JP2008053636A - Vapor deposition system, and compound semiconductor film and growth method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気相成長装置、化合物半導体膜及びその成長方法に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, a compound semiconductor film, and a growth method thereof.
窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム燐(InP)等の化合物半導体は、発光素子、高速電子デバイスに好適に用いられている。このような化合物半導体からなる結晶は、通常、有機金属気相成長法(MOCVD法)やハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いて基板上に成長される。特に、HVPE法を用いると、高速でこれらの単結晶を成長することができる。 Compound semiconductors such as aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), and indium phosphide (InP) are suitably used for light-emitting elements and high-speed electronic devices. A crystal made of such a compound semiconductor is usually grown on a substrate using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) or a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method). In particular, when the HVPE method is used, these single crystals can be grown at a high speed.
HVPE法を行うための気相成長装置としては、例えば非特許文献1に記載されたものが挙げられる。このような気相成長装置は、AlN単結晶を成長するときにも用いられ、反応管にアンモニア(NH3)を導入するNH3ガス導入管と、反応管に三塩化アルミニウム(AlCl3)を導入するAlCl3ガス導入管と、基板支持台とを備えている。このような気相成長装置を用いたAlNの成長は、以下の手順によっておこなわれる。
(1)反応管にキャリアガス(水素ガス、窒素ガス)を導入し、基板支持台が1200℃程度になるまで昇温する。
(2)NH3ガス導入管からNH3を導入し、基板支持台の温度が安定するまで保持する。
(3)AlCl3ガス導入管からAlCl3を導入し、基板上にAlN結晶膜が所定厚さになるまで成長させる。このとき、反応管内の基板上ではNH3とAlCl3が反応しAlN膜が成長する。
(4)AlN膜が所定厚さになったら、AlCl3の導入を停止しキャリアガスを流しながら、ヒーターを停止し、反応管が室温になるまで降温させる。温度が十分に低下したら容器内の表面にAlN膜が成長した基板を取り出す。
(1) Carrier gas (hydrogen gas, nitrogen gas) is introduced into the reaction tube, and the temperature is raised until the substrate support is about 1200 ° C.
(2) NH 3 NH 3 was introduced from the gas inlet, the temperature of the substrate support is held to stabilize.
(3) Introduce AlCl 3 from the AlCl 3 gas introduction tube and grow the AlN crystal film on the substrate until it reaches a predetermined thickness. At this time, NH 3 and AlCl 3 react on the substrate in the reaction tube to grow an AlN film.
(4) When the AlN film reaches a predetermined thickness, the introduction of AlCl 3 is stopped, the carrier gas is allowed to flow, the heater is stopped, and the temperature of the reaction tube is lowered to room temperature. When the temperature is sufficiently lowered, the substrate on which the AlN film has grown on the surface inside the container is taken out.
しかしながら、上述の気相成長装置では、NH3とAlCl3との反応が、反応管の内壁付近やガス供給管の噴出口付近といった基板上以外の場所でも生じやすくなっており、基板上に効率よくAlN膜を成長することができなかった。その上、基板上以外の場所で成長したAlN膜が、剥離して基板上に付着する事態も生じやすく、この場合、AlN膜に欠陥が導入されるという不具合がある。 However, in the above-described vapor phase growth apparatus, the reaction between NH 3 and AlCl 3 is likely to occur in places other than the substrate, such as near the inner wall of the reaction tube or the jet outlet of the gas supply tube, and the efficiency is increased on the substrate. The AlN film could not be grown well. In addition, the AlN film grown at a place other than on the substrate is likely to peel off and adhere to the substrate. In this case, there is a problem that defects are introduced into the AlN film.
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を抑えることができる気相成長装置、欠陥の少ない化合物半導体膜及びその成長方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, a vapor phase growth apparatus capable of suppressing the introduction of defects into a growth film with high utilization efficiency of a source gas, a compound semiconductor film with few defects, and a growth method therefor The purpose is to provide.
上述の課題を解決するため、本発明の気相成長装置は、第1の原料ガスと第2の原料ガスとを混合し化合物半導体を成長するための反応管と、反応管内に挿入されており、第1の原料ガスを反応管内に供給するための第1の供給管と、反応管に接続されており、第2の原料ガスを反応管内に供給するための第2の供給管と、第1の供給管の反応管内に位置する端部に形成された第1の供給口の近くに基板を保持する基板ホルダとを備え、第1の供給管の外壁が反応管の内壁と対向する部分を有することによって、第1の供給管と反応管とが二重管構造を形成しており、第1の供給管の外壁と反応管の内壁との間に形成される空間が第2の原料ガスの流路となるように第2の供給管が反応管に接続されており、第1の供給管の反応管内に位置する端部には、第2の原料ガスの流路の断面積を減少させるように反応管の内壁に向かって膨らんだガス流調整部が設けられている。 In order to solve the above-described problems, a vapor phase growth apparatus according to the present invention is inserted into a reaction tube for growing a compound semiconductor by mixing a first source gas and a second source gas, and the reaction tube. A first supply tube for supplying the first source gas into the reaction tube, a second supply tube connected to the reaction tube and supplying the second source gas into the reaction tube, A substrate holder for holding a substrate near a first supply port formed at an end located in the reaction tube of the one supply tube, and a portion where the outer wall of the first supply tube faces the inner wall of the reaction tube The first supply pipe and the reaction tube form a double tube structure, and the space formed between the outer wall of the first supply pipe and the inner wall of the reaction tube is the second raw material. A second supply pipe is connected to the reaction tube so as to be a gas flow path, and is located in the reaction tube of the first supply pipe. At the end, the gas flow adjusting portion bulging toward the inner wall of the reaction tube so as to reduce the cross-sectional area of the flow path of the second raw material gas.
