JP6516482B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法Info
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Description
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法に関する。より詳細には、プラズマを用いたIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法に関する。
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、その組成を変化させることにより、バンドギャップが０．６ｅＶから６ｅＶまで変化する。そのため、III 族窒化物半導体は、近赤外から深紫外までの広い範囲の波長に相当する発光素子や、レーザーダイオード、受光素子等に応用されている。
また、III 族窒化物半導体では、破壊電界強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。ＭＯＣＶＤ法では、大量のアンモニアガスを用いる。そのため、ＭＯＣＶＤ炉にアンモニアを除外する除害装置を設ける必要がある。また、アンモニアのランニングコストも高い。そして、有機金属ガスとアンモニアとの反応により半導体層を形成する。この反応を起こすために、基板温度を高温にする必要がある。基板温度が高いと、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を高品質に成長させることは難しい。また、成長基板と半導体層との熱膨張差の違いにより、そりが発生しやすい。
また、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が挙げられる。ＭＢＥ法では、低い成長温度でIII 族窒化物半導体を成長させることができる。しかし、ラジカルソースを用いるＲＦ−ＭＢＥ法では、成長速度が遅い。すなわち、ＲＦ−ＭＢＥ法は、量産に向かない。アンモニアガスを用いるＭＢＥ法では、大量のアンモニアガスを使用するため、製造コストが高い。
一方、プラズマを用いるプラズマＭＯＣＶＤ装置も研究されている。例えば、特許文献１には、プラズマＭＯＣＶＤ装置が記載されている。特許文献１では、酸化マグネシウム膜を形成できるとしている（特許文献１の段落［００２０］−［００２１］）。しかし、プラズマＭＯＣＶＤ法によりIII 族窒化物半導体を成長させる場合には、良質な結晶は得られていない。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、量産に適しているとともに、従来と比較して低温下でIII 族窒化物半導体を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、第１の電極と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、炉本体と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとして供給するものである。第１の電極は、基板支持部からみて第１のガス供給管の第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されているとともに、炉本体と第１のガス供給管との少なくとも一方と放電して第１の電極の直下にプラズマ発生領域を形成する。第２のガス供給管は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを第２のガスとしてプラズマ発生領域に供給して第２のガスをプラズマ化する。第２のガス供給管が供給する混合ガスにおける水素ガスの混合比は、体積流量比で５％以上４５％以下の範囲内である。
このIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、成長基板の上にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。第２のガスをプラズマ化するとともに、有機金属ガスを成長基板に供給する。窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化しているため、基板温度を高くすることなく、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる。成長させたIII 族窒化物半導体の結晶性は十分である。また、アンモニアガスを用いる必要がない。そして、アンモニアガスを回収する除害装置を設ける必要がない。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置では、第１の電極は、第１面から第２面に貫通する複数の貫通孔を設けられた平板電極である。第２のガス供給管は、第１の電極の複数の貫通孔と連通している。このため、第２のガスを効率よくプラズマ化することができる。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置では、第１の電極と第１のガス噴出口との間の距離が、３０ｍｍ以上である。このため、プラズマ発生領域が、第１のガス噴出口にまで及びにくい。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置では、第１の電極と基板支持部との間の距離が、４０ｍｍ以上である。このため、電子やその他のイオンが成長基板に供給されることを抑制することができる。
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置では、第１のガス供給管は、リング形状のリング部を有する。第１のガス噴出口は、リング部の内側に向けて設けられている。
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、金属メッシュ部材を有する。金属メッシュ部材は、第１のガス供給管と第１の電極との間の位置に配置されている。このため、電子やその他のイオンが成長基板に供給されることを抑制することができる。
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、第１の電極に３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の周波数の電位を付与するＲＦ電源を有する。これにより、第２のガスをプラズマ化するとともに第１のガスをプラズマ化しないようにすることができる。
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、水素ガスの混合比を体積流量比で５％以上４５％以下として窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、混合ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。
第９の態様における半導体ウエハの製造方法においては、水素ガスの混合比を体積流量比で５％以上４５％以下として窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、混合ガスをプラズマ化してウエハに供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないでウエハに供給する。
本明細書では、量産に適しているとともに、従来と比較して低温下でIII 族窒化物半導体を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、量産に適した方法で、比較的低温下でIII 族窒化物半導体を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
１．III 族窒化物半導体素子の製造装置
図１は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、その混合ガスをプラズマ化してプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
１．III 族窒化物半導体素子の製造装置
図１は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、その混合ガスをプラズマ化してプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
