JP6158564B2 - 半導体装置の製造方法及びハイドライド気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及びハイドライド気相成長装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系半導体は、バンドギャップが大きく、またバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長発光素子や電子素子への展開が大いに期待されている。こうした素子を得る手法として、基板上に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させて素子構造を作製する方法がある（特許文献１）。

ところが、窒化ガリウム（ＧａＮ）と格子定数の整合する下地基板が存在しないことから、サファイアやＳｉＣなどの異種基板上に、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の気相成長法を用いて数μｍ〜数百μｍのＧａＮ結晶を予め成長させ、この上にデバイス構造を作製することが行われている。こうした成長法のうち、特にＨＶＰＥは、成長速度が速く、窒化物系半導体層を厚膜に成長させたり、ＧａＮ基板を作製したりするのに好適に用いられる。

特開２００１−１８１０９７号公報

各種の気相成長法においては、基板上に形成される堆積物の膜厚を均一化することが常に要求されており、ハイドライド気相成長法もその例外ではない。

本発明者の知見によれば、ハイドライド気相成長法により基板上に堆積物を形成する場合、基板の周縁部における堆積物の膜厚が、それ以外の領域における堆積物の膜厚よりも厚くなる現象が生じる場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、基板上に形成される堆積物の膜厚を均一化することが可能な半導体装置の製造方法及びハイドライド気相成長装置を提供する。

本発明は、基板に反応ガスを供給して、前記基板上にハイドライド気相成長法により堆積物を形成する工程を有し、
前記堆積物を形成する工程では、前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材を、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置した状態で、前記堆積物を形成し、
前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下である半導体装置の製造方法を提供する。

この製造方法によれば、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材を、基板の周縁部と対向する領域、又は基板の周縁部の近傍の領域と対向する領域に配置した状態で、堆積物を形成する。これにより、基板の周縁部における堆積物の成長を適度に抑制でき、その結果、基板上における堆積物の膜厚を全面に亘って均一化することができる。

また、本発明は、ハイドライド気相成長法により基板上に堆積物を形成可能なように前記基板を保持する保持部と、
前記保持部により保持された前記基板に反応ガスを供給するガス供給部と、
前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材と、
を有し、
前記気流変化部材は、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置され、
前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下であるハイドライド気相成長装置を提供する。

本発明によれば、基板上に形成される堆積物の膜厚を均一化することができる。

第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。 第１の実施形態に係るハイドライド気相成長装置を示す模式的な断面図である。 気流変化部材を示す図であり、このうち（ａ）は基板に対して面直方向に気流変化部材を見た図、（ｂ）は基板の面方向に対して平行な方向に気流変化部材を見た図である。 基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係の一例を示す図である。 基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係の一例を示す図である。 基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係の一例を示す図である。 基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造されたＧａＮ基板の模式的な側面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。 第２の実施形態に係るハイドライド気相成長装置を示す模式的な断面図である。 気流変化部材の変形例１を示す図であり、基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係を示す。 気流変化部材の変形例２を示す図であり、基板に対して面直方向に気流変化部材及び基板を見たときの気流変化部材と基板との位置関係を示す。 比較形態に係る半導体装置の製造方法により製造されたＧａＮ基板の模式的な側面図である。 基板の中心付近と基板上の各位置との堆積物の成長速度比を示す図である。 基板の中心付近と基板上の各位置との堆積物の成長速度比を示す図である。 基板の外周端からの距離と堆積物の成長厚さとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。

〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。図２は第１の実施形態に係るハイドライド気相成長装置（以下、ＨＶＰＥ装置）１２０を示す模式的な断面図である。図８は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法により作製されたＧａＮ基板１８０の模式的な側面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板１３３に反応ガスを供給して、基板１３３上にハイドライド気相成長法により堆積物（例えばＧａＮ層１６０）を形成する工程を有する。この工程では、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材１７０を、基板１３３の周縁部又は基板１３３の周縁部の近傍の領域と対向するように、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域よりも反応ガスの上流側に配置した状態で、堆積物を形成する。これにより、半導体装置としてのＧａＮ基板１８０を製造する。

この製造方法は、例えば、図２に示すようなＨＶＰＥ装置１２０を用いて行われる。本実施形態に係るＨＶＰＥ装置１２０は、ハイドライド気相成長法により基板１３３上に堆積物（例えばＧａＮ層１６０）を形成可能なように基板１３３を保持する保持部（基板ホルダ１２３）と、保持部により保持された基板１３３に反応ガスを供給するガス供給部と、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材１７０と、を有する。気流変化部材１７０は、基板１３３の周縁部又は基板１３３の周縁部の近傍の領域と対向するように、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域よりも反応ガスの上流側に配置されている。なお、ガス供給部は、例えば、III族原料ガス供給部１３９及び窒素原料ガス供給部１３７を備えて構成される。

