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JP7501595B2 - Method for manufacturing group III nitride semiconductor device and method for manufacturing group III nitride semiconductor single crystal - Google Patents
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JP7501595B2 - Method for manufacturing group III nitride semiconductor device and method for manufacturing group III nitride semiconductor single crystal - Google Patents

Method for manufacturing group III nitride semiconductor device and method for manufacturing group III nitride semiconductor single crystal Download PDF

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Description

本明細書の技術分野は、フラックス法を用いるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法に関する。 The technical field of this specification relates to a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device using the flux method and a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor single crystal.

半導体結晶を成長させる方法として、有機金属気相成長法(MOCVD)やハイドライド気相エピタキシー法(HVPE)などの気相成長法や、分子線エピタキシー法(MBE)、そして、液相エピタキシー法などがある。液相エピタキシー法には、Naフラックスを使用するフラックス法がある。 Methods for growing semiconductor crystals include vapor phase epitaxy such as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) and hydride vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), and liquid phase epitaxy. Liquid phase epitaxy includes the flux method, which uses a sodium flux.

フラックス法では、サファイア基板等に、窒化ガリウム層(GaN層)を形成して種結晶基板とし、融液中で種結晶基板に半導体単結晶を成長させることが一般的である。その場合、坩堝の内部に種結晶基板および原材料およびフラックスを入れた後、反応室の内部で温度や圧力を調整しつつ半導体単結晶を成長させる。 In the flux method, a gallium nitride layer (GaN layer) is typically formed on a sapphire substrate or the like to serve as a seed crystal substrate, and a semiconductor single crystal is then grown on the seed crystal substrate in a melt. In this case, the seed crystal substrate, raw materials, and flux are placed inside a crucible, and the semiconductor single crystal is then grown inside a reaction chamber while adjusting the temperature and pressure.

ところで、フラックス法により種結晶の上にGaN単結晶を成長させる場合には、GaN単結晶に反りが発生することが多い。そしてそのGaN単結晶の反りの程度は、ロット毎にばらつきやすい。特許文献1には、反りの原因として、気相成長法で成長させたGaN結晶と液相成長法で成長させたGaN結晶との間でわずかな格子不整合が生じることが挙げられている(特許文献1の段落[0027]参照)。そして、格子不整合の原因が、特に酸素の取り込み量の差に起因していることが開示されている(特許文献1の段落[0027]参照)。このように反りの原因には、種結晶とその上に成長させた結晶の品質の違いが挙げられる。また、GaN単結晶の成長初期の成長モードの違いも反りの原因となることが知られている。 However, when a GaN single crystal is grown on a seed crystal by the flux method, the GaN single crystal often warps. The degree of warping of the GaN single crystal is likely to vary from lot to lot. Patent Document 1 lists a slight lattice mismatch between the GaN crystal grown by the vapor phase epitaxy method and the GaN crystal grown by the liquid phase epitaxy method as a cause of the warping (see paragraph [0027] of Patent Document 1). It is disclosed that the cause of the lattice mismatch is due in particular to the difference in the amount of oxygen taken in (see paragraph [0027] of Patent Document 1). Thus, the cause of the warping includes the difference in quality between the seed crystal and the crystal grown on it. It is also known that the difference in the growth mode in the early stage of the growth of the GaN single crystal also causes the warping.

特開2016-160151号公報JP 2016-160151 A

このようにGaN単結晶に反りが発生すると、GaN単結晶の結晶性が悪くなるおそれがある。反りのある半導体単結晶を研磨して基板を作製すると、基板の板面の法線と結晶方位とが平行でない角度をもってしまう。この基板の上にデバイスを形成すると、デバイスの特性に比較的大きなばらつきが生じるおそれがある。したがって、半導体単結晶の反りを抑制することが好ましい。 When warping occurs in the GaN single crystal in this way, the crystallinity of the GaN single crystal may deteriorate. When a substrate is made by polishing a warped semiconductor single crystal, the normal to the substrate surface and the crystal orientation will have an angle that is not parallel. When a device is formed on this substrate, there is a risk of relatively large variations in the device characteristics. Therefore, it is preferable to suppress warping of the semiconductor single crystal.

また、半導体単結晶を成長させる坩堝の内部に雑晶が発生することがある。雑晶は半導体単結晶の成長に悪影響を与え、半導体単結晶の結晶性が悪くなるおそれがある。その結果、半導体単結晶の歩留りが低下する懸念がある。 In addition, miscellaneous crystals may occur inside the crucible in which the semiconductor single crystal is grown. These miscellaneous crystals may have a negative effect on the growth of the semiconductor single crystal, and may deteriorate the crystallinity of the semiconductor single crystal. As a result, there is a concern that the yield of the semiconductor single crystal may decrease.

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。本明細書の技術が解決しようとする課題は、Na材料への酸素の取り込み量を制限することによりIII 族窒化物半導体の単結晶の反りの発生と雑晶の発生との少なくとも一方を抑制することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を提供することである。 The technology described in this specification has been made to solve the problems of the conventional technology described above. The problem that the technology described in this specification aims to solve is to provide a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor single crystal that can suppress at least one of the occurrence of warping and the occurrence of miscellaneous crystals in a Group III nitride semiconductor single crystal by limiting the amount of oxygen taken up into the Na material.

