(57)【要約】【課題】温度変更を迅速に行なうことが可能な気相成長装置および当該気相成長装置を用いた半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】気相処理装置１は、処理室４と、サセプタ２と、ヒータ５と、壁部冷却部材５２と、反応ガス供給部材９とを備える。サセプタ２は、処理室４の内部に表面が露出し、当該表面に基板８を搭載する。ヒータ５は、サセプタ２を加熱する。壁部冷却部材５２は、処理室４の壁面を冷却する。反応ガス供給部材９は、処理室４の内部に反応ガスを供給する。ヒータ５の昇温速度は１００℃／分以上であり、かつ、投入可能最大熱量は１０ｋＷ以上である。壁部冷却部材５２の冷却能力はヒータ５の投入可能最大熱量より大きい。反応ガス供給部材９は、水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスを処理室４の内部に１００ｓｃｃｍ以上の流量で供給可能である。サセプタ２の熱容量は５０Ｊ／Ｋ以上５００Ｊ／Ｋ以下である。ヒータ５の熱容量は１０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管と、
前記反応管の内部に表面が露出し、前記表面に処理対象物を搭載するサセプタと、
前記サセプタを加熱する光放射加熱用ヒータと、
前記反応管の壁面を冷却するための反応管冷却部材と、
前記反応管の内部に反応ガスを供給するためのガス供給部とを備え、
前記光放射加熱用ヒータの昇温速度は１００℃／分以上であり、かつ、投入可能最大熱量は１０ｋＷ以上であり、
前記反応管冷却部材の冷却能力は前記光放射加熱用ヒータの前記投入可能最大熱量より大きく、
前記ガス供給部は、水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスを前記反応管の内部に１００ｓｃｃｍ以上の流量で供給可能であり、
前記サセプタの熱容量が５０Ｊ／Ｋ以上５００Ｊ／Ｋ以下であり、
前記光放射加熱用ヒータの熱容量が１０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下である、気相成長装置。
【請求項２】
前記反応管冷却部材は、前記反応管の壁面のうち前記サセプタの前記表面に対向する部分を冷却する、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の気相成長装置を用いた半導体基板の製造方法であって、
サセプタの表面に処理対象物としての基板を搭載する工程と、
ガス供給部から原料ガスを反応管の内部に供給しながら、前記光放射加熱用ヒータを用いて前記サセプタを介して前記基板を加熱することにより、前記基板表面に半導体膜を形成する工程とを備える、半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気相成長装置および半導体基板の製造方法に関し、より特定的には、成膜条件を迅速に変更する気相成長装置および半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体を基板表面に成長させる気相成長装置では、加熱手段として抵抗加熱ヒータや、加熱用ランプを用いている。たとえば、特開平７−１８３２９１号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）では、加熱ランプからのエネルギー線を透過する材料からなる二重管の内部に処理対象物である半導体基板を配置し、二重管の外部に加熱ランプを配置した熱処理装置が開示されている。また、特開２０００−２０８５００号公報（以下、特許文献２と呼ぶ）では、コールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉であって、反応チャンバの内部に保持された半導体基板の上方に加熱用ランプを設けるとともに、当該加熱用ランプの間に複数のガス導入孔が形成された加熱装置が開示されている。      
【特許文献１】特開平７−１８３２９１号公報
【特許文献２】特開２０００−２０８５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、ＧａＮなどを用いた発光素子では、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）といった、膜質の異なる薄膜を多数積層する構造を形成する必要がある。この場合、気相成長装置においては、成膜条件、特に成膜温度を迅速に変更する必要がある。これは、以下のような理由による。すなわち、成膜温度を変更する場合に、変更後の温度が安定するまで長時間を要する場合には、そのまま成膜を続けると温度条件が変化していることに起因して、形成される膜の品質が低下するために成膜処理を一端中止することになる。このように成膜処理を中止すると、温度条件が安定してから再度成膜処理を再開しても、膜の成長が不連続になり界面が形成されるため、結果的に形成される膜の品質が低下する。このような問題の発生を避けるためには、成膜温度の変更を迅速に行ない、温度の変化時間（過渡時間）を極力短くして成膜処理を中断することなく連続して行なうことが好ましいのである。
