JP5510467B2 - Manufacturing method of nitride semiconductor - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体層をサファイア基板上に成長させるための窒化物半導体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor for growing a nitride semiconductor layer on a sapphire substrate.

窒化物半導体は、高輝度の紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光ダイオード(LED)や、高出力用途の高電子移動度トランジスタ(HEMT)などの材料として、研究、開発、実用化が行われている。   Nitride semiconductors are researched, developed, and put to practical use as materials for light-emitting diodes (LEDs) that emit high-intensity ultraviolet light, blue light, green light, etc., and high-electron mobility transistors (HEMTs) for high-power applications. Has been done.

窒化物半導体の結晶成長には、主に異種基板であるサファイアあるいは炭化珪素の単結晶基板が用いられている。特に、サファイア基板は、窒化物半導体の一般的な結晶成長温度(1000℃付近)において安定であり、また、低価格で大口径基板が得やすいことから広く用いられている。   A single crystal substrate of sapphire or silicon carbide, which is a heterogeneous substrate, is mainly used for crystal growth of nitride semiconductors. In particular, a sapphire substrate is widely used because it is stable at a general crystal growth temperature (around 1000 ° C.) of a nitride semiconductor, and a large-diameter substrate can be easily obtained at a low price.

窒化物半導体をサファイア基板上に成長する方法として、有機金属気相成長法(MOVPE法)を用いた「2段階成長法」が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a method for growing a nitride semiconductor on a sapphire substrate, a “two-stage growth method” using a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE method) is known (for example, see Patent Document 1).

図5は、2段階成長法による結晶成長方法を示し、(a)は水素クリーニング工程、(b)は低温成長バッファ層の成長工程、(c)は単結晶核の成長工程、(d)はGaN層の成長工程を示す。また、図6は、2段階成長法における温度シーケンスを示す。なお、図6中の(a)〜(d)は、図5の各工程に対応する。   FIG. 5 shows a crystal growth method by a two-stage growth method, where (a) is a hydrogen cleaning step, (b) is a growth step of a low temperature growth buffer layer, (c) is a growth step of a single crystal nucleus, and (d) is a step of FIG. The growth process of a GaN layer is shown. FIG. 6 shows a temperature sequence in the two-stage growth method. In addition, (a)-(d) in FIG. 6 respond | corresponds to each process of FIG.

2段階成長法は、以下の工程により行われる。(a)1200℃程度の温度において、サファイア基板101の表面に水素ガス102を噴射し、基板表面をクリーニング(水素クリーニング)する。
(b)500〜600℃の雰囲気中で、サファイア基板101上にGaN、AlN等からな低温成長バッファ層103を成長させる。この工程では、結晶成長温度がGaN、AlN等の融点より低いため、多結晶の低温成長バッファ層103が形成される。
(c)サファイア基板101及び低温成長バッファ層103を1100℃程度に昇温(アニール)することで、低温成長バッファ層103に部分的に単結晶核104を形成する。
(d)1100℃程度の温度雰囲気において、単結晶核104を核として、低温成長バッファ層103及び単結晶核104上にGaN層(エピタキシャル層)105を成長させる。
The two-stage growth method is performed by the following steps. (A) At a temperature of about 1200 ° C., hydrogen gas 102 is sprayed onto the surface of the sapphire substrate 101 to clean the substrate surface (hydrogen cleaning).
(B) A low temperature growth buffer layer 103 made of GaN, AlN or the like is grown on the sapphire substrate 101 in an atmosphere of 500 to 600 ° C. In this step, since the crystal growth temperature is lower than the melting point of GaN, AlN or the like, the polycrystalline low-temperature growth buffer layer 103 is formed.
(C) The sapphire substrate 101 and the low-temperature growth buffer layer 103 are heated (annealed) to about 1100 ° C. to partially form single crystal nuclei 104 in the low-temperature growth buffer layer 103.
(D) In a temperature atmosphere of about 1100 ° C., a GaN layer (epitaxial layer) 105 is grown on the low-temperature growth buffer layer 103 and the single crystal nucleus 104 using the single crystal nucleus 104 as a nucleus.

因みに、2段階成長法以前の従来の成長方法は、1000℃以上の高温により、サファイア基板上に直接窒化物半導体を成長させていた。しかし、サファイア基板全面を連続的に覆う窒化物半導体膜を得るのが困難であり、連続膜が得られた場合でも、窒化物半導体層の転位密度が非常に高く、1010〜1011cm-2程度であった。転位は、電子、正孔に対する非発光再結合中心、あるいは散乱中心として働くので、この方法で製作された窒化物半導体を半導体デバイスに適用した場合、実用に耐えるデバイス特性を得ることは不可能であった。 Incidentally, the conventional growth method before the two-step growth method has grown a nitride semiconductor directly on a sapphire substrate at a high temperature of 1000 ° C. or higher. However, it is difficult to obtain a nitride semiconductor film that continuously covers the entire surface of the sapphire substrate, and even when a continuous film is obtained, the dislocation density of the nitride semiconductor layer is very high, 10 10 to 10 11 cm −. It was about 2 . Since dislocations act as non-radiative recombination centers for electrons and holes, or as scattering centers, it is impossible to obtain practical device characteristics when applying nitride semiconductors manufactured by this method to semiconductor devices. there were.

上記した2段階成長法により、デバイス応用可能な窒化物半導体層をサファイア基板上に成長することが可能になり、また、転位密度を109cm-2程度に低減することが可能になり、初めて窒化物半導体を用いた各種デバイスの実用化が可能になった。 The above-described two-stage growth method makes it possible to grow a nitride semiconductor layer applicable to devices on a sapphire substrate, and to reduce the dislocation density to about 10 9 cm -2 for the first time. Various devices using nitride semiconductors can be put to practical use.

しかし、上記した2段階成長法には、以下に述べる欠点がある。
(1)従来のGaAsやInP系半導体の結晶成長と比較して、生産効率が悪く、従来の半分程度になる。2段階成長法によらない従来の結晶成長は、室温から500〜600℃への昇温(10分)→成長(60分)→室温への降温(20分)→取り出し、という単純で温度変化の小さい温度シーケンスが一般的である。
However, the above-described two-stage growth method has the following drawbacks.
(1) Compared with the conventional crystal growth of GaAs or InP-based semiconductors, the production efficiency is poor and is about half that of the conventional one. Conventional crystal growth not based on the two-step growth method is a simple temperature change from temperature rise to 500-600 ° C. (10 minutes) → growth (60 minutes) → temperature drop to room temperature (20 minutes) → removal. A small temperature sequence is common.

これに対し、2段階成長法の窒化物半導体の成長は、図6に示すように、室温から1200℃への昇温(30分)→工程(a)の水素クリーニング(10分)→約530℃への降温(40分)→工程(b)の低温成長バッファ層103の成長(1分)→工程(c)の昇温(20分)→工程(d)のGaN成長(60分)→降温(30分)→室温(取り出し)というように、昇温/降温を繰り返す複雑かつ温度変化が大きな温度シーケンスである。このため、結晶成長時間が、3時間以上になり、生産効率が悪くなる。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the growth of the nitride semiconductor by the two-step growth method is performed by raising the temperature from room temperature to 1200 ° C. (30 minutes) → hydrogen cleaning in the step (a) (10 minutes) → about 530 Decreasing temperature to 40 ° C. (40 minutes) → Growth of low temperature growth buffer layer 103 in step (b) (1 minute) → Temperature increase in step (c) (20 minutes) → GaN growth in step (d) (60 minutes) → The temperature sequence is complicated and has a large temperature change, such as temperature decrease (30 minutes) → room temperature (removal). For this reason, crystal growth time will be 3 hours or more, and production efficiency will worsen.

