JPH0319211A - 化学気相成長装置 - Google Patents

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】 〔概　要〕 原子層エビタキシャル成長（ＡＬＢ）法を施行可能な化
学気相威長装置に関し， 化学気相或長により層形成が行われる基板の温度変化速
度を高めることを目的とし， 液体金属が充填された第１の中空体と，該第１の中空体
と連結され且つ化学気相成長により層形成が行われる基
板と接する一側壁を有する第２の中空体と、該第１の中
空体中における前記液体金属を加熱するための加熱手段
と，前記液体金属を該第１の中空体中に流入出するため
の移送手段とを少なくとも備えることにより構成される
。

〔産業上の利用分野〕

近年，化合物半導体を用いた高性能半導体装置の開発が
盛んに行われている．ここで用いられる化合物半導体の
形或に．その構戒或分元素を個別に含有する気体物質を
原料ガスとして用いる化学気相成長（ＣＶＤ）法が広く
採用されている，　ＣＶＤ法には．二種ないしそれ以上
の原料ガスを異なる時期に気相威長装置内に導入するこ
とを繰り返して化合物半導体層を成長させる，いわゆる
原子層エビタキシャル威長（ＡＬＩＩ！）法がある。

本発明は．上記ＡＬＥ法を実施可能な化学気相或長装置
の改良に関する。

〔従来の技術〕

上記ＡＬＥ法によれば．原料ガスの導入の１サイクルご
とに，目的とする化合物半導体の単分子層が形成される
ため，容易に超格子構造の化合物半導体層を成長させる
ことができる。この方法を用いて，　ＧａＡｓやＩｎＰ
およびＺｎＳやＺｎＳｅ等の化合物半導体．あるいはｒ
　ＳｉとＧｅとの混晶等の或長および物性の研究が行わ
れている。上記ＡＬＥ法を，有機金属ガスを原料として
用いてＧａＡｓを成長させる場合を例に説明する。

第６図はＡＬＥ法を実施可能な化学気相成長装置の概要
構或を示す模式図であって，石英から或る反応管１の内
部には，気相威長によりＧａＡｓ層の形成が行われる基
板２が設置されている。基板２はグラファイト等から戒
るサセプタ３上に！３！置されており，反応管１外部に
設けられた高周波加熱炉４によりサセプタ３を加熱する
ことにより，例えば５００゜Ｃに保持される。

排気しながら，反応管１内部にガリウム（Ｇａ）の原料
ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を含有する水
素（Ｈ２）ガスを数秒間導入する。ＴＭＧは基板２表面
に接触して熱分解し，そのとき生威したＧａ原子が基板
２表面に吸着される。上記熱分解反応は．基板２表面が
Ｇａ原子の１原子層によって覆われると停止することが
知られている。次いで，　ＴＭＧを排出したのち１砒素
（Ａｓ）の原料ガスであるアルシン（Ａｓｈ３）を含有
する水素（Ｈ２）ガスを数秒間導入する，　ＡＳＨ３が
基板２表面と接触して熱分解し，このとき生威したＡｓ
原子が基板２表面のＧａ原子層上に吸着し．　ＧａＡｓ
が１分子層生或する。上記化学反応過程を繰り返すこと
により．基板２上に所望の厚さのＧａＡｓ［を或長させ
る。高周波加熱炉４によりサセプタ３を加熱する代わり
に，基板２表面に対して光を照射することにより，基板
２表面に吸着した原料ガスの分解反応を起こさせる光Ｃ
ＶＤ法も知られている。

上記において，例えば厚さ０．３μｍのＧａＡｓ層を成
長させるためには，　ＴＭＧと八ＳＨ３を交互に１００
０回程度ずつ繰り返して反応管１に導入する必要がある
。

したがって，　ＧａＡｓ層の或長速度を高くするために
は，原料ガスの導入を高速度で切り換えなければならな
い。このような高速切り換え時における反応管ｌ内部に
おける圧力変動を小さくするために，反応管ｌ内の圧力
を低＜シ，かつ，反応管ｌ内部を流れる径路と平行に第
２の径路を設けてある。

