TW202311553A - Ⅲ族氮化物半導體的製造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種能製造碳含量小且表面形態良好的Ⅲ族氮化物半導體之技術。Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係具備搬入工序(步驟S1)、減壓工序(步驟S2)、加熱工序(步驟S3)、第一成膜工序(步驟S5)以及第二成膜工序(步驟S6)。於搬入工序(步驟S1)中將基板搬入腔室內。於減壓工序(步驟S2)中使腔室內的壓力降低。於加熱工序(步驟S3)中加熱基板。於第一成膜工序(步驟S5)中，將含有Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至腔室內的基板，將包含氫氣體以及氮氣體的第一氣體予以電漿激發並供給至腔室內的基板。在第二成膜工序(步驟S6)中，將包含該Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至腔室內，將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體予以電漿激發並供給至腔室內的基板。

Description

Ⅲ族氮化物半導體的製造方法
本發明關於一種Ⅲ族氮化物半導體的製造方法。
以往，已提案一種利用了電漿之有機金屬氣相成長法(例如專利文獻1)。在此專利文獻1所記載之製造裝置中，於腔室(chamber)內，一邊使氮(N 2)氣體與氫(H 2)氣體的混合氣體電漿化，一邊將Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至腔室內。藉此，能以相對低溫於基板形成Ⅲ族氮化物半導體膜。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第6516482號公報。
[發明所欲解決之課題]
於專利文獻1所記載的技術中，能以低溫形成Ⅲ族氮化物半導體膜，然而另一方面也存在當溫度變低時將較多的碳混入至半導體膜的內部的問題。當半導體膜中的碳含量增加時，半導體膜的體移動率(bulk mobility)降低，膜質降低。
此外，作為用以評價Ⅲ族氮化物半導體膜之特性，除了體移動率之外亦有表面形態(surface morphology)。期望表面形態良好。
因此，本發明的目的在於提供一種能製造碳含量小且表面形態良好的Ⅲ族氮化物半導體之技術。 [用以解決課題之手段]
第一態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法為：一種Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，係具備：搬入工序，係將基板搬入腔室內；減壓工序，係由吸引部使前述腔室內的壓力降低；加熱工序，係由設置於前述腔室內的加熱器加熱前述基板；第一成膜工序，係由第一氣體供給部將含有Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至前述腔室內的前述基板，由第二氣體供給部將包含氫氣體以及氮氣體的第一氣體供給至電漿產生部，前述電漿產生部係將前述第一氣體予以電漿激發並供給至前述腔室內的前述基板；以及第二成膜工序，係由前述第一氣體供給部將包含前述Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至前述腔室內的前述基板，由前述第二氣體供給部將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體供給至前述電漿產生部，前述電漿產生部係將前述第二氣體予以電漿激發並供給至前述腔室內的前述基板。
第二態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述第一成膜工序與前述第二成膜工序之間進一步具備：氫氣體去除工序，係從前述腔室將前述氫氣體排氣。
第三態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第二態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述氫氣體去除工序係進行至前述腔室內的氫氣體的分壓成為1×10 -8Pa以下為止。
第四態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述第二成膜工序係接續於前述第一成膜工序被進行。
第五態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第一態樣至第四態樣中任一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述第二成膜工序中，關閉用以切換前述有機金屬氣體的供給以及停止供給之前述第一氣體供給部的閥並經過預定時間後，停止前述第二氣體供給部所為之前述第二氣體的供給以及前述電漿產生部的動作，從而使前述第二成膜工序結束。
第六態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第一態樣至第五態樣中任一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述加熱工序中將基板的溫度加熱至600℃以上至1000℃以下。
第七態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法係如第一態樣至第六態樣中任一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述有機金屬氣體係包含三甲基鎵(trimethylgallium)、三乙基鎵(triethylgallium)或者三(二甲胺基)鎵(tris(dimethylamido)gallium)。 [發明功效]
