(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平中空円柱状に形成された反応室に設けられた円形の基板保持台における円周部に戴置された複数の基板に向けて、該反応室の中央部から複数のガスを導入して外周方向に上記基板表面に平行に供給することにより、加熱された該基板に膜を成長させる縦型の気相成長装置において、
上記複数のガスとして少なくとも４種類以上のガスを上記反応室の中央部にそれぞれ個別に導入するように同心に重ねて形成された複数の縦導入管と、
上記複数の縦導入管の各下流側末端に連結し上記ガスを放射状に供給する各流路を形成するように基板に対して互いに平行に設けられた仕切板とを備え、
上記各流路を形成する各仕切板におけるガス下流側先端位置は、基板の手前に配置されており、かつ高さ方向において基板に近い側の仕切板から遠い側の仕切板に伴って順次基板に近づく位置に配されていると共に、
上記高さ方向において基板に最も近くの第１の仕切板と最も遠くの仕切板との間に設けられている少なくとも１つの仕切板には、その下流側先端部の一定の範囲に複数の開口が設けられていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記複数の開口が設けられているのは、前記高さ方向において基板に第２番目に近い第２の仕切板であると共に、
上記第２の仕切板とその次に近い第３の仕切板とによって仕切られた流路に供給されるガスは、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスであり、
上記第２の仕切板における高さ方向基板側のガス経路に供給されるガスは、Ｖ族原料を含有する原料ガスであることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記複数の仕切板に仕切られて放射状に供給される複数のガスは、高さ方向において前記基板に近い方から順に、Ｖ族原料を含有する原料ガス、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガス以外のIII族原料を含有する原料ガス、上記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガス、及び窒素ガス又は水素ガスであることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、III族のアルミニウム系原料ガスであり、
前記Ｖ族原料を含有するガスは、Ｖ族の窒素含有材料ガスであることを特徴とする請求項２又は３記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、トリメチルアルミニウム若しくはトリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、又はトリイソブチルアルミニウムを含有するガスであることを特徴とする請求項２、３又は４記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムであり、
前記Ｖ族原料を含有する原料ガスは、アンモニア、ジヒドラジン又はジメチルヒドラジンであることを特徴とする請求項２、３又は４記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記開口を有する仕切板における複数の開口の設置範囲におけるガス流れ方向の長さは、前記基板の直径の半分以上、かつ直径以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記複数の開口を有する仕切板における少なくとも上記複数の開口が設置されている範囲は、その材質が石英でできていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項９】
前記複数の開口が設けられている仕切板と、該複数の開口が設けられている仕切板よりも高さ方向において基板に遠ざかる方向に隣接する仕切板との間には、高さ方向を互いに平行に仕切る複数のサブ仕切板が設けられていると共に、
上記各サブ仕切板におけるガス下流側先端位置は、上記高さ方向において基板に近い側のサブ仕切板から遠い側のサブ仕切板に伴って、上記両側の仕切板のガス下流側先端位置との間で、順次基板に近づく位置に配されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１０】
前記各流路を形成する仕切板を上下方向に移動させる仕切板移動手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１１】
前記複数の基板をそれぞれ独立して回転させると共に、前記円形の基板保持台をその中心軸にて回転させる回転駆動手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１２】
前記反応室内における前記基板の成長面の対向面を形成する壁面は、基板平面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１３】
前記壁面の傾斜角は、放射状に広がるガスの流れ方向の断面積が一定になるように設定されていることを特徴とする請求項１２記載の気相成長装置。
【請求項１４】
前記基板のガス上流側末端位置よりもガス上流側に、基板加熱用とは別個に加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１５】
前記ガスを排出する排気口が複数設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の気相成長装置を用いて、アルミニウム−ガリウム−窒素を含有する化合物半導体結晶を結晶成長させて、半導体素子を製造することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦型の気相成長装置に関し、詳しくは、同一円周上に配置した複数の基板上に同時に半導体膜を成長させるための中央放射型の縦型の気相成長装置、及び半導体素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族化合物半導体材料の中で窒化物系材料は、例えば青色系発光素子（発光ダイオードや半導体レーザ）として実用化されている。上記窒化物系材料を製造するときに一般的に用いられる結晶成長方法としては、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；以下略して「ＭＯＣＶＤ」と記す）があり、該成長装置はＭＯＣＶＤ装置と呼ばれている。ＭＯＣＶＤの他の呼称としては、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）やＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）と称する場合もある。
【０００３】
上記ＭＯＣＶＤは、結晶を構成するIII族元素及びＶ族元素を含むそれぞれの原料ガスを、結晶成長させる反応室に導入し、反応室内に設置した基板上で化学反応させることにより結晶を堆積させる。基板は反応室内で加熱されており、ここから供給される熱エネルギーにより化学反応が進行する。窒化物系化合物半導体では、基板として、サファイヤ単結晶、窒化ガリウム単結晶、又は炭化シリコン単結晶等が用いられる。
【０００４】
原料ガスであるIII族系原料としては、メチル基と結合したトリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と称す）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と称す）、又はトリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と称す）等のアルキル化合物が用いられるのが一般的である。また、原料ガスであるＶ族系原料としては、窒素原子の水素化物であるアンモニア（以下、「ＮＨ３」と称す）が用いられるのが一般的である。なお、III族系原料は通常、液体状態で反応室外に設置されており、キャリアガスと呼ばれる水素ガスや窒素ガスを該液体中に通しバブリング状態にすることにより、これらのキャリアガスと共に配管を介して反応室まで供給される。
【０００５】
ところで、発光素子の構造は、一般に、バンドギャップ（Band gap：禁制帯）制御のため、組成や構成元素が異なる多層膜構造を有しているが、各層の層厚のばらつきや組成のばらつきにより、光学特性がばらつき、場合によっては光学特性を大きく劣化させてしまう恐れがある。したがって、ＭＯＣＶＤによる結晶成長の場合、原料ガスの流し方や、基板の温度均一性が非常に重要な因子となる。
【０００６】
例えば、発光素子を形成する多層膜の構成の中には、アルミニウム−ガリウム−窒素からなる層（以下、「ＡｌＧａＮ層」と称す）があり、主に発光素子のクラッド層として用いられる層がある。このＡｌＧａＮ層は、ＴＭＡとＮＨ３との反応で得られる窒化アルミニウム（以下、「ＡｌＮ」と称す）と、ＴＭＧとＮＨ３との反応で得られる窒化ガリウム（以下、「ＧａＮ」と称す）との固溶体で形成された混晶層である。
【０００７】
したがって、このＡｌＧａＮ層を結晶成長させる際には、反応室にＴＭＧとＴＭＡとＮＨ３とを原料ガスとして導入することになる。形成されたＡｌＸＧａ１-ＸＮ混晶のｘ値は混晶比と呼ばれ、素子特性上重要な因子であり、混晶形成時のＡｌとＧａとの濃度比の制御、又は均一性が非常に重要となる。
【０００８】