本発明の気相成長装置では、ガス流調整部により、第2の供給管から供給される第2の原料ガスが、滞留することなく第1の供給管の第1の供給口付近まで流れて、第1の原料ガスと反応する。そのため、第1の原料ガスと第2の原料ガスとは、その大部分が、第1の供給管の第1の供給口近くで基板ホルダに保持された基板上において反応する。従って、原料ガスの利用効率が高くなっている。また、反応管内壁など基板表面以外の場所での膜の堆積が多いと、成長中にこれらの膜が厚くなってはがれ、基板表面へ浮遊、落下し、成長膜へ欠陥が導入される事態が発生する場合があるが、本発明の気相成長装置では、反応管内壁などへの膜の成長が起こりにくくなっている。このため、成長膜への欠陥導入も有意に抑制されている。 In the vapor phase growth apparatus of the present invention, the gas flow adjusting unit causes the second source gas supplied from the second supply pipe to flow to the vicinity of the first supply port of the first supply pipe without stagnation. Reacts with the first source gas. Therefore, most of the first source gas and the second source gas react on the substrate held by the substrate holder near the first supply port of the first supply pipe. Therefore, the utilization efficiency of the source gas is increased. In addition, if there is a lot of film deposition on the wall other than the substrate surface such as the inner wall of the reaction tube, these films will become thick during the growth, float on the substrate surface, fall down, and defects may be introduced into the growth film. Although it may occur, in the vapor phase growth apparatus of the present invention, it is difficult for the film to grow on the inner wall of the reaction tube. For this reason, the introduction of defects into the growth film is also significantly suppressed.
また、ガス流調整部は、第1の供給口に向かって外周が広がる第1の部分と、第1の部分より第1の供給口側に位置し、第1の供給口に向かって外周が狭まる第2の部分とを有していることが好ましい。この場合、第1の供給管の外壁と反応管の内壁との間に形成される空間を第2の原料ガスが渦を発生せずに流れ、下流の流れを乱さない。 In addition, the gas flow adjusting unit is located on the first supply port side from the first portion, and the outer periphery extends toward the first supply port. It is preferable to have the 2nd part which narrows. In this case, the second source gas flows without generating vortices in the space formed between the outer wall of the first supply pipe and the inner wall of the reaction pipe, and the downstream flow is not disturbed.
また、上記気相成長装置は、第1の供給管内に挿入されており、第1の原料ガスを流すための第3の供給管を更に備え、第1の供給管と第3の供給管とが二重管構造を形成しており、第1及び第2の原料ガスと反応しないガスを反応管内に供給するための空間が、第3の供給管の外壁と第1の供給管の内壁との間に形成されていることが好ましい。この場合、第1及び第2の原料ガスと反応しないガスの存在により、第1の供給管の第1の供給口の位置において、第1の原料ガスと第2の原料ガスとが反応してしまう事態が抑制されるため、原料ガスの利用効率がより向上する。 The vapor phase growth apparatus is further inserted into the first supply pipe, and further includes a third supply pipe for flowing the first source gas, the first supply pipe, the third supply pipe, Form a double tube structure, and a space for supplying a gas that does not react with the first and second source gases into the reaction tube includes an outer wall of the third supply tube and an inner wall of the first supply tube. It is preferable that it is formed between. In this case, due to the presence of the gas that does not react with the first and second source gases, the first source gas and the second source gas react at the position of the first supply port of the first supply pipe. Therefore, the utilization efficiency of the raw material gas is further improved.
本発明の化合物半導体膜は本発明の気相成長装置を用いて成長させる。本発明の気相成長装置を用いることで成長膜への欠陥導入が抑えられるため、欠陥の少ない化合物半導体膜が得られる。そのため、それを用いて作製した半導体素子の構造上の欠陥形成が抑制され、素子の動作不良の発生が低減される。なお、本発明における「化合物半導体膜」には、基板上に成膜した化合物半導体膜の他に、その化合物半導体膜を厚くバルク成長させて切り出したもの(例えば、半導体基板など)も含まれるものとする。 The compound semiconductor film of the present invention is grown using the vapor phase growth apparatus of the present invention. Since the use of the vapor phase growth apparatus of the present invention can suppress the introduction of defects into the growth film, a compound semiconductor film with few defects can be obtained. Therefore, the formation of defects in the structure of a semiconductor element manufactured using the same is suppressed, and the occurrence of malfunction of the element is reduced. The “compound semiconductor film” in the present invention includes, in addition to the compound semiconductor film formed on the substrate, a compound semiconductor film cut out by thick bulk growth (for example, a semiconductor substrate). And
本発明の化合物半導体膜の成長方法では、本発明の気相成長装置を用いて化合物半導体膜を成長させる。この成長方法では、本発明の気相成長装置を用いるので、原料ガスの利用効率が高まり、成長膜への欠陥導入が抑えられる。 In the compound semiconductor film growth method of the present invention, the compound semiconductor film is grown using the vapor phase growth apparatus of the present invention. In this growth method, since the vapor phase growth apparatus of the present invention is used, the utilization efficiency of the source gas is increased and the introduction of defects into the growth film is suppressed.
