(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族窒化物半導体装置の製造方法において、
Ｉｎを含まない半導体層を形成する第１の半導体層形成工程と、
Ｉｎを含む半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第２の半導体層形成工程では、
Ｉｎ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とともに、
窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して前記成長基板に供給してＩｎＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１の半導体層形成工程では、
Ｉｎを含まない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とともに、
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成長基板に供給してＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体ウエハの製造方法において、
Ｉｎを含まない半導体層を形成する第１の半導体層形成工程と、
Ｉｎを含む半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第２の半導体層形成工程では、
Ｉｎ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とともに、
窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して前記成長基板に供給してＩｎＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体ウエハの製造方法において、
前記第１の半導体層形成工程では、
Ｉｎを含まない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とともに、
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成長基板に供給してＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成すること
を特徴とする半導体ウエハの製造方法。
【請求項５】
半導体層を成長させるためのIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
第１の電極と、
成長基板を支持するための基板支持部と、
前記基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、
前記基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、
を有し、
前記第１のガス供給管は、
少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、
III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとしてプラズマ発生領域に供給しないで前記成長基板に供給するものであり、
前記第２のガス供給管は、
前記第１のガス供給管がＩｎを含まない有機金属ガスを供給する場合に、
窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを第２のガスとしてプラズマ発生領域に供給してから前記成長基板に供給し、
前記第１のガス供給管がＩｎを含む有機金属ガスを供給する場合に、
窒素ガスを含むとともに水素ガスを含まないガスを第２のガスとしてプラズマ発生領域に供給してから前記成長基板に供給し、
前記第１の電極は、
前記基板支持部からみて前記第１のガス供給管の前記第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
前記第１の電極は、
第１面から第２面に貫通する複数の貫通孔を設けられた平板電極であり、
前記第２のガス供給管は、
前記第１の電極の前記複数の貫通孔と連通していること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
前記第１のガス供給管は、
リング形状のリング部を有するとともに、
前記第１のガス噴出口は、
前記リング部の内側に向けて設けられていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造装置において、
金属メッシュ部材を有し、
前記金属メッシュ部材は、
前記第１のガス供給管と前記第１の電極との間の位置に配置されていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法に関する。より詳細には、プラズマを用いたIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、その組成を変化させることにより、バンドギャップが０．６ｅＶから６ｅＶまで変化する。そのため、III 族窒化物半導体は、近赤外から深紫外までの広い範囲の波長に相当する発光素子や、レーザーダイオード、受光素子等に応用されている。
【０００３】
また、III 族窒化物半導体では、破壊電界強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
【０００４】
III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。ＭＯＣＶＤ法では、大量のアンモニアガスを用いる。そのため、ＭＯＣＶＤ炉にアンモニアを除外する除害装置を設ける必要がある。また、アンモニアのランニングコストも高い。そして、有機金属ガスとアンモニアとの反応により半導体層を形成する。この反応を起こすために、基板温度を高温にする必要がある。基板温度が高いと、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を高品質に成長させることは難しい。また、成長基板と半導体層との熱膨張差の違いにより、そりが発生しやすい。
【０００５】
また、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が挙げられる。ＭＢＥ法では、低い成長温度でIII 族窒化物半導体を成長させることができる。しかし、ラジカルソースを用いるＲＦ−ＭＢＥ法では、成長速度が遅い。すなわち、ＲＦ−ＭＢＥ法は、量産に向かない。アンモニアガスを用いるＭＢＥ法では、大量のアンモニアガスを使用するため、製造コストが高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３６０７８号公報
【特許文献２】特開２０１５−９９８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、プラズマを用いるプラズマＭＯＣＶＤ装置も研究されている。例えば、特許文献１には、プラズマＭＯＣＶＤ装置が記載されている。特許文献１では、酸化マグネシウム膜を形成できるとしている（特許文献１の段落［００２０］−［００２１］）。しかし、プラズマＭＯＣＶＤ法によりIII 族窒化物半導体を成長させる場合には、良質な結晶は得られていない。
【０００８】
そのため、本発明者らは、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を開発した（特許文献２参照）。ＲＥＭＯＣＶＤ法は、III 族元素をプラズマ化させずに成長基板に供給するとともに、窒素ガスを含むガスをプラズマ化させて成長基板に供給する方法である。これにより、例えば、ＧａＮ層を好適に成長させることができる。しかし、Ｉｎを含むＩｎＧａＮ層を成長させる際には、高品質な結晶を得ることが困難であった。
