DE69126122T2

DE69126122T2 - Methode und apparat zum wachsen von verbindungshalbleiterkristallen

Info

Publication number: DE69126122T2
Application number: DE69126122T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kondo; Hiroshi Sekiguchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2011-09-21
Also published as: EP0502209A1; DE69126122D1; WO1992005577A1; US5392730A; EP0502209B1; EP0502209A4; US5304247A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft Verbindungshalbleiter, die unter Anwendung einer metallorganischen Dampfphasenepitaxie (MOVPE), die ein chemischer Dampfabscheidungs-(CVD)-Prozeß ist, erzeugt werden. Die Erfindung betrifft besonders ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden eines III-V- Verbindungshalbleiterkristalls.

HINTERGRUNDTECHNIK

Da in jüngster Zeit die Struktur, die Eigenschaften usw. von Vorrichtungen, wie z. B. von elektronischen oder optischen Vorrichtungen, weiterentwickelt worden sind, ist eine präzise Gleichförmigkeit der Filmdicke und Zusammensetzung, etc., eines epitaxial gewachsenen Halbleiterfilms, der eine Basis solch einer Vorrichtung ist, verlangt worden.
Verbindungshalbleiterkristalle sind bislang durch ein Flüssigepitaxialwachsverfahren gebildet worden, aber dieses Wachsverfahren ist auf Grund einer hohen Wachsrate schwer zu steuern, und so ist es schwierig gewesen, neue, höhere Anforderungen zu erfüllen.
Aus diesem Grund ist anstelle des Flüssigepitaxial wachsprozesses einem MOVPE-Prozeß Aufmerksamkeit gewidmet worden, bei dem ein Halbleiterkristall durch Pyrolysieren einer organometallischen Verbindung und eines Hydrids in einer Dampfphase wächst, als Technik für das epitaxiale Wachsen eines gleichförmigen Verbindungshalbleiterkristalls auf einem Substrat mit großem Bereich oder einer Vielzahl von Substraten.
Die Öfen zum MOVPE-Kristallwachsen werden grob in einen horizontalen CVD-Ofen und einen vertikalen CVD-Ofen klassifiziert.
Figuren 1 bis 3 sind Darstellungen, die die horizontalen Hauptöfen zeigen; in den Zeichnungen ist 1 ein Gasinjektor, der als Einlaßöffnung zum Einführen eines Abscheidungsgases dient, ist 2 eine Reaktionsröhre, ist 3 ein Substrat zur Abscheidung, ist 4 ein Träger, der das Substrat 3 stützt, und ist 5 eine Gasauslaßöffnung.
Figur 1 zeigt einen typischen horizontalen CVD-Ofen. In dem horizontalen Ofen dieser Zeichnung wird ein Substrat 3 auf einem Träger 4, der auf einer Reaktionsröhre 2 installiert ist, horizontal angeordnet, und ein Abscheidungsgas, das Rohmaterialien zur Abscheidung enthält, wird dem Substrat 3 im wesentlichen horizontal zugeführt.
Figur 2 zeigt einen Ofen des Trommeltyps als einen der horizontalen CVD-Öfen.
In dem horizontalen Ofen dieser Zeichnung ist eine Vielzahl von Substraten 3 auf den Seitenflächen eines Trägers 4 angeordnet, der in einer Reaktionsröhre 2 vorgesehen ist, und ein Abscheidungsgas wird von dem oberen Ende der Reaktionsröhre 2 den Substraten 3 im wesentlichen parallel zugeführt. Der Träger 4 wird dann rotiert, so daß sich zwischen den Kristallen, die auf den Substraten 3 abgeschieden werden, keine Abweichungen ergeben. Die individuellen Substrate 3 werden auch rotiert, um eine gleichförmige Abscheidung auf einer Oberfläche des Substrats zu erzeugen.
Figur 3 zeigt einen Ofen des Planetentyps als einen anderen der horizontalen CVD-Öfen.
In dem horizontalen. Ofen dieser Zeichnung ist eine Vielzahl von Substraten 3 auf einem Träger 4 angeordnet, der in einer Reaktionsröhre 2 horizontal vorgesehen ist, und ein Abscheidungsgas, das von dem oberen Ende der Reaktionsröhre 2 eingeführt wird, kann im wesentlichen von der Mitte des Trägers 4 aus horizontal längs des Trägers 4 fließen und wird den Substraten 3 zugeführt.
Diese horizontalen Öfen werden gewöhnlich verwendet, wenn GaAs für Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen und AlGaAs/GaAs-Systeme für kurzwellige optische Vorrichtungen durch einen MOVPE-Prozeß epitaxial wachsen, da der Gasfluß relativ einfach ist und die Abscheidung auf einem Substrat mit großem Bereich oder einer Vielzahl von Substraten auf Grund deren Konstruktion erleichert wird.
Dennoch haben die horizontalen Öfen die folgenden drei Hauptprobleme:
Erstens haben die horizontalen Öfen, da ein Abscheidungsgas längs einer Substratoberfläche in einer Richtung eingeführt wird, ein Problem mit dem Wachsen von Kristallen auf der Substratoberfläche, d. h., mit dem Verbrauch des Abscheidungsgases wird die Konzentration des Abscheidungsgases in der Richtung von stromaufwärts nach stromabwärts dünn, und als Resultat ist die Kristallabscheidungsrate auf der Oberfläche des Abscheidungssubstrats in der Richtung von stromaufwärts nach stromabwärts des Gasflusses langsamer.
Zweitens ergibt sich ein Problem, insofern als ein Abscheidungsgas, das in einen horizontalen Ofen eingeführt wird, eine Verteilung hinsichtlich der Temperatur des Abscheidungsgases auf einem Substrat hat, weil das Gas auf dem Substrat in der Richtung von stromaufwärts nach stromabwärts des Gasflusses allmählich erhitzt wird. Dies hat zu einer Verteilung der Zersetzungsbedingung des Abscheidungsgases auf dem Substrat sowie zu einer Verteilung der Zusammensetzung des abgeschiedenen Kristalls auf dem Substrat geführt.
Drittens ergibt sich ein Problem daraus, daß in den horizontalen Öfen eine Decke oder Wand einer Reaktionsröhre in der Nähe eines Abscheidungssubstrats existiert, und solch eine Decke oder Wand hat einen Effekt auf die Abscheidung des Kristalls auf dem Substrat. Es werden nämlich Reaktionsnebenprodukte an der Decke oder der Wand der Reaktionsröhre während der Wiederholung der Kristallabscheidung in ihr abgeschieden, die den Grad der Zersetzung des Abscheidungsgases verändern und einen Effekt auf die Filmdicke und Zusammensetzung des auf dem Substrat abgeschiedenen Kristalls haben.
Figuren 4 und 5 zeigen das obige erste Problem, wobei Fig. 4 Beispiele von Isokonzentrationslinien eines Gases auf einem Substrat zeigt. Diese Isokonzentrationslinien zeigen an, daß die Abscheidungsgaskonzentration immer dünner wird, je weiter von stromaufwärts nach stromabwärts das Abscheidungsgas über das Substrat fließt.
Figur 5 zeigt den Effekt auf Grund des ersten Problems der Verteilung der Abscheidungsgaskonzentration auf einem Substrat und veranschaulicht eine Verteilung einer Filmdicke in einem horizontalen Ofen. Die Abszissenachse ist der Abstand des Substrats von stromaufwärts, und die Ordinatenachse ist die Dicke des abgeschiedenen Filrns. Wie aus dieser Zeichnung hervorgeht, wird die Dicke des Films, der auf dem Substrat abgeschieden wird, von stromaufwärts nach stromabwärts des Substrats immer dünner.
