JP2012216734A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板110上にn型半導体およびp型半導体を含むように積層して構成された半導体素子の製造方法であって、異なるIII族元素による少なくとも2つのターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)を、V族元素を含むガスによりスパッタリングして、基板110上にIII−V族の化合物半導体の膜を形成する工程を含む。
【選択図】図1
Description
とくに、GaN、AlN、InNの少なくとも二つを含む化合物半導体は、含まれるガリウム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)などの濃度を変化させることにより、バンドギャップを広い範囲で制御できる。
しかし、MOCVD法では、形成された膜の結晶性は、基板の格子定数と膜の格子定数との関係において決定されるため、格子定数のずれ(格子不整合)が小さいほど、結晶性に優れた膜となり、格子不整合が大きいほど、結晶性に劣る膜となる。よって、例えばガリウム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)の濃度を任意に設定した窒化膜の形成ができにくかった。
さらに、MOCVD法では、例えば1000℃などの温度に基板を設定することが必要であるため、高温で析出しやすいInの濃度を高くすることが困難であった。
特許文献1には、光学研磨したサファイアC面基板または光学研磨したガラスに金属を蒸着した導電性基板を用い、金属アルミニウム、金属ガリウム、金属インジウムの少なくとも一つをターゲットとし、該ターゲットと前記基板との間に直流バイアスを印加し、窒素ガスを含有した雰囲気中で高周波スパッタリング法により、III−V族化合物半導体であるAlxGa1−xN(0≦x≦1)またはInNをバッファ層として前記基板上に堆積させ、次に前記バッファ層上に該バッファ層と同一組成であるAlxGa1−xN(0≦x≦1)またはInNをエピタキシャル成長させる化合物半導体の成長方法が記載されている。
特許文献2には、GaやGa−Inなどの低融点材料のターゲットを用い、反応性スパッタリングを行うに際して、ターゲット表面の温度を融点以上に上昇させ、溶融させることにより、形成すべき化合物膜の成長レートを向上させるとともに、膜中に含まれる窒素の量を増加させ、膜質を改善した化合物膜の製造方法が記載されている。
しかし、特許文献1では、InNの膜の形成が示されているのみであり、特許文献2では、Gaをターゲットに用いたGaNの膜およびGa−75%Inのターゲットを用いたInGaNの膜の形成が示されているのみである。
バンドギャップを広い範囲で制御するためには、Inの組成比がより広い範囲の膜が形成できることが好ましい。
本発明は、広い範囲で制御された組成比を有し、結晶性に優れる化合物半導体の膜を用いた半導体素子を製造する方法を提供する。
この化合物半導体は、III族元素の少なくとも2つのターゲットのそれぞれに供給されるスパッタリング電力により化合物半導体の組成比が設定されることを特徴とすることができる。
また、基板の温度は、X線回折において、少なくとも2つのターゲットのそれぞれ一方のターゲットをスパッタリングして形成されたそれぞれの化合物半導体の回折ピークが得られる回折角の範囲において、少なくとも2つのターゲットをスパッタリングして形成された化合物半導体から組成比により決まる回折ピークのみが得られる上限の温度より、予め定められた値だけ低く設定されることを特徴とすることができる。
さらに、III族元素はインジウム(In)とガリウム(Ga)とであって、V族元素は窒素(N)であって、化合物半導体はInxGa1−xN(0<x<1)であることを特徴とすることができる。
さらにまた、化合物半導体は、化合物半導体中のインジウム(In)の組成比xとインジウム(In)のスパッタリング電力P1およびガリウム(Ga)のスパッタリング電力P2とから0.15<x<0.85の範囲で実験的に得られた近似的な関係式から、好ましくはInxGa1−xN(0.15<x<0.85)であることを特徴とすることができる。
そして、予め定められた値は、100℃以上且つ150℃以下であることを特徴とすることができる。
そしてまた、InxGa1−xNの膜の形成における基板の温度の上限値Tuは、Tu(℃)=500×(1−x)+300であることを特徴とすることができる。
さらに、InxGa1−xNの膜の形成における基板の温度の下限値Tlは、Tl(℃)=500×(1−x)+100であることを特徴とすることができる。
さらにまた、インジウム(In)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P1およびガリウム(Ga)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P2は、化合物半導体のインジウム(In)の組成比xとインジウム(In)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P1およびガリウム(Ga)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P2との間にある近似的な関係式から、設定されることを特徴とすることができる。
そして、半導体素子の基板は、少なくとも2つのターゲットのそれぞれに対向する位置に交互に設置されることにより、化合物半導体の膜が形成されることを特徴とすることができる。
