(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 複数の原料ガス源と、
(b) それぞれのガス源に一端が接続された複数の原料配管と、
(c) それぞれの原料配管の他端が接続され、原料ガスを成長室と排気系に切り替える切り替えバルブとを有する装置を用い、
(d) 原料配管と切り替えバルブを介して原料ガスを成長室に導入することで気相成長を開始し、気相成長を行う気相成長方法において、
(e) 気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なくとも１つの原料配管に流した後に気相成長を開始する気相成長方法。
【請求項２】
請求項１記載の気相成長方法において、
成長開始前に原料配管を真空とし、その後、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なくとも１つの原料配管に流した後に成長を開始する請求項１記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
半導体装置に用いられる半導体薄膜のエピタキシャル成長などに用いられる気相成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気相成長法として、有機金属化合物のガスを原料として用いるＭＯＣＶＤ法は、III-V族化合物半導体などのエピタキシャル膜（以下、エピ膜ともいう）の成長に多く用いられている。
【０００３】
従来例として、図１に示す気相成長装置によるＧａＡｓ基板上へのｎ型ＧａＡｓエピ膜の気相成長を説明する。ｎ型ＧａＡｓの原料ガスは、Ｇａ源としてはトリメチルガリウムなどのアルキルガリウムを、Ａｓ源としてはアルシンを、不純物ドーピングのためのＳｉ源としてはシラン化合物を用いる。これらの原料ガスは、それぞれの原料ガス源１１，１２，１３から、原料配管２１，２２，２３、成長室側バルブ３１，３２，３３を経て、各原料ガスが混合されて、成長室６０に導入される。原料ガスの導入により成長を開始し、成長室６０内のＧａＡｓ基板６１上にｎ型ＧａＡｓエピ膜が成長する。この際の原料ガス源１１，１２，１３からの流量は、流量制御装置５１，５２，５３により設定される。
【０００４】
エピ膜成長時の不純物による汚染を防ぎ、安定した成長を行うために、通常、成長前に水素ガスで置換した原料配管２１，２２，２３および流量制御装置５１，５２，５３に、成長時と同流量の原料ガスを流し、成長室側バルブ３１，３２，３３を閉じ、排気側バルブ４１，４２，４３を開くことにより、これらのガスを排気系７０へバイパスしている。そして、バルブを切り替え、成長室側バルブ３１，３２，３３を開き、排気側バルブ４１，４２，４３を閉じることにより、原料ガスを成長室６０側に切り替え、成長を開始する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、成長膜の組成が目的のものにならないため、必要とする組成比や不純物ドーピングプロファイルが得られない場合がある。特に、エピ膜中の不純物のドーピング濃度や、その深さ方向の分布は、半導体装置の性能・特性に大きな影響を与える。この不純物ドーピングは、その原料ガスの流量により制御しているが、一定流量の原料ガスを流しても同一の不純物濃度分布が得られないことがある。
【０００６】
本発明の目的は、目的とする不純物分布や組成比の気相成長膜を再現性よく成長させる気相成長方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、このような課題を詳細に検討したところ、原料ガスの配管内壁への吸着などにより、成長時の原料ガス流量に比べて配管の容積が大きい場合などに、再現性が低下していることを見いだした。そこで、気相成長開始時に原料ガスを確実に供給する方法を検討し、その結果、本発明に想到した。
【０００８】
本発明による気相成長方法は、
(a) 複数の原料ガス源と、
(b) それぞれのガス源に一端が接続された複数の原料配管と、
(c) それぞれの原料配管の他端が接続され、原料ガスを成長室と排気系に切り替える切り替えバルブとを有する装置を用い、
(d) 原料配管と切り替えバルブを介して原料ガスを成長室に導入することで気相成長を開始し、気相成長を行う気相成長方法において、
(e) 気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なくとも１つの原料配管に流した後に気相成長を開始するものである。
【０００９】
特に、成長開始前に原料配管を真空とし、その後、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを少なくとも１つの原料配管に流した後に成長を開始することが好ましい。
【００１０】
【発明の作用・効果】
