特許 7438163 気相成長装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-15

(45)【発行日】2024-02-26

(54)【発明の名称】気相成長装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20240216BHJP

   C23C 16/08 20060101ALI20240216BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C23C16/08

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021079087

(22)【出願日】2021-05-07

(65)【公開番号】P2022172829

(43)【公開日】2022-11-17

【審査請求日】2022-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小関 修一

【審査官】船越 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－１４１６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－０６０７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０６０９７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６９

Ｈ０１Ｌ ２１／８６

Ｃ２３Ｃ １６／００－１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、前記基板上に半導体膜を成長させる気相成長装置であって、
パージガスで満たされた反応炉内において前記基板を保持するサセプタと、
前記サセプタを加熱する加熱手段と、
前記反応炉内に設けられるとともに、内部に第１の金属原料が配置され、該第１の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第１の反応ガスを前記基板上に導く第１ガスノズルと、
前記反応炉内に設けられるとともに、内部に第２の金属原料が配置され、該第２の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第２の反応ガスを前記基板上に導く第２ガスノズルと、
前記サセプタの位置を、前記第１ガスノズルにおける前記第１の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第１の位置と、前記第２ガスノズルにおける前記第２の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第２の位置とで切り替えるサセプタ移動機構と、
前記サセプタを回転させるサセプタ回転軸と、を備え、
さらに、前記第１ガスノズルと前記第２ガスノズルとの間に配置され、前記基板上にパージガスを導くパージガスノズルを具備し、
前記サセプタ移動機構は、前記サセプタの位置を、前記第１の位置と前記第２の位置との間に位置し、前記パージガスノズルにおける前記パージガスの噴出口と互いに向かい合う第３の位置に切り替え可能であり、
前記サセプタ回転軸は、その中心軸に沿って前記サセプタを回転させることができる、ことを特徴とする気相成長装置。

【請求項2】

前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルのうちの一方又は両方が、内部に複数の金属原料が配置され、該複数の金属原料と前記ハロゲンガスとから生成される反応ガスを前記基板上に導くものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項3】

前記第１ガスノズルは、前記基板上に第１の半導体膜を成長させ、前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体膜上に第２の半導体膜を成長させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。

【請求項4】

前記第１ガスノズルは、前記第２ガスノズルによって成長させた前記第２の半導体膜上に、さらに、前記第１の半導体膜を成長させることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。

【請求項5】

前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体膜と前記第２の半導体膜とを交互に積層しながら成長させることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。

【請求項6】

さらに、前記反応炉における前記第２ガスノズルの近傍に、余剰となった前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガス、並びに前記パージガスを外部に排出する排気口が設けられていることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一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、気相成長装置に関し、特に、反応炉内において、加熱環境下でサセプタに保持された基板に対して複数の反応ガスを供給して作用させることにより、基板上に複数の半導体薄膜を形成・成長させるための気相成長装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、基板上に半導体膜を成長させるための装置として気相成長装置が知られている。この気相成長装置は、反応炉内において、加熱環境下でサセプタの表面に配置された気相成長用の基板上に半導体膜を成長させる。例えば、窒化ガリウムやガリウム砒素等の化合物半導体薄膜を基板上に形成する場合には、金属原料としてＩＩＩ族原料となるガリウムを含むものを使用し、これに塩化水素等のハロゲンガスを供給することで、ガス状の金属塩化物を基板上に供給する方法が用いられる。

【0003】

上記のように、金属原料にハロゲンガスを供給してガス状の金属塩化物を発生させる反応は、一般に３００～８００℃程度の高温下で行われることから、上記反応が行われる箇所から基板までの各工程の間は、通常、高温に加熱した状態とする（例えば、特許文献１を参照）。

【0004】

ここで、基板上に異なる組成の膜を連続して積層することで半導体膜を形成する工程においては、例えば、インジウムガリウム燐薄膜を基板の表面に形成した後に、その上にガリウム砒素薄膜を形成する場合、以下に説明するような手順が用いられる。即ち、まず、インジウムガリウム燐薄膜の原料の一つであるインジウムについては、インジウム単体金属に塩化水素等のハロゲンガスを供給することで塩化インジウムを生成させ、基板上に導入する。そして、インジウムガリウム燐薄膜の上にガリウム砒素薄膜を形成する工程を実施するが、この際、基板上に残留する塩化インジウムがガリウム砒素薄膜に混入することが避けられないという問題がある。これは、上記の反応によって得られた塩化インジウムからなる反応ガスが高温であるため、制御弁等によってガスの流れを制御することが困難であることから、気相成長装置において不可避的に生じる問題となっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第４５４６７００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、気相成長用の基板上に異なる組成の膜を連続して成長させる場合であっても、最初に成膜した半導体膜の原料に由来する残留成分が、その後に成膜する半導体膜の膜中に混入するのを効果的に抑制でき、優れた成膜品質で半導体膜を成長させることが可能な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】