本発明によれば、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を抑えることができる気相成長装置、欠陥の少ない化合物半導体膜及びその成長方法が提供される。 According to the present invention, there are provided a vapor phase growth apparatus, a compound semiconductor film with few defects, and a growth method therefor, which have high utilization efficiency of source gas and can suppress introduction of defects into a growth film.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and duplicate descriptions are omitted.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。図1に示される気相成長装置10は、ハイドライド気相成長装置(HVPE装置)であることが好ましいが、有機金属気相成長装置(MOCVD装置)であってもよい。気相成長装置10がHVPE装置であると、化合物半導体を高速で成長させることができる。成長される化合物半導体としては、III−V族化合物半導体(例えばGaAs、InP、AlN、GaN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等)やII−VI族化合物半導体(ZnSe、ZnO等)がある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a vapor phase growth apparatus according to the first embodiment. The vapor
気相成長装置10は、第1の原料ガスG1と第2の原料ガスG2とを混合することによって化合物半導体を成長するための略円筒形の反応管12を備える。原料ガスG1,G2は、生成される化合物半導体に応じて適宜選択される。原料ガスG1はGa、Al、In等のIII族元素を含むことが好ましく、原料ガスG2はAs、P、N等のV族元素を含むことが好ましい。また、これらの原料ガスG1,G2は、ガス流量を調整するために水素(H2)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)などのキャリアガスで希釈されることがある。一実施例において、原料ガスG1はH2希釈されたAlCl3であり、原料ガスG2はH2希釈されたNH3である。この場合、原料ガスG1と原料ガスG2とを混合させることによって、化合物半導体としてAlN単結晶が成長される。
The vapor
反応管12の一端(上流側の端部)12aには、原料ガスG1を反応管12内に供給するための第1の供給管24と、原料ガスG2を反応管12内に供給するための第2の供給管16とが取り付けられている。供給管16,24は反応管12に接続されている。
At one end (upstream end) 12 a of the
反応管12の他端(下流側の端部)12bには、反応管12内において基板Wを水平に保持する基板ホルダ14が取り付けられている。基板ホルダ14は、供給管24における反応管12内に位置する端部26に形成された第1の供給口28の近くに基板Wを保持する。基板Wは、反応管12内に収容されており、例えばシリコン(Si)基板、サファイア基板、シリコンカーバイド(SiC)基板、酸化亜鉛(ZnO)基板、又はGaAs基板などの半導体基板である。図1では一例として1個の基板Wが配置されているが、複数の基板Wが配置されてもよい。この場合、複数の基板Wを複数の基板ホルダ14にそれぞれ固定し、各基板ホルダ14を反応管12の内面に固定する。基板ホルダ14は、反応管12の管軸を取り囲むように円状に配置されることが好ましい。このような配置では、各基板間の成長速度の差が小さく、全ての基板に関して均一な膜が形成されやすい。複数の基板Wを配置すると、各基板W上に化合物半導体膜M(化合物半導体)を同時に成長させることができるので、生産性がより向上する。また、基板ホルダ14に回転機構を取り付け、成長中に基板を回転すれば、基板表面の成長速度の均一性は向上する。原料ガスG1と原料ガスG2との混合ガスG4が基板Wに到達すると、基板W上に化合物半導体膜Mが成長される。反応管12の他端12bには、基板Wよりも下流側に位置する排気口40が形成されている。
A
供給管24の一方の端部25は原料ガスG1を発生する供給装置23につながっている。供給管24の他方の端部26は、反応管12の中に位置する。供給管24は、原料ガスG1を反応管12内に供給するための第1の供給口28が形成された端部26と、端部26よりも上流側に位置する端部25とを有する。供給管24の内側形状は、端部26から端部25にわたって略ストレートな円管状となっており、流路断面積はほとんど変わらない。供給管24は、反応管12内に挿入されると共に反応管12と二重管構造を形成する。すなわち、供給管24の外壁が反応管12の内壁と対向する部分を有することによって、反応管12と供給管24とは二重管構造を形成する。供給口28よりも下流側の位置の供給口付近には基板Wが保持された基板ホルダ14が配置されている。基板W上で高い成長速度を得るためには、供給口28と基板Wとの距離(反応管12の管軸方向における供給口28と基板W表面の中心点との距離)d1は、反応管12の直径Lの0.2〜5倍であることが好ましい(図2参照)。
One
原料ガスG1の供給は、反応管12の外で、固体AlCl3を気化させてAlCl3ガスとしたのち、当該AlCl3ガスを反応管12に導入してもよいし、別途ヒーター22aを設けた生成管21に、Alペレット等の原料を収容したソースボートを設置してもよい。生成管21内には、例えばAlペレットが収容されたソースボート20が設置されている。生成管21内には、導入管18を介してガスG3が導入される。生成管21内においてガスG3がソースボート20の中のAlペレットに接触することによって、原料ガスG1が生成される。例えば、ガスG3としてH2で希釈した塩化水素(HCl)を用いて、ソースボート20にAlペレットを収容した場合、原料ガスG1としてH2で希釈したAlCl3が生成される。また、ここでは生成管21は反応管12の外に配置されてあるが、生成管21を反応管12の中に設置した構造をとることもできる。
The source gas G1 may be supplied by evaporating solid AlCl 3 outside the
供給管16の放出口29は、供給管24の供給口28よりも上流側に位置している。よって、供給管16の放出口29から放出される原料ガスG2は、供給管24の端部26と反応管12との間から基板Wの表面に供給される。すなわち、供給管16は、供給管24の外壁と反応管12の内壁との間に形成される空間SPが原料ガスG2の流路となるように反応管12に接続されている。これにより、供給管24の端部26と反応管12との間に、原料ガスG2を基板Wの表面に供給するための第2の供給口30が形成される。供給口30は、反応管12の管軸方向から見て供給口28を環状に取り囲む。
The