Dieses erste Problem kann jedoch gelöst werden, indem die Kristallabscheidungsrate bis zu einem gewissen Grade uniformiert wird, indem das Abscheidungssubstrat rotiert wird. Zusätzlich sind die zweiten und dritten Probleme in dem Fall von Binärverbindungshalbleitern und Ternärverbindungshalbleitern, die aus zwei Elementen der Gruppe III und einem Element der Gruppe V bestehen, nicht aufgetreten und haben deshalb keine sehr großen Effekte auf die Abscheidung von AlGaAs/GaAs-Systemkristallen gehabt.
Dennoch haben bei der Abscheidung eines Quartärverbindungshalbleiters, wie z. B. von InGaAsP-Systemkristallen, die für optische Vorrichtungen mit dem Wellenlängenband von 1 Mikrometer verwendet werden, oder von AlGaInP-Systemen, die bei Lasern sichtbaren Lichtes verwendet werden, die zweiten und dritten Probleme einen besonders großen Einfluß.
Erstens hat die Temperaturverteilung eines Gasflusses auf einem Substrat einen beträchtlichen Effekt auf die Festphasenzusammensetzung von Elementen der Gruppe V in dem InGaAsP, da die Wirkungsgrade der thermischen Zersetzung von AsH&sub3; (Arsin) und pH&sub3; (Phosphin) der Rohmaterialien der Gruppe V, die bei einer MOVPE-Abscheidung von InGaAsP gewöhnlich verwendet werden, in Abhängigkeit von einer Temperatur außerordentlich verschieden sind. Deshalb ist das zweite Problem in den horizontalen Öfen für die Abscheidung des Kristalls eines Quartärverbindungshalbleiters, wie z. B. von InGaAsP, verhängnisvoll.
Figur 4 zeigt auch isothermische Linien auf einem Substrat. In diesem Fall zeigen die Linien, daß das Abscheidungsgas eine immer höher werdende Temperatur hat, je weiter von stromaufwärts nach stromabwärts es über das Substrat fließt.
Figur 6 ist ein Graph, der einen Effekt auf Grund einer Temperaturverteilung eines Gasflusses auf einem Abscheidungssubstrat bei der Abscheidung eines InGaAsP-Systemkristalls zeigt, und stellt eine Zusammensetzungsverteilung in einem horizontalen Ofen dar. In dieser Zeichnung ist die Abszissenachse der Abstand des Abscheidungssubstrats von stromaufwärts, und die Ordinatenachse ist die Photolumineszenz- (PL) -Wellenlänge des abgeschiedenen InGaAsP-Kristalls. Eine PL-Wellenlänge ist eine Wellenlänge von Licht, die einer erzeugten Substanz eigen ist und der Bandlücke der Substanz entspricht, wenn sie mit einem gewissen Licht bestrahlt wird.
In dem Fall eines InGaAsP-Kristalls kann eingeschätzt werden, daß dieser Graph. im wesentlichen dem Zusammensetzungsverhältnis von As/P von Elementen der Gruppe V entspricht, da bestätigt worden ist, daß In und Ga von Elementen der Gruppe III in einer annähernd gleichförmigen Zusammensetzung abschieden werden. Dieser Graph zeigt, daß der Kristall, der auf dem Substrat abgeschieden wird, eine Zusammensetzung hat, in der As von stromaufwärts nach stromabwärts verringert wird und P vergrößert wird. (Ein Kristall, der mehr As enthält, hat eine größere PL-Wellenlänge als ein Kristall, der mehr P enthält.)
Auch hinsichtlich des obigen dritten Problems ist durch Experimente, etc., bestätigt worden, daß Abscheidungen an der Decke oder Wand einer Reaktionsröhre beträchtliche Effekte auf die Gleichförmigkeit der Festphasenzusammensetzung der Gruppe III haben, besonders auf die Zusammensetzung von In und Ga.
Dementsprechend kann davon ausgegangen werden, daß die Verwendung eines horizontalen Ofens Schwierigkeiten beim Erreichen einer gleichförmigen Abscheidung eines III-V- Verbindungshalbleiterkristalls verursacht, der In und Ga oder As und P zusammen enthält (wie InGaAsP, AlGaInP).
Andererseits existieren die Probleme, wie oben erwähnt, in vertikalen Öfen im Prinzip nicht.
Figur 7 zeigt einen typischen vertikalen CVD-Ofen, wobei dieselben Teile wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
In diesem vertikalen Ofen ist ein Substrat 3 auf einem Träger 4 montiert, der in einer Reaktionsröhre 2 horizontal vorgesehen ist, und ein Abscheidungsgas, das von einem Gasinjektor 1, der über der Reaktionsröhre 2 vorgesehen ist, eingeführt wird, wird der Oberfläche des Substrats 3 vertikal zugeführt.
Im Fall eines horizontalen Ofens wird ein Abscheidungsgas einem Substrat horizontal zugeführt, aber in einem vertikalen Ofen treten die obengenannten ersten und zweiten Probleme im Prinzip nicht auf, da ein Abscheidungsgas dem Substrat vertikal zugeführt wird, falls ein idealer Gasfluß realisiert wird. Auf Grund der Konstruktion des Ofens tritt das dritte Problem auch nicht auf, da in der Nähe der Oberfläche eines Substrats keine Decke oder Wand einer Reaktionsröhre existiert.
In vertikalen Öfen ist es ideal, ein Gas, das eine gleiche Konzentration hat, der gesamten Oberfläche eines Abscheidungssubstrats mit gleicher Rate zuzuführen. Da die gesamte Oberfläche des Substrats in demselben Zustand sein kann, falls diese Bedingung erfüllt wird, kann auf dem Substrat ein Kristall abgeschieden werden, der eine gleichförmige Filmdicke und eine gleichförmige Zusammensetzung hat.
Im allgemeinen ist es jedoch extrem schwierig, den Durchmesser eines Gasinjektors (gewöhnlich kleiner als 1 Zentimeter) nahe an den Durchmesser eines Substrats (im allgemeinen 5 bis 8 Zentimeter) zu bringen, und falls dies erreicht wird, ist es schwierig, ein Abscheidungsgas aus einem Gasinjektor mit einem großen Durchmesser zuzuführen, das eine gleichförmige Konzentration hat. In der Praxis muß deshalb ein Gasinjektor, der einen kleineren Durchmesser als den Durchmesser eines Substrats hat, über der Mitte des Substrats vorgesehen sein. Daher ist das Abscheidungsgas, das von dem Gasinjektor eingeführt wird, auf dem zentralen Abschnitt des Substrats konzentriert, wie in Fig. 7 gezeigt.
Figur 8 zeigt die Isokonzentrations- und isothermischen Linien eines Gases auf einem Substrat in einem früheren vertikalen Ofen. In dieser Zeichnung ist die Konzentration desto niedriger und die Temperatur desto höher, je mehr sich die Linien dem Substrat nähern.
Es ist herausgefunden worden, daß die Isokonzentrations- und isothermischen Linien in der Mitte des Substrats sehr schwanken, wie in der Zeichnung gezeigt, da das Abscheidungsgas auf den zentralen Abschnitt des Substrats konzentriert wird, wie zuvor erwähnt.
