(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、半導体層の組成の均一性を向上させ製造歩留りを改善できる半導体成長装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体成長装置は、基板の上に半導体層を成長する半導体成長装置であって、前記基板の載置部を第１主面に有するサセプタと、前記サセプタの第２主面側を加熱するヒータと、前記第１主面に沿って流れる前記半導体層の原料ガスを供給する原料供給部と、前記載置部における前記原料ガスの上流側に隣接した前記サセプタの表面を覆う補助サセプタと、を備える。【選択図】図１
2012080025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に半導体層を成長する半導体成長装置であって、
第１主面に前記基板の載置部を有するサセプタと、
前記サセプタの第２主面側を加熱するヒータと、
前記第１主面に沿って流れる前記半導体層の原料ガスを供給する原料供給部と、
前記載置部における前記原料ガスの上流側に隣接した前記サセプタの表面を覆う補助サセプタと、
を備えたことを特徴とする半導体成長装置。
【請求項２】
前記補助サセプタを収容するザグリ部が、前記サセプタの前記表面に設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体成長装置。
【請求項３】
前記ザグリ部に収容された前記補助サセプタと、前記ザグリ部の底面と、の間に空隙を有することを特徴とする請求項２記載の半導体成長装置。
【請求項４】
前記ザグリ部に収容された前記補助サセプタの表面と、前記ザグリ部周辺の前記サセプタの表面と、の間の段差は、前記原料ガスの流れを乱す高さよりも低いことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体成長装置。
【請求項５】
前記原料ガスは、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体結晶のエピタキシャル成長は、半導体素子の製造過程における重要な要素技術であり、様々な技術開発が行われている。中でも、基板上に異なる組成の半導体層を積層するヘテロエピタキシーは、光半導体素子や高速電子デバイスの製作に欠かすことができない技術である。
【０００３】
例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−（ｘ＋ｙ）Ｐ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物半導体結晶をＧａＡｓウェーハの上に成長することができる。そして、組成ｘおよびｙが異なる複数のＡｌＩｎＧａＰ層を含むヘテロ構造を用いることにより、赤色ないし黄色、さらに緑色の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を製作することができる。一方、これらのＬＥＤの製造には、発光波長の制御およびコスト削減が重要であり、ＡｌＩｎＧａＰ結晶の組成の制御性、および、その組成のウェーハ面内における均一性の向上が望まれる。
【０００４】
しかしながら、従来の半導体成長装置における半導体層の組成および均一性の制御は、必ずしも十分ではなく改善の余地を残している。そこで、半導体層の組成とその均一性を向上させ、製造歩留りを改善できる半導体成長装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−７４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、半導体層の組成の制御性および均一性を向上させ製造歩留りを改善できる半導体成長装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る半導体成長装置は、基板の上に半導体層を成長する半導体成長装置であって、前記基板の載置部を第１主面に有するサセプタと、前記サセプタの第２主面側を加熱するヒータと、前記第１主面に沿って流れる前記半導体層の原料ガスを供給する原料供給部と、前記載置部における前記原料ガスの上流側に隣接した前記サセプタの表面を覆う補助サセプタと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る半導体成長装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る半導体成長装置のサセプタを模式的に示す平面図である。
【図３】一実施形態に係るサセプタの構造を模式的に示す断面図である。
【図４】半導体成長装置おける原料ガスの流れと、半導体層を構成する元素の取り込みと、の関係を説明する模式図である。
【図５】比較例に係るサセプタを用いて成長した半導体層のＰＬ波長分布を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係るサセプタを用いて成長した半導体層のＰＬ波長分布を示すグラフである。
