KR20090052798A

KR20090052798A - 유기 금속 기상 성장 장치

Info

Publication number: KR20090052798A
Application number: KR1020080101149A
Authority: KR
Inventors: 마사키 우에노; 에이료 다카스카
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2009-05-26
Also published as: CN101440479B; JP2009130043A; US20090126635A1; US8920565B2; EP2062996A3; TW200931571A; CN101440479A; JP4466723B2; TWI378526B; KR101026446B1; EP2062996A2

Abstract

본 발명은, 성막되는 막의 두께를 균일하게 하면서 성막 효율을 향상할 수 있는 MOCVD 장치를 제공한다.

MOCVD 장치(1)는 서셉터(5)와, 통로(11)를 구비하고 있다. 서셉터(5)는 기판(20)을 가열하고, 또한 기판(20)을 얹어 놓기 위한 적재면을 갖고 있다. 통로(11)는 기판(20)에 반응 가스(G)를 도입하기 위한 것이다. 통로(11)의 내부에 적재면이 면한 상태로 서셉터(5)는 회전 가능하다. 통로(11)는 통로(11b)와 통로(11c)를 갖고 있고, 또한 통로(11b)와 통로(11c)는 위치(A4)보다도 상류측에서 합류하고 있다. 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 통로(11)의 높이는, 위치(P1)로부터 하류측을 향해 위치(P2)까지 단조 감소하고 있고, 또한 위치(P2)로부터 위치(P3)까지 일정하며, 또한 위치(P3)로부터 하류측을 향해 단조 감소하고 있다. 위치(P1)는 위치(A4)보다도 상류측에 있고, 또한 위치(P3)는 서셉터(5) 상에 있다.

Description

유기 금속 기상 성장 장치{METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR}

본 발명은, 유기 금속 기상 성장 장치에 관한 것으로, 보다 특정적으로는, 질화물 반도체층을 성막하기 위한 유기 금속 기상 성장 장치에 관한 것이다.

유기 금속 기상 성장(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor deposition)법은, 대표적인 기상 성막법의 하나로서, 예컨대 III족 유기 금속을 기화시켜, 그것을 기판 표면에서 열적으로 분해시켜, V족 가스와 반응시켜 성막하는 방법이다. 이 방법은 막 두께나 조성의 제어가 가능하고, 또한 생산성이 우수하기 때문에, 반도체 장치를 제조할 때의 성막 기술로서 널리 이용되고 있다.

MOCVD 법에 이용되는 MOCVD 장치는, 챔버와, 챔버 내에 배치된 서셉터와, 기판 표면에 반응 가스를 흐르게 하기 위한 관로를 구비하고 있다. MOCVD 장치에 있어서는, 서셉터 상에 기판을 얹어 놓고, 기판을 적당한 온도로 가열하고, 관로를 통해 기판 표면에 유기 금속의 가스를 도입함으로써 성막이 행해진다. 여기서, 성막되는 막의 두께를 균일하게 하기 위해, MOCVD 장치에는 반응 가스를 기판 표면에 따라 균일하게 흐르게 하는 것이 요구된다. MOCVD 장치에 있어서는, 반응 가스를 기판 표면에 따라 균일하게 흐르게 하기 위해서, 여러 가지의 관로 형상이 제안되어 왔다.

종래의 MOCVD 장치로서, 예컨대 일본 특허 공개 평2-291113호 공보(특허 문헌 1)에는, 반응 가스를 기판의 상부까지 유도하는 도입관을 갖는 기상 성장 장치가 개시되어 있다. 도입관은, 서셉터를 내부에 수납하는 시료 적재실과, 기판의 측방으로부터 반응 가스를 기판 상에 내뿜어, 단면 형상이 기판의 폭 방향에 따라 길고 기판의 높이 방향으로는 짧게 편평한 협착부(constricted part)와, 기판의 상부에 위치하고, 협착부에서의 높이 방향의 폭에 대략 동등한 간격 또는 반응 가스의 하류측을 향해 좁아지는 간격으로, 기판을 상부로부터 균일하게 덮고, 반응 가스를 기판 표면에 따라 안내하는 안내부를 갖고 있다. 서셉터는 시료 적재실에 고정되어 있고, 반응 가스류의 하류측에서 기판을 얹어 놓고 있다.

또한, 예컨대 일본 특허 공개 평6-216030호 공보(특허 문헌 2)에는, 기판 상에 반응 가스를 도입하기 위한 플로우 채널을 갖는 화합물 반도체 기상 성장 장치가 개시되어 있다. 플로우 채널은 상류측에서 하류측으로 감에 따라 높이 방향의 폭이 좁아지는 것과 같은 테이퍼를 갖고 있다. 이 테이퍼의 하부에는 서셉터가 고정되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평2-291114호 공보(특허 문헌 3) 및 일본 특허 공개 평2-291113호 공보(특허 문헌 1)에는, 기판을 얹어 놓기 위한 회전하는 서셉터와, 기판에 반응 가스를 도입하기 위한 라이너관을 구비하는 기상 성장 장치가 개시되어 있다. 라이너관의 높이는 반응 가스의 도입로 전체에 걸쳐 단조 감소하고 있다.

