JPWO2012137949A1 - Nitride semiconductor manufacturing method, nitride semiconductor, and group III-V nitride film forming method - Google Patents
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Abstract
窒化物半導体の製造方法は、半導体層を構成する窒化物を有し、窒化物半導体の製造方法であって、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いて、III族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える。 A method for manufacturing a nitride semiconductor includes a nitride that forms a semiconductor layer, and is a method for manufacturing a nitride semiconductor, in which a plasma of a gas containing a group III element generated by a microwave radiated from a slot antenna is generated. And a step of forming a nitride layer containing a group III element.
Description
この発明は、窒化物半導体の製造方法、窒化物半導体、およびIII−V族窒化物の成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor, a nitride semiconductor, and a method for forming a group III-V nitride.
昨今においては、III−V族化合物系の材料を活性層として用いる半導体装置の開発が活発に行われている。中でも、V族元素として窒素を用いた窒化物半導体は、例えば、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)等は、比較的バンドギャップが大きいので、特に青色の発光材料等、短波長側の発光材料の用途に関して、開発が盛んに行われている。なお、GaNを含む窒化物半導体としては、InGaN(窒化インジウムガリウム)/GaN、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)/GaN等の異種材料のヘテロ接合を用いた窒化物半導体もある。 In recent years, development of semiconductor devices using a III-V group compound-based material as an active layer has been actively conducted. Among them, nitride semiconductors using nitrogen as a group V element include, for example, GaN (gallium nitride), AlN (aluminum nitride), InN (indium nitride), etc., which have a relatively large band gap, and are particularly blue light emitting materials. For example, the development of light-emitting materials on the short wavelength side has been actively conducted. Note that nitride semiconductors containing GaN include nitride semiconductors using heterojunctions of different materials such as InGaN (indium gallium nitride) / GaN and AlGaN (aluminum gallium nitride) / GaN.
特に窒化物層としてGaNを用いた窒化物半導体の製造においては、例えば、GaNの結晶構造と同じ六方晶系であって、GaNと格子定数の近いサファイヤ基板が用いられる。さらに、窒化物層としてGaNを用いた窒化物半導体は、例えば、1000℃以上の高温での熱プロセスを用いて、サファイヤ基板の上にGaNをエピタキシャル成長させることにより形成される。また、サファイヤ基板上におけるGaN層の良好なエピタキシャル成長を促進するために、サファイヤ基板とGaN層との間に、バッファ層を形成することも一般的に行われている。 In particular, in the manufacture of a nitride semiconductor using GaN as the nitride layer, for example, a sapphire substrate having the same hexagonal crystal system as that of GaN and having a lattice constant close to that of GaN is used. Further, a nitride semiconductor using GaN as a nitride layer is formed by epitaxially growing GaN on a sapphire substrate using a thermal process at a high temperature of 1000 ° C. or higher, for example. In order to promote good epitaxial growth of the GaN layer on the sapphire substrate, a buffer layer is generally formed between the sapphire substrate and the GaN layer.
ここで、GaNを用いた窒化物半導体についての技術が、特開2001−217193号公報(特許文献1)に開示されている。特許文献1においては、サファイヤ基板を所定の温度に加熱し、サファイヤ基板の周囲にTMG(トリメチルガリウム)ガスおよびN2−H2ガス、すなわち、TMGガスおよび窒素と水素の混合ガスを供給し、サファイヤ基板の周囲においてプラズマを発生させて、GaN(窒化ガリウム)を形成することとしている。ここで、特許文献1に開示され、GaNを形成するために用いられるプラズマCVD装置は、マイクロ波電源を用いて発生するマイクロ波(周波数2.45GHz)を伝播する導波管およびキャビティとから構成されるマイクロ波供給系と、キャビティ内に挿入した石英放電管と、石英放電管内を所定の真空度に調整する真空ポンプと、石英放電管内に供給するTMGガスが詰められているボンベと、窒素と水素(N2−H2)混合ガスが詰められているボンベと、ボンベから供給されるTMGガスの流量を測定する流量計と、サファイヤ基板を加熱する電気炉と、マイクロ波のマッチングをとるプランジャと、プラズマの状態を検知するQMA(Quadrupole Mass Analyzer:四重極質量分析装置)と、光ファイバを通じて発光種のエネルギーレベルを測定する発光分光分析装置とから構成されている。
Here, the technique about the nitride semiconductor using GaN is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-217193 (patent document 1). In
上記した特許文献1におけるGaN層の形成は、いわゆるリモートプラズマによる窒化処理により行われている。このようなリモートプラズマをGaN層の形成に用いた場合においては、窒化処理における窒化種の質や量について問題がある。具体的には、リモートプラズマを用いてプラズマを生成した場合、リモートプラズマ源近傍でのラジカル種やイオン等の活性度は、非常に高い。そのため、ウェハへのダメージを抑制するためには、リモートプラズマ源とウェハとの距離を離す必要がある。そうすると、ウェハへのダメージを抑制できるものの失活が著しく、ウェハ近傍では、基底状態や活性度の低い窒化種が多くなる。そうすると、プラズマ処理において対象の膜を十分にプラズマ窒化することが困難となる。加えて、実質的に窒化処理に寄与する活性化された窒化種の密度が小さくなってしまう。その結果、所望の厚さを得るために長時間を要する等、GaN層の形成が非効率となってしまう。
The formation of the GaN layer in
従来は、低温で発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性(単結晶)を持つIII−V族窒化物を成膜することができなかった。 Conventionally, a group III-V nitride having crystallinity (single crystal) with good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device could not be formed at a low temperature.
ここで、例えば、アンモニア(NH3)を用いて、700℃以上、具体的には1100℃程度の高温で熱CVD(Chemical Vapor Deposition)処理や熱窒化処理等、熱プロセスを採用することにより、窒化処理を行ってGaN層を形成することも考えられる。しかし、このような高温状態においては、窒化処理時において多くの窒素が脱離してしまい、所望の窒素量を有する層の形成を行うことができない場合がある。また、上記したInGaN/GaNやAlGaN/GaN等の異種材料のヘテロ接合を有する窒化物層を形成する場合において、以下の問題が生ずる。すなわち、InGaNやGaNといった各種の構成材料は、それぞれ独自の熱膨張率を持つ。このような異なる熱膨張率を有する構成材料を積層する場合において、高温で成膜を行うと、熱膨張率の相違に起因して、常温下において反りや歪みが発生するおそれがある。そうすると、結晶欠陥の生成を促進するおそれがある。これにより、半導体装置として必要とされる特性が不十分となるおそれが高い。Here, for example, by using ammonia (NH 3 ), by adopting a thermal process such as a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) process or a thermal nitridation process at a high temperature of about 700 ° C. or more, specifically about 1100 ° C., It is also conceivable to form a GaN layer by performing nitriding. However, in such a high temperature state, a large amount of nitrogen is desorbed during the nitriding treatment, and a layer having a desired nitrogen amount may not be formed. Further, when forming a nitride layer having a heterojunction of different materials such as InGaN / GaN and AlGaN / GaN, the following problems arise. That is, various constituent materials such as InGaN and GaN each have their own coefficient of thermal expansion. In the case where the constituent materials having different thermal expansion coefficients are laminated, if film formation is performed at a high temperature, there is a possibility that warping or distortion may occur at room temperature due to the difference in thermal expansion coefficient. As a result, the generation of crystal defects may be promoted. Thereby, there is a high possibility that the characteristics required for the semiconductor device will be insufficient.
この発明の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つ窒化物半導体を、効率的に製造することができる窒化物半導体の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor manufacturing method capable of efficiently manufacturing a nitride semiconductor having good crystallinity as a light emitting element and a semiconductor device.
この発明の他の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つ窒化物半導体を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor having good crystallinity as a light emitting element and a semiconductor device.
この発明のさらに他の目的は、発光素子および半導体装置としての特性の良好な結晶性を持つIII−V族窒化物の成膜方法を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a method for forming a group III-V nitride having crystallinity with good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device.
この発明に係る窒化物半導体の製造方法は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いて、III族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える。 The method for manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention includes a step of forming a nitride layer containing a group III element by using a plasma of a gas containing a group III element generated by a microwave radiated from a slot antenna. .
このように、III族元素を含む窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも低温で処理を行うことができるので、窒化物半導体を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、特性の良好な窒化物層を効率的に形成することができる。そして、特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。なお、ここでいう特性の良好な窒化物層とは、成長した結晶内における欠陥が少ないものをいう。 Thus, when forming a nitride layer containing a group III element, a plasma of a gas containing a group III element generated by a microwave radiated from a slot antenna is used to deactivate a highly active nitride species. And a nitride layer can be formed with a high density of nitriding species. In such plasma processing, processing can be performed at a lower temperature than conventional processing. Therefore, when manufacturing a nitride semiconductor, warping and distortion caused by differences in thermal expansion coefficient in joining of dissimilar materials are caused. It can be greatly reduced. Therefore, according to such a method for manufacturing a nitride semiconductor, a nitride layer having good characteristics can be efficiently formed. And a nitride semiconductor with good characteristics can be manufactured efficiently. Here, the nitride layer having good characteristics means a layer having few defects in the grown crystal.
また、窒化物半導体は、多重量子井戸を含み、多重量子井戸層は、III族を含む窒化物層を三層以上として形成されるようにしてもよい。また、III族元素は、Gaであるよう構成してもよい。また、多重量子井戸層は、第一のGaN、InGaN、および第二のGaNを順に三層形成されるよう構成してもよい。また、三層の上には、さらに形成されるInGaNおよびさらに形成されるGaNを1組とし、少なくとも1組以上が形成されるよう構成してもよい。 The nitride semiconductor may include a multiple quantum well, and the multiple quantum well layer may be formed of three or more nitride layers including a group III. Further, the group III element may be configured to be Ga. Further, the multiple quantum well layer may be configured such that three layers of the first GaN, InGaN, and second GaN are formed in this order. Further, on the three layers, a further set of InGaN and further formed GaN may be set as one set, and at least one set may be formed.