本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ねた。この結果、基板の表面に最初の半導体膜の成長に用いられる第１ガスノズルと、その上に積層して設けられる半導体膜の成長に用いられる第２ガスノズルとの間にパージガスノズルを配置し、最初の半導体膜を成長させた後、その表面にパージガスを供給できる構成を採用することで、その後に成長させる半導体膜に、最初に成膜した半導体膜の原料に由来する残留成分が混入するのを抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

【0008】

即ち、請求項１に係る発明は、金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、前記基板上に半導体膜を成長させる気相成長装置であって、パージガスで満たされた反応炉内において前記基板を保持するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段と、前記反応炉内に設けられるとともに、内部に第１の金属原料が配置され、該第１の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第１の反応ガスを前記基板上に導く第１ガスノズルと、前記反応炉内に設けられるとともに、内部に第２の金属原料が配置され、該第２の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第２の反応ガスを前記基板上に導く第２ガスノズルと、前記サセプタの位置を、前記第１ガスノズルにおける前記第１の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第１の位置と、前記第２ガスノズルにおける前記第２の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第２の位置とで切り替えるサセプタ移動機構と、を備え、さらに、前記第１ガスノズルと前記第２ガスノズルとの間に配置され、前記基板上にパージガスを導くパージガスノズルを具備し、前記サセプタ移動機構は、前記サセプタの位置を、前記第１の位置と前記第２の位置との間に位置し、前記パージガスノズルにおける前記パージガスの噴出口と互いに向かい合う第３の位置に切り替え可能である、ことを特徴とする気相成長装置である。

【0009】

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルのうちの一方又は両方が、内部に複数の金属原料が配置され、該複数の金属原料と前記ハロゲンガスとから生成される反応ガスを前記基板上に導くものであることを特徴とする気相成長装置である。

【0010】

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズルは、前記基板上に第１の半導体膜を成長させ、前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体膜上に第２の半導体膜を成長させることを特徴とする気相成長装置である。

【0011】

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズルは、前記第２ガスノズルによって成長させた前記第２の半導体膜上に、さらに、前記第１の半導体膜を成長させることを特徴とする気相成長装置である。

【0012】

請求項５に係る発明は、請求項３に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体膜と前記第２の半導体膜とを交互に積層しながら成長させることを特徴とする気相成長装置である。

【0013】

請求項６に係る発明は、請求項１～請求項５の何れか一項に記載の気相成長装置であって、さらに、前記反応炉における前記第２ガスノズルの近傍に、余剰となった前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガス、並びに前記パージガスを外部に排出する排気口が設けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る気相成長装置によれば、上記のように、第１の反応ガスを基板上に導く第１ガスノズルと、第２の反応ガスを基板上に導く第２ガスノズルと、サセプタの位置を、第１ガスノズルに対応する第１の位置と、第２ガスノズルに対応する第２の位置とで切り替えるサセプタ移動機構とを備え、さらに、第１ガスノズルと第２ガスノズルとの間に配置され、基板上にパージガスを導くパージガスノズルを具備し、サセプタ移動機構が、サセプタの位置を、第１の位置と第２の位置との間に位置し、パージガスノズルに対応する第３の位置に切り替え可能な構成を採用している。
これにより、第１ガスノズルから成膜原料となる第１の反応ガスを基板上に供給した後、基板を保持したサセプタをパージガスノズルに対応する第３の位置に移動させ、基板上にパージガスを供給することで、基板上に残留した第１の反応ガスに由来する成分を除去できる。その後、基板を保持したサセプタを第２ガスノズルに対応する第２の位置に移動させ、基板上に第２の反応ガスを供給することで、第１の反応ガスに由来する成分が混入することなく、半導体膜を積層して成長させることが可能になる。
従って、気相成長用の基板上に異なる組成の膜を連続して成長させる場合であっても、最初に成膜した半導体膜の原料に由来する残留成分が、その後に成膜する半導体膜の膜中に混入するのを効果的に抑制でき、優れた成膜品質で半導体膜を成長させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、反応炉の内部構成の一例を概略で示す破断図である。

