化合物半導体エピタキシャル成長装置
【課題】反応炉内に分解付着物が生成しないような構造とすることにより基板上への異物の付着を抑制し、分解付着物の再蒸発によるエピタキシャル薄膜の劣化を抑制でき、かつ反応炉内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数を削減可能な構造の化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供する。
【解決手段】基板１３を収容した反応炉１１内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置１０において、Ｖ族元素を含む原料が分解し、反応炉１１内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６を接続した。
【解決手段】基板１３を収容した反応炉１１内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置１０において、Ｖ族元素を含む原料が分解し、反応炉１１内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６を接続した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｖ族元素を含む原料を用いる気相エピタキシャル成長、すなわち有機金属気相エピタキシャル成長に用いる化合物半導体エピタキシャル成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族化合物半導体は、高周波電子デバイスおよび発光・受光デバイスとして広く用いられている。その機能を発現するためのエピタキシャル薄膜の製造には、量産に適した有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法が主として用いられている。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法により、III−Ｖ族化合物半導体を製造する場合、ガリウムやアルミニウム、インジウムといったIII族金属元素を含む有機金属化合物をIII族原料に用い、ヒ素およびリンといったＶ族元素を含む水素化合物あるいは有機化合物をＶ族原料に用い、それぞれ水素ガスなどのキャリアガスおよび必要に応じてドーパントガスなどと共に反応炉に供給し、熱分解することにより、反応炉内に設置された基板上にIII−Ｖ族化合物半導体薄膜（以下、エピタキシャル薄膜という）を製膜する。
【０００４】
このとき、エピタキシャル薄膜の品質を保つため、III族原料供給量に対するＶ族原料供給量は、数倍から多いときには数千倍もの分圧比で供給される。供給されたＶ族原料は熱分解され、一部はエピタキシャル薄膜として取り込まれるが、大部分はエピタキシャル薄膜に取り込まれることなく、その一部は排気経路に配置されたＶ族原料除去装置などに取り込まれ、また別の一部はＡｓやＰなどといったＶ族元素単体の形で反応炉の内壁や反応炉内に設置した治具などに付着してしまう。
【０００５】
反応炉の内壁や治具表面に付着した分解付着物は、安定な状態であれば問題ないが、エピタキシャル成長回数が増加するにつれて分解付着物が剥離しやすい状態になる。剥離してしまった分解付着物は、基板上への異物の付着の原因となる。そのため分解付着物除去のためにある周期でエピタキシャル成長装置のメンテナンスを行わなければならないなどの問題がある。
【０００６】
さらに、分解付着物が特に蒸気圧の高いＰの場合は、エピタキシャル成長中にＰ原子を含む原料を流していないにも関わらず、反応炉の内壁や治具表面からＰ原子が再蒸発し、エピタキシャル薄膜中に不純物として取り込まれ、デバイス特性の劣化の原因ともなる。
【０００７】
このような基板にとって不要な分解付着物の生成を抑制するため、反応炉内にエッチング性ガスを供給するなどの方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６１−１６４２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、反応炉内の基板よりも下流側にエッチング性ガスを供給することにより、基板よりも下流側での分解付着物の生成を抑制でき、基板搬入時の基板上への異物の付着を抑えることができる。
【００１０】
しかしながら、反応炉内において、分解付着物は必ずしも基板よりも下流側に付着するとは限らず、基板よりも上流側、あるいは基板近傍に付着することもある。そのため、特許文献１ではこのような領域に生成した分解付着物が、エピタキシャル成長中に再蒸発して、エピタキシャル薄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る。エピタキシャル薄膜中に不純物が取り込まれると、エピタキシャル薄膜の劣化を招き、歩留まりが悪くなってしまうという問題が発生する。
【００１１】
また、分解付着物の生成を抑制するために、基板の上流側からエッチング性ガスとして塩化水素などのハロゲン化水素を供給すると、エピタキシャル薄膜自体をエッチングして結晶の劣化の原因となってしまうという問題もある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、反応炉内にＶ族元素を含む原料の分解付着物が生成しないような構造とすることにより基板上への異物の付着を抑制し、分解付着物の再蒸発によるエピタキシャル薄膜の劣化を抑制でき、かつ反応炉内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数を削減（反応炉内のメンテナンス周期を増加）可能な構造の化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基板を収容した反応炉内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、前記基板上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、前記Ｖ族元素を含む原料が分解し、前記反応炉内でその分解付着物が付着する付着部分の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段を接続した化合物半導体エピタキシャル成長装置である。
【００１４】
前記水素ラジカル供給手段は、水素を含むガスを供給するガス供給源と、該ガス供給源から供給された前記水素を含むガスの水素をラジカル化して前記水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置と、該水素ラジカル生成装置で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを前記反応炉の前記付着部分の領域に流す水素ラジカル供給管とからなるとよい。
【００１５】
前記反応炉は、横型円筒反応器の一端に原料供給管が設けられ、他端に排気管が設けられ、その外周に高周波加熱コイルが設けられて形成され、その横型円筒反応器内にサセプタ上に支持された前記基板が収容され、前記水素ラジカル供給手段は、前記基板の上部の前記横型円筒反応器の上流側に接続されるとよい。
【００１６】
前記反応炉は、縦型円筒反応器の底板中央に原料供給管、その外周に排気管が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータが設けられ、かつその抵抗加熱ヒータの下方に前記基板を支持する回転自在なサセプタが設けられて構成され、前記原料供給管の外周から底板上に水素ラジカル供給手段を接続してもよい。
【００１７】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスであるとよい。
【００１８】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスであってもよい。
【００１９】
前記Ｖ族元素を含む原料がアルシンまたはターシャリブチルアルシンのうちの少なくとも１つを含むとよい。
【００２０】