MOCVD 장치에 있어서는 성막 효율을 올리는 것이 요구되고 있고, 서셉터를 대형화하면 한번에 다수의 기판을 가열할 수 있으며, 또한 대직경의 기판을 성막할 수도 있기 때문에, 성막 효율이 향상한다. 그러나 서셉터를 대형화하면, 서셉터의 상류측과 하류측의 거리가 커지고, 그에 의해 서셉터의 상류측과 하류측의 각각에 있어서의 반응 가스의 조건(예컨대 반응 가스의 농도나 온도 등)이 크게 상이해지게 된다. 그 결과, 성막되는 막의 두께가 균일하지 않게 된다고 하는 문제가 발생한다. 이 때문에, 종래에 있어서는, 성막되는 막의 두께를 균일하게 하면서 성막 효율을 향상할 수는 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 성막되는 막의 두께를 균일하게 하면서 성막 효율을 향상할 수 있는 MOCVD 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 성막되는 막의 평탄성을 향상하면서 막의 두께를 균일하게 할 수 있는 MOCVD 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 MOCVD 장치는, 반응 가스를 이용하여 기판에 성막하기 위한 유기 금속 기상 성장 장치로서, 가열 부재와, 통로를 구비하고 있다. 가열 부재는 기판을 가열하고, 또한 기판을 얹어 놓기 위한 적재면을 갖고 있다. 통로는 기판에 반응 가스를 도입하기 위한 것이다. 통로의 내부에 적재면이 면한 상태로 가열 부재는 회전 가능하다. 통로는 제1 통로와 제2 통로를 갖고 있고, 또한 제1 통로와 제2 통로는 적재면의 상류측 단부보다도 상류측에서 합류하고 있다. 반응 가스의 흐름 방향에 따른 통로의 높이는, 제1 위치로부터 하류측을 향해 제2 위치까지 단조 감소하고 있고, 또한 제2 위치로부터 제3 위치까지 일정하며, 또한 제3 위치로부터 하류측을 향해 단조 감소하고 있다. 제1 위치는 적재면에서의 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측에 있고, 또한 제3 위치는 가열 부재 상에 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 따르면, 제3 위치보다도 하류측에서의 막의 성장 속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 적재면의 위치와 막의 성장 속도의 관계를 선(線)형에 가깝게 할 수 있다. 그 결과, 가열 부재를 회전시킴으로써 기판에 성막되는 막의 두께를 균일하게 할 수 있다. 또한, 가열 부재의 상류측과 하류측의 각각에 있어서의 반응 가스의 반응 조건을 균일하게 할 필요가 없기 때문에, 가열 부재를 대형화하여, 성막 효율을 향상할 수 있다.

또한, 적재면에서의 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측에서 통로의 높이가 단조 감소하고 있기 때문에, 제1 통로를 통과하는 가스와 제2 통로를 통과하는 가스의 혼합이 기판의 적재 위치의 상류측 단부에서 촉진된다. 그 결과, 적재면 상류측에서의 성장 속도가 증가하고, 결과적으로 반응 가스의 흐름 방향의 성장 속도의 선형성이 양호하게 되기 때문에, 성막되는 막의 평탄성을 향상시키면서, 막의 두께를 균일하게 할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 있어서 바람직하게는, 제2 위치는 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측에 있다. 이에 따라, 적어도 기판의 적재 위치의 상류측 단부로부터 제3 위치까지의 통로의 높이가 일정해지기 때문에, 기판 상에 있어 서의 반응 가스의 흐름을 층류에 가깝게 할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 있어서 바람직하게는, 제2 위치는 적재면의 상류측 단부보다도 상류측에 있다. 이에 따라, 적어도 가열 부재에서의 적재면의 상류측 단부로부터 제3 위치까지의 통로의 높이가 일정해지기 때문에, 적재면에 도달하기 전에 반응 가스의 흐름을 층류에 가깝게 할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 있어서 바람직하게는, 제1 위치는 제1 통로와 제2 통로가 합류하는 위치보다도 하류측에 있다. 이에 따라, 제1 통로를 통과한 가스와 제2 통로를 통과한 가스가 합류한 후에, 제1 통로를 통과한 가스와 제2 통로를 통과한 가스의 혼합을 촉진할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 있어서 바람직하게는, 제3 위치로부터 하류측을 향해 제4 위치까지 단조 감소하고 있다. 제4 위치는 기판의 적재 위치의 하류측 단부, 또는 기판의 하류측 단부보다도 하류측에 있다. 이에 따라, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 기판의 적재 위치와 막의 성장 속도의 관계를 선형으로 할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 있어서 바람직하게는, 통로는 제1 위치와 제2 위치 사이에 형성된 제1 경사부와, 제3 위치로부터 하류측을 향해 형성된 제2 경사부를 갖고 있다. 제1 경사부 및 제2 경사부는, 반응 가스의 흐름 방향에 대해 경사져 있다. 이에 따라, 통로의 높이가 일정한 비율로 감소하기 때문에, 반응 가스의 흐름의 혼란을 억제할 수 있다.

본 발명의 MOCVD 장치에 따르면, 성막되는 막의 두께를 균일하게 하면서 성 막 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 성막되는 막의 평탄성을 향상시키면서, 막의 두께를 균일하게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면에 기초하여 설명한다.

(실시형태 1)

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2는 도 1의 서셉터 부근의 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치(1)는, 챔버(3)와, 가열 부재로서의 서셉터(5)와, 히터(9)와, 통로(11)를 구비하고 있다. 챔버(3) 내에는 서셉터(5)와 히터(9)와 통로(11)가 배치되어 있다. 통로(11)는 도 1 중 가로 방향으로 연장되어 있고, 통로(11)의 내부에는 서셉터(5)의 적재면(도 1에서는 상면)이 면하고 있다.

