(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
前記反応容器内に配置されているウェハホルダと、
第１原料ガスを前記反応容器内に供給する第１原料ガス供給管と、
前記第１原料ガスと反応する第２原料ガスを前記反応容器内に供給する第２原料ガス供給管と、
供給経路上に固体部が配置されている特定ガス供給管と、
前記固体部を所定温度以上に加熱する第１加熱部と、
を備え、
前記固体部は、母体領域と、前記母体領域内に連続的に配置されている第１領域と、を備えており、
前記母体領域は前記所定温度で分解しない領域であり、
前記第１領域は前記所定温度で分解するとともにＭｇを含んだ領域である、化合物半導体の気相成長装置。
【請求項２】
前記第１領域はＭｇ以外の２族金属をさらに含む、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第１領域は酸化アルミニウム、酸化ホウ素、酸化シリコン、酸化イットリウム、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、の少なくとも一つをさらに含む、請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記特定ガス供給管は、前記第１原料ガス供給管または前記第２原料ガス供給管の少なくとも一方と共用されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記固体部は、前記第１原料ガスを前記ウェハホルダ近傍へ供給する第１ガス供給口の近傍、または、前記第２原料ガスを前記ウェハホルダ近傍へ供給する第２ガス供給口の近傍の少なくとも一方に配置されている、請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
複数の前記第１ガス供給口および複数の前記第２ガス供給口が配置されているシャワーヘッドをさらに備え、
前記シャワーヘッドの少なくとも一部が前記固体部で形成されている、請求項５に記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記固体部は、前記第１原料ガス供給管の経路上、または、前記第２原料ガス供給管の経路上の少なくとも一方に配置されている、請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記固体部はセラミックの焼結体または高融点金属であり、
前記母体領域は無機化合物であり、
前記第１領域は、前記無機化合物を焼結前に成形するために前記無機化合物に混合されるバインダを焼成することで得られた物質である、請求項１〜７の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項９】
前記第１原料ガスはＧａを含むガスであり、
前記第２原料ガスはＮＨ３を含むガスである、請求項１〜８の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１０】
前記第１原料ガス供給管、または、前記第２原料ガス供給管の少なくとも一方に、キャリアガスとしてＮ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒの不活性ガスや、Ｈ２のガスが供給される、請求項１〜９の何れか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年１２月２６日に出願された日本国特許出願第２０１８−２４３４３４号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。本明細書では、化合物半導体の気相成長装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＶＰＥ（Halide Vapor Phase Epitaxy）法や、Ｇａ蒸気を原料とする気相成長法など、有機金属を使用しない化合物半導体の気相成長法が知られている。これらの気相成長法では、成長させた結晶に炭素が混入することがない。なお、関連する技術が特開２００２−３１６８９２号公報に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＨＶＰＥ法などの有機金属を使用しない気相成長法では、ｐ型アクセプタとして最も有用であるＭｇのドーピングを行うことが困難である。Ｃｐ２Ｍｇなどの有機金属を用いる場合は反応前に分解してしまい、金属Ｍｇを用いてドーピングする場合には、Ｍｇが過剰に蒸発してしまうなど、供給量を一定に制御することが困難なためである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書では、気相成長装置を開示する。この気相成長装置は、反応容器を備える。気相成長装置は、反応容器内に配置されているウェハホルダを備える。気相成長装置は、第１原料ガスを反応容器内に供給する第１原料ガス供給管を備える。気相成長装置は、第１原料ガスと反応する第２原料ガスを反応容器内に供給する第２原料ガス供給管を備える。気相成長装置は、供給経路上に固体部が配置されている特定ガス供給管を備える。気相成長装置は、固体部を所定温度以上に加熱する第１加熱部を備える。固体部は、母体領域と、母体領域内に連続的に配置されている第１領域と、を備えている。母体領域は所定温度で分解しない領域である。第１領域は所定温度で分解するとともにＭｇを含んだ領域である。【０００５】
