JP4546700B2 - 結晶基板上に結晶層をガス相から堆積させる装置 - Google Patents

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Description

本発明は、特に結晶性の層をガス相から、特に結晶性の基板上に堆積させる装置又は方法に関する。
公知の装置は、少なくとも一つの基板を受容する基板ホルダー、及び１又は複数の加熱されたソースを備える加熱された反応室を具備する。キャリアガスとともにソースへ供給されたハロゲン、特にＨＣｌと、ソースとして配置された金属、例えばＧａ、Ｉｎ又はＡｌとの化学反応が行われ、ガス状ハロゲン化物が形成される。このハロゲン化物は、ガス流入部分を通して基板ホルダーにより支持された基板に搬送される。水素化物、特にＮＨ３、ＡｓＨ３又はＰＨ３を反応室に供給する水素化物供給ラインも設けられる。更に、堆積した半導体層に対し所望通りにドーピングするために、ドーパントを添加することができる。使用するドーパントは、中でも、例えばＳｉＨ４などの十分に希釈した水素化物、又は塩化物、例えばＦｅＣｌである。しかしながら、ドーパントに供するキャリアとしてＨ２Ｓ又は有機金属化合物を使用することも可能である。この性質を持つ適切な化合物としては特にＤＥＺｎ又はＤＰＺＭｇがある。
この種の装置及び／又はこれらの装置に適用される方法は、特に、擬似基板を堆積するために使用される。これは比較的大きな成長速度（＞２００μｍ／ｈ）により可能である。III−V族擬似基板は、ＧａＮをベースとする発光ダイオードの製造に用いられる。これらの発光ダイオードは、紫外光、青色光又は緑色光を放射することができる。特に、紫外光は、適切な燐光物質により白色光に変換することができる。この種の発光ダイオードを製造するための予備的条件は、適切な基板を設けることである。ＧａＡｓ又はＩｎＰの場合とは異なり、汎用的な基板製造技術によっては、比較的大きなバルクのＧａＮ結晶を成長させることは不可能である。ディスク形状の基板を切り出すバルク結晶に代わるものとして、エピタキシ工程で生成された厚い堆積層を疑似基板として使用することも可能である。
本発明は、従って、ＧａＮ層をその上に堆積させるための疑似基板として使用する層を、速い成長速度で適宜の基板上に成長させることが可能な装置を提供することを目的とする。
上記の目的は、特許請求の範囲に開示した装置及びそこに開示した方法により達成される。
本発明においては、多数の回転駆動される基板ホルダーが、基板ホルダーキャリア上に環状配列で配置される。水素化物及び金属ハロゲン化物は、反応室の中央部へ供給される。別の例では、水素化物は周辺から反応室へ供給されて中央部で放出されてもよい。いずれの場合においても、水素化物及び／又は金属ハロゲン化物は、反応室内を中央部から半径方向に流動する。本発明による装置は、１又は複数個のソース（材料源）を有する。これらのソースとしては、金属のＧａ、Ｉｎ又はＡｌが含まれる。これらのソースを充填したソース部は、金属ハロゲン化物が反応室内で直接生成されるように、基板ホルダーキャリアの中央部に配置されるとよい。ガス状のハロゲンは、反応室の中央部に導入されると好適である。反応室の内側に配置されたソースは赤外光又は高周波により加熱することができる。この加熱は抵抗器によって行ってもよい。
基板ホルダーキャリアは回転駆動してもよい。この場合、基板ホルダーキャリアは、ソース部が好適に配置される反応室の対称軸周りに回転する。工程の実行時には、円形ディスク形状をなす基板が静置された基板ホルダーが、基板ホルダーキャリア上に点在するように配置される。基板ホルダーは、それ自身が回転駆動されるので、それに適するように円形ディスク状に形成される。ソ―ス部は、基板ホルダーキャリアとともに回転してもよく、あるいは反応室内の一定位置に固定されてもよい。
水素化物の供給は、金属ハロゲン化物の供給とは別に行われると好適である。水素化物の供給ラインは金属ハロゲン化物を供給するソース部の上に設けられるとよい。ＧａＩｎＡｌＮ結晶の成長工程は、水素化物ＮＨ３の存在により制御されるので、水素化物ＮＨ３は、環状に配列された基板の直前の位置に、すなわち金属ハロゲン化物の供給位置よりも半径方向外方に片寄った位置に供給される。水素化物を半径方向に供給する替わりに、水素化物を、基板に対向して配置された反応室カバーに設けられた開口から供給してもよい。これらの開口は環状の基板ホルダーキャリアに対向する反応室カバー全体にわたって一様に配置してもよい。しかしながら、水素化物を反応室に流すためのこれらの開口が、基板ホルダーキャリアの半径方向に延びる複数の供給ラインの各々の上に列をなすように設けられ、複数の供給ラインは周方向に所定の角度毎に配置されてもよい。この場合、金属ハロゲン化物については、反応室の内側で生成される。
