JP4096678B2

JP4096678B2 - 半導体結晶膜の成長装置

Info

Publication number: JP4096678B2
Application number: JP2002281794A
Authority: JP
Inventors: 一紀竹川
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2003173981A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体結晶膜を成長させる方法および装置に関し、特に、膜厚および組成の面内均一性のよい窒化物半導体結晶膜を成長させる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体結晶膜の成長は、図１に示される装置を用いて、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の薄膜形成技術により行なわれる。以下、図１に基づいて、窒化物半導体結晶膜を基板の表面に成長させる方法を説明する。
図１に示す半導体結晶膜の成長装置１は、反応容器１１の内部に、サセプター１２と、ヒータ１３と、原料ガス供給管１４と、副噴射管１５とを備えている。原料ガス供給管１４は、サセプター１２の上に搭載された基板１８の上面に原料ガスを供給できるようにその先端が基板１８の近傍まで延長している。また、副噴射管１５は、基板１８の上方に開口部があり、原料ガス供給管１４から出た原料ガスに対して押圧ガスが押えられる位置に設置されている。この副噴射管１５からは、整流板１９により原料ガスを含まない不活性なガスを基板に対して０°〜９０°で噴射させることができ、原料ガス供給管１４から供給された反応ガスが熱対流により拡散することなく基板１８の表面上に均一に広がるようになる。この整流板１９は副噴射管１５から噴射される押圧ガスの方向を定めるためのもので、形状はスリット状、または、メッシュ状に穴の開いた板になっている。
【０００３】
次に、従来の装置を用いて基板上にＡｌＧａＮ層を成長させる方法を説明する。基板１８をサセプター１２上に搭載し、ヒータ１３により基板１８を加熱し、基板１８を回転させながら原料ガス供給管１４から水素（Ｈ_２）と、アンモニア（ＮＨ_３）ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を基板１８の表面に向かって噴射する。
また、副噴射管は、その開口部が基板上方に位置するように設置され、整流板１９によって、基板１８の表面に対して０°〜９０°で窒素（Ｎ_２）ガス、Ｈ_２ガスまたはそれらの混合ガスを吹き付ける。これにより、前記した原料ガスが熱対流により拡散することを防止して、基板上にＡｌＧａＮ半導体層を形成することができる。下記、文献参照。
【特許文献１】
特開平４−２８４６２３
【０００４】
しかしながら、この従来の方法により窒化物半導体膜を基板に成長させた場合、基板周辺部の膜厚が基板中央部の膜厚に比べて厚くなり、また、組成比が中央部と周辺部とで異なる。特に、ＡｌＧａＮ層を成長させる場合に不均一が大きくなる。
現在では、基板面内における膜厚バラツキは１０〜２０％、組成比バラツキは数％である。組成比のバラツキが数％となるのは、例えば、組成比の小数点以下第３位が変化する程度である場合である。例えば、組成比が０．１３０から０．１３４へと変化したときのバラツキが約３％である。
得られた基板の膜厚および組成比の面内バラツキが大きいと、ＬＤを作製する場合、光学特性、電気的特性に悪影響があり、歩留りを低下させる。なお、本明細書中、膜厚または組成比の「面内バラツキ」とは、基板面における各パラメータの最大値と最小値との差の平均値に対する比率をパーセントで表したものを意味する。
【０００５】
従来の装置を用いて、ノズル形状、位置、流量を変化させることにより、膜厚の面内バラツキを５％以下に抑えることはできたが、組成比の面内バラツキが２０％以上に大きくなってしまった。
