JP7173094B2

JP7173094B2 - サセプタ

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Publication number: JP7173094B2
Application number: JP2020086224A
Authority: JP
Inventors: 哲生成田; 一義冨田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: JP2021180295A

Description

本明細書に開示する技術は、サセプタ、窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置に関する。

特許文献１に、グラファイト、炭化ケイ素等により構成される表面を有するサセプタが開示されている。

特開２０１８－７０４０５号公報

サセプタに使用されるグラファイトには、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の遷移金属が含有されている。サセプタを使用した半導体装置の成膜工程において、遷移金属がグラファイトから半導体装置内に取り込まれると、半導体装置の性能が低下する場合がある。本明細書では、サセプタのグラファイトに含まれる遷移金属が、半導体装置に取り込まれることを抑制する技術を提供する。

本明細書に開示される１つのサセプタは、窒化物半導体装置の成膜装置に用いられる。サセプタは、グラファイトを主成分とする基材と、前記基材の表面を覆っており、炭化ケイ素を主成分とする第１層と、前記第１層の表面を覆っており、窒化アルミニウムを主成分とする第２層と、を備えていてもよい。

上記の構成では、グラファイトを主成分とする基材は、炭化ケイ素を主成分とする第１層によって覆われている。このため、グラファイトに含有される遷移金属が半導体装置に取り込まれる事態が抑制される。一方で、炭化ケイ素の第１層は、成膜装置でアンモニア等の還元性雰囲気ガスが利用される場合、還元性雰囲気ガスに晒されると、欠損が発生し易くなる。上記の構成によれば、第１層は、窒化アルミニウムを主成分とする第２層で覆われている。これにより、第１層が還元性雰囲気に晒されることを抑制することができる。このため、第１層の欠損から基材のグラファイトが露出する事態を回避することができる。この結果、グラファイトに含有される遷移金属がサセプタから半導体装置に取り込まれる事態を抑制することができる。

前記第１層は、前記第２層よりも厚くてもよい。この構成によれば、基材の粗い表面に炭化ケイ素の第１層を比較的に厚く配置することによって、第１層の表面を基材と比較して滑らかにすることができる。これにより、炭化ケイ素と比較して成膜に時間を要する窒化アルミニウムの厚さを厚くせずとも、第２層に欠陥が生じることを抑制することができる。

前記第１層は、前記第２層の厚さのおよそ１０００倍の厚さを有していてもよい。この構成によれば、第２層の成膜時間が短くすることができる。

本明細書に開示される他の１つのサセプタは、窒化物半導体装置の成膜装置に用いられる。サセプタは、グラファイトを主成分とする基材と、前記基材の表面を覆っており、炭化ケイ素を主成分とする被覆層と、前記被覆層に配置される空孔に被覆されており、窒化アルミニウムを主成分とする被覆部材と、を備えていてもよい。

上記の構成では、グラファイトを主成分とする基材は、炭化ケイ素を主成分とする被覆層によって覆われている。このため、グラファイトに含有される遷移金属が半導体装置に取り込まれる事態が抑制される。また、被覆層の空孔は、窒化アルミニウムの被覆部材で被覆されている。これにより、被覆層の空孔から基材のグラファイトが露出する事態を回避することができる。この結果、グラファイトに含有される遷移金属がサセプタから半導体装置に取り込まれる事態を抑制することができる。

本明細書に開示される窒化物半導体装置の製造方法は、グラファイトを主成分とする基材と、前記基材の表面を覆っており、炭化ケイ素で作製される被覆層と、を備えるサセプタ中間材の表面に窒化アルミニウムを主成分とする部材を供給して、前記サセプタ中間材が配置される成膜装置内でサセプタを作製する作製工程と、前記作製工程に続いて、前記サセプタ上に配置される基板を前記成膜装置に導入する導入工程と、前記成膜装置内の前記基板に、還元性雰囲気ガスを用いて窒化物半導体層を成膜する成膜工程と、を備えていてもよい。

上記の構成では、還元性雰囲気ガスを用いた成膜工程に先立って、サセプタ中間材に窒化アルミニウムを主成分とする部材を供給して、サセプタを作製する。なお、サセプタ中間材は、基材と被覆層とを有しており、窒化アルミニウムを主成分とする部材を有していないものであってもよいし、繰り返し成膜によってサセプタの被覆層の炭化ケイ素に空孔が発生しているものであってもよい。この構成では、成膜工程の前工程で、窒化アルミニウムが供給される。これにより、サセプタのグラファイトが、外部に露出することが抑制された状態で、成膜工程を実行することができる。これにより、グラファイトに含有される遷移金属がサセプタから半導体装置に取り込まれる事態を抑制することができる。

