JPS6177696A - 気相結晶成長装置 - Google Patents

気相結晶成長装置

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JPS6177696A
JPS6177696A JP20021784A JP20021784A JPS6177696A JP S6177696 A JPS6177696 A JP S6177696A JP 20021784 A JP20021784 A JP 20021784A JP 20021784 A JP20021784 A JP 20021784A JP S6177696 A JPS6177696 A JP S6177696A
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JP
Japan
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reaction tube
growth
gas
substrate
crystal
Prior art date
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Pending
Application number
JP20021784A
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English (en)
Inventor
Isao Hino
日野 功
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPS6177696A publication Critical patent/JPS6177696A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/14Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

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】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体エビタΦシャル膜を成長させる半導体
結晶気相成長装置に関する。
(従来技術とその問題点) 半導体の結晶成長法の一つとして気相成長法がある。こ
れは気体状の原料を結晶成長室に送シこんで気相原料か
ら半導体結晶を成長させるものである。特に有機金属原
料の熱分解反応を利用した気相成長法(MO−CVD’
)は、高品質の結晶成長を広い応用範囲を以て行なうこ
とができ、かつ量産性に優れ友方法として注目されてい
る。第7図は、従来MO−CVDで用いられている結晶
成長室の構造の一例でらる[例えば、ジャーナル・オブ
・クリスタルグロウス(J 、 Crystal Gr
owth )s 1 < 1975 )172 ]。結
晶成長室11は、反応管とも呼ばれ、石英によりつくら
れており内径d1の円筒形状を有している。図は円筒の
軸を含む断面図で示しである。従来技術による成長法に
ついてGaAsの成長を例にとって記述する。GaAs
基板13をグラファイト製サセプタ12の上におき、高
周波コイル14によって加熱する。成長に供される原料
気体トリメチルガリウム(TMG)およびアルシン(A
sH2)は、キャリアガスである水素(Hl)とともに
矢印17のように反応管11に導入される。反応終了後
の廃ガスは矢印18のように反応管11よりとシ除かれ
る。原料気体は反応管の内部を矢印19のように流れる
。原料気体はサセプタ12および基板13の表面近くで
境界層16を形成する。この境界層16は、境界15に
おいて一様な気体流と接しており、成長のために気体原
料分子は、境界層16の外部から境界層にはいり、矢印
20のように境界層16の内部を拡散して基板13の表
面に達して結晶膜成長のために消費される。
MO−CVD法は、1回で大面積の基板に成長できるの
がその特長の一つであるが、従来法では基板が大きくな
ると、膜の均一性が劣化してしまう。
第8図は、第7図に示した従来法で成長したG3As層
の膜厚の場所依存性を示したものでちる。
横軸は、基板上量も気体流の上流を基準として流れの方
向にその距離をとり、縦軸は成長膜厚を示す。図のよう
に基板が大きくなると流れの下流程厚さが減少する。つ
まシ下流程成長速度が遅い。
このように従来法によると、MO−CVD法により半導
体結晶を成長した場合、基板が大きくなると、膜の均一
性が劣化するという欠点を有する。
(発明の目的) 本発明は、このような従来の欠点を除去し、大面積の基
板上に均一性のよい半導体結晶層を成長させることを可
能とした気相結晶成長装置を提供することKある。
(発明の構成) 本発明は、反応管内に気相原料を流してその流れと表面
がほぼ平行になるように配置した基板上に結晶成長を行
