KR20150058024A - Iii족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

Iii족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법 Download PDF

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고쿠리츠 다이가쿠 호우징 나고야 다이가쿠
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Abstract

본 발명의 과제는 양산에 적합함과 동시에, 종래와 비교하여 저온 하에서 III족 질화물 반도체를 성장시키는 것을 도모한, III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결수단은 제조 장치(1000)가, 샤워 헤드 전극(1100)과, 성장 기판을 지지하기 위한 서셉터(1200)와, 제1 가스 공급관(1300)과, 제2 가스 공급관(1420)을 갖는다. 제1 가스 공급관(1300)은, 적어도 하나 이상의 제1 가스 분출구를 가짐과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 제1 가스로서 공급한다. 제2 가스 공급관(1420)은, 질소 가스를 포함하는 가스를 제2 가스로서 공급한다. 샤워 헤드 전극(1100)은, 서셉터(1200)로부터 보아 제1 가스 공급관(1300)의 제1 가스 분출구보다 먼 위치에 배치되어 있다.

Description

III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING GROUP III NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR WAFER}
본 발명은, III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 플라즈마를 사용한 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN으로 대표되는 III족 질화물 반도체에서는, 그의 조성을 변화시킴으로써 밴드 갭이 0.6eV부터 6eV까지 변화한다. 그로 인해, III족 질화물 반도체는 근적외부터 심자외(深紫外)까지 넓은 범위의 파장에 상당하는 발광 소자나, 레이저 다이오드, 수광 소자 등에 응용되고 있다.
또한, III족 질화물 반도체에서는 파괴 전계 강도가 높고, 또한 융점이 높다. 그로 인해, III족 질화물 반도체는 GaAs계 반도체를 대신하는, 고출력, 고주파, 고온용의 반도체 디바이스의 재료로서 기대되고 있다. 그로 인해, HEMT 소자 등이 연구 개발되고 있다.
III족 질화물 반도체를 에피택셜(epitaxial) 성장시키는 방법으로서, 예를 들어 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD법)이 있다. MOCVD법에서는 대량의 암모니아 가스를 사용한다. 그로 인해, MOCVD 로(爐)에 암모니아를 제외하는 제해(除害) 장치를 설치할 필요가 있다. 또한, 암모니아의 운전 비용도 높다. 그리고, 유기 금속 가스와 암모니아의 반응에 의해 반도체층을 형성한다. 이 반응을 일으키기 위해서, 기판 온도를 고온으로 할 필요가 있다. 기판 온도가 높으면, In 농도가 높은 InGaN층을 고품질로 성장시키는 것은 어렵다. 또한, 성장 기판과 반도체층의 열 팽창 차의 차이에 의해, 휨이 발생하기 쉽다.
또한, III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시키는 방법으로서, 예를 들어 분자선 애피택시법(MBE법)을 들 수 있다. MBE법에서는, 낮은 성장 온도에서 III족 질화물 반도체를 성장시킬 수 있다. 그러나, 라디칼원을 사용하는 RF-MBE법에서는 성장 속도가 느리다. 즉, RF-MBE법은 양산에 적합하지 않다. 암모니아 가스를 사용하는 MBE법에서는 대량의 암모니아 가스를 사용하기 때문에, 제조 비용이 높다.
일본 특허 공개 (평)11-36078호 공보
한편, 플라즈마를 사용하는 플라즈마 MOCVD 장치도 연구되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 플라즈마 MOCVD 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1에서는, 산화마그네슘막을 형성할 수 있다고 되어 있다(특허문헌 1의 단락 [0020]-[0021]). 그러나, 플라즈마 MOCVD법에 의해 III족 질화물 반도체를 성장시키는 경우에는, 양질의 결정은 얻어지지 않고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 그 과제란, 양산에 적합함과 동시에, 종래와 비교하여 저온 하에서 III족 질화물 반도체를 성장시키는 것을 도모한, III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법을 제공하는 것이다.
제1 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치는, 제1 전극과, 성장 기판을 지지하기 위한 기판 지지부와, 기판 지지부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급관과, 기판 지지부에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급관을 갖는다. 제1 가스 공급관은, 적어도 하나 이상의 제1 가스 분출구를 가짐과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 제1 가스로서 공급하는 것이다. 제2 가스 공급관은, 질소 가스를 포함하는 가스를 제2 가스로서 공급하는 것이다. 그리고, 제1 전극은 기판 지지부로부터 보아 제1 가스 공급관의 제1 가스 분출구보다 먼 위치에 배치되어 있다.
