JP2008066490A

JP2008066490A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2008066490A
Application number: JP2006242166A
Authority: JP
Inventors: Masashi Mizuta; 正志水田; Takehisa Koyama; 剛久小山; Yuzaburo Ban; 雄三郎伴; Kiyohide Wakao; 清秀若尾
Original assignee: NIPPON EMC Ltd
Current assignee: NIPPON EMC Ltd
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】ハイドライド気相成長装置において、大口径または多数枚のサファイア基板上にGaN膜を均一に効率的に製膜することを可能にする。
【解決手段】気相成長装置１０は、第１の反応部２０、第２の反応部３０、および減圧装置４０を備える。第１の反応部２０において、III族金属のGaメタルと、塩化物のHClとが反応し、反応生成物としてGaCl₃ガスが生じる。生成したGaCl₃ガスは、第１の反応部２０に接続されたIII族ハロゲン化物供給管５０を通じて、第２の反応部３０に供給され、NH₃ガスと反応することにより、第２の反応部３０に設けられた基板３５の上にGaN膜が気相成長する。III族ハロゲン化物供給管５０には、開口面積が調整可能な圧力調整器５２が設けられている。圧力調整器５２により、第２の反応部３０の圧力Ｐ２が第１の反応部２０の圧力Ｐ１より低くなるように調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイドライド気相成長法によりIII-V族結晶を製造する気相成長装置に関する。

近年、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法によってサファイア基板上にGaN、InGaN、AlGaN薄膜を積層することによって作製された紫外、青および緑LEDが市場に出回っている。さらに、Blu-Ray、HD-DVDなどの高密度記録デジタルディスクへの情報書き込み、読み出しを目的とした、青紫色レーザダイオードが市場に出始めている。

紫外LEDや、青紫色レーザダイオードについては、信頼性を含む性能を満足させるためにGaN基板の量産化が期待されている。GaN基板の生産方法は、サファイア基板上にMOCVD法によって作製した薄膜上にHVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により、厚膜のGaN膜を作製したのち、サファイア基板を除去する方法が最も有力である。

しかしながら、従来のGaN膜製造に用いられるHVPE装置は、種結晶をMOCVD法によって成長した２インチ〜３インチのサファイア基板を１枚装填するものであった。青色レーザダイオードや紫外発光ダイオードの量産化が始まっており、HVPE成膜によるGaN膜をGaN基板として用いるためHVPE装置の基板処理枚数の増加が期待されている。

HVPE法によりGaN膜を製膜する方法は良く知られている。図１０は従来の代表的なHVPE装置を示す。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。

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。GaN層の成長は以下のように行う。まず、基板１０６を基板保持具１０５に配置する。そして、第１の導入管または第２の導入管からN₂を導入しながら抵抗加熱ヒータ１０４により基板１０６の温度が６２０℃になるまで昇温する。次に、HClを第１の導入管１０３から導入し、原料載置部１０９に配置されたGaメタルと反応させ結晶成長容器１０８内にGaClを導入し、同時にNH₃を第２の導入管１０２を介して導入し、両方の原料ガスを基板上で反応させて約100nmのGaN保護層を形成する。次に、基板１０６の温度が1000℃になるまで昇温し、GaメタルとHClから生成されたGaClと、NH₃とをN₂キャリアガスを用いてNdGaO₃基板上に供給するとともに、結晶成長容器１０８内のHClおよびNH₃のガス流量を調整しながらGaN化合物半導体結晶を基板に成長させる。このようにしてGaN化合物半導体結晶が得られる。
特開２００２−３０５１５５号公報特開２００４−２９６６４０号公報

