JPH09278587A - 半導体薄膜結晶の気相成長方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】コンピュータシミュレーションによらず、簡単
な構造、簡単な手法によって、容易に原料ガスの均一化
を実現することができるようにする。 【解決手段】本発明は、基板１と平行に原料ガス２を流
すフローチャネル３を備え、フローチャネル３の上流部
に設けたガス導入口５からフローチャネル３内に原料ガ
ス２を導入することによって基板１上に半導体の薄膜結
晶をエピタキシャル成長させる半導体薄膜結晶の気相成
長装置に適用される。ガス導入口５と基板１との間に、
ガス導入口５からフローチャネル３内に導入される原料
ガスを絞って混合するウイング６を設ける。ウイング６
は可動式で絞り量が任意に変えられる。可動式ウイング
６の下流にさらに整流用の固定式ウイング８を設けて、
可動式ウイング６で乱流が生じても、それを層流に戻す
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶基板の表面に
化合物半導体の薄膜結晶をエピタキシャル成長させる化
合物半導体薄膜結晶の気相成長方法及びその装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、化合物半導体の薄膜結晶を結晶
基板表面上に気相エピタキシャル成長させるには、例え
ばＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapour Deposit
ion ）装置の反応炉内で、加熱状態にある結晶基板に、
複数の原料ガスを含んだキャリアガスを送り込み、これ
らの原料ガスを結晶基板上で熱分解させることによって
行われる。

【０００３】結晶基板上に薄膜結晶を成長させるために
は、結晶性のよい薄膜を均一な厚さに成長させることが
望ましい。そのためには原料ガスが基板上に輸送される
までに均一に混合されているという前提が必要である。
均一でない混合状態というものは薄膜結晶の再現性とい
う点で問題があるからである。しかし、実際にはガスの
濃度や種類によって混合の度合いは様々であり、上記し
た前提が必ずしも成り立っているわけではない。

【０００４】原料ガスの混合の度合いをコンピュータを
使ってシミュレーションで求めることも可能である。し
かし、精度良く求めるためには複雑な反応炉の構造を考
慮しなければならなず、さらに基板上に達する前に原料
ガスの分解反応が起こっている可能性もあるため、シミ
ュレーションはあまり現実的ではない。従って原料ガス
を均一化するためにシミュレーションに頼らず数多くの
試行錯誤が行われているのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、結晶
性のよい薄膜を均一な厚さに成長させるためには、原料
ガスが基板上に輸送されるまでに均一に混合されている
ことが必要であるが、数多くの試行錯誤が行われている
にも関わらず、従来、ガスの濃度や種類によっては、基
板上に輸送された原料ガスが均一に混合されていないこ
とがあった。

【０００６】本発明の目的は、原料ガスの均一化を容易
に実現することができる化合物半導体薄膜結晶の気相成
長方法を提供することにある。また本発明の目的は、簡
単な構造によって、原料ガスを均一に混合することがで
きる化合物半導体薄膜結晶の気相成長装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、基板と平
行に原料ガスを流すことによって基板上に薄膜結晶をエ
ピタキシャル成長させる半導体薄膜結晶の気相成長方法
において、原料ガスを絞って混合し、この混合した原料
ガスを基板と平行に流すようにしたものである。原料ガ
スの混合は、原料ガスを絞るという極めて単純な方法に
よって行うので、絞り量を調整するだけで原料ガスの均
一化が実現でき、均一化を見出す時間を短縮することが
できる。

【０００８】第２の発明は、第１の発明において、上記
混合した原料ガスをさらに整流するようにしたものであ
る。絞った原料ガスをさらに整流する場合には、絞り過
ぎによる乱流の発生を有効に防ぐことができる。

【０００９】第３の発明は、基板と平行に原料ガスを流
すフローチャネルを備え、フローチャネルの上流部に設
けたガス導入口からフローチャネル内に原料ガスを導入
することによって基板上に半導体の薄膜結晶をエピタキ
シャル成長させる半導体薄膜結晶の気相成長装置におい
て、上記ガス導入口と基板との間に、ガス導入口から上
記フローチャネル内に導入される原料ガスを絞って混合
するウイングを設けたものである。フローチャネル内に
ウイングを設けると、原料ガスの濃度、流量や種類に応
じてウイングの角度を設定してやれば、原料ガスを均一
に混合することができ、基板上に均一な膜厚を成長でき
る。

【００１０】第４の発明は、第３の発明において、上記
ウイングで絞られる原料ガス流路が流線形をしているも
のである。原料ガス流路が流線形をしている場合には、
乱流が起こりにくくなる。

