JP2017108126A - Ｉｉｉ 族窒化物半導体装置の製造方法および半導体ウエハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶性に優れたIII族窒化物半導体を比較的低温で製造することを図ったIII族窒化物半導体装置の製造方法及び半導体ウエハの製造方法を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体装置の製造方法は、基板Ｓａ１にIII族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、III族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して基板Ｓａ１に供給するとともにIII族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板Ｓａ１に供給して、下地層の上にIII族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、を有する。【選択図】図２
Description
本明細書の技術分野は、電子移動度の高いIII 族窒化物半導体装置とその製造方法に関する。
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、絶縁破壊電界の強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
例えば、電子走行層としてＧａＮを用い、電子供給層としてｎ−ＡｌＧａＮを用いるＨＥＭＴ素子が開発されている（特許文献１の段落［０００２］および図２等参照）。
ところで、ＧａＮの電子移動度の理論値は３０００ｃｍ2 ／Ｖｓ程度である。そのため、ＧａＮの電子移動度は、Ｓｉの電子移動度よりも速いが、Ｇｅの電子移動度と同等である。さらには、ＧａＮの電子移動度は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの電子移動度よりも遅い。また、実験で得られるＧａＮの電子移動度は２０００ｃｍ2 ／Ｖｓにとどまっている。
一方、ＩｎＮの電子移動度の理論値が１４０００ｃｍ2 ／Ｖｓであるとする最近の研究結果がある。これは、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層が、高速高周波デバイスのチャネル層として有望であることを示唆している。しかし、通常のＧａＮ結晶を成長させる高温下では、Ｉｎは、III 族窒化物半導体層から離脱しやすい。つまり、Ｉｎ濃度が高く結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を成長させることは、非常に困難である。
そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、特許文献２のようなＲａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＲＥＭＯＣＶＤ法）を開発した。ＲＥＭＯＣＶＤ法では、例えば２００℃程度の低温で半導体層を成長させることができる。そのため、ＲＥＭＯＣＶＤ法は、ＩｎＮ層を成長させる方法であるとともに量産可能な方法である。
このように、ＲＥＭＯＣＶＤ法は、高速高周波デバイスを製造するために有用な方法である。しかし、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いて半導体層を成長させる場合に、ＩｎＮやその他のIII 族窒化物半導体の結晶性をさらに向上させることが望ましい。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を比較的低温で製造することを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造方法および半導体ウエハの製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給して、下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、を有する。
このIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる。そして、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた下地層の上に、III 族窒化物半導体層を成膜する。III 族窒化物半導体層を成膜するにあたって、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化せずに、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化する。これにより、結晶性に優れた半導体層を低温で成膜することができる。つまり、Ｉｎ濃度の高い半導体層を高い品質で成膜できる。したがって、このIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、高速高周波用のデバイスの製造に好適である。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を有する。バッファ層形成工程は、吸着工程および上層形成工程を有する。そして、吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを成長基板に吸着させ、上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層を形成する。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、を有する。チャネル層形成工程は、吸着工程および上層形成工程を有する。吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層に吸着させ、上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層の上にチャネル層を形成する。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、を有する。バッファ層形成工程は、第１の吸着工程および第１の上層形成工程を有する。チャネル層形成工程は、第２の吸着工程および第２の上層形成工程を有する。第１の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを成長基板に吸着させ、第１の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層を形成する。第２の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層に吸着させ、第２の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層の上にチャネル層を形成する。
第５の態様における半導体ウエハの製造方法は、成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給して、下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、を有する。
