(57)【要約】【課題】サセプター上に供給される原料ガスの濃度を、サセプター面上の場所ごとに変えることができ、取り込み率の異なる原料の導入量のバランスや導入位置を変えることで分布の均一なエピタキシャル膜を得る。【解決手段】成長チャンバー１内に基板２を取付ける回転自在のサセプター３と、サセプター３を加熱するヒーター４を備え、成長チャンバー１内に第一ガス、第二ガス及びキャリアーガスを導入して基板２にエピタキシャル成長をさせる気相成長装置において、成長チャンバー１の上部に、サセプター３の回転軸５を中心とする円弧状の互いに隔離された第一ガスの流路１７、第二ガスの流路１７及びキャリアーガスの流路１８をそれぞれ径方向に複数路配置し、各流路１６、１７、１８には個別にガスの入口２１、２２、２３を設けると共に、それぞれガスの出口を設ける。【選択図】  図１
2004172386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長チャンバー内に一枚以上の基板を取付けることのできる回転自在のサセプターと、サセプターを加熱するための加熱手段とを備え、成長チャンバー内に第一ガス、第二ガス及びキャリアーガスを導入して基板にエピタキシャル成長をさせる気相成長装置において、
成長チャンバーの上部に、サセプターの回転軸をおおよそ中心とする円弧状の互いに隔離された第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路をそれぞれ径方向に複数路配置し、前記各流路には個別にガスの入口を設けると共に、それぞれ複数のガスの出口を設けたことを特徴とする気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項２】
サセプター面に対して略平行に第一空間を設け、第一空間の下方に通気孔を有する隔壁を介してサセプター面に対して略平行に第二空間を設け、
第一空間内に第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路を配置し、キャリアーガス流路には基板方向に向けてキャリアーガスが吹き出される吹き出し孔を設け、第一ガスの流路と第二ガスの流路には基板方向に向けて先端が第二空間に延出するノズルを備えた分岐流路を設け、
第一空間に供給されたキャリアーガスが通気孔を通って第二空間に入り、第二空間に供給された第一ガス及び第二ガスを基板方向に向けて付勢するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項３】
第一空間内には仕切を設けず、第二空間内には同一半径上のノズル群を囲む仕切りを設けたことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項４】
ノズルはサセプター面に平行な流路に対して略垂直に取付け、サセプターに対して垂直な方向にガス流れを形成するように開口したことを特徴とする請求項２または３記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項５】
第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路の各入口に供給するガスの流量をそれぞれ独立に制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項６】
ノズルとサセプターとの間に、冷却配管の隙間を通ってガスが流れるよう構成した遮熱板を設けたことを特徴とする請求項２、３、４または５記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項７】
断面円形の冷却配管をサセプターの回転軸を中心としてサセプターの外径と略等しい渦巻き状に成形して遮熱板を構成したことを特徴とする請求項６記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【請求項８】
個別に冷媒の入口と出口とを備えた複数の冷却配管系で遮熱板を構成したことを特徴とする請求項６または７記載の気相成長装置のガス吹き出し部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置のガス吹き出し部、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）に好適なガス吹き出し部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＬＤやＬＥＤのような光デバイス、ＨＥＭＴやＨＢＴのような電子デバイスに多く使われており、これらのデバイスを作る方法として、ＬＰＥ、ＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤなどの方法が知られている。
ＭＯＣＶＤ法には、ＩＩＩ族ガス及びＶ族ガスを成長チャンバー内に別々に導入し、冷却されたインジェクターを介して基板に導入させる方法がある（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１には、成長チャンバー内に導入されたＩＩＩ族ガス及びＶ族ガスを、インジェクター通過後に均一に混合させるための手段を持たせるように設計されたインジェクターが開示されており、特許文献２には、成長チャンバー内に導入されたＩＩＩ族ガスとＶ族ガスとを別々に保持するためのセパレーターの構造が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−０９１９８９号公報
