KR20100097609A

KR20100097609A - Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치

Info

Publication number: KR20100097609A
Application number: KR1020100016781A
Authority: KR
Inventors: 겐지 이소; 요시야스 이시하마; 료헤이 다카키; 유즈루 다카하시
Original assignee: 니폰 파이오니쿠스 가부시키가이샤
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2010-09-03
Also published as: US20100229794A1; TWI390078B; TW201040310A; CN101818333A; JP2010232624A

Abstract

기판을 유지하기 위한 서셉터, 서셉터의 대면, 기판을 가열하기 위한 히터, 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부, 서셉터와 서셉터의 대면의 틈으로 이루어지는 반응로 등을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 배치되는 기판과 서셉터의 대면의 거리가 매우 좁고, 또한 서셉터의 대면에 냉매를 유통하는 구성을 갖추어 이루어지는 기상 성장 장치, 추가로 서셉터의 대면에 불활성 가스를 반응로 내를 향해서 분출하기 위한 미다공부 및 불활성 가스를 미다공부에 공급하기 위한 구성을 갖추어 이루어지는 기상 성장 장치는 큰 직경을 갖는 서셉터에 유지된, 대구경, 다수매의 기판의 표면에 결정 성장하는 경우여도, 기판을 1000℃ 이상의 온도로 가열하여 결정 성장하는 경우여도, 효율적으로 고품질의 결정 성장이 가능한 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치이다.

Description

Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치{VAPOR DEPOSITION APPARATUS OF GROUP Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR}

본 발명은 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치(MOCVD 장치)에 관한 것이고, 보다 상세하게는 기판을 유지하는 서셉터, 기판을 가열하기 위한 히터, 원료 가스 도입부, 반응로 및 반응 가스 배출부 등을 갖춘 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 관한 것이다.

유기 금속 화합물 기상 성장법(MOCVD법)은 분자선 에피택시법(MBE법, molecular beam epitaxy) 및 질화물 반도체의 결정 성장에 자주 이용된다. 특히, MOCVD법은 MBE법에 비해 결정 성장 속도도 빠르고, 또 MBE법과 같이 고진공 장치 등도 필요없는 것으로부터 산업계의 화합물 반도체 양산 장치에 있어서 널리 이용되고 있다. 근래 청색 또는 자외 LED 및 청색 또는 자외 레이저 다이오드의 보급에 따라, 질화 갈륨, 질화 인듐 갈륨, 질화 알루미늄 갈륨의 양산성을 향상시키기 위해서, MOCVD법의 대상이 되는 기판의 대구경화, 다수매화가 많이 연구되고 있다.

이와 같은 기상 성장 장치로는 예를 들면 특허 문헌 1~3에 나타내는 바와 같이 기판을 유지하기 위한 서셉터, 기판을 가열하기 위한 히터, 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부, 서셉터와 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로 및 서셉터보다 외주측에 설치된 반응 가스 배출부를 갖는 기상 성장 장치를 들 수 있다. 이러한 기상 성장 장치에 있어서는 복수의 기판 홀더가 서셉터에 설치되고 있어, 구동 수단에 의해서 서셉터가 자전하는 것과 동시에, 기판 홀더가 자공전하는 구성이 되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특개 2002-175992호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특개 2007-96280호 공보

[특허 문헌 3] 일본 특개 2007-243060호 공보

[특허 문헌 4] 일본 특개 2002-246323호 공보

그러나, 이러한 기상 성장 장치에 있어서도, 아직도 해결되지 않은 많은 과제가 있다. 기상 성장 장치의 반응로에 있어서는 각종 원료 가스는 고온으로 가열된 기판 표면에서 분해하고, 기판 표면에 있어서 결정화한다. 그러나, 기판의 대구경화, 다수매화에 동반하여, 반응로 내의 원료 가스 유로가 길어져, 원료 가스가 효율적으로 하류측으로 미치지 않아, 하류측의 기판 표면의 결정 성장 속도가 감소한다고 하는 문제가 있다. 또, 유기 금속 기상 성장의 대상이 되는 기판이 향하는 측에 설치된 대면이 히터에 의해 가열되고, 이 대면의 표면에서 원료 가스가 반응하고, 결정화하며, 성장 회수를 반복함에 따라, 결정이 서서히 퇴적한다. 이 때문에 기판 상에 대한 원료 가스의 반응 효율은 감소하며, 경제성이 떨어질 뿐만 아니라, 고품질의 결정막을 재현성 좋게 얻는 일도 어렵게 된다.