サセプター１２００は、基板Ｓａ１を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板Ｓａ１は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給する。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている成長基板Ｓａ１に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚をずらして配置されている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板Ｓａ１に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板Ｓａ１に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、基板Ｓａ１に到達しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板Ｓａ１に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板Ｓａ１を加熱するためのものである。
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、４００℃以上９００℃以下の範囲内である。また、基板温度は、室温以上であってもよい。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、４００℃以上９００℃以下の範囲内である。また、基板温度は、室温以上であってもよい。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
［表１］
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 ４００℃以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 ４００℃以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下
３．窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス（第２のガス）
本実施形態では、第２のガスとして、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いる。この混合ガスに占める水素ガスの混合比は、体積流量比で５％以上４５％以下であるとよい。好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、１０％以上４０％以下である。より好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、１５％以上３５％以下である。これらの条件下で、好適なＧａＮ結晶が得られる。
本実施形態では、第２のガスとして、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いる。この混合ガスに占める水素ガスの混合比は、体積流量比で５％以上４５％以下であるとよい。好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、１０％以上４０％以下である。より好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、１５％以上３５％以下である。これらの条件下で、好適なＧａＮ結晶が得られる。
４．半導体ウエハの製造方法
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。ＲＥＭＯＣＶＤ法とは、III 族金属を含有するガスをプラズマ化しないで、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスをプラズマ化して、半導体層を成長させる方法である。
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。ＲＥＭＯＣＶＤ法とは、III 族金属を含有するガスをプラズマ化しないで、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスをプラズマ化して、半導体層を成長させる方法である。
４−１．基板のクリーニング
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。
４−２．半導体層形成工程
次に、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
次に、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板Ｓａ１に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板Ｓａ１までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板Ｓａ１まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板Ｓａ１に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。通常のアンモニアに比べて、これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物の反応性は高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。これらのガスは、基板Ｓａ１に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板Ｓａ１に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板Ｓａ１に供給される。
このように、本実施形態の半導体ウエハの製造方法では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。
４−３．半導体ウエハ
こうして、基板Ｓａ１の主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。これにより、半導体ウエハが製造される。この半導体ウエハにおけるIII 族窒化物半導体の結晶性はよい。
こうして、基板Ｓａ１の主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。これにより、半導体ウエハが製造される。この半導体ウエハにおけるIII 族窒化物半導体の結晶性はよい。
５．従来のＭＯＣＶＤ炉との違い
このように、基板温度を高い温度とすることなく、III 族窒化物半導体を成長させることができる。そのため、基板温度が高いと結晶成長が困難な高Ｉｎ濃度のＩｎＧａＮ層等を成長させるのに好適である。また、大量のアンモニアガスを流す必要がない。そのため、アンモニアガスを除去する除害装置を設ける必要はない。そのため、製造装置そのもののコストが低い。また、ランニングコストを抑制することもできる。
このように、基板温度を高い温度とすることなく、III 族窒化物半導体を成長させることができる。そのため、基板温度が高いと結晶成長が困難な高Ｉｎ濃度のＩｎＧａＮ層等を成長させるのに好適である。また、大量のアンモニアガスを流す必要がない。そのため、アンモニアガスを除去する除害装置を設ける必要はない。そのため、製造装置そのもののコストが低い。また、ランニングコストを抑制することもできる。
６．変形例
６−１．リング部の貫通孔
本実施形態では、第１のガス供給管１３００は、リング部１３１０の内側に貫通孔を有することとした。しかし、この貫通孔の位置を、リングの内側でかつ下向きにしてもよい。リング部１３１０を含む面と、貫通孔の開口部の方向とのなす角の角度は、例えば４５°である。この角の角度は、例えば、０°以上６０°以下の範囲内で変えてもよい。この角度は、もちろん、リング部１３１０の径や、リング部１３１０とサセプター１２００との間の距離にも依存する。また、貫通孔の数は、１以上であればよい。もちろん、リング部１３１０に、等間隔で貫通孔が形成されていることが好ましい。
６−１．リング部の貫通孔
本実施形態では、第１のガス供給管１３００は、リング部１３１０の内側に貫通孔を有することとした。しかし、この貫通孔の位置を、リングの内側でかつ下向きにしてもよい。リング部１３１０を含む面と、貫通孔の開口部の方向とのなす角の角度は、例えば４５°である。この角の角度は、例えば、０°以上６０°以下の範囲内で変えてもよい。この角度は、もちろん、リング部１３１０の径や、リング部１３１０とサセプター１２００との間の距離にも依存する。また、貫通孔の数は、１以上であればよい。もちろん、リング部１３１０に、等間隔で貫通孔が形成されていることが好ましい。
７．本実施形態のまとめ