上述したような従来のHVPE装置で十分なGaNの成長速度を得るには、Ga金属とHClガスの反応時間を十分に確保しGaCl₃ガスを発生するために反応炉を大気圧以上の圧力に保つ必要があった。ところが、原料搭載部（Ga金属とHCl反応部）と基板搭載部が同じ結晶成長容器内に構成されており、原料搭載部と基板搭載部との間のガス流制御の工夫がされておらず、基板面上ではガス流速が足りずに、膜厚分布の劣化および原料ロスによる成長速度の劣化、および結晶成長容器内の著しい汚れを招いていた。このため、大口径の基板、または３枚以上の複数枚の基板上に膜厚均一性の良いGaNを成長させることは困難であった。また、基板搭載部へのGaCl₃ガスとNH₃ガスの導入部分の工夫もされておらず、均一な膜が製膜できる範囲が限られることから、基板搭載方法、基板サイズや基板搭載枚数も限定され、世の中に出回っているHVPE装置は、２インチ〜３インチ基板を１枚程度装填する装置のみとなっている。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハイドライド気相成長法によりIII-V族結晶を製膜する気相成長装置において、大口径または多数枚の基板上にIII-V族結晶膜を均一に効率的に製膜することできる装置を提供することにある。また、他の目的は、多数枚の基板を装填した気相成長装置において、それぞれの基板に等しくガスを導き、それぞれの基板間の膜厚差を最小にすることにある。本発明のさらに他の目的は、III族金属塩化物とハイドライドガスが合流する合流部における原料ガスの付加反応によって、原料が損失することを低減可能な装置の提供にある。

本発明のある態様は、気相成長装置である。当該気相成長装置は、III族金属および塩化物ガスが供給され、III族金属と塩化物ガスとが反応する第１の反応部と、第１の反応部で発生した反応生成物、およびV族元素を含むハイドライドガスが供給される第２の反応部であって、反応生成物とハイドライドガスとの反応によって生じるIII-V族結晶を成長させる基板を保持するための基板保持部を有する第２の反応部と、基板にIII-V族結晶を成長させる際に、第２の反応部の圧力を第１の反応部の圧力より低くするための圧力調整手段と、を備えることを特徴とする。III族金属としては、Ga、In、Alなどが挙げられる。また、塩化物ガスとしては、HClが挙げられる。また、ハイドライドガスとしては、NH₃が挙げられる。III-V族結晶としては、GaN、InGaN、AlGaNなどが挙げられる。

この態様によれば、第１の反応部におけるIII族金属と塩化物ガスとの反応を損なうことなく、第２の反応部におけるガス供給方向の成膜速度を均一化することができる。このため、第２の反応部で製膜可能な基板の大型化または基板枚数の増加を図ることができ、III-V族結晶の量産性を向上させることができる。

上記態様において、第１の反応部と第２の反応部とを接続するガス配管をさらに備え、圧力調整手段がガス配管に設けられていてもよい。これによれば、第２の反応部の圧力を第１の反応部の圧力より低くすることができ、第２の反応部で製膜可能な基板の大型化または基板枚数の増加を図ることができる。

上記態様において、第２の反応部を減圧可能な減圧装置をさらに備えてもよく、この場合に、基板にIII-V族結晶を成長させる過程における第２の反応部の圧力が大気圧より低くててもよい。これによれば、基板に製膜されるIII-V族結晶の均一性を向上させることができる。

上記態様において、反応生成物およびハイドライドガスを複数のノズルに分配して第２の反応部に導入するガス分配部をさらに備えてもよい。この態様によれば、反応生成物およびハイドライドガスが第２の反応部に大面積で均等に導入されるため、第２の反応部内の圧力分布を均一化し、ひいては、基板に製膜されるIII-V族結晶の均一性を向上させることができる。

上記態様において、ガス分配部は、さらに、キャリアガスを複数のノズルに分配して第２の反応部に導入し、キャリアガス用のノズルが、反応生成物用のノズルとハイドライドガス用のノズルとの間に配設されていてもよい。この態様によれば、ガス分配部出口において、キャリアガスが反応生成物の流れとハイドライドガスの流れとの間に介在することにより、反応生成物とハイドライドガスとが付加反応することにより原料が損失することを抑制することができる。

本発明によれば、大口径または多数枚の基板上にIII-V族結晶膜を均一に効率的に製膜することできる。

以下、実施の形態に係る気相成長装置について図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、GaNの製膜について説明するが、本発明はGaN、InGaN、AlGaNなどのIII-V族結晶の製膜にも適用可能である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。気相成長装置１０は、第１の反応部２０、第２の反応部３０、および減圧装置４０を備える。

第１の反応部２０には、塩化物ガス（本実施の形態では、HCl）が流通する塩化物供給管２２が接続されている。塩化物供給管２２を通じて、所定量のHClガスが第１の反応部２０内に導入される。さらに、第１の反応部２０内に、Gaメタルを載置するためのボート状の容器２６が設けられている。さらに、第１の反応部２０の周囲に、ヒータ２８が設けられている。ヒータ２８により、第１の反応部２０が500〜900℃に加熱される。

