JPS61261291A - 液相エピタキシヤル成長方法およびそのための装置 - 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】 １１止二五月分！ 本発明は液相エピタキシャル成長方法に関する。

更に詳しくいえば、二層以上のエピタキシャル層を連続
的にかつ量産性良く成長させることのできる液相エピタ
キシャル成長方法並びに該方法を実施するための装置に
関する。

従来の技術 一般に半導体素子、デバイスを作製する際には半導体の
単結晶が使用される。この半導体単結晶の製造方法は大
別して気相成長法と液相成長法に分類され、夫々特有の
利点を有しており、目的に応じて使い分けられている。

近年、半導体単結晶を作製するための基本的な技術の１
つとしてエピタキシャル成長法が注目され、広範に利用
されている。

このエピタキシャル成長技術の最も重要な利点の１つは
、不純物の制御が極めて容易であり、基板中の不純物と
は無関係に、エピタキシャル成長中に不純物を導入し、
エピタキシャル層と基板との間に種々の接合を形成する
ことができることである。また、この成長法によれば、
単結晶基板上にこれと同一の面方位を有する単結晶層を
形成することができ、更に例えば種結晶と接触させた成
長用融液部分を徐々に結晶化させるスライド法などの成
長法に従えば、絶縁基板、非晶質基板等の上に単結晶層
を形成することも十分可能である。

半導体素子、デバイス作製プロセスにおいてはしばしば
多層薄膜を形成する必要が生じる。この多層成長につい
てはＣＶＤ、ＰＶＤ等の気相エピタキシャル成長法は装
置が複雑になることから余り利用されず、主として液相
エピタキシャル成長法が利用され、特に高温で分離し易
い化合物半導体の低欠陥単結晶層を形成する際に有利で
あり、発光ダイオード、半導体レーザなどの多層薄膜構
造を有するデバイス、素子の作製のために汎用されてい
る。

従来の液相エピタキシャル成長技術としては、例えば竪
型ディップ法が知られている。この方法は、るつぼ内に
溶媒、溶質、ドーパントを投入し、反応管中で高温にし
た後、この中に基板を入れて冷却することにより単結晶
薄膜を成長させるものである。従って、この方法では、
成長層の組成やドーパントの種類、濃度の異る二層ある
いはそれ以上の層を成長させる為には、るつぼ等を一旦
反応管より取出して原料を再投入する必要があった。

そのため、基板は成長の途中で空気に晒されることにな
り表面酸化等の悪影響を受けることになる。

この問題を解決する有用な技術の１つとして、横型スラ
イド法が知られており、この方法は予め二種類以上の溶
液をいくつかの溶液槽に入れて反応管内に置き、この状
態で基板ホルダーを移動させることにより基板を次々に
異る溶液と接触させ、結晶成長させることからなってい
る。しかしながら、この方法では基板を平面上に並べる
必要があり、従って場所をとり、また大量生産に適さな
いものである。

発■が解′しようとする問題点 以上述べたように、液相エピタキシャル成長法は不純物
の制御が極めて容易であり、また多層成長に右いても有
利である等の各種利点を有し、広く利用されているが、
特に多層成長させる場合には改善すべきいくつかの問題
を残している。例えば、量産性に優れている竪型ディッ
プ法で二層以上のエピタキシャル層を成長させる場合、
一層目の成長後基板を一旦取出さねばならず、そのため
一層目の表面に酸化膜が形成されるなどの欠点があった
。一方、スライドポート法によれば該竪型ディップ法の
欠点は解消し得るものの、一度に成長できる数が制限さ
れてしまうために量産性が劣り好ましくない。

そこで、量産性に適した竪型ディップ法にみられるよう
な欠点を示さない新たな液相エピタキシャル成長方法を
開発することは、高品位の多層薄膜素子、デバイスを得
、その作製コストを節減し、液相エピタキシャル成長法
の利用分野の拡大を図る上で極めて大きな意義を有する
。本発明の目的はこの点にあり、二層以上のエピタキシ
ャル層を連続的に量産性良く形成し得る液相エピタキシ
ャル成長方法を提供することにある。また、このような
方法を実施するために有用な液相エピタキシャル装置を
提供することも本発明の目的の１つである。

