JP5359698B2 - 化合物半導体の製造装置、化合物半導体の製造方法及び化合物半導体 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、MOCVD法を用いた化合物半導体の製造において、化合物半導体の結晶をエピタキシャル成長させる基板表面の温度分布の変化を抑制することにある。
ここで、前記保持体の前記支持部材は、前記被形成体が載置される当該保持体の周縁部にリング形状で装着されていることが好ましい。
前記支持部材の前記支持面は、前記被形成体が載置された当該保持体の上面と当該支持面に支持された前記被形成体の下面とが接触しないように所定の高さを有することが好ましい。
前記保持体の前記支持部材は、アルミナ(Al 2 O 3 )、窒化ケイ素(Si 3 N 4 )、石英ガラス(SiO 2 )及びジルコニア(Zr 2 O 3 )からなる群から選ばれた一種からなることが好ましい。
次に、本発明によれば、有機金属気相成長法を用いて反応容器内でIII族窒化物半導体の層を被形成体上の被形成面にエピタキシャル成長により形成する化合物半導体の製造方法であって、保持体に、熱伝導率が10W/(m・K)以下の材料を用いて当該保持体とは別体として形成され、且つ当該保持体の周縁部の少なくとも3箇所に嵌め込まれ、前記被形成体の外周側面への当該保持体からの熱伝導を抑制しつつ当該被形成体を支持する支持部材を配置し、さらに、当該被形成体の前記被形成面が上側を向き、且つ、当該被形成体の裏面が当該保持体の上面と接触しないように当該被形成体を載置する工程と、前記被形成体を載置した前記保持体を反応容器内に回転可能に設置する工程と、前記保持体を設置した前記反応容器内に前記化合物半導体の原料ガスを供給する工程と、を有することを特徴とする化合物半導体の製造方法が提供される。
ここで、前記支持部材は、前記被形成体が載置される前記保持体の周縁部にリング形状で装着されていることが好ましい。
前記支持部材は、アルミナ(Al 2 O 3 )、窒化ケイ素(Si 3 N 4 )、石英ガラス(SiO 2 )及びジルコニア(Zr 2 O 3 )からなる群から選ばれた一種からなることが好ましい。
前記被形成体は、外周側面が前記支持部材と接触しないように前記支持部材上に載置されることが好ましい。
前記被形成体を700℃以上1200℃以下に加熱することが好ましい。
また、本発明によれば、上述した化合物半導体の製造方法により製造された化合物半導体が提供される。
すなわち、当該支持部材を有しない場合は、化合物半導体の結晶をエピタキシャル成長させる被形成体の下面(基板裏面)と被形成体が載置される保持体の上面との間の接触状態等に起因して基板表面の温度分布が発生するが、前述の支持部材を保持体と被形成体との間に備えることにより、基板表面の温度分布を低減又は抑制させることができる。
また、本発明によれば、基板を載置する保持体(サテライトディスク)の表面に温度分布があった場合でも、前述の支持部材を有することにより、直接保持体に接している場合に比べて、保持体の表面の温度分布の影響を受けにくい。
また、化合物半導体をエピタキシャル成長させる時に反りが残る基板を使用する場合でも、同様に前述の支持部材を有することにより、保持体の上面との接触状態に起因する温度分布を抑制させることができる。
以上の効果により、前記化合物半導体が、化合物半導体からなる発光層が形成された時にウェーハ面内(積層半導体ウェーハ面内)の発光波長標準偏差(σ)の変化が低減される効果を奏する。
図1は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置1の断面構成を示す図である。図2は、図1に示すMOCVD装置1のII−II断面図である。
MOCVD装置1は、例えば、III族窒化物半導体の結晶をエピタキシャル成長させるための基板110(後述する図5参照)や、さらにその上に、予め任意の組成の化合物半導体層を少なくとも1層形成してなる化合物半導体基板(一例として後述する化合物半導体基板40も挙げられ、本明細書ではこれらを被形成体ともいう)を任意に選ぶことができる。例えば、化合物半導体基板40を用いる場合には、その結晶成長面が上方を向くように配置し、且つ、エピタキシャル成長を行わせる結晶の原料となる原料ガスを、化合物半導体基板40の上方から供給する、所謂、縦型の構成を有している。
収容部11の底面には、反応室内に供給された原料ガスを反応室の外部に排出するための複数の排気管が貫通形成されている。収容部11の底面中央部には、後述する軸21を通すための貫通孔が形成されている。
図3は、上述したMOCVD装置1で使用される基板保持体30の構成を説明するための図である。図3(a)は、駒形形状の支持部材32を装着した基板保持体30の上面図であり、(b)は、化合物半導体基板40を載置した場合の(a)のIIIB−IIIB断面図であり、(c)は、(b)の支持部材32が装着された部分の拡大断面図である。尚、図3(a)は、基板保持体30に載置された状態の化合物半導体基板40(図2参照)を点線で示している。
本実施の形態では、支持部材32の支持面321の溝部31aからの高さHは、特に限定されないが、0.5mm〜3mmの範囲であり、好ましくは、1mm〜2mmの範囲である。また、基板保持体30の凹部30bの上面と化合物半導体基板40の下面との間隔Sは、特に限定されないが、50μm〜500μmの範囲であり、好ましくは、100μm〜300μmの範囲である。
さらに、化合物半導体基板40の外周側面の下部角部は、支持面321に対し所定の角度を成すように形成された傾斜面322と線接触している。これにより、化合物半導体基板40の外周側面は基板保持体30からの接触伝熱が回避され、化合物半導体基板40の外周側面と基板保持体30の間の熱伝導が抑制される。