이 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치는, 성장 기판 상에 III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시킨다. 제2 가스를 플라즈마화함과 동시에, 유기 금속 가스를 성장 기판에 공급한다. 적어도 질소 가스를 플라즈마화하고 있기 때문에, 기판 온도를 높게 하지 않고 III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시킬 수 있다. 성장시킨 III족 질화물 반도체의 결정성은 충분하다. 또한, 암모니아 가스를 사용할 필요가 없다. 그리고, 암모니아 가스를 회수하는 제해 장치를 설치할 필요가 없다.
제2 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에서, 제2 가스 공급관은 질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 제2 가스로서 공급한다. 그로 인해, 질소 라디칼이나 수소 라디칼 이외에, 질화 수소계의 화합물 등이 생성된다.
제3 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에서, 제1 전극은 제1 면으로부터 제2 면으로 관통하는 복수의 관통 구멍을 형성한 평판 전극이다. 제2 가스 공급관은, 제1 전극의 복수의 관통 구멍과 연통하고 있다. 이로 인해, 제2 가스를 양호한 효율로 플라즈마화할 수 있다.
제4 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에서는, 제1 전극과 제1 가스 분출구 사이의 거리가 30mm 이상이다. 이로 인해, 플라즈마 발생 영역이 제1 가스 분출구까지 미치기 어렵다.
제5 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에서는, 제1 전극과 기판 지지부 사이의 거리가 40mm 이상이다. 이로 인해, 전자나 그 밖의 이온이 성장 기판에 공급되는 것을 억제할 수 있다.
제6 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에서, 제1 가스 공급관은 링 형상의 링부를 갖는다. 제1 가스 분출구는 링부의 내측을 향하여 설치되어 있다.
제7 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치는 금속 메쉬 부재를 갖는다. 금속 메쉬 부재는, 제1 가스 공급관과 제1 전극 사이의 위치에 배치되어 있다. 이로 인해, 전자나 그 밖의 이온이 성장 기판에 공급되는 것을 억제할 수 있다.
제8 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치는, 제1 전극에 30MHz 이상 300MHz 이하의 주파수의 전위를 부여하는 RF 전원을 갖는다.
제9 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 방법은, 성장 기판의 주면(主面)에 III족 질화물 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 공정을 갖는다. 그리고 반도체층 형성 공정에서는, 질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마화한 혼합 가스를 성장 기판에 공급함과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 성장 기판에 공급한다.
제10 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼의 제조 방법은, 웨이퍼의 주면에 III족 질화물 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 공정을 갖는다. 그리고 반도체층 형성 공정에서는, 질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마화한 혼합 가스를 성장 기판에 공급함과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 성장 기판에 공급한다.
본 발명에서는, 양산에 적합함과 동시에, 종래와 비교하여 저온 하에서 III족 질화물 반도체를 성장시키는 것을 도모한, III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법이 제공되고 있다.
도 1은, 제1 실시 형태에 따른 제조 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 제2 실시 형태에 따른 발광 소자의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은, 제3 실시 형태에 따른 MIS형 반도체 소자의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
이하 구체적인 실시 형태에 대해서, 양산에 적합한 방법이며, 비교적 저온 하에서 III족 질화물 반도체를 성장시키는 것을 도모한, III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치 및 제조 방법 및 반도체 웨이퍼의 제조 방법을 예를 들어 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시 형태)
1. III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치
도 1은, 본 실시 형태에 있어서의 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치(1000)의 개략 구성도이다. 제조 장치(1000)는, 질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고, 그 플라즈마화한 플라즈마 생성물을 성장 기판에 공급함과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 성장 기판에 공급하는 장치이다.
