(57)【要約】【課題】クリーニングの負担を軽減し、高い生産性を得ることができ、かつ酸素による膜の汚染を抑制することができる窒化ガリウム膜の成膜方法および成膜装置を提供する。【解決手段】処理室に複数の被処理基板を水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置し、処理室を密閉空間とし、被処理基板の温度を８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力を０．５〜１．８Ｔｏｒｒに調整し、ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室にガリウム含有ガスを供給するとともに、窒素含有ガス導入部材を介して処理室に窒素含有ガスを供給し、被処理基板の表面に窒化ガリウムを気相成長させる。【選択図】図６
2018160487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、
ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、
窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、
前記処理室を排気する排気部と、
前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と
を有する成膜装置を用いて窒化ガリウム膜を成膜する窒化ガリウム膜の成膜方法であって、
前記処理室に複数の被処理基板を水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置し、処理室を密閉空間とする工程と、
前記被処理基板の温度を８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力を０．５〜１．８Ｔｏｒｒに調整する工程と、
前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室にガリウム含有ガスを供給する工程と、
前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に窒素含有ガスを供給する工程と
を有し、前記被処理基板の表面に窒化ガリウムを気相成長させることを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項２】
前記ガリウム含有ガスは塩化ガリウムガスであり、前記窒素含有ガスは窒素を含むハイドライドガスであり、ＨＶＰＥにより窒化ガリウム膜を成膜することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項３】
前記窒素を含むハイドライドガスはアンモニアであることを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項４】
前記複数の被処理基板は、石英からなる基板保持部材により保持された状態で前記処理室に挿入されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項５】
前記被処理基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウム膜の成膜を所定回数繰り返した後、前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングする工程を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜方法。
【請求項７】
処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、
ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、
窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、
前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記ガリウム含有ガスを供給し、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記窒素含有ガスを供給し、前記処理室にパージガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室を排気する排気部と、
前記排気部を介して前記処理室を排気する排気装置と、
前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と、
前記被処理基板の温度が８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力が０．５〜１．８Ｔｏｒｒになるように、かつ前記処理室に前記ガリウム含有ガスおよび前記窒素含有ガスの供給量を制御して前記被処理基板上に窒化ガリウム膜を気相成長させるように前記ガス供給機構、前記排気装置、および前記加熱装置を制御する制御部と
を有することを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜装置。
【請求項８】
前記ガリウム含有ガスは塩化ガリウムガスであり、前記窒素含有ガスは窒素を含むハイドライドガスであり、ＨＶＰＥにより窒化ガリウム膜を成膜することを特徴とする請求項７に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。
【請求項９】
前記窒素を含むハイドライドガスはアンモニアであることを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。