また、窒化物層を形成する工程は、マイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、原子層エピタキシー(ALE:Atomic Layer Epitaxy)法またはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により窒化物層を形成する工程を含むよう構成してもよい。 The step of forming the nitride layer is a step of forming the nitride layer by an atomic layer epitaxy (ALE) method or a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method using plasma generated by microwaves. You may comprise so that it may contain.
ALE法にて窒化物層を形成することにより、窒化物層の形成時における不純物を含有するおそれや、結晶内に欠陥が多く発生するおそれを大きく低減することができる。また、膜厚・膜質がともに均一な膜を成膜することができる。また、被膜特性が高いため、高アスペクト比を持つ構造へ好適に用いることができる。
また、プラズマCVD法にて窒化物層を形成することにより、特性の良好な結晶性を持つ窒化物層を比較的短時間で形成することができ、スループットの向上を図ることができる。By forming the nitride layer by the ALE method, it is possible to greatly reduce the possibility of containing impurities during the formation of the nitride layer and the possibility of many defects occurring in the crystal. In addition, a film having a uniform film thickness and film quality can be formed. Moreover, since the film characteristics are high, it can be suitably used for structures having a high aspect ratio.
In addition, by forming a nitride layer by a plasma CVD method, a nitride layer having excellent characteristics and crystallinity can be formed in a relatively short time, and throughput can be improved.
また、窒化物層を形成する工程は、温度を200℃以上700℃未満で行うよう構成してもよい。また、温度を400℃以下で行うよう構成してもよい。このようにして形成された層は、上記した反りや歪みのおそれが小さい。また、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて窒化物層を形成することで、ウェハの温度を400℃以下として成膜しても、結晶性が非常に高い膜を形成することができる。 Further, the step of forming the nitride layer may be performed at a temperature of 200 ° C. or higher and lower than 700 ° C. Moreover, you may comprise so that temperature may be performed at 400 degrees C or less. The layer thus formed is less likely to be warped or distorted. Also, by forming a nitride layer using plasma generated by microwaves radiated from the slot antenna, a film with very high crystallinity can be formed even when the wafer temperature is 400 ° C. or lower. can do.
また、窒化物層を形成する工程は、圧力を10mTorr以上10Torr以下で行うよう構成してもよい。また、窒化物層を形成する工程は、圧力を10mTorr以上500mTorr以下で行うよう構成してもよい。 The step of forming the nitride layer may be performed at a pressure of 10 mTorr to 10 Torr. The step of forming the nitride layer may be performed at a pressure of 10 mTorr or more and 500 mTorr or less.
さらに好ましい一実施形態としては、スロットアンテナは、ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA:Radial Line Slot Antenna)を含む。このような構成によると、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、電子温度の比較的低いプラズマを用いて処理を行うことができる。また、主としてラジカルが生成されるため、豊富なラジカルを用いて窒化物層を形成することができる。そうすると、窒化物層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージを大きく低減し、効率的に特性の良好な窒化物層を形成することができる。 In a more preferred embodiment, the slot antenna includes a radial line slot antenna (RLSA). According to such a configuration, since the plasma generated by the microwave radiated from the slot antenna is used, the processing can be performed using the plasma having a relatively low electron temperature. Moreover, since radicals are mainly generated, a nitride layer can be formed using abundant radicals. Then, when forming the nitride layer, it is possible to greatly reduce the physical damage due to charging damage or ion irradiation to the underlayer, and to efficiently form a nitride layer with good characteristics.
また、窒化物層を形成する工程は、その上に窒化物層が形成される被処理基板の表面近傍において、プラズマの電子温度が1.5eVよりも低く、かつプラズマの電子密度が1×1011cm−3よりも高いプラズマを用いた処理であってもよい。Further, in the step of forming the nitride layer, in the vicinity of the surface of the substrate to be processed on which the nitride layer is formed, the plasma electron temperature is lower than 1.5 eV and the plasma electron density is 1 × 10 6. Treatment using plasma higher than 11 cm −3 may be used.
また、窒化物層を形成する工程は、GaN層を形成する工程と、GaN層の厚さ方向にInGaN層を形成する工程とを含み、GaN層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、プラズマCVD法により形成する工程を含み、InGaN層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、原子層エピタキシー法により形成する工程を含むよう構成してもよい。 The step of forming the nitride layer includes the step of forming the GaN layer and the step of forming the InGaN layer in the thickness direction of the GaN layer, and the step of forming the GaN layer is radiated from the slot antenna. The step of forming the InGaN layer includes the step of forming by plasma CVD using plasma generated by microwave, and the step of forming the InGaN layer is atomic layer epitaxy using plasma generated by microwave radiated from the slot antenna. You may comprise so that the process formed by may be included.
この発明の他の局面においては、窒化物半導体は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いて形成される窒化物層を備える。 In another aspect of the present invention, the nitride semiconductor includes a nitride layer formed using a plasma of a gas containing a group III element generated by microwaves radiated from a slot antenna.
このような窒化物半導体は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いているため、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層が形成されている。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも比較的低温度で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、特性が良好である。 Since such a nitride semiconductor uses a plasma of a gas containing a group III element generated by microwaves radiated from a slot antenna, it suppresses deactivation of highly active nitride species, and nitriding A nitride layer is formed with a high seed density. In addition, since such plasma processing can be performed at a relatively lower temperature than conventional processing, warpage and distortion due to differences in thermal expansion coefficient are greatly reduced in bonding of dissimilar materials. . Therefore, such a nitride semiconductor has good characteristics.
また、多重量子井戸層は、III族を含む窒化物層を三層以上として形成されるよう構成してもよい。また、III族元素は、Gaであるよう構成してもよい。また、多重量子井戸層は、第一のGaN、InGaN、および第二のGaNを順に三層形成されるよう構成してもよい。また、三層の上には、さらに形成されるInGaNおよびさらに形成されるGaNを1組とし、少なくとも1組以上が形成されるよう構成してもよい。 In addition, the multiple quantum well layer may be configured so that a nitride layer containing group III is formed as three or more layers. Further, the group III element may be configured to be Ga. Further, the multiple quantum well layer may be configured such that three layers of the first GaN, InGaN, and second GaN are formed in this order. Further, on the three layers, a further set of InGaN and further formed GaN may be set as one set, and at least one set may be formed.
この発明のさらに他の局面において、III−V族窒化物の成膜方法は、三層のIII族元素を含む窒化物で構成する多重量子井戸層を有するIII−V族窒化物の成膜方法であって、III族元素を含む第一の窒化物層を形成する工程と、第一の窒化物層上に第一の窒化物層とは異なるIII族元素を含む第二の窒化物層を形成する工程と、第二の窒化物層上に第一の窒化物層と同じIII族元素を含む第三の窒化物素を形成して多重量子井戸層を形成する工程とを備え、III族元素を含む第一〜第三の窒化物層で構成する多重量子井戸層は、温度を200℃以上700℃未満で、圧力を10mTorr以上10Torr以下で原子層エピタキシー(ALE:Atomic Layer Epitaxy)法またはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する。 In still another aspect of the present invention, a method for forming a group III-V nitride includes forming a group III-V nitride having a multiple quantum well layer composed of a nitride containing three layers of a group III element. And forming a first nitride layer containing a group III element, and a second nitride layer containing a group III element different from the first nitride layer on the first nitride layer. Forming a multi-quantum well layer by forming a third nitride element containing the same group III element as the first nitride layer on the second nitride layer, and forming a group III The multiple quantum well layer composed of the first to third nitride layers containing an element is formed by an atomic layer epitaxy (ALE) method at a temperature of 200 ° C. or more and less than 700 ° C. and a pressure of 10 mTorr or more and 10 Torr or less. Plasma CVD (Che (Mical Vapor Deposition) method.
また、III族元素は、Gaであるよう構成してもよい。また、第一の窒化物層は、第一のGaNであり、第二の窒化物は、第一のInGaN層であり、第三の窒化物層は、第二のGaNであるよう構成してもよい。また、第三の窒化物層上に、さらに形成される第二の窒化物層、さらに形成される第一または第三の窒化物層を順に形成して1組とし、少なくとも1組以上が形成されるよう構成してもよい。 Further, the group III element may be configured to be Ga. The first nitride layer is the first GaN, the second nitride is the first InGaN layer, and the third nitride layer is the second GaN. Also good. Further, a second nitride layer to be further formed and a first or third nitride layer to be further formed are sequentially formed on the third nitride layer to form one set, and at least one set is formed. You may comprise.
この発明のさらに他の局面においては、III−V族窒化物の成膜方法は、結晶性を有する基板を準備する工程と、基板上にIII族元素を含むガスを吸着させる工程と、基板に吸着されないIII族元素を含むガスを排気する工程と、窒素原子を含むガスのプラズマをIII族元素を含むガス分子に照射して窒化することにより、III族元素を含む窒化物を形成する工程とを備え、III族元素を含む窒化物を形成する工程は、温度を200℃以上700℃未満で、圧力を10mTorr以上10Torr以下で原子層エピタキシー法またはプラズマCVD法により形成する。 In still another aspect of the present invention, a method for forming a group III-V nitride includes a step of preparing a substrate having crystallinity, a step of adsorbing a gas containing a group III element on the substrate, A step of exhausting a gas containing a group III element that is not adsorbed; a step of forming a nitride containing a group III element by irradiating a gas molecule containing a group III element with a gas molecule containing a nitrogen atom and nitriding the gas molecule; The step of forming a nitride containing a group III element is performed by atomic layer epitaxy or plasma CVD at a temperature of 200 ° C. to less than 700 ° C. and a pressure of 10 mTorr to 10 Torr.
