JP2013070016A - Nitride semiconductor crystal growth device and growth method of the same - Google Patents
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Abstract
【課題】基板上に効率よく三族窒化物半導体の膜を生成し、かつ生成膜の均一性を向上させる。
【解決手段】窒化物半導体結晶成長装置100は、窒素含有ガス供給口8と三族金属含有ガス供給口9と、窒素含有ガス6を分解して活性種を生成する触媒材料1と、を備えており、触媒材料1は、窒素含有ガス供給口8の内部等に設けられており、窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9は、何れも基板面に正対している。
【選択図】図1A film of a group III nitride semiconductor is efficiently generated on a substrate and the uniformity of the generated film is improved.
A nitride semiconductor crystal growth apparatus includes a nitrogen-containing gas supply port, a Group 3 metal-containing gas supply port, and a catalyst material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species. The catalyst material 1 is provided inside the nitrogen-containing gas supply port 8 or the like, and the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 are all facing the substrate surface.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、化合物半導体を成長する半導体製造装置であって、特に三族窒化物半導体の気相エピタキシャル成長ウエハーの製造に好適な半導体製造装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus for growing a compound semiconductor, and more particularly to a semiconductor manufacturing apparatus suitable for manufacturing a vapor phase epitaxial growth wafer of a group III nitride semiconductor.
GaN、AlN、InN等の三族金属を用いた窒化物半導体は、1.9eVから6.2eVまで広域のバンドギャップを持つため、紫外域から可視光全域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子材料として有望な半導体である。また、近年において、上記窒化物半導体は、発光素子以外にも太陽電池、パワーデバイス等への実用化が期待されている材料である。特にGaNまたはInGaNといった材料は、青色発光素子材料として実用化されており、その高品質な材料ならびに高効率な成長法および成長装置の開発が期待されている。 Nitride semiconductors using Group III metals such as GaN, AlN and InN have a wide band gap from 1.9 eV to 6.2 eV, so that light emitting diodes, laser diodes, etc. that cover the entire visible range from the ultraviolet region can be used. It is a promising semiconductor as a light emitting element material. In recent years, the nitride semiconductor is a material that is expected to be put to practical use in solar cells, power devices and the like in addition to light-emitting elements. In particular, a material such as GaN or InGaN has been put into practical use as a blue light-emitting element material, and development of a high-quality material and a high-efficiency growth method and growth apparatus is expected.
上記窒化物半導体の成長方法として、一般的に有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;以下「MOCVD」と記す)がよく知られている。MOCVDの他の呼称としては、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)がある。 As a method for growing the nitride semiconductor, a metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as “MOCVD”) is generally well known. Another name for MOCVD is MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy).
MOCVD法に用いられる従来の縦型MOCVD装置の構成の一例を説明すれば、以下の通りである。従来の縦型MOCVD装置においては、ガス供給源から反応炉の内部の成長室に反応ガスおよびキャリアガスを導入するためのガス配管が接続されており、反応炉における内部の成長室には該成長室に反応ガスおよびキャリアガスを導入するためのガス吐出孔を配設したガス供給機構がガス導入部として設置されている。 An example of the configuration of a conventional vertical MOCVD apparatus used for the MOCVD method will be described as follows. In a conventional vertical MOCVD apparatus, a gas pipe for introducing a reaction gas and a carrier gas from a gas supply source to a growth chamber inside the reaction furnace is connected, and the growth chamber inside the reaction furnace is connected to the growth chamber. A gas supply mechanism provided with gas discharge holes for introducing reaction gas and carrier gas into the chamber is installed as a gas introduction part.
また、成長室の下部には、基板を載置するためのサセプタが設置されている。サセプタは、基板を加熱するためのヒーターを備え、アクチュエータによって回転軸を中心に回転自在となっている。 In addition, a susceptor for placing a substrate is installed in the lower part of the growth chamber. The susceptor includes a heater for heating the substrate, and is rotatable about an axis of rotation by an actuator.
さらに、反応炉の下部には、成長室内のガスを外部に排気するためのガス排気部が設置されている。このガス排気部は、パージラインを介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置に接続されている。 Furthermore, a gas exhaust unit for exhausting the gas in the growth chamber to the outside is installed at the lower part of the reactor. The gas exhaust unit is connected to an exhaust gas treatment device for rendering the exhausted gas harmless via a purge line.
前記構成の縦型MOCVD装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタに基板を設置し、サセプタを回転させ、ヒーターにより基板を所定の温度に加熱する。その後、ガス供給機構に配設されているガス吐出孔から成長室に反応ガスおよびキャリアガス(不活性ガス)を導入する。 When growing a compound semiconductor crystal in the vertical MOCVD apparatus having the above configuration, first, a substrate is placed on a susceptor, the susceptor is rotated, and the substrate is heated to a predetermined temperature by a heater. Thereafter, a reaction gas and a carrier gas (inert gas) are introduced into the growth chamber from the gas discharge holes provided in the gas supply mechanism.
このように、MOCVD法は、有機金属ガスをキャリアガスと共に成長室に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。MOCVD法を用いた化合物半導体結晶の成長においては、化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、どのようにして歩留まりと生産能力とを最大限確保するかということが常に高く要求されている。 As described above, the MOCVD method is a method in which an organic metal gas is introduced into a growth chamber together with a carrier gas and heated to cause a gas phase reaction on a predetermined substrate, thereby growing a compound semiconductor crystal on the substrate. In the growth of compound semiconductor crystals using the MOCVD method, there is always a high demand for how to secure the maximum yield and production capacity while reducing costs while improving the quality of compound semiconductor crystals. ing.
GaN等を基板に成長させる場合、窒素源としてアンモニアガス(NH3)が用いられるのが一般的である。しかし、NH3は、難分解性であることが知られているため、基板の成長には、Ga源(例えば、トリメチルガリウム)等に対して極めて過剰なNH3を供給する必要があり、非効率的である。また、基板表面においてNH3を分解するためには、基板を通常1000℃程度の高温に加熱する必要がある。しかし、この加熱によって、GaN、InGaN等の成長において、基板表面からの窒素の熱脱離による結晶性低下または相分離といった基板の成長を妨げる問題が生じる。 When GaN or the like is grown on a substrate, ammonia gas (NH 3 ) is generally used as a nitrogen source. However, since NH 3 is known to be hardly decomposable, it is necessary to supply a very excessive amount of NH 3 with respect to a Ga source (for example, trimethyl gallium) for the growth of the substrate. Efficient. Further, in order to decompose NH 3 on the substrate surface, it is necessary to heat the substrate to a high temperature of usually about 1000 ° C. However, this heating causes a problem in the growth of GaN, InGaN, etc. that hinders the growth of the substrate such as crystallinity degradation or phase separation due to thermal desorption of nitrogen from the substrate surface.
そのため、ある程度の低温条件において、NH3を供給し、基板上で効率よく反応させるための方法が検討されている。例えば、特許文献1ではクラッキングセルを用いた方法が開示されている。また、特許文献2ではタングステンメッシュを通電加熱しNH3を分解供給する方法が開示されている。 Therefore, a method for supplying NH 3 and reacting efficiently on the substrate under a certain low temperature condition has been studied. For example, Patent Document 1 discloses a method using a cracking cell. Patent Document 2 discloses a method of heating and heating a tungsten mesh to decompose and supply NH 3 .
特許文献1において、窒化膜を形成するために、圧力を10−4(Torr)以下の真空状態にする必要がある。しかし、通常のMOCVDにおいては、成長速度確保等の観点から数Torr〜数百Torrの成長条件が用いられるため、上記技術は実用化が困難である。 In Patent Document 1, in order to form a nitride film, the pressure needs to be in a vacuum state of 10 −4 (Torr) or less. However, in the usual MOCVD, since the growth conditions of several Torr to several hundred Torr are used from the viewpoint of securing the growth rate, the above technique is difficult to put into practical use.
一方、特許文献2において、タングステンメッシュを1000℃以上に加熱する必要があり、成長基板の温度上昇が懸念される。特に基板温度上昇を嫌うInGaN等の成膜形成には適用することは困難である。また、生産性向上のためには、大型基板および複数枚基板を同時に成長させることが好ましいが、特許文献1および2には大型基板および複数枚基板を均一に成長させるための具体的な方法は提示されていない。そのため、上記技術を用いた金属窒化物の膜形成を実用化することは、困難である。 On the other hand, in Patent Document 2, it is necessary to heat the tungsten mesh to 1000 ° C. or higher, and there is a concern about the temperature rise of the growth substrate. In particular, it is difficult to apply it to film formation of InGaN or the like that dislikes substrate temperature rise. In order to improve productivity, it is preferable to grow a large substrate and a plurality of substrates at the same time. However, Patent Documents 1 and 2 disclose specific methods for uniformly growing a large substrate and a plurality of substrates. Not presented. Therefore, it is difficult to put the metal nitride film formation using the above technique into practical use.
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に効率よく均一に三族窒化物半導体の膜を生成するための技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for efficiently and uniformly generating a group III nitride semiconductor film on a substrate.
上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、三族窒化物半導体の膜を基板上に形成する窒化物半導体結晶成長装置であって、窒素含有ガスを該基板上に供給する窒素含有ガス供給口と三族金属含有ガスを該基板上に供給する三族金属含有ガス供給口と、該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料と、を備えており、該触媒材料は、該窒素含有ガス供給口の内部または端部に設けられており、該窒素含有ガス供給口および該三族金属含有ガス供給口は、何れも該基板の基板面に正対していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention is a nitride semiconductor crystal growth apparatus for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate, and a nitrogen-containing gas is supplied onto the substrate. A nitrogen-containing gas supply port for supplying to the substrate, a Group 3 metal-containing gas supply port for supplying a Group 3 metal-containing gas onto the substrate, and a catalyst material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species. The catalyst material is provided inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port, and both of the nitrogen-containing gas supply port and the group 3 metal-containing gas supply port are aligned with the substrate surface of the substrate. It is characterized by being.
