(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスをガイドするフローチャンネルと、基板を載置するサセプタと、該サセプタを介して前記基板を加熱するためのサセプタ加熱用ヒーターとを備え、前記フローチャンネル内のサセプタ上に載置した基板面に対して平行に原料ガスを流して半導体膜の気相成長を行う横型気相成長装置において、前記フローチャンネルの底板の一部を付着物除去用ヒーターにて形成するとともに、該付着物除去用ヒーターの上面を前記底板の上面と面一に設けたことを特徴とする横型気相成長装置。
【請求項２】
前記付着物除去用ヒーターの下部に、該付着物除去用ヒーターを冷却するための冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の横型気相成長装置。
【請求項３】
前記付着物除去用ヒーターは、前記基板より上流側に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の横型気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横型気相成長装置に関し、詳しくは、サセプタ上に載置されて所定温度に加熱された基板面に対して平行に気相成長ガス（原料ガス）を流し、基板面に半導体薄膜、特に二成分以上の化合物半導体膜を成長させる横型気相成長装置に適した構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０及び図１１は、従来の一般的な横型の気相成長装置におけるサセプタ及びフローチャンネル部分を示すもので、図１０は縦断面図、図１１は横断面図である。この気相成長装置は、原料ガスをガイドする石英ガラス製のフローチャンネル１０と、基板１１を載置するサセプタ１２と、該サセプタ１２を介して基板１１を加熱するためのヒーター１３と、該ヒーター１３の周囲を覆うリフレクター１４とを有している。
【０００３】
気相成長操作は、ヒーター１３によって基板１１を所定温度に加熱するとともに、サセプタ１２を所定の回転速度で回転させながら、フローチャンネル１０の原料ガス入口１０ａから所定の原料ガスを基板面に対して平行に流すことにより行われる。なお、フローチャンネル１０は、基板１１の交換を行うため、基板部分の可動部１０ｂと、原料ガス入口１０ａ側及び排気側（図示せず）の固定部１０ｃとに三分割されている。
【０００４】
このような横型の気相成長装置を使用して気相成長操作を行うと、基板１１の加熱に伴い、本来の加熱部以外のフローチャンネル１０も、基板１１やサセプタ１２からの輻射、ガス伝熱、固体伝熱により加熱されてしまう。この加熱によってフローチャンネル１０の温度が原料ガスの分解温度（反応温度）以上に上昇すると、フローチャンネル１０内を流れる原料ガスが基板面以外の部分で分解し、分解生成物が汚れ１５となってフローチャンネル１０の内壁に付着する。この汚れ１５は、基板１１やサセプタ１２からの輻射やガス伝熱の影響を強く受けるフローチャンネル１０の天井部以外に、フローチャンネル１０の側壁や底板の部分にも付着する。
【０００５】
横型の気相成長装置では、特に天井部に付着した汚れ１５や、基板１１よりも上流側の底板部に付着した汚れ１５がパーティクルの発生源になり、薄膜の歩留まりを低下させる要因となっている。また、例えばＧａＡｓ等の気相成長操作を行う場合、ヒ素の蒸気圧が比較的高いために、フローチャンネル１０が５００℃以上になると、付着物（汚れ１５）内のヒ素が蒸発して気相成長に悪影響を与える可能性がある。
【０００６】
また、ＧａＮやＩｎＧａＮのような窒化物半導体の気相成長では、サファイアを基板として用いるのが一般的であるが、基板の研磨時に発生した歪みや基板に付着した汚れを取除く目的で、成長操作の前に、１０００〜１２００℃の水素雰囲気中で５〜１０分程度の熱処理を行うようにしている。ＧａＮは、前記ＧａＡｓに比べて熱的に安定な化合物ではあるが、１０００℃程度の高温になると、フローチャンネル１０に汚れ１５として付着したＧａＮのＧａとＮとの結合が切れ、まず窒素抜けが起こり、次いでＧａが蒸発するので、蒸発したＧａが基板に付着すると、膜質劣化の原因となる。
【０００７】
