KR20010088419A - 기상 성장장치 및 기상 성장방법 - Google Patents

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KR20010088419A
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다카마쓰유기치
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야마자키로이치
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Abstract

기판을 탑재시키기 위한 서셉터(susceptor)와 그 기판을 가열하기 위한 원형상 히터가 내장되고, 또한 기판에 실질적으로 평행되도록 배치된 적어도 하나의 원료가스를 함유하는 가스의 도입부를 구비해서된 가로형 반응관을 갖는 반도체막의 기상 성장장치에 있어서, 그 가스의 도입부에 대해서 상기한 원형상 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도 보다 크게 설정해서 된 것을 특징으로하는 기상 성장장치 및 그 장치를 사용한 기상 성장방법으로서 본발명에 의해 복수매의 기판의 동시처리, 또는 큰면적을 갖는 1매의 기판을 처리하는 반도체 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 있어서, 우수한 특성을 갖는 반도체막이 얻어짐과 동시에 원료가스 이용효율이 높고 반응관 벽면에 대한 원료가스 분해생성물 및 반응생성물의 부착이 없는 기상 성장장치 및 기상 성장방법이 얻어진다.

Description

기상 성장장치 및 기상 성장방법 {CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND CHEMICAL VAPOR DIPOSITION PROCESS}
본발명은 반도체막의 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 관한 것이며, 다시또 상세하게는 기판에 실질적으로 평행으로 배치된 가스도입부로부터 원료가스를 도입해서, 가열된 기판상에 반도체막을 기상 성장시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래로부터 반응관 내에 설치한 기판을 가열하면서 원료가스를 흘리므로서 기판상에 반도체결정 등의 박막을 얻는 기상 성장장치 및 그것을 사용한 기상 성장방법이 알려져 있다.
예를들면, 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄, 암모니아등의 원료가스를 수소, 질소등의 희석가스와 함께 기판에 실질적으로 평행인 위치에 설치된 하나이상의 가스도입관으로부터 공급하고, 가열된 기판상에서 결정을 성장시키는 방법이 행해져왔다.
이와같은 방법에 있어서는, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이, 반도체막의 기상 성장용의 반응관(1)에는 기판(2)을 탑재시키기 위한 서셉터(susceptor:웨이퍼를 고정하기 위한 납작한 물체)(3), 가열 히터(4), 가스도입부(5), 및 가스출구(6)가 설치되어 있다.
그리고 기판(2)을 고온으로 유지하면서 원료가스를 함유하는 가스를 도입하여 기판상에 반도체막이 퇴적시켜진다.
이 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 있어서는, 그 반도체막의 용도에 따라 기판에는 사파이어, SiC, 벌크 갈륨질화물 등이 사용되고, 원료가스로서 유기금속화합물, 금속수소화물, 암모니아, 히드라진, 알킬아민류등이 사용된다.
또 기판의 가열온도로서 반도체막의 종류에 따라서 600℃근방, 혹은 1100∼1200℃의 온도로 가열하는 것이 행해진다.
또 이들 반도체막의 기상 성장을 행하는 때에는 균일한 막을 형성시키기 위해 균일한 발열특성을 갖는 히터를 사용함과 동시에 서셉터 상에서 기판을 회전시킨다.
또 기판을 복수매 동시처리하는 경우에는 서셉터상에서 기판을 자전시킴과 동시에 공전시키는 것이 행해진다.
다시또 근년에는 인듐, 갈륨, 알루미늄등의 Ⅲ족원소의 질화물이 청색광 반도체막으로서 실용화된 것에 수반하여 균일한 특성을 갖는 반도체막의 성장방법, 및 그 효율적인 대량생산 방법등이 검토되고있다.
이들 Ⅲ족원소의 질화물 반도체막의 성장에서는 기판은 1150℃정도의 고온도로 가열하는 것이 필요할뿐만 아니라, 가열온도가 이 온도보다도 낮은경우에도 또 높은경우에도 결정에 결함이 생겨 우수한 특성을 갖는 반도체막이 얻어지지 않는것 때문에 기판을 소망의 좁은 온도범위에서 균일하게 가열할 필요가 있다.
또 이와같은 고온에서의 기상 성장방법 에서는 원료가스를 함유하는 가스가 기판부분에서 가열되기 때문에 열대류가 생기는 것에 의해 기판에 대향한 반응관 벽면에 원료가스의 분해생성물 또는 반응생성물이 석출되어 반응관벽을 오염시키는외에 석출된 고체가 기판상에 낙하하므로 결정의 품질을 현저히 열화시킨다는 문제점이 있다.
