JP5321395B2

JP5321395B2 - 窒化物薄膜成膜装置

Info

Publication number: JP5321395B2
Application number: JP2009227588A
Authority: JP
Inventors: 典彦戸田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011077315A

Description

本発明は、窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜の結晶成長を行う窒化物薄膜成膜装置において、シリコン窒化膜を形成させることが可能な窒化物薄膜成膜装置に関する。

ＧａＮ系窒化物半導体は、高周波・高出力ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の電子デバイスや、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や青色ＬＤ（Laser Diode）等の光デバイスへの応用が成功して以来、盛んに研究されている。

これら、デバイスとして、ＨＥＭＴ、ＬＥＤ、ＬＤ等の素子作製のための結晶薄膜成膜方法として、主に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition 以後、ＭＯＣＶＤと称す。）法が採用されている。

ＭＯＣＶＤ法により窒化物薄膜を基板上に成膜させるためには、ＩＩＩ族である有機金属原料（ＴＭＧ：トリメチルガリウム、ＴＭＡ：トリメチルアルミニウム、ＴＭＩ：トリメチルインジウム）、Ｖ族である窒素（Ｎ）原料であるアンモニア（ＮＨ_３）ガス、不純物濃度を制御するためのドーパント原料（ｎ型ドーパント原料としてＳｉＨ_４：シランガス、ｐ型ドーパント原料としてビスシクロペンタジエチルマグネシウム：Ｃｐ_２Ｍｇ）、及び、キャリアガス（Ｈ_２：水素、Ｎ_２：窒素）を薄膜成膜装置の反応室に導入し、加熱されたサセプタ上に載置された基板の表面に窒化物薄膜を気相成長させる（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。

この、ＭＯＣＶＤ法により窒化物薄膜を成長させるための条件として、
１）大量のアンモニアガスが導入されること、
２）常圧下での成長であること、
３）原料ガスを基板の表面に導入するまでの間で、ＩＩＩ族有機金属原料とＶ族原料との反応を回避させるために、高いガス導入速度や各原料ガス間を分離して基板まで導入させること、等が挙げられる。

これらの結晶成膜条件は、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜等の結晶成長条件とは大きく異なるもので、窒化物薄膜成膜装置の要件となっている。

特開２０００−１００７２６号公報

阿久津、徳永、脇、山口、松本；"横型三層流GaN-MOCVD装置（SR-2000）による窒化物半導体薄膜の成長" 日本酸素枝報N0.16(1997)pp.18-25

また、このような窒化物薄膜成膜装置は、ＧａＮ系窒化物半導体のみならず、前記したドーパント原料のシラン（例えば、モノシランやジシラン等）ガスとＶ族の原料であるアンモニアガスとを反応させて、シリコン窒化膜をＣＶＤ成膜させることも考えられる。

シリコン窒化膜は、光デバイスや電子デバイスを作製するための重要な絶縁膜の一つであり、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、さらに、パッシベーション膜等に利用されていることは周知である。

しかしながら、前記の窒化物薄膜成膜装置は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ等のＧａＮ系窒化物半導体の結晶成長のみを目的に装置設計されている。つまり、前記窒化物薄膜成膜装置でのＧａＮ系窒化物半導体成長を行う条件は、シランガスを導入した場合のシリコン窒化膜の成膜条件としては問題がある。

例えば、非特許文献１に開示されている窒化物薄膜成膜装置について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は、窒化物薄膜成膜装置２００の縦断面図であり、図２（ｂ）は、窒化物薄膜成膜装置２００の平面図である。

