JP4466723B2 - 有機金属気相成長装置 - Google Patents

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Description

本発明は、有機金属気相成長装置に関し、より特定的には、窒化物半導体層を成膜するための有機金属気相成長装置に関する。
有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor deposition)法は、代表的な気相成膜法の一つであり、たとえばIII族有機金属を気化させ、それを基板表面で熱的に分解させ、V族ガスと反応させて成膜する方法である。この方法は膜厚や組成の制御が可能であり、かつ生産性に優れていることから、半導体装置を製造する際の成膜技術として広く用いられている。
MOCVD法に用いられるMOCVD装置は、チャンバと、チャンバ内に配置されたサセプタと、基板表面に反応ガスを流すための管路とを備えている。MOCVD装置においては、サセプタ上に基板を載置し、基板を適当な温度に加熱し、管路を通じて基板表面に有機金属のガスを導入することにより成膜が行なわれる。ここで、成膜される膜の厚さを均一にするために、MOCVD装置には反応ガスを基板表面に沿って均一に流すことが要求される。MOCVD装置においては、反応ガスを基板表面に沿って均一に流すために、様々な管路形状が提案されてきた。
従来のMOCVD装置として、たとえば特開平2−291113号公報(特許文献1)には、反応ガスを基板の上部まで導く導入管を有する気相成長装置が開示されている。導入管は、サセプタを内部に収納する試料載置室と、基板の側方から反応ガスを基板上に吹出し、断面形状が基板の幅方向に沿って長く基板の高さ方向には短く偏平している絞り部と、基板の上部に位置し、絞り部における高さ方向の幅に略等しい間隔または反応ガスの下流側に向かって狭くなる間隔で、基板を上部から一様に覆い反応ガスを基板表面に沿って案内する案内部とを有している。サセプタは試料載置室に固定されており、反応ガス流の下流側で基板を載置している。
また、たとえば特開平6−216030号公報(特許文献2)には、基板上に反応ガスを導入するためのフローチャネルを有する化合物半導体気相成長装置が開示されている。フローチャネルは上流側から下流側に行くにつれて高さ方向の幅が狭まるようなテーパを有している。このテーパの下部にはサセプタが固定されている。
さらに、特開平2−291114号公報(特許文献3)および特開平2−291113号公報(特許文献4)には、基板を裁置するための回転するサセプタと、基板に反応ガスを導入するためのライナー管とを備える気相成長装置が開示されている。ライナー管の高さは反応ガスの導入路全体にわたって単調減少している。
特開平2−291113号公報 特開平6−216030号公報 特開平2−291114号公報 特開平2−291113号公報
MOCVD装置においては成膜効率を上げることが求められており、サセプタを大型化すれば一度に多数の基板を加熱することができ、また大径の基板を成膜することもできるので、成膜効率が向上する。しかしサセプタを大型化すると、サセプタの上流側と下流側との距離が大きくなり、それによってサセプタの上流側と下流側との各々における反応ガスの条件(たとえば反応ガスの濃度や温度など)が大きく異なってくる。その結果、成膜される膜の厚さが均一でなくなるという問題が生じる。このため、従来においては、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することはできなかった。
したがって、本発明の目的は、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することのできるMOCVD装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることのできるMOCVD装置を提供することである。
本発明のMOCVD装置は、反応ガスを用いて基板に成膜するための有機金属気相成長装置であって、加熱部材と、通路とを備えている。加熱部材は、基板を加熱し、かつ基板を載置するための載置面を有している。通路は、基板に反応ガスを導入するためのものである。通路の内部に載置面が面した状態で加熱部材は回転可能である。通路は第1通路と第2通路とを有しており、かつ第1通路と第2通路とは載置面の上流側端部よりも上流側において合流している。反応ガスの流れ方向に沿った通路の高さは、第1の位置から下流側に向かって第2の位置まで単調減少しており、かつ第2の位置から第3の位置まで一定であり、かつ第3の位置から下流側に向かって第4の位置まで単調減少している。第1の位置は載置面における基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にあり、かつ第3の位置は加熱部材上にあり、かつ第4の位置は基板の載置位置の下流側端部、または基板の下流側端部よりも下流側にある。