【図７】比較例に係るサセプタを用いて成長した半導体層を含むＬＥＤチップの発光波長の分布を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係るサセプタを用いて成長した半導体層を含むＬＥＤチップの発光波長の分布を示すグラフである。
【図９】一実施形態の変形例に係るサセプタの断面を示す模式図である。
【図１０】一実施形態の別の変形例に係るサセプタを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る半導体成長装置１００の構造を模式的に示す断面図である。半導体成長装置１００は、例えば、基板の表面に半導体層を成長するＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vaper Deposition)装置である。
【００１１】
図１に示すように、半導体成長装置１００は、例えば、ステンレス製の反応室２の内部に、基板１３を載置するサセプタ３と、原料ガス供給部５とを備えている。原料ガス供給部５は、サセプタ３の第１主面３ａに半導体層の原料ガスを供給する。
【００１２】
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ結晶を成長する場合、原料ガスとして、ＴＭＡ(trimethylaluminum)、ＴＭＧ(trimethylgallium)、ＴＭＩ(trimethylindium)、およびホスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。これらの原料ガスは、配管６から原料ガス供給部５の内部に供給される。そして、原料ガス供給部５は、サセプタ３の第１主面３ａに向き合うシャワープレート７に設けられた複数の開口７ａから、第１主面３ａに向けて原料ガスを噴出する。
【００１３】
原料ガスは、図１中の矢印に示すように、第１主面３ａに沿って中央から端へ流れ、サセプタ３の周りに設けられた排気口８から除害装置（図示しない）へ排出される。
【００１４】
サセプタ３は、サセプタホルダ９に支持されている。サセプタホルダ９の内部には、ヒータ４が配置されている。ヒータ４は、サセプタ３の第２主面３ｂを加熱し、第１主面３ａに載置された基板１３を所定の成長温度に保持する。
【００１５】
さらに、サセプタホルダ９を回転させることにより、基板１３の表面における原料ガスの濃度を均一にする。これにより、基板１３の表面に均質な半導体層を形成することができる。
【００１６】
図２は、半導体成長装置１００のサセプタ３を模式的に示す平面図である。  
サセプタ３には、例えば、基板の載置部１２を設けた円形のシリコン板を用いることができる。ＳｉＣコートを施したカーボンプレートを用いても良い。
【００１７】
図２に示す例では、第１主面３ａに３つの基板載置部１２が設けられ、それぞれに基板１３を載置することができる。基板１３は、例えば、３インチφのＧａＡｓウェーハである。
【００１８】
サセプタ３は、例えば、右回りに回転させることができる。そして、原料ガス供給部１５から第１主面３ａに吹き付けられた原料ガスは、図２中に矢印で示すように、サセプタ３の中心から外側へ渦巻き状に流れる。
【００１９】
本実施形態に係るサセプタ３では、外周部に配置された３つの補助サセプタ１５を備えている。補助サセプタ１５は、基板載置部１２を除くサセプタ３の表面を覆うように設けられている。
【００２０】
例えば、図３は、図２に示すIII−III断面におけるサセプタ３の構造を示す模式図である。同図中に示すように、基板載置部１２、および、補助サセプタ１５が配置される外周部には、それぞれザグリ部２２および２３が設けられている。
【００２１】
基板載置部１２のザグリ部２２には、基板１３が収容される。図３に示すように、ザグリ部２２は２段に形成され、基板１３の周辺部を支持する段差２２ａが設けられている。これにより、基板載置部１２に載置された基板１３と、ザグリ部２２の底面と、の間に空隙２５が形成される。空隙２５は、例えば、基板１３の反りを吸収し、基板１３をザグリ部２２の内部に安定して保持する。
【００２２】
一方、外周部のザグリ部２３は、補助サセプタ１５を収容する。ザグリ部２３も２段に形成され、凹部の縁に設けられた段差２３ａにより補助サセプタ１５の周辺部を支持する。そして、補助サセプタ１５と、ザグリ部２３の底面と、の間に空隙２７が形成される。
【００２３】
例えば、図１に示すヒータ４により、サセプタ３の第２主面が加熱された場合、基板１３とザグリ部２２の底面との間に存在する空隙２５により熱伝導が抑制され、基板１３の表面の温度は、サセプタ３の表面の温度よりも低くなる。そして、補助サセプタ１５の表面温度も、ザグリ部２３の底面との間に形成された空隙２７により、サセプタ３の表面の温度よりも低くすることができる。
【００２４】
すなわち、補助サセプタ１５を配置してサセプタ３の表面を覆うことにより、サセプタ３の第１主面３ａに露出する高温表面の面積を少なくすることができる。  
