(57)【要約】  窒化物半導体の製造方法は、半導体層を構成する窒化物を有し、窒化物半導体の製造方法であって、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いて、ＩＩＩ族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える。
2012137949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体の製造方法であって、
スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いて、ＩＩＩ族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える、窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記窒化物半導体は、多重量子井戸層を含み、
前記多重量子井戸層は、前記ＩＩＩ族を含む窒化物層を三層以上として形成される、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａである、請求項２に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記多重量子井戸層は、第一のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および第二のＧａＮを順に三層形成される、請求項２に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記三層の上には、さらに形成されるＩｎＧａＮおよびさらに形成されるＧａＮを１組とし、少なくとも１組以上が形成される、請求項４に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記窒化物層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒化物層を形成する工程を含む、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記窒化物層を形成する工程は、温度を２００℃以上７００℃未満で行う、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記温度を４００℃以下で行う、請求項７に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】
前記窒化物層を形成する工程は、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で行う、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化物層を形成する工程は、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下で行う、請求項９に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化物層を形成する工程は、ＧａＮ層を形成する工程と、前記ＧａＮ層の厚さ方向にＩｎＧａＮ層を形成する工程とを含み、
前記ＧａＮ層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、前記プラズマＣＶＤにより形成する工程を含み、
前記ＩｎＧａＮ層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、前記原子層エピタキシーにより形成する工程を含む、請求項６に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１２】
窒化物半導体であって、
スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いて形成される窒化物層を備える、窒化物半導体。
【請求項１３】
前記窒化物半導体は、多重量子井戸層を含み、
前記多重量子井戸層は、前記ＩＩＩ族を含む窒化物層を三層以上として形成される、請求項１２に記載の窒化物半導体。
【請求項１４】
前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａである、請求項１２に記載の窒化物半導体。
【請求項１５】
前記多重量子井戸層は、第一のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および第二のＧａＮを順に三層形成される、請求項１２に記載の窒化物半導体。
【請求項１６】
前記三層の上には、さらに形成されるＩｎＧａＮおよびさらに形成されるＧａＮを１組とし、少なくとも１組以上が形成される、請求項１５に記載の窒化物半導体。
【請求項１７】
三層のＩＩＩ族元素を含む窒化物で構成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法であって、
ＩＩＩ族元素を含む第一の窒化物層を形成する工程と、
前記第１の窒化物層上に前記第一の窒化物層とは異なるＩＩＩ族元素を含む第二の窒化物層を形成する工程と、
前記第二の窒化物層上に前記第二の窒化物層と同じＩＩＩ族元素を含む第三の窒化物素を形成して前記多重量子井戸層を形成する工程とを備え、
前記ＩＩＩ族元素を含む第一〜第三の窒化物層で構成する前記多重量子井戸層は、温度を２００℃以上７００℃未満で、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法。
【請求項１８】
前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａである、請求項１７に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法。
【請求項１９】
前記第一の窒化物層は、第一のＧａＮであり、前記第二の窒化物層は、第一のＩｎＧａＮであり、前記第三の窒化物層は、第二のＧａＮである、請求項１８に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法。
【請求項２０】
前記第三の窒化物層上に、さらに形成される前記第二の窒化物層、さらに形成される前記第一または第三の窒化物層を順に形成して１組とし、少なくとも１組以上が形成される、請求項１９に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法。
【請求項２１】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法であって、
結晶性を有する基板を準備する工程と、
前記基板上にＩＩＩ族元素を含むガスを吸着させる工程と、
前記基板に吸着されないＩＩＩ族元素を含むガスを排気する工程と、
窒素原子を含むガスのプラズマを前記ＩＩＩ族元素を含むガス分子に照射して窒化することにより、ＩＩＩ族元素を含む窒化物を形成する工程とを備え、
前記ＩＩＩ族元素を含む窒化物を形成する工程は、温度を２００℃以上７００℃未満で、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で原子層エピタキシー法またはプラズマＣＶＤ法により形成する、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体の製造方法、窒化物半導体、およびＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今においては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物系の材料を活性層として用いる半導体装置の開発が活発に行われている。中でも、Ｖ族元素として窒素を用いた窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）等は、比較的バンドギャップが大きいので、特に青色の発光材料等、短波長側の発光材料の用途に関して、開発が盛んに行われている。なお、ＧａＮを含む窒化物半導体としては、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）／ＧａＮ等の異種材料のヘテロ接合を用いた窒化物半導体もある。【０００３】
特に窒化物層としてＧａＮを用いた窒化物半導体の製造においては、例えば、ＧａＮの結晶構造と同じ六方晶系であって、ＧａＮと格子定数の近いサファイヤ基板が用いられる。さらに、窒化物層としてＧａＮを用いた窒化物半導体は、例えば、１０００℃以上の高温での熱プロセスを用いて、サファイヤ基板の上にＧａＮをエピタキシャル成長させることにより形成される。また、サファイヤ基板上におけるＧａＮ層の良好なエピタキシャル成長を促進するために、サファイヤ基板とＧａＮ層との間に、バッファ層を形成することも一般的に行われている。【０００４】
