JP2011222592A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。
【解決手段】シャワーヘッド20は、原料ガスが導入されるIII 族系ガス外環流路23a及びV族系ガス外環流路24aと、開口付き仕切り23d・24dの内側に位置する原料ガスのIII 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bと、複数のIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5を有するシャワープレート21とを備えている。III 族系ガスバッファエリア23bには、III 族系ガスバッファエリア23bを積層方向の複数層に仕切る隔壁40が設けられ、かつ隔壁40には複数の貫通孔41…が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば縦型シャワーヘッド型MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )等の気相成長装置及び気相成長方法に関するものであり、特に、気相成長装置における原料ガスの供給方法に関するものである。
発光ダイオード及び半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム(TMG)又はトリメチルアルミニウム(TMA)等の有機金属ガスと、アンモニア(NH)、ホスフィン(PH)又はアルシン(AsH)等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して、基板上に化合物半導体結晶を成長させるMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)が用いられている。
MOCVDは、上記の原料ガスを水素、又は窒素等の不活性ガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。MOCVD法を用いた化合物半導体結晶の製造では、成長させる化合物半導体結晶の品質を向上させると共に、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが同時に要求される。
図14に、MOCVDに用いられる従来の気相成長装置である縦型シャワーヘッド型MOCVD装置の一例の模式的な構成を示す。
このMOCVD装置においては、ガス供給源102から反応炉101の内部の成長室111に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管103が接続されており、反応炉101における内部の成長室111の上部には該成長室111に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート110がガス導入部として設置されている。
また、反応炉101の成長室111の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸112が設置され、この回転軸112の先端にはシャワープレート110と対向するようにしてサセプタ108が取り付けられている。上記サセプタ108の下部には該サセプタ108を加熱するためのヒータ109が取り付けられている。
さらに、反応炉101の下部には、該反応炉101における内部の成長室111内のガスを外部に排気するためのガス排気部104が設置されている。このガス排気部104は、パージライン105を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置106に接続されている。
上記構成の縦型シャワーヘッド型MOCVD装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ108に基板107を設置し、回転軸112の回転によりサセプタ108を回転させ、ヒータ109の加熱によりサセプタ108を介して基板107を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート110に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉101の内部の成長室111に反応ガス及び不活性ガスを導入する。
複数の反応ガスを供給して基板107上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート110に多数設けられているガス吐出口から基板107に反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。
ところで、基板上に成長させる化合物半導体結晶の品質を一定に保つためには、基板上に均一な膜厚分布の薄膜を成長させる必要がある。このため、成長室に導入する反応ガス及び不活性ガスは、均等な濃度分布で供給することが必須となる。
この問題を解決するため、例えば特許文献1では、反応ガスを均等な濃度分布で基板上に供給し、基板上で気相反応させる方法が示されている。具体的には、図15に示すように、設置された基板201の上方の中央部にガス導入口202を設け、ガス導入口202からシャワープレート203へつながる拡開する外壁を設けることにより、シャワープレート203のガス吐出孔での反応ガスの速度差を緩和でき、基板201上での反応ガスの濃度分布の均一化を実現している。
また、特許文献2では、図16に示すように、複数のガス導入部301…を有し、個々のガス導入部301に設けられた流量調節部302にて流量を制御することによって、基板303の表面への反応ガスの均一供給を可能にしている。
さらに、特許文献3では、図17に示すように、成長室401の上部の周辺部に配置した環状のガス流路402に配置したガス導入孔403からシャワープレート404を通して成長室401に反応ガスを吐出させると共に、成長室401の周囲に環状のガス排出部405を設置し、ガス排出部405に均等配置した排気孔406を介して排ガスを排出することによって、基板407の表面への反応ガスの均一供給を可能にしている。
一方、成膜が行われる成長室内は減圧して使用する場合が多いことから、シャワーヘッド内の圧力は成長室内に較べると格段に高く、シャワーヘッド内で気相反応が生ずることが避けられなかった。シャワーヘッド内で気相反応が生じると、反応生成物がシャワーヘッドのガス吐出孔を塞ぎ、成長室内に反応ガスを供給することができなくなる。
この問題を解決するため、例えば特許文献4では、例えば、図18に示すように、2種類の供給ガスそれぞれに中間室501・502を設け、この中間室501・502からそれぞれの反応ガスをシャワープレート503のガス吐出孔501a・502aを通して、分離した状態で成長室504へ供給する方法が示されている。反応ガスが分離した状態で供給されるため、シャワーヘッド505内で気相反応が生ずることはない。このような構成は、例えば特許文献5,6にも開示されている。
