JPH076964A

JPH076964A - 半導体の製造方法

Info

Publication number: JPH076964A
Application number: JP16751793A
Authority: JP
Inventors: Jun Komatsu; 潤小松
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 1995-01-10
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JP3191502B2

Abstract

(57)【要約】【目的】減圧装置において、良好な制御性および再現
性で半導体への不純物拡散または半導体の結晶成長を可
能とする。【構成】減圧状態にある反応管７と原料系との間の配
管３の抵抗を極力小さくして反応管７と原料系との間の
差圧をほぼ０とする。または、反応管７内の到達圧力と
原料系圧力との比をほぼ一定にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体の製造方法に
関し、例えば化合物半導体装置の製造に適用して好適な
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、原料ガスソースとして液体の有機
金属化合物を用い、それを例えば不活性ガスまたは水素
ガスをキャリアガスとして用いたバブリング方式によっ
て蒸気化することにより原料ガスを得、この原料ガスを
反応管中に輸送することにより化合物半導体の結晶成長
を行う有機金属熱分解気相成長（ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶ
Ｄ、ＯＭＶＰＥまたはハイブリッドＶＰＥ）法や、上述
と同様の方法でドーパントとなる成分元素の蒸気を得、
それを拡散源として不純物拡散を行う有機金属開管式気
相拡散法が知られている。

【０００３】上述の方法により結晶成長または不純物拡
散を行う際には、反応管内を減圧することにより、ガス
流を高速化することができ、それによって均一性の向上
やガスの切り替えの高速化を図ることができるなど、制
御性の向上を図ることができる。また、減圧下では、原
料ガスの希薄化により、中間反応抑制といった効果も認
められるようになる。

【０００４】しかしながら、反応系を減圧する際に、上
流にある原料系の圧力をどの領域に設定するかについて
は明確な指針がなく、原料系を減圧域で用いる場合も常
圧域で用いる場合も一長一短があると考えられる。特
に、蒸気圧の高い有機金属化合物を原料ガスソースとし
て用いる場合には、原料ガスの供給量を制御するのに、
例えば有機金属化合物が入れられた原料シリンダーを一
定温度に保持するための恒温槽の温度の制御やバブリン
グを行うためのキャリアガスの流量の制御だけでは、低
濃度域まで制御し切れなかったり、再現性が悪かったり
する。そのため、減圧下での不安定要素の一つとなる反
応管内の圧力変動の影響を直接被らないように、減圧状
態にある反応系と原料系との間にニードルバルブなどの
抵抗を挿入して、原料系圧力を常圧またはその付近に設
定する措置がとられることが多い。すなわち、原料系と
反応系との間にバッファー的に抵抗を設けて差圧をつけ
る配管手法がよく用いられている。このようにすること
により、反応管側で事故的な圧力急上昇が発生した場合
にも、有機金属化合物などの逆流などにより配管系を汚
さずにすみ、また逆に急な圧力低下の際も、液体材料の
突沸や引き込みを抑制することができる。

【０００５】反応管内を減圧に制御したときの反応管内
到達圧力の目標値からの変動を抑制するためには、一般
的に、真空ポンプの前段にコンダクタンスを調節するこ
とができるようなバルブ、例えば開閉率可変型のバタフ
ライバルブなどを設けて反応管内圧力に応じて排気速度
を調節する、いわゆる自動圧力制御（ＡＰＣ）システム
が採用されている。このＡＰＣシステムは、反応管内の
圧力を測定する圧力計と、この圧力計の出力に応じてバ
タフライバルブの開閉率を調節するコントローラーと、
バタフライバルブとにより構成される。これによれば、
反応管内に導入されているガスの流量が原料ガスの切り
替えなどにより変化した場合には、このＡＰＣシステム
が速やかに働いて排気速度が調節され、反応管内の圧力
が設定値に戻される。このときの応答速度は、各装置に
応じて各コントローラーのＰＩＤ係数を調節することに
よりある程度速くすることができるが、この場合には圧
力変動の減衰を速くしているだけで、圧力変動そのもの
をなくすことができるわけではない。また、一定流量の
ガスを流していても、バタフライバルブの開閉率のゆら
ぎ程度の圧力変動は全系に生じているはずであり、従っ
て準静的安定状態が保たれているに過ぎない。反応管内
の圧力変動は当然、成分元素の分圧の変動を伴うので、
プロセスの制御性の向上を図る上では、その大小にかか
わらず反応管内の圧力変動の影響をできる限り被らない
ようにすることが重要である。