【特許文献２】
特表２００１−５０６８０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、回転するサセプター上に置かれた基板にエピタキシャル成長を行わせるＭＯＣＶＤ装置で、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮのような三元系、四元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる場合、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素及びＡｓ、Ｐ、Ｎ等のＶ族元素は、ガス流れ、境界相厚みやサセプター上の温度分布等により、それぞれの取り込み率が変わり、均一に混合されたＩＩＩ族及びＶ族ガスを供給する構造のＭＯＣＶＤ装置のガス吹き出し部では、エピタキシャル成長させた膜の分布が不均一になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、気相成長装置のガス吹き出し部における上記課題を解決するものであって、サセプター上に供給される原料ガスの濃度を、サセプター面上の場所ごとに変えることができ、ガスの流れやサセプター上の温度分布により取り込み率の異なる原料の導入量のバランスあるいは導入位置を変えることで分布の均一なエピタキシャル膜を得ることができる気相成長装置のガス吹き出し部を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の気相成長装置のガス吹き出し部は、成長チャンバー内に一枚以上の基板を取付けることのできる回転自在のサセプターと、サセプターを加熱するための加熱手段とを備え、成長チャンバー内に第一ガス、第二ガス及びキャリアーガスを導入して基板にエピタキシャル成長をさせる気相成長装置において、成長チャンバーの上部に、サセプターの回転軸をおおよそ中心とする円弧状の互いに隔離された第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路をそれぞれ径方向に複数路配置し、前記各流路には個別にガスの入口を設けると共に、それぞれ複数のガスの出口を設けることで上記課題を解決している。
【０００８】
この気相成長装置のガス吹き出し部は、円弧状の互いに隔離された第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路をそれぞれ径方向に複数路配置し、各流路には個別にガスの入口を設けると共に、それぞれ複数のガスの出口を設けているので、第一ガス、第二ガス及びキャリアーガスを、各々個別に第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路内に導入し、混合しないように保持すると共に、第一ガスと第二ガスを単独あるいは所望の組み合わせで成長チャンバー内に供給することができる。
従って、サセプター上に供給される原料ガスの濃度を、サセプター面上の場所ごとに変えることができ、ガスの流れやサセプター上の温度分布により取り込み率の異なる原料の導入量のバランスあるいは導入位置を変えることで分布の均一なエピタキシャル膜を得ることができる。
【０００９】
サセプター面に対して略平行に第一空間を設け、第一空間の下方に通気孔を有する隔壁を介してサセプター面に対して略平行に第二空間を設け、第一空間内に第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路を配置し、キャリアーガスの流路には基板方向に向けてキャリアーガスが吹き出される吹き出し孔を設け、第一ガスの流路と第二ガスの流路には基板方向に向けて先端が第二空間に延出するノズルを備えた分岐流路を設けると、上流側の第一空間の圧力が下流側の第二空間の圧力より高くなり、第一空間に供給されたキャリアーガスが第一空間内に均一に分布され、通気孔を通って第二空間に入り、第二空間に供給された第一ガス及び第二ガスを基板方向に向けて付勢するので、ガスの流れは基板方向に向けられ、横方向への拡散が抑えられる。
【００１０】
第一空間内には仕切を設けず、第二空間内には同一半径上のノズル群を囲む仕切りを設けると、ノズル群ごとに供給された第一ガス及び第二ガスが径方向に拡散せず、サセプター面上の場所ごとに確実に供給される。このため、仕切りはサセプター面と垂直な方向に設けることが好ましい。
ノズルはサセプター面に平行な流路に対して略垂直に取付け、サセプターに対して垂直な方向にガス流れを形成するように開口することが好ましい。
【００１１】
第一ガスの流路、第二ガスの流路及びキャリアーガスの流路の各入口に供給するガスの流量をそれぞれ独立に制御する制御手段を設けると、複数の流路のそれぞれに最適なガスを供給でき、分布の均一なエピタキシャル膜を得ることが可能となる。
ノズルとサセプターとの間に、冷却配管の隙間を通ってガスが流れるよう構成した遮熱板を設けると、効果的なガス冷却が可能となる。
【００１２】
断面円形の冷却配管をサセプターの回転軸を中心としてサセプターの外径と略等しい渦巻き状に成形して遮熱板を構成するようにすると、溶接が不要であり比較的低コストで製作することができる。
