JP2001085335A

JP2001085335A - 半導体気相成長装置

Info

Publication number: JP2001085335A
Application number: JP25690899A
Authority: JP
Inventors: Akira Sakamoto; 朗坂本; Yasuji Seko; 保次瀬古
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構造で、効率良く良好な結晶を成長さ
せることが可能な半導体気相成長装置を提供する。【解決手段】反応管２０の側面には、基板１２を保持
するための円形面３２が反応管２０の内部に位置するよ
うに、また、円形面３２が鉛直方向を向くようにサセプ
ター１４が配置されている。ヒーター２４でサセプター
１４を加熱し、反応管２０の底部に接続された反応ガス
導入管１６、１８より、それぞれ異なる反応ガスを反応
管２０内に導入すると、サセプター１４上で加熱された
基板１２からの熱対流は反応管２０内を鉛直方向に上昇
し、前記反応ガスも反応管２０内を鉛直方向に下方から
上方へ上昇するので、反応ガスは、熱対流にその流れを
乱されることなく滑らかに基板表面に供給される。その
結果、基板表面には、良質の半導体薄膜を形成すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜を生成
する半導体気相成長装置に関し、より詳細には、加熱さ
れた基板の表面に反応ガスを供給して該基板の表面に半
導体薄膜を生成する半導体気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の窒化ガリウム系半導体材料の薄膜
作成技術の進展とともに、青色発光ダイオードや青色半
導体レーザが製造され、新しい表示素子や光記録装置な
どに用いられようとしており、従来より、窒化ガリウム
系化合物半導体の単結晶薄膜を成長させるための半導体
気相成長装置がいくつか提案されている。半導体気相成
長装置は、一般的には、サセプタ上に保持された基板を
約１０００℃に加熱し、この加熱された基板の表面に反
応ガスを供給して基板表面に結晶を成長させるものであ
る。このとき加熱により基板表面付近で熱対流が発生す
るが、安定して基板上に反応ガスを供給するためには、
前記熱対流による反応ガスの乱れを抑制し、さらに基板
表面からの原料の再蒸発を押さえる必要がある。

【０００３】そこで、特開昭６３−１８８９３５号公報
で開示されている半導体気相成長装置は、基板を保持す
るサセプタの主面を水平方向に流れる反応ガスに対し１
５〜７５度の範囲で傾斜させて配置しており、また、特
開平４−１６４８９５号公報で開示されている半導体気
相成長方法は、基板の表面に平行ないしは傾斜して反応
ガスを噴射すると共に、基板に向かって押圧拡散ガスを
噴射して薄膜を成長さている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−１８８９３５号公報で開示されている半導体気相
成長装置では、特開平４−１６４８９５号公報において
指摘されているように、基板表面の熱対流や基板表面か
らの原料の再蒸発を防ぐため、反応ガスを速い流速で基
板のごく近傍より供給する必要があり、結晶成長可能な
基板の大きさが制限されたり、反応副生成物により装置
が汚染されたりするといった不都合があった。また、特
開平４−１６４８９５号公報においては、熱対流に逆ら
うように押圧拡散ガスを反応管内部の広い面積に対して
噴射する必要があるため、大量のガスを消費しなければ
ならず、効率良く結晶を成長させることが難しい、とい
う不都合があった。

【０００５】本発明は、上記問題点を解消するために成
されたものであり、簡易な構造で効率良く良好な結晶を
成長させることが可能な半導体気相成長装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、加熱された基板の表面に反応ガスを供給
して該基板の表面に半導体薄膜を生成する半導体気相成
長装置において、前記基板の表面をほぼ鉛直に保持し、
前記反応ガスを前記基板表面から生じた熱対流の下流側
から供給することを特徴とする。

【０００７】本発明に依れば、加熱された基板の表面を
ほぼ鉛直に保持するので、基板表面から生じた熱対流は
鉛直方向に上昇し、反応ガスをこの熱対流の下流側から
供給することで、反応ガスが熱対流に沿って基板表面を
流れ、反応ガスを熱対流により乱されることなく基板の
表面に供給することができ、簡易な構造の半導体気相成
長装置で効率良く良好な結晶を成長させることができる
なお、本発明は請求項２のように、前記反応ガスを前記
熱対流とほぼ平行な方向に供給すると、反応ガスが流れ
る方向と熱対流の方向とが同一になるので、より効果的
である。

【０００８】また、本発明は請求項３のように、、窒化
ガリウム系化合物の半導体薄膜を生成する際に有効であ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１０】本実施の形態に係る半導体気相成長装置
は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表
される窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成
長薄膜を製造する、有機金属蒸気あるいはガスを原料と
する半導体気相成長装置に本発明を適用したものであ
り、図１は、この半導体気相成長装置の断面図である。