ＨＶＰＥ装置１２０は、内部に成長領域１２２を有する反応管１２１と、反応管１２１内に設けられている基板ホルダ１２３と、III族原料ガスを成長領域１２２へ供給するIII族原料ガス供給部１３９と、窒素原料ガスを成長領域１２２へ供給する窒素原料ガス供給部１３７と、ドーピングガスを成長領域１２２へ供給するガス供給管１２５と、反応管１２１から外部にガスを排出するガス排出管１３５と、ヒータ１２９、１３０とを備える。

反応ガスは、III族原料ガスと、窒素原料ガスと、ドーピングガスと、を含んで構成される。反応ガスは、概ね図１における左側から右側へ向けて流れる。以下、反応ガスのガス流における上流側を、単に上流側といい、反応ガスのガス流における下流側を、単に下流側という。

成長領域１２２は、反応管１２１内における下流側すなわち図１における右側部分に位置している。基板ホルダ１２３は、反応管１２１内における下流側の部分（以下、単に下流部）に回転軸１３２により回転自在に設けられている。この回転軸１３２は、図示しないモータ等の回転アクチュエータにより軸周りに回転駆動され、回転軸１３２とともに基板ホルダ１２３が回転する。基板ホルダ１２３は、当該基板ホルダ１２３における上流側の面にて基板１３３を保持する。したがって、基板１３３に対して供給される反応ガスの気流の方向は、基板１３３に対する面直方向成分を含む。具体的には、気流変化部材１７０の影響を除外すれば、基板１３３に対してほぼ垂直に反応ガスが供給される。基板ホルダ１２３により保持された基板１３３は、成長領域１２２に位置する。基板ホルダ１２３が回転するのに伴い、基板１３３はその板面方向において回転する。

ガス排出管１３５は、基板ホルダ１２３よりも下流側に配置され、反応管１２１内からガスを外部に排出する。

反応管１２１内における上流側の部分（以下、単に上流部）は、仕切板１３６により上下２つの層に区画されている。

III族原料ガス供給部１３９は、ガス供給管１２６と、反応管１２１内における仕切板１３６よりも下側の層であるIII族原料ガス供給管１３９ａと、III族原料ガス供給管１３９ａ内に配置されたソースボート１２８と、Ｇａ原料１２７と、を含む。ソースボート１２８は、Ｇａ原料１２７を収容している。

ガス供給管１２６は、ＨＣｌガス等のハロゲン含有ガスを、III族原料ガス供給管１３９ａへ供給する。ガス供給管１２６の供給口（下流端）は、ソースボート１２８よりも上流側に配置されている。

ガス供給管１２６から供給されるハロゲン含有ガスは、III族原料ガス供給部１３９内において、ソースボート１２８中のＧａ原料１２７の表面または揮発したＧａと接触し、Ｇａを塩化してＧａ塩化物を含むIII族原料ガス（ＧａＣｌ等）を生成する。なお、III族原料ガス供給部１３９の周囲にはヒータ１２９が配置され、III族原料ガス供給部１３９内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。

III族原料ガス供給部１３９は、このように生成されたＧａＣｌ等のIII族原料ガスを成長領域１２２へ供給する。すなわち、III族原料ガスを基板ホルダ１２３により保持された基板１３３の表面に供給する。

窒素原料ガス供給部１３７は、ガス供給管１２４と、反応管１２１内における仕切板１３６よりも上側の層（ガス供給管１２５およびその内部は除く）である窒素原料ガス供給部管１３７ａと、を含む。

ガス供給管１２４は、アンモニアガスを、窒素原料ガス供給部管１３７ａへ供給する。このアンモニアガスは、窒素原料ガス供給部管１３７ａ中を通過する過程で、熱により分解される。なお、窒素原料ガス供給部１３７の周囲にはヒータ１２９が配置され、窒素原料ガス供給部１３７内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。

窒素原料ガス供給部１３７は、アンモニアを成長領域１２２へ供給する。すなわち、アンモニアを基板ホルダ１２３により保持された基板１３３の表面に供給する。

ガス供給管１２５は、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスなどのドーピングガスを成長領域１２２へ供給する。すなわち、ドーピングガスを基板ホルダ１２３により保持された基板１３３の表面に供給する。

成長領域１２２内で、基板１３３の表面（図１における左側の面）上に、ＧａＮの成長が行われる。成長領域１２２の周囲にはヒータ１３０が配置され、成長領域１２２内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持される。

図２に示すように、本実施形態に係るＨＶＰＥ装置１２０は、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材１７０を有している。気流変化部材１７０は、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域よりも上流側に配置されている。気流変化部材１７０は、例えば、板状のものであり、その板面が反応ガスの流れに対して直交するように配置される。

図３は気流変化部材１７０を示す図であり、このうち（ａ）は基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０を見た図、（ｂ）は基板１３３の面方向に対して平行な方向に気流変化部材１７０を見た図である。

気流変化部材１７０には、例えば、気流変化部材１７０を反応管１２１に対して固定するための固定部材１７３が一体的に設けられている。気流変化部材１７０は、固定部材１７３を介して、反応管１２１の内面に固定されている。なお、図１および図２においては、固定部材１７３の図示を省略している。

