半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法
【課題】反応ガスを供給するノズルが詰まる現象を緩和して工程効率及び生産性を向上させた半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーに噴射し、各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有する。
【解決手段】本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーに噴射し、各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系発光素子は、携帯電話のキーパッド、ＬＣＤ窓だけでなく、ＴＶ用バックライトユニット（ＢＬＵ）及び照明装置に至るまで爆発的に需要が増加している。このような傾向に対応すべく、発光素子に応用できる窒化物又は酸化物半導体（例えば、ＧａＮ、ＺｎＯ）をエピ薄膜で成長させるのに用いられるサファイアウェハーを４インチから６インチに変えるなどの大口径サファイアウェハーの導入が研究されている。
【０００３】
現在の化学気相蒸着技法では、４インチのサファイアウェハーを一度に約１０枚成長させる水準で生産されている。また、大口径ウェハーの場合、窒化物半導体と成長用基板として用いられるサファイア基板との熱膨脹係数の大きな差により発生する大きい熱応力及び薄膜成長時に発生する格子定数の差による固有応力のためにウェハーが曲がる現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）や、クラックが発生するなどの問題、性能の劣化による限界がある。このような問題を解決するために、バッチ型（Ｂａｔｃｈ ｔｙｐｅ）化学気相装置が適用されているが、これも原料ガスが低温分解されるという特性により、高温蒸着に困難がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、工程効率を向上させた半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、反応ガスを供給するノズルが詰まる現象を緩和することができる半導体エピ薄膜の成長方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、生産性を向上させ、ウェハーの変形を防止することができる半導体エピ薄膜の成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射し、前記各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有することを特徴とする。
【０００６】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであり得る。
前記半導体エピ薄膜は、ＧａＮ薄膜であり得る。
このとき、前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されてよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記反応チャンバの外側を包むように配置された加熱手段により前記反応チャンバの内部の温度を調節する段階を更に含んでよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記エピ薄膜が成長している間、前記半導体エピ薄膜の成長温度を変化させる段階を更に含んでよい。
前記ガス供給部から噴射される前記反応ガスが前記各ウェハーの上面及び下面に噴射されて流れることで、前記各ウェハーの両面にエピ薄膜を成長させることができる。
内部空間を有する内部管及び該内部管を覆って密閉する外部管を含む前記反応チャンバの前記内部管と前記ウェハーホルダーとの間に位置する前記ガス供給部を通じて前記反応ガスが噴射されてよい。
このとき、前記反応チャンバの内部に前記反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン及び該ガスラインから延長された複数個の噴射ノズルを含むガス供給部の前記複数個の噴射ノズルにより前記反応ガスが噴射されてよい。
このとき、前記複数個の噴射ノズルは、前記積載されたウェハーの各側面と対向し、前記積載されたウェハーとの間に位置するように前記ウェハーの積載間隔に対応して配列され、前記各ウェハーに前記反応ガスを噴射してよい。
また、本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記ガスラインの周りに沿って備えられた冷却ラインの内部に流れる冷媒により前記反応ガスを冷却させる段階を更に含んでよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、１つ以上備えられた前記ガス供給部を通じて各々同じ反応ガスを供給し、相違する反応ガスを区分して供給する段階を更に含んでよい。
【０００７】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子の製造方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、前記ウェハー上に第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、を有し、前記発光構造物の少なくとも一部は、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射して成長させた半導体層を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであり得る。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記ウェハーと前記発光構造物との間にバッファ層を形成する段階を更に含んでよい。
このとき、前記発光構造物の少なくとも一部は、前記バッファ層が形成される温度より高い温度で形成されてよい。
また、前記バッファ層の反応ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）のうちの少なくとも１つを含み得、前記発光構造物の反応ガスは、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つを含み得る。
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子であってよい。
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されてよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、ガス供給部の内部で反応ガスの分解比熱が減少するため、工程効率を向上させた半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができる。
また、ガス供給部内に残留する物質をエッチングし、ノズルが詰まる現象を緩和した半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができ、応力によるウェハーの変形を防止する半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の化学蒸着装置を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部を概略的に示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の噴射ノズルが配置される位置を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部に対する他の例を概略的に示す図面である。
