(57)【要約】 【課題】  原料の消費量および排気ガスの処理量を低減することができる薄膜形成装置を提供する。【解決手段】  キャリアガス排気装置３６が、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうちキャリアガスを選択的に排気し、原料ガス排気装置３７が、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガス排気装置で排気されない原料ガスを排気する。これにより、選択的にキャリアガスの排気量を多くすることで、薄膜成長室３４内のガス流量を一定に保持しつつ原料ガスの排気量は抑えられるので、原料ガスの消費量を低減することができる。また、原料ガスが有毒である場合は、原料ガス排気量が小さくなるので、排気ガスの処理量を低く抑えることができる。【選択図】      図１
2009267262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜を構成する元素を含む原料化合物を気化させた原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを加熱された基板表面に供給し、該基板表面に前記元素を含む薄膜を形成する薄膜形成装置において、
前記基板を内部空間に収納する成長室と、
該成長室の内部空間に混合ガスを供給するガス供給手段と、
前記成長室の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガスを選択的に排気するキャリアガス排気手段と、
前記成長室の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガス排気手段で排気されない原料ガスを排気する原料ガス排気手段と、
前記成長室に収容された基板を加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記キャリアガスが水素ガスであり、
前記キャリアガス排気手段は、水素精製装置を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記キャリアガス排気手段による排気流量は、１０〜２００ｌ／ｍであり、前記原料ガス排気手段による排気流量は、０．５〜１０ｌ／ｍであることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記原料化合物は、有機化合物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記有機化合物は、第ＩＩＩ族の元素および第Ｖ族の元素を含むことを特徴とする請求項４に記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長法により薄膜の形成を行う薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速用電子デバイスや半導体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子に用いられる半導体として、大規模集積回路（Large Scale Integration、ＬＳＩ）などのシリコン（Ｓｉ）系半導体素子に加え、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの化合物半導体の開発が進められている。このような化合物半導体は、半導体素子の基板となるウエハ上にエピタキシャル成長(基板に用いられる結晶と特定の方位関係にある結晶膜を堆積成長させる方法)させた薄い単結晶の層を形成したものである。これにより、インゴットから切り出したウエハ単体では得られない新機能を付加させたり、素子の性能を向上させたりすることができる。
【０００３】
ここで、化合物半導体の基板として用いることができる化合物は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどあまり多くない。そのため、限られた材料からなる基板の格子定数に合わせて薄膜生成する必要がある。したがって、化合物半導体の製造プロセスにおいては、薄膜形成技術が極めて重要な技術となっている。
このような化学物半導体等の作製に用いられる薄膜形成技術は、大きく固相エピタキシー、液相エピタキシー、気相エピタキシーに分けられ、その中でも液相エピタキシー、気相エピタキシーがよく用いられている。
【０００４】
気相エピタキシーは、さらに化学的方法と物理的方法に分けられ、化学的方法には、原料によってハロゲン気相エピタキシーと有機金属気相エピタキシーがある。
【０００５】