【請求項１０】
前記複数の被処理基板は、石英からなる基板保持部材により保持された状態で前記処理室に挿入されることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。
【請求項１１】
前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングするクリーニングガス供給機構をさらに有することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。
【請求項１２】
前記ガリウム含有ガス導入部材は、前記処理室の高さ方向に亘って形成されたガス拡散空間と、前記拡散空間の高さ方向に沿って前記処理室に向けて前記ガリウム含有ガスを吐出させる複数のガス吐出孔と、前記ガス拡散空間の高さ方向に複数本接続され、水平方向に延びるガリウム含有ガス導入管とを有し、
前記窒素含有ガス導入部材は、前記処理室の下方に挿入され、前記処理室の上部に延び、前記複数の被処理基板に向けて窒素含有ガスを吐出する複数のガス吐出孔を有する窒素含有ガス導入管を有することを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム膜の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム膜の成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体において、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を用いた半導体は、窒化物半導体と呼ばれている。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが、窒化物半導体の代表的な例である。
【０００３】
中でも、窒化ガリウムは、光学応用分野において青色発光素子として実用化されており、電子デバイス応用分野においても、通信分野等に用いられる高電子移動度トランジスタ（High  Electron  Mobility  Transistor：ＨＥＭＴ）として実用化されている。
【０００４】
さらに、窒化ガリウムは、ワイドギャップ半導体として、炭化シリコン（ＳｉＣ）に拮抗する特性を備え、高周波特性、絶縁破壊耐圧については炭化シリコン以上のポテンシャルを秘めるとされる。このことから、更なる実用化の拡大、例えば、高周波、高速、ハイパワーといった広範囲を一度にカバーできる新規デバイスの実現に向けての研究も盛んに行われている。
【０００５】
窒化ガリウムの成膜方法としては、従来から有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相成長法（Hydride  Vapor  Phase  Epitaxy：ＨＶＰＥ）（ハライド気相成長法（Halide  Vapor  Phase  Epitaxy）とも呼ばれる）が知られている。典型的なＨＶＰＥ法は、常圧かつ１０００℃以上の温度で、塩化水素ガス（ＨＣｌ）と、金属ガリウム（Ｇａ）とを高温環境化で反応させて三塩化ガリウムガス（ＧａＣｌ３）を生成し、三塩化ガリウムガスをアンモニアガス（ＮＨ３）と反応させることで、窒化ガリウム結晶をサファイア基板上に気相成長させる（例えば、特許文献１）。
【０００６】
一方、近時、スループット向上の要求が強まってきており、複数枚の被処理基板を高さ方向に並べて複数の被処理基板を一度に処理可能な縦型バッチ式成膜装置が注目されている。窒化ガリウム膜に代表される化合物半導体膜の成膜においても、縦型バッチ式成膜装置への転換が模索されつつあり、特許文献２、３には、窒化ガリウムを成膜するための縦型バッチ式成膜装置が開示されている。
【０００７】
また、分子線エピタキシー（Molecular Beam Eptaxy：ＭＢＥ）により、高真空かつ低温（６００〜９００℃）でＧａＮを成膜する技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−６６４９０号公報
【特許文献２】特開２０１４−３３１１２号公報
【特許文献３】特許第６０２６３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来のＭＯＣＶＤやＨＶＰＥでは、処理容器内のパーツが耐熱性の高いＳｉＣで形成されているが、ＳｉＣには窒化ガリウムが成膜されるため、付着した窒化ガリウムがパーティクル源となったり、処理容器内のパーツのクリーニングに多大なダウンタイムが発生したりしてしまう。
【００１０】
特許文献２、３の装置は、通常の縦型バッチ式成膜装置と同様、基本的に、処理容器やパーツとして石英を用いたホットウォール型装置であり、特許文献２では成膜温度として１０００℃が例示されている。処理容器やパーツとして用いられる石英は窒化ガリウムが成膜されない性質を有するため、基板上への選択成膜によりパーティクル発生やクリーニングの必要性を低減できる可能性があるが、１０００℃以上の温度で成膜すると、石英が還元されて膜中に酸素が混入する危険性がある。また、１０００℃またはそれ以上の温度でＧａＮ膜を成膜する場合、サファイア基板をＮ化して成膜しており、得られるＧａＮはＮ面ＧａＮであるが、好ましいのはＧａ面ＧａＮである。
【００１１】
さらに、ＭＢＥによりＧａＮを成膜する技術では、生産性が非常に悪いという欠点がある。
【００１２】
