JP6744347B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
III族窒化物半導体層を形成する方法には、高濃度のアンモニアガスを使用する方法がある。この方法は、III族窒化物半導体層を高速成長させることができるが、材料コストや設備コストが高い。
一方、アンモニアガスを使用しないでIII族窒化物半導体層を形成する方法として、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスをプラズマ化して、III族窒化物半導体層を形成するために必要な窒素含有ラジカルを発生させる方法がある。しかしながら、窒素分子の解離エネルギーは非常に大きいため、この方法は、十分な量の窒素含有ラジカルを基板に供給することはできず、III族窒化物半導体層を高速成長させることは難しかった。
特開２０１５−９９８６６号公報
III族窒化物半導体層を効率的に成長させることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、窒素ガスとアンモニアガスとを含有する第１ガスをプラズマ化する工程と、前記第１ガスのプラズマ化によって生成された窒素含有ラジカルを含有する第２ガスを基板に供給する工程と、III族金属元素を含有する有機金属ガスを前記基板に供給する工程と、前記第２ガス及び前記有機金属ガスにより、前記基板上にIII族窒化物半導体層を形成する工程とを具備する。
実施形態に係る半導体装置の製造装置の概略構成を示す図である。 実施形態における半導体装置の製造方法によって形成されたIII族窒化物半導体層の一例である。 実施形態における半導体装置の製造方法のシミュレーションの前提条件を説明するための図である。 実施形態における半導体装置の製造方法のシミュレーションの結果を示す図である。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造装置（ＭＯＣＶＤ装置）２０の概略構成を示す図である。
半導体装置の製造装置２０は、チャンバ１、排気口２、サセプタ３、回転機構体４、ヒーター５、第１のガス供給管６、シャワーヘッドノズル７、マッチングボックス８、高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９、マスフローコントローラ１０、メッシュ状部材１１、第２のガス供給管１２、恒温槽１３、容器１４、第３のガス供給管１５、マスフローコントローラ１６、ニードルバルブ１７で構成されている。
チャンバ１は、排気口２を有する。サセプタ３は、回転機構体４上に配置されている。また、サセプタ３には基板３０が載置される。ヒーター５は、サセプタ３上の基板３０を加熱するためのものである。
第１のガス供給管６は、第１ガスをチャンバ１内に供給する。第１ガスには、窒素ガス、水素ガス、及びアンモニアガスが含有される。なお、第１ガスには少なくとも窒素ガスとアンモニアガスとが含まれていればよく、必ずしも水素ガスが含まれていなくてもよい。ここで、第１ガス中のアンモニアガスの濃度は、１％〜１０％であることが望ましい。第１ガスの流量は、マスフローコントローラ１０によって制御される。
シャワーヘッドノズル７は、第１のガス供給管６に接続している。シャワーヘッドノズル７には複数の穴が設けられており、この穴から第１ガスが供給される。また、シャワーヘッドノズル７は、第１のガス供給管６から供給された第１ガスをプラズマ化するための電力が供給される電極としても機能する。すなわち、シャワーヘッドノズル７は、平行平板型の一方の電極として用いられる。シャワーヘッドノズル７は、マッチングボックス８を介して高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９に接続されている。
高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９は、高周波電力をシャワーヘッドノズル７に供給する。これにより、第１ガスをプラズマ化することができる。高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９は、例えば、６０ＭＨｚ以上の正弦波またはパルス状の高周波電圧を供給する高周波電源である。このような高周波電源を用いることにより、プラズマ中の電子の密度が高まり、窒素含有ラジカルを基板３０上に多く供給することができる。
シャワーヘッドノズル７、マッチングボックス８、及び高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９によって、プラズマ発生機構が構成される。また、第１のガス供給管６及びシャワーヘッドノズル７によって第１のガス供給部が構成される。
