JPH0472719A

JPH0472719A - 半導体気相成長装置

Info

Publication number: JPH0472719A
Application number: JP18605590A
Authority: JP
Inventors: Haruki Ogawa; 晴樹小河
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1992-03-06

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〕この発明は、基板の表面に半導体結晶を成長させる半導
体気相成長装置に関するものである。

〔従来の技術〕

■族元素のシリコン（Ｓｉ　）や■−〜′族元素の化合
物からなる半導体を中心にした半導体の結晶成長方法の
一つとして気相成長法Ｃ以下、ＶＰＥ法と略す）が行わ
れている。このＶＰＥ法は、分子線エピタキシー法（Ｍ
ＢＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）と共に、結晶基板の
上に他の結晶を規阿的に配列して成長させるエピタキシ
ャル成長を行う結晶成長法であり、量産性や成長する結
晶の膜厚の均一性に優れているという特徴を持つ。

また、このＶ、ＰＥ法には、ハイドライドＶＰＥ法５ク
ロライドＶＰＥ法、有機金属（ＭＯ）ＶＰＥ法があるが
、有機金属（ＭＯ）ＶＰＥ法は、エピタキシャル成長さ
せる膜厚の制御性に優れ、超格子などの薄膜多層構造の
形成に適しているため、近年特に注目されている。

従来の半導体気相成長装置を第５図に基づいて説明する
。

第５図は、減圧下でＧａＡｊ！Ａｓ混晶およびＩｎＧａ
　Ｐ混晶をエピタキシャル成長させる減圧有機金属気相
成長装置（以下、減圧ＭＯＶＰＥ装置と略す）の概略図
である。この減圧ＭＯＶＰＥ装置は、ストップパルプの
ついた保存容器１．２．３の中に保存された有機金属化
合物のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、）リメチルアル
ミニウム（ＴＭＡ）、）リメチルインジウム（ＴＭＩ）
と、ボンベ１５．１６に保存された気体のアルシン（Ａ
ｓＨｌ）、ホスフェン（ＰＨ，）とからなる各原料ＴＭ
Ｇ、ＴＭＡ、ＴＭＩおよび原料Ａｓ）（３、ＰＨ，を成
長させようとする混晶の種類に応して成長室１４に導き
入れ、これら各原料を高周波コイル３１で加熱し、熱分
解または化学反応によりカーボン製のサセプタ３０に固
定したＧａＡｓからなる基板２９の表面に半導体結晶を
エピタキシャル成長させる。

そして、この保存容器１，２．３に保存されている有機
金属の各原料ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩは、原料導入配管
１０．１１．１２の一方から流入する水素（Ｈ２）ガス
で昇華または気化により蒸発された後、原料導入配管！
０．１１．１２の他方に接続した原料導入配管１３で成
長室１４に導入される。このため、各保存容器１．２．
３は、恒温槽４．５．６で一定温度に保たれると同時に
、流入する水素（Ｈ２）ガスの流量が、マスフローコン
トローラからなる流量制御装置７．８．９で精密に制御
される。

−４、ボンベ１５．１６に保存される気体の原料ＡｓＨ
ｓ、ＰＨｚは、純粋あるいは水素（Ｈ２）ガスで希釈さ
れた後、マスフローコントローラカらなる流量制御装置
１７．１８で流量制御されて原料供給配管１９．２０お
よび原料導入配管２１で成長室１４に導入される。

そして、半導体結晶のエピタキシャル成長の開始または
終了は、原料ＴＭＧ、ＴＭＡ　　ＴＭＩの供給を三方コ
ック２２，２３．２４で、原料ＡｓＨ，，ＰＨ，の供給
を三方コック２５．２６で原料導入配管１３．２１また
は原料排出配管２７．２８に切り換えることにより行う
。

また、半導体結晶をエピタキシャル成長させる前段階と
して、成長室１４の内部をロータリポンプ３２で排気し
、排気速度をメインバルブ３３で調整して成長室１４を
所定の減圧状態に保持する。

