窒化ガリウムの気相成長方法
【課題】 大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、基板が割れず高品質の結晶成長が可能な気相成長方法を提供する。
【解決手段】 前記のような基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度、基板表面と該基板の対面表面との温度差を適切な範囲内に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を適切な範囲内となるように原料ガスの供給を調整して基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なう気相成長方法とする。
【解決手段】 前記のような基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度、基板表面と該基板の対面表面との温度差を適切な範囲内に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を適切な範囲内となるように原料ガスの供給を調整して基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なう気相成長方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持するサセプタ、基板を加熱するためのヒータ、原料ガス導入部、反応炉、及び反応ガス排出部等を備えた気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）を用いた気相成長方法に関し、さらに詳細には、前記の気相成長装置を用いて４インチの基板、または６インチの基板の表面に窒化ガリウム結晶層の気相成長を行なう気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）と並び窒化物半導体の結晶成長によく用いられる。特に、ＭＯＣＶＤ法は、ＭＢＥ法に比べて結晶成長速度も速く、またＭＢＥ法のように高真空装置等も必要ないことから、産業界の化合物半導体量産装置において広く用いられている。近年、青色または紫外ＬＥＤ及び青色または紫外レーザーダイオードの普及にともない、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムガリウムの量産性を向上させるために、ＭＯＣＶＤ法の対象となる基板の大口径化、多数枚化が数多く研究されている。
【０００３】
このような気相成長装置としては、例えば特許文献１〜５に示すように、基板を保持するためのサセプタ、基板を加熱するためのヒータ、サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部、サセプタとサセプタの対面の間隙からなる反応炉、及びサセプタより外周側に設けられた反応ガス排出部を有する気相成長装置を挙げることができる。その他、例えば特許文献６に示すように、サセプタ、ヒータ、原料ガスの反応管内への供給方向が基板に平行となるように配置された原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する横形反応管からなる気相成長装置を挙げることができる。これらの気相成長装置においては、複数の基板ホルダーがサセプタに設けられており、駆動手段によってサセプタが自転するとともに、基板ホルダーが自公転する構成となっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７５９９２号公報
【特許文献２】特開２００７−９６２８０号公報
【特許文献３】特開２００７−２４３０６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２３２６２４号公報
【特許文献５】特開２０１１−１８８９５号公報
【特許文献６】特開２００２−２９９２４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気相成長装置の反応炉においては、各種原料ガスは高温に熱せられた基板表面で分解し、基板表面において結晶化する。しかし、基板の大口径化（４インチ基板、６インチ基板）、多数枚化にともない、特に１０００℃以上の気相成長温度が必要な窒化ガリウム層の形成において基板が割れやすいという不都合が発生した。
従って、本発明が解決しようとする課題は、前述のような気相成長装置であって、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、基板が割れず高品質の結晶成長が可能な窒化ガリウムの気相成長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】
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、大きな直径を有する基板を複数枚用いた場合の基板の割れは、基板表面とその対面表面との温度差に大きく影響すること、さらに基板の位置における原料ガスの線速に影響すること、及び、これらを適切な範囲でコントロールすることにより、基板が割れず高品質の窒化ガリウムの結晶膜が再現性良く得られることを見出し、本発明の窒化ガリウムの気相成長方法に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、４インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して４インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法である。
【０００８】
また、本発明は、６インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して６インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化ガリウムの気相成長方法は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、同時に１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、従来からの欠点であった基板の割れが発生することなく、高品質の結晶成長が可能である。従って、本発明の気相成長方法により、窒化ガリウム等の窒化物半導体を効率よく量産することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法に適用される。
