KR20100132442A - Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치 Download PDF

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겐지 이소
요시야스 이시하마
료헤이 다카키
유즈루 다카하시
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니폰 파이오니쿠스 가부시키가이샤
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Abstract

원료 가스 도입부가 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스의 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2종 또는 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제2 혼합 가스의 분출구를 구비하여 이루어진 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 의해, 기판을 보유하는 서셉터 (susceptor), 서셉터의 대면, 기판을 가열하기 위한 히터, 서셉터와 서스셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로, 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부, 및 반응 가스 배출구를 가지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 반도체의 막 두께 분포의 균일성, 반응 속도의 향상을 도모하는 것이 가능한 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치를 제공한다.

Description

Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치{APPARATUS FOR GAS PHASE GROWTH OF GROUP Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR}
본 발명은 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치 (MOCVD 장치)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판을 보유하는 서셉터 (susceptor), 기판을 가열하기 위한 히터, 원료 가스 도입부, 반응로 및 반응 가스 배출부 등을 구비한 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 관한 것이다.
유기 금속 화합물 기상 성장법 (MOCVD 법)은 분자선 에피택시법 (MBE 법) 및 질화물 반도체의 결정 성장에 흔히 이용된다. 특히, MOCVD 법은 MBE 법에 비해 결정 성장 속도도 빠르고, 또 MBE 법과 같이 고진공 장치 등도 필요 없으므로, 산업계의 화합물 반도체 양산 장치에 있어서 널리 이용되고 있다.
최근, 청색 또는 자외 LED 및 청색 또는 자외 레이저 다이오드의 보급에 따라서, 질화갈륨, 질화인듐갈륨, 질화알루미늄갈륨의 양산성을 향상시키기 위해서 MOCVD 법의 대상이 되는 기판의 대구경화 (大口徑化), 다수매화 (多數枚化)가 많이 연구되고 있다.
이와 같은 기상 성장 장치로는 예를 들면 특허 문헌 1∼6에 나타내는 바와 같이, 기판을 보유하는 서셉터, 이 서셉터의 대면 (對面), 이 기판을 가열하기 위한 히터, 이 서셉터와 이 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로, 이 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부 및 반응 가스 배출부를 가지는 기상 성장 장치를 들 수 있다. 또, 기상 성장 장치의 형태로는 주로 결정 성장면을 위로 향하게 한 것 (페이스 업형), 결정 성장면을 아래로 향하게 한 것 (페이스 다운형)의 2 종류가 제안되고 있다. 어느 쪽 기상 성장 장치에 있어서도 기판은 수평으로 설치되어, 원료 가스는 기판의 횡 방향으로부터 도입된다.
일본특허공개평11-354456호공보 일본특허공개2002-246323호공보 일본특허공개2004-63555호공보 일본특허공개2006-70325호공보 일본특허공개2007-96280호공보 일본특허공개2007-243060호공보
Ⅲ족 질화물 반도체의 원료 가스로는 Ⅲ족 금속 원료로서 유기 금속 화합물 가스, 질소원으로 암모니아가 일반적으로 이용된다. 이들 원료 가스는 원료용의 봄베 (bombe) 등으로부터 매스 플로우 컨트롤러 (mass flow controler)에 의해 유량 조정되며, 서로 독립한 배관을 통하여 반응로에 도입된다. 예를 들면, 특허문헌 4에는 페이스 다운형의 기상 성장 장치에 관하여 원료가 되는 유기 금속 화합물과 암모니아는 반응로 내의 기판 바로 앞에서 혼입되어 반응에 이용되는 것이 개시되어 있다.
그렇지만, 이와 같이 기판의 바로 앞에서 유기 금속 화합물과 암모니아를 혼합한 경우, 이들 원료 가스가 기판 표면에서도 충분히 혼합되어 있지 않기 때문에, 결정 성장을 기판 전체에 걸쳐서 균일하게 실행하는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 예를 들면 특허문헌 3에 기재된 기상 성장 장치에 있어서는 반응로로의 공급 전에 미리 암모니아와 유기 금속 화합물의 혼합을 실행하고, 그 혼합 가스를 기판에 공급할 수 있도록 가스 유로를 설계한 기상 성장 장치가 제안되고 있다. 그렇지만, 이 발명에 있어서도 결정 성장을 실행할 때, 결정 성장 반응 속도가 늦어진다는 문제가 해결되고 있지 않다.