このとき、原料ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩの寒発量が、保
存容器１，２．３の内部圧力にも依存することから、保
存容器１．２．３の内部圧力を圧力調整弁３４で精度良
く調整する必要がある。また、成長開始直後においても
、原料ＴＭＧ、ＴＭＡ。

ＴＭＩの導入量を変動な・く一定に保つ必要があり、三
方コック２２，２３．２４の切り換え前後で過渡的な圧
力変動を生じないようにするため、原料導入配管１３と
並列に設けた原料排出配管２７も圧力調整弁３５で同じ
圧力に調整する必要がある。

この調整圧力の値は、−船釣に大気圧の７６０Ｔ。

ｒｒに調整される。

このような構成の半導体気相成長装置において、ＧａＡ
ｌＡｓの半導体結晶を基板２９の表面に成長させる手順
は、流量制御装置３６．３８を操作して水素（Ｈ２）ガ
スのみを成長室１４に導入するとともに、成長室１４．
原料導入配管１３．’２１の内部を所定圧力にコントロ
ールして保持する。

つぎに、流量制御装置７．８を操作して原料ＴＭＧ、’
ＴＭＡを原料供給配管１０．４１から供給し、流量制御
装置３７の操作で水素（Ｈ２）ガスにより原料排出配管
２７を流して外部に排出する。また、高周波コイル３１
による各原料の加熱昇温時に基板２９の熱解離を防ぐた
めに流量制御装置１７を操作して原料ＡｓＨ３を原料導
入配管２１で成長室１４に導入するとともに、基板２９
を所定温度に昇温する。基板２９の温度が安定した後、
三方コック２２．２３で原料供給配管１０．１１からの
原料ＴＭＧ、ＴＭＡの流路を原料導入配管１３に切り換
え、原料ＴＭＧ、ＴＭＡを成長室１４に導入し、基板２
９の表面にＧａＡｊ！Ａｓ混晶のエピタキシャル成長を
開始する。そして、所定膜厚のＧａＡｆｆｉＡｓ混晶を
成長させ、成長を終了するときは、三方コック２２．２
３を切り換えて原料ＴＭＧ、ＴＭＡの原料供給配管１０
’、１１による成長室１４への導入を停止する。このと
き、成長したＧａＡｌＡｓ混晶の熱解離を防ぐために原
料ＡｓＨ。

を成長室１４に導入した状態で基板２９を降温して操作
を終了する。

また、ＩｎＣ，ａＰ混晶のエピタキシャル成長を行う場
合は、前述のＧａＡｌＡｓ混晶の場合と同様に、原料Ｔ
ＭＩ、ＴＭＧおよび原料ＰＨ３を原料排出配管２７．２
８を通して外部に排出しておくと同時に、原料の加熱昇
温時に基板２９の熱解離を防ぐために流量制御装置１７
を操作して原料Ａ　ｓ　Ｈ３を原料導入配管２１で成長
室１４に導入した状態で基板２９を所定温度に昇温する
。基板２９の温度が安定した後、成長室１４に導入して
いた原料Ａ　ｓ　Ｈ３の流路を三方弁２５で原料排出配
管２８に切り換えて導入を停止すると同時に、原料ＴＭ
Ｉ。

ＴＭＧおよび原料ＰＨｓを成長室１４に導入してＩｎＣ
；ａＰ混晶のエピタキシャル成長を行う。そして、成長
終了後は、原料ＰＨ，を成長室１４に導入した状態で基
板２９を降温して操作を終了する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述した半導体気相成長装置の構造では
、流量制御装置７．８．９により各原料ＴＭＣ；、ＴＭ
Ａ、ＴＭ＋の蒸発物質の流量制御を行った場合、その流
量は、微小ながら時間的に変動する。この流量変動によ
り原料導入配管１３および各原料供給配管１０．１１．
１２の内部の圧力が変動し、流量変動に伴う圧力変動の
総和は、数Ｔｏｒｒにも達する。この圧力変動は、各配
管内での流速や保存容器４．５，６の内部における各原
料ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩの藤発量を変動させるため、
成長室１４への原料供給量が時間的に変動する要因とな
る。そして、成長室１４の中で成長させたＧａＡｌＡｓ
混晶やＩｎＧａＰ混晶は、成長方向に混晶比が変動し、
多数の結晶欠陥を含む。このような混晶比の単結晶を例
えば発光素子に用いた場合、発光効率に重大な悪影響を
及ぼす。