窒化物薄膜成膜装置２００は、装置全体をカバーするチャンバ１９と、石英製の反応管１８とを備えて構成されている。この反応管１８は、ガス供給側に上下２つの流路が仕切板１４によって分離されており、上部流路１５は、前記した有機金属原料であるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、及び、ドーパント原料とキャリアガス等とが矢印方向に流れるＩＩＩ族ラインＡであり、下部流路１６は、アンモニアやキャリアガス等が矢印方向に流れるＶ族ラインＢである。そして、各流路の下流には、サセプタ１２上に載置された基板（例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、シリコン基板等である。）１０を加熱するヒータ１３が配設されている。ＧａＮ系窒化物半導体の結晶成長は、２つの流路からの供給ガスとヒータ１３によってサセプタ１２上の基板１０が昇温加熱されることとにより行われる。そして、反応管１８の排気流路１７から排気ラインＣとして矢印方向に排気される。

一般に、ＧａＮ系窒化物半導体の成長条件は、Ｖ/III比（III族である有機金属原料とＶ族であるアンモニアのモル比）が大きく、大量のアンモニアガスを必要とする。そのために、常圧下での結晶成長において大量のガスを導入した場合、導入したガスによって基板の周辺部が冷却されるために基板の表面温度分布が不均一となる。

このように、基板の表面内に極端な温度分布が生ずると、窒化物薄膜の成膜レートに差が生じ、結果として成長膜厚が不均一となる。これらの問題を解決するため、ガスの総導入量を減少させることも考えられるが、ガスの流速が低下してしまう。さらに、ガス流速の低下により主に基板の上流側で反応が促進され、下流まで十分にソースが供給されず、やはり成長膜厚が不均一となってしまう。

さらに、窒化物薄膜の成長温度は、１０００℃乃至１１００℃であり、他の化合物半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ）の成長温度の９００℃乃至１０００℃と比較して高いため、ガス流速が低い場合には、上昇気流により、さらに成長膜厚の不均一が発生する等の問題も生じる。もちろん、反応管を再設計する、例えば、反応管の断面積を小さくする等して、ガスの総導入量を抑えて流速を保つことも可能であるが、この場合には、前記のＧａＮ系窒化物半導体の窒化物薄膜の最適成長条件を維持することが困難となってしまう。

本発明は、前記問題点を解決するために創案されたものであり、常圧下において窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜の結晶成長を行う窒化物薄膜成膜装置において、ガスの流量を維持しつつ、成膜されるシリコン窒化膜の膜厚を均一にすることができる窒化物薄膜成膜装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の窒化物薄膜成膜装置は、基板の表面に、常圧下において窒化源を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜を成膜するためのシランガスとアンモニアガスとを含むガスを供給源としてシリコン窒化膜を成膜する窒化物薄膜成膜装置であって、前記ガスの供給側に設けられた上側流路及び下側流路と、前記基板が載置されるサセプタと、前記サセプタを下面から加熱するヒータと、前記サセプタの上面の前記ヒータによる均熱領域内の前記ガスの上流側に設けられ、前記基板の上面より高さが高い石英製の障壁部材と、前記サセプタを挟んで上記ガス供給側に対向して配置された排気流路とを備え、前記上側流路及び下側流路のいずれか一方からシランガスを含むガスが供給され、他方からアンモニアガスを含むガスが供給され、前記上側流路及び下側流路から供給されたガスは、前記排気流路に向かって、前記基板の上面に沿って流れることを特徴とする。前記シランガスとアンモニアガスはそれぞれの流路を上下に分ける仕切板により個別に供給され、前記障壁部材の高さは、前記仕切板の位置と同程度、好ましくは前記仕切板の位置より高くすることが好ましい。

このようにすることで、常圧下において窒化源を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜の成膜する窒化物薄膜成膜装置において、大量のガス流量条件を維持しつつも、石英製の障壁部材を配設することにより、大量のガスが直接基板表面に触れることなくシリコン窒化膜を成膜することができる。

また、本発明の窒化物薄膜成膜装置において、前記障壁部材は、下側が前記サセプタの上面に着脱可能に嵌入されていることが好ましい。このようにすることで、障壁部材の交換や洗浄等の保守作業を容易に行うことができる。

