JP6063293B2 - Vapor growth method - Google Patents
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Description
本発明は、気相成長方法に関し、詳しくは、サファイア基板にGaN(窒化ガリウム)の薄膜を気相成長させる気相成長方法に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth method, and more particularly, to a vapor phase growth method in which a GaN (gallium nitride) thin film is vapor grown on a sapphire substrate.
窒化物半導体の一つであるGaN半導体を製造する装置は、例えば、石英製のチャンバー内にサファイア製の基板を配置して該基板を所定の温度に加熱するとともに、前記チャンバー内に、原料ガスとしてトリメチルガリウムとアンモニアとを導入し、該原料ガスを前記基板の表面付近で反応させることにより、基板の表面にGaNを気相成長させて窒化ガリウム半導体を形成する。 An apparatus for producing a GaN semiconductor that is one of nitride semiconductors, for example, arranges a sapphire substrate in a quartz chamber, heats the substrate to a predetermined temperature, and supplies a source gas in the chamber. As a result, trimethylgallium and ammonia are introduced, and the source gas is reacted in the vicinity of the surface of the substrate, whereby GaN is vapor-phase grown on the surface of the substrate to form a gallium nitride semiconductor.
このような気相成長装置では、原料ガスの状態や基板温度等の成膜条件の最適化だけでなく、各成膜時における成膜条件の均一性を確保することも重要な問題であった。このため、新品あるいは洗浄後のチャンバーを使用する際に、チャンバー内に原料ガスを導入してチャンバー内の原料ガスに接触する面を意図的に汚れた状態にすること、いわゆるプリコートを行うことによって各成膜時における成膜条件の均一化を図ったり、逆に、成膜後にチャンバーを洗浄して常に清浄な状態にすることによって各成膜時における成膜条件の均一化を図ったりすることが行われている(例えば、特許文献1参照。)。 In such a vapor phase growth apparatus, not only optimization of film formation conditions such as the state of the source gas and the substrate temperature, but also ensuring uniformity of film formation conditions during each film formation was an important problem. . For this reason, when using a new or cleaned chamber, by introducing the source gas into the chamber and intentionally making the surface in contact with the source gas in the chamber dirty, that is, by performing so-called pre-coating Uniform film formation conditions at each film formation, or conversely, uniform film formation conditions at each film formation by cleaning the chamber after film formation to always keep it clean. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、プリコートを行うためには、原料ガスの無駄が発生するだけでなく、プリコートを行っている間は成膜操作を行えないため、製造コストの増加や生産性の低下を招いてしまう。また、各成膜操作毎に清浄なチャンバーを使用するためには、成膜操作後のチャンバーを取り外して清浄なチャンバーに交換する手間が掛かり、チャンバー交換に要する時間も必要であり、生産性の低下を招いてしまう。 However, in order to perform the pre-coating, not only is the source gas wasted, but the film forming operation cannot be performed while the pre-coating is being performed, leading to an increase in manufacturing cost and a decrease in productivity. In addition, in order to use a clean chamber for each film forming operation, it takes time and effort to remove the chamber after the film forming operation and replace it with a clean chamber. It will cause a decline.
そこで本発明は、高品質なGaN薄膜を安定して得ることができる気相成長方法を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a vapor phase growth method capable of stably obtaining a high-quality GaN thin film.
上記目的を達成するため、本発明の気相成長方法は、原料ガス導入部及びガス排出部を備えたチャンバー内に、サセプタで保持したサファイア基板を配置し、該基板を加熱するとともに、前記原料ガス導入部からガス排出部に向けてチャンバー内に原料ガスを導入し、チャンバー内で原料ガスを反応させて前記基板面にGaN薄膜を形成する気相成長方法において、前記基板のガス流れ方向上流側で、前記原料ガスに接触するガス接触面を有する複数のガス接触部材を着脱交換可能に形成するとともに、前記基板面にGaN薄膜を形成する操作で前記ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換する際に、1回目の交換作業では、ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材の少なくとも一つを残して他のガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換し、2回目の交換作業では、前記1回目の交換作業で交換したガス接触部材を残して、前記1回目の交換作業で交換しなかったガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換し、前記1回目の交換作業と前記2回目の交換作業とを交互に繰り返すことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the vapor phase growth method of the present invention includes a sapphire substrate held by a susceptor in a chamber having a source gas introduction part and a gas discharge part, and heats the substrate, In a vapor phase growth method in which a raw material gas is introduced into a chamber from a gas introduction part toward a gas discharge part, and a raw material gas is reacted in the chamber to form a GaN thin film on the substrate surface, upstream of the substrate in the gas flow direction A plurality of gas contact members having a gas contact surface in contact with the source gas are detachably replaceable, and a gas in which a gallium compound adheres to the gas contact surface by an operation of forming a GaN thin film on the substrate surface When replacing the contact member with a clean gas contact member, in the first replacement operation, at least one of the gas contact members having the gallium compound adhered to the gas contact surface is removed. The other gas contact member is replaced with a clean gas contact member, and in the second replacement operation, the gas contact member replaced in the first replacement operation is left and not replaced in the first replacement operation. The gas contact member is replaced with a clean gas contact member, and the first replacement operation and the second replacement operation are alternately repeated .
