JPS59128298A - 液相エピタキシヤル成長法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、Ｓｉをドーパントとして含む溶液の中に、
多数の化合物半導体ウェハを竪方向に並べたものを加熱
、冷却してウェハ上にエピタキシャル層を成長させる竪
形液相エピタキシャル成長法の改良に関する。

ＧａＡｓ　−、ＧａＰ　％　　ｌｎＰなどの化合物半導
体ウェハに、Ｓｉをドーパントとして含むエピタキシャ
ル成長層を形成するために、竪形液相エピタキシャル成
長法を用いる事ができる。

第１図は液相エピタキシャル成長法を行うための装置の
断面図である。

この例では、半導体ウェハ１はＧａＡｓウェハである。

直径は５０龍程度のものを用いる。

治具２は断面が凹字型の浅い容器であり、ここに半導体
ウェー）１か収められている。

治具２の中には、半導体ウェハ１のさらに上へＧａＡｓ
を溶かしたＧａ溶液３が満されている。Ｇａ溶液には、
エピタキシャル層を形成すべきＧａＡｓを溶質として含
む。ＧａＡｓは飽和濃度にあるのが望ましい。

溶質は、半導体ウェハ１の成分と同一であることが必要
で、半導体ウェハがＧａＰ５　　ｌｎＰの場合は、当然
溶質もＧａＰ＞　　ｌｎＰである。

溶液３は、溶質を溶かす事ができ、しかも融点が十分低
い、という条件が課される。このため、一般にＧａが用
いられる。

このようにしたウェハ１、治具２、溶液３の組を、上下
方向シこ多数組積上げる。石英カセット７を竪に支持し
ておき、この中ヘウエハ、治具の組を竪に積上げるから
、竪形液相エピタキシャル成長法と呼ぶ。第７図は装置
の分解斜視図である。

実際に−は、溶液３は、互に分離しているのではなく、
石英カセット７の側方に２条の竪の溝６が設けられ、間
溝６を通して、Ｇａ溶液は互に連通している。つまり、
石英ルツボ４内に予めＧａ溶液を入れておき、次に、ウ
ェハ１を置いた浅い円板状の治具２を上方から順に石英
カセット７の中へ入れ、溶液３の中へ沈ませてゆく。

治具２の上方は開放しているから、溶液３が人ってくる
。しかし、治具２の開放面（上面）には、１段上の治具
２の底面が戴るので、結局、蓋をするのと同じことにな
る。

このような、治具２、ウェハ１の組を、１本の石英カセ
ット７の中で、同時に処理する。本発明は、５０組程度
を同時にエピタキシャル成長させることができる。量産
性に富む方法である。

そして、ヒーター５が石英管８の周囲に設けられている
。

Ｈ初、石英ルツボ４の中に、Ｇａ溶液、ソースポリ（Ｇ
ａＡｓ多結晶）、ドーパントを入：Ｉ″しておくっこ一
＝−５に通電し、炉の温度會上け１０００°′Ｓ程度に
する。Ｇａ溶液３には、均一にソースポリ、ドーパント
が溶ける。ドーパントはｐ型、或はｎ型エピタキシャル
成長させる為に必要な不純物が選ばれるが、本発明では
、ドーパントとしてＳｉを含む事が要件となる。

均一になった溶液３の中へ、前述のように、数十組の治
具、ウェハを順に決めてゆく。溶液３は、それぞれの治
具２の中へ入る。ウェハ１を置いた治具２は溶液３によ
って満たされる。ウェハ上面と浴液３とは、直接に接触
し、浴液はウェハによくなじむ。

