JPS62291021A - 気相成長装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は、広範囲にわたって、かつ多数枚の基板」−に
均一な膜厚、膜質２組成をもっ半梼体結晶成長層を得る
ことができる気相成長装置に関するものである。

従来の技術 半導体装置を製作する上で必要な半導体結晶のエピタキ
シャル成長技術として、原料にガスを用い、その原料ガ
スの熱分解を利用した量産性のある気相成長法がある。

例えば、モノ７ラン（Ｓ　Ｉ　Ｈ４）によるシリコン（
Ｓｌ）や、有機金属（アルキル化物）による化合物半導
体結晶（ｎｌ−Ｖ族化合物半導体、ｎ−■族化合物半導
体など）の気相成長（ＶＰＥ法、ＣＶＤ法）などである
。特に原料ガスに有機金属を用い／こ気相成長法を有機
金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）と呼び、膜厚制御性に
優れた結晶成長技術上して、最近注目されている。

これらの気相成長装置においては一般に基板を成長温度
に加熱し、原料となるガスを基板表面上で熱分解させて
結晶成長を行なう。

このような気相成長法は、多数枚の基板に一度にエピタ
キシャル成長する量産が可能である。そこで第６図に示
すように、多数枚の基板４をドーナツ状のサセプタ−６
に円環状に並べて成長を行う気相成長装置（たとえば特
開昭５８−１９７７２４号公報）がある。結晶成長に用
いられる原料ガスは、サセプター６の中心、すなわち成
長炉内の中央部に設けられたガス導入口６１から成長炉
３に供給され、成長炉内の周囲に向って流れる。基板４
を載置しているサセプター６は主として黒鉛製であり、
高周波コイル６により誘導加熱されており、したがって
基板４も成長温度にまで加熱されている。供給された原
料ガスは、加熱された基板４上で熱分解反応し、結晶が
エピタキシャル成長する。反応後のガスは排気口６２か
ら排気される。

このような装置において、多数枚の基板に同時に同じ組
成、膜質の結晶成長が可能となった。なお成長炉３の中
央部にガス導入口をもつ導入管６３は図では成長炉３の
下部にある場合を記したが、第８図に示すように逆に成
長炉の」二部にある場合もある。

発明が解決しようとする問題点 ところが、原料ガスのガス導入口６１が成長炉３の中央
部、すなわち円環状に載置された多数枚の基板４の中心
部にあるため、原石ガスは成長炉３の中央部から周囲へ
拡散していくように流れることとなる。結晶成長が原料
ガス輸送律速である場合、例えば■族元素にその有機金
属（アルキル化物）を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
結晶のＭＯＶＰＥ法などの場合、原料ガスの濃度、供給
量によって成長速度、膜質、混晶の場合の組成に大きな
影響を与える。したか−〕で第６図に示すような成長炉
３をもつ気相成長装置では、原料ガスは成長炉３の周囲
に流れるにしたがって希薄になるため、例えば結晶成長
速度は第７図ａに示すように中央部、すなわちガス導入
口側の基板の端からガス流方向すなわち周辺部へ向って
減少してぃく。これは単位面積当りの原石ガス供給量が
ガス導入口のある成長炉の中央部からの距離（ｘ）に反
比例して減少していくためである（Ｇ３（Ｘ）＝　、　
、　Ｃは定数）０なおこの場合原料ガスの拡散による効
果のみを考えている。更に原料ガスが基板上を水平９２
５、　）より成長速度は第７図すのごとくガス流の上流
側から下流側へ、この装置の場合成長炉の中央側の基板
端から周辺部へ向ってやはり減少傾向にある（　Ｇ４（
ｘ）　−Ｃ２ｅｘｐ　（−Ｃ１ｘ　）、Ｃ１，Ｃ２は定
数）。したがって、実際には両者の影響が合わさってく
るので成長速度は第７図Ｃのように基板の成長炉中央側
から周辺部側へ向って減少してしまっ。更に混晶の場合
、構成元素の結晶への取り込み率の濃度依存性が異なる
ため、基板の成長炉中央側から周辺側へ向って組成の変
化が生じる。

また組成の変化により格子定数の整合度が変わってくる
ので結晶性や膜質にも影響を与える結果となる。

本発明はかかる点を鑑みてなされたもので、均一な膜厚
、膜質１組成が得られ、かつ量産性ある気相成長装置を
提供することを目的としている。

問題点を解決するだめの手段 前述の問題点を解決する本発明の技術的手段は、成長炉
の中央部に設けられたガス排気口と、前記ガス排気口の
周辺部に結晶成長用基板を載置するサセプターと、前記
成長炉内の周辺部に設けられた少なくとも１種類以上の
結晶成長速度刺ガスの前記成長炉へのガス導入１」とを
備えているものである。

