JP5655199B2 - 半導体薄膜製造装置及び窒化物半導体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体薄膜製造装置及び窒化物半導体の製造方法に係わり、特に基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させ、かつ半導体製造コストを削減させた半導体薄膜製造装置及び窒化物半導体の製造方法に関する。

白色ＬＥＤや青色ＬＥＤの構成材料である窒化物半導体を結晶成長させるためのＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）分野に適用される半導体薄膜製造装置として、従来、図６の構成のものが知られている。

図６において、石英ガラスを材料とし、断面が四角形状で１〜１０ｍｍ程度の高さを有するフローチャネル１が配設されている。フローチャネル１内には、図中左方より気相原料ガスが流されている。フローチャネル１の底面中央部分には切欠３が形成され、この切欠３内に円板状の石英トレイ５が配置されている。そして、この石英トレイ５の上には６インチのサファイア基板７が載置されている。

石英トレイ５はサセプタ９により支持されており、かつ、このサセプタ９は回転自在になっている。この図６の従来の半導体薄膜製造装置の縦断面を図７に示す。図７において、サセプタ９の内部にはヒーター１１が配設され、サセプタ９を介してサファイア基板７を加熱するようになっている。

図７中に示したサファイア基板７上の原料反応領域Ａでは、気相原料ガスが加熱されることで熱分解された原料ガス分子がサファイア基板７上に堆積し、薄膜が気相成長される。原料反応領域Ａ以外の部分は空冷又は水冷されている（特許文献１参照）。
また、フローチャネル１の上面のヒーター１１と対峙する位置に別途ヒーターを配設した例が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００６−１７３５４０号公報 特開２００７−８１３１５号公報

ところで、従来のように原料反応領域Ａを加熱しただけでは図６におけるサファイア基板７の左端より右端にかけて右肩上がりに温度が上昇する温度特性となる。この温度特性が線形であれば、サセプタ９を回転させることで均一化された薄膜をサファイア基板７上に形成できる。

しかしながら、加熱ヒーターを配設したのみだと、実際には、フローチャネル１内を流れる気相原料ガスの流れ方は温風の乱れにより一様にはならず、原料のサファイア基板７上への堆積の仕方もムラを生じていた。
また、原料金属に応じての加熱温度も適正に調整されているとは言えず原料利用効率も悪かった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させ、かつ半導体製造コストを削減させた半導体薄膜製造装置及び窒化物半導体の製造方法を提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は半導体薄膜製造装置の発明であって、金属源を含むガスと窒素源を含むガスとをキャリアガスで運び、フローチャネル内に導入するガス導入手段と、該フローチャネル内に配設された基板と、該基板の周囲において前記ガス導入手段で導入されたガスを加熱又は冷却する加熱等手段と、前記基板に対峙して配設され、該加熱等手段で加熱又は冷却されたガスの温度を温度特性調整率が所定の範囲内の比率となるように調整する温度特性調整手段とを備えた半導体薄膜製造装置であって、前記温度特性調整率が、前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板のガス上流端での温度と該基板のガス下流端での温度間の差である第１の温度偏差を、該温度特性調整手段による制御の行われないときの前記基板のガス上流端での温度と該基板のガス下流端での温度間の差である第２の温度偏差で除した比率であり、前記所定の範囲内の比率が１５％〜３５％であり、前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板の対向面の反応炉壁面における温度が該基板のガス上流端に対応する位置で５５０Ｋ以上、該基板のガス下流端に対応する位置で７００Ｋ以下であり、あるいは、前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板の対向面の反応炉壁面における温度が該基板のガス上流端に対応する位置で７００Ｋ以下、該基板のガス下流端に対応する位置で５５０Ｋ以上であることを特徴とする。

加熱等手段と温度特性調整手段とは一体構成されてもよい。温度特性調整率を１５％〜３５％の範囲内とすることで、基板のガス上流端からガス下流端までの間の温度特性をほぼ線形に近くでき、また、温風の流れも一様にできる。このため、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させることができる。従って、半導体の製造コストを低減できる。

更に、本発明（請求項２）は、前記温度特性調整手段が、複数の温度計と、該温度計に対応して配設された複数のヒーターと、前記各温度計で計測された温度が所定の設定温度値となるように前記各ヒーターを制御する制御手段と、少なくとも一つの冷却管とを備えて構成した。

