JP7245501B2 - Iii族窒化物半導体素子の製造方法および基板の洗浄方法 - Google Patents
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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、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを混合し、その混合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ことのできる装置である。
表1は製造装置1000における製造条件である。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、室温以上の基板温度で成膜できる場合がある。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
本実施形態の基板の洗浄方法は、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基板110に供給することにより基板110の第1面110aを洗浄する基板洗浄工程を有する。
表2は製造装置1000における洗浄条件である。洗浄条件と製造条件との間にそれほど大きな差異は無い。表2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、300℃以上700℃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 300℃以上 700℃以下
内圧 1Pa以上 10000Pa以下
本実施形態では、第2のガスとして、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを用いる。この混合ガスにおける窒素ガスと水素ガスとの和に対する水素ガスの混合比(H2 /(H2 +N2 ))は、体積流量比で5%以上45%以下であるとよい。好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、10%以上40%以下である。より好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、15%以上35%以下である。これらの条件下で、基板110の好適なクリーニングを実施できる。
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。
基板110を準備する。基板110はIII 族窒化物基板である。基板110は、例えば、GaN単結晶基板またはAlN単結晶基板である。
基板110を製造装置1000の内部に配置する。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110の洗浄温度から基板110の成膜温度まで基板110の温度を変化させる。成膜温度は600℃以上900℃以下である。この基板温度調整工程の期間内では、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基板110に供給しながら基板110の温度を上昇させる。この基板温度調整工程は、基板洗浄工程と半導体層形成工程との間にある。この際のプラズマの出力は、基板洗浄工程および半導体層形成工程におけるプラズマの出力より弱くてもよい。
窒素ガスを含む第2のガスをプラズマ化して基板110に供給する。プラズマ中で窒素ラジカルや窒化水素系の化合物が発生する。III 族窒化物半導体の成膜に通常用いられるアンモニアに比べて、これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物の反応性は高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
基板110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から第1のガス(例えば、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から窒素ガスを含む第2のガスを流すとともに第2のガスをプラズマ化する。
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から第1のガス(例えば、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から窒素ガスを含む第2のガスを流すとともに第2のガスをプラズマ化する。
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から第1のガス(例えば、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から窒素ガスを含む第2のガスを流すとともに第2の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から窒素ガスを含む第2のガスを流すとともに第2の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、パワーデバイス100が製造される。
6-1.基板洗浄工程
本実施形態の基板洗浄工程により、基板110の第1面110aが好適に洗浄される。後述するように、基板110の第1面110aの表面層が十分に薄くなるまで除去される。そのため、結晶性に優れた半導体層を基板110の上に成長させることができる。
本実施形態の基板温度調整工程により、基板110の洗浄温度から基板110の成膜温度まで基板110の温度を上昇させる際に、基板110の第1面110aから窒素原子が脱離しにくい。また、基板110の表面に損傷を与えにくい。
7-1.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。
本実施形態の基板110は、GaN単結晶基板やAlN単結晶基板等のIII 族窒化物基板である。III 族窒化物基板は、これらのバルク単結晶基板のみならず、サファイア基板もしくはシリコン基板の上にGaN層等が形成されたテンプレート基板であってもよい。
基板洗浄工程において従来の基板の洗浄方法を用いてもよい。その場合であっても、基板温度調整工程の効果は得られる。例えば、水素ガスのサーマルクリーニングを実施した後に、本実施形態の基板温度調整工程を実施してもよい。
従来の基板洗浄工程では、基板110の成膜温度が基板110の洗浄温度よりも低い場合がある。その場合には、基板温度調整工程において基板110の温度を下降させる。その場合であっても、本実施形態のようにプラズマを照射しながら基板110の温度を調整するとよい。窒素原子の脱離を抑制できると考えられるからである。
本実施形態では、プラズマ化する混合ガスは窒素ガスと水素ガスとを含むガスである。このプラズマ化する混合ガスは、He、Ne、Ar等の希ガスを含んでいてもよい。
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。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
本実施形態では、半導体層形成工程の前の基板洗浄工程および基板温度調整工程で基板110にプラズマを照射する。つまり、基板110への成膜および基板110の温度上昇の前から基板110にプラズマを照射する。これにより、基板110の表面状態を好適にして結晶性に優れた半導体層を成長させることができる。また、本実施形態ではアンモニアを用いる必要がない。そのため、アンモニアの除害装置を製造装置に設ける必要がない。
1-1.基板の種類
(0002)面のバルクGaN単結晶基板(以下、「GaN単結晶基板」という)を用いた。GaN単結晶基板は10mm角であった。GaN単結晶基板の膜厚は600μmであった。
