JP2005217374A - 化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ基板の平坦性を高め、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させる。
【解決手段】 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する。加熱工程および成長工程が順次に実施される。加熱工程は、少なくともＮＨ_３ガスを含む雰囲気下で、基板を１１００℃以上の温度で１０分以上加熱する。成長工程は、加熱工程の後に、基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。加熱工程によって、基板表面の凹部において原子再配列が行われ、それにより基板表面が平坦化される。これに応じて、この基板表面上にエピタキシャル成長される窒化物系化合物半導体層の結晶状態および表面モフォロジーが改善される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板を有する化合物半導体素子の製造方法に関する。

ＧａＮ単結晶基板の表面をＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理することにより平坦化し、その表面上に窒化物系化合物半導体層を形成して化合物半導体素子を製造する手法が開示されている（特許文献１を参照）。
特開２００３−３２７４９７号公報

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板は、化学研磨を用いて十分に平坦化することが困難であるため、通常、機械研磨によって平坦化される。しかし、化合物半導体のエピタキシャル成長に適するほどの平坦性を得ることは依然として困難である。機械研磨後の基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長させると、基板上の凹凸部（例えば研磨傷）でランダムな３次元成長が発生してしまうため、平坦なエピタキシャル面が得られない。また、このようなエピタキシャル成長では、生成した成長核同士が合体する際に、転位等の結晶欠陥が核間に発生し、結晶性が劣化する。そのため、成長した化合物半導体の結晶性はあまり良好ではない。

そこで、本発明は、化学研磨および機械研磨以外の手法でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ基板の平坦性を高め、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させることを課題とする。

本発明の方法は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する。この方法は、加熱工程および成長工程を備えている。加熱工程は、少なくともＮＨ_３ガスを含むガス雰囲気下で、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を１１００℃以上の基板温度で１０分以上加熱する。成長工程は、加熱工程の後に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。

ＮＨ₃ガスを含む雰囲気下で１１００℃以上の温度で１０分以上にわたってＡｌＧａＮ単結晶基板を加熱すると、基板表面の凹部において原子再配列が行われ、それにより基板表面が平坦化される。これに応じて、この基板表面上にエピタキシャル成長される窒化物系化合物半導体層の結晶状態および表面モフォロジーが改善される。

窒化物系化合物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されてもよい。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ基板と近い格子定数を有するため、その基板上に直接エピタキシャル成長するのに適している。

加熱工程は、反応室内にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を配置し、その反応室にＮＨ_３ガスおよびＨ_２ガスを導入しながらＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を加熱してもよい。Ｈ_２ガスを導入することにより、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの分解に必要なＨ_２が補充される。その結果、基板表面上での原子再配列が効率良く行われ、基板表面が良好に平坦化される。

加熱工程および成長工程が同じ反応室内で連続的に実施されてもよい。この場合、基板を大気に晒すことなく窒化物系化合物半導体層を成長させることができる。したがって、成長工程の前に基板の表面を清浄化するための表面処理を実施する必要がない。その結果、化合物半導体素子の製造効率が高まる。

本発明の方法は、ＮＨ_３を含むガス雰囲気下での加熱処理によってＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ基板の平坦性を高め、それにより、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態において製造される化合物半導体素子を示す断面図である。同図に示す化合物半導体素子１は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板２と、この基板２上に形成された窒化物系化合物半導体層３とを有する。以下では、特に必要な場合を除き、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）をＡｌＧａＮと簡略化して表記する。窒化物系化合物半導体層３の材料としては、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２、３または４元の化合物半導体が挙げられる。化合物半導体素子１は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの製造中間体となるものである。すなわち、この化合物半導体素子１上に適当なｐｎ接合、好ましくはダブルへテロ接合、より好ましくは量子井戸構造を形成し、給電用の電極を取り付ければ、所望の発光デバイスが完成する。

本実施形態の製造方法は、（ａ）基板製造工程、（ｂ）加熱工程、（ｃ）エピタキシャル成長工程に大別される。以下では、これらの工程を順次に説明する。

（ａ）基板製造工程では、ＡｌＧａＮ単結晶基板２を製造する。製造されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は、研磨材を用いて機械研磨される。機械研磨が終了すると、ＡｌＧａＮ単結晶基板２は、洗浄液を用いて洗浄される。洗浄液としては、純水のほか、適当な有機溶剤、酸、アルカリ溶液等を用いることができる。なお、機械研磨されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面には、研磨時のダメージによって加工変質層が表出する。しかし、加工変質層は、公知の適切な表面処理方法を用いることにより除去できる。

基板製造工程が完了したとき、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は平坦化され、鏡面状態になっている。しかし、基板２の表面には、機械研磨による細かな傷、すなわち研磨傷が生じている。このような研磨傷を有する基板２の表面に直接、窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させると、研磨傷の凹凸上でランダムな結晶核が多数発生し、３次元的に結晶成長してしまう。このため、平坦性に優れた窒化物系化合物半導体層３を得ることは困難である。

