(57)【要約】【課題】きわめて高い膜厚面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる半導体気相成長装置を得る。【解決手段】回転する板状のサセプタ３に、複数の基板４を周方向に配設し、且つ成長面４ａたる下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタ３の直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板４上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体気相成長装置において、基板４の結晶成長面４ａを原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する。具体的には、サセプタ３のガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ又は膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面３ａ又は３ｂにより形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面４ａが位置するようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体気相成長装置において、
基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する構成としたことを特徴とする半導体気相成長装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体気相成長装置において、
上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする半導体気相成長装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体気相成長装置において、
上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする半導体気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体結晶を有機金属気相成長法により均等な膜厚で成長するのに適した半導体気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などのIII−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（High Electronmobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、ＬＤ（Laser Diode：レーザーダイオード）などが挙げられる。
【０００３】
一例として、図６にＬＤの基本構造を示す。ＬＤは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、ｐ−クラッド層、発光層、ｎ−クラッド層、バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。ｐ−クラッド層はｐ型ドーパントが、またｎ−クラッド層はｎ型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。基板は単結晶成長するための下地である。
【０００４】
表１にＬＤの構造例を示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−、ｐ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、ｐ型であることを、また、ｕｎ−はエピタキシャル層がアンドープであることを表している。厚さの単位はnm（１０-9ｍ）である。キャリア濃度の単位はcm-3であり、例えば１．０Ｅ＋18で１．０×１０18cm-3を表す。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
表１に示したＬＤエピタキシャルウエハの成長方法を以下に述べる。
【０００７】
上記ＬＤの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy 、以下ＭＯＶＰＥ法）による半導体気相成長装置で成長される。ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。
【０００８】
ここで従来のＭＯＶＰＥ装置（半導体気相成長装置）が採用しているリアクター（反応炉）の構成を図７に示す。これは、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成すると共に、このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に図８、図９の如く基板４の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して前記開口部５に均熱板７をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【０００９】
エピタキシャル層を成長させる基板４をサセプタ３にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。
【００１０】
たとえば、ｕｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ3）3（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ3（アルシン）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ3ＣＨ2）3（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ3）3（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。
