JP7164332B2

JP7164332B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP7164332B2
Application number: JP2018117267A
Authority: JP
Inventors: 一郎水島; 泰家近; 拓未山田
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: JP2019220589A

Description

本発明は、ガスを供給して基板上に膜を形成する気相成長装置に関する。

ＧａＮ系半導体（ＧａＮｂａｓｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いたＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＥＭＴ）は、高い耐圧と低いオン抵抗を実現する。ＨＥＭＴは、積層されたチャネル層とバリア層との間のヘテロ界面に誘起される二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を電流経路として用いる。

例えば、チャネル層には窒化ガリウム（以下、ＧａＮとも称する）膜、バリア層には窒化アルミニウムガリウム（以下、ＡｌＧａＮとも称する）膜が用いられる。バリア層に窒化アルミニウムガリウム膜に代えて、窒化インジウムアルミニウム（以下、ＩｎＡｌＮとも称する）膜を適用することが検討されている。

ＩｎＡｌＮ膜は大きな自発分極を備えるため、ＩｎＡｌＮ膜とＧａＮ膜の界面の２ＤＥＧ濃度を高くすることができる。したがって、低いオン抵抗のＨＥＭＴが実現できる。また、ＩｎＡｌＮ膜中のＩｎ組成（Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ａｌ））を約１７原子％にすることで、ＧａＮ膜との格子整合が実現できる。したがって、格子不整合に起因する歪がなくなり、ＨＥＭＴの信頼性が向上する。

また、ＩｎＡｌＮ膜とＧａＮ膜との積層構造は面発光レーザ等に用いられる誘電体ミラーへの応用も期待される。上記の誘電体ミラーへの応用については、ＧａＮ膜とＩｎＡｌＮ膜の界面が明確であること、つまり、上記２つの膜の化合物組成が急峻に変化することが求められる。

しかし、ＩｎＡｌＮ膜の気相成長では、ＩｎＡｌＮ膜中への意図しないガリウム（Ｇａ）の取り込み（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌＧａｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が問題となっている。ＩｎＡｌＮ膜中へガリウムが取り込まれると、例えば、ＩｎＡｌＮとＧａＮの界面の２ＤＥＧ密度の低下や、電子の移動度の低下が生ずるおそれがある。また、化合物組成の急峻な変化が得られないため、良好な誘電体ミラーを形成することが困難である。

上記のＩｎＡｌＮ膜に意図しないＧａの取り込みが生じる原因とは、以下のように考えられる。ＩｎＡｌＮ膜の成長前に行うＧａを含む膜の成長時に、気相成長装置の上流部分にＧａを含む反応生成物が付着する。そして、ＩｎＡｌＮ膜の成長時にＧａを含む反応生成物からＧａが成長雰囲気に放出される。このＧａがＩｎＡｌＮ膜に取り込まれる。

非特許文献１には、Ｆｉｇ．１（ｂ）に示される分離ガス供給を行う装置を用いて成膜されたＩｎＡｌＮ膜が記載されている。

米国特許出願公開第２０１０／０１４３５８８号明細書

Ｊ．Ｌｕｅｔａｌ．"ＥｐｉｔａｘｉａｌＧｒｏｗｔｈｏｆＩｎＡｌＮ／ＧａＮＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎＳｉｌｉｃｏｎＳｕｂｓｔｒａｔｅｓｉｎａＳｉｎｇｌｅＷａｆｅｒＲｏａｔａｔｉｎｇＤｉｓｋＭＯＣＶＤＲｅａｃｔｏｒ"，ＭＲＳＡｄｖａｎｃｅｓ，２０１７．１７４，ｐｐ３２９－３３４．

本発明が解決しようとする課題は、品質の高い膜を形成する気相成長装置を提供することにある。

本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室の中に設けられ、基板を保持するホルダと、前記ホルダを回転させる回転駆動機構と、ルイス酸を含む第１のガスとルイス塩基を含む第２のガスを混合し混合ガスを生成するガス混合機構と、前記ガス混合機構と前記反応室との間に設けられ、前記混合ガスを前記反応室の中に噴出する複数のガス噴出孔を有し、前記ガス噴出孔の間の前記反応室の側の表面の算術平均粗さが０．０５μｍ以上５０μｍ以下であるシャワープレートと、を備え、前記ホルダを５００ｒｐｍ以上の回転数で回転させ、前記混合ガスを用いた８００℃以上の基板温度での前記基板の上への窒化ガリウム膜の形成と、前記窒化ガリウム膜の上への窒化インジウムアルミニウム膜の形成とを連続して行う。