서셉터(5)는 원반 형상을 갖고 있고, 동일하게 원반 형상을 갖는 히터(9) 상에 배치되어 있다. 서셉터(5)의 하부에는 회전축(13)이 부착되어 있고, 이에 따라, 서셉터(5)는 통로(11)의 내부에 적재면이 면한 상태로 회전 가능해지고 있다. 서셉터(5)의 적재면에는 평면적으로 보아 원형 형상을 갖는 복수의 홈(7)이 형성되어 있다. 이들 홈(7)의 각각에 기판(20)의 각각을 얹어 놓아, 이에 의해 기판(20)이 가열된다. 특히 도 2를 참조하여, 서셉터(5)의 적재면에는 7개의 홈(7)이 형성되어 있고, 이들 홈(7)의 각각에 원형의 기판(20)을 얹어 놓는다.

통로(11)는 서셉터(5)의 적재면에 대해 평행하게 연장되어 있고, 반응 가스의 흐름 방향(도 1 중 좌측으로부터 우측으로 향하는 방향)으로 수직인 면에서 보 면직사각형의 단면 형상을 갖고 있다. 또한, 통로(11)는 가로형 삼층류 방식이고, 상류측(도 1 중 좌측)에 3개의 통로(11a∼11c)를 갖고 있으며, 통로(11b)(제1 통로)와 통로(11c)(제2 통로)는 위치(A1)에서 합류하고 있고, 통로(11a)와, 통로(11b) 및 통로(11c)는 위치(A2)에서 합류하고 있다. 위치(A1 및 A2)는 반응 가스(G)의 흐름 방향(도 1 중 좌측으로부터 우측으로 향하는 방향)에서 보아, 서셉터(5)의 적재면의 상류측 단부인 위치(A3)보다도 상류측에 위치하고 있다. 통로(11a∼11c)의 각자는 각각 높이(t1∼t3)를 갖고 있다. 또한, 위치(A2)로부터 위치(P1)[위치(P1)에 대해서는 후술함]까지의 통로(11)의 높이(t4)는 t4≥ t1+ t2+ t3을 만족하고 있는 것이 바람직하다.

MOCVD 장치(1)에서는, 서셉터(5)의 적재면에 복수의 기판(20)을 얹어 놓아, 히터(9)에 의해 서셉터(5)가 가열되어 회전된다. 그리고, 통로(11a∼11c)의 각각으로부터 반응 가스를 구성하는 가스(G1∼G3)가 도입된다. 반응 가스는 도 1 중 우측 방향으로 흐르게 된다. 예컨대 III-V족의 질화물 반도체층을 성막하는 경우, 가스(G1)로서 H₂(수소) 가스나 N₂(질소) 가스 등의 퍼지 가스가 이용되고, 가스(G2)로서 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸인듐(TMI), 또는 트리메틸알루미늄(TMA) 등의 III족 원소를 함유하는 유기 금속 가스와, H₂가스나 N₂ 가스 등의 캐리어 가스와의 혼합가스가 이용되며, 가스(G3)로서 NH₃(암모니아) 가스 등의 V족 원소를 포함하는 가스와, H₂ 가스나 N₂가스 등의 캐리어 가스와의 혼합 가스가 이용된다. 이들 가스(G1∼G3)의 각각이 통로(11a∼11c)의 각각에 도입되면, 위치(A1)에서 가스(G2)와 가스(G3)의 혼합이 개시되고, 위치(A2)에서 가스(G1)의 혼합이 더 개시되어, 반응 가스(G)가 구성된다. 그리고 이 반응 가스(G)가 서셉터(5) 상에서 적재면에 평행하게 도입되어 확산되어, 서셉터(5)에 의해 가열된다. 반응 가스(G)에 함유되는 유기 금속 가스는 가열에 의해 분해되어 중간 반응체가 되고, 동일하게 가열에 의해 분해한 암모니아의 중간 반응체와 반응하여 질화물 반도체가 된다. 그 결과, 질화물 반도체층이 기판(20)의 표면에 성막된다.

MOCVD 장치(1)에 있어서, 통로(11)의 상부(15a)에는 경사부(S1 및 S2)가 형성되어 있고, 경사부(S1 및 S2)는 반응 가스의 흐름 방향에 대해 경사져 있다. 통로(11)의 높이는 반응 가스의 흐름 방향에 따라 변화하고 있다. 도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치와 통로의 높이와의 관계를 도시한 도면이다.

도 1 및 도 3을 참조하여, 서셉터(5)의 적재면에서의 기판(20)의 적재 위치의 상류측 단부를 위치(A4)로 하고, 서셉터(5)의 적재면에서의 기판(20)의 적재 위치의 하류측 단부를 위치(A5)로 한다. 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 통로(11)의 높이는, 통로(11b)와 통로(11c)의 합류에 따라 위치(A1)에서 불연속적으로 증가하고, 통로(11a)와 통로(11b) 및 통로(11c)의 합류에 따라 위치(A2)에서 불연속적으로 증가하고 있다. 그리고, 위치(A2)로부터 위치(P1)(제1 위치)까지 일정한 높이(t4)를 갖고 있다. 계속해서, 위치(P1)로부터 하류측을 향해 위치(P2)(제2 위치)까지 단조 감소(선형으로 감소)하고 있고, 이 부분이 경사부(S1)이다. 다음으로, 위치(P2)로부터 위치(A3) 및 위치(A4)를 사이에 두고 위치(P3)(제3 위치)까지 일정 한 높이(t5)를 갖고 있다. 그리고, 위치(P3)로부터 하류측을 향해 위치(P4)까지 단조 감소(선형으로 감소)하고 있고, 이 부분이 경사부(S2)이다. 그 후, 위치(P4)보다도 하류측의, 위치(A5)를 포함하는 영역에서는 일정한 높이(t6)를 갖고 있다.

