(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを用いて基板に成膜するための有機金属気相成長装置であって、
前記基板を加熱し、かつ前記基板を載置するための載置面を有する加熱部材と、
前記基板に前記反応ガスを導入するための通路とを備え、
前記通路の内部に前記載置面が面した状態で前記加熱部材は回転可能であり、
前記通路は第１通路と第２通路とを有し、かつ前記第１通路と前記第２通路とは前記載置面の上流側端部よりも上流側において合流しており、
前記反応ガスの流れ方向に沿った前記通路の高さは、第１の位置から下流側に向かって第２の位置まで単調減少しており、かつ前記第２の位置から第３の位置まで一定であり、かつ前記第３の位置から下流側に向かって第４の位置まで単調減少しており、
前記第１の位置は前記載置面における前記基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にあり、かつ前記第３の位置は前記加熱部材上にあり、かつ前記第４の位置は前記載置位置の下流側端部、または前記下流側端部よりも下流側にある、有機金属気相成長装置。
【請求項２】
前記第２の位置は前記載置位置の上流側端部よりも上流側にある、請求項１に記載の有機金属気相成長装置。
【請求項３】
前記第２の位置は前記載置面の上流側端部よりも上流側にある、請求項２に記載の有機金属気相成長装置。
【請求項４】
前記第１の位置は前記第１通路と前記第２通路とが合流する位置よりも下流側にある、請求項１〜３のいずれかに記載の有機金属気相成長装置。
【請求項５】
前記通路は、前記第１の位置と前記第２の位置との間に形成された第１傾斜部と、前記第３の位置から下流側に向かって形成された第２傾斜部とを有し、前記第１傾斜部および前記第２傾斜部は、前記反応ガスの流れ方向に対して傾斜している、請求項１〜４のいずれかに記載の有機金属気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機金属気相成長装置に関し、より特定的には、窒化物半導体層を成膜するための有機金属気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機金属気相成長（MOCVD：Metal  Organic  Chemical  Vapor  deposition）法は、代表的な気相成膜法の一つであり、たとえばＩＩＩ族有機金属を気化させ、それを基板表面で熱的に分解させ、Ｖ族ガスと反応させて成膜する方法である。この方法は膜厚や組成の制御が可能であり、かつ生産性に優れていることから、半導体装置を製造する際の成膜技術として広く用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法に用いられるＭＯＣＶＤ装置は、チャンバと、チャンバ内に配置されたサセプタと、基板表面に反応ガスを流すための管路とを備えている。ＭＯＣＶＤ装置においては、サセプタ上に基板を載置し、基板を適当な温度に加熱し、管路を通じて基板表面に有機金属のガスを導入することにより成膜が行なわれる。ここで、成膜される膜の厚さを均一にするために、ＭＯＣＶＤ装置には反応ガスを基板表面に沿って均一に流すことが要求される。ＭＯＣＶＤ装置においては、反応ガスを基板表面に沿って均一に流すために、様々な管路形状が提案されてきた。
【０００４】
従来のＭＯＣＶＤ装置として、たとえば特開平２−２９１１１３号公報（特許文献１）には、反応ガスを基板の上部まで導く導入管を有する気相成長装置が開示されている。導入管は、サセプタを内部に収納する試料載置室と、基板の側方から反応ガスを基板上に吹出し、断面形状が基板の幅方向に沿って長く基板の高さ方向には短く偏平している絞り部と、基板の上部に位置し、絞り部における高さ方向の幅に略等しい間隔または反応ガスの下流側に向かって狭くなる間隔で、基板を上部から一様に覆い反応ガスを基板表面に沿って案内する案内部とを有している。サセプタは試料載置室に固定されており、反応ガス流の下流側で基板を載置している。
【０００５】
また、たとえば特開平６−２１６０３０号公報（特許文献２）には、基板上に反応ガスを導入するためのフローチャネルを有する化合物半導体気相成長装置が開示されている。フローチャネルは上流側から下流側に行くにつれて高さ方向の幅が狭まるようなテーパを有している。このテーパの下部にはサセプタが固定されている。
【０００６】
さらに、特開平２−２９１１１４号公報（特許文献３）および特開平２−２９１１１３号公報（特許文献４）には、基板を裁置するための回転するサセプタと、基板に反応ガスを導入するためのライナー管とを備える気相成長装置が開示されている。ライナー管の高さは反応ガスの導入路全体にわたって単調減少している。
【特許文献１】特開平２−２９１１１３号公報
【特許文献２】特開平６−２１６０３０号公報
【特許文献３】特開平２−２９１１１４号公報