【０００６】なお、例えばJournal of Crystal Growth
94(1989)pp.481-487には、反応管内のある特定の成分元
素蒸気圧（分圧）を直接的に測定し、この測定結果をマ
スフローコントローラーにフィードバックすることによ
り反応管内の成分元素蒸気圧を制御する方法の可能性な
どが論じられているが、これはまだ確立された方法とは
言えない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、この発明の目
的は、反応管内到達圧力の影響を被ることなく、反応管
内の各成分元素の蒸気圧が常に一定となるようにその成
分元素のガスを供給することができ、それによって良好
な制御性および再現性で半導体への不純物拡散または半
導体の結晶成長を行うことができる半導体の製造方法を
提供することにある。

【０００８】この発明の上記目的および他の目的は、本
明細書の以下の記述より明らかとなるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の発明による半導体の製造方法は、
減圧状態にある反応管（７）中に配管（３）を通して原
料系（１、Ｓ）から原料ガスを輸送し、反応管（７）中
で半導体への不純物拡散または半導体の結晶成長を行う
ようにした半導体の製造方法において、配管（３）の抵
抗による反応管（７）と原料系（１、Ｓ）との間の差圧
がほぼ０となるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】第１の発明による半導体の製造方法の好適
な一実施形態においては、液体または固体の原料（Ｓ）
を用い、原料（Ｓ）を蒸気化することにより原料ガスを
得るようにする。この原料（Ｓ）は、具体的には、例え
ば、有機金属化合物またはハロゲン化金属化合物であ
る。

【００１１】また、この発明の第２の発明による半導体
の製造方法は、減圧状態にある反応管（７）中に配管
（３）を通して原料系（１、Ｓ）から原料ガスを供給
し、反応管（７）中で半導体への不純物拡散または半導
体の結晶成長を行うようにした半導体の製造方法におい
て、反応管（７）内の到達圧力と原料系（１、Ｓ）の圧
力との比がほぼ一定となるようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１２】第２の発明による半導体の製造方法の好適
な一実施形態においては、液体または固体の原料（Ｓ）
を用い、原料（Ｓ）を蒸気化することにより原料ガスを
得るようにする。この原料（Ｓ）は、具体的には、例え
ば、有機金属化合物またはハロゲン化金属化合物であ
る。

【００１３】

【作用】上述のように構成されたこの発明の第１の発明
による半導体の製造方法によれば、反応管（７）と原料
系（１、Ｓ）との間の配管（３）の抵抗を極力小さくし
て原料系（１、Ｓ）の圧力が反応管（７）内の圧力とほ
ぼ同じになるように配管（３）を構成することにより、
反応管（７）と原料系（１、Ｓ）との間の差圧をほぼ０
とすることができる。これによって、反応管（７）内に
圧力変動があっても、成分元素蒸気圧（分圧）を常に一
定に制御することができる。すなわち、反応管（７）内
に圧力変動があった場合には、反応管（７）内の圧力に
よって成分元素蒸気の供給量が変化し、反応管（７）内
の圧力変動を自己補償的に補償することができるので、
反応管（７）内の成分元素蒸気圧（分圧）の変動を効果
的に抑制することができる。このため、良好な制御性お
よび再現性で半導体への不純物拡散または半導体の結晶
成長を行うことができる。

【００１４】上述のように構成されたこの発明の第２の
発明による半導体の製造方法によれば、例えばピエゾバ
ルブなどを用いて原料系（１、Ｓ）の圧力をループ制御
することにより、反応管（７）内の到達圧力と原料系
（１、Ｓ）の圧力との比を常にほぼ一定とすることがで
き、これによって、反応管（７）内に圧力変動があって
も、成分元素蒸気圧（分圧）を常に一定に制御すること
ができる。すなわち、反応管（７）内に圧力変動があっ
た場合には、反応管（７）内の圧力によって成分元素蒸
気の供給量が一定の割合（反応管（７）内の到達圧力と
原料系（１、Ｓ）の圧力との比をαとすると１／α）で
変化し、反応管（７）内の圧力変動を補償することがで
きるので、反応管（７）内の成分元素蒸気圧（分圧）の
変動を効果的に抑制することができる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。

