(57)【要約】【課題】  エピタキシャル基板上に成長させる結晶膜を均一化する成膜方法および成膜装置を提供する。    【解決手段】  成膜装置１０は、成膜用の基板１６を配置する基板受け１８と、基板受け１８に対向した帯状の吹出し口３２を有するＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９と、基板受け１８とノズルとの少なくとも一方を基板受け１８の表面に沿って相対的に移動させるモータ２０と、ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９に成膜用原料ガスを供給するＮＨ３ガス供給部４７および原料ガス供給部１４、１５とを備えている。この場合において、基板受け１８は回転可能とし、ノズルは、吹出し口３２の長手方向が基板受け１８の半径方向に配置されるとともに、吹出し口３２の開口幅が基板受け１８の中心側より外周側に向けて漸次広くするように形成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜用原料ガスを帯状にして基板に吹き付けるとともに、前記成膜用原料ガスを吹き出すノズルと前記基板とを基板の面に沿って相対的に移動させることを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
成膜用の基板を配置するテーブルと、前記テーブルに対向した帯状の吹出し口を有するノズルと、前記テーブルと前記ノズルとの少なくとも一方を前記テーブルの表面に沿って相対的に移動させる駆動部と、前記ノズルに成膜用原料ガスを供給する原料ガス供給部と、を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
前記テーブルは回転テーブルであり、前記ノズルは、前記吹出し口の長手方向が前記回転テーブルの半径方向に配置されるとともに、前記吹出し口の開口幅が前記回転テーブルの中心側より外周側に向けて漸次広くしてあることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ノズルは前記回転テーブルの周方向に沿って複数配設してあることを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に化合物半導体の薄膜結晶を均一に成膜可能な成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）化合物半導体は青色発光ダイオード、あるいはレーザダイオード用原料、さらには高出力・高周波領域での電子デバイスの材料として注目されている。ＧａＮ系化合物半導体は一般に、結晶成長用基板としてサファイア、ＳｉＣ等を用いた有機化合物気相成長法により生成している。
【０００３】
この場合、結晶成長用基板とＧａＮ系化合物半導体結晶との格子不整合のため転位が発生し、厚さ方向の転位がＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方向にも伝搬するため、結晶欠陥が発生するという問題があった。成膜の初期段階で欠陥が生じると、欠陥と成長膜の成長する方向ベクトルが同方向のため、欠陥も結晶と一緒に膜厚方向に成長してしまう。よって、従来の気相エピタキシャル成膜においては、欠陥が膜の表面にまで貫通した貫通転位（貫通欠陥）が発生する。
【０００４】
そこで転位の伝搬を減少させるため、特許文献１には結晶成長用基板に対して横方向にＧａＮ系窒化物半導体結晶を成長させる方法：ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）が開示されている。
【０００５】
このＥＬＯによる結晶成長方法は、図５に示すように、まず、基板１に対してＳｉＯ２からなる一定の隙間を設けたスリット２を形成する。結晶成長の過程でＧａＮ系窒化物半導体結晶３がスリット上部では結晶成長しない。一方、スリット２間から三角形の結晶が広がって成長したＧａＮ系窒化物半導体結晶３は横方向に成長する。スリット２間の開口部４から成長してきた部分をシードとして結晶成長させる。横方向に成長した結晶がスリット２上部を埋めることにより転位の伝搬をとめ、スリット２上部の結晶性が飛躍的に向上する。
【０００６】
また、デバイス特性はわずかなエピタキシャル成長層厚のばらつきによって大きく影響される。従って、デバイスの製造は高精度化とともに、高い歩留まりで製造することが望まれている。よって、エピタキシャル成長層の結晶品質向上とともに、エピタキシャル成長層を均一に成膜することが極めて重要となっている。
【特許文献１】特開２０００−９１２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＥＬＯによるエピタキシャル成長では、原料ガスを基板に均一に吹き付けているため、反応容器等の反応系内を原料ガスで均一にする必要がある。この場合、基板加熱台表面の全ての領域に対する原料ガスの均一供給が困難である。すべての条件が均一にならないと均一な膜形成がなされない。条件が整わないと基板上に不均一な結晶膜が成膜されて、膜成形の結晶欠陥の原因となっていた。また、原料ガスの供給は、原料ガスを基板加熱台の上方向あるいは横方向から流通させて、余剰の原料ガスを外部に排出しているため、原料ガスの使用効率が悪い。さらに、基板にあらかじめスリットを形成する必要があるため、時間と手間がかかる。
