(57)【要約】【課題】ヒータが１つしか存在しない場合であってもＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を均一に成膜することが可能な成膜装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る成膜装置は、窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の薄膜成長に用いられるものであり、窒化物半導体の薄膜が形成される基板が載置されるトレーと、トレーを介して基板を加熱するヒータと、を備え、トレーの中央部には、当該トレーを貫通する基板の径よりも小さい径の貫通孔が形成されており、貫通孔上に基板が載置される。【選択図】図１
2013179214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の薄膜成長に用いられる成膜装置であって、
前記窒化物半導体の薄膜が形成される基板が載置されるトレーと、
前記トレーを介して前記基板を加熱するヒータと、
を備え、
前記トレーの中央部には、当該トレーを貫通する前記基板の径よりも小さい径の貫通孔が形成されており、
前記貫通孔上に前記基板が載置される
ことを特徴とする、成膜装置。
【請求項２】
前記貫通孔の直径は、前記基板の直径の１０％〜９０％の大きさである
ことを特徴とする、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記貫通孔の直径は、前記基板の直径の１０％〜４０％の大きさである
ことを特徴とする、請求項２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＩｎＧａＮである
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記トレーは着脱可能であり、
前記トレーを交換することで、異なる径を有する前記基板を前記トレー上に載置可能である
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか1項に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波・高出力ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、青色ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）への応用が成功して以来、ＧａＮ（窒化ガリウム）系窒化物半導体は、盛んに研究されている。ＨＥＭＴやＬＥＤ、ＬＤ等の素子のための薄膜作製には、主に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が用いられている。ＭＯＣＶＤ法は、ＩＩＩ族である有機金属と、Ｖ族であるアンモニアとを成長室に導入し、加熱した基板上に薄膜を気相成長させる方法である。
【０００３】
窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法により成長させる場合の特徴として、１）大量のアンモニアの導入、２）常圧での成長、３）ガスを基板に導入するまでの間でＩＩＩ族ソースとＶ族ソースの反応回避のため、高速度でのガス導入や各ソース間を分離して基板まで導入する、等が挙げられる。
【０００４】
近年、大量生産やコスト低減を目的として、ＧａＮ系半導体薄膜成長においても、基板の大口径化が計られている。一般に、ＧａＮ薄膜成長においては、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ＧａＡｓやＩｎＰ）と比較して基板温度が高温であり、かつ、ガスの総導入量も多いため、基板温度を均一にすることは困難である。そこで、基板径の大きな装置においては、基板加熱ヒータを２分割や３分割することにより、内側、（中間）、外側を互いに独立に温度設定・投入電力制御することが、通常の方法として知られている（例えば、以下の非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】徳永裕樹、福田靖、生方映徳、阿久津仲男、稲石美明、小関修一、山口晃、植松邦全、「大型量産ＧａＮ用ＭＯＣＶＤ装置の開発」、大陽日酸技報、Ｎｏ．２５（２００６）、ｐ．１−６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、基板加熱ヒータを分割して制御することは、薄膜成長において実験パラメータが増えることを意味しており、均一な薄膜成長を得るまでの実験回数の増加を伴うという問題があった。また、基板加熱ヒータを分割することで装置としては大掛かりなものとなり、ヒータ断線の復旧メンテナンスの回数も増加することとなる。すなわち、ＧａＮ薄膜成長において基板の大口径化は単にヒータ径を大きくすれば良いものではなく、装置の構造や成長ステップの大幅な変更を強いられるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ヒータが１つしか存在しない場合であってもＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を均一に成膜することが可能な成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の薄膜成長に用いられる成膜装置であって、前記窒化物半導体の薄膜が形成される基板が載置されるトレーと、前記トレーを介して前記基板を加熱するヒータと、を備え、前記トレーの中央部には、当該トレーを貫通する前記基板の径よりも小さい径の貫通孔が形成されており、前記貫通孔上に前記基板が載置される成膜装置が提供される。