本明細書に開示される窒化物半導体装置は、ｐ型導電層と、前記ｐ型導電層と界面を介して接触しており、平均Ｆｅ濃度が２．０×１０^１４ｃｍ^－３以下であるｎ型導電層を備えていてもよい。

上記したサセプタを用いて作製された窒化物半導体装置では、ｎ型導電層のＦｅ濃度を低く抑えることができる。これにより、Ｆｅによる半導体装置の性能低下を抑制することができる。

第１実施例の成膜装置の概略断面図である。第１実施例のサセプタの表面近傍の拡大断面図である。第１実施例の半導体装置の概略断面図である。第１実施例の半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。第１実施例の半導体装置のｎ型ＧａＮ層のＦｅ濃度の測定結果のグラフである。比較例の半導体装置のｎ型ＧａＮ層のＦｅ濃度の測定結果のグラフである。第１実施例の半導体装置の不純物濃度の測定結果のグラフである。第２実施例のサセプタの表面近傍の拡大断面図である。

（第１実施例）
（成膜装置の構成）
図１に、本実施例に係る成膜装置２の断面概略図を示す。成膜装置２は、例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体装置を生成するために用いられる。成膜装置２は、有機金属気相成長（以下「ＭＯＶＰＥ」と呼ぶ）法を用いて、基板１０１上に、ｎ型導電層及びｐ型導電層を生成する。成膜装置２は、容器４と、反応ガス供給部６と、ヒータ８と、サセプタ１０と、を備える。

容器４は、ヒータ８とサセプタ１０とを収容する。容器４には、外部から延びる反応ガス供給部６が貫通している。反応ガス供給部６は、反応ガスを容器４外から容器４内に導入する配管を有する。ヒータ８は、サセプタ１０上に載置される基板１０１の温度を調整する。

（サセプタの構成）
次いで、図２を参照して、サセプタ１０の構成を説明する。サセプタ１０は、円板形状を有する。サセプタ１０は、円板形状の中心軸を中心に、容器４に回転可能に配置されている。サセプタ１０は、基材１２と、被覆層１４と、保護層１６と、を備える。基材１２は、グラファイトを主成分とする材料で作製されている。基材１２の材料は、グラファイトの他に、グラファイトと比較して微量のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の遷移金属を含有する。基材１２は、被覆層１４で覆われている。被覆層１４は、基材１２の表面全体を覆っている。被覆層１４は、炭化ケイ素を主成分とする材料で作製されている。被覆層１４は、純度が高い炭化ケイ素で作製されており、炭化ケイ素に含まれる不純物の割合は、グラファイトと比較して微量である。

被覆層１４は、１００μｍの厚さを有する。なお、被覆層１４の厚さは、製造誤差分だけ、１００μｍからずれる場合がある。被覆層１４は、保護層１６によって覆われている。保護層１６は、被覆層１４の全面を覆っている。保護層１６は、窒化アルミニウムを主成分とする材料で作製されている。保護層１６は、純度が高い窒化アルミニウムで作製されている。保護層１６は、０．１μｍの厚さを有する。なお、保護層１６の厚さは、製造誤差分だけ、０．１μｍからずれる場合がある。被覆層１４の厚さは、保護層１６の厚さのおよそ１０００倍である。「およそ」１０００倍とは、被覆層１４と保護層１６とが設計値通りに作製された場合には１０００倍であるが、製造誤差によって、１０００倍からずれる場合を含むことを意味している。

サセプタ１０では、保護層１６が容器４内に露出しており、基材１２と被覆層１４とは、保護層１６で被覆されて容器４内に露出していない。

（半導体装置の構成）
次いで、図３を参照して、半導体装置１００の構成を説明する。半導体装置１００は、ＰＮ接合のダイオードである。半導体装置１００は、基板１０１と、ｎ型のＧａＮ層１０２と、ｐ型のＧａＮ層１０４と、ｐ型のＧａＮ層１０６と、電極１１０、１１２とを備える。基板１０１は、ｎ型のＧａＮ層を有する。半導体装置１００は、基板１０１の表面に、ｎ型のＧａＮ層１０２、ｐ型のＧａＮ層１０４と、ｐ型のＧａＮ層１０６が順に積層された構造を有する。半導体装置１００の表面には電極１１２が配置され、半導体装置１００の表面には電極１１０が配置される。

