(57)【要約】【課題】エピタキシャル成長層の形成時に基板に生じる温度分布を小さくすることができる半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る半導体製造装置は、チャンバ内に設置されたトレイ１２と、トレイ１２を下面側から加熱するヒータ２０と、を備え、トレイ１２上に配置された基板１１０をヒータ２０でトレイ１２を介して加熱して、基板１１０上に窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層１２３を形成する装置である。そして、エピタキシャル成長層１２３を形成する際に、基板１１０の下面とトレイ１２の上面との間隔が広い部分では、基板１１０の下面とトレイ１２の上面との間隔が狭い部分に比べ、ヒータ２０からトレイ１２に与えられる熱量を高くすることが可能な構成にされている。【選択図】図３
2016015353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に設置されたトレイと、前記トレイを下面側から加熱するヒータと、を備え、前記トレイ上に配置された基板を前記ヒータで前記トレイを介して加熱して、前記基板上に窒化物系化合物半導体で構成されるエピタキシャル成長層を形成する半導体製造装置であって、
前記エピタキシャル成長層を形成する際に、前記基板の下面と前記トレイの上面との間隔が広い部分では、前記基板の下面と前記トレイの上面との間隔が狭い部分に比べ、前記ヒータから前記トレイに与えられる熱量を高くすることが可能な構成にされていることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記ヒータは、前記トレイの中央部の下方に位置する第１ヒータと、前記トレイの周辺部の下方に位置する第２ヒータと、で構成され、
前記エピタキシャル成長層として電子供給層を形成する際に前記中央部の温度が前記周辺部に比べて高くなるように、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの少なくとも一方から前記トレイに与える熱量が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記基板としてシリコン系基板を前記トレイに配置し、前記基板上に第１の窒化物系化合物半導体で構成される電子走行層を第１の前記エピタキシャル成長層として形成し、前記第１の窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層を第２の前記エピタキシャル成長層として前記電子走行層上に形成するに際し、
前記周辺部の温度が前記中央部の温度に比べて高くなるように、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの少なくとも一方から前記トレイに与える熱量が調整可能とされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体製造装置を用いて製造された半導体装置であって、
前記基板はシリコン系基板であり、
前記基板上に第１の窒化物系化合物半導体で構成される電子走行層の上に形成されていて、前記第１の窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層を前記エピタキシャル成長層として備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記基板としてシリコン系基板を用い、
前記基板上に第１の窒化物系化合物半導体で構成される電子走行層を形成し、
前記電子走行層上に、前記第１窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層を前記エピタキシャル成長層として形成することを特徴とする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、チャンバ内に設置されたトレイと、トレイを下面側から加熱するヒータと、を備え、トレイ上に配置された基板をヒータでトレイを介して加熱して、基板上に窒化物系化合物半導体で構成されるエピタキシャル成長層を形成する半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体は、例えばＳｉＣやＳｉ、あるいはサファイアといった材料から構成される基板上にエピタキシャル成長させて形成されるのが一般的である。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合する基板がなく、さらに窒化ガリウム系化合物半導体と基板との線膨張係数も大きく異なることから、反り等が発生し、基板に温度分布が発生するという問題を抱えている。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法としては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等が一般的であるが、これらの方法で結晶成長させる場合、トレイ上に基板を配置し、ヒータの熱でトレイを介して基板を加熱する。このとき、トレイ本体は、ヒータと熱電対や放射温度計等による温度制御法によって均一な温度制御がなされているが、基板と結晶層との間の応力によって反りが生じ、トレイから基板の一部が浮き上がり、基板表面温度が均一でなくなることがある。