【図2】本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、反応炉の内部構成の他の例を概略で示す破断図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置について、図１及び図２を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、その特徴をわかり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態である気相成長装置１００を模式的に説明する図であり、反応炉１の内部の構成の一例を概略で示す破断図である。
また、図２は、本発明の一実施形態である気相成長装置２００を模式的に説明する図であり、反応炉１の内部の構成の他の例を概略で示す破断図である。
以下の説明においては、図１及び図２を参照しながら、当該気相成長装置の構成と、基板上に異なる組成の半導体膜を連続して形成する場合の工程について詳述する。

【0018】

＜気相成長装置の構成＞
本発明に係る気相成長装置の一例について説明する。
図１に例示する気相成長装置１００は、金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、基板上に半導体膜を成長させるものであり、第１ガスノズル１０と、第２ガスノズル２０と、パージガスノズル３０と、サセプタ１７と、サセプタ移動機構４とが設けられた反応炉１を備え、概略構成される。

【0019】

そして、本実施形態の気相成長装置１００は、サセプタ移動機構４が、サセプタ１７の位置を、第１ガスノズル１０における第１の反応ガスＧ１の噴出口１５と互いに向かい合う第１の位置Ｐ１と、第２ガスノズル２０における第２の反応ガスＧ２の噴出口２５と互いに向かい合う第２の位置Ｐ２と、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に位置し、パージガスノズル３０におけるパージガスＧ３の噴出口３５に対応する第３の位置Ｐ３とに切り替え可能な構成を採用している。

【0020】

反応炉１は、図１及び図２では詳細な図示を省略しているが、側壁、並びに、両端側に配置されたガス導入部２及びサセプタ保持部３により、概略略円筒状の密閉容器を形成している。
また、本実施形態の気相成長装置１００においては、反応炉１の内部にパージガスが封入された構成を採用できる。

【0021】

反応炉１内においては、サセプタ保持部３、サセプタ移動機構４及びサセプタ回転軸１８により、基板１６が保持されたサセプタ１７が支持されている。
サセプタ１７は、通常、熱の良導体（例えば、カーボン等）で形成され、さらに好適には、原料ガス（反応ガス）による腐食を防止する観点から、ＳｉＣ等のコーティングが施される。また、サセプタ１７は、気相成長する薄膜の膜厚の平均化を図るため、その中心軸、即ち、図１中に示すサセプタ回転軸１８の中心軸に沿って回転可能に構成されている。
また、サセプタ１７の内部、あるいはその近傍には、このサセプタ１７を加熱することで、サセプタ１７に保持される基板１６を加熱するための、図視略の加熱手段が設けられている。

【0022】

サセプタ１７を加熱する図視略の加熱手段としては、特に限定されないが、昇降温レートを重視する観点からは、加熱手段として、高周波を発生させるＲＦコイルを用いることが好ましいが、ＲＦコイルの代わりに、一般的なヒータやランプ等を用いることも可能である。このようなヒータを加熱手段に用いる場合には、通常、材質的に安価で加工が容易なカーボンヒータが多用され、上述したようなカーボン等から構成されるサセプタ１７を加熱できる構成が採用される。

【0023】

ここで、図１中では図示を省略しているが、サセプタ回転軸１８におけるサセプタ１７が配置された一端とは反対側の他端には歯車等の回転力伝達機構が取り付けられており、さらに、この回転力伝達機構に図示略のモータが取り付けられていることで、このモータの駆動によってサセプタ回転軸１８が回転するように構成されている。一方、サセプタ回転軸１８、図視略の歯車及びモータは一体とされ、詳細を後述するサセプタ移動機構４により、第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０及びパージガスノズル３０とそれぞれ対応する位置、即ち、第１～第３の位置Ｐ１～Ｐ３に、一定距離で摺動して移動することが可能に構成されている。即ち、一体とされたサセプタ回転軸１８（サセプタ１７も含む）、図視略の歯車及びモータは、図１中における紙面方向で上下に移動可能とされている。

【0024】

反応炉１内には、フランジ部材等からなるガス導入部２を貫通するように、このガス導入部２によって支持される第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０が配置されている。これら第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０としては、例えば、石英製のものが好適に用いられる。

【0025】

第１ガスノズル１０は、上述したように、反応炉１内に設けられるものであり、内部に第１の金属原料Ｍ１が配置され、この第１の金属原料Ｍ１にハロゲンガスＧ４を供給することで生成した第１の反応ガスＧ１を、噴出口１５から基板１６上に導くように構成される。

【0026】

第１ガスノズル１０は、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、内部に、第１の金属原料Ｍ１が充填される金属原料容器１１が配置されている。また、第１ガスノズル１０の内部には、ガス原料導入部１３、ハロゲンガス導入部１４が設けられ、ガス原料導入部１３の円筒内にハロゲンガス導入部１４が配置されている。また、ハロゲンガス導入部１４の円筒内に金属原料容器１１が配置されている。

