JP4980701B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に基板上に設けられたAlN層上にGaN層が設けられた半導体装置の製造方法に関する。
例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用い、例えばサファイアからなる基板上に直接GaN層を成長する場合、基板表面にGaN(窒化ガリウム)層の核が生成し難く、欠陥や転移の少ないGaN結晶が成長できない。そこで、特許文献1のように、基板上に400℃程度の成長温度でAlN(窒化アルミニウム)層を成長した後、AlN層上にGaN層を成長する。これにより、低温で成長したAlN層(低温AlN層)の表面が核となり、結晶性の良いGaN層を形成することができる。
特開2001−196702号公報
しかしながら、特許文献1のような低温AlN層を形成する場合、AlN層上のGaN層は1000℃以上で成長するため、AlN層を成長した後成長温度を上げGaN層を成長する必要がある。これを回避するため、AlN層を1000℃以上の高温で成長すると、GaN層内の刃状転位が増加してしまう。本発明は、GaN層内の刃状転位を削減することを目的とする。
本発明は、基板上にAlN層を形成する工程と、該AlN層上にSiドープGaN層を形成する工程と、該SiドープGaN層上にアンドープGaN層を形成する工程と、を有し、前記SiドープGaN層を形成する際の表面の光の反射率は、前記AlN層を形成する際の表面の光の反射率より小さいことを特徴とする半導体基板の製造方法である。また、本発明は、基板上にAlN層を形成する工程と、該AlN層上にSiドープGaN層を形成する工程と、該SiドープGaN層上にアンドープGaN層を形成する工程と、該アンドープGaN層上に動作層を形成する工程と、を有し、前記SiドープGaN層を形成する際の表面の光の反射率は、前記AlN層を形成する際の表面の光の反射率より小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、アンドープGaN層内の刃状転位をより削減することができる。
本発明によれば、アンドープGaN層内の刃状転位を削減することができる。よって、半導体装置を製造した場合、半導体装置の特性を向上させることができる。
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
図1(a)から図1(c)を用い、実施例1について説明する。実施例1は半導体基板の例である。図1(a)を参照に、(0001)を主面とするサファイア基板10上にMOCVD法を用い、膜厚が310nmのAlN層12を形成する。成長条件は以下である。なお、成長1から成長2の間に成長温度を変えている。
ガス流量:TMA(トリメチルアルミニウム)が70μモル/分、NH(アンモニア)が5580μモル/分、H(水素)が20SLM。
圧力:50Torr
成長温度:1044℃(成長1)、1142℃(成長2)
成長時間:300秒(成長1)、1500秒(成長2)
AlN層12上に、ドープ濃度が1.5×1019cm−3のSi(シリコン)ドープGaN層14を形成する。成長条件は以下である。
ガス流量:TMG(トリメチルガリウム)が243μモル/分、NH3(アンモニア)が2.2×10μモル/分、SiH(シラン)が0.04μモル/分、H(水素)が20SLM。
圧力:200Torr
成長温度:1040℃
成長時間:150秒
この成長条件では、平坦な膜を成長した場合に換算し77nmの厚さに相当する。
SiドープGaN層14上に膜厚が1330nmのアンドープGaN層16を形成する。成長条件は以下である。
ガス流量:TMG(トリメチルガリウム)が243μモル/分、NH3(アンモニア)が2.2×10μモル/分、H(水素)が20SLM。
圧力:200Torr
成長温度:1040℃
成長時間:2590秒
図1(b)のように、膜厚が1380nmのN型GaN層18、N型InGaN層20、N型GaN層22、活性層24としてMQW(Multi Quantum well)、P型GaN層26をMOCVD法を用い形成する。以上により実施例1に係る半導体基板が完成する。
図2は半導体基板の(1−102)面のX線回折ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)をSiドープGaN層14の成長時間に対し示した図である。同じ成長時間の2つの点はサンプルの違いである。図2より、SiドープGaN層14の成長時間を長くすると、XRC−FWHMが小さくなっている。(1−102)面のXRC−FWHMは刃状転位の密度に相関することが知られている。よって、SiドープGaN層14を成長した後、アンドープGaN層16を成長することにより、アンドープGaN層16内の刃状転位を削減することができる。
次に、エピタキシャル成長中の基板表面状態を調べるため、AlN層12、SiドープGaN層14、アンドープGaN層16およびN型GaN層18の成長中に、レーザ光を用いた反射率測定装置で反射率を測定した。図3(a)から図3(c)はSiドープGaN層14の成長時間を変えたときの反射率を示した図である。AlN12、GaN:Si14、un−GaN16、n−GaN18と示した範囲がそれぞれ、AlN層12、SiドープGaN層14、アンドープGaN層16およびN型GaN層18を成長している時間である。なお、AlN12とGaN:Si14との間は、成長温度を変えるため成長を停止している時間である。