本発明は、金属とフラックスとを混合した混合融液に窒素を含むガスを炉内に供給して種基板上にIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、炉の外部において、フラックスであるNaに含まれる酸素原子を除去することによりNa中の酸素濃度を制御して、その酸素濃度の制御されたNaを炉内に供給し、酸素濃度により種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反り又は雑晶の発生を制御し、
種基板上に成長する結晶成長初期のIII 族窒化物半導体のグレインの大きさについて、Na中の酸素濃度を少なくしてグレインを大きくし、種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反りが小さくなるように制御し、酸素濃度を多くしてグレインを小さくし、発生する雑晶を少なく制御することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。
また、他の発明は、III 族金属とフラックスとを混合した混合融液に窒素を含むガスを炉内に供給して種基板上にIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、炉の外部において、フラックスであるNaに含まれる酸素原子を除去することによりNa中の酸素濃度を制御して、その酸素濃度の制御されたNaを炉内に供給し、酸素濃度により種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反り又は雑晶の発生を制御し、Naを液化させたNa融液を、第1温度に保持した第1状態と前記第1温度よりも低い第2温度に保持した第2状態とを循環させて、第2状態のNa融液の酸素を除去し、第2温度の制御によりNaに含まれる酸素濃度を制御することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。
上記発明において、酸素濃度の制御されたNaはNa液体であり、このNa液体を坩堝に入れて、そのNa液体の表面に種基板を置いて、その坩堝を炉内に設けて、III 族窒化物半導体を成長させるようにしても良い。
上記他の発明において、第2温度は、120℃以上300℃以下の範囲の値に制御されることが望ましい。第2温度は、180℃以上230℃以下の範囲の値に制御されることが望ましい。
The present invention relates to a method for producing a Group III nitride semiconductor in which a nitrogen-containing gas is supplied into a furnace to a mixed molten liquid obtained by mixing a metal and a flux, thereby growing a Group III nitride semiconductor on a seed substrate, the method comprising the steps of: controlling the oxygen concentration in Na by removing oxygen atoms contained in Na, which is a flux, outside the furnace; supplying Na with the controlled oxygen concentration into the furnace; and controlling the occurrence of warping or miscellaneous crystals in the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate by the oxygen concentration;
This method for producing a Group III nitride semiconductor is characterized in that the grain size of the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate in the initial stage of crystal growth is controlled by decreasing the oxygen concentration in Na to make the grains larger so as to reduce warping of the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate, and by increasing the oxygen concentration to make the grains smaller so as to reduce the amount of miscellaneous crystals generated.
Another invention relates to a method for producing a Group III nitride semiconductor, in which a nitrogen-containing gas is supplied into a furnace to a mixed molten liquid obtained by mixing a Group III metal and a flux, to grow a Group III nitride semiconductor on a seed substrate, the method comprising the steps of: controlling the oxygen concentration in Na by removing oxygen atoms contained in Na, which is the flux, outside the furnace; supplying Na with the controlled oxygen concentration into the furnace; controlling the occurrence of warping or miscellaneous crystals in the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate by the oxygen concentration; circulating the Na melt obtained by liquefying Na between a first state in which it is held at a first temperature and a second state in which it is held at a second temperature lower than the first temperature; removing oxygen from the Na melt in the second state; and controlling the second temperature to control the oxygen concentration contained in Na.
In the above invention, the Na with controlled oxygen concentration is Na liquid, and this Na liquid may be placed in a crucible, a seed substrate may be placed on the surface of the Na liquid, and the crucible may be placed in a furnace to grow a Group III nitride semiconductor.
In the above other invention, the second temperature is preferably controlled to a value in the range of 120° C. to 300° C. The second temperature is preferably controlled to a value in the range of 180° C. to 230° C.

このIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法は、Na材料に含まれる酸素原子を十分に除去することができる。そのため、半導体結晶に含まれる酸素量は従来に比べて少ない。したがって、半導体結晶における反りの発生は非常に抑制される。もしくは、雑晶の発生量が抑制される。また、製造バッチ毎の半導体単結晶の反りの度合いや品質の再現性が向上する。また、歩留りも向上する。 This method for manufacturing a Group III nitride semiconductor single crystal can sufficiently remove oxygen atoms contained in the Na material. Therefore, the amount of oxygen contained in the semiconductor crystal is less than in the past. Therefore, the occurrence of warping in the semiconductor crystal is greatly suppressed. Alternatively, the amount of miscellaneous crystals generated is suppressed. In addition, the reproducibility of the degree of warping and the quality of the semiconductor single crystal for each manufacturing batch is improved. Also, the yield is improved.

本明細書では、Na材料への酸素の取り込み量を制限することによりIII 族窒化物半導体の単結晶の反りの発生と雑晶の発生との少なくとも一方を抑制することのできるIII 族窒化物半導体素子の製造方法およびIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法が提供されている。 This specification provides a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor single crystal that can suppress at least one of the occurrence of warping and the occurrence of miscellaneous crystals in a Group III nitride semiconductor single crystal by limiting the amount of oxygen taken up into a Na material.