このように、窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いると、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。さらに、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも比較的低温度で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、低温で結晶性が高く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物層を含む構成で効率的に形成することができる。そして、特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。 As described above, when the plasma generated by the microwave radiated from the slot antenna is used in forming the nitride layer, the deactivation of the highly active nitride species is suppressed, and the density of the nitride species is reduced. A nitride layer can be formed in a high state. Furthermore, since such plasma processing can be performed at a relatively lower temperature than conventional processing, warping and distortion due to differences in thermal expansion coefficient can be greatly reduced in bonding of dissimilar materials. Can do. Therefore, according to such a method for manufacturing a nitride semiconductor, the nitride semiconductor can be efficiently formed with a structure including a nitride layer having high crystallinity at a low temperature and good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device. And a nitride semiconductor with good characteristics can be manufactured efficiently.
また、このような窒化物半導体は、窒化物層を形成する際に、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、かつ、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成している。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理よりも低温度で処理が行われるので、多重量子井戸層を含む窒化物半導体を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、低温で結晶性が高く、発光素子および半導体装置としての特性が良好である。 In addition, such a nitride semiconductor uses plasma generated by microwaves radiated from the slot antenna when forming the nitride layer, suppresses deactivation of highly active nitride species, and The nitride layer is formed with a high density of nitriding species. In addition, since such plasma processing is performed at a lower temperature than conventional processing, when manufacturing a nitride semiconductor including a multi-quantum well layer, the difference in thermal expansion coefficient in the joining of different materials, etc. Warpage and distortion due to the above are greatly reduced. Therefore, such a nitride semiconductor has high crystallinity at a low temperature and has good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device.
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成および動作について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the configuration and operation of a plasma processing apparatus used in a nitride semiconductor manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described.
図1は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。また、図2は、図1に示すプラズマ処理装置に含まれるスロットアンテナ板を下方側、すなわち、図1中の矢印IIの方向から見た図である。なお、図1において、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a plasma processing apparatus used in a nitride semiconductor manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 2 is a view of the slot antenna plate included in the plasma processing apparatus shown in FIG. 1 as viewed from the lower side, that is, from the direction of arrow II in FIG. In FIG. 1, some of the members are not hatched for easy understanding.
図1および図2を参照して、プラズマ処理装置31は、その内部で被処理基板Wにプラズマ処理を行う処理容器32と、処理容器32内にプラズマ励起用のガスやプラズマCVD処理に用いられる材料ガス、後述する原子層エピタキシー(ALE)におけるALE用ガス等を供給するガス供給部33と、その上で被処理基板Wを支持する円板状の支持台34と、マイクロ波をプラズマ源として、処理容器32内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構39と、プラズマ処理装置31全体の動作を制御する制御部(図示せず)とを備える。制御部は、ガス供給部33におけるガス流量、処理容器32内の圧力等、プラズマ処理装置31全体の制御を行う。
Referring to FIGS. 1 and 2, a
処理容器32は、支持台34の下方側に位置する底部41と、底部41の外周から上方向に延びる側壁42とを含む。側壁42は、略円筒状である。処理容器32の底部41には、その一部を貫通するように排気用の排気孔43が設けられている。処理容器32の上部側は開口しており、処理容器32の上部側に配置される蓋部44、後述する誘電体窓36、および誘電体窓36と蓋部44との間に介在するシール部材としてのOリング45によって、処理容器32は密封可能に構成されている。
The
ガス供給部33は、被処理基板Wの中央に向かってガスを供給する第一のガス供給部46と、被処理基板Wの周辺側からガスを供給する第二のガス供給部47とを含む。第一のガス供給部46においてガスを供給するガス供給孔30は、誘電体窓36の径方向中央であって、支持台34と対向する対向面となる誘電体窓36の下面48よりも誘電体窓36の内方側に後退した位置に設けられている。第一のガス供給部46は、第一のガス供給部46に接続されたガス供給系49により流量等を調整しながらプラズマ励起用の不活性ガスや材料ガス、成膜ガス等を供給する。第二のガス供給部47は、側壁42の上部側の一部において、処理容器32内にプラズマ励起用のガスや材料ガス、成膜ガス等を供給する複数のガス供給孔50を設けることにより形成されている。複数のガス供給孔50は、周方向に等間隔に設けられている。第一のガス供給部46および第二のガス供給部47には、同じガス供給源から同じ種類のプラズマ励起用の不活性ガスや材料ガス、ALE用ガス等が供給される。なお、要求や制御内容に応じて、第一のガス供給部46および第二のガス供給部47から別のガスを供給することもでき、それらの流量比等を調整することもできる。
The
支持台34には、RF(radio frequency)バイアス用の高周波電源58がマッチングユニット59を介して支持台34内の電極61に電気的に接続されている。この高周波電源58は、例えば、13.56MHzの高周波を所定の電力(バイアスパワー)で出力可能である。マッチングユニット59は、高周波電源58側のインピーダンスと、主に電極61、プラズマ、処理容器32といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
A high
支持台34は、静電チャック(図示せず)によりその上に被処理基板Wを支持可能である。また、支持台34は、加熱のためのヒータ(図示せず)等を備え、支持台34の内部に設けられた温度調整機構29により所望の温度に設定可能である。支持台34は、底部41の下方側から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部51に支持されている。上記した排気孔43は、筒状支持部51の外周に沿って処理容器32の底部41の一部を貫通するように設けられている。環状の排気孔43の下方側には排気管(図示せず)を介して排気装置(図示せず)が接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置により、処理容器32内を所定の圧力まで減圧することができる。
The
プラズマ発生機構39は、処理容器32の上部および外部に設けられており、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器35と、支持台34と対向する位置に配置され、マイクロ波発生器35により発生させたマイクロ波を処理容器32内に導入する誘電体窓36と、複数のスロット40(図2参照)が設けられており、誘電体窓36の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓36に放射するスロットアンテナ板37と、スロットアンテナ板37の上方側に配置され、後述する同軸導波管56により導入されたマイクロ波を径方向に伝播させる誘電体部材38とを含む。
The
マッチング機構53を有するマイクロ波発生器35は、導波管55およびモード変換器54を介して、マイクロ波を導入する同軸導波管56の上部に接続されている。例えば、マイクロ波発生器35で発生させたTEモードのマイクロ波は、導波管55を通り、モード変換器54によりTEMモードへ変換され、同軸導波管56を伝播する。マイクロ波発生器35において発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば、2.45GHzが選択される。
A
誘電体窓36は、略円板状であって、誘電体で構成されている。誘電体窓36の下面48の一部には、導入されたマイクロ波による定在波の発生を容易にするためのテーパ状に凹んだ環状の凹部57が設けられている。この凹部57により、誘電体窓36の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体窓36の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。
The
スロットアンテナ板37は、薄板状であって、円板状である。複数の長孔状のスロット40については、図2に示すように、一対のスロット40が、90度の角度をなすように設けられている。一対のスロット40は、周方向に所定の間隔を開けて設けられている。また、径方向においても、複数の一対のスロット40が所定の間隔を開けて設けられている。
The
マイクロ波発生器35により発生させたマイクロ波は、同軸導波管56を通って、誘電体部材38に伝播される。マイクロ波は、その内部に冷媒等を循環させる循環路60を有し、誘電体部材38等の温度調整を行なう冷却ジャケット52とスロットアンテナ板37に挟まれた誘電体部材38の内部を径方向外側に向かって放射状に広がり、スロットアンテナ板37に設けられた複数のスロット40から誘電体窓36に放射される。誘電体窓36を透過したマイクロ波は、誘電体窓36の直下に電界を生じさせ、処理容器32内にプラズマを生成させる。すなわち、プラズマ処理装置31において処理に供されるマイクロ波プラズマは、上記した構成の冷却ジャケット52、スロットアンテナ板37および誘電体部材38からなるラジアルラインスロットアンテナ(RLSA:Radial Line Slot Antenna)から放射されるマイクロ波により処理容器32内に生成される。
The microwave generated by the
図3は、プラズマ処理装置31においてプラズマを発生させた際の処理容器32内における誘電体窓36の下面48からの距離とプラズマの電子温度との関係を示すグラフである。図4は、プラズマ処理装置31においてプラズマを発生させた際の処理容器32内における誘電体窓36の下面48からの距離とプラズマの電子密度との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the distance from the
図3および図4を参照して、誘電体窓36の直下の領域、具体的には、図3に一点鎖線で示すおおよそ10mm程度までの領域26は、いわゆるプラズマ生成領域と呼ばれる。この領域26においては、電子温度が高く、電子密度が1×1012cm−3よりも大きい。プラズマ処理装置31は、スロットアンテナ板37を用い、処理容器32内にマイクロ波を放射している。このような構成によると、マイクロ波は、処理容器32内に生成された高密度のプラズマによって反射され、プラズマ中に伝播することができない。このようなマイクロ波によって励起されたプラズマは、表面波プラズマと呼ばれる。一方、二点鎖線で示す10mmを越える領域27は、プラズマ拡散領域と呼ばれる。この領域27においては、電子温度が1.0〜1.3eV程度、少なくとも1.5eVよりも低く、電子密度が1×1012cm−3程度、少なくとも1×1011cm−3よりも高い。後述する被処理基板Wに対するプラズマ処理は、プラズマ拡散領域で行われる。すなわち、プラズマ処理は、被処理基板Wの表面近傍において、プラズマの電子温度が1.5eVよりも低く、かつプラズマの電子密度が1×1011cm−3よりも高いマイクロ波プラズマを用いることが望ましい。なお、この場合の誘電体窓36の下面48と支持台34間の距離は、100mm程度に設定される。また、プラズマの電子密度は、1×1010cm−3程度あれば十分な処理速度にて処理が可能であり、誘電体窓36の下面48と支持台34間の距離は、50mm以上300mm以下であればよい。Referring to FIGS. 3 and 4, the region immediately below
次に、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の構成について説明する。図5は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の一部を示す概略断面図である。なお、図5および後述する図6において、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。また、理解の容易の観点から、図5および後述する図6における紙面上下方向を、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の厚さ方向である上下方向とする。 Next, the structure of the nitride semiconductor according to one embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a part of the nitride semiconductor according to one embodiment of the present invention. In FIG. 5 and FIG. 6 to be described later, some of the members are not hatched for easy understanding. From the viewpoint of easy understanding, the vertical direction in FIG. 5 and FIG. 6 described later is the vertical direction that is the thickness direction of the nitride semiconductor according to one embodiment of the present invention.
