JP2002093822A - ZnO系酸化物半導体層を有する半導体装置の製法 - Google Patents
ZnO系酸化物半導体層を有する半導体装置の製法Info
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Abstract
気や熱膨張係数の差に基づくエピタキシャル成長層への
転移や結晶欠陥の発生を抑制して、結晶性の優れた高品
質のZnO系酸化物半導体層を有する半導体装置の製法
を提供する。 【解決手段】 ZnO系酸化物半導体と異なる材質の基
板上に、ZnO系酸化物半導体層をヘテロエピタキシャ
ル成長する場合に、500℃以上の高温で前記ZnO系
酸化物半導体層を成長し、ZnO系酸化物半導体層の成
長終了後に、酸素の供給を止め、かつ、基板温度を35
0℃以下まで徐冷することを特徴とする。
Description
酸化物半導体を用いた発光ダイオード(以下、LEDと
いう)やレーザダイオード(以下、LDという)などの
発光素子、SAW(surface acoustic wave;表面弾性
波)フィルタやSAW発振素子などのSAWデバイス、
焦電素子、圧電素子、ガスセンサなどのように、たとえ
ばサファイア基板上にZnO系酸化物半導体層をヘテロ
エピタキシャル成長する場合の半導体装置の製法に関す
る。さらに詳しくは、成長後の雰囲気ガスや基板とZn
O系酸化物半導体層との間の熱膨張係数の差に起因する
ストレス、などに基づく成長膜中の転移や欠陥を減ら
し、高品質のZnO系酸化物半導体層を有する半導体装
置の製法に関する。
の光源に用いられる青色系(紫外から黄色の波長領域)
のLEDや、室温で連続発振する次世代の高精細DVD
光源用の青色LDは、最近サファイア基板上にGaN系
化合物半導体を積層することにより得られるようになり
脚光を浴びている。このような波長の短い発光素子とし
て、GaN系化合物半導体が主流になっているが、Zn
O系などのII−VI族化合物半導体を用いることも検討さ
れている。ZnOは、室温でのバンドギャップが3.3
7eVあり、ZnO系酸化物は、前述のDVD光源のほ
か、透明導電膜、透明なTFT、SAWデバイス、圧電
素子などへの応用も期待されている。
合物半導体やサファイアと同様にヘキサゴナル(hexago
nal)結晶であり、格子定数がGaNと近いため、Ga
N系化合物半導体のエピタキシャル成長用基板として工
業的に広く用いられているサファイアが基板として考え
られている。しかし、サファイアの格子定数(a軸長)
は、0.4758nmであるのに対して、ZnOのa軸
長は0.3252nmであり、格子定数の差に基づく不
整合が大きく、エピタキシャル成長層中に転移や結晶欠
陥が生じやすいという問題がある。そのため、サファイ
ア基板上に350℃程度の低温でZnO層などのバッフ
ァ層を成膜してから、600℃程度の高温でZnO系酸
化物半導体層を成長する方法などが考えられている。
系酸化物半導体層を成長する基板として、現在考えられ
ている最適なものは、サファイア基板である。しかし、
このサファイア基板表面にZnO系酸化物半導体層を成
長すると、バッファ層を介在させるなどの工夫を施して
もエピタキシャル成長層中の転移や結晶欠陥を充分には
減らすことができず、結晶性のよい高品質のZnO系酸
化物半導体層が得られないという問題がある。
ため、鋭意検討を重ねた結果、従来結晶欠陥の生じる原
因が、基板とエピタキシャル成長されるZnO系酸化物
層との間の格子定数の差に基づく格子不整合にあり、こ
れを解消するという考えで、その対策が施されていた
が、サファイアとZnOは、その熱膨張係数が、それぞ
れ7.3×10-6K-1と、4.53×10-6K-1と異な
り、この熱膨張係数の差に基づき、新たな転移や結晶欠
陥が発生していることを見出した。さらに、一般的に
は、この種の半導体層の成長を終了した後は、その構成
元素の蒸気圧の高い材料の気体を流しながら基板温度を
下げるが、ZnO系酸化物半導体層の場合、酸素雰囲気
中に放置されると、転移や結晶欠陥が進みやすいことを
見出した。
もので、半導体層成長後の基板温度を下げる間の雰囲気
や熱膨張係数の差に基づくエピタキシャル成長層への転
移や結晶欠陥の発生を抑制して、結晶性の優れた高品質
のZnO系酸化物半導体層を有する半導体装置の製法を
提供することを目的とする。
らは、サファイア基板上にエピタキシャル成長するZn