本明細書の気相成長装置では、固体部が第１加熱部によって所定温度以上に加熱される。固体部内の第１領域が分解し、Ｍｇを含んだ気体が反応容器内に供給される。また、第１領域は母体領域内に連続的に配置されている。したがって、第１領域が分解したあとには連続空隙が形成される。この連続空隙を供給経路として、固体部のさらに内部の第１領域からＭｇを供給することができる。これにより、固体部から一定のＭｇを供給することができる。Ｍｇ金属を用いる場合に比して、Ｍｇの供給量を一定に制御することが可能となる。【０００６】
第１領域はＭｇ以外の２族金属をさらに含んでいてもよい。【０００７】
第１領域は酸化アルミニウム、酸化ホウ素、酸化シリコン、酸化イットリウム、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、の少なくとも一つをさらに含んでいてもよい。【０００８】
特定ガス供給管は、第１原料ガス供給管または第２原料ガス供給管の少なくとも一方と共用されていてもよい。【０００９】
固体部は、第１原料ガスをウェハホルダ近傍へ供給する第１ガス供給口の近傍、または、第２原料ガスをウェハホルダ近傍へ供給する第２ガス供給口の近傍の少なくとも一方に配置されていてもよい。【００１０】
複数の第１ガス供給口および複数の第２ガス供給口が配置されているシャワーヘッドをさらに備えていてもよい。シャワーヘッドの少なくとも一部が固体部で形成されていてもよい。【００１１】
固体部は、第１原料ガス供給管の経路上、または、第２原料ガス供給管の経路上の少なくとも一方に配置されていてもよい。【００１２】
固体部はセラミックの焼結体または高融点金属であってもよい。母体領域は無機化合物であってもよい。第１領域は、無機化合物を焼結前に成形するために無機化合物に混合されるバインダを焼成することで得られた物質であってもよい。【００１３】
第１原料ガスはＧａを含むガスであってもよい。第２原料ガスはＮＨ３を含むガスであってもよい。【００１４】
第１原料ガス供給管、または、第２原料ガス供給管の少なくとも一方に、キャリアガスとしてＮ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒなどの不活性ガスや、Ｈ２などのガスが供給されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図２】II−II線における断面図を鉛直上方から見た図である。
【図３】使用前のシャワーヘッドの表面付近の断面の部分拡大ＳＴＥＭ写真である。
【図４】シャワーヘッドの表面付近の断面の部分拡大ＳＴＥＭ写真の一部を図面化した図である。
【図５】ＭｇのＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図６】ＣａのＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図７】ＧａＮ結晶に含まれるＭｇ量のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【図８】使用前のシャワーヘッドの表面近傍での断面概略図である。
【図９】使用後のシャワーヘッドの表面近傍での断面概略図である。
【図１０】使用後のシャワーヘッドの表面の部分拡大ＳＴＥＭ写真である。
【図１１】図１０の部分拡大ＳＴＥＭ写真である。
【図１２】ＭｇのＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図１３】ＣａのＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図１４】実施例２に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図１５】実施例３に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図１６】実施例４に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図１７】実施例５に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図１８】ＧａＮ結晶に含まれるＭｇ量のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１６】
＜気相成長装置の構成＞
