JP4784904B2 - 液相成長装置及びそれを使用する液相成長方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体単結晶基板上にエピタキシャル層を形成するための液相成長装置及びそれを使用した液相成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液相エピタキシャル成長法（以下、液相成長方法ともいう）とは、成長させたい成長層（エピタキシャル層）の結晶成分を溶質として、Ｇａ（ガリウム）等の溶媒に溶かし、温度又は温度勾配を変化させることにより、半導体単結晶基板上に結晶成分を析出成長させる方法である。
【０００３】
例えば、ＧａＰ（燐化ガリウム）単結晶により構成される発光素子等を製造する場合、ｎ型のＧａＰ基板上にｎ型のＧａＰエピタキシャル層を液相成長させた後、ｐ型のＧａＰエピタキシャル層を同様に液相成長させる。このエピタキシャル成長において、不純物を添加するには、不純物が既に溶け込んでいる別の成長溶液に取り替えて成長させる手法や、キャリアガス中に不純物を混入させたガスを流しながら成長させる手法を用いるのが一般的である。
【０００４】
キャリアガス中に不純物を混入させたガスから不純物を取り込むように構成された液相成長装置として、従来図６に示すような装置１’が使用されている。液相成長装置１’は、反応管３を有し、該反応管３内には、ガスを供給するためのガス供給部２と石英製のバッフル４とによって、成長反応室９が形成される。そして、半導体単結晶基板Ｗと成長溶液１６とをセットしたボート８を、その成長反応室９内に配置する仕組みである。ガス供給部２内には、例えばｐ型の不純物源１７として、Ｚｎ（亜鉛）が配置される。そして、反応管３の外側に位置するサブヒータ６にて加熱して、不純物を蒸発・気化させ、Ｈ_２やＡｒ等のキャリアガスとともに、整流部材２ｄに形成されたガス供給口２ｈを通過させて、成長反応室９内に供給する（キャリアガスと不純物ガスが混ざり合ったガスを以後、プロセスガスともいう）。
【０００５】
ガス供給口２ｈから成長反応室９内に供給されたプロセスガスＧは、成長反応室９内に配置された各ボート間を流通した後、バッフル４の下部に形成された通口１０’に流入する形にてバッフル４の内側に導かれる。バッフル４には、図示しない排気口が通口１０’の反対側に形成されており、それが反応管３の排気口へとつながって、ガスが反応管３の外部へと排気される仕組みである。なお、若干ではあるが、バッフル４と反応管３との間に形成された隙間を流通する形にて、反応管３の排気口へ向うガスもある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法を採用した場合、プロセスガスＧの流れが不均一になりがちであり、同じ反応室内であっても場所によって成長溶液に取り込まれる不純物の量に差異が生じてしまうという問題がある。結果として、形成されたエピタキシャル層における不純物濃度がばらついてしまうという不具合が生じる。そして、このようにして作製されたエピタキシャルウェーハを使用して例えば発光素子を作製すると、発光出力にばらつきが生じてしまう。
【０００７】
本発明の課題は、不純物濃度のばらつきの少ないエピタキシャル層を半導体単結晶基板上に形成することができる液相成長装置及び、それを使用した液相成長方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記課題を解決するために、本発明の液相成長装置は、反応管内に設置された成長用ボートに、半導体単結晶基板をその主表面に成長溶液が接する状態で複数配置するように構成され、さらに、前記反応管の長手方向の一方にガス供給部が設けられ、他方に排気ガスの流量を規制するためにガス流通方向に通口の形成されたバッフルが配置されるとともに、
前記通口は、その通口が形成されている通口形成面を上下方向に二等分したとき、該通口形成面の下部に形成された通口の総面積よりも、上部に形成された通口の総面積のほうが大きくなるように調整されていることを特徴とする。
【０００９】
同じく課題を解決するために、本発明の液相成長装置は、反応管内に設置された成長用ボートに、半導体単結晶基板をその主表面に成長溶液が接する状態で複数配置するように構成され、さらに、前記反応管の長手方向の一方にガス供給部が設けられ、他方に排気ガスの流量を規制するためにガス流通方向に通口の形成されたバッフルが前記反応管の内部に配置されるとともに、
前記通口は、その通口が形成されている通口形成面を上下方向に二等分したとき、その上部にのみ形成されていることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の液相成長方法は、反応管内に、主表面上に成長溶液が接する状態で半導体単結晶基板が載置された成長用ボートを配置し、