供給管24の端部26には、第2の供給口30の断面を狭めるように外側に膨らんだガス流調整部32が形成されている。すなわち、ガス流調整部32は、供給管24の供給口28の近くにおいて、原料ガスG2の流路の断面積を減少させるように反応管12の内壁に向かって膨らんでいる。このガス流調整部32は、供給口28に向かって(すなわち、供給管の延在方向に沿う方向の下流側に向かって)外周が広がる第1の部分32aと、供給口28に向かって外周が狭まる第2の部分32bとによって構成されているが、第1の部分32a及び第2の部分32bのいずれか一方を有していてもよい。第2の部分32bは第1の部分32aより供給口28側に隣り合って位置しており、ガス流調整部32全体としては紡錘形(若しくは流線形)をなしている。よって、原料ガスG2の流路断面積は、ガス流調整部32の位置においては、下流側に向かって一旦狭まり、その後に広がっている。第2の部分32bは、平坦な先端面24aを有している。図1ではガス流調整部32はその横断面形状が直線で形成されているものを示しているが、これらは曲線であっても良く、ガス流調整部32は流線形の形状を取りうる。
At the
ここで、図2を用いて反応管12、ガス流調整部32、供給管24がほぼ回転対称の場合の、これらの好ましい形状に関して詳しく説明する。図2は、図1に示される気相成長装置の主要部を模式的に示す図である。供給口28の直径をx、反応管12の直径をL、ガス流調整部32の外周と反応管12の内壁との最短距離をd、供給口28の付近に形成されるガス流調整部32の先端面24aの径方向距離をy、外径が広がる第1の部分32aの流れ方向の長さをm、供給口28側に向かって外径が狭まる第2の部分32bの流れ方向の長さをlとする。これらのサイズの好ましい関係は以下のようになる。dはx/4以上20x以下が好ましい。yは0以上(L−x)/2未満が好ましい。lは0以上20x以下が好ましい。mは0以上20x以下が好ましい。ただし、l及びmの少なくとも一方はゼロでない。xは0.001L以上0.5L以下が好ましい。
Here, with reference to FIG. 2, these preferable shapes when the
反応管12の周囲には、反応管12の管軸方向に沿って延びるヒータ22bが設けられていることが好ましい。ヒータ22bは、ヒータ22aよりも下流側に位置する。ヒータ22aはソースボート20を加熱し、原料ガスG1の生成を促進させる。ヒータ22bは基板Wを加熱し、原料ガスG1と原料ガスG2との反応を促進させる。また、ヒータ22a、ヒータ22bの外周は、断熱材で覆われていることが好ましい。
It is preferable that a
ここで、気相成長装置10を用いて化合物半導体を成長させる方法の一例について説明する。まず、反応管12にキャリアガス(水素ガス、窒素ガスなど)を導入し、基板ホルダ14が例えば1100℃程度になるまで昇温する。次に、供給管16から原料ガスG2を反応管12内に供給し、基板ホルダ14の温度を安定させる。さらに、供給管24から原料ガスG1を反応管12内に供給し、基板W上に化合物半導体膜Mを所定膜厚となるまで成長させる。このとき、反応管12内の基板W上では原料ガスG1と原料ガスG2とが反応する。続いて、化合物半導体膜Mが所定膜厚となったら原料ガスG1の供給を停止し、キャリアガスを流しながら、ヒータを停止し、反応管12が室温になるまで降温させる。温度が十分に低下したら、化合物半導体膜Mが成長された基板Wを反応管12から取り出す。
Here, an example of a method for growing a compound semiconductor using the vapor
本実施形態の気相成長装置10では、原料ガスG2と原料ガスG1との混合は供給口28付近でおこる。このとき、ガス流調整部32によって、供給管24の外周面における原料ガスG1,G2の滞留が有意に抑制されており、原料ガスG2と原料ガスG1とが反応する前に混合ガスが供給口28から流れ去る。そのため、原料ガスG1と原料ガスG2とが供給管24の端部26で反応して供給管24にAlN等の化合物半導体が堆積される事態が抑制されている。すなわち、原料ガスG1と原料ガスG2との反応は基板W上でおこりやすくなっており、基板W上において原料ガスG1,G2が効率よく化合物半導体膜(AlN膜)Mの成膜に利用される。その上、ガス流調整部32によって渦の発生が抑えられているため、供給口30から流れ出た原料ガスG2がエアカーテンの役割を成し、原料ガスG1が反応管12の内壁方向へ流れる事態が抑制され、内壁に化合物半導体膜(AlN膜)が堆積されにくくなっている。したがって、本実施形態の気相成長装置10では、原料ガスの利用効率を高くすることができ、成長膜への欠陥導入を抑えることができる。
In the vapor
また、ガス流調整部32が第1の部分32aと第2の部分32bとを有していると、原料ガスG2が空間SPを渦発生なしに流れるので、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を更に抑えることができる。
Further, when the gas
図3は、好ましい形状のガス流調整部を備える第1実施形態に係る気相成長装置の変形例を模式的に示す図である。図3に示される気相成長装置10Aは、図1及び図2に示される気相成長装置10のガス流調整部32に代えて、y=2mmのガス流調整部32Aを備えること以外は気相成長装置10と同様の構成を有する。ガス流調整部32Aの第2の部分32bは、その外径が、供給口28の位置において供給口28の縁と等しくなるまで狭まっており、供給口28の口径と等しくなっている。すなわち、ガス流調整部32Aは、供給口28の位置において、傾斜面のみを有し、管軸方向に直交する平面は実質的に形成されていない。換言すると、供給管24の端部26は、ガス流調整部32Aによって、供給口28の位置において先鋭化された形状となっている。一方、図1に示す気相成長装置10のように、ガス流調整部32によって供給管24の端部26が先鋭化されていない(y>2mm)場合には、ガス流れ条件によっては、原料ガスG1,G2が滞留して、供給管24の先端面24aにおいて反応生成物が堆積する傾向にある。この反応生成物が剥離してパーティクル(微粒子)が生成されると、そのパーティクルが供給口28近くに配置された基板Wに付着し、基板W上に成長される化合物半導体膜Mに欠陥が導入される原因となる場合がある。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a modification of the vapor phase growth apparatus according to the first embodiment provided with a gas flow adjusting unit having a preferable shape. The vapor
本実施形態の気相成長装置10Aでは、原料ガスG2と原料ガスG1との混合は供給口28付近でおこる。このとき、供給管24がガス流調整部32Aによって先鋭化されているため、供給管24の外周面における原料ガスG1,G2の滞留が更に抑制されており、原料ガスG2と原料ガスG1とが反応する前に混合ガスが供給口28から流れ去る。そのため、原料ガスG1と原料ガスG2とが供給管24の端部26で反応して供給管24にAlN等の化合物半導体が堆積される事態が更に抑制されている。すなわち、原料ガスG1と原料ガスG2との反応は基板W上でおこりやすくなっており、基板W上において原料ガスG1,G2が効率よく化合物半導体膜(AlN膜)Mの成膜に利用される。その上、ガス流調整部32Aによって渦の発生が抑えられているため、供給口30から流れ出た原料ガスG2がエアカーテンの役割を成し、原料ガスG1が反応管12の内壁方向へ流れる事態が抑制され、内壁に化合物半導体膜(AlN膜)が堆積されにくくなっている。
In the vapor
以上で詳細に説明したとおり、本実施形態に係る気相成長装置10Aにおいては、ガス流調整部32Aにより、供給口30から供給される原料ガスG2は、滞留することなく供給口28付近まで流れて、原料ガスG1と反応する。そのため、原料ガスG1と原料ガスG2とは基板W上において反応する。すなわち、気相成長装置10Aでは、気相成長装置10に比べて、原料ガスG1,G2の利用効率の更なる向上が図られている。その上、基板W上以外の場所での膜成長が起こりにくくなっているため、化合物半導体膜Mへ欠陥が導入される事態も更に抑制されている。