個別に冷媒の入口と出口とを備えた複数の冷却配管系で遮熱板を構成すると、領域ごとのガス冷却が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である気相成長装置のガス吹き出し部の構成図、図２は第一の空間内の流路の配置を示す平面図、図３は第一ガスの流路と第二ガスの流路のノズル及びキャリアーガスの流路の孔の配置を示す図、図４はキャリアーガス流路の孔の部分の垂直断面図、図５は第二空間内の仕切りの配置を示す図、図６は遮熱板の平面図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図、図８はガスの供給回路の説明図である。
【００１４】
図１の気相成長装置は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等の材質でできた円筒形の成長チャンバー１内に基板２を取付けることのできるサセプター３と、サセプター３を加熱するための加熱手段であるヒーター４とを備えている。サセプター３は、回転軸５により水平回転自在に支持されている。
成長チャンバー１の下部にはフランジ６、上部にはフランジ７が溶接されており、下部のフランジ６には排気系に接続される排ガスポート８を設けたフランジ９がＯリング等を介して気密に連結されている。上部のフランジ７には、ガス吹き出し部１０を支持するフランジ１１、１２がＯリング等を介して気密に連結されている。
【００１５】
ガス吹き出し部１０には、サセプター３に対して略平行に第一空間１３が設けられ、第一空間１３の下方に通気孔を有する隔壁１４を介してサセプター面に対して略平行に第二空間１５が設けられている。隔壁１４としては、通気孔を有する金属板やメッシュ状の金属網が用いられる。
第一空間１３内には、図２に示すように、第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）、第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）、及びキャリアーガスの流路１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ）が配置されている。第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）、第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）、及びキャリアーガスの流路１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ）は、サセプター３の回転軸５をおおよそ中心とする円弧状で、互いにブロック１９で隔離されており、それぞれ径方向に複数路配置されている。
【００１６】
第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）、第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）、及びキャリアーガスの流路１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ）には、個別に第一ガスの入口２１（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ）、第二ガスの入口２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）、及びキャリアーガスの入口２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）が設けられている。
【００１７】
キャリアーガスの流路の１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ）の下面には、図３、図４に示すように、基板２の方向に向けてキャリアーガスが吹き出される吹き出し孔２４が設けられている。
第一空間１３内には仕切は設けられておらず、吹き出し孔２４から吹き出されるキャリアーガスは第一空間１３内に均一に分布される。
【００１８】
第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）と第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）には基板２の方向に向けて先端が第二空間１５に延出するノズル２５を備えた分岐流路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）が設けられている。
ノズル２５はサセプター３の面に平行な第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）、第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）に対して略垂直に取付けられており、サセプター３に対して垂直な方向にガス流れを形成するように開口されている。
【００１９】
第二の空間１５内には、図５に示すように、同一半径上の複数のノズル２５（ノズル群）を囲む仕切り２８がサセプター３の面と垂直な方向に設けられており、ノズル群ごとに供給された第一ガス及び第二ガスが径方向に拡散せず、サセプター３の面上の場所ごとに確実に供給されるようになっている。
