DE112013001972T5 - Verfahren zum Herstellen von Nitrid-Halbleitervorrichtungen - Google Patents

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c/o Sanken Electric Co. Ltd. Goto Hirokazu
c/o Sanken Electric Co. Ltd. Shikauchi Hiroshi
c/o Isobe R&D Center Tsuchiya Keitaro
c/o Isobe R&D Center Shinomiya Masaru
c/o Isobe R&D Center Hagimoto Kazunori
c/o Sanken Electric Co. Ltd. Sato Ken
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung bereit, das einen Multischicht-Film eines III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiters in einem Reaktionsofen wachsen lässt, in welchem ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III und ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V eingeführt werden, wobei das Verfahren umfasst: Wachsenlassen einer ersten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V, und einer ersten Trägergas-Flussrate; und Wachsenlassen einer zweiten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer zweiten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V, die niedriger ist als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate, und eine zweite Trägergas-Flussrate, die größer ist als die erste Trägergas-Flussrate, wobei die erste Nitrid-Halbleiterschicht und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht gestapelt werden. Als Ergebnis wird ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die als gestapelte Struktur der III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiterschicht bei V/III-Verhältnissen, die geeignet sind für die jeweiligen Schichten, wächst.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung, das einen Mehrschichtfilm eines III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiters wachsen lässt.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Eine Nitrid-Halbleiterschicht wird üblicherweise auf einem preiswerten Siliziumsubstrat oder Saphirsubstrat gebildet. Jedoch unterscheidet sich eine Gitterkonstante eines solchen Halbleitersubstrats stark von einer Gitterkonstante einer Nitrid-Halbleiterschicht, und auch ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden sich voneinander. Deswegen entsteht eine hohe Dehnungsenergie in der Nitrid-Halbleiterschicht, die auf dem Halbleitersubstrat durch epitaktisches Wachstum gebildet wurde. Infolgedessen entstehen die Erzeugung von Rissen oder eine Verringerung der Kristallqualität in der Nitrid-Halbleiterschicht.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren zum Anordnen einer Pufferschicht mit gestapelten Nitrid-Halbleiterschichten zwischen einem Siliziumsubstrat und einer funktionalen Schicht aus einem Nitrid-Halbleiter vorgeschlagen (siehe z. B. Patentliteratur 1). Um diese Pufferschicht zu bilden, wurde ein Verfahren angewendet, um eine Flussrate eines Ammoniak(NH3)-Gases, welches ein Ausgangsstoff eines Elements der Gruppe V ist, festzusetzen und eine Flussrate eines Ausgangsstoffgases eines Elements der Gruppe III zu ändern. Daher wird ein Verhältnis des Elements der Gruppe V und des Elements der Gruppe III durch eine Zuführmenge des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe III bestimmt.
    Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2008-218479
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Unter allgemeinen Herstellungsbedingungen, ist in der Bildung eines gestapelten Körpers von einer Galliumnitrid(GaN)-Schicht und einer Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht oder einem gestapelten Körper von einer Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Schicht und einer AlN-Schicht, die ein laufender Hauptstrom der Pufferschicht ist, ein Dampfdruck eines Trimethylaluminium(TMA)-Gases, das ein Ausgangsmaterial von Aluminium (Al) ist, niedriger als ein Dampfdruck eines Trimethylgallium(TMG)-Gases, das ein Ausgangsmaterial von Gallium (Ga) ist. Daher ist ein Verhältnis des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V, im Verhältnis zu dem Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe III (welches im Folgenden als ein ”V/III-Verhältnis” bezeichnet wird), während der Zeit des Wachsenlassens der AlN-Schicht größer als ein V/III-Verhältnis während des Zeit des Wachsenlassens der GaN-Schicht. Hier ist das V/III-Verhältnis während der Zeit des Wachsenlassens der AlN-Schicht ein Wert, der erhalten wird durch Teilen der Anzahl an zugeführtem Mol des Ammoniakgases durch Anzahl an zugeführtem Mol des TMA-Gases. Das V/III-Verhältnis während der Zeit des Wachsenlassens der GaN-Schicht ist ein Wert, der erhalten wird durch Teilen der Anzahl von zugeführtem Mol des Ammoniakgases durch die Anzahl von zugeführtem Mol des TMG-Gases.
