JP3758528B2

JP3758528B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造装置及びそれを用いたｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP3758528B2
Application number: JP2001191554A
Authority: JP
Inventors: 大志渡辺; 正好小池
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: JP2003007619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体の製造方法及び製造装置に関する。本発明は特に厚膜のIII族窒化物系化合物半導体或いはエピタキシャル成長基板として取扱可能な厚さのIII族窒化物系化合物半導体の製造方法又は製造装置として有効である。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN、Ga_xIn_1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、Al_xGa_yIn_1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【０００２】
【従来の技術】
例えば一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るためには基板が必要であるが、取扱可能な厚さのIII族窒化物系化合物半導体基板は商業的には入手不可能である。このため安価なサファイア基板、炭化ケイ素(SiC)基板、シリコン(Si)基板その他の異種基板が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、安価な異種基板はIII族窒化物系化合物半導体と格子定数が大きく異なる。そのためそれら異種基板にいわゆるバッファ層を形成したのちIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることが一般的である。しかし、このような場合でも、1000℃以上の極めて高温でエピタキシャル成長を行ったのち室温に戻す際、異種基板とIII族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数の違いから多大な熱応力が生じてしまう。即ち、例え高温の段階では良好なエピタキシャル成長を行ったとしても、室温に冷却する際に、異種基板とIII族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数が大きく違うことにより、異種基板内部及びIII族窒化物系化合物半導体層内部で結晶欠陥又は亀裂（クラック）が多数生じることとなる。
【０００４】
実際、線膨張係数は、いずれも室温付近、a軸方向で、窒化ガリウム(GaN)が約5.6×10^-6/K、窒化アルミニウム(AlN)が約4.2×10^-6/K、サファイア(α-SiO₂)が約7.5×10^-6/K、シリコン(Si)が約3.6×10^-6/Kである。すると、厚膜のGaNをサファイア(α-SiO₂)基板上やシリコン(Si)基板上に形成したのち1000K(又は℃)冷却すると、a軸方向については0.2%もの収縮差が生じてしまう。これでは、厚さ数mmのGaNをサファイア(α-SiO₂)基板上やシリコン(Si)基板上に形成すると、降温による熱応力でGaN及びサファイア(α-SiO₂)基板又はシリコン(Si)基板に亀裂（クラック）が生じることは不可避である。
【０００５】
一方、良好な単結晶状態のIII族窒化物系化合物半導体、特に窒化ガリウム(GaN)をエピタキシャル成長により得るためには、1000℃以上の高温で行うことがほぼ必須と考えられている。そこで本発明の目的は、エピタキシャル成長後、1000℃程度又はそれ以上の温度差の冷却を行っても、III族窒化物系化合物半導体層内部に亀裂（クラック）を生じさせない、III族窒化物系化合物半導体の製造装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、III 族窒化物系化合物半導体の製造装置において、 III 族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるための異種基板を配置することで、 III 族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるための原料供給系と、エッチャントの供給系とが分離する構造を有し、異種基板の一方の面に１又は複数の III 族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させながら、若しくは成長した後に、異種基板の他方の面をエッチング可能としたことを特徴とする。また、請求項２に記載の手段によれば、異種基板は水平に載置され、原料供給系が下部に、エッチャントの供給系が上部になる構造であることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、請求項１又は請求項２に記載の製造装置を用い、エッチング可能なIII族窒化物系化合物半導体と異なる基板（異種基板）を、その一方の面がIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長系に接するように、且つ他方の面がエピタキシャル成長系と分離されたエッチング系に接するように前記製造装置に載置し、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長系にて１又は複数のIII族窒化物系化合物半導体を異種基板の一方の面に積層する最中、若しくは積層した後に、エッチング系にて異種基板の他方の面をエッチングして、異種基板の大部分の厚さを薄くすることを特徴とする。この際、１又は複数のIII族窒化物系化合物半導体を異種基板の一方の面に積層することと異種基板の他方の面をエッチングすることを繰り返し行うことも本願発明に包含される。
【０００８】
