JPH06188195A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】効率良く、高い均一性を有する薄膜結晶を生産
することができる気相成長装置を提供する。 【構成】原料ガス導入部３、基板１を載置するサセプタ
ー２、反応管６および排気管１０を有する気相成長装置
において、（１）サセプターは３枚以上の基板を載置可
能で、基板載置部上流端から下流端にかけて横断面の径
が増大する角錐型またはバレル型の形状であって、
（２）基板上に原料ガスを導入するための吹き付け管４
を有し、吹き付け管の下流端はサセプターの下流端にま
で伸び、吹き付け管の流路断面積は上流部から下流部に
かけて次第に増加し、かつ下流方向へ向けての流路断面
積の増加率は同じ位置でのサセプターの流路断面積の増
加率に比べて小さく、（３）サセプターおよび／または
吹き付け管が、ガス流方向に上下移動する機構を有し、
吹き付け管とサセプターの間隙の流路断面積について、
基板上流端での流路断面積に対する基板下流端での流路
断面積の比率が、０．４以上１．２以下の値をとること
を特徴とする気相成長装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等の薄膜の製造
に用いられる気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶基板上に気相成長により各種電子デ
バイスに用いうる化合物半導体薄膜を製造する気相成長
装置は、例えば縦型炉の場合には図１に示すように構成
されている。この図に示すように従来の気相成長装置で
は、原料ガス（例えばＡｓＨ₃ ，ＰＨ₃ ，Ｇａ（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ など）は、適当なキャリアガス（例えばＨ₂ 、
Ｎ₂ など）とともに、原料ガス導入部３からサセプター
２に載置された基板１に対して供給される。サセプター
上の基板は、例えば外部からの誘導加熱により、あるい
はサセプター内部の抵抗加熱ヒーターや赤外加熱ヒータ
ーにより加熱され、所定温度に保たれる。基板表面で気
相成長が生じ、反応残ガスはサセプターよりガスの下流
側から排出される。

【０００３】成長反応終了後は温度を下げ、反応管内を
パージ後、サセプターを反応管外へ取り出し、基板の交
換を行なった後、次の薄膜成長に移る。多数枚の基板を
同時に処理する場合は図示のような多角錐型のサセプタ
ーの他、バレル型のサセプターも用いられる。

【０００４】各種デバイス用にこのような装置を用いて
作製された結晶を用いる場合、基板面内での素子特性の
均一性は実用上非常に重要な要素であり、このため成長
結晶に対しては、膜厚の高い均一性が要求される。一般
に化合物半導体の結晶成長に広く使用されている有機金
属気相成長法では、広い温度範囲で結晶成長速度が温度
に依存せず、原料供給速度にのみ依存する、いわゆる原
料供給律速条件で反応が行なわれている。

【０００５】この場合、境界層の未発達なガス上流部に
おいては、境界層を通じての基板表面への原料の拡散量
は大きい。一方、境界層の発達するガス下流部では原料
の拡散量は減少する。さらに、下流部に行くに従い、原
料の消費による効果も生じ、結果的に流路断面積（ガス
気流の平均的ベクトルに対して垂直な断面積）が等しい
反応管では基板上流端から下流端にかけて膜厚の単調減
少が生じるのが一般的である。このため通常はサセプタ
ー面を反応管壁面に対して傾け、流路断面積をガスの下
流で狭めることにより下流部での流速を上げ、境界層の
厚さを小さくすることにより膜厚の均一化を図ることが
行なわれている。