  • In der GaN-Schicht wird ein hohes V/III-Verhältnis benötigt, um die Stickstoff-Leerstellen zu reduzieren. Auf der anderen Seite wird ein Einfluss einer parasitären Reaktion in der AlN-Schicht, die nicht zur Filmbildung beiträgt, erhöht, wenn das V/III-Verhältnis angehoben wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung, das eine gestapelte Struktur von III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiterschichten bei einem V/III-Verhältnis, das für jede Schicht geeignet ist, wachsen lässt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das ein Mehrschichtfilm eines III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiters in einem Reaktionsofen wachsen lässt, in welchem ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III, und ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V eingeführt werden, das Verfahren umfassend: (a) einen Schritt des Wachsenlassens einer ersten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V und einer ersten Trägergas-Flussrate; und (b) einen Schritt des Wachsenlassen einer zweiten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer zweiten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V, welche niedriger ist als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate, und einer zweiten Trägergas-Flussrate, die höher ist als die erste Trägergas-Flussrate, wobei die erste Nitrid-Halbleiterschicht und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht gestapelt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die eine gestapelte Struktur der III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiterschichten bei einem V/III-Verhältnis, das für jede Schicht geeignet ist, wachsen lässt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die eine Struktur eines gestapelten Körpers zeigt, der durch ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 2 ist ein Graph, der eine Gas-Flussrate zeigt, um das Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erklären;
  • 3 ist ein Graph, der eine Gas-Flussrate zeigt, um ein Herstellungsverfahren gemäß einem Vergleichsbeispiel zu erklären;
  • 4 ist ein Graph, der ein Ergebnis des Vergleichens von Eigenschaften von Nitrid-Halbleitervorrichtungen zeigt, die durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. dem Herstellungsverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt wurden;
  • 5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die ein Beispiel der Nitrid-Halbleitervorrichtung zeigt, die durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die ein anderes Beispiel der Nitrid-Halbleitervorrichtung zeigt, die durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
  • 7 ist ein Graph, der Gas-Flussraten zum Erklären eines anderen Verfahrens der Herstellung einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen die gleichen oder ähnlichen Referenzzahlen die gleichen oder ähnlichen Teile. Jedoch sind die Zeichnungen schematisch und es sollte beachtet werden, dass ein Verhältnis zwischen Dicken und planaren Abmessungen, ein Verhältnis von Längen der jeweiligen Abschnitte und Anderen, sich von realen Werten unterscheiden. Daher sollten spezifische Abmessungen bestimmt werden, wenn die folgenden Erläuterungen berücksichtigt werden. Außerdem ist es selbstverständlich, dass die Zeichnungen Abschnitte mit unterschiedlichen Abmessungsbeziehungen und Verhältnisse beinhalten.
  • Des Weiteren ist die nachfolgende Ausführungsform ein Beispiel einer Vorrichtung oder eines Verfahrens zum Verkörpern des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung, und das technische Konzept der vorliegenden Erfindung spezifiziert nicht Formen, Strukturen, Anordnungen und andere Bestandteile als das Folgende. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in vielen verschiedenen Wegen in den Ansprüchen modifiziert werden.
  • 1 zeigt ein strukturelles Beispiel einer Nitrid-Halbleitervorrichtung 1, hergestellt durch ein Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Nitrid-Halbleitervorrichtung 1 schließt ein Halbleitersubstrat 10 und einen gestapelten Körper 20 ein, der auf dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet ist. Der gestapelte Körper 20 ist ein Mehrschichtfilm von III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleitern. Im Besonderen hat der gestapelte Körper 20 eine Struktur, in der erste Nitrid-Halbleiterschichten 21 und zweite Nitrid-Halbleiterschichten 22 alternierend gestapelt sind. Das Halbleitersubstrat 10 ist beispielsweise ein Siliziumsubstrat mit einer Gitterkonstante, die anders ist als die des gestapelten Körpers 20.
  • Um den gestapelten Körper 20 zu bilden, wird das Halbleitersubstrat 10 in einem Reaktionsofen 100 eines filmbildenden Geräts wie einem metallorganisch-chemischen Gasabscheidungsgeräts (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) gelagert. Des Weiteren werden ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III, ein Ausgangsstoff eines Elements der Gruppe V, und ein Trägergas in den Reaktionsofen 100 zugeführt, und ein Schritt des Wachsenlassens der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 wird wiederholt. Als Trägergas wird ein gemischtes Gas von Stickstoff und Wasserstoff oder dergleichen verwendet.
  • Hier wird angenommen, dass Nitrid geeignet ist, entfernt zu werden und Stickstoff-Leerstellen in den ersten Stickstoff-Halbleiterschichtenen 21 dazu neigen generiert zu werden, im Vergleich zu den zweiten Stickstoff-Halbleiterschichten 22. Im Folgenden wird exemplarisch ein Fall erklärt, in dem die ersten Nitrid-Halbleiterschichten 21 aus GaN hergestellt sind und die zweiten Nitrid-Halbleiterschichten 22 aus AlN hergestellt sind. Da Al eine höhere Bindungsstärke mit Stickstoff als Ga aufweist, ist Stickstoff geeignet, aus den GaN-Schichten entfernt zu werden, im Vergleich zu den AlN-Schichten.
