(57)【要約】【課題】  原料の利用効率を高くし、高品質の化合物半導体を成長させる。【解決手段】  成長室１内に、基板ＳＢを保持する回転自在な基板保持台２と、基板保持台２の加熱手段３と、基板ＳＢに向けて反応ガスを供給するガス供給部４と、排ガスを成長室１外へ排出する排気口９とを備えた気相成長装置において、成長室１の側壁１０の内径を基板保持台２の外径と略同じとして成長室１内に反応空間ＲＳを形成し、ガス供給部４を互いに離隔して配置された第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６及びドーパントガス供給部８で構成し、基板ＳＢの回転軌跡の法線方向と直交し、下辺１１ｂが基板保持台２と平行で且つ近接する方形の開口面１１ａを有する排気導入管１１を排気口９に接続し、第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６、ドーパントガス供給部８、開口面１１ａを、基板保持台２の回転で基板ＳＢが順次遷移するように配設する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長室内に、基板を保持する回転自在な基板保持台と、基板保持台を加熱する加熱手段と、基板保持台と対向する面に設けられ基板に向けて反応ガスを供給するガス供給部と、成長室内の排ガスを成長室外へ排出する排気口とを備えた気相成長装置であって、
成長室の側壁の内径を基板保持台の外径と略同じとすることで成長室内に反応空間を形成し、
ガス供給部を互いに離隔して配置された少なくとも第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部で構成し、
基板の回転軌跡の法線方向と直交し、基板保持台側の辺が基板保持台と平行で且つ近接する方形の開口面を有する排気導入管を排気口に接続し、
第一原料ガス供給部、第二原料ガス供給部、及び排気導入管の開口面を、基板保持台の回転により基板が第一原料ガス供給部、第二原料ガス供給部、排気導入管の開口面と順次遷移するように配設したことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
ガス供給部を、全域に亙ってキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、キャリアガス供給部に互いに離隔して挿入された少なくとも第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部で構成したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
反応空間の高さを、反応空間のガス分布状態が、ガス供給部側に形成されるキャリアガスが主体的に存在するフレッシュキャリア層、基板保持台側に形成される実反応層、及びフレッシュキャリア層と実反応層を共存させるために最低限必要となるバッファ層の三層構造となるように設定したことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
排気導入管の開口面の基板保持台側の辺が、実反応層とバッファ層の界面に位置することを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
【請求項５】
排気導入管と基板保持台との間に形成された空間に、基板保持台に向けてキャリアガスあるいは原料ガス、又はキャリアガスと原料ガスの両方を供給する第二ガス供給部を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
ドーパントガス供給部を第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部と離隔してガス供給部あるいは第二ガス供給部に配設したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
反応空間を取り巻く各構成要素のうち基板保持台を除くすべての構成要素をそれぞれ冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項８】
