特許 5848170 気相成長装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848170

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】気相成長装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20160107BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20160107BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   C23C16/455

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-59078(P2012-59078)

(22)【出願日】2012年3月15日

(65)【公開番号】特開2013-197106(P2013-197106A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2015年2月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】特許業務法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】茂木 正彦

(72)【発明者】

【氏名】堀尾 直史

【審査官】 正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１９８９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２４２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０４９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８１８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２３２０６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ２３Ｃ １６／４５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を水平に担持して前記基板を加熱及び回転するサセプタと、
前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、
不活性ガスまたは水素ガスを、前記基板の法線方向に対して傾けた方向から、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、
前記フロー補助板上に沿って位置するノズル開口を有し且つ前記ノズル開口から前記基板の中心に向け前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、
前記材料ガスノズルは前記フロー補助板に面した底板を有し、
前記底板は、前記フロー補助板に近い側に位置し且つ第１熱膨張率を有する第１金属板と、前記フロー補助板から遠い側に位置し且つ前記第１金属板に主面同士で接合され且つ前記第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する第２金属板と、からなるバイメタル板であることを特徴とする気相成長装置。

【請求項2】

前記バイメタル板は複数の分割バイメタル板からなり、前記分割バイメタル板は前記ノズル開口から前記管体の伸長方向へ順に並設されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項3】

前記基板の周囲温度が上がるにつれて前記バイメタル板は湾曲して前記層流の前記基板内の中央部を厚くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相成長装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体結晶のエピタキシャル成長を行う気相成長装置、特に２フローリアクタ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エピタキシャル成長を行う気相成長装置は、その反応容器内に導入された反応ガスである材料ガスが加熱された成長用の基板上で熱分解反応して、化合物やその固溶体結晶となり、その時、基板の結晶面方位を維持したまま同じ結晶面の単結晶層が該基板上に成長するようにした装置である。

【0003】

気相成長装置のうち、２フローリアクタ装置では、基板上の材料ガスの層流と押さえガス流の合成流が形成され、材料ガスは基板と平行に、且つ直上に流される（特許文献１、参照）。押さえガス流は材料ガス流に垂直又は垂直から４０°程度まで傾けた角度で流される。その結果、材料ガスが基板に押し付けられるように流れる。この２つのガス流すなわち２フローの構成により、たとえば、ＧａＮ結晶成長において、材料ガスが基板上で高温１０００℃程度になり約４．５倍の体積膨張が起こっても、基板上で安定的な材料ガス流が保たれる。

【0004】

たとえば、特許文献２に開示された２フローリアクタ装置は、反応容器内部に、図１に示すように、サセプタ１４と、材料ガスノズル１０ａと、押さえガス噴出器１２とを備え、さらに、第２のガス噴射管１０ｂを備えている。材料ガスノズル１０ａは、回転するサセプタ１４の上に搭載された基板１５の上面に材料ガスを供給できるようにその先端が基板１５の近傍まで延長している。材料ガスとしては、たとえば、水素（Ｈ₂）、アンモニアガス（ＮＨ₃）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を適当な比率で混合した混合ガスが用いられる。また、押さえガス噴出器１２は、基板１５の上方に開口部がくるように設置されている。この押さえガス噴出器１２は、材料ガスを含まない不活性なガスの単体ガスまたはそれらの混合ガスを基板１５に対しで吹き付けている。第２のガス噴射管１０ｂは、基板１５の回転方向に対して逆方向に不活性ガスあるいは希釈された材料ガスを噴射できるように取り付けられ、その開口部は、基板１５の中心点に対して材料ガスノズル１０ａの反対側にある。

【0005】

２フローリアクタ装置を用いた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によれば、図２（ａ）に示すように、基板１５上に沿って材料ガスを流した場合、ガスフローの速い流れの層と、この流れの層下の基板表面上に遅い流れの境界層（淀み層）が形成される。結晶成長において、材料ガス分子は速い流れの層から境界層へ供給され境界層の材料分解位置で原子が拡散して熱分解を伴って、基板上の結晶成長に至る。

【0006】

図２（ｂ）に示すように、材料ガスはノズル近くの上流部の基板端で濃度は濃く、離れた下流部の基板中央では上流部で消費された分だけ濃度は薄くなる。よって、基板上のエピタキシャル層は、ノズル側前方の上流部の膜厚が厚く、ノズルから遠い後方の下流部の膜厚が薄くなる。

【0007】

図２（ａ）に示すように、加熱されているサセプタ１４上では基板１５の中央から全体が１０００℃程度となり、サセプタ１４の周縁に至るまでに２００℃程度まで温度が下降する故に、基板形状に沿った円弧状の温度分布が基板１５上に形成される。この円弧状の温度分布が膜厚分布の不均一の原因となる。

