JP2004296639A - 気相成長装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な膜質の半導体層を高い生産性で形成する成長装置を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を、基板ホルダ１８、１９の中心に設けられた孔に嵌挿する。ウエハ４１は、カバー２１と固定部材２２、２３とにより各基板ホルダに取り付ける。基板ホルダ１８、１９および２０は、固定部材２２、２３により連結する。モータ２６により、基板ホルダ１８、１９および２０の全体を、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を中心軸として回転運動させ、各基板ホルダに保持された各ウエハ４１を、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲に公転運動させる。ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の側面にＩＩＩ族原料ガスの噴出口２５を設け、成長ガスを上下左右四方向へ放射状に供給する。
【選択図】 図１
【解決手段】ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を、基板ホルダ１８、１９の中心に設けられた孔に嵌挿する。ウエハ４１は、カバー２１と固定部材２２、２３とにより各基板ホルダに取り付ける。基板ホルダ１８、１９および２０は、固定部材２２、２３により連結する。モータ２６により、基板ホルダ１８、１９および２０の全体を、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を中心軸として回転運動させ、各基板ホルダに保持された各ウエハ４１を、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲に公転運動させる。ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の側面にＩＩＩ族原料ガスの噴出口２５を設け、成長ガスを上下左右四方向へ放射状に供給する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体は、バンドギャップが大きく、またバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長発光素子や電子素子への展開が大いに期待されている。こうした素子を得るためには、基板上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させて素子構造を作成することが必要となる。ところが、窒化ガリウムと格子定数の整合する下地基板が存在しないことから、サファイアやＳｉＣなどの異種基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて数μｍ〜数百μｍの窒化ガリウム結晶を予め成長させ、この上にデバイス構造を作製することが行われている。
【０００３】
こうした成長法のうち、特にＨＶＰＥは、成長速度が速く、窒化ガリウム系半導体層を厚膜に成長させたり、窒化ガリウム基板を作製したりするのに好適に用いられる。特許文献１には、ＨＶＰＥによる窒化ガリウム系半導体の成長装置が記載されている。同文献に記載されたＨＶＰＥ成長装置の構造を図１１に示す。この結晶成長装置１０１は、外周に抵抗加熱ヒータ１０４を備え、フランジ１１０により密閉された結晶成長容器１０８と、ＨＣｌガスを導入するための第１の導入管１０３と、ＮＨ３ガスを導入する第２の導入管１０２と、結晶成長容器１０８内に配置される基板保持具１０５とで構成される。なお、この結晶成長装置において、前記第１の導入管および前記第２の導入管並びに前記結晶成長容器の壁面等は石英を基材とした材料で形成されている。また、結晶成長容器１０８の側面にはガスの排気口１０７が穿設されており、第１の導入管１０３には原料載置部１０９が設けられこの部分にＧａ原料が配置されている。
【０００４】
ところが、ＨＶＰＥ法では、目的とする基板上に均一性、再現性に優れた単結晶成長を行うことは容易ではなかった。例えば、窒化ガリウムは、ＨＶＰＥ法においては、ＮＨ３＋ＧａＣｌ→ＧａＮ＋Ｈ２＋ＨＣｌなる反応で生成するが、ＮＨ３とＧａＣｌとの混合が充分に行われず、また熱的に活性化されて分解したＮＨ３が基板上に供給されないと、膜厚の成長速度が小さく、また、成長装置内において分布が生じると、得られる窒化ガリウムの膜厚が不均一となるという問題があった。
【０００５】
また、従来のＨＶＰＥ成長装置は、生産性の点で改善の余地を有していた。図１１は典型的なＨＶＰＥ成長装置の例であるが、この種の装置では、内部に一枚のウエハまたはせいぜい２〜３枚のウエハが設置されるのみであり、充分に高い生産効率を得ることが困難であった。
【０００６】
一方、特許文献２には、図１２に示す構造のＭＯＣＶＤ成長装置が記載されている。この装置は、以下の構成を有している。筐体２０２の底部にリング状の固定板２０３を固定し、その上にベアリング２０４を介して円周方向に回転自由のリング状のターンテーブル２０５を乗せる。ターンテーブル２０５の内側円周面には公転ギヤが刻まれており、これに噛合する歯車２０５ａがモータ２０６により回転すると、矢印Ａの方向に回転する。ターンテーブル２０５には複数の回転軸２０７が等間隔で垂直に配列され回転自由に取り付けられており、これらはターンテーブル２０５の回転とともに、矢印Ａの方向に移動、すなわち公転する。一方、回転軸２０７の下部の先端に取り付けられた歯車２０７ａが固定板２０３の上に固定された自転ギヤ２０３ａと噛合してターンテーブル２０５の回転とともに回転し、回転軸２０７が矢印Ｂの方向に自転する。
【０００７】
反応ガスは吸入口２１２より吸入されてダウンフローする。反応ガスの供給先には、上端に富士山状の突起を備えたスタンド２１０が設けられ、ウエハはその周囲に配置される構造となっている。供給ガスは、突起２１１ａにより矢印Ｃの方向に向かい、自公転するウエハ２０９の表面をフローして反応、蒸着する。
【０００８】
ところがこの装置は、上記のようにガスの流れ方向を制御している関係上、ウエハを水平状態に保ちつつ同一平面内に配置することが必要となる。このように基板の配置方法に制約が加わる結果、ウエハ設置枚数の増加による生産効率向上にも制限が加わることとなる。また、窒化ガリウム系半導体の成長装置として適用する場合、ＭＯＣＶＤでは充分に大きい成長速度を得ることが困難であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３０５１５５号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２５０１３５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、基板表面での反応が効率良く進行するような流動状態で反応ガスを供給し良好な膜質の半導体層を形成する成長装置を提供することにある。特にハイドライド気相成長による成長を行う装置において、基板表面への原料ガスの供給を円滑に行い、高い成長速度を実現することを目的とする。
【００１１】
また本発明の別の目的は、複数の基板に対して一度に処理を行い、高い生産性で成長を行う成長装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、成長室と、前記成長室内に設けられ、第一の反応ガスを供給するガス供給管と、前記第一の反応ガスと反応する第二の反応ガスを前記成長室内に供給するガス供給部と、前記ガス供給管の周囲に複数の基板を配置する基板保持部材と、前記基板保持部材および前記ガス供給管のうちの一方を他方に対して相対回転させることにより前記ガス供給管の周囲に前記複数の基板を公転させる回転駆動部と、を備え、前記ガス供給管は、その側壁に前記第一の反応ガスを供給するガス供給口を有し、前記ガス供給口から前記基板の表面に向けて前記第一の反応ガスが放射状に供給されるようにしたことを特徴とする気相成長装置が提供される。
【００１３】
この気相成長装置は、複数の基板をガス供給管の周囲に配置し、ガス供給口から前記基板の表面に向けて前記第一の反応ガスが放射状に供給されるようにしている。このため、基板表面において、第一および第二の反応ガスの反応を促進するガス流動状態が実現され、この結果、良好な品質の半導体層を得ることができる。
【００１４】
また、ガス供給管の周囲に配置する構成を有するため、基板の配置方法に関する自由度が大きくなる。前述の特許文献２に開示されている従来のＭＯＣＶＤ装置では、ガス供給口近くのガス流整流部材の周辺に、各基板を水平状態に保ちつつ同一平面内に配置する必要があり、基板設置枚数の増加に限界があった。この点、本発明の装置は複数の基板をガス供給管の周囲に配置するので、基板配置に関する自由度が大きく、たとえば、ガス供給管周辺に密に基板を配置したり、ガス供給管の延長方向に沿って複数の基板を配置したりする等、装置の大型化を回避しつつ基板枚数を増加させ生産効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明の気相成長装置において、前記基板保持部材は、中心部に嵌挿孔を有する基板保持台を含み、前記ガス供給管は、前記基板保持台の前記嵌挿孔に嵌挿されており、前記回転駆動部は、前記ガス供給管を中心軸として前記基板保持台を回転駆動する構成とすることができる。
【００１６】
このような構成を採用すれば、ガス供給管を中心軸として基板保持台を回転させることで、その基板保持台に保持された基板を公転させることができる。このため、複数の基板をガス供給管周りに公転させる構造を比較的簡便な機構で実現することができる。また、基板保持台上を中心部から外方向へ向かう層流を安定的に形成することができ、良好な品質の半導体層を得ることが可能となる。
【００１７】
この気相成長装置において、前記基板保持台は、その表面および裏面にそれぞれ基板を保持できるように構成されており、前記ガス供給管は、前記基板保持台の一方の面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口と、前記基板保持台の裏面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口とを具備する構成とすることができる。ここで、基板保持台は、前記ガス供給管に対して略垂直に設けてもよいし、斜めに設けてもよい。さらに、基板保持台が、ガス供給管に対する設置角度の異なる複数の面を有する構成としてもよい。
【００１８】
さらに、上記気相成長装置において、前記ガス供給管の延長方向に沿って複数の前記基板保持台が配置され、この複数の前記基板保持台の嵌挿孔に前記ガス供給管が嵌挿されており、前記ガス供給管は複数のガス供給口を具備し、各基板保持台に保持された基板の表面に対し、いずれかのガス供給口から第一の反応ガスが供給されるようにした構成とすることができる。このようにすれば、多数の基板を同時に処理し、高い生産性を実現することができる。
【００１９】
本発明の気相成長装置において、基板保持台は、ガス供給管周りに離間して配置された複数の基板保持部により構成することができる。このようにすれば、基板保持部間の間隙部を介して原料ガスが流通するようになっている。このため、ガス供給管の延長方向に沿って基板保持台を複数列配置した構成において、基板ホルダに対する原料ガスの供給状態を良好にすることができる。基板保持台を構成する基板保持部の数は任意に設定することができる。また、各基板保持部を基板の公転面に対して傾斜させてもよい。
【００２０】
本発明の気相成長装置において、基板保持部材は、ガス供給管の延長方向に沿って配置された複数の基板保持台と、該基板保持台を連結する連結部材とを具備し、当該基板保持部材がガス供給管の周囲に複数配置されている構成としてもよい。さらに、この構成において、回転駆動部により回転駆動される太陽歯車と、複数の基板保持部材にそれぞれ設けられ太陽歯車に噛合する遊星歯車とからなる遊星歯車機構をさらに備え、該遊星歯車機構により、ガス供給管の周囲を基板保持台が自公転運動するように構成することができる。これにより、簡便な機構で基板を自公転させながら成長を行うことができる。
【００２１】
本発明の気相成長装置において、成長室は、仕切り部材により、第一の室と該第一の室に連通する第二の室とに区画されており、第一の室に基板保持部材が配置され、第二の室に、第二の反応ガスを供給するガス供給部が設けられた構成とすることができる。これにより、基板処理を行う室と第二の反応ガスが導入される室とを独立に温度制御することができるため、充分に加熱して熱的に活性化した第二の反応ガスを基板処理室に導入し、効率の良い成長を実現することができる。
【００２２】
本発明の気相成長装置は、ハイドライド気相成長による成長を行う装置に適用した場合、最も効果的である。この場合、第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、第二の反応ガスがＶ族原料ガスを含むものとする。ＭＯＣＶＤ装置では、通常、ダウンフロー方式により原料ガスが供給される。そして、ウエハの載置台にヒータを設置し、基板が局所的に加熱する方式が採用される。これに対してＨＶＰＥ装置では、Ｖ族原料ガスが満たされた反応管内に、Ｇａ等のＩＩＩ族原料の加熱蒸気とハロゲンガスを反応させて得られるＩＩＩ族原料ガスを導入し、成長を行う。このため、通常ＨＶＰＥ法ではヒータにより反応管全体を加熱する方式が採用される。
【００２３】
また、ＭＯＣＶＤ装置を用いて窒化ガリウムの成長を行う場合、Ｖ族原料ガスとＩＩＩ族原料ガスとを基板表面近傍まで導き、基板表面において両者を反応させ、成長を行う。この方式ではＶ族原料の分解効率があまり高くなく、高い成長速度を得るには一定の限界があった。一方、ＨＶＰＥによれば、反応装置内に充填されたＶ族原料が装置内で滞留している間に分解が進み、高い成長速度を実現することが可能となる。本発明をＨＶＰＥ成長装置に適用した場合、Ｖ族原料の分解物の存在下、ガス供給管の側壁に設けられたガス供給口から良好なガス流動状態にてＩＩＩ族元素のハロゲン化物が供給される結果、基板表面で効率良く反応が進行し、良好な半導体層を高い生産性で得ることができる。