제조 장치(1000)는, 로 본체(1001)와, 샤워 헤드 전극(1100)과, 서셉터(1200)와, 가열기(1210)와, 제1 가스 공급관(1300)과, 가스 도입실(1410)과, 제2 가스 공급관(1420)과, 금속 메쉬(1500)와, RF 전원(1600)과, 매칭 박스(matching box)(1610)와, 제1 가스 공급부(1710)와, 제2 가스 공급부(1810)와, 가스 용기(1910, 1920, 1930)와, 항온조(1911, 1921, 1931)와, 질량 유량 제어기(1720, 1820, 1830, 1840)를 갖고 있다. 또한, 제조 장치(1000)는 배기구(도시하지 않음)를 갖고 있다.
샤워 헤드 전극(1100)은 주기적인 전위가 부여되는 제1 전극이다. 샤워 헤드 전극(1100)은, 예를 들어 스테인리스제이다. 물론, 그 이외의 금속일 수도 있다. 샤워 헤드 전극(1100)은 평판 형상의 전극이다. 그리고 샤워 헤드 전극(11OO)에는, 표면으로부터 이면으로 관통하는 복수의 관통 구멍(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 그리고, 이들 복수의 관통 구멍은 가스 도입실(1410) 및 제2 가스 공급관(1420)과 연통하고 있다. 이로 인해, 가스 도입실(1410)로부터 로 본체(1001)의 내부에 공급되는 제2 가스는 적절하게 플라즈마화된다. RF 전원(1600)은 샤워 헤드 전극(1100)에 고주파 전위를 부여하는 전위 부여부이다.
서셉터(1200)는 기판(Sa1)을 지지하기 위한 기판 지지부이다. 서셉터(1200)의 재질은, 예를 들어 그래파이트이다. 또한, 그 이외의 도전체일 수도 있다. 여기서, 기판(Sa1)은 III족 질화물 반도체를 성장시키기 위한 성장 기판이다.
제1 가스 공급관(1300)은, 서셉터(1200)에 제1 가스를 공급하기 위한 것이다. 실제로는, 서셉터(1200)에 지지된 기판(Sa1)에 제1 가스를 공급하게 된다. 여기서 제1 가스란, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스이다. 또한, 그 밖의 캐리어 가스를 포함하고 있을 수도 있다. 제1 가스 공급관(1300)은 링 형상의 링부(1310)를 갖고 있다. 그리고 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310)에는, 12개의 관통 구멍(도시하지 않음)이 링부(1310)의 내측에 설치되어 있다. 이 관통 구멍은 제1 가스가 분출되는 분출구이다. 그로 인해, 제1 가스는 링부(1310)의 내측을 향해서 분출된다. 제1 가스 공급관(1300)은, 후술하는 바와 같이 플라즈마 발생 영역으로부터 이격된 위치에 위치하고 있다.
제2 가스 공급관(1420)은, 서셉터(1200)에 제2 가스를 공급하기 위한 것이다. 실제로는, 제2 가스를 가스 도입실(1410) 및 로 본체(1001)의 내부에 도입함과 동시에, 서셉터(1200)에 지지된 기판(Sa1)에 제2 가스를 공급하게 된다. 그리고 제2 가스 공급관(1420)은, 제2 가스를 로 본체(1001)의 내부에 공급한다. 여기서 제2 가스 공급관(1420)이 공급하는 제2 가스는, 적어도 질소 가스를 포함하는 가스이다. 제2 가스 공급관(1420)은, 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 제2 가스로서 공급할 수 있다. 가스 도입실(1410)은, 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 일단 수용함과 동시에, 샤워 헤드 전극(1100)의 관통 구멍에 이 혼합 가스를 공급하기 위한 것이다.
금속 메쉬(1500)는 하전 입자를 포획하기 위한 것이다. 금속 메쉬(1500)는, 예를 들어 스테인리스제이다. 물론, 그 이외의 금속일 수도 있다. 금속 메쉬(1500)는, 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200) 사이의 위치에 배치되어 있다. 그로 인해, 후술하는 바와 같이 플라즈마 발생 영역에서 발생한 하전 입자가, 서셉터(1200)에 지지되어 있는 성장 기판(Sa1)으로 향하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속 메쉬(1500)는 샤워 헤드 전극과 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310) 사이의 위치에 배치되어 있다. 그로 인해, 하전 입자가, 제1 가스 공급관(1300)으로부터 분출되는 III족 금속을 포함하는 유기 금속 분자에 충돌하는 것을 억제할 수 있다.
