(57)【要約】【課題】ＧａＮ系半導体層表面の面荒れを改善することが可能な半導体基板の製造方法及び半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明は、サファイア基板１０を窒素雰囲気中で昇温する工程と、サファイア基板１０上に、少なくとも水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層１２またはＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成する工程と、ＡｌＮ層１２上にＧａＮ系半導体層１６を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法及び半導体装置の製造方法である。【選択図】図１
2008208010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温する工程と、
前記サファイア基板上に、少なくとも水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記バッファ層はトリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムをさらに用い形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記バッファ層及び前記ＧａＮ系半導体層はＭＯＣＶＤ法を用い形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記サファイア基板を昇温する工程は、１０００℃以上の温度に昇温することを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温する工程と、
前記サファイア基板上に、少なくとも水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ層上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
前記ＧａＮ系半導体層上にＧａＮ系半導体からなる動作層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記バッファ層はトリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムをさらに用い形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記バッファ層及び前記ＧａＮ系半導体層はＭＯＣＶＤ法を用い形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記サファイア基板を昇温する工程は、１０００℃以上の温度に昇温することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造方法及び半導体装置の製造方法に関し、特にサファイア基板上にＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成する工程を有する半導体基板の製造方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、サファイア基板上に直接ＧａＮ系半導体層を成長する場合、基板表面にＧａＮ系半導体層の核が生成し難く、欠陥や転移の少ないＧａＮ系半導体結晶が成長できない。そこで、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）層を成長した後、ＡｌＮ層上にＧａＮ系半導体層を成長する。これにより、ＡｌＮ層の表面が核となり、結晶性の良いＧａＮ系半導体層を形成することができる。なお、ＧａＮ系半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＮとＡｌＮ（窒化アルミニウム）との混晶であるＡｌＧａＮ、ＧａＮとＩｎＮ（窒化インジウム）との混晶であるＩｎＧａＮ、ＧａＮとＡｌＮとＩｎＮとの混晶であるＡｌＩｎＧａＮ等がある。
【０００３】
サファイア基板上へのＡｌＮ層の形成方法として、特許文献１には、サファイア基板を水素雰囲気中において１１００℃の基板温度で熱処理した後、４００℃に降温し、ＡｌＮ層を成長する方法が開示されている。このように、ＧａＮ系半導体やＡｌＮを成長する場合は、水素をキャリアガスとして用いるのが一般的である。水素をキャリアガスとして使用するのは、例えば窒素をキャリアガスとして用いると、酸素が含まれ易くＧａＮ系半導体層やＡｌＮ層が酸化しやすくなるためである。
