JP2023048051A - Ｉｉｉ族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機金属ガスおよび半導体結晶へのプラズマの影響を抑制しつつ多くのラジカルを基板に供給することを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法を提供することである。
【解決手段】 ラジカル輸送室ＲＭ２は、ｐＢＮ製の材料を貫通する空洞であり、プラズマ発生室ＲＭ１と反応室ＲＭ３との間に配置されている。第１のガス供給管１３００は、反応室ＲＭ３の内部に開口部を有しており、反応室ＲＭ３の内部に第１のガスを供給する。第２のガス供給管１４２０は、プラズマ発生室ＲＭ１の内部に第２のガスを供給する。ラジカル輸送室ＲＭ２の筒形状の空洞は、プラズマ発生室ＲＭ１と反応室ＲＭ３とを連通している。
【選択図】図３

Description

本明細書の技術分野は、プラズマを用いたIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法に関する。

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 族窒化物半導体では、破壊電界強度が高く、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。

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。

また、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、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が挙げられる。ＭＢＥ法では、低い成長温度でIII 族窒化物半導体を成長させることができる。しかし、ラジカルソースを用いるＲＦ－ＭＢＥ法では、成長速度が遅い。すなわち、ＲＦ－ＭＢＥ法は、量産に向かない。アンモニアガスを用いるＭＢＥ法では、大量のアンモニアガスを使用するため、製造コストが高い。

特開２０１５－９９８６６号公報

特許文献１には、III 族金属を含有する第１のガス（有機金属ガス）をプラズマ化しないで基板に供給し、窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより、III 族窒化物半導体を成長させる技術が開示されている。

特許文献１に記載の製造装置においては、シャワーヘッド電極をサセプターから離れて設置させることにより、プラズマ中の荷電粒子が第１のガスおよび基板上の半導体に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。しかし、シャワーヘッド電極をサセプターから離れて設置させると、プラズマ中のラジカルがサセプターに到達するまでに失活してしまう。すなわち、有機金属ガスおよび半導体結晶へのプラズマの影響を抑制することと、多くのラジカルを基板に供給することとは、トレードオフの関係にある。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、有機金属ガスおよび半導体結晶へのプラズマの影響を抑制しつつ多くのラジカルを基板に供給することを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造装置および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装置は、第１電極と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、ｐＢＮ製であるとともに筒形状の空洞を備えるラジカル輸送部と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとして供給するものである。第２のガス供給管は、窒素ガスを含むガスを第２のガスとして供給するものである。第１電極は、基板支持部からみて第１のガス供給管の第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されている。ラジカル輸送部は、第１電極と第１のガス供給管の第１のガス噴出口との間に位置している。

このIII 族窒化物半導体装置の製造装置は、筒形状の空洞を備えるラジカル輸送部を有する。ラジカル輸送部は、ラジカルの失活を抑制する。ラジカル輸送部は、発生したラジカルが失活することを抑制するとともに、発生した荷電粒子が基板に到達することを抑制する。このため、この製造装置により製造されたIII 族窒化物半導体装置は、高品質な結晶性を備えている。

本明細書では、有機金属ガスおよび半導体結晶へのプラズマの影響を抑制しつつ多くのラジカルを基板に供給することを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法が提供されている。

第１の実施形態の半導体ウエハＷａ１の構造を示す図である。 第１の実施形態における製造装置１０００の概略構成を示す図である。 第１の実施形態における製造装置１０００の炉本体１００１の内部構造を示す図である。 第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ２を示す図である。 第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ３を示す図である。 第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ４を示す図である。 サンプル１の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル１の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル２の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル２の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル３の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル３の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル４の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 サンプル４の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。

以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体装置の製造装置および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、第１の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と半導体層Ｆ１とを有する。基板Ｓａ１は成長基板である。半導体層Ｆ１は、III 族窒化物半導体から成る単結晶の半導体層である。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。

２．III 族窒化物半導体装置の製造装置
図２は、第１の実施形態における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、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、荷電粒子捕獲部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、１８５０と、ラジカル輸送部ＲＤ１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。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の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。