ここで、ＧａＮを用いた窒化物半導体についての技術が、特開２００１−２１７１９３号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１においては、サファイヤ基板を所定の温度に加熱し、サファイヤ基板の周囲にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスおよびＮ２−Ｈ２ガス、すなわち、ＴＭＧガスおよび窒素と水素の混合ガスを供給し、サファイヤ基板の周囲においてプラズマを発生させて、ＧａＮ（窒化ガリウム）を形成することとしている。ここで、特許文献１に開示され、ＧａＮを形成するために用いられるプラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波電源を用いて発生するマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を伝播する導波管およびキャビティとから構成されるマイクロ波供給系と、キャビティ内に挿入した石英放電管と、石英放電管内を所定の真空度に調整する真空ポンプと、石英放電管内に供給するＴＭＧガスが詰められているボンベと、窒素と水素（Ｎ２−Ｈ２）混合ガスが詰められているボンベと、ボンベから供給されるＴＭＧガスの流量を測定する流量計と、サファイヤ基板を加熱する電気炉と、マイクロ波のマッチングをとるプランジャと、プラズマの状態を検知するＱＭＡ（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｍａｓｓ  Ａｎａｌｙｚｅｒ：四重極質量分析装置）と、光ファイバを通じて発光種のエネルギーレベルを測定する発光分光分析装置とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１７１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献１におけるＧａＮ層の形成は、いわゆるリモートプラズマによる窒化処理により行われている。このようなリモートプラズマをＧａＮ層の形成に用いた場合においては、窒化処理における窒化種の質や量について問題がある。具体的には、リモートプラズマを用いてプラズマを生成した場合、リモートプラズマ源近傍でのラジカル種やイオン等の活性度は、非常に高い。そのため、ウェハへのダメージを抑制するためには、リモートプラズマ源とウェハとの距離を離す必要がある。そうすると、ウェハへのダメージを抑制できるものの失活が著しく、ウェハ近傍では、基底状態や活性度の低い窒化種が多くなる。そうすると、プラズマ処理において対象の膜を十分にプラズマ窒化することが困難となる。加えて、実質的に窒化処理に寄与する活性化された窒化種の密度が小さくなってしまう。その結果、所望の厚さを得るために長時間を要する等、ＧａＮ層の形成が非効率となってしまう。【０００７】
従来は、低温で発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性（単結晶）を持つＩＩＩ−Ｖ族窒化物を成膜することができなかった。【０００８】
ここで、例えば、アンモニア（ＮＨ３）を用いて、７００℃以上、具体的には１１００℃程度の高温で熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理や熱窒化処理等、熱プロセスを採用することにより、窒化処理を行ってＧａＮ層を形成することも考えられる。しかし、このような高温状態においては、窒化処理時において多くの窒素が脱離してしまい、所望の窒素量を有する層の形成を行うことができない場合がある。また、上記したＩｎＧａＮ／ＧａＮやＡｌＧａＮ／ＧａＮ等の異種材料のヘテロ接合を有する窒化物層を形成する場合において、以下の問題が生ずる。すなわち、ＩｎＧａＮやＧａＮといった各種の構成材料は、それぞれ独自の熱膨張率を持つ。このような異なる熱膨張率を有する構成材料を積層する場合において、高温で成膜を行うと、熱膨張率の相違に起因して、常温下において反りや歪みが発生するおそれがある。そうすると、結晶欠陥の生成を促進するおそれがある。これにより、半導体装置として必要とされる特性が不十分となるおそれが高い。【０００９】
この発明の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つ窒化物半導体を、効率的に製造することができる窒化物半導体の製造方法を提供することである。【００１０】
この発明の他の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つ窒化物半導体を提供することである。【００１１】
この発明のさらに他の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る窒化物半導体の製造方法は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いて、ＩＩＩ族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える。【００１３】
このように、ＩＩＩ族元素を含む窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも低温で処理を行うことができるので、窒化物半導体を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、特性の良好な窒化物層を効率的に形成することができる。そして、特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。なお、ここでいう特性の良好な窒化物層とは、成長した結晶内における欠陥が少ないものをいう。【００１４】
また、窒化物半導体は、多重量子井戸を含み、多重量子井戸層は、ＩＩＩ族を含む窒化物層を三層以上として形成されるようにしてもよい。また、ＩＩＩ族元素は、Ｇａであるよう構成してもよい。また、多重量子井戸層は、第一のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および第二のＧａＮを順に三層形成されるよう構成してもよい。また、三層の上には、さらに形成されるＩｎＧａＮおよびさらに形成されるＧａＮを１組とし、少なくとも１組以上が形成されるよう構成してもよい。【００１５】
また、窒化物層を形成する工程は、マイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒化物層を形成する工程を含むよう構成してもよい。【００１６】
ＡＬＥ法にて窒化物層を形成することにより、窒化物層の形成時における不純物を含有するおそれや、結晶内に欠陥が多く発生するおそれを大きく低減することができる。また、膜厚・膜質がともに均一な膜を成膜することができる。また、被膜特性が高いため、高アスペクト比を持つ構造へ好適に用いることができる。
また、プラズマＣＶＤ法にて窒化物層を形成することにより、特性の良好な結晶性を持つ窒化物層を比較的短時間で形成することができ、スループットの向上を図ることができる。【００１７】
また、窒化物層を形成する工程は、温度を２００℃以上７００℃未満で行うよう構成してもよい。また、温度を４００℃以下で行うよう構成してもよい。このようにして形成された層は、上記した反りや歪みのおそれが小さい。また、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて窒化物層を形成することで、ウェハの温度を４００℃以下として成膜しても、結晶性が非常に高い膜を形成することができる。【００１８】
また、窒化物層を形成する工程は、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で行うよう構成してもよい。また、窒化物層を形成する工程は、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下で行うよう構成してもよい。【００１９】
さらに好ましい一実施形態としては、スロットアンテナは、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）を含む。このような構成によると、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、電子温度の比較的低いプラズマを用いて処理を行うことができる。また、主としてラジカルが生成されるため、豊富なラジカルを用いて窒化物層を形成することができる。そうすると、窒化物層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージを大きく低減し、効率的に特性の良好な窒化物層を形成することができる。【００２０】
また、窒化物層を形成する工程は、その上に窒化物層が形成される被処理基板の表面近傍において、プラズマの電子温度が１．５ｅＶよりも低く、かつプラズマの電子密度が１×１０１１ｃｍ−３よりも高いプラズマを用いた処理であってもよい。【００２１】
また、窒化物層を形成する工程は、ＧａＮ層を形成する工程と、ＧａＮ層の厚さ方向にＩｎＧａＮ層を形成する工程とを含み、ＧａＮ層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する工程を含み、ＩｎＧａＮ層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、原子層エピタキシー法により形成する工程を含むよう構成してもよい。【００２２】
この発明の他の局面においては、窒化物半導体は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いて形成される窒化物層を備える。【００２３】
