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JP7561066B2 - III-V and III-VI semiconductor film forming equipment - Google Patents
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JP7561066B2 - III-V and III-VI semiconductor film forming equipment - Google Patents

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Description

本発明は、III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置に関する。 The present invention relates to a III-V and III-VI semiconductor film formation device.

現在、次世代の半導体デバイスの材料として、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ガリウム(Ga)等のワイドギャップ半導体が盛んに研究されている。また、GaAsやInPを使用した超高効率低損失を実現する太陽電池の研究も行われている。これらデバイスの製造には主に有機金属気相成長(MOCVD,Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法が用いられているが、原料となる有機金属は炭素を含むため一定量(1015cm-3以上)の炭素が不純物として膜中に混入する。炭素濃度がn型不純物よりも高い場合、低濃度n型伝導性制御が困難となるため、炭素を含まない原料を使用することが理想である。
そこで注目されているのが特許文献1に示すハライド気相成長(HVPE,Hydride Vapor Phase Epitaxy)法である。HVPE法は、例えば、金属ガリウムと塩素系ガスとを反応させて一塩化ガリウム(GaCl)や三塩化ガリウム(GaCl)を供給するため、原料に炭素(C)をほとんど含まないことがメリットである。
HVPE法は原料が安価なので製造コストで秀でているが、現状技術では原料のGaClやGaClを炉内で生成しなければならないので、大口径量産型エピ成膜装置を実現する上で塩化ガリウム(又はInCl若しくはAlCl等の金属塩化物)の供給方法は大きな課題である。この原料部を切り離して炉との間を配管でつないだ装置も存在する(特許文献2)。この場合、配管の温度は原料ガスが凝縮しない温度まで加熱している。例えば、三塩化ガリウムでは凝固点が201℃であるので、それ以上に加熱する。一方で配管には継手やバルブが必要であり、その構成部材には耐食性、耐熱性のほか、柔軟性が必要な箇所も存在する。これらを兼ね備えた材料を選択すると、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)では最高使用温度が300℃程度である。また、配管材料であるステンレスも400℃を超えると変態を起こすことが知られており、配管の温度は300℃程度以下に設定される。
一方、塩化ガリウムは高温では一塩化ガリウムの状態で存在するが、常温を含む低温では三塩化ガリウムが安定であり、300℃以下では一塩化ガリウムは不均化反応を起こし、三塩化ガリウムとガリウム金属に分解する。そのため、通常は配管内を通せず、炉内で製造するのが一般的である。ガリウム金属は融点30℃であるが、過冷却状態で常温でも液体の場合が多い。
従来は原料として一塩化ガリウムを用いたHVPE法が主流であったが、三塩化ガリウムを原料とした研究も発展しており、THVPE法では高温状態で、一塩化ガリウムに再度塩素を付加し、三塩化ガリウムとして反応炉に供給している。原料を三塩化ガリウムに変更することで、高速成長が期待される。酸化ガリウムの製造においては、不純物濃度の低減が期待されている。
三塩化ガリウムを原料として用いる場合、三塩化ガリウムその物を原料とし、加熱蒸発させてキャリアガスに同伴させて反応炉に送る手段が一般的であるが、三塩化ガリウムは合成物であり高価である上、吸湿性があり、原料自体の純度が低い。そこで原料供給部にて塩素や塩化水素と金属ガリウムを反応させて三塩化ガリウムを得る方法がある。この時反応がスムースに行われる温度は600℃程度であるが、この温度では生成される三塩化ガリウムに対する一塩化ガリウムの比率は高い。そこで別室に導入し、再度塩素や塩化水素と反応させ半導体材料ガス中の三塩化ガリウムの割合を高める方法もある(特許文献3)。
Currently, wide-gap semiconductors such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), and gallium oxide (Ga 2 O 3 ) are being actively researched as materials for next-generation semiconductor devices. In addition, research is being conducted on solar cells that use GaAs and InP to achieve ultra-high efficiency and low loss. Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is mainly used to manufacture these devices, but since the organic metals used as raw materials contain carbon, a certain amount of carbon (10 15 cm -3 or more) is mixed into the film as an impurity. If the carbon concentration is higher than the n-type impurity, it becomes difficult to control low-concentration n-type conductivity, so it is ideal to use raw materials that do not contain carbon.
In view of this, the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method shown in Patent Document 1 has attracted attention. The HVPE method has an advantage in that the raw material contains almost no carbon (C) since, for example, gallium metal and a chlorine-based gas are reacted to supply gallium monochloride (GaCl) or gallium trichloride (GaCl 3 ).
The HVPE method is superior in terms of manufacturing cost because the raw materials are inexpensive, but in the current technology, the raw materials GaCl and GaCl3 must be generated in a furnace, so the method of supplying gallium chloride (or metal chlorides such as InCl3 or AlCl3 ) is a major issue in realizing a large-diameter mass-production epitaxial film formation device. There are also devices in which the raw material section is separated and connected to the furnace by piping (Patent Document 2). In this case, the temperature of the piping is heated to a temperature at which the raw material gas does not condense. For example, since the freezing point of gallium trichloride is 201°C, it is heated to a temperature higher than that. On the other hand, the piping requires joints and valves, and some of the components require flexibility in addition to corrosion resistance and heat resistance. If a material that combines these characteristics is selected, for example, the maximum operating temperature of PTFE (polytetrafluoroethylene) is about 300°C. It is also known that stainless steel, which is the piping material, undergoes transformation when it exceeds 400°C, so the temperature of the piping is set to about 300°C or less.
On the other hand, gallium chloride exists in the form of gallium monochloride at high temperatures, but gallium trichloride is stable at low temperatures including room temperature, and gallium monochloride undergoes a disproportionation reaction below 300°C and decomposes into gallium trichloride and gallium metal. Therefore, it is generally produced in a furnace without passing through a pipe. Gallium metal has a melting point of 30°C, but is often liquid even at room temperature in a supercooled state.
Conventionally, the HVPE method using gallium monochloride as a raw material was mainstream, but research using gallium trichloride as a raw material has also progressed, and in the THVPE method, chlorine is added again to gallium monochloride at high temperatures and supplied to the reactor as gallium trichloride. By changing the raw material to gallium trichloride, high-speed growth is expected. In the production of gallium oxide, it is expected to reduce the impurity concentration.
When gallium trichloride is used as a raw material, it is common to use gallium trichloride itself as a raw material, heat it to evaporate it, and send it to a reactor accompanied by a carrier gas. However, gallium trichloride is a synthetic product, is expensive, has hygroscopic properties, and has a low purity of the raw material itself. Therefore, there is a method of obtaining gallium trichloride by reacting metallic gallium with chlorine or hydrogen chloride in the raw material supply section. At this time, the temperature at which the reaction proceeds smoothly is about 600°C, but at this temperature, the ratio of gallium monochloride to the gallium trichloride produced is high. Therefore, there is also a method of introducing it into a separate chamber and reacting it again with chlorine or hydrogen chloride to increase the ratio of gallium trichloride in the semiconductor material gas (Patent Document 3).