近年、発光出力の良好な窒化物半導体からなるLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)が実用化されており、寿命特性等の良好な素子特性を有する窒化物半導体からなるレーザダイオード素子の実用性が高まってきている。このような素子特性の良好なレーザ素子の例として、例えば、非特許文献1には、レーザ素子の素子構造として、GaN基板上に、n型GaNコンタクト層、n型In0.1Ga0.86N層、超格子n型Al0.14Ga0.86N/GaNクラッド層、n型GaNガイド層、多重量子井戸In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N活性層、p型Al0.2Ga0.8N電子閉じこめ層、p型GaNガイド層、超格子p型Al0.14Ga0.86N/GaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子が記載されている。この窒化物半導体レーザ素子は、連続発振が約10,000時間となる良好な寿命特性を示すものとなっている。
特開2005−72196号公報(2005年3月17日公開) 特開2000−294538号公報(2000年10月20日公開) 特開平3−203227号公報(1991年9月4日公開) 特開平8−91989号公報(1996年4月9日公開) 特開平5−152208号公報(1993年6月18日公開) 特開2000−144432号公報(2000年5月26日公開)
J.Mater.Res.,Vol.14,No.7,Jul(1999)
しかしながら、上記従来の特許文献4〜6で示される気相成長装置では、反応ガス又は不活性ガスを均一に供給することが困難であるという問題点を有している。
詳しく述べると、例えば特許文献6では、図19に示すように、上層ガス空間601には、例えば特許文献1,2で示される方法にて反応ガス又は不活性ガスを均一に供給することが可能であるが、図19に示す中層ガス空間602には、特許文献1,2で示される方法では反応ガス又は不活性ガスを均一に供給することが困難となる。
また、前述したように、化合物半導体結晶の製造では、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが同時に要求されるため、MOCVD装置の大型化が必要とされている。このような装置の大型化に伴い、反応ガス又は不活性ガスを均一に供給することが大きな課題となる。
この点、特許文献4〜6では、大面積にわたり均一な膜成長が可能との記載があるが、具体的に反応ガスを均一に供給する手段は記載されていない。
例えば、図17に示す特許文献3における構成を用いて、図19に示す中層ガス空間602における反応ガスの均一性を確認する計算を行った結果、図11示すように、中央部でガス流速が遅く、端部で速くなり、反応ガスが均一に供給されていないことが、依然として課題であることがわかる。
さらに、活性層等に用いられるInを含む窒化物半導体、具体的にはInα Ga1−αN(0<α≦1)の下に近接して、Alを含む窒化物半導体、具体的にはAlβ Ga1−βN(0<β≦1)を設けると、Inを含む窒化物半導体の結晶性に悪影響を及ぼし、In組成が安定した結晶成長層とならず、良好な窒化物半導体層を形成することが困難であった。
また、MOCVDにおいて、Alを含む窒化物半導体を成長させた後、Inを含む窒化物半導体を成長させると、既に供給されたAlが十分に排気されず反応容器内に残る。そして、反応容器内のコンタミネーションとして、さらには残存した活性なAlにより、Inを含む窒化物半導体の成長が阻害され、良好な結晶性、安定な成長が成されず、結果として、安定した素子特性の窒化物半導体素子が得られない傾向があった。この理由は、活性なAlが反応容器内に存在することによって、Inが面内に均一に分布して成長せず、偏って成長し、それによって、In高混晶領域が面内で偏在したり、Inの析出が発生したりするため、Inを含む窒化物半導体の形成が困難となることによるものである。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供することにある。
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、成長室に対向して設けられたガス供給手段から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して該成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置において、上記ガス供給手段は、外周において環状に設けられて上記原料ガスが導入される外環流路と、上記外環流路の内側に設けられ、かつ上記原料ガスを通す開口を有する開口付き内側壁と、上記開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室と、上記中間室の下流側に位置して複数のガス吐出孔を有するシャワープレートとを備えていると共に、上記中間室には、該中間室を積層方向の複数層に仕切る隔壁が設けられており、かつ隔壁には複数の貫通孔が形成されていることを特徴としている。
本発明の気相成長方法は、上記課題を解決するために、成長室に対向して設けられたガス供給手段から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して該成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長方法において、外周において環状に設けられた上記ガス供給手段の外環流路に上記原料ガスを導入し、上記外環流路の内側に設けられた開口付き内側壁の開口から上記原料ガスを該開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室に、該中間室において積層方向の複数層に隔壁にて仕切られた部分を介して通し、上記隔壁に形成された複数の貫通孔を通した後、上記中間室の下流側に位置するシャワープレートの複数のガス吐出孔から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して気相成長を行うことを特徴としている。
上記の発明によれば、ガス供給手段は、外周において環状に設けられて上記原料ガスが導入される外環流路と、上記外環流路の内側に設けられ、かつ上記原料ガスを通す開口を有する開口付き内側壁と、上記開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室と、上記中間室の下流側に位置して複数のガス吐出孔を有するシャワープレートとを備えている。
このため、外環流路から中間室に原料ガスを通すことによって、シャワープレートの上部の空間を有効活用でき、気相成長装置全体の薄型化を図ることができる。