이 때문에 기상 성장조작을 행하는 때마다 반응관을 세정할 필요가 있고, 생산성이 나쁘다는 불합리함이 있었다. 이 문제의 해결방법으로서 각종 방법이 제안되어있다.
예를들면 기판에 대향하는 위치의 반응관벽을 제외하고 오염 문제가 되는 기판에 대향하는 반응관 벽면을 없애고 기판에 직각으로 교차하는 위치에 가스분사관을 설치해서 기판에 평행인 위치에 설치된 하나이상의 유로로부터 원료가스를 함유하는 가스를 도입함과 동시에 가스분사관으로부터 원료가스를 함유하지 않는 가스를 도입해서 원료를 함유하는 가스를 기판면에 압압하는 방법도 알려져 있다(특허 제2628404호 공보 기재의 방법의 변형).
또 이 방법에서는 기판에 평행으로 배치된 도입부로부터 공급되는 원료가스를 함유하는 가스가 2종류 이상인 경우에는 그들의 혼합도 행하는 방법도 채택되고 있다. 그러나 이 방법에서는 직각으로 교차하는 가스류가 기판상에서 혼합되기 때문에 가스류에 산란이 생겨 가스의 전환이 신속히 행해지지 않거나 원료가스가 부족하게되어 유효하게 사용되지 않는 것 및 큰면적에 걸쳐서 균일한 농도로 원료가스를 공급할수 없다는 문제가 있었다.
이 때문에 이 방법에서는 기판의 대형화, 혹은 복수매의 기판을 동시에 처리하는것과 같은 대형의 장치로 할 수가 없다는 불합리함이 있었다.
다시또 이들 방법에 있어서 기상 성장시, 동시에 처리하는 기판이 복수매인경우 또는 기판이 1매인 경우라도 크기가 큰 경우에는 소면적 1매사양의 기상 성장의 경우에 비해서 얻어진 반도체막의 특성이 나쁜 것, 또한 반응관벽에 부착하는 원료가스 분해생성물의 부착이 많아지고, 원료가스의 이용효율이 낮다는 불합리함이 있었다.
따라서 본발명의 과제는 가로형 반응관을 사용하여, 복수매 기판의 동시처리, 또는 큰면적을 갖는 1매의 기판을 처리하는 반도체 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 있어서, 우수한 특성을 갖는 반도체막이 얻어짐과 동시에, 원료가스 이용효율이 높고, 반응관 벽면에 대한 원료가스 분해생성물 및 반응생성물의 부착이 없는 기상 성장장치 및 기상 성장방법을 개발하는것이다.
본발명자등은 이들 과제를 해결하기위해 예의 연구를 거듭한결과, 가로형의 반응관을 사용한 반도체막의 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 있어서, 기판에 실질적으로 평행으로 배치된 가스도입부로부터 공급되는 원료가스를 함유하는 가스에 접하는 상류측의 기판의 온도가 미묘하게 저하하는 것, 이 때문에 얻어진 반도체막의 특성이 저하하는 것, 반응관벽에 대한 부착물의 증대 및 원료가스 이용율의 저하를 생기게 하는 것을 발견했다.
또 원료가스를 함유하는 가스에 대해서 상류측에서 접하는 히터부분의 발열밀도를 하류측 히터부분의 발열밀도보다도 크게하므로서 우수한 특성을 갖는 반도체막이 얻어지는 것을 발견했다.
다시또 기판에 대향하는 반응관벽에 설치한 통기성의 미세다공질부를 거쳐서반응관내에 원료가스를 함유하지 않은 가스를 공급하므로서 반응관벽에 대한 부착물을 현저히 감소시킬수 있는 것을 발견하여 본발명에 도달했다.