そしてまた、基板は、サファイア、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化亜鉛(ZnO)、石英または非晶質固体(ガラス)のいずれかであることを特徴とすることができる。
さらに、異なるIII族元素による少なくとも2つのターゲットの間に、少なくとも2つのターゲットのいずれかのターゲットから飛来する粒子が他のターゲットに付着するのを抑制する遮蔽部材を備えることを特徴とすることができる。
半導体素子は、半導体発光素子または半導体受光素子であることを特徴とすることができる。
図1は本実施の形態が適用される半導体素子の製造方法に用いられるスパッタリング(スパッタ)装置1の一例の断面構成を示す図である。また、図2は、図1に示すスパッタリング装置1のII−II断面図である。
このスパッタリング装置1は、基板110と、基板110上に成膜される膜の原料となるターゲット(第1ターゲット21、第2ターゲット22)とが対向して配置された平行平板型の構成を有している。なお、本実施の形態では、ターゲットを2個設けたマルチターゲットとしたが、さらに多数のターゲットを備えていてもよい。また、スパッタリング装置1は、平行平板型に限らず、多角形筒型の基板ホルダを用い、垂直な回転軸の周りを回転しながら膜形成を行うカルーセル型であってもよい。
これらのうち、チャンバ10は、円筒状の形状を有し上方に向かう開口が形成されるとともにその内部に第1ターゲット21、第2ターゲット22を収容する収容部11と、円板状の形状を有しこの収容部11の上部に取り付けられ、基板ホルダ60を保持する蓋部12とを備えている。
なお、収容部11および蓋部12は接地されて、電位の基準となっている。
さらに、蓋部12の中央部から偏倚した位置には、外部に設けられたガス供給部70からチャンバ10内部にガスを供給するための貫通孔が形成されている。
そして、収容部11の底面には、第1ターゲット21および第2ターゲット22を取り付けるための貫通孔が設けられている。第1ターゲット21および第2ターゲット22は、それぞれが第1カソード51および第2カソード52にそれぞれ設けられたターゲットホルダ(不図示)に固定されている。また、ターゲットホルダと収容部11とは、電気的に絶縁されるとともに、減圧状態が維持できるようOリング等によるシール材を介して固定されている。
また、収容部11から延伸して第1ターゲット21および第2ターゲット22の周辺部を覆うシールド部材15が設けられている。シールド部材15は、収容部11の電位に保持され、ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の周辺部にプラズマ放電が生じ、ターゲット以外(収容部11やターゲットホルダ)の構成材が膜に混入するのを抑制している。なお、シールド部材15は、収容部11と一体となっている必要はなく、別の部材から構成されていてもよい。
さらに、収容部11の側面には、外部から反応室内部を観察するための貫通孔(図示せず)も形成されている。
また、ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の近傍に磁界を発生させることにより電子をマグネトロン運動させて高密度なプラズマ放電を形成するマグネトロン方式の場合には、第1カソード51または/および第2カソード52に永久磁石(マグネット)のモジュールが設けられていてもよい。
前述したように、高周波スパッタリングの場合には、これらの電源(第1電源91、第2電源92、第3電源93)に高周波電源を用いることになる。一方、直流スパッタリングの場合には、これらの電源(第1電源91、第2電源92、第3電源93)に直流電源を用いることになる。なお、第1電源91を高周波電源とし、第2電源92を直流電源とするように、高周波電源と直流電源とを混在して用いてもよい。これらは形成する膜に応じて選択すればよい。
前述したように、スパッタリング装置1の収容部11および蓋部12は接地されている。よって、収容部11および蓋部12と各電源(第1電源91、第2電源92、第3電源93)との間に、高周波または直流の電圧が印加される。
さらに、スパッタリング装置1は、基板110の温度を制御する基板加熱/冷却部61を備えている。基板加熱/冷却部61は、中空状の基板ホルダ60の内部に、水等の冷媒を循環させて基板110を冷却するようになっている。また、基板加熱/冷却部61は、基板ホルダ60と蓋部12との間に設けられたハロゲンランプ等のヒータ65により、基板ホルダ60を加熱し、基板ホルダ60を介して基板110を加熱するようになっている。
窒化物等の化合物を生成させるスパッタリングは反応性スパッタリング(リアクティブスパッタリング)と呼ばれる。
そして、スパッタリング装置1は、第1シャッタ駆動部43および第2シャッタ駆動部44を備えている。第1シャッタ駆動部43および第2シャッタ駆動部44は、それぞれ第1シャッタ41および第2シャッタ42を第1ターゲット21および第2ターゲット22の表面を覆う位置(B)から覆わない位置(C)へ、また覆わない位置(C)から覆う位置(B)へと移動させる。
また、スパッタリング装置1は、第1ターゲット21と第2ターゲット22との間に、遮蔽部材の一例としての遮蔽板45を備えている。遮蔽板45は、第1ターゲット21に第2ターゲット22からスパッタされた(飛び出した)粒子(原子、分子)が付着するのを抑制するようになっている。同様に、第2ターゲット22に第1ターゲット21からスパッタされた(飛び出した)粒子(原子、分子)が付着するのを抑制するようになっている。