図１に、本明細書の技術に係る気相成長装置１を側面から見た概略断面図を示す。気相成長装置１は、ＨＶＰＥ（Halide Vapor Phase Epitaxy）法を実施するための装置構成の一例である。気相成長装置１は、反応容器１０を備えている。反応容器１０は、円筒形状をしている。反応容器１０は、石英で構成されていてもよい。反応容器１０の内部には、原料ガス供給部２０およびウェハホルダ１１が配置されている。【００１７】
原料ガス供給部２０の構造を説明する。原料ガス供給部２０は、円筒形状の部材である。原料ガス供給部２０は、円筒形のカバー２４を備えている。カバー２４の上端部には、円盤状のシャワーヘッド５０が配置されている。原料ガス供給部２０の下部には、ＨＣｌガス供給管２５の入口および第２原料ガス供給管２２の入口が配置されている。ＨＣｌガス供給管２５の入口には、第１バルブ６１が配置されている。第１バルブ６１は、ＨＣｌを含むガスの供給を制御する。ＨＣｌガス供給管２５の出口は、第１原料ガス生成部４１に接続されている。第１原料ガス生成部４１は、内部に金属ガリウムを格納している。第１原料ガス生成部４１は、ＧａＣｌを含んだ第１原料ガスＧ１を生成する部位である。第１原料ガス供給管２１は、第１原料ガスＧ１を供給する管である。第１原料ガス供給管２１の入口は、第１原料ガス生成部４１に接続されている。第１原料ガス供給管２１の出口は、シャワーヘッド５０に接続されている。第２原料ガス供給管２２の入口には、第２バルブ６２が配置されている。第２バルブ６２は、第２原料ガスＧ２を含むガスの供給を制御する。第２原料ガスＧ２は、ＮＨ３を含むガスである。第２原料ガス供給管２２の出口は、シャワーヘッド５０に接続されている。なお、第１原料ガス供給管２１および第２原料ガス供給管２２には、キャリアガスとしてＮ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒなどの不活性ガスや、Ｈ２などのガスを用いてもよい。【００１８】
第１原料ガス供給管２１および第２原料ガス供給管２２は、鉛直方向（すなわち図１のｚ軸方向）へ伸びるように配置されている。第１原料ガス供給管２１および第２原料ガス供給管２２の経路上には、隔壁４２が配置されている。隔壁４２は、カバー２４内を水平方向に伸びる石英板である。カバー２４内の空間は、隔壁４２によって上下に隔離されている。隔壁４２は断熱材として機能する。【００１９】
シャワーヘッド５０は、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２をウェハ１３の表面近傍へ排出するための部位である。シャワーヘッド５０から排出された第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２は、反応容器１０内を矢印Ｙ１方向に鉛直上方に流れる。シャワーヘッド５０の構造を、図２を用いて説明する。図２は、図１のII−II線における断面図を鉛直上方から見た図である。シャワーヘッド５０の表面には、第１原料ガスＧ１を排出する複数の第１ガス供給口５１と、第２原料ガスＧ２を排出する複数の第２ガス供給口５２が配置されている。多数のガス供給口から第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２を排出することで、ウェハ１３表面へのガス供給量をウェハ面内で均一化することができる。【００２０】
原料ガス供給部２０の周囲には、反応容器１０内のガスを排気するガス排気管２３が構成されている。図２を用いて説明する。円筒形の反応容器１０の内側に、さらに円筒形の原料ガス供給部２０が配置されている。これにより、反応容器１０の内壁と、原料ガス供給部２０のカバー２４の外壁との間に、環状の隙間が形成されている。この環状の隙間が、ガス排気管２３として機能する。よって図１の矢印Ｙ２に示すように、ウェハ１３の表面でＧａＮ結晶成長に使用された第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２を、シャワーヘッド５０の側面方向かつウェハ１３の下方向に排気させることができる。反応容器１０の下端には、ガス排気管２３の出口２３ｂが配置されている。ガス排気管２３の入口２３ａから吸入されたガスは、出口２３ｂからベントラインへ排出される。【００２１】
ウェハホルダ１１は、反応容器１０内に配置されている。ウェハホルダ１１は、下面にウェハ保持部１２を備えている。ウェハ保持部１２は、ウェハ１３表面が略鉛直下向きになるようにウェハ１３を保持する。なお「略鉛直下向き」は、ウェハの法線が鉛直下方向に一致する態様に限定されない。ウェハの法線が鉛直下方向に対して４５度までの傾きを含む概念である。【００２２】
ウェハホルダ１１の上部には、回転軸１４の下端が接続している。回転軸１４の上端部は、反応容器１０の外部に突出している。回転軸１４の上端部は、駆動機構１５に接続している。これによりウェハホルダ１１は、回転させること、および、反応容器１０内で上下に移動させることが可能である。【００２３】