【００１１】チャンバー２２はステンレスで構成され、
鉛直方向に立設されており、チャンバー２２内部は外気
から遮断されている。チャンバー２２の上部には排気口
２８が設けられており、この排気口２８は、図示しない
排気ポンプおよび除害装置に接続され、排気口２８から
チャンバー２２内部の未反応ガスおよび反応済ガス等が
外部に排気される。また、チャンバー２２の下部には、
チャンバー２２内部に雰囲気ガスを導入する雰囲気ガス
導入管３０が接続されている。

【００１２】チャンバー２２内には、反応管２０が鉛直
方向に立設されており、反応管２０の側面には、基板１
２を保持するための円形面３２が反応管２０の内部に位
置するように円柱状のサセプター１４が配置されてい
る。サセプター１４は、円形面３２が鉛直方向を向くよ
うに配置され、サセプター１４の円形面３２と反対側の
底部には、円形面３２の中心を通る法線方向に回転軸を
持つ回転シャフト２６が固定されている。回転シャフト
２６は、図示しない駆動装置に接続されている。サセプ
ター１４は、直径５０〜１００mmで高さ２０〜５０mmの
円柱形状であり、表面が炭化珪素でコーティングされた
炭素で形成されている。なお、サセプター１４の材質
は、前述の炭化珪素でコーティングされた炭素に限定さ
れるものではなく、反応管２０内を汚染する不純物を生
成しない物質であればよい。

【００１３】サセプター１４の円形面３２の中心部に
は、基板１２を保持するために基板１２の径よりも小さ
い複数の孔３４Ａ、孔３４Ｂ、３４Ｃが穿孔されてい
る。孔３４Ａ〜３４Ｃは、サセプター１４内で合流して
回転シャフト２６内の中心を通る真空路３８を介して真
空吸着排気口３６へ通じている。真空吸着排気口３６は
図示しない真空ポンプに接続されており、基板１２がサ
セプター１４の円形面３２に吸着するように、サセプタ
ー１４の円形面３２の孔より図示しない真空ポンプまで
通じる真空路３８は反応管内２０の圧力よりも低い圧力
に保たれる。

【００１４】なお、本実施の形態では、サセプター１４
の円形面３２の複数箇所に孔を設けたが、基板１２を保
持するための小さい孔は基板１２を安定して保持できる
位置に１つ以上設ければよい。

【００１５】サセプター１４の円形面３２と逆側には、
サセプター１４を加熱するための円環状のヒーター２４
がサセプター１４に接触しないように配置されている。

【００１６】反応管２０のサセプター１４より下方の部
位は、反応管の側面と平行、すなわち鉛直方向に反応管
２０の底面から立設された反応ガス分離板４０により、
上方が開口した２室に仕切られている。２室の底面の各
々には、それぞれ異なる反応ガスを導入する反応ガス導
入管１６、１８が接続されており、これらの反応ガス導
入管から導入されたそれぞれ異なる反応ガスは、反応ガ
ス分離板４０によりサセプター１４の下部近傍までは、
混合されないので反応が抑制される。

【００１７】また、反応管２０の上方にはチャンバー２
２に開放する開口が形成され、この開口から反応済ガス
等が排気される。

【００１８】なお、チャンバー２２には、ここでは図示
されていないが、基板１２を脱着するために、サセプタ
ー１４をチャンバー２２外へ搬送する機構が設けられて
いる。

【００１９】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。

【００２０】まず、サセプター１４の円形面３２に単結
晶材料の半導体基板を設置し、図示しない真空ポンプで
真空路３８内の気圧を下げて、基板をサセプター１４に
保持し、図示しない機構によりサセプター１４をチャン
バー２２内へ搬送する。サセプター１４を反応管２０内
の所定の位置に設置した後に、ヒーター２４でサセプタ
ー１４を加熱し、回転シャフト２６を駆動させてサセプ
ター１４を回転させる。次に、排気口２８よりチャンバ
ー２２内の空気を排気して、雰囲気ガス導入管３０より
雰囲気ガスをチャンバー２２内に導入し、その後、反応
ガス導入管１６、１８より、反応用のそれぞれ異なるガ
スを反応管２０内に導入する。サセプター１４上で加熱
された基板１２およびその周辺からの熱対流は反応管２
０内を鉛直方向に上昇し、前記反応ガスも反応管２０内
を鉛直方向に下方から上方へ上昇するので、反応ガス
は、熱対流にその流れを乱されることなく滑らかに基板
表面に供給される。その結果、基板表面には、良質の半
導体薄膜を形成することができる。

【００２１】次に本実施の形態に係る半導体気相成長装
置で、窒化物半導体を結晶成長させる手順について説明
する。

【００２２】まず、結晶軸のＣ軸が面方位となる直径２
インチの基板１２（サファイア基板）を有機洗浄にて清
浄化し、サセプター１４に保持する。次に、図示しない
排気ポンプによって排気口２８からチャンバー２２を真
空排気し、その後、反応ガス導入管１６、１８および雰
囲気ガス導入管３０より水素ガスを導入し、水素にてチ
ャンバー２２内の空気を置換する。また、反応ガス導入
管１６、１８より水素ガスを導入して反応管２０も水素
で充満させた後、サセプター１４内に設置された図示し
ない温度センサにより基板温度を監視しながら、ヒータ
ー２４で基板１２を、１０００℃に加熱する。この後雰
囲気ガス導入管３０より窒素ガスを導入し、チャンバー
２２内の圧力が大気圧近傍となるように排気口２８より
排気されるガス量を調節し、以降もこの圧力状態を維持
するように排気量を調節する。