【００２４】
こうしたＨＶＰＥ成長装置においては、成長室の周囲に加熱手段が設け、ガス供給部から供給された第二の反応ガスが加熱手段により加熱されるように構成するとよい。この場合、第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、第二の反応ガスが水素化窒素ガスを含むものとする。この構成を採用した場合、本発明の効果がより顕著に発揮される。ハイドライド気相成長により良質な膜を高い生産性で形成するためには、水素化窒素ガスの分解効率を高めることが重要である。上記構成によれば、水素化窒素ガスは成長室内に滞在する間に加熱手段によって充分に加熱され分解する。分解したガスは、ガス供給口から供給されたＩＩＩ族元素のハロゲン化物と反応し、反応生成物が基板上に堆積する。こうした成長方式は、基板付近に供給口を有するガス供給管によって、２種類のガスを基板表面に供給するダウンフロー型のＭＯＣＶＤ装置とは原理的に相違する。ＨＶＰＥ成長装置にダウンフロー型の原料ガス供給方式を採用した場合、水素化窒素ガスの分解効率を充分に高くすることが困難である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について、実施例に基づいて説明する。
【００２６】
実施例１
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図１および図２に示す。図１および図２に示す成長装置は、成長の行われる反応管１１と、反応管１１にＶ族原料ガスを供給するＶ族原料ガス導入管２８と、ＩＩＩ族原料ガスを生成するハロゲン化物生成室３６と、生成したＩＩＩ族原料ガス（ハロゲン化ガス）を反応管１１に供給するＩＩＩ族原料ガス供給管１２と、反応管１１の内部に配置され被処理基板を保持する基板ホルダ２０とを備えている。反応管１１の直径は１６０ｍｍである。
【００２７】
ハロゲン化物生成室３６は塩化ガリウムを生成し、これを、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を介して基板ホルダ２０上のウエハ４１表面に供給する。ハロゲン化物生成室３６は、ハロゲンガス供給管２９およびドーピングガス供給管３０を備えるとともに、Ｇａ原料１４を収容するソースボート１５を含んでいる。ハロゲンガス供給管２９の供給口は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２内の上流側に配置され、供給された塩素ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管１２内で滞留するようになっている。これにより、ハロゲンガスと揮発したＧａとが接触する時間を長く確保できるようになっている。このため、Ｇａの塩化反応が促進され、塩素ガスの流量を増大させた場合でも、塩化ガリウムの生成効率は低下しない。導入された塩素の大部分は塩化ガリウムになり、未反応塩素の残存は微量にとどまる。
【００２８】
反応管１１は遮蔽板３１により２つの室に区画されている。図中左側に位置する室では、Ｖ族原料ガス導入管２８から供給されたアンモニアが滞留し、分解が促進される。この室の周囲には電気炉１６が配置され、室内はたとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。図中右側に位置する成長領域１３には、ウエハ４１を保持する基板ホルダが配置され、この室内でＧａＮの成長が行われる。この室の周囲には電気炉１７が配置され、室内はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持される。遮蔽板３１は、成長領域１３の高温度領域からハロゲン化物生成室３６の配置された領域へ熱が拡散することを抑制する。本装置では、このような割型炉とすることにより昇温および降温速度を迅速に行うことを可能としている。この成長装置では、ハロゲン化物生成室３６の配置された領域の温度は±１℃以下に制御され、成長領域１３は０〜±５℃／ｃｍの温度勾配で制御できる構造となっている。
【００２９】
Ｖ族原料ガス導入管２８から供給されたアンモニアは、図中左側の室で滞留し分解した後、遮蔽板３１の間隙を介して図中右側の室に流入する。この室内に配置されたウエハ４１表面において、アンモニア分解物と塩化ガリウムとが反応し、ウエハ４１表面にＧａＮが堆積する。
【００３０】
ＡＡ断面図に示すように、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２は、基板ホルダ１８、１９の中心に設けられた孔に嵌挿されている。ウエハ４１は、カバー２１と固定部材２２、２３とにより各基板ホルダに取り付けられる。本装置では、基板ホルダ１８の裏面に３枚、基板ホルダ１９の両面に６枚、および基板ホルダ２０の表面に３枚が取り付けられるようになっている。
【００３１】
基板ホルダ１８、１９および２０は、固定部材２２、２３により連結されている。基板ホルダ２０は、回転軸２４を介してモータ２６と連結しており、モータ２６により、基板ホルダ１８、１９および２０の全体が、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を中心軸として回転運動するようになっている。この回転運動により、基板ホルダ１８、１９および２０に保持された各ウエハ４１は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲を公転運動する。このようにウエハ４１を公転させながら成長ガスを供給することにより、基板面内におけるＧａＮ層の膜質および厚みの均一化を図ることができる。なお、ＧａＮ層中に不純物を導入する場合は、ドーピングガス供給管３０により適宜ドーピングガスを供給する。
【００３２】
ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の側面には、ＩＩＩ族原料ガスの噴出口２５が設けられている。この装置では、供給管の周囲に９０度おきに４カ所の噴出口２５を設け、ガスが上下左右四方向へ放射状に供給されるようにした。噴出口の数は単数でも複数でもよく、目的に応じて適宜に設計される。噴出口２５の位置は、基板ホルダ１８と基板ホルダ１９の間、および、基板ホルダ１９と基板ホルダ２０の間とした。
【００３３】
Ｖ族原料ガスは、Ｖ族原料ガス導入管２８より供給され、反応管１１全体に行き渡り、電気炉１６によって充分に加熱され活性化された後、成長領域１３に導入される。
【００３４】
ＩＩＩ族原料ガスおよびＶ族原料ガスの輸送のためのキャリアガスとしては、水素（Ｈ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、Ｈ２とＮ２の混合ガスを用いる。ドーピングガスは、ドーピングガス供給管３０より導入される。キャリアガス、ＩＩＩ族原料ガス、および、Ｖ族原料ガス、ドーピングガスは排気口３２より排出される。
【００３５】
以上の構成を有する装置において、成長領域１３に供給された塩化ガリウムおよびアンモニアの分解物が反応することで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体４２をウエハ４１表面にＨＶＰＥ成長させることができる。
【００３６】
この気相成長装置は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲に複数の基板を配置し、噴出口２５から基板の表面に向けて塩化ガリウムが放射状に供給されるようにしている。このため、アンモニアの分解物および塩化ガリウムの基板表面における反応を促進するガスの流動状態が実現され、良好な品質のＧａＮ層を得ることができる。
【００３７】
また本装置は、ガス供給管の周囲に基板を配置する構成を有するため、基板の配置方法に関する自由度が大きく、従来に比し処理基板枚数を大幅に増加することができる。また、本実施例では３つの基板ホルダ１８、１９、および２０を有する構造としたが、成長領域の大きさ等に応じて基板ホルダの個数を増減できる。
【００３８】
この装置を用いることで、Ｉｎ１−ＸＧａＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１−ＸＧａＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ１−ＸＧａＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１−ＸＧａＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ１−ＸＧａＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１ −ＸＧａＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、ＧａＡｓ１−ＸＰＸ膜（０≦Ｘ≦１）等の成長を行うことができる。
【００３９】
こうした膜を成長させるにあたり、ＩＩＩ族原料ガスとして、ガリウム（Ｇａ）と塩化水素の反応性生物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と塩化水素の反応生成物であるＧａＣｌ、インジウム（Ｉｎ）と塩化水素の反応性生物である塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、ＩｎＣｌ３、およびアルミニウム（Ａｌ）と塩化水素の反応性生物である塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）等が用いることができる。また、Ｖ族原料として、アンモニア（ＮＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）等の有機砒素、および、ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）等の有機リンを用いることができる。
【００４０】
実施例２
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図２に示す。この装置は、第一の実施例で説明した装置を縦型にしたものである。図３において、図１および図２と共通する部分については同じ符号を付してある。この装置は、図１および図２に示す装置と、装置が縦型である点、これにともないソースボート１５の配置が変更された点のみ異なっており、その他は同様の構造を有している。したがって、本実施例では、各部の詳細な構造の説明は省略する。
【００４１】
本実施例の装置は、基板ホルダ１８、１９、２０が縦に一列に並ぶ配置となっており、基板ホルダの面は水平方向に位置している。このため、回転軸２４およびモータ２６にかかる負荷を低減できる。
【００４２】
実施例３
本実施例では、図１および図２の成長装置を用いて窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させた例を説明する。以下、図４を参照して説明する。まず、図４（ａ）のように、２インチ（１０００）面のサファイア基板４３上に低温ＧａＮバッファー層を介して２μｍの厚さのＧａＮ膜４４を成長した。ＧａＮ膜４４表面にＳｉＯ２膜（マスク）４５を形成し、フォトリソグラフィにより、ストライプ状の開口部４６を形成した。開口部はＧａＮ膜４４の＜１１−２０＞方向に１０μｍ巾で形成され、マスク４５巾は４μｍとし、１４μｍピッチでＧａＮ膜４４表面全体にストライプパターンを形成した。
【００４３】
ＧａＮ膜４７の成長には、図１および図２に示した横型の成長装置を用いた。ＩＩＩ族原料に、ガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）ガスの反応物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用い、Ｖ族原料にアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いた。原料ガスの輸送に用いるキャリアガスにはＨ２とＮ２混合ガスを用いた。Ｇａ原料１４をハロゲン化物生成室３６内のソースボート１５にセットした。
【００４４】
成長手順は以下のようにした。まず、有機溶剤を用いてサファイア基板４３を超音波洗浄し、さらに、８０℃の硝酸に浸した後、純水で流水洗浄した。洗浄したサファイア基板４３を図１および図２の成長装置の基板ホルダ１８、１９、及び２０に１２枚取り付け、成長領域１３にセットし、基板ホルダを５０ｒｐｍで回転させた。ＩＩＩ族原料ガス供給管１２から２０００ｃｃ／ｍｉｎでＮ２ガスを供給した。Ｖ族原料ガス導入管２８からＮ２ガスとＨ２ガスをそれぞれ５０００ｃｃ／ｍｉｎ、１０００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。反応管１１内を電気炉１６と１７により昇温し、成長領域１３が６００℃の温度に上昇したところで１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを供給し、ＧａＮ膜４４表面の分解を抑えた。
【００４５】
次いでソースボート１５の温度を８５０℃とし、成長領域１３の温度を１０４０℃とした。温度が安定してから、Ｇａ原料１４上にＨＣｌガスを供給し、反応生成物の塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を成長領域１３に供給した。ＨＣｌガスの供給量は、２００ｃｃ／ｍｉｎとした。成長領域１３でＧａＣｌガスとＮＨ３ガスが反応して、図４（ｂ）に示したようにサファイア基板４３上の開口部４６に露出したＧａＮ膜４４表面からＧａＮ膜４７の成長が始まる。３時間の成長を行った後、ＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６および１７の電源を切断し、反応管１１全体を降温した。ＮＨ３ガスは、成長領域１３が５００℃の温度に下がるまで供給した。基板を反応管１１から取り出し、基板ホルダ１８、１９、および２０から外した。