【０００６】しかしながら、この時、基板面の傾け具合
をどのようにするかは、定量的な設計は難しいのが現状
であった。理由は実際の反応条件下での気相温度分布、
壁面の温度、混合ガスの反応機構等の計算に必要なパラ
メーターの正確なデータがなく、各種シミュレーション
をもってしても、現状では定量的な予測が不可能なこと
による。従って、通常は試行錯誤により最適な構造を決
定するのが一般的であった。そのため、従来の構造では
サセプターを作り替えるか、または反応管上部の形状を
作り変える必要があった。このような方法は多大な費用
と時間と労力を要するものであり、また成長温度、ガス
流量条件等の変更に際してもその均一条件は変わるた
め、様々な構造の物質をその最適条件で成長することが
望ましい現実の生産システムにおいては甚だ使いにくい
ものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、均一な膜厚
を得る最適な反応管部の設計を大幅に簡略化し、反応条
件の異なる場合においても、最適な膜厚分布を得る反応
管配置を、反応管を分解して大気にさらすことなく短時
間に得ることができ、低コストで最適な膜厚分布を実現
する気相成長装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な問題点をみて、鋭意検討した結果、本発明に到達し
た。すなわち、本発明は、原料ガス導入部、基板を載置
するサセプター、反応管および排気管を有する気相成長
装置において、（１）サセプターは３枚以上の基板を載
置可能で、基板載置部上流端から下流端にかけて横断面
の径が増大する角錐型またはバレル型の形状であって、
（２）基板上に原料ガスを導入するための吹き付け管を
有し、吹き付け管の下流端はサセプターの下流端にまで
伸び、吹き付け管の流路断面積は上流部から下流部にか
けて次第に増加し、かつ下流方向へ向けての流路断面積
の増加率は同じ位置でのサセプターの流路断面積の増加
率に比べて小さく、（３）サセプターおよび／または吹
き付け管が、ガス流方向に上下移動する機構を有し、吹
き付け管とサセプターの間隙の流路断面積について、基
板上流端での流路断面積に対する基板下流端での流路断
面積の比率が、０．４以上１．２以下の値をとることを
特徴とする気相成長装置に関するものである。

【０００９】本発明について図面をもとにさらに詳細に
説明する。図２は本発明の気相成長装置について概要を
図示したものである。装置は、原料ガス導入部３、基板
１を載置するサセプター２、吹き付け管４、反応管６、
排気管１０から構成される。サセプター２は、サセプタ
ー保持軸７によって保持され、サセプター保持軸７は必
要に応じて回転させることもできる。原料ガス８はキャ
リアガスとともに原料ガス導入部３を通じて吹き付け管
４に導入される。

【００１０】吹き付け管４は、原料ガス導入部からサセ
プター上に伸び、末広がりの開口端部を有する。吹き付
け管４の開口端部すなわち下流端は、サセプターの下流
端まで伸びている。また、吹き付け管４の下流端の径
は、サセプター２の下流端の径より大きい。吹き付け管
の上部はさらに部分拡大図に示すごとく、Ｏーリング１
５によりシールされ、かつシールユニット１６はベロー
ズ１７を介して反応管本体に接続されており、ベローズ
の長さを調整ねじ１８を用いて調整することにより吹き
付け管の位置を上下方向に調整可能である。また、サセ
プター２およびサセプター保持軸７は反応管下部のベロ
ーズ１９により外気からシールされており、反応管下部
に取付けた駆動モーターにより上下駆動が可能である。
これにより結晶成長時のサセプター位置は任意の高さに
調整可能である。

【００１１】上記のような機構によりサセプターおよび
吹き付け管の相対位置は反応管を分解することなく、例
えば結晶成長を行なっている間においても調整可能であ
る。この時、サセプターは例えば図２のようにガスの下
流方向にその断面積が増加している円錐状または角錐状
にしておき、また吹き付け管も円錐状または角錐状と
し、かつその断面積がガスの下流方向へ向けて増加し、
かつその断面積の増加率がサセプターの断面積の増加率
より小さいような構造とすることにより、上記のような
サセプターと吹き付け管位置の相対位置調整により、サ
セプター上に載置された基板の上流端での流路断面積に
対する基板の下流端での流路断面積の比率を実効的に可
変とすることができる。

