JP2013187366A - 窒化物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成長の再現性が高く、窒化物半導体層の結晶性の劣化を抑えつつ、製造時間を短縮することができる窒化物半導体の製造方法を提供する。
【解決手段】サファイア又は炭化珪素からなる下地基板を成長装置内にセットする準備工程と、前記下地基板を前記成長装置内にセットした状態で前記成長装置内をクリーニングするクリーニング工程と、前記クリーニング工程の後に連続して前記下地基板上にバッファ層と窒化物半導体層とを順次成長させる成長工程と、を備え、前記クリーニング工程を９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で実施し、前記成長工程における前記バッファ層の成長を９００℃以上の温度範囲で実施するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、サファイア又は炭化珪素からなる下地基板上に窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法に関するものである。

窒化物半導体は、高輝度の紫外光や青色光等を発光する発光ダイオード、又は高出力用途の高電子移動度トランジスタ等の材料として広く用いられている。

この窒化物半導体を製造する方法としては、図３に示すように、サファイア又は炭化珪素からなる下地基板１００上にバッファ層１０１を成長させ（図３（ａ））、そのバッファ層１０１上に窒化物半導体層１０２を成長させる（図３（ｂ））方法や、図４に示すように、サファイア又は炭化珪素からなる下地基板１００上に低温成長バッファ層１０３を成長させ（図４（ａ））、その低温成長バッファ層１０３を単結晶核１０４とし（図４（ｂ））、その単結晶核１０４上に窒化物半導体層１０２を成長させる（図４（ｃ））２段階成長を用いた方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

前者の方法は、図５に示すように、成長装置内を室温から１２００℃程度まで昇温して成長装置内に堆積した不要な堆積物を除去するクリーニング工程ｅと、成長装置内を室温まで降温して下地基板１００を成長装置内にセットする準備工程ｆと、成長装置内を再び室温から１１００℃程度まで昇温して下地基板１００上にバッファ層１０１と窒化物半導体層１０２とを順次成長させて窒化物半導体を製造する成長工程ｇと、成長装置内を再び室温まで降温して窒化物半導体を成長装置内から取り出す事後工程ｈと、を備え、これを繰り返すことにより連続的に窒化物半導体を製造する。

これに対し、後者の方法は、図６に示すように、成長装置内を室温から１２００℃程度まで昇温して成長装置内に堆積した不要な堆積物を除去するクリーニング工程ｉと、成長装置内を室温まで降温して下地基板１００をセットする準備工程ｊと、成長装置内を１２００℃程度まで昇温して下地基板１００表面をクリーニングする工程ｋと、成長装置内を５００℃程度まで降温して下地基板１００上に低温成長バッファ層１０３を成長させる第１の成長工程ｌと、再び成長装置内を５００℃程度から１１００℃程度まで昇温して低温成長バッファ層１０３上に窒化物半導体層１０２を成長させる第２の成長工程ｍと、を備え、これを繰り返すことにより連続的に窒化物半導体を製造する。

これら方法において、クリーニング工程ｅ，ｉを実施するのは、成長装置内に不要な堆積物が堆積した状態で次の成長を行うと、この堆積物が蒸発して成長前の下地基板１００に付着し、表面欠陥の原因となるためである。

このクリーニング工程ｅ，ｉは、塩化水素、塩素、水素、又はこれらの混合ガスからなるエッチング性ガスを、窒素等のキャリアガスと共に成長装置内に導入し、成長装置内に堆積した不要な堆積物を除去することにより行う。

特開２００８−１５３３８２号公報

ところが、前者の方法では、クリーニング工程とその前後の昇降温時間が生産性を低下させる原因となっている。不要な堆積物が堆積した治具を別のベーキング装置でクリーニングすることで、成長装置でのクリーニング工程を無くす方法もあるが、この場合には、成長装置と別にベーキング装置の購入が必要となりコストが嵩むことになる。また、窒化物半導体を成長させる度に成長装置内の治具を設置し直すため、成長の再現性が取りにくいという欠点がある。

一方、後者の方法では、上記に加えて基板クリーニング工程ｋの後、低温成長バッファ層を成長させる際に、成長装置内の温度を５００℃程度まで低下させる必要があり、その前後の昇降温時間が更に生産性を低下させることになる。加えて、この温度域では成長装置内に残留している塩素（エッチング性ガスに含有されているもの）が下地基板表面に付着するため、その上に低温成長バッファ層を介して窒化物半導体層を成長させるとその結晶が劣化してしまうという問題もある。