プラズマは、プラズマ発生領域３１にて発生する。プラズマ発生領域３１は、シャワーヘッドノズル７の下側であり、第２のガス供給管１２の位置よりも基板３０から離れた位置にある。プラズマ発生領域３１はプラズマ密度が高く、温度が高い。このため、シャワーヘッドノズル７には、融点が７００℃以上の金属又は合金が用いられている。
第１ガスがプラズマ化されると、窒素含有ラジカルを含有する第２ガスが生成される。具体的には、窒素含有ラジカルは、Ｎラジカル、ＮＨラジカル、ＮＨ２ラジカル、ＮＨ３ラジカル等である。また、第２ガスには、窒素含有ラジカルの他にＨラジカルや電子が含まれる。
メッシュ状部材１１は、シャワーヘッドノズル７（プラズマ発生領域３１）と、第２のガス供給管１２の出口の位置との間に配置される。メッシュ状部材１１は、金属部材、又は絶縁物をコーティングした金属部材であり、接地されている。メッシュ状部材１１が配置されていることで、発生したプラズマはメッシュ状部材１１よりも上側に閉じ込められる。また、メッシュ状部材１１は多くの貫通穴を有しており、第２ガスはこの貫通穴を通過して基板３０上に供給される。
第２のガス供給管（第２のガス供給部）１２は、III族金属元素を含有する有機金属ガスを基板３０に供給する。有機金属ガスには、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムの少なくとも１つの金属元素が含有される。チャンバ１の外には、恒温槽１３がある。この恒温槽１３の中には容器１４があり、容器１４の中にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムのいずれかが入っている。以下では、容器１４には、トリメチルガリウムが入っているとして説明する。
第３のガス供給管１５は窒素ガスを容器１４内に供給するものである。窒素ガスの供給は、マスフローコントローラ１６によって制御される。窒素ガスにより液体のトリメチルガリウムをバブリングすることで気化させ、ガリウムを含有する有機金属ガスを第２のガス供給管１２を通じてチャンバ１内に供給する。なお、有機金属ガスの供給量は、ニードルバルブによって制御される。なお、ニードルバルブの代わりに自動圧力制御器を用いてもよい。このようにして、有機金属ガスは、基板３０上に供給される。
サセプタ３に載置された基板３０には、第２のガス供給管１２から供給された有機金属ガスと、第１ガスのプラズマ化によって生成された窒素含有ラジカルを含有する第２ガスとが供給される。
以下に、上述した半導体装置の製造装置を用いたIII族金属窒化物半導体層を生成する方法を説明する。
窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含有する第１ガスを第１のガス供給管６からチャンバ１内に供給する。上述したように第１ガスには、水素ガスは含まれていなくともよい。第１ガス中のアンモニアガスの濃度は、１％〜１０％にする。
高周波電源（ＲＦ電源）ユニット９から高周波電力をシャワーヘッドノズル７に供給することで、第１ガスをプラズマ化する。このプラズマ化によって、窒素含有ラジカルを含有する第２ガスが生成される。上述したように、有機金属ガスを基板３０に供給する位置（第２のガス供給管１２の出口の位置）よりも基板３０から離れた位置において、第１ガスをプラズマ化する。窒素含有ラジカルには、Ｎラジカル、ＮＨラジカル、ＮＨ２ラジカル、ＮＨ３ラジカルが含まれる。第２ガスには、窒素含有ラジカルの他に、Ｈラジカル、電子等も含まれる。
そして、生成された窒素含有ラジカルを含有する第２ガスを基板に供給する。第２ガスは、プラズマ発生領域３１と、有機金属ガスを基板３０に供給する位置（第２のガス供給管１２の出口の位置）との間に配置されたメッシュ状部材１１の貫通穴を通過して、基板３０に供給される。
また、III族金属元素を含有する有機金属ガス（例えば、トリメチルガリウム）を第２のガス供給管１２から基板３０に供給する。そして、供給された第２ガスと有機金属ガスとにより、基板３０上にIII族窒化物半導体層を形成する。具体的には、第２ガス中の窒素含有ラジカルと、トリメチルガリウムガスとを基板３０上で反応させることで、ＧａＮ層をエピタキシャル成長させることができる。このようにして図２に示すように基板３０上にＧａＮ層３５が形成される。
ここで、基板３０上にIII族窒化物半導体層を形成する際、その半導体層の成長温度は１０００℃未満であることが好ましい。より好ましくは、９００℃以下である。また、圧力は１００Ｐａ―１０ｋＰａであることが好ましい。
なお、アンモニアガスの第１ガスに対する割合が少なすぎる場合、窒素含有ラジカルを基板３０に供給する量が少なくなり、半導体層の成長速度の向上を十分に図ることができない。他方、アンモニアガスの第１ガスに対する割合が高すぎる場合、第１ガスのプラズマ化の際に発生する電子の密度が小さくなってしまう。例えば、第１ガス中のアンモニアガスの比率を３０％以上にした場合、プラズマ化した際の電子の密度が減少する。その結果、窒素含有ラジカルの基板３０への供給量が減少するおそれがある。したがって、第１ガス中のアンモニアガスの割合が高すぎる場合、半導体層の成長速度の向上の妨げになるおそれがある。そこで、本実施形態では、プラズマ化した際の電子の密度を大きく変えない程度に、第１ガスにアンモニアガスが含まれる。