上記態様の気相成長装置において、前記表面の算術平均粗さが０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

上記態様の気相成長装置において、隣接する前記ガス噴出孔の間の前記表面の最大高低差が、隣接する前記ガス噴出孔の中心間の距離以下であることが好ましい。

上記態様の気相成長装置において、前記最大高低差が前記ガス噴出孔の孔径よりも小さいことが好ましい。

上記態様の気相成長装置において、前記ガス混合機構は、前記混合ガスが充填される混合ガス室を含み、前記ガス噴出孔は、前記混合ガス室に接続されることが好ましい。

本発明によれば、品質の高い膜を形成する気相成長装置を提供することが可能となる。

第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図。第１の実施形態のシャワープレートの模式上面図。第１の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図。第１の実施形態のシャワープレートの表面の一部の拡大模式断面図。第１の実施形態の効果の説明図。第２の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図。第２の実施形態の効果の説明図。第３の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図。第４の実施形態の気相成長装置の模式断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

本明細書中、同一又は類似の部材について、同一の符号を付す場合がある。

本明細書中、気相成長装置が、膜の形成が可能となるように設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。

また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への膜の形成のために用いられるガスの総称であり、例えば、ソースガス、キャリアガス、希釈ガス等を含む概念とする。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室の中に設けられ、基板を保持するホルダと、ホルダを回転させる回転駆動機構と、ルイス酸を含む第１のガスとルイス塩基を含む第２のガスを混合し混合ガスを生成するガス混合機構と、ガス混合機構と反応室との間に設けられ、混合ガスを反応室の中に噴出する複数のガス噴出孔を有し、ガス噴出孔の間の反応室の側の表面の算術平均粗さが０．０５μｍ以上５０μｍ以下であるシャワープレートと、を備える。

図１は、第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。第１の実施形態の気相成長装置は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる枚葉型のエピタキシャル成長装置である。

第１の実施形態の気相成長装置は、反応室１００、シャワープレート２００、混合ガス室３００、第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、第３のガス供給路１３を備えている。反応室１００は、ホルダ１５、回転体ユニット１６、壁面１７、回転軸１８、回転駆動機構１９、インヒータ２４、アウトヒータ２６、リフレクタ２８、支持柱３４、固定台３６、固定軸３８、ガス排出口４０を有する。シャワープレート２００は、複数のガス噴出孔２２を有する。混合ガス室３００は、ガス供給口２０、壁面２７を有する。第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、第３のガス供給路１３は合流部５０を有する。混合ガス室３００及び合流部５０は、ガス混合機構（ｇａｓｍｉｘｅｒ）の一例である。

第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、及び第３のガス供給路１３は、ガス供給口２０に接続され、混合ガス室３００にプロセスガスを供給する。

第１のガス供給路１１は、ルイス酸を含む第１のプロセスガス（第１のガス）を供給する。第１のガス供給路１１は、例えば、混合ガス室３００にＩＩＩ族元素の有機金属とキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給する。

第１のガス供給路１１は複数本設けても構わない。例えば、異なる第１のプロセスガスを複数本の第１のガス供給路１１で供給することも可能である。第１のプロセスガスは、例えば、ウェハ上にＩＩＩ－Ｖ族半導体の膜を形成するための、ＩＩＩ族元素を含むガスである。

ＩＩＩ族元素は、例えば、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）である。また、有機金属は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）である。

第２のガス供給路１２は、ルイス塩基を含む第２のプロセスガス（第２のガス）を供給する。第２のガス供給路１２は、例えば、混合ガス室３００に窒素（Ｎ）のソースとなる窒素化合物を含む第２のプロセスガスを供給する。

窒素化合物は、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）である。第２のプロセスガスは、例えば、ウェハ上にＩＩＩ－Ｖ族半導体の膜を形成するための、Ｖ族元素のソースガスである。Ｖ族元素は窒素（Ｎ）である。

なお、窒素化合物は、活性な窒素化合物であればよく、アンモニアに限らず、ヒドラジン、アルキルヒドラジン、アルキルアミンなどの他の窒素化合物を用いてもよい。

第３のガス供給路１３は、第３のプロセスガスを混合ガス室３００へ供給する。第３のプロセスガスは、例えば、第１のプロセスガス、及び、第２のプロセスガスを希釈する希釈ガスである。希釈ガスで、第１のプロセスガス、及び第２のプロセスガスを希釈することにより、混合ガス室３００から反応室１００に供給されるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の濃度を調整する。希釈ガスは、例えば、水素ガス、窒素ガス、又は、アルゴンガス等の不活性ガス又はこれらの混合ガスである。