図5を参照して、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体11は、例えば、発光素子として用いられる。この発明の一実施形態に係る窒化物半導体11は、ベースとなるサファイヤ基板12と、サファイヤ基板12の上に設けられ、GaNから構成されるバッファ層13と、バッファ層13の上に設けられ、n型のGaNから構成されるn−GaN層14と、n−GaN層14の上に設けられるMQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)層15と、MQW層15の上に設けられ、p型のAlGaNから構成されるp−AlGaN層16と、p−AlGaN層16の上に設けられ、p型のGaNから構成されるp−GaN層17とを含む。すなわち、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体11は、半導体層を構成する窒化物を有し、多重量子井戸層を含む。
Referring to FIG. 5,
n−GaN層14上に形成されるMQW層15は、n−GaN層14上を全て覆うのではなく、その一部が露出するように形成される。そして、その露出した部分の上には、n型の電極となるn−電極18が設けられている。一方、p−GaN層17の上には、p型の電極となるp−電極19が設けられている。n−電極18が形成される部分と、p−電極が形成される部分との間には、n−電極18が形成される部分が相対的に低くなるように、いわゆる段差が設けられている構成となる。
The
n−GaN層14、およびp−GaN層17のそれぞれの厚さ、すなわち、上下方向の長さは、約200nmであって比較的厚く構成されている。一方、MQW層15、およびp−AlGaN層16のそれぞれの厚さは、非常に薄く構成されている。MQW層15は、1〜20nmがよい。p−AlGaN層16の厚さは、約10Å(オングストローム)であって、5原子層分程度である。
Each of the n-
ここで、MQW層15の具体的な構成について、説明する。図6は、図5に示す窒化物半導体のうち、MQW層15の一部の一例を示す概略図である。図5および図6を参照して、MQW層15は、n−GaN層14の上に形成され、MQW層15のうちの最下層となる第一のi−GaN層21aと、第一のi−GaN層21aの上に形成されるi−InGaN層22aと、i−InGaN層22aの上に形成され、MQW層15のうちの最上層となる第二のi−GaN層21bとから構成されている。この場合、MQW層15は、二層のi−GaN層21a、21bと、二層のi−GaN層21a、21bの間に設けられる一層のi−InGaN層22aとの合計三層で構成されている。各層の厚さは、それぞれ約10Å(オングストローム)である。なお、この実施形態においては、MQW層15は三層構造であるが、要求される特性に応じて、i−GaN層とi−InGaN層とを交互に形成して、任意の積層構造、すなわち、五層のMQW層や七層のMQW層とすることにしてもよい。さらに、九層、十一層の奇数層以上形成してもよい。すなわち、三層上には、第二のInGaN層および第三のGaN層を順に形成して一組とし、少なくとも三層上に1組以上形成されるようにしてもよい。
Here, a specific configuration of the
図7は、七層形成したMQW層23を示す概略図である。図7を参照して、七層のMQW層23は、最下層となる第一のi−GaN層21aと、第一のi−GaN層21aの上に形成される第一のi−InGaN層22aと、第二のi−InGaN層22bの上に形成される第三のi−GaN層21cと、第三のi−GaN層21cの上に形成される第三のi−InGaN層22bと、第三のi−InGaN層22bの上に形成される第四のi−GaN層21dとから構成されている。この場合、三層上に、二組形成されていることになる。
FIG. 7 is a schematic view showing the
また、図8は、九層形成したMQW層24を示す概略図である。図8を参照して、十一層のMQW層24は、最下層となる第一のi−GaN層21aと、第一のi−GaN層21aの上に形成される第一のi−InGaN層22aと、第二のi−InGaN層22bの上に形成される第三のi−GaN層21cと、第三のi−GaN層21cの上に形成される第三のi−InGaN層22bと、第三のi−InGaN層22bの上に形成される第四のi−GaN層21dと、第四のi−GaN層21dの上に形成される第四のi−InGaN層22dと、第四のi−InGaN層22dの上に形成される第五のi−GaN層21eとから構成されている。この場合、三層上に、三組形成されていることになる。
FIG. 8 is a schematic view showing the
次に、上記したプラズマ処理装置31を用いて製造される窒化物半導体の製造方法について説明する。図9は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法のうち、代表的な工程を示すフローチャートである。
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor manufactured using the
図5〜図9を参照して、ベースとなるサファイヤ基板12上に、バッファ層13を形成する(図9(A))。次に、形成されたバッファ層13の上にn−GaN層14を形成する(図9(B))。
5 to 9, a
ここで、このn−GaN層14の形成に際しては、上記した図1および図2に示すプラズマ処理装置31を用いたプラズマCVD処理により行われる。具体的には、RLSAを備えるプラズマ処理装置31を用いた、マイクロ波プラズマCVD処理により、窒化物層であるn−GaN層14を形成する。
Here, the n-
プラズマ処理装置31を用いたプラズマCVD処理について説明する。ここで、プラズマCVD処理とは、プラズマVPE(Vapor Phase Epitaxy)処理を含む。併せて図1〜図2を再び参照して、まず、処理容器32内に配置された支持台34上に被処理基板Wとしてのサファイヤ基板12を静電チャックにより吸着支持させる。次に、Arガス等の不活性ガスをプラズマ励起用のガスとしてガス供給部33から供給する。ここで、プラズマ処理に適当な圧力となるよう処理容器32内の圧力を制御する。処理容器32内の圧力は、生産性を考慮すると、10mTorr以上が好ましく、20mTorr以上10Torr以下が望ましい。さらに、10mTorr〜200mTorrがよく、40〜100mTorrがよい。また、支持台34の内部に設けられている温度調整機構29を用いて、支持台34上に支持された被処理基板Wの温度については、200〜700℃が好ましく、300〜600℃がさらに好ましく、ここでは、400℃とする。このような状態で、処理容器32内にマイクロ波を導入しマイクロ波プラズマを生成する。
A plasma CVD process using the
次に、プラズマCVD処理を行うための材料ガスを供給する。材料ガスの供給は、ガス供給部33を用いて行う。この場合、プラズマ励起用の不活性ガスに処理容器32内で混合するように、材料ガスを供給する。具体的には、材料ガスとしての成膜ガスについては、III−V族元素を含むガスを用いる。例えば、TMG(Trimethyl Gallium:トリメチルガリウム)のようなGa(ガリウム)を含むガスや、N2やNH3(アンモニア)のようなN(窒素)を含むガスを用いる。また、SiH4(シラン)やSiH2Cl2(ジクロロシラン)のようなSi(ケイ素)を含むガスを同時に導入することにより、不純物導入をすることができる。このとき、Si(ケイ素)は、形成する層をn型とするドーパントである。このようにして、マイクロ波プラズマCVD処理を行って、n−GaN層14を形成する。こうすることにより、低温で結晶性がよく、発光素子および半導体装置としての特性の良好なGaNの層を比較的短時間で形成することができる。なお、この処理においては、所定のバイアスを供給せずに処理を行ってもよい。また、材料ガスの供給は、プラズマ励起用のガスを供給するタイミングに供給してもよい。Next, a material gas for performing plasma CVD processing is supplied. The material gas is supplied using the
また、N−GaNについては、結晶性の観点から、良好な結晶性が得られる800℃以上、好ましくは、1000℃以上の熱CVD法(エピタキシー)で形成してもよい。 N-GaN may be formed by a thermal CVD method (epitaxy) at 800 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. or higher, from which a good crystallinity is obtained from the viewpoint of crystallinity.