気相成長時の流量よりも多い流量の原料ガスを原料配管に流した後に成長を開始するものであるため、原料ガス成分の配管内への吸着による原料ガス濃度低下の影響を受けることなく、また、原料配管中を原料ガスで置換する時間が短時間であっても、成長時に所定の原料ガス濃度に設定できる。このため、短い作業時間で、再現性のよい気相成長が可能となる。
【００１１】
【好ましい実施の形態】
[原料ガス源]  本発明における原料ガス源は、気相成長の原料となる原料ガスを供給する手段であり、ガスボンベ、液状の原料を気化させるバブラーなどが用いられる。通常、成長させる化合物に含まれる元素に対応した数の原料ガス源が用意される。III-V族化合物半導体薄膜を成長させる場合には、薄膜の特性を向上するため、III族元素源としてアルキル化金属などの有機金属化合物を用いることが好ましい。また、半導体膜を成長する場合には、Si、Ga、In、As、Pなどの半導体を構成する元素と、ドーパントといわれる半導体型を制御する微量の元素が用いられる。
【００１２】
[原料配管]  本発明における原料配管は、原料ガス源と切り替えバルブの間の配管であり、原料ガス源以降にある流量制御装置（マスフローコントローラ）、水素導入バルブなどの配管部分をも含む。通常は、原料配管の数は、原料ガス源の数と同じである。
【００１３】
[切り替えバルブ]  本発明における切り替えバルブは、原料ガスを成長室と排気系に切り替えることにより、原料の供給により気相成長を制御する手段である。切り替えバルブは、原料配管に対応して（したがって、通常は原料元素に対応して）設けられており、主成分となる原料ガスを切り替えることで気相成長を開始・停止できる。切り替えバルブは、通常、成長室の近傍に設けられており、これにより、成長の開始・停止によらず、原料ガス源から一定状態で原料を安定に供給することができる。切り替えバルブは、成長室へのバルブと、排気系へのバルブとの２つを組み合わせて構成されていてもよい。
【００１４】
切り替えバブルから成長室に切り替えられた原料ガスは、通常、混合された後に成長室に導入される。半導体エピタキシャル成長の場合、成長室には、加熱された基板が配置される。成長時には成長室内から排気系へ、原料ガスの反応生成物や未反応の原料ガスが導出される。この導出のために排気系が設けられている。排気系は、通常、真空ポンプなどにより排気ガスを吸引している。気相成長開始前には、原料ガスは成長室を経由せずに切り替えバルブから直接に排気系へ吸引される。
【００１５】
[成長開始直前の原料配管流量]  本発明は、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを原料配管に流した後に気相成長を開始するものである。この流量としては、充分に多い流量、具体的には、成長時流量の５倍以上、特には、１０倍から１００倍が好ましい。特に、原料配管内の容量の１．５倍以上、特には２倍から１０倍の容積となる時間流した後、成長時の流量に設定して、すぐに気相成長を開始することが好ましい。
【００１６】
対象となる原料配管としては、ドーパントなどの低濃度でかつ流量が少ない配管での効果が大きい。例えば、原料ガス濃度が１０００ppm以下、特には１００ppm以下であり、原料配管内の容積を成長時のガス流量で割った値が１０分以上、特には２０〜２０００分である場合に効果が顕著である。
【００１７】
気相成長前に、多い流量の原料ガスを原料配管に流す方法としては、原料配管の流量を制御しているマスフローコントローラの流量値の設定を変更することが容易であるが、原料ガス源からの配管を別に設けて流量を増すなどの方法もある。
【００１８】
[原料配管の真空化]  本発明では、成長開始前に原料配管を真空とし、その後、特にはその直後に、気相成長時よりも多い流量の原料ガスを原料配管に流した後に成長を開始することが好ましい。原料配管を真空とした場合の管内の圧力は、成長時の２分の１以下、特には１０分の１以下とすることが好ましい。
【００１９】
排気系が真空ポンプなどの減圧手段を備えている場合、原料ガス源からのガス供給をなくし、切り替えバルブを介して排気することで、原料配管を真空にすることで、簡便に原料配管を真空にできる。また、排気系とは別に真空ポンプなどの減圧手段を設けて原料配管を真空としてもよい。
【００２０】
【実施例】
以下、減圧ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ基板上のｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層を気相成長する場合を実施例として、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。
【００２１】
先ず、図１を用いて減圧ＭＯＣＶＤ法による気相成長を説明する。原料化合物としては、トリメチルガリウム、アルシン、ジシランを用いた。トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）は、バブラー１１から成長時には５００ｃｃ/分の流量が供給される。バブラー１１では、トリメチルガリウムが密閉容器に収められ、水素でバブリングされる。供給される流量は、バブラー１１へ供給される水素量を流量制御装置５１で制御することで設定している。