気流変化部材１７０は、気流変化部材１７０を用いない場合と比べて、基板１３３の周縁部への反応ガスの供給量が抑制されるように、基板１３３へ供給される反応ガスの気流を変化させる。換言すれば、気流変化部材１７０は、基板１３３の周縁部を反応ガス流から遮蔽する遮蔽部材（或いは遮蔽板）として機能する。図１の左半部には、気流変化部材１７０による気流の変化の仕方の例を模式的に矢印で示している。

図４乃至図７の各々は、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときの気流変化部材１７０と基板１３３との位置関係の一例を示す図である。なお、図４、図５及び図７においては、気流変化部材１７０の形状を分かりやすくするために、気流変化部材１７０にハッチングを付している。また、図４乃至図７において、固定部材１７３の図示を省略している。

基板１３３は、基板ホルダ１２３の一方の面（図２において左側の面）に対して接着剤１２３ａにより固定されることによって、基板ホルダ１２３により保持される。

気流変化部材１７０は、例えば、基板１３３の周縁部に沿う枠状の形状（ドーナツ状の形状など）に形成されている。すなわち、気流変化部材１７０の中央には開口１７０ａが形成されている。

基板１３３は、例えば、図４に示すように複数の個片１３３ａを互いに隣接させてマトリクス状に配置することにより構成されていても良いし、図５乃至図７に示すように一枚の基板であっても良い。また、基板１３３の形状（平面形状）は、図４及び図５に示すように矩形であっても良いし、図６及び図７に示すように円形であっても良い。

気流変化部材１７０は、例えば、図４乃至図６に示すように、基板１３３の周縁部と対向する領域に配置されている。
この場合、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときに、気流変化部材１７０と基板１３３とが相互に重なり合う（オーバーラップする）領域の、基板１３３の径方向における寸法Ｌ（図６）は、基板１３３の直径（あるいは基板１３３の外形寸法）の２０％以下とすることが好ましい。一例として、寸法Ｌは、４ｍｍ程度とすることができる。

ただし、気流変化部材１７０は、図７に示すように、基板１３３の周縁部の近傍の領域と対向する領域（基板１３３の外側近傍の領域と対向する領域）に配置されていても良い。この場合、気流変化部材１７０は、基板１３３の外周に隣接する領域と対向する領域に配置することが好ましい。

ただし、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときに、気流変化部材１７０と基板１３３との間には、間隙が存在していても良い。つまり、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときに、気流変化部材１７０と基板１３３とがオーバーラップしなくても良い。すなわち、気流変化部材１７０の内径が、基板１３３の外径より大きくても良い。この場合、気流変化部材１７０と基板１３３との間の間隙の、基板１３３の径方向における寸法は、例えば、基板１３３の直径（あるいは基板１３３の外形寸法）の１０％以下とすることが好ましい。

気流変化部材１７０と基板１３３との間の距離ｄ１（図１）は、例えば、０ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度であることが好ましい。また、気流変化部材１７０と、基板１３３上に形成されるＧａＮ層１６０（堆積物）との間の距離ｄ２（図１）は、例えば、０ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度となることが好ましい。したがって、気流変化部材１７０は、基板１３３或いはＧａＮ層１６０に接するように配置されていても良いし、基板１３３或いはＧａＮ層１６０から離間して配置されていても良い。

以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程について、詳細に説明する。

先ず、基板１３３を準備する。基板は、例えば、ＧａＮ基板又はＧａＮ層が形成されたサファイアなどの異種基板である。基板としてＧａＮ基板を用いる場合、ＧａＮ基板の複数の小片を用いても良い。

次に、基板１３３を反応管１２１内の基板ホルダ１２３にセットする。

そして、ガス供給管１２５、１２６よりＮ_２ガスをパージガスとして供給して反応管１２１内を十分にパージする。その後、ガス供給管１２５、１２６から導入するガスを、Ｈ_２ガス（キャリアガス）に切替えて、ヒータ１２９およびヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。

成長領域１２２の温度が所定の温度（例えば５００℃）に到達した時点で、ガス供給管１２５より供給するガスにＮＨ₃ガスを追加する。引き続き、Ｇａ原料１２７の温度が所定の温度（例えば８５０℃）、成長領域１２２の温度が所定の温度（例えば１０４０℃）になるまで昇温を続ける。それぞれの温度が安定してから、ガス供給管１２６より供給するガスにＨＣｌガスを追加し、このガスをＧａ原料１２７と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域１２２に輸送する。

この際、ガス供給管１２６からＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス（ドーピングガス）を供給する。成長領域１２２では、ＮＨ_３ガスとＧａＣｌとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスとが反応して、ＳｉがドープされたＧａＮ層１６０（図１）が基板１３３上に成長する。