第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、及び、第３のガス供給路１３は、ガス供給口２０の上流に設けられた合流部５０で合流する。したがって、第１のプロセスガス、第２のプロセスガス、及び、第３のプロセスガスは、ガス供給口２０の前で混合されて混合ガスとなる。第１のプロセスガス、第２のプロセスガス、及び、第３のプロセスガスの混合ガスが、ガス供給口２０から混合ガス室３００の中に供給される。

混合ガス室３００は、壁面２７を備える。壁面２７は、例えば、ステンレス製である。

なお、プロセスガスの混合は、必ずしも混合ガス室３００より上流側の配管内で完全に行なわれる必要はなく、プロセスガスの混合が更に混合ガス室３００の中で進行しても構わない。

混合ガス室３００及び合流部５０は、ガス混合機構の一例である。ガス混合機構により第１のプロセスガス、及び、第２のプロセスガスが混合され、混合ガスが生成される。

図２は、第１の実施形態のシャワープレートの模式上面図である。図３は、第１の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図である。図３（ａ）は図２のＡＡ’断面、図３（ｂ）は図２のＢＢ’断面である。

シャワープレート２００は、混合ガス室３００と反応室１００との間に設けられる。シャワープレート２００は、反応室１００の上部に設けられる。シャワープレート２００は、ガス噴出孔２２を有する。複数のガス噴出孔２２は、例えば、所定のピッチで繰り返し配置される。ガス噴出孔２２は、混合ガス室３００に接続される。ガス噴出孔２２は、混合ガスを混合ガス室３００から反応室１００の中に噴出する機能を有する。

シャワープレート２００は、例えば、金属である。シャワープレート２００は、例えば、アルミニウムである。シャワープレート２００の反応室１００の側の表面には、例えば、金属めっき層が形成される。金属めっき層は、例えば、無電解めっきで形成されたニッケル層である。

図３は、第１の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図である。図３（ａ）は図２のＡＡ’断面、図３（ｂ）は図２のＢＢ’断面に相当する断面である。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、シャワープレート２００は、ＡＡ’断面及びＢＢ’断面共に同様の形状を備える。シャワープレート２００の隣接するガス噴出孔の反応室１００の側の端部の位置は同一平面内に存在する。

隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離（図３（ａ）、図３（ｂ）中のＬ）は、例えば１０ｍｍ以下である。ガス噴出孔２２の孔径（図３（ａ）、図３（ｂ）中のＤ）は、例えば、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

図４は、シャワープレート２００の表面Ｓの一部の拡大模式断面図である。図４は、例えば、図３（ａ）の点線の円で囲まれたガス噴出孔２２の間の部分の拡大図である。シャワープレート２００の反応室の側の表面Ｓは、凹凸を有する。

シャワープレート２００の反応室の側の表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）は０．０５μｍ以上５０μｍ以下である。シャワープレート２００のガス噴出孔２２の間の表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上５０μｍ以下である。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）を求める際の基準長さは、例えば、１ｍｍである。

反応室１００は、例えば、ステンレス製で円筒状の壁面１７を備える。

ホルダ１５は、反応室１００の内部に設けられる。ホルダ１５には、基板の一例であるウェハＷが載置可能である。ホルダ１５は、例えば、環状である。ホルダ１５には、中心部に開口部が設けられる。このような環状のホルダ１５は、例えばＳｉ基板のような不透明基板を用いたとき用いることができ、高い面内均一性を得ることができる。なお、ホルダ１５の形状は、中央部に空洞を有しない略平板型であってもよい。

ホルダ１５には、例えば、１枚のウェハＷが載置される。ホルダ１５に、複数枚のウェハＷを載置する構成とすることも可能である。

ホルダ１５は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）などのセラミックス、又は、カーボンを基材として形成される。ホルダ１５には、例えば、ＳｉＣ、ＢＮ、ＴａＣ、又はＰＧなどをコーティングしたカーボンを用いることができる。

ホルダ１５は、回転体ユニット１６の上部に固定される。回転体ユニット１６は、回転軸１８に固定される。ホルダ１５は、間接的に回転軸１８に固定される。

ホルダ１５に載置されるウェハＷとシャワープレート２００との間の距離は、例えば、５ｃｍ以上１０ｃｍ以下である。

回転軸１８は、回転駆動機構１９によって回転可能である。回転軸を回転させることによりホルダ１５を回転させることが可能である。ホルダ１５を回転させることにより、ホルダ１５に載置されたウェハＷを高速で回転させることが可能である。このとき、一枚のウェハＷを自転させることができる。自転とは、ウェハＷがウェハＷの略中心を通る法線を回転軸として回転することを意味する。なお、回転対称に配置された複数のウェハＷを公転させてもよい。