有機金属気相エピタキシーを例にとると、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などの有機金属を用いて、結晶成長温度で原料を熱分解して金属元素を解離させ、基板上に所望の単結晶、たとえばＧａＡｓ結晶を成長させる。有機金属とは、金属原子と炭素原子との間に共有結合を持つ化合物のことで、常温では液体または固体であり、飽和蒸気圧が比較的高い。原料を成長室へ導入するには、バブラーにたとえば水素ガスなどのキャリアガスを流して原料の飽和蒸気圧を作り、キャリアガスと原料ガスとを成長室へと導入する。また、成長室内での乱流を抑え、ガス流量を一定に保つために多量の水素ガスなどをキャリアガスとして流す必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２０８５６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３２５７１号公報
【特許文献３】特表２００６−５２０８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の有機金属気相エピタキシーを用いて基板となるウエハ上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成膜する場合、Ｖ族元素は蒸気圧が大きく、膜から脱離しやすい。これを抑制するために、ＩＩＩ族原料ガスに対してＶ族原料ガスを過剰に供給する必要がある。そこで良質な化合物半導体膜を形成するために、供給するＶ族原料ガスとＩＩＩ族原料ガスとの比（ＶＩＩＩ比）を数１０から数１００に設定している。
【０００８】
それに対して、キャリアガスは、成長室内を一定流量で流れ続けているので、供給されたＶ族原料のほとんどが、成膜に用いられずにキャリアガスと共に排気されることになり、原料の消費量が増大してしまう。また、Ｖ族原料は、有毒であるため吸着除去等により排気ガスの無害化処理が必要であるが、排気量が多いために排気ガスの処理量も増大する。
【０００９】
本発明の目的は、原料の消費量および排気ガスの処理量を低減することができる薄膜形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、薄膜を構成する元素を含む原料化合物を気化させた原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを加熱された基板表面に供給し、基板表面に前記元素を含む薄膜を形成する薄膜形成装置において、基板を内部空間に収納する成長室と、成長室の内部空間に混合ガスを供給するガス供給手段と、成長室の内部空間に存在するガスのうちキャリアガスを選択的に排気するキャリアガス排気手段と、成長室の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガス排気手段で排気されない原料ガスを排気する原料ガス排気手段と、成長室に収容された基板を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする薄膜形成装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、キャリアガス排気手段が、成長室の内部空間に存在するガスのうちキャリアガスを選択的に排気し、原料ガス排気手段が、成長室の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガス排気手段で排気されない原料ガスを排気する。
【００１２】
これにより、選択的にキャリアガスの排気量を多くすることで、成長室内のガス流量を一定に保持しつつ原料ガスの排気量は抑えられるので、原料ガスの消費量を低減することができる。また、原料ガスが有毒である場合は、原料ガス排気量が小さくなるので、排気ガスの処理量を低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施の一形態である薄膜形成装置３１の構成を示す概略図である。ここで、薄膜形成装置３１は、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor
Deposition、ＭＯＣＶＤ）によって基板表面に化合物半導体の薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置である。
【００１４】
薄膜形成装置３１は、基板３３を内部空間に収納する薄膜成長室３４と、薄膜成長室３４の内部空間に混合ガスを供給するガス供給装置３５と、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうちキャリアガスを選択的に排気するキャリアガス排気装置３６と、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうち前記キャリアガス排気手段で排気されない原料ガスを排気する原料ガス排気装置３７と、基板３３を保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を回転させるための回転軸４４と、サセプタ３２を加熱するための加熱装置５０とを備える。
【００１５】
基板３３は、たとえばシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどからなり、基板表面に原料ガスの分解により生じた元素で構成されるエピタキシャル薄膜が形成される。サセプタ３２は、たとえばカーボン、モリブデンなどからなる円板状の部材であり、基板３３を保持する凹部(図示せず)が形成される。