したがって、本発明は、クリーニングの負担を軽減し、高い生産性を得ることができ、かつ酸素による膜の汚染を抑制することができＧａ面窒化ガリウムを得ることができる窒化ガリウム膜の成膜方法および成膜装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、前記処理室を排気する排気部と、前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置とを有する成膜装置を用いて窒化ガリウム膜を成膜する窒化ガリウム膜の成膜方法であって、前記処理室に複数の被処理基板を水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置し、処理室を密閉空間とする工程と、前記被処理基板の温度を８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力を０．５〜１．８Ｔｏｒｒに調整する工程と、前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室にガリウム含有ガスを供給する工程と、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に窒素含有ガスを供給する工程とを有し、前記被処理基板の表面に窒化ガリウムを気相成長させることを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜方法を提供する。
【００１４】
本発明の第２の観点は、処理室を画成し、その中に複数の被処理基板が水平姿勢で上下方向に並べた状態で配置される石英からなる処理容器と、ガリウム含有ガスを前記処理室に導入する石英からなるガリウム含有ガス導入部材と、窒素含有ガスを前記処理室に導入する石英からなる窒素含有ガス導入部材と、前記ガリウム含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記ガリウム含有ガスを供給し、前記窒素含有ガス導入部材を介して前記処理室に前記窒素含有ガスを供給し、前記処理室にパージガスを供給するガス供給機構と、前記処理室を排気する排気部と、前記排気部を介して前記処理室を排気する排気装置と、前記処理室に配置された被処理基板を加熱する加熱装置と、前記被処理基板の温度が８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力が０．５〜１．８Ｔｏｒｒになるように、かつ前記処理室に前記ガリウム含有ガスおよび前記窒素含有ガスの供給量を制御して前記被処理基板上に窒化ガリウム膜を気相成長させるように前記ガス供給機構、前記排気装置、および前記加熱装置を制御する制御部とを有することを特徴とする窒化ガリウム膜の成膜装置を提供する。
【００１５】
前記ガリウム含有ガスは塩化ガリウムガスであり、前記窒素含有ガスは窒素を含むハイドライドガスであり、ＨＶＰＥにより窒化ガリウム膜を成膜することが好ましい。前記窒素を含むハイドライドガスはアンモニアであることが好ましい。
【００１６】
前記複数の被処理基板は、石英からなる基板保持部材により保持された状態で前記処理室に挿入するようにすることができる。前記被処理基板としてサファイア基板を好適に用いることができる。
【００１７】
前記第１の観点において、前記窒化ガリウム膜の成膜を所定回数繰り返した後、前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングする工程を有してもよい。
【００１８】
上記第２の観点において、前記ガリウム含有ガス導入部材および前記窒素含有ガス導入部材を介して塩素含有ガスを前記処理室に導入し、前記前記ガリウム含有ガス導入部材、前記窒素含有ガス導入部材、前記処理容器をクリーニングするクリーニングガス供給機構をさらに有してもよい。
【００１９】
また、前記ガリウム含有ガス導入部材は、前記処理室の高さ方向に亘って形成されたガス拡散空間と、前記拡散空間の高さ方向に沿って前記処理室に向けて前記ガリウム含有ガスを吐出させる複数のガス吐出孔と、前記ガス拡散空間の高さ方向に複数本接続され、水平方向に延びるガリウム含有ガス導入管とを有し、前記窒素含有ガス導入部材は、前記処理室の下方に挿入され、前記処理室の上部に延び、前記複数の被処理基板に向けて窒素含有ガスを吐出する複数のガス吐出孔を有する窒素含有ガス導入管を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、前記被処理基板の温度を８５０〜９３０℃、前記処理容器内の圧力を０．５〜１．８Ｔｏｒｒにすることにより、クリーニングの負担を軽減し、高い生産性を得ることができ、かつ酸素による膜の汚染を抑制しつつ、窒化ガリウム膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明が適用されるバッチ式縦型成膜装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の成膜装置のII−II線による水平断面図である。
【図３】塩化ガリウムガスを処理室に導入する第１および第２のガス導入管を拡大して示す断面図である。
【図４】成膜温度と、膜中の不純物である酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）の量との関係を示す図である。
【図５】８７５〜９３０℃における下地の違いによるＧａＮ膜の成膜性を示すＳＥＭ写真であり、下地がＧａＮで右側にＳｉＯ２マスクを形成した場合を示す。
【図６】好適なＧａＮ成膜を行える温度範囲および圧力範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
＜本発明に至った経緯＞
最初に、本発明に至った経緯について説明する。