反応容器１０の上部には、特定ガス供給管１６が備えられている。特定ガス供給管１６の入口には特定ガスＧ３が供給される。特定ガスＧ３は、図１の矢印Ｙ３に示すように、ウェハホルダ１１の上方から鉛直下方へ流れ、ガス排気管２３の入口２３ａに吸入される。これにより、特定ガスＧ３によってダウンフローを生成することができる。特定ガスＧ３は、酸素を含まないガスであって、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２と反応しないガスである。具体例としては、特定ガスＧ３は、水素、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンの少なくとも一つを含むガスである。【００２４】
反応容器１０の外側には、上部ヒータ３１および下部ヒータ３２が配置されている。上部ヒータ３１が配置されている領域Ｈ１と下部ヒータ３２が配置されている領域Ｈ２の境界近傍には、隔壁４２が配置されている。上部ヒータ３１は、ウェハホルダ１１およびシャワーヘッド５０の周囲を取り囲むように配置されている。ウェハホルダ１１の近傍領域は、ＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）を維持する必要がある領域である。下部ヒータ３２は、第１原料ガス生成部４１を取り囲むように配置されている。第１原料ガス生成部４１は、ＧａＣｌの安定的な発生に必要な温度（７５０℃）以上に維持する必要がある領域である。【００２５】
＜シャワーヘッド５０の構造＞
シャワーヘッド５０は、ＢＮ（窒化ホウ素）とＳｉ３Ｎ４（窒化シリコン）の複合セラミックの焼結体である。シャワーヘッド５０は、ＢＮとＳｉ３Ｎ４の粉体を１：１で混合し、バインダを添加して混練して成型した上で２０００℃で焼成することで得られる。バインダは、粉体を成形するための固化材である。本実施形態のバインダは、ＭｇＯおよびＣａＯを含んでいる。シャワーヘッド５０自体をセラミック焼結体で形成することにより、第１原料ガスＧ１をウェハホルダ１１近傍へ供給する第１ガス供給口５１の近傍、および、第２原料ガスＧ２をウェハホルダ１１近傍へ供給する第２ガス供給口５２の近傍に、セラミック焼結体を配置することができる。【００２６】
図３に、使用前のシャワーヘッド５０の表面付近の断面の部分拡大ＳＴＥＭ写真を示す。図４に、分かりやすさのために、図３の写真の一部を図面化した図を示す。図３と図４は、同一箇所を観察した図である。図３および図４において、薄いグレー色の領域が、窒化シリコン領域ＲＳである。図３および図４において、白色の領域が、窒化ホウ素領域ＲＢである。この窒化シリコン領域ＲＳおよび窒化ホウ素領域ＲＢで形成された領域が、「母体領域」である。母体領域は、ＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）で分解しない領域である。【００２７】
図３の濃いグレー色の領域、および、図４でハッチングで示している領域が、第１領域Ｒ１である。第１領域Ｒ１は、母体領域に練りこまれたバインダを焼成することで形成された領域である。第１領域Ｒ１は、ＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）で分解する領域である。前述したように、シャワーヘッド５０は、ＢＮ粉体、Ｓｉ３Ｎ４粉体、およびバインダを混練して成形したものである。従って第１領域Ｒ１は、図３および図４に示すように、母体領域である窒化シリコン領域ＲＳおよび窒化ホウ素領域ＲＢ内に、練りこまれたように不均一かつ連続的に配置されている。【００２８】
本実施形態のバインダは、前述したように、ＭｇＯおよびＣａＯを含んでいる。そのためシャワーヘッド５０は、Ｍｇを１．５（重量％）、Ｃａを１．０（重量％）含んでいる。またＭｇおよびＣａは、第１領域Ｒ１に主に存在している。【００２９】
ＭｇおよびＣａが第１領域Ｒ１に存在していることを示す、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）による分析結果を説明する。図５にＭｇの分析結果を示す。図６にＣａの結果を示す。図５および図６は、図３および図４と同一箇所の測定結果である。図５では、Ｍｇ濃度が高い領域ほど明るくなるように画像処理している。図４および図５を対比すると、第１領域Ｒ１にＭｇが含まれていることが分かる。同様に、図６では、Ｃａ濃度が高い領域ほど明るくなるように画像処理している。図４および図６を対比すると、第１領域Ｒ１にＣａが含まれていることが分かる。【００３０】
＜気相成長方法＞
気相成長装置１を用いたＨＶＰＥ法によって、ウェハ１３上にＧａＮ結晶の気相成長を行う方法について説明する。気層成長条件の一例を列挙する。第１原料ガスＧ１中のＧａＣｌと第２原料ガスＧ２中のＮＨ３の供給量は、モル比を１：２０とした。反応容器１０内の圧力は１０００ｈＰａとした。【００３１】
上部ヒータ３１をオンすることで、ウェハホルダ１１およびシャワーヘッド５０が１０５０±５０℃に加熱される。下部ヒータ３２をオンすることで、第１原料ガス生成部４１が７５０℃に加熱される。第１バルブ６１および第２バルブ６２を開くことで、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２の供給が開始される。【００３２】
