(57)【要約】      （修正有）【課題】サセプタ上の基板に均一な成膜を行うハイドライド気相成長装置を提供する。【解決手段】反応管１１０の内部にて基板２００の表面に反応ガス３００を供給して成膜を行うハイドライド気相成長装置１００であって、反応管１１０の内部に反応管１１０の延在方向に対して傾斜するよう配置され一面にて基板２００を保持する円盤状のサセプタ１２０と、反応管１１０におけるサセプタ１２０の上流側に反応ガス３００を導入するガス導入部と、サセプタ１２０の他面側に接続されサセプタ１２０を中心軸廻りに回転させる回転駆動機構１４０と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管の内部にて、基板の表面に反応ガスを供給して成膜を行うハイドライド気相成長装置であって、
前記反応管の内部に該反応管の延在方向に対して傾斜するよう配置され、一面にて前記基板を保持する円盤状のサセプタと、
前記反応管における前記サセプタの上流側に前記反応ガスを導入するガス導入部と、
前記サセプタの他面側に接続され、前記サセプタを中心軸廻りに回転させる回転駆動機構と、を備えたことを特徴とするハイドライド気相成長装置。
【請求項２】
前記反応管における前記基板の保持位置の外側に、前記基板を加熱する高周波加熱源を配したことを特徴とする請求項１に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項３】
前記反応ガスは、III族元素のハロゲン化物からなる第１反応ガスと、水素化窒素ガスからなる第２反応ガスと、を含み、
前記ガス導入部は、前記第１反応ガスを導入する第１ガス導入部と、前記第２反応ガスを導入する第２ガス導入部と、を有し、
前記基板にはIII族窒化物半導体膜が成長することを特徴とする請求項１または２に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項４】
前記第１ガス導入部は、前記サセプタの一面の上流側端部に向けて前記III族元素のハロゲン化物のガスを流出させることを特徴とする請求項３に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項５】
前記回転駆動機構は、
前記サセプタの他面側に設けられた第１かさ歯車と、
前記第１かさ歯車と歯合する第２かさ歯車と、
前記第２かさ歯車が設けられ、前記反応管の内部にて該反応管の延在方向へ延びる回転軸部材と、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項６】
請求項３から５のいずれか一項に記載のハイドライド気相成長装置のサセプタに基板を保持させた後、前記基板上にIII族窒化物半導体膜を成長させ、前記III族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物基板を得る工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記III族窒化物半導体膜を成長させた後、前記基板を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法により得られるIII族窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応管の内部にて基板の表面に反応ガスを供給して成膜を行うハイドライド気相成長装置と、この装置を用いたIII族窒化物半導体基板の製造方法と、この装置を用いて製造されたIII族窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等を製造する際に、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ(hydride vapor phase epitaxy)）が用いられる。ハイドライド気相成長法は、金属と塩酸を反応させることによって得られるハロゲン化物を気相原料とし、V族原料と反応することによって目的の生成物を得るものである。
【０００３】
この種のハイドライド気相成長装置においては、反応ガスが流通する反応管の内部に、基板を配して基板上にてエピタキシャル成長させる（例えば、特許文献１参照）。ここで、基板を円盤状のサセプタに保持させて、サセプタを回転させつつ基板の表面に反応ガスを供給するものも知られている。このような気相成長装置としては、サセプタを反応ガスの流れと平行に配置するものや、サセプタを反応ガスの流れに対し垂直に配置するものが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３０５１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、サセプタを反応ガスの流れと平行に配置した前記ハイドライド気相成長装置では、サセプタの周縁部が初めに反応ガスと接触することから、基板におけるサセプタ周縁部において薄膜が成長してしまい、薄膜がドーナツ状に形成されやすいという欠点がある。この現象は、比較的反応が早いアルミニウム等を気相原料とした際に顕著である。
