JP2010034117A

JP2010034117A - 気相成長装置

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Publication number: JP2010034117A
Application number: JP2008191865A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Yano; 良樹矢野
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP5209395B2

Abstract

【課題】基板と原料ガスとの双方の温度を効果的に上げることができ、消費電力を更に低減できるとともに、より均一で高品質な半導体膜を形成できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】気相成長装置１０の反応管１１は、原料ガスを基板１３に供給する原料ガス混合領域Ａと、該原料ガス混合領域Ａからの原料ガスを基板上で熱分解させる反応領域Ｂと、該反応領域Ｂから排出されるガスを排気する排気領域Ｃとを連続して備える。原料ガス混合領域Ａと反応領域Ｂと排気領域Ｃとに亘る天井壁１１ａを窒化ホウ素で形成し、基板１３と同一平面となる基板周囲の底壁１１ｂを石英ガラスで形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応管内に設置した基板を、サセプタを介してヒーターで加熱するとともに、前記反応管内に原料ガスを供給して基板面に反応生成物を堆積させて薄膜を成長させる気相成長装置に係り、詳しくは、窒化ガリウム等の窒化物系化合物半導体膜を基板に成長させる気相成長装置に関する。

横型の気相成長装置を用いて基板に窒化ガリウムや窒化アルミニウム等の窒化物系化合物の半導体膜を形成する際の成膜温度は１０００℃から１６００℃の高温に及ぶため、ヒーター加熱に多くの電力が消費され、薄膜成長のコストが嵩んでいた。このため、基板面に対向する反応管の壁面に熱反射率が高い反射部材を取り付けることにより、基板を効率よく加熱して消費電力を少なくしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−２１７０８号公報

上述の特許文献１のものにおいても、基板を効果的に加熱して消費電力の低減は図れるが、近年は、より一層の消費電力の低減が求められている。

そこで本発明は、基板と原料ガスとの双方の温度を効果的に上げることができ、消費電力を更に低減できるとともに、より均一で高品質な半導体膜を形成できる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、反応管内に設置したサセプタに保持した基板を、サセプタを介してヒーターで加熱するとともに、前記反応管内に基板面と平行に原料ガスを供給して基板面に反応生成物を堆積させて薄膜を成長させる気相成長装置において、前記反応管の少なくとも前記基板面と対向する対向壁を窒化ホウ素で形成したことを特徴としている。

また、前記反応管は、原料ガスを前記基板上で熱分解させる反応領域と、該反応領域のガス流れ方向上流側に連設した原料ガス混合領域と、前記反応領域のガス流れ方向下流側に連設した排気領域とを備え、前記反応領域の前記基板面と対向する対向壁と、該対向壁の上流側及び下流側に連続する前記原料ガス混合領域の壁と前記排気領域の壁とを窒化ホウ素でそれぞれ形成してもよく、前記反応管の前記基板面と同一面となる基板周囲の壁を石英ガラスで形成することもできる。

本発明の気相成長装置によれば、反応管の基板に対向する対向壁を窒化ホウ素で形成することで、基板から放射された輻射熱を窒化ホウ素製の壁面で効果的に反射させることができ、ヒーターからの熱を有効に利用でき、消費電力の低減を図ることができる。

また、反応管における原料ガス混合領域、反応領域及び排気領域における基板対向側の壁を窒化ホウ素でそれぞれ形成することにより、導入する原料ガスを効率的に加熱することができるとともに、排気領域においても熱の放出を抑えることができるので、反応領域の加熱効果を一層向上させることができ、反応領域へ向かう原料ガスを効果的に加熱できるので、表面状態が均一で高品質な半導体膜をより安定して形成することができる。

図１及び図２は本発明の気相成長装置の第１形態例を示す図で、図１は気相成長装置の断面正面図、図２は断面平面図ある。本形態例の気相成長装置１０は、ガス流れ方向を水平方向とした反応管１１の底壁に回転可能に設置したサセプタ１２に基板１３を保持し、サセプタ１２の下方に配置したヒーター１４によってサセプタ１２を介して基板１３を所定温度に加熱するとともに、反応管１１内に原料ガス供給部１５から基板１３の表面（基板面）に対して平行に原料ガスを供給し、該原料ガスを基板上で熱分解させることによって、基板面に反応生成物を堆積させて所望の薄膜を成長させる横型の気相成長装置であって、サセプタ１２は、膜厚の平均化を図る目的で回転している。