【００１１】
ｕｎ−Ａｌ0.5ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ3）3（トリメチルアルミニウム）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にＡｌ（ＣＨ3ＣＨ2）3（トリエチルアルミニウム）がある。Ａｌ0.5ＧａＡｓとはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓを略したものであり、ＡｌとＧａの比が０．５：０．５であることを意味する。
【００１２】
ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料としてＳｉＨ4（モノシラン）、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ2Ｓｅ（セレン化水素）がある。
【００１３】
ここで、例として、図８のようにサセプタ３に基板４を２枚セットし、その基板４の上にエピタキシャル層を成長する場合を考える。従来技術では、図９に示すように、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長していた。
【００１４】
なお、図７の装置は、ガスが反応管の一側から他側に向かって一方向に流れ、且つ基板がサセプタの開口部内にフェイスダウンで設けられるタイプ（横型フェイスダウン）のものであるが、これと異なり、上から下に向かうガスがサセプタの中央から半径方向外側に流れ、且つ基板がサセプタの開口部内にフェイスアップで設けられるタイプ（自転公転型フェイスアップ）の装置もある。この後者のタイプの装置については、従来、半導体基板に約３０°の傾斜角を与えることによりサセプタの回転によって生じる遠心力で基板の落下を防止し、且つサセプタを１０００ｒｐｍの高速で回転することによって均一化を目指した場合の問題点として、依然としてサセプタの外周方向で膜厚が薄くなる傾向を呈することから、サセプタの傾斜角度を特定の範囲に規制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−３４９７４８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７〜図９の半導体気相成長装置は、きわめて高い膜厚分布精度を要求される製品には不十分な均一度であった。
【００１７】
まず、サセプタを静止したまま結晶成長すると図１０（ａ）のように基板４上に成長される結晶の厚さが不均一となり、基板“１”と基板“２”には厚さの異なるエピタキシャル層が形成される。これは原料ガスが熱で分解され、下流に行くほど原料が枯渇してしまうためである。この上流側から下流側に向かう膜厚分布は、原料ガスの熱分解曲線にほぼ一致している。この場合、厚さの異なる２枚のウェハが得られるが、それぞれ基板面内での膜厚分布が悪く、これらを製品とするには問題がある。特にＬＤでは、最も薄い発光層膜厚の面内均一性が重要であり、素子とした時に発振されるレーザーの波長は、発光層膜厚が薄いと短く、発光層膜厚が厚いと長くなってしまう。
【００１８】
次に、サセプタを一定回転数で回転させながら成長した場合には、膜厚は図１０（ａ）の回転積分値となるため、結果として図１０（ｂ）のように、結晶の厚さを面内である程度均一にすることができる。
【００１９】
しかし、きわめて高い膜厚分布精度を要求される製品には不十分な均一度であった。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、きわめて高い膜厚面内均一性を有するエピタキシャル層を得ることのできる半導体気相成長装置を提供することにある。
【００２１】
なお、本発明の対象とするのは、図７のように、ガスがサセプタの直径方向に流れるタイプ（横型）の装置であり、上記特許文献１のように、上から下に向かうガスがサセプタの中央から半径方向外側に流れるタイプの装置とは、異なる技術に属する。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置するようにしたものであり、具体的には、次のように構成したものである。
【００２３】
請求項１の発明に係る半導体気相成長装置は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体気相成長装置において、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する構成としたことを特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体気相成長装置において、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体気相成長装置において、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成したことを特徴とする。
【００２６】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、半導体結晶を成長させる基板を保持するサセプタを有し、そのサセプタを加熱及び回転し、その基板上に原料ガス及び希釈用ガスを供給し、III−Ｖ族化合物半導体結晶を成長する有機金属気相成長法の半導体気相成長装置において、上記サセプタに支持された基板の結晶成長面たる例えば下面が、サセプタの中心に向かって窪んだ又は膨らんだ所定の傾斜角度θの傾斜面をなすように、基板を原料ガスの流れ方向に対して傾けてサセプタに設置する構成にある。
【００２７】
従来技術（図９）のように、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長する場合、上流側から供給された原料ガスはそのほとんどがサセプタ中心より上流側で分解していまい、下流側ではほとんど未分解の原料ガスが残っていない、すなわち原料が枯渇した状態となってしまう。よって、サセプタ中心より上流側での反応が支配的であった。この様子を図１０（ａ）に示す。
【００２８】