このように適量のアンモニアガスが第１ガスに含まれることで、第１ガスをプラズマ化した場合、基板３０上に供給される窒素含有ラジカルの量を増やすことができる。これにより、半導体層の成長レートを向上させることができる。
以下、シミュレーション結果について説明する。
図３は、本実施形態における、半導体装置の製造方法のシミュレーションの前提条件を説明するための図である。窒素と水素との混合ガスを供給した場合と、その混合ガスにアンモニアガスを適量添加したガスを供給する場合において、以下の条件でシミュレーションを行い、基板上の窒素含有ラジカルの密度を推測した。
なお、図３において、電極４１及び電極４２は接地され、電極４３には、高周波電力が供給される。
図３に示すように、対象境界間の長さは６０ｍｍである。電極４３と電極４１との間、及び電極４３と電極４２との間の距離は１０ｍｍである。電極４１、４２、４３の長手方向の長さは５０ｍｍである。電極４１、４２、４３の基板４４に近い端から基板４４までの距離は１００ｍｍであり、電極４１、４２、４３の基板４４に遠い端から基板４４までの距離は１５０ｍｍである。電極４３に供給される高周波電力の周波数範囲は６０〜１００ＭＨｚである。チャンバ４６内の圧力は１００Ｐａである。また、ＲＦパワーは、図３の構成に対して１ｋＷ与えられる。
なお、シミュレーションでは、壁面でのラジカルの失活について考慮している。また、壁面におけるＮラジカル、Ｈラジカルの反射率をそれぞれ９０％、９５％としている。さらに、２次電子放出比γ＝０．１を想定している。
窒素含有ラジカルを基板４４に供給するための供給ガスとして、窒素と水素との混合ガス（Ｎ２：Ｈ２＝１０：６）を用いた場合と、窒素ガス、水素ガス、及びアンモニアガスを含有する第１ガス（Ｎ２：Ｈ２：ＮＨ３＝１０：５．４：０．６、第１ガス中のＮＨ３は約３．７％）を用いた場合について、シミュレーションを実行した。
上述した条件で、シミュレーションを実行したときのシミュレーション結果を図４に示す。
１００Ｐａにおける母ガス密度は、窒素と水素との混合ガス、窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含有する第１ガスともに２．０×１０１６ｃｍ−３である。
プラズマ発生領域４５の電子密度は、混合ガスを用いた場合は１．３×１０１１ｃｍ−３であり、第１ガスを用いた場合は１．２×１０１１ｃｍ−３であった。すなわち、プラズマ化したときの電子の密度は、混合ガスと第１ガスとでは大きく変わらない。したがって、第１ガスはプラズマ化した際の電子の密度が変わらない程度にアンモニアガスを含有しているといえる。
基板４４上のＮラジカル、Ｈラジカル、ＮＨラジカル、ＮＨ２ラジカル、ＮＨ３ラジカルの各密度は、第１ガスを用いた場合には、混合ガスを用いた場合に対してすべて増加している。特にＮラジカルの密度については、混合ガスを用いた場合に対して３０％以上増加している。
よって、本実施形態のように、Ｎ２ガスに加えてアンモニアガスを適量（上述したシミュレーションでは、約３．７％）含有させることで、窒素と水素との混合ガスをプラズマ化する場合よりも、基板上での窒素含有ラジカルの密度を増加させることができる。即ち、窒素含有ラジカルであるＮラジカル、ＮＨラジカル、ＮＨ２ラジカル、ＮＨ３ラジカルの各密度が増加される。特に、基板上でのＮラジカル密度を３０％程度増大させることができる。ここでいう適量とは、上述したように窒素と水素との混合ガスをプラズマ化する場合における電子密度に対して、アンモニアガスを含有する第１ガスをプラズマ化する場合における電子密度が大きく変わらない程度の量のことである。
このように、第１ガスに対してアンモニアガスを適量含有させることで、III族窒化物半導体層の成長レートを３０％以上増大させることができる。さらに、窒素と水素の混合ガスを使用する場合に対して少なくとも同等以上のIII族窒化物半導体層の品質を確保できる。
窒素と水素の混合ガスをプラズマ化し、プラズマ化によって発生した窒素含有ラジカルを基板３０上に供給することで、III族金属窒化物半導体層を形成する方法では、窒素分子の解離エネルギーが非常に大きいため、十分な量の窒素含有ラジカルを基板３０上に供給することはできなかった。具体的には、窒素分子の解離エネルギーは９ｅＶ程度である。そのため、窒素と水素の混合ガスをプラズマ化する方法では、半導体層を高速成長させることができなかった。具体的には、窒素と水素の混合ガスをプラズマ化する方法では、III族窒化物半導体層の成長レートは、０．１μｍ／ｈｒ―０．３μｍ／ｈｒ程度であった。
本実施形態によれば、上述したように、窒素と水素の混合ガスに対してアンモニアガスを適量含有させることで、III族窒化物半導体層の成長レートを３０％以上増大させることが可能になる。