第６の態様における半導体ウエハの製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を有する。バッファ層形成工程は、吸着工程および上層形成工程を有する。吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを成長基板に吸着させ、上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層を形成する。
第７の態様における半導体ウエハの製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、を有する。チャネル層形成工程は、吸着工程および上層形成工程を有する。吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層に吸着させ、上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層の上にチャネル層を形成する。
第８の態様における半導体ウエハの製造方法においては、半導体層形成工程は、成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、を有する。バッファ層形成工程は、第１の吸着工程および第１の上層形成工程を有する。チャネル層形成工程は、第２の吸着工程および第２の上層形成工程を有する。第１の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを成長基板に吸着させ、第１の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層を形成する。第２の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層に吸着させ、第２の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層の上にチャネル層を形成する。
本明細書では、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を比較的低温で製造することを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造方法および半導体ウエハの製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、量産に適しているとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体装置とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態の半導体装置は、III 族窒化物半導体層を有する。
第１の実施形態について説明する。本実施形態の半導体装置は、III 族窒化物半導体層を有する。
１．III 族窒化物半導体装置
図１に、本実施形態のＨＥＭＴ１００を示す。ＨＥＭＴ１００は、高電子移動度トランジスタである。図１に示すように、ＨＥＭＴ１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層１４０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、バリア層１４０の上に形成されている。このように、チャネル層１３０は、基板１１０とバリア層１４０との間の位置に配置されている。バリア層１４０からみてチャネル層１３０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。
図１に、本実施形態のＨＥＭＴ１００を示す。ＨＥＭＴ１００は、高電子移動度トランジスタである。図１に示すように、ＨＥＭＴ１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層１４０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、バリア層１４０の上に形成されている。このように、チャネル層１３０は、基板１１０とバリア層１４０との間の位置に配置されている。バリア層１４０からみてチャネル層１３０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。
ここで、チャネル層１３０は、単一層であっても複数層であってもよい。バリア層１４０は、単一層であっても複数層であってもよい。バリア層１４０のバンドギャップは、チャネル層１３０のバンドギャップに比べて大きい。
バッファ層１２０は、例えば、ＧａＮ層である。チャネル層１３０は、例えば、ＩｎＧａＮ層である。バリア層１４０は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。バリア層１４０は、ＡｌＩｎＮ層であってもよい。チャネル層１３０におけるＩｎ濃度は高い。また、チャネル層１３０の結晶性はよい。チャネル層１３０におけるＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層のＩｎ濃度Ｘは、０．３以上１．０以下の範囲内である。また、Ｉｎ濃度Ｘは、０．５以上１．０以下の範囲内であってもよい。Ｉｎ濃度Ｘは、０．８以上１．０以下の範囲内であるとなおよい。また、Ｉｎ濃度Ｘを１．０とすることもできる。この場合、チャネル層１３０は、ＩｎＮである。
このように、本実施形態のＨＥＭＴ１００は、Ｉｎ濃度Ｘの高いチャネル層１３０を有している。Ｉｎ濃度Ｘが高いほど、その半導体層の電子伝導度は高い。そのため、このチャネル層１３０の電子伝導度は、従来のＨＥＭＴの電子伝導度に比べて十分に高い。したがって、高速高周波のデバイスに好適である。
２．III 族窒化物半導体装置の製造装置
２−１．製造装置の構成
図２は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
２−１．製造装置の構成
図２は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
サセプター１２００は、基板Ｓａ１を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板Ｓａ１は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給するとよい。そのため、説明の便宜上、第２のガスは、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスであるとして説明する。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている成長基板Ｓａ１に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板Ｓａ１に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板Ｓａ１に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、第１のガスに混入しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板Ｓａ１に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板Ｓａ１を加熱するためのものである。
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
２−２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、室温以上９００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、室温以上９００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
