(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜を形成する基板より上流側の反応管内に、基板面と平行な仕切板を少なくとも１以上配設し、該仕切板の先端部の肉厚を連続的又は段階的に薄くなるように形成した仕切板により上下に区切られた各層から２種類以上の原料ガスを基板面に対して平行な方向に導入して、二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を形成する気相成長方法であって、少なくともトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとを前記仕切板を挟んで前記基板面に対して平行な方向に導入し、前記仕切板先端部近傍におけるガス流の流れの乱れを抑制することを特徴とする気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長方法に関し、詳しくは、基板面と平行に各種ガスを流して基板面に薄膜を形成するための横型の気相成長装置を用いて、特に、基板面に二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を形成するための気相成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
欠陥の少ない良好な二成分系以上の化合物半導体薄膜を形成するための気相成長装置として、例えば、特公平７−２７８６８号公報に記載された装置が知られている。この気相成長装置は、基板面より上流側の反応管内に、基板面と平行な仕切板を配設して反応管内を上下に区切り、該仕切板の上下からそれぞれ基板面と平行に２種類以上の原料ガスを導入するようにしている。例えば、基板側（仕切板の下部）にアルシン＋水素を、仕切板の上部にトリメチルガリウム＋水素を、それぞれ原料ガス（気相成長ガス）として導入することにより、基板面にガリウムヒ素の二成分系化合物半導体薄膜を形成することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の仕切板を有する気相成長装置では、操作条件、例えば、成長温度，各層を流れる原料ガスの種類，ガスの流速条件等によっては、得られる薄膜にパーティクルによる欠陥が発生したり、成長速度が低下したり、得られる薄膜の均一性が低下したり、再現性が低下したりすることがあった。特に、この問題は、仕切板で区切られた各層のガスの流速差が大きい場合に多く発生していた。
【０００４】
そこで本発明者らが、種々考究したところ、仕切板先端部近傍で発生するガスの流れの乱れが一つの原因であることを知見した。すなわち、従来の気相成長装置では、仕切板先端部近傍におけるガスの流れの乱れに対する配慮がなされていないため、仕切板で区切られた各層のガス流速のバランスによっては、仕切板先端部のガス流中に渦が発生することがあった。仕切板先端部に渦が発生すると、渦の中に取込まれた原料は、渦中を循環するために滞在時間が長くなり、加熱された基板からの輻射によってガス温度が上昇し、熱分解してパーティクルを発生させる。このように基板の上流で発生したパーティクルは、これが基板上に達すると結晶欠陥の原因となって膜の品質を低下させる。また、パーティクルは、気相中の成長核となって周囲の原料を消費するため、原料利用効率の低下を招くことになる。さらに、各層別々に供給された原料ガスが反応し易い場合、渦の発生は、気相反応による反応生成物の合成を促進し、膜質の劣化や原料利用効率の低下を招くことになる。
【０００５】
このようなことから、従来の仕切板付きの気相成長装置では、仕切板で区切られた各層のガス流速の範囲が非常に狭い範囲に限定されてしまい、薄膜成長に最適な条件のガス流速を設定することが困難になることがあった。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑み成されたもので、仕切板で区切られた各層のガス流速の設定範囲を広くとれ、各層のガス流速に影響されずに再現性よく、かつ、原料利用効率を低下させることなく良質で均一性に優れた薄膜、特に、二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を効率よく形成することができる気相成長方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、薄膜を形成する基板より上流側の反応管内に、基板面と平行な仕切板を少なくとも１以上配設し、該仕切板の先端部の肉厚を連続的又は段階的に薄くなるように形成した仕切板により上下に区切られた各層から２種類以上の原料ガスを基板面に対して平行な方向に導入して、二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を形成する気相成長方法であって、少なくともトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとを前記仕切板を挟んで前記基板面に対して平行な方向に導入し、前記仕切板先端部近傍におけるガス流の流れの乱れを抑制することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は、本発明の気相成長方法の一形態例を説明するための気相成長装置で、図１は気相成長装置における反応管の断面正面図、図２は同じく断面平面図、図３は仕切板先端部を示す説明図である。
【０００９】