また、サセプタを反応ガスの流れに対し垂直に配置した前記ハイドライド気相成長装置では、サセプタ自体によりサセプタ表面の反応ガスの流れが乱れることから、これまた基板の表面に均一に薄膜を成長させることが困難である。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サセプタ上の基板にて均一な成膜を行うことのできるハイドライド気相成長装置を提供することにある。また、他の目的とするところは、このハイドライド気相成長装置を用いたIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。さらに、他の目的とするところは、このハイドライド気相成長装置を用いて製造されるIII族窒化物半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明では、
反応管の内部にて、基板の表面に反応ガスを供給して薄膜を成長させるハイドライド気相成長装置であって、
前記反応管の内部に該反応管の延在方向に対して傾斜するよう配置され、一面にて前記基板を保持する円盤状のサセプタと、
前記反応管における前記サセプタの上流側に前記反応ガスを導入するガス導入部と、
前記サセプタの他面側に接続され、前記サセプタを中心軸廻りに回転させる回転駆動機構と、を備えたハイドライド気相成長装置が提供される。
【０００７】
本発明のハイドライド気相成長装置によれば、基板にてエピタキシャル成長させる際に、ガス導入部より反応管内に反応ガスを導入し、反応ガスをサセプタ上の基板の表面に供給する。このとき、反応ガスの流通方向は、ほぼ反応管の延在方向となる。ここで、サセプタが反応管の延在方向に対して傾斜し、反応管の延在方向について所定の投影面積を有していることから、サセプタの一面全てに満遍なく未反応の反応ガスが供給される。そして、回転駆動機構によりサセプタを回転させることと相俟って、サセプタ上の基板全体において均一なエピタキシャル成長を実現することができる。
【０００８】
また、上記ハイドライド気相成長装置において、
前記反応管における前記基板の保持位置の外側に、前記基板を加熱する高周波加熱源を配した構成とすることができる。
【０００９】
このハイドライド気相成長装置によれば、高周波加熱を行うことにより、反応管、雰囲気等からの伝熱により加熱することなく、サセプタ上の基板を選択的に加熱することができる。これにより、反応管等の耐熱温度を引き上げたり、雰囲気温度の上昇を招くことなく、基板上における良好な成長が実現される。
【００１０】
また、上記ハイドライド気相成長装置において、
前記反応ガスは、III族元素のハロゲン化物からなる第１反応ガスと、水素化窒素ガスからなる第２反応ガスと、を含み、
前記ガス導入部は、前記第１反応ガスを導入する第１ガス導入部と、前記第２反応ガスを導入する第２ガス導入部と、を有し、
前記基板にはIII族窒化物半導体膜が成長する構成とすることができる。
【００１１】
このハイドライド気相成長装置によれば、III族元素のハロゲン化物のガスと水素化窒素ガスが別個に反応管内に導入され、エピタキシャル成長により基板にIII族窒化物半導体膜が形成される。
【００１２】
また、上記ハイドライド気相成長装置において、
前記第１ガス導入部は、前記サセプタの一面の上流側端部に向けて前記III族元素のハロゲン化物のガスを流出させる構成とすることができる。
【００１３】
このハイドライド気相成長装置によれば、III族元素のハロゲン化物のガスがサセプタの一面の上流側端部に向かって流出してくるので、III族元素のハロゲン化物のガスはサセプタの傾斜に沿って下流側へ流通する。これにより、反応管内の流れを乱すことなく、III族元素のハロゲン化物のガスを的確にサセプタの一面全体に供給することができる。
【００１４】
また、上記ハイドライド気相成長装置において、
前記回転駆動機構は、
前記サセプタの他面側に設けられた第１かさ歯車と、
前記第１かさ歯車と歯合する第２かさ歯車と、
前記第２かさ歯車が設けられ、前記反応管の内部にて該反応管の延在方向へ延びる回転軸部材と、を有する構成とすることができる。