一方、プラズマを用いずにアンモニアガスを基板上に供給し、アンモニアガスと有機金属ガスとを反応させることで、III族金属窒化物半導体層を形成する方法では、アンモニア分子は窒素分子と比べて解離エネルギーが小さいことから、半導体層の成長レートを高めることが可能である。しかしながら、アンモニアを大量に使うため材料コストが高くなること、高濃度アンモニアを使用するため半導体装置の製造装置の部品の耐腐食対策にかかるコストが増加すること、アンモニア除害システムを構築することに対するコストが増加すること、液化したアンモニアを供給するための大規模な設備が必要であること、等が問題点として挙げられる。
本実施形態では、第１ガスに適量のアンモニアガスを含ませ、第１ガスをプラズマ化する。そのため、アンモニアガスの使用量を削減することができ、上述した問題点を解消することができる。
さらに、本実施形態によれば、成膜温度を、従来の高濃度のアンモニアを用いたＭＯＣＶＤを利用する場合よりも低温にすることができる。よって、高濃度のアンモニアガスを利用したＭＯＣＶＤよりも低温下において、高品質のIII族窒化物半導体層の形成することができる。
なお、チャンバ１内の圧力が高くなるほど、定性的にプラズマ密度及びプラズマ電子温度が下がるため、第１ガスが解離しにくくなる。よって、窒素と水素との混合ガスにアンモニアガスを添加することで窒素含有ラジカルの基板３０への供給量を増加させ、半導体層の成長レートを向上させる本実施形態の方法は、圧力が高い条件下において特に有効である。
以上のことから、本実施形態によれば、窒素ガスを含む供給ガスに対して、アンモニアガスを添加することで、III族窒化物半導体層を効率的に成長させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、４６…チャンバ、２…排気口、３…サセプタ、４…回転機構体、５…ヒーター、６…第１のガス供給管、７…シャワーヘッドノズル、８…マッチングボックス、９…高周波電源ユニット、１０、１６…マスフローコントローラ、１１…メッシュ状部材、１２…第２のガス供給管、１３…恒温槽、１４…容器、１５…第３のガス供給管、１７…ニードルバルブ、２０…半導体装置の製造装置、３０、４４…基板、３１、４５…プラズマ発生領域、３５…ＧａＮ層、４１、４２、４３…電極。

Claims (8)

  1. 窒素ガスとアンモニアガスとを含有する第１ガスをプラズマ化する工程と、
    前記第１ガスのプラズマ化によって生成された窒素含有ラジカルを含有する第２ガスを基板に供給する工程と、
    III族金属元素を含有する有機金属ガスを前記基板に供給する工程と、
    前記第２ガス及び前記有機金属ガスにより、前記基板上にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
    を具備し、
    前記第１ガス中の前記アンモニアガスの濃度は３．７％であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記有機金属ガスを前記基板に供給する位置よりも前記基板から離れた位置で、前記第１ガスをプラズマ化することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  3. 前記第２ガスは、前記第１ガスをプラズマ化する位置と、前記有機金属ガスを供給する位置との間に配置されたメッシュ状部材を通過して前記基板に供給されることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
  4. 前記第１ガスは、水素ガスをさらに含有することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  5. 前記基板上に前記III族窒化物半導体層を形成する際の成長温度は１０００℃未満であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  6. 前記基板上に前記III族窒化物半導体層を形成する際の圧力が１００Ｐａ〜１０ｋＰａであることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  7. 前記有機金属ガスには、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムの少なくとも１つの金属元素が含有されていることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  8. 前記第１ガス中の前記窒素ガス、前記水素ガス、前記アンモニアガスの比率は、１０：５．４：０．６であることを特徴とする請求項４記載の製造方法。
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