Figur 9 ist ein Graph, der eine Filmdicke-Verteilung eines InGaAsP-Kristalls zeigt, der auf einem Substrat in einem früheren vertikalen Ofen abgeschieden wurde. Als Folge der großen Schwankung der Gaskonzentration nahe der Mitte über einem Substrat, wie in Fig. 8 gezeigt, hat die Filmdicke eines Kristalls, der auf dem Substrat abgeschieden wurde, eine Verteilung, die nahe der Mitte maximal wird.
Ähnlich ist Fig. 10 ein Graph, der eine Zusammensetzungsverteilung eines InGaAsP-Kristalls zeigt, der in einem herkömmlichen vertikalen Ofen auf einem Substrat abgeschieden wurde. In dieser Zeichnung kann das As/P-Zusammensetzungsverhältnis wieder durch Detektieren einer PL-Wellenlänge angesichts eines Substrats bestimmt werden, wie in Fig. 6. Es wird herausgefunden, daß der Kristall, der auf dem Substrat abgeschieden wurde, als Folge der großen Schwankung von Gastemperaturen nahe der Mitte über dem Substrat eine Zusammensetzungsverteilung mit großen Schwankungen hat.
Ferner tritt in den vertikalen Öfen eine Konvektion eines Abscheidungsgases in einer Reaktionsröhre auf, wie in Fig. 7 gezeigt, da das konzentrierte Abscheidungsgas dem zentralen Abschnitt eines Substrats zugeführt wird, wie zuvor erwähnt. Deshalb unterliegt die Gleichförmigkeit der Filmdicke oder der Zusammensetzung eines Kristalls, der auf dem Substrat abgeschieden wird, auch Schwankungen auf Grund der Konvektion.
Wenn zum Beispiel ein Heteroübergang auf einem Substrat gebildet wird, wird die Abruptheit der Heterogrenzfläche nachteilig beeinflußt.
Um die Konzentration eines Abscheidungsgases in der Mitte eines Substrats zu verbessern, kann, wie oben beschrieben, die Flußratensteuertechnik eingesetzt werden, wie durch die Erfinder bei der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 1-140712 vorgeschlagen wurde. Bei dieser Technik ist eine Vielzahl von Subinjektoren auf solch eine Weise vorgesehen, daß sie einem Substrat zugewandt sind und längs einer Mittellinie in der Substratebene angeordnet sind, und ein Gas, das mit einer gegebenen Flußrate gesteuert wird, wird aus jedem Subinjektor der Oberfläche des Substrats, das rotiert wird, zugeführt.
Unter Einsatz dieser Technik kann sowohl eine Filmdicke als auch eine Zusammensetzung eine verbesserte Gleichförmigkeit haben, was die Abscheidung eines Kristalls eines Binärverbindungshalbleiters wie GaAs oder eines Ternärverbindungshalbleiters wie GalnAs betrifft, aber wenn diese Technik auf die Abscheidung eines Kristalls eines Quartärverbindungshalbleiters wie InGaAsP angewendet wird, ist die Gleichförmigkeit der Filmdicke gut, aber bei der Gleichförmigkeit der Zusammensetzung (besonders bei der Gleichförmigkeit der Zusammensetzung hinsichtlich As und P von Elementen der Gruppe V in dem abgeschiedenen Kristall) wird keine Verbesserung festgestellt, da in diesem Fall nur einem Teil des Substrats ein Abscheidungsgas direkt aus Subinjektoren, die langs einer Mittellinie in dem Substrat angeordnet sind, vertikal zugeführt wird.
Das heißt, mit der Technik, die in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 1-140712 beschrieben ist, wird, da das Abscheidungsgas, das aus Subinjektoren zugeführt wird, vertikal gegen den Abschnitt eines Substrats direkt unter den Subinjektoren stößt und die Flußrichtung dann seitlich gedreht wird und längs der Oberfläche des Substrats und hin zu dessen Kante fließt, das Gas in der Richtung von stromaufwärts nach stromabwärts des seitlichen Flusses erhitzt, was zu der Verteilung der Gastemperatur auf dem Substrat führt. Obwohl diese Technik zum Zuführen eines Abscheidungsgases in einer gleichmäßigen Konzentration zu dem Substrat nützlich war, ist sie daher noch unausreichend, um die Temperaturverteilung des Gasflusses so gleichförmig wie möglich zu machen, um ein konstantes Verhältnis der Abscheidungsrate zwischen Elementen der Gruppe V zu halten.
Ein anderes Beispiel eines Abscheidungssystems, das eine Vielzahl von Subinjektoren enthält, ist in US-A- 4,829,021 gezeigt.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein MOVPE-Verfahren und eine MOVPE-Vorrichtung vorzusehen, durch die ein Verbindungshalbleiterkristall, der eine gleichförmige Filmdicke und Zusammensetzung hat, auf der gesamten Oberfläche eines Substrats abgeschieden werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines III-V-Verbindungshalbleiters auf einem Substrat vorgesehen, durch Zuführen eines Abscheidungsgases, das ein Gemisch aus zwei oder mehr Gasen enthält, zu einer Reaktionskammer, die das Substrat enthält, und Pyrolysieren der Gase, um den Verbindungshalbleiter auf dem Substrat abzuscheiden, bei dem der Strom des Abscheidungsgases in eine Vielzahl von Strömen geteilt wird, wobei die Flußrate von jedem der Ströme individuell eingestellt wird und der Oberfläche des Substrats durch Düsenöffnungen nacheinander vertikal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der geteilten Ströme weiter unterteilt werden, bevor sie nacheinander den Düsenöffnungen zugeführt werden, und die Düsenöffnungen angeordnet sind, um die gesamte Oberfläche des Substrats zu bedecken, indem sie in drei Gruppen angeordnet werden, die der Mitte, dem äußeren Rand und dem Zwischenabschnitt des Substrats entsprechen, und daß die Flußraten der Ströme so gesteuert werden, daß die Flußraten, die aus jeder der jeweiligen Gruppen von Düsenöffnungen dem Substrat zugeführt werden, konstant sind.
Da gemäß der Erfindung ein Abscheidungsgas der gesamten Oberfläche eines Substrats als geteilte Ströme und mit jeweiligen eingestellten Flußraten somit vertikal zugeführt wird, können ideale Isokonzentrationslinien und isothermische Linien realisiert werden, die zu der Substratoberfläche parallel sind.
Somit ist die Rotation eines Substrats, die herkömmlicherweise nach Stand der Technik angewendet wird und bei der nur einem Teil der Substratoberfläche ein Abscheidungsgas gerade und vertikal zugeführt wird, bei der vorliegenden Erfindung im Prinzip unnötig, da die Isokonzentrationslinien und die isothermischen Linien des Abscheidungsgases zu der gesamten Substratoberfläche parallel sind. In der Praxis kann durch Rotieren eines Substrats die Verzerrung von Isokonzentrations- und isothermischen Linien kompensiert werden, die sich aus Faktoren in einer Vorrichtung ergibt, zum Beispiel aus einer Abweichung zwischen individuellen Düsenöffnungen, die die individuellen geteilten Gasströme zuführen, und aus einer Abweichung zwischen individuellen Flußmetern, die die Flußrate des geteilten Stroms steuern. In diesem Fall kann die Rotation des Substrats langsamer als in dem herkömmlichen Fall sein.