更に、本発明（請求項３）は窒化物半導体の製造方法の発明であって、金属源を含むガスと窒素源を含むガスとをキャリアガスで運び、フローチャネル内に導入し、該フローチャネル内に配設された基板の周囲において前記導入されたガスを加熱又は冷却し、該加熱又は冷却により前記基板周囲に生じた温度特性に対し、前記基板に対向したフローチャネル壁面の温度が５５０〜７００Ｋの範囲内となるように更に加熱及び／又は冷却により温度調整することで、化学反応された窒化物を前記基板上に堆積成長させることを特徴とする。

以上説明したように本発明（請求項１）によれば、温度特性調整手段による制御を行ったときの基板のガス上流端での温度とこの基板のガス下流端での温度間の差である第１の温度偏差を、温度特性調整手段による制御の行われないときの基板のガス上流端での温度とこの基板のガス下流端での温度間の差である第２の温度偏差で除した比率である温度特性調整率を１５％〜３５％の範囲内とした制御を行うことで、基板のガス上流端からガス下流端までの間の温度特性をほぼ線形にでき、また、温風の流れも一様にできる。このため、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させることができる。従って、半導体の製造コストを低減できる。

本発明の実施形態である横型反応炉の全体概念斜視構成図 図１の縦断面概念構成図 温度設定値をパラメータとしたときのサファイア基板の基板上流からの距離とＧａＮ成長レートの関係を示す図 温度特性調整機構の各温度設定値と原料利用効率の関係を示す図 温度特性調整機構を用いて所定の範囲内に温度特性を調整する方法（概念）を説明する図 従来の半導体薄膜製造装置の構成図 従来の半導体薄膜製造装置の簡略構成概念図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態である横型反応炉の全体概念斜視構成図を図１に示す。また、図１についての縦断面図（概念図）を図２に示す。なお、図６及び図７と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図１及び図２において、フローチャネル１は高さ７．５ｍｍ、幅が１６０ｍｍ、長さが５００ｍｍで形成されている。フローチャネル１の左端には直径１０ｍｍ程度のガス中継管２１の一端が接続されている。そして、このガス中継管２１の他端にはガス分岐管２３、ガス分岐管２４、ガス分岐管２５が接続されている。ガス中継管２１、ガス分岐管２３、ガス分岐管２４、ガス分岐管２５はステンレスで形成されている。

ガス分岐管２３には例えば金属源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ガス分岐管２４には窒素源としてのアンモニア（ＮＨ₃）、ガス分岐管２５にはキャリアガスである水素（Ｈ₂）が導入され、ガス中継管２１内で混合されるようになっている。但し、金属源としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）が、また、キャリアガスには窒素（Ｎ₂）が適用されてもよい。

ガス分岐管２３内の流量はトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を３．２ミリリットル／分、ガス分岐管２４内の流量はアンモニア（ＮＨ₃）を１２リットル／分、ガス分岐管２５内の流量は水素（Ｈ₂）を３８リットル／分である。ガス中継管２１内の流量はおよそ５０リットル／分である。また、これらの金属源のガス、窒素源のガス、キャリアガスの導入、フローチャネル１、サセプタ９はチャンバー３０の中に収納されており、このチャンバー３０内は１気圧の窒素ガスが充填されている。フローチャネル１の右端は絞り込みが施された後、ガス出力管部２７の左端と接続されている。ガス出力管部２７の右端はチャンバー３０外の図示しない配管に接続され、フローチャネル１内で使用されずに残ったガスが排気されるようになっている。

サファイア基板７は直径約１５０ｍｍであり、この中心には回転軸２９が取り付けられている。この回転軸２９は図示しないモータにより２０回転／分で回転されるようになっている。
石英トレイ５の下部にはカーボン製のヒーター１１がこの回転軸２９の周囲に渦巻き状に捲回されている。このヒーター１１は直径１５０ｍｍ程度で構成され、ヒーター１１の電源ケーブル３１Ａ、３１Ｂがサセプタ９の外部へと出され図示しない電源に結ばれている。

ヒーター１１のフローチャネル１を挟んだ上側には温度特性調整機構４０が配設されている。温度特性調整機構４０の直径はヒーター１１の大きさとほぼ同じ程度の大きさに形成されている。温度特性調整機構４０の内部にはガスの流れとは直交した方向にヒーター４１ａ〜４１ｅが配設され、この各ヒーター同士の間に水配管４３ａ〜４３ｅが配設されている。