上記ＴＭＧ及びＴＭＡは同じIII族原料ではあるが、それぞれ拡散速度や反応性が異なるため、同様に反応室に導入した場合であってもその反応様態は異なることが一般に知られている。ＴＭＡは、ＴＭＧに比較して反応性が高く、ＮＨ３と混合された時点で、空間ですぐに中間反応が始まり中間生成物を形成する。この中間生成物は、その後、熱分解が進行しＡｌＮを形成し、基板上で結晶を形成する場合もあるが、気流の状態や加熱状態により基板以外の反応室壁面に形成されたり、又はそのまま排気されたりする場合もある。
【０００９】
したがって、導入されたＴＭＡの反応室内でのガスの流れ方向の熱分解の進行具合は、装置形状やそのときの環境に非常に影響を受け易く、制御できていない場合には基板上での形成度合の不均一を招き、混晶比のばらつきを発生させる原因となる。この事象は、たとえ基板を回転させて均一化を図ろうとしたとしても限界がある。
【００１０】
この問題を回避すべく、特許文献１には、図１５に示すように、基板１０１の直前にてＴＭＡとＮＨ３とを混合させて、できるだけ中間反応の影響を抑制する技術が開示されている。
【００１１】
一方、Ｖ族原料に用いられるＮＨ３については熱分解し難い性質であることが一般に知られている。すなわち、ＮＨ３ガスの分解が不十分な状態で基板に到達した場合、反応に寄与する割合、すなわち材料使用効率が低いという課題がある。
【００１２】
このため、例えば特許文献２に開示される装置構成を適用し、図１６に示すように、ガス上流に予熱領域を設けることにより、分解性の悪い原料ガスを予め分解し反応を促進させることは可能である。開示内容にはある特定ガスの分解促進の記載はなく、反応ガス全体を予め過熱することにより、基板上の反応バラツキを抑制し、結晶の組成バラツキを低減する効果が記載されている。
【００１３】
なお、ＭＯＣＶＤ装置の形態には大きく分類して、横型ＭＯＣＶＤ装置、及び縦型ＭＯＣＶＤ装置という２種類がある。
【００１４】
横型ＭＯＣＶＤ装置は、略丸型や略四角断面を持つ横長の反応室を有し、ガスを反応室短面側側面から導入し、反応室内に設置された基板表面に平行にガスを流すことにより結晶成長させる形態をとる。
【００１５】
一方、縦型ＭＯＣＶＤ装置は、反応室の形状が縦型円筒であることが一般的であり、基板保持台に複数枚の基板を搭載できることから量産性に優れる。ガスは円筒中央から供給し放射状に流して基板上に供給する場合や、円筒上面から複数個のガス導入口から鉛直方向に供給する場合がある。
【００１６】
基板の設置向きに関しては、横型及び縦型のいずれにおいても、成長面を上向きにする場合と下向きにする場合とがある。上記で述べた開示技術はいずれも横型ＭＯＣＶＤ装置である。
【特許文献１】特開２０００-５８４５８号公報（２００２年２月２５日公開）
【特許文献２】特開昭６２-１７４９１３号公報（１９８７年７月３１日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示される気相成長装置では、中間反応による影響は低減させることができるものの、結晶品質の均一性を大幅に向上させることは見込めないという問題点を有している。
【００１８】
なぜなら、ＴＭＡとＮＨ３とは、その混合された時点から中間反応が始まり、時系列で基板１０１上の空間のガス上流側から下流側へ行くにしたがい反応が進行していく。このため、結晶成長に寄与する原料ガス濃度は上流から下流へいくにしたがい減少し、基板１０１上で形成されるＡｌＧａＮ層の混晶比の、上流側から下流側にかけての混晶比分布が生じることは避けられないからである。
【００１９】
すなわち、混合する場所を基板１０１の直前に設置することは、反応室内の壁面における結晶形成を回避し、かつ生成物が排気されてしまう分を減ぜられるという、原材料の使用効率向上という観点からは有効な方法ではあるが、組成の均一性に関しては不十分である。
【００２０】
また、特許文献１及び特許文献２に開示される技術は、いずれも横型ＭＯＣＶＤ装置に関するものであるが、横型ＭＯＣＶＤ装置の場合、搭載できる基板の枚数が制限される。これは、上述したように、ガスの流れ方向に生じる原料の濃度分布が避けられないため、複数枚の基板をガス流れ方向に設置すると、単枚設置以上に原料の濃度差が現れ、それらの基板への結晶成長に対して混晶比の均一化が望めないからである。
【００２１】
また、基板の加熱領域が増大することから、さらにガスの流れの不均一を誘引し、上流側と下流側とで大きな組成ばらつきや層厚ばらつきを起こす恐れがある。仮に、ガス流れ方向に対して単枚設置になるように、流れの垂直方向に一列に複数枚設置する場合は、ガスを流す反応室（フローチャネル）が大型化し、かつ大流量の原料ガスが必要なことから、ガス消費量も多くなり、材料使用効率の観点からも不経済な効率が悪い装置となる。
【００２２】
したがって、量産を考慮した多数枚結晶成長用のＭＯＣＶＤ装置としては、横型ＭＯＣＶＤ装置は不向きと言わざるを得ない。
【００２３】
一方、縦型ＭＯＣＶＤ装置の場合、レイアウトの上では基板保持台上で、例えば円形円周方向に多数枚の基板設置が可能であり、ガス流れに対して単枚設置の関係を構築でき、かつ加熱領域面積を限定することが可能となる。しかし、上記〔背景技術〕の欄にて述べた原料ガス種による反応速度の違いから生じる混晶比のばらつき発生の課題を克服しているわけではない。
【００２４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置、及び半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、扁平中空円柱状に形成された反応室に設けられた円形の基板保持台における円周部に戴置された複数の基板に向けて、該反応室の中央部から複数のガスを導入して外周方向に上記基板表面に平行に供給することにより、加熱された該基板に膜を成長させる縦型の気相成長装置において、上記複数のガスとして少なくとも４種類以上のガスを上記反応室の中央部にそれぞれ個別に導入するように同心に重ねて形成された複数の縦導入管と、上記複数の縦導入管の各下流側末端に連結し上記ガスを放射状に供給する各流路を形成するように基板に対して互いに平行に設けられた仕切板とを備え、上記各流路を形成する各仕切板におけるガス下流側先端位置は、基板の手前に配置されており、かつ高さ方向において基板に近い側の仕切板から遠い側の仕切板に伴って順次基板に近づく位置に配されていると共に、上記高さ方向において基板に最も近くの第１の仕切板と最も遠くの仕切板との間に設けられている少なくとも１つの仕切板には、その下流側先端部の一定の範囲に複数の開口が設けられていることを特徴としている。
【００２６】
上記の発明によれば、縦型の気相成長装置は、複数のガスとして少なくとも４種類以上のガスを上記反応室の中央部にそれぞれ個別に導入するように同心に重ねて形成された複数の縦導入管と、上記複数の縦導入管の各下流側末端に連結し上記ガスを放射状に供給する各流路を形成するように基板に対して互いに平行に設けられた仕切板とを備えている。
【００２７】
また、各流路を形成する各仕切板におけるガス下流側先端位置は、基板の手前に配置されており、かつ高さ方向において基板に近い側の仕切板から遠い側の仕切板に伴って順次基板に近づく位置に配されている。さらに、上記高さ方向において基板に最も近くの第１の仕切板と最も遠くの仕切板との間に設けられている少なくとも１つの仕切板には、その下流側先端部の一定の範囲に複数の開口が設けられている。
【００２８】
したがって、下流側先端部の一定の範囲に複数の開口が設けられた少なくとも１つの仕切板のガス経路を流れるガスは、仕切板の開口を通して高さ方向において基板に近い方のガス経路へ混入する。この結果、ガスの流れ方向に対して時間差を有して他のガスと混合する。
【００２９】
この結果、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００３０】
また、本発明の気相成長装置では、前記複数の開口が設けられているのは、前記高さ方向において基板に第２番目に近い第２の仕切板であると共に、上記第２の仕切板とその次に近い第３の仕切板とによって仕切られた流路に供給されるガスは、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスであり、上記第２の仕切板における高さ方向基板側のガス経路に供給されるガスは、Ｖ族原料を含有する原料ガスであることが好ましい。なお、III族とは周期律表のIII族を示し、Ｖ族とは周期律表のＶ族を示す。
【００３１】
従来、中央放射方式の縦型の気相成長装置においては、使用ガス流量が多く、ガス流速も非常に大きくなり、特に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとの混合が十分に行われることなく基板面上に到達し、不均一なガスの組成比状態で成膜が行われ、基板面内の組成及び膜厚の均一性が悪く、これにより、例えば半導体の特性が均一にならず、歩留まりが悪いという問題点を有していた。
【００３２】
しかし、本発明においては、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを使用する例えば半導体の成膜において、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを基板の手前で、ガスの流れ方向に対して時間差を有して積極的に混合させる。これによって、III族の材料ガスとＶ族の材料ガスとの均一拡散を行った後に、基板表面に供給する。
【００３３】
したがって、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを均一分散させ、基板に成膜される組成比・膜厚が均一となり、例えば半導体の特性が均一となり、再現性及び歩留まりが悪いという問題点を解消することができる。