【０００４】
しかし、上述した従来の装置では、基板表面での処理の均一性などは考慮されているものの、上述のような温度変更時の迅速性については特に考慮されておらず、迅速な温度変更により高品質な膜を連続して形成することは難しかった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、温度変更を迅速に行なうことが可能な気相成長装置および当該気相成長装置を用いた半導体基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、半導体膜を形成するときの成膜温度の制御について鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、成膜温度を迅速に変更するためには、気相成長装置の全体での入熱（ヒータによる投入可能熱量）と、排熱（冷却能力）、さらに気相成長装置において特に熱の出入りに関連する部材（サセプタやヒータ）の熱容量を好ましいバランスとなるようにすれば、処理対象物の温度制御性を向上させることが可能であるという知見を発明者は得た。このような知見に基づき、この発明に従った気相成長装置は、反応管と、サセプタと、光放射加熱用ヒータと、反応管冷却部材と、ガス供給部とを備える。サセプタは、反応管の内部に表面が露出し、当該表面に処理対象物を搭載する。光放射加熱用ヒータは、サセプタを加熱する。反応管冷却部材は、反応管の壁面を冷却する。ガス供給部は、反応管の内部に反応ガスを供給する。光放射加熱用ヒータの昇温速度は１００℃／分以上であり、かつ、投入可能最大熱量は１０ｋＷ以上である。反応管冷却部材の冷却能力は光放射加熱用ヒータの投入可能最大熱量より大きい。ガス供給部は、水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスを反応管の内部に１００ｓｃｃｍ以上の流量で供給可能である。サセプタの熱容量は５０Ｊ／Ｋ以上５００Ｊ／Ｋ以下である。光放射加熱用ヒータの熱容量は１０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下である。
【０００７】
このようにすれば、ＧａＮなどの化合物半導体層について、組成を変更した複数の層を積層するように形成する場合に、成膜温度の変更を迅速に行なうことができるので、成膜温度の変更時において成膜を中止することなく、連続して成膜処理を行なうことができる。
【０００８】
ここで、光放射加熱用ヒータの昇温速度を１００℃／分以上、および投入可能最大熱量を１０ｋＷ以上、さらに反応管冷却部材の冷却能力は光放射加熱用ヒータの投入可能最大熱量より大きいとしたのは、このようにすれば化合物半導体層（たとえばＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）の成長に必要な１０００℃程度の高温域において、成膜温度をより高い温度へと変更する場合にも、半導体層の品質に悪影響を与えるような組成変動層（温度条件が変動している状態で成膜された層）の厚みを十分薄くすることができ、結果的に優れた品質の半導体層を形成できるためである。
【０００９】
なお、ヒータの昇温速度の上限はたとえば３００℃／分とすることができる。これはヒータの投入可能最大熱量とサセプタの熱容量の物理的限界による。また、投入可能最大熱量の上限はたとえば１００ｋＷとすることができる。これは、ヒータの製造上の限界による。
【００１０】
また、反応管冷却部材の冷却能力を光放射加熱用ヒータの投入可能最大熱量より大きく、さらにガス供給部における水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスの反応管の内部への供給能力を１００ｓｃｃｍ以上としたのは、このようにすれば、十分な冷却能力（反応管冷却部材による冷却能力および上記ガスによる反応管および基板の冷却能力）を得ることができるためである。すなわち、化合物半導体層（たとえばＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）の成長に必要な１０００℃程度の高温域において、成膜温度をより低い温度へと変更する場合にも、半導体層の品質に悪影響を与えるような組成変動層（温度条件が変動している状態で成膜された層）の厚みを十分薄くすることができ、結果的に優れた品質の半導体層を形成できるためである。
【００１１】