（半導体装置の製造方法）
次いで、図４を参照して、半導体装置１００の製造方法を説明する。半導体装置１００を製造する際、基板１０１を成膜装置２に収容するが、その前に、サセプタ１０を完成させるために、まずＳ１２の処理を実行する。Ｓ１２では、成膜装置２内にサセプタ１０の中間材を配置する。中間材は、図２に示されるように、基材１２と被覆層１４とを備える。以下では、サセプタ１０の中間材を、中間材（１２、１４）と呼ぶ。

Ｓ１２では、中間材（１２、１４）の表面に、保護層１６である窒化アルミニウム層を生成する。具体的には、成膜装置２において、ＭＯＶＰＥ法を用いて、保護層１６を生成する。なお、Ｓ１２の処理は、保護層１６の経時劣化を回避するために、既に保護層１６を有するサセプタ１０にも用いられてもよい。なお、この場合、中間材は、基材１２と被覆層１４と保護層１６とを備えていてもよい。また、Ｓ１２の処理は、毎回実行されなくてもよく、例えば、所定の期間、または所定の回数の利用毎に実行されてもよい。次いで、Ｓ１４において、基板１０１をＳ１２で作製されたサセプタ１０上に載置する。次いで、Ｓ１６において、基板１０１の表面に、ｎ型のＧａＮ層１０２を生成する。具体的には、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム、窒素の原料としてアンモニアガス、ｎ型不純物シリコンの原料としてモノメチルシランガス、キャリアガスとして水素を用いて、ＭＯＶＰＥ法でｎ型のＧａＮ層１０２を生成する。成膜温度は、９５０℃で維持される。Ｓ１６では、例えば、Ｓｉ濃度が２．８×１０^１６ｃｍ^－３、炭素濃度が２×１０^１５ｃｍ^－３、膜厚が３．２μｍのｎ型のＧａＮ層１０２が生成される。

次いで、Ｓ１８において、ｎ型のＧａＮ層１０２の表面に、ｐ型のＧａＮ層１０４を生成する。具体的には、ｐ型不純物マグネシウムの原料としてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムを用いて、その他はｎ型のＧａＮ層１０２と同様のガスと温度で、ｐ型のＧａＮ層１０４を生成する。Ｓ１８では、例えば、Ｍｇ濃度が１．４×１０^１９ｃｍ^－３、膜厚が０．５μｍのｐ型のＧａＮ層１０４が生成される。

次いで、Ｓ２０において、ｐ型のＧａＮ層１０４の表面に、ｐ型のＧａＮ層１０６を生成する。Ｓ２０の処理では、Ｓ１８の処理と同様に、ｐ型不純物マグネシウムの原料としてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムを用いて、その他はｎ型のＧａＮ層１０２と同様のガスと温度で、ｐ型のＧａＮ層１０６を生成する。なお、Ｓ２０の処理では、Ｓ１８の処理と比較して、ｐ型不純物の濃度が高くなるように、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムが調整されている。Ｓ２０では、例えば、Ｍｇ濃度が９×１０^１９ｃｍ^－３、膜厚が０．１μｍのｐ型のＧａＮ層１０６が生成される。

次いで、Ｓ２２において、Ｓ２０で生成された積層体に対して、熱処理を実行する。熱処理では、Ｓ２０で生成された積層体が、窒素雰囲気において、８５０℃で５分間加熱される。これにより、Ｓ２０で生成された積層体に含有される水素が離脱される。次いで、Ｓ２４において、Ｓ２２で熱処理後の積層体に、ドライエッチングによるエッチングを実行して、ｐ型のＧａＮ層１０４、１０６を貫通するメサ構造を形成する。次いで、Ｓ２６において、電極１１０、１１２を生成する。具体的には、ＧａＮ層１０６の表面にＮｉ／Ａｕオーミック電極である電極１１２を生成し、基板１０１の裏面にＴｉ／Ａｌオーミック電極である電極１１０を生成して、半導体装置１００が生成される。Ｓ２６では、酸素雰囲気において、５２５℃で５分間維持される。

なお、必要に応じて、ダイシングによって半導体装置１００を分割してもよいし、メサ構造の終端部近傍での電界集中を回避するためにイオン注入処理を追加してもよい。また、表面からのリーク電流を抑制するために、エッチング後の表面に、ポリイミド又は絶縁膜を形成する形成処理を追加してもよい。