前記反応管内にキャリアガス及びドーピングガスを流入させながら、前記半導体単結晶基板の主表面上にエピタキシャル層を形成する液相成長方法において、
前記エピタキシャル層の形成は、本発明の液相成長装置を使用して行われることを特徴とする。
【００１１】
本発明者らは、反応管内にガスを供給するような液相成長装置において、反応管の一端からガス供給部によりガスを流入させると、ガスは反応管の下流でバッフルの端面に当たってボート上部の空間を逆流し、再び上流側から流れる形で循環することを見出した。さらにガスは、結晶の成長が行なわれる成長反応管で熱せられるため、反応管内の上方に移動する傾向が強く、過剰な対流がバッフルの近傍における成長反応室の上方に形成されることを突き止めた。
【００１２】
そこで、本発明者らは、液相成長装置において、成長用ボートに関してガス供給部とは反対側に設けられるバッフルに通口を設ける際、バッフルの通口形成面を上下方向に二等分したとき、該通口形成面の下部に形成される通口の総面積よりも上部に形成される通口の総面積のほうが大きくなるように設定した。これによりバッフルの近傍においてガスの過剰な対流が抑制され、その結果、成長反応室内に導入されたガスの流れの均一化を図ることができる。すなわち、上記通口は整流作用を備える。
【００１３】
また、通口形成面の上部にのみ通口が形成されている形態も採用できる。バッフルはガスの流れをできるだけ乱さず、かつ放熱を十分に抑制できる形態で設けられるのが望ましい。通口を設けすぎると、遮熱効果を発揮できない恐れもある。反応管内を流れてきたガスは、バッフルの近傍においては反応管の上方に向って流れやすい傾向にあるので、通口形成面の上部にのみ通口を形成しておいても、過剰な対流を抑制する効果は十分に望める。なお、通口の面積とは、通口形成面における開口面積をいう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の液相成長装置１を示す概略図である。以下、該装置においてＧａＰ単結晶基板上にＧａＰエピタキシャル層を形成する場合について説明する。液相成長装置１は、該装置１を主に構成する反応管３と、該反応管３に接続されてプロセスガスＧを供給するガス供給部２と、反応管３の長手方向においてガス供給部２と反対方向に位置するバッフル４とを有する。さらに、反応管３とガス供給部２及びバッフル４の端面にて囲まれる形で、成長反応室９が形成されている。
【００１５】
バッフル４は、反応管３の長手方向において、成長用ボート８に関してガス供給部２と反対側に反応管３内の放熱を抑制するための断熱部材として設けられる。液相成長においては、成長反応室９内の温度を所定の温度に維持することが重要だからである。さらに、バッフル４には、プロセスガスＧの排出量を調節する通口が形成される。これにより、成長反応室９内での放熱を抑制しつつ、反応管３内におけるプロセスガスＧの流れの均一化を図ることが可能になる。図１に示すように、成長反応室９を形成するバッフル４の端面において、その上半分の領域に通口１０が形成されている。
【００１６】
上記通口１０は、プロセスガスＧの過剰な対流を抑制する程度に形成されていれば十分である。プロセスガスＧを排出する機能を重視しすぎると、放熱抑制の効果が十分に発揮できない。成長反応室９内に導入されたプロセスガスＧの流れを均一にするためには、プロセスガスＧがバッフル４に跳ね返されて生じる対流を抑制できれば十分であり、形成される通口１０の寸法及び分布形態を調節して、プロセスガスＧが過剰に排出されるのを抑制する。
【００１７】
また、バッフル４は、筒状形態の反応管３の開口部を塞ぐ形態で、該開口部から反応管３の内部に挿入される柱状部材であって、排気されるプロセスガスＧをいったん収容する内部空間を有する。バッフル４の内部空間でプロセスガスＧの対流、乱流等が生じることにはなんら問題はない。むしろ、ガスの流れ方向に関する通口の距離を短くすることが可能になるので、ガスのスムーズな流れに寄与する。
【００１８】
次に、図３に、液相成長装置１内に配置される成長用ボートの模式図を示す。複数段に組立可能とされたボート８は、石英製の部材として構成される。そのボート８の上面部には、そこに形成された凹部に枠状又は環状の石英製堤部材８ｓが擦り合わせにより着脱可能に嵌合して、半導体単結晶基板Ｗの載置部と成長溶液溜とを形成している。このボート８には、一段につき複数の基板を載置可能である。基板の入れかえを行う際には、これらボート８を個別に分解したうえで、液相成長後に残余した成長溶液を取り除き、さらに堤部材８ｓを取り外してエピタキシャルウェーハを取り出せばよい。成長溶液溜に溜められるＧａ溶液は、表面張力によって堤部材８ｓの上端よりもやや隆起するようにその量が調整されるので、プロセスガスＧ中に含まれる不純物の溶けこみも促進される。