このような窒化物半導体は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるＩＩＩ族元素を含むガスのプラズマを用いているため、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層が形成されている。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも比較的低温度で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、特性が良好である。【００２４】
また、多重量子井戸層は、ＩＩＩ族を含む窒化物層を三層以上として形成されるよう構成してもよい。また、ＩＩＩ族元素は、Ｇａであるよう構成してもよい。また、多重量子井戸層は、第一のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および第二のＧａＮを順に三層形成されるよう構成してもよい。また、三層の上には、さらに形成されるＩｎＧａＮおよびさらに形成されるＧａＮを１組とし、少なくとも１組以上が形成されるよう構成してもよい。【００２５】
この発明のさらに他の局面において、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法は、三層のＩＩＩ族元素を含む窒化物で構成する多重量子井戸層を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法であって、ＩＩＩ族元素を含む第一の窒化物層を形成する工程と、第一の窒化物層上に第一の窒化物層とは異なるＩＩＩ族元素を含む第二の窒化物層を形成する工程と、第二の窒化物層上に第一の窒化物層と同じＩＩＩ族元素を含む第三の窒化物素を形成して多重量子井戸層を形成する工程とを備え、ＩＩＩ族元素を含む第一〜第三の窒化物層で構成する多重量子井戸層は、温度を２００℃以上７００℃未満で、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する。【００２６】
また、ＩＩＩ族元素は、Ｇａであるよう構成してもよい。また、第一の窒化物層は、第一のＧａＮであり、第二の窒化物は、第一のＩｎＧａＮ層であり、第三の窒化物層は、第二のＧａＮであるよう構成してもよい。また、第三の窒化物層上に、さらに形成される第二の窒化物層、さらに形成される第一または第三の窒化物層を順に形成して１組とし、少なくとも１組以上が形成されるよう構成してもよい。【００２７】
この発明のさらに他の局面においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の成膜方法は、結晶性を有する基板を準備する工程と、基板上にＩＩＩ族元素を含むガスを吸着させる工程と、基板に吸着されないＩＩＩ族元素を含むガスを排気する工程と、窒素原子を含むガスのプラズマをＩＩＩ族元素を含むガス分子に照射して窒化することにより、ＩＩＩ族元素を含む窒化物を形成する工程とを備え、ＩＩＩ族元素を含む窒化物を形成する工程は、温度を２００℃以上７００℃未満で、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下で原子層エピタキシー法またはプラズマＣＶＤ法により形成する。
【発明の効果】
【００２８】
このように、窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いると、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。さらに、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも比較的低温度で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、低温で結晶性が高く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物層を含む構成で効率的に形成することができる。そして、特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。【００２９】
また、このような窒化物半導体は、窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成している。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも低温度で処理が行われるので、多重量子井戸層を含む窒化物半導体を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、低温で結晶性が高く、発光素子および半導体装置としての特性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に含まれるスロットアンテナ板を板厚方向から見た図である。
【図３】誘電体窓の下面からの距離とプラズマの電子温度との関係を示すグラフである。
【図４】誘電体窓の下面からの距離とプラズマの電子密度との関係を示すグラフである。
【図５】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の一部を示す概略断面図である。
【図６】図５に示す窒化物半導体のうち、ＭＱＷ層の一部の一例を示す概略図である。
【図７】七層構造のＭＱＷ層を示す概略図である。
【図８】九層構造のＭＱＷ層を示す概略図である。
【図９】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法において、代表的な製造工程を示すフローチャートである。
【図１０】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法において、プラズマＡＬＥ処理における代表的な製造工程を示すフローチャートである。
【図１１】処理容器内の圧力を６０ｍＴｏｒｒとした場合において形成したＧａＮ結晶のＸ線回折（以下、単にＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）ということもある）のチャートである。
【図１２】全ての層をプラズマＣＶＤ処理によって形成した場合の窒化物半導体の特性を示すグラフである。
【図１３】図１２に示す全ての層をプラズマＣＶＤ処理によって形成した場合の窒化物半導体と、ＭＱＷ層をプラズマＡＬＥ処理によって形成し、その他の層については、プラズマＣＶＤ処理によって形成した場合の窒化物半導体とのロッキングカーブの特性を示すグラフである。
【図１４】図１に示す構成と異なる他の構成を備えるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。
【図１５】図１４に示すプラズマ処理装置において、パージを行う状態を示す。
【図１６】図１４に示すプラズマ処理装置において、プラズマ処理を行う状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成および動作について説明する。
【００３２】
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示すプラズマ処理装置に含まれるスロットアンテナ板を下方側、すなわち、図１中の矢印ＩＩの方向から見た図である。なお、図１において、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。
【００３３】
図１および図２を参照して、プラズマ処理装置３１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理容器３２と、処理容器３２内にプラズマ励起用のガスやプラズマＣＶＤ処理に用いられる材料ガス、後述する原子層エピタキシー（ＡＬＥ）におけるＡＬＥ用ガス等を供給するガス供給部３３と、その上で被処理基板Ｗを支持する円板状の支持台３４と、マイクロ波をプラズマ源として、処理容器３２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構３９と、プラズマ処理装置３１全体の動作を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、ガス供給部３３におけるガス流量、処理容器３２内の圧力等、プラズマ処理装置３１全体の制御を行う。
【００３４】
処理容器３２は、支持台３４の下方側に位置する底部４１と、底部４１の外周から上方向に延びる側壁４２とを含む。側壁４２は、略円筒状である。処理容器３２の底部４１には、その一部を貫通するように排気用の排気孔４３が設けられている。処理容器３２の上部側は開口しており、処理容器３２の上部側に配置される蓋部４４、後述する誘電体窓３６、および誘電体窓３６と蓋部４４との間に介在するシール部材としてのＯリング４５によって、処理容器３２は密封可能に構成されている。
【００３５】
ガス供給部３３は、被処理基板Ｗの中央に向かってガスを供給する第一のガス供給部４６と、被処理基板Ｗの周辺側からガスを供給する第二のガス供給部４７とを含む。第一のガス供給部４６においてガスを供給するガス供給孔３０は、誘電体窓３６の径方向中央であって、支持台３４と対向する対向面となる誘電体窓３６の下面４８よりも誘電体窓３６の内方側に後退した位置に設けられている。第一のガス供給部４６は、第一のガス供給部４６に接続されたガス供給系４９により流量等を調整しながらプラズマ励起用の不活性ガスや材料ガス、成膜ガス等を供給する。第二のガス供給部４７は、側壁４２の上部側の一部において、処理容器３２内にプラズマ励起用のガスや材料ガス、成膜ガス等を供給する複数のガス供給孔５０を設けることにより形成されている。複数のガス供給孔５０は、周方向に等間隔に設けられている。第一のガス供給部４６および第二のガス供給部４７には、同じガス供給源から同じ種類のプラズマ励起用の不活性ガスや材料ガス、ＡＬＥ用ガス等が供給される。なお、要求や制御内容に応じて、第一のガス供給部４６および第二のガス供給部４７から別のガスを供給することもでき、それらの流量比等を調整することもできる。