そして、本発明の窒化物薄膜成膜装置において、前記基板は、円形であり、前記障壁部材は、前記基板よりも径が大きなリング形状であることが好ましい。このようにすることで、取扱い容易でかつ強固な障壁部材とすることができる。また、基板を自転させて成膜する場合には、リング状とすることでさらに効果を奏する。

本発明によれば、常圧下において窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜の結晶成長を行う窒化物薄膜成膜装置において、ガスの流量を維持しつつ、成膜されるシリコン窒化膜の膜厚を均一にすることができる窒化物薄膜成膜装置を提供することができる。

本発明の実施形態の窒化物薄膜成膜装置を説明するための図であり、（ａ）は、縦断面図であり（ｂ）は平面図である。背景技術の窒化物薄膜成膜装置を説明するための図であり、（ａ）は、縦断面図であり、（ｂ）は、平面図である。

（実施形態）
本発明の実施形態について図１を参照して説明する。図は、本発明の特徴が明確になるように記載されており、寸法関係等は、必ずしも実際のものに忠実に描いていないため、本発明を何ら制約するものではない。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００を説明するためのもので、（ａ）は、縦断面図であり（ｂ）は平面図である。図中、背景技術の説明で参照した図２において、同様の機能効果を有する部位については、同様の符号を付してある。

本発明の実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００は、前記背景技術において説明した窒化物薄膜成膜装置２００と異なる点は、サセプタ１２ａに石英製のリング１１を付加した構成となっている。

具体的には、サセプタ１２ａに載置する基板１０の外局部に浅く溝を掘り、この溝に石英製のリング１１を嵌め込んでいる。基板１０の加熱方法は、高周波誘導加熱でもヒータ１３による抵抗加熱のどちらでもよい。リング１１の材質は、基板加熱方法が誘導加熱である場合や、薄膜への不純物混入を避ける意味でも金属ではなく高純度の石英が望ましい。

このリング１１は、シランガスとアンモニアガスとを導入したシリコン窒化膜を成膜するときには、サセプタ１２ａに嵌入して使用されるが、ＧａＮ系窒化物半導体を結晶成長するときには、取り外してサセプタ１２ａのみを使用してＧａＮ系窒化物半導体を結晶成長する。

また、リング１１の大きさは、総ガス流量によるので、ここでは特定しないが、具体例を一つ挙げるならば、ガスの流れる上下のギャップ、すなわち、基板１０の表面と反応管１８の対面との距離が７．５ｍｍのとき、リング１１の高さを４ｍｍとした。本実施形態においては、このリング１１の外径はヒータ１３の外径よりも短く、かつ、サセプタ１２ａの上部に設置することによりサセプタ１２ａと同様に昇温することを特徴とする。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００は、装置全体をカバーするチャンバ１９と、石英製の反応管１８とを備えて構成されている。この反応管１８は、ガス供給側に上下２つの流路が仕切板１４によって分離されており、上部流路１５は、ＩＩＩ族の有機金属原料であるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、及び、ドーパント原料とキャリアガス等とが矢印方向に流れるラインＡであり、下部流路１６は、アンモニアやキャリアガス等が矢印方向に流れるＶ族ラインＢとなっている。そして、反応管１８の排気流路１７から排気ラインＣとして矢印方向に排気される。本実施形態においては、ＩＩＩ族ラインＡとＶ族ラインＢとを入れ替えた構成でも構わない。

また、窒化物薄膜成膜装置１００は、下部流路１６からサセプタ１２ａ配設された基板１０に向けてＶ族ガスが導入される際には、リング１１によって、Ｖ族ガスの一部が上方向に流れを換えられるため、Ｖ族ガスが直接基板１０には接触しない。しかもリング１１は、ヒータ１３により昇温されたサセプタ１２ａの上面に配設してあるため、Ｖ族ガスは、このリング１１に当たることにより昇温する。これにより、大量のガスが直接基板に触れることによる基板周辺部の温度低下による表面温度分布の不均一性と、この表面温度分布の不均一性による成膜レートの差異の発生に起因する膜厚の不均一化の発生とが回避されることになる。