【００４６】
成長したＧａＮ膜４７を評価したところ、１２枚全ての表面は鏡面で平坦な膜が得られた。また、膜厚の均一性を調べた結果、中心値が５５０μｍで、１２枚全てのサファイア基板上で±５％以下と、良好な膜厚均一性を示した。
【００４７】
実施例では、図１および図２に示した横型のＨＶＰＥ装置を用いて、ＧａＮ膜を成長したが、図２に示す縦型のＨＶＰＥ成長装置を用いても同様の膜が得られる。
【００４８】
実施例４
本実施例では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ膜をＨＶＰＥ成長させる例について説明する。用いた成長装置は、図２の縦型のＨＶＰＥ装置である。ＩＩＩ族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応による塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用い、Ｖ族原料にアルシン（ＡｓＨ３）ガスを用いた。キャリアガスに水素（Ｈ２）ガスを用いた。
【００４９】
まず、ＧａＡｓからなるウエハ４１を有機洗浄した後、８０℃の水＋硫酸＋過酸化水素水混合液を用いて表面エッチングを行い、その後純水で流水洗浄する。次に、図２の成長装置の基板ホルダ１８、１９、および２０にウエハ４１を１２枚取り付け、成長領域１３にセットした。基板ホルダは、８０ｒｐｍで回転させた。反応管１１内をＮ２ガスで置換してから、ハロゲンガス供給管２９からＩＩＩ族原料ガス供給管１２へ２５００ｃｃ／ｍｉｎのＨ２ガスを供給した。一方、Ｖ族原料ガス導入管２８から５０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ２ガスを供給した。反応管１１内のソースボート１５領域と成長領域１３を電気炉１６と１７で昇温する。ＧａＡｓからなるウエハ４１のセットされた成長領域１３の温度が６００℃に上昇したところで８０ｃｃ／ｍｉｎのＡｓＨ３ガスを供給してＧａＡｓウエハ４１表面の分解を抑えた。
【００５０】
次いでＧａ原料１４の温度を８００℃、成長領域１３の温度を７５０℃に昇温した。温度が安定してから、Ｇａ原料１４上に５ｃｃ／ｍｉｎでＨＣｌガスを供給して、ＧａＡｓ膜の成長を開始した。成長時間を２時間とした。ＧａＡｓ膜の成長後、Ｇａ原料１４上に供給したＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６、および１７の電源を切断して、反応管１１を降温した。成長領域１３の温度が５００℃の温度に下がるまでＡｓＨ３ガスの供給した。温度が常温まで下がってから成長結晶を反応管１１より取り出し、基板ホルダ１８、１９および２０から外した。
【００５１】
成長したＧａＡｓ膜を評価したところ、膜厚は６μｍであり、鏡面で平坦な表面が得られた。また、ホール測定により室温のキャリア濃度を測定したところ、ｎ型の導電性を示し、２×１０１５／ｃｍ−３、移動度は、７６００ｃｍ２／Ｖ・ｓの値を示した。
【００５２】
また、この成長したＧａＡｓ膜の膜厚の均一性を調べたところ、成長した１２枚で、±７％以下となり、膜厚均一性の良い膜が得られた。
実施例５
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図５に示す。図５（ｂ）は断面図、図５（ａ）はＢ−Ｂ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造のみが異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００５３】
遮蔽板５９は、キャリアガスや、Ｖ族原料ガスやＩＩＩ族原料ガスの逆流を防止するとともに、熱を遮断することにより遮蔽板５９によって区画された２つの室の温度を独立に制御できるようにしている。
【００５４】
ウエハ５７は、カバー５６を用いて基板ホルダ５５に固定される。それぞれのホルダ対は、その中心部に孔を有しており、この孔をＩＩＩ族原料ガス供給管５２が嵌挿している。
【００５５】
各基板ホルダ５５は固定軸５８で連結されている。基板ホルダ５５および固定軸５８からなる基板保持部材は、不図示のモータと接続した回転軸５４に連結され、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２を中心軸として０〜１００ｒｐｍで回転する構造となっている。これにより、各ウエハ５７は、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２の周囲を公転運動するようになっている。
【００５６】
ＩＩＩ族原料ガス供給管５２の側面に設けられたガスの噴出口５３は、反応管５１の成長領域にある基板ホルダ５５の中心部から反応管５１管壁方向に向かってＩＩＩ族原料ガスを噴出する。Ｖ族原料ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管５２と反応管５１の間から供給される。
【００５７】
基板ホルダ５５は、それぞれ半円形状を有し、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２に対し異なる設置角度で設けられている。これらは、いずれもウエハの公転面に対して斜めに傾斜した状態で設置されている。ここでは、基板ホルダの公転面に対して１０度程度傾斜させている。こうした半円形状の基板ホルダ５５が２個組み合わさって一対のホルダ対を構成する。このホルダ対は、Ｖ族原料ガスの供給元から見ると図５（ａ）に示すように円形形状となっている。図５の装置では、このホルダ対が２組設けられている。
【００５８】
本実施例の装置は、上記した構成を有するため、各基板ホルダ５５が回転するとＶ族原料ガスが外周から内方向に引き込まれ、ウエハ５７表面へ充分な量のＶ族原料ガスを供給できるようになっている。また、上流側の基板ホルダ５５から下流側の基板ホルダ５５へ、Ｖ族原料ガスが順次送出され、下流側に位置する基板ホルダにも上流側の基板ホルダと同様にＶ族原料ガスが安定的に供給されるようになっている。すなわち、本実施例によれば、生産性向上のために基板ホルダを複数列配置した構成において、どの基板ホルダに対しても充分にＶ族原料ガスを供給することが可能となる。
【００５９】
本実施例では、４個の半円状の基板ホルダを用いた構造例を示したが、さらにガス下流方向に複数の基板ホルダを設置することができる。また、基板ホルダの設置角度は、膜厚や組成の均一性を高めるために最適な角度で傾斜させることができる。
【００６０】
実施例６
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図６に示す。図６（ｂ）は装置断面図であり、図６（ａ）はＣ−Ｃ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造のみが異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００６１】
ウエハ６７は、カバー６６を用いて基板ホルダ６５に固定される。それぞれのホルダ対は、その中心部に孔を有しており、この孔をＩＩＩ族原料ガス供給管６２が嵌挿している。
【００６２】
各基板ホルダ６５は固定軸６８で連結されている。基板ホルダ６５および固定軸６８からなる基板保持部材は、不図示のモータと接続した回転軸６４に連結され、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２を中心軸として０〜１００ｒｐｍで回転する構造となっている。これにより、各ウエハ６７は、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の周囲を公転運動するようになっている。
【００６３】
ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の側面に設けられたガスの噴出口６３は、反応管６１の成長領域にある基板ホルダ６５の中心部から反応管６１管壁方向に向かって放射状に噴出する構造になっている。一方、Ｖ族原料ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管６２と反応管６１の間から供給される。
【００６４】
基板ホルダ６５およびカバー６６は、断面ＣＣに示すように概ね扇形状をしており、固定軸６８で固定されている。これらの基板ホルダ６５は、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の延長方向に沿って所定の間隔をおいて１０個設置されている。この装置では、扇形形状の各基板ホルダ６５が４個組み合わさって一対のホルダ対を構成する。
【００６５】
このホルダ対は、ＣＣ断面で見ると図６（ａ）に示すように円形形状となっている。一つの基板ホルダとこれに隣接する基板ホルダは、基板ホルダ全体の回転軸の回りに９０度回転させた配置とした。図６（ａ）において、基板ホルダ６５ａ、６５ｃが同一平面上に形成され、その下流側（Ｖ族原料ガスの流れ方向に対する下流側。以下、同様。）に基板ホルダ６５ｂ、６５ｄが同一平面上に形成されている。基板ホルダ６５ａの位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の下流側に基板ホルダｂが配置されている。そして、基板ホルダｂの位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の上流側に基板ホルダｃが配置され、さらにその位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の下流側に基板ホルダｄが配置されている。ウエハ６７は、カバー６６を用いて基板ホルダ６５に固定される。
【００６６】
遮蔽板６９は、キャリアガスや、Ｖ族原料ガスやＩＩＩ族原料ガスの逆流を防止するとともに、熱の遮断を行い遮蔽板６９によって区画された２つの室の温度を独立に制御できるようにしている。
【００６７】
本実施例の装置では、基板の公転軸、すなわちＩＩＩ族原料ガス供給管６２の延在方向に沿って、複数の基板ホルダ群が配置されている。各基板ホルダ群は、同一平面内で離間して配置された扇形状の２個の基板ホルダ６５により構成され、隣接する２組のホルダ群が、図６（ａ）に示すような円形配置をとる。扇形状の２個の基板ホルダ６５間の間隙部を介して、Ｖ族原料ガスが自由に流通するようになっている。また、一の基板ホルダ群の間隙部と、隣接する他の基板ホルダ群の間隙部が、基板ホルダの回転軸に対して９０度回転した位置関係になっており、これにより、Ｖ族原料ガスが円滑に下流側に送出される。すなわち、本実施例によれば、生産性向上のために基板ホルダを複数列配置した構成において、どの基板ホルダに対してもＶ族原料ガスを良好に供給することができる。
【００６８】
なお、基板ホルダの数は、上記の構成に限られず任意の数に設定することができる。また、基板ホルダを、基板の公転面に対して傾斜させてもよい。
【００６９】
実施例７
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図７に示す。図７（ｂ）は、装置断面図、図７（ａ）はＤ−Ｄ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造およびホルダの回転駆動系が異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００７０】
本実施例の装置では、ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りに、円盤状の基板ホルダ７４が複数配置されている。これらの基板ホルダ７４は、それぞれＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りを自公転する。基板ホルダ７４はＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りの同一平面上に４個配置されている。この４個のホルダからなるホルダ群が、公転軸に沿って複数設けられ、多数のウエハの処理を同時に行うことができるようになっている。
【００７１】
各基板ホルダ７４は固定軸７９で連結されている。基板ホルダ７４および固定軸７９からなる基板保持部材は、遊星歯車７７を具備する。この遊星歯車７７は、装置内に固定された内歯車７６、太陽歯車７８とともに遊星歯車機構を構成する。
【００７２】
この遊星歯車機構は、図１０に示す構造を有している。太陽歯車７８は不図示のモータによって回転し、遊星歯車７７が自公転するようになっている。
【００７３】
基板ホルダ７４は、断面ＤＤに示すように同一面内で４組配置され、さらに、ガスの流れ方向に３段が設置され、これらが自公転する構造となっている。
【００７４】
ウエハ８０は、カバー８１により基板ホルダ７４に固定する。遮蔽板７５は、上記実施例と同様にキャリアガスや、Ｖ族原料ガス、ＩＩＩ族原料ガスの逆流や、熱の遮断を行う。
【００７５】
ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の側面に設けられたガスの噴出口７３は、反応管７１の中心部から管壁方向に向かって放射状に噴出する構造になっている。
【００７６】
本実施例によれば、ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周囲に複数のウエハを配置し、これらを自公転させながらウエハ表面にＩＩＩ族原料ガスが放射状に供給される。このため、良好な膜質のＧａＮ系半導体層を高い生産性で得ることができる。
【００７７】
実施例８