このように、フローチャンネル１０に付着した汚れ１５が温度上昇によって再蒸発すると、薄膜の成長再現性が損なわれることになり、品質にばらつきを生じたり、歩留まりが低下したりしてしまうことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなフローチャンネルに付着した汚れに起因する成長再現性の低下等の問題を解決するためには、フローチャンネルへの汚れの付着を防止することが考えられるが、横型の気相成長装置では原理的に不可能である。そこで、フローチャンネルに付着した汚れが再蒸発することを抑制するため、フローチャンネルを強制的に冷却することも考えられるが、装置の構造が複雑になったり、基板の温度分布に悪影響を及ぼしたりするおそれがある。
【０００９】
そこで本発明は、フローチャンネルに付着した汚れに起因する成長再現性の低下を抑制することができる横型気相成長装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の横型気相成長装置は、原料ガスをガイドするフローチャンネルと、基板を載置するサセプタと、該サセプタを介して前記基板を加熱するためのサセプタ加熱用ヒーターとを備え、前記フローチャンネル内のサセプタ上に載置した基板面に対して平行に原料ガスを流して半導体膜の気相成長を行う横型気相成長装置において、前記フローチャンネルの底板の一部を付着物除去用ヒーターにて形成するとともに、該付着物除去用ヒーターの上面を前記底板の上面と面一に設けたことを特徴とし、さらに、前記付着物除去用ヒーターの下部に、該付着物除去用ヒーターを冷却するための冷却手段を設けたこと、前記付着物除去用ヒーターは、前記基板より上流側に配設されていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は要部の縦断面図、図２は要部の横断面図である。なお、以下の説明において、前記従来例装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１３】
本形態例は、基板１１より上流側のフローチャンネル１０の底板の一部を、電流によって所定温度に加熱可能な加熱手段である付着物除去用ヒーター２１に置き換えたものである。この付着物除去用ヒーター２１は、フローチャンネル１０の底板の一部を構成するように形成されており、ガス流を乱さないように、付着物除去用ヒーター２１の上面は、フローチャンネル１０の底板上面と面一になっている。
【００１４】
通常の気相成長操作を行っている間は、付着物除去用ヒーター２１への電流の供給は遮断するようにしているが、前述のような基板等からの輻射や伝導によって付着物除去用ヒーター２１も加熱され、ヒーター上面の温度が上昇するため、付着物除去用ヒーター２１の上面にも、フローチャンネル１０の内壁と同様に汚れ１５が付着する。
【００１５】
このように、気相成長操作の終了後には、付着物除去用ヒーター２１の上面にも、汚れ１５がある程度付着した状態になっているが、薄膜を形成した基板１１をフローチャンネル１０内から取出した後、フローチャンネル１０内に適当なガス、例えば、窒素や水素のように汚れの原因とはならないなガス、あるいは、汚れに対してエッチング作用を有するガスを流しながら、サセプタ加熱用のヒーター１３及び付着物除去用ヒーター２１に通電し、サセプタ１２の表面及び付着物除去用ヒーター２１の上面をそれぞれ所定温度に加熱することにより、付着物除去用ヒーター２１の上面やその周辺に汚れ１５として付着した原料ガスの分解生成物等を再蒸発させてフローチャンネル１０内から除去することができる。
【００１６】
したがって、次の気相成長操作は、付着物除去用ヒーター２１の加熱昇温によって汚れ１５を除去してから開始することになり、基板上流側に汚れ１５がほとんど付着していない状態で行うことができるので、基板１１の加熱昇温による輻射や伝熱でフローチャンネル１０及び付着物除去用ヒーター２１が加熱されたとしても、前回の気相成長操作で付着した汚れ１５に起因する基板１１の汚染が生じることがなくなり、汚れに起因する欠陥が成長膜に発生することを抑制することができる。
【００１７】