例えば、ウェハＷを３００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転数で自転させる。回転駆動機構１９は、例えば、モータとベアリングで構成される。

インヒータ２４とアウトヒータ２６は、ホルダ１５の下方に設けられる。インヒータ２４とアウトヒータ２６は、回転体ユニット１６内に設けられる。アウトヒータ２６は、インヒータ２４とホルダ１５との間に設けられる。

インヒータ２４とアウトヒータ２６は、ホルダ１５に保持されたウェハＷを加熱する。インヒータ２４は、ウェハＷの少なくとも中心部を加熱する。アウトヒータ２６は、ホルダ１５及びウェハＷの外周領域を加熱する。インヒータ２４は、例えば、円板状である。アウトヒータ２６は、例えば、環状である。

リフレクタ２８は、インヒータ２４とアウトヒータ２６の下方に設けられる。リフレクタ２８とホルダ１５との間に、インヒータ２４とアウトヒータ２６が設けられる。

リフレクタ２８は、インヒータ２４とアウトヒータ２６から下方に放射される熱を反射し、ウェハＷの加熱効率を向上させる。また、リフレクタ２８は、リフレクタ２８より下方の部材が加熱されるのを防止する。リフレクタ２８は、例えば、円板状である。

リフレクタ２８は、耐熱性の高い材料で形成される。リフレクタ２８は、例えば、１１００℃以上の温度に対する耐熱性を有する。

リフレクタ２８は、例えば、ＳｉＣ、ＴａＣ、カーボン、ＢＮ、ＰＧなどのセラミックス、又はタングステンなどの金属を基材として形成される。リフレクタ２８にセラミックスを用いる場合、焼結体や気相成長により作製した基材を用いることができる。リフレクタ２８として、カーボンの基材などに、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ、ＰＧ、ガラス状カーボンなどのセラミックスをコートしたものを用いてもよい。

リフレクタ２８は、例えば、複数の支持柱３４によって、固定台３６に固定される。固定台３６は、例えば、固定軸３８によって支持される。

回転体ユニット１６内には、ウェハＷをホルダ１５から脱着させるために、突き上げピン（図示せず）が設けられる。突き上げピンは、例えば、リフレクタ２８、及び、インヒータ２４を貫通する。

ガス排出口４０は、反応室１００の底部に設けられる。ガス排出口４０は、ウェハＷ表面でプロセスガスが反応した後の余剰の反応生成物、及び、余剰のプロセスガスを反応室１００の外部に排出する。

また、反応室１００の壁面１７には、図示しないウェハ出入口及びゲートバルブが設けられている。ウェハ出入口及びゲートバルブにより、ウェハＷを反応室１００内に搬入したり、反応室１００外に搬出したりすることが可能である。

次に、第１の実施形態の気相成長装置を用いた気相成長方法について説明する。

以下、窒化ガリウム膜（ＧａＮ膜）の上に窒化インジウムアルミニウム膜（ＩｎＡｌＮ膜）を連続して形成する場合を例に説明する。例えば、ＧａＮ膜はＨＥＭＴのチャネル層、ＩｎＡｌＮ膜はＨＥＭＴのバリア層として用いられる。なお、ＨＥＭＴのバリア層の材料のバンドギャップは、チャネル層の材料のバンドギャップよりも大きい。

最初に、ウェハＷを、反応室１００内に搬入する。ウェハＷは、例えば、表面が｛１１１｝面であるシリコン基板である。シリコン基板の厚さは、例えば、７００μｍ以上１．２ｍｍ以下である。なお、｛１１１｝面は、（１１１）面と結晶学的に等価な面を示す。

次に、ウェハＷを、ホルダ１５に載置する。次に、ウェハＷを回転駆動機構１９により自転させながら、ホルダ１５の下方に設けられたインヒータ２４及びアウトヒータ２６により加熱する。

次に、ウェハＷの上にＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いて、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のバッファ層を形成する。

次に、ウェハＷの上にＧａＮ膜を形成する（Ｓ１１０）。ＧａＮ膜は、単結晶である。ＧａＮ膜の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。

ＧａＮ膜を形成する際、ウェハＷを所定の回転数で回転させる。回転数は、例えば、５００ｒｐｍ以上１５００ｒｐｍ以下である。また、ウェハＷの温度は、例えば、５００℃以上１２００℃以下、好ましくは８００℃以上１２００℃以下、最も好ましくは１０００℃以上１１００℃以下である。