本発明のMOCVD装置によれば、第3の位置よりも下流側における膜の成長速度を増加させることができる。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と膜の成長速度との関係を線形に近づけることができる。その結果、加熱部材を回転させることにより基板に成膜される膜の厚さを均一にすることができる。また、加熱部材の上流側と下流側との各々における反応ガスの反応条件を均一にする必要がないので、加熱部材を大型化し、成膜効率を向上することができる。
また、載置面における基板の載置位置の上流側端部よりも上流側において通路の高さが単調減少しているので、第1通路を通過するガスと第2通路を通過するガスとの混合が基板の載置位置の上流側端部において促進される。その結果、載置面上流側での成長速度が増加し、結果的に反応ガスの流れ方向の成長速度の線形性が良好になるので、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることができる。
また通路の高さは第3の位置から下流側に向かって第4の位置まで単調減少しており、第4の位置は基板の載置位置の下流側端部、または基板の下流側端部よりも下流側にある。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と膜の成長速度との関係を線形にすることができる。
本発明のMOCVD装置において好ましくは、第2の位置は基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にある。これにより、少なくとも基板の載置位置の上流側端部から第3の位置までの通路の高さが一定となるので、基板上における反応ガスの流れを層流に近づけることができる。
本発明のMOCVD装置において好ましくは、第2の位置は載置面の上流側端部よりも上流側にある。これにより、少なくとも加熱部材における載置面の上流側端部から第3の位置までの通路の高さが一定となるので、載置面に到達する前に反応ガスの流れを層流に近づけることができる。
本発明のMOCVD装置において好ましくは、第1の位置は第1通路と第2通路とが合流する位置よりも下流側にある。これにより、第1通路を通過したガスと第2通路を通過したガスとが合流した後で、第1通路を通過したガスと第2通路を通過したガスとの混合を促進することができる。
本発明のMOCVD装置において好ましくは、通路は、第1の位置と第2の位置との間に形成された第1傾斜部と、第3の位置から下流側に向かって形成された第2傾斜部とを有している。第1傾斜部および第2傾斜部は、反応ガスの流れ方向に対して傾斜している。これにより、通路の高さが一定の割合で減少するので、反応ガスの流れの乱れを抑制することができる。
本発明のMOCVD装置によれば、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することができる。また、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。図2は、図1のサセプタ付近の上面図である。図1および図2を参照して、本実施の形態におけるMOCVD装置1は、チャンバ3と、加熱部材としてのサセプタ5と、ヒータ9と、通路11とを備えている。チャンバ3内にはサセプタ5とヒータ9と通路11とが配置されている。通路11は図1中横方向に延びており、通路11の内部にはサセプタ5の載置面(図1では上面)が面している。
サセプタ5は円盤形状を有しており、同じく円盤形状を有するヒータ9上に配置されている。サセプタ5の下部には回転軸13が取り付けられており、これにより、サセプタ5は通路11の内部に載置面が面した状態で回転可能となっている。サセプタ5の載置面には平面的に見て円形状を有する複数の溝7が形成されている。これらの溝7の各々に基板20の各々が載置され、これにより基板20が加熱される。特に図2を参照して、サセプタ5の載置面には7つの溝7が形成されており、これらの溝7の各々に円形の基板20が載置される。
通路11は、サセプタ5の載置面に対して平行に延びており、反応ガスの流れ方向(図1中左側から右側へ向かう方向)に垂直な面で見ると矩形の断面形状を有している。また、通路11は横型三層流方式であり、上流側(図1中左側)に3つの通路11a〜11cを有しており、通路11b(第1通路)と11c(第2通路)とは位置A1において合流しており、通路11aと、通路11bおよび11cとは位置A2において合流している。位置A1およびA2は、反応ガスGの流れ方向(図1中左側から右側へ向かう方向)で見て、サセプタ5の載置面の上流側端部である位置A3よりも上流側に位置している。通路11a〜11cの各々はそれぞれ高さt1〜t3を有している。また、位置A2から位置P1(位置P1については後述する)までの通路11の高さt4は、t4≧t1+t2+t3を満たしていることが好ましい。
