(57)【要約】【課題】目的とする場所以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置及び気相成長方法を提供する。【解決手段】第１原料ガスと、前記第１原料ガスと異なる第２原料ガスと、を用いて基板の上に成膜する気相成長装置であって、前記基板が設置される反応室と、前記反応室に連通し、前記第１原料ガスを導入する第１原料ガス導入路と、前記反応室に連通し、前記第２原料ガスを導入する第２原料ガス導入路と、前記第１原料ガス導入路と前記第２原料ガス導入路との間において前記反応室に連通し、前記第１原料ガスとの反応速度及び前記第２原料ガスとの反応速度が、前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとの反応速度よりも遅い分離ガスを導入する分離ガス導入路と、を備えたことを特徴とする気相成長装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１原料ガスと、前記第１原料ガスと異なる第２原料ガスと、を用いて基板の上に成膜する気相成長装置であって、
前記基板が設置される反応室と、
前記反応室に連通し、前記第１原料ガスを導入する第１原料ガス導入路と、
前記反応室に連通し、前記第２原料ガスを導入する第２原料ガス導入路と、
前記第１原料ガス導入路と前記第２原料ガス導入路との間において前記反応室に連通し、前記第１原料ガスとの反応速度及び前記第２原料ガスとの反応速度が、前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとの反応速度よりも遅い分離ガスを導入する分離ガス導入路と、
を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記第１原料ガス導入路は、複数設けられ、
前記第２原料ガス導入路は、複数設けられ、
前記分離ガス導入路は、複数設けられ、
前記第１原料ガス導入路と、前記第２原料ガス導入路と、は、交互に設けられ、
前記分離ガス導入路は、隣接する前記第１原料ガス導入路と前記第２原料ガス導入路との間において前記反応室にそれぞれ連通することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第１及び前記第２原料ガス導入路の少なくともいずれかは、二重管構造体の内側管であり、
前記分離ガス導入路は、前記二重管構造体の外側管であることを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
複数の原料ガスを用いて基板の上に成膜する気相成長方法であって、
前記第１原料ガスとの反応速度及び前記第２原料ガスとの反応速度が、前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとの反応速度よりも遅い分離ガスによって前記複数の原料ガスどうしを分離しつつ、前記基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長させることを特徴とする気相成長方法。
【請求項５】
前記複数の原料ガスの少なくともいずれかの周りを取り囲むように前記分離ガスを導入することを特徴とする請求項４記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造において、種類の異なる原料ガスを用いて成膜を行う気相成長装置がある。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）を製造する際のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置においては、例えば、５族のガス、及び、３族のガスが、キャリアガスと伴に反応室に導入される。そして、基板上でこのガスが加熱、分解され、エピタキシャル結晶として析出し、成膜が行われる。この時、反応室に導入されたガスは、加熱されている基板からの輻射熱などによって加熱され、これにより、基板の上以外の例えば反応室の内壁やガス導入路などの上で結晶成長反応が起こる。その結果、原料ガスは、成膜されるべき基板の上以外で消費され、原料の使用効率を低下させる。また、このことは、装置寿命に悪影響を与え、また、製造条件の安定化の妨げとなる。
【０００３】
特許文献１には、隔壁部材によって、複数の原料ガスを分離状態で基板の近傍に導き、基板に吹き付ける技術が開示されている。しかし、例えば、ＧａＮを成膜する際には、基板温度は１０００℃程度に加熱する必要があり、隔壁部材に用いられる材料の耐熱性がこの温度に耐えられないため、隔壁部材を基板に近接させることが困難であり、この技術の採用は実用的には難しい。
【特許文献１】特開２００３−５１４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、目的とする場所以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置及び気相成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、第１原料ガスと、前記第１原料ガスと異なる第２原料ガスと、を用いて基板の上に成膜する気相成長装置であって、前記基板が設置される反応室と、前記反応室に連通し、前記第１原料ガスを導入する第１原料ガス導入路と、前記反応室に連通し、前記第２原料ガスを導入する第２原料ガス導入路と、前記第１原料ガス導入路と前記第２原料ガス導入路との間において前記反応室に連通し、前記第１原料ガスとの反応速度及び前記第２原料ガスとの反応速度が、前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとの反応速度よりも遅い分離ガスを導入する分離ガス導入路と、を備えたことを特徴とする気相成長装置が提供される。
【０００６】
本発明の一態様によれば、複数の原料ガスを用いて基板の上に成膜する気相成長方法であって、前記第１原料ガスとの反応速度及び前記第２原料ガスとの反応速度が、前記第１原料ガスと前記第２原料ガスとの反応速度よりも遅い分離ガスによって前記複数の原料ガスどうしを分離しつつ、前記基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長させることを特徴とする気相成長方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、目的とする場所以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置及び気相成長方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。  