ところで、外環流路から中間室に原料ガスを通す場合、中間室の周辺部のガス流速は大きく、中間室の中央部に奥入りするほどガス流速は小さくなる。この結果、シャワープレートの複数のガス吐出孔から成長室に吐出される原料ガスは、シャワープレートの周辺部でガス流速が大きく、シャワープレートの中央部に奥入りするほどガス流速は小さくなる。この結果、成長室の被処理基板では、均一に原料ガスが供給されないことになる。
そこで、本発明では、中間室には、該中間室を積層方向の複数層に仕切る隔壁が設けられている。すなわち、中間室には、シャワープレートと平行に1個又は複数の隔壁が設けられている。
このため、中間室における隔壁の反シャワープレート側を通る原料ガスは、中間室における複数の貫通孔を通過した後、シャワープレートにおける複数のガス吐出孔から成長室に吐出される。
この結果、原料ガスは、中間室における隔壁の複数の貫通孔を通して、シャワープレートの全体からバランスよく複数のガス吐出孔を通して成長室に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供することができる。
本発明の気相成長装置では、前記隔壁の複数の貫通孔は、隔壁の中心領域と該中心領域よりも外側とに形成されていることが好ましい。
これにより、中間室の周辺部における隔壁の反シャワープレート側を通る原料ガスは、一つのルートとして中間室の中心領域まで奥入りした後、隔壁における中心領域の貫通孔を通してシャワープレートの中心領域における複数のガス吐出孔から成長室に吐出される。一方、隔壁の反シャワープレート側を通る原料ガスは、他のルートとして、中間室の中心領域よりも外側における隔壁40の貫通孔41…を通して、シャワープレートの中心領域よりも外側における複数のガス吐出孔から成長室に吐出される。
この結果、原料ガスは、シャワープレートの全体からバランスよく複数のガス吐出孔から成長室に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供することができる。
本発明の気相成長装置では、前記中間室においては、外環流路の開口付き内側壁から隔壁のシャワープレート側の空間には原料ガスは導入されず、外環流路の開口付き内側壁から隔壁の反シャワープレート側の空間に原料ガスが導入されることが好ましい。
これにより、隔壁の下層における原料ガスの流れが抑制されるので、原料ガスは、シャワープレートの全体からバランスよく複数のガス吐出孔を通して成長室に吐出されることになる。
本発明の気相成長装置では、前記中間室は、分離板により区切られて異なる種類の原料ガスをそれぞれ収容する複数に積層配置された個別中間室を有していると共に、上記積層配置された各個別中間室におけるシャワープレート側の個別中間室には、上記シャワープレートにおける、異なる種類の原料ガスを供給する複数のガス吐出孔に接続された、上記シャワープレート側の個別中間室よりも反シャワープレート側の個別中間室に連通する個別ガス供給管が貫通して設けられていると共に、前記隔壁の貫通孔は、上記個別ガス供給管の周りに同心に形成されているとすることができる。
すなわち、本発明では、中間室が複数に積層配置された各個別中間室からなっており、シャワープレート側の個別中間室には、該シャワープレート側の個別中間室よりも反シャワープレート側の個別中間室に連通する個別ガス供給管が貫通して設けられている。
このように、個別中間室に個別ガス供給管が林立して設けられているときには、外環流路から個別中間室に原料ガスを通す場合、個別中間室の周辺部のガス流速は大きく、個別中間室の中央部に奥入りするほど林立する個別ガス供給管の抵抗によりガス流速は特に小さくなる。
この点、本発明では、中間室における個別中間室を積層方向の複数層に仕切る隔壁が設けられていると共に、隔壁の貫通孔は、個別ガス供給管の周りに同心に形成されているので、原料ガスは、シャワープレートの全体からバランスよく複数のガス吐出孔を通して成長室に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置を提供することができる。
本発明の気相成長装置は、以上のように、ガス供給手段は、外周において環状に設けられて原料ガスが導入される外環流路と、上記外環流路の内側に設けられ、かつ上記原料ガスを通す開口を有する開口付き内側壁と、上記開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室と、上記中間室の下流側に位置して複数のガス吐出孔を有するシャワープレートとを備えていると共に、上記中間室には、該中間室を積層方向の複数層に仕切る隔壁が設けられており、かつ隔壁には複数の貫通孔が形成されているものである。
本発明の気相成長方法は、以上のように、外周において環状に設けられた上記ガス供給手段の外環流路に上記原料ガスを導入し、上記外環流路の内側に設けられた開口付き内側壁の開口から上記原料ガスを該開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室に、該中間室において積層方向の複数層に隔壁にて仕切られた部分を介して通し、上記隔壁に形成された複数の貫通孔を通した後、上記中間室の下流側に位置するシャワープレートの複数のガス吐出孔から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して気相成長を行う方法である。
それゆえ、原料ガスをシャワーヘッドの周辺部から導入した場合に、成長室の被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供するという効果を奏する。
本発明における気相成長装置の実施の一形態を示すものであって、上記気相成長装置のシャワーヘッドにおける右半分の構成を示す断面図である。 上記気相成長装置の全体構成を示す概略図である。 上記気相成長装置のシャワーヘッドの構成を示す断面図である。 (a)は上記シャワーヘッドにおけるシャワープレートの構成を示す平面図であり、(b)は上記シャワーヘッドにおけるシャワープレートの他の構成を示す平面図である。 上記シャワーヘッドにおけるV族系ガス供給部のV族系外環流路の構成を示す斜視図である。 図1に示すシャワーヘッドにおける反応炉中心からの距離と流速との関係を示すグラフである。 上記気相成長装置の変形例を示すものであって、シャワーヘッドにおける右半分の構成を示す断面図である。 図7に示すシャワーヘッドにおける反応炉中心からの距離と流速との関係を示すグラフである。 図1に示す、隔壁に中央の貫通孔が設けられていない場合におけるTMAl濃度の減少速度を示すグラフである。 図7に示す、隔壁に中央の貫通孔が設けられている場合におけるTMAl濃度の減少速度を示すグラフである。 上記気相成長装置のシャワーヘッドにおける比較例の構成を示す断面図である。 図11に示す比較例のシャワーヘッドにおける右半分の構成を示す断面図である。 図12に示す比較例のシャワーヘッドにおける反応炉中心からの距離と流速との関係を示すグラフである。 従来における縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来における他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来におけるさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来におけるさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来におけるさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来におけるさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
