ガスの導入量およびＶ族系ガスの導入量の少なくとも一方よりも少なくなるように、マスフローコントローラ３ａ、３ｂ、３ｃを制御することができる制御部１３を備えている。

また、このＭＯＣＶＤ装置は、成長室１４の内部のガスを外部に排気するためのガス排気部１２と、ガス排気部１２に接続されたパージライン５と、パージライン５に接続された排ガス処理装置６と、を有している。これにより、成長室１４の内部に導入されたガスはガス排気部１２によって成長室１４の外部に排気され、排気されたガスはパージライン５を通って排ガス処理装置６に導入され、排ガス処理装置６において無害化される。

図２に、図１に示すＭＯＣＶＤ装置に用いられるシャワーヘッドの一例の模式的な平面図を示す。ここで、シャワーヘッド１０には、ＩＩＩ族系ガスを導入するためのＩＩＩ族系ガス導入孔１７、Ｖ族系ガスを導入するためのＶ族系ガス導入孔１８、および不活性ガスを導入するための不活性ガス導入孔１９がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワーヘッド１０の面内（サセプタ８に向かい合っている表面内）において、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８とが交互に配列されており、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８との間に不活性ガス導入孔１９が配置されている。図２に示す例においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８の配列方向は、図２の紙面の上下方向および左右方向となっている。また、図２に示す構成のシャワーヘッド１０における、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７の開口部（ＩＩＩ族系ガス導入孔１７のサセプタ８側の端部の開口部）の面積、Ｖ族系ガス導入孔１８の開口部（Ｖ族系ガス導入孔１８のサセプタ８側の端部の開口部）の面積、および不活性ガス導入孔１９の開口部（不活性ガス導入孔１９のサセプタ８側の端部の開口部）の面積はそれぞれ同一となっている。

図１に示す構成の本発明のＭＯＣＶＤ装置を用いてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる際には、まず、サセプタ８上に下地となる基板７が設置される。その後、回転軸１１の回転により、サセプタ８の上面に設置された基板７の表面が成長室１４の下面１４ｂと平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ９の加熱により、サセプタ８を介して基板７が所定の温度に加熱される。そして、シャワーヘッド１０に形成されているＩＩＩ族系ガス導入孔１７からＩＩＩ族系ガスが、Ｖ族系ガス導入孔１８からＶ族系ガスが、不活性ガス導入孔１９から不活性ガスが、それぞれ成長室１４の内部に、基板７の表面に対して垂直方向に導入され、基板７の表面上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、不活性ガスの導入量がＩＩＩ族系ガスの導入量およびＶ族系ガスの導入量よりも少なくなるように制御部１３によってマスフローコントローラ３ａ、３ｂ、３ｃが制御され、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスがそれぞれ成長室１４の内部に導入されることになる。

図３に、本発明のＭＯＣＶＤ法において、図２に示すシャワーヘッドからＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスの成長室への導入の一例を図解する模式図を示す。ここで、本発明のＭＯＣＶＤ法においては、各々の不活性ガス導入孔１９から導入される不活性ガス４３の導入量を各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガス４１の各々の導入量および各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＶ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガス４２の各々の導入量のいずれよりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長させられる。このように、不活性ガス４３の導入量を不活性ガス４３に隣接するＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２のそれぞれの導入量よりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによって、不活性ガス４３はシャワーヘッド１０の面内近傍に滞留しやすくなる。そして、シャワーヘッド１０の面内近傍に滞留している不活性ガス４３によって、ＩＩＩ族系ガス４１のＶ族系ガス導入孔１８への回り込みが抑制されるとともにＶ族系ガス４２のＩＩＩ族系ガス導入孔１７への回り込みが抑制され、ＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との接触を抑えることができることから、シャワーヘッド１０への反応生成物の付着を抑制することができる。

