JPH0230119A

JPH0230119A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH0230119A
Application number: JP17918488A
Authority: JP
Inventors: Motoji Morizaki; 森崎　元司; Mototsugu Ogura; 基次小倉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1990-01-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、広範囲にわたって均一な膜厚をもつ半導体結
晶成長層の気相成長装置に関するものである。

（従来の技術）半導体装置を製作する上で必要な半導体結晶のエピタキ
シャル成長技術として、原料ガスの熱分解を利用した気
相成長法がある。その中でも有機金属（アルカリ化物）
を原料とする有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）は、
成長層の結晶性２組成。

膜厚の均一性や制御性に優れており、注目されている。

このような気相成長法においては、一般に基板を加熱し
、原料ガスを基板表面上で熱分解。

反応させて結晶を成長させている。

このような気相成長の場合、成長炉内のガスの流れ方が
結晶成長速度に大きく影響を与え、流れ方の均一性が結
晶成長層の膜厚の均一性につながる。そのため、成長炉
へのガス、特に結晶成長用原料ガスの導入機構を工夫し
、均一な膜厚を得ることが試みられている。例えば、第
５図に示すように、原料ガスのガス噴出口３１の水平方
向の幅を広くしたり（特開昭５８−１１１３１３号公報
）、第６図に示すように、複数個のガス噴出口３２を水
平方向に並べた（特願昭６０−８３７４０号）気相成長
装置がある。

前者は、成長炉３３内に原料ガスを導入する導入管３４
のガス噴出口３１から、原料ガスを基板３５の表面上に
幅広く流れるようにして成長層の膜厚の均一性の向上を
はかっている６また、後者は、管内を流れるガスが中央
部で速く、管壁に近づくにつれ遅くなることを利用し、
ガス噴出口３２を並べることにより流れの速い遅いを交
互に作り出し、中央部と両端部とのガスの流速の差を減
少させて、さらに幅広く成長層の膜厚の均一性の向上を
はかっている。また、別の方法として、基板を自公転さ
せることにより、ガス流の速度の不均一性を補って膜厚
を均一化させる方法もある。

（発明が解決しようとする課題）上記、従来の気相成長装置では、原料ガスがガス噴出口
から噴出した直後、すなわち成長炉へ導入された直後で
は幅広く均一な流速分布をしていても、その後は成長炉
という管内を流れるガスとなる。このため、どうしても
成長炉の管壁近く、いわゆる周辺部のガス流が中央部よ
り遅くなるため、第５図（ｃ）および第６図（Ｃ）の−
点鎖線で示すようなガス流速分布を示す。したがって、
基板表面上への原料ガスの供給が、中央部に比べ周辺部
は少なくなる。このため、基板の周辺部の結晶成長速度
が中央部より遅くなり、成長層は周辺に行くにしたがっ
て薄くなり、不均一な膜厚となる欠点がある。これは、
基板が成長炉の管壁に近づくほど膜厚の不均一性は著し
くなる。そこで、基板全体にわたって均一な膜厚を得る
ためには、基板の大きさに比べ充分大きな径の成長炉が
必要となり、装置の大型化につながる欠点がある。また
、自公転させる場合は、その機構が複雑となるため、装
置構造の複雑化につながる欠点があった。

本発明の目的は、従来の欠点を解消し、比較的容易に、
さらに広範囲にわたって均一な膜厚をもつ結晶成長が可
能となり、気相成長が有利な気相成長装置を提供するこ
とである。

（課題を解決するための手段）本発明の気相成長装置は、中央部から成長炉内のガスの
流れ方向に対し垂直でかつ基板の結晶成長を行なう面に
平行な水平方向の両端に行くにしたがって、水平方向と
ガスの流れ方向とに垂直な縦方向の幅が広くなる形状の
ガス噴出口をもつガス導入管を備えたものであり、また
は、水平方向の中央部から両端に行くにしたがって、口
径が大きくなるように複数個のガス噴出口が並び、かっ
このガス噴出口の各々をもつガス導入管は、その口径は
各々のガス噴出口の口径と同一であり、すでに流量制御
をした同一のガス供給管から分岐しているものであり、
または、水平方向に複数のガス噴出口を並べ、中央部か
ら両端に行くにしたがって、ガス噴出量が多くなるよう
にガス噴出口の各々をもつガス導入管を流れる流量を設
定したガス流量制御装置をガス導入管の各々に備えたも
のである。

