JPH06151337A - Ｍｏｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反応管外部に配置した赤外線検出センサによ
ってウェハ表面温度を直接測定し、ウェハ表面温度の制
御を精度良く行うことが出来るようにし、それによりウ
ェハ面内キャリア濃度の再現性の良い結晶をウェハ表面
上に成長させるＭＯＣＶＤ装置を提供する。 【構成】 内壁と外壁とからなる二重構造の反応管１
と、反応管内壁１５と反応管外壁２との間に充填した冷
却水９と、この反応管１の内部に配置したサセプタ４と
を備えたＭＯＣＶＤ装置において、このサセプタ４の上
面を望む方向に位置するこの二重構造の反応管１の一部
分を石英窓部１４とし、この石英窓部１４の外部に上記
サセプタ４を望む方向に赤外線検出センサ６を配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の結晶成長を行
う装置に係わり、特に、ＭＯＣＶＤ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】以下、添付図面を参照して、従来の技術
を説明する。図２は、従来のＭＯＣＶＤ装置の一例を示
す側断面図である。図２において、２１は、透明石英か
らなる反応管を示す。反応管２１は、その周囲を冷却す
るための媒質例えば水を流す必要から二重構造になって
おり、２２は、透明石英から成る反応管外壁を示す。２
５は、透明石英から成る反応管内壁を示す。３は、結晶
成長を行うべきウェハを示す。４は、ウェハ３を配置す
るためのサセプタを示す。５は、加熱用のＲＦコイルを
示す。７は、ガス類を反応管２１内部に導入するための
ガス入口を、８は、ガス類を反応管２１内部より排出す
るためのガス出口を示す。９は、冷却水を示し、１０
は、冷却水入口を、１１は、冷却水出口を示す。２３
は、サセプタ４を反応管２１内部の所定の位置に保持す
るためのサセプタ保持台を示す。１２は、ウェハ３温度
制御用にサセプタ保持台２３の内部に埋め込まれた熱電
対を示す。

【０００３】次に、ＭＯＣＶＤ装置の動作について説明
する。所望の結晶成長を行うべきウェハ３を、図２に示
されていない予備室より移動して、サセプタ４の所定位
置に配置する。サセプタ４は、導電性材料例えばカ−ボ
ンより構成されている。このサセプタ４を、反応管２１
内部の所定位置に配置する。反応管２１内部は、一旦密
封される。次に、キャリアガスを、ガス入口７より反応
管２１内部に導入する。同時に、ガス出口８よりキャリ
アガスを排出して、反応管２１内部をキャリアガスで置
換する。一方、反応管２１は二重構造になっており、反
応管内壁２５と反応管外壁２２との間に冷却水９を導入
する。冷却水９は、冷却水入口１０より導入され、冷却
水出口１１より放出される。この状態は、所望の結晶成
長が終了し、ウェハ３を配置したサセプタ４を反応管２
１内部より取り出すまで継続される。

【０００４】次に、反応管２１内部が、キャリアガスで
十分に置換された状態になっていることを確認して、反
応管２１外部に配置されたＲＦコイル５に高周波電力を
印加する。この結果、ＲＦコイル５の取り囲む空間に高
周波交番磁界が発生し、高周波交番磁界中に配置されて
いるサセプタ４には渦電流が流れる。この渦電流によ
り、サセプタ４が加熱される。加熱されたサセプタ４に
より、ウェハ３とサセプタ４の周囲のキャリアガスも加
熱される。ウェハ３は、結晶成長温度まで加熱される
が、途中の所定温度に達した時、反応ガスが反応管２１
内部に導入される。ウェハ３は、結晶成長温度に達する
と、この温度に保持される。分解温度以上に加熱された
反応ガスは、イオン及びその他の活性種に熱分解する。
結晶成長温度に保持されているウェハ３表面に次々に到
達したイオン及びその他の活性種は、ウェハ３を構成す
る元素と次々に反応を起こし結晶化し、結晶成長する。

【０００５】結晶成長が完了すると、ＲＦコイル５に印
加されていた高周波電力は除去され、反応管２１内部は
冷却され始める。ウェハ３温度が所定温度に達すると、
反応ガスの供給は停止される。さらに、ウェハ３温度が
常温に達すると、図示されていない予備室にウェハ３を
移動する。予備室内が不活性ガスで十分置換されると、
ウェハ３は外部に取り出される。反応管２１内部に導入
されているキャリアガスの供給は停止され、冷却水９の
供給も停止される。以上が、ＭＯＣＶＤ装置の動作の概
略である。