ＧａＮ層１６０の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からのＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスの供給と、ガス供給管１２６からのＨＣｌガスの供給と、を停止し、ヒータ１２９、１３０の電源を遮断して、反応管１２１を降温する。

そして、成長領域１２２の温度が５００℃前後に低下するまで、ガス供給管１２４からＮＨ_３ガスの供給を続け、２００℃前後まで低下後、ガス供給管１２４から供給するガスをＮＨ_３ガスからＮ_２ガスなどのパージガスに切替える。

こうして、ハイドライド気相成長法によって基板１３３上にＧａＮ層１６０が形成されたＧａＮ基板１８０を得ることができる。なお、ハイドライド気相成長中、基板１３３はその板面方向において回転する。

なお、ハイドライド気相成長の初期段階においては、必要に応じてマスク成長を行っても良い。

図１３は比較形態に係る半導体装置の製造方法により作製されたＧａＮ基板の模式的な側面図である。比較形態に係る製造方法は、気流変化部材１７０を用いない点でのみ、本実施形態に係る半導体装置の製造方法と相違し、その他の点では、本実施形態に係る半導体装置の製造方法と同じである。

本発明者の知見によれば、気流変化部材１７０を用いずにハイドライド気相成長法により基板１３３上にＧａＮ層１６０等の堆積物を形成する場合、図１３に示すように、基板１３３の周縁部における堆積物の膜厚が、それ以外の領域における堆積物の膜厚よりも厚くなる現象が生じる場合がある。すなわち、堆積物に、基板１３３の周縁部に沿うドーナツ状の隆起部が生じる場合がある。この隆起部が生じることは、基板１３３上の堆積物の膜厚が不均一となることすなわち堆積物の平坦性が悪化することを意味する。更に、この隆起部において、多結晶や極性反転結晶が成長してしまったりするといった成長不良が発生し、堆積物の膜質が不均一になることもある。

このような事情に対し、本実施形態では、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材１７０を、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域と対向するように配置した状態で、ハイドライド気相成長法を行う。このため、基板１３３の周縁部におけるＧａＮ層１６０等の堆積物の成長を適度に抑制できる。その結果、例えば図８に示すように、基板１３３上におけるＧａＮ層１６０等の堆積物の膜厚を全面に亘って均一化することができる。これにより堆積物の平坦性を良好にできるとともに、堆積物に多結晶や極性反転結晶などが生じるといった成長不良の発生を抑制できるので堆積物の膜質を均一にできる。

以上のような第１の実施形態によれば、反応ガスの流れを変化させる気流変化部材１７０を、基板１３３の周縁部と対向する領域、又は基板１３３の周縁部の近傍の領域と対向する領域に配置した状態で、堆積物を形成する。これにより、基板１３３の周縁部における堆積物の成長を適度に抑制でき、その結果、基板１３３上における堆積物の膜厚を全面に亘って均一化することができる。

気流変化部材１７０として、基板１３３の周縁部に沿う枠状の形状に形成されたものを用いることにより、基板１３３の周縁部における堆積物の成長を、より確実に抑制することができる。

図１１は気流変化部材１７０の変形例１を示す図であり、図１２は気流変化部材１７０の変形例２を示す図である。図１１、図１２は、それぞれ、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときの気流変化部材１７０と基板１３３との位置関係を示す。

図１１に示すように、変形例１では、気流変化部材１７０が一体の枠状の部材ではなく、複数の部分１７１からなる分割構造をなしている。複数の部分１７１は、例えば、それぞれ弧状の形状に形成されている。例えば、これら複数の部分１７１が、基板１３３の周縁部又はその近傍の領域と対向する領域に沿って配置されている。なお、部分１７１は、個別に、固定部材１７３（図３参照：図１１では図示略）を介して反応管１２１の内面に固定されている。このような変形例１に係る気流変化部材１７０を用いた場合にも、上記と同様の効果が得られる。特に、ハイドライド気相成長中に基板１３３をその板面方向に回転させることにより、上記と実質的に同じ効果が得られる。

図１２に示すように、変形例２では、気流変化部材１７０が枠状の部材ではなく、基板の周縁部又はその近傍の領域と対向する領域の少なくとも一部分に配置されている。気流変化部材１７０は、例えば、図１２に示すような１個の弧状の形状の部分とすることができる。ただし、気流変化部材１７０の形状は任意であり、例えば、矩形状や円形状であっても良い。なお、図１２においては、固定部材１７３（図３参照）の図示を省略している。このような変形例２に係る気流変化部材１７０を用いた場合にも、ハイドライド気相成長中に基板１３３をその板面方向に回転させることにより、上記と実質的に同じ効果が得られる。

〔第２の実施形態〕
図９（ａ）及び図９（ｂ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。この製造方法は、以下に説明する点で、上記の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様に構成されている。なお、図９においては、固定部材１７３（図３参照）の図示を省略している。