作　　用 この技術的手段による作用は次のようになる。

原石ガスは、成長炉の周辺部から中央部へ向って流れる
ため、流れるにしたがって原料ガスが集中する傾向にあ
る。したがって、境界層モデルによる成長速度の減少傾
向と、原料ガスの集中にともない濃度が高くなることに
よる成長速度の増加傾向との相殺によって、はＩＹ均一
な成長速度、すなわち膜厚、膜質２組成の結晶が得られ
る。

実施例 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図に基づい
て説明する。第１図は■−■族化合物半導体リン化イン
ジウム（ＩｎＰ）の結晶成長用有機金属気相成長（ＭＯ
ＶＰＥ）装置の成長炉の構造の概略であり、第２図はこ
のＭＯＶＰＥ装置のガス系統の概略である。

ガス排気管１のガス排気口２は成長炉３の中央部に設け
られており、その周囲にＩｎＰ基板４を載置するサセプ
ター６を備えている。またこのサセプター５は高周波コ
イル６による高周波誘導によって加熱され、それによっ
て基板４を成長温度に加熱する。原料ガスとしてはＩｎ
　の有機金属であるトリエチルインジウム（Ｔ　Ｅ　Ｉ
　；（Ｃ２Ｈ６）３ＩｎとＰの水素化物であるホスフィ
ン（ＰＨ３）ヲ用い、それぞれ、ガス導入管７および８
で供給され、成長炉３内の周辺部に設けられたガス導入
口９および１０より成長炉３内に導入される。ガス導入
目９および１０の形状は、成長炉３の内壁に沿うような
円環状をしており、原料ガスが成長炉３の内壁付近で一
様に導入されるようになっている。成長炉３内に導入さ
れた原料ガスは、成長温度にまで加熱された基板表面上
で次のような熱分解反応をおこし、ＩｎＰ結晶をエピタ
キシャル成長する。

（Ｃ２Ｈ５）ｓ　Ｉ　ｎ　４　ＰＨ３→Ｉ　ｎＰ　＋　
３Ｃ２Ｈ６通常、気相成長では前述した境界層モデルに
よってガス流方向の結晶成長速度が説明されており、ガ
ス流方向（ｘ）に対しｅｘｐ（−Ｃ１ｘ　）に比例して
減少していく（第３図ａ参照）。ところが基板載置面は
円形であり、原料ガスはその円の円周部分から中心部へ
向って半径方向に流れるため、原料ガスは中心部に流れ
るにしたがって集中する形となり、したがって単位面積
当りに供給される原料ガスはガス導入口からガス流方向
の距離（ｘ）が離れにつれて増加する。よ−て結晶の成
長速度も（ｘｏ−ｘ）　”に比例して増えると渚えられ
る。なおＸ。はガス導入口から成長炉の中心までの距離
である（第３図す参照）。以−にのことから本発明の実
施例においては、境界層モデルによる影響と原料ガスの
集中による影響との両者を考慮すると結晶の成長速度は
第３図Ｃに示すように両者が相殺し合って、基板上では
ほぼ一定となる。ゆえに成長したＩｎＰ層の膜厚はほぼ
均一となる。なおＩｎＰ　基板は２インチウェノ１−で
ある。

さてこのＭＯＶＰＥ装置のガス配管を第２図に示す。ト
リエチルインジウムは比較的蒸気圧の高い液体であるの
で、マスフロー２１により流量制御されたキャリアガス
（水素）をトリエチルインジウム２２の中へ流し込み、
バブリングしてガス導入管７から成長炉３へ供給される
。一方のホスフィンはボンベ２３よりマス７０−２４で
ａｉｆ　制御され、ガス導入管８から供給される。なお
この装置では有機金属、ボンベをそれぞれもう１本ずつ
追加でき、例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧ；（Ｃ２
Ｈ５）３Ｇａ）２６とアルシフ　（Ａ　５Ｈ３）２６と
するとＩｎ１−ＸＧａｘＡｓｙＰｌ−ｙなる４元混晶も
成長可能となる。このような混晶成長の場合でも、従来
のガス流方向による組成の変化、膜質の不均一が、前述
した成長速度と同様、境界層モデルと原料ガスの集中と
の両者の影響の相殺によってはぼなくなる。なおガスｖ
１気管１よりガスは排気系へ排気される。まだ減圧ポン
プ２７により減圧成長も可能である。具体的に成長条件
としてトリエチルインジウムへのバブリング量３００”
／ｓｉｎ　。

