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パワーデバイス用のMOCVD装置
大陽日酸イーエムシー㈱
松本功
2011/3/18 窒化物半導体研究会 2
内容
１．プロセスサイクルタイムと生産性
２．Si基板上のバッファ層
３．気相反応機構：成長速度を制限するもの
４．大型装置を用いた高速成長AlGaNの例
５．まとめ
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プロセスサイクル時間と月産枚数
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 2 4 6 8
サイクル時間（hour)
基板
生産
量（枚
/月）
：6枚バッチを仮定
Monthly wafer production vs. Process cycle time for 6”X6 reactor
Waf
er P
rodu
ctio
n pe
r Mon
th
Process Cycle Time (hour)
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Δ thermal（Si – GaN) needs compressive 3X10-3
Lattice constant (A) a 5.43 3.189c - 5.185
Thermal expansion Coefficient (X10-6/K) α 2.59 5.59
Thermal expansion 1300K- 300K 2.59X10-3 5.59X10-3
Substrate Silicon(111) GaN(0001)
GaN/AlNの格子定数差2.4%に比べて12.5%のミスマッチである。AlN上にGaNを完全コヒーレント成長できれば圧縮応力を
加えられてバランスする。
SiとGaNの熱膨張係数差をバランスさせるための応力は？
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6.43X10-35.59X10-32.59X10-3Thermal expansion1300K- 300K
6.435.592.59Thermal expansion Coefficient (×10-6/K)α
3.114.98
3.1895.185
5.43-
Lattice constant (A) a c
AlN(0001)GaN(0001)Silicon(111)Substrate
compressive8.4 X10-4GaN/AlNtensile3X10-3GaN/Si
Strain characteristic on the top film
Thermal strain for 1000KMaterial combination
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Cross-sectional TEM image of GaN on Si substrate.
GaN
（AlN/GaN)SLs
AlGaN/AlN buffer layer100nm
生方他、大陽日酸、名工大、Ｈ１８春季応用物理学会、22a-ZF-10
2011/3/18 窒化物半導体研究会 7After: J. Bloem, J. Crystal Growth 18 (1973) 70-76
気相における粒子発生が成長速度の飽和の原因になる。Siでクラスターツールが成り立つのはSiHCl3を用いた可逆反応系だから。
With HCl addition
SiH4 without HCl addition
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Over all reaction in HVPE
2Ga + 2HCl ⇒ 2GaCl + H2
GaCl + NH3 ⇔ GaN + H2 + HCl reversible (high growth rate)
AlCl3 + NH3 ⇒ AlN + 3HCl irreversible
（particulate growth)
Over all reaction in MOCVD
Ga(CH3)3 + NH3 ⇒ GaN + 3CH4 irreversible
（particulate growth)
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(CH3)3M, NH3
(CH3)3M-NH3
TS
CH4 release
oligomers
Ga/Ga
Al/Al
TMA: 非可逆反応 irreversible
TMG: 可逆反応 reversible
Cracking
Go over TSbonding
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Probable transition state of TMG decomposition path associated with two NH3 molecules under excess NH3 supply.
TS4
K.Nakamura,O.Makino,A.Tachibana & K.Matsumoto, J.Organometallic Chemistry,611(2000)514-524.
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Spatial distribution of reaction products
After A. Hirako, K. Kusabake and K. Ohkawa, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44. No.2, (2005) pp.874-879.
Condensation of [GaN]4
Courtesy to Prof. K. Ohkawa
Decomposition by H2Condensation at cold area
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Three layer laminar flow gas injection:Sheathed flow of adduct
EXHAUSTWAFER(2inch)
SUSCEPTOR
HEATER
STAINLESSCHAMBER
NH3MON2
SR-2000:2”X1SR-4000:2”X3SR-6000:2”X7
Diffusion & mixing
Patent pending
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6 inch X6 UR25
AlN on 6” Si
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BU056
BU057
BU002
AlNの成長速度
90分成長後の断面SEM像
(BU057)
成膜速度とTMA供給量の関係
Growth pressure 10kPa
Growth rate of AlN vs. input TMA
Cross sectional SEM after 90min growth
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ウェハ面内のAl組成中のAl組成分布
測定位置
40mm40mm
20mm
25mm
40mm
25mm25mm
Al＝0.581±0.005
Growth pressure 30kPa
Al concentration variation over 6” sapphire
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膜厚と組成6ｲﾝﾁ面内分布
thickness Al compositionthickness=32.2nm±1.3%
0.2414＜Al composition＜0.2453GR=886nm/h
Growth pressure 40kPa
Thickness and Al composition variation over 6” sapphire
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Sample structure for SIMS
Al=18%
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1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
1E+19
1E+20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
DEPTH (nm)
H,O
,Si,C
CO
NC
ENTR
ATI
ON
(ato
ms/
cc)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Ga,
Al C
ON
CE
NTR
ATI
ON
(gro
up II
I ato
m fr
actio
n)
H
O
Si
Al->
C
EJM-38558: #1 Bu029-2
fig#01 AJ636w11 #1 Bu029-2Mar 16, 2010
Carbon
Al
H
OxygenSi
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Control of Al composition(Al composition vs. TMA partial pressure)
6”x7 siliconP=10kPaT=1230℃
AlN
GaN
GR=1.27um/h
GR=1.85um/h
GR=1.73um/h全Al組成領域で高速成長可能
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まとめ
• ３µmをプロセスタイム4.5hour以内で終了するにはAlGaNバッファ層を1µm/hr以上で成長することが必
要。
• 高速気流によりAl 組成50%でも~２µm/hrが実現で
きる。
• さらに高速で成長するには今後AlN/GaN SLSなど
のバッファ層の性能と成長速度の関係の調査が必要。