MOCVD装置1においては、サセプタ5の載置面に複数の基板20が載置され、ヒータ9によってサセプタ5が加熱されて回転される。そして、通路11a〜11cの各々から反応ガスを構成するガスG1〜G3が導入される。反応ガスは図1中右方向に流れていく。たとえばIII−V族の窒化物半導体層を成膜する場合、ガスG1としてH2(水素)ガスやN2(窒素)ガスなどのパージガスが用いられ、ガスG2としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、またはトリメチルアルミニウム(TMA)などのIII族元素を含む有機金属ガスと、H2ガスやN2ガスなどのキャリアガスとの混合ガスが用いられ、ガスG3としてNH3(アンモニア)ガスなどのV族元素を含むガスと、H2ガスやN2ガスなどのキャリアガスとの混合ガスが用いられる。これらのガスG1〜G3の各々が通路11a〜11cの各々へ導入されると、位置A1においてガスG2とガスG3との混合が開始され、位置A2においてガスG1の混合がさらに開始され、反応ガスGが構成される。そしてこの反応ガスGがサセプタ5上において載置面に平行に導入されて拡散され、サセプタ5によって加熱される。反応ガスGに含まれる有機金属ガスは加熱によって分解し中間反応体となり、同様に加熱によって分解したアンモニアの中間反応体と反応して窒化物半導体となる。その結果、窒化物半導体層が基板20の表面に成膜される。
MOCVD装置1において、通路11の上部15aには傾斜部S1およびS2が形成されており、傾斜部S1およびS2は、反応ガスの流れ方向に対して傾斜している。通路11の高さは反応ガスの流れ方向に沿って変化している。図3は、本発明の実施の形態1における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。
図1および図3を参照して、サセプタ5の載置面における基板20の載置位置の上流側端部を位置A4とし、サセプタ5の載置面における基板20の載置位置の下流側端部を位置A5とする。反応ガスGの流れ方向に沿った通路11の高さは、通路11bと通路11cとの合流に伴ない位置A1において不連続的に増加し、通路11aと通路11bおよび11cとの合流に伴ない位置A2において不連続的に増加している。そして、位置A2から位置P1(第1の位置)まで一定の高さt4を有している。続いて、位置P1から下流側に向かって位置P2(第2の位置)まで単調減少(線形に減少)しており、この部分が傾斜部S1である。次に、位置P2から位置A3およびA4を挟んで位置P3(第3の位置)まで一定の高さt5を有している。そして、位置P3から下流側に向かって位置P4まで単調減少(線形に減少)しており、この部分が傾斜部S2である。その後、位置P4よりも下流側の、位置A5を含む領域では一定の高さt6を有している。
MOCVD装置1において、位置P1は位置A1に等しいか、または位置A1よりも下流側にある。また、位置P1およびP2は位置A3よりも上流側にある。位置P3はサセプタ5上(言い換えれば、位置A3と、サセプタ5の載置面の下流側端部との間)にある。位置P4は位置A5よりも上流側にある。
なお、本実施の形態における位置P1〜P4の各々の位置は例示であり、本発明のMOCVDにおいては、少なくとも、位置P1が位置A4よりも上流側にあればよく、かつ位置P3がサセプタ5上にあればよい。このため、位置P2が位置A3よりも下流側であってかつ位置A4よりも上流側にあってもよく、また位置P1およびP2の両方が位置A3よりも下流側であってかつ位置A4よりも上流側にあってもよい。
また、本実施の形態においては、通路11の上部15aに傾斜部S1を形成することによって位置P1から位置P2まで通路11の高さを単調減少させているが、本発明はこのような場合の他、たとえば図4に示すように、通路11の上部15aに段差部16を形成することによって、通路11の高さを高さt4から高さt5へ不連続的に減少させてもよい。この場合、位置P1と位置P2とは同じ位置になる。また、通路11の上部15aではなく下部15bに傾斜部S1およびS2を形成してもよいし、通路11の上部15aではなく下部15bに段差部16を設けてもよい。
次に、本実施の形態におけるMOCVD装置の効果について説明する。
図5は、比較例1および2におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。図5を参照して、始めに本願発明者らは、一点鎖線で示すような通路W1を有するMOCVD装置(比較例1)を準備した。通路W1の上部には傾斜部S101が形成されており、反応ガスGの流れ方向に沿った通路W1の高さは、位置P101から下流側に向かって位置P102まで単調減少(線形に減少)しており、その後、位置P102よりも下流側の領域では一定の高さt6を有している。なお、これ以外のMOCVD装置の構成は、図1に示すMOCVD装置の構成と同様である。
