JPH09260291A - 気相成長装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 欠陥の少ない良好な二成分系以上の化合物半
導体薄膜を形成することができ、原料ガスの利用効率が
高く、生産性も高めることができる気相成長装置及び方
法を提供する。 【解決手段】 基板１４より上流側に基板面と平行に２
枚の仕切板１７，１８を配設し、反応管１３内を基板側
から第一流路２１，第二流路２２及び第三流路２３の平
行な３層の流路に区画するとともに、基板側の第一流路
に揮発性原料ガスを希釈ガスによって希釈した第一気相
成長ガスを、次の第二流路に難揮発性原料ガスを希釈ガ
スによって希釈した第二気相成長ガスを、基板から最も
離れた第三流路に原料ガスを含有していない成長促進ガ
スを、それぞれ導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置及び
方法に関し、詳しくは、加熱した基板面と平行に気相成
長ガスを流し、基板面に二成分系以上の化合物半導体薄
膜を形成した成膜基板を得る横型の気相成長装置及び方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板を設置した反応管内に原料ガスを導
入して基板面に化合物半導体薄膜を形成する横型の気相
成長装置として、例えば、特公平７−２７８６８号公報
に記載された装置が知られている。

【０００３】上記公報に記載された気相成長装置は、図
４に示すように、軸線を水平方向にして設置した円筒状
の反応管１の内部に基板２を保持する保持台（サセプ
タ）３を設け、一端にガス導入部４を、他端にガス排出
管５をそれぞれ設けるとともに、基板２より上流側に基
板面と平行な仕切板６を設置し、その上下に２つの平行
な流路、即ち基板側の下部流路７と反基板側の上部流路
８とを区画形成し、さらに、サセプタ３の上流側にガス
の流れを円滑にするためのフローチャンネル９を設け、
基板部分の反応管外周に加熱用のＲＦコイル１０を配置
したものである。

【０００４】上記気相成長装置は、サセプタ３上に基板
２を載置してＲＦコイル１０で加熱した状態で、前記上
部流路８に原料ガスを希釈ガスで希釈した気相成長ガス
を導入するとともに、下部流路７に原料ガスを含まない
介在ガスを導入して気相成長を行う。この介在ガスとし
ては、気相成長ガス中の希釈ガスと同じガス又はこれに
少量の揮発抑制ガスを添加したものを使用している。

【０００５】前記気相成長ガスと介在ガスとは、上部流
路８と下部流路７とを別々に相互に平行に流れ、仕切板
６の基板側端部を過ぎた後に基板２に向かって流れ、ガ
スの相互拡散作用によって気相成長ガス中の原料ガスが
介在ガス中に拡散し、介在ガス中の原料ガス濃度が徐々
に高まりながら基板２面に接近する。そして、介在ガス
中の原料ガスが基板２の近傍の高温部で熱分解し、基板
面上に堆積して成長膜が形成される。

【０００６】このとき、介在ガス及び気相成長ガスの各
流速や気相成長ガス中の原料ガス濃度を適宜に調節する
ことにより、気相成長ガスから介在ガス中に拡散する原
料ガス量と基板面への堆積により介在ガスから消失する
原料ガス量とを単位時間当たりでバランスさせることが
でき、基板面通過時の介在ガス中の原料ガス濃度を流れ
方向に均一な濃度分布として均一な膜厚の成長膜を形成
することができる。

【０００７】このように、上記横型気相成長装置は、仕
切板６を設けて気相成長ガスと介在ガスを２層流として
別々に導入し、気相成長ガス中の原料ガスを介在ガス中
に拡散させて基板面に到達させることにより、均一な膜
厚の成膜基板が得られるとともに、介在ガスの存在によ
って原料ガス濃度が薄い状態で基板面上を流れるので、
基板以外への有害堆積物量を減少させることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の横
型気相成長装置で二成分系以上の成長膜を形成すると、
複数種類の成分元素の内、揮発性の高い元素が成長膜か
ら蒸発して成長膜に欠陥を生じることがある。この欠陥
の発生を防止するために、従来は、揮発性の高い元素を
含む原料ガス（揮発性ガス）を、該揮発性ガスの平衡分
圧以上に多く供給するなどの対策を講じていたが、原料
の利用効率の低下等によりコストの上昇を招いていた。

