JP5386303B2

JP5386303B2 - 半導体基板の製造方法およびハイドライド気相成長装置

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Publication number: JP5386303B2
Application number: JP2009248447A
Authority: JP
Inventors: 裕次郎石原; 豊錦織
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011096801A

Description

本発明は、少なくとも第一反応ガスと第二反応ガスとを上流から下流の基板の表面に供給して結晶を成長させるハイドライド気相成長装置に関する。

III族窒化物半導体は広いバンドギャップをもつこと、また、直接遷移型半導体であることから短波長発光デバイスとして応用されている。このような素子構造を作製するには基板上にエピタキシャル成長させる必要がある。

しかしながら、窒化ガリウム（ＧａＮ）においては格子整合する基板がなく、サファイア等の異種基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法であらかじめ数μｍ〜数百μｍのＧａＮ膜を成長させた基板上に素子構造を作製する場合がある。

こうした成長方法の中でも特にハイドライド気相成長法は成長速度が速く、ＧａＮ層を厚く成長させたり、自立ＧａＮ基板を作製したりするのに用いられる。

現在、上述のような層膜を基板上に形成するハイドライド気相成長装置として各種の提案がある（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−１８１０９７号公報特開２００７−０３９２７１号公報

しかし、ＨＶＰＥ法によりＧａＮを成長すると酸素が不純物として取り込まれてしまい、結果として意図していない結晶中のキャリア濃度の増加、高濃度の酸素による結晶性の悪化、表面モフォロジーの悪化、結晶中への歪の発生などが起こる。特にｍ（Ｍ面）−ＧａＮにおいては顕著に取り込まれる傾向にありデバイス作製の際には大きな問題になる。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、反応管の下流から流入した外気により結晶の成長が阻害されることがないハイドライド気相成長装置を提供するものである。

本発明のハイドライド気相成長装置は、少なくとも第一反応ガスと第二反応ガスとを上流から下流の基板の表面に供給して結晶を成長させるハイドライド気相成長装置であって、中空の反応管と、反応管の内部で基板を下流側からサセプタ回転軸により軸支して回転駆動する基板回転機構と、回転駆動される基板の表面に第一反応ガスを上流から供給する第一供給機構と、回転駆動される基板の表面に第二反応ガスを上流から供給する第二供給機構と、表面に第一反応ガスと第二反応ガスとが供給される基板の下流で反応管の内部の少なくとも外側を遮蔽する対流防止部材と、を有する。

従って、本発明のハイドライド気相成長装置では、中空の反応管の内部で基板が下流側から基板回転機構のサセプタ回転軸により軸支されて回転駆動される。このように回転駆動される基板の表面に第一供給機構が第一反応ガスを上流から供給する。さらに、回転駆動される基板の表面に第二供給機構が第二反応ガスを上流から供給する。そこで、これら第一反応ガスと第二反応ガスにより基板の表面に結晶が成長される。ただし、基板を通過し、十分に加熱されるが第一反応ガスと第二反応ガスを排出する際に下流部の冷却されているガスと加熱されているガスとが対流を起こす。このため、下流部に残留していた空気や水分が基板の表面に到達して結晶の成長を阻害する懸念がある。しかし、本発明のハイドライド気相成長装置では、表面に第一反応ガスと第二反応ガスとが供給される基板の下流で反応管の内部の少なくとも外側を対流防止部材が遮蔽している。このため、上述のように反応管の下流から流入した残留空気、水分が対流により基板の表面に到達することが防止される。

また、上述のようなハイドライド気相成長装置において、対流防止部材は、中心に貫通孔が形成されていて反応管の内周面を遮蔽する円筒状に形成されており、対流防止部材の貫通孔を基板回転機構のサセプタ回転軸が貫通していてもよい。

また、上述のようなハイドライド気相成長装置において、対流防止部材は、基板の表面を通過した第一反応ガスと第二反応ガスとを貫通孔とサセプタ回転軸との間隙から所定の流速で下流に流動させる形状に形成されていてもよい。

また、上述のようなハイドライド気相成長装置において、反応管の外側から基板を加熱する基板加熱機構と、基板加熱機構より下流で反応管を断熱する反応管断熱材とを、さらに有し、対流防止部材が反応管断熱材より下流に位置していてもよい。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