このMOCVD装置を用いて、サセプタ5を回転させずに半導体窒化物層であるInGaN層を基板の表面に成膜した。そして、反応ガスGの流れ方向に沿った位置A2からの距離とInGaN成長速度との関係を調べた。この結果を図6に示す。なお、図6の結果は、サセプタの幅方向における中心線(図2における線C)に沿った結果であり、図6中矢印で示された範囲は、サセプタ5の載置面における基板20が載置される位置である。また比較のために、通路W1およびサセプタ5のサイズを2インチの基板1枚が載置できるように相似に縮小した装置において、2インチの基板20を1枚載置した場合の結果も合わせて示されている。
図6を参照して、7枚の基板を載置したサセプタにおけるInGaNの成長速度は、位置A2から約40mmの位置(すなわち、サセプタの開始位置)で0から大きく増加し、上流側端部から約85mmの位置で最大値を示し、その後緩やかに減少している。また、1枚の基板を載置した場合におけるInGaNの成長速度は、ほぼ単調増加している。
図6の結果において、サセプタの開始位置で0から大きく増加しているのは、III族元素とV族元素との反応が開始するためにはサセプタ上で反応ガスが加熱される必要があるためであると考えられる。また、最大値を示すのは、下流にかけて原料の拡散が進むとともに境界層が発達するので、濃度勾配が一端増加した後に緩やかになるためである。さらに図6の結果から、サセプタを回転しない場合には、サセプタの大型化に伴なって反応ガスの上流側と下流側とで反応条件が大きく異なっていることが分かる。
次に本願発明者らは、比較例1のMOCVD装置を用いて、サセプタを回転させながらInGaN層を基板の表面に成膜した。但し、サセプタに載置する基板の数は6枚とし、サセプタの中心から53mm離れた位置に基板の中心が来るようにそれぞれの基板を載置した。そして、サセプタの中心からの距離とInGaNの成長速度との関係を調べた。また比較のために、2インチの基板1枚を載置できるサイズの装置において、2インチの基板を1枚載置した場合の結果も合わせて示されている。その結果を図7に示す。また、基板内におけるInGaN成長速度分布幅を表1に示す。
図7および表1を参照して、サセプタを回転させることによりInGaN成長速度分布が平均化され、改善されている。しかし、1枚の基板を載置した場合のInGaN成長速度分布幅は±1.8%であるのに対して、6枚の基板を載置した場合のInGaN成長速度分布幅は±4.3%である。このことから、サセプタを回転させた場合にも、サセプタの大型化に伴って成膜される膜の厚さが均一でなくなっていることが分かる。また、1枚の基板を配置した場合および6枚の基板を配置した場合のどちらの場合にも、InGaN成長速度分布がサセプタの外径側で減少していることが分かる。
ここで、サセプタを回転させて基板に成膜する場合には、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係が線形(比例関係)になるようにすれば、基板内において均一な膜を成膜することができる。つまり、サセプタを回転させた場合には、サセプタの上流側と下流側との各々における成長速度を均一にする必要はない。
そこで本願発明者らは、図6におけるInGaN成長速度をサセプタの下流側で向上し、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係を線形に近づけるために、次に、図5に示す通路W2を有するMOCVD装置(比較例2)を準備した。通路W2には、図1に示すMOCVD装置1と同様の傾斜部S102が形成されている。すなわち、反応ガスGの流れ方向に沿った通路W2の高さは、サセプタ5上の位置P3から下流側に向かって位置P4まで単調減少(線形に減少)しており、その後、位置P4よりも下流側の領域では一定の高さt6を有している。比較例2においては、図6におけるInGaNの成長速度が最大値となった位置(125mmの位置)を位置P3とした。次に、比較例1および2の各々のMOCVD装置を用いて、サセプタ5を回転させながらサセプタ5に載置された6枚の基板20の各々の表面にInGaN層を成膜した。そして、基板20内におけるInGaN成長速度分布幅を調べた。この結果を表2に示す。
表2を参照して、比較例1のInGaN成長速度分布は±4.3%であるのに対して、比較例2のInGaN成長速度分布は0.4%となっており、分布幅が小さくなっている。このことから、通路の高さをサセプタ上のある位置から下流側に向かって単調減少させることにより、サセプタを大型化して多数の基板を同時に成膜しても、成膜される膜の厚さを均一できることが分かる。
ここで、図5を参照して、MOCVD装置においては、通路の高さの単調減少の終了位置である位置P4は、位置A5と同一位置であるか、位置A5よりも下流側にあることが好ましい。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と反応ガスの反応速度との関係を線形にすることができる。これについて以下に説明する。