또한, 특허 문헌 4에 있어서 MOCVD 반응로의 서셉터의 대면을 냉각하고, 반응관의 다른 부분을 석영 유사하게 형성하는 것을 특징으로 한 Ⅲ족 질화물 반도체용 MOCVD 장치를 들고 있다. 이 발명에 있어서는 대면을 수냉함으로써 사파이어 상의 AlN 성막 속도가 종래의 미수냉의 성막 속도의 2.4배에 달했던 것이 기재되고 있다. 그렇지만, 이 발명에 있어서도 아직도 AlN의 성막 속도로는 1.2㎛/h 밖에 얻지 못하고 있어, 효율적인 원료 가스의 이용이라고 하는 점에 있어서 불충분하다. 공업적으로 질화 알루미늄(AIN)이나 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시하는 경우, 2.5㎛/h의 성장 속도에서는 경제적으로 성립되지 않아, 4.0㎛/h 이상의 성장 속도가 요구된다. 실제로 공업적으로 현재 제조되고 있는 GaN 막은 약 4.0㎛/h의 성장 속도로 성장을 하고 있다. 또, 이 발명은 반응로를 구성하는 재료로서 스테인레스와 석영을 이용하고 있지만, 스테인레스는 온도가 700℃ 이상에서 열화하는 것이 잘 알려져 있고, 석영은 열전도율이 작기 때문에 반응로를 균일한 온도로 유지하는 것이 어렵다.

따라서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는 전술과 같은 기상 성장 장치로서, 큰 직경을 갖는 서셉터에 유지된 대구경, 다수매의 기판의 표면에 결정 성장하는 경우에 있어서도, 기판을 1000℃ 이상의 온도로 가열하여 결정 성장하는 경우에 있어서도 4.0㎛/h 이상의 성장 속도로 고품질의 결정 성장이 가능한 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 이러한 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과, 서셉터와 서셉터의 대면의 틈을 좁히고, 또한 대면의 표면에서 원료 가스가 반응하여 결정화하는 것을 억제하기 위해서, 대면의 온도를 낮게 제어하는 구성으로 함으로써, 기판 상에 대한 원료 가스의 반응 효율이 향상하는 것과 동시에, 고품질의 결정막을 재현성 좋게 얻을 수 있는 것을 찾아내어, 본 발명의 기상 성장 장치에 도달했다.

즉 본 발명은 기판을 유지하기 위한 서셉터, 상기 서셉터의 대면, 상기 기판을 가열하기 위한 히터, 상기 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부, 상기 서셉터와 상기 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로 및 상기 서셉터보다 외주측에 설치된 반응 가스 배출부를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 기판과 서셉터의 대면의 틈이 기판의 상류측의 위치에서 8mm 이내, 또한 기판의 하류측의 위치에서 5mm 이내이며, 상기 서셉터의 대면에 냉매를 유통하는 구성을 갖추고 있으며, 반응로에 있어서 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료가 카본계 재료, 질화물계 재료, 탄화물계 재료, 몰리브덴, 구리, 알루미나 또는 이들의 복합재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치이다.

본 발명의 기상 성장 장치는 서셉터와 서셉터의 대면의 틈을 좁게 하고, 또한, 서셉터의 대면에 냉매를 유통시키고, 상기 대면의 표면을 냉각함으로써, 대구경, 다수매의 기판의 표면에 결정 성장해도, 기판을 1000℃ 이상의 온도로 가열해도, 하류측의 기판 표면의 결정 성장 속도가 감소한다고 하는 문제를 완화 혹은 해소할 수 있어 기판 상에 대한 원료 가스의 반응 효율이 향상하여 고품질인 결정막을 재현성 좋게 얻을 수 있다.

