JP4539105B2 - 窒化物半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度を再現性良く所望の値に制御することが可能な窒化物半導体デバイスの製造方法に関するものである。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物半導体は、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子用材料として注目を集めている。

窒化物半導体を用いてデバイスを構成する場合、伝導型、および正孔密度あるいは電子密度の制御が非常に重要となる。

ｎ型窒化物半導体の成長においては、その成長方法に関わらず、通常は、成長領域へのｎ型ドーピング材料の供給量と、得られたｎ型窒化物半導体中の電子濃度が概ね比例するｎ型ドーピング材料の供給量の領域が用いられている。

典型的な例としては、レーザダイオードにおいて、サファイア基板上にＡｌＮからなるバッファ層を形成し、その上に、電子密度１×１０¹⁸cm^-3のシリコンドープＧａＮから成る高キャリア密度のｎ型コンタクト層を形成する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２７４４５９号公報

しかしながら、上記の方法では、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度を自由に制御できるという利点がある反面、ｎ型窒化物半導体の成長速度がウェハ面内で不均一な場合に、電子濃度に分布が生じてしまうという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ｎ型窒化物半導体を成長する際に、ウェハ面内に成長速度の分布が存在する場合においても、ウェハ面内で均一なドーピング濃度を実現する新たな窒化物半導体デバイスの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、基板上にｎ型窒化物半導体層を含む複数の窒化物半導体層を積層してなる窒化物半導体デバイスの製造方法において、基板全面に渡って均一な電子濃度分布を得るべく、ｎ型ドーパント原料の供給をｎ型ドーパント飽和領域内の適切な値に設定して前記ｎ型窒化物半導体層を気相成長法により成長させ、これにより、基板全面に渡り均一な特性の窒化物半導体デバイスを得ることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法において前記基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ₂、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ₂、ＬｉＡｌＯ₂のいずれかからなる単結晶基板であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法において、前記のｎ型窒化物半導体層がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_zＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体デバイスの製造方法において、前記のｎ型ドーパントが、シリコン、酸素、ゲルマニウム、セレンのうちのいずれかであることを特徴とする。

請求項５の発明は、前記ｎ型ドーパント飽和領域は、前記ｎ型ドーパント原料の供給量が所定値以上であれば前記ｎ型ドーパント原料の供給量が増減しても、成長する前記ｎ型窒化物半導体層中の電子濃度が変動しない前記ｎ型ドーパント供給量の領域であることを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明者は、ｎ型ドーピング材料の供給量と、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度との関係を詳細に調べ、ｎ型ドーピング材料の供給量が少ない場合には、ｎ型ドーピング材料の供給量と、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度が比例するが（図１の領域Ａ（線形領域）参照）、ｎ型ドーピング材料の供給量を増やしていくと、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度が、ｎ型ドーピング材料の供給量に比例しなくなり、一定になることを見出した（以後、このｎ型ドーピング材料の供給量の領域Ｂを「飽和領域」と呼ぶ、図１の領域Ｂ（飽和領域）参照）。

更に、このｎ型ドーピング材料の供給量を飽和領域内の適切な値に設定すると、ウェハ面内に成長速度分布が存在しても（成長速度不均一の原因は、成長装置内の温度・流れ・雰囲気等の不均一である）、ウェハ全面に渡って均一な電子濃度分布が得られることを見出し、本発明に想到した。

窒化物半導体の結晶成長は気相成長装置内で行うのが好ましく、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置内で行うのが好ましい。

上記基板はサファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ₂、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ₂、ＬｉＡｌＯ₂からなる単結晶基板であるのが好ましい。

上記窒化物半導体は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_zＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であるのが好ましい。

上記ｎ型ドーパントは、シリコン、酸素、ゲルマニウム、セレンのうちのいずれかであるのが望ましい。

本発明により得られる窒化物半導体ウェハは、上記基板上に窒化物半導体層を複数積層してなり、その一部が上記本発明の製造方法により得られたｎ型窒化物半導体層である。本発明の製造方法によれば、成長装置内の温度・流れ・雰囲気等の不均一に起因してウェハ面内に成長速度分布が存在しても、ｎ型窒化物半導体ウェハ面内の電子濃度分布を均一にできるので、このウェハを用いて作製した窒化物半導体デバイスの特性を均一にすることができる。