そして、表3に示すような基板の洗浄方法を実施した。実施例1は、5%のHFで5分間洗浄した後にプラズマ処理したGaN単結晶基板である。比較例1は、洗浄を施していないGaN単結晶基板である。比較例2は、IPA(イソプロピルアルコール)を用いて洗浄したGaN単結晶基板である。比較例3は、5%のHFで5分間洗浄したGaN単結晶基板である。比較例4は、600℃の基板温度で水素ガスを用いて10分間洗浄したGaN単結晶基板である。
サンプル 洗浄方法
実施例1 HF+プラズマ
比較例1 未処理
比較例2 IPA
比較例3 HF
比較例4 H2 熱処理
図4は実施例1のRHEEDパターンを示す写真である。図5は比較例1のRHEEDパターンを示す写真である。図6は比較例2のRHEEDパターンを示す写真である。図7は比較例3のRHEEDパターンを示す写真である。図8は比較例4のRHEEDパターンを示す写真である。
分光エリプソメーターで各サンプルの表面層の厚さを測定した。表4に示すように、実施例1の表面層の厚さは1.468nmであった。比較例1の表面層の厚さは4.582nmであった。比較例2の表面層の厚さは4.620nmであった。比較例3の表面層の厚さは2.360nmであった。比較例4の表面層の厚さは2.001nmであった。
サンプル 洗浄方法 表面層の厚さ
実施例1 HF+プラズマ 1.468nm
比較例1 未処理 4.582nm
比較例2 IPA 4.620nm
比較例3 HF 2.360nm
比較例4 H2 熱処理 2.001nm
2-1.基板の種類
実験1と同様にGaN単結晶基板を用いた。テンプレート基板は10mm角であった。テンプレート基板の合計の膜厚は600μmであった。
表3の実施例1から基板洗浄工程におけるGaN単結晶基板の温度を変えてその表面を観察した。RFの周波数は100MHzであった。RFパワーは400Wであった。内圧は100Paであった。処理時間は10分であった。
表3の実施例1から基板洗浄工程におけるRFパワーを変えてその表面を観察した。基板温度は600℃であった。RFの周波数は100MHzであった。内圧は100Paであった。処理時間は10分であった。
3-1.基板
実験1と同様にGaN単結晶基板を用いた。
テンプレート基板にプラズマクリーニング(基板洗浄工程)を実施した。基板温度は600℃であった。RFの周波数は100MHzであった。RFパワーは400Wであった。処理時間は10分であった。窒素ガスの流量は750sccmであった。水素ガスの流量は250sccmであった。
図11は基板温度調整工程においてプラズマ照射の有無による半導体層の表面の違いを示す画像である。図11(a)は基板洗浄工程および基板温度調整工程においてプラズマを照射しなかった場合のGaN層のAFM画像である。図11(b)は基板洗浄工程および基板温度調整工程においてプラズマを照射した場合のGaN層のAFM画像である。図11(c)は基板洗浄工程および基板温度調整工程においてプラズマを照射しなかった場合のGaN層のRHEED画像である。図11(d)は基板洗浄工程および基板温度調整工程においてプラズマを照射した場合のGaN層のRHEED画像である。
図12は基板温度調整工程においてプラズマ照射の有無による半導体層の断面の違いを示す透過型顕微鏡写真である。図12(a)はプラズマを照射していないサンプルの暗視野像(TEM画像)である。図12(b)はプラズマを照射したサンプルの暗視野像(TEM画像)である。図12(c)はプラズマを照射していないサンプルの明視野像(TEM画像)である。図12(d)はプラズマを照射したサンプルの明視野像(TEM画像)である。
図13は、X線回折ロッキングカーブの半値幅を示すグラフである。図13(a)は、基板温度調整工程においてプラズマを照射していないサンプルのX線回折ロッキングカーブの半値幅を示している。図13(b)は、基板温度調整工程においてプラズマを照射したサンプルのX線回折ロッキングカーブの半値幅を示している。
第1の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、III 族窒化物基板を準備する工程と、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III 族窒化物基板に供給することによりIII 族窒化物基板の表面を洗浄する基板洗浄工程と、III 族元素を含む有機金属ガスを含む第1のガスをプラズマ化しないでIII 族窒化物基板に供給するとともに、窒素ガスを含む第2のガスをプラズマ化してIII 族窒化物基板に供給することにより、III 族窒化物基板の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる半導体層形成工程と、を有する。
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
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 (4)
- III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
III 族窒化物基板を準備する工程と、
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III 族窒化物基板に供給することにより前記III 族窒化物基板の表面を洗浄する基板洗浄工程と、
III 族元素を含む有機金属ガスを含む第1のガスをプラズマ化しないで前記III 族窒化物基板に供給するとともに、窒素ガスを含む第2のガスをプラズマ化して前記III 族窒化物基板に供給することにより、前記III 族窒化物基板の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる半導体層形成工程と、
を有し、
前記基板洗浄工程と前記半導体層形成工程との間に前記基板の温度を調整する基板温度調整工程を有し、
前記基板温度調整工程では、
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III 族窒化物基板に供給しながら前記基板の温度を上昇させること
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、
前記基板洗浄工程では、
前記混合ガスにおける窒素ガスと水素ガスとの和に対する水素ガスの混合比を
体積流量比で5%以上45%以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 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、
前記基板洗浄工程では、
前記III 族窒化物基板の温度を
300℃以上700℃以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
III 族窒化物基板を準備する工程と、
前記III 族窒化物基板の表面を洗浄する基板洗浄工程と、
前記基板の洗浄温度から前記基板の成膜温度に前記基板の温度を調整する基板温度調整工程と、
III 族元素を含む有機金属ガスを含む第1のガスをプラズマ化しないで前記III 族窒化物基板に供給するとともに、窒素ガスを含む第2のガスをプラズマ化して前記III 族窒化物基板に供給することにより、前記III 族窒化物基板の上にIII 族窒化物半導体層を成長させる半導体層形成工程と、
を有し、
前記基板温度調整工程では、
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III 族窒化物基板に供給しながら前記基板の温度を上昇させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
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