【０００３】
そこで、特許文献１では、基板の反りのデータを温度制御にフィードバックし、歩留まりの少ないエピタキシャルウエハを形成する対策が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５６４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような従来の半導体装置の製造では、基板とエピタキシャル成長層の線膨張係数の違いによって基板に反りが生じる。そして、この反りによって、基板と基板を配置しているトレイとの間で隙間が大きくなることで、基板温度が不均一になる、すなわち、基板の面内温度分布が大きく不均一となる。このため、基板が常温に戻ったときに各層の面内均一性に悪影響を与えることが懸念される。
【０００６】
従って、各層の形成では基板の温度分布を小さくすること、すなわちこの反りを抑えることは重要であり、特にエピタキシャル成長層の形成時には各層の面内の厚みを実質的に均一化するためにも重要である。
【０００７】
特許文献１では、サファイア基板上に発光デバイスを設けたものであり、基板に生じる反りをモニタすることは記載されているが、デバイスに対してどのように制御するかは記載されていない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、エピタキシャル成長層の形成時に基板に生じる温度分布を小さくすることができる半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体製造装置は、チャンバ内に設置されたトレイと、前記トレイを下面側から加熱するヒータと、を備え、前記トレイ上に配置された基板を前記ヒータで前記トレイを介して加熱して、前記基板上に窒化物系化合物半導体で構成されるエピタキシャル成長層を形成する半導体製造装置であって、前記エピタキシャル成長層を形成する際に、前記基板の下面と前記トレイの上面との間隔が広い部分では、前記基板の下面と前記トレイの上面との間隔が狭い部分に比べ、前記ヒータから前記トレイに与えられる熱量を高くすることが可能な構成にされていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体装置は、請求項１に記載の半導体製造装置を用いて製造された半導体装置であって、前記基板はシリコン系基板であり、前記基板上に第１の窒化物系化合物半導体で構成される電子走行層の上に形成されていて、前記第１の窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層を前記エピタキシャル成長層として備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、前記基板としてシリコン系基板を用い、前記基板上に第１の窒化物系化合物半導体で構成される電子走行層を形成し、前記電子走行層上に、前記第１窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体で構成される電子供給層を前記エピタキシャル成長層として形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エピタキシャル成長層の形成時に基板に生じる温度分布を小さくすることができる半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る半導体製造装置の構成を示す模式的な正面図である。
【図２】第１実施形態で、基板上に電子走行層まで形成したことを示す模式的な側面図である。
【図３】第１実施形態で、基板上に電子供給層まで形成したことを示す模式的な側面図である。
【図４】第１実施形態で、チャンバから基板を取り出して常温になった状態を示す模式的な側面図である。
【図５】第１実施形態で、基板の電子供給層上に電極を形成したことを示す模式的な側面図である。
【図６】第１実施形態で、電子供給層上に電極を形成した後に個々の半導体装置に分割したことを示す模式的な側面図である。
