(57)【要約】【課題】副生物による汚染、白濁の問題が生じず、結晶性の高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる方法であって、反応管のスループットが向上された気相成長方法、および当該気相成長方法に好適に用いることができる有機金属気相成長装置を提供する。【解決手段】有機金属気相成長装置を用いた、基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長方法であって、該有機金属気相成長装置内の第１の室（１０２）において、水素を含む雰囲気中、基板を熱処理する熱処理工程と、第１の室（１０２）とは異なる第２の室（１０３）において、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる気相成長工程とを含むことを特徴とする気相成長方法、および当該気相成長方法に用いられる有機金属気相成長装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機金属気相成長装置を用いた、基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長方法であって、
前記有機金属気相成長装置内の第１の室において、水素を含む雰囲気中、前記基板を熱処理する熱処理工程と、
前記第１の室とは異なる第２の室において、前記基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる気相成長工程と、
を含む気相成長方法。
【請求項２】
前記熱処理工程における加熱温度は、前記気相成長工程におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の成長温度以上である、請求項１に記載の気相成長方法。
【請求項３】
前記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、請求項１または２に記載の気相成長方法。
【請求項４】
前記基板は、ＩＶ族半導体である、請求項１または２に記載の気相成長方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の気相成長方法に用いられる有機金属気相成長装置であって、
水素を含む雰囲気下、基板を熱処理するための第１の室と、
基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させるための第２の室と、を少なくとも有し、
前記第１の室は、ゲートバルブを介して前記第２の室と隣接している、有機金属気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体の気相成長方法、特には、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、有機金属気相成長）装置を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長方法に関する。また、本発明は、当該気相成長方法に好適に用いられる有機金属気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばＳｉやＧｅ等の基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓなどをＭＯＣＶＤ法等の化学気相成長法によりヘテロエピタキシャル成長させる際には、成長前に水素雰囲気中または水素とＡｓＨ3（アルシン）との混合雰囲気中、７００〜１０００℃程度の温度で該基板を加熱させる工程が必要とされる。水素は基板上の酸化膜を除去し、ＡｓＨ3は反応管に付着したＧａＡｓの再蒸発を防止するためのものであり、このような気相成長工程前の加熱処理により、成長する薄膜の結晶性を改善することが可能となる。
【０００３】
しかし、前回の気相成長工程により反応管の内壁に付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物の分解の抑制が十分でないために、副生したＧａ等のＩＩＩ族化合物などにより、ＧａＡｓ等のエピタキシャル薄膜表面を汚染したり、あるいは、当該加熱前処理時に、前回の気相成長工程で用いた、反応管に残存するトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等のＩＩＩ族有機原料ガスが分解して炭化物が副生し、該炭化物がエピタキシャル薄膜表面を汚染する場合があり、これらは、ＧａＡｓ等のエピタキシャル薄膜表面を白濁させる要因となっていた。
【０００４】
従来、上記問題を解決するために、高い頻度で反応管や基板サセプターを交換することが行なわれていた。しかし、この方法では、反応管交換工程や交換後の条件出しなどにより、スループットが低下するという課題が残る。
【０００５】
また、特許文献１には、上記加熱前処理工程におけるＡｓＨ3（アルシン）の代わりにターシャリブチルアルシン（ｔ−ＢｕＡｓＨ2）等の有機Ｖ族化合物を用いる場合において、該有機Ｖ族化合物が分解して生じる炭化物による、成長薄膜の結晶性の劣化を防止するための方法として、原子状水素を含む水素ガス、もしくは原子状水素と水素分子イオンを含む水素ガスと、有機Ｖ族化合物ガスとの混合ガス中において、基板を加熱前処理する方法が記載されている。原子状水素を用いることにより、有機Ｖ族化合物の分解によって生じる炭化水素ラジカルを速やかに基板上に付着しにくい炭化水素に変質させて排気除去し、これによって、基板表面の炭素汚染が防止されるものである。
【０００６】
しかし、当該原子状水素を含む水素ガスを導入して熱処理する方法においても、反応管のスループットの低下などが課題となる。
【特許文献１】特開平５−１４４７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、上記副生物による汚染、白濁の問題が生じず、結晶性の高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる方法であって、反応管のスループットが向上された気相成長方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、当該気相成長方法に好適に用いることができる有機金属気相成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決のためには、加熱前処理する工程と薄膜を気相成長させる工程とを、異なる室（場所）で行なえばよいとのことから本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。
【０００９】