【0027】

ガス原料導入部１３は、反応炉１におけるガス導入部２側から導入されるガス原料Ｇ５を、噴出口１５側から、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。
ハロゲンガス導入部１４は、反応炉１におけるガス導入部２側から導入されるハロゲンガスＧ４を第１の金属原料Ｍ１に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第１の反応ガスＧ１として、噴出口１５側から、ガス原料導入部１３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。

【0028】

金属原料容器１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としては、特に限定されず、所望する膜特性に応じた金属原料を採用することができ、例えば、ガリウム単体金属等が挙げられる。

【0029】

第２ガスノズル２０は、反応炉１内に設けられるものであり、内部に第２の金属原料Ｍ２が配置され、この第２の金属原料Ｍ２にハロゲンガスＧ４を供給することで生成した第２の反応ガスＧ２を、噴出口２５から基板１６上に導くように構成される。

【0030】

第２ガスノズル２０についても、第１ガスノズル１０と同様、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、内部に、第２の金属原料Ｍ２が充填される金属原料容器２１が配置されている。また、第２ガスノズル２０の内部にも、ガス原料導入部２３、ハロゲンガス導入部２４が設けられ、ガス原料導入部２３の円筒内にハロゲンガス導入部２４が配置されている。また、ハロゲンガス導入部２４の円筒内に金属原料容器２１が配置されている。

【0031】

ガス原料導入部２３は、上記のガス原料導入部１３と同様、反応炉１におけるガス導入部２側から導入されるガス原料Ｇ５を、噴出口２５側から、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。
また、ハロゲンガス導入部２４も、上記同様、反応炉１におけるガス導入部２側から導入されるハロゲンガスＧ４を第２の金属原料Ｍ２に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第２の反応ガスＧ２として、噴出口２５側から、ガス原料導入部２３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。

【0032】

金属原料容器２１に充填される第２の金属原料Ｍ２としても、特に限定されないが、例えば、第１ガスノズル１０の金属原料容器１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としてガリウム単体金属を用いた場合には、第２の金属原料Ｍ２として、インジウム単体金属、又は、第１の金属原料Ｍ１と同じガリウム単体金属を用いることが可能である。

【0033】

上記構成により、本実施形態の気相成長装置１００によれば、第１ガスノズル１０が、基板１６上に図視略の第１の半導体膜を成長させ、第２ガスノズル２０が、上記の第１の半導体膜上に図視略の第２の半導体膜を成長させる。

【0034】

パージガスノズル３０は、反応炉１内において、第１ガスノズル１０と第２ガスノズル２０との間に配置され、噴出口３５から基板１６上にパージガスＧ３を導くように構成される。
パージガスノズル３０も、上述した第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０と同様、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、反応炉１におけるガス導入部２側、即ち、パージガス導入部３３側から導入されるパージガスＧ３を、噴出口３５側から、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。

【0035】

なお、本実施形態において説明する、上記の「円筒状」とは、例えば、その断面における内部空間の形状が、断面真円形状に近いものの他、楕円形状等、断面形状が概略円形状であるものを全て含む。
さらに、本実施形態においては、上記の第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０の形状は、円筒状のみに限定されるものではなく、例えば、角筒状等、他の断面形状を採用することも可能である。

【0036】

サセプタ移動機構４は、上述したように、サセプタ１７の位置を、第１ガスノズル１０における第１の反応ガスＧ１の噴出口１５と互いに向かい合う第１の位置Ｐ１と、第２ガスノズル２０における第２の反応ガスＧ２の噴出口２５と互いに向かい合う第２の位置Ｐ２との間で切り替え可能に構成されている。
また、本実施形態の気相成長装置１００に備えられるサセプタ移動機構４は、サセプタ１７の位置を、さらに、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に位置し、パージガスノズル３０におけるパージガスＧ３の噴出口３５に対応する第３の位置Ｐ３にも切り替え可能な構成を採用している。

【0037】

サセプタ移動機構４における、サセプタ１７を移動させるための構成としては、特に限定されないが、例えば、図視略のモータを動力源として用い、複数の歯車を組み合わせて動力を伝達する構造の他、プーリとベルトとを組み合わせたものや、スプロケットとチェーンとを組み合わせたもの等が挙げられる。

【0038】

また、図１中に示すように、本実施形態の気相成長装置１００においては、さらに、反応炉１における第２ガスノズル２０の近傍に、余剰となった第１の反応ガスＧ１及び第２の反応ガスＧ２、並びにパージガスＧ３を外部に排出するための排気口４０が設けられている。