また、気相成長前の基板１１の熱処理の際に、フローチャンネル等に付着した汚れに対してエッチング作用を有する適当なガス、例えば、汚れがＧａＮの場合は水素単独のガスあるいは窒素中に水素を添加したガスを流しながら、サセプタ加熱用のヒーター１３及び付着物除去用ヒーター２１に通電し、サセプタ１２の表面及び付着物除去用ヒーター２１の上面をそれぞれ気相成長温度より高温の所定温度に所定時間加熱することにより、基板１１の熱処理と付着物（汚れ）の除去処理とを同時に行うことができる。
【００１８】
上記処理後は、付着物除去用ヒーター２１を気相成長に悪影響を及ぼさない温度まで下げてから通常の気相成長操作を行えばよい。このように、通常の気相成長操作温度より高い温度で行われる基板１１の熱処理と同時に、付着物除去用ヒーター２１による付着物（汚れ）除去処理を行うことにより、低温域では基板１１に再付着してしまう汚れを、高温域で処理することによって基板面や基板周辺から確実に排除することができるので、汚れに起因する欠陥の少ない良質な膜の成長を再現性よく、かつ、高いスループットで行うことが可能となる。
【００１９】
なお、付着物除去用ヒーター２１としては、各種のものを使用可能であるが、耐熱性や耐食性等の面から、ＳｉＣでコーティングしたカーボンヒーター、バルクＳｉＣヒーター、絶縁性ＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）でコーティングしたカーボンヒーターを使用することが好ましい。
【００２０】
図３は、本発明の第２形態例を示す要部の横断面図である。本形態例は、付着物除去用ヒーター２２を短冊状とし、フローチャンネル１０の底板を基板直前で横切るようにして設置したものである。このような単純形状の付着物除去用ヒーター２２を設置することによっても、前記形態例と略同様に、フローチャンネル１０の底板部分における基板上流側中心付近の汚れを十分に除去することができ、周辺の汚れもある程度除去することができるので、汚れに起因する成長再現性の低下を抑制することができる。また、図に示すように、付着物除去用ヒーター２２の両端をフローチャンネル１０の底板から突出させておくことにより、電極の取付けやヒーターの支持を容易に行うことが可能となる。
【００２１】
図４は、本発明の第３形態例を示す要部の縦断面図である。本形態例は、前記第１形態例の付着物除去用ヒーター２１（あるいは第２形態例の付着物除去用ヒーター２２）に加えて、基板１１に対向するフローチャンネル１０の天井部を外部から加熱する第２の付着物除去用ヒーター２３を設けたものである。このように、フローチャンネル１０の天井部にも付着物除去用ヒーター２３を設け、気相成長開始前に両ヒーター２１，２３に通電して加熱昇温することにより、気相成長に悪影響を与えるような汚れ１５を基板周辺部から効果的に除去することができる。
【００２２】
図５は、本発明の第４形態例を示す要部の縦断面図である。本形態例は、前記第１形態例の付着物除去用ヒーター２１（あるいは第２形態例の付着物除去用ヒーター２２）の下部に、付着物除去用ヒーターを冷却するための冷却手段となる水冷ブロック３１を設けたものである。前記付着物除去用ヒーター２１は、一般に、輻射に対して灰色体であり、フローチャンネル１０の形成材料である石英ガラスに比較して基板１１やサセプタ１２からの加熱の影響を受け易く、熱吸収割合が大きいため、ヒーター上面の温度が石英ガラス部分に比べて上昇してしまうので、成長条件によっては、ヒーター部分で原料ガスの分解が発生し易くなり、ヒーター上面への汚れ１５の付着量が従来の石英ガラス面よりも多くなってしまうことがある。
【００２３】
したがって、付着物除去用ヒーター２１の近傍に水冷ブロック３１を設置し、気相成長操作を行っている際に水冷ブロック３１内に冷却水を流通させて付着物除去用ヒーター２１を冷却することにより、ヒーター上面部分の温度を下げて原料ガスの分解を抑制することができ、ヒーター部分やその周辺への汚れ１５の付着量を低減することができる。
【００２４】