（作　用）管内をガスが流れる場合、一般にその流れる速度は管壁
近くが一番遅く、中央部に行くにしたがって速くなる。

したがって、ガス噴出口から一様に噴出したガスも、そ
れ以後は成長炉という管内を流れるガスとなるため、中
央部が速く周辺部が遅い流れとなる。しかし、上記のよ
うにガス噴出口の形状を成長炉内のガス流方向に垂直で
、基板の結晶成長を行なう面に平行な水平方向の中央部
から両端に行く、すなわち成長炉の管壁に近づくにした
がって縦方向の幅が広がる形状とすると、ガス噴出口か
ら噴出するガスの流速は、中央部から縦幅が広い両端に
行くにしたがって速くなる分布をもつ。このような流速
分布をもつガスの流れは、噴出口から成長炉内へ導入さ
れて以後、管内を流れるガスとして成長炉の管壁から中
央部へ行くにしたがって速くなる流速分布になろうとす
るので、その過渡期には非常に広範囲にわたって均一な
ガス流が得られる。この均一なガス流のところに基板を
載置することにより、均一な成長層の膜厚が広範囲にわ
たって得られる。

また、上記の水平方向の中央部から両端部へ行くにした
がって口径が大きくなるガス噴出口を並べた場合も、す
でに流量制御された同一のガス供給管からそれぞれのガ
ス噴出口の口径と同じ径のガス導入管に分岐されるため
、口径の大きなガス導入管はど多くの流量が流れること
になる。したがって、ガスが成長炉へ導入されるときの
流速分布は、上記の場合と同様、細い口径のガス噴出口
がある中央部が遅く、成長炉の管壁近くの太い口径のガ
ス噴出口がある両端部で速くなる分布となる。このため
、上記と同様の作用から、広い範囲に均一な膜厚の成長
層が得られる。

さらに、上記の水平方向にガス噴出口を並べ、それぞれ
から噴出されるガスの流量をそれぞれの流量制御装置で
水平方向の中央部から両端に行くにしたがって大きくな
るように流量を制御する場合も、やはり上記と同様、ガ
スが成長炉へ導入されるときの流速分布は、中央部が遅
く、成長炉の管壁に近づくにつれて速くなる分布となる
。

したがって、上記と同様の作用から、広範囲に均一な膜
厚の成長層が得られる。

（実施例）本発明の実施例を第１図ないし第４図に基づいて説明す
る。

第１の実施例として、第１図（ａ）に示すように、ガス
導入管１のガス噴出口２の形状が、その中央部から成長
炉３内のガス流れ方向に対して垂直で。

かつカーボン製の支持台４に載置された基板５の結晶成
長を行なう面に平行な水平方向の両端に行くにしたがっ
て、水平方向およびガス流方向に垂直な縦方向の幅が広
くなっており、いわゆる凹レンズのような形状をしてい
る。結晶成長用の原料ガス、特に結晶成長速度を律速し
でいる原料ガスは、ガス導入管１のガス噴出口２から成
長炉３に導入される。他の原料ガスやキャリアガスは、
別のガス導入管６から導入される。結晶成長反応後の廃
ガスは、排気管７より排気される。管内をガスが流れる
場合、管壁に近づくにつれてその流速は遅くなるため、
第１図（ｂ）のような形状のガス噴出口から噴出された
あとの成長炉３内を流れるガスの流速分布は、第１図（
ｃ）の−点鎖線で示すような分布変化を示す。すなわち
、ガス噴出口２直後では、ガス噴出口２の縦幅の広い両
端部、すなわち成長炉３の管壁に近い部分のガスの流速
は速く、縦幅の狭い中央部は遅い。しかし、成長炉３内
に導入されたガスは、成長炉３全体をガス管とみなした
流れとなるため、徐々に中央部の流速が速くなり、周辺
部が遅くなってくる。そこで、ガス導入管１から成長炉
３へ導入される原料ガスの流量、およびガス噴出口２の
縦幅の広がり度合を適切に選ぶことによって、このガス
の流速分布が変化する過渡状態において広範囲にわたっ
て流速分布がほぼ均一になる。この均一部に基板５を載
置すれば、成長層の膜厚は広範囲にわたって均一となる
。ガス噴出口２の具体的な寸法は、水平方向の幅は５５
ＩＩＩ１１、中央部の狭い部分の縦幅は３ｎｗｎ。