本発明の一実施形態について図1ないし図13に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図2に、本実施の形態の気相成長装置としてのMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積)装置の一例である縦型シャワーヘッド型のMOCVD装置10の模式的な構成の一例を示す。
本実施の形態のMOCVD装置10は、図2に示すように、中空部である成長室1を有する反応炉2と、被処理基板3を載置するサセプタ4と、上記サセプタ4に対向しかつ底面にシャワープレート21を持つガス供給手段としてのシャワーヘッド20とを含んでいる。
上記サセプタ4の下側には被処理基板3を加熱するヒータ5及び支持台6が設けられており、支持台6に取り付けた回転軸7が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、上記サセプタ4及びヒータ5が、サセプタ4の上面(シャワープレート21側の面)が対向するシャワープレート21と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。上記サセプタ4、ヒータ5、支持台6及び回転軸7の周囲には、ヒータカバーである被覆板8が、これらサセプタ4、ヒータ5、支持台6及び回転軸7を取り囲むように設けられている。
また、MOCVD装置10は、成長室1の内部のガスを周辺のガス排出口1aを通して外部に排出するためのガス排出部11と、このガス排出部11に接続されたパージライン12と、このパージライン12に接続された排ガス処理装置13とを有している。これにより、成長室1の内部に導入されたガスはガス排出部11を通して成長室1の外部に排出され、排出されたガスはパージライン12を通って排ガス処理装置13に導入され、排ガス処理装置13において無害化される。
さらに、MOCVD装置10は、III 族元素を含む原料ガスとしてのIII 族系ガスの供給源となるIII 族系ガス供給源31と、このIII 族系ガス供給源31から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド20に供給するためのIII 族系ガス配管32と、III 族系ガス供給源31から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部としてのマスフローコントローラ33とを有している。上記III 族系ガス供給源31は、III 族系ガス配管32によって、マスフローコントローラ33を介して、シャワーヘッド20のIII 族系ガス供給部23に接続されている。
尚、本実施の形態において、III 族元素としては、例えば、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)又はIn(インジウム)等があり、III 族元素を含むIII 族系ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム(TMG)又はトリメチルアルミニウム(TMA)等の有機金属ガスの1種類以上を用いることができる。
また、このMOCVD装置10は、V族元素を含む原料ガスとしてのV族系ガスの供給源となるV族系ガス供給源34と、V族系ガス供給源34から供給されたV族系ガスをシャワーヘッド20に供給するためのV族系ガス配管35と、V族系ガス供給源34から供給されるV族系ガスの供給量を調節することができるV族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ36とを有している。上記V族系ガス供給源34は、V族系ガス配管35によって、マスフローコントローラ36を介してシャワーヘッド20のV族系ガス供給部24に接続されている。
尚、本実施の形態において、V族元素としては、例えば、N(窒素)、P(リン)又はAs(ヒ素)等があり、V族元素を含むV族系ガスとしては、例えば、アンモニア(NH)、ホスフィン(PH)又はアルシン(AsH)等の水素化合物ガスの1種類以上を用いることができる。
上記マスフローコントローラ33・36は図示しない制御部にて制御されるようになっている。
また、本実施の形態では、III 族系ガス供給部23とシャワープレート21との間に冷却手段としての冷水供給部22が設けられており、この冷水供給部22には、シャワープレート21を冷却するために、冷水系配管37により水冷装置38から冷水が供給されるようになっている。尚、本実施の形態では、冷水供給部22は冷却水を供給するようになっているが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。
次に、図3を用いてシャワーヘッド20の構成を説明する。
シャワーヘッド20は、図3に示すように、下から順番に、シャワープレート21、冷水供給部22、III 族系ガス供給部23、及びV族系ガス供給部24が積層されて構成されている。
上記シャワープレート21、冷水供給部22、III 族系ガス供給部23、及びV族系ガス供給部24は積層配置であるため、本実施の形態では、V族系ガス供給部24における中間室及び個別中間室としてのV族系ガスバッファエリア24bのV族系ガスは、中間室及び個別中間室としてのIII 族系ガスバッファエリア23b、及び冷水系バッファエリア22bを貫通して設けられた個別ガス供給管としてのV族系ガス供給管24cを通してシャワープレート21のガス吐出孔としてのV族系ガス吐出孔H5から成長室1に吐出される。
また、III 族系ガス供給部23におけるIII 族系ガスバッファエリア23bのIII 族系ガスは、冷却手段としての冷水系バッファエリア22bを貫通して設けられたIII 族系ガス供給管23cを通してシャワープレート21のガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に吐出される。
