JP2020068273A - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 Ｓｉ基板の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板の製造方法を提供することである。【解決手段】 この製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。【選択図】図７
Description
本明細書の技術分野は、プラズマを用いたIII 族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板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、その組成を変化させることにより、バンドギャップが０．６ｅＶから６ｅＶまで変化する。そのため、III 族窒化物半導体は、近赤外から深紫外までの広い範囲の波長に相当する発光素子や、レーザーダイオード、受光素子等に応用されている。
また、III 族窒化物半導体は、高い破壊電界強度と、高い融点とを備えている。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。それにともなって、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。ＭＯＣＶＤ法では、大量のアンモニアガスを用いる。そのため、ＭＯＣＶＤ炉にアンモニアを除外する除害装置を設ける必要がある。また、アンモニアのランニングコストも高い。そして、有機金属ガスとアンモニアとの反応により半導体層を形成する。この反応を起こすために、基板温度を高温にする必要がある。基板温度が高いと、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を高品質に成長させることは難しい。また、成長基板と半導体層との熱膨張差の違いにより、そりが発生しやすい。
そのため、本発明者らは、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化せずに窒素原子を含むガスをプラズマ化して成長基板に供給するＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を開発した（特許文献１）。特許文献１の技術では、ＧａＮ等を低温成長させることができる。そのため、熱膨張係数差に起因する応力を抑制することができる。
ところで、サファイア基板やＧａＮ基板は高価である。そのため、安価なＳｉ（１１１）基板の上にIII 族窒化物半導体を成膜することが好ましい。しかし、Ｓｉ（１１１）基板の上に高品質なIII 族窒化物半導体を成膜することは必ずしも容易ではない。
例えば、ＧａＮの格子定数とＳｉ（１１１）基板の格子定数との間にはミスマッチがある（特許文献２の段落［００２６］参照）。また、Ｓｉ（１１１）基板の上にＡｌＮバッファ層を形成すると、その上に成長させたＧａＮ層には不連続面や転位等の欠陥が生じるとされている（特許文献２の段落［０００５］参照）。そこで、特許文献２では、ＮＨ3 のプリフローを実施してＡｌＮバッファ層を成長させる技術が開発されている（特許文献２の図２、４等参照）。
しかし、ＮＨ3 のプリフローでは、Ｓｉ（１１１）基板の表面を十分に窒化できない場合がある。また、ＡｌＮバッファ層の結晶性がよくないため、初期核生成層１４および厚い上層１５を必要とする。したがって、より薄くより結晶性に優れたＡｌＮ層を形成することが好ましい。
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、Ｓｉ基板の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板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 族窒化物半導体素子の製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
このIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、窒素ラジカルを用いてＳｉ（１１１）基板を窒化し、その後、Ａｌ層とＮ層とを原子層レベルで積層する。そのため、Ａｌ原子とＮ原子とが好適に配位する。したがって、結晶性に優れたＡｌＮ層が形成される。
本明細書では、Ｓｉ基板の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を成膜することのできるIII 族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板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、III 族窒化物半導体素子とその製造方法および半導体ウエハの製造方法およびテンプレート基板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）
１．半導体ウエハ
図１は、本実施形態の半導体ウエハＷａ１の構造を示す図である。半導体ウエハＷａ１は、基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１と半導体層Ｆ２とを有する。基板Ｓａ１はＳｉ（１１１）基板である。ＡｌＮ層Ｆ１は、原子層レベルで積層された層である。半導体層Ｆ２は、III 族窒化物半導体から成る単結晶の半導体層である。半導体層Ｆ２は、例えば、ＧａＮ層である。このように、半導体ウエハＷａ１は、ウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させたものである。
１．半導体ウエハ
図１は、本実施形態の半導体ウエハＷａ１の構造を示す図である。半導体ウエハＷａ１は、基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１と半導体層Ｆ２とを有する。基板Ｓａ１はＳｉ（１１１）基板である。ＡｌＮ層Ｆ１は、原子層レベルで積層された層である。半導体層Ｆ２は、III 族窒化物半導体から成る単結晶の半導体層である。半導体層Ｆ２は、例えば、ＧａＮ層である。このように、半導体ウエハＷａ１は、ウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させたものである。
ここで、原子層レベルで積層するとは、１原子層以上３原子層以下の層を積層することをいう。そのため、ＡｌＦ層Ｆ１は、Ａｌ原子とＮ原子とを１原子層ずつ積層してもよい。
