JP2003142416A

JP2003142416A - 気相成長方法および気相成長装置

Info

Publication number: JP2003142416A
Application number: JP2001339105A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukuto; 憲司服藤; Yoshiteru Hasegawa; 義晃長谷川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】気相成長炉において、サセプタ上に単一ある
いは複数個設置されているウエハー上に堆積する膜厚の
空間分布の一様性を改善させると共に、成長炉内の内壁
への堆積膜の堆積を抑え、成長膜の膜質を改善させる。【解決手段】ウエハーの設置ができる単一あるいは複
数個の自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転
回転ステージが設置できる公転可能な回転ステージとを
有し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのサセ
プタが具備され、気相に接しているウエハー表面、自転
可能な回転ステージ表面、公転可能な回転ステージ表
面、サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成を有す
る気相成長装置において、自転回転ステージあるいは公
転可能な回転ステージの毎分あたりの回転数を、１００
回転以上の高速回転をさせるか、単位時間あたりの回転
数あるいは回転方向を時間的に変化させながら気相成長
をさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数個のウエハー
の設置が可能な複数個の自転可能な回転ステージと、こ
れら複数個の自転回転ステージが設置できる公転可能な
回転ステージとを有し、かつウエハーを所望の温度に加
熱するためのウエハーに直接あるいは近接して接するサ
セプタが具備されている構成を有し、かつ前記ウエハー
を設置した際の、気相に接している前記ウエハー表面、
前記自転可能な回転ステージ表面、前記公転可能な回転
ステージ表面、及びサセプタ表面が実質的に同一表面と
なる構成を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬
送するガスをガス導入口よりウエハー表面と実質的に平
行に導入し、これを化学反応を生起するに十分な高温の
前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ上の自転回転ス
テージに設置したウエハー上において化学反応に由来す
る所望の堆積膜を堆積させることを目的とした横型気相
成長炉において、前記自転回転ステージあるいは公転可
能な回転ステージの毎分あたりの回転数を、１００回転
以上の高速回転をさせることを特徴とする気相成長方法
に関するものであり、さらに、複数個のウエハーの設置
が可能な複数個の自転可能な回転ステージと、これら複
数個の自転回転ステージが設置できる公転可能な回転ス
テージとを有し、かつウエハーを所望の温度に加熱する
ためのウエハーに直接あるいは近接して接するサセプタ
が具備されている構成を有し、かつ前記ウエハーを設置
した際の、気相に接している前記ウエハー表面、前記自
転可能な回転ステージ表面、前記公転可能な回転ステー
ジ表面、及びサセプタ表面が実質的に同一表面となる構
成を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送する
ガスをガス導入口より導入し、これを化学反応を生起す
るに十分な高温の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプ
タ上の自転回転ステージに設置したウエハー上において
化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目
的とした気相成長方法炉において、前記自転回転ステー
ジあるいは公転可能な回転ステージの単位時間あたりの
回転数あるいは回転方向を時間的に変化させることを特
徴とする気相成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素とＶ
族元素との化合物である半導体は、ワイドギャップを有
する直接遷移型半導体であり、可視から紫外域の発光材
料として、最も有望であると考えられる。これら、光半
導体デバイスの材料となる、窒化ガリウムＧａＮ等の、
結晶学的に優れた制作手法が求められている。気相成長
法の一形態である有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅ
ｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ
ＰｈａｓｅＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、これを産業
レベルで実現できる有力な手法として、各方面で研究開
発が進められている。