本発明の製造方法において、ｎ型窒化物半導体層以外の半導体層は、半導体ウェハの用途により適宜選択する。また各半導体層は、同一の成長装置内で連続して形成してもよいし、それぞれ異なる成長装置内で形成してもよい。所望する半導体ウェハは、本発明による半導体層形成の他に、研削、エッチング、熱処理等の工程を施して製造してもよい。

本発明の製造方法により得られた窒化物半導体ウェハを用いて、所望の半導体デバイスを構成することができる。すなわち、本発明の製造方法により得られた窒化物半導体ウェハに、真空蒸着、スパッタリング等による電極の形成、表面酸化、ドーピング、フォトリソグラフィ、エッチング、洗浄、ダイシング、組み立て等を施すことにより、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のトランジスタ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の窒化物半導体デバイスを得ることができる。

本発明では、ｎ型窒化物半導体中の電子濃度が窒化物半導体の成長領域へのｎ型ドーパント原料の導入量によらず一定である、ｎ型ドーパントの導入量領域（飽和領域）を用いて、窒化物半導体中にｎ型ドーパントを供給し、ｎ型窒化物半導体を気相成長する。

従って、本発明の窒化物半導体結晶の製造方法によれば、ウェハ面内に成長速度の分布が存在する場合においても、ｎ型窒化物半導体を成長するに際し、ウェハ面内で均一なドーピング濃度を実現することができる。よって、本発明の製造方法によって得られた窒化物半導体結晶を用いて、ウェハ全面に渡り均一な特性の窒化物半導体デバイスを得ることができる。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定される物ではない。

［実施形態１］
図３に示すように、ｃ面サファイア基板１上にＭＯＶＰＥ法により低温成長バッファ層２を介して高温で２ミクロンの膜厚のアンドープＧａＮ層３を成長した構造を基板４として用いた。

具体的には、まず、２インチ径のｃ面サファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置内に導入し、７６０Ｔｏｒｒの水素／窒素混合ガス雰囲気中（総流量＝１５０ｓｌｍ、水素濃度＝３３％）で１１３５℃で１０分間加熱することにより、サファイア基板１表面の酸化物等を除去した（熱清浄化）。その後、基板温度を５１５℃に下げると共に、キャリアガス流量を１４０ｓｌｍ、キャリアガス中の水素濃度を２９％として、窒素原料であるアンモニア（ＮＨ₃）ガスを１０ｓｌｍの流量で成長装置に導入した。更にＧａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を成長装置に導入し、サファイア基板１上にＧａＮ低温成長バッファ層２を１．６μｍ／時の成長速度で２２nm成長した。その後、キャリアガス流量を８０ｓｌｍ、キャリアガス中の水素濃度を２５％として、アンモニアガス流量を２０ｓｌｍに変更し、基板温度を１０７５℃として、アンドープＧａＮ層３を４μｍ／時の成長速度で２μｍ成長した。

その後、水素希釈で濃度５ｐｐｍのシランを流量５０〜１３００ｓｃｃｍでＭＯＶＰＥ装置に導入し、シリコンドープのｎ型ＧａＮ層５を４μｍ／時の成長速度で２μｍ成長した。

成長後に、各ウェハの中央から１cm角のチップを切り出し、四隅にＩｎ電極を形成しホール測定により電子濃度を求めた。

図２に、電子濃度のシラン流量依存性を示す。ここで表記方法として、１×１０¹⁸（cm^-3）をＥ＋１８で、１×１０¹⁹（cm^-3）をＥ＋１９で示した（図４、図５も同様である）。図２から明らかなように、シラン流量が８００ｓｃｃｍまでの領域（比較例１）においては、電子濃度はシラン流量にほぼ比例している。しかしながら、シラン流量が８５０ｓｃｃｍ以上１３００ｓｃｃｍ以下の領域（実施例１）では、電子濃度はほぼ２．１×１０¹⁹／cm³の一定値となっている。

［実施形態２］
実施形態１と同様に、サファイア基板１上にアンドープＧａＮ層３およびｎ型ＧａＮ層５を成長した。ただし、ｎ型ＧａＮ層５の成長時の成長速度を３．６〜４．４μｍ／時（±１０％）の間で変化させ、またシラン流量は４００ｓｃｃｍ（領域Ａ（線形領域））と、１０００ｓｃｃｍの２系統の試料を成長した。