［表１］
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 室温以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 室温以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下
２−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、Ｉｎ組成比Ｘが０．３以上というＩｎ濃度の高いIII 族窒化物層を比較的速い成長速度で成長させることができる。つまり、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化するため、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を１００℃〜２００℃程度として成膜することができる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。そして、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。
この製造装置１０００は、Ｉｎ組成比Ｘが０．３以上というＩｎ濃度の高いIII 族窒化物層を比較的速い成長速度で成長させることができる。つまり、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化するため、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を１００℃〜２００℃程度として成膜することができる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。そして、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。
３．III 族窒化物半導体装置の製造方法
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いたＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。この製造方法は、成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給して、下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、を有する。
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いたＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。この製造方法は、成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給して、下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、を有する。
３−１．基板のクリーニング
まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００のサセプター１２００に取り付ける。そして、水素ガスを供給しながら基板温度を４００℃から８００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。
まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００のサセプター１２００に取り付ける。そして、水素ガスを供給しながら基板温度を４００℃から８００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。
３−２．半導体層形成工程
半導体層形成工程は、基板Ｓａ１の上にバッファ層１２０を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成するチャネル層形成工程と、チャネル層１３０の上にバリア層１４０を形成するバリア層形成工程と、を有する。
半導体層形成工程は、基板Ｓａ１の上にバッファ層１２０を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成するチャネル層形成工程と、チャネル層１３０の上にバリア層１４０を形成するバリア層形成工程と、を有する。
３−２−１．バッファ層形成工程
３−２−１−１．吸着工程
次に、基板Ｓａ１の上にIII 族金属を含む有機金属ガスを供給する。そして、III 族金属を含む有機金属ガスを基板Ｓａ１の板面に吸着させる。ここでは、吸着させる有機金属ガスとして、例えば、トリメチルインジウムが挙げられる。これ以外の有機金属ガスを用いてもよい。有機金属ガスとして、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムが挙げられる。なお、有機金属ガスが基板Ｓａ１の上に吸着する際には、メチル基等の置換基が離脱している場合がある。この吸着工程により、III 族金属、もしくはIII 族金属を含む有機金属ガスが、基板Ｓａ１の上に吸着する。
３−２−１−１．吸着工程
次に、基板Ｓａ１の上にIII 族金属を含む有機金属ガスを供給する。そして、III 族金属を含む有機金属ガスを基板Ｓａ１の板面に吸着させる。ここでは、吸着させる有機金属ガスとして、例えば、トリメチルインジウムが挙げられる。これ以外の有機金属ガスを用いてもよい。有機金属ガスとして、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムが挙げられる。なお、有機金属ガスが基板Ｓａ１の上に吸着する際には、メチル基等の置換基が離脱している場合がある。この吸着工程により、III 族金属、もしくはIII 族金属を含む有機金属ガスが、基板Ｓａ１の上に吸着する。
なお、この吸着工程における基板温度は、例えば、５℃以上８００℃以下である。好ましくは、１００℃以上４００℃以下である。製造装置１０００の内圧は、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内である。また、もちろん、吸着工程においては、有機金属ガスをプラズマ化しない。
３−２−１−２．上層形成工程
次に、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた基板Ｓａ１の上にバッファ層１２０を形成する。具体的な方法は、次の通りである。
次に、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた基板Ｓａ１の上にバッファ層１２０を形成する。具体的な方法は、次の通りである。
ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板Ｓａ１に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板Ｓａ１までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板Ｓａ１まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板Ｓａ１に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物は、通常のアンモニアに比べて、反応性が高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。本実施形態では、Ｉｎ濃度の高い半導体層を形成するため、インジウム元素を含む有機金属ガスの供給量は、従来に比べて多い。これらのガスは、基板Ｓａ１に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板Ｓａ１に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板Ｓａ１に供給される。
