JP6562350B2 - Iii族窒化物半導体装置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
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Description
1.III 族窒化物半導体装置の製造装置
図1は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置1000の概略構成図である。製造装置1000は、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とともに、窒素ガスを含むガスをプラズマ化して成長基板に供給する装置である。
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。
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
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、Inを含まない半導体層を形成する第1の半導体層形成工程と、Inを含む半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、を有する。
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例えば700℃以上900℃以下の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。
第1の半導体層形成工程では、基板Sa1の上にGaN層を成長させる。そのため、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第2のガスとして供給する。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される。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。
第2の半導体層形成工程では、基板Sa1の上のGaN層の上にInGaN層を成長させる。この工程においては、第2のガス供給管1420から、窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスを第2のガスとして供給する。そのため、窒素ラジカルが生成される。
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。
このように製造された半導体ウエハにおいては、第2の半導体層形成工程によりInN層、InGaN層、AlInN層、AlInGaN層のうちの少なくとも一つが製造される。このように製造されるInN層、InGaN層、AlInN層、AlInGaN層の結晶性はよい。これらの半導体層では、相分離がほとんど生じていない。これは、第2の半導体層形成工程の際に、水素に由来するラジカルがトリメチルインジウムと反応してしまうおそれがないためであると考えられる。
5−1.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。
第1の半導体層形成工程では、GaN層の代わりにAlGaN層を形成してもよい。そのためには、第1のガスは、さらにトリメチルアルミニウム等を含んでいればよい。また、第2の半導体層形成工程では、InGaN層の代わりにAlInGaN層を形成してもよい。そのためには、第1のガスは、さらにトリメチルアルミニウム等を含んでいればよい。ここで、AlInGaN層は、AlInN層を含む。また、InGaN層は、InN層を含む。
本実施形態の半導体ウエハは、基板Sa1の上にGaN層、InGaN層の順番で半導体層を成長させたものである。この積層構造については、もちろん、これ以外の積層構造であってもよい。ただし、Inを含む層を成長させる際には、第2の半導体層形成工程を用い、Inを含まない層を成長させる際には、第1の半導体層形成工程を用いる。
第1の半導体層形成工程については、通常のMOCVD炉を用いて実施してもよい。その場合であっても、半導体層を成長させることができる。
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、第1の半導体層形成工程と第2の半導体層形成工程とを有する。第1の半導体層形成工程では、Inを含まない第1のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第2のガスをプラズマ化して成長基板に供給する。これにより、GaN層またはAlGaN層を形成する。第2の半導体層形成工程では、Inを含む第1のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給するとともに、窒素ガスを含み水素ガスを含まない第2のガスをプラズマ化して成長基板に供給する。これにより、InGaN層またはAlInGaN層を形成する。これにより、結晶性に優れたGaN層等およびInGaN層等を成長させることができる。
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。
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。
2−1.半導体層形成工程
図1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。
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、n−GaN層130の露出部の上に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。
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。
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、AlInGaN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、AlInGaN層240の上に形成されている。ゲート電極G1と、AlInGaN層240の溝241との間には、絶縁膜250がある。
2−1.半導体層形成工程
本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、AlInGaN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。
次に、ICP等のエッチングにより、AlInGaN層240に溝241を形成する。
次に、溝241に、絶縁膜250を形成する。
次に、AlInGaN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。
まず、サファイア基板上にGaN層を形成したテンプレートを作製した。そのテンプレートは10mm角であった。次に、図1に示す製造装置1000の内部にそのテンプレートを配置した。そして、H2 を250sccm、N2 を70sccmだけ流した。400WのRFパワーでこれらのガスをプラズマ化した。そして、反応管内の圧力を100Paに保持しつつテンプレートを700℃まで昇温した後に、10分間保持した。このように、サーマルクリーニングを実施した。
以上のように形成した第2の半導体層をSEMおよびシンクロトロンXRDで測定した。その結果、厚さ30nmのAl0.8 In0.2 N層が形成されたことを確認した。XRD測定では、図4に示すように、483arcsecの単一ピークが観測された。相分離のない非常に高品質なAl0.8 In0.2 N層が得られた。
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
100…発光素子
110…基板
120…バッファ層
130…n−GaN層
140…発光層
150…p−AlGaN層
160…p−GaN層
P1…p電極
N1…n電極
200…MIS型半導体素子
210…基板
220…バッファ層
230…GaN層
240…AlInGaN層
250…絶縁膜
S1…ソース電極
G1…ゲート電極
D1…ドレイン電極
Claims (8)
- III 族窒化物半導体装置の製造方法において、
Inを含まない半導体層を形成する第1の半導体層形成工程と、
Inを含む半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第2の半導体層形成工程では、
In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とともに、
窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して前記成長基板に供給してInGaN層またはAlInGaN層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1の半導体層形成工程では、
Inを含まない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とともに、
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前記成長基板に供給してGaN層またはAlGaN層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 半導体ウエハの製造方法において、
Inを含まない半導体層を形成する第1の半導体層形成工程と、
Inを含む半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第2の半導体層形成工程では、
In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とともに、
窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して前記成長基板に供給してInGaN層またはAlInGaN層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - 請求項3に記載の半導体ウエハの製造方法において、
前記第1の半導体層形成工程では、
Inを含まない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とともに、
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前記成長基板に供給してGaN層またはAlGaN層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。 - 半導体層を成長させるためのIII 族窒化物半導体装置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、
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のガスとしてプラズマ発生領域に供給しないで前記成長基板に供給するものであり、
前記第2のガス供給管は、
前記第1のガス供給管がInを含まない有機金属ガスを供給する場合に、
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から前記成長基板に供給し、
前記第1のガス供給管がInを含む有機金属ガスを供給する場合に、
窒素ガスを含むとともに水素ガスを含まないガスを第2のガスとしてプラズマ発生領域に供給してから前記成長基板に供給し、
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こと
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造装置。 - 請求項5に記載のIII 族窒化物半導体装置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 族窒化物半導体装置の製造装置。 - 請求項5または請求項6に記載のIII 族窒化物半導体装置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 族窒化物半導体装置の製造装置。 - 請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体装置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 族窒化物半導体装置の製造装置。
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