従来から窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の気相成長のための量産機として用いられているＭＯＣＶＤ装置やＨＶＰＥ装置は、基本的に枚葉式のプラットフォームのコールドウォール型装置である。このような装置においては、常圧において１０００℃以上の高温処理が行われるため、処理容器内のパーツとして耐熱性の高いＳｉＣが用いられる。しかし、ＳｉＣには窒化ガリウムが成膜されるため、付着したＧａＮがパーティクル源となったり、処理容器内のパーツのクリーニングに多大なダウンタイムが発生したりしてしまう。
【００２４】
一方、ＭＢＥによるＧａＮ膜の気相成長では、高真空かつ低温（６００〜９００℃）でＧａＮを成膜するが生産性が悪いという問題がある。
【００２５】
これに対し、処理容器やパーツとしてとして石英を用いたホットウォール型装置である縦型バッチ式成膜装置は、生産性が高く、所定条件では石英にＧａＮが成膜されないことから、基板上に選択成膜することができ、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減できる可能性がある。このため、ＧａＮ膜の成膜装置として縦型バッチ式成膜装置が検討されてきた。そして、縦型バッチ式成膜装置でも、特許文献２のように、量産機と同様、成膜温度が１０００℃またはそれ以上で成膜条件を模索していた。
【００２６】
しかし、縦型バッチ式成膜装置の場合は、成膜温度が１０００℃またはそれ以上となると、石英（ＳｉＯ２）が還元されて膜中に酸素が混入する危険性があることが判明した。また、従来は、サファイア基板をＮ化して１０００℃またはそれ以上の成膜温度で成膜することによりＧａＮを成膜しており、得られるＧａＮはＮ面ＧａＮであって、実際に形成したいＧａ面ＧａＮは得られていなかった。
【００２７】
一方、成膜温度が低い領域では石英にもＧａＮが成膜されるようになり、選択的な成膜ができなくなることが判明した。また、このような成膜性や成膜の選択性は成膜処理の際の圧力にも関係していることが判明した。
【００２８】
そこで、検討を重ねた結果、縦型バッチ式成膜装置において成膜温度および圧力を最適化することにより、本来の高い生産性を維持しつつ、酸素による膜の汚染を抑制することができ、しかも石英にＧａＮが成膜されない選択的な成膜により、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができ、しかもＧａ面ＧａＮとなることが見出された。
【００２９】
＜成膜装置＞
次に、本発明が適用されるバッチ式縦型熱処理装置として構成される成膜装置の概略構成について説明する。図１は、本発明が適用されるバッチ式縦型成膜装置の概略構成を示す断面図、図２は図１のII−II線による水平断面図である。なお、図１に示す縦断面は図２中のＩ−Ｉ線により切断したものである。
である。
【００３０】
図１に示すように、縦型バッチ式成膜装置（以下成膜装置という）１００は、有天井の円筒状の外管１０１と、外管１０１の内側に設けられ、有天井の円筒状の内管１０２とを備えている。外管１０１および内管１０２は、石英製であり、これらは処理容器として機能する。内管１０２の内部に、被処理基板であるサファイア基板１が複数収容され、収容された複数のサファイア基板１に対して一括して、III−Ｖ族化合物半導体膜であるＧａＮ膜の成膜処理が行われる処理室１０３が形成される。
【００３１】
内管１０２の側壁の一方には、処理室１０３の内部に成膜原料ガスとして塩化ガリウムガスを導入するガス導入部１０４が設けられている。ガス導入部１０４は処理室１０３の高さ方向に亘って形成されたガス拡散空間１０５ａを備え、ガス拡散空間１０５ａには、処理室１０３に向けてガスを吐出させるガス吐出孔１０５ｂを高さ方向に沿って複数有した拡散板１０５ｃが取り付けられている。
【００３２】
内管１０２の内部には、ガス吐出孔１０５ｂから吐出される窒素を含むハイドライドガスを処理室１０３内に導入するために、２本のガス導入管１０６が配置されている。ガス導入管１０６は、内管１０２の下部から垂直に起立している。ガス導入管１０６にも、処理室１０３に向けてガスを吐出するガス吐出孔１０６ａ（図２参照）が高さ方向に沿って複数形成されている。さらに、内管１０２の内部には、ガス導入管１０６のほか、温度制御器１０７が設けられている（図２参照）。温度制御器１０７は、処理室１０３の内部の温度をモニタする。温度制御器１０７もまた、内管１０２の下部から垂直に起立している。
【００３３】
内管１０２の側壁の他方には、処理室１０３内を排気する排気口が形成されている。排気口は、例えば、処理室１０３のゾーン毎に設けられ、本例においては、上段ゾーン排気口１０８ａ、中段ゾーン排気口１０８ｂ、および下段ゾーン排気口１０８ｃの３つが設けられている。なお、ゾーンは４つ以上であってもよい。
【００３４】
排気口１０８ａ〜１０８ｃはそれぞれ、外管１０１と内管１０２とによって区画された空間に連通している。空間は排気空間１０９として機能し、排気空間１０９は排気管１１０を通じて、処理室１０３内を排気する排気装置１１１に接続される。排気装置１１１は、処理室１０３の内部の雰囲気を排気する。排気装置１１１は、ＡＰＣのような圧力調節器（図示せず）を備えており、処理室１０３の内部の圧力を、処理に必要とされる圧力に調節しながら、処理室１０３の内部を排気することが可能とされている。
【００３５】
外管１０１および内管１０２は、ベース部材１１２の開孔部１１２ａに挿入されている。ベース部材１１２には、外管１０１の外側壁周囲を取り囲むように加熱装置１１３が設けられている。加熱装置１１３は、処理室１０３内に収容された複数枚のサファイア基板１を加熱する。
【００３６】
処理室１０３の下方は開口１１４となっている。基板載置治具であるボート１１５は、開口１１４を介して処理室１０３の内部に出し入れされる。ボート１１５は、石英製であり、石英製の複数本の支柱１１６を有している。支柱１１６には、複数の溝（図示せず）が形成されており、これらの溝により、複数枚、例えば５０〜１５０枚のサファイア基板１が一括して支持される。このように複数枚のサファイア基板１を載置したボート１１５が、処理室１０３の内部に挿入されることで、処理室１０３の内部には、複数のサファイア基板１が収容される。