依據第一態樣至第七態樣中任一態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法， 在第一成膜工序中於成為電漿化的對象之第一氣體含有氫氣體。藉此，能以高的膜厚均勻性使Ⅲ族氮化物半導體結晶成長於不同種類的材料的基板。
另一方面，在第二成膜工序中，未於成為電漿化的對象之第二氣體包含氫。藉此，能在第二成膜工序中形成碳含量小的Ⅲ族氮化物半導體。
此外，在第二成膜工序中，使相同種類的Ⅲ族氮化物半導體結晶成長於藉由第一成膜工序所形成之平坦的Ⅲ族氮化物半導體上。因此，在第二成膜工序中亦能形成平坦的Ⅲ族氮化物半導體。
如上所述，能形成碳含量小且表面形態良好的Ⅲ族氮化物半導體。
依據第二態樣以及第三態樣所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，能在腔室內的氫氣體的量較少的狀態下進行第二成膜工序。因此，能進一步地減少在第二成膜工序中所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳含量。
依據第四態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，能以高的處理量(throughput)形成Ⅲ族氮化物半導體。
依據第五態樣的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，由於腔室內的壓力低，因此即使在閥的封閉後有機金屬氣體亦會被供給至腔室內。依據第五態樣，由於電漿產生部生成氮自由基直至經過預定時間，因此有機金屬氣體係與氮自由基反應。因此，即使在預定時間中亦會結晶成長Ⅲ族氮化物半導體。
為了比較，說明與閥的封閉同時地使電漿產生部停止動作之情形。在此種情形中，有機金屬氣體並不與氮反應而是與Ⅲ族氮化物半導體反應。藉此，會有導致Ⅲ族氮化物半導體的表面狀態的惡化的疑慮。
相對於此，在第五態樣中，由於即使在預定時間中有機金屬氣體亦會與氮自由基反應，因此能抑制或者避免表面狀態的惡化。
於下文中，一邊參照隨附的圖式一邊說明實施形態。另外，在此實施形態所記載的構成要素僅為示例，並非旨在將本發明的範圍限定於僅止於這些實施形態。在圖式中，為了容易理解，可能會因應所需而將各部位的尺寸或是數量予以誇張或者簡化而圖示。
只要未特別地說明，則用以表示相對性或者絕對性的位置關係之表現(例如「朝一方向」、「沿著一方向」、「平行」、「正交」、「中心」、「同心」以及「同軸」等)係不僅嚴密地表示所指稱的位置關係，亦表示在公差或者能獲得相同程度的功能之範圍內角度或者距離已相對性地位移的狀態。只要未特別地說明，則用以表示相等的狀態之表現(例如「相同」、「相等」以及「均質」等)係不僅表示定量地且嚴密地相等的狀態，亦表示存在公差或者能獲得相同程度的功能之誤差的狀態。只要未特別地說明，則用以表示形狀之表現(例如「四角形狀」或者「圓筒形狀」等)係不僅幾何學性地且嚴密地表示所指稱的形狀，亦表示在能獲得相同程度的功效的範圍內具有例如凹凸或者倒角等的形狀。「具備」、「具有」、「具備有」、「含有」或者「包含」一個構成要素之此種表現並非是將其他的構成要素的存在排除之排他式的表現。「A、B以及C的至少任一者」之此種表現係包含只有A、只有B、只有C、A至C中的任兩者、A至C全部。
[第一實施形態] [Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的概要] 圖1係概略性地顯示Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的構成的一例之圖。該Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100為成膜裝置，用以藉由利用了電漿的有機金屬氣相成長法而於基板W的主表面形成Ⅲ族氮化物半導體膜。Ⅲ族氮化物半導體係例如活用於橫型的電晶體。
基板W係例如為藍寶石、碳化矽或者矽等基板。基板W係例如具有圓板形狀。由於Ⅲ族氮化物半導體膜係結晶成長於該基板W的主表面，因此基板W亦能被稱為成長基板。另外，基板W的材質以及形狀並不限在此，能夠適當變更。
Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100係包含腔室1、基板保持部2、第一氣體供給部3、電漿產生部4、第二氣體供給部5、吸引部6、加熱器7以及控制部9。以下在概述各個構成之後敘述各個構成的具體的一例。
腔室1係具有箱形的中空形狀。腔室1的內部空間係相當於用以對基板W進行成膜處理之處理空間。腔室1亦被稱為真空腔室。
基板保持部2係設置於腔室1內。基板保持部2係以水平姿勢保持基板W。在此所稱的水平姿勢為基板W的厚度方向沿著鉛直方向之姿勢。
吸引部6係吸引腔室1內的氣體並使腔室1內的壓力降低。吸引部6係將腔室1內的壓力調整至適合成膜處理之預定的減壓範圍內。
加熱器7係設置於腔室1內，用以加熱基板W。具體而言，加熱器7係加熱基板W，使得基板W的溫度成為適合成膜處理的溫度範圍內。
第一氣體供給部3係將含有Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至腔室1內的基板W。Ⅲ族元素亦被稱為第13族元素，例如為鎵。在此種情形中，作為有機金屬氣體，能採用TMGa(三甲基鎵)、TEGa(三乙基鎵)或者TDMAGa(三(二甲胺基)鎵) 。