第1の実施形態における半導体単結晶の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor single crystal according to a first embodiment; 第1の実施形態の半導体単結晶の製造装置の全体像を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing an overall image of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to a first embodiment; 第1の実施形態の半導体単結晶を製造するための結晶成長装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a crystal growth apparatus for producing a semiconductor single crystal according to a first embodiment. 第1の実施形態の半導体単結晶を製造するためのNa循環装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a Na circulation device for producing a semiconductor single crystal according to a first embodiment. FIG. 第1の実施形態の半導体単結晶を製造するためのグローブボックスの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a glove box for producing a semiconductor single crystal according to the first embodiment. 種結晶およびグレインを説明するための図(その1)である。FIG. 1 is a diagram (part 1) for explaining seed crystals and grains. 種結晶およびグレインを説明するための図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) for explaining seed crystals and grains. 種結晶およびグレインを説明するための図(その3)である。FIG. 3 is a diagram (part 3) for explaining seed crystals and grains. 第1の実施形態の半導体単結晶を製造するための種結晶を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a seed crystal for producing the semiconductor single crystal of the first embodiment. 第2の実施形態におけるパワー素子の概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a power element according to a second embodiment. 第2の実施形態における横型構造の半導体装置の概略構成図である。FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a lateral structure semiconductor device according to a second embodiment. 第2の実施形態における半導体発光素子の概略構成図である。10 is a schematic configuration diagram of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment. FIG. コールドトラップの温度と反りと雑晶の発生量との間の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the temperature of a cold trap, warpage, and the amount of miscellaneous crystals generated.

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方法およびIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。 Specific embodiments will be described below with reference to the figures, taking as examples a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor single crystal. However, the technology of this specification is not limited to these embodiments. In addition, the stacked structures and electrode structures of the layers of the semiconductor device described below are merely examples. Of course, stacked structures different from those in the embodiments may also be used. Furthermore, the thickness ratios of the layers in each figure are shown conceptually, and do not represent the actual thickness ratios.

(第1の実施形態)
1.半導体単結晶
図1は、本実施形態の結晶CRの概略構成を示す図である。図1に示すように、結晶CRは、サファイア基板11と、バッファ層12と、GaN層13と、単結晶CR1と、を有する。単結晶CR1は、III 族窒化物半導体から成る単結晶である。単結晶CR1は、結晶CRからサファイア基板11等を除去することにより得られる。
First Embodiment
1. Semiconductor Single Crystal Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a crystalline CR according to this embodiment. As shown in Fig. 1, the crystalline CR has a sapphire substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, and a single crystal CR1. The single crystal CR1 is a single crystal made of a Group III nitride semiconductor. The single crystal CR1 is obtained by removing the sapphire substrate 11 and the like from the crystalline CR.

2.半導体結晶の製造装置
図2は、本実施形態の半導体単結晶の製造装置の全体像を示す概念図である。図2に示すように、製造装置A1は、結晶成長装置1000と、Na循環装置2000と、グローブボックス3000と、中継室RM1と、パスボックスPB1、PB2と、を有する。
2. Semiconductor crystal manufacturing apparatus Fig. 2 is a conceptual diagram showing an overall image of the semiconductor single crystal manufacturing apparatus of this embodiment. As shown in Fig. 2, the manufacturing apparatus A1 has a crystal growth apparatus 1000, a Na circulation apparatus 2000, a glove box 3000, a relay chamber RM1, and pass boxes PB1 and PB2.

結晶成長装置1000は、種結晶の上にIII 族窒化物半導体を成長させるための結晶成長炉である。Na循環装置2000は、Na材料の純度を調整するための装置である。グローブボックス3000は、坩堝の内部にNa材料とGa材料とを収容する作業を実施するための装置である。中継室RM1は、坩堝を結晶成長装置1000に中継するためのものである。パスボックスPB1は、原料や坩堝などをグローブボックス3000に送るための装置である。パスボックスPB2は、坩堝をグローブボックス3000から中継室RM1に送るための装置である。 The crystal growth apparatus 1000 is a crystal growth furnace for growing a group III nitride semiconductor on a seed crystal. The Na circulation apparatus 2000 is an apparatus for adjusting the purity of the Na material. The glove box 3000 is an apparatus for carrying out the operation of storing the Na material and the Ga material inside the crucible. The relay chamber RM1 is for relaying the crucible to the crystal growth apparatus 1000. The pass box PB1 is an apparatus for sending raw materials, the crucible, etc. to the glove box 3000. The pass box PB2 is an apparatus for sending the crucible from the glove box 3000 to the relay chamber RM1.

3.結晶成長装置
図3は、本実施形態の結晶CRを製造するための結晶成長装置1000である。結晶成長装置1000は、Naフラックス法を用いて成長基板上にIII 族窒化物半導体の単結晶を成長させるためのものである。
3 shows a crystal growth apparatus 1000 for producing the crystalline CR of this embodiment. The crystal growth apparatus 1000 is for growing a single crystal of a Group III nitride semiconductor on a growth substrate by using a Na flux method.

図3に示すように、結晶成長装置1000は、圧力容器1100と、圧力容器蓋1110と、中間室1200と、反応室1300と、反応室蓋1310と、回転軸1320と、ターンテーブル1330と、側部ヒーター1410と、下部ヒーター1420と、ガス供給口1510と、ガス排気口1520と、真空引き排気口1530と、測定用通気口1540と、Qmass取付口1550と、を有する。 As shown in FIG. 3, the crystal growth apparatus 1000 has a pressure vessel 1100, a pressure vessel lid 1110, an intermediate chamber 1200, a reaction chamber 1300, a reaction chamber lid 1310, a rotating shaft 1320, a turntable 1330, a side heater 1410, a lower heater 1420, a gas supply port 1510, a gas exhaust port 1520, a vacuum exhaust port 1530, a measurement vent port 1540, and a Qmass mounting port 1550.

圧力容器1100は、結晶成長装置1000の筐体である。圧力容器蓋1110は、圧力容器1100の鉛直下方の位置に配置されている。中間室1200は、圧力容器1100の内部の室である。反応室1300は、坩堝CB1を収容し、その内部で半導体単結晶を成長させるための室である。反応室蓋1310は、反応室1300の蓋である。 The pressure vessel 1100 is the housing of the crystal growth apparatus 1000. The pressure vessel lid 1110 is disposed vertically below the pressure vessel 1100. The intermediate chamber 1200 is a chamber inside the pressure vessel 1100. The reaction chamber 1300 is a chamber that contains the crucible CB1 and grows a semiconductor single crystal therein. The reaction chamber lid 1310 is a lid for the reaction chamber 1300.