【０００９】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、Ｉｎを含む半導体層を結晶性良く成長させることを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、Ｉｎを含まない半導体層を形成する第１の半導体層形成工程と、Ｉｎを含む半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、を有する。第２の半導体層形成工程では、Ｉｎ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とともに、窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して成長基板に供給してＩｎＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層を形成する。
【００１１】
このIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、Ｉｎを含む半導体層を成長させる際には水素ガスを成長基板に供給しない。そのため、相分離等を起こすことなく、非常に高品質なＩｎＧａＮ結晶もしくはＡｌＩｎＧａＮ結晶を得ることができる。ここで、ＩｎＧａＮ層は、ＩｎＮ層を含む。ＡｌＩｎＧａＮ層は、ＡｌＩｎＮ層を含む。
【００１２】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法においては、第１の半導体層形成工程では、Ｉｎを含まない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とともに、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成長基板に供給してＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成する。
【００１３】
第３の態様における半導体ウエハの製造方法は、Ｉｎを含まない半導体層を形成する第１の半導体層形成工程と、Ｉｎを含む半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、を有する。第２の半導体層形成工程では、Ｉｎ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とともに、窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して成長基板に供給してＩｎＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層を形成する。
【００１４】
第４の態様における半導体ウエハの製造方法においては、第１の半導体層形成工程では、Ｉｎを含まない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とともに、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成長基板に供給してＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成する。
【００１５】
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置は、半導体層を成長させるための製造装置である。この製造装置は、第１の電極と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスを供給する第２のガス供給管と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスを第１のガスとしてプラズマ発生領域に供給しないで成長基板に供給するものである。第２のガス供給管は、第１のガス供給管がＩｎを含まない有機金属ガスを供給する場合に、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを第２のガスとしてプラズマ発生領域に供給してから成長基板に供給し、第１のガス供給管がＩｎを含む有機金属ガスを供給する場合に、窒素ガスを含むとともに水素ガスを含まないガスを第２のガスとしてプラズマ発生領域に供給してから成長基板に供給する。第１の電極は、基板支持部からみて第１のガス供給管の第１のガス噴出口よりも遠い位置に配置されている。
【００１６】
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、第１の電極は、第１面から第２面に貫通する複数の貫通孔を設けられた平板電極である。第２のガス供給管は、第１の電極の複数の貫通孔と連通している。
【００１７】
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置においては、第１のガス供給管は、リング形状のリング部を有する。第１のガス噴出口は、リング部の内側に向けて設けられている。
【００１８】
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置は、金属メッシュ部材を有する。金属メッシュ部材は、第１のガス供給管と第１の電極との間の位置に配置されている。このため、電子やその他のイオンが成長基板に供給されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本明細書では、Ｉｎを含む半導体層を結晶性良く成長させることを図ったIII 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態に係る製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態に係る発光素子の概略構成を示す図である。
【図３】第３の実施形態に係るＭＩＳ型半導体素子の概略構成を示す図である。
【図４】実施例においてＸＲＤにより測定したＡｌＩｎＮ層のピークを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体装置の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。各半導体層の積層構造は例示である。そのため、本明細書の技術は、実施形態で挙げた積層構造に限定されない。
【００２２】
（第１の実施形態）
１．III 族窒化物半導体装置の製造装置
図１は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、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とともに、窒素ガスを含むガスをプラズマ化して成長基板に供給する装置である。
【００２３】
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
【００２４】
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
【００２５】
サセプター１２００は、基板Ｓａ１を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板Ｓａ１は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
【００２６】
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
【００２７】
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。
【００２８】
ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガスは、水素ガスを含む場合と水素ガスを含まない場合とがある。第２のガス供給管１４２０は、第１のガス供給管１３００がＩｎを含まない有機金属ガスを供給する場合に、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを第２のガスとして供給し、第１のガス供給管１３００がＩｎを含む有機金属ガスを供給する場合に、窒素ガスを含むとともに水素ガスを含まないガスを第２のガスとして供給する。
【００２９】
ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
【００３０】
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、金属メッシュ１５００は、プラズマ発生領域で発生する荷電粒子を捕獲することができる。よって、荷電粒子は、成長基板Ｓａ１にほとんど到達しない。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。