第二氣體供給部5係將含有V族元素的氣體供給至電漿產生部4。V族元素亦被稱為第15族元素，在此為氮。第二氣體供給部5係將含有氮氣體以及氫氣體的第一氣體供給至電漿產生部4，或者將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體供給至電漿產生部4。亦即，第二氣體供給部5係選擇性地將氫氣體供給至電漿產生部4。針對此種氣體的切換係於後面詳細說明。以下，亦將第二氣體供給部5供給至電漿產生部4的氣體稱為V族氣體。
電漿產生部4係將V族氣體予以電漿激發。亦即，電漿產生部4係使V族氣體電漿化。藉此，生成反應性高的離子或者中性自由基等活性物種。在V族氣體含有氫氣體以及氮氣體之情形中，生成氫自由基以及氮自由基作為活性物種。在V族氣體未含有氫而是含有氮氣體之情形中，不生成氫自由基而是生成氮自由基。在圖1的例子中，電漿產生部4係具有電漿室4a；V族氣體係在電漿室4a中電漿化從而產生與V族氣體的種類相應的上述活性物種。活性物種係從電漿室4a流出並於腔室1內朝向基板W流動。藉此，活性物種係被供給至腔室1內的基板W。
控制部9係統括性地控制Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的整體。例如，控制部9係控制基板保持部2、第一氣體供給部3、電漿產生部4、第二氣體供給部5、吸引部6以及加熱器7。
接著，詳細地說明各個構成的具體性的一例。
[基板保持部2] 基板保持部2係以水平姿勢保持基板W。在圖1的例子中，基板保持部2係包含基座(susceptor)21以及基座保持部22。基座21為用以載置基板W的載台，且具有例如平板形狀。基座21係以水平姿勢設置，基板W係以水平姿勢載置於基座21的上表面。載置於基座21之基板W的上表面係暴露於腔室1內。
基座保持部22係設置於腔室1內，用以保持基座21。在圖1的例子中，基座保持部22係包含保持台221以及保持突起222。保持台221係設置於比基座21還要鉛直下方，於鉛直方向中隔著間隔而與基座21彼此對向。保持台221係例如具有水平的上表面，保持突起222係豎立地設置於保持台221的上表面。例如，保持突起222係設置複數個且沿著基座21的下表面的周緣部並排設置。保持突起222的前端係與基座21抵接並支撐或是保持基座21。
在圖1的例子中，基板保持部2係進一步具備旋轉機構23。旋轉機構23係使基座保持部22繞著旋轉軸線Q1旋轉。旋轉軸線Q1為通過基板W的中心部且沿著鉛直方向之軸。旋轉機構23係例如具有軸件(shaft)以及馬達。軸件的上端係與保持台221的下表面連結。軸件係沿著旋轉軸線Q1延伸，並以能夠繞著旋轉軸線Q1旋轉的方式被樞轉支撐於腔室1。馬達係使軸件繞著旋轉軸線Q1旋轉。藉此，基座保持部22、基座21以及基板W係繞著旋轉軸線Q1一體性地旋轉。
[加熱器7] 加熱器7係於腔室1內將由基板保持部2所保持之基板W加熱。在圖1的例子中，加熱器7係設置於比基座21還要鉛直下方，並於鉛直方向與基座21對向。在圖1的例子中，加熱器7係設置於基座21與保持台221之間，且設置於比保持突部222還要徑方向內側。加熱器7係可為例如包含電熱絲之電阻式的加熱器，或者亦可為包含光源之光學式的加熱器，該光源係用於照射加熱用的光線。
在此，加熱器7係設置為不繞著旋轉軸線Q1旋轉。換言之，加熱器7並不旋轉。例如，旋轉機構23的軸件為中空軸，加熱器7係經由貫穿該中空軸的中空部之固定構件71而固定於腔室1。
[吸引部6] 吸引部6係吸引腔室1內的氣體。在圖1的例子中，吸引部6係包含吸引管61以及吸引機構62。吸引管61的上游端係連接至腔室1的排氣口1a。在圖1的例子中，排氣口1a係形成於比被基板保持部2所保持之基板W還要鉛直下方，且例如形成於腔室1的側壁。吸引機構62為例如泵(更具體而言是真空泵)，並連接至吸引管61。吸引機構62係被控制部9控制，通過吸引管61來吸引腔室1內的氣體。
[第二氣體供給部5] 第二氣體供給部5係向電漿產生部4(更具體而言是電漿室4a)供給V族氣體。如圖1所示，第二氣體供給部5係包含氮氣體供給部51以及氫氣體供給部52。氮氣體供給部51係對電漿產生器4供給氮氣體，氫氣體供給部52係對電漿產生器4供給氫氣體。
在圖1的例子中，氮氣體供給部51係包含供給管511、閥512以及流量調整部513。在圖1的例子中，供給管511的下游端係連接於共通管50的上游端，供給管511的上游端係連接於氮氣體供給源514。氮氣體供給源514係將氮氣體供給至供給管511的上游端。共通管50的下游端係連接於電漿產生器4。
閥512係夾設於供給管511。閥512係被控制部9控制，打開閥512，藉此氮氣體係從氮氣體供給源512通過供給管511以及共通管50被供給至電漿產生部4。關閉閥512，藉此停止供給氮氣體。
流量調整部513係夾設於供給管511。流量調整部513係被控制部9控制，用以調整於供給管511流動之氮氣體的流量。流量調整部513係例如為質量流量控制器(mass flow controller)。
在圖1的例子中，氫氣體供給部52係包含供給管521、閥522以及流量調整部523。在圖1的例子中，供給管521的下游端係連接於共通管50的上游端，供給管521的上游端係連接於氫氣體供給源524。氫氣體供給源524係將氫氣體供給至供給管521的上游端。
閥522係夾設於供給管521。閥522係被控制部9控制，打開閥522，藉此氫氣體係從氫氣體供給源524通過供給管521以及共通管50被供給至電漿產生部4。關閉閥522，藉此停止供給氫氣體。
流量調整部523係夾設於供給管521。流量調整部523係被控制部9控制，從而調整於供給管521流動的氫氣體的流量。流量調整部523係例如為質量流量控制器。