【特許文献４】特開平２−２９１１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＯＣＶＤ装置においては成膜効率を上げることが求められており、サセプタを大型化すれば一度に多数の基板を加熱することができ、また大径の基板を成膜することもできるので、成膜効率が向上する。しかしサセプタを大型化すると、サセプタの上流側と下流側との距離が大きくなり、それによってサセプタの上流側と下流側との各々における反応ガスの条件（たとえば反応ガスの濃度や温度など）が大きく異なってくる。その結果、成膜される膜の厚さが均一でなくなるという問題が生じる。このため、従来においては、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することはできなかった。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することのできるＭＯＣＶＤ装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることのできるＭＯＣＶＤ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のＭＯＣＶＤ装置は、反応ガスを用いて基板に成膜するための有機金属気相成長装置であって、加熱部材と、通路とを備えている。加熱部材は、基板を加熱し、かつ基板を載置するための載置面を有している。通路は、基板に反応ガスを導入するためのものである。通路の内部に載置面が面した状態で加熱部材は回転可能である。通路は第１通路と第２通路とを有しており、かつ第１通路と第２通路とは載置面の上流側端部よりも上流側において合流している。反応ガスの流れ方向に沿った通路の高さは、第１の位置から下流側に向かって第２の位置まで単調減少しており、かつ第２の位置から第３の位置まで一定であり、かつ第３の位置から下流側に向かって第４の位置まで単調減少している。第１の位置は載置面における基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にあり、かつ第３の位置は加熱部材上にあり、かつ第４の位置は基板の載置位置の下流側端部、または基板の下流側端部よりも下流側にある。
【００１１】
本発明のＭＯＣＶＤ装置によれば、第３の位置よりも下流側における膜の成長速度を増加させることができる。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と膜の成長速度との関係を線形に近づけることができる。その結果、加熱部材を回転させることにより基板に成膜される膜の厚さを均一にすることができる。また、加熱部材の上流側と下流側との各々における反応ガスの反応条件を均一にする必要がないので、加熱部材を大型化し、成膜効率を向上することができる。
【００１２】
また、載置面における基板の載置位置の上流側端部よりも上流側において通路の高さが単調減少しているので、第１通路を通過するガスと第２通路を通過するガスとの混合が基板の載置位置の上流側端部において促進される。その結果、載置面上流側での成長速度が増加し、結果的に反応ガスの流れ方向の成長速度の線形性が良好になるので、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることができる。
また通路の高さは第３の位置から下流側に向かって第４の位置まで単調減少しており、第４の位置は基板の載置位置の下流側端部、または基板の下流側端部よりも下流側にある。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と膜の成長速度との関係を線形にすることができる。
【００１３】
本発明のＭＯＣＶＤ装置において好ましくは、第２の位置は基板の載置位置の上流側端部よりも上流側にある。これにより、少なくとも基板の載置位置の上流側端部から第３の位置までの通路の高さが一定となるので、基板上における反応ガスの流れを層流に近づけることができる。
【００１４】
本発明のＭＯＣＶＤ装置において好ましくは、第２の位置は載置面の上流側端部よりも上流側にある。これにより、少なくとも加熱部材における載置面の上流側端部から第３の位置までの通路の高さが一定となるので、載置面に到達する前に反応ガスの流れを層流に近づけることができる。
【００１５】
本発明のＭＯＣＶＤ装置において好ましくは、第１の位置は第１通路と第２通路とが合流する位置よりも下流側にある。これにより、第１通路を通過したガスと第２通路を通過したガスとが合流した後で、第１通路を通過したガスと第２通路を通過したガスとの混合を促進することができる。
【００１７】