２．基板とＡｌＮ層との間の境界面
図２は、本実施形態の基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１との間の境界面を拡大した模式図である。図３は、本実施形態の基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１との間の境界面の付近の原子配列を示す模式図である。図２および図３に示すように、基板Ｓａ１の表面のＳｉ原子は窒素原子に結合している。そして、Ｓｉ原子と結合している窒素原子はＡｌ原子に結合している。つまり、本実施形態の半導体ウエハＷａ１は、Ｓｉ−Ｎ−Ａｌ−という結合を有する。または、Ｓｉ−Ｎ−…−Ａｌ−…という結合であってもよい。
図２は、本実施形態の基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１との間の境界面を拡大した模式図である。図３は、本実施形態の基板Ｓａ１とＡｌＮ層Ｆ１との間の境界面の付近の原子配列を示す模式図である。図２および図３に示すように、基板Ｓａ１の表面のＳｉ原子は窒素原子に結合している。そして、Ｓｉ原子と結合している窒素原子はＡｌ原子に結合している。つまり、本実施形態の半導体ウエハＷａ１は、Ｓｉ−Ｎ−Ａｌ−という結合を有する。または、Ｓｉ−Ｎ−…−Ａｌ−…という結合であってもよい。
ＡｌＮ層Ｆ１は、４原子層以上３０原子層以下である。ここで、ＡｌＮ層Ｆ１におけるＳｉ（１１１）基板の表面側の層はＮ原子の層である。ＡｌＮ層Ｆ１におけるＳｉ（１１１）基板の反対側の層はＡｌ原子の層である。ＡｌＮ層Ｆ１が十分に薄いため、ＡｌＮ層Ｆ１の格子定数は、Ｓｉ（１１１）基板の格子定数に近い。Ｓｉ（１１１）の格子定数とＡｌＮ層の格子定数との差が、１０％以下である。好ましくは、８％以下である。より好ましくは、６．２５％以下である。なお、例えば、２原子層のＡｌＮ層とは、１原子層のＡｌ層と１原子層のＮ層とを有する状態である。
３．従来の半導体ウエハとの比較
図４は、従来の基板とＡｌＮ層との間の境界面を拡大した模式図である。図５は、従来の基板とＡｌＮ層との間の境界面の付近の原子配列を示す模式図である。図４および図５に示すように、基板Ｓａ１の表面のＳｉ原子はＡｌ原子に結合している。そして、Ｓｉ原子と結合しているＡｌ原子は窒素原子に結合している。つまり、従来の半導体ウエハは、Ｓｉ−Ａｌ−Ｎ−という結合を有する。
図４は、従来の基板とＡｌＮ層との間の境界面を拡大した模式図である。図５は、従来の基板とＡｌＮ層との間の境界面の付近の原子配列を示す模式図である。図４および図５に示すように、基板Ｓａ１の表面のＳｉ原子はＡｌ原子に結合している。そして、Ｓｉ原子と結合しているＡｌ原子は窒素原子に結合している。つまり、従来の半導体ウエハは、Ｓｉ−Ａｌ−Ｎ−という結合を有する。
４．本実施形態の半導体ウエハの効果
本実施形態の半導体ウエハＷａ１では、Ｓｉ（１１１）基板が好適に窒化されている。そして、後述するように、ＡｌＮ層Ｆ１は、基板Ｓａ１のＳｉ原子の上に原子層レベルで積層されている。また、ＡｌＮ層Ｆ１が十分に薄いため、ＡｌＮ層Ｆ１の格子定数は、Ｓｉ（１１１）基板の格子定数に近いと考えられる。したがって、ＡｌＮ層Ｆ１の上に積層された半導体層Ｆ２の結晶性は非常に優れている。
本実施形態の半導体ウエハＷａ１では、Ｓｉ（１１１）基板が好適に窒化されている。そして、後述するように、ＡｌＮ層Ｆ１は、基板Ｓａ１のＳｉ原子の上に原子層レベルで積層されている。また、ＡｌＮ層Ｆ１が十分に薄いため、ＡｌＮ層Ｆ１の格子定数は、Ｓｉ（１１１）基板の格子定数に近いと考えられる。したがって、ＡｌＮ層Ｆ１の上に積層された半導体層Ｆ２の結晶性は非常に優れている。
なお、本実施形態のように、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒化することは必ずしも容易ではない。
５．III 族窒化物半導体素子の製造装置
図６は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。製造装置１０００は、チャンバーの内部にプラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置である。製造装置１０００は、III 族金属を含む有機金属ガス（第１のガス）をプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給し、窒素原子を含むガス（第２のガス）をプラズマ発生領域に通過させてから成長基板に供給する。
図６は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。製造装置１０００は、チャンバーの内部にプラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置である。製造装置１０００は、III 族金属を含む有機金属ガス（第１のガス）をプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給し、窒素原子を含むガス（第２のガス）をプラズマ発生領域に通過させてから成長基板に供給する。
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、プラズマ電力パルス制御部１６２０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、パルスバルブ１８５０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。プラズマ電力パルス制御部１６２０は、シャワーヘッド電極１１００に高周波のパルスを付与するための装置である。
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。このように第１のガス供給管１３００は、少なくとも１以上の貫通孔を有する。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。また、これらの貫通孔は、サセプター１２００と金属メッシュ１５００との間の位置に配置されている。そのため、第１のガス供給管１３００は、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
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のガスをシャワーヘッド電極１１００と金属メッシュ１５００との間の空間に供給し、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。ここで、第２のガスは、窒素ガスを含むガスである。第２のガスは、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスであってもよい。