本実施例では、ＩＩＩ族原料ガス供給管の他の構造例を示す。図８は本実施例に係るＩＩＩ族原料ガス供給管の構造例である。この構造では、二種類のＩＩＩ族原料を収容できる。例えば、ＩＩＩ族原料としてガリウム（Ｇａ）、他のＩＩＩ族原料としてアルミニウム（Ａｌ）を置くことができる。その上流の導入管８２、８５からキャリアガスとともに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入する。ＨＣｌガスはＧａ、Ａｌと反応して、それぞれＧａＣｌ、およびＡｌＣｌ３、ＡｌＣｌを発生させる。特にＡｌ系の場合には、ＡｌＣｌ３の状態で成長領域に輸送する方が好ましい。そのために通常はキャリアガスとして窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガスを用いる。水素（Ｈ２）キャリアガスを用いると、ＡｌＣｌが安定となり、また用いる石英反応管と反応してＡｌが成長領域の前でＡｌ２Ｏ３となって析出するからである。
【００７８】
また、Ａｌを用いた場合には固体のままの方が好ましく、その融点が６５９℃のために、Ａｌソースボートをこの温度より低い温度領域に置く。あまり温度が低いとＨＣｌガスとの反応性が低くなるために、温度は５００〜６５０℃にすることが好ましい。
【００７９】
この原料ガス供給管では、二種類のＩＩＩ族原料ガスを供給できるために成長領域において、ＡｌＧａＮのような三元混晶を成長させることができる。
【００８０】
ＡｌとＧａの他に、例えば、Ｉｎなどを置くことができる。さらに、ＩＩＩ族原料ガス供給管の３つの部屋に仕切ることによって、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎと三種類のＩＩＩ族原料を置くことができる。これによりＡｌＩｎＧａＮなどの四元混晶を成長させることができる。
【００８１】
実施例９
本実施例は、図１および図２の成長装置のＩＩＩ族原料ガス供給管１２を図８に示したＩＩＩ族原料ガス供給管に置き換えた装置を用い、ＡｌＧａＮ半導体結晶膜の成長を行った。
【００８２】
先ず、図９のように、２インチ（１０００）面のサファイア基板９１上に低温ＧａＮバッファー層を介して２μｍの厚さのＧａＮ膜９２を形成した。この基板結晶を成長装置にセットして、基板ホルダを５０ｒｐｍで回転させた。導入管８２、導入管８５からＮ２ガスを５００ｃｃ／ｍｉｎづつ、Ｖ族原料ガス導入管２８からＮ２ガスを６０００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。反応管１１内を電気炉１６と１７により昇温し、成長領域１３が６００℃の温度になってから１５００ｃｃ／ｍｉｎの流量のＮＨ３ガスをＶ族原料ガス導入管２８より供給し、ＧａＮ膜９２表面の分解を抑えた。その後、以下のようにしてＧａＮ膜９２上にＡｌＧａＮ膜９３を形成した。
【００８３】
Ａｌソースボート８６と、Ｇａソースボート８３領域の温度をそれぞれ６００℃、８００℃として、成長領域１３の温度を１０６０℃とした。温度が安定してから、Ｇａ原料８４、Ａｌソース８７上にＮ２キャリアガスとともにＨＣｌガスを供給し、反応生成物の塩化ガリウム（ＧａＣｌ）と、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）とを成長領域１３に供給した。ＨＣｌガスの供給量は、Ｇａソースに対して２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｌソースに対して１００ｃｃ／ｍｉｎである。成長領域１３でＧａＣｌ、ＡｌＣｌ３とＮＨ３ガスが反応して、ＧａＮ膜９２の上にＡｌＧａＮ膜９３が成長した。約２時間の成長を行った後、ＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６、および１７の電源を切断し、反応管１１全体を降温した。ＮＨ３ガスは、成長領域１３が５００℃の温度に下がるまで供給した。成長結晶を反応管１１から取り出し、基板ホルダ２０、２１、２２から外した。
成長したＡｌＧａＮ膜９３を評価したところ、１２枚全ての表面は鏡面で平坦な膜が得られた。また、Ｘ線ロッキングカーブによってＡｌの組成を調べた結果、約２０％のＡｌが含まれていることがわかった。組成の均一性を調べた結果、１２枚全てのウエファで±４％以下であり、良好な組成均一性を示した。
【００８４】
実施例では、図１および図２に示した横型のＨＶＰＥ装置を用いた成長例を示したが、図２に示す縦型のＨＶＰＥ成長装置を用いても同様な効果が得られる。
【００８５】
実施例１０
本実施例は、本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した例である。ＭＯＣＶＤ装置では、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム等の有機化合物を用いることから、この化合物の分解を抑制するため、装置全体を加熱せず基板を局所的に加熱する方式をとることが必要となる。このため、前述したＨＶＰＥ成長装置とは基板加熱手段が相違する。また、ＨＶＰＥ成長装置では、ＩＩＩ族原料として塩化ガリウム等のハロゲン化物を用いる関係上、ハロゲン化物生成室３６を設けていたが、ＭＯＣＶＤ装置ではこの室が存在しない。
【００８６】
以下、本実施例に係る装置およびこの装置を用いた成長方法について、図１３を参照し、サファイア基板上のＧａＮ膜の成長を例に挙げて説明する。まず２インチ（０００１）面サファイア基板１１７を有機洗浄した後、１００℃のリン酸と硫酸の混合液に３０分間浸してエッチングを行い、流水洗浄して成長表面処理を行う。つづいて、洗浄したサファイア基板１１７を反応管１１１内の基板ホルダ１１５の表面と裏面に合計８枚取り付けた。
【００８７】
基板ホルダ１１５は保持具１１８により回転軸１２４に取り付けられており、回転導入機１２０により回転できるようになっている。成長中、この基板ホルダを回転導入機１２０により１００ｒｐｍ程度で回転させた。成長中は、冷却のため、断熱板１２３に設けられた冷却管および回転軸１２４に設けられた冷却管１２５に、それぞれ２０００ｃｃ／ｍｉｎの冷却水を供給した。反応管１１１内をＮ２ガスで置換してから、導入管１１２と１１３よりＮ２ガスとＨ２ガスを供給した。ガス流量は、それぞれの導入管において、１５００ｃｃ／ｍｉｎ、および６０００ｃｃ／ｍｉｎである。
【００８８】
高周波発振器に接続された誘導コイル１２１により基板ホルダ１１５、カバー１１６を加熱した。基板ホルダ１１５はカーボン製であり、誘導コイル１２１により局所的に加熱される。これにより、１１００℃の温度で１０分間サファイア基板１１７の表面処理を行った。なお、サファイア基板１１７の温度は、パイロメータ１２２によりモニターした。
【００８９】
次に、サファイア基板１１７の温度を５００℃に降温した。温度が安定してから、導入管１１３から３０００ｃｃ／ｍｉｎのＮ２ガスとＨ２ガス、および８０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを供給し、導入管１１２から１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮ２ガスとＨ２ガス、および１０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。なお、成膜室内に導入されたガスは排気口１２６より排出される。
【００９０】
導入管１１２より供給したキャリアガスやＴＭＧは、吹出口１１４より反応管１１１の管壁方向に吹出してサファイア基板１１７上に供給され、導入管１１３より供給したキャリアガスやＮＨ３ガスは、基板ホルダ１１５と反応管１１１の隙間からサファイア基板１１７上に供給され、両者が基板上で反応することでＧａＮ膜が成長する。７分間の成長で、サファイア基板１１７上に３０ｎｍの厚さのＧａＮ膜が成長した。
【００９１】
次に、ＴＭＧガスの供給を停止し、ＮＨ３ガスを供給しながらサファイア基板１１７を、約１２分間で１０７０℃の温度に昇温した。温度が安定してから導入管１１２より１００μｍｏｌ／ｍｉｎの流量のＴＭＧを供給しＧａＮ膜を６０分間成長した。
【００９２】
サファイア基板１１７上に成長したＧａＮ膜は平坦な表面であった。また、厚さは２μｍで、膜厚の均一性を調べた結果、８枚全てにおいて±３％以下であり、良好な均一性が得られた。
【００９３】
本実施例では、ＧａＮ膜の例を示したが、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用いることで、Ａｌ１−ＸＧａＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ１−ＸＧａＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜が成長できる。また、アルシン（ＡｓＨ３）やホスフィン（ＰＨ３）等を用いることで、Ａｌ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ａｌ１−ＸＧａＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜がＩｎ１−ＸＧａＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜が形成できる。
【００９４】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９５】
たとえば、被処理基板のサイズは、上記実施例では２インチ径（直径）のものを使用したが、たとえば４インチ径の大口径基板を用いることもできる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基板表面での反応が効率良く進行するような流動状態で反応ガスを供給し良好な膜質の半導体成長層を形成する成長装置が提供される。また、従来にない高い生産性を有する成長装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図２】図１に示したＨＶＰＥ成長装置のＡＡ断面図である。
【図３】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図４】窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させる工程を説明する工程断面図である。
【図５】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図６】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図７】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図８】ＩＩＩ族原料ガス供給管の構造の一例を示す図である。
【図９】窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させる工程を説明する工程断面図である。
【図１０】図７の成長装置を回転駆動する遊星歯車の構造を示す図である。
【図１１】従来のＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図１２】従来のＭＯＣＶＤ成長装置の概略図である。
【図１３】実施の形態に係るＭＯＣＶＤ成長装置の概略図である。
【符号の説明】
１１ 反応管
１２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
１３ 成長領域
１４ Ｇａ原料
１５ ソースボート
１６ 電気炉
１７ 電気炉
１８ 基板ホルダ
１９ 基板ホルダ
２０ 基板ホルダ
２１ カバー
２２ 固定部材
２３ 固定部材
２４ 回転軸
２５ 噴出口
２６ モータ
２８ Ｖ族原料ガス導入管
２９ ハロゲンガス供給管
３０ ドーピングガス供給管
３１ 遮蔽板
３２ 排気口
３６ ハロゲン化物生成室
４１ ウエハ
４２ ＩＩＩ族化合物半導体
４３ サファイア基板
４４ ＧａＮ膜
４５ マスク
４６ 開口部
４７ ＧａＮ膜
５１ 反応管
５２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
５３ 噴出口
５４ 回転軸
５５ 基板ホルダ
５６ カバー
５７ ウエハ
５８ 固定軸
５９ 遮蔽板
６１ 反応管
６２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
６３ 噴出口
６４ 回転軸
６５ 基板ホルダ
６５ａ 基板ホルダ
６５ｂ 基板ホルダ
６５ａ 基板ホルダ
６６ カバー
６７ ウエハ
６８ 固定軸
６９ 遮蔽板
７１ 反応管
７２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
７３ 噴出口
７４ 基板ホルダ
７５ 遮蔽板
７６ 内歯車
７７ 遊星歯車
７８ 太陽歯車
７９ 固定軸
８０ ウエハ
８１ カバー
８２ 導入管
８３ ソースボート
８４ Ｇａ原料
８５ 導入管
８６ ソースボート
８７ Ａｌソース
９１ サファイア基板
９２ ＧａＮ膜
９３ ＡｌＧａＮ膜
３６ ハロゲン化物生成室
１１１ 反応管
１１２ 導入管
１１３ 導入管
１１４ 吹出口
１１５ 基板ホルダ
１１６ カバー
１１７ サファイア基板
１１８ 保持具
１２０ 回転導入機
１２１ 誘導コイル
１２２ パイロメータ
１２３ 断熱板
１２４ 回転軸
１２５ 冷却管
１２６ 排出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体は、バンドギャップが大きく、またバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長発光素子や電子素子への展開が大いに期待されている。こうした素子を得るためには、基板上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させて素子構造を作成することが必要となる。ところが、窒化ガリウムと格子定数の整合する下地基板が存在しないことから、サファイアやＳｉＣなどの異種基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて数μｍ〜数百μｍの窒化ガリウム結晶を予め成長させ、この上にデバイス構造を作製することが行われている。