第二空間１５の下方には、遮熱板２９が設けられている。遮熱板２９は、図６、図７に示すように、断面円形の冷却配管をサセプター３の回転軸５を中心としてサセプター３の外径と略等しい渦巻き状に形成したものであり、個別に冷媒の入口３０Ｉ、３１Ｉと出口３０Ｏ、３１Ｏとを備えた複数の冷却配管系３０、３１で構成されている。遮熱板２９は溶接が不要であり比較的低コストで製作することができる。
【００２０】
図８に示すように、第一ガスの入口２１（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ）、第二ガスの入口２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）及びキャリアーガスの入口２３には、第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）、第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）、及びキャリアーガスの流路１８に供給するガスの流量をそれぞれ独立に制御する制御手段として、それぞれマスフローコントローラ３３が設けられている。
【００２１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル膜をＭＯＣＶＤ法で成長させる場合には、第一ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの有機金属蒸気をキャリアーガスに含ませたＩＩＩ族ガスであり、第二のガスは、アルシン、ホスフィン、アンモニアあるいはＶ族有機金属であるターシャリィブチルアルシン（ＴＢＡ）やターシャリィブチルホスフィン（ＴＢＰ）などのＶ族ガスである。また、キャリアーガスには水素、窒素、アルゴンなどが使われる。
【００２２】
第一ガスは、原料の有機金属３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃをキャリアーガス源３５から供給されるキャリアーガスでバブリングすることにより取り出され、合流後マスフローコントローラ３３で所望の流量に分配されて、第一ガスの入口２１（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ）から第一ガスの流路１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ）に導入される。
【００２３】
第二ガスは、Ｖ族ガス源３６から供給され、マスフローコントローラ３３で所望の流量に分配されて、第二ガスの入口２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）から第二ガスの流路１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）に導入される。キャリアーガス源３５から供給されるキャリアーガスは、マスフローコントローラ３３で所望の流量に分配されて、キャリアーガスの入口２３からキャリアーガス流路の２３（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）に導入され、吹き出し孔２４から第一空間１３に吹き出される。
【００２４】
第一ガスと第二ガスは、それぞれ分岐流路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）を通ってノズル２５から第二空間１５に吹き出される。
第一空間１３に吹き出されたキャリアーガスは、隔壁１４の通気孔を通って第二空間１５に入り、第一ガスや第二ガスを下方ヘ付勢し、これらのガスは遮熱板２９の冷却配管の隙間を通って基板２に達する。基板２でエピタキシャル成長が行われた後の排ガスは排ガスポート８から排出される。
【００２５】
図９は、本発明の他の実施の形態を示すガスの供給回路の説明図である。ここでは、原料の有機金属３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃからそれぞれ取り出される三種類の第一ガスを合流せず、別々に第一ガスの入口２１（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ）に導入し、別個のＶ族ガス源３６Ａ、３６Ｂから供給される二種類の第二ガスを別々に第二ガスの入口２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）に導入している。その他の構成は図１〜図８のものと同様である。
【００２６】
以上、第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７及びキャリアーガスの流路１８の流路数が４路のものについて説明したが、流路数は必要に応じて任意に選択することができる。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
第一ガスの流路１６の流路数が５路（Ａ〜Ｅ）で、図８のように第一ガスを合流して供給するよう構成したガス吹き出し部１０を備えた気相成長装置を用い、第一ガスの原料をＴＭＧ、ＴＭＡとして、ＡｌＧａＡｓを成長させた。
【００２８】