特開2019-196293号公報JP 2019-196293 A 特許第6117169号公報Patent No. 6117169 特許第5787324号公報Patent No. 5787324

特許文献3に記載された方法では、半導体材料ガスを配管に通すと、前述の耐熱温度である300℃以下の低温となるため、三塩化ガリウムは気体のまま通過するが、一塩化ガリウムは前述の不均化反応により三塩化ガリウムと金属ガリウムに分解する。これにより半導体材料ガスの組成は三塩化ガリウムの比率が上がり、反応効率が上がる点は良いが、一方で配管内に金属ガリウムが析出するようになり、メンテナンス時に継手から漏れ出たり、配管を閉塞したりする可能性がある。 In the method described in Patent Document 3, when the semiconductor material gas is passed through the piping, the temperature drops to a low level below 300°C, the heat resistance temperature mentioned above, so gallium trichloride passes through as a gas, but gallium monochloride decomposes into gallium trichloride and metallic gallium through the disproportionation reaction mentioned above. This increases the ratio of gallium trichloride in the composition of the semiconductor material gas, which is advantageous in that it increases the reaction efficiency, but on the other hand, metallic gallium begins to precipitate in the piping, which can leak from joints during maintenance or cause blockages in the piping.

本発明は、半導体材料ガス生成部と反応炉とを接続する半導体材料ガス供給配管の閉塞を抑制できる、金属塩化物を原料とするIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置の提供を課題とする。 The present invention aims to provide a film formation apparatus for III-V and III-VI semiconductors using metal chlorides as raw materials, which can suppress clogging of the semiconductor material gas supply pipe connecting the semiconductor material gas generation unit and the reactor.