As described in detail above, in the vapor
なお、供給管24の管軸に直交する方向の位置ズレが生じて、反応管12に対して偏りが生じると、原料ガスG2の流れのバランスが崩れてしまう。この場合、上述した原料ガスG2によるエアカーテンの効果が低減し、反応管12の内壁に多量の化合物半導体膜(AlN膜)が成膜されてしまう。このような事態を防止するため、ガス流調整部32Aの最大外径の部分と反応管12の内壁面との最短距離dを、想定される位置ズレよりもある程度大きく(例えば10倍以上に)設計することが好ましい。換言すると、ガス流調整部32Aの最大外径は、反応管12の内径に比べてある程度小さく設計することが好ましい。ただし、ガス流調整部32Aの膨らみが小さ過ぎると、原料ガスG2が基板中央に向かう流れが弱まって、基板上における成長速度の均一性が保たれなくなるため好ましくない。
In addition, when the position shift of the direction orthogonal to the tube axis of the
さらに、上述した実施形態において、原料ガスG1のAlCl3ガスは、原料ガスG2のNH3ガスに比べて比重が高い。そのため、原料ガスG1の流れが重力方向(図1における上下方向)に曲がる傾向がある。そのため、原料ガスG1,G2の混合をより均一におこないたい場合には、反応管12及び供給管24を鉛直方向に延在させて原料ガスG1,G2の流れと重力方向とを一致させた縦型の装置にすることが好ましい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the AlCl 3 gas of the source gas G1 has a higher specific gravity than the NH 3 gas of the source gas G2. Therefore, the flow of the source gas G1 tends to bend in the direction of gravity (vertical direction in FIG. 1). Therefore, in order to mix the source gases G1 and G2 more uniformly, the
(第2実施形態)
図4は、第2実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。図4に示される気相成長装置10Bは、供給装置23に代えて供給装置23Aを備えること以外は気相成長装置10と同様の構成を有する。この供給装置23Aは、第1の実施形態において示した生成管21及び供給管24に加えて、供給管24内に挿入されており、原料ガスG1を流すための内側供給管33(第3の供給管)と、反応管12外部から供給管24に原料ガスG1,G2と反応しないガスG5(例えば、N2ガス)を供給する供給管34とを備えている。供給管24と内側供給管33とは二重管構造を形成している。内側供給管33の外壁と供給管24の内壁との間には、ガスG5を反応管12内に供給するための空間SPAが形成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram schematically showing a vapor phase growth apparatus according to the second embodiment. A vapor
内側供給管33は、生成管21の供給管24側の端部から供給管24の端部26まで供給管24の延在方向に沿って延びており、生成管21において生成される原料ガスG1を供給管24の供給口28まで送る。供給管34は、供給管24の端部25に連結されており、供給管24の内部、且つ、内側供給管33の外部にガスG5を送る。すなわち、供給管24と内側供給管33との間に形成された第3の供給口36から反応管12にガスG5が供給される。
The
この気相成長装置10Bにおいては、上述した気相成長装置10Aの効果に加えて、以下に示すような効果を奏する。すなわち、供給管24の供給口28においては、原料ガスG1を供給する内側供給管33の供給口38の周りに、ガスG5を供給する供給口36が設けられている。そのため、供給管24の供給口28の位置では、供給口28から供給されるガスG5が障壁となり、原料ガスG1と原料ガスG2との混合が抑えられている。そのため、原料ガスG1と原料ガスG2とは、より基板Wに近い位置において混ざり合って、基板W上に効率よく化合物半導体膜Mを成長する。すなわち、気相成長装置10Bでは、供給口36から供給されるガスG5により、供給口28の位置において、原料ガスG1と原料ガスG2とが反応してしまう事態が抑制されるため、原料ガスG1,G2の利用効率がより向上される。
In addition to the effects of the vapor
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態では反応管、供給管の形状はガス流れに垂直な断面が略円形の円筒管であるが、例えば、その断面が三角形、四角形など多角形の管であっても同様の効果が得られる。この場合でも、ガス流調整部のガス流れに平行な断面形状は上述の説明と同様であるが、ガス流れに垂直な断面形状に関しては、上記反応管及び供給管の断面形状に準じた形状となる。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment. In the embodiment described above, the shape of the reaction tube and the supply tube is a cylindrical tube having a substantially circular cross section perpendicular to the gas flow. For example, the same effect can be obtained even if the cross section is a polygonal tube such as a triangle or a rectangle. can get. Even in this case, the cross-sectional shape parallel to the gas flow of the gas flow adjusting unit is the same as described above, but the cross-sectional shape perpendicular to the gas flow is similar to the cross-sectional shape of the reaction tube and the supply tube. Become.
