JPH0235814Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔概要〕 成長ガスが下部から導入され上部へ排出される
縦型反応管内に、主面を下方に向け裏面に誘導加
熱体を積載した被成長基板をその縁部のみを支持
して懸下挿入し、高周波加熱される上記誘導加熱
体を介し被成長基板を選択的に昇温させて該被成
長基板の主面上に被膜を気相成長させる高周波加
熱方式の縦型気相成長装置であつて、反応管の下
部から流入される成長ガスが高温部に触れずに被
成長基板面に到達し、且つ被成長基板に接して加
熱された成長ガスを上昇気流によつて被成長基板
面に沿つてその上部に逃がして該加熱成長ガスと
の混合による被成長基板面に達する常温の成長ガ
スの昇温を防止し、組成変化を生じていない成長
ガスがその侭被成長基板面に接触するようにして
成長膜の膜質の低下及び膜厚のばらつきを防止す
る。

〔産業上の利用分野〕

本考案は縦型気相成長装置に係り、特に半導体
単結晶薄膜の成長に多く用いられる高周波加熱方
式の縦型気相成長装置の改良に関する。

半導体装置の製造においては、半導体単結晶薄
膜或いは絶縁膜等の形成に際して気相成長方法が
用いられる。

これらの気相成長は、酸化還元反応、不均等化
反応、水素化物や有機金属の熱分解等の種々な化
学反応によつてなされるが、特に水素化物や有機
金属の熱分解反応による半導体単結晶の気相成長
等、熱による成長ガスの組成変化が起こり易く、
その組成変化が膜質及び膜厚に大きな変化を及ぼ
す気相成長には、反応管の昇温を抑えて反応管上
への成長ガス中の個々の成分物質の成長を防止し
て被成長面に到達する成長ガスの組成変化をなく
すために、被成長基板のみが選択的に加熱可能な
高周波加熱方式の気相成長装置が用いられる。

また上記物質の成長においては陰になつた部分
の成長速度や膜品質が大幅に低下するので、被成
長基板面に装置へ流入する温の成長ガスがその侭
直に吹きつけられるように、被成長基板を１段に
配置した枚葉処理方式の縦型気相成長装置が多く
用いられる。

化合物半導体装置の製造等においては、性能及
び歩留りを向上する面から、均一な膜厚を有し且
つ欠陥のない良好な膜質を有する半導体単結晶の
気相成長被膜を得ることが重要であり、上記高周
波加熱方式の縦型気相成長装置においても膜厚の
ばらつきや膜質の劣化を可能な限り少なくするこ
とが要望される。

〔従来の技術〕

従来一般に用いられていた高周波加熱方式の縦
型気相成長装置は第５図に示す模式側断面図のよ
うに、垂直に設置された石英等よりなる反応管１
内に石英等よりなる支持棒２の先端に固着された
石英等よりなる基板台３が配設されており、該基
板台３上にカーボン等よりなる誘導加熱体４が配
設され、反応管１の外周に高周波コイル５が配設
された構造を有していた。

そしてこの装置を用い、誘導加熱体４上に載置
したサフアイヤ（Al₂O₃）単結晶等よりなる被成
長基板６上に、例えばトリ・メチル・ガリウム
（（CH₃）₃Ga）或いはトリ・エチル・ガリウム
（（C₂H₅）₃Ga）等の有機ガリウムとアルシン
（AsH₃）等を反応ガスとし、水素（H₂）等をキ
ヤリアガスとしてなる成長ガス７を用いてガリウ
ム砒素（GaAs）単結晶を気相成長させるヘテロ
エピタキシヤル成長においては、高周波コイル５
により誘導加熱体４を加熱し700〜800℃に昇温さ
せた被成長基板６上に反応管１の上部から流入し
た上記成長ガス７を接触させ、例えば(1)式に示す
反応により被成長基板６上にGaAsの単結晶を成
長させる。

（（CH₃）Ga）＋AsH₃→GaAs ＋CH₄＋H₂ …(1) 然し上記従来の装置においては、新たに流入し
て来た常温の成長ガス７が成長基板上に生じてい
る烈しい上昇気流８によつて進路を曲げられて、
矢印に示すような渦巻状の流れ９となる。そのた
め成長ガス７は側方から被成長基板６の表面に到
達する径路をたどり、その間に高温成長ガスの上
昇気流と混合して昇温し、成長ガス中のAsH₃が
被成長基板６から離れた場所で(2)式に示すように
砒素の蒸気（As₄）とH₂とに分解せしめられる。