[1] 金属塩化物を原料とするIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置であって、
半導体材料ガスを基板上で反応させる反応炉と、
前記反応炉と分離独立しており、前記半導体材料ガスを生成し前記反応炉に供給する半導体材料ガス生成部と、
前記半導体材料ガス生成部と前記反応炉とを接続し前記半導体材料ガス生成部から前記反応炉に前記半導体材料ガスを供給する半導体材料ガス供給配管と、
を有し、
前記半導体材料ガス生成部は、内部空間の下部に固体又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスとの混合ガスを供給し、前記固体又は液体材料と前記混合ガスとのその場生成により前記半導体材料ガスを生成する半導体材料ガス生成部を有し、
前記半導体材料ガス供給配管は、前記半導体材料ガス生成部と接続される第1接続部と、前記反応炉と接続される第2接続部とを有し、鉛直方向において前記第1接続部は前記第2接続部よりも低い位置に存在し、前記第1接続部と前記第2接続部との間に前記半導体材料ガス供給配管の最も低い部分が存在し、前記最も低い部分には液化した前記固体又は液体材料を排出する排出部が設けられている、
III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[2] 前記排出部の下方に液化した前記固体又は液体材料を溜めるトラップを有する、[1]に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[3] 前記半導体材料ガス供給配管の内部に、液化した前記固体又は液体材料が前記排出部の下方に配置したトラップに落下しやすく、かつ、前記半導体材料ガスの流路を複雑化する邪魔板を有する、[1]又は[2]に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[4] 前記半導体材料ガス供給配管の前記最も低い部分と前記第2接続部との間の少なくとも一部が鉛直方向に配置されている、[1]~[3]のいずれかに記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[5] 前記半導体材料ガス供給配管の前記第1接続部と前記第2接続部との間の形状が略U字形であり、前記略U字形の底部が前記最も低い部分である、[1]~[3]のいずれかに記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[6] 前記金属塩化物が三塩化ガリウムである、[1]~[5]のいずれかに記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
[1] A film forming apparatus for III-V and III-VI semiconductors using metal chlorides as raw materials,
a reactor for reacting a semiconductor material gas on a substrate;
a semiconductor material gas generating unit that is separate and independent from the reactor and generates the semiconductor material gas and supplies it to the reactor;
a semiconductor material gas supply pipe that connects the semiconductor material gas generation unit and the reactor and supplies the semiconductor material gas from the semiconductor material gas generation unit to the reactor;
having
the semiconductor material gas generation unit has a semiconductor material gas generation unit that stores a solid or liquid material in a lower portion of an internal space, supplies a mixed gas of a carrier gas and a raw material gas to an upper portion of the internal space, and generates the semiconductor material gas by in-situ generation of the solid or liquid material and the mixed gas;
the semiconductor material gas supply pipe has a first connection part connected to the semiconductor material gas generation part and a second connection part connected to the reactor, the first connection part is located at a lower position than the second connection part in the vertical direction, the lowest part of the semiconductor material gas supply pipe is located between the first connection part and the second connection part, and a discharge part for discharging the liquefied solid or liquid material is provided at the lowest part;
III-V and III-VI semiconductor deposition equipment.
[2] The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus according to [1], further comprising a trap below the exhaust portion for collecting the liquefied solid or liquid material.
[3] The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus according to [1] or [2], further comprising a baffle plate disposed inside the semiconductor material gas supply pipe for facilitating the liquefied solid or liquid material to fall into a trap disposed below the exhaust portion and for complicating a flow path of the semiconductor material gas.
[4] The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus according to any one of [1] to [3], wherein at least a portion between the lowest portion of the semiconductor material gas supply pipe and the second connection portion is disposed in a vertical direction.
[5] The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus according to any one of [1] to [3], wherein a shape between the first connection part and the second connection part of the semiconductor material gas supply pipe is substantially U-shaped, and a bottom part of the substantially U-shaped shape is the lowest part.
[6] The III-V and III-VI semiconductor film forming apparatus according to any one of [1] to [5], wherein the metal chloride is gallium trichloride.

本発明は、半導体材料ガス生成部と反応炉とを接続する半導体材料ガス供給配管の閉塞を抑制できる、金属塩化物を原料とするIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置を提供する。 The present invention provides a III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus that uses metal chlorides as raw materials and can suppress clogging of the semiconductor material gas supply pipe that connects the semiconductor material gas generation unit and the reactor.

図1は、本発明の半導体成膜装置の一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a semiconductor film forming apparatus according to the present invention. 図2は、本発明の半導体成膜装置の別の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing another example of the semiconductor film forming apparatus of the present invention. 図3は、本発明の半導体成膜装置の更に別の一例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing still another example of the semiconductor film forming apparatus of the present invention. 図4は、本発明の半導体成膜装置の半導体材料ガス供給配管の内部に設置された邪魔板の一例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a baffle plate installed inside the semiconductor material gas supply pipe of the semiconductor film forming apparatus of the present invention. 図5は、本発明の半導体成膜装置の半導体材料ガス供給配管の内部に設置された邪魔板の別の一例を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of a baffle plate installed inside the semiconductor material gas supply pipe of the semiconductor film forming apparatus of the present invention.

III-V族半導体とは、III族元素とV族元素を用いた半導体をいう。III族元素はIUPACの元素周期表(https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/)の13族元素であり、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)等を含む。V族元素はIUPACの元素周期表の15族元素であり、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)及びアンチモン(Sb)等を含む。
III-VI族半導体とは、III族元素とVI族元素を用いた半導体をいう。III族元素は上述したとおりである。VI族元素はIUPACの元素周期表の16族元素であり、酸素(O)、イオウ(S)及びセレン(Se)等を含む。
III-V semiconductors are semiconductors that use group III and group V elements. Group III elements are group 13 elements in the IUPAC periodic table (https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/), including aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). Group V elements are group 15 elements in the IUPAC periodic table, including nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb).
III-VI semiconductors refer to semiconductors using group III and group VI elements. The group III elements are as described above. The group VI elements are group 16 elements in the IUPAC periodic table, and include oxygen (O), sulfur (S), and selenium (Se).

