CN102140679A - Iii族氮化物半导体的气相生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供一种III族氮化物半导体的气相生长装置，其包括保持基板的衬托器、该衬托器的相对面、用于对该基板进行加热的加热器、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉、将原料气体从该反应炉的中心部供向周边部的原料气体导入部以及反应气体排出部，即使在晶体生长于大尺寸、多个基板的表面上的情况下，仍可相对所有角度，以均匀的流量喷射原料气体，可在衬托器的相对面上抑制原料气体的分解、结晶化。衬托器的相对面具有在内部使制冷剂流通的机构，原料气体导入部具有由通过圆板状的分隔部而沿上下方向分隔的结构形成的多个气体喷射口，该气体喷射口中的至少1个具有通过多个柱状的分隔部而沿圆周方向分隔的结构。
Description
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体的气相生长装置(MOCVD装置)，更具体地说，涉及包括保持基板的衬托器、用于对基板进行加热的加热器、原料气体导入部、反应炉以及反应气体排出部等的III族氮化物半导体的气相生长装置。
背景技术
有机金属化合物气相生长法(MOCVD法)和分子束外延法(MBE法)常用于氮化物半导体的晶体生长。特别是，MOCVD法的晶体生长速度快于MBE法，另外，也不必要求像MBE法那样的高真空装置等，由此，广泛地用于产业界的化合物半导体量产装置。近年，为了提高伴随蓝色或紫外线LED和蓝色或紫外线激光二极管的普及，氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓的量产性，人们对构成MOCVD法的对象的基板的大尺寸化、数量增加进行了许多研究。
作为这样的气相生长装置，例如，像专利文献1～4所示的那样，可列举包括保持基板的衬托器、衬托器的相对面、用于对该基板进行加热的加热器、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉、将原料气体从该反应炉的中心部供向周边部的原料气体导入部以及反应气体排出部的气相生长装置。在这些气相生长装置中，形成下述的结构，其中，多个基板保持器设置于衬托器上，通过驱动机构，衬托器自转，并且基板保持器实现自公转。另外，作为气相生长装置的形式，人们主要提出有晶体生长面向上的类型(面向上型)、晶体生长面朝下的类型(面向下型)的两种。
专利文献1：日本特开2002-175992号公报
专利文献2：日本特开2006-253244号公报
专利文献3：日本特开2007-96280号公报
专利文献4：日本特开2007-243060号公报
专利文献5：日本特开2002-246323号公报
发明内容
但是，在这样的气相生长装置中，仍具有尚未解决的许多课题。例如，在将原料气体从反应炉的中心部喷向周边部，进行气相生长时，多个基板在以衬托器的中心部为中心的圆周上公转，减少基板的位置的膜厚的差，但是，最好，平时以一定的反应速度进行晶体生长，为此，从中心部喷射的原料气体必须为相对所有角度，均匀的流量。另外，各种原料气体在加热到高温的基板表面上分解、结晶化，但是，通过加热器，基板(衬托器)的相对面也被加热，在该相对面的表面上，原料气体发生反应，对基板上的晶体生长造成不利影响，由此，必须抑制相对面的表面上的原料气体的分解。
但是，如果伴随基板的大尺寸化、数量增加，反应炉内的原料气体流路变长，则从中心部喷射的原料气体按照均匀的流量，有效地到达下游侧这一点变得更加困难。另外，即使在从最接近衬托器的相对面的喷射口，导入不活泼气体的情况下，在反应炉内的下游侧，加热的原料气体容易与基板(衬托器)的相对面接触，在该相对面的表面上，原料气体分解、结晶化，随着生长次数的反复，晶体慢慢地堆积，在基板上以良好再现性获得高品质的晶体膜这一点也是困难的。
于是，本发明要解决的课题在于提供一种气相生长装置，其为从上述这样的反应炉的中心部，向周边部供给原料气体的气相生长装置，其中，即使在保持于具有较大的直径的衬托器上的、大尺寸、多个基板的表面上进行晶体生长的情况下，仍可以相对所有角度，以均匀的流量将原料气体从反应炉的中心部喷向周边部，可在基板(衬托器)的相对面等上，抑制原料气体的分解、结晶化。
