JP2005085850A - 気相エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気相エピタキシャル成長装置におけるエピタキシャル層成長時の基板温度を基板面内で均一とすること。
【解決手段】回転する板状のサセプタ３に、複数の基板４を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏側に重ねて均熱板７を設け、サセプタ３の直径方向に原料ガスを流し、サセプタ３を基板４と共にガス流路と反対側から加熱手段２１により加熱し、加熱された基板４上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる気相エピタキシャル成長装置において、均熱板７の厚さを、サセプタ３の半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させた構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体結晶のエピタキシャル層成長時の基板温度を面内で均一とするのに適した気相エピタキシャル成長装置に関するものである。

ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などのIII−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長を生かして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：レーザダイオード）などが挙げられる。

一例として、図２にＬＤの基本構造を示す。ＬＤは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、ｐ−クラッド層、発光層、ｎ−クラッド層、バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。ｐ−クラッド層はｐ型ドーパントが、またｎ−クラッド層はｎ型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。基板は単結晶成長するための下地である。

表１にＬＤの構造例を示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−、ｐ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、ｐ型であることを、また、ｕｎ−はエピタキシャル層がアンドープであることを表している。厚さの単位はｎｍ（１０^-9ｍ）である。キャリア濃度の単位はcm^-3である。

表１に示したＬＤエピタキシャルウエハの成長方法を以下に述べる。

上記ＬＤの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ、以下ＭＯＶＰＥ法）による気相エピタキシャル成長装置で成長される。ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。

ここで従来のＭＯＶＰＥ装置（気相エピタキシャル成長装置）が採用しているリアクター（反応炉）の構成を図３に示す。これは、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成すると共に、このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に図５、図６の如く基板４の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して前記開口部５に均熱板７をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。

エピタキシャル層を成長させる基板４をサセプタ３にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。

たとえば、ｕｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ₃（アルシン）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ₃）₃（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。

ｕｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ₃）₃（トリメチルアルミニウム）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にＡｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルアルミニウム）がある。

ｎ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料としてＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）がある。

ここで、例として、図４のようにサセプタ３に基板４を２枚セットし、その基板４の上にエピタキシャル層を成長する場合を考える。図５に、基板４の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットして、エピタキシャル層を成長する従来技術の一例を示す。サセプタ３に基板４をセットし、その上に均熱板７と呼ばれる板を乗せて成長していた。通常は、均熱板７の厚さはサセプタ３の半径方向に変化させない、すなわち均一な厚さのものを使用してエピタキシャル層を成長していた。

厚さが均一でない均熱板を用いた気相エピタキシャル成長装置としては、例えば均熱板に、サセプタの中心から外側に向けて厚みが大になる傾斜を有する均熱板を用いた構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１の技術は、ｎ型のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを成長させたとき、エピタキシャル層のキャリア濃度がサセプタ３の中心方向から周縁方向に向かって徐々に高くなるという問題に鑑み、厚みの薄い方をサセプタの中心側にし、厚い方をサセプタの周縁側になるように位置決めして配設することにより、エピタキシャル層におけるキャリア濃度の面内均一性を向上させることを目的とする。
特開平１０−００７４９０号公報

しかしながら、取り扱う基板面積が大きくなると、エピタキシャル層成長時の基板温度の面内均一性が重要課題となってきた。

すなわち、従来技術（図５）の厚さが均一な均熱板を用いた気相エピタキシャル成長装置により成長した場合、図６に示すように、サセプタの直径でみて外周部で温度が低下する分布を示し、このため各基板４においても、その基板面内で大きな温度差が生じてしまっていた。サセプタ３の内周側で温度が高いのは、ヒータの直下であるため、加熱効率が高いことによる。これに対してサセプタ３の外周側では回転による放熱の影響が大きいため低温となってしまう。これにより、成長されるエピタキシャル層の特性であるキャリア濃度、膜厚、組成、格子整合度なども必然的に面内で分布を生じてしまう結果となっていた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エピタキシャル層成長時の基板温度を基板面内で均一とする気相エピタキシャル成長装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る気相エピタキシャル成長装置は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏側に重ねて均熱板を設け、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、サセプタを基板と共にガス流路と反対側から加熱手段により加熱し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる気相エピタキシャル成長装置において、均熱板の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の気相エピタキシャル成長装置において、上記均熱板のガス流路側の面を平面とし、加熱手段側の面をサセプタの中心から外周側に向かって肉薄となる所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の気相エピタキシャル成長装置において、上記気相エピタキシャル成長装置が有機金属気相成長法によりIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長する装置であり、Ｖ族原料として、ＡｓＨ₃（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ₃）₃（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用い、III族原料として、Ａｌ（ＣＨ₃）₃（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルインジウム）を用い、希釈用ガスとして、Ｈ₂（水素）、Ｎ₂（窒素）またはＡｒ（アルゴン）を用いる、ことを特徴とする。

本発明は、均熱板の厚さをサセプタ半径方向に変化させるようにしたものである。すなわち、均熱板の厚さを、サセプタの中心から外側に向けて厚みが小になるように構成し、具体的にはそのような傾斜を有する均熱板として構成したので、本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

（１）エピタキシャル層成長時の基板温度を、基板面内で均一にすることができる。

（２）キャリア濃度の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。

（３）膜厚面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。

（４）組成面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。

（５）格子整合度の面内均一性が高いエピタキシャル層が得られる。

（６）きわめて容易な手段で基板温度の面内均一化を達成することができる。

（７）きわめて低コストな手段で基板温度の面内均一化を達成することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