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のガスが噴出する第１のガス噴出口である。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１のガス供給管１３００は、後述するように、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。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。

荷電粒子捕獲部１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。荷電粒子捕獲部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。荷電粒子捕獲部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、荷電粒子捕獲部１５００は、シャワーヘッド電極と第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、荷電粒子捕獲部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。

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。

炉本体１００１と、荷電粒子捕獲部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。

ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に周期的な高周波電位を付与する電位付与部である。

３．ラジカル輸送部
３－１．ラジカル輸送部の構成
図３は、第１の実施形態における製造装置１０００の炉本体１００１の内部構造を示す図である。ラジカル輸送部ＲＤ１は、ｐＢＮ製であるとともに筒形状の空洞を備えている。ラジカル輸送部ＲＤ１は、シャワーヘッド電極１１００と第１のガス供給管１３００の貫通孔との間に位置している。炉本体１００１は、プラズマ発生室ＲＭ１と、ラジカル輸送室ＲＭ２と、反応室ＲＭ３と、を有する。

プラズマ発生室ＲＭ１は、プラズマを発生させるための部屋である。プラズマ発生室ＲＭ１は、シャワーヘッド電極１１００と、荷電粒子捕獲部１５００と、を有する。

ラジカル輸送室ＲＭ２は、プラズマ発生室ＲＭ１で発生させたラジカルを反応室ＲＭ３に輸送するための部屋である。ラジカル輸送室ＲＭ２は、ラジカル輸送部ＲＤ１に囲まれている。ラジカル輸送部ＲＤ１は、ｐＢＮ製の材料からなり、筒形状の空洞を有する。その筒形状の空洞がラジカル輸送室ＲＭ２に相当する。この筒形状の空洞は、プラズマ発生室ＲＭ１から反応室ＲＭ３に向かう向きに貫通している。つまり、この筒形状の空洞は、シャワーヘッド電極１１００からサセプター１２００に向かう向きに貫通している。ラジカル輸送室ＲＭ２は、プラズマ発生室ＲＭ１と反応室ＲＭ３との間に配置されている。ラジカル輸送室ＲＭ２の筒形状の空洞は、プラズマ発生室ＲＭ１と反応室ＲＭ３とを連通している。ラジカル輸送室ＲＭ２の筒形状の空洞は、プラズマ発生室ＲＭ１の荷電粒子捕獲部１５００と、反応室ＲＭ３の第１のガス供給管１３００の開口部と、の間に配置されている。

反応室ＲＭ３は、基板Ｓａ１の上に半導体を成長させるための部屋である。反応室ＲＭ３は、サセプター１２００を有する。

第１のガス供給管１３００は、反応室ＲＭ３の内部に開口部を有しており、反応室ＲＭ３の内部に第１のガスを供給する。

第２のガス供給管１４２０は、プラズマ発生室ＲＭ１の内部に第２のガスを供給する。

ラジカル輸送部ＲＤ１は、ｐＢＮ（熱分解性窒化ホウ素）製の筒形状部である。ラジカル輸送部ＲＤ１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。また、ラジカル輸送部ＲＤ１は、荷電粒子捕獲部１５００と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間に配置されている。

ラジカル輸送部ＲＤ１は、プラズマ発生領域で発生させたプラズマ生成物のうちラジカルを透過させるための筒形状部である。ラジカル輸送部ＲＤ１における空洞がラジカル輸送部ＲＤ１を貫通する長さは、例えば、２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。ラジカル輸送部ＲＤ１における空洞がラジカル輸送部ＲＤ１を貫通する長さは、例えば、その空洞の内径の０．５倍以上２００倍以下である。好ましくは、１倍以上１００倍以下である。１．２倍以上５０倍以下であってもよい。