基板保持台が基板を円筒外周に保持する基板保持筒であって、成長室側壁が基板保持筒の両端面に近接して配設され、反応空間が基板保持筒の外側に円環状に形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体を成長させる有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の気相成長装置としては、例えば図７に示すＭＯＣＶＤ装置がある（特許文献１参照）。このＭＯＣＶＤ装置１００は、成長チャンバー１０１の上部に第一ガス供給部１０２、第二ガス供給部１０３、キャリアガス供給部１０４、およびドーパントガス供給部１０５からなるガス供給部１０６を備えており、成長チャンバー１０１内に基板ＳＢを取付ける基板保持台１０７が回転自在に設けられている。
【０００３】
基板保持台１０７には加熱手段１０８が設けられており、ガス供給部１０６と基板保持台１０７との間にはガス冷却部１０９が介設されている。成長チャンバー１０１の側壁と基板保持台１０７との間には、基板保持台１０７上に供給された各種ガスを排出口１１０へと導く排ガス通過空間１１１が設けられている。
基板保持台１０７とガス冷却部１０９の間隔は大きく、両者間では比較的緩やかな温度勾配が形成されている。この温度勾配と、ガス供給部１０６から供給される各種ガスのダウンフローと、基板保持台１０７の高速回転による遠心力によって、成長チャンバー１０１内には、ガス供給部１０６から基板保持台１０７、排ガス通過空間１１１を経て排出口１１０へ至るガスの流れを形成し、基板ＳＢ上で気相成長を行う。
【特許文献１】特表２００１−５０６８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の気相成長装置は、基板上は常に各種ガスが存在しており、その中には基板に到達する前に第一原料ガスと第二原料ガスとが混合して生成した附加化合物（ａｄｄｕｃｔ）も含まれており、これらのガスが基板保持台に随伴して回転し基板上に滞留する傾向がある。このように、基板付近に気相成長に寄与しない附加化合物が滞留すると原料ガスの濃度が低下するので原料の利用効率が悪くなる。ここで、附加化合物とは、２種類の有機化合物が弱く結合したもの、あるいは不飽和結合の原子に他の原子団が結合したもの（例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）のインジウム（Ｉｎ）にホスフィン（ＰＨ3 ）が結合した（ＰＨ3 ）3 Ｉｎ・ＰＨ3 ）を指す。
【０００５】
附加化合物は基板の気相成長に寄与せず異物として基板に混入し品質の低下を招く場合がある。
また、基板保持台とガス供給部の間隔が大きいため第一原料ガスと第二原料ガスとが基板に到達する前に互いに混合する割合が相対的に大きく、これらのガスは基板上での気相成長には寄与しないので、原料の利用効率は低い。
【０００６】
さらには、排ガス通過空間が基板保持台の周囲に配置されているので、相当量の原料ガスが基板上に滞留した原料ガスの上面を掠めるように流れて排ガス通過空間へと導かれ、そのまま排気されるため原料の利用効率が低いといった問題があった。
本発明は、気相成長装置における上記問題を解決するものであって、原料の利用効率が高く、高品質の化合物半導体を成長させることのできる気相成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、上記課題を解決するため、成長室内に、基板を保持する回転自在な基板保持台と、基板保持台を加熱する加熱手段と、基板保持台と対向する面に設けられ基板に向けて反応ガスを供給するガス供給部と、成長室内の排ガスを成長室外へ排出する排気口とを備えた気相成長装置において、成長室の側壁の内径を基板保持台の外径と略同じとすることで成長室内に反応空間を形成し、ガス供給部を互いに離隔して配置された少なくとも第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部で構成し、基板の回転軌跡の法線方向と直交し、基板保持台側の辺が基板保持台と平行で且つ近接する方形の開口面を有する排気導入管を排気口に接続し、第一原料ガス供給部、第二原料ガス供給部、及び排気導入管の開口面を、基板保持台の回転により基板が第一原料ガス供給部、第二原料ガス供給部、排気導入管の開口面と順次遷移するように配設している。