（半導体装置の分析結果）
次いで、図５から図７を参照して上記の製造方法で作製された半導体装置１００の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法による測定結果を説明する。図５は、半導体装置１００の基板１０１とｎ型のＧａＮ層１０２におけるＦｅ濃度の分析結果を示す。図６は、比較例として、成膜装置２のサセプタ１０を、基材１２と被覆層１４とを備える一方、保護層１６が配置されていないサセプタを用いて、上記の製造方法で作製された比較例の半導体装置を用いた、基板とｎ型のＧａＮ層におけるＦｅ濃度の分析結果を示す。図５及び図６の横軸は、ｎ型のＧａＮ層１０２の表面からの距離を示し、縦軸はＦｅ濃度を示す。

図５では、３か所のＳＩＭＳ分析点において、分析された結果が重ねて示されている。図６では、１か所の分析点において、分析された結果が示されている。なお、本分析では、Ｆｅ濃度が検出の下限値が１．０×１０^１４ｃｍ^－３である。このため、図５及び図６では、Ｆｅ濃度が１．０×１０^１４ｃｍ^－３以下の場合、Ｆｅ濃度が１．０×１０^１４ｃｍ^－３として示されている。サセプタ１０を用いて作製された本実施例の半導体装置１００では、Ｆｅ不純物の偏析は見られず、平均的にＦｅ濃度が２．０×１０^１４ｃｍ^－３以下であった。なお、個別のデータポイントでは最大５．０×１０^１４ｃｍ^－３の値を示しているが、前後の深さ位置の測定値は低く、ＳＩＭＳ分析法の測定ノイズが原因である。また、ＧａＮ基板よりも深い位置で検出されるＦｅは、ＭＯＶＰＥの成膜に由来するものではなく、入手したＧａＮ基板に元々含まれる不純物によるものである。図５と図６とを比較すると明らかなように、比較例の半導体装置では、ｎ型のＧａＮ層の表面から基板とｎ型のＧａＮ層との界面に近づくのに従って、Ｆｅ濃度が高くなり、基板とｎ型のＧａＮ層との界面では、Ｆｅ不純物が偏析されている。さらに、容量電圧測定（即ちＣＶ測定）によって、ｎ型のＧａＮ層１０２の電子の濃度を分析した結果、ｎ型のＧａＮ層１０２の電子の濃度は、ｎ型のＧａＮ層１０２のＳｉドナー濃度と炭素アクセプタ濃度との差とほぼ一致していた。これにより、Ｆｅがｎ型のＧａＮ層１０２に混入することによる電子濃度の低下は確認されなかった。

図７は、半導体装置１００のｎ型のＧａＮ層１０２とｐ型のＧａＮ層１０４、１０６における不純物濃度のＳＩＭＳ分析結果を示す。図７の横軸は、ｐ型のＧａＮ層１０６の表面からの距離を示し、縦軸は不純物濃度を示す。本分析では、不純物として、Ｍｇ、Ｓｉ、炭素、及び酸素の濃度を分析した。図７では、結果Ｒ１がＭｇの濃度、結果Ｒ２がＳｉの濃度、結果Ｒ３が酸素の濃度、結果Ｒ４が炭素の濃度を、それぞれ示している。図７に示すように、電子濃度と正孔濃度を決めるＳｉ濃度とＭｇ濃度は、それぞれｎ型のＧａＮ層１０２とｐ型のＧａＮ層１０４との界面とその他の領域で均一である。半導体装置１００では、平均的にＦｅ濃度が２．０×１０^１４ｃｍ^－３以下であり、Ｓｉ及びＭｇ濃度の１／１００以下の値であった。従って、Ｆｅ濃度がｎ型層及びｐ型層に混入することによる電子、及び、正孔濃度の低下は確認されなかった。なお、不純物濃度が「均一である」状態は、不純物濃度が一致している状態以外に、不純物濃度は一致していないが、ｎ型のＧａＮ層１０２とｐ型のＧａＮ層１０４との界面の不純物濃度が、その他の領域の不純物濃度よりも低い場合もあれば、高い場合もあり、他の領域の不純物濃度と比較して高い値を有していない状態を含む。