次に炉のｆＡ展を８００°Ｃ程度から６００°Ｃ程度ま
で、徐々に下降させる。この時に、エピタキシャル成長
層がウェハ表面に形成される。

竪に並んだウェハに、一対し、温度が一様のまま、降温
させるのではない。下方を低く、上方を高く保ちなから
、徐々に温度を下げてゆく。

第２図は石英管内の温度分布図である。竪方向の高さく
石英管の下底がらの距離）をＸとして縦軸に、温度を横
軸にとっである。温度は一様でなく、温度勾配（ｄＴ／
ｄｘ　）が正になるように、温度分布を与える。そして
、温度勾配を維持しながら、全体を徐冷してゆく。

積上げられたウェハの最上端のものと、最下端のものと
で、温度差△Ｔは約１０°Ｃである。

前述のように、Ｇａ溶液３は、間溝６を通って、上下に
流通しうる。このような温度勾配をつけるのは、ひとつ
の治具２の中でみれば、溶液３の下方が低温、上方が高
温となるから、ウェハ上に結晶成長を開始しやすくする
為である。ひとつの治具２の内部空間で、溶液３は対流
により、迅速に移動するが、温度勾配のために、ウェハ
上に結晶化し、−股上の治具の裏面には結晶化しない。

　。

しかしながら、他方、溶液３は、間溝６を通って、緩漫
に流通しうる。このため、石英管の−に下で、溶質の濃
度が異なるようになる。一般に、上方で高濃度になる傾
向がある。

このため、上方は高温、下方は低温であるにも拘らず、
エピタキシャル成長はほぼ同時に開始され、はぼ同時に
終る。成長層の膜の厚みも、上下で差かない。

このように、竪形液相エピタキシャル法は量産性に富む
優れた方法である。

従来は、６００°Ｃ程度まで降温し、エピタキシャル成
長が終了すると、より速い速度で、この温度勾配（（ｄ
ｌ／ｄｘ　）　＞　Ｏ）を保ちながら、室温まで冷却し
ていた。

冷却した後、石英管から、治具をとり出し、エピタキシ
ャル成長層の形成されたウェハを得る事ができる。

、Ｇａは未だ液状であるから、簡単に除去する事ができ
る。

しかし、未だ難点かあった。

エピタキシャルウェハの表面にＳｉが晶出し、表面を粗
面化する、という事である。

Ｓｉの晶出は、従来法において、はぼ１００％現われた
。しかも、＝ウェハのエピタキシャル表面のほぼ全面に
Ｓｉ晶出のみられる事が多い。

Ｓｉ晶出があると、そのままデバイスを作製すると、電
気的、電気光学的特性の良いものが得られ。

ない。そこで、Ｓｉ晶出層を除去しなければならない。

物理的、化学的な方法により、Ｓｉ層を除くことは、で
きるが、エピタキシャル成長層を傷つける慣れがあり、
また余分な工程を必要とするので好ましくない。

本発明者は、なぜＳｌがエピタキシャル層の上に晶出す
るのか考察した。

多くのエビタギシャルウエハを作ってミテ、ＳＩ品出が
エピタキシャル層の表面に現われないものと、現われる
ものの違いが、Ｇａ溶液上の多結晶膜の有無に関係のあ
る事を知った。

エピタキシャル成長が終った後、全体を室温まて冷却す
るが、Ｇａ溶液の表面に溶質（この場合ＧａＡｓ　）の
多結晶膜が生ずることがある。多結晶膜がＧａ溶液上に
できたものについては、エピタキシャル成長面にＳｉの
晶出がみられなかった。

多結晶膜ができなかったものについては、必ず、エピタ
キシャル成長面にＳｉ晶出があった。

この関係は殆ど例外がないように思える。

しかしなから、多結晶膜がＧａ溶液上にできる事は少な
く、シたがって、殆どの子ピタキシャルウエハの表面の
少なくとも一部にはＳｉの晶出があった。

本発明−者は、Ｇａ溶液上に、溶質の多結晶膜か生じる
と、余分のＳｉは多結晶膜の方に取り込まれるのであろ
うと考えた。

第３図は液相エピタキシャル法に於ける、治具、ウェハ
、溶液の断面略図である。これによって、Ｓｉ　−、Ｇ
ａＡｓの運動を説明する。

エピタキシャル成長が持続している間は、溶質のＧａＡ
ｓも、ドーパントのＳｉもともに、下方へ向いウェハ１
の表面に接触する。ＧａＡｓは、基板に連続した単結晶
層となり、Ｓｉは適当な濃度で均一にこの結晶層の中へ
取込まれる。

