JP5183904B2 - Semiconductor manufacturing method - Google Patents

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本発明は、窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体を気相成長法によって基板上に成長させる半導体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor manufacturing method in which a semiconductor composed of three or more constituent elements including nitrogen is grown on a substrate by a vapor phase growth method.

一般に窒素は、解離エネルギーが大きく、結晶中への取込効率が低いため、基板上に供給するだけでは単結晶成長させることが困難であることが知られている。これに対して、窒素を構成元素として含む半導体を気相成長法によって基板上に成長させる場合、窒素原料としての窒素ガスを高周波プラズマによって活性化させた反応性窒素ガスを基板上に導入して結晶成長させる技術がある(例えば、特許文献1参照)。   In general, nitrogen is known to have a large dissociation energy and low efficiency of incorporation into a crystal, so that it is difficult to grow a single crystal only by supplying it onto a substrate. On the other hand, when a semiconductor containing nitrogen as a constituent element is grown on a substrate by a vapor deposition method, a reactive nitrogen gas obtained by activating a nitrogen gas as a nitrogen source by a high-frequency plasma is introduced onto the substrate. There is a technique for crystal growth (see, for example, Patent Document 1).

特開平6−37355号公報JP-A-6-37355 特許第3735047号公報Japanese Patent No. 3735047 T. Kageyama et al., J. Cryst. Growth, 2000, p. 350-354T. Kageyama et al., J. Cryst. Growth, 2000, p. 350-354 T. Honda et al., J. Cryst. Growth, 2002, p. 1008-1011T. Honda et al., J. Cryst. Growth, 2002, p. 1008-1011 T. Honda et al., J. Vac. Sci. Technol. B, 2004, Vol. 22, No. 4, p. 2155-2157T. Honda et al., J. Vac. Sci. Technol. B, 2004, Vol. 22, No. 4, p. 2155-2157 H. Shimizu et al., IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 2001, Vol. 7, p. 355-364H. Shimizu et al., IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 2001, Vol. 7, p. 355-364

しかしながら、上述のように高周波プラズマによって活性化させた反応性窒素ガスを用いて半導体を結晶成長させる場合、窒素ガスのプラズマ励起にともなって生成されるラジカル等の影響により結晶品質が劣化するという問題があった(例えば、非特許文献1参照)。   However, when a semiconductor is crystal-grown using a reactive nitrogen gas activated by high-frequency plasma as described above, the crystal quality deteriorates due to the influence of radicals and the like generated by the plasma excitation of the nitrogen gas. (For example, refer nonpatent literature 1).

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い結晶品質を有した半導体を成長させることができる半導体の製造方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at providing the manufacturing method of the semiconductor which can grow the semiconductor which has high crystal quality.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体の製造方法は、窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体を気相成長法によって基板上に成長させる半導体の製造方法において、窒素を含んだ窒化物原料をもとに窒化物ガスを生成する窒化物ガス生成工程と、前記半導体の構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素を有する非窒化物原料をもとに非窒化物ガスを生成する非窒化物ガス生成工程と、前記窒化物ガスおよび前記非窒化物ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させる半導体成長工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor manufacturing method according to the present invention is a semiconductor manufacturing method in which a semiconductor composed of three or more constituent elements containing nitrogen is grown on a substrate by vapor deposition. A nitride gas generating step for generating a nitride gas based on a nitride material containing nitrogen, and a non-nitride material having an element not included in the nitride material among the constituent elements of the semiconductor A non-nitride gas generating step for generating a non-nitride gas, and a semiconductor growth step for growing the semiconductor by introducing and combining the nitride gas and the non-nitride gas onto the substrate. It is characterized by that.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記窒化物原料に含まれる元素のうち窒素以外の元素を含んだ補助原料をもとに補助原料ガスを生成する補助ガス生成工程を含み、前記半導体成長工程は、前記窒化物ガス、前記非窒化物ガスおよび前記補助原料ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させることを特徴とする。 Further, in the semiconductor manufacturing method according to the present invention , in the above invention, an auxiliary gas generation step of generating an auxiliary material gas based on an auxiliary material containing an element other than nitrogen among elements contained in the nitride material. The semiconductor growth step is characterized in that the nitride gas, the non-nitride gas, and the auxiliary source gas are introduced and combined on the substrate to grow the semiconductor.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記窒化物ガス生成工程は、前記窒化物原料をもとに前記窒化物ガスと非窒化物ガスとを生成することを特徴とする。 The semiconductor manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the nitride gas generation step generates the nitride gas and the non-nitride gas based on the nitride raw material. To do.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記窒化物原料に含まれる窒素以外の元素は、III族元素であり、前記半導体の前記構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素は、V族元素およびIII族元素の少なくとも一方であることを特徴とする。 Further, in the semiconductor manufacturing method according to the present invention , in the above invention, an element other than nitrogen contained in the nitride material is a group III element, and among the constituent elements of the semiconductor, the element is contained in the nitride material. The element which is not is characterized by being at least one of a group V element and a group III element.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記窒化物原料は、GaNであることを特徴とする。 The semiconductor manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the nitride material is GaN.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、窒素ガスをプラズマにより活性化して反応性窒素ガスを生成する反応性窒素ガス生成工程を含み、前記半導体成長工程は、前記窒化物ガス、前記非窒化物ガスおよび前記反応性窒素ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させることを特徴とする。 Further, the semiconductor manufacturing method according to the present invention includes a reactive nitrogen gas generation step of generating a reactive nitrogen gas by activating the nitrogen gas with plasma in the above invention, wherein the semiconductor growth step includes the nitride A gas, the non-nitride gas, and the reactive nitrogen gas are introduced onto the substrate and combined to grow the semiconductor.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記半導体は、窒素組成比が10%未満であることを特徴とする。 The semiconductor manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor has a nitrogen composition ratio of less than 10%.