MOCVD 장치(1)에 있어서, 위치(P1)는 위치(A1)와 동등하거나, 또는 위치(A1)보다도 하류측에 있다. 또한, 위치(P1) 및 위치(P2)는 위치(A3)보다도 상류측에 있다. 위치(P3)는 서셉터(5) 상[다시 말해, 위치(A3)와, 서셉터(5)의 적재면의 하류측 단부와의 사이]에 있다. 위치(P4)는 위치(A5)보다도 상류측에 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서의 위치(P1∼P4)의 각각의 위치는 예시이고, 본 발명의 MOCVD에서는, 적어도, 위치(P1)가 위치(A4)보다도 상류측에 있으면 좋고, 또한 위치(P3)가 서셉터(5) 상에 있으면 좋다. 이 때문에, 위치(P2)가 위치(A3)보다도 하류측에 있으나 또한 위치(A4)보다도 상류측에 있으면 좋고, 또한 위치(P1) 및 위치(P2)의 양쪽이 위치(A3)보다도 하류측에 있으나 또한 위치(A4)보다도 상류측에 있어도 좋다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 통로(11)의 상부(15a)에 경사부(S1)를 형성함으로써 위치(P1)로부터 위치(P2)까지 통로(11)의 높이를 단조 감소시키고 있지만, 본 발명은 이러한 경우 외에, 예컨대 도 4에 도시한 바와 같이, 통로(11)의 상부(15a)에 단차부(16)를 형성함으로써, 통로(11)의 높이를 높이(t4)로부터 높이(t5)로 불연속적으로 감소시켜도 좋다. 이 경우, 위치(P1)와 위치(P2)는 동일한 위치가 된다. 또한, 통로(11)의 상부(15a)가 아니라 하부(15b)에 경사부(S1) 및 경사부(S2)를 형성하여도 좋고, 통로(11)의 상부(15a)가 아니라 하부(15b)에 단차 부(16)를 설치하여도 좋다.

다음으로, 본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치의 효과에 대해 설명한다.

도 5는 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 5를 참조하여, 첫번째로 본원 발명자 등은, 일점쇄선으로 도시한 바와 같은 통로(W1)를 갖는 MOCVD 장치(비교예 1)를 준비했다. 통로(W1)의 상부에는 경사부(S101)가 형성되어 있고, 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 통로(W1)의 높이는, 위치(P101)로부터 하류측을 향해 위치(P102)까지 단조 감소(선형으로 감소)하고 있고, 그 후, 위치(P102)보다도 하류측의 영역에서는 일정한 높이(t6)를 갖고 있다. 또한, 이외의 MOCVD 장치의 구성은, 도 1에 도시하는 MOCVD 장치의 구성과 동일하다.

이 MOCVD 장치를 이용하여, 서셉터(5)를 회전시키지 않고서 반도체 질화물층인 InGaN층을 기판의 표면에 성막했다. 그리고, 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 위치(A2)로부터의 거리와 InGaN 성장 속도와의 관계를 조사했다. 이 결과를 도 6에 도시한다. 또한, 도 6의 결과는, 서셉터의 폭 방향에 있어서의 중심선(도 2에 있어서의 선 C)에 따른 결과이고, 도 6 중 화살표로 나타낸 범위는, 서셉터(5)의 적재면에서의 기판(20)을 얹어 놓는 위치이다. 또한 비교를 위해, 통로(W1) 및 서셉터(5)의 사이즈를 2인치의 기판 1장을 얹어 놓을 수 있도록 유사하게 축소한 장치에 있어서, 2인치의 기판(20)을 1장 얹어 놓은 경우의 결과도 함께 나타내고 있다.

도 6을 참조하여, 7장의 기판을 얹어 놓은 서셉터에 있어서의 InGaN의 성장 속도는, 위치(A2)로부터 약 40 mm의 위치(즉, 서셉터의 개시 위치)에서 0으로부터 크게 증가하고, 상류측 단부로부터 약 85 mm의 위치에서 최대치를 나타내며, 그 후 완만하게 감소하고 있다. 또한, 1장의 기판을 얹어 놓은 경우에 있어서의 InGaN의 성장 속도는 거의 단조 증가하고 있다.

도 6의 결과에 있어서, 서셉터의 개시 위치에서 0으로부터 크게 증가하고 있는 것은, III족 원소와 V족 원소와의 반응이 개시하기 위해서는 서셉터 상에서 반응 가스가 가열될 필요가 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 최대치를 나타내는 것은, 하류에 걸쳐 원료의 확산이 진행하고 경계층이 발달하므로, 농도 경사가 일단 증가한 후에 완만하게 되기 때문이다. 또한, 도 6의 결과로부터, 서셉터를 회전하지 않는 경우에는, 서셉터의 대형화에 따라 반응 가스의 상류측과 하류측에서 반응 조건이 크게 다른 것을 알 수 있다.