第１の反応部２０を上記温度に保った状態で第１の反応部２０にHClガスを供給することにより、第１の反応部２０において、III族金属のGaメタルと、塩化物のHClとが反応し、反応生成物としてGaCl₃ガスが生じる。生成したGaCl₃ガスは、第１の反応部２０に接続されたIII族ハロゲン化物供給管５０を通じて、第２の反応部３０に供給される。

III族ハロゲン化物供給管５０には、圧力調整手段の１つとして、オリフィスなどの開口面積が調整可能な圧力調整器５２が設けられている。圧力調整器５２により、第２の反応部３０の圧力Ｐ２が第１の反応部２０の圧力Ｐ１より低くなるように調整され、第２の反応部３０に導入されるGaCl₃ガスの流速が高められる。

一方、第２の反応部３０には、V族元素を含むハイドライドガス（水素化物ガス）、具体的には、III族ハロゲン化物供給管５０、NH₃ガスが流通するV族原料ガス供給管３２およびキャリアガスが流通するキャリアガス供給管３４が接続されている。キャリアガスとしては、たとえば、N₂を用いることができる。さらに、第２の反応部３０内に、GaN結晶を成長させる基板３５を保持する基板保持部３６が設けられている。基板３５としては、サファイヤ基板が好適であり、具体的には、MOCVD法などによって、2.5インチサファイア基板上に膜厚が約0.2μmのGaN膜を予め製膜したものを用いることができる。基板保持部３６は、駆動軸３７に接続されており、モータ（図示せず）などの回転駆動手段により回転可能である。さらに、第２の反応部３０の周囲に、ヒータ３８が設けられている。ヒータ３８により、第２の反応部３０が、1000〜1200℃に加熱される。

また、第２の反応部３０には、排出用配管４１を介してポンプなどの減圧装置４０が接続されている。減圧装置４０により、Ｐ１＞Ｐ２という関係がより確実に保たれるとともに、好適にはＰ１≧760Torr、Ｐ２＜760Torrになるように調整される。

第２の反応部３０において、GaCl₃ガスとNH₃ガスが反応し、回転する基板３５の上にGaN結晶が気相成長する。

以上説明した気相成長装置１０によれば、少なくとも以下のような効果を得ることができる。

（１）第２の反応部３０の圧力を第１の反応部２０の圧力より低くすることにより、GaメタルとHClガスの十分な反応を確保しつつ、基板３５面での膜厚分布を最適に保ち、GaN膜を効率的、かつ均一性良く製膜することができる。

（２）第２の反応部３０の圧力を大気圧以下に制御することで、基板３５上に均一性の高いGaN膜を成長させることができる。

具体的には、一度の工程で３〜４枚程度の2.5インチの基板上にGaN膜を製膜することができ従来に比べて量産性が大幅に向上する。

本実施の形態に係る気相成長装置１０によって上述の効果が得られるメカニズムは、以下の予備的な実験結果から推量することができる。

図２は、予備的な実験に使用した気相成長装置２００の構成を示す。反応部２０２には、ガス供給配管２０４、２０６が接続されている。ガス供給配管２０４を通じて、N₂などのキャリアガスおよびトリメチルガスが反応部２０２に供給される。また、ガス供給配管２０６を通じて、N₂などのキャリアガスおよびNH₃ガスが反応部２０２に供給される。反応部２０２には、サファイヤ基板２０８を載置するための基板支持部２１０が設けられている。また、反応部２０２の周囲には加熱用のヒータ２１２が設けられている。ヒータ２１２により、反応部２０２を1050℃に加熱した。反応部２０２にはポンプ２１６が接続されてり。ポンプ２１６を駆動することにより、反応部２０２内を所定の圧力に調整することができる。反応部２０２の圧力は、圧力計２１４により計測される。

なお、サファイヤ基板２０８は、ガス供給配管２０４、２０６の供給口から7cmだけ離れており、ガスの流れに沿ったサファイヤ基板２０８の最上流部を基準位置（0mm）とし、サファイヤ基板２０８の最下流部が50mmに位置している。