本実施形態の場合、基板１３３上にＧａＮ層１６０等の堆積物を形成する工程は、基板１３３の周縁部と気流変化部材１７０との距離ｄ１を変化させる工程を含む。

基板１３３の周縁部と気流変化部材１７０との距離ｄ１を変化させる工程では、例えば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、基板１３３上のＧａＮ層１６０の膜厚が増加するにつれて、基板１３３と気流変化部材１７０との間の距離ｄ１を増大させる。

より具体的には、例えば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、基板１３３上のＧａＮ層１６０の表面と気流変化部材１７０との間の距離ｄ２が一定に維持されるように、基板１３３の周縁部と気流変化部材１７０との距離ｄ１を変化させる工程を行う。すなわち、基板１３３上のＧａＮ層１６０の膜厚がＴ１の状態（図９（ａ））から、膜厚がΔＴだけ増加してＴ２となる過程で（図９（ｂ）の状態になる過程で）、基板１３３の表面と気流変化部材１７０との間の距離ｄ１をΔＴだけ増加させる。

図１０は第２の実施形態に係るＨＶＰＥ装置２２０を示す模式的な断面図である。このＨＶＰＥ装置２２０は、以下に説明する点で、上記の第１の実施形態に係るＨＶＰＥ装置１２０と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係るＨＶＰＥ装置１２０と同様に構成されている。なお、図１０においては、固定部材１７３（図３参照）の図示を省略している。

図１０に示すように、ＨＶＰＥ装置２２０は、気流変化部材１７０と基板１３３の周縁部との間の距離ｄ１を変化させる距離変化機構１５０と、距離変化機構１５０の動作制御を行う制御部１５５と、を有する。

距離変化機構１５０は、例えば、基板ホルダ１２３（保持部）を気流変化部材１７０に対して相対的に移動させることによって、距離ｄ１を変化させる。距離変化機構１５０は、モータ等の図示しないアクチュエータを有している。制御部１５５は、このアクチュエータの動作制御を行うことによって、基板１３３の周縁部との間の距離ｄ１を変化させる。すなわち、例えば、基板１３３上のＧａＮ層１６０の膜厚がＴ１の状態（図９（ａ））から、膜厚がΔＴだけ増加してＴ２となる過程で（図９（ｂ）の状態になる過程で）、基板ホルダ１２３をΔＴだけ気流変化部材１７０から遠ざける。距離変化機構１５０は、例えば、回転軸１３２において反応管１２１の外部に突出した突出部１３２ａを保持し、突出部１３２ａをその軸方向に移動させることによって、回転軸１３２と、回転軸１３２により支持された基板ホルダ１２３と、基板ホルダ１２３により保持された基板１３３とを、気流変化部材１７０に対して相対的に移動させる。なお、図１０において、回転軸１３２を回転駆動させる回転機構（回転アクチュエータ等を含む）については、図示を省略している。

なお、距離変化機構１５０は、距離ｄ１を連続的に徐々に変化させても良いし、段階的に変化させても良い。

以上のような第２の実施形態によれば、基板１３３上にＧａＮ層１６０などの堆積物を形成する工程は、基板１３３の周縁部と気流変化部材１７０との距離ｄ１を変化させる工程を含む。これにより、距離ｄ１を適切な距離に設定し、基板１３３上に良好にＧａＮ層１６０などの堆積物を形成することができる。

より具体的には、例えば、基板１３３上の堆積物の膜厚が増加するにつれて、距離ｄ１を増大させることにより、距離ｄ２の変化量を抑制できる。よって、堆積物の表面における反応ガス流の状態の経時変化を抑制できるので、基板１３３上に良好にＧａＮ層１６０などの堆積物を形成することができる。

より具体的には、例えば、距離ｄ２が一定に維持されるように、距離ｄ１を変化させる工程を行うことにより、堆積物の表面における反応ガス流の状態の経時変化を一層抑制できる。よって、基板１３３上に一層良好にＧａＮ層１６０などの堆積物を形成することができる。

なお、上記においては、ＨＶＰＥ装置が横型の例を説明したが、ＨＶＰＥ装置は縦型であってもよい。

また、上記においては、ハイドライド気相成長法により基板１３３上にＧａＮ層１６０を成長させる例を説明したが、ＧａＮ層以外のＧａＮ系半導体層（ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層等）を成長させても良い。

また、上記においては、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときに、基板１３３と開口１７０ａとが互いに同心円状となるように、基板１３３および気流変化部材１７０を配置する例を説明した。ただし、基板１３３および気流変化部材１７０の中心を互いにオフセットさせて、基板１３３の周方向における一部分のみが気流変化部材１７０と重なるように、基板１３３および気流変化部材１７０の配置を調整しても良い。

また、上記においては、基板ホルダ１２３が１個の例を説明したが、基板ホルダ１２３は２個以上であり、各基板ホルダ１２３にそれぞれ基板１３３を保持して、各基板１３３上にハイドライド気相成長法により堆積物を形成しても良い。なお、各基板１３３（各基板ホルダ１２３）に対応して、それぞれ気流変化部材１７０を設ける。

