JP2010021309A - 積層素子の製造方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の膜を積層した素子を形成するにあたり、効率よく膜厚の均一性を向上させる。
【解決手段】原料ガスを構成する材料ガスの種類、比率および流量のうち少なくとも一つを変化させながら気相成長させることにより、複数層を積層させる。反応炉において、供給する原料ガス毎に、基板を保持する基板保持部の半径方向の膜厚分布のピーク位置が基板位置と重ならないよう、基板保持部と反応炉の基板保持部に対向する面との間隔を変化させる。また、基板を基板保持部に対して回転させるとともに基板保持部も回転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体素子を形成する技術に関する。特に、複数の原料ガスを供給し、反応生成物を堆積させる気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術に関する。

化合物半導体素子の製造技術として、反応炉内に設置した基板を加熱しながら原料ガスを流し、基板上に半導体結晶などの薄膜を得る気相成長技術が知られている。

気相成長技術では、原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）等のＶ族系の材料ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）等のＩＩＩ族系の材料ガスとを所定の割合で反応炉に導入し、基板近傍で加熱分解し、得られた成分を基板上に付着させ、アルミガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）やインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）等の半導体結晶を薄膜として基板表面に成長させる。

半導体結晶の成長時は基板上で生成物の成長量が均一になることが理想である。このため、原料ガスの導入部が一箇所である装置を用いる場合、反応炉内のガス流を制御することが重要となる。このような装置において、原料ガスの導入部の形状を工夫することにより、反応炉内に均質な原料ガスのガス流を形成し、生成物の成長量の均一化を図るものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、原料ガスの導入部を複数の分割し、反応炉内のガス流を整流することにより均一化を図る技術がある（例えば、特許文献２参照。）。

特許第３８６７６１６号公報 特開２００６−３４４６１５号公報

しかし、基板上に複数の膜を連続して積層する場合、原料ガスの導入部から供給する原料ガスを構成する材料ガスの種類や比率、単位時間当たりの流量を変える必要がある。このとき、特許文献１に記載の技術によれば、原料ガスの構成を変更する毎に導入部の形状も調整する必要がある。導入部の形状は、原料ガス導入中には変更することができないため、その都度、原料ガスの供給を止めて調整をしなければならず、時間がかかる。

また、気相成長技術は、ガス導入部から供給された原料ガスに熱エネルギーを与えて化学反応を起こし、その反応生成物を堆積させるものである。反応生成物の量（膜厚）は、導入部から供給された原料ガスへの熱エネルギーの与え方や流速、材料枯渇などの影響を受け、導入部からの距離に従って変化する。この変化も単調なものではなく、例えば、原料ガスの導入部が基板を保持するサセプタの中心である場合、図５に示すように、サセプタ中心から所定の距離だけ離れた位置にピークを持つ膜厚分布となる。本図において、横軸はサセプタ中心（すなわち、原料ガスの導入部）から半径方向の距離（ｍ）、縦軸は膜厚（ｎｍ）である。

膜厚分布が図５に示すような特性を持つ場合、ピーク位置からずれた位置に基板を配置し、すなわち、膜厚分布がサセプタ中心からの距離に対して単調増加、または単調減少を示す位置で、基板をサセプタの中心軸周りに公転させるとともに自転させることにより、基板上の膜厚の均一性を向上させることができる。

しかし、原料ガスの構成を変えると、反応炉内の圧力、温度といった環境条件が同じであれば、膜厚分布のピーク位置は移動する。膜厚分布のピークが基板上に移動した場合、基板を公転および自転させたとしても、基板上に均一な膜を成長させることはできない。

基板上に積層する膜厚を均一化するためには、原料ガスの構成を変更する毎に、供給する原料ガスの流量や濃度、環境条件を調整し、膜厚分布のピークを基板位置からずらす必要がある。しかし、これらの条件を変更後、反応炉内の状態が安定するまでに時間がかかり、成長時間が長くなるとともに、ガスの利用効率も悪くなる。さらに、ガス流量、濃度、環境条件等の変更の仕方によっては、成長速度の低下につながり、成膜コストの上昇を招く。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数の膜を積層した素子を形成するにあたり、効率よく膜厚の均一性を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、原料ガスを反応させて基板上に薄膜を積層させる反応炉において、供給する原料ガス毎に、基板を保持する基板保持部の半径方向の膜厚分布のピーク位置が基板位置と重ならないよう、基板保持部と反応炉の基板保持部に対向する面との間隔を変化させながら複数の膜を積層した素子を生成する。