Das Verfahren zum Abscheiden eines Verbindungshalbleiters der Erfindung kann mittels einer Vorrichtung zum Abscheiden eines Verbindungshalbleiterkristalls ausgeführt werden, die umfaßt:
(a) ein Gaszuführungssystem mit einer Vielzahl von geteilten Flußwegen für das Abscheidungsgas, und ein Steuermittel, das in jedem der geteilten Flußwege zum individuellen Einstellen von Flußraten des Abscheidungsgases vorgesehen ist, zum Zuführen eines Abscheidungsgases, das zwei oder mehr Materialgase enthält, zum Bilden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters in einer Reaktionskammer;
(b) ein Reaktionssystem, das gebildet ist aus einem Reaktionsgehäuse zum Definieren eines Bereiches der Reaktionskammer und zum Abscheiden des Kristalls des Verbindungs halbleiters in ihm, einem Träger, der in dem Reaktionsgehäuse vorgesehen ist und ein Substrat hält, auf dem der Kristall des Verbindungshalbleiters abzuscheiden ist, einem Gasinjektor zum vertikalen Zuführen des Abscheidungsgases zu dem Substrat auf dem Träger, der am oberen Ende des Reaktionsgehäuses vorgesehen ist und dem Träger zugewandt ist, und einem Mittel zum Erhitzen des Substrats; und
(c) ein Gasevakuierungssystem zum Evakuieren von verbrauchtem Abscheidungsgas, das ein Nebenprodukt einer Pyrolysereaktion der Materialgase in der Reaktionskammer enthält, aus dem Reaktionsgehäuse hinaus, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasinjektor in dem Reaktionssystemaus einer Vielzahl von dicht versammelten Subinjektoren gebildet ist, die in drei Gruppen angeordnet sind, die der Mitte, dem Rand und dem Zwischenabschnitt des Substrats entsprechen, auf solch eine Weise, daß die Subinjektoren die gesamte Oberfläche des Substrats bedecken, das auf dem Träger positioniert ist, und die jeweiligen Flußwege des Abscheidungsgases ein Mittel zum individuellen Steuern von Flußraten mit einem konstanten Pegel für jede Gruppe von Subinjektoren haben und mit den jeweiligen Subinjektoren nacheinander verbunden sind.
Der Subinjektor kann eine Röhre mit geeigneter Größe sein, und es können bequem jene verwendet werden, die eine Schnittform eines Kreises, eines Quadrats, eines regelmäßigen Sechsecks oder dergleichen haben, vorausgesetzt, daß ein Gas gleichförmig herausgeblasen wird. Falls Röhren verwendet werden, die ohne eine Lücke dicht gebündelt werden können, wie Röhren in der Form eines Quadrats oder regelmäßigen Sechsecks, kann der Flußbereich des Gases erhöht werden, um dadurch die Gasverweilsektionen zu reduzieren. In diesem Fall werden, wenn das Ende von jedem der Subinjektoren schräg ausgebreitet ist, die Gasverweilsektionen effektiver eliminiert.
Die Subinjektoren können zum Beispiel aus einem Metall (rostfreier Stahl oder dergleichen) oder Quarz sein. Um das Ende des Injektors schräg auszubreiten, wie oben beschrieben, kann zum Beispiel eine maschinelle Bearbeitung angewendet werden, wenn das Material ein Metall ist, und kann ein Ätzen genutzt werden, wenn das Material Quarz ist. Somit werden die Größe und Anzahl von Subinjektoren, die erforderlich sind, in Abhängigkeit von der Größe des Substrats und der Struktur des Gasinjektors bestimmt. Wenn zum Beispiel Röhren mit rundem Schnitt für ein Substrat von 50 mm (2 Zoll) verwendet werden, um die gesamte Oberfläche des Substrats zu bedecken, indem sie in drei Bereiche der Mitte, des äußeren Endes und des Zwischenabschnittes getrennt wird, kann ein Subinjektor in der Mitte angeordnet sein, können sechs Subinjektoren um ihn herum angeordnet sein, und können weitere zwölf Subinjektoren um die sechs Subinjektoren herum angeordnet sein; der Außendurchmesser von jedem Subinjektor kann die Größe von 10 Millimetern haben. Wenn regelmäßig sechseckige Subinjektoren verwendet werden und 19 Subinjektoren dreifach angeordnet werden, wie in dem obigen Beispiel, können Subinjektoren mit einer Seitenlänge eines Sechsecks von etwa 7 Millimetern für ein Substrat von 50 mm (2 Zoll) und Subinjektoren mit einer Seitenlänge von etwa 10 Millimetern für ein Substrat von 76 mm (3 Zoll) verwendet werden.
Im allgemeinen erschweren Subinjektoren mit einer zu großen Größe die Realisierung der Isokonzentrations- und isothermischen Linien, auf die oben verwiesen wurde, wogegen eine Reduzierung der Größe nur zu einer Erhöhung der Anzahl der geteilten Ströme führt und das Flußratensteuermittel dadurch die Vorrichtung kompliziert. Hinsichtlich Subinjektoren mit einem runden Schnitt ist es üblich, jene zu verwenden, die einen Durchmesser von 10 bis 20 Millimetern haben, wobei jene bevorzugt verwendet werden, die einen Durchmesser von 10 bis 16 Millimetern haben. Bei regelmäßig sechseckigen Subinjektoren ist es üblich, jene zu verwenden, die eine Seitenlänge von 5 bis 15 mm haben.
Das Flußratensteuermittel in dem Gaszuführungssystem steuert die Abscheidungsgasflußrate in jedem geteilten Flußweg unabhängig, jedoch ist notwendig, die Flußraten des Abscheidungsgases in dem jeweiligen Steuermittel auf solch eine Weise einzustellen, daß für jeden der drei Bereiche der Mitte, des Endes und des Zwischenabschnittes die Flußraten, die aus den jeweiligen Subinjektoren zugeführt werden, konstant sind. Obwohl bei den Experimenten der Erfinder Kristalle mit einer weiterverbesserten Gleichförmigkeit sowohl der Filmdicke als auch der Zusammensetzung gegenüber jener von herkömmlichen Kristallen mit derselben Flußrate für alle Subinjektoren erhalten worden sind, wäre es hinsichtlich der Flußraten der jeweiligen Subinjektoren in den drei Bereichen zur Verbesserung der Gleichförmigkeit auf dem Endbereich nützlich, die Flußrate des Abscheidungsgases in dem Subinjektor des Endbereiches etwas größer als jene der Innenbereiche einzustellen. So sollte das Verhältnis der Flußraten, das auf jeweilige geteilte Flußwege aufzuteilen ist, in Abhängigkeit von der Vorrichtung und dem verwendeten Abscheidungsgas, den Abscheidungsbedingungen und dergleichen bestimmt werden, um einen Kristall mit einer gleichförmigen Filmdicke und Zusammensetzung in einem Substrat zu erhalten.
Die geteilten Flußwege in dem Gaszuführungssystem können stromabwärts des Flußratensteuermittels weiter geteilt werden, und diese unterteilten Flußwege können mit den separaten Subinjektoren nacheinander verbunden werden. In diesem Fall sollten die unterteilten Flußwege, die aus demselben geteilten Flußweg geteilt wurden, mit den Subinjektoren desselben Bereiches verbunden werden, zu dem das Abscheidungsgas hindurchgeführt wird.
In dem Gaszuführungssystem kann ein Verteilerstück zum Vermischen von Materialgasen und einem Trägergas vorgesehen sein, um ein Abscheidungsgas herzustellen; und der Flußweg des Abscheidungsgases, das von dem Verteilerstück zugeführt wird, kann geteilt sein, und die Gasflußraten der jeweiligen geteilten Flußwege können mittels eines Massenflußcontrollers, der in den jeweiligen Flußwegen vorgesehen ist, unabhängig gesteuert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind besonders zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters geeignet, der zwei oder mehr Elemente der Gruppe V enthält und dessen Zusammensetzungsverhältnis gegenüber der Temperaturverteilung des Zersetzungsgases auf einem Substrat, wie InGaAsP, besonders empfindlich ist, da gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung nicht nur Isokonzentrationslinien parallel zu der Oberfläche des Substrats, auf dem der Kristall abzuscheiden ist, sondern auch isothermische Linien ebenfalls parallel zu ihr auf dem Substrat realisiert werden können.