例えば、GaAs基板上にGaAs層を量産装置で成長するに際し、成長時間を1時間とした場合、昇温に10分、成長に1時間、降温に20分の合計1.5時間が必要になる。一方、サファイア基板上にGaNを成長する場合、図6に示すように、(30分+10分+40分+1分+20分+60分+30分)=191分(3時間11分)になるため、2段階成長法によらない従来法の90分に比べて結晶成長時間が大幅に長くなり、生産効率が半分以下になる。   For example, when a GaAs layer is grown on a GaAs substrate with a mass production apparatus, if the growth time is 1 hour, a total of 1.5 hours is required for 10 minutes for temperature increase, 1 hour for growth, and 20 minutes for temperature decrease. . On the other hand, when GaN is grown on the sapphire substrate, as shown in FIG. 6, (30 minutes + 10 minutes + 40 minutes + 1 minute + 20 minutes + 60 minutes + 30 minutes) = 191 minutes (3 hours 11 minutes). Compared with the conventional method of 90 minutes that does not depend on the growth method, the crystal growth time is significantly increased, and the production efficiency is reduced to half or less.

(2)結晶成長の安定性及び再現性が悪い。この問題について、本発明者らは、2段階成長法によるGaN層の厚み及びX線回折半値幅の再現性について、以下の調査を行った。 (2) The stability and reproducibility of crystal growth is poor. Regarding this problem, the present inventors conducted the following investigation on the reproducibility of the thickness of the GaN layer and the X-ray diffraction half width by the two-step growth method.

図7は、2段階成長法によりGaN成長を同一条件で100回行ったときのGaN層の厚み特性を示し、図8は、2段階成長法によりGaN成長を同一条件で100回行ったときのGaN層のX線回折半値幅特性を示す。なお、温度シーケンスは図6に従った。   FIG. 7 shows the thickness characteristics of the GaN layer when GaN growth is performed 100 times under the same conditions by the two-stage growth method, and FIG. 8 is a graph when GaN growth is performed 100 times under the same conditions by the two-stage growth method. The X-ray diffraction half-width characteristics of a GaN layer are shown. In addition, the temperature sequence followed FIG.

図7及び図8の特性を得るため、以下の条件により、図5に示した工程に従ってGaN成長を実施した。工程(b)に示す低温成長バッファ層103は、原料であるトリメチルガリウム(TMG)を382μmol/分、アンモニアを10slmとし、キャリアガスを水素40slm、窒素100slmとして、80秒間成長し、厚みを約25nmとした。工程(c)のアニール処理は、アンモニア20slm、水素30slm、窒素50slmとしてサファイア基板101を1100℃にまで加熱して行った。更に、工程(d)に示すGaN層105は、基板温度が1100℃になった時点で、TMGを846μmol/分の流量で流し始め、GaNの成長を30分間実施した。30分経過後、TMG流量を0として成長を終えた。その後、基板温度を室温にまで下げ、基板を取り出した。工程(d)により得られたGaN層105の厚みの平均値は1.5μm、X線回折半値幅の平均値は329秒であった。   In order to obtain the characteristics shown in FIGS. 7 and 8, GaN growth was performed according to the process shown in FIG. 5 under the following conditions. The low temperature growth buffer layer 103 shown in the step (b) is grown for 80 seconds by using trimethylgallium (TMG) as a raw material at 382 μmol / min, ammonia at 10 slm, carrier gas at 40 slm, and nitrogen at 100 slm, and has a thickness of about 25 nm. It was. The annealing process in the step (c) was performed by heating the sapphire substrate 101 to 1100 ° C. with 20 slm of ammonia, 30 slm of hydrogen, and 50 slm of nitrogen. Further, in the GaN layer 105 shown in the step (d), when the substrate temperature reached 1100 ° C., TMG was started to flow at a flow rate of 846 μmol / min, and GaN was grown for 30 minutes. After 30 minutes, the growth was completed with the TMG flow rate set to zero. Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature, and the substrate was taken out. The average value of the thickness of the GaN layer 105 obtained in the step (d) was 1.5 μm, and the average value of the X-ray diffraction half width was 329 seconds.

その結果、図7及び図8に示す特性が得られた。図7及び図8に示されるように、2段階成長法によるGaN層の厚み及びX線回折半値幅は、共に成長毎に大きく変動(平均値に対して±20%以上)しており、再現性及び安定性の悪いことが分かる。   As a result, the characteristics shown in FIGS. 7 and 8 were obtained. As shown in FIGS. 7 and 8, both the thickness of the GaN layer and the X-ray diffraction half-value width by the two-step growth method greatly fluctuate with each growth (± 20% or more with respect to the average value). It turns out that property and stability are bad.

このような2段階成長法の不安定性は、上記した工程(b)の低温バッファ成長と工程(c)のアニールとにより、GaN層105の成長起点となる単結晶核104を形成することに起因している。低温成長バッファ層103をアニールすることで、単結晶核104が形成されるが、この過程の進行と同時に低温成長バッファ層103が徐々に蒸発していく過程も存在している。成長温度付近(〜1000℃)でのGaNの蒸発量は温度に対して指数関数的に依存しており、僅かの温度変動でも大きな蒸発量の変動をもたらす。このため、成長毎の僅かな基板温度の違いを反映して、成長開始の段階での単結晶核104の量および密度が変動し、上述のような不安定性が引き起こされる。   Such instability of the two-step growth method is due to the formation of the single crystal nucleus 104 that becomes the growth starting point of the GaN layer 105 by the low-temperature buffer growth in the step (b) and the annealing in the step (c). doing. By annealing the low temperature growth buffer layer 103, single crystal nuclei 104 are formed, but there is also a process in which the low temperature growth buffer layer 103 gradually evaporates simultaneously with the progress of this process. The amount of evaporation of GaN in the vicinity of the growth temperature (up to 1000 ° C.) depends exponentially on the temperature, and even a slight temperature change causes a large amount of evaporation. For this reason, the amount and density of the single crystal nuclei 104 at the stage of starting growth vary, reflecting the slight difference in substrate temperature for each growth, and the above instability is caused.

より詳しく説明すると、1000℃以上の高温では、GaNはサファイア基板の表面に直接は付着しにくく、単結晶核104を成長の基点として成長を始める。このため、成長初期の段階でのGaN層105の成長速度は初期の単結晶核104の密度に依存し、単結晶核104の密度の変動が、図7に示した最終的な膜厚の変動として現れることになる。   More specifically, at a high temperature of 1000 ° C. or higher, GaN hardly adheres directly to the surface of the sapphire substrate, and starts growing using the single crystal nucleus 104 as a growth base point. For this reason, the growth rate of the GaN layer 105 at the initial stage of growth depends on the density of the initial single crystal nuclei 104, and the fluctuation of the density of the single crystal nuclei 104 is the fluctuation of the final film thickness shown in FIG. Will appear as.

また、X線回折半値幅が大きく変動するということは、GaN層105の転位密度が大きく変動していることを意味している。転位は、成長の起点となる単結晶核の内部、或いは成長により核と核が融合する境界に発生するので、単結晶核104の密度が高いほど転位密度が高くなる。このため、成長の起点となる単結晶核104の密度が変動すると、その上に成長するGaN層105の転位密度も変動する結果、図8に見られるように、X線回折半値幅が変動する。   Moreover, the fact that the X-ray diffraction half-value width varies greatly means that the dislocation density of the GaN layer 105 varies greatly. Dislocations occur inside single crystal nuclei that are the starting point of growth, or at boundaries where nuclei and nuclei fuse together by growth. Therefore, the higher the density of single crystal nuclei 104, the higher the dislocation density. For this reason, when the density of the single crystal nucleus 104 that is the starting point of growth varies, the dislocation density of the GaN layer 105 grown thereon also varies, and as a result, the X-ray diffraction half width varies as shown in FIG. .