また、上記説明では基板表面がガス流れに平行になるように基板及び基板ホルダが配置されているが、基板表面がガス流れに垂直になるように基板及び基板ホルダが配置されていても同様の効果が得られる。この場合、基板を1枚配置する場合は、反応管の管軸上に基板の中心が来るように配置されることが好ましい。また、反応管の管軸を取り囲むように複数の基板を配置しても良い。 Further, in the above description, the substrate and the substrate holder are arranged so that the substrate surface is parallel to the gas flow, but the same is true even if the substrate and the substrate holder are arranged so that the substrate surface is perpendicular to the gas flow. An effect is obtained. In this case, when arranging one board | substrate, it is preferable to arrange | position so that the center of a board | substrate may come on the tube axis | shaft of a reaction tube. A plurality of substrates may be arranged so as to surround the tube axis of the reaction tube.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
以下、実施例1〜14及び比較例1,2について詳細に説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2 will be described in detail.
(実施例1)
図1及び図2に示される気相成長装置10を用いて、SiC基板上にAlN膜を成長させた。気相成長装置10としては、xが10mm、Lが100mm、dが10mm、yが2mm、lが50mm、mが150mmのものを用いた(図2参照)。また、反応管12の管軸方向における供給口28とSiC基板表面の中心点との距離d1を約50mmとした。基板ホルダ14にSiC基板を設置した後、基板ホルダ14の温度を1100℃まで昇温した。Al原料としてはAlペレットを用いた。石英ボートに載せたAlペレットを500℃に加熱した状態でN2ガスで希釈したHClガスを流して、AlCl3ガスを発生させた。一方、窒素原料としてNH3ガスを使用した。反応管12内での平均的なAlCl3分圧が0.01atm、NH3分圧が0.2atmとなるようにガス流量を調整した。HCl分圧は0.03atmであった。
(Example 1)
An AlN film was grown on the SiC substrate using the vapor
上述の条件下においてAlN結晶を30時間成長させた後、表面にAlN膜が成長したSiC基板を反応管12から取り出した。AlN膜の膜厚は1110μmであったことから、AlN結晶の成長速度は37μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約140μmのAlN膜が堆積していた。
After the AlN crystal was grown for 30 hours under the above-described conditions, the SiC substrate with the AlN film grown on the surface was taken out from the
(実施例2)
気相成長装置10のlを100mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は1230μmであったことから、AlN結晶の成長速度は41μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約120μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 2)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例3)
図1及び図2に示される気相成長装置10を用いて、サファイア基板上にGaN膜を成長させた。気相成長装置10としては、xが10mm、Lが100mm、dが10mm、yが2mm、lが150mm、mが150mmのものを用いた(図2参照)。また、反応管12の管軸方向における供給口28と基板表面の中心点との距離d1を約50mmとした。基板ホルダ14にサファイア基板を設置した後、基板ホルダ14の温度を1050℃まで昇温した。Ga原料としてはGa融液を用いた。石英ボートに載せたGa融液を800℃に加熱した状態でH2ガスで希釈したHClガスを流して、GaClガスを発生させた。一方、窒素原料としてNH3ガスを使用した。反応管12内での平均的なGaCl分圧が0.01atm、NH3分圧が0.2atmとなるようにガス流量を調整した。HCl分圧は0.01atmであった。
(Example 3)
A GaN film was grown on the sapphire substrate using the vapor
上述の条件下においてGaN結晶を30時間成長させた後、表面にGaN膜が成長した基板を反応管12から取り出した。GaN膜の膜厚は2460μmであったことから、GaN結晶の成長速度は82μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約320μmのGaN膜が堆積していた。
After the GaN crystal was grown for 30 hours under the above conditions, the substrate on which the GaN film was grown was taken out from the
(実施例4)
気相成長装置10のlを150mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は840μmであったことから、AlN結晶の成長速度は28μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約160μmのAlN膜が堆積していた。
Example 4
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例5)
気相成長装置10のlを20mm、mを0mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は1140μmであったことから、AlN結晶の成長速度は38μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約140μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 5)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例6)
気相成長装置10のlを50mm、mを0mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は840μmであったことから、AlN結晶の成長速度は28μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約160μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 6)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例7)
気相成長装置10のlを100mm、mを0mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は690μmであったことから、AlN結晶の成長速度は23μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約190μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 7)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例8)