【００１６】図１はこの発明の第１実施例において用い
る減圧拡散／結晶成長装置を示す。ここでは、簡単のた
め、原料系は一つの原料シリンダーのみとし、またベン
トラインなどの配管の図示および説明は省略する。図１
に示すように、この減圧拡散／結晶成長装置において
は、原料シリンダー（バブラー）１内に例えば有機金属
化合物のような液体の原料Ｓが入れられている。この原
料シリンダー１は、この原料シリンダー１を一定温度に
保持するための恒温槽２内に入れられている。また、符
号３は配管、４、５、６はマスフローコントローラー、
ＰＧ₁は原料系の圧力を測定する圧力計を示す。

【００１７】符号７は反応管を示す。この反応管７中
に、不純物拡散または結晶成長を行うべき基板（図示せ
ず）が置かれる。この反応管７中には、キャリアガスや
各種の原料ガスが輸送されるようになっている。これら
のガスは、マスフローコントローラー４、５、６によっ
てそれぞれ一定流量に調節される。また、この反応管７
の外部には、この反応管７内の雰囲気を所要のプロセス
温度に保持するための電気炉８が設けられている。

【００１８】反応管７内はロータリーポンプ９によって
排気され、それによって減圧されるようになっている。
この場合、反応管７内の到達圧力（Ｐ_rea）は、反応管
７内の圧力を測定する圧力計ＰＧ₂と、この圧力計ＰＧ
₂の出力に応じて後述のバタフライバルブＢＶの開閉率
を制御するコントローラー１０と、バタフライバルブＢ
Ｖとにより構成されたＡＰＣシステムによって設定値に
制御されるようになっている。

【００１９】上述のように構成された減圧拡散／結晶成
長装置においては、マスフローコントローラー６によっ
てある値の流量（Ｑ_sou）に調節されたキャリアガス
が、恒温槽２によって一定温度に保持されている原料シ
リンダー１内の液体の原料Ｓ中に導入され、バブリング
が行われる。この結果、原料シリンダー１の温度のみで
決まる原料Ｓの蒸気圧（Ｐ_vap）やそのときの原料系の
圧力（Ｐ_rea＋Δｐ）などによって決まる量の成分元素
蒸気が配管３を通して反応管７中に輸送される。そし
て、あらかじめこの反応管７中に置かれ、電気炉８によ
って所要のプロセス温度に保持された基板（図示せず）
に対して不純物拡散または結晶成長が行われる。

【００２０】この第１実施例においては、反応管７内に
圧力変動が生じても、反応管７内の成分元素蒸気圧（分
圧）が常に一定に制御されるようにするために、特に、
反応管７と原料系との間の配管３の抵抗を極力小さく
し、この抵抗による反応管７と原料系との間の差圧がほ
ぼ０となるように配管３が構成されている。このように
反応管７と原料系との間の差圧をほぼ０とすることによ
り上述のような効果が得られる理由について、以下に詳
細に説明する。

【００２１】今、図１に示すように、原料系と反応系と
の間の配管３の途中にバッファーとなる抵抗Ｒ、例えば
ニードルバルブなどが挿入されており、そこで反応管７
と原料系との間に差圧＋Δｐが生じているとする。この
場合、反応管７に流れ込むガスの総流量（Ｑ_rea）は、
マスフローコントローラー４の流量Ｑ₁、マスフローコ
ントローラー５の流量Ｑ₂およびマスフローコントロー
ラー６の流量Ｑ_souの合計、すなわちＱ₁＋Ｑ₂＋Ｑ
_souである。

【００２２】この系において、反応管７内のある成分元
素の蒸気圧（分圧）Ｐ_sを計算によって求めると、以下
のようになる。

【００２３】原料シリンダー１内に導入されたキャリア
ガス（流量Ｑ_sou）中には、バブリング効率η（０≦η
≦１）を１とすると、単位体積中Ｐ_vap／（Ｐ_rea＋Δ
ｐ）の割合で原料Ｓの蒸気が含まれる。従って、反応管
７中への原料Ｓの供給量は、標準体積換算で、Ｑ_sou・
Ｐ_vap／（Ｐ_rea＋Δｐ）である。反応管７内の総流量
はＱ_reaであるので、分圧Ｐ_sは、Ｐ_s＝Ｑ_sou・Ｐ_vap・Ｐ_rea／Ｑ_rea（Ｐ_rea＋Δｐ）（１）のように表される。