【００３６】
支持台３４には、ＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアス用の高周波電源５８がマッチングユニット５９を介して支持台３４内の電極６１に電気的に接続されている。この高周波電源５８は、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波を所定の電力（バイアスパワー）で出力可能である。マッチングユニット５９は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極６１、プラズマ、処理容器３２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００３７】
支持台３４は、静電チャック（図示せず）によりその上に被処理基板Ｗを支持可能である。また、支持台３４は、加熱のためのヒータ（図示せず）等を備え、支持台３４の内部に設けられた温度調整機構２９により所望の温度に設定可能である。支持台３４は、底部４１の下方側から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部５１に支持されている。上記した排気孔４３は、筒状支持部５１の外周に沿って処理容器３２の底部４１の一部を貫通するように設けられている。環状の排気孔４３の下方側には排気管（図示せず）を介して排気装置（図示せず）が接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置により、処理容器３２内を所定の圧力まで減圧することができる。
【００３８】
プラズマ発生機構３９は、処理容器３２の上部および外部に設けられており、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５と、支持台３４と対向する位置に配置され、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内に導入する誘電体窓３６と、複数のスロット４０（図２参照）が設けられており、誘電体窓３６の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓３６に放射するスロットアンテナ板３７と、スロットアンテナ板３７の上方側に配置され、後述する同軸導波管５６により導入されたマイクロ波を径方向に伝播させる誘電体部材３８とを含む。
【００３９】
マッチング機構５３を有するマイクロ波発生器３５は、導波管５５およびモード変換器５４を介して、マイクロ波を導入する同軸導波管５６の上部に接続されている。例えば、マイクロ波発生器３５で発生させたＴＥモードのマイクロ波は、導波管５５を通り、モード変換器５４によりＴＥＭモードへ変換され、同軸導波管５６を伝播する。マイクロ波発生器３５において発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば、２．４５ＧＨｚが選択される。
【００４０】
誘電体窓３６は、略円板状であって、誘電体で構成されている。誘電体窓３６の下面４８の一部には、導入されたマイクロ波による定在波の発生を容易にするためのテーパ状に凹んだ環状の凹部５７が設けられている。この凹部５７により、誘電体窓３６の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体窓３６の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。
【００４１】
スロットアンテナ板３７は、薄板状であって、円板状である。複数の長孔状のスロット４０については、図２に示すように、一対のスロット４０が、９０度の角度をなすように設けられている。一対のスロット４０は、周方向に所定の間隔を開けて設けられている。また、径方向においても、複数の一対のスロット４０が所定の間隔を開けて設けられている。
【００４２】
マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波は、同軸導波管５６を通って、誘電体部材３８に伝播される。マイクロ波は、その内部に冷媒等を循環させる循環路６０を有し、誘電体部材３８等の温度調整を行なう冷却ジャケット５２とスロットアンテナ板３７に挟まれた誘電体部材３８の内部を径方向外側に向かって放射状に広がり、スロットアンテナ板３７に設けられた複数のスロット４０から誘電体窓３６に放射される。誘電体窓３６を透過したマイクロ波は、誘電体窓３６の直下に電界を生じさせ、処理容器３２内にプラズマを生成させる。すなわち、プラズマ処理装置３１において処理に供されるマイクロ波プラズマは、上記した構成の冷却ジャケット５２、スロットアンテナ板３７および誘電体部材３８からなるラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）から放射されるマイクロ波により処理容器３２内に生成される。
【００４３】
図３は、プラズマ処理装置３１においてプラズマを発生させた際の処理容器３２内における誘電体窓３６の下面４８からの距離とプラズマの電子温度との関係を示すグラフである。図４は、プラズマ処理装置３１においてプラズマを発生させた際の処理容器３２内における誘電体窓３６の下面４８からの距離とプラズマの電子密度との関係を示すグラフである。
【００４４】
図３および図４を参照して、誘電体窓３６の直下の領域、具体的には、図３に一点鎖線で示すおおよそ１０ｍｍ程度までの領域２６は、いわゆるプラズマ生成領域と呼ばれる。この領域２６においては、電子温度が高く、電子密度が１×１０１２ｃｍ−３よりも大きい。プラズマ処理装置３１は、スロットアンテナ板３７を用い、処理容器３２内にマイクロ波を放射している。このような構成によると、マイクロ波は、処理容器３２内に生成された高密度のプラズマによって反射され、プラズマ中に伝播することができない。このようなマイクロ波によって励起されたプラズマは、表面波プラズマと呼ばれる。一方、二点鎖線で示す１０ｍｍを越える領域２７は、プラズマ拡散領域と呼ばれる。この領域２７においては、電子温度が１．０〜１．３ｅＶ程度、少なくとも１．５ｅＶよりも低く、電子密度が１×１０１２ｃｍ−３程度、少なくとも１×１０１１ｃｍ−３よりも高い。後述する被処理基板Ｗに対するプラズマ処理は、プラズマ拡散領域で行われる。すなわち、プラズマ処理は、被処理基板Ｗの表面近傍において、プラズマの電子温度が１．５ｅＶよりも低く、かつプラズマの電子密度が１×１０１１ｃｍ−３よりも高いマイクロ波プラズマを用いることが望ましい。なお、この場合の誘電体窓３６の下面４８と支持台３４間の距離は、１００ｍｍ程度に設定される。また、プラズマの電子密度は、１×１０１０ｃｍ−３程度あれば十分な処理速度にて処理が可能であり、誘電体窓３６の下面４８と支持台３４間の距離は、５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であればよい。
【００４５】
次に、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の構成について説明する。図５は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の一部を示す概略断面図である。なお、図５および後述する図６において、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。また、理解の容易の観点から、図５および後述する図６における紙面上下方向を、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の厚さ方向である上下方向とする。
【００４６】
図５を参照して、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体１１は、例えば、発光素子として用いられる。この発明の一実施形態に係る窒化物半導体１１は、ベースとなるサファイヤ基板１２と、サファイヤ基板１２の上に設けられ、ＧａＮから構成されるバッファ層１３と、バッファ層１３の上に設けられ、ｎ型のＧａＮから構成されるｎ−ＧａＮ層１４と、ｎ−ＧａＮ層１４の上に設けられるＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）層１５と、ＭＱＷ層１５の上に設けられ、ｐ型のＡｌＧａＮから構成されるｐ−ＡｌＧａＮ層１６と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の上に設けられ、ｐ型のＧａＮから構成されるｐ−ＧａＮ層１７とを含む。すなわち、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体１１は、半導体層を構成する窒化物を有し、多重量子井戸層を含む。
【００４７】