図4は、上述したMOCVD装置1で使用される基板保持体30の第2の実施の形態を説明するための図である。図4(a)は、リング形状の支持部材32Lを装着した基板保持体30の上面図であり、(b)は、化合物半導体基板40を載置した場合の(a)のIVB−IVB断面図であり、(c)は、(b)の支持部材32Lが装着された部分の拡大断面図である。図3と同じ構成については同じ符号を使用しその説明を省略する。尚、図4(a)は、基板保持体30に載置された状態の化合物半導体基板40(図2参照)を点線で示している。
また、リング形状の支持部材32Lは、化合物半導体基板40の下面の外周端部を支持する支持面321Lと、支持面321Lに対し所定の角度を成すように傾斜面322Lとを有している。傾斜面322Lは、支持部材32Lが嵌め込まれた本体部31の外側に向かって溝部311aからの高さが緩やかに増大するように傾斜面を形成している。
さらに、化合物半導体基板40の外周側面の下部角部は、支持面321Lに対し所定の角度を成すように形成された傾斜面322Lと線接触している。これにより、化合物半導体基板40の外周側面は基板保持体30からの接触伝熱が回避され、化合物半導体基板40の外周側面と基板保持体30との間の熱伝導が抑制される。特に、本実施の形態では、溝部311aが、基板保持体30の周縁部を切り取るように形成されているので、リング形状の支持部材32Lの外周縁部は、基板保持体30と接触しない。これにより、化合物半導体基板40の外周側面が基板保持体30から熱的に遮断される効果が増大する。
また、支持部材32Lと支持面321Lとは一体成形されたものでなくてもよい。例えば、リング状の支持部材に支持面を有する駒形の支持部材を嵌め込んだものでもよい。この場合、支持部材が分割されることにより熱伝導性が低下し、化合物半導体基板40の外周側面と基板保持体30との間の熱伝導は更に抑制される。
本実施の形態では、MOCVD装置1を用いて基板110(図5参照)上に予め任意の組成の化合物半導体層を形成した化合物半導体基板40上に、さらにIII族窒化物半導体層を形成する。原料としては、III族の元素を含む有機金属と窒素を含むアンモニアNH3とを使用する。有機金属は主として液体原料であるため、液体状の有機金属に窒素N2および水素H2にてバブリングを行い、得られた窒素N2、水素H2および有機金属を混合させてなる有機金属ガスMOを原料ガスとして供給する。本実施の形態では、供給管13より有機金属ガスMOおよびアンモニアNH3の供給を行う。
n型のドーパントの原料としては、例えば、モノシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)等のシラン化合物;ゲルマンガス(GeH4)、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)、テトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等のゲルマニウム化合物が挙げられる。
p型のドーパントの原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)等の有機マグネシウム化合物が挙げられる。
また、アンモニアに代えて、ヒドラジン(N2H4)を用いることもできる。なお、上述した有機金属MO以外にも、他のIII属元素を含有させた構成とすることができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be等のドーパントを含有させることができる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
図5は、MOCVD装置1を用いて製造される積層半導体ウェーハSWの一例の断面図を示している。積層半導体ウェーハSWを構成する化合物半導体としては、特に限定されるものではなく、例えば、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV−IV族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、III−V族化合物半導体が好ましく、III族窒化物半導体がより好ましい。以下、III族窒化物半導体を有する積層半導体ウェーハSWを例に挙げて説明する。
基板110は、III族窒化物半導体とは異なる材料から構成され、基板110上にIII族窒化物半導体結晶がエピタキシャル成長される。基板110を構成する材料としては、例えば、サファイア、炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。これらの中でも、サファイア、炭化珪素が好ましい。本実施の形態では、基板110としてサファイアを用いている。
基板110はIII族窒化物半導体とは異なる材料から構成されるため、バッファ機能を発揮する中間層120を基板110上に設けておくことが好ましい。単結晶構造を有する中間層120を基板110上に成膜した場合、中間層120のバッファ機能が有効に作用し、中間層120上に成膜される下地層130と化合物半導体層100とは、良好な結晶性を持つ結晶膜となる。中間層120は、Alを含有することが好ましく、III族窒化物半導体であるAlNを含むことが特に好ましい。
下地層130に用いる材料としては、Gaを含むIII族窒化物半導体(GaN系化合物半導体)が用いられる。特に、AlGaN、GaNが好ましい。なお、本明細書中、各元素の組成比を省略して、AlGaNやGaInN等といった表記を用いることがある。下地層130の膜厚は0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。
