JP2006093276A - 気相成長方法及び気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚のきわめて高い面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる気相成長方法及び気相成長装置を提供すること。
【解決手段】回転する板状のサセプタ３の開口５に、基板４をその成長面をガス流路側に向けて支持し、基板４の表面に沿って原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長方法において、基板４の裏面側４０を反応炉内３０より圧力が若干低い減圧状態にしてエピタキシャル成長する。
【選択図】 図１

Description

本発明はIII−Ｖ族化合物半導体結晶の成長に適した気相成長方法及び気相成長装置に係り、特に基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚の面内均一性を高める技術に関するものである。

ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）などのIII−Ｖ族化合物半導体は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などが挙げられる。

一例として、図２にＬＤの基本構造を示す。ＬＤは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、ｐ型クラッド層、発光層、ｎ型クラッド層、バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。ｐ型クラッド層はｐ型ドーパントが、またｎ型クラッド層はｎ型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。基板は単結晶成長するための下地である。

表１にＬＤの構造例を示した。以下においては、結晶成長のことをエピタキシャルと言う。厚さの単位はnm（１０^-9ｍ）であり、キャリア濃度の単位はcm^-3である。

表１に示したＬＤ用エピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。

上記ＬＤの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）による気相エピタキシャル成長装置で成長される。ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。

ここで従来の有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）が採用している反応炉の構成を図３に示す。これは、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応炉２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成すると共に、このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である基板４とほぼ同じ形状に開口５を開け、この開口５内に基板４の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して前記開口５に均熱板７をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。

エピタキシャル層を成長させる基板４をサセプタ３にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。

たとえば、ｎ型ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）とＡｓ原料のアルシン（ＡｓＨ₃）及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはシリコン（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）がある。なお、Ｇａ原料として他にトリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。またＡｓ原料として、他にトリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ₃）₃）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）がある。Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）がある。Ｓｅ原料としてはセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）がある。

ｎ型Ａｌ_0.7ＧａＩｎＰを成長する場合には、Ａｌ原料のトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）及びｎ型ドーパントを基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にトリエチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。またＩｎ原料として、他にトリエチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。Ｐ原料として、他にターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）がある。

アンドープＧａＩｎＰを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃、ＰＨ₃を基板に供給する。

ｐ型Ａｌ_0.7ＧａＩｎＰを成長する場合には、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃、ＰＨ₃及びｐ型ドーパントを基板に供給する。ｐ型ドーパントの元素としては亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）がある。

ｐ型ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃とＡｓＨ₃及びｐ型ドーパントを基板に供給する。

なお、本発明と直接に関係はないが、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚の面内均一性を高める技術に関連するものとして、一体型のヒータに代えて複数の基板加熱用ヒータを設け、反応炉内のサセプタ中心部分から基板到達直前までの領域の温度を厳密に制御し、これにより基板面内の電子移動度のバラツキを抑えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２５７８６７号公報

ところで、従来技術では、図３の如き炉内構造において、一般的に、反応炉たる反応炉２内と基板裏面側の圧力は同一とし、両者間に圧力差が生じない条件で成長していた。

しかしながら、基板とサセプタの間には、はめあい公差程度の隙間があり、ここでサセプタへのデポジットと基板へのデポジットが不連続となるため、どうしても成長されるエピタキシャル層はエピタキシャルウェハの周辺で膜厚が落ち込むという分布を持ってしまっていた。

一例として、図５に成長されるエピタキシャル層のエピタキシャルウェハ直径方向における膜厚分布を示す。このように、エピタキシャルウェハ周辺で膜厚に落ち込みが見られていた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、膜厚のきわめて高い面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる気相成長方法及び気相成長装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る気相成長方法は、回転する板状のサセプタの開口に、基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、基板の表面に沿って原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長方法において、基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態にしてエピタキシャル成長することを特徴とする。

請求項２の発明は、回転する板状のサセプタに、その中心から少し離れた位置にて周方向に複数の開口を配設し、各開口内に基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向又は半径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長方法において、基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態にしてエピタキシャル成長することを特徴とする気相成長方法。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の気相成長方法において、有機金属気相成長法によりIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長し、Ｖ族原料として、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ₃）₃）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）、ホスフィン（ＰＨ₃）またはターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用い、III族原料として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、トリエチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）、トリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）、トリエチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）を用い、希釈用ガスとして、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）を用いることを特徴とする。

請求項４の発明に係る気相成長装置は、回転する板状のサセプタの開口に、基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、基板の表面に沿って原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長装置において、反応炉内の圧力制御系と、基板裏面側の圧力制御系を独立に設け、基板裏面側の圧力制御系により基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態に制御することを特徴とする。

請求項５の発明は、回転する板状のサセプタに、その中心から少し離れた位置にて周方向に複数の開口を配設し、各開口内に基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向又は半径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長装置において、反応炉内の圧力制御系と、基板裏面側の圧力制御系を独立に設け、基板裏面側の圧力制御系により基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態に制御することを特徴とする。

＜発明の要点＞
従来技術では、反応炉内圧力と基板裏面側圧力を同じとなるようにしていたため、基板とサセプタの間の隙間の影響により、基板上に成長されるエピタキシャル層にはどうしてもエピタキシャルウェハの周辺で膜厚が落ち込む分布を持ってしまっていた。これに対し、本発明では、反応炉内圧力に対して基板裏面側の圧力を微妙に、例えば２〜３Ｔｏｒｒ低く設定しているので、基板周辺エッジ部まで確実に原料ガスが接触する。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚の面内均一性がきわめて高いものとなる。

