JP2013225593A

JP2013225593A - ガス精製装置

Info

Publication number: JP2013225593A
Application number: JP2012097047A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sato; 義浩佐藤
Original assignee: Advanced Power Device Research Association
Current assignee: Advanced Power Device Research Association
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-31

Abstract

【課題】半導体製造時に使用されるガスの純度を向上し、高耐圧の電子デバイスを作製することができる半導体製造装置用ガス精製装置を提供する。
【解決手段】ガス精製装置１は、半導体製造装置３に供給されるガスを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１内に配置され、該チャンバ内のガスを熱処理する熱処理部１２と、チャンバ１１内のガスが所定温度となるように、熱処理部１２に供給される電力を制御する制御部１３とを備えている。制御部１３は、熱処理部１２と電気的に接続されており、該熱処理部に電力を供給する。また、制御部１３には、熱処理部１２の近傍に配置された温度センサ１４が接続されており、この制御部１３は、温度センサ１４からの電気信号に基づいて、熱処理部１２に供給する電力をフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置に導入されるガスを精製するガス精製装置に関し、特に、処理対象となるガスからシリコン成分を除去することが可能なガス精製装置に関する。

従来、ＧａＮをはじめとしたＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＬＥＤ、ＬＤ、パワーデバイス等の種々の材料として広く使用されている。ＩＩＩ族半導体の原料としては、有機金属（例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム）、Ｖ族半導体の原料としては、例えばアンモニアが使われている。Ｖ族半導体の原料として使用されるアンモニアは、半導体材料としては純度が低く、不純物として水分などが含まれているため、この不純物を除去可能なアンモニア精製装置が提案されている（特許文献１）。

また、ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長させる場合、通常、キャリアガスとして窒素が使われている。従来のＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体ではキャリアガスとして、水素が多用されていた。これはパラジウム内の水素拡散を用いて、本質的に高純度化が図れる為である。しかし、窒素においてはそのような本質的に高純度化できる精製器が存在せず、酸素や水分を除去するにとどまっている。

そのため、アンモニアや窒素中には、水分のみならず、シリコン化合物などが含まれており、そのような不純物を含有したガスを使ってＧａＮを成長させると、ドーピング源を添加していないにもかかわらず、ＧａＮ中には１〜１０×１０¹⁶cm^-3程度のシリコン成分（Ｓｉ）が検出される。これは、ＧａＮにおいてはシリコン成分のドーピング効率が高く、分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）などでシリコン成分が検出されなくても、アンモニアを大量に流すのでＧａＮ中にシリコン成分が入ってしまうと考えられる。特に、濃度１〜１０×１０¹⁶cm^-3のシリコンは、パワーデバイスにおいては十分高いドーピング濃度となってしまい、耐圧などの特性を劣化させる原因となっていた。

特開２００４−１４２９８７号公報

しかしながら、従来の技術では、アンモニア中のシリコン不純物を効率的に除去できる方法や装置が無く、Ｖ族半導体の原料であるアンモニアは、従来のＧａＡｓにおけるＡｓＨ_３やＩｎＰにおけるＰＨ_３に比べて数十〜数百倍多く使用される。アンモニアの流量がＡｓＨ_３、ＰＨ_３の流量に比べて非常に多いため、アンモニアに含まれる不純物の比率が微量であってもその総量は多くなり、この結果、多量の不純物が結晶の中に入り込み、結晶中のＳｉ濃度が高すぎてしまうという問題がある。従来、アンモニア精製機を用いて、酸素や水分を金属面で反応させて除去する方法が提案されてはいるが、シリコン化合物を吸着・除去できる方法は提案されていない。

また、近年、キャリアガスとして従来あまり使用されていなかった窒素も使用されており、窒素に含有される不純物により、アンモニアの場合と同様の現象が起きていると考えられる。ドーピング濃度と耐圧の関係はトレードオフの関係にあることが知られており、純度の低いキャリアガスを使用していては、高耐圧のデバイスを作製できないという問題点があった。

本発明の目的は、半導体製造時に使用されるガスの純度を向上し、高耐圧の電子デバイスを作製することができるガス精製装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のガス精製装置は、基板に半導体層を形成する半導体製造装置に接続され、該半導体製造装置にガスを供給するガス精製装置であって、前記半導体製造装置の上流に配置され、該半導体製造装置にガスを導入するためのチャンバと、前記チャンバ内に配置され、該チャンバ内のガスを熱処理する熱処理部と、前記チャンバ内のガスが半導体の結晶成長温度以上となるように、前記熱処理部に供給される電力を制御する制御部と備えることを特徴とする。