【0039】

本実施形態においては、上記のような、第１ガスノズル１０と、第２ガスノズル２０と、サセプタ１７の位置を切り替えるサセプタ移動機構４とを備え、基板１６上に複数の膜種の半導体膜を成長させる構成の気相成長装置において、さらに、上記のパージガスノズル３０を具備し、サセプタ１７の位置を、パージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３を含めた位置で切り替え可能な構成を採用している。本実施形態の気相成長装置１００によれば、上述した構成を採用することで、以下に説明するような作用・効果が得られる。

【0040】

従来の構成の気相成長装置においては、詳細な図示は省略するが、第１ガスノズルから原料ガスを基板に供給した後、基板の位置を第２ガスノズルに対応する位置に切り替えることで、異なる原料を基板に供給し、異なる複数の膜種からなる半導体膜を基板上に成長させていた。しかしながら、このような従来の装置では、第１ガスノズルから噴出した原料ガスが基板上に残留することから、第２ガスノズルから供給される原料ガスとの混在が生じ、半導体膜中に不純物として取り込まれてしまうという問題があった。

【0041】

これに対し、本実施形態の気相成長装置１００によれば、第１ガスノズル１０から成膜原料となる第１の反応ガスＧ１を基板１６上に供給して第１の半導体膜を成長させた後、基板１６を保持したサセプタ１７をパージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３に移動させ、基板１６上にパージガスＧ３を供給することで、基板１６上に残留した第１の反応ガスＧ１に由来する成分を除去できる。その後、基板１６を保持したサセプタ１７を第２ガスノズル２０に対応する第２の位置Ｐ２に移動させ、基板１６上に第２の反応ガスＧ２を供給することで、第１の反応ガスＧ１に由来する成分が混入することなく、第１の半導体膜の上に第２の半導体膜を積層して成長させることが可能になる。

【0042】

なお、本実施形態の気相成長装置１００で用いる、ハロゲンガスＧ４及びガス原料Ｇ５のガス種としては、特に限定されず、従来からこの分野で用いられているガスを何ら制限無く用いることが可能である。
これらのうち、ハロゲンガス導入部１４，２４に導入するハロゲンガスＧ４としては、例えば、塩化水素ガス等を用いることができる。
また、ガス原料導入部１３，２３に導入するガス原料Ｇ５としては、例えば、アルシンガスやホスフィンガス等を用いることができる。

【0043】

また、本実施形態の気相成長装置１００では、第１ガスノズル１０側のハロゲンガス導入部１４に導入されるハロゲンガスと、第２ガスノズル２０側のハロゲンガス導入部２４に導入されるハロゲンガスとを、それぞれ異なるガス種とすることも可能である。
さらに、本実施形態では、第１ガスノズル１０側のガス原料導入部１３に導入されるガス原料と、第２ガスノズル２０側のガス原料導入部２３に導入されるガス原料とを、それぞれ異なるガス種とすることも可能である。この場合、例えば、ガス原料導入部１３に導入されるガス原料Ｇ５としてアルシンガスを用い、ガス原料導入部２３に導入されるガス原料Ｇ５としてホスフィンガスを用いることができる。

【0044】

さらに、本実施形態の気相成長装置１００で用いるパージガスＧ３のガス種としても、に限定されず、例えば、窒素ガス等、基板１６上の残留成分を効果的に除去可能なガスを何ら制限無く採用することができる。

【0045】

＜気相成長装置を用いた半導体の製膜プロセス＞
上記構成の気相成長装置１００を用いた、半導体の製膜プロセスの一例について、以下に説明する。

【0046】

まず、第１ガスノズル１０内の金属原料容器１１に第１の金属原料Ｍ１を充填するとともに、第２ガスノズル２０内の金属原料容器２１に第２の金属原料Ｍ２を充填する。
また、サセプタ移動機構４により、基板１６を保持したサセプタ１７を、第１ガスノズル１０の噴出口１５と互いに向かい合う第１の位置Ｐ１にセットする。

【0047】

次いで、反応炉１におけるガス導入部２側から、第１ガスノズル１０内のガス原料導入部１３にガス原料Ｇ５を導入するとともに、ハロゲンガス導入部１４にハロゲンガスＧ４を導入する。これにより、第１ガスノズル１０は、ハロゲンガスＧ４を第１の金属原料Ｍ１に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第１の反応ガスＧ１として、噴出口１５側から、ガス原料導入部１３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導く。

【0048】

この際、基板１６上に到達した第１の反応ガスＧ１は、サセプタ１７に設けられた図視略の加熱手段の作用により、基板１６の表面で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ１７の回転に伴って回転する基板１６上に堆積して膜形成が行われる。
これにより、基板１６の表面に、図視略の第１の半導体膜を成長させる。

