JP3198956B2 - GaNの薄膜気相成長方法と薄膜気相成長装置 - Google Patents

GaNの薄膜気相成長方法と薄膜気相成長装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はGaN等の窒素化合
物成膜用の薄膜気相成長装置に関する。GaNはバンド
ギャップが広い半導体である。だから青色発光素子の材
料として注目されている。バルクの大きい単結晶を作る
のが難しいので、他の材料の単結晶の上にヘテロエピタ
キシャル成長させてGaNの単結晶薄膜を作る。例えば
サファイヤ基板(α−アルミナ)の上にGaNの単結晶
を分子線エピタキシャル成長法や有機金属CVD法によ
ってGaN膜を作製する。
【0002】原料ガスはGaの有機金属と、アンモニア
NH3 である。キャリヤガスとして水素も用いる。Ga
の有機金属というのはトリメチルGa、トリエチルGa
などである。アンモニアとGa有機金属との分解反応温
度が高いので基板を高温に加熱する必要がある。この点
でGaAs基板上にGaAs薄膜を成長させたり、In
P基板上にInP薄膜をエピタキシャル成長させるのと
は、異なった困難がある。
【0003】
【従来の技術】GaNは原料ガスの反応温度が高いので
サセプタ、基板を高温にする。温度が高いので強い対流
が起こる。対流のために原料ガスが舞い上がって基板に
接近できない。対流するガス中で反応が起こり生成物が
むなしく排気されるということになり薄膜が基板上に成
長しにくい、という問題がある。
【0004】そこで対流に打ち勝ってガスが基板面に到
達できるようにするためにガスを先の細いノズルから高
速流として吹き出すということが行われる。断面積の小
さいノズルから圧力を掛けてガスを吹き出すので高速の
ガス流が吹き込まれる。だから基板にまで原料が到達で
きる。また途中で十分に加熱される時間がないので中間
生成物ができない。
【0005】しかしこのように原料ガス自体を細い高速
流としてウエハー上に吹き込むようにするとガスがウエ
ハーに当たる面積が小さくなる。ために小さい薄膜しか
成長させることができない。発光素子として利用するに
しても多数の素子を1回のウエハープロセスによって製
作できる方が効率が良い。そこで広い面積のGaN薄膜
を作りたいという強い要望がある。
【0006】特開平4−164895号はサファイヤ基
板にGaN薄膜を成長させることを目的にしている。一
本のノズルから基板面に平行に原料ガス(トリメチルG
a+アンモニア)を送り上方から押圧拡散ガスを吹き付
け原料ガスをサセプタ/基板面に押しつけるようにして
いる。アンモニアとGaの原料ガス供給管が分離してい
ない。
【0007】上方から基板面に直角に押圧ガスが強く吹
き付けるから原料ガスが基板に当たり熱い基板面で反応
が起こるのである。押圧ガス(水素)を真上から吹き込
むので対流をむりやり抑え込んでいるのである。これは
原料ガスを高速噴射しなくても良いので比較的広いGa
N膜を生成できるという。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来例の気相成長装置
には次のような難点がある。 (1)アンモニアと有機金属の反応温度が高いのでサセ
プタは強く加熱しなければならない。サセプタからの輻
射熱により原料ガス供給管が加熱される。2種類の原料
ガスが同一の供給管から吹き込まれる。原料ガスが供給
管の内部で分解反応する。ために原料が基板に到達する
前に反応し消費される。原料ガスがむなしく浪費され
る。原料の一部だけが成膜に使われる。成膜効率が悪
い。
【0009】(2)また供給管で反応が起こるから、供
給管の先端に生成物が付着する。付着した反応生成物が
離れて落下しパーティクルになり基板を汚染する。
【0010】(3)基板に供給される数種の反応ガス
は、反応ガス噴射管内で既に混合されてから基板に到達
する。基板到達までに中間生成物(付加化合物)が生成
されやすい。中間生成物ができるとそれだけガスが消費
される。中間生成物によっても成膜効率が低下する。
【0011】これらの問題を克服し、原料ガスの利用効
率が高く、パーティクルの発生しない、均一な膜質のG
aN膜を生成できる薄膜気相成長装置を提供する事が本
発明の目的である。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜気相成長装
置は、2種のガスを2本の供給管から分離供給し、反応
ガス噴射管を冷却し、さらに反応ガス噴出口から基板に
到達するまでの空間をできるだけ狭くする。噴射管を冷
却すること、分離供給することによって、反応ガス噴射
管内での生成物の発生を防ぐ。生成物が噴射管内部や先
端に付着する事もない。噴射口から基板までの空間を狭
くする事によってデッドスペースを減らし熱対流を抑制
できる。