다음으로 본원 발명자 등은, 비교예 1의 MOCVD 장치를 이용하여, 서셉터를 회전시키면서 InGaN층을 기판의 표면에 성막했다. 단, 서셉터에 얹어 놓은 기판의 수는 6장으로 하고, 서셉터의 중심으로부터 53 mm 떨어진 위치에 기판의 중심이 오 도록 각각의 기판을 얹어 놓았다. 그리고, 서셉터의 중심으로부터의 거리와 InGaN의 성장 속도의 관계를 조사했다. 또한 비교를 위해, 2인치의 기판 1장을 얹어 놓을 수 있는 사이즈의 장치에 있어서, 2인치의 기판을 1장 얹어 놓은 경우의 결과도 합쳐서 나타내고 있다. 그 결과를 도 7에 도시한다. 또한, 기판 내에서의 InGaN 성장 속도 분포폭을 표 1에 나타낸다.

[표 1]

	6장의 기판을 얹어 놓은 경우	1장의 기판을 얹어 놓은 경우
InGaN 성장 속도 분포 폭	±4.3%	±1.8%

도 7 및 표 1을 참조하여, 서셉터를 회전시킴으로써 InGaN 성장 속도 분포가 평균화되고, 개선되어 있다. 그러나, 1장의 기판을 얹어 놓은 경우의 InGaN 성장 속도 분포폭은 ± 1.8％인 것에 비해, 6장의 기판을 얹어 놓은 경우의 InGaN 성장 속도 분포폭은 ± 4.3％이다. 이러한 점에서, 서셉터를 회전시킨 경우에도, 서셉터의 대형화에 따라 성막되는 막의 두께가 균일하지 않게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 1장의 기판을 배치한 경우 및 6장의 기판을 배치한 경우의 어느쪽의 경우에도, InGaN 성장 속도 분포가 서셉터의 외부 직경측에서 감소하고 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 서셉터를 회전시켜 기판에 성막하는 경우에는, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 적재면의 위치와 성장 속도의 관계가 선형(비례 관계)이 되도록 하면, 기판 내에서 균일한 막을 성막할 수 있다. 즉, 서셉터를 회전시킨 경우에는, 서셉터의 상류측과 하류측의 각각에 있어서의 성장 속도를 균일하게 할 필요는 없다.

그래서 본원 발명자 등은, 도 6에 있어서의 InGaN 성장 속도를 서셉터의 하류측에서 향상시키고, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 적재면의 위치와 성장 속도와의 관계를 선형으로 가깝게 하기 위해, 다음으로, 도 5에 도시하는 통로(W2)를 갖는 MOCVD 장치(비교예 2)를 준비했다. 통로(W2)에는, 도 1에 도시하는 MOCVD 장치(1)와 동일한 경사부(S102)가 형성되어 있다. 즉, 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 통로(W2)의 높이는, 서셉터(5) 상의 위치(P3)로부터 하류측을 향해 위치(P4)까지 단조 감소(선형으로 감소)하고 있고, 그 후, 위치(P4)보다도 하류측의 영역에서는 일정한 높이(t6)를 갖고 있다. 비교예 2에 있어서는, 도 6에 있어서의 InGaN 의 성장 속도가 최대치가 된 위치(125 mm의 위치)를 위치(P3)로 했다. 다음으로, 비교예 1 및 비교예 2의 각각의 MOCVD 장치를 이용하여, 서셉터(5)를 회전시키면서 서셉터(5)에 얹어 놓은 6장의 기판(20)의 각각의 표면에 InGaN층을 성막했다. 그리고, 기판(20) 내에서의 InGaN 성장 속도 분포폭을 조사했다. 이 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

	비교예 1	비교예 2
InGaN 성장 속도 분포 폭	±4.3%	±0.4%

표 2를 참조하여, 비교예 1의 InGaN 성장 속도 분포는 ± 4.3％인 것에 비해, 비교예 2의 InGaN 성장 속도 분포는 ±0.4％가 되어 있어, 분포폭이 작아지고 있다. 이러한 점에서, 통로의 높이를 서셉터 상에 있는 위치로부터 하류측을 향해 단조 감소시킴으로써, 서셉터를 대형화하여 다수의 기판을 동시에 성막하여도, 성막되는 막의 두께를 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 도 5를 참조하여, MOCVD 장치에 있어서는, 통로의 높이의 단조 감소의 종료 위치인 위치(P4)는 위치(A5)와 동일 위치이거나, 위치(A5)보다도 하류측에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 기판의 적재 위치와 반응 가스의 반응 속도와의 관계를 선형으로 할 수 있다. 이것에 대해 이하에 설명한다.

본원 발명자 등은, 위치(P4)가 성장 속도에 미치게 하는 영향에 대해 조사했다. 구체적으로는, 도 5의 MOCVD 장치에 있어서, 위치(P4)를 위치(A4)보다도 상류측으로 한 것(비교예 2)과, 위치(P4)를 위치(A4)와 동일 위치로 한 것(비교예 3)을 준비했다. 또한 비교를 위해, 비교예 1의 MOCVD 장치를 준비했다. 다음으로, 비교예 1∼3의 각각의 MOCVD 장치를 이용하여, 서셉터(5)를 회전하지 않고서, 서셉터(5)에 적재된 6장의 기판(20)의 각각의 표면에 InGaN층을 성막했다. 그리고, 서셉터(5)의 중심으로부터의 거리와 InGaN의 성장 속도의 관계를 조사했다. 그 결과를 도 8에 도시한다. 또한, 도 8의 결과는, 서셉터의 폭 방향에 있어서의 중심선(도 2에 있어서의 선 C)에 따른 결과이고, 도 8의 화살표로 나타낸 범위는, 서셉터의 적재면에서의 기판을 얹어 놓는 위치이다.