異なるハロゲン化物の導入に供する複数の供給ラインが、基板ホルダーキャリアの半径方向に延びており、隣り合う供給ラインは周方向に所定の角度毎に配置され、各々の供給ライン上に開口が列をなして設けられると好適である。ハロゲン化物の導入に供する供給ラインはそれぞれ、水素化物の導入に供する供給ラインの間に配置されてもよい。ソース部は、反応室の中心から半径方向に離れて、偏心的に配置されてもよい。ソースは加熱される。従って、金属のＧａ、Ｉｎ又はＡｌは液体状になっている。金属は、ＨＣｌ又は他のハロゲンが流れる皿から取り込むことができる。この工程において、ＨＣｌは金属と反応して揮発性金属塩化物を形成する。特に、Ａｌのためのソース部は、ガスにより洗浄される容器として構成することができ、従ってハロゲンとＡｌの間で最適な反応が行われる。このときソース部は洗浄ビンと同様に機能する。
基板は、基板ホルダーキャリアの中心周りに環状に配置される。これらの基板の配置方法は多様であってもよい。例えば、各基板ホルダーに一枚の基板を配置してもよい。ただし、一個の基板ホルダー上に多数の基板を配置することも可能である。基板ホルダーは公知の方法でガスクッション上に配置してもよい。同様に、回転駆動はガス流により公知の方法で行われる。上記ソースの一つはドーパントと入れ替えてもよい。使用ドーパントは金属、例えば鉄を用いることができる。但し、ドーパントはガス状で、特に水素化物として反応室に導入することもできる。使用ドーパントは、例えば、ＳｉＨ４を用いることができる。
以下、図面を参照して実施例について説明する。
図１は、本発明による装置又は方法の概略図である。
図２は、同様に、装置の第一の実施例を概略的に示す図である。
図３は、図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩ上の断面である。
図４は、図２に示した実施例の変形例である。
図５は、図２に示したものと同様の本発明の他の実施例を示す。
図６は、図５に示した実施例の変形例である。
図７は、本発明の関連技術である。
図８は、図７の関連技術の、図７に示した矢印ＶＩＩＩにより示した方向から見た図である。
図９は、他の関連技術の、図８に示したものに対応する図である。
図１０は、基板ホルダー／基板ホルダーキャリア上の基板の配置を示す。
図１１は、図１０によるものの変形例である。
図１２は、図１０によるものの他の変形例である。
図１３は、図１０によるものの第三の変形例である。
図１に示す実施例は、反応室１内に配置された基板３上に、ＩｎＣｌ、ＧａＣｌ及びＡｌＡｌからＧａＩｎＡｌＮ層をエピタキシャル堆積させる装置に関し、ハロゲン化物であるＩｎＣｌ、ＧａＣｌ及びＡｌＣｌは、水素化物であるＮＨ３とともに加熱された反応室１内の基板に対し供給される。このために、この装置はソース部４を備えており、ソース部４はヒータによりソース温度Ｔｓに保持される。このソース部４は、複数の皿１７又は容器１８を具備し、それらは、金属のソース(材料源)であるＩｎ、Ｇａ又はＡｌで充填されている。水素又は窒素などのキャリアガスとＨＣｌとを含む混合ガスが皿１７上を通過するか、あるいは、容器１８内を通過する。この混合ガス、特にＨＣｌのマスフローは、マスフロー制御器１９により設定される。ソース部４での反応によりＩｎＣｌ、ＧａＣｌ又はＡｌＣｌが生成される。これらのハロゲン化物は、ガス流入部５を通して反応室１内に導入される。III−V層を形成するためには、第V族成分を付与する水素化物もまた必要である。実施例では、この水素化物はＮＨ３である。しかしながら、ＮＨ３の替わりにＡｓＨ３又はＰＨ ３ を用いてもよい。水素化物は、水素化物供給ライン６を通して供給される。水素化物のマスフローも同様に、マスフロー制御器１９により制御される。
反応室１内には基板ホルダーキャリア７が設けられ、この基板ホルダーキャリア７はリング形状又は円形ディスク形状であり回転駆動される。特に図１０〜図１３に示されるように、基板ホルダーキャリア７上には多数の基板ホルダー２が環状に配置される。基板ホルダー２は円形ディスク形状であり、ガス供給ライン（図示してない）を流れるガス流により維持されたガスクッション１４上に載置される。このガス流（図示してない）もまた、基板ホルダー２を回転駆動するために用いることができ、従って二重の回転機構が得られる。