なお、第1シャッタ41または第2シャッタ42を遮蔽部材として、第1ターゲット21によりスパッタリングをしている間、第2シャッタ42を閉じて第2ターゲット22に第1ターゲット21からスパッタされた粒子が付着するのを抑制し、第2ターゲット22によりスパッタリングをしている間、第1シャッタ41を閉じて第1ターゲット21に第2ターゲット22からスパッタされた粒子が付着するのを抑制してもよい。このときは、遮蔽板45を設けなくともよい。
そして、スパッタリング装置1は、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、オイル拡散ポンプなどの真空ポンプを有する排気部80を備え、排気管14を介してチャンバ10の排気を行うことができるようになっている。
なお、シャッタ(第1シャッタ41および第2シャッタ42)は、ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)部分に発生したプラズマ放電が安定するまで、基板110に膜が形成されないようにターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)と基板110とを隔てる役割を有している。
ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の周囲は、収容部11の底面に接続され、収容部11の底面から設けられたシールド部材15に覆われている。
基板110上に均一な膜を形成するためには、基板110の中心が、ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の中心を通過するように、基板110とターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)との位置関係を設定することが好ましい。また、基板110上に均一な膜を形成するためには、ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の直径が、基板110の直径より大きいことが好ましい。
なお、本実施の形態では、基板ホルダ60は、矢印Aの方向に回転する。さらに、基板110が自転する機構を設けて、基板110が遊星回転するようにしてもよい。
なお、半導体発光素子LCを構成する化合物半導体としては、特に限定されるものではなく、例えば、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV−IV族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、III−V族化合物半導体が好ましく、中でも、III族窒化物化合物半導体が好ましい。そして、以下では、III族窒化物化合物半導体を有する半導体発光素子LCを例として説明する。なお、例として図4に示す半導体発光素子LCは、青色光を出力する半導体発光素子LCである。
ここで、n型半導体層140は、下地層130側に設けられるn型コンタクト層140aと発光層150側に設けられるn型クラッド層140bとを有している。また、発光層150は、障壁層150aと井戸層150bとが交互に積層され、2つの障壁層150aによって1つの井戸層150bを挟み込んだ構造を有している。さらに、p型半導体層160は、発光層150側に設けられるp型クラッド層160aと最上層に設けられるp型コンタクト層160bとを有する。なお、以下の説明においては、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160を、まとめて積層半導体層100と称する。
基板110は、III族窒化物化合物半導体とは異なる材料から構成され、基板110上にIII族窒化物化合物半導体結晶がエピタキシャル成長される。基板110を構成する材料としては、例えば、サファイア、炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコン、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、溶融石英(石英)などの非晶質固体(ガラス)等が挙げられる。これらの中でも、サファイア、炭化珪素が好ましい。
下地層130に用いる材料としては、Gaを含むIII族窒化物(GaN系化合物半導体)が用いられ、特に、InxGa1−xN(0<x<1)(InGaN系化合物半導体)を好適に用いることができる。下地層130の膜厚は0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。
n型半導体層140は、n型コンタクト層140aおよびn型クラッド層140bから構成される。
ここで、n型コンタクト層140aとしては、下地層130と同様にInGaN系化合物半導体が用いられる。また、下地層130およびn型コンタクト層140aを構成するInGaN系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1μm〜20μm、好ましくは0.5μm〜15μm、さらに好ましくは1μm〜12μmの範囲に設定することが好ましい。
発光層150は、GaN系化合物半導体からなる障壁層150aと、InGaN系化合物半導体からなる井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型半導体層140側及びp型半導体層160側にそれぞれ障壁層150aが配される順で積層して形成される。本実施の形態において、発光層150は、6層の障壁層150aと5層の井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、発光層150の最上層及び最下層に障壁層150aが配され、各障壁層150a間に井戸層150bが配される構成となっている。