また、本発明にかかる半導体の製造方法は、上記の発明において、前記窒化物ガスは、前記窒化物原料をもとに生成される窒化物分子線であることを特徴とする。 In the semiconductor manufacturing method according to the present invention as set forth in the invention described above, the nitride gas is a nitride molecular beam generated based on the nitride raw material.

本発明にかかる半導体の製造方法によれば、高い結晶品質を有した半導体を成長させることができる。   According to the semiconductor manufacturing method of the present invention, a semiconductor having high crystal quality can be grown.

本発明の半導体の製造方法は、窒素を構成元素として含む半導体を基板上に気相成長法によって成長させる方法であって、窒化物原料をもとに生成された窒化物ガスと、非窒化物原料をもとに生成された非窒化物ガスとを基板上に導入して半導体成長をおこなうものである。   The semiconductor manufacturing method of the present invention is a method for growing a semiconductor containing nitrogen as a constituent element on a substrate by a vapor phase growth method, a nitride gas generated based on a nitride material, and a non-nitride A non-nitride gas generated based on a raw material is introduced onto a substrate to grow a semiconductor.

本発明の半導体の製造方法は、真空蒸着またはスパッタリングのような物理的気相成長法による半導体の製造方法に好適なものである。特に、所定の組成比を有する半導体を成長させるためには、物理的気相成長法として分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)による半導体成長法を使用することが好ましい。   The semiconductor manufacturing method of the present invention is suitable for a semiconductor manufacturing method by physical vapor deposition such as vacuum evaporation or sputtering. In particular, in order to grow a semiconductor having a predetermined composition ratio, it is preferable to use a semiconductor growth method by molecular beam epitaxy (MBE) as a physical vapor deposition method.

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる半導体の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体の製造方法としてのMBEを説明するための模式図であって、半導体の一例としてGaNAsを基板上に成長させるものとしたMBEを実現するMBE装置100の要部構成を示している。この図に示すように、MBE装置100は、基板1上にGaNAs2を成長させるため、基板1に対してGaNAs2の各構成元素を分子線によって供給する分子線生成部3〜5を備える。基板1、GaNAs2および分子線生成部3〜5は、図示しない真空チャンバによって画成された超高真空空間内に設けられ、基板1は、図示しないヒータ等によって所定温度に加熱される。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining MBE as a method for manufacturing a semiconductor according to an embodiment of the present invention, and an MBE apparatus that realizes MBE in which GaNAs is grown on a substrate as an example of a semiconductor. The structure of 100 main parts is shown. As shown in this figure, the MBE apparatus 100 includes molecular beam generation units 3 to 5 that supply each constituent element of GaNAs2 to the substrate 1 by molecular beams in order to grow the GaNAs2 on the substrate 1. The substrate 1, the GANAS 2 and the molecular beam generators 3 to 5 are provided in an ultrahigh vacuum space defined by a vacuum chamber (not shown), and the substrate 1 is heated to a predetermined temperature by a heater or the like (not shown).

分子線生成部3〜5は、例えばKセル(Knudsen Cell)を用いて実現され、それぞれ内部に保持した原料をもとに分子線を生成し、基板1に向けて噴出する。具体的には、分子線生成部3は、窒化物原料としてのGaN粉末3aをもとに窒化物ガスとしての窒化物分子線である分子線6を生成する。この分子線6には、後述するように、分子状態のGaN、GaおよびN2 が含まれる。分子線生成部4は、GaNAsの構成元素のうちGaN粉末3aに含まれない元素としてのAsを有する非窒化物原料4aをもとに、非窒化物ガスとしての分子線7を生成し、基板1上に導入する。分子線生成部5は、GaN粉末3aに含まれる元素のうちN以外の元素であるGaを含んだ補助原料5aをもとに、補助原料ガスとしての分子線8を生成し、基板1上に導入する。 The molecular beam generation units 3 to 5 are realized by using, for example, a K cell (Knudsen Cell), generate molecular beams based on the raw materials held therein, and eject them toward the substrate 1. Specifically, the molecular beam generator 3 generates a molecular beam 6 that is a nitride molecular beam as a nitride gas based on the GaN powder 3a as a nitride raw material. As will be described later, the molecular beam 6 contains GaN, Ga, and N 2 in a molecular state. The molecular beam generator 4 generates a molecular beam 7 as a non-nitride gas based on the non-nitride material 4a having As as an element not included in the GaN powder 3a among the constituent elements of GaNAs. 1 on top. The molecular beam generator 5 generates a molecular beam 8 as an auxiliary material gas based on the auxiliary material 5a containing Ga which is an element other than N among the elements contained in the GaN powder 3a. Introduce.