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。  図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係る気相成長装置１０は、複数の原料ガス、すなわち、第１原料ガス２１０と、第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を用いて基板１６０の上に成膜する気相成長装置である。  
気相成長装置１０は、基板１６０が設置される反応室１５０と、反応室１５０に連通し、第１原料ガス２１０を導入する第１原料ガス導入路１１０と、反応室１５０に連通し、第２原料ガス２２０を導入する第２原料ガス導入路１２０と、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０の間に設けられ、第１及び第２原料ガス２１０、２２０との反応速度が遅い分離ガス２３０を導入する分離ガス導入路１３０と、を備える。
【００１０】
本具体例の気相成長装置１０は、水平フロー型のＭＯＣＶＤ気相成長装置であり、反応室１５０は、反応室１５０の内部に設けられ基板１６０を載置する基板載置部１７０を有し、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０と、分離ガス導入路１３０と、は、基板載置部１７０の側方に設けられている。ただし、後述するように、縦型の構造の気相成長装置としても良い。
【００１１】
また、基板載置部１７０には、加熱部１８０を設けることができ、加熱部１８０により基板１６０を加熱し、上記の原料ガスを反応させて成膜を行う。  
また、反応室１５０には、排出部１９０が設けられ、反応が終了したガスを排出する。
【００１２】
本具体例では、第１原料ガス導入路１１０、第２原料ガス導入路１２０及び分離ガス導入路１３０は、反応室１５０の内壁に連通し、基板載置部１７０から充分距離をおいて形成された隔壁部材１５１によって、互いに隔てられている。そして、隔壁部材１５１よりも基板載置部１７０の側では、それぞれの間に隔壁部材１５１を伴わないで、第１原料ガス２１０、第２原料ガス２２０及び分離ガス２３０のそれぞれを分離した状態で基板載置部１７０の方向に導入する。
【００１３】
このように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、この隔壁部材１５１は、成膜時の基板温度に耐え得る程度に、基板載置部１７０と充分距離をおいて形成される。そして、隔壁部材１５１よりも基板載置部１７０の側においては、第１原料ガス２１０及び第２原料ガス２２０は、分離ガス導入路１３０から導入される分離ガス２３０によって、実質的に分離された状態で、基板表面に導入される。
【００１４】
第１原料ガス２１０としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）、Ｓｉの水素化物、炭素の水素化物よりなる群から選ばれた少なくとも１つを用いることができる。また、これらのガスに各種のキャリアガスを混合したものを用いることができる。
【００１５】
また、第２原料ガス２２０としては、例えば、ＮＨ３、ＡｓＨ３、ＰＨ３、ＰＨ３、ＳｂＨ３よりなる群から選ばれた少なくとも１つを用いることができる。また、これらのガスに各種のキャリアガスを混合したものを用いることができる。
【００１６】
ただし、本発明は、これに限らず、第１原料ガス２１０に用いられる上記のガスと、第２原料ガス２２０に用いられる上記のガスとを互いに入れ替えても良い。さらに、第１及び第２原料ガス２１０、２２０に用いられるそれぞれのガスは上記以外の任意のガスとすることができる。すなわち、第１原料ガス２１０及び第２原料ガス２２０には、互いに異なるガスであれば良い。そして、後述するように、第１原料ガス２１０及び第２原料ガス２２０が、互いに反応するガスである時に、分離ガスでこれらのガスを分離することで、本実施形態の効果が享受できる。  
なお、第１及び第２原料ガス２１０、２２０は、各種のドーピング用のガスを含むことができる。
【００１７】
また、分離ガス２３０には、Ｎ２、Ｈ２、及び、希ガスなどを用いることができる。なお、希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンである。ただし、本発明は、これに限らず、分離ガス２３０は、第１及び第２原料ガス２１０、２２０との反応速度が遅い各種のガスを用いることができる。例えば、分離ガス２３０は、第１及び第２原料ガス２１０、２２０と実質的に反応しないガスである。
【００１８】
そして、気相成長装置１０においては、分離ガス２３０を導入する分離ガス導入路１３０が、第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０との間に設けられており、第１及び第２原料ガス２１０、２２０は、分離ガス２３０によって互いに分離された状態で、基板１６０の表面に導入される。
【００１９】
これにより、基板１６０の上以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことを抑制し、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置が提供できる。
【００２０】
（比較例）
図２は、比較例の気相成長装置の構成を例示する模式図である。  
図２に表したように、比較例の気相成長装置９０も、複数の原料ガス、すなわち、第１原料ガス２１０と、第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を用いて基板の上に成膜する気相成長装置である。
【００２１】
そして、比較例の気相成長装置９０においては、第１及び第２原料ガスを分離して、基板近傍まで導入する隔壁部材１５１が設けられている。すなわち、第１及び第２原料ガス２１０、２２０は、それぞれを導入する第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０を通り、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０に連結された隔壁部材１５１によって分離された状態で、基板１６０に吹き付けられる。これにより、基板１６０の表面以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことを抑制することができ得る。