[III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置]
本発明のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置(以下、単に「本発明の半導体成膜装置」ともいう。)は、金属塩化物を原料とし、反応炉と、半導体材料ガス生成部と、半導体材料ガス供給配管と、を備える。
[III-V and III-VI Group Semiconductor Film Forming Equipment]
The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus of the present invention (hereinafter also simply referred to as the "semiconductor film formation apparatus of the present invention") uses a metal chloride as a raw material and includes a reaction furnace, a semiconductor material gas generation unit, and a semiconductor material gas supply pipe.

反応炉では、加熱した基板上に半導体材料ガスを供給し、化学反応により薄膜を堆積、成膜させる。
例えば、HVPE法による成膜では、水素ガス中に、半導体材料ガスとしてIII族元素の塩化物ガス(GaCl等)と、V族元素の水素化物ガス(NH、PH、AsH等)を流し、基板上で半導体薄膜を成膜する。窒化ガリウム(GaN)の成膜には、半導体材料ガスとして三塩化ガリウムガスとアンモニアガスを流し成膜する。HVPE法は、III族元素の原料として有機金属を用いる有機金属気相成長法や超高真空中の分子線エピタキシー法等の他の成膜方法に比べ成長速度が速く、GaN層を厚く成長させるのに適している。
In the reactor, semiconductor material gas is supplied onto a heated substrate, and a thin film is deposited and formed by chemical reaction.
For example, in the case of film formation by the HVPE method, a group III element chloride gas (GaCl3 , etc.) and a group V element hydride gas ( NH3 , PH3 , AsH3 , etc.) are flowed as semiconductor material gases in hydrogen gas to form a semiconductor thin film on a substrate. For the formation of a gallium nitride (GaN) film, gallium trichloride gas and ammonia gas are flowed as semiconductor material gases to form a film. The HVPE method has a faster growth rate than other film formation methods such as metalorganic vapor phase epitaxy using an organic metal as a source of group III elements and molecular beam epitaxy in an ultra-high vacuum, and is suitable for growing a thick GaN layer.

半導体材料ガス生成部は、前記反応炉と分離独立しており、半導体材料ガス供給配管を通じて反応炉に半導体材料ガスを供給する。
半導体材料ガス生成部は、内部空間の下部に固体又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスとの混合ガスを供給し、前記固体又は液体材料と前記混合ガスとのその場生成により前記半導体材料ガスを生成する反応容器を含む。
The semiconductor material gas generating section is separate and independent from the reaction furnace, and supplies the semiconductor material gas to the reaction furnace through a semiconductor material gas supply pipe.
The semiconductor material gas generation unit includes a reaction vessel that stores a solid or liquid material in a lower portion of an internal space, supplies a mixed gas of a carrier gas and a raw material gas to an upper portion of the internal space, and generates the semiconductor material gas by in-situ generation of the solid or liquid material and the mixed gas.