本発明のハイドライド気相成長装置では、中空の反応管の内部で基板が下流側から基板回転機構のサセプタ回転軸により軸支されて回転駆動される。このように回転駆動される基板の表面に第一供給機構が第一反応ガスを上流から供給する。さらに、回転駆動される基板の表面に第二供給機構が第二反応ガスを上流から供給する。そこで、これら第一反応ガスと第二反応ガスにより基板の表面に結晶が成長される。ただし、基板を通過し、十分に加熱されるが第一反応ガスと第二反応ガスを排出する際に下流部の冷却されているガスと加熱されているガスとが対流を起こす。このため、下流部に残留していた空気や水分が基板の表面に到達して結晶の成長を阻害する懸念がある。しかし、本発明のハイドライド気相成長装置では、表面に第一反応ガスと第二反応ガスとが供給される基板の下流で反応管の内部の少なくとも外側を対流防止部材が遮蔽している。このため、上述のように反応管の下流から流入した残留空気、水分が対流により基板の表面に到達することが防止される。従って、流入した残留空気、水分により結晶の成長が阻害されることがなく、良質な結晶を形成することができる。

本発明の実施の形態のハイドライド気相成長装置の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。対流防止部材の構造を示す図１のＡ−Ａ断面図である。対流防止部材の作用を示す模式図である。試作品のハイドライド気相成長装置による実験結果を示す特性図である。一の変形例の対流防止部材の作用および構造を示す模式的な縦断側面図である。他の変形例の対流防止部材の作用および構造を示す模式的な縦断側面図である。さらに他の変形例の対流防止部材の作用および構造を示す模式的な縦断側面図である。

本発明の実施の一形態を図面を参照して以下に説明する。本実施の形態のハイドライド気相成長装置１００は、少なくとも第一反応ガスであるＧａＣｌガスと第二反応ガスである(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとを上流から下流の基板１２２の表面に供給して結晶を成長させる。なお、ここでは第二反応ガスとして(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスを例示しているが、そのＨ_２ガスはＮ_２、Ｈｅ、Ａｒなどの不活性ガス、またはそれらの混合ガスなどに変更することができる。

このため、本実施の形態のハイドライド気相成長装置１００は、図１に示すように、中空の反応管１１０と、反応管１１０の内部で基板１２２を下流側からサセプタ回転軸１２１により軸支して回転駆動する基板回転機構１２０と、回転駆動される基板１２２の表面にＧａＣｌガスを上流から供給する第一供給機構であるＧａソースボート１３０と、回転駆動される基板１２２の表面に(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスを上流から供給する第二供給機構１４０と、表面にＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとが供給される基板１２２の下流で反応管１１０の内部の少なくとも外側を遮蔽する対流防止部材１５０と、を有する。

対流防止部材１５０は、図２に示すように、中心に貫通孔１５１が形成されていて反応管１１０の内周面を遮蔽する円筒状に形成されており、対流防止部材１５０の貫通孔１５１を基板回転機構１２０のサセプタ回転軸１２１が貫通している。

このため、対流防止部材１５０は、基板１２２の表面を通過したＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとを貫通孔１５１とサセプタ回転軸１２１との間隙から所定の流速で下流に流動させる形状に形成されている。

反応管１１０は、第一反応ガスや第二反応ガスと反応せず、後述する加熱が可能な耐熱ガラスで中空の円筒形に形成されている。Ｇａソースボート１３０は、反応管１１０の中央で基板１２２と対向する細管からなり、内部にIII族原料であるＧａ結晶が配置される。

このＧａ結晶の位置でＧａソースボート１３０は反応管１１０の外周面に配置されている第一ヒータ機構１３２により、例えば、８５０℃に加熱される。このような状態でＧａソースボート１３０は上流からＨＣｌガスを供給するので、加熱されるＧａが反応することでＧａＣｌガスを基板１２２の表面に供給する。

第二供給機構１４０は反応管１１０の内周面とＧａソースボート１３０の外周面との間隙からなり、(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスを上流から供給する。このようにＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとが供給される基板１２２の位置は、反応管１１０の外周面に配置されている基板加熱機構である第二ヒータ機構１４２により、例えば、１０５０℃に加熱される。

なお、第一ヒータ機構１３２と第二ヒータ機構１４２との間隙の位置は、反応管１１０の外周面に反応管断熱材である第一断熱材１３３が配置されており、第二ヒータ機構１４２より下流の位置にも反応管断熱材である第二断熱材１４３が配置されている。そして、本実施の形態のハイドライド気相成長装置１００では、対流防止部材１５０が第二断熱材１４３より下流に位置している。

上述のような構成において、本実施の形態のハイドライド気相成長装置１００では、中空の反応管１１０の内部で基板１２２が下流側から基板回転機構１２０のサセプタ回転軸１２１により軸支されて回転駆動される。

このように回転駆動される基板１２２の表面にＧａソースボート１３０がＧａＣｌガスを上流から供給する。さらに、回転駆動される基板１２２の表面に第二供給機構１４０が(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスを上流から供給する。そこで、これらＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスにより基板１２２の表面に結晶が成長される。
基板１２２の材料は特に限定されず、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、ＧａＮ基板（自立基板）、ＳｉＣ基板などを用いることができる。特に、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面またはＲ面のＧａＮ自立基板を好適に用いることができる。