また、前記半導体製造装置は、化学的気相成長法、ドライエッチングおよびスパッタリングのいずれかを実行する装置であってもよい。

前記ガスは、アンモニア、窒素、アルゴン、ヘリウムおよびキセノンのいずれかであってもよい。

前記半導体製造装置は、基板にＩＩＩ族窒化物層を成長させる装置であるのが好ましい。

また、前記半導体製造装置は、ＭＯＣＶＤ法により基板にＩＩＩ族窒化物層を成長させる装置であるのが好ましい。

さらに、本発明の製造方法は、上記ガス精製装置を用いて半導体を製造することを特徴とするものである。

さらに、本発明の半導体素子は、上記製造方法により製造されることを特徴とする。

また、前記半導体素子がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体であるのが好ましい。

本発明によれば、制御部が、チャンバ内のガスが半導体の結晶成長温度以上となるように、熱処理部に供給される電力を制御する。ガスを上記温度で熱処理することで、当該ガスに含まれるシリコン成分を予め除去することができる。そして熱処理されたガスを半導体製造装置内に供給するので、結晶成長時に使用されるキャリアガスの純度を向上させることができ、高耐圧の電子デバイスを作製することができる。

本発明の実施形態に係る半導体製造装置用ガス精製装置の構成を示す図である。図１の半導体製造装置用ガス精製装置から供給されたアンモニアガスを用いて製造した半導体素子の構成を示す。図１の半導体製造装置用ガス精製装置の変型例を示す図である。図１の半導体製造装置用ガス精製装置の他の変型例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るガス精製装置の構成を示す図である。

図１において、ガス精製装置１は、ガスボンベ等のガス供給部２の下流側であり且つ半導体製造装置３の上流側に配置されている。ガス供給部２は、基板に半導体層を形成する際に使用される所定のガス、例えばアンモニア、窒素、アルゴン、ヘリウム、キセノン等をガス精製装置１に供給するものであり、ガス精製装置１の後述するチャンバと供給路４にて接続されている。半導体製造装置３は、例えば化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を実行する装置であり、ガス精製装置１の後述するチャンバと供給路５にて接続されている。この半導体製造装置３では、所定のキャリアガス環境下にて、基板Ｓに半導体層が形成される。

ガス精製装置１は、半導体製造装置３に供給されるガスを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１内に配置され、該チャンバ内のガスを熱処理する熱処理部１２と、チャンバ１１内のガスが所定温度となるように、熱処理部１２に供給される電力を制御する制御部１３とを備えている。

チャンバ１１は、ステンレス製あるいはアルミニウム合金製であり、不図示のポンプにてチャンバ内を減圧することが可能となっている。上記所定のガスの導入前にチャンバ１１内を減圧することで、該チャンバ１１内から不純物を除去することが可能となっている。

熱処理部１２は、例えば高純度ＳｉＣからなるヒーターであり、該ヒーターからの熱伝達によりチャンバ１１内のガスが加熱される。この熱処理部１２はチャンバ１１内を１５００℃程度まで昇温することが可能となっている。

制御部１３は、熱処理部１２と電気的に接続されており、該熱処理部に電力を供給する。また、制御部１３には、熱処理部１２の近傍に配置された温度センサ１４が接続されており、この制御部１３は、温度センサ１４からの電気信号に基づいて、熱処理部１２に供給する電力をフィードバック制御する。このように熱処理部１２への電力供給が制御されることで、チャンバ１１内のガスが設定温度に維持される。上記フィードバック制御としては、Ｈｉ−Ｌｏ−Ｏｆｆ制御やＰＩＤ制御等の各種制御方式を採用することが可能である。

一般に、半導体製造装置で実行されるＭＯＣＶＤ法において、ＧａＮの成長温度は、例えば１０００℃程度であり、当該温度でアンモニアガス中に不純物として存在するシリコン化合物は、分解してＧａＮの結晶に取り込まれる。このシリコン化合物が不純物としてＧａＮ結晶に取り込まれると、耐圧性などのデバイス特性が劣化する原因となっている。