上記構成によれば、窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料は、窒素含有ガス供給口の内部または端部に設けられている。そのため、多くの窒素含有ガスを触媒材料に接触させることができる。そして、多くの窒素含有ガスが分解活性化されるため、基板上において効率的に三族窒化物半導体の膜を生成することができるという効果を奏する。 According to the said structure, the catalyst material which decomposes | disassembles nitrogen-containing gas and produces | generates an active species is provided in the inside or edge part of a nitrogen-containing gas supply port. Therefore, a lot of nitrogen-containing gas can be brought into contact with the catalyst material. Since many nitrogen-containing gases are decomposed and activated, there is an effect that a group III nitride semiconductor film can be efficiently generated on the substrate.
さらに、触媒材料は、窒素含有ガス供給口の内部または端部に設けられており、特許文献2のように基板と窒素含有ガス供給口との間に設けられてはいない。そのため、窒素含有ガス供給口および三族金属含有ガス供給口を共に基板の基板面に正対させた場合であっても、三族金属含有ガス供給口から供給される三族金属含有ガスが、触媒材料に触れないように構成することができる。つまり、触媒材料への三族金属含有ガスの付着を防止することができるため、触媒材料による窒素含有ガスの活性化を持続させることができ、効率的に三族窒化物半導体の膜を基板上に生成することができるという効果を奏する。さらに、三族金属含有ガスが触媒材料に触れない状態によって成膜した場合には、三族金属含有ガスが触媒材料に触れた場合と比較して、結晶性の高い三族窒化物半導体層を基板上に形成することができるという効果を奏する。 Furthermore, the catalyst material is provided inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port, and is not provided between the substrate and the nitrogen-containing gas supply port as in Patent Document 2. Therefore, even when the nitrogen-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas supply port are both directly facing the substrate surface of the substrate, the Group 3 metal-containing gas supplied from the Group 3 metal-containing gas supply port is It can be configured not to touch the catalyst material. That is, since the adhesion of the Group 3 metal-containing gas to the catalyst material can be prevented, the activation of the nitrogen-containing gas by the catalyst material can be maintained, and the Group 3 nitride semiconductor film can be efficiently formed on the substrate. There is an effect that it can be generated. Furthermore, when the film is formed in a state where the Group 3 metal-containing gas does not touch the catalyst material, the Group 3 nitride semiconductor layer having high crystallinity is compared with the case where the Group 3 metal-containing gas touches the catalyst material. There exists an effect that it can form on a board | substrate.
そして、窒素含有ガス供給口および三族金属含有ガス供給口を何れも基板の基板面に正対させているため、基板に対して、均一に窒素含有ガスおよび三族金属含有ガスを供給することができる。よって、生成される三族窒化物半導体層の均一性を向上させることができるという効果を奏する。 Since both the nitrogen-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas supply port face the substrate surface of the substrate, the nitrogen-containing gas and the Group 3 metal-containing gas are uniformly supplied to the substrate. Can do. Therefore, there is an effect that the uniformity of the generated group III nitride semiconductor layer can be improved.
また、反応室へとつながっている窒素含有ガス供給口の内部または端部に触媒材料を設置することにより、活性種生成後に活性種が移動する距離を短くして、より多くの窒素含有ガスを活性状態のまま基板へと供給することができる。このとき、三族金属含有ガスは窒素含有ガスとは異なる供給口から反応室内に供給される。そのため、ガスが基板に到達する前に、供給口内または触媒材料上で成膜反応が生じる不具合を避けることができる。これにより、基板への成膜に寄与しない材料の消費、および、触媒材料上での成膜に起因する触媒効果の減衰を防ぐことができる。 In addition, by installing a catalyst material inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port connected to the reaction chamber, the distance that the active species move after the generation of the active species is shortened, so that more nitrogen-containing gas can be stored. It can be supplied to the substrate in an active state. At this time, the Group 3 metal-containing gas is supplied into the reaction chamber from a supply port different from the nitrogen-containing gas. Therefore, it is possible to avoid a problem that a film forming reaction occurs in the supply port or on the catalyst material before the gas reaches the substrate. Thereby, consumption of the material which does not contribute to the film-forming on a board | substrate, and attenuation | damping of the catalyst effect resulting from the film-forming on a catalyst material can be prevented.
以上のように、上記の構成によれば、基板上に効率よく均一に三族窒化物半導体の膜を生成することができる。 As described above, according to the above configuration, a group III nitride semiconductor film can be efficiently and uniformly formed on a substrate.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記触媒材料を加熱する触媒加熱手段を備えていることが好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention preferably includes a catalyst heating means for heating the catalyst material.
上記構成によれば、触媒材料を加熱しているため、触媒材料はより活性化される。そのため、窒素含有ガスがより活性化された触媒材料と接触することによって、効率的に活性種を生成することができるという効果を奏する。これにより、例えば、基板温度を低温に設定した状態においても、触媒材料が窒素含有ガスを効率的に分解活性化しているため、基板上に結晶性に優れた三族窒化物半導体層を成長させることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the catalyst material is heated, the catalyst material is more activated. Therefore, there is an effect that the active species can be efficiently generated by bringing the nitrogen-containing gas into contact with the more activated catalyst material. Thus, for example, even when the substrate temperature is set to a low temperature, the catalyst material efficiently decomposes and activates the nitrogen-containing gas, so that a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity is grown on the substrate. There is an effect that can be.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記三族金属含有ガス供給口を冷却する冷却手段を備えていることが好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention preferably includes a cooling means for cooling the group III metal-containing gas supply port.
窒化物半導体成長装置が触媒過熱手段を備えている場合には、当該触媒加熱手段による熱で三族金属含有ガス供給口および三族金属含有ガスが加熱されるおそれがある。このとき、熱により三族金属が三族金属含有ガス供給口内に析出するおそれがある。 In the case where the nitride semiconductor growth apparatus is provided with catalyst overheating means, the Group 3 metal-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas may be heated by heat from the catalyst heating means. At this time, the Group 3 metal may be deposited in the Group 3 metal-containing gas supply port due to heat.
しかし、上記の構成によれば、冷却手段を用いて三族金属含有ガス供給口を冷却しているため、触媒加熱手段の熱によって三族金属含有ガスが必要以上に加熱されることはない。したがって、触媒加熱手段の熱によって三族金属含有ガスが加熱されず、三族金属含有ガス供給口に三族金属が析出することを防止できる。 However, according to said structure, since the group 3 metal containing gas supply port is cooled using the cooling means, the group 3 metal containing gas is not heated more than necessary by the heat of the catalyst heating means. Therefore, the Group 3 metal-containing gas is not heated by the heat of the catalyst heating means, and it is possible to prevent the Group 3 metal from being deposited at the Group 3 metal-containing gas supply port.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記窒素含有ガス供給口および上記三族金属含有ガス供給口を夫々複数備えていることが好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention preferably includes a plurality of the nitrogen-containing gas supply ports and the group III metal-containing gas supply ports.
上記構成によれば、三族金属含有ガス供給口から供給される三族金属含有ガスが触媒材料に触れないように構成することができるため、複数の供給口を何れも基板の基板面に正対させることができる。複数の供給口を設けたことによって、広範囲に、かつ均等に各原料ガスを供給することができる。そのため、大面積基板または複数枚基板を処理するときに、三族窒化物半導体層をより均一に形成できるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the Group 3 metal-containing gas supplied from the Group 3 metal-containing gas supply port can be configured not to touch the catalyst material, the plurality of supply ports are all connected to the substrate surface of the substrate. Can be paired. By providing a plurality of supply ports, each source gas can be supplied over a wide range and evenly. Therefore, when processing a large area substrate or a plurality of substrates, an effect is obtained that the group III nitride semiconductor layer can be formed more uniformly.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記窒素含有ガス供給口および上記三族金属含有ガス供給口は、上記基板に正対し、上記基板よりも大きい面積を有する面内に互いに隣接して配設されていることが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention, the nitrogen-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas supply port face the substrate and are adjacent to each other in a plane having a larger area than the substrate. It is preferable that it is disposed.
上記構成によれば、窒素含有ガスおよび三族金属含有ガスを基板に対して均一に吐出することができる。そのため、大型の基板または複数枚の基板に対応できるように装置を大型化した場合であっても、成膜される三族窒化物半導体層の均一性を広範囲で確保できる。 According to the above configuration, the nitrogen-containing gas and the Group 3 metal-containing gas can be discharged uniformly to the substrate. Therefore, even when the apparatus is enlarged so as to be compatible with a large substrate or a plurality of substrates, the uniformity of the group III nitride semiconductor layer to be formed can be ensured over a wide range.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記窒素含有ガス供給口および上記三族金属含有ガス供給口が、上記窒素含有ガスおよび上記三族金属含有ガスをシャワー状に吐出するように配置されていることがより好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention is arranged such that the nitrogen-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas supply port discharge the nitrogen-containing gas and the Group 3 metal-containing gas in a shower shape. More preferably.
上記構成によれば、上記窒素含有ガスおよび上記三族金属含有ガスをシャワー状に吐出することができる。そのため、基板に正対する複数の窒素含有ガス供給口および複数の三族金属含有ガス供給口から略同量の原料ガスを均等に吐出することができる。よって、大面積においても三族窒化物半導体層の面内の組成分布をより均一にすることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, the nitrogen-containing gas and the Group 3 metal-containing gas can be discharged in a shower shape. Therefore, substantially the same amount of source gas can be uniformly discharged from the plurality of nitrogen-containing gas supply ports and the plurality of Group 3 metal-containing gas supply ports facing the substrate. Therefore, there is an effect that the in-plane composition distribution of the group III nitride semiconductor layer can be made more uniform even in a large area.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記基板が格納される反応室の圧力が、10Torr以上760Torrであることが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention, the pressure in the reaction chamber in which the substrate is stored is preferably 10 Torr or more and 760 Torr.
上記構成によれば、三族窒化物半導体層の結晶性を高めることができるという効果を奏する。 According to the said structure, there exists an effect that the crystallinity of a group III nitride semiconductor layer can be improved.
上記構成によれば、圧力を真空状態(10−4Torr程度)にする必要がないため、成長速度の観点から実用化に適しているという効果を奏する。 According to the above configuration, it is not necessary to set the pressure in a vacuum state (about 10 −4 Torr), and therefore, there is an effect that it is suitable for practical use from the viewpoint of the growth rate.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記基板を回転させる回転手段をさらに備えていることが好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention preferably further includes a rotating means for rotating the substrate.