この発明の目的は、原料の流量が時間的に変動した場合
でも、各配管内部の圧力変動を大幅に低減し、混晶比の
変動が極めて少なく高品質な単結晶を成長させることが
できる半導体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〕

この発明の請求項（１）の半導体気相成長装置は、途中
に圧力調整弁を設けて成長室に原料の導入を行う原料導
入配管と、この原料導入配管に接続して保存容器から原
料を供給する少なくとも一つの原料供給配管とを有し、
この原料供給配管の途中に流量制御装置を設けて前記圧
力調整弁から前記流量制御装置までの配管の途中に容器
を接続したことを特徴とするものである。

請求項（２）の半導体気相成長装置は、請求項（１）記
載の半導体気相成長装置において、原料導入配管と原料
供給配管との接続部よりも上流の前記原料導入配管の位
置に容器を接続したことを特徴とするものである。

請求項（３）の半導体気相成長装置は、請求項（２）記
載の半導体気相成長装置において、圧力調整弁の抵抗と
、この圧力調整弁から流量制御装置までの原料導入配管
と原料供給配管の容積との積で決まる時定数が、前記流
量制御装置から流れるガス流量の変動周期以上になるよ
うに容器の容積を選択することを特徴とするものである
。

〔作用〕

この発明の請求項（１）の半導体気相成長装置は、圧力
調整弁を設けた原料導入配管に流量制御装置を設けた原
料導入配管を接続し、圧力調整弁から流量制御装置まで
の配管の途中に容器を接続したので、原料導入配管およ
び原料供給配管の内部を流れる原料の流量が時間的に変
動した場合でも、配管の途中に設けた容器で配管内部の
圧力変動を大幅に低減する。

請求項（２）の半導体気相成長装置は、原料導入配管と
原料供給配管との接続部よりも上流の原料導入配管の位
置に容器を接続したので、容器の内部のよどみによる原
料供給・停止の時間遅れの支障をきたすことがなく、配
管内部の圧力変動を大幅に低減する。

請求項（３）の半導体気相成長装置は、圧力調整弁の抵
抗と、この圧力−整弁から流量制御装置までの原料導入
配管と原料供給配管の容積との積で決まる時定数が、ガ
ス流量の変動周期以上になるように容器の容積を選択し
たので、配管内部の圧力変動を大幅に低減する。

途中に接続する容器の作用を第４図（ａ）、　（ｂ）に
基づいて説明する。

第４図（ａｌは、第５図に示す半導体気相成長装置の部
分概略図、第４図ら）は、それに対応するモデルの電気
回路であり、第４図（司の部分斜視概略図は、第４図［
有］）の電気回路図と近位的に等価である。

つまり、流動制御装置７　（８，９）は定電流源７′に
、ガス流Ｉは電流Ｉ′に、圧力調整弁３４は抵抗３４′
に、圧力調整弁３４に加わるガス流Ｉの圧力は抵抗３４
′に生じる抵抗値に、ロータリーポンプ３２は接地３２
′に、また、流量制御装置７　（８，９）から圧力制御
弁３４に至る原料供給配管１０　（１１，１２）と原料
導入配管１３との配管の容量はコンデンサ１３’の容量
に対応する。

この第４図（６）に示す電気回路に、ある一定の周′＃
Ｊ４Ｔ’と振幅Ａ′の交流電流を重畳したとき、抵抗３
４′に生じる電圧は抵抗値とコンデサ１３′に容量の積
である時定数Ｘ′で応答する。そこで、コンデンサ１３
’の容量を大きくし、時定数Ｘ′を交流電流の周期Ｔ′
よりも大きくすると、電圧変化は電流の変化に十分に追
従できなくなり、電圧変化の振幅Ａ′は小さくなる。