また、上記のように、不活性ガス４３の導入量を不活性ガス４３に隣接するＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２のそれぞれの導入量よりも少なくすることによって、シャワーヘッド１０の面内近傍から基板７の表面にガスが到達するまでの過程において、不活性ガス４３の流速がＩＩＩ族系ガス４１の流速およびＶ族系ガス４２の流速に追いつかなくなる。そして、シャワーヘッド１０の面内近傍から基板７の表面に近づくにしたがって不活性ガス４３によるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との隔離効果が低減してＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２とが接触しやすくなり、ヒータ９による基板７の加熱と相俟ってＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との気相反応が基板７の表面近傍において進行する。また、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２はシャワーヘッド１０に交互に配列されたＩＩＩ族系ガス導入孔１７およびＶ族系ガス導入孔１８からそれぞれ導入されていることから、基板７の表面上方におけるＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８の分布の偏りを低減することができる。したがって、本発明のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合には、従来の特許文献３に記載の装置を用いた場合と比べて、基板７の表面におけるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との気相反応の均一性を向上することができる。

このように、本発明においては、シャワーヘッド１０の面内に交互に配列されたＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８との間に不活性ガス導入孔１９が配置されたＭＯＣＶＤ装置を用い、ＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの間から不活性ガスを導入し、不活性ガスの導入量をそれに隣接するＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスのそれぞれの導入量よりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによって、シャワーヘッド１０の面内近傍におけるＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの接触を抑えるとともに、基板７の表面近傍において均一にＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応を進行させることができる。したがって、本発明のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合には、ＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの反応生成物のシャワーヘッド１０への付着を抑制することができるとともに、基板７の表面におけるＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応の均一性を向上することができるのである。

図４に、本発明に用いられるシャワーヘッドの他の一例の模式的な平面図を示す。このシャワーヘッド１０においては、不活性ガス導入孔１９の開口部の面積が、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７の開口部の面積およびＶ族系ガス導入孔１８の開口部の面積のそれぞれよりも大きいことを特徴としている。

このように、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８との間に位置する不活性ガス導入孔１９の開口部の面積をその不活性ガス導入孔１９に隣接するＩＩＩ族系ガス導入孔１７の開口部の面積およびＶ族系ガス導入孔１８の開口部の面積のそれぞれよりも大きくすることによって、たとえば図５の模式図に示すように、シャワーヘッド１０の面内近傍において、不活性ガス４３はＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２よりも横方向（図５の紙面の左右方向）に広がって導入されやすくなり、不活性ガス４３がＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との間の領域に回り込みやすくなる。これにより、不活性ガス４３によるシャワーヘッド１０の面内近傍におけるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との隔離効果をより一層高めることができるため、ＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との反応生成物のシャワーヘッド１０への付着をさらに抑制することができる。

図６に、本発明に用いられるシャワーヘッドのさらに他の一例の模式的な平面図を示す。このシャワーヘッド１０においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７とＶ族系ガス導入孔１８との間に位置する不活性ガス導入孔１９は互いに隣接する第１の不活性ガス導入孔１９ａと第２の不活性ガス導入孔１９ｂとから構成されており、第１の不活性ガス導入孔１９ａから導入される不活性ガス（第１の不活性ガス）の導入量と第２の不活性ガス導入孔１９ｂから導入される不活性ガス（第２の不活性ガス）の導入量とをそれぞれ独立に制御することが可能な点に特徴がある。

このような構成とすることによって、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量の変化に応じてＩＩＩ族系ガス導入孔１７に隣接する第１の不活性ガス導入孔１９ａから導入される第１の不活性ガスの導入量を変化させることができるとともに、Ｖ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガスの導入量の変化に応じてＶ族系ガス導入孔１８に隣接する第２の不活性ガス導入孔１９ｂから導入される第２の不活性ガスの導入量を変化させながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることができる。

たとえば図７の模式図に示すように、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガス４１の導入量が減少した場合には第１の不活性ガス導入孔１９ａから導入される第１の不活性ガス４３ａの導入量を減少させ、Ｖ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガス４２の導入量が増加した場合には第２の不活性ガス導入孔１９ｂから導入される第２の不活性ガス４３ｂの導入量を増加させながら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることができる。