【図６】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部に対する更に他の例を概略的に示す図面である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法により製造された発光構造物の構造を概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張することがあり、図面上に同じ符号で示す要素は同じ要素である。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の化学蒸着装置を概略的に示す平面図である。本発明の一実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダー２０に積載された複数のウェハーＷを反応チャンバ１０の内部に配置する段階と、ウェハーＷの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーＷに噴射し、各ウェハーＷの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を含む。
【００１４】
本実施形態に適用される化学気相蒸着装置１は、いわゆる、縦型又は炉型（ｆｕｒｎａｃｅ ｔｙｐｅ）化学気相蒸着装置であり、ウェハーが高温のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）上に配置されるのではなく、噴射ノズルを通じて噴射された反応ガスが複数のウェハーＷの間に流れるように複数のウェハーＷが縦方向に所定間隔を置いてウェハーホルダーに積載される構造を有する。
【００１５】
具体的に、図１及び図２を参照すると、本実施形態に適用される化学気相蒸着装置１の反応チャンバ１０は、内部空間を有する内部管１１及び内部管１１を覆って密閉する外部管１２を含み、内部管１１内に配置されたウェハーホルダー２０に複数のウェハーＷを所定間隔で配置する。また、ウェハーＷに反応ガスを噴射するガス供給部３０は、内部管１１とウェハーホルダー２０との間に配置され、ウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されるように備えられる。具体的には、反応チャンバ１０は円筒状の内部管１１及び内部管１１を覆って密閉するように下部が開放された外部管１２の二重構造で構成され、内部管１１の下部にはベースプレート１３が開閉可能に備えられる。内部管１１、外部管１２、及びベースプレート１３は、熱に強い石英（ｑｕａｒｔｚ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる。
【００１６】
ウェハーホルダー２０には薄膜成長のための複数個のウェハーＷが所定間隔で積載されて備えられ、ウェハーＷが積載されたウェハーホルダー２０は、ベースプレート１３の開閉により内部管１１内に配置され、外部に排出される。ウェハーホルダー２０は、高温及び高圧雰囲気の反応チャンバ１０内で熱変形しないように石英などの材質からなるが、これに制限されない。このような縦型化学気相蒸着装置を用いた半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダー２０に数百枚のウェハーＷを所定間隔で積載するため、従来のようにサセプタ上にウェハー数枚のみを装着して成長させるものより、大量生産が可能である。
【００１７】
一方、図１に示したように、ウェハーホルダー２０と連結されてウェハーホルダー２０を回転させる回転駆動部５０を更に含み、ウェハーホルダー２０は、断熱板により保護される回転駆動部５０と連結され、回転駆動部５０から加えられる回転力により内部管１１内で回転する。回転駆動部５０によりウェハーホルダー２０が回転することで、ウェハーＷ上に成長するエピ薄膜がウェハーの全表面に亘ってより均一に形成される。
【００１８】
また、反応チャンバ１０の周りに沿って加熱手段６０が備えられるため、反応チャンバ１０の内部を加熱して高温に保持することができる。図１及び図２に示したように、加熱手段６０は、反応チャンバ１０の外側を包む形態で配置され、外部電源の供給を受け、ニクロムのような熱線を用いて反応チャンバ１０の内部の温度を上昇させて均一に保持することができる。また、加熱手段６０により半導体エピ薄膜を成長させる間に反応チャンバ１０の内部の温度を変化させることで、原料又は薄膜特性によって、エピ薄膜を異なる温度で成長させることもできる。
【００１９】
ガス供給部３０は、ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させるように、反応チャンバ１０の内部に、外部から反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン３１と、ガスライン３１と連通して反応ガスをウェハーＷに噴射する複数個の噴射ノズル３３とを含む（図３参照）。
【００２０】
本実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法によると、内部空間を有する内部管１１及び内部管１１を覆って密閉する外部管１２を有する反応チャンバ１０の内部管１１内に配置されるウェハーホルダー２０に、複数のウェハーＷを所定間隔で積載し、内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素を含む有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーに噴射することで、複数のウェハーＷの表面に半導体エピ薄膜を成長させることができる。
【００２１】
縦型化学気相蒸着装置の場合、ウェハーＷのそれぞれに対して反応ガスを噴射する複数個の噴射ノズル３３を備えたガス供給部３０が反応チャンバ１０の内部に位置し、反応チャンバ１０の外側に加熱手段６０が配置されるため、反応ガスは複数個のウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられたガス供給部３０内へと移動する間に高温にさらされる。ＧａＮ系半導体エピ薄膜を製造するために一般的に適用されるＴＭＧａ、ＴｅＧａなどの反応ガスは、３００℃〜５００℃の比較的低温で分解されるため、１０００℃以上の高温に保持される反応チャンバ１０のガス供給部３０の外に噴射される前にノズル内で分解され、工程効率が低下し、分解された原料がガス供給部３０のノズルを詰まらせるという問題がある。
【００２２】
しかし、本実施形態によると、半導体エピ薄膜を成長させるための反応ガスとして塩素を含む有機金属化合物を適用することで、ノズル内で反応ガスが分解される比率を減少させ、ノズルが詰まる現象を緩和させることができる。例えば、ＧａＮ薄膜を成長させるためのＧａソースガスとしてジメチルガリウムクロライド（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、（ＣＨ４）２ＧａＣｌ）又はジエチルガリウムクロライド（Ｄｉｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、（Ｃ２Ｈ５）２ＧａＣｌ）を適用することができ、該物質は高い温度でもあまり分解が起こらない（７００℃〜８００℃以上で分解が起こる）。よって、ガス供給部３０の内部における反応ガスの分解の比率が減少し、反応ガスがガス供給部３０から噴射され、ウェハーＷの表面、即ち内部管１１の内部空間で分解される比率が増加するため、工程効率が向上する。また、反応ガスが塩素を含むため、塩素（Ｃｌ２）と水素（Ｈ２）の化合物である塩化水素（ＨＣｌ）気体が生成され、ガス供給部３０内に残留する物質をエッチングし、ノズルが詰まる現象を緩和させることができる。
【００２３】
具体的には、上記の例に挙げたジメチルガリウムクロライドとジエチルガリウムクロライドの分解反応式は下記の通りである。
【００２４】
ＤＥＧａＣｌ（ジエチルガリウムクロライド）：（Ｃ２Ｈ５）２ＧａＣｌ→ＧａＣｌ（ｇ）＋２Ｃ２Ｈ４（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
ＤＭＧａＣｌ（ジメチルガリウムクロライド）：（ＣＨ４）２ＧａＣｌ→ＧａＣｌ（ｇ）＋２Ｃ２Ｈ３（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
【００２５】
即ち、ジエチルガリウムクロライド又はジメチルガリウムクロライドが分解されて生成されたＧａＣｌのＣｌが、分解生成物であるＨ２と反応するか、或いは反応ガスを運搬するためのキャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）として適用される水素ガス（Ｈ２）と反応し、エッチングガスである塩化水素（ＨＣｌ）ガスを生成する。このように生成された塩化水素（ＨＣｌ）ガスは、ガス供給部３０のガスライン３１又は噴射ノズル３３内でエッチングガスとして作用し、ガス供給部３０内で一部分解された残留物質を除去する機能をする。
【００２６】