前記反応容器は、例えば、ガリウムと塩素ガスとの反応によって、半導体材料ガスとして三塩化ガリウムを生成する場合、ガリウムと塩素ガスとの反応によって一塩化ガリウムガスを含む第1のガスを生成する第1の反応室と、前記第1のガスと塩素ガスとの反応によって三塩化ガリウム及び不純物としての一塩化ガリウムを含む第2のガスを生成する第2の反応室とを含む。
前記第1の反応室は、下部に液体のガリウムが収納されており、上部に塩素ガスが供給されることによって、ガリウムと塩素ガスとを反応させて、一塩化ガリウムガスを含む第1のガスが生成される。前記第1の反応室は、2つ以上を直列に接続して、2つ目以降の第1の反応室にはその1つ前の反応室で生成した第1のガスを供給し、第1のガス中の未反応の塩素ガスとガリウムとの接触機会を増加させることにより、第1のガス中の一塩化ガリウムガスの濃度(モル濃度)を高めることもできる。前記第1の反応室でガリウムと塩素ガスとを反応させる際の温度(第1の反応温度)は、300~1000℃が好ましく、500~1000℃がより好ましく、700~900℃がさらに好ましい。
前記第2の反応室は、前記第1の反応室で生成した第1のガス及び塩素ガスが供給され、三塩化ガリウムガスを含む第2のガスが生成される。前記第2のガスは、三塩化ガリウムガスの他に、不純物として、一塩化ガリウムガス及び未反応の塩素ガス等を含む場合がある。前記第2の反応室で前記第2のガスと塩素とを反応させる際の温度(第2の反応温度)は、150~1000℃が好ましく、500~1000℃がより好ましく、600~1000℃がさらに好ましく、700~900℃がいっそう好ましい。
前記第1の反応室及び前記第2の反応室に加え、前記第1の反応室と前記第2の反応室を接続する配管、前記第1の反応室及び前記第2の反応室に塩素ガスを供給する配管及び前記第2の反応室から前記第2のガスを排出する配管等を含む反応容器は、前記第1の反応温度及び前記第2の反応温度に耐える材料で構成されることが好ましい。このような材料としては、カーボン、ステンレススチール又は石英ガラス等が挙げられる。ステンレススチールは耐蝕性の観点から、窒化ホウ素、シリカ又はPTFE/Ni等でコーティングを施してもよい。
前記反応容器は、円筒形状の石英ガラス製収納容器に収容され、前記収納容器の周囲に配置されたマントルヒーター等の加熱機構によって加熱できるように構成されることが好ましい。前記加熱機構は、前記第1の反応室と前記第2の反応室の温度を独立して制御できることが好ましい。
For example, in the case of producing gallium trichloride as a semiconductor material gas by the reaction of gallium with chlorine gas, the reaction vessel includes a first reaction chamber in which a first gas containing gallium monochloride gas is produced by the reaction of gallium with chlorine gas, and a second reaction chamber in which a second gas containing gallium trichloride and gallium monochloride as an impurity is produced by the reaction of the first gas with chlorine gas.
The first reaction chamber contains liquid gallium at the bottom, and chlorine gas is supplied to the top, causing the gallium and chlorine gas to react with each other to generate a first gas containing gallium monochloride gas. The first reaction chambers can be connected in series in two or more units, and the first gas generated in the previous reaction chamber can be supplied to the second or subsequent first reaction chambers to increase the contact opportunity between the unreacted chlorine gas in the first gas and gallium, thereby increasing the concentration (molar concentration) of gallium monochloride gas in the first gas. The temperature (first reaction temperature) at which gallium and chlorine gas are reacted in the first reaction chamber is preferably 300 to 1000°C, more preferably 500 to 1000°C, and even more preferably 700 to 900°C.
The second reaction chamber is supplied with the first gas and chlorine gas generated in the first reaction chamber, and a second gas containing gallium trichloride gas is generated. The second gas may contain gallium monochloride gas and unreacted chlorine gas as impurities in addition to gallium trichloride gas. The temperature (second reaction temperature) at which the second gas and chlorine are reacted in the second reaction chamber is preferably 150 to 1000°C, more preferably 500 to 1000°C, even more preferably 600 to 1000°C, and even more preferably 700 to 900°C.
The reaction vessel including the first reaction chamber and the second reaction chamber, as well as a pipe connecting the first reaction chamber and the second reaction chamber, a pipe supplying chlorine gas to the first reaction chamber and the second reaction chamber, and a pipe discharging the second gas from the second reaction chamber, is preferably made of a material that can withstand the first reaction temperature and the second reaction temperature. Examples of such materials include carbon, stainless steel, and quartz glass. From the viewpoint of corrosion resistance, stainless steel may be coated with boron nitride, silica, PTFE/Ni, or the like.
The reaction vessel is preferably housed in a cylindrical quartz glass container and configured to be heated by a heating mechanism such as a mantle heater disposed around the container. The heating mechanism is preferably capable of independently controlling the temperatures of the first reaction chamber and the second reaction chamber.

以下では図1~図5を適宜参照しながら、前記半導体材料ガス供給配管について説明する。
本発明のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置100(101,200)において、半導体材料ガス供給配管3は、半導体材料ガス生成部1と反応炉2とを接続し、半導体材料ガス生成部1から反応炉2に半導体材料ガスを供給する配管である。
半導体材料ガス供給配管3は、半導体材料ガス生成部1と接続される第1接続部3aと、反応炉2と接続される第2接続部3bとを有する。
鉛直方向において、第1接続部3aは第2接続部3bよりも低い位置に存在する。
第1接続部3aと第2接続部3bとの間に、半導体材料ガス供給配管3の最も低い部分3cが存在する。
最も低い部分3cには、液化した固体又は液体材料を排出するための排出部3dが設けられている。
排出部3dの下方には、液化した固体又は液体材料を溜めるトラップ4が配置されている。トラップ4は取外し可能であり、必要時以外は取り外しておいてもよい。
The semiconductor material gas supply pipe will be described below with reference to FIGS. 1 to 5 as appropriate.
In the III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus 100 (101, 200) of the present invention, the semiconductor material gas supply piping 3 connects the semiconductor material gas generation unit 1 and the reaction furnace 2, and supplies the semiconductor material gas from the semiconductor material gas generation unit 1 to the reaction furnace 2.
The semiconductor material gas supply pipe 3 has a first connection part 3 a connected to the semiconductor material gas generation part 1 and a second connection part 3 b connected to the reaction furnace 2 .
In the vertical direction, the first connection portion 3a is located lower than the second connection portion 3b.
The lowest portion 3c of the semiconductor material gas supply pipe 3 is located between the first connection portion 3a and the second connection portion 3b.
The lowest part 3c is provided with a drain 3d for draining the liquefied solid or liquid material.
A trap 4 for collecting the liquefied solid or liquid material is disposed below the discharge portion 3d. The trap 4 is removable and may be removed unless necessary.

図1は、本発明の半導体成膜装置の一例の概略構成を示す図である。
III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置100において、半導体材料ガス供給配管3の最も低い部分3cと第2接続部3bとの間の少なくとも一部が鉛直方向に配置された鉛直部3eとなっている。
図1では、第1接続部3aと最も低い部分3cとの間の配管は略水平となっている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a semiconductor film forming apparatus according to the present invention.
In the III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus 100, at least a portion between the lowest portion 3c of the semiconductor source gas supply pipe 3 and the second connection portion 3b is a vertical portion 3e disposed in the vertical direction.
In FIG. 1, the piping between the first connection portion 3a and the lowest portion 3c is substantially horizontal.