【0008】

ノズルから供給されたガスは、上流部より急速に加熱されて高温になる。そして、サセプタ温度と同等な温度になり飽和する。材料ガスは４００℃〜４５０℃より急速に分解を開始する。かかる分解開始温度の分布線をガス材料分解熱等温度線と呼ぶことにする（なお、熱等温度線と省略する場合もある）。よって、材料ガス分解熱等温度線と基板の位置関係が膜厚分布を左右することになる。

【0009】

特許文献２の開示技術では、かかる膜厚分布の不均一の解決策として基板の半分よりも材料ノズルから遠い下流位置で第２のガス噴射管から第２のガスを噴射し材料ガスを希釈することで膜厚の均一分布を改善している。

【0010】

さらに、特許文献３では、かかる膜厚分布が不均一になる問題を改善するために、ガス導入口の吹出し幅を横幅方向の場所により変化させることにより、材料ガスの流れに対して垂直方向の膜厚分布を制御することを提案している。さらに、特許文献４では、チャンバの幅方向中央部側と基板周辺部側とでそれぞれ濃度を変化させた材料ガスを複数のインジェクタから吹き出させることを提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平０４−２８４６２３

【特許文献2】特開２００３−１７３９８１

【特許文献3】特開平０５−１９８５１２

【特許文献4】特開平０５−２３２０６０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

一般に、窒化物発光半導体素子を形成するにあたり、最低限ｎＧａＮ層、多重量子井戸(ＭＱＷ)層、ｐＧａＮ層の成膜が必要となる。各層はそれぞれ１０００℃、７００℃、９００℃、異なる成長温度が必要となる。ＭＱＷ層はＩｎＧａＮを用いるため温度が高すぎるとＩｎが取り込みにくくなるため低温となる。

【0013】

材料ガスは基板やセプタからの輻射熱に晒されるので、基板上に上昇気流が発生し成長温度が高いほど材料ガスの境界層が基板から離れてしまう。よって、効率よく材料ガスが基板に供給されない。そのため、成長温度が高い場合には押さえガス流量を多くし押さえの効果を強くし、成長温度が低い場合には押さえガス流量を前記よりも少なくするように、制御している。

【0014】

図３（ａ）は一般の２フローリアクタ装置における矩形開口の材料ガスノズル１０ａの正面図を示す。図３（ｂ）は材料ガスノズル１０ａとサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図を示す。図３（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフを示す。たとえば２フローリアクタ装置において或る成長温度の場合、材料ガスノズル１０ａの長方形のノズル開口の縦幅Ｗｚは幅方向で一定であり、押さえガスが強いため材料ガスは広く材料ガス流路の外周部へ大きく曲げられる故に、図３（ｃ）に示すように材料ガスノズル１０ａによる層流では両側と中心部で平坦な材料ガス濃度分布となる。このような平坦な材料ガス濃度分布では膜厚分布は不均一となってしまう。

【0015】

しかし、窒化物発光半導体素子の成長のように各層毎に成長温度が異なる場合、押さえガス流量が成長温度により変わる故に、これにより生じる上昇気流も変化する。押さえガスもこの上昇気流に応じて変化させることになる。また、材料ガス濃度を層流中心で濃くし外周部を薄くしても、押さえガスによってある程度均一化されてまう。よって、成長温度の変化により押さえガスの作用は一定ではないため、材料ガス濃度分布は各層によって実質的に変化することになる。

【0016】

特許文献３に記載された技術思想を適用し、材料ガスノズルの中央幅を狭くし中心付近に材料ガスを多く流す構造を採用したことにより膜厚分布を向上させても、成長温度が変化した場合の上記材料ガスの濃度分布が一定とならない問題は解消されず、成膜温度に応じ材料ガスの境界層位置が変わるため均一な膜厚制御ができない。

【0017】

特許文献２に記載された技術でも第２のガス噴射口を含めガス供給設備を別に設けたり、特許文献４に記載された技術でも複数供給系統からのガス供給となり制御が複雑且つ多くのマスフローコントローラが必要となるため非常にコストがかかるという問題がある。