また、障壁層150aとしては、井戸層150bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c≦0.3)等のGaN系化合物半導体を好適に用いることができる。
井戸層150bの膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚であることが好ましい。
p型半導体層160は、p型クラッド層160aおよびp型コンタクト層160bから構成される。p型クラッド層160aとしては、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4)のものが挙げられる。p型クラッド層160aの膜厚は、好ましくは1nm〜400nmであり、より好ましくは5nm〜100nmである。
一方、p型コンタクト層160bとしては、AleGa1−eN(0≦e<0.5)を含んでなるGaN系化合物半導体層が挙げられる。p型コンタクト層160bの膜厚は、特に限定されないが、10nm〜500nmが好ましく、より好ましくは50nm〜200nmである。
透明正極170を構成する材料としては、例えば、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)等の従来公知の材料が挙げられる。また、透明正極170の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。透明正極170は、p型半導体層160上のほぼ全面を覆うように形成しても良く、格子状や樹形状に形成しても良い。
透明正極170上に形成される電極としての正極ボンディングパッド180は、例えば、従来公知のAu、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Ta、Ni、Cu等の材料から構成される。正極ボンディングパッド180の構造は特に限定されず、公知の構造を採用することができる。
正極ボンディングパッド180の厚さは、例えば100nm〜2000nmの範囲内であり、好ましくは300nm〜1000nmの範囲内である。
負極ボンディングパッド190は、基板110上に成膜された下地層130の上にさらに成膜された積層半導体層100(n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160)において、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに接するように形成される。このため、負極ボンディングパッド190を形成する際は、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の一部を除去し、n型コンタクト層140aの露出領域140cを形成し、この上に負極ボンディングパッド190を形成する。
負極ボンディングパッド190の材料としては、正極ボンディングパッド180と同じ組成・構造でもよく、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
まず、予め定められた直径と厚さとを有するサファイア製の基板110を、図1に示すスパッタリング装置1にセットする。そして、スパッタリング装置1にて、基板110上に、III族窒化物化合物半導体からなる下地層130を形成する。
続いて、下地層130が形成された基板110上に、図示しないMOCVD装置により、n型コンタクト層140aを形成し、n型コンタクト層140aの上にn型クラッド層140bを形成する。さらに、n型クラッド層140bの上に発光層150すなわち障壁層150aと井戸層150bとを交互に形成し、発光層150の上にp型クラッド層160aを形成し、p型クラッド層160aの上にp型コンタクト層160bを形成する。
さらに、p型コンタクト層160b上に透明正極170を積層し、その上に正極ボンディングパッド180を形成する。また、エッチング等を用いてn型コンタクト層140aに露出領域140cを形成し、この露出領域140cに負極ボンディングパッド190を設ける。
その後、基板110の下地層130の形成面とは反対の面を、予め定められた厚さになるまで研削及び研磨する。
そして、基板110の厚さが調整されたウェハを、例えば350μm角の正方形に切断することにより、半導体発光素子LCを得る。
なお、サファイア製の基板110を用いた半導体発光素子LCにおいては、サファイア製の基板110と下地層130との間に、格子定数の違いを緩和するためにAlNやAlGaNの中間層が設けられることがある。しかし、本実施の形態では、結晶性に優れた下地層130が基板110上に直接形成できることから、中間層を設けていない。
(スパッタリング装置1の動作)
図5は、基板110上に下地層130を形成する方法を説明するためのフローチャートである。以下では、図1を参照しつつ、図5に示す基板110上に下地層130を形成するためのフローチャートを説明する。
まず、第1ターゲット21として板状のIII族元素の一例としての金属インジウム(In)が第1カソード51のターゲットホルダに取り付けられ、第2ターゲット22として板状のIII族元素の一例としての金属ガリウム(Ga)が第2カソード52のターゲットホルダに取り付けられる。金属ガリウム(Ga)は、融点が29.8℃であるので、スパッタリング中の温度上昇により溶融しやすい。そこで、溶融による流出を抑制するため、銅(Cu)などで造られたシャーレ状の容器に入れて第2カソード52のターゲットホルダに設置するのが好ましい。
その後、蓋部12を閉じて、収容部11と蓋部12とを密着させる。