また、請求項４に記載の手段によれば、異種基板がシリコン(Si)基板であることを特徴とする。また、請求項５に記載の手段によれば、エッチング系においては気体又はガス状のエッチャントを用いることを特徴とする。ここでガス状には、噴霧状（スプレー状）を含むものとする。また、請求項６に記載の手段によれば、エッチング系においては、主として気体のハロゲン化水素を用いることを特徴とする。ここで主としてとは、例えば当該反応系に対し不活性なキャリアガス等に希釈したものでも良いことを意味する。
【０００９】
また、請求項７に記載の手段によれば、エピタキシャル成長系として、ガリウム(Ga)又はインジウム(In)を塩化水素(HCl)ガスによって異種基板面に輸送するクロライド法を少なくとも一工程含むことを特徴とする。当該方法は、例えば単体のガリウム(Ga)又はインジウム(In)を高温に保持して塩化水素(HCl)を吹きつけ、塩化物を昇華させてエピタキシャル基板まで導くものである。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【作用及び発明の効果】
異種基板を用いてIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる際、若しくは成長した後に、当該異種基板の裏面からエッチングを行うことで、異種基板の大部分の厚さを薄くすることが可能となる。このうち、エピタキシャル成長とエッチングを同時に行う場合においては、エピタキシャル成長のため、初期段階においては厚い異種基板を用いながら、エピタキシャル成長が十分行われたのちにはあたかも薄い異種基板を用いていたような状態でエピタキシャル成長を終了できることを意味する。即ち、取扱容易な厚さの厚い異種基板を用いてIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長を高温で開始しても、エピタキシャル成長を終了させて室温まで降温させる際には薄い異種基板がIII族窒化物系化合物半導体に接合していることとなる。また、エピタキシャル成長後にエッチングを同時に行う場合においては、やはりエピタキシャル成長後の高温の状態でエッチングを開始することにより、同様の効果を得ることができる。このような製造方法を用いることで、異種基板の大部分をエッチングにより除去或いは完全に除去することが可能となる。異種基板の大部分をエッチングにより薄くした状態においては、熱応力によりIII族窒化物系化合物半導体に亀裂（クラック）が生じることを避けることができる。また、異種基板をほとんど除去した場合は、もともと異種基板上にエピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体があたかもエピタキシャル成長用の基板となってIII族窒化物系化合物半導体を成長させた如くなるので、全く熱応力を生ずることがなく、III族窒化物系化合物半導体に亀裂（クラック）が生じることもない。
【００１３】
エッチング可能な異種基板として安価で品質の一定したものの得やすいシリコン(Si)基板を用いることが望ましい。エッチャントを気体又はガス状とするならばエッチング系に導入することが容易である。特にハロゲン化水素を用いることは取り扱いが容易である。
【００１４】
エピタキシャル成長系として、ガリウム(Ga)又はインジウム(In)を塩化水素(HCl)ガスによって異種基板面に輸送するクロライド法は、成長速度が速いので、厚膜のGa_xIn_1-xN(0≦x≦1)を形成する方法として望ましい。
【００１５】
異種基板を配置させることで、原料供給系とエッチャント供給系が実質的に分離される構造を有する気相成長を用いた半導体の製造装置は、上記の製造方法を実現可能とする製造装置である（請求項１）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照しながら本発明の実施の形態を示す。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の具体的な実施例に係る半導体製造装置１００の構造を示す断面図である。図１においては、接続部の有無及びその詳細を示さず、概略を示すにとどめ、エピタキシャル成長のための異種基板設置部分の詳細は図２に譲る。
【００１８】
図１の半導体製造装置１００は、エピタキシャル成長系統１０１とエッチング系統１０２とが、異種基板１０を設置する前の状態においては連通しており、異種基板１０の設置により隔離される構成である。尚、２系統の間においては、完全な気密を要求されるわけではない。半導体製造装置１００は、上下２槽の構造である石英反応管１１０と、異種基板保持具１２０、エッチングガス導入管１３０、V族元素導入管１４０、III族元素塩化物導入部１５０から構成される。III族元素塩化物導入部１５０は、塩化水素導入管部１５１、III族元素ボート１５２及びIII族塩化物導入管部１５３から構成される。
【００１９】
下槽のエピタキシャル成長系統１０１は、通常のハライドＶＰＥの構成である。即ち、III族元素ボート１５２に金属ガリウム又はインジウムを入れ、塩化水素導入管部１５１から塩化水素(HCl)を導入し、III族塩化物導入管部１５３からGaClを異種基板１０に向け供給する。一方、V族元素導入管１４０からはアンモニアが供給される。尚、V族元素導入管１４０、III族元素塩化物導入部１５０のいずれも、キャリアガスによって希釈した状態で供給しても良い。
【００２０】
上槽のエッチング系統１０２は、エッチングガス導入管１３０が、均熱板２０の中央部の孔２１に接続される。詳細は図２の断面図の通りである。円形の異種基板設置孔を有する石英反応管１１０に、段差を有する円環状の異種基板保持具１２０が配置される。円環状の異種基板保持具１２０に、上方から異種基板１０が設置される。異種基板１０と円環状の異種基板保持具１２０により、石英反応管１１０はエピタキシャル成長系統１０１と、エッチング系統１０２とに分離される。円環状の異種基板保持具１２０は、直径方向の断面がＺ字又はＳ字状である。そのより開口部の狭い下部が異種基板１０を支える。このとき、異種基板１０の下面１０ａの周縁部が円環状の異種基板保持具１２０と接する。また、円環状の異種基板保持具１２０の上部は、最も半径の大きい部分であり、ここで石英反応管１１０の円形の異種基板設置孔に懸かる構成となる。こうして、エピタキシャル成長系統１０１には異種基板１０の一方の面（下面）１０ａが、エッチング系統１０２には異種基板１０の他方の面（上面）１０ｂが面することとなる。異種基板１０の上面１０ｂに、中央に孔部２１と、下部に４つの脚部２２を有する台座状の均熱板２０が設置される。均熱板２０はその重量により異種基板１０と異種基板保持具１２０が石英反応管１１０の異種基板設置孔から逸脱しないようにすると共に、石英反応管１１０の外部の熱源からの熱を蓄え、異種基板１０を所望の反応温度に保つ働きを有する。