  • Bei einem Schritt des Wachsenlassens von jeder GaN-Schicht werden ein Ausgangsstoffgas von Ga, das ein Element der Gruppe III ist, und ein Ausgangsstoffgas von Stickstoff, das ein Element der Gruppe V ist, in den Reaktionsofen 100 unter Verwendung des Trägergases zugeführt. Bei einem Schritt des Wachsenlassens jeder AlN-Schicht werden ein Ausgangsstoffgas von Al, das ein Element der Gruppe III ist, und ein Ausgangsstoffgas von Stickstoff, in den Reaktionsofen 100 unter Verwendung des Trägergases zugeführt. Zum Beispiel kann als Ausgangsstoffgas von Stickstoff ein Ammoniak(NH3)-Gas verwendet werden. Zusätzlich kann ein Trimethylgallium(TMG)-Gas als Ausgangsstoffgas von Ga verwendet werden, und ein Trimethylaluminium(TMA)-Gas kann als Ausgangsstoffgas von Al verwendet werden.
  • Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen des gestapelten Körpers 20 der Stickstoff-Halbleitervorrichtung 1 wird im Folgenden in Bezug auf 2 beschrieben. Eine vertikale Achse eines in 2 gezeigten Graphs stellt eine Flussrate von jedem Gas dar, und eine horizontale Achse des Graphs stellt eine Zeit dar.
  • Eine Zeit zwischen t1 und t2 ist ein Bedingungs-Änderungszeitraum, und das Ausgangsstoffgas, das im Reaktionsofen 100 verbleibt, wird aus dem Reaktionsofen 100 ausgepumpt. Als Ergebnis kann das V/III-Verhältnis in einem darauffolgenden filmbildenden Schritt sprunghaft verändert werden.
  • Während einer Zeit zwischen t2 und t3 wird die erste Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus GaN wachsen gelassen. Im Besonderen wird das Ammoniakgas, das ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V ist, bei einer ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate N1 zusammen mit dem TMG-Gas, das ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III ist, dem Reaktionsofen 100 zugeführt. Während dieser Zeit ist eine Flussrate des Trägergases eine erste Trägergas-Flussrate C1. Während der Filmbildung der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 wird das TMA-Gas nicht zugeführt.
  • Während einer Zeit zwischen t3 und t4 wird jede zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus AlN wachsen gelassen. Im Besonderen wird das Ammoniakgas, das ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V ist, bei einer zweiten Ausgangsstoffgas-Flussrate N2, die niedriger ist als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate N1, zusammen mit dem TMA-Gas, das ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III ist, in den Reaktionsofen 100 zugeführt. Während dieser Zeit ist die Flussrate des Trägergases eine zweite Trägergas-Flussrate C2 größer als die erste Trägergas-Flussrate C1. Während der Filmbildung der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 2 wird das TMG-Gas nicht zugeführt.
  • Wie oben beschrieben, wird, bezogen auf das in den Reaktionsofen 100 zugeführte Ammoniakgas, die zweite Ausgangsstoffgas-Flussrate N2 eingestellt, kleiner als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate N1 zu sein. Einzelheiten der Flussraten-Anpassung des Ammoniakgases werden später beschrieben. Es ist anzumerken, dass die zweite Trägergas-Flussrate C2 so eingestellt ist, dass eine gesamte Gas-Flussrate, die zu dem Reaktionsofen 100 zugeführt wird, während dem Wachstum von jeder zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 im Wesentlichen gleich einer gesamten Gas-Flussrate während dem Wachstum von jeder ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 wird. Daher wird das Trägergas bei einer zweiten Trägergas-Flussrate C2, die höher ist als die erste Trägergas-Flussrate C1, zugeführt.
  • Dann, während einer Zeit zwischen t4 und t5, wird die erste Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus GaN wie in der Zeit zwischen t2 und t3 wachsen gelassen. Des Weiteren wird während einer Zeit zwischen t5 und t6 die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus AlN wie in der Zeit zwischen t3 und t4 wachsen gelassen. Danach werden die ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 alternierend wachsen gelassen, wodurch der gestapelte Körper 20 gebildet wird.
