JP7066178B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法 - Google Patents

Description

本明細書の技術分野は、プラズマを用いたIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法に関する。

ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、その組成を変化させることにより、バンドギャップが０．６ｅＶから６ｅＶまで変化する。そのため、III 族窒化物半導体は、近赤外から深紫外までの広い範囲の波長に相当する発光素子や、レーザーダイオード、受光素子等に応用されている。

また、III 族窒化物半導体は、高い破壊電界強度と、高い融点とを備えている。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。それにともなって、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。

III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。ＭＯＣＶＤ法では、大量のアンモニアガスを用いる。そのため、ＭＯＣＶＤ炉にアンモニアを除外する除害装置を設ける必要がある。また、アンモニアのランニングコストも高い。そして、有機金属ガスとアンモニアとの反応により半導体層を形成する。この反応を起こすために、基板温度を高温にする必要がある。基板温度が高いと、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を高品質に成長させることは難しい。また、成長基板と半導体層との熱膨張差の違いにより、そりが発生しやすい。

また、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が挙げられる。ＭＢＥ法では、低い成長温度でIII 族窒化物半導体を成長させることができる。しかし、ラジカルソースを用いるＲＦ－ＭＢＥ法では、成長速度が遅い。すなわち、ＲＦ－ＭＢＥ法は、量産に向かない。アンモニアガスを用いるＭＢＥ法では、大量のアンモニアガスを使用するため、製造コストが高い。

特開２０１５－９９８６６号公報

そのため、本発明者らは、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化せずに窒素原子を含むガスをプラズマ化して成長基板に供給するＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を開発した（特許文献１）。特許文献１の技術では、ＧａＮ等を低温成長させることができる。そのため、熱膨張係数差に起因する応力を抑制することができる。

ところで、III 族窒化物半導体を成長させるために、III 族有機金属ガスを用いることが多い。III 族有機金属ガスは、炭素原子（例えば、メチル基）を有する。そのため、III 族窒化物半導体の結晶にIII 族有機金属ガスの炭素原子が混入することがある。III 族窒化物半導体の結晶性の観点から、炭素原子がIII 族窒化物半導体に混入しないことが好ましい。成長温度が低いほど、多くの炭素原子がIII 族窒化物半導体に混入する傾向にある。つまり、特許文献１の技術では、基板の歪や応力を緩和することができるが、炭素原子がIII 族窒化物半導体に比較的多く混入するおそれがある。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、比較的低温で成長させることができるとともにIII 族窒化物半導体への炭素原子の混入を抑制することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を提供することである。

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。この製造装置は、第１の電極と、第１の電極に電位を付与する電位付与部と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスとして窒素ガスを含むガスを供給する第２のガス供給管と、第１の電極と基板支持部との間の位置に配置された金属メッシュ部材と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有する。第１のガス噴出口は、基板支持部と金属メッシュ部材との間の位置に配置されている。第２のガス供給管は、第２のガスを第１の電極と金属メッシュ部材との間の空間を通過させる。第１のガス供給管および電位付与部は、第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返す。第１のガス供給管は、第１の期間に第１のガスを供給し、第２の期間に第１のガスを供給しない。電位付与部は、第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、第２の期間に第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させる。

このIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、成長基板の上にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。この製造装置は、第１のガスをプラズマ発生領域に通過させないで成長基板に供給し、第２のガスをプラズマ発生領域に通過させた後に成長基板に供給する。この製造装置は、第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返す。第１の期間では、第１のガスを流すとともに、プラズマ発生装置の出力を大きくする。第２の期間では、第１のガスを流さず、プラズマ発生装置の出力を小さくする。これにより、第１の期間でIII 族窒化物半導体を成膜し、第２の期間でIII 族窒化物半導体から炭素原子を離脱させる。したがって、この製造装置は、炭素原子の含有量の小さいIII 族窒化物半導体を製造することができる。

本明細書では、比較的低温で成長させることができるとともにIII 族窒化物半導体への炭素原子の混入を抑制することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法が提供されている。