そして、排気部80により、スパッタリング装置1のチャンバ10が予め定められた真空度になるまで排気される。
第1ターゲット加熱/冷却部53および第2ターゲット加熱/冷却部54により、第1ターゲット21および第2ターゲット22がそれぞれ予め定められた温度に設定される(ステップ202)。第1ターゲット21と第2ターゲット22とは異なる温度に設定されてもよい。ターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の温度としては、例えば、20℃、40℃等が用いうる。金属ガリウム(Ga)の第2ターゲット22は、20℃とすれば、固体状態が保たれるが、40℃とすれば、液体状態になっている。
さらに、基板加熱/冷却部61により、基板110の温度が予め定められた温度に設定される(ステップ203)。基板110の温度としては、形成されるInxGa1−xN(0<x<1)からなる化合物半導体の組成によって設定する。基板110の温度については後述する。
次に、基板110表面の吸着ガスや汚れ等を除去するため、第3電源93により基板ホルダ60に高周波電力が供給され、予め定められた時間、基板ホルダ60上の基板110の表面がスパッタリング(逆スパッタリング)される(ステップ204)。
なお、逆スパッタリングにおいては、基板110表面が荒れるのを抑制するため、質量の大きなアルゴンを混合せず、窒素のみで行うのが好ましい。
そして、第1シャッタ41および第2シャッタ42を共にシャッタ閉の状態で、第1ターゲット21および第2ターゲット22のそれぞれに第1電源91および第2電源92から予め定められた高周波電力または直流電力を供給して、第1ターゲット21および第2ターゲット22の表面近傍にプラズマ放電を発生させる。
プラズマ放電が安定したところで、第1シャッタ41および第2シャッタ42をシャッタ開の位置に移動させて、基板110表面に下地層130を形成する(ステップ205)。
この後、プラズマ放電を停止するとともに、チャンバ10からガスを排気する。次に、基板110の温度およびターゲット(第1ターゲット21および第2ターゲット22)の温度が、チャンバ10内を大気圧に戻してよい状態になるまで待つ。そして、ガス供給部70により窒素をチャンバ10内に供給する等により大気圧に戻し、蓋部12を開けて、下地層130が形成された基板110を取り出す。
以上のようにして、スパッタリング装置1により、基板110上にIII族窒化物である下地層130が形成される。
そして、前述した半導体発光素子LCの製造方法を経て、図4に示す半導体発光素子LCが製造される。
一方、本発明では、前述したスパッタリング装置1を用いて製造される半導体素子の他の一例として、半導体受光素子(太陽電池(図示しない))を挙げることができる。そして、半導体受光素子では、一例として化合物半導体を用いることができる。
なお、半導体受光素子を構成する化合物半導体としては、特に限定されるものではなく、例えば、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV−IV族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、III−V族化合物半導体が好ましく、中でも、III族窒化物化合物半導体が好ましい。そして、III族窒化物化合物半導体を有する半導体受光素子の例としては、特開2008−235878号公報に記載された断面構造や平面図(例えば図1〜図4)を採用することができる。
また、半導体受光素子の製造方法でも、予め定められた直径と厚さとを有する基板110(例えば、サファイア)を、図1に示すスパッタリング装置1にセットする。そして、スパッタリング装置1にて、基板110上に、III族窒化物化合物半導体からなる膜を形成する。このようなIII族窒化物化合物半導体からなる膜としては、InxGa1−xN(0<x<1)であることを特徴とすることができる。
このように、半導体受光素子の製造方法においても、前述の半導体発光素子LCの製造方法で述べた方法を好ましく採用することができる。
ここでは、第1ターゲット21をInのターゲット(Inターゲット)とし、第2ターゲット22をGaのターゲット(Gaターゲット)とした。そして、Inターゲット(第1ターゲット21)に供給される第1スパッタリング電力P1とGaターゲット(第2ターゲット22)に供給される第2スパッタリング電力P2との比率を異ならせて膜の形成を行った。
図6は、スパッタリング装置1を用いて形成した化合物半導体(InxGa1−xN)の膜におけるInの組成比(In濃度(x))と、スパッタリング電力比P1/(P1+P2)(図6では、P1(In)/(P1(In)+P2(Ga))と表記する。)との関係を示す図である。図6の横軸がスパッタリング電力比P1(In)/(P1(In)+P2(Ga))、縦軸がIn濃度(x)である。
スパッタリング電力比P1(In)/(P1(In)+P2(Ga))は、Inターゲットに供給される第1スパッタリング電力P1およびGaターゲットに供給される第2スパッタリング電力P2から求めた。
InxGa1−xNにおけるInの組成比(In濃度(x))は、X線回折における回折角(2θ)から求めた。なお、Inの組成比(In濃度(x))をInの組成比xと表記することがある。
図6から分かるように、Inの組成比(In濃度(x))とスパッタリング電力比P1(In)/(P1(In)+P2(Ga))との関係は、0.15<x<0.85の範囲において、一つの直線で近似できる。そして、この直線(関係式)は、
x = 1.21×P1(In)/(P1(In)+P2(Ga))
で表される。