このように、本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を基板Ｓａ１に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板Ｓａ１に供給する。
なお、製造装置１０００の内部の圧力は、例えば、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内である。ＲＦパワーは、例えば、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。III 族金属の有機金属ガスについては、例えば、０．０２５ｓｃｃｍ以上２．０ｓｃｃｍである。基板温度は、例えば、５００℃以上８５０℃以下の範囲内である。これらの数値範囲は例示であり、これ以外の数値を用いてもよい。
３−２−２．チャネル層形成工程
次に、バッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成する。窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化してバッファ層１２０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないでバッファ層１２０に供給する。
次に、バッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成する。窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化してバッファ層１２０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないでバッファ層１２０に供給する。
３−２−３．バリア層形成工程
次に、チャネル層１３０の上にバリア層１４０を形成する。窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化してチャネル層１３０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないでチャネル層１３０に供給する。
次に、チャネル層１３０の上にバリア層１４０を形成する。窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化してチャネル層１３０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないでチャネル層１３０に供給する。
３−３．電極形成工程
次に、バリア層１４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、バリア層１４０の上にゲート電極Ｇ１を形成する。
次に、バリア層１４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、バリア層１４０の上にゲート電極Ｇ１を形成する。
３−４．素子分離工程
次に、ウエハ状の基板Ｓａ１を分割して、複数のＨＥＭＴ１００に切り出す。もしくは、基板Ｓａ１から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。以上により、ＨＥＭＴ１００が製造される。
次に、ウエハ状の基板Ｓａ１を分割して、複数のＨＥＭＴ１００に切り出す。もしくは、基板Ｓａ１から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。以上により、ＨＥＭＴ１００が製造される。
３−５．その他工程
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。
４．従来のＨＥＭＴの製造方法との違い
本実施形態では、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いて半導体層を成長させる。本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。そのため、１００℃〜２００℃程度の低温で半導体層を成長させることができる。したがって、Ｉｎ濃度の高い半導体層を成長させることができる。また、本実施形態では、有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層１２０を成長させる。そのため、その上層であるチャネル層１３０、バリア層１４０の結晶性は優れている。したがって、電子移動度の高いＨＥＭＴを製造することができる。
本実施形態では、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いて半導体層を成長させる。本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。そのため、１００℃〜２００℃程度の低温で半導体層を成長させることができる。したがって、Ｉｎ濃度の高い半導体層を成長させることができる。また、本実施形態では、有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層１２０を成長させる。そのため、その上層であるチャネル層１３０、バリア層１４０の結晶性は優れている。したがって、電子移動度の高いＨＥＭＴを製造することができる。
５．変形例
５−１．バッファ層への吸着
III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層１２０に吸着させてもよい。この場合においても、上層のチャネル層１３０、バリア層１４０を高い結晶性で成長させることができる。よって、次の３通りを実施してもよい。つまり、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させてバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させない場合と、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させずにバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させる場合と、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させるとともにバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させる場合と、である。
５−１．バッファ層への吸着
III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層１２０に吸着させてもよい。この場合においても、上層のチャネル層１３０、バリア層１４０を高い結晶性で成長させることができる。よって、次の３通りを実施してもよい。つまり、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させてバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させない場合と、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させずにバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させる場合と、基板Ｓａ１に有機金属ガスを吸着させるとともにバッファ層１２０に有機金属ガスを吸着させる場合と、である。