로 본체(1001)는 적어도, 샤워 헤드 전극(1100)과, 서셉터(1200)와, 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310)와, 금속 메쉬(1500)를 내부에 수용하고 있다. 로 본체(1001)는, 예를 들어 스테인리스제이다. 로 본체(1001)는 상기 이외의 도전체일 수도 있다.
로 본체(1001)와, 금속 메쉬(1500)와, 제1 가스 공급관(1300)은 도전성의 부재이고, 모두 접지되어 있다. 그로 인해, 샤워 헤드 전극(1100)에 전위가 부여되면, 샤워 헤드 전극(1100)과, 로 본체(1001) 및 금속 메쉬(1500) 및 제1 가스 공급관(1300) 사이에 전압이 인가되게 된다. 그리고, 로 본체(1001) 및 금속 메쉬(1500) 및 제1 가스 공급관(1300)의 적어도 1개 이상과, 샤워 헤드 전극(1100) 사이에 방전이 발생한다고 생각된다. 샤워 헤드 전극(1100)의 바로 아래에는, 고주파이며 고강도의 전계가 형성된다. 그로 인해, 샤워 헤드 전극(1100)의 바로 아래 위치는 플라즈마 발생 영역이다.
여기서 제2 가스, 즉 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스는, 이 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마화된다. 그리고, 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마 생성물이 발생한다. 이 경우에 있어서의 플라즈마 생성물이란, 질소 라디칼과, 수소 라디칼과, 질화 수소계의 화합물과, 전자와, 그 밖의 이온 등이다. 여기서 질화 수소계의 화합물이란, NH와, NH2와, NH3과, 이들의 여기 상태와, 그 밖의 것을 포함한다.
또한, 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200)는 충분히 이격되어 있다. 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200) 사이의 거리는 40mm 이상 200mm 이하이다. 보다 바람직하게는, 40mm 이상 150mm 이하이다. 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200) 사이의 거리가 짧으면, 플라즈마 발생 영역이 서셉터(1200)의 개소까지 넓어질 우려가 있다. 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200) 사이의 거리가 40mm 이상이면, 플라즈마 발생 영역이 서셉터(1200)의 개소까지 넓어질 우려가 거의 없다. 그로 인해, 하전 입자가 기판(Sa1)에 도달하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 샤워 헤드 전극(1100)과 서셉터(1200) 사이의 거리가 크면, 질소 라디칼이나 질화 수소계의 화합물 등이, 서셉터(1200)가 유지하는 기판(Sa1)에 도달하기 어려워지기 때문이다. 또한, 이 거리는 플라즈마 발생 영역의 크기와, 그 밖의 플라즈마 조건에도 의존한다.
샤워 헤드 전극(1100)은, 서셉터(1200)로부터 보아 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310)의 관통 구멍보다 먼 위치에 배치되어 있다. 샤워 헤드 전극(1100)과, 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310)의 관통 구멍 사이의 거리는 30mm 이상 190mm 이하이다. 보다 바람직하게는, 30mm 이상 140mm 이하이다. 하전 입자가 제1 가스에 혼입되는 것을 억제함과 동시에, 질소 라디칼이나 질화 수소계의 화합물 등이 기판(Sa1)에 도달하기 쉽게 하기 때문이다. 이로 인해, 플라즈마화된 제2 가스와, 플라즈마화되지 않은 제1 가스에 의해, 기판(Sa1)에 반도체층이 적층되게 된다. 또한, 이 거리는 플라즈마 발생 영역의 크기와, 그 밖의 플라즈마 조건에도 의존한다.
가열기(1210)는 서셉터(1200)를 개재하여, 서셉터(1200)에 지지되는 기판(Sa1)을 가열하기 위한 것이다.
질량 유량 제어기(1720, 1820, 1830, 1840)는 각각의 가스 유량을 제어하기 위한 것이다. 항온조(1911, 1921, 1931)에는 부동액(1912, 1922, 1932)이 채워져 있다. 또한, 가스 용기(1910, 1920, 1930)는, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 수용하기 위한 용기이다. 가스 용기(1910, 1920, 1930)에는, 각각 트리메틸갈륨과 트리메틸인듐과 트리메틸알루미늄이 수용되어 있다. 물론, 트리에틸갈륨 등, 그 밖의 III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스일 수도 있다.