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金属メッシュ部材である。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、金属メッシュ１５００は、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のリング部１３１０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。また、金属メッシュ１５００は、多数枚のメッシュを少しずつずらして重ねあわされている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。
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と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１と金属メッシュ１５００との少なくとも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、例えば、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、基板Ｓａ１に到達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。パルスバルブ１８５０は、高周波電位のパルスと同期させて、III 族金属を含む有機金属ガスを供給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。
製造装置１０００は、電子銃１０１０と、検出部１０２０と、を有する。電子銃１０１０は、固体中の電子を熱もしくは電界により放出させるためのものである。検出部１０２０は、基板Ｓａ１の表面で散乱された電子を検出するためのものである。電子銃１０１０および検出部１０２０は、ＲＨＥＥＤ装置の一部を構成する。
６．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、０℃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、０℃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 ０℃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 ０℃以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下
７．ガスおよびパルス電圧
図７は、第１のガスおよび第２のガスの供給とＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する高周波電位の出力との関係を示すタイミングチャートである。図７の横軸は、時刻である。図７の上図の縦軸はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の流量である。図７の中図の縦軸は窒素ガスの流量である。図７の下図の縦軸はＲＦパワーである。
図７は、第１のガスおよび第２のガスの供給とＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する高周波電位の出力との関係を示すタイミングチャートである。図７の横軸は、時刻である。図７の上図の縦軸はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の流量である。図７の中図の縦軸は窒素ガスの流量である。図７の下図の縦軸はＲＦパワーである。
図７に示すように、第１のガスおよび第２のガスの供給およびＲＦ電源１６００によるパワーの供給は、一定時間おきに繰り返されている。図７に示すように、製造装置１０００は、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２とを交互に繰り返しながら成膜する。
７−１．基板窒素処理工程
図７に示すように、期間Ｔ０の基板窒素処理工程では、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスを供給するとともにＲＦ電源１６００をＯＮにする。そのため、窒素ガスは、シャワーヘッド電極１１００の下部のプラズマ発生領域でプラズマ化される。このプラズマ発生領域では、窒素ラジカル、窒素イオン、電子、紫外線等が発生する。
図７に示すように、期間Ｔ０の基板窒素処理工程では、シャワーヘッド電極１１００から窒素ガスを供給するとともにＲＦ電源１６００をＯＮにする。そのため、窒素ガスは、シャワーヘッド電極１１００の下部のプラズマ発生領域でプラズマ化される。このプラズマ発生領域では、窒素ラジカル、窒素イオン、電子、紫外線等が発生する。
一方、ＴＭＡは、基板Ｓａ１に供給されない。なお、シャワーヘッド電極１１００は、Ｈ2 ガスを供給しない。
プラズマ発生領域で発生した窒素イオンおよび電子は、金属メッシュ１５００に捕獲される。光は金属メッシュ１５００に遮断される。そのため、窒素ラジカルのみが基板Ｓａ１に到達する。そして、Ｓｉ（１１１）基板の表面は窒化する。つまり、Ｓｉ原子に窒素原子が結合する。
このとき、１原子層以上３原子層以下の窒素原子が、基板Ｓａ１の上に形成される。ＲＨＥＥＤ装置により、基板Ｓａ１の表面状態を観察できるため、期間Ｔ０を予め設定することができる。
７−２．第１の工程
図７に示すように、第１の期間Ｔ１には、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。第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを供給しない。つまり、窒素ガスは炉本体１００１の内部に供給されない。ＲＦ電源１６００は、ＯＦＦである。このため、第１の期間Ｔ１には、III 族元素がサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給される。したがって、第１の期間Ｔ１においては、１原子層以上３原子層以下のＡｌ層が成膜される。