【０００３】このＭＯＣＶＤ法においては、サセプタ上
において、原料ガスの供給が空間的に一様になるように
することが、優れた結晶成長を実現するために必要であ
る。ＭＯＣＶＤ法においては、サセプタ上において、ウ
エハーを静止させたまま結晶成長を行うと、しばしばウ
エハー上の成膜の均一性が失われる場合がある。これを
解決するために、ウエハーの自転、あるいは、個々のウ
エハーの自転と、これら複数個の自転回転ステージが設
置できる回転ステージの公転とを組み合わせ、かつ自転
及び公転の単位時間あたりの回転数あるいは回転方向を
実質的に時間的に一定にしながら、これら複数個のウエ
ハー上への原料ガスの供給が空間的にほぼ一様となるよ
うに工夫されていた。例えば、ガスの供給方向がウエハ
ー表面と実質的に平行な横型気相成長炉に対し、特許公
報（特公平７−８７１０号公報）においては、自転ある
いは公転を組み合わせ、自転及び公転の回転方向を常に
同じにして、それぞれの毎分あたりの回転数を、数十回
転及び約２０回転の割合で行う方法が述べられている。
一方、ガスの供給方向がウエハー表面と実質的に垂直な
縦型気相成長炉に対しは、自転の毎分あたりの回転数
を、３００〜１４００回転の割合の高速回転で行う方法
が報告されている（例えば、Ｗ．Ｇ．Ｂｒｅｉｌａｎｄ
ｅｔａｌ．：ＡｎｎｕａｌＲｅｖ．Ｍａｔｅ
ｒ．Ｓｃｉ．１９９８． "ＡｌＧａＡｓＯＭＶＰ
ＥｉｎａｎＲＤＲ" １２／０９／９７）。この
高速回転を用いることにより、ウエハー上部から供給さ
れるガスを引き込むポンプの役割を担わせると同時に、
ウエハー表面に形成される温度境界層を薄くし、ウエハ
ー表面近傍で温度勾配を大きくすることにより、ウエハ
ーから離れた上部における温度を低く抑え、この領域に
おけるガスのクラッキングと、これに起因する堆積物の
成長を抑える工夫がなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
に示す自転のみを有する横型気相成長炉や、図１３に示
す複数個のウエハーの設置ができる複数個の自転可能な
回転ステージと、これら複数個の自転回転ステージが設
置できる公転可能な回転ステージとを有する横型気相成
長炉に対する、自転及び公転の毎分あたりの回転数が、
１００回転程度以下のそれ程高速回転でない前記の方法
においては、ウエハー表面に形成される温度境界層はそ
れ程薄くならず、このためにウエハーから離れた上部に
おける温度も比較的高く、この領域におけるガスのクラ
ッキングと気相反応が促進され、熱対流等の影響もあっ
て、結晶炉の側壁や上部壁への堆積物の成長が生じる。
この堆積物はガスの流れを乱すとともに、気相中にパー
ティクルを発生させ、ウエハー上に成長させる堆積膜の
品質劣化を招いていた。

【０００５】本発明は前記問題点に鑑み、自転回転ステ
ージ及び公転回転ステージの単位時間あたりの回転数を
１００回転程度以上の高速にするか、回転数あるいは回
転方向を時間的に変化させることにより、気相成長炉内
壁の堆積物の堆積を極力抑え、膜質の劣化を抑えなが
ら、ウエハー面内における堆積膜の空間一様性を実現す
る気相成長方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、本発明の気相成長方法およびその装置において
は、以下のような手段を用いる。

【０００７】すなわち、ウエハーの設置ができる単一あ
るいは複数個の自転可能な回転ステージと、これら複数
個の自転回転ステージが設置できる公転可能な回転ステ
ージとを有し、かつウエハーを所望の温度に加熱するた
めのウエハーに直接あるいは近接して接するサセプタが
具備されている構成を有し、かつ前記ウエハーを設置し
た際の、気相に接している前記ウエハー表面、前記自転
可能な回転ステージ表面、前記公転可能な回転ステージ
表面、及びサセプタ表面が実質的に同一表面となる構成
を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガ
スをガス導入口よりウエハー表面と実質的に平行に導入
し、これを化学反応を生起するに十分な高温の前記サセ
プタ上に誘導し、前記サセプタ上の自転回転ステージに
設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の
堆積膜を堆積させることを目的とした横型気相成長炉に
おいて、前記自転回転ステージあるいは公転可能な回転
ステージの毎分あたりの回転数を、１００回転以上の高
速回転をさせる。

【０００８】さらに、ウエハーの設置ができる単一ある
いは複数個の自転可能な回転ステージと、複数個の自転
回転ステージが存在する場合には、これら複数個の自転
回転ステージが設置できる公転可能な回転ステージとを
有し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエ
ハーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備され
ている構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、
気相に接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回
転ステージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及
びサセプタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、
反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス
導入口より導入し、これを化学反応を生起するに十分な
高温の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ上の自転
回転ステージに設置したウエハー上において化学反応に
由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした気
相成長方法炉において、前記自転回転ステージあるいは
公転可能な回転ステージの単位時間あたりの回転数ある
いは回転方向を時間的に変化させながら気相成長をさせ
る。

【０００９】本発明は上述した構成によって、サセプタ
上に単一あるいは複数個設置されているウエハー上に堆
積する膜厚の空間分布の一様性を改善することが可能で
あると同時に、成長炉の上部壁及び側壁等への堆積膜の
堆積を抑えることが可能となり、成長膜の膜質も改善さ
れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の第一の実施例であ
る、気相成長方法について、図面を参照しながら説明す
る。