（効果）
サセプタ１０では、基材１２が炭化ケイ素を主成分とする被覆層１４によって覆われている。このため、基材１２のグラファイトに含有される遷移金属が半導体装置１００に取り込まれる事態が抑制される。また、サセプタ１０では、被覆層１４が、窒化アルミニウムを主成分とする保護層１６で覆われている。これにより、被覆層１４が還元性雰囲気に晒されることを抑制することができる。この結果、被覆層１４が還元性雰囲気ガスに晒されることによって、被覆層１４に欠損が発生することを抑制することができる。この構成によれば、内部のＦｅ濃度が低く、Ｆｅの偏析が抑制された半導体装置１００を作製することができる。

サセプタでは、基材として、グラファイトに換えてＳｉＣを用いることによって、半導体装置へのＦｅの混入が抑制され得る。しかしながら、ＳｉＣの基材は、工業用のグラファイトと比較して非常に高価である。本実施例のサセプタ１０では、比較的に安価なグラファイトの基材１２に被覆層１４及び保護層１６を配置することによって、比較的に高価なＳｉＣの基材を用いることなく、内部のＦｅ濃度が低く、Ｆｅの偏析が抑制された半導体装置１００を作製することを実現することができる。これにより、半導体装置１００の製造コストを低減することができる。

サセプタ１０では、基材１２と保護層１６との間に、被覆層１４が配置されている。基材１２はグラファイトで作製されているため、基材１２の表面には、凹凸が多い。このため、基材１２の表面に直接的に保護層１６を配置しようとすると、保護層１６を、基材１２の表面の凹凸を覆うだけの厚さで作製しなければならない。しかしながら、窒化アルミニウムの成膜速度には、炭化ケイ素の成膜速度と比較して遅い。このため、基材１２の表面に直接的に保護層１６を配置しようとすると、保護層１６の成膜に長時間を要する。一方、基材１２の凹凸を覆うために、比較的に厚い被覆層１４を配置することによって、保護層１６を薄くすることができる。これにより、保護層１６の生成期間を短縮することができる。

上記の製造方法では、半導体装置１００の成膜に先立って、サセプタ１０の中間材（１２、１４）に、保護層１６を生成して、サセプタ１０を作製する処理が実行される。これにより、被覆層１４及び保護層１６の劣化によって、基材１２が露出することを抑制し、グラファイトに含有される遷移金属がサセプタ１０から半導体装置１００に取り込まれる事態を抑制することができる。

（第２実施例）
図８を参照して、第２実施例のサセプタ２００について、第１実施例のサセプタ１０と異なる点を説明する。サセプタ２００は、基材１２と被覆層１４とを備える一方、保護層１６を備えていない。サセプタ２００は、被覆層１４の空孔１４ａに被覆される被覆部材１１６を備える。空孔１４ａは、被覆層１４が還元性雰囲気に晒されることによって形成される欠陥である。被覆部材１１６は、被覆層１４の表面も覆っている。被覆部材１１６は、保護層１６と同様の材料、即ち、窒化アルミニウムを主成分とする材料で作製されている。

この構成によれば、被覆層１４の欠陥である空孔１４ａが、被覆部材１１６で被覆されている。これにより、基材１２が容器４内に露出されることを抑制することができる。

なお、変形例では、サセプタ２００は、サセプタ１０と同様の保護層１６を備えていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（変形例）
サセプタ１０の被覆層１４及び保護層１６の厚さは、実施例の厚さに限られない。また、サセプタ１０は、被覆層１４及び保護層１６以外の層を有していてもよい。

半導体装置１００は、ダイオード以外に、ＭＯＳＦＥＴ等の異なる種類の半導体装置であってもよい。

半導体装置１００を構成するIII族窒化物半導体はＧａＮに限定されるものではなく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、または、その混晶等であってもよい。

また、成膜装置２は、例えば、上方から押圧ガスを供給し、側方から反応ガスを供給する成膜装置等、他の構成を有していてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：成膜装置、１０：サセプタ、１２：基材、１４：被覆層、１６：保護層、１００：半導体装置、１０１：基板、１０２：ｎ型ＧａＮ層、１０４、１０６：ｐ型ＧａＮ層、１１０、１１２：電極、１１６：被覆部材

Claims

窒化物半導体装置の成膜装置に用いられるサセプタであって、
グラファイトを主成分とする基材と、
前記基材の表面を覆っており、炭化ケイ素を主成分とする被覆層と、
前記被覆層に配置される空孔に被覆されており、窒化アルミニウムを主成分とする被覆部材、を備えるサセプタ。