【００３４】
また、本発明の気相成長装置では、前記複数の仕切板に仕切られて放射状に供給される複数のガスは、高さ方向において前記基板に近い方から順に、Ｖ族原料を含有するガス、前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガス以外のIII族原料を含有するガス、上記第１の原料ガス、及び窒素ガス又は水素ガスであることが好ましい。
【００３５】
これにより、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを均一分散させ、基板に成膜される組成比・膜厚が均一となり、例えば半導体の特性が均一となり、再現性及び歩留まりが悪いという問題点を解消することができる。
【００３６】
また、本発明の気相成長装置では、前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、III族のアルミニウム系原料ガスであり、前記Ｖ族原料を含有するガスは、Ｖ族の窒素含有材料ガスであることが好ましい。
【００３７】
これにより、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスがIII族のアルミニウム系原料ガスであり、Ｖ族原料を含有するガスがＶ族の窒素含有材料ガスである場合において、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００３８】
また、本発明の気相成長装置では、前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、トリメチルアルミニウム若しくはトリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、又はトリイソブチルアルミニウムを含有するガスであることが好ましい。
【００３９】
これにより、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスが、トリメチルアルミニウム若しくはトリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、又はトリイソブチルアルミニウムを含有するガスである場合において、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００４０】
また、本発明の気相成長装置では、前記所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムであり、前記Ｖ族原料を含有するガスは、アンモニア、ジヒドラジン又はジメチルヒドラジンであることが好ましい。
【００４１】
これにより、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスがトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムであり、Ｖ族原料を含有するガスがアンモニア、ジヒドラジン又はジメチルヒドラジンである場合において、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００４２】
また、本発明の気相成長装置では、前記開口を有する仕切板における複数の開口の設置範囲におけるガス流れ方向の長さは、前記基板の直径の半分以上、かつ直径以下であることが好ましい。
【００４３】
これにより、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００４４】
また、本発明の気相成長装置では、前記複数の開口を有する仕切板における少なくとも上記複数の開口が設置されている範囲は、その材質が石英でできていることが好ましい。
【００４５】
これにより、石英は、耐熱性に優れている。また、不純物等の汚染物質を排出しないので、清浄性が高い。
【００４６】
また、本発明の気相成長装置では、前記複数の開口が設けられている仕切板と、該複数の開口が設けられている仕切板よりも高さ方向において基板に遠ざかる方向に隣接する仕切板との間には、高さ方向を互いに平行に仕切る複数のサブ仕切板が設けられていると共に、上記各サブ仕切板におけるガス下流側先端位置は、上記高さ方向において基板に近い側のサブ仕切板から遠い側のサブ仕切板に伴って、上記両側の仕切板のガス下流側先端位置との間で、順次基板に近づく位置に配されていることが好ましい。
【００４７】
これにより、複数の開口が設けられている仕切板と、該複数の開口が設けられている仕切板よりも高さ方向において基板に遠ざかる方向に隣接する仕切板との間を流れるガスを、きめ細かく、時間差を有して他のガスと混合する。
【００４８】
したがって、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００４９】
また、本発明の気相成長装置では、前記各流路を形成する仕切板を上下方向に移動させる仕切板移動手段が設けられていることが好ましい。
【００５０】
これにより、各仕切板と基板との距離を変えることができる。したがって、原料ガスの種類等に応じて、最適な成長条件を設定することが可能となる。
【００５１】
また、本発明の気相成長装置では、前記複数の基板をそれぞれ独立して回転させると共に、前記円形の基板保持台をその中心軸にて回転させる回転駆動手段が設けられていることが好ましい。
【００５２】
これにより、回転駆動手段により基板を自公転させることによって、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置を提供することができる。
【００５３】
また、本発明の気相成長装置では、前記反応室内における前記基板の成長面の対向面を形成する壁面は、基板平面に対して傾斜していることが好ましい。
【００５４】
すなわち、縦型の気相成長装置においてガスを中央から放射状に供給する場合、外周に近づくにつれて、ガスの流速が低下する。
【００５５】
しかし、反応室内における前記基板の成長面の対向面を形成する壁面を、基板平面に対して傾斜させることによって、ガスの流速が低下するのを抑制することができる。
【００５６】
また、本発明の気相成長装置では、前記壁面の傾斜角は、放射状に広がるガスの流れ方向の断面積が一定になるように設定されていることが好ましい。
【００５７】
これにより、縦型の気相成長装置においてガスを中央から放射状に供給する場合に、外周に向かっても、ガスの流速を一定に保つことができる。
【００５８】
また、本発明の気相成長装置では、前記基板のガス上流側末端位置よりもガス上流側に、基板加熱用とは別個に加熱手段が設けられていることが好ましい。
【００５９】
これにより、加熱手段にてガスを予備加熱することができる。
【００６０】
また、本発明の気相成長装置では、前記ガスを排出する排気口が複数設けられていることが好ましい。
【００６１】
これにより、排出ガスを複数の排気口から同時かつ均一に排出することができる。
【００６２】
本発明の半導体素子の製造方法は、上記課題を解決するために、上記記載の気相成長装置を用いて、アルミニウム−ガリウム−窒素を含有する化合物半導体結晶を結晶成長させて、半導体素子を製造することを特徴としている。
【００６３】
上記の発明によれば、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る半導体素子の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００６４】
本発明の気相成長装置は、以上のように、複数のガスとして少なくとも４種類以上のガスを上記反応室の中央部にそれぞれ個別に導入するように同心に重ねて形成された複数の縦導入管と、上記複数の縦導入管の各下流側末端に連結し上記ガスを放射状に供給する各流路を形成するように基板に対して互いに平行に設けられた仕切板とを備え、上記各流路を形成する各仕切板におけるガス下流側先端位置は、基板の手前に配置されており、かつ高さ方向において基板に近い側の仕切板から遠い側の仕切板に伴って順次基板に近づく位置に配されていると共に、上記高さ方向において基板に最も近くの第１の仕切板と最も遠くの仕切板との間に設けられている少なくとも１つの仕切板には、その下流側先端部の一定の範囲に複数の開口が設けられているものである。
【００６５】
本発明の半導体素子の製造方法は、以上のように、上記記載の気相成長装置を用いて、アルミニウム−ガリウム−窒素を含有する化合物半導体結晶を結晶成長させて、半導体素子を製造する方法である。
【００６６】
それゆえ、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る縦型の気相成長装置、及び半導体素子の製造方法を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
本発明の一実施形態について図１ないし図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００６８】
本実施の形態の気相成長装置は、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）にて例えば半導体に結晶成長させるために用いられるものであり、その基本構成について、図１に基づいて説明する。図１は上記気相成長装置の構成を示す概略断面図である。
【００６９】
図１に示すように、気相成長装置１０は、縦型の気相成長装置であり、円盤状（円形）の基板保持台としてのサセプタ２０と円盤状の隔壁１１とを互いに水平方向に所定間隔で対向配置することにより、サセプタ２０と円盤状の隔壁１１との間に偏平中空円柱状の反応室２を形成したものである。