【００１９】
このように、成長用ボート８が複数段あり、複数の半導体単結晶基板Ｗが配置されるような液相成長装置１においては、各ボートの間を流れるガスはヒータによって熱せられるため、排気される際には反応管３の上側方向に進みやすい傾向にあり、さらには、バッフル４に跳ね返されて対流を生ずる。そのため、成長反応室９内に導入されたプロセスガスＧの流れが不均一になりやすく、そのような場合、エピタキシャル層の不純物濃度にばらつきが生じやすい。従って、本発明が好適に使用できるものである。
【００２０】
図１に戻り、ガス供給部２には、その本体部２ａと連通する形で不純物源供給室２ｂが形成されており、さらに、成長反応室９に、その長手方向に突出する形でガス供給管１１、１２が形成されている（図２（ａ）参照）。不純物源供給室２ｂに配置されたボート１８には、ｐ型不純物源１７となるＺｎが配置されており、ボート１８と一体化したスライドピン１９により不純物源供給室２ｂに出し入れ可能となっている。反応管３の外側における成長反応室９及び不純物源供給室２ｂに対応する位置に、それら室内を加熱するためのメインヒータ５及びサブヒータ６が設けられている。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、ガス供給部２には、成長反応室９内に突出する形でガス供給管１１、１２が形成されており、該ガス供給管１１、１２の先端の開口部がプロセスガスＧを成長反応室９に導くガス供給口１４、１５として機能する。また、ガス供給部２の壁面２ｃに開口するガス供給口１３が図示されない位置に設けられている。これらガス供給口１３、１４、１５は、成長反応室９の該長手方向において異なる位置に形成されている。すなわち、ガス供給管１１は、成長反応室９の中間位置まで突出する形態で長く形成されており、対応するガス供給口１５がその位置に設定されている。
【００２２】
さらに、本実施の形態においては、ボート８上にＧａＰ単結晶基板Ｗが反応室９の長手方向（プロセスガスＧの流れ方向）に沿って複数配列する形態で配置されている。このように、ガス供給部２からの距離が各ＧａＰ単結晶基板Ｗによって異なる場合には、ガス供給口１３、１４、１５の位置を異ならせることによって、プロセスガスＧの流れ方向におけるドーピング濃度の均一化を図ることができ、さらに本発明の構成を採用することによって、プロセスガスＧの流れもより均一になるので、各ＧａＰ単結晶基板Ｗに形成されるエピタキシャル層における不純物濃度のばらつきをより一層抑制することができる。
【００２３】
図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面から、ガス供給部２を観察した断面矢視図である。該ガス供給部２には、ガス供給管１１、１２以外に、ガス供給部２の壁面２ｃの下方に下部ガス供給口１３が形成されている。この下部ガス供給口１３と、上記ガス供給口１４、１５とから反応室９内に次々と不純物を含んだガスが導入される。
【００２４】
さらに、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’断面からバッフル４の通口形成面を観察したものである。バッフル４における通口形成面４ｂを上下方向に二等分する水平基準線Ｈよりも上方の第一領域（上部）４ｃには、成長反応室９内に導入されたプロセスガスＧを排出するための通口１０が形成されている。一方、水平基準線Ｈよりも下方の第二領域（下部）４ｄには通口は形成されていない。
【００２５】
図４において、バッフル４に形成される通口１０の作用について説明する。バッフル４に通口１０が形成されていなかったり、図４（ａ）に示すように、バッフル４の通口形成面４ｂにおける第二領域４ｄのみに通口１０’が形成されているような場合は、バッフル４によるプロセスガスＧの跳ね返りにより、通口形成面４ｂの第一領域４ｃ近傍に過剰な対流が形成される。成長反応室９に導入されたプロセスガスＧは、ヒータに熱せられて反応管３の上方向へ進む傾向をもつ。従って、バッフル４にプロセスガスＧが当たって生じる対流も上方向へ進行する傾向が強くなる。この対流は、いったん逆流するようにして流れ、再び上流側から流れる形で循環する。このように、過度な対流の発生は、プロセスガスＧの均一な流れを損ねてしまう。
【００２６】