このように、図６に示す構成のシャワーヘッド１０を用いたＭＯＣＶＤ法においては、ＩＩＩ族系ガス４１の導入量およびＶ族系ガス４２の導入量のそれぞれの変化に応じて、ＩＩＩ族系ガス４１側の第１の不活性ガス４３ａの導入量およびＶ族系ガス４２側の第２の不活性ガス４３ｂの導入量をそれぞれ柔軟に変化させながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることができる。これにより、シャワーヘッド１０の面内近傍におけるガスの乱れを抑制することができるだけでなく、ＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との隔離効果をより一層高めることができるため、ＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との反応生成物のシャワーヘッド１０への付着をさらに抑制することができる。

なお、図６に示す構成のシャワーヘッド１０を用いたＭＯＣＶＤ法においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７に隣接する各々の第１の不活性ガス導入孔１９ａから導入される各々の第１の不活性ガスの導入量をそのＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量よりも少なくするとともに、Ｖ族系ガス導入孔１８に隣接する各々の第２の不活性ガス導入孔１９ｂから導入される各々の第２の不活性ガスの導入量をそのＶ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガスの導入量よりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによって、シャワーヘッド１０への反応生成物の付着を抑制するとともに基板７の表面における気相反応の均一性が向上するという本発明の効果が得られる。

図８に、図２に示す構成のシャワーヘッドを有する図１に示す構成のＭＯＣＶＤ装置を用いて本発明のＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させるときの時間の経過に対するガス導入量の変化の一例を示す。ここで、図８の横軸は時間を示しており、時間Ｔ０においてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長が開始され、図８の横軸の右方向に進むにしたがってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長が進行していく。また、図８の縦軸はＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスのそれぞれのガス導入量（ＳＣＣＭ：standard cc/min）を示している。

また、表１に、図８に示される時間Ｔ０〜Ｔ１０のそれぞれの時点におけるＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスのそれぞれのガス導入量（ＳＣＣＭ）の具体的な値を示す。

一般的に、成長させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の組成を変える等の目的でＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入量を変更しながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させた場合には、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスの割合が変化することによって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の品質等に悪影響を与えることが懸念される。しかしながら、たとえば図８に示すように、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの少なくとも一方の導入量の変化に応じて不活性ガスの導入量を変化させながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによって、シャワーヘッドの面内近傍におけるガスの乱れを抑えるとともにＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの接触による気相反応の発生領域を大きく変動しないようにすることができる。このように、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの少なくとも一方の導入量の変化に伴って不活性ガスの導入量が変化するように図１に示す制御部１３により制御することによって、ＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応に悪影響を与えることなく、シャワーヘッドへの反応生成物の付着を抑制することができる。

なお、不活性ガスの導入量は、たとえば、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入量に対する不活性ガスの導入量の比率が随時ある一定の比率になるように制御されてもよく、また、段階的に不活性ガスの導入量を一定の値に設定しておき、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入量の変化に応じて不活性ガスの導入量を切り替えるものであってもよい。

なお、図８に示す例においては、各々の不活性ガス導入孔１９から導入される不活性ガス４３の導入量が、各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガス４１の各々の導入量および各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＶ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガス４２の各々の導入量のいずれよりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させている。

図９に、図６に示す構成のシャワーヘッドを有するＭＯＣＶＤ装置を用いて本発明のＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させるときの時間の経過に対するガス導入量の変化の一例を示す。ここで、図９の横軸は時間を示しており、時間Ｔ０においてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長が開始され、図９の横軸の右方向に進むにしたがってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長が進行していく。また、図９の縦軸はＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガス、第１の不活性ガスおよび第２の不活性ガスのそれぞれのガス導入量（ＳＣＣＭ：standard cc/min）を示している。

また、表２に、図９に示される時間Ｔ０〜Ｔ１０のそれぞれの時点におけるＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガス、第１の不活性ガスおよび第２の不活性ガスのそれぞれのガス導入量（ＳＣＣＭ）の具体的な値を示す。