本願発明者らは、位置P4が成長速度に及ぼす影響について調べた。具体的には、図5のMOCVD装置において、位置P4を位置A4よりも上流側にしたもの(比較例2)と、位置P4を位置A4と同一位置にしたもの(比較例3)とを準備した。また比較のため、比較例1のMOCVD装置を準備した。次に、比較例1〜3の各々のMOCVD装置を用いて、サセプタ5を回転せずに、サセプタ5に載置された6枚の基板20の各々の表面にInGaN層を成膜した。そして、サセプタ5の中心からの距離とInGaNの成長速度との関係を調べた。その結果を図8に示す。なお、図8の結果は、サセプタの幅方向における中心線(図2における線C)に沿った結果であり、図8矢印で示された範囲は、サセプタの載置面における基板が載置される位置である。
図8参照して、比較例2および3では、サセプタの上流側から下流側に移動するに従ってInGaN成長速度がほぼ直線状に増加している。しかし、比較例2では一P4において直線形状が崩れているのに対して、比較例3では、基板の載置位置の下流側端部(位置A5)まで直線形状が保たれている。以上の結果より、位置P4が位置A5と同一位置であるか、位置A5よりも下流側にあることにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と反応ガスの反応速度との関係を線形にできることが分かる。
続いて本願発明者らは、比較例2のMOCVD装置において、ガスG3に含まれるNH3ガスの流量を変化させてInGaN層を基板の表面に成膜した。具体的には、475℃に加熱したサファイア基板上にGaN層を30nmの厚みで成長させた後、基板を1150℃に昇温し、GaN層をさらに1.5μmの厚みで成長させた。その後、基板を785℃に降温し、圧力:100kPa、NH3流量:20slmまたは30slm、N2流量:49.5slm、TMG流量:35μmol/min〜56μmol/min、TMI流量:28μmol/min〜45μmol/min、V族ガス/III族ガス比:約13,000という条件で、InGaN層を50nmの厚みで成長させた。GaN層およびInGaN層の成膜の際には、基板のOF(オリエンテーションフラット)をサセプタの外周側に向け載置した。InGaN層を形成した後、InGaN層の表面モフォロジーを原子間力顕微鏡(AFM)で評価した。また、InGaN層におけるIn組成分布およびInGaN層膜厚分布をX線回折法で測定した。
図9(a)は、比較例2においてNH3流量を20slmとした場合のInGaN層表面の顕微鏡写真であり、図9(b)は、比較例2においてNH3流量を30slmとした場合のInGaN層表面の顕微鏡写真である。また、図10(a)は、比較例2においてNH3流量を20slmとした場合のIn組成分布および膜厚分布を示す図であり、図10(b)は、比較例2においてNH3流量を30slmとした場合のIn組成分布および膜厚分布を示す図である。なお、図9において明るい領域は表面の高さが高い(凸部)領域を示しており、暗い領域は表面の高さが低い(凹部)領域を示している。また、図10の結果は、1枚の基板内での分布を示している。
図9を参照して、NH3流量を20slmとした場合のInGaN層表面には、凸状の欠陥が多数存在している。一方、NH3流量を30slmとした場合には、InGaN層表面に原子ステップが明瞭に見られ、欠陥がほとんど存在していない。これらの結果から、NH3流量を増加すると、InGaN層の表面状態が良好になることが分かる。
この理由としては、以下のことが考えられる。NH3は比較的安定であるので、加熱されても中間反応体(NH2イオンやNHイオン)となる割合は少ない。このため、NH3流量を増加すると中間反応体の量が増加し、III族元素を含む有機金属ガスの中間反応体と、NH3の中間反応体との反応量が増加する。その結果、InGaN層の表面状態が良好になる。
一方、図10を参照して、NH3流量を20slmとした場合のInGaN層は、基板内の膜厚およびIn組成が比較的均一になっているのに対して、NH3流量を30slmとした場合のInGaN層は、基板内の膜厚分布およびIn組成分布が悪化している。これは、NH3流量を増加すると、III族元素を含む有機金属ガスがNH3ガス中に十分に拡散しないためであると考えられる。
次に本願発明者らは、図1に示すMOCVD装置において、高さt4:12mm、高さt5:10mm、高さt6:8mmとしたものを準備し、これを本発明例1とした。また図1に示すMOCVD装置において、高さt4:12mm、高さt5:9mm、高さt6:7mmとしたものを準備し、これを本発明例2とした。さらに図5に示す通路W2を有するMOCVD装置において、高さt4:12mm、高さt6:8mmとしたものを準備し、これを比較例4とした。そして、本発明例1、本発明例2、および比較例4の各々のMOCVD装置を用いて、NH3流量を30slmとし、サセプタ5を回転させずにInGaN層を基板の表面に成膜した。そして、サセプタ5の中心からの距離とInGaN成長速度およびIn組成との関係を調べた。この結果を図11に示す。図11(a)はサセプタ内におけるInGaN成長速度分布を示す図であり、図11(b)はサセプタ内におけるIn組成分布を示す図である。なお、図11のグラフの横軸は、サセプタの幅方向における中心線(図2における線C)に沿って、サセプタの中心からの距離で示している。プラスの数字が下流側を示しており、マイナスの数字が上流側を示している。