本発明の気相成長方法は、有機金属気相成長装置を用いた、基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長方法であって、該有機金属気相成長装置内の第１の室において、水素を含む雰囲気中、基板を熱処理する熱処理工程と、第１の室とは異なる第２の室において、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる気相成長工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記熱処理工程における加熱温度は、上記気相成長工程におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の成長温度以上であることが好ましい。
【００１１】
上記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であってもよく、あるいはＩＶ族半導体であってもよい。
【００１２】
さらに本発明は、上記いずれかに記載の気相成長方法に用いられる有機金属気相成長装置であって、水素を含む雰囲気下、基板を熱処理するための第１の室と、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる第２の室と、を少なくとも有し、該第１の室は、ゲートバルブを介して該第２の室と隣接している有機金属気相成長装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の気相成長方法および有機金属気相成長装置によれば、反応管に付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物の再蒸発による成長薄膜の汚染や有機金属原料ガス由来の炭化物等の副生物による成長薄膜の汚染が大幅に低減されるため、その結果、半導体装置の歩留まりが向上する。また、反応管（第２の室）で薄膜形成を行なっている間に、第１の室にて、別の基板の加熱前処理を行なうことができるため、反応管のスループットを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の気相成長方法は、有機金属気相成長装置を用いた、基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長方法であり、該有機金属気相成長装置内の第１の室において、水素を含む雰囲気中、基板を熱処理する熱処理工程と、第１の室とは異なる第２の室において、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる気相成長工程とを含むことを特徴とする。このように、基板上の酸化膜を除去する熱処理工程と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜形成工程とを異なる場所（室）で行なうことにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物が内壁等に付着していないクリーンな場所で酸化膜の除去を行なうことができるため、薄膜成長直前の基板表面を清浄に保つことができる。また、反応管（第２の室）の温度が、通常は薄膜成長温度より高い温度である、熱処理工程における加熱温度まで上げることがなくなるため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の再蒸発による成長薄膜の汚染や有機金属原料ガス由来の炭化物等の副生物による成長薄膜の汚染が大幅に低減されるため、これにより成長薄膜の白濁の問題が解消される。このことは、成長した半導体薄膜の結晶性を向上させる。さらに、反応管（第２の室）で薄膜形成を行なっている間に、第１の室にて、別の基板の加熱前処理を行なうことができるため、反応管のスループットを向上させることができる。以下、本発明の気相成長方法の各工程について図１を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
＜熱処理工程＞
図１は、本発明の気相成長方法に好適に用いられる有機金属気相成長装置の一例を示す概略図である。図１の有機金属気相成長装置は、基板の出し入れを行なうための基板セット室１０１と、基板を熱処理するための第１の室１０２と、基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させるための第２の室１０３（反応管）とを備え、基板セット室１０１、第１の室１０２、第２の室１０３は、この順で、ゲートバルブ１０４を介して連続して配置されている。すなわち、基板セット室１０１と第１の室１０２とはゲートバルブ１０４を介して隣接しており、第１の室１０２と第２の室１０３もまた、ゲートバルブ１０４を介して隣接している。基板セット室１０１、第１の室１０２、第２の室１０３にはそれぞれ、水素ガスおよび／または窒素ガスを導入するための導入管１０５、１０６、１０７が配設され、さらに第２の室１０３には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料ガスを導入するための原料ガス導入管１０８、１０９が配設されている。さらに図１の有機金属気相成長装置は、各室を真空状態にするためのロータリーポンプ１１１を有し、該ロータリーポンプ１１１は、各室と排気管１１０で接続されている。
【００１６】
ここで、本工程においてはまず、基板セット室１０１に基板をセットし、十分に窒素置換する。本発明の気相成長方法が適用される基板としては、特に限定されるものではなく、たとえばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族半導体、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等のＩＶ族化合物半導体を挙げることができる。なかでも、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族半導体の基板の場合、酸化物除去の雰囲気が水素のみで構わないこと、酸化物除去に必要とされる温度が成長温度よりも比較的高温にする必要があるとの理由から、本発明の効果が特に優れている。
【００１７】
続いて、有機金属気相成長装置が具備する搬送装置等を用いて、基板を第１の室１０２に搬送した後、水素を含む雰囲気中で基板の熱処理を行なって、基板上の酸化膜を除去する。水素を含む雰囲気は、水素ガス単独、あるいは、水素ガスおよび他のガスを第１の室１０２に導入することにより形成されるものであり、導入される水素ガスの流量は、特に限定されないが、たとえば１Ｌ／ｍｉｎ〜１０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。他のガスとしては、たとえば窒素ガス等の不活性ガス、ＡｓＨ3、ＰＨ3等のＶ族化合物ガスなどを挙げることができるが、これに限定されない。
【００１８】