ｎ−ＧａＮ層１４上に形成されるＭＱＷ層１５は、ｎ−ＧａＮ層１４上を全て覆うのではなく、その一部が露出するように形成される。そして、その露出した部分の上には、ｎ型の電極となるｎ−電極１８が設けられている。一方、ｐ−ＧａＮ層１７の上には、ｐ型の電極となるｐ−電極１９が設けられている。ｎ−電極１８が形成される部分と、ｐ−電極が形成される部分との間には、ｎ−電極１８が形成される部分が相対的に低くなるように、いわゆる段差が設けられている構成となる。
【００４８】
ｎ−ＧａＮ層１４、およびｐ−ＧａＮ層１７のそれぞれの厚さ、すなわち、上下方向の長さは、約２００ｎｍであって比較的厚く構成されている。一方、ＭＱＷ層１５、およびｐ−ＡｌＧａＮ層１６のそれぞれの厚さは、非常に薄く構成されている。ＭＱＷ層１５は、１〜２０ｎｍがよい。ｐ−ＡｌＧａＮ層１６の厚さは、約１０Å（オングストローム）であって、５原子層分程度である。
【００４９】
ここで、ＭＱＷ層１５の具体的な構成について、説明する。図６は、図５に示す窒化物半導体のうち、ＭＱＷ層１５の一部の一例を示す概略図である。図５および図６を参照して、ＭＱＷ層１５は、ｎ−ＧａＮ層１４の上に形成され、ＭＱＷ層１５のうちの最下層となる第一のｉ−ＧａＮ層２１ａと、第一のｉ−ＧａＮ層２１ａの上に形成されるｉ−ＩｎＧａＮ層２２ａと、ｉ−ＩｎＧａＮ層２２ａの上に形成され、ＭＱＷ層１５のうちの最上層となる第二のｉ−ＧａＮ層２１ｂとから構成されている。この場合、ＭＱＷ層１５は、二層のｉ−ＧａＮ層２１ａ、２１ｂと、二層のｉ−ＧａＮ層２１ａ、２１ｂの間に設けられる一層のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ａとの合計三層で構成されている。各層の厚さは、それぞれ約１０Å（オングストローム）である。なお、この実施形態においては、ＭＱＷ層１５は三層構造であるが、要求される特性に応じて、ｉ−ＧａＮ層とｉ−ＩｎＧａＮ層とを交互に形成して、任意の積層構造、すなわち、五層のＭＱＷ層や七層のＭＱＷ層とすることにしてもよい。さらに、九層、十一層の奇数層以上形成してもよい。すなわち、三層上には、第二のＩｎＧａＮ層および第三のＧａＮ層を順に形成して一組とし、少なくとも三層上に１組以上形成されるようにしてもよい。
【００５０】
図７は、七層形成したＭＱＷ層２３を示す概略図である。図７を参照して、七層のＭＱＷ層２３は、最下層となる第一のｉ−ＧａＮ層２１ａと、第一のｉ−ＧａＮ層２１ａの上に形成される第一のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ａと、第二のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂの上に形成される第三のｉ−ＧａＮ層２１ｃと、第三のｉ−ＧａＮ層２１ｃの上に形成される第三のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂと、第三のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂの上に形成される第四のｉ−ＧａＮ層２１ｄとから構成されている。この場合、三層上に、二組形成されていることになる。
【００５１】
また、図８は、九層形成したＭＱＷ層２４を示す概略図である。図８を参照して、十一層のＭＱＷ層２４は、最下層となる第一のｉ−ＧａＮ層２１ａと、第一のｉ−ＧａＮ層２１ａの上に形成される第一のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ａと、第二のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂの上に形成される第三のｉ−ＧａＮ層２１ｃと、第三のｉ−ＧａＮ層２１ｃの上に形成される第三のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂと、第三のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｂの上に形成される第四のｉ−ＧａＮ層２１ｄと、第四のｉ−ＧａＮ層２１ｄの上に形成される第四のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｄと、第四のｉ−ＩｎＧａＮ層２２ｄの上に形成される第五のｉ−ＧａＮ層２１ｅとから構成されている。この場合、三層上に、三組形成されていることになる。
【００５２】
次に、上記したプラズマ処理装置３１を用いて製造される窒化物半導体の製造方法について説明する。図９は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法のうち、代表的な工程を示すフローチャートである。
【００５３】
図５〜図９を参照して、ベースとなるサファイヤ基板１２上に、バッファ層１３を形成する（図９（Ａ））。次に、形成されたバッファ層１３の上にｎ−ＧａＮ層１４を形成する（図９（Ｂ））。
【００５４】
ここで、このｎ−ＧａＮ層１４の形成に際しては、上記した図１および図２に示すプラズマ処理装置３１を用いたプラズマＣＶＤ処理により行われる。具体的には、ＲＬＳＡを備えるプラズマ処理装置３１を用いた、マイクロ波プラズマＣＶＤ処理により、窒化物層であるｎ−ＧａＮ層１４を形成する。
【００５５】
プラズマ処理装置３１を用いたプラズマＣＶＤ処理について説明する。ここで、プラズマＣＶＤ処理とは、プラズマＶＰＥ（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）処理を含む。併せて図１〜図２を再び参照して、まず、処理容器３２内に配置された支持台３４上に被処理基板Ｗとしてのサファイヤ基板１２を静電チャックにより吸着支持させる。次に、Ａｒガス等の不活性ガスをプラズマ励起用のガスとしてガス供給部３３から供給する。ここで、プラズマ処理に適当な圧力となるよう処理容器３２内の圧力を制御する。処理容器３２内の圧力は、生産性を考慮すると、１０ｍＴｏｒｒ以上が好ましく、２０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下が望ましい。さらに、１０ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒがよく、４０〜１００ｍＴｏｒｒがよい。また、支持台３４の内部に設けられている温度調整機構２９を用いて、支持台３４上に支持された被処理基板Ｗの温度については、２００〜７００℃が好ましく、３００〜６００℃がさらに好ましく、ここでは、４００℃とする。このような状態で、処理容器３２内にマイクロ波を導入しマイクロ波プラズマを生成する。
【００５６】
次に、プラズマＣＶＤ処理を行うための材料ガスを供給する。材料ガスの供給は、ガス供給部３３を用いて行う。この場合、プラズマ励起用の不活性ガスに処理容器３２内で混合するように、材料ガスを供給する。具体的には、材料ガスとしての成膜ガスについては、ＩＩＩ−Ｖ族元素を含むガスを用いる。例えば、ＴＭＧ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ：トリメチルガリウム）のようなＧａ（ガリウム）を含むガスや、Ｎ２やＮＨ３（アンモニア）のようなＮ（窒素）を含むガスを用いる。また、ＳｉＨ４（シラン）やＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロロシラン）のようなＳｉ（ケイ素）を含むガスを同時に導入することにより、不純物導入をすることができる。このとき、Ｓｉ（ケイ素）は、形成する層をｎ型とするドーパントである。このようにして、マイクロ波プラズマＣＶＤ処理を行って、ｎ−ＧａＮ層１４を形成する。こうすることにより、低温で結晶性がよく、発光素子および半導体装置としての特性の良好なＧａＮの層を比較的短時間で形成することができる。なお、この処理においては、所定のバイアスを供給せずに処理を行ってもよい。また、材料ガスの供給は、プラズマ励起用のガスを供給するタイミングに供給してもよい。
【００５７】
また、Ｎ−ＧａＮについては、結晶性の観点から、良好な結晶性が得られる８００℃以上、好ましくは、１０００℃以上の熱ＣＶＤ法（エピタキシー）で形成してもよい。
【００５８】
次に、形成したｎ−ＧａＮ層１４の上に、ＭＱＷ層１５を形成する（図９（Ｃ））。具体的にＭＱＷ層１５は、薄膜状の第一のｉ−ＧａＮ層２１、ｉ−ＩｎＧａＮ層２２、および第二のｉ−ＧａＮ層２３を下層側から順次形成する。ここで、「ｉ−」については、「真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）」を指すものであり、不純物が混入していないことを意味する。
【００５９】
ここで、ＭＱＷ層１５を構成する第一のｉ−ＧａＮ層２１、ｉ−ＩｎＧａＮ層２２、および第二のｉ−ＧａＮ層２３のそれぞれの層の形成に際しては、上記した図１および図２に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマＡＬＥ処理により低温で行われる。具体的には、ＲＬＳＡを備えるプラズマ処理装置３１を用いて、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、ＡＬＥ処理により、ＭＱＷ層１５を形成する。
【００６０】