両端の広い部分の縦幅は１０ｒｒｒｎである。

第２の実施例としては、第２図（ａ）に示すように、上
記水平方向の中央部から両端に行くにしたがって、径が
３ｍ＋、　４＋＋ｍ、　５ｍｍ、　７ｎｎ、　１０ｍｍ
と大きくなるように合計９本のガス噴出口８が並び、か
つこれらのガス噴出口８をもち、それぞれと同じ内径の
ガス導入管９が、原料ガスを供給している同一のガス供
給管１０から分岐している。このため、それぞれのガス
噴出口８から噴出され、成長炉３内に導入されるガスの
流速は、径の小さい中央部から径の大きい両端に行くに
したがって速くなる。したがって、第１の実施例と同様
に、導入後のガスの流速分布は、第２図（Ｑ）の−点鎖
線で示すような分布で変化し、広範囲にわたってほぼ均
一な流速分布をする部分ができ、その部分で結晶成長す
ることにより、均一な膜厚分布が広範囲にわたって得ら
れる。

第３の実施例としては、第３図（ａ）に示すように、上
記の水平方向に径８＋ｍの７個のガス噴出口１１を並べ
、ガス噴出口１１のそれぞれをもつガス導入管１２に、
中央部から両端に行くにしたがって、２０ｃｃ／＋ｎｉ
ｎ、　３０ｃｃ／ｍｉｎ、　４５田／ｗｉｎ、　７０已
／ｗｉｎと流量が大きくなるように設定したガス流量制
御装置を備えている。このため、それぞれのガス噴出口
１１から噴出され、成長炉３内に導入されるガスの流速
は、中央部から両端に行くにしたがって速くなる。した
がって、やはり第１の実施例と同様に、導入後のガスの
流速分布は、第３図（Ｑ）の−点鎖線で示すような分布
で変化し、広範囲にわたってほぼ均一な流速分布をする
部分ができ、そこで結晶することにより、均一な膜厚分
布が広範囲に得られる。

以上の成長炉構造をもつ有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ
）装置で、２インチ径のＩｎＰ基板上にＩｎＰ結晶を成
長した。このＭＯＶＰＥ装置のガス系統概略図を第４図
に示す、なお、成長炉３の部分だけが、第１図ないし第
３図と同じ構造をしている。

Ｉｎの原料としては、Ｉｎのアルキル化物であるトリエ
チルインジウム（Ｔ　Ｅ　Ｉ　：　（Ｃ２１ｔ、）３Ｉ
ｎ）１４を用い、Ｐの原料としては、その水素化物であ
るホスフィン（ＰＨ３）を用いた。キャリアガスとして
は水素（Ｈ２）を用い、流量制御装置（マスフローコン
トローラ）１３で３３０ｃｃ　／　ｍｉｎに制御したの
ち、ＴＥ１１４の入った容器１５に供給し、バブリング
を行なう。そののち、ガス供給管１６．１７およびガス
導入管１，９゜１２でもって成長炉３に供給される。一
方、ホスフィンは水素で１０％に希釈されたボンベ１８
からマスフローコントローラ１９で２５０ｃｃ　／　ｍ
ｉｎに流量制御されて、ガス導入管６で成長炉３へ供給
した。ＩｎＰ基板５は高周波加熱で加熱されたカーボン
製の支持台４に載置され、その成長温度は６５０℃にな
っている。成長反応後の廃ガスは、排気管７を通して排
気系２０へ排気される。なお、成長炉３は径６５醜の円
筒形である。