前記Ｖ族元素を含む原料がホスフィンまたはターシャリブチルホスフィンのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、反応炉内にＶ族元素を含む原料の分解付着物が生成しないような構造とすることにより基板上への異物の付着を抑制し、分解付着物の再蒸発によるエピタキシャル薄膜の劣化を抑制でき、かつ反応炉内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数を削減（反応炉内のメンテナンス周期を増加）可能な構造の化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０は、基板１３を収容した反応炉１１内に、Ｖ族元素を含む原料（原料ガス）を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させるものである。
【００２６】
反応炉１１は、高純度の石英でできた横型円筒反応器１１ａの一端に原料供給管１４が設けられ、他端に排気管３４が設けられ、その外周に高周波加熱コイル１５が設けられて形成される。横型円筒反応器１１ａ内には、サセプタ１２上に支持された基板１３（例えばＧａＡｓ基板）が収容される。
【００２７】
高周波加熱コイル１５の代わりに、抵抗加熱ヒータを使用してもよいが、高周波加熱コイル１５の方が加熱および冷却に要する時間が短く、横型円筒反応器１１ａが直接加熱されないので好ましい。サセプタ１２は、反応炉１１内の熱膨張、熱輻射、強度などを考慮して、カーボン製とする。
【００２８】
原料供給管１４からは、Ｖ族元素を含む原料が気体で導入される。Ｖ族原料のうちで、Ａｓ原子を含む原料としてはアルシンやターシャリブチルアルシンを用いることができ、Ｐ原子を含む原料としてはホスフィンやターシャリブチルホスフィンを用いることができる。
【００２９】
ところで、Ｖ族原料を用いる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、Ｖ族原料が分解して生成するＡｓ原子やＰ原子を含む分解生成物、例えばＡｓＨやＰＨのような水素原子が１つ結合した分子や、ＡｓラジカルやＰラジカルなどの化学的に不安定な分子は、反応炉１１内の相対的に温度が低い領域に熱拡散によって拡散し、滞留して、ある平均滞在時間の後に、化学的に安定な固体のＡｓやＰなどの形で反応炉１１の内壁や治具（サセプタなど）に分解付着物として付着する。
【００３０】
本実施の形態では、反応炉１１内の相対的に温度が低い領域が、サセプタ１２から離れた横型円筒反応器１１ａの内壁にあたり、基板１３の上部である図示１７の領域になる。この分解付着物が最も付着しやすい領域を付着部分１７と呼称する。
【００３１】
さて、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０では、横型円筒反応器１１ａ内に供給されたＶ族元素を含む原料が分解し、横型円筒反応器１１ａ内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６が接続される。
【００３２】
水素ラジカル供給手段３６は、水素を含むガスを供給するガス供給源１８と、ガス供給源１８から供給された水素を含むガスの水素をラジカル化して水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置１６と、水素ラジカル生成装置１６で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを横型円筒反応器１１ａの付着部分１７の領域に流す水素ラジカル供給管１９とからなる。
【００３３】
水素ラジカル生成装置１６は、例えばマイクロ波発生源から発生されるマイクロ波を水素ガスに照射することにより、水素ガスを活性化し電離させて水素ラジカルを生成するものである。
【００３４】
なお付着部分１７に水素ラジカルが効率よく供給されるように、水素ラジカル供給管１９の接続位置を調整するとよい。また横型円筒反応器１１ａと水素ラジカル供給管１９の接続部分に水素ラジカルを誘導する部材を設けてもよいし、水素ラジカル供給管１９には付着部分１７に水素ラジカルを供給する流速を調整できるように工夫を施してもよい。
【００３５】
本実施の形態では、水素ラジカル供給手段３６において、ガス供給源１８からは水素ガスを水素ラジカル生成装置１６に供給したが、これに限らず、水素ガスとアルゴンガスからなる混合ガス、あるいは水素ガスと窒素ガスからなる混合ガスを供給してもよい。その場合、水素ラジカル供給管１９からは、水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガス、あるいは水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスが横型円筒反応器１１ａの付着部分１７に供給される。
【００３６】
水素ラジカルは、他の水素ラジカルと反応して、容易に水素分子に変化してしまう。そこで、水素ラジカル同士の衝突確率を低くする必要があるが、アルゴンガスおよび窒素ガスといった不活性ガスとともに水素ラジカルを横型円筒反応器１１ａ内に供給することにより、分解付着物を付着防止させたい領域に水素ラジカルが効率的に輸送され、付着防止効果を高めることができる。
【００３７】
本発明の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０を用いて、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる場合、横型円筒反応器１１ａ内に原料供給管１４からＶ族元素を含む原料を供給する。
【００３８】
具体的には、III−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル薄膜を成長させる場合、III族原料（例えばトリメチルガリウム）、Ｖ族原料（例えばアルシンガス）、キャリアガス（例えば水素ガス）、必要に応じてドーパントガスなどを成長させたいエピタキシャル薄膜の膜厚に応じ、所望の割合で供給する。なお、III族元素を含む原料は有機金属であるため、液体でその容器ごと水槽などに入れ温度制御されており、必要な量だけが気体で供給される。
【００３９】
横型円筒反応器１１ａ内でサセプタ１２上に支持された基板１３を高周波加熱コイル１５で加熱しつつ、Ｖ族元素を含む原料を供給することで、基板１３付近のＶ族元素を含む原料が熱により分解し、基板１３上にエピタキシャル薄膜が成長する。
【００４０】
同時に、ガス供給源１８から供給された水素を含むガスを水素ラジカル生成装置１６により、分解付着物と化学反応を起こしやすい状態、すなわち反応性の高い水素ラジカルにして、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内で分解付着物が付着する付着部分１７、すなわちＡｓやＰが付着しやすい領域に選択的に供給することで、ＡｓＨやＰＨおよびＡｓラジカルやＰラジカルなどの不安定な分子が反応炉１１の内壁や治具などに付着する前に、ＡｓＨ3やＰＨ3などの化学的に安定なガスである水素化物に変化させて、反応炉１１の内壁や治具に付着させることなく、排気させる。
【００４１】
例えば、アルシンやターシャリブチルアルシンは、熱分解によってＡｓＨやＡｓラジカルの形に分解するので、水素ラジカルの供給により、安定なＡｓＨ3となり排気される。
【００４２】
また、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンは、熱分解によってＰＨやＰラジカルの形に分解するので、水素ラジカルの供給により、安定なＰＨ3となり排気される。
【００４３】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４４】
本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０は、Ｖ族元素を含む原料が分解し、反応炉１１内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６を接続している。
【００４５】
これにより、水素ラジカルが有する特性、すなわち水素ラジカル同士が反応して容易に水素分子に戻るという特性を利用して、水素ラジカル供給管１９の接続位置や水素ラジカルを供給する流速を工夫することで、空間的に限定された範囲でのみ分解付着物の付着防止作用を機能させることが可能となるため、反応炉１１の内壁および治具への不要な分解付着物の生成を効果的に抑制でき、基板１３上への異物の付着を抑制できる。
【００４６】