また、サセプタの熱容量を５０Ｊ／Ｋ以上５００Ｊ／Ｋ以下、光放射加熱用ヒータの熱容量を１０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下としたのは、以下のような理由による。すなわち、サセプタについては、基板を保持することが可能な強度を備えることが必要であること、および高温に耐え得る材料が限られることなどから、熱量用を小さくするにも限界があり、現実的には上述のような５０Ｊ／Ｋという下限値未満にすることは難しいためである。また、光放射加熱用ヒータの熱容量の下限値も、当該光放射加熱用ヒータとして用いることができる材料などが限定されるため、実質的に上述した下限値未満とすることは難しいためである。また、サセプタの熱容量の上限値および光放射加熱用ヒータの熱容量の上限値は、上述したサセプタおよびヒータの熱容量が上述した上限値より大きくなると、上述した光放射加熱用ヒータの投入最大熱量や昇温速度の上限値によっても、迅速な温度変更が難しくなるためである。
【００１２】
なお、より好ましくは、光放射加熱用ヒータの昇温速度は２００℃／分以上であり、かつ、投入可能最大熱量は２０ｋＷ以上である。反応管冷却部材の冷却能力は好ましくは２０ｋＷ以上である。ガス供給部は、上記ガスを反応管の内部に１ｓｌｍ以上の流量で供給可能である。サセプタの熱容量は１００Ｊ／Ｋ以上２００Ｊ／Ｋ以下である。光放射加熱用ヒータの熱容量は５０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下である。
【００１３】
上記気相成長装置において、反応管冷却部材は、反応管の壁面のうちサセプタの表面に対向する部分を冷却してもよい。この場合、処理対象物での成膜が実質的に行われる処理対象物近傍の温度をより効率的に制御することができる。
【００１４】
この発明に従った半導体基板の製造方法は、上記気相成長装置を用いた半導体基板の製造方法であって、以下の工程を備える。まず、気相成長装置におけるサセプタの表面に処理対象物としての基板を搭載する工程を実施する。また、ガス供給部から原料ガスを反応管の内部に供給しながら、光放射加熱用ヒータを用いてサセプタを介して基板を加熱することにより、基板表面に半導体膜を形成する工程を実施する。
【００１５】
このようにすれば、半導体膜において組成の異なる複数の層を積層する場合に、成膜工程を中断することなく連続して成膜処理を行なうことができる。この結果、複数の層の間に、成膜処理の中断に起因する界面が形成されることを防止できるので、優れた膜質の半導体膜を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、処理対象物に対する成膜処理において、成膜温度を迅速に変更することが可能になり、異なる組成の高品質な膜を連続して形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。  図１は、本発明による気相処理装置を示す断面模式図である。図１を参照して、本発明による気相処理装置１を説明する。
【００１８】
図１に示す気相処理装置１は、気相成長装置であって、処理室４と、処理室４の内部に表面が露出し、当該表面上に基板８を搭載するサセプタ２と、サセプタ２を介して処理対象物である基板８を加熱するためのヒータ５と、ヒータ５を冷却するヒータ冷却部材５１と、処理室４のサセプタ２と対向する領域に位置する壁部を冷却するための壁部冷却部材５２と、処理室の内部に反応ガスを供給するための反応ガス供給部材９と、処理室４の内部から反応後のガスを排出するためのガス排気部材１０とを備える。処理室４の反応ガスが流れる方向（矢印１１、１２に示す方向）に対して垂直な方向における断面形状は、任意の形状とすることができるが、たとえば矩形状としてもよい。処理室４の上壁６および底壁７はたとえば石英により構成することができる。
【００１９】
処理室４の底壁７には、開口部が形成され、当該開口部の内部にサセプタ２が配置されている。上記開口部とサセプタ２とのそれぞれの平面形状はたとえば円形状とすることができる。このサセプタの上部表面には処理対象物である基板８が搭載される。サセプタの裏面（基板８が搭載される上部表面と反対側に位置する表面）の中央部には、サセプタ２を回転させるための回転軸３が接続されている。回転軸３において、サセプタ２と接続された端部と反対側の端部は図示しないモータなどの駆動源と接続される。駆動源による回転力が回転軸３を介して伝えられることにより、サセプタ２は回転可能になっている。
【００２０】
サセプタ２の裏面側には、基板８の下に位置する領域にヒータ５が設置されている。このヒータ５に接続した状態で、ヒータ冷却部材５１が接続されている。このヒータ５は、光放射加熱用ランプであり、たとえばハロゲンランプやアークランプなどを用いることができる。また、サセプタ２の上部表面と対向する処理室４の上壁６の部分には、その外周部に壁部冷却部材５２が接続されている。
【００２１】
処理室４の上流側においては、反応ガスを供給するため、隔壁２１、２２によって隔てられた流路２３〜２５が形成されている。隔壁２１、２２はそれぞれ平板状の形状を有している。そして、隔壁２１、２２は、サセプタ２の上部表面とほぼ平行な方向に延びるように配置されている。このため、サセプタ２の上部表面に平行な方向に対して交差する（直交する）方向に積層するように３つの流路２３〜２５が配置された状態となっている。
【００２２】