[도 1]
본 발명의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도
[도 2]
본 발명의 도 1 이외의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도
[도 3]
도 1에서의 냉매를 유통하는 냉각관 부근의 확대 단면도
[도 4]
도 2에서의 냉매를 유통하는 냉각관 부근의 확대 단면도
[도 5]
본 발명의 기상 성장 장치에서의 서셉터의 형태의 예를 나타내는 구성도
[도 6]
실시예 1 및 비교예 1에서의 3 인치 기판면내 막 두께 분포
[도 7]
실시예 7, 비교예 2 및 비교예 3에서의 3인치 기판면내 막 두께 분포

본 발명은 기판을 유지하기 위한 서셉터, 상기 서셉터의 대면, 상기 기판을 가열하기 위한 히터, 상기 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부, 상기 서셉터와 상기 서셉터의 대면의 틈으로 이루어지는 반응로 및 상기 서셉터보다 외주측에 설치된 반응 가스 배출부를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 적용된다. 본 발명의 기상 성장 장치는 주로 갈륨, 인듐, 알루미늄으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속과 질소의 화합물로 이루어지는 질화물 반도체의 결정 성장을 실시하기 위한 기상 성장 장치이다. 본 발명에 있어서는 특히 직경 3 인치 이상인 크기의 기판을 복수매 유지하는 기상 성장의 경우에, 효과를 충분히 발휘하게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 기상 성장 장치를 도 1~도 5에 근거하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 1, 도 2는 본 발명의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도이다(도 1은 회전 발생부 (12)를 회전시킴으로써 서셉터 (2)를 회전시키는 기구를 갖는 기상 성장 장치이며, 도 2는 서셉터 회전축 (13)을 회전시킴으로써 서셉터 (2)를 회전시키는 기구를 갖는 기상 성장 장치이다.). 도 3, 도 4는 각각 도 1, 도 2에서의 냉매를 유통하는 구성 부근의 확대 단면도이다. 도 5는 본 발명의 기상 성장 장치에서의 서셉터의 형태의 예를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치는 도 1에 나타내는 바와 같이 기판 (1)을 유지하기 위한 서셉터 (2), 서셉터의 대면 (3), 기판을 가열하기 위한 히터 (4), 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부 (5), 서셉터와 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로 (6) 및 서셉터보다 외주측에 설치된 반응 가스 배출부 (7)를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 서셉터의 대면 (3)에 냉매를 유통하는 구성 (8)을 갖추어 이루어지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치이다.

또, 본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치는 도 2에 나타내는 바와 같이 추가로 불활성 가스를 반응로 내를 향해서 분출하기 위한 미다공부(微多孔部) (9) 및 불활성 가스를 이 미다공부에 공급하기 위한 구성 (10)이 서셉터의 대면에 설치된 기상 성장 장치로 할 수도 있다.

본 발명에 있어서는 어느 쪽의 기상 성장 장치여도 기판과 서셉터의 대면의 틈이 기판의 상류측의 위치에서 8mm 이내, 또한 기판의 하류측의 위치에서 5mm 이내이며, 반응로에 있어서 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료가 카본계 재료, 질화물계 재료, 탄화물계 재료, 몰리브덴, 구리, 알루미나, 또는 이들의 복합재료로 이루어진 것이다. 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료가 카본계 재료나, 카본계 재료를 표면에 피복한 재료이면 열 전달이 양호하고 균일한 온도로 가열할 수 있기 때문에 특히 바람직하다.

또한, 본 발명에서의 서셉터의 형태는, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이 복수매의 기판을 유지하기 위한 공간을 주변부에 갖는 원반상의 것이다. 도 1에 나타내는 바와 같은 기상 성장 장치에 있어서는 외주에 톱니바퀴를 갖는 복수개의 원반(서셉터 (2)를 회전시키는 기구 (l2))이 서셉터의 외주의 톱니바퀴와 맞물리도록 설치되어 있으며, 외부의 회전 발생부를 통해서 원반 (2)를 회전시킴으로써 서셉터가 회전하는 구성으로 되어 있다. 서셉터의 직경은 30~200cm이면 바람직하고, 50~150cm이면 보다 바람직하다.

