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、NHラジカル、NH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、NHラジカル、NH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(N:H=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(N:H:NH=10:5.4:0.6、第1ガス中のNH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、NHラジカル、NH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、N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、NHラジカル、NH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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