反応管１１は、前記原料ガス供給部１５に連続して設けられ、該原料ガス供給部１５から供給される原料ガスを混合しながら基板１３部分に供給する原料ガス混合領域Ａと、該原料ガス混合領域Ａから供給される原料ガスを前記基板１３上で熱分解させる反応領域Ｂと、該反応領域Ｂから排出されるガスを排気する排気領域Ｃとが連続して形成されている。

これらの原料ガス混合領域Ａ、反応領域Ｂ及び排気領域Ｃでは、基板１３と対向する対向壁である天井壁１１ａがそれぞれ窒化ホウ素で形成され、サセプタ１２の上面と同一面となるサセプタ周囲の底壁１１ｂは石英ガラスで形成されている。また、排気領域Ｃは、反応領域Ｂでのガス流れを乱さないように、所定の長さが確保されている。

窒化ホウ素は、高耐熱性があり、１０００℃以上の高温下でも変形が少なく、加工性が良好で、さらに、１３００℃における黒体輻射ピーク位置である１．８μｍ帯での熱反射率が０．９程度と高いことから、反応管１１の天井壁１１ａを形成する材料として最適である。

このように形成された気相成長装置１０で窒化ガリウムの薄膜を形成する際には、前記ヒーター１４によりサセプタ１２を介して基板１３を１３００℃に加熱した状態で、上流側の前記原料ガス供給部１５から原料ガスとしてトリメチルガリウム及びアンモニアを所定の割合でキャリアガスと共に反応管１１に供給する。

基板１３は、裏面がサセプタ１２からの電熱によって加熱されるとともに、基板１３の表面から放射された輻射熱は、原料ガス混合領域Ａと反応領域Ｂと排気領域Ｃとに亘る天井壁１１ａでそれぞれ反射する。この反射した輻射熱により、原料ガス混合領域Ａでは、原料ガス供給部１５から反応領域Ｂに向かって流れる原料ガスが予備的に加熱され、原料ガスを良好な状態で反応領域Ｂに供給することができる。

また、反応領域Ｂでは、前記反射した輻射熱により、基板表面が再加熱されるので、基板１３の加熱効率が向上する。したがって、ヒーター１４の温度を従来よりも低くしても、基板１３を所定の１３００℃に加熱することができる。これにより、ヒーター１４の消費電力を低減できるとともに、ヒーター１４の寿命延長を図ることができる。

さらに、前記反射した輻射熱により、反応領域Ｂから排気領域Ｃに排出されたガスの温度を保持することができ、排気領域Ｃの長さを、反応領域Ｂでのガス流れを乱さないように長く形成しても、この領域からの放熱を低減させることができ、反応領域Ｂの加熱効率を低下させることがない。

このように、基板１３と対向する対向壁である原料ガス混合領域Ａと反応領域Ｂと排気領域Ｃとに亘る天井壁１１ａを窒化ホウ素で形成することにより、基板１３の表面から放射された輻射熱を反射させて、原料ガス混合領域Ａを流れる原料ガスを好適に加熱することができ、反応領域Ｂで基板１３を効率よく加熱することができるとともに、排気領域Ｃからの熱放出を抑えることができる。したがって、ヒーター１４における消費電力の低減を図りながら、表面状態が均一で高品質な半導体膜を形成することができる。

また、基板と同一面となる基板周囲の壁を、輻射熱の反射効果がほとんどなく、輻射熱を透過しやすい石英ガラスで形成することにより、ヒーター１４からの輻射熱によって反応管１１内を流れる原料ガスを効率よく加熱することができる。なお、側壁部分の材質は任意に選択することができる。

図３及び図４は本発明の第２形態例を示すもので、第１形態例と同様の構成要素を示すものには、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本形態例に示す気相成長装置２０の反応管２１は、前記第１形態例で示した反応管１１と同様に、原料ガス混合領域Ａと反応領域Ｂと排気領域Ｃとを備えている。本形態例の反応管２１は、反応領域Ｂの天井壁２１ａを窒化ホウ素で形成し、原料ガス混合領域Ａの天井壁２１ｂと排気領域Ｃの天井壁２１ｃとをそれぞれ石英ガラスで形成している。