チャネル層１３０を成長させる際にのみ吸着工程を用いる場合について説明する。チャネル層形成工程は、吸着工程および上層形成工程を有する。吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層１２０に吸着させ、上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成する。
バッファ層１２０およびチャネル層１３０を成長させる際の両方に吸着工程を用いる場合について説明する。バッファ層形成工程は、第１の吸着工程および第１の上層形成工程を有する。チャネル層形成工程は、第２の吸着工程および第２の上層形成工程を有する。第１の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを成長基板に吸着させ、第１の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた成長基板の上にバッファ層１２０を形成する。第２の吸着工程では、III 族金属を含む有機金属ガスをバッファ層１２０に吸着させ、第２の上層形成工程では、III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させたバッファ層１２０の上にチャネル層１３０を形成する。
５−２．プラズマ化する原料ガス
プラズマ化する原料ガス（第２のガス）は、少なくとも窒素ガスを含んでいればよい。ここで、ＩｎＮ等のＩｎ濃度の高い半導体層を成長させる際には、窒素ガスを含有するとともに水素ガスを含有しない原料ガスを用いることが好ましい。Ｉｎ濃度のそれほど高くない半導体層を成長させる際には、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを用いてもよい。
プラズマ化する原料ガス（第２のガス）は、少なくとも窒素ガスを含んでいればよい。ここで、ＩｎＮ等のＩｎ濃度の高い半導体層を成長させる際には、窒素ガスを含有するとともに水素ガスを含有しない原料ガスを用いることが好ましい。Ｉｎ濃度のそれほど高くない半導体層を成長させる際には、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを用いてもよい。
５−３．ＡｌＩｎＧａＮ層
本実施形態では、チャネル層１３０をＩｎＧａＮ層として形成した。しかし、少量のＡｌ元素を含有していてもよい。その場合、チャネル層１３０は、ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。この場合において、チャネル層１３０のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、チャネル層１３０のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。
本実施形態では、チャネル層１３０をＩｎＧａＮ層として形成した。しかし、少量のＡｌ元素を含有していてもよい。その場合、チャネル層１３０は、ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。この場合において、チャネル層１３０のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、チャネル層１３０のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。
５−４．絶縁ゲート型ＨＥＭＴ
図３に示すように、本実施形態の技術を絶縁ゲート型のＨＥＭＴ２００に対しても、適用することができる。ＨＥＭＴ２００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ２と、ゲート電極Ｇ２と、ドレイン電極Ｄ２と、を有している。ゲート電極Ｇ２は、溝２４１の位置に、絶縁膜２５０をはさんでバリア層２４０と対面する位置に形成されている。また、図１や図３に示した半導体構造に限らない。チャネル層２３０として、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用すれば、その他の半導体層の構成は、自由に選んでよい。
図３に示すように、本実施形態の技術を絶縁ゲート型のＨＥＭＴ２００に対しても、適用することができる。ＨＥＭＴ２００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ２と、ゲート電極Ｇ２と、ドレイン電極Ｄ２と、を有している。ゲート電極Ｇ２は、溝２４１の位置に、絶縁膜２５０をはさんでバリア層２４０と対面する位置に形成されている。また、図１や図３に示した半導体構造に限らない。チャネル層２３０として、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用すれば、その他の半導体層の構成は、自由に選んでよい。
５−５．半導体ウエハ
本実施形態の技術は、電極を形成する前の半導体ウエハに適用することができる。例えば、図１におけるソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１、ゲート電極Ｇ１を形成する前の半導体ウエハについても、本実施形態の半導体装置の製造方法と同様に製造することができる。
本実施形態の技術は、電極を形成する前の半導体ウエハに適用することができる。例えば、図１におけるソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１、ゲート電極Ｇ１を形成する前の半導体ウエハについても、本実施形態の半導体装置の製造方法と同様に製造することができる。
５−６．積層構造
本実施形態では、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１とを、バリア層１４０の上に形成した。しかし、バリア層１４０の上に他の半導体層を形成し、その半導体層の上にこれらの電極を形成してもよい。もちろん、その場合であっても、絶縁ゲート型の半導体装置であってもよい。また、チャネル層１３０と基板１１０との間に、バッファ層１２０以外の下地層を有していてもよい。
本実施形態では、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１とを、バリア層１４０の上に形成した。しかし、バリア層１４０の上に他の半導体層を形成し、その半導体層の上にこれらの電極を形成してもよい。もちろん、その場合であっても、絶縁ゲート型の半導体装置であってもよい。また、チャネル層１３０と基板１１０との間に、バッファ層１２０以外の下地層を有していてもよい。
５−７．合金散乱防止層
チャネル層１３０とバリア層１４０との間に、バリア層１４０よりもバンドギャップの大きい合金散乱防止層を形成してもよい。
チャネル層１３０とバリア層１４０との間に、バリア層１４０よりもバンドギャップの大きい合金散乱防止層を形成してもよい。
５−８．組み合わせ
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。
６．本実施形態のまとめ