前提となる化合物気相エピタキシャル成長装置１は、均熱板７の肉厚に変化（傾斜面）が付けられている構成を除き、図３のものと同一とした。すなわち、本実施形態に係る化合物半導体の気相エピタキシャル成長装置１は、原料ガス供給口２ａからガス排気口２ｂへ原料ガスが流通する反応管２の上部壁に円板状のサセプタ３を設け、これをモータ１０で回転可能に構成する。このサセプタ３に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板４とほぼ同じ形状に開口部５を開け、この開口部５内に基板４の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板４を加熱する加熱源たるメインヒータ２１に面して開口部５に均熱板７をはめ込んで、基板の裏側に重ねた構成とする。なお、９は磁気シールドユニット、２２は外周ヒータである。

しかし従来と異なり、本発明では、均熱板７の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させた。この実施形態では、図１に傾斜面７ａとして示すように、サセプタ３の内周３ａから外周３ｂに向かうに連れて均熱板の厚さが薄くなるように、各均熱板７に傾斜をつけた。従って、均熱板７の傾斜面７ａは、原料ガスの流れ方向と平行な水平面に対して、所定の傾斜角度θだけ傾いている。換言すれば、均熱板７は、その上面として、サセプタ３の中心に向かって膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面を具備する。

こうすることにより、従来高温となっていたサセプタ３の内周側ではヒータ２１、２２による加熱の影響を受け難くなるため温度が下がり、反対に従来低温となっていたサセプタ３の外周側ではヒータからの熱が伝わりやすくなるため温度が上がる。この結果、各基板４の面内の温度分布は、図１（ｂ）から分かるように、きわめて均一とすることができる。この効果を確認するため、実施例として、次のようにＬＤの試作を行った。

本発明を表１のＬＤエピタキシャルウェハの成長に適用した。

成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。基板には、ＧａＡｓ基板を用いた。ｕｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃及びＡｓＨ₃を用い、それらの流量はそれぞれ６５cm³／分、４５cm³／分及び１０００cm³／分である。ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層の成長には、ｕｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃に加えてＳｉ₂Ｈ₆を使用した。流量はそれぞれ６５cm³／分、１５０cm³／分、１０００cm³／分及び３００cm³／分である。ｎ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ１００cm³／分、３００cm³／分及び２００cm³／分である。

均熱板７の厚さは、上面の傾斜面７ａが水平方向に対して１０゜傾斜するような形状（傾斜角度θ＝１０゜）にした。このサセプタを３０ｒｐｍで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。

表２に、本実施例（図１）における基板面内の温度差を、従来方法（図５）と比較して示す。

従来技術（厚さ均一の均熱板）の場合、基板面内の温度差が１０．０℃と大きいのに対し、本実施例（傾斜角度θ＝１０゜を持つ均熱板）の場合には、基板面内の温度差が１．０℃であり、一桁小さい値になった。これより、本発明によれば、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られることがわかる。

以上より、本発明によれば、エピタキシャル層成長時にきわめて高い基板温度面内均一性を達成できることがわかる。

ここで基板の傾斜角θの最適条件について吟味するに、本発明を適用する場合には、従来技術での基板温度分布を相殺するように均熱板厚さの傾斜角を設定してやる必要がある。つまり、基板面内の温度差が大きい場合は均熱板厚さの傾斜角も大きくし、逆に基板面内の温度差が小さい場合は均熱板厚さの傾斜角も小さくなるように設定する。

また、均熱板の厚さ変化は、必ず直線的に変化させなければならないわけではなく、曲線、あるいは階段状など、あらゆる幾何学的形状を採用してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明は、上述してきたような、結晶成長面が下向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスダウン」方式だけでなく、結晶成長面が上向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスアップ」方式にも適用することができる。

本発明の実施例に係る気相エピタキシャル成長装置のサセプタに対する基板と均熱板のセット状態を示す図で、（ａ）はサセプタ側の断面図、（ｂ）はそのサセプタの直径方向の温度分布を示した図である。 ＬＤの基本構造を示す説明図である。 従来技術における気相エピタキシャル成長装置の構造を示した断面図である。 従来技術におけるサセプタへの基板セット方法を示す図である。 従来技術における基板と均熱板のセット状態を示す図である。 従来技術の問題点である基板温度の面内不均一を説明するための図で、（ａ）はサセプタ側の断面図、（ｂ）はそのサセプタの直径方向の温度分布を示した図である。

符号の説明

１ 気相エピタキシャル成長装置
２ 反応管
３ サセプタ
３ａ 内周
３ｂ 外周
４ 基板
５ 開口部
７ 均熱板
７ａ 傾斜面
２１ メインヒータ
２２ 外周ヒータ
θ 傾斜角度

Claims (3)

1. 回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏側に重ねて均熱板を設け、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、サセプタを基板と共にガス流路と反対側から加熱手段により加熱し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる気相エピタキシャル成長装置において、
   均熱板の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させたことを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。
2. 請求項１記載の気相エピタキシャル成長装置において、
   上記均熱板のガス流路側の面を平面とし、加熱手段側の面をサセプタの中心から外周側に向かって肉薄となる所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成したことを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。
3. 請求項１又は２記載の気相エピタキシャル成長装置において、
   上記気相エピタキシャル成長装置が有機金属気相成長法によりIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長する装置であり、
   Ｖ族原料として、ＡｓＨ₃（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ₃）₃（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用い、
   III族原料として、Ａｌ（ＣＨ₃）₃（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルインジウム）を用い、
   希釈用ガスとして、Ｈ₂（水素）、Ｎ₂（窒素）またはＡｒ（アルゴン）を用いることを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。

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