【０００６】ところで、ウェハ３が加熱されている間、
ウェハ３温度は常に制御されている。この温度制御は、
サセプタ保持台２３の内部に埋め込まれた熱電対１２に
よりサセプタ保持台２３の温度を測定し、この温度と基
準温度との差を、ＲＦコイル５に印加する高周波電力の
制御部にフィ−ドバックし、ＰＩＤ方式で高周波電力を
制御する事によって行われる。

【０００７】一方、上述のように、反応管２１は、ＭＯ
ＣＶＤ装置の動作中は常に冷却されているが、これは、
反応ガスの不要な反応を起こさせないためである。反応
ガスは、ガス入口７より反応管２１内部に導入され、ガ
ス出口８より排出されるが、反応管２１内部を下方に向
かって流れる時、熱分解をおこすのは、ウェハ３直上に
達した時だけで良い。反応ガスの熱分解によって生成さ
れたイオン及びその他の活性種の内、ウェハ３上での結
晶成長に寄与しないイオン及びその他の活性種は、反応
副生成物として反応管２１の壁面や底部に堆積される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成より
なる従来例のＭＯＣＶＤ装置において、ウェハ３表面上
に所望の結晶成長を行わせるためには、その結晶成長条
件を適切に選定し精密に制御する必要がある。結晶成長
条件として、例えば、反応ガスの種類、反応ガスの純
度、反応ガスの組成、反応ガスの濃度、反応ガスの圧力
及び反応温度などがある。この結晶成長条件の中で、特
に、ＭＯＣＶＤ装置の構造によって大きく影響されるの
は、反応管２１内部特にウェハ３表面直上の反応ガスの
組成及び濃度分布と結晶成長温度の制御性である。ウェ
ハ３表面直上の反応ガスの組成及び濃度分布は、ウェハ
３表面上に成長させた結晶の主としてウェハ３面内の組
成、膜厚及びキャリア濃度分布を決定する。一方、結晶
成長温度の制御性は、ウェハ３表面上に成長させた結晶
の主としてウェハ３面内キャリア濃度の再現性を決定す
る。

【０００９】従来、ＭＯＣＶＤ装置において、ウェハ３
温度の制御は、前述の如く、セプタ保持台２３の内部に
埋め込まれた熱電対１２により、サセプタ保持台２３の
温度が測定され、この温度と基準温度との差を、ＲＦコ
イル５に印加する高周波電力の制御部にフィ−ドバック
し、ＰＩＤ方式で高周波電力を制御する。すなわち、サ
セプタ保持台２３の温度をウェハ３表面温度と見なし
て、ウェハ３表面温度の制御が行われる。

【００１０】しかしながら、結晶成長は、ウェハ３表面
上で行われる。すなわち、ウェハ３表面上の結晶成長温
度が、ウェハ３表面上に成長させた結晶の主としてウェ
ハ３面内キャリア濃度の再現性を決定する。上述の従来
のＭＯＣＶＤ装置においては、ウェハ３表面温度をサセ
プタ保持台２３の内部に埋め込まれた熱電対１２によっ
て測定しているので、その測定された温度変動幅は、ウ
ェハ３表面温度変動幅とは一致しない。サセプタ保持台
２３の内部に埋め込まれた熱電対１２によって測定され
た温度変動幅は、ウェハ３表面上からサセプタ４をとお
してサセプタ保持台２３の内部に埋め込まれた熱電対１
２に達するまでに緩和されて、ウェハ３表面温度変動幅
より小さくなる。すなわち、サセプタ保持台２３の内部
に埋め込まれた熱電対１２によって測定された温度変動
によって温度制御を行うと、熱電対１２のある位置の温
度は十分制御されるが、ウェハ３表面上の温度変動は大
きい。

【００１１】一方、反応管２１外部に配置した赤外線検
出センサを用いて、ウェハ３表面温度を直接測定し、こ
れによってウェハ３表面温度制御を精度良く行うことが
検討されたが、反応管２１が二重構造であり、反応管外
壁２２と反応管内壁２５との間に冷却水９が存在するた
め、ウェハ３表面から放射された赤外線は、その大部分
を冷却水９によって吸収されるため、ウェハ３表面温度
を測定することができなかった。