なう気相結晶成長装置において、結晶成長を行なう領域
で、気体の流れの上流から下流に向かって反応管内部の
気体の流れる部分の断面積を徐々に小さくしたことを特
徴とする。反応管内部の気体の流れる部分の断面積を小
さくするには、反応管自体の断面積を小さくしてもよい
し、あるいは反応管内に他の断面積を小さくする部材を
設置する方法によってもよい。
(発明の作用・原理) 本発明は上述の構成をとることによシ、従来技術の問題
点を解決した。
以下に本発明の作用、原理について説明する。
第2図は、気体の流速と境界層の厚さの関係について示
したものでちる。基板31上を気体が流速vl(5−L
2 )で流れているとき、基板上に厚さXI(t=1.
2)の境界層32が形成される。第2図(al 、 (
blはそれぞれvl = Vl 、 VI= Vz (
91〉v2)の場合を示す。図で示されるように、気体
流速の大きい方の境界層の厚さXi は小さくなる。ま
た第3図には、他の条件を一定とした時気体流速とG 
a A sの成長速度の関係の一例を示す。
横軸は流速、縦軸は成長速度である。流速はtM/Sで
、成長速度はμm/mで示す。流速が大きくなる程、成
長速度が大きくなることが示される。
これは、次のように説明される。第2図に示したように
流速が大きい程境界層の厚さが薄ぐなシ、供給原料が境
界層を拡散して基板表面に達する迄の時間が短くなり、
このために膜の成長速度が大きくなる。従ってこれまで
述べたことから、MO−CVD法において成長速度を制
御するには、気体流速を制御して境界層の厚さを制御す
ればよいことがわかる。
ところで、従来法で、下流はど成長速度が遅くなる原因
は、下流に行くに従って原料が枯渇するためと考えられ
る。枯渇の機構はまだ明確でないが、膜成長のためや、
気体分子の相互反応により成分が消費されるためと考え
られる。しかし、いずれにしても下流に向かって成長速
度の減少する分を補償するようKすれば、膜厚の均一性
を向上させることができる。そこで、これまでの考察に
もとづき、下流に向かりて流速を増し、境界層の厚さが
薄くなるようにすれば、膜厚の均一性が向上するという
結論を得た。反応管内に一定量の気体を流し、流速を反
応管の場所によシ変化させるには、反応管の断面積を変
えればよい。つまり、断面積を小さくすれば、流速が増
し、逆に断面積を大きくすれば流速は減少する。そこで
、下流に向かって反応管の断面積を小さくすれば、下流
はど流速が増して境界層が薄くなり、下流で気体原料の
枯渇による成長速度の減少が補償され、均一性の向上し
た半導体成長膜が得られる。実際に得られた効果につい
ては次の実施例によシ説明する。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を利用して詳細に説明
する。第1図は本発明の第1の実施例を示す図である。
結晶成長室となる反応管41は石英でつくられており、
断面は円形で上流側の内径がdF1下流側の内径がdR
(dr>da)となっている。そして、基板43が置か
れている部分では、内径がd、からdRへ徐々に減小し
ている。第1図は円筒状反応管の軸を含む断面図を示す
。第1の実施例をGaAsの成長に適用した例を示す。
GaAs基板43をグラファイト製サセプタ42の上に
おき、高周波コイル44で加熱する。原料気体となるT
MGおよびAsH3は、キャリアガスH2とともに矢印
46のように反応管41に導入される。反応管41に導
入された原料気体は矢印48の如く反応管内部を流れ、
結晶成長に供されたのち、矢印47の如く外部に棄てら
れる。サセプタ42および基板43の表面近くで形成さ
れる境界層45の中を矢印49の如く、気体原料分子は
拡散して基板43の表面に達して結晶膜成長のために消
費される。本実施例では、サセプタ42の上流における
反応管41の内径d、が下流における内径dRよりも大
きくなっているため、下流程流速が大きく、境界層が薄
くなる(上流では厚さがXF 、下流ではXH”、 X
F) XR)。第4図は第1図に示した方法で成長した
GaAa層の膜厚の場所依存性を示したものである。横
軸は基板上最も気体流の上流を基準として流れの方向に
その距離をとり、縦軸は成長膜厚を示す。「発明の作用
・原理」の項で説明した効果によシ下流における成長速
度の低下が緩和され、膜厚の均一性の大幅な改善がみら
れた。
第5図に本発明の第2の実施例を示す。この場合には石
英製反応管61の内法は成長反応の起る領域で気体流の
上流から下流まで一定となっている。断面形状はほぼ矩
形となっている。第5図は、反応管の縦断面図を示す。
成長反応の起こる領域には、くさび形をしておシ、その
厚みが下流はど厚くなる石英製の部材70が反応管61
の内部に置かれている。第2の実施例をGaAsの成長
に適用し九個を説明する。G a A s基板63をグ
ラファイト製サセプタ62の上におき、高周波コイル6
4で加熱する。原料気体となるTMGおよびA s H
