JPS62291022A - 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、かつ多数枚の基板上に均
一な膜厚、膜質１組成をもつ半導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、モノシラン（Ｓ　Ｉ　Ｈ４）によるシリコン（
Ｓｉ）や、有機金属（アルキル化物）による化合物半導
体結晶（ｍ　−ｖ族化合物半導体、■−■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た気相成長法を有機金
属気相成長法（ＭｏＶＰＥ法）と呼び、膜厚制御に優れ
た結晶成長技術として、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３べ−７
・ 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
プター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、す士ブタ−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
。基基４を載置しているサセプター５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土で熱分解反応し
、結晶がエピタキシャル成長する。反応後のガスは排気
口２６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」：うに逆に成
長炉の上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【］Ｃ６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、原料ガスは成長炉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。したがって第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
て減少していく。

これは単位面積当りの原料ガス供給量がガス導６ページ 数）。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。史に原料ガスが基板上を水平に９２５、）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
部へ向かってやはり減少順向にある（　Ｇ４（ｘ）　ｃ
ｃＣ２ｅｘｐ　（−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火側か
ら周辺部側へ向って減少してしまう。更に混晶の場合、
構成元素の結晶への取り入れ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２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。

６　ページ 問題点を解決するための手段 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、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
のガス導入口の前に、前記原料ガスが前記成長炉内の周
辺部から基板表面上を前記ガス排気口へ向って流れるよ
うに設けられたガス流誘導物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。

原料ガスは、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、はぼ均一な
成長速度、すなわち膜厚、膜質１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７ベー　
２ に基づいて説明する。第１図はＩＩＩ−Ｖ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（ＭＯＶＰＥ）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５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１４７ｍ
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（ＴＥ工；
（Ｃ２Ｈ６）３工ｎ）とＰの水素化物であるホスフィン
（ＰＨ３）を用い、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１ｏより成長炉３内に導入される。

ガス導入口９および１０の前には、石英製の円板状のガ
ス流誘導物１１が、成長炉３の内壁付近に１で広がる形
で設けられており、成長炉３に供給された原料ガスは成
長炉３の周辺部すなわち内壁とガス流誘導物１１とのす
き間から基板４へ導入される。成長炉３内に導入された
原料ガスは、成長温度に１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。

（ＣＨ）Ｉｎ＋ＰＨ３−＋　ＩｎＰ＋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）Ｋ
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
料ガスは成長炉３の内壁とガス流誘導物１１とのすき間
から、成長炉の中央方向への距離（Ｘ）が離れるにつれ
て増加する。よ−て結晶成長速度も（ｘｏ−ｘ）−１に
比例して増えるものと考えられる。なおＸ。は成長炉の
内壁とガス流誘導物１１とのすき間から成長炉の中心ま
での距離である（第３図す参照）。

９ペー／゛ 以上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インチウェハーである。

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７０−２１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
流量制御され、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；（ＣＨ）Ｇ
ａ）２５とアルミ７　（Ａ　ｓ　Ｈ３）　　２６とする
とＩｎ１□Ｇａ　ＸＡｓ　ｙ　Ｐｌ−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、１ｏ
ベー、゛ 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ほぼなくなる。なおガ
ス排気管１よりガスは排気系へ排気される。また減圧ポ
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
頭／　ｍｉｎ。

ホスフィン８　Ｑｌｌ、　／　ｍｉｎ　、成長温度６６
ｏ　℃＋炉内圧力１００　Ｔｏｒｒである。成長速度は
従来±２０チであったものが、本発明の実施例では±５
％以下となった。

第４図に本発明の第２の実施例を示す。ガス導入部以外
は第１図の実施例と同じであるので説明は省略する。ト
リエチルインジウムは、ホスフィン等の■族元素の水素
化物ガスと成長温度以下でも容易に反応し、成長温度で
も安定なアダクトを形成し、成長を阻害するので、なる
べく基板直前まで、原料ガスを分離しておいた方が望ま
しい。

このように原料ガスをなるべく分離して供給する必要が
ある場合がある。そこでガス導入管４１の１１　＼−、 ガス導入口４２の前に前述の実施例と同様の働きをもつ
ガス流誘導物４３を設けている。またこのガス流誘導物
４３はガス導入管４１を流れる原料ガスとは分所１して
供給したい原料ガスが流れるガス導入管４４によって一
部貫かれている。このガス導入管４４のガス導入口４６
は、ガス流誘導物４３の下部にあり、その前に他のガス
流誘導物４６によって、原料ガスは成長炉３の周辺部、
つまり内壁付近に誘導され、この部分で他の原料ガスと
混合することとなる。混合したあと原料ガスは成長温度
に加熱さノ１．た基板４の表面上で結晶成長することは
第１図の実施例の場合と同じである。

なお分離して導入する原料ガスが多数ある場合は、ガス
流誘導物４３と同様のガス流誘導物を何段にも重ねた構
造とすｉｚばよい。

第５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ー６に載置さね
、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４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、ガス導入口５１の前のガス
流誘導物６２はほぼ逆円錐状の形状をしており、対流防
止ブロックの役目も兼ねている。

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」二の説明はＩｎＰ
　−ＮＯＶ　Ｐ　Ｅ装置であったがこの材料系に限らず
、またＭ○ＶＰＥに限らず、ｍ−ｖ族。

■−■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
。なおガス流誘導物の形状は円板状に限らず、原料ガス
を成長炉の内壁付近に寸で誘導し、そこから基板上を通
って成長炉中央部のガス排気口へ向って流れる。

また、サセプターが固定式で説明したが、排気口を中心
に回転する機構があっても、本発明を適用でき、成長層
の均一性は更に向」−する。

１３　・＼ 発明の効果 以上述べてきたように本発明によれば、通常の気相成長
で兄ら力、る境界モデルによるガス流方向に対する成長
層の膜厚、膜質、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し、膜厚、膜質１
組成の均一な成長層が得られ、今後気相成長装置として
、斗たデノくイス作成上の歩留り向上に極めて有益であ
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
長炉部の概略構造図、第６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化を示す説明
図、第８図は従来の他の気相成長装置４　・＼ 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、９，１０．６１
・・・・ガス導入口、１１，４３．５２・・・・・・ガ
ス流誘導物。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第３
図 第４図 Ｃ八） （ｂ） 第５図 第６図

Claims (2)

【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、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の前に、前記原料ガスが前記
   成長炉内の周辺部から基板表面上を前記ガス排気口へ向
   って流れるように設けられたガス流誘導物とを備えたこ
   とを特徴とする気相成長装置。
2. （２）ガス流誘導物が、成長炉内壁付近まで広がった形
   状をしており、かつ前記ガス流誘導物でガス流を前記成
   長炉内の周辺部へ誘導しない他の原料ガスが流れる前記
   ガス流誘導物を突き抜けたガス導入管を備えてあるもの
   である特許請求の範囲第１項記載の気相成長装置。