本発明のＭＯＣＶＤ装置において好ましくは、通路は、第１の位置と第２の位置との間に形成された第１傾斜部と、第３の位置から下流側に向かって形成された第２傾斜部とを有している。第１傾斜部および第２傾斜部は、反応ガスの流れ方向に対して傾斜している。これにより、通路の高さが一定の割合で減少するので、反応ガスの流れの乱れを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＭＯＣＶＤ装置によれば、成膜される膜の厚さを均一にしつつ成膜効率を向上することができる。また、成膜される膜の平坦性を向上しつつ、膜の厚さを均一にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図２は、図１のサセプタ付近の上面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１は、チャンバ３と、加熱部材としてのサセプタ５と、ヒータ９と、通路１１とを備えている。チャンバ３内にはサセプタ５とヒータ９と通路１１とが配置されている。通路１１は図１中横方向に延びており、通路１１の内部にはサセプタ５の載置面（図１では上面）が面している。
【００２０】
サセプタ５は円盤形状を有しており、同じく円盤形状を有するヒータ９上に配置されている。サセプタ５の下部には回転軸１３が取り付けられており、これにより、サセプタ５は通路１１の内部に載置面が面した状態で回転可能となっている。サセプタ５の載置面には平面的に見て円形状を有する複数の溝７が形成されている。これらの溝７の各々に基板２０の各々が載置され、これにより基板２０が加熱される。特に図２を参照して、サセプタ５の載置面には７つの溝７が形成されており、これらの溝７の各々に円形の基板２０が載置される。
【００２１】
通路１１は、サセプタ５の載置面に対して平行に延びており、反応ガスの流れ方向（図１中左側から右側へ向かう方向）に垂直な面で見ると矩形の断面形状を有している。また、通路１１は横型三層流方式であり、上流側（図１中左側）に３つの通路１１ａ〜１１ｃを有しており、通路１１ｂ（第１通路）と１１ｃ（第２通路）とは位置Ａ１において合流しており、通路１１ａと、通路１１ｂおよび１１ｃとは位置Ａ２において合流している。位置Ａ１およびＡ２は、反応ガスＧの流れ方向（図１中左側から右側へ向かう方向）で見て、サセプタ５の載置面の上流側端部である位置Ａ３よりも上流側に位置している。通路１１ａ〜１１ｃの各々はそれぞれ高さｔ１〜ｔ３を有している。また、位置Ａ２から位置Ｐ１（位置Ｐ１については後述する）までの通路１１の高さｔ４は、ｔ４≧ｔ１＋ｔ２＋ｔ３を満たしていることが好ましい。
【００２２】
ＭＯＣＶＤ装置１においては、サセプタ５の載置面に複数の基板２０が載置され、ヒータ９によってサセプタ５が加熱されて回転される。そして、通路１１ａ〜１１ｃの各々から反応ガスを構成するガスＧ１〜Ｇ３が導入される。反応ガスは図１中右方向に流れていく。たとえばＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層を成膜する場合、ガスＧ１としてＨ2（水素）ガスやＮ2（窒素）ガスなどのパージガスが用いられ、ガスＧ２としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などのＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスと、Ｈ2ガスやＮ2ガスなどのキャリアガスとの混合ガスが用いられ、ガスＧ３としてＮＨ3（アンモニア）ガスなどのＶ族元素を含むガスと、Ｈ2ガスやＮ2ガスなどのキャリアガスとの混合ガスが用いられる。これらのガスＧ１〜Ｇ３の各々が通路１１ａ〜１１ｃの各々へ導入されると、位置Ａ１においてガスＧ２とガスＧ３との混合が開始され、位置Ａ２においてガスＧ１の混合がさらに開始され、反応ガスＧが構成される。そしてこの反応ガスＧがサセプタ５上において載置面に平行に導入されて拡散され、サセプタ５によって加熱される。反応ガスＧに含まれる有機金属ガスは加熱によって分解し中間反応体となり、同様に加熱によって分解したアンモニアの中間反応体と反応して窒化物半導体となる。その結果、窒化物半導体層が基板２０の表面に成膜される。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ装置１において、通路１１の上部１５ａには傾斜部Ｓ１およびＳ２が形成されており、傾斜部Ｓ１およびＳ２は、反応ガスの流れ方向に対して傾斜している。通路１１の高さは反応ガスの流れ方向に沿って変化している。図３は、本発明の実施の形態１における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。
【００２４】
図１および図３を参照して、サセプタ５の載置面における基板２０の載置位置の上流側端部を位置Ａ４とし、サセプタ５の載置面における基板２０の載置位置の下流側端部を位置Ａ５とする。反応ガスＧの流れ方向に沿った通路１１の高さは、通路１１ｂと通路１１ｃとの合流に伴ない位置Ａ１において不連続的に増加し、通路１１ａと通路１１ｂおよび１１ｃとの合流に伴ない位置Ａ２において不連続的に増加している。そして、位置Ａ２から位置Ｐ１（第１の位置）まで一定の高さｔ４を有している。続いて、位置Ｐ１から下流側に向かって位置Ｐ２（第２の位置）まで単調減少（線形に減少）しており、この部分が傾斜部Ｓ１である。次に、位置Ｐ２から位置Ａ３およびＡ４を挟んで位置Ｐ３（第３の位置）まで一定の高さｔ５を有している。そして、位置Ｐ３から下流側に向かって位置Ｐ４まで単調減少（線形に減少）しており、この部分が傾斜部Ｓ２である。その後、位置Ｐ４よりも下流側の、位置Ａ５を含む領域では一定の高さｔ６を有している。