【0049】

次に、サセプタ移動機構４を作動させることにより、基板１６を保持したサセプタ１７を、パージガスノズル３０の噴出口３５と互いに向かい合う第３の位置Ｐ３に移動させる。
次いで、パージガスノズル３０の噴出口３５から、基板１６の表面、即ち、基板１６上に形成された第１の半導体膜に向けてパージガスＧ３を供給することにより、基板１６及び第１の半導体層の表面に存在する、第１の反応ガスＧ１に由来する残留成分を除去する。

【0050】

次に、サセプタ移動機構４を作動させることにより、基板１６を保持したサセプタ１７を、第２ガスノズル２０の噴出口２５と互いに向かい合う第２の位置Ｐ２に移動させる。
次いで、反応炉１におけるガス導入部２側から、第２ガスノズル２０内のガス原料導入部２３にガス原料Ｇ５を導入するとともに、ハロゲンガス導入部２４にハロゲンガスＧ４を導入する。これにより、第２ガスノズル２０は、ハロゲンガスＧ４を第２の金属原料Ｍ２に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第２の反応ガスＧ２として、噴出口２５側から、ガス原料導入部２３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ１７に保持された基板１６の表面、即ち、第１の半導体膜上に向けて導く。

【0051】

この際、基板１６上に形成された第１の半導体膜上に到達した第２の反応ガスＧ２は、上述した第１の反応ガスＧ１の場合と同様、サセプタ１７に設けられた加熱手段の作用により、第１の半導体膜の表面で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ１７の回転に伴って回転する基板１６上の第１の半導体膜の表面に堆積して膜形成が行われる。
これにより、基板１６の表面に形成された第１の半導体膜上に、図視略の第２の半導体膜を成長させる。

【0052】

なお、反応炉１内における、残余の第１の反応ガスＧ１、第２の反応ガスＧ２、及びパージガスＧ３は、排気口４０から外部に排出され、必要とされる除害処理等を施したうえで、工程で再利用されるか、あるいは、大気中に放出される。

【0053】

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の気相成長装置１００によれば、上記のような、第１の反応ガスＧ１を基板１６上に導く第１ガスノズル１０と、第２の反応ガスＧ２を基板１６上に導く第２ガスノズル２０と、基板１６を保持するサセプタ１７の位置を、第１ガスノズル１０に対応する第１の位置Ｐ１と、第２ガスノズル２０に対応する第２の位置Ｐ２とで切り替えるサセプタ移動機構４とを備え、さらに、第１ガスノズル１０と第２ガスノズル２０との間に配置され、基板１６上にパージガスＧ３を導くパージガスノズル３０を具備し、サセプタ移動機構４が、サセプタ１７の位置を、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に位置し、パージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３に切り替え可能な構成を採用している。
これにより、第１ガスノズル１０から成膜原料となる第１の反応ガスＧ１を基板１６上に供給し、第１の半導体膜を成長させた後、基板１６を保持したサセプタ１７をパージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３に移動させ、基板１６上にパージガスＧ３を供給することで、基板１６上に残留した第１の反応ガスＧ１に由来する成分を除去できる。その後、基板１６を保持したサセプタ１７を第２ガスノズル２０に対応する第２の位置Ｐ２に移動させ、基板１６上の第１の半導体膜の表面に第２の反応ガスＧ２を供給することで、第１の反応ガスＧ１に由来する成分が混入することなく、第２の半導体膜を積層して成長させることが可能になる。
従って、気相成長用の基板１６上に異なる組成の第１の半導体膜及び第２の半導体膜を連続して成長させる場合であっても、最初に成膜した第１の半導体膜の原料ガスに由来する残留成分が、その後に成膜する第２の半導体膜の膜中に混入するのを効果的に抑制でき、優れた成膜品質で半導体膜を成長させることが可能になる。

【0054】

＜気相成長装置のその他の形態＞
以上、実施形態により、本発明に係る気相成長装置の一例を説明したが、本発明に係る気相成長装置は、上述したような、図１に示す例の気相成長装置１００の構成に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

【0055】

例えば、第１ガスノズル又は第２ガスノズルのうちの一方又は両方が、内部に複数の金属原料が配置され、この複数の金属原料とハロゲンガスとから生成される反応ガスを基板上に導く構成を採用してもよい。