なお、スパッタリング装置1と異なる構成のスパッタリング装置であっても、上記のスパッタリング電力比が同じであれば、同様なInの組成比(In濃度(x))のInxGa1−xNの膜が形成されうる。
本発明者は、図1に示すスパッタリング装置1を用いて、図5に示すフローチャートによって、サファイア製の基板110上にIII族窒化物化合物半導体の膜(下地層130)の形成を行った。そして、膜の結晶性および膜の平坦性について検討を行った。なお、膜の結晶性は、CuのKα線(CuKα)(波長0.15418nm)を用いたX線回折(XD:X−ray Diffraction)により評価し、膜の平坦性は、透過型電子顕微鏡(TEM)による断面観察(断面像)で評価した。また、膜の組成比(In濃度(x)およびGa濃度(1−x))は、X線回折による回折ピークが現れる位置(回折角(2θ))から求めた。
図7は、実施例1、2および比較例1〜6における各種製造条件と評価結果との関係を示す図である。
サファイア製の基板110は直径2インチ(約50mm)のものを、InターゲットおよびGaターゲットはそれぞれ直径4インチ(約100mm)のものを用いた。
一方、比較例5では、Inターゲット(第1ターゲット21)に第1スパッタリング電力P1を供給し、Gaターゲット(第2ターゲット22)には電力を供給していない。このため、基板ホルダ60を回転させないで、基板110がInターゲット(第1ターゲット21)に対向するようにし固定した。
同様に、比較例6では、Gaターゲット(第2ターゲット22)に第2スパッタリング電力P2を供給し、Inターゲット(第1ターゲット21)には電力を供給していない。このため、基板ホルダ60を回転させないで、基板110がGaターゲット(第2ターゲット22)に対向するように固定した。
なお、膜の形成は、チャンバ10内にN2を100sccmおよびArを2sccm供給するとともに、ガス圧が2Paになるように制御して行った。
実施例1、2および比較例1〜4の膜形成時間は10分または20分とした。成膜された膜厚は、膜形成時間が10分では約10nm、20分では約20nmである。一方、比較例5、6では基板ホルダ60を回転させていないので、膜形成時間は5分とした。
なお、Gaターゲット(第2ターゲット22)の温度(第2カソード52の温度)は、実施例1および比較例1〜4、5では20℃とし、実施例4では40℃に設定した。Gaは融点が29.8℃であるので、Gaターゲットは、温度が20℃のときは固体状態を保っているが、40℃のときは液体状態になっている。なお、Gaターゲット(第2ターゲット22)を20℃に設定しても、40℃に設定しても、結果に差はなかった。
一方、比較例5では、Inターゲット(第1ターゲット21)のみで成膜しているので、InNの膜が形成されている。同様に、比較例6では、Gaターゲット(第2ターゲット22)のみで成膜しているので、GaNの膜が形成されている。
膜の組成比(Ga濃度(1−x)およびIn濃度(x))、膜の表面の平坦性を示す表面凹凸および膜の結晶性を示すX線回折(XD)における回折ピークの半値幅、Inの回折ピーク(Inピーク)については、後述する図8〜図11の説明において詳述する。
比較例1を除いて、X線回折データを左に断面写真を右に、それぞれ組にして示している。比較例1ではX線回折データのみを示している。なお、X線回折データは、回折角(2θ)で20°から40°の範囲を示している。
一方、InNと同様のウルツァイト構造を有するGaN結晶(a=0.3186nm、c=0.5176nm)では、X線回折において、(0002)面から回折角(2θ)が34.5°の位置に回折ピークが現れる。
そして、組成が一様で結晶性が良いInxGa1−xNの化合物半導体の膜では、31.2°と34.5°との間に、(0002)面からの回折ピークを1つ有するX線回折データが得られる。一方、析出しやすいInが析出すると、金属相のInが混在して、InxGa1−xNからの回折ピークとInからの回折ピーク(回折角(2θ)が33°)とが現れる。
また、膜の結晶性が優れていると、回折ピークの半値幅は狭く、膜の結晶性が劣ると、回折ピークの半値幅が広くなる。さらに、膜がアモルファス状態であると、明瞭な回折ピークは得られない。
このように、X線回折データにより、膜の結晶性が判断できる。
図8(a)に示す実施例1の膜では、32°に1つの回折ピークが見られる。この回折角から、実施例1の膜の組成比はGa濃度(1−x)が0.21、In濃度(x)が0.79であると算出される。
そして、31.2°と34.5°との間の回折ピークが1つであって、回折ピークの半値幅(半分のピーク強度における回折角の差)が0.27°と小さいことから、結晶性に優れた膜が形成されていると判断できる。
さらに、TEMによる膜の断面像から、緻密で表面の凹凸が少なく、表面の平坦性に優れた膜となっていることが分かる。
そして、31.2°と34.5°との間の回折ピークが1つであって、回折ピークの半値幅が0.27°と小さいことから、結晶性に優れた膜が形成されていると判断できる。
また、TEMによる膜の断面像から、緻密で表面の凹凸が少なく、表面の平坦性に優れた膜となっていることが分かる。
図9(a)に示す比較例1の膜では、31.3°と33°とに2つの回折ピークが見られる。33°の回折ピークは、析出したInからの回折ピークである。そして、31.3°の回折角から、比較例1の膜の組成比は、Ga濃度(1−x)が0.10、In濃度(x)が0.90であると算出できる。
析出した金属相のInからの回折ピークが見られることから、比較例1では、InxGa1−xNの一様な膜が形成されているとは言えない。また、31.3°の回折ピークの半値幅は、0.45°であって、実施例1、2に比べて大きくなっている。