【０００８】
そして、特許文献１に記載されている方法は、原料ガスが基板全体に供給するため膜の厚み方向である縦方向に膜が成長し、縦方向の貫通欠陥が生じやすい。一方、新しいデバイスへの応用として、例えばＧａＮ、ＡｌＮ等の異なる組成の結晶膜を量子井戸構造となるように成長基板上に積層させる場合がある。この場合、大きな反応容器内に原料ガスを供給するため、基板上に異なる組成の結晶膜を積層させるときに、先の結晶膜に使用した原料ガスが反応容器内に残留し、次の成長膜を積層させる際、残留する先の原料ガスが混入して結晶膜の積層する境界面が不明瞭となる。したがって、成長膜をダイオード等にした場合に性能が低下することがある。
【０００９】
上記従来技術の問題点を解決するために本発明は、基板上に成長させる結晶膜の均一化を図ることを目的としている。
また、本発明は、成長基板上に積層した層間が明確となり、貫通欠陥のない結晶を成膜することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態に係る成膜方法は、成膜用原料ガスを帯状にして基板に吹き付けるとともに、前記成膜用原料ガスを吹き出すノズルと前記基板とを基板の面に沿って相対的に移動させることを特徴としている。
【００１１】
また、本実施形態に係る成膜装置は、成膜用の基板を配置するテーブルと、前記テーブルに対向した帯状の吹出し口を有するノズルと、前記テーブルと前記ノズルとの少なくとも一方を前記テーブルの表面に沿って相対的に移動させる駆動部と、前記ノズルに成膜用原料ガスを供給する原料ガス供給部と、を有することを特徴としている。
【００１２】
この場合において前記テーブルは回転テーブルであり、前記ノズルは、前記吹出し口の長手方向が前記回転テーブルの半径方向に配置されるとともに、前記吹出し口の開口幅が前記回転テーブルの中心側より外周側に向けて漸次広くするようにすればよい。
また、前記ノズルは前記回転テーブルの周方向に沿って複数配設するようにすればよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成による成膜方法および成膜装置は、前記成膜用原料ガスを吹き出すノズルと前記基板とを基板の面に沿って相対的に移動させているので、結晶成長の生成部分が膜面に沿った横方向に移動し、横方向に膜が成長する。よって貫通欠陥の発生を防止することができる。また、結晶成長の原料ガス吹き付け圧力を局所的に高めることができ、大きな結晶成長速度を得るとともに結晶成長箇所を狭所に限定することができる。これにより、反応容器内部全体を均一にする必要がなく、原料ガスの無駄がない。
【００１４】
また、原料ガスを吹き付けるノズルは吹出し口を帯状に形成し、開口幅を回転テーブルの中心から外周に向かって帯状断面を漸次広く形成している。よって、前述と同様の効果が得られることに加えて、回転テーブルを回転させる際、回転テーブルの中心側と外周側における回転速度の相違による吹き付け量を均一にすることができる。これにより、基板上に形成される膜は、回転テーブルとの半径方向内側と外側とにおいて均一に成長し、均一な厚さに形成することができる。
【００１５】
さらに、ノズルは回転テーブルに載置する基板の大きさ、または数に応じて基板上に複数設けている。これにより、前述と同様の効果が得られることに加えて、原料ガスの吹き付け量を制御し、成長膜の生成速度を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る成膜方法および成膜装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態に係る成膜装置の構成概略図である。図２は基板上にガス供給ノズルから原料ガスを吹き付ける拡大図である。
【００１７】
図１に示すように、成膜装置１０は、反応容器１２と、成膜用の基板１６を配置するテーブルとなる基板受け１８と、基板受け１８に対向した帯状の吹出し口３２を有するＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９と、基板受け１８とＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９との少なくとも一方を基板受け１８の表面に沿って相対的に移動させる駆動部となるモータ２０と、前述のノズルから成膜用原料ガスを供給するＮＨ３ガス供給部４６および原料ガス供給部１４、１５とから構成されている。
【００１８】
反応容器１２は、側面に圧力調整弁１３を介して接続した真空ポンプ１１によって内部を減圧可能とし、減圧下で結晶成長させるため容器は密閉系である。
反応容器１２内の底部には基板１６を載置する基板受け１８が設置してある。基板受け１８は、図２に示すように円盤状で上面側に複数枚の基板１６を載置できるように開口部を形成してある。また、基板受け１８の下面には基板を加熱するためのヒータ１９が固定されている。基板受け１８に載置する基板１６の材質は、例えばサファイア、ＳｉＣ等を用いることができる。