【0056】

図２に示す例の気相成長装置２００においては、第２ガスノズル２０Ａの内部に第２の金属原料Ｍ２１，Ｍ２２が配置され、計２種類の金属原料が配置されており、これら第２の金属原料Ｍ２１，Ｍ２２とハロゲンガスＧ４とから生成される第２の反応ガスＧ２１，Ｇ２２を基板１６上に導く構成とされている。

【0057】

より具体的には、図２中に示す第２ガスノズル２０Ａの内部には、第２の金属原料Ｍ２１が充填される金属原料容器２１ａ、及び、第２の金属原料Ｍ２２が充填される金属原料容器２１ｂの２つの容器が配置されている。また、第２ガスノズル２０Ａの内部にも、図１中に示した第２ガスノズル２０と同様、ガス原料導入部２３、ハロゲンガス導入部２４が設けられている。

【0058】

そして、第２ガスノズル２０Ａは、ハロゲンガス導入部２４によって導入されるハロゲンガスＧ４を、第２の金属原料Ｍ２１及び第２の金属Ｍ２２の両方に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第２の反応ガスＧ２１として、噴出口２５側から、ガス原料導入部２３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ１７に保持された基板１６の表面に向けて導く。

【0059】

ここで、金属原料容器２１ａ及び金属原料容器２１ｂにそれぞれ充填される、２種類の第２の金属原料Ｍ２１又は第２の金属原料Ｍ２２としても、特に限定されるものではない。例えば、第１ガスノズル１０の金属原料容器１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としてガリウム単体金属を用いた場合には、金属原料容器２１ａに充填される第２の金属原料Ｍ２１としてインジウム単体金属を用い、金属原料容器２１ｂに充填される第２の金属原料Ｍ２２として、第１の金属原料Ｍ１と同じガリウム単体からなる金属原料を用いることが可能である。

【0060】

また、本実施形態においては、基板１６の表面が水平方向を向くように、サセプタ１７に基板１６を保持させ、この状態で半導体膜を成長させる構成とされた気相成長装置１００，２００を例に挙げて説明しているが、本発明の気相成長装置は、このような構成には限定されない。本発明は、例えば、基板１６の表面が鉛直上方を向くように、サセプタ１７に基板１６を保持させ、この状態で半導体膜を成長させる構成にも適用可能なものである。
但し、基板１６や半導体膜の表面へのゴミ等の付着防止の観点からは、図１及び図２に示す気相成長装置１００，２００のように、基板１６の表面が水平方向を向くように、サセプタ１７に基板１６を保持させ、この状態で半導体膜を成長させる構成を採用することが好ましい。

【実施例】

【0061】

以下、実施例により、本発明に係る気相成長装置についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

【0062】

＜半導体膜の気相成長条件及び手順＞
本実施例においては、図２に示すような、本発明に係る構成を備えた気相成長装置２００を使用して、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）系化合物半導体膜を製膜する実験を行った。
この際、気相成長装置２００における、第１ガスノズル１０の金属原料容器１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としてガリウム単体金属を用いた。また、第２ガスノズル２０の金属原料容器２１ａに充填される第２の金属原料Ｍ２１としてインジウム単体金属を用い、金属原料容器２１ｂに充填される第２の金属原料Ｍ２２として、第１の金属原料Ｍ１と同じガリウム単体からなる金属原料を用いた。

【0063】

そして、反応炉１の外部から、図視略の加熱手段によって第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０を加熱し、第１の金属原料Ｍ１及び第２の金属原料Ｍ２１，Ｍ２２の近傍の温度を約８００℃、基板１６の近傍の温度を約７００℃に保持した。

【0064】

次いで、ガス原料導入部１３からガス原料Ｇ５としてアルシンガスを、ハロゲンガス導入部１４からハロゲンガスＧ４として塩化水素ガスを導入し、第１の金属原料Ｍ１をなすガリウム単体金属と塩化水素ガスとを反応させ、塩化ガリウムの状態とした第１の反応ガスＧ１を生成させた。そして、第１の反応ガスＧ１である塩化ガリウムを、ガス原料Ｇ５であるアルシンガスとともに基板１６の表面に供給し、ガリウム砒素薄膜からなる第１の半導体膜を成長させた。

【0065】

次いで、サセプタ移動機構４を作動させ、基板１６を保持したサセプタ１７を、パージガスノズル３０に対応した第３の位置Ｐ３に移動させた。そして、パージガスノズル３０にパージガスＧ３として窒素ガスを導入し、この窒素ガスを基板１６上に形成された第１の半導体膜上に供給した。