このような2段階成長法の欠点を克服する方法として、窒素を含む原料ガス中でサファイア基板を熱処理し、サファイア基板の表面に窒化領域を形成し、この窒化領域上にGaN層を成長する方法が知られている(例えば、特許文献2,3参照)。本発明者がこの方法を追試したところ、生産効率が2段階成長法に比べて向上することが確認された。すなわち、成長シーケンスが、室温から1000℃へ昇温(30分)→アンモニア中熱窒化処理(30分)→GaN成長(60分)→室温へ降温(30分)となり、2段階成長法よりも単純化された。これにより、総成長時間が2.5時間となり、2段階成長法の3時間11分よりは短縮された。また、この方法により、サファイア表面の窒化領域がGaN成長の起点となる核として作用することから、GaN層を成長できることが確認できた。   As a method for overcoming the drawbacks of such a two-step growth method, a sapphire substrate is heat-treated in a source gas containing nitrogen, a nitride region is formed on the surface of the sapphire substrate, and a GaN layer is grown on the nitride region. Is known (see, for example, Patent Documents 2 and 3). When the present inventor further tried this method, it was confirmed that the production efficiency was improved as compared with the two-stage growth method. That is, the growth sequence increases from room temperature to 1000 ° C. (30 minutes) → thermal nitridation in ammonia (30 minutes) → GaN growth (60 minutes) → temperature decrease to room temperature (30 minutes). Simplified. As a result, the total growth time was 2.5 hours, which was shorter than 3 hours 11 minutes in the two-stage growth method. Further, by this method, it was confirmed that the GaN layer can be grown because the nitrided region on the sapphire surface acts as a nucleus serving as the starting point of GaN growth.

しかしながら、得られたGaN層の厚みやX線回折半値幅は、2段階成長法によるGaNと同様に、再現性に乏しいものであった。この原因は、熱窒化により形成されたサファイア表面の窒化領域の厚さが、実験毎に5〜35nmの範囲で変動していることにあった。窒化領域の厚さが実験毎に変動する原因は明らかではないが、熱窒化により形成されたサファイア表面の窒化物が、熱的に不安定なことが原因である可能性が高い。   However, the thickness and the half width of the X-ray diffraction of the obtained GaN layer were poor in reproducibility, like GaN obtained by the two-step growth method. This is because the thickness of the nitrided region of the sapphire surface formed by thermal nitridation varies within a range of 5 to 35 nm for each experiment. The reason why the thickness of the nitrided region varies from experiment to experiment is not clear, but it is highly likely that the nitride on the sapphire surface formed by thermal nitridation is thermally unstable.

また、サファイア基板表面を熱窒化する代わりに、窒素ガスなどのプラズマでサファイア表面を窒化する方法も知られている(例えば、特許文献4,5参照)。これらについて追試を行ったところ、窒化面上にプラズマCVD(原料はTMG及び窒素)でGaNを成長させることにより、平坦な膜を得ることができた。   Further, a method of nitriding the sapphire surface with plasma such as nitrogen gas instead of thermally nitriding the sapphire substrate surface is also known (see, for example, Patent Documents 4 and 5). As a result of additional tests, a flat film could be obtained by growing GaN on the nitrided surface by plasma CVD (raw materials were TMG and nitrogen).

しかし、得られたGaN層のX線回折の半値幅は1000秒程度になり、2段階成長法によるGaN層の329秒よりも格段に大きな値となった。これは、2段階成長法によるGaN層よりも転位密度が格段に高いことを意味し、再現性及び安定性を悪化する原因になっている。   However, the half width of X-ray diffraction of the obtained GaN layer was about 1000 seconds, which was much larger than 329 seconds of the GaN layer formed by the two-step growth method. This means that the dislocation density is remarkably higher than that of the GaN layer formed by the two-step growth method, which causes a deterioration in reproducibility and stability.

GaN層の成長中に表面に窒素ラジカルが存在すると、窒素ラジカルは非常に活性であることより、これがTMGより乖離したGa原子と即座に結合し、GaNが析出する。これにより、成長表面におけるGa原子の表面拡散が阻害され、GaNの横方向(表面に平行方向)の成長速度が遅くなる。この場合、プラズマ窒化によりサファイア基板表面に形成された成長の起点となる核の密度が高い場合にしかサファイア表面全体を覆う連続的なGaN層を得ることが出来なくなり、結果として、連続的なGaN層が得られた場合には、その転位密度が高くなる。   If nitrogen radicals are present on the surface during the growth of the GaN layer, the nitrogen radicals are very active, so they are immediately bonded to Ga atoms separated from TMG, and GaN is precipitated. As a result, the surface diffusion of Ga atoms on the growth surface is inhibited, and the growth rate in the lateral direction (parallel to the surface) of GaN is slowed. In this case, a continuous GaN layer that covers the entire sapphire surface can be obtained only when the density of nuclei, which is the starting point of growth formed on the surface of the sapphire substrate by plasma nitriding, is high, and as a result, continuous GaN When a layer is obtained, the dislocation density is increased.

これに対し、2段階成長法で用いるMOVPE法においては、Gaの表面拡散を阻害するラジカルが存在しないので、GaNの横方向成長速度が速く、単結晶核の密度が低い場合でも連続的なGaN層を得ることができ、従って、転位密度の低い膜を得ることができる。
特公平8−8217号公報 特公平7−54806公報 特開2001−15443号公報 特開平11−87253号公報 特開2001−217193号公報
On the other hand, in the MOVPE method used in the two-step growth method, there is no radical that inhibits the surface diffusion of Ga, so that the lateral growth rate of GaN is high, and even if the density of single crystal nuclei is low, continuous GaN A layer can be obtained, and therefore a film with a low dislocation density can be obtained.
Japanese Patent Publication No.8-8217 Japanese Patent Publication No. 7-54806 JP 2001-15443 A JP 11-87253 A JP 2001-217193 A

しかし、従来の窒化物半導体の製造方法によると、サファイア基板表面の熱窒化物を安定した形態で形成することが、極めて困難である。また、サファイア基板表面の窒化をプラズマで行い、その上のGaN成長にプラズマCVD法を用いた場合、得られるGaN結晶の特性が従来の2段階成長法に比べて著しく劣る。このため、2段階成長法で得られるGaN層と同等以上の膜質を維持しつつ、2段階成長法の欠点である低生産効率と成長の不安定性を克服することができない。   However, according to the conventional nitride semiconductor manufacturing method, it is extremely difficult to form the thermal nitride on the surface of the sapphire substrate in a stable form. Further, when the surface of the sapphire substrate is nitrided by plasma and the plasma CVD method is used for GaN growth thereon, the characteristics of the obtained GaN crystal are significantly inferior to those of the conventional two-step growth method. For this reason, low production efficiency and instability of growth, which are disadvantages of the two-stage growth method, cannot be overcome while maintaining a film quality equivalent to or better than the GaN layer obtained by the two-stage growth method.

従って、本発明の目的は、2段階成長法と同等以上の膜質のGaN層をサファイア基板上に成長させることができると共に、高い生産効率及び成長安定性を得ることのできる窒化物半導体の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor manufacturing method capable of growing a GaN layer having a film quality equal to or higher than that of the two-step growth method on a sapphire substrate and obtaining high production efficiency and growth stability. Is to provide.

本発明は、上記目的を達成するため、サファイア基板上に表面改質層を形成する第1の工程と、前記表面改質層が形成された前記サファイア基板を、不活性ガスの雰囲気中または不活性ガスに10%以下の濃度の水素を混合した雰囲気中で窒化物半導体の成長温度まで昇温する第2の工程と、前記表面改質層の表面に窒化物半導体層を成長させる第3の工程と含む窒化物半導体の製造方法を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a first step of forming a surface modified layer on a sapphire substrate and the sapphire substrate on which the surface modified layer is formed in an inert gas atmosphere or in a non-activated gas. A second step of raising the temperature to the growth temperature of the nitride semiconductor in an atmosphere in which hydrogen having a concentration of 10% or less is mixed in the active gas; and a third step of growing a nitride semiconductor layer on the surface of the surface modification layer A method of manufacturing a nitride semiconductor including the steps is provided.

