JP4962829B2 - Epitaxial wafer manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は、III族窒化物系化合物半導体層を成長用基板上にエピタキシャル成長するエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial wafer in which a group III nitride compound semiconductor layer is epitaxially grown on a growth substrate.
化合物半導体の多層構造は、周知の通り、発光ダイオードやレーザーなどの発光素子や、MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの超高速トランジスタに応用され、多くの需要を獲得するに至っている。特に後者の超高速トランジスタは、GaAs/AlGaAsヘテロ接合を用いたものが実用化されており、その優れたマイクロ波・ミリ波特性により、衛星放送用受信器等の低雑音素子として広く使用されている。ここで、高性能の超高速トランジスタを実現するためには、基板部分への漏洩電流を極力抑えるために高抵抗率基板の使用が不可欠である。GaAs/AlGaAsヘテロ接合においては、半絶縁性のGaAs単結晶基板が比較的容易に製造可能であることが、これを用いた超高速トランジスタ等のデバイス普及の一因ともなっている。 As is well known, compound semiconductor multilayer structures are applied to light-emitting elements such as light-emitting diodes and lasers, ultra-high-speed transistors such as MESFETs (Metal-Semiconductor Field Effect Transistors) and HEMTs (High Electron Mobility Transistors). Has led to the acquisition. In particular, the latter ultrahigh-speed transistor, which uses a GaAs / AlGaAs heterojunction, has been put into practical use and is widely used as a low-noise element for satellite broadcast receivers due to its excellent microwave and millimeter wave characteristics. ing. Here, in order to realize a high-performance ultrahigh-speed transistor, it is indispensable to use a high resistivity substrate in order to suppress the leakage current to the substrate portion as much as possible. In a GaAs / AlGaAs heterojunction, a semi-insulating GaAs single crystal substrate can be manufactured relatively easily, which is one of the causes of widespread use of devices such as ultrahigh-speed transistors.
他方、近年注目を集めている半導体多層構造に、GaN系化合物を用いたヘテロ接合構造がある。GaN系化合物は室温におけるバンドギャップが2.0eV〜6.2eVまで変化可能であり、化学的にも安定であることから、青色等の発光素子に応用され、普及しつつある。また、GaN系化合物はバンドギャップの広さに加え、高い電子移動度を有し、かつヘテロ接合形成が容易であることから、高温環境での動作が可能であり、より高速・高出力の次世代型超高速トランジスタへの応用も注目されており、研究が重ねられている。 On the other hand, there is a heterojunction structure using a GaN-based compound as a semiconductor multilayer structure that has attracted attention in recent years. GaN-based compounds have a band gap that can be changed from 2.0 eV to 6.2 eV at room temperature and are chemically stable, and thus are applied to light-emitting elements such as blue and are becoming popular. In addition to the wide band gap, GaN-based compounds have high electron mobility and can easily form heterojunctions, so they can operate in high-temperature environments. Application to next-generation ultrahigh-speed transistors is also attracting attention, and research is being repeated.
III族窒化物系化合物による素子層の成長は、サファイア(単結晶アルミナ)基板やSiC単結晶基板を成長用基板として用いた気相成長によりなされる。製造能率を考慮した場合、気相成長法として、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法を用いるのが一般的である。この際、基板と素子層との間の格子不整合を緩和する目的で、III族窒化物からなるバッファ層を基板上に比較的低温で成長し、その後、III族窒化物素子層をエピタキシャル成長させることにより、素子層の品質を高めることがなされている。 The element layer is grown by the group III nitride compound by vapor phase growth using a sapphire (single crystal alumina) substrate or a SiC single crystal substrate as a growth substrate. When manufacturing efficiency is taken into consideration, the MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) method is generally used as the vapor phase growth method. At this time, in order to alleviate the lattice mismatch between the substrate and the element layer, a buffer layer made of a group III nitride is grown on the substrate at a relatively low temperature, and then the group III nitride element layer is epitaxially grown. Thus, the quality of the element layer is improved.
特許文献1あるいは特許文献2によると、低温成長のバッファ層は、その後、素子層を高温で成長する際に分解することがある。結晶成長のベースとなるバッファ層が分解すれば、その後に成長する素子層の結晶品質にも悪影響が及ぶ。特許文献2には、これを解決するため、紡錘状の断面形状を有する複数の単結晶粒にてバッファ層を構成する提案がなされている。バッファ層をこのような形態で形成することにより、その熱解離を抑制できる旨謳われている。
According to
しかし、III族窒化物化合物半導体を用いたデバイスの種類によっては、気相成長工程の最終段にて、比較的薄いIII族窒化物化合物半導体層(以下、表面薄層という)をウェーハ最表層部に形成しなければならない場合がある(例えば、MESFETやHEMTの場合、ゲート電極直下に設けられるショットキー接合の形成層や、ソース/ドレイン電極とのオーミックコンタクト形成層など)。該表面薄層を成長後、反応容器内への原料ガスの供給は止められ、そのまま容器内でウェーハを冷却することになるが、原料ガスの供給停止直後は容器内の温度が依然高いので、冷却の途上で表面薄層をなす窒化物が分解する。この分解による層の目減りは、素子層全体の厚さから見れば一見小さいようであっても、得るべき表面薄層の目標層厚が小さい場合は、相対的には無視し難い狂いとなって現れ、しきい値電圧の変動等、素子特性に重篤な悪影響を生ずることがある。表面薄層は、デバイスの一部をなすものとして面内方向に連続なエピタキシャル成長層とする必要があり、バッファ層のように多結晶層の形態制御により分解抑制を図ることは不可能である。 However, depending on the type of device using a group III nitride compound semiconductor, a relatively thin group III nitride compound semiconductor layer (hereinafter referred to as a “thin surface layer”) is formed on the outermost layer of the wafer at the final stage of the vapor phase growth process. (For example, in the case of MESFET or HEMT, a Schottky junction formation layer provided immediately below the gate electrode, an ohmic contact formation layer with the source / drain electrode, or the like). After the growth of the thin surface layer, the supply of the source gas into the reaction vessel is stopped and the wafer is cooled as it is in the vessel, but the temperature in the vessel is still high immediately after the supply of the source gas is stopped, Nitride forming a thin surface layer decomposes during cooling. Even if the layer loss due to this decomposition seems to be small at first glance from the thickness of the entire element layer, if the target layer thickness of the thin surface layer to be obtained is small, it is relatively difficult to ignore. Appearing and may cause serious adverse effects on device characteristics such as fluctuations in threshold voltage. The thin surface layer needs to be an epitaxial growth layer that is continuous in the in-plane direction as a part of the device, and it is impossible to suppress decomposition by controlling the form of the polycrystalline layer like the buffer layer.