【００１１】図１は、本発明の第１の実施例における気
相成長方法を、ＧａＮ結晶成長を目的とした横形有機金
属気相成長結晶炉に適用した構成図（自転の毎分あたり
の回転数を時間的に一定で、かつその回転数を７２０回
転で行った例）である。上面図及び側面図が示されてい
る。結晶炉本体は、後述するサセプタやウエハー等を除
いて実質的に石英ガラスで作られ、この結晶炉本体は側
壁、上壁、下壁で構成され、反応させるべき原料ガス及
びこれを搬送するガスは、図の右側のガス導入口７から
供給され、高温のサセプタ５上を通り、図の左側のガス
流出口８から排気される。ガス導入口７から末広がりの
ガス導入路２８までは、上層路１６と下層路１７に２分
され、上層ガス導入口からは水素とこの水素で希釈され
たトリメチルガリウムが、下層ガス導入口からはアンモ
ニアが、それぞれ流速６ｍ／秒で供給され、ガス合流面
９において、両者は合流し、サセプタ上でガス平均流速
がほぼ０．６ｍ／秒となるように調整されている。結晶
炉内圧力は０．５気圧になるように調整されている。本
体下流部に設置されている高温のカーボンサセプタ５
は、ウエハー６の設置ができる自転可能な回転ステージ
５０を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の前記ウエ
ハー表面、前記自転可能な回転ステージ表面及びサセプ
タ表面が同一表面となる機構と構成を有している。ガス
導入口７から供給されるガスは、前記ウエハー表面及び
回転ステージ表面上を、これら表面に対して平行に流れ
る。自転の毎分あたりの回転数を時間的に一定で、かつ
その回転数を７２０回転で行った。

【００１２】図２は、本発明の第１の実施例における気
相成長方法を、図１と組み合わせて説明するための図で
ある。自転の毎分あたりの回転数を０回転、６０回転、
１８０回転、７２０回転、及び１４４０回転における、
気相結晶成長炉の対称面における温度分布の様子を示し
た側面図である。コンタープロットの１目盛りは１００
Ｋ、また最高温度の領域は一番サセプタに近い側であ
り、この温度範囲は１２００Ｋから１３００Ｋである。

【００１３】図３は、本発明の第１の実施例における気
相成長方法を、図１と組み合わせて説明するための図で
ある。自転の毎分あたりの回転数を０回転、６０回転、
１８０回転、７２０回転、及び１４４０回転における、
気相結晶成長炉のウエハーの中心をとおる流れ方向に垂
直な面における温度分布の様子を示した側面図である。
コンタープロットの１目盛りは１００Ｋ、また最高温度
の領域は一番サセプタに近い側であり、この温度範囲は
１２００Ｋから１３００Ｋである。

【００１４】回転数の増加に従って、回転するウエハー
上部を流れるガスをウエハー表面近傍に引き込むポンプ
の役割が働くと同時に、ウエハー表面に形成される温度
境界層が薄くなり、ウエハー表面近傍で温度勾配が大き
くなることが読み取れる。これにより、ウエハーから離
れた上部において、温度が低く抑えられ、ガスのクラッ
キングや気相化学反応と、これに起因する堆積物の成長
が抑えられることが期待できる。このような検討に基づ
いて、回転数を７２０回転で気相成長を行った結果、図
４に示すように、比較的空間一様性の優れた良質のＧａ
Ｎ結晶膜が得られた。ここで、図４は、本発明の第１の
実施例における気相成長方法による、ＧａＮ結晶膜の膜
厚のウエハー上における空間変化を示した図である。

【００１５】なお、ここでは毎分あたりの回転数を７２
０回転にして行ったが、１００回転以上の場合であって
も、十分な効果が得られた。

【００１６】以下本発明の第二の実施例である、気相成
長方法について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】図５は、本発明の第２の実施例における気
相成長方法を、ＧａＮ結晶成長を目的とした横形有機金
属気相成長結晶炉に適用した構成図である。回転ステー
ジの毎分あたりの回転数は、０回転から１４４０回転の
間で変化させ、また回転方向も時計回り及び反時計回り
と交互に変化させ、これらの変化周期を３分にして時間
的に変化させながら気相成長を行った例である。上面図
及び側面図が示されている。結晶炉本体は、後述するサ
セプタやウエハー等を除いて実質的に石英ガラスで作ら
れ、この結晶炉本体は側壁、上壁、下壁で構成され、反
応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスは、図の
右側のガス導入口７から供給され、高温のサセプタ５上
を通り、図の左側のガス流出口８から排気される。ガス
導入口７から末広がりのガス導入路２８までは、上層路
１６と下層路１７に２分され、上層ガス導入口からは水
素とこの水素で希釈されたトリメチルガリウムが、下層
ガス導入口からはアンモニアが、それぞれ流速６ｍ／秒
で供給され、ガス合流面９において、両者は合流し、サ
セプタ上でガス平均流速がほぼ０．６ｍ／秒となるよう
に調整されている。結晶炉内圧力は０．５気圧になるよ
うに調整されている。本体下流部に設置されている高温
のカーボンサセプタ５は、ウエハー６の設置ができる自
転可能な回転ステージ５０を有し、かつ前記ウエハーを
設置した際の前記ウエハー表面、及び前記自転可能な回
転ステージ表面が同一表面となる機構と構成を有してい
る。ガス導入口７から供給されるガスは、前記ウエハー
表面及び回転ステージ表面上を、これら表面に対して平
行に流れる。回転ステージの毎分あたりの回転数は、０
回転から１４４０回転の間で変化させ、また回転方向も
時計回り及び反時計回りと交互に変化させ、これらの変
化周期を３分にして時間的に変化させながら気相成長を
行った。