【０００８】
この気相成長装置によれば、反応空間に各種原料ガスが安定して分布した状態の中を基板が通過していくので、付加反応物の生成は極めて少なく、原料の利用効率も高い。また、基板に到達した各種原料ガスは１サイクルごとに排出され、基板上は附加化合物も常に除去されて清浄な状態が保たれるので、原料の利用効率が高く、品質の劣化が抑えられて高い品質の化合物半導体を成長させることができる。
【０００９】
ガス供給部を、全域に亙ってキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、キャリアガス供給部に互いに離隔して挿入された少なくとも第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部で構成すると、原料ガス同志の分離状態を安定して保持できるので、付加反応物の生成をさらに低減することができる。
反応空間の高さを、反応空間のガス分布状態が、ガス供給部側に形成されるキャリアガスが主体的に存在するフレッシュキャリア層、基板保持台側に形成される実反応層、及びフレッシュキャリア層と実反応層を共存させるために最低限必要となるバッファ層の三層構造となるように設定すると、基板上の原料ガス濃度が最適化され、原料の利用効率が向上する。
【００１０】
排気導入管の開口面の基板保持台側の辺が、実反応層とバッファ層の界面に位置していると、基板上に分布する全てのガスを排出するのではなく、気相成長に有効な反応ガスを基板に随伴させることができるので、原料の利用効率が向上する。
排気導入管と基板保持台との間に形成された空間に、基板保持台に向けてキャリアガスあるいは原料ガス、又はキャリアガスと原料ガスの両方を供給する第二ガス供給部を設けると、キャリアガスを供給することで排気導入管への原料の付着が防止でき、原料ガスを供給することで一旦基板上で成長した元素が離脱するのを防止することができる。
【００１１】
ドーパントガス供給部を第一原料ガス供給部及び第二原料ガス供給部と離隔してガス供給部あるいは第二ガス供給部に配設すると、例えば、ドーパントガス供給箇所をＩＩＩ族ガスとＶ族ガスの間に設定したり、Ｖ族ガスの後段に設定するといったようにドーパントガス供給順序を選択でき、化合物半導体の物性を変化させることが可能となる。
反応空間を取り巻く各構成要素のうち基板保持台を除くすべての構成要素をそれぞれ冷却する冷却手段を設けると、構成要素の部材の保護と最適な温度勾配を安定して保持することが可能となる。
【００１２】
基板保持台が基板を円筒外周に保持する基板保持筒であって、成長室側壁が基板保持筒の両端面に近接して配設され、反応空間が基板保持筒の外側に円環状に形成されていると、多数の基板を一度に処理することが可能である。また、基板保持台が円盤状の場合では中心付近と外周側とは周速の違いにより化合物半導体の品質に多少差が生じる可能性があるが、円筒状であれば基板の取付箇所にかかわらず化合物半導体の品質を均一にすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、原料の利用効率が高く、高品質の化合物半導体を成長させることのできる気相成長装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の実施の一形態を示す気相成長装置の構成図、図２はガス供給部と排気導入管の平面上の配置の一例を示す説明図、図３は気相成長装置の成長室を基板保持台の回転方向に展開した反応空間の説明図、図４は反応空間のガス分布状態の説明図である。
この気相成長装置は、縦長で円筒状の成長室１内に、複数枚の基板ＳＢを載置する回転自在な基板保持台２と、基板保持台２を加熱する加熱手段３と、基板保持台２と対向する面に設けられ基板ＳＢに向けて反応ガスを供給するガス供給部４と、成長室１内の排ガスを成長室１外へ排出する排気口９とを備えている。
【００１５】
成長室１の側壁１０は、その内径を円盤状の基板保持台２の外径と略同じ径に設定されており、基板保持台２とガス供給部４と側壁１０とによって、成長室１内に閉ざされた反応空間ＲＳが形成されている。