기상 성장 장치는 주로 LED, 자외 레이저 다이오드 또는 전자 디바이스의 결정 성장에 이용되지만, 전술한 바와 같이 최근 결정 성장의 생산성을 올리는 목적으로 결정 성장의 대상이 되는 기판은 대구경화하고 있다. 그러나 기판이 커짐에 따라, Ⅲ족 질화물 반도체의 가판상에 대한 성장 반응 속도는 느려지는 한편, 기판 면내 (面內)에 있어서 결정막 두께 면내 분포의 균일성이 악화한다는 문제가 발생한다.
또, 또 하나의 문제는 결정 성장의 가스 유량 조건 선택 채널이 적다는 것이다. 최근, Ⅲ족 질화물 반도체의 발전은 눈부시고, 보다 양호한 성능을 구하기 위해서 결정 구조는 복잡화해지고 있으며, 예를 들면 가장 간단한 구조로 이루어진 청색 LED는 n형 GaN, InGaN, GaN, AlGaN, p형 GaN으로 이루어진다. 또, 최근에는 LED 출력을 한층 더 올리는 목적으로 초격자 구조도 종종 이용되고 있다. 이들 각종 층에 있어서, 막질이 양호한 결정을 얻기 위한 원료 가스 조건은 달라 각각의 층에 있어서 원료 가스 유량의 최적화를 실행한다. 그러나 현재까지 흔히 알려져 있는 기상 성장 장치에 있어서는, 전술한 것과 같이 암모니아와 유기 금속 화합물의 도입 배관은 하나씩으로 가스 유량의 최적화를 실행하는데 큰 제한이 있다. 즉, 암모니아와 유기 금속 화합물의 유량의 절대값을 변화시킴으로써 최적인 조건을 구해왔다. 그러나 그와 같이 선택 채널이 적은 방법에서는 각각의 층이 최적인 조건 하에서 성장하고 있다고는 말하기 어렵다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기판상에 대한 큰 성장 반응 속도, 또한 기판 면내에서의 양호한 결정막 두께 면내 분포 (막 두께 균일성)을 실현할 수 있고, 또 원료 가스 유량 조건의 선택 채널 수가 많은 기상 성장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 이러한 현상에 감안하여, 반응 효율이 좋은 Ⅲ족 질화물 반도체를 성장시킬 수 있는 기상 성장 장치를 얻는 것을 목적으로 하여 여러 가지 검토를 거듭한 결과, 기상 성장 반응로에 있어서, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2종 또는 3종을 임의의 비율로 분출할 수 있는 제2 혼합 가스 분출구를 구비한 구성으로 함으로써, GaN, InGaN , AlGaN 등 각 층의 최적 조건을 조절하는 것을 용이하게 할 수 있어, 그 결과로서 큰 결정 성장 속도 또한 양호한 결정막 두께 면내 분포를 얻을 수 있는 것 등을 알아내어, 본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 도달했다.
즉, 본 발명은 기판을 보유하는 서셉터, 이 서셉터의 대면, 이 기판을 가열하기 위한 히터, 이 서셉터 및 이 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로, 이 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부, 및 반응 가스 배출부를 가지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 상기 원료 가스 도입부가 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2종 또는 3종을 임의의 비율로 분출할 수 있는 제2 혼합 가스 분출구를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치이다.
본 발명의 기상 성장 장치는 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2종 또는 3종을 임의의 비율로 반응로에 공급할 수 있는 제2 혼합 가스 분출구를 구비한 구성이므로, 제1 혼합 가스 분출구 및 제2 혼합 가스 분출구 (이하, 혼합 가스 분출구로 간략하게 기재하는 경우가 있음)로부터 각 가스 유량 및 농도가 최적으로 조절된 혼합 가스를 반응로의 기판 표면에 공급할 수 있어, GaN, InGaN, AlGaN 등의 각층의 결정 성장시에 최적 조건을 조절하는 것이 용이하게 되고, Ⅲ족 질화물 반도체의 막 두께 분포의 균일성, 반응 속도의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 부근의 일례를 나타내는 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 부근의 일례를 나타내는 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 부근의 일례를 나타내는 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 부근의 일례를 나타내는 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 기상 성장 장치에서의 서셉터 형태의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 8은 실시예 1, 2 및 비교예 1에서의 GaN 성막의 3인치 기판 면내 막 두께 분포 (성장 속도)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 기상 성장 장치에서의 가스 도입 배관 형태의 일례를 나타내는 모식도이다.