回転軸1320は、正回転および負回転をすることができるようになっている。回転軸1320は、モーター(図示せず)から回転駆動を受けることができる。ターンテーブル1330は、回転軸1320に連れまわって回転することができる。側部ヒーター1410および下部ヒーター1420は、反応室1300を加熱するためのものである。 The rotating shaft 1320 is capable of rotating in both positive and negative directions. The rotating shaft 1320 can be driven to rotate by a motor (not shown). The turntable 1330 can rotate together with the rotating shaft 1320. The side heater 1410 and the lower heater 1420 are for heating the reaction chamber 1300.

ガス供給口1510は、圧力容器1100の内部に窒素ガスを含むガスを供給するための供給口である。ガス排気口1520は、圧力容器1100の内部からガスを排気するためのものである。真空引き排気口1530は、圧力容器1100を真空引きするためのものである。測定用通気口1540は、圧力容器1100の内部のガスを測定のために抽出するためのものである。測定用通気口1540のガスの流れの下流の位置には、O2 センサーや露点計が配置されている。Qmass取付口1550は、Qmass装置を取り付けるためのものである。 The gas supply port 1510 is a supply port for supplying gas including nitrogen gas into the inside of the pressure vessel 1100. The gas exhaust port 1520 is for exhausting gas from inside the pressure vessel 1100. The vacuum exhaust port 1530 is for evacuating the pressure vessel 1100. The measurement vent port 1540 is for extracting gas inside the pressure vessel 1100 for measurement. An O2 sensor and a dew point meter are disposed downstream of the gas flow of the measurement vent port 1540. The Qmass attachment port 1550 is for attaching a Qmass device.

結晶成長装置1000は、坩堝CB1の内部の温度および圧力を調整するとともに坩堝CB1を回転させることができる。そのため、坩堝CB1の内部では、所望の条件で種結晶から半導体単結晶を成長させることができる。 The crystal growth apparatus 1000 can adjust the temperature and pressure inside the crucible CB1 and rotate the crucible CB1. Therefore, inside the crucible CB1, a semiconductor single crystal can be grown from a seed crystal under desired conditions.

4.Na循環装置
4-1.Na循環装置の構成
図4は、本実施形態の半導体単結晶の製造方法に用いられるNa循環装置2000を示す図である。Na循環装置2000は、Naを循環させつつNaの純度を制御する装置である。Na循環装置2000は、グローブボックス3000と連結されている。そのため、Na循環装置2000により純度を上げたNa材料をグローブボックス3000の内部に供給することができる。Na材料は露点および雰囲気を管理されたグローブボックス3000に供給される。そのため、グローブボックス3000に供給されるNa材料は、酸素や水分との反応を抑制されている。
4. Na Circulation Apparatus 4-1. Configuration of the Na Circulation Apparatus FIG. 4 is a diagram showing a Na circulation apparatus 2000 used in the semiconductor single crystal manufacturing method of this embodiment. The Na circulation apparatus 2000 is an apparatus that controls the purity of Na while circulating Na. The Na circulation apparatus 2000 is connected to a glove box 3000. Therefore, the Na material whose purity has been increased by the Na circulation apparatus 2000 can be supplied to the inside of the glove box 3000. The Na material is supplied to the glove box 3000 whose dew point and atmosphere are controlled. Therefore, the Na material supplied to the glove box 3000 is suppressed from reacting with oxygen and moisture.

Na循環装置2000は、供給タンク2100と、ダンプタンク2200と、コールドトラップ2300と、電磁ポンプ2400と、膨張タンク2500と、計量タンク2600と、Na採取口2700と、配管2810、2820、2830と、を有する。また、Na循環装置2000は、その他の配管と、弁と、各部を加熱する加熱装置と、を有する。加熱装置は、各部の温度を設定した温度に保持することができる。 The sodium circulation device 2000 has a supply tank 2100, a dump tank 2200, a cold trap 2300, an electromagnetic pump 2400, an expansion tank 2500, a measuring tank 2600, a sodium sampling port 2700, and pipes 2810, 2820, and 2830. The sodium circulation device 2000 also has other pipes, valves, and a heating device that heats each part. The heating device can maintain the temperature of each part at a set temperature.

Na循環装置2000は、Na材料を液体状にして流す循環経路LP1を有する。循環経路LP1は、コールドトラップ2300と、膨張タンク2500と、電磁ポンプ2400と、配管2810、2820、2830と、を有する。 The sodium circulation device 2000 has a circulation path LP1 that liquefies the sodium material and causes it to flow. The circulation path LP1 has a cold trap 2300, an expansion tank 2500, an electromagnetic pump 2400, and pipes 2810, 2820, and 2830.

供給タンク2100は、初期のNa材料をNa循環装置2000に供給するためのタンクである。初期のNa材料は、ある程度高い純度のNa材料であるが、微量の不純物を含んでいる。初期のNa材料は固体である。供給タンク2100は加熱されているため、Na材料は液体になる。そして、液体状のNa材料は、ダンプタンク2200に送られる。 The supply tank 2100 is a tank for supplying the initial Na material to the Na circulation device 2000. The initial Na material is a Na material of a relatively high purity, but contains a trace amount of impurities. The initial Na material is a solid. Because the supply tank 2100 is heated, the Na material becomes liquid. The liquid Na material is then sent to the dump tank 2200.