本発明の課題は、III族窒化物系化合物からなる表面薄層を形成する場合において、冷却時における表面薄層の目標層厚からのズレを効果的に防止できるエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an epitaxial wafer manufacturing method capable of effectively preventing a deviation from a target layer thickness of a surface thin layer during cooling when forming a surface thin layer made of a group III nitride compound. There is.
本発明は、成長用基板を反応容器中に配置し、III族金属源として該III族金属の有機金属ガスをキャリアガスにて希釈して用い、窒素源としてアンモニアガスを用いたMOVPE法によりIII族窒化物系化合物半導体層を成長用基板上にエピタキシャル成長するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
成長用基板上にIII族窒化物系化合物からなる本体層を第一温度にて成長する本体層成長工程と、
本体層上に、ショットキー障壁の形成を容易にするためのノンドープのIII族窒化物系化合物からなり、かつ、該本体層よりも小さい層厚の表面薄層を、第一温度よりも低い第二温度にて成長することにより、表面薄層がウェーハ最表面部となるエピタキシャルウェーハを得る表面薄層成長工程と、
表面薄層を成長後に反応容器中への有機金属ガスの供給を停止し、かつ、アンモニアガスの供給は継続した状態でエピタキシャルウェーハを反応容器中にて、第二温度から冷却する冷却工程と、をこの順序で実施し、
第一温度は1050℃以上1100℃以下に設定され、第二温度は1000℃以上1050℃以下に設定され、かつ、第一温度と第二温度との差は20℃以上100℃以下に設定されることを特徴とする。これによれば、表面薄層の成長温度(第二温度)を、下地となる本体層の成長温度(第一温度)よりも下げることで、表面薄層の冷却開始温度を低下させることができ、表面薄層の分解による目減りを抑制することができる。また、表面薄層成長工程において表面薄層を、最終的に得るべき目標厚さに対し、冷却工程時において該表面薄層を形成する窒化物の分解により生ずる該表面薄層の厚さ減少を補償する補償厚さを部増しした形で成長するために、その部増し厚さに対応する分だけ表面薄層の成長時間を延長することができる。
In the present invention, a growth substrate is placed in a reaction vessel, an organic metal gas of the Group III metal is diluted with a carrier gas as a Group III metal source, and an MOVPE method using an ammonia gas as a nitrogen source is used for III. An epitaxial wafer manufacturing method for epitaxially growing a group nitride compound semiconductor layer on a growth substrate,
A body layer growth step of growing a body layer made of a group III nitride compound on the growth substrate at a first temperature;
A thin surface layer made of a non-doped group III nitride compound for facilitating formation of a Schottky barrier on the main body layer and having a thickness smaller than that of the main body layer is lower than the first temperature. By growing at two temperatures, a surface thin layer growth step for obtaining an epitaxial wafer in which the surface thin layer becomes the wafer outermost surface portion,
A cooling step of stopping the supply of the organometallic gas into the reaction vessel after growing the thin surface layer, and cooling the epitaxial wafer from the second temperature in the reaction vessel in a state where the supply of ammonia gas is continued; In this order ,
The first temperature is set to 1050 ° C to 1100 ° C, the second temperature is set to 1000 ° C to 1050 ° C, and the difference between the first temperature and the second temperature is set to 20 ° C to 100 ° C. characterized in that that. According to this, the cooling start temperature of the surface thin layer can be lowered by lowering the growth temperature (second temperature) of the surface thin layer lower than the growth temperature (first temperature) of the main body layer as a base. In addition, it is possible to suppress the loss due to the decomposition of the thin surface layer. Also, the skin layer in the skin layer growth step, to finally obtain should target thickness, thickness reduction of the surface thin layer produced by decomposition of the nitride forming the surface thin layer during the cooling step Therefore, the growth time of the thin surface layer can be extended by an amount corresponding to the increased thickness.