図2は、本発明の半導体成膜装置の別の一例の概略構成を示す図である。
III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置101において、半導体材料ガス供給配管3の最も低い部分3cと第2接続部3bとの間の少なくとも一部が鉛直方向に配置された鉛直部3eとなっている。
図2では、第1接続部3aと最も低い部分3cとの間の配管は第1接続部3aから最も低い部分3cに向けて低くなるように斜めとなっている。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of another example of a semiconductor film forming apparatus according to the present invention.
In the III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus 101, at least a portion between the lowest portion 3c of the semiconductor source gas supply pipe 3 and the second connection portion 3b is a vertical portion 3e disposed in the vertical direction.
In FIG. 2, the piping between the first connection portion 3a and the lowest portion 3c is inclined so as to become lower from the first connection portion 3a toward the lowest portion 3c.

図3は、本発明の半導体成膜装置の更に別の一例の概略構成を示す図である。
III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置200において、半導体材料ガス供給配管3の第1接続部3aと第2接続部3bとの間の形状が略U字形となっている。前記略U字形の底部が最も低い部分3cである。
図3では、最も低い部分3cと第2接続部3bとの間の少なくとも一部が鉛直方向に配置された鉛直部3eとなっている。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of still another example of the semiconductor film forming apparatus of the present invention.
In the III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus 200, the shape between the first connection portion 3a and the second connection portion 3b of the semiconductor material gas supply pipe 3 is substantially U-shaped. The bottom of the substantially U-shaped portion is the lowest portion 3c.
In FIG. 3, at least a portion between the lowest portion 3c and the second connection portion 3b is a vertical portion 3e that is disposed in the vertical direction.

III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置100(101,200)の半導体材料ガス供給配管3の鉛直部3eの内部には、配管内の一塩化ガリウムの不均化反応を促進するため、流路に突出した邪魔板3f(3g)を配置することが好ましい。
図4に示すような配管内面から突き出した形状の邪魔板3fを鉛直部3eの内部に設けるには、例えば、円管に斜めにスリットを入れ、そこに邪魔板を差込み、円管の外より邪魔板を含みスリットを密閉するように溶接することで、簡便に製作可能である。
また、図5に示すように、邪魔板3gを設けた中心軸3hを準備し、鉛直部3eに鉛直方向に挿入することでも、邪魔板3gを鉛直部3e内部に配置できる。この場合、中心軸3hを保持するための邪魔板保持部材3iを鉛直部3e内部に設けることが好ましい。この例では、配管内部に邪魔板を固定せず、中心軸3hに半円状の板を何枚か間隔をあけて溶接した別部材を配管内に挿入している。これにより流路が複雑化して熱交換と液化ガリウムのスムースな落下を両立できる。
It is preferable to dispose a baffle plate 3f (3g) protruding into the flow path inside the vertical portion 3e of the semiconductor material gas supply pipe 3 of the III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus 100 (101, 200) in order to promote the disproportionation reaction of gallium monochloride in the pipe.
In order to provide the baffle plate 3f protruding from the inner surface of the pipe as shown in FIG. 4 inside the vertical portion 3e, for example, a slit is made obliquely in the circular pipe, the baffle plate is inserted therein, and the baffle plate is welded from the outside of the circular pipe so as to include the baffle plate and to seal the slit. This can be easily manufactured.
Also, as shown in Fig. 5, the central shaft 3h provided with the baffle plate 3g can be prepared and inserted vertically into the vertical section 3e to place the baffle plate 3g inside the vertical section 3e. In this case, it is preferable to provide a baffle plate holding member 3i for holding the central shaft 3h inside the vertical section 3e. In this example, the baffle plate is not fixed inside the pipe, and a separate member made of several semicircular plates welded at intervals to the central shaft 3h is inserted into the pipe. This makes the flow path more complex, allowing both heat exchange and smooth falling of liquefied gallium to be achieved.

半導体材料ガス供給配管3には、分解時の真空置換用の真空引き及びパージライン等を備えていてもよい。
また、トラップ4は、高温対応用のOリング等を介してクイックカップリングなどで接続され、メンテナンス時に外して液体ガリウムを回収するようにしてもよい。また、トラップ4の下段に別途バルブ及び配管を設置し、バルブを開放して液体ガリウムを放出するようにしてもよい。
The semiconductor material gas supply pipe 3 may be provided with a vacuum and purge line for vacuum replacement during decomposition.
The trap 4 may be connected by a quick coupling or the like via an O-ring or the like for high temperature resistance, and may be removed during maintenance to recover the liquid gallium. A separate valve and piping may be installed below the trap 4, and the valve may be opened to release the liquid gallium.