【００７０】
上記隔壁１１の中央部には、原料ガス及びサブフローガスが導入されるガス導入部３が設けられ、反応室２の外周には排気口としての複数の排気ポート４が設けられている。また、隔壁１１の外周はサセプタ２０の周囲を囲むように屈曲しており、サセプタ２０と隔壁外周壁１１ａとの間に下方に向かう排気通路が形成されている。
【００７１】
上記円盤状のサセプタ２０には、図２（ａ）に示すように、基板１を保持する基板保持部である基板ホルダ２１がサセプタ２０の円周部における同一円周上に複数個、等間隔で配置されている。上記基板１は、この基板１上に形成される半導体薄膜の成長面を上に向けた形態で、基板ホルダ２１上に１枚載置されている。本実施の形態の場合、図２（ａ）に示すように、例えば、基板直径２インチの基板１を１２枚設置している。なお、図２（ａ）では、基板ホルダ２１の上に、１個の基板１が載置されているが、必ずしもこれに限らず、例えば、図２（ｂ）に示すように、基板ホルダ２１の上に、複数個の基板１が載置されていてもよい。
【００７２】
上記サセプタ２０における基板ホルダ２１の下部には、図１に示すように、基板１を成長温度に加熱する基板加熱用ヒータ２２が設けられていると共に、基板１の上流側である、サセプタ２０の中央部分にも、導入ガスを予備加熱するために加熱手段としての予備加熱ヒータ２３が設置されている。したがって、供給されるガスが基板１に到達される前に加熱されるようになっている。
【００７３】
上記基板１は、設置場所で基板中心軸にて回転し、かつサセプタ２０もその中心軸にて回転するようになっている。この結果、基板１は反応室２内で自転及び公転することになる。すなわち、気相成長装置１０は、例えば図３に示すように、回転駆動手段としての自公転駆動装置３０を有している。この自公転駆動装置３０では、サセプタ２０と一体になった逆転用大歯車３４が逆転用大歯車回転軸３４ａを中心として回転駆動されることにより、サセプタ２０が回転する。このとき、この逆転用大歯車３４に歯合する小歯車３３が中心シャフト３２を中心に回転することにより、基板１が自転するようになっている。
【００７４】
次に、上記ガス導入部３は、図１に示すように、同心円状に分離された縦導入管としての導入管１２ａ〜１２ｄによって、４つのガス導入ポート３ａ〜３ｄに分かれている。そして、上記複数の導入管１２ａ〜１２ｄの各下流側末端は、基板１に対して互いに平行に設けられた仕切板１３ａ〜１３ｄに連結されている。この結果、各ガスの流路は、円筒配管である導入管１２ａ〜１２ｄとドーナツ状円板である仕切板１３ａ〜１３ｄとによって仕切られた流路を形成することとなる。したがって、ガス導入ポート３ａ〜３ｄからそれぞれ導入されたガスは、同心円状に分離された導入管１２ａ〜１２ｄ内を鉛直下方向に流れ、下方末端にて水平方向に方向転換し、基板１面に平行に放射状に流れ、基板１上に供給されることになる。
【００７５】
ここで、本実施の形態では、各流路を形成する各仕切板１３ａ〜１３ｄにおけるガス下流側先端位置は、高さ方向において基板１に近い側の仕切板１３ａから遠い側の仕切板１３ｃに伴って、順次、基板１に近づく位置に配されている。この結果、上記ガス導入ポート３ａ〜３ｄからそれぞれ導入されたガスは、水平方向に流れを方向転換した後も、ある一定距離は各ガスが混合しないように仕切板１３ａ〜１３ｄによって分離供給される。
【００７６】
また、本実施の形態では、サセプタ２０側から２番目に配設された第２の仕切板としての仕切板１３ｂには、複数の開口としての複数個の貫通孔Ｈが設けられ、ガスを流した際、時間差をもって他ガスと混合することが可能となっている。以降の説明においては、仕切板１３ａ〜１３ｄのうち、上記貫通孔Ｈを有する仕切板１３ｂを「拡散プレートＤＰ」と称する。なお、上記構成においては、例えば、２番目に配設された第２の仕切板としての仕切板１３ｂに、複数の開口としての複数個の貫通孔Ｈが設けられているが、本発明においては必ずしもこれに限らない。すなわち、より多くの種類のガスがある場合には、貫通孔Ｈは、高さ方向において基板１に最も近くの第１の仕切板と最も遠くの仕切板との間に設けられている少なくとも１つの仕切板に設けられていれば足りる。
【００７７】
上記貫通孔Ｈは、図４に示すように、仕切板１３ｂにおける１つの円周上又は複数の同心円周上に等間隔に配置された複数の円形の孔となっている。ただし、孔の形状及び配置はこの例に限定されるものではない。例えば、孔の形状は、円のみならず、三、四、五…角形等の多角形や楕円でもよい。また、図５に示すように、仕切板１３ｂにおける１つの円周上又は複数の同心円周上に等間隔に設けられた複数のスリットＳであってもよい。
【００７８】
本実施の形態では、上記仕切板１３ａ〜１３ｄは、材質が石英からなっている。その理由は、加熱された基板１からの熱輻射により仕切板１３ａ〜１３ｄの温度が上昇し、反応生成物が付着した場合に洗浄が容易であるためである。また、金属製にした場合、導入する水素ガスによる水素脆性や過昇温となった場合の金属組織変化や金属疲労が懸念されるためである。すなわち、気相成長装置１０において、温度が上昇する可能性がある部位に関しては、耐熱性に優れ、かつ不純物等の汚染物質を排出しない、例えば石英等を使用するのが好ましい。なお、本実施の形態では、全ての仕切板１３ａ〜１３ｄの材質を石英としているが、本発明においては、少なくとも複数の貫通孔Ｈが設置されている範囲が石英でできていれば足りる。貫通孔Ｈの設置範囲は昇温する可能性があり、清浄性も考慮する必要があるためである。
【００７９】
一方、本実施の形態では、上記導入管１２ａ及び第１の仕切板としての仕切板１３ａ、導入管１２ｂ及び第２の仕切板としての仕切板１３ｂ、導入管１２ｃ及び最も遠くの仕切板及び第３の仕切板としての仕切板１３ｃ、並びに導入管１２ｄ及び壁面としての仕切板１３ｄは、それぞれ一体化されていると共に、各導入管１２ａ〜１２ｄも図示しない支持部材によって一体化されている。したがって、導入管１２ａ〜１２ｄ及び仕切板１３ａ〜１３ｄは、一体化された一つのノズル１４として構成されている。
【００８０】
そして、上記ノズル１４は、仕切板移動手段としてのベローズ１５により上下方向に動かすことが可能であり、これにより、基板１の上方のスペースを調整することができるようになっている。
【００８１】
すなわち、ノズル１４は一体に手動で上下移動することができ、所望の位置になれば、ノズル１４を固定するフランジ１６を、このフランジ１６の側方に設けられた図示しない支持固定部にて支持固定することができるようになっている。
【００８２】
なお、ベローズ１５を用いているのは、ノズル１４を３６０度均等に高さ調整できること、摺動部分がないので、摺動部分による屑がでないこと、及びボルト等では潤滑油が必要となるがベローズ１５では不要であり、クリーンであること等による。
【００８３】
上記ベローズ１５にて、ノズル１４を動かすことができる目的について説明する。
【００８４】
すなわち、本実施の形態の気相成長装置１０では、例えば、窒化物系発光デバイスの気相成長に使用される。このような窒化物系発光デバイスは、通常、異種材料をヘテロエピタキシャルさせた多層膜構造をしており、後述する図１０に示すように、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離に特性の依存性を有している。図１０は、成長条件での一例であり、特性を変化させるために流量条件を変更したり基板１の温度を変えたりした場合、この依存性が変わる可能性が十分にある。また、デバイスの種類が変わり、素子構造が変われば、やはりこの距離の最適値は変わる。したがって、成長条件や製造デバイスを変更した場合等においては、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離等を変更するのが好ましい。
【００８５】
従来の気相成長装置は、この距離を概ねの範囲を定めて固定しているものが殆どである。基板１と仕切板１３ｄとの間の距離を固定していることは、製造デバイスも成長条件も殆ど変更しない場合等では良いが、上述のように、様々な状況に対応するためには不適である。
【００８６】
また、本実施の形態では、ガスが水平方向に流れ方向を変え、放射状に供給されるとき、ガス流断面積増大によるガス流速の低下を回避するために、一番上側の仕切板１３ｄにおいては、基板１の上方部分の一定区間（図中のＡＢ間）には傾斜を持たせている。すなわち、仕切板１３ｄは、その下側に設けられている仕切板１３ｃの上方に屈曲点Ａを有し、この屈曲点Ａから仕切板１３ｄの自由端Ｂまで一定の傾斜角θを維持して、基板１の上方部分で立ち下がるように傾斜している。
【００８７】
このときの傾斜角θは、屈曲点Ａの位置のサセプタ半径をｒＡ、仕切板１３ｄの屈曲点Ａと基板１の表面との距離をｈＡ、仕切板１３ｄの自由端Ｂの位置のサセプタ半径をｒＢ、仕切板１３ｄの自由端Ｂと基板１の表面との距離をｈＢとすると、ガスの流れ方向に対する断面積（円筒状面積）が一定になるように、
（２π・ｒＡ）・ｈＡ＝（２π・ｒＢ）・ｈＢ
∴  ｒＡ・ｈＡ＝ｒＢ・ｈＢ
の関係を満たしている。これにより、放射状に広がるガスの流速が、断面積に応じて低下することを抑制することが可能となる。
【００８８】
次に、上記構成の気相成長装置１０における気相成長方法について、図１に基づいて説明する。
【００８９】
先ず、サセプタ２０の基板ホルダ２１に基板１を載置する。この基板１は、その下部に設置された基板加熱用ヒータ２２により成長温度に加熱される。また、ノズル１４の導入ガスは、基板１の上流側に設けた予備加熱ヒータ２３にて、基板１に到達される前に加熱される。
【００９０】