図７に示すように、第１の期間Ｔ１には、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。第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを供給しない。つまり、窒素ガスは炉本体１００１の内部に供給されない。ＲＦ電源１６００は、ＯＦＦである。このため、第１の期間Ｔ１には、III 族元素がサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給される。したがって、第１の期間Ｔ１においては、１原子層以上３原子層以下のＡｌ層が成膜される。
７−３．第２の工程
図７に示すように、第２の期間Ｔ２には、第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給しない。第２の期間Ｔ２には、第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスを供給する。なお、第２のガス供給管１４２０は、水素ガスを供給しない。また、ＲＦ電源１６００は、出力Ｗ１でプラズマを発生させる。このため、第２の期間Ｔ２には、窒素ラジカルがサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給されるが、III 族元素は基板Ｓａ１に供給されない。したがって、第２の期間Ｔ２においては、Ａｌ層の上に原子層レベルのＮ層が成膜される。
図７に示すように、第２の期間Ｔ２には、第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給しない。第２の期間Ｔ２には、第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスを供給する。なお、第２のガス供給管１４２０は、水素ガスを供給しない。また、ＲＦ電源１６００は、出力Ｗ１でプラズマを発生させる。このため、第２の期間Ｔ２には、窒素ラジカルがサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給されるが、III 族元素は基板Ｓａ１に供給されない。したがって、第２の期間Ｔ２においては、Ａｌ層の上に原子層レベルのＮ層が成膜される。
７−４．第１の期間および第２の期間の時間
第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２の長さは、ＲＨＥＥＤによる検出結果に基づいて判断すればよい。ＲＨＥＥＤにより得られるパターン像を観察することにより、原子層レベルで積層するための所要時間が得られる。また、同様に、基板窒素処理工程の時間についても、同様に得られる。
第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２の長さは、ＲＨＥＥＤによる検出結果に基づいて判断すればよい。ＲＨＥＥＤにより得られるパターン像を観察することにより、原子層レベルで積層するための所要時間が得られる。また、同様に、基板窒素処理工程の時間についても、同様に得られる。
７−５．第１の期間および第２の期間の効果
このように、Ｓｉ（１１１）基板のＳｉに窒素原子を原子層レベルで積層し、これらの窒素原子の上にＡｌ原子を原子層レベルで積層する。そのため、ＡｌＮ層Ｆ１のＡｌ面が揃いやすい。また、ＡｌＮ層Ｆ１の結晶性は良好である。このＡｌＮ層Ｆ１の膜厚は十分に薄い。このため、ＡｌＮ層Ｆ１の格子定数は、Ｓｉ（１１１）基板の格子定数に近いと考えられる。
このように、Ｓｉ（１１１）基板のＳｉに窒素原子を原子層レベルで積層し、これらの窒素原子の上にＡｌ原子を原子層レベルで積層する。そのため、ＡｌＮ層Ｆ１のＡｌ面が揃いやすい。また、ＡｌＮ層Ｆ１の結晶性は良好である。このＡｌＮ層Ｆ１の膜厚は十分に薄い。このため、ＡｌＮ層Ｆ１の格子定数は、Ｓｉ（１１１）基板の格子定数に近いと考えられる。
８．半導体ウエハの製造方法
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いて基板Ｓａ１の主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いて基板Ｓａ１の主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。
８−１．基板のクリーニング
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部のサセプター１２００に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃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。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。また、水素ガスをプラズマ化してもよい。
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部のサセプター１２００に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃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。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。また、水素ガスをプラズマ化してもよい。
８−２．基板窒素処理工程
次に、窒素ガスをシャワーヘッド電極１１００から炉本体１００１の内部に供給するとともに、ＲＦ電源１６００をＯＮにする。この際に、プラズマ電力パルス制御部１６２０を用いて、シャワーヘッド電極１１００にパルス電圧を印加する。
次に、窒素ガスをシャワーヘッド電極１１００から炉本体１００１の内部に供給するとともに、ＲＦ電源１６００をＯＮにする。この際に、プラズマ電力パルス制御部１６２０を用いて、シャワーヘッド電極１１００にパルス電圧を印加する。
基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
実際には、窒素ガスがプラズマ発生領域を通過することにより、窒素イオンと窒素ラジカルと電子と紫外線とが発生する。金属メッシュ１５００が、荷電粒子である窒素イオンと電子とを捕獲する。また、金属メッシュ１５００は、複数枚のメッシュをずらして配置されている。そのため、金属メッシュ１５００は、紫外線を透過させない。中性の窒素ラジカル（励起状態を含む）のみが、金属メッシュ１５００を透過して、基板Ｓａ１に到達する。
基板窒素処理工程では、０℃以上１００℃以下の温度でＳｉ（１１１）基板の表面を窒化する。また、基板Ｓａ１の窒化については、ＲＨＥＥＤ装置を用いた観測により、窒化する期間Ｔ０を設定すればよい。