【００２５】
ＭＯＣＶＤ装置１において、位置Ｐ１は位置Ａ１に等しいか、または位置Ａ１よりも下流側にある。また、位置Ｐ１およびＰ２は位置Ａ３よりも上流側にある。位置Ｐ３はサセプタ５上（言い換えれば、位置Ａ３と、サセプタ５の載置面の下流側端部との間）にある。位置Ｐ４は位置Ａ５よりも上流側にある。
【００２６】
なお、本実施の形態における位置Ｐ１〜Ｐ４の各々の位置は例示であり、本発明のＭＯＣＶＤにおいては、少なくとも、位置Ｐ１が位置Ａ４よりも上流側にあればよく、かつ位置Ｐ３がサセプタ５上にあればよい。このため、位置Ｐ２が位置Ａ３よりも下流側であってかつ位置Ａ４よりも上流側にあってもよく、また位置Ｐ１およびＰ２の両方が位置Ａ３よりも下流側であってかつ位置Ａ４よりも上流側にあってもよい。
【００２７】
また、本実施の形態においては、通路１１の上部１５ａに傾斜部Ｓ１を形成することによって位置Ｐ１から位置Ｐ２まで通路１１の高さを単調減少させているが、本発明はこのような場合の他、たとえば図４に示すように、通路１１の上部１５ａに段差部１６を形成することによって、通路１１の高さを高さｔ４から高さｔ５へ不連続的に減少させてもよい。この場合、位置Ｐ１と位置Ｐ２とは同じ位置になる。また、通路１１の上部１５ａではなく下部１５ｂに傾斜部Ｓ１およびＳ２を形成してもよいし、通路１１の上部１５ａではなく下部１５ｂに段差部１６を設けてもよい。
【００２８】
次に、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置の効果について説明する。
図５は、比較例１および２におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図５を参照して、始めに本願発明者らは、一点鎖線で示すような通路Ｗ１を有するＭＯＣＶＤ装置（比較例１）を準備した。通路Ｗ１の上部には傾斜部Ｓ１０１が形成されており、反応ガスＧの流れ方向に沿った通路Ｗ１の高さは、位置Ｐ１０１から下流側に向かって位置Ｐ１０２まで単調減少（線形に減少）しており、その後、位置Ｐ１０２よりも下流側の領域では一定の高さｔ６を有している。なお、これ以外のＭＯＣＶＤ装置の構成は、図１に示すＭＯＣＶＤ装置の構成と同様である。
【００２９】
このＭＯＣＶＤ装置を用いて、サセプタ５を回転させずに半導体窒化物層であるＩｎＧａＮ層を基板の表面に成膜した。そして、反応ガスＧの流れ方向に沿った位置Ａ２からの距離とＩｎＧａＮ成長速度との関係を調べた。この結果を図６に示す。なお、図６の結果は、サセプタの幅方向における中心線（図２における線Ｃ）に沿った結果であり、図６中矢印で示された範囲は、サセプタ５の載置面における基板２０が載置される位置である。また比較のために、通路Ｗ１およびサセプタ５のサイズを２インチの基板１枚が載置できるように相似に縮小した装置において、２インチの基板２０を１枚載置した場合の結果も合わせて示されている。
【００３０】
図６を参照して、７枚の基板を載置したサセプタにおけるＩｎＧａＮの成長速度は、位置Ａ２から約４０ｍｍの位置（すなわち、サセプタの開始位置）で０から大きく増加し、上流側端部から約８５ｍｍの位置で最大値を示し、その後緩やかに減少している。また、１枚の基板を載置した場合におけるＩｎＧａＮの成長速度は、ほぼ単調増加している。
【００３１】
図６の結果において、サセプタの開始位置で０から大きく増加しているのは、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との反応が開始するためにはサセプタ上で反応ガスが加熱される必要があるためであると考えられる。また、最大値を示すのは、下流にかけて原料の拡散が進むとともに境界層が発達するので、濃度勾配が一端増加した後に緩やかになるためである。さらに図６の結果から、サセプタを回転しない場合には、サセプタの大型化に伴なって反応ガスの上流側と下流側とで反応条件が大きく異なっていることが分かる。
【００３２】
次に本願発明者らは、比較例１のＭＯＣＶＤ装置を用いて、サセプタを回転させながらＩｎＧａＮ層を基板の表面に成膜した。但し、サセプタに載置する基板の数は６枚とし、サセプタの中心から５３ｍｍ離れた位置に基板の中心が来るようにそれぞれの基板を載置した。そして、サセプタの中心からの距離とＩｎＧａＮの成長速度との関係を調べた。また比較のために、２インチの基板１枚を載置できるサイズの装置において、２インチの基板を１枚載置した場合の結果も合わせて示されている。その結果を図７に示す。また、基板内におけるＩｎＧａＮ成長速度分布幅を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0004466723.tif 000002