本発明では、サセプタの中心を図１に示すようにへこませるか又は図４に示すように膨らませて、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して角度θだけ傾けるようにした。こうすることにより、上流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりにくくなるため、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて減少し、その結果上流側での原料の消費も減少する。
【００２９】
これに対し、下流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりやすくなるとともに、上流側での原料消費率が減少したため未分解の原料ガスが多く供給され、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて厚くなる。
【００３０】
この結果、本発明を実施してサセプタを静止したまま結晶成長すると、図２（ａ）のように基板上に成長される結晶の厚さは、上流側から下流側に向かってほぼ単調減少の直線とすることができる。この状態でサセプタを一定回転数で回転させながら成長すると、膜厚は図２（ａ）の回転積分値となるため、結果として図２（ｂ）のように極めて均一にすることができる。
【００３１】
ここで基板の傾斜角θの最適条件について吟味するに、図３に示すように、原料ガスの分解曲線はガス流速に依存する。すなわち、原料ガスの流速が遅いときは分解曲線の傾きは大きく（急勾配に）なり、逆に速いときは分解曲線の傾きは小さく（ゆるやかに）なる。そこで、本発明を適用する場合には、この分解曲線の勾配を相殺するように基板の傾き角を設定してやる必要がある。つまり、分解曲線の傾きが大きい場合は基板の傾き角も大きくし、逆に分解曲線の傾きが小さい場合は基板の傾き角も小さくなるように設定する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００３３】
＜実施形態１＞
前提となる化合物半導体気相成長装置１は、サセプタ３の下面の構成を除き、図７〜図８のものと同一とした。すなわち、本実施形態の化合物半導体気相成長装置１は、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成する。このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して開口部５に均熱板７をはめ込んだ構成とする。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。
【００３４】
サセプタ３は全体として円板状であり、図１に示すように、その下面、つまりガス流路側の面が、外周縁稜からサセプタ中心へかけてなだらかに窪んだ傾斜面３ａとして形成されている。そしてサセプタ３の基板支持部たる凹部（開口部５）は、これに半導体基板４を支持させた場合、その基板の結晶成長面４ａが、この傾斜面３ａに一致して位置するように構成されている。従って、半導体基板４は、原料ガスの流れ方向である水平面に対して所定の傾斜角度θだけ傾いて設置される。
【００３５】
このように、サセプタ３に支持される半導体基板４の結晶成長面４ａを、原料ガスの流れ方向に対して所定の傾斜角度θで傾けておく構成とすることにより、原料ガスの流れ方向の上流側では、原料ガスが基板の結晶成長面に当たりにくくなる。このため、成長されるエピタキシャル層の膜厚は、従来技術（図９）に比べて減少し、その結果上流側での原料の消費も減少する。他方、下流側では原料ガスが基板の結晶成長面に当たりやすくなるとともに、上流側での原料消費率が減少したため未分解の原料ガスが多く供給され、成長されるエピタキシャル層の膜厚は従来技術に比べて厚くなる。
【００３６】
よって、基板上に成長される結晶の厚さを、図２（ａ）に示すように、上流側から下流側に向かってほぼ単調減少の直線とすることができる。この状態でサセプタを一定回転数で回転させながら成長すると、膜厚は図２（ａ）の回転積分値となるため、結果として図２（ｂ）のように極めて均一にすることができる。この効果を確認するため、実施例として、次のようにＬＤの試作を行った。
【００３７】
＜実施例＞
本発明を表１のＬＤエピタキシャルウエハの成長に適用した。
【００３８】
成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ（９３．３ｈｐａ）、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓ基板を用いた。ｕｎ−Ａｌ0.1ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ3）3、Ａｌ（ＣＨ3）3及びＡｓＨ3を用い、それらの流量はそれぞれ６５cm3／分、４５cm3／分及び１０００cm3／分である。ｎ−Ａｌ0.5ＧａＡｓ層の成長には、ｕｎ−Ａｌ0.1ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ3）3、Ａｌ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3に加えてＳｉ2Ｈ6を使用した。流量はそれぞれ６５cm3／分、１５０cm3／分、１０００cm3／分及び３００cm3／分である。ｎ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3及びＳｉ2Ｈ6を用い、それらの流量はそれぞれ１００cm3／分、３００cm3／分及び２００cm3／分である。
【００３９】
本発明の一実施例を図１を用いて説明する。サセプタ３は、基板の結晶成長面４ａが、原料ガスの流れ方向、すなわち水平方向に対して５．０度傾くようにした。この基板傾斜角（基板セット角度）θが５．０度で半導体基板４を取り付けたサセプタを３０ｒｐｍで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２に、エピタキシャル層の膜厚の面内バラツキ（％）を、上記実施例（図１）で成長したエピタキシャル層の膜厚データと、従来技術（図９）で成長したエピタキシャル層の膜厚データとを比較して示す。ここに「面内バラツキ」とは、（面内膜厚最大値−面内膜厚最小値）／（２×膜厚平均値）で定義される量である。