ダンプタンク2200は、反射衝撃波を吸収することのできるものである。 The dump tank 2200 is capable of absorbing reflected shock waves.

コールドトラップ2300は、Na材料中の不純物を除去するためのものである。コールドトラップ2300は、酸素等の不純物を除去または添加するNa純度制御部も兼ねている。コールドトラップ2300の詳細については後述する。 The cold trap 2300 is used to remove impurities in the Na material. The cold trap 2300 also serves as a Na purity control unit that removes or adds impurities such as oxygen. Details of the cold trap 2300 will be described later.

電磁ポンプ2400は、Na材料を膨張タンク2500からコールドトラップ2300に戻すためのものである。Na循環装置2000は、Na材料をコールドトラップ2300と膨張タンク2500との間で循環させることにより、Na材料を精製する。 The electromagnetic pump 2400 is for returning the Na material from the expansion tank 2500 to the cold trap 2300. The Na circulation device 2000 purifies the Na material by circulating the Na material between the cold trap 2300 and the expansion tank 2500.

膨張タンク2500は、コールドトラップ2300により不純物等を除去されたNa材料を一時的に貯蔵しておくためのNa貯蔵部である。 The expansion tank 2500 is a sodium storage section for temporarily storing the sodium material from which impurities have been removed by the cold trap 2300.

計量タンク2600は、Na採取口2700から取り出すNa材料の量を計量するためのものである。計量タンク2600に貯蔵されているNa材料の純度は十分に高い。 The measuring tank 2600 is used to measure the amount of Na material extracted from the Na collection port 2700. The purity of the Na material stored in the measuring tank 2600 is sufficiently high.

Na採取口2700は、精製したNa材料をグローブボックス3000に供給するための供給口である。 The Na collection port 2700 is a supply port for supplying refined Na material to the glove box 3000.

4-2.Na循環装置の動作
このように、固体状のNa材料をNa循環装置2000の供給タンク2100に供給する。Na材料は、供給タンク2100により加熱され、液体状のNa材料となる。液体状のNa材料は、ダンプタンク2200に送られる。そして、液体状のNa材料は、ダンプタンク2200から循環経路LP1に徐々に送られる。液体状のNa材料は、循環経路LP1を循環することとなる。
4-2. Operation of the Na circulation device In this manner, the solid Na material is supplied to the supply tank 2100 of the Na circulation device 2000. The Na material is heated by the supply tank 2100 and becomes a liquid Na material. The liquid Na material is sent to the dump tank 2200. Then, the liquid Na material is gradually sent from the dump tank 2200 to the circulation path LP1. The liquid Na material circulates through the circulation path LP1.

ここで、Na材料の温度が高いほど、Na中への酸素の溶解度は高い。コールドトラップ2300は、循環経路LP1のうちで最も温度の低い箇所である。そのため、コールドトラップ2300の箇所で例えばNa2 Oが析出する。Na2 Oについてはフィルター等により除去すればよい。 The higher the temperature of the Na material, the higher the solubility of oxygen in Na. The cold trap 2300 is the lowest temperature point in the circulation path LP1. Therefore, for example, Na2O precipitates at the cold trap 2300. Na2O can be removed by a filter or the like.

液体状のNa材料は、循環経路LP1を循環する間に高温状態と低温状態との2つの状態を交互に繰り返すこととなる。このため、液体状のNa材料から酸素が繰り返し除去される。そして、純度の高いNa材料が精製される。Na採取口2700が供給するNa材料は液体である。液体状のNa材料はグローブボックス3000の内部の容器に注がれる。液体状のNa材料はその容器の中で冷却されて固体となる。 The liquid Na material alternates between two states, a high temperature state and a low temperature state, while circulating through the circulation path LP1. As a result, oxygen is repeatedly removed from the liquid Na material. Then, a high-purity Na material is refined. The Na material supplied by the Na collection port 2700 is liquid. The liquid Na material is poured into a container inside the glove box 3000. The liquid Na material is cooled in the container and becomes solid.

4-3.コールドトラップの温度
コールドトラップ2300の温度は、120℃以上300℃以下である。膨張タンク2500およびその周囲の配管2810、2820、2830の温度は、コールドトラップ2300の温度より高い。このため、コールドトラップ2300によりNa材料中の不純物を除去することができる。そして、コールドトラップ2300の設定温度とNa材料中の酸素濃度との間には相関関係がある。そのため、コールドトラップ2300の温度を120℃以上300℃以下の範囲内で設定温度を選択することにより、Na材料中の酸素濃度等を制御することができる。
4-3. Temperature of the cold trap The temperature of the cold trap 2300 is 120°C or higher and 300°C or lower. The temperatures of the expansion tank 2500 and the surrounding pipes 2810, 2820, 2830 are higher than the temperature of the cold trap 2300. Therefore, the impurities in the Na material can be removed by the cold trap 2300. There is a correlation between the set temperature of the cold trap 2300 and the oxygen concentration in the Na material. Therefore, by selecting the set temperature of the cold trap 2300 within the range of 120°C or higher and 300°C or lower, the oxygen concentration in the Na material, etc. can be controlled.