Die Substratanzahl, auf der mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ein Kristall eines Verbindungshalbleiters abzuscheiden ist, kann größer als eins sein und kann natürlich zwei oder mehr betragen.
Die anderen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zu den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Darstellung eines typischen früheren horizontalen CVD-Ofens;
Fig. 2 ist eine Darstellung eines früheren Ofens des Trommeltyps;
Fig. 3 ist eine Darstellung eines früheren Ofens des Planetentyps;
Fig. 4 ist eine Darstellung, die Beispiele von Isokonzentrations- und isothermischen Linien in einem horizontalen Ofen zeigt;
Fig. 5 ist ein Graph, der eine Filmdicke-Verteilung in einem horizontalen Ofen zeigt;
Fig. 6 ist ein Graph, der eine Zusammensetzungsverteilung in einem horizontalen Ofen zeigt;
Fig. 7 ist eine Darstellung eines typischen früheren vertikalen CVD-Ofens;
Fig. 8 ist eine Darstellung, die Beispiele von Isokonzentrations- und isothermischen Linien in einem früheren vertikalen Ofen zeigt;
Fig. 9 ist ein Graph, der eine Filmdicke-Verteilung in einem früheren vertikalen Ofen zeigt;
Fig. 10 ist ein Graph, der eine Zusammensetzungsverteilung in einem früheren vertikalen Ofen zeigt;
Fig. 11 ist eine Darstellung eines Gaszuführungssystems in einer Vorrichtung der Erfindung;
Fig. 12 ist eine Darstellung eines Reaktionssystems in einer Vorrichtung der Erfindung;
Fig. 13 ist ein Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 12;
Fig. 14 ist eine Darstellung von Isokonzentrations- und isothermischen Linien auf einem Substrat bei der Erfindung;
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht der Abscheidungsvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16 ist ein Querschnitt des Gasinjektors in einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17 ist ein Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 16;
Fig. 18 ist ein Graph, der Filmdicke-Verteilungen von InGaAsP-Schichten zeigt, die bei der Erfindung auf einem InP-Substrat von 2 Zoll abgeschieden wurden;
Fig. 19. ist ein Graph, der eine Filmdicke-Verteilung einer InGaAsP-Schicht zeigt, die bei der Erfindung auf einem InP-Substrat von 3 Zoll abgeschieden wurde;
Fig. 20 ist ein Graph, der eine Zusammensetzungsverteilung einer InGaAsP-Schicht zeigt, die bei der Erfindung auf einem InP-Substrat von 2 Zoll abgeschieden wurde;
Fig. 21 ist ein Graph, der Standardabweichungsdaten der PL-Wellenlänge von InGaAsP-Schichten, die gemäß der Erfindung auf InP-Substraten von 2 Zoll abgeschieden wurden, im Vergleich zu jenen zeigt, die gemäß einem Stand der Technik abgeschieden wurden;
Fig. 22 ist eine Darstellung eines Gasinjektors, der aus regelmäßig sechseckigen Subinjektoren besteht;
Fig. 23 ist ein Querschnitt längs der Linie B-B' in Fig. 22; und
Fig. 24 ist ein Querschnitt, der Subinjektoren zeigt, deren Röhrenwände an ihrem Endabschnitt schräggeschnitten worden sind.

BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Figuren 11 und 12 zeigen schematisch ein Gaszuführungssystem bzw. ein Reaktionssystem in einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens der Erfindung. In Fig. 12 sind dieselben Teile wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Obwohl in dem Gaszuführungssystem von Fig. 11 nur die Gasquellen von Trimethylindium (TMI, In(CH&sub3;)&sub3;), Triethylgallium (TEG, Ga(C&sub2;H&sub5;)&sub3;), Phosphin (pH&sub3;) und Arsin (AsH&sub3;) gezeigt sind, die Rohmaterialien zum Abscheiden eines Kristalls eines Quartärverbindungshalbleiters, InGaAsP, sind, versteht sich, daß andere Gasguellen, die erforderlich sind, wenn zum Beispiel ein Heteroübergang gebildet wird, weggelassen worden sind. In dieser Zeichnung werden TMI und TEG organometallischer Rohmaterialgase zu einem Verteilerstück 105 transportiert, zusammen mit Wasserstoff eines Trägergases, das jeweiligen Druckmischern 101 und 102 zugeführt wird und dessen Flußraten durch Massenflußcontroller MFC11 und MFC12 separat gesteuert werden. Arsin und Phosphin werden aus jeweiligen Bomben 103 und 104 zu dem Verteilerstück 105 transportiert, deren Flußraten jeweilig durch Massenflußcontroller MFC13 und MFC14 gesteuert werden und die jeweilig mit Wasserstoffgas kombiniert werden, dessen Flußrate durch einen MFC15 oder MFC16 auch gesteuert wird. Wasserstoff eines Verdünnungsgases wird dem Verteilerstück 105 auch zugeführt, dessen Flußrate durch den MFC17 und MFC18 gesteuert wird.
Das Abscheidungsgas, das in dem Verteilerstück 105 gemischt wird, wird von dem Flußweg 106 in zehn geteilte Flußwege 111 bis 120 geteilt, und die Flußraten dieser Flußwege werden durch jeweilige Massenflußcontroller MFC1 bis MFC10 gesteuert. In der Zeichnung sind die Flußwege ab dem MFC2 bis zu dem MFC10 jeweils in 2 Flußwege unterteilt, und mittels der so flußgesteuerten und geteilten 19 Flußwege wird das Abscheidungsgas jedem der Subinjektoren zugeführt, die den Gasinjektor eines Reaktionssystems bilden. Die Symbole a, b und c, die rechts von den 19 geteilten Flußwegen in dieser Zeichnung angegeben sind, entsprechen den Symbolen a, b und c für Subinjektoren, die später in Fig. 13 beschrieben sind.
Ein Reaktionssystem der Erfindung, das in Fig. 12 gezeigt ist, ist gebildet aus einem Reaktionsgehäuse 2, einem Gasinjektor 1, der am oberen Ende des Gehäuses vorgesehen ist, einem Träger 4, auf dem ein Substrat zum Abscheiden eines Kristalls montiert ist, und einer Gasaustrittsöffnung
Ein Mittel zum Erhitzen des Substrats 3 ist in dem Reaktionssystem vorgesehen, obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Das Erhitzungsmittel kann ein Heizer sein, der in dem Träger 4 vorgesehen ist, oder eine Hochfrequenzheizspule, die außerhalb des Reaktionsgehäuses 2 vorgesehen ist, wie bei herkömmlichen Vorrichtungen.
Der Gasinjektor 1 ist durch dichtes Versammeln einer Vielzahl von Subinjektoren 11 gebildet, zum Beispiel eines zentralen Subinjektors a, einer Gruppe von Subinjektoren b, die den Subinjektor a umgeben, und einer Gruppe von Subinjektoren c, die weiter außen angeordnet sind und die Gruppe von Subinjektoren.b umgeben, auf solch eine Weise, daß der Gasinjektor 1 die gesamte Oberfläche des Substrats 3 auf dem Träger 4 bedeckt und der gesamten Oberfläche des Substrats das Abscheidungsgas aus den Subinjektoren vertikal zuführt.