【０００９】
前記貫通孔の直径は、前記基板の直径の１０％〜９０％の大きさであってもよい。
【００１０】
前記貫通孔の直径は、前記基板の直径の１０％〜４０％の大きさであってもよい。
【００１１】
前記窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＩｎＧａＮであることが好ましい。
【００１２】
前記トレーは着脱可能であり、前記トレーを交換することで、異なる径を有する前記基板を前記トレー上に載置可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、基板が載置されるトレーの中央部に貫通孔を設けることで、ヒータが１つしか存在しない場合であってもＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を均一に成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を示した模式図である。
【図２】同実施形態に係る成膜装置のトレーを示した模式図である。
【図３】同実施形態に係る成膜装置について説明するための説明図である。
【図４】同実施形態に係る成膜装置について説明するための説明図である。
【図５】従来の成膜装置を示した模式図である。
【図６】従来の成膜装置について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１６】
（従来の成膜装置について）
本発明の実施形態に係る成膜装置について説明するに先立ち、まず、図５及び図６を参照しながら従来の成膜装置について説明し、本発明の目的とするところを明らかにする。図５は、従来の成膜装置の基板加熱部付近を示した模式図であり、図６は、従来の成膜装置について説明するための説明図である。
【００１７】
図５に示したように、従来の成膜装置９００は、反応管（多くの場合、石英製である。）９０１の内部に、有機金属である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）やドーパント、キャリアガス等が流れるＩＩＩ族ラインと、アンモニアやキャリアガスなどが流れるＶ族ラインと、の２系統が設けられる。サセプタ９０３上のトレー９０５に載置された各種基板（例えば、サファイアやシリコン等）Ｂを２分割ヒータ９０７ａ，９０７ｂ（内側、外側がそれぞれ独立）又は３分割ヒータ（内側、中間、外側がそれぞれ独立）によって昇温することで、基板Ｓ上に薄膜が成長することとなる。
【００１８】
一般に、ＧａＮ系窒化物半導体の成長条件は、Ｖ／ＩＩＩ比（ＩＩＩ族である有機金属とＶ族であるアンモニアのモル比）が大きく、大量のアンモニアを必要とする。常圧の成長において大量のガスを導入した場合、導入したガスによって基板の周辺部が冷却されることにより、基板Ｓの温度分布が不均一となる。この基板面内の極端な温度分布により薄膜成長レートに差が生じ、結果として膜厚が不均一となる。
【００１９】
これらの問題を解決するため、反応管９０１へのガスの総導入量を減少することも考えられるが、ガスの流速が低下してしまう。ガス流速の低下により、基板の上流側では主に反応が促進されるものの、下流まで十分にソース（ガス）が供給されず、やはり膜厚が不均一となる。加えて、ＧａＮ系窒化物半導体は、成長温度が他の化合物半導体（例えば、ＧａＡｓやＩｎＰ）と比較して高いため、ガス流速が遅い場合、上昇気流による更なる膜厚の不均一の問題も生じる。
【００２０】
図６に、図５に示した従来の成膜装置を用いて実際に窒化シリコン膜を成長した場合における基板無回転での膜厚分布測定の結果を示した。図６に示した例では、成長圧力を７６０Ｔｏｒｒとした。また、成長時間は５０分であり、基板の回転速度は０ｒｐｍである。標準成長条件として、シラン：０．７％を１００ｓｃｃｍで導入するとともに、アンモニア：９９．９９９％を４ＳＬＭで導入し、基板温度は８００℃とした。図６に示したグラフ図から明らかなように、標準条件での窒化シリコン成長において、上流側の膜厚は薄くなり、中央では厚くなる。中央から下流に進むに従って膜厚が均一になるが、最下流部では再度膜厚が薄くなっている。図６に示した結果は、基板中央部の膜厚を薄くすることができれば、基板回転時に均一性が向上することを示している。
【００２１】
そこで、通常はヒータを図５に示したように複数に分割し、それぞれ独立に温度設定・投入電力の制御を行う。具体的には、外側のヒータ（例えば、図５における外側ヒータ９０７ｂ）を内側のヒータ（図５における内側ヒータ９０７ａ）よりも温度設定を高温にすることにより、ガスによる基板外周部の温度低下を回避する方法が一般に用いられる。
【００２２】
しかしながら、上述のような回避方法は、成膜装置の改造が伴うことはもちろん、今度はそれまでのＧａＮ系窒化物半導体の最適成長条件を維持することが困難となるため、成長実験の回数をこなして均一な薄膜を得ることになる。特に光デバイス（ＬＥＤエピタキシャル膜の内製やＬＤ）に関しては多層構造であるため、各層での最適化に掛かる時間は膨大なものとなる。
【００２３】