本形態例では、第１形態例に比べて、反応管２１を安価に形成できるが、原料ガスを基板１３の表面から放射された輻射熱を反射させて加熱できる領域が第１形態例よりも小さい。しかし、従来のように、板状の反射部材を、石英ガラスで形成された反応管の壁面に取り付けたものに比べると、天井壁２１ａ自体を窒化ホウ素で形成することから、輻射熱を効果的に反射させて、原料ガスや基板を効果的に加熱することができる。

前記第１形態例に示される気相成長装置１０と、第２形態例に示される気相成長装置２０に、４インチ径のサセプタ１２をそれぞれ設置し、該サセプタに２インチ径のサファイア基板１３を載置し、サセプタ下部に設置したヒーター１４によりサセプタ１２をそれぞれ加熱した。原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を４００μｍｏｌ／ｍｉｎ及びアンモニアガスを１５Ｌ／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素を５５Ｌ／ｍｉｎ及び窒素を３５Ｌ／ｍｉｎを各反応管１１，２１内に原料ガス供給部１５から各基板１３の表面に対して平行に原料ガスを供給し、基板上に薄膜を形成した。反応管１１，２１内の圧力は大気圧とした。

薄膜の形成は、まず、各サセプタ１２を５００℃に加熱して基板上に厚さ２５ｎｍの低温窒化ガリウムバッファ層をそれぞれ成膜した後、各サセプタ１２を１１００℃に加熱して厚さ４μｍの高品質窒化ガリウム層をそれぞれ成膜した。成膜前には水素と窒素と雰囲気で１１００℃まで加熱しサファイア基板１３のアニーリングを行った。

前記気相成長装置１０で得られた半導体膜を形成した基板のサンプルＳ１と、前記気相成長装置２０で得られた半導体膜を形成した基板のサンプルＳ２とについて、Ｘ線回析のロッキングカーブ測定をそれぞれ行った。窒化ガリウム結晶の対称方向（（００２）方向）と非対称方向（（１０２）方向）のロッキングカーブの半値幅を求め、この値が小さいほど高品質の結晶と判定することができる。サンプルＳ２は対称方向２２５秒、非対称方向３３０秒であった。サンプルＳ１は対称方向２０６秒、非対称方向２７０秒であった。このことから、第１形態例に示される気相成長装置１０を適用したサンプルＳ１の方が、第２形態例の気相成長装置２０を適用したサンプルＳ２よりも、反応管内を流れる原料ガスを効率よく加熱することができ、より高品質な窒化ガリウム薄膜を成長させることができることが分かった。

なお、本発明は、基板の薄膜形成面を下向きにした気相成長装置にも適用できる。また、本発明は、窒化ガリウムの薄膜を成膜する際だけでなく、高温成長が必要な窒化アルミニウムなどの窒化物系化合物半導体薄膜を成膜する際にも適用できる。

本発明の第１形態例を示す気相成長装置の断面正面図である。同じく断面平面図である。本発明の第２形態例を示す気相成長装置の断面正面図である。同じく断面平面図である。

符号の説明

１０…気相成長装置、１１…反応管、１１ａ…天井壁、１１ｂ…底壁、１２…サセプタ、１３…基板、１４…ヒーター、１５…原料ガス供給部、２０…気相成長装置、２１…反応管、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…天井壁、Ａ…原料ガス混合領域、Ｂ…反応領域、Ｃ…排気領域

Claims

反応管内に設置したサセプタに保持した基板を、サセプタを介してヒーターで加熱するとともに、前記反応管内に基板面と平行に原料ガスを供給して基板面に反応生成物を堆積させて薄膜を成長させる気相成長装置において、前記反応管の少なくとも前記基板面と対向する対向壁を窒化ホウ素で形成したことを特徴とする気相成長装置。
前記反応管は、原料ガスを前記基板上で熱分解させる反応領域と、該反応領域のガス流れ方向上流側に連設した原料ガス混合領域と、前記反応領域のガス流れ方向下流側に連設した排気領域とを備え、前記反応領域の前記基板面と対向する対向壁と、該対向壁の上流側及び下流側に連続する前記原料ガス混合領域の壁と前記排気領域の壁とを窒化ホウ素でそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記反応管の前記基板面と同一面となる基板周囲の壁を石英ガラスで形成したことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。