JP7100871B6 - Iii族窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
1.MIS型半導体素子
図1は、第1の実施形態のパワーデバイス100の概略構成図である。パワーデバイス100はMIS型半導体素子である。図1に示すように、パワーデバイス100は、基板110と、第1バッファ層120と、第2バッファ層130と、GaN層140と、AlGaN層150と、絶縁膜160と、ソース電極S1と、ゲート電極G1と、ドレイン電極D1と、を有する。
図2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、少なくとも窒素ガスを含む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、0℃以上1000℃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、10Pa以上1000Pa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 0℃以上 1000℃以下
内圧 10Pa以上 1000Pa以下
本実施形態の半導体素子の製造方法は、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 族金属を含有する第1のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給し、少なくとも窒素ガスを含む第2のガスをプラズマ化して成長基板に供給し、半導体層を成長させる方法である。
自乗平均面粗さ(RMS)が2nm以上10nm以下の第1面110aを有する基板110を準備する。基板110として、例えば、Si(111)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。粗面化された基板110を用いるために、例えば、基板110の最終仕上げの段階において基板110の第1面110aの研磨を途中で停止すればよい。または、研磨した後に、エッチング等により凹凸を形成してもよい。
基板110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110の表面を還元するとともに、基板110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。なお、基板110を製造装置1000の内部に配置する前に、アセトン、イソプロピルアルコール、純水、HF等により基板110を洗浄してもよい。
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。
基板温度を0℃以上100℃以下の範囲内にする。例えば、室温であってもよい。第1のガス供給管1300のリング部1310からTMI(トリメチルインジウム)を流す。一方、シャワーヘッド電極1100から窒素ガスを流すとともに窒素ガスをプラズマ化する。なお、水素ガスについては流さない。これにより、基板110の第1面110aの上にInN層A1が形成される(図3参照)。InN層A1の膜厚は0.2nm以上1nm以下である。つまり、数原子層である。
図3に示すように、InN層A1を分解することなくInN層A1の上に第1バッファ層120を形成する。第1バッファ層120は、例えばInをわずかに含むInGaN層である。基板温度は300℃以上500℃以下である。第1のガス供給管1300のリング部1310からTMG(トリメチルガリウム)を流す。一方、シャワーヘッド電極1100から窒素ガスを流すとともに窒素ガスをプラズマ化する。これにより、InN層A1の上に第1バッファ層120が形成される(図3参照)。第1バッファ層120は、基板110の第1面110aの凹凸をほぼ埋める。第1バッファ層120の膜厚は5nm以上20nm以下である。
次に、第1バッファ層120の上に第2バッファ層130を形成する。第2バッファ層130は、例えばGaN層である。基板温度は600℃以上900℃以下である。そのために、第1のガス供給管1300のリング部1310からTMG(トリメチルガリウム)を流す。一方、シャワーヘッド電極1100から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。この工程における基板温度が高いため、第2バッファ層130を成長させる間にInN層A1は分解し、蒸発する。これにより、基板110の上に第1バッファ層120が形成され、第1バッファ層120の上に第2バッファ層130が形成される。また、InN層A1が分解した後には、Inが第1バッファ層120に混入すると考えられる。
第2バッファ層130の上にGaN層140を成長させる。基板温度は600℃以上900℃以下である。そのために、第1のガス供給管1300のリング部1310からTMG(トリメチルガリウム)を流す。一方、シャワーヘッド電極1100から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。
GaN層140の上にAlGaN層150を成長させる。基板温度は600℃以上900℃以下である。そのために、第1のガス供給管1300のリング部1310からTMG(トリメチルガリウム)およびTMA(トリメチルアルミニウム)を流す。一方、シャワーヘッド電極1100から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを流すとともに混合ガスをプラズマ化する。
次に、ICP等のエッチングにより、AlGaN層150に溝151を形成する。
次に、溝151に、絶縁膜160を形成する。絶縁膜160は例えばSiO2 である。もちろん、これ以外の材質であってもよい。
次に、AlGaN層150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151の箇所に、絶縁膜160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160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100が製造される。
本実施形態では、基板とそれより上層のGaN層との間の応力を緩和させるために、基板とGaN層との間に数原子層のInN層を形成する。この原子層は、製造途中で分解される。InN層は高温条件下で分解されやすい。そのため、InN層を成膜する際の基板温度は0℃以上100℃以下である。この温度はGaN層の成膜温度に比べて十分に低い。そのため、InN層を成膜する際のInが有する運動エネルギーは、GaN層を成膜する際のGaが有する運動エネルギーに比べて小さい。
6-1.デバイスの種類
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、MIS型のパワーデバイス100に限らず適用することができる。また、パワーデバイス以外のその他の半導体素子を製造する際に適用することができる。
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。
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、数原子層に相当するInN層A1を成膜し、その上にGaN層を成膜する。InN層A1は島状に形成されやすい。そのため、基板110の第1面110aは、従来の基板の表面に比べて荒れている。基板110の第1面110aの自乗平均面粗さ(RMS)は2nm以上10nm以下である。したがって、InN層A1は、基板110の第1面110aの表面に薄い膜厚で一様に形成される。
6種類のSi(111)基板を準備した。そして、それぞれのSi(111)基板の上に数原子層のInN層を形成し、その上に第1バッファ層120(GaN層)を形成し、その上に第2バッファ層130(GaN層)を形成した。基板の表面粗さ以外の条件は、全てのサンプルに共通である。サンプルを表2にまとめる。ここで、オフアングル基板においては、表面が(111)面から1°程度傾斜している。
サンプル 基板の種類 表面粗さ
実施例1 Si(111) 2.5nm
実施例2 Si(111) 3.5nm
実施例3 Si(111) 5nm
実施例4 Si(111) 10nm
比較例1 Si(111) オフアングル
比較例2 Si(111) ノーオフアングル
サンプルについてX線回折を実施した。図4はSi(111)基板上のGaN層のX線回折の強度を示すグラフ(3次元表示)である。図5はSi(111)基板上のGaN層のX線回折の強度を示すグラフ(2次元表示)である。図4および図5の横軸は2θ/θ(degree)である。図4および図5の縦軸は強度(cps)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方法においては、自乗平均面粗さ(RMS)が2nm以上10nm以下の第1面を有する基板を用いる。窒素ガスをプラズマ化して基板に供給するとともにInを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板に供給することにより、基板の第1面の上にInN層を形成する。InN層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる。
110…基板
110a…第1面
120…第1バッファ層
130…第2バッファ層
140…GaN層
150…AlGaN層
160…絶縁膜
S1…ソース電極
G1…ゲート電極
D1…ドレイン電極
A1…InN層
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
Claims (3)
- III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
自乗平均面粗さ(RMS)が2nm以上10nm以下の第1面を有する基板を用い、
窒素ガスをプラズマ化して前記基板に供給するとともにInを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記基板に供給することにより、前記基板の前記第1面の上に0.2nm以上1nm以下の膜厚のInN層を形成し、
前記InN層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
自乗平均面粗さ(RMS)が2nm以上10nm以下の第1面を有する基板を用い、
窒素ガスをプラズマ化して前記基板に供給するとともにInを含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記基板に供給することにより、前記基板の前記第1面の上に0℃以上100℃以下の基板温度でInN層を形成し、
前記InN層の上にIII 族窒化物半導体層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 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方法において、
前記InN層の上に300℃以上500℃以下の基板温度で第1のIII 族窒化物半導体層を形成し、
前記第1のIII 族窒化物半導体層の上に600℃以上900℃以下の基板温度で第2のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
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