JP3760663B2

JP3760663B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP3760663B2
Application number: JP9229199A
Authority: JP
Inventors: 久喜加藤; 典克小出
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000286449A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法に関する。詳しくは、高品質のIII族窒化物系化合物半導体層を得るためのIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性のシリコン基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層した構成の素子が知られている。導電性のシリコン基板を用いることの利点として、基板に直接電極を接続することが可能となり、電極を接続するために半導体層を複雑にエッチングする工程が不要となることが挙げられる。また、半導体素子のチャージアップの問題も解消できる等の利点もある。III族窒化物系化合物半導体素子は、短波長の発光素子、レーザーダイオード、各種電子デバイスとして利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高品質の素子を再現性良く、かつ高い歩留まりで得るためには、基板ウエハー上にIII族窒化物系化合物半導体層をその全域において均質に成長させる必要がある。しかしながら、本発明者らが、シリコン基板上にＭＯＣＶＤ法により成長させたIII族窒化物系化合物半導体層を観察したところ、その中央部分と周縁部分とで結晶の様子が異なっていた。すなわち、中央部分では設計通りに結晶性良くIII族窒化物系化合物半導体層がエピタキシャル成長しているものの、周縁部分ではIII族窒化物系化合物半導体層の結晶性が低下していた。
本発明者らの検討によれば、かかる周縁部分での結晶性の低下はＭＯＣＶＤ法を実行するときの高温でシリコン基板の材料が蒸発し、III族窒化物系化合物半導体層中へ拡散することによるものと考えられる。また、シリコンがIII族窒化物系化合物半導体層中に拡散するとIII族窒化物系化合物半導体の伝導型及び導電率にも影響がでるため好ましくない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高品質のIII族窒化物系化合物半導体素子を得るための新規な製造方法を提供することを目的とする。その構成は以下の通りである。
シリコン基板の側壁を拡散防止層で被覆した状態でIII族窒化物系化合物半導体を前記シリコン基板の上面に成長させる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【０００５】
上記の製造方法によれば、III族窒化物系化合物半導体層を成長させるとき当該III族窒化物系化合物半導体層に最も近いシリコン基板の側壁が酸化シリコン層で覆われるため、基板材料であるシリコンがそこから蒸発することが防止される。これにより、基板由来の不純物がIII族窒化物系化合物半導体層に拡散することが防止され、その結果、結晶性に優れ、かつ全域で均質のIII族窒化物系化合物半導体層が形成される。また、III族窒化物系化合物半導体層の伝導型及び導電率も安定する。もって、高品質のIII族窒化物系化合物半導体素子を再現性良く製造することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記において、拡散防止層はIII族窒化物系化合物半導体を成長させるとき、その成長温度及び環境において安定であって、シリコン基板の材料が蒸発することを防止できるものであれば特にその材料は限定されない。例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどを挙げることができる。
かかる拡散防止層の形成方法も特に限定されるものではなく、CVD法やスパッタ法等の一般的な方法が採用できる。
拡散防止層が酸化シリコン製のときは、基板を酸素や水の雰囲気下で高温処理するか若しくは所定のエッチャント（Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＨ_３ＯＨ混合液）へ基板を浸漬することによりこれを形成することができる。なお、このような酸化処理を行うとシリコン基板の裏面にも酸化シリコン層が形成される場合があるが、この発明は基板裏面への酸化シリコン層、即ち拡散防止層の形成を除外するものではない。換言すれば、III族窒化物系化合物半導体を成長させる面以外のシリコン基板の面を当該拡散防止層で被覆する。
【０００７】
シリコンによる汚染を回避したいIII族窒化物系化合物半導体層を成長させる前までに拡散防止層はシリコン基板の側壁へ形成される。
ＡｌＮやＧａＮ等のIII族窒化物系化合物半導体からなる低温成長バッファ層を用いるときは、その形成時にはシリコンの蒸発量が少ない。従って、当該バッファ層を形成した後、シリコン基板を酸化処理して酸化シリコン製の拡散防止層を形成する。なお、このときIII族窒化物系化合物半導体からなるバッファ層は酸化処理の影響を受けない。
また、ｎ層のIII族窒化物系化合物半導体にはシリコンが拡散してもその伝導型に影響が出ないので、発光素子の場合、ｎクラッド層を形成した後、活性層及びp型クラッド層を形成する前に当該酸化処理を行っても良い。
また、シリコン基板表面へ酸化シリコンのストライプ層を形成する所謂ＬＥＯ法（Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.７１(１８)、３Ｎｏｖ．１９９７参照）を実行するときには、当該酸化シリコンのストライプ層を形成するステップを実行する際に、若しくはそのステップの前後に当該シリコン基板の側面へ酸化シリコン層を形成することが好ましい。
拡散防止層の膜厚は特に限定されないが、０．０２〜１．０μｍとすることが好ましい。
【０００８】
III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１ーＸーＹ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表されるものであるが、更にIII族元素としてボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）を含んでもよく、また、窒素（Ｎ）の一部を、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、例えば、周知の有機金属化合物気相成長法（この明細書で、「ＭＯＣＶＤ法」という。）により形成される。また、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）やハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）等によっても形成することができる。
III族窒化物系化合物半導体の層は素子の種類、目的に応じて複数設ける。例えば、後述の実施例における発光素子では、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層、発光層、ｐ型III族窒化物系化合物半導体層を形成する。
【０００９】
III族窒化物系化合物半導体を成長させるときの温度が高いほど、シリコン基板からのシリコンの脱離量が多くなる。従って、その成長温度が８００〜１２００℃であるIII族窒化物系化合物半導体を成長させる前までに、シリコン基板の側壁に拡散防止層を形成しておくことが好ましい。
したがって,
【００１０】
III族窒化物系化合物半導体層を積層した後、拡散防止層を除去する。この拡散防止層を残存させても良い。
【００１１】
【実施例】
次にこの発明の実施例について説明する.