【0018】

そこで本発明は、簡単な構造で成長結晶層の膜厚均一性を向上させることができ、歩留まりが高い気相成長装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明の気相成長装置は、基板を水平に担持して前記基板を加熱及び回転するサセプタと、前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、不活性ガスまたは水素ガスを、前記基板の法線方向に対して傾けた方向から、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、前記フロー補助板上に沿って位置するノズル開口を有し且つ前記ノズル開口から前記基板の中心に向け前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、前記材料ガスノズルは前記フロー補助板に面した底板を有し、前記底板は、前記フロー補助板に近い側に位置し且つ第１熱膨張率を有する第１金属板と、前記フロー補助板から遠い側に位置し且つ前記第１金属板に主面同士で接合され且つ前記第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する第２金属板と、からなるバイメタル板であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明の構成によれば、輻射熱に応じバイメタル板の底板をフロー補助板へ接近せしめて材料ガスの境界層を基板付近に作り、さらに材料ガス層流の中間部を両端部分より厚くすると同時に押さえガスの押さえ効果によって、基板中央より周囲のガス濃度を低く維持したまま成長温度による材料ガス濃度分布の変化を制御できる。その結果、成長層の膜厚の均一性を向上させることができる。つまり本発明では、材料ガスノズル先端部にバイメタル板からなる底板を用い、温度の異なる各成長層に最適な材料ガス分布及び押さえガス流量を設定することにより、各層ごとに最適な膜厚分布を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】従来の２フローリアクタ装置の内部構造を示す概略断面図（図１（ａ））及び概略上面図（図１（ｂ））である。

【図2】従来の２フローリアクタ装置におけるサセプタ及び基板の概略断面図（図２（ａ））及び基板直径上の一方端から基板中央までの材料ガス濃度の変化を示すグラフ（図２（ｂ））である。

【図3】従来の２フローリアクタ装置の材料ガスノズルの正面図（図３（ａ））、同２フローリアクタ装置の材料ガスノズルとサセプタと基板との関係を示す概略上面図（図３（ｂ））、同２フローリアクタ装置の成長工程場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフ（図３（ｃ））である。

【図4】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置の内部構造を示す材料ガスの層流に沿った概略断面図である。

【図5】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置の内部構造を示す材料ガスの層流に向かって眺めた概略断面図である。

【図6】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置のサセプタと材料ガスノズルの関係を示す概略上面図である。

【図7】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置のフロー補助板側から見た材料ガスノズルの概略斜視図である。

【図8】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置の材料ガスノズルの正面図（図８（ａ））、同２フローリアクタ装置の材料ガスノズルとサセプタと基板との関係を示す概略上面図（図８（ｂ））、成長温度が高い場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフ（図８（ｃ））である。

【図9】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置の材料ガスノズルの正面図（図９（ａ））、同２フローリアクタ装置の材料ガスノズルとサセプタと基板との関係を示す概略上面図（図９（ｂ））、成長温度が高い場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフ（図９（ｃ））である。

【図10】本発明の実施形態の２フローリアクタ装置におけるサセプタ及び基板上の熱等温度線と膜厚分布を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に、本発明による一実施形態の装置について、図面を用いて説明する。

【0023】

図４は、横形の成長炉として構成された実施形態の２フローリアクタ装置の排気可能な反応容器の内部構造を示す材料ガスの層流に沿った概略断面図である。図５は同２フローリアクタ装置の材料ガスの層流に向かって眺めた概略断面図である。２フローリアクタ装置には、材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズル１１と、材料ガスの層流を押さえる押さえガスを供給する押さえガス噴出器１２と、材料ガスを水平に誘導するフロー補助板１３と、半導体の成長用の基板１５が載置され回転するサセプタ１４と、遮熱板１６と、サセプタを輻射加熱する加熱器１７と、水冷ジャケット２０とが設けられている。

【0024】

図６は、２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。サセプタ１４は、円盤形状をしており中心に回転軸を持ち、１０回／ｍｉｎ〜３０回／ｍｉｎで回転できる。サセプタ１４はカーボン材料で作られ、加熱状態で反応炉内のガスを汚染せず、且つ雰囲気ガスにより反応しない材料、たとえば炭化珪素などでコーティングされている。また、フロー補助板１３は、サセプタに取り付けられており一緒に、回転する。また、加熱器１７は、サセプタ下面に取り付けられており、サセプタより若干大きくサセプタを均一な温度に１０００℃以上に加熱できる。加熱器１７の近傍には、熱電対が設置され、その値から温度制御してサセプタ１４を設定温度に加熱する。

【0025】

遮熱板１６は、加熱器１７の外周に位置し、加熱器の輻射熱でノズル１１が加熱されないように遮断する。なお、遮熱板１６の外周に水冷ジャケット２０が設けると更に断熱性は向上する。また、水冷ジャケット２０の上端はフロー補助板１３の直下まで延長されている。但し、フロー補助板１３の回転を妨げないように僅かな隙間を設けてある。