また、上記の第２の実施形態においては、基板ホルダ１２３を移動させる代わりに、気流変化部材１７０を移動させることによって、距離ｄ１を変化させても良い。また、基板ホルダ１２３と気流変化部材１７０との双方を移動させることによって、距離ｄ１を変化させても良い。

また、上記の第２の実施形態においては、気流変化部材１７０への多結晶堆積による見かけ上の厚さ増加や開口１７０ａの見かけ上の口径縮小などの外形形状変化に応じて、距離ｄ１を変化させてもよい。この場合の距離ｄ１の変化は、第２の実施形態と同様に、連続的に徐々に行っても良いし、段階的に行っても良い。
具体的には、例えば、気流変化部材１７０における基板１３３側の面に付着した堆積物と、基板１３３上のＧａＮ層１６０の表面と、の間の距離が一定に維持されるように、距離ｄ１を変化させることができる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 基板に反応ガスを供給して、前記基板上にハイドライド気相成長法により堆積物を形成する工程を有し、
前記堆積物を形成する工程では、前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材を、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置した状態で、前記堆積物を形成する、半導体装置の製造方法。
２． 前記気流変化部材は、前記基板の周縁部に沿う枠状の形状に形成されている１に記載の半導体装置の製造方法。
３． 前記堆積物を形成する工程は、前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程を含む１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
４． 前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程では、前記基板上の前記堆積物の膜厚が増加するにつれて、前記基板と前記気流変化部材との間の距離を増大させる３に記載の半導体装置の製造方法。
５． 前記基板上の前記堆積物の表面と前記気流変化部材との間の距離が一定に維持されるように、前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程を行う４に記載の半導体装置の製造方法。
６． 前記基板に対して供給される反応ガスの気流の方向は、前記基板に対する面直方向成分を含む１乃至５の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
７． ハイドライド気相成長法により基板上に堆積物を形成可能なように前記基板を保持する保持部と、
前記保持部により保持された前記基板に反応ガスを供給するガス供給部と、
前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材と、
を有し、
前記気流変化部材は、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置されているハイドライド気相成長装置。
８． 前記気流変化部材は、前記基板の周縁部に沿う枠状の形状に形成されている７に記載のハイドライド気相成長装置。
９． 前記気流変化部材と前記基板の周縁部との間の距離を変化させる距離変化機構を有する７又は８に記載のハイドライド気相成長装置。
１０． 前記距離変化機構は、前記気流変化部材を前記保持部に対して相対的に移動させることによって、前記距離を変化させる９に記載のハイドライド気相成長装置。
１１． 前記ガス供給部によって前記基板に対して供給される反応ガスの気流の方向は、前記基板に対する面直方向成分を含む７乃至１０の何れかに記載のハイドライド気相成長装置。

基板１３３として、直径５４ｍｍのＧａＮ基板を準備した。その基板１３３を、アルミナ系接着剤を用いて基板ホルダ１２３に貼り付け、自然乾燥および１５０℃で１時間の電気炉内乾燥を行なった。
次に、基板ホルダ１２３に貼り付けた基板１３３と、内径が各種の設定値（後述）とされ、外径が６７ｍｍ、厚さが３ｍｍの気流変化部材１７０を、基板１３３と気流変化部材１７０の間隔が所定の距離（後述）となるように、ＨＶＰＥ装置１２０内に配置した。
成長条件は、成長温度１０７５℃、ガス供給管１２５を介してドーピングガスとしてのジクロロシランとともに供給するキャリアガスの流量比（Ｎ_２／（Ｎ_２＋Ｈ_２））を０．２５、ガス供給管１２６を介してＧａ原料１２７上に供給するＨＣｌの流量を２００ｃｃ／ｍｉｎ、ガス供給管１２４を介して供給するＮＨ_３の流量を３０００ｃｃ／ｍｉｎとした。

各成長条件は以下の通りである。

比較例１：気流変化部材１７０無し、成長時間１５ｍｉｎ

実施例１：気流変化部材１７０の内径５４ｍｍ（Ｌ＝０ｍｍ、オーバーラップ面積比率０％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：５ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

実施例２：気流変化部材１７０の内径５４ｍｍ（Ｌ＝０ｍｍ、オーバーラップ面積比率０％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：２ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

実施例３：気流変化部材１７０の内径５４ｍｍ（Ｌ＝０ｍｍ、オーバーラップ面積比率０％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：１ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

実施例４：気流変化部材１７０の内径５０ｍｍ（Ｌ＝２ｍｍ、オーバーラップ面積比率１４．３％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：５ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

実施例５：気流変化部材１７０の内径５０ｍｍ（Ｌ＝２ｍｍ、オーバーラップ面積比率１４．３％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：２ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

実施例６：気流変化部材１７０の内径５０ｍｍ（Ｌ＝２ｍｍ、オーバーラップ面積比率１４．３％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）：１ｍｍ、成長時間１５ｍｉｎ