ここで、第一のｉ−ＧａＮ層２１を形成する際のプラズマ処理装置３１を用いたプラズマＡＬＥ処理について説明する。図１０は、図９（Ｃ）に示すＭＱＷ層形成工程において、プラズマＡＬＥ処理を行う際の代表的な工程を示すフローチャートである。併せて図１０を参照して、支持台３４上に支持した被処理基板Ｗ上にＡＬＥ用のガスを供給し、エピタキシャル成長させる結晶を構成する原子を含む分子を、被処理基板Ｗの表面に吸着させる（図１０（Ｇ））。ここで、ＡＬＥ用ガスの供給については、プラズマ処理用ガス供給部３３から成膜ガスを供給して行われる。また、ＡＬＥ用のガスとしては、例えば、ＴＭＧのようなＧａを含むガスが選択される。この場合、原子は、原子一層分の化学吸着で自己停止（セルフリミット）され、それ以上の化学吸着は生じない。
【００６１】
その後、余剰に供給されたＡＬＥ用ガスを除去するために、第一の排気工程として、処理容器３２内を排気すると共に、ＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガス等のパージガスを供給して、いわゆるパージを行う（図１０（Ｈ））。また、排気のみでもよい。すなわち、化学吸着層上に物理吸着した層と吸着されなかった余剰のＴＭＧを含むガスを、処理容器３２の外部へ排出する。処理容器３２内の排気は、排気孔４３および排気装置等を用いて行う。
【００６２】
排気後、吸着させた分子に対し、マイクロ波により生成されたプラズマを用いて処理を行う（図１０（Ｉ））。このステップでは、プラズマ発生機構３９を用い処理容器３２内にマイクロ波を供給し、アンモニア（ＮＨ３）ガスあるいは窒素（Ｎ２）ガスを供給し、プラズマを生成し、被処理基板Ｗ上の原子一層分の吸着層に対して、プラズマによる窒化処理を行う。これにより、ＧａＮ層が形成される。
【００６３】
プラズマ処理が終了した後、第二の排気工程として、処理容器３２内の排気を行う（図１０（Ｊ））。すなわち、処理容器３２内に残留したアンモニアガス等を除去する。このとき、不活性ガスを供給してパージしてもよい。こうすることにより、ＮＨ３ガス等を早く除去できる。
【００６４】
この図１０に示すステップ（Ｇ）〜ステップ（Ｊ）の一連の流れを１サイクルとし、所望の厚さとなるまで繰り返す。１サイクル、すなわち、ステップ（Ｇ）〜ステップ（Ｊ）の一連の流れで形成される層の厚さは、２オングストローム（Å）程度になる。このようにして、第一のｉ−ＧａＮ層２１を構成する層を、エピタキシャル成長によって形成する。このようなプラズマＡＬＥ処理によると、窒化物層の形成時における成膜ガスの組成としての不純物の含有のおそれや、結晶内の欠陥の発生のおそれを大きく低減することができる。したがって、低温で結晶性の良いｉ−ＧａＮ層を形成することができる。
【００６５】
次に、所望の厚さの第一のｉ−ＧａＮ層２１を形成した後、同様にプラズマＡＬＥ処理により、低温で結晶性の良い所望の厚さのｉ−ＩｎＧａＮ層２２、および第二のｉ−ＧａＮ層２３を順次形成する。このようにして、ＭＱＷ層１５を、例えば、１〜２０ｎｍ形成する。したがって、低温で結晶性のよいＭＱＷ層を形成することができる。
【００６６】
次に、形成したＭＱＷ層１５の上に、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６を形成する（図９（Ｄ））。このｐ−ＡｌＧａＮ層１６の形成は、上記したＭＱＷ層１５におけるｉ−ＧａＮ層２１の形成と同様に、上記した図１および図２に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマＡＬＥ処理により行われる。なお、ＡＬＥ用のガスとしては、例えば、ＴＭＧのようなＧａを含むガスやＴＭＡｌ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ：トリメチルアルミニウム）のようなＡｌ（アルミニウム）を含むガスが選択される。ここで、形成する層をｐ型とするドーパントについては、例えば、Ｃｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ−ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｄｉｅｎｙｌ  Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ：ビスシクロメンタディエニルマグネシウム）のようなＭｇ（マグネシウム）を含むガスを用いる。この場合、Ｍｇを含むガスを供給するタイミングについては、プラズマＡＬＥ処理の場合、プラズマ処理工程、すなわち、上記した図１０（Ｉ）の工程において供給することにしてもよい。なお、ドーパントに用いるガスが、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理可能なガスであれば、原子層吸着工程、すなわち、上記した図１０（Ｇ）の工程において供給することにしてもよい。
【００６７】
また、ＡｌＧａＮ層は、結晶性の観点から、ＭＱＷ層より低い熱ＣＶＤ法で形成してもよい。
【００６８】
次に、形成したｐ−ＡｌＧａＮ層１６の上に、ｐ−ＧａＮ層１７を形成する。（図９（Ｅ））。このｐ−ＧａＮ層１７の形成については、上記したｎ−ＧａＮ層１４の形成と同様に、上記した図１および図２に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマＣＶＤ処理により行われる。具体的には、材料ガスとしての成膜ガスについては、ＴＭＧのようなＧａを含むガス、ＮＨ３のようなＮを含むガス、Ｃｐ２ＭｇのようなＭｇを含むガスを用い、これらを同時に導入する。また、Ｍｇ（マグネシウム）は、形成する層をｐ型とするドーパントである。このようにして、低温でマイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤ処理を行って、ｐ−ＧａＮ層１７を形成する。
【００６９】
また、ｐ−ＧａＮは、結晶性の観点から、ＭＱＷ層より低い熱ＣＶＤ法で形成してもよい。
【００７０】
その後、ｎ−電極１８、およびｐ−電極１９を形成する（図９（Ｆ））。このようにして、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体１１を製造する。
【００７１】
このような窒化物半導体の製造方法によれば、窒化物層を形成する際に、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、高密度のプラズマが存在するプラズマ生成領域から被処理基板が配置される拡散領域までの距離が５０〜３００ｍｍであれば、窒化種の失活が抑制され、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。さらに、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマについては、窒化種の選択の幅を広くすることができる。また、このようなプラズマ処理においては、低温で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、低温で結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物層を効率的に形成することができるので、特性の良好な半導体装置を、効率的に製造することができる。
【００７２】
この場合、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、生成されるプラズマにおいて、１．５ｅＶ以下の電子温度の低いもので処理を行うことができる。また、主としてラジカルが生成されるため、豊富なラジカルを用いて窒化物層の形成を行うことができる。そうすると、窒化物層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージを大きく低減することができる。したがって、低温で結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。
【００７３】
また、この場合、厚い層の形成となるｎ−ＧａＮ層形成工程（図９（Ｂ））およびｐ−ＧａＮ層形成工程（図９（Ｅ））は、プラズマＣＶＤ処理で行っており、薄い層の形成となるＭＱＷ層形成工程（図９（Ｃ））、およびｐ−ＡｌＧａＮ層形成工程（図９（Ｄ））は、プラズマＡＬＥ処理で行っているため、下地のＭＱＷ層への熱的影響の観点から低温で行われ、結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の優れた窒化物半導体を、効率的に製造することができる。
【００７４】
また、この場合、全ての層の形成を２００℃以上７００℃未満、好ましくは、６００℃以下、さらには４００℃以下の低温で行うことができる。このようにして形成された層は、上記した反りや歪みのおそれが少なく、結晶性が非常に高く、特性が良好である。したがって、このようにして製造される半導体は、低温で結晶性が良く、半導体としての特性が良好である。
【００７５】
なお、上記した窒化物半導体の製造方法においては、圧力は１０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下が好ましく、１０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下として行うことにしてもよい。このようにして層を、低温で結晶性が良く、効率的に形成することができる。
【００７６】
また、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体は、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて形成されるＧａＮ層を備える。