【００４２】
従来技術（基板の傾斜無し）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキが±１．５２％であるのに対し、上記実施例（基板セット角度θ＝５．０゜）で成長したエピタキシャル層の面内バラツキは±０．１４％と、きわめて小さかった。これより、本発明によれば、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られることがわかる。
【００４３】
＜実施形態２＞
図４及び図５に、本発明の他の実施形態を示す。これは上述したような実施例とは逆で、図４に示すように、サセプタ３の中心をふくらませた形状として基板に逆の傾き角を与えた例である。
【００４４】
すなわち、サセプタ３は、図１の場合と同様、全体として円板状であり、その下面、つまりガス流路側の面は、外周縁稜からサセプタ中心へかけてなだらかに膨らませた傾斜面３ｂとして形成されている。そしてサセプタ３の基板支持部たる凹部（開口部５）は、これに半導体基板４を支持させた場合、その基板の結晶成長面４ａが、この傾斜面３ｂに一致して位置するように構成されている。従って、半導体基板４は、原料ガスの流れ方向である水平面に対して所定の傾斜角度θだけ傾いて設置される。
【００４５】
図５に、傾斜面３ｂに下面を一致させて半導体基板４を設置し、サセプタ３を静止したまま結晶成長したときの、ガス流下方向の位置と基板上に成長される結晶の厚さとの関係を示す。図２の場合のような単調な直線とはなっていないが、成長結晶の厚さが上流側から下流側に向かってなだらかに増大する曲線とすることができる。
【００４６】
換言すれば、ガス流速および加熱条件によっては、図５に示すような原料ガスの分解曲線となるので、この場合も分解曲線の勾配を相殺するように半導体基板の傾き角（基板セット角）θを設定してやることにより、膜厚を極めて均一にすることができる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明は、上述してきたような、結晶成長面が下向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスダウン」方式だけでなく、結晶成長面が上向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスアップ」方式にも適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面たる例えば下面をガス流路側に向けて支持し、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる半導体気相成長装置において、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置する構成としたものである。具体的には、上記サセプタのガス流路側の面を、サセプタの中心に向かって窪んだ又は膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成し、その傾斜面に基板の結晶成長面が位置するように構成する。
【００４９】
従来技術では、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットしてエピタキシャル層を成長していたため、上流から供給された原料ガスの熱分解曲線に支配的であり、成長されたエピタキシャル層の膜厚は、サセプタ外周側で厚く、内周側で薄い分布を持っていた。
【００５０】
しかし本発明では、基板の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けて設置するようにしたことから、原料ガスの上流側での消費量が減り、原料ガスが下流に向かって均一な割合で消費されるようになる。この結果、基板上に成長されるエピタキシャル層の膜厚がきわめて均一なものとなる。
【００５１】
従って、本発明の半導体気相成長装置を用いれば、従来技術では達成できなかったレベルの膜厚均一性を、極めて容易な手段で、しかも低コストに達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る半導体気相成長装置のサセプタにおける基板のセット状態を示す図である。
【図２】図１のサセプタを用いた場合の膜厚均一性を説明するための図で、（ａ）はサセプタ静止状態のときの成長厚さを、（ｂ）はサセプタが一定回転しているときの成長厚さを示した図ある。
【図３】原料ガス分解曲線のガス流速依存性を示した説明図であり、（ａ）はガス流速が遅い場合を、（ｂ）はガス流速が速い場合を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る半導体気相成長装置のサセプタにおける基板のセット状態を示す図である。
【図５】図４のサセプタを用いた場合の原料ガス分解曲線の説明図である。
【図６】ＬＤの基本構造を示す説明図である。
【図７】従来技術における化合物半導体気相成長装置の構造を示した断面図である。
【図８】従来技術におけるサセプタへの基板セット方法を示す図である。
【図９】従来技術における基板のセット状態を示す図である。
【図１０】従来技術の問題点である膜厚不均一を説明するための図で、（ａ）はサセプタ静止状態のときの成長厚さを、（ｂ）はサセプタが一定回転しているときの成長厚さを示した図ある。
【符号の説明】
１  半導体気相成長装置
３  サセプタ
３ａ  傾斜面
３ｂ  傾斜面
４  半導体基板
４ａ  結晶成長面
５  開口部
θ  傾斜角度（基板セット角度）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004207545.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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