そして、これらの水配管４３ａ〜４３ｅは、連結管４５ａ〜４５ｄにより直列に結ばれている。水配管４３ａの給水端から導入された冷却水は水配管４３ｅの排水端から流出されるようになっている。ヒーター４１ａと水配管４３ａの間には温度計４７ａ、ヒーター４１ｂと水配管４３ｂの間には温度計４７ｂ、ヒーター４１ｃと水配管４３ｃの間には温度計４７ｃ、ヒーター４１ｄと水配管４３ｄの間には温度計４７ｄ、ヒーター４１ｅと水配管４３ｅの間には温度計４７ｅが配設されている。温度計４７ａ〜温度計４７ｅは例えば熱電対で構成される。

温度計４７ａ〜温度計４７ｅに対応してそれぞれ独自に温度設定値が設定されている。そして、各温度計で測定された温度が温度設定値で設定された温度よりも低くなったときにこの温度計に隣接するヒーターがオンされ、一方、設定された温度よりも高くなったときにこの温度計に隣接するヒーターがオフされるようになっている。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ₃）は混合されキャリアガスである水素（Ｈ₂）によってフローチャネル１内に運ばれる。ヒーター１１により１，３００Ｋ（ケルビン）で加熱されることで原料反応領域Ａでは、窒化ガリウム（ＧａＮ）が過飽和蒸気となって、サファイア基板７上に堆積してＧａＮ膜が成長する。

本実施形態では、原料反応領域Ａにおいてどの程度の温度になっていれば、サファイア基板７上へのＧａＮ膜の堆積が均一で、かつ、金属源の原料としての利用効率が高くできるのかを実験的に調べた。
具体的には、まず、温度特性調整機構４０の各温度設定値をすべて同一値とした上で温度特性調整機構４０による制御を行いデータ取得を行った。この温度設定値をパラメータとしたときのサファイア基板７の基板上流からの距離（ｍｍ）とＧａＮ成長レート（μｍ／ｈ）の関係を図３に示す。

従来技術ではヒーター１１での加熱に伴い、温度特性調整機構４０の配設されている位置でのフローチャネル１の壁の温度はおよそ８００Ｋ程度となる。このため従来特性は、図３中の８００Ｋの特性曲線に近い特性となる。但し、あくまでこの８００Ｋの特性曲線に近い特性という意味であって、温度特性調整機構４０による何らの温度制御をしていない状態では、基板上流からの距離に対する堆積には経験的にムラが激しく生じていることが分かっている。

これは、ヒーター１１による加熱だけでは、原料反応領域Ａにおけるガスの流れを一様にはできず、このためサファイア基板７上への堆積もこのガスの流れの変化に影響されてしまっていることによるものである。

また、従来技術では、ヒーター１１に代えて反応炉壁面を冷却する場合もあるが、このような場合、図３中の３００Ｋに近い特性曲線となる。但し、あくまでこの３００Ｋの特性曲線に近い特性曲線という意味であって、温度特性調整機構４０による何らの温度制御をしていない状態では、基板上流からの距離に対する堆積にはムラが激しく生じている点は加熱の場合と同様である。

また、図４には、温度特性調整機構４０の各温度設定値と原料利用効率（％）の関係を示す。ここに、原料利用効率は、供給された金属源のガスの内、基板形成に使用された割合を示す。

図３及び図４を参照すると、温度特性調整機構４０によりサファイア基板７の対向面の反応炉壁面を５００〜７００Ｋ（より望ましくは５５０〜６５０Ｋ）の温度に制御すると基板上流からの距離に対するＧａＮ成長レートの特性が最も線形に近く基板面内均一性を保つことができることが分かる。そして、この範囲では原料利用効率も３７．５％程度と高い。

このように、温度特性調整機構４０により５００〜７００Ｋ（より望ましくは５５０〜６５０Ｋ）の温度に制御することで、原料反応領域Ａにおいて、下方からの温風を温度特性調整機構４０により調整して原料反応領域Ａにおけるガスの流れを安定かつ一様にさせる。その結果、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させることができる。

次に、温度特性調整機構４０を用いて所定の範囲内に温度特性を調整する方法を図５の概念特性図を元に説明する。ここに、所定の範囲内とは温度値が５００〜７００Ｋ、より望ましくは５５０〜６５０Ｋである。
図５の従来特性イに示すように、ヒーター１１で加熱をしている場合で、温度特性調整機構４０による温度制御をしない場合（加熱、冷却ともに制御しない）には、例えば、サファイア基板７のガス上流端Ｈよりガス下流端Ｌまでの間でおよそ４００Ｋ（温度偏差Ｔ１）の温度上昇偏差がある。