【図７】第２実施形態で、トレイを加熱するヒータの構成を示す模式的な側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、半導体装置がパワーデバイス用のＨＥＭＴである例を挙げ、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。また、第２実施形態では第１実施形態と同一の構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。また、以下の説明で、基板上に形成する、という表現は、基板上に別の層を介して形成することも含めて表現している。例えば、基板上に電子走行層を形成する、とは、基板にバッファ層を形成しバッファ層の上に電子走行層を形成することも含めて表現している。
【００１５】
[第１実施形態]
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体製造装置の構成を示す模式的な正面図である。図２は、本実施形態で基板上に電子走行層まで形成したことを示す模式的な側面図、図３は、本実施形態で基板上に電子供給層まで形成したことを示す模式的な側面図、図４は、本実施形態でチャンバから基板を取り出して常温になった状態を示す模式的な側面図である。図５は、図４に示した状態で電子供給層上に電極を形成したことを示す模式的な側面図である。図６は、図５に示した状態の後に個々の半導体装置に分割したことを示す模式的な側面図である。
【００１６】
（半導体製造装置）
本実施形態に係る半導体製造装置１０は、図１に示すように、チャンバ（炉）１１と、チャンバ１１内に設置されたトレイ１２と、チャンバ１１に接続されたガス供給源１４および排気装置１５と、トレイ１２を下面側から加熱するヒータ２０と、を備えている。
【００１７】
図２、図３に示すように、ヒータ２０は、トレイ１２の中央部１２ｍの下方に位置する第１ヒータ２０ｍと、トレイ１２の周辺部１２ｅの下方に位置する第２ヒータ２０ｅと、で構成されている。そして、電子走行層（第１のエピタキシャル成長層）１２２および電子供給層（第２のエピタキシャル成長層）１２３を形成する際に中央部１２ｍの温度が周辺部１２ｅの温度に比べて高くなるように、第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅのトレイ１２との間隔が調整可能となっている。
【００１８】
本実施形態では、図２、図３に示すように、第２ヒータ２０ｅは、第１ヒータ２０ｍに比べてトレイ１２との間隔ｄｓが広いように配置されている。すなわち、第２ヒータ２０ｅとトレイ１２の周辺部１２ｅの下面との間隔ｄｓは、第１ヒータ２０ｍとトレイ１２の中央部１２ｍの下面との間隔ｄｍに比べて広い。従って、第１ヒータ２０ｍと第２ヒータ２０ｅとで仕様が同じで発熱量も同じであっても、第１ヒータ２０ｍによってトレイ１２の中央部１２ｍに伝えられる単位時間あたりの熱量は、第２ヒータ２０ｅによって周辺部１２ｅに伝えられる単位時間あたりの熱量よりも高い。
【００１９】
そして、第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの通電によって、トレイ１２を介して基板１１０が加熱されたときの中央部１２ｍおよび周辺部１２ｅの温度がそれぞれ設定温度になるように、間隔ｄｍ、ｄｓを予め調整することが可能である。この設定温度は、バッファ層１２１、電子走行層１２２および電子供給層１２３の形成によって生じる後述の第１中間体１４０や第２中間体１５０に生じる反りが比較的抑えられ（すなわち温度分布が小さくされ）、かつ、第２中間体１５０を常温に戻したときに第２中間体１５０が実質的に平坦になっているように、基板１１０の平面寸法、厚みおよび材質、バッファ層１２１、電子走行層１２２および電子供給層１２３の厚みや組成などを考慮して決定される。
【００２０】
（半導体装置）
半導体製造装置１０を用いて製造された半導体装置１３６は、図６に示すように、シリコン系基板からなる基板１１０と、基板１１０上に順次形成されたバッファ層１２１、電子走行層１２２（第１のエピタキシャル成長層、チャネル層）および電子供給層１２３（第２のエピタキシャル成長層、バリア層）と、電子供給層１２３上に形成されたソース電極１３１、ゲート電極１３２およびドレイン電極１３３と、を有する。
【００２１】
バッファ層１２１は、例えばＡｌＮとＧａＮが交互に積層されて構成される。電子走行層１２２は、第１の窒化物系化合物半導体（ＧａＮ）で構成される。そして、電子供給層１２３は、第１の窒化物系化合物半導体と異なる組成式を有する第２の窒化物系化合物半導体（ＡｌＧａＮ）で構成されている。
【００２２】
（半導体装置の製造方法）
半導体装置１３６を製造するには、本実施形態ではＭＯＣＶＤ法で以下のようにして製造する。
【００２３】
まず、シリコンまたはＳｉＣ等のシリコン系基板を基板１１０としてトレイ１２上に載置し、チャンバ１１内を真空吸引して所定の真空度に到達させる。また、第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの通電によって、トレイ１２の中央部１２ｍと周辺部１２ｅとがそれぞれ設定温度に到達して中央部１２ｍと周辺部１２ｅとの温度差が所定温度差となることによって、電子供給層１２３を形成するときの基板中央部１１０ｍと基板周辺部１１０ｅの温度が実質的に均一な温度になるように、間隔ｄｍ、ｄｓを予め調整しておく。