以下、本発明の気相成長方法を、特許文献１〜５に示すような形態の気相成長装置（サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部から原料ガスを供給する）を例に挙げ、図１〜図４に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【００１１】
尚、図１、図２は、本発明の気相成長方法に使用される気相成長装置の一例を示す垂直断面図である。（図１は、回転発生部１０を回転させることにより、サセプタ２を回転させる機構を有する気相成長装置であり、図２は、サセプタ回転軸１２を回転させることにより、サセプタ２を回転させる機構を有する気相成長装置である。）図３は、図１、図２における基板の近辺の拡大断面図である。図４は、本発明に使用される気相成長装置のサセプタの形態の例を示す構成図である。
【００１２】
本発明の窒化ガリウムの気相成長方法は、図１、図２に示すように、複数枚の基板１（４インチ基板、６インチ基板）を保持するためのサセプタ２、サセプタの対面３、基板を加熱するためのヒータ４、サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部５、サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉６、及びサセプタより外周側に設けられた反応ガス排出部７を有する気相成長装置を用いた気相成長方法である。但し、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部は、他の形態（例えば特許文献６に記載されたような形態）とすることもできる。
【００１３】
そして、前記のような気相成長装置において、４インチ基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう場合は、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面とその対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して気相成長を行ない、６インチ基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう場合は、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面とその対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して気相成長を行なう方法である。
【００１４】
尚、本発明の気相成長方法において、基板の対面表面とは、基板の外郭円内に相当する対面の表面を示すものである。また、基板の位置における原料ガスの線速とは、基板の中心部の位置において、キャリアガスを含めた全ガスのサセプタ中心部から周辺部へ流れる、２５℃のガスの状態に換算した線速を示すものである。また、本発明において、「４インチ基板」とは実質的に直径が３．５〜５インチ程度の基板、「６インチ基板」とは実質的に直径が５〜７インチ程度の基板を示すものである。
【００１５】
図１、図２に示すような気相成長装置により、各々の基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう際に、基板表面とその対面表面との温度差が前記の下限値（４インチ基板：３００℃、６インチ基板：３５０℃）より小さい場合は基板の対面表面に固体析出物が多く堆積する虞があり、上限値（６００℃）より大きい場合は基板が割れやすくなる虞がある。また、基板の位置における原料ガスの線速が前記の下限値（４インチ基板：０．２ｍ／ｓ、６インチ基板：０．３ｍ／ｓ）より小さい場合は、基板が割れやすくなる虞があり、上限値（４インチ基板：２ｍ／ｓ、６インチ基板：３ｍ／ｓ）より大きい場合は、基板は割れにくいが流速が速すぎて原料が無駄になる。
【００１６】
本発明の気相成長方法において、基板の対面８の温度を前述のような範囲にコントロールするために、通常は冷媒を流通する流路９が設けられる。流路９は、通常はサセプタの対面３の内部に設置される。流路９を構成する配管は１本であっても複数本であってもよい。また、配管の構成については、特に限定されることはなく、例えば、複数本の配管がサセプタの対面の中心部から放射状に設置されたもの、あるいは渦巻き状に設置されたもの等を挙げることができる。冷媒の流れる方向は、特に限定されることはない。流路９に通す冷媒としては、任意の高沸点溶媒が用いられ、特に沸点９０℃以上の溶媒が好ましい。このような冷媒としては、水、有機溶媒、油等を例示することができる。
【００１７】
また、本発明に使用される気相成長装置の反応炉において、原料ガスが接触する部分の材料（例えば、サセプタ２、サセプタの対面３等）としては、カーボン系材料として、カーボン、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）、グラッシカーボン（ＧＣ）、窒化物系材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化物系材料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）、その他の材料として、石英、モリブデン、銅、アルミナが用いられる。また、前記の材料を２種以上組み合わせた複合材料としては、ＰＧコートカーボン、ＧＣコートカーボン、ＳｉＣコートカーボンが用いられる。これらの中で、サセプタ（基板）の材料としては、ＳｉＣコートカーボン、石英を用いることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に使用される気相成長装置のサセプタとその対面の間隙（反応炉の高さ）については、特に制限されることはないが、通常は１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下である。例えば、図３に示すように、基板の上流側の位置１５において６〜１０ｍｍ、基板の下流側の位置１６において２〜５ｍｍと設定することができる。
【００１９】
本発明におけるサセプタの形態は、例えば図４に示すように、複数枚の基板（基板ホルダー）を保持するための空間を周辺部に有する円盤状のものである。気相成長を行なう際には、４インチ基板（基板ホルダー）、６インチ基板（基板ホルダー）がこの空間部に挿入される。図１に示すような気相成長装置においては、外周に歯車を有する円盤（サセプタ２を回転させる回転発生部１０）が、サセプタの外周の歯車と噛合うように設置されており、外部のモータ等を通じて円盤を回転させることにより、サセプタが回転する構成になっている。本発明におけるサセプタの対面３は、通常はサセプタの直径と同等か多少大きいものが用いられる。
【００２０】