【００１２】そこで、本発明は、ＭＯＣＶＤ装置におい
て、反応管外部に配置した赤外線検出センサによってウ
ェハ表面温度を直接測定し、ウェハ表面温度の制御を精
度良く行うことが出来るようにし、それによりウェハ面
内キャリア濃度の再現性の良い結晶をウェハ表面上に成
長させるＭＯＣＶＤ装置を提供する事を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のＭＯＣＶＤ装置
は、内壁と外壁とからなる二重構造の反応管と、反応管
内壁と反応管外壁との間に充填した冷却用媒質と、この
反応管の内部に配置したサセプタとを備えたＭＯＣＶＤ
装置において、このサセプタの上面を望む方向に位置す
るこの二重構造の反応管の一部分を石英窓部とし、この
石英窓部の外部に上記サセプタを望む方向に赤外線検出
センサを配置したことにより、上述の目的を達成するも
のである。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の一実施例
を説明する。図１は、本発明のＭＯＣＶＤ装置の一実施
例を示す側断面図である。符号は、前述の従来例の場合
と共通のものは、同一符号を付けてその説明を省略す
る。図１において、１は、反応管を示す。反応管１は、
その周囲を冷却するための冷却水を流す必要から二重構
造になっており、２は、反応管外壁を示す。１５は、反
応管内壁を示す。１４は、この反応管上部テ−パ部の石
英窓部を示す。４は、カ−ボンから構成されたウェハ３
を配置するためのサセプタを示し、この反応管上部テ−
パ部の石英窓部１４を通して、反応管１外部よりサセプ
タ４上面を見ることができる。６は、反応管上部テ−パ
部の石英窓部１４に配置された赤外線検出センサを示
す。１３は、サセプタ４を反応管１内部の所定の位置に
保持するためのサセプタ保持台を示す。

【００１５】反応管１の具体的構造は、以下の通りであ
る。図１において、Ｄ１は、反応管１の内径を表し、７
０ｍｍである。Ｄ２は、ガス入口７の直径を表し、２０
ｍｍである。Ｈ１は、反応管１上部テ−パ部の高さを表
し、１００ｍｍである。Ｈ２は、反応管１上部テ−パ部
の下端から反応管上部テ−パ部の石英窓部１４の中心部
までの高さを表し、５０ｍｍである。Ｈ３は、サセプタ
４の上端から反応管１上部テ−パ部の下端までの高さを
表し、５０ｍｍである。Ｄ３は、サセプタ４の直径を表
し、５０ｍｍである。Ｄ４は、反応管上部テ−パ部の石
英窓部１４の直径を表し、３０ｍｍである。

【００１６】以上の構成から成る本発明の一実施例のＭ
ＯＣＶＤ装置に於いて、サセプタ４上に配置された所望
の結晶成長をさせるべきウェハ３表面上の温度制御は、
反応管上部テ−パ部の石英窓部１４の外部にサセプタ４
上面を望む方向に配置した赤外線検出センサ６によりサ
セプタ４上に配置されたウェハ３表面温度を測定し、こ
の温度と基準温度との差を、ＲＦコイル５に印加する高
周波電力の制御部にフィ−ドバックし、ＰＩＤ方式で高
周波電力を制御する事によって行われる。

【００１７】次に、本発明の一実施例のＭＯＣＶＤ装置
によって、結晶成長を行った結果について述べる。ま
ず、Ｓｅをド−プしたＧａＡｓを結晶成長させるべき直
径２インチのＧａＡｓウェハ３を、図１に示されていな
い予備室より移動して、サセプタ４上に配置する。サセ
プタ４は、カ−ボンより構成されている。このサセプタ
４はサセプタ保持台１３上に配置されており、さらにサ
セプタ保持台１３を反応管１の所定位置に配置する。サ
セプタ保持台１３には、図１に示されていない回転機構
により、サセプタ保持台１３の中心軸回りの回転が与え
られる。

【００１８】反応管１内部は、一旦密封される。次に、
図１に示されていない反応管１内部とつながる排気口よ
り真空排気して、反応管１内部を真空にする。反応管１
内部が十分真空になった時、Ｈ₂ ガスをガス入口７より
反応管１内部に導入する。反応管１内部が所定の圧力に
達すると、この圧力を一定に保つように、反応管１内部
へ流入するＨ₂ ガス流量を調整すると同時に、ガス出口
８よりＨ₂ ガスを放出する。

【００１９】次に、ＲＦコイル５に高周波電力を印加す
ると、サセプタ４に渦電流による発熱が生じ、これによ
りウェハ３温度を上昇させる。温度上昇速度は、２℃／
ｓｅｃであり、ウェハ３温度の制御は、反応管上部テ−
パ部の石英窓部１４の外部にサセプタ４上面を望む方向
に配置した赤外線検出センサ６によりウェハ３表面温度
を測定し、この温度と基準温度との差を、ＲＦコイルに
印加する高周波電力の制御部にフィ−ドバックし、ＰＩ
Ｄ方式で高周波電力を制御する事によって行われる。

【００２０】ウェハ３表面温度が、４００℃に達する
と、所定流量のＡｓＨ₃ をガス入口７より反応管１内部
に導入する。ウェハ３表面温度が、ＧａＡｓ結晶成長温
度の７５０℃に達すると、この温度で１０分間保持す
る。次に、所定流量のＧａ（ＣＨ₃ ）₃ とＨ₂ Ｓｅとを
ガス入口７より反応管１内部に導入する。これにより、
Ｓｅをド−プしたＧａＡｓの結晶成長が開始される。ウ
ェハ３表面温度を７５０℃に保ち、２０分間保持する。