上記のように表面薄層の成長時間を延長した場合には、表面薄層の厚さ減少を補償する補償厚さを部増しした形で成長することで、成長後の冷却時に表面薄層の分解による目減りが生じても、補償厚さの加算により目標厚さに対する層厚不足を効果的に防止することができる。 When the growth time of the surface thin layer is extended as described above, by growing the compensation thickness to compensate for the decrease in the thickness of the surface thin layer, it is possible to grow the surface thin layer during cooling after growth. Even if the loss due to the decomposition occurs, the addition of the compensation thickness can effectively prevent the layer thickness from being insufficient with respect to the target thickness.
また、成長用基板を反応容器中に配置し、III族金属源として該III族金属の有機金属ガスを水素又は不活性ガスのいずれかを主体とするキャリアガス(キャリアガスの全分圧の50%以上が水素又は不活性ガスからなることを意味する)にて希釈して用い、窒素源としてアンモニアガスを用いたMOVPE法により、III族窒化物系化合物半導体層を成長用基板上にエピタキシャル成長するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
成長用基板上にIII族窒化物系化合物からなる本体層を成長する本体層成長工程と、
本体層上に、III族窒化物系化合物からなり、かつ、該本体層よりも小さい層厚の表面薄層を成長することにより、表面薄層がウェーハ最表面部となるエピタキシャルウェーハを得る表面薄層成長工程と、
表面薄層を成長後に反応容器中への有機金属ガスの供給を停止した状態でエピタキシャルウェーハを反応容器中にて、第二温度から冷却する冷却工程と、をこの順序で実施するとともに、
冷却工程は、反応容器内の水素源となるガスの供給分圧を表面薄層成長工程よりも低く設定して実施することもできる。
Further , the growth substrate is placed in a reaction vessel, and an organic metal gas of the Group III metal as a Group III metal source is a carrier gas mainly composed of either hydrogen or an inert gas (50% of the total partial pressure of the carrier gas). The group III nitride compound semiconductor layer is epitaxially grown on the growth substrate by the MOVPE method using ammonia gas as a nitrogen source. An epitaxial wafer manufacturing method comprising:
A body layer growth step for growing a body layer made of a group III nitride compound on a growth substrate;
On the main body layer, by growing a thin surface layer made of a group III nitride compound and having a thickness smaller than that of the main body layer, the surface thin film is obtained to obtain an epitaxial wafer in which the thin surface layer becomes the outermost surface portion of the wafer. Layer growth process;
In this order, the epitaxial wafer is cooled from the second temperature in the reaction vessel in a state where the supply of the organometallic gas into the reaction vessel is stopped after growing the thin surface layer, and in this order,
The cooling process can also be performed by setting the supply partial pressure of the gas serving as the hydrogen source in the reaction vessel to be lower than that of the surface thin layer growth process.
表面薄層をなすIII族窒化物が冷却時に分解を起こすのは、該窒化物のMOVPE法による成長温度付近(例えば900℃〜1100℃)での窒素分圧が高いことによる。この場合、表面薄層を成長後、有機金属ガスの供給は停止しつつ、窒素源となるアンモニアガスの流通を継続しながら冷却を行なえば、成長した表面薄層をなす窒化物の分解を一見抑制できそうである。しかし、本発明者が検討したところ、窒化物の分解反応の化学平衡と、窒素源となるアンモニア分子の解離平衡との兼ね合いにより、雰囲気中の水素含有分子(特にアンモニア分子や水素分子)の分圧が高いほど、窒化物の分解反応は促進されることがわかった。その結果、アンモニア流通冷却による分解抑制効果はほとんどないどころか、かえって窒化物分解が助長されてしまい、表面薄層の層厚コントロールはますます難しくなることにつながる。 The reason why the group III nitride forming the surface thin layer decomposes upon cooling is that the partial pressure of nitrogen in the vicinity of the growth temperature (for example, 900 ° C. to 1100 ° C.) of the nitride by the MOVPE method is high. In this case, after the growth of the thin surface layer, if the cooling is performed while the supply of the organometallic gas is stopped and the circulation of the ammonia gas serving as the nitrogen source is continued, the decomposition of the nitride forming the grown thin surface layer may be seen at a glance. It seems to be able to suppress. However, as a result of investigation by the present inventor, due to the balance between the chemical equilibrium of the decomposition reaction of nitride and the dissociation equilibrium of ammonia molecules that are nitrogen sources, the distribution of hydrogen-containing molecules (especially ammonia molecules and hydrogen molecules) in the atmosphere. It was found that the higher the pressure, the more the nitride decomposition reaction was promoted. As a result, although the decomposition suppression effect due to the ammonia circulation cooling is hardly present, the decomposition of the nitride is promoted, and the thickness control of the surface thin layer becomes more difficult.
これによると、冷却工程が、反応容器内の水素源となるガスの供給分圧を表面薄層成長工程よりも低く設定して実施されるので、冷却時の窒化物分解による表面薄層の目減りを効果的に抑制することができる。 According to this , the cooling process is performed with the supply partial pressure of the gas serving as the hydrogen source in the reaction vessel set lower than that of the surface thin layer growth process, so the surface thin layer is reduced by the decomposition of nitride during cooling. Can be effectively suppressed.