また、付着物除去用ヒーター２１と水冷ブロック３１とを適当な位置に設置し、水冷ブロック３１への冷却水の供給量と、付着物除去用ヒーター２１の輻射や伝熱による被加熱量及び通電量とを適当に設定することにより、すなわち、付着物除去用ヒーター２１の温度上昇と水冷ブロック３１の冷却能力とを適当に調節することにより、ヒーター上面の温度、即ち基板上流部の温度を最適化することが可能となり、原料ガスの流れ方向の温度をある程度制御することができるので、原料ガスの分解による汚れの付着を抑制しながら、気相成長膜における膜厚分布の改善を図ることも可能となる。
【００２５】
図６は、本発明の第５形態例を示す要部の縦断面図である。本形態例は、前記第３形態例における付着物除去用ヒーター２１（あるいは第２形態例の付着物除去用ヒーター２２）の下部に、前記第４形態例と同様の水冷ブロック３１を設置するとともに、フローチャンネル１０の天井部に設けた付着物除去用ヒーター２３の上部にも、該付着物除去用ヒーター２３を冷却するための水冷ブロック３２を設置したものである。本形態例においても、ヒーターの温度上昇による汚れ１５の付着を防止できるとともに、基板１１の周辺の温度の最適化を図ることも可能となる。
【００２６】
図７は、本発明の第６形態例を示す要部の横断面図である。本形態例は、フローチャンネル１０の底板より幅狭に形成した短冊状の付着物除去用ヒーター２４を、基板上流側のフローチャンネル底板部分に設置するとともに、その下部に水冷ブロック３１を設置したものである。このような幅狭の付着物除去用ヒーター２４を使用すると、フローチャンネル１０の側壁部分の汚れを十分に除去できなくなることがあるが、この部分の汚れは、基板１１の汚染にほとんど影響しないため、成長再現性の低下を抑制する効果は十分に期待することができる。
【００２７】
図８は、本発明の第７形態例を示す要部の横断面図である。本形態例は、フローチャンネル１０の可動部１０ｂの底板全体を付着物除去用ヒーター２５で形成したものである。本形態例において、基板１１より下流側のヒーター部分は、本来は不要な部分であるが、このように形成することにより、構造の簡略化や製作性の向上等を図ることができる。
【００２８】
図９は、本発明の第８形態例を示す要部の横断面図である。本形態例は、前記第７形態例と同様に、フローチャンネル１０の可動部１０ｂの底板に、底板より僅かに小さな付着物除去用ヒーター２６を設けるとともに、その下部に底板よりも僅かに大きな水冷ブロック３３を設けたものである。
【００２９】
以上の各形態例に示すように、少なくとも基板上流側の適宜な位置に付着物除去用ヒーターを設けることにより、気相成長操作の前に汚れを除去しておくことができるので、汚れに起因する悪影響を解消し、成長再現性の向上や、膜質の安定化を図ることができる。さらに、付着物除去用ヒーターと共に水冷ブロックを配設することにより、ヒーター設置部分の温度の最適化が図れるので、気相成長操作中の汚れの付着量を低減できるとともに、膜厚分布の改善を図ることが可能となり、より高品質の半導体薄膜を安定して製造することができる。
【００３０】
なお、加熱手段である付着物除去用ヒーター及び冷却手段である水冷ブロックの形状や設置位置は、気相成長装置の構成やフローチャンネルの形状、形成する半導体膜の種類及び成長条件に応じて適宜に選択することが可能である。
【００３１】
【実施例】
実施例１及び比較例１
第１形態例に示す構造のヒーター付きフローチャンネルを用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の成長実験を行い、成長した膜の表面モホロジーをノマルスキー顕微鏡で調べて評価を行った。ＧａＮ膜の気相成長操作は、１１５０℃の水素雰囲気中で１０分間の基板の熱処理を行った後、５００℃に降温して低温バッファ層（２５ｎｍ）の成長を行い、１０５０℃に昇温してＧａＮを成長させるというプロセスで行った。低温バッファ層の成長条件は、温度５００℃、アンモニア流量５Ｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム流量４４μｍｏｌ／ｍｉｎ、水素流量５Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量５Ｌ／ｍｉｎとした。また、ＧａＮの成長条件は、温度１０５０℃、アンモニア流量８Ｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム流量８８μｍｏｌ／ｍｉｎ、水素流量１２Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量１４Ｌ／ｍｉｎとした。付着物除去用ヒーターによる付着物（汚れ）除去処理は、基板の熱処理を行っている際に、ヒーターを１２００℃に７分間加熱することにより行った。