본 발명은 기판을 보유하는 서셉터, 이 서셉터의 대면, 이 기판을 가열하기 위한 히터, 이 서셉터 및 이 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로, 이 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부, 및 반응 가스 배출부를 가지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치에 적용된다. 본 발명의 기상 성장 장치는 주로 갈륨, 인듐, 알루미늄으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속과 질소의 화합물로 이루어진 질화물 반도체의 결정 성장을 실행하기 위한 기상 성장 장치이다. 본 발명에 있어서는, 특히 직경 3 인치 이상의 크기의 기판을 복수 매 보유하는 기상 성장의 경우에 효과를 충분하게 발휘시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 기상 성장 장치를 도 1∼도 9에 기초하여 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1, 도 2는 각각 본 발명의 기상 성장 장치의 일례를 나타내는 수직 단면도이다. (도 1의 기상 성장 장치는 원반 (10)을 회전시킴으로써 서셉터 (2)를 회전시키는 기구를 가지는 기상 성장 장치이며, 도 2의 기상 성장 장치는 서셉터 회전축 (11)을 회전시킴으로써 서셉터 (2)를 회전시키는 기구를 가지는 기상 성장 장치이다.) 도 3∼도 6은 각각 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 부근의 일례를 나타내는 확대 단면도이다. 도 7은 본 발명의 기상 성장 장치에서의 서셉터 형태의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 8은 실시예 1, 2 및 비교예 1에서의 GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포 (성장 속도)를 나타내는 그래프이다. 도 9는 본 발명의 기상 성장 장치에서의 가스 도입 배관 형태의 일례를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치는 도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 기판 (1)을 보유하는 서셉터 (2), 서셉터의 대면 (3), 기판을 가열하기 위한 히터 (4), 서셉터와 그 대면의 틈으로 이루어진 반응로 (5), 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부 (6) 및 반응 가스 배출부 (7)를 가지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 도 3∼도 6에 나타내는 바와 같이, 원료 가스 도입부가 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스를 임의의 비율로 분출시킬 수 있는 혼합 가스 분출구 (8)를 구비하여 이루어진 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치이다.
여기서, 상기 제1 혼합 가스 분출구와 제2 혼합 가스 분출구는 각각 2 계통의 독립한 혼합 가스의 유로 분출구로서, 같은 계통의 혼합 가스가 2 개의 분출구로부터 분출하는 것 같은 구성과는 다르다.
예를 들면, 도 3, 도 4의 원료 가스 도입부 (6)는 2 개의 혼합 가스 분출구 (8)를 가지며, 암모니아를 포함하는 가스의 유로 (12), 유기 금속 화합물을 포함하는 가스의 유로 (13), 캐리어 가스의 유로 (14)가 각각 혼합 가스의 분출구 (8)의 바로 앞에서 합류하여, 선단에 분출구를 가지는 혼합 가스의 유로 (16)에 접속하는 구성이다. 또, 도 5, 도 6의 원료 가스 도입부는 2 개의 혼합 가스 분출구 (8)를 가지며, 암모니아를 포함하는 가스의 유로 (12), 유기 금속 화합물과 캐리어 가스를 포함하는 가스의 유로 (15)가 각각 혼합 가스의 분출구 (8)의 바로 앞에서 합류하여, 선단에 분출구를 가지는 혼합 가스의 유로 (16)에 접속하는 구성이다.