Durch vertikales Zuführen des Abscheidungsgases von jedem Flußweg, der in dem Gaszuführungssystem eingeteilt und flußgesteuert ist, aus den so gebildeten Subinjektoren 11 zu der gesamten Oberfläche des Substrats 3 können Isokonzentra tions- und isothermische Linien realisiert werden, die zu der Substratoberfläche parallel sind, wie in Fig. 14 schematisch gezeigt. Diese Erscheinung, d. h., daß Isokonzentrations- und isothermische Linien parallel zu einer Oberfläche eines erhitzten planaren Substrats durch adäquates Steuern der Geschwindigkeit von jeder Flußleitung realisiert werden können, wobei ein Mischgasfluß gebildet wird, der auf das Substrat geführt wird, ist mathematisch bewiesen bei Hermann Schlichting, "Boundary-Layer Theory", McGrow-Hill Publishing Company, New York (1968). In Fig. 14 ist die Konzentration desto niedriger und die Temperatur desto höher, je dichter die Linien an dem Substrat sind.
Die Gasflußrate, die in jeden Subinjektor zum Erhalten von Isokonzentrations- und isothermischen Linien parallel zu einer Substratoberfläche einzuleiten ist, sollte in Abhängigkeit von Bedingungen wie Form und Größe eines Reaktionsgehäuses und von Abscheidungsbedingungen eines Kristalls optimiert werden. Wenn die Gasflußrate gesteuert wird, ist das realistischste Verfahren jenes, bei dem jede der Flußraten für den Subinjektor a, die Gruppe von Subinjektoren b und die Gruppe von Subinjektoren c separat gesteuert wird.
Figur 15 ist eine schematische Ansicht von Reaktionsund Gasaustrittssystemen einer Abscheidungsvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung. Figur 16 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Gasinjektors in dieser Ausführungsform, und Figur 17 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in Figur 16.
In Figur 15 ist ein Gasinjektor, der aus Quarz besteht, mit 1 bezeichnet, und er umfaßt Subinjektoren 11, die mit jeweiligen geteilten Flußwegen in einem Gaszuführungssystem verbunden sind. In der Zeichnung ist 2 eine Reaktionsröhre, die auch aus Quarz besteht, ist 3 ein Substrat, auf dem ein Kristall abzuscheiden ist, ist 4 ein Träger aus Kohlenstoff zum Stützen des Substrats 3, ist 5 eine Gasaustrittsöffnung, ist 8 eine Hochfrequenzheizspule zum indirekten Erhitzen des Substrats 3 auf dem Träger 4, indem der Träger 4 erhitzt wird, und ist a eine Rotationspumpe zum Herstellen eines Vakuums in der Reaktionsröhre 2.
Der vertikale Schnitt des Gasinjektors 1 in dieser Ausführungsform hat solch eine Struktur wie in Fig. 16 gezeigt. Die Länge von dem Einlaß, der mit einem Gaszuführungssystem verbunden ist, zu dem Auslaß, der mit der Reaktionsröhre 2 verbunden ist, beträgt zum Beispiel etwa 150 Millimeter, und der Abstand zwischen den jeweiligen Subinjektoren 11 beträgt etwa 30 Millimeter nahe des Einlasses und etwa 2 Millimeter nahe des Auslasses.
Der Schnitt A-A' in Fig. 16 hat solch eine Form wie in Fig. 17 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind 19 Subinjektoren 11, die einen runden Schnitt haben, auf solch eine Weise vorgesehen, daß sie die gesamte Oberfläche des Substrats 3 bedecken. Die Struktur in dieser Zeichnung ist durch einen zentralen Subinjektor a, eine Gruppe von Subinjektoren b, die den Subinjektor a umgeben, und eine Gruppe von Subinjektoren c gebildet, die ferner die Gruppe von Subinjektoren b umgeben. Die Subinjektoren c in der äußersten Gruppe werden zum Beispiel angeordnet, indem ein Mittelwinkel von 30 Grad hinsichtlich des Subinjektors a als Mitte gewählt wird; die individuellen Subinjektoren 11 haben einen Innendurchmesser von z. B. 13 Millimetern und einen Außendurchmesser von 14 Millimetern.
Des weiteren kann der Innendurchmesser des Subinjektors 11 entsprechend der Größe des Substrats 3 verändert werden. Wenn eine Abscheidung bei einer Vielzahl von Substraten 3 erfolgt, kann die Anzahl von Subinjektoren 11 in Abhängigkeit von dem Bereich des Trägers 4 erhöht werden, auf dem die Substrate 3 montiert sind, um dadurch den Gasinjektor 1 zu vergrößern.
Das Gaszuführungssystem in dieser Ausführungsform ist wie in Fig. 11 gezeigt. Die Materialgase Trimethylindium, Triethylgallium, Arsin und Phosphin werden zusammen mit Wasserstoff eines Trägergases zu einem Verteilerstück 105 transportiert und in ihm mit Wasserstoff eines Trägergases vermischt, um dadurch ein Abscheidungsgas zu bilden. Das Abscheidungsgas passiert einen Flußweg 106 und wird in zehn Flußwege 111 bis 120 geteilt, deren Flußraten durch Massenflußcontroller MFC1-10 in den jeweiligen geteilten Flußwegen separat gesteuert werden.
Ein Kristall aus InGaAsP eines Quartär-III-V-Verbindungshalbleiters wird aus den Materialien gebildet, und wenn von diesen vier Materialien Arsin z. B. durch Trimethylaluminium einer organischen Aluminiumverbindung ersetzt wird, kann ein Kristall aus AlGaInP eines anderen Quartär-III-V- Verbindungshalbleiters erhalten werden.
Wie aus dieser Zeichnung hervorgeht, steuert in der vorliegenden Ausführungsform jeder der MFC2-10 die Gasflußrate, die zweien der Subinjektoren 11 zugeführt wird. Obwohl natürlich alle Subinjektoren 11 durch separate Massenflußcontroller gesteuert werden können, wären dann 19 Massenflußcontroller für 19 Subinjektoren 11 erforderlich. Im Gegensatz dazu kann die vorliegende Ausführungsform durch nur 10 Massenflußcontroller realisiert werden, aber selbst in diesem Fall werden die Gruppen von Subinjektoren a, b und c vorzugsweise unabhängig gesteuert.
In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Abscheidung von Kristall auf einem Substrat folgendermaßen:
Zuerst werden Rohmaterialgase und ein Trägergas in einem Verteilerstück 105 gemischt, um ein Abscheidungsgas herzustellen. Der Fluß dieses Abscheidungsgases wird geteilt und 10 Massenflußcontrollern MFC1-10 zugeführt. Die Gas flüsse, die mit gegebenen Flußraten durch die jeweiligen Massenflußcontroller gesteuert werden, werden 19 Subinjektoren 11 zugeführt. Dabei ist zum Beispiel der Flußweg stromabwärts des MFCL mit einem Subinjektor a verbunden, sind die Flußwege stromabwärts der MFC2-4 in zwei geteilt und mit einer Gruppe von Subinjektoren b verbunden, und sind die Flußwege stromabwärts der MFC5-10 auch in zwei geteilt und mit einer Gruppe von Subinjektoren c verbunden. Der Gasfluß, der jedem Subinjektor 11 zugeführt wird, wird der Oberfläche eines Substrats 3 vertikal zugeführt, das auf einem Träger 4 montiert ist, und als Resultat kann das Abscheidungsgas mit einer gleichförmigen Konzentration und einer gleichförmigen Temperatur der gesamten Oberfläche auf dem Substrat 3 zugeführt werden.