比較例２：気流変化部材１７０無し、成長時間５ｈ、基板１３３の位置は一定

実施例７：気流変化部材１７０の内径５０ｍｍ（Ｌ＝２ｍｍ、オーバーラップ面積比率１４．３％）、基板１３３との間隔（距離ｄ１）の初期値：２．５ｍｍ、成長時間１８ｈ、ｄ１を０．５ｍｍ／ｈの割合で増加

オーバーラップ面積比率とは、基板１３３に対して面直方向に気流変化部材１７０及び基板１３３を見たときに気流変化部材１７０と基板１３３とが相互に重なり合う（オーバーラップする）領域の面積をＳ２、基板１３３の面積をＳ１とすると、（Ｓ２／Ｓ１）×１００（％）で求まる比率である。

比較例１、および、実施例１から３について、基板１３３に成長した堆積物（ＧａＮ層１６０）の膜厚を測定し、基板１３３の中心付近での成長速度を基準とした、基板１３３上の各位置での成長速度比（各位置の成長速度／中心付近の成長速度）を求めた。その結果を図１４に示す。すなわち、図１４は、比較例１と実施例１から３のそれぞれにおいて、基板１３３の中心付近と基板１３３上の各位置との堆積物の成長速度比を示す図である。図１４において、横軸は基板１３３の外周端からの距離（ｍｍ）であり、縦軸は成長速度比である。
図１４に示すように、比較例１の場合（気流変化部材１７０が無い場合）、基板１３３の外周端での成長速度が突出して速く、基板１３３の外周端での成長速度は、基板１３３の中心付近での成長速度の２．３倍となっている。
これに対し、内径５４ｍｍの気流変化部材１７０を用いた実施例１から３では、基板１３３の外周端付近の急激な成長速度増加が抑えられ、基板１３３の外周端での成長速度は、基板１３３の中心付近の成長速度の０．７倍から１．７倍の範囲であることが分かる。
また、基板１３３と気流変化部材１７０との距離ｄ１を近づけると、基板１３３の外周端付近での成長速度が減少し、遠ざけると基板１３３の外周端付近での成長速度が増加する傾向があることが分かる。このため、距離ｄ１を適度に調整することによって、成長速度分布の最適化が可能であることが分かった。

内径５０ｍｍの気流変化部材１７０を用いた実施例４から６について、実施例１から３と同様に基板１３３に成長した堆積物（ＧａＮ層１６０）の膜厚を測定し、基板１３３の中心付近を基準とした成長速度比（各位置の成長速度／中心付近の成長速度）を求めた。その結果を図１５に示す。すなわち、図１５は、実施例４から６のそれぞれにおいて、基板１３３の中心付近と基板１３３上の各位置との堆積物の成長速度比を示す図である。図１５において、横軸は基板１３３の外周端からの距離（ｍｍ）であり、縦軸は成長速度比である。
図１５に示すように、内径５０ｍｍの気流変化部材１７０を用いた場合、内径５４ｍｍの気流変化部材１７０を用いる場合（実施例１から３）と比べて、基板１３３の外周端付近での成長速度増加がさらに抑えられ、基板１３３の外周端での成長速度は、基板１３３の中心付近の成長速度の０．５倍から１．４倍の範囲であることが分かる。
気流変化部材１７０の内径が５０ｍｍの場合も、気流変化部材１７０の内径が５４ｍｍの場合と同様に、基板１３３と気流変化部材１７０との距離ｄ１を近づけると、基板１３３の外周端付近での成長速度が減少し、遠ざけると基板１３３の外周端付近での成長速度が増加する傾向が確認された。

図１４および図１５の結果から、気流変化部材１７０の内径を小さくするか、気流変化部材１７０と基板１３３との距離ｄ１を短くすることが成長速度分布の凸化（基板１３３の周縁部での成長速度の鈍化）につながることが確かめられた。

図１６は、比較例２、および実施例７のそれぞれにおいて、基板１３３の外周端からの距離と、堆積物の成長厚さと、の関係を示す図である。図１６において、横軸は基板１３３の外周端からの距離（ｍｍ）であり、縦軸は成長厚さ（成長膜厚）である。
比較例２では、気流変化部材１７０を用いずに、基板１３３の位置を一定にして成長を行なった。図１６に示すように、比較例２では、基板１３３の中心付近では平坦にＧａＮ層１６０が成長しているものの、基板１３３の周縁部（基板１３３の外周弧に沿った部分）では幅１ｍｍ程度、高さ１ｍｍ程度の先鋭化した（高さ方向の先端が先鋭化した）ＧａＮ層１６０が形成された。また先鋭化したＧａＮ層１６０の先端に、多結晶が生成されている箇所も確認された。ＧａＮ層１６０の成長厚さを測定したところ、中心付近の成長厚さが０．８９ｍｍ、周縁部での最大成長厚さ（界面から先鋭部頂点までの高さ）は１．８５ｍｍであり、基板１３３の中心付近と周縁部との成長速度比の最大値は１．８５／０．８９＝２．０８であった。
一方、実施例７では、成長表面の外周端部に先鋭形状は無く、平坦に成長した。成長厚さを測定したところ、中心付近の成長厚さが３．２１ｍｍ、外周端部の成長厚さは３．２７ｍｍであり、成長速度比は３．２７／３．２１＝１．０２であった。また、成長厚さが最も厚い点でも３．５３ｍｍであり、成長速度比の最大値は３．５３／３．２１＝１．１０である。つまり、ＧａＮ層１６０が実質的に平坦であることが確かめられた。
基板１３３上のＧａＮ層１６０の厚みが増すにつれて、気流変化部材１７０と基板１３３との距離ｄ１が短くなるだけでなく、気流変化部材１７０へのＧａＮ多結晶の堆積により該気流変化部材１７０の見かけ上の内径も小さくなる。実施例７のように、０．５ｍｍ／ｈの割合で気流変化部材１７０と基板１３３との距離ｄ１を遠ざけることにより、平坦なＧａＮ層１６０を成長することができた。