【００１２】従って、例えばＧａＡｓの膜厚分布を最適
にする反応管形状を求める場合には、ＧａＡｓの成長に
際して、該サセプターまたは吹き付け管位置を上記のよ
うな調整機構により移動させながら成長を行ない、結晶
成長後、該基板を取り出して各サセプターまたは吹き付
け管位置に対応する膜厚分布を計測することにより一回
の結晶成長操作で最適な反応管配置を求めることができ
る。各位置に対応するＧａＡｓ層は、層間に例えばＡｌ
ＧａＡｓのようなマーカー層を挿入しておくことによ
り、結晶断面を適当なステインエッチング後、顕微鏡観
察する等の方法により、識別、膜厚計測が容易に可能で
ある。ガス流量や温度などの結晶成長パラメータを変更
する場合も同様にして、各成長条件に対応した最適な反
応管配置を求めることができる。

【００１３】さらに、次のような構成を気相成長装置に
備えることにより、基板への付着物の影響を抑制し、保
守頻度を大幅に低減し、装置のランニングタイムの大幅
な改善を可能にできるので好ましい。 （Ａ）サセプター保持軸を取り囲んだ内管を有し、内管
の下部で内管と排気管が連結しており、内管の上流端の
径は吹き付け管の下流端の径より大きく、吹き付け管の
下流端の径はサセプターの下流端の径より大きく、かつ
内管上流端は吹き付け管上流端よりも、ガスの上流側に
位置し、（Ｂ）反応管と吹き付け管との間に、水素、窒
素およびアルゴンからなる群から選ばれた少なくとも１
種のガスの導入部を反応管上部に有し、該ガスが反応管
と吹き付け管との間を流れるようにして、（Ｃ）内管と
ともにサセプターが上下移動する機構を有する。

【００１４】図３をもとにさらに詳細に説明する。装置
は、原料ガス導入部３、基板１を載置するサセプター
２、吹き付け管４、内管５、反応管６、排気管１０から
構成される。サセプター２は、サセプター保持軸７によ
って保持され、サセプター保持軸７は必要に応じて回転
させることもできる。原料ガス８はキャリアガスととも
に原料ガス導入部３を通じて吹き付け管４に導入され
る。

【００１５】吹き付け管４は、原料ガス導入部からサセ
プター上に伸び、末広がりの開口端部を有する。吹き付
け管の開口端部すなわち下流端は、サセプターの下流端
まで伸びている。また、内管５の上流端の径は吹き付け
管４の下流端の径より大きい。また、吹き付け管４の下
流端の径は、サセプターの下流端の径より大きい。ま
た、内管５の上流端は、吹き付け管４の下流端よりガス
の上流側に位置している。水素、窒素およびアルゴンか
らなる群から選ばれた少なくとも１種のガス（以下、不
活性ガスということがある）は、反応管６の上部の不活
性ガス導入部９から導入され、吹き付け管の外壁に沿っ
て流れた後、内管上流端と吹き付け管下流端との間隙か
ら内管内部に流入する。この不活性ガスおよび反応残ガ
スは合流後、内管内部を経て、ガス下流部に設置された
排気管１０から排気系に排出される。

【００１６】本発明の気相成長装置は、内管とともにサ
セプターが上下移動する機構を有する。基板の交換に際
して、図４に示すように、サセプターは、内管ごとサセ
プターを移動することにより行なうことができる。した
がって、特にサセプターが、内管の上流端よりガスの上
流側に位置するように位置関係を保持しつつ、基板の交
換が可能な位置まで、内管とともにサセプターを移動さ
せることができる。また、基板交換にともなう雰囲気汚
染を避けるため、副室１１とゲートバルブ１２から構成
されるロードロック機構と組み合わせて実施することが
できる。