도 1은 본발명의 기상 성장장치의 일례(미세 다공질부를 갖는)를 나타내는 세로 단면도
도 2는 본발명의 기상 성장장치에 있어서의 서셉터의 일례(6매 사양)를 나타내는 평면도
도 3은 본발명의 기상 성장장치에 있어서의 히터의 일례(1)를 나타내는 평면도
도 4는 본발명의 기상 성장장치에 있어서의 히터의 일례(2)를 나타내는 평면도
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1. 반응관 2. 기판
3. 서셉터 4. 히터
5. 가스도입부 6. 배기관
7. 미세다공질부 8. 도입부
9. 간막이판 10. 제1의 유로
11. 제2의 유로 12. 히터부분
즉 본발명은 기판을 탑재시키기위한 서셉터와 그 기판을 가열하기 위한 원형상히터를 내장해서 갖고, 또한 기판에 실질적으로 평행이 되도록 배치된 적어도 하나의 원료가스를 함유하는 가스의 도입부를 구비해서된 가로형반응관을 갖는 반도체막의 기상 성장장치에 있어서, 그 가스의 도입부에 대해서 상기한 원형상 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다 크게 설정해서 된 기상 성장장치이다.
또 본발명은 기판을 탑재시키기위한 서셉터와 그 기판을 가열하기 위한 원형상 히터가 내장되고, 또한 그 기판에 실질적으로 평행이 되도록 배치된 적어도 하나의 원료가스를 함유하는 가스의 도입부를 구비하고, 다시또 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 배치된 통기성의 미세다공질부 및 이것을 거쳐서 반응관내로 원료가스를 함유하지않는 가스를 도입하기위한 가스도입부를 갖고있는 가로형반응관을 갖는 반도체막의 기상 성장장치로서, 그 원료가스를 함유하는 가스의 도입부에대해서 상기한 원형상 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다 크게 설정해서된 기상 성장장치이다.
또 본발명은 가로형반응관내의 서셉터에 탑재된 기판을 히터로 가열하면서 기판에 실질적으로 평행이 되도록 배치된 원료가스를 함유하는 가스의 도입부로부터 원료가스를 함유하는 가스를 공급하여 기판상에 반도체막을 기상 성장시키는 방법에 있어서, 원료가스를 함유하는 가스에 대해서 상기한 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다도 크게 설정하는 것을 특징으로하는 기상 성장방법이다.
다시또 본발명은 가로형 반응관 내의 서셉터에 탑재된 기판을 히터로 가열하면서, 기판에 실질적으로 평행이 되도록 배치된 원료가스를 함유하는 가스의 도입부로부터 원료가스를 함유하는 가스를 공급하고, 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 배치된 미세다공질부를 거쳐서 반응관내에 원료가스를 함유하지않는 가스를 도입해서, 기판상에 반도체막을 기상 성장시키는 방법으로서, 원료가스를 함유하는 가스에 대해서 상기한 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도 보다도 크게 설정하는 것을 특징으로하는 기상 성장방법이다.
본발명은 가로형 반응관 내에 있어서, 가열된 기판상에 원료가스를 함유하는 가스를 공급해서 반도체막을 성장시키는 장치 및 방법에 있어서, 원료가스를 함유하는 가스에 그 상류측에서 접하는 히터부분의 발열밀도를 하류측에서 접하는 히터부분의 발열밀도보다도 크게하므로서 기판을 소망의 좁은 온도범위로 유지하여 균일하게 가열할수가 있고, 우수한 반도체막을 얻을수가 있음과 동시에 원료가스의 이용효율을 높일수가 있고, 또한 반응관벽에 대한 원료가스 분해생성물 혹은 반응생성물의 부착을 감소시킬수 있게 한 기상 성장장치 및 기상 성장방법이다.
다시또 본발명은 상기와 같이 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다 크게함과 동시에, 기판에 대향하는 반응관벽에 설치된 통기성의 미세다공질부를 거쳐서 원료가스를 함유하지 않는 가스를 반응관내로 도입하므로서 반응관벽에 대한 원료가스 분해생성물 혹은 반응생성물의 부착을 현저히 감소시킬수있게한 기상 성장장치 및 기상 성장방법이다.
(실시예)
본발명은 반도체막의 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 적용된다.
본발명은 Ⅲ족금속의 인화물 반도체막, 비소화물 반도체막의 제조에 적용할수도 있으나 특히 Ⅲ족금속의 질화물 반도체막의 제조와 같이 1000℃를 초과하는것과 같은 고온도에 있어서의 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 아주 적당히 적용할수가 있다.
본발명의 기상 성장장치를 도 1에 나타내는 예에 의해 설명한다. 본발명의 기상 성장장치는 가로형 반응관을 사용한 기상 성장장치이다.