１２０ ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）
１２１ 反応管
１２２ 成長領域
１２３ 基板ホルダ
１２３ａ 接着剤
１２４ ガス供給管
１２５ ガス供給管
１２６ ガス供給管
１２７ Ｇａ原料
１２８ ソースボート
１２９ ヒータ
１３０ ヒータ
１３２ 回転軸
１３２ａ 突出部
１３３ 基板
１３３ａ 個片
１３５ ガス排出管
１３６ 仕切板
１３７ 窒素原料ガス供給部
１３７ａ 窒素原料ガス供給部管
１３９ III族原料ガス供給部
１３９ａ III族原料ガス供給管
１５０ 距離変化機構
１５５ 制御部
１６０ ＧａＮ層
１７０ 気流変化部材
１７０ａ 開口
１７１ 部分
１７３ 固定部材
１８０ ＧａＮ基板
２２０ ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）

Claims (15)

1. 基板に反応ガスを供給して、前記基板上にハイドライド気相成長法により堆積物を形成する工程を有し、
   前記堆積物を形成する工程では、前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材を、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置した状態で、前記堆積物を形成し、
   前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下である半導体装置の製造方法。
2. 基板に反応ガスを供給して、前記基板上にハイドライド気相成長法により堆積物を形成する工程を有し、
   前記堆積物を形成する工程では、ガス供給部から前記基板の中心部及び周縁部に向けて反応ガスを供給し、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置した気流変化部材で前記基板の周縁部に供給される反応ガスを抑制する半導体装置の製造方法。
3. 前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下である請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記気流変化部材は、前記基板の周縁部に沿う枠状の形状に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記堆積物を形成する工程は、前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程では、前記基板上の前記堆積物の膜厚が増加するにつれて、前記基板と前記気流変化部材との間の距離を増大させる請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記基板上の前記堆積物の表面と前記気流変化部材との間の距離が一定に維持されるように、前記基板の周縁部と前記気流変化部材との距離を変化させる工程を行う請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記基板に対して供給される反応ガスの気流の方向は、前記基板に対する面直方向成分を含む請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. ハイドライド気相成長法により基板上に堆積物を形成可能なように前記基板を保持する保持部と、
   前記保持部により保持された前記基板に反応ガスを供給するガス供給部と、
   前記反応ガスの流れを変化させる気流変化部材と、
   を有し、
   前記気流変化部材は、前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置され、
   前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下であるハイドライド気相成長装置。
10. ハイドライド気相成長法により基板上に堆積物を形成可能なように前記基板を保持する保持部と、
    前記保持部により保持された前記基板の中心部及び周縁部に向けて反応ガスを供給するガス供給部と、
    前記基板の周縁部又はその近傍の領域と対向するように、当該周縁部又は当該近傍の領域よりも前記反応ガスの上流側に配置され、前記基板の周縁部に供給される反応ガスを抑制する気流変化部材と、
    を有するハイドライド気相成長装置。
11. 前記気流変化部材と前記基板とが相互に重なり合う領域の前記基板の径方向における寸法は、前記基板の直径の２０％以下である請求項１０に記載のハイドライド気相成長装置。
12. 前記気流変化部材は、前記基板の周縁部に沿う枠状の形状に形成されている請求項９から１１のいずれか１項に記載のハイドライド気相成長装置。
13. 前記気流変化部材と前記基板の周縁部との間の距離を変化させる距離変化機構を有する請求項９から１２のいずれか１項に記載のハイドライド気相成長装置。
14. 前記距離変化機構は、前記気流変化部材を前記保持部に対して相対的に移動させることによって、前記距離を変化させる請求項１３に記載のハイドライド気相成長装置。
15. 前記ガス供給部によって前記基板に対して供給される反応ガスの気流の方向は、前記基板に対する面直方向成分を含む請求項９から１４のいずれか１項に記載のハイドライド気相成長装置。

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