基板１上を通過したガスは、基板１の下流側に設置された排気ポート４から排出される。この排気ポート４は、下流側に、サセプタ２０の最外周から見て下方向に例えば６個設置されており（図１においては６個中２個を図示する）、上方から見て対称となる角度６０度毎の位置関係に設置されている。この理由は、排気ポート４の位置によりガスの流れが依存性を持ち、均一性を乱すことを回避するためである。すなわち、複数個の排気ポート４をガスの流れ方向に対して対称関係を満足するよう配置することにより極力排気位置の依存性を低減している。したがって、該位置関係に限定されるものではなく、ガスの流れに対して偏重した排気にならなければ良い。
【００９１】
なお、図１においては、図の煩雑を避けるため、測定機器類、水冷機構、機構部品、及びラジエーションシールド等その他構成要素部品は図には示していない。また、本実施の形態では、基板１の成長面が上向きとなるフェイスアップの方式をとったが、必ずしもこれに限らず、成長面が下向きとなるフェイスダウン方式でも構わない。さらに、ガスは、反応室２の上方から導入管１２ａ〜１２ｄを通して下向きに導入したが、フェイスダウン方式時等には、逆に反応室２の下方から上向きに導入することも可能である。
【００９２】
次に、気相成長装置１０を用いて、基板１にＡｌＧａＮ層を形成する際の成長条件を以下に示す。
【００９３】
本実施の形態では、ガス導入ポート３ａ〜３ｄには、それぞれＮＨ３、ＴＭＧ＋水素ガス、ＴＭＡ＋水素ガス、及び窒素ガスが導入される。これより、中間反応が顕著なＴＭＡは貫通孔Ｈを有する仕切板１３ｂである拡散プレートＤＰを介して基板１上へ供給されることになる。また、予備加熱用の予備加熱ヒータ２３により各ガスが反応前に加熱されることになるが、特に反応性が低いＮＨ３に対して有効で熱分解が進行することになる。
【００９４】
本実施の形態では、導入ガスの流量について、例えば、ガス導入ポート３ａから１５０ＳＬＭ（２．５３５×１０２  Ｐａ ｍ３／ｓ）のＮＨ３を導入し、ガス導入ポート３ｂから１５ＳＣＣＭ（２．５３５×１０−２  Ｐａ ｍ３／ｓ）のＴＭＧと５０ＳＬＭ（８．４５×１０１  Ｐａ ｍ３／ｓ）の水素ガスとを導入し、ガス導入ポート３ｃから１ＳＣＣＭ（１．６９×１０−３  Ｐａ ｍ３／ｓ）のＴＭＡと５０ＳＬＭ（８．４５×１０１  Ｐａ ｍ３／ｓ）の水素ガスとを導入し、ガス導入ポート３ｄから１５０ＳＬＭ（２．５３５×１０２  Ｐａ ｍ３／ｓ）の窒素ガスを導入する。
【００９５】
また、基板１の温度は例えば１１００℃で成長を行っている。本実施の形態では、いずれも上記成長条件を使用したが、これは一例であって限定されるものではない。
【００９６】
図６に、拡散プレートＤＰの効果を確認するために、拡散プレートＤＰを用いて成長した場合と、拡散プレートＤＰの代わりに孔を設けていない仕切板を用いてＡｌＧａＮ膜を成長した場合とに関し、ＡｌＧａＮ膜中のＡｌ混晶比ｘを比較した結果を示す。横軸は直径２インチの基板１上の位置において、ガス流れ方向に対して０ｍｍがガス上流側であり、５０ｍｍがガス下流側となっている。縦軸はＡｌＸＧａ１−ＸＮで表記するＡｌ混晶比ｘである。なお、本実施の形態では、Ａｌの反応状態をより顕著に把握するために、基板１及びサセプタ２０の回転を停止した状態で成長を行った。
【００９７】
図６に示すように、拡散プレートＤＰではなく、孔のない仕切板を用いて成長した場合、すなわち、従来方法で成長した場合には、上流から下流にかけてＡｌ混晶比ｘが急激に単調減少しており、上記で述べた中間反応の影響が出ていることがわかる。一方、拡散プレートＤＰを用いた場合には、時間差混合による分散効果により中間反応の影響が低減し、単調減少の傾きが拡散プレートＤＰでない場合に比べて明らかに小さく、組成分布が改善されていることがわかる。
【００９８】
以上の結果から、拡散プレートＤＰの効果は明白であり、Ａｌ混晶比ｘのばらつきを低減することができた。
【００９９】
また、図７に、同じく拡散プレートＤＰの使用有無による成長レートの比較を示す。横軸は図６と同様の基板位置を示し、縦軸はその位置における膜厚測定結果及び成長時間からの成長レートの算出値を示す。基板１の自公転は行っていない。
【０１００】
図７に示すように、拡散プレートＤＰを用いた場合の方が上流域を除き、成長レートが大きいことがわかる。
【０１０１】
このことは、拡散プレートＤＰを用いない従来法では、上流側で激しく起こる反応により、上流側の成長レートが極端に大きくなることに対して、拡散プレートＤＰを用いた場合には拡散プレートＤＰ上に設けられた貫通孔Ｈにより原料が時間差を持って分散供給されることから効率よく基板１上に原料が供給され、同一成長条件においても成長効率が良いことを意味する。
【０１０２】
すなわち、投入される原料の量が同じであっても成長レートが大きいということは、それだけ原料の使用効率が良いことになる。また、成長レートが大きいということは、同じ膜厚の構造を持つ素子を成長させる場合にはそれだけ成長時間が短くなり、装置の稼働率も向上することになる。
【０１０３】
次に、図８に、拡散プレートＤＰと基板１との位置関係におけるＡｌ混晶比分布に対する依存性を示す。図８の横軸の値は、拡散プレートＤＰの下流側先端位置（他ガスとの混合位置）を０とした場合の水平方向における基板１の上流側端の位置を示している。すなわち、拡散プレートＤＰと基板１との相対位置を表しており、例えば０は拡散プレートＤＰの下流側先端と基板１の上流側端とが上方から見て一致している位置である。また、負値の場合は、基板１の上方に拡散プレートＤＰが存在する位置であり、正値の場合には基板１と拡散プレートＤＰとが上方から見て重なりがない位置関係にある場合となる。縦軸はＡｌ混晶比ｘの分布を示しており、成長させた１２枚の基板１について、各基板１上にて格子状に５ｍｍ間隔で測定したＡｌ混晶比ｘの最大値と最小値との差分を膜の設計組成値で割った値、すなわち膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の１２枚平均値になる（グラフ中の白丸）。グラフ中のエラーバーは１２枚の基板１における膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の最大値・最小値を示している。
【０１０４】
例えば、１２枚の基板上にＡｌＧａＮ膜を成膜したときの、各基板１（Ａ〜Ｌ）の膜組成が、表１のようになっていたとする。膜の設計組成値は例えば５．５％である。この場合、各基板１の最大／最小値の差分Δを求め、膜の設計組成値Ｓに対して、どの程度ばらついていたかを示すために、差分Δを膜の設計組成値Ｓ＝５．５％で割り、分布を出すＲ。そして、各基板１の分布の最大値（ｍａｘ）／最小値（ｍｉｎ）をエラーバーにし、１２枚の分布の平均値を○にてプロットしている。なお、この表１は、Ａｌ混晶比ｘの平均値及びエラーバーを説明するためのものであり、図８等に示すデータとは一致していない。
【０１０５】
【表１】
0005064132.tif 000002
【０１０６】
図８に示すように、横軸が概ね０ｍｍ〜１００ｍｍのときばらつきが小さく４％以下になっていることがわかる。負値になると急激に分布が劣化するのは、おそらく基板１からの熱輻射により拡散プレートＤＰが過熱され、拡散プレートＤＰの貫通孔Ｈで反応が進行し、反応物生成により目詰まりが生じ、基板１上に安定して原料ガスが供給されなくなるためであると考えられる。また、正値５０ｍｍ以上で徐々に分布が劣化していくのは、基板１と拡散プレートＤＰとの距離が大きくなり、拡散プレートＤＰによる時間差供給の効果が薄れてしまうためであると考えられる。したがって、基板１と拡散プレートＤＰとの位置関係に適正値が存在することがわかった。
【０１０７】
次に、図９に、拡散プレートＤＰ上に設けた貫通孔Ｈの設置範囲とＡｌ混晶比ｘの分布との関係を示す。横軸は貫通孔Ｈの設置範囲をガス流れ方向に対する長さで表した値である。縦軸はＡｌ混晶比ｘの分布を示しており、成長させた１２枚の基板１について、各基板１上にて格子状に５ｍｍ間隔で測定したＡｌ混晶比ｘの最大値と最小値との差分を膜の設計組成値で割った値、すなわち膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の１２枚平均値になる（グラフ中の白丸）。グラフ中のエラーバーは１２枚の基板１における膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の最大値・最小値を示している。
【０１０８】
図９に示すように、貫通孔Ｈの設置範囲が２５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で４％以下の概ね良好な分布が得られていることがわかる。これは、貫通孔Ｈの設置範囲が２５ｍｍ以下の場合、拡散プレートＤＰからの時間差拡散の度合が不足し十分均一な反応が起こらないことが考えられる。また、５０ｍｍ以上の場合には、基板１から遠すぎる範囲で拡散混合が開始され中間反応が起こるため、基板１上に新鮮な原料ガスが十分に供給されず反応が不均一になることが考えられる。
【０１０９】
本結果により、拡散プレートＤＰに設置する貫通孔Ｈの設置範囲は概ね基板１の直径の１/２以上であり、かつ基板１の直径以下であることが望ましいといえる。
【０１１０】
次に、図１０に、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離を変えた場合のＡｌ混晶比ｘの分布を示す。横軸は基板１と仕切板１３ｄとの間の距離（高さ方向）を示している。縦軸はＡｌ混晶比ｘの分布を示しており、成長させた１２枚の基板１について、各基板１上にて格子状に５ｍｍ間隔で測定したＡｌ混晶比ｘの最大値と最小値との差分を膜の設計組成値で割った値、すなわち膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の１２枚平均値になる（グラフ中の白丸）。グラフ中のエラーバーは１２枚の基板１における膜の設計組成値に対するばらつき（１００分率）の最大値・最小値を示している。