【００１８】さて、自転の毎分あたりの回転数を時間的
に一定で、かつその回転数をいろいろ変えた場合におけ
る流線の振る舞いについて検討を事前に行った。ウエハ
ー表面上０．５ｍｍにおける流線の動きは図６の一連の
図に示すようになる。ここで、図６は、自転の毎分あた
りの回転数を０回転、６０回転、１８０回転、７２０回
転、及び１４４０回転と変えた場合におけるウエハー表
面上０．５ｍｍにおける流線の動きを示した図である。
すなわち、ガス導入口が図の右側方向にあり、また出口
が左側方向にあり、バルクのガス流れが、平均として右
側から左側に流れる場合において、自転の回転方向が反
時計回りの場合を考えてみる。ウエハー表面上、図の上
部においては、バルクのガス流れ方向と自転の回転に伴
う方向が同一方向であるために、ガス流れは加速され
る。一方、ウエハー表面上、図の下部においては、バル
クのガス流れ方向と自転の回転に伴う方向が反対方向で
あるために、ガス流れは減速される。ウエハー表面上、
半径ｒの位置における回転速度ｖｒはｖｒ＝ｒ×ω で与えられる。ここでωはｒａｄ単位で測った回転周波
数である。一方、バルクのガス流れ速度をｖ０としたと
き、Ｒ＝ｖｒ／ｖ０で与えられる速度比が重要なパラメータになってくる。
すなわち、ウエハー表面上、図の下部において、Ｒの絶
対値が増加してくるとガス流れ速度は徐々に減速され、
１．０近傍において、流れの巻き戻しが生じる。回転速
度ｖｒは、ｒが大きいほど、すなわちウエハー表面上、
外周に近い位置に存在するほど大きくなるため、流れの
巻き戻しは一般にウエハー表面上、図の下部の外周に近
い位置において開始され、流線は場合によってはウエハ
ー表面上中心近傍に誘導される。中心近傍では、ｒが小
さいために回転速度ｖｒは小さくなり、バルクのガス流
れ速度ｖ０の方が大きくなる。中心に比べてウエハー表
面上、図の上部まで誘導された流線は、そのままバルク
のガス流れ方向と同一方向の、自転の回転により加速さ
れてそのまま下流へ向かうか、あるいは数回転をウエハ
ー上で経験しながら下流へ向かう。中心に比べてウエハ
ー表面上、図の下部まで誘導された流線であっても、場
合によってはそのままバルクのガス流れ方向に引きずら
れて、下流へ向かう流れとなる場合もあり、または数回
転をウエハー上で経験しながら下流へ向かう場合もあ
る。

【００１９】このように、回転数の増加に従って、上流
からやってきた流線は、ウエハー上のある半径の位置近
傍において、ウエハー回転に従って、ウエハー上を半回
転程度からそれ以上の複数回転を経験し、この長い時間
にわたってウエハー上に巻きつくように振る舞いながら
滞在し、その後ウエハー上から離れ下流へ向かう。な
お、図７の毎分あたりの回転数が７２０回転の場合の例
に示されるように、ウエハー表面上から０．５ｍｍ、
１．５ｍｍ、さらに２．５ｍｍと離れるに従い、流線の
ウエハー上における巻きつきは緩和され、徐々にバルク
のガス流れにちかづくことが理解できる。ここで、図７
は、自転の毎分あたりの回転数が７２０回転であるとき
の、ウエハー表面上から０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、さら
に２．５ｍｍにおける流線の動きを示した図である。