３－２．ラジカル輸送部とプラズマ発生領域との間の関係
シャワーヘッド電極１１００の直下はプラズマ発生領域である。プラズマ発生領域で発生するプラズマは、陽イオン、電子、ラジカル、紫外線といったプラズマ生成物を含む。荷電粒子捕獲部１５００は、陽イオン、電子を捕獲するとともに、紫外線をサセプター１２００の側に透過させない。プラズマ発生室ＲＭ１はプラズマ発生領域を有するが、ラジカル輸送部ＲＤ１のラジカル輸送室ＲＭ２は、プラズマ発生領域を有さない。

このため、プラズマ発生領域で発生したプラズマ生成物のうちラジカルと希ガスとがラジカル輸送部ＲＤ１に進入する。プラズマガスが窒素ガスと水素ガスと希ガスとを含有する。このため、窒素原子と水素原子とに由来するラジカルと、希ガス等がラジカル輸送部ＲＤ１に進入する。ラジカル輸送部ＲＤ１は、ｐＢＮ製であるため、ラジカルの失活を抑制する。ラジカル輸送部ＲＤ１を通過したラジカルはサセプター１２００に向かう。

そして、ラジカル輸送部ＲＤ１を通過したラジカルは、サセプター１２００上の基板Ｓａ１の表面でIII 属金属と反応し、III 属窒化物半導体を生成する。

３－３．ラジカル輸送部の効果
ラジカル輸送部ＲＤ１は、プラズマにより発生させたラジカルをなるべく失活させないようにサセプター１２００に向かって輸送するためのものである。

多くのラジカルをサセプター１２００に供給するためには、ラジカル輸送部ＲＤ１を設けることなく、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離を短くすればよい。しかし、その場合には、ラジカル以外の陽イオン、電子がサセプター１２００上の基板Ｓａ１に到達するおそれがある。これらの陽イオン、電子が基板Ｓａ１に到達すると、半導体結晶の結晶性が悪くなる。

このため、ラジカル輸送部ＲＤ１は、プラズマ発生領域と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離を長くとり、なおかつ、ラジカルの失活を抑制する。荷電粒子捕獲部１５００により荷電粒子を捕獲した後に、プラズマ化させない有機金属ガスのプラズマ化を抑制するためのものである。

このように、半導体を成膜するために、一方のガスをプラズマ化し、他方のガスをプラズマ化しないために、ラジカル輸送部ＲＤ１を荷電粒子捕獲部１５００より下流であって、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔より上流の位置に設ける必要がある。

荷電粒子捕獲部１５００は、荷電粒子を捕獲する。しかし、荷電粒子捕獲部１５００は、必ずしもすべての荷電粒子を捕獲するとは限らない。ラジカル輸送室ＲＭ２がある程度の長さで存在することにより、反応室ＲＭ３に向かう粒子のうち微量の荷電粒子がさらに減少する。

４．製造装置の動作
４－１．プラズマの発生
炉本体１００１と、荷電粒子捕獲部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および荷電粒子捕獲部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および荷電粒子捕獲部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。

荷電粒子捕獲部１５００が、プラズマ発生室ＲＭ１の内部で発生したプラズマ生成物のうちの陽イオン、電子を捕獲する。荷電粒子捕獲部１５００は金属メッシュを互いにずらして重ね合わせたものである。このため、荷電粒子捕獲部１５００は紫外線を反射または吸収することができる。したがって、プラズマ発生室ＲＭ１の内部で発生したプラズマのうち中性粒子がラジカル輸送室ＲＭ２に移動する。ここで、中性粒子とは、ラジカルと希ガスとを含む。

ラジカル輸送室ＲＭ２は、ラジカルをほとんど失活させることなく基板Ｓａ１にラジカルを供給する。

４－２．製造装置の条件
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、４００℃以上９００℃以下の範囲内である。また、基板温度は、室温以上であってもよい。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 ４００℃以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下

５．半導体ウエハの製造方法
５－１．基板のクリーニング
ここで、第１の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の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を４００℃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。