本発明の気相成長方法において、原料ガスとなる有機金属化合物（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等）、アンモニア、及びキャリヤガス（水素、窒素等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス）等は、図１、図２に示すように、外部からの配管１１により原料ガス導入部５に供給され、さらに原料ガス導入部５から反応炉６に導入されて、反応後のガスは排出部７から外部に排出される。尚、原料ガス導入部の各ガス噴出口は、図１、図２では３個の上下平行噴出タイプであるが、本発明においては、噴出口数、形態等の条件に限定されることはない。また、本発明において、窒化ガリウムの気相成長を行なう際には、原料ガス導入部の仕切りの先端部材１７の温度が１００〜３００℃、好ましくは１５０〜２５０℃に設定される。このように設定することにより、さらに基板割れを防止する効果が向上する。
【００２１】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【実施例】
【００２２】
［実施例１］
（気相成長装置の製作）
ステンレス製の反応容器の内部に、円板状のサセプタ（ＳｉＣコートカーボン製、直径６００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、４インチの基板を５枚保持可能）、冷媒を流通する構成を備えたサセプタの対面（ＳｉＣコートカーボン製）、ヒータ、原料ガスの導入部（カーボン製）、反応ガス排出部等を設けて、図１に示すような気相成長装置を製作した。また、４インチサイズのサファイア（厚さ１．２ｍｍ）よりなる基板を５枚気相成長装置にセットした。尚、冷媒を流通する構成として、配管１本を中心部から周辺部に向かって渦巻き状に配置した。
【００２３】
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、基板の位置における間隙が１０ｍｍ以下となるようにサファイア基板５枚をサセプタに保持し、基板の表面に窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を行なった。対面の冷却用配管への冷却水循環を開始した後、水素を流しながら基板表面の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行なった。この間、基板表面とその対面表面との温度差を５００℃以内となるようにした。続いて、基板表面の温度を５１０℃まで下げて、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア、キャリヤガスとして水素を用いて、サファイア基板上にＧａＮから成るバッファー層を約２０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００２４】
バッファー層成長後に、ＴＭＧのみ供給を停止し、基板表面の温度を１０５０℃（±１０℃）まで上昇させた。その後、原料ガス導入部の仕切りの先端部材の温度を２００℃（±１０℃）となるように設定し、原料ガスとして、ＴＭＧ、アンモニア等（キャリアガスとして、水素、窒素を含む）を反応炉に流して、アンドープＧａＮを１時間成長させた。尚、基板の位置における原料ガスの線速は０．８ｍ／ｓであった。また、バッファー層を含めた全ての成長は基板を自公転させながら行なった。この間、サセプタの対面の冷却用配管への冷却水循環量を調節して、基板の対面の表面温度が６００℃（±１０℃）となるように設定した。
以上のように窒化ガリウムを成長させた後、温度を下げ、基板を反応容器から取り出した。５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２５】
［実施例２、３］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が各々５００（±１０℃）（実施例２）、７００（±１０℃）（実施例２）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２６】
［実施例４、５］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が各々０．４ｍ／ｓ（実施例４）、１．６ｍ／ｓ（実施例５）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２７】
［実施例６］
実施例１の窒化ガリウムの気相成長装置の製作において、サセプタを６インチの基板４枚を保持可能なものに替えたほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。この気相成長装置のサセプタに、６インチサイズのサファイア（厚さ１．２ｍｍ）よりなる基板を４枚気相成長装置にセットした後、基板の位置における原料ガスの線速が０．６ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２８】
［実施例７、８］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が各々５００（±１０℃）（実施例７）、６５０（±１０℃）（実施例８）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２９】
［実施例９、１０］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が各々０．６ｍ／ｓ（実施例９）、２．４ｍ／ｓ（実施例１０）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００３０】
［比較例１］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が４００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３１】
［比較例２］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が８００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、５枚の基板に割れは発生していなかったが、サセプタの対面の表面には結晶が付着していることがわかった。
【００３２】
［比較例３］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が０．１ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３３】
［比較例４］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が４００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３４】