両径路には，それぞれの内部における流動抵抗による圧
力損がほぼ等しくなる流量のキャリャガスが常時流れる
ように設定しておく。そして，それぞれの径路に対して
交互に，　ＴＭＧを含有するＨ２ガスとＡｓＨ３を含有
するＨ２ガスとを数秒程度の時間ずつ混入する方法が行
われる。第６図において，符号５はこのために設けられ
た高速バルブ５である。

符号６はサセプタ３の温度測定用の熱電対，符号７は通
常の締切りバルブである。また，同図においては＋　Ｉ
ｎＧａＡｓ三元混晶を成長させるための原料ガスとして
，トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を含有する■２を導
入するための径路が設けられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記↑ＭＧと＾ｓＨ＝を原料ガスとしてＧａＡｓｌｉを
成長させる＾Ｌｌｌ！法においては，基板２温度を５０
０℃に一定に保っていても．比較的良質のＧａＡｓ層が
得られる。しかしながら，例えばＩｎＰ層あるいはシリ
コン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の超格子のように
，構威戒分元素の原料ガスの熱分解温度が著しく異なる
ものの場合，優れた品質の結晶をエビタキシャル威長さ
せようとするためには，原料ガスの切り換えに加えて，
基板２の温度を変えることが望ましい。

例えば，　ＩｎＰを成長させる場合の■。原料ガスとし
て用いられるＴＭＩの分解温度は３００℃以下であるの
に対し，燐（Ｐ）の原料ガスであるホスフィン（Ｐｕｆ
ｆ）は４００℃以下ではその分解が遅く，実用的な成長
速度を得るためには，基板温度を５００゜Ｃ以上にする
必要がある．しかし．この温度では，　Ｉｎ層の形成が
不均一なため．　ＡＬＥにより完全なＩｎＰ層が成長し
ないという問題がある。

また．　ＣＶＤ法により良質の結晶層を得るための基板
温度は，　Ｇｅ層に対しては５００℃以下が望ましいが
，　Ｓｔ層に対しては７００℃以上が必要である。

このため．７００゜ＣでＧｅ／Ｓｉ超格子を成長させよ
うとするとＧｅ層が島状に成長し，超格子が形威されな
いという問題が生ある． したがって，上記のような原料ガスを用いて，ＡＬＥ法
により結晶或長を行う場合には，原料ガスの切り換えと
同時に．基板を所望の温度に高速度で変化することが必
要になるが，一般に．基板を載置するサセプタの熱容量
が大きいために，基板が所望の温度に達するまでに要す
る時間が長く，その結果，所定厚さのエビタキシャル威
長層を得るために長時間を要するばかりでなく，成長層
表面がキャリャガスに長時間曝されるために熱変性が生
じ，結晶品質が低下する問題があった。

従来，基板温度を急速に変化させる方法として．■基板
を赤外線ランプにより加熱する方法■基板を温度の異な
る複数のサセプタ間で移動する方法 等が用いられていたが，充分な温度変化速度が得られ難
い，温度の安定性に欠ける，あるいは，原料ガスの流れ
を乱す等の問題があった。とくに，昇温速度は，大出力
の加熱手段を用いることにより比較的容易に向上可能で
あるが，降温速度を高めることには限界があった。