【０００３】
こうした成長法のうち、特にＨＶＰＥは、成長速度が速く、窒化ガリウム系半導体層を厚膜に成長させたり、窒化ガリウム基板を作製したりするのに好適に用いられる。特許文献１には、ＨＶＰＥによる窒化ガリウム系半導体の成長装置が記載されている。同文献に記載されたＨＶＰＥ成長装置の構造を図１１に示す。この結晶成長装置１０１は、外周に抵抗加熱ヒータ１０４を備え、フランジ１１０により密閉された結晶成長容器１０８と、ＨＣｌガスを導入するための第１の導入管１０３と、ＮＨ３ガスを導入する第２の導入管１０２と、結晶成長容器１０８内に配置される基板保持具１０５とで構成される。なお、この結晶成長装置において、前記第１の導入管および前記第２の導入管並びに前記結晶成長容器の壁面等は石英を基材とした材料で形成されている。また、結晶成長容器１０８の側面にはガスの排気口１０７が穿設されており、第１の導入管１０３には原料載置部１０９が設けられこの部分にＧａ原料が配置されている。
【０００４】
ところが、ＨＶＰＥ法では、目的とする基板上に均一性、再現性に優れた単結晶成長を行うことは容易ではなかった。例えば、窒化ガリウムは、ＨＶＰＥ法においては、ＮＨ３＋ＧａＣｌ→ＧａＮ＋Ｈ２＋ＨＣｌなる反応で生成するが、ＮＨ３とＧａＣｌとの混合が充分に行われず、また熱的に活性化されて分解したＮＨ３が基板上に供給されないと、膜厚の成長速度が小さく、また、成長装置内において分布が生じると、得られる窒化ガリウムの膜厚が不均一となるという問題があった。
【０００５】
また、従来のＨＶＰＥ成長装置は、生産性の点で改善の余地を有していた。図１１は典型的なＨＶＰＥ成長装置の例であるが、この種の装置では、内部に一枚のウエハまたはせいぜい２〜３枚のウエハが設置されるのみであり、充分に高い生産効率を得ることが困難であった。
【０００６】
一方、特許文献２には、図１２に示す構造のＭＯＣＶＤ成長装置が記載されている。この装置は、以下の構成を有している。筐体２０２の底部にリング状の固定板２０３を固定し、その上にベアリング２０４を介して円周方向に回転自由のリング状のターンテーブル２０５を乗せる。ターンテーブル２０５の内側円周面には公転ギヤが刻まれており、これに噛合する歯車２０５ａがモータ２０６により回転すると、矢印Ａの方向に回転する。ターンテーブル２０５には複数の回転軸２０７が等間隔で垂直に配列され回転自由に取り付けられており、これらはターンテーブル２０５の回転とともに、矢印Ａの方向に移動、すなわち公転する。一方、回転軸２０７の下部の先端に取り付けられた歯車２０７ａが固定板２０３の上に固定された自転ギヤ２０３ａと噛合してターンテーブル２０５の回転とともに回転し、回転軸２０７が矢印Ｂの方向に自転する。
【０００７】
反応ガスは吸入口２１２より吸入されてダウンフローする。反応ガスの供給先には、上端に富士山状の突起を備えたスタンド２１０が設けられ、ウエハはその周囲に配置される構造となっている。供給ガスは、突起２１１ａにより矢印Ｃの方向に向かい、自公転するウエハ２０９の表面をフローして反応、蒸着する。
【０００８】
ところがこの装置は、上記のようにガスの流れ方向を制御している関係上、ウエハを水平状態に保ちつつ同一平面内に配置することが必要となる。このように基板の配置方法に制約が加わる結果、ウエハ設置枚数の増加による生産効率向上にも制限が加わることとなる。また、窒化ガリウム系半導体の成長装置として適用する場合、ＭＯＣＶＤでは充分に大きい成長速度を得ることが困難であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３０５１５５号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２５０１３５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、基板表面での反応が効率良く進行するような流動状態で反応ガスを供給し良好な膜質の半導体層を形成する成長装置を提供することにある。特にハイドライド気相成長による成長を行う装置において、基板表面への原料ガスの供給を円滑に行い、高い成長速度を実現することを目的とする。
【００１１】
また本発明の別の目的は、複数の基板に対して一度に処理を行い、高い生産性で成長を行う成長装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、成長室と、前記成長室内に設けられ、第一の反応ガスを供給するガス供給管と、前記第一の反応ガスと反応する第二の反応ガスを前記成長室内に供給するガス供給部と、前記ガス供給管の周囲に複数の基板を配置する基板保持部材と、前記基板保持部材および前記ガス供給管のうちの一方を他方に対して相対回転させることにより前記ガス供給管の周囲に前記複数の基板を公転させる回転駆動部と、を備え、前記ガス供給管は、その側壁に前記第一の反応ガスを供給するガス供給口を有し、前記ガス供給口から前記基板の表面に向けて前記第一の反応ガスが放射状に供給されるようにしたことを特徴とする気相成長装置が提供される。
【００１３】
この気相成長装置は、複数の基板をガス供給管の周囲に配置し、ガス供給口から前記基板の表面に向けて前記第一の反応ガスが放射状に供給されるようにしている。このため、基板表面において、第一および第二の反応ガスの反応を促進するガス流動状態が実現され、この結果、良好な品質の半導体層を得ることができる。
【００１４】
また、ガス供給管の周囲に配置する構成を有するため、基板の配置方法に関する自由度が大きくなる。前述の特許文献２に開示されている従来のＭＯＣＶＤ装置では、ガス供給口近くのガス流整流部材の周辺に、各基板を水平状態に保ちつつ同一平面内に配置する必要があり、基板設置枚数の増加に限界があった。この点、本発明の装置は複数の基板をガス供給管の周囲に配置するので、基板配置に関する自由度が大きく、たとえば、ガス供給管周辺に密に基板を配置したり、ガス供給管の延長方向に沿って複数の基板を配置したりする等、装置の大型化を回避しつつ基板枚数を増加させ生産効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明の気相成長装置において、前記基板保持部材は、中心部に嵌挿孔を有する基板保持台を含み、前記ガス供給管は、前記基板保持台の前記嵌挿孔に嵌挿されており、前記回転駆動部は、前記ガス供給管を中心軸として前記基板保持台を回転駆動する構成とすることができる。
【００１６】
このような構成を採用すれば、ガス供給管を中心軸として基板保持台を回転させることで、その基板保持台に保持された基板を公転させることができる。このため、複数の基板をガス供給管周りに公転させる構造を比較的簡便な機構で実現することができる。また、基板保持台上を中心部から外方向へ向かう層流を安定的に形成することができ、良好な品質の半導体層を得ることが可能となる。
【００１７】
この気相成長装置において、前記基板保持台は、その表面および裏面にそれぞれ基板を保持できるように構成されており、前記ガス供給管は、前記基板保持台の一方の面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口と、前記基板保持台の裏面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口とを具備する構成とすることができる。ここで、基板保持台は、前記ガス供給管に対して略垂直に設けてもよいし、斜めに設けてもよい。さらに、基板保持台が、ガス供給管に対する設置角度の異なる複数の面を有する構成としてもよい。
【００１８】
さらに、上記気相成長装置において、前記ガス供給管の延長方向に沿って複数の前記基板保持台が配置され、この複数の前記基板保持台の嵌挿孔に前記ガス供給管が嵌挿されており、前記ガス供給管は複数のガス供給口を具備し、各基板保持台に保持された基板の表面に対し、いずれかのガス供給口から第一の反応ガスが供給されるようにした構成とすることができる。このようにすれば、多数の基板を同時に処理し、高い生産性を実現することができる。
【００１９】
本発明の気相成長装置において、基板保持台は、ガス供給管周りに離間して配置された複数の基板保持部により構成することができる。このようにすれば、基板保持部間の間隙部を介して原料ガスが流通するようになっている。このため、ガス供給管の延長方向に沿って基板保持台を複数列配置した構成において、基板ホルダに対する原料ガスの供給状態を良好にすることができる。基板保持台を構成する基板保持部の数は任意に設定することができる。また、各基板保持部を基板の公転面に対して傾斜させてもよい。
【００２０】
本発明の気相成長装置において、基板保持部材は、ガス供給管の延長方向に沿って配置された複数の基板保持台と、該基板保持台を連結する連結部材とを具備し、当該基板保持部材がガス供給管の周囲に複数配置されている構成としてもよい。さらに、この構成において、回転駆動部により回転駆動される太陽歯車と、複数の基板保持部材にそれぞれ設けられ太陽歯車に噛合する遊星歯車とからなる遊星歯車機構をさらに備え、該遊星歯車機構により、ガス供給管の周囲を基板保持台が自公転運動するように構成することができる。これにより、簡便な機構で基板を自公転させながら成長を行うことができる。
【００２１】
本発明の気相成長装置において、成長室は、仕切り部材により、第一の室と該第一の室に連通する第二の室とに区画されており、第一の室に基板保持部材が配置され、第二の室に、第二の反応ガスを供給するガス供給部が設けられた構成とすることができる。これにより、基板処理を行う室と第二の反応ガスが導入される室とを独立に温度制御することができるため、充分に加熱して熱的に活性化した第二の反応ガスを基板処理室に導入し、効率の良い成長を実現することができる。
【００２２】
本発明の気相成長装置は、ハイドライド気相成長による成長を行う装置に適用した場合、最も効果的である。この場合、第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、第二の反応ガスがＶ族原料ガスを含むものとする。ＭＯＣＶＤ装置では、通常、ダウンフロー方式により原料ガスが供給される。そして、ウエハの載置台にヒータを設置し、基板が局所的に加熱する方式が採用される。これに対してＨＶＰＥ装置では、Ｖ族原料ガスが満たされた反応管内に、Ｇａ等のＩＩＩ族原料の加熱蒸気とハロゲンガスを反応させて得られるＩＩＩ族原料ガスを導入し、成長を行う。このため、通常ＨＶＰＥ法ではヒータにより反応管全体を加熱する方式が採用される。
【００２３】
また、ＭＯＣＶＤ装置を用いて窒化ガリウムの成長を行う場合、Ｖ族原料ガスとＩＩＩ族原料ガスとを基板表面近傍まで導き、基板表面において両者を反応させ、成長を行う。この方式ではＶ族原料の分解効率があまり高くなく、高い成長速度を得るには一定の限界があった。一方、ＨＶＰＥによれば、反応装置内に充填されたＶ族原料が装置内で滞留している間に分解が進み、高い成長速度を実現することが可能となる。本発明をＨＶＰＥ成長装置に適用した場合、Ｖ族原料の分解物の存在下、ガス供給管の側壁に設けられたガス供給口から良好なガス流動状態にてＩＩＩ族元素のハロゲン化物が供給される結果、基板表面で効率良く反応が進行し、良好な半導体層を高い生産性で得ることができる。
【００２４】
こうしたＨＶＰＥ成長装置においては、成長室の周囲に加熱手段が設け、ガス供給部から供給された第二の反応ガスが加熱手段により加熱されるように構成するとよい。この場合、第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、第二の反応ガスが水素化窒素ガスを含むものとする。この構成を採用した場合、本発明の効果がより顕著に発揮される。ハイドライド気相成長により良質な膜を高い生産性で形成するためには、水素化窒素ガスの分解効率を高めることが重要である。上記構成によれば、水素化窒素ガスは成長室内に滞在する間に加熱手段によって充分に加熱され分解する。分解したガスは、ガス供給口から供給されたＩＩＩ族元素のハロゲン化物と反応し、反応生成物が基板上に堆積する。こうした成長方式は、基板付近に供給口を有するガス供給管によって、２種類のガスを基板表面に供給するダウンフロー型のＭＯＣＶＤ装置とは原理的に相違する。ＨＶＰＥ成長装置にダウンフロー型の原料ガス供給方式を採用した場合、水素化窒素ガスの分解効率を充分に高くすることが困難である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について、実施例に基づいて説明する。
【００２６】
実施例１
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図１および図２に示す。図１および図２に示す成長装置は、成長の行われる反応管１１と、反応管１１にＶ族原料ガスを供給するＶ族原料ガス導入管２８と、ＩＩＩ族原料ガスを生成するハロゲン化物生成室３６と、生成したＩＩＩ族原料ガス（ハロゲン化ガス）を反応管１１に供給するＩＩＩ族原料ガス供給管１２と、反応管１１の内部に配置され被処理基板を保持する基板ホルダ２０とを備えている。反応管１１の直径は１６０ｍｍである。
【００２７】
ハロゲン化物生成室３６は塩化ガリウムを生成し、これを、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を介して基板ホルダ２０上のウエハ４１表面に供給する。ハロゲン化物生成室３６は、ハロゲンガス供給管２９およびドーピングガス供給管３０を備えるとともに、Ｇａ原料１４を収容するソースボート１５を含んでいる。ハロゲンガス供給管２９の供給口は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２内の上流側に配置され、供給された塩素ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管１２内で滞留するようになっている。これにより、ハロゲンガスと揮発したＧａとが接触する時間を長く確保できるようになっている。このため、Ｇａの塩化反応が促進され、塩素ガスの流量を増大させた場合でも、塩化ガリウムの生成効率は低下しない。導入された塩素の大部分は塩化ガリウムになり、未反応塩素の残存は微量にとどまる。