【００７７】
このような窒化物半導体は、ＧａＮ層を形成する際に、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、窒化種の密度の高い状態で、ＧａＮ層が形成されている。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理と比べ、２００℃〜７００℃の低温で処理が行われるので、多重量子井戸層を含む窒化物半導体装置を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減されている。したがって、低温で結晶性が良く、特性の良好なＧａＮ層を形成することができ、半導体装置としての特性が良好である。
【００７８】
この場合、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、電子温度の比較的低いプラズマにて処理が行われる。そうすると、ＧａＮ層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、結晶欠陥の少ないＧａＮ層が形成される。
【００７９】
次に、このようにして形成した半導体装置に備えられるＧａＮ層の特性の評価について説明する。図１１は、上記したこの発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法で製造された窒化物半導体のうち、ｎ−ＧａＮ層１４を構成するＧａＮ結晶のＸＲＤのチャートである。図１１中、横軸は、２θ（ｄｅｇｒｅｅ）を示し、縦軸は、ｌｏｇ（ＣＰＳ）であり、ＣＰＳ（強度）の対数を示す。図１１中の矢印Ａ１で示す位置におけるピークは、基板としてのサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）の結晶のピークを示すものである。なお、図１１は、処理容器内の圧力を１５０ｍＴｏｒｒとしてｎ−ＧａＮ層を形成した場合を示す。
【００８０】
図１１を参照して、矢印Ａ２で示す位置におけるピークは、ＧａＮ結晶の（００２）面を示すピークである。また、矢印Ａ３で示す位置におけるピークは、ＧａＮ結晶の（００４）面を示すピークである。このように、上記した製造方法で製造された窒化物半導体は、窒化物半導体を構成するＧａＮ結晶が、結晶格子の他の面を示すピークがほとんど表れていない。これは、ＧａＮ結晶の単結晶としての結晶性が良好であり、低温で優れたエピタキシャル成長により、形成されたものであることが把握できる。
【００８１】
なお、上記の実施の形態においては、ｎ−ＧａＮ層、およびｐ−ＧａＮ層をプラズマＣＶＤ処理によって低温で形成し、ＭＱＷ層、具体的には、ｉ−ＧａＮ層およびｉ−ＩｎＧａＮ層、そしてｐ−ＡｌＧａＮ層の形成をプラズマＡＬＥ処理によって低温で形成することとしたが、これに限らず、全ての層をプラズマＣＶＤ処理によって低温で形成することにしてもよい。こうすることにより、スループットの大幅な向上を図ることができる。また、全ての層をプラズマＡＬＥ処理によって低温で形成することとしてもよい。こうすることにより、より膜質が良好で特性の優れた窒化物半導体を製造することができる。また、膜厚・膜質がともに均一な膜を成膜することができる。また、このようなプラズマＡＬＥ処理については、被膜特性が高いため、高アスペクト比の構造へ好適に用いることができる。
【００８２】
ここで、全ての層をプラズマＣＶＤ処理によって形成した場合について説明する。図１２は、全ての層をプラズマＣＶＤ処理によって低温で形成した場合の窒化物半導体の特性を示すグラフである。図１２は、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）特性を示すものであり、縦軸は、ＰＬ強度（ａ．ｕ．）を示し、横軸は、波長（ｎｍ）を示す。図１２中、矢印Ｃ１で示す部分は、ＢＥ（Ｂａｎｄ  Ｅｄｇｅ）と呼ばれる部分を指すものであり、この値が高ければよい。また、図１２中の領域Ｃ２で示す部分については、ＢＬ（Ｂｌｕｅ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と呼ばれる領域であり、この領域については、その値が低い方がよい。さらに、図１２中の領域Ｃ３で示す部分については、ＹＬ（Ｙｅｌｌｏｗ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と呼ばれる領域であり、ＢＥ／ＹＬの値が高い方がよい。
【００８３】
ここで、ＭＱＷ層を形成する際の処理条件としては、支持台３４の温度を６００℃、原子吸着工程におけるガスについては、１５ｓｃｃｍとして流すＨ２ガスをキャリアとしたＴＭＧガスを３．４ｓｃｃｍ、プラズマ処理工程におけるプラズマ処理用ガスとしてＨ２ガスを５０ｓｃｃｍ、およびＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍ、マイクロ波電力を４．５ｋＷ、処理容器３２内の圧力を６０ｍＴｏｒｒ、処理時間を１２００秒とするものである。
【００８４】
また、ＰＬの測定条件としては、ＰＬ測定装置を用い、分光器をＳＰＥＸ１７０２、グレーティングを１２００本、励起光源をＨｅ−Ｃｄレーザ（３２５ｎｍ）、検出器としてフォトマルＲ１３８７、測定温度を１２Ｋ、測定波長を３５０〜７００ｎｍ（１ｎｍステップ）、スリット幅が３５０〜４００ｎｍのときは０．５ｍｍ、スリット幅が４００〜７００ｎｍのときは１ｍｍとした。
【００８５】
図１２を参照して、ＢＥについては、非常に高く、かつシャープな値を示す。また、ＢＥ／ＹＬ＞１００であり、ＢＬにおける発光も比較的小さい。このような窒化物半導体については、純度が高く、結晶性が良好である。すなわち、窒化物半導体として、特性が優れていることが把握できる。
【００８６】
次に、ＭＱＷ層をプラズマＡＬＥ処理（４００℃）によって形成し、その他の層については、プラズマＣＶＤ処理によって形成した場合について説明する。図１３は、図１２に示す全ての層をプラズマＣＶＤ処理（６００℃）によって形成した場合の窒化物半導体と、ＭＱＷ層をプラズマＡＬＥ処理によって形成し、その他の層については、プラズマＣＶＤ処理によって形成した場合の窒化物半導体とのロッキングカーブの特性を示すグラフである。図１３中、縦軸は、半値幅（度（ｄｅｇｒｅｅ））を示す。図１３中の左側二つの棒グラフがＡＬＥ処理（４００℃）を行った場合を示し、右側二つの棒グラブがＣＶＤ処理（６００℃）を行った場合を示す。それぞれの処理を示す棒グラフのうち、左側の棒グラフが、（００２）半値幅のチルト分布を示し、右側の棒グラフが、（１１０）半値幅のツイスト分布を示す。具体的な値としては、プラズマＡＬＥ処理の場合の半値幅（チルト分布）が０．０７５であり、半値幅（ツイスト分布）が１．６６３であり、プラズマＣＶＤ処理の場合の半値幅（チルト分布）が０．０８７であり、半値幅（ツイスト分布）が１．４６６である。
【００８７】
ここで、プラズマＡＬＥ処理の条件について説明すると、支持台３４の温度４００℃、原子吸着工程における処理容器３２内の圧力を３Ｔｏｒｒ、原子吸着工程については、２５ｓｃｃｍとして流すＨ２ガスをキャリアとしたＴＭＧガスを５．６ｓｃｃｍ、時間を１５秒としている。また、プラズマ処理工程における処理容器３２内の圧力を５Ｔｏｒｒ、Ｈ２ガスを２００ｓｃｃｍ、およびＮＨ３ガスを２００ｓｃｃｍ、マイクロ波電力を４．５ｋＷ、時間を１０秒としている。
【００８８】
図１３を参照して、上記した図１２に示す全ての層をプラズマＣＶＤ処理にて形成した窒化物半導体と比較して、ＭＱＷ層をプラズマＡＬＥ処理で形成した窒化物半導体は、半値幅（チルト分布）の値、および半値幅（ツイスト分布）の値として同等である。すなわち、ＭＱＷ層をプラズマＡＬＥ処理で形成し、その他の層をプラズマＣＶＤ処理にて形成した窒化物半導体についても、純度が高く、結晶性が良好であり、特性が優れていることが把握できる。
【００８９】
また、上記の実施の形態において、プラズマＡＬＥ処理を行う際に、基板が支持された支持台上を覆うカバー部材を配置させ、このカバー部材内において、基板への原子吸着工程を行うようにしてもよい。こうすることにより、吸着ガスの量の低減や、時間短縮を図ることができ、より効率的に特性の良好な窒化物半導体を製造することができる。
【００９０】
なお、上記したＲＬＳＡを備えるプラズマ処理装置３１を用いることで、窒化種の選択の幅を比較的広くすることができる。これについて説明すると、従来のリモートプラズマのＣＶＤ装置等では、窒化種、すなわち、ＮラジカルやＮＨラジカル、ＮＨ２ラジカル等の窒化に寄与するラジカルの種類も限られていた。つまり、数ある窒化種の中から意図した窒化種を用いて窒化させることが困難であった。一方、ＲＬＳＡを備えるプラズマ処理装置３１は、プロセス条件を変更することによって窒化種の制御が容易であるという特徴を持つ。例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスの供給量を、第一のガス供給部４６からの供給量よりも第二のガス供給部４７からの供給量の方が多くなるように供給する。換言すれば、比較的低電子温度の領域にアンモニア（ＮＨ３）ガスを多く供給する。こうすると、アンモニア（ＮＨ３）ガスの過剰解離を抑制できるため、ＮＨ２ラジカルリッチなプラズマとすることができる。このようにして、成膜する膜にあった窒化種を供給することができる。したがって、ＲＬＳＡを備えるプラズマ処理装置３１を用いることで、良好な膜質の窒化物膜を形成することができる。