問題点を解　するための　段 本発明者等は二層以上の多層エビタキシャ？し成長にお
ける従来の液相エピタキシャル成長法の上記の如き現状
に鑑みて、量産性に優れかつ成長中の表面酸化等の問題
を生ずることのない新しい液相エピタキシャル成長法を
開発すべく種々検討した結果、同一のカセット内に多数
の基板を配列し、第１層目の成長を第１層目成長用溶液
内に浸漬することにより行い、第２層目以後の成長を少
なくとも１つの液溜め内の溶液を該基板を含むカセット
またはるつぼ内に導入し、カセットを成長用るつぼ内か
ら取り出すことなしに、繰り返しエピタキシャル成長さ
せることにより実施することが上記目的達成のために極
めて有利であることを見出し本発明に至った。

即ち、本発明の液相エピタキシャル成長法は、二層以上
のエピタキシャル層を液相エピタキシャル成長させる単
結晶多層薄膜の形成方法であって、同一のカセット内に
収納された多数の基板を第１層目成長用溶液に浸漬して
第１層目の成長を行い、第２層以後の成長を、少なくと
も１つの液溜めから結晶成長用溶液を該カセットまたは
るつぼ内に導入して、前記第１層目成長用溶液と置換ま
たは混合し、成長させる操作を繰り返して第２層目以後
の成長を行うことにより、同一のるつぼ内で、成長途中
で基板を取出すことなく、連続的に２層以上のエピタキ
シャル層を形成することを特徴とする。

本発明の方法により、各種半導体材料、特に高温で分解
し易い■−Ｖ族あるいはＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体の二
元系、あるいはそれ以上の多元系エピタキシャル層を得
ることができる。

本発明の方法によれば、多層エピタキシャル層のうち、
第１層目は従来公知のディッピング法により実施される
。この原理は簡単にいえば、溶融金属、例えば溶融Ｇａ
などの媒質中にエピタキシャル成長させるべき原料を溶
解した溶液中にウェハ等を浸漬した状態で溶液を冷却す
ることにより該原料をウェハ等の基板表面上に析出させ
ることにある。

また、第２層目以後の成長も原理的にはディッピング法
と同じであるが、ウェハ等の支持体としての、例えばカ
セットを取出し、溶液の交換、あるいはるつぼの交換を
行うことなしに第２層目以後の成長を行いうる成長用溶
液の導入手段を工夫し、これを順次実施することにより
行われる。

このような本発明の液相エピタキシャル成長方法は、る
つぼと、該るつぼ内径よりもわずかに小さな外径を有し
、多数の基板を収納する支持体を含むカセットと、該カ
セットを上下に移動させ、かつ回転させることのできる
シャフトと、溶液貯蔵用の少なくとも１つの溶液溜めと
を具備する液相エピタキシャル成長装置を用いることに
より実施できる。

本発明の上記装置において、カセットはネジ込み式、ス
ロット式嵌合などの公知の適当な手段により少なくとも
２つの部分に分離でき、その内部に支持体およびウェハ
等の基板を収納することができるようになっている。

また、カセット環よびるつぼの少なくとも一方にはるつ
ぼ底部とカセットとを連通ずる連通手段および上記溶液
溜めからの溶液をこれらの少なくとも一方に導入する溶
液導入手段が設けられており、シャフトによりカセット
を上下動あるいは回転させることにより、るつぼ下方に
ある溶液をカセット内に導入し、また排出でき、更に液
溜めの溶液をカセット、るつぼ内に導入できるようにな
っている。

また、第２層以後の成長用の溶液を貯蔵する液溜めは、
カセット上方に設けられた夫々隔壁で分離された液溜め
（チャンバー）として形成するか、あるいはるつぼ側壁
部に設けられた開口部と連通ずる管手段によりるつぼと
接続された液溜めを使用することも可能である。これら
液溜めとるつぼ内部またはカセット内部との隔離、連通
は以下のようにすることにより容易に行える。