【０００９】また、基板面上に所望の反応生成物を堆積
させるためには、ガスの流速を最適な状態に調節する必
要があるが、ガスの流速調節は、原料の利用効率やデバ
イス作成工程に必要な不純物ドーピング等の点も含めて
微妙な調整が必要であり、従来の横型気相成長装置で
は、複雑な構造のデバイス用薄膜を、膜厚と組成、ドー
ピングの均一性を同時に満足させて製作することは困難
であった。

【００１０】すなわち、従来は、原料ガス濃度を調整し
て揮発成分の揮発防止を図ったり、ガス流速を調整して
反応生成物の堆積ゾーンを基板面上に合致させたりして
いたが、均一な膜厚を得るための条件と原料ガス濃度の
最適条件とが、必ずしも良好な成膜特性を得る条件とは
一致しない場合がある。また、膜厚均一性とドーピング
の均一性とが得られるガス流速の最適条件が一致しない
ことがあるため、ガス流速を調節する方法では、デバイ
ス用等の複雑な多層構造の薄膜成長には適していなかっ
た。

【００１１】さらに、従来の装置では、熱分解生成物等
が基板の周辺に堆積するため、頻繁に反応管を清掃する
必要があった。

【００１２】そこで本発明は、欠陥の少ない良好な二成
分系以上の化合物半導体多層薄膜を形成することがで
き、原料ガスの利用効率が高く、生産性も高めることが
できる気相成長装置及び方法を提供することを目的とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の気相成長装置は、基板を設置した反応管内
に、少なくとも２種類の原料ガスを基板面に対して平行
な方向に導入して前記基板面に二成分系以上の化合物半
導体薄膜を形成する気相成長装置において、前記基板よ
り上流側に基板面と平行に２枚の仕切板を配設し、反応
管内を基板側から第一流路，第二流路及び第三流路の平
行な３層の流路に区画するとともに、前記第一流路に第
一気相成長ガス導入管を、第二流路に第二気相成長ガス
導入管を、第三流路に成長促進ガス導入管を、それぞれ
連設したことを特徴とし、特に、前記反応管の基板に対
向する部分に、基板側に突出する成長促進台を設けたこ
と、前記第一気相成長ガス導入管には、揮発性原料ガス
を希釈ガスで希釈した第一気相成長ガスが、前記第二気
相成長ガス導入管には、難揮発性原料ガスを希釈ガスで
希釈した第二気相成長ガスが、前記成長促進ガス導入管
には、原料ガスに対する拡散係数が前記希釈ガスより小
さく、原料ガスを含まないガスが、それぞれ導入される
ことを特徴としている。

【００１４】また、本発明の気相成長方法は、少なくと
も２種類の原料ガスを基板面に対して平行な方向に導入
し、基板面上で前記原料ガスを加熱反応させて反応生成
物を基板面に堆積させ、二成分系以上の化合物半導体薄
膜を形成する気相成長方法において、前記基板より上流
側に区画形成した基板面と平行な３層の流路の内、基板
側の第一流路に揮発性原料ガスを希釈ガスによって希釈
した第一気相成長ガスを、次の第二流路に難揮発性原料
ガスを希釈ガスによって希釈した第二気相成長ガスを、
基板から最も離れた第三流路に原料ガスを含有していな
い成長促進ガスを、それぞれ導入することを特徴とする
ものであって、前記成長促進ガスには、原料ガスに対す
る拡散係数が希釈ガスより小さいガスを用いること、さ
らに、前記希釈ガスの全体流量を変えることなく、前記
第一気相成長ガス中の希釈ガスと、前記第二気相成長ガ
ス中の希釈ガスとの流量割合を調整することを特徴とし
ている。