一方、ガス供給部３０から噴射された反応ガスは、各ウェハーＷの表面に沿って流れ、ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）→ＧａＮ（ｓ）＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）のような反応式により複数個の各ウェハーＷの表面にＧａＮエピ薄膜を形成する。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部を概略的に示す図面である。図３を参照すると、ガス供給部３０は、ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させるように反応チャンバ１０の内部に外部から反応ガスＧを供給する少なくとも１つのガスライン３１と、ガスライン３１と連通して反応ガスＧをウェハーＷに噴射する複数個の噴射ノズル３３とを含む。また、反応ガスＧを冷却させるためにガスライン３１の周りに沿って備えられる冷却ライン３２を更に含む。
【００２８】
具体的に、ガスライン３１と冷却ライン３２を含むガス供給部３０は、内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられ、冷却ライン３２の内部にガスライン３１が配置される二重構造である。即ち、反応ガスＧが流れるガスライン３１を冷媒Ｃが流れる冷却ライン３２が包む形態を有することで、反応ガスＧを冷却するため、反応ガスＧが高温雰囲気下でガスライン３１に沿って反応チャンバ１０の内部に供給される間に反応を起こしてガスライン３１の内部で蒸着されることを防止することができる。噴射ノズル３３は、複数個がガス供給部３０、具体的に冷却ライン３２の長さ方向に沿って冷却ライン３２の表面から突出して各ウェハーＷの位置と対応する位置に備えられ、それぞれがガスライン３１と連通される。但し、これは本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の一例に過ぎず、冷却ライン３２の内部に流れる冷媒により反応ガスを冷却させる段階は、必要に応じて省略してもよい。
【００２９】
図４は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の噴射ノズルが配置される位置を示す断面図である。先ず、図４（ａ）を参照すると、複数個の噴射ノズル３３は、積載されたウェハーＷの各側面と対向するようにウェハーＷの積載間隔に対応して配列される。また、図４（ｂ）に示したように、複数個の噴射ノズル３３は、積載されたウェハーＷとウェハーＷとの間に位置するように配列されてもよく、噴射ノズル３３は、複数個のウェハーＷの表面に反応ガスＧを噴射し、各ウェハーＷの表面にエピ薄膜を形成させる。
【００３０】
具体的に、噴射ノズル３３は、各ウェハーＷの一面、即ち上面に反応ガスＧを噴射してウェハーＷの上面のみにエピ薄膜８０を形成させるか、或いは各ウェハーＷの上面及び下面に反応ガスＧを噴射して各ウェハーＷの上面と下面にエピ薄膜８０を同時に形成させることもできる。即ち、複数個の噴射ノズル３３の各々は、積載された各々のウェハーＷと対応して配置され、各ウェハーＷの上面と下面に反応ガスＧが流れるように噴射し、各ウェハーＷの上面と下面の両面にそれぞれエピ薄膜８０を成長させることができる。ウェハーＷの両面にエピ薄膜８０が形成される場合、単一のウェハーＷから、２つのエピ薄膜からなる発光構造物８０’が得られるため、生産性が向上する。
【００３１】
また、このようなウェハーＷの両面でのエピ薄膜８０の成長は、応力ｆによるウェハーＷの変形を防止することができる。即ち、従来の化学気相蒸着装置のように、ウェハーＷの一面のみにエピ薄膜８０が成長すると、エピ薄膜に強い応力ｆが作用し、凹んだ形状となる曲がり現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）が生じる。このような現象は、大口径化するほどひどくなり、ウェハーが破損したり、性能劣化したりするような問題点が発生するおそれがある。しかし、本実施形態のようにウェハーＷの両面にエピ薄膜８０を成長させると、ウェハーＷの上面と下面で発生する応力ｆが互いに相殺されるため、従来の問題点を解決することができる。
【００３２】
図５及び図６は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部の他の実施形態を概略的に示す図面である。先ず、図５を参照すると、ガス供給部３０’は第１反応ガスＧ１を供給する第１ガスライン３１−１と、第２反応ガスＧ２を供給する第２ガスライン３１−２とを含み、第１及び第２ガスライン３１−１、３１−２は冷却ライン３２の内部に配置される。即ち、図３に示した実施形態とは異なり、２個以上のガスライン３１−１、３１−２が冷却ライン３２の内部に備えられ、第１反応ガスＧ１と第２反応ガスＧ２を区分して供給することができ、上述のように、発光構造物の一部に異なるソースガスが適用される場合、ガス供給部３０’の第１及び第２ガスライン３１−１、３１−２により分離されて供給される。
【００３３】
また、図６に示したように、２個以上のガス供給部３０が内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられてもよい。ここで、各ガス供給部３０は異なる反応ガスを区分して供給することができ、各ガス供給部３０は単一又は複数のガスラインを含んでもよい。但し、このような構成は、本発明の一実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の例示に過ぎず、化学気相蒸着装置の具体的な構成は多様に変更され得る。
【００３４】
図７は、本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法により製造された発光構造物の構造を概略的に示した図面である。本実施形態によると、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーＷを反応チャンバ１０の内部に配置する段階と、ウェハーＷ上に第１導電型半導体層８１、活性層８２、及び第２導電型半導体層８３を含む発光構造物８０’を形成する段階と、を含み、発光構造物８０’の少なくとも一部は、ウェハーＷの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーＷに噴射して成長させた半導体層を含む。
【００３５】
図７を参照すると、ウェハーＷの表面に、第１導電型半導体層８１、活性層８２、及び第２導電型半導体層８３を順に成長させて発光構造物８０’を形成する。発光構造物８０’を形成する第１及び第２導電型半導体層８１、８３は、それぞれｎ型及びｐ型半導体層であり、窒化物半導体からなってもよい。本実施形態の場合、これに制限されないが、第１及び第２導電型はそれぞれｎ型及びｐ型を意味するものと理解することができる。
【００３６】
第１及び第２導電型半導体層８１、８３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し得、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの物質がこれに該当する。第１及び第２導電型半導体層８１、８３との間に形成される活性層８２は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸層（ＭＱＷ）構造、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を用いることができる。一方、第１導電型半導体層８１はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ又はＣなどの不純物でドーピングされ得、第２導電型半導体層８３はＭｇ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物でドーピングされ得る。
【００３７】
第１及び第２導電型半導体層８１、８３上には、第１及び第２導電型半導体層８１、８３のそれぞれと電気的に連結される第１及び第２導電型電極８４、８５が形成される。図７に示したように、第１導電型電極８４は、第２導電型半導体層８３、活性層８２、及び第１導電型半導体層８１の一部がエッチングされて露出した第１導電型半導体層８１上に形成され、第２導電型電極８５は、第２導電型半導体層８３上に形成される。この場合、第２導電型半導体層８３と第２導電型電極８５とのオーミックコンタクト機能を向上させるためにＩＴＯ、ＺｎＯなどのような透明電極８６を更に備えてもよい。
【００３８】