【０１１１】
図１０に示すように、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離が６ｍｍ以上で分布が良好であり、４％以下を達成していることがわかる。基板１と仕切板１３ｄとの間の距離が６ｍｍ未満で分布が劣化しているのは、おそらくガスの流れが乱れ、この乱流により反応が不均一になるためであると考えられる。したがって、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離が６ｍｍ以上であれば本実施の形態の効果は有効ということになるが、あまりこの距離を大きくすることは材料費の高騰になる懸念がある。すなわち、成長時圧力が一定という条件で、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離を大きくすることは、ガス流量を増加させることを意味し、原材料費用の増大を招くことになる。
【０１１２】
この結果、成長時に発生するコストを考慮した場合、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離はできるだけ小さく、かつ乱流が発生しない領域で該距離を設定する必要がある。本実施の形態では、６〜１０ｍｍのときが最適な基板１と仕切板１３ｄとの間の距離と言える。
【０１１３】
ただし、基板１と仕切板１３ｄとの間の距離は、成長炉の形態やガス流量、成長温度等の成長条件に依存するものであり、一概に規定するものではない。その系に適切な空間高さが存在し、その値になるよう距離設定ができる、すなわち、ノズル１４の高さ調整機構を有することが重要となる。
【０１１４】
次に、図１１に、仕切板１３ｄに傾斜がある場合と傾斜がない場合とについて、Ａｌ混晶比ｘの分布の比較を行った結果を示す。仕切板１３ｄの傾斜角θは上述の通り放射状に広がるガス流の流れ方向断面の断面積が一定になるように設定されている。横軸は直径２インチの基板１上の位置を示している。ガス流れ方向に対して、０ｍｍがガス上流側であり、５０ｍｍがガス下流側となっている。縦軸はＡｌ混晶比ｘを示す。なお、本実施の形態でも、Ａｌの反応状態をより顕著に見るために、基板１及びサセプタ２０の回転を停止した状態で成長を行った。
【０１１５】
図１１に示すように、両条件とも上流から下流側にかけてＡｌ混晶比ｘの単調減少を示すが、わずかながら傾斜有りの方が傾き（減少度合）は小さい。したがって、傾斜角θを持たせた方がＡｌ混晶比の分布は良くなることが示唆されることがわかった。なお、仕切板１３ｄに上記傾斜角θを持たせた場合、上述のとおり、ガス流方向の断面積が一定にされているため、一般的にはガス流速が一定に近づく。ただし、基板１が加熱されているため、実際には基板１上では流速は上がる傾向となる。
【０１１６】
次に、図１２に、ガス上流側に予備加熱ヒータ２３を設置した場合と、該予備加熱ヒータ２３を設置しなかった場合とについて、成長レートの比較を行った結果を示す。
【０１１７】
予備加熱ヒータ２３近傍に設置した熱電対温度は例えば３００℃に設定したが、この温度は一例であって、これに限定されるものではない。横軸は直径２インチの基板１上の位置を示している。ガス流れ方向に対して、０ｍｍがガス上流側であり、５０ｍｍがガス下流側となっている。縦軸はその位置における膜厚測定結果及び成長時間からの成長レートの算出値を示す。なお、本実施の形態でも、Ａｌの反応状態をより顕著に反映させるために、基板１及びサセプタ２０の回転を停止した状態で成長を行った。
【０１１８】
図１２に示すように、予備加熱を行った場合は、行わなかった場合に比較して基板１の全体に渡り成長レートが高いことがわかる。この理由は、予備加熱によりノズル１４の最底を流れるＮＨ３ガスの分解が促進され反応性が活性になったため、膜形成する原子が増加したためと考えられる。したがって、同一成長条件において成長効率が良いことを意味する。すなわち、投入される原料の量が同じであっても成長レートが大きいということは、それだけ原料の使用効率が良いことになる。また、成長レートが大きいということは、同じ膜厚の構造を持つ素子を成長させる場合にはそれだけ成長時間が短くなり、気相成長装置１０の稼働率も向上することになる。
【０１１９】
以上の説明は、貫通孔Ｈが円形の場合についての場合を説明しているが、前述した貫通孔Ｈが楕円、多角形又はスリットＳであっても、同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
なお、本実施の形態の気相成長装置１０においては仕切板１３ａ〜１３ｄの間には、さらなる仕切板は存在しないが、必ずしもこれに限定されず、例えば、図１３に示すように、仕切板１３ｂと仕切板１３ｃとの間に、多段プレートＭを設けた気相成長装置４０とすることが可能である。この形態においても、気相成長装置１０と同様の効果が得られる。
【０１２１】
すなわち、図１３は別形態のノズルのみの断面を模式的に示した図であり、ＴＭＡを流す流路である、貫通孔Ｈを設けた仕切板１３ｂと仕切板１３ｃとの間において、先端部にサブ仕切板としての多段プレートＭを設ける形態をとる。
【０１２２】
具体的には、仕切板１３ｂと仕切板１３ｃとの間に、ある一定の長さをもった３枚のドーナツ状板を設ける。この３枚のドーナツ状板の各先端は、断面で考えた場合、仕切板１３ｂの先端と仕切板１３ｃの先端とを結ぶライン上に位置するのが好ましい。なお、設置するドーナツ板の数量はこれに限ったものでなく、反応炉の大きさ、形状等に依存するものである。
【０１２３】
これにより、流れてきたガスは、多段プレートＭにて流れが分割され、それぞれ異なる流路長をもって基板上へ供給されるため、結果として分散供給の効果を有することになる。
【０１２４】
最後に、上述した気相成長装置１０を用いた具体的な半導体素子としての例えば半導体レーザ素子の製造方法について、図１４に基づいて説明する。図１４は、ＧａＮ系の半導体レーザ素子５０を複式的に図解した断面図である。なお、半導体素子は、必ずしも半導体レーザ素子に限らず、ＬＥＤ素子等の半導体素子でもよい。
【０１２５】
上記半導体レーザ素子５０の作製に際しては、図１４に示すように、まず、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板５１を、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置である上記気相成長装置１０内に搬入する。次に、キャリアガス（Ｈ２）を流しながらＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、ｎ型ＧａＮ基板５１に約１１２５℃の基板温度の下でＳｉドープｎ型ＧａＮ下部コンタクト層５２を厚さ４μｍに成長させる。続いて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を所定流量で導入し、同じ基板温度の下で厚さ０．９５μｍのｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ下部クラッド層５３を形成する。この後、ＴＭＡの供給を停止し、同じ基板温度の下でＳｉドーブｎ型ＧａＮ下部ガイド層５４を厚さ０．１μｍに成長させる。
【０１２６】
その後、ＴＭＧ及びＳｉＨ４の供給を停止し、キャリアガスをＨ２からＮ２に代えて基板温度を約７２５℃まで下げた後に、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びＴＭＧを導入し、ＩｎＶＧａ１−ＶＮ（０≦Ｖ≦１）障壁層を成長させる。続いて、ＴＭＩの供給を所定量にまで増加させ、ＩｎＷＧａ１−ＷＮ（０≦Ｗ≦１）井戸層を成長させる。ＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との形成を繰り返して交互積層構造（障壁層／井戸層／・・・井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸を含む活性層５５を形成する。ＩｎＧａＮの混晶からなる障壁層と井戸層との組成比及び厚さは、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲内になるように設計され、井戸層の数は例えば３層とすることができる。
【０１２７】
活性層５５の形成後、ＴＭＩ及びＴＭＧの供給を停止して、活性層５５よりも下のＧａＮ系半導体層であるＳｉドープｎ型ＧａＮ下部コンタクト層５２、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ下部クラッド層５３、及びＳｉドーブｎ型ＧａＮ下部ガイド層５４の成長温度よりも低い約１０５０℃まで基板温度を高める。ここで、キャリアガスをＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、及びｐ型ドーピング剤のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を導入し、例えば厚さ１８ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ蒸発防止層５６を形成する。
【０１２８】