본 발명의 기상 성장 장치에 있어서, 원료 가스가 되는 유기 금속 화합물(트리메틸 갈륨, 트리에틸 갈륨, 트리메틸 인듐, 트리에틸 인듐, 트리메틸 알루미늄, 트리에틸 알루미늄 등), 암모니아 및 캐리어 가스(수소, 질소 등의 불활성 가스, 또는 이들의 혼합 가스) 등은 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 외부로부터의 배관 (11)에 의해 원료 가스 도입부 (5)에 공급되고, 원료 가스 도입부 (5)로부터 반응로 (6)에 추가로 도입되고, 반응 후의 가스는 배출부 (7)로부터 외부로 배출된다. 또한, 원료 가스 도입부의 각 가스 배출구는 도 1, 도 2에서는 2개의 상하 평행 분출 타입이지만, 본 발명에 있어서는 분출구수, 형태 등의 조건으로 한정되는 경우는 없다. 예를 들면, 유기 금속 화합물, 암모니아 및 캐리어 가스의 각 분출구(합계 3개의 분출구)를 설치해도 된다.

기판 홀더 (15)에 의해 유지된 유기 금속 기상 성장의 대상이 되는 기판 (1)은 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 히터 (4)에 의해 가열된 균열판 (14)를 통해서 뜨거워진다. 원료 가스는 가열된 기판 표면 부근에서 분해, 반응하고, 기판 상에 결정화한다. 종래의 기상 성장 장치에 관해서는 일반적으로, 기판의 대면 (3)은 기판으로부터 10mm 이상 떨어진 위치에 놓여진다. 왜냐하면, 대면을 기판으로부터 10mm 이하의 거리로 접근시켜 설치했을 경우, 대면도 히터로부터의 복사열에 의해 가열되어 대면의 표면에 질화물 반도체가 결정화한다고 하는 문제가 생긴다.

이 현상은 질화물 반도체의 성장에 관해서 재현성 좋게 고품질의 결정막을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다. 또 대면 (3)의 표면을 기판으로부터 l0mm 이상 떨어진 위치에 설치하면, 원료 가스는 충분히 기판 표면에 가까워지지 못하고, 그 결과로서 질화물 반도체의 성장 속도가 저하한다. 이 성장 속도의 저하는 기판의 하류에서 특히 현저하게 되어, 예를 들면 기판의 사이즈가 3 인치 이상이 되면, 하류측의 기판 표면에서는 원료 가스가 거의 기판 표면에 닿지 않게 될 우려가 있다. 그 결과, 기판 하류측의 표면에서는 전혀 질화물 반도체의 성장을 할 수 없을 가능성이 높아진다.

본 발명의 기상 성장 장치에 있어서는 대면을 기판에 접근시키고, 또 대면의 표면 상에 대한 질화물 반도체의 결정화를 억제하기 위해서, 대면(의 구성물)에 설치한 냉매를 유통하는 구성 (8)에 냉매를 흘림으로써 대면(의 구성물)의 온도를 낮게 제어했다. 구체적으로는 기판의 상류측의 위치 (16)(도 3, 도 4)에서 8mm 이내, 바람직하게는 2~8mm, 또한 기판의 하류측의 위치 (17)(도 3, 도 4)에서 5mm 이내, 바람직하게는 l~5mm로 했을 때에 원료 가스를 효율적으로 하류측의 기판 표면까지 분해하지 않고 공급하는 것이 가능해졌다. 또, 서셉터와 서셉터의 대면의 틈은 서셉터의 중심부로부터 주변부를 향해서 좁아지는 구성인 것이 바람직하다. 서셉터의 대면의 경사 각도는 서셉터에 대해서 0.5~7mm/3 inch(0.376°~5.25°)이면 바람직하다. 기판의 직경은 3~6인치가 바람직하고, 4~6인치가 보다 바람직하다.

또한, 상기의 서셉터(기판)와 서셉터의 대면의 틈에 관해서, 예를 들면 기판과 대면의 틈을 8mm로 하고, 기판을 l050℃로 가열하면, 냉매(물)를 유통하지 않는 경우, 대면의 표면 온도는 800℃ 전후에 도달하는데 비해서, 냉매(물)를 유통하는 경우, 대면의 표면 온도는 통상은 400℃ 정도, 냉매의 유통 조건에 따라서는 200℃정도까지 저하시킬 수 있다. 대면의 표면 온도가 800℃ 전후가 되면, 대면의 표면에서는 결정 성장 반응이 일어나, 질화물 반도체의 결정이 퇴적하지만, 대면의 표면 온도가 400℃ 이하에서는 결정 성장 반응은 매우 느려서, 질화물 반도체의 결정의 퇴적을 매우 줄일 수 있다.