［比較例５］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が７５０（±１０℃）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、４枚の基板に割れは発生していなかったが、サセプタの対面の表面には結晶が付着していることがわかった。
【００３５】
［比較例６］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が０．２ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３６】
以上のように、本発明の気相成長方法は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、基板が割れず高品質の結晶成長が可能なことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の気相成長方法に使用される気相成長装置の一例を示す垂直断面図
【図２】本発明の気相成長方法に使用される図１以外の気相成長装置の一例を示す垂直断面図
【図３】図１、図２における基板の近辺の拡大断面図
【図４】本発明に使用される気相成長装置のサセプタの形態の例を示す構成図
【符号の説明】
【００３８】
１ 基板
２ サセプタ
３ サセプタの対面
４ ヒータ
５ 原料ガス導入部
６ 反応炉
７ 反応ガス排出部
８ 基板の対面
９ 冷媒を流通する流路
１０ 回転発生部
１１ ガス配管
１２ サセプタ回転軸
１３ 均熱板
１４ 基板ホルダー
１５ 基板の上流側の位置における間隙
１６ 基板の下流側の位置における間隙
１７ 原料ガス導入部の仕切りの先端部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持するサセプタ、基板を加熱するためのヒータ、原料ガス導入部、反応炉、及び反応ガス排出部等を備えた気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）を用いた気相成長方法に関し、さらに詳細には、前記の気相成長装置を用いて４インチの基板、または６インチの基板の表面に窒化ガリウム結晶層の気相成長を行なう気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）と並び窒化物半導体の結晶成長によく用いられる。特に、ＭＯＣＶＤ法は、ＭＢＥ法に比べて結晶成長速度も速く、またＭＢＥ法のように高真空装置等も必要ないことから、産業界の化合物半導体量産装置において広く用いられている。近年、青色または紫外ＬＥＤ及び青色または紫外レーザーダイオードの普及にともない、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムガリウムの量産性を向上させるために、ＭＯＣＶＤ法の対象となる基板の大口径化、多数枚化が数多く研究されている。
【０００３】
このような気相成長装置としては、例えば特許文献１〜５に示すように、基板を保持するためのサセプタ、基板を加熱するためのヒータ、サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部、サセプタとサセプタの対面の間隙からなる反応炉、及びサセプタより外周側に設けられた反応ガス排出部を有する気相成長装置を挙げることができる。その他、例えば特許文献６に示すように、サセプタ、ヒータ、原料ガスの反応管内への供給方向が基板に平行となるように配置された原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する横形反応管からなる気相成長装置を挙げることができる。これらの気相成長装置においては、複数の基板ホルダーがサセプタに設けられており、駆動手段によってサセプタが自転するとともに、基板ホルダーが自公転する構成となっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７５９９２号公報
【特許文献２】特開２００７−９６２８０号公報
【特許文献３】特開２００７−２４３０６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２３２６２４号公報
【特許文献５】特開２０１１−１８８９５号公報
【特許文献６】特開２００２−２９９２４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気相成長装置の反応炉においては、各種原料ガスは高温に熱せられた基板表面で分解し、基板表面において結晶化する。しかし、基板の大口径化（４インチ基板、６インチ基板）、多数枚化にともない、特に１０００℃以上の気相成長温度が必要な窒化ガリウム層の形成において基板が割れやすいという不都合が発生した。
従って、本発明が解決しようとする課題は、前述のような気相成長装置であって、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、基板が割れず高品質の結晶成長が可能な窒化ガリウムの気相成長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】
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、大きな直径を有する基板を複数枚用いた場合の基板の割れは、基板表面とその対面表面との温度差に大きく影響すること、さらに基板の位置における原料ガスの線速に影響すること、及び、これらを適切な範囲でコントロールすることにより、基板が割れず高品質の窒化ガリウムの結晶膜が再現性良く得られることを見出し、本発明の窒化ガリウムの気相成長方法に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、４インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して４インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法である。
【０００８】
また、本発明は、６インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して６インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化ガリウムの気相成長方法は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、同時に１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、従来からの欠点であった基板の割れが発生することなく、高品質の結晶成長が可能である。従って、本発明の気相成長方法により、窒化ガリウム等の窒化物半導体を効率よく量産することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法に適用される。