作为应解决这些课题的深入研究的结果，本发明人发现下述情况等，从而完成了本发明的III族氮化物半导体的气相生长装置。该情况指：在前述那样的气相生长装置中，衬托器的相对面为可冷却的结构，原料气体导入部具有通过圆板状的分隔部而沿上下方向分隔的多个气体喷射口，并且该喷射口为通过多个柱状的分隔部而沿圆周方向分隔的结构，由此，相对所有角度，原料气体以均匀的流量而容易地喷射，并且柱状的分隔部经由衬托器的相对面的冷却部而冷却，抑制原料气体的温度的上升。
即，本发明涉及一种III族氮化物半导体的气相生长装置，其包括保持基板的衬托器、该衬托器的相对面、用于对该基板进行加热的加热器、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉、将原料气体从该反应炉的中心部供向周边部的原料气体导入部以及反应气体排出部，其特征在于衬托器的相对面具有使制冷剂在其内部流通的机构，原料气体导入部具有由通过圆板状的分隔部而沿上下方向分隔的结构形成的多个气体喷射口，该气体喷射口中的至少1个具有通过多个柱状的分隔部而沿圆周方向分隔的结构。
本发明的气相生长装置包括由通过圆板状的分隔部而沿上下方向分隔的结构形成的多个气体喷射口，并且气体喷射口具有通过多个柱状的分隔部，沿圆周方向分隔的结构，由此，在此间的气体流路中，产生适度的压力损失，从中心部喷射的气体相对所有角度，以均匀的流量、均质的气体组分而容易地喷射。另外，气体喷射口的前端通过柱状的分隔部，经由设置于衬托器的相对面的内部的冷却机构，借助传热，容易受到冷却，可抑制原料气体的温度的上升。作为它们的作用的结果，基板上的原料气体的反应效率可提高，可抑制衬托器的相对面表面的原料气体的分解或结晶化，可以良好的再现性在基板表面上获得高品质的晶体膜。
附图说明
图1为表示本发明的气相生长装置的一个例子的垂直剖视图；
图2为表示本发明的气相生长装置的原料气体导入部附近的一个例子的放大垂直剖视图；
图3为表示本发明的气相生长装置的图2以外的原料气体导入部附近的一个例子的放大垂直剖视图；
图4为表示本发明的气相生长装置的圆板状的分隔部和柱状的分隔部的配置的一个例子的平面结构图；
图5为表示本发明的气相生长装置的图4以外的圆板状的分隔部和柱状的分隔部的配置的一个例子的平面结构图；
图6为表示本发明的气相生长装置的图4、图5以外的圆板状的分隔部和柱状的分隔部的配置的一个例子的平面结构图；
图7为表示本发明的气相生长装置的图4～图6以外的圆板状的分隔部和柱状的分隔部的配置的一个例子的平面结构图；
图8为表示本发明的气相生长装置中的衬托器的形式的一个例子的平面结构图。
具体实施方式
本发明用于下述的III族氮化物半导体的气相生长装置，该装置包括保持基板的衬托器、该衬托器的相对面、对该基板进行加热的加热器、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉、将原料气体供向该反应炉的原料气体导入部以及反应气体排出部。本发明的气相生长装置为主要用于进行由从镓、铟、铝中选择的1种或2种以上的金属与氮的化合物形成的氮化物半导体的晶体生长的气相生长装置。在本发明中，在保持特别是直径为3英寸以上尺寸的多个基板的气相生长的场合，可充分地发挥效果。
下面根据图1～图8，对本发明的气相生长装置进行具体描述，但是，本发明并不限于这些描述。
另外，图1为表示本发明的气相生长装置的一个例子的垂直剖视图(图1的气相生长装置为包括下述机构的气相生长装置，该机构通过旋转轴11的旋转和其传递机构10(例如，外齿轮的圆盘)，使衬托器2旋转，并且通过旋转轴11′的旋转和其传递机构10′，使基板1旋转。图2、图3为分别表示本发明的气相生长装置的原料气体导入部附近的一个例子的放大垂直剖视图。图4～图7为表示本发明的气相生长装置的原料气体导入部中的圆板状的分隔部和柱状的分隔部的配置的一个例子的平面结构图。图8为表示本发明的气相生长装置中的衬托器的形式的一个例子的平面结构图。