そのため本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法の実行前に、ガス精製装置１にてアンモニアガスをＧａＮの結晶成長温度と同じかそれより高い温度に加熱し、アンモニアガスからシリコン化合物を分解して除去する。アンモニアガスは、分解率が低いためほとんど分解されることなく半導体製造装置３に導入される。

図２は、上記ガス精製装置１から供給されたガスを用いて、半導体製造装置３にて作製された半導体素子の一例を示す断面図である。

図２において、半導体素子４０は、基板４１と、該基板の一方の面に積層されたｎ＋ＧａＮ層４２と、該ｎ＋ＧａＮ層上の一部分に積層されたｎ−ＧａＮ層４３と、ｎ−ＧａＮ層４３上に積層されたｐ＋ＧａＮ層４４と、ｐ＋ＧａＮ層４４の表面に形成されたｐ型電極４６と、ｐ型電極４６の周りに形成された絶縁層４５と、ｎ＋ＧａＮ層４２の表面であってｎ−ＧａＮ層４３が形成されていない他の部分に形成されたｎ型電極４７と、上記複数のＧａＮ層によって形成された積層体の外表面を保護する保護層４８とを有している。

上述のように、アンモニアガスはガス精製装置１にて結晶成長温度と同じ１０００℃かそれ以上の温度まで昇温され、この昇温されたアンモニアガスが、半導体製造装置３に供給される。ガス精製装置１にてアンモニアガスを上記温度まで予熱すると、アンモニアガスからシリコン成分が除去されるため、半導体製造装置３では、シリコン成分のより少ないアンモニアガスの環境下でｎ−ＧａＮ層４３が形成される。本方法によれば、ｎ−ＧａＮ層４３における残留シリコン濃度は、好ましくは１×１０¹⁵cm^-3以下となる。パワーデバイスを作製する場合、残留シリコン濃度が１×１０¹⁵cm^-3以下であれば、耐圧性の観点で問題になることはない。

本実施形態によれば、制御部１３が、チャンバ１１内のアンモニアガスが半導体の結晶成長温度以上となるように、熱処理部１２に供給される電力を制御する。アンモニアガスを上記温度で熱処理することで、当該ガスに含まれるシリコン成分が予め除去される。そして熱処理後のアンモニアガスを半導体製造装置３内に供給するので、結晶成長時に使用されるキャリアガスの純度を向上させることができ、この結果、ｎ−ＧａＮ層４３中のシリコン成分の濃度を低くすることができる。したがってドリフト層の耐圧を向上させることができ、高耐圧の電子デバイスを作製することができる。

上記実施形態では、半導体製造装置３はＭＯＣＶＤを実行する装置であるが、これに限らず、ドライエッチングあるいはスパッタリングを実行する装置であってもよい。

また、図３に示すように、加熱されたアンモニアを効率的に冷却するためにガス精製装置１の後に冷却装置２０を設けても良い。また、効率的な加熱と冷却を行うために、冷却装置２０に熱交換器を用いても良い。

図４に示すように、発生するダストを除去する為に、ガス精製装置１の下流側にフィルタ３０を配置してもよい。本構成によれば、ガス精製装置１にて熱処理されたガスから埃などの不純物を除去することができ、不純物のより少ないガスを半導体製造装置３に導入することができる。

また上記実施形態では、熱処理部１２は高純度ＳｉＣからなるヒーターであるが、これに限らず、使用するガスと反応しない材料であればよく、例えば高純度カーボンが使用できる。

更に、熱処理部１２はヒーターであるが、ガスを加熱することが可能な他の方法を採用することも可能であり、例えばプラズマ、誘導加熱あるいは赤外線を用いてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。

先ず、ステンレス製のチャンバ内に高純度ＳｉＣからなるヒーターを配設した。ヒーター近傍には熱電対を配置し、チャンバ内のアンモニアガス温度が設定温度となるように制御した。設定温度は結晶成長温度と同じ１０５０℃とした。そして、チャンバ内にアンモニアガスや窒素ガスを供給して上記設定温度まで加熱し、加熱処理したアンモニアガスをＭＯＣＶＤ装置に導入して、結晶成長を行った。

ＭＯＣＶＤ装置では、アンモニアガスを、流量３５slm、ＴＭＧａ１５０sccm、圧力３００Torrで供給し、キャリアガスとして水素、窒素を６：１とした混合ガスを１２０slmで供給し、成長温度１０５０℃で結晶成長させた。このときの成長速度は２．３μｍ／ｈであった。本実施例では、基板にサファイヤを用いた。