５－２．半導体層形成工程
次に、ＲＦ電源１６００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、荷電粒子捕獲部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。通常のアンモニアに比べて、これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物の反応性は高い。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。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、第１の実施形態では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化し、そのプラズマ化したガスのうちのラジカルをｐＢＮ製の筒形状部の内部を通過させてから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ｐＢＮ製の筒形状部の内部を通過させずに成長基板に供給し、成長基板の上にIII 族窒化物半導体を成長させる。

５－３．半導体ウエハ
こうして、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。これにより、半導体ウエハが製造される。この半導体ウエハにおけるIII 族窒化物半導体の結晶性はよい。

６．第１の実施形態の効果
第１の実施形態の製造装置１０００は、プラズマ発生室ＲＭ１とラジカル輸送室ＲＭ２と反応室ＲＭ３とを有する。プラズマ発生室ＲＭ１で発生したプラズマのうち大部分の荷電粒子は荷電粒子捕獲部１５００により捕獲され、残りの荷電粒子はラジカル輸送室ＲＭ２で減少する。このため、プラズマ発生室ＲＭ１で発生したプラズマのうち窒素原子と水素原子とに由来するラジカルおよび化合物と、希ガスと、がラジカル輸送室ＲＭ２を透過して反応室ＲＭ３に到達する。反応室ＲＭ３においては、ラジカル輸送室ＲＭ２を透過してきたラジカルと、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔から供給される第１のガスと、が基板Ｓａ１の表面で反応する。これにより、基板Ｓａ１の上にIII 族窒化物半導体が成長する。

このように、プラズマ発生室ＲＭ１で発生したプラズマのうちラジカルまたは希ガスが基板Ｓａ１に到達し、荷電粒子が反応室ＲＭ３にほとんど到達しない。このため、基板Ｓａ１の上に成長する半導体の結晶性はよい。

また、多くのラジカルが基板Ｓａ１に到達するため、半導体の成膜速度は速い。

７．変形例
７－１．ラジカル輸送部の形状
図４は、第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ２を示す図である。図４の上図は、シャワーヘッド電極１１００の側からラジカル輸送部Ｄ２を視た図である。図４の下図は、図４の上図に垂直な方向から視た図である。図４に示すように、ラジカル輸送部ＲＤ２は、プラズマ発生室ＲＭ１から反応室ＲＭ３に達する多数の空洞ＲＤ２ａを有する。空洞ＲＤ２ａは円筒内面形状の空洞である。このときラジカル輸送室は、複数の空洞ＲＤ２ａを有する。空洞ＲＤ２ａにおけるラジカル輸送部ＲＤ２を貫通する長さは、例えば、空洞ＲＤ２ａの内径の０．５倍以上２００倍以下である。好ましくは、１倍以上１００倍以下である。１．２倍以上５０倍以下であってもよい。

図５は、第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ３を示す図である。図５に示すように、ラジカル輸送部ＲＤ３は、プラズマ発生室ＲＭ１から反応室ＲＭ３に達する複数の空洞ＲＤ３ａ、ＲＤ３ｂ、ＲＤ３ｃ、ＲＤ３ｄ、ＲＤ３ｅを有する。中心に位置する空洞ＲＤ３ａは、円筒内面形状である。その他の空洞ＲＤ３ｂ、ＲＤ３ｃ、ＲＤ３ｄ、ＲＤ３ｅは、空洞ＲＤ３ａと同心円状に配置された円筒内面と円筒外面とで挟まれた円筒形状の空洞である。ラジカル輸送室は、同心円状に配置された複数の空洞を有する。

図６は、第１の実施形態の変形例におけるラジカル輸送部ＲＤ４を示す図である。図６に示すように、ラジカル輸送部ＲＤ４は、プラズマ発生室ＲＭ１から反応室ＲＭ３に達する複数の空洞ＲＤ４ａを有する。空洞ＲＤ４ａは、角筒内面形状である。図６では、角筒が正方格子状に配置されている。

７－２．ラジカル輸送部の材質
ラジカル輸送部ＲＤ１の材質は、例えば、ホウケイ酸ガラス、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、アルミナ、Ｓｉ_３Ｎ_４であってもよい。