【００１５】
このハイドライド気相成長装置によれば、所定の駆動源からの動力が供給されて回転軸部材が回転すると、第２かさ歯車から第１かさ歯車へ動力が伝達されてサセプタが回転する。ここで、サセプタには軸部材を介することなく第１かさ歯車が設けられているので、回転時にサセプタの軸心ずれを最小限に抑えることができ、さらに均一なエピタキシャル成長が可能となる。また、回転軸部材は反応管の延在方向へ延びるため、例えば回転軸部材が反応管に対して傾斜しているもののように、反応管を回転軸部材に合わせて屈曲させる必要がなく、実用に際して極めて有利である。
【００１６】
以上、本発明の構成について説明したが、本発明は、これに限られず様々な態様を含む。たとえば、本発明によれば、
上記ハイドライド気相成長装置のサセプタに基板を保持させた後、前記基板上にIII族窒化物半導体膜を成長させ、前記III族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物基板を得る工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【００１７】
また、上記III族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物半導体膜を成長させた後、前記基板を除去する工程をさらに含む構成とすることができる。
【００１８】
また、本発明によれば、
上記III族窒化物半導体基板の製造方法により得られるIII族窒化物半導体基板が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明によれば、サセプタ上の基板について均一な成膜を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の一実施形態を示すハイドライド気相成長装置の概略構成説明図である。
【００２１】
図１に示すように、このハイドライド気相成長装置１００は、略円筒状に形成された反応管１１０を備え、この反応管１１０の内部にて基板２００の表面に反応ガス３００を供給して成膜を行うものである。本実施形態においては、基板２００としてサファイアが用いられている。ハイドライド気相成長装置１００は、反応管１１０の内部に配され一面にて基板２００を保持する円盤状のサセプタ１２０と、反応管１１０におけるサセプタ１２０の上流側に反応ガス３００を導入するガス導入部と、サセプタ１２０の他面側に接続されサセプタ１２０を中心軸廻りに回転させる回転駆動機構１４０と、を備えている。
【００２２】
反応管１１０は、例えば石英からなり、略水平方向へ延在する。図１の矢印に示すように、反応管１１０の内部では、ガス導入部により導入された気体が延在方向へ流通している。反応管１１０の外側には、ガス導入部のソースボート１３２を加熱する抵抗加熱源１５０と、サセプタ１２０を加熱する高周波加熱源１６０と、が配される。本実施形態においては、各加熱源１５０，１６０は、反応管１１０を包囲するよう形成される。
【００２３】
図１に示すように、サセプタ１２０は、反応管１１０の延在方向に対して一面が傾斜するよう配置される。すなわち、サセプタ１２０は、反応管１１０の延在方向について所定の投影面積を有している。具体的には、サセプタ１２０は、基板２００を保持する面（一面）を上流側へ傾斜した斜め上方へ向けて配される。
【００２４】
また、サセプタ１２０は、例えば、カーボンからなり、反応管１１０の内周面に固定されるブラケット１１２により回転自在に固定される。サセプタ１２０の一面の周縁部１２２は、基板２００の保持部１２４より厚さ方向へ高く形成され、周縁部１２２の内側がテーパ状に形成される。これにより、基板２００が的確に保持位置へ案内される。本実施形態においては、サセプタ１２０には一の基板２００が保持される。
【００２５】
また、サセプタ１２０の他面側には回転駆動機構１４０の駆動力が伝達される第１かさ歯車１４２が設けられる。サセプタ１２０の他面側には、板状のサセプタ本体１２０ａから突出する円柱部１２０ｂが形成される。第１かさ歯車１４２は、この円柱部１２０ｂと軸方向へ連続的に形成される。
【００２６】
図１に示すように、この第１かさ歯車１４２は、反応管１１０の内部に配された回転軸部材１４４の先端に設けられた第２かさ歯車１４６と歯合する。回転軸部材１４４には駆動部（図示せず）が接続されており、駆動部が回転駆動すると回転軸部材１４４が回転する。回転軸部材１４４は、サセプタ１２０の下流側にて反応管１１０の延在方向へ延びる。回転駆動機構１４０は、第１かさ歯車１４２と、第２かさ歯車１４６と、回転軸部材１４４と、を有している。
