JP2009064821A - 半導体基板の表面に絶縁膜を形成する方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板の表面にアルミナ系の絶縁膜を比較的に短時間で形成可能な技術を提供する。
【解決手段】 半導体基板に絶縁膜を形成する方法は、半導体基板を真空チャンバ内に載置する第１工程と、前記真空チャンバ内に窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを供給する第２工程と、前記真空チャンバ内に供給した窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気をプラズマ化する第３工程を備えている。この方法によると、半導体基板の表面に、酸窒化アルミニウム膜を比較的に短時間で形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の表面に絶縁膜を形成する技術に関する。特に、半導体基板の表面にアルミナ系の絶縁膜を形成する技術に関する。

特許文献１に、半導体基板の表面にアルミナ系の絶縁膜を形成する技術が開示されている。この技術では、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いて、単結晶シリコンの表面に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜を形成する。即ち、半導体基板を載置した真空チャンバ内に、アルミニウム原子を含む第１のソース材料と酸素原子を含む第２のソース材料の気相パルスを交互に導入し、半導体基板の表面にアルミニウム原子と酸化原子を交互に堆積させていく。

特表２００４−５１１９０９号公報

特許文献１の技術では、原子層堆積法を用いることから、酸化アルミニウム膜を形成するために必要とする時間が非常に長くなってしまう。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、半導体基板の表面にアルミナ系の絶縁膜を比較的に短時間で形成可能な技術を提供する。

本発明は、半導体基板に絶縁膜を形成する方法に具現化される。この方法は、半導体基板を真空チャンバ内に載置する第１工程と、前記真空チャンバ内に窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを供給する第２工程と、前記真空チャンバ内に供給した窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気をプラズマ化する第３工程を備えている。

真空チャンバ内で前記した混合気をプラズマ化することによって、真空チャンバ内に窒素、酸素、アルミニウムのラジカルが発生する。発生した各元素のラジカルは、十分に励起された状態となっており、半導体基板の表面に速やかに結合していく。それにより、半導体基板の表面に、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）膜が比較的に速い速度で成長する。
この方法によると、半導体基板の表面に、アルミナ系の絶縁膜である酸窒化アルミニウム膜を比較的に短時間で形成することができる。

前記した第２工程では、前記真空チャンバ内に供給する酸素と窒素の少なくとも一方を、アルミニウムアルコキシド内でバブリングすることが好ましい。
この方法によると、常温において液体であるアルミニウムアルコキシドを、真空チャンバに供給しやすい。

前記した第２工程では、前記真空チャンバ内に供給する窒素のみを、アルミニウムアルコキシド内でバブリングさせることが好ましい。
酸素をアルミニウムアルコキシド内でバブリングすると、アルミニウムアルコキシドが酸化されてしまうことがある。そのことから、窒素のみをアルミニウムアルコキシド内でバブリングすることで、アルミニウムアルコキシドが無用に酸化されることを避けることができる。

本発明に係る方法では、前記真空チャンバが、第１室とその第１室から部分的に隔てられた第２室を備えていることが好ましい。この場合、前記第１工程では半導体基板を前記第１室に載置し、前記第２工程では窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを前記第２室に供給し、前記第３工程では前記第２室に供給された窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気を前記第２室でプラズマ化することが好ましい。
この方法によると、前記した混合気のプラズマ化を効率よく行うことができるとともに、プラズマ化によって発生した荷電粒子が半導体基板に過剰に接触することを防止することができる。

アルミニウムアルコキシドは、アルミニウム−酸素−炭素（Ａｌ−Ｏ−Ｃ）結合を有す化合物である。その例として、ジエチルアルミニウムエトキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリ−ｓ−ブトキシド等が挙げられる。そのなかで、本発明では特にジエチルアルミニウムエトキシドを好適に用いることができる。

本発明に係る方法は、窒化物半導体基板に絶縁膜を形成する場合に、特に有効に用いることができる。
窒化物半導体基板を用いた半導体装置の製造では、窒化物半導体基板に熱処理を行った時に、窒化物半導体基板から構成要素である窒素が抜けてしまうことがあり、その対策が必要とされている。
上記に関して、本発明に係る方法では、絶縁膜として酸窒化アルミニウム膜を形成することができる。窒化物半導体基板に窒素を含む酸窒化アルミニウム膜を形成することができるので、その後の熱処理などにおいて、窒化物半導体基板から窒素が抜けてしまうことを抑制することができる。

本発明の技術は、半導体基板に絶縁膜を形成する装置にも具現化される。この装置は、半導体基板を載置する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを供給する供給装置と、前記真空チャンバ内に供給された窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気をプラズマ化するプラズマ発生装置を備えている。
この方法によると、半導体基板の表面に、アルミナ系の絶縁膜である酸窒化アルミニウム膜を比較的に短時間で形成することができる。