또한, 도 5, 도 6의 원료 가스 도입부에 있어서, 유기 금속 화합물과 캐리어 가스를 포함하는 가스는 미리 기상 성장 장치의 외부에서 원하는 혼합비로 혼합할 수 있다. 나아가, 예를 들면 도 3, 도 4 각각의 가스의 유로 (유로 (12∼14))에는 도 9에 나타내는 바와 같이, 기상 성장 장치 (20) 외부의 매스 플로우 컨트롤러 (24) 등을 통하여 원하는 유량 및 농도의 각 가스를 공급할 수 있도록 배관 (암모니아를 포함하는 가스의 배관 (21), 유기 금속 화합물을 포함하는 가스의 배관 (22) 및 캐리어 가스의 배관 (23))이 접속된 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치는 각각의 가스의 유량 및 농도를 자유롭게 조절하여 반응로에 공급할 수 있는 2개 이상의 혼합 가스 분출구 (8)가 구비되어 있다.
전술한 원료 가스 도입부 (6)에 있어서, 원료 가스의 혼합부는 통상은 혼합 가스 분출구 (8)의 선단의 바로 앞 5 ㎝ 이상 내지 100 ㎝ 이하가 되도록 설정된다. 특히, 암모니아와 유기 금속 화합물의 혼합 개소는 바람직하게는 혼합 가스 분출구 (8)의 선단 바로 앞 5 ㎝ 이상 내지 100 ㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 혼합 가스 분출구 (8)의 선단 바로 앞 10 ㎝ 이상 내지 50 ㎝ 이하가 되도록 구성된다. 5 ㎝ 보다 짧은 거리에서는 각 원료 가스가 혼합 가스 분출구 (8)의 선단까지 충분히 혼합되지 않으며, 또 100 ㎝ 보다 긴 거리에서는 원료 가스로부터 생성되는 부가물이 필요 이상으로 반응해 버릴 우려가 있다. 또, 효과적으로 원료 가스를 혼합시키기 위해서, 원료 가스 혼합부에 확산판 등을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 상기와 같은 경우에 있어서, 가스의 혼합부가 기상 성장 장치의 외부에 설치되게 되어도, 가스의 혼합부를 본 발명의 기상 성장 장치의 일부로 간주할 수 있다.
또, 전술한 원료 가스 도입부 (6)에 있어서, 혼합 가스 분출구 (8)는 2 개로 한정되는 것은 아니며, 2 개 이상이라면 어느 개수의 분출구라도 된다. 하지만, 너무 많은 분출구를 마련해도 원료 가스의 유량의 최적화 검토에 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 원료 가스 도입부 (6)의 구조도 복잡하게 된다. 분출구를 4 개 이상으로 해도 결정 성장의 성장 속도, 기판의 막 두께 면내 균일성에 주는 영향은 분출구 3 개일 때와 거의 변함없다. 이 이유로 혼합 가스 분출구 (8)는 2 개, 또는 3 개가 바람직하다. 3 개 이상인 경우에도 2 개인 경우와 마찬가지로 가스 유로에 암모니아를 포함하는 가스의 배관, 유기 금속 화합물을 포함하는 가스의 배관, 캐리어 가스의 배관이 각각의 매스 플로우 컨트롤러를 통하여 설치된다.
또한, 전술한 원료 가스 도입부 (6)에 있어서는, 도 3, 도 5에 나타내는 바와 같이, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스 3 종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2 종 또는 3 종을 포함하는 제2 혼합 가스 분출구 외에 캐리어 가스만을 반응로에 공급하는 캐리어 가스 분출구 (17)를 마련할 수 있다. 이와 같은 캐리어 가스 분출구 (17)를 마련하는 경우는 통상은 서셉터의 대면 (3) 측에 마련된다. 또, 캐리어 가스만을 반응로에 공급하는 캐리어 가스 분출구 (17)는 통상은 1 개이다. 캐리어 가스 분출구 (17)에 통하는 캐리어 가스의 유로 (14)에는 전술과 마찬가지로 캐리어 가스의 배관 (23)이 매스 플로우 컨트롤러 (24)를 통하여 설치된다.