【0066】

次いで、サセプタ移動機構４を作動させ、基板１６を保持したサセプタ１７を、第２ガスノズル２０に対応した第２の位置Ｐ２に移動させた。その後、ガス原料導入部２３からガス原料Ｇ５としてホスフィンガスを、ハロゲンガス導入部２４ａ，２４ｂの双方に、ハロゲンガスＧ４として塩化水素ガスを導入し、第２の金属原料Ｍ２１であるインジウム単体金属、及び、第２の金属原料Ｍ２２であるガリウム単体金属と反応させ、塩化インジウム及び塩化ガリウムからなる第２の反応ガスＧ２１を生成させた。そして、第１の反応ガスＧ２１である塩化インジウム及び塩化ガリウムを、ガス原料Ｇ５であるホスフィンガスとともに、基板１６上に形成された第１の半導体膜の表面に供給し、インジウムガリウム燐薄膜からなる第２の半導体膜を成長させて積層した。

【0067】

次いで、サセプタ移動機構４を作動させ、基板１６を保持したサセプタ１７を第３の位置Ｐ３に戻し、パージガスノズル３０にパージガスＧ３として窒素ガスを導入し、この窒素ガスを基板１６の表面の最上層に形成された第２の半導体膜上に供給した。

【0068】

次いで、さらにサセプタ移動機構４を作動させ、基板１６を保持したサセプタ１７を第１の位置Ｐ１に戻し、再び、ガス原料導入部１３からガス原料Ｇ５としてアルシンガスを、ハロゲンガス導入部１４からハロゲンガスＧ４として塩化水素ガスを導入し、第１の金属原料Ｍ１をなすガリウム単体金属と塩化水素ガスとを反応させ、塩化ガリウムの状態とした第１の反応ガスＧ１をさせた。

【0069】

そして、第１の反応ガスＧ１である塩化ガリウムを、ガス原料Ｇ５であるアルシンガスとともに基板１６の表面の最上層に形成された第２の半導体膜上に供給し、第２の半導体膜上に、さらに、ガリウム砒素薄膜からなる第１の半導体膜を成長させた。
上記条件及び手順で形成した各半導体膜のうち、最後の工程で形成したガリウム砒素薄膜からなる第１の半導体膜には、第２の半導体膜の原料に由来するインジウムの混在は確認されなかった。

【0070】

一方、上記の手順のうち、サセプタ移動機構４によって基板１６を保持したサセプタ１７を第３の位置Ｐ３に移動させる手順を省略し、パージガスノズル３０による基板１６上へのパージガスＧ３の供給も省略した場合には、インジウムガリウム燐薄膜からなる第２の半導体膜の上に形成したガリウム砒素からなる第１の半導体膜（３層目）の膜中に、インジウムが混入していることが認められた。

【0071】

以上説明したような実施例の結果より、パージガスノズルを備えた本発明の気相成長装置を用いることで、複数の膜種の半導体膜を連続して成長させた場合においても、その前に成膜した半導体膜の原料に由来する残留成分が、その後に成膜した半導体膜の膜中に混入するのを効果的に抑制でき、優れた成膜品質で半導体膜を成長させることが可能であることが明らかとなった。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明の気相成長装置は、気相成長用の基板上に異なる組成の第１の半導体膜及び第２の半導体膜を連続して成長させる場合であっても、最初に成膜した第１の半導体膜の原料ガスに由来する残留成分が、その後に成膜する第２の半導体膜の膜中に混入するのを効果的に抑制でき、優れた成膜品質で半導体膜を成長させることが可能になるものである。従って、本発明の気相成長装置は、例えば、基板上に複数の半導体膜を積層して成長、成膜させるための装置として非常に好適である。

【符号の説明】

【0073】

１００，２００…気相成長装置
１…反応炉
２…ガス導入部
３…サセプタ保持部
４…サセプタ移動機構
１０…第１ガスノズル
１１…金属原料容器
１３…ガス原料導入部
１４…ハロゲンガス導入部
１５…噴出口
２０…第２ガスノズル
２１，２１ａ，２１ｂ…金属原料容器
２３…ガス原料導入部
２４，２４ａ，２４ｂ…ハロゲンガス導入部
２５…噴出口
３０…パージガスノズル
３３…パージガス導入部
３５…噴出口
１６…基板
１７…サセプタ
１８…サセプタ回転軸
４０・・・排気口
Ｐ１…第１の位置
Ｐ２…第２の位置
Ｐ３…第３の位置
Ｍ１…第１の金属原料
Ｍ２，Ｍ２１，Ｍ２２…第２の金属原料
Ｇ１…第１の反応ガス
Ｇ２，Ｇ２１，Ｇ２２…第２の反応ガス
Ｇ３…パージガス
Ｇ４…ハロゲンガス
Ｇ５…ガス原料

【図1】

【図2】