【００３７】
ボート１１５は、石英製の保温筒１１７を介してテーブル１１８の上に載置される。テーブル１１８は、例えば、ステンレススチール製の蓋部１１９を貫通する回転軸１２０上に支持される。成膜している間、回転軸１２０は回転してボート１１５を回転させるようになっている。
【００３８】
蓋部１１９は、開口１１４を開閉する。蓋部１１９の貫通部には、例えば、磁性流体シール１２１が設けられ、回転軸１２０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部１１９の周辺部と、例えば、内管１０２の下端部との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１２２が介設され、処理室１０３の内部のシール性を保持している。回転軸１２０は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１２３の先端に取り付けられている。これにより、ボート１１５および蓋部１１９等は、一体的に高さ方向に昇降されて処理室１０３に対して挿脱される。
【００３９】
成膜装置１００は、処理ガス供給機構１３０を有している。処理ガス供給機構１３０は、処理室１０３の内部に連通されるガス供給路１２４ａ〜１２４ｄを有し、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｄを介して処理に使用するガスを、処理室１０３の内部に供給する。ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃは一つのガス供給路１２４ｅから分岐している。
【００４０】
処理ガス供給機構１３０は、窒素（Ｎ）を含むハイドライド（水素化物）ガスを供給するハイドライドガス供給源１３１ａ、キャリアガスを供給するキャリアガス供給源１３１ｂ、および塩化ガリウムを供給する塩化ガリウムガス供給源１３１ｃを含んでいる。
【００４１】
ハイドライドガス供給源１３１ａは、ガス供給路１２４ｄにより、流量制御器（ＭＦＣ）１３２ａおよび開閉弁１３３ａを介して、ガス導入管１０６に接続されている。ガス導入管１０６は、処理室１０３の内部に、ハイドライドガスを供給するガス供給路１２４ｄを構成する。ハイドライドガス供給源１３１ａは、２本のガス導入管１０６を介してＮを含むハイドライドガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを、処理室１０３の内部に供給する。
【００４２】
キャリアガス供給源１３１ｂにはガス流路１２４ｆが接続されており、ガス流路１２４ｆは、流量制御器（ＭＦＣ）１３２ｂおよび開閉弁１３３ｂを介して塩化ガリウムガス供給源１３１ｃに接続されている。キャリアガスとしては、Ｎ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスを用いることができる。
【００４３】
また、塩化ガリウムガス供給源１３１ｃにはガス供給路１２４ｅの端部が接続されており、ガス供給路１２４ｅには、塩化ガリウムガス供給源１３１ｃ側の開閉弁１３３ｆと、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃに分岐する分岐部側の開閉弁１３３ｄとが接続されている。開閉弁１３３ｂおよび１３３ｆは、塩化ガリウムガス供給源１３１ｃの近傍に設けられており、ガス流路１２４ｆおよび１２４ｅのそれぞれの開閉弁１３３ｂおよび１３３ｆの上方部分には、ガス流路ガス流路１２４ｆおよび１２４ｅの間にバイパス開閉弁１３３ｃが設けられている。
【００４４】
塩化ガリウムガス供給源１３１ｃは、恒温槽１３４と、恒温槽１３４を加熱するヒータ１３５とを含んで構成される。恒温槽１３４には塩化ガリウムとして常温で固体の塩化物である三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）が恒温槽１３４に収容される。恒温槽１３４にはガス供給路１２４ｆおよび１２４ｅが挿入されている。
【００４５】
固体のＧａＣｌ３を恒温槽１３４に収容し、これをヒータ１３５を用いて８５℃程度に加熱すると、固体のＧａＣｌ３は気化してＧａＣｌ３の蒸気（ＧａＣｌ３ガス）が発生する。ＧａＣｌ３ガスは、開閉弁１３３ｂを開き、恒温槽１３４にキャリアガスを導入するとともに、開閉弁１３３ｆおよび１３３ｄを開くことにより、キャリアガスとともに、ガス供給路１２４ｅおよびガス供給路１２４ａ〜１２４ｃを介してガス導入部１０４に導入される。ＧａＣｌ３ガスは、ガス導入部１０４を介して処理室１０３の内部に供給される。
【００４６】
このようにガス導入部１０４からは、成膜しようとするＧａＮ膜のうちＧａを含むガスが、また、ガス導入管１０６からは、Ｎを含むガスが、処理室１０３内に複数配置されたサファイア基板１の成膜面に沿って供給される。
【００４７】
図３に、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃの一例を拡大して示す。