2. 제조 장치의 제조 조건
제조 장치(1000)에 있어서의 제조 조건을 표 1에 나타내었다. 표 1에서 예를 든 수치 범위는 어디까지나 기준이고, 반드시 이 수치 범위일 필요는 없다. RF 파워는 100W 이상 1000W 이하의 범위 내이다. RF 전원(1600)이 샤워 헤드 전극(1100)에 부여하는 주기적인 전위의 주파수는 30MHz 이상 300MHz 이하의 범위 내이다. 기판 온도는 400℃ 이상 900℃ 이하의 범위 내이다. 또한, 기판 온도는 실온 이상일 수도 있다. 제조 장치(1000)의 내압은 1Pa 이상 10000Pa 이하의 범위 내이다.
Figure pat00001
3. 반도체 웨이퍼의 제조 방법
3-1. 기판의 클리닝
여기서, 본 실시 형태의 제조 장치(1000)를 사용한 반도체 웨이퍼의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 기판(Sa1)을 준비한다. 기판(Sa1)으로서, 예를 들어 c면 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 또한, 그 밖의 기판을 사용할 수도 있다. 기판(Sa1)을 제조 장치(1000)의 내부에 배치하고, 수소 가스를 공급하면서 기판 온도를 400℃ 정도까지 상승시킨다. 이에 의해, 기판(Sa1)의 표면을 환원함과 동시에, 기판(Sa1)의 표면을 클리닝한다. 기판 온도를 이 이상의 온도로 할 수도 있다.
3-2. 반도체층 형성 공정
이어서, RF 전원(1610)을 온(ON)으로 한다. 그리고, 제2 가스 공급관(1420)으로부터 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급한다. 그리고, 샤워 헤드 전극(1100)의 관통 구멍으로부터 로 본체(1001)의 내부에 공급된 혼합 가스는, 샤워 헤드 전극(1100)의 바로 아래에서 플라즈마화된다. 그로 인해, 샤워 헤드 전극(1100)의 바로 아래에 플라즈마 발생 영역이 생성된다. 이 때에 질소 라디칼과 수소 라디칼이 생성된다. 그리고 질소 라디칼과 수소 라디칼이 반응하여, 질화 수소계의 화합물이 생성된다고 생각된다. 또한, 전자나 그 밖의 하전 입자도 생성된다.
그리고, 이들 질소 라디칼과 수소 라디칼과 질화 수소계의 화합물과 전자와 그 밖의 하전 입자를 포함한 라디칼 혼합 기체는, 기판(Sa1)을 향하여 송출된다. 이 라디칼 혼합 가스의 발생 개소는 샤워 헤드 전극(1100)의 바로 아래이다. 샤워 헤드 전극(1100)으로부터 기판(Sa1)까지의 거리는 충분히 넓기 때문에, 라디칼 혼합 기체 중, 전자나 이온 등의 하전 입자는 기판(Sa1)까지 도달하기 어렵다. 또한, 하전 입자는 금속 메쉬(1500)에 포획되기 쉽다. 그로 인해, 기판(Sa1)을 향하여 공급되는 것은 질소 라디칼과 수소 라디칼에 더하여, 질화 수소계의 화합물이라고 생각된다. 통상의 암모니아에 비하여 이들 질소 라디칼이나 질화 수소계의 화합물의 반응성은 높다. 그로 인해, 종래에 비하여 낮은 온도에서 반도체층을 에피택셜 성장시킬 수 있다.
한편, 제1 가스 공급관(1300)의 링부(1310)로부터, III족 금속의 유기 금속 가스를 공급한다. 예를 들어, 트리메틸갈륨과 트리메틸인듐과 트리메틸알루미늄을 들 수 있다. 이들 가스는 기판(Sa1)을 향하는 라디칼 혼합 기체에 휩쓸려 기판(Sa1)에 공급되게 된다. III족 금속의 유기 금속 가스는 플라즈마화되지 않고, 기판(Sa1)에 공급된다.
이와 같이, 본 실시 형태의 반도체 웨이퍼의 제조 방법에서는, 질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고, 그 플라즈마화한 플라즈마 생성물을 성장 기판에 공급함과 동시에, III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 성장 기판에 공급한다.