【００２１】その後、反応管１内部への所定流量のＧａ
（ＣＨ₃ ）₃ とＨ₂ Ｓｅとの導入を停止し、ウェハ３温
度を降下させる。温度降下速度は、２℃／ｓｅｃであ
り、４００℃に達したら、反応管１内部への所定流量の
ＡｓＨ₃ の供給を停止する。ひきつずきウェハ３温度を
下降させ、ウェハ３温度が常温に達したら、ウェハ３を
図示されていない予備室に移動する。予備室内が不活性
ガスで十分置換されると、ウェハ３は外部に取り出され
る。反応管１内部へのＨ₂ ガスの供給を停止し、さらに
装置の運転を停止する。こうして、ＧａＡｓウェハ３上
に成長した約１μｍの厚みを持つＳｅド−プＧａＡｓ結
晶が得られる。

【００２２】上述のＳｅド−プＧａＡｓ結晶成長におい
て、結晶成長の行われるウェハ３表面温度の制御は、反
応管上部テ−パ部の石英窓部１４の外部にサセプタ４上
面を望む方向に配置した赤外線検出センサ６によりウェ
ハ３表面温度を測定し、この温度と基準温度との差を、
ＲＦコイル５に印加する高周波電力の制御部にフィ−ド
バックし、ＰＩＤ方式で高周波電力を制御する事によっ
て行われた。ウェハ３表面温度の指示値を監視したとこ
ろ、その変動は±１℃以内であった。ところで、ウェハ
３表面の中心におけるＳｅド−プＧａＡｓ結晶のキャリ
ア濃度を測定し、このキャリア濃度の再現性を見たとこ
ろ、２．０〜２．２×１０¹⁸ｃｍ^-3の変動であった。一
方、従来のＭＯＣＶＤ装置により得られた、ウェハ３表
面の中心におけるＳｅド−プＧａＡｓ結晶のキャリア濃
度を測定し、このキャリア濃度の再現性を見たところ、
１．７〜２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3の変動であった。

【００２３】ところで、反応管１を冷却する理由は、反
応管１内部に導入される反応ガスが、結晶成長させるべ
きウェハ３表面上以外の場所において、分解反応を起こ
す事を防止するためである。特に、反応管１上部におい
て、反応ガスの分解反応が起こると、ウェハ３表面に達
する反応ガスの組成が変化してしまい、良好な結晶成長
が期待できない。反応ガスの分解反応が起こると、その
周辺の反応管１内部に析出物が付着する事で判断でき
る。本発明のＭＯＣＶＤ装置の一実施例において、二重
構造を持つ反応管上部テ−パ部の石英窓部１４は、構造
上水冷されていないが、この石英窓部１４には、析出物
が付着していないので、反応管１上部において反応ガス
の不要な分解反応は起こっていない。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のＭＯＣＶＤ
装置によれば、内壁と外壁とからなる二重構造の反応管
と、この二重構造の反応管の内壁と外壁との間に充填し
た冷却用媒質と、この反応管の内部に配置したサセプタ
とを備えたＭＯＣＶＤ装置において、このサセプタの上
面を望む方向に位置するこの二重構造の反応管の一部分
を石英窓部とし、この石英窓部の外部に上記サセプタを
望む方向に赤外線検出センサを配置したことにより、反
応管外部に配置した赤外線検出センサによってウェハ表
面温度を直接測定し、しかも反応管上部において反応ガ
スの不要な分解反応を起こすことなく、ウェハ表面温度
の制御を精度良く行うことが出来るようにし、それによ
りウェハ面内キャリア濃度の再現性の良い結晶をウェハ
面上に成長させるＭＯＣＶＤ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＯＣＶＤ装置の一実施例を示す側断
面図である。

【図２】従来のＭＯＣＶＤ装置の一例を示す側断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 反応管 ２ 反応管外壁 ４ サセプタ ６ 赤外線検出センサ ９ 冷却水 １４ 反応管上部テ−パ部の石英窓部 １５ 反応管内壁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内壁と外壁とからなる二重構造の反応管
   と、反応管内壁と反応管外壁との間に充填した冷却用媒
   質と、この反応管の内部に配置したサセプタとを備えた
   ＭＯＣＶＤ装置において、このサセプタの上面を望む方
   向に位置するこの二重構造の反応管の一部分を石英窓部
   とし、この石英窓部の外部に上記サセプタを望む方向に
   赤外線検出センサを配置したことを特徴とするＭＯＣＶ
   Ｄ装置。