本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法は、III 族金属を含む有機金属ガスを基板Ｓａ１の上に吸着させる吸着工程と、有機金属ガスを吸着させた基板Ｓａ１の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる上層形成工程と、を有する。このように、有機金属ガスを吸着させた下地層の上にＲＥＭＯＣＶＤ法によりIII 族窒化物半導体層を成長させるため、結晶性に優れるとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を成長させることができる。
本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法は、III 族金属を含む有機金属ガスを基板Ｓａ１の上に吸着させる吸着工程と、有機金属ガスを吸着させた基板Ｓａ１の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる上層形成工程と、を有する。このように、有機金属ガスを吸着させた下地層の上にＲＥＭＯＣＶＤ法によりIII 族窒化物半導体層を成長させるため、結晶性に優れるとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を成長させることができる。
Ａ．ＡｌＮ
Ａ−１．サンプルの作製
Ａ−１−１．サーマルクリーニング
１０ｍｍ角のＧａＮ／サファイアテンプレート基板を用いた。そのＧａＮ／サファイアテンプレート基板を前述の製造装置１０００のサセプター１２００に配置した。そして、Ｎ2 およびＨ2 を用いて基板のクリーニングを下記のように実施した。Ｎ2 およびＨ2 をシャワーヘッド電極１１００の側から流した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。これにより、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスはプラズマ化され、ラジカルが発生する。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。そして、ＧａＮ／サファイアテンプレート基板を７００℃まで昇温した後、１０分間保持した。
Ａ−１．サンプルの作製
Ａ−１−１．サーマルクリーニング
１０ｍｍ角のＧａＮ／サファイアテンプレート基板を用いた。そのＧａＮ／サファイアテンプレート基板を前述の製造装置１０００のサセプター１２００に配置した。そして、Ｎ2 およびＨ2 を用いて基板のクリーニングを下記のように実施した。Ｎ2 およびＨ2 をシャワーヘッド電極１１００の側から流した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。これにより、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスはプラズマ化され、ラジカルが発生する。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。そして、ＧａＮ／サファイアテンプレート基板を７００℃まで昇温した後、１０分間保持した。
Ａ−１−２．ＴＭＡの吸着
次に、基板温度を２５℃まで冷却するとともにＨ2 の供給を停止した。そして、製造装置１０００を排気した。そして、ＧａＮ層の上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給した。ＴＭＡの流量は０．１ｓｃｃｍであった。ＴＭＡの蒸気圧は７．２ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを４．４ｓｃｃｍ流した。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は０Ｗであった。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。その状態で１０分間保持した。その後、ＴＭＡを排気した。
次に、基板温度を２５℃まで冷却するとともにＨ2 の供給を停止した。そして、製造装置１０００を排気した。そして、ＧａＮ層の上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給した。ＴＭＡの流量は０．１ｓｃｃｍであった。ＴＭＡの蒸気圧は７．２ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを４．４ｓｃｃｍ流した。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は０Ｗであった。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。その状態で１０分間保持した。その後、ＴＭＡを排気した。
Ａ−１−３．ＡｌＮ層
そして、下記のようにＧａＮ層の上にＡｌＮ層を成長させた。基板温度を８００℃まで上昇させた。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 およびＨ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は２５０ｓｃｃｍであった。したがって、窒素原子と水素原子との少なくとも一方に由来するラジカルが発生する。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給した。ＴＭＡの流量は０．１ｓｃｃｍであった。ＴＭＡの蒸気圧は７．２ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを４．４ｓｃｃｍ流した。上記の状態で６０分間ＡｌＮ層を成膜した。
そして、下記のようにＧａＮ層の上にＡｌＮ層を成長させた。基板温度を８００℃まで上昇させた。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 およびＨ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は２５０ｓｃｃｍであった。したがって、窒素原子と水素原子との少なくとも一方に由来するラジカルが発生する。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給した。ＴＭＡの流量は０．１ｓｃｃｍであった。ＴＭＡの蒸気圧は７．２ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを４．４ｓｃｃｍ流した。上記の状態で６０分間ＡｌＮ層を成膜した。
上記のようにして第１のサンプルを作製した。また、上記の製造方法からＴＭＡの吸着工程を経ずに第２のサンプルを作製した。第１のサンプルと第２のサンプルとの違いは、ＴＭＡの吸着の有無である。
Ａ−２．サンプルの性能
Ａ−２−１．吸着工程がある場合
図４は、第１のサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図４に示すように、ＴＭＡの吸着工程を実施した場合には、ＡｌＮの鋭いピークが観測された。つまり、結晶性のよいＡｌＮの単結晶を成長させることができた。
Ａ−２−１．吸着工程がある場合
図４は、第１のサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図４に示すように、ＴＭＡの吸着工程を実施した場合には、ＡｌＮの鋭いピークが観測された。つまり、結晶性のよいＡｌＮの単結晶を成長させることができた。
Ａ−２−２．吸着工程がない場合