本発明の窒化物半導体の製造方法によれば、2段階成長法と同等以上の膜質のGaN層をサファイア基板上に成長させることができると共に、高い生産効率及び成長安定性を得ることができる。   According to the method for producing a nitride semiconductor of the present invention, a GaN layer having a film quality equivalent to or higher than that of the two-step growth method can be grown on the sapphire substrate, and high production efficiency and growth stability can be obtained.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法の製造工程を示し、(a)はサファイア基板を示す図、(b)は表面改質層の製作工程を示す図、(c)はGaN層の製作工程を示す図である。FIG. 1 shows a manufacturing process of a method for manufacturing a nitride semiconductor according to a first embodiment of the present invention, (a) shows a sapphire substrate, and (b) shows a manufacturing process of a surface modified layer. FIG. 4C is a diagram showing a manufacturing process of the GaN layer. 図2は、図1の成長法における温度シーケンスを示し、(a)はプラズマ窒化工程における温度シーケンス図、(b)はMOVPE成長工程における温度シーケンス図である。FIG. 2 shows a temperature sequence in the growth method of FIG. 1, (a) is a temperature sequence diagram in the plasma nitriding step, and (b) is a temperature sequence diagram in the MOVPE growth step. 図3は、GaN成長を同一条件により100回行ったときのGaN層の厚み特性図である。FIG. 3 is a thickness characteristic diagram of a GaN layer when GaN growth is performed 100 times under the same conditions. 図4は、GaN成長を同一条件により100回行ったときのGaN層のX線回折半値幅特性図である。FIG. 4 is an X-ray diffraction half-width characteristic diagram of a GaN layer when GaN growth is performed 100 times under the same conditions. 図5は、2段階成長法による結晶成長方法を示し、(a)は水素クリーニング工程を示す図、(b)は低温成長バッファ層の成長工程を示す図、(c)は単結晶核の成長工程を示す図、(d)はGaN層の成長工程を示す図である。5A and 5B show a crystal growth method by a two-stage growth method, where FIG. 5A shows a hydrogen cleaning process, FIG. 5B shows a growth process of a low temperature growth buffer layer, and FIG. 5C shows growth of a single crystal nucleus. The figure which shows a process, (d) is a figure which shows the growth process of a GaN layer. 図6は、2段階成長法における温度シーケンス図である。FIG. 6 is a temperature sequence diagram in the two-stage growth method. 図7は、2段階成長法によりGaN成長を同一条件により100回行ったときのGaN層の厚み特性図である。FIG. 7 is a thickness characteristic diagram of the GaN layer when GaN growth is performed 100 times under the same conditions by the two-stage growth method. 図8は、GaN成長を同一条件により2段階成長法により100回行ったときのGaN層のX線回折半値幅特性である。FIG. 8 shows the X-ray diffraction half-width characteristics of the GaN layer when GaN growth is performed 100 times by the two-stage growth method under the same conditions.

[第1の実施の形態]
(窒化物半導体の製造方法)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法の製造工程を示し、(a)はサファイア基板を示す図、(b)は表面改質の製作工程を示す図、(c)はGaN層の製作工程を示す図である。また、図2は、図1の成長法における温度シーケンスを示し、(a)はプラズマ窒化工程における温度シーケンス図、(b)はMOVPE成長工程における温度シーケンス図である。
[First Embodiment]
(Nitride semiconductor manufacturing method)
1A and 1B show a manufacturing process of a nitride semiconductor manufacturing method according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1A shows a sapphire substrate, and FIG. 1B shows a surface modification manufacturing process. (C) is a figure which shows the manufacturing process of a GaN layer. 2 shows a temperature sequence in the growth method of FIG. 1, (a) is a temperature sequence diagram in the plasma nitriding step, and (b) is a temperature sequence diagram in the MOVPE growth step.

まず、C面サファイア基板(以下、単にサファイア基板という)1を電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ装置(図示せず)に導入し、ECRプラズマ装置内の真空度を1×10-9Torrにまで減圧した後、サファイア基板1の温度を室温から300℃にまで昇温した(図1(a))。 First, a C-plane sapphire substrate (hereinafter simply referred to as a sapphire substrate) 1 is introduced into an electron cyclotron resonance (ECR) plasma apparatus (not shown), and the degree of vacuum in the ECR plasma apparatus is reduced to 1 × 10 −9 Torr. After that, the temperature of the sapphire substrate 1 was raised from room temperature to 300 ° C. (FIG. 1A).

次に、ECRプラズマ装置内に窒素ガスを所定の流量(例えば、30sccm)で導入し、所定の真空度(例えば、7mTorr)とした。この状態で、マイクロ波を照射(例えば、パワー100W)してプラズマを発生させた。このプラズマ処理により、サファイア基板1の表面には、所定の厚さ(例えば、約3nm)にわたる表面改質層(窒化層)2が形成された(図1(b))。なお、表面改質層2の厚さは、X線反射率の測定により求めた。   Next, nitrogen gas was introduced into the ECR plasma apparatus at a predetermined flow rate (for example, 30 sccm) to obtain a predetermined degree of vacuum (for example, 7 mTorr). In this state, plasma was generated by irradiation with microwaves (for example, power of 100 W). By this plasma treatment, a surface modification layer (nitride layer) 2 having a predetermined thickness (for example, about 3 nm) was formed on the surface of the sapphire substrate 1 (FIG. 1B). In addition, the thickness of the surface modification layer 2 was calculated | required by the measurement of the X-ray reflectivity.

本発明者は、プラズマでサファイア基板1の表面を窒化して得られた表面改質層2は、熱窒化の場合に比べて遥かに再現性良く厚さを制御できることを見出した。これは、プラズマ窒化は、熱窒化よりも低温で窒化が行われるため、形成された表面改質層2はエッチングにより失われることが無いためである。また、表面改質層2を形成する窒化物の密度は、X線反射率の測定から見積もることが可能であるが、プラズマ窒化による窒化物の方が熱窒化による場合よりも密度が高く、より緻密で熱に対する耐性の高い窒化物が形成されていることも明らかとなった。   The inventor has found that the thickness of the surface modified layer 2 obtained by nitriding the surface of the sapphire substrate 1 with plasma can be controlled with much higher reproducibility than in the case of thermal nitriding. This is because plasma nitridation is performed at a lower temperature than thermal nitridation, and thus the formed surface modification layer 2 is not lost by etching. Further, the density of the nitride forming the surface modification layer 2 can be estimated from the measurement of the X-ray reflectivity, but the nitride by plasma nitriding has a higher density than the case by thermal nitriding, It was also found that a dense nitride with high heat resistance was formed.

更に、本発明者は、プラズマ処理の温度を室温から600℃の間で変え、また、マイクロ波のパワーを100〜500Wの間で変えて検討した。その結果、処理温度及びマイクロ波パワー毎に処理時間を調整し、表面改質層2の厚さを1〜10nmに制御しさえすれば、2段階成長法と同等の結果が得られることを見出した。そして、窒化領域の厚さが1nmより小さい場合、表面改質層2の一部が昇温中にエッチングされ、成長の安定性が損なわれた。また、表面改質層2の厚さが10nmより大きい場合、表面改質層2上に成長するGaN層の転位が大幅に増加した。これは、表面改質層2の厚さが大きいと、表面改質層2の表面側の結晶性が低下してしまうためである。   Furthermore, the present inventor examined the temperature of the plasma treatment between room temperature and 600 ° C., and the microwave power between 100 and 500 W. As a result, it has been found that if the processing time is adjusted for each processing temperature and microwave power, and the thickness of the surface modification layer 2 is controlled to 1 to 10 nm, a result equivalent to the two-step growth method can be obtained. It was. When the thickness of the nitrided region was smaller than 1 nm, a part of the surface modification layer 2 was etched during the temperature increase, and the growth stability was impaired. Further, when the thickness of the surface modification layer 2 was larger than 10 nm, the dislocations of the GaN layer grown on the surface modification layer 2 increased significantly. This is because if the thickness of the surface modification layer 2 is large, the crystallinity on the surface side of the surface modification layer 2 is lowered.