上記構成によれば、基板を回転させることができるため、均一な三族窒化物半導体層を形成できるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the substrate can be rotated, there is an effect that a uniform group III nitride semiconductor layer can be formed.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記窒素含有ガスが、アンモニアを含有していることが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention, the nitrogen-containing gas preferably contains ammonia.
上記構成によれば、アンモニアのような難分解性のガスも効率的に分解活性化することができるという効果を奏する。そのため、三族窒化物半導体層を基板上に形成するための窒素源として、アンモニアを用いることができる。 According to the said structure, there exists an effect that the hardly decomposable gas like ammonia can also be efficiently decomposed | disassembled and activated. Therefore, ammonia can be used as a nitrogen source for forming the group III nitride semiconductor layer on the substrate.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記基板を400℃以上950℃以下に加熱する基板加熱手段をさらに備えていることが好ましい。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention preferably further includes a substrate heating means for heating the substrate to 400 ° C. or higher and 950 ° C. or lower.
上記構成によれば、基板を加熱していることよって活性化されていない窒素含有ガスを、基板上において分解活性化することができるという効果を奏する。 According to the said structure, there exists an effect that the nitrogen containing gas which is not activated by heating a board | substrate can be decomposed | disassembled activated on a board | substrate.
また、基板加熱手段が基板を加熱することによって輻射熱が生じるため、当該輻射熱は触媒材料を加熱することができる。つまり、輻射熱によって触媒材料は加熱活性化されるため、窒素含有ガスをより効率的に分解活性化することができるという効果を奏する。 Moreover, since radiant heat is generated when the substrate heating means heats the substrate, the radiant heat can heat the catalyst material. That is, since the catalyst material is heated and activated by radiant heat, there is an effect that the nitrogen-containing gas can be decomposed and activated more efficiently.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記触媒材料が、Pt、W、Mo、NiおよびFeからなる群より選ばれる単体、または、Pt、W、Mo、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも何れかを含有している材料であることが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention, the catalyst material is selected from a group consisting of Pt, W, Mo, Ni and Fe, or a group consisting of Pt, W, Mo, Ni and Fe. It is preferable that the material contains at least one of the above.
上記構成によれば、Pt、W、Mo、Ni、Fe等の触媒材料を使用することによって、窒素含有ガスを効率的に分解することができるという効果を奏する。 According to the said structure, there exists an effect that nitrogen-containing gas can be decompose | disassembled efficiently by using catalyst materials, such as Pt, W, Mo, Ni, and Fe.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、上記三族窒化物半導体が、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaNおよびInAlGaNからなる群より選ばれる三族窒化物半導体であることが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention, the group III nitride semiconductor is preferably a group III nitride semiconductor selected from the group consisting of GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN.
上記構成によれば、窒素空孔、結晶欠陥等の少ないGaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等の三族窒化物半導体層を有する基板を得ることができる。そのため、より高品質な半導体材料を得ることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, a substrate having a group III nitride semiconductor layer such as GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN or the like having few nitrogen vacancies and crystal defects can be obtained. Therefore, the effect that a higher quality semiconductor material can be obtained is produced.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長反応は、三族窒化物半導体の膜を基板上に形成する窒化物半導体結晶成長方法であって、該基板の基板面に正対している窒素含有ガス供給口を介して窒素含有ガスを該基板上に供給するとともに、該基板の基板面に正対している三族金属含有ガス供給口を介して三族金属含有ガスを該基板上に供給するガス供給工程を包含しており、該窒素含有ガス供給口の内部または端部には、該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料が設置されていることを特徴とする。 The nitride semiconductor crystal growth reaction according to the present invention is a nitride semiconductor crystal growth method for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate, the nitrogen-containing gas supply port facing the substrate surface of the substrate A gas supply step of supplying a nitrogen-containing gas onto the substrate through the substrate and supplying a group III metal-containing gas onto the substrate through a group III metal-containing gas supply port facing the substrate surface of the substrate And a catalyst material for decomposing the nitrogen-containing gas to generate active species is installed inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port.
上記の方法によれば、本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置と同等の効果を奏する。 According to said method, there exists an effect equivalent to the nitride semiconductor crystal growth apparatus concerning this invention.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長反応は、上記ガス供給工程では、上記触媒材料を加熱するとともに、上記三族金属含有ガス供給口を冷却することが好ましい。 In the nitride semiconductor crystal growth reaction according to the present invention, in the gas supply step, it is preferable to heat the catalyst material and cool the group III metal-containing gas supply port.
上記の方法によれば、触媒材料を加熱しているため、触媒材料はより活性化される。そのため、窒素含有ガスがより活性化された触媒材料と接触することによって、効率的に活性種を生成することができるという効果を奏する。これにより、例えば、基板温度を低温に設定した状態においても、触媒材料が窒素含有ガスを効率的に分解活性化しているため、基板上に結晶性に優れた三族窒化物半導体層を成長させることができるという効果を奏する。 According to the above method, since the catalyst material is heated, the catalyst material is more activated. Therefore, there is an effect that the active species can be efficiently generated by bringing the nitrogen-containing gas into contact with the more activated catalyst material. Thus, for example, even when the substrate temperature is set to a low temperature, the catalyst material efficiently decomposes and activates the nitrogen-containing gas, so that a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity is grown on the substrate. There is an effect that can be.
さらに、冷却手段を用いて、三族金属含有ガス供給口を冷却しているため、三族金属含有ガスが必要以上に加熱されることはない。したがって、触媒材料を加熱する場合であっても、三族金属含有ガスは加熱されず、三族金属含有ガス供給口に三族金属が析出することを防止できる。 Furthermore, since the group 3 metal-containing gas supply port is cooled using the cooling means, the group 3 metal-containing gas is not heated more than necessary. Therefore, even when the catalyst material is heated, the Group 3 metal-containing gas is not heated, and the Group 3 metal can be prevented from being deposited at the Group 3 metal-containing gas supply port.
本発明に係る窒化物半導体結晶成長装置は、三族窒化物半導体の膜を基板上に形成する窒化物半導体結晶成長装置であって、窒素含有ガスを該基板上に供給する窒素含有ガス供給口と三族金属含有ガスを該基板上に供給する三族金属含有ガス供給口と、該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料と、を備えており、該触媒材料は、該窒素含有ガス供給口の内部または端部に設けられており、該窒素含有ガス供給口および該三族金属含有ガス供給口は、何れも該基板の基板面に正対していることを特徴とする窒化物半導体結晶成長装置であるため、基板上に効率よく均一に三族窒化物半導体の膜を生成することが可能である。 A nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present invention is a nitride semiconductor crystal growth apparatus for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate, and supplies a nitrogen-containing gas onto the substrate. And a Group 3 metal-containing gas supply port for supplying the Group 3 metal-containing gas onto the substrate, and a catalytic material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species, the catalyst material comprising: The nitrogen-containing gas supply port is provided inside or at the end, and both the nitrogen-containing gas supply port and the Group 3 metal-containing gas supply port are directly facing the substrate surface of the substrate. Since it is a nitride semiconductor crystal growth apparatus, it is possible to generate a group III nitride semiconductor film efficiently and uniformly on a substrate.
また、本発明に係る窒化物半導体結晶成長方法は、三族窒化物半導体の膜を基板上に形成する窒化物半導体結晶成長方法であって、該基板の基板面に正対している窒素含有ガス供給口を介して窒素含有ガスを該基板上に供給するとともに、該基板の基板面に正対している三族金属含有ガス供給口を介して三族金属含有ガスを該基板上に供給するガス供給工程を包含しており、該窒素含有ガス供給口の内部または端部には、該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料が設置されていることを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法であるため、基板上に効率よく均一に三族窒化物半導体の膜を生成することが可能である。 The nitride semiconductor crystal growth method according to the present invention is a nitride semiconductor crystal growth method for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate, the nitrogen-containing gas facing the substrate surface of the substrate. A gas that supplies a nitrogen-containing gas onto the substrate through a supply port, and supplies a Group 3 metal-containing gas onto the substrate through a Group 3 metal-containing gas supply port that faces the substrate surface of the substrate. A nitride semiconductor comprising a supply step, wherein a catalyst material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species is installed in or at the end of the nitrogen-containing gas supply port Since it is a crystal growth method, it is possible to efficiently and uniformly generate a group III nitride semiconductor film on the substrate.
〔第1実施形態〕
(窒化物半導体結晶成長装置)
図1は、本発明の一実施形態(第1実施形態)に係る窒化物半導体結晶成長装置100である。図1に示すように、窒化物半導体結晶成長装置100は、触媒材料1、ヒーター(触媒加熱手段)2、サセプタ4、基板加熱ヒーター(基板加熱手段)5、複数の窒素含有ガス供給口8、複数の三族金属含有ガス供給口9、排気口12および回転機構(回転手段)13を備えている。
[First Embodiment]
(Nitride semiconductor crystal growth equipment)
FIG. 1 shows a nitride semiconductor crystal growth apparatus 100 according to an embodiment (first embodiment) of the present invention. As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor crystal growth apparatus 100 includes a catalyst material 1, a heater (catalyst heating means) 2, a susceptor 4, a substrate heater (substrate heating means) 5, a plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8, A plurality of Group 3 metal-containing gas supply ports 9, exhaust ports 12 and a rotation mechanism (rotation means) 13 are provided.
窒化物半導体結晶成長装置100は、三族窒化物半導体の膜を基板上に形成するための装置である。三族窒化物半導体は、三族金属(Al、Ga、In等)と窒素とから形成されている金属窒化物である。三族窒化物半導体としては、例えば、GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等の金属窒化物が挙げられる。 The nitride semiconductor crystal growth apparatus 100 is an apparatus for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate. A group III nitride semiconductor is a metal nitride formed from a group III metal (Al, Ga, In, etc.) and nitrogen. Examples of the group III nitride semiconductor include metal nitrides such as GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN.
(基板)
基板3は、三族窒化物半導体の膜を形成するための基板である。
(substrate)
The substrate 3 is a substrate for forming a group III nitride semiconductor film.