【００２２】
この時、基板１６０の表面以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことを抑制するためには、隔壁部材１５１をできるだけ基板１６０の近傍まで延在させる必要がある。すなわち、隔壁部材１５１は、基板１６０が設置される基板載置部１７０に近接し、加熱部１８０とも近接する。このとき、例えば、ＧａＮを成膜する際には、基板温度は１０００℃程度に加熱される。基板１６０をこのように高温に加熱すると、基板１６０からの輻射熱、及び、加熱部１８０からの熱によって、隔壁部材１５１が高温にさらされる。隔壁部材１５１に用いられる材料として、このような高温に耐える材料は、例えば石英など、限られており、高価である。また、隔壁部材１５１となるように所定の形状に加工する必要があるが、加工性と耐熱性とを満足する材料はさらに限られ、実用的ではない。
【００２３】
これに対し、既に説明したように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、第１及び第２原料ガス２１０、２２０を、分離ガス２３０によって分離する。このため、上記で説明したような隔壁部材１５１に起因する問題が生じない。そして、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が実質的に分離された状態で、基板１６０の上に導入することができる。
【００２４】
これにより、基板１６０の上以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことを抑制し、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置が提供できる。これにより、原料の使用効率を向上させ、また、装置寿命への悪影響を回避し、製造条件の安定性を向上させることができる。
【００２５】
なお、図１に表したように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０はそれぞれ複数設けられている。そして、第１原料ガス導入路１１０のそれぞれは、第２原料ガス導入路１２０のそれぞれの間に設けられ、分離ガス導入路１３０は、第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０との、それぞれの間に設けられている。
【００２６】
すなわち、気相成長装置１０においては、第１原料ガス導入路１１０は複数設けられ、第２原料ガス導入路１２０は複数設けられ、第１原料ガス導入路１１０の少なくとも２つの間に第２原料ガス導入路１２０が設けられ、分離ガス導入路１３０は、第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０の間のそれぞれの間に設けられる。
【００２７】
これにより、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とを、分離しつつ、交互に導入することができ、基板１６０の表面に、均一性を高めた状態で導入することができる。これにより、より均一性の高い成膜が可能となる。
【００２８】
なお、図１に例示した気相成長装置１０においては、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０、及び、分離ガス導入路１３０は、２つずつ設けられているが、さらに多くの数の第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０、及び、分離ガス導入路１３０を設けても良い。この時、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０のそれぞれの数は異なっていても良く、また、分離ガス導入路１３０は、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０のそれぞれの間に設けられれば良い。
【００２９】
なお、図１に表したように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、第１原料ガス導入路１１０、第２原料ガス導入路１２０及び分離ガス導入路１３０が、互いに隔壁部材１５１により隔てられた部分がある。そして、隔壁部材１５１と基板載置部１７０との間の部分においては、隔壁部材１５１によって隔てられず、第１原料ガス導入路１１０と第２ガス導入路１２０とは、分離ガス導入路１３０から導入された分離ガス２３０によって分離されている。すなわち、第１ガス導入路１１０、第２ガス導入路１２０及び分離ガス導入路１３０は、隔壁部材１５１によって隔てられず一体となって形成されている隔壁部材１５１と基板載置部１７０との間の部分、を有する。
【００３０】
すなわち、本実施形態に係る気相成長装置１０は、第１原料ガス２１０と、前記第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を用いて基板１６０の上に成膜する気相成長装置であって、前記基板１６０が設置される反応室１５０と、前記反応室１５０に連通し、前記第１原料ガス２１０を導入する第１原料ガス導入路１１０と、前記反応室１５０に連通し、前記第２原料ガス２２０を導入する第２原料ガス導入路１２０と、前記第１原料ガス導入路１１０と前記第２原料ガス導入路１２０との間において前記反応室１５０に連通し、前記第１原料ガス２１０との反応速度及び前記第２原料ガス２２０との反応速度が、前記第１原料ガス２１０と前記第２原料ガス２２０との反応速度よりも遅い分離ガス２３０を導入する分離ガス導入路１３０と、を備え、前記第１原料ガス導入路１１０、前記第２原料ガス導入路１２０及び前記分離ガス導入路１３０は、それぞれの間を隔てる隔壁部材１５１によって互いに隔てられている部分と、隔壁部材１５１によって隔てられず、一体となって形成された部分と、を有する。
【００３１】