【００３４】
図７および表１を参照して、サセプタを回転させることによりＩｎＧａＮ成長速度分布が平均化され、改善されている。しかし、１枚の基板を載置した場合のＩｎＧａＮ成長速度分布幅は±１．８％であるのに対して、６枚の基板を載置した場合のＩｎＧａＮ成長速度分布幅は±４．３％である。このことから、サセプタを回転させた場合にも、サセプタの大型化に伴って成膜される膜の厚さが均一でなくなっていることが分かる。また、１枚の基板を配置した場合および６枚の基板を配置した場合のどちらの場合にも、ＩｎＧａＮ成長速度分布がサセプタの外径側で減少していることが分かる。
【００３５】
ここで、サセプタを回転させて基板に成膜する場合には、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係が線形（比例関係）になるようにすれば、基板内において均一な膜を成膜することができる。つまり、サセプタを回転させた場合には、サセプタの上流側と下流側との各々における成長速度を均一にする必要はない。
【００３６】
そこで本願発明者らは、図６におけるＩｎＧａＮ成長速度をサセプタの下流側で向上し、反応ガスの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係を線形に近づけるために、次に、図５に示す通路Ｗ２を有するＭＯＣＶＤ装置（比較例２）を準備した。通路Ｗ２には、図１に示すＭＯＣＶＤ装置１と同様の傾斜部Ｓ１０２が形成されている。すなわち、反応ガスＧの流れ方向に沿った通路Ｗ２の高さは、サセプタ５上の位置Ｐ３から下流側に向かって位置Ｐ４まで単調減少（線形に減少）しており、その後、位置Ｐ４よりも下流側の領域では一定の高さｔ６を有している。比較例２においては、図６におけるＩｎＧａＮの成長速度が最大値となった位置（１２５ｍｍの位置）を位置Ｐ３とした。次に、比較例１および２の各々のＭＯＣＶＤ装置を用いて、サセプタ５を回転させながらサセプタ５に載置された６枚の基板２０の各々の表面にＩｎＧａＮ層を成膜した。そして、基板２０内におけるＩｎＧａＮ成長速度分布幅を調べた。この結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
0004466723.tif 000003
【００３８】
表２を参照して、比較例１のＩｎＧａＮ成長速度分布は±４．３％であるのに対して、比較例２のＩｎＧａＮ成長速度分布は０．４％となっており、分布幅が小さくなっている。このことから、通路の高さをサセプタ上のある位置から下流側に向かって単調減少させることにより、サセプタを大型化して多数の基板を同時に成膜しても、成膜される膜の厚さを均一できることが分かる。
【００３９】
ここで、図５を参照して、ＭＯＣＶＤ装置においては、通路の高さの単調減少の終了位置である位置Ｐ４は、位置Ａ５と同一位置であるか、位置Ａ５よりも下流側にあることが好ましい。これにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と反応ガスの反応速度との関係を線形にすることができる。これについて以下に説明する。
【００４０】
本願発明者らは、位置Ｐ４が成長速度に及ぼす影響について調べた。具体的には、図５のＭＯＣＶＤ装置において、位置Ｐ４を位置Ａ４よりも上流側にしたもの（比較例２）と、位置Ｐ４を位置Ａ４と同一位置にしたもの（比較例３）とを準備した。また比較のため、比較例１のＭＯＣＶＤ装置を準備した。次に、比較例１〜３の各々のＭＯＣＶＤ装置を用いて、サセプタ５を回転せずに、サセプタ５に載置された６枚の基板２０の各々の表面にＩｎＧａＮ層を成膜した。そして、サセプタ５の中心からの距離とＩｎＧａＮの成長速度との関係を調べた。その結果を図８に示す。なお、図８の結果は、サセプタの幅方向における中心線（図２における線Ｃ）に沿った結果であり、図８矢印で示された範囲は、サセプタの載置面における基板が載置される位置である。
【００４１】
図８参照して、比較例２および３では、サセプタの上流側から下流側に移動するに従ってＩｎＧａＮ成長速度がほぼ直線状に増加している。しかし、比較例２では一Ｐ４において直線形状が崩れているのに対して、比較例３では、基板の載置位置の下流側端部（位置Ａ５）まで直線形状が保たれている。以上の結果より、位置Ｐ４が位置Ａ５と同一位置であるか、位置Ａ５よりも下流側にあることにより、反応ガスの流れ方向に沿った基板の載置位置と反応ガスの反応速度との関係を線形にできることが分かる。
【００４２】