반응관(1)에는 기판(2) 및 기판을 유지하여 회전시키기 위한 서셉터(3), 기판을 가열하기 위한 히터(4), 기판에 실질적으로 평행인 위치에 설치된 가스도입부(5) 및 배기관(6)을 구비하고, 다시또 소망에 의해 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 통기성을 갖는 미세다공질부(7)를 배치하여, 이것을 거쳐서 원료가스를 함유하지 않는 가스를 도입하는 도입부(8)가 설치된다.
또한 도 2에는 서셉터(3)의 1예(6매 사양)의 평면도를, 도 3에는 히터(4)의 일례를 나타내고 있다.
또한 도 3의 히터(4)는 직경방향에 따라 120도의 각도로 부채형상으로 분할되어서 각각 히터부분(12),(13a),(13b)가 형성되어 있다.
본 발명에 있어서, 원료가스를 함유하는 가스에 그 상류측에서 접하는 히터부분(12)의 발열밀도는 하류측에 설치되는 히터부분(13a),(13b)의 발열밀도보다도 크게 설정된다.
본발명에 있어서, 반응관, 특히 기상 성장이 행해지는 부분의 가로단면의 형상으로서는, 원형 또는 가로로 긴 타원형상으로 할수도 있으나 기판면과 기판에 대향하는 반응관벽 간을 좁게 설정한 가로로 넓은 직사각형 반응관으로하는 것이 바람직하다.
또 가스도입부(5)는 단일의 가스도입관이어도 되지만 원료가스를 함유하는 가스를 원료가스의 각 성분별로 구분해서 공급할수 있도록 간막이판(9)을 설치하여 이것에 의해 2층으로 구분해서 제1의 유로(10), 제2의 유로(11)로 할수도 있고, 또는 제2의 간막이판을 추가해서 제3의 유로를 설치할수도 있다.
이와같이 본발명의 기상 성장장치에 있어서는, 반응관의 가로단면형상, 가스도입부의 형상 및 방식에 특히 한정되는 것은 아니다.
본발명에 있어서, 히터(4)는 기판에 실질적으로 평행으로 배치된 가스도입부로부터의 원료가스를 함유하는 가스의 상류부(12)의 발열밀도가 하류부(13a),(13b)의 발열밀도보다도 크게 되도록 구성된다.
히터를 구성하는 소재로서는 통상, 몰리브덴, 텅스텐, 실리콘 카바이드, 열분해흑연 등의 저항체를 그대로 혹은 질화붕소 등의 절연재로 피복해서 사용되지만 저항체의 종류, 절연피복의 유무 및 그 종류는 한정되는 것은 아니다.
본발명에 있어서, 히터는 통상은 서셉터와 거의 동일형상의 원판상의 것으로 형성되고, 또 그 상류측 히터부분은 예를들면 도 3에 나타내는바와 같이 가로형 반응관의 중심축 방향에 대해서 좌우대칭으로 ±(40∼90)도의 각도로 둘러싸인 부채형상부분, 바람직하게는 ±(50∼75)도의 각도로 둘러싸인 부채형상 부분이며, 그 발열밀도를 다른부분보다도 크게해서 구성된다.
또 히터를 도 3과 같은 각도로 부채꼴형상으로 분할한 것을 조합해서 구성할수도 있으나 도 4에 나타내는 바와 같이 일체형 원형상 히터를 볼록렌즈 형상과 같이 상기한 상류측을 부분적으로 발열밀도를 변경해서 구성할수도 있다.
본발명에 있어서는 히터의 조립 및 보수가 용이하게 되는 점에서 도 3에 나타내는바와 같은 분할형 히터가 바람직하다.
다시또 원형상히터를 원주방향으로 단계적으로 발열밀도를 변경해서 기상 성장중에 있어서의 기판면의 온도분포의 균일화를 도모할수도 있다.
본발명에 있어서, 히터의 상기한 상류측과 하류측과의 발열밀도(w/cm2)의 비에대해서는 상류측이 크면 특히 한정은 없으나 통상은 (1.1∼2) : 1, 바람직하게는 (1.2∼1.8) : 1 정도이다.
이들 발열밀도에 차이를 주는 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않고 저항체의 종류를 변경해서 구성해도 되고 저항체의 배치밀도를 변경해서 구성해도 되고 다시또 저항체에 인가하는 전압 혹은 전압의 파형을 변경하므로서 행할수도 있다.