次に、形成したn−GaN層14の上に、MQW層15を形成する(図9(C))。具体的にMQW層15は、薄膜状の第一のi−GaN層21、i−InGaN層22、および第二のi−GaN層23を下層側から順次形成する。ここで、「i−」については、「真性(intrinsic)」を指すものであり、不純物が混入していないことを意味する。
Next, the
ここで、MQW層15を構成する第一のi−GaN層21、i−InGaN層22、および第二のi−GaN層23のそれぞれの層の形成に際しては、上記した図1および図2に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマALE処理により低温で行われる。具体的には、RLSAを備えるプラズマ処理装置31を用いて、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、ALE処理により、MQW層15を形成する。
Here, in forming each of the first i-GaN layer 21, i-InGaN layer 22, and second i-
ここで、第一のi−GaN層21を形成する際のプラズマ処理装置31を用いたプラズマALE処理について説明する。図10は、図9(C)に示すMQW層形成工程において、プラズマALE処理を行う際の代表的な工程を示すフローチャートである。併せて図10を参照して、支持台34上に支持した被処理基板W上にALE用のガスを供給し、エピタキシャル成長させる結晶を構成する原子を含む分子を、被処理基板Wの表面に吸着させる(図10(G))。ここで、ALE用ガスの供給については、プラズマ処理用ガス供給部33から成膜ガスを供給して行われる。また、ALE用のガスとしては、例えば、TMGのようなGaを含むガスが選択される。この場合、原子は、原子一層分の化学吸着で自己停止(セルフリミット)され、それ以上の化学吸着は生じない。
Here, the plasma ALE process using the
その後、余剰に供給されたALE用ガスを除去するために、第一の排気工程として、処理容器32内を排気すると共に、ArガスやN2ガス等の不活性ガス等のパージガスを供給して、いわゆるパージを行う(図10(H))。また、排気のみでもよい。すなわち、化学吸着層上に物理吸着した層と吸着されなかった余剰のTMGを含むガスを、処理容器32の外部へ排出する。処理容器32内の排気は、排気孔43および排気装置等を用いて行う。Thereafter, in order to remove the excessively supplied ALE gas, as the first exhaust process, the inside of the
排気後、吸着させた分子に対し、マイクロ波により生成されたプラズマを用いて処理を行う(図10(I))。このステップでは、プラズマ発生機構39を用い処理容器32内にマイクロ波を供給し、アンモニア(NH3)ガスあるいは窒素(N2)ガスを供給し、プラズマを生成し、被処理基板W上の原子一層分の吸着層に対して、プラズマによる窒化処理を行う。これにより、GaN層が形成される。After evacuation, the adsorbed molecules are treated using plasma generated by microwaves (FIG. 10I). In this step, microwaves are supplied into the
プラズマ処理が終了した後、第二の排気工程として、処理容器32内の排気を行う(図10(J))。すなわち、処理容器32内に残留したアンモニアガス等を除去する。このとき、不活性ガスを供給してパージしてもよい。こうすることにより、NH3ガス等を早く除去できる。After the plasma processing is completed, the
この図10に示すステップ(G)〜ステップ(J)の一連の流れを1サイクルとし、所望の厚さとなるまで繰り返す。1サイクル、すなわち、ステップ(G)〜ステップ(J)の一連の流れで形成される層の厚さは、2オングストローム(Å)程度になる。このようにして、第一のi−GaN層21を構成する層を、エピタキシャル成長によって形成する。このようなプラズマALE処理によると、窒化物層の形成時における成膜ガスの組成としての不純物の含有のおそれや、結晶内の欠陥の発生のおそれを大きく低減することができる。したがって、低温で結晶性の良いi−GaN層を形成することができる。 The series of steps (G) to (J) shown in FIG. 10 is set as one cycle and is repeated until a desired thickness is obtained. The thickness of the layer formed by one cycle, that is, a series of steps (G) to (J) is about 2 angstroms (Å). In this way, the layer constituting the first i-GaN layer 21 is formed by epitaxial growth. According to such a plasma ALE process, it is possible to greatly reduce the possibility of inclusion of impurities as the composition of the film forming gas during the formation of the nitride layer and the occurrence of defects in the crystal. Therefore, an i-GaN layer having good crystallinity can be formed at a low temperature.
次に、所望の厚さの第一のi−GaN層21を形成した後、同様にプラズマALE処理により、低温で結晶性の良い所望の厚さのi−InGaN層22、および第二のi−GaN層23を順次形成する。このようにして、MQW層15を、例えば、1〜20nm形成する。したがって、低温で結晶性のよいMQW層を形成することができる。
Next, after the first i-GaN layer 21 having a desired thickness is formed, the i-InGaN layer 22 having a desired thickness and good crystallinity at low temperatures and the second i are similarly formed by plasma ALE treatment. -The
次に、形成したMQW層15の上に、p−AlGaN層16を形成する(図9(D))。このp−AlGaN層16の形成は、上記したMQW層15におけるi−GaN層21の形成と同様に、上記した図1および図2に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマALE処理により行われる。なお、ALE用のガスとしては、例えば、TMGのようなGaを含むガスやTMAl(Trimethyl Aluminium:トリメチルアルミニウム)のようなAl(アルミニウム)を含むガスが選択される。ここで、形成する層をp型とするドーパントについては、例えば、Cp2Mg(bis−cyclopentaddienyl Magnesium:ビスシクロメンタディエニルマグネシウム)のようなMg(マグネシウム)を含むガスを用いる。この場合、Mgを含むガスを供給するタイミングについては、プラズマALE処理の場合、プラズマ処理工程、すなわち、上記した図10(I)の工程において供給することにしてもよい。なお、ドーパントに用いるガスが、ALD(Atomic Layer Deposition)処理可能なガスであれば、原子層吸着工程、すなわち、上記した図10(G)の工程において供給することにしてもよい。Next, the p-
また、AlGaN層は、結晶性の観点から、MQW層より低い熱CVD法で形成してもよい。 Further, the AlGaN layer may be formed by a thermal CVD method lower than the MQW layer from the viewpoint of crystallinity.
次に、形成したp−AlGaN層16の上に、p−GaN層17を形成する。(図9(E))。このp−GaN層17の形成については、上記したn−GaN層14の形成と同様に、上記した図1および図2に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマCVD処理により行われる。具体的には、材料ガスとしての成膜ガスについては、TMGのようなGaを含むガス、NH3のようなNを含むガス、Cp2MgのようなMgを含むガスを用い、これらを同時に導入する。また、Mg(マグネシウム)は、形成する層をp型とするドーパントである。このようにして、低温でマイクロ波プラズマによるプラズマCVD処理を行って、p−GaN層17を形成する。Next, a p-GaN layer 17 is formed on the formed p-
また、p−GaNは、結晶性の観点から、MQW層より低い熱CVD法で形成してもよい。 Moreover, p-GaN may be formed by a thermal CVD method lower than the MQW layer from the viewpoint of crystallinity.
その後、n−電極18、およびp−電極19を形成する(図9(F))。このようにして、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体11を製造する。
Thereafter, an n-
このような窒化物半導体の製造方法によれば、窒化物層を形成する際に、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、高密度のプラズマが存在するプラズマ生成領域から被処理基板が配置される拡散領域までの距離が50〜300mmであれば、窒化種の失活が抑制され、窒化種の密度の高い状態で、窒化物層を形成することができる。さらに、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマについては、窒化種の選択の幅を広くすることができる。また、このようなプラズマ処理においては、低温で処理を行うことができるので、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減することができる。したがって、このような窒化物半導体の製造方法によると、低温で結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物層を効率的に形成することができるので、特性の良好な半導体装置を、効率的に製造することができる。 According to such a method of manufacturing a nitride semiconductor, since the plasma generated by the microwave radiated from the RLSA is used when forming the nitride layer, the plasma generation region where high-density plasma exists If the distance from the substrate to the diffusion region where the substrate to be processed is 50 to 300 mm, the deactivation of the nitriding species is suppressed, and the nitride layer can be formed with a high density of nitriding species. Furthermore, with respect to the plasma generated by the microwaves emitted from the RLSA, the selection range of the nitriding species can be widened. In addition, since such plasma processing can be performed at a low temperature, warpage and distortion due to differences in thermal expansion coefficient can be greatly reduced in bonding of different materials. Therefore, according to such a method for manufacturing a nitride semiconductor, a nitride layer having good crystallinity at a low temperature and good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device can be efficiently formed. A semiconductor device can be efficiently manufactured.
この場合、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、生成されるプラズマにおいて、1.5eV以下の電子温度の低いもので処理を行うことができる。また、主としてラジカルが生成されるため、豊富なラジカルを用いて窒化物層の形成を行うことができる。そうすると、窒化物層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージを大きく低減することができる。したがって、低温で結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の良好な窒化物半導体を、効率的に製造することができる。 In this case, since the plasma generated by the microwave radiated from the RLSA is used, the generated plasma can be processed with a low electron temperature of 1.5 eV or less. Further, since radicals are mainly generated, the nitride layer can be formed using abundant radicals. Then, when forming the nitride layer, it is possible to greatly reduce physical damage due to charging damage or ion irradiation to the underlayer. Therefore, a nitride semiconductor having good crystallinity at low temperature and good characteristics as a light emitting element and a semiconductor device can be efficiently manufactured.
また、この場合、厚い層の形成となるn−GaN層形成工程(図9(B))およびp−GaN層形成工程(図9(E))は、プラズマCVD処理で行っており、薄い層の形成となるMQW層形成工程(図9(C))、およびp−AlGaN層形成工程(図9(D))は、プラズマALE処理で行っているため、下地のMQW層への熱的影響の観点から低温で行われ、結晶性が良く、発光素子および半導体装置としての特性の優れた窒化物半導体を、効率的に製造することができる。 In this case, the n-GaN layer forming step (FIG. 9B) and the p-GaN layer forming step (FIG. 9E), which form a thick layer, are performed by plasma CVD processing, so that a thin layer is formed. Since the MQW layer forming step (FIG. 9C) and the p-AlGaN layer forming step (FIG. 9D), which are to be formed, are performed by plasma ALE treatment, thermal influence on the underlying MQW layer is performed. From this point of view, it is possible to efficiently manufacture a nitride semiconductor which is performed at a low temperature and has excellent crystallinity and excellent characteristics as a light emitting element and a semiconductor device.
また、この場合、全ての層の形成を200℃以上700℃未満、好ましくは、600℃以下、さらには400℃以下の低温で行うことができる。このようにして形成された層は、上記した反りや歪みのおそれが少なく、結晶性が非常に高く、特性が良好である。したがって、このようにして製造される半導体は、低温で結晶性が良く、半導体としての特性が良好である。 In this case, all layers can be formed at a low temperature of 200 ° C. or higher and lower than 700 ° C., preferably 600 ° C. or lower, and further 400 ° C. or lower. The layer thus formed is less likely to be warped or distorted, has very high crystallinity, and has good characteristics. Therefore, the semiconductor manufactured in this way has good crystallinity at a low temperature and good characteristics as a semiconductor.
なお、上記した窒化物半導体の製造方法においては、圧力は10mTorr以上10Torr以下が好ましく、10mTorr以上500mTorr以下として行うことにしてもよい。このようにして層を、低温で結晶性が良く、効率的に形成することができる。 In the nitride semiconductor manufacturing method described above, the pressure is preferably 10 mTorr or more and 10 Torr or less, and may be performed at 10 mTorr or more and 500 mTorr or less. In this way, the layer can be formed efficiently at low temperatures with good crystallinity.