【００２２】
アルシン（ＡｓＨ３）は、１００％濃度のガスがアルシンボンベ１２から供給され、成長時の流量は５００ｃｃ/分である。ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）は、水素で１０ｐｐｍに希釈したガスがジシランボンベ１３から供給され、成長時の流量は４ｃｃ/分である。アルシンとジシランの流量は、原料配管２２，２３の途中に設けられた流量制御装置５２，５３で設定している。原料ガスは、原料配管２１，２２，２３を経て、成長室側バルブ３１，３２，３３および排気側バルブ４１，４２，４３の一端にそれぞれ供給される。原料配管２１，２２，２３は、それぞれ長さ６ｍ、内径４．５ｍｍであり、内容積は約１００ｃｃである。
【００２３】
成長室側バルブ３１，３２，３３を開き、排気側バルブ４１，４２，４３を閉じることにより、原料ガスを供給配管６２から成長室６０に供給することで成長を開始する。成長室６０内には、ＧａＡｓ基板６１が置かれており、その上にｎ型ＧａＡｓエピ膜を成長する。ｎ型ＧａＡｓエピ膜は、厚さ０．５μｍ、不純物濃度１０１６／ｃｍ３を目標とする。ＧａＡｓ基板６１は、５００〜８００℃にランプヒータ６３で加熱される。成長室６０内は、２０〜１００ｔｏｒｒの圧力となるように排気系７０により排気されている。排気系７０は、ロータリーポンプ７１で吸引されており、その排気は除外装置７２で処理される。
【００２４】
[成長例１]（比較例）
原料配管２１，２２，２３、成長室６０内などを水素ガスで置換してある状態から、成長室側バルブ３１，３２，３３を閉じ、排気側バルブ４１，４２，４３を開くことにより原料ガスを排気側に切り替え、気相成長時の流量で原料ガスを４０分間流す。その後、成長室側バルブ３１，３２，３３を開き、排気側バルブ４１，４２，４３を閉じることにより原料ガスを成長室側に切り替えて、気相成長を開始した。これにより得られたｎ型ＧａＡｓエピ膜のドーピングプロファイルを図２に示す。成長開始当初は目的とする不純物濃度が得られていないことがわかる。
【００２５】
[成長例２]（実施例１）
原料配管２１，２２，２３、成長室６０内などを水素ガスで置換してある状態から、ジシランボンベ１３を閉じてジシランガス原料の供給を中止したまま、ジシランガスの原料配管２３の切り替えバルブである成長室側バルブ３３を閉じ、排気側バルブ４３を開き、排気系７０により原料配管２３内を０．０１ｔｏｒｒの真空状態にする。その後、成長室側バルブ３１，３２，３３を閉じ、排気側バルブ４１，４２，４３を開いた状態で、ジシランガスの供給を開始して５０ｃｃ／分の流量で、また、他の原料ガスは気相成長時と同じ流量で５分間流す。そして、ジシランガスの流量を気相成長時の流量である４ｃｃ／分として、直ちに成長室側バルブ３１，３２，３３を開き、排気側バルブ４１，４２，４３を閉じることにより成長を開始した。これにより得られたｎ型ＧａＡｓエピ膜のドーピングプロファイルを図３に示す。成長開始当初から目的とする不純物濃度が得られていることがわかる。
【００２６】
[成長例３]（実施例２）
原料配管２１，２２，２３、成長室６０内などを水素ガスで置換してある状態から、成長室側バルブ３１，３２，３３を閉じ、排気側バルブ４１，４２，４３を開いた状態で、ジシランガスの供給を開始して５０ｃｃ／分の流量で、また、他の原料ガスは気相成長時と同じ流量で５分間流す。そして、ジシランガスの流量を気相成長時の流量である４ｃｃ／分として、直ちに成長室側バルブ３１，３２，３３を開き、排気側バルブ４１，４２，４３を閉じることにより成長を開始した。これにより得られたｎ型ＧａＡｓエピ膜のドーピングプロファイルは図３と同じであった。成長開始当初から目的とする不純物濃度が得られていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例で用いた気相成長装置を説明するための図
【図２】  成長例１（比較例）によるエピ膜のドーピングプロファイルを示す図
【図３】  成長例２、３（実施例）によるエピ膜のドーピングプロファイルを示す図
【符号の説明】
１１    バブラー
１２    アルシンボンベ
１３    ジシランボンベ
２１，２２，２３    原料配管
３１，３２，３３    成長室側バルブ
４１，４２，４３    排気側バルブ
５１，５２，５３    流量制御装置
６０    成長室
６１    ＧａＡｓ基板
６２    供給配管
６３    ランプヒータ
７０    排気系
７１    ロータリーポンプ
７２    除外装置
【図１】
0004368443.tif 000002
【図２】
0004368443.tif 000003
【図３】
0004368443.tif 000004