そこで、本発明の目的は、成長の再現性が高く、窒化物半導体層の結晶性の劣化を抑えつつ、製造時間を短縮することができる窒化物半導体の製造方法を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、サファイア又は炭化珪素からなる下地基板を成長装置内にセットする準備工程と、前記下地基板を前記成長装置内にセットした状態で前記成長装置内をクリーニングするクリーニング工程と、前記クリーニング工程の後に連続して前記下地基板上にバッファ層と窒化物半導体層とを順次成長させる成長工程と、を備え、前記クリーニング工程を９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で実施し、前記成長工程における前記バッファ層の成長を９００℃以上の温度範囲で実施する窒化物半導体の製造方法である。

前記バッファ層を窒化アルミニウムで形成し、前記窒化物半導体層を窒化ガリウムで形成すると良い。

前記クリーニング工程と前記成長工程との間に、前記成長装置内に不活性ガスを導入してパージを行うパージ工程を実施すると良い。

前記クリーニング工程では、塩化水素又は塩素からなるエッチング性ガスを、水素、窒素、又は水素と窒素とを混合したキャリアガスと共に前記成長装置内に導入すると良い。

前記クリーニング工程は、前記成長装置内に窒化物半導体層からなる堆積物が付着した状態でのみ実施すると良い。

前記成長工程は、有機金属気相成長法又はハイドライド気相成長法により実施すると良い。

本発明によれば、成長の再現性が高く、窒化物半導体層の結晶性の劣化を抑えつつ、製造時間を短縮することができる窒化物半導体の製造方法を提供することができる。

本発明に係る窒化物半導体の製造方法における温度シーケンスを示す図である。 クリーニング時間と欠陥数の関係を示す図である。 一般的な窒化物半導体の製造方法を示す図である。 一般的な窒化物半導体の製造方法を示す図である。 図３の窒化物半導体の製造方法における温度シーケンスを示す図である。 図４の窒化物半導体の製造方法における温度シーケンスを示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法は、サファイア又は炭化珪素からなる下地基板を成長装置内にセットする準備工程ａと、下地基板を成長装置内にセットした状態で成長装置内をクリーニングするクリーニング工程ｂと、クリーニング工程ｂの後に連続して下地基板上にバッファ層と窒化物半導体層とを順次成長させる成長工程ｄと、を備え、クリーニング工程ｂを９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で実施し、成長工程ｄにおけるバッファ層の成長を９００℃以上の温度範囲で実施することを特徴とする。

なお、本明細書において「連続」とは、基板を成長装置内にセットしたままの状態で次の工程に進むことを言う。

なお、クリーニング工程ｂ、後述するパージ工程ｃ、及び成長工程ｄは図１に示すように同一の温度で実施するのが生産性の観点からは好ましいが、前述の条件を満たすのであれば、これらの温度は変化があっても構わない。

準備工程ａでは、最初の成長においてはサセプタ等に新たな下地基板をセットし、２回目以降の成長においては先の成長で得られた窒化物半導体を成長装置内から取り出すと共にサセプタ等に新たな下地基板をセットするようにする。下地基板の径は、２インチ以上８インチ以下が好ましく、その表面はＣ面又はＣ面から１度以下の角度で微傾斜した面であるのが好ましい。

クリーニング工程ｂでは、塩化水素又は塩素からなるエッチング性ガスを、水素、窒素、又は水素と窒素とを混合したキャリアガスと共に成長装置内に導入し、成長装置内に堆積した不要な堆積物を除去して、成長装置内をクリーニングする。このとき、例えば、エッチング性ガスを０．１〜１Ｌ／分、キャリアガスを１０Ｌ／分の混合比で導入する。

このクリーニング工程ｂは、下地基板と、窒化物半導体層からなる不要な堆積物との材質が違うことを利用して、成長装置内に堆積した不要な堆積物を選択エッチングするものである。なお、クリーニング工程ｂは、最初の成長時には成長装置内に不要な堆積物が堆積していないであろうから、これが堆積している場合を除いては２回目以降にのみ実施すれば良い。

クリーニング工程ｂを９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で実施するのは、９００℃未満の温度範囲では、成長装置内に導入している塩素（エッチング性ガスに含有されているもの）が下地基板表面に付着する。その上にバッファ層を介して窒化物半導体層を成長させると、この付着した塩素からなる異物が核となって欠陥が導入され、これらの結晶が劣化するためである。また、１２００℃より高い温度範囲では、成長前の下地基板表面がエッチング性ガスによってエッチングされ、下地基板表面に１０μｍ以上の凹凸が増加するため、その上に成長させる窒化物半導体層の表面平坦性が劣化して、デバイスに応用可能な窒化物半導体を得ることができないからである。