ホスフィンＢ　ｃ、ｃ、／ｗｉｎ　、成長温度６５０°
Ｃ１炉内圧力１００Ｔｏｒｒである。成長速度は従来＋
２ｏ％であったものが、本発明の実施例では±６％以下
となった。

第４図に本発明の第２の実施例を示す。ガス導入管およ
びガス導入口以外は第１図の実施例と同じであるので説
明は省略する。原料ガスを成長炉３に供給するガス導入
管４１および４２は途中で多数に枝分れし、多数のガス
導入口４３および４４が成長炉３の内壁に沿って一定間
隔で円環状に配されており、これにより、原料ガスは成
長炉３の周辺部から中火部に設けられているガス排気口
２に向って基＆４上を一様に流れる。このように原料ガ
スが成長炉の周辺部から一様に供給できるガス導入口で
あればその構造、形状は前述のものに限るものではない
。

第６図に本発明の第３の実施例を示す。基板４は水平で
はなく、角度をもった傾斜したサセプタ−６に載置され
、原料ガスの成長炉３内での流れをスムーズにした構造
をもつ成長炉３であり、他の部分は第１図と同じである
。またこの構造であると成長炉３が、基板を水平に置く
場合より小型化できる。なお成長炉３の中央部に設けら
れたガス排気口２の上部が広く空くと、ガスの熱対流が
問題となる懸念があるので、対流防止ブＯンク６１を備
えている。

第２および第３の実施例においても、第１図の場合とほ
ぼ同様な本発明の効果が生じる。以上の説明はＩｎＰ−
Ｍ○ＶＰＥ装置であ−〕だがこの材料系に限らず、丑だ
ＭＯＶＰＥに限らず、Ｉ■−■族。

１−■族などの化合物半導体、シリコン等の単体半導体
の気相成長装置でもよく、更には半導体に限らず、気相
成長する物質系であれば本発明を適用することができる
。

また、サセプターは固定で説明したが、排気口を中心に
回転する機構があっても、本発明を適用てき成長層の均
一性は更に向上する。

発明の効果 以」−述べてき／Ｇように本発明によれば、通常の気相
成長で見られる境界層モデルによるガス流方向に対する
成長層の膜厚、膜質１組成への影響を、ガス流方向に沿
って原料ガスを集中させることにより相殺ｉ〜、膜厚、
膜質２組成の均一な成長層が得られ、今後気相成長装置
として、またデバイス作成上の歩留り向」二に極めて有
益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である気相成長装置の成長炉
部の概略構造図、第２図は本発明の一実施例である気相
成長装置のガス配管系の概略図、第３図は本発明の気相
成長装置のガス流方向の成長速度の変化を示す説明図、
第４図は本発明の第２の実施例である気相成長装置の成
Ｊマ炉部の概略構造図、第５図は本発明の第３の実施例
である気相成長装置の成長炉部の概略構造図、第６図は
従来の気相成長装置の概略構造図、第７図は従来の気相
成長装置におけるガス流方向の成長速度の変１３　′− 化を示す説明図、第８図は従来の他の気相成長装置の概
略構造図である。 ２・・・・・・ガス排気口、３・・・・・・成長炉、４
・・・・・・基板、６・・・・・・サセプター、９．１
０・・・・・・ガス導入口。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名８　
　　　　　　（ｎり４−　’Ｉ’４−”Ｗ　　　　　　
　　（１）９″′Ｇ ｔξ　　　　　　− ４−’Ｉ昔Ｖ　　　　　（ｒ）’）　（−／１４′ｖし
　　　　　　　　　　　　− 第５図 第６図 第７図 ÷ 第８図 α

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）成長炉の中央部に設けられたガス排気口と、前記
   ガス排気口の周辺部に結晶成長用基板を載置するサセプ
   ターと、前記成長炉内の周辺部に設けられた少なくとも
   １種類以上の結晶成長用原料ガスの前記成長炉へのガス
   導入口とを備えていることを特徴とする気相成長装置。
2. （２）成長炉内の周辺部に設けられたガス導入口が、結
   晶成長原料ガスの種類毎に、それぞれ半径の異なる同心
   の円環状をした形状をしている特許請求の範囲第１項記
   載の気相成長装置。
3. （３）成長炉内の周辺部に設けられたガス導入口が、同
   １種類の結晶成長用原料ガスにおいても複数個に分かれ
   、等間隔で円状に配置されている構造をしている特許請
   求の範囲第１項記載の気相成長装置。
4. （４）結晶成長用原料ガスが有機金属の蒸気を含むガス
   である特許請求の範囲第１項記載の気相成長装置。