これと同様のことが、第４図（ａ）でもいえる。つまり
、流量制御装置７　（８，９）から流れ出すガスの流量
Ｉの時間的な変動で圧力変動Ａがある場合、流量制御装
置？　（８，９）から圧力調整弁３２に至る原料供給配
管１０　（１１，１２）と原料導入配管１３との間に容
器（図示せず）を接続して配管の容量を大きくし、この
容量と圧力調整弁３２の抵抗値との積である時定数Ｘを
流量Ｉの変動周期Ｔよりも大きくすることにより、配管
内部の圧力変動Ａを低減することができる。

〔実施例〕

この発明の半導体気相成長装置の第１の実施例を第１図
に基づいて説明する。

第１図は、半導体気相成長装置の部分概略図である。こ
の半導体気相成長装置は、原料供給導入配管１３に設け
た圧力調整弁３４と、各原料供給配管１０，１１．１２
の原料導入配管１３への接続部との間に容量が５００ｃ
ｃの容器４０を設けたものであり、それ以外は、第５図
に示して説明した従来の減圧ＭＯＶＰＥ装置と同し構造
の半導体気相成長装置である。

このような構造の半導体気相成長装置において、原料Ｔ
ＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩは、各恒温槽４，５゜６により、
それぞれ−１５℃、１８℃、７℃に保持され、原料供給
配管１０，１１．１２の一端から供給される水素（Ｈ２
）ガスで蒸発された後、原料導入配管１３で成長室１４
にに導入する。また、原料ＡｓＨｓ、ＰＨｚを水素（Ｈ
２）ガスで、それぞれ１０％、２５％に希釈したものを
原料導入配管２１で成長室１４に導入し、単結晶成長時
の成長室１４の圧力を６０ＴｏｒｒとしてＧ　ａ　Ａ　
ｓからなる基板２９の表面に、従来と同様の手順でＧａ
Ａｊ！Ａｓ混晶およびＩｎＧａＰ混晶を約１μｍエピタ
キシャル成長させた。そして、成長したＧａＡｌＡｓ混
晶およびＩｎＧａＰ混晶の表面上ホロジー、フォトルミ
ネッセンス（ＰＬ）強度と、各混晶成長時の原料導入配
管１３の内部の圧力変動とを測定し、従来の半導体気相
成長装置で成長させた各混晶の結果および圧力変動と比
較した。

その結果、原料導入配管１３の圧力変動が、従来では約
３　Ｔｏｒｒであるのに対し、実施例では０．２Ｔｏｒ
ｒ以下と大幅に低減する。さらに、表面モホロジーおよ
びフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を比較すると、Ｇ
ａＡｊ！Ａｓ混晶については表面モホロジーが改善され
、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度が約２倍強くなり
、結晶中の混晶比の変化が低減され、結晶欠陥の極めて
少ないＧａＡｊ！Ａｓ混晶を得た。一方、ＩｎＧａＰ混
晶については表面モホロジーが悪化し、フォトルミネッ
センス（ＰＬ）強度が低下して結晶性が悪くなった。

この理由は、ＩｎＧａＰ混晶を基板２９の表面に成長さ
せる場合、原料Ａ　ｓ　Ｈｓの成長室１４への導入を停
止した後、原料ＴＭＩ、ＴＭＧまたは原料ＰＨ，のいづ
れか一方の原料が先に成長室１４に導入されると、その
原料の分解生成物のみが基板２９の上に堆積し、その後
のエピタキシャル成長に悪影響を及ぼすため、原料ＴＭ
Ｉ、ＴＭＧと原料ＰＨ３とをできる限り同時に成長室１
４に導入することが望ましい。しかし、この実施例の場
合では、原料導入配管１３の途中に設けた容器４０の内
部を通過して成長室１４に導入される原料ＴＭｌ、ＴＭ
Ｇのガス流のよどみが発生するため、原料ＰＨ，の成長
室１４への導入よりも遅れ、基板２９の上にＰ２または
Ｐ４の分解生成物が堆積し、その上に成長するＩｎＧａ
Ｐ混晶の結晶性が悪くなるためである。