具体的には、基板保持部に対して基板を回転させながら、当該基板保持部自身を回転させ、前記基板保持部の回転軸と同軸に配置されたガス導入部から噴出させた原料ガスを前記基板保持部と対向する対向面との間を通過させ、前記原料ガスの反応生成物を前記基板に堆積させる工程を、前記原料ガスを構成する材料ガスの種類、比率および流量のうち少なくとも一つを変化させながら繰り返すことにより複数膜の積層素子を製造する方法であって、前記材料ガスの種類、比率および流量のうち少なくとも一つを変化させる際に、前記基板保持部と前記対向面との間隔を変化させ、前記基板保持部の半径方向についての膜厚分布のピークを前記基板と重ならない位置に生じさせることを特徴とする積層素子の製造方法を提供する。

また、供給された原料ガスを反応させて基板上に薄膜を積層させる反応炉を備える成膜装置であって、前記基板を保持する基板保持手段と、前記基板保持部を回転させるとともに当該基板保持部に対して基板を回転させる回転機構手段と、原料ガスを供給するガス導入手段と、前記基板保持部と前記反応炉の当該基板保持部に対向する対向面との間隔を変化させる移動機構と、を備え、前記ガス導入手段は、前記基板保持手段の回転軸と同軸に配置されることを特徴とする成膜装置を提供する。

本発明によれば、複数の膜を積層した素子を形成するにあたり、効率よく膜厚の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本実施形態では成膜装置を用い、積層素子を製造する。まず、本実施形態で成膜装置として用いられる気相成長装置１００について説明する。図１は、本実施形態の気相成長装置１００の概略構成を示す断面図である。本実施形態の気相成長装置１００は、反応炉１０と、移動機構と、回転機構と、真空ポンプ４０と、を備える。

反応炉１０は、基板１１を保持するサセプタ１２と、ヒータ１３と、反応炉１０の上面および横面を構成する反応炉壁１９と、反応炉１０の底面を構成する対向面１４と、ノズル状のガス導入部１５と、排気口１６と、を備える。サセプタ１２は、円盤形状を有し、反応炉壁１９にサセプタ１２の中心軸３２周りに回転可能に固定される。また、ガス導入部１５と排気口１６は対向面１４に配置され、ガス導入部１５はサセプタ１２の中心軸３２と同軸に、排気口１６は、サセプタ１２の周辺部に対応する位置に配される。なお、排気口１６の後段には真空ポンプ４０が配される。また、基板１１の数は問わない。ただし、それぞれの基板１１は、サセプタ１２の中心から半径方向に同じ距離の位置に配置される。

原料ガスをガス導入部１５から一定量導入するとともに真空ポンプ４０で排気することにより、反応炉１０内を一定圧力に保持しながら原料ガスをサセプタ１２の中心から周辺へ流す。このとき、ヒータ１３で反応炉１０内部および基板１１を高温加熱することにより、原料ガスは熱を受け取る。原料ガスを構成する材料ガスが所定の温度に達した時点（位置）で、それぞれ反応を開始し、反応生成物である半導体結晶（膜）が基板１１の表面に堆積する。

このとき、生成される膜の厚さは、上述のように、ガス導入部５からの距離、すなわち、サセプタ１２の中心からの距離によって図５のように変化する。従って、基板１１を、図５のピーク位置を外して膜厚の変化が単調増加または単調減少する位置に配置するとともに、自転および公転させることにより、高い均一度を有する膜を得ることができる。回転機構は、基板１１の自転および公転を実現するもので、モータ３１を備え、サセプタ１２を中心軸３２周りに回転させるとともに、基板１１を、それぞれの中心軸周りに回転させる。以後、サセプタ１２の回転を基板１１の公転、基板１１自身の回転を基板１１の自転と呼ぶ。

上述のように、膜厚分布は、環境条件が同じ場合、原料ガスの構成により特定される。原料ガスの構成とは、原料ガスを構成する材料ガスの種類のみならず、複数の材料ガスを導入する場合における各材料ガスの導入比率、各材料ガスの単位時間あたりの流量などの導入条件をも含む。以後、本明細書では、原料ガスの構成を変更するとは、原料ガスを構成する材料ガスの種類、比率、および単位時間当たりの流量の少なくとも１つを変更することを意味する。従って、複数の膜を連続して積層して積層素子を製造するにあたり、原料ガスの構成を変更した場合、ピーク位置が変位し、基板１１の位置となることがあり得る。一方、膜厚分布は、原料ガスの構成が同じ場合、環境条件を変えることにより、変化させることができる。本実施形態の気相成長装置１００では、原料ガスの構成を変えた場合、基板位置に膜圧分布のピーク位置が来ることを避けるため、サセプタ１２と対向面１４との間隔（距離Ｌ）を変化させて、環境条件を変化させ、膜厚分布のピーク位置を変位させる。