【００１５】本発明における二成分系以上の化合物半導
体薄膜とは、 III−Ｖ族化合物半導体や、II−VI族化合
物半導体薄膜等であり、例えば、ＧａＡｓ（ガリウム砒
素）等の二成分系成膜や、Ｇａの一部をＩｎ（インジウ
ム）に置換したＧａＩｎＡｓ等の三成分系成膜であり、
その他、Ｐ（リン）等を含む多成分系成膜を挙げること
ができる。

【００１６】また、前記気相成長ガスは、原料ガスを水
素，ヘリウム，アルゴン，窒素等の不活性ガスからなる
希釈ガスで希釈したガスであり、原料ガスは、気相成長
反応に寄与する個々の成分ガスであって、例えば、シラ
ン，アルシン，ホスフィン，トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）の蒸気等の一種又はこれらの混合物である。例え
ば、ＧａＡｓ基板に前記ＧａＡｓ膜を形成するときは、
ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧの蒸気を、Ａｓの原料
としてアルシンを使用し、これらの原料を水素で希釈し
た気相成長ガスを用いる。

【００１７】また、原料ガスは、熱により揮発し易い揮
発性原料ガスと、熱により揮発し難い難揮発性原料ガス
とに分類でき、上記アルシンとＴＭＧの蒸気とでは、ア
ルシンが揮発性原料ガス、ＴＭＧの蒸気が難揮発性原料
ガスとなる。

【００１８】一方、前記成長促進ガスは、気相成長反応
には寄与しない不活性ガスであって、例えば、水素，ヘ
リウム，アルゴン，窒素等を使用することができ、前記
希釈ガスと同一のガスを用いることもできるが、原料ガ
スに対する拡散係数が前記希釈ガスより小さなガスを用
いたり、あるいは、流量等を調節して拡散し難い状態で
供給したりすることが好ましく、水素，アルゴン，窒素
等を必要に応じて２種以上混合して用いることもでき
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
さらに詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の気相
成長装置の一例を示すもので、一端にガス導入部１１
を、他端にガス排出管１２をそれぞれ有し、軸線を水平
方向にして設置した円筒状の反応管１３の内部に、基板
１４を保持するサセプタ１５と、該サセプタ１５の上流
側のフローチャンネル１６と、サセプタ１５より上流の
ガス導入部１１側の２枚の仕切板１７，１８と、サセプ
タ１５に対向する成長促進台１９とをそれぞれ設けたも
のである。なお、反応管１３のの外周には、サセプタ１
５を介して基板１４を加熱するためのＲＦコイル２０が
設けられている。

【００２０】上記２枚の仕切板１７，１８は、基板面と
平行に設置された薄板状のものであって、ガス導入部１
１から基板１４の近くまでの反応管１３内の上流部分
を、基板側の第一流路２１と、中間の第二流路２２と、
基板１４の反対側の第三流路２３とに区画し、反応管１
３内に互いに平行な３層の流路を区画形成している。

【００２１】前記各流路は、ガス導入部１１において、
第一流路２１に第一気相成長ガス導入管２４が、第二流
路２２に第二気相成長ガス導入管２５が、第三流路２３
に成長促進ガス導入管２６がそれぞれ連設されており、
第一流路２１には第一気相成長ガスが、第二流路２２に
は第二気相成長ガスが、第三流路２３には成長促進ガス
が、それぞれ導入される。

【００２２】また、成長促進台１９は、基板１４部分の
反応管１３内のガス流路の断面積を小さくするために設
けられるものであって、反応管１３内の基板１４と対向
する部分に設けられ、上流側は徐々に高さが高くなる傾
斜面に形成され、基板１４と対向する面は、基板面と平
行に形成されている。

【００２３】このように形成した気相成長装置で二成分
系以上の化合物半導体薄膜を形成するには、まず、サセ
プタ１５で基板１４を保持してＲＦコイル２０で所定温
度に加熱した状態で、第一流路２１に第一気相成長ガス
を、第二流路２２に第二気相成長ガスを、第三流路２３
に成長促進ガスを、それぞれ導入する。