ガス流速(litter/min・atm)を76、113、192としたときの膜厚分布をそれぞれ計測した。ここで、ガス流速(litter/min・atm)とは、反応部２０２内に流れる総ガス量から反応部内の圧力を割った値をいう。図３は、気相成長装置２００を用いて、サファイヤ基板２０８上にGaN膜を製膜したときの、ガス流速と膜厚分布との関係を示すグラフである。プロットは実験値であり、各流速のプロットを近似曲線を用いて近似し、その分布を類推した。なお、図３に示すグラフの横軸は、上述した基板上におけるガスの流れ方向の位置を示す。図３からわかるように、流速が早い、つまり、圧力が低いかガス流量が大きいほど上流こと下流にかけての膜厚分布が小さくなっていることがわかる。よって、一般的にガス分解を用いて製膜するVPE装置においては、基板搭載部分のガス流速を上げ、かつ、基板の置き方を工夫するか、または、基板に回転機構を設けることにより、膜厚分布を均一化することができると理解される。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。実施の形態２の気相成長装置の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。このため、実施の形態１と同様な構成については適宜説明を省略する。本実施の形態の気相成長装置１０は、第２の反応部３０内に、ガス分配部６０が設けられている。より具体的には、III族ハロゲン化物供給管５０、V族原料ガス供給管３２およびキャリアガス供給管３４は、第２の反応部３０に設けられたガス分配部６０に接続されている。

図５は、ガス分配部６０の構造を示す概略図である。ガス分配部６０において、V族原料ガス供給管３２は複数のガス分配ノズル６２ａに分岐している。これにより、NH₃ガスが複数のガス分配ノズル６２ａに分配された後、第２の反応部３０に供給される。

また、ガス分配部６０において、III族ハロゲン化物供給管５０は複数のガス分配ノズル６２ｂに分岐している。これにより、第１の反応部２０で生成されたGaCl₃ガスが複数のガス分配ノズル６２ｂに均等に分配された後、第２の反応部３０に供給される。

また、ガス分配部６０において、キャリアガス供給管３４は複数のガス分配ノズル６２ｃに分岐している。これにより、キャリアガス供給管３４に供給されたキャリアガスが複数のガス分配ノズル６２ｃに均等に分配された後、第２の反応部３０に供給される。

図６は、ガス分配ノズル６２ａ、ｂ、ｃの平面配置を示す概略図である。複数のガス分配ノズル６２ａが並ぶ列と複数のガス分配ノズル６２ｂが並ぶ列との間に、複数のガス分配ノズル６２ｃが並ぶ列が配設されている。これによれば、GaCl₃ガスとNH₃ガスとの間にキャリアガスが流れるため、ガス分配部６０の出口部分で、GaCl₃ガスとNH₃ガスとが合流部分で付加反応することが抑制されるため、原料の損失が低減される。

このように、GaCl₃ガス、NH₃ガスおよびキャリアガスをそれぞれ複数のノズルに分配してから第２の反応部３０に供給することにより、GaCl₃ガス、NH₃ガスおよびキャリアガスが第２の反応部３０の全体に均等に導入される。なお、ガス分配ノズル６２ａ、ｂ、ｃの径および数は、基板保持部３６の大きさによって適宜変更可能であり、基板保持部３６の幅よりも大きいことが好ましい。

本実施の形態の基板保持部３６は、複数の基板３５ａ、ｂ、ｃ、ｄを所定の間隔で搭載可能な積層構造を有する。上述したように、ガス分配部６０により、第２の反応部３０に各ガスが均等に導入されているため、ガスの流れの直交方向におけるGaN膜を製膜可能な領域が拡大されている。これにより、ガスの流れの直交方向に積層された複数の基板３５ａ、ｂ、ｃ、ｄにおいて、GaN膜を均一に製膜することができ、一度に製膜可能な基板の数が増大するため、GaN膜の量産化を図ることができる。なお、本実施の形態の基板保持部３６では、基板３５の搭載構造として、４段構造が例示されているが、段数は３に限られず、適宜変更可能である。