打開閥512以及閥522，藉此第二氣體供給部5係能將含有氮氣體以及氫氣體的第一氣體作為V族氣體供給至電漿產生部4。打開閥512並關閉閥522，藉此第二氣體供給部5係將未包含氫而是包含氮氣體的第二氣體作為V族氣體供給至電漿產生部4。如此，第二氣體供給部5係能切換第一氣體以及第二氣體來作為V族氣體。
[電漿產生部4] 電漿產生部4係使從第二氣體供給部5所供給之V族氣體電漿化。在圖1的例子中，電漿產生部4係設置於腔室1的頂板部。電漿產生部4係包含導電構件41以及電漿用電源43。導電構件41係設置於電漿室4a內，電漿用電源43係與導電構件41電性連接。電漿用電源43係被控制部9控制，並將用於電漿的電壓(例如高頻電壓)施加至導電構件41。藉此，於導電構件41的周圍形成用來生成電漿之電場(或是磁場)。
在圖1的例子中顯示電極411以及電極412作為導電構件41。電極411與電極412係設置成於水平方向中彼此隔著間隔並彼此對向。電漿用電源43係與電極411以及電極412電性連接，並將用於電漿的電壓施加至電極411與電極412之間。電漿用電源43係例如將高頻電壓輸出至電極411與電極412之間。藉此，於電極411與電極412之間的空間產生用於電漿的電場。
在圖1的例子中，第二氣體供給部5的共通管50的下游端係連接至電漿室4a的上部。由於從共通管50所供給之V族氣體係於電漿室4a內於電極411與電極412之間朝向鉛直下方流動，因此於電極411與電極412之間向V族氣體施加用於電漿的電場。藉此，V族氣體的至少一部分係電漿化從而生成活性物種。包含此種活性物種之激發氣體係於電漿室4a沿著鉛直下方流出並朝向基板W流動。
另外，在圖1的例子中，電漿產生部4係藉由所謂電容耦合方式使電漿產生，但是也可藉由電感耦合(inductively coupled)方式使電漿產生。
[第一氣體供給部3] 第一氣體供給部3係將有機金屬氣體供給至腔室1內。圖1的例子中，第一氣體供給部3係包含噴出噴嘴31、供給管32、閥33以及流量調整部34。噴出噴嘴31係設置於腔室1內。在圖1的例子中，噴出噴嘴31係設置於比基板保持部2還要鉛直上方，並朝向被基板保持部2保持之基板W噴出有機金屬氣體。在圖1的例子中，噴出噴嘴31係具有水平延伸之長條狀的形狀，並於鉛直方向中與基板保持部2對向。噴出噴嘴31係於俯視觀看時例如沿著基板W的徑方向延伸。換言之，噴出噴嘴31的長邊方向係沿著基板W的徑方向。在圖1的例子中，噴出噴嘴31係設置成噴出噴嘴31的前端於鉛直方向中與基板W的中心部對向。
於噴出噴嘴31形成有噴出口31a。在圖1的例子中，複數個噴出口31a係沿著噴出噴嘴31的長邊方向隔著間隔排列。複數個噴出口31a係設置於鉛直方向中與基板W對向的位置，從各個噴出口31a朝向基板W的上表面噴出有機金屬氣體。
由於有機金屬氣體朝向電漿產生部4的相反側的基板保持部2流動，因此電漿產生部4的電場(或是磁場)幾乎不施加至有機金屬氣體。換言之，噴出噴嘴31係與電漿產生部4之間隔著實質性地不會被施加電漿產生部4的電場(或是磁場)之距離。因此，有機金屬氣體係實質性地並未電漿化。
噴出噴嘴31係經由供給管32連接至有機金屬氣體供給源35。換言之，供給管32的下游端係連接至噴出噴嘴31的上游端，供給管32的上游端係連接至有機金屬氣體供給源35。有機金屬氣體供給源35係將有機金屬氣體供給至供給管32的上游端。
閥33係夾設於供給管32，被控制部9控制。打開閥33，藉此有機金屬氣體係從有機金屬氣體供給源35通過供給管32以及噴出噴嘴31供給至腔室1內。關閉閥33，藉此停止供給有機金屬氣體。
流量調整部34係夾設於供給管32。流量調整部34係被控制部9控制，從而調整於供給管32流動之有機金屬氣體的流量。流量調整部34係例如為質量流量控制器。
[控制部9] 圖2係概略性地顯示控制部9的構成的一例之方塊圖。控制部9為電子電路機器，亦可具有例如資料處理裝置91以及記憶媒體92。資料處理裝置91亦可為例如CPU(Central Processor Unit；中央處理單元)等的運算處理裝置。記憶媒體92亦可為非暫時性的記憶媒體921(例如ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)或者硬碟)以及暫時性的記憶媒體922(例如RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體))。於非暫時性的記憶媒體921亦可儲存有例如用於規範控制部9所執行的處理之程式。資料處理裝置91執行此程式，藉此控制部9係能執行程式所規範的處理。理所當然地，控制部9所執行的處理的一部分或是全部亦可藉由邏輯電路等硬體電路來執行。
[Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作] 接著，說明Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作的一例。圖3係顯示Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作的一例之流程圖。亦即，圖3係顯示Ⅲ族氮化物半導體的製造方法的一例之流程圖。
首先，藉由未圖示的搬運裝置將基板W搬運至腔室1內(步驟S1：搬入工序)。
接著，吸引部6係吸引腔室1內的氣體，使腔室1內的壓力降低(步驟S2：減壓工序)。具體而言，控制部9係使吸引機構62進行吸引動作。藉此，腔室1內的氣體係通過吸引管61而被吸引機構62所吸引，從而使腔室1內的壓力降低。吸引部6係以腔室1內的壓力成為適合成膜處理之預定的製程壓力之方式調整壓力。預定的製程壓力係例如為100Pa以上至500Pa以下。吸引部6係調整腔室1內的壓力，直到成膜處理結束。