本発明によれば、基板が１枚の場合及び複数枚の場合でも、基板の裏面側を反応炉内より圧力が若干低い減圧状態にして、つまり基板の裏面側を反応炉内より微妙に減圧状態となるようにしてエピタキシャル成長する。具体的には、反応炉内の圧力制御系と、基板裏面側の圧力制御系を独立させ、基板裏面側の方が減圧状態となるようにする。このため、基板周辺エッジ部まで確実に原料ガスが接触し、従来よりも基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚の面内均一性を高めることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

前提となる気相成長装置１は、図３のものと同一とした。すなわち、本実施形態に係る化合物半導体の気相エピタキシャル成長装置１は、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応炉２の上部壁に円板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成する。このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である基板４とほぼ同じ形状に開口５を開け、この開口５内に基板４の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して開口５に均熱板７をはめ込んで、基板の裏側に重ねた構成とする。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。

図１に、この気相成長装置の主要部の構成を拡大して示す。基板４とサセプタ３の間に隙間Ｇが存在するため、従来のように反応炉３０内の圧力Ｐ１と基板裏面側の圧力Ｐ２が同じであると、隙間Ｇの影響により、基板４上に成長されるエピタキシャル層には、図５に示すように、どうしてもエピタキシャルウェハの周辺で膜厚が落ち込む分布を持ってしまう。

そこで、本実施形態では、反応炉３０内の圧力制御系（図示せず）と独立に、基板裏面側の圧力制御系４１を設け、該基板裏面側の圧力制御系４１により基板の裏面側の圧力Ｐ２を反応炉内の圧力Ｐ１より若干２〜３Ｔｏｒｒほど低くなるように制御し、つまり基板の裏面側を反応炉内より微妙に低い減圧状態に維持する。

このように反応炉内圧力に対して基板裏面側の圧力を微妙に低く設定すると、基板周辺エッジ部まで確実に原料ガスが接触し、この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚の面内均一性は図４に示すようにきわめて高いものとなる。

ただし、反応炉内圧力Ｐ１と比較して、基板裏面側圧力Ｐ２を必要以上に減圧状態としてしまうと、例えば膜厚は周辺で立ち上がるような分布を持ってしまうため、反応炉内圧力に対応した調整が必要である。

本発明を表１のＬＤエピタキシャルウェハの成長に適用した。

成長時の基板温度は６４０℃、反応炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ、基板裏面側の圧力は６８Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓからなる基板を用いた。

ｎ型Ａｌ_0.7ＧａＩｎＰの成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃及びＰＨ₃を用いた。

本実施例によれば、基板裏面側を反応炉内より２Ｔｏｒｒ低くして微妙に減圧状態にしているので、原料ガスは基板とサセプタの隙間に若干入り込むようになる。これにより、基板上に成長されるエピタキシャル層はエピタキシャルウェハの周辺まできちんと成長され、結果としてきわめて面内均一性の高いエピタキシャル層を容易に得ることができる。

図４に、上記本実施例で成長したエピタキシャル層のエピタキシャルウェハ直径方向における膜厚分布を示す。図４より、本実施例の場合、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られていることがわかる。また本実施例によれば、組成、キャリア濃度に関しても、極めて高い面内均一性を達成できた。

本発明の実施形態に係る気相成長装置のサセプタに対する基板のセット状態を示す図である。 ＬＤの基本構造を示す説明図である。 従来技術における気相成長装置の構造を示した断面図である。 本発明により成長したエピタキシャル層の膜厚の面内分布を示した図である。 従来技術により成長したエピタキシャル層の膜厚の面内分布を示した図である。

符号の説明

１ 気相成長装置
２ 反応炉
３ サセプタ
４ 基板
５ 開口
３０ 反応炉内
４０ 基板裏面側
４１ 基板裏面側圧力制御系

Claims (5)

1. 回転する板状のサセプタの開口に、基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、基板の表面に沿って原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長方法において、
   基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態にしてエピタキシャル成長することを特徴とする気相成長方法。
2. 回転する板状のサセプタに、その中心から少し離れた位置にて周方向に複数の開口を配設し、各開口内に基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向又は半径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長方法において、
   基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態にしてエピタキシャル成長することを特徴とする気相成長方法。
3. 請求項１又は２記載の気相成長方法において、
   有機金属気相成長法によりIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長し、
   Ｖ族原料として、アルシン、トリメチル砒素、ターシャリーブチルアルシン、ホスフィンまたはターシャリーブチルホスフィンを用い、
   III族原料として、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルアルミニウム、トリエチルガリウム、トリエチルインジウムを用い、
   希釈用ガスとして、水素、窒素またはアルゴンを用いることを特徴とする気相成長方法。
4. 回転する板状のサセプタの開口に、基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、基板の表面に沿って原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長装置において、
   反応炉内の圧力制御系と、基板裏面側の圧力制御系を独立に設け、基板裏面側の圧力制御系により基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態に制御することを特徴とする気相成長装置。
5. 回転する板状のサセプタに、その中心から少し離れた位置にて周方向に複数の開口を配設し、各開口内に基板をその成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向又は半径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる気相成長装置において、
   反応炉内の圧力制御系と、基板裏面側の圧力制御系を独立に設け、基板裏面側の圧力制御系により基板の裏面側を反応炉内より圧力が低い減圧状態に制御することを特徴とする気相成長装置。

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