次に、セクター型ＳＩＭＳを用いて、結晶成長により形成されたＧａＮ層内の残留Ｓｉを分析した。その結果、ガス精製装置を介さずにガスボンベから直接アンモニアガスを供給した場合には、ＧａＮ層から５〜１０×１０¹⁶cm^-3程度のＳｉが検出されたのに対し、ガス精製装置を介してアンモニアガスを供給した場合には、ＧａＮ層から１×１０¹⁵cm^-3以下のＳｉが検出された程度であった。

この結果に基づき、上記装置を用いてＧａＮ層の積層体を形成した。すなわち、Ｓｉ濃度が５×１０^１５cm^-3である厚さ１００μｍのＧａＮ層を形成し、その後、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰cm^-3である厚さ１μｍのｐ＋ＧａＮ層を形成した。このｐ＋ＧａＮ層を形成する際のドーピングガスとしては、Ｃｐ２Ｍｇ（ビス−シクロペンタジエニルマグネシウム）を使用した。
次に、以下に示す（１）〜（６）のプロセスにて半導体素子を作製した。
（１）ｐ＋ＧａＮ層の表面に、厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ_２層をＰＥＣＶＤ法にて成膜した。
（２）ｐ型電極領域となる直径１５０μｍの円形パターンにて開口部を形成した。ＳｉＯ_２を除去するためにフォトリソグラフィーでパターンニングして、緩衝フッ酸で開口した。
（３）ｎ型電極領域として、該当部分をｎ＋ＧａＮ層が露出するまでドライエッチングした。そしてエッチングマスクとして厚さ２０００ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。エッチングマスクはフォトリソグラフィーと緩衝フッ酸により形成した。
（４）上記開口部に直径１９０ｕｍの円形パターンにてｐ型電極を形成した。真空蒸着法とリフトオフ法でｐ型電極Ｎｉ／Ａｕ＝１０／１０ｎｍを形成し、常圧の酸素１００％雰囲気下で、５００℃、１０分間で熱処理を行った。
（５）その後、ドライエッチングした領域に、ｎ型電極Ｔｉ／Ａｌ＝２５ｎｍ／５００ｎｍをスパッタ法とリフトオフ法で形成し、常圧の窒素雰囲気下で６００℃、１０分間で熱処理を行った。
（６）保護膜としてＰＥＣＶＤ法にて厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜したのち、電極領域をフォトリソグラフィーと緩衝フッ酸にて形成した。

このようにして作製された半導体素子の耐圧を測定すると、ガス精製装置を用いた場合には１６００Ｖに達したのに対し、ガス精製装置を用いない場合の耐圧は３００Ｖであった。したがって、本発明によれば、ＧａＮ層におけるＳｉ濃度を低くすることができ、高耐圧の半導体素子を作製できることが分かった。

１ガス精製装置
２ガス供給部
３半導体製造装置
４供給路
１１チャンバ
１２熱処理部
１３制御部
１４温度センサ
２０冷却装置
３０フィルタ
４０半導体素子
４１基板
４２ｎ＋ＧａＮ層
４３ｎ−ＧａＮ層
４４ショットキー電極
４５オーミック電極

Claims

基板に半導体層を形成する半導体製造装置に接続され、該半導体製造装置にガスを供給するガス精製装置であって、
前記半導体製造装置の上流に配置され、該半導体製造装置にガスを導入するためのチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、該チャンバ内のガスを熱処理する熱処理部と、
前記チャンバ内のガスが半導体の結晶成長温度以上となるように、前記熱処理部に供給される電力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするガス精製装置。
前記半導体製造装置が、化学的気相成長法、ドライエッチングおよびスパッタリングのいずれかを実行する装置であることを特徴とする請求項１記載のガス精製装置。
前記ガスが、アンモニア、窒素、アルゴン、ヘリウムおよびキセノンのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載のガス精製装置。
前記半導体製造装置は、基板にＩＩＩ族窒化物層を成長させる装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス精製装置。
前記半導体製造装置は、ＭＯＣＶＤ法により基板にＩＩＩ族窒化物層を成長させる装置であることを特徴とする請求項４記載のガス精製装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体製造装置用ガス精製装置を用いて半導体を製造することを特徴とする製造方法。
請求項６記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体素子。
前記半導体素子がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする、請求項７記載の半導体素子。