このとき、反応ガスには、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａ（Ａｌ、Ｉｎ）Ｎ）のソースガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）などを適用することができ、ｎ型半導体層のＳｉドーピング原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ８）を、Ｇｅドーピング原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）などの有機ゲルマニウム化合物を適用することができる。また、ｐ型半導体層のＭｇドーピング原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）などを適用することができる。一方、本実施形態の場合、発光構造物を成長させる過程で、Ｇａの反応ガスとして、塩素を含む有機金属化合物、例えばジメチルガリウムクロライド、ジエチルガリウムクロライドを含む。
【００３９】
このような原料物質を含む反応ガスにより成長させた窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの他に３族元素を含み得、必要に応じて、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ及びＢｅなどのドーパント元素を含み得る。また、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件などにより必然的に含まれる不純物、原料、及び反応管の材質に含まれる微量の不純物を含むこともある。
【００４０】
本実施形態では、塩素を含む有機金属化合物を含む反応ガスにより、発光構造物８０’の全体が形成されると説明したが、これとは異なり、発光構造物８０’の一部、例えば基板、バッファ層、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層のうちの少なくとも１つを形成してもよい。具体的には、ウェハーＷと発光構造物８０’との間に窒化物などからなるバッファ層（図示せず）を成長させてもよく、低温（５００℃）で、ＴＭＧａ、ＴＥＧａなどをソースガスとしてバッファ層を成長させた後、加熱手段６０で反応チャンバ１０の温度を上昇させ、高温で成長速度の速いジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）又はジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）をソースガスとしてｎ型又はｐ型半導体層を成長させることもできる。但し、塩素系有機金属化合物を含む反応ガスは、発光構造物８０’の一部を成長させる時のみに適用されるのではなく、上述した例とは逆に、バッファ層を形成する時又はＧａＮ基板を形成する時のみに適用されるなど、多様な方法及び手順で適用されてもよい。
【００４１】
また、具体的には図示しなかったが、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法を用いて、基板（ウェハー）の上面にバッファ層、ＧａＮ薄膜、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）、ゲート（ｇａｔｅ）、ドレーン（ｄｒａｉｎ）を形成することで、発光構造物だけでなく、窒化系電界効果トランジスタ又はその一部を製造することもできる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 化学気相蒸着装置
１０ 反応チャンバ
１１ 内部管
１２ 外部管
１３ ベースプレート
２０ ウェハーホルダー
３０、３０’ ガス供給部
３１ ガスライン
３１−１ 第１ガスライン
３１−２ 第２ガスライン
３２ 冷却ライン
３３ 噴射ノズル
５０ 回転駆動部
６０ 加熱手段
８０ エピ薄膜
８０’ 発光構造物
８１ 第１導電型半導体層
８２ 活性層
８３ 第２導電型半導体層
８４ 第１導電型電極
８５ 第２導電型電極
８６ 透明電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系発光素子は、携帯電話のキーパッド、ＬＣＤ窓だけでなく、ＴＶ用バックライトユニット（ＢＬＵ）及び照明装置に至るまで爆発的に需要が増加している。このような傾向に対応すべく、発光素子に応用できる窒化物又は酸化物半導体（例えば、ＧａＮ、ＺｎＯ）をエピ薄膜で成長させるのに用いられるサファイアウェハーを４インチから６インチに変えるなどの大口径サファイアウェハーの導入が研究されている。
【０００３】
現在の化学気相蒸着技法では、４インチのサファイアウェハーを一度に約１０枚成長させる水準で生産されている。また、大口径ウェハーの場合、窒化物半導体と成長用基板として用いられるサファイア基板との熱膨脹係数の大きな差により発生する大きい熱応力及び薄膜成長時に発生する格子定数の差による固有応力のためにウェハーが曲がる現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）や、クラックが発生するなどの問題、性能の劣化による限界がある。このような問題を解決するために、バッチ型（Ｂａｔｃｈ ｔｙｐｅ）化学気相装置が適用されているが、これも原料ガスが低温分解されるという特性により、高温蒸着に困難がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、工程効率を向上させた半導体エピ薄膜の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、反応ガスを供給するノズルが詰まる現象を緩和することができる半導体エピ薄膜の成長方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、生産性を向上させ、ウェハーの変形を防止することができる半導体エピ薄膜の成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射し、前記各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有することを特徴とする。
【０００６】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであり得る。
前記半導体エピ薄膜は、ＧａＮ薄膜であり得る。
このとき、前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されてよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記反応チャンバの外側を包むように配置された加熱手段により前記反応チャンバの内部の温度を調節する段階を更に含んでよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記エピ薄膜が成長している間、前記半導体エピ薄膜の成長温度を変化させる段階を更に含んでよい。
前記ガス供給部から噴射される前記反応ガスが前記各ウェハーの上面及び下面に噴射されて流れることで、前記各ウェハーの両面にエピ薄膜を成長させることができる。
内部空間を有する内部管及び該内部管を覆って密閉する外部管を含む前記反応チャンバの前記内部管と前記ウェハーホルダーとの間に位置する前記ガス供給部を通じて前記反応ガスが噴射されてよい。
このとき、前記反応チャンバの内部に前記反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン及び該ガスラインから延長された複数個の噴射ノズルを含むガス供給部の前記複数個の噴射ノズルにより前記反応ガスが噴射されてよい。
このとき、前記複数個の噴射ノズルは、前記積載されたウェハーの各側面と対向し、前記積載されたウェハーとの間に位置するように前記ウェハーの積載間隔に対応して配列され、前記各ウェハーに前記反応ガスを噴射してよい。
また、本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、前記ガスラインの周りに沿って備えられた冷却ラインの内部に流れる冷媒により前記反応ガスを冷却させる段階を更に含んでよい。
本発明の半導体エピ薄膜の成長方法は、１つ以上備えられた前記ガス供給部を通じて各々同じ反応ガスを供給し、相違する反応ガスを区分して供給する段階を更に含んでよい。