以下、ＡｌＧａＮ層の組成比として、Ａｌ混晶比をパラメータとして用いて説明する。膜厚およびＡｌ混晶比の面内バラツキについて、現状および従来の装置を用いてバラツキを抑える対策を講じた場合の値を表１にまとめた。
【０００６】
【表１】

【０００７】
上記するごとく、従来の方法および装置では、膜厚バラツキおよび組成比バラツキを同時に改善することはできなかった。したがって、現状では、組成比の均一性を優先して、組成比バラツキを数％以内に抑える条件で作製されるため、膜厚のバラツキが１０〜２０％程度となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、膜厚バラツキを１０％程度にまで抑えることができたが、ＬＤ特性の観点からはまだ不充分である。
そこで、本発明の目的は、ＧａＮ系半導体基板を作製する際に、基板の面内における組成比のバラツキを数％以内に保ったまま、膜厚のバラツキを低減することにある。すなわち、本発明の目的は、基板表面に組成比および膜厚のいずれもが均一である窒化物半導体層を大面積で形成して、光学的特性および電気的特性の高いＬＤを高い歩留りで生産することができる窒化物半導体基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
基板を回転させずにＧａＮを成長させた場合、図３の実線で示すように原料ガス供給管２４の開口部に近い領域の膜厚が高く、離れるに従って低くなっていた。同一の成長条件下、基板を回転させながら成長させた場合の膜厚プロファイルを点線で示す。基板中心点を対象点として、膜厚は平均化されるが、面内の膜厚は中央領域よりも周辺領域の方が厚いことが明らかである。
そこで、本発明者らは、基板の中心点に対して原料ガス供給管から遠い側のガス濃度を意図的に低減することにより、膜厚のバラツキを抑えることができると考え、基板の半分よりも原料ガス供給管から遠い側に噴射口がくるように第２のガス噴射管を取り付け、原料ガスの一部を吹き飛ばすこと、または、該原料ガス供給管から供給される原料ガスよりも希釈された原料ガスを供給することにより、膜厚の面内バラツキを３％以下にまで低減することに成功した。このとき、組成比のバラツキは、原料ガスの一部を吹き飛ばさない場合と同様に数％程度であった。
【００１０】
より詳しくは、本発明は、基板を搭載且つ回転させるサセプターと、前記基板の一端から前記基板の表面に原料ガスを供給する原料ガス供給管と、前記基板の表面に供給される原料ガスを押圧する押圧ガスを前記基板に対して４５°以上９０°以下の角度で噴射する第１のガス噴射管と、を有する窒化物半導体層の成長装置であって、前記基板を回転させながら前記基板の表面に前記原料ガス及び前記押圧ガスをそれぞれ噴射して窒化物半導体層を成長させた時に、前記基板上において、該基板中央近傍の膜厚の小さい前記窒化物半導体層が形成される領域を第１領域とし、該第１領域周辺の少なくとも前記第１領域の前記窒化物半導体層より膜厚の大きい前記窒化物半導体層が形成される領域を第２領域として、該第２領域に供給される前記原料ガスに対して不活性ガス、または、前記原料ガス供給管から供給される原料ガスよりも希釈された原料ガスを噴射する第２のガス噴射管が、前記基板の中心に対して前記原料ガス供給管の反対側に設けられ、さらに、該第２のガス噴射管は、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向に垂直且つ前記基板の中心を通る断面において、前記第２領域上に位置し、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向は前記基板の回転方向と逆方向であることを特徴とする窒化物半導体層の成長装置を提供する。ここで、希釈されたガスとは、原料供給管から供給される原料ガスを不活性ガスのＮ_２、あるいはＨ_２、又は前記ガスの混合ガスで薄めたガスである。前記第１のガス噴射管は、基板に対して４５°〜９０°で押圧ガスを噴射することが好ましい。この範囲であれば、より効果的にガスの対流を抑制することができるからである。前記範囲が４５°未満になれば、ガスは水平方向に多く流れるためガスを押圧する効率が悪くなる。以上、本発明の窒化物半導体層の成長装置を用いることにより、組成比のバラツキを数％と低く保ったまま、膜厚のバラツキを３％以下にまで低減することが可能となった。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の窒化物半導体層の成長装置を説明する。