また、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体は、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて形成されるGaN層を備える。 In addition, a nitride semiconductor according to an embodiment of the present invention includes a GaN layer formed using plasma generated by microwaves emitted from RLSA.
このような窒化物半導体は、GaN層を形成する際に、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用い、活性度の高い窒化種の失活を抑制し、窒化種の密度の高い状態で、GaN層が形成されている。また、このようなプラズマ処理においては、従来の処理と比べ、200℃〜700℃の低温で処理が行われるので、多重量子井戸層を含む窒化物半導体装置を製造する際に、異種材料の接合等において熱膨張率の相違に起因する反りや歪みを大きく低減されている。したがって、低温で結晶性が良く、特性の良好なGaN層を形成することができ、半導体装置としての特性が良好である。 Such a nitride semiconductor uses plasma generated by microwaves radiated from RLSA when forming a GaN layer, suppresses deactivation of highly active nitride species, and has a high density of nitride species. In the state, a GaN layer is formed. Further, in such plasma processing, processing is performed at a low temperature of 200 ° C. to 700 ° C. as compared with the conventional processing. Therefore, when manufacturing a nitride semiconductor device including a multiple quantum well layer, bonding of different materials is performed. The warpage and distortion resulting from the difference in thermal expansion coefficient are greatly reduced. Therefore, a GaN layer having good crystallinity and good characteristics can be formed at a low temperature, and the characteristics as a semiconductor device are good.
この場合、RLSAから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いているため、電子温度の比較的低いプラズマにて処理が行われる。そうすると、GaN層を形成する際に、下地層に対するチャージングダメージやイオン照射等による物理的なダメージが大きく低減される。したがって、このような窒化物半導体は、結晶欠陥の少ないGaN層が形成される。 In this case, since plasma generated by microwaves radiated from RLSA is used, processing is performed with plasma having a relatively low electron temperature. Then, when the GaN layer is formed, the physical damage due to charging damage or ion irradiation to the underlayer is greatly reduced. Therefore, such a nitride semiconductor forms a GaN layer with few crystal defects.
次に、このようにして形成した半導体装置に備えられるGaN層の特性の評価について説明する。図11は、上記したこの発明の一実施形態に係る窒化物半導体の製造方法で製造された窒化物半導体のうち、n−GaN層14を構成するGaN結晶のXRDのチャートである。図11中、横軸は、2θ(degree)を示し、縦軸は、log(CPS)であり、CPS(強度)の対数を示す。図11中の矢印A1で示す位置におけるピークは、基板としてのサファイヤ(Al2O3)の結晶のピークを示すものである。なお、図11は、処理容器内の圧力を150mTorrとしてn−GaN層を形成した場合を示す。Next, the evaluation of the characteristics of the GaN layer provided in the semiconductor device thus formed will be described. FIG. 11 is an XRD chart of a GaN crystal constituting the n-
図11を参照して、矢印A2で示す位置におけるピークは、GaN結晶の(002)面を示すピークである。また、矢印A3で示す位置におけるピークは、GaN結晶の(004)面を示すピークである。このように、上記した製造方法で製造された窒化物半導体は、窒化物半導体を構成するGaN結晶が、結晶格子の他の面を示すピークがほとんど表れていない。これは、GaN結晶の単結晶としての結晶性が良好であり、低温で優れたエピタキシャル成長により、形成されたものであることが把握できる。Referring to FIG. 11, the peak at the position indicated by the arrow A 2 is a peak indicating the (002) plane of the GaN crystal. The peak at the position indicated by the arrow A 3 is a peak indicating the (004) plane of the GaN crystal. As described above, in the nitride semiconductor manufactured by the above-described manufacturing method, the GaN crystal constituting the nitride semiconductor hardly shows a peak indicating another surface of the crystal lattice. It can be understood that this is because the crystallinity of the GaN crystal as a single crystal is good, and it is formed by excellent epitaxial growth at a low temperature.
なお、上記の実施の形態においては、n−GaN層、およびp−GaN層をプラズマCVD処理によって低温で形成し、MQW層、具体的には、i−GaN層およびi−InGaN層、そしてp−AlGaN層の形成をプラズマALE処理によって低温で形成することとしたが、これに限らず、全ての層をプラズマCVD処理によって低温で形成することにしてもよい。こうすることにより、スループットの大幅な向上を図ることができる。また、全ての層をプラズマALE処理によって低温で形成することとしてもよい。こうすることにより、より膜質が良好で特性の優れた窒化物半導体を製造することができる。また、膜厚・膜質がともに均一な膜を成膜することができる。また、このようなプラズマALE処理については、被膜特性が高いため、高アスペクト比の構造へ好適に用いることができる。 In the above embodiment, the n-GaN layer and the p-GaN layer are formed at a low temperature by plasma CVD, and the MQW layer, specifically, the i-GaN layer and the i-InGaN layer, and the p-type layer are formed. -The AlGaN layer is formed at a low temperature by the plasma ALE process. However, the present invention is not limited to this, and all the layers may be formed at a low temperature by the plasma CVD process. By doing so, the throughput can be significantly improved. Further, all the layers may be formed at a low temperature by plasma ALE treatment. By doing so, a nitride semiconductor having better film quality and superior characteristics can be manufactured. In addition, a film having a uniform film thickness and film quality can be formed. Such plasma ALE treatment can be suitably used for a structure having a high aspect ratio because of its high film properties.
ここで、全ての層をプラズマCVD処理によって形成した場合について説明する。図12は、全ての層をプラズマCVD処理によって低温で形成した場合の窒化物半導体の特性を示すグラフである。図12は、PL(Photo Luminescence)特性を示すものであり、縦軸は、PL強度(a.u.)を示し、横軸は、波長(nm)を示す。図12中、矢印C1で示す部分は、BE(Band Edge)と呼ばれる部分を指すものであり、この値が高ければよい。また、図12中の領域C2で示す部分については、BL(Blue Luminescence)と呼ばれる領域であり、この領域については、その値が低い方がよい。さらに、図12中の領域C3で示す部分については、YL(Yellow Luminescence)と呼ばれる領域であり、BE/YLの値が高い方がよい。Here, a case where all the layers are formed by plasma CVD processing will be described. FIG. 12 is a graph showing the characteristics of a nitride semiconductor when all layers are formed at a low temperature by a plasma CVD process. FIG. 12 shows PL (Photo Luminescence) characteristics, where the vertical axis represents PL intensity (au) and the horizontal axis represents wavelength (nm). In FIG. 12, the part indicated by the arrow C 1 indicates a part called BE (Band Edge), and this value only needs to be high. Also, portions indicated by a region C 2 in FIG. 12, an area called BL (Blue Luminescence), for this region, it is preferable that the value is low. Furthermore, portions indicated by a region C 3 in Fig. 12, an area called YL (Yellow Luminescence), better value for BE / YL is high.
ここで、MQW層を形成する際の処理条件としては、支持台34の温度を600℃、原子吸着工程におけるガスについては、15sccmとして流すH2ガスをキャリアとしたTMGガスを3.4sccm、プラズマ処理工程におけるプラズマ処理用ガスとしてH2ガスを50sccm、およびNH3ガスを100sccm、マイクロ波電力を4.5kW、処理容器32内の圧力を60mTorr、処理時間を1200秒とするものである。Here, as processing conditions for forming the MQW layer, the temperature of the
また、PLの測定条件としては、PL測定装置を用い、分光器をSPEX1702、グレーティングを1200本、励起光源をHe−Cdレーザ(325nm)、検出器としてフォトマルR1387、測定温度を12K、測定波長を350〜700nm(1nmステップ)、スリット幅が350〜400nmのときは0.5mm、スリット幅が400〜700nmのときは1mmとした。 As PL measurement conditions, a PL measurement apparatus was used, the spectroscope was SPEX1702, the grating was 1200, the excitation light source was a He-Cd laser (325 nm), the detector was a photomultiplier R1387, the measurement temperature was 12K, the measurement wavelength Was 350 to 700 nm (1 nm step), 0.5 mm when the slit width was 350 to 400 nm, and 1 mm when the slit width was 400 to 700 nm.
図12を参照して、BEについては、非常に高く、かつシャープな値を示す。また、BE/YL>100であり、BLにおける発光も比較的小さい。このような窒化物半導体については、純度が高く、結晶性が良好である。すなわち、窒化物半導体として、特性が優れていることが把握できる。 Referring to FIG. 12, BE is very high and shows a sharp value. Further, BE / YL> 100, and light emission in BL is relatively small. Such a nitride semiconductor has high purity and good crystallinity. That is, it can be understood that the nitride semiconductor has excellent characteristics.