또 히터의 각 부분의 발열밀도(w/cm2)는 기판의 가열온도, 원료가스의 유량, 캐리어가스의 유량, 반응관의 형상, 크기등에 의해서도 다르고, 일괄적으로 특정할수없으나 통상은 25∼100w/cm2정도의 범위내이다.
본발명에 있어서, 서셉터에 대해서는 공지기술을 응용할수가 있고, 기판을 유지함과 동시에 기상 성장이 균일하게 행해지도록 기판의 유지매수에 따라 자전 및 공전시킬수 있다.
또 히터의 열을 효율적으로 전달할수 있도록 구성된 것이면 그 구조와 형상은 특별히 한정되지 않는다.
또 히터와 기판간의 열전달방법은 특히 한정되는 것은 아니지만 히터와 기판과의 사이에 기판의 오염방지 및 균등하게 열을 전달할 목적으로 석영 또는 석영과 탄소등의 판을 개재시킬수도 있다.
본발명에 있어서, 사용되는 기판에는 특히 한정은 없고, 사파이어, SiC, 벌크갈륨 질화물 등의 어느것이라도 사용가능하다.
또 서셉터에 탑재되는 기판의 크기 및 매수도 특히 한정되는 것은 아니다.
본발명의 기상 성장장치에 있어서, 기판과 기판에 대향하는 반응관벽과의 간격은 통상은 20mm이하, 바람직하게는 10mm이하, 다시또 바람직하게는 5mm이하이다.
이렇게 하므로서 원료가스의 이용효율을 높일수가 있다.
본발명에 있어서는 기상 성장중에 원료가스의 분해생성물, 혹은 반응생성물이 기판에 대향하는 반응관벽면에 부착하는 것을 방지하기 위해 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 통기성을 갖는 미세다공질부를 설치하여 이 다수의 작은 구멍을 통해서 반응관내에 원료가스를 함유하지 않는 가스를 도입할수가있다.
이와 같이 하여 원료가스를 함유하지않는 가스가 기판에 대향하는 반응관벽면에 얇은 가스층을 형성하여, 반응관벽에 원료가스의 분해생성물 혹은 반응생성물이 부착하는 것을 방지함과 동시에 원료가스의 이용효율을 향상시킬수 있다.
이 미세다공질부는 다수의 직립 관상구로 할수도 있으나 얇은 가스층을 형성할 수 있는 점에서 석영유리등의 소결체로 형성된 것이 바람직하다.
이 소결체의 구멍 직경은 특별히 한정되지 않으나 소결체의 눈이 거칠 경우에는 미세다공질부로부터의 가스유출이 균일하게 행해지지 않을 우려가 있고, 한편 지나치게 미세한 경우에는 압력손실이 크게되어 소망의 가스유량이 얻어지지 않기 때문에 통상은 0.1∼3mm정도이며, 바람직하게는 0.3∼2mm이다.
본발명의 기상 성장장치에 있어서, 미세다공질부의 크기는 반응관의 형상, 반응관의 원료가스를 함유하지않는 가스의 도입부 형식등에 의해 다르고 일률적으로 특정할수는 없다.
통상은 기판에 대향하는 반응관 벽면에 설치되는 미세다공질부의 위치는 기판면에 대향하는 면의 약간 상류부분 혹은 그 근방에 설치되고, 대략 기판에 대응하는 크기로 할수도 있으나, 기판면보다도 하류측으로 연장하므로서 하류측에서의 반응관의 오염을 방지할수가 있다. 그 크기는 통상은 기판면에 대해서 0.5∼5배, 바람직하게는 1.0∼3.5배정도이다.
여기서 기판면의 크기란 기상 성장조작중에 기판의 단면이 그리는 최외측의 궤적에 둘러싸인 면적을 의미하는 것이다.
따라서 통상은 서셉터의 외경의 궤적으로 둘러싸인 면적과 거의 동등한 크기이다.
본발명의 기상 성장장치에 있어서는, 반응관벽에 설치되는 통기성을 갖는 미세다공질부를 거쳐서 원료가스를 함유하지않는 가스를 공급하는 도입부는, 도 1에 나타내는 바와 같이 미세다공질부의 위치로부터 올라가게 설치할수도 있으나, 반응관벽을 2중벽으로 하므로서 일체화된 구조로 할수도 있다.
다시또 미세다공질부의 내압성, 열적강도를 높이기위해 미세다공질부의 형상으로서 곡면을 갖는 구조로 할수도 있다.