次に、図2(a)に示すように、プラズマ窒化に要する時間は、室温から300℃までの昇温(10分)→プラズマ窒化処理(30分)→室温までの降温(20分)、の合計1時間であった。   Next, as shown in FIG. 2 (a), the time required for plasma nitriding is as follows: temperature rise from room temperature to 300 ° C. (10 minutes) → plasma nitriding treatment (30 minutes) → temperature drop to room temperature (20 minutes), For a total of 1 hour.

次に、窒化処理を行ったサファイア基板1をMOVPE装置(図示せず)に導入してGaN層3を成長した(図1(c))。この成長においては、まず、真空引きによりMOVPE装置内を減圧(例えば、5×10-2Torr)した後、同装置内に水素を導入し、圧力を大気圧に戻すことでMOVPE装置内の雰囲気を清浄化した。 Next, the sapphire substrate 1 subjected to nitriding treatment was introduced into an MOVPE apparatus (not shown) to grow a GaN layer 3 (FIG. 1C). In this growth, first, after reducing the pressure in the MOVPE apparatus by evacuation (for example, 5 × 10 −2 Torr), hydrogen is introduced into the apparatus and the pressure is returned to the atmospheric pressure to thereby return the atmosphere in the MOVPE apparatus. Was cleaned.

その後、アンモニア(NH3:例えば、20slm)、水素(例えば、30slm)、窒素(例えば、50slm)を含む雰囲気中でサファイア基板1の温度を1100℃に上昇させた。サファイア基板1の温度が1100℃になった時点で、トリメチルガリウム(TMG)を所定の流量(例えば、846μmol/分)で流し始め、GaN層3の成長を実施した。その後、TMGを止め、GaN成長を終了した。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 1 was raised to 1100 ° C. in an atmosphere containing ammonia (NH 3 : for example, 20 slm), hydrogen (for example, 30 slm), and nitrogen (for example, 50 slm). When the temperature of the sapphire substrate 1 reached 1100 ° C., trimethylgallium (TMG) began to flow at a predetermined flow rate (for example, 846 μmol / min), and the GaN layer 3 was grown. Then, TMG was stopped and GaN growth was completed.

その後、基板温度を室温にまで下げ、サファイア基板1をMOVPE装置から取り出した。なお、GaN層3の成長開始以降の条件は、上記した2段階成長法の場合と同じにした。   Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature, and the sapphire substrate 1 was taken out from the MOVPE apparatus. The conditions after the start of the growth of the GaN layer 3 were the same as those in the above-described two-stage growth method.

図2(b)に示すように、MOVPE成長にかかる時間は、室温から1100℃まで昇温(30分)→GaN成長(60分)→室温へ降温(30分)の合計2時間となり、2段階成長法の3時間以上よりも大幅に短縮できた。   As shown in FIG. 2 (b), the time required for the MOVPE growth is 2 hours in total: from room temperature to 1100 ° C. (30 minutes) → GaN growth (60 minutes) → down to room temperature (30 minutes). This was significantly shorter than 3 hours or more of the step growth method.

図2(b)に示す室温からの昇温を、アンモニア、水素、窒素を含む雰囲気中で行った理由は、表面改質層2の成長状態が成長毎に大きく変動することを防止するためである。2段階成長法と同様にして昇温を行ったところ、得られたGaN層2の特性は成長毎に大きく変動していた。そこで、この不安定性の原因を調査したところ、表面を窒化したサファイア基板1を成長装置に導入し、温度を室温から成長温度(約1100℃)に昇温する間に、通常のMOVPE成長雰囲気に存在する水素がサファイア基板1の表面の表面改質層2をエッチングすることにより、表面改質層2の厚さを成長毎に変化させていることが判明した。   The reason for raising the temperature from room temperature shown in FIG. 2B in an atmosphere containing ammonia, hydrogen, and nitrogen is to prevent the growth state of the surface modification layer 2 from fluctuating greatly from growth to growth. is there. When the temperature was raised in the same manner as in the two-step growth method, the characteristics of the obtained GaN layer 2 varied greatly with each growth. Therefore, when the cause of this instability was investigated, a sapphire substrate 1 having a nitrided surface was introduced into a growth apparatus, and while the temperature was raised from room temperature to the growth temperature (about 1100 ° C.), a normal MOVPE growth atmosphere was obtained. It has been found that the thickness of the surface modification layer 2 is changed for each growth by etching the surface modification layer 2 on the surface of the sapphire substrate 1 with the existing hydrogen.

そこで、表面改質層2のエッチングを防止する策として、
(1)アンモニア中で昇温する
(2)窒素などの不活性ガス中(あるいは低水素濃度の不活性ガス中)で昇温するを検討したところ、どちらの方法でも成長の安定性を格段に向上できることが分かった。具体的には、得られたGaN層3の厚み及びX線回折半値幅の平均値からの変動が、±3%以下となり、従来法による値(±20%)よりも格段に改善できた。更に言えば、厚み及びX線回折半値幅の平均値は、2段階成長法によるGaN層105とほぼ同じ値か、むしろ改善されており、2段階成長法によるGaN層105と同等以上の膜質のGaN層3を、より安定して成長することができた。
Therefore, as a measure for preventing the etching of the surface modification layer 2,
(1) Raise the temperature in ammonia (2) Considering raising the temperature in an inert gas such as nitrogen (or in an inert gas with a low hydrogen concentration), the stability of growth is greatly improved by either method It turns out that it can improve. Specifically, the variation from the average value of the thickness and the X-ray diffraction half-value width of the obtained GaN layer 3 was ± 3% or less, which was significantly improved from the value obtained by the conventional method (± 20%). Furthermore, the average value of the thickness and the half width of the X-ray diffraction is almost the same value as the GaN layer 105 by the two-stage growth method, or rather improved, and the film quality is equal to or better than the GaN layer 105 by the two-stage growth method The GaN layer 3 was able to grow more stably.

図3は、GaN成長を同一条件により100回行ったときのGaN層の厚み特性を示し、図4は、GaN成長を同一条件により100回行ったときのGaN層のX線回折半値幅特性を示す。   FIG. 3 shows the thickness characteristics of the GaN layer when GaN growth is performed 100 times under the same conditions, and FIG. 4 shows the X-ray diffraction half-width characteristics of the GaN layers when GaN growth is performed 100 times under the same conditions. Show.

本実施の形態に係る図3及び図4の特性と、図7及び図8に示した従来の2段階成長による特性とを比較して明らかなように、図3及び図4の特性は格段に変動の小さい(平均値に対して±2%以下)ことが分かる。また、GaN層の厚みの平均値は1.84μm、X線半値幅の平均値は265秒である。このことから、本実施の形態に係るGaN層成長方法は、2段階成長の場合(1.5μm、329秒)と比べ、成長速度の増加(即ち、生産効率が向上)及びX線回折半値幅の減少(即ち、転位の減少)が可能になる。   3 and 4 according to the present embodiment and the characteristics of the conventional two-stage growth shown in FIGS. 7 and 8 are clearly compared, and the characteristics of FIGS. It can be seen that the fluctuation is small (± 2% or less with respect to the average value). Further, the average value of the thickness of the GaN layer is 1.84 μm, and the average value of the X-ray half width is 265 seconds. From this, the GaN layer growth method according to the present embodiment has an increased growth rate (that is, improved production efficiency) and an X-ray diffraction half width compared to the case of two-stage growth (1.5 μm, 329 seconds). (Ie, a reduction in dislocations).