続いて本願発明者らは、比較例２のＭＯＣＶＤ装置において、ガスＧ３に含まれるＮＨ3ガスの流量を変化させてＩｎＧａＮ層を基板の表面に成膜した。具体的には、４７５℃に加熱したサファイア基板上にＧａＮ層を３０ｎｍの厚みで成長させた後、基板を１１５０℃に昇温し、ＧａＮ層をさらに１．５μｍの厚みで成長させた。その後、基板を７８５℃に降温し、圧力：１００ｋＰａ、ＮＨ3流量：２０ｓｌｍまたは３０ｓｌｍ、Ｎ2流量：４９．５ｓｌｍ、ＴＭＧ流量：３５μｍｏｌ／ｍｉｎ〜５６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ流量：２８μｍｏｌ／ｍｉｎ〜４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｖ族ガス／ＩＩＩ族ガス比：約１３，０００という条件で、ＩｎＧａＮ層を５０ｎｍの厚みで成長させた。ＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の成膜の際には、基板のＯＦ（オリエンテーションフラット）をサセプタの外周側に向け載置した。ＩｎＧａＮ層を形成した後、ＩｎＧａＮ層の表面モフォロジーを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価した。また、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成分布およびＩｎＧａＮ層膜厚分布をＸ線回折法で測定した。
【００４３】
図９（ａ）は、比較例２においてＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層表面の顕微鏡写真であり、図９（ｂ）は、比較例２においてＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層表面の顕微鏡写真である。また、図１０（ａ）は、比較例２においてＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎ組成分布および膜厚分布を示す図であり、図１０（ｂ）は、比較例２においてＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合のＩｎ組成分布および膜厚分布を示す図である。なお、図９において明るい領域は表面の高さが高い（凸部）領域を示しており、暗い領域は表面の高さが低い（凹部）領域を示している。また、図１０の結果は、１枚の基板内での分布を示している。
【００４４】
図９を参照して、ＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層表面には、凸状の欠陥が多数存在している。一方、ＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合には、ＩｎＧａＮ層表面に原子ステップが明瞭に見られ、欠陥がほとんど存在していない。これらの結果から、ＮＨ3流量を増加すると、ＩｎＧａＮ層の表面状態が良好になることが分かる。
【００４５】
この理由としては、以下のことが考えられる。ＮＨ3は比較的安定であるので、加熱されても中間反応体（ＮＨ2イオンやＮＨイオン）となる割合は少ない。このため、ＮＨ3流量を増加すると中間反応体の量が増加し、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスの中間反応体と、ＮＨ3の中間反応体との反応量が増加する。その結果、ＩｎＧａＮ層の表面状態が良好になる。
【００４６】
一方、図１０を参照して、ＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層は、基板内の膜厚およびＩｎ組成が比較的均一になっているのに対して、ＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層は、基板内の膜厚分布およびＩｎ組成分布が悪化している。これは、ＮＨ3流量を増加すると、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスがＮＨ3ガス中に十分に拡散しないためであると考えられる。
【００４７】
次に本願発明者らは、図１に示すＭＯＣＶＤ装置において、高さｔ４：１２ｍｍ、高さｔ５：１０ｍｍ、高さｔ６：８ｍｍとしたものを準備し、これを本発明例１とした。また図１に示すＭＯＣＶＤ装置において、高さｔ４：１２ｍｍ、高さｔ５：９ｍｍ、高さｔ６：７ｍｍとしたものを準備し、これを本発明例２とした。さらに図５に示す通路Ｗ２を有するＭＯＣＶＤ装置において、高さｔ４：１２ｍｍ、高さｔ６：８ｍｍとしたものを準備し、これを比較例４とした。そして、本発明例１、本発明例２、および比較例４の各々のＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＮＨ3流量を３０ｓｌｍとし、サセプタ５を回転させずにＩｎＧａＮ層を基板の表面に成膜した。そして、サセプタ５の中心からの距離とＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成との関係を調べた。この結果を図１１に示す。図１１（ａ）はサセプタ内におけるＩｎＧａＮ成長速度分布を示す図であり、図１１（ｂ）はサセプタ内におけるＩｎ組成分布を示す図である。なお、図１１のグラフの横軸は、サセプタの幅方向における中心線（図２における線Ｃ）に沿って、サセプタの中心からの距離で示している。プラスの数字が下流側を示しており、マイナスの数字が上流側を示している。