본발명의 기상 성장방법은 상기한 본발명의 기상 성장장치에서 설명한 히터의 구성에서 보는 바와 같이 원료가스를 함유하는 가스에 그 상류측에서 접촉하는 히터부분의 발열밀도를 하류측 히터부분의 발열밀도보다 크게한 조건하에서 기상 성장을 행하는 방법이다.
본발명에 적용되는 기판에는 특별한 한정이 없고, 사파이어, SiC, 벌크갈륨질화물 등으로된 기판 등 어느것이나 사용가능하다. 또 동시에 처리되는 기판의 매수도 특히 제한되는 것은 아니다.
본발명의 기상 성장방법에 있어서의 기상 성장용의 원료가스로서는 목적으로하는 반도체막에 따라 다르고, 예를들면 아르신, 포스핀, 실란등의 금속수소화물, 트리메틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리메틸알루미늄등의 유기금속화합물, 암모니아, 히드라진, 알킬아민등이 사용된다.
또한 본발명에 있어서, 원료가스란 결정성장시에 결정구성원소로서 결정중에 집어넣어지는 원소의 공급원이되는 가스를 의미하는 것이다.
또 원료가스를 함유하는 가스로서는 상기한 원료가스를 수소, 헬륨, 질소등의 가스에 의해 희석되어서 공급되는 가스를 사용할수가 있다.
본발명의 기상 성장방법에 있어서, 통기성을 갖는 미세다공질부를 거쳐서 반응관에 도입되는 원료가스를 함유하지않는 가스는 반응관벽면에 얇은 가스층을 형성하기 위한 것이며, 기상 성장에 기여하지 않는 가스가 사용되고, 통상은 수소, 헬륨, 아르곤, 질소등의 원료가스를 함유하지 않는 가스이다.
또 그 유량은 얇은 가스층을 형성할수 있으면 되는 것이므로 기판면적과 동등한 크기의 미세다공질부의 면적당 통상은 원료가스를 함유하는 가스의 유량의 1/5∼1/30, 바람직하게는 1/5∼1/10정도이다.
이것보다 많으면 기판상의 가스의 흐름을 산란시킬 우려가 있고 지나치게 적은 경우에는 얇은 가스층을 형성할 수가 없으며, 원료가스를 함유하지않는 가스공급의 효과가 얻어지지 않게 된다.
여기서 "미세다공질부의 면적당, 에서 면적이란 기판면적과 동등한 크기" 라고 규정하는 바와 같이, 미세다공질부가 반응관의 기판부분에 대향하는 부분보다도 하류부분까지 설치되어있는 경우에는 그 면적에 대응해서 원료가스를 함유하지 않는 가스의 공급량이 증대하는 것을 의미하는 것이다.
또한 본발명에 있어서, 통기성을 갖는 미세다공질부로부터 도입되는 원료가스를 함유하지않는 가스는 상기와 같이 통상은 기상 성장반응에 기여하지 않는 가스가 사용된다.
그러나 암모니아와 같이 그 자체가 분해되어도 분해생성물이 기체에 한정되는 것과 같은 가스의 경우에는 상기한 수소, 헬륨, 질소등 대신에 혹은 이들가스와 혼합해서 사용할 수도 있다.
상기와 같이 반응관을 구성하므로서 기판에 대향하는 반응관벽을 오염시키는 일이없이, 기상 성장을 행하게 할수가있다.
다시또 반응관벽으로부터 원료가스의 분해생성물, 혹은 반응생성물이 낙하하는 일이 없고, 반응관을 청소하는 일이 없이 반복해서 성장조작을 행하게 할수가 있다.
본발명의 기상 성장장치 및 기상 성장방법에 의해 1000℃이상의 기상 성장에 있어서도, 기판을 균일한 온도로 가열 유지할수가 있고 우수한 특성을 갖는 반도체막의 성장이 된다.
또 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 대한 원료가스의 분해생성물 또는 반응생성물의 부착에 의한 오염을 방지할수가 있고 원료가스의 이용효율을 높일 수가 있다.
다시또 반응관의 청소를 행하는 일 없이 기상 성장조작을 반복해서 행할수가있다. 또 기판상의 고형물의 낙하가 없어진 것 때문에 항상 고품질의 결정이 수율이 양호하게 얻어진다.