そこで、本発明者は、上記のような問題を解決するために、分割ヒータを用いることなく、一つのヒータを利用する場合であっても、基板径によらずＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を均一に成膜することが可能な成膜装置について鋭意検討を行った。その結果、窒化源を用いたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜成長に関し、ヒータが複数に分割されていない装置での基板大口径化を簡単に行うことが可能であり、トレーの中央部に穴を導入することで、最適成長条件として常圧でガスの導入量を下げることなく、ＧａＮ薄膜に代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の均一な薄膜を形成することが可能な成膜装置に想到した。
【００２４】
（第１の実施形態）
＜成膜装置の構成について＞
続いて、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置について説明する。図１は、本実施形態に係る成膜装置を示した模式図であり、図２は、本実施形態に係る成膜装置のトレーを示した模式図である。
【００２５】
本実施形態に係る成膜装置１００の基板加熱部付近には、図１に示したように、例えば石英製の反応管１０１が設けられている。また、反応管の内部には、有機金属、ドーパント、キャリアガス等を供給するＩＩＩ族ラインと、アンモニア及びキャリアガス等を供給するＶ族ラインと、の２系統が接続されている。ここで、ＩＩＩ族ラインから供給される有機金属の例としては、例えば、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）等を挙げることができる。また、不純物濃度を制御するためのドーパントとしては、ｎ型ドーパント原料として例えばシランガス（ＳｉＨ４）を挙げることができ、ｐ型ドーパント原料として例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を挙げることができる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素ガスや窒素ガス等を挙げることができる。
【００２６】
また、反応管１０１の一部には、分割されていない一つのヒータ１０３と、ヒータ１０３上に設けられたサセプタ１０５とが設けられている。また、サセプタ１０５上には、サセプタ１０５に対して着脱可能となっているトレー１０７が設けられている。ヒータ１０３は、トレー１０７上に載置される基板Ｓを加熱するために用いられるもので、基板の加熱方法は、高周波誘導加熱であってもよく、ヒータによる抵抗加熱であってもよい。また、ヒータ１０３の中央部には、基板Ｓの温度を測定するための熱電対１１３が設けられており、熱電対１１３で測定された温度を、基板Ｓの温度として把握することが可能となっている。
【００２７】
ここで、本実施形態に係るトレー１０７の材質は、基板加熱方法が誘導加熱である場合や、薄膜への不純物混入を避ける意味でも、金属ではなく、高純度の石英であることが望ましい。また、トレー１０７には、図１及び図２に示したように、トレー１０７の略中央部に略円形状の貫通孔１０９が設けられている。ここで、貫通孔１０９の中心軸は、トレー１０７の中心軸と同軸となるように配設されている。また、トレー１０７の反応管１０１側の面には溝部１１１が形成されており、この溝部１１１に基板Ｓが配設される。溝部１１１の形状は、配設される基板Ｓを係止可能な形状となっており、溝部１１１の内径（図２における長さＡ）は、基板Ｓの直径とほぼ同一の値となっている。
【００２８】
トレー１０７の中央部に貫通孔１０９を設けることで、トレー１０７からの熱伝導がなくなり、該当部分の基板Ｓは、対流と輻射のみによって加熱されることとなる。その結果、貫通孔１０９の部分に対応する基板Ｓの温度は、トレー１０７の存在する基板周辺部の温度よりも低くなる。その結果、基板Ｓの温度分布を均一化することが可能となり、基板Ｓ上に窒化物半導体薄膜を均一に成膜することが可能となる。
【００２９】
ここで、貫通孔１０９の直径（図２における長さａ）は、成膜装置１０内に供給される総ガス流量に応じて決定すればよいが、基板径（すなわち、図２における長さＡ）に対して、例えば１０％〜９０％程度とすればよい。貫通孔１０９の直径が基板径の１０％未満となる場合には、基板Ｓの熱分布を均一にするという効果を十分に得ることができず、好ましくない。また、貫通孔１０９の直径が基板径の９０％超過となる場合には、基板Ｓを安定的に保持することが困難となり、均一な膜厚の窒化物半導体薄膜を得ることが困難となる。更に好ましくは、貫通孔１０９の直径は、基板径に対して１０〜４０％である。なお、詳細な貫通孔１０９の直径については、目安となる貫通孔の大きさを１０％〜９０％の範囲内で定めた上で、具体的な実験をもとに決定すればよい。
【００３０】
貫通孔１０９の直径は、具体的には、３インチ（約７６．２ｍｍ）の基板に対して、１０ｍｍ（１３％）〜３０ｍｍ（３９％）の間である。本実施形態に係る成膜装置１００では、貫通孔１０９の大きさは、トレー１０７内のザグリ径（すなわち、溝部１１１の径）よりも小さくし、石英トレー中央部に配置することで基板Ｓと同様に昇温するようにする。
【００３１】