본 발명의 기상 성장 장치의 반응로에 있어서, 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료(예를 들면, 도 3에 있어서는 서셉터 (2), 서셉터의 대면 (3), 서셉터 회전축 (12)를 가리키고, 도 4에 있어서는 서셉터 (2), 서셉터의 대면 (3), 미다공부 (9)를 가리킨다)는 다음의 것이 이용된다. 즉, 카본계 재료로는 카본, 파이롤리틱 그라파이트(PG), 글래시 카본(GC), 질화물계 재료로는 질화 알루미늄(AiN), 보론 나이트라이드(BN), 질화 규소(Si₃N₄), 탄화물계 재료로는 탄화 규소(SiC), 붕소 카바이트(B₄C), 그 외의 재료로는 몰리브덴, 구리, 알루미나를 들 수 있다. 또, 상기의 재료를 2종 이상 조합한 복합재료로는 PG 코트 카본, GC 코트 카본, SiC 코트 카본을 들 수 있다. 단, 카본계 재료, 질화물계, 탄화물계 재료, 복합재료는 상기의 재료로 한정되는 것은 아니다. 또, 예를 들면 서셉터의 대면(의 구성물)의 재료에 카본, 서셉터의 재료에 SiC 코트 카본을 이용하듯이, 반응로에 있어서 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료는 동일한 것이 아니어도 된다.

냉매를 유통하는 구성 (8)으로는 통상은 배관이 대면(의 구성물)의 내부에 설치된다. 배관은 1 개여도 복수개여도 된다. 또, 배관의 구성에 대해서는 특별히 한정되는 경우는 없으며, 예를 들면 복수 개의 배관이 대면(의 구성물)의 중심부로부터 방사상으로 설치된 것, 혹은 소용돌이상으로 설치된 것 등을 들 수 있다. 냉매가 흐르는 방향은 특별히 한정되는 경우는 없다. 배관 (8)에 통과시키는 냉매로는 임의의 고비등점 용매가 이용되고, 특히 비점 90℃ 이상의 용매가 바람직하다. 이와 같은 냉매로는 물, 유기용매, 기름 등을 예시할 수 있다.

또, 추가로 도 2, 도 4에 나타내는 바와 같이 서셉터의 대면에는 냉매를 유통하는 구성과는 별도로, 불활성 가스를 반응로 내를 향해서 분출하기 위한 미다공부 (9) 및 불활성 가스를 미다공부에 공급하기 위한 구성 (10)을 설치할 수 있다. 미다공의 설치 위치는 통상은 적어도 기판의 위치에 상당하는 대면의 표면에 설치된다. 또, 불활성 가스를 미다공에 공급하기 위한 구성 (10)으로는 통상은 배관이 이용된다.

본 발명에 있어서는 불활성 가스를 미다공부로부터 반응로 내를 향해서 분출함으로써 대면 표면 상에 대한 질화물 반도체의 결정화 방지를 효과적으로 하는 것이 가능해진다. 도 1, 도 3에 나타내는 구조의 기상 성장 장치에 있어서도, 대면에 냉매를 흘리지 않는 구조의 기상 성장 장치에 비하면, 대면 표면 상에 대한 질화물 반도체의 결정화는 현저하게 감소한다. 그러나, 도 2, 도 4에 나타낸 바와 같이 대면의 표면에 설치한 다수의 구멍으로부터 불활성 가스를 분출하게 함으로써 대면의 표면 상에 대한 질화물 반도체의 결정화를 보다 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다.

다음에, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

[실시예 1]

(기상 성장 장치의 제작)

스테인레스제의 반응 용기의 내부에 원판상 서셉터(SiC 코트 카본제, 직경 600mm, 두께 20mm, 3 인치의 기판을 5매 유지 가능), 냉매를 유통하는 구성을 갖춘 서셉터의 대면(카본제), 히터, 원료 가스의 도입부(카본제), 반응 가스 배출부 등을 설치하여 도 1에 나타내는 기상 성장 장치를 제작했다. 또, 3 인치 크기의 사파이어(C 면)으로 이루어지는 기판을 5매 기상 성장 장치에 세팅하였다. 또한 냉매를 유통하는 구성으로서 배관 1개를 중심부로부터 주변부를 향해 소용돌이상으로 배치하였다.