半導体材料ガス供給配管3及びトラップ4は最も耐熱温度が低い部材に合わせて150~300℃程度に加熱コントロールされることが好ましい。
図2では、第1接続部3aと最も低い部分3cとの間の配管にも傾斜をつけた斜め配管としたため、斜め配管で発生したガリウム金属もトラップ4に回収できる。
さらに、図3では、ガリウム金属の発生量が少ない場合や、メンテナンス周期を短く取れる場合の簡易形状を示す。半導体材料ガス供給配管3を略U字管とし、最下部に滴下ラインの分岐とその先にバルブを配している。この場合、トラップに当たる部分は分岐した配管部であり、頻繁にバルブを開けてガリウム金属を滴下することにすれば、構造が簡単になり、コストが低下する。
It is preferable that the semiconductor material gas supply pipe 3 and the trap 4 are heated and controlled to about 150 to 300° C. in accordance with the lowest heat-resistant temperature of the member.
In FIG. 2, the piping between the first connection portion 3 a and the lowest portion 3 c is also inclined, so that the gallium metal generated in the piping can also be collected in the trap 4 .
Furthermore, Fig. 3 shows a simplified shape for cases where the amount of gallium metal generated is small or where the maintenance interval can be shortened. The semiconductor material gas supply pipe 3 is an approximately U-shaped pipe, with a branch of the drip line at the bottom and a valve at the end. In this case, the part that corresponds to the trap is the branched pipe, and if the valve is opened frequently to drip gallium metal, the structure is simplified and costs are reduced.

[作用効果]
本発明を用いて半導体材料ガス供給部と反応炉間の配管部の一部又は全部を重力に抗して略鉛直な構造とすることで、前記配管内で温度の低下により不均化反応を起こした固体又は液体材料は配管壁面に付着し、液体状態のため、重力により容易に落下し、ガス流路を避けた位置に配される液ダメ部に収容される。これにより配管内の詰まりが予防される。さらにメンテナンス時は一カ所を開放するだけで良くなるし、さらにバルブを介した摘出ラインを追加し、液化した固体又は液体材料をさらに下部に設けた容器に滴下させるなどすることで、メンテナンス性が向上する。
[Action and Effect]
By using the present invention to make a part or all of the piping between the semiconductor material gas supply unit and the reactor substantially vertical against gravity, solid or liquid material that has undergone a disproportionation reaction in the piping due to a drop in temperature adheres to the piping wall and, being in a liquid state, easily falls due to gravity and is contained in a liquid tank located away from the gas flow path. This prevents clogging in the piping. Furthermore, maintenance can be performed by opening only one location, and by adding an extraction line via a valve and dripping the liquefied solid or liquid material into a container located further below, the ease of maintenance can be improved.

図1に示すIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置100を用いて以下の条件でGaN膜を成長した。10回成長後、半導体材料ガス供給配管3を分解したところ、壁面にはガリウム金属が薄く付着しているが、配管を閉塞するような兆候は無く、一方、トラップ4からは5mL程度の金属ガリウムが確認された。
<成長条件>
NHガスの圧力が0.4atmとなり、NHガス及びキャリアガスの混合ガスの圧力が1atmとなり、NHガス及びキャリアガスの混合ガスの流量が10slmとなるように調整した。次に、反応炉の成長部を加熱することにより、種基板を成長温度1300℃にまで加熱した。次に、GaClガス生成装置において、容器内のGaを800℃に加熱して、塩素とキャリアガスを導入し、GaClガスを生成させ、供給配管を通じて装置外に、GaClガス及びキャリアガスの混合ガスを排出した。排出した混合ガスを、GaN結晶膜製造装置に輸送した。この際、GaCl供給管内において、GaClガスの圧力が3×10-2atmとなり、GaClガス及びキャリアガスの混合ガスの圧力が1atmなりGaClガス及びキャリアガスの混合ガスの流量が10slmとなるように調整した。これらのガスを種基板向かって吹き付け、10時間連続成長した。
GaN films were grown under the following conditions using the III-V and III-VI semiconductor film-forming apparatus 100 shown in Fig. 1. After 10 growths, the semiconductor source gas supply pipe 3 was disassembled, and a thin layer of gallium metal was found to be attached to the wall surface, but there was no sign of the pipe being clogged. Meanwhile, about 5 mL of metallic gallium was found in the trap 4.
<Growth conditions>
The pressure of the NH 3 gas was adjusted to 0.4 atm, the pressure of the mixed gas of the NH 3 gas and the carrier gas was adjusted to 1 atm, and the flow rate of the mixed gas of the NH 3 gas and the carrier gas was adjusted to 10 slm. Next, the seed substrate was heated to a growth temperature of 1300 ° C. by heating the growth part of the reactor. Next, in the GaCl 3 gas generating device, Ga in the container was heated to 800 ° C., chlorine and carrier gas were introduced, GaCl 3 gas was generated, and the mixed gas of the GaCl 3 gas and the carrier gas was discharged outside the device through the supply pipe. The discharged mixed gas was transported to the GaN crystal film manufacturing device. At this time, in the GaCl 3 supply pipe, the pressure of the GaCl 3 gas was adjusted to 3 × 10 -2 atm, the pressure of the mixed gas of the GaCl 3 gas and the carrier gas was adjusted to 1 atm, and the flow rate of the mixed gas of the GaCl 3 gas and the carrier gas was adjusted to 10 slm. These gases were sprayed onto the seed substrate, and growth was continued for 10 hours.