AsH₃→１／4As₄＋２／3H₂ …(2) そして上記As₄の飽和蒸気圧は室温近傍で極め
て低いために反応管１の内壁等温度の低い領域に
As析出層１０となつて堆積し、被成長基板６の
表面に到達する成長ガス中のAsの分圧が大幅に
低下するので、予め成長ガス中のAsの分圧を10
mmHg程度以上高めておかないとGaAs単結晶を
成長させることが出来ない。そのため有毒な
AsH₃を多量に含む成長ガスが使用されるので、
非常に危険度が高いという問題があつた。

そこでその対策として、従来例えば第６図に示
すように、第５図同様の成長装置における反応管
１内の被成長基板６に近い該基板の上方位置に、
中央に成長ガス吹出しノズル１１を有する遮蔽板
１２を設け、遮蔽板１２と被成長基板６との間の
領域を高温に保つて成長効率を上昇させる方法も
試みられている。この方法によるとAsの析出は
少なくなり、成長ガスに含ませるAsH₃の分圧を
第５図の装置に用いる場合より1.5mmHg程度下げ
てもGaAs単結晶の成長が可能になるが、ノズル
１１から成長ガスが吹きつけられている部分から
外れた被成長基板面上ではやはり昇温された成長
ガス７の渦巻状の流れ９が生じ、被成長基板６の
周辺部に位置する遮蔽板１２の裏側や反応管１の
内壁等比較的低温度な領域にAsの析出層１０が
形成されるため、被成長基板６の周辺部にはAs
の分圧の低下した成長ガス７が供給されるので、
第７図に示すように、被成長基板６の周辺部の
GaAs単結晶層の厚さが中央部の50％以下にな
る。

即ち第７図は、例えば50mmφ被成長基板に、中
央部１３において5μｍ程度の厚さになるように
GaAs単結晶層を成長させた際に、被成長基板の
周縁部から約８mm程度内側の点１４における成長
層の厚さが約２〜2.5μｍ程度となつていることを
示している。なお図において、ｔは厚さ、ｌは基
板中央からの距離を示す。

また上記方法で形成したGaAs層は第８図に示
すように、室温の成長ガスが吹きつけられる被成
長基板の中央領域約20mmφ程度の範囲は良質の単
結晶層１５となるが、その外周の被成長基板面か
ら上昇する高温成長ガスと混合加熱された成長ガ
スの前記渦巻状の流れが接触する被成長基板面に
おいては粗悪な単結晶層１６或いは多結晶層とな
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

本考案が解決しようとするのは、上記のように
従来の高周波加熱方式の縦型気相成長装置におい
て、成長ガスのAsH₄の分圧を高くしなければな
らなかつたこと、被成長基板上のGaAs成長層の
厚さのばらつきが大きかつたこと、被成長基板面
の一部にしか良質のGaAs単結晶層が成長できな
かつたこと等の問題点である。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、成長ガスを下部から導入して上
部に排出する縦型反応管と、被成長基板をその主
面を下方に向けて周縁部分のみで保持し、回動す
る支持棒に固持されて該反応管内へ上部から挿入
された基板保持治具と、該被成長基板の裏面上に
直に載置された誘導加熱体と、該反応管の周囲に
設けられた高周波加熱コイルとを具備し、高周波
電界の印加による該誘導加熱体の発熱により被成
長基板の加熱を行う本考案による縦型気相成長装
置によつて解決される。

〔作用〕

即ち本考案の縦型気相成長装置は、高周波加熱
方式により被成長基板のみを選択的に加熱するこ
とにより、反応管内に流入される成長ガスが被成
長基板の主面に達する前に反応管内の他の部分に
触れて加熱されることをなくしている。