移動機構は、反応炉１０内の気密状態を保ちながら、距離Ｌを変化させるもので、対向面１４を反応炉壁１９に対してサセプタ１２の中心軸３２方向（以後、本方向を上下方向と呼ぶ。）に変位させる対向面駆動機構と、反応炉壁１９に対する対向面１４の位置が変化しても反応炉１０内の気密状態を保つ真空ベローズ２７とを備える。真空ベローズ２７は、例えば、ステンレスなどで構成される。

対向面駆動機構は、ボールネジ２３、２４と、ボールネジ２３、２４にそれぞれ嵌め込まれ、対向面１４に固定された対向面保持部２５、２６と、当該ボールネジ２２、２３をそれぞれ回転させるサーボモータ２１、２２とを備える。サーボモータ２１、２２がボールネジ２３、２４をそれぞれ回転させ、それに伴い、対向面保持部２５、２６の位置が上下する。対向面保持部２５、２６の上下に伴い、対向面１４が上下し、距離Ｌが変化する。なお、本実施形態では、距離Ｌは、対向面１４側の移動により変化させる。本実施形態では、対向面１４とガス導入部１５とは独立した構成であり、対向面１４の移動が移動したとしても、基板１１、サセプタ１２およびガス導入部１５の位置は固定されている。

移動機構により、距離Ｌが変化すると、反応炉１０内の容積が変化する。これにより、反応炉１０内で、原料ガスの流速や原料ガスへのヒータ３による影響に変化が生じ、膜厚分布が変化し、そのピーク位置も変化する。

例えば、ガス導入部１５から材料ガスとしてホスフィン（ＰＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給し、インジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を成長させる場合、電流拡散層など膜厚の厚い層を成長させるため、単位時間当たりの総流量を大きくすることがある。距離Ｌを２５ｍｍとし、通常の厚さの層を成長させるため、単位時間当たりの総流量を２０ＳＬＭに設定した場合と、厚い層を成長させるため、単位時間当たりの総流量を４０ＳＬＭに設定した場合との、それぞれの膜厚分布を図２に示す。また、単位時間当たりの総流量を４０ＳＬＭとした場合のみ、距離Ｌを１２ｍｍに変更した場合の両膜厚分布を図３に示す。なお、両者において、他の環境条件は同じとする。また、図２および図３において、横軸はサセプタ中心（すなわち、ガス導入部１５のノズル位置）から半径方向の距離（ｍ）、縦軸は膜厚（ｎｍ）である。

図２に示すように、単位時間当たりの総流量を２０ＳＬＭとした場合、サセプタ１２の中心から０．１ｍ付近に膜厚分布のピークが生じる。従って、サセプタ１２の中心から０．１ｍ以降の位置に基板１１を配置し、回転機構により当該基板１１を公転および自転させ、均一な膜を形成することができる。ここでは、効率良く膜を形成するために、できる限り厚い膜厚の得られる位置、例えば、０．１２ｍに基板１１を配置するものとする。

一方、距離Ｌおよび他の環境条件を変えず、単位時間当たりの総流量を４０ＳＬＭに変化させると、図２に示すように膜厚分布のピークは、０．１２ｍ付近に移動する。従って、基板１１の位置がサセプタ１２の中心から０．１２ｍである場合、単位時間当たりの総流量変化後は、均一な膜が得られない。

そこで、単位時間当たりの総流量４０ＳＬＭの場合、他の環境条件は変えず、移動機構により距離Ｌを１２ｍｍに変更する。すると、図３に示すように、単位時間当たりの総流量４０ＳＬＭの場合の膜厚分布が変化し、そのピークが０．１ｍ付近に移動する。単位時間当たりの総流量２０ＳＬＭの場合のピーク位置とほぼ同じ位置にピーク位置を維持することができ、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れる。従って、基板１１の位置がサセプタ１２の中心から０．１２ｍである場合であっても、均一な膜を得ることができる。

このように、本実施形態の気相成長装置１００では、原料ガスを構成する材料ガスの種類、比率、および流量により定まる原料ガスの構成に応じて距離Ｌをそれぞれの最適距離に設定し、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れるようにする。なお、最適距離は、導入する原料ガスの構成に応じて予め実測により定める。例えば、異なる構成の原料ガス毎に、それぞれ距離Ｌを変更して膜厚分布を測定し、所望の位置に膜厚分布のピークが来る距離Ｌを当該構成の原料ガスの最適距離とする。