図11を参照して、比較例4では、反応ガスの流れ方向の上流側にある−100mm〜0mmの領域において、InGaN成長速度およびIn組成の傾きが小さくなっている。このような成長速度分布およびIn組成分布では、サセプタを回転させた場合に均一な成長速度分布およびIn組成分布を得ることができない。これに対して、本発明例1および2では、比較例4に比べて、反応ガスの流れ方向の上流側の領域において、InGaN成長速度およびIn組成の傾きが大きくなっている。その結果、InGaN成長速度およびIn組成が線形に近づいている。これは、本発明例1および2では、通路の高さが基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少しているので、III族元素を含む有機金属ガスがNH3ガス中に拡散しやすくなるためであると考えられる。
次に、本発明例1、本発明例2、および比較例4の各々のMOCVD装置を用いて、NH3流量を30slmとし、サセプタ5を回転させながらサセプタ5に載置された6枚の基板20の各々の表面にInGaN層を成膜した。そして、基板20内におけるInGaN層の膜厚分布幅およびIn組成分布幅を調べた。この結果を表3に示す。
表3を参照して、比較例4のInGaN層の膜厚分布幅は±9.0%であるのに対して、本発明例1のInGaN層の膜厚分布幅は±0.1%となっており、本発明例2のInGaN層の膜厚分布幅は±0.6%となっている。このことから、通路の高さを基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少させることにより、成膜される膜の厚さを均一できることが分かる。また、比較例4のIn組成分布幅は±3.4%であるのに対して、本発明例1のIn組成分布幅は±5.5%となっており、本発明例2のIn組成分布幅は±4.0%となっている。このことから、通路の高さを基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少させても、In組成分布への影響は小さいことが分かる。
以上の結果により、本実施の形態におけるMOCVD装置1によれば、位置A4よりも上流側において通路11の高さが単調減少しているので、通路11bを通過するガスG2と通路11cを通過するガスG3との混合が位置A4において促進される。その結果、位置P3よりも上流側における成長速度を増加させることができる。これにより、反応ガスGの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係を線形に近づけることができる。その結果、サセプタ5を回転させることにより基板20に成膜されるInGaN膜の厚さを均一にすることができる。また、サセプタ5の上流側と下流側との各々における反応ガスの反応条件を均一にする必要がないので、加熱部材を大型化し、成膜効率を向上することができる。
また、位置P2が位置A4よりも上流側にあるので、位置A4から位置P3までの通路11の高さが一定となり、基板20上における反応ガスGの流れを層流に近づけることができる。
また、位置P2が位置A3よりも上流側にあるので、少なくとも位置A3から位置P3までの通路11の高さが一定となり、載置面に到達する前に反応ガスGの流れを層流に近づけることができる。
さらに、位置P1は位置A1よりも下流側にあるので、ガスG2とガスG3とが合流した後で、ガスG2とガスG3との混合を促進することができる。
(実施の形態2)
図12は、本発明の実施の形態2におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。図13は、本発明の実施の形態2における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。図12および図13を参照して、本実施の形態におけるMOCVD装置1aは、通路11の形状が図1に示すMOCVD装置とは異なっている。具体的には、傾斜部S1が、位置A1よりも上流側の位置P0と、位置P2との間に形成されている。このため、反応ガスGの流れ方向に沿った通路11の高さは、位置A2から下流側に向かって位置P2まで単調減少(線形に減少)している。この場合、位置P1および位置A2は同一位置となる。また、位置P2が位置A4よりも下流側にあり、位置P4が位置A5よりも下流側にある。位置P2は位置A4と同一位置にあってもよい。
なお、これ以外の構成は、図1に示す実施の形態1のMOCVD装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
本実施の形態におけるMOCVD装置によれば、実施の形態1におけるMOCVD装置と同様の効果を得ることができる。
加えて、位置P4が位置A5と同一位置または位置A5よりも下流側にあるので、反応ガスGの流れ方向に沿った基板20の載置位置と反応ガスGの反応速度との関係を線形にすることができる。