図３に示すように、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃは、第１のガス導入管１２５と、第１のガス導入管１２５に接続された第２のガス導入管１２６とを備えている。第１のガス導入管１２５は石英製である。第１のガス導入管１２５は水平方向に設けられている。第１のガス導入管１２５の一端は、加熱装置１１３に設けられたスリット１１３ａ（図２参照）を介してガス導入部１０４のガス拡散空間１０５ａに接続される。第１のガス導入管１２５の他端は基部１２７に接続されている。基部１２７は、第１のガス導入管１２５の他端を塞ぐとともに、第２のガス導入管１２６を第１のガス導入管１２５の内部へ挿入する役目を果たす。本例では、基部１２７の中央部分を通じて第２のガス導入管１２６が、第１のガス導入管１２５の内部へと挿入されている。これにより、第２のガス導入管１２６の一端は第１のガス導入管１２５の内部へと通じ、他端はガス供給路１２４ｅを構成する配管に接続される。第２のガス導入管１２６の径は、第１のガス導入管１２５の径よりも細く、第１のガス導入管１２５の内部において、第２のガス導入管１２６の外側表面と第１のガス導入管１２５の内側表面との間には隙間が生じている。
【００４８】
また、キャリアガス供給源１３１ｂから延びるガス供給路１２４ｆの流量制御器（ＭＦＣ）１３２ｂより下流側の部分からは、ガス供給路１２４ｇが分岐し、開閉弁１３３ｅを介してハイドライドガス供給源１３１ａから延びるガス供給路１２４ｄに接続されている。
【００４９】
キャリアガス供給源１３１ｂから供給される不活性ガスは、塩化ガリウムガス（ＧａＣｌ３ガス）をピックアップして運ぶキャリアガスとしての役目のほか、開閉弁１３３ｂを閉じ、バイパス開閉弁１３３ｃと開閉弁１３３ｄ、および／または開閉弁１３３ｅを開くことで、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｄの内部、ガス導入部１０４の内部、ガス導入管１０６ａおよび１０６ｂの内部、ならびに処理室１０３の内部をパージするパージガスとしても利用することができる。
【００５０】
例えば、開閉弁１３３ｂを閉じ、バイパス開閉弁１３３ｃ、開閉弁１３３ｄ、および開閉弁１３３ｅを開くと、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｄを介して、ガス導入部１０４およびガス導入管１０６の双方にガスが供給され、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｄの内部、ガス導入部１０４の内部、ガス導入管１０６の内部、および処理室１０３の内部をパージすることができる。
【００５１】
また、開閉弁１３３ｂ、１３３ｅを閉じ、バイパス開閉弁１３３ｃ、および開閉弁１３３ｄを開くと、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃ、およびガス導入部１０４にガスが供給され、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃの内部、ガス導入部１０４の内部、および処理室１０３の内部をパージすることができる。
【００５２】
また、開閉弁１３３ｂ、１３３ｃを閉じ、開閉弁１３３ｅを開くと、ガス供給路１２４ｄ、およびガス導入管１０６にガスが供給され、ガス供給路１２４ｄの内部、ガス導入管１０６の内部、および処理室１０３の内部をパージすることができる。
【００５３】
成膜装置１００は、さらに、クリーニングガス供給機構１４０を有している。クリーニングガス供給機構１４０は、クリーニングガス供給源１４１を備えている。クリーニングガス供給源１４１は、クリーニングガス供給路１４４ａを介してガス供給路１２４ａ〜１２４ｃに接続され、クリーニングガス供給路１４４ｂを介してガス供給路１２４ｄに接続されている。クリーニングガス供給路１４４ａには流量制御器１４２ａおよび開閉弁１４３ａが設けられ、クリーニングガス供給路１４４ｂには流量制御器１４２ｂおよび開閉弁１４３ｂが設けられている。これにより、クリーニング処理に使用するクリーニングガスは、ガス供給路１２４ａ〜１２４ｃ、ガス導入部１０４を介して処理室１０３の内部に供給されることができ、また、ガス供給路１２４ｄ、ガス導入管１０６を介して処理室１０３の内部に供給することもできる。
【００５４】
クリーニングガスとしては、ＧａＮをエッチングすることができ、石英をエッチングし難い塩素含有ガスを用いることができる。特に、塩素ガス（Ｃｌ２ガス）は石英をほとんどエッチングしないので好ましい。このため、クリーニングガス供給機構１４０により、処理容器である内管１０２の内壁や処理室１０３内のパーツ、配管類等をｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングすることができる。
【００５５】
成膜装置１００は、さらに、制御部１５０を有している。制御部１５０は、成膜装置１００の各構成部、例えばバルブ類、流量制御器であるマスフローコントローラ、昇降機構等の駆動機構、ヒータ電源等を制御する。制御部１５０は、ＣＰＵ（コンピュータ）を有し、上記各構成部の制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置１００により所定の成膜処理が行われるように制御する。
【００５６】
＜ＧａＮの成膜方法＞
次に、図１の成膜装置により実施される、本発明のＧａＮ膜の成膜方法について説明する。以下の処理動作は制御部１５０における記憶部の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて実行される。
【００５７】
まず、被処理基板であるサファイア基板１をボート１１５に複数枚、例えば５０〜１５０枚搭載し、テーブル１１８に保温筒１１７を介してボート１１５を載置し、昇降機構によりアーム１２３を上昇させることにより、下方開口部から処理室１０３へボート１１５を挿入し、蓋部１１９により開口１１４を密閉し、処理室１０３を密閉空間とする。
【００５８】
そして、キャリアガスをパージガスとして処理室１０３内に供給しつつ、処理室１０３内の圧力を所定の範囲に制御し、加熱装置１１３により処理室１０３内に収容された複数枚のサファイア基板１の温度を所定の範囲に制御する。