さらに、本実施の形態では、前記図2に示すように、シャワープレート21における被処理基板3側には、シャワープレート21を覆うカバープレート26が設けられており、後述するように、カバープレート26のカバープレート孔H2は、シャワープレート21のガス吐出孔H1に1対1に対応するように配設されている。
上記カバープレート26は、馬蹄形状の保持部材27によってシャワープレート21に近接配置した状態で支持されており、保持部材27は、垂直方向への移動機構つまり昇降機構としての昇降ロッド28によって、昇降移動できるようになっている。そして、被処理基板3の成膜時には、カバープレート26はシャワープレート21の表面に対して隙間が略0となるように昇降移動量が調整されている。なお、上述の説明では、カバープレート26はシャワープレート21に近接配置されているが、必ずしもこれに限らず、カバープレート26はシャワープレート21に密着配置されていてもよい。
以下、シャワーヘッド20の要部の構成について、詳細に説明する。
まず、図4(a)に、図2に示すMOCVD装置10に用いられるシャワープレート21の一例の模式的な平面図を示す。
シャワープレート21には、成長室1にIII 族系ガスを供給するためのIII 族系ガス吐出孔H3、及びV族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのV族系ガス吐出孔H5がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート21の面内(前記サセプタ4に向かい合っている表面内)において、III 族系ガス吐出孔H3とV族系ガス吐出孔H5とが交互に配列されている。図4(a)に示す例においては、III 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。ただし、この格子は正方格子に限らず、菱形の格子等でもよい。また、図4(a)に示す構成のシャワープレート21における、III 族系ガス吐出孔H3の開口部の面積と、V族系ガス吐出孔H5の開口部の面積とは同一となっている。
図4(b)は、シャワープレート21の他の例における模式的な平面図を示す。シャワープレート21の複数のIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5は、放射方向外側の開口率が放射方向内側の開口率よりも小さくなっている。
具体的には、例えば、中央部21aと周辺部21bとの違いによって、中央部21aでは孔径を大きくし、周辺部21bでは孔径を小さくしている。これにより、周辺部21bでのガスの流量を抑制することができる。尚、図4(b)に示すように、周辺部21bでIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の孔径を小さくした場合においても、III 族系ガス吐出孔H3の開口部の面積と、V族系ガス吐出孔H5の開口部の面積とは同一となっている。勿論、中央部21aにおいても、III 族系ガス吐出孔H3の開口部の面積と、V族系ガス吐出孔H5の開口部の面積とは同一となっている。
また、放射方向外側の開口率が放射方向内側の開口率よりも小さくする方法としては、必ずしもこれに限らない。例えば、周辺部21bのIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の配設密度が、中央部21aのIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の配設密度よりも小さいとすることも可能である。
次に、冷水供給部22は、図4に示すシャワープレート21を一定の温度以下に冷却することによって、シャワープレート21への反応生成物の付着を抑制し、III 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の目詰まりを防止する。
次に、各ガス供給部について説明する。
図3に示すように、III 族系ガス供給部23は、シャワーヘッド20の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔H3に導くため、外環流路としてのIII 族系ガス外環流路23aと、III 族系ガスバッファエリア23bと、このIII 族系ガスバッファエリア23bから成長室1に連通する個別ガス供給管としてのIII 族系ガス供給管23cとにより構成されている。尚、III 族系ガス供給管23cの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。また、本発明では、冷水供給部22が無い場合には、III 族系ガス供給管23cはなくても良い。その場合には、III 族系ガスバッファエリア23bのIII 族系ガスはIII 族系ガス吐出孔H3から吐出される。
一方、同様に、V族系ガス供給部24は、シャワーヘッド20の周辺部より供給された反応ガスを均一にV族系ガス吐出孔H5に導くため、外環流路としてのV族系ガス外環流路24aと、V族系ガスバッファエリア24bと、個別ガス供給管としてのV族系ガス供給管24cとにより構成されている。尚、V族系ガス供給管24cの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
ここで、図5は、V族系ガス外環流路24aの斜視図である(III 族系ガス外環流路23aも構造は同じであるため説明は省略する。)。
例えば、V族系ガス外環流路24aの横方向から供給されたV族系ガスは、V族系ガス外環流路24aの内周側に均等配置された複数の開口HIN5を有する開口付き内側壁としての開口付き仕切り24dを介して、半径方向の内部に均一にV族系ガスバッファエリア24bへ供給される。そして、V族系ガスバッファエリア24bのV族系ガスは、前記複数のV族系ガス供給管24cを通って、V族系ガス吐出孔H5から成長室1へ供給される。
すなわち、図3に示すように、III 族系ガスバッファエリア23b内には、V族系ガス供給管24cが、それぞれのガスが混合しないよう分離されて配置されている。つまり、III 族系ガスバッファエリア23bの平面においては、III 族系ガス吐出孔H3の位置には、III 族系ガスバッファエリア23bからIII 族系ガス吐出孔H3へ連通されるIII 族系ガス供給管23cが配置されていると共に、V族系ガス吐出孔H5の位置には、V族系ガスバッファエリア24bからV族系ガス吐出孔H5に連通されるV族系ガス供給管24cが柱のように林立していることになる。
次に、本実施の形態のMOCVD装置10におけるシャワーヘッド20の特徴的な構成について、図1及び前記図3に基づいて説明する。図1は、III 族系ガスバッファエリア23bの内部構造詳細を示す縦断面図である。尚、図1においては、シャワーヘッド20における右半分の構造のみを示している。