ＧａＮ膜を形成する際、第１のガス供給路１１から、例えば、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧが供給される。また、第２のガス供給路１２から、例えば、アンモニアが供給される。また、第３のガス供給路１３から、希釈ガスとして、例えば、窒素ガスが供給される。

窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＧ、アンモニア、窒素ガスは、合流部５０及び混合ガス室３００で混合されて混合ガスが生成される。混合ガスは、混合ガス室３００からシャワープレート２００を通って、反応室１００の中に供給される。

混合ガスは反応室１００の中でウェハＷの表面に略垂直な方向の層流となって、ウェハＷの表面に供給される。ウェハＷの表面に供給された混合ガスは、回転するウェハＷの表面に沿ってウェハＷの外周に向かって流れる。混合ガスの化学反応により、ＧａＮ膜がウェハＷの上に形成される。

次に、ウェハＷを反応室１００から搬出することなく、ウェハＷの上にＩｎＡｌＮ膜を形成する。ＩｎＡｌＮ膜は、単結晶である。ＩｎＡｌＮ膜の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。ＩｎＡｌＮ膜の膜厚は、例えば、ＧａＮ膜の膜厚よりも薄い。

ＩｎＡｌＮ膜のＩｎ組成は、例えば、約１７原子％である。Ｉｎ組成は、ＩｎＡｌＮ膜の中のＩＩＩ族元素に占めるインジウムの割合を示す。

ＩｎＡｌＮ膜を形成する際、ウェハＷを所定の回転数で回転させる。回転数は、例えば、１６００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下である。ウェハＷの温度は、例えば、７００℃以上９００℃以下である。

ＩｎＡｌＮ膜を形成する際、第１のガス供給路１１から、例えば、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＩが供給される。また、第１のガス供給路１１から、例えば、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＡが供給される。また、第２のガス供給路１２から、例えば、アンモニアが供給される。また、第３のガス供給路１３から、希釈ガスとして、例えば、窒素ガスを供給する。

窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＩ、窒素ガスをキャリアガスとするＴＭＡ、アンモニア、窒素ガスは混合されて混合ガスが生成される。混合ガスは、混合ガス室３００からシャワープレート２００を通って、反応室１００の中に供給される。

混合ガスは反応室１００の中でウェハＷの表面に略垂直な方向の層流となって、ウェハＷの表面に供給される。ウェハＷの表面に供給された混合ガスは、回転するウェハＷの表面に沿ってウェハＷの外周に向かって流れる。混合ガスの化学反応により、ＩｎＡｌＮ膜がウェハＷの上に形成される。

次に、ウェハＷを、反応室１００から外に搬出する。以上の気相成長方法により、シリコン基板の上に、ＧａＮ膜とＩｎＡｌＮ膜が連続的に形成される。ＧａＮ膜とＩｎＡｌＮ膜は、エピタキシャル膜である。

次に、第１の実施形態の気相成長装置の作用及び効果について説明する。

気相成長により、ウェハＷ上に膜を成長させる場合、膜中への意図しない物質の取り込みにより、膜の品質が低下するおそれがある。例えば、膜の化学組成が所望の組成からシフトしたり、膜の中に欠陥が生じたりする。意図しない物質の取り込みは、先行する膜の成長時に気相成長装置内に付着した、上記物質を含む反応生成物に起因する場合がある。

例えば、ＩｎＡｌＮ膜の気相成長では、ＩｎＡｌＮ膜中への意図しないガリウムの取り込みが問題となる。

ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴは、高い耐圧と低いオン抵抗を実現する。ＨＥＭＴは、積層されたチャネル層とバリア層との間のヘテロ界面に誘起される２ＤＥＧを電流経路として用いる。

例えば、チャネル層にはＧａＮ膜、バリア層にはＡｌＧａＮ膜が用いられる。バリア層にＡｌＧａＮ膜に代えて、ＩｎＡｌＮ膜を適用することが検討されている。

しかし、意図せずＩｎＡｌＮ膜中へガリウムが取り込まれると、例えば、ＩｎＡｌＮ膜とＧａＮ膜の界面の２ＤＥＧ密度の低下や、電子の移動度の低下が生ずるおそれがある。また、化合物組成の急峻な変化が得られないため、良好な誘電体ミラーを形成することが困難である。

特に、ＩｎＡｌＮ膜をＧａＮ膜の上に連続して形成する場合、ＧａＮ膜を形成する際に、シャワープレート２００の表面や、反応室１００の壁面１７に付着したガリウムを含む反応生成物が、ＩｎＡｌＮ膜中へ取り込まれると考えられる。ＩｎＡｌＮ膜中への意図しないガリウムの取り込みを抑制する方法として、例えば、ＩｎＡｌＮ膜を形成する前に、反応室１００を洗浄することが考えられる。しかし、ＩｎＡｌＮ膜を形成する度に、反応室を洗浄することで気相成長装置の稼働率が大幅に低下する。