第１の実施形態の半導体ウエハの構造を示す図である。 第１の実施形態における製造装置の概略構成を示す図である。 第１のガスの供給とＲＦ電源がシャワーヘッド電極に付与する高周波電位の出力との関係を示すタイミングチャートである。 従来のパルス形式のＣＶＤ法を説明するタイミングチャートである。 第２の実施形態のＭＩＳ型半導体素子の構造を示す図である。 第３の実施形態の発光素子の構造を示す図である。 実施例１および比較例１における二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による解析結果を示すグラフである。 実施例１におけるＧａＮの断面を示すＳＥＭ写真である。 実施例１におけるＧａＮの表面を示すＳＥＭ写真である。 比較例１におけるＧａＮの断面を示すＳＥＭ写真である。 比較例１におけるＧａＮの表面を示すＳＥＭ写真である。 ＧａＮ層の表面をエリプソメーターで測定した場合の位相差Δの温度依存性を示すグラフ（その１）である。 ＧａＮ層の表面をエリプソメーターで測定した場合の位相差Δの温度依存性を示すグラフ（その２）である。

以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体素子の製造装置および製造方法ならびに半導体ウエハの製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
１．半導体ウエハ
図１は、本実施形態の半導体ウエハＷａ１の構造を示す図である。半導体ウエハＷａ１は、基板Ｓａ１と半導体層Ｆ１とを有する。基板Ｓａ１は成長基板である。半導体層Ｆ１はIII 族窒化物半導体から成る単結晶の半導体層である。このように、半導体ウエハＷａ１は、ウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させたものである。

２．III 族窒化物半導体素子の製造装置
図２は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。製造装置１０００は、チャンバーの内部にプラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置である。製造装置１０００は、III 族金属を含む有機金属ガス（第１のガス）をプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給し、窒素原子を含むガス（第２のガス）をプラズマ発生領域に通過させてから成長基板に供給する。

製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、プラズマ電力パルス制御部１６２０と、第１のガス供給部１８１０と、第２のガス供給部１７１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、パルスバルブ１８５０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。

シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。

ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。プラズマ電力パルス制御部１６２０は、シャワーヘッド電極１１００に高周波のパルスを付与するための装置である。

サセプター１２００は、基板Ｓａ１を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板Ｓａ１は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。

第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。このように第１のガス供給管１３００は、少なくとも１以上の貫通孔を有する。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。また、これらの貫通孔は、サセプター１２００と金属メッシュ１５００との間の位置に配置されている。そのため、第１のガス供給管１３００は、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。

第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをシャワーヘッド電極１１００と金属メッシュ１５００との間の空間に供給し、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第２のガスを供給することとなる。ここで、第２のガスは、窒素ガスを含むガスである。第２のガスは、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスであってもよい。

ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。

金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するための金属メッシュ部材である。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、金属メッシュ１５００は、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている成長基板Ｓａ１に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚のメッシュを少しずつずらして重ねあわされている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。

炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。

炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１と金属メッシュ１５００との少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。

ここで、第２のガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、例えば、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ₂ と、ＮＨ₃ と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。

また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板Ｓａ１に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板Ｓａ１に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、基板Ｓａ１に到達しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板Ｓａ１に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板Ｓａ１を加熱するためのものである。

マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。パルスバルブ１８５０は、高周波電位のパルスと同期させて、III 族金属を含む有機金属ガスを供給するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。

３．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、０℃以上９００℃以下の範囲内である。好ましくは、４００℃以上９００℃以下である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。

［表１］
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 ０℃以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下

４．第１のガスの供給および電位付与部（ＲＦ電源）
図３は、第１のガスの供給とＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する高周波電位の出力との関係を示すタイミングチャートである。図３の横軸は、時刻である。図３の上図の縦軸はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の流量である。図３の下図の縦軸はＲＦパワーである。

図３に示すように、第１のガスの供給およびＲＦ電源１６００によるパワーの供給は、一定時間おきに繰り返されている。図３に示すように、製造装置１０００は、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２とを交互に繰り返しながら成膜する。

４－１．第１の期間
図３に示すように、第１の期間Ｔ１には、第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給し、ＲＦ電源１６００は、第１の出力Ｗ１でプラズマを発生させる。このため、第１の期間Ｔ１には、III 族元素および窒素原子（ラジカルおよび励起状態を含む）がサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給される。したがって、第１の期間Ｔ１においては、III 族窒化物半導体が成膜される。