【００２３】次に、回転シャフト２６を駆動させること
により、基板１２を保持したサセプター１４を６０ｒｐ
ｍで回転させる。その後、１０００℃に加熱した状態を
およそ１０分間保持し、基板１２表面に形成された酸化
膜ならびに付着した不純物を除去する。その後、基板１
２の温度が５００℃となるようにヒーター２４による加
熱を調節する。

【００２４】基板１２の温度が５００℃で安定したら、
反応ガス導入管１６より、トリメチルガリウム１．１×
１０^-5モル/分と水素０．２リットル/分との混合ガスを
を５分間供給し、一方反応ガス導入管１８より、アンモ
ニアガス２リットル/分を５分間供給し、膜厚約２０ｎ
ｍの窒化ガリウムのバッファー層を形成する。このと
き、図２に示すように、基板１２およびその周辺部から
の熱による熱対流が、反応管２０内を上方に向かって発
生するが（熱対流の流れＸ）、反応ガスが熱対流と平行
で、かつ、重力と反対方向に下方から上方へ流れるよう
に（図２の反応ガスの流れＹ参照）反応管２０内の反応
ガス流路が構成されているので、反応ガスは熱対流によ
り乱されることなく滑らかに基板上に供給される。

【００２５】その後、供給する反応ガスはそのまま保持
した上で、基板１２を昇温速度５０℃/分で、５００℃
から１０００℃まで加熱する。供給する反応ガスならび
に基板１２の温度をそのまま約６０分間保持し、窒化ガ
リウム結晶を約２ミクロン成長させる。

【００２６】これにより得られた窒化ガリウム薄膜は、
膜厚分布が±５％と均一で良好な薄膜であった。また、
キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3、ホール移動度が３０
０ｃｍ²/Ｖ・ｓｅｃと良好な電気特性を示した。

【００２７】なお、本実施の形態では、反応ガス導入管
１６からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と水素とが混合
されたガスを供給したが、これに限定されるものではな
く、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と窒素あるいは水素
と窒素の混合されたガスを供給することもできる。ま
た、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）と、水素または窒素あるいは水
素と窒素の混合されたガスを供給することもでき、これ
により、窒化アルミニウム、窒化インジウム等の窒化ガ
リウム系化合物半導体のエピタキシャル成長薄膜を生成
することもできる。

【００２８】また、本実施の形態では、反応ガス導入管
１８からアンモニアガスを供給したが、これに限定され
るものではなく、アンモニアガスと水素又は窒素又は水
素と窒素の混合ガスを供給することもできる。

【００２９】本実施の形態に依れば、基板およびその周
辺部からの熱対流と平行な方向に反応ガスを供給するの
で、押圧拡散ガス等を用いることなく熱対流により反応
ガスの流れが乱されるのを抑制することができ、簡易な
構造の半導体気相成長装置により良好な窒化ガリウム系
化合物半導体の単結晶膜を生成することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板をほぼ鉛直に保持し、基板からの熱による熱対流の
下流側から反応ガスを供給するので、反応ガスが熱対流
に沿って基板表面を流れ、反応ガスを熱対流により乱さ
れることなく基板に供給することができ、簡易な構造で
効率良く良好な結晶を成長させることの可能な半導体気
相成長装置を提供することができる、という優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る半導体気相成長装置の概略
断面図である。

【図２】本実施の形態における熱対流と反応ガスの流れ
の方向を示す図である

【符号の説明】

１２基板１４サセプター１６反応ガス導入管１８反応ガス導入管２０反応管２２チャンバー２４ヒーター２６回転シャフト２８排気口３０雰囲気ガス導入管３６真空吸着排気口４０反応ガス分離板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA11 AA13 BA08 BA38 CA04 EA06 KA04 KA24 5F041 AA40 CA23 CA34 CA40 CA46 CA64 CA65 FF01 FF16 5F045 AB14 AC08 AC12 AD09 AD14 AF09 BB02 DA53 DP05 DP09 DP28 EB15 EC01 EE20 EK06 EM02 EM04 5F073 CA01 CB01 CB07 DA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱された基板の表面に反応ガスを供給
して該基板の表面に半導体薄膜を生成する半導体気相成
長装置において、前記基板の表面をほぼ鉛直に保持し、前記反応ガスを前
記基板表面から生じた熱対流の下流側から供給すること
を特徴とする半導体気相成長装置。
【請求項２】前記反応ガスは、前記熱対流とほぼ平行
な方向に供給することを特徴とする請求項１記載の半導
体気相成長装置。
【請求項３】前記半導体薄膜は、窒化ガリウム系化合物
であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
半導体気相成長装置。