【００２７】
反応ガス３００は、第１ガスとしてのIII族元素のハロゲン化物のガス３０２と、第２ガスとしての水素化窒素ガス３０４を含む。そして、ガス導入部は、III族元素のハロゲン化物のガス３０２を導入する第１ガス導入部１３４と、水素化窒素ガス３０４を導入する第２ガス導入部（図示せず）と、を有している。これにより、基板２００には、III族窒化物が成長する。
【００２８】
本実施形態においては、III族元素としてアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）が用いられ、III族元素のハロゲン化物のガス３０２として三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）及び塩化ガリウム（ＧａＣｌ）が基板２００の成長領域に供給される。図１に示すように、第１ガス導入部１３４は、反応管１１０の内部に導入管１３６を有し、導入管１３６の下流側端部からIII族元素のハロゲン化物のガス３０２が反応管１１０の内部に導入される。ここで、導入管１３６は反応管１１０のほぼ中央に配置されており、第１ガス導入部１３４はサセプタ１２０の一面の上流側端部に向けてIII族元素のハロゲン化物のガス３０２を流出させている。
【００２９】
導入管１３６の内部には、ガリウム原料及びアルミニウム原料のソースボート１３２が配置され、各原料上に窒素（Ｎ２）ガスとともに塩素（ＨＣｌ）ガスを供給することにより、三塩化アルミニウム及び塩化ガリウムが生成される。このときの反応式は、
Ａｌ＋３ＨＣｌ  ←→  ＡｌＣｌ３＋（３/２）Ｈ２
のように表される。ソースボート１３２は、反応管１１０の周囲に配された抵抗加熱源１５０により加熱され、上記反応が助長されるようになっている。
【００３０】
また、第２ガス導入部は、反応管１１０の上流部から水素化窒素ガス３０４を導入する。本実施形態においては、水素化窒素ガス３０４としてアンモニア（ＮＨ３）が用いられる。すなわち、導入管１３６を除き、反応管１１０におけるサセプタ１２０の上流側の内部はアンモニアで満たされている。
【００３１】
抵抗加熱源１５０は反応管１１０の外側にソースボート１３２を包囲するよう配され、高周波加熱源１６０は反応管１１０の外側にサセプタ１２０を包囲するよう配される。抵抗加熱源１５０が反応管１１０、導入管１３６等とともにソースボート１３２を加熱するのに対し、高周波加熱源１６０は反応管１１０を加熱せずにサセプタ１２０及び基板２００を選択的に加熱する。高周波加熱源１６０の加熱により、基板２００における反応が助長される。図１に示すように、抵抗加熱源１５０及び高周波加熱源１６０は、上流側と下流側に並んで配置される。
【００３２】
以上のように構成されたハイドライド気相成長装置１００を用いたIII族窒化物半導体基板の製造方法を説明する。
まず、ハイドライド気相成長装置１００のサセプタ１２０に基板２００を保持させた後、基板２００上にIII族窒化物半導体膜としてＡｌＧａＮ層を成長させて、ＡｌＧａＮ層を含むＡｌＧａＮ基板を得る。このとき、サファイアからなる異種の基板２００を下地基板として用いており、その表面にＨＶＰＥ法によりＡｌＧａＮ層が成長された状態となる。そして、薬液によるエッチングまたは研磨によりサファイア基板を除去してＡｌＧａＮ基板を得る。
【００３３】
ここで、基板２００にてエピタキシャル成長させる際に、ガス導入部１３４より反応管１１０内に反応ガス３００を導入し、反応ガス３００をサセプタ１２０上の基板２００の表面に供給する。このとき、反応ガス３００の流通方向は、ほぼ反応管１１０の延在方向となる。ここで、サセプタ１２０が反応管１１０の延在方向に対して傾斜し、サセプタ１２０が反応管１１０の延在方向について所定の投影面積を有していることから、サセプタ１２０の一面全てに満遍なく未反応の反応ガス３００が供給される。そして、回転駆動機構１４０によりサセプタ１２０を回転させることと相俟って、サセプタ１２０上の基板２００全体において均一なエピタキシャル成長を実現することができる。
【００３４】
また、所定の駆動源からの動力が供給されて回転軸部材１４４が回転すると、第２かさ歯車１４６から第１かさ歯車１４２へ動力が伝達されてサセプタ１２０が回転する。ここで、サセプタ１２０には軸部材を介することなく第１かさ歯車１４２が設けられているので、回転時にサセプタ１２０の軸心ずれを最小限に抑えることができ、さらに均一なエピタキシャル成長が可能となる。また、回転軸部材１４４は反応管１１０の延在方向へ延びるため、例えば回転軸部材が反応管に対して傾斜しているもののように、反応管１１０を回転軸部材１４４に合わせて屈曲させる必要がなく、実用に際して極めて有利である。