４－２．第２の期間
図３に示すように、第２の期間Ｔ２には、第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給せずに、ＲＦ電源１６００は、第２の出力Ｗ２でプラズマを発生させる。このため、第２の期間Ｔ２には、窒素原子（ラジカルおよび励起状態を含む）がサセプター１２００の基板Ｓａ１に供給されるが、III 族元素は基板Ｓａ１に供給されない。したがって、第２の期間Ｔ２においては、III 族窒化物半導体は成膜されない。

４－３．第１の期間および第２の期間の出力
第１の期間Ｔ１における第１の出力Ｗ１は、例えば、６００Ｗ以上１０００Ｗ以下である。第２の期間Ｔ２における第２の出力Ｗ２は、例えば、２００Ｗ以上５００Ｗ以下である。第２の出力Ｗ２に対する第１の出力Ｗ１の比（Ｗ１／Ｗ２）は、１．５以上５以下である。より好ましくは、１．６以上４以下である。ＲＦ電源１６００は、第１の期間Ｔ１に第１の出力Ｗ１でプラズマを発生させ、第２の期間Ｔ２に第２の出力Ｗ２でプラズマを発生させる。前述のように、第２の出力Ｗ２は第１の出力Ｗ１よりも小さい。

４－４．第１の期間および第２の期間の時間
第１の期間Ｔ１は、例えば、５秒以上６０秒以下である。第２の期間Ｔ２は、例えば、０．５秒以上５秒以下である。これらの数値範囲は例示であり、上記以外の数値であってもよい。

４－５．第１の期間および第２の期間の効果
このように製造装置１０００は、第１の期間Ｔ１においてはIII 族窒化物半導体を成膜し、第２の期間Ｔ２においてはIII 族窒化物半導体を成膜しない。第２の期間Ｔ２の期間内には、III 族窒化物半導体が成膜されないため、炭素原子がIII 族窒化物半導体の表面から離脱すると考えられる。したがって、III 族窒化物半導体に混入する炭素原子の数は減少する。

前述のように、第１の出力Ｗ１は、第２の出力Ｗ２よりも大きい。また、第２の出力Ｗ２は０より大きい。そのため、第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２の両方において、プラズマが生成される。そして、第２の期間Ｔ２のプラズマの第２のプラズマ密度は、第１の期間Ｔ１のプラズマの第１のプラズマ密度よりも小さい。このように、高出力および低出力のプラズマが交互に発生する。

第１の期間Ｔ１におけるプラズマは、成膜に用いられる窒素原子に由来する粒子を生成する。第２の期間Ｔ２におけるプラズマは、第１の期間Ｔ１と同様に窒素原子に由来する粒子を生成する。第２の期間Ｔ２においては、この窒素原子に由来する粒子は、成膜に用いられるわけではなく、成膜された半導体層から窒素原子が脱離することを防止すると考えられる。このように、第２の期間Ｔ２においては、半導体層から炭素原子を蒸発させるようにするとともに、窒素原子を蒸発させないようにする。そのため、第２の期間Ｔ２においては、窒素原子の脱離を防止する程度の窒素ラジカルが基板Ｓａ１もしくは半導体層Ｆ１の表面に到達すればよい。

５．従来技術との違い
図４は、従来のパルス形式のＣＶＤ法を説明するタイミングチャートである。図４に示すように、図４に示すように、従来においては、第３の期間Ｔ３と第４の期間Ｔ４とを交互に実施する。つまり、高出力なプラズマを発生させることと、ＴＭＧ等の原料ガスを供給することとを、交互に実施する。このように、高出力なプラズマを発生させるときには、原料ガスを供給する本実施形態の技術とは異なっている。

また、本実施形態では、基板温度を高い温度とすることなく、III 族窒化物半導体を成長させることができる。そのため、基板温度が高いと結晶成長が困難な高Ｉｎ濃度のＩｎＧａＮ層等を成長させるのに好適である。また、大量のアンモニアガスを流す必要がない。そのため、アンモニアガスを除去する除害装置を設ける必要はない。そのため、製造装置そのもののコストが低い。また、ランニングコストを抑制することもできる。

６．半導体ウエハの製造方法
本実施形態の半導体ウエハの製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、本実施形態の製造装置１０００を用いてウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。

６－１．基板のクリーニング
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた半導体ウエハの製造方法について説明する。まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部のサセプター１２００に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度をこれ以上の温度にしてもよい。