【００２４】
そして、第１ヒータ２０ｍ、第２ヒータ２０ｅに通電させ、トレイ１２を介して基板１１０を加熱する。第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅによってトレイ１２の中央部１２ｍおよび周辺部１２ｅが上記の設定温度に到達した後、図２に示すように、基板１１０上にバッファ層１２１、電子走行層（第１のエピタキシャル成長層）１２２を順次形成してなる、製造途中段階の第１中間体１４０が形成される。バッファ層１２１および電子走行層１２２は基板１１１に比べて小さい格子定数を有し、かつ基板１１１に比べて大きい線膨張係数を有する。従って、第１中間体１４０は中央部がやや浮き上がった形状となる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、ヒータ２０（第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅ）の加熱によって、第１中間体中央部１４０ｍが第１ヒータ２０ｍから単位時間あたりに受ける熱量は、第１中間体周辺部１４０ｅが第２ヒータ２０ｅから単位時間あたりに受ける熱量よりも高くされた状態で成膜している。従って、この成膜後（バッファ層１２１および電子走行層１２２の成膜後）の第１中間体中央部１４０ｍと第１中間体周辺部１４０ｅとの温度差、すなわち第１中間体１４０に生じる温度分布は、トレイ底での単位時間あたりに受ける熱量がトレイ底面で均一とされた従来に比べて小さいので、第１中間体１４０の反りは従来に比べて小さい。
【００２６】
電子走行層１２２の形成後、図３に示すように、電子供給層（第２のエピタキシャル成長層）１２３をＭＯＣＶＤ法で成膜して第２中間体１５０を形成する。なお、電子供給層１２３の膜厚はバッファ層１２１や電子走行層１２２に比べて薄いので、反り具合は図２に示した状態（電子走行層１２２を形成した直後）と同程度である。
【００２７】
その後、チャンバ１１から第２中間体１５０を取り出し、室温にまで自然冷却させる（図４参照）。ここで、トレイ１２の中央部１２ｍおよび周辺部１２ｅが上記の設定温度に到達するように第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの位置が調整されていることにより、第２中間体１５０は室温状態では平坦となる。
【００２８】
その後、図５に示すように、第２中間体１５０上にソース電極１３１、ゲート電極１３２およびドレイン電極１３３などを形成し、更に複数に分割することで、複数の個別の半導体装置１３６を得る（図６参照）。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの加熱によって、第１中間体周辺部１４０ｅと第１中間体中央部１４０ｍとがそれぞれ設定温度（第１中間体周辺部１４０ｅが第１中間体中央部１４０ｍよりも低い温度）にされた状態で成膜を開始している。従って、電子走行層（第１のエピタキシャル成長層）１２２の成膜後での第１中間体中央部１４０ｍと第１中間体周辺部１４０ｅとの温度差、すなわち第１中間体１４０に生じる温度分布は、従来に比べて小さい。
【００３０】
よって、第２中間体１５０が常温に戻ったときにおける電子供給層１２３（第２のエピタキシャル成長層）の面内均一性を大幅に改善することができる。従って、電子供給層１２３（第２のエピタキシャル成長層）の組成（混晶比）、膜厚、結晶性などのばらつきを低減することができ、デバイスの順方向特性、しきい値などが揃った半導体装置１３６（エピタキシャルウエハ）が得られ、半導体装置１３６の製造における歩留まりを大幅に向上させることができる。なお、電子走行層１２２の形成直後で第１中間体１４０の温度が均一になるように上記設定温度を調整してこの歩留まりを極めて高くすることも可能である。
【００３１】
また、トレイ１２に対する第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの位置（間隔）を、予め調整しておくことで上記効果を得ることが可能である。従って、半導体装置１３６の製造途中で第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの出力（発熱量）を変更できない半導体製造装置１０であっても、半導体製造装置１０の基板配置位置での観察（in-situ観察）を行って予め電子供給層１２３の反りおよび温度分布を把握しておき、それに合わせてトレイ１２の温度分布が設定分布となるように第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの位置設定（トレイ１２との間隔の設定）を行うことで、上記効果を奏することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、半導体装置１３６の製造途中で第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの出力や位置を変更できない半導体製造装置１０の例で説明したが、変更できる例（いわゆる独立ゾーン制御が可能な例）の半導体製造装置であってもよい。