【００２４】今、反応管７内の圧力Ｐ_reaに、（＋ξ）
なる変動が生じたと仮定する。ただし、反応管７に導入
されるガスの総流量は三つのマスフローコントローラー
４、５、６によって完全に設定値（Ｑ_rea）に制御され
ているとし、反応管７内の圧力変動は反応管７の排気流
量（Ｑ_ex）のゆらぎによってのみ生じている（準安定状
態）とする。この場合、排気流量Ｑ_exが供給流量Ｑ_rea
と等しければ、当然、反応管７内の圧力Ｐ_reaは一定に
保持される。

【００２５】ここで、変動後の反応管７内の圧力（Ｐ
_rea＋ξ）をＰ_rea´と書くと、ボイルの法則より、Ｐ_rea´＝Ｐ_rea・Ｑ_rea／Ｑ_ex （２）が成立することが明らかである。

【００２６】このときの反応管７内の原料Ｓの蒸気の分
圧Ｐ_s´は、Ｐ_s´＝Ｑ_sou・Ｐ_vap・（Ｐ_rea＋ξ）／Ｑ_rea（Ｐ_rea＋ξ＋Δｐ）（３）と表される。

【００２７】ここで、反応系と原料系との間の配管３に
挿入されている抵抗Ｒによる差圧Δｐを限りなく０に近
づける（Δｐ→０）と、圧力変動後の反応管７内の原料
Ｓの蒸気の分圧Ｐ_s´は、Ｐ_s´〜Ｑ_sou・Ｐ_vap・（Ｐ_rea＋ξ）／Ｑ_rea（Ｐ_rea＋ξ）（４）のように表される。すなわち、Ｐ_s´〜Ｑ_sou・Ｐ_vap／Ｑ_rea （５）となる。

【００２８】式（５）は、圧力変動がない場合の原料Ｓ
の蒸気の分圧の式（１）においてΔｐ＝０とおくことに
より得られる値と等価であり、従ってＰ_s´〜Ｐ_s （６）が成立する。つまり、反応管７内に圧力変動が生じた後
も、原料Ｓの蒸気の分圧は変動前の値と変わらないこと
がわかる。

【００２９】以上より、反応系と原料系との間の配管３
の抵抗を極力小さくし、この抵抗による反応管７と原料
系との間の差圧Δｐがほぼ０となるようにすることによ
り、反応管７内に圧力変動が生じても、反応管７内の成
分元素蒸気圧（分圧）を常に一定に制御することができ
ることがわかる。

【００３０】次に、上述の式（１）、（３）に実際の実
験で用いた条件値を代入し、反応管７内の圧力の変動
（＋ξ）に対する成分元素蒸気圧（分圧）Ｐ_sの変化
（Ｐ_s→Ｐ_s´）を、反応系と原料との間の配管３の抵
抗Ｒによる差圧Δｐをパラメータとして計算した結果に
ついて説明する。ただし、この計算においては、例えば
有機金属化合物から成る原料Ｓの原料シリンダー１中で
の蒸気圧（Ｐ_vap）を１２Ｔｏｒｒ（１．５８ｋＰａ）
とし、原料シリンダー１に導入するキャリアガスの流量
（Ｑ_sou）はマスフローコントローラー６によって常に
２００ｓｃｃｍに設定されているとする。また、反応管
７中に導入されるガスの総流量（Ｑ_rea）はマスフロー
コントローラー４、５、６の流量の合計５ｓｌｍである
とする。

【００３１】今、反応管７内の到達圧力（Ｐ_rea）の設
定値が５０Ｔｏｒｒ（６．５８ｋＰａ）であるときに、
反応管７内にξ＝３Ｔｏｒｒ（０．３９ｋＰａ）の圧力
変動が陽圧側に生じたと仮定する。このとき、反応管７
内の原料Ｓの蒸気の分圧Ｐ_sは、反応系と原料系との間
の差圧Δｐに応じて図２に示すように変化する。図２よ
り、変動前の圧力Ｐ_sおよび変動後の圧力Ｐ_s´は差圧
Δｐに依存してほぼ同じ傾向で減少しているように見え
るが、圧力変動（＋ξ）による成分元素蒸気圧（分圧）
の変化（Ｐ_s´−Ｐ_s）の割合を変動前の分圧Ｐ_sで規
格化してプロットすると、明らかにΔｐに依存して増加
していることがわかる。さらにまた、特に、低抵抗側、
すなわち差圧Δｐが小さい側（Δｐ≦２００Ｔｏｒｒ
（〜２６ｋＰａ））での変化の割合が顕著である。