温度が下って６００°Ｃ程度になると、エピタキシャル
成長がほぼ終る。しかし、Ｓｉの下方への運動はなお持
続する。このため、Ｓｌがエピタキシャル成長層の表面
に晶出するのである。

本発明者は、このように考えた。

もしも、溶質の多結晶膜が溶液の表面に生ずると、溶液
中のＳｉが多結晶膜によって吸い取られる。

この為、Ｓｉの下方への運動が妨げられる、と考えられ
る。

多結晶膜を溶液表面に積極的に作ってやれば良いわけで
ある。そうすれば、Ｓｉのエピタキシャル表面への晶出
を防ぐことができるはずである。

第４図は表面に多結晶膜のある場合の、溶液中てのＧａ
Ａｓ　−、Ｓｉの連動を示す治具、ウェハ、溶液の断面
図である。

ここでは、溶液表面にＧａＡｓの多結晶膜７かできてい
る。ＧａＡｓは上方へ向い、多結晶膜７′の一部になる
。これとともに、ドーパントのＳｉも上方に向い、多結
晶膜内へ取りこまれる。

積極的に、溶質の多結晶膜を表面につくり出すにはどう
すれば良いかつ これが問題になる。

温度分布を逆転ずれば良いのである。

上方をより低温にすれば、溶液中のＧａＡｓは上方で飽
和濃度になり、下方では不飽和であり続けることができ
る。

第５図は、そのような温度分布を示すグラフである。横
軸は湿度で、縦軸は、高さを示す。横軸Ｔを、縦軸Ｘで
微分したもの（ｄＴ／ｄｘ　）は負である。

本発明は、このような考察によってなされたものである
。すなわち、多数の治具に入ったウェハを竪に積重ねて
、飽和濃度の溶質を含む溶液の中へ入れ温度勾配（ｄＴ
／ｄｘ）　＞　０となるようにして、エピタキシャル成
長させ、成長が終ると、温度勾配（ｄＴ／ｄｘ　）　＜
　０となるようにして、冷却するのが、本発明の液相エ
ピタキシャル成長法の特徴である。

エピタキシャル成長時と、その後の冷却時の温度勾配を
逆転させるためには、もちろん、ヒーターの局所的な出
力の調節、冷却水の調節なとによってもなされうる。

また、ヒーター出力は、急開に変化させず、ウェハのヒ
ーター内での位置を急変させることによっても、温度勾
配を実質的に反転することができる。

第６図はそのような実施例を示す断面図である。

左側はエピタキシャル成長装置の略図を示し、右側はそ
の竪方向の温度分布を表わす。

横軸は温度Ｔで、縦軸は高さＸを示す♂中間部で最大温
度をとり、上下でこれより低温となっている。逆「＜」
の字型の温度分布である。もちろん、この曲線全体が、
時間とともに左側へ推移してゆく。温度は下降しつづけ
るが、分布の様子は殆と不変である。

最初、ウェハの積層体は、下方のＡ位％ｌにおき、ここ
でエピタキシャル成長させる。

エピタキシャル成長が終ると、ウェハの積層体をＢ位置
ヘリ［上げる。Ｂ位置に置いて徐冷し、室温に至る。

このように、ウェハ積層体の位置を変えることにより、
温度分布を反転させることもできる。

効果をのべる。

エピタキシャル成長終了後、温度分布が反転し、上方が
低温になるので、溶液の表面に、溶質の多結晶膜ができ
る。Ｓｉは表面の多結晶膜に取込まれるので、エピタキ
シャル成長層には晶出しない。