sは、キャリアガスH2とともに矢印66のように反応
管61に導入され、矢印68の如く反応管内部を流れ、
結晶成長に供されたのち、矢印67の如く外部に棄てら
れる。気体原料分子は、境界層65の中を矢印69の如
く拡散して基板630表面に達して結晶膜成長のために
消費される。本実施例では、厚みが上流から下流に向か
って厚くなっている石英部材70が反応管61の内部に
おいであるため、反応管内部の気体の流れる部分の断面
積が上流から下流に向かって小さくなっている。
このため下流程流速が大きく、境界層65の厚さが、上
流でXF、下流でxn (xy)xB )となり下流程
薄くなる。そのため、再び「発明の作用・原理」の項で
説明した効果により下流における成長速度の低下が緩和
され、膜厚の均一性の大幅な改善がみられた。膜厚の均
一性は反応管61の中に設置する石英製部材70の形状
に強く依存する。
実験データにもとづいて最適化した形状のものを用いて
成長し九〇aAsの膜厚の場所依存性を示したものが第
6図である。横軸は基板上最も気体流の上流を基準とし
てとり九流れの方向の距離を備であられし、縦軸は成長
膜厚をμmで表わした。
この図から広い面積にわたって膜厚が均一となっている
ことがわかる。
なお、上記実施例ではGaAaの成長の場合について詳
述したが、本発明は、他の半導体InP、 AlGaA
s 、AJIGaInP、GaInPAs 、Zn5e
S 。
CdHgTe等に適用できることはいうまでもない。
(発明の効果) 本発明を1用することによシ、大面積の基板上に均一性
のよい半導体結晶層を成長させることを可能とした気相
結晶成長装置の提供が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の縦断面図、第2図(a
l 、 (blは本発明の原理2作用を説明するための
図、第3図は気体流速と膜成長速度の関係を示すグラフ
、第4図は第1図に示した第1の実施例におけるGaA
s層の膜厚の場所依存性を示すグラフ、第5図は本発明
の第2の実施例を示す横断面図、第6図は第5図の第2
実施例におけるG a A s層の膜厚の場所依存性を
示すグラフ、第7図は従来の有機金属気相成長装置の縦
断面図、第8図は第7図の従来装置で成長し7’hGa
As層の膜厚の場所依存性を示すグラフである。41.
61・・・・・・反応管、42.62・・・・・・サセ
プタ、43.63・・・・・・基板、44.64・・・
・・・高周波コイル、45.65・・・・・・境界層、
70・・・・・・石英部材。 ζa−) 一事 2 図 流速(C%h) 等 3 面 5已め匡(θυ 某 4v

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  反応管内に気相原料を流してその流れと表面がほぼ平
    行になるように配置した基板上に結晶成長を行なう気相
    結晶成長装置において、結晶成長を行なう領域で、気体
    の流れの上流から下流に向かって反応管内部の気体の流
    れる部分の断面積を徐々に小さくしたことを特徴とする
    気相結晶成長装置。
JP20021784A 1984-09-25 1984-09-25 気相結晶成長装置 Pending JPS6177696A (ja)

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JP20021784A JPS6177696A (ja) 1984-09-25 1984-09-25 気相結晶成長装置

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JPS6177696A true JPS6177696A (ja) 1986-04-21

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ID=16420756

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JP (1) JPS6177696A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003104525A1 (ja) * 2002-06-10 2003-12-18 東京エレクトロン株式会社 処理装置及び処理方法
JP2010138041A (ja) * 2008-12-12 2010-06-24 Sumitomo Electric Ind Ltd 成膜装置

Cited By (2)

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WO2003104525A1 (ja) * 2002-06-10 2003-12-18 東京エレクトロン株式会社 処理装置及び処理方法
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