【００２０】ウエハーは高温サセプタ上に設置されてい
るため、長い時間にわたってウエハー上に巻きつくよう
に振る舞いながら滞在する流線ほど、この流線を構成し
ているガスは加熱され、この結果ウエハー上に巻きつい
た部分のガス温度が他の部分に比べ増加する。この様子
を図８に示す。図８は、自転の毎分あたりの回転数を０
回転、６０回転、１８０回転、７２０回転、及び１４４
０回転と変えた場合におけるウエハー表面上０．５ｍｍ
における温度の空間分布を示した図である。コンタープ
ロットの１目盛りは２５Ｋ、また最高温度の領域はハッ
チを入れて示してあり、この温度範囲は１１７５Ｋから
１２００Ｋである。すなわち、回転数の増加に伴って、
以下本発明の第一の実施例の中で説明したように、ウエ
ハー表面に形成される温度境界層が薄くなるというメリ
ットはあるものの、ウエハー表面上における温度分布
は、中心部分の温度が外側に比べ低下し、その低温領域
の半径が広がって非一様性が大きくなる欠点が出てく
る。なお、流線がどの程度の長い時間にわたってウエハ
ー上に巻きつくように振る舞うか、あるいはウエハー上
のどの半径位置近傍において巻きつくかは、上流からウ
エハー近傍にやってくるガス流速、ウエハーの毎分あた
りの回転数、ガス流体が感じる壁面応力、及びガス流体
の粘性率等に依存する。

【００２１】このような問題点は、本実施例のように、
回転ステージの毎分あたりの回転数を、例えば０回転か
ら１４４０回転の間で変化させ、また回転方向も時計回
り及び反時計回りと交互に変化させ、これらの変化周期
を例えば３分にして時間的に変化させながら気相成長を
行うことにより解決された。すなわち、回転数や回転方
向を時間的に変化させることにより、温度の空間非一様
性がかなり改善され、かつ高速回転の持つメリットであ
る温度境界層を薄くできるという点を保持することがで
きた。このようにして、気相成長を行った結果、図９に
示すように、空間一様性の優れたＧａＮ結晶膜が得られ
た。図９は、本発明の第２の実施例における気相成長方
法による、ＧａＮ結晶膜の膜厚のウエハー上における空
間変化を示した図である。

【００２２】なお、ここでは回転数の変化を０回転から
１４４０回転の間で行ったが、最大回転数を３０００回
転以内で行っても、十分な効果が得られた。

【００２３】さらに、回転ステージの毎分あたりの回転
数あるいは回転方向の時間的な変化の周期は、１０秒か
ら１０分の間の値にして気相成長をおこなっても有効な
結果が得られた。

【００２４】また、回転ステージの毎分あたりの回転数
あるいは回転方向の時間的な変化の周期を、時間的に一
定にするのではなく、そのときの毎分あたりの回転数の
逆数に比例して変化させて気相成長をおこなうと、空間
一様性のより優れたＧａＮ結晶膜が得られた。

【００２５】以下本発明の第三の実施例である、気相成
長方法について、図面を参照しながら説明する。

【００２６】図１０は、本発明の第３の実施例における
気相成長方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用し
た構成図である。自転回転数を６０回転、公転回転数を
７２０回転で時間的に一定で気相成長を行った例であ
る。上面図及び側面図が示されている。結晶炉本体は、
後述するサセプタやウエハー等を除いて実質的に石英ガ
ラスで作られ、この結晶炉本体は側壁、上壁、下壁で構
成され、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガ
スは、図の右側のガス導入口７から供給され、高温のサ
セプタ５上を通り、図の左側のガス流出口８から排気さ
れる。ガス導入口７から末広がりのガス導入路２８まで
は、上層路１６と下層路１７に２分され、上層ガス導入
口からは水素とこの水素で希釈されたトリメチルガリウ
ムが、下層ガス導入口からはアンモニアが、それぞれ流
速６ｍ／秒で供給され、ガス合流面９において、両者は
合流し、サセプタ上でガス平均流速がほぼ０．６ｍ／秒
となるように調整されている。結晶炉内圧力は０．５気
圧になるように調整されている。本体下流部に設置され
ている高温のカーボンサセプタ５は、ウエハー６の設置
ができる複数個の自転可能な回転ステージ５０と、これ
ら複数個の自転回転ステージが設置できる公転可能な回
転ステージ５１とを有し、かつ前記ウエハーを設置した
際の前記ウエハー表面、前記自転可能な回転ステージ表
面、前記公転可能な回転ステージ表面及び前記サセプタ
表面が同一表面となる機構と構成を有している。ガス導
入口７から供給されるガスは、前記ウエハー表面及び回
転ステージ表面上を、これら表面に対して平行に流れ
る。自転回転数を６０回転、公転回転数を７２０回転で
時間的に一定で気相成長を行った結果、全ウエハーにわ
たった膜厚変化を５％以内に収まり、比較的空間一様性
の優れた良質のＧａＮ結晶膜が得られた。