図9(b)に示す比較例2の膜では、32.2°に1つの回折ピークが見られる。この回折角から、比較例2の膜の組成比は、Ga濃度(1−x)が0.35、In濃度(x)が0.65と算出される。そして、31.2°と34.5°との間の回折ピークが1つであることから、一見結晶性に優れた膜が形成されているように見える。しかし、回折ピークの半値幅は0.43°と、実施例1、2に比べて大きくなっている。
そして、TEMによる膜の断面像を見ると、膜が柱状に成長し、その柱間に隙間が生じた状態(歯抜け状態)になっている。すなわち、比較例2の膜は、X線回折データからは結晶性に優れた膜のように見えるが、TEMによる膜の断面像から、表面に凹凸を有する膜であって表面の平坦性に劣ることが分かる。
膜の表面の平坦性が劣ると、その膜の上にさらに半導体層をエピタキシャル成長させて、半導体素子を形成することを困難にしてしまう。
図10(a)に示す比較例3の膜では、32.7°に1つの回折ピークが見られる。この回折角から、比較例3の膜の組成比は、Ga濃度(1−x)が0.45、In濃度(x)が0.55と算出される。そして、31.2°と34.5°との間の回折ピークが1つであることから、一見結晶性に優れた膜が形成されているように見える。しかし、回折ピークの半値幅は0.40°と、実施例1、2に比べて大きくなっている。
そして、TEMによる膜の断面像を見ると、比較例3と同様に、膜が柱状に成長し、その柱間に隙間が生じた状態(歯抜け状態)になっている。すなわち、比較例3の膜は、X線回折データでは結晶性に優れた膜のように見えるが、TEMによる膜の断面像から、表面に凹凸を有する膜であって表面の平坦性に劣ることが分かる。
そして、TEMによる膜の断面像を見ると、比較例1、2と同様に、膜が柱状に成長し、その柱間に隙間が生じた状態(歯抜け状態)になっている。すなわち、比較例4の膜は、X線回折データでは結晶性に優れた膜のように見えるが、TEMによる膜の断面像からは、表面に凹凸を有する膜であって表面の平坦性に劣ることが分かる。
図11(a)に示す比較例5の膜は、Inターゲット(第1ターゲット21)のみで膜が形成されているので、InNの膜である。
よって、回折角(2θ)31.2°に1つの回折ピークを有している。また、半値幅は0.27°である。
そして、TEMによる膜の断面像を見ると、実施例1、2と同様に、緻密で表面の凹凸が少なく、表面の平坦性に優れた膜となっていることが分かる。
同様に、図11(b)に示す比較例6の膜は、Gaターゲット(第2ターゲット22)のみで膜が形成されているので、GaNの膜である。
よって、回折角(2θ)34.5°に1つの回折ピークを有している。また、半値幅は0.33°である。
そして、TEMによる膜の断面像を見ると、実施例1、2と同様に、緻密で表面の凹凸が少なく、平坦性に優れた膜となっていることが分かる。
すなわち、InNである比較例5の膜、GaNである比較例6の膜は、結晶性に優れるとともに、緻密で表面の凹凸が少なく、表面の平坦性に優れた膜である。
なお、図7には、以上説明した実施例1、2および比較例1〜6のそれぞれの膜の平坦性を示す表面の凹凸(表面凹凸)およびX線回折データ(XD)における半値幅およびInの回折ピーク(Inピーク)の有無についての評価結果を示している。
図12では、Ga濃度(1−x)と基板110の温度(基板温度Ts)との関係において、5つの領域(α、β、γ、δ、ε)に分けている。
α領域は、境界線I(Ts(℃)=500×(1−x)+420)より基板温度Tsが大きい領域である。β領域は、境界線Iと境界線II(Ts(℃)=500×(1−x)+300)とで挟まれた基板温度Tsの領域である。γ領域は、境界線IIと境界線III(Ts(℃)=500×(1−x)+100)とで挟まれた基板温度Tsの領域である。δ領域は、境界線IIIと境界線IV(Ts(℃)=100〜150)とで挟まれた領域である。そして、ε領域は、境界線IVよりも基板温度Tsが低い領域である。
これに対し、X線回折データからは結晶性が良好に見えるが、TEMによる断面像による表面の平坦性が劣る比較例2〜4は、境界線Iと境界線IIとの間のβ領域にある。
そして、X線回折データにおいて、金属相のInからの回折ピークが見られる比較例1は、境界線Iより上のα領域にある。
すなわち、α領域では、金属相のInが出現し、一様なInxGa1−xNの膜が得られない領域である。一般に、金属相のInの出現は、400℃以上において見られるとされているが、図12に示すように、金属相のInが出現する温度の下限値は、膜の組成比によって変化し、Ga濃度(1−x)が高いほど、すなわちIn濃度(x)が低いほど、高くなっていく。
また、金属相のInが出現するとともに、InxGa1−xNからの回折ピークの半値幅もγ領域の膜に比べ大きく(具体的には、半値幅≧0.4°)、InxGa1−xNの結晶性も劣っている。
なお、析出した金属相のInによる回折ピークは見られないが、InxGa1−xNからの回折ピークの半値幅はγ領域の膜に比べ大きく(具体的には、半値幅≧0.4°)、InxGa1−xNの結晶性も劣っている。
このため、γ領域の膜は、表面の凹凸も少なく、この上に半導体層をエピタキシャル成長させる膜として好ましい。
このため、δ領域の膜は、この上に半導体層をエピタキシャル成長させる膜として好ましくない。
このため、ε領域の膜は、この上に半導体層をエピタキシャル成長させる膜として好ましくない。
前述したように、β領域では、基板温度Tsが高いために、結晶の成長する方向が基板110に対して垂直な方向となって、膜の表面に凹凸を生じてしまっている。