６－２．半導体層形成工程
次に、第１のガスおよび第２のガスを炉本体１００１の内部に供給するとともに、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。この際に、前述したように、プラズマ電力パルス制御部１６２０を用いて、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２とを交互に繰り返す。

第１のガス供給部１８１０は、第１のガス供給管１３００から第１のガスを炉本体１００１の内部に供給する。第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔はプラズマ発生領域の外にある。そのため、第１のガスはプラズマ発生領域を通過せずに、基板Ｓａ１に供給される。つまり、第１のガス供給管１３００は、第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ発生領域に通過させずに基板Ｓａ１に供給する。

第２のガス供給部１７１０は、第２のガス供給管１４２０から第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。第２のガスはシャワーヘッド電極１１００から炉本体１００１の内部に供給される。シャワーヘッド電極１１００の直下はプラズマ発生領域である。第２のガス供給管１４２０は、第２のガスをシャワーヘッド電極１１００と金属メッシュ１５００との間の空間を通過させる。つまり、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスをプラズマ発生領域に通過させた後に基板Ｓａ１に供給する。

このようにＲＦ電源１６１０は、第１の期間Ｔ１に高出力（第１の出力Ｗ１）でプラズマを発生させ、第２の期間Ｔ２に低出力（第２の出力Ｗ２）でプラズマを発生させる。

第１の期間Ｔ１には、プラズマ発生領域で窒素ラジカル等の窒素原子に由来する粒子が生成される。また、第２のガスが水素ガスを含む場合には、水素ラジカルと窒化水素系の化合物が生成される。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。電子などの電荷を有する粒子は金属メッシュ１５００に衝突することにより消滅する。そのため、窒素原子もしくは水素原子とこれらに由来する窒化水素系の化合物が金属メッシュ１５００を通過する。

金属メッシュ１５００を通過してきた粒子は、第１のガスとともに基板Ｓａ１に供給される。なお、第１のガスはプラズマ発生領域を通過せずに基板Ｓａ１に供給されることとなる。そして、窒素原子に由来する粒子と、III 族金属を含む有機金属ガスとが、基板Ｓａ１上で反応してIII 族窒化物半導体が成膜される。

第２の期間Ｔ２においては、第１のガスは基板Ｓａ１に供給されず、第２のガスのみが基板Ｓａ１に供給される。第２のガスは低出力のプラズマでプラズマ化されている。そのため、窒素ラジカル等が基板Ｓａ１に降り注ぐ。これにより、半導体層Ｆ１の表面から窒素原子が脱離しにくいと考えられる。

この第２の期間Ｔ２においては、半導体層Ｆ１の表面上には成膜されない。半導体層Ｆ１の表面から窒素原子が脱離せず、半導体層Ｆ１の表面から炭素原子が脱離すると考えられる。

６－３．半導体ウエハ
こうして、基板Ｓａ１の主面に半導体層Ｆ１をエピタキシャル成長させる。これにより、半導体ウエハＷａ１が製造される。半導体層Ｆ１には炭素原子がほとんど含まれていないので、この半導体ウエハＷａ１におけるIII 族窒化物半導体の結晶性はよい。

７．変形例
７－１．リング部の貫通孔
本実施形態では、第１のガス供給管１３００は、リング部１３１０の内側に貫通孔を有することとした。しかし、この貫通孔の位置を、リングの内側でかつ下向きにしてもよい。リング部１３１０を含む面と、貫通孔の開口部の方向とのなす角の角度は、例えば４５°である。この角の角度は、例えば、０°以上６０°以下の範囲内で変えてもよい。この角度は、もちろん、リング部１３１０の径や、リング部１３１０とサセプター１２００との間の距離にも依存する。また、貫通孔の数は、１以上であればよい。もちろん、リング部１３１０に、等間隔で貫通孔が形成されていることが好ましい。

８．本実施形態のまとめ
本実施形態の製造装置１０００は、成長基板の上にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。第１の期間Ｔ１には、第１のガスを供給するとともに第２のガスを高出力のプラズマ発生領域に通過させる。そして、基板Ｓａ１の上に半導体層Ｆ１を成膜する。一方、第２の期間Ｔ２には、第１のガスを供給せず第２のガスを低出力のプラズマ発生領域に通過させる。半導体層Ｆ１を成膜することなく、その表面から炭素原子を離脱させる。したがって、この製造装置は、炭素原子の少ない半導体層を成膜することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有するＭＩＳ型半導体素子である。