なお、上記実施の形態において、上記プラズマは、平行平板プラズマ装置、ECRプラズマ装置、ICPプラズマ装置のいずれかにより発生したものであるのが好ましい。   In the above embodiment, the plasma is preferably generated by any of a parallel plate plasma apparatus, an ECR plasma apparatus, and an ICP plasma apparatus.

また、上記プラズマが窒素原子を含むガスのプラズマであり、表面改質層2が窒化層であることが好ましい。   The plasma is preferably a gas plasma containing nitrogen atoms, and the surface modification layer 2 is preferably a nitride layer.

また、本実施の形態は、上記プラズマが、窒素原子を含むガス及びシリコン原子を含むガスの混合ガスによるプラズマであり、表面改質層2が、少なくともAl、N、Si、及びO原子を含む構成も可能である。この場合、上記の窒素原子を含むガスは、N2、NH3、N2Oの何れかであるのが好ましく、また、上記のシリコン原子を含むガスは、SiH4、Si26、SiF4の何れかであるのが好ましい。 In the present embodiment, the plasma is a plasma of a mixed gas of a gas containing nitrogen atoms and a gas containing silicon atoms, and the surface modification layer 2 contains at least Al, N, Si, and O atoms. Configuration is also possible. In this case, a gas containing nitrogen atoms described above, N 2, NH 3, preferably at N 2 either O, also, the gas containing the silicon atoms, SiH 4, Si 2 H 6 , SiF Any of 4 is preferable.

上記実施の形態において、GaN層3は、少なくとも表面改質層2に接して成長される領域の成長温度は、900℃以上であるのが好ましい。   In the above embodiment, the growth temperature of the region in which the GaN layer 3 is grown at least in contact with the surface modification layer 2 is preferably 900 ° C. or higher.

また、上記実施の形態において、サファイア基板1の温度をGaN層3の成長温度にまで昇温する処理において、気相成長装置内へのアンモニアの導入を、サファイア基板1の温度が800℃以下で開始するのが好ましい。そして、アンモニアの導入開始温度は、300℃以下が好ましいが100℃以下であっても良い。   In the above embodiment, in the process of raising the temperature of the sapphire substrate 1 to the growth temperature of the GaN layer 3, ammonia is introduced into the vapor phase growth apparatus so that the temperature of the sapphire substrate 1 is 800 ° C. or less. It is preferable to start. The ammonia introduction start temperature is preferably 300 ° C. or lower, but may be 100 ° C. or lower.

上記のアンモニアを含む雰囲気は、アンモニアと水素の混合ガス、アンモニアと窒素の混合ガス、あるいは、アンモニアと水素及び窒素の混合ガスのいずれかであるのが好ましい。   The atmosphere containing ammonia is preferably any one of a mixed gas of ammonia and hydrogen, a mixed gas of ammonia and nitrogen, or a mixed gas of ammonia, hydrogen and nitrogen.

また、気相成長は、有機金属気相成長法(MOVPE法)に代えて、ハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いることもできる。   For vapor phase growth, hydride vapor phase epitaxy (HVPE) can be used instead of metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

(第1の実施の形態の効果)
第1の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)サファイア基板1の表面をプラズマ窒化して表面改質層2を形成し、表面改質層2を結晶成長の起点となる核にして、その上に気相成長法によりGaN層3を形成したことにより、2段階成長法の欠点である低生産効率と成長の不安定性を克服することができる。
(2)サファイア基板1の表面改質層2上に、気相成長法によりGaN層3を形成するに際し、サファイア基板1の温度をGaN層3の成長温度にまで昇温する処理を、アンモニアを含む雰囲気中で行うことにより、表面改質層2が成長毎に大きく変動することを防止することが可能になり、GaN層3を安定に成長させることができる。
(4)窒化処理をプラズマCVD装置で行い、気相成長をMOVPE装置で行うことにより、窒化と成長を平行して実施することが可能になり、生産効率は、時間が長いMOVPE成長で決定され、プラズマ窒化の時間は生産効率に影響しないので、GaN層3の生産効率を上げることができる。
(Effects of the first embodiment)
According to the first embodiment, the following effects are obtained.
(1) Plasma nitriding the surface of the sapphire substrate 1 to form a surface modified layer 2, using the surface modified layer 2 as a nucleus serving as a starting point for crystal growth, and a GaN layer 3 formed thereon by vapor deposition By forming it, it is possible to overcome the low production efficiency and the instability of growth, which are the disadvantages of the two-stage growth method.
(2) When forming the GaN layer 3 on the surface modification layer 2 of the sapphire substrate 1 by vapor phase growth, the temperature of the sapphire substrate 1 is increased to the growth temperature of the GaN layer 3 by using ammonia. By carrying out in the atmosphere containing it, it becomes possible to prevent the surface modification layer 2 from fluctuating greatly at every growth, and the GaN layer 3 can be grown stably.
(4) By performing nitriding with a plasma CVD apparatus and performing vapor phase growth with a MOVPE apparatus, it becomes possible to perform nitriding and growth in parallel, and the production efficiency is determined by MOVPE growth with a long time. Since the plasma nitriding time does not affect the production efficiency, the production efficiency of the GaN layer 3 can be increased.

なお、上記実施の形態において、図2(b)に示す室温から1100℃への昇温工程は、アンモニアを含む雰囲気中で行うのに代えて、窒素などの不活性ガスの雰囲気中または窒素などの不活性ガスに10%以下の濃度の水素を混合した雰囲気中で行っても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。   In the above embodiment, the temperature raising step from room temperature to 1100 ° C. shown in FIG. 2B is performed in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or nitrogen instead of being performed in an atmosphere containing ammonia. Even in an atmosphere in which hydrogen having a concentration of 10% or less is mixed with this inert gas, the same effect as in the above embodiment can be obtained.

[第2の実施の形態]
第2の実施の形態は、窒素のみを一定速度(例えば、100slm)で流している状態で、図1(b)の昇温処理をMOVPE装置内で実施し、サファイア基板1の温度が1100℃となった段階で、第1の実施の形態と同様に、アンモニア、水素、窒素をMOVPE装置内に導入し、更に、TMGを流し(例えば、846μmol/分)始めてGaN成長を開始するようにしたものであり、その他は第1の実施の形態と同様である。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, in the state where only nitrogen is flowed at a constant rate (for example, 100 slm), the temperature raising process of FIG. 1B is performed in the MOVPE apparatus, and the temperature of the sapphire substrate 1 is 1100 ° C. At this stage, as in the first embodiment, ammonia, hydrogen, and nitrogen were introduced into the MOVPE apparatus, and TMG flow (for example, 846 μmol / min) was started to start GaN growth. The others are the same as those in the first embodiment.

第2の実施の形態によれば、GaN層3の厚み及びX線半値幅の変動は第1の実施の形態よりも若干大きく(±3%程度)なったが、従来の2段階成長の場合の±20%よりは、格段に成長の安定性を改善することができた。また、上記の成長条件により成長させたGaN層3の厚みの平均値は1.7μm、また、X線回折半値幅は282秒であり、第1の実施の形態と同様の結果が得られた。   According to the second embodiment, the variation in the thickness and the X-ray half width of the GaN layer 3 is slightly larger (about ± 3%) than in the first embodiment, but in the case of the conventional two-stage growth The stability of growth could be remarkably improved from ± 20%. Moreover, the average value of the thickness of the GaN layer 3 grown under the above growth conditions was 1.7 μm, and the X-ray diffraction half-width was 282 seconds. The same results as in the first embodiment were obtained. .