가스의 분출구 (혼합 가스 분출구 (8), 혹은 혼합 가스 분출구 (8)와 캐리어 가스 분출구 (17))는 상하 방향으로 순차 마련될 수 있다. 혼합 가스 분출구 (8)나 캐리어 가스 분출구 (17)는 각각 도 3∼도 6에 나타내는 바와 같이 기판에 거의 수평으로 가스를 분출할 수 있도록 구성되어 있다. 혼합 가스 분출구 (8)나 캐리어 가스 분출구 (17)로부터의 가스 분출 방향은 기판에 완전하게 수평이 될 필요는 없으나, 크게 수평으로부터 빗나가 분출되면 반응로 내에서 가스가 층류 (層流)로 되지 않고 대류 (對流)하기 쉬워진다. 이 때문에, 기판에 대한 혼합 가스 분출구 (8)의 분출 방향의 각도 (θ)는 -10 도 ＜ θ ＜ 10 도가 되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 원료 가스 도입부 (6)는 혼합 가스 분출구 (8)나 캐리어 가스 분출구 (17)를 냉각하는 수단 (설비)을 마련하는 것이 바람직하다. Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장에 있어서는, 통상은 결정 성장을 위해서 반응로 내는 약 700℃∼약 1200℃로 가열된다. 이 때문에, 냉각을 실행하지 않으면 원료 가스 도입부 (6)도 약 600℃∼약 1100℃로 온도가 상승해 버려 원료 가스는 원료 가스 도입부 (6)에서 분해해 버린다. 이를 억제하기 위해서, 예를 들면 도 3∼도 6에 나타낸 바와 같이, 원료 가스 도입부 (6) 부근의 구성 부재 중에 냉매의 유로 (18)를 마련해, 거기에 냉매를 유통시킴으로써 냉각을 실행한다. 예를 들면, 약 30℃의 물로 냉각함으로써 원료 가스 도입부 (6)의 온도를 약 200℃∼약 700℃로 낮추는 것이 가능해진다. 상기 냉각 수단은 혼합 가스 도입 분출구 (8) 부근에 마련하는 것이 보다 바람직하다.
하지만, 혼합 가스 분출구 (8)를 냉각하는 방법은 상기와 같은 수단으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 3∼도 6에 나타낸 바와 같이, 원료 가스 도입부 (6)의 최하부에 냉각 수단을 마련하는 방법 외에 원료 가스 도입부 (6)의 최상부에 냉각 수단을 마련하는 방법, 원료 가스 도입부 (6)의 각각의 개소를 열전도성이 좋은 부재로 부분적으로 결합시키고, 추가로 원료 가스 도입부 (6)의 한 개소에 냉각 수단을 마련하여 냉각을 실행함으로써 원료 가스 도입부 (6)의 모든 부재를 간접적으로 냉각하는 방법도 가능하다.
또한, 본 발명에서의 서셉터 (2)의 형태는 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이 복수 매의 기판을 보유하기 위한 공간을 주변부에 가지는 원반 형상인 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 기상 성장 장치에 있어서는 외주에 톱니 바퀴를 가지는 복수 개의 서셉터를 회전시키는 원반 (10)이 서셉터 (2) 외주의 톱니 바퀴와 맞물리도록 설치되어 있어 외부의 회전 발생부를 통해서 서셉터를 회전시키는 원반 (10)을 회전시킴으로써 서셉터 (2)가 회전하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 서셉터 (2)에 기판 (1)을 균열판 (9)과 함께 스토퍼에 의해 보유시켜, 예를 들면 기판 (1)의 결정 성장 면이 아래로 향하도록 기상 성장 장치에 세팅된다.
본 발명의 기상 성장 장치를 이용하여 기판상에 결정 성장을 실행할 때에는 원료 가스가 되는 유기 금속 화합물 (트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리에틸인듐, 트리메틸암모늄, 트리에틸암모늄 등 또는 이들의 혼합 가스), 암모니아 및 캐리어 가스 (수소, 질소 등의 불활성 가스 또는 이들의 혼합 가스)는 각각 외부로부터의 배관에 의해 전술과 바와 같은 본 발명의 기상 성장 장치의 원료 가스 도입부 (6)에 공급되며, 나아가 원료 가스 도입부 (6)로부터 반응로 (5)에 거의 최적의 유량 및 농도 조건에서 공급된다.