【００３２】以上のことからも明らかなように、差圧Δ
ｐを限りなく０に近づけることにより、反応管７内の成
分元素蒸気圧（分圧）Ｐ_sの変動を格段に抑制すること
ができる。

【００３３】図３および図４に、反応管７内の圧力変動
（＋ξ）を１０Ｔｏｒｒ（１．３２ｋＰａ）と大きく強
調した場合の計算結果を示す。ここで、図３は反応管７
内の圧力が５０Ｔｏｒｒ（６．５８ｋＰａ）である場
合、図４は反応管７内の圧力を１００Ｔｏｒｒ（１３．
１５ｋＰａ）まで高くした場合である。反応管７内が減
圧されるほど成分元素蒸気圧（分圧）Ｐ_sは反応管７内
圧力の影響を被るようになるが、差圧Δｐを０に近づけ
ることにより、上述と同様に分圧Ｐ_sの変動の抑制の効
果を得ることができることがわかる。

【００３４】この第１実施例において、反応系と原料系
との間の配管３の抵抗を極力小さくし、反応系と原料系
との間の差圧Δｐ→０を実現する一例を挙げると、この
反応系と原料系との間の配管３を例えば１／４インチ径
のストレート配管とし、このストレート配管にストップ
バルブやニードルバルブなどを付加した標準的な構成
で、Δｐ＜１Ｔｏｒｒ（０．１３ｋＰａ）とΔｐ＝０に
かなり近い値を達成することができている。

【００３５】以上のように、この第１実施例によれば、
反応系、すなわち反応管７と原料系との間の配管３の抵
抗を極力小さくすることにより反応管７と原料系との間
の差圧Δｐをほぼ０としているので、減圧状態にある反
応管７内に圧力変動が生じても、この圧力変動に対して
反応管７内への原料Ｓの蒸気の供給量が自己補償的に変
化することにより、反応管７内の目的とする成分元素蒸
気圧（分圧）を常に設定値に制御することができる。こ
れによって、反応管７中での基板に対する不純物拡散ま
たは結晶成長を良好な制御性および再現性で安定して行
うことができる。

【００３６】ところで、上述の配管３の抵抗によって反
応管７と原料系との間に生じる差圧（Δｐ）の大きさ
は、配管３内を流れるガスの種類や温度、配管３の流路
形状のみならず、管内流速によっても大きく支配され
る。そして、特に、反応管７内がある程度低い真空領域
（Ｐ_rea＞０．１気圧）では差圧Δｐ→０の実現がまっ
たく問題とならないような配管が施されていても、反応
管７内の圧力が０．１気圧以下の高真空領域では、流体
の高速化に伴い、反応管７側と原料配管との間の圧力歪
み（シフト）が顕著となり、その結果生じる差圧Δｐを
無視することができなくなることが、本発明者の研究の
結果明らかにされた。

【００３７】図５は、図１に示すように配管３を構成し
た場合に原料シリンダー１の出口側圧力（Ｐ_sou）が、
反応管７内の到達圧力（Ｐ_rea）に依存してどのように
変化するかを実際の装置で測定した結果を示す。この実
験に用いた装置は、ＶＣＲフィッティングを施した一般
的な１／４インチ径のステンレス鋼配管を採用し、これ
に組み合わせて用いる空気圧送式作動弁、ハンドバルブ
などが抵抗成分となっている。実験に用いたガスは、キ
ャリアガスとしてよく用いられる水素ガスである。

【００３８】図５に示すように、反応管７内の到達圧力
が１００Ｔｏｒｒ（１３．１６ｋＰａ）程度の真空度に
なると、配管３の抵抗による圧力歪み（シフト）、従っ
て差圧Δｐが設定圧の約６％程度存在するようになり、
原料系圧力はそれにより１０６Ｔｏｒｒ（１３．９５ｋ
Ｐａ）に変化していることがわかる。さらに、反応管７
内の到達圧力を２０Ｔｏｒｒ（２．６３ｋＰａ）まで下
げると、圧力歪み（シフト）、従って差圧Δｐは設定圧
のほぼ１００％の２０Ｔｏｒｒまで増大し、もはや原料
系圧力は設定圧の約２倍の４０Ｔｏｒｒ（５．２６ｋＰ
ａ）以下の低圧には制御することができなくなっている
ことがわかる。