このとき、膜厚分布のピークの位置は、各層間でほぼ同位置であることが好ましいが、必ずしも同位置である必要はなく、基板１１の配置位置と重なっていなければよい。

次に、上記構成を有する本実施形態の気相成長装置１００を用いて半導体結晶などの薄膜を生成する際の各部の動作について説明する。

サセプタ１２に基板１１を１以上搭載し、回転機構により基板１１を公転させるとともに自転させる。排気ポンプ４０を動作させ、反応炉１０内を所定の圧力まで減圧する。ヒータ１３を加熱することにより、サセプタ１２および対向面１４を加熱する。次に、移動機構により、導入する原料ガスの構成に応じて予め決定された最適距離に距離Ｌを変更する。そして、ガス導入部１５から当該原料ガスを供給し、ヒータ１３の熱により構成する材料ガスを反応させて得られた生成物を基板１１上に堆積させる。このとき、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れているため、均一度の高い膜が形成される。

所定量の原料ガスの導入後、移動機構により、次に導入する原料ガスの構成に応じて定められた最適距離に距離Ｌを変更し、当該原料ガスの供給を開始する。ここでも、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れるよう距離Ｌを変更しているため、均一度の高い膜が形成される。

以後、原料ガスの構成を変更する毎に、移動機構により変更後の原料ガスの構成に応じた最適距離に距離Ｌを変更し、当該原料ガスによる反応性生物を堆積させることを繰り返し、所望の膜を積層する。

以上説明したように、本実施形態の気相成長装置１００によれば、移動機構によりサセプタ１２と対向面１４との距離Ｌを調整することにより、原料ガスの構成に応じて、容易に膜厚分布を制御することができる。特に、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れるよう距離Ｌを調整することにより、原料ガスの構成によらず、同じ基板位置で、均一度の高い膜を得ることができる。従って、基板１１上に複数の膜を連続して積層して素子を製造する場合、原料ガスの構成を変更時に距離Ｌを変更することにより、容易に均一な膜厚の積層膜を有する素子を製造することができる。

距離Ｌの調整は、移動機構により気相成長装置１００の他の構成とは独立して実現することができるため、成膜途中であっても変更が可能である。このため、本実施形態の気相成長装置１００により上述の素子を製造する場合、原料ガスの構成の変更による調整のための待ち時間を低減することができる。さらに、環境条件の変更による成長速度の低下なども発生しない。

なお、移動機構は、反応炉１０の内圧の変動による撓みを補正するため、サセプタ１２と対向面１４との距離Ｌを常時計測し、所望の距離との差をフィードバックする機能を有してもよい。この場合、移動機構は、サセプタ１２と対向面１４との距離を計測する測長センサを備え、計測結果からその時点の距離Ｌを算出する。そして、算出結果から所望の距離との差を算出し、算出された距離の差分に応じて対向面１４を変位させる。

また、上記実施形態では、異なる構成を有する原料ガス毎の最適距離を実測により得るよう構成しているが、これに限られない。例えば、原料ガスの構成を変更する毎に、当該原料ガスの構成に応じた最適距離を自動的に算出するよう構成してもよい。この場合、例えば、膜厚分布のピーク位置が基板１１の位置から外れるよう距離Ｌをフィードバック制御により決定する。

さらに、上記実施形態では、気密性を保ちつつ距離Ｌを変更可能とするため、真空ベローズ２７を用いているが、これに限られない。例えば、磁性流体等を用いてもよい。

（実施例）
本実施形態の成膜方法を用いて図４（ａ）に示す発光素子を製造する方法について説明する。図４（ａ）の発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板７１の上に、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層７２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰのｎ型クラッド層７３、アンドープＡｌＧａＩｎＰの活性層７４、ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰのｐ型クラッド層７５、Ｚｎドープｐ型ＧａＰの電流拡散層７６を積層した構成である。各層の膜厚は、図４（ａ）に示したとおりである。

本実施形態では、バッファ層７２〜電流拡散層７６までを、上述の気相成長装置１００を用いて成膜する。このとき、サセプタ１２と対向面１４との距離Ｌを、それぞれ図４（ｂ）のように設定する。

各層成膜時の環境条件は、反応炉１０内の圧力１０ｋＰａ、ヒータ１３の温度６００〜９００℃、対向面１４の温度２００〜３００℃、とする。図４（ｂ）の設定に従い、まず、移動機構により、距離Ｌを２０ｍｍとし、Ｖ族系ガスのＡｓＨ３およびＩＩＩ族系ガスのＴＭＧａをガス導入部１５から供給し、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層７２を成膜する。