  • Es ist anzumerken, dass 2 ein Beispiel zeigt, in dem während einer Zeit zwischen t0 und t1 das TMA-Gas und das Ammoniakgas in den Reaktionsofen 100 zugeführt werden, und eine anfängliche AlN-Schicht auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet wird. Die anfängliche AlN-Schicht ist eine Nitrid-Halbleiterschicht, die in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10 als Teil einer Pufferschicht ist, und mit einer größeren Dicke als der der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 oder der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 gebildet wird. Eine Art und eine Flussrate eines Ausgangsstoffgases, das für die Bildung der anfänglichen AlN-Schicht verwendet wird, sind die gleichen wie die für die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus AlN. Jedoch braucht die anfängliche AlN-Schicht nicht gebildet zu werden.
  • Die Flussraten-Anpassung des Ammoniakgases wird nun erklärt. Wie oben beschrieben, wird die zweite Ausgangsstoffgas-Flussrate N2 eingestellt, kleiner als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate N1 zu sein. Weil die erste Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus GaN und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus AlN unterschiedliche optimale Werte eines Verhältnisses der Anzahl an Mol in dem Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe V, bezogen auf die Anzahl von Mol in dem Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe III (V/III-Verhältnis) während des Wachstums ist.
  • Wie oben beschrieben, ist Stickstoff geeignet, aus der GaN-Schicht entfernt zu werden und Stickstoff-Leerstellen neigen dazu, in der GaN-Schicht im Vergleich mit der AlN-Schicht generiert zu werden. Daher, um Kristallinität zu verbessern, wird ein hohes V/III-Verhältnis für das Wachstum der GaN-Schicht benötigt. Im Besonderen ist das geeignete V/III-Verhältnis für das Wachstum der GaN-Schicht entsprechend 500 bis 2500.
  • Um die Generierung von Stickstoff-Leerstellen in der GaN-Schicht zu unterdrücken, wird üblicherweise die Flussrate des Ammoniakgases eingestellt, um ein geeignetes V/III-Verhältnis für das Wachstum der GaN-Schicht bereitzustellen. Wie beispielsweise in 3 gezeigt, ist daher, wenn die Flussrate des Ammoniakgases, das ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V ist, festgelegt wird und eine Art des Ausgangsstoffgases eines Elements der Gruppe III, das zugeführt werden soll, gerade geändert wird, das V/III-Verhältnis während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 2 aus AlN größer als das V/III-Verhältnis während des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus GaN. Weil ein Dampfdruck von TMA niedriger ist als TMG.
  • Wenn das TMA-Gas fließen gelassen wird, während die Flussrate des Ammoniakgases, das geeignet ist für das Wachstum der GaN-Schicht und der AlN-Schicht, beibehalten wird, wie in 3 gezeigt, ist das V/III-Verhältnis während des Wachstums der AlN-Schicht größer als das während des Wachstums der GaN-Schicht, und es ist 2000 bis 7500. Dieses V/III-Verhältnis ist zu hoch für optimale Bedingungen der AlN-Schicht. Wenn das V/III-Verhältnis der AlN-Schicht erhöht wird, wird ein Einfluss einer parasitären Reaktion, die nicht zu der Filmbildung beiträgt, erhöht. Als Ergebnis werden eine Reduktion in der Wachstumsrate, eine Reduktion der Materialeffizienz und dergleichen beachtlich.
  • Andererseits, wenn die Flussrate des Ammoniakgases eingestellt ist, das V/III-Verhältnis bereitzustellen, das für die AlN-Schicht geeignet ist, hat die GaN-Schicht die bei der eingestellten Flussrate des Ammoniakgases wachsen gelassen wird, herabgesetzte Eigenschaften aufgrund eines zu niedrigen V/III-Verhältnisses.
  • Jedoch ist in dem Herstellungsverfahren, das in 2 gezeigt ist, die Flussrate (die zweite Ausgangsstoffgas-Flussrate N2) des Ammoniakgases während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus AlN eingestellt, kleiner zu sein als die Flussrate (die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate N1) des Ammoniakgases während des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus GaN. Als Ergebnis kann die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 unter Bedingungen die nahe den optimalen Bedingungen für das Wachstum der AlN-Schicht sind wachsen gelassen werden. Zum Beispiel, wenn die zweite Ausgangsstoffgas-Flussrate N2 eingestellt ist, die Hälfte der ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate N1 zu sein, kann das V/III-Verhältnis während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 auf ungefähr 1000 bis 4000 reduziert werden, was niedriger ist als in dem Fall, in dem die Flussrate des Ammoniakgases, das für das Wachstum der GaN-Schicht geeignet ist, beibehalten wird.
  • Wie oben beschrieben, gemäß einem Herstellungsverfahren der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, werden die Flussraten des Ammoniakgases während des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 so eingestellt, dass die jeweiligen V/III-Verhältnisse optimal werden. Als Ergebnis kann der gestapelte Körper 20 mit hoher Kristallqualität erhalten werden.