以下、本発明の気相成長方法を、特許文献１〜５に示すような形態の気相成長装置（サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部から原料ガスを供給する）を例に挙げ、図１〜図４に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【００１１】
尚、図１、図２は、本発明の気相成長方法に使用される気相成長装置の一例を示す垂直断面図である。（図１は、回転発生部１０を回転させることにより、サセプタ２を回転させる機構を有する気相成長装置であり、図２は、サセプタ回転軸１２を回転させることにより、サセプタ２を回転させる機構を有する気相成長装置である。）図３は、図１、図２における基板の近辺の拡大断面図である。図４は、本発明に使用される気相成長装置のサセプタの形態の例を示す構成図である。
【００１２】
本発明の窒化ガリウムの気相成長方法は、図１、図２に示すように、複数枚の基板１（４インチ基板、６インチ基板）を保持するためのサセプタ２、サセプタの対面３、基板を加熱するためのヒータ４、サセプタの中心部に設けられた原料ガス導入部５、サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉６、及びサセプタより外周側に設けられた反応ガス排出部７を有する気相成長装置を用いた気相成長方法である。但し、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部は、他の形態（例えば特許文献６に記載されたような形態）とすることもできる。
【００１３】
そして、前記のような気相成長装置において、４インチ基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう場合は、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面とその対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して気相成長を行ない、６インチ基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう場合は、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面とその対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して気相成長を行なう方法である。
【００１４】
尚、本発明の気相成長方法において、基板の対面表面とは、基板の外郭円内に相当する対面の表面を示すものである。また、基板の位置における原料ガスの線速とは、基板の中心部の位置において、キャリアガスを含めた全ガスのサセプタ中心部から周辺部へ流れる、２５℃のガスの状態に換算した線速を示すものである。また、本発明において、「４インチ基板」とは実質的に直径が３．５〜５インチ程度の基板、「６インチ基板」とは実質的に直径が５〜７インチ程度の基板を示すものである。
【００１５】
図１、図２に示すような気相成長装置により、各々の基板の表面に窒化ガリウムの成長を行なう際に、基板表面とその対面表面との温度差が前記の下限値（４インチ基板：３００℃、６インチ基板：３５０℃）より小さい場合は基板の対面表面に固体析出物が多く堆積する虞があり、上限値（６００℃）より大きい場合は基板が割れやすくなる虞がある。また、基板の位置における原料ガスの線速が前記の下限値（４インチ基板：０．２ｍ／ｓ、６インチ基板：０．３ｍ／ｓ）より小さい場合は、基板が割れやすくなる虞があり、上限値（４インチ基板：２ｍ／ｓ、６インチ基板：３ｍ／ｓ）より大きい場合は、基板は割れにくいが流速が速すぎて原料が無駄になる。
【００１６】
本発明の気相成長方法において、基板の対面８の温度を前述のような範囲にコントロールするために、通常は冷媒を流通する流路９が設けられる。流路９は、通常はサセプタの対面３の内部に設置される。流路９を構成する配管は１本であっても複数本であってもよい。また、配管の構成については、特に限定されることはなく、例えば、複数本の配管がサセプタの対面の中心部から放射状に設置されたもの、あるいは渦巻き状に設置されたもの等を挙げることができる。冷媒の流れる方向は、特に限定されることはない。流路９に通す冷媒としては、任意の高沸点溶媒が用いられ、特に沸点９０℃以上の溶媒が好ましい。このような冷媒としては、水、有機溶媒、油等を例示することができる。
【００１７】
また、本発明に使用される気相成長装置の反応炉において、原料ガスが接触する部分の材料（例えば、サセプタ２、サセプタの対面３等）としては、カーボン系材料として、カーボン、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）、グラッシカーボン（ＧＣ）、窒化物系材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化物系材料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）、その他の材料として、石英、モリブデン、銅、アルミナが用いられる。また、前記の材料を２種以上組み合わせた複合材料としては、ＰＧコートカーボン、ＧＣコートカーボン、ＳｉＣコートカーボンが用いられる。これらの中で、サセプタ（基板）の材料としては、ＳｉＣコートカーボン、石英を用いることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に使用される気相成長装置のサセプタとその対面の間隙（反応炉の高さ）については、特に制限されることはないが、通常は１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下である。例えば、図３に示すように、基板の上流側の位置１５において６〜１０ｍｍ、基板の下流側の位置１６において２〜５ｍｍと設定することができる。
【００１９】
本発明におけるサセプタの形態は、例えば図４に示すように、複数枚の基板（基板ホルダー）を保持するための空間を周辺部に有する円盤状のものである。気相成長を行なう際には、４インチ基板（基板ホルダー）、６インチ基板（基板ホルダー）がこの空間部に挿入される。図１に示すような気相成長装置においては、外周に歯車を有する円盤（サセプタ２を回転させる回転発生部１０）が、サセプタの外周の歯車と噛合うように設置されており、外部のモータ等を通じて円盤を回転させることにより、サセプタが回転する構成になっている。本発明におけるサセプタの対面３は、通常はサセプタの直径と同等か多少大きいものが用いられる。