表1には、本実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００において、標準成長条件として、シラン０．７％を１００ｓｃｃｍ、アンモニア９９．９９９％を４ＳＬＭ、基板温度は８００℃としたときの、リング１１がある場合と、リングを取り外した場合とにおいて、成膜したシリコン窒化膜の、それぞれの窒化シリコン膜の屈折率及び膜厚の均一性の測定結果を比較するために示した。ここで、均一性（Uniformity）とは、測定値の標準偏差（σ）を平均値（Ｍ）で除してパーセント表示（（σ／Ｍ）×１００：％）にしたものである。

表１に示すように、リング１１を使用した場合の標準条件でのシリコン窒化膜の成膜では、屈折率の均一性が０．６３％、膜厚の均一性が２．２８％であったのに対し、リング１１が無い場合の標準条件での窒化シリコンの成膜では、屈折率の均一性が２．３５％、膜厚の均一性が２．４６％であった

石英製のリング１１を設置してシリコン窒化膜を成膜することにより、膜厚の均一性を保持又は１０％程度改善しながら、屈折率の均一性を１／４に大幅に改善することが確かめられ、本実施形態の有効性を実験的に確かめることができた。

本実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００によれば、均一性に優れたシリコン窒化膜およびＧａＮ系窒化物半導体を同一の装置で成長可能な方法を提供できる。さらに石英リングのような加工が簡単で安価な耐久性を有する治具を用いるため、窒化物薄膜成膜装置１００の取扱いは極めて簡便になる。

また、石英製のリング１１は、サセプタ１２ａと一体になっている構造では無いことにより、リング１１の形状効果の実験や、成膜工程の繰り返しによりリング１１に薄膜が堆積した場合など、フレークが発生する前に交換することで容易にメンテナンスができる。

本実施形態の窒化物薄膜成膜装置１００は、主に窒化物半導体、特に高周波・高出力ＨＥＭＴや白色ＬＥＤ、青色ＬＤに用いられるＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びこれら薄膜上に積層する絶縁膜としてのシリコン窒化膜の成膜装置として好適である。

１０基板
１１リング（石英製の障壁部材）
１２、１２ａサセプタ
１３ヒータ
１４仕切板
１５上部流路
１６下部流路
１７排気流路
１８反応管
１９チャンバ
１００、２００窒化物薄膜成膜装置
ＡＩＩＩ族ライン
ＢＶ族ライン
Ｃ排気ライン

Claims

基板の表面に、常圧下において窒化源を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜を成膜するためのシランガスとアンモニアガスとを含むガスを供給源としてシリコン窒化膜を成膜する窒化物薄膜成膜装置であって、
前記ガスの供給側に設けられた上側流路及び下側流路と、
前記基板が載置されるサセプタと、
前記サセプタを下面から加熱するヒータと、
前記サセプタの上面の前記ヒータによる均熱領域内の前記ガスの上流側に設けられ、前記基板の上面より高さが高い石英製の障壁部材と、
前記サセプタを挟んで上記ガス供給側に対向して配置された排気流路とを備え、
前記上側流路及び下側流路のいずれか一方からシランガスを含むガスが供給され、他方からアンモニアガスを含むガスが供給され、
前記上側流路及び下側流路から供給されたガスは、前記排気流路に向かって、前記基板の上面に沿って流れる
ことを特徴とする窒化物薄膜成膜装置。
前記障壁部材は、下側が前記サセプタの上面に着脱可能に嵌入されている
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物薄膜成膜装置。
前記基板は、円形であり、
前記障壁部材は、前記基板よりも径が大きなリング形状である
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物薄膜成膜装置。