本実施の形態の気相成長装置１０は、ガスの出口部分にガス集合部７０をさらに備える。図７にガス集合部７０の構造を示す。ガス集合部７０は、複数のノズル７２と、複数のノズル７２が合流する合流配管７４を備える。気相成長装置１０内のガスは、複数のノズル７２からそれぞれ均等に導かれ、合流配管７４を経由して気相成長装置１０の外部に排出される。これにより、気相成長装置１０内のガスの排出が、ガスの流れ方向と直交する方向において均等に行われるため、気相成長装置１０内のガスの圧力分布がより一層均等化される。

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。実施の形態３の気相成長装置の基本的な構成は、基板保持部３６および駆動軸３７の構成を除くと、実施の形態２と同様である。このため、実施の形態２と同様な構成については適宜説明を省略する。本実施の形態の気相成長装置１０では、駆動軸３７がガスの流れの方向に沿っており、基板保持部３６上の基板３５の面は、ガスの流れの方向に対向している。

本実施の形態においても、ガス分配部６０により、第２の反応部３０に各ガスが均等に導入されているため、ガスの流れの直交方向におけるGaN膜を製膜可能な領域が拡大されている。これにより、ガスの流れの方向に面が対向する基板３５において、GaN膜を均一に製膜可能な領域を大幅に拡大することができ、一度に製膜可能な基板の数が増大するため、GaN膜の量産化を図ることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の実施の形態１では、駆動軸３７がガスの流れの方向に直交し、ガスが基板３５の面に沿って流れるが、図９に示すように、駆動軸３７をガスの流れの方向に沿って設けてもよい。この場合に、基板保持部３６は、複数の基板３５ａ、ｂ、ｃ、ｄを所定の間隔で搭載可能な積層構造を有することが好適である。ガスの流れの方向におけるGaN膜の膜厚分布が均一化されているため、ガスの流れの方向に積層された各基板３５ａ、ｂ、ｃ、ｄにおいてGaN膜を均一に製膜することが可能となり、一度に製膜可能な基板の数が増大するため、GaN膜の量産化を図ることができる。

また、上術の各実施の形態では、気相成長装置１０に、圧力調整器５２と減圧装置４０とが併設されているが、圧力調整器５２および減圧装置４０のうち、いずれか一方のみが設けられていてもよい。

実施の形態１に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。予備的な実験に使用した気相成長装置の構成を示す。予備実験用の気相成長装置を用いて、サファイヤ基板上にGaN膜を製膜したときの、ガス流速と膜厚分布との関係を示すグラフである。実施の形態２に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。ガス分配部の構造を示す概略図である。ガス分配ノズルの平面配置を示す概略図である。ガス集合部の構造を示す概略図である。実施の形態３に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。変形例に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。従来の代表的なHVPE装置を示す図である。

符号の説明

１０気相成長装置、２０第１の反応部、２２塩化物供給管、２６容器、２８ヒータ、３０第２の反応部、３２ V族原料ガス供給管、３４キャリアガス供給管、３５基板、３６基板保持部、３７駆動軸、４０減圧装置、５０ III族ハロゲン化物供給管、５２圧力調整器、６０ガス分配部、７０ガス集合部。

Claims

III族金属および塩化物ガスが供給され、前記III族金属と前記塩化物ガスとが反応する第１の反応部と、
前記第１の反応部で発生した反応生成物、およびV族元素を含むハイドライドガスが供給される第２の反応部であって、
前記反応生成物と前記ハイドライドガスとの反応によって生じるIII-V族結晶を成長させる基板を保持するための基板保持部を有する第２の反応部と、
前記基板に前記III-V族結晶を成長させる際に、前記第２の反応部の圧力を前記第１の反応部の圧力より低くするための圧力調整手段と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。
前記第１の反応部と前記第２の反応部とを接続するガス配管をさらに備え、
前記圧力調整手段が前記ガス配管に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
前記第２の反応部を減圧可能な減圧装置をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
前記基板に前記III-V族結晶を成長させる過程における前記第２の反応部の圧力が大気圧より低いことを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
前記反応生成物および前記ハイドライドガスを複数のノズルに分配して前記第２の反応部に導入するガス分配部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
前記ガス分配部は、さらに、キャリアガスを複数のノズルに分配して前記第２の反応部に導入し、
前記キャリアガス用のノズルが、前記反応生成物用のノズルと前記ハイドライドガス用のノズルとの間に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の気相成長装置。