n型半導体層140は、n型コンタクト層140aおよびn型クラッド層140bから構成される。n型コンタクト層140aとしては、下地層130と同様にGaN系化合物半導体が用いられる。下地層130およびn型コンタクト層140aを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1μm〜20μm、好ましくは0.5μm〜15μm、さらに好ましくは1μm〜12μmの範囲に設定することが好ましい。
発光層150は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層150aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型半導体層140側及びp型半導体層160側にそれぞれ障壁層150aが配される順で積層して形成される。本実施の形態において、発光層150は、6層の障壁層150aと5層の井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、発光層150の最上層及び最下層に障壁層150aが配され、各障壁層150a間に井戸層150bが配される構成となっている。
また、障壁層150aとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層150bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c≦0.3)等の窒化ガリウム系化合物半導体を好適に用いることができる。
p型半導体層160は、p型クラッド層160aおよびp型コンタクト層160bから構成される。p型クラッド層160aとしては、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4)のものが挙げられる。p型クラッド層160aの膜厚は、好ましくは1nm〜400nmであり、より好ましくは5nm〜100nmである。
p型コンタクト層160bとしては、AleGa1−eN(0≦e<0.5)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層が挙げられる。p型コンタクト層160bの膜厚は、特に限定されないが、10nm〜500nmが好ましく、より好ましくは50nm〜200nmである。
発光素子チップLCにおいては、p型半導体層160のp型コンタクト層160b上に透明正極170が積層され、さらにその上に正極ボンディングパッド180が形成されるとともに、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに形成された露出領域140cに負極ボンディングパッド190が積層されている。
透明正極170を構成する材料としては、例えば、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)等の従来公知の材料が挙げられる。透明正極170の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。透明正極170は、p型半導体層160上のほぼ全面を覆うように形成しても良く、格子状や樹形状に形成しても良い。
透明正極170上に形成される電極としての正極ボンディングパッド180は、例えば、従来公知のAu、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Ta、Ni、Cu等の材料から構成される。正極ボンディングパッド180の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。正極ボンディングパッド180の厚さは、例えば100nm〜2000nmの範囲内であり、好ましくは300nm〜1000nmの範囲内である。
負極ボンディングパッド190は、基板110上に成膜された中間層120および下地層130の上にさらに成膜された化合物半導体層100(n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160)において、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに接するように形成される。負極ボンディングパッド190を形成する際は、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の一部を除去し、n型コンタクト層140aの露出領域140cを形成し、この上に負極ボンディングパッド190を形成する。負極ボンディングパッド190の材料としては、正極ボンディングパッド180と同じ組成・構造でもよく、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
本実施の形態では、前述した基板110上に、スパッタ法を用いて、プラズマで活性化して反応した原料を基板110上に成膜して中間層120を形成する。ここで、V族元素を窒素とし、中間層120を成膜する際のガス中における窒素のガス分率を50体積%〜99体積%以下の範囲とするとともに、中間層120を単結晶として形成する。次いで、中間層120上に、MOCVD法又はスパッタ法によって下地層130を成膜し、化合物半導体基板40を形成する。
続いて、このように形成した化合物半導体基板40を使用し、MOCVD装置1を用いて以下の手順に従い製造される。
初めに、6枚の基板保持体30の凹部30bに、それぞれ1枚ずつ化合物半導体基板40を載置し、下地層130を外部に露出させる。続いて、6枚の基板保持体30をMOCVD装置1の支持体20に設けられた6個の凹部に設置する。その後、保護部材60が取り付けられた蓋部12を閉じて収容部11と蓋部12とを密着させる。