図４に、各系統の試料のウェハ中心部のホール測定結果を示す。シラン流量が４００ｓｃｃｍ（比較例２）の場合には、電子濃度は成長速度の変化に対応してほぼ±１０％の範囲で変化している。しかし、シラン流量が１０００ｓｃｃｍの場合（実施例２）には、成長速度が３．６〜４．４μｍ／時の間で変化した場合においても、電子濃度の変動量は±１％以下であった。

上記の２つの系統で成長速度が４μｍ／時のサンプルにおいて、ウェハ中心を通る直線上の９点における成長速度のバラツキは±８．５％であった。これらの９点に対応する位置でのホール測定結果を図５に示す。シラン流量が４００ｓｃｃｍのサンプルにおいては、成長速度の分布に対応して電子濃度にも±８．５％程度の分布が生じている。これに対して、シラン流量が１０００ｓｃｃｍのサンプルでは、電子濃度の分布は±１％以下の低い値に抑えられていた。

［実施形態３］
実施形態１、２では、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＧａＮ層をサファイア基板上に成長したが、本発明はＨＶＰＥ法を用いてシリコンドープｎ型ＧａＮ層をサファイア基板上に成長する場合においても、より効果があった。

すなわち、ＨＶＰＥ法によりｎ型ＧａＮ層を成長する場合には、ＭＯＶＰＥ法によりｎ型ＧａＮ層を成長する場合よりも成長速度の分布が大きくなる（２インチウェハ面内で±１５％以上）。このため、線形領域を用いてシリコンドープｎ型ＧａＮ層を成長（比較例３）すると、電子濃度にも±１５％以上の面内分布が生じてしまう。ところが、本発明の飽和領域を用いる手法を用いてＨＶＰＥ法で成長した場合（実施例３）には、電子濃度の分布を２インチウェハ面内で±１％程度に抑えることができた。

［実施形態４］
基板として、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ₂、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ₂、ＬｉＡｌＯ₂からなる単結晶基板を用いて、実施形態２と同じ条件で、これらの基板上へ、シリコンドープｎ型ＧａＮ層５を成長した。いずれの場合においても、線形領域を用いた場合（従来例４）の電子濃度は２インチウェハ面内で±５〜１０％程度の分布を持っていたが、これらの単結晶基板において上記飽和領域を用いてシリコンドープＧａＮ層５を成長した場合（実施例４）には電子濃度の分布は±１％程度の低い値に抑えることができた。

［実施形態５］
実施形態２におけるｎ型ＧａＮ層５をＩｎ_xＡｌ_yＧａ_zＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）に置き換えて成長を行った。III族原料としては、ＴＭＧに加えてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、これらの原料の比率を様々に変えて成長を行った。その結果、全ての組成範囲において、線形領域を用いた場合（従来例５）には電子濃度に２インチウェハ面内で±７〜２０％の分布が生じたが、飽和領域を用いることで（実施例５）、電子濃度の分布を±２％以下とすることができた。

［実施形態６］
実施形態２におけるシランを、窒素希釈の５ｐｐｍ酸素、または水素希釈の５ｐｐｍゲルマン、あるいは水素希釈の５ｐｐｍセレン化水素に置き換えて、酸素ドープ、またはゲルマニウムドープ、あるいはセレンドープのＧａＮを成長した。

いずれの場合においても、線形領域を用いた場合（比較例６）には電子濃度に２インチウェハ面内で±８〜１２％の分布が生じたが、飽和領域を用いることで（実施例６）、電子濃度の分布を±１．５％以下とすることができた。

［実施形態７］
実施形態１と同様の方法で、サファイア基板１上にＧａＮ低温成長バッファ層２／アンドープＧａＮ層３／シリコンドープｎ型ＧａＮ層５を成長し、その上に連続して図６に示す青色ＬＥＤ構造（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層（活性層）６、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層７、ｐ型ＧａＮコンタクト層８）を成長した。ここで、ｎ型ＧａＮ成長時のシラン流量は飽和領域内の１０００ｓｃｃｍとした（実施例７）。青色ＬＥＤウェハは、上述のアンドープＧａＮ層２／ｎ型ＧａＮ層３の構造上に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層（ＩｎＧａＮの厚さ２nm、ＧａＮの厚さ５nm）６と、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層（厚さ２０nm）７と、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚さ０．２μｍ）８を順次形成し作製した。