接著，加熱器7係加熱基板W(步驟S3：加熱工序)。具體而言，控制部9係使加熱器7進行加熱動作。加熱器7係以基板W的溫度成為適合成膜處理的預定溫度之方式調整基板W的溫度。預定溫度係例如為600℃以上至1000℃以下。加熱器7係調整基板W的溫度，直到成膜處理結束。
接著，基板保持部2係使基板W繞著旋轉軸線Q1旋轉(步驟S4：旋轉工序)。具體而言，控制部9係使旋轉機構23旋轉基座保持部22。藉此，基座保持部22、基座21以及基板W係繞著旋轉軸線Q1一體性地旋轉。基板保持部2係使基板W旋轉，直到成膜處理結束。
接著，第一氣體供給部3係將有機金屬氣體供給至基板W，第二氣體供給部5係將含有氮氣體以及氫氣體的第一氣體供給至電漿產生部4，電漿產生部4係將第一氣體予以電漿激發(步驟S5：第一成膜工序)。以下，說明更具體性的動作的一例。
首先，控制部9係打開第二氣體供給部5的閥512以及閥522。藉此，含有氮氣體以及氫氣體的第一氣體係通過共通管50被供給至電漿產生部4，並通過電漿產生部4於腔室1內朝向基板W流動。
然後，控制部9係使電漿用電源43輸出高頻電壓。藉此，於電極411與電極412之間產生用於電漿的電場。藉由第一氣體通過該電場，使得該第一氣體的至少一部分電漿化。藉由該第一氣體的電漿化，產生氮自由基以及氫自由基，包含這些氮自由基以及氫自由基的活性物種之激發氣體係從電漿室4a流出並於腔室1內朝向基板W的上表面流動。
接著，控制部9係打開第一氣體供給部3的閥33。例如，在電漿用電源43的電壓輸出之後且電漿產生部4所產生的電漿穩定時，控制部9係打開閥33。藉此，有機金屬氣體係從有機金屬氣體供給源35通過供給管32以及噴出噴嘴31被供給至腔室1內，並朝向基板W的上表面流動。在此，有機金屬氣體為TMGa、TEGa或是TDMAGa。
有機金屬氣體係於基板W的上表面熱分解，藉由該熱分解所生成的Ⅲ族元素(在此為鎵) 係與氮自由基反應，藉此於基板W上形成有Ⅲ族氮化物半導體膜(在此為氮化鎵膜)。亦即，Ⅲ族氮化物半導體係結晶成長。
在第一成膜工序中，採用於V族氣體添加了氫氣體的混合氣體。藉此，如以下所說明般，能以高的膜厚均勻性使Ⅲ族氮化物半導體結晶成長於不同種類的材料的基板W的上表面(亦即基底膜的上表面)。
亦即，在第一成膜工序的初期中，還原力高的氫自由基係與基板W的上表面反應從而形成懸鍵(dangling bond)。更具體而言，還原力高的氫自由基係與基板W的上表面的碳以及氧等雜質反應從而將該雜質從基板W去除，藉此於基板W的上表面形成有懸鍵。而且，氮自由基與懸鍵結合，藉此氮原子係均勻地排列於基板W的上表面且亦與藉由熱反應所生成的Ⅲ族元素反應，從而於基板W的上表面進行Ⅲ族氮化物半導體的結晶成長。藉此，能以高的膜厚均勻性使Ⅲ族氮化物半導體結晶成長於基板W的上表面。換言之，能在第一成膜工序中形成具有平坦的上表面的Ⅲ族氮化物半導體膜。
另一方面，氫自由基亦與有機金屬氣體反應從而生成金屬系。由於金屬系係容易被取入至Ⅲ族氮化物半導體，因此半導體膜中的碳含量變大。
亦即，能在第一成膜工序中以均勻的膜厚形成碳含量大的Ⅲ族氮化物半導體膜。
在第一成膜工序中，當以預定的第一膜厚形成Ⅲ族氮化物半導體膜時，第二氣體供給部5係將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體供給至電漿產生部4(步驟S6：第二成膜工序)。具體而言，控制部9係關閉氫氣體供給部52的閥522。藉此，第二氣體供給部5係停止供給氫氣體。由於電漿產生部4係將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體予以電漿激發，因此實質性地不生成氫自由基而是生成氮自由基。氮自由基係被供給至基板W。
在第二成膜工序中，第一氣體供給部3係供給與第一成膜工序相同的Ⅲ族元素(在此為鎵)的有機金屬氣體。金屬有機氣體係在基板W的上表面熱分解，藉由該熱分解所生成的Ⅲ族元素係與氮自由基反應。藉此，結晶成長與第一成膜工序中的Ⅲ族氮化物半導體相同種類的Ⅲ族氮化物半導體。
在第二成膜工序中，由於不對電漿產生部4供給氫氣體，因此第二成膜工序中所生成的金屬系的量係減少。因此，在第二成膜工序中形成有碳含量更小的Ⅲ族氮化物半導體膜。
此外，在第二成膜工序中，由於使相同種類的Ⅲ族氮化物半導體結晶成長於藉由第一成膜工序所形成之平坦的Ⅲ族氮化物半導體膜上，因此在第二成膜工序中亦能以更均勻的膜厚形成Ⅲ族氮化物半導體膜。
在第二成膜工序中，當以預定的第二膜厚形成Ⅲ族氮化物半導體膜時，控制部9係使第二成膜工序結束。具體而言，控制部9係關閉第一氣體供給部3的閥33以及氮氣體供給部51的閥512，從而使電漿用電源43停止輸出電壓。此外，控制部9係使旋轉機構23、加熱器7以及吸引部6的動作停止。
接著，搬運裝置係從腔室1搬出基板W(步驟S7：搬出工序)。具體而言，搬運裝置係從腔室1搬出載置於基座21的基板W。
如上所述，藉由Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100，在第一成膜工序中，於成為電漿化的對象之V族氣體含有氫氣體以及氮氣體。因此，如上所述，即使是在不同種類的材料的基板W的上表面(基底膜的上表面)，亦能更平坦地形成Ⅲ族氮化物半導體膜。然而，在第一成膜工序中所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜中碳含量係變大。
另一方面，在第二成膜工序中，於成為電漿化的對象之V族氣體未含有氫而是含有氮氣體。因此，能在第二成膜工序中使金屬系的生成量減少。亦即，由於能減少容易取入至半導體膜中的金屬系的量，因此能形成碳含量小的Ⅲ族氮化物半導體膜。