これにより、各層の成長時の反り形状に対応させて温度分布を適宜変更することで、反りの影響を抑えて各層を成長させることができ、半導体装置１３６の製造における歩留まりを更に向上させることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅの両者の発熱量が調整可能である例で説明したが、どちらか一方が調整可能であっても、トレイ１２の中央部１２ｍの温度を周辺部１２ｅの温度に比べて高くすることが可能である。
【００３４】
また、本実施形態では、第１ヒータ２０ｍからトレイ１２の中央部１２ｍに与える単位時間あたりの熱量が、第２ヒータ２０ｅからトレイ１２の周辺部１２ｅに与える単位時間あたりの熱量よりも高い例で説明したが、電子供給層１２３の成膜時に基板１１０の反りを従来よりも抑えることができるように第１ヒータ２０ｍおよび第２ヒータ２０ｅからトレイ１２に熱量を与えることができれば良く、本発明は単位時間あたりの熱量の高低に限定するものではない。
【００３５】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図７は、本実施形態で、トレイを加熱するヒータの構成を示す模式的な側面図である。本実施形態では、第１実施形態に比べ、ヒータ２２０の構成が異なる。本実施形態では、ヒータ２２０は、トレイ１２の中央部１２ｍの下方に位置する第１ヒータ２２０ｍと、トレイ１２の周辺部１２ｅの下方に位置する第２ヒータ２２０ｅと、で構成されている。
【００３６】
第１ヒータ２２０ｍおよび第２ヒータ２２０ｅは、通電量が互いに異なるように設定することが可能である。本実施形態では、第１ヒータ２２０ｍおよび第２ヒータ２２０ｅの通電によって、トレイ１２を介して基板１１０が加熱されたときの中央部１２ｍおよび周辺部１２ｅの温度が設定温度になるように、通電量を予め設定しておく。
【００３７】
本実施形態により、第１ヒータ２２０ｍとトレイ１２の中央部１２ｍとの間隔ｄｍ、および、第２ヒータ２２０ｅとトレイ１２の周辺部１２ｅとの間隔ｄｓを同一にしても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
また、第１実施形態と同様、半導体装置の製造途中で第１ヒータ２２０ｍおよび第２ヒータ２２０ｅの出力や位置を変更できる場合には、各層の成長時の反り形状に対応させて温度分布を適宜変更することで、反りの影響を抑えて各層を成長させることができ、半導体装置の製造における歩留まりを更に向上させることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための例示であって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を上記のものに特定するものではない。本発明は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明に係る半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法では、トレイ上に配置された基板にエピタキシャル成長層を形成する際に、トレイの上面と基板の下面との間隔が広い部分では、トレイの上面と基板の下面との間隔が狭い部分に比べ、ヒータからトレイに与えられる熱量を高くすることが可能なので、エピタキシャル成長層の形成時に基板に生じる温度分布を小さくすることができる半導体製造装置、半導体装置、および、半導体装置の製造方法として用いるのに好適である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  半導体製造装置
１１  チャンバ
１２  トレイ
１２ｅ  周辺部
１２ｍ  中央部
２０  ヒータ
２０ｅ  第２ヒータ
２０ｍ  第１ヒータ
１１０  基板（基板、シリコン系基板）
１２２  電子走行層（エピタキシャル成長層、第１のエピタキシャル成長層）
１２３  電子供給層（エピタキシャル成長層、第２のエピタキシャル成長層）
１３６  半導体装置
ｄｓ  間隔
ｄｍ  間隔
【図１】
2016015353.tif 000003
【図２】
2016015353.tif 000004
【図３】
2016015353.tif 000005
【図４】
2016015353.tif 000006
【図５】
2016015353.tif 000007
【図６】
2016015353.tif 000008
【図７】
2016015353.tif 000009