そして、反応管内に被成長基板をその裏面側に
誘導加熱体を重ね主面側を下方に向けてその縁部
によつて懸下支持し下方から反応管内へ成長ガス
を流入する構造にして、高温に加熱される誘導加
熱体が被成長基板の上部に位置せしめ、且つ高温
の被成長基板面に触れて加熱された成長ガスを被
成長基板の主面に沿つて生ずる上昇気流によつて
該主面の側方に逃がすことによつて、反応管の下
方から被成長基板面に吹きつけられる常温の成長
ガスが、上記誘導加熱体及び加熱成長ガスとの混
合により昇温されるのを回避し、これらによつて
被成長面に到達する以前に成長ガスが熱分解をを
起こすのを防止している。

かくて被成長基板面に常に常温の組成変化のな
い成長ガスが吹きつけられるので膜品質や膜厚の
ばらつきの少ない良質の半導体単結晶の成長被膜
が得られる。

なお被成長基板を下方に向けて保持する縦型気
相成長装置には、特開昭53−51187に示される公
知例があるが、該公知例の発明は被成長基板面に
異物が付着するのを防止する目的でなされたもの
で、反応管の外部から反応管と共に被成長基板を
加熱する本考案とは異なる構成を有している。そ
してこの構成においては、前記有機金属及び水素
化物よりなる成長ガスを用いる半導体単結晶の気
相成長において、成長ガスが被成長基板面に到達
する前に高温の反応管内で熱分解を起こして変質
するので、厚さ及び品質のばらつきのない良質の
半導体単結晶層を成長させることは不可能であ
り、上記本考案と同様の効果は期待し得ない。

〔実施例〕

以下本考案を、図示実施例により具体的に説明
する。

第１図は本考案に係る縦型気相成長装置の一実
施例を示す模式側断面図、第２図は同じく他の一
実施例を示す模式側断面図、第３図は本考案に係
る基板保持治具の一実施例を示す模式斜視図、第
４図は同じく他の一実施例を示す模式斜視図であ
る。

全図を通じ同一対象物は同一符合で示す。

本考案に係る高周波加熱方式の縦型気相成長装
置は例えば第１図に示すように、石英等よりなる
反応管１の下部に、中央にガス噴出孔１７を有す
る下部遮蔽板１８が設けられ、該遮蔽板１８によ
り仕切られた反応管１の下部領域にガス導入管１
９が配設されており、また反応管１の上部には、
中央部にガス排出孔２０を有する上部遮蔽板２１
が配設されており、該上部遮蔽板２１で仕切られ
た反応管１の上部領域にはガス排出管２２が設け
られている。

そして下部遮蔽板１８と上部遮蔽板２１その間
に形成された成長領域２３には、被成長基板６を
被成長面即ち主面を下方に向け且つ反応管１の管
軸方向に対して直角に固定し、即ち被成長基板６
を主面を成長ガス７の流れ方向に直角に対向する
下方に向けて固定し、且つ該被成長基板６上にカ
ーボン等よりなる誘導加熱体４が積載保持される
構造の石英等よりなる基板保持治具２４が配設さ
れており、該基板保持治具２４は該基板保持治具
２４に固着され上部遮蔽板２１のガス排出孔２０
及び反応管１の上壁を貫いて外部に導出された石
英等よりなる支持棒２により回動機構に契合され
ており、また前記成長領域２３を囲む反応管１の
外周には高周波波コイル５が配設されてなつてい
る。

この装置を用いて例えばGaAs単結晶のヘテロ
エピタキシヤル成長を行うには、先ず上記気相成
長装置の基板保持治具２４にサフアイヤ
（Al₂O₃）単結晶等よりなる被成長基板６をその
被成長面即ち主面を下に向け、且つ反応管１の管
軸の方向に対して直角に固定し、更に該被成長基
板６の裏面上にカーボン等よりなる誘導加熱体４
を積載保持せしめ、該基板保持治具２４を所定の
速度で回動せしめる。

次ぎに成長装置の下部に設けられたガス導入管
１９から例えばトリ・メチル・ガリウム
（CH₃）₃Ga）或いはナリ・エチル・ガリウム
（（C₂H₅）₃Ga）等の有機ガリウムとアルシン
（AsH₃）等を反応ガスとし、水素（H₂）等をキ
ヤリアガスとしてなる成長ガス７を流入し、該成
長ガス７を下部遮蔽板１８のガス噴出孔１７から
成長領域２３内へ噴出させ、基板保持治具２４内
に搭載されているカーボン誘導加熱体４を高周波
加熱して被成長基板６を700〜800℃に昇温させ
る。