本発明の気相成長方法によれば、ガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換する際に、少なくとも一つを残すようにしているので、原料ガス導入部から導入した原料ガスが、ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材に接触することにより、サーマルクリーニング工程にてサファイア基板上にGaが飛散することで成膜条件が安定化し、結晶性や表面モフォロジーが良好なGaN薄膜を得ることができる。 According to the vapor phase growth method of the present invention, when the gas contact member is replaced with a clean gas contact member, at least one is left, so that the source gas introduced from the source gas introduction unit is in gas contact. By contacting a gas contact member with a gallium compound attached to the surface, the film formation conditions are stabilized by Ga scattering on the sapphire substrate in the thermal cleaning process, and a GaN thin film with good crystallinity and surface morphology is obtained. be able to.
図1及び図2は、本発明の気相成長方法を実施するための気相成長装置の一例を示すもので、1回の操作で複数の基板面に均一にGaN薄膜を形成することができる自公転型の気相成長装置を示している。この自公転型の気相成長装置は、石英ガラス製の偏平円筒状のチャンバー11内に、チャンバー11の底面部分を貫通した支持軸12により円盤状のサセプタ13を支持し、前記支持軸12の上部に、放射状に原料ガスを流出させる原料ガス導入部14を設けるとともに、チャンバ11の外周部にガス排出部15を設けている。
1 and 2 show an example of a vapor phase growth apparatus for carrying out the vapor phase growth method of the present invention, and a GaN thin film can be uniformly formed on a plurality of substrate surfaces in one operation. A self-revolving vapor phase growth apparatus is shown. This self-revolving vapor phase growth apparatus supports a disc-
サセプタ13の下方には、支持軸12を囲むようにしてヒーター16が設けられ、ヒーター16の周囲にはリフレクター17が設けられている。サセプタ13の上面には、内周側に石英中央カバー18が、該石英中央カバー18の外周側に、複数の収容部19を周方向に等間隔で形成したサセプタカバー20が、それぞれ着脱可能な状態で載置され、前記収容部19に、プレートリング21を介してサファイア基板22がそれぞれ支持されている。
A heater 16 is provided below the
前記原料ガス導入部14と前記サファイア基板22との間、すなわち、サファイア基板22のガス流れ方向上流側で、原料ガス導入部14からチャンバー11内に導入された原料ガスが接触するガス接触面を有するガス接触部材は、本形態例では、前記石英中央カバー18、前記サセプタカバー20、プレートリング21、チャンバー11の天井板11aの4種類であって、これらのガス接触部材は、基板面にGaN薄膜を形成する操作を行うと、加熱された原料ガスの反応や分解によって生じたガリウム化合物、例えば、GaNがガス接触面に付着する。
A gas contact surface between the source
ガス接触面へのガリウム化合物の付着量が多くなると、パーティクルの発生など、基板面に形成するGaN薄膜に悪影響を与えるため、ガス接触面へのガリウム化合物の付着量が多くなる前に、ガリウム化合物が付着したガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換する必要がある。 If the adhesion amount of the gallium compound on the gas contact surface increases, it will adversely affect the GaN thin film formed on the substrate surface, such as generation of particles. Therefore, before the gallium compound adhesion amount on the gas contact surface increases, It is necessary to replace the gas contact member to which the gas adheres with a clean gas contact member.