【００２８】
反応管１１は遮蔽板３１により２つの室に区画されている。図中左側に位置する室では、Ｖ族原料ガス導入管２８から供給されたアンモニアが滞留し、分解が促進される。この室の周囲には電気炉１６が配置され、室内はたとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。図中右側に位置する成長領域１３には、ウエハ４１を保持する基板ホルダが配置され、この室内でＧａＮの成長が行われる。この室の周囲には電気炉１７が配置され、室内はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持される。遮蔽板３１は、成長領域１３の高温度領域からハロゲン化物生成室３６の配置された領域へ熱が拡散することを抑制する。本装置では、このような割型炉とすることにより昇温および降温速度を迅速に行うことを可能としている。この成長装置では、ハロゲン化物生成室３６の配置された領域の温度は±１℃以下に制御され、成長領域１３は０〜±５℃／ｃｍの温度勾配で制御できる構造となっている。
【００２９】
Ｖ族原料ガス導入管２８から供給されたアンモニアは、図中左側の室で滞留し分解した後、遮蔽板３１の間隙を介して図中右側の室に流入する。この室内に配置されたウエハ４１表面において、アンモニア分解物と塩化ガリウムとが反応し、ウエハ４１表面にＧａＮが堆積する。
【００３０】
ＡＡ断面図に示すように、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２は、基板ホルダ１８、１９の中心に設けられた孔に嵌挿されている。ウエハ４１は、カバー２１と固定部材２２、２３とにより各基板ホルダに取り付けられる。本装置では、基板ホルダ１８の裏面に３枚、基板ホルダ１９の両面に６枚、および基板ホルダ２０の表面に３枚が取り付けられるようになっている。
【００３１】
基板ホルダ１８、１９および２０は、固定部材２２、２３により連結されている。基板ホルダ２０は、回転軸２４を介してモータ２６と連結しており、モータ２６により、基板ホルダ１８、１９および２０の全体が、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２を中心軸として回転運動するようになっている。この回転運動により、基板ホルダ１８、１９および２０に保持された各ウエハ４１は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲を公転運動する。このようにウエハ４１を公転させながら成長ガスを供給することにより、基板面内におけるＧａＮ層の膜質および厚みの均一化を図ることができる。なお、ＧａＮ層中に不純物を導入する場合は、ドーピングガス供給管３０により適宜ドーピングガスを供給する。
【００３２】
ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の側面には、ＩＩＩ族原料ガスの噴出口２５が設けられている。この装置では、供給管の周囲に９０度おきに４カ所の噴出口２５を設け、ガスが上下左右四方向へ放射状に供給されるようにした。噴出口の数は単数でも複数でもよく、目的に応じて適宜に設計される。噴出口２５の位置は、基板ホルダ１８と基板ホルダ１９の間、および、基板ホルダ１９と基板ホルダ２０の間とした。
【００３３】
Ｖ族原料ガスは、Ｖ族原料ガス導入管２８より供給され、反応管１１全体に行き渡り、電気炉１６によって充分に加熱され活性化された後、成長領域１３に導入される。
【００３４】
ＩＩＩ族原料ガスおよびＶ族原料ガスの輸送のためのキャリアガスとしては、水素（Ｈ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、Ｈ２とＮ２の混合ガスを用いる。ドーピングガスは、ドーピングガス供給管３０より導入される。キャリアガス、ＩＩＩ族原料ガス、および、Ｖ族原料ガス、ドーピングガスは排気口３２より排出される。
【００３５】
以上の構成を有する装置において、成長領域１３に供給された塩化ガリウムおよびアンモニアの分解物が反応することで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体４２をウエハ４１表面にＨＶＰＥ成長させることができる。
【００３６】
この気相成長装置は、ＩＩＩ族原料ガス供給管１２の周囲に複数の基板を配置し、噴出口２５から基板の表面に向けて塩化ガリウムが放射状に供給されるようにしている。このため、アンモニアの分解物および塩化ガリウムの基板表面における反応を促進するガスの流動状態が実現され、良好な品質のＧａＮ層を得ることができる。
【００３７】
また本装置は、ガス供給管の周囲に基板を配置する構成を有するため、基板の配置方法に関する自由度が大きく、従来に比し処理基板枚数を大幅に増加することができる。また、本実施例では３つの基板ホルダ１８、１９、および２０を有する構造としたが、成長領域の大きさ等に応じて基板ホルダの個数を増減できる。
【００３８】
この装置を用いることで、Ｉｎ１−ＸＧａＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１−ＸＧａＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ１−ＸＧａＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１−ＸＧａＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ１−ＸＧａＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ１ −ＸＧａＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、ＧａＡｓ１−ＸＰＸ膜（０≦Ｘ≦１）等の成長を行うことができる。
【００３９】
こうした膜を成長させるにあたり、ＩＩＩ族原料ガスとして、ガリウム（Ｇａ）と塩化水素の反応性生物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と塩化水素の反応生成物であるＧａＣｌ、インジウム（Ｉｎ）と塩化水素の反応性生物である塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、ＩｎＣｌ３、およびアルミニウム（Ａｌ）と塩化水素の反応性生物である塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）等が用いることができる。また、Ｖ族原料として、アンモニア（ＮＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）等の有機砒素、および、ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）等の有機リンを用いることができる。
【００４０】
実施例２
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図２に示す。この装置は、第一の実施例で説明した装置を縦型にしたものである。図３において、図１および図２と共通する部分については同じ符号を付してある。この装置は、図１および図２に示す装置と、装置が縦型である点、これにともないソースボート１５の配置が変更された点のみ異なっており、その他は同様の構造を有している。したがって、本実施例では、各部の詳細な構造の説明は省略する。
【００４１】
本実施例の装置は、基板ホルダ１８、１９、２０が縦に一列に並ぶ配置となっており、基板ホルダの面は水平方向に位置している。このため、回転軸２４およびモータ２６にかかる負荷を低減できる。
【００４２】
実施例３
本実施例では、図１および図２の成長装置を用いて窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させた例を説明する。以下、図４を参照して説明する。まず、図４（ａ）のように、２インチ（１０００）面のサファイア基板４３上に低温ＧａＮバッファー層を介して２μｍの厚さのＧａＮ膜４４を成長した。ＧａＮ膜４４表面にＳｉＯ２膜（マスク）４５を形成し、フォトリソグラフィにより、ストライプ状の開口部４６を形成した。開口部はＧａＮ膜４４の＜１１−２０＞方向に１０μｍ巾で形成され、マスク４５巾は４μｍとし、１４μｍピッチでＧａＮ膜４４表面全体にストライプパターンを形成した。
【００４３】
ＧａＮ膜４７の成長には、図１および図２に示した横型の成長装置を用いた。ＩＩＩ族原料に、ガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）ガスの反応物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用い、Ｖ族原料にアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いた。原料ガスの輸送に用いるキャリアガスにはＨ２とＮ２混合ガスを用いた。Ｇａ原料１４をハロゲン化物生成室３６内のソースボート１５にセットした。
【００４４】
成長手順は以下のようにした。まず、有機溶剤を用いてサファイア基板４３を超音波洗浄し、さらに、８０℃の硝酸に浸した後、純水で流水洗浄した。洗浄したサファイア基板４３を図１および図２の成長装置の基板ホルダ１８、１９、及び２０に１２枚取り付け、成長領域１３にセットし、基板ホルダを５０ｒｐｍで回転させた。ＩＩＩ族原料ガス供給管１２から２０００ｃｃ／ｍｉｎでＮ２ガスを供給した。Ｖ族原料ガス導入管２８からＮ２ガスとＨ２ガスをそれぞれ５０００ｃｃ／ｍｉｎ、１０００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。反応管１１内を電気炉１６と１７により昇温し、成長領域１３が６００℃の温度に上昇したところで１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを供給し、ＧａＮ膜４４表面の分解を抑えた。
【００４５】
次いでソースボート１５の温度を８５０℃とし、成長領域１３の温度を１０４０℃とした。温度が安定してから、Ｇａ原料１４上にＨＣｌガスを供給し、反応生成物の塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を成長領域１３に供給した。ＨＣｌガスの供給量は、２００ｃｃ／ｍｉｎとした。成長領域１３でＧａＣｌガスとＮＨ３ガスが反応して、図４（ｂ）に示したようにサファイア基板４３上の開口部４６に露出したＧａＮ膜４４表面からＧａＮ膜４７の成長が始まる。３時間の成長を行った後、ＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６および１７の電源を切断し、反応管１１全体を降温した。ＮＨ３ガスは、成長領域１３が５００℃の温度に下がるまで供給した。基板を反応管１１から取り出し、基板ホルダ１８、１９、および２０から外した。
【００４６】
成長したＧａＮ膜４７を評価したところ、１２枚全ての表面は鏡面で平坦な膜が得られた。また、膜厚の均一性を調べた結果、中心値が５５０μｍで、１２枚全てのサファイア基板上で±５％以下と、良好な膜厚均一性を示した。
【００４７】
実施例では、図１および図２に示した横型のＨＶＰＥ装置を用いて、ＧａＮ膜を成長したが、図２に示す縦型のＨＶＰＥ成長装置を用いても同様の膜が得られる。
【００４８】
実施例４
本実施例では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ膜をＨＶＰＥ成長させる例について説明する。用いた成長装置は、図２の縦型のＨＶＰＥ装置である。ＩＩＩ族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応による塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用い、Ｖ族原料にアルシン（ＡｓＨ３）ガスを用いた。キャリアガスに水素（Ｈ２）ガスを用いた。
【００４９】
まず、ＧａＡｓからなるウエハ４１を有機洗浄した後、８０℃の水＋硫酸＋過酸化水素水混合液を用いて表面エッチングを行い、その後純水で流水洗浄する。次に、図２の成長装置の基板ホルダ１８、１９、および２０にウエハ４１を１２枚取り付け、成長領域１３にセットした。基板ホルダは、８０ｒｐｍで回転させた。反応管１１内をＮ２ガスで置換してから、ハロゲンガス供給管２９からＩＩＩ族原料ガス供給管１２へ２５００ｃｃ／ｍｉｎのＨ２ガスを供給した。一方、Ｖ族原料ガス導入管２８から５０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ２ガスを供給した。反応管１１内のソースボート１５領域と成長領域１３を電気炉１６と１７で昇温する。ＧａＡｓからなるウエハ４１のセットされた成長領域１３の温度が６００℃に上昇したところで８０ｃｃ／ｍｉｎのＡｓＨ３ガスを供給してＧａＡｓウエハ４１表面の分解を抑えた。
【００５０】
次いでＧａ原料１４の温度を８００℃、成長領域１３の温度を７５０℃に昇温した。温度が安定してから、Ｇａ原料１４上に５ｃｃ／ｍｉｎでＨＣｌガスを供給して、ＧａＡｓ膜の成長を開始した。成長時間を２時間とした。ＧａＡｓ膜の成長後、Ｇａ原料１４上に供給したＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６、および１７の電源を切断して、反応管１１を降温した。成長領域１３の温度が５００℃の温度に下がるまでＡｓＨ３ガスの供給した。温度が常温まで下がってから成長結晶を反応管１１より取り出し、基板ホルダ１８、１９および２０から外した。