図２に示すように、基板ホルダーキャリア７は高周波により下から加熱される。このため、この装置は、高周波コイル１１を備え、この高周波コイル１１は、グラファイトからなる基板ホルダーキャリア７の下方に配置される。反応室１に面する基板ホルダーキャリア７の一部２７はＰＢＮコートしてもよい。但し、その部分２７は、水晶で形成してもよい。基板ホルダー２全体を、同じ材料から形成してもよい。反応室１のカバー１２は水晶から形成すると好適である。
図２に示した実施例はソース部４を有し、これは環状の基板ホルダーキャリア７の中央部に配置される。この実施例においては、皿１７又は容器１８を載置したソースキャリア板２１が、基板ホルダーキャリア７と共に回転することができる。図２において、符号２０により示した個々のソース室１６の間の間仕切り２０は、変形例においては設けなくてもよく、その場合は全ての金属のソースが共通の室内に配置されることになる。図２に示した複数個のＨＣｌ供給ライン１３の代わりに、単一のＨＣｌ供給ラインを使用することが可能である。別の実施例として、環状の基板ホルダーキャリア７がソース配置場所の周りで回転する一方、ソースキャリア板２１は回転せず、位置的に固定されたままにしてもよい。特にこのとき、個別の金属のソースが上記間仕切り２０により空間的に互いに分離してもよい。特に、図３に示すように、異なる金属Ｇａ、Ｉｎ又はＡｌに供する皿１７又は容器１８を配置可能な４個の個別のソース室１６が、間仕切り２０により形成される。個別のＨＣｌ供給ラインは各々のソース室１６に連通している。
シールド１５はソース室１６をカバーする。シールド１５の上で水素化物供給ライン６からＮＨ３が反応室１に流入する。シールド１５は、半径方向外方に延び、基板ホルダー２の直前の位置まで延在する。
図２乃至図４に示した実施例においては、ソース部４の各ソースは個々のソース加熱器８により加熱される。ソース加熱器８は高周波コイルにより構成される。
図４に示した実施例は、ソースキャリア板２１が、基板ホルダーキャリア７から空間を介して離れた所に位置する点で、図２に示した実施例とは異なっている。
図５に示した実施例では、ソースキャリア板２１が赤外線ヒーターにより加熱される。この実施例においては、金属類を受ける皿１７は共通のソース室１６内に配置される。ただし、この場合も適切な間仕切りにより複数のソース室を設けることもできる。供給ライン１３を通してソース室１６内へＨＣｌが導入されることにより生成されたハロゲン化物は、周囲ギャップ５を介して環状の反応室１に流入するが、そこでは基板ホルダー２が配置されて中心周り及び各自の軸線周りに回転している。図５の実施例においては、水素化物（ＮＨ３）が反応室１のカバー１２を通して供給される。このために、カバー１２は多数の水素化物流入開口１０を有する。カバー１２はその全体にわたってシャワーヘッドの形状をなしている。図５において、符号２２は排気口を示し、これは基板ホルダーキャリア７周りに環状に配置されている。
図６に示した実施例は、別の構成のソース部を有する。図６の実施例においては、ＨＣｌは供給ライン１３を通して予備室２３に至る。予備室２３の床部はフリット２４により形成される。フリット２４はソース室１６の上に配置され、これを通過することによりＨＣｌは、１又は複数の皿１７の中に入れられた金属の表面に一様に流動することができる。
図７に示した関連技術においては、ソース部４は反応室１の外側に配置される。図７及び図８に示されるように、ソース部４が反応室１の半径方向外方に配置される。それぞれのソース部４は赤外線ヒーター８によりソース温度Ｔｓに保持される。ソース部４において生成されたハロゲン化物は、温度制御された供給ライン２５により反応室１の中央部に流動され、そこから半径方向外方に基板３に向けて流動するために供給ライン２５の端部５から出てくる。本実施例においては、水素化物は、反応室１内へＮＨ３をシャワーヘッド状に供給するために上記開口１０が配置されたカバー１２から供給される。
図８に示されるように、水素化物流入開口１０は、全部で４個の扇形部分に配置されている。