【００１９】
反応容器１２下部には、モータ２０が設置してある。モータ２０のシャフト２２は反応容器１２底部を貫通して、その上端部が基板受け１８の下面に固定している。一方、基板１６上方には、アンモニア（ＮＨ３）ガスを吹き出すノズルとなるＮＨ３ガス供給ノズル２８と、原料ガスを吹き出すノズルとなるガス供給ノズル２９が近接配置してある。なお、本実施形態では成膜用原料ガスにトリメチルガリウム（ＴＭＧ）３４とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）３６とアンモニアガス４７を用いて説明する。モータ２０は駆動部となり基板受け１８を回転して基板受け１８とＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９とを相対的に移動可能としている。
【００２０】
ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９は、吹出し口３２が基板受け１８に対向した位置に設けてある。吹出し口３２は帯状に形成してあり、基板受け１８の半径方向に配置してある。また、吹出し口３２の長さは基板１６の直径よりも大きく形成している。基板受け１８の円周速度は、中心付近は遅く基板の外側は早いので成膜用原料ガスの吹き付け量が均一となるように、吹出し口３２の開口幅は基板受け１８の中心から外周に向かって漸次広く形成してある。
【００２１】
ＮＨ３ガス供給ノズル２８の上端部には供給配管２６ｃの一端が接続している。供給配管２６ｃの他端は反応容器１２の上部を貫通し、ＮＨ３ガス供給部４６に接続している。ＮＨ３ガス供給部４６は窒素源となるアンモニアガス４７をＮＨ３ガス供給ノズル２８に供給する。また、供給配管２６ｃ上には調整弁４５が設置してあり、調整弁４５はアンモニアガス４７の流量を任意に調整可能としている。
【００２２】
一方、ガス供給ノズル２９の上端部には、供給配管が接続し、切替弁３８ａ、３８ｂを介して供給配管２６ａ、２６ｂに分岐している。供給配管２６ａ、２６ｂの他端はそれぞれ原料ガス供給部１４、１５に接続している。
【００２３】
原料ガス供給部１４はＧａＮ膜を成膜する原料ガスをガス供給ノズル２９に供給する。原料ガス供給部１４はトリメチルガリウム３４を貯留したＴＭＧ槽４０を備えている。ＴＭＧ槽４０はトリメチルガリウム３４を加熱気化するヒータ４３ａを下方に設置している。ＴＭＧ槽４０の上部には前述の供給配管２６ａが接続しているとともに、キャリア配管３１ａが接続している。キャリア配管３１ａは流量調整弁４１ａを介して他端をキャリアガス供給部４４ａに接続している。キャリアガス供給部４４ａは、例えば水素、窒素ガス等を用いて、流量を制御して気化した原料ガスを希釈し、濃度調整することができる。
【００２４】
また、原料ガス供給部１５は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜を成膜する原料ガスをガス供給ノズル２９に供給する。原料ガス供給部１５はトリメチルアルミニウム３６を貯留したＴＭＡ槽４２を備えている。ＴＭＡ槽４２はトリメチルアルミニウム３６を加熱気化するヒータ４３ｂを下方に設置している。ＴＭＡ槽４２の上部には前述の供給配管２６ｂが接続しているとともに、キャリア配管３１ｂが接続している。キャリア配管３１ｂは流量調整弁４１ｂを介して他端をキャリアガス供給部４４ｂに接続している。キャリアガス供給部４４ｂは、例えば水素、窒素ガス等を用いて、流量を制御して気化した原料ガスを希釈し、濃度調整することができる。
【００２５】
以上の構成により成膜装置１０は次のように作用する。反応容器１２内部を減圧し、基板受け１８の下面に固定してあるヒータ１９により基板１６を加熱する。本実施形態では加熱温度を１０００℃〜１１００℃に設定する。次に基板１６を載置した基板受け１８を回転させる。なお供給配管２６ａ、２６ｂ上の切替弁３８ａ、３８ｂはあらかじめ閉止してある。次に反応容器１２上部から原料ガスを注入する。ＧａＮを成長する場合、原料ガス供給部１４のＴＭＧ槽４０内部のトリメチルガリウム３４をヒータ４３ａによって加熱気化させる。切替弁３８ａを開放し、原料ガス供給部１４の端部に接続したキャリアガス供給部４４ａからキャリアガスを導入する。キャリアガスによってトリメチルガリウム３４を希釈して濃度調整を行いキャリアガスとともに反応容器１２内へ送り込む。ＮＨ３ガス供給部４６からアンモニアガス４７と、原料ガス供給部１４から気化したトリメチルガリウム３４とが加熱された基板１６上に供給される。基板１６上でトリメチルガリウム３４とアンモニアガス４７の熱分解が生じ、ＧａＮ結晶が成長する。
【００２６】
熱分解反応中、基板受け１８上の結晶基板１６は基板受け１８に接続したモータ２０によって公転している。これにより、ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９は基板１６上を横方向に移動するため、膜面に沿った横方向に膜が成長する。よって、成長結晶が横方向に積み重なっていき、基板上に横方向成長膜が形成される。このとき、成長膜の成膜は基板１６の回転速度、原料ガス供給部１４のガス流量を任意に設定している。このように吹き付ける箇所が均一であれば、全体的に層が積層されて基板上に均一な膜が形成できる。