また、水素ラジカルは反応性が強いため、Ｖ族原料が熱分解して生じる、例えばＡｓ原子やＰ原子を含む活性化分子を、反応炉１１の内壁および反応炉１１内に設置した治具に付着する前に蒸気圧の高い水素化物にすることができる。したがって、分解付着物が反応炉１１の内壁や治具へ付着するのを未然に防ぎ、かつ分解付着物が再蒸発してエピタキシャル薄膜中に不純物として混入することを効果的に防止できるので、反応炉１１内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数が削減し、生産のスループットが向上する。
【００４７】
さらに、水素ラジカルがエピタキシャル成長領域に達したとしても、水素ラジカル自身は通常のエピタキシャル成長条件でも存在し、また基板１３のクリーニングにも利用されているものなので、ハロゲン化水素のようにエピタキシャル薄膜を劣化させることはない。
【００４８】
図２に示すように、本発明の他の実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置２０は、縦型円筒反応器２１ａの底板中央に原料供給管２４、その外周に排気管４４が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータ２５が設けられ、かつその抵抗加熱ヒータ２５の下方に基板２３を支持する回転自在なサセプタ２２が設けられて構成され、原料供給管２４の外周から底板上に水素ラジカル供給手段４６を接続している。
【００４９】
本実施の形態では、原料供給管２４は、原料供給管２４ａ，２４ｂの２つの管に分かれており、それぞれに適宜原料ガスを供給するようにしている。
【００５０】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０では、縦型円筒反応器２１ａ内に供給されたＶ族元素を含む原料が分解し、縦型円筒反応器２１ａ内でその分解付着物が付着する付着部分２７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段４６が接続される。
【００５１】
水素ラジカル供給手段４６は、水素を含むガスを供給するガス供給源２８と、ガス供給源２８から供給された水素を含むガスの水素をラジカル化して水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置２６と、水素ラジカル生成装置２６で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを縦型円筒反応器２１ａの付着部分２７の領域に流す水素ラジカル供給管２９とからなる。
【００５２】
本実施の形態では、反応炉２１内の相対的に温度が低い領域が、サセプタ２２から離れた縦型円筒反応器２１ａの底板上の領域となり、この領域が付着部分２７となる。
【００５３】
付着部分２７に水素ラジカルが効率よく供給されるように、縦型円筒反応器２１ａと水素ラジカル供給管２９の接続部分には、水素ラジカルを誘導する部材２９ａを設ける。部材２９ａは、水素ラジカルが、水素ラジカル供給管２９から縦型円筒反応器２１ａに噴出される口を、鉛直方向から底板と平行になるように、９０°曲げて形成される。すなわち部材２９ａは断面視でＬ字状に形成される。
【００５４】
なお、縦型円筒反応器２１ａと水素ラジカル供給管２９の接続位置を調整してもよいし、水素ラジカル供給管２９には、付着部分２７に水素ラジカルを供給する流速を調整できるような工夫を施してもよい。
【００５５】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０を用いて、基板２３上に気相エピタキシャル成長させる場合、図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０と同様に、縦型円筒反応器２１ａ内に原料供給管２４ａ，２４ｂからＶ族元素を含む原料を供給する。
【００５６】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０によれば、図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０と同様に、反応炉２１の内壁および治具への不要な分解付着物の生成を効果的に抑制でき、基板２３上への異物の付着を抑制できる効果が得られる。
【００５７】
また、Ｖ族原料が熱分解して生じる、例えばＡｓ原子やＰ原子を含む活性化分子が、反応炉２１の内壁および反応炉２１内に設置した治具に付着する前に蒸気圧の高い水素化物にすることができる。したがって、分解付着物が反応炉２１の内壁や治具へ付着するのを未然に防ぎ、かつ分解付着物が再蒸発してエピタキシャル薄膜中に不純物として混入することを効果的に防止できるので、反応炉２１内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数が削減し、生産のスループットが向上する効果が得られる。
【００５８】
上記実施の形態では、反応炉として、横型円筒反応器１１ａと縦型円筒反応器２１ａを用いたが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、縦フロー型、シャワーヘッド型、バレル型などいずれの構造を用いたＭＯＶＰＥ反応炉にも適用できる。
【００５９】
また上記実施の形態では、Ｖ族原料として、アルシン、ターシャリブチルアルシン、ホスフィン、ターシャリブチルホスフィンを用いた場合を説明したが、使用するＶ族原料についてはこれに限定されない。つまり、他の材料を用いた場合でも、水素ラジカルを過剰に含むガスを不要な分解付着物が生じる領域に選択的に供給する構造を有していれば、本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００６０】
実施例１
図１に示す横型円筒反応器１１ａ内に収容されたサセプタ１２上にＧａＡｓ基板１３を設置し、III族原料およびＶ族原料の混合ガスを原料供給管１４から横型円筒反応器１１ａ内に供給し、高周波加熱コイル１５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板１３上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。
【００６１】
III族原料としては、トリメチルガリウムを用い、Ｖ族原料には水素で１０％に希釈したアルシンガスを用いた。III族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比、すなわちＶ／III比を１００、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管１４における総流量を３．９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００６２】
この際に、基板１３の対向面（基板１３の上部）に当たる領域に固体のＡｓが付着することが別の実験により分かっていたので、この領域（付着部分１７）の上流側、すなわち横型円筒反応器１１ａの上流側に水素ラジカル供給管１９を設置し、水素ラジカル生成装置１６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内に供給した。
【００６３】
水素ラジカル生成装置１６へは、ガス供給源１８から水素ガスを０．１Ｌ／ｍｉｎ供給した。
【００６４】
付着部分１７に何も分解付着物がない状態から、１回あたり１０μｍのＧａＡｓエピタキシャル薄膜を成長させ、これを複数回繰り返し、ＧａＡｓエピタキシャル薄膜表面に大きさ１μｍ以上の異物が現れはじめる成長総膜厚を調べたところ、水素ラジカル生成装置１６を稼動せずに水素のみを供給した場合と比較して１．３５倍となった。
【００６５】
この結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉１１内に水素ラジカルを過剰に含むガスを供給することで、付着部分１７への不要な分解付着物の生成を抑制できることがわかり、本発明の有効性が確認できた。
【００６６】
実施例２
実施例１と同様に、図１に示す横型円筒反応器１１ａ内に収容されたサセプタ１２上にＧａＡｓ基板１３を設置し、III族原料およびＶ族原料の混合ガスを原料供給管１４から横型円筒反応器１１ａ内に供給し、高周波加熱コイル１５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板１３上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。
【００６７】