【００２０】
本発明の気相成長方法において、原料ガスとなる有機金属化合物（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等）、アンモニア、及びキャリヤガス（水素、窒素等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス）等は、図１、図２に示すように、外部からの配管１１により原料ガス導入部５に供給され、さらに原料ガス導入部５から反応炉６に導入されて、反応後のガスは排出部７から外部に排出される。尚、原料ガス導入部の各ガス噴出口は、図１、図２では３個の上下平行噴出タイプであるが、本発明においては、噴出口数、形態等の条件に限定されることはない。また、本発明において、窒化ガリウムの気相成長を行なう際には、原料ガス導入部の仕切りの先端部材１７の温度が１００〜３００℃、好ましくは１５０〜２５０℃に設定される。このように設定することにより、さらに基板割れを防止する効果が向上する。
【００２１】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【実施例】
【００２２】
［実施例１］
（気相成長装置の製作）
ステンレス製の反応容器の内部に、円板状のサセプタ（ＳｉＣコートカーボン製、直径６００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、４インチの基板を５枚保持可能）、冷媒を流通する構成を備えたサセプタの対面（ＳｉＣコートカーボン製）、ヒータ、原料ガスの導入部（カーボン製）、反応ガス排出部等を設けて、図１に示すような気相成長装置を製作した。また、４インチサイズのサファイア（厚さ１．２ｍｍ）よりなる基板を５枚気相成長装置にセットした。尚、冷媒を流通する構成として、配管１本を中心部から周辺部に向かって渦巻き状に配置した。
【００２３】
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、基板の位置における間隙が１０ｍｍ以下となるようにサファイア基板５枚をサセプタに保持し、基板の表面に窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を行なった。対面の冷却用配管への冷却水循環を開始した後、水素を流しながら基板表面の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行なった。この間、基板表面とその対面表面との温度差を５００℃以内となるようにした。続いて、基板表面の温度を５１０℃まで下げて、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア、キャリヤガスとして水素を用いて、サファイア基板上にＧａＮから成るバッファー層を約２０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００２４】
バッファー層成長後に、ＴＭＧのみ供給を停止し、基板表面の温度を１０５０℃（±１０℃）まで上昇させた。その後、原料ガス導入部の仕切りの先端部材の温度を２００℃（±１０℃）となるように設定し、原料ガスとして、ＴＭＧ、アンモニア等（キャリアガスとして、水素、窒素を含む）を反応炉に流して、アンドープＧａＮを１時間成長させた。尚、基板の位置における原料ガスの線速は０．８ｍ／ｓであった。また、バッファー層を含めた全ての成長は基板を自公転させながら行なった。この間、サセプタの対面の冷却用配管への冷却水循環量を調節して、基板の対面の表面温度が６００℃（±１０℃）となるように設定した。
以上のように窒化ガリウムを成長させた後、温度を下げ、基板を反応容器から取り出した。５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２５】
［実施例２、３］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が各々５００（±１０℃）（実施例２）、７００（±１０℃）（実施例２）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２６】
［実施例４、５］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が各々０．４ｍ／ｓ（実施例４）、１．６ｍ／ｓ（実施例５）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、５枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２７】
［実施例６］
実施例１の窒化ガリウムの気相成長装置の製作において、サセプタを６インチの基板４枚を保持可能なものに替えたほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。この気相成長装置のサセプタに、６インチサイズのサファイア（厚さ１．２ｍｍ）よりなる基板を４枚気相成長装置にセットした後、基板の位置における原料ガスの線速が０．６ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２８】
［実施例７、８］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が各々５００（±１０℃）（実施例７）、６５０（±１０℃）（実施例８）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００２９】
［実施例９、１０］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が各々０．６ｍ／ｓ（実施例９）、２．４ｍ／ｓ（実施例１０）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、いずれの場合も、４枚の基板に割れは発生していなかった。また、サセプタの対面の表面には、結晶はほとんど見られなかった。
【００３０】
［比較例１］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が４００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３１】
［比較例２］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が８００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、５枚の基板に割れは発生していなかったが、サセプタの対面の表面には結晶が付着していることがわかった。
