JP2001023902A - 半導体結晶の気相成長方法およびその成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フローチャネルへの副生成物の生成を抑制す
ることのできる半導体結晶の気相成長方法とこれに使用
される成長装置を提供する。 【解決手段】 石英から構成されるフローチャネル１に
おいて、原料ガス６からの副生成物が堆積する部分に冷
却装置５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体結晶の気相
成長方法およびその成長装置に関し、特に、フローチャ
ネルに堆積する副生成物による不具合を抑制した半導体
結晶の気相成長方法とこれに使用される成長装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体等の薄膜結晶を所定の基板
の上に成長させる結晶成長方法として、有機金属化学気
相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ
法）が知られている。

【０００３】成長装置の中で加熱されるサセプタに設け
られた結晶成長用基板の上に、トリメチルガリウム、ト
リメチルアルミニウムあるいはトリメチルインジウム等
の有機金属のガス（蒸気）とアンモニアガスを供給し、
これらの原料ガスを基板の上で熱分解させることによっ
て結晶を成長させるもので、普通、基板上への原料ガス
の供給は、石英のフローチャネルを通して行われ、これ
により結晶成長の効率化と均一化が図られる。

【０００４】図２は、気相成長装置の要部を示したもの
で、１は石英のフローチャネル、２はフローチャネル１
の先端位置に取り付けられたグラファイトサセプタを示
し、下方に設けられたヒータ３によって加熱される。４
はグラファイトサセプタ２の中央に設けられた結晶成長
のための基板を示す。

【０００５】フローチャネル１の中に導入された原料ガ
ス６は、基板４の上で熱分解され、これによって基板４
の上に結晶膜をエピタキシャル成長させる。この方法
は、窒化物半導体のエピタキシャル成長に適した方法と
して知られており、広く活用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
結晶の気相成長方法およびその成長装置によると、基板
４の上だけで原料ガスを熱分解させることが難しく、こ
のため、基板以外の場所に原料ガスからの副生成物が堆
積し、この副生成物が結晶成長に悪影響をもたらすこと
が多い。

【０００７】図２の符号９の部分は、原料ガスからの副
生成物が特に堆積しやすい場所を示したもので、この部
分に副生成物１０が堆積すると、フローチャネル１の透
明性が失われるため、表面の熱輻射率が変化する一方、
副生成物１０の堆積が進行するのに伴って熱伝導率が変
化するようになる。

【０００８】従って、以上の状態のままで結晶成長を繰
り返し実施すると、装置内での温度分布が徐々に変化
し、このため、エピタキシャル成長の最適条件が成長の
たびに崩れて行き、最終的には、結晶成長の再現性が失
われるようになる。

【０００９】また、フローチャネル１への副生成物１０
の堆積が増加すると、フローチャネル１と副生成物１０
の間に熱膨張率の違いが生じて昇降温時における熱歪み
が増加するようになり、このため、熱歪みが繰り返し加
えられることによって、フローチャネル１に破損を招く
ことがある。

【００１０】さらに、この副生成物１０は、原料ガス６
の流れの上流位置にも堆積するのが普通であり、この結
果、堆積した副生成物１０が、基板４上への原料ガス６
の供給効率を低下させるように作用し、エピタキシャル
成長させた結晶膜厚に不均一性をもたらすようになる。

【００１１】また、上流位置において副生成物１０が厚
く堆積すると、原料ガス６がこの部分を通過する際に中
間生成物を生じさせる反応を誘引するようになり、原料
ガス６の中にこの中間生成物が含まれることが原因し
て、成長結晶に特性の低下を招くことがある。

【００１２】従って、本発明の目的は、フローチャネル
への副生成物の堆積を抑制することのできる半導体結晶
の気相成長方法とこれに使用される成長装置を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、石英等のフローチャネルに原料ガスを送
り込み、送り込まれた原料ガスを熱分解させることによ
って所定の基板の上に結晶を成長させる半導体結晶の気
相成長方法において、前記フローチャネルの前記原料ガ
スからの副生成物が堆積する部分を冷却した状態のもと
に前記結晶の成長を行うことを特徴とする半導体結晶の
気相成長方法を提供するものである。