このように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、それぞれの導入路が、隔壁部材１５１によって隔てられない部分を有することで、隔壁部材１５１を基板載置部１７０から充分距離をおいて配置することができ、隔壁部材１５１の耐熱性に起因した問題を回避でき、かつ、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とが互いに混ざり合うことを抑制し、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置が提供できる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。  すなわち、図３は、気相成長装置を、基板配置部の主面に垂直な平面で切断した時の模式的斜視図である。
【００３３】
図３に表したように、本発明の第２の実施形態に係る気相成長装置２０は、複数の原料ガス、すなわち、第１原料ガス２１０と、第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を用いて基板１６０の上に成膜する気相成長装置である。本具体例の場合は、縦型のＭＯＣＶＤ気相成長装置である。  
すなわち、本実施形態に係る気相成長装置２０においては、反応室１５０は、反応室１５０の内部に設けられ基板１６０を載置する基板載置部１７０を有し、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０と、分離ガス導入路１３０と、は、基板載置部１７０の上方に設けられている。
【００３４】
なお、この場合は、基板載置部１７０の下方に、排出部１９０が設けられている。  
また、基板載置部１７０には、加熱部１８０を設けることができ、加熱部１８０により基板１６０を加熱し、上記の原料ガスを反応させて成膜を行う。
【００３５】
そして、第１の実施形態と同様に、気相成長装置２０は、基板１６０が設置される反応室１５０と、反応室１５０に連通し、第１原料ガス２１０を導入する第１原料ガス導入路１１０と、反応室１５０に連通し、第２原料ガス２２０を導入する第２原料ガス導入路１２０と、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０の間に設けられ、第１及び第２原料ガス２１０、２２０との反応速度が遅い分離ガス２３０を導入する分離ガス導入路１３０と、を備える。
【００３６】
本実施形態に係る気相成長装置２０においても、第１及び第２原料ガス２１０、２２０と、分離ガス２３０には、第１の実施形態で説明した各種の材料を用いることができる。
【００３７】
そして、気相成長装置２０においては、分離ガス２３０を導入する分離ガス導入路１３０が、第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０との間に設けられており、第１及び第２原料ガス２１０、２２０は、分離ガス２３０によって互いに分離された状態で、基板１６０の表面に導入される。
【００３８】
これにより、基板１６０の上以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことを抑制し、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置が提供できる。
【００３９】
なお、気相成長装置２０においても、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０は、それぞれ複数設けられている。そして、第１原料ガス導入路１１０のそれぞれは、第２原料ガス導入路１２０のそれぞれの間に設けられ、分離ガス導入路１３０は、第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０との、それぞれの間に設けられており、成膜の均一性を高めている。
【００４０】
なお、本実施形態に係る気相成長装置２０において、第１原料ガス導入路１１０、第２原料ガス導入路１２０及び分離ガス導入路１３０の、ガス導入方向に対して垂直な断面積の比率（例えば各導入路の断面が円形の管である場合は内径の比率としても良い）、及び、それぞれの長さ、は、所望とする成膜の条件に合わせて任意に設定でき、適宜変更可能である。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。  図５は、本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。  
図６は、図５のＡ−Ａ’線断面図である。  
すなわち、図４は、気相成長装置を、基板配置部の主面に垂直な平面で切断した時の模式的斜視図である。また、図５は、気相成長装置の基板配置部及び各ガス導入部の部分を拡大して例示する模式的断面図である。なお、図５及び図６においては、各ガス導入路が設けられる上蓋部１５２が省略されて描かれている。
【００４２】
図４に表したように、本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置３０も、複数の原料ガス、すなわち、第１原料ガス２１０と、第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を用いて基板１６０の上に成膜する、縦型のＭＯＣＶＤ気相成長装置である。  
すなわち、本実施形態に係る気相成長装置３０においても、反応室１５０は、反応室１５０の内部に設けられ基板１６０を載置する基板載置部１７０を有し、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０と、分離ガス導入路１３０と、は、基板載置部１７０の上方に設けられている。  
そして、この場合も、基板載置部１７０の下方に、排出部１９０が設けられている。  
また、基板載置部１７０には、加熱部１８０を設けることができ、加熱部１８０により基板１６０を加熱し、上記の原料ガスを反応させて成膜を行う。
【００４３】
そして、図５及び図６に表したように、本実施形態に係る気相成長装置３０においては、第１原料ガス導入路１１０及び分離ガス導入路１３０が、二重管構造を有している。すなわち、第１原料ガス導入路１１０は、二重管構造体１４０の内側管１４１であり、分離ガス導入路１３０は、二重管構造体１４０の外側管１４２である。  
一方、第２原料ガス導入路１２０は、単管の構造を有している。
【００４４】
このように、第１原料ガス導入路１１０として、二重管構造体１４０の内側管１４１を用い、その外側管１４２を分離ガス導入路１３０とすることで、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とを互いに分離して、基板１６０の表面に導入することができる。すなわち、第１原料ガス２１０の周りを取り囲むように分離ガス２３０を導入して成膜を行うことができる。