실시예
다음에, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(기상 성장 장치의 제작)
스테인리스제의 반응 용기의 내부에 원판 형상의 서셉터 (SiC 코트 카본제, 직경 600 mm, 두께 20 mm, 3 인치 기판을 8 매 보유 가능), 원료 가스 도입부 부근에 상당하는 개소에 냉매를 유통하기 위한 유로를 마련한 서셉터의 대면 (카본제), 히터, 원료 가스 도입부 (카본제), 반응 가스 배출부 등을 마련하여 도 1 에 나타내는 바와 같은 기상 성장 장치를 제작했다. 또, 3 인치 크기의 사파이어 (C 면)로 이루어진 기판을 8 매 기상 성장 장치에 세팅했다.
또한, 원료 가스 도입부는 도 3 에 나타내는 바와 같이 구성되었다. 혼합 가스 분출구의 선단과 기판의 수평면의 거리는 34 mm 이며, 암모니아, 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스의 혼합 위치는 혼합 가스 분출구의 선단 바로 앞 50 ㎝의 개소였다. 또한, 원료 가스 도입부의 각각의 가스 유로에 기상 성장 장치 외부의 매스 플로우 컨트롤러 등을 통하여 원하는 유량 및 농도의 각 가스를 공급할 수 있도록 배관을 접속했다.
(기상 성장 실험)
이와 같은 기상 성장 장치를 이용하여, 기판의 표면에 질화 갈륨 (GaN)의 성장을 실행했다. 대면의 냉매를 유통하기 위한 유로로의 냉각수 순환 (유량: 18 L/min)을 개시한 후, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 1050℃ 까지 상승시켜, 기판의 클리닝을 실행했다. 계속해서, 기판의 온도를 510℃ 까지 내리고, 원료 가스로서 트리메틸갈륨 (TMG)과 암모니아, 캐리어 가스로서 수소를 이용하여 사파이어 기판상에 GaN 으로 이루어진 버퍼층을 약 20 nm의 막 두께로 성장시켰다.
버퍼층 성장 후에 TMG 만 공급을 정지하고 온도를 1050℃ 까지 상승시켰다. 그 후, 상층의 분출구로부터 암모니아 (유량: 30 L/min)와 수소 (유량: 5 L/min), 중층의 분출구로부터 TMG (유량: 40 cc/min)와 암모니아 (유량: 10 L/min)와 수소 (유량: 30 L/min), 하층의 분출구로부터 질소 (유량: 30 L/min)를 공급하여 언도프 GaN을 1 시간 성장시켰다. 또한, 버퍼층을 포함한 모든 성장은 기판을 10 rpm의 속도로 자전시키면서 실행했다.
이상과 같이 질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내려 기판을 반응 용기로부터 꺼내어 GaN 막 두께를 측정했다. 그 결과, 기판 중심의 GaN 막 두께는 3.95㎛였다. 이것은 기판 중심의 GaN 성장 속도가 3.95 ㎛/h인 것을 나타내고 있다. 또, 실시예 1에서의 GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포를 도 7에 나타냈다. 또한, 횡축에 있어서 0 점은 기판의 중심을 나타내며, 그 외의 값은 이 중심으로부터의 거리를 나타내는 것이다. 면내의 막 두께의 변동폭은 1.8 %였다. 이상과 같이, 3 인치의 기판에 있어서도 큰 결정 성장 속도, 또한 양호한 결정막 두께 면내 분포를 가지는 결정이 얻어졌다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 기상 성장 장치를 이용하여 기판의 표면에 질화갈륨 (GaN) 성장을 실행했다. 대면의 냉매를 유통하기 위한 유로로의 냉각수 순환 (유량: 18 L/min)을 개시한 후, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 1050℃ 까지 상승시켜 기판의 클리닝을 실행했다. 계속해서, 기판의 온도를 510℃ 까지 내리고, 원료 가스로서 트리메틸갈륨 (TMG)과 암모니아, 캐리어 가스로서 수소를 이용하여 사파이어 기판상에 GaN으로 이루어진 버퍼층을 약 20 nm 막 두께로 성장시켰다.