このようにして、Ｓｉ（１１１）基板の表面は窒化される。そして、Ｓｉ（１１１）基板の表面にはＮ層が形成される。
８−３．ＡｌＮ層形成工程
次に、表面を窒化されたＳｉ（１１１）の上にＡｌＮ層Ｆ１を形成する。ＡｌＮ層形成工程では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。この際に、プラズマ電力パルス制御部１６２０を用いる。第１の工程では、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する。第２の工程では、Ａｌ層の上にＮ層を形成する。タイミングチャートは、図７のとおりである。なお、ＡｌＮ層Ｆ１の最上層はＡｌ層であるとよい。この場合には、Ａｌ層を形成する第１の工程をＡｌＮ層形成工程の最後に実施することとなる。
次に、表面を窒化されたＳｉ（１１１）の上にＡｌＮ層Ｆ１を形成する。ＡｌＮ層形成工程では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。この際に、プラズマ電力パルス制御部１６２０を用いる。第１の工程では、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する。第２の工程では、Ａｌ層の上にＮ層を形成する。タイミングチャートは、図７のとおりである。なお、ＡｌＮ層Ｆ１の最上層はＡｌ層であるとよい。この場合には、Ａｌ層を形成する第１の工程をＡｌＮ層形成工程の最後に実施することとなる。
８−３−１．第１の工程
第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。そのため、第１の工程では、プラズマを発生させない。また、第１の工程では、原子層レベルでＡｌ層を形成する。ＲＨＥＥＤ装置を用いることにより、第１の期間Ｔ１を設定することができる。
第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。そのため、第１の工程では、プラズマを発生させない。また、第１の工程では、原子層レベルでＡｌ層を形成する。ＲＨＥＥＤ装置を用いることにより、第１の期間Ｔ１を設定することができる。
８−３−２．第２の工程
第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第２の工程では、原子層レベルでＮ層を形成する。ＲＨＥＥＤ装置を用いることにより、第２の期間Ｔ２を設定することができる。
第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第２の工程では、原子層レベルでＮ層を形成する。ＲＨＥＥＤ装置を用いることにより、第２の期間Ｔ２を設定することができる。
８−４．半導体形成工程
次に、ＡｌＮ層Ｆ１の上に半導体層Ｆ２を形成する。この際には、第１のガスおよび第２のガスを同時に炉本体１００１の内部に供給する。例えば、第１のガスは、トリメチルガリウムおよびキャリアガスであり、第２のガスは、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスである。第１のガスおよび第２のガスを同時に供給することにより、この場合には、ＡｌＮ層Ｆ１の上に半導体層Ｆ２としてＧａＮ層が形成される。
次に、ＡｌＮ層Ｆ１の上に半導体層Ｆ２を形成する。この際には、第１のガスおよび第２のガスを同時に炉本体１００１の内部に供給する。例えば、第１のガスは、トリメチルガリウムおよびキャリアガスであり、第２のガスは、Ｎ2 ガスおよびＨ2 ガスである。第１のガスおよび第２のガスを同時に供給することにより、この場合には、ＡｌＮ層Ｆ１の上に半導体層Ｆ２としてＧａＮ層が形成される。
８−５．本実施形態の製造方法の効果
本実施形態の半導体ウエハの製造方法では、ＡｌＮ層Ｆ１を原子層レベルで成長させる。そのため、Ａｌ原子とＮ原子とは、炉本体１００１の内部における基板Ｓａ１から離れた空間中で反応することはほとんどない。そのため、結晶性に優れたＡｌＮ層Ｆ１を成膜することができる。
本実施形態の半導体ウエハの製造方法では、ＡｌＮ層Ｆ１を原子層レベルで成長させる。そのため、Ａｌ原子とＮ原子とは、炉本体１００１の内部における基板Ｓａ１から離れた空間中で反応することはほとんどない。そのため、結晶性に優れたＡｌＮ層Ｆ１を成膜することができる。
９．変形例
９−１．テンプレート基板
本実施形態の半導体ウエハＷａ１の代わりに、テンプレート基板を製造してもよい。テンプレート基板は、半導体ウエハＷａ１から半導体層Ｆ２を除去したものである。
９−１．テンプレート基板
本実施形態の半導体ウエハＷａ１の代わりに、テンプレート基板を製造してもよい。テンプレート基板は、半導体ウエハＷａ１から半導体層Ｆ２を除去したものである。
９−２．プラズマ発生領域におけるプラズマを発生させる期間
図７に示すように、Ａｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを供給する際には、プラズマ発生領域にプラズマを発生させない。しかし、製造装置１０００は、Ａｌ含有ガスをプラズマ発生領域に通過させない構成を備えている。そのため、Ａｌ含有ガスを供給させる際に、プラズマを発生させてもよい。
図７に示すように、Ａｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを供給する際には、プラズマ発生領域にプラズマを発生させない。しかし、製造装置１０００は、Ａｌ含有ガスをプラズマ発生領域に通過させない構成を備えている。そのため、Ａｌ含有ガスを供給させる際に、プラズマを発生させてもよい。
９−３．窒素ガスを流す期間
図７では、ＴＭＡを流している第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流さない。しかし、第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流してもよい。第１の期間Ｔ１では、ＲＦパワーは０であるため、第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流してもプラズマ化されない。
図７では、ＴＭＡを流している第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流さない。しかし、第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流してもよい。第１の期間Ｔ１では、ＲＦパワーは０であるため、第１の期間Ｔ１に窒素ガスを流してもプラズマ化されない。
９−４．半導体層形成工程