ガス供給部４は、全域に亙ってキャリアガスを供給するキャリアガス供給部７と、キャリアガス供給部７に互いに離隔して挿入された第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６及びドーパントガス供給部８で構成されている。
【００１６】
キャリアガス供給部７は、多数のノズル７ｂを基板保持台２に対して同心円状且つ放射状に隈なく配置して各ノズル７ｂを連通し、１箇所もしくは数箇所に供給管７a を接続している。これによりキャリアガスは基板ＳＢにシャワーのように供給される。
第一原料ガス供給部５は、供給管５ａとノズル５ｂの対が基板保持台２の半径方向に５対並んで設けられており、各ノズル５ｂからの原料ガスの供給量は図示しないマスフローコントローラによって調整している。各ノズル５ｂはキャリアガス供給部７のノズル７ｂとの干渉を避けるように配置されている。
【００１７】
第二原料ガス供給部６、ドーパントガス供給部８も第一原料ガス供給部５と同様に構成されている。
通常、第一原料ガス供給部５からはＩＩＩ族ガスが、第二原料ガス供給部６からはＶ族ガスがそれぞれ供給される。
排気口９には、排気導入管１１が接続されている。排気導入管１１は反応空間ＲＳに開口する方形の開口面１１ａを有しており、この開口面１１ａは基板ＳＢの回転軌跡の法線方向と直交し、円盤状の基板保持台２の半径方向と一致している。開口面１１ａの下辺１１ｂは基板保持台２と平行で且つ基板保持台２に近接しており、後述する実反応層ＲＬに相当する高さに設定されている。
【００１８】
排気導入管１１の底板１１ｃ、天板１１ｄは、上り傾斜で開口面１１ａから排気口９へ連なっている。
排気導入管１１と第一原料ガス供給部５の境界には、反応空間ＲＳの半径方向の全面を遮断する隔壁１４が設けられており、この隔壁１４が排気導入管１１の側板も兼ねている。排気口９の後段には、公知の排ガス除害装置（図示略）が接続されている。
【００１９】
第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６、ドーパントガス供給部８、及び排気導入管１１の開口面１１ａは、基板保持台２の回転により基板ＳＢが第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６、ドーパントガス供給部８、排気導入管１１の開口面１１ａと順次遷移するように配設されている。
なお、この各種反応ガス供給部の配置は、処理対象物によって第三原料ガス供給部を挿入したり、それぞれのガス供給部に供給する反応ガスの順序を入れ替えたり、同じ反応ガスを二度供給するというように設定を変更しても差し支えない。
【００２０】
排気導入管１１の底板１１ｃの下方には、基板保持台２に向けてキャリアガスあるいは原料ガス、又はキャリアガスと原料ガスの両方を供給する第二ガス供給部１２が設けられている。第二ガス供給部１２のノズル１２ｂ等の構成は、ガス供給部４のものと基本的に共通している。
加熱手段３は、円盤状の基板保持台２の中心付近と外周側とを別個に加熱して温度を均一化するため、中心側ヒータ３ａと外周側ヒータ３ｂとで構成されている。
【００２１】
反応空間ＲＳを取り巻く各構成要素のうち基板保持台２を除くすべての構成要素には、冷却手段１３が設けられている。ガス供給部４の各ノズルの上方には第一冷却管１３ａが設けられ、第二ガス供給部１２と排気導入管１１との間には第二冷却管１３ｂが設けられ、この他に側壁１０の外周と排気導入管１１の天板１１ｄの上面には図示しない冷却管が設けられており、冷媒が供給されている。この冷却手段１３によって、構成要素の部材が保護され、最適な温度勾配を安定して保持することが可能となる。
【００２２】
この気相成長装置において、基板保持台２が回転すると載置されている基板ＳＢは、図３に示す隔壁１４に相当するＡ点から第一原料ガス供給部５と第二原料ガス供給部６の中間となるＢ点、第二原料ガス供給部６とドーパントガス供給部８の中間となるＣ点、排気導入管１１の開口面１１ａに相当するＤ点へと遷移する。
反応空間ＲＳには各種原料ガスが安定して分布しており、この状態の中を基板ＳＢが通過していくので、附加化合物の生成は極めて少なく、原料の利用効率も高い。また、基板に到達した各種原料ガスは１サイクルごとに排出され、基板２上の附加化合物も常に除去されて清浄な状態が保たれるので、原料の利用効率が高く、品質の劣化が抑えられて高品質の化合物半導体を成長させることができる。