  • Des Weiteren wird die Flussrate des Trägergases in Übereinstimmung mit Änderungen in der Flussrate des Ammoniakgases während des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 angepasst. Im Besonderen wird die Flussrate des Trägergases erhöht, wenn die Flussrate des Ammoniakgases reduziert wird, und die Flussrate des Trägergases wird reduziert, wenn die Flussrate des Ammoniakgases erhöht wird. Als Ergebnis wird die Anpassung so ausgeführt, dass die gesamten Gas-Flussraten, die zu dem Reaktionsofen 100 während des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und während des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 zugeführt werden, im Wesentlichen konstant werden. Infolgedessen kann das Gas innerhalb des Bereichs der Druckkontrolle des Herstellungsgeräts verändert werden, eine Gasverteilung in dem Reaktionsofen 100 kann einfach konstant beibehalten und somit eine Fluktuation in der Wachstumsrate unterdrückt werden.
  • Eine Beschreibung wird im Folgenden gegeben bezüglich eines Ergebnisses, erhalten durch Herstellung jeweiliger Nitrid-Halbleitervorrichtungen durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt ist, und das Herstellungsverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, und Vergleich der jeweiligen Eigenschaften. Es ist anzumerken, dass als eine Nitrid-Halbleitervorrichtung eine Nitrid-Halbleiterschicht mit einer Filmdicke von ungefähr 6 μm auf einem Siliziumsubstrat wachsen gelassen wurde. Im Einzelnen wurde eine anfängliche AlN-Schicht und eine Pufferschicht mit einer Dicke von ungefähr 3 μm auf dem Siliziumsubstrat wachsen gelassen, und eine GaN-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 3 μm auf der Pufferschicht wachsen gelassen. Die Pufferschicht hat eine Struktur, die durch Stapeln der AlN-Schicht und der GaN-Schicht gebildet wird. In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde eine Flussrate eines Ammoniakgases während des Wachstums der GaN-Schicht erhöht und eine Flussrate eines Trägergases reduziert im Vergleich zu Herstellungsbedingungen des Vergleichsbeispiels. Als Ergebnis wurde, gemäß jeder der Herstellungsverfahren der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und des Herstellungsverfahrens des Vergleichsbeispiels, eine Gas-Flussrate, welche in einen Reaktionsofen fließen gelassen wird, eingestellt im Wesentlichen konstant zu sein.
  • 4 zeigt ein Ergebnis der Messung von Kriechströmen in Längsrichtung einer Nitrid-Halbleitervorrichtung, die durch ein Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und dergleichen, die durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt wurde. Eine vertikale Achse in 4 stellt einen Kriechstrom Isub dar, und eine horizontale Achse in 4 stellt eine angewendete Spannung Vds dar. In 4 ist ein Kriechstrom der durch das Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Nitrid-Halbleitervorrichtung als Ia dargestellt, und ist ein Kriechstrom der durch das Herstellungsverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellten Nitrid-Halbleitervorrichtung als Ib dargestellt.
  • Wie in 4 gezeigt, ist der Kriechstrom Ia gemäß dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 1/10 oder kleiner gegenüber dem Kriechstrom Ib gemäß dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels, wenn 800 V angewendet werden. Das heißt, gemäß dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann eine Nitrid-Halbleitervorrichtung mit einer hohen Durchschlagsspannung realisiert werden.
  • 5 zeigt ein Beispiel, in dem ein gestapelter Körper 20, in dem die GaN-Schichten und die AlN-Schichten gestapelt sind, als Pufferschicht verwendet wird. Eine in 5 gezeigte Nitrid-Halbleitervorrichtung ist ein Beispiel der Verwendung des gestapelten Körpers 20 als die Pufferschicht, um einen Hochelektronenbeweglichkeits-Transistor (high electron mobility transistor, HEMT) zu bilden. Das heißt, die in 5 gezeigte Nitrid-Halbleitervorrichtung weist eine funktionale Schicht 30 auf, in der ein Träger, in dem eine Trägerversorgungsschicht (carrier supply layer) 32 und eine Trägertransitschicht 31, die einen Heteroübergang mit der Trägerbereitstellungsschicht 32 bildet, gestapelt werden. Eine Heteroübergangsebene ist auf einer Schnittstelle zwischen der Trägertransitschicht 31 und der Trägerversorgungsschicht 32, die aus Nitrid-Halbleitern mit unterschiedlichen Bandlücken-Energien gebildet sind, und eine zweidimensionale Trägergasschicht 33 als ein Stromweg (ein Kanal) wird auf der Trägertransitschicht 31 nahe der Heteroübergangsebene gebildet.