ここでは、ＩＩＩ族系ガスの導入量およびＶ族系ガスの導入量のそれぞれの変化に応じて、ＩＩＩ族系ガス側の第１の不活性ガスの導入量およびＶ族系ガス側の第２の不活性ガスの導入量をそれぞれ変化させながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させている。これにより、シャワーヘッド１０の面内近傍におけるガスの乱れを抑制することができるだけでなく、ＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの隔離効果をより一層高めることができるため、ＩＩＩ族系ガスとＶ族系ガスとの反応生成物のシャワーヘッド１０への付着をさらに抑制することができる。

なお、図９に示す例においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔１７に隣接する各々の第１の不活性ガス導入孔１９ａから導入される各々の第１の不活性ガスの導入量がそのＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量よりも少なくされるとともに、Ｖ族系ガス導入孔１８に隣接する各々の第２の不活性ガス導入孔１９ｂから導入される各々の第２の不活性ガスの導入量がそのＶ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガスの導入量よりも少なくされてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長させられている。

図１０（ａ）〜（ｃ）に、本発明のＭＯＣＶＤ法において、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスを導入するタイミングの好ましい一例を図解する模式図を示す。まず、図１０（ａ）に示すように、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入前に、シャワーヘッド１０の不活性ガス導入孔１９から不活性ガス４３が成長室に導入される。これにより、シャワーヘッド１０の面内近傍に不活性ガス４３が安定した状態で滞留することになる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、シャワーヘッド１０のＩＩＩ族系ガス導入孔１７からＩＩＩ族系ガス４１を導入するとともに、Ｖ族系ガス導入孔１８からＶ族系ガス４２を導入する。ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入前に予め不活性ガス４３を導入していない場合には、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入開始直後に不活性ガス４３によるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との隔離効果が十分に働かず、シャワーヘッド１０の面内にＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との反応生成物が付着することがあるが、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入前に不活性ガス４３を予め導入しておくことによって、不活性ガス４３によるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との隔離効果が十分に働くために、シャワーヘッド１０への反応生成物の付着の発生を抑制することができる。

その後は、図１０（ｃ）に示すように、シャワーヘッド１０の面内近傍におけるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との接触が抑制された状態で、ＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との気相反応によって、基板７の表面上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。

このように、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入前に予め不活性ガス４３を導入してシャワーヘッド１０の面内近傍に不活性ガス４３を滞留させておいてから、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２を導入することによって、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入開始直後からＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長終了時までシャワーヘッドの面内におけるＩＩＩ族系ガス４１とＶ族系ガス４２との反応生成物の付着を効果的に抑制することができる。

図１１（ａ）〜（ｄ）に、本発明のＭＯＣＶＤ法において、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスを停止するタイミングの好ましい他の一例を図解する模式図を示す。まず、図１１（ａ）に示すように、シャワーヘッド１０のＩＩＩ族系ガス導入孔１７からＩＩＩ族系ガス４１を、Ｖ族系ガス導入孔１８からＶ族系ガス４２を、さらに不活性ガス導入孔１９から不活性ガス４３をそれぞれ成長室に導入することによって基板７の表面上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶（図示せず）を成長させる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、不活性ガス４３の導入量はそのままにして、ＩＩＩ族系ガス４１の導入量およびＶ族系ガス４２の導入量をそれぞれ低減していく。このとき、基板７の表面近傍には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長に用いられなかった残留ガス４４が滞留している。

続いて、図１１（ｃ）に示すように、不活性ガス４３の導入量はそのままにして、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の成長室への導入を停止する。このとき、図１１（ｂ）に示した段階と比較して、基板７の表面近傍に滞留していた残留ガス４４のシャワーヘッド１０側への拡散が進行している。

その後、図１１（ｄ）に示すように、残留ガス４４のシャワーヘッド１０側への拡散がさらに進行したとしても、シャワーヘッド１０の面内近傍に滞留している不活性ガス４３によって、シャワーヘッド１０と残留ガス４４との接触が抑制されるため、残留ガス４４の気相反応による反応生成物がシャワーヘッド１０に付着するのを抑制することができる。そして、成長室の内部から残留ガス４４が完全に排気された後に、不活性ガス４３の導入が停止される。