７－３．リング部の貫通孔
第１の実施形態では、第１のガス供給管１３００は、リング部１３１０の内側に貫通孔を有する。しかし、この貫通孔の位置を、リングの内側でかつ下向きにしてもよい。リング部１３１０を含む面と、貫通孔の開口部の方向とのなす角の角度は、例えば４５°である。この角の角度は、例えば、０°以上６０°以下の範囲内で変えてもよい。この角度は、もちろん、リング部１３１０の径や、リング部１３１０とサセプター１２００との間の距離にも依存する。また、貫通孔の数は、１以上であればよい。もちろん、リング部１３１０に、等間隔で貫通孔が形成されていることが好ましい。

７－４．パルス電圧
ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００にパルス電圧を繰り返し印加してもよい。

７－５．半導体装置
半導体ウエハＷａ１の上にさらに半導体層を形成し、電極を形成することにより、半導体装置を製造してもよい。

７－６．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

Ａ．実験１
１．サンプルの製作
１－１．サンプル１
サンプル１を次のように製造した。ラジカル輸送室ＲＭ２を有する製造装置１０００を用いてＧａＮを成長させた。成長基板として、１０ｍｍ角、ＧａＮの厚さが２．５μｍのＧａＮ／Ｓｉ基板を用いた。窒素ガス１５００ｓｃｃｍと水素ガス１５００ｓｃｃｍとを混合したガスを第２のガスとして用いた。第１のガスとしてＴＭＧを用いた。キャリアガスとしてＨ_２を用いた。Ｈ_２の流量を２０ｓｃｃｍとし、ＴＭＧの流量を２．４ｓｃｃｍとした。製造装置１０００の内圧は３００Ｐａであった。ＧａＮ／Ｓｉ基板を８００℃まで昇温した後に、ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に与える電力が６００Ｗであった。成膜時間は２０分であった。

１－２．サンプル２
サンプル１の製造条件の一部を変更してサンプル２を製造した。製造装置１０００からラジカル輸送部ＲＤ１を取り除いた装置でサンプル２を製造した。窒素ガスの流量は７５０ｓｃｃｍであった。水素ガスの流量は２５０ｓｃｃｍであった。キャリアガスを用いなかった。ＴＭＧの流量は１．２ｓｃｃｍであった。成膜時間は２時間であった。

サンプル１およびサンプル２の違いを表２に示す。

［表２］
サンプル１ ラジカル輸送部（ｐＢＮ）あり
サンプル２ ラジカル輸送部（ｐＢＮ）なし

２．顕微鏡写真
図７は、サンプル１の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図７に示すように、サンプル１の表面は滑らかである。

図８は、サンプル１の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図８に示すように、サンプル１の表面は平坦である。写真で確認する限り、ＧａＮの結晶性はよい。

図９は、サンプル２の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図９に示すように、サンプル２の表面はやや荒れている。

図１０は、サンプル２の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１０に示すように、サンプル２の表面は微小な凹凸を有する。サンプル２のＧａＮの結晶性は、サンプル１のＧａＮの結晶性よりも劣っている。

３．成膜速度
サンプル１の成膜速度は１．７μｍ／ｈだった。サンプル２の成膜速度は０．４５μｍ／ｈであった。サンプル１の成膜速度は、サンプル２の成膜速度の３倍以上であった。

Ｂ．実験２
１．サンプルの製作
１－１．サンプル３
サンプル３を次のように製造した。ラジカル輸送室ＲＭ２を有する製造装置１０００を用いてＧａＮを成長させた。成長基板として、１０ｍｍ角、ＧａＮの厚さが３５０μｍのバルクＧａＮ基板を用いた。バルクＧａＮ基板を８００℃まで昇温した後に、窒素ガス１５００ｓｃｃｍと水素ガス１５００ｓｃｃｍとを混合した混合ガスを第２のガスとして供給した。第１のガスとしてＴＭＧを用いた。キャリアガスとしてＨ_２を用いた。Ｈ_２の流量を２０ｓｃｃｍとし、ＴＭＧの流量を２．４ｓｃｃｍとした。製造装置１０００の内圧は３００Ｐａであった。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に与える電力が６００Ｗであった。成膜時間は１０分であった。