【0026】

基板１５はサセプタ１４上に共に同一平面となるように水平に載置される。

【0027】

押さえガス噴出器１２は基板中央部上面に設置され基板１４に対し垂直又は数度で材料ガスの下流部方向に傾斜した状態すなわちやや斜めの角度θ（０°≦θ＜４０°）で流すように設置されている。押さえガス噴出器１２からの押さえガス流（フロー）としては、基板１５を覆う有効面積でＨ₂又はＮ₂（窒素）のガスを吹付ける。押さえガス流量は、１０００℃で成長する場合の流量は１０Ｌ／ｍｉｎ〜４０Ｌ／ｍｉｎを流す。８００℃で成長する場合は５Ｌ／ｍｉｎ〜３０Ｌ／ｍｉｎを流す。押さえガスには材料ガスは含まれない。

【0028】

材料ガスノズル１１はフロー補助板１３に近い側に位置する水平な底板１１Ｕと底板１１Ｕの両端を固着するノズル本体１１Ｔとからなる管体である。材料ガスノズル１１は、サセプタ上基板に対し平行又は数度傾斜した状態で、基板１５から先端開口１１oが距離５ｍｍ〜１５ｍｍ以内になるように設置され、基板上に材料ガスを層流として噴射する。ここで、材料ガスには、窒素（Ｎ₂）、Ｈ₂、ＮＨ₃、ｎ型ドーパントガス（モノシランガス（ＳｉＨ₄）、ジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆））、有機金属ガス（トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム））が挙げられる。実施形態においては、常温時の材料ガスノズル１１の長方形の開口１１oの水平方向の横幅Ｗｙ及び鉛直方向の縦幅Ｗｚはそれぞれたとえば７０ｍｍ及び３ｍｍである。

【0029】

図７は、フロー補助板１３側から見た材料ガスノズル１１の概略斜視図である。

【0030】

実施形態の材料ガスノズル１１では、その底板１１Ｕをバイメタル板として、加熱器１７からの幅射熱（成長温度）に応じてノズル先端形状を変化させてフロー補助板１３に近づける。底板１１Ｕは、フロー補助板１３に近い側に位置する第１金属板ＢＭ１と第２金属板ＢＭ２と接合されてなるバイメタル板である。第２金属板ＢＭ２は第１金属板ＢＭ１の第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する。

【0031】

底板１１Ｕのバイメタル板は熱膨張係数の大きい金属材料たとえばタングステン（熱膨張係数４．３×１０^-6）の第１金属板ＢＭ１と熱膨張係数の小さい金属材料たとえばインバー（熱膨張係数１．２×１０^-6）の第２金属板ＢＭ２を圧着接合して作製できる。ノズル本体１１Ｔは第２金属板ＢＭ２の第２熱膨張率と第１金属板ＢＭ１の第１熱膨張率の間の熱膨張率を有するたとえば石英などから形成され得る。

【0032】

ガスノズル１１は、ノズル外側に大きい熱膨張係数の第１金属板ＢＭ１が位置しノズル内側に小さい熱膨張係数の第２金属板ＢＭ２が位置するように、底板１１Ｕをノズル本体１１Ｔにビス止めや圧着溶接で固定して作製できる。ノズル本体１１Ｔは底板１１Ｕの両端を支持するとともに、ノズル本体１１Ｔと底板１１Ｕが流路と開口１１oを画定する。よって底板１１Ｕの両端間の中央部分が、輻射熱で膨張した場合、フロー補助板に近づくように湾曲するので、本例の場合はノズル開口１１oの形状が中心縦幅で広く外周部両側で狭くすることができる。これにより、材料ガスノズル１１は、層流中心部で材料ガス濃度を高く外周部に向かい低くなる層流を供給できる。

【0033】

材料ガスノズル１１の先端が幅射熱を受けて変形するため、基板温度を１０００℃で成長する場合、ノズル先端部が約１５０℃程度となるように、ノズル位置を調整することが望ましい。上記構造の場合１０００℃で成長の場合、底板１１Ｕの中心縦幅は常温に対し約ｌｍｍほど下に広がることになる。

【0034】

図７（ａ）に示すように、底板１１Ｕがノズル本体１１Ｔの下側の全てを覆うように一枚もののバイメタル板を用いてガスノズル１１は構成できる。この場合ガスノズル１１の後部の幅射熱は小さくなるため、底板１１Ｕにかかる熱が小さくなる。この場合、第１金属板ＢＭ１には熱膨張係数の大きな材料を使用することが望ましい。

【0035】

図７（ｂ）に示すように、ノズル底板１１Ｕは先端部１１Ａと後端部１１Ｂに分け敷き詰めて構成できる。これによれば、ノズル先端部と後方部では加熱器１７からの輻射熱に違いがあり、先端部１１Ａが湾曲し易くなるので変形の時間応答性が向上する。