【００２７】以下本発明の第四の実施例である、気相成
長方法について、図面を参照しながら説明する。

【００２８】図１１は、本発明の第４の実施例における
気相成長方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用し
た構成図である。前記公転可能な回転ステージの毎分あ
たりの回転数は、０回転から１８００回転の間で、その
変化周期を６分にして時間的に変化させ、一方前記自転
回転ステージの毎分あたりの回転数は、０回転から６０
回転の間で、その変化周期を１分にして時間的に変化さ
せながら気相成長を行った例である。上面図及び側面図
が示されている。結晶炉本体は、後述するサセプタやウ
エハー等を除いて実質的に石英ガラスで作られ、この結
晶炉本体は側壁、上壁、下壁で構成され、反応させるべ
き原料ガス及びこれを搬送するガスは、図の右側のガス
導入口７から供給され、高温のサセプタ５上を通り、図
の左側のガス流出口８から排気される。ガス導入口７か
ら末広がりのガス導入路２８までは、上層路１６と下層
路１７に２分され、上層ガス導入口からは水素とこの水
素で希釈されたトリメチルガリウムが、下層ガス導入口
からはアンモニアが、それぞれ流速６ｍ／秒で供給さ
れ、ガス合流面９において、両者は合流し、サセプタ上
でガス平均流速がほぼ０．６ｍ／秒となるように調整さ
れている。結晶炉内圧力は０．５気圧になるように調整
されている。本体下流部に設置されている高温のカーボ
ンサセプタ５は、ウエハーの設置ができる複数個の自転
可能な回転ステージ５０と、これら複数個の自転回転ス
テージが設置できる公転可能な回転ステージ５１とを有
し、かつ前記ウエハーを設置した際のウエハー表面、前
記自転可能な回転ステージ表面、前記公転可能な回転ス
テージ表面及び前記サセプタ表面が同一表面となる機構
と構成を有している。ガス導入口７から供給されるガス
は、前記ウエハー表面及び回転ステージ表面上を、これ
ら表面に対して平行に流れる。前記公転可能な回転ステ
ージの毎分あたりの回転数は、０回転から１８００回転
の間で、その変化周期を６分にして時間的に変化させ、
一方前記自転回転ステージの毎分あたりの回転数は、０
回転から６０回転の間で、その変化周期を１分にして時
間的に変化させながら気相成長を行った。本発明の第一
の実施例の中で説明したと同様な物理機構により、全ウ
エハーにわたった膜厚変化を３％以内に収まり空間一様
性の優れたＧａＮ結晶膜が得られた。

【００２９】また、上下の非対称性を緩和するために、
公転可能な回転ステージの回転方向を、時計まわり及び
反時計まわりに時間的に変化させながら運転した。すな
わち、−１８００回転から０回転、さらに０回転から１
８００回転の間で、その変化周期を６分にして時間的に
変化させながら気相成長を行った。このようにして、気
相成長を行った結果、空間一様性の優れたＧａＮ結晶膜
が得られた。

【００３０】なお、自転回転ステージあるいは公転可能
な回転ステージの毎分あたりの回転数あるいは回転方向
の時間的な変化の周期は、１０秒から１０分の間の値に
して気相成長をおこなっても有効な結果が得られた。

【００３１】さらに、自転回転ステージあるいは公転可
能な回転ステージの毎分あたりの回転数あるいは回転方
向の時間的な変化の周期を、時間的に一定にするのでは
なく、そのときの毎分あたりの回転数の逆数に比例して
変化させて気相成長をおこなうと、空間一様性のより優
れたＧａＮ結晶膜が得られた。

【００３２】なお、本実施例１から４においては、サセ
プタ上でガス平均流速がほぼ０．６ｍ／秒、また結晶炉
内圧力は０．５気圧になるように調整して気相成長をお
こなったが、ガス平均流速は０．１ｍ／秒から２ｍ／秒
程度の範囲であっても十分本発明は有効であり、また結
晶炉内圧力は０．１気圧から２気圧程度の範囲であって
も十分本発明は有効である。

【００３３】さらに、本実施例２及び４において、横型
気相成長炉において説明を行ったが、縦型気相成長炉で
あっても十分本発明は有効である。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明の気相成長方法に
おいては、ウエハーの設置ができる単一あるいは複数個
の自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転回転
ステージが設置できる公転可能な回転ステージとを有
し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハ
ーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備されて
いる構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気
相に接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回転
ステージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及び
サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反
応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス導
入口よりウエハー表面と実質的に平行に導入し、これを
化学反応を生起するに十分な高温の前記サセプタ上に誘
導し、前記サセプタ上の自転回転ステージに設置したウ
エハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆
積させることを目的とした横型気相成長炉において、前
記自転回転ステージあるいは公転可能な回転ステージの
毎分あたりの回転数を、１００回転以上の高速回転にす
るか、前記自転回転ステージあるいは公転可能な回転ス
テージの単位時間あたりの回転数あるいは回転方向を時
間的に変化させながら気相成長をさせている。本発明は
上述した構成によって、サセプタ上に単一あるいは複数
個設置されているウエハー上に堆積する膜厚の空間分布
の一様性を改善することが可能であると同時に、成長炉
の上部壁及び側壁等への堆積膜の堆積を抑えることが可
能となり、成長膜の膜質も改善させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における気相成長方法を
横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図