そこで、本実施形態では、基板２の表面の平坦性を改善するために（ｂ）加熱工程を実施し、その後、（ｃ）エピタキシャル成長工程にて窒化物系化合物半導体層３を基板２上に形成する。（ｂ）加熱工程では、少なくともＮＨ_３ガスを含むガスＧ１の雰囲気下でＡｌＧａＮ単結晶基板２を加熱する。この加熱工程における基板温度をＴ１とし、加熱時間をＰ１とする。（ｃ）エピタキシャル成長工程では、上記の加熱工程が施されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面に、基板２を加熱しながら原料ガスＧ２を供給し、基板２上に窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程における基板温度をＴ２とする。

加熱工程およびエピタキシャル成長工程は、単一の半導体製造装置の反応室内で連続的に実施することが好ましい。この半導体製造装置としては、例えば、図２に示すＯＭＶＰＥ装置を使用することができる。このＯＭＶＰＥ装置は、基板の主面に対して垂直に原料ガスを噴射する縦型の成長炉２０である。成長炉２０は一種の反応室であり、水冷外壁２１と、水冷外壁２１内に配置されたサセプタ２２およびヒータ２３を有している。水冷外壁２１には、複数のガス供給口２１ａと、排気口２１ｂとが設けられている。基板２はサセプタ２２上に載置される。サセプタ２２は、モータによって、サセプタ２２の基板支持面に対して垂直に延びる軸の周りに回転させられる。サセプタ２２の回転に伴い、基板２も回転する。ヒータ２３は、サセプタ２２を下方から加熱する。図２において、符号２４は水冷ジャケットを示している。水冷ジャケット２４は、原料ガスが基板２に到達するまでに加熱されて反応してしまうのを防ぐために、原料ガスを冷却する。

以下、（ｂ）加熱工程および（ｃ）エピタキシャル成長工程を詳細に説明する。

（ｂ）加熱工程
成長炉２０を用いて加熱工程を行う場合、まず、基板製造工程で製造したＡｌＧａＮ単結晶基板２をサセプタ２２上に載置する。次いで、ＮＨ_３ガスをガス供給口２１ａから成長炉２０内に導入すると共に、ヒータ２３を作動させて基板２の温度Ｔ１を所定温度以上に保つ。この加熱の間、サセプタ２２はモータによって回転させられる。後述するように、別のガス供給口２１ａから成長炉２０内にＨ_２ガスをさらに導入することが好ましい。このような基板２の加熱は、所定時間Ｐ１にわたって行われる。

この加熱工程により、基板２の表面粗さが低減される。表面粗さの低減は、以下のような過程で進むと考えられる。すなわち、図３（ａ）に模式的に示されるように、まず、加熱された基板２の表面上にＮＨ_３ガスが供給されると、ＮＨ_３がＮ_２とＨ_２とに分解される。このＨ_２が基板２の表面部に含まれるＡｌＮおよびＧａＮを還元し、それによりＡｌ原子およびＧａ原子が生成される。これらの反応は、下記の化学式（１）および（２）で表される。

上記の反応によって、基板２の表面のストイキオメトリは、ＡｌおよびＧａリッチの状態となる。この結果、余剰のＡｌ原子およびＧａ原子は、表面エネルギを低下させるようにマイグレーションし、基板２の表面の凹部（例えば研磨傷）に集まる。その後、図３（ｂ）に示すように、Ａｌ原子およびＧａ原子はＮＨ_３と反応し、窒化される。これにより、表面の凹部で再度ＡｌＧａＮが生成され、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は良好に平坦化されることになる。この反応は、下記の化学式（３）で表される。

上記のような原子再配列により基板２の表面の凹部が埋まり、表面のストイキオメトリが改善されるとともに、表面の平坦性が高まる（図３（ｃ）参照）。こうして平坦化された基板２の表面上に窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させることにより、窒化物系化合物半導体層３の結晶状態および表面モフォロジーを大幅に改善することができる。

この加熱工程では、（２）式に示したとおり、ＡｌＧａＮがＨ₂の存在下で分解して、Ａｌ原子およびＧａ原子が生成されることが重要である。しかしながら、（１）式の反応速度は非常に遅く、基板温度が１０００℃のときでも数％のＮＨ_３しかＨ_２およびＮ_２に分解されない。この程度の量のＨ_２では、上述の平坦化を進行させるのに十分ではない。そこで、ガスＧ１にＨ_２ガスを添加して補うことが好適である。すなわち、この加熱工程は、ＮＨ_３とＨ_２ガスとの混合ガスの雰囲気下で実施することが好ましい。