以上のようにして、成長したＩｎＰ層の膜厚分布は２イ
ンチウェハ全面にわたって±５％以内の均一性が得られ
た。比較として、従来の第６図の構造の成長炉をもつＭ
ＯＶＰＥ装置では、ＩｎＰを成長したところ、２インチ
ウェハの中央部を中心に全面積の約７５％が±５％以内
であった。したがって、本発明の気相成長装置の方が膜
厚の均一部が広範囲にわたっていることがわかる。

なお、本実施例ではＩｎＰをＭＯＶＰＥ装置で成長する
場合で説明したが、他の化合物半導体結晶、例えばＧａ
ＡｓやＺｎ５ｅ、　ＺｎＳ、あるいはこれらの三元混晶
、四元混晶等、また、ＳＬなどの半導体結晶の気相成長
の場合でも本発明を適用でき、また、ＭＯＶＰＥ装置に
限らず、原料ガスの熱分解反応を利用した気相成長装置
であればよい。

さらに、ガス噴出口２，８．１１のそれぞれの形状、径
の大きさ、また、ガス流量制御装置２１の設定値は、原
料ガスの種類、流量、成長炉の大きさ等の条件が変わる
につれて変化することが当然であり、上記の値に限るも
のではない。

（発明の効果）本発明によれば、従来に比べ比較的容易に、さらに広範
囲にわたって均一な膜厚をもつ結晶成長が可能となり、
気相成長において極めて有用であり、その実用上の効果
は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における気相成長装置の
成長炉部分の断面図、第２図は同第２の実施例における
気相成長装置の成長炉部分の概略構造図、第３図は同第
３の実施例における気相成長装置の成長炉部分の概略構
造図、第４図は同気相成長装置のガス系統図、第５図は
従来の気相成長装置の成長炉部分の概略構成図、第６図
は同地の気相成長装置の成長炉部分の概略構造図である
。１．６，９．１２・・・ガス導入管、　２，８゜１１・
・・ガス噴出口、　３・・・成長炉、　４・・・支持台
、　５・・・基板、　７・・・排気管、　１０゜１６、
１７・・・ガス供給管、　１３・・・流量制御装置、１
４・・・ＴＥＩ、　１５・・・容器、　１８・・・ボン
ベ、１９・・・マスフローコントローラ、　２０・・・
排気系、　２１・・・ガス流量制御装置。特許出願人　松下電器産業株式会社忙）第図図（ａ）、力スつ消為１分給第図（ａ）カスの；批２分部第　５図（ｂ）第図（Ｃ）カ′スのｆ八迷ン創牛

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中央部から成長炉内のガスの流れ方向に対し垂直
でかつ基板の結晶成長を行なう面に平行な水平方向の両
端に行くにしたがって、前記水平方向とガスの流れ方向
に垂直な縦方向の幅が広くなる形状のガス噴出口をもつ
ガス導入管を備えたことを特徴とする気相成長装置。
（２）中央部から成長炉内のガスの流れ方向に対し垂直
でかつ基板の結晶成長を行なう面に平行な水平方向の両
端に行くにしたがって、口径が大きくなるように複数個
のガス噴出口が並び、かつ前記ガス噴出口の各々をもつ
ガス導入管は、その口径は各々の前記ガス噴出口の口径
と同一であり、すでに流量制御をした同一のガス供給管
から分岐している請求項（１）記載の気相成長装置。
（３）成長炉内のガスの流れ方向に対し垂直でかつ基板
の結晶成長を行なう面に平行な水平方向に複数のガス噴
出口を並べ、前記水平方向の中央部から両端に行くにし
たがって、ガス噴出量が多くなるように前記ガス噴出口
の各々をもつガス導入管を流れる流量を設定したガス流
量制御装置を前記ガス導入管の各々に備えた請求項（２
）記載の気相成長装置。