O系酸化物半導体層の結晶性を向上させるため、鋭意検
討を重ねた結果、600℃程度の高温でZnO系酸化物
半導体層をエピタキシャル成長し、成長が終った後に、
直ちに基板を加熱するヒータをオフにすると、基板の温
度変化が早く、基板とZnO系酸化物半導体層との熱膨
張係数の差に基づき、両者間にストレスがかかり、エピ
タキシャル成長層中に新たに転移や結晶欠陥が発生する
ことを見出した。すなわち、ZnO系酸化物半導体層の
エピタキシャル成長中に結晶欠陥の生じないように注意
をしながら成長しても、成長を終了後に基板温度が急激
に低下すると、新たに転移や結晶欠陥が発生し、この転
移や結晶欠陥が大きく特性に影響することが判明した。
了後に、ZnO系酸化物の材料である酸素の供給を止め
て、その温度低下を、たとえば5〜10℃/分以下のゆ
っくりしたスピードで降温することにより、結晶性の優
れたZnO系酸化物半導体層が得られることを見出し
た。さらに、従来は蒸気圧の高い構成元素の気体はその
まま流しながら基板温度を下げているが、ZnO系酸化
物の場合、酸素ガス雰囲気流中で基板温度を下げると、
その酸素により表面が荒されるため、好ましくなく、酸
素の供給を停止することにより、結晶性の優れたZnO
系酸化物半導体層が得られることを見出した。
度の低温でもエピタキシャル成長することができ、この
程度の温度でエピタキシャル成長すれば、直接基板加熱
用のヒータをオフにして急激に温度を下げても、室温と
の温度差が小さいため、新たな結晶欠陥の発生は殆ど生
じないが、エピタキシャル成長の温度が低いと、残留キ
ャリア濃度を減らすことができず、550〜600℃程
度の高温でエピタキシャル成長することが、残留キャリ
ア濃度を減らし、所望のキャリア濃度の半導体層が得ら
れると共に、p形層のキャリア濃度も大きくしやすいこ
とを本発明者らは別途見出し、500℃程度以上の高温
でZnO系酸化物半導体層をエピタキシャル成長するこ
とが好ましい。この場合に、とくに成長後の温度降下を
注意して制御する必要があることを見出した。
する半導体装置の製法は、ZnO系酸化物半導体と異な
る熱膨張係数を有する基板上に、ZnO系酸化物半導体
層をヘテロエピタキシャル成長する場合に、500℃以
上の高温で前記ZnO系酸化物半導体層を成長し、Zn
O系酸化物半導体層の成長終了後に、酸素の供給を止
め、かつ、基板温度を350℃以下まで徐冷することを
特徴とする。
含む酸化物を意味し、具体例としてはZnOの他IIA族
とZn、IIB族とZn、またはIIA族およびIIB族とZ
nのそれぞれの酸化物などを含む。
化物半導体層中に基板温度降下中の新たな転移や結晶欠
陥の誘発を防止することができ、アンドープの状態でキ
ャリア濃度が小さくなり、モビリティが向上する。その
結果、半導体発光素子での活性層の結晶性が優れ、高い
発光効率に寄与すると共に、p形層などのキャリア濃度
を充分に上げることができなかったものを、結晶性が優
れることにより、キャリアのモビリティが向上し、キャ
リア濃度も非常に大きくなる。
明によるZnO系酸化物半導体層を有する半導体装置の
製法について説明をする。本発明による半導体装置の製
法は、図1にその一実施形態であるフローチャートが示
されるように、ZnO系酸化物半導体と異なる熱膨張係
数を有する基板上に、ZnO系酸化物半導体層をヘテロ
エピタキシャル成長する場合に、500℃以上の高温で
前記ZnO系酸化物半導体層を成長し、ZnO系酸化物
半導体層の成長終了後に、酸素の供給を止め、かつ、基
板温度を350℃以下まで徐冷することを特徴とする。
ァイア基板を脱脂洗浄し(S1)、ついで、たとえばM
BE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー)
成長室に入れて700℃程度まで昇温して、20分程度
のサーマルクリーニングを行う(S2)。その後、35
0℃程度に基板温度を下げ、Znと酸素ラジカルのセル
を開口し、ZnOからなるバッファ層を0.1μm程度
成長する(S3)。その後、Znセルを閉めると共に、
酸素ラジカルの照射を止めて基板温度を600℃程度ま
で昇温する(S4)。この昇温は、通常の加熱用ヒータ
の電流を増加することにより行うもので、50〜100
℃/分程度の割合で昇温する。基板温度が所定の温度、
たとえば600℃程度になったら、再度Znおよび酸素
ラジカルを開き、アンドープのZnO層を、たとえば1