5.グローブボックス
図5は、本実施形態の半導体素子の製造方法に用いられるグローブボックス3000を示す図である。グローブボックス3000は、Na材料等を処理するための処理室である。グローブボックス3000の内圧は、1気圧よりやや高い。グローブボックス3000の周囲の大気がグローブボックス3000の内部に入りにくくするためである。グローブボックス3000は、筐体3100と、グローブGL1と、窓WD1と、露点計3110と、Ar循環装置3200と、Ar供給管3310と、Ar排気管3320と、Ar通気口3321と、O2 センサーと、を有する。
5. Glove Box FIG. 5 is a diagram showing a glove box 3000 used in the semiconductor device manufacturing method of this embodiment. The glove box 3000 is a processing chamber for processing Na materials and the like. The internal pressure of the glove box 3000 is slightly higher than 1 atmosphere. This is to prevent the atmosphere around the glove box 3000 from entering the inside of the glove box 3000. The glove box 3000 has a housing 3100, a glove GL1, a window WD1, a dew point meter 3110, an Ar circulation device 3200, an Ar supply pipe 3310, an Ar exhaust pipe 3320, an Ar vent 3321, and an O2 sensor.

筐体3100は、内部の雰囲気を所定の条件下に保持する。グローブGL1は、作業者がグローブボックス3000の内部のNa材料等を処理するためのものである。窓WD1は、作業者がグローブボックス3000の内部を視認するためのものである。露点計3110は、グローブボックス3000の内部の露点を測定する。 The housing 3100 maintains the internal atmosphere under specified conditions. The glove GL1 is for an operator to process Na materials and the like inside the glove box 3000. The window WD1 is for an operator to view the inside of the glove box 3000. The dew point meter 3110 measures the dew point inside the glove box 3000.

Ar循環装置3200は、Arガスの供給と回収とを行うための装置である。Ar供給管3310は、ArガスをAr循環装置3200からグローブボックス3000の内部に供給するためのものである。Ar排気管3320は、ArガスをAr循環装置3200に回収するためのものである。Ar排気管3320は、途中でAr通気口3321に分岐している。Ar通気口3321の下流の位置には、O2 センサーが配置されている。 The Ar circulation device 3200 is a device for supplying and recovering Ar gas. The Ar supply pipe 3310 is for supplying Ar gas from the Ar circulation device 3200 to the inside of the glove box 3000. The Ar exhaust pipe 3320 is for recovering the Ar gas to the Ar circulation device 3200. The Ar exhaust pipe 3320 branches into an Ar vent 3321 midway. An O2 sensor is located downstream of the Ar vent 3321.

このように、Ar循環装置3200が設けられているため、グローブボックス3000の内部は、Ar雰囲気である。グローブボックス3000の内部の酸素濃度は0.05ppm以下である。Ar通気口3321のO2 センサーが、グローブボックス3000の内部の酸素濃度を測定する。O2 センサーとして例えば、DF-150E(Servomex社製)が挙げられる。 As described above, since the Ar circulation device 3200 is provided, the inside of the glove box 3000 is an Ar atmosphere. The oxygen concentration inside the glove box 3000 is 0.05 ppm or less. The O2 sensor in the Ar vent 3321 measures the oxygen concentration inside the glove box 3000. An example of an O2 sensor is the DF-150E (manufactured by Servomex).

グローブボックス3000の内部の水分濃度は0.05ppm以下である。水分濃度は、露点計3110により測定する。例えば、静電容量式露点計MMS35(GEセンシング&インスペクション・テクノロジーズ社製)を用いることができる。0.05ppmは、露点-94℃に相当する。 The moisture concentration inside the glove box 3000 is 0.05 ppm or less. The moisture concentration is measured by a dew point meter 3110. For example, a capacitance type dew point meter MMS35 (manufactured by GE Sensing & Inspection Technologies) can be used. 0.05 ppm corresponds to a dew point of -94°C.

6.不純物濃度(酸素取り込み量)
本実施形態では、製造装置A1により坩堝CB1に混入するであろう不純物濃度を制御しながら半導体単結晶を成長させる。主要な不純物として酸素および水分が挙げられる。結晶成長装置1000においては、酸素濃度および水素濃度が高い精度で制御されている。
6. Impurity concentration (oxygen intake)
In this embodiment, the manufacturing apparatus A1 grows a semiconductor single crystal while controlling the concentration of impurities that may be mixed into the crucible CB1. The main impurities include oxygen and moisture. In the crystal growth apparatus 1000, the oxygen concentration and hydrogen concentration are controlled with high precision.

7.グレイン
7-1.酸素取り込み量とグレインとの間の関係
ここで、Na材料への酸素取り込み量と成長初期に種結晶の上に形成されるグレインとの間の関係について説明する。
7. Grains 7-1. Relationship between Oxygen Incorporation and Grains Here, the relationship between the oxygen incorporation amount into the Na material and the grains formed on the seed crystal in the early stage of growth will be described.

図6は、種結晶およびグレインを説明するための図(その1)である。図6に示すように、半導体結晶は、種結晶10とグレインGr1と半導体層Ep1とを有する。グレインGr1は、六角錐台形状または六角錐台形状に近い形状である。 Figure 6 is a diagram (part 1) for explaining the seed crystal and grains. As shown in Figure 6, the semiconductor crystal has a seed crystal 10, grain Gr1, and semiconductor layer Ep1. Grain Gr1 has a hexagonal pyramid shape or a shape close to a hexagonal pyramid shape.

図7は、種結晶およびグレインを説明するための図(その2)である。図7に示すように、半導体結晶は、種結晶10とグレインGr2と半導体層Ep2とを有する。グレインGr2は、六角錐台形状または六角錐台形状に近い形状である。 Figure 7 is a diagram (part 2) for explaining the seed crystal and grains. As shown in Figure 7, the semiconductor crystal has a seed crystal 10, grain Gr2, and semiconductor layer Ep2. Grain Gr2 has a hexagonal pyramid shape or a shape close to a hexagonal pyramid shape.