次に、ガス供給口を介して支持体20の各凹部の底部に向けて窒素N2の供給を開始させ、軸21の回転を開始させる。これに伴い、支持体20は矢印A方向に回転し、支持体20に取り付けられた6個の基板保持体30は矢印B方向に回転する。
また、加熱部50のコイルに対する給電が開始され、加熱部50に流れる電流により、支持体20が電磁誘導加熱され、支持体20に保持される6個の基板保持体30および各基板保持体30に保持される化合物半導体基板40が所定の温度に加熱される。
化合物半導体基板40は、700℃〜1200℃の範囲に加熱される。また、化合物半導体基板40の温度は、それぞれの結晶成長に適した値に調整される。
上述したような製膜プロセスが終了すると、支持体20から基板保持体30が取り出され、さらに基板保持体30から積層半導体ウェーハSWが取り外される。そして、積層半導体ウェーハSWのp型半導体層160上に透明正極170を積層し、その上に正極ボンディングパッド180を形成する。また、エッチング等を用いてn型コンタクト層140aに露出領域140cを形成し、この露出領域140cに負極ボンディングパッド190を設ける。その後、基板110の中間層120の形成面とは反対の面を、所定の厚さになるまで研削及び研磨する。そして、基板110の厚さが調整されたウェーハを、例えば350μm角の正方形に切断することにより、発光素子チップLCを得る。
Claims (10)
- 有機金属気相成長法を用いてIII族窒化物半導体の層を形成する化合物半導体製造装置であって、
反応容器と、
前記反応容器内に配置され、被形成体の被形成面が上方を向くように当該被形成体が載置される保持体と、
前記反応容器内に外部から化合物半導体の原料ガスを供給する原料供給口と、を備え、
前記保持体は、熱伝導率が10W/(m・K)以下の材料を用いて当該保持体とは別体として形成され、前記被形成体が載置される当該保持体の周縁部の少なくとも3箇所に嵌め込まれ、且つ当該被形成体の下面の外周端部を支持するための支持面と、当該被形成体の下面の当該外周端部と線接触するように当該支持面に対し所定の角度を成すように形成された傾斜面とを有し、当該被形成体が載置される当該保持体の上面と当該被形成体の下面とが所定の間隔を保つように当該被形成体を支持する支持部材を有し、当該被形成体の下面の当該外周端部が、当該傾斜面の最下部において当該傾斜面と線接触することを特徴とする化合物半導体の製造装置。 - 前記保持体の前記支持部材は、前記被形成体が載置される当該保持体の周縁部にリング形状で装着されていることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の製造装置。
- 前記支持部材の前記支持面は、前記被形成体が載置された当該保持体の上面と当該支持面に支持された前記被形成体の下面とが接触しないように所定の高さを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体の製造装置。
- 前記保持体の前記支持部材は、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)、石英ガラス(SiO2)及びジルコニア(Zr2O3)からなる群から選ばれた一種からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体の製造装置。
- 有機金属気相成長法を用いて反応容器内でIII族窒化物半導体の層を被形成体上の被形成面にエピタキシャル成長により形成する化合物半導体の製造方法であって、
保持体に、熱伝導率が10W/(m・K)以下の材料を用いて当該保持体とは別体として形成され、且つ当該保持体の周縁部の少なくとも3箇所に嵌め込まれ、前記被形成体の下面の外周端部を支持する支持面と当該支持面に対し所定の角度を成すように形成された傾斜面とを備え、当該被形成体の下面の当該外周端部が当該傾斜面の最下部において当該傾斜面と線接触し、且つ当該被形成体の外周側面への当該保持体からの熱伝導を抑制しつつ当該被形成体を支持する支持部材を配置し、さらに、当該被形成体の前記被形成面が上側を向き、且つ、当該被形成体の裏面が当該保持体の上面と接触しないように当該被形成体を載置する工程と、
前記被形成体を載置した前記保持体を反応容器内に回転可能に設置する工程と、
前記保持体を設置した前記反応容器内に前記化合物半導体の原料ガスを供給する工程と、を有することを特徴とする化合物半導体の製造方法。 - 前記支持部材は、前記被形成体が載置される前記保持体の周縁部にリング形状で装着されていることを特徴とする請求項5に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記支持部材は、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)、石英ガラス(SiO2)及びジルコニア(Zr2O3)からなる群から選ばれた一種からなることを特徴とする請求項5又は6に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記被形成体は、外周側面が前記支持部材と接触しないように当該支持部材上に載置されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記被形成体を700℃以上1200℃以下に加熱することを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の化合物半導体の製造方法。
- 請求項5乃至9のいずれか1項に記載の化合物半導体の製造方法により製造された化合物半導体。
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