比較のために、ｎ型ＧａＮ成長時のシラン流量は線形領域内の４００ｓｃｃｍとした同様な青色ＬＥＤ構造も成長した（比較例７）。

その後、双方のウェハの表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により部分的に除去し、ｎ型ＧａＮ層５の一部を露出させてＴｉ／Ａｌ電極９を形成した。さらにｐ型ＧａＮコンタクト層８上にＮｉ／Ａｕ電極１０を形成して、ＬＥＤを作製した。各々の２インチウェハから約８０００個のＬＥＤチップが得られた。

得られた各ＬＥＤに２０ｍＡの電流を通電したところ、本実施例７によるＬＥＤの平均の発光出力とそのバラツキは、１３ｍＷ±３％であった。一方、比較例７のＬＥＤでの平均の発光出力とそのバラツキは、１２．５ｍＷ±２０％であった。

以上より、本発明によりｎ型ＧａＮ層の電子濃度がウェハ面内で均一となった結果、その上に製作した青色ＬＥＤの特性も均一にできることが示された。

［実施形態８］
実施形態１と同様にサファイア基板１上にＧａＮ低温成長バッファ層２／アンドープＧａＮ層３を成長し、その上に連続して、アンドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層（厚さ３nm）１５、ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層（厚さ２０nm）１６、アンドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層（厚さ５nm）１７を順次形成し、窒化物半導体ウェハを作製した。

ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層１６の成長時には、成長装置にシランを導入し、シラン流量は飽和領域内の１００ｓｃｃｍとした。ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層の成長速度は４００nm／時であり、実施例１のｎ型ＧａＮ層の１／１０であるため、シラン流量の飽和領域の流量範囲もｎ型ＧａＮ層に対するものの１／１０となっている。

得られたウェハ上に、フォトリソグラフィ及び真空蒸着プロセスを用いてソース電極１８、ゲート電極１９及びドレイン電極２０を形成し、図７に示す高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を作製した（実施例８）。

比較のために、ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層成長時のシラン流量を線形領域内の４０ｓｃｃｍとした同様なＨＥＭＴ構造も成長した（比較例８）。

各々の２インチウェハから約１０００個のＨＥＭＴデバイスが得られた。

得られた各ＨＥＭＴの直流伝達特性を調べたところ、本発明の実施例８によるＨＥＭＴの相互コンダクタンスの平均値およびそのバラツキは２５０ｍＳ／mm±４％であったが、比較例８のＨＥＭＴの相互コンダクタンスの平均値とそのバラツキは２４５ｍＳ／mm±１５％であった。

以上より、本発明によりｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層１６の電子濃度を２インチウェハ面内で均一にでき、その結果として、その上に製作したＨＥＭＴの特性も均一にできることが示された。

本発明のｎ型ドーパント供給量と電子濃度の関係における飽和領域を従来の線形領域と共に示した図である。 本発明のシラン流量と電子濃度の関係における飽和領域を従来の線形領域と共に示した図である。 本発明を適用して製造した窒化物半導体の積層構造を示した図である。 本発明のウェハ面内の電子濃度分布を従来例と比較して示した図である。 本発明における電子濃度の成長速度依存性を、従来例と比較して示した図である。 本発明の他の実施形態に係る青色ＬＥＤの構造を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る高電子移動度トランジスタの構造を示した図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ 低温成長バッファ層
３ アンドープＧａＮ層
４ 基板
５ ｎ型ＧａＮ層
６ 多重量子井戸層（活性層）
７ ｐ型ＡｌＧａＮ層
８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９、１０ 電極
Ａ 線形領域
Ｂ 飽和領域

Claims (5)

1. 基板上にｎ型窒化物半導体層を含む複数の窒化物半導体層を積層してなる窒化物半導体デバイスの製造方法において、
   基板全面に渡って均一な電子濃度分布を得るべく、ｎ型ドーパント原料の供給をｎ型ドーパント飽和領域内の適切な値に設定して前記ｎ型窒化物半導体層を気相成長法により成長させ、これにより、基板全面に渡り均一な特性の窒化物半導体デバイスを得ることを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
2. 前記基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ＺｒＢ_２、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２のいずれかからなる単結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
3. 前記のｎ型窒化物半導体層がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
4. 前記のｎ型ドーパントが、シリコン、酸素、ゲルマニウム、セレンのうちのいずれか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窒化物半導体デバイスの製造方法。
5. 前記ｎ型ドーパント飽和領域は、前記ｎ型ドーパント原料の供給量が所定値以上であれば前記ｎ型ドーパント原料の供給量が増減しても、成長する前記ｎ型窒化物半導体層中の電子濃度が変動しない前記ｎ型ドーパント供給量の領域であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。

Images