気相成長装置10のlを20mm、mを0mmとしたこと以外は実施例3と同様にしてGaN膜を成長させた。その結果、GaN膜の膜厚は1950μmであったことから、GaN結晶の成長速度は65μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約450μmのGaN膜が堆積していた。
(Example 8)
A GaN film was grown in the same manner as in Example 3 except that l of the vapor
(実施例9)
気相成長装置10のlを20mm、mを50mmとしたこと以外は実施例3と同様にしてGaN膜を成長させた。その結果、GaN膜の膜厚は3600μmであったことから、GaN結晶の成長速度は120μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約110μmのGaN膜が堆積していた。
Example 9
A GaN film was grown in the same manner as in Example 3 except that l of the vapor
(実施例10)
気相成長装置10のlを100mm、mを0mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は810μmであったことから、AlN結晶の成長速度は27μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約160μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 10)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例11)
気相成長装置10のlを0mm、mを100mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は1080μmであったことから、AlN結晶の成長速度は36μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約130μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 11)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that l of the vapor
(実施例12)
気相成長装置10のlを0mm、mを100mmとしたこと以外は実施例3と同様にしてGaN膜を成長させた。その結果、GaN膜の膜厚は2160μmであったことから、GaN結晶の成長速度は72μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約340μmのGaN膜が堆積していた。
Example 12
A GaN film was grown in the same manner as in Example 3 except that l of the vapor
(実施例13)
気相成長装置10のyを10mm、lを100mm、mを100mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は1080μmであったことから、AlN結晶の成長速度は36μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約140μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 13)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that y of the vapor
(実施例14)
気相成長装置10のyを20mm、lを100mm、mを100mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。その結果、AlN膜の膜厚は1050μmであったことから、AlN結晶の成長速度は35μm/hrと見積もることができた。一方、供給口28には、膜厚約130μmのAlN膜が堆積していた。
(Example 14)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that y of the vapor
(比較例1)
気相成長装置のdを45mm、lを0mm、mを0mmとしたこと以外は実施例1と同様にしてAlN膜を成長させた。成長した膜には、直径が50〜300μm程度のAlNとみられる膜状の破片が百個程度観察できた。また、AlN膜の膜厚は294μmであったことから、AlN結晶の成長速度は9.8μm/hrと見積もることができた。一方、供給口には、膜厚約680μmのAlN膜が堆積していた。成長膜の破片の周りには高欠陥領域が形成されており、TEMを用いて成長膜を確認したところ、高欠陥領域以外の領域では2×106/cm2程度の低い転位密度であったのに対し、高欠陥領域では5×107/cm2もの高い転位密度になっていた。AlN膜に観察された破片は、膜の成長中にガス供給口に堆積したAlN膜が剥がれ落ち、それが成長膜に付着したものと考えられる。そのために、成長膜の破片周辺に高欠陥領域が発生したものと考えられる。
(Comparative Example 1)
An AlN film was grown in the same manner as in Example 1 except that d of the vapor phase growth apparatus was 45 mm, l was 0 mm, and m was 0 mm. In the grown film, about 100 pieces of film-like fragments considered to be AlN having a diameter of about 50 to 300 μm were observed. Further, since the thickness of the AlN film was 294 μm, the growth rate of the AlN crystal could be estimated to be 9.8 μm / hr. On the other hand, an AlN film having a thickness of about 680 μm was deposited at the supply port. A high defect region is formed around the fragments of the growth film. When the growth film was confirmed using TEM, the dislocation density was as low as about 2 × 10 6 / cm 2 in the region other than the high defect region. On the other hand, in the high defect region, the dislocation density was as high as 5 × 10 7 / cm 2 . It is considered that the fragments observed in the AlN film peel off the AlN film deposited on the gas supply port during the film growth and adhere to the growth film. For this reason, it is considered that a high defect area has occurred around the fragments of the growth film.