【００３２】
［比較例３］
実施例１と同一の気相成長装置（４インチの基板５枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例１の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が０．１ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例１と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３３】
［比較例４］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が４００（±１０℃）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３４】
［比較例５］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の対面の表面温度が７５０（±１０℃）となるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。その結果、４枚の基板に割れは発生していなかったが、サセプタの対面の表面には結晶が付着していることがわかった。
【００３５】
［比較例６］
実施例６と同一の気相成長装置（６インチの基板４枚を保持可能）を用いて、気相成長実験を行なった。実施例６の窒化ガリウムの気相成長において、基板の位置における原料ガスの線速が０．２ｍ／ｓとなるように設定したほかは実施例６と同様にして気相成長実験を行なった。しかし、ＧａＮを１時間成長させる前に基板が割れたので気相成長実験を中止した。
【００３６】
以上のように、本発明の気相成長方法は、大きな直径を有する複数枚の基板（４インチ基板、６インチ基板）の表面に、１０００℃以上の温度で窒化ガリウムの気相成長を行なっても、基板が割れず高品質の結晶成長が可能なことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の気相成長方法に使用される気相成長装置の一例を示す垂直断面図
【図２】本発明の気相成長方法に使用される図１以外の気相成長装置の一例を示す垂直断面図
【図３】図１、図２における基板の近辺の拡大断面図
【図４】本発明に使用される気相成長装置のサセプタの形態の例を示す構成図
【符号の説明】
【００３８】
１ 基板
２ サセプタ
３ サセプタの対面
４ ヒータ
５ 原料ガス導入部
６ 反応炉
７ 反応ガス排出部
８ 基板の対面
９ 冷媒を流通する流路
１０ 回転発生部
１１ ガス配管
１２ サセプタ回転軸
１３ 均熱板
１４ 基板ホルダー
１５ 基板の上流側の位置における間隙
１６ 基板の下流側の位置における間隙
１７ 原料ガス導入部の仕切りの先端部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して４インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項２】
６インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して６インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項３】
気相成長装置の原料ガス導入部の仕切りの先端部材の温度を１００〜３００℃に設定する請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項４】
気相成長装置の原料ガス導入部がサセプタの中心部に設けられ、反応ガス排出部がサセプタより外周側に設けられた請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項５】
基板の位置における原料ガスの線速は、２５℃のガスに換算した値である請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項１】
４インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３００〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．２〜２ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して４インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項２】
６インチの複数枚の基板を保持するためのサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有する気相成長装置を用いた窒化ガリウムの気相成長方法であって、基板表面の温度を９００〜１１００℃、基板表面と該基板の対面表面との温度差を３５０〜６００℃に設定し、かつ基板の位置における原料ガスの線速を０．３〜３ｍ／ｓとなるように原料ガスの供給を調整して６インチの基板表面に窒化ガリウム層の形成を行なうことを特徴とする窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項３】
気相成長装置の原料ガス導入部の仕切りの先端部材の温度を１００〜３００℃に設定する請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項４】
気相成長装置の原料ガス導入部がサセプタの中心部に設けられ、反応ガス排出部がサセプタより外周側に設けられた請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【請求項５】
基板の位置における原料ガスの線速は、２５℃のガスに換算した値である請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウムの気相成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−３０６３２（Ｐ２０１３−３０６３２Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５８８１（Ｐ２０１１−１６５８８１）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００２２９６０１）日本パイオニクス株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００２２９６０１）日本パイオニクス株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
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