【００１６】
ガス供給装置３５は、原料ガスとキャリアガスとが混合された混合ガスを薄膜成長室３１の内部空間に導入する。ガス供給装置３５は、一部の原料ガスを貯留する原料タンク１０、キャリアガスを貯留するキャリアタンク１１、一部の原料化合物を貯留しバブリング機能を有するバブラー１２および原料ガス、キャリアガスの流量を調整する流量コントローラ１３を含み、これらが配管を介して薄膜成長室３４に連結される。
【００１７】
原料ガスとなる原料としては、有機化合物、および水素化合物が用いられる。有機化合物は、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）など第ＩＩＩ族元素のメチル化物またはエチル化物などが挙げられる。水素化合物としては、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）など第Ｖ族元素の水素化物などが挙げられる。
【００１８】
また、ｎ型ドーピングの原料混合物としては、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、セレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）など第ＩＶ、ＶＩ族元素の水素化物を用い、これを水素ガスで希釈したものを導入する。ｐ型ドーピングの原料化合物としては、ジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ３）２）、ジメチルカドミウム（Ｃｄ（ＣＨ３）２）など第ＩＩ族元素のメチル化物、エチル化物などが挙げられる。
【００１９】
キャリアガスとしては、たとえば水素ガス（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴンガス（Ａｒ）などが挙げられる。
【００２０】
これらの中でドーピング原料を含む有機金属化合物は、常温では液体または固体であり、飽和蒸気圧が比較的高いため、バブラー１２に貯留された状態で、キャリアガスがバブラー１２内に導入され、有機金属化合物の飽和蒸気圧分がキャリアガスとともにバブラー１２から取り出され、薄膜成長室３４に導入される。
【００２１】
一方、水素化物は、キャリアガスである水素ガスで希釈されキャリアガスとともに薄膜成長室３４に導入される。
【００２２】
ガス供給装置３５の薄膜成長室３１導入口は、サセプタ３２を臨む位置に設けられ、混合ガスはサセプタ３２へ流れるように噴出供給される。
【００２３】
キャリアガス排気装置３６は、たとえばドライポンプなどの真空ポンプを備え、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうち、キャリアガスを選択的に薄膜成長室３４外部へ排出する。原料ガス排気装置３７は、たとえばドライポンプなどの真空ポンプを備え、薄膜成長室３４の内部空間に存在するガスのうち、キャリアガス排気装置３６で排気されない原料ガス等を薄膜成長室３４外部へ排出する。キャリアガス排気装置３６および原料ガス排気装置３７の詳細については後述する。
【００２４】
薄膜成長室３４の内部空間の圧力は圧力制御バルブ（図示せず）の開度を調整することにより、２〜１５ｋＰａに調整される。
【００２５】
回転軸４４は、円筒状または円柱状の形状を有する棒状部材であり、サセプタ３２の下部に連結されて設けられる。回転軸４４は、たとえばスピンドルモーターなどの回転モーターなど図示しない回転駆動手段によって回転するように構成される。回転軸４４を軸線まわりに回転させることによって回転軸４４の軸線まわりにサセプタ３２が回転する。
【００２６】
加熱装置５０は、複数の加熱ヒーターと、サセプタ３２の温度を検出する図示しない温度センサと電源の出力を制御する図示しない制御手段とを備える。加熱装置５０は、高周波誘導加熱などによりサセプタ３２を選択的に加熱する。温度センサの検出出力に応答して制御手段によって加熱装置５０が制御される。このような構成によって、サセプタ３２に保持される基板３３を所望の温度に加熱することができる。
【００２７】
図２は、キャリアガス排気装置３６および原料ガス排気装置３７の構成を示す概略図である。キャリアガス排気装置３６と原料ガス排気装置３７は、それぞれ独立した排気システムで構成されており、薄膜成長室３４からの排気口も各排気装置に対応して２つ設けられる。
【００２８】
キャリアガス排気装置３６は、キャリアガスを選択的に透過させるキャリア透過部２０と、キャリア透過部２０を介して、薄膜成長室３４の内部空間の気体を吸引する真空ポンプ２１とを含んで構成される。原料ガス排気装置３７は、キャリアガス排気装置３６で排気されない原料ガス等を真空ポンプ２３を用いて排気する機能を有する。なお、原料ガス排気装置３６においては、原料ガスを選択的に排出する原料ガス透過部を備えていても良い。
【００２９】
キャリア透過部２０はキャリアガスである水素を選択的に透過させ、原料化合物を含む他の成分の透過率は１％以下とすることが望ましい。このような選択能力を有するキャリア透過部２０としては、たとえば、水素精製装置が挙げられる。