このように、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の成長室への導入をそれぞれ停止し、成長室の内部から残留ガスを完全に排気した後に不活性ガス４３の成長室への導入を停止することによって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長に用いられなかった残留ガス４４の気相反応による反応生成物がシャワーヘッド１０に付着するのを効果的に抑制することができる。

また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すＩＩＩ族系ガス４１、Ｖ族系ガス４２および不活性ガス４３の導入タイミングと図１１（ａ）〜（ｄ）に示すＩＩＩ族系ガス４１、Ｖ族系ガス４２および不活性ガス４３の停止タイミングとを組み合わせることによって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長に用いられなかった残留ガス４４の気相反応による反応生成物がシャワーヘッド１０に付着するのをさらに効果的に抑制することができる。すなわち、ＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の導入前に予め不活性ガス４３を導入してシャワーヘッドの面内近傍に不活性ガスを滞留させておいてからＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２を導入してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長後はまずＩＩＩ族系ガス４１およびＶ族系ガス４２の成長室への導入をそれぞれ停止し、その後、成長室の内部から残留ガスが完全に排気された後に、不活性ガス４３の成長室への導入を停止することが好ましい。

なお、図１０（ａ）〜（ｃ）および図１１（ａ）〜（ｄ）に示されるいずれの例においても、各々の不活性ガス導入孔１９から導入される不活性ガス４３の導入量が、各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＩＩＩ族系ガス導入孔１７から導入されるＩＩＩ族系ガス４１の各々の導入量および各々の不活性ガス導入孔１９に隣接するＶ族系ガス導入孔１８から導入されるＶ族系ガス４２の各々の導入量のいずれよりも少なくしながらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることは言うまでもない。

なお、上記においては、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスとともにドーパント源となるガスなどを成長室に導入してもよい。

また、上記においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔、Ｖ族系ガス導入孔および不活性ガス導入孔がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔、Ｖ族系ガス導入孔および不活性ガス導入孔の形状は特に限定されず、たとえば、矩形または楕円形などの形状にすることができる。また、本発明においては、ＩＩＩ族系ガス導入孔、Ｖ族系ガス導入孔および不活性ガス導入孔の形状はそれぞれ同一であってもよく、その少なくとも一部が異なっていてもよい。

また、上記においては、基板を１枚設置した場合について説明したが、本発明においては、基板は１枚だけでなく複数枚設置してもよい。

また、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉、シャワーヘッドおよびその他の部材の形状が図１に示す形状に限定されないことは言うまでもない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、ガス導入部への反応生成物の付着を抑制することができるとともに、基板の表面における原料ガスの気相反応の均一性を向上することができるＭＯＣＶＤ装置およびその装置を用いたＭＯＣＶＤ法を提供することができる。

本発明のＭＯＣＶＤ装置の一例である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な構成の一例を示す図である。 図１に示すＭＯＣＶＤ装置に用いられるシャワーヘッドの一例の模式的な平面図である。 本発明のＭＯＣＶＤ法において、図２に示すシャワーヘッドからＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスの成長室への導入の一例を図解する模式図である。 本発明に用いられるシャワーヘッドの他の一例の模式的な平面図である。 本発明のＭＯＣＶＤ法において、図４に示すシャワーヘッドからＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスの成長室への導入の一例を図解する模式図である。 本発明に用いられるシャワーヘッドのさらに他の一例の模式的な平面図である。 本発明のＭＯＣＶＤ法において、図６に示すシャワーヘッドからＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスの成長室への導入の一例を図解する模式図である。 図２に示す構成のシャワーヘッドを有する図１に示す構成のＭＯＣＶＤ装置を用いて本発明のＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させるときの時間の経過に対するガス導入量の変化の一例を示す図である。 図６に示す構成のシャワーヘッドを有するＭＯＣＶＤ装置を用いて本発明のＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させるときの時間の経過に対するガス導入量の変化の一例を示す図である。 本発明のＭＯＣＶＤ法において、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスを導入するタイミングの好ましい一例を図解する模式図である。 本発明のＭＯＣＶＤ法において、ＩＩＩ族系ガス、Ｖ族系ガスおよび不活性ガスを停止するタイミングの好ましい他の一例を図解する模式図である。 ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例の模式的な構成を示す図である。