この場合、上記のごとく、アンモニア流通冷却はかえって窒化物分解を促進する傾向にある。そこで、冷却工程は、反応容器内のアンモニアガスの供給分圧を表面薄層成長工程よりも低く設定して実施することができ、窒化物分解による表面薄層の目減りを効果的に抑制することができる。 In this case, as described above, ammonia circulation cooling tends to promote nitride decomposition. Therefore, the cooling process can be carried out by setting the supply partial pressure of ammonia gas in the reaction vessel to be lower than that of the surface thin layer growth process, and effectively suppresses the thinning of the surface thin layer due to nitride decomposition. Can do.
また、キャリアガスの反応容器への供給を継続しつつ冷却工程を実施するとともに、該冷却工程において、キャリアガスの不活性ガス分圧を表面薄層成長工程よりも増加させることも有効である。冷却時における不活性ガス分圧を増大させることで、表面薄層をなす窒化物の分解抑制効果をより高めることができる。なお、表面薄層成長工程においては、キャリアガスとして水素ガス分圧を不活性ガス分圧よりも高めたもの(不活性ガスが含有されない場合も含む)を使用することが、窒化物の生成反応を促進する観点において有利になることがある。そして、キャリアガスの流通を継続して冷却工程に移行することが可能であるが、この場合は、(キャリアガス中の)水素ガスの分圧を減少させることが、窒化物分解による表面薄層の目減りを抑制する上で有効である。 It is also effective to carry out the cooling step while continuing to supply the carrier gas to the reaction vessel, and to increase the inert gas partial pressure of the carrier gas in the cooling step as compared to the surface thin layer growth step. By increasing the inert gas partial pressure during cooling, the effect of suppressing the decomposition of the nitride forming the thin surface layer can be further enhanced. In the surface thin layer growth step, it is possible to use a carrier gas whose hydrogen gas partial pressure is higher than the inert gas partial pressure (including the case where no inert gas is contained). May be advantageous in terms of promoting It is possible to continue the flow of the carrier gas and proceed to the cooling process. In this case, it is possible to reduce the partial pressure of the hydrogen gas (in the carrier gas) by reducing the surface layer due to the decomposition of nitride. It is effective in suppressing the loss of eyes.
上記の方法においては、不活性ガスとして窒素ガスを用いること望ましい。これにより、冷却工程で、窒化物の分解生成物である窒素分子の分圧を高めることができ、窒化物分解反応の化学平衡が分解抑制方向にずれるので、本発明の効果をより高めることができる。また、本発明において窒素以外の不活性ガスとしては、Arガスなどの希ガスを用いることが可能である(「不活性ガス」は狭義には希ガスのみを指すが、本発明において「不活性ガス」の概念には窒素ガスも含まれるものとする)。 In the above method, it is desirable to use nitrogen gas as the inert gas. Thereby, in the cooling step, the partial pressure of nitrogen molecules that are the decomposition products of nitride can be increased, and the chemical equilibrium of the nitride decomposition reaction shifts in the direction of suppressing decomposition, so that the effect of the present invention can be further enhanced. it can. Further, in the present invention, as an inert gas other than nitrogen, a rare gas such as Ar gas can be used (“inert gas” refers only to a rare gas in a narrow sense, but in the present invention, “inert gas”). The concept of “gas” includes nitrogen gas).
さらに、成長用基板を反応容器中に配置し、III族金属源として該III族金属の有機金属ガスをキャリアガスにて希釈して用い、窒素源としてアンモニアガスを用いたMOVPE法によりIII族窒化物系化合物半導体層を成長用基板上にエピタキシャル成長するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
成長用基板上にIII族窒化物系化合物からなる本体層を成長する本体層成長工程と、
本体層上に、III族窒化物系化合物からなり、かつ、該本体層よりも小さい層厚の表面薄層を成長することにより、表面薄層がウェーハ最表面部となるエピタキシャルウェーハを得る表面薄層成長工程と、
表面薄層を成長後に反応容器中への有機金属ガスの供給を停止し、かつ、アンモニアガスの供給は継続した状態でエピタキシャルウェーハを反応容器中にて冷却する冷却工程と、をこの順序で実施するとともに、
表面薄層成長工程においてキャリアガスとして不活性ガスを使用し、冷却工程にて該不活性ガスの供給を継続した状態で冷却を実施することもできる。
Further , the growth substrate is placed in a reaction vessel, and the Group III metal organometallic gas is diluted with a carrier gas as the Group III metal source, and the Group III nitridation is performed by the MOVPE method using ammonia gas as the nitrogen source. An epitaxial wafer manufacturing method for epitaxially growing a physical compound semiconductor layer on a growth substrate,
A body layer growth step for growing a body layer made of a group III nitride compound on a growth substrate;
On the main body layer, by growing a thin surface layer made of a group III nitride compound and having a thickness smaller than that of the main body layer, the surface thin film is obtained to obtain an epitaxial wafer in which the thin surface layer becomes the outermost surface portion of the wafer. Layer growth process;
After the growth of the thin surface layer, the supply of the organometallic gas to the reaction vessel is stopped, and the cooling process for cooling the epitaxial wafer in the reaction vessel is performed in this order while the supply of ammonia gas is continued. And
Using an inert gas as a carrier gas in the surface thin layer growth step, it is also possible to carry out cooling while continuing the supply of inert gas in the cooling step.