도 8을 참조하여, 비교예 2 및 3에서는, 서셉터의 상류측으로부터 하류측으로 이동함에 따라 InGaN 성장 속도가 거의 직선형으로 증가하고 있다. 그러나, 비교예 2에서는 위치(P4)에 있어서 직선 형상이 무너지고 있는 것에 비해, 비교예 3에서는, 기판의 적재 위치의 하류측 단부[위치(A5)]까지 직선 형상이 유지되고 있다. 이상의 결과로부터, 위치(P4)가 위치(A5)와 동일 위치이거나, 위치(A5)보다도 하류측에 있는 것에 의해, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 기판의 적재 위치와 반응 가스의 반응 속도와의 관계를 선형으로 할 수 있는 것을 알 수 있다.

계속해서 본원 발명자 등은, 비교예 2의 MOCVD 장치에 있어서, 가스(G3)에 함유되는 NH₃가스의 유량을 변화시켜 InGaN층을 기판의 표면에 성막했다. 구체적으로는, 475℃로 가열한 사파이어 기판 상에 GaN 층을 30 nm의 두께로 성장시킨 후, 기판을 1150℃로 승온시키고, GaN 층을 1.5 ㎛의 두께로 더 성장시켰다. 그 후, 기판을 785℃로 강온시키고, 압력: 100 kPa, NH₃ 유량: 20 slm 또는 30 slm, N₂유량: 49.5 slm, TMG 유량: 35 μmol/min∼56 μmol/min, TMI 유량: 28 μmol/min∼45 μmol/min, V족 가스/III족 가스비: 약 13,000이라는 조건으로, InGaN층을 50 nm의 두께로 성장시켰다. GaN 층 및 InGaN층을 성막할 때에는, 기판의 OF(Orientation Flat)를 서셉터의 외주측을 향해 얹어 놓았다. InGaN층을 형성한 후, InGaN층의 표면 모폴로지를 원자간력 현미경(AFM)으로 평가했다. 또한, InGaN층에 있어서의 In 조성 분포 및 InGaN층 막 두께 분포를 X선 회절법으로 측정했다.

도 9a는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 20 slm으로 한 경우의 InGaN층 표면의 현미경 사진이고, 도 9b는, 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 30 slm으로 한 경우의 InGaN층 표면의 현미경 사진이다. 또한, 도 10a는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 20 slm으로 한 경우의 In 조성 분포 및 막 두께 분포를 도시한 도면이고, 도 10b는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 30 slm으로 한 경우의 In 조성 분포 및 막 두께 분포를 도시한 도면이다. 또한, 도 9에 있어서 밝은 영역은 표면의 높이가 높은(볼록부) 영역을 나타내고 있고, 어두운 영역은 표면의 높이가 낮은(오목부) 영역을 나타내고 있다. 또한, 도 10의 결과는 1장의 기판 내에서의 분포를 나타내고 있다.

도 9를 참조하여, NH₃유량을 20 slm로 한 경우의 InGaN층 표면에는, 볼록형의 결함이 다수 존재하고 있다. 한편, NH₃유량을 30 slm으로 한 경우에는, InGaN층 표면에 원자 스텝(step)이 명료하게 보이고, 결함이 거의 존재하지 않는다. 이들 결과로부터, NH₃유량을 증가시키면, InGaN층의 표면 상태가 양호하게 되는 것을 알 수 있다.

이 이유로서는, 이하의 것이 고려된다. NH₃는 비교적 안정하기 때문에, 가열되어도 중간 반응체(NH₂ 이온이나 NH 이온)가 되는 비율은 적다. 이 때문에, NH₃유량을 증가시키면 중간 반응체의 양이 증가하여, III족 원소를 함유하는 유기 금속 가스의 중간 반응체와, NH₃의 중간 반응체와의 반응량이 증가한다. 그 결과, InGaN층의 표면 상태가 양호하게 된다.

한편, 도 10을 참조하여, NH₃유량을 20 slm으로 한 경우의 InGaN층은, 기판 내의 막 두께 및 In 조성이 비교적 균일하게 되어 있는 것에 비해, NH₃ 유량을 30 slm으로 한 경우의 InGaN층은, 기판 내의 막 두께 분포 및 In 조성 분포가 악화하고 있다. 이것은 NH₃유량을 증가시키면, III족 원소를 함유하는 유기 금속 가스가 NH₃가스 중에 충분히 확산되지 않기 때문이라고 생각된다.

다음으로 본원 발명자 등은, 도 1에 도시하는 MOCVD 장치에 있어서, 높이(t4): 12 mm, 높이(t5): 10 mm, 높이(t6): 8 mm로 한 것을 준비하여, 이것을 본 발명예 1로 했다. 또한 도 1에 도시하는 MOCVD 장치에 있어서, 높이(t4): 12 mm, 높이(t5): 9 mm, 높이(t6): 7 mm로 한 것을 준비하여, 이것을 본 발명예 2로 했다. 또한 도 5에 도시하는 통로(W2)를 갖는 MOCVD 장치에 있어서, 높이(t4): 12 mm, 높이(t6): 8 mm로 한 것을 준비하여, 이것을 비교예 4로 했다. 그리고, 본 발명예 1, 본 발명예 2 및 비교예 4의 각각의 MOCVD 장치를 이용하여, NH₃유량을 30 slm으로 하여, 서셉터(5)를 회전시키지 않고서 InGaN층을 기판의 표면에 성막했다. 그리고, 서셉터(5)의 중심으로부터의 거리와 InGaN 성장 속도 및 In 조성과의 관계를 조사했다. 이 결과를 도 11에 도시한다. 도 11a는 서셉터 내에서의 InGaN 성장 속도 분포를 도시한 도면이고, 도 11b는 서셉터 내에서의 In 조성 분포를 도시한 도면이다. 또한, 도 11의 그래프의 가로축은, 서셉터의 폭 방향에 있어서의 중심선(도 2에 있어서의 선 C)에 따라, 서셉터의 중심으로부터의 거리로 나타내고 있다. 플러스의 숫자가 하류측을 나타내고 있고, 마이너스의 숫자가 상류측을 나타내고 있다.