このようなMBE装置100によって、本実施の形態にかかるMBEでは、窒化物ガス生成工程として、GaN粉末3aをもとに窒化物ガスとしての分子線6を生成し、非窒化物ガス生成工程として、Asを有する非窒化物原料4aをもとに非窒化物ガスとしての分子線7を生成し、補助ガス生成工程として、Gaを含んだ補助原料5aをもとに補助原料ガスとしての分子線8を生成し、半導体成長工程として、分子線6〜8を基板1上に導入して化合させてGaNAs2を成長させる。これらの各工程は、同時もしくは所定の手順に則って適宜実施される。   In the MBE according to the present embodiment using such an MBE apparatus 100, as the nitride gas generation process, the molecular beam 6 as the nitride gas is generated based on the GaN powder 3a, and the non-nitride gas generation process is performed. The molecular beam 7 as the non-nitride gas is generated based on the non-nitride material 4a having As, and the molecular beam as the auxiliary material gas is generated based on the auxiliary material 5a containing Ga as an auxiliary gas generation step. As a semiconductor growth process, molecular beams 6 to 8 are introduced onto the substrate 1 and combined to grow GNAs2. Each of these steps is appropriately performed simultaneously or in accordance with a predetermined procedure.

これによって、本実施の形態にかかるMBEでは、高周波プラズマによって活性化された反応性窒素ガスを用いることなく半導体としてのGaNAs2を基板1上に成長させることができ、特に、窒素組成比が低い半導体(以下、希薄窒素半導体と呼ぶ。)としてのGaNAsを基板1上に成長させることができる。ここで、希薄窒素半導体とは、窒素組成比が10%未満である半導体を意味する。ただし、厳密に10%未満として解釈する必要はなく、窒素組成比が10%を多少上回るものであっても本発明の効果が制限されるものではない。   As a result, in the MBE according to the present embodiment, GaNAs 2 as a semiconductor can be grown on the substrate 1 without using reactive nitrogen gas activated by high-frequency plasma, and in particular, a semiconductor having a low nitrogen composition ratio. GaNAs (hereinafter referred to as a dilute nitrogen semiconductor) can be grown on the substrate 1. Here, the diluted nitrogen semiconductor means a semiconductor having a nitrogen composition ratio of less than 10%. However, it is not necessary to strictly interpret it as less than 10%, and even if the nitrogen composition ratio is slightly higher than 10%, the effect of the present invention is not limited.

つづいて、本実施の形態にかかるMBEの作用について詳細に説明する。まず、GaN粉末を原料としたMBE(CS−MBE:Compound Source MBE)によってGaN結晶を成長させた結果が非特許文献2に開示されている。これによると、純度5N(99.999%)のGaN粉末を原料に用い、6H−SiC基板上にGaN結晶を成長させた結果、Ga過剰のGaN結晶が得られている。さらに、オージェ電子分光(AES:Auger electron spectroscopy)による表面組成の分析結果から、CS−MBEでは次式(1)に示す供給メカニズムがあるものと説明されている。
GaN粉末→(加熱)→GaN+Ga+N2 ・・・(1)
Next, the operation of the MBE according to the present embodiment will be described in detail. First, Non-Patent Document 2 discloses a result of growing a GaN crystal by MBE (CS-MBE: Compound Source MBE) using GaN powder as a raw material. According to this, as a result of growing a GaN crystal on a 6H-SiC substrate using GaN powder of purity 5N (99.999%) as a raw material, a Ga-excess GaN crystal is obtained. Furthermore, from the analysis result of the surface composition by Auger electron spectroscopy (AES), it is explained that CS-MBE has a supply mechanism represented by the following formula (1).
GaN powder → (heating) → GaN + Ga + N 2 (1)

式(1)は、GaN粉末を原料とした分子線がGaN、GaおよびN2 を含み、この分子線の一部がGaNという安定した分子として基板に到達することを示している。また、N2 は成長に寄与しないため、実質的に分子線にはNに比してGaが多く含まれることを示している。これより、上述したCS−MBEの結果においてGaリッチのGaN結晶が成長されたものと考えられる。本実施の形態にかかるMBEでは、式(1)に示す特性を有した分子線として分子線6が基板1に供給されている。 Equation (1) indicates that a molecular beam using GaN powder as a raw material contains GaN, Ga, and N 2 , and a part of this molecular beam reaches the substrate as a stable molecule of GaN. Further, since N 2 does not contribute to the growth, the molecular beam substantially contains more Ga than N. From this, it is considered that a Ga-rich GaN crystal was grown in the result of the CS-MBE described above. In the MBE according to the present embodiment, a molecular beam 6 is supplied to the substrate 1 as a molecular beam having the characteristics shown in the formula (1).