【0036】

図７（ｃ）に示すように、ノズル底板１１Ｕは複数、たとえば５枚の分割バイメタル板１１Ａ〜１１Ｅに分け敷き詰めて構成できる。５枚の分割バイメタル板１１Ａ〜１１Ｅはノズル開口１１oから管体の伸長方向へ順に並設されている。これによれば、上記の変形の時間応答性の向上と、分割板それぞれの湾曲率が異なるので基板に近づくに従い湾曲がおおきくなるノズル底板の形状が得られる。さらに、ノズル先端部と後方部では加熱器からの輻射熱に違いがあり、これによる温度分布は連続的なものなので、材料ガスノズルの奥行きに沿って開口縦幅も連続的なものになる。

【0037】

次に材料ガスノズル１１の動作について説明する。

【0038】

図８（ａ）は成長温度が低い場合の２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１の正面図である。図８（ｂ）は同場合の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。図８（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフである。尚、ここでは押さえガスによる材料ガス濃度分布に対する影響はないものとして記載している。成長温度が低い場合、材料ガスノズル１１のノズル開口の縦幅は、輻射熱に応じて中心縦幅が広くなり（Ｗｚ１）、外周部にいくにつれて狭くなる。よって、材料ガスノズル１１からの層流では両側より中心部から少し多く材料ガス（太い矢印）が基板１５上中央へ供給される。実際、押さえガスにより材料ガスは外周部すなわち両側へ曲げられるけれども、材料ガス流路の横断方向の材料ガス濃度分布は中心が高く外側にいくに従い薄くなる。

【0039】

図９（ａ）は成長温度が高い場合の２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１の正面図である。図９（ｂ）は同場合の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。図９（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフである。尚、ここでは押さえガスによる材料ガス濃度分布に対する影響はないものとして記載している。成長温度が高い場合、材料ガスノズル１１のノズル開口の縦幅は、高い成長温度の場合より輻射熱に応じて中心縦幅が更に広くなり（Ｗｚ２）、外周部にいくにつれて狭くなる。よって、材料ガスノズル１１からの層流では両側より中心部から更に多く材料ガス（太い矢印）が基板１５上中央へ供給される。実際、押さえガスが強いため材料ガスはより外周部（材料ガス流路の）へより曲げられるけれども、材料ガス流路の横断方向の材料ガス濃度分布は中心が高く外側にいくに従い薄くなる。ただし、成長温度が高い場合は成長温度が低い場合に比べ上昇気流を抑えるため、押えガス流量を多くしている。そのため材料ガスを外周部へ曲げる作用も大きくなる。つまり、成長温度が高い場合は成長温度が低い場合に比べ、材料ガスノズルから中心部により材料ガスが供給されるが、より強い押えガスの作用により外周部へ広げられる。結果、材料ガスノズルと押えガスの作用は打ち消しあい、成長温度による材料ガス濃度分布の変化は抑制されることになる。

【0040】

本例の構造を用いることにより、成長温度に応じて材料ガスノズルの中心縦幅から多く材料ガスが供給され、外周部に行くに従い極端に材料ガス濃度が薄くなる。押さえガスにより材料ガスは連続的に中心から外側に向かい濃度変化をもたらすと共に成長温度に応じて材料ガスを外側に曲げる作用も大きくしている。よって、本来ＧａＮ層は凹状の膜厚分布となるが上記材料ガスノズルの効果と重なって均一な膜厚分布を得ることが可能となる。また、本実施形態においては、押さえガスを利用し、材料ガスフローにおいて基板１５中心から両側外周部にかけて濃度分布を持たせることで、材料ガスの適正な濃度分布と材料ガスの効率的使用を達成している。

【0041】

次に材料ガスノズル１１の効果について説明する。

【0042】

一般にＧａＮ系エピタキシャル結晶成長は、図２（ａ）に示すように、材料分解位置が基板に近いほうが良質な結晶が成長する。これは、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓなどが８００℃程度で成長するのに対してＧａＮ系では１０５０℃と高温で成長する故に、従来のＭＯＣＶＤ装置と同様な熱設計では材料分解が基板遠方の上流で開始され、材料の枯渇による成膜エリアが減少する問題や、基板上への不活性結晶種が飛来し結晶性が低下する問題が発生することを防止するためである。