【０００７】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子の製造方法は、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、前記ウェハー上に第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、を有し、前記発光構造物の少なくとも一部は、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射して成長させた半導体層を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであり得る。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記ウェハーと前記発光構造物との間にバッファ層を形成する段階を更に含んでよい。
このとき、前記発光構造物の少なくとも一部は、前記バッファ層が形成される温度より高い温度で形成されてよい。
また、前記バッファ層の反応ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）のうちの少なくとも１つを含み得、前記発光構造物の反応ガスは、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つを含み得る。
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子であってよい。
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されてよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、ガス供給部の内部で反応ガスの分解比熱が減少するため、工程効率を向上させた半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができる。
また、ガス供給部内に残留する物質をエッチングし、ノズルが詰まる現象を緩和した半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができ、応力によるウェハーの変形を防止する半導体エピ薄膜の成長方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の化学蒸着装置を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部を概略的に示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の噴射ノズルが配置される位置を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部に対する他の例を概略的に示す図面である。
【図６】本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部に対する更に他の例を概略的に示す図面である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法により製造された発光構造物の構造を概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張することがあり、図面上に同じ符号で示す要素は同じ要素である。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の化学蒸着装置を概略的に示す平面図である。本発明の一実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダー２０に積載された複数のウェハーＷを反応チャンバ１０の内部に配置する段階と、ウェハーＷの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーＷに噴射し、各ウェハーＷの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を含む。
【００１４】
本実施形態に適用される化学気相蒸着装置１は、いわゆる、縦型又は炉型（ｆｕｒｎａｃｅ ｔｙｐｅ）化学気相蒸着装置であり、ウェハーが高温のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）上に配置されるのではなく、噴射ノズルを通じて噴射された反応ガスが複数のウェハーＷの間に流れるように複数のウェハーＷが縦方向に所定間隔を置いてウェハーホルダーに積載される構造を有する。
【００１５】
具体的に、図１及び図２を参照すると、本実施形態に適用される化学気相蒸着装置１の反応チャンバ１０は、内部空間を有する内部管１１及び内部管１１を覆って密閉する外部管１２を含み、内部管１１内に配置されたウェハーホルダー２０に複数のウェハーＷを所定間隔で配置する。また、ウェハーＷに反応ガスを噴射するガス供給部３０は、内部管１１とウェハーホルダー２０との間に配置され、ウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されるように備えられる。具体的には、反応チャンバ１０は円筒状の内部管１１及び内部管１１を覆って密閉するように下部が開放された外部管１２の二重構造で構成され、内部管１１の下部にはベースプレート１３が開閉可能に備えられる。内部管１１、外部管１２、及びベースプレート１３は、熱に強い石英（ｑｕａｒｔｚ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる。
【００１６】
ウェハーホルダー２０には薄膜成長のための複数個のウェハーＷが所定間隔で積載されて備えられ、ウェハーＷが積載されたウェハーホルダー２０は、ベースプレート１３の開閉により内部管１１内に配置され、外部に排出される。ウェハーホルダー２０は、高温及び高圧雰囲気の反応チャンバ１０内で熱変形しないように石英などの材質からなるが、これに制限されない。このような縦型化学気相蒸着装置を用いた半導体エピ薄膜の成長方法は、ウェハーホルダー２０に数百枚のウェハーＷを所定間隔で積載するため、従来のようにサセプタ上にウェハー数枚のみを装着して成長させるものより、大量生産が可能である。
【００１７】
一方、図１に示したように、ウェハーホルダー２０と連結されてウェハーホルダー２０を回転させる回転駆動部５０を更に含み、ウェハーホルダー２０は、断熱板により保護される回転駆動部５０と連結され、回転駆動部５０から加えられる回転力により内部管１１内で回転する。回転駆動部５０によりウェハーホルダー２０が回転することで、ウェハーＷ上に成長するエピ薄膜がウェハーの全表面に亘ってより均一に形成される。
【００１８】
また、反応チャンバ１０の周りに沿って加熱手段６０が備えられるため、反応チャンバ１０の内部を加熱して高温に保持することができる。図１及び図２に示したように、加熱手段６０は、反応チャンバ１０の外側を包む形態で配置され、外部電源の供給を受け、ニクロムのような熱線を用いて反応チャンバ１０の内部の温度を上昇させて均一に保持することができる。また、加熱手段６０により半導体エピ薄膜を成長させる間に反応チャンバ１０の内部の温度を変化させることで、原料又は薄膜特性によって、エピ薄膜を異なる温度で成長させることもできる。
【００１９】
ガス供給部３０は、ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させるように、反応チャンバ１０の内部に、外部から反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン３１と、ガスライン３１と連通して反応ガスをウェハーＷに噴射する複数個の噴射ノズル３３とを含む（図３参照）。
【００２０】
本実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法によると、内部空間を有する内部管１１及び内部管１１を覆って密閉する外部管１２を有する反応チャンバ１０の内部管１１内に配置されるウェハーホルダー２０に、複数のウェハーＷを所定間隔で積載し、内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素を含む有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーに噴射することで、複数のウェハーＷの表面に半導体エピ薄膜を成長させることができる。
【００２１】