〜2μm程度成長する(S5)。その後、酸素ラジカル
を止めると共に、基板加熱用のヒータを一度にオフにし
ないで、徐々に電流を下げることにより、たとえば5〜
10℃/分程度の割合で、350℃以下まで基板温度を
下げる(S6)。その後、成長室から基板を取り出せ
ば、サファイア基板表面にアンドープのZnO層が得ら
れる。
基板上に成長されるZnO系酸化物半導体層の結晶性を
向上させるため、図1に示されるプロセスで、ZnO系
酸化物半導体層を成長した後の基板温度の降温スピー
ド、およびその際の酸素ラジカルO*照射の有無など、
条件を種々変化させてモビリティ(cm2V-1s-1)お
よびそのときのキャリア濃度(cm-3)を調べた。その
結果を表1に示す。
とは、7℃/分、すなわち本発明の徐冷に相当するもの
で、速いとは、従来の加熱ヒータを一度にオフにする方
法で、たとえば200℃/分程度のスピードで降下する
ことを意味する。また、酸素ラジカルO*の有無とは、
従来の、半導体層の成長が終った後も、酸素などの気体
はそのまま照射を続けて温度を下げたり上げたりしてい
た状態を「有」とし、この酸素ラジカルの照射も止めた
状態を「無」としている。表1から明らかなように、ラ
ジカル酸素の照射を止めてゆっくりと(5〜10℃/
分)降温させることにより、小さなキャリア濃度で大き
なモビリティ82.3が得られた。
りと降温させても、酸素ラジカルの照射を続けたままで
あると、むしろ急に冷却したものよりもモビリティは低
下し、好ましくなかった。これは、熱膨張係数の差に基
づく転移や結晶欠陥の発生よりも、酸素の取込みによる
補償(格子間にOを取り込む)の方が大きいことを示し
ている。
たが、余り遅くすると、時間がかかりすぎて量産には適
さず、降温スピードを早くするほど、アンドープのキャ
リア濃度が大きくなってモビリティが小さくなり、従来
の冷却方法に近づく。そのため、好ましくは5〜50℃
/分、さらに好ましくは、5〜10℃/分程度の割合で
徐冷することが望ましい。また、MgまたはCdを混晶
したZnO系酸化物でも同様の結果が得られた。また、
MBE法ではなく、MOCVD(Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition;有機金属化学気相成長)法によ
り成長する場合でも同様であった。
の成長を全て終了した後、基板温度を、成長温度の60
0℃程度の高温から室温近くの低温まで、非常にゆっく
り(従来は、たとえばエピタキシャル成長の終了から室
温近くまでの降温時間が5分程度であったのが、本発明
では、45分程度になる)下げているため、基板と成長
したZnO系酸化物半導体層との熱膨張係数が異なって
いても、そのストレスはそれほどZnO系酸化物半導体
層にかからない。しかも、従来はZnO系酸化物半導体
層の成長が終了しても、ZnやMgなどの金属材料はそ
のセルを閉めて照射が遮断されるものの、酸素などの気
体の材料源はそのまま流し続けられるのが一般的である
が、少なくとも酸素ラジカルの照射を遮断することによ
り、酸素を格子間などに過剰に取り込むこともなく、降
温するのに長い時間をかけても、熱膨張係数の差に基づ
くストレスを開放するだけで、非常に優れたZnO系酸
化物半導体層を得ることができる。
るLEDチップの製法について説明する。このLED
は、発光層形成部10が、たとえばCdxZn1-xO(0
≦x<1、たとえばx=0.08)からなる0.1μm程
度厚の活性層15を、MgyZn1-yO(0≦y<1、た
とえばy=0.15)からなる2μm程度厚のn形のク
ラッド層14と、MgyZn1-yO(0≦y<1、たとえ
ばy=0.15)からなる2μm程度厚のp形クラッド
層16によりサンドイッチされた構造になっている。そ
して、その表面にp形ZnOからなるp形コンタクト層
17が1μm程度設けられている。
E装置内にサファイア基板11をセッティングし、基板
温度を600〜700℃にしてサーマルクリーニングを
した後、基板温度を400℃程度にし、酸素ラジカルお
よびZnのソース源(セル)のシャッターをあけて照射
し、ZnOからなるバッファ層12を50nm〜0.1
μm程度成膜する。
50〜600℃程度にし、その後酸素ラジカルのシャッ
ターを再度あけ、酸素ラジカルとZnを照射すると共
に、n形ドーパントのAlまたはGaのシャッターもあ
けてn形のZnOからなるn形コンタクト層13を1.