図９の関連技術は、ハロゲン化物が、反応室１の中央部に導入されるのではなく、基板ホルダーキャリア７の全半径にわたって延在する開口２６を通して導入される変形例を示している。基板ホルダーキャリア７の周方向ではなく半径方向に延びる複数の供給ラインの各々の上に、それぞれ列をなして開口２６及び開口１０が配置されている。複数の供給ラインは周方向に所定の角度毎に配置されている。さらに、ハロゲン化物の供給ラインがそれぞれ、水素化物の供給ラインの間に配置される。基板３は、これらのクシ状供給ラインの下で回転すると同時に、各自の軸線周りに回転する。
図１２及び図１３に示した例からわかるように、複数個の基板３が一個の基板ホルダー２上に配置されてもよい。
基板３の、各自の軸線周りの回転は、層の厚さの均一性を最適とする作用がある。基板ホルダーキャリア７の、反応室１の対称軸周りの回転は、反応室１内の周方向での非一様性をほぼ補償するように作用する。
本発明は二元ＧａＮ擬似基板を生成するために使用される。付加的にあるいは代替するものとして、Ｉｎ又はＧａを第三成分として使用する場合は、ＡｌＧａＮ又はＧａＩｎＮなどの三元又は四元基板を生成することができる。
しかしながら、ＮＨ３に代わるものとして、ＡｓＨ３又はＰＨ３ を水素化物供給ライン６を介して反応室１に供給してもよい。
ソース温度Ｔｓは約７００℃であり、供給ライン２５はソース温度Ｔｓより高い温度であるが、基板ホルダー２は約１０００℃又はそれ以上の温度ＴＤにある。基板温度Ｔ Ｄ は１０００℃と１１００℃の間の範囲にあると好適である。適切な基板はＳｉである。しかし、Ａｌ２Ｏ３基板を用いることも可能である。基板の直径は、３００mmまでが可能である。また当該装置は、複数の層を堆積するためにも使用することができる。ＡｌＧａＩｎＮを、中間層として複数の基板上に同時に堆積させることができる。この堆積は、全て１００μｍ／ｈ及びそれ以上の成長速度で行われることが好適である。これにより、約２００μｍの厚さのクラックのないＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ層を生成することを可能にする。次に、これらの層は、機械的／熱的手段により元の基板から、支持体のない層として分離され、そして低欠陥のＧａＮ基板(疑似基板)として用いられる。この工程は、全圧が１から１５００ｍｂａｒの範囲内で実施される。堆積処理に先立って基板３を誘電体マスクでマスクすることも可能である。層材料が、この堆積工程の間にマスクを超えて成長する場合がある。この過剰成長は、全圧のパラメータにより調節することができる。一方、この過剰成長を、温度又はＨＣｌマスフロー又はＮＨ３マスフローにより制御することも可能である。使用するキャリアガスは好適にはＨ２である。
同様の方法で、ドーパントを反応室１に添加してもよい。与えられるドーパントは、固体ソース例えば鉄ソースである。このソースは、既存のＧａ、Ｉｎ又はＡｌソースの一つと交換することができる。図３に示したソース室１６を、ドーパントソースを配置するために使用することも可能である。水素化物を、固体ドーパントソースに代わるドーパントとして使用することができる。この目的でシランを用いることができる。最後に、有機金属化合物をドーパントとして使用することも可能である。この化合物は同様にガス形態で反応室１に導入される。この工程においてはＤＰＺＭｇを使用すると好適である。
以上に開示した全ての特徴は本発明に固有のものである。関連／添付した優先権書類｛先行出願のコピー｝の開示の内容は、これにより、その全体が、本願の開示に、一部は本願のクレームにおけるこれらの書類の特徴を取り込む観点をもって取り込まれる。

Claims (17)

  1. 疑似基板として使用する結晶層を形成するために、結晶基板である基板(３)上に該結晶層をガス相から堆積させる装置であって、
    （ａ）対称軸をもつ円形の基板ホルダーキャリア(７)と、該基板ホルダーキャリア上にて該対称軸周りに環状に配置されかつ各々が回転駆動されるとともに少なくとも１つの基板(３)を受容する複数の基板ホルダー(２)とを設けた、加熱された反応室(１)と、
    （ｂ）金属ハロゲン化物を前記反応室(１)内の前記基板(３)に対し供給するためのソース部(４、１６)であって、該反応室(１)内における前記基板ホルダーキャリア(７)の中央部に配置されかつ１又は複数の金属であるソースがそれぞれ充填された皿又は容器を具備し、各ソースは個別に加熱されて液体状となっており、キャリアガスとともに該反応室内に供給されるガス状のハロゲンと各ソースとがそれぞれ化学反応を行うことにより該反応室内においてガス状の金属ハロゲン化物を生成する、該ソース部(４、１６)と、