【００４５】
このように二重管構造を採用することで、細かいピッチで第１原料ガス導入路１１０と第２原料ガス導入路１２０とを設けることができ、成膜の均一性を向上することができる。
【００４６】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の特性を例示する模式的図である。  
すなわち、同図は、本実施形態に係る気相成長装置３０における原料ガス濃度をシミュレーションした結果を例示している。そして、同図中の塗りつぶしの濃度が高い領域は第１原料ガス２１０の濃度が高く、塗りつぶしの濃度が低い領域は第１原料ガス２１０の濃度が低く、塗りつぶしの濃度が中間の領域は第１原料ガス２１０の濃度が中間であることを示している。一方、網掛けのドットの密度が高い領域は、第２原料ガス２２０の濃度が高く、ドットの密度が低い領域は第２原料ガス２２０の濃度が低く、ドットの密度が中間の領域は第２原料ガス２２０の濃度が中間であることを示している。そして、分離ガス２３０に関しては、分離ガス２３０の濃度が比較的高い部分の領域を、網掛けのない線だけで示している。また、この例では、第１原料ガス２１０が３族の原料ガスであり、第２原料ガス２２０が５族の原料ガスであり、分離ガス２３０が水素である例である。
【００４７】
図７に表したように、第１原料ガス導入路１１０の反応室１５０の開口部において、ハッチングの濃度が濃くなっており、第１原料ガス導入路１１０から第１原料ガス２１０が反応室１５０に流れ込んでいる様子が示されている。  
一方、第２原料ガス導入路１２０の反応室１５０の開口部において、ハッチングの濃度が低くなっており、第２原料ガス導入路１２０から第２原料ガス２２０が反応室１５０に流れ込んでいる。  
そして、上記のハッチングの濃度が高い部分と、ハッチングの濃度が低い部分と、は、混ざり合っていない。すなわち、第１及び第２原料ガス２１０、２２０のそれぞれの濃度の濃淡が明瞭に表れている。
【００４８】
このように、第１原料ガス導入路１１０となる内側管１４１の周りの外側管１４２を、分離ガス導入路１３０とすることにより、分離ガス２３０が第１原料ガス２１０の周りを取り囲むようにして反応室１５０に導入される。  
これにより、基板１６０の上以外の場所で、第１及び第２原料ガス２１０、２２０が互いに混ざり合うことが抑制されている。
【００４９】
これにより本実施形態に係る気相成長装置３０によれば、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置が提供できる。これにより、原料の使用効率を向上させ、また、装置寿命への悪影響を回避し、製造条件の安定性を向上させることができる。
【００５０】
なお、図４〜図６に例示した本具体例の気相成長装置３０では、第１原料ガス導入路１１０を、二重管構造体１４０の内側管１４１としたが、本発明はこれに限らない。  
例えば、第２ガス導入路１１０を、二重管構造体１４０の内側管１４１とし、外側管１４２を、分離ガス導入路１３０としても良い。さらに、第１原料ガス導入路１１０を第１の二重管構造体の内側管とし、第２原料ガス導入路１２０を第２の二重管構造体の内側管とし、分離ガス導入路１３０を第１及び第２の二重管構造体の外側管としても良い。
【００５１】
すなわち、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０の少なくともいずれかは、二重管構造体１４０の内側管１４１であり、分離ガス導入路１３０は、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０が前記内側管１４１となる二重管構造体１４０の外側管１４２とすることができる。
【００５２】
これにより、第１原料ガス２１０及び第２原料ガス２２０の少なくともいずれかの周りを取り囲むように分離ガス２３０を導入して成膜を行うことができる。
【００５３】
本実施形態に係る気相成長装置３０の二重管構造体１４０において、内側管１４１の流路断面積と、外側管１４１の流路断面積と、の比率及びそれぞれの長さは、任意に設定でき、適宜変更可能である。また、二重管構造体１４０の内側管１４１と、外側管１４２と、二重管構造体１４０でない第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０の少なくともいずれかと、の流路断面積の比率及びそれぞれの長さは、任意に設定でき、適宜変更可能である。
【００５４】
すなわち、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０の少なくともいずれかが、二重管構造体１４０の内側管１４１であり、分離ガス導入路１３０は、第１及び第２原料ガス導入路１１０、１２０が前記内側管１４１となる二重管構造体１４０の外側管１４２となる場合において、第１原料ガス導入路１１０、第２原料ガス導入路１２０及び分離ガス導入路１３０のそれぞれの導入方向に対して垂直方向の断面積と、それぞれの長さは、所望とする成膜の条件に合せて任意に設定でき、適宜変更可能である。
【００５５】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る気相成長方法を例示するフローチャート図である。  
本発明の第４の実施形態に係る気相成長方法は、複数の原料ガスを用いて基板１６０の上に成膜する気相成長装置であって、分離ガス２３０によって前記複数の原料ガスどうしを分離しつつ、前記基板１６０の上に前記複数の原料ガスを導入する（ステップＳ１１０）。そして、気相成長させる（ステップＳ１２０）。  
なお、上記において、ステップＳ１１０とステップＳ１２０とは、順番に実施しても良いし、同時に実施しても良い。
【００５６】
これにより目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長方法が提供できる。これにより、原料の使用効率を向上させ、また、装置寿命への悪影響を回避し、製造条件の安定性を向上させることができる。
【００５７】
なお、本実施形態に係る気相成長方法の実施に際しては、第１〜第３の実施形態で説明した気相成長装置１０、２０、３０のいずれかを用いることができる。
【００５８】