3-3. 반도체 웨이퍼
이렇게 해서, 기판(Sa1)의 주면에 III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시킨다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼가 제조된다. 이 반도체 웨이퍼에 있어서의 III족 질화물 반도체의 결정성은 양호하다.
4. 종래의 MOCVD 로와의 차이
이와 같이, 기판 온도를 높은 온도로 하지 않고 III족 질화물 반도체를 성장시킬 수 있다. 그로 인해, 기판 온도가 높으면 결정 성장이 곤란한 고In 농도의 InGaN층 등을 성장시키는데도 적합하다. 또한, 대량의 암모니아 가스를 흘려줄 필요가 없다. 그로 인해, 암모니아 가스를 제거하는 제해 장치를 설치할 필요가 없다. 그로 인해, 제조 장치 바로 그 자체의 비용이 낮다. 또한, 운전 비용을 억제할 수도 있다.
5. 변형예
5-1. 링부의 관통 구멍
본 실시 형태에서는, 제1 가스 공급관(1300)이 링부(1310)의 내측에 관통 구멍을 갖는 것으로 하였다. 그러나, 이 관통 구멍의 위치를, 링의 내측이며 하향으로 할 수도 있다. 링부(1310)를 포함하는 면과, 관통 구멍의 개구부 방향이 이루는 각의 각도는 예를 들어 45°이다. 이 각의 각도는, 예를 들어 0°이상 60°이하의 범위 내에서 변경할 수도 있다. 이 각도는 물론, 링부(1310)의 직경이나, 링부(1310)와 서셉터(1200) 사이의 거리에도 의존한다. 또한, 관통 구멍의 개수는 하나 이상일 수 있다. 물론, 링부(1310)에 등간격으로 관통 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
6. 본 실시 형태의 정리
본 실시 형태의 제조 장치(1000)는, 성장 기판 상에 III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시킨다. 질소 가스와 수소 가스의 혼합 기체를 플라즈마화함과 동시에, III족 금속 가스를 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 성장 기판에 공급한다. 질소 가스를 수소 가스와 혼합시켜서 플라즈마화하고 있기 때문에, 기판 온도를 높게 하는 일 없이 III족 질화물 반도체를 에피택셜 성장시킬 수 있다. 성장시킨 III족 질화물 반도체의 결정성은 충분하다. 또한, 암모니아 가스를 사용할 필요가 없다. 그로 인해, 본 실시 형태의 제조 장치에는, 암모니아를 제거하기 위한 제해 장치를 설치할 필요가 없다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 반도체 디바이스는 III족 질화물 반도체층을 갖는 반도체 발광 소자이다.
1. 반도체 발광 소자
본 실시 형태의 발광 소자(100)를 도 2에 나타내었다. 발광 소자(100)는, III족 질화물 반도체층을 갖는다. 발광 소자(100)는 기판(110)과, 버퍼층(120)과, n-GaN층(130)과, 발광층(140)과, p-AlGaN층(150)과, p-GaN층(160)과, p전극(P1)과, n전극(N1)을 갖는다. 발광층(140)은 웰(well)층과 장벽층을 갖는다. 웰층은, 예를 들어 InGaN층을 갖고 있다. 장벽층은, 예를 들어 AlGaN층을 갖고 있다. 이 적층 구조는 예시이고, 상기 이외의 적층 구조일 수도 있다.
2. 반도체 발광 소자의 제조 방법
2-1. 반도체층 형성 공정
본 실시 형태의 제조 장치(1000)를 사용하여, 기판(110) 상에 III족 질화물 반도체층을 형성한다. 여기에서 사용하는 조건은, 제1 실시 형태에서 설명한 반도체 웨이퍼의 제조 방법과 거의 마찬가지이다. 기판(110) 상에 버퍼층(120)과, n-GaN층(130)과, 발광층(140)과, p-AlGaN층(150)과, p-GaN층(160)을 형성한다. 상기의 각 반도체층을 형성하기 위해서, 적절히 원료 가스를 전환할 수 있다.
2-2. 오목부 형성 공정
이어서, ICP 등의 에칭에 의해, p-GaN층(160)으로부터 n-GaN층(130)의 도중까지 달하는 오목부를 형성한다. 이것으로부터, n-GaN층(130)의 노출부(131)가 노출된다.