III族原料としては、トリメチルガリウムを用い、Ｖ族原料には水素で１０％に希釈したアルシンガスを用いた。III族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比、すなわちＶ／III比を１００、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管１４における総流量を３．９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００６８】
この際に、基板１３の対向面（基板１３の上部）に当たる領域に固体のＡｓが付着することが別の実験により分かっていたので、この領域（付着部分１７）の上流側、すなわち横型円筒反応器１１ａの上流側に水素ラジカル供給管１９を設置し、水素ラジカル生成装置１６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内に供給した。
【００６９】
水素ラジカル生成装置１６へは、ガス供給源１８から水素ガス０．０５Ｌ／ｍｉｎとアルゴンガス０．０５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを供給した。このとき、水素ラジカル生成装置１６の出力を調整して、実質的な水素ラジカル量が、実施例１と同じになるようにした。
【００７０】
付着部分１７に何も分解付着物がない状態から、１回あたり１０μｍのＧａＡｓエピタキシャル薄膜を成長させ、これを複数回繰り返し、ＧａＡｓエピタキシャル薄膜表面に大きさ１μｍ以上の異物が現れはじめる成長総膜厚を調べたところ、水素ラジカル生成装置１６を稼動せずに水素のみを供給した場合と比較して１．４２倍となった。
【００７１】
実施例１と実施例２の結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉１１内に水素ラジカルを供給しない場合だけでなく、水素ラジカルのみ供給する場合と比較しても、水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスを供給した方が、付着部分１７での不要な分解付着物の析出抑制効果が高まることがわかり、本発明の効果が確認できた。
【００７２】
実施例３
図２に示す縦型円筒反応器２１ａ内に収容された回転自在なサセプタ２２上にＧａＡｓ基板２３を設置し、縦型円筒反応器２１ａの底板中央の原料供給管２４ａ，２４ｂからそれぞれＶ族原料およびIII族原料を縦型円筒反応器２１ａ内に供給し、縦型円筒反応器２１ａ内の頂板に設けられた抵抗加熱ヒータ２５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板２３上にＧａＡｓバッファ層０．１μｍ、Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ層０．５μｍ、ＧａＡｓキャップ層０．２μｍの順のエピタキシャル積層構造を形成させた。
【００７３】
III族原料であるガリウム原料としてはトリメチルガリウム、インジウム原料としてはトリメチルインジウム、Ｖ族原料であるヒ素原料としては１００％アルシン、リン原料としては１００％ホスフィンを用いた。
【００７４】
ＧａＡｓバッファ層、Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ層、ＧａＡｓキャップ層のいずれも、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管２４ａ，２４ｂにおける総流量を２９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００７５】
不要な分解付着物が形成される付着部分２７の上流側、すなわち原料供給管２４ａ，２４ｂの外周から底板上に水素ラジカル供給管２９を設置し、水素ラジカル生成装置２６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管２９から縦型円筒反応器２１ａ内に供給した。
【００７６】
水素ラジカル生成装置２６へは、ガス供給源２８から水素ガス０．５Ｌ／ｍｉｎとアルゴンガス０．５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを供給した。
【００７７】
水素ラジカル生成装置２６を稼動させた場合と稼動させなかった場合の２種類のサンプルを用意し、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて、ＧａＡｓキャップ層におけるＰ濃度を比較した。
【００７８】
水素ラジカル生成装置２６を稼動させなかった場合、すなわち水素ラジカルを供給しなかったサンプルでは、ＧａＡｓキャップ層中にバックグラウンドレベル（１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を越えるＰが検出された。
【００７９】
しかし、水素ラジカル生成装置２６を稼動させた場合、すなわち水素ラジカルを供給したサンプルでは、ＧａＡｓキャップ層でのＰ濃度は、ＳＩＭＳのバックグラウンドレベルに隠れて検知できなかった。
【００８０】
この結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板２３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉２１内に水素ラジカルを過剰に含むガスを供給することにより、付着部分２７にＰを含む不要な分解付着物の生成が抑制され、さらにＧａＡｓキャップ層成長時に再蒸発してＧａＡｓ中への混入を防ぐことがわかり、本発明の効果が確認できた。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 化合物半導体エピタキシャル成長装置
１１ 反応炉
１１ａ 横型円筒反応器
１２ サセプタ
１３ 基板
１４ 原料供給管
１５ 高周波加熱コイル
１６ 水素ラジカル生成装置
１７ 付着部分
１８ ガス供給源
１９ 水素ラジカル供給管
３４ 排気管
３６ 水素ラジカル供給手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｖ族元素を含む原料を用いる気相エピタキシャル成長、すなわち有機金属気相エピタキシャル成長に用いる化合物半導体エピタキシャル成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族化合物半導体は、高周波電子デバイスおよび発光・受光デバイスとして広く用いられている。その機能を発現するためのエピタキシャル薄膜の製造には、量産に適した有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法が主として用いられている。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法により、III−Ｖ族化合物半導体を製造する場合、ガリウムやアルミニウム、インジウムといったIII族金属元素を含む有機金属化合物をIII族原料に用い、ヒ素およびリンといったＶ族元素を含む水素化合物あるいは有機化合物をＶ族原料に用い、それぞれ水素ガスなどのキャリアガスおよび必要に応じてドーパントガスなどと共に反応炉に供給し、熱分解することにより、反応炉内に設置された基板上にIII−Ｖ族化合物半導体薄膜（以下、エピタキシャル薄膜という）を製膜する。
【０００４】
このとき、エピタキシャル薄膜の品質を保つため、III族原料供給量に対するＶ族原料供給量は、数倍から多いときには数千倍もの分圧比で供給される。供給されたＶ族原料は熱分解され、一部はエピタキシャル薄膜として取り込まれるが、大部分はエピタキシャル薄膜に取り込まれることなく、その一部は排気経路に配置されたＶ族原料除去装置などに取り込まれ、また別の一部はＡｓやＰなどといったＶ族元素単体の形で反応炉の内壁や反応炉内に設置した治具などに付着してしまう。
【０００５】
反応炉の内壁や治具表面に付着した分解付着物は、安定な状態であれば問題ないが、エピタキシャル成長回数が増加するにつれて分解付着物が剥離しやすい状態になる。剥離してしまった分解付着物は、基板上への異物の付着の原因となる。そのため分解付着物除去のためにある周期でエピタキシャル成長装置のメンテナンスを行わなければならないなどの問題がある。
【０００６】