다음에 실시예에 의해 본발명을 구체적으로 설명하지만 이것에 의해 본발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 나타내는 구성과 같은 구성을 갖는 석영제(내부치수로 폭 280mm, 높이 20mm, 길이 1500mm)의 반응관을 갖고, 직경 2인치의 기판 6매를 동시에 처리할 수 있는 기상 성장장치를 제작했다.
또 히터는 열분해흑연을 질화붕소로 절연피복한 것이며, 직경 260mm의 원형상으로 각각 120도의 각도로 부채꼴형상으로 3분할 되어있고 원료가스를 함유하는 가스에 대해서 상류측 히터부분의 발열밀도와 하류측 히터부분의 발열밀도의 비를 1.3 : 1이 되도록 설정했다.
또한 기판과 평행으로 대향하는 반응관 벽면에 배치한 통기성을 갖는 미세다공질부의 면적은 서셉터 면적의 1.5배였다. 이 장치를 사용해서 다음과 같이 직경 2인치의 사파이어 기판상에 GaN의 결정성장을 행했다.
사파이어 기판을 서셉터상에 설치하고 반응관내를 수소가스로 치환한 후, 가스도입부의 제1의 유로로부터 암모니아와 수소의 혼합가스(암모니아 40L/min, 수소 10L/min)를 도입함과 동시에 미세다공질부를 거쳐서 질소가스(질소 50L/min)를 공급하면서 기판을 1050℃로 20분간 가열하여 기판의 열처리를 행했다.
다음에 기판의 온도를 1150℃로 온도상승시켜 온도를 안정화시킨후, 가스도입부의 제1유로부터는 암모니아와 수소의 혼합가스(암모니아 40L/min, 수소 10L/min)를 도입함과 동시에 제2의 유로부터는 트리메틸갈륨을 함유하는 수소가스 (트리메틸갈륨 240μmol/min, 수소 50L/min)를 도입했다.
또 동시에 미세다공질부를 거쳐서 질소가스(질소 50L/min)를 공급하여 GaN의 기상 성장을 60분간 이행했다. 그동안 서셉터는 매분 12회전시켰다. 이와 같이해서 기상 성장을 5회 반복했다. 여기서 L/min은 liter/min의 약자이다. 그 결과 이 사이의 기판에 대향하는 반응관의 벽면에 고형물의 부착은 확인되지 않았다.
또 냉각후 기판을 꺼내어 GaN의 막의 두께를 측정한바 기판면 내에서 평균 2±0.1㎛이며, 균일한 막의 두께가 얻어졌다.
여기서 얻어진 GaN막의 각각의 전기특성을 측정한 바 평균치로서 캐리어농도가 3×1017/cm3, 캐리어 이동도는 450cm2/V·s이며, 대단히 우수한 특성을 갖는 결정이 수득되는 것이 확인되었다.
실시예 2
실시예 1에 있어서의 히터를 일체형 히터로서 직경 260mm, 열분해흑연을 질화붕소로 절연피복하고 도 4에 나타내는 바와 같이 그 중심으로부터 500mm의 위치에 중심을 갖는 직경 500mm의 원궤적과 그 히터의 원주로 둘러싸인 볼록렌즈 형상부분의 발열밀도와 다른부분의 발열밀도의 비를 1.35 : 1로 설정했다.
기타의 조건은 실시예 1과 같이해서 직경 2인치의 사파이어 기판 상에 GaN의 결정성장을 행했다. 그 결과 사이의 반응관 벽면에서의 고형물의 부착은 확인되지않았다. 또 냉각후 기판을 꺼내어 GaN의 막 두께를 측정한 바 기판면 내에서 평균 2.1±0.1㎛이며, 균일한 막두께가 얻어졌다.
여기서 얻어진 GaN막의 각각의 전기특성을 측정한바 평균치로서 캐리어농도가 3×1017/cm3, 캐리어 이동도는 420cm2/V·s이며, 대단히 우수한 결정이 수득되는 것이 확인되었다.
비교예 1
실시예 1에 있어서의 120도로 분할된 히터의 모두를 동일한 발열밀도로 설정함과 동시에 반응관을 미세다공질부를 갖지않는 반응관으로 대체하고, 이에 따라기판에 평행으로 대향하는 반응관벽으로부터의 질소의 도입을 행하지 않은 것 외는 실시예 1과 같이해서 GaN의 기상 성장을 행했다.
그 결과, 기상 성장의 공정중 기판에 대향하는 반응관 벽부분으로부터 하류의 부분에 서서히 원료가스의 분해생성물이 부착되는 것이 확인되었다.