【0043】

ＧａＮ結晶の結合エネルギーは高く、結晶の融点は２５００℃以上である。そのため、たとえばＴＭＧａとＮＨ₃の材料ガスが分解生成したＧａＮ結晶種が、基板表面で結晶成長面の安定サイトに移動し結合する時間を長くするために、結晶成長温度を約１０５０℃と高くする。また、同理由により基板成長面以外の低温部で生成した不活性結晶種は、ただちにエネルギーを失うため結晶成長に寄与できない。又は、多結晶の核などになり結晶成長を阻害する。一方、ＴＭＧａなどの有機金属化合物の分解温度は約４００℃〜４５０℃と低い。そのため、材料ガス分解熱等温度線が基板より離れていると、成長速度が遅くなったり、基板全面に結晶成長できなったり、結晶性が低下する。以上より、ＧａＮ系の結晶成長においては、材料ガスの分解熱等温度線をできる限り基板上流端に近づける必要がある。

【0044】

しかしながら、上記の図２及び図３に示す構成の場合、材料ガスフローの上流側の「材料ガス分解熱等温度線」は円弧状になるので、膜厚分布が凹状になる。

【0045】

かかる膜厚分布が凹状になる現象を説明する。たとえば、材料ガス流路上のＧａＮ系結晶膜厚について、図１０（Ａ）に示すように、ノズル１１から基板１５の中心を通る材料ガス流路Ｆ１と、基板１５中心からの第１半径位置を通る材料ガス流路Ｆ２と、基板１５中心からの第１より遠い第２半径位置を通る材料ガス流路Ｆ３を考察してみる。ここで、円弧状のガス材料分解熱等温度線と流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ｃｐ１、ｃｐ２、ｃｐ３からガス材料分解が始まるとする。

【0046】

まず、従来のノズル開口の幅は一定であって、基板が回転しない場合の材料ガス流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３上の膜厚分布を図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）のグラフに示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸は膜厚を、横軸は層流に沿った基板直径位置を示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸においてｔ（ｃｐ１）は熱等温度線の流路Ｆ１の交点ｃｐ１下の膜厚を、ｔ（ｃｐ２）は熱等温度線の流路Ｆ２の交点ｃｐ２下の膜厚を、ｔ（ｃｐ３）は熱等温度線の流路Ｆ３の交点ｃｐ３下の膜厚を、示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）のそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３の膜厚分布は分解開始点である交点ｃｐ１、ｃｐ２、ｃｐ３から減少するように変化する。図１０（Ａ）に示す基板中心線ＣＬを通り流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３下の膜厚はそれぞれｔ（ＣＬ１）、ｔ（ＣＬ２）、ｔ（ＣＬ３）である。従って、基板が回転しない場合、材料ノズル１１に近い側の流路の上流部の膜厚が厚く、下流部の膜厚が薄くなる。

【0047】

基板が回転する場合、上流側と下流側が回転毎に入替るので膜厚はフラットになると考えられるが、実際は、熱等温度線が円弧状になっているために、基板の中央よりも外周側のほうが膜厚は厚くなる。具体的に、図１０（Ａ）に示す基板中心線ＣＬを通り流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３下の膜厚は図１０（ｄ）の直交方向の膜厚分布のグラフに示すように、流路の基板両端側ほど厚くなる。図１０（ｄ）の縦軸は層流に直交する基板直径位置を、横軸は膜厚ｔ（ＣＬ）を示す。かかるＧａＮ層の凹状膜厚分布は中央部と周辺部で約１０％程度の差異となる場合がある。この現象は、材料ガス流路Ｆ２、Ｆ３に示す材料ガス層流は基板直径の両端へ行くほど、基板エリアの中心線ＣＬ上では熱等温度線と近くなるため、材料ガスが使用されていない分、両端側が厚く堆積されるためである（ｔ（ＣＬ１）＜ｔ（ＣＬ２）＜ｔ（ＣＬ３））。

【0048】

結果、熱等温度線が円弧状の場合、基板回転しても膜厚均一にならず凹状になる。さらに、材料ガスノズルから噴出されたガスは押さえガスにより基板外周への拡げられるため、一層、基板外周部での成長が促進され凹状の膜厚分布になる。

【0049】

上記の材料ガス分解熱等温度線より基板外周部に行くにつれ膜厚分布が厚くなるが、本実施形態によれば、材料ノズル間口の中心縦幅を広くし、外周にいくにつれて狭くすることにより、図１０（ｅ）に示すように、基板位置中心（ＣＬ１）から外周部（ＣＬ３）に行くにつれ材料ガス濃度が薄くすることを実現できる。これを利用して、膜厚分布と材料ガス濃度分布の関係が相殺され均一な面内膜厚分布が実現可能となる。このように、輻射熱に応じてノズル間口の中央の縦幅が外側の縦幅に対し２０〜５０％ほど広くなるように材料ガスノズルの設計を施すことにより、層流の最適な中心部のガス濃度が得られ、押さえガスにより連続的に中心から外周部へと濃度分布をもたらし均一な膜厚みを得ることが可能となる。