図6のグレインGr1は、図7のグレインGr2よりも大きい。ここで、融液への酸素取り込み量が少ない場合には、図6に示すように、グレインの大きさは大きい。融液への酸素取り込み量が多い場合には、図7に示すように、グレインの大きさは小さい。そして、グレインが大きいほど、その上に成長させた半導体結晶の応力は小さい。グレインから半導体結晶が成長して互いに合流する際の合流箇所が少なくなるからであると考えられる。グレインが大きいほど、半導体単結晶の反りは小さくなる傾向がある。 Grain Gr1 in FIG. 6 is larger than grain Gr2 in FIG. 7. Here, when the amount of oxygen absorbed into the melt is small, the grain size is large, as shown in FIG. 6. When the amount of oxygen absorbed into the melt is large, the grain size is small, as shown in FIG. 7. The larger the grain, the smaller the stress in the semiconductor crystal grown on it. This is thought to be because there are fewer points where the semiconductor crystals grow from the grains and join together. The larger the grain, the less warping there tends to be in the semiconductor single crystal.

7-2.グレインサイズ
図8は、結晶CRの断面を示す断面図である。境界面Sf1におけるグレインGr1の平均幅W1が、10μm以上100μm以下であるとよい。グレインを観察するために、観測しようとする断面の手前(数μm~数十μm)まで研磨等により除去し、平坦化する。そしてその断面を蛍光顕微鏡やカソードルミネセンス装置により観察する。
7-2. Grain size Figure 8 is a cross-sectional view showing a cross section of a crystal CR. The average width W1 of the grain Gr1 at the boundary surface Sf1 is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. In order to observe the grains, the grains are removed by polishing or the like up to the front of the cross section to be observed (several μm to several tens of μm) and flattened. The cross section is then observed by a fluorescence microscope or a cathode luminescence device.

したがって、後述するように、Na材料から酸素原子を除去することにより、内部応力の小さい半導体結晶を成長させることができる。もちろん、半導体製造装置の内部やそこに至る過程で過大な酸素汚染がないように注意する必要がある。 Therefore, as described below, by removing oxygen atoms from the Na material, it is possible to grow semiconductor crystals with low internal stress. Of course, care must be taken to avoid excessive oxygen contamination inside the semiconductor manufacturing equipment or on the way there.

8.半導体単結晶の製造方法
この製造方法は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法である。この製造方法は、Na循環装置を用いてNa材料のNa純度を制御するNa純度制御工程と、坩堝の内部にNa材料とGa材料と種結晶とを入れて種結晶の上にIII 族窒化物半導体を成長させる半導体成長工程と、を有する。
8. Manufacturing Method of Semiconductor Single Crystal This manufacturing method is a method for growing a Group III nitride semiconductor single crystal by a flux method. This manufacturing method includes a Na purity control step of controlling the Na purity of a Na material by using a Na circulation device, and a semiconductor growing step of placing a Na material, a Ga material, and a seed crystal in a crucible and growing a Group III nitride semiconductor on the seed crystal.

8-1.種結晶準備工程
まず、種結晶を準備する。図9は、種結晶10の概略構成を示す図である。図9に示すように、種結晶10は、サファイア基板11と、バッファ層12と、GaN層13と、を有する。種結晶10は、図1の単結晶CR1を成長させる前のテンプレート基板である。まず、サファイア基板11を用意する。そして、MOCVD法により、サファイア基板11のc面上に、バッファ層12を形成する。バッファ層12は、例えば、GaNである。また、TiNやAlNであってもよい。
8-1. Seed Crystal Preparation Step First, a seed crystal is prepared. FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a seed crystal 10. As shown in FIG. 9, the seed crystal 10 has a sapphire substrate 11, a buffer layer 12, and a GaN layer 13. The seed crystal 10 is a template substrate before the single crystal CR1 in FIG. 1 is grown. First, the sapphire substrate 11 is prepared. Then, the buffer layer 12 is formed on the c-plane of the sapphire substrate 11 by MOCVD. The buffer layer 12 is, for example, GaN. It may also be TiN or AlN.

次に、バッファ層12の上に、GaN層13を形成する。これにより、種結晶10が製造される。これらのバッファ層12およびGaN層13は、シード層である。なお、GaN層13は、もちろん、GaNから成る層であるが、AlGaNやInGaN、AlInGaNであってもよい。このGaN層13は、成長条件によっては、フラックス中でメルトバックを起こす層である。その場合には、GaN層13の一部はフラックス中に溶解する。 Next, a GaN layer 13 is formed on the buffer layer 12. This produces a seed crystal 10. The buffer layer 12 and the GaN layer 13 are seed layers. The GaN layer 13 is, of course, a layer made of GaN, but it may also be made of AlGaN, InGaN, or AlInGaN. This GaN layer 13 is a layer that may melt back in the flux depending on the growth conditions. In that case, part of the GaN layer 13 dissolves in the flux.

種結晶10については市場で購入してもよい。また、種結晶10として、マスクを形成したGaN基板、GaNを加工したGaN基板、GaNを選択的に除去したパターン基板等、その他の基板を用いてもよい。 The seed crystal 10 may be purchased on the market. Alternatively, other substrates may be used as the seed crystal 10, such as a GaN substrate on which a mask is formed, a GaN substrate on which GaN has been processed, or a patterned substrate on which GaN has been selectively removed.