X線半値幅の平均値は、第1の実施の形態が265秒であり、第2の実施の形態が282秒であり、これらを用いて発光ダイオードを製作したところ、従来の2段階成長を用いた場合と同等以上の光出力を得た。このことから、本方法で製作するGaN層のX線半値幅は、290秒以下が望ましい値であることがわかる。   The average value of the X-ray half width is 265 seconds in the first embodiment and 282 seconds in the second embodiment. When a light emitting diode is manufactured using these, the conventional two-stage growth is achieved. An optical output equivalent to or better than that used was obtained. From this, it can be seen that the X-ray half width of the GaN layer manufactured by this method is preferably 290 seconds or less.

[第3の実施の形態]
第1の実施の形態において、プラズマ発生時にプラズマ装置に導入するガスを、以下の(1)、(2)から1種類ずつ選び、それぞれを1対1の割合で混合したガス(計6種類)として、図1に示した工程に従ってプラズマ処理及び成長を実施した。
(1)N2、NH3、N2
(2)SiH4、Si26、SiF4
[Third Embodiment]
In the first embodiment, a gas introduced into the plasma apparatus when plasma is generated is selected from the following (1) and (2) one by one, and each gas is mixed at a ratio of 1: 1 (total of six types). As a result, plasma treatment and growth were performed in accordance with the steps shown in FIG.
(1) N 2 , NH 3 , N 2 O
(2) SiH 4 , Si 2 H 6 , SiF 4

この場合のX線半値幅の平均値の変動は5%程度であり、第1の実施の形態に比べて大きくなったものの、ほぼ上記実施の形態と同じ結果が得られた。この場合、サファイア表面の改質状態が、上記各実施の形態のような単純な窒化ではなく、ガス中のSiを取り込んだA1、N、Si、Oが混合された物質へと改質されているため、上記各実施の形態とは若干異なった結果が得られたものと考えられる。しかし、このようにSiが混入した場合においても、従来の2段階成長法と比較すると、成長の安定性は格段に向上する。   In this case, the variation of the average value of the X-ray half width was about 5%, which was larger than that of the first embodiment, but almost the same result as that of the above embodiment was obtained. In this case, the modified state of the sapphire surface is not a simple nitridation as in each of the above embodiments, but is modified to a material in which A1, N, Si, and O that incorporate Si in the gas are mixed. Therefore, it is considered that a result slightly different from the above embodiments was obtained. However, even when Si is mixed in this way, the stability of growth is significantly improved as compared with the conventional two-stage growth method.

[第4の実施の形態]
第4の実施の形態は、第1の実施の形態において、昇温過程のみを若干変更したものである。即ち、MOVPE装置内に流すガスを、昇温処理の最初の段階では、例えば、水素50slm、窒素50slmとし、更に、温度がある温度Tに達した段階では、例えば、アンモニア20slm、水素30slm、窒素50slmに変えて1100℃まで昇温した。
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment is obtained by slightly changing only the temperature raising process in the first embodiment. That is, the gas flowing in the MOVPE apparatus is, for example, hydrogen 50 slm and nitrogen 50 slm in the first stage of the temperature raising process, and further, when the temperature reaches a certain temperature T, for example, ammonia 20 slm, hydrogen 30 slm, nitrogen The temperature was raised to 1100 ° C. while changing to 50 slm.

ある温度Tが100℃以下においては、第1の実施の形態と同様の結果が得られた。また、ある温度Tが100〜300℃以下においては、GaN層3の厚み及びX線回折半値幅の平均値は第1の実施の形態と同程度であったが、それらの変動は、第1の実施の形態よりも若干大きくなり、±3%程度になったが、従来の2段階成長法よりは格段に小さくなった。   When a certain temperature T was 100 ° C. or lower, the same result as in the first embodiment was obtained. Moreover, when a certain temperature T is 100 to 300 ° C. or less, the thickness of the GaN layer 3 and the average value of the X-ray diffraction half-value width are approximately the same as those in the first embodiment. Although it is slightly larger than the embodiment of the present invention and is about ± 3%, it is much smaller than the conventional two-stage growth method.

また、ある温度Tが300〜800℃の間では、GaN層3の厚み及びX線回折半値幅の平均値は、2段階成長法によるものと同程度にまで劣化した。しかし、それらの変動は、±20%以下で、2段階成長法よりも高い成長再現性が得られた。   Moreover, when a certain temperature T is between 300 and 800 ° C., the thickness of the GaN layer 3 and the average value of the X-ray diffraction half width deteriorated to the same extent as that by the two-step growth method. However, those fluctuations were ± 20% or less, and higher growth reproducibility was obtained than in the two-stage growth method.

また、ある温度Tが800℃以上では、GaN層3の厚み及びX線回折半値幅の平均値は、2段階成長法によりも悪くなり、また、その変動は、±30%以上と2段階成長法による場合よりも大きくなった。この理由は、上記したように、表面改質層2が雰囲気中の水素によりエッチングされたためである。   In addition, when a certain temperature T is 800 ° C. or higher, the average value of the thickness of the GaN layer 3 and the X-ray diffraction half width is worse than that of the two-step growth method, and the fluctuation is two-step growth of ± 30% or more. It became larger than the case by law. This is because the surface modification layer 2 was etched by hydrogen in the atmosphere as described above.

次に、本発明の実施例1〜3について説明する。
(実施例1)
第1の実施の形態において、昇温過程のみを若干変更して実施した。即ち、昇温中に流すガスを、下記の
(3)アンモニア20slm、水素80slm、
(4)または、アンモニア20slm、窒素80slm、
として行った。その結果、上記した第1の実施の形態と同様の結果が得られた。
Next, Examples 1 to 3 of the present invention will be described.
Example 1
In the first embodiment, only the temperature raising process was slightly changed. That is, the gas to be flowed during the temperature rise is the following (3) ammonia 20 slm, hydrogen 80 slm,
(4) Or ammonia 20 slm, nitrogen 80 slm,
Went as. As a result, the same result as in the first embodiment was obtained.

(実施例2)
本実施例は、第1の実施の形態において、GaN層3の成長をHVPE(ハイドライド気相成長)装置を用いて行ったものである。本実施例の具体的な成長手順について以下に説明する。
(Example 2)
In this example, the GaN layer 3 is grown using an HVPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus in the first embodiment. A specific growth procedure of this embodiment will be described below.

窒化処理の済んだサファイア基板1をHVPE装置に導入した後、真空引きによりHVPE装置内を5×10-1Torrにまで減圧した。その後、HVPE装置内に水素を導入し、圧力を大気圧に戻すことでHVPE装置内を清浄化した。 After introducing the sapphire substrate 1 having been subjected to the nitriding treatment into the HVPE apparatus, the inside of the HVPE apparatus was decompressed to 5 × 10 −1 Torr by evacuation. Thereafter, hydrogen was introduced into the HVPE apparatus and the pressure was returned to atmospheric pressure to clean the inside of the HVPE apparatus.

その後、アンモニア2slm、水素3slm、窒素5slmをHVPE装置へ導入し、図1(b)に示すように、サファイア基板1の温度を1100℃に上げた。サファイア基板1の温度が1100℃になった時点で、800℃に保った金属GaにHClを吹き付けて生成したGaClガスを500ccm導入して、GaN層3の成長を開始した。成長時間は30分とした。30分経過後、GaClの供給を止めて成長を終えた。その後、サファイア基板1の温度を室温にまで下げ、サファイア基板1を取り出した。この結果、第1の実施の形態と同様の結果が得られた。   Thereafter, ammonia 2 slm, hydrogen 3 slm, and nitrogen 5 slm were introduced into the HVPE apparatus, and the temperature of the sapphire substrate 1 was raised to 1100 ° C. as shown in FIG. When the temperature of the sapphire substrate 1 reached 1100 ° C., the growth of the GaN layer 3 was started by introducing 500 ccm of GaCl gas generated by spraying HCl onto metal Ga kept at 800 ° C. The growth time was 30 minutes. After 30 minutes, the supply of GaCl was stopped and the growth was completed. Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 1 was lowered to room temperature, and the sapphire substrate 1 was taken out. As a result, the same result as in the first embodiment was obtained.