半導体層形成工程において、原子層レベルで成膜してもよい。この場合には、半導体層Ｆ２の結晶性は向上するが、成膜時間は長くなる。
半導体層形成工程において、原子層レベルで成膜してもよい。この場合には、半導体層Ｆ２の結晶性は向上するが、成膜時間は長くなる。
９−５．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。
１．ＭＩＳ型半導体素子
図８は、本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の構造を示す概略構成図である。図８に示すように、ＭＩＳ型半導体素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、絶縁膜１５０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、ＡｌＧａＮ層１４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層１４０の溝１４１との間には、絶縁膜１５０がある。ここで、バッファ層１２０は、ＡｌＮ層であるとよい。
図８は、本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の構造を示す概略構成図である。図８に示すように、ＭＩＳ型半導体素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、絶縁膜１５０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、ＡｌＧａＮ層１４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層１４０の溝１４１との間には、絶縁膜１５０がある。ここで、バッファ層１２０は、ＡｌＮ層であるとよい。
２．ＭＩＳ型半導体素子の製造方法
本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
２−１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層１４０に溝１４１を形成する。
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層１４０に溝１４１を形成する。
２−３．絶縁膜形成工程
次に、溝１４１に、絶縁膜１５０を形成する。
次に、溝１４１に、絶縁膜１５０を形成する。
２−４．電極形成工程
次に、ＡｌＧａＮ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、溝１４１の箇所に、絶縁膜１５０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜１５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子１００が製造される。
次に、ＡｌＧａＮ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、溝１４１の箇所に、絶縁膜１５０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜１５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子１００が製造される。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。
１．半導体発光素子
図９は、本実施形態の発光素子２００の構造を示す概略構成図である。図９に示すように、発光素子２００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ｎ−ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ−ＧａＮ層２６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層２４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。ここで、バッファ層２２０は、ＡｌＮ層であるとよい。
図９は、本実施形態の発光素子２００の構造を示す概略構成図である。図９に示すように、発光素子２００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ｎ−ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ−ＧａＮ層２６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層２４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。ここで、バッファ層２２０は、ＡｌＮ層であるとよい。
２．半導体発光素子の製造方法
本実施形態の発光素子２００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
本実施形態の発光素子２００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
２−１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ｎ−ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ−ＧａＮ層２６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ｎ−ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ−ＧａＮ層２６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層２６０からｎ−ＧａＮ層２３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ−ＧａＮ層２３０の露出部が露出する。
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層２６０からｎ−ＧａＮ層２３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ−ＧａＮ層２３０の露出部が露出する。
２−３．電極形成工程
次に、ｎ−ＧａＮ層２３０の露出部の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層２６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