圖4係顯示實驗結果的一例之圖表，顯示藉由二次離子質量分析法所獲得之Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳濃度分佈。橫軸係表示距離Ⅲ族氮化物半導體膜的表面的深度，零表示該Ⅲ族氮化物半導體膜的表面。縱軸係表示Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳濃度。在此，以下述的條件進行實驗。亦即，在第一成膜工序中，將腔室1內的壓力設定成400Pa，將氫氣體的流量設定成100sccm，將氮氣體的流量設定成1900sccm，將電漿用電源43的輸出電力設定成1000W，將有機金屬氣體的流量設定成6μmol／分鐘。在第二成膜工序中，將腔室1內的壓力設定成400Pa，將氮氣體的流量設定成2000sccm，將電漿用電源43的輸出電力設定成1000W，將有機金屬氣體的流量設定成6μmol／分鐘。
從圖4能夠理解，在第二成膜工序中所形成的半導體膜中的碳含量係比在第一成膜工序中所形成的半導體膜中的碳含量還小一位數以上。因此，可知能藉由第二成膜工序以高的體移動率形成Ⅲ族氮化物半導體膜。如此，由於能減少碳含量，因此能提高體移動率且能提高膜質。
而且，在第二成膜工序中，於藉由第一成膜工序所形成之平坦的Ⅲ族氮化物半導體膜上形成相同種類的Ⅲ族氮化物半導體膜。因此，在第二成膜工序中亦能形成具有平坦的上表面的Ⅲ族氮化物半導體膜。亦即，能提升表面形態。
圖5係顯示實驗結果的一例之圖表，並顯示藉由掃描電子顯微鏡所獲得的Ⅲ族氮化物半導體膜的表面(上表面)的影像。圖6係顯示比較例的Ⅲ族氮化物半導體膜的表面的影像。在比較例中，不進行第一成膜工序，而是藉由第二成膜工序於基板W的上表面形成Ⅲ族氮化物半導體膜。亦即，採用未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體作為V族氣體。從圖5以及圖6的比較可知，能藉由進行第一成膜工序來提升表面形態。
如上所述，依據第一實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100，能形成碳含量小且表面形態良好的Ⅲ族氮化物半導體膜。
此外，在上述具體例中，第二成膜工序(步驟S6)係接續於第一成膜工序(步驟S5)進行。亦即，僅停止供給氫氣體即能將製造工序從第一成膜工序移行至第二成膜工序。藉此，能以高的處理量將Ⅲ族氮化物半導體膜形成於基板W上。
[V族氣體的流量] 第二氣體供給部5亦可在第二成膜工序中以與第一成膜工序中的V族氣體的流量相同的流量將V族氣體供給至電漿產生部4。換言之，亦可將第二成膜工序中的氮氣體的流量設定成與第一成膜工序中的氫氣體的以及氮氣體的流量的合計相等。
為了比較，說明在第一成膜工序以及第二成膜工序中將氮氣體的流量設定成相同之情形。在此種情形中，在從第一成膜工序移行至第二成膜工序時，V族氣體的流量係降低氫氣體的流量的分量。吸引部6係以吸收該降低的分量之方式調整排氣流量，雖然調整腔室1內的壓力，然而腔室1內的壓力會過度地變動。相對於此，在第一成膜工序以及第二成膜工序中，只要V族氣體的流量相同，則能抑制腔室1內的壓力變動。
此外，在吸引機構62亦連接於其他的設備之情形中，亦會有因為來自腔室1的氣體的排氣流量的變動而亦導致其他的設備的壓力變動，不過亦能夠抑制此種壓力變動。
[基板W的溫度] 加熱器7亦可將基板W的溫度調整成在第一成膜工序以及第二成膜工序中為彼此相同的值。亦即，加熱器7亦可在第一成膜工序以及第二成膜工序中將基板W的溫度控制成固定。此外，所謂溫度為固定係包含溫度在數度以下變動之情形。
為了比較，考慮加熱器7使第一成膜工序以及第二成膜工序的溫度不同之情形。由於溫度係以低的響應性變化，因此基板W的溫度的變化所需的時間較長。尤其，在加熱器7從基座21離開且藉由輻射熱加熱基座21以及基板W之情形中需要更長的時間。因此，加熱器7在處理中變更基板W的溫度會導致處理量的降低。
相對於此，只要加熱器7在第一成膜工序以及第二成膜工序中將基板W的溫度調整成固定，即能避免上述處理量的降低。
[第二實施形態] 在第二實施形態中，謀求使在第二成膜工序中所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳含量進一步地減少。
第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100係具有與第一實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100同樣的構成。然而，第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作係與第一實施形態不同。
圖7係顯示第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作的一例之流程圖。步驟S11至步驟S15係分別與步驟S1至步驟S5相同。
在第二實施形態中，在步驟S15之後，將腔室1內的氫氣體排氣(步驟S16：氫氣體去除工序)。具體而言，第一氣體供給部3係停止供給有機金屬氣體，第二氣體供給部5係停止供給氫氣體，電漿產生部4係停止動作。亦即，控制部9係關閉第一氣體供給部3的閥33以及氫氣體供給部52的閥522，並使電漿用電源43停止輸出電壓。藉此，腔室1內的氫氣體係一邊被從第二氣體供給部5供給的氮氣體推出一邊藉由吸引部6從腔室1排出。
藉由氫氣體去除工序，腔室1內的氫氣體的量係隨著時間的經過而降低。當腔室1內的氫氣體被充分地排出時，控制部9係結束氫氣體去除工序。氫氣體去除工序例如亦可進行至腔室1內的氫氣體的分壓成為1×10 -8Pa以下為止。作為更具體性的一例，控制部9係從開始氫氣體去除工序起經過充分的預定的排出時間(例如五分鐘)使得氫氣體的分壓成為1×10 -8Pa以下時，結束氫氣體去除工序。