ヒータ冷却部材５１および壁部冷却部材５２の構成としては、任意の構成を用いることができる。たとえば、ヒータ冷却部材５１や壁部冷却部材５２として、ベース体の内部に冷却媒体流路を構成し、当該冷却媒体流路において水や気体などの冷却媒体を流通させることにより、ヒータ５や処理室の上壁６の温度を下げるようにしてもよい。あるいは、ペルチェ素子などを用いてヒータ５や上壁６から直接的に熱を除去するようにしてもよい。
【００２３】
ここで、上記気相処理装置１の特徴的な構成を要約すれば、上述した気相成長装置としての気相処理装置１は、反応管としての処理室４と、サセプタ２と、光放射加熱用ヒータであるヒータ５と、反応管冷却部材としての壁部冷却部材５２と、ガス供給部としての反応ガス供給部材９とを備える。サセプタ２は、処理室４の内部に表面が露出し、当該表面に処理対象物としての基板８を搭載する。ヒータ５は、サセプタ２を加熱する。壁部冷却部材５２は、処理室４の壁面を冷却する。反応ガス供給部材９は、処理室４の内部に反応ガスを供給する。ヒータ５の昇温速度は１００℃／分以上、より好ましくは２００℃／分以上であり、かつ、投入可能最大熱量は１０ｋＷ以上、より好ましくは２０ｋＷ以上である。壁部冷却部材５２の冷却能力はヒータ５の投入可能最大熱量より大きく、より好ましくは２０ｋＷ以上である。反応ガス供給部材９は、水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスを処理室４の内部に１００ｓｃｃｍ以上、より好ましくは１ｓｌｍ以上の流量で供給可能である。サセプタ２の熱容量は５０Ｊ／Ｋ以上５００Ｊ／Ｋ以下、より好ましくは１００Ｊ／Ｋ以上２００Ｊ／Ｋ以下である。ヒータ５の熱容量は１０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下、より好ましくは５０Ｊ／Ｋ以上１００Ｊ／Ｋ以下である。
【００２４】
このようにすれば、気相処理装置１を用いてＧａＮなどの化合物半導体層について、組成を変更した複数の層を積層するように形成する場合に、成膜温度の変更を迅速に行なうことができるので、成膜温度の変更時において成膜を中止することなく、連続して成膜処理を行なうことができる。
【００２５】
上述した気相処理装置１の具体的な構成例としては、たとえば、処理室４を石英で構成し、当該石英の厚み２ｍｍとする。また、サセプタ２の材質を炭素とし、基板８を搭載する部分の厚みを２ｍｍ、サセプタ２の全体の体積を６４ｃｍ３とする。このようにすれば、サセプタ２の熱容量を１００Ｊ／Ｋとすることができる。ヒータ５としてハロゲンランプを用い、その加熱能力を２０ｋＷとする。また、ヒータ５の熱容量は５０Ｊ／Ｋである。また、壁部冷却部材５２として、水冷機構を採用し、その冷却能力を３０ｋＷとする。また、反応ガス供給部材９からの水素ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスの供給可能流量を１０ｓｌｍとする。また、ヒータ冷却部材５１としては、ヒータ５に接触した冷却ベースとしてアルミニウムからなる部材を用い、当該冷却ベースの内部に冷却媒体として水を流す冷却チャネルを形成したものを用いる。ヒータ冷却部材の冷却能力は３０ｋＷとする。
【００２６】
次に、図１に示した気相処理装置１の動作を簡単に説明する。気相処理装置１においては、サセプタ２の上部表面上に処理対象物である基板８を搭載した後、処理室４の内部を所定の圧力にまで減圧した後、ヒータ５によりサセプタ２および基板８を加熱する。このときの加熱温度としては、たとえば１０００℃以上１３００℃以下といった温度にすることができる。基板８の温度が所定の処理温度となった状態で、処理室４の入口側から流路２３〜２５を介して反応ガス供給部材９から所定の反応ガスを処理室４の内部へと供給する。この結果、供給された反応ガスは、基板８の上部表面上の領域において熱分解などにより反応し、基板８の表面に所定の処理（成膜処理）を行なうことができる。その後、処理に用いられたガスはガス排気部材１０により矢印１２に示すように処理室４の内部から外部へと排出される。
【００２７】
図２は、図１に示した気相処理装置を用いた半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。図２を参照して、本発明による半導体基板の製造方法を説明する。
【００２８】
図２に示すように、本発明による半導体基板の製造方法では、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、図１に示した気相処理装置においてサセプタ２の上部表面上に処理対象物である基板８を搭載する。
【００２９】
次に、処理工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）においては、具体的には上述のように気相処理装置１の処理室４の内部を所定の圧力にまで減圧するとともに、ヒータ５を用いて基板８を所定の温度まで加熱する。そして、処理室４の内部に反応ガス供給部材９から反応ガスを供給することにより、基板８の表面において所定の処理（成膜処理）を行なう。つまり、工程（Ｓ２０）は、反応ガス供給部材９から原料ガスを処理室４の内部に供給しながら、ヒータ５を用いてサセプタ２を介して基板８を加熱することにより、基板８表面に半導体膜を形成する工程である。