次に、ｎ−ＧａＮ層２３０の露出部の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層２６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
２−４．その他の工程
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。
（実験）
１．ＲＨＥＥＤ
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、３００Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
１．ＲＨＥＥＤ
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、３００Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
Ｈ2 ガスを１０００ｓｃｃｍ流しながらＳｉ（１１１）基板を３００℃まで昇温した（クリーニング工程）。次に、ＲＦパワーを１００Ｗにし、Ｎ2 ガスを７５０ｓｃｃｍ流した（基板窒素処理工程）。この際のＳｉ（１１１）基板の温度を変えて、ＲＨＥＥＤのパターンを観察した。
図１０は、Ｓｉ（１１１）基板の温度が２５℃のときのＲＨＥＥＤパターンである。図１１は、Ｓｉ（１１１）基板の温度が３００℃のときのＲＨＥＥＤパターンである。図１２は、Ｓｉ（１１１）基板の温度が６００℃のときのＲＨＥＥＤパターンである。図１３は、Ｓｉ（１１１）基板の温度が９００℃のときのＲＨＥＥＤパターンである。
図１０から図１３に示すように、Ｓｉ（１１１）基板の温度が２５℃、３００℃の場合には、ストリークラインが観測された。しかし、Ｓｉ（１１１）基板の温度が６００℃、９００℃の場合には、ストリークラインが観測されなかった。このため、Ｓｉ（１１１）基板の温度は０℃以上３００℃以下であるとよい。
２．表面粗さ
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、１００〜１５０Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、１００〜１５０Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
炉の内圧を１５０Ｐａに保ちつつＨ2 ガスを１０００ｓｃｃｍ流しながらＳｉ（１１１）基板を３００℃まで昇温した（クリーニング工程）。次に、基板温度を室温まで戻して、ＲＦパワーを１００Ｗにし、Ｎ2 ガスを７５０ｓｃｃｍ流した（基板窒素処理工程）。そして、Ｓｉ（１１１）基板の温度を６００℃まで昇温した。
Ｎ2 ガスを７５０ｓｃｃｍで流しつつＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を２０秒流してＡｌを成膜した。その後ＴＭＡの導入を止めて、ＲＦパワーを１００ＷにしてＮ2 ガスをプラズマ化し、Ａｌを窒化した。ＴＭＡの導入とＴＭＡの停止とを２０回繰り返した（ＡｌＮ層形成工程）。
基板温度が２５℃の場合には、窒素処理後のＳｉ基板の表面粗さ（ＲＭＳ）は０．１９０ｎｍであった。基板温度が３００℃の場合には、窒素処理後のＳｉ基板の表面粗さ（ＲＭＳ）は０．１３６ｎｍであった。基板温度が６００℃の場合には、窒素処理後のＳｉ基板の表面粗さ（ＲＭＳ）は０．２３０ｎｍであった。基板温度が９００℃の場合には、窒素処理後のＳｉ基板の表面粗さ（ＲＭＳ）は０．１９１ｎｍであった。
［表２］
基板温度 表面粗さ（ＲＭＳ）
２５℃ ０．１９０ｎｍ
３００℃ ０．１３６ｎｍ
６００℃ ０．２３０ｎｍ
９００℃ ０．１９１ｎｍ
基板温度 表面粗さ（ＲＭＳ）
２５℃ ０．１９０ｎｍ
３００℃ ０．１３６ｎｍ
６００℃ ０．２３０ｎｍ
９００℃ ０．１９１ｎｍ
３．格子定数
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、１００〜１５０Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
本実験では、図６に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。製造装置１０００の内圧は、１００〜１５０Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＳｉ（１１１）基板を用いた。
炉の内圧を１５０Ｐａに保ちつつＨ2 ガスを１０００ｓｃｃｍ流しながらＳｉ（１１１）基板を３００℃まで昇温した（クリーニング工程）。次に、基板温度を室温まで戻して、ＲＦパワーを１００Ｗにし、Ｎ2 ガスを７５０ｓｃｃｍ流した（基板窒素処理工程）。そして、Ｓｉ（１１１）基板の温度を６００℃まで昇温した。
Ｎ2 ガスを７５０ｓｃｃｍで流しつつＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を２０秒流してＡｌを成膜した。その後ＴＭＡの導入を止めて、ＲＦパワーを１００ＷにしてＮ2 ガスをプラズマ化し、Ａｌを窒化した。ＴＭＡの導入とＴＭＡの停止とを１０回繰り返した（ＡｌＮ層形成工程）。
表３は、測定結果を示している。表４は、ＳｉおよびＡｌＮの格子定数（ａ軸）である。
［表３］
Ｓｉのストリークラインの距離 ０．８ｃｍ
ストリークラインの近似幅 ０．１ｃｍ
ＡｌＮのストリークラインの距離 ０．８ｃｍ
ストリークラインの近似幅 ０．１ｃｍ
Ｓｉのストリークラインの距離 ０．８ｃｍ
ストリークラインの近似幅 ０．１ｃｍ
ＡｌＮのストリークラインの距離 ０．８ｃｍ
ストリークラインの近似幅 ０．１ｃｍ
［表４］
Ｓｉの格子定数 ５．４３１Å
ＡｌＮの格子定数（ａ軸） ３．１１２Å
Ｓｉの格子定数 ５．４３１Å
ＡｌＮの格子定数（ａ軸） ３．１１２Å
表３に示すように、ＳｉおよびＡｌＮのストリークラインの近似幅の範囲で、ＳｉおよびＡｌＮのストリークラインの距離は等しい。つまり、成膜されたＡｌＮの格子定数は、Ｓｉの格子定数にほぼ等しい。ストリークラインの近似幅を考慮すると、成膜されたＡｌＮの格子定数とＳｉの格子定数との差は６．２５％以下である。少なくとも、成膜されたＡｌＮの格子定数とＳｉの格子定数との差は１０％以下に入っているといえる。
なお、表４に示すように、通常のＳｉ（１１１）の格子定数とＡｌＮの格子定数との差は、１８．９％程度である。
（付記）