【００３２】
３０回連続処理を行ったときのＧａＮ膜の評価結果を表１に示す。また、従来のフローチャンネルを使用して同条件でＧａＮ膜を３０回成長を行ったときの各膜の評価結果を比較例１として表１に示す。なお、表１における評価は、微分干渉顕微鏡を使用してファセット数を測定した結果であり、Ａは良好（ファセット密度２個／ｃｍ２未満）、Ｂは少し悪い（ファセット密度２個／ｃｍ２以上２０個ｃｍ２未満）、Ｃは悪い（ファセット密度２０個／ｃｍ２以上２００個ｃｍ２未満）、Ｄは非常に悪い（ファセット密度２００個／ｃｍ２以上）である。
【００３３】
【表１】
0004364378.tif 000002
【００３４】
実施例２
第４形態例に示す構造のヒーター及び水冷ブロック付きフローチャンネルを用いてＧａＮ膜の成長実験を実施例１と同じ条件で行った。なお、水冷ブロックには、常温の冷却水を５Ｌ／ｍｉｎで常時流しておいた。連続３０回成長を行ったときの各膜の評価を実施例１と同様に行った。その結果、Ａの良好が２７枚、Ｂの少し悪いが３枚であった。
【００３５】
実施例３
第２形態例に示す構造のヒーター付きフローチャンネルを用いてＧａＮ膜の成長実験を行い、成長した膜の表面モホロジーにより評価した。付着物除去処理は、成長操作終了後に基板を取出してから、サセプタ上にＳｉＣダミー基板を装着して窒素及び水素をそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎずつ流しながら、サセプタを１１５０℃、付着物除去用ヒーターを１２００℃に加熱して１０分間行った。
【００３６】
熱処理後の気相成長操作は、付着物除去用ヒーターへの通電を行わない状態で、実施例１と同じ条件で行った。３０回連続処理を行ったときのＧａＮ膜の評価を実施例１と同様に行った結果、全ての膜についてＡの評価が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相成長装置によれば、気相成長時にフローチャンネルに付着する汚れを、次の気相成長操作の開始前に除去しておくことができるので、フローチャンネルに付着した汚れに起因する成長再現性の低下を抑制することができ、高品質の半導体薄膜を安定して得ることができる。特に、基板の熱処理と同時に汚れを除去することにより、高品質膜の成長再現性の向上を高いスループットで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の気相成長装置の第１形態例を示す要部の縦断面図である。
【図２】  同じく横断面図である。
【図３】  本発明の第２形態例を示す要部の横断面図である。
【図４】  本発明の第３形態例を示す要部の縦断面図である。
【図５】  本発明の第４形態例を示す要部の縦断面図である。
【図６】  本発明の第５形態例を示す要部の縦断面図である。
【図７】  本発明の第６形態例を示す要部の横断面図である。
【図８】  本発明の第７形態例を示す要部の横断面図である。
【図９】  本発明の第８形態例を示す要部の横断面図である。
【図１０】  従来の一般的な横型の気相成長装置の要部の縦断面図である。
【図１１】  同じく横断面図である。
【符号の説明】
１０…フローチャンネル、１１…基板、１２…サセプタ、１５…汚れ、２１，２２，２３，２４，２５，２６…付着物除去用ヒーター、３１，３２，３３…水冷ブロック
【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】
0004364378.tif 000009
【図８】
0004364378.tif 000010
【図９】
0004364378.tif 000011
【図１０】
0004364378.tif 000012
【図１１】
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