第１の実施形態の気相成長装置では、ＩＩＩ族元素を含む第１のプロセスガスとＶ族元素を含む第２のプロセスガスを、反応室１００に供給する前に混合して混合ガスを生成することが可能である。

第１のプロセスガスと第２のプロセスガスを混合し、混合ガス室３００からシャワープレート２００を通って反応室１００に供給することで、各ガス噴出孔から放出された後のガス流量とガス密度が均一に保たれる。このため、反応室１００の中での乱流の発生が抑制される。

そして、第１の実施形態の気相成長装置では、ウェハＷを高速で回転させることが可能となる。ウェハＷが１枚の場合は、高速で自転させることが可能となる。高速で回転するウェハによる混合ガスの引き込み効果により、反応室１００の中での乱流の発生が抑制される。

乱流の発生が抑制されることで、シャワープレート２００の表面に反応生成物が付着しにくくなると考えられる。また、反応室１００の壁面１７へ反応生成物が付着しにくくなると考えられる。また、乱流の発生が抑制されることで、シャワープレート２００の表面や反応室１００の壁面１７に付着した反応生成物が、雰囲気中に脱離することも抑制されると考えられる。

また、ウェハＷを高速で回転させることにより混合ガスの反応及び分解を、ウェハＷの表面近傍に限定させることができる。このため、シャワープレート２００の表面や反応室１００の壁面１７等への反応生成物の付着が抑制されると考えられる。

さらに、第１の実施形態の気相成長装置では、シャワープレート２００の反応室の側の表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以上５０μｍ以下である。算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満になると、シャワープレート２００の表面の温度が低下するおそれがある。これは、表面の赤外線に対する反射率が上がり、シャワープレート２００が吸収する熱量が低下するためである。シャワープレート２００の表面Ｓの温度が低下すると、混合ガスの飽和蒸気圧が低下し、反応生成物が付着しやすくなる。

シャワープレート２００の反応室の側の表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ以上とすることで、表面Ｓの赤外線に対する反射率を低くする。したがって、シャワープレート２００の表面Ｓの温度の低下が抑制され、シャワープレート２００の表面Ｓへの反応生成物の付着が抑制される。また、算術平均粗さ（Ｒａ）が５０μｍを上回ると、凹凸のアンカー効果により反応生成物が付着しやすくなるおそれがある。算術平均粗さ（Ｒａ）は、より好ましくは、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。

図５は、第１の実施形態の効果の説明図である。図５は、ＩｎＡｌＮ膜を連続成膜した場合の、ＩｎＡｌＮ膜中のＧａ濃度を示す図である。シャワープレート２００の表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）を変化させて、ＧａＮ膜：２．０μｍ／ＩｎＡｌＮ膜３０ｎｍを、反応室１００のクリーニングなしで連続成膜したときのＩｎＡｌＮ膜中のＧａ濃度を示す。隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌは５ｍｍ、ガス噴出孔２２の孔径Ｄは０．５ｍｍである。

図５に示すように、Ｒａが０．０１μｍの場合は連続成膜が２回からＧａの含有量は検出下限を超えて増大する。Ｒａが０．０５μｍの場合は、連続成膜が２０回まではＧａの含有量は検出下限以下である。Ｒａが０．１μｍ、１μｍ、１０μｍの場合は、連続成膜を２００回行ってもＧａの含有量は検出下限以下である。

Ｒａが２５μｍの場合は、連続成膜が５０回まではＧａの含有量は検出下限以下である。Ｒａが５０μｍの場合は、連続成膜が２０回まではＧａの含有量は検出下限以下である。Ｒａが１００μｍの場合は、連続成膜が１０回からＧａの含有量は下限を超えて増大する。

表面Ｓの算術平均粗さ（Ｒａ）は、例えば、シャワープレート２００の表面を覆う金属めっき層の形成条件を制御することで、所望の値に調整することが可能である。

また、ガス噴出孔２２の孔径Ｄは０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、反応室１００内に十分なプロセスガスを供給することができないおそれがある。上記範囲を上回ると反応室１００の中での乱流が生じやすくなる。