水素ガスの導入とともに他のガスを導入する場合、その流量比（水素ガス／他のガス）は、５００〜５程度であることが好ましい。流量比（水素ガス／他のガス）が５未満である場合、酸化膜の除去が十分になされない場合がある。
【００１９】
熱処理時の加熱温度は、基板の種類にもよるが、７００〜１０００℃程度である。たとえば、基板がＧｅの場合、酸化膜を十分に除去するためには、加熱温度は７５０〜８００℃程度であることが好ましい。たとえば、基板がＧａＡｓの場合には、加熱温度は７００〜７５０℃程度であることが好ましく、基板がＳｉの場合には、加熱温度は８００〜１０００℃程度であることが好ましい。また、熱処理時の第１の室１０２内の圧力は、大気圧〜１Ｐａ程度である。熱処理の時間は、特に限定されるものではなく、基板の種類等により適宜選択される。
【００２０】
熱処理が施され、酸化膜が除去された基板は、１５０〜２００℃程度のロードロック可能な温度まで低下させた後に、有機金属気相成長装置が具備する基板搬送装置等を用いて、基板を第２の室１０３（反応管）に搬送する。該搬送は、再度酸化膜が形成されないよう、１×１０5Ｐａ未満の真空中、または水素／窒素混合ガス中で行なうことが好ましい。このような搬送時の圧力、雰囲気は、図１に示されるゲートバルブ１０４により実現される。すなわち、基板を熱処理するための第１の室と反応管（第２の室）とはゲートバルブによって仕切られており、搬送には２つの室を均等圧力にしてゲートバルブを開けて、ロボットアームにより搬送させる。
【００２１】
なお、図１に示される有機金属気相成長装置を用いた場合、熱処理工程を行なうにあたっては、基板セット室１０１が第１の室１０２とは別途に設けられているため、基板を基板セット室１０１にてセットし、これを第１の室１０２に搬送することとなるが、図２に示されるように、別途に基板セット室を設けることなく、熱処理を行なうための第１の室１０２に基板をセットできる構成の有機金属気相成長装置を用いてもよい。
【００２２】
＜気相成長工程＞
本工程において、第２の室１０３にて、酸化膜が除去された基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜を気相成長させる。該半導体薄膜を気相成長させる方法としては、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。基板上に形成させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等を挙げることができるが、これに限定されるものではない。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の成長温度は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の種類にもよるが、概して５５０〜７００℃程度である。たとえば、基板がＧａＡｓの場合、薄膜成長温度は６００〜７００℃程度である。
【００２３】
上記のように、薄膜成長温度は、上記熱処理工程における加熱温度より低いのが通常であり、このことは、本発明のように、熱処理工程と気相成長工程とを別々の場所（室）で行なうこととした場合、反応管（第２の室１０３）の温度を、熱処理工程における加熱温度にまで上げる必要がなくなることを意味する。このように、反応管（第２の室１０３）の最大温度を下げることができたことにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の再蒸発による成長薄膜の汚染や有機金属原料ガス由来の炭化物等の副生物による成長薄膜の汚染が大幅に低減されるため、成長薄膜の白濁の問題が解消される。
【００２４】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
＜実施例１＞
図１に示される有機金属気相成長装置を用いてＧｅ基板上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。まず、Ｇｅ基板を基板セット室１０１にセットし、十分に窒素置換した。次に、第１の室１０２に搬送し、水素雰囲気（水素ガス流量：４Ｌ／ｍｉｎ）とした後、Ｇｅ基板を抵抗加熱で加熱し、７５０℃、１５分の熱処理を施して、Ｇｅ酸化膜を除去した。次に、Ｇｅ基板をロードロック可能な温度（１５０℃）まで低下させた後に、第２の室１０３（反応管）に搬送した。第２の室１０３（反応管）にて、Ｈ2（水素）４Ｌ＋ＡｓＨ3（アルシン）１００ｍＬを流しながら、ＧａＡｓの成長温度である７００℃まで高周波誘導加熱を用いて昇温させた。ついで、７００℃に加熱されたＧｅ基板表面に、ＡｓＨ3（アルシン）１００ｍＬ＋ＴＭＧ（トリメチルガリウム）１０ｍＬを流すことにより、Ｇｅ基板上にＧａＡｓを３μｍヘテロエピタキシャル成長させた。成長したエピタキシャル膜表面は、鏡面となった。Ｇｅ基板上のＧａＡｓエピタキシャル膜について、Ｘ線回折法による測定を行なった。その結果、半値幅（ＦＷＨＭ）は８３であった。なお、測定は以下の条件により行なった。測定装置：４結晶モノクロメータ付Ｘ線回折装置、測定条件：Ｘ線強度４５ＫＶ４０ｍＡ、ω／２θ測定、測定間隔０．００４ｓ。
【００２６】
＜比較例１＞
熱処理工程（酸化膜の除去）および気相成長工程を第２の室１０３（反応管）にて行なったこと以外は、実施例１と同様にして、Ｇｅ基板上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。基板エッジ部分のエピタキシャル膜に、第２の室１０３（反応管）に付着したＧａＡｓなどの再蒸発が原因と見られる白濁が確認された。実施例１と同様にして、Ｇｅ基板上のＧａＡｓエピタキシャル膜について、Ｘ線回折法による測定を行なった。その結果、半値幅（ＦＷＨＭ）は１０２であった。
【００２７】
実施例１のＧａＡｓ膜は、比較例１のＧａＡｓ膜と比べて、ＧａＡｓの半値幅がより狭く、結晶性がより高いことが確認された。
【００２８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の気相成長方法に好適に用いられる有機金属気相成長装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の気相成長方法に好適に用いられる有機金属気相成長装置の別の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１  基板セット室、１０２  第１の室、１０３  第２の室、１０４  ゲートバルブ、１０５，１０６，１０７  導入管、１０８，１０９  原料ガス導入管、１１０  排気管、１１１  ロータリーポンプ。
【図１】
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【図２】
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