도 11을 참조하여, 비교예 4에서는, 반응 가스의 흐름 방향의 상류측에 있는 -100 mm∼0 mm의 영역에서, InGaN 성장 속도 및 In 조성의 기울기가 작아지고 있다. 이러한 성장 속도 분포 및 In 조성 분포에서는, 서셉터를 회전시킨 경우에 균일한 성장 속도 분포 및 In 조성 분포를 얻을 수 없다. 이에 비해, 본 발명예 1 및 본 발명예 2에서는, 비교예 4에 비해, 반응 가스의 흐름 방향의 상류측의 영역에서, InGaN 성장 속도 및 In 조성의 기울기가 커지고 있다. 그 결과, InGaN 성장 속도 및 In 조성이 선형에 근접하고 있다. 이것은, 본 발명예 1 및 본 발명예 2에서는, 통로의 높이가 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측의 위치로부터 하류측을 향해 단조 감소하고 있기 때문에, III족 원소를 함유하는 유기 금속 가스가 NH₃가스 중에 확산하기 쉽게 되기 때문이라고 생각된다.

다음으로, 본 발명예 1, 본 발명예 2 및 비교예 4의 각각의 MOCVD 장치를 이용하여, NH₃유량을 30 slm으로 하고, 서셉터(5)를 회전시키면서 서셉터(5)에 얹어 놓은 6장의 기판(20)의 각각의 표면에 InGaN층을 성막했다. 그리고, 기판(20) 내에서의 InGaN층의 막 두께 분포폭 및 In 조성 분포폭을 조사했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

	본 발명예 1	본 발명예 2	비교예 4
InGaN층의 막 두께 분포 폭	±0.1%	±0.6%	±9.0%
In 조성 분포 폭	±3.4%	±5.5%	±4.0%

표 3을 참조하여, 비교예 4의 InGaN층의 막 두께 분포폭은 ± 9.0％인 것에 비해, 본 발명예 1의 InGaN층의 막 두께 분포폭은 ± 0.1％가 되고 있고, 본 발명예 2의 InGaN층의 막 두께 분포폭은 ± 0.6％가 되고 있다. 이러한 점에서, 통로의 높이를 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측의 위치로부터 하류측으로 향해 단조 감소시킴으로써, 성막되는 막의 두께를 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 4의 In 조성 분포폭은 ±4.0％인 것이 비해, 본 발명예 1의 In 조성 분포폭은 ±3.4％가 되고 있고, 본 발명예 2의 In 조성 분포폭은 ±5.5％가 되고 있다. 이러한 점에서, 통로의 높이를 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측의 위치로부터 하류측을 향해 단조 감소시키더라도, In 조성 분포에의 영향은 작은 것을 알 수 있다.

이상의 결과에 의해, 본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치(1)에 따르면, 위치(A4)보다도 상류측에서 통로(11)의 높이가 단조 감소하고 있기 때문에, 통로(11b)를 통과하는 가스(G2)와 통로(11c)를 통과하는 가스(G3)와의 혼합이 위치(A4)에서 촉진된다. 그 결과, 위치(P3)보다도 상류측에서의 성장 속도를 증가시 킬 수 있다. 이에 따라, 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 적재면의 위치와 성장 속도와의 관계를 선형에 가깝게 할 수 있다. 그 결과, 서셉터(5)를 회전시킴으로써 기판(20)에 성막되는 InGaN 막의 두께를 균일하게 할 수 있다. 또한, 서셉터(5)의 상류측과 하류측의 각각에 있어서의 반응 가스의 반응 조건을 균일하게 할 필요가 없기 때문에, 가열 부재를 대형화하여, 성막 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 위치(P2)가 위치(A4)보다도 상류측에 있기 때문에, 위치(A4)로부터 위치(P3)까지의 통로(11)의 높이가 일정하게 되어, 기판(20) 상에 있어서의 반응 가스(G)의 흐름을 층류에 가깝게 할 수 있다.

또한, 위치(P2)가 위치(A3)보다도 상류측에 있기 때문에, 적어도 위치(A3)로부터 위치(P3)까지의 통로(11)의 높이가 일정하게 되어, 적재면에 도달하기 전에 반응 가스(G)의 흐름을 층류에 가깝게 할 수 있다.

또한, 위치(P1)는 위치(A1)보다도 하류측에 있기 때문에, 가스(G2)와 가스(G3)가 합류한 후에, 가스(G2)와 가스(G3)의 혼합을 촉진시킬 수 있다.

(실시형태 2)

도 12는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 13은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치와 통로의 높이의 관계를 도시한 도면이다. 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치(1a)는 통로(11)의 형상이 도 1에 도시하는 MOCVD 장치와는 상이하고 있다. 구체적으로는, 경사부(S1)가, 위치(A1)보다도 상류측의 위치(P0)와, 위치(P2) 사이에 형성되어 있다. 이 때문에, 반응 가스(G)의 흐름 방 향에 따른 통로(11)의 높이는, 위치(A2)로부터 하류측을 향해 위치(P2)까지 단조 감소(선형으로 감소)하고 있다. 이 경우, 위치(P1) 및 위치(A2)는 동일 위치가 된다. 또한, 위치(P2)가 위치(A4)보다도 하류측에 있고, 위치(P4)가 위치(A5)보다도 하류측에 있다. 위치(P2)는 위치(A4)와 동일 위치에 있어도 좋다.