基板温度Ｔ１は、上述の各反応の速度、ＡｌおよびＧａ原子のマイグレーション長さ、ＡｌおよびＧａ原子の脱離速度などに影響を及ぼす。つまり、基板温度Ｔ１が高いほどＡｌおよびＧａ原子のマイグレーション距離は長くなるので、ＡｌおよびＧａ原子が表面の凹部（研磨傷など）に到達しやすくなる。逆に、基板温度Ｔ１が低いと、ＡｌおよびＧａ原子が表面の凹部に到達する前にＮＨ₃と反応してＡｌＧａＮを生成する。この場合、凹部以外の場所で結晶核が発生してしまうので、基板２の表面は平坦化されない。本発明者らは、鋭意検討の結果、良好なマイグレーションを達成するために基板温度Ｔ１は１１００℃以上が好ましいことを見出した。

さらに、基板２の表面の平坦化に必要な加熱時間Ｐ１は、ＡｌおよびＧａ原子のマイグレーションとＡｌＧａＮの再生成によって表面の凹部が十分に埋まるのに要する時間である。これは、基板２の表面の研磨状態に依存する。本発明者らの知見によれば、一般的な機械研磨によって仕上げられるＲｍｓ１．０ｎｍ程度の表面粗さを有する基板２に対しては、加熱時間Ｐ１が１０分以上であれば十分な平坦化が可能である。

（ｃ）エピタキシャル成長工程
上記の加熱工程によって平坦化されたＡｌＧａＮ単結晶基板２は、ＡｌＧａＮと同種の材料、すなわちＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２、３または４元の化合物半導体をその上に直接エピタキシャル成長するのに非常に適している。これは、基板２の表面が良好なストイキオメトリを有しており、したがって、基板２と格子定数の近い窒化物系化合物半導体層３であれば、基板２上で容易にステップフロー成長できるためである。

上記の加熱工程の後、エピタキシャル成長の前に、ＡｌＧａＮ単結晶基板２を大気に晒さないことが望ましい。すなわち、大気に基板２を晒すと、基板２の表面が酸化したり、有機物やその他の汚染物質が吸着して、エピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。この場合、エピタキシャル成長前に再度基板２の表面を清浄化するための表面処理を行わなければならず、工程数が増えてしまう。したがって、加熱工程とエピタキシャル成長工程は、同一の反応室内で連続的に行うことが好ましい。

図２に示す成長炉２０を用いたＯＭＶＰＥ法により基板２上にＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層３を形成する場合、原料ガスＧ２としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３ガスを用いる。原料ガスＧ２は、Ｈ_２やＮ_２といったキャリアガスとともにガス供給口２１ａから成長炉２０内に導入される。ＧａＮの成長中、基板温度Ｔ２は、ヒータ２３によって１０３０℃程度に保持される。

なお、ＧａＮ等からなる窒化物系化合物半導体層３を形成可能な他の方法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）や、有機金属塩化物気相成長法（ＭＯＣＶＰＥ）や、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）が挙げられる。これらの方法においても、所定の原料をＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面に供給することにより、窒化物系化合物半導体層３を成長させることができる。

すでに述べたように、加熱工程によって基板２の表面は良好なストイキオメトリと平坦性を有している。そのような表面上に窒化物系化合物半導体層３を直接エピタキシャル成長させることにより、窒化物系化合物半導体層３の優れた結晶性と表面モフォロジーを達成できる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、ＡｌＧａＮ単結晶基板２上に窒化物系化合物半導体層３としてＧａＮを形成する。しかし、本発明の方法は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される他の２、３または４元の化合物半導体からなる窒化物系化合物半導体層３を形成するときにも効果を発揮する。

化合物半導体素子を示す断面図である。 化合物半導体素子の製造に使用可能な気相成長装置を示す概略図である。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板の表面粗さの低減を示す概略図である。

符号の説明

１…化合物半導体素子、２…ＡｌＧａＮ単結晶基板、３…窒化物系化合物半導体層、２０…成長炉、２１…水冷外壁、２１ａ…ガス供給口、２１ｂ…排気口、２２…サセプタ、２３…ヒータ、２４…水冷ジャケット。

Claims (4)

1. Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する方法であって、
   少なくともＮＨ_３ガスを含むガス雰囲気下で、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を１１００℃以上の基板温度で１０分以上加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程の後に、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板上に前記窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる成長工程と
   を備える化合物半導体素子の製造方法。
2. 前記窒化物系化合物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成される、請求項１に記載の化合物半導体素子の製造方法。
3. 前記加熱工程は、反応室内に前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を配置し、前記反応室にＮＨ_３ガスおよびＨ_２ガスを導入しながら前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ単結晶基板を加熱する、請求項１または２に記載の化合物半導体素子の製造方法。
4. 前記加熱工程および前記成長工程が同じ反応室内で連続的に実施される請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。

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