縦型化学気相蒸着装置の場合、ウェハーＷのそれぞれに対して反応ガスを噴射する複数個の噴射ノズル３３を備えたガス供給部３０が反応チャンバ１０の内部に位置し、反応チャンバ１０の外側に加熱手段６０が配置されるため、反応ガスは複数個のウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられたガス供給部３０内へと移動する間に高温にさらされる。ＧａＮ系半導体エピ薄膜を製造するために一般的に適用されるＴＭＧａ、ＴｅＧａなどの反応ガスは、３００℃〜５００℃の比較的低温で分解されるため、１０００℃以上の高温に保持される反応チャンバ１０のガス供給部３０の外に噴射される前にノズル内で分解され、工程効率が低下し、分解された原料がガス供給部３０のノズルを詰まらせるという問題がある。
【００２２】
しかし、本実施形態によると、半導体エピ薄膜を成長させるための反応ガスとして塩素を含む有機金属化合物を適用することで、ノズル内で反応ガスが分解される比率を減少させ、ノズルが詰まる現象を緩和させることができる。例えば、ＧａＮ薄膜を成長させるためのＧａソースガスとしてジメチルガリウムクロライド（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、（ＣＨ４）２ＧａＣｌ）又はジエチルガリウムクロライド（Ｄｉｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、（Ｃ２Ｈ５）２ＧａＣｌ）を適用することができ、該物質は高い温度でもあまり分解が起こらない（７００℃〜８００℃以上で分解が起こる）。よって、ガス供給部３０の内部における反応ガスの分解の比率が減少し、反応ガスがガス供給部３０から噴射され、ウェハーＷの表面、即ち内部管１１の内部空間で分解される比率が増加するため、工程効率が向上する。また、反応ガスが塩素を含むため、塩素（Ｃｌ２）と水素（Ｈ２）の化合物である塩化水素（ＨＣｌ）気体が生成され、ガス供給部３０内に残留する物質をエッチングし、ノズルが詰まる現象を緩和させることができる。
【００２３】
具体的には、上記の例に挙げたジメチルガリウムクロライドとジエチルガリウムクロライドの分解反応式は下記の通りである。
【００２４】
ＤＥＧａＣｌ（ジエチルガリウムクロライド）：（Ｃ２Ｈ５）２ＧａＣｌ→ＧａＣｌ（ｇ）＋２Ｃ２Ｈ４（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
ＤＭＧａＣｌ（ジメチルガリウムクロライド）：（ＣＨ４）２ＧａＣｌ→ＧａＣｌ（ｇ）＋２Ｃ２Ｈ３（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
【００２５】
即ち、ジエチルガリウムクロライド又はジメチルガリウムクロライドが分解されて生成されたＧａＣｌのＣｌが、分解生成物であるＨ２と反応するか、或いは反応ガスを運搬するためのキャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）として適用される水素ガス（Ｈ２）と反応し、エッチングガスである塩化水素（ＨＣｌ）ガスを生成する。このように生成された塩化水素（ＨＣｌ）ガスは、ガス供給部３０のガスライン３１又は噴射ノズル３３内でエッチングガスとして作用し、ガス供給部３０内で一部分解された残留物質を除去する機能をする。
【００２６】
一方、ガス供給部３０から噴射された反応ガスは、各ウェハーＷの表面に沿って流れ、ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）→ＧａＮ（ｓ）＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）のような反応式により複数個の各ウェハーＷの表面にＧａＮエピ薄膜を形成する。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部を概略的に示す図面である。図３を参照すると、ガス供給部３０は、ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させるように反応チャンバ１０の内部に外部から反応ガスＧを供給する少なくとも１つのガスライン３１と、ガスライン３１と連通して反応ガスＧをウェハーＷに噴射する複数個の噴射ノズル３３とを含む。また、反応ガスＧを冷却させるためにガスライン３１の周りに沿って備えられる冷却ライン３２を更に含む。
【００２８】
具体的に、ガスライン３１と冷却ライン３２を含むガス供給部３０は、内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられ、冷却ライン３２の内部にガスライン３１が配置される二重構造である。即ち、反応ガスＧが流れるガスライン３１を冷媒Ｃが流れる冷却ライン３２が包む形態を有することで、反応ガスＧを冷却するため、反応ガスＧが高温雰囲気下でガスライン３１に沿って反応チャンバ１０の内部に供給される間に反応を起こしてガスライン３１の内部で蒸着されることを防止することができる。噴射ノズル３３は、複数個がガス供給部３０、具体的に冷却ライン３２の長さ方向に沿って冷却ライン３２の表面から突出して各ウェハーＷの位置と対応する位置に備えられ、それぞれがガスライン３１と連通される。但し、これは本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の一例に過ぎず、冷却ライン３２の内部に流れる冷媒により反応ガスを冷却させる段階は、必要に応じて省略してもよい。
【００２９】
図４は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の噴射ノズルが配置される位置を示す断面図である。先ず、図４（ａ）を参照すると、複数個の噴射ノズル３３は、積載されたウェハーＷの各側面と対向するようにウェハーＷの積載間隔に対応して配列される。また、図４（ｂ）に示したように、複数個の噴射ノズル３３は、積載されたウェハーＷとウェハーＷとの間に位置するように配列されてもよく、噴射ノズル３３は、複数個のウェハーＷの表面に反応ガスＧを噴射し、各ウェハーＷの表面にエピ薄膜を形成させる。
【００３０】
具体的に、噴射ノズル３３は、各ウェハーＷの一面、即ち上面に反応ガスＧを噴射してウェハーＷの上面のみにエピ薄膜８０を形成させるか、或いは各ウェハーＷの上面及び下面に反応ガスＧを噴射して各ウェハーＷの上面と下面にエピ薄膜８０を同時に形成させることもできる。即ち、複数個の噴射ノズル３３の各々は、積載された各々のウェハーＷと対応して配置され、各ウェハーＷの上面と下面に反応ガスＧが流れるように噴射し、各ウェハーＷの上面と下面の両面にそれぞれエピ薄膜８０を成長させることができる。ウェハーＷの両面にエピ薄膜８０が形成される場合、単一のウェハーＷから、２つのエピ薄膜からなる発光構造物８０’が得られるため、生産性が向上する。
【００３１】
また、このようなウェハーＷの両面でのエピ薄膜８０の成長は、応力ｆによるウェハーＷの変形を防止することができる。即ち、従来の化学気相蒸着装置のように、ウェハーＷの一面のみにエピ薄膜８０が成長すると、エピ薄膜に強い応力ｆが作用し、凹んだ形状となる曲がり現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）が生じる。このような現象は、大口径化するほどひどくなり、ウェハーが破損したり、性能劣化したりするような問題点が発生するおそれがある。しかし、本実施形態のようにウェハーＷの両面にエピ薄膜８０を成長させると、ウェハーＷの上面と下面で発生する応力ｆが互いに相殺されるため、従来の問題点を解決することができる。
【００３２】
図５及び図６は、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置のガス供給部の他の実施形態を概略的に示す図面である。先ず、図５を参照すると、ガス供給部３０’は第１反応ガスＧ１を供給する第１ガスライン３１−１と、第２反応ガスＧ２を供給する第２ガスライン３１−２とを含み、第１及び第２ガスライン３１−１、３１−２は冷却ライン３２の内部に配置される。即ち、図３に示した実施形態とは異なり、２個以上のガスライン３１−１、３１−２が冷却ライン３２の内部に備えられ、第１反応ガスＧ１と第２反応ガスＧ２を区分して供給することができ、上述のように、発光構造物の一部に異なるソースガスが適用される場合、ガス供給部３０’の第１及び第２ガスライン３１−１、３１−２により分離されて供給される。
【００３３】