シャワーヘッド５０が加熱されることで、シャワーヘッド５０の表面の第１領域や、第１ガス供給口５１および第２ガス供給口５２の内壁の第１領域が分解する。これにより、Ｍｇを含んだ気体が反応容器１０内に供給される。供給されたＭｇは、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２と混合してウェハホルダ１１へ供給される。これにより、シャワーヘッド５０から一定のＭｇを供給することができる。ＭｇがドーピングされたＧａＮ結晶を、ウェハ１３上に成長させることが可能となる。【００３３】
また、第２原料ガスＧ２にはＮＨ３が含まれている。このＮＨ３によって、シャワーヘッド５０の第１領域に含まれているＭｇＯを還元することができる。よって、シャワーヘッド５０から効率よくＭｇを供給することができる。また、第１原料ガスＧ１にはＣｌが含まれている。このＣｌによって、シャワーヘッド５０の第１領域をエッチングすることができる。よって、シャワーヘッド５０から効率よくＭｇを供給することができる。【００３４】
シャワーヘッド５０から供給するＭｇの供給量は、様々なパラメータによって制御することができる。例えば、Ｍｇ供給量を多くする場合には、シャワーヘッド５０の加熱温度を上昇させたり、シャワーヘッド５０に含まれている第１領域の密度を高めたり、シャワーヘッド５０とウェハホルダ１１との距離を短くすればよい。【００３５】
＜効果＞
図７は、本実施形態の気相成長装置１を用いて成長させたＧａＮ結晶に含まれるＭｇ量を、ＳＩＭＳ測定した結果を示す。横軸は、気相成長装置１のラン回数である。縦軸は、ＧａＮ結晶中のＭｇ濃度である。図７から分かるように、気相成長装置１のラン回数によらず、成長したＧａＮ結晶に含まれるＭｇ量をほぼ一定量にすることができる。この理由を以下に説明する。【００３６】
図１０に、使用後のシャワーヘッド５０の表面付近の断面の部分拡大ＳＴＥＭ写真を示す。図１０は、図３のＳＴＥＭ写真とほぼ等倍の写真であるが、図３とは異なる部位を観察している。また図１１に、図１０の領域ＸＩを拡大した図を示す。図１０および図１１と図３との差は、シャワーヘッド５０の使用後であるか使用前であるかである。図１０および図１１に示すように、シャワーヘッド５０を使用することで、第１領域Ｒ１に空隙が形成されていることが分かる。【００３７】
図１２および図１３に、ＥＤＸによる分析結果を説明する。図１２および図１３は、図１０と同一箇所の測定結果である。図１２にＭｇの分析結果を示す。図１３にＣａの結果を示す。図１２および図１３では、Ｍｇ濃度およびＣａ濃度が高い領域ほど明るくなるように画像処理している。図１２および図１３は、図５および図６とほぼ等倍の写真である。図５および図６では、明るくなっている領域が不均一かつ連続的に観察されている。すなわちシャワーヘッド５０の使用前の状態では、第１領域Ｒ１にＭｇおよびＣａが含まれていることが分かる。一方、図１２および図１３では、明るくなっている領域がノイズレベルでしか確認できなかった。すなわちシャワーヘッド５０の使用後の状態では、使用によって第１領域Ｒ１の分解が進むことで、シャワーヘッド５０の表面にはＭｇやＣａがほとんど存在していないことが分かる。【００３８】
第１領域Ｒ１の分解が進むモデルを説明する。図８および図９に、シャワーヘッド５０の表面５０ａ近傍での断面概略図を示す。図８はシャワーヘッド５０の使用前の状態を示し、図９はシャワーヘッド５０の使用後の状態を示している。図８および図９において、表面５０ａの左側が内部側である。図８に示すように、第１領域Ｒ１は母体領域ＲＭ内に連続的に配置されている。図８の状態では、空隙がまだ形成されていない。よって図５および図６に示すように、表面５０ａにＭｇやＣａが存在している状態である。シャワーヘッド５０の使用時にはシャワーヘッド５０が加熱される。すると第１領域Ｒ１が露出している表面Ｒ１ａから分解し、ＭｇやＣａが供給される。積算ラン回数が増加し、第１領域Ｒ１の分解が進むにつれて、第１領域Ｒ１が表面Ｒ１ａから内部側へ後退していく。したがって図９に示すように、連続空隙ＯＣが形成される。図９の状態では、図１２および図１３に示すように、表面５０ａにはＭｇやＣａがほとんど存在していない状態である。しかし連続空隙ＯＣを供給経路として、シャワーヘッド５０のさらに内部の第１領域Ｒ１の表面Ｒ１ｂから、ＭｇやＣａを含んだ気体を供給することができる。これにより、シャワーヘッド５０から一定のＭｇを供給することができる。Ｍｇ金属を用いる場合に比して、Ｍｇの供給量を一定に制御することが可能となる。【００３９】
第１領域Ｒ１は、Ｍｇのみならず、Ｍｇ以外の２族金属であるＣａを含んでいる。効果を説明する。Ｃａを含むことで、第１領域Ｒ１は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｏを含んだ混晶となる。これにより、ＭｇＯ単体の場合に比して、第１領域Ｒ１を熱分解しにくくすることができる。すなわち、Ｍｇ以外の２族金属を第１領域Ｒ１に添加して熱分解速度を低下させることで、Ｍｇ供給量の経時変化の割合を小さくすることが可能となる。