次に、MQW層をプラズマALE処理(400℃)によって形成し、その他の層については、プラズマCVD処理によって形成した場合について説明する。図13は、図12に示す全ての層をプラズマCVD処理(600℃)によって形成した場合の窒化物半導体と、MQW層をプラズマALE処理によって形成し、その他の層については、プラズマCVD処理によって形成した場合の窒化物半導体とのロッキングカーブの特性を示すグラフである。図13中、縦軸は、半値幅(度(degree))を示す。図13中の左側二つの棒グラフがALE処理(400℃)を行った場合を示し、右側二つの棒グラブがCVD処理(600℃)を行った場合を示す。それぞれの処理を示す棒グラフのうち、左側の棒グラフが、(002)半値幅のチルト分布を示し、右側の棒グラフが、(110)半値幅のツイスト分布を示す。具体的な値としては、プラズマALE処理の場合の半値幅(チルト分布)が0.075であり、半値幅(ツイスト分布)が1.663であり、プラズマCVD処理の場合の半値幅(チルト分布)が0.087であり、半値幅(ツイスト分布)が1.466である。 Next, a case where the MQW layer is formed by plasma ALE processing (400 ° C.) and the other layers are formed by plasma CVD processing will be described. FIG. 13 shows a nitride semiconductor and MQW layer formed by plasma ALE processing when all the layers shown in FIG. 12 are formed by plasma CVD processing (600 ° C.), and the other layers are formed by plasma CVD processing. It is a graph which shows the characteristic of the rocking curve with the nitride semiconductor at the time of doing. In FIG. 13, the vertical axis indicates the half-value width (degree). The left two bar graphs in FIG. 13 show the case where the ALE process (400 ° C.) is performed, and the right two bar graphs show the case where the CVD process (600 ° C.) is performed. Among the bar graphs showing the respective processes, the left bar graph shows the (002) half width tilt distribution, and the right bar graph shows the (110) half width twist distribution. Specifically, the half width (tilt distribution) in the plasma ALE process is 0.075, the half width (twist distribution) is 1.663, and the half width (tilt distribution) in the plasma CVD process. ) Is 0.087, and the full width at half maximum (twist distribution) is 1.466.
ここで、プラズマALE処理の条件について説明すると、支持台34の温度400℃、原子吸着工程における処理容器32内の圧力を3Torr、原子吸着工程については、25sccmとして流すH2ガスをキャリアとしたTMGガスを5.6sccm、時間を15秒としている。また、プラズマ処理工程における処理容器32内の圧力を5Torr、H2ガスを200sccm、およびNH3ガスを200sccm、マイクロ波電力を4.5kW、時間を10秒としている。Here, the conditions of the plasma ALE process will be described. The temperature of the
図13を参照して、上記した図12に示す全ての層をプラズマCVD処理にて形成した窒化物半導体と比較して、MQW層をプラズマALE処理で形成した窒化物半導体は、半値幅(チルト分布)の値、および半値幅(ツイスト分布)の値として同等である。すなわち、MQW層をプラズマALE処理で形成し、その他の層をプラズマCVD処理にて形成した窒化物半導体についても、純度が高く、結晶性が良好であり、特性が優れていることが把握できる。 Referring to FIG. 13, the nitride semiconductor in which the MQW layer is formed by plasma ALE treatment is compared with the nitride semiconductor in which all the layers shown in FIG. 12 are formed by plasma CVD treatment. Distribution) and half-value width (twist distribution). That is, it can be understood that the nitride semiconductor in which the MQW layer is formed by plasma ALE processing and the other layers are formed by plasma CVD processing has high purity, good crystallinity, and excellent characteristics.
また、上記の実施の形態において、プラズマALE処理を行う際に、基板が支持された支持台上を覆うカバー部材を配置させ、このカバー部材内において、基板への原子吸着工程を行うようにしてもよい。こうすることにより、吸着ガスの量の低減や、時間短縮を図ることができ、より効率的に特性の良好な窒化物半導体を製造することができる。 Further, in the above embodiment, when performing the plasma ALE process, a cover member that covers the support base on which the substrate is supported is disposed, and an atomic adsorption process to the substrate is performed in the cover member. Also good. By doing so, the amount of adsorbed gas can be reduced and the time can be shortened, and a nitride semiconductor with good characteristics can be manufactured more efficiently.
なお、上記したRLSAを備えるプラズマ処理装置31を用いることで、窒化種の選択の幅を比較的広くすることができる。これについて説明すると、従来のリモートプラズマのCVD装置等では、窒化種、すなわち、NラジカルやNHラジカル、NH2ラジカル等の窒化に寄与するラジカルの種類も限られていた。つまり、数ある窒化種の中から意図した窒化種を用いて窒化させることが困難であった。一方、RLSAを備えるプラズマ処理装置31は、プロセス条件を変更することによって窒化種の制御が容易であるという特徴を持つ。例えば、アンモニア(NH3)ガスの供給量を、第一のガス供給部46からの供給量よりも第二のガス供給部47からの供給量の方が多くなるように供給する。換言すれば、比較的低電子温度の領域にアンモニア(NH3)ガスを多く供給する。こうすると、アンモニア(NH3)ガスの過剰解離を抑制できるため、NH2ラジカルリッチなプラズマとすることができる。このようにして、成膜する膜にあった窒化種を供給することができる。したがって、RLSAを備えるプラズマ処理装置31を用いることで、良好な膜質の窒化物膜を形成することができる。In addition, by using the
上記の実施の形態においては、GaN膜およびInGaN膜の成膜について説明したが、これに限らず、III−V族半導体の形成に用いることができる。特にIII族元素としては、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Al(アルミニウム)、およびそれらの組み合わせであってよい。また、V族元素としては、N(窒素)の他にP(リン)やAs(ヒ素)を用いることができる。 In the above embodiment, the film formation of the GaN film and the InGaN film has been described. However, the present invention is not limited to this, and it can be used for forming a III-V group semiconductor. In particular, the group III element may be Ga (gallium), In (indium), Al (aluminum), and combinations thereof. In addition to N (nitrogen), P (phosphorus) or As (arsenic) can be used as the group V element.
なお、上記の実施の形態においては、図1に示すプラズマ処理装置を用いて窒化物半導体を製造することにしたが、これに限らず、他の構成を備えるプラズマ処理装置を用いて窒化物半導体を製造することにしてもよい。 In the above-described embodiment, the nitride semiconductor is manufactured using the plasma processing apparatus shown in FIG. 1. However, the present invention is not limited to this, and the nitride semiconductor is manufactured using a plasma processing apparatus having another configuration. May be manufactured.
図14は、この場合におけるプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。図14は、図1に示す断面に相当する。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the main part of the plasma processing apparatus in this case. FIG. 14 corresponds to the cross section shown in FIG.
図14を参照して、窒化物半導体の製造方法に用いられるプラズマ処理装置65は、その内部で被処理基板Wにプラズマ処理を行う処理容器32と、処理容器32内にプラズマ励起用のガスやプラズマCVD処理に用いられる材料ガス、後述する原子層エピタキシー(ALE)におけるALE用ガス等を供給するガス供給部33と、その上で被処理基板Wを支持する円板状の支持台34と、マイクロ波をプラズマ源として、処理容器32内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構39と、プラズマ処理装置65全体の動作を制御する制御部(図示せず)とを備える。制御部は、ガス供給部33におけるガス流量、処理容器32内の圧力等、プラズマ処理装置65全体の制御を行う。なお、プラズマ処理装置31と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。また、プラズマ処理装置65は、図2に示すスロットアンテナ板37も含むものである。
Referring to FIG. 14, a
次に、図1に示すプラズマ処理装置31と相違する構成について説明する。ガス供給部33は、被処理基板Wの中央に向かってガスを供給する第一のガス供給部46と、被処理基板Wの周辺側からガスを供給する第二のガス供給部62と、処理容器32内であって、側壁42の内壁面から延びる支持部(図示せず)によって、誘電体窓36と支持台34の間の上下方向の位置に設けられる第三のガス供給部64とを含む。第一のガス供給部46の構成については、図1に示す場合と同様である。第二のガス供給部62については、側壁42にガス供給孔を設けるのではなく、蓋部44にガス供給孔63を設けることにより形成されている。この第二のガス供給部62についても、ガス供給孔の開口される位置が異なるだけで、上記した図1に示す第二のガス供給部と同様に、プラズマ励起用のガス等を処理容器32内に供給する。第三のガス供給部64は、円環状の部材であって、その径が、支持台34よりもやや大きめに構成されている。そして、図示しないガス供給孔が円環状の部材に略等配に設けられており、被処理基板Wに向かってガスを供給することができる。
Next, a configuration different from the
また、支持台34には、RFバイアス用の高周波電源、マッチングユニットが取り付けられておらず、支持台34内に電極も設けられていない構成である。
The
次に、このような図14に示す構成のプラズマ処理装置を用いて、図10に示すプラズマALE処理を行う際の工程について説明する。図10を併せて参照して、支持台34上に支持した被処理基板W上にALE用のガスを供給し、エピタキシャル成長させる結晶を構成する原子を含む分子を、被処理基板Wの表面に吸着させる(図10(G))。ここで、ALE用ガスの供給については、ガス供給部中、第一のガス供給部46のみから、図14中の矢印F1で示す被処理基板Wに向かって行う。その後、余剰に供給されたALEガスを除去するために、第一の排気工程として、処理容器32内の排気、いわゆるパージを行う。図15は、図14に示すプラズマ処理装置において、パージを行う状態を示す。図15を参照して、第二のガス供給部62により、図15中の矢印F2で示すように、支持台34側に向かってパージガスを供給する。そして、処理容器32内の気体をパージガスに置換するようにして、パージを行う(図10(H))。この場合、例えば、パージガスとして、アルゴン(Ar)ガスが用いられる。次に、吸着させた分子に対し、マイクロ波による生成されたプラズマを用いて処理を行う(図10(I))。図16は、図14に示すプラズマ処理装置において、プラズマ処理を行う状態を示す。図16を参照して、この場合、プラズマ発生機構39を用い処理容器32内にマイクロ波を供給し、アンモニア(NH3)ガスあるいは窒素(N2)ガスを供給してプラズマを生成し、被処理基板W上の原子一層分の吸着層に対して、プラズマによる窒化処理を行う。ここで、ガスの供給については、第一のガス供給部46および第三のガス供給部64から矢印F3に示す被処理基板Wに向かって行う。その後、再び、第二の排気工程として、処理容器32内の排気を行う(図10(J))。この場合、図15に示すように、処理容器32内に再び第二のガス供給部63からアルゴンガスを供給し、パージを行う。Next, a description will be given of steps in performing the plasma ALE process shown in FIG. 10 using the plasma processing apparatus having the configuration shown in FIG. Referring also to FIG. 10, ALE gas is supplied onto the substrate W to be processed supported on the support table 34, and molecules including atoms constituting crystals to be epitaxially grown are adsorbed on the surface of the substrate W to be processed. (FIG. 10G). Here, the supply of the ALE gas, carried out in the gas supply unit, only from the first
このようにして、プラズマ処理装置65を用い、図10に示す(G)−(J)工程を一連の流れとして1サイクルとし、所望の厚さとなるまでサイクルを繰り返して、ALE層を形成する。
In this way, using the
なお、もちろん、プラズマ処理装置65において被処理基板Wへの処理においてバイアスを印加したい場合には、図1に示すプラズマ処理装置31のように、高周波電源、マッチングユニット、支持台内部に設けられる電極等を備える構成としてもよい。
Of course, when it is desired to apply a bias in the processing of the substrate W to be processed in the
なお、上記の実施の形態においては、窒化物半導体の例として、発光素子について説明したが、これに限らず、パワー半導体装置にも用いることができる。 In the above embodiment, the light emitting element has been described as an example of the nitride semiconductor. However, the present invention is not limited to this, and the light emitting element can also be used.