１．ＭＩＳ型半導体素子
図５は、本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の構造を示す概略構成図である。図５に示すように、ＭＩＳ型半導体素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、絶縁膜１５０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層１４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１と、ＡｌＧａＮ層１４０の溝１４１との間には、絶縁膜１５０がある。

２．ＭＩＳ型半導体素子の製造方法
本実施形態のＭＩＳ型半導体素子１００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。

２－１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板１１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板１１０の上に、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。

２－２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ＡｌＧａＮ層１４０に溝１４１を形成する。

２－３．絶縁膜形成工程
次に、溝１４１に、絶縁膜１５０を形成する。

２－４．電極形成工程
次に、ＡｌＧａＮ層１４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、溝１４１の箇所に、絶縁膜１５０を介してゲート電極Ｇ１を形成する。なお、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１については、絶縁膜１５０を形成する前に形成してもよい。以上により、ＭＩＳ型半導体素子１００が製造される。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態の半導体デバイスは、III 族窒化物半導体層を有する半導体発光素子である。

１．半導体発光素子
図６は、本実施形態の発光素子２００の構造を示す概略構成図である。図６に示すように、発光素子２００は、III 族窒化物半導体層を有する。発光素子２００は、基板２１０と、バッファ層２２０と、ｎ－ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ－ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ－ＧａＮ層２６０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有する。発光層２４０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層を有している。障壁層は、例えば、ＡｌＧａＮ層を有している。これらの積層構造は、例示であり、上記以外の積層構造であってもよい。

２．半導体発光素子の製造方法
本実施形態の発光素子２００の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により半導体層を成長させる。すなわち、第１の実施形態の製造装置１０００を用いて半導体層を成長させる。

２－１．半導体層形成工程
第１の実施形態の製造装置１０００を用いて、基板２１０の上にIII 族窒化物半導体層を形成する。ここで用いる条件は、第１の実施形態で説明した半導体ウエハの製造方法とほぼ同様である。基板２１０の上に、バッファ層２２０と、ｎ－ＧａＮ層２３０と、発光層２４０と、ｐ－ＡｌＧａＮ層２５０と、ｐ－ＧａＮ層２６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。

２－２．凹部形成工程
次に、ＩＣＰ等のエッチングにより、ｐ－ＧａＮ層２６０からｎ－ＧａＮ層２３０の途中まで達する凹部を形成する。これより、ｎ－ＧａＮ層２３０の露出部が露出する。

２－３．電極形成工程
次に、ｎ－ＧａＮ層２３０の露出部の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ－ＧａＮ層２６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。

２－４．その他の工程
アニール工程や、絶縁膜を形成する工程等、その他の工程を実施してもよい。

１．実施例１
本実験では、図２に示す製造装置１０００を用いて実験を行った。プラズマガスとして、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと、水素ガス２５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。つまり、混合ガスにおける水素ガスの体積流量比は、２５％であった。製造装置１０００の内圧は、３００Ｐａであった。成長基板として、８ｍｍ角、厚さ４００μｍのＧａＮ／Ｓｉ基板を用いた。

まず、ＧａＮ／Ｓｉ基板を８００℃まで昇温した後に、通常の成膜条件でＧａＮを１時間成膜した。次に、第１の実施形態のようにＧａＮを２時間にわたってパルス成長させた。第１の期間Ｔ１は２５秒であった。第２の期間Ｔ２は１秒であった。第１の期間Ｔ１における第１の出力Ｗ１は７００Ｗであった。第２の期間Ｔ２における第２の出力Ｗ２は４００Ｗであった。第２の出力Ｗ２に対する第１の出力Ｗ１の比Ｗ１／Ｗ２は１．７５である。第１の期間Ｔ１では、ＴＭＧを０．１ｓｃｃｍ供給した。第２の期間Ｔ２では、ＴＭＧを供給しなかった。

２．比較例１
比較例１では、実施例１とほぼ同様の条件でＧａＮを成膜した。実施例１と異なる点は、パルス成長を実施しなかったことである。つまり、ＲＦパワーを７００Ｗとしたまま、ＧａＮを６時間成長させた。