本実施の形態のシャワーヘッド20におけるIII 族系ガスバッファエリア23bには、このIII 族系ガスバッファエリア23bの周辺部を複数層である例えば2層に仕切る隔壁40が設けられている。
これにより、III 族系ガス外環流路23aの開口付き内側壁としての開口付き仕切り23dから均一にIII 族系ガスバッファエリア23bへIII 族系ガスが供給される。このIII 族系ガスは、複数のIII 族系ガス吐出孔H3を通って、成長室1へ送られる。
このとき、図11及び図12に示すように、比較例のシャワーヘッド20’の構成では、III 族系ガスバッファエリア23bに隔壁40がないため、圧力損失により、図13に示すように、中央部での流速は遅くなり、III 族系ガス吐出孔H3から成長室1へ送り込まれるガス量が、中央部と周辺部で異なってしまう。
これに対して、図1に示す本実施の形態のシャワーヘッド20のように、III 族系ガスバッファエリア23bを積層方向に複数の領域に仕切る隔壁40を設けることによって、図6に示すように、III 族系ガスバッファエリア23bの周辺部と中央部での流速は略等しくなり、III 族系ガス吐出孔H3から成長室1へ送り込まれるガス量が、中央部と周辺部とで均一となる。
また、図7に示すように、隔壁40の中心領域にも貫通孔42を設けることが可能である。これにより、III 族系ガス外環流路23aの開口付き仕切り23dにおける開口HIN3からIII 族系ガスバッファエリア23bから導入されたIII 族系ガスは、一つのルートとして、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の上層を経て、隔壁40の中心領域に設けられた貫通孔42を通して、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の下層を通り、シャワープレート21の半径方向に移動してIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に供給される。
また、他のルートとして、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の上層を経て、隔壁40の中心領域よりも半径方向の外側に設けられた貫通孔41…を通して、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の下層を通り、シャワープレート21のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に供給される。
これによって、図8に示すように、シャワープレート21の周辺部と中央部とにおける流速は略等しくなり、III 族系ガス吐出孔H3から成長室1へ送り込まれるガス量が、中央部と周辺部と均一となることが確認された。
尚、本実施の形態では、複数層である例えば2層に仕切っているが、必ずしもこれに限らず、複数層である例えば3層に仕切る図示しない隔壁とすることが可能である。
上記構成のMOCVD装置10を用いて、III 族−V族化合物半導体結晶を、MOCVD法により成長させる方法について説明する。
図2に示すように、まず、サセプタ4上に下地となる被処理基板3が設置される。その後、回転軸7の回転により、サセプタ4の上面に設置された被処理基板3の表面がシャワープレート21と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ5の加熱により、サセプタ4を介して被処理基板3が所定の温度に加熱される。そして、図1に示すように、III 族系ガスバッファエリア23bには隔壁40が設けられ、かつ隔壁40には貫通孔41・42が設けられているので、III 族系ガスは、シャワープレート21の周辺部21bと中央部21aとの両方からバランスよく複数のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1の内部に被処理基板3の表面に対して垂直方向に導入される。
また、シャワープレート21に形成されているV族系ガス吐出孔H5からV族系ガスが、成長室1の内部に被処理基板3の表面に対して垂直方向に導入される。その結果、被処理基板3の表面上にIII 族−V族化合物半導体結晶が成長することになる。尚、ここでは、III 族系ガスの導入量及びV族系ガスの導入量は、図示しない制御部によってマスフローコントローラ33・36にて制御され、III 族系ガス及びV族系ガスのそれぞれが成長室1の内部に導入されることになる。
III 族系ガス及びV族系ガスは、シャワープレート21に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5からそれぞれ導入されていることから、被処理基板3の表面上方におけるIII 族系ガス吐出孔H3とV族系ガス吐出孔H5との分布の偏りを低減することができる。
III 族系ガスとV族系ガスとが混合し濃度分布が均一となり、ヒータ5による被処理基板3の加熱と相俟ってIII 族系ガスとV族系ガスとの気相反応が被処理基板3の表面近傍において進行する。
したがって、本実施の形態のMOCVD装置10を用いた場合には、従来の特許文献3〜6に記載の装置を用いた場合と比べて、被処理基板3の表面におけるIII 族系ガスとV族系ガスとの気相反応の均一性を向上することができる。
尚、上述の説明においては、III 族系ガス及びV族系ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス及びV族系ガスと共に不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室1に導入してもよい。
また、上述の説明においては、III 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の形状は特に限定されず、例えば、矩形又は楕円形等の形状にすることができる。また、本発明においては、III 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5の形状はそれぞれ同一であってもよく、その少なくとも一部が異なっていてもよい。
また、上述の説明においては、被処理基板3を1枚設置した場合について説明したが、本発明においては、被処理基板3が1枚だけでなく複数枚設置してもよい。
また、本発明においては、MOCVD装置を構成する反応炉、シャワープレート及びその他の部材の形状が、図1に示す形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、MOCVD装置全体が逆転状態の場合、すなわち、原料ガスを下からシャワー状に吹き上げるタイプであってもよい。