本発明は，化学気相威長により層形成が行われる基板の
温度変化速度を高めることを目的とし．とくに，　ＡＬ
Ｅ法における原料ガスの切り換えに同期して基板温度を
変化可能とすることを目的とする． 〔課題を解決するための手段〕 上記目的は，液体金属が充填された第１の中空体と，該
第１の中空体と連結され且つ化学気相成長により層形成
が行われる基板と接する一側壁を有する第２の中空体と
，該第１の中空体中における前記液体金属を加熱するた
めの加熱手段と，前記液体金属を該第２の中空体中に流
入出するための移送手段とを備えたことを特徴とする本
発明に係る化学気相或長装置，または，それぞれ液体金
属が充填された第ｌおよび第２の中空体と，該第１の中
空体と第２の中空体とを接続し且つ化学気相成長により
層形成が行われる基板と接する一側壁を有する第３の中
空体と，該第１および第２の中空体中における前記液体
金属を異なる温度に加熱するための加熱手段と，該第１
および第２の中空体中における前記液体金属を交互に該
第３の中空体中に流入出するための移送手段とを備えた
ことを特徴とする本発明に係る化学気相或長装置によっ
て達威される． 〔作　用〕 サセプタを中空体構造とするとともに，液体金属が充填
された別の中空体容器を前記サセプタに連結する．そし
て．前記容器内部の液体金属を所定温度に加熱しておき
，原料ガスの切り換えに同期してサセプタの空洞内に流
入出させる。サセプタ上に載置された基板は液体金属に
より加熱もしくは冷却される。この構造の主な利点とし
て，■サセプタが中空体構造であるため，実効的な熱容
量が著しく低減され，急速な温度変化に追随できる ■厚みの小さい基板を反応管内で移動するよりも，固定
された中空サセブタ内に液体金属を移動する方が容易で
ある ■液体金属とサセプタ内面との密着性がよいため，温度
の安定性および再現性がよい ■液体金属の質量とサセブタの材質と構造・寸法を精密
に規定することにより，基板温度変化の定量的な制御が
可能である 等が挙げられる。

なお，液体金属をサセプタと液体金属容器間で移動させ
る手段として，液体金属容器に嵌合するピストンを設け
るか，あるいは，サセブタと液体金属容器とをほぼ水平
に支持するとともに．これらを交互に上下に揺動させる
機構を設ける。ピストンを用いる方法の方が，反応管内
において基板およびサセブタ等が移動しないため，原料
ガスの流れを乱すことがない点で有利である。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の気相或長装置の第１の実施例を示す要
部断面図である。第１図（ａ）を参照して．例えば石英
から或る縦型の反応管１の内部には，サセプタ１０　｛
第１の中空体｝と，サセプタ１０に連結された容器２０
（第２の中空体）が設置されている。サセプタ１０は，
例えば高純度カーボンブロックを加工して或形された箱
型中空体であり，そのＸ−Ｘ断面を第１図（ロ）に示す
。サセブタ１０は，その熱容量を小さくするため，外壁
の厚さは１ｍｍ程度と薄くされている。とくに，基板２
が載置されるサセブタＩＯの一側壁１ｌは，基板２に対
する密着性と熱伝導が良いことが必要である。本実施例
では，両面研磨した厚さ０，２ｍｎ＋の透明サファイヤ
板を用い，サセプタ１０本体のカーボンから成る外壁に
ねじ止めにより固定した。

容器２０は，同じく高純度カーボンブロツクを加工して
成形された箱型中空体であり，そのＹ−Ｙ断面を第１図
（Ｃ）に示す。容器２０は，その強度を高めるために，
外壁の厚さは２ｍｍ程度と厚くされており，また，内断
面積が大きくされている。サセプタ１０と容器２０とは
一体構造として加工することもでき，あるいは．個別に
成形されたものを図示のように嵌合・接続してもよい． なお，サセブタ１０および容器２０を構成するグラファ
イト部の内外両面には，　ＰＢＮ（熱分解窒化硼素）を
コーティングした。こ゛れは，グラファイトが摩擦され
て発生する粒状カーボンによる汚染を防止する目的であ
る。

容器２０内部には，液体金属２１が充填されている．液
体金属２ｌとしては，室温で融解し，かつ，蒸気圧が低
い，金属ガリウム（Ｇａ）あるいはその合金が適当であ
る。さらに，容器２０には，同じく高純度カーボンブロ
ックから或るピストン２２が嵌合されている。ピストン
２２を矢印の方向に上下駆動することにより，液体金属
２ｌをサセプタ１０内部に流入出することができる。な
お．反応管１が横型の場合には，サセプタｌＯと容器２
０とをほぼ水平に保持するとともに，サセプタ１０内部
を空とする場合には容器２０を低＜シ．一方，サセプタ
１０内部に液体金属２１を流入させる場合には容器２０
を高くするように，サセプタＩＯと容器２０を交互に上
下に揺動可能な手段を設ければよい。