Die in der Ausführungsform erhaltenen Resultate sind unten gezeigt. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
Abscheidungssubstrat: InP
abgeschiedene Schicht: InGaAsP
Abscheidungstemperatur: 570 ºC
Druck: 6666 Pa
(50 Torr)
Gesamtgasflußrate: 8 Liter/min.
Gasflußgeschwindigkeit: etwa 2 m/s
Abscheidungsrate: 1 µm/h
Rohmaterialien zur Abscheidung: Trimethylindium (TMI)
Triethylgallium (TEG)
Arsin (AsH&sub3;)
Phosphin (PH&sub3;)
Trägergas: Wasserstoff (H&sub2;)
Figur 18 ist ein Graph, der Verteilungen der Filmdicke von InGaAsP-Schichten zeigt, die gemäß der Erfindung auf InP-Substraten von 2 Zoll abgeschieden wurden. Die Abszissenachse ist der Abstand von der Mitte eines Substrats, und die Ordinatenachse ist die abgeschiedene Filmdicke. Vier Linien in der Zeichnung zeigen das Verhältnis [a, b, c] der Abscheidungsgasflußraten, die jedem der Subinjektoren 11 in den jeweiligen Gruppen a, b und c zugeführt wurden, wobei die Verhältnisse ab der obersten Linie wie folgt sind: [1 : 0,8 : 0,7], [1 : 0,9 : 0,9], [1 : 1: 1] und [1 : 1,1 : 1,4].
Wie in dieser Zeichnung gezeigt, wurde die größte Gleichförmigkeit der Filmdicke erhalten, wenn die Flußrate in radialer Richtung etwa gleichmäßig gemacht wurde, indem das Flußratenverhältnis [1 : 1 : 1] betrug.
Figur 19 ist ein Graph, der eine Verteilung einer Filmdicke einer InGaAsP-Schicht zeigt, die gemäß der Erfindung auf einem InP-Substrat von 3 Zoll abgeschieden wurde, in der die Ordinaten- und Abszissenachsen dieselben wie in Fig. 18 sind. In diesem Fall war das Flußratenverhältnis [a, b, c] des Abscheidungsgases, das den Subinjektoren zugeführt wurde, [1 : 1 : 1].
Bei dieser Bedingung wurde ein abgeschiedener Film mit einer Dicke von einem Maximum von 1,5 Mikrometern, einem Minimum von 1,11 Mikrometern und einem Durchschnitt von 1,13 Mikrometern erhalten. Die Standardabweichung beträgt ±2,0 Prozent. Angesichts dessen, daß dieser Wert bei früheren vertikalen Öfen, bei denen ein einzelner Gasinjektor verwendet wurde, ±10-15 Prozent betrug, wird eingeschätzt, daß die Gleichförmigkeit der Filmdicke weitgehend verbessert worden ist. In diesem Zusammenhang lag in dem vertikalen Ofen, bei dem die Flußratensteuertechnik verwendet worden ist, die in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 1- 140712 beschrieben wurde, die vorher durch die Erfinder offenbart wurde, die Standardabweichung einer abgeschiedenen Filmdicke in der Größenordnung von +3 Prozent.
Figur 20 ist ein Graph, der eine Verteilung der Zusammensetzung in einer InGaAsP-Schicht zeigt, die gemäß der Erfindung auf einem InP-Substrat von 50 mm (2 Zoll) abgeschieden wurde. In dieser Zeichnung ist die Abszissenachse der Abstand von der Mitte des Substrats, und die Ordinatenachse ist die PL-Wellenlänge des abgeschiedenen InGaAsP- Kristalls.
Figur 21 ist ein Graph, der Verteilungen der Standardabweichung der PL-Wellenlänge von InGaAsP-Kristallen zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Flußverhältnissen [a, b, c] von [1 : 1 : 1] und von [1 : 0,8 : 0,7] auf InP-Substraten von 50 mm (2 Zoll) abgeschieden wurden, im Vergleich zu jenen eines InGaAsP-Kristalls, der in einem herkömmlichen vertikalen Ofen unter Verwendung eines einzelnen Gasinjektors abgeschieden wurde, und eines InGaAsP-Kristalls, der durch Zuführen eines Abscheidungsgases aus Subinjektoren abgeschieden wurde, die in einer Reihe angeordnet waren, unter Verwendung der Flußratensteuertechnik, die in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 1-140712 beschrieben wurde. Die Standardabweichung der PL-Wellenlänge betrug ±3 Nanometer (die Kante des Substrats ausgenommen) im Fall des Flußratenverhältnisses [a, b, c] von [1 : 1 : 1] gemäß der Erfindung, während die Standardabweichungen der PL-Wellenlänge in der Größenordnung von ±10 Nanometern lagen, die Kante eines Substrats ausgenommen, sowohl in dem Fall des herkömmlichen vertikalen Ofens, bei dem ein einzelner Gasinjektor verwendet wurde, als auch in dem Fall der Gasflüsse, die gesteuerte Flußraten hatten und aus Subinjektoren zugeführt wurden, die in einer Reihe angeordnet waren.
Aus den obigen Resultaten geht hervor, daß bei den Kristallen eines Quartärverbindungshalbleiters, der gemäß der Erfindung abgeschieden wurde, die Gleichförmigkeit sowohl der Filmdicke als auch des Zusammensetzungsverhältnisses im Vergleich zu jenen weitgehend verbessert wurde, die in früheren vertikalen Öfen abgeschieden wurden, und besonders die Gleichförmigkeit des Zusammensetzungsverhältnisses wurde selbst im Vergleich zu dem Fall des Zuführens von Abscheidungsgasflüssen mit gesteuerten Flußraten aus Subinjektoren weitgehend verbessert, die nur in einer Reihe angeordnet sind und nicht die gesamte Oberfläche eines Substrats bedekken.
Obwohl natürlich das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung somit besonders hilfreich für die Abscheidung eines Kristalls eines Quartärverbindungshalbleiters wie InGaAsP und AlGaInP sind, können sie auch vorteilhaft auf die Abscheidung eines Kristalls eines Binär- oder Ternärverbindungshalbleiters angewendet werden.
Nun wird eine andere Ausführungsform des Gasinjektors der Erfindung beschrieben. Ein Gasinjektor 1', der in Fig. 22 gezeigt ist, ist durch Anordnen von 19 regelmäßig sechseckigen Subinjektoren 11' in der Form einer Bienenwabe auf solch eine Weise gebildet, daß räumlich keine Lücken gebildet sind. Auf dieselbe Weise wie bei den runden Subinjektoren 11, die in Fig. 13 gezeigt sind, bilden diese Subinjektoren 11' auch den mittleren Subinjektor, der mit a bezeichnet ist, die Gruppe von Zwischensubinjektoren, die mit b bezeichnet ist, und die Gruppe von Endsubinjektoren, die mit c bezeichnet ist.
Die Länge von einer Seite des regelmäßigen Sechsecks der Subinjektoren 11' kann in dem Fall eines Substrats von 50 mm (2 Zoll) in der Größenordnung von etwa 7 mm liegen, und im Fall eines Substrats von 76 mm (3 Zoll) in der Größenordnung von etwa 10 mm; und falls alle 19 Subinjektoren wie in der Zeichnung angeordnet sind, beträgt der Außendurchmesser des gesamten Gasinjektors 1' in ersterem Fall etwa 60 Millimeter und in letzterem Fall etwa 90 Millimeter. Die Länge von dem Einlaß zu dem Auslaß des Gasinjektors 1' kann zum Beispiel etwa 150 Millimeter betragen.