また、非特許文献3には、図2に示す実験結果が開示されている。この結果は、GaN粉末を用いてGaN膜を基板上に成長させたときのGaN膜内のN/Ga比を、成長時の基板温度に対して示している。これより、例えば基板温度が450℃の場合、N/Ga=0.25であることがわかる。つまり、基板温度を450℃として成長させたGaN膜は、組成比がGa:N=4:1であり、この成長がGa過剰の成長であったことが裏付けられている。この結果を式(1)に示したGaN粉末の分解過程に当てはめ、N2 が結晶成長に関与しないことを考慮すると、本実施の形態にかかるMBEでは、基板1の温度が450℃の場合、分子線6内にGaNとGaとがGaN:Ga=1:3の割合で存在することが理解できる。 Further, Non-Patent Document 3 discloses the experimental results shown in FIG. This result shows the N / Ga ratio in the GaN film when the GaN film is grown on the substrate using the GaN powder with respect to the substrate temperature during the growth. From this, it can be seen that, for example, when the substrate temperature is 450 ° C., N / Ga = 0.25. That is, the GaN film grown at a substrate temperature of 450 ° C. has a composition ratio of Ga: N = 4: 1, which confirms that this growth was an excess of Ga. When this result is applied to the decomposition process of the GaN powder shown in Formula (1) and considering that N 2 is not involved in crystal growth, in the MBE according to the present embodiment, when the temperature of the substrate 1 is 450 ° C., It can be understood that GaN and Ga are present in the molecular beam 6 at a ratio of GaN: Ga = 1: 3.

したがって、本実施の形態にかかるMBEでは、この割合でGaNおよびGaを含む分子線6と、Asを含む分子線7とを合わせて基板1上に導入して化合させ、GaNAsを成長させることで、GaN0.25As0.75という高窒素組成のGaNAsを生成させることができることになる。さらに、本実施の形態にかかるMBEでは、Gaを含んだ分子線8を合わせて基板1上に導入して化合させ、GaNAsを成長させることで、窒素組成比を低下させ、希薄窒素半導体としてのGaNAsを生成させるようにしている。 Therefore, in the MBE according to the present embodiment, the molecular beam 6 containing GaN and Ga and the molecular beam 7 containing As are introduced together and combined on the substrate 1 at this ratio to grow GaNAs. GaNAs having a high nitrogen composition of GaN 0.25 As 0.75 can be generated. Further, in the MBE according to the present embodiment, the molecular beam 8 containing Ga is combined and introduced onto the substrate 1 and combined to grow GaNAs, thereby reducing the nitrogen composition ratio and reducing the concentration of the diluted nitrogen semiconductor. GaNAs is generated.

ところで、半導体を成長させる場合、原子半径が小さいNと、As等のV族原子とは化合しにくいため、通常、成長温度を低くした非平衡状態で成長をさせる。しかし、このように低温成長をさせると、半導体中の結晶欠陥を増加させ、光学特性の劣化を引き起こすという問題があった(例えば、特許文献2参照)。これに対して、本実施の形態にかかるMBEでは、図2に示した結果から理解されるように、基板1の温度上昇にともなってGaNAs内の窒素量が増加する傾向にあるため、分子線8によるGaの供給量を制御することで、高温状態でも所望の窒素組成比の半導体、特に希薄窒素半導体を高品質に成長させることができ、光学特性が優れた希薄窒素半導体を得ることができる。   By the way, when a semiconductor is grown, since N having a small atomic radius is difficult to combine with a V group atom such as As, the growth is usually performed in a non-equilibrium state at a low growth temperature. However, when the growth is performed at such a low temperature, there is a problem that crystal defects in the semiconductor are increased and optical characteristics are deteriorated (see, for example, Patent Document 2). On the other hand, in the MBE according to the present embodiment, as understood from the result shown in FIG. 2, the amount of nitrogen in GaNAs tends to increase as the temperature of the substrate 1 rises. By controlling the amount of Ga supplied by 8, a semiconductor having a desired nitrogen composition ratio, particularly a dilute nitrogen semiconductor, can be grown with high quality even in a high temperature state, and a dilute nitrogen semiconductor having excellent optical characteristics can be obtained. .