反応管１の外部には，例えば赤外線ランプのような加熱
手段３０が配置されている。加熱手段３０は，少なくと
も二つのブロック（ｉ）および（　ｉｉ　）に分けて制
御可能とされており，それぞれのブロック（ｉ）および
（ｉｉ）における赤外線ランプを点灯することにより，
基板２と容器２０とを異なる温度に加熱する。例えばブ
ロック（ｉ）の赤外線ランプを点灯することにより．基
板２をＡＬＥ法における高温（Ｔ，）に加熱し，ブロッ
ク（ｉｉ）の赤外線ランプを点灯することにより，容器
２０内の液体金属２１をＡＬＥ法における低温（Ｔ２）
に加熱する。

ピストン２２を下げた状態，すなわち，サセプタ１０内
部が空の場合には，基板２の温度はＴ，である。

ピストン２２を押上げてサセプタ１０内に液体金属２ｌ
が流入すると，熱伝導のよい側壁ｌ１を介して基板２は
温度Ｔ！に急冷される。なお，ブロック（ｉ）の加熱手
段３０により基板２を低温に加熱し，一方，ブロック（
ｉｉ）の加熱手段３０容器２０内の液体金属２１を高温
に加熱でおき，サセプタｌＯ内部に液体金属２１を流入
させることにより基板２を急熱する方法も実施可能であ
るが，後述のように．ブロック（ｉ）を高温とし，一方
，ブロック（ｉｉ）を低温とすることによって基板２を
急冷する方が有利である。

第２図（ａ）は，第１図に示す気相威長装置において基
板２の温度をパルス状に変化させたときの温度一時間曲
線（Ａ）を従来の加熱方法の場合の曲線（Ｂ）と比較し
て示したグラフ，第２図（ロ）は，上記温度変化に対応
して制御される加熱手段３０への入力パワーのタイムシ
ーケンスを示すグラフである。

前述のようにサセプタ１０内部に液体金属２ｌを流入さ
せて基板２を急冷する場合には，ブロック（ｉ）におけ
る加熱手段３０への入力パワー（匈，）を図示のように
制御し，ブロック（ｉｉ）における加熱手段３０に対し
ては，液体金属２ｌを低温（Ｔ！）に保持するために必
要な一定入力パワー（一！）が供給される。なお，上記
曲ｔＪ　（Ｂ）は，サセプタとして用いた直径２インチ
，厚さ０．５ＩｌｌＩ１のシリコンウエハの温度であり
，加熱手段３０と同様の加熱手段に対して，第２図（ロ
）におけるー．と同様のタイムシーケンスで入力パワー
を供給した場合である．曲線（Ａ）と（Ｂ）とを比較す
ると，温度上昇過程においては，両曲線にはほとんど相
違はなく．ともに約１００゜Ｃ　／ｓｅｃの速度の温度
変化が得られており，高温（Ｔ．＝８００℃）に到達後
の温度の乱れ（ハ？チング）もほとんど現れない。しか
しながら，温度下降過程においては，曲線（Ａ）は約６
０℃／ｓｅｃとほぼ一定速度が得られ，低温（ｒｚ・５
００℃）におけるハンチングもなく安定しているのに対
して．曲線（Ｂ）は時間とともに温度下降速度が緩やか
となり，低温領域におけるハンチングが大きい．上記の
ように，　ＡＩＬ！法における温度変化を速やかにする
ためには，降温過程における速度を高めることが効果的
である。したがって，上記のようにブロック（：）を高
温とし，一方．ブロック（ｉｉ）を低温としておき，サ
セプタ１０内部に液体金属２ｌを流入することによって
基板２を急冷する方法が有効である．なお，上記説明に
おいては，簡単のため，容器２０内の液体金属２ｌを温
度Ｔ２に加熱しておき．かつ．サセプタ１０に液体金属
２１を流入したときに基板が温度Ｔ２に冷却されるとし
ているが，容器２０内の液体金属２１の温度Ｔ■は必ず
しも冷却後における基板温度と等しくする必要はなく．
加熱手段３０による加熱効果を含めｔ所望の基板温度に
到達するような温度設定および加熱手段３０の制御を行
うこともできる．このための条件は，あらかじめ実験的
に求めておけばよい． 第３図はＧｅとＳｉのへテロ接合から或る超格子の形威
に対して本発明を適用した例であって，同図（ａ）は．
　Ｇｅの原料ガスであるＧｅＨｚＣ１ｚ（ジクロロゲル
マン）とＳｉの原料ガスであるＳｉｄｌｅ（ジシラン）
を反応管に導入するタイムシーケンス．同図（ｂ）は上
記各原料ガスの導入に対応して制御される基板温度のタ
イムシーケンスである。