例えば、図２に示すように、基板載置部１２を除くサセプタ３の表面の大部分を、補助サセプタ１５で覆うことにより、基板１３の周りの表面温度を、基板１３の表面温度に近づけることが可能となる。
【００２５】
図４は、原料ガスの流れと、半導体層を構成する元素の取り込みと、の関係を説明する模式図である。図４（ａ）は、比較例に係るサセプタ３３における例を示している。サセプタ３３では、補助サセプタ１５が配置されていない。図４（ｂ）は、本実施形態に係るサセプタ３の例を示している。
【００２６】
図４（ａ）に示す例では、サセプタ３３の表面温度は、基板１３の表面温度よりも高温であり、原料ガスの反応が進み易い状態にある。例えば、ＡｌＩｎＧａＰ結晶の成長では、原料ガスに含まれるＴＭＩが乖離しＩｎの蒸気圧が高くなる場合がある。また、サセプタ３の表面に堆積した反応物からＩｎが乖離することもある。
【００２７】
そして、同図中に示すように、原料ガスの流れの上流側にサセプタ３の高温表面があると、サセプタ３の表面で乖離したＩｎが基板１３の表面に運ばれ半導体層に取り込まれる現象が生じる。その結果、例えば、基板１３に堆積された半導体層において、端の部分に含まれるＩｎの量が多くなり組成および厚さの不均一が生じることになる。
【００２８】
これに対し、本実施形態に係るサセプタ３では、図４（ｂ）に示すように、原料ガスの上流側に補助サセプタ１５を設け、サセプタ３の高温表面を覆うことにより、その部分の表面温度を下げることができる。これにより、Ｉｎの乖離を抑制することができ、基板１３の上に形成される半導体層の組成を均一にすることができる。  
さらに、基板１３の表面に供給される半導体層の原料を安定させることにより、半導体層の組成の制御性を向上させ、厚さの均一化を図ることもできる。
【００２９】
そして、上記の効果を得るために、補助サセプタ１５は、少なくとも基板載置部１２における原料ガスの流れの上流側に隣接したサセプタ３の表面を覆うように配置すれば良い。
【００３０】
補助サセプタ１５には、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、カーボン等を用いることができる。さらに、基板１３と同じ材料、または、同じ熱伝導率を有する材料を用いることにより、補助サセプタ１５の表面温度を基板１３の表面温度に近づけることも可能である。
【００３１】
補助サセプタ１５は、その表面１５ａと、サセプタ３の表面と、の間に段差が生じないように形成する。例えば、補助サセプタ１５の表面１５ａと、サセプタ３の表面と、の間に段差があると、原料ガスの流れに乱れが生じ、半導体層の組成および厚さに不均一を生じさせるからである。  
ただし、補助サセプタ１５およびザグリ部２３の加工精度に起因して生じる程度の段差は許容することができ、原料ガスの流れに乱れを生じさせない段差の範囲に含まれる。
【００３２】
補助サセプタ１５と基板載置部１２との間に残るサセプタ３の表面積は、例えば、加工精度の許容する限界まで狭めることができる。これにより、サセプタ３の表面における原料ガスの乖離を抑制して、より均一な組成分布および厚さ分布を有する半導体層を成長することができる。
【００３３】
例えば、ＬＥＤの発光層としてＡｌＩｎＧａＰ層を成長する場合、ＧａＡｓウェーハとの間の格子不整合を０．１％以下に抑える制御を行う。この際、補助サセプタ１５を用いないサセプタ３３の表面温度は、ＧａＡｓウェーハの表面温度よりも約５０度ほど高くなることがある。そして、サセプタ３３の高温表面から脱離したＩｎは、ＧａＡｓウェーハの外周部へ到達し、ＡｌＩｎＧａＰ層に取り込まれてＩｎ組成のズレを引き起こしていた。このため、外周部の発光波長が長くなり、歩留りが低下することがあった。
【００３４】
例えば、図５は、サセプタ３３を用いて成長した半導体層のＰＬ(Photoluminescence)波長分布を示し、図６は、サセプタ３を用いて成長した半導体層のＰＬ波長分布を示すグラフである。横軸に、基板１３の端と測定点との間の距離を示し、縦軸にＰＬ波長を示している。
【００３５】
図５に示す半導体層のＰＬ波長は、ＧａＡｓウェーハの端までの距離が短い外周部において、ウェーハの端に近づくほど長波長になる分布を示している。ＡｌＩｎＧａＰ結晶のＰＬ波長は、Ｉｎ組成が大きくなると長波長側にシフトする。すなわち、図５に示すＰＬ波長分布は、ＧａＡｓウェーハの外周部におけるＩｎの取り込みが大きいことを示している。
【００３６】
これに対し、図６に示すＰＬ波長分布では、外周部におけるＰＬ波長の長波化が抑制されており、Ｉｎの取り込みが抑制されたことを示している。すなわち、本実施形態に係るサセプタ３では、補助サセプタ１５を用いることにより、基板載置部１２の上流側に位置する部分の表面温度を下げ、Ｉｎの乖離が抑制されたことを示している。
【００３７】
図７は、比較例に係るサセプタ３３を用いて成長した半導体（ＡｌＩｎＧａＰ）層を含むＬＥＤチップの発光波長の分布を示すグラフである。ＧａＡｓウェーハの表面において、直線上に並んだチップの番号を横軸に示し、縦軸に、ＬＥＤの発光波長を示している。