【００２４】反応管１３内に導入された第一気相成長ガ
ス，第二気相成長ガス，成長促進ガスは、それぞれの流
路を別々に独立した状態で流れ、仕切板１７，１８の端
部を過ぎた後，第一気相成長ガス及び第二気相成長ガス
内の原料ガスは、相互に拡散しながら基板１４に向かっ
て流れていく。

【００２５】このとき、基板面に近い第一流路２１を流
れる第一気相成長ガス中の原料ガスを揮発性原料ガスと
し、第二流路２２の第二気相成長ガス中の原料ガスを難
揮発性原料ガスとすることにより、基板近傍のガス中の
揮発性原料ガスの濃度を高めることができるので、該原
料ガスを基板面に効率よく分解堆積させることができ、
その利用効率を大幅に高めることができるとともに、成
長膜からの揮発性元素の揮発を防止できるので、欠陥率
の低い成長膜を得ることができる。さらに、反応管全体
に揮発性原料ガスを導入する場合に比べて、少ない量で
基板近傍における濃度を同程度以上にすることが可能な
ので、原料ガスの使用量を大幅に低減させることができ
る。

【００２６】また、第二流路２２を流れる第二気相成長
ガス中の難揮発性原料ガスは、第一気相成長ガス中に徐
々に拡散しながら基板面に接近し、基板面を通過すると
きには、相互拡散作用により第二気相成長ガス中の難揮
発性原料ガスが引き続いて第一気相成長ガス中に拡散侵
入するとともに、第一気相成長ガス中の難揮発性原料ガ
スが反応生成物となって次々に基板面に堆積する状態に
なる。

【００２７】そして、第一気相成長ガス中への難揮発性
原料ガスの拡散量と、反応生成物となって第一気相成長
ガス中から失われる量とを最適な状態でバランスさせる
ことにより、基板面通過時おける原料ガス濃度を流れ方
向に均一な濃度分布として均一な厚さの良好な成膜基板
を得ることができるだけでなく、難揮発性原料ガスが徐
々に第一気相成長ガス中に拡散して分解，堆積できるよ
うに完全に混合する領域（拡散混合領域）の距離を調節
できるため、反応生成物の堆積位置をコントロールで
き、基板以外への有害堆積物を大幅に減少させることが
可能となる。

【００２８】この難揮発性原料ガスの拡散混合領域の調
整は、第一気相成長ガス中の希釈ガスと第二気相成長ガ
ス中の希釈ガスとの流量バランスを調節することにより
行うことができる。例えば、後述の実験結果を示す図３
から明らかなように、反応管１３に流す希釈ガスの全体
量を一定にして、第二気相成長ガス中の希釈ガス流量に
対する第一気相成長ガス中の希釈ガスの流量を変化させ
ると、膜厚均一性（図中白丸で表示）やドーピング均一
性（図中黒丸で表示）が変化する。すなわち、この場
合、希釈ガスの流量バランスを特定の範囲から小さくし
ても大きくしても膜厚均一性が低下し、最適な流量バラ
ンスが存在することがわかる。

【００２９】さらに、上記流量バランスを調節するにあ
たり、一方の希釈ガスの流量を一定にして他方の希釈ガ
スの流量を変化させることも可能であるが、この場合
は、反応管内の基板部分の全体のガス流量（流速）が変
化するため、複雑な調節操作が必要になる。したがっ
て、希釈ガスの全体量を変えることなく、すなわち、反
応管内における全体のガス流量を変化させることなく、
両方の希釈ガスの流量比を調節することが好ましい。例
えば、希釈ガス全体流量を２０とした場合、第一気相成
長ガス中の希釈ガスの流量（Ａ）と第二気相成長ガス中
の希釈ガス流量（Ｂ）との比を、Ａ：Ｂ＝９：１１（流
量バランス＝０．８２）や１０：１０（等量）あるいは
１１：９と変化させるようにすればよい。