このようにして被成長基板６上にGaAs単結晶
を成長させる際には、ガス噴出孔１７から被成長
基板６に吹きつけられた低温の成長ガス７は高温
になつている被成長基板７の表面で加熱され、被
成長基板７の主面に沿つて該基板の側方に流れる
上昇気流８となつて基板の主面上から除かれ、こ
れによつて圧力の低下した被成長基板６の主面上
に次々と新しい低温の成長ガスが補給される。そ
のため低温の成長ガスが基板面に到達する前に基
板面で高温に加熱された成長ガスと混合して加熱
され分解することがなく、被成長基板６の主面上
に供給される成長ガス７に含まれるAsH₃の分圧
は当初の値が維持される。

このことはAsの析出層１０が被成長基板６よ
り上部の反応管１内壁及上部遮蔽板２１のみに付
着することからも明白である。従つて該成長装置
によれば0.2〜0.5mmHg程度の低いAsH₃分圧の成
長ガスを用いても50mmφの被成長基板面全面に良
質のGaAs単結晶層を10％以下の厚さのばらつき
で成長させることができる。

また被成長基板の主面が下方に向いていること
で、主面上に異物が載ることがなくなつて被成長
基面の汚染が防止される点でも、良質の単結晶層
の成長に有利であるという別の効果も生ずる。

第２図に示す他の一実施例の縦型気相成長装置
は、該成長装置に具備せしめる基板保持治具の被
成長基板保持が成長ガスの流れの方向に斜めに対
向する下方に向いている点以外は前記第１の実施
例で説明した成長装置の構造と変わりがない。

この装置を用いて気相成長を行う際、上昇気流
８は矢印に示すように被成長基板６の主面に沿つ
て円滑に流れるので、被成長基板６の主面上にガ
スの溜りが生ずることがなく、従つて低温の成長
ガス７が円滑に被成長基板６の主面上に供給され
るので、前記第１の実施例に比べ更に厚さのばら
つきの少ない良質な単結晶を成長させることがで
きる。

次ぎに本考案に係る基板保持治具について、第
３図及び第４図の模式斜視図に示す実施例により
具体的に説明する。

前記縦型気相成長装置の第１の実施例に用いる
基板保持治具は、例えば第３図に示すように、石
英等よりなる支持円板２５の上面中央に該支持円
板２５に対し直角に石英等よりなる支持棒２が固
着されており、支持円板２５の円周を３等分した
位置に下方に向かつて支持円板２５に直角に石英
等よりなる保持腕２６ａ，２６ｂ，２６ｃが配設
されている。そしてその中２本の保持腕２６ａと
２６ｂは支持円板２５に固定されており、他の１
本の保持腕２６ｃはピン27を介して支持円板２５
に揺動可能に装着されている。また各保持腕２６
ａ，２６ｂ，２６ｃの先端部には被成長基板６を
保持するための爪２８が形成されている。

基板の保持に際しては、揺動可能な支持腕２６
ｃを開き、被成長基板６の裏面上にカーボン等よ
りなる円柱状の誘導加熱体４を積載した状態で、
被成長基板６をその主面を下方に向けて挿入し、
固定されている保持腕２６ａ及び２６ｃに突き当
て、揺動可能な支持腕２６ｃを閉じ、各保持腕２
６ａ，２６ｂ，２６ｃの先端部の爪２８上に誘導
加熱体４を積載した被成長基板６を載置保持す
る。なおこの際保持腕２６ｃが開くのを防止する
ために、各保持腕に一活外接する図示しない石英
等のリングを嵌めてもよい。

また前記第２の実施例に示す気相成長装置に用
いる基板保持治具は、例えば第４図に示すよう
に、前記実施例の基板保持治具と同様に、支持円
板２５の上面に支持棒２が固着されており、支持
円板２５の円周を３等分した位置に下方に向かつ
て保持腕２６ａ，′，２６b′，２６′ｃが配設され
ている。そして支持円板２５に固定された２本の
保持腕２６′ａと２６′ｂは、ピン２７を介し揺動
可能に装着されている保持腕２６c′よりも長く形
成されており、各保持腕２６a′，２６b′，２６
c′の先端部には基板を保持する爪２８が形成され
ている。