図５は、第２のサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図５に示すように、ＴＭＡの吸着工程を実施しなかった場合には、ＡｌＮのピークが観測されなかった。つまり、ＡｌＮの膜を成長させることができなかった。
図５は、第２のサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図５に示すように、ＴＭＡの吸着工程を実施しなかった場合には、ＡｌＮのピークが観測されなかった。つまり、ＡｌＮの膜を成長させることができなかった。
Ｂ．ＩｎＮ
Ｂ−１．サンプルの作製
Ｂ−１−１．サーマルクリーニング
１０ｍｍ角のＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を用いた。そのＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を前述の製造装置１０００のサセプター１２００に配置した。そして、Ｎ2 およびＨ2 を用いて基板のクリーニングを下記のように実施した。Ｎ2 およびＨ2 をシャワーヘッド電極１１００の側から流した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。これにより、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスはプラズマ化され、ラジカルが発生する。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。そして、ＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を９００℃まで昇温した後、１０分間保持した。
Ｂ−１．サンプルの作製
Ｂ−１−１．サーマルクリーニング
１０ｍｍ角のＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を用いた。そのＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を前述の製造装置１０００のサセプター１２００に配置した。そして、Ｎ2 およびＨ2 を用いて基板のクリーニングを下記のように実施した。Ｎ2 およびＨ2 をシャワーヘッド電極１１００の側から流した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。これにより、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスはプラズマ化され、ラジカルが発生する。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。そして、ＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板を９００℃まで昇温した後、１０分間保持した。
Ｂ−１−２．ＧａＮ層
そして、ＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板の上にＧａＮ層を成長させた。基板温度は８００℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 およびＨ2 を供給した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。ＴＭＧの流量は０．０８ｓｃｃｍであった。ＴＭＧの温度は−１２℃であった。ＴＭＧの蒸気圧は４６．８ｈＰａであった。
そして、ＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板の上にＧａＮ層を成長させた。基板温度は８００℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 およびＨ2 を供給した。Ｎ2 の流量は、７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は、２５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。ＴＭＧの流量は０．０８ｓｃｃｍであった。ＴＭＧの温度は−１２℃であった。ＴＭＧの蒸気圧は４６．８ｈＰａであった。
Ｂ−１−３．ＴＭＩの吸着
次に、基板温度を２５℃まで冷却するとともにＨ2 の供給を停止した。そして、ＧａＮ層の上にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は０Ｗであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。ＴＭＩの流量は０．０５ｓｃｃｍであった。ＴＭＩの温度は２０℃であった。ＴＭＩの蒸気圧は２．２８ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを７ｓｃｃｍ供給した。炉本体１００１の内圧は８５Ｐａであった。ＴＭＩの供給時間は５秒であった。
次に、基板温度を２５℃まで冷却するとともにＨ2 の供給を停止した。そして、ＧａＮ層の上にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は０Ｗであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。ＴＭＩの流量は０．０５ｓｃｃｍであった。ＴＭＩの温度は２０℃であった。ＴＭＩの蒸気圧は２．２８ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを７ｓｃｃｍ供給した。炉本体１００１の内圧は８５Ｐａであった。ＴＭＩの供給時間は５秒であった。
Ｂ−１−４．ＩｎＮ層
そして、ＧａＮ層の上にＩｎＮ層を成長させた。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。ＴＭＩの流量は０．０５ｓｃｃｍであった。ＴＭＩの温度は２０℃であった。ＴＭＩの蒸気圧は２．２８ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを７ｓｃｃｍ供給した。炉本体１００１の内圧は８５Ｐａであった。この状態で１０分間だけＩｎＮ層を成膜した。
そして、ＧａＮ層の上にＩｎＮ層を成長させた。基板温度は２５℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。ＴＭＩの流量は０．０５ｓｃｃｍであった。ＴＭＩの温度は２０℃であった。ＴＭＩの蒸気圧は２．２８ｈＰａであった。キャリアガスとしてＮ2 ガスを７ｓｃｃｍ供給した。炉本体１００１の内圧は８５Ｐａであった。この状態で１０分間だけＩｎＮ層を成膜した。
そして、基板温度を２００℃から４００℃の間に昇温した。そして、その基板温度で３０分間だけＩｎＮ層を成膜した。そして、その後冷却した。
以上により、ＧａＮ／Ｓｉテンプレート基板の上に、ＧａＮ層、ＩｎＮ層が形成された。
Ｂ−２．サンプルの性能
図６は、ＩｎＮ層を形成したサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図６に示すように、Ｉｎの吸着工程を実施しているため、ＩｎＮの鋭いピークが観測された。つまり、結晶性のよいＩｎＮ層を成長させることができた。
図６は、ＩｎＮ層を形成したサンプルのＸＲＤ測定（２θ／θ）の結果を示すグラフである。図６に示すように、Ｉｎの吸着工程を実施しているため、ＩｎＮの鋭いピークが観測された。つまり、結晶性のよいＩｎＮ層を成長させることができた。
図７は、ＩｎＮ層を形成したサンプルのＸＲＤ測定（２θ／ω）の結果を示すグラフである。図７においても、ＩｎＮの鋭いピークが観測された。その半値幅は１１８０．８秒であった。