次に、上記のバルクＧａＮ基板の上にＧａＮを成長させたサンプルの上に、さらにＧａＮをパルス成長させた。内圧は１５０Ｐａであった。窒素ガスの流量を１５００ｓｃｃｍとし、その窒素ガスをプラズマ化してＧａＮに供給した。水素ガスは供給しなかった。第１の期間を５秒とし、第２の期間を１０秒とし、それらを繰り返した。第１の期間における出力Ｗ１は６００Ｗであった。第２の期間における出力Ｗ２は３００Ｗであった。第１の期間ではＴＭＧを供給した。キャリアガスとしてＨ_２を用いた。Ｈ_２の流量を２０ｓｃｃｍとし、ＴＭＧの流量を２．４ｓｃｃｍとした。第２の期間ではＴＭＧを供給しなかった。成膜時間は２時間であった。

１－２．サンプル４
サンプル３の製造条件の一部を変更してサンプル４を製造した。製造装置１０００からラジカル輸送部ＲＤ１を取り除いた装置でサンプル４を製造した。成長基板として、１０ｍｍ角、ＧａＮの厚さが２．５μｍのＧａＮ／Ｓｉ基板を用いた。ＧａＮ／Ｓｉ基板を８００℃まで昇温した後に、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと水素ガス２５０ｓｃｃｍとを混合した混合ガスを第２のガスとして供給した。第１のガスとしてＴＭＧを用いた。キャリアガスを用いなかった。ＴＭＧの流量は１．２ｓｃｃｍであった。製造装置１０００の内圧は３００Ｐａであった。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に与える電力が７００Ｗであった。成膜時間は１時間であった。

次に、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと水素ガス２５０ｓｃｃｍとを混合した混合ガスをプラズマ化してＧａＮに供給した。内圧は３００Ｐａのままであった。

次に、上記のバルクＧａＮ基板の上にＧａＮを成長させたサンプルの上に、さらにＧａＮをパルス成長させた。窒素ガス７５０ｓｃｃｍと水素ガス２５０ｓｃｃｍとを混合した混合ガスをプラズマ化してＧａＮに供給した。第１の期間を１８秒とし、第２の期間を１秒とし、それらを繰り返した。第１の期間における出力Ｗ１は７００Ｗであった。第２の期間における出力Ｗ２は４００Ｗであった。第１の期間ではＴＭＧを１．２ｓｃｃｍで供給した。キャリアガスを用いなかった。第２の期間ではＴＭＧを供給しなかった。成膜時間は２時間であった。

サンプル３およびサンプル４の違いを表３に示す。

［表３］
サンプル３ ラジカル輸送部（ｐＢＮ）あり
サンプル４ ラジカル輸送部（ｐＢＮ）なし

２．顕微鏡写真
図１１は、サンプル３の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１１に示すように、サンプル３の表面は滑らかである。

図１２は、サンプル３の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１２に示すように、サンプル３の表面は平坦である。連続成長させたＧａＮの膜厚が１．３μｍであった。パルス成長させたＧａＮの膜厚が１．４μｍであった。

図１３は、サンプル４の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１３に示すように、サンプル４の表面はやや荒れている。

図１４は、サンプル４の断面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図１４に示すように、サンプル４の表面は微小な凹凸を有する。