温度特性調整機構４０による温度制御を行うことで、サファイア基板７の対向面の反応炉壁面を５５０〜６５０Ｋの温度に制御する場合には、この従来特性イがサファイア基板７のガス上流端Ｈよりガス下流端Ｌまでの間で温度特性ロのようにおよそ１００Ｋ（温度偏差Ｔ２）の温度上昇偏差の範囲内に収まるように調整する。具体的には、水配管４３ａ〜４３ｅには冷却水を供給し続ける。一方、温度計４７ａ〜温度計４７ｅに対応したそれぞれの温度設定値を温度特性ロに沿って設定する。ヒーター４１ａ〜４１ｅは、このそれぞれの温度設定値となるまでオンされ、温度設定値となった段階でオフされる。但し、温度設定値にはヒステリシスを持たせることでチャタリングを防止するのが望ましい。

ここに、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させることができる温度特性調整率（＝（温度偏差Ｔ２／温度偏差Ｔ１）×１００％）は、１５％〜３５％が望ましく、より好ましくは２０％〜３０％である。この範囲内に温度特性を調整することで、温度特性を線形に近くでき、また、温風の流れも一様にできる。このため、基板面内均一性を保ちながら原料利用効率を向上させることができる。

なお、図５の温度特性ハのように反応炉壁面を冷却する場合にも同様の温度特性調整率に調整されることが望ましい。
また、本実施形態では窒化ガリウム（ＧａＮ）の成膜例について説明したが、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）についても同様に適用可能である。

更に、ヒーター１１と温度特性調整機構４０とは一体構成されてもよい。
以上のように、本実施形態では、サファイア基板７の対向面の反応炉壁面部分に温度特性調整機構４０を搭載したことで、サファイア基板７上の原料反応領域Ａの温度を制御することが可能である。このため、従来の成膜方法では成膜にムラを生じていたり、原料の利用効率も悪かったものが、サファイア基板７における成膜の均一性を保つことができると共に原料の利用効率をも向上させることができる。従って、半導体の製造コストを低減できる。

１ フローチャネル
３ 切欠
５ 石英トレイ
７ サファイア基板
９ サセプタ
１１、４１ ヒーター
２１ ガス中継管
２３、２４、２５ ガス分岐管
２７ ガス出力管部
２９ 回転軸
３０ チャンバー
３１ 電源ケーブル
４０ 温度特性調整機構
４３ 水配管
４５ 連結管
４７ 温度計

Claims (3)

1. 金属源を含むガスと窒素源を含むガスとをキャリアガスで運び、フローチャネル内に導入するガス導入手段と、
   該フローチャネル内に配設された基板と、
   該基板の周囲において前記ガス導入手段で導入されたガスを加熱又は冷却する加熱等手段と、
   前記基板に対峙して配設され、該加熱等手段で加熱又は冷却されたガスの温度を温度特性調整率が所定の範囲内の比率となるように調整する温度特性調整手段とを備えた半導体薄膜製造装置であって、
   前記温度特性調整率が、前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板のガス上流端での温度と該基板のガス下流端での温度間の差である第１の温度偏差を、該温度特性調整手段による制御の行われないときの前記基板のガス上流端での温度と該基板のガス下流端での温度間の差である第２の温度偏差で除した比率であり、
   前記所定の範囲内の比率が１５％〜３５％であり、
   前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板の対向面の反応炉壁面における温度が該基板のガス上流端に対応する位置で５５０Ｋ以上、該基板のガス下流端に対応する位置で７００Ｋ以下であり、あるいは、前記温度特性調整手段による制御を行ったときの前記基板の対向面の反応炉壁面における温度が該基板のガス上流端に対応する位置で７００Ｋ以下、該基板のガス下流端に対応する位置で５５０Ｋ以上であることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
2. 前記温度特性調整手段が、
   複数の温度計と、
   該温度計に対応して配設された複数のヒーターと、
   前記各温度計で計測された温度が所定の設定温度値となるように前記各ヒーターを制御する制御手段と、
   少なくとも一つの冷却管とを備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜製造装置。
3. 金属源を含むガスと窒素源を含むガスとをキャリアガスで運び、フローチャネル内に導入し、
   該フローチャネル内に配設された基板の周囲において前記導入されたガスを加熱又は冷却し、
   該加熱又は冷却により前記基板周囲に生じた温度特性に対し、前記基板に対向したフローチャネル壁面の温度が５５０〜７００Ｋの範囲内となるように更に加熱及び／又は冷却により温度調整することで、化学反応された窒化物を前記基板上に堆積成長させることを特徴とする窒化物半導体の製造方法。

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