【００３０】なお、最適な流量バランスは、第二気相成
長ガス中の難揮発性原料ガスの濃度や流速に関係する各
流路の断面積、各仕切板端部と基板との距離、反応管の
大きさ、全体のガス量等に応じて適宜に設定すればよ
い。

【００３１】さらに、基板面の膜厚均一性及びドーピン
グ均一性が得られるガス流速の最適条件が異なる場合
も、希釈ガスの流量バランスを調節することにより、一
定の最適なガス流速において、基板面上に反応生成物を
均一に堆積でき、複雑な構造の多層構造を有するデバイ
ス用薄膜の最適化も容易となる。

【００３２】一方、前記第三流路２３に導入する成長促
進ガスとして、両気相成長ガスに使用した希釈ガスに比
べて原料ガスに対する拡散係数が小さなガスを用いるこ
とにより、気相成長ガス中の原料ガスが成長促進ガス中
に拡散して気相成長ガス中の原料ガス濃度が低下するこ
とを抑えることができ、成長促進ガスと共に排出される
原料ガス量を低減でき、原料の利用効率を大幅に高める
ことができる。

【００３３】また、第三流路２３の成長促進ガス中に、
第二流路２２の難揮発性原料ガスが拡散する場合でも、
成長促進ガスを混合ガスとして拡散係数を調節したり、
成長促進ガスの流量を調節したりすることにより、成長
促進ガス中への原料ガスの拡散を抑え、難揮発性原料ガ
スの堆積ゾーンをコントロールすることが可能となる。

【００３４】さらに、反応管１３内に成長促進台１９を
設けて基板面近傍のガス流路断面積を減少させることに
より、反応管１３内を流れるガスを基板面に押しつける
とともに、この部分でのガス流速を増大させることがで
きるので、該成長促進台１９の形状を適宜に設定するこ
とにより、基板面を流れるガスにおける速度境界層や、
基板近傍で大きな温度勾配を持つ温度境界層の層厚さを
薄くすることができ、結晶化し難かった揮発性原料ガス
を効率的に分解して結晶化させるための最適な状態にな
るように制御することが可能になり、基板近傍の実効的
な原料濃度を増大させ、より良好な状態で効率よく成膜
を行うことができる。なお、成長促進台１９を設ける代
わりに、反応管１３自体の形状を成長促進台１９を設け
たのと同じような形状に形成するようにしてもよい。ま
た、本例では、基板１４を反応管１３の上方に成膜面を
したに向けて保持する構造の装置を例示したが、従来と
同様の反応管の下方に基板を設置するようにしてもよ
い。

【００３５】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。図１，図
２に示す構造の装置を用いて、ＧａＡｓ基板上にＧａＡ
ｓ膜を成膜する実験を下記の条件で行った。第一流路に
は、揮発性原料ガスであるアルシンとドーピングガスで
あるシランとを水素で希釈したガスを導入し、第二流路
には、難揮発性ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）を水素で希釈したガスを導入し、第三流路には、成
長促進ガスとして水素を導入した。なお、ドーピングガ
スのシランの濃度は１０ｐｐｍとした。

【００３６】図３は、３インチＧａＡｓ基板上にＧａＡ
ｓを成膜したときの希釈ガス流量バランスと基板面内の
膜厚均一性及びＳｉドーピング均一性との関係を示すも
ので、横軸が希釈ガス流量バランス［−］、縦軸が膜厚
均一性［％］及びＳｉドーピング均一性［％］を表して
いる。なお、膜厚は分光エリプソメトリで、Ｓｉドーピ
ング量はプロファイルプロッターでキャリア濃度を測定
した結果である。

【００３７】この結果から、希釈ガスの流量バランスを
大きくする、つまり第一流路の第一気相成長ガス中の希
釈ガス流量を増大させるに従って膜厚均一性が小さくな
り、ある点を境に膜厚均一性が再び大きくなることがわ
かる。また、ドーピング均一性については、膜厚均一性
が得られる最適な希釈ガス流量バランスの条件と一致し
ていることがわかる。このことから、以下に示す条件で
成膜を行ったところ、均一で良好なＧａＡｓ膜を得るこ
とができた。