(기상 성장 실험)

이와 같은 기상 성장 장치를 이용하고, 기판의 상류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 l6)이 8.0mm, 기기의 하류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 17)이 3.0mm가 되도록 사파이어 기판 5매를 서셉터로 유지하고, 기판의 표면에 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시했다. 대면의 냉각용 배관으로의 냉각수 순환(유량 18L/min)을 개시한 후, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 l050℃ 까지 상승시켜 기판의 클리닝을 실시했다. 계속해서 기판의 온도를 510℃ 까지 내리고, 원료 가스로서 트리메틸 갈륨(TMG)과 암모니아, 캐리어 가스로서 수소를 이용하여, 사파이어 기판 상에 GaN으로 이루어진 버퍼층을 약 20nm 막 두께로 성장시켰다.

버퍼층 성장 후에, TMG만 공급을 정지하고, 온도를 1050℃ 까지 상승시켰다. 그 후 원료 가스로서 TMG(유량: 120cc/min), 암모니아(유량: 50L/min), 캐리어 가스로서 수소(유량: 80L/min), 질소(유량: 95L/min)를 이용하고, 언도프(undope) GaN를 1시간 성장시켰다. 또한 버퍼층을 포함한 모든 성장은 기판을 10 rpm의 속도로 자전시키면서 실시하였다. 이 때의 서셉터의 대면의 표면 온도는 410℃였다.

이상과 같이 질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내려 기판을 반응 용기로부터 꺼내어 GaN 막 두께를 측정했다. 그 결과, GaN 막 두께의 평균값은 4.23㎛였다. 이것은 GaN 평균 성장 속도가 4.23㎛/h이었던 것을 나타내고 있다. 또, 서셉터의 대면의 표면에는 결정은 거의 볼 수 없었다.

실시예 1에서의 GaN 성막의 3 인치 기판면내 막 두께 분포를 도 6에 나타내었다. 또한 횡축에서의 0점은 기판의 중심을 나타내고, 그 외의 값은 이 중심으로부터의 거리를 나타내는 것이다. 3 인치의 기판에 있어서도, 면내의 막 두께 변동이 거의 없이(막 두께 변동 2%), 기판 전체에 걸쳐 4.0㎛/h 이상의 성장 속도로 성막되어 있음을 알 수 있다.

[실시예 2~6]

실시예 1의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 서셉터의 대면의 재료를 각각 질화물계 재료(실시예 2), 탄화물계 재료(실시예 3), 몰리브덴(실시예 4), 구리(실시예 5), 알루미나(실시예 6)로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기상 성장 장치를 제작했다.

실시예 1의 기상 성장 실험과 동일하게 하여 기판의 표면에 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시한 결과, GaN 막 두께의 평균값은 모두 4.1~4.3㎛의 범위 내에 있었다.

[실시예 7]

실시예 1의 기상 성장 실험에 있어서, 기상 성장 중에 기판을 자전시키지 않았던 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기상 성장 실험을 실시했다(기상 성장 장치, 가스의 유량, 온도 등의 조건은 완전히 동일하다.). 실시예 7에서의 GaN 성막의 3 인치 기판면내 막 두께 성막 속도를 도 7에 나타냈다. 또한 횡축에 있어서 0점은 기판의 원료 가스 상류측 기판 끝을 나타내고, 그 외의 값은 이 기판 끝으로부터 기반 중심을 통과하여 원료 가스 하류측 기판 끝까지의 거리를 나타내는 것이다. 기판 상류측에 있어서 약 5.5㎛/h, 기판 하류측에 있어서도 3.0㎛/h 이상의 성장 속도로 성막되어 있음을 알 수 있다.

[비교예 1]

실시예 1의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 서셉터의 대면의 경사를 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기상 성장 장치를 제작했다. 이것에 의해 사파이어 기판 5매를 서셉터로 유지했을 때에 기판의 상류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 16)이 10.7mm, 기판의 하류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 17)이 4.0mm가 되었다.

실시예 1의 기상 성장 실험과 동일하게 하고, 기판의 표면에 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시한 결과, GaN 막 두께의 평균값은 1.70㎛였다. 이것은 GaN 평균 성장 속도가 1.70㎛/h인 것을 나타내고 있다. 이 결과는 대면의 냉각만으로는 효율적인 성장 속도를 얻을 수 없다는 것을 나타내고 있다. 비교예 1에서의 GaN 성막의 3 인치 기판면내 막 두께 분포는 도 6에 나타낸 바와 같다.