【００４８】
図１１を参照して、比較例４では、反応ガスの流れ方向の上流側にある−１００ｍｍ〜０ｍｍの領域において、ＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成の傾きが小さくなっている。このような成長速度分布およびＩｎ組成分布では、サセプタを回転させた場合に均一な成長速度分布およびＩｎ組成分布を得ることができない。これに対して、本発明例１および２では、比較例４に比べて、反応ガスの流れ方向の上流側の領域において、ＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成の傾きが大きくなっている。その結果、ＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成が線形に近づいている。これは、本発明例１および２では、通路の高さが基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少しているので、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスがＮＨ3ガス中に拡散しやすくなるためであると考えられる。
【００４９】
次に、本発明例１、本発明例２、および比較例４の各々のＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＮＨ3流量を３０ｓｌｍとし、サセプタ５を回転させながらサセプタ５に載置された６枚の基板２０の各々の表面にＩｎＧａＮ層を成膜した。そして、基板２０内におけるＩｎＧａＮ層の膜厚分布幅およびＩｎ組成分布幅を調べた。この結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
0004466723.tif 000004
【００５１】
表３を参照して、比較例４のＩｎＧａＮ層の膜厚分布幅は±９．０％であるのに対して、本発明例１のＩｎＧａＮ層の膜厚分布幅は±０．１％となっており、本発明例２のＩｎＧａＮ層の膜厚分布幅は±０．６％となっている。このことから、通路の高さを基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少させることにより、成膜される膜の厚さを均一できることが分かる。また、比較例４のＩｎ組成分布幅は±３．４％であるのに対して、本発明例１のＩｎ組成分布幅は±５．５％となっており、本発明例２のＩｎ組成分布幅は±４．０％となっている。このことから、通路の高さを基板の載置位置の上流側端部よりも上流側の位置から下流側に向かって単調減少させても、Ｉｎ組成分布への影響は小さいことが分かる。
【００５２】
以上の結果により、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１によれば、位置Ａ４よりも上流側において通路１１の高さが単調減少しているので、通路１１ｂを通過するガスＧ２と通路１１ｃを通過するガスＧ３との混合が位置Ａ４において促進される。その結果、位置Ｐ３よりも上流側における成長速度を増加させることができる。これにより、反応ガスＧの流れ方向に沿った載置面の位置と成長速度との関係を線形に近づけることができる。その結果、サセプタ５を回転させることにより基板２０に成膜されるＩｎＧａＮ膜の厚さを均一にすることができる。また、サセプタ５の上流側と下流側との各々における反応ガスの反応条件を均一にする必要がないので、加熱部材を大型化し、成膜効率を向上することができる。
【００５３】
また、位置Ｐ２が位置Ａ４よりも上流側にあるので、位置Ａ４から位置Ｐ３までの通路１１の高さが一定となり、基板２０上における反応ガスＧの流れを層流に近づけることができる。
【００５４】
また、位置Ｐ２が位置Ａ３よりも上流側にあるので、少なくとも位置Ａ３から位置Ｐ３までの通路１１の高さが一定となり、載置面に到達する前に反応ガスＧの流れを層流に近づけることができる。
【００５５】
さらに、位置Ｐ１は位置Ａ１よりも下流側にあるので、ガスＧ２とガスＧ３とが合流した後で、ガスＧ２とガスＧ３との混合を促進することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図１３は、本発明の実施の形態２における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。図１２および図１３を参照して、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１ａは、通路１１の形状が図１に示すＭＯＣＶＤ装置とは異なっている。具体的には、傾斜部Ｓ１が、位置Ａ１よりも上流側の位置Ｐ０と、位置Ｐ２との間に形成されている。このため、反応ガスＧの流れ方向に沿った通路１１の高さは、位置Ａ２から下流側に向かって位置Ｐ２まで単調減少（線形に減少）している。この場合、位置Ｐ１および位置Ａ２は同一位置となる。また、位置Ｐ２が位置Ａ４よりも下流側にあり、位置Ｐ４が位置Ａ５よりも下流側にある。位置Ｐ２は位置Ａ４と同一位置にあってもよい。