つづいて、その分子線8によるGaの供給量について説明する。ここでは、具体例として、窒素組成比が2%であるGaNAs、つまりGaN0.02As0.98 の成長を考える。なお、基板1の温度は450℃であり、分子線6によってN/Ga=0.25の割合でGaおよびNが供給されるものとする。また、分子線8によって供給されるGaは、すべてGaNAsの成長に寄与し、分子線7によってAsは不足なく供給されるものとする。 Next, the amount of Ga supplied by the molecular beam 8 will be described. Here, as a specific example, the growth of GaNAs having a nitrogen composition ratio of 2%, that is, GaN 0.02 As 0.98 is considered. The temperature of the substrate 1 is 450 ° C., and Ga and N are supplied by the molecular beam 6 at a ratio of N / Ga = 0.25. Further, all Ga supplied by the molecular beam 8 contributes to the growth of GaNAs, and As is supplied by the molecular beam 7 without any shortage.

この場合、分子線生成部3においてGaN粉末3aは、次式(2)に示すように熱分解される。このため、GaN0.02As0.98 の成長、つまり組成比をGa:N:As=50:1:49とする成長では、分子線6と分子線8とによる供給量の比をGaN粉末:Ga=4:46とすればよいことになる。これは、GaN粉末をもとに分子線6によって供給されるGaの不足分を、分子線8によってこの割合で供給すればよいことを意味する。
4GaN粉末→(450℃加熱)→GaN+3Ga+3/2N2 ・・・(2)
In this case, the GaN powder 3a is thermally decomposed in the molecular beam generator 3 as shown in the following formula (2). Therefore, in the growth of GaN 0.02 As 0.98 , that is, the growth in which the composition ratio is Ga: N: As = 50: 1: 49, the ratio of the supply amount by the molecular beam 6 and the molecular beam 8 is GaN powder: Ga = 4. : 46. This means that the shortage of Ga supplied by the molecular beam 6 based on the GaN powder may be supplied by the molecular beam 8 at this ratio.
4GaN powder → (heated at 450 ° C.) → GaN + 3Ga + 3 / 2N 2 (2)

ここで、本実施の形態にかかるMBEでは、GaNAsに限定されず、供給原料の変更や追加によって、成長させる半導体を種々選択することができる。具体的には、非窒化物ガスによって供給する元素は、Asに限定されず、P、Sb等のV族元素、あるいはIn、Al等のIII族元素とすることができる。これによって、本実施の形態にかかるMBEでは、GaNAs以外にも、GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNP、GaNAsP、AlGaInNP、AlGaNAs等、種々の半導体を成長させることができる。なお、この場合、MBE装置100は、供給元素に応じて分子線生成部4を複数備えるものとする。   Here, in MBE concerning this Embodiment, it is not limited to GNAs, The semiconductor to grow can be variously selected by the change or addition of a raw material. Specifically, the element supplied by the non-nitride gas is not limited to As, and may be a group V element such as P or Sb, or a group III element such as In or Al. Thereby, in the MBE according to the present embodiment, various semiconductors such as GaInNAs, GaInNAsSb, GaInNP, GANASP, AlGaInNP, and AlGaNAs can be grown in addition to GaNAs. In this case, the MBE apparatus 100 includes a plurality of molecular beam generation units 4 according to the supplied elements.

つづいて、このようにGaNAs以外の半導体を成長させる場合の各元素の供給量について具体例を示す。まず、GaInNAsとしてのGa0.7In0.30.01As0.99 の成長を考える。この成長は、組成比をGa:In:N:As=70:30:1:99とする成長であって、式(2)に示した条件下では、供給量の比をGaN粉末:Ga:In=4:66:30とすればよいことになる。また、GaInNAsSbとしてのGa0.7In0.30.01As0.97Sb0.02 の成長は、組成比をGa:In:N:As:Sb=70:30:1:97:2とする成長であって、式(2)に示した条件下では、供給量の比をGaN粉末:Ga:In:Sb=4:66:30:2とすればよいことになる。ここで、Sbの結晶への取込効率はほぼ1であって、III族元素と同等の取り扱いが可能である(例えば、非特許文献4参照)。 Next, a specific example of the supply amount of each element when a semiconductor other than GaNAs is grown in this way will be described. First, consider the growth of Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.99 as GaInNAs. This growth is a growth in which the composition ratio is Ga: In: N: As = 70: 30: 1: 99. Under the conditions shown in the formula (2), the ratio of supply amount is GaN powder: Ga: It is sufficient to set In = 4: 66: 30. The growth of Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.97 Sb 0.02 as GaInNAsSb is a growth with a composition ratio of Ga: In: N: As: Sb = 70: 30: 1: 97: 2, Under the conditions shown in 2), the ratio of the supply amount may be GaN powder: Ga: In: Sb = 4: 66: 30: 2. Here, the incorporation efficiency of Sb into the crystal is almost 1, and the same handling as that of the group III element is possible (for example, see Non-Patent Document 4).