In den Gasinjektoren, die durch Anordnen von 19 regelmäßig sechseckigen Subinjektoren wie in Fig. 22 gebildet sind, sind die Bereiche der Verweilabschnitte (die Nicht- Fließabschnitte) von Gas in einer vertikalen Fließzone des Abscheidungsgases, das einem Substrat zugeführt wird, auf die Größenordnung von etwa 10 Prozent der vertikalen Fließzone reguliert, wenn angenommen wird, daß die Dicke des Subinjektors zum Beispiel 1 Millimeter beträgt. Im Gegensatz dazu erreichen bei den Gasinjektoren, die durch Anordnen von 19 runden Subinjektoren mit einem Außendurchmesser von 14 Millimetern wie in Fig. 13 gebildet wurden, die Verweilabschnitte von Gas in einer vertikalen Fließzone etwa 46 Prozent des Gesamtbereichs der vertikalen Fließzone, wenn angenommen wird, daß die Dicke des Subinjektors auch 1 mm beträgt. Da das Gas in dem Verweilabschnitt nicht fließt, ist die Rate des Verweilabschnittes desto größer, je nachteiliger dieser für das schnelle Umschalten eines Abscheidungsgases ist, wie beim Bilden eines Heteroübergangs. Deshalb wird besonders in solch einem Fall ein vorteilhafter Gasinjektor gebildet, indem Subinjektoren auf solch eine Weise angeordnet werden, daß räumlich keine Lücken erzeugt werden, wie in Fig. 22 gezeigt.
Figur 23 zeigt den Abschnitt des Schnittes des Gasinjektors in Fig. 22 längs der Linie B-B' auf der Seite einer Reaktionskammer. Selbst wenn regelmäßig sechseckige Subinjektoren in der Form einer Bienenwabe gebündelt sind, wird noch ein Verweilabschnitt von Gas erzeugt, der wenigstens der Dicke der Subinjektoren 11' entspricht. Um dies zu eliminieren, ist es vorteilhaft, die Öffnungen der Subinjektoren 11' zu erweitern, indem die Röhrenwände an dem Endabschnitt schräg entfernt werden, wie in Fig. 24 gezeigt. Auf diese Weise kann die Wanddicke an der unteren Fläche des Gasinjektors, die einem Substrat zugewandt ist, so dünn wie möglich gemacht werden, um dadurch den Verweilabschnitt zu minimieren.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines III-V-Verbindungshalbleiters auf einem Substrat durch Zuführen eines Abscheidungsgases, das ein Gemisch aus zwei oder mehr Gasen enthält, zu einer Reaktionskammer, die das Substrat enthält, und Pyrolysieren der Gase, um den Verbindungshalbleiter auf dem Substrat abzuscheiden, bei dem der Strom von Abscheidungsgas in eine Vielzahl von Strömen geteilt wird, wobei die Flußrate von jedem der Ströme individuell eingestellt wird und der Oberfläche des Substrats durch Düsenöffnungen nacheinander vertikal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der geteilten Ströme weiter unterteilt werden, bevor sie nacheinander den Düsenöffnungen zugeführt werden, und die Düsenöffnungen angeordnet sind, um die gesamte Oberfläche des Substrats zu bedecken, indem sie in drei Gruppen angeordnet werden, die der Mitte, dem äußeren Rand und dem Zwischenabschnitt des Substrats entsprechen, und daß die Flußraten der Ströme so gesteuert werden, daß die Flußraten, die von jeder der jeweiligen Gruppen von Düsenöffnungen dem Substrat zugeführt werden, konstant sind.

2. Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters auf einem Substrat nach Anspruch 1, bei dem der III-V-Verbindungshalbleiter InGaAsP ist.

3. Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters auf einem Substrat nach Anspruch 2, bei dem die Materialien von vier Elementen in InGaAsP des Verbindungshalbleiters Trimethylindium, Triethylgallium, Arsin und Phosphin sind.

4. Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters auf einem Substrat nach Anspruch 1, bei dem der III-V-Verbindungshalbleiter AlGaInP ist.

5. Verfahren zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters auf einem Substrat nach Anspruch 4, bei dem die Materialien von vier Elementen in AlGaInP des Verbindungshalbleiters Trimethylaluminium, Triethylgallium, Triethylindium und Phosphin sind.

6. Vorrichtung zum Abscheiden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters, die umfaßt:

(a) ein Gaszuführungssystem mit einer Vielzahl von geteilten Flußwegen für das Abscheidungsgas, und Steuermittel, die in jedem der geteilten Flußwege zum individuellen Einstellen von Flußraten des Abscheidungsgases vorgesehen sind, zum Zuführen eines Abscheidungsgases, das zwei oder mehr Materialgase enthält, zum Bilden eines Kristalls eines Verbindungshalbleiters in einer Reaktionskammer,

(b) ein Reaktionssystem, das gebildet ist aus einem Reaktionsgehäuse zum Definieren eines Bereiches der Reaktionskammer und zum Abscheiden des Kristalls des Verbindungshalbleiters in ihm, einem Träger, der in dem Reaktionsgehäuse vorgesehen ist und ein Substrat hält, auf dem der Kristall des Verbindungshalbleiters abzuscheiden ist, einem Gasinjektor zum vertikalen Zuführen des Abscheidungsgases zu dem Substrat auf dem Träger, der am oberen Ende des Reaktionsgehäuses vorgesehen ist und dem Träger zugewandt ist, und einem Mittel zum Erhitzen des Substrats, und

(c) ein Gasevakuierungssystem zum Evakuieren von verbrauchtem Abscheidungsgas, das ein Nebenprodukt einer Pyrolysereaktion der Materialgase in der Reaktionskammer enthält, aus dem Reaktionsgehäuse hinaus, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasinjektor in dem Reaktionssystem aus einer Vielzahl von dicht versammelten Subinjektoren gebildet ist, die in drei Gruppen angeordnet sind, die der Mitte, dem Rand und dem Zwischenabschnitt des Substrats entsprechen, auf solch eine Weise, daß die Subinjektoren die gesamte Oberfläche des Substrats bedecken, das auf dem Träger positioniert ist, und die jeweiligen Flußwege des Abscheidungsgases ein Mittel zum individuellen Steuern von Flußraten mit einem konstanten Pegel für jede Gruppe von Subinjektoren haben und mit den jeweiligen Subinjektoren nacheinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführungssystem ein Verteilerstück zum Vermischen der Rohmaterialgase mit einem Trägergas hat, um das Abscheidungsgas herzustellen, und der Flußweg des Abscheidungsgases, das von dem Verteilerstück zugeführt wird, geteilt ist, wobei die Gasflußrate in jedem der geteilten Flußwege durch einen Massenflußcontroller, der in jedem der Flußwege vorgesehen ist, unabhängig gesteuert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geteilten Flußwege stromabwärts des Flußratensteuermittels unterteilt sind und die unterteilten Flußwege mit den jeweiligen verschiedenen Subinjektoren nacheinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Subinjektoren einen runden oder regelmäßig sechseckigen Querschnitt haben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Subinjektoren durch schräges Entfernen von Röhrenwänden an Endabschnitten von deren Seiten, die mit der Reaktionskammer verbunden sind, erweitert sind.