  • Des Weiteren werden eine Source-Elektrode 41, eine Drain-Elektrode 42 und eine Gate-Elektrode 43 auf der funktionalen Schicht 30 gebildet. Die Source-Elektrode 41 und die Drain-Elektrode 42 sind aus einem Metall hergestellt, das einen Niedrig-Widerstand-Kontakt (Ohm-Widerstand) mit der funktionalen Schicht 30 erreichen kann. Al, Titan (Ti) oder dergleichen können zum Beispiel für die Source-Elektrode 41 und die Drain-Elektrode 42 angewendet werden. Alternativ, als ein gestapelter Körper von Ti und Al, wird jede der Source-Elektrode 41 und der Drain-Elektrode 42 gebildet. Nickelgold (NiAu) oder dergleichen können zum Beispiel für die Gate-Elektrode 43, die zwischen der Source-Elektrode 41 und der Drain-Elektrode 42 angeordnet ist, verwendet werden.
  • Obwohl das Beispiel, das die Nitrid-Halbleitervorrichtung, die den gestapelten Körper 20 verwendet, das HEMT ist, oben gezeigt wurde, kann ein Transistor mit einer anderen Struktur, z. B. ein Feldeffekttransistor (FET), mit der Verwendung des gestapelten Körpers 20 verwendet werden.
  • Obwohl der Fall, in dem die GaN-Schichten und die AlN-Schichten gestapelt sind, im gezeigten Beispiel beschrieben wurden, kann eine ähnliche Erklärung angewendet werden, obwohl der gestapelte Körper 20 eine beliebige andere Struktur aufweist. Im Falle des Wachsens einer Nitrid-Halbleiterschicht und schließlich einer Vielzahl von Elementen der Gruppe III wie Aluminiumgalliumnitridschichten, dargestellt durch Zusammensetzungsformel AlxGa1-xN und AlyGa1-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x ≤ y), werden Flussraten des Ammoniakgases und des Trägergases gemäß der Zusammensetzung der Schicht angepasst. Wenn ein Zusammensetzungsverhältnis von Al in der AlGaN-Schicht niedrig ist, wie die GaN-Schicht, wird eine Flussrate des Ammoniakgases während des Wachstums erhöht. Andererseits, wenn ein Zusammensetzungsverhältnis von Al in der AlGaN-Schicht hoch ist, wie die AlN-Schicht, wird eine Flussrate des Ammoniakgases reduziert. Zum Beispiel ist es möglich, als Pufferschicht den gestapelten Körper 20 mit einer Struktur zu verwenden, in dem die ersten Nitrid-Halbleiterschichten 21, von denen jede aus AlN hergestellt ist und eine Filmdicke von ungefähr 5 nm aufweist, und die zweite Nitrid-Halbleiterschichten 22, von denen jede eine Filmdicke von ungefähr 30 nm aufweist und aus AlGaN hergestellt ist, gestapelt werden.
  • Indiumgalliumnitrid-Schichten, dargestellt durch Zusammensetzungsformeln InxGa1-xN und InyGa1-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x < y) wird im Folgenden beschrieben. Im Falle des Stapelns von GaN-Schichten und Indiumnitrid(InN)-Schichten, neigen Stickstoff-Leerstellen in den Indiumnitrid(InN)-Schichten im Vergleich mit den GaN-Schichten dazu, generiert zu werden. Da Ga stärkere Bindungen mit Stickstoff aufweist als Indium (In). Daher muss das V/III-Verhältnis zum Zeitpunkt des Wachsens der InN-Schicht erhöht werden, und das V/III-Verhältnis zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht reduziert werden. Dementsprechend wird die obige Situation durch Erhöhen der Flussrate des Ammoniakgases zum Zeitpunkt des Wachsens der InN-Schicht und Reduzieren der Flussrate des Ammoniakgases zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht realisiert. Als Ergebnis ist es möglich, den gestapelten Körper 20 zu erhalten, indem jede InN-Schicht als erste Nitrid-Halbleiterschicht 21 gebildet ist, und jede GaN-Schicht als zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 gebildet ist. Zum Zeitpunkt wird die Flussrate des Trägergases gemäß einer Erhöhung/Verringerung der Flussrate des Ammoniakgases erhöht oder verringert. Wie oben beschrieben, Einstellung der Flussraten des Ammoniakgases und des Trägergases gemäß einer Kombination der Schichten, die gestapelt werden sollen.