【００５７】
なお、これ以外の構成は、図１に示す実施の形態１のＭＯＣＶＤ装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００５８】
本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置によれば、実施の形態１におけるＭＯＣＶＤ装置と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
加えて、位置Ｐ４が位置Ａ５と同一位置または位置Ａ５よりも下流側にあるので、反応ガスＧの流れ方向に沿った基板２０の載置位置と反応ガスＧの反応速度との関係を線形にすることができる。
【００６０】
なお、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置の構成と、図１に示すＭＯＣＶＤ装置の構成とを適宜組み合わせてもよい。
【００６１】
また、実施の形態１および２では、ＩｎＧａＮ層を成膜する場合について示したが、本発明のＭＯＣＶＤ装置はＩｎＧａＮ層以外の層の成膜にも使用可能である。通路の数は３つに限定されるものでなく、２つ以上の任意の数であり得る。
【００６２】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、窒化物半導体層を成膜するための有機金属気相成長装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１のサセプタ付近の上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係の変形例を示す図である。
【図５】比較例１および２におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
【図６】比較例１のＭＯＣＶＤ装置を用いてサセプタを回転させずにＩｎＧａＮ層を成膜した場合における、反応ガスの流れ方向に沿った位置Ａ２からの距離とＩｎＧａＮ成長速度との関係を示す図である。
【図７】比較例１のＭＯＣＶＤ装置を用いてサセプタを回転させながらＩｎＧａＮ層を成膜した場合における、サセプタの中心からの距離とＩｎＧａＮの成長速度との関係を示す図である。
【図８】比較例１〜３の各々のＭＯＣＶＤ装置を用いてＩｎＧａＮ層を成膜した場合における、サセプタの中心からの距離とＩｎＧａＮの成長速度との関係を示す図である。
【図９】（ａ）は、比較例２においてＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層表面の顕微鏡写真である。（ｂ）は、比較例２においてＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合のＩｎＧａＮ層表面の顕微鏡写真である。
【図１０】（ａ）は、比較例２においてＮＨ3流量を２０ｓｌｍとした場合のＩｎ組成分布および膜厚分布を示す図である。（ｂ）は、比較例２においてＮＨ3流量を３０ｓｌｍとした場合のＩｎ組成分布および膜厚分布を示す図である。
【図１１】（ａ）はサセプタ内におけるＩｎＧａＮ成長速度分布を示す図である。（ｂ）はサセプタ内におけるＩｎ組成分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２におけるＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における反応ガスの流れ方向に沿った位置と通路の高さとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１ａ  ＭＯＣＶＤ装置、３  チャンバ、５  サセプタ、７  溝、９  ヒータ、１１，１１ａ〜１１ｃ  通路、１３  回転軸、１５ａ  通路上部、１５ｂ  通路下部、１６  段差部、２０  基板、Ａ１〜Ａ５，Ｐ０〜Ｐ４，Ｐ１０１，Ｐ１０２  位置、Ｇ  反応ガス、Ｇ１〜Ｇ３  ガス、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１０１，Ｓ１０２  傾斜部、Ｗ１，Ｗ２  通路。
【図１】
0004466723.tif 000005
【図２】
0004466723.tif 000006
【図３】
0004466723.tif 000007
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図９】
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