符号の説明

１，２１ 反応炉、２ａ ＩＩＩ族系ガス供給源、２ｂ Ｖ族系ガス供給源、２ｃ 不活性ガス供給源、３ａ，３ｂ，３ｃ マスフローコントローラ、４ａ ＩＩＩ族系ガス配管、４ｂ Ｖ族系ガス配管、４ｃ 不活性ガス配管、５，２５ パージライン、６，２６ 排ガス処理装置、７，２７ 基板、８，２８ サセプタ、９，２９ ヒータ、１０，３０ シャワーヘッド、１１，３１ 回転軸、１２，２４ ガス排気部、１３ 制御部、１４ 成長室、１４ａ 上面、１４ｂ 下面、１５ 被覆板、１６ 支持台、１７ ＩＩＩ族系ガス導入孔、１８ Ｖ族系ガス導入孔、１９ 不活性ガス導入孔、１９ａ 第１の不活性ガス導入孔、１９ｂ 第２の不活性ガス導入孔、２２ ガス供給源、２３ ガス配管、４１ ＩＩＩ族系ガス、４２ Ｖ族系ガス、４３ 不活性ガス、４３ａ 第１の不活性ガス、４３ｂ 第２の不活性ガス、４４ 残留ガス。

Claims (5)

1. 成長室と、少なくともＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとＶ族元素を含むＶ族系ガスと不活性ガスとを前記成長室に導入するためのガス導入部と、を備え、
   前記ガス導入部は、ＩＩＩ族系ガスを導入するためのＩＩＩ族系ガス導入孔と、Ｖ族系ガスを導入するためのＶ族系ガス導入孔と、不活性ガスを導入するための不活性ガス導入孔と、を有し、
   前記不活性ガス導入孔は、前記ＩＩＩ族系ガス導入孔と前記Ｖ族系ガス導入孔との間に配置されており、
   前記不活性ガス導入孔から導入される不活性ガスの導入量を前記ＩＩＩ族系ガス導入孔から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量および前記Ｖ族系ガス導入孔から導入されるＶ族系ガスの導入量の少なくとも一方よりも少なくするための制御部を備え、
   前記不活性ガス導入孔は、不活性ガスの導入量を独立に制御することが可能な第１の不活性ガス導入孔と第２の不活性ガス導入孔とを有している、ＭＯＣＶＤ装置。
2. 前記不活性ガス導入孔の開口部の面積が、前記ＩＩＩ族系ガス導入孔の開口部の面積および前記Ｖ族系ガス導入孔の開口部の面積のいずれよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のＭＯＣＶＤ装置。
3. 請求項１または２に記載のＭＯＣＶＤ装置を用いたＭＯＣＶＤ法であって、前記不活性ガス導入孔から導入される不活性ガスの導入量を前記ＩＩＩ族系ガス導入孔から導入されるＩＩＩ族系ガスの導入量および前記Ｖ族系ガス導入孔から導入されるＶ族系ガスの導入量の少なくとも一方よりも少なくするとともに、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの少なくとも一方の導入量の変化に応じて不活性ガスの導入量を変化させながら化合物半導体結晶を成長させることを特徴とする、ＭＯＣＶＤ法。
4. ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスがそれぞれ前記成長室に導入される前に不活性ガスが前記成長室に導入されることを特徴とする、請求項３に記載のＭＯＣＶＤ法。
5. ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの前記成長室への導入がそれぞれ停止した後に不活性ガスの前記成長室への導入が停止されることを特徴とする、請求項３または４に記載のＭＯＣＶＤ法。

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