まず、前記シャフトによりカセットを回転および／また
は上下動させ、カセット側壁またはるつぼ内壁に設けら
れた溶液導入手段、例えば溝または開口と前記チャンバ
ー側壁下方またはるつぼ壁の液溜めと連通ずる開口とを
一致させることにより連通し、溶液をカセット内または
るつぼ内に導入できる。また、これらを一致させない位
置に、シャフトの回転等によりカセットを移動させるこ
とにより、カセット壁またはるつぼ壁が栓の役割を果た
し、液溜めとカセットまたはるつぼとの隔離が保証され
る。また、これらの操作は特に液溜めをるつぼ外に設け
る場合には電磁弁などで操作することも勿論可能である
。

更に、カセット下方側部もしくは底部に開口またはスリ
ットを設け、一方必要ならばるつぼ内壁下方に溝を設け
、これらを連通させることにより第１層成長の際にはカ
セットを下降させることにより溶液をカセット内に導入
でき、また前の層の成長溶液をカセット内から排除し、
次いで、上記のような態様の１種に従って次の層の成長
用溶液をカセット内に導入し、成長用溶液の置換を行う
ことができる。また、るつぼ底部に溶液の排出口を設け
、これを排出液溜めと接続し、該接続部に電磁弁などを
置いて開閉することにより、溶液の置換はほぼ完全に行
うことができる。

一方、ガス抜は口あるいはガス流入口は特に設ける必要
はなく、るつぼとカセットとが完全に密着された状態に
はないので、これらの間のわずかな間隙から雰囲気ガス
の出入りが生ずる。従って、るつぼおよびカセット材料
としてはカーボン、石英、カーボンで被覆した石英また
はセラミック物質などを使用し、成長用溶液に対して濡
れ性の小さなもの、即ち接触角の大きな材料を選択する
ことにより溶液の排出、導入口部分での漏れを防止する
ことが容易となるので、好ましい。

本発明の方法並びに装置において、溶液の量は、カセッ
ト内に収納されたすべての基板を該溶液内に浸漬する必
要があることから、カセット内のデッドスペースとほぼ
等しいか、それよりも多量とすることが望ましい。

以下、本発明の装置を添付第１図を参照して更に詳しく
説明する。第１図は本発明の液相エピタキシャル装置の
好ましい１態様を模式的な断面図で示したものであり、
特に２層のエピタキシャル層を成長させるのに有用であ
り、また第１層目の成長用溶液と第２層目成長用溶液と
を混合して第２層成長を行う態様に対して有利な装置で
ある。

第１図の装置は、るつぼ１と、カセット２と、該カセッ
トを上下動並びに回転させるロッド（シャフト）３と、
カセット２の上部に設けられた第２層成長用溶液の液溜
め４とから主として構成されている。カセット２内には
基板収納用の皿５が多数配置されている。この皿５は溶
液のカセット内への侵入、排出を容易にするために、好
ましくは網目状等の多数の孔を、特にその底部に有する
ものであり、例えば石英、カーボンもしくはカーボン被
覆石英またはセラミックス製である。また基板との接触
を点接触とするために（皿との接触を出来るだけ減じ、
基板、エピタキシャル層の汚染を防止する）、先端の曲
率が比較的大きな多数の突起を有していてもよい。

皿５、即ち基板の支持体はカセット成長室とるつぼとの
間の前記連通手段の態様によって変えることができ、例
えばカセット側部に縦方向のスリットが該手段として設
けられている場合には必ずしも多数の貫通孔を有するも
のでなくてもよい。

一方、カセット下方側部あるいは底部に設けられた開口
が該手段である場合には、支持体は多数の貫通孔を有す
ることが必須である。

更にカセット２の上方に設けられた溶液溜め４の下方側
部には、そこに収納されている第２層成長用の溶液６を
カセット内に導入するための流出ロアが設けられ、これ
は第１層の成長中はるつぼ１の壁との接触により密閉さ
れている。

更に、るつぼ１の内壁には液溜め４からの溶液をカセッ
トまたはるつぼ内に導入するための溝８が縦方向に一ケ
所設けられている。また、カセット側部にスリットを設
けておき、溶液が直接カセット内に流入するようにする
こともできる。