5μm程度成長させる。ついで、Mgのシャッターもあ
けて、MgyZn1-yO(0≦y<1、たとえばy=0.
15)からなるn形のクラッド層14を2μm程度、M
gを止めて、CdのシャッターをあけアンドープでCd
xZn1-xO(0≦x<1、たとえばx=0.08)から
なる活性層15を0.1μm程度成長する。
再びあけ、さらにプラズマ励起チッ素のシャッターをあ
け、Nをドーピングしたp形MgyZn1-yO(0≦y<
1、たとえばy=0.15)からなるp形クラッド層1
6を2μm程度成長する。さらにMgを止めて、p形Z
nOからなるp形コンタクト層17を1μm程度順次成
長する。このn形クラッド層14、活性層15およびp
形クラッド層16により発光層形成部10を構成してい
る。
供給を止め、基板温度を毎分5〜10℃の割合でゆっく
り下げ、室温近辺まで充分に下がってからMBE装置よ
りエピタキシャル成長がされたウェハを取り出す。そし
て、スパッタ装置に入れて透明性導電膜であるITO膜
18を0.15μm程度の厚さに設ける。その後、積層
した半導体層の一部をRIE法などのドライエッチング
によりn形コンタクト層13を露出させ、サファイア基
板11を研磨し、基板11の厚さを100μm程度と
し、ITO膜18上にNi/Alなどからなるp側電極
20を、エッチングにより露出したn形コンタクト層1
3の表面にTi/Auなどからなるn側電極19を、そ
れぞれたとえばリフトオフ法による真空蒸着などにより
形成する。その後ウェハからチップ化することにより、
図2に示されるLEDチップが得られる。
ブルヘテロ接合のLEDチップであったが、ヘテロ接合
またはホモ接合のpn接合構造などの他の接合構造でも
同じである。また、LEDでなくてもLDであっても同
様である。この場合、たとえば活性層15はノンドープ
のCd0.03Zn0.97O/Cd0.2Zn0.8Oからなるバリ
ア層とウェル層とをそれぞれ5nmおよび4nmづつ交
互に2〜5層づつ積層した多重量子井戸構造により形成
することが好ましい。また、活性層15が薄く充分に光
を活性層15内に閉じ込められない場合には、たとえば
ZnOからなる光ガイド層が活性層の両側に設けられ
る。また、ITO膜18からなる透明電極は不要で、直
接p側電極20をストライプ状にパターニングして形成
したり、半導体層の上部をメサ型形状にエッチングした
り、電流狭窄層を埋め込むことにより、電流注入領域を
画定する構造に形成される。
発光層形成部を構成する活性層やn形クラッド層および
p形クラッド層などの結晶性が非常に優れ、活性層の結
晶性が優れることによりLEDの発光効率やLDのしき
い電流値を下げることができ、また、p形クラッド層の
キャリア濃度を大幅に上げることができる(モビリティ
が大きい)ため、直列抵抗が小さくなり、低い動作電圧
で大きな出力が得られる高特性の発光素子が得られる。
また、発光素子に限らず、結晶性の優れた高品質のZn
O系酸化物半導体層が得られるため、その品質を向上さ
せることができる。
層を格子定数や熱膨張係数が大きく異なるサファイア基
板上に成長する場合でも、転移や結晶欠陥などの生成を
非常に抑えて成長させることができる。その結果、結晶
性の優れたZnO系酸化物半導体層により、半導体発光
素子など高性能なZnO系酸化物半導体層を有する半導
体装置が得られる。
示すフローチャートである。
Dチップの説明図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 ZnO系酸化物半導体と異なる熱膨張係
数を有する基板上に、ZnO系酸化物半導体層をヘテロ
エピタキシャル成長する半導体装置の製法であって、5
00℃以上の高温で前記ZnO系酸化物半導体層を成長
し、ZnO系酸化物半導体層の成長終了後に、酸素の供
給を止め、かつ、基板温度を350℃以下まで徐冷する
ことを特徴とするZnO系酸化物半導体層を有する半導
体装置の製法。
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