【００５１】
成長したＧａＡｓ膜を評価したところ、膜厚は６μｍであり、鏡面で平坦な表面が得られた。また、ホール測定により室温のキャリア濃度を測定したところ、ｎ型の導電性を示し、２×１０１５／ｃｍ−３、移動度は、７６００ｃｍ２／Ｖ・ｓの値を示した。
【００５２】
また、この成長したＧａＡｓ膜の膜厚の均一性を調べたところ、成長した１２枚で、±７％以下となり、膜厚均一性の良い膜が得られた。
実施例５
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図５に示す。図５（ｂ）は断面図、図５（ａ）はＢ−Ｂ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造のみが異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００５３】
遮蔽板５９は、キャリアガスや、Ｖ族原料ガスやＩＩＩ族原料ガスの逆流を防止するとともに、熱を遮断することにより遮蔽板５９によって区画された２つの室の温度を独立に制御できるようにしている。
【００５４】
ウエハ５７は、カバー５６を用いて基板ホルダ５５に固定される。それぞれのホルダ対は、その中心部に孔を有しており、この孔をＩＩＩ族原料ガス供給管５２が嵌挿している。
【００５５】
各基板ホルダ５５は固定軸５８で連結されている。基板ホルダ５５および固定軸５８からなる基板保持部材は、不図示のモータと接続した回転軸５４に連結され、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２を中心軸として０〜１００ｒｐｍで回転する構造となっている。これにより、各ウエハ５７は、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２の周囲を公転運動するようになっている。
【００５６】
ＩＩＩ族原料ガス供給管５２の側面に設けられたガスの噴出口５３は、反応管５１の成長領域にある基板ホルダ５５の中心部から反応管５１管壁方向に向かってＩＩＩ族原料ガスを噴出する。Ｖ族原料ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管５２と反応管５１の間から供給される。
【００５７】
基板ホルダ５５は、それぞれ半円形状を有し、ＩＩＩ族原料ガス供給管５２に対し異なる設置角度で設けられている。これらは、いずれもウエハの公転面に対して斜めに傾斜した状態で設置されている。ここでは、基板ホルダの公転面に対して１０度程度傾斜させている。こうした半円形状の基板ホルダ５５が２個組み合わさって一対のホルダ対を構成する。このホルダ対は、Ｖ族原料ガスの供給元から見ると図５（ａ）に示すように円形形状となっている。図５の装置では、このホルダ対が２組設けられている。
【００５８】
本実施例の装置は、上記した構成を有するため、各基板ホルダ５５が回転するとＶ族原料ガスが外周から内方向に引き込まれ、ウエハ５７表面へ充分な量のＶ族原料ガスを供給できるようになっている。また、上流側の基板ホルダ５５から下流側の基板ホルダ５５へ、Ｖ族原料ガスが順次送出され、下流側に位置する基板ホルダにも上流側の基板ホルダと同様にＶ族原料ガスが安定的に供給されるようになっている。すなわち、本実施例によれば、生産性向上のために基板ホルダを複数列配置した構成において、どの基板ホルダに対しても充分にＶ族原料ガスを供給することが可能となる。
【００５９】
本実施例では、４個の半円状の基板ホルダを用いた構造例を示したが、さらにガス下流方向に複数の基板ホルダを設置することができる。また、基板ホルダの設置角度は、膜厚や組成の均一性を高めるために最適な角度で傾斜させることができる。
【００６０】
実施例６
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図６に示す。図６（ｂ）は装置断面図であり、図６（ａ）はＣ−Ｃ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造のみが異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００６１】
ウエハ６７は、カバー６６を用いて基板ホルダ６５に固定される。それぞれのホルダ対は、その中心部に孔を有しており、この孔をＩＩＩ族原料ガス供給管６２が嵌挿している。
【００６２】
各基板ホルダ６５は固定軸６８で連結されている。基板ホルダ６５および固定軸６８からなる基板保持部材は、不図示のモータと接続した回転軸６４に連結され、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２を中心軸として０〜１００ｒｐｍで回転する構造となっている。これにより、各ウエハ６７は、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の周囲を公転運動するようになっている。
【００６３】
ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の側面に設けられたガスの噴出口６３は、反応管６１の成長領域にある基板ホルダ６５の中心部から反応管６１管壁方向に向かって放射状に噴出する構造になっている。一方、Ｖ族原料ガスはＩＩＩ族原料ガス供給管６２と反応管６１の間から供給される。
【００６４】
基板ホルダ６５およびカバー６６は、断面ＣＣに示すように概ね扇形状をしており、固定軸６８で固定されている。これらの基板ホルダ６５は、ＩＩＩ族原料ガス供給管６２の延長方向に沿って所定の間隔をおいて１０個設置されている。この装置では、扇形形状の各基板ホルダ６５が４個組み合わさって一対のホルダ対を構成する。
【００６５】
このホルダ対は、ＣＣ断面で見ると図６（ａ）に示すように円形形状となっている。一つの基板ホルダとこれに隣接する基板ホルダは、基板ホルダ全体の回転軸の回りに９０度回転させた配置とした。図６（ａ）において、基板ホルダ６５ａ、６５ｃが同一平面上に形成され、その下流側（Ｖ族原料ガスの流れ方向に対する下流側。以下、同様。）に基板ホルダ６５ｂ、６５ｄが同一平面上に形成されている。基板ホルダ６５ａの位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の下流側に基板ホルダｂが配置されている。そして、基板ホルダｂの位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の上流側に基板ホルダｃが配置され、さらにその位置から図中反時計回りに９０度回転した位置の下流側に基板ホルダｄが配置されている。ウエハ６７は、カバー６６を用いて基板ホルダ６５に固定される。
【００６６】
遮蔽板６９は、キャリアガスや、Ｖ族原料ガスやＩＩＩ族原料ガスの逆流を防止するとともに、熱の遮断を行い遮蔽板６９によって区画された２つの室の温度を独立に制御できるようにしている。
【００６７】
本実施例の装置では、基板の公転軸、すなわちＩＩＩ族原料ガス供給管６２の延在方向に沿って、複数の基板ホルダ群が配置されている。各基板ホルダ群は、同一平面内で離間して配置された扇形状の２個の基板ホルダ６５により構成され、隣接する２組のホルダ群が、図６（ａ）に示すような円形配置をとる。扇形状の２個の基板ホルダ６５間の間隙部を介して、Ｖ族原料ガスが自由に流通するようになっている。また、一の基板ホルダ群の間隙部と、隣接する他の基板ホルダ群の間隙部が、基板ホルダの回転軸に対して９０度回転した位置関係になっており、これにより、Ｖ族原料ガスが円滑に下流側に送出される。すなわち、本実施例によれば、生産性向上のために基板ホルダを複数列配置した構成において、どの基板ホルダに対してもＶ族原料ガスを良好に供給することができる。
【００６８】
なお、基板ホルダの数は、上記の構成に限られず任意の数に設定することができる。また、基板ホルダを、基板の公転面に対して傾斜させてもよい。
【００６９】
実施例７
本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図７に示す。図７（ｂ）は、装置断面図、図７（ａ）はＤ−Ｄ断面図である。この装置は、図１および図２に示した装置と基板ホルダの構造およびホルダの回転駆動系が異なっており、その他の構造は図１および図２の装置と同様である。
【００７０】
本実施例の装置では、ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りに、円盤状の基板ホルダ７４が複数配置されている。これらの基板ホルダ７４は、それぞれＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りを自公転する。基板ホルダ７４はＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周りの同一平面上に４個配置されている。この４個のホルダからなるホルダ群が、公転軸に沿って複数設けられ、多数のウエハの処理を同時に行うことができるようになっている。
【００７１】
各基板ホルダ７４は固定軸７９で連結されている。基板ホルダ７４および固定軸７９からなる基板保持部材は、遊星歯車７７を具備する。この遊星歯車７７は、装置内に固定された内歯車７６、太陽歯車７８とともに遊星歯車機構を構成する。
【００７２】
この遊星歯車機構は、図１０に示す構造を有している。太陽歯車７８は不図示のモータによって回転し、遊星歯車７７が自公転するようになっている。
【００７３】
基板ホルダ７４は、断面ＤＤに示すように同一面内で４組配置され、さらに、ガスの流れ方向に３段が設置され、これらが自公転する構造となっている。
【００７４】
ウエハ８０は、カバー８１により基板ホルダ７４に固定する。遮蔽板７５は、上記実施例と同様にキャリアガスや、Ｖ族原料ガス、ＩＩＩ族原料ガスの逆流や、熱の遮断を行う。
【００７５】
ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の側面に設けられたガスの噴出口７３は、反応管７１の中心部から管壁方向に向かって放射状に噴出する構造になっている。
【００７６】
本実施例によれば、ＩＩＩ族原料ガス供給管７２の周囲に複数のウエハを配置し、これらを自公転させながらウエハ表面にＩＩＩ族原料ガスが放射状に供給される。このため、良好な膜質のＧａＮ系半導体層を高い生産性で得ることができる。
【００７７】
実施例８
本実施例では、ＩＩＩ族原料ガス供給管の他の構造例を示す。図８は本実施例に係るＩＩＩ族原料ガス供給管の構造例である。この構造では、二種類のＩＩＩ族原料を収容できる。例えば、ＩＩＩ族原料としてガリウム（Ｇａ）、他のＩＩＩ族原料としてアルミニウム（Ａｌ）を置くことができる。その上流の導入管８２、８５からキャリアガスとともに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入する。ＨＣｌガスはＧａ、Ａｌと反応して、それぞれＧａＣｌ、およびＡｌＣｌ３、ＡｌＣｌを発生させる。特にＡｌ系の場合には、ＡｌＣｌ３の状態で成長領域に輸送する方が好ましい。そのために通常はキャリアガスとして窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガスを用いる。水素（Ｈ２）キャリアガスを用いると、ＡｌＣｌが安定となり、また用いる石英反応管と反応してＡｌが成長領域の前でＡｌ２Ｏ３となって析出するからである。
【００７８】
また、Ａｌを用いた場合には固体のままの方が好ましく、その融点が６５９℃のために、Ａｌソースボートをこの温度より低い温度領域に置く。あまり温度が低いとＨＣｌガスとの反応性が低くなるために、温度は５００〜６５０℃にすることが好ましい。
【００７９】
この原料ガス供給管では、二種類のＩＩＩ族原料ガスを供給できるために成長領域において、ＡｌＧａＮのような三元混晶を成長させることができる。
【００８０】
ＡｌとＧａの他に、例えば、Ｉｎなどを置くことができる。さらに、ＩＩＩ族原料ガス供給管の３つの部屋に仕切ることによって、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎと三種類のＩＩＩ族原料を置くことができる。これによりＡｌＩｎＧａＮなどの四元混晶を成長させることができる。
【００８１】
実施例９
本実施例は、図１および図２の成長装置のＩＩＩ族原料ガス供給管１２を図８に示したＩＩＩ族原料ガス供給管に置き換えた装置を用い、ＡｌＧａＮ半導体結晶膜の成長を行った。
【００８２】
先ず、図９のように、２インチ（１０００）面のサファイア基板９１上に低温ＧａＮバッファー層を介して２μｍの厚さのＧａＮ膜９２を形成した。この基板結晶を成長装置にセットして、基板ホルダを５０ｒｐｍで回転させた。導入管８２、導入管８５からＮ２ガスを５００ｃｃ／ｍｉｎづつ、Ｖ族原料ガス導入管２８からＮ２ガスを６０００ｃｃ／ｍｉｎ供給した。反応管１１内を電気炉１６と１７により昇温し、成長領域１３が６００℃の温度になってから１５００ｃｃ／ｍｉｎの流量のＮＨ３ガスをＶ族原料ガス導入管２８より供給し、ＧａＮ膜９２表面の分解を抑えた。その後、以下のようにしてＧａＮ膜９２上にＡｌＧａＮ膜９３を形成した。
【００８３】
Ａｌソースボート８６と、Ｇａソースボート８３領域の温度をそれぞれ６００℃、８００℃として、成長領域１３の温度を１０６０℃とした。温度が安定してから、Ｇａ原料８４、Ａｌソース８７上にＮ２キャリアガスとともにＨＣｌガスを供給し、反応生成物の塩化ガリウム（ＧａＣｌ）と、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）とを成長領域１３に供給した。ＨＣｌガスの供給量は、Ｇａソースに対して２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｌソースに対して１００ｃｃ／ｍｉｎである。成長領域１３でＧａＣｌ、ＡｌＣｌ３とＮＨ３ガスが反応して、ＧａＮ膜９２の上にＡｌＧａＮ膜９３が成長した。約２時間の成長を行った後、ＨＣｌガスの供給を停止し、電気炉１６、および１７の電源を切断し、反応管１１全体を降温した。ＮＨ３ガスは、成長領域１３が５００℃の温度に下がるまで供給した。成長結晶を反応管１１から取り出し、基板ホルダ２０、２１、２２から外した。