そして、図１〜図７で説明したように、上記の複数の原料ガスは、第１原料ガス２１０と、第１原料ガス２１０と異なる第２原料ガス２２０と、を含むことができる。そして、第１原料ガス２１０は、分離ガス２３０によって複数に分離され、第２原料ガス２２０は、分離ガス２３０によって複数に分離され、複数に分離された第１原料ガス２１０の少なくとも２つの間に第２原料ガス２２０が導入され、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０との間のそれぞれの間に、分離ガス２３０が導入されることができる。
【００５９】
また、図４〜図７で説明したように、第１原料ガス２１０及び第２原料ガス２２０の少なくともいずれかの周りを取り囲むように分離ガス２３０を導入することができる。すなわち、前記複数の原料ガスの少なくともいずれかの周りを取り囲むように前記分離ガス２３０を導入することができる。これには、図４〜図６で説明したような二重管構造のガス導入路を用いることができる。
【００６０】
また、上記の第１原料ガス２１０として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＥＧ、ＴＥＡ、ＴＥＩ、Ｓｉの水素化物、炭化水素よりなる群から選ばれた少なくとも１つを含むガスを用いることができる。また、これらのガスに各種のキャリアガスを混合したものを用いることができる。
【００６１】
また、上記の第２原料ガス２２０として、ＮＨ３、ＡｓＨ３、ＰＨ３、ＰＨ３、ＳｂＨ３よりなる群から選ばれた少なくとも１つを含むガスを用いることができる。なお、本実施形態に係る気相成長方法において、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とは、互いに入れ替え可能である。また、これらのガスに各種のキャリアガスを混合したものを用いることができる。  
なお、第１及び第２原料ガス２１０、２２０は、各種のドーピング用のガスを含むことができる。
【００６２】
また、上記の分離ガス２３０として、Ｎ２、Ｈ２、及び、希ガスよりなる群から選ばれた少なくとも１つを含むガスを用いることができる。
【００６３】
また、本実施形態に係る気相成長方法において、基板１６０を加熱しつつ成膜することができる。特に、基板を高温に加熱する気相成長の際に、本発明の実施形態の効果を顕著に享受することができる。
【００６４】
また、第１及び第２原料ガス２１０、２２０と、分離ガス２３０と、を基板１６０の側方から導入しつつ成膜することができる。この場合は、例えば、図１に例示した水平フロー型の気相成長装置を用いることができる。
【００６５】
また、第１及び第２原料ガス２１０、２２０と、分離ガス２３０と、を基板１６０の上方から導入しつつ成膜することができる。この場合は、例えば、図３〜図６に例示した縦型の気相成長装置を用いることができる。
【００６６】
（実施例）
上記の第３の実施形態に係る気相成長装置３０を用い、第４の実施形態に係る気相成長方法を実施した実施例について説明する。  
縦型フローＭＯＣＶＤの気相成長装置３０において、第1原料ガス２１０として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、キャリアガスである水素と、の混合ガスを導入し、第２原料ガス２２０として、アンモニア（ＮＨ３）と、キャリアガスである水素と、の混合ガスを導入し、分離ガス２３０として水素を導入し、エピタキシャル成長を行った。  
この時、第１原料ガス２１０においては、ＴＭＧの濃度は９３μｍｏｌ／ｍｉｎであり、ＴＭＡの濃度は４０μｍｏｌ／ｍｉｎである。
【００６７】
そして、表１に表したように、第１原料ガス２１０、第２原料ガス２２０、及び、分離ガス２３０の総流量は３０ｓｌｍ一定にしつつ、第１原料ガス２１０、第２原料ガス２２０、及び、分離ガス２３０のそれぞれの流量を変えた３種の条件で成膜を行った。なお、成膜条件は、１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）で、１０００℃、１８０秒である。
【００６８】
【表１】
2010027868.tif 000003
そして、この条件により、表１に示したＡｌ混晶比と膜厚を有する、ＡｌＧａＮからなるエピタキシャル成長膜が得られた。  
表１に表したように、条件３よりも条件２の膜厚が厚く、条件２よりも条件１の方がさらに膜厚が厚い。このように、分離ガス２３０の流量が大きい方が、得られたエピタキシャル成長膜の膜厚が厚い。この結果を詳細に示すために、エピタキシャル成長膜であるＡｌＧａＮにおける、ＡｌＮ成長速度分とＧａＮ成長速度分とを以下の表２に示す。
【００６９】
【表２】
2010027868.tif 000004
表２に表したように、分離ガス２３０の増加により、ＡｌＮ成長速度分及びＧａＮ成長速度分の両方が増加している。これは、分離ガス２３０の増加により、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とをより効果的に分離でき、第１原料ガス２１０と第２原料ガス２２０とを、より効率的に基板１６０の上以外の場所で分離でき、より効率的なエピタキシャル成長が実施できたことを表している。
【００７０】
すなわち、本実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法において、目的とする場所、すなわち、基板１６０の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長装置及び気相成長方法が提供できることが確認できた。これにより、原料の使用効率を向上させ、成膜速度が向上し、また、装置寿命への悪影響を回避し、製造条件の安定性を向上させることができる。
【００７１】
なお、本実施例は、ＧａＮ系材料のエピタキシャル成長の実験結果であるが、同様の効果は他のガスの組み合わせによっても得られる。
【００７２】
本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって、各種の半導体装置を製造することができる。  
図９は、本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される半導体装置の構造を例示する模式図である。  
すなわち、同図は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面を有するＨＥＭＴである半導体装置３００の構造を例示しており、同図（ａ）は模式的断面であり、同図（ｂ）は半導体装置３００における結晶構造を例示している。
【００７３】