    （ｃ）第V族成分を付与するためのガス状の水素化物を前記反応室(１)内の前記基板(３)に対し供給するための水素化物供給手段(６)と、を備え、
    （ｄ）前記ガス状の金属ハロゲン化物と前記ガス状の水素化物とが、前記反応室内において化学反応することにより、該基板上に前記結晶層をガス相から堆積させることを特徴とする、結晶基板上に結晶層を堆積させる装置。
  2. 前記１又は複数のソースが、金属のＧａ、Ｉｎ及びＡｌのうちの１又は複数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記ハロゲンがＨＣｌであることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記第V族の成分を導入するための水素化物がＮＨ３、ＡｓＨ３又はＰＨ３であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の装置。
  5. 前記金属ハロゲン化物又は前記水素化物は、前記反応室(１)を半径方向に流れることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の装置。
  6. 前記ハロゲンが、前記反応室(１)の中央部に導入されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の装置。
  7. 前記ソース部(４)の各ソースは、赤外光又は高周波により加熱される（８）ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の装置。
  8. 前記基板ホルダーキャリア(７)は、前記対称軸周りで回転駆動されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の装置。
  9. 前記ソース部(４)は、前記基板ホルダーキャリア(７)と共に回転するか、又は一定位置に固定されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 前記水素化物供給手段(６)が、前記基板ホルダーキャリア(７)に対向して配置された反応室カバー(１２)に設けられた開口(１０)であり、前記開口(１０)から前記基板(３)に対して水素化物が供給されることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の装置。
  11. 前記開口(１０)は、前記反応室カバー(１２)における前記基板ホルダーキャリア(７)に対向する部分に一様に分布することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  12. 前記水素化物供給手段(６)が、前記基板ホルダーキャリア(７)の半径方向に延びる複数の供給ラインの各々の上に列をなして設けられた開口(１０)であり、該複数の供給ラインは周方向に所定の角度毎に配置され、前記開口(１０)から前記基板(３)に対して水素化物が供給されることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の装置。
  13. 前記ソース部(４)において、前記ハロゲンは、前記皿(１７)の上方を通過するか、又は前記容器(１８)の内部を通過することにより該容器を洗浄することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の装置。
  14. 前記基板ホルダー(２)が、ガスクッション（１４）に装着されてガス流により回転駆動されることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の装置。
  15. 前記基板(３)として、３００ｍｍまでの直径を有するＳｉ又はＡｌ２Ｏ３基板を使用可能であることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載の装置。
  16. 前記第V族成分付与のための水素化物以外の水素化物をドーパントとして、前記反応室(１)内の基板(３)に対し供給することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の装置。
  17. 前記ソース部(４)に充填されている複数のソースのうち少なくとも１つをドーパントに交換したことを特徴とする請求項１〜１６の何れかに記載の装置。
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