表面のきれいなエピタキシャルウェハができる。

後で、Ｓｌを除去するという必要がない。

本発明は、ＧａＰ　−、ＧａＡｓ　ｚ　　ｌｎＰなど化
合物半導体の、Ｓｉをドープしたエピタキシャルウェハ
の製造に用いることができる。

特にＳｉドープＧａＡｓ赤外発光用エピタキシャル成長
に用いれば、このウェハから作った発光ダイオードは、
発光出力、寿命の点で優れたものができる。

さらに、液相エピタキシャル成長法であるから、高温時
にウェハがＮ２ガス、Ｎ２ガスに直接さらされない。こ
のため、Ａｓ抜けが起りにくい、という長所がある。

５１ドープＧａＡｓの場合、本発明によれば、全ウェハ
の内６０〜７０％は、Ｓｉのエピタキシャル表面の晶出
が全くみられなかった。Ｓｉ晶出が一部にみられたウェ
ハでも、そのウェハ面積の内約７０％にはＳｉの晶出が
なかった。

図示した例では、皿型の治具にウェハを入れて、石英管
内に竪に並べている。

治具の形状は任意であるー。蓋付きの治具としても良い
。治具はカーボン、石英などの適当な材質で作る。

重要なのは、多数のウェハが、エピタキシャル層を形成
すべき溶質を含む溶液の中に、間隔を置いて竪に並んで
おり、この溶液は互に連通しあうという事である。この
ような条件下で、温度勾配を逆転すると、前述のような
効果を挙げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は竪型液相エピタキシャル成長法を行うための装
置の断面図。 第２図はウェハを溶液内に間隔を置いて積上げた積層体
の、エピタキシャル成長時の竪方向の温度分布を示すグ
ラフ。 第３図は液相エピタキシャル法に於ける、治具、ウェハ
、溶液の略断面図で、Ｓｉ　、ＧａＡｓが下向きの運動
をしているのを略示している。 第４図は、液相エピタキシャル法に於る、治具、ウェハ
、溶液の略新面図で、Ｓｉ　、　ＧａＡｓが上向きの運
動をしており、溶液表面に多結晶膜が生じている状態を
略示する。 第５図は本発明の液相エピタキシャル成長法を実行する
場合の、エピタキシャル成長後の冷却時に於ける温度分
イＩｊを示すグラフ。 第６図はウェハの積層体をヒーターの中で動かず事によ
り、温度勾配を逆転させる方法を略示するための、液相
エピタキシャル成長存置の略断面図。 第７図は竪型エピタキシャル成長装置の部品の分解斜視
図。 １　　　　・・・　・・・　・・・　　　ウ　　　　　
　エ　　　　　ハ２　　・・・・・・・・・　　治　　
　　　　　　具３　　・・・・・・・・・　　溶　　　
　　　　　液４　・・・・・・・・・石英ルツボ ５　　　　・・・　・・・　・・・　　　　ヒーター６
　　・・・・・・・・・　　竪　　　　　　　　溝１　
・・・・・・・・・　石英カセット８　　・・・・・・
・・　　石　　　英　　　管発　　明　　者　　　　　
　　池　　　１）　　和　　　央下　　　１）　　隆　
　　司 特許出願人　　　　住友電気工業株式会社第１図 第２図 第４図 Ｘ　　　　　　　第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 化合物半導体のエピタキシャル層を形成すべき溶質とド
   ーパントとしてのＳｉを含む溶液の中に、多数の化合物
   半導体ウェハを、竪に、互に間隔を置いて並べ、上方か
   高温、下方が低温となる。″湿度勾配を保ちつつエピタ
   キシャル成長を行い、成長が終了すると、湿度勾配を逆
   転し、上方が低温、下方が高温となるように温度勾配を
   保ちなから冷却することを特徴とする液相エピタキシャ
   ル成長法。