【図２】本発明の第１の実施例における気相成長方法を
説明するための図

【図３】本発明の第１の実施例における気相成長方法を
説明するための図

【図４】本発明の第１の実施例における気相成長方法に
よる、ＧａＮ結晶膜の膜厚のウエハー上における空間変
化を示した図

【図５】本発明の第２の実施例における気相成長方法
を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図

【図６】自転の毎分あたりの回転数を変えた場合におけ
るウエハー表面上０．５ｍｍにおける流線の動きを示し
た図

【図７】自転の毎分あたりの回転数が７２０回転である
ときの、ウエハー表面上における流線の動きを示した図

【図８】自転の毎分あたりの回転数を変えた場合におけ
るウエハー表面上０．５ｍｍにおける温度の空間分布を
示した図

【図９】本発明の第２の実施例における気相成長方法に
よる、ＧａＮ結晶膜の膜厚のウエハー上における空間変
化を示した図

【図１０】本発明の第３の実施例における気相成長方法
を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図

【図１１】本発明の第４の実施例における気相成長方法
を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図

【図１２】本課題の解決策に対する従来の第一の解決例
を示す図

【図１３】本課題の解決策に対する従来の第二の解決例
を示す図

【符号の説明】

５サセプタ６ウエハー７ガス導入口８ガス流出口９ガス合流面１６上層路１７下層路２８ガス導入路５０自転ステージ５１公転ステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA11 BA08 BA38 CA04 CA12 FA10 GA09 JA04 JA05 JA11 JA12 KA02 5F045 AA04 AB14 AC08 AC12 BB02 BB03 DQ06 EB02 EM02 EM10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエハーの設置が可能な回転ステージを有
し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハ
ーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備されて
いる構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気
相に接している前記ウエハー表面、前記回転ステージ表
面及び前記サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成
を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガ
スをウエハー表面と実質的に平行になるようにガス導入
口より導入し、これを化学反応を生起するに十分な高温
の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ上の回転ステ
ージに設置したウエハー上において化学反応に由来する
所望の堆積膜を堆積させることを目的とした横型気相成
長炉において、前記回転ステージの毎分あたりの回転数
を、１００回転以上の高速回転をさせることを特徴とす
る気相成長方法。
【請求項２】ウエハーの設置が可能な回転ステージを有
し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハ
ーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備されて
いる構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気
相に接している前記ウエハー表面、前記回転ステージ表
面及び前記サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成
を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガ
スをガス導入口より導入し、これを化学反応を生起する
に十分な高温の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ
上の回転ステージに設置したウエハー上において化学反
応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とし
た気相成長炉において、前記回転ステージの単位時間あ
たりの回転数あるいは回転方向を時間的に変化させるこ
とを特徴とする気相成長方法。
【請求項３】回転ステージの毎分あたりの回転数を、０
回転から３０００回転の間で時間的に変化させながら運
転することを特徴とする、請求項２に記載の気相成長方
法。
【請求項４】回転ステージの毎分あたりの回転方向を、
時計まわり及び反時計まわりに交互に時間的に変化させ
ながら運転することを特徴とする、請求項２または３に
記載の気相成長方法。
【請求項５】回転ステージの毎分あたりの回転数あるい
は回転方向の時間的な変化の周期を、１０秒から１０分
の間の値にすることを特徴とする請求項２から４のいず
れかに記載の気相成長方法。
【請求項６】回転ステージの毎分あたりの回転数あるい
は回転方向の時間的な変化の周期を、毎分あたりの回転
数の逆数に比例して変化させることを特徴とする請求項
２から５のいずれかに記載の気相成長方法。
【請求項７】複数個のウエハーの設置が可能な複数個の
自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転回転ス
テージが設置できる公転可能な回転ステージとを有し、
かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハーに
直接あるいは近接して接するサセプタが具備されている
構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気相に
接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回転ステ
ージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及びサセ
プタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反応さ
せるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス導入口
よりウエハー表面と実質的に平行に導入し、これを化学
反応を生起するに十分な高温の前記サセプタ上に誘導
し、前記サセプタ上の自転回転ステージに設置したウエ
ハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積
させることを目的とした横型気相成長炉において、前記
自転回転ステージあるいは公転可能な回転ステージの毎
分あたりの回転数を、１００回転以上の高速回転をさせ
ることを特徴とする気相成長方法。
【請求項８】複数個のウエハーの設置が可能な複数個の
自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転回転ス
テージが設置できる公転可能な回転ステージとを有し、
かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハーに
直接あるいは近接して接するサセプタが具備されている
構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気相に
接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回転ステ
ージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及びサセ
プタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反応さ
せるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス導入口
より導入し、これを化学反応を生起するに十分な高温の
前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ上の自転回転ス
テージに設置したウエハー上において化学反応に由来す
る所望の堆積膜を堆積させることを目的とした気相成長
方法炉において、前記自転回転ステージあるいは公転可
能な回転ステージの単位時間あたりの回転数あるいは回
転方向を時間的に変化させることを特徴とする気相成長
方法。
【請求項９】前記自転回転ステージあるいは公転可能な
回転ステージの毎分あたりの回転数を、０回転から３０
００回転の間で時間的に変化させながら運転することを
特徴とする、請求項８に記載の気相成長方法。
【請求項１０】前記自転回転ステージあるいは公転可能
な回転ステージの毎分あたりの回転方向を、時計まわり
及び反時計まわりに時間的に交互に変化させながら運転
することを特徴とする、請求項８または９に記載の気相
成長方法。
【請求項１１】前記自転回転ステージあるいは公転可能
な回転ステージの毎分あたりの回転数あるいは回転方向
の時間的な変化の周期を、１０秒から１０分の間の値に
することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記
載の気相成長方法。
【請求項１２】前記自転回転ステージあるいは公転可能
な回転ステージの毎分あたりの回転数あるいは回転方向
の時間的な変化の周期を、毎分あたりの回転数の逆数に
比例して変化させることを特徴とする請求項８から１１
のいずれかに記載の気相成長方法。
【請求項１３】ウエハーの設置が可能な回転ステージを
有し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエ
ハーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備され
ている構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の前
記ウエハー表面、前記回転ステージ表面及び前記サセプ
タ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反応させ
るべき原料ガス及びこれを搬送するガスをウエハー表面
と実質的に平行になるようにガス導入口より導入し、こ
れを化学反応を生起するに十分な高温の前記サセプタ上
に誘導し、前記サセプタ上の回転ステージに設置したウ
エハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆
積させることを目的とした横型気相成長法において、前
記回転ステージの毎分あたりの回転数を、１００回転以
上の高速回転をさせることを特徴とする気相成長装置。
【請求項１４】複数個のウエハーの設置が可能な複数個
の自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転回転
ステージが設置できる公転可能な回転ステージとを有
し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハ
ーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備されて
いる構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気
相に接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回転
ステージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及び
サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反
応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス導
入口よりウエハー表面と実質的に平行に導入し、これを
化学反応を生起するに十分な高温の前記サセプタ上に誘
導し、前記サセプタ上の自転回転ステージに設置したウ
エハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆
積させることを目的とした横型気相成長法において、前
記自転回転ステージあるいは公転可能な回転ステージの
毎分あたりの回転数を、１００回転以上の高速回転をさ
せることを特徴とする気相成長装置。
【請求項１５】ウエハーの設置が可能な回転ステージを
有し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエ
ハーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備され
ている構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、
気相に接している前記ウエハー表面、前記回転ステージ
表面及び前記サセプタ表面が実質的に同一表面となる構
成を有し、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送する
ガスをガス導入口より導入し、これを化学反応を生起す
るに十分な高温の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプ
タ上の回転ステージに設置したウエハー上において化学
反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的と
した気相成長方法において、前記回転ステージの単位時
間あたりの回転数あるいは回転方向を時間的に変化させ
ることを特徴とする気相成長装置。
【請求項１６】複数個のウエハーの設置が可能な複数個
の自転可能な回転ステージと、これら複数個の自転回転
ステージが設置できる公転可能な回転ステージとを有
し、かつウエハーを所望の温度に加熱するためのウエハ
ーに直接あるいは近接して接するサセプタが具備されて
いる構成を有し、かつ前記ウエハーを設置した際の、気
相に接している前記ウエハー表面、前記自転可能な回転
ステージ表面、前記公転可能な回転ステージ表面、及び
サセプタ表面が実質的に同一表面となる構成を有し、反
応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスをガス導
入口より導入し、これを化学反応を生起するに十分な高
温の前記サセプタ上に誘導し、前記サセプタ上の自転回
転ステージに設置したウエハー上において化学反応に由
来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした気相
成長方法において、前記自転回転ステージあるいは公転
可能な回転ステージの単位時間あたりの回転数あるいは
回転方向を時間的に変化させることを特徴とする気相成
長装置。