【実施例２】
【００４０】
図１４に、実施例２に係る気相成長装置１ａを側面から見た概略断面図を示す。実施例２に係る気相成長装置１ａは、実施例１に係る気相成長装置１に対して、ＨＣｌガス供給管２５の経路上にＭｇ供給部８０をさらに備えている。実施例１の気相成長装置１と同一の構成要素には同一の符号を付与しているため、詳細な説明は省略する。【００４１】
Ｍｇ供給部８０は、内部に不図示のセラミック焼結体を格納している。このセラミック焼結体は、実施例１のシャワーヘッド５０と同一の素材であり、第１領域Ｒ１を含んでいる。第１原料ガス生成部４１を取り囲む領域Ｈ３には、ヒータ３３が配置されている。領域Ｈ３は、第１領域Ｒ１を分解してＭｇを発生させるために十分な温度を維持する必要がある領域である。【００４２】
ＧａＮ結晶の気相成長時には、ヒータ３３をオンすることで、Ｍｇ供給部８０内部のセラミック焼結体を加熱する。また、ＨＣｌガスをＭｇ供給部８０を介して第１原料ガス生成部４１へ供給する。Ｍｇ供給部８０内部の第１領域が熱分解することで、Ｍｇを含んだＨＣｌガスを第１原料ガス生成部４１へ供給することができる。これにより、Ｍｇ供給部８０から一定のＭｇを供給することができる。
【実施例３】
【００４３】
図１５に、実施例３に係る気相成長装置２０１を側面から見た概略断面図を示す。気相成長装置２０１は、ＨＶＰＥ法を実施するための装置構成の一例である。気相成長装置２０１は、反応容器２１０、サセプタ２１１、第１原料ガス供給管２２１、第２原料ガス供給管２２２、ガス排気管２７１、を備えている。サセプタ２１１は、反応容器２１０内に格納されている。サセプタ２１１のウェハ保持面には、ウェハ２１３が保持されている。【００４４】
反応容器２１０には、第１原料ガスＧ１を供給する第１原料ガス供給管２２１、および、第２原料ガスＧ２を供給する第２原料ガス供給管２２２が接続されている。第２原料ガス供給管２２２の内径Ｄ１は、第１原料ガス供給管２２１の外径Ｄ２よりも大きい。第２原料ガス供給管２２２の内部には、第１原料ガス供給管２２１が配置されている。第１原料ガス供給管２２１の外壁と第２原料ガス供給管２２２の内壁との間には隙間が形成されており、その隙間を第２原料ガスＧ２が流れる。第１原料ガス供給管２２１および第２原料ガス供給管２２２の端部領域Ｅ１は、ガス供給口として機能する。端部領域Ｅ１の近傍において、第１原料ガス供給管２２１がセラミック焼結体２２１ｃで形成されているとともに、第２原料ガス供給管２２２がセラミック焼結体２２２ｃで形成されている。セラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃは、実施例１のシャワーヘッド５０と同一の素材であり、第１領域Ｒ１を含んでいる。【００４５】
第１原料ガス供給管２２１の経路上には、第１原料ガス生成部２４１が配置されている。第１原料ガス生成部２４１の内部には、金属ガリウム２４３が格納されている。第１原料ガス供給管２２１の入口にはＨＣｌガスが供給され、ガス供給口からは第１原料ガスＧ１が排出される。第２原料ガス供給管２２２の入口には第２原料ガスＧ２が供給され、ガス供給口からは第２原料ガスＧ２が排出される。反応容器２１０には、ガス排気管２７１が接続されている。ＧａＮの気相成長に使用された原料ガスは、ガス排気管２７１を介してベントラインへ排出される。【００４６】
反応容器２１０の外周には、サセプタ２１１を取り囲むようにヒータ２３１が配置されている。ヒータ２３１は、ホットウォール方式によりウェハ２１３を加熱する装置である。これにより、ウェハ２１３をＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）に維持することができる。反応容器２１０の外側には、端部領域Ｅ１を取り囲むようにヒータ２３２が配置されている。これにより、端部領域Ｅ１に配置されているセラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃを、Ｍｇを発生させるために加熱することができる。第２原料ガス供給管２２２の外側には、第１原料ガス生成部２４１を取り囲むようにヒータ２３３が配置されている。これにより、ＧａＣｌを発生させるために、第１原料ガス生成部２４１を７５０℃以上に維持することができる。【００４７】
＜効果＞
実施例３の気相成長装置２０１では、ガス供給口（端部領域Ｅ１）の近傍に配置されているセラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃから、Ｍｇを供給することができる。ガス供給口はウェハ２１３の近傍に配置されているため、セラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃから発生したＭｇが反応容器２１０の内壁などと反応する前に、ウェハ２１３へ供給することができる。効率よくＭｇを供給することが可能となる。