【００１７】本発明によれば、原料ガスは吹き付け管か
らサセプター上の基板面に吹き付けられて所定の薄膜を
成長の後、反応残ガスは内管内を通ってその下部に設け
られた排気管から排出される。この時、吹き付け管のサ
セプターからの距離を適切に選択することにより、また
吹き付け管外側と反応管との間を流す、水素、窒素およ
びアルゴンからなる群から選ばれた少なくとも１種のガ
スの流量を適切に選択することにより、加熱されたサセ
プターからの輻射および伝熱を制御することが可能であ
る。したがって、吹き付け管とサセプターとの間での温
度勾配が熱対流を発生しない程度で、接触する原料ガス
の分解を極小にするように、該吹き付け管の温度を設定
することができる。これによりまず、基板近傍でのサセ
プターおよび基板面以外での吹き付け管壁への反応生成
物の付着を減少させることができる。

【００１８】次に、加熱基板およびサセプター面上で分
解した反応ガス成分の一部はキャリアガスと共に下流部
へ輸送され、温度の低い内管の壁に昇華付着する。この
時、吹き付け管と反応管の間に流す不活性ガスが、内管
の内部に流入する際に内管の壁と反応残ガスとの間に不
活性ガス層を形成し、内管の壁の上部を上記反応生成物
の昇華付着から保護する役割を果たし、昇華付着が生じ
る部位をサセプターから、よりガスの下流側に移動させ
ることができる。また、基板交換に際してはサセプター
を内管とともに移動させることにより、以上のようにし
て生じた昇華生成物の付着部位は、薄膜の成長および基
板交換作業を通じて、常にサセプターより下流側に位置
させることが可能になる。

【００１９】以上の結果、サセプター上流から近傍にか
けての、ガスが接触する内壁は常に清浄な状態に保持さ
れるとともに、昇華付着が生じる部位は、薄膜の成長お
よび基板の交換などの全ての工程を通じて常に基板の下
流に位置する。したがって、該生成物の堆積により剥落
が生じても基板面に悪影響を与えることがなく、高品質
な製品の長期にわたる生産が可能になる。本発明によれ
ば、試行錯誤にたよっていた従来の方法に比べ、きわめ
て短時間に低コストで均一な結晶層を得るのに最適な反
応管構造を決定することができる。また反応条件の異な
る結晶層を成長する場合もそれぞれの反応条件でもっと
も均一な膜厚を得られる反応管構造にその場で調整可能
である。本発明は気相成長装置の形式としては、説明で
用いた縦型炉に限定されるものではなく、横型炉、バレ
ル型炉など基板面がガス流に対して平行であるような形
式の反応管に一般的に適用可能であることは言うまでも
ない。

【００２０】

【実施例】以下、本発明について実施例をもとにさらに
詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは
ない。 実施例１ 本実施例において使用した装置の概略は図２に図示した
ものと同様である。キャリアガスとしては９standardｌ
／ min( 以下、ｓｌｍと略す）の水素ガスを用い、０．
１気圧の減圧条件下で行なった。基板としては単結晶Ｇ
ａＡｓのウエーハを洗浄後、グラファイト製サセプター
上に載置し、水素で減圧置換した。サセプターを所定の
位置まで移動した後、反応容器内を０．１気圧に調整
し、外部高周波加熱器１３による誘導加熱を行なった。
なお反応管内の圧力は反応管に取付けた圧力センサーで
検出し、その出力を排気管に設けたコントロールバルブ
にフィードバックさせることにより調整した。

【００２１】また、基板温度は、サセプター内部に挿入
した熱電対で検出し、同出力を高周波加熱コイルにフィ
ードバックさせることにより制御した。温度上昇の過程
で５５０℃でＧａＡｓの分解を抑えるために５．２×１
０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎのアルシン（ＡｓＨ₃ ）を供給開始
した。なお、この時の吹き付け管外側には不活性ガス導
入部９から６ｓｌｍの水素を流した。温度が６５０℃に
安定したところで、ＡｓＨ₃ 流量を２．６×１０^-3ｍｏ
ｌ／ｍｉｎに調整し、さらに温度、圧力、各ガス流量が
安定したところで、５．２×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎのト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して結晶成長を開始
した。なお、この時の基板上流端における流路断面積に
対する基板下流端における流路断面積の比は１．２とし
た。２０分間の成長後、トリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）を５．２×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ供給して３０秒間
ＡｌＧａＡｓを成長した後、いったんＴＭＧとＴＭＡの
供給を停止した。