【００３５】
さらに、サセプタ１２０及び基板２００の高周波加熱を行うことにより、反応管１１０、雰囲気等からの伝熱により加熱することなく、サセプタ１２０上の基板２００を選択的に加熱することができる。これにより、反応管１１０等の耐熱温度を引き上げたり、雰囲気温度の上昇を招くことなく、基板２００上における良好な成長が実現される。
また、サセプタ１２０上の基板２００を均等に加熱することができるので、
これによっても基板２００全体における均一なエピタキシャル成長が実現される。
【００３６】
また、本実施形態のハイドライド気相成長装置１００によれば、III族元素のハロゲン化物のガス３０２がサセプタ１２０の一面の上流側端部に向かって流出してくるので、III族元素のハロゲン化物のガス３０２はサセプタ１２０の傾斜に沿って下流側へ流通する。これにより、反応管１１０内の流れを乱すことなく、III族元素のハロゲン化物のガス３０２を的確にサセプタ１２０の一面全体に供給することができる。
【００３７】
尚、前記実施形態においては、反応管１１０が水平方向へ延びるよう形成され反応ガス３００が水平方向へ流通するものを示したが、反応管１１０が鉛直方向へ延びるよう形成され反応ガス３００が鉛直方向へ流通するものであっても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、前記実施形態においては、サセプタ１２０に一の基板２００が保持されるものを示したが、複数の基板２００が保持されるものであってもよい。
【００３８】
また、前記実施形態においては、回転駆動機構１４０がかさ歯車１４２，１４６を有し回転軸部材１４４が反応管１１０の延在方向へ延びるものを示したが、例えば図２に示すように、回転駆動機構４４０の回転軸部材４４４が歯車等を介することなく直接的にサセプタ４２０に接続される構成としてもよい。図２においては、高周波加熱源１６０の加熱に耐えうるように、回転軸部材４４４のサセプタ４２０側はカーボン、ＳｉＣ等の耐熱材料で形成した耐熱区間４４４ａとなっている。また、サセプタ４２０と反対側は耐熱合金、石英等の材料で形成された一般区間４４４ｂとなっている。
【００３９】
また、前記実施形態においては、反応管１１０の外側に抵抗加熱源１５０と高周波加熱源１６０を並設したものを示したが、例えば図３に示すように、一の抵抗加熱源５５０によりソースボート１３２及びサセプタ５２０の両方を加熱するようにしてもよい。図３においては、回転駆動機構５４０は耐熱合金からなる回転軸部材５４４がサセプタ５２０に直接接続されており、サセプタ５２０に近接して抵抗加熱源５６０が回転駆動機構５４０に内蔵されている。
【００４０】
また、前記実施形態においては、ＡｌＧａＮ基板を得る例を示したが、本発明は、ＡｌＮ基板やＧａＮ基板などの製造方法にも適用できることは勿論である。さらに、反応管１１０やサセプタ１２０の材質なども製造する半導体基板や装置仕様等に応じて任意に選択することができるし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態を示すハイドライド気相成長装置の概略構成説明図である。
【図２】変形例を示すハイドライド気相成長装置の概略構成説明図である。
【図３】変形例を示すハイドライド気相成長装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００    ハイドライド気相成長装置
１１０    反応管
１１２    ブラケット
１２０    サセプタ
１２０ａ    サセプタ本体
１２０ｂ    円柱部
１２２    周縁部
１２４    保持部
１３２    ソースボート
１３４    第１ガス導入部
１３６    導入管
１４０    回転駆動機構
１４２    第１かさ歯車
１４４    回転軸部材
１４６    第２かさ歯車
１５０    抵抗加熱源
１６０    高周波加熱源
２００    基板
３００    反応ガス
３０２    III族元素のハロゲン化物のガス
３０４    水素化窒素ガス
４２０    サセプタ
４４０    回転駆動機構
４４４    回転軸部材
４４４ａ    耐熱区間
４４４ｂ    一般区間
５２０    サセプタ
５４０    回転駆動機構
５４４    回転軸部材
５５０    抵抗加熱源
５６０    抵抗加熱源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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