【００３１】
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
【００３２】
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
【００３３】
ここで、第２のガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。ただし、プラズマ生成物は、第２のガスが水素ガスを含むか否かによって異なっている。
【００３４】
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板Ｓａ１に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板Ｓａ１に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００３５】
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、基板Ｓａ１に到達しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板Ｓａ１に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００３６】
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板Ｓａ１を加熱するためのものである。
【００３７】
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
【００３８】
２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。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、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。
【００３９】
［表１］
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
【００４０】
３．半導体ウエハの製造方法
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、Ｉｎを含まない半導体層を形成する第１の半導体層形成工程と、Ｉｎを含む半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、を有する。
【００４１】
３−１．基板のクリーニング
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を例えば７００℃以上９００℃以下の程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。
【００４２】
３−２．第１の半導体層形成工程
第１の半導体層形成工程では、基板Ｓａ１の上にＧａＮ層を成長させる。そのため、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第２のガスとして供給する。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される。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。
【００４３】
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板Ｓａ１に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板Ｓａ１までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板Ｓａ１まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板Ｓａ１に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。通常の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。
【００４４】
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを第１のガスとして供給する。例えば、トリメチルガリウムが挙げられる。これらのガスは、基板Ｓａ１に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板Ｓａ１に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板Ｓａ１に供給される。
【００４５】
このように、第１の半導体層形成工程では、Ｉｎを含まない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とともに、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成長基板に供給する。これにより、基板Ｓａ１の上にＧａＮ層が形成される。
【００４６】
３−３．第２の半導体層形成工程
第２の半導体層形成工程では、基板Ｓａ１の上のＧａＮ層の上にＩｎＧａＮ層を成長させる。この工程においては、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスを第２のガスとして供給する。そのため、窒素ラジカルが生成される。
【００４７】
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを第１のガスとして供給する。このとき、第１のガスはトリメチルインジウムを含んでいる。また、第１のガスは、トリメチルガリウムを含んでいる。第１のガスは、基板Ｓａ１に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板Ｓａ１に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで基板Ｓａ１に供給される。
【００４８】
このように、第２の半導体層形成工程では、Ｉｎ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とともに、窒素ガスを含み水素ガスを含まないガスをプラズマ化して成長基板に供給する。これにより、ＧａＮ層の上にＩｎＧａＮ層が形成される。
【００４９】
３−４．半導体ウエハ
こうして、基板Ｓａ１の主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。これにより、半導体ウエハが製造される。この半導体ウエハにおけるIII 族窒化物半導体の結晶性はよい。
【００５０】
４．製造された半導体ウエハ
このように製造された半導体ウエハにおいては、第２の半導体層形成工程によりＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層のうちの少なくとも一つが製造される。このように製造されるＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層の結晶性はよい。これらの半導体層では、相分離がほとんど生じていない。これは、第２の半導体層形成工程の際に、水素に由来するラジカルがトリメチルインジウムと反応してしまうおそれがないためであると考えられる。
【００５１】
５．変形例
５−１．リング部の貫通孔
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。
【００５２】
５−２．ＡｌＧａＮ層およびＡｌＩｎＧａＮ層
第１の半導体層形成工程では、ＧａＮ層の代わりにＡｌＧａＮ層を形成してもよい。そのためには、第１のガスは、さらにトリメチルアルミニウム等を含んでいればよい。また、第２の半導体層形成工程では、ＩｎＧａＮ層の代わりにＡｌＩｎＧａＮ層を形成してもよい。そのためには、第１のガスは、さらにトリメチルアルミニウム等を含んでいればよい。ここで、ＡｌＩｎＧａＮ層は、ＡｌＩｎＮ層を含む。また、ＩｎＧａＮ層は、ＩｎＮ層を含む。
【００５３】
５−３．半導体ウエハの積層構造