【００２１】
均熱板２０はカーボン製であり、エッチングガスに対して耐性を有する。また、孔部２１から導入されるエッチングガスは異種基板１０の上面１０ｂに放出され、異種基板１０の上面１０ｂをエッチングする。その際、エッチング反応により生成するガスは、均熱板２０の４つの脚部２２の間を抜けて石英反応管１１０のエッチング系統１０２内部に放出されたのち、排気として処理系に排出される。
【００２２】
半導体製造装置１００を用いた、異種基板の裏面をエッチングしながらエピタキシャル成長させる概略は次のとおりである。以下、異種基板１０としてシリコン(Si)基板を用い、裏面を塩化水素によりエッチングしながら窒化ガリウム(GaN)をエピタキシャル成長させる様子を図３と共に説明する。
【００２３】
外部の熱源によりシリコン(Si)基板１０と均熱板２０が1000℃に保持される（図３の（ａ））。次にエピタキシャル系統１０１に、アンモニア(NH₃)と塩化ガリウム(GaCl)を供給すると、シリコン(Si)基板１０の面１０ａに窒化ガリウム(GaN)３０がエピタキシャル成長を開始する（図３の（ｂ））。次に、均熱板２０の孔部２１を通して塩化水素(HCl)がシリコン(Si)基板１０の面１０ｂに供給される。すると、供給された塩化水素(HCl)はシリコン(Si)基板１０の面１０ｂにおいて反応し、クロロシラン類(H_xSiCl_4-x、H_xSi₂Cl_6-x、その他)及び水素H₂となって、均熱板２０の４つの脚部２２の間からエッチング系統１０２内部に排出され、更に石英反応管１１０の外部の、図示しない排ガス処理装置に排出される。こうして、シリコン(Si)基板１０のエッチング系統１０２に面した側がエッチングされ、中央部付近１０ｃからシリコン(Si)基板１０は薄くなっていく（図３の（ｃ））。こうして、所望時間エピタキシャル成長とエッチングを継続すると、シリコン(Si)基板１０は均熱板２０の４つの脚部２２に接している部分付近の他はほとんどエッチングにより薄くなるか、完全に除去されて窒化ガリウム(GaN)３０の裏面が析出することとなる（図３の（ｄ））。
【００２４】
上記実施例では反応管を石英としたが、本発明は任意の材質による製造装置に適用できる。上記実施例ではいわゆるハライドＶＰＥによるエピタキシャル成長を示したが、エピタキシャル成長の方法は任意である。異種基板としてシリコン(Si)を用いるものを示したが、本発明はエッチング可能な任意の異種基板に適用できる。その際のエッチングガスは、異種基板及び実際の製造装置の材質等に応じ、任意のものが使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る半導体製造装置の構造を示す断面図。
【図２】本発明の具体的な実施例に係る半導体製造装置の異種基板設置部分の構造の詳細を示す断面図。
【図３】本発明の具体的な実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を示す工程図。
【符号の説明】
１００半導体製造装置
１０１エピタキシャル成長系統
１０２エッチング系統
１１０石英反応管
１２０異種基板保持具１２０
１３０エッチングガス導入管
１４０ V族元素導入管
１５０ III族元素塩化物導入部
１５１塩化水素導入管部
１５２ III族元素ボート
１５３ III族塩化物導入管部
１０異種基板
２０均熱板
２１孔部
２２脚部
３０窒化ガリウム(GaN)

Claims

III族窒化物系化合物半導体の製造装置において、
III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるための異種基板を配置することで、III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるための原料供給系と、エッチャントの供給系とが分離する構造を有し、
前記異種基板の一方の面に１又は複数のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させながら、若しくは成長した後に、前記異種基板の他方の面をエッチング可能としたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造装置。
前記異種基板は水平に載置され、前記原料供給系が下部に、前記エッチャントの供給系が上部になる構造であることを特徴とする請求項１に記載の III 族窒化物系化合物半導体の製造装置。
III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
請求項１又は請求項２に記載の製造装置を用い、
エッチング可能なIII族窒化物系化合物半導体と異なる基板（異種基板）を、その一方の面がIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長系に接するように、且つ他方の面が前記エピタキシャル成長系と分離されたエッチング系に接するように前記製造装置に載置し、
III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長系にて１又は複数のIII族窒化物系化合物半導体を前記異種基板の一方の面に積層する最中、若しくは積層した後に、前記エッチング系にて前記異種基板の他方の面をエッチングして、前記異種基板の大部分の厚さを薄くすることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記異種基板がシリコン(Si)基板であることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記エッチング系においては気体又はガス状のエッチャントを用いることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記エッチング系においては、主として気体のハロゲン化水素を用いることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記エピタキシャル成長系として、ガリウム(Ga)又はインジウム(In)を塩化水素(HCl)ガスによって前記異種基板面に輸送するクロライド法を少なくとも一工程含むことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。