反応管１は、一端にガス導入部２を、他端にガス排出部３を有するとともに、中央部に基板４を保持するサセプタ５を配置し、基板４の上流側、即ちガス導入部２側に、反応管１内を上下２層に区切る仕切板６を配設したものである。また、反応管１の外周には、サセプタ５を介して基板４を加熱するためのＲＦ（高周波）コイル７が設けられている。
【００１０】
上記仕切板６は、図３に拡大して示すように、先端部８の肉厚が連続的に薄くなるように形成されている。この先端部８の形状は、仕切板自体の厚みｔ１に応じて任意に形成することができ、先端部８のテーパー角αは、上下各層のガス流速の範囲や強度，加工性等を考慮しながらできるだけ小さくすることが好ましいが、テーパー角αを小さくし過ぎるとテーパー面８ａが長くなって強度や加工性に問題が発生することがあり、また、テーパー角αを大きくすると先端部８の肉厚を連続的に薄くした効果が小さくなる。通常の使用範囲で好ましいテーパー角αは５〜３０度であり、特に、１０度以下にすることが効果的である。さらに、テーパー面８ａは、通常は平面で形成されるが、曲面（凸面や凹面）としてもよく、平面や各種曲面を複合させてもよい。また、先端は必ずしも尖らせる必要はなく、丸くしたり、切り落とした形状にしてもよい。
【００１１】
このように、仕切板６の先端部８の肉厚を薄く形成することにより、仕切板先端部近傍におけるガスの流れの乱れを抑制でき、膜の均一性や再現性が向上し、また、渦に起因するパーティクルの発生も減少するので、パーティクルが原因となる結晶欠陥も減少して品質向上が図れるとともに、原料利用効率の向上も図れる。さらに、仕切板６で区切られた各層のガス流速の設定範囲を拡げることができるので、薄膜成長に最適なガス流速を設定でき、成長速度の向上も図れる。
【００１２】
図４乃至図８は、それぞれ仕切板６の先端部８の他の形態例を示すものである。まず、図４に示す仕切板６は、先端部８の上下両面にテーパー面８ａを形成したものであって、テーパー角αは、前記同様に、５〜３０度、特に、１０度以下に設定することが好ましい。図５に示す仕切板６は、先端部８の肉厚を段階的に薄くなるように形成したものであって、仕切板自体の厚みｔ１より先端部８の厚みｔ２を十分に薄くし、かつ、この薄肉部８ｂの長さＬを十分にとるようにしている。この先端部８の厚みｔ２及び長さＬは、前記テーパー角αと同様に、仕切板自体の厚みｔ１やガス流速、強度，加工性等を考慮して決定されるが、厚みｔ２は薄いほど効果的であり、長さＬも長いほど効果的である。好ましい範囲は、厚みｔ２は０．５〜１ｍｍ、長さＬは、段差（ｔ１−ｔ２）が大きい場合には長目にすることが望ましく、通常は１０〜２０ｍｍ程度である。
【００１３】
また、図６に示すように、仕切板６の先端部８に２段階に薄肉部８ｂ，８ｃを設けて厚みを薄くするようにしてもよく、３段階以上にしてもよい。さらに、図７及び図８に示すように、仕切板６の上下両側に段部８ｄをそれぞれ設けて先端部８を薄肉に形成するようにしてもよい。また、このように先端部８の肉厚を段階的に薄く形成する場合、段部をテーパー面にすることもでき、薄肉部の先端を丸めたり、尖らせたりすることもできる。さらに、図３や図５、図６に示すものは、上下を逆にしてもよく、図４、図７、図８に示すものの場合は、上下を非対称に形成してもよい。
【００１４】
また、図９に示すように、反応管１内に２枚の仕切板６を配設する場合でも、３枚以上の仕切板を配設する場合であっても、上述のように仕切板６の先端部８を薄くすることにより、良質で均一性に優れた薄膜を効率よく形成することができる。この場合、各仕切板６には、同形状のものを用いることが好ましいが、異なる形状のものを組合わせることもできる。
【００１５】
なお、本発明は、仕切板により区切られた各層からトリメチルガリウムガスとアンモニアガスを原料ガスとして基板面に二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を形成する気相成長方法に最適である。
【００１６】
また、上記二成分系以上の化合物半導体薄膜とは、 III−Ｖ族化合物半導体薄膜やII−VI族化合物半導体薄膜であり、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の二成分系薄膜や、Ｇａの一部をＡｌ（アルミニウム）で置換したＡｌＧａＮ等の三成分系薄膜、Ｉｎ（インジウム）を含む多成分系薄膜等を挙げることができる。さらに、原料ガスとは、気相成長反応に寄与する個々の成分ガスであり、例えば、アンモニア，シラン，トリメチルガリウム，トリメチルインジウム等の一種又はこれらの混合物であって、例えば、サファイア基板にＧａＮ薄膜を形成するときは、窒素原料としてアンモニアを、ガリウム原料としてトリメチルガリウムを使用する。原料ガスを反応管内に導入する場合、これらの原料ガスをそのまま導入してもよいが、通常は、原料ガスを水素，ヘリウム，窒素等の不活性ガスで希釈して導入するようにしている。
【００１７】
【実施例】
実施例１
先端部の肉厚を連続的に薄くした図３に示す形状の仕切板（ｔ１＝１．５ｍｍ）において、テーパー角αを、５度，１０度，３０度，４５度，６０度，９０度（テーパー面無し）とした６種類の仕切板を使用し、図１及び図２に示す構造の反応管にこれらをそれぞれ装着した。そして、下記の成長条件により、バッファー層として厚み４０ｎｍのＡｌＮをあらかじめ形成したサファイア基板上に、ＡｌＮ薄膜を成長させた。各仕切板を使用したときのＡｌＮ薄膜の成長速度と、１μｍ以上のパーティクル数とを測定した結果を表１に示す。
【００１８】
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【表１】