【００９１】
上記の実施の形態においては、ＧａＮ膜およびＩｎＧａＮ膜の成膜について説明したが、これに限らず、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の形成に用いることができる。特にＩＩＩ族元素としては、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）、およびそれらの組み合わせであってよい。また、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）の他にＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）を用いることができる。
【００９２】
なお、上記の実施の形態においては、図１に示すプラズマ処理装置を用いて窒化物半導体を製造することにしたが、これに限らず、他の構成を備えるプラズマ処理装置を用いて窒化物半導体を製造することにしてもよい。
【００９３】
図１４は、この場合におけるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。図１４は、図１に示す断面に相当する。
【００９４】
図１４を参照して、窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置６５は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理容器３２と、処理容器３２内にプラズマ励起用のガスやプラズマＣＶＤ処理に用いられる材料ガス、後述する原子層エピタキシー（ＡＬＥ）におけるＡＬＥ用ガス等を供給するガス供給部３３と、その上で被処理基板Ｗを支持する円板状の支持台３４と、マイクロ波をプラズマ源として、処理容器３２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構３９と、プラズマ処理装置６５全体の動作を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、ガス供給部３３におけるガス流量、処理容器３２内の圧力等、プラズマ処理装置６５全体の制御を行う。なお、プラズマ処理装置３１と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。また、プラズマ処理装置６５は、図２に示すスロットアンテナ板３７も含むものである。
【００９５】
次に、図１に示すプラズマ処理装置３１と相違する構成について説明する。ガス供給部３３は、被処理基板Ｗの中央に向かってガスを供給する第一のガス供給部４６と、被処理基板Ｗの周辺側からガスを供給する第二のガス供給部６２と、処理容器３２内であって、側壁４２の内壁面から延びる支持部（図示せず）によって、誘電体窓３６と支持台３４の間の上下方向の位置に設けられる第三のガス供給部６４とを含む。第一のガス供給部４６の構成については、図１に示す場合と同様である。第二のガス供給部６２については、側壁４２にガス供給孔を設けるのではなく、蓋部４４にガス供給孔６３を設けることにより形成されている。この第二のガス供給部６２についても、ガス供給孔の開口される位置が異なるだけで、上記した図１に示す第二のガス供給部と同様に、プラズマ励起用のガス等を処理容器３２内に供給する。第三のガス供給部６４は、円環状の部材であって、その径が、支持台３４よりもやや大きめに構成されている。そして、図示しないガス供給孔が円環状の部材に略等配に設けられており、被処理基板Ｗに向かってガスを供給することができる。
【００９６】
また、支持台３４には、ＲＦバイアス用の高周波電源、マッチングユニットが取り付けられておらず、支持台３４内に電極も設けられていない構成である。
【００９７】
次に、このような図１４に示す構成のプラズマ処理装置を用いて、図１０に示すプラズマＡＬＥ処理を行う際の工程について説明する。図１０を併せて参照して、支持台３４上に支持した被処理基板Ｗ上にＡＬＥ用のガスを供給し、エピタキシャル成長させる結晶を構成する原子を含む分子を、被処理基板Ｗの表面に吸着させる（図１０（Ｇ））。ここで、ＡＬＥ用ガスの供給については、ガス供給部中、第一のガス供給部４６のみから、図１４中の矢印Ｆ１で示す被処理基板Ｗに向かって行う。その後、余剰に供給されたＡＬＥガスを除去するために、第一の排気工程として、処理容器３２内の排気、いわゆるパージを行う。図１５は、図１４に示すプラズマ処理装置において、パージを行う状態を示す。図１５を参照して、第二のガス供給部６２により、図１５中の矢印Ｆ２で示すように、支持台３４側に向かってパージガスを供給する。そして、処理容器３２内の気体をパージガスに置換するようにして、パージを行う（図１０（Ｈ））。この場合、例えば、パージガスとして、アルゴン（Ａｒ）ガスが用いられる。次に、吸着させた分子に対し、マイクロ波による生成されたプラズマを用いて処理を行う（図１０（Ｉ））。図１６は、図１４に示すプラズマ処理装置において、プラズマ処理を行う状態を示す。図１６を参照して、この場合、プラズマ発生機構３９を用い処理容器３２内にマイクロ波を供給し、アンモニア（ＮＨ３）ガスあるいは窒素（Ｎ２）ガスを供給してプラズマを生成し、被処理基板Ｗ上の原子一層分の吸着層に対して、プラズマによる窒化処理を行う。ここで、ガスの供給については、第一のガス供給部４６および第三のガス供給部６４から矢印Ｆ３に示す被処理基板Ｗに向かって行う。その後、再び、第二の排気工程として、処理容器３２内の排気を行う（図１０（Ｊ））。この場合、図１５に示すように、処理容器３２内に再び第二のガス供給部６３からアルゴンガスを供給し、パージを行う。
【００９８】
このようにして、プラズマ処理装置６５を用い、図１０に示す（Ｇ）−（Ｊ）工程を一連の流れとして１サイクルとし、所望の厚さとなるまでサイクルを繰り返して、ＡＬＥ層を形成する。
【００９９】
なお、もちろん、プラズマ処理装置６５において被処理基板Ｗへの処理においてバイアスを印加したい場合には、図１に示すプラズマ処理装置３１のように、高周波電源、マッチングユニット、支持台内部に設けられる電極等を備える構成としてもよい。
【０１００】
なお、上記の実施の形態においては、窒化物半導体の例として、発光素子について説明したが、これに限らず、パワー半導体装置にも用いることができる。
【０１０１】
なお、上記の実施の形態において、処理容器３２内の圧力を、２０ｍＴｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下にて処理を行うこととしたが、これに限らず、適宜変更を加えることができる。ただし、分子線エピタキシー装置のような１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超真空領域で用いると生産性が悪くなるため好ましくない。
【０１０２】
なお、上記の実施の形態においては、ベースとなる基板としてサファイヤ基板を用いることとしたが、これに限らず、エピタキシー成長可能な結晶性を有する材料であればどのような材料でもよい。例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｓｉ（１１１配向）を用いることとしてもよい。
【０１０３】
また、上記の実施の形態においては、プラズマ処理は、プラズマの電子温度が１．５ｅＶよりも低く、かつプラズマの電子密度が１×１０１０ｃｍ−３よりも高いマイクロ波プラズマを用いた処理としたが、これに限らず、例えば、プラズマの電子密度が１×１０１０ｃｍ−３よりも低い領域においても適用される。
【０１０４】
なお、上記の実施の形態においては、スロットアンテナ板を用いたＲＬＳＡによるマイクロ波によりプラズマ処理を行うこととしたが、これに限らず、くし型のアンテナ部を有するスロットアンテナを備えるマイクロ波プラズマ処理装置を用いてもよい。
【０１０５】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１１  窒化物半導体、１２  サファイヤ基板、１３  バッファ層、１４  ｎ−ＧａＮ層、１５，２３，２４  ＭＱＷ層、１６  ｐ−ＡｌＧａＮ層、１７  ｐ−ＧａＮ層、１８  ｎ−電極、１９  ｐ−電極、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ  ｉ−ＧａＮ層、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ  ｉ−ＩｎＧａＮ層、２６，２７  領域、２９  温度調整機構、３１，６５  プラズマ処理装置、３２  処理容器、３３，４６，４７，６２，６４  ガス供給部、３４  支持台、３５  マイクロ波発生器、３６  誘電体窓、３７  スロットアンテナ板、３８  誘電体部材、３９  プラズマ発生機構、４０  スロット、４１  底部、４２  側壁、４３  排気孔、４４  蓋部、４５  Ｏリング、４８  下面、４９  ガス供給系、３０，５０，６３  ガス供給孔、５１  筒状支持部、５２  冷却ジャケット、５３  マッチング機構、５４  モード変換器、５５  導波管、５６  同軸導波管、５７  凹部、５８  高周波電源、５９  マッチングユニット、６０  循環路、６１  電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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