本実施形態の製造装置１０００は、成長基板の上にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。窒素ガスと水素ガスとの混合気体をプラズマ化するとともに、III 族金属ガスを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。窒素ガスを水素ガスと混合させつつプラズマ化しているため、基板温度を高くすることなく、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる。成長させたIII 族窒化物半導体の結晶性は十分である。また、アンモニアガスを用いる必要がない。そのため、本実施形態の製造装置には、アンモニアを除去するための除害装置を設ける必要がない。
本実施形態の製造装置１０００は、成長基板の上にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。窒素ガスと水素ガスとの混合気体をプラズマ化するとともに、III 族金属ガスを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。窒素ガスを水素ガスと混合させつつプラズマ化しているため、基板温度を高くすることなく、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる。成長させたIII 族窒化物半導体の結晶性は十分である。また、アンモニアガスを用いる必要がない。そのため、本実施形態の製造装置には、アンモニアを除去するための除害装置を設ける必要がない。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。
１．半導体発光素子
本実施形態の発光素子１００を図２に示す。発光素子１００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層１４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。
本実施形態の発光素子１００を図２に示す。発光素子１００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層１４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。
２．半導体発光素子の製造方法
本実施形態の発光素子１００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
本実施形態の発光素子１００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
２−１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層１６０からｎ−ＧａＮ層１３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部１３１が露出する。
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層１６０からｎ−ＧａＮ層１３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部１３１が露出する。
２−３．電極形成工程
次に、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部１３１の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層１６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
次に、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部１３１の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層１６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
２−４．その他の工程
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。
１．ＭＩＳ型半導体素子
図３に示すように、ＭＩＳ型半導体素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＧａＮ層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層２４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層２４０の溝２４１との間には、絶縁膜２５０がある。
図３に示すように、ＭＩＳ型半導体素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＧａＮ層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層２４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層２４０の溝２４１との間には、絶縁膜２５０がある。
２．ＭＩＳ型半導体素子の製造方法
本実施形態のＭＩＳ型半導体素子２００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
本実施形態のＭＩＳ型半導体素子２００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。
２−１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＧａＮ層２４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＧａＮ層２４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層２４０に溝２４１を形成する。
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層２４０に溝２４１を形成する。
２−３．絶縁膜形成工程
次に、溝２４１に、絶縁膜２５０を形成する。
次に、溝２４１に、絶縁膜２５０を形成する。
２−４．電極形成工程
次に、ＡｌＧａＮ層２４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、溝２４１の箇所に、絶縁膜２５０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜２５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子２００が製造される。
次に、ＡｌＧａＮ層２４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、溝２４１の箇所に、絶縁膜２５０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜２５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子２００が製造される。
１．実施例１
本実験では、図１に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。ＲＦパワーは、４００Ｗであった。プラズマガスとして、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと、水素ガス２５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、２５％であった。III 族金属の有機金属ガスについては、０．５ｓｃｃｍで供給した。製造装置１０００の内圧は、１００Ｐａであった。
本実験では、図１に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。ＲＦパワーは、４００Ｗであった。プラズマガスとして、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと、水素ガス２５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、２５％であった。III 族金属の有機金属ガスについては、０．５ｓｃｃｍで供給した。製造装置１０００の内圧は、１００Ｐａであった。
成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのｃ面サファイア基板を用いた。サファイア基板を４００℃まで昇温した後に、１０分間保持した。その後、ＧａＮから成るバッファ層を形成した。次に、基板温度を８００℃として、バッファ層の上にＧａＮ層を形成した。育成時間は、１２０分であった。
成膜後のＧａＮ層をＸ線回折により評価した。その結果、サファイア基板の上にＧａＮ層がエピタキシャル成長したところを観測できた。回折角は、理論値の３４．５°に非常に近い値であった。このときの断面写真を図４に示す。ピーク半値幅は１４９６ａｒｃｓｅｃであった。
２．比較例１