（第１実施例）
図１に本発明の製造方法により作製した発光素子１０の構成を示す。各層のスペックは次の通りである。

バッファ層１４及び各半導体層の成長はＭＯＣＶＤ法により行われる。この成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。勿論、各半導体層の形成方法はこれに限定されるものではなく、周知のＭＢＥ法によっても形成することができる。
【００１２】
ｎクラッド層１５は発光層１６側の低電子濃度ｎ⁻層とバッファ層１４側の高電子濃度ｎ^＋層となる２層構造とすることができる。
発光層１６は超格子構造のものに限定されない。発光素子の構成としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。
発光層１６とｐクラッド層１７との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドキャップの広いＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）層を介在させることができる。これは発光層１６の中に注入された電子がｐクラッド層１７に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層１７を発光層１６側の低ホール濃度ｐ⁻層と電極側の高ホール濃度ｐ^＋層とからなる２層構造とすることができる。
【００１３】
以下、図１及び図２を参照しながら実施例の発光素子１０の製造方法を説明する。
まず、Ｓｉ（１１１）面にＴｉＮ層１３が形成される。成長の方法はＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ２７１（１９９５）１０８〜１１６頁を参照されたい。その後、ＴｉＮ／Ｓｉサンプルをスパッタ装置からＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に移し変える。このチャンバ内へ水素ガスを流通させながら当該サンプルを１０００℃まで昇温させて５分間維持する。
【００１４】
その後、ＡｌＧａＮバッファ層１４を成長させる（図２（ａ））。
次に、バッファ層／ＴｉＮ／Ｓｉサンプル３０を一旦ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内から取りだし、水蒸気で酸化する装置へ移す。そして、当該酸化膜形成装置内で９００℃の条件下１５分間放置する。これにより、基板１１の側面１１ｓ及び底面１１ｂの表面が酸化され、酸化シリコンからなる拡散防止層１８が形成される（図２（ｂ））。本実施例では、水蒸気による酸化処理をＭＯＣＶＤ装置とは別の装置で行ったが、もちろんＭＯＣＶＤ装置チャンバ内で同様の処理を行うこともできる。また、酸化処理は水蒸気によるものに限られず、他の一般的な方法を採用できることは言うまでもない。
【００１５】
その後、サンプル３０をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内にもどし、常法に従いｎクラッド層１５、発光層１６、及びｐクラッド層１７が順次積層される（図２（ｃ））。
各半導体層の成長は約１０００℃の高温で行われるが、予め基板側面及び底面が高温に安定な酸化シリコンにより被覆されているため、基板材料であるシリコンが基板表面より蒸発し各半導体層に拡散することが防止される。これにより、結晶性に優れた各半導体層を成長させることができる。また、基板由来のシリコンがIII族窒化物系化合物半導体層に拡散すればドナー不純物として挙動するためIII族窒化物系化合物半導体層の導電率に影響するが、かかるシリコンの拡散を防止することにより半導体層の導電率を変化させるおそれがなくなる。その結果、所望の伝導型及び導電率を有するIII族窒化物系化合物半導体層を再現性良く成長させることができる。
【００１６】
続いて、ドライエッチング、ウエットエッチング等のエッチングにより拡散防止層１８を除去する（図２（ｄ））。
【００１７】
透光性電極１９は金を含む薄膜であり、ｐクラッド層１７の上面の実質的な全面を覆って積層される。ｐ電極２０も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極１９の上に形成される。
なお、Ｓｉ基板１１がｎ電極となる。そして、その所望の位置にワイヤーがボンディングされる。
【００１８】
（第３実施例）
図３に本発明の第３実施例に係る製造方法を示す。
この実施例では、まずシリコン基板１１の全面に酸化シリコン層３８を形成する。そして、シリコン基板１１の上面の酸化シリコン層を常法によりパターンニングしてＥＬＯパターン３１を形成する（図３（ａ）参照）。
その後、ＭＯＣＶＤ法を実行して基板１１の上面にｎ−ＧａＮ層３５を形成する。このｎ−ＧａＮ層３５はＥＬＯ（ＥｐｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長により好適な結晶性を有する（図３（ｂ）参照）。
続いて、発光層３６及びｐ−ＧａＮ層３７を同じくＭＯＣＶＤ法で形成する。これらIII族窒化物系化合物半導体層３５〜３７は前の実施例のIII族窒化物系化合物半導体層１５〜１７とそれぞれ同等の層である（図３（ｃ）参照）。
そして、酸化シリコン層３８を除去し、透光性電極３９を蒸着して図３（ｄ）の素子構成を得る。
【００１９】
本発明が適用される素子は上記の発光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、ＦＥＴ等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスにも適用できる。
また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
【００２０】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００２１】
（１１）シリコン基板の側壁を拡散防止層で被覆した状態でIII族窒化物系化合物半導体を前記シリコン基板の上面に成長させる、ことを特徴とする積層体の製造方法。