(比較例2)
気相成長装置のdを45mm、lを0mm、mを0mmとしたこと以外は実施例3と同様にしてGaN膜を成長させた。GaN膜の膜厚は516μmであったことから、GaN結晶の成長速度は17.2μm/hrと見積もることができた。一方、供給口には、膜厚約1350μmのGaN膜が堆積していた。GaN膜の表面あるいは内部には、直径が50〜300μm程度のGaNとみられる膜状の破片が約5個/cm2の密度で観察できた。得られた結晶を研磨した後、カソードルミネッセンス(CL)で観察したところ、破片の周りには高欠陥領域が形成されており、高欠陥領域以外の領域では4×106/cm2以下の転位密度であったのに対し、高欠陥領域(破片から300μmの領域)では転位密度が1×107/cm2と倍以上に増加していた。GaN膜に観察された破片はガス供給口に堆積したGaN膜が剥がれ落ちてきたものと考えられる。
(Comparative Example 2)
A GaN film was grown in the same manner as in Example 3 except that d of the vapor phase growth apparatus was 45 mm, l was 0 mm, and m was 0 mm. Since the film thickness of the GaN film was 516 μm, the growth rate of the GaN crystal could be estimated to be 17.2 μm / hr. On the other hand, a GaN film having a thickness of about 1350 μm was deposited at the supply port. On the surface or inside of the GaN film, film-like fragments considered to be GaN having a diameter of about 50 to 300 μm were observed at a density of about 5 pieces / cm 2 . When the obtained crystal was polished and observed by cathodoluminescence (CL), a high defect region was formed around the fragments, and dislocations of 4 × 10 6 / cm 2 or less were formed in regions other than the high defect region. In contrast to the density, the dislocation density increased to 1 × 10 7 / cm 2 or more in the high defect region (region 300 μm from the fragment). The debris observed in the GaN film is thought to be due to the GaN film deposited at the gas supply port being peeled off.
一方、実施例1〜14においては、基板上に成長させた膜の表面あるいは内部には、比較例で観察された膜状の破片は実質的に観察されず、いずれの結晶膜の転位密度も1×106/cm2台以下と良好であった。すなわち、本発明に係る実施例1〜14においては、結晶欠陥の少ない良好な化合物半導体膜が得られい、このような化合物半導体膜を用いて半導体素子を作製した場合には、素子の欠陥起因の動作不良が有意に低減される。 On the other hand, in Examples 1 to 14, the film-like fragments observed in the comparative example are not substantially observed on the surface or inside of the film grown on the substrate, and the dislocation density of any crystal film is 1 × 10 6 / cm 2 or less was favorable. That is, in Examples 1 to 14 according to the present invention, a good compound semiconductor film with few crystal defects cannot be obtained. When a semiconductor element is manufactured using such a compound semiconductor film, the defect of the element is caused. The malfunction of is significantly reduced.
10,10A,10B…気相成長装置、12…反応管、14…基板ホルダ、16…第2の供給管、24…第1の供給管、26…第1の供給管の端部、28…第1の供給口、30…第2の供給口、32,32A…ガス流調整部、32a…第1の部分、32b…第2の部分、33…内側供給管(第3の供給管)、36…第3の供給口、G1…第1の原料ガス、G2…第2の原料ガス、G5…ガス、M…化合物半導体膜(化合物半導体)、W…基板。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記反応管に接続されており、前記第2の原料ガスを前記反応管内に供給するための第2の供給管と、
前記第1の供給管の前記反応管内に位置する端部に形成された第1の供給口の近くに基板を保持する基板ホルダと
を備え、
前記第1の供給管の外壁が前記反応管の内壁と対向する部分を有することによって、前記第1の供給管と前記反応管とが二重管構造を形成しており、
前記第1の供給管の外壁と前記反応管の内壁との間に形成される空間が前記第2の原料ガスの流路となるように前記第2の供給管が前記反応管に接続されており、
前記第1の供給管の前記反応管内に位置する前記端部には、前記第2の原料ガスの前記流路の断面積を減少させるように前記反応管の内壁に向かって膨らんだガス流調整部が設けられている、気相成長装置。 A reaction tube for growing a compound semiconductor by mixing a first source gas and a second source gas; and inserted into the reaction tube, for supplying the first source gas into the reaction tube A first supply pipe;
A second supply pipe connected to the reaction pipe for supplying the second source gas into the reaction pipe;
A substrate holder for holding a substrate near a first supply port formed at an end portion of the first supply tube located in the reaction tube;
The first supply pipe and the reaction tube form a double tube structure by having the outer wall of the first supply pipe facing the inner wall of the reaction tube,
The second supply pipe is connected to the reaction tube so that a space formed between the outer wall of the first supply pipe and the inner wall of the reaction tube becomes a flow path for the second source gas. And
The end of the first supply pipe located in the reaction tube has a gas flow adjustment that swells toward the inner wall of the reaction tube so as to reduce the cross-sectional area of the flow path of the second source gas. A vapor phase growth apparatus provided with a section.
前記第1の供給管と前記第3の供給管とが二重管構造を形成しており、
前記第1及び第2の原料ガスと反応しないガスを前記反応管内に供給するための空間が、前記第3の供給管の外壁と前記第1の供給管の内壁との間に形成されている、請求項1又は2に記載の気相成長装置。 A third supply pipe inserted into the first supply pipe for flowing the first source gas;
The first supply pipe and the third supply pipe form a double pipe structure;
A space for supplying a gas that does not react with the first and second source gases into the reaction tube is formed between the outer wall of the third supply tube and the inner wall of the first supply tube. The vapor phase growth apparatus according to claim 1 or 2.
A method for growing a compound semiconductor film, comprising growing a compound semiconductor film using the vapor phase growth apparatus according to claim 1.
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