第２の実施例を第２図に基づいて説明する。

第２図は、半導体気相成長装置の部分概略図である。こ
の半導体気相成長装置は、各原料供給配管１０．１１．
１２の原料導入配管１３への接続部よりも上流に容量が
５００ｃｃの容器４０を設けたものであり、それ以外は
、第５図に示して説明した従来の減圧ＭＯＶＰＥ装置と
同じ構造の半導体気相成長装置である。

このような構造の半導体気相成長装置において、第１の
実施例と同様にして基板２９の表面にＧａＡ／！Ａｓ混
晶およびＩｎＧａＰ混晶を約１ｕｍ４ビタキシャク成長
させた。そして、成長したＧａＡ　ＩＡｓ混晶およびＩ
ｎＧａＰ混晶の表面モホロジーフォトルミネッセンス（
ＰＬ）強度と、各混晶成長時の原料導入配管１３の内部
の圧力変動とを測定し、従来の半導体気相成長装置で成
長させた各混晶の結果および圧力変動と比較した。

その結果、原料導入配管１３の圧力変動が、従来では約
３　Ｔｏｒｒであるのに対し、実施例では０．２Ｔｏｒ
ｒ以下と大幅に低減し、いずれも表面モホロジーが改善
され、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度については、
実施例のＧａＡｌＡｓ混晶が約２倍、ＩｎＧａＰ混晶が
約３倍強くなり、結晶中の混晶比の変化が低減され、結
晶欠陥の極めて少ないＧａＡ　ｊ！　Ａｓ混晶とＩｎＧ
ａＰ混晶とを得た。

つぎに、第３の実施例を第２図および第５図に基づいて
説明する。

前述の第２の実施例で説明した減圧ＭＯＶＰＥ装置と同
じ構造の半導体気相成長装置（第２図および第５図）で
、各原料供給配管１０．１１．１２の原料導入配管１３
への接続部よりも上流に設ける容器４０の容量を５０ｃ
ｃ、　　１００ｃｃ、　　２００ｃｃと変更してＧａＡ
ｊ！Ａｓ混晶およびＩｎＧａＰ混晶の成長時の原料導入
配管１３の内部の圧力変動と、成長した各混晶の表面モ
ホロジー、フォトルミネッセンス（Ｐ　Ｌ）強度とを測
定し、従来の半導体気相成長装置で成長させたＧａＡｌ
！Ａｓ混晶およびＩｎＧａＰ混晶の結果および圧力変動
と比較した。

なお、各混晶成長時の水素（Ｈｌ）ガスの流量変動周期
は４秒、容器４０の容量を除いた圧力調整弁３４から流
量制御装置７．８または、流量制御装置７，９までの配
管の容量は５０ｃｃ、圧力調整弁３４の抵抗値は０．０
３　ｓｅｃ／ｃｃであり、圧力調整弁３４の抵抗値と圧
力調整弁３４から流量制御装置７．８または流量制御装
置７．９までの容量で決定される時定数は、容器４０を
設けない場合は１、５　ｓｅｃ、容器４０の容量が５０
ｃｃ、　　１００ｃｃ、　２００ｃｃの場合、それぞれ
３．０　ｓｅｃ、　４．５　ｓｅｃ、　７．５　ｓｅｃ
と計算される。

このような構造の半導体気相成長装置において、第２の
実施例と同様にして基板２９の表面にＧａＡｊｌ！Ａｓ
混晶およびＩｎＧａＰ混晶を約１　ｇｍＸピタキシャク
成長させた。成長した各混晶の表面モホロジー、フォト
ルミネッセンス（ＰＬ）強度と、単結晶成長時の原料導
入配管１３の内部の圧力変動とを測定した。そして、各
時定数に対する圧力変動値、フォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）強Ｉｔ、表面モホロジーの関係を容器４０を設けな
い従来の値とをわせで第３図にまとめて示す。