成長したＡｌＧａＮ膜９３を評価したところ、１２枚全ての表面は鏡面で平坦な膜が得られた。また、Ｘ線ロッキングカーブによってＡｌの組成を調べた結果、約２０％のＡｌが含まれていることがわかった。組成の均一性を調べた結果、１２枚全てのウエファで±４％以下であり、良好な組成均一性を示した。
【００８４】
実施例では、図１および図２に示した横型のＨＶＰＥ装置を用いた成長例を示したが、図２に示す縦型のＨＶＰＥ成長装置を用いても同様な効果が得られる。
【００８５】
実施例１０
本実施例は、本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した例である。ＭＯＣＶＤ装置では、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム等の有機化合物を用いることから、この化合物の分解を抑制するため、装置全体を加熱せず基板を局所的に加熱する方式をとることが必要となる。このため、前述したＨＶＰＥ成長装置とは基板加熱手段が相違する。また、ＨＶＰＥ成長装置では、ＩＩＩ族原料として塩化ガリウム等のハロゲン化物を用いる関係上、ハロゲン化物生成室３６を設けていたが、ＭＯＣＶＤ装置ではこの室が存在しない。
【００８６】
以下、本実施例に係る装置およびこの装置を用いた成長方法について、図１３を参照し、サファイア基板上のＧａＮ膜の成長を例に挙げて説明する。まず２インチ（０００１）面サファイア基板１１７を有機洗浄した後、１００℃のリン酸と硫酸の混合液に３０分間浸してエッチングを行い、流水洗浄して成長表面処理を行う。つづいて、洗浄したサファイア基板１１７を反応管１１１内の基板ホルダ１１５の表面と裏面に合計８枚取り付けた。
【００８７】
基板ホルダ１１５は保持具１１８により回転軸１２４に取り付けられており、回転導入機１２０により回転できるようになっている。成長中、この基板ホルダを回転導入機１２０により１００ｒｐｍ程度で回転させた。成長中は、冷却のため、断熱板１２３に設けられた冷却管および回転軸１２４に設けられた冷却管１２５に、それぞれ２０００ｃｃ／ｍｉｎの冷却水を供給した。反応管１１１内をＮ２ガスで置換してから、導入管１１２と１１３よりＮ２ガスとＨ２ガスを供給した。ガス流量は、それぞれの導入管において、１５００ｃｃ／ｍｉｎ、および６０００ｃｃ／ｍｉｎである。
【００８８】
高周波発振器に接続された誘導コイル１２１により基板ホルダ１１５、カバー１１６を加熱した。基板ホルダ１１５はカーボン製であり、誘導コイル１２１により局所的に加熱される。これにより、１１００℃の温度で１０分間サファイア基板１１７の表面処理を行った。なお、サファイア基板１１７の温度は、パイロメータ１２２によりモニターした。
【００８９】
次に、サファイア基板１１７の温度を５００℃に降温した。温度が安定してから、導入管１１３から３０００ｃｃ／ｍｉｎのＮ２ガスとＨ２ガス、および８０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを供給し、導入管１１２から１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮ２ガスとＨ２ガス、および１０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。なお、成膜室内に導入されたガスは排気口１２６より排出される。
【００９０】
導入管１１２より供給したキャリアガスやＴＭＧは、吹出口１１４より反応管１１１の管壁方向に吹出してサファイア基板１１７上に供給され、導入管１１３より供給したキャリアガスやＮＨ３ガスは、基板ホルダ１１５と反応管１１１の隙間からサファイア基板１１７上に供給され、両者が基板上で反応することでＧａＮ膜が成長する。７分間の成長で、サファイア基板１１７上に３０ｎｍの厚さのＧａＮ膜が成長した。
【００９１】
次に、ＴＭＧガスの供給を停止し、ＮＨ３ガスを供給しながらサファイア基板１１７を、約１２分間で１０７０℃の温度に昇温した。温度が安定してから導入管１１２より１００μｍｏｌ／ｍｉｎの流量のＴＭＧを供給しＧａＮ膜を６０分間成長した。
【００９２】
サファイア基板１１７上に成長したＧａＮ膜は平坦な表面であった。また、厚さは２μｍで、膜厚の均一性を調べた結果、８枚全てにおいて±３％以下であり、良好な均一性が得られた。
【００９３】
本実施例では、ＧａＮ膜の例を示したが、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用いることで、Ａｌ１−ＸＧａＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ１−ＸＧａＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜が成長できる。また、アルシン（ＡｓＨ３）やホスフィン（ＰＨ３）等を用いることで、Ａｌ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ａｌ１−ＸＧａＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜がＩｎ１−ＸＧａＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜が形成できる。
【００９４】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９５】
たとえば、被処理基板のサイズは、上記実施例では２インチ径（直径）のものを使用したが、たとえば４インチ径の大口径基板を用いることもできる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基板表面での反応が効率良く進行するような流動状態で反応ガスを供給し良好な膜質の半導体成長層を形成する成長装置が提供される。また、従来にない高い生産性を有する成長装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図２】図１に示したＨＶＰＥ成長装置のＡＡ断面図である。
【図３】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図４】窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させる工程を説明する工程断面図である。
【図５】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図６】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図７】実施の形態に係るＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図８】ＩＩＩ族原料ガス供給管の構造の一例を示す図である。
【図９】窒化ガリウムをＨＶＰＥ成長させる工程を説明する工程断面図である。
【図１０】図７の成長装置を回転駆動する遊星歯車の構造を示す図である。
【図１１】従来のＨＶＰＥ成長装置の概略図である。
【図１２】従来のＭＯＣＶＤ成長装置の概略図である。
【図１３】実施の形態に係るＭＯＣＶＤ成長装置の概略図である。
【符号の説明】
１１ 反応管
１２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
１３ 成長領域
１４ Ｇａ原料
１５ ソースボート
１６ 電気炉
１７ 電気炉
１８ 基板ホルダ
１９ 基板ホルダ
２０ 基板ホルダ
２１ カバー
２２ 固定部材
２３ 固定部材
２４ 回転軸
２５ 噴出口
２６ モータ
２８ Ｖ族原料ガス導入管
２９ ハロゲンガス供給管
３０ ドーピングガス供給管
３１ 遮蔽板
３２ 排気口
３６ ハロゲン化物生成室
４１ ウエハ
４２ ＩＩＩ族化合物半導体
４３ サファイア基板
４４ ＧａＮ膜
４５ マスク
４６ 開口部
４７ ＧａＮ膜
５１ 反応管
５２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
５３ 噴出口
５４ 回転軸
５５ 基板ホルダ
５６ カバー
５７ ウエハ
５８ 固定軸
５９ 遮蔽板
６１ 反応管
６２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
６３ 噴出口
６４ 回転軸
６５ 基板ホルダ
６５ａ 基板ホルダ
６５ｂ 基板ホルダ
６５ａ 基板ホルダ
６６ カバー
６７ ウエハ
６８ 固定軸
６９ 遮蔽板
７１ 反応管
７２ ＩＩＩ族原料ガス供給管
７３ 噴出口
７４ 基板ホルダ
７５ 遮蔽板
７６ 内歯車
７７ 遊星歯車
７８ 太陽歯車
７９ 固定軸
８０ ウエハ
８１ カバー
８２ 導入管
８３ ソースボート
８４ Ｇａ原料
８５ 導入管
８６ ソースボート
８７ Ａｌソース
９１ サファイア基板
９２ ＧａＮ膜
９３ ＡｌＧａＮ膜
３６ ハロゲン化物生成室
１１１ 反応管
１１２ 導入管
１１３ 導入管
１１４ 吹出口
１１５ 基板ホルダ
１１６ カバー
１１７ サファイア基板
１１８ 保持具
１２０ 回転導入機
１２１ 誘導コイル
１２２ パイロメータ
１２３ 断熱板
１２４ 回転軸
１２５ 冷却管
１２６ 排出口
Claims (12)
- 成長室と、
前記成長室内に設けられ、第一の反応ガスを供給するガス供給管と、
前記第一の反応ガスと反応する第二の反応ガスを前記成長室内に供給するガス供給部と、
前記ガス供給管の周囲に複数の基板を配置する基板保持部材と、
前記基板保持部材および前記ガス供給管のうちの一方を他方に対して相対回転させることにより前記ガス供給管の周囲に前記複数の基板を公転させる回転駆動部と、
を備え、
前記ガス供給管は、その側壁に前記第一の反応ガスを供給するガス供給口を有し、前記ガス供給口から前記基板の表面に向けて前記第一の反応ガスが放射状に供給されるようにしたことを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１に記載の気相成長装置において、
前記基板保持部材は、中心部に嵌挿孔を有する基板保持台を含み、
前記ガス供給管は、前記基板保持台の前記嵌挿孔に嵌挿されており、
前記回転駆動部は、前記ガス供給管を中心軸として前記基板保持台を回転駆動することを特徴とする気相成長装置。 - 請求項２に記載の気相成長装置において、
前記基板保持台は、その表面および裏面にそれぞれ基板を保持できるように構成されており、
前記ガス供給管は、前記基板保持台の一方の面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口と、前記基板保持台の裏面に保持された基板の表面に第一の反応ガスを供給するガス供給口とを具備することを特徴とする気相成長装置。 - 請求項２または３に記載の気相成長装置において、
前記基板保持台は、前記ガス供給管に対して略垂直に設けられていることを特徴とする気相成長装置。 - 請求項２または３に記載の気相成長装置において、
前記基板保持台は、前記ガス供給管に対する設置角度の異なる複数の面を有することを特徴とする気相成長装置。 - 請求項２乃至５いずれかに記載の気相成長装置において、
前記ガス供給管の延長方向に沿って複数の前記基板保持台が配置され、この複数の前記基板保持台の嵌挿孔に前記ガス供給管が嵌挿されており、前記ガス供給管は複数のガス供給口を具備し、各基板保持台に保持された基板の表面に対し、いずれかのガス供給口から第一の反応ガスが供給されるようにしたことを特徴とする気相成長装置。 - 請求項２乃至６いずれかに記載の気相成長装置において、
前記基板保持台は、前記ガス供給管周りに離間して配置された複数の基板保持部により構成されることを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１に記載の気相成長装置において、
前記基板保持部材は、前記ガス供給管の延長方向に沿って配置された複数の基板保持台と、該基板保持台を連結する連結部材とを具備し、当該基板保持部材が前記ガス供給管の周囲に複数配置されていることを特徴とする気相成長装置。 - 請求項８に記載の気相成長装置において、
前記回転駆動部により回転駆動される太陽歯車と、前記複数の基板保持部材にそれぞれ設けられ前記太陽歯車に噛合する遊星歯車とからなる遊星歯車機構をさらに備え、該遊星歯車機構により、前記ガス供給管の周囲を前記基板保持台が自公転運動するように構成されたことを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１乃至９いずれかに記載の気相成長装置において、
前記成長室は、仕切り部材により、第一の室と該第一の室に連通する第二の室とに区画されており、前記第一の室に前記基板保持部材が配置され、前記第二の室に、第二の反応ガスを供給する前記ガス供給部が設けられたことを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１乃至１０いずれかに記載の気相成長装置において、
当該装置はハイドライド気相成長による成長を行う装置であって、前記第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、前記第二の反応ガスがＶ族原料ガスを含むことを特徴とする気相成長装置。 - 請求項１１に記載の気相成長装置において、
前記成長室の周囲に加熱手段が設けられ、前記ガス供給部から供給された前記第二の反応ガスが前記加熱手段により加熱されるように構成されており、
前記第一の反応ガスがＩＩＩ族元素のハロゲン化物を含み、前記第二の反応ガスが水素化窒素ガスを含むことを特徴とする気相成長装置。
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