また、ロッド３はカセット２と共に液溜め４、皿５、右
よび溶液６を同時に上下動および回転させる。更にカセ
ット側壁部には縦方向にスリット等が設けられている。

従って、ロッド３によりカセット２を下降させると、る
つぼ底部に収容された第１層成長用溶液９がカセット側
壁のスリットを介してその内部に侵入し、成長室１０内
に配置された各皿５内の基板１１が完全に成長用溶液で
浸漬される。この状態で系を冷却（例えば第３図に示し
たような温度プログラムに従って）することにより第１
層目のエピタキシャル成長が可能となる。

また、第２層目成長用溶液の導入は、同様にロッド３を
操作し、流出ロアと溝８とを一致させ、ロッドを上昇さ
せることにより容易に行われる。

この第１図の態様でも、勿論第３層、第４層等の成長を
実施することができ、その場合第２層目成長用液溜め４
の上方に第３、第４層目等の成長用液溜めを設け、また
溝８の高さを更に大きくすることにより可能となる。

更に、第１層目の成長溶液は必ずしも予めるつぼｌ内に
収容しておく必要がなく、同様に液溜を設けその中に収
納しておいてもよい。

るつぼｌの底部またはその近傍の側壁に開口を設け、こ
れを導管を介して排出液用液溜めと連絡させ、第１図の
態様を溶液混合による成長ではなく置換型の成長とする
こともできる。

第１図の装置は通常のディップ型液相エピタキシャル装
置と同様に炉あるいは反応管内に収納され、炉の動作に
より温度制御される。

また、第２図（ａ）、（ｂ）には第１図とは別の本発明
の好ましい態様を模式的な平面図（ａ）および縦断面図
（５）で示したものである。この態様によれば、各層の
成長毎に成長用溶液のほぼ完全な置換を行うことができ
、また第１図と同様の混合による成長操作も勿論実施で
きる。

第２図の装置は、第２図（ａ）にみられるように、るつ
ぼ１と、カセット２と、ロッド３と、るつぼ１の外側部
に設けられた開口１２１〜１２．を介してその内部と連
通している複数の成長用溶液の液溜め４、〜４３とから
主として構成されている。

カセット２の成長室は第１図と同様であり、従って同一
番号を付して説明を省略する。この態様においてカセッ
ト２の上方部分には少なくとも１箇所に開口またはスリ
ット１３が設けられており、これをロッド３の動作によ
りるつぼ側壁の液溜め４、〜４３等と連通している開口
１２．〜１２３と一致させることにより順次第２層、第
３層等の成長用溶液がカセット成長室内１０に導入し得
るようになっている。

一方、カセット２の底部近傍の側壁には開口１４が、ま
たるつぼ１の底部近傍の内壁部には溝１５が設けられて
いて、カセット内の溶液の出入りができるようになって
いる。また、るつぼ１の底部には開口１６があり、弁手
段を備えた管により接続された排出液溜め（図示せず）
を設けることもでき、各層の成長後完全に溶液を置換し
たい場合に有用である。

更に別の態様によれば、カセット２の外側面に少なくと
も１つの縦方向に伸びた溝と、少なくとも１つの同様な
長さの縦方向のスリットまたは底部に設けられた開口も
しくはスリットとを利用することにより同様な多層膜成
長操作を実施することができる。

更に、第１図および第２図に示した液溜めの設置方法を
組合せて利用すれば、極めて多数の層から構成される多
層膜をコンパクトな装置によって形成することが可能と
なる。このような態様も当然本発明の範囲内にはいるも
のと理解すべきである。

、作月 以上記載したように、本発明の方法並びに装置によれば
多層構造のエピタキシャル膜を量産性良く、しかも高品
位で得ることができる。

まず、本発明では第１層目あるいは成長中の任意の層の
形成後、基板を取り出すことなしに第２層目あるいは次
の層の成長を連続して実施できる。

これは液相エピタキシャル成長装置を第１図または第２
図に示したような構成の１つとすることにより可能とな
った。

更に、本発明によれば一度の操作で多数の基板を同時に
処理することができ、同一ロットで得られる製品の数が
多いので、同一の品位のものを大量に得ることができる
。これも、上記のような構成の装置を利用することによ
らて可能となった。