図２Ａは、本発明の窒化物半導体層の成長装置の概略平面図を示し、図２Ｂ及び図２Ｃは、窒化物半導体層を成長させる基板付近を拡大した概略縦断面図を示す。本発明の窒化物半導体層の成長装置２は、図示しないが反応容器２１と、該反応容器２１の内部に、サセプター２２と、ヒータ２３と、原料ガス供給管２４と、第１のガス噴射管２５とを備え、さらに、第２のガス噴射管２６を備えている。
【００１２】
原料ガス供給管２４は、サセプター２２の上に搭載された基板２８の上面に原料ガス２４ａを供給できるようにその先端が基板２８の近傍まで延長している。原料ガス２４ａとしては、例えば、Ｈ_２、ＮＨ_３、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を適当な比率で混合した混合ガスが用いられる。さらに、例えば、Ｈ_２またはＮ_２の単体ガスまたはそれらの混合ガス等の不活性なガスをキャリアガスとして、原料ガス２４ａに混合し、原料ガスの濃度や全流量を制御することもできる。
また、第１のガス噴射管２５は、基板２８の上方に開口部がくるように設置されている。この第１のガス噴射管２５は、原料ガスを含まない不活性なガス２５ａ、例えば、Ｈ_２またはＮ_２の単体ガスまたはそれらの混合ガスを整流板２９によって基板に対して０°〜９０°で吹き付けて、原料ガス供給管２４から供給された原料ガス２４ａが熱対流により拡散することなく基板２８の表面上に均一に広がるようにする。
【００１３】
本発明の窒化物半導体層の成長装置は、上記構成に加えて、さらに、第２のガス噴射管２６を備えている。この第２のガス噴射管２６は、基板２８の回転方向に対して逆方向に不活性ガス２６ａ、例えば、Ｈ_２またはＮ_２の単体ガスまたはそれらの混合ガス、あるいは、該原料ガス供給管から供給される原料ガスよりも希釈された原料ガスを噴射できるように取り付けられ、その開口部は、基板２８の中心点に対して原料ガス供給管２４の反対側にある。この構成により、組成比の面内バラツキをあまり変化させずに、膜厚のみを制御することが可能となった。
また、第２のガス噴射管からのガス２６ａを吹き付ける角度は、原料ガスのフロー方向に対して、直角であっても斜めからでもよい。また、第２のガス噴射管からのガス２６ａの流量は、形成しようとする膜の組成により適宜制御することができる。例えば、形成しようとする膜の組成がＩｎＧａＮである場合には、膜厚のバラツキが小さいため、第２のガス噴射管からのガス２６ａを吹き付ける必要はない。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例をＡｌＧａＮ膜を形成する場合を例として詳細に説明するが、それ以外にもＩｎＡｌＧａＮ膜等の窒化物半導体膜を形成する場合や、Ｓｉ等の不純物をドープした窒化物半導体膜を形成する場合に、本発明を適用することができる。また、本発明は以下の実施例に記載された条件に限定されるものではない。
【００１５】
比較例１
上記した窒化物半導体層の成長装置を用いて、第２のガス噴射管２６からガス２６ａを吹き付けることなく、サファイア基板２８上に、まず２μｍのＧａＮバッファー層を１０００℃以下の温度にて形成し、その上面にＡｌＧａＮ層を１０００℃にて形成した。すなわち、従来の窒化物半導体層の成長装置と同様にＡｌＧａＮ層を形成した。