このため、従来は、ガリウム化合物が付着したガス接触部材の全てを清浄なガス接触部材に交換していたが、本発明では、ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材の少なくとも一つを残して他のガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換する。例えば、本形態例では、石英中央カバー18、サセプタカバー20、プレートリング21及びチャンバー11の天井板11aのなかで、1回目の交換作業では、石英中央カバー18を残してサセプタカバー20、プレートリング21及びチャンバー11の天井板11aを清浄なサセプタカバー20、プレートリング21及びチャンバー11の天井板11aに交換し、2回目の交換作業では、サセプタカバー20、プレートリング21及びチャンバー11の天井板11aを残して石英中央カバー18を清浄な部材に交換する。
For this reason, conventionally, all of the gas contact members to which the gallium compound is adhered have been replaced with clean gas contact members. However, in the present invention, at least one of the gas contact members to which the gallium compound has adhered to the gas contact surface is replaced. The other gas contact member is replaced with a clean gas contact member. For example, in the present embodiment, among the quartz
このように、1回目の交換作業では、ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材の少なくとも一つを残して他のガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換し、2回目の交換作業では、1回目の交換作業で交換しなかったガス接触部材を含めて清浄なガス接触部材に交換することにより、原料ガスを導入して成膜する前に行われる、水素を含む雰囲気で1000℃以上まで加熱するサーマルクリーニングの工程で、GaNなどのガリウム化合物が付着したガス接触面からサファイア基板上にGaが飛散することで、一般的な成膜条件でサファイア基板22にGaN薄膜を気相成長させた場合でも、得られるGaN薄膜におけるGaNの結晶性を大幅に向上させることができ、表面モフォロジーも良好なものとすることができる。
Thus, in the first replacement operation, the other gas contact member is replaced with a clean gas contact member while leaving at least one of the gas contact members having the gallium compound adhered to the gas contact surface, and the second replacement operation is performed. Then, by replacing the gas contact member that has not been replaced in the first replacement operation with a clean gas contact member, 1000 ° C. in an atmosphere containing hydrogen, which is performed before introducing the source gas and forming the film. In the thermal cleaning process of heating up to the above, Ga is scattered on the sapphire substrate from the gas contact surface to which the gallium compound such as GaN is adhered, so that a GaN thin film is vapor-phase grown on the
ここで、同一構成の気相成長装置を使用し、2回の成膜操作毎に、チャンバー11の天井板11aを残して石英中央カバー18、サセプタカバー20及びプレートリング21を清浄なものに交換する作業と、石英中央カバー18、サセプタカバー20及びプレートリング21を残してチャンバー11の天井板11aを清浄なものに交換する作業とを繰り返して行った場合(実施例)と、1回の成膜操作毎に、全てのガス接触部材を清浄な部材に交換した場合(比較例)とで、得られたGaN薄膜のX線半値幅(FWHM)を測定した。なお、ガス接触部材の交換作業以外、温度条件等の成膜条件は全て同一としている。1回目の成膜操作から5回目の成膜操作で得られたGaN薄膜のX線半値幅を測定し、実施例における測定結果を黒三角印で、比較例における測定結果を黒菱形印で、それぞれ図3に示す。図3から明らかなように、X線半値幅の値が小さくなり、良好なGaN薄膜が得られていることがわかる。また、部材の交換も2回毎になるので、毎回交換する場合に比べて生産性の向上も図れる。
Here, using the vapor phase growth apparatus having the same configuration, the
なお、気相成長装置における基板の支持構造は任意であり、従来から広く知られている自公転型、公転型、自転型、横型、縦型といった各種構造の気相成長装置においても、ガス接触部材が複数あるものであれば、本発明方法を実施することが可能である。 In addition, the support structure of the substrate in the vapor phase growth apparatus is arbitrary, and in the vapor phase growth apparatus of various structures such as the revolution type, revolution type, revolution type, horizontal type, and vertical type, which are widely known in the past, gas contact is also possible. If there are a plurality of members, the method of the present invention can be carried out.
11…チャンバー、11a…天井板、12…支持軸、13…サセプタ、14…原料ガス導入部、15…ガス排出部、16…ヒーター、17…リフレクター、18…石英中央カバー、19…収容部、20…サセプタカバー、21…プレートリング、22…サファイア基板
DESCRIPTION OF
Claims (1)
1回目の交換作業では、ガス接触面にガリウム化合物が付着したガス接触部材の少なくとも一つを残して他のガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換し、
2回目の交換作業では、前記1回目の交換作業で交換したガス接触部材を残して、前記1回目の交換作業で交換しなかったガス接触部材を清浄なガス接触部材に交換し、
前記1回目の交換作業と前記2回目の交換作業とを交互に繰り返す気相成長方法。 A sapphire substrate held by a susceptor is placed in a chamber equipped with a source gas inlet and a gas outlet, and the substrate is heated, and source gas is introduced into the chamber from the source gas inlet to the gas outlet. In the vapor phase growth method of introducing and reacting a source gas in a chamber to form a GaN thin film on the substrate surface, a plurality of gas contact surfaces that contact the source gas on the upstream side in the gas flow direction of the substrate When the gas contact member is formed to be detachable and replaceable, and when the gas contact member having the gallium compound attached to the gas contact surface is replaced with a clean gas contact member by an operation of forming a GaN thin film on the substrate surface,
In the first replacement operation, the other gas contact member is replaced with a clean gas contact member while leaving at least one of the gas contact members having the gallium compound adhered to the gas contact surface ,
In the second replacement operation, leaving the gas contact member replaced in the first replacement operation, replacing the gas contact member not replaced in the first replacement operation with a clean gas contact member,
A vapor phase growth method in which the first exchange operation and the second exchange operation are alternately repeated .
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