第１図の装置を用いて、２層からなるエピタキシャル成
長膜を形成する操作を簡単に説明すると、まず炉内で支
持されたるつぼ１内に第１層目成長用溶液９をカセット
２の成長室１０のデッドスペースに相当する量で入れ、
皿５に収容された基板１１を多数カセット２の成長室内
に収容し、ロッド３を下降させてカセット下部をるつぼ
内に装入し、適当な位置までカセットを下降させた後、
液溜め４内に第２層成長用溶液６を導入し、更にカセッ
ト２を下降させて第１図に示すような配置とする。

るつぼ内側が所定の温度に安定したら、ロッド３を操作
してカセット２を下降させ、カセット２に設けられたス
リット（図示せず）を通してるつぼ下部の第１層成長用
溶液９をカセット２の成長室１０に導入してカセット内
の基板１１のすべてを溶液９で完全に浸漬させ、この位
置でロッド３を維持し、例えば第３図に示すような温度
プログラムに従って冷却し、第１層目の成長を行う。次
いで、ロッド３を回転させることにより第２層目成長用
溶液６の流出ロアと、るつぼ１の内壁に設けられた溝８
とを一致させ、この位置でロッドを所定距離だけ上昇さ
せることにより成長溶液６をカセットでの成長室にある
いはるつぼ底部に導入し、溶液を混合する。溶液６と９
との混合はロッド３の上下動、回転等により実施でき、
均一なものとすることができる。均一な混合および温度
の安定化が確保されたら、同様な温度プログラムに従っ
て第２層目のエピタキシャル成長を行う。かくして、連
続的に成長途中で基板を取出すことなしに、従って既に
成長を終えた膜の酸化などの問題なしに多量の基板を１
サイクルの操作で得ることが・できる。

ス１男 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明すると共
に、その奏する効果を実証する。しかしながら、本発明
の範囲は以下の実施例により何等制限されるものではな
い。

実施例１ 本例では、液相エピタキシャル成長法により、ＬＥＤ用
のＧａＡｌＡｓ　Ｐ　Ｎ接合の成長を行った。まず、基
板としてはＺｎドープのＰ型ＧａＡｓウェハを使用し、
Ｐ型層（第１層）のドーパントとしてはＺｎを、またＮ
型層（第２層）のドーパントとしてはＴｅを夫々用いた
。成長用溶液はＧａ融液を溶媒とし、これに上記ドーパ
ント、ＡＩおよびＡｓ源としてのノンドープＧａＡｓを
夫々溶解させた。各成分の投入量は例えば以下の第１表
に示した通りである。このような条件の下で、第１図に
示した装置を用い、２種のサンプルＡＳＢを得た。また
、各サンプルＡ１Ｂに対し、結晶成長の温度プログラム
は夫々第３図（ａ）および（ハ）に示す通りであった。

第１表 この方法で得られたエピタキシャル層を、従来の竪型デ
ィップ法と同様に一層目成長後、空気中に晒したものと
比較すると、一層目表面の酸化膜の影響によるＰＮ界面
の凹凸が見られず、平坦な界面を有していることがわか
った。

】訓至層ｊ 本発明の方法並びに装置によれば、二層以上のエピタキ
シャル層を形成する場合において、その成長過程に右い
て成長表面が空気あるいは酸化性もしくはその他の悪影
響を与える雰囲気ガスに晒されることがないために酸化
等の恐れがまった・くない。また、一度の成長操作で大
量のウェハ上に均一なエピタキシャル成長層を形成でき
るので、量産性に優れている。

更に、装置自体はコンパクトであり、場所をとらず、設
備は簡単である。

尚、カセット上部の溶液溜めの数を増すことにより、三
層あるいはそれ以上の多層構造のエピタキシャル成長を
一度の操作で行うこともできる。

本発明は二層以上の積層エピタキシャル薄膜を必要とす
る分野すべてに対して応用でき、例えばＬＥＤ、半導体
レーザ等各種の半導体素子、デバイス等の作成のために
利用することができ、また高性能の製品を得ることがで
きるものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の好ましい１態様を模式的な断面
図で示したものであり、 第２図（ａ）右よび（ハ）は同様に本発明の装置の第１
図とは別の好ましい１態様を説明するための模式的な平
面図（ａ）および断面図（６）であり、第３図（ａ）お
よびら）は夫々本発明の実施例において利用したエピタ
キシャル成長の温度プログラムを示す図である。 （主な参照番号）