本发明的III族氮化物半导体的气相生长装置像图1所示的那样，为下述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其包括保持基板1的衬托器2、该衬托器的相对面3、用于对该基板进行加热的加热器4、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉5、将原料气体从该反应炉的中心部供向周边部的原料气体导入部6以及反应气体排出部7，衬托器的相对面具有使制冷剂在其内部流通的机构8，像图2、图3的垂直剖视图所示的那样，原料气体导入部具有由通过圆板状的分隔部12(12′、12″)沿上下方向进行分隔的结构形成的多个气体喷射口13，并且该气体喷射口中的至少1个具有通过多个柱状的分隔部14而沿圆周方向分隔的结构。
在本发明中，作为使制冷剂流通的机构8，通常，管设置于衬托器的相对面(的结构物)的内部。管既可为1个，也可为多个。另外，关于管的结构，没有特别的限制，例如，可列举有多个管从衬托器的相对面(的结构物)的中心部，呈放射状设置的结构或呈螺旋状设置的结构等。制冷剂的流动的方向没有特别的限制。作为在管中流通的制冷剂，采用任意的高沸点溶剂，特别是最好采用沸点在90℃以上的溶剂。作为这样的制冷剂，可列举有水、有机溶剂、油等。在本发明中，可通过在气相生长时使制冷剂流通，对衬托器的相对面3进行冷却，并且经由后述的柱状的分隔部14对气体喷射口13的前端部(特别是接近衬托器的相对面的喷射口的前端部)进行冷却，抑制衬托器的相对面的原料气体的分解、结晶化。
接着，对原料气体导入部的圆板状的分隔部和柱状的分隔部进行具体说明。圆板状的分隔部12(12′、12″)和柱状的分隔部14在垂直面，为图2、图3所示的那样的结构，在水平面，为图4～图7所示的那样的结构。另外，圆板状的分隔部12″为针对在图6、图7所示的圆板状的分隔部12′中，没有柱状的分隔部14的情况。柱状的分隔部14分别按照多个而设置于圆板状的分隔部12(12′)的顶面或底面的同心的多个圆的圆周上，并且设置于同一圆周上的柱状的分隔部分别按照相同的间隔而设置。此外，柱状的分隔部14为通过圆板状的分隔部12和衬托器的相对面3夹持的结构、由圆板状的分隔部12和圆板状的分隔部12′夹持的结构或者由圆板状的分隔部12′和衬托器2夹持的结构。
在本发明中，圆板状的分隔部通常设置1～3个。例如，在圆板状的分隔部为2个的场合，在圆板状的分隔部12的中心部，像图4、图5所示的那样，开设有孔，该孔用于使从气体流路15流通的气体和从气体流路16流通的气体通过，在圆板状的分隔部12′的中心部，像图6、图7所示的那样，开设有用于使从气体流路15流通的气体通过的孔。另外，用于使气体通过的这样的孔的形式，根据圆板状的分隔部的个数等因素而适当地设定。另外，用于使圆板状的分隔部的气体流通的孔并不限于二重管、三重管，也可为例如并列管。
在本发明中，柱状的分隔部14通常为圆柱，按照与圆板状的分隔部12(12′)、衬托器的相对面3或衬托器2相接触的方式设置。柱状的分隔部14通常设置于同心的1～50个圆的圆周上，最好设置于2～40个圆的圆周上，分别设置4～1000个。从气体流路15～17供给的各种气体，由圆板状的分隔部12(12′)的中心部的孔而供给，在通过柱状的分隔部14的间隙之后，从气体喷射孔13喷向反应炉的周边部。另外，在原料气体导入部的结构为图2、图3所示的结构的场合，通常，在气体流路15中供给有包括氨的气体，在气体流路16中，供给有包括有机金属化合物的气体，在气体流路17中供给有载气。
通常，圆板状的分隔部的直径通常在2～50cm的范围内，其厚度在0.1～3mm的范围内，通常，柱状的分隔部为水平截面的直径在0.5～100mm，高度在0.2～10mm的圆柱，或为水平截面积在0.2～8000mm2的范围内，高度在2～10mm的范围内的多棱柱。最好是，柱状的分隔部14像图4、图6所示的那样，设置于圆板状的分隔部12(12′)的周边部，但是，也可像图5、图7所示的那样，设置于圆板状的分隔部12(12′)的中心部附近。
此外，圆板状的分隔部和柱状的分隔部通常通过从金属、合金、金属氧化物、陶瓷以及碳系材料(碳、热解石墨(pyrolyticgraphite)(PG)、玻璃碳(glassy carbon)(GC)等)中选择的1种以上的材料构成。
还有，圆板状的分隔部中的全部的柱状的分隔部所占的总面积最好为圆板状的分隔部的面积(其中，气体的流路除外)的20～30％。