【実施例４】
【００４８】
図１６に、実施例４に係る気相成長装置２０１ａを側面から見た概略断面図を示す。実施例４に係る気相成長装置２０１ａは、実施例３に係る気相成長装置２０１に対して、第１原料ガス供給管２２１の経路上にセラミック焼結体２８０およびヒータ２３４をさらに備えている。実施例３の気相成長装置２０１と同一の構成要素には同一の符号を付与しているため、詳細な説明は省略する。【００４９】
セラミック焼結体２８０は、実施例１のシャワーヘッド５０と同一の素材であり、第１領域Ｒ１を含んでいる。セラミック焼結体２８０を取り囲む領域には、ヒータ２３４が配置されている。ＧａＮ結晶の気相成長時には、ヒータ２３４をオンすることで、セラミック焼結体２８０を加熱する。また、第１原料ガス供給管２２１の入口にＨＣｌガスを供給する。セラミック焼結体２８０内部の第１領域が熱分解することで、Ｍｇを含んだＨＣｌガスを金属ガリウム２４３へ供給することができる。これにより、セラミック焼結体２８０から一定のＭｇを供給することができる。
【実施例５】
【００５０】
図１７に、実施例５に係る気相成長装置２０１ｂを側面から見た概略断面図を示す。実施例５に係る気相成長装置２０１ｂは、実施例４に係る気相成長装置２０１ａに対して、セラミック焼結体２８０からのＭｇの供給態様が異なっている。気相成長装置２０１ｂは、Ｍｇを含んだ第３原料ガスＧ３を反応容器２１０内に供給するための第３原料ガス供給管２２３をさらに備えている。第３原料ガス供給管２２３の入口には、キャリアガスとしてＮ２が供給される。第３原料ガス供給管２２３の経路上には、セラミック焼結体２８０が配置されている。本実施例では、セラミック焼結体２８０は、個片化されたＳＢＮ（ＢＮと窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の複合セラミックス）である。個片化により表面積を大きくすることで、ＳＢＮからのＭｇの供給量を増大させることができる。ＧａＮ結晶の気相成長時には、ヒータ２３４をオンすることで、セラミック焼結体２８０を加熱する。セラミック焼結体２８０内部の第１領域が熱分解することで、Ｍｇを含んだ第３原料ガスＧ３を反応容器２１０へ供給することができる。なお、実施例３および４の気相成長装置２０１および２０１ａと同一の構成要素には同一の符号を付与しているため、詳細な説明は省略する。【００５１】
＜気相成長方法＞
気層成長条件の一例を列挙する。支持基板となるウェハ１３は、サファイア基板の表面にＭＯＶＰＥ法によってＧａＮを３μｍ成長させたものを準備した。また、以下の成長条件を用いた。成長時間：１５［分］、ウェハ２１３の加熱温度：１０７０［℃］、金属ガリウム２４３の加熱温度：８５０［℃］、セラミック焼結体２８０の加熱温度：８５０［℃］、第１原料ガス供給管２２１のＨＣｌ流量：４０［ｓｃｃｍ］、第２原料ガス供給管２２２の第２原料ガスＧ２（アンモニア）の流量：４［ｓｌｍ］、第３原料ガス供給管２２３のＮ２流量：２５９６０［ｓｃｃｍ］。そして、ＭｇがドープされたＭｇドープＧａＮ層を、２５μｍ成長させた。【００５２】
＜ＳＩＭＳ分析結果＞
図１８に、上記条件で成長させたＭｇドープＧａＮ層の、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による測定結果を示す。縦軸は、Ｍｇの濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。横軸は、ＧａＮ結晶の表面からの深さ［μｍ］である。濃度プロファイルＰ１は、ＭｇドープＧａＮ層の測定結果である。濃度プロファイルＰ２は、Ｍｇがドープされていない比較例のＧａＮ層の測定結果である。比較例のアンド―プのＧａＮ層は、第３原料ガスＧ３を供給せずにＧａＮ結晶を成長させることで生成できる。ＭｇドープＧａＮ層（濃度プロファイルＰ１）のＭｇ濃度は、１×１０１８〜９×１０１８［Ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］の範囲内である。一方、比較例のアンド―プＧａＮ層（濃度プロファイルＰ２）のＭｇ濃度は、２×１０１４（検出限界ＤＬ）〜２×１０１５［Ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］の範囲内である。よって、実施例５の方法によって、アンド―プＧａＮ層に比して１０００倍以上の濃度でマグネシウムをドーピングできることが分かる。なお、濃度プロファイルＰ１の振動パターンは、結晶表面のマクロステップの進行による不純物取り込みの揺らぎであると考えられる。【００５３】
＜変形例＞
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。【００５４】