なお、上記の実施の形態において、処理容器32内の圧力を、20mTorr以上10Torr以下にて処理を行うこととしたが、これに限らず、適宜変更を加えることができる。ただし、分子線エピタキシー装置のような10−10Torr程度の超真空領域で用いると生産性が悪くなるため好ましくない。In the above embodiment, the processing is performed at a pressure in the
なお、上記の実施の形態においては、ベースとなる基板としてサファイヤ基板を用いることとしたが、これに限らず、エピタキシー成長可能な結晶性を有する材料であればどのような材料でもよい。例えば、AlN(窒化アルミニウム)、GaN、SiC(シリコンカーバイド)、ZnO(酸化亜鉛)、Si(111配向)を用いることとしてもよい。 In the above embodiment, the sapphire substrate is used as the base substrate. However, the present invention is not limited to this, and any material may be used as long as it has crystallinity capable of epitaxy growth. For example, AlN (aluminum nitride), GaN, SiC (silicon carbide), ZnO (zinc oxide), or Si (111 orientation) may be used.
また、上記の実施の形態においては、プラズマ処理は、プラズマの電子温度が1.5eVよりも低く、かつプラズマの電子密度が1×1010cm−3よりも高いマイクロ波プラズマを用いた処理としたが、これに限らず、例えば、プラズマの電子密度が1×1010cm−3よりも低い領域においても適用される。In the above embodiment, the plasma treatment includes a treatment using microwave plasma in which the plasma electron temperature is lower than 1.5 eV and the plasma electron density is higher than 1 × 10 10 cm −3. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention is also applied to a region where the electron density of plasma is lower than 1 × 10 10 cm −3 .
なお、上記の実施の形態においては、スロットアンテナ板を用いたRLSAによるマイクロ波によりプラズマ処理を行うこととしたが、これに限らず、くし型のアンテナ部を有するスロットアンテナを備えるマイクロ波プラズマ処理装置を用いてもよい。 In the above embodiment, the plasma processing is performed by the microwave by RLSA using the slot antenna plate. However, the present invention is not limited to this, and the microwave plasma processing including the slot antenna having the comb-shaped antenna portion is performed. An apparatus may be used.
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.
11 窒化物半導体、12 サファイヤ基板、13 バッファ層、14 n−GaN層、15,23,24 MQW層、16 p−AlGaN層、17 p−GaN層、18 n−電極、19 p−電極、21a,21b,21c,21d,21e i−GaN層、22a,22b,22c,22d i−InGaN層、26,27 領域、29 温度調整機構、31,65 プラズマ処理装置、32 処理容器、33,46,47,62,64 ガス供給部、34 支持台、35 マイクロ波発生器、36 誘電体窓、37 スロットアンテナ板、38 誘電体部材、39 プラズマ発生機構、40 スロット、41 底部、42 側壁、43 排気孔、44 蓋部、45 Oリング、48 下面、49 ガス供給系、30,50,63 ガス供給孔、51 筒状支持部、52 冷却ジャケット、53 マッチング機構、54 モード変換器、55 導波管、56 同軸導波管、57 凹部、58 高周波電源、59 マッチングユニット、60 循環路、61 電極。 11 Nitride semiconductor, 12 Sapphire substrate, 13 Buffer layer, 14 n-GaN layer, 15, 23, 24 MQW layer, 16 p-AlGaN layer, 17 p-GaN layer, 18 n-electrode, 19 p-electrode, 21a , 21b, 21c, 21d, 21e i-GaN layer, 22a, 22b, 22c, 22d i-InGaN layer, 26, 27 region, 29 temperature adjustment mechanism, 31, 65 plasma processing apparatus, 32 processing vessel, 33, 46, 47, 62, 64 Gas supply unit, 34 Support base, 35 Microwave generator, 36 Dielectric window, 37 Slot antenna plate, 38 Dielectric member, 39 Plasma generation mechanism, 40 slot, 41 Bottom, 42 Side wall, 43 Exhaust Hole, 44 Lid, 45 O-ring, 48 Lower surface, 49 Gas supply system, 30, 50, 63 Gas supply hole, 51 Tubular Support section, 52 cooling jacket, 53 matching mechanism, 54 mode converter, 55 waveguide, 56 coaxial waveguide, 57 recess, 58 high frequency power supply, 59 matching unit, 60 circulation path, 61 electrode.
Claims (21)
スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いて、III族元素を含む窒化物層を形成する工程を備える、窒化物半導体の製造方法。A method of manufacturing a nitride semiconductor,
A method for manufacturing a nitride semiconductor, comprising: forming a nitride layer containing a group III element using plasma of a gas containing a group III element generated by a microwave radiated from a slot antenna.
前記多重量子井戸層は、前記III族を含む窒化物層を三層以上として形成される、請求項1に記載の窒化物半導体の製造方法。The nitride semiconductor includes a multiple quantum well layer,
2. The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the multiple quantum well layer is formed of three or more nitride layers including the group III. 3.
前記GaN層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、前記プラズマCVDにより形成する工程を含み、
前記InGaN層を形成する工程は、スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて、前記原子層エピタキシーにより形成する工程を含む、請求項6に記載の窒化物半導体の製造方法。The step of forming the nitride layer includes a step of forming a GaN layer, and a step of forming an InGaN layer in the thickness direction of the GaN layer,
The step of forming the GaN layer includes a step of forming by the plasma CVD using plasma generated by microwaves radiated from a slot antenna,
The method of manufacturing a nitride semiconductor according to claim 6, wherein the step of forming the InGaN layer includes a step of forming by atomic layer epitaxy using plasma generated by microwaves radiated from a slot antenna.
スロットアンテナから放射されたマイクロ波によって生成されるIII族元素を含むガスのプラズマを用いて形成される窒化物層を備える、窒化物半導体。A nitride semiconductor,
A nitride semiconductor comprising a nitride layer formed using a plasma of a gas containing a group III element generated by a microwave radiated from a slot antenna.
前記多重量子井戸層は、前記III族を含む窒化物層を三層以上として形成される、請求項12に記載の窒化物半導体。The nitride semiconductor includes a multiple quantum well layer,
The nitride semiconductor according to claim 12, wherein the multiple quantum well layer is formed of three or more nitride layers including the group III.
III族元素を含む第一の窒化物層を形成する工程と、
前記第1の窒化物層上に前記第一の窒化物層とは異なるIII族元素を含む第二の窒化物層を形成する工程と、
前記第二の窒化物層上に前記第二の窒化物層と同じIII族元素を含む第三の窒化物素を形成して前記多重量子井戸層を形成する工程とを備え、
前記III族元素を含む第一〜第三の窒化物層で構成する前記多重量子井戸層は、温度を200℃以上700℃未満で、圧力を10mTorr以上10Torr以下で原子層エピタキシー(ALE:Atomic Layer Epitaxy)法またはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する、III−V族窒化物の成膜方法。A method of forming a group III-V nitride composed of a nitride containing a three-layer group III element,
Forming a first nitride layer containing a group III element;
Forming a second nitride layer containing a Group III element different from the first nitride layer on the first nitride layer;
Forming a third nitride element containing the same group III element as the second nitride layer on the second nitride layer to form the multiple quantum well layer,
The multiple quantum well layer composed of the first to third nitride layers containing the group III element has an atomic layer epitaxy (ALE) at a temperature of 200 ° C. to less than 700 ° C. and a pressure of 10 mTorr to 10 Torr. A method for forming a group III-V nitride formed by an epitaxy method or a plasma CVD (chemical vapor deposition) method.
結晶性を有する基板を準備する工程と、
前記基板上にIII族元素を含むガスを吸着させる工程と、
前記基板に吸着されないIII族元素を含むガスを排気する工程と、
窒素原子を含むガスのプラズマを前記III族元素を含むガス分子に照射して窒化することにより、III族元素を含む窒化物を形成する工程とを備え、
前記III族元素を含む窒化物を形成する工程は、温度を200℃以上700℃未満で、圧力を10mTorr以上10Torr以下で原子層エピタキシー法またはプラズマCVD法により形成する、III−V族窒化物の成膜方法。A method for forming a group III-V nitride film,
Preparing a substrate having crystallinity;
Adsorbing a gas containing a group III element on the substrate;
Exhausting a gas containing a group III element not adsorbed on the substrate;
Forming a nitride containing a group III element by irradiating a gas molecule containing a nitrogen atom to a gas molecule containing the group III element and nitriding it,
The step of forming the nitride containing the group III element includes forming a group III-V nitride formed by an atomic layer epitaxy method or a plasma CVD method at a temperature of 200 ° C. to less than 700 ° C. and a pressure of 10 mTorr to 10 Torr. Film forming method.
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