2-3. 전극 형성 공정
이어서, n-GaN층(130)의 노출부 상에 n전극(N1)을 형성한다. 또한, p-GaN층(160) 상에 p전극(P1)을 형성한다.
2-4. 그 밖의 공정
어닐링 공정이나, 절연막을 형성하는 공정 등, 그 밖의 공정을 실시할 수도 있다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 반도체 디바이스는, III족 질화물 반도체층을 갖는 MIS형 반도체 소자이다.
1. MIS형 반도체 소자
도 3에 나타내는 바와 같이, MIS형 반도체 소자(200)는 기판(210)과, 버퍼층(220)과, GaN층(230)과, AlGaN층(240)과, 절연막(250)과, 소스 전극(S1)과, 게이트 전극(G1)과, 드레인 전극(D1)을 갖고 있다. 소스 전극(S1) 및 드레인 전극(D1)은 AlGaN층(240) 상에 형성되어 있다. 게이트 전극(G1)과 AlGaN층(240)의 홈(241) 사이에는, 절연막(250)이 있다.
2. MIS형 반도체 소자의 제조 방법
2-1. 반도체층 형성 공정
본 실시 형태의 제조 장치(1000)를 사용하여, 기판(210) 상에 III족 질화물 반도체층을 형성한다. 여기에서 사용하는 조건은, 제1 실시 형태에서 설명한 반도체 웨이퍼의 제조 방법과 거의 동일하다. 기판(210) 상에 버퍼층(220)과, GaN층(230)과, AlGaN층(240)을 형성한다. 상기의 각 반도체층을 형성하기 위해서, 적절히 원료 가스를 전환할 수 있다.
2-2. 오목부 형성 공정
이어서, ICP 등의 에칭에 의해 AlGaN층(240)에 홈(241)을 형성한다.
2-3. 절연막 형성 공정
이어서, 홈(241)에 절연막(250)을 형성한다.
2-4. 전극 형성 공정
이어서, AlGaN층(240) 상에 소스 전극(S1) 및 드레인 전극(D1)을 형성한다. 또한, 홈(241)의 개소에, 절연막(250)을 개재하여 게이트 전극(G1)을 형성한다. 또한, 소스 전극(S1) 및 드레인 전극(D1)에 대해서는, 절연막(250)을 형성하기 전에 형성할 수도 있다. 이상에 의해, MIS형 반도체 소자(200)가 제조된다.
[실시예]
A. 실시예
본 실험에서는, 도 1에 나타내는 제조 장치(1000)를 사용하여 실험을 행하였다. RF 파워는 400W였다. 플라즈마 가스로서, 질소 가스 750sccm과 수소 가스 250sccm을 혼합한 혼합 가스를 공급하였다. III족 금속의 유기 금속 가스에 대해서는, 0.025sccm 내지 2.0sccm 사이로 설정하여 공급하였다. 제조 장치(1000)의 내압은 100Pa이었다.
성장 기판으로서, 직경 50mm, 두께 600㎛의 c면 사파이어 기판을 사용하였다. 사파이어 기판을 400℃까지 승온한 후에, 10분간 유지하였다. 그 후, AlN을 포함하는 버퍼층을 형성하였다. 이어서, 기판 온도를 800℃로 하고, 버퍼층 상에 GaN층을 형성하였다. GaN층의 두께는 2.0㎛였다. 성막 속도는 약 2㎛/hr였다.
성막 후의 GaN층을 X선 회절에 의해 평가하였다. 그 결과, 사파이어 기판 상에 GaN층이 에피택셜 성장한 곳을 관측할 수 있었다. 회절각은 이론값인 34.5°에 매우 가까운 값이었다. 또한, 광 발광을 측정하였다. 그리고, 강한 밴드 에지(band edge) 발광을 검출하였다.
B. 비교예
본 실험에서는, 통상의 MOCVD 로를 사용하여 실험을 행하였다. III족 금속의 유기 금속 가스의 캐리어 가스로서, 수소 가스를 유속 3.5m/sec로 흘렸다. MOCVD 로의 내압은 25Torr였다.