固体部（シャワーヘッド５０、Ｍｇ供給部８０内部のセラミック焼結体、セラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃ、セラミック焼結体２８０など）を、第１原料ガス供給管や第２原料ガス供給管などの原料ガスの供給経路上に配置する形態を説明したが、この形態に限られない。Ｈ２やＮ２などのキャリアガスを供給するキャリアガス供給管を備えており、このキャリアガス供給管の経路上に固体部を配置してもよい。すなわち、Ｍｇを含んだ気体を供給する管を原料ガスの供給管と共用してもよいし、Ｍｇを含んだ気体を供給する専用の管を配置してもよい。【００５５】
固体部をセラミック焼結体で形成する形態を説明したが、この形態に限られず、高融点金属で形成してもよい。高融点金属の一例としては、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、これらの合金、などが挙げられる。【００５６】
母体領域は、ＧａＮ結晶成長に十分な温度で分解せず、第１領域Ｒ１を連続的に配置可能な材料であれば、どのような材料であってよい。例えば、金属であってもよい。【００５７】
実施例２（図１４）において、第１原料ガスＧ１の経路上にＭｇ供給部８０を配置する形態を説明したが、この形態に限られない。第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２の経路上の少なくとも一方にＭｇ供給部８０が配置されていればよい。従って、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２の両方の経路上に、Ｍｇ供給部８０を配置してもよい。【００５８】
母体領域内に第１領域Ｒ１を連続的に配置する態様として、バインダを母体領域に練り込む態様を説明したが、この形態に限られない。連続空隙が形成された母体を、第１領域を形成するための液体に含浸することで、母体領域内に第１領域Ｒ１を連続的に配置してもよい。【００５９】
シャワーヘッド５０の全体ではなく、シャワーヘッド５０の一部がセラミック焼結体で形成されていてもよい。例えば、シャワーヘッド５０の表面や側面がセラミック焼結体で形成されていてもよい。【００６０】
セラミック焼結体からＭｇを供給するためのガスは、ＮＨ３やＣｌを含んだガスに限られない。Ｈ２やＮ２などのキャリアガスを用いることも可能である。【００６１】
セラミック焼結体を構成する無機化合物は、窒化ホウ素や窒化シリコンに限られず、他の無機化合物を使用可能である。またセラミック焼結体を２種類の無機化合物の混合物で形成する場合には、混合比は１：１に限られず、自由に定めることができる。またセラミック焼結体を、単一の無機化合物で形成してもよい。【００６２】
第１領域Ｒ１に含まれるＭｇ以外の２族金属として、Ｃａを説明したが、この形態に限られない。第２族に属するベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）などの金属元素を用いてもよい。また第１領域Ｒ１には、他の元素や化合物が含まれていてもよい。例えば第１領域Ｒ１には、ＭｇＯと分解温度が異なる無機化合物が含まれていてもよい。無機化合物の混合量を調整することにより、第１領域Ｒ１が熱分解する際の分解速度や、Ｍｇの供給量を制御することが可能となる。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、の少なくとも一つが含まれていてもよい。【００６３】
ＧａＮ結晶成長に十分な温度を１０５０±５０℃と説明した。また、ＧａＣｌの発生に必要な温度を、７５０℃以上と説明した。しかし、これらの温度は例示である。例えば、ＧａＮ結晶成長に十分な温度は、１０５０℃±１００℃の範囲であってもよい。【００６４】
第１原料ガスＧ１がＧａＣｌを含むガスである場合を説明したが、この形態に限られない。第１原料ガスＧ１は、Ｇａを含んだガスであれば、何れの化学組成を有するガスであってもよい。例えば、第１原料ガスＧ１が３塩化Ｇａ（ＧａＣｌ３）を含むガスであってもよい。この場合、１３００℃程度の成長温度を用いてもよい。Ｎ面（−ｃ面）へＧａＮ結晶成長させてもよい。これにより、ＧａＮ結晶表面を成長と共に拡大させることが可能となる。また例えば、第１原料ガスＧ１はＧａ単体を含むガスであってもよい。【００６５】
本明細書で説明している、第１原料ガス供給管および第２原料ガス供給管の数や配置は一例であり、この形態に限られない。【００６６】
本明細書に記載の技術は、ＧａＮに限らず、様々な化合物半導体の結晶成長に適用することが可能である。例えば、ＧａＡｓ結晶の成長に適用することができる。この場合、第２原料ガスＧ２としてアルシン（ＡｓＨ５）を使用すればよい。【００６７】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。【００６８】
シャワーヘッド５０、Ｍｇ供給部８０内部のセラミック焼結体、セラミック焼結体２２１ｃおよび２２２ｃ、セラミック焼結体２８０は、固体部の一例である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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