他方、図４（ｂ）に示すように、バッフル４の通口形成面４ｂにおける第一領域４ｃのみに通口１０を形成した場合には、バッフル４に形成される通口１０を介してプロセスガスＧが効果的に排出されることから、バッフル４によるプロセスガスＧの跳ね返りが適度に抑制されて、対流の過剰な発生を防止することができる。なお、反応管３に配置されるバッフル４は、成長反応室９内の温度を均一に保つためにも重要な部材である。そのため、成長反応室９に開口する通口１０の総面積は、成長反応室９内の温度を均一にする効果を損なわない大きさに適宜調整するとよい。
【００２７】
また、バッフル４に形成される通口１０の形状及びその分布形態は図５のようにしてもよい。図５（ａ）に示すように、１つの通口１０を第一領域４ｃにプロセスガスＧが排出され易い形状にて形成するようにしてもよいし、図５（ｂ）に示すように複数の通口１０を第一領域４ｃのみに形成するようにしてもよい。さらに、図５（ｃ）のように、第二領域４ｄに形成される通口１０’よりも、第一領域４ｃに形成される通口１０の総面積を大きく設定するようにしてもよい。図５（ａ）〜（ｃ）のいずれも、第一領域４ｃに形成される通口１０の総面積のほうが、第二領域４ｄに形成されるそれよりも大きく設定されている。これにより、通口形成面４ｂの上部におけるプロセスガスＧの跳ね返り、及びその近傍で生ずる対流を抑制することができるので、プロセスガスＧの流れの均一化を図れる。なお、さらに成長反応室９内のプロセスガスＧの流れを均一にするために、成長反応室９内から通口１０を通過してバッフル４の裏側へと流れるプロセスガスＧを吸引するガス吸引機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。
【００２８】
以上説明した実施の形態においては、バッフル４は成長反応室９を形成する端面を少なくとも一端に有する石英製の柱状部材とした。遮熱作用と整流作用とを備えるバッフル４の別形態を図７に示す。この例においては、板状のバッフル４’（バッフル板）をプロセスガスＧの流れ方向に複数連ねて配置している。各バッフル板４’に通口１０が形成されている。このように、バッフル板４’を複数連ねた形態にすると、その各々において通口の形成形態を異ならせることも可能である。図７に示す例においては、成長反応室９に最も近くに配置されるバッフル板４’を除き、後続をなすバッフル板４’には下部の通口１０’も上部通口１０に加えて形成されている。このように、通口１０，１０’の面積やバッフル板４’の枚数を種々調整できるので、遮熱の効果と整流の効果との兼ね合いを最適化しやすい。
【００２９】
以下、上記のような液相成長装置１を用いた液相成長方法について述べる。図８は液相成長装置１にて形成されるＧａＰエピタキシャルウェーハを素子化することにより作製される発光素子用基体３０の一例を示すものである。ｎ型ＧａＰ単結晶基板Ｗ上にｎ型ＧａＰエピタキシャル層２２、Ｎ（窒素）ドープｎ型ＧａＰエピタキシャル層２３、Ｎドープｐ型ＧａＰエピタキシャル層２４、ｐ型ＧａＰエピタキシャル層２５が形成されている。ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２２及びＮドープｎ型ＧａＰエピタキシャル層２３には、ｎ型ドーパントとしてＳｉが添加されている。さらに、上記Ｎドープｎ型ＧａＰエピタキシャル層２３及びＮドープｐ型ＧａＰエピタキシャル層２４には、該発光素子３０の発光効率を向上させるために、アイソエレクトロニック・トラップ（Isoelectronic Trap）型の発光中心として振舞う窒素（Ｎ）をドープしている。
【００３０】
まず、公知の液体封止型チョクラルスキー法によって得られるＧａＰ単結晶棒をスライスして得たｎ型ＧａＰ単結晶基板Ｗを、その主表面にＧａＰ多結晶を溶け込ませたＧａ融液（成長溶液１６）を接触させた状態で配置する。そして、メインヒータ５により、成長反応室９内の温度を上昇させる。
【００３１】
次に、温度を１０００℃近傍まで上昇させると、ｎ型ＧａＰ単結晶基板Ｗの上部が徐々に成長溶液に溶解して、やがて該成長溶液におけるＧａＰ濃度は飽和濃度に達する。そこで、Ｇａ溶液１６の温度を降下させることにより、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２２を成長させる。なお、エピタキシャル層にｎ型の不純物を含有させるには、キャリアガス中にＳ、Ｓｉ等を含有するガスを混ぜて微量流すとよい。又は、ボート自体の材質から取り込む等の方法により成長溶液中に供給することもできる。
【００３２】
そして、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２２の厚さが所望の値に到達した時に、降温を停止して成長を止め、該温度（例えば９００℃以上１０００℃以下の所定温度である）を保持しつつ、ガス供給部２を介して成長反応室９に、Ｎ（窒素）を供給するために必要なガス（例えばＮＨ_３）をＡｒやＨ_２等のキャリアガスに混合して導入する。次に、Ａｒ希釈ＮＨ_３ガスを成長反応室９内に供給しながら、成長溶液１６の温度を降下させる。これにより、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２２上に、ＮドープＧａＰエピタキシャル層２３が形成される。