【００２３】
ガス供給部４は、全域に亙ってキャリアガスを供給するキャリアガス供給部７と、キャリアガス供給部７に互いに離隔して挿入された第一原料ガス供給部５、第二原料ガス供給部６、及びドーパントガス供給部で構成されており、原料ガス同士の分離状態を安定して保持できるので、附加化合物の生成をさらに低減することができる。
反応空間ＲＳが適正な高さの場合の反応空間ＲＳの高さ方向のガス分布状態を見ると、図４（ｂ）に示すようにガス供給部４側に原料濃度が低くキャリアガスが主体的に存在するフレッシュキャリア層ＦＬ、基板保持台２側に原料濃度の高い実反応層ＲＬ、その中間にフレッシュキャリア層ＦＬと実反応層ＲＬとを共存させるために最低限必要なバッファ層ＢＬが形成されている。
【００２４】
このガス分布状態におけるフレッシュキャリア層ＦＬと実反応層ＲＬは、キャリアガスがガス供給部４の全面に亙って供給されていること、キャリアガスの流量が原料ガスの流量よりも少ないこと、原料ガスが基板ＳＢへと到達するだけの十分な流量を有することを条件として反応空間ＲＳ内で形成される。
この状態では、基板２上の原料ガス濃度が最適化されているので、原料の利用効率が高く、高品質の化合物半導体を成長させることができる。
【００２５】
排気導入管１１は開口面１１ａの下辺１１ｂが、実反応層ＲＬとバッファ層ＢＬの界面に位置しており、基板ＳＢ上に分布する全てのガスを排出するのではなく、気相成長に有効な反応ガスを基板ＳＢに随伴させることができるので、原料の利用効率が向上する。
なお、反応空間ＲＳの高さの設定が図４（ａ）に示すように高い場合には、各層の間隔が広がり基板ＳＢ付近の原料ガスの濃度が低くなり、基板に到達せずにそのまま排出される原料ガスが多くなり原料の利用効率が低下する。
【００２６】
反応空間ＲＳの高さの設定を低くしていくとやがて反応空間ＲＳは図４（ｃ）に示すように実反応層ＲＬだけで構成されるようになり、反応空間ＲＳ（＝実反応層ＲＬ）内で原料ガスが攪拌されてしまうため付加反応物が生成してしまう。また、原料ガスの濃度分布も高さ方向で均一化されるので結果として適正なバッファ層ＢＬが存在する場合と比較すると基板ＳＢ付近のガス濃度は低下する。
【００２７】
排気導入管１１と基板保持台２との間には、基板保持台２に向けてキャリアガスあるいは原料ガス、又はキャリアガスと原料ガスの両方を供給する第二ガス供給部１２を設けているので、キャリアガスを供給することにより排気導入管１１への原料の付着が防止でき、原料ガスを供給することにより一旦基板２上で成長した元素が離脱するのを防止することができる。
【００２８】
図５は本発明の他の実施の形態を示す気相成長装置の構成図、図６は一部を破断して示す気相成長装置の下面図である。
この気相成長装置は、成長室５１内に、複数枚の基板ＳＢを円筒外周に保持し回転自在な基板保持筒５２と、基板保持筒５２を加熱する加熱手段５３と、基板保持筒５２と対向する面に設けられ基板ＳＢに向けて反応ガスを供給するガス供給部５４と、成長室５１内の排ガスを成長室５１外へ排出する排気口５９とを備えている。
【００２９】
成長室５１の側壁６０は、基板保持筒５２の両側面に近接して配設され、基板保持筒５２と、基板保持筒５２に対向するガス供給部５４と側壁６０とによって、基板保持筒５２の外側に閉ざされた円環状の反応空間ＲＳが形成されている。
ガス供給部５４は、全域に亙ってキャリアガスを供給するキャリアガス供給部５７と、キャリアガス供給部５７に互いに離隔して挿入された第一原料ガス供給部５５、第二原料ガス供給部５６、及びドーパントガス供給部５８で構成されている。通常、第一原料ガス供給部５５からはＩＩＩ族ガスが、第二原料ガス供給部５６からはＶ族ガスがそれぞれ供給される。なお、ガス供給部５４のノズル等の具体的な構成は、図１、図２に示すガス供給部４のものと略共通しているので、説明を省略する。
【００３０】
排気口５９には、排気導入管６１が接続されている。排気導入管６１は反応空間ＲＳに開口する方形の開口面６１ａを有しており、この開口面６１ａは基板ＳＢの回転軌跡の法線方向と直交し、基板保持筒５２の半径方向と一致している。開口面６１ａの上辺１１ｂは基板保持筒５２と平行で且つ基板保持筒５２に近接しており、実反応層ＲＬに相当する高さに設定されている。