このように、本実施の形態のMOCVD装置10及び気相成長方法では、成長室1に対向して設けられたシャワーヘッド20から成長室1内に原料ガスをシャワー状に供給して該成長室1内の被処理基板3に気相成長を行う。そして、シャワーヘッド20は、外周において環状に設けられて原料ガスが導入されるIII 族系ガス外環流路23a及びV族系ガス外環流路24aと、III 族系ガス外環流路23a及びV族系ガス外環流路24aの内側に設けられ、かつ原料ガスを通す開口HIN3及び開口HIN5を有する開口付き仕切り23d・24dと、開口付き仕切り23d・24dの内側に位置する原料ガスのIII 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bと、III 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bの下流側に位置して複数のIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5を有するシャワープレート21とを備えている。
このため、III 族系ガス外環流路23a及びV族系ガス外環流路24aからIII 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bにIII 族系ガス及びV族系ガスの原料ガスを通すことによって、シャワープレート21の上部の空間を有効活用でき、MOCVD装置10全体の薄型化を図ることができる。
ところで、III 族系ガス外環流路23a及びV族系ガス外環流路24aからIII 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bに原料ガスを通す場合、III 族系ガスバッファエリア23bの周辺部のガス流速は大きく、III 族系ガスバッファエリア23bの中央部に奥入りするほどガス流速は小さくなる。この結果、シャワープレート21の複数のガス吐出孔H3から成長室1に吐出される原料ガスは、シャワープレート21の周辺部21bでガス流速が大きく、シャワープレート21の中央部21aに奥入りするほどガス流速は小さくなる。この結果、成長室1の被処理基板3では、均一に原料ガスが供給されないことになる。
そこで、本実施の形態では、III 族系ガスバッファエリア23bには、該III 族系ガスバッファエリア23bを積層方向の複数層に仕切る隔壁40が設けられている。すなわち、III 族系ガスバッファエリア23bには、シャワープレート21と平行に1個の隔壁40が設けられている。
このため、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の反シャワープレート21側を通る原料ガスは、III 族系ガスバッファエリア23bにおける複数の貫通孔41…を通過した後、シャワープレート21における複数のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に吐出される。
この結果、原料ガスは、III 族系ガスバッファエリア23bにおける隔壁40の複数の貫通孔41…を通して、シャワープレート21の全体からバランスよく複数のIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5から成長室1に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッド20の周辺部から導入した場合に、成長室1の被処理基板3面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができるMOCVD装置10及び気相成長方法を提供することができる。
また、この構成により、大面積にわたり均一性に優れる窒化物半導体層を形成することが可能となった。
本実施の形態のMOCVD装置10では、隔壁40の複数の貫通孔は、隔壁40の中心領域に設けた貫通孔42と該中心領域よりも外側とに形成されている貫通孔41とからなっている。
これにより、III 族系ガスバッファエリア23bの周辺部における隔壁40の反シャワープレート側を通る原料ガスは、一つのルートとしてIII 族系ガスバッファエリア23bの中心領域まで奥入りした後、隔壁40における中心領域の貫通孔42を通してシャワープレート21の中央部における複数のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に吐出される。
一方、隔壁40の反シャワープレート側を通る原料ガスは、他のルートとして、III 族系ガスバッファエリア23bの中心領域よりも外側における隔壁40の貫通孔41を通して、シャワープレート21の中央部よりも外側における複数のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に吐出される。
この結果、原料ガスは、シャワープレート21の全体からバランスよく複数のIII 族系ガス吐出孔H3から成長室1に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッド20の周辺部から導入した場合に、成長室1の被処理基板3面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができるMOCVD装置10及び気相成長方法を提供することができる。具体的には、結晶性に優れる窒化物半導体層を形成することが可能となった。
また、本実施の形態のMOCVD装置10では、中間室においては、III 族系ガス外環流路23aの開口付き仕切り23dから隔壁40のシャワープレート21側の空間には原料ガスは導入されず、III 族系ガス外環流路23aの開口付き仕切り23dから隔壁40の反シャワープレート21側の空間に原料ガスが導入される。
これにより、隔壁40の下層の空間における原料ガスの流れが抑制されるので、原料ガスは、シャワープレート21の全体からバランスよく複数のIII 族系ガス吐出孔H3を通して成長室1に吐出されることになる。
また、本実施の形態のMOCVD装置10では、中間室が複数に積層配置された個別中間室としてのIII 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bからなっており、III 族系ガスバッファエリア23b及びV族系ガスバッファエリア24bにおけるシャワープレート21側のIII 族系ガスバッファエリア23bには、シャワープレート21側のIII 族系ガスバッファエリア23bよりも反シャワープレート21側のV族系ガスバッファエリア24bに連通する個別ガス供給管としてのV族系ガス供給管24cが貫通して設けられていると共に、隔壁40の貫通孔41…は、V族系ガス供給管24cの周りに同心に形成されているとすることができる。尚、反シャワープレート21側とは、シャワープレート21側とは、反対側のことである。