(サセプタ)
サセプタ4は、基板3を載置するための台である。
(Susceptor)
The susceptor 4 is a table for placing the substrate 3 thereon.
(反応室)
反応室は、窒化物半導体結晶成長装置100の内部を指す。また、三族窒化物半導体の膜が形成される場を指す。
(Reaction room)
The reaction chamber refers to the inside of the nitride semiconductor crystal growth apparatus 100. Further, it refers to a place where a group III nitride semiconductor film is formed.
(窒素含有ガス)
窒素含有ガス6は、三族窒化物半導体の窒素源となる原料ガスである。窒素含有ガス6は、窒素原子を含有しているガスを含んでいればよい。例えば、窒素含有ガス6は、NH3、N2等の窒素化合物を含んでいてもよい。また、窒素含有ガス6はさらに窒素化合物以外の気体、例えば、H2等を含んでいてもよい。
(Nitrogen-containing gas)
The nitrogen-containing gas 6 is a source gas that becomes a nitrogen source of the group III nitride semiconductor. The nitrogen-containing gas 6 only needs to contain a gas containing nitrogen atoms. For example, the nitrogen-containing gas 6 may contain a nitrogen compound such as NH 3 or N 2 . Further, the nitrogen-containing gas 6 may further contain a gas other than the nitrogen compound, for example, H 2 or the like.
(窒素含有ガス供給口)
窒素含有ガス供給口8は、窒素含有ガス6を反応室内に吐出するためのガス供給手段である。窒素含有ガス供給口8は複数設置されている。各々の窒素含有ガス供給口8は、基板3に正対している。これによって、窒素含有ガス6を、基板3に対し、基板面に垂直な方向から吐出することができる。
(Nitrogen-containing gas supply port)
The nitrogen-containing gas supply port 8 is a gas supply means for discharging the nitrogen-containing gas 6 into the reaction chamber. A plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 are installed. Each nitrogen-containing gas supply port 8 faces the substrate 3. Thus, the nitrogen-containing gas 6 can be discharged from the direction perpendicular to the substrate surface with respect to the substrate 3.
(触媒材料)
触媒材料1は、窒素含有ガス6を分解活性化し、活性種(ラジカル)を生成するための触媒である。触媒材料1は、窒素含有ガス供給口8の内部または出口側の端部に取り付けられている。
(Catalyst material)
The catalyst material 1 is a catalyst for decomposing and activating the nitrogen-containing gas 6 to generate active species (radicals). The catalyst material 1 is attached to the inside of the nitrogen-containing gas supply port 8 or the end on the outlet side.
窒素含有ガス6は、窒素含有ガス供給口8に取り付けられている触媒材料1に接触することによって、分解活性化される。例えば、触媒材料1によってNH3が分解される場合には、NH2、NH、N等の窒素を含んでいる活性種が生成される。 The nitrogen-containing gas 6 is decomposed and activated by contacting the catalyst material 1 attached to the nitrogen-containing gas supply port 8. For example, when NH 3 is decomposed by the catalyst material 1, active species containing nitrogen such as NH 2 , NH, and N are generated.
触媒材料1は、窒素含有ガス6を分解活性化することができるものであれば限定されないが、例えば、Pt、W、Mo、Ni、Fe等の単体またはPt、W、Mo、Ni、Fe等の少なくとも何れかを含有している材料(合金)が好ましく、特に、Pt、WもしくはMoの単体、または、Pt、WもしくはMoの少なくとも何れかを含有している材料がより好ましい。また、触媒材料1がFeを含有している場合には、他にPt、W、Mo等の少なくとも何れかを含有していることが好ましい。また、触媒材料1の設置面積が大きいほど活性化効果は大きい。 The catalyst material 1 is not limited as long as it can decompose and activate the nitrogen-containing gas 6, but for example, simple substance such as Pt, W, Mo, Ni, Fe or the like, or Pt, W, Mo, Ni, Fe, etc. A material (alloy) containing at least one of Pt, W or Mo is preferable, and a material containing at least one of Pt, W or Mo is more preferable. Moreover, when the catalyst material 1 contains Fe, it is preferable to contain at least one of Pt, W, Mo, etc. in addition. Further, the activation effect increases as the installation area of the catalyst material 1 increases.
図2(a)〜(f)は、触媒材料1および窒素含有ガス供給口8の構成のバリエーションを示す断面図である。触媒材料1および窒素含有ガス供給口8は、例えば、図に示されるような任意の構成をとることができる。なお、図2では、説明のため、ヒーター2は省略している。 FIGS. 2A to 2F are cross-sectional views showing variations in the configuration of the catalyst material 1 and the nitrogen-containing gas supply port 8. The catalyst material 1 and the nitrogen-containing gas supply port 8 can take any configuration as shown in the figure, for example. In addition, in FIG. 2, the heater 2 is abbreviate | omitted for description.
一例において、図2(a)に示すように、窒素含有ガス供給口8の内部(内壁8bに囲まれた部分)に、メッシュ状の触媒材料1aを設置することができる。このとき、触媒材料1aは、特に限定されないが、窒素含有ガス供給口8の出口付近に配置されることがより好ましい。 In one example, as shown in FIG. 2A, a mesh-like catalyst material 1a can be installed inside the nitrogen-containing gas supply port 8 (a portion surrounded by the inner wall 8b). At this time, the catalyst material 1a is not particularly limited, but it is more preferable that the catalyst material 1a is disposed near the outlet of the nitrogen-containing gas supply port 8.
また、一例において、図2(b)に示すように、窒素含有ガス供給口8の内部に多孔質の触媒材料1bを設置してもよい。多孔質の触媒材料1bとしては、例えば、ハニカム構造等をとることができる。また、窒素含有ガス供給口8の内部に多孔質状の構造が形成されるように触媒材料1を設置してもよい。例えば、窒素含有ガス供給口8の内部に、触媒材料1を粒状に形成して充填してもよいし、触媒材料1をスチールウールのような金属ウール状に形成して充填してもよい。図2(a)の例と同様に、触媒材料1bは、特に限定されないが、窒素含有ガス供給口8の出口付近に配置されることが好ましい。 In one example, as shown in FIG. 2B, a porous catalyst material 1 b may be installed inside the nitrogen-containing gas supply port 8. As the porous catalyst material 1b, for example, a honeycomb structure or the like can be taken. Further, the catalyst material 1 may be installed so that a porous structure is formed inside the nitrogen-containing gas supply port 8. For example, the catalyst material 1 may be formed and filled into the nitrogen-containing gas supply port 8 in a granular form, or the catalyst material 1 may be formed and filled in a metal wool shape such as steel wool. As in the example of FIG. 2A, the catalyst material 1 b is not particularly limited, but is preferably disposed near the outlet of the nitrogen-containing gas supply port 8.
また、一例において、図2(c)に示すように、窒素含有ガス供給口8の内壁8bの少なくとも一部を触媒材料1cによってコーティングしてもよい。 In one example, as shown in FIG. 2C, at least a part of the inner wall 8b of the nitrogen-containing gas supply port 8 may be coated with the catalyst material 1c.
また、一例において、図2(d)に示すように、窒素含有ガス供給口8の出口側の端部にメッシュ状の触媒材料1dを設置してもよい。 In one example, as shown in FIG. 2 (d), a mesh-shaped catalyst material 1 d may be installed at the end of the nitrogen-containing gas supply port 8 on the outlet side.
また、一例において、図2(e)に示すように、窒素含有ガス供給口8の出口側の端部に多孔質の触媒材料1eを設置してもよい。 In one example, as shown in FIG. 2 (e), a porous catalyst material 1 e may be provided at the end of the nitrogen-containing gas supply port 8 on the outlet side.
また、一例において、図2(f)に示すように、窒素含有ガス供給口8の内壁8bを触媒材料1fによって形成してもよい。 In one example, as shown in FIG. 2F, the inner wall 8b of the nitrogen-containing gas supply port 8 may be formed of the catalyst material 1f.
以上のように、触媒材料1a〜1fを窒素含有ガス供給口8の内部または出口側の端部に設置することにより、触媒材料1a〜1fは窒素含有ガス供給口8から供給される窒素含有ガス6を、効率的に分解活性化できる。 As described above, by installing the catalyst materials 1a to 1f in the nitrogen-containing gas supply port 8 or at the end on the outlet side, the catalyst materials 1a to 1f are supplied from the nitrogen-containing gas supply port 8. 6 can be efficiently decomposed and activated.
(三族金属含有ガス)
三族金属含有ガス7は、三族窒化物半導体の三族金属源となる原料ガスである。三族金属含有ガス7は、三族金属を含有している比較的低温においてガスである化合物を含んでいれば限定されないが、例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)等の有機金属ガスを含んでいることが好ましい。またキャリアガスとしてN2、H2等が含まれていてもよい。
(Group 3 metal-containing gas)
The group 3 metal-containing gas 7 is a source gas that becomes a group 3 metal source of the group 3 nitride semiconductor. The group 3 metal-containing gas 7 is not limited as long as it contains a compound that is a gas at a relatively low temperature and contains a group 3 metal. For example, organic metals such as trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI) are used. It is preferable that gas is included. Further, N 2 , H 2 or the like may be contained as a carrier gas.
(三族金属含有ガス供給口)
三族金属含有ガス供給口9は、三族金属含有ガス7を反応室に吐出するためのガス供給手段である。なお、三族金属含有ガス供給口9は、吐出する三族金属含有ガス7が触媒材料1に触れないように配置されている。また、三族金属含有ガス供給口9は複数設置されている。
(Group 3 metal-containing gas supply port)
The group 3 metal-containing gas supply port 9 is a gas supply means for discharging the group 3 metal-containing gas 7 to the reaction chamber. The group 3 metal-containing gas supply port 9 is arranged so that the discharged group 3 metal-containing gas 7 does not touch the catalyst material 1. A plurality of Group 3 metal-containing gas supply ports 9 are provided.