ただし、基板１２２の表面を通過したＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとを排出する際に、温度差による対流が生じる。このため反応管１１０の下流部に残留していた空気や水分が基板１２２の表面に到達して結晶の成長を阻害する懸念がある。

しかし、本実施の形態のハイドライド気相成長装置１００では、図３に示すように、表面にＧａＣｌガスと(ＮＨ_３＋Ｈ_２)ガスとが供給される基板１２２の下流で反応管１１０の内部の少なくとも外側を対流防止部材１５０が遮蔽している。

このため、上述のように反応管１１０の下流から流入した残留空気、水分が対流により基板１２２の表面に到達することが防止される。従って、流入した残留空気、水分により結晶の成長が阻害されることがなく、良質な結晶を形成することができる。

ここで、本発明者が実施した試作品のハイドライド気相成長装置１００での実験結果を以下に説明する。試作品のハイドライド気相成長装置１００では、対流防止部材１５０は、反応管１１０の内径（φ９０ｍｍ）に接する程度の外径（φ８９．５ｍｍ）に形成した。

ただし、サセプタ回転軸１２１（φ１２ｍｍ）の回転を妨げず、ガス流路を塞がない程度の貫通孔１５１を中心部に形成した（φ２１ｍｍ）。このため、対流防止部材１５０で第一反応ガスと第二反応ガスとの流路が狭められ、局所的に流速が上がった（試験では２２０ｃｍ／ｓｅｃ）。

試作品のハイドライド気相成長装置１００では、対流防止部材１５０を石英で形成した。ただし、その他の材質での形成も可能と考えられる（カーボン、ＳｉＣ、ＰＢＮ、ＢＮ、アルミナ、ＡｌＮ）。

上述のようなハイドライド気相成長装置１００において、実験では、図１に示した構造のIII族窒化物半導体基板をＨＶＰＥ法により製造した。まず、高純度ガリウム（Ｇａ）をハイドライド気相成長装置１００の石英製のＧａソースボート１３０の中に充填し、水平型石英製のリアクタ内の所定配置にそれぞれ配置した。

以下の説明において、ガスの供給量の単位としては、標準状態に換算した単位であるＳＣＣＭを使用する。基板１２２としては、ｍ−ＧａＮ基板を使用し、ハイドライド気相成長装置１００内のサセプタ回転軸１２１の先端のホルダーに設置して回転させた。

窒素（Ｎ_２）ガスをリアクタ内に供給して、リアクタ内の空気を置換した後、Ｎ_２ガスの供給を止め、水素（Ｈ_２）ガスに切り替え、Ｈ_２ガスを１００００ＳＣＣＭで供給した。

そして、第一ヒータ機構１３２によってリアクタ内を加熱した。ここでの加熱方法は、リアクタの外壁を第一ヒータ機構１３２により加熱する、いわゆるホットウオール法である。このとき基板のＧａＮの分解を抑制するために２０００ＳＣＣＭでアンモニア（ＮＨ_３）を同時に供給した。

Ｇａソースボート１３０および基板１２２の位置の温度が、それぞれ８５０℃、１０５０℃になっていることを確認し、ＧａＮの成長を開始した。

ＧａＮ基板上に１０００ＳＣＣＭでＮＨ_３ガスを供給し、Ｇａソースボート１３０上にＨＣｌガスを１００ＳＣＣＭで供給して、ＧａＣｌを基板１２２上に供給した。

成長開始から６０分後に基板１２２上に約８０μｍのＧａＮ膜が得られた。成長完了後、成長したＧａＮの分解を抑制するためにリアクタの温度が４００℃になるまでＮＨ_３ガスを２０００ＳＣＣＭで供給した。

成長したＧａＮ結晶を二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により不純物分析を行った結果（図４）、図１のハイドライド気相成長装置１００を用いない場合と比べて１桁程度の酸素濃度の低減が確認された。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態では対流防止部材１５０が単純な円筒形に形成されていることを例示した。

しかし、図５に示すように、対流防止部材２１０の貫通孔が下流に先鋭な円錐形に形成されていてもよい。この場合、基板１２２の位置を通過した第一反応ガスおよび第二反応ガスの流速を効果的に上昇させることが期待できる。

また、図６に示すように、対流防止部材２１１の後面が下流に先鋭な円錐形に形成されていてもよい。この場合、外部から基板１２２への外気の侵入を効果的に防止することが期待できる。