【００２７】
また、ＧａＮを成膜したのち、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜を積層させる場合には、まず供給配管２６ａに設置した切替弁３８ａを閉止して気化したトリメチルガリウム３４の供給を停止する。次に原料ガス供給部１５のＴＭＡ槽４２内部においてトリメチルアルミニウム３６をヒータ４３ｂによって加熱気化させる。供給配管２６ｂに設置した切替弁３８ｂを開放して気化したトリメチルアルミニウム３６をキャリアガスとともに反応容器１２内へ送り込む。ＮＨ３ガス供給部４６からアンモニアガス４７と、原料ガス供給部１５から気化したトリメチルアルミニウム３６とが加熱された基板１６上に供給される。基板１６上でトリメチルアルミニウム３６とアンモニアガス４７の熱分解が生じ、ＡｌＮ結晶が基板１６上に成長する。なお、ガス供給ノズル２９は切替弁３８ａ、３８ｂを両方開放することによって、トリメチルガリウム３４とトリメチルアルミニウム３６を同時に供給することもできる。
【００２８】
次に、第２実施形態に係る成膜装置について図３を用いて説明する。図３に示すように、基板受け１８上に大径の基板１６が１枚載置されている。基板受け１８の半径方向にＮＨ３ガス供給ノズル２８、ガス供給ノズル２９を設置し、これを直径方向にも設置している。これにより、原料ガスの吹き付け量を制御して基板上に成膜する成膜速度を高めることができる。なお、ノズルの設置数および設置箇所はこれに限定されず、基板受けに載置する基板の大きさ、若しくは数、または成膜の成長速度を考慮して任意に設定することができる。
【００２９】
図４は第３実施形態に係る成膜装置を示す図である。図４に示すように、基板１６は基板受け１８上に載置した状態で、ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９を、図示しない駆動部によって矢印ｅ方向に基板１６上を往復移動可能に設置してある。この構成によっても、前述の成膜と同様に、ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９が基板１６上を横方向に移動する。よって、基板１６上の膜面に沿った横方向の成長膜を形成することができる。なお、ＮＨ３ガス供給ノズル２８およびガス供給ノズル２９を固定し、基板受け１８を矢印ｅ方向に往復移動可能に設置しても良い。
【００３０】
一方、基板上の結晶膜は複数積層させる場合があるため、組成の異なる結晶膜を基板１６上に形成する場合には原料ガスの組成を変えなければならない。従来の方法によれば、原料ガスの組成を替える場合、反応容器１２内部全体の組成を均一にする必要があった。しかしながら、本実施形態によれば原料の吹き付けを基板１６上近傍に設定し、原料ガスの放出範囲が狭いので組成の切替えが容易かつ迅速に行える。これにより、反応容器内部に原料ガスが残留することがなく、基板１６上に積層する層間がはっきりと切り替わり境界面が明確となる。
【００３１】
このように本実施形態では、基板１６上近傍に局部的に原料ガスを吹き付けて、横方向に成長膜を形成させているので、基板１６上に貫通欠陥の発生を防止して、均一な成長膜を成膜することができる。
【００３２】
なお、本実施形態は成膜する化合物半導体にＧａＮ、ＡｌＮを用いて説明したが、成膜する化合物半導体はこれに限定されるものではなく、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）等の他の化合物半導体製造にも適用することができる。さらに、Ｓｉ、ＳｉＣ等のエピタキシャル膜の成膜全般にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る成膜装置の構成概略図である。
【図２】基板に原料ガスを吹き付ける拡大図である。
【図３】第２実施形態に係る成長装置を示す図である。
【図４】第３実施形態に係る成長装置を示す図である。
【図５】従来のエピタキシャル成長装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１………基板、２………スリット、３………ＧａＮ系窒化物半導体結晶、４………開口部、１０………成膜装置、１１………真空ポンプ、１２………反応容器、１３………圧力調整弁、１４………原料ガス供給部、１５………原料ガス供給部、１６………基板、１８………基板受け、１９………ヒータ、２０………モータ、２２………シャフト、２６………供給配管、２８………ＮＨ３ガス供給ノズル、２９………ガス供給ノズル、３１………キャリア配管、３２………吹出し口、３４………トリメチルガリウム、３６………トリメチルアルミニウム、３８………切替弁、４０………ＴＭＧ槽、４１………流量調整弁、４２………ＴＭＡ槽、４３………ヒータ、４４………キャリアガス供給部、４５………調整弁、４６………ＮＨ３ガス供給部、４７………アンモニアガス。
【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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