【特許文献１】特開平１０−１４４９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法でサファイア基板上にＡｌＮ層及びＧａＮ系半導体層を形成する場合、ＡｌＮ層上のＧａＮ系半導体層の表面が面荒れしてしまう。言い換えれば、表面のモホロジー状態が悪くなってしまう。本発明は、ＧａＮ系半導体層表面の面荒れを改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温する工程と、前記サファイア基板上に、少なくとも水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法である。本発明によれば、サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温するため、ＧａＮ系半導体層表面の面荒れを抑制することができる。
【０００６】
本発明は、サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温する工程と、前記サファイア基板上に、少なくとも水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、前記ＧａＮ系半導体層上にＧａＮ系半導体からなる動作層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温するため、ＧａＮ系半導体層表面の面荒れを抑制することができる。
【０００７】
上記構成において、前記バッファ層はトリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムをさらに用い形成される構成とすることができる。また、上記構成において、前記バッファ層及び前記ＧａＮ系半導体層はＭＯＣＶＤ法を用い形成される構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記サファイア基板を昇温する工程は、１０００℃以上の温度に昇温する構成とすることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、サファイア基板を窒素雰囲気中で昇温するため、ＧａＮ系半導体層表面の面荒れを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
実施例１は半導体基板の製造方法の例である。図１（ａ）を参照に、（０００１）を主面とするサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に導入する。窒素（Ｎ２）雰囲気で、サファイア基板１０を１０５０℃まで昇温する。
【００１１】
その後、５分から１０分程度保持した状態で、サファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法を用い、膜厚が１６０ｎｍのＡｌＮ層１２を形成する。成長条件は以下である。
ガス流量：Ｈ２（水素）が２０ＳＬＭ、ＮＨ３（アンモニア）が３６０００μモル／分、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）が１４０μモル／分。
圧力    ：５０ｔｏｒｒ
成長温度：約１０４０℃
成長時間：１５分
【００１２】
ＡｌＮ層１２上に、膜厚が１３５０ｎｍのアンドープＧａＮ層１６を形成する。成長条件は以下である。
ガス流量：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）が２４３μモル／分、ＮＨ３（アンモニア）が２．２×１０５μモル／分、Ｈ２（水素）が２０ＳＬＭ。
圧力    ：２００ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃
成長時間：２７００秒
【００１３】
実施例１の効果を確認するため、比較例に係る半導体基板を作製した。比較例に係る半導体基板は以下のようにして形成した。サファイア基板１０を水素（Ｈ２）雰囲気で昇温する。さらに、１０５０℃到達後、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内のガスの濃度を安定にするため５分間その状態を保持する。その後、実施例１と同じ条件でＡｌＮ層１２（バッファ層）及びアンドープＧａＮ層１６を成長した。
【００１４】
図２（ａ）及び図２（ｂ）はそれぞれ比較例及び実施例１に係る基板の表面を微分干渉顕微鏡を用い約５０倍で観察した写真である。図２（ａ）を参照に、サファイア基板１０の水素雰囲気で昇温し、水素をキャリアガスとしてＡｌＮ層１２及びアンドープＧａＮ層１６を成長した比較例においては、アンドープＧａＮ層１６表面に凹凸（表面荒れ）が観察される。一方、サファイア基板１０を窒素雰囲気で昇温し、キャリアガスを水素に切り換えＡｌＮ層１２及びアンドープＧａＮ層１６を成長した実施例１においては、アンドープＧａＮ層１６表面は平坦になっている。
【００１５】