このように、III 族系ガスバッファエリア23bにV族系ガス供給管24cが林立して設けられているときには、III 族系ガス外環流路23aからIII 族系ガスバッファエリア23bに原料ガスを通す場合、III 族系ガスバッファエリア23bの周辺部のガス流速は大きく、III 族系ガスバッファエリア23bの中央部に奥入りするほど林立するV族系ガス供給管24cの抵抗によりガス流速は特に小さくなる。
この点、本実施の形態では、III 族系ガスバッファエリア23bを積層方向の複数層に仕切る隔壁40が設けられていると共に、隔壁40の貫通孔41…は、V族系ガス供給管24cの周りに同心に形成されている。このため、原料ガスは、シャワープレート21の全体からバランスよく複数のIII 族系ガス吐出孔H3及びV族系ガス吐出孔H5を通して成長室1に吐出されることになる。
したがって、原料ガスをシャワーヘッド20の周辺部から導入した場合に、成長室1の被処理基板3面上のガス濃度分布を均一化することができ、成膜厚や組成比を向上させることができるMOCVD装置10を提供することができる。具体的には、反応ガスが分離された状態で供給されるので、均一性及び結晶性に優れる窒化物半導体層を形成することが可能となる。
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
本実施の形態のMOCVD装置10を用いて、隔壁40に中央の貫通孔42を設けた場合の効果について、検討を行った。
具体的には、AlGaN成膜後にInGaN成膜を行うことを仮定して、III 族系ガスバッファエリア23bの隔壁40の上層に、キャリアである水素ガス99.9%、TMAl0.05%、TMGa0.05%充満している状態に対して、キャリアである水素ガスが99.9%、TMIn0.05%、TMGa0.05%を供給していく際に、TMAlの濃度の時間変化を算出した。
これは、TMAlの濃度の減少速度が速くなるほど、AlGaN成膜後にInGaN成膜を行う際、急峻な界面が得られることに対応している。
その結果を、図9及び図10に示す。図9は、図1に示すように、隔壁40に貫通孔41のみが設けられ、中央の貫通孔42が設けられていない場合におけるTMAlの濃度の減少速度を示している。また、図10は、図7に示すように、隔壁40に貫通孔41と中央の貫通孔42とが設けられている場合におけるTMAlの濃度の減少速度を示している。
その結果、図10に示すように、隔壁40に貫通孔41だけでなく中央の貫通孔42も設けることによって、TMAlの濃度の減少速度が約1.5倍速くなることがわかる。したがって、貫通孔42が設けることによって、より急峻なAlGaN−InGaN界面が得られると考えられる。
本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔から基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のMOCVD装置等の気相成長装置に利用できる。
1 成長室
2 反応炉
3 被処理基板
4 サセプタ
10 MOCVD装置(気相成長装置)
20 シャワーヘッド(ガス供給手段)
21 シャワープレート
21a 中央部
21b 周辺部
22 冷水供給部
22b 冷水系バッファエリア
23 III 族系ガス供給部
23a III 族系ガス外環流路(外環流路)
23b III 族系ガスバッファエリア(中間室、個別中間室)
23c III 族系ガス供給管
23d 開口付き仕切り(開口付き内側壁)
24 V族系ガス供給部
24a V族系ガス外環流路(外環流路)
24b V族系ガスバッファエリア(中間室、個別中間室)
24c V族系ガス供給管(個別ガス供給管)
24d 開口付き仕切り(開口付き内側壁)
40 隔壁
41 貫通孔
42 貫通孔
H3 III 族系ガス吐出孔(ガス吐出孔)
H5 V族系ガス吐出孔(ガス吐出孔)
HIN3 開口
HIN5 開口

Claims (5)

  1. 成長室に対向して設けられたガス供給手段から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して該成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置において、
    上記ガス供給手段は、
    外周において環状に設けられて上記原料ガスが導入される外環流路と、
    上記外環流路の内側に設けられ、かつ上記原料ガスを通す開口を有する開口付き内側壁と、
    上記開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室と、
    上記中間室の下流側に位置して複数のガス吐出孔を有するシャワープレートとを備えていると共に、
    上記中間室には、該中間室を積層方向の複数層に仕切る隔壁が設けられており、かつ隔壁には複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記隔壁の複数の貫通孔は、隔壁の中心領域と該中心領域よりも外側とに形成されていることを特徴とする請求項1記載の気相成長装置。
  3. 前記中間室においては、外環流路の開口付き内側壁から隔壁のシャワープレート側の空間には原料ガスは導入されず、外環流路の開口付き内側壁から隔壁の反シャワープレート側の空間に原料ガスが導入されることを特徴とする請求項1又は2記載の気相成長装置。
  4. 前記中間室は、分離板により区切られて異なる種類の原料ガスをそれぞれ収容する複数に積層配置された個別中間室を有していると共に、
    上記積層配置された各個別中間室におけるシャワープレート側の個別中間室には、上記シャワープレートにおける、異なる種類の原料ガスを供給する複数のガス吐出孔に接続された、上記シャワープレート側の個別中間室よりも反シャワープレート側の個別中間室に連通する個別ガス供給管が貫通して設けられていると共に、
    前記隔壁の貫通孔は、上記個別ガス供給管の周りに同心に形成されていることを特徴とする請求項1,2又は3記載の気相成長装置。
  5. 成長室に対向して設けられたガス供給手段から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して該成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長方法において、
    外周において環状に設けられた上記ガス供給手段の外環流路に上記原料ガスを導入し、
    上記外環流路の内側に設けられた開口付き内側壁の開口から上記原料ガスを該開口付き内側壁の内側に位置する原料ガスの中間室に、該中間室において積層方向の複数層に隔壁にて仕切られた部分を介して通し、
    上記隔壁に形成された複数の貫通孔を通した後、
    上記中間室の下流側に位置するシャワープレートの複数のガス吐出孔から成長室内に原料ガスをシャワー状に供給して気相成長を行うことを特徴とする気相成長方法。
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