次に、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を調整して、同じ基板温度で例えば厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ上部ガイド層５７を形成する。続いて、ＴＭＡを所定流量で導入してＴＭＧの流量を調整し、同じ基板温度で例えば厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ上部クラッド層５８を形成する。そして、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給量を調整し、同じ基板温度で例えば厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ上部コンタクト層５９を形成し、これによってエビタキシャル結晶成長を終了する。結晶成長終了後、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇの供給を停止して基板温度を下げ、室温にてウェハを気相成長装置１０から取り出す。
【０１２９】
得られたエビタキシャルウェハは、複数のレーザ素子チップに加工される。まず、ｐ型用電極部分の形成に際して、幅２μｍのストライプ状のレジストをＭｇドープｐ型ＧａＮ上部コンタクト層５９上に形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってリッジストライプ部６０を形成する。そして、電流狭窄のためのＳｉ０２誘電体膜６１を蒸着によって形成する。次いで、レジストを剥離してＭｇドープｐ型ＧａＮ上部コンタクト層５９を露出させ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着してｐ型用電極６２を形成する。
【０１３０】
その後、ｎ型ＧａＮ基板５１の第二主面を研磨等で削ることにより、ウェハ厚さを１４０μｍにし、ウェハを分割し易いようにする。そして、ｎ型ＧａＮ基板５１の第二生面上にＴｉ／Ａ１の順序で蒸着してｎ型用電極６３を形成する。ｎ型用電極まで形成されたウェハは、劈開してバー状に分割され、劈開面からなる共振器端面が形成される。このとき、共振器長は、例えば５００μｍに設定される。その後、各バーをリッジストライプと平行にダイシングして分割し、複数のレーザ素子チップを得る。
【０１３１】
以上のプロセスにより、図１４に示すＧａＮ系の半導体レーザ素子５０が得られる。
【０１３２】
このように、本実施の形態の縦型の気相成長装置１０・４０は、複数のガスとして少なくとも４種類以上のガスを反応室２の中央部にそれぞれ個別に導入するように同心に重ねて形成された複数の導入管１２ａ〜１２ｄと、この複数の導入管１２ａ〜１２ｄの各下流側末端に連結しガスを放射状に供給する各流路を形成するように基板１に対して互いに平行に設けられた仕切板１３ａ〜１３ｄとを備えている。また、各流路を形成する各仕切板１３ａ〜１３ｃにおけるガス下流側先端位置は、基板１の手前に配置されており、かつ高さ方向において基板１に近い側の仕切板１３ａから遠い側の仕切板１３ｃに伴って順次基板１に近づく位置に配されている。さらに、高さ方向において基板１に最も近くの仕切板１３ａと最も遠くの仕切板１３ｃとの間に設けられている少なくとも１つの仕切板１３ｂには、その下流側先端部の一定の範囲に複数の貫通孔Ｈが設けられている。
【０１３３】
したがって、下流側先端部の一定の範囲に複数の貫通孔Ｈが設けられた少なくとも１つの仕切板１３ｂのガス経路を流れるガスは、仕切板１３ｂの貫通孔Ｈを通して高さ方向において基板１に近い方のガス経路へ混入する。この結果、ガスの流れ方向に対して時間差を有して他のガスと混合する。
【０１３４】
この結果、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１３５】
すなわち、本実施の形態の気相成長装置１０・４０は、多数枚を成長する場合において、特に空間反応が活性な原料ガスを用いて混晶系材料を成長させる場合に、結晶品質が均質な膜形成を可能とすることができる。
【０１３６】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、複数の貫通孔Ｈが設けられているのは、高さ方向において基板１に第２番目に近い仕切板１３ｂであると共に、この仕切板１３ｂとその次に近い仕切板１３ｃとによって仕切られた流路に供給されるガスは、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスであり、仕切板１３ｂにおける高さ方向基板側のガス経路に供給されるガスは、Ｖ族原料を含有する原料ガスであることが好ましい。
【０１３７】
すなわち、従来、中央放射方式の縦型の気相成長装置においては、使用ガス流量が多く、ガス流速も非常に大きくなり、特に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとの混合が十分に行われることなく基板面上に到達し、不均一なガスの組成比状態で成膜が行われ、基板面内の組成及び膜厚の均一性が悪く、これにより、例えば半導体の特性が均一にならず、歩留まりが悪いという問題点を有していた。
【０１３８】
しかし、本実施の形態においては、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを使用する例えば半導体の成膜において、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを基板１の手前で、ガスの流れ方向に対して時間差を有して積極的に混合させる。これによって、III族の材料ガスとＶ族の材料ガスとの均一拡散を行った後に、基板１の基板表面に供給する。
【０１３９】
したがって、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを均一分散させ、基板１に成膜される組成比・膜厚が均一となり、例えば半導体の特性が均一となり、再現性及び歩留まりが悪いという問題点を解消することができる。
【０１４０】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、複数の仕切板１３ａ〜１３ｄに仕切られて放射状に供給される複数のガスは、高さ方向において基板１に近い方から順に、Ｖ族原料を含有するガス、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガス以外のIII族原料を含有するガス、第１の原料ガス、及び窒素ガス又は水素ガスであることが好ましい。
【０１４１】
これにより、III族の原料ガスとＶ族の原料ガスとを均一分散させ、基板１に成膜される組成比・膜厚が均一となり、例えば半導体の特性が均一となり、再現性及び歩留まりが悪いという問題点を解消することができる。
【０１４２】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、III族のアルミニウム系原料ガスであり、Ｖ族原料を含有するガスは、Ｖ族の窒素含有材料ガスであることが好ましい。
【０１４３】
これにより、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスがIII族のアルミニウム系原料ガスであり、Ｖ族原料を含有するガスがＶ族の窒素含有材料ガスである場合において、基板面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１４４】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスは、トリメチルアルミニウム若しくはトリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、又はトリイソブチルアルミニウムを含有するガスである場合において、基板１に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１４５】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、所定のIII族原料を含有する第１の原料ガスがトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムであり、Ｖ族原料を含有するガスがアンモニア又はジヒドラジン又はジメチルヒドラジンである場合において、基板１に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１４６】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、貫通孔Ｈを有する仕切板１３ｂにおける複数の貫通孔Ｈの設置範囲におけるガス流れ方向の長さは、基板１の直径の半分以上、かつ直径以下であることが好ましい。
【０１４７】
これにより、基板１面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１４８】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、複数の貫通孔Ｈを有する仕切板１３ｂにおける少なくとも複数の貫通孔Ｈが設置されている範囲は、その材質が石英でできていることが好ましい。
【０１４９】
これにより、石英は、耐熱性に優れている。また、不純物等の汚染物質を排出しないので、清浄性が高い。
【０１５０】
また、本実施の形態の気相成長装置４０では、複数の貫通孔Ｈが設けられている仕切板１３ｂと、この複数の貫通孔Ｈが設けられている仕切板１３ｂよりも高さ方向において基板１に遠ざかる方向に隣接する仕切板１３ｃとの間には、高さ方向を互いに平行に仕切る複数の多段プレートＭが設けられていると共に、多段プレートＭにおけるガス下流側先端位置は、高さ方向において基板１に近い側の多段プレートＭから遠い側の多段プレートＭに伴って、両側の仕切板１３ｂ・１３ｃのガス下流側先端位置との間で、順次、基板１に近づく位置に配されていることが好ましい。