これによると、表面薄層成長工程にて不活性ガスからなるキャリアガスを用い、不活性ガスの供給を継続した状態で冷却工程を実施するようにしたので、冷却時の窒化物分解による表面薄層の目減りを効果的に抑制することができる。ここでも、不活性ガスとしては窒素ガスを用いることが望ましい。これにより、冷却工程で、窒化物の分解生成物である窒素分子の分圧を高めることができ、窒化物分解反応の化学平衡が分解抑制方向にずれるので、本発明の効果をより高めることができる。 According to this , since the cooling process is carried out in a state in which the supply of the inert gas is continued using the carrier gas made of the inert gas in the surface thin layer growth process, the surface thinning due to the decomposition of nitride during cooling is performed. The loss of the layer can be effectively suppressed. Again, it is desirable to use nitrogen gas as the inert gas. Thereby, in the cooling step, the partial pressure of nitrogen molecules that are the decomposition products of nitride can be increased, and the chemical equilibrium of the nitride decomposition reaction shifts in the direction of suppressing decomposition, so that the effect of the present invention can be further enhanced. it can.
アンモニアガスを流通しながら冷却を行ったときに、表面薄層に生ずるエッチング量は、0.5〜数nm程度であり、このエッチング量が膜厚公差の範囲内に収まらない場合、特に、表面薄層の厚さを1nm以上30nm以下の範囲に設定しなければならない場合、本発明の採用は極めて効果的である。 When cooling is performed while circulating ammonia gas, the etching amount generated in the surface thin layer is about 0.5 to several nm, and particularly when the etching amount does not fall within the range of the film thickness tolerance, When the thickness of the thin layer must be set in the range of 1 nm or more and 30 nm or less, the adoption of the present invention is extremely effective.
以下、本発明の実施の形態を添付の図面により説明する。
図1は、本発明の半導体多層構造を用いた半導体素子の一例であるHEMTの構造を模式的に示すものである。該HEMT1は、SiCあるいはサファイアからなる単結晶基板101上に、バッファ層102を介して本体層103をヘテロエピタキシャル成長法により形成したものである。本体層103は、バッファ層102に近い側から能動層として機能するi−GaN層105及び電子供給層として機能するn型AlGaN層110がこの順序にて積層されたものである。さらに、その上に、ショットキー障壁の形成を容易にするためのノンドープのAlGaNからなる表面薄層104が形成されている。従って、本実施形態のHEMT1はnチャネル型であるが、pチャネル型の場合は、n型AlGaN層110を、それぞれp型のものに置き換えればよい。そして、ノンドープAlGaN層104上には、ドレイン電極106及びソース電極107(例えばTi/Al)が形成されている。また、ショットキー(Scotty)接合を形成する金属(例えばPd/Au)により、ゲート電極108が形成されている。ゲート電極108の駆動特性を安定化させるため、表面薄層104の層厚は、例えば5nm±1nm程度の公差範囲で制御する必要がある。また、本体層103の全厚は1μm以上5μm以下である。該HEMT1の動作原理自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows the structure of a HEMT which is an example of a semiconductor element using the semiconductor multilayer structure of the present invention. The
上記のHEMT1は、いずれも単結晶基板1の上にバッファ層102を介して、周知のMOVPE法を用によりヘテロエピタキシャル成長させて得られるエピタキシャルウェーハから製造されるものである。以下、本発明による該エピタキシャルウェーハの製造方法について詳しく説明する。図2の工程1に示すように、サファイア基板10を反応容器内にセットする。そして、そのサファイア基板10上にGaNからなるバッファ層11をエピタキシャル成長する。そして、該バッファ層11上に、本体層103をエピタキシャル成長する。これら各層のエピタキシャル成長は、前述の通りMOVPE法にて成長できる。反応容器内は、加熱源(本実施形態では赤外線ランプ)により成長温度(例えば900℃以上1100℃以下)に昇温される。各層の主原料としては次のようなものを用いることができる。
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など;
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・窒素源ガス:アンモニア(NH3);
・アクセプタ不純物(Mg):シクロペンタジエニルMg、メチルペンタジエニルMgなど;
・ドナー不純物(Si):モノシラン、ジシラン、テトラエチルシランなど。
Each of the above-described
Al source gas; trimethylaluminum (TMAl), triethylaluminum (TEAl), etc .;
Ga source gas; trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), etc .;
Nitrogen source gas: ammonia (NH 3 );
Acceptor impurities (Mg): cyclopentadienyl Mg, methylpentadienyl Mg, etc .;
Donor impurity (Si): monosilane, disilane, tetraethylsilane, etc.