また、図６に示したように、２個以上のガス供給部３０が内部管１１とウェハーホルダー２０との間にウェハーＷの積載方向に沿って垂直に延長されて備えられてもよい。ここで、各ガス供給部３０は異なる反応ガスを区分して供給することができ、各ガス供給部３０は単一又は複数のガスラインを含んでもよい。但し、このような構成は、本発明の一実施形態による半導体エピ薄膜の成長方法に適用される化学気相蒸着装置の例示に過ぎず、化学気相蒸着装置の具体的な構成は多様に変更され得る。
【００３４】
図７は、本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法により製造された発光構造物の構造を概略的に示した図面である。本実施形態によると、ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーＷを反応チャンバ１０の内部に配置する段階と、ウェハーＷ上に第１導電型半導体層８１、活性層８２、及び第２導電型半導体層８３を含む発光構造物８０’を形成する段階と、を含み、発光構造物８０’の少なくとも一部は、ウェハーＷの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部３０を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスをウェハーＷに噴射して成長させた半導体層を含む。
【００３５】
図７を参照すると、ウェハーＷの表面に、第１導電型半導体層８１、活性層８２、及び第２導電型半導体層８３を順に成長させて発光構造物８０’を形成する。発光構造物８０’を形成する第１及び第２導電型半導体層８１、８３は、それぞれｎ型及びｐ型半導体層であり、窒化物半導体からなってもよい。本実施形態の場合、これに制限されないが、第１及び第２導電型はそれぞれｎ型及びｐ型を意味するものと理解することができる。
【００３６】
第１及び第２導電型半導体層８１、８３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し得、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの物質がこれに該当する。第１及び第２導電型半導体層８１、８３との間に形成される活性層８２は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸層（ＭＱＷ）構造、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を用いることができる。一方、第１導電型半導体層８１はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ又はＣなどの不純物でドーピングされ得、第２導電型半導体層８３はＭｇ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物でドーピングされ得る。
【００３７】
第１及び第２導電型半導体層８１、８３上には、第１及び第２導電型半導体層８１、８３のそれぞれと電気的に連結される第１及び第２導電型電極８４、８５が形成される。図７に示したように、第１導電型電極８４は、第２導電型半導体層８３、活性層８２、及び第１導電型半導体層８１の一部がエッチングされて露出した第１導電型半導体層８１上に形成され、第２導電型電極８５は、第２導電型半導体層８３上に形成される。この場合、第２導電型半導体層８３と第２導電型電極８５とのオーミックコンタクト機能を向上させるためにＩＴＯ、ＺｎＯなどのような透明電極８６を更に備えてもよい。
【００３８】
このとき、反応ガスには、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａ（Ａｌ、Ｉｎ）Ｎ）のソースガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）などを適用することができ、ｎ型半導体層のＳｉドーピング原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ８）を、Ｇｅドーピング原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）などの有機ゲルマニウム化合物を適用することができる。また、ｐ型半導体層のＭｇドーピング原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）などを適用することができる。一方、本実施形態の場合、発光構造物を成長させる過程で、Ｇａの反応ガスとして、塩素を含む有機金属化合物、例えばジメチルガリウムクロライド、ジエチルガリウムクロライドを含む。
【００３９】
このような原料物質を含む反応ガスにより成長させた窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの他に３族元素を含み得、必要に応じて、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ及びＢｅなどのドーパント元素を含み得る。また、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件などにより必然的に含まれる不純物、原料、及び反応管の材質に含まれる微量の不純物を含むこともある。
【００４０】
本実施形態では、塩素を含む有機金属化合物を含む反応ガスにより、発光構造物８０’の全体が形成されると説明したが、これとは異なり、発光構造物８０’の一部、例えば基板、バッファ層、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層のうちの少なくとも１つを形成してもよい。具体的には、ウェハーＷと発光構造物８０’との間に窒化物などからなるバッファ層（図示せず）を成長させてもよく、低温（５００℃）で、ＴＭＧａ、ＴＥＧａなどをソースガスとしてバッファ層を成長させた後、加熱手段６０で反応チャンバ１０の温度を上昇させ、高温で成長速度の速いジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）又はジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）をソースガスとしてｎ型又はｐ型半導体層を成長させることもできる。但し、塩素系有機金属化合物を含む反応ガスは、発光構造物８０’の一部を成長させる時のみに適用されるのではなく、上述した例とは逆に、バッファ層を形成する時又はＧａＮ基板を形成する時のみに適用されるなど、多様な方法及び手順で適用されてもよい。
【００４１】
また、具体的には図示しなかったが、本発明の一実施形態によるエピ薄膜の成長方法を用いて、基板（ウェハー）の上面にバッファ層、ＧａＮ薄膜、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）、ゲート（ｇａｔｅ）、ドレーン（ｄｒａｉｎ）を形成することで、発光構造物だけでなく、窒化系電界効果トランジスタ又はその一部を製造することもできる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 化学気相蒸着装置
１０ 反応チャンバ
１１ 内部管
１２ 外部管
１３ ベースプレート
２０ ウェハーホルダー
３０、３０’ ガス供給部
３１ ガスライン
３１−１ 第１ガスライン
３１−２ 第２ガスライン
３２ 冷却ライン
３３ 噴射ノズル
５０ 回転駆動部
６０ 加熱手段
８０ エピ薄膜
８０’ 発光構造物
８１ 第１導電型半導体層
８２ 活性層
８３ 第２導電型半導体層
８４ 第１導電型電極
８５ 第２導電型電極
８６ 透明電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、
前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射し、前記各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有することを特徴とする半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記半導体エピ薄膜は、ＧａＮ薄膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項４】
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項５】
前記反応チャンバの外側を包むように配置された加熱手段により前記反応チャンバの内部の温度を調節する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項６】