また、三族金属含有ガス供給口9は、窒素含有ガス供給口8と同様、基板3に正対している。これによって、三族金属含有ガス7を、基板3に対し、基板面に垂直な方向から吐出することができる。 The group 3 metal-containing gas supply port 9 faces the substrate 3 in the same manner as the nitrogen-containing gas supply port 8. Thereby, the group 3 metal-containing gas 7 can be discharged from the direction perpendicular to the substrate surface to the substrate 3.
また、複数の窒素含有ガス供給口8および複数の三族金属含有ガス供給口9は、交互に配列されていてもよいし、同軸円状に配列されていてもよい。一実施形態において、任意の窒素含有ガス供給口8の隣に、少なくとも一つの三族金属含有ガス供給口9が配置されていることが好ましい。 Further, the plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 and the plurality of group III metal-containing gas supply ports 9 may be arranged alternately or may be arranged coaxially. In one embodiment, it is preferable that at least one group 3 metal-containing gas supply port 9 is arranged next to an arbitrary nitrogen-containing gas supply port 8.
さらに、窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7といった原料ガスをシャワー状に吐出するように複数の窒素含有ガス供給口8および複数の三族金属含有ガス供給口9を配置してもよい。「原料ガスをシャワー状に吐出する」とは、各供給口から吐出される原料ガスが略同じ量であり、正対している基板3に対して、各原料ガスを均等に吐出することを指す。なお、原料ガスが基板3に均等に吐出するためには、各吐出口同士の距離を一定にすることが好ましい。 Further, a plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 and a plurality of group III metal-containing gas supply ports 9 may be arranged so as to discharge a source gas such as the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 in a shower shape. “Discharging the source gas in the form of a shower” means that the source gas discharged from each supply port is substantially the same amount, and that each source gas is discharged evenly to the substrate 3 facing to each other. . In order to uniformly discharge the source gas onto the substrate 3, it is preferable to keep the distance between the discharge ports constant.
(排気口)
排気口12は、反応に不要なガス(例えば、脱離したCH4、キャリアガス、未反応の窒素含有ガス等)を排出するためのものである。排気口12は、サセプタ4を挟んで、各ガス供給口とは反対側に設置されている。
(exhaust port)
The exhaust port 12 is for exhausting gases unnecessary for the reaction (for example, desorbed CH 4 , carrier gas, unreacted nitrogen-containing gas, etc.). The exhaust port 12 is installed on the opposite side of each gas supply port with the susceptor 4 interposed therebetween.
(ヒーター)
ヒーター2は、触媒材料1を加熱する加熱手段である。ヒーター2は、触媒材料1を加熱するように、窒素含有ガス供給口8の内部または外部に取り付けられている。
(heater)
The heater 2 is a heating unit that heats the catalyst material 1. The heater 2 is attached inside or outside the nitrogen-containing gas supply port 8 so as to heat the catalyst material 1.
(基板加熱ヒーター)
基板加熱ヒーター5は、基板3を加熱する加熱手段である。基板加熱ヒーター5は、サセプタ4の内部に配置されている。
(Substrate heater)
The substrate heater 5 is a heating unit that heats the substrate 3. The substrate heater 5 is disposed inside the susceptor 4.
(回転機構)
回転機構13は、基板3に三族窒化物半導体の膜を形成させるときに、サセプタ4に載置されている基板3を回転させるためのものである。回転機構13は、サセプタ4の下部に接続されている。
(Rotating mechanism)
The rotation mechanism 13 is for rotating the substrate 3 placed on the susceptor 4 when forming a group III nitride semiconductor film on the substrate 3. The rotation mechanism 13 is connected to the lower part of the susceptor 4.
(窒化物半導体結晶成長装置を用いた成長方法)
以下、窒化物半導体結晶成長装置100を用いて三族窒化物半導体を基板3上に成長させる方法について説明する。
(Growth method using nitride semiconductor crystal growth equipment)
Hereinafter, a method for growing a group III nitride semiconductor on the substrate 3 using the nitride semiconductor crystal growth apparatus 100 will be described.
まず、サセプタ4上に基板3を載置する。次に、基板加熱ヒーター5によって基板3を所定の温度に加熱する。また、反応室の圧力を所定の値に設定する。 First, the substrate 3 is placed on the susceptor 4. Next, the substrate 3 is heated to a predetermined temperature by the substrate heater 5. Further, the pressure in the reaction chamber is set to a predetermined value.
圧力条件は、三族窒化物半導体層の結晶性を高める上では、0.1Torr以上1520Torr以下であることが好ましく、10Torr以上760Torr以下であることがより好ましい。0.1Torr以上であれば、反応性が著しく低下して結晶成長が遅くなることがなく、1520Torr以下であれば、装置の安全性が損なわれることがない。 The pressure condition is preferably 0.1 Torr or more and 1520 Torr or less, and more preferably 10 Torr or more and 760 Torr or less, in order to improve the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer. If it is 0.1 Torr or more, the reactivity is not significantly lowered and the crystal growth is not slowed, and if it is 1520 Torr or less, the safety of the apparatus is not impaired.
基板3の温度条件について説明する。触媒材料1が窒素含有ガス6を効率的に分解活性化しているので、窒素含有ガス6を分解するために基板3の温度を高温にする必要は無い。例えば、基板温度が400℃以上950℃以下程度の低温において、基板3にInGaN等の結晶を成長させることが可能である。特に、触媒材料1を600℃以上に加熱することによって、効率的にNH3等を分解することができるので、基板温度をより低温にすることが可能である。また、基板3の加熱によって、活性化されていない窒素含有ガス6を分解活性化することができる。また、基板加熱ヒーター5が基板3およびサセプタ4を加熱することによって輻射熱が生じるため、当該輻射熱はヒーター2による触媒材料1の加熱および活性化を補助することが可能である。 The temperature condition of the substrate 3 will be described. Since the catalyst material 1 efficiently decomposes and activates the nitrogen-containing gas 6, it is not necessary to raise the temperature of the substrate 3 in order to decompose the nitrogen-containing gas 6. For example, it is possible to grow a crystal such as InGaN on the substrate 3 at a low temperature of about 400 ° C. to 950 ° C. In particular, by heating the catalyst material 1 to 600 ° C. or higher, NH 3 and the like can be efficiently decomposed, so that the substrate temperature can be lowered. Further, the nitrogen-containing gas 6 that is not activated can be decomposed and activated by heating the substrate 3. Further, since the substrate heater 5 heats the substrate 3 and the susceptor 4 to generate radiant heat, the radiant heat can assist the heating and activation of the catalyst material 1 by the heater 2.
三族窒化物半導体を基板3上に成長させるときは、基板3を回転機構13によって回転させることが好ましい。また、好ましい回転速度としては、0rpmを超え1500rpm以下であることが好ましく、1rpm以上300rpm以下であることがより好ましい。 When the group III nitride semiconductor is grown on the substrate 3, it is preferable to rotate the substrate 3 by the rotation mechanism 13. Moreover, as a preferable rotational speed, it is preferable that it is more than 0 rpm and 1500 rpm or less, and it is more preferable that they are 1 rpm or more and 300 rpm or less.
(活性種の生成)
まずガス源(図示せず)から供給された窒素含有ガス6は、窒素含有ガス供給口8から反応室に吐出される。
(Generation of active species)
First, the nitrogen-containing gas 6 supplied from a gas source (not shown) is discharged from the nitrogen-containing gas supply port 8 to the reaction chamber.
そして、窒素含有ガス供給口8に取り付けられている触媒材料1に接触することによって、窒素含有ガス6は分解活性化され、活性種が生成する。以下、窒素含有ガス6にNH3が含まれており、NH3が分解活性化される場合について説明する。 Then, by contacting the catalyst material 1 attached to the nitrogen-containing gas supply port 8, the nitrogen-containing gas 6 is decomposed and activated to generate active species. Hereinafter, the case where NH 3 is contained in the nitrogen-containing gas 6 and NH 3 is decomposed and activated will be described.
このとき、触媒材料1がヒーター2によって加熱されていることによって、触媒材料1上でのNH3の分解反応が促進されている。また、触媒材料1上でのNH3の分解量を、基板3上でのNH3の分解量よりも大きくするためには、触媒材料1は600℃以上に加熱されることが好ましい。一方、基板3上でのNH3の分解量を触媒材料1上でのNH3の分解量よりも大きくして、触媒材料1の役割を補助的なものにする場合には、触媒材料1は100℃程度の加熱であってもよい。 At this time, since the catalyst material 1 is heated by the heater 2, the decomposition reaction of NH 3 on the catalyst material 1 is promoted. Further, the amount of decomposition of NH 3 in the above catalyst material 1, in order to increase than the decomposition of NH 3 in on substrate 3, the catalyst material 1 is preferably heated above 600 ° C.. On the other hand, the amount of decomposition of NH 3 in the upper substrate 3 is made larger than the amount of decomposition of the NH 3 in the above catalyst material 1, when the role of the catalyst material 1 to the auxiliary ones, the catalyst material 1 The heating may be about 100 ° C.
上記のようにNH3が分解活性化される場合には、NH2、NH、N等の窒素を含んでいる活性種が生成される。 When NH 3 is decomposed and activated as described above, active species containing nitrogen such as NH 2 , NH, and N are generated.
(活性種と三族金属含有ガスとの反応)
ガス源(図示せず)から供給された三族金属含有ガス7は、三族金属含有ガス供給口9から反応室に吐出される。三族金属含有ガス7は、活性種と反応することによって、最終的に三族窒化物半導体を形成する。
(Reaction between active species and Group 3 metal-containing gas)
The Group 3 metal-containing gas 7 supplied from a gas source (not shown) is discharged from the Group 3 metal-containing gas supply port 9 to the reaction chamber. The group 3 metal-containing gas 7 finally forms a group III nitride semiconductor by reacting with the active species.
例えば、三族金属含有ガス7がトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)等の有機金属ガスを含んでいる場合には、NH2またはNHといった活性種と反応することによって、TMG−NH2、TMG−NH、TMI−NH2またはTMI−NHといった化合物を生成する。 For example, when the group 3 metal-containing gas 7 contains an organometallic gas such as trimethylgallium (TMG) or trimethylindium (TMI), it reacts with an active species such as NH 2 or NH, thereby producing TMG-NH 2. , TMG-NH, TMI-NH 2 or TMI-NH.