金属源となる有機金属(MO)は、金属製のMOリザーバ203内に収容され、水素ガス又は窒素ガス(あるいは両者の混合)からなるキャリアガスをMOリザーバ203内に導入することで、内部の有機金属がキャリアガスで希釈される形で供給配管内に押し出され、マスフローコントローラ(MFC)で流量調整されつつ反応容器内に供給される。なお、キャリアガスは、バイパスバルブ202の操作によりMOリザーバ203をバイパスする形で反応容器に供給できるようになっている。また、ミキシングバルブ201の操作により、水素ガス及び窒素ガスのどちらか一方となる供給形態間での切り替え、あるいはは両者を混合して供給する場合の、供給比率の変更が可能となっている。また、窒素源となるアンモニアガスと、ドーパントガスもそれぞれマスフローコントローラ(MFC)で流量調整されつつ反応容器内に供給される(ノンドープ層を成長する際に、ドーパントガスの供給を停止することはいうまでもない)。
An organic metal (MO) serving as a metal source is accommodated in a
本体層103の成長が終了したら、工程2に示すように表面薄層104を成長し、その後工程3に示すように、バイパスバルブ202の操作により、キャリアガスのみ流しつつ有機金属の供給は停止して層成長を止め、その状態で赤外線ランプによる加熱を停止して室温まで冷却する。その後電極形成し、チップにダイシングしてモールドを行なえば、図1のHEMT1が完成する。
When the growth of the
図3は、本体層及び表面薄層を成長する際に、従来、本発明者らが採用していたガス供給及び温度制御のシーケンスの概念図である。キャリアガスとしては水素ガスのみを用いている。本体層を成長後、同じ温度で表面薄層を成長し、その後、有機金属(MO)の供給を停止し、アンモニアガスと水素ガスの流通を継続しつつ、ランプ加熱を停止して冷却を行なう。 FIG. 3 is a conceptual diagram of a gas supply and temperature control sequence conventionally employed by the present inventors when growing a main body layer and a thin surface layer. Only hydrogen gas is used as the carrier gas. After growing the main body layer, a thin surface layer is grown at the same temperature. Then, the supply of the organic metal (MO) is stopped, and the circulation of ammonia gas and hydrogen gas is continued, and the lamp heating is stopped and cooling is performed. .
アンモニアガスと水素ガスの流通を継続しながら冷却を行なうと、図11に示すように、層成長のために進行中だったアンモニア分子の窒素分子と水素分子とへの解離反応は、有機金属分子の供給停止により妨げられるので、既に成長済みの表面薄層の窒化物分解を促進する形で化学平衡を維持しようとする。また、水素分子が共存していれば、アンモニア分子の解離反応を考えたとき、窒素分子が不足する向きに平衡が傾きやすくなるので、これも窒化物分解を助長する。その結果、せっかく成長した表面薄層の一部が冷却時に分解にして、層厚が目減りすることにつながる。 When cooling is performed while the circulation of ammonia gas and hydrogen gas is continued, as shown in FIG. 11, the dissociation reaction of ammonia molecules that have been in progress for layer growth into nitrogen molecules and hydrogen molecules is caused by organometallic molecules. Therefore, an attempt is made to maintain the chemical equilibrium in such a way as to promote the nitride decomposition of the already grown thin surface layer. Further, if hydrogen molecules coexist, when considering the dissociation reaction of ammonia molecules, the equilibrium tends to be inclined in the direction of lack of nitrogen molecules, which also promotes nitride decomposition. As a result, a part of the thin skin layer that has been grown is decomposed during cooling, leading to a reduction in the layer thickness.
そこで、図12に示すように、最終的に得るべき目標厚さに冷却時に要される目減り厚さを補償するための補償厚さを部増しした形で、表面薄層を成長するとよい(第一発明)。これにより、冷却時に窒化物の分解が生じても、補償厚さの上積みがこれを吸収し、目標厚さ通りの表面薄層を得ることができる。補償厚さの部増しは、図4に示すように、部増し厚さに対応する分だけ表面薄層の成長時間を延長することにより、実施することができる(この他、時間延長せずに、原料ガスの供給量を増加したり、成長温度を上昇させたりする方法も考えられる)。 Therefore, as shown in FIG. 12, it is preferable to grow the thin surface layer in a form in which the compensation thickness for compensating the reduction thickness required at the time of cooling is increased to the target thickness to be finally obtained (the first thickness). One invention). As a result, even if nitride decomposition occurs during cooling, the overlay of the compensation thickness absorbs this, and a thin surface layer having a target thickness can be obtained. As shown in FIG. 4, the compensation thickness can be increased by extending the growth time of the surface thin layer by an amount corresponding to the increased thickness. It is also possible to increase the supply amount of the source gas or raise the growth temperature).
一方、別の方法としては、図5に示すように、本体層を第一の温度にて成長し、次いで該本体層上に表面薄層を第一の温度よりも低い第二の温度にて成長し、その後、有機金属ガス(MO)の供給を停止し、その状態でエピタキシャルウェーハを反応容器中にて、第二温度から冷却する方法も採用可能である(第二発明)。図13に示すように、表面薄層104の成長温度(第二温度)T2を、下地となる本体層の成長温度(第一温度)T1よりも下げることで、表面薄層の冷却開始温度を低下させることができ、表面薄層の分解による目減りを抑制することができる。第一温度が例えば1050℃以上1100℃以下に設定されるとき、第二温度は例えば1000℃以上1050℃以下に設定するのがよく、また、第一温度と第二温度との差は20℃以上100℃以下とするのがよい。該差が20℃未満では、表面薄層の冷却時のエッチング抑制効果が十分でなくなり、100℃を超えると第二温度が下がりすぎ、表面薄層の成長反応の効率が著しく低下するので望ましくない。
On the other hand, as another method, as shown in FIG. 5, the main body layer is grown at the first temperature, and then the skin layer is grown on the main body layer at the second temperature lower than the first temperature. It is also possible to adopt a method of growing, and then stopping the supply of the organometallic gas (MO) and cooling the epitaxial wafer from the second temperature in the reaction vessel in this state (second invention). As shown in FIG. 13, by lowering the growth temperature (second temperature) T2 of the
なお、上記第二発明を採用した場合でも、冷却時の表面薄層のエッチングは、多少は生ずる可能性がある。しかし、そのエッチングによる層厚の目減りが、目標厚さの公差の範囲内に収まるものであれば、第二発明のみで課題を十分に解決することができるし、もし収まっていなくても、第一発明を組み合わせ、目減り分を部増しして表面薄層を成長すれば、表面薄層の層厚を公差内に納めることができる。 Even when the second invention is adopted, the etching of the thin surface layer during cooling may occur to some extent. However, if the reduction in the layer thickness due to the etching falls within the tolerance range of the target thickness, the second invention alone can sufficiently solve the problem. If the surface thin layer is grown by combining one invention and increasing the reduced portion, the layer thickness of the surface thin layer can be kept within the tolerance.