さらに、ホルダ１５に載置されるウェハＷとシャワープレート２００との間の距離は、例えば、５ｃｍ以上１０ｃｍ以下であることが好ましい。上記範囲を下回ると、ウェハＷ表面からシャワープレート２００の表面に向けて戻るプロセスガスが多くなり、シャワープレート２００の表面に付着する反応生成物が多くなるおそれがある。また、上記範囲を上回ると、ウェハＷの外側に流れるプロセスガスが多くなり、膜の形成に寄与しない無駄なプロセスガスが増加するおそれがある。

以上、第１の実施形態の気相成長装置によれば、シャワープレート２００や反応室１００への反応生成物の付着が抑制され、品質の高い膜を形成することが可能となる。例えば、意図しないガリウムの取り込みが抑制されたＩｎＡｌＮ膜を形成することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の気相成長装置は、隣接するガス噴出孔の間のシャワープレートの表面の最大高低差が、隣接するガス噴出孔の中心間の距離以下である点以外は、第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

反応室１００の側の隣接するガス噴出孔２２間の表面の最大高低差（図６（ａ）中のｄ）が、隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離（図６（ａ）中のＬ）以下である。なお、ガス噴出孔２２の反応室１００の側の端部の位置は、ガス噴出孔２２の孔径が反応室１００から混合ガス室３００に向かって最も小さくなる位置と定義する。すなわち、ガス噴出孔２２間の表面は、ガス噴出孔２２の端部の周縁であるテーパ部分を含む。

また、以後、ガス噴出孔２２の孔径は、ガス噴出孔２２の反応室１００の側の端部の位置の孔径（図６（ａ）、図６（ｂ）中のＤ）で代表させる。なお、テーパ部分は、すべてのガス噴出孔２２に形成されていてもよい。

隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌは、例えば１０ｍｍ以下である。ガス噴出孔２２の孔径Ｄは、例えば、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

シャワープレート２０１の表面のアスペクト比を、ガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌに対するシャワープレート表面の最大高低差ｄとする。シャワープレート２０１の表面のアスペクト比が大きくなると、シャワープレート２０１の表面の温度ムラが大きくなる。

これは、高温のウェハＷに由来する輻射熱に対して、影となる部分がシャワープレート２０１の表面に生ずるからである。輻射熱に対して、影となる部分がシャワープレート２０１の表面に生ずると、シャワープレート２０１の表面に低温部分が生じる。シャワープレート２０１の表面に低温部分が生じると、その低温部分の近傍で混合ガスの飽和蒸気圧が低下し、反応生成物が付着しやすくなると考えられる。

第２の実施形態の気相成長装置では、シャワープレート２０１の反応室１００の側の表面のアスペクト比を小さくする。このため、シャワープレート２０１の表面への反応生成物の付着が抑制される。

第２の実施形態の気相成長装置では、例えば、ＩｎＡｌＮ膜をＧａＮ膜の上に連続して形成する場合、ＧａＮ膜の形成中にシャワープレート２０１の表面や反応室１００の壁面１７へのガリウムを含む反応生成物の付着が抑制されると考えられる。また、ＩｎＡｌＮ膜の成膜中に、ガリウムを含む反応生成物が雰囲気中に脱離することが抑制されると考えられる。

図７は、第２の実施形態の効果の説明図である。図７は、ＩｎＡｌＮ膜を連続成膜した場合の、ＩｎＡｌＮ膜中のＧａ濃度を示す図である。シャワープレート２０１の表面Ｓの最大高低差ｄを変化させて、ＧａＮ膜：２．０μｍ／ＩｎＡｌＮ膜３０ｎｍを、反応室１００のクリーニングなしで連続成膜したときのＩｎＡｌＮ膜中のＧａ濃度を示す。隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌは５ｍｍ、ガス噴出孔２２の孔径Ｄは０．５ｍｍである。

図７に示すように、ｄ＝１Ｌ以下、すなわち、ガス噴出孔２２間の最大高低差ｄが、隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌ以下の場合、連続成膜を２００回行ってもＧａの含有量は検出下限以下である。

第２の実施形態の気相成長装置では、隣接するガス噴出孔２２の中心間の距離Ｌは均質な特性の膜を形成する観点から１０ｍｍ以下が好ましい。Ｌは１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以上６ｍｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、反応室１００の中での乱流が生じやすくなる。上記範囲を上回ると膜の特性の均質性が低下する。

以上、第２の実施形態の気相成長装置によれば、第１の実施形態同様、シャワープレート２０１や反応室１００への反応生成物の付着が抑制され、品質の高い膜を形成することが可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の気相成長装置は、隣接するガス噴出孔の間のシャワープレートの表面の最大高低差がガス噴出孔の孔径よりも小さい点以外は、第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態及び第２の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図８は、第３の実施形態のシャワープレートの一部の拡大模式断面図である。図８（ａ）は図２のＡＡ’断面、図８（ｂ）は図２のＢＢ’断面に相当する断面である。