버퍼층 성장 후에, TMG 만 공급을 정지하고 온도를 1050℃ 까지 상승시켰다. 그 후, 상층의 분출구로부터 암모니아 (유량: 35 L/min)와 수소 (유량: 5 L/min), 중층의 분출구로부터 TMG (유량: 40 cc/min)와 암모니아 (유량: 5 L/min)와 수소 (유량: 30 L/min), 하층의 분출구로부터 질소 (유량: 30 L/min)를 공급하여 언도프 GaN을 1 시간 성장시켰다. 또한, 버퍼층을 포함한 모든 성장은 기판을 10 rpm의 속도로 자전시키면서 실행했다.
이상과 같이 질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내려 기판을 반응 용기로부터 꺼내어 GaN 막 두께를 측정하였다. 그 결과, 기판 중심의 GaN 막 두께는 3.85 ㎛였다. 이들은 기판 중심의 GaN 성장 속도가 3.85 ㎛/h인 것을 나타내고 있다. 또, 실시예 2에서의 GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포를 도 7에 나타냈다. 면내의 막 두께의 변동폭은 1.8 %였다. 이상과 같이, 3 인치 기판에 있어서도 큰 결정 성장 속도 또한 양호한 결정막 두께 면내 분포를 가지는 결정이 얻어졌다.
[실시예 3]
실시예 1의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 원료 가스 도입부를 도 5에 나타낸 바와 같은 구성으로 바꾼 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기상 성장 장치를 제작하였다. 가스의 분출구의 선단과 기판의 수평면의 거리, 암모니아와 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스의 혼합 위치는 실시예 1과 마찬가지였다. 이와 같은 기상 성장 장치를 이용하여 실시예 1과 동일한 기상 성장 실험을 실행했다.
질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내려 기판을 반응 용기로부터 꺼내서 GaN 막 두께를 측정했다. 그 결과, 기판 중심의 GaN 막 두께, GaN 성장 속도, GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포, 면내의 막 두께의 변동폭은 거의 실시예 1과 마찬가지였다. 이상과 같이, 3 인치의 기판에 있어서도 큰 결정 성장 속도 또한 양호한 결정막 두께 면내 분포를 가지는 결정이 얻어졌다.
[실시예 4]
실시예 1의 기상 성장 장치의 제작에 있어서 원료 가스 도입부를 도 5에 나타내는 바와 같은 구성으로 바꾼 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 기상 성장 장치를 제작했다. 가스의 분출구의 선단과 기판의 수평면의 거리, 암모니아와 유기 금속 화합물 및 캐리어 가스의 혼합 위치는 실시예 1과 마찬가지였다. 이와 같은 기상 성장 장치를 이용하여 실시예 2와 동일한 기상 성장 실험을 실행했다.
질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내리고 기판을 반응 용기로부터 꺼내어 GaN 막 두께를 측정했다. 그 결과, 기판 중심의 GaN 막 두께, GaN 성장 속도, GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포, 면내 막 두께의 변동폭은 거의 실시예 2와 마찬가지였다. 이상과 같이, 3 인치의 기판에 있어서도 큰 결정 성장 속도 또한 양호한 결정막 두께 면내 분포를 가지는 결정이 얻어졌다.
[비교예 1〕
(기상 성장 장치의 제작)
실시예 1의 기상 성장 장치의 제작에 있어서, 상층의 분출구를 암모니아와 캐리어 가스를 임의의 비율로 분출할 수 있는 분출구, 중층의 분출구를 유기 금속 화합물과 캐리어 가스를 임의의 비율로 분출할 수 있는 분출구, 하층의 분출구를 캐리어 가스를 분출할 수 있는 분출구로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 기상 성장 장치를 제작했다. 가스의 분출구의 선단과 기판의 수평면의 거리, 각각의 가스의 혼합 위치는 실시예 1과 마찬가지였다.
(기상 성장 실험)
이와 같은 기상 성장 장치를 이용하여 기판의 표면에 질화갈륨 (GaN)의 성장을 실행했다. 대면의 냉매를 유통하기 위한 유로로의 냉각수 순환 (유량: 18 L/min)을 개시한 후, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 1050℃ 까지 상승시켜, 기판의 클리닝을 실행했다. 이어서, 기판의 온도를 510℃ 까지 내리고, 원료 가스로서 트리메틸갈륨 (TMG)과 암모니아, 캐리어 가스로서 수소를 이용하여 사파이어 기판상에 GaN으로 이루어진 버퍼층을 약 20 nm의 막 두께로 성장시켰다.