３．ＳＩＭＳ
図７は、実施例１および比較例１における二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による解析結果を示すグラフである。図７の横軸は表面からの深さである。つまり、表面からの距離を示している。図７の縦軸は各元素の濃度である。図７において、実線は実施例１を示し、破線は比較例１を示している。

実施例１における第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２を設けた表面付近における炭素原子の濃度は、２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２を設けなかった領域における炭素原子の濃度は、４．２×１０²⁰ｃｍ^-3程度である。パルス成長の半導体層の炭素原子の濃度は、通常成長の半導体層の炭素原子の濃度より２桁程度小さい。

比較例１では、ＧａＮの表面から奥にかけて、炭素原子の濃度は４．２×１０²⁰ｃｍ^-3程度である。このように、パルス成長を実施しなかった半導体層においては、炭素原子の濃度が一様に高いままである。

４．ＳＥＭ写真
図８は、実施例１におけるＧａＮの断面を示すＳＥＭ写真である。図９は、実施例１におけるＧａＮの表面を示すＳＥＭ写真である。図９に示すように、この場合において、ＧａＮの表面は十分に平坦である。

図１０は、比較例１におけるＧａＮの断面を示すＳＥＭ写真である。図１１は、比較例１におけるＧａＮの表面を示すＳＥＭ写真である。図１１に示すように、比較例においては、ＧａＮの表面は荒れている。

５．第１の期間
第１の期間Ｔ１については、１０秒、１８秒として実験を行った。これらの場合においても、同様に比較的平坦な表面状態のＧａＮが得られた。

６．トリメチルガリウムの分解温度
基板温度を変えながら、ＧａＮ層の表面をエリプソメーターで測定した。位相差Δは、ｓ偏光とｐ偏光との位相差である。この位相差Δは、ＧａＮ層の表面における光の反射により変化する。つまり、ＧａＮ層の表面状態に応じて、位相差Δは変化する。

基板はＳｉ（１１１）基板であった。プラズマガスとして、窒素ガス７５０ｓｃｃｍと、水素ガス２５０ｓｃｃｍと、を混合した混合ガスを供給した。ＴＭＧの供給量は０．１ｓｃｃｍであった。

図１２は、ＧａＮ層の表面をエリプソメーターで測定した場合の位相差Δの温度依存性を示すグラフ（その１）である。図１３は、ＧａＮ層の表面をエリプソメーターで測定した場合の位相差Δの温度依存性を示すグラフ（その２）である。図１３は、図１２を拡大したグラフである。

図１２に示すように、３００℃から４００℃の間において、ＧａＮ層の表面状態が変化していることが分かる。

図１３に示すように、３２８℃程度でトリメチルガリウムはモノメチルガリウムに分解されると考えられる。４００℃程度でモノメチルガリウムはガリウムに分解されると考えられる。

７．実験のまとめ
上記のように、実施例１においては、パルス成長させたＧａＮの領域で炭素原子の濃度が低い。比較例１においては、パルス成長させていないため、炭素原子の濃度が一様に高いままである。また、図９および図１１に示すように、ＧａＮの表面付近で炭素原子の濃度が比較的高いことと、ＧａＮの表面が荒れることとは、ある程度の相関があることが推測される。

図１２および図１３に示すように、基板温度が３００℃以下の場合には、トリメチルガリウムのＧａが半導体層の表面の窒素と結合し、メチル基が時間の経過とともに脱離していくと考えられる。基板温度が４００℃以上の場合には、トリメチルガリウムのＧａが半導体層の表面の窒素と結合した途端に、熱分解によりメチル基が瞬時に脱離していくと考えられる。したがって、基板温度は４００℃以上９００℃以下であることが好ましい。