図6は、さらに別の方法を開示するもので、表面薄層の成長中はキャリアガスとして水素ガスを流し、冷却工程に移行する際には、そのキャリアガスを水素ガスから窒素ガスに切り替えるととともに、アンモニアガスの供給も停止している。これにより、表面薄層の成長中はキャリアガスとして水素が採用されているので、層成長は促進され、他方、冷却工程冷却工程では水素源となるガスの供給を停止している(つまり、分圧を減じている)ので、冷却中の表面薄層のエッチングは大幅に抑制される(第三発明)。なお、冷却工程に移行する際のガス流の急激な乱れが生じないように、アンモニアガスと水素ガスの供給量は切り替えに際して漸減させ、窒素ガスについては漸増させるようにしている。なお、図7のシーケンスでは、表面薄層成長時の温度を本体層成長時よりも減少させ、冷却中の表面薄層のエッチング防止効果をさらに高めている(第二発明の組み合わせ)。 FIG. 6 discloses another method. When a thin gas layer is grown, hydrogen gas is allowed to flow as a carrier gas, and when the cooling process is started, the carrier gas is switched from hydrogen gas to nitrogen gas. At the same time, the supply of ammonia gas is also stopped. As a result, hydrogen is adopted as the carrier gas during the growth of the thin surface layer, so that the layer growth is promoted. On the other hand, in the cooling process, the supply of the gas serving as the hydrogen source is stopped (that is, the distribution process is stopped). Therefore, the etching of the thin surface layer during cooling is greatly suppressed (third invention). It should be noted that the supply amounts of ammonia gas and hydrogen gas are gradually reduced at the time of switching, and nitrogen gas is gradually increased so as not to cause a sudden disturbance in the gas flow during the transition to the cooling process. In the sequence of FIG. 7, the temperature during the growth of the thin surface layer is reduced as compared with that during the growth of the main body layer, thereby further enhancing the effect of preventing the etching of the thin surface layer during cooling (combination of the second invention).
図8に示すシーケンスでは、本体層と表面薄層との成長時には、窒素ガスと水素ガスとを混合したキャリアガスを用い、冷却時には、アンモニアガスとともに水素ガスのみ供給を停止するようにしている。この場合も、水素源となるガスの分圧が冷却工程で減じられていることに変わりはない。なお、キャリアガスの組成を本体層成長時において水素ガス分圧が優位となるもの(100%水素となる組成を含む)を採用し、表面薄層成長時においては、窒素ガス分圧が優位となるもの(100%窒素となる組成を含む)を採用することも可能であり、層厚の大きい本体層の成長能率を高く維持しつつ、表面薄層のエッチングも効果的に抑制することができる。 In the sequence shown in FIG. 8, a carrier gas in which nitrogen gas and hydrogen gas are mixed is used during growth of the main body layer and the thin surface layer, and supply of only hydrogen gas together with ammonia gas is stopped during cooling. In this case as well, the partial pressure of the gas serving as the hydrogen source is still reduced in the cooling process. In addition, the composition of the carrier gas is such that the hydrogen gas partial pressure prevails during the growth of the main body layer (including the composition that becomes 100% hydrogen), and the nitrogen gas partial pressure predominates during the thin surface layer growth. Can be employed (including a composition that becomes 100% nitrogen), and the etching efficiency of the thin surface layer can be effectively suppressed while maintaining a high growth efficiency of the body layer having a large layer thickness. .
なお、層成長速度は若干遅くなるが、図9に示すように、キャリアガスとして窒素ガスのみを用い、該窒素ガスを流通したまま冷却を行なう方法も採用可能である(第四発明)。図10は、図9にさらに第二発明及び第三発明を組み合わせたものであり、表面薄層の成長工程で温度を下げ、さらに冷却時にはアンモニアガスの供給を遮断している。 Although the layer growth rate is slightly slow, as shown in FIG. 9, it is also possible to employ a method in which only nitrogen gas is used as a carrier gas and cooling is performed while the nitrogen gas is circulated (fourth invention). FIG. 10 is a combination of FIG. 9 and the second and third inventions. The temperature is lowered in the growth process of the thin surface layer, and the supply of ammonia gas is shut off during cooling.