또 2회째의 성장에 있어서는 기판상에 반응관벽의 부착물이 낙하하는 것이 보이고 표면상태가 대단히 열화했다.
또한 1회째의 성장실험에 있어서의 GaN의 막두께를 측정한 바, 기판면내에서 평균 2.1±0.1㎛였다. 또 전기특성을 측정한 바 캐리어농도가 1.5×1018/cm3, 캐리어이동도는 320cm2/V·s였다.
반응관벽에 대한 원료가스 분해생성물 혹은 반응생성물의 부착을 현저히 감소시킬수 있게 하는 기상 성장장치 및 기상 성장방법을 제공하므로서 산업상 기여하는 바가 크다.

Claims (12)

  1. 기판을 탑재시키기 위한 서셉터(susceptor)와 그 기판을 가열하기 위한 원형상히터가 내장되고, 또한 기판에 대해 실질적으로 평행이 되도록 배치된 적어도 하나의 원료가스를 함유하는 가스의 도입부를 갖춘 가로형 반응관을 구비한 반도체막의 기상 성장장치로서, 그 가스의 도입부에 대해서 상기한 원형상 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다 크게 설정한 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  2. 기판을 탑재시키기 위한 서셉터와 그 기판을 가열하기 위한 원형상 히터가 내장되고, 또한 그 기판에 실질적으로 평행이 되도록 배치된 적어도 하나의 원료가스를 함유하는 가스의 도입부를 구비하고, 다시또 기판과 평행으로 대향하는 반응관벽에 배치된 통기성의 미세다공질부 및 이것을 거쳐서 반응관내로 원료가스를 함유하지않는 가스를 도입하기 위한 가스도입부를 갖춘 가로형 반응관을 구비한 반도체막의 기상 성장장치로서, 그 원료가스를 함유하는 가스의 도입부에 대해서 상기한 원형상히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도보다 크게 설정한 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부와 하류부의 발열밀도의 비가 (1.1∼2):1 인 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  4. 제2항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부와 하류부의 발열밀도의 비가 (1.1∼2):1 인 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부가 가로형 반응관의 중심축방향에 대해서 ±(40∼90)도의 각도로 부채꼴 형상으로 분할되어 설치된 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  6. 제2항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부가 가로형 반응관의 중심축방향에 대해서 ±(40∼90)도의 각도로 부채꼴 형상으로 분할되어 설치된 것을 특징으로 하는 기상 성장장치.
  7. 가로형 반응관내의 서셉터에 탑재된 기판을 히터로 가열하면서 기판에 대해 실질적으로 평행이 되도록 배치된 원료가스를 함유하는 가스의 도입부로부터 원료가스를 함유하는 가스를 공급하여 기판상에 반도체막을 기상 성장시키는 방법으로서, 원료가스를 함유하는 가스에 대하여 상기 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도 보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 기상 성장방법.
  8. 가로형 반응관내의 서셉터에 탑재된 기판을 히터로 가열하면서 기판에 대해 실질적으로 평행이 되도록 배치된 원료가스를 함유하는 가스의 도입부로부터 원료가스를 함유하는 가스를 공급하여 기판과 평행으로 대향하는 반응관 벽에 배치된 미세다공질부를 거쳐서 반응관 내에 원료가스를 함유하지 않는 가스를 도입하여 기판상에 반도체막을 기상 성장시키는 방법으로서, 원료가스를 함유하는 가스에 대하여 상기 히터의 상류부의 발열밀도를 하류부의 발열밀도 보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 기상 성장방법.
  9. 제7항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부과 하류부의 발열밀도의 비가 (1.1∼2):1 인 것을 특징으로 하는 기상 성장방법.
  10. 제8항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부과 하류부의 발열밀도의 비가 (1.1∼2):1 인 것을 특징으로 하는 기상 성장방법.
  11. 제7항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부가 가로형 반응관의 중심축 방향에 대해서 ±(40∼90)도의 각도로 부채꼴 형상으로 분할되어 설치된 것을 특징으로하는 기상 성장방법.
  12. 제8항에 있어서,
    원형상 히터의 상류부가 가로형 반응관의 중심축 방향에 대해서 ±(40∼90)도의 각도로 부채꼴 형상으로 분할되어 설치된 것을 특징으로하는 기상 성장방법.
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