【００５９】
その後、塩化ガリウムであるＧａＣｌ３ガスおよびＮを含むハイドライドガスであるＮＨ３ガスを処理室１０３内に供給する。
【００６０】
塩化ガリウムであるＧａＣｌ３ガスの供給に際しては、塩化ガリウムガス供給源１３１ｃの恒温槽１３４に収容され固体のＧａＣｌ３をヒータ１３５により気化させ、恒温槽１３４にキャリアガス供給源１３１ｂからキャリアガスを導入するとともに、開閉弁１３３ｆおよび１３３ｄを開く。これにより、ＧａＣｌ３ガスは、キャリアガスとともにガス供給路１２４ｅおよびガス供給路１２４ａ〜１２４ｃを介してガス導入部１０４に導入され、ガス導入部１０４から処理室１０３に均一に供給される。
【００６１】
また、Ｎを含むハイドライドガスであるＮＨ３ガスの供給に際しては、ハイドライドガス供給源１３１ａからＮＨ３ガスを、ガス供給路１２４ｄおよびガス導入管１０６のガス吐出孔１０６ａを介して処理室１０３に均一に供給される。
【００６２】
ＧａＮ膜の気相成長に際しては、ＧａＣｌ３ガスとＮＨ３ガスとを、処理室１０３内のパージを挟んで交互に供給する原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を好適に用いることができる。ＧａＣｌ３ガスとＮＨ３ガスとを同時に供給してもよい。このように成膜することにより、１〜１０μｍ程度の膜厚のＧａＮ膜を気相成長（エピタキシャル成長）させる。
【００６３】
このようなＧａＮ膜の気相成長においては、処理室１０３内の圧力および処理室１０３内の温度（基板温度）が最適になるように制御される。
【００６４】
本実施形態のような石英を用いた縦型バッチ式成膜装置の場合、条件を選択することにより石英にＧａＮ膜が形成され難いこと、および生産性が高いこと等の利点があるが、従来の量産機であるＭＯＣＶＤ装置やＨＶＰＥ装置で用いられている１０００℃またはそれ以上の高温では、石英（ＳｉＯ２）が還元されて膜中に酸素が混入する危険性がある。
【００６５】
そこで、まず、酸素等の不純物と温度との関係を調査した。図４は、成膜温度と、膜中の不純物である酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）の量との関係を示す図である。図４に示すように、Ｃの量は温度によって大きく変化しないが、ＯおよびＨの量は９４０℃以上で急激に上昇することがわかる。
【００６６】
したがって、膜中に酸素等の不純物を効果的に抑制するためには、成膜温度を９３０℃以下にする。また、このような低温においては、Ｇａ面ＧａＮ膜がえられる。また、９３０℃以下の温度で良好な生産性（成長成膜速度）を得るためには、処理室１０３内の圧力が１．８Ｔｏｒｒ（２４０Ｐａ）以下であることが好ましい。温度および圧力をこの範囲にすることにより、１〜８μｍ／ｈの成膜速度が得られる。
【００６７】
また、ＧａＮは、石英（ＳｉＯ２）に対して選択性を有する。すなわち、ＧａＮは石英には成膜されない性質を有する。このような選択性は、酸素等の不純物を抑制可能な９３０℃以下において発揮され、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができる。図５は８７５〜９３０℃における下地の違いによるＧａＮ膜の成膜性を示すＳＥＭ写真であり、下地がＧａＮで右側に厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２マスクを形成した場合を示す。ただし、ＳｉＯ２マスクは薄いので図５では見えていない。図５に示すように、ＧａＮ膜はＳｉＯ２マスク上に物理的にかぶさるのみで、ＳｉＯ２マスク上に成膜しないことがわかる。このことからＧａＮ膜が石英上に成膜されない選択性を有することが確認される。しかし、成膜温度が８５０℃より低くなると石英との選択性が発揮され難くなり、石英にＧａＮ膜が形成されるようになる。したがって、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減する観点から処理室１０３内の温度（基板温度）を８５０℃以上とする。
【００６８】
一方、上述したように、温度が８５０〜９３０℃の範囲において、処理室１０３内の圧力が１．８Ｔｏｒｒ（２４０Ｐａ）以下で良好な成膜速度が得られるが、圧力が０．５Ｔｏｒｒ（６６．７Ｐａ）より低いと、基板上にほとんど成膜されなくなる。
【００６９】
以上のように、温度を８５０〜９３０℃の範囲、圧力を０．５〜１．８Ｔｏｒｒ（６６．７〜２４０Ｐａ）の範囲内とすることで、縦型バッチ式成膜装置本来の高い生産性を維持しつつ、酸素による膜の汚染を抑制してＧａ面ＧａＮ膜を得ることができ、石英にＧａＮが成膜されない選択的な成膜により、パーティクル発生やクリーニングの必要性を低減することができる。
【００７０】
温度および圧力のより好ましい範囲は、９００〜９３０℃、０．５〜１．０Ｔｏｒｒ（６６．５〜１３３Ｐａ）である。この範囲で、処理容器等を構成する石英へＧａＮ膜が成長しない選択性をより高めることができ、汚染することなく高品質な成膜を維持することができる。
【００７１】
なお、処理室１０３の圧力が１５Ｔｏｒｒ（２０００Ｐａ）を超えると石英の白濁または成膜されない状態となる。また、温度が９５０℃を超えると、Ｇａ面ＧａＮが成膜されなくなる。
【００７２】
以上のような温度および圧力による成膜状況をまとめて図６に示す。
【００７３】
また、成膜する際のガス流量としては、
キャリアガス（Ｎ２ガス）：５０〜１００ｓｃｃｍ
（ＧａＣｌ３：５〜１０ｓｃｃｍ相当）
ＮＨ３ガス：３〜５ｓｌｍ
とすることができる。
【００７４】