基板の保持に際しては、被成長基板６の裏面上
に一方の端面が斜めに切断されている円柱状の誘
導加熱体４を図示のように重ね、該誘導加熱体４
が積載されている被成長基板６を揺動可能な保持
腕２６c′を開いて該基板保持具治具に挿入し、保
持腕２６c′を閉じて、各保持腕２６a′，２６b′，
２６c′に形成されている爪２８により誘導加熱体
４を積載した被成長基板６を斜めに保持する。お
保持腕２６c′が開くのを防止するために各保持腕
に一括外接する図示しないリングを嵌めてもよ
い。

以上２つの実施例から明らかなように本考案に
係る基板保持構造においては、被成長基板に対し
て誘導加熱体がその自重によつて密着するので、
被成長基板の加熱効率が向上すると同時に、被成
長基板の温度分布を一様にすることができる。

以上の実施例においては本考案に係る縦型気相
成長装置をGaAsのヘテロエピタキシヤル成長に
用いた例について説明したが、本考案の縦型気相
成長装置はGaAs以外の化合物半導体は勿論、
族半導体の単結晶層を気相成長させる際にも効果
的に適用することができる。

また上記実施例においては本考案の基板保持治
具を３本の保持腕を有する構造について説明した
が、該基板保持治具には４本以上の保持腕を配設
しても勿論差支えない。

〔考案の効果〕

以上説明したように本考案に係る高周波加熱方
式の縦型気相成長装置によれば、半導体単結晶の
縦型気相成長における安全性が向上すると同時
に、被成長基板全面に膜品質及び膜厚のばらつき
のない高品質の半導体単結晶薄膜が成長できるの
で、半導体装置の品質や歩留りの向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本考案に係る縦型気相成長
装置の異なる実施例の断面模式図、第３図及び第
４図は本考案に係る基板保持治具の異なる実施例
の斜視模式図、第５図及び第６図は従来の縦型気
相成長装置の異なる例の模式断面図、第７図は従
来の成長層の厚さ分布図、第８図は従来の成長層
の平面模式図である。 図において、１は反応管、２は支持棒、４は誘
導加熱体、５は高周波コイル、６は被成長基板、
７は成長ガス、８は上昇気流、１０は砒素析出
層、１１は成長ガス吹出しノズル、１２は遮蔽
板、１７はガス噴出孔、１８は下部遮蔽板、１９
はガス導入管、２０はガス排出孔、２１は上部遮
蔽板、２２はガス排出管、２３は成長領域、２４
は基板保持治具、２５は支持円板、２６ａ，２６
ｂ，２６a′，２６b′は固定保持腕、２６ｃ，２６
c′は揺動可能保持腕、２７はビン、２８は爪を示
す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 成長ガスを下部から導入して上部に排出する
   縦型反応管と、 被成長基板をその主面を下方に向けて周縁部
   分のみで保持し、回動する支持棒に固持されて
   該反応管内へ上部から挿入された基板保持治具
   と、 該被成長基板の裏面上に直に積載された誘導
   加熱体と、 該反応管の周囲に設けられた高周波加熱コイ
   ルとを具備し、 高周波電界の印加による該誘導加熱体の発熱
   により被成長基板の加熱を行うことを特徴とす
   る縦型気相成長装置。 ２ 前記被成長基板の保持が、該反応管の管軸方
   向に対して直角に、且つ主面を下方に向けてな
   されることを特徴とする実用新案登録請求の範
   囲第１項記載の縦型気相成長装置。 ３ 前記被処理基板の保持が、該反応管の管軸方
   向に対して斜めな角度に、且つ主面を下方に向
   けてなされることを特徴とする実用新案登録請
   求の範囲第１項記載の縦型気相成長装置。 ４ 前記基板保持治具が、支持棒下端に支持棒の
   軸の方向に対して直角に設けられた平板部に、
   基板保持爪を有する枠体が懸下配設され、該枠
   体内に該基板保持用爪によつて主面を下方に向
   け且つ裏面上に該誘導加熱体を積載した被処理
   基板が保持される構造を有することを特徴とす
   る実用新案登録請求の範囲第１項記載の縦型気
   相成長装置。