(実施例3)
本実施例は、第2の実施の形態において、GaN層3の成長装置をHVPE装置で行うと共に、以下の成長手順により実施した。
(Example 3)
In this example, in the second embodiment, the GaN layer 3 was grown by the HVPE apparatus and the following growth procedure was used.

まず、窒化処理を行ったサファイア基板1をHVPE装置に導入した後、真空引きによりHVPE装置内を5×10-1Torrにまで減圧し、その後、HVPE装置内に窒素を導入し、圧力を大気圧に戻すことでHVPE装置内の雰囲気を清浄化した。 First, after the sapphire substrate 1 subjected to nitriding treatment is introduced into the HVPE apparatus, the inside of the HVPE apparatus is reduced to 5 × 10 −1 Torr by evacuation, and then nitrogen is introduced into the HVPE apparatus to increase the pressure. The atmosphere in the HVPE apparatus was cleaned by returning to atmospheric pressure.

その後、窒素流量を10slmとしてサファイア基板1の温度を1100℃に上げた。基板温度が1100℃となった時点で、HVPE装置内に流すガスをアンモニア2slm、水素3slm、窒素5slmとし、更に、800℃に保った金属GaにHClを吹き付けて生成したGaClガスを500ccm導入し、GaNの成長を開始した。成長時間は30分とした。30分経過後、GaClの供給を止め、成長を終えた。その後、基板温度を室温にまで下げサファイア基板1を取り出した。本実施例によれば、第2の実施の形態と同様の結果が得られた。   Thereafter, the nitrogen flow rate was set to 10 slm, and the temperature of the sapphire substrate 1 was raised to 1100 ° C. When the substrate temperature reaches 1100 ° C., the gas flowing into the HVPE apparatus is ammonia 2 slm, hydrogen 3 slm, nitrogen 5 slm, and further 500 ccm of GaCl gas generated by spraying HCl on metal Ga maintained at 800 ° C. is introduced. GaN growth started. The growth time was 30 minutes. After 30 minutes, the supply of GaCl was stopped and the growth was completed. Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature, and the sapphire substrate 1 was taken out. According to the present example, the same result as in the second embodiment was obtained.

[他の実施の形態]
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。
[Other embodiments]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from or changing the technical idea of the present invention.

例えば、上記各実施の形態において、表面改質層2を形成するに際し、ECRプラズマ装置に代えて、平行平板プラズマ装置またはICPプラズマ装置を用いることができる。   For example, in each of the above embodiments, a parallel plate plasma device or an ICP plasma device can be used in place of the ECR plasma device when forming the surface modification layer 2.

また、表面改質層2を形成する際に導入するガスは、[アンモニア+水素+窒素]に代えて、アンモニアあるいはN2Oを用いることもできる。これにより、本発明は、使用するガス種によらず、表面改質層2を形成することができる。 Further, ammonia or N 2 O can be used as the gas introduced when forming the surface modification layer 2 instead of [ammonia + hydrogen + nitrogen]. Thereby, this invention can form the surface modification layer 2 irrespective of the gas kind to be used.

また、上記各実施の形態において、MOVPE法による成長開始(つまり、TMGの導入開始)を、温度が1100℃に達する前の昇温中に成長を開始し、成長をしながら温度を1100℃にまで上げる温度シーケンスも可能である。この場合、成長開始温度が900℃以上であれば、上記各実施の形態と同様の結果が得られる。   In each of the above embodiments, the growth start by the MOVPE method (that is, the introduction of TMG) is started during the temperature rise before the temperature reaches 1100 ° C., and the temperature is raised to 1100 ° C. while growing. A temperature sequence up to is also possible. In this case, if the growth start temperature is 900 ° C. or higher, the same result as in the above embodiments can be obtained.

1 サファイア基板
2 表面改質層(窒化層)
3 GaN層
101 サファイア基板
102 水素ガス
103 低温成長バッファ層
104 単結晶核
105 GaN層
1 Sapphire substrate 2 Surface modification layer (nitriding layer)
3 GaN layer 101 Sapphire substrate 102 Hydrogen gas 103 Low temperature growth buffer layer 104 Single crystal nucleus 105 GaN layer

Claims (11)

サファイア基板を、該サファイア基板上に前記サファイア基板の表面を窒化した窒化層をプラズマの照射により形成する温度まで昇温し、前記プラズマ照射により前記窒化層を形成した後、室温まで降温する第1の工程と、
前記窒化層が形成された前記サファイア基板を、不活性ガスの雰囲気中または不活性ガスに10%以下の濃度の水素を混合した雰囲気中で窒化物半導体の成長温度まで昇温する第2の工程と、
前記窒化層の表面に窒化物半導体層を成長させる第3の工程と含むことを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
First, the sapphire substrate is heated to a temperature at which a nitride layer formed by nitriding the surface of the sapphire substrate on the sapphire substrate is formed by plasma irradiation, and the nitride layer is formed by the plasma irradiation . And the process of
A second step of raising the temperature of the sapphire substrate on which the nitride layer has been formed to the growth temperature of a nitride semiconductor in an atmosphere of an inert gas or an atmosphere in which an inert gas is mixed with hydrogen having a concentration of 10% or less. When,
And a third step of growing a nitride semiconductor layer on the surface of the nitride layer.
前記窒化層は、その厚さが1〜10nmの範囲である請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   The nitride semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the nitride layer has a thickness in a range of 1 to 10 nm. 前記第1の工程は、前記プラズマを平行平板プラズマ装置、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ装置、誘導結合(ICP)プラズマ装置のいずれかを用いて発生させる請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   2. The method of manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein in the first step, the plasma is generated using any one of a parallel plate plasma device, an electron cyclotron resonance (ECR) plasma device, and an inductively coupled (ICP) plasma device. Method. 前記プラズマは、窒素原子を含むガスのプラズマである請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   The method of manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the plasma is a plasma of a gas containing nitrogen atoms. 前記窒素原子を含むガスは、N2、NH3、N2Oのいずれかである請求項4に記載の窒化物半導体の製造方法。 The method for producing a nitride semiconductor according to claim 4, wherein the gas containing nitrogen atoms is any one of N 2 , NH 3 , and N 2 O. 前記窒化層は、少なくともAl、N、Si、及びO原子を含み、
前記プラズマは、窒素原子を含むガス及びシリコン原子を含むガスの混合ガスによるプラズマである請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。
The nitride layer includes at least Al, N, Si, and O atoms,
2. The method for producing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the plasma is a plasma of a mixed gas of a gas containing nitrogen atoms and a gas containing silicon atoms.
前記シリコン原子を含むガスは、SiH4、Si26、SiF4のいずれかである請求項6に記載の窒化物半導体の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 6 , wherein the gas containing silicon atoms is any one of SiH 4 , Si 2 H 6 , and SiF 4 . 前記不活性ガスは、窒素を含む請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the inert gas contains nitrogen. 前記第3の工程は、前記窒化物半導体層の前記窒化層に接して成長される領域の成長温度を900℃以上にする請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   2. The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein in the third step, a growth temperature of a region of the nitride semiconductor layer grown in contact with the nitride layer is set to 900 ° C. or higher. 前記第3の工程は、前記窒化物半導体層の成長を、有機金属気相成長法またはハイドライド気相成長法により行う請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。   2. The method for producing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein in the third step, the nitride semiconductor layer is grown by metal organic vapor phase epitaxy or hydride vapor phase epitaxy. 前記第3の工程は、前記窒化物半導体層の成長を同一条件により100回行ったときの前記窒化物半導体層のX線回折半値幅の平均値が290秒以下になるようにする請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。
The third step is such that an average value of X-ray diffraction half-widths of the nitride semiconductor layer when the growth of the nitride semiconductor layer is performed 100 times under the same conditions is 290 seconds or less. A method for producing a nitride semiconductor as described in 1.
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