生成された上記化合物は、CH4が脱離していき、最終的にはGaN、InN、InGaN等の窒化物が形成される。 In the generated compound, CH 4 is desorbed, and finally nitrides such as GaN, InN, and InGaN are formed.
(基板上に窒化物半導体を形成)
上記のように生成されたTMG−NH2、TMG−NH、TMI−NH2、TMI−NH等の化合物は、CH4が脱離していき、基板3上に到達することには、GaN、InN、InGaN等の窒化物になっており、基板3上に結晶成長する。
(Nitride semiconductor is formed on the substrate)
The compounds such as TMG-NH 2 , TMG-NH, TMI-NH 2 , and TMI-NH generated as described above can be separated from CH 4 to reach the substrate 3 by GaN, InN. , Such as InGaN, and grows on the substrate 3.
(本実施形態の効果)
本実施形態では、触媒材料1を窒素含有ガス供給口8の内部または出口側の端部に取り付けているので、NH3のような難分解性のガスを効率的に分解できるという効果が得られる。特許文献1に係る発明では、圧力を真空状態(10−4Torr程度)にする必要があったが、本実施形態では、例えば、10〜760Torr程度の圧力で基板に結晶を成長させることができる。そのため、成長速度の観点から実用化に適している。また、特許文献2に係る発明では、基板表面の温度を1000℃以上に高温加熱する必要があったが、本実施形態では、例えば、400〜950℃程度の低温であっても基板に結晶を成長させることができる。そのため、基板の成長表面からの窒素の熱脱離による結晶性低下、相分離等の問題が生じにくい。
(Effect of this embodiment)
In the present embodiment, since the catalyst material 1 is attached to the inside of the nitrogen-containing gas supply port 8 or the end portion on the outlet side, an effect that the hardly decomposable gas such as NH 3 can be efficiently decomposed is obtained. . In the invention according to Patent Document 1, the pressure needs to be in a vacuum state (about 10 −4 Torr), but in this embodiment, for example, a crystal can be grown on the substrate at a pressure of about 10 to 760 Torr. . Therefore, it is suitable for practical use from the viewpoint of growth rate. Further, in the invention according to Patent Document 2, it is necessary to heat the substrate surface at a high temperature of 1000 ° C. or higher, but in this embodiment, for example, crystals are formed on the substrate even at a low temperature of about 400 to 950 ° C. Can be grown. Therefore, problems such as crystallinity degradation and phase separation due to thermal desorption of nitrogen from the growth surface of the substrate are unlikely to occur.
特に、触媒材料1を600℃以上に加熱した場合には、NH3等を効率よく分解し、活性種を多く生成できるという効果が得られる。その結果、高効率に窒素を基板3の成長表面に取り込むことができるため、窒素空孔、結晶欠陥等を低減することができる。 In particular, when the catalyst material 1 is heated to 600 ° C. or higher, the effect of efficiently decomposing NH 3 or the like and generating more active species is obtained. As a result, since nitrogen can be taken into the growth surface of the substrate 3 with high efficiency, nitrogen vacancies, crystal defects, and the like can be reduced.
また、本実施形態においては、基板面に正対する方向のみから窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7を吐出しているため、生成される三族窒化物半導体層の均一性を向上させることができる。一方、特許文献2のように、分解生成されたNH2、NH、N等の活性種には寿命があるため基板3に対し横方向からガスを供給してしまうと、大面積基板または複数枚基板を処理するときに、面内分布を生じてしまう。本実施形態では、触媒材料1を窒素含有ガス供給口8の内部または出口側の端部に設けることにより、例え、各供給口を複数設けたとしても、基板面に正対する方向のみから窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7を吐出することができる。 In the present embodiment, since the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 are discharged only from the direction facing the substrate surface, the uniformity of the generated group III nitride semiconductor layer is improved. Can do. On the other hand, as disclosed in Patent Document 2, since active species such as NH 2 , NH, and N that have been decomposed have a lifetime, if a gas is supplied from the lateral direction to the substrate 3, a large-area substrate or a plurality of substrates In-plane distribution occurs when processing the substrate. In the present embodiment, the catalyst material 1 is provided at the inside of the nitrogen-containing gas supply port 8 or at the end on the outlet side. For example, even if a plurality of supply ports are provided, nitrogen is contained only from the direction facing the substrate surface. The gas 6 and the Group 3 metal-containing gas 7 can be discharged.
また、このように各供給口を複数設けていても、三族金属含有ガス7が触媒材料1に触れない構成になっている。つまり、触媒材料への三族金属含有ガスの付着を防止することができるため、触媒材料による窒素含有ガスの活性化を持続させることができ、効率的に三族窒化物半導体の膜を基板上に生成することができる。さらに、三族金属含有ガス7が触媒材料1に触れない状態によって成膜した場合には、三族金属含有ガス7が触媒材料1に触れた場合と比較して、結晶性の高い三族窒化物半導体層を基板上に形成することができる。 In addition, even when a plurality of supply ports are provided in this way, the Group 3 metal-containing gas 7 does not touch the catalyst material 1. That is, since the adhesion of the Group 3 metal-containing gas to the catalyst material can be prevented, the activation of the nitrogen-containing gas by the catalyst material can be maintained, and the Group 3 nitride semiconductor film can be efficiently formed on the substrate. Can be generated. Further, when the film is formed in a state in which the Group 3 metal-containing gas 7 does not touch the catalyst material 1, the Group 3 nitridation having higher crystallinity than the case where the Group 3 metal-containing gas 7 contacts the catalyst material 1. A physical semiconductor layer can be formed on the substrate.
また、各供給口を複数設置することによって、大面積基板または複数枚基板を処理するときに、三族窒化物半導体層をより均一に形成できるという効果が得られる。特に、各供給口が、窒素含有ガス6および上記三族金属含有ガス7をシャワー状に吐出するように配置されていることによって、同程度の量の窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7を分散して均等に吐出できるという効果が得られる。よって、大面積においても三族窒化物半導体層の面内の組成分布をより均一にすることができる。 Further, by providing a plurality of supply ports, it is possible to more uniformly form the group III nitride semiconductor layer when processing a large area substrate or a plurality of substrates. In particular, since each supply port is arranged so as to discharge the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 in a shower shape, the same amount of the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 are obtained. It is possible to obtain an effect that the particles can be dispersed evenly. Therefore, the in-plane composition distribution of the group III nitride semiconductor layer can be made more uniform even in a large area.
窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9の配置を交互または同軸状にすることによって、各原料ガスを均等に供給することができ、より均一に三族窒化物半導体層を形成できるという効果が得られる。 By arranging the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 alternately or coaxially, each source gas can be supplied uniformly, and a group III nitride semiconductor layer can be formed more uniformly. The effect that it can be obtained.
基板加熱ヒーター5によって、基板3を加熱することによって、基板3上においても窒素含有ガス6の分解を行うことができる。また、基板加熱ヒーター5の加熱によって生じる輻射熱は、ヒーター2による触媒材料1の加熱および活性化を補助することが可能である。 By heating the substrate 3 with the substrate heater 5, the nitrogen-containing gas 6 can be decomposed also on the substrate 3. Further, the radiant heat generated by the heating of the substrate heater 5 can assist the heating and activation of the catalyst material 1 by the heater 2.
また、回転機構13によって基板3を回転させる構成を有することによって、均一の三族窒化物半導体層を形成できるという効果が得られる。 In addition, by having a configuration in which the substrate 3 is rotated by the rotation mechanism 13, an effect that a uniform group III nitride semiconductor layer can be formed is obtained.
(変形例)
本実施形態に係る窒化物半導体結晶成長装置100は、例えば、図3に示すように、ヒーター2を設けない構成としてもよい。このように、触媒材料1を加熱する加熱手段を設けていなくとも、触媒材料1は基板3およびサセプタ4からの輻射熱によって加熱されている。そのため、ヒーター2を取り付けていない場合であっても、輻射熱によって触媒材料1を活性化させることができるため、NH3のような難分解性のガスを効率的に分解できる。なお、輻射熱は、基板加熱ヒーター5が基板3およびサセプタ4を加熱することによって生じる。
(Modification)
The nitride semiconductor crystal growth apparatus 100 according to the present embodiment may have a configuration in which the heater 2 is not provided, for example, as shown in FIG. Thus, the catalyst material 1 is heated by the radiant heat from the substrate 3 and the susceptor 4 even if no heating means for heating the catalyst material 1 is provided. Therefore, even when the heater 2 is not attached, the catalyst material 1 can be activated by radiant heat, so that a hardly decomposable gas such as NH 3 can be efficiently decomposed. Radiant heat is generated when the substrate heater 5 heats the substrate 3 and the susceptor 4.
〔第2実施形態〕
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態に係る窒化物半導体結晶成長装置は、主として、三族金属含有ガス供給口を冷却する冷却手段を備えている点において、第1実施形態に係る窒化物半導体結晶成長装置と異なっている。本実施形態に係る窒化物半導体結晶成長装置は、当該冷却手段を備えていることによって、触媒を加熱するためのヒーターからの熱により、三族金属が三族金属含有ガス供給口内に析出することを首尾よく回避することができる。以下、図4〜8を用いて、第2実施形態の詳細について説明する。なお、第1実施形態と同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described. The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to this embodiment is different from the nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the first embodiment in that it mainly includes a cooling means for cooling the Group 3 metal-containing gas supply port. . The nitride semiconductor crystal growth apparatus according to the present embodiment includes the cooling means, so that the Group 3 metal is precipitated in the Group 3 metal-containing gas supply port by the heat from the heater for heating the catalyst. Can be avoided successfully. Hereinafter, the details of the second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the same reference numerals as those in the first embodiment denote the same or corresponding parts.
図4は、本実施形態に係る窒化物半導体結晶成長装置200の概略構成を模式的に示す図である。図4に示すように、窒化物半導体結晶成長装置200は、内部を大気側と隔離する反応炉20を備えており、反応炉20内部には、反応室30が設けられている。反応室30には、基板(被処理基板)3を載置するサセプタ(基板保持部)4が備えられている。 FIG. 4 is a diagram schematically showing a schematic configuration of the nitride semiconductor crystal growth apparatus 200 according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the nitride semiconductor crystal growth apparatus 200 includes a reaction furnace 20 that isolates the inside from the atmosphere side, and a reaction chamber 30 is provided inside the reaction furnace 20. The reaction chamber 30 includes a susceptor (substrate holding unit) 4 on which a substrate (substrate to be processed) 3 is placed.