原料ガスとしてＴＭＧ（４ｃｃ／分）、ＴＭＡ（０．４ｃｃ／分）およびＮＨ_３（４Ｌ／分）を、キャリアガス（５Ｌ／分）と共に吹き付けることによりＡｌＧａＮ層を形成した。また、このとき第１のガス噴射管２４から１０Ｌ／分の流量にて不活性ガスを噴射して、原料ガスを押圧した。
キャリアガスおよび第１のガス噴射管２４から噴射するガスは、例えば、Ｈ_２またはＮ_２の単体ガスまたはそれらの混合ガスなどの不活性ガスであれば特に限定されないが、ここではＮ_２ガスを用いた。また、前記第１のガス噴射管２４から噴射するガスは前記基板２８に対して９０°とする。
【００１６】
通常は、基板２８を回転させながら窒化物半導体層を形成するが、膜厚分布を調べるために、まず、基板の回転を行なわずにＡｌＧａＮ層を形成した。
基板上において、原料ガス供給管２４から最も離れた端から、図２Ａに示す部位ａ、基板中心点ｃおよび部位ｂを経由し、原料ガス供給管２４に最も近い端に至る直線上に沿って、ＡｌＧａＮ層の膜厚プロファイルを計測した結果を図４Ａに破線です。このように、基板を回転させずに窒化物半導体層を形成した場合、部位ｂ側の膜厚が非常に厚く、部位ａ側の膜厚が薄くなっていることが明らかである。
【００１７】
比較例２
次に、基板２８を回転させる以外は比較例１と同一の条件下でＡｌＧａＮ層を形成した。そのときのＡｌＧａＮ層の膜厚プロファイルを図４Ｂに破線で示す。回転させたことにより、基板の中心点ｃに対象な部位の膜厚が平均化されたが、基板中央部の膜厚が薄く、周辺部の膜厚が厚くなっていた。表２に部位ａ、部位ｂおよび中心点ｃにおける膜厚、膜厚バラツキおよびＡｌ混晶比バラツキを示す。このように、第２のガス噴射管からガスを吹き付けずにＡｌＧａＮ層を形成した場合には、Ａｌ混晶比の面内バラツキは３％であり、膜厚の面内バラツキは１３％であった。
【００１８】
実施例１
第２のガス噴射管２６からガス２６ａを吹き付けた以外は比較例１の場合と同様にしてＡｌＧａＮ層を形成した。
まず、原料ガスの一部を除去することにより膜厚に与える影響をを確認するために、基板を回転させずに第２のガス噴射管からのガス２６ａとしてＮ_２を０．２Ｌ／分の流量にて吹き付けて、ＡｌＧａＮ層を形成した。このときのＡｌＧａＮ層の膜厚プロファイルを図４Ａに実線で示す。破線は比較例１において測定された膜厚プロファイルを示す。図４Ａから明らかなように、第２のガス噴射管２６からガス２６ａを吹き付けて部位ａ付近の原料ガスを除去することにより、部位ａ付近の膜厚が薄くなることが確認された。
【００１９】
実施例２
次いで、基板を回転させること以外は実施例１の場合と同一の条件下で、ＡｌＧａＮ層を成長させた。このときのＡｌＧａＮ層の膜厚プロファイルを図４Ｂに実線で示す。破線は比較例２で測定された膜厚プロファイルを示す。図４Ｂから明らかなように、第２のガス噴射管からのガス２６ａを吹き付けて原料ガスの一部を除去してＡｌＧａＮ層を形成した場合には、比較例２において作製されたＡｌＧａＮ層と比較して、膜厚の面内バラツキが低減された。表２に部位ａ、部位ｂおよび中心点ｃにおける膜厚、膜厚バラツキおよびＡｌ混晶比バラツキを示す。
【００２０】
【表２】

【００２１】
上記したごとく、第２の噴射管からガスを噴射して、原料ガスの一部を吹き飛ばすことにより、Ａｌ混晶比の面内バラツキを増大させることなく、膜厚の面内バラツキを１３％から１．６％まで１／１０程度に低減することができた。
【００２２】
実施例３
また、実施例２において、第１のガス噴射管２４から噴射するガスを整流板２９によって前記基板２８に対して６０°とする。それ以外の条件は同様とする。得られるＡｌＧａＮ層は実施例２と同程度の特性を有する。
【００２３】
実施例４