以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体の製造方法としてのMBEは、半導体としてのGaNAs2を基板1上に成長させるため、窒素を含んだ窒化物原料としてのGaN粉末3aをもとに窒化物ガスとしての窒化物分子線である分子線6を生成する窒化物ガス生成工程と、GaNAs2の構成元素のうちGaN粉末3aに含まれない元素であるAsを有する非窒化物原料4aをもとに非窒化物ガスとしての分子線7を生成する非窒化物ガス生成工程と、分子線6,7を基板1上に導入して化合させ、GaNAs2を成長させる半導体成長工程とを含んでいる。このため、高周波プラズマによって活性化された反応性窒素ガスを用いることなく、高い結晶品質を有するGaNAs2を基板1上に成長させることができる。   As described above, the MBE as the semiconductor manufacturing method according to the present embodiment grows GaNAs2 as a semiconductor on the substrate 1, and therefore, based on the GaN powder 3a as a nitride material containing nitrogen. A nitride gas generating step for generating a molecular beam 6 which is a nitride molecular beam as a nitride gas, and a non-nitride material 4a having As which is an element not included in the GaN powder 3a among the constituent elements of GANAS2 are also included. A non-nitride gas generating step for generating a molecular beam 7 as a non-nitride gas, and a semiconductor growth step for introducing and combining the molecular beams 6 and 7 on the substrate 1 to grow GaNAs 2. . For this reason, it is possible to grow GaNAs 2 having high crystal quality on the substrate 1 without using reactive nitrogen gas activated by high-frequency plasma.

また、本実施の形態にかかる半導体の製造方法としてのMBEは、GaN粉末3aに含まれる元素のうち窒素以外の元素であるGaを含んだ補助原料5aをもとに補助原料ガスとしての分子線8を生成する補助ガス生成工程を含み、半導体成長工程によって分子線6〜8を基板1上に導入して化合させ、GaNAs2を成長させるようにしているため、分子線8によるGaの供給量を制御することで、高温の成長温度状態でも所望の窒素組成比を有するGaNAs2、特に窒素組成比が10%未満である希薄窒素半導体としてのGaNAs2を高品質に成長させることができ、光学特性が優れたGaNAs2を得ることができる。   In addition, MBE as a semiconductor manufacturing method according to the present embodiment is a molecular beam as an auxiliary source gas based on an auxiliary source 5a containing Ga which is an element other than nitrogen among elements contained in GaN powder 3a. 8 includes an auxiliary gas generation step for generating 8 and molecular beams 6 to 8 are introduced and combined on the substrate 1 by the semiconductor growth step to grow GaNAs 2. Therefore, the amount of Ga supplied by the molecular beam 8 is increased. By controlling, GaNAs2 having a desired nitrogen composition ratio even at a high growth temperature state, in particular, GaNAs2 as a dilute nitrogen semiconductor having a nitrogen composition ratio of less than 10% can be grown with high quality and excellent optical characteristics. GaNAs2 can be obtained.

ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態として説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。   So far, the best mode for carrying out the present invention has been described as an embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. Is possible.

例えば、上述した実施の形態では、窒化物原料としてGaN粉末3aを用いたが、GaNは必ずしも粉末状である必要はなく、結晶やアモルファス等、任意状態の化合物を用いることができる。また、基板1上に成長させる半導体の構成元素に応じて窒化物原料としてGaN以外の窒化物原料を用いることも可能であり、例えば、成長させる半導体がInを含む場合にはInNを用いることができる。   For example, in the above-described embodiment, the GaN powder 3a is used as the nitride raw material. However, GaN is not necessarily in the form of powder, and a compound in an arbitrary state such as crystal or amorphous can be used. It is also possible to use a nitride material other than GaN as the nitride material according to the constituent elements of the semiconductor grown on the substrate 1. For example, when the semiconductor to be grown contains In, InN is used. it can.

また、上述した実施の形態では、分子線6〜8によって基板1上にGaNAs2の各構成元素を導入する、つまりMBEによってGaNAs2を成長させるものとして説明したが、MBEに限定して解釈する必要はなく、MOCVD等、他の気相成長法によって成長させることもできる。なお、上述したAsを有した非窒化物ガスとしての分子線7を生成する分子線生成部4の機構は、Kセルを用いた機構に限定されるものではなく、バルブクラッカーセル(バルブドクラッカ)等を用いた機構であってもよい。また、Asを有した非窒化物原料4aには、AsH3 ガス(アルシンガス)原料やGaAs個体原料等を用いることができる。 Further, in the above-described embodiment, it has been described that each constituent element of GaNAs2 is introduced onto the substrate 1 by molecular beams 6 to 8, that is, the GaNAs2 is grown by MBE. Alternatively, it can be grown by other vapor deposition methods such as MOCVD. The mechanism of the molecular beam generator 4 that generates the molecular beam 7 as the non-nitride gas having As described above is not limited to the mechanism using the K cell, but a valve cracker cell (valve cracker). ) Etc. may be used. As the non-nitride material 4a having As, an AsH 3 gas (arsine gas) material, a GaAs solid material, or the like can be used.