【００１４】また、本発明は、上記の目的を達成するた
め、石英等のフローチャネルに送り込まれる原料ガスを
熱分解させることによって前記フローチャネルに設けら
れた所定の基板の上に結晶を成長させる半導体結晶の気
相成長装置において、前記原料ガスからの副生成物が堆
積する部分に冷却機構を形成したフローチャネルを有す
ることを特徴とする半導体結晶の気相成長装置を提供す
るものである。

【００１５】フローチャネルに対する上記の冷却は、原
料ガスの流れの中において結晶を成長させる基板よりも
上流で行うことが好ましい。これにより上流位置での副
生成物の堆積が抑制されるようになるので、この部分に
おける原料ガスの中間生成物の発生を防止することがで
き、その結果、従来の成長方法におけるような成長結晶
の特性の低下を防ぐことができる。

【００１６】また、上流位置での冷却は、原料ガスの流
れを利用して下流位置に対する冷却効果を期待すること
ができ、従って、下流位置での副生成物の生成を防ぐこ
とができると同時に、冷却機構の構成を簡素化できる利
点を有する。

【００１７】この意味から、本発明における副生成物が
生成する部分に対する冷却、あるいはその部分への冷却
機構の形成は、副生成物が堆積する部分の全域をカバー
する必要はなく、部分的でもよい。

【００１８】本発明による気相成長方法は、窒化物半導
体結晶をエピタキシャル成長させるときのように、高温
下での結晶成長のときに好適であり、具体的には、原料
ガスの一方の成分としてアンモニアガスを使用し、他方
の原料ガスとして有機金属の蒸気を使用するときに特に
有効である。

【００１９】従って、冷却機構は、ステンレススチール
によって構成することが好ましく、これによりアンモニ
アガスによる高温下での腐食作用から冷却機構を守るこ
とが可能となり、安定的な結晶成長が行えるようにな
る。他の好適な構成材料の例としては、モリブデンある
いはタングステン等を挙げることができる。

【００２０】また、冷却機構としては、冷却効率を調整
することのできる冷媒循環型であることが好ましく、そ
の場合の冷媒としては、たとえば、水、冷却した空気あ
るいはガス等が使用される。パーフルオロポリエーテル
系冷媒（商品名ＧＡＬＤＥＮ）、あるいはエチレングリ
コール系冷媒（商品名：ナイブライン）等の有機冷媒を
使用することも可能である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明による半導体結晶の
気相成長方法およびその成長装置の実施の形態を説明す
る。

【００２２】図１において、１は石英のフローチャネ
ル、２はフローチャネル１の先端に設けられたグラファ
イトサセプタ、３はグラファイトサセプタ２を加熱する
ために設けられたヒータ、４はグラファイトサセプタ２
の上部中央に設けられた結晶成長のための基板を示し、
グラファイトサセプタ２から熱を受け、所定の温度に加
熱される。

【００２３】５は、図２に示された副生成物が堆積する
部分９のうち、原料ガス６の流れの中での基板４の上流
位置において、フローチャネル１の外面の下方に取り付
けられた冷却水循環式の冷却装置を示し、７はその冷却
水の入口、８は出口を示す。以上の構成のもとに、以下
のエピタキシャル成長を実施した。

【００２４】

【実施例１】基板４として２インチ四方のサファイア板
を使用し、１，０００℃に加熱されたこの基板４の上に
トリメチルガリウムのガス（蒸気）とアンモニアガスを
混合した原料ガス６を供給し、さらに、冷却装置５に１
８℃の冷却水を循環させることによって基板４の上にＧ
ａＮの結晶を成長させた。

【００２５】

【従来例１】実施例１において、冷却装置５への冷却水
の供給を停止した状態で基板４の上にＧａＮの結晶を成
長させた。

【００２６】

【成長結晶の特性評価】基板４に成長したＧａＮ結晶の
半値幅をＸ線解析装置を使用して測定したところ、従来
例１のＧａＮ結晶の半値幅が４２０ａｒｃｓｅｃであっ
たのに比べ、実施例１の場合には、２００ａｒｃｓｅｃ
の半値幅を示し、実施例１の結晶性の向上が確認され
た。