また、クリーニング工程ｂは、少なくとも２分以上実施することが好ましい。図２から分かるように、クリーニング工程ｂを２分以上実施することで、その後得られる窒化物半導体ウェハの欠陥数が１ウェハ（６インチ）当たり６個以下となり、成長装置内に堆積物が堆積していない状態で窒化物半導体を成長させた場合と同等又はそれ以上に結晶性の良い窒化物半導体ウェハを得られるからである。

成長工程ｄは、一般的に良く用いられるように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）又はハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により実施すると良い。なお、本実施の形態では、バッファ層を窒化アルミニウムで形成し、窒化物半導体層を窒化ガリウムで形成することとする。バッファ層の厚さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、窒化物半導体層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。このとき、成長工程ｄにおけるバッファ層の成長を９００℃以上の温度範囲で実施する。９００℃未満の温度範囲であると、成長装置内に残留（炉内やサセプタ等に付着）している塩素が下地基板表面に付着するため、その上にバッファ層を介して窒化物半導体層を成長させるとその結晶が劣化するためである。

なお、クリーニング工程ｂと成長工程ｄとの間に、成長装置内に水素や窒素等の不活性ガスを導入してパージを行うパージ工程ｃを１分程度実施することが好ましい。これは、クリーニング工程ｂの後に成長装置内に残留しているエッチング性ガスを極力排出し、成長装置内を清浄にすることができ、後の成長工程ｄで好適な成長が行えるからである。

これらの工程ａ，ｂ，ｃ，ｄは、例えば、５０〜８００Ｔｏｒｒ（６６６５〜１０６６４０Ｐａ）の圧力下で行われる。また、窒化物半導体を連続して製造する際には、これら工程ａ，ｂ，ｃ，ｄを繰り返す。

この窒化物半導体の製造方法により得られる窒化物半導体は、図３で示したものと同様の構成となる。即ち、下地基板１００上に、バッファ層１０１と窒化物半導体層１０２とが順次成長された構造となる。

これまで説明した窒化物半導体の製造方法によれば、温度シーケンスを見れば明らかなように、クリーニング工程ｂ、パージ工程ｃ、及び成長工程ｄにおける温度変化が小さく、昇降温時間が短くて済むため、従来に比べて製造時間を短縮でき、窒化物半導体の生産性を向上させることができる。

また、成長装置と別にベーキング装置等を用意する必要がないため、無駄なコストが掛かることはないし、窒化物半導体を成長させる度に成長装置内の治具を設置し直す必要もないため、成長の再現性が取り易い。

更に、クリーニング工程ｂ、パージ工程ｃ、及び成長工程ｄを連続して行っているため、先の成長で得られた窒化物半導体の取り出しと新たな下地基板の設置を同時に行うことができ、製造時間を短縮することができると共に、３つの工程を実施する温度範囲が略同一であるため、昇降温時間が短くて済み、窒化物半導体の生産性を向上させることができる。

また、低温成長バッファ層を用いないため、成長装置内に残留している塩素が下地基板表面に付着し、その上にバッファ層を介して成長される窒化物半導体層の結晶性が劣化することはない。

よって、本発明によれば、成長の再現性が高く、下地基板表面の劣化や窒化物半導体層の結晶性の劣化を抑えつつ、製造時間を短縮することができる窒化物半導体の製造方法を提供することができる。

１００ 下地基板
１０１ バッファ層
１０２ 窒化物半導体層
１０３ 低温成長バッファ層
１０４ 単結晶核

Claims (6)

1. サファイア又は炭化珪素からなる下地基板を成長装置内にセットする準備工程と、
   前記下地基板を前記成長装置内にセットした状態で前記成長装置内をクリーニングするクリーニング工程と、
   前記クリーニング工程の後に連続して前記下地基板上にバッファ層と窒化物半導体層とを順次成長させる成長工程と、
   を備え、
   前記クリーニング工程を９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で実施し、前記成長工程における前記バッファ層の成長を９００℃以上の温度範囲で実施することを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
2. 前記バッファ層を窒化アルミニウムで形成し、前記窒化物半導体層を窒化ガリウムで形成する請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
3. 前記クリーニング工程と前記成長工程との間に、前記成長装置内に不活性ガスを導入してパージを行うパージ工程を実施する請求項１又は２に記載の窒化物半導体の製造方法。
4. 前記クリーニング工程では、塩化水素又は塩素からなるエッチング性ガスを、水素、窒素、又は水素と窒素とを混合したキャリアガスと共に前記成長装置内に導入する請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
5. 前記クリーニング工程は、前記成長装置内に窒化物半導体層からなる堆積物が付着した状態でのみ実施する請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
6. 前記成長工程は、有機金属気相成長法又はハイドライド気相成長法により実施する請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。