さらに、分解付着物が特に蒸気圧の高いＰの場合は、エピタキシャル成長中にＰ原子を含む原料を流していないにも関わらず、反応炉の内壁や治具表面からＰ原子が再蒸発し、エピタキシャル薄膜中に不純物として取り込まれ、デバイス特性の劣化の原因ともなる。
【０００７】
このような基板にとって不要な分解付着物の生成を抑制するため、反応炉内にエッチング性ガスを供給するなどの方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６１−１６４２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、反応炉内の基板よりも下流側にエッチング性ガスを供給することにより、基板よりも下流側での分解付着物の生成を抑制でき、基板搬入時の基板上への異物の付着を抑えることができる。
【００１０】
しかしながら、反応炉内において、分解付着物は必ずしも基板よりも下流側に付着するとは限らず、基板よりも上流側、あるいは基板近傍に付着することもある。そのため、特許文献１ではこのような領域に生成した分解付着物が、エピタキシャル成長中に再蒸発して、エピタキシャル薄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る。エピタキシャル薄膜中に不純物が取り込まれると、エピタキシャル薄膜の劣化を招き、歩留まりが悪くなってしまうという問題が発生する。
【００１１】
また、分解付着物の生成を抑制するために、基板の上流側からエッチング性ガスとして塩化水素などのハロゲン化水素を供給すると、エピタキシャル薄膜自体をエッチングして結晶の劣化の原因となってしまうという問題もある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、反応炉内にＶ族元素を含む原料の分解付着物が生成しないような構造とすることにより基板上への異物の付着を抑制し、分解付着物の再蒸発によるエピタキシャル薄膜の劣化を抑制でき、かつ反応炉内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数を削減（反応炉内のメンテナンス周期を増加）可能な構造の化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基板を収容した反応炉内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、前記基板上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、前記Ｖ族元素を含む原料が分解し、前記反応炉内でその分解付着物が付着する付着部分の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段を接続した化合物半導体エピタキシャル成長装置である。
【００１４】
前記水素ラジカル供給手段は、水素を含むガスを供給するガス供給源と、該ガス供給源から供給された前記水素を含むガスの水素をラジカル化して前記水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置と、該水素ラジカル生成装置で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを前記反応炉の前記付着部分の領域に流す水素ラジカル供給管とからなるとよい。
【００１５】
前記反応炉は、横型円筒反応器の一端に原料供給管が設けられ、他端に排気管が設けられ、その外周に高周波加熱コイルが設けられて形成され、その横型円筒反応器内にサセプタ上に支持された前記基板が収容され、前記水素ラジカル供給手段は、前記基板の上部の前記横型円筒反応器の上流側に接続されるとよい。
【００１６】
前記反応炉は、縦型円筒反応器の底板中央に原料供給管、その外周に排気管が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータが設けられ、かつその抵抗加熱ヒータの下方に前記基板を支持する回転自在なサセプタが設けられて構成され、前記原料供給管の外周から底板上に水素ラジカル供給手段を接続してもよい。
【００１７】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスであるとよい。
【００１８】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスであってもよい。
【００１９】
前記Ｖ族元素を含む原料がアルシンまたはターシャリブチルアルシンのうちの少なくとも１つを含むとよい。
【００２０】
前記Ｖ族元素を含む原料がホスフィンまたはターシャリブチルホスフィンのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、反応炉内にＶ族元素を含む原料の分解付着物が生成しないような構造とすることにより基板上への異物の付着を抑制し、分解付着物の再蒸発によるエピタキシャル薄膜の劣化を抑制でき、かつ反応炉内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数を削減（反応炉内のメンテナンス周期を増加）可能な構造の化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置の構造を示した概略図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０は、基板１３を収容した反応炉１１内に、Ｖ族元素を含む原料（原料ガス）を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させるものである。
【００２６】
反応炉１１は、高純度の石英でできた横型円筒反応器１１ａの一端に原料供給管１４が設けられ、他端に排気管３４が設けられ、その外周に高周波加熱コイル１５が設けられて形成される。横型円筒反応器１１ａ内には、サセプタ１２上に支持された基板１３（例えばＧａＡｓ基板）が収容される。
【００２７】
高周波加熱コイル１５の代わりに、抵抗加熱ヒータを使用してもよいが、高周波加熱コイル１５の方が加熱および冷却に要する時間が短く、横型円筒反応器１１ａが直接加熱されないので好ましい。サセプタ１２は、反応炉１１内の熱膨張、熱輻射、強度などを考慮して、カーボン製とする。
【００２８】
原料供給管１４からは、Ｖ族元素を含む原料が気体で導入される。Ｖ族原料のうちで、Ａｓ原子を含む原料としてはアルシンやターシャリブチルアルシンを用いることができ、Ｐ原子を含む原料としてはホスフィンやターシャリブチルホスフィンを用いることができる。
【００２９】
ところで、Ｖ族原料を用いる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、Ｖ族原料が分解して生成するＡｓ原子やＰ原子を含む分解生成物、例えばＡｓＨやＰＨのような水素原子が１つ結合した分子や、ＡｓラジカルやＰラジカルなどの化学的に不安定な分子は、反応炉１１内の相対的に温度が低い領域に熱拡散によって拡散し、滞留して、ある平均滞在時間の後に、化学的に安定な固体のＡｓやＰなどの形で反応炉１１の内壁や治具（サセプタなど）に分解付着物として付着する。
【００３０】
本実施の形態では、反応炉１１内の相対的に温度が低い領域が、サセプタ１２から離れた横型円筒反応器１１ａの内壁にあたり、基板１３の上部である図示１７の領域になる。この分解付着物が最も付着しやすい領域を付着部分１７と呼称する。
【００３１】
さて、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０では、横型円筒反応器１１ａ内に供給されたＶ族元素を含む原料が分解し、横型円筒反応器１１ａ内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６が接続される。
【００３２】
水素ラジカル供給手段３６は、水素を含むガスを供給するガス供給源１８と、ガス供給源１８から供給された水素を含むガスの水素をラジカル化して水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置１６と、水素ラジカル生成装置１６で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを横型円筒反応器１１ａの付着部分１７の領域に流す水素ラジカル供給管１９とからなる。
【００３３】
水素ラジカル生成装置１６は、例えばマイクロ波発生源から発生されるマイクロ波を水素ガスに照射することにより、水素ガスを活性化し電離させて水素ラジカルを生成するものである。