【0050】

従来構造では基板に対し材料ガスノズルの間口の縦及び横方向が一定の開口形状を用いる故に、基板周辺部でのガス濃度が高くなり、その結果、該周辺部の成長レートが上がり膜厚が厚くなる傾向があった。一方、本実施形態では図８及び図９に示すようにノズル開口の縦幅Ｗｚは、輻射熱に応じて中心縦幅を広く外周部にいくにつれて狭くなる特性を有する。これにより、材料ガスノズルから供給されるガスは、従来に比べ材料ガスノズル中心部からより多くガスが供給され、基板外周部すなわち材料ガス流路の両側上はガス濃度が薄くなる。さらに押さえガスを用いることにより材料ガスを上下方向に流れるようにし、濃度分布は基板前方の上流から後方の下流側に行くに従って薄くなる現象に加え、基板中心から外周部すなわち材料ガス流路の両側に向かって連続的に濃度分布を持つようになる。また、押さえガスは成長温度が高い場合は低い場合に比べて流量を大きくしているので材料ガスが外側に曲げられる作用も大きくなり、ガスノズルの供給量変化と打ち消しあい成長温度による材料ガス濃度分布の変化は抑制される。よって従来では基板の材料ガス流路の両側の前方の上流部に高濃度のガスが供給されていたが、本実施形態を利用することにより、材料ガス流路の両側部のガス濃度が減り、基板前方の上流からから後方の下流側に向かいガス濃度が薄くなるような傾向となる。また材料ガス流路の両側では、ノズル間口厚は基板の外周部にいくに従い薄くなる形状を反映し、さらに押さえガスも加わりガス濃度も基板の中心から材料ガス流路の両側に向かって連続的に濃度分布を持つようになる。また、材料ガス濃度分布の温度による変化は抑制される。これらの結果から均一な膜厚の結晶成長が可能となる。

【0051】

本実施形態は、Ｓｉ結晶などの他材料よりもＧａＮ結晶の結合エネルギーはより高く、結晶の融点が高いため、上記の２フローリアクタ装置を用いた、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、Ｃｐ２ＭｇとＮＨ₃、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆などを材料として成長する窒化物半導体の結晶成長に特に適している。

【0052】

また、本実施形態は、フロー断面の濃度分布を利用するので、フロー分割されガスの流れ方向が決まっているチャネル式ノズルよりも、ガスの流れを制限しないオープンフロー構造ノズルに対して有効の手段となる。

【0053】

さらに、実施形態において、材料ガス流量／材料ガスの流量比を変更することにより、異なる基板サイズにも対応が可能となる。押さえガス噴出器から放出される押さえガスは、噴出器の開口、スリットなど出口形状により流速は変化する。実際は、基板上の押さえガスが材料ガスを広げる形状に流速は関係するので、材料ガス流速を基準とした場合の押さえガス流量比Ｆｈｖ（＝押さえガス流速Ｙ／材料ガス流速Ｘ）を規定する。材料ガス流速をＸ、基板上での押さえガス流速をＹとすると、流量比はＦｈｖ＝Ｙ／Ｘで表される。流量比は材料ガス流速が速く押さえガスが材料ガスを横に曲げる効果に関係する。

【0054】

たとえば、下記の実施例１の場合では、材料ガス流速Ｘが約２．２ｍ／ｓｅｃで、押さえガス流速Ｙが約０．０８６ｍ／ｓｅｃであって、つまり、流量比Ｆｈｖ＝Ｙ／Ｘ＝０．０４となる。流量比の範囲は、０．２５≦Ｆｈｖ≦１５、好ましくは１≦Ｆｈｖ≦８の範囲内で設定される。材料ガス流量／材料ガスの流量比を満たす条件に各流速を合わせることにより均一な膜の成長が可能となる。

【実施例1】

【0055】

上記実施形態の２フローリアクタ装置によりＧａＮ結晶を成長させた。
（基板）
成長用の基板には、２インチφのｃ面サファイア単結晶基板、厚みｔ＝０．４３ｍｍ、面方位が＜１０−１０＞方向へ０．０５°傾いた０．０５°オフ基板、いわゆる（０００１）０．０５°off to＜１０−１０＞基板を用いた。
（成長）
基板熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ₂とＮ₂とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０００℃で１０分熱処理した。