本実施形態の半導体ウエハは、基板Ｓａ１の上にＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の順番で半導体層を成長させたものである。この積層構造については、もちろん、これ以外の積層構造であってもよい。ただし、Ｉｎを含む層を成長させる際には、第２の半導体層形成工程を用い、Ｉｎを含まない層を成長させる際には、第１の半導体層形成工程を用いる。
【００５４】
５−４．第１の半導体層形成工程
第１の半導体層形成工程については、通常のＭＯＣＶＤ炉を用いて実施してもよい。その場合であっても、半導体層を成長させることができる。
【００５５】
６．本実施形態のまとめ
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、第１の半導体層形成工程と第２の半導体層形成工程とを有する。第１の半導体層形成工程では、Ｉｎを含まない第１のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して成長基板に供給する。これにより、ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成する。第２の半導体層形成工程では、Ｉｎを含む第１のガスをプラズマ化しないで成長基板に供給するとともに、窒素ガスを含み水素ガスを含まない第２のガスをプラズマ化して成長基板に供給する。これにより、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層を形成する。これにより、結晶性に優れたＧａＮ層等およびＩｎＧａＮ層等を成長させることができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。
【００５７】
１．半導体発光素子
本実施形態の発光素子１００を図２に示す。発光素子１００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層１４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。
【００５８】
２．半導体発光素子の製造方法
２−１．半導体層形成工程
図１の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１３０と、発光層１４０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０と、ｐ−ＧａＮ層１６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
【００５９】
ここで、Ｉｎを含まない半導体層を成長させる際には、第１の実施形態の第１の半導体層形成工程を用いる。Ｉｎを含む半導体層を成長させる際には、第１の実施形態の第２の半導体層形成工程を用いる。つまり、発光層１４０の井戸層を形成する際には、第２の半導体層形成工程を用いる。
【００６０】
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層１６０からｎ−ＧａＮ層１３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部１３１が露出する。
【００６１】
２−３．電極形成工程
次に、ｎ−ＧａＮ層１３０の露出部の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層１６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
【００６２】
２−４．その他の工程
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。
【００６３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。
【００６４】
１．ＭＩＳ型半導体素子
図３に示すように、ＭＩＳ型半導体素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０の溝２４１との間には、絶縁膜２５０がある。
【００６５】
２．ＭＩＳ型半導体素子の製造方法
２−１．半導体層形成工程
本実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ＧａＮ層２３０と、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
【００６６】
ここで、Ｉｎを含まない半導体層を成長させる際には、第１の実施形態の第１の半導体層形成工程を用いる。Ｉｎを含む半導体層を成長させる際には、第１の実施形態の第２の半導体層形成工程を用いる。つまり、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０を形成する際には、第２の半導体層形成工程を用いる。
【００６７】
２−２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０に溝２４１を形成する。
【００６８】
２−３．絶縁膜形成工程
次に、溝２４１に、絶縁膜２５０を形成する。
【００６９】
２−４．電極形成工程
次に、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０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２４１の箇所に、絶縁膜２５０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２５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子２００が製造される。
【００７０】
なお、ＡｌＩｎＧａＮ層２４０は、ＡｌＩｎＮ層であってもよい。また、ＩｎＧａＮ層であってもよい。
【実施例】
【００７１】
１．サンプルの作製
まず、サファイア基板上にＧａＮ層を形成したテンプレートを作製した。そのテンプレートは１０ｍｍ角であった。次に、図１に示す製造装置１０００の内部にそのテンプレートを配置した。そして、Ｈ2 を２５０ｓｃｃｍ、Ｎ2 を７０ｓｃｃｍだけ流した。４００ＷのＲＦパワーでこれらのガスをプラズマ化した。そして、反応管内の圧力を１００Ｐａに保持しつつテンプレートを７００℃まで昇温した後に、１０分間保持した。このように、サーマルクリーニングを実施した。
【００７２】
そして、基板温度を１００℃に保持しつつ、トリメチルアルミニウムを２０分間流しながら、トリメチルアルミニウムをテンプレートに吸着させた。
【００７３】
次に、１０００ｓｃｃｍのＮ2 を第２のガスとして供給するとともに、トリメチルインジウムおよびトリメチルアルミニウムを第１のガスとして供給した。第２のガスは、４００ＷのＲＦパワーでプラズマ化した。ＴＭＩの圧力を０．１１ｈＰａとした。ＴＭＡの圧力を７．２ｈＰａとした。このようにして、ＧａＮ層の上にＡｌＩｎＮ層を形成した。
【００７４】
２．測定結果
以上のように形成した第２の半導体層をＳＥＭおよびシンクロトロンＸＲＤで測定した。その結果、厚さ３０ｎｍのＡｌ0.8 Ｉｎ0.2 Ｎ層が形成されたことを確認した。ＸＲＤ測定では、図４に示すように、４８３ａｒｃｓｅｃの単一ピークが観測された。相分離のない非常に高品質なＡｌ0.8 Ｉｎ0.2 Ｎ層が得られた。
【符号の説明】
【００７５】
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
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ｎ−ＧａＮ層
１４０…発光層
１５０…ｐ−ＡｌＧａＮ層
１６０…ｐ−ＧａＮ層
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極
２００…ＭＩＳ型半導体素子
２１０…基板
２２０…バッファ層
２３０…ＧａＮ層
２４０…ＡｌＩｎＧａＮ層
２５０…絶縁膜
Ｓ１…ソース電極
Ｇ１…ゲート電極
Ｄ１…ドレイン電極
【図１】
0006562350.tif 000002
【図２】
0006562350.tif 000003
【図３】
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【図４】
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