図９（ａ）に表したように、ＨＥＭＴである半導体装置３００においては、基板３０１の上にバッファ層３０２が設けられ、その上にＧａＮ層３０３が設けられ、さらにその上にＡｌＧａＮ層３０４が設けられている。ＡｌＧａＮ層の上にはソース電極３０５及びドレイン電極３０６が設けられ、ソース電極３０５とドレイン電極３０６との間にはゲート電極３０７が設けられている。なお、本具体例では、ゲート電極３０７は、絶縁膜３０８を介してＡｌＧａＮ層３０４の上に設けられているが、絶縁膜３０８は省略することができる。
【００７４】
図９（ｂ）に表したように、ＧａＮ層３０３やＡｌＧａＮ層３０４等の窒化物半導体は、六方晶の結晶構造を有しており、ｃ面３１２、ａ面３１３、ｍ面３１４を有する。そして、［０００１］、［１０００］、［０１００］及び［００１０］の結晶軸を有する。このとき、ｃ面３１２に垂直な［０００１］の軸方向がｃ軸３１１である。  
そして、ＧａＮ層３０３とＡｌＧａＮ層３０４との界面においては、ピエゾ分極３０９が誘起され、ピエゾ分極３０９に起因する電界３１０が発生する。そして、これにより、ＧａＮ層３０３とＡｌＧａＮ層３０４との界面に２次元電子ガスが発生する。この２次元電子ガスは、ＧａＮ層３０３中の不純物が少ない場合に、電子が移動する際の不純物散乱が小さいため、高移動度となる。これにより、本具体例の半導体装置３００は、超高周波数、高速特性、低雑音性の特長を有する。  
この時、本具体例においては、ＧａＮ層３０３及びＡｌＧａＮ層３０４の少なくともいずれかが、上記で説明した本発明の実施形態に係る気相成長装置や気相成長方法によって成膜される。
【００７５】
すなわち、本具体例の半導体装置３００は、第１の窒化物半導体（例えばＧａＮ）からなる第１の層（例えばＧａＮ層３０３）と、前記第１の層の上に設けられ、前記第１の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第２の窒化物半導体（例えばＡｌＧａＮ層）からなる第２の層（例えばＡｌＧａＮ層３０４）と、前記第２の層の上に設けられたソース電極３０５及びドレイン電極３０６と、前記第２の層の上に設けられ、前記ソース電極３０５と前記ドレイン電極３０６との間に設けられたゲート電極３０７と、を備え、前記第１の層及び前記第２の層の少なくともいずれかは、分離ガス２３０によって複数の原料ガスどうしを分離しつつ、基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長して形成される。
【００７６】
これにより、目的とする場所、すなわち、基板の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長方法によって製造された半導体装置が得られる。
【００７７】
図１０は、本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される別の半導体装置の構造を例示する模式図である。  
すなわち、同図は、ヘテロバイポーラトランジスタである半導体装置４００の構造を例示している。
【００７８】
図１０に表したように、ヘテロバイポーラトランジスタである半導体装置４００においては、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板４０１の主面に、ｎ＋−ＧａＡｓ層４０２が設けられ、その上にｎ−ＧａＡｓ層からなるコレクタ層４０３が設けられ、その上にｐ−ＧａＡｓ層からなるベース層４０４が設けられ、その上にエミッタ層４０７が設けられている。エミッタ層４０７は、例えば、ｎ＋−ＧａＡｓ層４０６と、ｎ＋−ＧａＡｓ層４０６とベース層４０４との間に設けられたｎ−ＡｌＧａＡｓ層４０５と、を有している。エミッタ層４０７にはエミッタ電極４０８が接続され、ベース層４０４にはベース電極４０９が接続され、コレクタ層４０３には、ｎ＋−ＧａＡｓ層４０２を介して、コレクタ電極４１０が接続される。また、半絶縁性ＧａＡｓ基板４０１の主面において、ｎ＋−ＧａＡｓ層４０２が設けられていない領域には、絶縁領域４１１が設けられる。
【００７９】
上記のコレクタ層４０３、ベース層４０４、及びエミッタ層４０７は、ヘテロバイポーラトランジスタを構成している。このように、図１０に例示した半導体装置４００は、ヘテロ接合構造を有するヘテロバイポーラトランジスタであり、超高周波・超高速の特性を有する。
【００８０】
この時、上記のコレクタ層４０３、ベース層４０４、及びエミッタ層４０７の少なくともいずれかが、上記で説明した本発明の実施形態に係る気相成長装置や気相成長方法によって成膜される。
【００８１】
すなわち、本具体例の半導体装置４００は、半導体層からなるコレクタ層４０３と、前記コレクタ層４０３の上に設けられ、半導体層からなるベース層４０４と、前記ベース層４０４の上に設けられ、半導体層からなるエミッタ層４０７と、前記コレクタ層４０３に接続されたコレクタ電極４１０と、前記ベース層４０４に接続されたベース電極４０９と、前記エミッタ層４０７に接続されたエミッタ電極４０８と、を備え、前記コレクタ層４０３、前記ベース層４０４、及び前記エミッタ層４０７は、ヘテロバイポーラトランジスタを構成し、前記コレクタ層４０３、前記ベース層４０４、及び前記エミッタ層４０７の少なくともいずれかは、分離ガス２３０によって複数の原料ガスどうしを分離しつつ、基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長して形成される。
【００８２】
これにより、目的とする場所、すなわち、基板の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長方法によって製造された半導体装置が得られる。
【００８３】
図１１は、本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される別の半導体装置の構造を例示する模式図である。  
すなわち、同図は、発光デバイスの１つである、ＬＥＤ（Light Emitting Device）である半導体装置５００の構造を例示している。
【００８４】
図１１に表したように、ＬＥＤである半導体装置５００においては、例えば、ｎ型基板５０２の一方の主面に、ｎ型クラッド層５０３が設けられ、その上に発光層５０６が設けられ、その上にｐ型クラッド層５０７が設けられ、その上にｐ側電極５０８が設けられている。そして、ｎ型基板５０２のもう片方の主面にはｎ側電極５０１が設けられている。
【００８５】
発光層５０６は、量子井戸層であり、例えばｎ型ＡｌＧａＮバリア層５０４と、ＧａＩｎＮ層５０５とが交互に例えば３周期積層されてなる構造を有することができる。