さらに、図７に示すように、対流防止部材１５０を二重や三重(図示せず)に形成してもよい。この場合、外部から基板１２２への外気の侵入を段階的に防止することが期待できる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。
以下、参考形態の例を付記する。
１．
少なくとも第一反応ガスと第二反応ガスとを上流から下流の基板の表面に供給して結晶を成長させるハイドライド気相成長装置であって、
中空の反応管と、
前記反応管の内部で前記基板を下流側からサセプタ回転軸により軸支して回転駆動する基板回転機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第一反応ガスを上流から供給する第一供給機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第二反応ガスを上流から供給する第二供給機構と、
表面に前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとが供給される前記基板の下流で前記反応管の内部の少なくとも外側を遮蔽する対流防止部材と、
を有するハイドライド気相成長装置。
２．
前記対流防止部材は、中心に貫通孔が形成されていて前記反応管の内周面を遮蔽する円筒状に形成されており、
前記対流防止部材の前記貫通孔を前記基板回転機構の前記サセプタ回転軸が貫通している１．に記載のハイドライド気相成長装置。
３．
前記対流防止部材は、前記基板の表面を通過した前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとを前記貫通孔と前記サセプタ回転軸との間隙から所定の流速で下流に流動させる形状に形成されている２．に記載のハイドライド気相成長装置。
４．
前記反応管の外側から前記基板を加熱する基板加熱機構と、
前記基板加熱機構より下流で前記反応管を断熱する反応管断熱材とを、さらに有し、
前記対流防止部材が前記反応管断熱材より下流に位置している１．ないし３．の何れか１つに記載のハイドライド気相成長装置。

１００ハイドライド気相成長装置
１１０反応管
１２０基板回転機構
１２１サセプタ回転軸
１２２基板
１３０ソースボート
１３２第一ヒータ機構
１３３第一断熱材
１４０第二供給機構
１４２第二ヒータ機構
１４３第二断熱材
１５０対流防止部材
１５１貫通孔
２１０対流防止部材
２１１対流防止部材

Claims

ハイドライド気相成長装置を用いて、少なくとも第一反応ガスと第二反応ガスとを、上流側から、下流側にある基板の表面に供給して、III族窒化物半導体からなる結晶を成長させて、III族窒化物半導体基板を得る、半導体基板の製造方法であって、
前記ハイドライド気相成長装置は、
中空の反応管と、
前記反応管の内部で前記基板を下流側からサセプタ回転軸により軸支して回転駆動する基板回転機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第一反応ガスを上流から供給する第一供給機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第二反応ガスを上流から供給する第二供給機構と、
表面に前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとが供給される前記基板の下流で前記反応管の内部の少なくとも外側を遮蔽し、前記反応管の下流から外気が対流により前記基板の表面に到達することを防止する対流防止部材と、
を有し、
当該製造方法は、
少なくとも前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとを、上流側から、下流側にある前記基板の表面に供給して、前記結晶を成長させる工程を含み、
前記基板はＧａＮ基板であり、
前記工程では、前記ＧａＮ基板のＭ面、Ａ面又はＲ面に、前記結晶を成長させる半導体基板の製造方法。
前記対流防止部材は、中心に貫通孔が形成されていて前記反応管の内周面を遮蔽する円筒状に形成されており、
前記対流防止部材の前記貫通孔を前記基板回転機構の前記サセプタ回転軸が貫通している請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記対流防止部材は、前記基板の表面を通過した前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとを前記貫通孔と前記サセプタ回転軸との間隙から所定の流速で下流に流動させる形状に形成されている請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
前記反応管の外側から前記基板を加熱する基板加熱機構と、
前記基板加熱機構より下流で前記反応管を断熱する反応管断熱材とを、さらに有し、
前記対流防止部材が前記反応管断熱材より下流に位置している請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
少なくとも第一反応ガスと第二反応ガスとを、上流側から、下流側にある基板の表面に供給して、結晶を成長させるハイドライド気相成長装置であって、
中空の反応管と、
前記反応管の内部で前記基板を下流側からサセプタ回転軸により軸支して回転駆動する基板回転機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第一反応ガスを上流から供給する第一供給機構と、
回転駆動される前記基板の表面に前記第二反応ガスを上流から供給する第二供給機構と、
表面に前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとが供給される前記基板の下流で前記反応管の内部の少なくとも外側を遮蔽する対流防止部材と、
前記反応管の外側から前記基板を加熱する基板加熱機構と、
前記基板加熱機構より下流で前記反応管を断熱する反応管断熱材とを、さらに有し、
前記対流防止部材が前記反応管断熱材より下流に位置しているハイドライド気相成長装置。
前記対流防止部材は、中心に貫通孔が形成されていて前記反応管の内周面を遮蔽する円筒状に形成されており、
前記対流防止部材の前記貫通孔を前記基板回転機構の前記サセプタ回転軸が貫通している請求項５に記載のハイドライド気相成長装置。
前記対流防止部材は、前記基板の表面を通過した前記第一反応ガスと前記第二反応ガスとを前記貫通孔と前記サセプタ回転軸との間隙から所定の流速で下流に流動させる形状に形成されている請求項６に記載のハイドライド気相成長装置。