その結果、圧力調整弁３４の抵抗値と圧力調整弁３４か
ら各流量制御装置７．９までの容量で決定される時定数
が、水素（Ｈ２）ガスの流量変動周期の４秒以上になる
ように容器４０の容量を選択することにより、原料導入
配管１３の内部の圧力変動が大幅に低減され、ＧａＡ１
．Ａｓ混晶およびＩｎＧａＰ混晶の混晶比の変動が少な
くなり、表面モホロジーが良好で、フォトルミネッセン
ス（ＰＬ）強度が強く、結晶欠陥の極めて少ないＧａＡ
　１Ａｓ混晶とＩｎＧａＰ混晶とを得ることができた。

なお、各実施例ではＧａＡｓからなる基板２９の表面に
ＧａＡｌＡｓ混晶およびＩｎＧａＰ混晶のエピタキシャ
ル成長について説明したが、ＩｎＰ基板の表面にＩｎＧ
ａＡｓ混晶あるいはＩｎＧａＡｓＰ混晶のエピタキシャ
ル成長等、異なるｍ　−Ｖ族元素の化合物からなる元素
の組み合わせにも適応可能である。また、原料導入配管
Ｉ３から導入する原料も有機金属化合物に限定しない。

さらに、各実施例では、ＭＯＶＰＥ法について説明した
が、他の気相成長法による装置にも適応可能である。

〔発明の効果〕

この発明の請求項（１）の半導体気相成長装置は、圧力
調整弁を設けた原料導入配管に、流量制御装置を設けた
原料導入配管を接続し、圧力調整弁から流量制御装置ま
での配管の途中に容器を接続することにより、原料導入
配管および原料供給配管の内部の原料の流量が時間的に
変動し、圧力変動が発生しても容器で圧力変動を大幅に
低減することができるので、成長する半導体結晶中の混
晶比の変化が低減され、結晶欠陥の極めて少ない半導体
結晶を得ることができる。

請求項（２）の半導体気相成長装置は、原料導入配管と
原料供給配管との接続部よりも上流の原料導入配管の位
置で容器を接続することにより、容器の内部のよどみに
よる原料供給・停止の時間遅れの支障をきたすことなく
、配管内部の圧力変動を大幅に低減することができるの
で、成長する半導体結晶中の混晶比の変化がより一層低
減され、結晶欠陥の極めて少ない半導体結晶を得ること
ができる。

請求項（３）の半導体気相成長装置は、圧力調整弁の抵
抗値と、この圧力調整弁から流量制御装置までの容積と
の積で決まる時定数を、ガス流量の変動周期以上になる
ように容器の容積を遺灰したことにより、配管内部の圧
力変動を大幅に低減することができるので、成長する半
導体結晶中の混晶比の変化がより一層低減され、結晶欠
陥の極めて少ない半導体結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の半導体気相成長装置の第１の実施例
の構造を示す部分概略図、第２図は第２の実施例の構造
を示す部分概略間、第３図は第３の実施例の特性を説明
するグラフ、第４図（ａ）は各実施例の作用を説明する
構造概略図、第４１１ｆｆｌ（ｂ）はそれに対応するモ
デルの電気回路図、第５図は従来の半導体気相成長装置
の構造概略図である。７〜９．１７，１８．３６〜３９・・・流量制御装置、
１０〜１２，１９．２０・・・原料供給配管、１３２１
・・・原料導入配管、２２〜２６・・・三方コック、３
４．３５・・・圧力調整弁、４０・・・容器第１図第２Ｆ１Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）途中に圧力調整弁を設けて成長室に原料の導入を
行う原料導入配管と、この原料導入配管に接続して保存
容器から原料を供給する少なくとも一つの原料供給配管
とを有し、この原料供給配管の途中に流量制御装置を設
けて前記圧力調整弁から前記流量制御装置までの配管の
途中に容器を接続したことを特徴とする半導体気相成長
装置。
（２）原料導入配管と原料供給配管との接続部よりも上
流の前記原料導入配管の位置に容器を接続したことを特
徴とする請求項（１）記載の半導体気相成長装置。
（３）圧力調整弁の抵抗と、この圧力調整弁から流量制
御装置までの原料導入配管と原料供給配管の容積との積
で決まる時定数が、前記流量制御装置から流れるガス流
量の変動周期以上になるように容器の容積を選択するこ
とを特徴とする請求項（２）記載の半導体気相成長装置
。