前記エピ薄膜が成長している間、前記半導体エピ薄膜の成長温度を変化させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項７】
前記ガス供給部から噴射される前記反応ガスが前記各ウェハーの上面及び下面に噴射されて流れることで、前記各ウェハーの両面にエピ薄膜を成長させることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項８】
内部空間を有する内部管及び該内部管を覆って密閉する外部管を含む前記反応チャンバの前記内部管と前記ウェハーホルダーとの間に位置する前記ガス供給部を通じて前記反応ガスが噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項９】
前記反応チャンバの内部に前記反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン及び該ガスラインから延長された複数個の噴射ノズルを含むガス供給部の前記複数個の噴射ノズルにより前記反応ガスが噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１０】
前記複数個の噴射ノズルは、前記積載されたウェハーの各側面と対向し、前記積載されたウェハーとの間に位置するように前記ウェハーの積載間隔に対応して配列され、前記各ウェハーに前記反応ガスを噴射することを特徴とする請求項９に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１１】
前記ガスラインの周りに沿って備えられた冷却ラインの内部に流れる冷媒により前記反応ガスを冷却させる段階を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１２】
１つ以上備えられた前記ガス供給部を通じて各々同じ反応ガスを供給し、相違する反応ガスを区分して供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１３】
ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、
前記ウェハー上に第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、を有し、
前記発光構造物の少なくとも一部は、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射して成長させた半導体層を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ウェハーと前記発光構造物との間にバッファ層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記発光構造物の少なくとも一部は、前記バッファ層が形成される温度より高い温度で形成されることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記バッファ層の反応ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記発光構造物の反応ガスは、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、
前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射し、前記各ウェハーの表面に半導体エピ薄膜を成長させる段階と、を有することを特徴とする半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記半導体エピ薄膜は、ＧａＮ薄膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項４】
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項５】
前記反応チャンバの外側を包むように配置された加熱手段により前記反応チャンバの内部の温度を調節する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項６】
前記エピ薄膜が成長している間、前記半導体エピ薄膜の成長温度を変化させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項７】
前記ガス供給部から噴射される前記反応ガスが前記各ウェハーの上面及び下面に噴射されて流れることで、前記各ウェハーの両面にエピ薄膜を成長させることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項８】
内部空間を有する内部管及び該内部管を覆って密閉する外部管を含む前記反応チャンバの前記内部管と前記ウェハーホルダーとの間に位置する前記ガス供給部を通じて前記反応ガスが噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項９】
前記反応チャンバの内部に前記反応ガスを供給する少なくとも１つのガスライン及び該ガスラインから延長された複数個の噴射ノズルを含むガス供給部の前記複数個の噴射ノズルにより前記反応ガスが噴射されることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１０】
前記複数個の噴射ノズルは、前記積載されたウェハーの各側面と対向し、前記積載されたウェハーとの間に位置するように前記ウェハーの積載間隔に対応して配列され、前記各ウェハーに前記反応ガスを噴射することを特徴とする請求項９に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１１】
前記ガスラインの周りに沿って備えられた冷却ラインの内部に流れる冷媒により前記反応ガスを冷却させる段階を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１２】
１つ以上備えられた前記ガス供給部を通じて各々同じ反応ガスを供給し、相違する反応ガスを区分して供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピ薄膜の成長方法。
【請求項１３】
ウェハーホルダーに積載された複数のウェハーを反応チャンバの内部に配置する段階と、
前記ウェハー上に第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、を有し、
前記発光構造物の少なくとも一部は、前記ウェハーの積載方向に沿って延長されて備えられたガス供給部を通じて塩素系有機金属化合物を含む反応ガスを前記ウェハーに噴射して成長させた半導体層を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記塩素系有機金属化合物は、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ウェハーと前記発光構造物との間にバッファ層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記発光構造物の少なくとも一部は、前記バッファ層が形成される温度より高い温度で形成されることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記バッファ層の反応ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記発光構造物の反応ガスは、ジメチルガリウムクロライド（ＤＭＧａＣｌ）及びジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣｌ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記反応ガスは、水素気体を含むキャリアガスと共に噴射されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２１３３３（Ｐ２０１３−２１３３３Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５６４２５（Ｐ２０１２−１５６４２５）
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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