本发明的衬托器的形式例如，像图8所示的那样，为在周边部具有用于保持多个基板的空间的圆盘状的结构。在图1所示的气相生长装置中，形成下述的结构，其中，作为旋转传递机构10按照例如，在外周具有齿轮的圆盘与衬托器的外周的齿轮啮合的方式设置，为经由外部的旋转发生部、旋转轴11使圆盘旋转，由此，衬托器2旋转的结构。在这样的衬托器中，将通过经由外部的旋转发生部、旋转轴11′而旋转的旋转传递机构10′(例如，在外周具有齿轮的圆盘)自转的基板1与均热板9一起，通过爪18保持，例如，按照基板的晶体生长面朝下的方式设定在气相生长装置中。
在采用本发明的气相生长装置在基板上进行晶体生长时，构成原料气体的有机金属化合物(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝、三乙基铝等)、氨以及载气(氢、氮等的不活泼气体、或者它们的混合气体)分别通过来自外部的管，供给到前述的那样的本发明的气相生长装置的原料气体导入部，另外，从原料气体导入部，在基本最佳的流量和浓度条件下供给到反应炉。
实施例
下面通过实施例，对本发明进行更具体的说明，但是，本发明并不限于这些实施例。
实施例1
(气相生长装置的制作)
在不锈钢制的反应容器的内部，设置圆板状的衬托器(可保持5个覆SiC层的碳材料制、直径为600mm、厚度为20mm、3英寸的基板)；具有使制冷剂流通的结构的衬托器的相对面(碳制)；加热器；将原料气体从由衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉的中心部，供向周边部的原料气体导入部(碳制)；反应气体排出部等，制作图1所示的那样的气相生长装置。另外，在气相生长装置中设置5个由尺寸为3英寸的蓝宝石(C面)形成的基板。另外，在衬托器的相对面的内部，形成使制冷剂流通的结构，1个管从中心部朝向周边部呈螺旋状设置。
原料气体的导入部形成通过直径为200mm、厚度为2mm的圆板状的2个分隔部(碳制)而沿上下方向分隔的3个气体喷射口，另外，最接近衬托器的相对面的喷射口通过水平截面的直径为8mm、高度为3mm的多个圆柱状的分隔部(碳制)沿水平方向分隔，形成图2所示的那样的结构。多个圆柱状的分隔部共计44个分别设置于同心的3个圆的圆周上，并且设置于同一圆周上的柱状的分隔部分别按照相同的间隔而设置，形成图4所示的结构。
另外，气体的喷射口的前端和基板的水平面的距离为32.4mm。而且，在原料气体导入部的各自的气体流路中，按照经由气相生长装置的外部的质量流量控制器等，以可供给所需的流量和浓度的各气体的方式连接有管。
(气相生长实验)
采用这样的气相生长装置，在基板的表面上进行氮化镓(GaN)的生长。在开始用于使相对面的制冷剂流通的冷却水循环(流量：18L/min)之后，在使氢流过的同时，将基板的温度提高到1050℃，进行基板的清洁处理。接着，将基板的温度下降到510℃，原料气体采用三甲基镓(TMG)和氨，载气采用氢，在蓝宝石基板上，按照约20nm的膜厚，生长由GaN形成的缓冲层。
在缓冲层生长之后，仅仅停止TMG的供给，将温度上升到1050℃。然后，从上层的喷射口供给氨(流量：30L/min)和氢(流量：1L/min)，从中层的喷射口供给TMG(流量：60cc/min)和氨(流量：10L/min)与氢(流量：30L/min)，从下层的喷射口供给氮(流量：30L/min)，按照1个小时使未掺杂的GaN生长。另外，包括缓冲层的全部的生长，在以10rpm的速度下使基板仅仅自转的同时实现。
在像上述那样，进行氮化物半导体生长之后，降低温度，从反应容器取出基板，测定在基板上进行气相生长的GaN膜厚。其结果是，5个基板上的GaN中心膜厚平均为3.5μm，膜厚分布(±(最大值-最小值/(平均值×2))为±2.0％。
实施例2
(气相生长装置的制作)
针对实施例1的气相生长装置的制作，除了将原料气体导入部的圆板状的分隔部和圆柱状的分隔部变为图3所示的那样的结构以外，其它的方面与实施例1相同，制作气相生长装置。
原料气体的导入部形成通过直径为240mm、厚度为2mm的圆板状的2个分隔部而沿上下方向分隔的3个气体喷射口，另外，2个喷射口通过水平截面的直径为10mm、高度为3mm的多个圆柱状的分隔部(碳制)而沿圆周方向分隔的结构。多个圆柱状的分隔部像图4所示的那样，共计32个分别设置于同心的3个圆的圆周上，设置于同一圆周上的柱状的分隔部分别按照相同的间隔而设置。