【００１１】第５の発明は、第３または第４の発明にお
いて、上記ウイングを可動式としたものである。ウイン
グを可動式とした場合には、ウイング角度を最適に調整
することにより絞りすぎによる乱流の発生を防止するこ
とができる。一般にフローチャネル内を流れるガスが乱
流になっていると、ガスは多数の渦を巻き、この渦は安
定しにくい。したがって乱流が生じていると基板表面に
当たるガスの流れも安定せず、均一な膜成長が起こりに
くくなる。原料ガスの濃度や種類によって混合のしやす
さも変ってくるため、急激な密度変化による乱流の発生
を防ぐために、実験条件に合わせてウイングの絞りを変
えることが好ましい。

【００１２】第６の発明は、第５の発明において、上記
可動式ウイングの下流側に乱流を防止するための固定式
ウイングをさらに設けたものである。一般に流管各部を
流れている流体のレイノルズ数はその断面積に比例す
る。つまり断面積が小さければ乱流は起きず層流に近づ
くことになる。固定式ウイングはガスが流れる道筋を狭
めるから、乱流を抑えることができる。従って、ウイン
グの下流側に固定式ウイングを設けた場合には、可動式
ウイングを通過した後、乱流になったとしても、固定式
ウイングによって層流に戻すことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１４】図１は、基板１と平行に原料ガス２を流す
ことによって基板１上に薄膜結晶をエピタキシャル成長
させる円形横型気相成長装置におけるガス流れ方向での
フローチャネル３の実施の形態を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は断面図である。

【００１５】フローチャネル３はガスの流れ方向で断面
積が徐々に絞られるようしてある。これは、基板上流部
での成長によって原料が消耗すると基板下流部で原料の
濃度が低下し、ガスの流れにそって膜厚が徐々に減少す
るため、基板下流部での流速を上げて、その減少を回避
するためである。

【００１６】このフローチャネル３の上面を構成するサ
セプタ４に基板１用の穴を複数個放射状に設け、その穴
に基板１をフェイスダウン（成長面を下向き）にして配
置することにより、フローチャネル３内の原料ガス２が
基板１と平行に流れるようにする。原料ガス２は、フロ
ーチャネル３の中央から導入されて、環状のガス導入口
５を通り、基板１と接触した後、径方向外方に排気され
る。

【００１７】ガス導入口５と基板１との間、図示例では
ガス導入口５の近くに、ガス導入口５からフローチャネ
ル３内に導入される原料ガス２を絞って原料ガス２を混
合するウイング６を設ける。ウイング６は、環状のガス
導入口５の外周に設けられた上下２枚の幅のあるリング
板が径方向に複数に分割されてセグメント状に構成され
たものである。上下２枚のウイング６で１組となるが、
この２枚のウイング６間に挟まれて形成された原料ガス
流路７が流線形となるように、２枚のウイング６は角度
をもち、ガス流の下流方向に向かって徐々に間隔が狭く
なっている。ウイング６は可動式であり、上下のウイン
グの両方、または上ウイングだけ、あるいは下ウイング
だけ角度が上下に変えられるようになっており、任意に
角度を変えて、原料ガス流路７の絞り量を調整できるよ
うになっている。この可動式のウイング６の径方向外方
に、さらにガス流路を径方向にセグメントの数だけ分割
するように、複数の固定式のウイング８がフローチャネ
ル３内に立設されている。フローチャネル３の中央真下
から上方に供給された結晶成長用の複数の原料ガスは、
フローチャネル３の上面に当たり、水平方向に向きを変
えられ、ガス導入口５からフローチャネル３内を径方向
外方に放射状に流れる。このとき可動式ウイング６によ
り原料ガス流路７を狭められるため、原料ガス２は混合
されて均一化される。この混合は流線形の原料ガス流路
７を流れることによって行われるため、極力乱流の発生
は抑えられる。また、可動式ウイング６を通過した後乱
流になったとしても下流側に設けられた固定式のウイン
グ８が作用して、原料ガスの流れを整流して層流に戻す
ようになっている。

【００１８】従って、基板１上には均一に混合されて層
流となった原料ガスが到達するので、基板１上に均一な
膜厚をエピタキシャル成長できる。また、原料ガスの濃
度、流量や種類が変った場合でも、ウイングの角度を変
えてやるだけで、原料ガスの混合量を変えることができ
るので、即応的に原料ガスの均一混合を実現できる。さ
らに、可動式ウイングをガス導入口付近に設け、さらに
下流側に固定式ウイングを設けるだけなので、装置の単
純拡張で済ますことができる。