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）２層以上のエピタキシャル層を液相エピタキシャ
   ル成長させる単結晶多層薄膜の形成方法であって、 同一のカセット内に収納された多数の基板を第１層成長
   用溶液に浸漬して第１層目の成長を行い、第２層目以後
   の成長を、該カセットを成長用るつぼ内から取り出すこ
   となしに、少なくとも１つの液溜めから結晶成長用溶液
   を該カセットまたはるつぼ内に導入して該第１層目の成
   長溶液と置換または混合し、成長させる操作を繰り返す
   ことにより行うことを特徴とする上記多層膜の連続的液
   相エピタキシャル成長方法。
2. （２）前記多層膜が化合物半導体薄膜層であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記結晶成長用溶液がドーパントをも含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の方
   法。
4. （４）炉内に支持されたるつぼと、該るつぼ内に収容さ
   れ、基板を支持する支持具と、該支持具を支持すると共
   に上下動および回転させるロッドとを含み、るつぼ底部
   に収容された成長用溶液に該基板を浸漬し温度制御する
   ことにより該基盤上にエピタキシャル層を形成する液相
   エピタキシャル成長装置であって、 更に少なくとも１つの成長用溶液の液溜めを含み、前記
   支持具は多数の基板を収納し得る支持体を収容したカセ
   ットであり、前記カセットおよびるつぼの少なくとも一
   方に前記の液溜めからの溶液をるつぼあるいはカセット
   内に導入する溶液導入手段を有し、かつこれらの少なく
   とも一方にるつぼ内部とカセットとの連通手段が設けら
   れていることを特徴とする上記液相エピタキシャル成長
   装置。
5. （５）前記少なくとも１つの液溜めが前記カセット基板
   を収容する成長室上方に設けられており、該液溜めの底
   部には溶液を該成長室またはるつぼ内に導入する流出口
   が設けられており、前記ロッドを動作させ、るつぼ内壁
   に設けられた溶液導入手段と該流出口とを一致させるこ
   とにより、該液溜め中の溶液を該成長室またはるつぼ内
   に導入し得るようになっていることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の装置。
6. （６）前記溶液導入手段が縦方向に形成された長い溝で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置
   。
7. （７）前記連通手段がカセット外側部に設けられた少な
   くとも１つの縦方向のスリットであることを特徴とする
   特許請求の範囲第４〜６項のいずれか１項に記載の装置
   。
8. （８）前記連通手段がカセット底部に設けられた少なく
   とも１つの開口、または底部近傍の側壁部に設けられた
   開口とるつぼ内壁に設けられた溝との組合せである特許
   請求の範囲第４〜６項のいずれか１項に記載の装置。
9. （９）前記液溜めが前記るつぼの外部に配置され、これ
   らは該るつぼ側壁に設けられた開口と連絡されており、
   前記ロッドの操作によりカセットに設けられた前記導入
   手段と一致させることにより、該液溜め中の溶液を該る
   つぼまたはカセット内に導入し得るようになっているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第第４項、第７項または
   第８項記載の装置。
10. （１０）前記導入手段が前記カセット外側面に設けられ
    た縦方向の溝であることを特徴とする特許請求の範囲第
    ９項記載の装置。
11. （１１）前記導入手段が前記カセット側壁上方に設けら
    れた少なくとも１つの開口またはスリットである特許請
    求の範囲第９項記載の装置。
12. （１２）前記るつぼ底部または底部近傍の側部に開口を
    有し、使用済みの成長用溶液をるつぼ外に排出し、成長
    用溶液の完全な置換を可能としたことを特徴とする特許
    請求の範囲第４〜１１項のいずれか１項に記載の装置。
13. （１３）前記基盤の支持体が多数の孔を有する皿状の部
    材であることを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載
    の装置。