３．成膜速度
サンプル３におけるパルス成長の成膜速度は０．７５μｍ／ｈだった。サンプル４におけるパルス成長の成膜速度は０．０３μｍ／ｈであった。

（付記）
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置は、第１電極と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、筒形状の空洞を備えるラジカル輸送部と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとして供給するものである。第２のガス供給管は、窒素ガスを含むガスを第２のガスとして供給するものである。第１電極は、基板支持部からみて第１のガス供給管の第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されている。ラジカル輸送部は、第１電極と第１のガス供給管の第１のガス噴出口との間に位置している。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置は、プラズマ発生室と、反応室と、プラズマ発生室で発生させたラジカルを反応室に輸送するためのラジカル輸送室と、を有する。プラズマ発生室は、第１電極と、プラズマ中の荷電粒子を捕獲する荷電粒子捕獲部と、を有する。反応室は、基板支持部を有する。ラジカル輸送室は、ラジカル輸送部における筒形状の空洞であり、プラズマ発生室と反応室との間に配置されている。第１のガス供給管は、反応室の内部に開口部を有するとともに、反応室の内部に第１のガスを供給する。第２のガス供給管は、プラズマ発生室の内部に第２のガスを供給する。ラジカル輸送室は、プラズマ発生室と反応室とを連通している。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、ラジカル輸送室は、プラズマ発生室の荷電粒子捕獲部と、反応室の第１のガス供給管の開口部と、の間に配置されている。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、ラジカル輸送室は、複数の空洞を有する。

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、ラジカル輸送室は、同心円状に配置された複数の空洞を有する。

第６の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、ラジカル輸送部の材質は、ｐＢＮ、ホウケイ酸ガラス、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、アルミナ、Ｓｉ_３Ｎ_４のいずれかである。

第７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、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化し、そのプラズマ化したガスのうちのラジカルを筒形状の空洞を有するｐＢＮ製のラジカル輸送部の内部を通過させてから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ラジカル輸送部の空洞の内部を通過させずに成長基板に供給し、成長基板の上にIII 族窒化物半導体を成長させる。

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
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１５００…荷電粒子捕獲部
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス

Claims (7)

1. III 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   第１電極と、
   成長基板を支持するための基板支持部と、
   前記基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、
   前記基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、
   筒形状の空洞を備えるラジカル輸送部と、
   を有し、
   前記第１のガス供給管は、
   少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、
   III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとして供給するものであり、
   前記第２のガス供給管は、
   窒素ガスを含むガスを第２のガスとして供給するものであり、
   前記第１電極は、
   前記基板支持部からみて前記第１のガス供給管の前記第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されており、
   前記ラジカル輸送部は、
   前記第１電極と前記第１のガス供給管の前記第１のガス噴出口との間に位置していること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
2. 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   プラズマ発生室と、
   反応室と、
   前記プラズマ発生室で発生させたラジカルを前記反応室に輸送するためのラジカル輸送室と、
   を有し、
   前記プラズマ発生室は、
   前記第１電極と、プラズマ中の荷電粒子を捕獲する荷電粒子捕獲部と、を有し、
   前記反応室は、
   前記基板支持部を有し、
   前記ラジカル輸送室は、
   前記ラジカル輸送部における前記筒形状の空洞であり、
   前記プラズマ発生室と前記反応室との間に配置されており、
   前記第１のガス供給管は、
   前記反応室の内部に開口部を有するとともに、前記反応室の内部に前記第１のガスを供給し、
   前記第２のガス供給管は、
   前記プラズマ発生室の内部に前記第２のガスを供給し、
   前記ラジカル輸送室は、
   前記プラズマ発生室と前記反応室とを連通していること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
3. 請求項２に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   前記ラジカル輸送室は、
   前記プラズマ発生室の前記荷電粒子捕獲部と、前記反応室の前記第１のガス供給管の前記開口部と、の間に配置されていること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   前記ラジカル輸送室は、
   複数の空洞を有すること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
5. 請求項２または請求項３に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   前記ラジカル輸送室は、
   同心円状に配置された複数の空洞を有すること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
   前記ラジカル輸送部の材質は、
   ｐＢＮ、ホウケイ酸ガラス、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、アルミナ、Ｓｉ_３Ｎ_４のいずれかであること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
7. 窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化し、
   そのプラズマ化したガスのうちのラジカルを筒形状の空洞を有するｐＢＮ製のラジカル輸送部の内部を通過させてから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ラジカル輸送部の前記空洞の内部を通過させずに前記成長基板に供給し、
   前記成長基板の上にIII 族窒化物半導体を成長させること
   を含むIII 族窒化物半導体装置の製造方法。

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