【0013】さらに原料ガスを基板に向けて斜めに吹き
出すようにし熱対流に負ける事なく原料ガスが基板まで
到達するようにする。吹き出し口が軸線に関して回転対
称に分布するようにすれば均一性の高い薄膜を作る事が
できる。ここで回転対称というのは、連続回転対称も有
限回回転対称(n回回転対称)をも含むものとする。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施例にかかる薄
膜成長装置の概略の断面図である。薄膜気相成長装置1
は、円筒形のチャンバ2と、その上に設けられる蓋部3
とを組み合わせた真空チャンバを持っている。円筒チャ
ンバ2の内部にはサセプタ4がシャフト5の上に設けら
れる。サセプタ4はカーボンなどよりなり円筒形状であ
る。シャフト5は回転昇降可能である。円筒チャンバ2
の上部フランジ6の上に円盤状の蓋部3が固定されてい
る。円筒チャンバ2の下方には排気口8がありこれが真
空排気装置(図示しない)に接続されている。
【0015】蓋部3の中央部には2系統の原料ガスの導
入機構を含む反応ガス噴射管部9が設けられる。2種類
のガスは、Gaの有機金属ガス(例えばトリメチルG
a)とアンモニアガスである。いずれも水素ガスによっ
て希釈されている。
【0016】反応ガスBの導入系統は、やや低い部位に
あるBガス入口10、Bガス縦流路11、Bガス斜め流
路12、Bガス噴射口13などよりなる。Bガス縦流路
11やBガス斜め流路12及びBガス噴射口13は中心
軸線に関して回転対称の形状になっている。つまり円周
方向に連続する流路になり噴射口13は円錐形状であ
る。ここから噴射されたガスは円錐母線にそって進み一
点35に収束する。連続する円管状に流路にするのが難
しいときは円周方向に複数の分離した流路を設けても良
い。実質的に回転対称になるようなガス流を吹き込む事
ができれば良いのである。
【0017】反応ガスAの導入系統は、より高い部位に
あるAガス入口14、円筒状のAガス縦流路15、Aガ
ス横流路16、Aガス縦流路17、Aガス噴射口18よ
りなる。Aガスの流路も軸線に関して回転対称である。
つまりAガス縦流路17は円筒形状の溝である。Aガス
は斜め向きにチャンバに吹き込まれるが逆円錐を描き点
35で収束するようなガス流となる。ガスA、Bともに
点35を目指してチャンバ内に吹き込まれる。ノズル幅
は狭く高速流であるが、点35で会合しここで混合され
る。混合した後すぐに基板34に到達する。混合するま
では反応が起こらず点35の近傍で混合した後すぐに基
板34に至るのであるから基板34で反応しここに薄膜
を成長させる。ために中間生成物ができない。もちろん
AガスとBガスの収束点を上下に少し食い違うようにし
ても良い。
【0018】このように2種類の原料ガスを別系統の噴
射管から吹き込み基板の直上で初めて互いに接触させ
る、というのが本発明の一つの特徴である。またガスが
混合する部分33が円錐台形の空間であって十分に狭い
ということも重要である。円錐台形状混合空間33で相
合し反応を開始するがこの空間(デッドスペース)が狭
いので熱対流が殆ど起こらない。従って原料ガスが基板
に到達するのを妨げる力が弱い。原料ガスが殆ど全て基
板に到達し反応に寄与するから原料の利用効率が優れ
る。また円錐台に沿う流れとなって導入されるから一様
な流れになり薄膜の膜厚や膜質の均一性が高くなる。円
錐台形状のガス混合空間33の大きさはウエハー34の
大きさにほぼ等しくするのがよい。
【0019】さらにより工夫のなされている部分があ
る。それは原料ガスの導入管が全て冷却されているとい
うことである。Aガス供給系については、蓋部3の中心
であって最も高い位置に冷却水入口19がある。ここか
ら入った冷却水は冷却水縦通路20を経て降下し冷却水
溜21に至り反応ガスAを十分に冷却する。その後冷却
水縦通路22を経て上昇し冷却水出口23から排出され
る。
【0020】Bガス供給系とAガス供給系を冷却するた
めに、もう一つの冷却水系がある。中央から少し外れた
位置に第2の冷却水入口24がある。これはその下の環
状冷却水溜25に連通している。ここでガスAとガスB
を冷却する。冷却作用を終えた冷却水は冷却水出口26
から排除される。
【0021】蓋部3にはさらに第3の冷却水系が設けら
れる。蓋部3の平坦部に冷却水入口27があり、これが
円板状をした冷却水溜28に続く。これは蓋部3がサセ
プタからの輻射熱によって加熱されるのを防ぐ作用があ
る。冷却水は冷却水出口29から排出される。これらは
反応ガスA、Bがヒ−タ熱によって加熱され反応するの
を抑制するための冷却機構である。チャンバ2自体も壁
に冷却水ジャケットを持っている。冷却水入口30から
円筒状の冷却水溜31に冷却水が導かれる。これによっ
てチャンバ壁の加熱を防ぐ。これは冷却水溜31から冷
却水出口32を通って排出される。
【0022】GaNの成膜は、減圧下又は大気圧下で行