【００３９】ここで、反応管７内の到達圧力を実際の装
置において２０Ｔｏｒｒ（２．６３ｋＰａ）に設定した
場合を例にとり、上述の式（１）、（３）に実際の実験
で用いる条件値を代入し、圧力変動（＋ξ）に対する成
分元素蒸気圧（分圧）Ｐ_sの変化（Ｐ_s→Ｐ_s´）およ
びＰ_sの変化の割合（Ｐ_s´−Ｐ_s）／Ｐ_sを、反応系
と原料系との間の差圧Δｐをパラメータとして計算した
結果を図６に示す。この計算においては、Ｐ_vap＝１２
Ｔｏｒｒ（１．５８ｋＰａ）、Ｑ_sou＝２００ｓｃｃ
ｍ、Ｑ_rea＝５ｓｌｍであるとし、反応管７内にξ＝３
Ｔｏｒｒ（０．３９ｋＰａ）の圧力変動が陽圧側に生じ
たと仮定した。

【００４０】図６より、圧力変動（＋ξ）による成分元
素蒸気圧（分圧）Ｐ_sの変化の割合（Ｐ_s´−Ｐ_s）／
Ｐ_sは、差圧Δｐ＝２０Ｔｏｒｒが存在するＰ_rea＝２
０Ｔｏｒｒのプロセスの場合、圧力変動前後で約７％で
あることを読み取ることができる。仮に、反応管７内の
圧力変動がξ＝１０Ｔｏｒｒ（１．３２ｋＰａ）であっ
たと仮定して同様な計算を行うと、分圧の変化の割合は
約２０％にもなる。

【００４１】このように、反応管７内が高真空領域であ
るときの差圧Δｐの増大は、すでに述べたように、反応
管７内の到達圧力の変動による成分元素蒸気圧（分圧）
の変動を助長する結果となる。

【００４２】さて、この装置における反応系と原料系と
の間の差圧Δｐは、図５の数値の指数回帰により、 Δｐ＝４１．２０２７−７．５２２６ｌｎ（Ｐ_rea）（７）と表すことができる。一般的に、この差圧Δｐがどの辺
りの圧力領域で顕著になってくるかは、使用するガス
系、配管系などに応じて個々の装置により決まる。しか
しながら、配管３の抵抗に起因する圧力歪み、従って差
圧Δｐが、式（７）のように反応管７内の圧力
（Ｐ_rea）の項を含んだ形で表される限り、差圧Δｐが
問題となる圧力領域では、以下に述べるように、反応管
７内の到達圧力と原料系の圧力との比がほぼ一定となる
ように制御する方法が上述の問題の解決に有効である。

【００４３】反応管７内の原料Ｓの蒸気圧（分圧）Ｐ_s
が、反応管７内の到達圧力Ｐ_reaに依存する関数Δｐ
（Ｐ_rea）を含んだ形で表される場合、分圧Ｐ_sは次式
により与えられる。Ｐ_s＝Ｑ_sou・Ｐ_vap・Ｐ_rea／Ｑ_rea（Ｐ_rea＋Δｐ（Ｐ_rea））（８）

【００４４】ここで、原料系の圧力を制御する目的で、
後述のように例えばピエゾバルブなどを用いたクローズ
ドループ制御システムを付加し、式（８）の分母の原料
系圧力の項（Ｐ_rea＋Δｐ（Ｐ_rea））に新たに、制御
可能な差圧項Δｐ_contを加えた配管系を構成する。この
とき、制御された分圧Ｐ_sは、Ｐ_s＝Ｑ_sou・Ｐ_vap・Ｐ_rea／（Ｑ_rea・Ｐ_sou）（９）で表される。ただし、Ｐ_sou＝Ｐ_rea＋Δｐ（Ｐ_rea）＋Δｐ_cont （10）である。

【００４５】このとき、原料系圧力（Ｐ_sou）を反応管
７内の圧力（Ｐ_rea）と全く独立に制御するのではな
く、圧力比α＝Ｐ_rea／Ｐ_sou（０＜α≦１）が常に一
定となるようにΔｐ_contをフィードバック制御すること
が重要な点である。