【００３４】
なお付着部分１７に水素ラジカルが効率よく供給されるように、水素ラジカル供給管１９の接続位置を調整するとよい。また横型円筒反応器１１ａと水素ラジカル供給管１９の接続部分に水素ラジカルを誘導する部材を設けてもよいし、水素ラジカル供給管１９には付着部分１７に水素ラジカルを供給する流速を調整できるように工夫を施してもよい。
【００３５】
本実施の形態では、水素ラジカル供給手段３６において、ガス供給源１８からは水素ガスを水素ラジカル生成装置１６に供給したが、これに限らず、水素ガスとアルゴンガスからなる混合ガス、あるいは水素ガスと窒素ガスからなる混合ガスを供給してもよい。その場合、水素ラジカル供給管１９からは、水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガス、あるいは水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスが横型円筒反応器１１ａの付着部分１７に供給される。
【００３６】
水素ラジカルは、他の水素ラジカルと反応して、容易に水素分子に変化してしまう。そこで、水素ラジカル同士の衝突確率を低くする必要があるが、アルゴンガスおよび窒素ガスといった不活性ガスとともに水素ラジカルを横型円筒反応器１１ａ内に供給することにより、分解付着物を付着防止させたい領域に水素ラジカルが効率的に輸送され、付着防止効果を高めることができる。
【００３７】
本発明の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０を用いて、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる場合、横型円筒反応器１１ａ内に原料供給管１４からＶ族元素を含む原料を供給する。
【００３８】
具体的には、III−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル薄膜を成長させる場合、III族原料（例えばトリメチルガリウム）、Ｖ族原料（例えばアルシンガス）、キャリアガス（例えば水素ガス）、必要に応じてドーパントガスなどを成長させたいエピタキシャル薄膜の膜厚に応じ、所望の割合で供給する。なお、III族元素を含む原料は有機金属であるため、液体でその容器ごと水槽などに入れ温度制御されており、必要な量だけが気体で供給される。
【００３９】
横型円筒反応器１１ａ内でサセプタ１２上に支持された基板１３を高周波加熱コイル１５で加熱しつつ、Ｖ族元素を含む原料を供給することで、基板１３付近のＶ族元素を含む原料が熱により分解し、基板１３上にエピタキシャル薄膜が成長する。
【００４０】
同時に、ガス供給源１８から供給された水素を含むガスを水素ラジカル生成装置１６により、分解付着物と化学反応を起こしやすい状態、すなわち反応性の高い水素ラジカルにして、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内で分解付着物が付着する付着部分１７、すなわちＡｓやＰが付着しやすい領域に選択的に供給することで、ＡｓＨやＰＨおよびＡｓラジカルやＰラジカルなどの不安定な分子が反応炉１１の内壁や治具などに付着する前に、ＡｓＨ3やＰＨ3などの化学的に安定なガスである水素化物に変化させて、反応炉１１の内壁や治具に付着させることなく、排気させる。
【００４１】
例えば、アルシンやターシャリブチルアルシンは、熱分解によってＡｓＨやＡｓラジカルの形に分解するので、水素ラジカルの供給により、安定なＡｓＨ3となり排気される。
【００４２】
また、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンは、熱分解によってＰＨやＰラジカルの形に分解するので、水素ラジカルの供給により、安定なＰＨ3となり排気される。
【００４３】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４４】
本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置１０は、Ｖ族元素を含む原料が分解し、反応炉１１内でその分解付着物が付着する付着部分１７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段３６を接続している。
【００４５】
これにより、水素ラジカルが有する特性、すなわち水素ラジカル同士が反応して容易に水素分子に戻るという特性を利用して、水素ラジカル供給管１９の接続位置や水素ラジカルを供給する流速を工夫することで、空間的に限定された範囲でのみ分解付着物の付着防止作用を機能させることが可能となるため、反応炉１１の内壁および治具への不要な分解付着物の生成を効果的に抑制でき、基板１３上への異物の付着を抑制できる。
【００４６】
また、水素ラジカルは反応性が強いため、Ｖ族原料が熱分解して生じる、例えばＡｓ原子やＰ原子を含む活性化分子を、反応炉１１の内壁および反応炉１１内に設置した治具に付着する前に蒸気圧の高い水素化物にすることができる。したがって、分解付着物が反応炉１１の内壁や治具へ付着するのを未然に防ぎ、かつ分解付着物が再蒸発してエピタキシャル薄膜中に不純物として混入することを効果的に防止できるので、反応炉１１内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数が削減し、生産のスループットが向上する。
【００４７】
さらに、水素ラジカルがエピタキシャル成長領域に達したとしても、水素ラジカル自身は通常のエピタキシャル成長条件でも存在し、また基板１３のクリーニングにも利用されているものなので、ハロゲン化水素のようにエピタキシャル薄膜を劣化させることはない。
【００４８】
図２に示すように、本発明の他の実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置２０は、縦型円筒反応器２１ａの底板中央に原料供給管２４、その外周に排気管４４が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータ２５が設けられ、かつその抵抗加熱ヒータ２５の下方に基板２３を支持する回転自在なサセプタ２２が設けられて構成され、原料供給管２４の外周から底板上に水素ラジカル供給手段４６を接続している。
【００４９】
本実施の形態では、原料供給管２４は、原料供給管２４ａ，２４ｂの２つの管に分かれており、それぞれに適宜原料ガスを供給するようにしている。
【００５０】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０では、縦型円筒反応器２１ａ内に供給されたＶ族元素を含む原料が分解し、縦型円筒反応器２１ａ内でその分解付着物が付着する付着部分２７の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段４６が接続される。
【００５１】
水素ラジカル供給手段４６は、水素を含むガスを供給するガス供給源２８と、ガス供給源２８から供給された水素を含むガスの水素をラジカル化して水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置２６と、水素ラジカル生成装置２６で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを縦型円筒反応器２１ａの付着部分２７の領域に流す水素ラジカル供給管２９とからなる。
【００５２】
本実施の形態では、反応炉２１内の相対的に温度が低い領域が、サセプタ２２から離れた縦型円筒反応器２１ａの底板上の領域となり、この領域が付着部分２７となる。
【００５３】
付着部分２７に水素ラジカルが効率よく供給されるように、縦型円筒反応器２１ａと水素ラジカル供給管２９の接続部分には、水素ラジカルを誘導する部材２９ａを設ける。部材２９ａは、水素ラジカルが、水素ラジカル供給管２９から縦型円筒反応器２１ａに噴出される口を、鉛直方向から底板と平行になるように、９０°曲げて形成される。すなわち部材２９ａは断面視でＬ字状に形成される。
【００５４】
なお、縦型円筒反応器２１ａと水素ラジカル供給管２９の接続位置を調整してもよいし、水素ラジカル供給管２９には、付着部分２７に水素ラジカルを供給する流速を調整できるような工夫を施してもよい。