（１２）前記III族窒化物系化合物半導体の成長温度は８００〜１２００℃である、ことを特徴とする（１１）に記載の製造方法。
（１３）前記拡散防止層は酸化シリコン又は窒化シリコンからなる、ことを特徴とする（１１）又は（１２）に記載の製造方法。
（１４）前記拡散防止層を除去するステップが更に含まれる、ことを特徴とする（１１）〜（１３）のいずれかに記載の製造方法。
（１５）シリコン基板上とその上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層からなる積層体であって、
前記III族窒化物系化合物半導体層は前記シリコン基板の側壁を拡散防止層で被覆した状態で形成されたものである、ことを特徴とする積層体。
（１６）前記III族窒化物系化合物半導体の成長温度は８００〜１２００℃である、ことを特徴とする（１５）に記載の積層体。
（１７）前記拡散防止層は酸化シリコン又は窒化シリコンからなる、ことを特徴とする（１５）又は（１６）に記載の積層体。
（２１）シリコン基板にIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
少なくとも一層のIII族窒化物系化合物半導体層を形成した後に前記シリコン基板の前記III族窒化物系化合物半導体層が形成されない面に酸化シリコン層を形成するステップと、を含んでなるIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
（２２）シリコン基板にIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
前記ステップにより形成されたIII族窒化物系化合物半導体層／シリコン基板積層体において前記シリコン基板を選択的に酸化するステップと、を含んでなるIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
（２３）シリコン基板に少なくとも一層のIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
前記III族窒化物系化合物半導体層／シリコン基板積層体において少なくとも前記シリコン基板の側面にシリコンが前記III族窒化物系化合物半導体層に拡散することを防止する拡散防止層を形成するステップと、を含んでなるIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
（２４）前記拡散防止層は酸化シリコン又は窒化シリコンである、ことを特徴とする（２４）に記載の製造方法。
（２５）前記拡散防止層を除去するステップが更に含まれている、ことを特徴とする（２３）又は（２４）に記載の製造方法。
（５１）シリコン基板にIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
少なくとも一層のIII族窒化物系化合物半導体層を形成した後に前記シリコン基板の前記III族窒化物系化合物半導体層が形成されない面に酸化シリコン層を形成するステップと、を含んでなる積層体の製造方法。
（５２）シリコン基板にIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
前記ステップにより形成されたIII族窒化物系化合物半導体層／シリコン基板積層体において前記シリコン基板を選択的に酸化するステップと、を含んでなる積層体の製造方法。
（５３）シリコン基板に少なくとも一層のIII族窒化物系化合物半導体層を形成するステップと、
前記III族窒化物系化合物半導体層／シリコン基板積層体において少なくとも前記シリコン基板の側面にシリコンが前記III族窒化物系化合物半導体層に拡散することを防止する拡散防止層を形成するステップと、を含んでなる積層体の製造方法。
（５４）前記拡散防止層は酸化シリコン又は窒化シリコンである、ことを特徴とする請求項（５３）に記載の製造方法。
（５５）前記拡散防止層を除去するステップが更に含まれている、ことを特徴とする請求項（５３）又は（５４）に記載の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の発光素子１０の構成を示した図である。
【図２】同じく発光素子１０の製造方法を示した工程図である。
【図３】本発明の他の実施例の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１０発光素子
１１基板
１２Ａｌ層
１３ＴｉＮ層
１４バッファ層
１５ｎクラッド層
１６発光層
１７ｐクラッド層
１８拡散防止層

Claims

シリコン基板に第１のIII族窒化物系化合物半導体層を低温成長バッファ層として形成するステップと、
前記第１のIII族窒化物系化合物半導体層を形成した後に前記シリコン基板の前記第１のIII族窒化物系化合物半導体層が形成されない面に拡散防止層を形成するステップと、
その後、前記第１のIII族窒化物系化合物半導体層の上に第２のIII族窒化物系化合物半導体層を成長させるステップと、
を含んでなるIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
前記拡散防止層を形成するステップは、前記第１のIII族窒化物系化合物半導体層を形成したシリコン基板を酸化処理することにより行う、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記第１のIII族窒化物系化合物半導体層はＡｌＧａＮバッファ層である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
前記第２のIII族窒化物系化合物半導体層の成長温度は８００〜１２００℃である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
前記拡散防止層は酸化シリコン又は窒化シリコンからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記拡散防止層を除去するステップが更に含まれる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。