図示のように基板温度を３段階に変化にさせる．すなわ
ち．基板温度２００℃においてＧｅＨｚＣｌ．を導入し
たのち，基板温度を４５０″Ｃに上昇してから約１０秒
後にＳｉＪａを導入し，次いで基板温度を６３０℃に上
昇する．基板に吸着したＧｅＨｚＣ１ｇは４５０℃にお
いて分解し．　Ｇｅ単原子層を生或する。このＧｅ単原
子層に吸着したＳｉｚＨａが６３０℃において分解し，
　Ｓｔ単原子層を生成する。そののち．基板温度を２０
０℃に冷却する。

第３図の温度上昇工程においては，前記サセプタ１０内
部は空としておき，ブロック（ｉ）の加熱手段３０によ
り基板温度を図示のスケジュールで制御し，一方，ブロ
ック（　ｉｉ　）の加熱手段３０により，容器２０内の
液体金属２ｌを２００℃に加熱しておく．そして，基板
２が６３０℃に達してから約５秒間この温度に保持した
のち，サセプタ１０内部に液体金属２ｌを流入し，基板
２を急冷する。

上記の工程を繰り返し．　Ｇｅ単原子層とＳｉ単原子層
を，例えば１００層ずつエビタキシャル成長させた．こ
の間の所要時間は約６０分であり，同様の３段階の温度
変化工程を従来の加熱方法を用いて実施するとした場合
に１８０分間以上を要したのに比べて著しく時間を短縮
することができた。前述のように．　ＡＬｆ！法の実施
に長時間を要する場合には，結晶成長が行われない時間
が長いため，この間に熱変性が進み，良好な品質の結晶
が得られなかったが．本発明により．良品質のＧｅ／Ｓ
ｉヘテロ接合超格子を得ることが可能になった。

第４図は本発明の別の実施例を示す要部断面図であって
，横型反応管に適用するサセプタの例を示す．サセプタ
ｌＯと容器２０はともに中空体であり．サセプタｌＯは
基板２と接触する側壁１１を有し，容器２０内には液体
金属２１が充填されており，かつ，ピストン２２が嵌合
されている点では第１図と同櫓である。′また，これら
の構威材料についても前記と同様である．特徴は，容器
２０の上壁２３の少なくとも内壁面が側壁１１の内壁面
より高くされている点である。これにより，容器２０に
ピストン２２を押し込んでサセプタＩＯ内部に液体金属
２１が充満した状態においても，容Ｈ２０内における液
体金属２１の上部には空間が残っている。このような空
間は，低温に保たれる液体金属に対する高温部からの熱
伝導の影響を避けるために重要である。前記実施例の説
明においてはとくに触れなかったが，第１図においても
，サセブタ１０内部に流入した液体金属２１の上部には
空間が残るようにピストン２２を駆動する。

第５図は本発明のさらに別の実施例を示す要部断面図で
あって，中空体から成るサセプタ１０の両側に二つの容
器２０および４０が連結されている。容器２０内には液
体金属２ｌが充填されており，かつ，ピストン２２が嵌
合されている。一方，容器４０には液体金属４１が充填
されている。サセプタ１０内部には，ピストン２２を上
方に駆動することにより液体金属２１が，一方．ピスト
ン２２を下方に駆動することにより液体金属４１が流入
する。同図では，ピストン２２を下方に駆動し，液体金
属４ｌがサセプタ１０内に流入した状態が示されている
。