【００２７】また、両者のキャリア濃度と移動度をホー
ル測定に基づいて調べた結果、従来例１のＧａＮ結晶が
８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3のキャリア濃度と２５０ｃｍ² ／
Ｖ・ｓの移動度を有していたの比べ、実施例１の場合に
は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3のキャリア濃度と５２０ｃｍ
² ／Ｖ・ｓの移動度を示し、実施例１のＧａＮ結晶の飛
躍的な特性の向上が確認された。

【００２８】

【実施例２】基板４として２インチ四方のサファイア板
を使用し、１，０００℃に加熱されたこの基板４の上に
トリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとアンモ
ニアの混合ガスを供給し、さらに、冷却装置５に１８℃
の冷却水を循環させることによって基板４の上にＡｌＧ
ａＮの結晶を繰り返し成長させた。

【００２９】

【従来例２】実施例２において、冷却装置５への冷却水
の供給を停止した状態で基板４の上にＡｌＧａＮの結晶
を繰り返し成長させた。

【００３０】

【結晶の組成評価】従来例２の場合には、当初の結晶成
長において、ＡｌＧａＮ結晶の組成が、同一面内で±３
０％の範囲にばらついていることが確認された。また、
結晶成長の繰り返し回数が多くなるのに伴い、ＡｌＮの
組成が徐々に落ちて行くことも確認され、１回目と２０
回目の結晶を比較したとき、４０％もの差が生ずること
が確認された。

【００３１】一方、これに比べ、実施例２により得られ
たＡｌＧａＮ結晶の場合には、同一面内での組成のばら
つきは、±５％の範囲内に納まっていることが確認さ
れ、さらに、ＡｌＮの組成の変化も、１回目と２０回目
で５％と格段に少なく、面内均一性および再現性におい
て、優れた結果を確認することができた。半値幅、移動
度等の特性、および結晶成長の安定性と成長結晶の均一
性において、本発明と従来例の差は明白である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体結晶の気相成長方法およびその成長装置によれば、フ
ローチャネルにおける副生成物が堆積する部分を冷却す
るため、副生成物の生成を抑制することができ、従っ
て、従来の方法におけるような副生成物の堆積を原因と
した結晶成長条件の変動、フローチャネルの破損、ある
いは原料ガスの中間物の生成による成長結晶の特性の低
下を未然に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体結晶の気相成長方法および
その成長装置の実施の形態における要部を示す説明図。

【図２】従来の気相成長方法の要部を示す説明図。

【符号の説明】

１ フローチャネル ２ グラファイトサセプタ ３ ヒータ ４ 基板 ５ 冷却装置 ６ 原料ガス ９ 副生成物が堆積する部分 １０ 副生成物

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石英等のフローチャネルに原料ガスを送り
   込み、送り込まれた前記原料ガスを熱分解させることに
   よって所定の基板の上に結晶を成長させる半導体結晶の
   気相成長方法において、 前記フローチャネルの前記原料ガスからの副生成物が堆
   積する部分を冷却した状態のもとに前記結晶の成長を行
   うことを特徴とする半導体結晶の気相成長方法。
2. 【請求項２】前記副生成物が堆積する部分の冷却は、前
   記原料ガスの流れの中での前記所定の基板の位置よりも
   上流において行うことを特徴とする請求項１項記載の半
   導体結晶の気相成長方法。
3. 【請求項３】前記原料ガスは、有機金属とアンモニアの
   ガスであることを特徴とする請求項１項記載の半導体結
   晶の気相成長方法。
4. 【請求項４】石英等のフローチャネルに送り込まれる原
   料ガスを熱分解させることによって前記フローチャネル
   に設けられた所定の基板の上に結晶を成長させる半導体
   結晶の気相成長装置において、 前記原料ガスからの副生成物が堆積する部分に冷却機構
   を形成したフローチャネルを有することを特徴とする半
   導体結晶の気相成長装置。
5. 【請求項５】前記冷却装置は、前記原料ガスの流れの中
   での前記基板の位置よりも上流位置に設けられることを
   特徴とする請求項４項記載の半導体結晶の気相成長装
   置。
6. 【請求項６】前記冷却装置は、液状あるいはガス状の冷
   媒を循環させる構成を有することを特徴とする請求項４
   項記載の半導体結晶の気相成長装置。
7. 【請求項７】前記冷却装置は、ステンレススチールによ
   って構成されることを特徴とする請求項４項記載の半導
   体結晶の気相成長装置。