[비교예 2]

실시예 7의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 서셉터의 대면의 경사를 변경한 것 이외에는 실시예 7과 동일하게 하여 기상 성장 장치를 제작했다. 이것에 의해 사파이어 기판 5매를 서셉터로 유지했을 때에 기판의 상류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 16)이 l0.7mm, 기판의 하류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 17)이 8.0mm가 되었다.

실시예 7의 기상 성장 실험과 동일하게 하고(기상 성장 중에 기판을 자전시키지 않고), 기판의 표면에 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시했다. 비교예 2에서의 GaN 성막의 3 인치 기판면내 막 두께 성장 속도를 도 7에 나타낸다. 기판 상류측에 있어서는 약 4.1㎛/h로 성장이 실시되었지만, 기판 하류측에 있어서는 성장 속도는 거의 제로였다.

[비교예 3]

실시예 7의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 서셉터의 대면의 경사를 변경한 것 이외에는 실시예 7과 동일하게 하여 기상 성장 장치를 제작했다. 이것에 의해 사파이어 기판 5매를 서셉터로 유지했을 때에 기판의 상류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 16)이 12.0mm, 기판의 하류측의 위치에서의 틈(도 3에서의 부호 l7)이 l2.0mm가 되었다.

실시예 7의 기상 성장 실험과 동일하게 하고(기상 성장 중에 기판을 자전시키지 않고), 기판의 표면에 질화 갈륨(GaN)의 성장을 실시했다. 비교예 3에서의 GaN 성막의 3 인치 기판면내 막 두께 성장 속도를 도 7에 나타냈다. 기판 상류측에 있어서는 약 l.0㎛/h로 성장이 실시되었지만, 기판 위치 15mm로부터 기판 하류측에 걸쳐서 성장 속도는 제로였다.

이상과 같이 본 발명의 기상 성장 장치는 기판 표면에 대한 기상 성장시에 서셉터의 대면 표면에서의 결정화를 큰폭으로 억제할 수 있어, 효율적으로 고품질의 결정막을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

1 기판
2 서셉터
3 서셉터의 대면
4 히터
5 원료 가스 도입부
6 반응로
7 반응 가스 배출부
8 냉매를 유통하는 구성
9 미다공부
10 불활성 가스를 공급하기 위한 구성
11 가스 배관
12 회전 발생부
l3 서셉터 회전축
l4 균열판(均熱板)
15 기판 홀더
16 기판의 상류측의 위치에서의 틈
17 기판의 하류측의 위치에서의 틈

Claims

기판을 유지하기 위한 서셉터, 상기 서셉터의 대면(對面), 상기 기판을 가열하기 위한 히터, 상기 서셉터의 중심부에 설치된 원료 가스 도입부, 상기 서셉터와 상기 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로 및 상기 서셉터보다 외주측에 설치된 반응 가스 배출부를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 기판과 서셉터의 대면의 틈이 기판의 상류측의 위치에서 8mm 이내, 또한 기판의 하류측의 위치에서 5mm 이내이며, 상기 서셉터의 대면에 냉매를 유통하는 구성을 갖추고 있으며, 반응로에 있어서 원료 가스가 접촉하는 부분의 재료가 카본계 재료, 질화물계 재료, 탄화물계 재료, 몰리브덴, 구리, 알루미나, 또는 이들의 복합재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
서셉터와 서셉터의 대면의 틈이 서셉터의 중심부로부터 주변부를 향해서 좁아지는 구성인 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
불활성 가스를 반응로 내를 향해서 분출하기 위한 미다공부(微多孔部) 및 상기 불활성 가스를 상기 미다공부에 공급하기 위한 구성이 서셉터의 대면에 설치된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
기판의 결정 성장면이 아래를 향하게 되도록 설정된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
서셉터가 직경 3 인치 이상의 크기의 기판을 복수매 유지할 수 있도록 설정된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
질화물 반도체가 갈륨, 인듐 및 알루미늄으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속과 질소의 화합물인 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
기판의 직경이 3~6 인치인 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
청구항 1에 있어서,
서셉터의 대면의 경사 각도가 서셉터에 대해서 0.5~7mm/3 inch인 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.