このことから、化合物半導体(InxGa1−xN)の成膜において、化合物半導体(InxGa1−xN)の回折ピークのみが見られる基板110の上限の温度より、120℃より低い温度を上限とすることが好ましい。
境界線Iと境界線IIとの差を一例として120℃としたが、100℃以上且つ150℃以下であればよい。
インジウム(In)の金属相があるかないかの境界を境界線Iに示す。そして、金属相が混じっていない状態でも基板温度Tsが高いと、比較的エネルギーの高い結晶面である(0002)面が優先的に成長するため、横方向の成長が抑制され、表面が凹凸状態の膜が形成される。このような表面形状を呈するか呈しないかの境界が境界線IIとなり、これより低い基板温度Tsでは平滑な面を示し、インジウム(In)の金属相も示さない。境界線IIIより低い基板温度Tsでは結晶性も悪くなり、さらに境界線IVより基板温度Tsが低いとアモルファス化が進み、半導体の材料としての特性を示すことがなくなる。
そして、この基板温度Tsに対する境界線I、II、IIIは、Ga濃度(1−x)に対して、図12に示したように、直線で近似できる。
すなわち、基板温度Tsの上限値Tuは、Tu(℃)=500×(1−x)+300であって、基板温度Tsの下限値Tlは、Tl(℃)=500×(1−x)+100である。
さらに、本発明は電子デバイスに適用することも可能である。
Claims (12)
- 基板上にn型半導体およびp型半導体を含むように積層して構成された半導体素子の製造方法であって、
異なるIII族元素による少なくとも2つのターゲットを、V族元素を含むガスによりスパッタリングして、III−V族の化合物半導体の膜を、当該化合物半導体の組成比に対応させて前記基板の温度を設定し、当該基板上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記化合物半導体は、前記少なくとも2つのターゲットのそれぞれに供給されるスパッタリング電力により当該化合物半導体の組成比が設定されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記基板の温度は、X線回折において、前記少なくとも2つのターゲットのそれぞれ一方のターゲットをスパッタリングして形成されたそれぞれの化合物半導体の回折ピークが得られる回折角の範囲において、当該少なくとも2つのターゲットをスパッタリングして形成された化合物半導体から組成比により決まる回折ピークのみが得られる上限の温度より、予め定められた値だけ低く設定されることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記III族元素はインジウム(In)とガリウム(Ga)とであって、前記V族元素は窒素(N)であって、前記化合物半導体はInxGa1−xN(0<x<1)であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記予め定められた値は、100℃以上且つ150℃以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記InxGa1−xNの膜の形成における前記基板の温度の上限値Tuは、
Tu(℃)=500×(1−x)+300
であることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記InxGa1−xNの膜の形成における前記基板の温度の下限値Tlは、
Tl(℃)=500×(1−x)+100
であることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。 - 所望のインジウム(In)の組成比xの前記化合物半導体を得るために、前記インジウム(In)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P1および前記ガリウム(Ga)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P2は、当該化合物半導体の当該インジウム(In)の組成比xと当該インジウム(In)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P1および当該ガリウム(Ga)のターゲットに供給されるスパッタリング電力P2との間にある近似的な関係式から設定されることを特徴とする請求項4ないし7のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記基板は、前記少なくとも2つのターゲットのそれぞれに対向する位置に交互に設置されることにより、前記化合物半導体の膜が形成されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記基板は、サファイア、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化亜鉛(ZnO)、石英または非晶質固体(ガラス)のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記少なくとも2つのターゲットの間に、当該少なくとも2つのターゲットのいずれかのターゲットから飛来する粒子が他のターゲットに付着するのを抑制する遮蔽部材を備えることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体素子が、半導体発光素子または半導体受光素子であることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
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