【００５５】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０を用いて、基板２３上に気相エピタキシャル成長させる場合、図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０と同様に、縦型円筒反応器２１ａ内に原料供給管２４ａ，２４ｂからＶ族元素を含む原料を供給する。
【００５６】
化合物半導体エピタキシャル成長装置２０によれば、図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置１０と同様に、反応炉２１の内壁および治具への不要な分解付着物の生成を効果的に抑制でき、基板２３上への異物の付着を抑制できる効果が得られる。
【００５７】
また、Ｖ族原料が熱分解して生じる、例えばＡｓ原子やＰ原子を含む活性化分子が、反応炉２１の内壁および反応炉２１内に設置した治具に付着する前に蒸気圧の高い水素化物にすることができる。したがって、分解付着物が反応炉２１の内壁や治具へ付着するのを未然に防ぎ、かつ分解付着物が再蒸発してエピタキシャル薄膜中に不純物として混入することを効果的に防止できるので、反応炉２１内の分解付着物を取り除くためのメンテナンス回数が削減し、生産のスループットが向上する効果が得られる。
【００５８】
上記実施の形態では、反応炉として、横型円筒反応器１１ａと縦型円筒反応器２１ａを用いたが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、縦フロー型、シャワーヘッド型、バレル型などいずれの構造を用いたＭＯＶＰＥ反応炉にも適用できる。
【００５９】
また上記実施の形態では、Ｖ族原料として、アルシン、ターシャリブチルアルシン、ホスフィン、ターシャリブチルホスフィンを用いた場合を説明したが、使用するＶ族原料についてはこれに限定されない。つまり、他の材料を用いた場合でも、水素ラジカルを過剰に含むガスを不要な分解付着物が生じる領域に選択的に供給する構造を有していれば、本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００６０】
実施例１
図１に示す横型円筒反応器１１ａ内に収容されたサセプタ１２上にＧａＡｓ基板１３を設置し、III族原料およびＶ族原料の混合ガスを原料供給管１４から横型円筒反応器１１ａ内に供給し、高周波加熱コイル１５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板１３上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。
【００６１】
III族原料としては、トリメチルガリウムを用い、Ｖ族原料には水素で１０％に希釈したアルシンガスを用いた。III族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比、すなわちＶ／III比を１００、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管１４における総流量を３．９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００６２】
この際に、基板１３の対向面（基板１３の上部）に当たる領域に固体のＡｓが付着することが別の実験により分かっていたので、この領域（付着部分１７）の上流側、すなわち横型円筒反応器１１ａの上流側に水素ラジカル供給管１９を設置し、水素ラジカル生成装置１６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内に供給した。
【００６３】
水素ラジカル生成装置１６へは、ガス供給源１８から水素ガスを０．１Ｌ／ｍｉｎ供給した。
【００６４】
付着部分１７に何も分解付着物がない状態から、１回あたり１０μｍのＧａＡｓエピタキシャル薄膜を成長させ、これを複数回繰り返し、ＧａＡｓエピタキシャル薄膜表面に大きさ１μｍ以上の異物が現れはじめる成長総膜厚を調べたところ、水素ラジカル生成装置１６を稼動せずに水素のみを供給した場合と比較して１．３５倍となった。
【００６５】
この結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉１１内に水素ラジカルを過剰に含むガスを供給することで、付着部分１７への不要な分解付着物の生成を抑制できることがわかり、本発明の有効性が確認できた。
【００６６】
実施例２
実施例１と同様に、図１に示す横型円筒反応器１１ａ内に収容されたサセプタ１２上にＧａＡｓ基板１３を設置し、III族原料およびＶ族原料の混合ガスを原料供給管１４から横型円筒反応器１１ａ内に供給し、高周波加熱コイル１５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板１３上にＧａＡｓ薄膜をエピタキシャル成長させた。
【００６７】
III族原料としては、トリメチルガリウムを用い、Ｖ族原料には水素で１０％に希釈したアルシンガスを用いた。III族原料分圧に対するＶ族原料分圧の比、すなわちＶ／III比を１００、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管１４における総流量を３．９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００６８】
この際に、基板１３の対向面（基板１３の上部）に当たる領域に固体のＡｓが付着することが別の実験により分かっていたので、この領域（付着部分１７）の上流側、すなわち横型円筒反応器１１ａの上流側に水素ラジカル供給管１９を設置し、水素ラジカル生成装置１６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管１９から横型円筒反応器１１ａ内に供給した。
【００６９】
水素ラジカル生成装置１６へは、ガス供給源１８から水素ガス０．０５Ｌ／ｍｉｎとアルゴンガス０．０５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを供給した。このとき、水素ラジカル生成装置１６の出力を調整して、実質的な水素ラジカル量が、実施例１と同じになるようにした。
【００７０】
付着部分１７に何も分解付着物がない状態から、１回あたり１０μｍのＧａＡｓエピタキシャル薄膜を成長させ、これを複数回繰り返し、ＧａＡｓエピタキシャル薄膜表面に大きさ１μｍ以上の異物が現れはじめる成長総膜厚を調べたところ、水素ラジカル生成装置１６を稼動せずに水素のみを供給した場合と比較して１．４２倍となった。
【００７１】
実施例１と実施例２の結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板１３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉１１内に水素ラジカルを供給しない場合だけでなく、水素ラジカルのみ供給する場合と比較しても、水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスを供給した方が、付着部分１７での不要な分解付着物の析出抑制効果が高まることがわかり、本発明の効果が確認できた。
【００７２】
実施例３
図２に示す縦型円筒反応器２１ａ内に収容された回転自在なサセプタ２２上にＧａＡｓ基板２３を設置し、縦型円筒反応器２１ａの底板中央の原料供給管２４ａ，２４ｂからそれぞれＶ族原料およびIII族原料を縦型円筒反応器２１ａ内に供給し、縦型円筒反応器２１ａ内の頂板に設けられた抵抗加熱ヒータ２５によって加熱分解し、ＧａＡｓ基板２３上にＧａＡｓバッファ層０．１μｍ、Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ層０．５μｍ、ＧａＡｓキャップ層０．２μｍの順のエピタキシャル積層構造を形成させた。
【００７３】
III族原料であるガリウム原料としてはトリメチルガリウム、インジウム原料としてはトリメチルインジウム、Ｖ族原料であるヒ素原料としては１００％アルシン、リン原料としては１００％ホスフィンを用いた。
【００７４】
ＧａＡｓバッファ層、Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ層、ＧａＡｓキャップ層のいずれも、成長温度６５０℃、成長圧力６．６６６ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）、および水素キャリアガスを含む原料供給管２４ａ，２４ｂにおける総流量を２９Ｌ／ｍｉｎとした。
【００７５】