なお、本実施の形態におけるMOCVD装置の構成と、図1に示すMOCVD装置の構成とを適宜組み合わせてもよい。
また、実施の形態1および2では、InGaN層を成膜する場合について示したが、本発明のMOCVD装置はInGaN層以外の層の成膜にも使用可能である。通路の数は3つに限定されるものでなく、2つ以上の任意の数であり得る。
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
本発明は、窒化物半導体層を成膜するための有機金属気相成長装置として好適である。
本発明の実施の形態1におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。 図1のサセプタ付近の上面図である。 本発明の実施の形態1における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態1における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係の変形例を示す図である。 比較例1および2におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。 比較例1のMOCVD装置を用いてサセプタを回転させずにInGaN層を成膜した場合における、反応ガスの流れ方向に沿った位置A2からの距離とInGaN成長速度との関係を示す図である。 比較例1のMOCVD装置を用いてサセプタを回転させながらInGaN層を成膜した場合における、サセプタの中心からの距離とInGaNの成長速度との関係を示す図である。 比較例1〜3の各々のMOCVD装置を用いてInGaN層を成膜した場合における、サセプタの中心からの距離とInGaNの成長速度との関係を示す図である。 (a)は、比較例2においてNH3流量を20slmとした場合のInGaN層表面の顕微鏡写真である。(b)は、比較例2においてNH3流量を30slmとした場合のInGaN層表面の顕微鏡写真である。 (a)は、比較例2においてNH3流量を20slmとした場合のIn組成分布および膜厚分布を示す図である。(b)は、比較例2においてNH3流量を30slmとした場合のIn組成分布および膜厚分布を示す図である。 (a)はサセプタ内におけるInGaN成長速度分布を示す図である。(b)はサセプタ内におけるIn組成分布を示す図である。 本発明の実施の形態2におけるMOCVD装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態2における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。
符号の説明
1,1a MOCVD装置、3 チャンバ、5 サセプタ、7 溝、9 ヒータ、11,11a〜11c 通路、13 回転軸、15a 通路上部、15b 通路下部、16 段差部、20 基板、A1〜A5,P0〜P4,P101,P102 位置、G 反応ガス、G1〜G3 ガス、S1,S2,S101,S102 傾斜部、W1,W2 通路。

Claims (5)

  1. 反応ガスを用いて基板に成膜するための有機金属気相成長装置であって、
    前記基板を加熱し、かつ前記基板を載置するための載置面を有する加熱部材と、
    前記基板に前記反応ガスを導入するための通路とを備え、
    前記通路の内部に前記載置面が面した状態で前記加熱部材は回転可能であり、
    前記通路は第1通路と第2通路とを有し、かつ前記第1通路と前記第2通路とは前記載置面の上流側端部よりも上流側において合流しており、
    前記反応ガスの流れ方向に沿った前記通路の高さは、第1の位置から下流側に向かって第2の位置まで単調減少しており、かつ前記第2の位置から第3の位置まで一定であり、かつ前記第3の位置から下流側に向かって第4の位置まで単調減少しており、
    前記第1の位置は前記載置面における前記基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にあり、かつ前記第3の位置は前記加熱部材上にあり、かつ前記第4の位置は前記載置位置の下流側端部、または前記下流側端部よりも下流側にある、有機金属気相成長装置。
  2. 前記第2の位置は前記載置位置の上流側端部よりも上流側にある、請求項1に記載の有機金属気相成長装置。
  3. 前記第2の位置は前記載置面の上流側端部よりも上流側にある、請求項2に記載の有機金属気相成長装置。
  4. 前記第1の位置は前記第1通路と前記第2通路とが合流する位置よりも下流側にある、請求項1〜3のいずれかに記載の有機金属気相成長装置。
  5. 前記通路は、前記第1の位置と前記第2の位置との間に形成された第1傾斜部と、前記第3の位置から下流側に向かって形成された第2傾斜部とを有し、前記第1傾斜部および前記第2傾斜部は、前記反応ガスの流れ方向に対して傾斜している、請求項1〜のいずれかに記載の有機金属気相成長装置。
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