図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、シャワープレート２０２は、ＡＡ’断面及びＢＢ’断面共に同様の形状を備える。シャワープレート２０２のガス噴出孔２２は、反応室１００側の端部に面取りがされている。面取りにより、隣接するガス噴出孔２２の間の表面Ｓに最大高低差（図８（ａ）、図８（ｂ）中のｄ）が生じている。

隣接するガス噴出孔２２の間のシャワープレート２０２の表面Ｓの最大高低差ｄは、ガス噴出孔２２の孔径（図８（ａ）、図８（ｂ）中のＤ）よりも小さい。このため、シャワープレート２０２の反応室１００の側の表面Ｓのアスペクト比は小さい。したがって、シャワープレート２０２の表面への反応生成物の付着が抑制される。

以上、第３の実施形態の気相成長装置によれば、第１の実施形態同様、シャワープレート２０２や反応室１００への反応生成物の付着が抑制され、品質の高い膜を形成することが可能となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の気相成長装置は、合流部を有しない点以外は、第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図９は、第４の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。第４の実施形態の気相成長装置は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる枚葉型のエピタキシャル成長装置である。

第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、及び第３のガス供給路１３は、混合ガス室３００にプロセスガスを供給する。混合ガス室３００は、第１のガス供給口２０ａ、第２のガス供給口２０ｂ、第３のガス供給口２０ｃを備える。

第１のガス供給路１１は、第１のガス供給口２０ａに接続される。第２のガス供給路１２は、第２のガス供給口２０ｂに接続される。第３のガス供給路１３は、第３のガス供給口２０ｃに接続される。第１のガス供給路１１、第２のガス供給路１２、及び第３のガス供給路１３は、混合ガス室３００に至るまで、互いに分離されている。言い換えれば、第４の実施形態の気相成長装置は、第１の実施形態の気相成長装置が備える合流部５０が設けられない。

混合ガス室３００は、ガス混合機構の一例である。第１のプロセスガス、第２のプロセスガス、及び、第３のプロセスガスは、混合ガス室３００内で混合され混合ガスが生成される。

以上、第４の実施形態の気相成長装置によれば、第１の実施形態同様、シャワープレート２００や反応室１００への反応生成物の付着が抑制され、品質の高い膜を形成することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせても構わない。

実施形態では、ガス噴出孔２２が円形の場合を例に説明したが、ガス噴出孔２２は楕円形、長方形等、その他の形状であっても構わない。

実施形態では、ヒータとして、インヒータ２４とアウトヒータ２６の２種を備える場合を例に説明したが、ヒータは１種のみであっても構わない。

実施形態では、気相成長装置について、本発明の説明に直接必要としない部分については記載を省略したが、必要とされる気相成長装置の装置構成等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。

１５ホルダ
１９回転駆動機構
２２ガス噴出孔
５０合流部
１００反応室
２００シャワープレート
２０１シャワープレート
２０２シャワープレート
３００混合ガス室
ｄ最大高低差
Ｄ孔径
Ｌ距離
Ｓ表面
Ｗ基板（ウェハ）

Claims

反応室と、
前記反応室の中に設けられ、基板を保持するホルダと、
前記ホルダを回転させる回転駆動機構と、
ルイス酸を含む第１のガスとルイス塩基を含む第２のガスを混合し混合ガスを生成するガス混合機構と、
前記ガス混合機構と前記反応室との間に設けられ、前記混合ガスを前記反応室の中に噴出する複数のガス噴出孔を有し、前記ガス噴出孔の間の前記反応室の側の表面の算術平均粗さが０．０５μｍ以上５０μｍ以下であるシャワープレートと、
を備え、
前記ホルダを５００ｒｐｍ以上の回転数で回転させ、前記混合ガスを用いた８００℃以上の基板温度での前記基板の上への窒化ガリウム膜の形成と、前記窒化ガリウム膜の上への窒化インジウムアルミニウム膜の形成とを連続して行う、気相成長装置。
前記表面の算術平均粗さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１記載の気相成長装置。
隣接する前記ガス噴出孔の間の前記表面の最大高低差が、隣接する前記ガス噴出孔の中心間の距離以下である請求項１又は請求項２記載の気相成長装置。
前記最大高低差が前記ガス噴出孔の孔径よりも小さい請求項３記載の気相成長装置。
前記ガス混合機構は、前記混合ガスが充填される混合ガス室を含み、前記ガス噴出孔は、前記混合ガス室に接続される請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の気相成長装置。