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【００１９】
実施例２
先端部の肉厚を段階的に薄くした図７に示す形状の仕切板（ｔ１＝１．５ｍｍ，ｔ２＝０．５ｍｍ）において、薄肉部の長さＬを、０ｍｍ（薄肉部無し），１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍとした６種類の仕切板を使用し、実施例１と同様にしてＡｌＮ薄膜を成長させ、各仕切板を使用したときの薄膜の成長速度とパーティクル数とを測定した。その結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
実施例３
実施例１と同様に、テーパー角αが５度，１０度，２０度，３０度，６０度，９０度（テーパー面無し）の６種類の仕切板を各２枚ずつ使用し、図９に示すように配設して反応管内の基板面より上流側に上部流路、中間流路、下部流路の３層の流路を形成した。この反応管を用いて下記の成長条件により、ＡｌＮをあらかじめ形成したサファイア基板上にＧａＮ薄膜をそれぞれ成長させた。得られた薄膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、テーパー面無しの仕切板を使用したときには、発生したパーティクルが核となって成長した部分があるために荒れており、膜厚が不均一になっていたが、テーパー角αが小さくなるのに伴って表面が平坦となり、特にテーパー角αが２０度以下のものは、膜表面の平坦性に優れており表面状態の改善効果が大きかった。各仕切板を使用したときのＧａＮ薄膜の成長速度及び表面状態の観察結果を表３に示す。なお、以下の各表において、表面状態の欄の丸印は表面状態が良好なこと、バツ印は表面が荒れていること、三角印は両者の中間的な表面状態であることを表している。
【００２２】
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【表３】
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【００２３】
実施例４
先端部の肉厚を段階的に薄くした図５に示す形状の仕切板（ｔ１＝１．５ｍｍ，ｔ２＝０．５ｍｍ）において、薄肉部の長さＬを、０ｍｍ（薄肉部無し），５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍとした４種類の仕切板を使用し、実施例３と同様に反応管内に３層の流路を形成した。下記の成長条件により実施例３と同様のＧａＮ薄膜を成長させるにあたり、原料ガスであるアンモニアの流量を毎分３リットル，５リットル，１０リットル，１５リットルに変化させ、得られた薄膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察した。各仕切板における薄肉部の長さＬとアンモニアの流量とにおける表面状態の観察結果を表４に示す。
【００２４】
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【表４】
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【００２５】
実施例５
実施例１と同様に、テーパー角αが５度，１０度，３０度，６０度，９０度（テーパー面無し）の５種類の仕切板を、図１に示すように反応管内に配設した。この反応管を用いて下記の成長条件により、ＡｌＮをあらかじめ形成したサファイア基板上にＧａＮ薄膜をそれぞれ成長させた。得られた薄膜の成長速度と表面状態の観察結果とを表５に示す。
【００２６】
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【表５】
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【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相成長方法によれば、良質で均一性に優れた薄膜を効率よく製造することができる。特に、本発明は、トリメチルガリウムガスとアンモニアガスを原料ガスとして基板面に二成分系以上のＧａＮ系化合物半導体薄膜を形成する気相成長方法に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の気相成長方法における反応管の一例を示す断面正面図である。
【図２】  同じく断面平面図である。
【図３】  仕切板先端部の第１形態例を示す説明図である。
【図４】  仕切板先端部の第２形態例を示す説明図である。
【図５】  仕切板先端部の第３形態例を示す説明図である。
【図６】  仕切板先端部の第４形態例を示す説明図である。
【図７】  仕切板先端部の第５形態例を示す説明図である。
【図８】  仕切板先端部の第６形態例を示す説明図である。
【図９】  反応管の他の形状例を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１…反応管、２…ガス導入部、３…ガス排出部、４…基板、５…サセプタ、６…仕切板、７…ＲＦ（高周波）コイル、８…仕切板６の先端部、８ａ…テーパー面、８ｂ，８ｃ…薄肉部、８ｄ…段部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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