接著，控制部9係開始第二成膜工序(步驟S17)。具體而言，控制部9係使電漿用電源43輸出電壓。接著，在電漿產生部4所產生的電漿穩定時，控制部9係打開第一氣體供給部3的閥33。藉此，能實質性地開始第二成膜工序。在第二成膜工序中，與第一實施形態同樣地能減少碳含量且能形成平坦的Ⅲ族氮化物半導體膜。
在第二成膜工序中，當以預定的第二膜厚形成Ⅲ族氮化物半導體膜時，控制部9係結束第二成膜工序。接著，從腔室1搬出基板W(步驟S18)。
如上所述，在第二實施形態中，在第一成膜工序(步驟S15)與第二成膜工序(步驟S17)之間進行氫氣體去除工序(步驟S16)。因此，在已充分地排出腔室1內的氫氣體的狀態下，能開始第二成膜工序。
圖8係顯示腔室1內的氫氣體的分壓的時間變化的一例之圖表。如圖8所示，雖然氫氣體的分壓係在第一成膜工序中較高，然而在氫氣體去除工序中隨著時間的經過而降低，在第二成膜工序中非常地低。在圖8的例子中，在第二成膜工序中氫氣體的分壓係比1×10 -8Pa還低，且比第一成膜工序中的氫氣體的分壓還低兩位數左右。
在第二成膜工序中，由於腔室1內的氫氣體的量非常地小，因此有機金屬氣體與氫幾乎不會產生反應。亦即，依據第二實施形態，能進一步使第二成膜工序中的金屬系的生成量減少。因此，能進一步使在第二成膜工序中所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳含量減少。
圖9係顯示藉由第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜中的碳含量分佈。能從圖4以及圖9的比較理解到，能使在第二成膜工序中所形成的半導體膜中的碳含量比第一實施形態還減少。亦即，能進一步地提升體移動率以及膜質。
[V族氣體的流量] 氫氣體去除工序中的V族氣體的流量亦可設定成與第一成膜工序中的V族氣體的流量相同。亦即，第二氣體供給部5亦可在氫氣體去除工序中以與第一成膜工序中的V族氣體的流量相同的流量供給氮氣體。藉此，能抑制從第一成膜工序移行至氫氣體去除工序時腔室1內的壓力變動以及排氣流量的變動。
此外，第二成膜工序中的V族氣體的流量亦可設定成與氫氣體去除工序中的V族氣體的流量相同。藉此，能抑制從氫氣體去除工序移行至第二成膜工序時腔室1內的壓力變動以及排氣流量的變動。
[第三實施形態] 在第三實施形態中，說明結束第二成膜工序時的動作的一例。第三實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100係具有與第一實施形態以及第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100同樣的構成。
圖10係顯示第二成膜工序的結束時的Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100的動作的一例之流程圖。控制部9係判斷第二成膜工序的結束條件是否已經成立(步驟S21)。例如，從開始第二成膜工序起經過預定的處理時間時，控制部9係判斷成結束條件已經成立。在結束條件尚未成立時，控制部9係再次執行步驟S21。
在結束條件成立時，控制部9係關閉第一氣體供給部3的閥33。而且，即使閥33封閉，有機金屬氣體的噴出亦不會立即停止，有機金屬氣體係從噴出噴嘴31的噴出口31a持續被噴出。此原因在於腔室1內的壓力低所致。亦即，藉由噴出噴嘴31內的壓力與腔室1內的壓力差，殘留於噴出噴嘴31內的有機金屬氣體係從噴出口31a持續被噴出至腔室1內。接著，停止噴出有機金屬氣體。
在第三實施形態中，在從閥33封閉起的預定時間中，持續第二氣體供給部5所為之氮氣體的供給以及電漿產生部4的動作。亦即，控制部9係持續打開氮氣體供給部51的閥512，並使電漿用電源43持續輸出電壓。在此所謂的預定時間係例如為從閥33的封閉時間點起至停止噴出有機金屬氣體所需的充分的時間。即使在此種預定時間中，從噴出噴嘴31噴出的有機金屬氣體亦在基板W上熱分解，藉由熱分解所生成的Ⅲ族元素係與氮自由基反應，從而Ⅲ族氮化物半導體係結晶成長。
控制部9係判斷從閥33的封閉時間點起是否已經經過預定時間(步驟S23)。在尚未經過預定時間時，控制部9係再次執行步驟S23。經過預定時間時，控制部9係使電漿用電源43停止輸出電壓，並關閉氮氣體供給部51的閥512(步驟S24)。藉此，停止電漿產生部4的動作以及第二氣體供給部5所為之氮氣體的供給，實質性地結束第二成膜工序。
如上所述，在第三實施形態中，控制部9係在關閉第一氣體供給部3的閥33並經過預定時間後，使氮氣體的供給以及電漿產生部4的動作停止，從而使第二成膜工序結束。因此，即使在預定時間中亦會結晶成長Ⅲ族氮化物半導體膜。
為了比較，說明同時進行閥33與閥512的封閉以及電漿產生部4的動作停止之情形。有機金屬氣體亦在閥33的封閉後從噴出噴嘴31持續噴出，相對於此腔室1內的氮自由基係藉由電漿產生部4的動作停止而迅速地消失。因此，有機金屬氣體係不會與氮自由基反應而是在基板W上熱分解並與基板W反應。亦即，Ⅲ族元素並不會與氮自由基反應而是與Ⅲ族氮化物半導體膜反應。如此，會有Ⅲ族氮化物半導體膜的表面狀態的惡化之疑慮。
相對於此，在第三實施形態中，在閥33的封閉後的預定時間中，對基板W供給氮自由基。因此，即使是在預定時間中，有機金屬氣體亦會與氮自由基反應從而於基板W上形成Ⅲ族氮化物半導體。因此，能抑制或者避免半導體膜的表面狀態的惡化。
此外，在第三實施形態中，雖然已經說明了第二成膜工序的結束動作，然而亦可將此種結束動作亦可應用於第二實施形態的第一成膜工序中。具體而言，亦可在從第一氣體供給部3的閥33的封閉時間點起經過預定時間後使電漿產生部4停止動作。藉此，能抑制或者避免藉由第一成膜工序所形成的Ⅲ族氮化物半導體膜的表面狀態的惡化。