また、本実施形態の成膜装置１００は、以上のように処理容器を構成する内管１０２、外管１０１、および処理室内およびその近傍に存在するパーツであるボート１１５、ガス導入部１０４、ガス導入管１０６等の全てが石英で構成されているため、クリーニングガス供給機構１４０により塩素含有ガスを用いてｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングが可能である。
【００７５】
クリーニングの際には、クリーニングガス供給機構１４０のクリーニングガス供給源１４１から、クリーニングガスとして塩素含有ガス、好ましくは、Ｃｌ２ガスを、クリーニングガス供給路１４４ａを介してガス供給路１２４ａ〜１２４ｃに供給し、クリーニングガス供給路１４４ｂを介してガス供給路１２４ｄに供給する。これにより、クリーニングガスをガス供給路１２４ａ〜１２４ｃからガス導入部１０４を介して処理室１０３の内部に供給し、また、ガス供給路１２４ｄからガス導入管１０６を介して処理室１０３の内部に供給してクリーニングを行う。
【００７６】
縦型バッチ式成膜装置のｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングについては、上記特許文献３（特許６０２６３５１号公報）に詳細に記載されており、その記載も本明細書に含まれるものとする。
【００７７】
本実施形態では上述したように、石英へのＧａＮ膜の付着が抑制された条件でＧａＮ膜の成膜を行うので、パーティクルの発生やクリーニングの必要性が低いが、たとえＧａＮ膜が付着したとしても、クリーニングガス供給機構１４０によるｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングにより、付着したＧａＮ膜を容易に除去することができ、高いメンテナンス性を確保することができる。
【００７８】
また、ＧａＣｌ３は熱分解温度が７００℃と低く、また、比較的大きな量を必要とするため、従来のような垂直のガス導入管を用いると、ＧａＮ膜の成膜温度では処理室１０３内のサファイア基板１に到達するまでに熱分解して、サファイア基板に対して十分に供給できないおそれがある。このため、本実施形態では、第１のガス導入管１２５を、水平方向に配置することによって、ＧａＣｌ３ガスの助走距離を短くし、第１のガス導入管１２５の内部、ガス導入部１０４の内部、および処理室１０３内部における熱分解を抑制し、高い活性度を維持したままで処理室１０３内に供給することができる。これにより、ＧａＣｌ３ガスをより効率的にサファイア基板１に供給してＧａＮ膜の成膜に寄与させることが可能となる。また、水平に配置した第１のガス導入管１２５を縦方向に複数配置し、ガス導入部１０４のガス拡散空間１０５ａで拡散させて処理室１０３に供給することにより、ＧａＣｌ３ガスをより均一に供給することができる。
【００７９】
また、例えば、Ｎを含むハイドライドガスとして用いるＮＨ３ガスのように、高い活性化エネルギーが必要なガスについては、反対に助走距離を長くする。本例では、ＮＨ３ガスを、縦に長い処理室１０３内に、内管１０２の下部から垂直に起立する２本のガス導入管１０６中を助走させる。助走距離を長くすることで、ＮＨ３ガスには熱エネルギーがさらに加えられるようになり、活性度をさらに向上させることができるという利点を得ることができる。これにより、例えば、ＮＨ３ガスをより高い活性度で処理室１０３内に供給することができ、アンモニアガスをより効率的に化合物半導体膜であるＧａＮ膜の成膜に寄与させることも可能となる。
【００８０】
本実施形態では、このように熱分解を抑制したいＧａＣｌ３ガスと熱的に活性化させたいＮＨ３ガスを、それぞれに適した供給手法で別個に供給することで、上記温度範囲において、処理室１０３内のサファイア基板１の表面で最適な反応を生じさせることができる。
【００８１】
＜他の適用＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
【００８２】
例えば、上記実施の形態では、Ｇａ含有ガスとして塩化ガリウムであるＧａＣｌ３ガスを用い、Ｎ含有ガスとしてＮを含有するハイドライドガスであるＮＨ３ガスを用いてＨＶＰＥによりＧａＮ膜を成膜する例を示したが、他のＧａ含有ガスおよび他のＮ含有ガスを用いてもよい。例えばＧａ含有ガスとして、トリメチルガリウム等の有機金属原料を用いてＭＯＣＶＤによりＧａＮ膜を成膜してもよい。ただし、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム等のＧａＣｌ３よりも熱分解温度が低いガスを用いる場合には、成膜温度を低くしたり、助走距離をさらに短くする等の工夫が必要である。また、Ｎ含有ガスとしては、ヒドラジンを用いることもできる。
【００８３】
また、上記実施の形態ではＧａ含有ガスとＮ含有ガスによりＧａＮ膜を気相成長する場合について示したが、ＧａＮに他の元素をドープしてもよい。さらに、上記実施形態では基板としてサファイア基板を用いた例を示したが、ＧａＮがエピタキシャル成長できれば、他の基板であってもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１；サファイア基板（基板）
１００；成膜装置
１０１；外管
１０２；内管
１０３；処理室
１０４；ガス導入部
１０６；ガス導入管
１１１；排気装置
１１３；加熱装置
１１５；ボート
１２４ａ〜１２４ｇ；ガス供給路
１２５；第１のガス導入管
１２６；第２のガス導入管
１３０；処理ガス供給機構
１４０；クリーニングガス供給機構
１５０；制御装置
【図１】
2018160487.tif 000003
【図２】
2018160487.tif 000004
【図３】
2018160487.tif 000005
【図４】
2018160487.tif 000006
【図５】
2018160487.tif 000007
【図６】
2018160487.tif 000008