上記図8〜図10に開示した方法によると、図14に示すごとく、冷却工程時の雰囲気の主成分が窒素ガスとなる。窒化物の分解生成物である窒素分子の分圧を高めることで、窒化物分解反応の化学平衡が分解抑制方向にずれるので、表面薄層104の分解が押さえ込まれ、エッチングによる層厚の目減りを効果的に抑制することができる。
According to the method disclosed in FIGS. 8 to 10, the main component of the atmosphere during the cooling step is nitrogen gas as shown in FIG. By increasing the partial pressure of nitrogen molecules, which are the decomposition products of nitride, the chemical equilibrium of the nitride decomposition reaction shifts in the direction of suppressing decomposition, so that the decomposition of the surface
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験の結果について説明する。すなわち、図2に示すような周知のMOVPE成長装置内にサファイア基板を配置して、厚さ2μmのGaNバッファ層を成長し、その後、成長温度を種々に設定するとともに、水素又は窒素からなるキャリアガスの流量を10L/分、アンモニアガス流量を10L/分にて一定に保持し、有機金属原料であるTMGaについては、4×10−4L/分で60秒流通した後、0秒〜60秒の種々の時間流通停止させるサイクルを繰り返して、計測可能な厚さのGaN層本体を成長した。ここで、TMGaの流通を停止させている間にGaN層本体のエッチングが進行することに着目し、各温度条件においてTMGaの合計流通時間を一定にするとともに、流通停止時間の合計を変化させる形でGaN層本体を種々成長した。成長後のGaN層本体の膜厚はX線回折にて測定し、その膜厚の流通停止時間の合計に対する依存性から、GaN層の1分当たりのエッチング量を求めた。なお、GaN層本体の厚さを、下地となるGaNバッファ層から分離して測定するために、GaN層本体とGaNバッファ層との間に厚さ20nmの薄いAlGaN層をマーカー層として形成した。該エッチング量を成長温度に対してプロットした結果を図15に示す。これによると、キャリアガスとして水素を用いた場合はエッチング量が非常に大きく、成長温度に対するエッチング量の増加代も大きくなっているのに対し、キャリアガスとして窒素を用いることでエッチング量は大幅に減少し、成長温度依存性も小さくなっていることが明らかである。 The results of experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described below. That is, a sapphire substrate is placed in a well-known MOVPE growth apparatus as shown in FIG. 2 to grow a GaN buffer layer having a thickness of 2 μm, and then the growth temperature is set variously and carriers made of hydrogen or nitrogen are used. The gas flow rate is kept constant at 10 L / min and the ammonia gas flow rate is kept constant at 10 L / min, and TMGa which is an organometallic raw material is circulated at 4 × 10 −4 L / min for 60 seconds, and then 0 seconds to 60 seconds. By repeating the cycle of stopping circulation for various times of seconds, a GaN layer body having a measurable thickness was grown. Here, paying attention to the progress of the etching of the GaN layer body while stopping the flow of TMGa, the total flow time of TMGa is made constant at each temperature condition, and the total flow stop time is changed. The GaN layer body was grown in various ways. The film thickness of the grown GaN layer body was measured by X-ray diffraction, and the etching amount per minute of the GaN layer was determined from the dependence of the film thickness on the total distribution stop time. In order to measure the thickness of the GaN layer body separately from the underlying GaN buffer layer, a thin AlGaN layer having a thickness of 20 nm was formed as a marker layer between the GaN layer body and the GaN buffer layer. The result of plotting the etching amount against the growth temperature is shown in FIG. According to this, when hydrogen is used as the carrier gas, the etching amount is very large, and the amount of increase in the etching amount with respect to the growth temperature is large. On the other hand, using nitrogen as the carrier gas greatly increases the etching amount. It is clear that the growth temperature dependency is reduced.
103 本体層
104 表面薄層
103
Claims (3)
前記成長用基板上にIII族窒化物系化合物からなる本体層を第一温度にて成長する本体層成長工程と、
前記本体層上に、ショットキー障壁の形成を容易にするためのノンドープのIII族窒化物系化合物からなり、かつ、該本体層よりも小さい層厚の表面薄層を、前記第一温度よりも低い第二温度にて成長することにより、前記表面薄層がウェーハ最表面部となるエピタキシャルウェーハを得る表面薄層成長工程と、
前記表面薄層を成長後に前記反応容器中への前記有機金属ガスの供給を停止し、かつ、前記アンモニアガスの供給は継続した状態で前記エピタキシャルウェーハを前記反応容器中にて、前記第二温度から冷却する冷却工程と、をこの順序で実施し、
前記第一温度は1050℃以上1100℃以下に設定され、前記第二温度は1000℃以上1050℃以下に設定され、かつ、前記第一温度と前記第二温度との差は20℃以上100℃以下に設定されることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。 A substrate for growth is placed in a reaction vessel, an organic metal gas of the Group III metal is diluted with a carrier gas as a Group III metal source, and a Group III nitride system is used by a MOVPE method using ammonia gas as a nitrogen source. An epitaxial wafer manufacturing method for epitaxially growing a compound semiconductor layer on the growth substrate,
A body layer growth step of growing a body layer made of a group III nitride compound on the growth substrate at a first temperature;
A thin surface layer made of a non-doped group III nitride compound for facilitating formation of a Schottky barrier on the main body layer and having a thickness smaller than the main body layer is lower than the first temperature. By growing at a low second temperature, a surface thin layer growth step for obtaining an epitaxial wafer in which the surface thin layer becomes the wafer outermost surface portion,
Stop the supply of the organometallic gas into the reaction vessel after growing the thin surface layer, and continue the supply of the ammonia gas in the reaction vessel with the second temperature. The cooling process of cooling from the above is carried out in this order ,
The first temperature is set to 1050 ° C. to 1100 ° C., the second temperature is set to 1000 ° C. to 1050 ° C., and the difference between the first temperature and the second temperature is 20 ° C. to 100 ° C. The manufacturing method of the epitaxial wafer characterized by setting to the following .
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