う。GaNを成膜するので、原料ガスはGaの有機金属
と窒素の化合物ガスである。例えば、トリメチルGaと
アンモニアを使う。キャリアガスとしていずれも水素ガ
スを使う。両方の原料ガスは点35で交わり混合する。
サセプタは5〜10RPMの角速度で回転させる。サセ
プタの高さは膜厚が均一となる位置に最適化されてい
る。
【0023】
【発明の効果】本発明の薄膜気相成長装置は反応ガス噴
射管を冷却しているから、ガス噴射管が加熱されず反応
が起きない。だから反応ガス噴射管先端部で分解反応し
ない。反応物が噴射管先端部に付着しない。だから噴射
管からパーティクルが基板へ落下し基板を汚染すること
はない。また反応ガスが基板までの空間において無駄に
浪費されるということはない。反応ガスの消費効率が向
上する。
【0024】2種類の原料ガスを分離して反応炉に導入
し基板の直前において初めて混合するようにするので、
中間生成物(付加化合物)が発生しない。反応ガスの混
合領域を狭くする事によって、デッドスペースをなく
し、高温であっても熱対流を抑制することができる。熱
対流が弱くなるから反応ガスが基板に到達し易い。基板
への反応ガスの供給効率が向上する。
【0025】反応ガス噴射管から噴射される反応ガスの
噴射方向を基板中央部のすぐ直上に揃えることによって
反応ガスを均一に混合する事ができる。均一成分の原料
ガスが基板に到達するから膜質均一性の優れた薄膜を生
成することができる。さらにサセプタとガス混合点との
距離を最適化することによって均一な膜厚の薄膜を生成
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例にかかる薄膜気相成長装置の概
略断面図。
【符号の説明】
1 薄膜成長装置 2 円筒チャンバ 3 蓋部 4 サセプタ 5 シャフト 6 上部フランジ 7 抵抗加熱ヒ−タ 8 排気口 9 反応ガス噴射管部 10 Bガス入口 11 Bガス縦流路 12 Bガス斜め流路 13 Bガス噴射口 14 Aガス入口 15 Aガス縦流路 16 Aガス横流路 17 Aガス縦流路 18 Aガス噴射口 19 冷却水入口 20 冷却水縦通路 21 冷却水溜 22 冷却水縦通路 23 冷却水出口 24 冷却水入口 25 環状冷却水溜 26 冷却水出口 27 冷却水入口 28 円板状冷却水溜 29 冷却水出口 30 冷却水入口 31 円筒状冷却水溜 32 冷却水出口 33 ガス混合空間 34 基板 35 ガス噴射口の交点
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/205 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Gaの有機金属ガスを一つの反応ガスと
    し、窒素の化合物を他方の反応ガスとして、基板の上に
    GaN薄膜を成長させる方法であって、基板の直上まで
    2種類の反応ガスを独立の供給系統によって導き、反応
    ガス供給系統を冷媒によって冷却するようにし、それぞ
    れの反応ガスを基板の中心に立てた軸線の周りに回転対
    称の噴射管から鉛直方向に対して斜めに噴射し、2種類
    のガスを噴出口から基板上に到るまでの狭い空間で混合
    し、混合した直後に基板に至るようにしたことを特徴と
    するGaNの薄膜気相成長方法。
  2. 【請求項2】 ガスが基板円周方向へ排気されるように
    した事を特徴とする請求項1に記載のGaNの薄膜気相
    成長方法。
  3. 【請求項3】 2種類の反応ガスが混合される領域の形
    状が円錐台形状であり、底面の直径が基板とほぼ同一径
    であることを特徴とする請求項2に記載のGaNの薄膜
    気相成長方法。
  4. 【請求項4】 真空に引く事ができるチャンバと、チャ
    ンバ内部に回転昇降可能に設けられるサセプタと、サセ
    プタの内部に設けられる抵抗加熱ヒ−タと、チャンバの
    上方に設けられるGaの有機金属ガスの供給系統と、チ
    ャンバの上方に設けられる窒素の化合物ガスの供給系統
    と、チャンバの下方に設けられる排気口と、Ga有機金
    属供給系統を冷却する冷却機構と、窒素化合物供給系統
    を冷却する冷却機構と、チャンバの内部にGa有機金属
    ガスを吹き出すようにチャンバ軸線に関して回転対称に
    設けられた噴射口と、チャンバの内部に窒素化合物ガス
    を吹き出すようにチャンバ軸線に関して回転対称に設け
    られた噴射口と、噴射口を有しサセプタの上にあってガ
    スを混合する円錐台状の空間と、チャンバの冷却機構と
    を含む事を特徴とするGaNの薄膜気相成長装置。
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