バッファ層７２の成膜を終えると、移動機構により距離Ｌを２０ｍｍとし、Ｖ族系ガスのＰＨ３およびＩＩＩ族系ガスのＴＭＧａ、ＴＭＡ、ＴＭＩを供給し、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰのｎ型クラッド層７３を成膜する。

Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰのｎ型クラッド層７３の成膜を終えると、移動機構により距離Ｌを２０ｍｍとし、Ｖ族ガスのＰＨ３およびＩＩＩ族ガスのＴＭＧａ、ＴＭＡ、ＴＭＩを供給し、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰの活性層７４およびＺｎドープＡｌＧａＩｎＰのｐ型クラッド層７５を成膜する。なお、ｐ型クラッド層７５の成膜時には、ＺｎドープのためにＤＭＺｎ（ジメチルジンク）を供給する。

ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰのｐ型クラッド層７５の成膜を終えると、移動機構により距離Ｌを１５ｍｍとし、Ｖ族ガスのＰＨ３およびＩＩＩ族ガスのＴＭＧａを供給し、Ｚｎドープｐ型ＧａＰの電流拡散層７６を成膜する。

以上説明したように、本実施形態によれば、サセプタ１２と対向面１４との距離Ｌを調整し、膜厚分布のピークを基板位置から外すことにより、環境条件を変えず、各層を均一な膜厚で形成することができる。これにより、発光効率に優れた発光素子を製造することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、サセプタ１２と対向面１４との距離を調整することに加え、サセプタ１２とガス導入部１５との距離を調整するなど、その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。

本発明の実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態のサセプタと対向面との間隔を変更することなく原料ガスの総流量を変化させた場合の膜厚分布を示すグラフである。 本発明の実施形態の原料ガスの総流量を変化させる前後でサセプタと対向面との間隔を変更した場合の膜厚分布を示すグラフである。 （ａ）本発明の実施形態の製造方法で製造される発光素子の構造を示す図である。（ｂ）図４（ａ）の各層成長時のサセプタと対向面との間隔を説明するための図である。 成膜装置で生じる膜厚分布曲線と、均一な膜厚で成膜するための基板位置を示すグラフである。

符号の説明

１０：反応炉、１１：基板、１２：サセプタ、１３：ヒータ、１４：対向面、１５：ガス導入部、１６：排気口、１９：反応炉壁、２１：サーボモータ、２２：サーボモータ、２３：ボールネジ、２４：ボールネジ、２５：対向面保持部、２６：対向面保持部、２７：真空ベローズ、３１：モータ、３２：中心軸、４０：真空ポンプ、１００：気相成長装置

Claims (4)

1. 基板保持部に対して基板を回転させながら、当該基板保持部自身を回転させ、前記基板保持部の回転軸と同軸に配置されたガス導入部から噴出させた原料ガスを前記基板保持部と対向する対向面との間を通過させ、前記原料ガスの反応生成物を前記基板に堆積させる工程を、前記原料ガスを構成する材料ガスの種類、比率および流量のうち少なくとも一つを変化させながら繰り返すことにより複数膜の積層素子を製造する方法であって、
   前記材料ガスの種類、比率および流量のうち少なくとも一つを変化させる際に、前記基板保持部と前記対向面との間隔を変化させ、前記基板保持部の半径方向についての膜厚分布のピークを前記基板と重ならない位置に生じさせること
   を特徴とする積層素子の製造方法。
2. 請求項１記載の積層素子の製造方法であって、
   前記距離は、前記材料ガスの種類、比率および流量毎に予め求めておいた所定の距離に設定すること
   を特徴とする積層素子の製造方法。
3. 請求項１または２記載の積層素子の製造方法であって、
   前記基板保持部と前記対向面との間隔を変化させることにより、前記原料ガスを反応させる反応炉の容積を変更すること
   を特徴とする積層素子の製造方法。
4. 供給された原料ガスを反応させて基板上に薄膜を積層させる反応炉を備える成膜装置であって、
   前記基板を保持する基板保持手段と、
   前記基板保持部を回転させるとともに当該基板保持部に対して基板を回転させる回転機構手段と、
   原料ガスを供給するガス導入手段と、
   前記基板保持部と前記反応炉の当該基板保持部に対向する対向面との間隔を変化させる移動機構と、を備え、
   前記ガス導入手段は、前記基板保持手段の回転軸と同軸に配置されること
   を特徴とする成膜装置。

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