【0056】

緩衝層の形成工程として、材料ガスノズルからＴＭＧａを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃を２Ｌ／ｍｉｎ、そして総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ₂を加えて流した。押さえガスにはＨ₂とＮ₂とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、成長温度約５５０℃で１０分成長し、低温ＧａＮ層を成長した。

【0057】

緩衝層の熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ₂とＮ₂とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０５０℃で１０分熱処理し低温ＧａＮ層を熱処理した。

【0058】

次に、高温ＧａＮ層の形成工程として、上記のバイメタル板の底板を有する材料ガスノズルよりＴＭＧａを４０μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ₂を加えて流した。押さえガスにはＨ₂とＮ₂とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約１０５０℃で１時間成長し、膜厚約３μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｎ型ＧａＮ層にするには、ＳｉＨ₄又はＳｉ₂Ｈ₆をＳｉ不純物密度が５×１０¹⁸（個／ｃｍ³）程度になるように添加することができる。

【実施例2】

【0059】

上記実施形態の２フローリアクタ装置により半導体層を成長させてＭＱＷ構造発光素子すなわち窒化物系半導体発光装置を作製した。

【0060】

緩衝層の熱処理まで、実施例１に同じ故に、説明を省略する。

【0061】

ｎ型ＧａＮ層の形成工程として、ｎ型ＧａＮ層の厚みを４．５μｍとし、ｎ型ＧａＮ層にするためにＳｉＨ₄をＳｉ不純物密度が６×１０¹⁸（個／ｃｍ³）程度になるように添加した以外は、実施例１のＧａＮ層の形成工程に同一プロセスであった。

【0062】

次に、発光層の形成工程を次のように行った。実施例１と同一の材料ガスノズルからＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ₂を加えて流しながら成長温度約８００℃まで降下させた。押さえガスにはＮ₂を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。温度に達したら、まず、ＧａＮのバリア層を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａを５．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ₂を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ₂を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約３分間成長し１８ｎｍの結晶層を得た。

【0063】

次に、バリア層形成後、ＩｎＧａＮ井戸層を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａを５．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ₂を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ₂を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約２５秒間成長し、３ｎｍの結晶層を得た。

【0064】

これらバリア層及び井戸層の形成工程を６周期繰り返し成長し、発光層として、ＭＱＷ構造を形成した。そして、キャップ層としてＧａＮバリア層を成長させた。

【0065】

次に、ブロック層の形成工程として、材料ガスノズルからＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ₂を加えて流しながら成長温度約９５０℃まで昇温させた。温度安定後ＴＭＧａを３．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡｌを０．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ₂を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ₂を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約５分間成長を行い、２０ｎｍの結晶層を得た。

【0066】

次に、ｐ型ＧａＮ層の形成工程として、材料ガスノズルよりＴＭＧａを１２μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ₃を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ₂を加えて流した。押さえガスにはＨ₂とＮ₂とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約９５０℃で１５分間成長し、膜厚約０．１５μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｐ型ＧａＮ層にするにはＣｐ２ＭｇをＭｇ不純物密度が５×１０¹⁹（個／ｃｍ³）程度になるように添加すれば良い。

【0067】

（比較例１）
基板は実施例１と同じものを用い、バイメタル板含をまない同形状の材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタ装置でＧａＮ結晶を成長させた。

【0068】

（比較例２）
基板は実施例１と同じものを用い、バイメタル板含をまない同形状の材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタ装置でＧａＮ結晶を成長させた。

【0069】

（実施結果：膜厚分布比較）
比較例１と実施例１で得たＧａＮ層の膜厚分布の比較を表１に示す。

【0070】

【表1】

【0071】

実施例１は、膜厚中心値３．５１μｍにおいて周囲値３．６１２μｍ、差異３．２％であり均一性は非常に高い。面積換算ならば更に分布は狭くなる。

【0072】

他方、比較例１では膜厚中心値３．１８μｍにおいて周囲値３．７７μｍ、差異１８．５％と周囲が厚くなっている。

【0073】

（実施結果：発光波長分布比較）
膜周囲部２ｍｍを除き測定した比較例２と実施例２で得た発光素子の発光波長分布の比較を表２に示す。

【0074】

【表2】

【0075】

実施例２の素子の発光波長バラツキは標準偏差１．９３３ｎｍと非常に良好な値を示した。

【0076】

他方、比較例２では平均波長４４０ｎｍに対して標準偏差６．８ｎｍと大きなバラツキを示した。波長は基板中心部で短く、同心円状に周囲方向に長波長化した。

【符号の説明】

【0077】

１１ 材料ガスノズル
１２ 押さえガス噴出器
１３ フロー補助板
１４ サセプタ
１５ 基板
１６ 遮熱板
１７ 加熱器
２０ 水冷ジャケット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】