【０１５１】
これにより、複数の貫通孔Ｈが設けられている仕切板１３ｂと、該複数の貫通孔Ｈが設けられている仕切板１３ｂよりも高さ方向において基板１に遠ざかる方向に隣接する仕切板１３ｃとの間を流れるガスを、きめ細かく、時間差を有して他のガスと混合する。
【０１５２】
したがって、基板１に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置４０を提供することができる。
【０１５３】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、各流路を形成する仕切板１３ａ〜１３ｄが一体となったノズル１４を上下方向に移動させるベローズ１５が設けられていることが好ましい。
【０１５４】
これにより、各仕切板１３ａ〜１３ｄと基板１との距離を変えることができる。したがって、原料ガスの種類等に応じて、最適な成長条件を設定することが可能となる。
【０１５５】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、複数の基板１をそれぞれ独立して回転させると共に、円形のサセプタ２０をその中心軸にて回転させる自公転駆動装置３０が設けられていることが好ましい。
【０１５６】
これにより、自公転駆動装置３０によって、基板１を自公転させることによって、基板１に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る気相成長装置１０・４０を提供することができる。
【０１５７】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、反応室２内における基板１の成長面の対向面を形成する壁面としての仕切板１３ｄは、基板１の平面に対して傾斜していることが好ましい。
【０１５８】
すなわち、縦型の気相成長装置１０・４０においてガスを中央から放射状に供給する場合、外周に近づくにつれて、ガスの流速が低下する。
【０１５９】
しかし、反応室２内における基板１の成長面の対向面を形成する仕切板１３ｄを、基板１の平面に対して傾斜させることによって、ガスの流速が低下するのを抑制することができる。
【０１６０】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、仕切板１３ｄの傾斜角θは、放射状に広がるガスの流れ方向の断面積が一定になるように設定されていることが好ましい。
【０１６１】
これにより、縦型の気相成長装置においてガスを中央から放射状に供給する場合に、外周に向かっても、ガスの流速を一定に保つことができる。
【０１６２】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、基板１のガス上流側末端位置よりもガス上流側に、基板１の加熱用とは別個に予備加熱ヒータ２３が設けられていることが好ましい。
【０１６３】
これにより、予備加熱ヒータ２３にてガスを予備加熱することができる。
【０１６４】
また、本実施の形態の気相成長装置１０・４０では、ガスを排出する排気ポート４が複数設けられていることが好ましい。
【０１６５】
これにより、排出ガスを複数の排気ポート４から同時かつ均一に排出することができる。
【０１６６】
また、本実施の形態の半導体素子の製造方法では、気相成長装置１０・４０を用いて、アルミニウム−ガリウム−窒素を含有する化合物半導体結晶を結晶成長させて、ＧａＮ系の半導体レーザ素子５０を製造する
したがって、基板１面に成長する結晶の結晶品質の均一化を実現し得る例えばＧａＮ系の半導体レーザ素子５０の製造方法を提供することができる。
【０１６７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明は、扁平中空円柱状に形成された反応室に設けられた円形の基板保持台における円周部に配置された複数の基板に向けて該反応室の中央部からガスを導入して外周方向に向けて上記基板表面に平行に供給することにより、加熱された該基板に膜を成長させる縦型の気相成長装置、及び半導体素子の製造方法に利用できる。特に、III−Ｖ族化合物半導体結晶を形成する場合に好適である。半導体素子としては、例えば、半導体レーザ素子、ＬＥＤ素子等の半導体素子に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明における気相成長装置の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】（ａ）は上記気相成長装置のサセプタの構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記気相成長装置におけるサセプタの他の構成を示す平面図である。
【図３】上記サセプタ及び基板を自公転させるための逆転用大歯車及びそれに歯合する小歯車の構成を示す平面図である。
【図４】上記ガス導入部における仕切板の構成を示す底面図である。
【図５】上記ガス導入部における仕切板の他の構成を示す底面図である。
【図６】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、基板位置とＡｌ混晶比との関係を、拡散プレート有無により比較した結果を示すグラフである。
【図７】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、基板位置と成長レートとの関係を、拡散プレート有無により比較した結果を示すグラフである。
【図８】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、各基板のＡｌ混晶比分布と、基板と拡散プレートとの相対位置との関係を示すグラフである。
【図９】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、各基板のＡｌ混晶比分布と、拡散プレート上に設けた貫通孔設置範囲との関係を示すグラフである。
【図１０】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、各基板のＡｌ混晶比分布と、基板と対向面との間の距離との関係を示すグラフである。
【図１１】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、基板位置とＡｌ混晶比との関係を、基板対向面の傾斜有無により比較した結果を示すグラフである。
【図１２】上記気相成長装置を用いて成長させたＡｌＧａＮ層について、基板位置と成長レートとの関係を、予備加熱有無により比較した結果を示すグラフである。
【図１３】本発明における他の実施の形態の気相成長装置を示す断面図である。
【図１４】上記気相成長装置にて製造される半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１５】従来の横型気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１６】従来の他の横型気相成長装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１            基板
２            反応室
３            ガス導入部
３ａ〜３ｄ    ガス導入ポート
４            排気ポート（排気口）
１０            気相成長装置
１１            隔壁
１２ａ〜１２ｄ  導入管（縦導入管）
１３ａ          仕切板（第１の仕切板、最も近くの仕切板）
１３ｂ          仕切板（第２の仕切板、複数の開口が設けられた仕切板）
１３ｃ          仕切板（第３の仕切板、最も遠くの仕切板）
１３ｄ          仕切板（壁面）
１４            ノズル
１５            ベローズ（仕切板移動手段）
２０            サセプタ
２１            基板ホルダ
２２            基板加熱用ヒータ
２３            予備加熱ヒータ（加熱手段）
３０            自公転駆動装置（回転駆動手段）
４０            気相成長装置
５０            半導体レーザ素子（半導体素子）
ＤＰ          拡散プレート
Ｈ            貫通孔（開口）
Ｍ            多段プレート（サブ仕切板）
Ｓ            スリット（開口）
θ            傾斜角
【図１】
0005064132.tif 000003
【図２】
0005064132.tif 000004
【図３】
0005064132.tif 000005
【図４】
0005064132.tif 000006
【図５】
0005064132.tif 000007
【図６】
0005064132.tif 000008
【図７】
0005064132.tif 000009
【図８】
0005064132.tif 000010
【図９】
0005064132.tif 000011
【図１０】
0005064132.tif 000012
【図１１】
0005064132.tif 000013
【図１２】
0005064132.tif 000014
【図１３】
0005064132.tif 000015
【図１４】
0005064132.tif 000016
【図１５】
0005064132.tif 000017
【図１６】
0005064132.tif 000018