図3(a)から図3(c)のように、AlN層12を成長している間は光の反射率は高いが、SiドープGaN層14を成長している間は光の反射率は低下する。さらに、アンドープGaN層16を成長すると、光の反射率は徐々に回復する。反射率が回復する時間は、図3(a)のように、SiドープGaN層14を成長する時間が短い場合は早く、図3(c)のように、SiドープGaN層14を成長する時間が長い場合は遅い。
刃状転位を削減することができるメカニズムは明確ではないが、図3(a)から図3(c)の結果に基づき、以下のように考えられる。高温で成長したAlN層には多数の刃状転移が存在し、AlN層上にGaN層を成長した場合、GaN層にも多数の刃状転位が発生する。これは以下の理由が考えられる。高温で成長したAlN層の表面にGaNを成長する初期において、AlN層上に発生した3次元核は結晶成長し隣接する3次元核と合体する。このとき、多数の刃状転位の存在するAlN層上の3次元核の結晶面がそれぞれ微少に異なるため、隣接する3次元核の合体した界面で結晶格子がずれる。この結晶格子のずれによって、刃状転位が発生するものと考えられる。このため、AlN層上にGaN層を成長する初期に核の密度が高ければ、3次元核が合体した界面が多くなり刃状転位の密度は高くなる。
GaN層を(0001)方向に成長させる場合、Siを高濃度でドープしたGaN層は横方向への成長速度は縦方向と同程度で、3次元核が拡大するように成長する。一方、アンドープGaN層は縦方向に比べ横方向の成長が速く、3次元核の間を埋めるように広がり膜状に成長する。実施例1によれば、AlN層12上にSiドープGaN層14を成長するため、GaNの3次元核は拡大するように成長する。このとき、3次元核はそれぞれの成長速度が不均一なため大きな核や小さな核が混在する。このため、凸凹の大きな表面となり、図3(a)から図3(c)のように、SiドープGaN層14を成長する際は光の反射率が低下する。SiドープGaN層14の成長の際は、3次元核をそのまま大きくさせているため、大きな核が小さな核を覆い、実質的に核の密度を下げている。これにより、3次元核が合体した界面が少なくなり刃状転位密度を下げることができる。一方、アンドープGaN層をAlN層12上に直接成長すると初期成長時から膜状に成長され、SiドープGaN層14のように3次元核の密度が下がるような成長とはならない。よって、3次元核が合体した界面が多くなり、刃状転位密度は高くなる。
その後、アンドープGaN層16をSiドープGaN層14上に成長すると、アンドープGaNは横方向の成長が速いため、3次元核の間がアンドープGaN層16によって埋まり、やがて平坦な膜となる。図3(a)から図3(c)によれば、アンドープGaN層16を成長すると徐々に光の反射率が改善する。これは、徐々に表面の凸凹が平坦化されていることを示していると考えられる。
図3(a)から図3(c)より、SiドープGaN層を成長する時間を長くする、つまり、SiドープGaN層14の膜厚を厚くすると、光の反射率の回復はよりなだらかなる。これに対応し、図2のように、(1−102)のXRC−FWHMは小さくなる。つまり刃状転位が低減している。これは、SiドープGaN層14により刃状転位の発生が抑制されていることを示唆している。このように、SiドープGaN層14により表面の凹凸を大きくし、その後アンドープGaN層16により表面の凹凸を小さくすることにより、刃状転位が低減されると考えられる。
以上のように、基板10上にAlN層12、SiドープGaN層14およびアンドープGaN層16を設けることにより、アンドープGaN層16内の刃状転位を低減することができる。
高温AlN層12の結晶性が悪いと、アンドープGaN層16の結晶性に悪影響を及ぼす。よって、高温AlN層12は1000℃以上またはSiドープGaN層14より高い温度で成長されることが好ましい。このようにして成長された高温AlN層12は、(0002)面のX線回折ロッキングカーブの半値幅は590〜1110秒、(1−102)面のX線回折ロッキングカーブの半値幅は1120〜2530秒であった。このように、高温AlN層12の(1−102)面のX線回折ロッキングカーブの半値幅は2500秒以下であることが好ましい。これにより、アンドープGaN層16の結晶性をより向上させることができる。なお、高温AlN層12の成長温度は1050℃以上であることがより好ましく、X線回折ロッキングカーブの半値幅は2000秒以下であることがより好ましい。
また、特許文献1のようにAlN層を低温で成長した場合、AlN層の結晶性は非常に悪く、低温で成長したAlN層上に実施例1と同様の層を成長してもX線回折ロッキングカーブの半値幅は非常に大きくなってしまう。さらに、AlN層12は結晶性が良ければ、1000℃以上で成長したAlN層12に限定されず、その他の形成方法で形成したAlN層であってもよい。
(1−102)面以外の面のロッキングカーブの半値幅を測定することにより、刃状転位密度等の結晶性を評価することも可能である。しかしながら、(1−102)面のロッキングカーブは簡便で精度よく測定することができる。よって、高温AlN層12の刃状転位密度等の結晶性を評価する際にはロッキングカーブの(1−102)面に対する半値幅を測定することが好ましい。
高温AlN層12の膜厚は0.15μm程度では良好な結晶性が得られなかった。よって、少なくとも0.15μmより厚く、0.31μm以上であることが好ましい。