液体金属２ｌおよび４ｌが．それぞれ．容器２０および
４０内にあるとき，第１図における加熱手段３０と同様
の加熱手段（図示省略）を用いて，これらの液体金属２
ｌおよび４０とをそれぞれ異なる温度に加熱しておく。

そして．ピストン２２を駆動してこれら液体金属がサセ
プタ１０内部に交互に流入するごとに，基板２は異なる
温度に加熱される。例えば，液体金属２ｌおよび４ｌを
，それぞれ，第２図における低温（Ｔｔ）および高温（
Ｔ，）に加熱しておくと，サセブタ１０内部に液体金属
４１を流入させた場合には，基板２は温度ＴＩに加熱さ
れ，次いで液体金属２ｌが流入した場合には，温度Ｔｚ
に冷却される。本実施例によれば，他の実施例の場合に
比べてより温度上昇が急速であり，かつ，より早く所定
温度に安定する。

なお，本発明は，複数種類の原料ガスを同時に反応容器
内に導入する通常のＣＶＯ法やＭＯＣＶＤ（有機金属気
相威長）法にも適用でき，これらの方法により多層構造
の半導体層を形成する際の基板温度制御の高速化にも有
効である． 〔発明の効果〕 本発明によれば，ＡＬＵｉ法における基板温度の制御を
従来よりも高速で行うことが可能となる。その結果， ■多層の化合物半導体結晶層を従来より短時間で形成し
，かつ，得られた結晶品質を向上することができる ■熱分解温度の異なる原料ガスを用いてＡＬＥ法を実施
することができ，　ＧｅとＳｉの超格子構造の形或を可
能とする ■上記多層化合物半導体層あるいは超格子構造を利用し
て成る半導体装置の開発および実用化を促進できる 等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す要部断面図， 第２図は本発明における基板温度と人力パワーの時間変
化の例を示すグラフ、 第３図は本発明によるＧｅ／Ｓｔへテロ接合超格子形威
例説明図， 第４図と第５図は本発明のその他の実施例を示す要部断
面図， 第６図はＡＬＥ法を実施可能な化学気相成長装置の概要
構成を示す模式図 である。 図において， ｌは反応管．　　２は基板， ３とＩＯはサセブタ．　　４は高周波加熱炉，５は高速
バルプ，　　６は熱電対， ７は締切バルブ，　　１１は側壁， ２０と４０は容器， ２１と４１は液体金属． ２２はピストン， ２３は土壁， ３０は加熱手段， である。 （０−） 時 間 （ｆ） 本１ｅ−１ｍ　ｌ二６　１Ｔ　３　ＬＨ７ＪＩ　Ｙ−　
人幻）Ｙ’７　−　　ｆ）　吟１ｈｊ！：イヒ．ｆｌｆ
ｊ第２叉 （ｂ） （Ｃ） 氷茫明の一大掩伊ｊ 第　１　図 本発』￥４ｌ：ＬコＧｅ／５ｉへテ０擾ぎ月本５、子形
戊゛夕ｊ次ロ月図第３屍 本斧明の他の犬橙例（’ｆの１） 第４図 Ｉ！ 木茫明の仕ｆ）尖斃伊ｌ（〒の２） 第５図 ＡＬＥ迭１案施町能一化字乳相成長校置第６圀

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体金属が充填された第１の中空体と、該第１の
   中空体と連結され且つ化学気相成長により層形成が行わ
   れる基板と接する一側壁を有する第２の中空体と、 該第１の中空体中における前記液体金属を加熱するため
   の加熱手段と、 前記液体金属を該第２の中空体中に流入出するための移
   送手段 とを備えたことを特徴とする化学気相成長装置。
2. （２）それぞれ液体金属が充填された第１および第２の
   中空体と、 該第１および第２の中空体を接続し且つ化学気相成長に
   より層形成が行われる基板と接する一側壁を有する第３
   の中空体と、 該第１および第２の中空体中における前記液体金属を異
   なる温度に加熱するための加熱手段と、該第１および第
   ２の中空体中における前記液体金属を交互に該第３の中
   空体中に流入出するための移送手段 とを備えたことを特徴とする化学気相成長装置。