버퍼층 성장 후에 TMG 만 공급을 정지하고 온도를 1050℃ 까지 상승시켰다. 그 후, 상층의 분출구로부터 암모니아 (유량: 40 L/min)와 수소 (유량: 5 L/min), 중층의 분출구로부터 TMG (유량: 40 cc/min)와 수소 (유량: 30 L/min), 하층의 분출구로부터 질소 (유량: 30 L/min)를 공급하여 언도프 GaN을 1 시간 성장시켰다. 또한, 버퍼층을 포함하는 모든 성장은 기판을 10 rpm의 속도로 자전시키면서 실행했다.
이상과 같이 질화물 반도체를 성장시킨 후, 온도를 내리고 기판을 반응 용기로부터 꺼내서 GaN 막 두께를 측정했다. 그 결과, 기판 중심의 GaN 막 두께는 3.70 ㎛였다. 이는 기판 중심의 GaN 성장 속도가 3.70 ㎛/h인 것을 나타내고 있다. 이값은 실시예 1 및 실시예 2의 GaN 성장 속도 보다도 작았다. 또, 비교예 1에서 GaN 성막의 3 인치 기판 면내 막 두께 분포를 도 7에 나타냈다. 면내의 막 두께의 변동폭은 5.0 % 이며, 실시예 1 및 실시예 2에 비해 면내 분포는 악화하였다.
이상과 같이, 본 발명의 기상 성장 장치는 Ⅲ족 질화물 반도체의 막 두께 분포의 균일성, 반응 속도의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
1 기판
2 서셉터
3 서셉터의 대면
4 히터
5 반응로
6 원료 가스 도입부
7 반응 가스 배출부
8 혼합 가스 분출구
9 균열판
10 서셉터를 회전시키는 원반
11 서셉터 회전축
12 암모니아를 포함하는 가스의 유로
13 유기 금속 화합물을 포함하는 가스의 유로
14 캐리어 가스의 유로
15 유기 금속 화합물과 캐리어 가스를 포함하는 가스의 유로
16 혼합 가스의 유로
17 캐리어 가스 분출구
18 냉매의 유로
19 스토퍼 (stopper)
20 기상 성장 장치
21 암모니아를 포함하는 가스의 배관
22 유기 금속 화합물을 포함하는 가스의 배관
23 캐리어 가스의 배관
24 매스 플로우 컨트롤러

Claims (8)

  1. 기판을 보유하는 서셉터 (susceptor), 이 서셉터의 대면 (對面), 이 기판을 가열하기 위한 히터, 이 서셉터 및 이 서셉터의 대면의 틈으로 이루어진 반응로, 이 반응로에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 도입부, 및 반응 가스 배출부를 가지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치로서, 상기 원료 가스 도입부가 암모니아, 유기금속 화합물 및 캐리어 가스 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제1 혼합 가스 분출구와, 암모니아, 유기금속 화합물 및 캐리어 가스로부터 선택되는 2종 또는 3종을 임의의 비율로 혼합하여 이루어진 혼합 가스를 분출할 수 있는 제2 혼합 가스 분출구를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    원료 가스 도입부가 제1 혼합 가스 분출구 및 제2 혼합 가스 분출구 외에, 캐리어 가스만을 반응로에 공급하는 캐리어 가스 분출구를 구비하여 이루어지는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    암모니아와 유기금속 화합물의 혼합이 제1 혼합 가스 분출구 및 제2 혼합 가스 분출구의 선단 바로 앞 5 ㎝ 이상 내지 100 ㎝ 이하의 개소에서 실행되도록 구성된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1 혼합 가스 분출구 및 제2 혼합 가스 분출구가 상하 방향으로 순차 마련된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 혼합 가스 분출구 및 제2 혼합 가스 분출구 부근에 혼합 가스를 냉각하는 수단이 마련된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    캐리어 가스 분출구를 냉각하는 수단이 마련된 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    질화물 반도체가 갈륨, 인듐 및 알루미늄으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속과 질소의 화합물인 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    기판이 결정 성장 면을 아래로 향하게 하여 보유되는 Ⅲ족 질화물 반도체의 기상 성장 장치.
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