【００３３】
そして、不純物源供給室２ｂに、Ｚｎ（亜鉛）をセットしたボート１８を、スライドピン１９を用いて押し込み、Ｚｎを蒸発させて、ＺｎとＮＨ_３とがＨ_２及びＡｒに含有されるプロセスガスＧを、成長反応室９内に流入させつつ、引き続き成長溶液１６の降温を行う。これにより、Ｚｎ及びＮがドープされたｐ型ＧａＰエピタキシャル層２４がＮドープＧａＰエピタキシャル層２３上に形成される。さらに、ＮＨ_３の供給を停止すればＺｎドープのｐ型エピタキシャル層２５が得られる。このようにして、図８に対応する多層構造の発光素子１用のＧａＰエピタキシャルウェーハが得られる。
【００３４】
【実施例】
本発明の効果を調べるために以下の実験を行った。
図１（実施例）及び図６（比較例）に示す液相成長装置１、１’を用い、直径５０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、面方位（１１１）のｎ型ＧａＰ単結晶基板Ｗ上にＧａＰエピタキシャル層を、前述した方法により液相エピタキシャル成長させた発光素子用ＧａＰエピタキシャルウェーハをそれぞれ作製した。
【００３５】
実施例にかかる液相成長装置１にて同時に製造された複数のＧａＰエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層（ここでは、ｐ型ＧａＰ層）２５における不純物濃度をそれぞれ測定し、各ウェーハ間の不純物濃度のばらつきを調べたところ、そのばらつきは２０％であった。他方、比較例にかかる液相成長装置１’にて同様に不純物濃度のばらつきを調べたところ、そのばらつきは５０％であった。このように、本発明によって、不純物濃度のばらつきの少ないエピタキシャル層を形成できる液相成長装置及びそれを使用した液相成長方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液相成長装置を示す概略図。
【図２】本発明の液相成長装置の要部を示す概略図。
【図３】半導体単結晶基板の配置形態を示す模式図。
【図４】液相成長装置の作用を説明する図。
【図５】通口の形成形態をいくつか示す模式図。
【図６】従来の液相成長装置を示す概略図。
【図７】バッフルの別形態を示す模式図。
【図８】本発明の装置及び方法により製造される半導体単結晶基板を使用した発光素子の構造の一例を示す模式図。
【符号の説明】
１、１’ 液相成長装置
２ ガス供給部
２ａ 本体部
２ｂ 不純物源供給室
２ｃ ガス供給部の壁面
３ 反応管
４，４’ バッフル
４ｂ 通口形成面
４ｃ 第一領域
４ｄ 第二領域
５ メインヒータ
６ サブヒータ
８ 成長用ボート
８ｓ 堤部材
９ 成長反応室
１０ 通口
１１、１２ ガス供給管
１３ 下部ガス供給口
１４、１５ ガス供給口
１６ Ｇａ溶液（成長溶液）
１７ ｐ型不純物源
１８ ボート
１９ スライドピン
Ｗ 半導体単結晶基板
Ｇ プロセスガス
Ｈ 水平基準線

Claims (3)

1. 反応管内に設置された成長用ボートに、半導体単結晶基板をその主表面に成長溶液が接する状態で複数配置するように構成され、さらに、前記反応管の長手方向の一方にガス供給部が設けられ、他方に通口の形成されたバッフルが配置されるとともに、
   前記通口は、その通口が形成されている通口形成面を上下方向に二等分したとき、該通口形成面の下部に形成された通口の総面積よりも、上部に形成された通口の総面積のほうが大きくなるように調整されていることを特徴とする液相成長装置。
2. 反応管内に設置された成長用ボートに、半導体単結晶基板をその主表面に成長溶液が接する状態で複数配置するように構成され、さらに、前記反応管の長手方向の一方にガス供給部が設けられ、他方に通口の形成されたバッフルが前記反応管の内部に配置されるとともに、
   前記通口は、その通口が形成されている通口形成面を上下方向に二等分したとき、その上部にのみ形成されていることを特徴とする液相成長装置。
3. 反応管内に、主表面上に成長溶液が接する状態で半導体単結晶基板が載置された成長用ボートを配置し、
   前記反応管内にキャリアガス及びドーピングガスを流入させながら、前記半導体単結晶基板の主表面上にエピタキシャル層を形成する液相成長方法において、
   前記エピタキシャル層の形成は、請求項１または２に記載の液相成長装置を使用して行われることを特徴とする液相成長方法。

Images