サセプタ4は、回転機構(回転手段)13の回転伝達部の一端に備え付けられており、回転可能となっている。また、サセプタ4の下側には、基板3を加熱するための基板加熱ヒーター(基板加熱手段)5が設けられている。 The susceptor 4 is provided at one end of a rotation transmitting portion of the rotation mechanism (rotating means) 13 and is rotatable. A substrate heater (substrate heating means) 5 for heating the substrate 3 is provided below the susceptor 4.
反応炉20の上部には、ガス供給機構10が配設されている。ガス供給機構10は、窒素含有ガス6を供給するための、複数の窒素含有ガス供給口8と、三族金属含有ガス7を供給するための、複数の三族金属含有ガス供給口9とを有し、窒素含有ガス供給口8と三族金属含有ガス供給口9とは、基板に正対する面内に互いに隣接して配設されている。また、ガス供給機構10はまた、触媒材料1、ヒーター(触媒加熱手段)2、窒素含有ガス供給源14、三族金属含有ガス供給源15、冷却機構(冷却手段)17および断熱材18を備えている。 A gas supply mechanism 10 is disposed at the top of the reaction furnace 20. The gas supply mechanism 10 includes a plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 for supplying the nitrogen-containing gas 6 and a plurality of group III metal-containing gas supply ports 9 for supplying the group III metal-containing gas 7. The nitrogen-containing gas supply port 8 and the Group 3 metal-containing gas supply port 9 are disposed adjacent to each other in a plane facing the substrate. The gas supply mechanism 10 also includes a catalyst material 1, a heater (catalyst heating means) 2, a nitrogen-containing gas supply source 14, a group 3 metal-containing gas supply source 15, a cooling mechanism (cooling means) 17, and a heat insulating material 18. ing.
窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7は、第1実施形態と同様のものを用いることができる。基板3に窒化物半導体結晶を成膜する際には、窒素含有ガス供給源14より供給された窒素含有ガス6が、ガス供給機構10に配設された複数の窒素含有ガス供給口8から反応室30内に供給されると共に、三族金属含有ガス供給源15より供給された三族金属ガス含有ガス7が、ガス供給機構10に配設された複数の複数の三族金属含有ガス供給口9から反応室30内へ供給される。なお、窒素含有ガス供給口8の内部にはヒーター2により昇温された触媒材料1が設けられており、窒素含有ガス供給口8を通る窒素含有ガス6は触媒材料1により活性化された状態で反応室30へ導入される。 The nitrogen-containing gas 6 and the Group 3 metal-containing gas 7 can be the same as those in the first embodiment. When the nitride semiconductor crystal is formed on the substrate 3, the nitrogen-containing gas 6 supplied from the nitrogen-containing gas supply source 14 reacts from a plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 provided in the gas supply mechanism 10. A plurality of Group 3 metal-containing gas supply ports, which are supplied into the chamber 30 and supplied from the Group 3 metal-containing gas supply source 15, are arranged in the gas supply mechanism 10. 9 is fed into the reaction chamber 30. The catalyst material 1 heated by the heater 2 is provided inside the nitrogen-containing gas supply port 8, and the nitrogen-containing gas 6 passing through the nitrogen-containing gas supply port 8 is activated by the catalyst material 1. Is introduced into the reaction chamber 30.
ここで、窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7が異なる供給口から反応室30へ供給される構造は、触媒材料1により活性化した窒素含有ガス6が、ガス供給機構10内や触媒材料1上などで意図しない気相反応を生じることを防ぐ上でも重要である。ただし、窒素含有ガス6と三族金属含有ガス7とが異なる供給口8、9から導入されていることから、基板3に到達するガスが不均一に分布する可能性がある。そのため、成膜処理時、基板3(またはサセプタ4)を回転機構13が回転させることが好ましい。この場合、基板3の回転速度は、0rpmを超え1500rpm以下であることが好ましい。 Here, the structure in which the nitrogen-containing gas 6 and the Group 3 metal-containing gas 7 are supplied from different supply ports to the reaction chamber 30 is such that the nitrogen-containing gas 6 activated by the catalyst material 1 is in the gas supply mechanism 10 or the catalyst material. It is also important for preventing unintended gas phase reactions from occurring on the top of 1 and the like. However, since the nitrogen-containing gas 6 and the Group 3 metal-containing gas 7 are introduced from different supply ports 8 and 9, there is a possibility that the gas reaching the substrate 3 is unevenly distributed. Therefore, it is preferable that the rotation mechanism 13 rotates the substrate 3 (or the susceptor 4) during the film forming process. In this case, the rotation speed of the substrate 3 is preferably more than 0 rpm and not more than 1500 rpm.
サセプタ4上に保持された基板3は、基板加熱ヒーター6により高温に加熱されている。反応室30に導入された窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7は、高温の基板3上に到達すると気相反応が促進され、基板3上に窒化物半導体薄膜が成膜される。成膜する窒化物半導体薄膜は、第1実施形態と同様である。 The substrate 3 held on the susceptor 4 is heated to a high temperature by the substrate heater 6. When the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 introduced into the reaction chamber 30 reach the high temperature substrate 3, the gas phase reaction is promoted, and a nitride semiconductor thin film is formed on the substrate 3. The nitride semiconductor thin film to be formed is the same as in the first embodiment.
なお、被処理基板3上を通過した反応ガスは、反応炉20に設けられた排気口7から排出され、図示しない排ガス処理装置にて無害化される。 The reaction gas that has passed over the substrate to be processed 3 is discharged from the exhaust port 7 provided in the reaction furnace 20, and is rendered harmless by an exhaust gas treatment apparatus (not shown).
また、成膜時の圧力条件は、0.1Torr以上1520Torr以下であることが好ましい。0.1Torr以上であれば、反応性が著しく低下して結晶成長が遅くなることがなく、760Torr以下であれば、装置の安全性が損なわれることがない。 The pressure condition during film formation is preferably 0.1 Torr or more and 1520 Torr or less. If it is 0.1 Torr or more, the reactivity is not significantly lowered and the crystal growth is not slowed, and if it is 760 Torr or less, the safety of the apparatus is not impaired.
次に、ガス供給機構10の詳細な構成について述べる。図8は、図4のAの部分を拡大して示した、ガス供給機構10の構成を模式的に示す断面図である。 Next, a detailed configuration of the gas supply mechanism 10 will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the gas supply mechanism 10, enlarging the portion A of FIG. 4.
複数の窒素含有ガス供給口8および複数の三族金属含有ガス供給口9は互いに隣接して交互に並んでいる構成となっている。このとき、両者の間の距離は出来る限り短いほうが好ましい。また、基板3の回転方向に対して、窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9が交互に現れる構造であることが好ましい。すなわち、基板3を回転させたとき、基板3の任意の位置の直上に、窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9が交互に現れる構造であることが好ましい。これは、両供給口の距離が開き過ぎたり、部分的に窒素含有ガス供給口8同士または三族金属含有ガス供給口9同士が集中したりすると、窒素含有ガス6および三族金属含有ガス7の混合が不十分となり、作製される窒化物半導体の組成や均一性に悪影響が出るおそれがあるためである。 The plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 and the plurality of group III metal-containing gas supply ports 9 are arranged adjacent to each other and alternately arranged. At this time, the distance between the two is preferably as short as possible. Further, it is preferable that the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 appear alternately with respect to the rotation direction of the substrate 3. That is, it is preferable that when the substrate 3 is rotated, the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 appear alternately right above an arbitrary position of the substrate 3. This is because the nitrogen-containing gas 6 and the group 3 metal-containing gas 7 are caused when the distance between the two supply ports is too large, or when the nitrogen-containing gas supply ports 8 or the group 3 metal-containing gas supply ports 9 are partially concentrated. This is because the mixing of the above becomes insufficient, which may adversely affect the composition and uniformity of the produced nitride semiconductor.
窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9の形状は特に限定されず、例えばスリット形状、シャワー状またはその組み合わせ等様々な形状であり得る。基板3側から見た、ガス供給機構10に設けられた窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9の模式的な構成例を図6(a)〜(d)に示す。なお、図6はあくまで供給機構の構成例であり、窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9の構成は、図6のものに限定されない。また、複数の窒素含有ガス供給口8および複数の三族金属含有ガス供給口9が互いに隣接して交互に並んでいる構成ならびに図6(a)〜(d)に示した構成は、第1実施形態でも好適に採用することができる。 The shapes of the nitrogen-containing gas supply port 8 and the Group 3 metal-containing gas supply port 9 are not particularly limited, and may be various shapes such as a slit shape, a shower shape, or a combination thereof. 6A to 6D show schematic configuration examples of the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 provided in the gas supply mechanism 10 as viewed from the substrate 3 side. Note that FIG. 6 is merely a configuration example of the supply mechanism, and the configurations of the nitrogen-containing gas supply port 8 and the Group 3 metal-containing gas supply port 9 are not limited to those of FIG. The configuration in which the plurality of nitrogen-containing gas supply ports 8 and the plurality of Group 3 metal-containing gas supply ports 9 are alternately arranged adjacent to each other and the configurations shown in FIGS. The embodiment can also be suitably employed.
これら窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9は、基板3よりも大きい面積を有し、基板3に正対する面内に配設されており、基板3面に垂直な方向から各原料ガスを吐出する。これにより、基板3に対して、均一に窒素含有ガス供給口8および三族金属含有ガス供給口9を供給することができる。 The nitrogen-containing gas supply port 8 and the Group 3 metal-containing gas supply port 9 have an area larger than that of the substrate 3 and are disposed in a plane facing the substrate 3, and from a direction perpendicular to the surface of the substrate 3. Each source gas is discharged. Thereby, the nitrogen-containing gas supply port 8 and the group 3 metal-containing gas supply port 9 can be supplied uniformly to the substrate 3.