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、第１の工程では、プラズマを発生させない。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、基板窒素処理工程では、０℃以上１００℃以下の温度でＳｉ（１１１）基板の表面を窒化する。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、第１の工程では、原子層レベルのＡｌ層を形成する。第２の工程では、原子層レベルのＮ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、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
第６の態様におけるテンプレート基板の製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、を有する。この製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返す。基板窒素処理工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。第１の工程では、プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずにＳｉ（１１１）基板にＡｌ含有ガスを供給する。第２の工程では、プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後にＳｉ（１１１）基板に窒素ガスを供給する。
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体素子は、Ｓｉ（１１１）基板と、Ｓｉ（１１１）基板の上のＡｌＮ層と、を有する。ＡｌＮ層は、３０原子層以下である。Ｓｉ（１１１）の格子定数とＡｌＮ層の格子定数との差が、１０％以下である。
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１０１０…電子銃
１０２０…検出部
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス
１６２０…プラズマ電力パルス制御部
１８５０…パルスバルブ
１００１…炉本体
１０１０…電子銃
１０２０…検出部
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス
１６２０…プラズマ電力パルス制御部
１８５０…パルスバルブ
Claims (7)
- Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、
前記Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、
前記Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、
を有し、
前記第１の工程と前記第２の工程とを繰り返し、
前記基板窒素処理工程では、
プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給し、
前記第１の工程では、
前記プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずに前記Ｓｉ（１１１）基板に前記Ａｌ含有ガスを供給し、
前記第２の工程では、
前記プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第１の工程では、
プラズマを発生させないこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記基板窒素処理工程では、
０℃以上１００℃以下の温度で前記Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒化すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第１の工程では、
原子層レベルの前記Ａｌ層を形成し、
前記第２の工程では、
原子層レベルの前記Ｎ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、
前記Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、
前記Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、
を有し、
前記第１の工程と前記第２の工程とを繰り返し、
前記基板窒素処理工程では、
プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給し、
前記第１の工程では、
前記プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずに前記Ｓｉ（１１１）基板に前記Ａｌ含有ガスを供給し、
前記第２の工程では、
前記プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - Ｓｉ（１１１）基板の表面を窒素処理してＮ層を形成する基板窒素処理工程と、
前記Ｎ層の上にＡｌ層を形成する第１の工程と、
前記Ａｌ層の上にＮ層を形成する第２の工程と、
を有し、
前記第１の工程と前記第２の工程とを繰り返し、
前記基板窒素処理工程では、
プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給し、
前記第１の工程では、
前記プラズマ発生領域にＡｌ原子を含有するＡｌ含有ガスを通過させずに前記Ｓｉ（１１１）基板に前記Ａｌ含有ガスを供給し、
前記第２の工程では、
前記プラズマ発生領域に窒素ガスを通過させた後に前記Ｓｉ（１１１）基板に前記窒素ガスを供給すること
を特徴とするテンプレート基板の製造方法。 - Ｓｉ（１１１）基板と、
前記Ｓｉ（１１１）基板の上のＡｌＮ層と、
を有するIII 族窒化物半導体素子において、
前記ＡｌＮ層は、
３０原子層以下であり、
前記Ｓｉ（１１１）の格子定数と前記ＡｌＮ層の格子定数との差が、
１０％以下であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
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2018
- 2018-10-23 JP JP2018199575A patent/JP7202604B2/ja active Active
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