本発明によって、例えばパワーデバイスのゲート絶縁膜のように、比較的に厚みが必要とされる絶縁膜を、酸窒化アルミニウムによって短時間で形成することが可能となる。

最初に、本発明を実施した実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 絶縁膜形成装置の真空チャンバは、第１室と第２室を備えている。第１室と第２室は、互いに部分的に隔てられている。第１室には、半導体基板が載置される。
（形態２） 絶縁膜形成装置の供給装置は、酸素とアルミニウムエトキシド内でバブリングした窒素を、真空チャンバの第２室に供給する。
（形態３） プラズマ発生装置のプラズマ発生装置は、真空チャンバの第２室に供給された窒素と酸素アルミニウムエトキシドの混合気を、真空チャンバの第２室でプラズマ化する。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明を実施した絶縁膜形成装置１０の構造を示している。絶縁膜形成装置１０は、半導体基板１００の表面１００ａに、アルミナ系の絶縁膜を形成する装置である。ここで、半導体基板１００は、窒化物半導体基板であり、詳しくは表面１００ａが（０００１）面である窒化ガリウムの単結晶基板である。

図１に示すように、絶縁膜形成装置１０は、半導体基板１００が載置される真空チャンバ２０と、真空チャンバ２０に接続されている真空ポンプ３０を備えている。真空チャンバ２０は、気密に製作されている。真空ポンプ３０は、真空チャンバ２０内から脱気することによって、真空チャンバ２０内を略真空状態にすることができる。
真空チャンバ２０は、主に、成膜室２２と、プラズマ発生室２４を備えている。成膜室２２は、半導体基板１００を収容し、半導体基板１００の表面１００ａに絶縁膜を形成する空間である。成膜室２２には、半導体基板１００を載置する台座２８が設けられている。プラズマ発生室２４は、詳しくは後述するが、供給装置５０から供給される混合気を、プラズマ発生装置４０によってプラズマ化する空間である。
成膜室２２とプラズマ発生室２４の間には、開口２７を有する隔壁２６が設けられている。この隔壁２６によって、成膜室２２とプラズマ発生室２４は部分的に隔てられている。

絶縁膜形成装置１０は、真空チャンバ２０のプラズマ発生室２４に、窒素と酸素とジエチルアルミニウムエトキシド（Ｃ₂Ｈ₅）₂ＡｌＯＣ₂Ｈ₅を供給する供給装置５０を備えている。供給装置５０は、主に、窒素ガスボンベ１１２からの窒素ガスを真空チャンバ２０のプラズマ発生室２４に供給する第１窒素供給管５２及び第２窒素供給管５６と、第１窒素供給管５２と第２窒素供給管５６の間に設けられているバブリング槽５４と、酸素ガスボンベ１１４からの酸素ガスを真空チャンバ２０のプラズマ発生室２４に供給する酸素供給管５８を備えている。
バブリング槽５４には、ジエチルアルミニウムエトキシド１１６が溜められている。バブリング槽５４では、窒素ガスボンベ１１２から供給された窒素ガスが、ジエチルアルミニウムエトキシド１１６内でバブリングされて、真空チャンバ２０のプラズマ発生室２４に送り出される。それにより、バブリング槽５４からプラズマ発生室２４に送り出される窒素ガスに、ジエチルアルミニウムエトキシド１１６が混合される。即ち、バブリング槽５４からプラズマ発生室２４に繋がる第２窒素供給管５６では、窒素とジエチルアルミニウムエトキシドの混合気が流れるようになっている。
以上の構成により、真空チャンバ２０のプラズマ発生室２４には、窒素と酸素とジエチルアルミニウムエトキシドが供給される。本実施例では窒素と酸素とジエチルアルミニウムエトキシドが常温で供給されるが、そのうちの一又は複数を必要に応じて加熱／冷却して供給するようにしてもよい。

絶縁膜形成装置１０は、プラズマ発生装置４０を備えている。プラズマ発生装置４０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型のプラズマ発生装置である。即ち、プラズマ発生装置４０は、主に、プラズマ発生室２４にマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を発信するマイクロ波発信装置４２と、プラズマ発生室２４内に磁場を発生させる電磁石４４を備えている。プラズマ発生室２４に供給された窒素と酸素とジエチルアルミニウムエトキシドの混合気は、プラズマ発生装置４０によってプラズマ化される。この混合気のプラズマ化は、プラズマ発生室２４で行われる。プラズマ発生室２４は、半導体基板１００が載置された成膜室２２と部分的に隔てられている。そのことから、プラズマ化に伴って発生した荷電粒子が、半導体基板１００に衝突して悪影響を与えてしまうことが防止される。

図１に示すように、プラズマ発生室２４で発生したプラズマ１２０は、隔壁２６の開口２７を通って成膜室２２へ移動する。プラズマ１２０には、十分に励起された窒素、酸素、アルミニウムのラジカルが存在しており、それらのラジカルが半導体基板１００の表面１００ａに結合する。それにより、半導体基板１００の表面１００ａに、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ：Ａｌ_xO_yＮ_1-x-y）膜が形成される。酸窒化アルミニウム膜は、アルミナ系の絶縁膜である。