如上述般已詳細說明了此Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100以及Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，惟上述說明於所有的情況中皆為示例，此Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置100以及Ⅲ族氮化物半導體的製造方法並不限於這些情況。應該解釋成在不脫離本發明的範圍的情況下能夠設想無數的變形例。上述各實施形態以及各變形例中所說明的各項構成在不互相矛盾的前提下能適當組合、省略。
1:腔室 1a:排氣口 2:基板保持部 3:第一氣體供給部 4:電漿產生部 4a:電漿室 5:第二氣體供給部 6:吸引部 7:加熱器 9:控制部 21:基座 22:基座保持部 23:旋轉機構 31:噴出噴嘴 31a:噴出口 32:供給管 33, 512,522:閥 34,513,523:流量調整部 35:有機金屬氣體供給源 41:導電構件 43:電漿用電源 50:共通管 51:氮氣體供給部 52:氫氣體供給部 61:吸引管 62:吸引機構 91:資料處理裝置 92,921,922:記憶媒體 100:Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置 221:保持台 222:保持突起 411,412:電極 511,521:供給管 514:氮氣體供給源 524:氫氣體供給源 Q1:旋轉軸線 S1,S11:步驟(搬入工序) S2,S12:步驟(減壓工序) S3,S13:步驟(加熱工序) S4,S14:步驟(旋轉工序) S5,S15:步驟(第一成膜工序) S6,S17:步驟(第二成膜工序) S7,S18:步驟(搬出工序) S16:步驟(氫氣體去除工序) W:基板
[圖1]係概略性地顯示Ⅲ族氮化物半導體的製造裝置的構成的一例之圖。 [圖2]係顯示控制部的內部構成的一例之方塊圖。 [圖3]係顯示第一實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法的一例之流程圖。 [圖4]係顯示第一實施形態的半導體膜中的碳濃度的分佈的一例之圖表。 [圖5]係顯示藉由掃描電子顯微鏡所獲得的Ⅲ族氮化物半導體膜的表面的影像之圖。 [圖6]係顯示藉由掃描電子顯微鏡所獲得的比較例的Ⅲ族氮化物半導體膜的表面的影像之圖。 [圖7]係顯示第二實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法的一例之流程圖。 [圖8]係顯示氫氣體的分壓的時間變化的一例之圖表。 [圖9]係顯示第二實施形態的半導體膜中的碳的濃度的分佈的一例之圖表。 [圖10]係顯示第三實施形態的Ⅲ族氮化物半導體的製造方法的一例之流程圖。
S1:步驟(搬入工序)
S2:步驟(減壓工序)
S3:步驟(加熱工序)
S4:步驟(旋轉工序)
S5:步驟(第一成膜工序)
S6:步驟(第二成膜工序)
S7:步驟(搬出工序)

Claims (7)

  1. 一種Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，係具備： 搬入工序，係將基板搬入腔室內； 減壓工序，係由吸引部使前述腔室內的壓力降低； 加熱工序，係由設置於前述腔室內的加熱器加熱前述基板； 第一成膜工序，係由第一氣體供給部將含有Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至前述腔室內的前述基板，由第二氣體供給部將包含氫氣體以及氮氣體的第一氣體供給至電漿產生部，前述電漿產生部係將前述第一氣體予以電漿激發並供給至前述腔室內的前述基板；以及 第二成膜工序，係由前述第一氣體供給部將包含前述Ⅲ族元素的有機金屬氣體供給至前述腔室內的前述基板，由前述第二氣體供給部將未含有氫而是含有氮氣體的第二氣體供給至前述電漿產生部，前述電漿產生部係將前述第二氣體予以電漿激發並供給至前述腔室內的前述基板。
  2. 如請求項1所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述第一成膜工序與前述第二成膜工序之間進一步具備：氫氣體去除工序，係從前述腔室將前述氫氣體排氣。
  3. 如請求項2所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述氫氣體去除工序係進行至前述腔室內的氫氣體的分壓成為1×10 -8Pa以下為止。
  4. 如請求項1所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述第二成膜工序係接續於前述第一成膜工序被進行。
  5. 如請求項1至4中任一項所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述第二成膜工序中，關閉用以切換前述有機金屬氣體的供給以及停止供給之前述第一氣體供給部的閥並經過預定時間後，停止前述第二氣體供給部所為之前述第二氣體的供給以及前述電漿產生部的動作，從而使前述第二成膜工序結束。
  6. 如請求項1至4中任一項所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中在前述加熱工序中將基板的溫度加熱至600℃以上至1000℃以下。
  7. 如請求項1至4中任一項所記載之Ⅲ族氮化物半導體的製造方法，其中前述有機金屬氣體係包含三甲基鎵、三乙基鎵或者三(二甲胺基)鎵。
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