Ａ．付記
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。この製造装置は、第１の電極と、第１の電極に電位を付与する電位付与部と、成長基板を支持するための基板支持部と、基板支持部に第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスを供給する第１のガス供給管と、基板支持部に第２のガスとして窒素ガスを含むガスを供給する第２のガス供給管と、第１の電極と基板支持部との間の位置に配置された金属メッシュ部材と、を有する。第１のガス供給管は、少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有する。第１のガス噴出口は、基板支持部と金属メッシュ部材との間の位置に配置されている。第２のガス供給管は、第２のガスを第１の電極と金属メッシュ部材との間の空間を通過させる。第１のガス供給管および電位付与部は、第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返す。第１のガス供給管は、第１の期間に第１のガスを供給し、第２の期間に第１のガスを供給しない。電位付与部は、第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、第２の期間に第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させる。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置においては、電位付与部は、第２の出力に対する第１の出力の比を１．５以上５以下とする。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法である。この方法では、プラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置を用いる。第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給するとともに、第２のガスとして窒素ガスを含むガスをプラズマ発生領域に通過させた後に成長基板に供給する。第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返しながら成膜を行う。第１のガスを供給する際には、第１の期間に第１のガスを供給し、第２の期間に第１のガスを供給しない。プラズマ発生装置は、第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、第２の期間に第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させる。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、プラズマ発生装置は、第２の出力に対する第１の出力の比を１．５以上５以下とする。

第５の態様におけるウエハの製造方法は、ウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる方法である。この方法では、プラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置を用いる。第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給するとともに、第２のガスとして窒素ガスを含むガスをプラズマ発生領域に通過させた後に成長基板に供給する。第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返しながら成膜を行う。第１のガスを供給する際には、第１の期間に第１のガスを供給し、第２の期間に第１のガスを供給しない。プラズマ発生装置は、第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、第２の期間に第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させる。

１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１２１０…加熱器
１３００…第１のガス供給管
１４１０…ガス導入室
１４２０…第２のガス供給管
１５００…金属メッシュ
１６００…ＲＦ電源
１６１０…マッチングボックス

Claims (5)

1. III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
   第１の電極と、
   前記第１の電極に電位を付与する電位付与部と、
   成長基板を支持するための基板支持部と、
   前記基板支持部に第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスを供給する第１のガス供給管と、
   前記基板支持部に第２のガスとして窒素ガスを含むガスを供給する第２のガス供給管と、
   前記第１の電極と前記基板支持部との間の位置に配置された金属メッシュ部材と、
   を有し、
   前記第１のガス供給管は、
   少なくとも１以上の第１のガス噴出口を有し、
   前記第１のガス噴出口は、
   前記基板支持部と前記金属メッシュ部材との間の位置に配置されており、
   前記第２のガス供給管は、
   前記第２のガスを前記第１の電極と前記金属メッシュ部材との間の空間を通過させ、
   前記第１のガス供給管および前記電位付与部は、
   第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返し、
   前記第１のガス供給管は、
   前記第１の期間に前記第１のガスを供給し、
   前記第２の期間に前記第１のガスを供給せず、
   前記電位付与部は、
   前記第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、
   前記第２の期間に前記第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。
2. 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造装置において、
   前記電位付与部は、
   前記第２の出力に対する前記第１の出力の比を
   １．５以上５以下とすること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造装置。
3. III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
   プラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置を用い、
   第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給するとともに、
   第２のガスとして窒素ガスを含むガスをプラズマ発生領域に通過させた後に前記成長基板に供給し、
   第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返しながら成膜を行い、
   前記第１のガスを供給する際には、
   前記第１の期間に前記第１のガスを供給し、
   前記第２の期間に前記第１のガスを供給せず、
   前記プラズマ発生装置は、
   前記第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、
   前記第２の期間に前記第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
4. 請求項３に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
   前記プラズマ発生装置は、
   前記第２の出力に対する前記第１の出力の比を
   １．５以上５以下とすること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
5. ウエハの主面にIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる半導体ウエハの製造方法において、
   プラズマ発生領域を生成するプラズマ発生装置を用い、
   第１のガスとしてIII 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ発生領域に通過させずに成長基板に供給するとともに、
   第２のガスとして窒素ガスを含むガスをプラズマ発生領域に通過させた後に前記成長基板に供給し、
   第１の期間と第２の期間とを交互に繰り返しながら成膜を行い、
   前記第１のガスを供給する際には、
   前記第１の期間に前記第１のガスを供給し、
   前記第２の期間に前記第１のガスを供給せず、
   前記プラズマ発生装置は、
   前記第１の期間に第１の出力でプラズマを発生させ、
   前記第２の期間に前記第１の出力より小さい第２の出力でプラズマを発生させること
   を特徴とする半導体ウエハの製造方法。

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