【００４６】式（10）の右辺のΔｐ_contの項は当然、反
応管７内の到達圧力Ｐ_reaの関数である。つまり、反応
管７内に圧力変動（＋ξ）が生じた後の分圧Ｐ_s´は、Ｐ_s´＝Ｑ_sou・Ｐ_vap・（Ｐ_rea＋ξ）／（Ｑ_rea・Ｐ_sou´）（11）のように与えられるが、原料系圧力項（Ｐ_sou´）を、Ｐ_sou´＝Ｐ_rea＋ξ＋Δｐ（Ｐ_rea）＋Δｐ_cont ＝（Ｐ_rea＋ξ）／α ＝Ｐ_rea´／α （12）となるようにΔｐ_contを制御することにより、Ｐ_s´〜Ｐ_s （13）とすることが常に実現可能となる。

【００４７】圧力比αの値は、使用する圧力範囲の低い
方（高真空側）で、Ｐ_rea／α≧Ｐ_rea＋Δｐ（Ｐ_rea）（14）が成立するように設定する必要がある。ここで、式（1
4）の左辺（Ｐ_rea／α）は原料系圧力（Ｐ_sou）にほ
かならない。例えばα＝２／３の場合について、図５を
参照して説明すると、図中に点線で示した等比直線（α
＝Ｐ_rea／Ｐ_sou＝２／３）の関係が保たれているの
は、低圧側で３０Ｔｏｒｒ（３．９５ｋＰａ）までであ
ることを読み取ることができる。つまり、３０Ｔｏｒｒ
までの減圧プロセスでは、αは２／３以下であればよい
ことになる。

【００４８】図７はこの発明の第２実施例において用い
る減圧拡散／結晶成長装置を示し、上述のように原料系
の圧力を制御する目的でクローズドループ制御システム
が設けられたものである。

【００４９】すなわち、図７に示すように、この減圧拡
散／結晶成長装置においては、例えば、原料系の圧力を
測定する圧力センサーである圧力計ＰＧ₁と、後述のピ
エゾバルブＰＶのコントローラー１１と、０〜５Ｖの制
御入力で動作可能な高速応答可変流量バルブであるピエ
ゾバルブＰＶとによりクローズドループ制御システムが
構成されており、圧力計ＰＧ₁の出力を利用してピエゾ
バルブＰＶを制御することにより原料系の圧力を制御す
るフィードバック制御が可能となっている。

【００５０】一方、反応管７内の圧力を測定する圧力計
ＰＧ₂の出力はコンピューター１２に送られ、このコン
ピューター１２の出力はコントローラー１１に送られる
ようになっている。

【００５１】このように構成された減圧拡散／結晶成長
装置においては、反応管７内の到達圧力（Ｐ_rea）が排
気系のＡＰＣ制御から外れてＰ_rea´に変動した場合、
または、意図的な圧力変化があった場合、圧力計ＰＧ₂
の出力に応じてコンピューター１２でＰ_rea´／αの値
を直ちに計算し、その結果に応じた圧力設定信号をコン
トローラー１１に送信する。そして、このコントローラ
ー１１によりピエゾバルブＰＶが制御され、原料系圧力
が所望の値に制御され、α＝Ｐ_rea／Ｐ_souが常に一定
に制御される。ここで、ピエゾバルブＰＶの応答性は、
制御電圧に応じて瞬時（０．５秒以内）であるので、す
でに述べたような作用により、ガスの切り替えやその他
の原因による圧力変動の影響をほとんど被ることなく、
反応管７内の特定の成分元素の蒸気圧（分圧）を設定値
通りに制御することができる。

【００５２】以上のように、この第２実施例によれば、
反応管７内の到達圧力Ｐ_reaと原料系の圧力Ｐ_souとの
比α＝Ｐ_rea／Ｐ_souが一定となるように制御している
ことにより、減圧状態にある反応管７内に圧力の変動が
生じても、反応管７内の圧力によってこの反応管７への
成分元素蒸気の供給量が一定の割合（１／α）で変化
し、反応管７内の圧力変動を補償することができるの
で、反応系と原料系との間の差圧Δｐが増大するような
低圧力（高真空）領域のプロセスにおいても、第１実施
例と同様に、反応管７内の目的とする成分元素蒸気圧
（分圧）を常に設定値に制御することができる。これに
よって、反応管７中での基板に対する不純物拡散または
結晶成長を良好な制御性および再現性で安定して行うこ
とができる。さらに、上述と同様な制御をαを変数とし
て積極的に行うことにより、反応管７内の成分元素蒸気
圧（分圧）を任意の値に効果的に制御することもでき
る。