【００３０】
水素精製装置は、既存の精製装置を用いることが可能で合金系水素透過膜、半導体系水素透過膜などの膜分離を用いた装置を利用することができる。
【００３１】
ここで、キャリアガス排気装置３６の排気流量が、原料ガス排気装置３７の排気流量より大きくなるように真空ポンプ２１，２３を制御する。
【００３２】
図３は、キャリアガス排気装置３６および原料ガス排気装置３７の他の構成を示す概略図である。
【００３３】
図３に示した構成では、薄膜成長室３４からの排気口は１つであり、排気口から続く共通排気管２４に、キャリアガス成分と原料ガス成分とを分離する分離部材２５が設けられ、分離部材２５での分離後に、キャリアガスを排気するキャリアガス排気管２６および真空ポンプ２７と、原料ガスを排気する原料ガス排気管２８および真空ポンプ２９とが設けられる。
【００３４】
分離部材２５には、ガス分離膜などを用いることができる。分離部材２５で分離された一方のキャリアガス成分は、真空ポンプ２７によってキャリアガス排気管２６を通って排気され、分離された他方の原料ガス成分は、真空ポンプ２９によって原料ガス排気管２８を通って排気される。
【００３５】
ここで、図２に示した構成と同じく、キャリアガスの排気流量は、原料ガスの排気流量より大きくなるように真空ポンプ２７，２９を制御すればよい。
【００３６】
以上のように、キャリアガス排気装置３６によって、選択的にキャリアガスの排気量を多くすることで、薄膜成長室３４内のガス流量を一定に保持しつつも原料ガスの排気量は抑えられるので、原料ガスの消費量、特に第Ｖ族元素の水素化物の消費量を低減することができる。
【００３７】
なお、原料ガスおよびキャリアガスは有毒ガスや可燃性ガスを含むため、これらを許容濃度以下まで無害化する必要がある。当該有毒ガスの無害化処理は、例えば金属酸化物等からなる除害材で吸着させる方法等が用いられるが、これらは大きなコストが必要となる。本発明では、キャリアガス排気装置３６から排気されるガス中には、有毒ガスが殆ど含まれず、また、原料ガス排気装置３７から排気されるガス中の有毒ガスは従来の装置と比較して少なくすることができる。そのため、排気ガス中の有毒ガスの処理量を少なくすることができる。
【００３８】
二元系半導体であるＧａＡｓ結晶による薄膜形成を例として説明すると、原料化合物としては、第ＩＩＩ族元素のメチル化物であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、第Ｖ族元素の水素化物であるアルシン（ＡｓＨ３）を用いる。また、ｐ型のドーピング原料としては、第ＩＩ族元素のメチル化物としてジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用い、ｎ型のドーピング原料としては、第ＩＶ族元素の水素化物としてシラン（ＳｉＨ４）を用いる。キャリアガスとしては水素ガスを用いる。
【００３９】
ＴＭＧは、バブラー１２に貯留され、キャリアタンク１１に貯留された水素ガスによってバブリングされ、水素ガスとＴＭＧの混合ガスが薄膜成長室３４に導入される。一方、アルシンは、水素ガスによって希釈され、水素ガスとともに混合ガスとして薄膜成長室３４に導入される。ＴＭＧのバブリング量は、２０〜２００ｓｃｃｍであり、アルシンの供給量は１００〜１０００ｓｃｃｍである。
【００４０】
加熱装置５０により、サセプタ３２を加熱することでＧａＡｓ基板３３を成長温度である６００〜７５０℃に加熱し、ＴＭＧおよびアルシンを基板表面に供給する。
【００４１】
供給されたＴＭＧとアルシンは、下記式（１）の反応式で反応し、基板表面にＧａＡｓ膜が形成される。
Ｇａ（ＣＨ３）３＋ＡｓＨ３→ＧａＡｓ＋３ＣＨ４                    …（１）
【００４２】
また、ドーピングによりｎ型半導体膜、ｐ型半導体膜を形成する場合は、ＴＭＧおよびアルシンとともに、ｐ型ドーピング原料のＤＭＺまたはｎ型ドーピング原料のＳｉＨ４を供給すればよい。
【００４３】
さらに三元系のＡｌＧａＡｓ膜を形成する場合は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をＴＭＧと同じくバブラー１２に貯留し、水素ガスによってバブリングして、水素ガスとＴＭＡの混合ガスを薄膜成長室３４に供給すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の一形態である薄膜形成装置３１の構成を示す概略図である。
【図２】キャリアガス排気装置３６および原料ガス排気装置３７の構成を示す概略図である。
【図３】キャリアガス排気装置３６および原料ガス排気装置３７の他の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
３１  薄膜形成装置
３２  サセプタ
３３  基板
３４  薄膜成長室
３５  ガス供給装置
３６  キャリアガス排気装置
３７  原料ガス排気装置
５０  加熱装置
【図１】
2009267262.tif 000003
【図２】
2009267262.tif 000004
【図３】
2009267262.tif 000005