第一ガス（ＩＩＩ族ガス）のトータル流量を４．５ＳＬＭ（０℃、１０１．３ｋＰａで４．５×１０−３ｍ３  ／ｍｉｎ）、第二ガス（Ｖ族ガス）のトータル流量を４．５ＳＬＭ（０℃、１０１．３ｋＰａで４．５×１０−３ｍ３  ／ｍｉｎ）、第一ガス、第二ガス及びキャリアガスを含めたトータル流量を９０ＳＬＭ（０℃、１０１．３ｋＰａで９×１０−２ｍ３  ／ｍｉｎ）とし、第一ガスを最も内側のガス流路Ａだけから供給した場合の膜厚分布を測定した。
結果を表１及び図１０に示す。
【００２９】
【表１】
2004172386.tif 000003
【００３０】
〔実施例２〕
実施例１と同様の条件で、第一ガスを内側から２番目のガス流路Ｂだけから供給した場合の膜厚分布を測定した。
結果を表２及び図１１に示す。
【００３１】
【表２】
2004172386.tif 000004
【００３２】
〔実施例３〕
実施例１と同様の条件で、第一ガスを内側から３番目の第一のガス流路Ｃだけから供給した場合の膜厚分布を測定した。
結果を表３及び図１２に示す。
【００３３】
【表３】
2004172386.tif 000005
【００３４】
〔実施例４〕
実施例１と同様の条件で、第一ガスを内側から４番目のガス流路Ｄだけから供給した場合の膜厚分布を測定した。
結果を表４及び図１３に示す。
【００３５】
【表４】
2004172386.tif 000006
【００３６】
〔実施例５〕
実施例１と同様の条件で、第一ガスを内側から５番目のガス流路Ｅだけから供給した場合の膜厚分布を測定した。
結果を表５及び図１４に示す。
【００３７】
【表５】
2004172386.tif 000007
【００３８】
実施例１〜５の結果より、最適の膜厚分布が得られると思われる流量を計算した結果、ガス流路Ｂから１．６ＳＬＭ、ガス流路Ｃから１．５ＳＬＭ、ガス流路Ｄから１．４ＳＬＭ供給する場合が最適になると推定した。
その場合の膜厚分布の推定値は、表６のようになる。
【００３９】
【表６】
2004172386.tif 000008
【００４０】
〔実施例６〕
表６に示す条件で成長させた結果を表７及び図１５に示す。
【００４１】
【表７】
2004172386.tif 000009
【００４２】
以上の実施例から分かるように、基板表面上の分布を変えられるように複数のガス流路とそこに供給する原料ガスの流量を個別に制御できるので、最適な分布を持つエピタキシャル成長膜を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、サセプター上に供給される原料ガスの濃度を、サセプター面上の場所ごとに変えることができ、ガスの流れやサセプター上の温度分布により取り込み率の異なる原料の導入量のバランスあるいは導入位置を変えることで分布の均一なエピタキシャル膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である気相成長装置のガス吹き出し部の構成図である。
【図２】第一空間内の流路の配置を示す平面図である。
【図３】第一ガスの流路と第二ガスの流路のノズル及びキャリアーガスの流路の孔の配置を示す図である。
【図４】キャリアーガスの流路の孔の部分の垂直断面図である。
【図５】第二空間内の仕切りの配置を示す図である。
【図６】遮熱板の平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】ガスの供給回路の説明図である。
【図９】本発明の他の実施の形態を示すガスの供給回路の説明図である。
【図１０】実施例１の膜厚分布を示す図である。
【図１１】実施例２の膜厚分布を示す図である。
【図１２】実施例３の膜厚分布を示す図である。
【図１３】実施例４の膜厚分布を示す図である。
【図１４】実施例５の膜厚分布を示す図である。
【図１５】実施例６の膜厚分布を示す図である。
【符号の説明】
１      成長チャンバー
２      基板
３      サセプター
４      ヒーター
５      回転軸
１０    ガス吹き出し部
１３    第一空間
１４    隔壁
１５    第二空間
１６    第一ガスの流路
１７    第二ガスの流路
１８    キャリアガスの流路
１９    ブロック
２１    第一ガスの入口
２２    第二ガスの入口
２３    キャリアーガスの入口
２４    吹き出し孔
２５    ノズル
２６    分岐流路
２７    分岐流路
２８    仕切り
２９    遮熱板
３３    マスフローコントローラ
【図１】
2004172386.tif 000010
【図２】
2004172386.tif 000011
【図３】
2004172386.tif 000012
【図４】
2004172386.tif 000013
【図５】
2004172386.tif 000014
【図６】
2004172386.tif 000015
【図７】
2004172386.tif 000016
【図８】
2004172386.tif 000017
【図９】
2004172386.tif 000018
【図１０】
2004172386.tif 000019
【図１１】
2004172386.tif 000020
【図１２】
2004172386.tif 000021
【図１３】
2004172386.tif 000022
【図１４】
2004172386.tif 000023
【図１５】
2004172386.tif 000024