比較例において、アンドープＧａＮ層１６表面が荒れる原因としては、以下が考えられる。サファイア基板１０を高温の水素雰囲気に晒すと、水素の還元力でサファイア基板１０の表面の酸素が離脱しやすくなる。酸素が離脱しやすい状態で、アンモニアが供給されると、サファイア基板１０の表面が窒化される。このように、高温の水素雰囲気で表面が活性化されたサファイア基板１０上にＡｌＮ層１２を成長すると、窒素極性の面が発生しやすい。この窒素極性の面に起因し、アンドープＧａＮ層１６表面に面荒れが生じたものと考えられる。よって、実施例１のように、窒素雰囲気でサファイア基板１０を昇温し、水素雰囲気に切り換えて、ＡｌＮ層１２及びアンドープＧａＮ層１６を成膜する。これにより、ＡｌＮ層１２への窒素極性の面の発生が抑制され、アンドープＧａＮ層１６表面の面荒れが抑制されたものと考えられる。
【００１６】
ＧａＮ基板上にＡｌＮ層及びＧａＮ系半導体層を成長する場合には、ＧａＮ基板の窒素抜けを抑制するため水素に加えアンモニアを供給しＧａＮ基板を昇温する。この場合、ＧａＮ系半導体層表面の面荒れはほとんど観測されない。これは、水素雰囲気でＧａＮ基板を昇温しても、サファイア基板のように表面の酸素が離脱し活性化されることがないためと考えられる。よって、昇温後ＧａＮ基板上にAｌＮ層を成長する際、窒素極性の面の発生を抑制することができるものと考えられる。さらに、ＡｌＮ層上にＧａＮ系半導体層を成長する際は、ＡｌＮの結合が強いため窒素抜けが起きにくく、ＡｌＮ層表面に水素雰囲気で加熱してもＧａＮ系半導体層の面荒れは生じ難いと考えられる。同様に、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板上にＡｌＮ層及びＧａＮ系半導体層を成長する場合もＧａＮ系半導体層表面の面荒れはほとんど観測されない。これに対し、本発明者は、サファイア基板１０上にＡｌＮ層１２及びＧａＮ系半導体層を成長する場合には、面荒れを抑制するために窒素雰囲気で昇温するすることが必須であることを見出したものである。
【００１７】
前述の推定によれば、ＡｌＮ層１２を成長する前のサファイア基板１０の昇温を窒素雰囲気中で行えば、サファイア基板１０表面の酸素の離脱を抑制することができ、アンドープＧａＮ層１６表面の荒れを抑制することができる。しかしながら、アンドープＧａＮ層１６表面の面荒れを一層抑制するためには、実施例１のように、サファイア基板１０の高温での保持時も窒素雰囲気中で行うことが好ましい。さらに、サファイア基板１０の熱処理を昇温と兼ねることもできる。すなわち、サファイア基板１０を窒素雰囲気中で成長温度まで昇温し、即時にキャリアガスを窒素から水素に切り換え、前記成長温度でＡｌＮ層を成長してもよい。
【００１８】
また、ＡｌＮ層１２の成長にはＴＭＡ以外の有機アルミニウムを用いてもよい。例えば、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡＬ）を用いることができる。つまり、ＡｌＮ層１２は、少なくとも水素及びアンモニアを用い形成されればよい。比較例では、ＡｌＮ層１２を成長する際、水素及びアンモニアを用いたため、ＡｌＮ層１２に窒素極性の表面が生じたが、実施例１では、水素及びアンモニアを用いてＡｌＮ層１２を形成しても、ＡｌＮ層１２での窒素極性の表面の発生が抑制される。ＡｌＮ層１２に窒素極性の表面が生じていることがアンドープＧａＮ層１６表面の面荒れの原因とすると、ＡｌＮ層１２上の層はアンドープＧａＮ層以外にもＧａＮが含まれる層であれば比較例と同様の面荒れが生じる。また、アンドープでなくとも比較例と同様の面荒れが生じると考えられる。これにより、ＡｌＮ層１２上に層は、ＧａＮ系半導体層、ドープされた層であっても実施例１と同様に面荒れを抑制する効果を得ることができる。さらに、ＧａＮ系半導体層の成長には、水素、アンモニア、ＴＭＧ以外のガスを用いてもよい。バッファ層としてＡｌＮ層１２を例に説明したが、バッファ層はＡｌＧａＮ層でもよい。ＡｌＧａＮバッファ層もＡｌの組成比が大きい場合は、ＡｌＮ層と同様に振舞うためである。
【００１９】
さらに、本発明者の検討によれば、サファイア基板１０の昇温を水素雰囲気で行なった場合の図２（ａ）のような表面状態の劣化は、サファイア基板１０の昇温が１０００℃未満の場合も生じるが、１０００℃以上の場合に特に顕著である。一方、窒素雰囲気でサファイア基板１０の昇温を行った場合、１０００℃付近からＡｌＮ層１２の結晶性が良好になるものの、１１６０℃より昇温すると、ＡｌＮ層１２上のアンドープ層１６が白濁する傾向にある。このように、昇温温度は１０００℃以上１１６０℃以下が好ましい。また、製造マージンを考慮すると、１０４０℃以上１１４０℃以下が好ましい。
【実施例２】
【００２０】
実施例２は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）の例である。図３（ａ）を参照に、実施例１と同じ条件でＡｌＮ層１２を成長した後、アンドープＧａＮ層１６、Ｎ型ＧａＮ層１８、Ｎ型ＩｎＧａＮ層２０、Ｎ型ＧａＮ層２２、活性層２４としてＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）、Ｐ型ＧａＮ層２６をＭＯＣＶＤ法を用い形成する。以上によりＬＥＤ用半導体基板が完成する。