不要な分解付着物が形成される付着部分２７の上流側、すなわち原料供給管２４ａ，２４ｂの外周から底板上に水素ラジカル供給管２９を設置し、水素ラジカル生成装置２６を通して生成した水素ラジカルを過剰に含むガスを、水素ラジカル供給管２９から縦型円筒反応器２１ａ内に供給した。
【００７６】
水素ラジカル生成装置２６へは、ガス供給源２８から水素ガス０．５Ｌ／ｍｉｎとアルゴンガス０．５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを供給した。
【００７７】
水素ラジカル生成装置２６を稼動させた場合と稼動させなかった場合の２種類のサンプルを用意し、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて、ＧａＡｓキャップ層におけるＰ濃度を比較した。
【００７８】
水素ラジカル生成装置２６を稼動させなかった場合、すなわち水素ラジカルを供給しなかったサンプルでは、ＧａＡｓキャップ層中にバックグラウンドレベル（１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を越えるＰが検出された。
【００７９】
しかし、水素ラジカル生成装置２６を稼動させた場合、すなわち水素ラジカルを供給したサンプルでは、ＧａＡｓキャップ層でのＰ濃度は、ＳＩＭＳのバックグラウンドレベルに隠れて検知できなかった。
【００８０】
この結果から、Ｖ族元素を含む原料を供給して、基板２３上に気相エピタキシャル成長させる際には、反応炉２１内に水素ラジカルを過剰に含むガスを供給することにより、付着部分２７にＰを含む不要な分解付着物の生成が抑制され、さらにＧａＡｓキャップ層成長時に再蒸発してＧａＡｓ中への混入を防ぐことがわかり、本発明の効果が確認できた。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 化合物半導体エピタキシャル成長装置
１１ 反応炉
１１ａ 横型円筒反応器
１２ サセプタ
１３ 基板
１４ 原料供給管
１５ 高周波加熱コイル
１６ 水素ラジカル生成装置
１７ 付着部分
１８ ガス供給源
１９ 水素ラジカル供給管
３４ 排気管
３６ 水素ラジカル供給手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を収容した反応炉内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、前記基板上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、
前記Ｖ族元素を含む原料が分解し、前記反応炉内でその分解付着物が付着する付着部分の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段を接続したことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記水素ラジカル供給手段は、水素を含むガスを供給するガス供給源と、該ガス供給源から供給された前記水素を含むガスの水素をラジカル化して前記水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置と、該水素ラジカル生成装置で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを前記反応炉の前記付着部分の領域に流す水素ラジカル供給管とからなる請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記反応炉は、横型円筒反応器の一端に原料供給管が設けられ、他端に排気管が設けられ、その外周に高周波加熱コイルが設けられて形成され、その横型円筒反応器内にサセプタ上に支持された前記基板が収容され、前記水素ラジカル供給手段は、前記基板の上部の前記横型円筒反応器の上流側に接続される請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記反応炉は、縦型円筒反応器の底板中央に原料供給管、その外周に排気管が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータが設けられ、かつその抵抗加熱ヒータの下方に前記基板を支持する回転自在なサセプタが設けられて構成され、前記原料供給管の外周から底板上に水素ラジカル供給手段を接続した請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスである請求項１〜４いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項６】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスである請求項１〜４いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項７】
前記Ｖ族元素を含む原料がアルシンまたはターシャリブチルアルシンのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項８】
前記Ｖ族元素を含む原料がホスフィンまたはターシャリブチルホスフィンのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項１】
基板を収容した反応炉内に、Ｖ族元素を含む原料を供給して、前記基板上に気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル成長装置において、
前記Ｖ族元素を含む原料が分解し、前記反応炉内でその分解付着物が付着する付着部分の上流側に水素ラジカルを過剰に含むガスを流すための水素ラジカル供給手段を接続したことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記水素ラジカル供給手段は、水素を含むガスを供給するガス供給源と、該ガス供給源から供給された前記水素を含むガスの水素をラジカル化して前記水素ラジカルを過剰に含むガスを生成する水素ラジカル生成装置と、該水素ラジカル生成装置で生成された水素ラジカルを過剰に含むガスを前記反応炉の前記付着部分の領域に流す水素ラジカル供給管とからなる請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記反応炉は、横型円筒反応器の一端に原料供給管が設けられ、他端に排気管が設けられ、その外周に高周波加熱コイルが設けられて形成され、その横型円筒反応器内にサセプタ上に支持された前記基板が収容され、前記水素ラジカル供給手段は、前記基板の上部の前記横型円筒反応器の上流側に接続される請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記反応炉は、縦型円筒反応器の底板中央に原料供給管、その外周に排気管が形成され、かつ頂板に抵抗加熱ヒータが設けられ、かつその抵抗加熱ヒータの下方に前記基板を支持する回転自在なサセプタが設けられて構成され、前記原料供給管の外周から底板上に水素ラジカル供給手段を接続した請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含むアルゴンガスである請求項１〜４いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項６】
前記水素ラジカルを過剰に含むガスが水素ラジカルを過剰に含む窒素ガスである請求項１〜４いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項７】
前記Ｖ族元素を含む原料がアルシンまたはターシャリブチルアルシンのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項８】
前記Ｖ族元素を含む原料がホスフィンまたはターシャリブチルホスフィンのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１２９８２２（Ｐ２０１１−１２９８２２Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８９２５２（Ｐ２００９−２８９２５２）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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