  • Die gestapelte Schicht 20 kann nicht nur als Pufferschicht sondern auch als Überstrukturschicht verwendet werden. 6 zeigt ein Beispiel, in der die gestapelte Schicht 20 als eine aktive Schicht 36 einer Licht emittierenden Vorrichtung verwendet wird. Die in 6 gezeigte aktive Schicht 36 weist eine Mehrfachquanten-Topf(multiple quantum well, MQW)-Struktur auf, in der Barriere-Schichten und Topf-Schichten mit einer kleineren Bandlücke als den Barriere-Schichten alternierend angeordnet sind, und eine gestapelte Struktur von erstem Nitrid-Halbleiterschichten 21 aus Indiumgalliumnitrid (InGaN) und zweiten Nitrid-Halbleiterschichten 22 aus GaN können als diese MQW-Struktur verwendet werden. Elektronen, die aus einer n-Typ-Plattierungsschicht 35 und positive Löcher, die aus einer p-Typ-Plattierungsschicht 37 stammen, werden rekombiniert, und Licht wird dadurch generiert. Es ist anzumerken, dass ein Halbleitersubstrat nicht in 6 gezeigt ist.
  • Die n-Typ-Plattierungsschicht 35 ist beispielsweise eine GaN-Schicht mit einer darin dotierten n-Typ-Verunreinigung. Wie in 6 gezeigt, ist eine n-Seiten-Elektrode 45 mit der n-Typ-Plattierungsschicht 35 verbunden, und Elektronen werden an die n-Seiten-Elektrode 45 von einer negativen Stromversorgung außerhalb der Licht emittierenden Vorrichtung zugeführt. Als Ergebnis werden die Elektronen zu der aktiven Schicht 36 von der n-Typ-Plattierungsschicht 35 zugeführt. Die p-Typ-Plattierungsschicht 37 ist beispielsweise eine AlGaN-Schicht mit einer darin dotierten p-Typ-Verunreinigung. Eine p-Seiten-Elektrode 47 ist mit der p-Typ-Plattierungsschicht 37 verbunden, und positive Löcher (Löcher) werden zu der p-Seiten-Elektrode 47 von einer positiven Stromversorgung außerhalb der Licht emittierenden Vorrichtung zugeführt. Als Ergebnis werden positive Löcher zu der aktiven Schicht 36 von der p-Typ-Plattierungsschicht 37 zugeführt.
  • 7 zeigt ein Beispiel von Gas-Flussraten zum Bilden des gestapelten Körpers 20 der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 aus InGaN und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 aus GaN als aktiver Schicht 36. Eine Zeit zwischen t1 und t2 in 7 ist ein Zeitraum der Bedingungs-Änderung. Die InGaN-Schicht wird während einer Zeit zwischen t2 und t3 gebildet, und die GaN-Schicht wird während einer Zeit zwischen t3 und t4 gebildet. Die InGaN-Schicht wird dann während einer Zeit zwischen t4 und t5 gebildet, und die GaN-Schicht wird während einer Zeit zwischen t5 und t6 gebildet. Anschießend werden die InGaN-Schichten und die GaN-Schichten alternierend gebildet, und die aus dem gestapelten Körper der InGaN-Schichten und der GaN-Schichten dargestellte aktive Schicht 36 wird gebildet.
  • Das V/III-Verhältnis zum Zeitpunkt des Wachsens der InGaN-Schicht, d. h. ein Wert von ”der Anzahl von Mol des Ammoniakgases/(die Anzahl von Mol des TMG-Gases + die Anzahl von Mol eines Trimethylindium(TMI)-Gases)” wird auf ungefähr 500 bis 25000 eingestellt. Wenn die GaN-Schicht wachsen gelassen wird, während das TMG-Gas alleine fließen gelassen wird, während des Beibehaltens der Flussrate des Ammoniakgases unter dieser Bedingung, wird das V/III-Verhältnis während der Zeit des Wachsens der GaN-Schicht gemäß einer Reduktion des TMI-Gases erhöht. Im Besonderen ist das V/III-Verhältnis zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht von 10000 bis 50000, was ungefähr dem Doppelten des V/III-Verhältnisses zum Zeitpunkt des Wachsens der InGaN-Schicht entspricht.