実施例２において、第１のガス噴射管２４から噴射するガスを整流板２９によって前記基板２８に対して４５°とする。それ以外の条件は同様とする。得られるＡｌＧａＮ層は実施例２と同程度の特性を有する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体層の成長装置を用いれば、第２のガス噴射管からガスを吹き付けて原料ガスの一部を除去すること、あるいは、原料ガス供給管から供給される原料ガスよりも希釈された原料ガスを供給することで窒化物半導体層、特に、ＡｌＧａＮ層を形成した場合、組成比および膜厚の両方において、均一なＡｌＧａＮ層を形成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の窒化物半導体層の成長装置を示す概略断面図。
【図２】本発明の窒化物半導体層の成長装置を示す概略上面図（Ａ）および概略断面図（Ｂ）、（Ｃ）。
【図３】従来の方法により成長させた場合の窒化物半導体層の膜厚のプロファイル。
【図４】本発明による原料ガス除去処理を行なって成長させた場合の窒化物半導体層のプロファイル。
【符号の説明】
１・・・従来の窒化物半導体層の成長装置、
１１・・・反応容器、
１２・・・サセプター、
１３・・・ヒータ、
１４・・・反応ガス供給管、
１５・・・副噴射管、
１８・・基板、
１９・・整流板、
２・・・本発明の窒化物半導体層の成長装置、
２２・・・サセプター、
２３・・・ヒータ、
２４・・・原料ガス供給管、
２４ａ・・・原料ガス、
２５・・・第１のガス噴射管、
２５ａ・・・不活性ガス、
２６・・・第２のガス噴射管、
２６ａ・・・不活性ガス、
２８・・・基板、
２９・・整流板。

Claims

基板を搭載且つ回転させるサセプターと、
前記基板の一端から前記基板の表面に原料ガスを供給する原料ガス供給管と、
前記基板の表面に供給される原料ガスを押圧する押圧ガスを前記基板に対して４５°以上９０°以下の角度で噴射する第１のガス噴射管と、
を有する窒化物半導体層の成長装置であって、
前記基板を回転させながら前記基板の表面に前記原料ガス及び前記押圧ガスをそれぞれ噴射して窒化物半導体層を成長させた時に、前記基板上において、該基板中央近傍の膜厚の小さい前記窒化物半導体層が形成される領域を第１領域とし、該第１領域周辺の少なくとも前記第１領域の前記窒化物半導体層より膜厚の大きい前記窒化物半導体層が形成される領域を第２領域として、
該第２領域に供給される前記原料ガスに対して不活性ガスを噴射する第２のガス噴射管が、前記基板の中心に対して前記原料ガス供給管の反対側に設けられ、
さらに、該第２のガス噴射管は、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向に垂直且つ前記基板の中心を通る断面において、前記第２領域上に位置し、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向は前記基板の回転方向と逆方向であることを特徴とする窒化物半導体層の成長装置。
基板を搭載且つ回転させるサセプターと、
前記基板の一端から前記基板の表面に原料ガスを供給する原料ガス供給管と、
前記基板の表面に供給される原料ガスを押圧する押圧ガスを前記基板に対して４５°以上９０°以下の角度で噴射する第１のガス噴射管と、
を有する窒化物半導体層の成長装置であって、
前記基板を回転させながら前記基板の表面に前記原料ガス及び前記押圧ガスをそれぞれ噴射して窒化物半導体層を成長させた時に、前記基板上において、該基板中央近傍の膜厚の小さい前記窒化物半導体層が形成される領域を第１領域とし、該第１領域周辺の少なくとも前記第１領域の前記窒化物半導体層より膜厚の大きい前記窒化物半導体層が形成される領域を第２領域として、
該第２領域に供給される前記原料ガスに対して前記原料ガス供給管から供給される原料ガスよりも希釈された原料ガスを噴射する第２のガス噴射管が、前記基板の中心に対して前記原料ガス供給管の反対側に設けられ、
さらに、該第２のガス噴射管は、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向に垂直且つ前記基板の中心を通る断面において、前記第２領域上に位置し、該第２のガス噴射管から噴射されるガスのフロー方向は前記基板の回転方向と逆方向であることを特徴とする窒化物半導体層の成長装置。