【００３１】
排気導入管６１の底板６１ｃは下り傾斜、天板６１ｄは略水平で、開口面６１ａから排気口５９へ連なっている。
排気導入管６１と第一原料ガス供給部５５及びドーパントガス供給部５８との境界には、反応空間ＲＳの半径方向に延びる隔壁６４が設けられている。排気口５９の後段には、公知の排ガス除害装置（図示略）が接続されている。
【００３２】
第一原料ガス供給部５５、第二原料ガス供給部５６、ドーパントガス供給部５８、及び排気導入管６１の開口面６１ａは、基板保持筒５２の回転により基板ＳＢが第一原料ガス供給部５５、第二原料ガス供給部５６、ドーパントガス供給部５８、排気導入管６１の開口面６１ａと順次遷移するように配設されている。
なお、この各種反応ガス供給部の配置は、処理対象物によって第三原料ガス供給部を挿入したり、それぞれのガス供給部に供給する反応ガスの順序を入れ替えたり、同じ反応ガスを二度供給するというように設定を変更しても差し支えない。
【００３３】
排気導入管６１の天板１１ｄの上方には、基板保持筒５２に向けてキャリアガスあるいは原料ガス、又はキャリアガスと原料ガスの両方を供給する第二ガス供給部６２が設けられている。第二ガス供給部６２のノズル等の構成も、図１、図２に示すガス供給部４のものと略共通している。
反応空間ＲＳを取り巻く各構成要素のうち基板保持筒５２を除くすべての構成要素には、冷却手段６３が設けられている。
【００３４】
この気相成長装置では反応空間ＲＳが円環状であるが、反応空間ＲＳを基板保持筒５２の回転方向に展開すると、ガス分布は図３、図４に示すものと同様であり、従って、基板ＳＢ上の原料ガス濃度が最適化されているので、原料の利用効率が高く、高品質の化合物半導体を成長させることができる。
しかも、基板保持筒５２が円筒状であるので、多数の基板ＳＢを一度に処理することが可能であり、基板ＳＢの取付位置によって化合物半導体の品質がばらつくことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の一形態を示す気相成長装置の構成図である。
【図２】ガス供給部と排気導入管の平面上の配置例を示す説明図である。
【図３】気相成長装置の成長室を基板保持台の回転方向に展開した反応空間の説明図である。
【図４】反応空間のガス分布状態の説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す気相成長装置の構成図である。
【図６】一部を破断して示す気相成長装置の下面図である。
【図７】従来の気相成長装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      成長室
２      基板保持台
３      加熱手段
４      ガス供給部
５      第一原料ガス供給部
６      第二原料ガス供給部
７      キャリアガス供給部
８      ドーパントガス供給部
９      排気口
１０    側壁
１１    排気導入管
１１ａ  開口面
１２    第二ガス供給部
１３    冷却手段
１４    隔壁
５１    成長室
５２    基板保持筒
５３    加熱手段
５４    ガス供給部
５５    第一原料ガス供給部
５６    第二原料ガス供給部
５７    キャリアガス供給部
５８    ドーパントガス供給部
５９    排気口
６０    側壁
６１    排気導入管
６１ａ  開口面
６２    第二ガス供給部
６３    冷却手段
６４    隔壁
ＢＬ    バッファ層
ＦＬ    フレッシュキャリア層
ＲＬ    実反応層
ＲＳ    反応空間
ＳＢ    基板
【図１】
2006140424.tif 000003
【図２】
2006140424.tif 000004
【図３】
2006140424.tif 000005
【図４】
2006140424.tif 000006
【図５】
2006140424.tif 000007
【図６】
2006140424.tif 000008
【図７】
2006140424.tif 000009