また、上述した実施の形態では、GaN粉末3aをもとに分子線6によって供給されるGaの不足分を、補助原料5aをもとに分子線8によって補助的に供給するものとしたが、同様に、分子線6によって供給されるNに不足が生じる場合には、窒素ガスをプラズマによって活性化した反応性窒素ガスを別途供給することもできる。この場合、MBE装置100は、例えば高周波プラズマの発生装置を有した窒素ガスの補助供給機構をさらに備え、半導体の製造方法としてのMBEは、窒素ガスをプラズマによって活性化して反応性窒素ガスを生成する反応性窒素ガス生成工程をさらに含み、半導体成長工程によって、この反応性窒素ガスと分子線6,7とを基板1上に導入して化合させ、半導体を成長させるものとすればよい。なお、このようにプラズマによって活性化された反応性窒素ガスを用いることとしても、本発明にかかる半導体の製造方法では、その反応性窒素ガスの適用量を従来技術で用いる量に比して少量化することができるため、成長させる半導体の結晶品質を従来よりも向上させることができる。   In the above-described embodiment, the Ga deficiency supplied by the molecular beam 6 based on the GaN powder 3a is supplementarily supplied by the molecular beam 8 based on the auxiliary material 5a. Similarly, when a shortage occurs in N supplied by the molecular beam 6, reactive nitrogen gas obtained by activating nitrogen gas with plasma can be separately supplied. In this case, the MBE apparatus 100 further includes, for example, a nitrogen gas auxiliary supply mechanism having a high-frequency plasma generator, and the MBE as a semiconductor manufacturing method generates reactive nitrogen gas by activating the nitrogen gas with plasma. The reactive nitrogen gas generation step is further included, and in the semiconductor growth step, the reactive nitrogen gas and the molecular beams 6 and 7 are introduced and combined on the substrate 1 to grow the semiconductor. Even when the reactive nitrogen gas activated by the plasma is used as described above, in the semiconductor manufacturing method according to the present invention, the amount of the reactive nitrogen gas applied is smaller than the amount used in the prior art. Therefore, the crystal quality of the semiconductor to be grown can be improved as compared with the prior art.

また、上述した実施の形態では、このようにGaやNを補助的に供給することで、成長させる半導体において所望のGa/N比等を得るものとして説明したが、かかるGaやNの補助供給と併用もしくは切り換え、例えば図2に示した結果に基づき基板1の温度を変化させることで、半導体内のN/Ga比等を制御するようにしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, it has been described that the desired Ga / N ratio or the like is obtained in the semiconductor to be grown by supplementarily supplying Ga or N as described above. For example, the N / Ga ratio in the semiconductor may be controlled by changing or changing the temperature of the substrate 1 based on the result shown in FIG.

本発明の実施の形態にかかる半導体の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the semiconductor concerning an embodiment of the invention. 基板上に成長させたGaN膜内のN/Ga比の基板温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the substrate temperature dependence of N / Ga ratio in the GaN film grown on the substrate.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 GaNAs
3〜5 分子線生成部
3a GaN粉末
4a 非窒化物原料
5a 補助原料
6〜8 分子線
100 MBE装置
1 Substrate 2 GaNAs
3-5 Molecular beam generator 3a GaN powder 4a Non-nitride material 5a Auxiliary material 6-8 Molecular beam 100 MBE apparatus

Claims (10)

窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体を気相成長法によって基板上に成長させる半導体の製造方法において、
窒素を含んだ窒化物原料をもとに窒化物ガスを生成する窒化物ガス生成工程と、
前記半導体の構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素を有する非窒化物原料をもとに非窒化物ガスを生成する非窒化物ガス生成工程と、
前記窒化物原料に含まれる元素のうち窒素以外の元素を含んだ補助原料をもとに補助原料ガスを生成する補助ガス生成工程と、
前記窒化物ガス前記非窒化物ガスおよび前記補助原料ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させる半導体成長工程と、
を含み、前記補助ガス生成工程において使用される補助原料の供給量は前記基板の温度に応じて制御されることを特徴とする半導体の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor, a semiconductor comprising three or more constituent elements including nitrogen is grown on a substrate by vapor phase growth.
A nitride gas generating step for generating a nitride gas based on a nitride material containing nitrogen; and
A non-nitride gas generation step of generating a non-nitride gas based on a non-nitride material having an element not included in the nitride material among the constituent elements of the semiconductor;
An auxiliary gas generating step for generating an auxiliary raw material gas based on an auxiliary raw material containing an element other than nitrogen among the elements contained in the nitride raw material;
A semiconductor growth step of growing the semiconductor by introducing and combining the nitride gas , the non-nitride gas, and the auxiliary source gas onto the substrate;
Only including, the supply amount of auxiliary raw materials used in the auxiliary gas generation step semiconductor manufacturing method which is characterized in that is controlled according to the temperature of the substrate.
窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体を気相成長法によって基板上に成長させる半導体の製造方法において、
窒素を含んだ窒化物原料をもとに窒化物ガスを生成する窒化物ガス生成工程と、
前記半導体の構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素を有する非窒化物原料をもとに非窒化物ガスを生成する非窒化物ガス生成工程と、
前記窒化物ガスおよび前記非窒化物ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させる半導体成長工程と、
を含み、前記窒化物原料に含まれる窒素以外の元素は、III族元素であり、前記半導体の前記構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素は、V族元素およびIII族元素の少なくとも一方であることを特徴とする半導体の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor, a semiconductor comprising three or more constituent elements including nitrogen is grown on a substrate by vapor phase growth.
A nitride gas generating step for generating a nitride gas based on a nitride material containing nitrogen; and
A non-nitride gas generation step of generating a non-nitride gas based on a non-nitride material having an element not included in the nitride material among the constituent elements of the semiconductor;
A semiconductor growth step of growing the semiconductor by introducing and combining the nitride gas and the non-nitride gas on the substrate;
Only containing an element other than nitrogen contained in the nitride material is a III group element, an element that is not contained in the nitride raw material of the constituent elements of the semiconductor, the group V element and group III element A method for producing a semiconductor, comprising at least one of the methods.
窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体を気相成長法によって基板上に成長させる半導体の製造方法において、
窒素を含んだ窒化物原料をもとに窒化物ガスを生成する窒化物ガス生成工程と、
前記半導体の構成元素のうち前記窒化物原料に含まれない元素を有する非窒化物原料をもとに非窒化物ガスを生成する非窒化物ガス生成工程と、
窒素ガスをプラズマにより活性化して反応性窒素ガスを生成する反応性窒素ガス生成工程と、
前記窒化物ガス前記非窒化物ガスおよび前記反応性窒素ガスを前記基板上に導入して化合させ、前記半導体を成長させる半導体成長工程と、
を含むことを特徴とする半導体の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor, a semiconductor comprising three or more constituent elements including nitrogen is grown on a substrate by vapor phase growth.
A nitride gas generating step for generating a nitride gas based on a nitride material containing nitrogen; and
A non-nitride gas generation step of generating a non-nitride gas based on a non-nitride material having an element not included in the nitride material among the constituent elements of the semiconductor;
A reactive nitrogen gas generation step in which nitrogen gas is activated by plasma to generate reactive nitrogen gas;
A semiconductor growth step of growing the semiconductor by introducing and combining the nitride gas , the non-nitride gas, and the reactive nitrogen gas onto the substrate;
A method for manufacturing a semiconductor, comprising:
前記窒化物ガス生成工程、非窒化物ガス生成工程、および半導体成長工程が、MBE、MOCVD、あるいは気相成長法によって行われることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体の製造方法。 The nitride gas generating step, the non-nitride gas generation step, and a semiconductor growth step, MBE, MOCVD or a semiconductor process for manufacturing according to claim 1 or 2, characterized in that is carried out by vapor deposition. 前記窒化物ガス生成工程は、加熱により、前記窒化物原料をもとに前記窒化物ガスと非窒化物ガスとを生成することを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体の製造方法。 The said nitride gas production | generation process produces | generates the said nitride gas and non-nitride gas based on the said nitride raw material by heating, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. Semiconductor manufacturing method. 前記窒素を含む3以上の構成元素からなる半導体は、GaNAs、GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNP、GaNAsP、AlGaInNP、AlGaNAsのいずれかであることを特徴とする請求項に記載の半導体の製造方法。 The semiconductor manufacturing method according to claim 2 , wherein the semiconductor including three or more constituent elements including nitrogen is any one of GaNAs, GaInNAs, GaInNAsSb, GaInNP, GANASP, AlGaInNP, and AlGaNAs. 前記窒化物原料は、GaNあるいはInNであることを特徴とする請求項に記載の半導体の製造方法。 The semiconductor manufacturing method according to claim 2 , wherein the nitride material is GaN or InN. 前記非窒化物原料は、As、P、Sb、In、あるいはAlの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項に記載の半導体の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor according to claim 2 , wherein the non-nitride material includes at least one of As, P, Sb, In, or Al. 前記半導体は、窒素組成比が10%未満であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体の製造方法。 The semiconductor is a semiconductor manufacturing method according to any one of claims 1-8, characterized in that the nitrogen composition ratio is less than 10%. 前記窒化物ガスは、前記窒化物原料をもとに生成される窒化物分子線であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体の製造方法。 The nitride gas, semiconductor manufacturing method according to any one of claims 1-9, characterized in that the nitride material is a nitride molecular beam that is generated based on.
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