(气相生长实验)
采用这样的气相生长装置，与实施例1相同，在基板的表面上进行氮化镓(GaN)的生长。
在进行氮化物半导体生长之后，降低温度，从反应容器取出基板，测定在基板上进行气相生长的GaN膜厚。其结果是，5个基板上的GaN中心膜厚平均为3.8μm，膜厚分布为±1.8％。
实施例3
(气相生长装置的制作)
针对实施例1的气相生长装置的制作，除了将最接近衬托器的相对面的喷射口的圆柱状的分隔部的配置变为图5所示的那样的结构以外，其它的方面与实施例1相同，制作气相生长装置。
最接近衬托器的相对面的喷射口不但在周边部有圆柱状的分隔部，而且在中心部附近，按照直径为25mm、高度为3mm的圆柱状的8个分隔部分别设置于同心的2个圆的圆周上的方式形成图5所示的那样的结构。
(气相生长实验)
采用这样的气相生长装置，与实施例1相同，在基板的表面上进行氮化镓(GaN)的生长。
在进行氮化物半导体生长之后，降低温度，从反应容器取出基板，测定在基板上进行气相生长的GaN膜厚。其结果是，5个基板上的GaN中心膜厚平均为4.3μm，膜厚分布为±0.8％。
比较例1
针对实施例1的气相生长装置的制作，不在原料气体导入部设置圆柱状的分隔部，其它的方面与实施例1相同，制作气相生长装置。
采用这样的气相生长装置，与实施例1相同，在基板的表面上进行氮化镓(GaN)的生长。
在使氮化物半导体生长之后，降低温度，从反应容器中取出基板，测定在基板上进行气相生长的GaN膜厚。其结果是，5个基板上的GaN中心膜厚平均为2.4μm，膜厚分布为±7.2％。
另外，反复进行实施例1～3、比较例1的气相生长实验5次，观察衬托器的相对面表面的污染状态。其结果是，可确认在实施例1～3中，衬托器的相对表面的污染明显少于比较例1，可抑制原料气体的分解、结晶化。
像上述那样，本发明的气相生长装置可以将从中心部喷射的气体相对所有角度，以接近相等的流量喷射，可在基板器的相对面上，抑制原料气体的分解、结晶化。
Claims (7)
1.一种III族氮化物半导体的气相生长装置，其包括保持基板的衬托器、该衬托器的相对面、用于对该基板进行加热的加热器、由该衬托器和该衬托器的相对面的间隙形成的反应炉、将原料气体从该反应炉的中心部供向周边部的原料气体导入部以及反应气体排出部，其特征在于衬托器的相对面具有使制冷剂在其内部流通的机构，原料气体导入部具有由通过圆板状的分隔部而沿上下方向分隔的结构形成的多个气体喷射口，该气体喷射口中的至少1个具有通过多个柱状的分隔部而沿圆周方向分隔的结构。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于柱状的分隔部至少设置于最接近衬托器的相对面的喷射口。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于柱状的分隔部按照在同心的多个圆的圆周上分别设置多个，并且设置于同一圆周上的柱状的分隔部以相同的间隔设置。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于圆板状的分隔部和柱状的分隔部由从金属、合金、金属氧化物、陶瓷，碳系材料中选择的1种以上的材料形成。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于原料气体导入部包括具有氨的气体的喷射口、具有有机金属化合物的气体的喷射口以及载气的喷射口。
6.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于氮化物半导体为从镓、铟以及铝中选择的1种或2种以上的金属与氮的化合物。
7.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体的气相生长装置，其特征在于基板按照晶体生长面朝下的方式被保持。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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