また、特許文献1のように低温で成長したAlN層は、結晶性が非常に悪いため、X線回折ロッキングカーブの半値幅は非常に大きい。このような低温AlN層上にGaN層を成長すると、刃状転位密度を十分に削減することができない。また、AlN層上に成長するGaN層との成長温度が大きく異なってしまう。実施例1によれば、AlN層の成長温度をGaN層を成長する温度程度とすることができる。高温AlN層12上にSiドープGaN層14およびアンドープGaN層16を形成することにより、刃状転位を削減することができる。SiドープGaN層14を形成する際の表面の光の反射率は、図3(a)から図3(b)のように、高温AlN層12を形成する際の表面の光の反射率より小さいことが好ましい。その後、アンドープGaN層16の形成において、反射率が徐々に回復するようにアンドープGaN層16を成長することで、刃状転位を削減することができる。
実施例1は(0001)面を主面とするサファイア基板上に(0001)方向のAlN層およびGaN層を形成する場合を例に説明した。GaN層が直接成長し難い(11−20)面のサファイア基板、(111)面のスピネル(MgAl)基板、(111)面のMgO基板、(111)面のSi基板、(0001)面のSiC基板といった基板においても、高温AlN層12、SiドープGaN層14およびアンドープGaN層16を設けることにより刃状転位を削減することができる。基板の主面および成長方向は、SiドープGaN層14の横方向の成長速度が遅くなるように選択されることが好ましい。
また、SiドープGaN層14の成長時間はAlN層12の結晶性やGaN層の成長条件によって最適値が異なる。SiドープGaN層14の厚さは平坦な膜に換算して30nmから200nmとすることが好ましく、50nmから100nmとすることのがより好ましい。さらに、SiドープGaN層14のドープ濃度は5.0×1017cm−3から1.0×1020cm−3の範囲が好ましい。さらに、アンドープGaN層16は、横方向成長を阻害しない範囲であれば、1.0×1017cm−3以下の範囲でSiをドーピングすることもできる。
図4を用い実施例2について説明する。実施例2は実施例1の半導体基板を用いたLED(Light Emitting Diode)の例である。図4のように、実施例1に係る半導体基板のウェハの一部の領域を窒化物半導体層のN型InGaN層20までドライエッチングし溝を形成する。溝の底面の一部に、蒸着法を用いN型InGaN層20に電気的に接続するようにN型電極30を形成する。蒸着法を用いP型GaN層44上の一部にP型GaN層44に電気的に接続するようにP型電極28を形成する。基板10を100μmの厚さまで研削する。蒸着法を用い基板10の裏面にAu(金)からなる反射膜32を形成する。スクライブ法を用い、基板10の裏面からウェハを分割し、例えば約300μm×300μmのチップに分割する。以上により、実施例2に係るLEDが完成する。実施例1に係る半導体基板は、アンドープGaN層16の結晶性が良く、刃状転位密度が小さい。よって、実施例2に係るLEDにおいて、活性層24の結晶性が良く、刃状転位密度を小さくすることができる。これにより、特性の優れたLEDを提供することができる。
実施例2においては、半導体装置の動作層としてN型GaN層18、N型InGaN層20、N型GaN層22、活性層24およびP型GaN層26を有するLEDを例に説明した。本発明を適用する半導体装置は、例えばチャネル層等を動作層とするFET等であってもよい。また、アンドープGaN層16と動作層との間には他の層が形成されていてもよい。
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1(a)および図1(b)は実施例1に係る半導体基板の断面図である。 図2は実施例1に係る半導体基板の(1−102)面のX線回折ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)をSiドープGaN層の成長時間に対し示した図である。 図3(a)から図3(c)はSiドープGaN層の成長時間を変えたときの成長中の基板表面の光の反射率を測定した図である。 図4は実施例2に係るLEDの断面図である。
符号の説明
10 基板
12 AlN層
14 SiドープGaN層
16 アンドープGaN層
18 N型GaN層
20 N型InGaN層
22 N型GaN層
24 活性層
26 P型GaN層
28 P型電極
30 N型電極

Claims (2)

  1. 基板上にAlN層を形成する工程と、
    該AlN層上にSiドープGaN層を形成する工程と、
    該SiドープGaN層上にアンドープGaN層を形成する工程と、を有し、
    前記SiドープGaN層を形成する際の表面の光の反射率は、前記AlN層を形成する際の表面の光の反射率より小さいことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  2. 基板上にAlN層を形成する工程と、
    該AlN層上にSiドープGaN層を形成する工程と、
    該SiドープGaN層上にアンドープGaN層を形成する工程と、
    該アンドープGaN層上に動作層を形成する工程と、を有し、
    前記SiドープGaN層を形成する際の表面の光の反射率は、前記AlN層を形成する際の表面の光の反射率より小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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