【００２２】次に、サセプターの上下駆動用モーターを
動作させ、サセプターを吹き付け管に対して５ｍｍ下方
に下げた。この時の基板上流端における流路断面積に対
する基板下流端における流路断面積の比は１．０であっ
た。モーター停止後、直ちにＴＭＧを供給し、成長を再
開した。以後、同様にして流路断面積比を０．２ずつ変
化させ、最低０．４まで計５層のＧａＡｓ層を各層間に
ＡｌＧａＡｓマーカー層を入れて成長を終えた。原料ガ
スを停止後、直ちに加熱を停止、降温し室温付近になっ
たところで、反応管内を窒素置換後、サセプターを大気
中に取り出した。

【００２３】得られた基板からガス流方向に短冊上の結
晶片を壁開法により切り出し、ステンエッチングを施し
た後、微分干渉顕微鏡により断面観察を行ない、ＡｌＧ
ａＡｓの薄いマーカー層で区切られた各ＧａＡｓ層の膜
厚を計測した。この時の成長膜厚を流れ方向の位置に対
してプロットしたデータを図５に示す。図中の折れ線の
右端に記載した数値０．４、０．６、０．８、１．０、
１．２は、基板の上流端における流路断面積に対する基
板下流端における流路断面積の比である。図５から、こ
の時の反応条件においては、上記の比が０．８と１．０
の間が最も均一性が良好であることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】本発明による気相成長装置を用いること
により、高い均一性を有する薄膜の成長条件を、試行錯
誤による装置改造を行なうことなく、きわめて短時間、
低コストで得ることが可能である。また最適な均一性を
得る条件が異なるような結晶層の作製においても、それ
ぞれの条件に適した最適な装置形状にその場で調整可能
である。本発明により効率良く、高い均一性を有する薄
膜結晶を生産することができ、工業生産上、その意義は
極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来用いられてきた反応装置例である。

【図２】本発明の気相成長装置の１例の断面図である。

【図３】本発明の気相成長装置の１例の断面図である。

【図４】本発明の気相成長装置の１例において、基板を
載置するときの状況説明図である。

【図５】基板位置と相対膜厚値との相関図である。

【符号の説明】 １ 基板 ２ サセプター ３ 原料ガス導入部 ４ 吹き付け管 ５ 内管 ６ 反応管 ７ サセプター支持軸 ８ 原料ガス ９ 不活性ガス導入部 １０ 排気管 １１ ロードロック副室 １２ ゲートバルブ １３ 高周波加熱コイル １４ 圧力センサー １５ シール用Ｏ−リング １６ シールユニット １７ ベローズ １８ 調整ねじ １９ ベローズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料ガス導入部、基板を載置するサセプタ
   ー、反応管および排気管を有する気相成長装置におい
   て、 （１）サセプターは３枚以上の基板を載置可能で、基板
   載置部上流端から下流端にかけて横断面の径が増大する
   角錐型またはバレル型の形状であって、 （２）基板上に原料ガスを導入するための吹き付け管を
   有し、吹き付け管の下流端はサセプターの下流端にまで
   伸び、吹き付け管の流路断面積は上流部から下流部にか
   けて次第に増加し、かつ下流方向へ向けての流路断面積
   の増加率は同じ位置でのサセプターの流路断面積の増加
   率に比べて小さく、 （３）サセプターおよび／または吹き付け管が、ガス流
   方向に上下移動する機構を有し、吹き付け管とサセプタ
   ーの間隙の流路断面積について、基板上流端での流路断
   面積に対する基板下流端での流路断面積の比率が、０．
   ４以上１．２以下の値をとることを特徴とする気相成長
   装置。