【００３８】 第一流路 第二流路 第三流路 希釈ガス 8000sccm 12000sccm 10000sccm 水素 0.36mol/min 0.54mol/min 0.45mol/min 原料ガス 500sccm 50sccm − なお、希釈ガスの流量バランスは、８０００ｓｃｃｍ／
１２０００ｓｃｃｍ＝０．６７である。また、ｓｃｃｍ
は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅ
ｔｅｒ／ｍｉｎ」の略記である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
二成分系以上の化合物半導体薄膜を効率よく生産するこ
とができ、複雑な多層構造のデバイス用薄膜の最適化も
容易となる。また、有害堆積物の減少により反応管の清
掃頻度が減少して生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の気相成長装置の一例を示す正面断面
図である。

【図２】 同じく側面断面図である。

【図３】 希釈ガス流量バランスと、縦軸が膜厚均一性
及びドーピング均一性を示す図である。

【図４】 従来の気相成長装置の一例を示す正面断面図
である。

【符号の説明】

１１…ガス導入部、１２…ガス排出管、１３…反応管、
１４…基板、１５…サセプタ、１６…フローチャンネ
ル、１７，１８…仕切板、１９…成長促進台、２０…Ｒ
Ｆコイル、２１…第一流路、２２…第二流路、２３…第
三流路、２４…第一気相成長ガス導入管、２５…第二気
相成長ガス導入管、２６…成長促進ガス導入管

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を設置した反応管内に、少なくとも
   ２種類の原料ガスを基板面に対して平行な方向に導入し
   て前記基板面に二成分系以上の化合物半導体薄膜を形成
   する気相成長装置において、前記基板より上流側に基板
   面と平行に２枚の仕切板を配設し、反応管内を基板側か
   ら第一流路，第二流路及び第三流路の平行な３層の流路
   に区画するとともに、前記第一流路に第一気相成長ガス
   導入管を、第二流路に第二気相成長ガス導入管を、第三
   流路に成長促進ガス導入管を、それぞれ連設したことを
   特徴とする気相成長装置。
2. 【請求項２】 前記反応管は、前記基板に対向する部分
   に、基板側に突出する成長促進台を備えていることを特
   徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 【請求項３】 前記第一気相成長ガス導入管には、揮発
   性原料ガスを希釈ガスで希釈した第一気相成長ガスが、
   前記第二気相成長ガス導入管には、難揮発性原料ガスを
   希釈ガスで希釈した第二気相成長ガスが、それぞれ導入
   されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
4. 【請求項４】 前記成長促進ガス導入管には、原料ガス
   に対する拡散係数が前記希釈ガスより小さく、原料ガス
   を含まないガスが導入されることを特徴とする請求項３
   記載の気相成長装置。
5. 【請求項５】 少なくとも２種類の原料ガスを基板面に
   対して平行な方向に導入し、基板面上で前記原料ガスを
   加熱反応させて反応生成物を基板面に堆積させ、基板上
   に二成分系以上の化合物半導体薄膜を形成する気相成長
   方法において、前記基板より上流側に区画形成した基板
   面と平行な３層の流路の内、基板側の第一流路に揮発性
   原料ガスを希釈ガスによって希釈した第一気相成長ガス
   を、次の第二流路に難揮発性原料ガスを希釈ガスによっ
   て希釈した第二気相成長ガスを、基板から最も離れた第
   三流路に原料ガスを含有していない成長促進ガスを、そ
   れぞれ導入することを特徴とする気相成長方法。
6. 【請求項６】 前記成長促進ガスは、原料ガスに対する
   拡散係数が前記希釈ガスより小さいガスであることを特
   徴とする請求項５記載の気相成長方法。
7. 【請求項７】 前記希釈ガスの全体流量を変えることな
   く、前記第一気相成長ガス中の希釈ガスと、前記第二気
   相成長ガス中の希釈ガスとの流量割合を調整することを
   特徴とする請求項５記載の気相成長方法。