【００３８】
図７に示すように、中央に位置するＬＥＤチップに対し、ＧａＡｓウェーハの端に近いＬＥＤチップほど発光波長が長波長化していることが分かる。チップ番号の小さい側のＬＥＤチップでは、４ｎｍ以上の波長シフトが生じることがわかる。
【００３９】
これに対し、図８は、本実施形態に係るサセプタ３を用いて成長したＡｌＩｎＧａＰ層を含むＬＥＤチップの発光波長の分布を示すグラフである。図７と同じように、チップの番号を横軸に示し、縦軸に、ＬＥＤの発光波長を示している。
【００４０】
図８に示す発光波長の分布では、部分的に長波長の発光を示している特異点を除いて、ＬＥＤの発光波長は、中央部の発光波長に対しほぼ１ｎｍ以内の波長範囲の収まっていることがわかる。すなわち、サセプタ３を用いて成長したＡｌＩｎＧａＰ層の組成が均一化され、ＬＥＤの発光波長の分布も均一になることを示している。
【００４１】
上記の通り、本実施形態に係るサセプタ３を用いることにより、ＧａＡｓウェーハの上に成長されるＡｌＩｎＧａＰ層の全面に渡り、結晶組成の均一性を向上させることが可能となり、歩留りを改善することができる。
【００４２】
図９は、本実施形態の変形例に係るサセプタ３５の断面を示す模式図である。
本変形例に係るサセプタ３５では、補助サセプタ１５を収納するザグリ部３７に段差が設けられておらず、補助サセプタ１５は、ザグリ部３７の底面に直接接している。
【００４３】
そして、補助サセプタ１５の熱伝導率をサセプタ３５の熱伝導率よりも小さくすることにより、補助サセプタ１５の表面温度を下げることができる。例えば、サセプタ３５にシリコン板を用いる場合、補助サセプタ１５の材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、サファイア等を用いることができる。
【００４４】
図１０は、本実施形態の別の変形例に係るサセプタ４１および４５を模式的に示す平面図である。
図１０（ａ）に示すサセプタ４１は、４つの基板載置部１２を備える。図２に示すサセプタ３と同じように、外周部に補助サセプタ４２が配置されている。さらに、中央にも補助サセプタ４３を備えている。
【００４５】
さらに、図１０（ｂ）に示すサセプタ４５は、５つの基板載置部１２を備える例である。外周部に配置された補助サセプタ４６と、中央に配置された補助サセプタ４７とを備えている。
【００４６】
このように、サセプタの上に載置する基板の枚数を増やしてゆくと、高温のサセプタ表面が露出される面積が大きくなり、基板の上に成長される半導体層の組成および膜厚の不均一が大きくなり易い。そこで、本実施形態に示す補助サセプタを配置し、高温表面の露出する面積を狭くすることが有効である。
【００４７】
例えば、サセプタの中央部は、全ての基板の上流側に該当し、基板の枚数が増えるほど高温表面の面積が拡大する。そして、中央部は、そのサセプタに載置される全ての基板の上流側になる。したがって、中央部に配置される補助サセプタ４３および４７は、それぞれサセプタ４１および４５に載置される全ての基板において、半導体層の組成および膜厚の均一化に寄与する。
【００４８】
以上、本実施形態に係る半導体成長装置１００のサセプタについて説明したが、半導体成長装置１００は、ＡｌＩｎＧａＰの成長だけではなく、例えば、窒化物半導体結晶の成長にも使用することが可能であり、均一な結晶組成および膜厚の半導体層を成長することができるものである。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５０】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５１】
２・・・反応室、  ３、３３、３５、４１、４５・・・サセプタ、  ３ａ・・・第１主面、  ３ｂ・・・第２主面、  ４・・・ヒータ、  ５・・・原料ガス供給部、  ６・・・配管、  ７・・・シャワープレート、  ７ａ・・・開口、  ８・・・排気口、  ９・・・サセプタホルダ、  １２・・・基板載置部、  １３・・・基板、  １５、４２、４３、４６、４７・・・補助サセプタ、  １５ａ・・・表面、  ２２、２３、３７・・・ザグリ部、  ２２ａ、２３ａ・・・段差、  ２５、２７・・・空隙、  １００・・・半導体成長装置
【図１】
2012080025.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012080025.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012080025.tif 000007
【図６】
2012080025.tif 000008
【図７】
2012080025.tif 000009
【図８】
2012080025.tif 000010
【図９】
2012080025.tif 000011
【図１０】
2012080025.tif 000012