또한, 이외의 구성은, 도 1에 도시하는 실시형태 1의 MOCVD 장치와 동일하기 때문에, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여, 그 설명은 반복하지 않는다.

본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치에 따르면, 실시형태 1에 있어서의 MOCVD 장치와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

부가하여, 위치(P4)가 위치(A5)와 동일 위치 또는 위치(A5)보다도 하류측에 있기 때문에, 반응 가스(G)의 흐름 방향에 따른 기판(20)의 적재 위치와 반응 가스(G)의 반응 속도와의 관계를 선형으로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서의 MOCVD 장치의 구성과, 도 1에 도시하는 MOCVD 장치의 구성을 적절하게 조합하여도 좋다.

또한, 실시형태 1 및 2에서는, InGaN층을 성막하는 경우에 대해 나타내지만, 본 발명의 MOCVD 장치는 InGaN층 이외의 층의 성막에도 사용 가능하다. 통로의 수는 3개로 한정되지 않고, 2개 이상의 임의의 수일 수 있다.

이상으로 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고고려되어야 한다. 본 발명의 범위는, 이상의 실시형태가 아닌, 청구의 범위에 의해 나타내고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 수정이나 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

(산업상 이용가능성)

본 발명은, 질화물 반도체층을 성막하기 위한 유기 금속 기상 성장 장치로서 적합하다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도.

도 2는 도 1의 서셉터 부근의 평면도.

도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치와 통로의 높이와의 관계를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치와 통로의 높이와의 관계의 변형예를 도시하는 도면.

도 5는 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도.

도 6은 비교예 1의 MOCVD 장치를 이용하여 서셉터를 회전시키지 않고서 InGaN층을 성막한 경우에 있어서의, 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치(A2)로부터의 거리와 InGaN 성장 속도와의 관계를 도시하는 도면.

도 7은 비교예 1의 MOCVD 장치를 이용하여 서셉터를 회전시키면서 InGaN층을 성막한 경우에 있어서의, 서셉터의 중심으로부터의 거리와 InGaN의 성장 속도와의 관계를 도시하는 도면.

도 8은 비교예 1∼3의 각각의 MOCVD 장치를 이용하여 InGaN층을 성막한 경우 에 있어서의, 서셉터의 중심으로부터의 거리와 InGaN의 성장 속도와의 관계를 도시하는 도면.

도 9a는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 20 slm으로 한 경우의 InGaN층 표면의 현미경 사진. 도 9b는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 30 slm으로 한 경우의 InGaN층 표면의 현미경 사진.

도 10a는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 20 slm으로 한 경우의 In 조성 분포 및 막 두께 분포를 도시하는 도면. 도 10b는 비교예 2에 있어서 NH₃유량을 30 slm으로 한 경우의 In 조성 분포 및 막 두께 분포를 도시하는 도면.

도 11a는 서셉터 내에서의 InGaN 성장 속도 분포를 도시하는 도면. 도 11b는 서셉터 내에서의 In 조성 분포를 도시하는 도면.

도 12는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 단면도.

도 13은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 반응 가스의 흐름 방향에 따른 위치와 통로의 높이와의 관계를 도시하는 도면.

Claims

반응 가스를 이용하여 기판에 성막하기 위한 유기 금속 기상 성장 장치로서,

상기 기판을 가열하고, 또한 상기 기판을 얹어 놓기 위한 적재면을 갖는 가열 부재와,

상기 기판에 상기 반응 가스를 도입하기 위한 통로

를 구비하고,

상기 통로의 내부에 상기 적재면이 면한 상태로 상기 가열 부재는 회전 가능하며,

상기 통로는 제1 통로와 제2 통로를 가지며, 또한 상기 제1 통로와 상기 제2 통로는 상기 적재면의 상류측 단부(端部)보다도 상류측에서 합류하고 있고,

상기 반응 가스의 흐름 방향에 따른 상기 통로의 높이는, 제1 위치로부터 하류측을 향해 제2 위치까지 단조 감소하고 있으며, 또한 상기 제2 위치로부터 제3 위치까지 일정하고, 또한 상기 제3 위치로부터 하류측을 향해 단조 감소하고 있고,

상기 제1 위치는 상기 적재면에서의 상기 기판의 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측에 있고, 또한 상기 제3 위치는 상기 가열 부재 상에 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 위치는 상기 적재 위치의 상류측 단부보다도 상류측에 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.
제2항에 있어서, 상기 제2 위치는 상기 적재면의 상류측 단부보다도 상류측에 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 위치는 상기 제1 통로와 상기 제2 통로가 합류하는 위치보다도 하류측에 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 위치로부터 하류측을 향해 제4 위치까지 단조 감소하고 있고, 상기 제4 위치는 상기 적재 위치의 하류측 단부, 또는 상기 하류측 단부보다도 하류측에 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로는, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에 형성된 제1 경사부와, 상기 제3 위치로부터 하류측을 향해 형성된 제2 경사부를 가지고, 상기 제1 경사부 및 상기 제2 경사부는, 상기 반응 가스의 흐름 방향에 대해 경사져 있는 것인 유기 금속 기상 성장 장치.