【００２１】
図３（ｂ）を参照に、ＬＥＤ用半導体基板の一部の領域をＮ型ＩｎＧａＮ層２０までドライエッチングし溝を形成する。溝の底面の一部に、蒸着法を用いＮ型ＩｎＧａＮ層２０に電気的に接続するようにＮ型電極３０を形成する。蒸着法を用いＰ型ＧａＮ層２６上の一部にＰ型ＧａＮ層２６に電気的に接続するようにＰ型電極２８を形成する。サファイア基板１０を研削する。蒸着法を用いサファイア基板１０の裏面にＡｕ（金）からなる反射膜３２を形成する。スクライブ法を用い、サファイア基板１０の裏面からウェハをチップに分割する。以上により、実施例２に係るＬＥＤが完成する。
【００２２】
実施例２においては、Ｎ型ＧａＮ層１８、Ｎ型ＩｎＧａＮ層２０、Ｎ型ＧａＮ層２２（クラッド層）、活性層２４及びＰ型ＧａＮ層（クラッド層）が、キャリアが伝導する動作層として機能する。アンドープＧａＮ層１６の表面が面荒れしていると、例えば活性層２４のＭＱＷの各層界面が平坦でなく、発光特性が劣化する。実施例２によれば、アンドープＧａＮ層１６表面を平坦化できるため、ＬＥＤの発光特性を向上させることができる。
【実施例３】
【００２３】
実施例３はＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の例である。図４のように、サファイア基板５０を実施例１と同様に窒素雰囲気において昇温する。水素雰囲気に切り換え、サファイア基板５０上にＡｌＮ層５２を形成する。ＡｌＮ層５２の形成条件は実施例１と同じである。ＡｌＮ層５２上に、アンドープＧａＮ層５６、電子供給層５８としてＡｌＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法を用い形成する。電子供給層５８上にオーミック電極としてＴｉ（チタン）／Ａｕ（金）のソース電極６０及びドレイン電極６４を蒸着法を用い形成する。電子供給層５８上にＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）のゲート電極６２を蒸着法を用い形成する。以上により、実施例３に係るＦＥＴが完成する。
【００２４】
実施例３においては、アンドープＧａＮ層５６の電子供給層５８界面に生成される２次元電子ガス及び電子供給層５８がキャリアが伝導する動作層として機能する。アンドープＧａＮ層５６表面が面荒れしていると、例えばアンドープＧａＮ層５６と電子供給層５８との界面が平坦でなく、２次元電子ガスの伝導特性が劣化する。これにより、ＦＥＴの特性が劣化する。実施例３によれば、アンドープＧａＮ層５６表面を平坦化できるため、ＦＥＴの特性を向上させることができる。
【００２５】
本発明を適用する半導体装置は、実施例２で説明したＬＥＤ、実施例３で説明したＦＥＴ以外にも、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）及び受光素子等であってもよい。これらの半導体装置においても、本発明を適用することにより、ＧａＮ系半導体層表面を平坦化することができる。よって、半導体装置の特性を向上させることができる。
【００２６】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は実施例１に係る半導体基板の断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、比較例及び実施例１のアンドープＧａＮ層表面の顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）は、実施例２に係るＬＥＤに用いる半導体基板の断面図、図３（ｂ）は実施例２に係るＬＥＤの断面図である。
【図４】図４は実施例３に係るＦＥＴの断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０          基板
１２          ＡｌＮ層
１６          アンドープＧａＮ層
１８          Ｎ型ＧａＮ層
２０          Ｎ型ＩｎＧａＮ層
２２          Ｎ型ＧａＮ層
２４          活性層
２６          Ｐ型ＧａＮ層
２８          Ｐ型電極
３０          Ｎ型電極
５０          サファイア基板
５２          ＡｌＮ層
５６          アンドープＧａＮ層
５８          電子供給層
６０          ソース電極
６２          ゲート電極
６４          ドレイン電極
【図１】
2008208010.tif 000003
【図２】
2008208010.tif 000004
【図３】
2008208010.tif 000005
【図４】
2008208010.tif 000006