触媒材料1およびヒーター2は、第1実施形態と同様に設けることができる。触媒材料1について、図4および図5に示す例では、窒素含有ガス供給口8の出口側内部に触媒材料1がコーティングされている。また、図8に示すように、触媒材料1を窒素含有ガス供給口8の内部にメッシュ状に設置してもよい。図8に示すように触媒材料1を設置することにより、図4および図5に示すように配置した場合に比べて、触媒材料1の設置表面積が増加し、より大きな活性化効果を期待できる。また、同様の効果を期待できるその他のバリエーションとしては、内部に多孔質の形状を有する触媒材料1を設置する方法も考えられる。ここでいう多孔質な形状を有する触媒材料として、例えばハニカム構造を持たせた触媒材料であったり、粒状の触媒材料を複数充填する方法、スチールウールのようなウール状に形成された触媒材料などが考えられる。また、触媒材料1は、窒素含有ガス供給口8の内部に設けてもよいし、出口端の設けてもよい。ただし、三族金属含有ガスに触れることがなく、三族金属含有ガスの付着による窒素含有ガスの活性化能力の低下を防止することができるため、窒素含有ガス供給口8の内部に触媒材料を配設することが好ましい。 The catalyst material 1 and the heater 2 can be provided similarly to the first embodiment. 4 and 5, the catalyst material 1 is coated on the inside of the outlet side of the nitrogen-containing gas supply port 8. Further, as shown in FIG. 8, the catalyst material 1 may be installed in a mesh shape inside the nitrogen-containing gas supply port 8. By installing the catalyst material 1 as shown in FIG. 8, the installation surface area of the catalyst material 1 is increased compared to the case where the catalyst material 1 is arranged as shown in FIGS. 4 and 5, and a greater activation effect can be expected. Further, as another variation that can be expected to have the same effect, a method in which the catalyst material 1 having a porous shape is installed inside is also conceivable. As the catalyst material having a porous shape here, for example, a catalyst material having a honeycomb structure, a method of filling a plurality of granular catalyst materials, a catalyst material formed in a wool shape such as steel wool, etc. Can be considered. Further, the catalyst material 1 may be provided inside the nitrogen-containing gas supply port 8 or may be provided at the outlet end. However, since it is possible to prevent the activation ability of the nitrogen-containing gas from decreasing due to the adhesion of the group 3 metal-containing gas without touching the group 3 metal-containing gas, a catalyst material is placed inside the nitrogen-containing gas supply port 8. It is preferable to arrange.
(冷却機構)
また、三族金属含有ガス供給口9の周囲には冷却機構17が配設されている。冷却機構17としては、三族金属含有ガス供給口9を冷却し得るものであればよく、公知の冷却機構を用いることができる。例えば、図4に示すように、三族金属含有ガス供給口9の周囲に冷媒を循環させる気化圧縮型または気化吸収型の冷却機構を用いることができる。また、ペルチエ効果を利用した冷却機構を用いてもよい。
(Cooling mechanism)
A cooling mechanism 17 is disposed around the group 3 metal-containing gas supply port 9. The cooling mechanism 17 may be any mechanism that can cool the Group 3 metal-containing gas supply port 9, and a known cooling mechanism can be used. For example, as shown in FIG. 4, a vaporization compression type or vaporization absorption type cooling mechanism that circulates a refrigerant around the group 3 metal-containing gas supply port 9 can be used. A cooling mechanism using the Peltier effect may be used.
ここで、冷却機構17がない場合、触媒材料1を加熱するヒーター2の加熱が、隣接する三族金属含有ガス供給口9内を流れる三族金属含有ガスを加熱し、三族金属含有ガス供給口9内、および三族金属含有ガス供給配管内で三族金属含有ガス7が分解し、三族金属が三族金属含有ガス供給口9、および供給配管内に析出することが想定される。冷却機構17が三族金属含有ガス供給口9を冷却することで、ヒーター2の加熱が隣接する三族金属含有ガス供給口9内を流れる三族金属含有ガス7へ与える影響を低減している。 Here, when there is no cooling mechanism 17, the heating of the heater 2 that heats the catalyst material 1 heats the Group 3 metal-containing gas flowing in the adjacent Group 3 metal-containing gas supply port 9, and supplies the Group 3 metal-containing gas. It is assumed that the Group 3 metal-containing gas 7 is decomposed in the port 9 and in the Group 3 metal-containing gas supply pipe, and the Group 3 metal is deposited in the Group 3 metal-containing gas supply port 9 and the supply pipe. The cooling mechanism 17 cools the group 3 metal-containing gas supply port 9 to reduce the influence of heating of the heater 2 on the group 3 metal-containing gas 7 flowing in the adjacent group 3 metal-containing gas supply port 9. .
なお、ヒーター2と冷却機構17とが互いに影響を及ぼし合い、互いの能力に悪影響を及ぼさないよう、ヒーター2と冷却機構17の間には断熱材18を設けることが好ましい。断熱材18としては公知の断熱材を用いることができる。 In addition, it is preferable to provide a heat insulating material 18 between the heater 2 and the cooling mechanism 17 so that the heater 2 and the cooling mechanism 17 influence each other and do not adversely affect each other's ability. A known heat insulating material can be used as the heat insulating material 18.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
触媒効果に関する実験結果を図7に示す。本実験では、窒素含有ガス(NH3+H2、N2)を、触媒材料を設けたノズル、または触媒材料を設けていないノズルを通してサファイア基板上に導入し、基板表面の窒化量を比較した。触媒材料としては、Ptを用いた。窒化量は、XPS(X線光電子分光法)を用いて測定した。また、本実験では、スパッタ回数と窒化量との関係から、深さ方向の窒素含有率の分布を測定した。図7に示すように、Pt触媒材料が設けられたノズルを用いて窒素含有ガスを導入した場合、Pt触媒材料が設けられていないノズルを用いた場合に比べて、基板表面の窒化量が増加したこと、すなわち、活性化された窒素源がより多く基板表面に到達したことが分かった。このことから、ノズル(窒素含有ガス供給口)に設けた触媒材料により窒素含有ガスの分解が促進されていることが確認された。 The experimental results regarding the catalytic effect are shown in FIG. In this experiment, a nitrogen-containing gas (NH 3 + H 2 , N 2 ) was introduced onto the sapphire substrate through a nozzle provided with a catalyst material or a nozzle not provided with a catalyst material, and the amounts of nitriding on the substrate surface were compared. Pt was used as the catalyst material. The amount of nitriding was measured using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). In this experiment, the distribution of the nitrogen content in the depth direction was measured from the relationship between the number of sputterings and the nitriding amount. As shown in FIG. 7, when a nitrogen-containing gas is introduced using a nozzle provided with a Pt catalyst material, the amount of nitridation on the substrate surface is increased as compared with the case where a nozzle not provided with a Pt catalyst material is used. That is, it was found that more activated nitrogen source reached the substrate surface. From this, it was confirmed that the decomposition of the nitrogen-containing gas was promoted by the catalyst material provided in the nozzle (nitrogen-containing gas supply port).
本発明は、半導体材料、特に、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子材料の製造分野において利用可能である。 The present invention can be used in the field of manufacturing semiconductor materials, in particular, light emitting element materials such as light emitting diodes and laser diodes.
1 触媒材料
2 ヒーター(触媒加熱手段)
3 基板
4 サセプタ
5 基板加熱ヒーター(基板加熱手段)
6 窒素含有ガス
7 三族金属含有ガス
8 窒素含有ガス供給口
9 三族金属含有ガス供給口
10 ガス供給機構
12 排気口
13 回転機構(回転手段)
14 窒素含有ガス供給源
15 三族金属含有ガス供給源
17 冷却機構(冷却手段)
18 断熱材
20 反応炉
30 反応室
100、200 窒化物半導体結晶成長装置
1 catalyst material 2 heater (catalyst heating means)
3 Substrate 4 Susceptor 5 Substrate heater (Substrate heating means)
6 Nitrogen-containing gas 7 Group 3 metal-containing gas 8 Nitrogen-containing gas supply port 9 Group 3 metal-containing gas supply port 10 Gas supply mechanism 12 Exhaust port 13 Rotating mechanism (rotating means)
14 Nitrogen-containing gas supply source 15 Group 3 metal-containing gas supply source 17 Cooling mechanism (cooling means)
18 Heat insulating material 20 Reactor 30 Reaction chamber 100, 200 Nitride semiconductor crystal growth apparatus
Claims (14)
窒素含有ガスを該基板上に供給する窒素含有ガス供給口と、
三族金属含有ガスを該基板上に供給する三族金属含有ガス供給口と、
該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料と、を備えており、
該触媒材料は、該窒素含有ガス供給口の内部または端部に設けられており、
該窒素含有ガス供給口および該三族金属含有ガス供給口は、何れも該基板の基板面に正対していることを特徴とする窒化物半導体結晶成長装置。 A nitride semiconductor crystal growth apparatus for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate,
A nitrogen-containing gas supply port for supplying a nitrogen-containing gas onto the substrate;
A Group 3 metal-containing gas supply port for supplying a Group 3 metal-containing gas onto the substrate;
A catalytic material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species, and
The catalyst material is provided inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port,
The nitrogen-containing gas supply port and the group III metal-containing gas supply port both face the substrate surface of the substrate.
該基板の基板面に正対している窒素含有ガス供給口を介して窒素含有ガスを該基板上に供給するとともに、該基板の基板面に正対している三族金属含有ガス供給口を介して三族金属含有ガスを該基板上に供給するガス供給工程を包含しており、
該窒素含有ガス供給口の内部または端部には、該窒素含有ガスを分解して活性種を生成する触媒材料が設置されていることを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。 A nitride semiconductor crystal growth method for forming a group III nitride semiconductor film on a substrate,
A nitrogen-containing gas is supplied onto the substrate via a nitrogen-containing gas supply port facing the substrate surface of the substrate, and via a Group III metal-containing gas supply port facing the substrate surface of the substrate. Including a gas supply step of supplying a Group 3 metal-containing gas onto the substrate;
A nitride semiconductor crystal growth method, characterized in that a catalyst material that decomposes the nitrogen-containing gas to generate active species is installed inside or at the end of the nitrogen-containing gas supply port.
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