本実施形態に係る貫通孔１０９を有するトレー１０７は、サセプタ１０５に対して着脱可能なようになっている。そのため、成膜装置１００で使用する可能性のある基板径に対応する貫通孔付きトレーを複数種類準備しておくことで、成膜する半導体を、ＧａＮだけでなく、他のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、例えば、ＡｌＮやＩｎＧａＮに拡大することができる。また、複数種類の貫通孔付きトレーを準備しておくことで、貫通孔形状効果の実験や、成膜によりトレーに薄膜が堆積した場合等に発生するパーティクルの問題についても、容易に解決することが可能となる。
【００３２】
以下では、説明の便宜上、図１に示したように、反応管１０１の上流側の上半分からＩＩＩ族ガスを供給し、上流側の下半分からＶ族ガスを供給することとするが、ＩＩＩ族ガスを下半分から供給して、Ｖ族を上半分から供給するようにしてもよい。また、本実施形態に係る成膜装置１００は、基板加熱部以外の構成については、従来の成膜装置と同一であってもよい。
【００３３】
本実施形態に係る成膜装置１００では、薄膜の成長に関しては、従来の成膜装置と同じ条件実施することが可能である。具体的には、サファイア基板上にＧａＮ薄膜の成長を行う場合、低温ＧａＮバッファ層を使用してＧａＮエピタキシャル膜を以下の成長条件で成長させる。
【００３４】
すなわち、両面研磨サファイア基板上に、膜厚５０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層を成長させ、続けて、膜厚１０００ｎｍのＧａＮエピタキシャル層を成長させる。主原料には、ＴＭＧ及びアンモニアを使用する。ＧａＮの成長は、Ｇａの原料であるＴＭＧを８８μｍｏｌ／ｍｉｎで供給し、Ｖ／ＩＩＩ比を２５００とし、成長圧力７６０Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ≒１３３．３２２Ｐａ）で成長する。ＧａＮ低温バッファ層の成長温度を４７５℃とし、ＧａＮ低温バッファ層上のＧａＮエピタキシャル層は、基板温度１０７０℃で成長する。基板のサイズや厚み等は任意であるが、３インチ径であれば、厚み４３０μｍの基板を使用する。
【００３５】
本実施形態に係る成膜装置１００では、均一性に優れたＧａＮ系窒化物半導体基板の大口径化を計る場合に、それまでと同じ装置、同じ成長条件で成長可能な方法を提供することが可能となる。
【００３６】
図３に、本実施形態に係る貫通孔付きトレーによって成長したＧａＮ薄膜の表面写真を示す。比較のため、貫通孔の存在しない従来のトレーでのＧａＮ薄膜成長結果も併せて示した。まず、ｄ）従来のトレーで上記の条件で成長した場合、基板端部に白濁している領域（結晶方向の揃っていない領域）が確認された。ａ）孔径１０ｍｍ（１３％）のトレーでは白濁領域は従来のトレーと比較して拡大した。ｂ）孔径２０ｍｍ（２６％）のトレーでは、従来のトレーとほぼ同じ白濁領域であるが、多少の改善は見られた。ｃ）孔径３０ｍｍ（３９％）のトレーでは、白濁領域は全領域で観察されなかった。この結果より、上記の成長条件においては、孔径を基板径に対して約２５％〜約４０％とすることで、従来のトレーで成膜した以上の良好なＧａＮを成膜できることがわかる。
【００３７】
図４に、本実施例条件で成長した窒化ガリウム薄膜のＸ線回折のピーク強度分布を示した。図４において、○印は従来のトレーを用いた場合のピーク強度であり、□印は本実施形態に係る貫通孔径３０ｍｍのトレーを用いた場合のピーク強度である。図４では、薄膜の厚さをＸ線回折のピーク強度で代用している。図４から明らかなように、同一条件で成長したにもかかわらず、基板中央からの距離の分布は、従来のトレーと比較して穴径：３０ｍｍの方が優れていることがわかる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱電対が設置してあるヒータの中央部直上に貫通孔を設けたため、基板に接触するトレーが存在しない。そのため、基板温度上昇時には、貫通孔上に位置する基板の温度は、トレーが存在している周辺部の温度と比較して低温となる。これにより、ヒータが１つしか存在しない場合であっても基板温度の均一化が図れ、結果として膜厚が一定の薄膜成長が行える。
【００３９】
更に、石英のような加工が簡単で安価なトレーを用いることが可能であるため、成膜装置の取扱いは極めて簡便になる。また、石英トレーは、サセプタと一体になっている構造では無く、トレーの穴形状効果の実験や、パーティクルが発生する前に、容易に交換したり洗浄したりすることができる。
【００４０】
また、本実施形態に係る成膜装置１００は、主に窒化物半導体、特に高周波・高出力ＨＥＭＴや白色ＬＥＤ、青色ＬＤに用いられるＧａＮ、ＡＩＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ薄膜の成長に適用することが可能である。
【００４１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００４２】
１００    成膜装置
１０１    反応管
１０３    ヒータ
１０５    サセプタ
１０７    トレー
１０９    貫通孔
１１１    溝部
１１３    熱電対
Ｓ    基板
【図１】
2013179214.tif 000003
【図２】
2013179214.tif 000004
【図４】
2013179214.tif 000005
【図５】
2013179214.tif 000006
【図６】
2013179214.tif 000007
【図３】
2013179214.tif 000008