【００８６】
なお、本具体例では、ｎ側電極５０１は、ｎ型基板５０２のｎ型クラッド層５０３が設けられる主面と反対側の主面に設けられているが、ｎ側電極５０１は、ｎ型基板５０２のｎ型クラッド層５０３が設けられる主面と同じ側の別の場所に設けても良い。
【００８７】
この時、本具体例においては、ｎ型クラッド層５０３、発光層５０６、及び、ｐ型クラッド層５０７の少なくともいずれかが、上記で説明した本発明の実施形態に係る気相成長装置や気相成長方法によって成膜される。
【００８８】
すなわち、本具体例の半導体装置５００は、第１の半導体層（例えばｎ型クラッド層５０３）と、第２の半導体層（例えばｐ型クラッド層５０７）と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層５０６と、前記第１の半導体層に接続された第１の電極（例えばｎ側電極５０１）と、前記第２の半導体層に接続された第２の電極（例えばｐ側電極５０８）と、を備え、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、及び、前記発光層、の少なくともいずれかは、分離ガス２３０によって複数の原料ガスどうしを分離しつつ、基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長して形成される。
【００８９】
これにより、目的とする場所、すなわち、基板の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長方法によって製造された半導体装置が得られる。
【００９０】
このように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、半導体層と、前記半導体層に接続された電極と、を備え、前記半導体層は、分離ガス２３０によって複数の原料ガスどうしを分離しつつ、基板の上に前記複数の原料ガスを導入し、気相成長して形成される。
【００９１】
これにより、目的とする場所、すなわち、基板の表面以外での反応を抑制した、複数の原料ガスを使用する気相成長方法によって製造された半導体装置が得られる。
【００９２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、気相成長装置及び気相成長方法を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００９３】
その他、本発明の実施の形態として上述した気相成長装置及び気相成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての気相成長装置及び気相成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００９４】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。
【図２】比較例の気相成長装置の構成を例示する模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の構成を例示する模式図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ’線断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る気相成長装置の特性を例示する模式的図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る気相成長方法を例示するフローチャート図である。
【図９】本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される半導体装置の構造を例示する模式図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される別の半導体装置の構造を例示する模式図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る気相成長装置及び気相成長方法によって製造される別の半導体装置の構造を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、２０、３０、９０  気相成長装置
１１０  第１原料ガス導入路
１２０  第２原料ガス導入路
１３０  分離ガス導入路
１４０  二重管構造体
１４１  内側管
１４２  外側管
１５０  反応室
１５１  隔壁部材
１５２  上蓋部
１６０  基板
１７０  基板載置部
１８０  加熱部
１９０  排出部
２１０  第１原料ガス
２２０  第２原料ガス
２３０  分離ガス
３００  半導体装置
３０１  基板
３０２  バッファ層
３０３  ＧａＮ層（第１の層）
３０４  ＡｌＧａＮ層（第２の層）
３０５  ソース電極
３０６  ドレイン電極
３０７  ゲート電極
３０８  絶縁膜
３０９  ピエゾ分極
３１０  電界
３１１  ｃ軸
３１２  ｃ面
３１３  ａ面
３１４  ｍ面
４００  半導体装置
４０１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
４０２  ｎ＋−ＧａＡｓ層
４０３  コレクタ層
４０４  ベース層
４０５  ｎ−ＡｌＧａＡｓ層
４０６  ｎ＋−ＧａＡｓ層
４０７  エミッタ層
４０８  エミッタ電極
４０９  ベース電極
４１０  コレクタ電極
４１１  絶縁領域
５００  半導体装置
５０１  ｎ側電極
５０２  ｎ型基板
５０３  ｎ型クラッド層（第１の半導体層）
５０４  ｎ型ＡｌＧａＮバリア層
５０５  ＧａＩｎＮ層
５０６  発光層
５０７  ｐ型クラッド層（第２の半導体層）
５０８  ｐ側電極
【図４】
2010027868.tif 000005
【図５】
2010027868.tif 000006
【図６】
2010027868.tif 000007
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010027868.tif 000010
【図１１】
2010027868.tif 000011
【図１】
2010027868.tif 000012
【図２】
2010027868.tif 000013
【図３】
2010027868.tif 000014
【図７】
2010027868.tif 000015