【００５３】この第２実施例による方法は、反応管７内
の圧力が０．１気圧（１０ｋＰａ）以下の圧力領域（高
真空）であっても、有効である。

【００５４】以上、この発明の実施例について具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。

【００５５】例えば、上述の第１実施例および第２実施
例においては、原料系における原料ガスの発生をバブリ
ング方式により行っているが、原料ガスの発生は例えば
蒸気圧差制御方式によって行うようにしてもよい。

【００５６】また、第２実施例において、反応管７内の
圧力変動が生じたときのピエゾバルブＰＶの応答速度の
限界が問題となるような事態が生じた場合、特にガスの
切り替えなどによる圧力変動がシーケンス上であらかじ
めわかっている場合には、例えばサンプリングオシロス
コープなどで履歴データを記憶し、ピエゾバルブＰＶを
時間差０で制御することが可能である。さらに、この発
明は、半導体基板に不純物拡散を行う場合ばかりでな
く、半導体の結晶成長と同時にこの半導体に不純物拡散
を行う場合にも適用することが可能である。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、減圧状態にある反応管内に圧力変動が生じても、反
応管内の各成分元素蒸気圧（分圧）を一定にすることが
できることにより、良好な制御性および再現性で半導体
への不純物拡散または半導体の結晶成長を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例において用いられる減圧
拡散／結晶成長装置を示す略線図である。

【図２】分圧Ｐ_sおよび分圧Ｐ_sの変化（Ｐ_s´−
Ｐ_s）／Ｐ_sの差圧Δｐによる変化の計算結果の例を示
すグラフである。

【図３】分圧Ｐ_sおよび分圧Ｐ_sの変化（Ｐ_s´−
Ｐ_s）／Ｐ_sの差圧Δｐによる変化の計算結果の例を示
すグラフである。

【図４】分圧Ｐ_sおよび分圧Ｐ_sの変化（Ｐ_s´−
Ｐ_s）／Ｐ_sの差圧Δｐによる変化の計算結果の例を示
すグラフである。

【図５】原料系圧力Ｐ_souおよび差圧Δｐの反応管内圧
力Ｐ_reaによる変化の測定結果の一例を示すグラフであ
る。

【図６】分圧Ｐ_sおよび分圧Ｐ_sの変化（Ｐ_s´−
Ｐ_s）／Ｐ_sの差圧Δｐによる変化の計算結果の例を示
すグラフである。

【図７】この発明の第２実施例において用いられる減圧
拡散／結晶成長装置を示す略線図である。

【符号の説明】

１原料シリンダーＳ原料３配管４、５、６マスフローコントローラー７反応管８電気炉１０、１１コントローラーＢＶバタフライバルブＰＶピエゾバルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧状態にある反応管中に配管を通して
原料系から原料ガスを輸送し、上記反応管中で半導体へ
の不純物拡散または半導体の結晶成長を行うようにした
半導体の製造方法において、上記配管の抵抗による上記反応管と上記原料系との間の
差圧がほぼ０となるようにしたことを特徴とする半導体
の製造方法。
【請求項２】液体または固体の原料を用い、上記原料
を蒸気化することにより上記原料ガスを得るようにした
ことを特徴とする請求項１記載の半導体の製造方法。
【請求項３】上記原料は有機金属化合物またはハロゲ
ン化金属化合物であることを特徴とする請求項２記載の
半導体の製造方法。
【請求項４】減圧状態にある反応管中に配管を通して
原料系から原料ガスを輸送し、上記反応管中で半導体へ
の不純物拡散または半導体の結晶成長を行うようにした
半導体の製造方法において、上記反応管内の到達圧力と上記原料系の圧力との比がほ
ぼ一定となるようにしたことを特徴とする半導体の製造
方法。
【請求項５】液体または固体の原料を用い、上記原料
を蒸気化することにより上記原料ガスを得るようにした
ことを特徴とする請求項４記載の半導体の製造方法。
【請求項６】上記原料は有機金属化合物またはハロゲ
ン化金属化合物であることを特徴とする請求項５記載の
半導体の製造方法。