  • Diese V/III-Verhältnis-Bedingung ist zu hoch, und ist weit weg von den optimalen Wachstumsbedingungen für die GaN-Schicht. Wie in 7 gezeigt, wird daher das V/III-Verhältnis gesenkt durch Reduzieren der Flussrate des Ammoniakgases, um dieses Verhältnis näher zu den optimalen Wachstumsbedingungen für die GaN-Schicht zu bringen. Beispielsweise wird die Flussrate des Ammoniakgases zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht (der zweiten Ausgangsstoffgas-Flussrate N2) auf die Hälfte der Flussrate des Ammoniakgases zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht (der ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate N1) reduziert. Als Ergebnis kann das V/III-Verhältnis zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht auf ungefähr 5000 bis 25000 eingestellt werden, was der Hälfte von dem entspricht, wenn die Flussrate des Ammoniakgases, das für das Wachstum der InGaN-Schicht geeignet ist, beibehalten wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist die zweite Trägergas-Flussrate C2 derart eingestellt, dass eine gesamte Gas-Flussrate, die zu dem Reaktionsofen 100 zugeführt wird, zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht gleich einer Gesamtgas-Flussrate zum Zeitpunkt des Wachsens der InGaN-Schicht wird. Dementsprechend wird das Trägergas bei der zweiten Trägergas-Flussrate C2 zugeführt, die höher ist als die erste Trägergas-Flussrate C1.
  • Es ist anzumerken, dass die n-Typ-Plattierungsschicht 35 oder die p-Typ-Plattierungsschicht 37 eine Überstruktur-Schicht unter Verwendung des gestapelten Körpers 20 sein kann.
  • Wie oben beschrieben, werden in dem Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während der Zeit des Umschaltens des Wachstums der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 21 und des Wachstums der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 22 in dem gestapelten Körper 20, eine Art des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe III und der Flussraten des Ausgangsstoffgases des Elements der Gruppe V und des Trägergases verändert. Als Ergebnis können die erste Nitrid-Halbleiterschicht 21 und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 22 bei den jeweiligen geeigneten V/III-Verhältnissen wachsen gelassen werden. Somit wird der gestapelte Körper 20 mit der hohen Kristallqualität gebildet.
  • Es ist anzumerken, dass Festsetzen der Flussrate des Ammoniakgases zum Zeitpunkt des Wachsens der GaN-Schicht und der AlN-Schicht und Erhöhen der Flussrate des TMA-Gases um das V/III-Verhältnis, das geeignet ist, die AlN-Schicht zu realisieren, berücksichtigt werden kann, aber Realisierung schwierig ist. Dies liegt daran, dass der Bereich der Flussrate des Ausgangsstoff-Optimums zur Filmbildung bestimmt wird, und effiziente Filmbildung nicht durchgeführt werden kann, sogar wenn die Flussrate über diesen Bereich hinaus erhöht wird.
  • Wie oben beschrieben, obwohl die vorliegende Erfindung basierend auf der Ausführungsform beschrieben wurde, sollte es nicht so verstanden werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden, die vorliegende Erfindung einschränken. Verschiedene alternative Ausführungsformen, Beispiele und Bedienungstechnologien sind dem Fachmann, ausgehend von dieser Offenbarung, offensichtlich. Das heißt, es ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen und andere, die nicht hierin beschrieben sind, mit einschließt. Daher wird der technische Umfang der vorliegenden Erfindung bestimmt durch Angelegenheiten, die verwendet werden, um die Erfindung, bezogen auf geeignete Ansprüche basierend auf der obigen Beschreibung, zu spezifizieren.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung, das einen mehrschichtigen Film eines III-V-Gruppen-Nitrid-Halbleiters in einem Reaktionsofen wachsen lässt, in den ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe III und ein Ausgangsstoffgas eines Elements der Gruppe V eingeführt werden, wobei das Verfahren umfasst: wachsen lassen einer ersten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer ersten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases der Elements der Gruppe V und einer ersten Trägergas-Flussrate; und wachsen lassen einer zweiten Nitrid-Halbleiterschicht bei einer zweiten Ausgangsstoffgas-Flussrate des Ausgangsstoffgases der Elements der Gruppe V, die niedriger ist als die erste Ausgangsstoffgas-Flussrate, und einer zweiten Trägergas-Flussrate, die höher ist als die erste Trägergas-Flussrate, wobei die erste Nitrid-Halbleiterschicht und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht gestapelt werden.
  2. Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Ausgangsstoffgas-Flussraten so eingestellt sind, dass ein Verhältnis des Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe V, bezogen auf das Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe III für die ersten und zweiten Nitrid-Halbleiterschichten geeignet sind.
  3. Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausgangsstoffgas des Elements der Gruppe V ein Ammoniakgas ist.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein V/III-Verhältnis in dem Schritt des Wachsenlassens der ersten Nitrid-Halbleiterschicht größer ist als ein V/III-Verhältnis in dem Schritt des Wachsenlassens der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Nitrid-Halbleiterschicht so wachsen gelassen wird, dass eine gesamte Gas-Flussrate, die zu dem Reaktionsofen geführt wird, im Wesentlichen gleich einer gesamten Gas-Flussrate zur Zeit des Wachsenlassens der ersten Nitrid-Halbleiterschicht ist.
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