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス１０００ｓｃｃｍを供給した。水素ガスは供給しなかった。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は０％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、好ましいＧａＮ結晶は得られなかった。ＧａＮ結晶は、ワイヤ状にランダムに成長した。また、ＸＲＤでも回折ピークは観察されなかった。
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス１０００ｓｃｃｍを供給した。水素ガスは供給しなかった。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は０％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、好ましいＧａＮ結晶は得られなかった。ＧａＮ結晶は、ワイヤ状にランダムに成長した。また、ＸＲＤでも回折ピークは観察されなかった。
３．比較例２
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス５００ｓｃｃｍと、水素ガス５００ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は５０％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、ＧａＮ結晶は成長した。しかし、ＧａＮ結晶の成長速度は著しく遅かった。また、ＸＲＤでも回折ピークは、非常に弱かった。
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス５００ｓｃｃｍと、水素ガス５００ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は５０％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、ＧａＮ結晶は成長した。しかし、ＧａＮ結晶の成長速度は著しく遅かった。また、ＸＲＤでも回折ピークは、非常に弱かった。
４．比較例３
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス２５０ｓｃｃｍと、水素ガス７５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は７５％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、ＧａＮ結晶はほとんど成長しなかった。
本実験では、実施例１の条件から、混合ガスにおける水素ガスの流量比のみ変えて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス２５０ｓｃｃｍと、水素ガス７５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、第２のガスにおける水素ガスの体積流量比は７５％であった。このときの断面写真を図４に示す。図４に示すように、ＧａＮ結晶はほとんど成長しなかった。
４．実験のまとめ
上記のように、実施例１では、一様で厚みの十分なＧａＮ結晶を、十分な成膜速度で成長させることができた。このＧａＮ結晶の結晶性は、十分なものであった。また、基板温度も、従来のＭＯＣＶＤの成長温度１０００℃以上１５００℃以下のよりもはるかに低い。このため、製造装置１０００は、III 族窒化物半導体素子を量産するのに適している。また、アンモニアガスを用いる必要はない。
上記のように、実施例１では、一様で厚みの十分なＧａＮ結晶を、十分な成膜速度で成長させることができた。このＧａＮ結晶の結晶性は、十分なものであった。また、基板温度も、従来のＭＯＣＶＤの成長温度１０００℃以上１５００℃以下のよりもはるかに低い。このため、製造装置１０００は、III 族窒化物半導体素子を量産するのに適している。また、アンモニアガスを用いる必要はない。
なお、ＧａＮ層を成膜後の製造装置１０００の排気口では、微量のアンモニアガスが検出された。実施例１では、アンモニアガスを製造装置１０００の内部に供給していない。そのため、プラズマ領域で生成された窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、アンモニアガスを生成した可能性がある。
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス
Claims (9)
- III 族窒化物半導体素子の製造装置において、
第１の電極と、
成長基板を支持するための基板支持部と、
前記基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、
前記基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、
炉本体と、
を有し、
前記第１のガス供給管は、
少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、
III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとして供給するものであり、
前記第１の電極は、
前記基板支持部からみて前記第１のガス供給管の前記第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されているとともに、
前記炉本体と前記第１のガス供給管との少なくとも一方と放電して前記第１の電極の直下にプラズマ発生領域を形成し、
前記第２のガス供給管は、
窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを第２のガスとして前記プラズマ発生領域に供給して前記第２のガスをプラズマ化し、
前記第２のガス供給管が供給する前記混合ガスにおける水素ガスの混合比は、
体積流量比で５％以上４５％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
前記第１の電極は、
第１面から第２面に貫通する複数の貫通孔を設けられた平板電極であり、
前記第２のガス供給管は、
前記第１の電極の前記複数の貫通孔と連通していること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
前記第１の電極と前記第１のガス噴出口との間の距離が、
３０ｍｍ以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
前記第１の電極と前記基板支持部との間の距離が、
４０ｍｍ以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
前記第１のガス供給管は、
リング形状のリング部を有するとともに、
前記第１のガス噴出口は、
前記リング部の内側に向けて設けられていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
金属メッシュ部材を有し、
前記金属メッシュ部材は、
前記第１のガス供給管と前記第１の電極との間の位置に配置されていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
前記第１の電極に３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の周波数の電位を付与するＲＦ電源を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。 - III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
水素ガスの混合比を体積流量比で５％以上４５％以下として窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、
前記混合ガスをプラズマ化して成長基板に供給するとともに、
III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記成長基板に供給すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 半導体ウエハの製造方法において、
水素ガスの混合比を体積流量比で５％以上４５％以下として窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、
前記混合ガスをプラズマ化してウエハに供給するとともに、
III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記ウエハに供給すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。
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