【００３０】
ここで、処理工程（Ｓ２０）においては、基板８の上部表面上に異なる組成のエピタキシャル膜を順次形成する場合がある。このような異なる組成のエピタキシャル膜を形成する場合には、異なる組成の膜ごとに異なる成膜条件を実現しなければならない。従来は、特に温度条件の変更においては、装置全体の熱容量などが特に考慮されていなかったため、当該温度条件の変更に比較的長い時間が必要であり、組成の安定しない膜（組成変動層）が形成されるおそれがあった。このため、組成を変更する場合には一旦反応ガスの供給を止めるなどの処置が必要であった。しかし、本発明による気相処理装置１においては、サセプタ２やヒータ５などの熱容量やヒータ５および処理室４の壁部の温度制御を積極的に行なうことにより、温度条件の変更を迅速に行なうことができる。そのため、連続して成膜処理を行ないながら成膜条件を変更しても、十分に急峻な組成変化を行なったエピタキシャル膜を得ることができる。
【００３１】
このような組成の変更を伴ったエピタキシャル膜の成長工程を、図３を参照しながら説明する。図３は、図２に示した半導体基板の製造方法における成膜工程の一部を示すフローチャートである。図３に示すように、まず１層目のエピタキシャル膜を形成するための条件により、成膜工程（Ｓ２１）が実施される。そして、１層目のエピタキシャル膜が所定の厚みになることにより、成膜条件の変更を行なう必要があるかどうかを判別するための条件変更実施確認工程（Ｓ２２）が実施される。この工程（Ｓ２２）においてＮＯと判断されれば、成膜条件を変えるタイミングにまだなっていないとして、上記工程（Ｓ２１）が続行される。そして、成膜条件を変更するタイミングまで、上記工程（Ｓ２１）、工程（Ｓ２２）が繰返し実行される。
【００３２】
そして、工程（Ｓ２２）において成膜条件の変更を行なうタイミングであると判断された場合には、工程（Ｓ２２）においてＹＥＳと判断され、条件変更工程（Ｓ２３）が実施される。この工程（Ｓ２３）においては、２層目のエピタキシャル膜を形成するための熱温度や原料ガスの組成および流量などが新たに設定される。そして、工程（Ｓ２４）においては、上述した２層目の条件変更が完了したかどうかが判断される。この工程（Ｓ２４）においてＮＯと判断されれば、工程Ｓ２４が繰返し実施される。そして、工程Ｓ２４においてＹＥＳと判断されれば、変更後の条件を用いて成膜工程（Ｓ２１）が実施される。なお、本発明による気相処理装置１では、成膜温度の変更が迅速に行われるため、条件変更が完了するまでの時間が従来より極めて短く、反応ガスの供給の中断などを行なうことなく、連続して１層目から２層目のエピタキシャル膜を形成することができる。
【００３３】
このような工程を繰返すことにより、所定の組成の膜を順次連続的に積層していくことができる。
【００３４】
このようにして、図４に示すように基板８の上部表面上にエピタキシャル層４８が形成されたエピタキシャル層付き基板４９を得ることができる。ここで、図４は、図２に示した本発明による半導体基板の製造方法を用いて製造されたエピタキシャル層付き基板を示す斜視模式図である。
【００３５】
図４に示したエピタキシャル層付き基板４９では、エピタキシャル層４８が、上述した1層目と２層目とのエピタキシャル膜が所定の組数だけ繰返し積層された構成となっている。
【００３６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、組成の異なる半導体膜を積層するように形成する気相成長装置および当該気相成長装置を用いた半導体基板の製造方法に有利に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による気相処理装置を示す断面模式図である。
【図２】図１に示した気相処理装置を用いた半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】図２に示した半導体基板の製造方法における成膜工程の一部を示すフローチャートである。
【図４】図２に示した本発明による半導体基板の製造方法を用いて製造されたエピタキシャル層付き基板を示す斜視模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  気相処理装置、２  サセプタ、３  回転軸、４  処理室、５  ヒータ、６  上壁、７  底壁、８  基板、９  反応ガス供給部材、１０  ガス排気部材、１１，１２  矢印、２１，２２  隔壁、  ２３〜２５  流路、４８  エピタキシャル層、４９  エピタキシャル層付き基板、５１  ヒータ冷却部材、５２  壁部冷却部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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