1…半導体材料ガス生成部
2…反応炉
3…半導体材料ガス供給配管
3a…第1接続部
3b…第2接続部
3c…最も低い部分
3d…排出部
3e…鉛直部
3f,3g…邪魔板
3h…中心軸
3i…邪魔板保持部材
4…トラップ
100,101,200…III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置
V1,V2…開閉バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Semiconductor material gas generation section 2...Reaction furnace 3...Semiconductor material gas supply pipe 3a...First connection section 3b...Second connection section 3c...Lowest section 3d...Exhaust section 3e...Vertical section 3f, 3g...Baffle plate 3h...Central axis 3i...Baffle plate holding member 4...Trap 100, 101, 200...III-V and III-VI group semiconductor film formation apparatus V1, V2...Opening and closing valve

Claims (6)

金属塩化物を原料とするIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置であって、
半導体材料ガスを基板上で反応させる反応炉と、
前記反応炉と分離独立しており、前記半導体材料ガスを生成し前記反応炉に供給する半導体材料ガス生成部と、
前記半導体材料ガス生成部と前記反応炉とを接続し前記半導体材料ガス生成部から前記反応炉に前記半導体材料ガスを供給する半導体材料ガス供給配管と、
を有し、
前記半導体材料ガス生成部は、内部空間の下部に固体又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスとの混合ガスを供給し、前記固体又は液体材料と前記混合ガスとのその場生成により前記半導体材料ガスを生成する反応容器を有し、
前記半導体材料ガス供給配管は、前記半導体材料ガス生成部と接続される第1接続部と、前記反応炉と接続される第2接続部とを有し、鉛直方向において前記第1接続部は前記第2接続部よりも低い位置に存在し、前記第1接続部と前記第2接続部との間に前記半導体材料ガス供給配管の最も低い部分が存在し、前記最も低い部分には液化した前記固体又は液体材料を排出する排出部が設けられている、
III-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。
A film forming apparatus for III-V and III-VI semiconductors using metal chlorides as raw materials,
a reactor for reacting a semiconductor material gas on a substrate;
a semiconductor material gas generating unit that is separate and independent from the reactor and generates the semiconductor material gas and supplies it to the reactor;
a semiconductor material gas supply pipe that connects the semiconductor material gas generation unit and the reactor and supplies the semiconductor material gas from the semiconductor material gas generation unit to the reactor;
having
the semiconductor material gas generation unit has a reaction vessel that stores a solid or liquid material in a lower portion of an internal space, supplies a mixed gas of a carrier gas and a raw material gas to an upper portion of the internal space, and generates the semiconductor material gas by in-situ generation of the solid or liquid material and the mixed gas;
the semiconductor material gas supply pipe has a first connection part connected to the semiconductor material gas generation part and a second connection part connected to the reactor, the first connection part is located at a lower position than the second connection part in the vertical direction, the lowest part of the semiconductor material gas supply pipe is located between the first connection part and the second connection part, and a discharge part for discharging the liquefied solid or liquid material is provided at the lowest part;
III-V and III-VI semiconductor deposition equipment.
前記排出部の下方に液化した前記固体又は液体材料を溜めるトラップを有する、請求項1に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。 The III-V and III-VI semiconductor film forming apparatus according to claim 1, further comprising a trap below the exhaust section for collecting the liquefied solid or liquid material. 前記半導体材料ガス供給配管の内部に、液化した前記固体又は液体材料が前記排出部の下方に配置したトラップに落下しやすく、かつ、前記半導体材料ガスの流路を複雑化する邪魔板を有する、請求項1又は2に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。 The III-V and III-VI semiconductor film formation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor material gas supply pipe has a baffle inside, which allows the liquefied solid or liquid material to easily fall into a trap arranged below the exhaust section and complicates the flow path of the semiconductor material gas. 前記半導体材料ガス供給配管の前記最も低い部分と前記第2接続部との間の少なくとも一部が鉛直方向に配置されている、請求項1~3のいずれか1項に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。 The III-V and III-VI semiconductor film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a portion between the lowest portion of the semiconductor material gas supply pipe and the second connection portion is arranged vertically. 前記半導体材料ガス供給配管の前記第1接続部と前記第2接続部との間の形状が略U字形であり、前記略U字形の底部が前記最も低い部分である、請求項1~3のいずれか1項に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。 The III-V and III-VI semiconductor film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the shape between the first connection part and the second connection part of the semiconductor material gas supply pipe is substantially U-shaped, and the bottom of the substantially U-shaped shape is the lowest part. 前記金属塩化物が三塩化ガリウムである、請求項1~5のいずれか1項に記載のIII-V族及びIII-VI族半導体成膜装置。 The III-V and III-VI semiconductor film forming apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal chloride is gallium trichloride.
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