図８は、ＩｎＮ層の表面を示す走査型顕微鏡写真である。図９は、ＩｎＮ層の断面を示す走査型顕微鏡写真である。
このように、吸着工程を実施することにより、結晶性に優れたＡｌＮ層およびＩｎＮ層を成膜することができた。
１００、２００…ＨＥＭＴ
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…チャネル層
１４０、２４０…バリア層
Ｇ１、Ｇ２…ゲート電極
Ｓ１、Ｓ２…ソース電極
Ｄ１、Ｄ２…ドレイン電極
Ｓａ１…基板
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…チャネル層
１４０、２４０…バリア層
Ｇ１、Ｇ２…ゲート電極
Ｓ１、Ｓ２…ソース電極
Ｄ１、Ｄ２…ドレイン電極
Ｓａ１…基板
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源
Claims (8)
- III 族窒化物半導体装置の製造方法において、
成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有し、
前記半導体層形成工程は、
III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、
少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して前記成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記成長基板に供給して、前記下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、
を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、
前記バッファ層形成工程は、
前記吸着工程および前記上層形成工程を有し、
前記吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記成長基板に吸着させ、
前記上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記成長基板の上に前記バッファ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
を有し、
前記チャネル層形成工程は、
前記吸着工程および前記上層形成工程を有し、
前記吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記バッファ層に吸着させ、
前記上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記バッファ層の上に前記チャネル層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
を有し、
前記バッファ層形成工程は、
第１の吸着工程および第１の上層形成工程を有し、
前記チャネル層形成工程は、
第２の吸着工程および第２の上層形成工程を有し、
前記第１の吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記成長基板に吸着させ、
前記第１の上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記成長基板の上に前記バッファ層を形成し、
前記第２の吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記バッファ層に吸着させ、
前記第２の上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記バッファ層の上に前記チャネル層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 半導体ウエハの製造方法において、
成長基板にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程を有し、
前記半導体層形成工程は、
III 族金属を含む有機金属ガスを下地層に吸着させる吸着工程と、
少なくとも窒素ガスを含む原料ガスをプラズマ化して前記成長基板に供給するとともにIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記成長基板に供給して、前記下地層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する上層形成工程と、
を有すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - 請求項５に記載の半導体ウエハの製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、
前記バッファ層形成工程は、
前記吸着工程および前記上層形成工程を有し、
前記吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記成長基板に吸着させ、
前記上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記成長基板の上に前記バッファ層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - 請求項５に記載の半導体ウエハの製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
を有し、
前記チャネル層形成工程は、
前記吸着工程および前記上層形成工程を有し、
前記吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記バッファ層に吸着させ、
前記上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記バッファ層の上に前記チャネル層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - 請求項５に記載の半導体ウエハの製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
前記成長基板の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上にチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
を有し、
前記バッファ層形成工程は、
第１の吸着工程および第１の上層形成工程を有し、
前記チャネル層形成工程は、
第２の吸着工程および第２の上層形成工程を有し、
前記第１の吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記成長基板に吸着させ、
前記第１の上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記成長基板の上に前記バッファ層を形成し、
前記第２の吸着工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記バッファ層に吸着させ、
前記第２の上層形成工程では、
III 族金属を含む有機金属ガスを吸着させた前記バッファ層の上に前記チャネル層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。
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