図２は、本実施例の絶縁膜形成装置１０によって窒化ガリウムの表面に形成した酸窒化アルミニウム膜のＣ−Ｖ特性を示している。図２には、常温（ＲＴ）での測定結果（ＲＴ）と、１００℃での測定結果と、２００℃での測定結果が示されている。また、図２中の破線（Calculated）は、界面準位がないとした場合の理論値（計算値）を示している。ここで、窒化ガリウムはｎ型の不純物を５×１０¹⁵／ｃｍ³の濃度で含む。酸窒化アルミニウム膜は、その径が５００μｍの円形範囲に６３ｎｍの膜厚で形成した。また、測定周波数（印加電圧の周波数）は、１００ｋＨｚに設定した。
図２に示すように、本実施例によって得られたＡｌＯＮ／ＧａＮのＭＩＳ構造では、負バイアス領域において計算値に近いＣ−Ｖ特性が確認され、正バイアス領域においても絶縁膜としての容量に十分な値が確認された。これらの特性は、２００℃における測定でも同様に確認されており、２００℃程度まで安定に動作する絶縁ゲート型のデバイスを実現可能なものといえる。実験結果に基づいて、界面準位密度は１×１０¹¹／ｃｍ²／ｅＶと計算された。

以上のように、本実施例の絶縁膜形成装置１０は、半導体基板１００が載置された真空チャンバ２０内に、窒素と酸素とジエチルアルミニウムエトキサイドを供給し、その混合気をプラズマ化する。それにより、半導体基板１００の表面に、アルミナ系の絶縁膜である酸窒化アルミニウム膜を形成することができる。
本実施例の絶縁膜形成装置１０では、ジエチルアルミニウムエトキサイドに代えて、他のアルミニウムアルコキシドを用いることもできる。アルミニウムアルコキシドは、アルミニウム−酸素−炭素（Ａｌ−Ｏ−Ｎ）結合を有する化合物であり、例えばアルミニウムエトキシドＡｌ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃、アルミニウムイソプロポキシドＡｌ［ＯＣＨ（ＣＨ₃）₂］₃、アルミニウムトリ−ｓ−ブトキシドＡｌ（ＯＣ₄Ｈ₉）₃が挙げられる。

本実施例の絶縁膜形成装置１０では、窒素ガスをジエチルアルミニウムエトキシド内でバブリングしているが、酸素ガスをジエチルアルミニウムエトキシド内でバブリングする構成とすることもできる。ただし、酸素ガスをジエチルアルミニウムエトキシド内でバブリングすると、ジエチルアルミニウムエトキシドが酸化してしまうこともあるので、窒素ガスのみをジエチルアルミニウムエトキシド内でバブリングすることが好ましい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

絶縁膜形成装置の構造を示す図。 形成した絶縁膜のＣ−Ｖ特性を示す図。

符号の説明

１０：絶縁膜形成装置
２０：真空チャンバ
２２：成膜室
２４：プラズマ発生室
２６：隔壁
２７：開口
２８：台座
３０：真空ポンプ
４０：プラズマ発生装置
４２：マイクロ波発信装置
４４：電磁石
５０：供給装置
５２：第１窒素供給管
５４：バブリング槽
５６：第２窒素供給管
５８：酸素供給管
１００：半導体基板
１００ａ：表面
１１２：窒素ガスボンベ
１１４：酸素ガスボンベ
１１６：バブリング槽のジエチルアルミニウムエトキシド
１２０：プラズマ

Claims (7)

1. 半導体基板に絶縁膜を形成する方法であって、
   半導体基板を真空チャンバ内に載置する第１工程と、
   前記真空チャンバ内に窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを供給する第２工程と、
   前記真空チャンバ内に供給した窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気をプラズマ化する第３工程と、
   を備える方法。
2. 前記第２工程では、前記真空チャンバ内に供給する酸素と窒素の少なくとも一方を、アルミニウムアルコキシド内でバブリングすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２工程では、前記真空チャンバ内に供給する窒素のみを、アルミニウムアルコキシド内でバブリングさせることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記真空チャンバは、第１室とその第１室から部分的に隔てられた第２室を備え、
   前記第１工程では、半導体基板を前記第１室に載置し、
   前記第２工程では、窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを前記第２室に供給し、
   前記第３工程では、前記第２室に供給された窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気を前記第２室でプラズマ化する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記アルミニウムアルコキシドは、ジエチルアルミニウムエトキシドであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記半導体基板が、窒化物半導体基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 半導体基板に絶縁膜を形成する装置であって、
   半導体基板を載置する真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドを供給する供給装置と、
   前記真空チャンバ内に供給した窒素と酸素とアルミニウムアルコキシドの混合気をプラズマ化するプラズマ発生装置と、
   を備える装置。

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