【００１９】なお、上述した実施の形態では円形横型気
相成長装置について説明したが、本発明は円形横型気相
成長装置に限定されない。例えば、ガスの流れに垂直な
フローチャネルの断面が長方形をしており、ガスの流れ
方向で断面積が徐々に絞られるようになっている矩形横
型気相成長装置のフローチャネルにも適用できる。ま
た、ウイングは上下２枚の板で構成したが、上下いずれ
か１枚で構成することもできる。

【００２０】

【実施例】図１に示すような円形横型気相成長装置を使
用してＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ薄膜結晶を成長さ
せ、その膜厚の面内分布の再現性を測定した。フローチ
ャネルの上面を構成する直径１００mmの円板型サセプタ
上に、直径４インチのＧａＡｓ基板を載置し、サセプタ
温度を薄膜の成長温度である６５０℃まで加熱した。サ
セプタは１０ｒｐｍで回転させた。この状態でガス導入
口から原料ガスである水素希釈したトリメチルガリウ
ム、トリメチルアルミニウムとアルシンの混合ガスを流
した。

【００２１】測定日を変えて測定したところ、ウイング
を付ける前は図２（ａ）のように膜厚の標準誤差が±
０．０１１４μｍであったのに対して、ウイングを付け
た後は図２（ｂ）のように±０．００１３μｍまで抑え
ることができた。この結果からウイングで原料ガスの混
合を均一化させることによって、化合物半導体の薄膜結
晶の膜厚の再現性を高められることがわかった。

【００２２】なお、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長におい
て、その成長条件は成長装置個々によって全くと言って
いいほど異なっており、また目標とする結晶の特性によ
っても大きく変化するため、全てに当てはまるウイング
の最適条件を数値的に規定することは不可能である。よ
ってウイング角度を調整するという手法を用いて、最小
の検討で個々の成長に見合った最適条件を求めることが
有効になる。

【００２３】また、本実施例では、ＡｌＧａＡｓの薄膜
結晶成長の例を述べたが、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＩｎ
Ａｓなどの他の化合物半導体材料にも、あるいは広く半
導体材料にも適用が可能である。

【００２４】また、本実施例では装置の拡張と言うこと
で原料ガス導入口付近にウイングを取付けた。しかし、
基板上に輸送される前に既に反応が起こっている可能性
もあり、そういう場合はガス導入口とウイングとをもっ
と基板近くまでもってくることも可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明方法によれば、原料ガスを絞るこ
とによって混合するようにしたので、原料ガスを均一化
するために費やす労力や経費を軽減することができる。

【００２６】本発明装置によれば、ウイングを設けるだ
けの簡単な構造で、原料ガスを均一に混合でき、基板上
に均一な膜厚を成長できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体薄膜結晶の円形横型気相成
長装置におけるガス流れ方向でのフローチャネルの実施
の形態を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
断面図である。

【図２】本実施の形態によるウイングを取付ける前と後
での半導体薄膜結晶の膜厚分布の再現性の違いを示す図
であり、（ａ）はウイング設置前、（ｂ）はウイング設
置後の説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 原料ガス ３ フローチャネル ４ サセプタ ５ ガス導入口 ６ 可動式ウイング ７ 原料ガス流路 ８ 固定式ウイング

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と平行に原料ガスを流すことによって
   基板上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる半導体薄
   膜結晶の気相成長方法において、原料ガスを絞って混合
   し、この混合した原料ガスを基板と平行に流すようにし
   たことを特徴とする半導体薄膜結晶の気相成長方法。
2. 【請求項２】上記混合した原料ガスをさらに整流するよ
   うにした請求項１に記載の化合物半導体薄膜結晶の気相
   成長方法。
3. 【請求項３】基板と平行に原料ガスを流すフローチャネ
   ルを備え、フローチャネルの上流部に設けたガス導入口
   からフローチャネル内に原料ガスを導入することによっ
   て基板上に半導体の薄膜結晶をエピタキシャル成長させ
   る半導体薄膜結晶の気相成長装置において、 上記ガス導入口と基板との間に、ガス導入口から上記フ
   ローチャネル内に導入される原料ガスを絞って混合する
   ウイングを設けたことを特徴とする半導体薄膜結晶の気
   相成長装置。
4. 【請求項４】上記ウイングで絞られる原料ガス流路が流
   線形をしている請求項３に記載の半導体薄膜結晶の気相
   成長装置。
5. 【請求項５】上記ウイングを可動式とした請求項３また
   は４に記載の半導体薄膜結晶の気相成長装置。
6. 【請求項６】上記可動式ウイングの下流側に乱流を防止
   するための固定式ウイングを設けた請求項５に記載の半
   導体薄膜結晶の気相成長装置。