성장 기판으로서, 직경 50mm, 두께 600㎛의 c면 사파이어 기판을 사용하였다. 사파이어 기판을 1210℃까지 승온시킨 후에, 10분간 유지하였다. 그 후, 버퍼층을 형성하였다. 이어서, 기판 온도를 1000℃로 하고, 버퍼층 상에 GaN층을 형성하였다. GaN층의 두께는 3.0㎛였다. 성막 속도는 약 2㎛/hr였다.
성막 후의 GaN층을 X선 회절에 의해 평가하였다. 그 결과, 사파이어 기판 상에 GaN층이 에피택셜 성장한 곳을 관측할 수 있었다. 회절각은 이론값인 34.5°에 매우 가까운 값이었다. 또한, 광 발광을 측정하였다. 그리고, 강한 밴드 에지 발광을 검출하였다. 그 광의 강도는 실시예의 경우와 거의 동일하였다.
C. 실험의 정리
상기한 바와 같이 실시예에서는, 균일하고 두께가 충분한 GaN 결정을 충분한 성막 속도로 성장시킬 수 있었다. 이 GaN 결정의 결정성은 충분한 것이었다. 또한, 기판 온도도 비교예에 비교하여 낮다. 이로 인해, 제조 장치(1000)는 III족 질화물 반도체 장치를 양산하는데도 적합하다. 또한, 암모니아 가스를 사용할 필요가 없다.
또한, GaN층을 성막한 후의 제조 장치(1000)의 배기구 내측에는, 암모니아를 성분으로서 포함하는 피막이 형성되어 있었다. 실시예에서는, 암모니아 가스를 제조 장치(1000)의 내부에 공급하고 있지 않다. 따라서, 플라즈마 영역에서 생성된 질소 라디칼과 수소 라디칼이 반응하여, 암모니아 가스를 생성했을 가능성이 있다.
1000…제조 장치
1001…로 본체
1100…샤워 헤드 전극
1200…서셉터
1210…가열기
1300…제1 가스 공급관
1410…가스 도입실
1420…제2 가스 공급관
1500…금속 메쉬
1600…RF 전원
1610…매칭 박스

Claims (10)

  1. III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치에 있어서,
    제1 전극과,
    성장 기판을 지지하기 위한 기판 지지부와,
    상기 기판 지지부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급관과,
    상기 기판 지지부에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급관
    을 갖고,
    상기 제1 가스 공급관은
    적어도 하나 이상의 제1 가스 분출구를 가짐과 동시에,
    III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 제1 가스로서 공급하는 것이고,
    상기 제2 가스 공급관은
    질소 가스를 포함하는 가스를 제2 가스로서 공급하는 것이고,
    상기 제1 전극은
    상기 기판 지지부로부터 보아 상기 제1 가스 공급관의 상기 제1 가스 분출구보다 먼 위치에 배치되어 있는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가스 공급관은
    질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 제2 가스로서 공급하는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은
    제1 면으로부터 제2 면으로 관통하는 복수의 관통 구멍이 설치된 평판 전극이고,
    상기 제2 가스 공급관은
    상기 제1 전극의 상기 복수의 관통 구멍과 연통하고 있는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제1 가스 분출구 사이의 거리가 30mm 이상인 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 기판 지지부 사이의 거리가 40mm 이상인 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급관은
    링 형상의 링부를 가짐과 동시에,
    상기 제1 가스 분출구는
    상기 링부의 내측을 향하여 설치되어 있는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 메쉬 부재를 갖고,
    상기 금속 메쉬 부재는
    상기 제1 가스 공급관과 상기 제1 전극 사이의 위치에 배치되어 있는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극에 30MHz 이상 300MHz 이하의 주파수의 전위를 부여하는 RF 전원을 갖는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 장치.
  9. 성장 기판의 주면(主面)에 III족 질화물 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 공정을 갖는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고,
    플라즈마화한 상기 혼합 가스를 상기 성장 기판에 공급함과 동시에,
    III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 상기 성장 기판에 공급하는 것
    을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 웨이퍼의 주면에 III족 질화물 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 반도체층 형성 공정을 갖는 반도체 웨이퍼의 제조 방법에 있어서,
    질소 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 플라즈마화하고,
    플라즈마화한 상기 혼합 가스를 상기 성장 기판에 공급함과 동시에,
    III족 금속을 포함하는 유기 금속 가스를 플라즈마화하지 않고 상기 성장 기판에 공급하는 것
    을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 제조 방법.
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