8-2.Na純度制御工程
まず、Na循環装置2000によりNa材料を精製する。固体状のNa材料を加熱することにより、液体状のNaにする。液体状のNaにおいては、温度が高いほど酸素が溶け込む。
8-2. Na Purity Control Process First, the Na material is purified by the Na circulation device 2000. The solid Na material is heated to turn it into liquid Na. In liquid Na, the higher the temperature, the more oxygen dissolves.

コールドトラップ2300の温度は120℃以上300℃以下である。膨張タンク2500の温度は、コールドトラップ2300の温度よりも高い。そのため、コールドトラップ2300の内部で、Na2 O等が析出する。そして、フィルター等を用いてNa2 O等の不純物を除去する。溶融状態のNa材料はコールドトラップ2300と膨張タンク2500とを循環する。そのため、Na2 O等の不純物が徐々に除去されていく。 The temperature of the cold trap 2300 is between 120°C and 300°C. The temperature of the expansion tank 2500 is higher than that of the cold trap 2300. Therefore, Na2O and other substances precipitate inside the cold trap 2300. Then, impurities such as Na2O are removed using a filter or the like. The molten Na material circulates between the cold trap 2300 and the expansion tank 2500. Therefore, impurities such as Na2O are gradually removed.

一方、グローブボックス3000の内部に坩堝CB1を準備する。その坩堝CB1の内部にGa等の材料を収容する。次に、Na循環装置2000が、Na純度を制御済みの溶融状態のNa材料をグローブボックスる3000の内部の坩堝CB1に、供給量を計量しながら注ぐ。このため、Gaは液体状のNa材料に浸される。 Meanwhile, a crucible CB1 is prepared inside the glove box 3000. Materials such as Ga are placed inside the crucible CB1. Next, the Na circulation device 2000 pours the molten Na material, whose Na purity has been controlled, into the crucible CB1 inside the glove box 3000 while measuring the supply amount. As a result, the Ga is immersed in the liquid Na material.

その後、液体状のNa材料の上に種結晶10を置く。このとき液状のNa材料は、坩堝CB1の底部および側壁に接するとともに種結晶10により蓋をされている状態にある。そのため、液状のNa材料が周囲の雰囲気と接する面積は非常に小さい。したがって、Na材料を坩堝CB1に注いだ後には液状のNa材料に不純物が入りにくい。なお、種結晶10の成長開始面は、液状のNa材料の反対側を向いている。 Then, a seed crystal 10 is placed on the liquid Na material. At this time, the liquid Na material is in contact with the bottom and side walls of the crucible CB1 and is covered by the seed crystal 10. Therefore, the area of the liquid Na material in contact with the surrounding atmosphere is very small. Therefore, impurities are unlikely to enter the liquid Na material after it is poured into the crucible CB1. The growth start surface of the seed crystal 10 faces the opposite side to the liquid Na material.

8-3.半導体成長工程
次に、液相エピタキシー法の一種であるフラックス法を用いて、種結晶10上に半導体単結晶の層を成長させる。ここで用いる原材料の一例を表1に示す。また、炭素比を、0.1mol%以上2.0mol%以下の範囲内で変えてもよい。なお、表1の値は、あくまで例示であり、これ以外の値であってもよい。また、これ以外にドーピング元素を添加してもよい。
8-3. Semiconductor Growth Step Next, a semiconductor single crystal layer is grown on the seed crystal 10 using a flux method, which is a type of liquid phase epitaxy method. An example of the raw materials used here is shown in Table 1. The carbon ratio may be changed within a range of 0.1 mol % to 2.0 mol %. The values in Table 1 are merely examples, and other values may be used. Doping elements other than these may also be added.

ここで成長させる半導体単結晶は、もちろんIII 族窒化物半導体単結晶である。例えば、GaNである。なお、結晶成長装置1000を用いる前に事前にベークしておくとよい。結晶成長装置1000の内部の酸素および水分を極力減らすためである。 The semiconductor single crystal grown here is, of course, a Group III nitride semiconductor single crystal. For example, GaN. It is advisable to bake the crystal growth apparatus 1000 before using it. This is to reduce oxygen and moisture inside the crystal growth apparatus 1000 as much as possible.

坩堝CB1を3重の育成容器に入れる。グローブボックス3000から反応室1300へ坩堝CB1を移動させる際に、Na材料が酸素および水分と反応することを抑制するためである。また、グローブボックス3000から反応室1300までの坩堝CB1の移動経路を窒素雰囲気にするとよい。Na材料の反応をさらに抑制できるからである。 The crucible CB1 is placed in a triple growth vessel. This is to prevent the Na material from reacting with oxygen and moisture when the crucible CB1 is moved from the glove box 3000 to the reaction chamber 1300. It is also advisable to make the path along which the crucible CB1 is moved from the glove box 3000 to the reaction chamber 1300 a nitrogen atmosphere. This is because this can further prevent the reaction of the Na material.

そして、その坩堝CB1を反応室1300のターンテーブル1330上に置く。この後、圧力容器1100を真空引きした後に昇圧および昇温する。そして、坩堝CB1を回転させつつ半導体単結晶を成長させる。なお、撹拌の方法、タイミングは任意である。そのため、撹拌することなく成長させてもよい。また、撹拌の有無について途中で変えてもよい。 The crucible CB1 is then placed on the turntable 1330 of the reaction chamber 1300. After this, the pressure vessel 1100 is evacuated and then the pressure and temperature are increased. Then, the crucible CB1 is rotated while growing a semiconductor single crystal. Note that the stirring method and timing are optional. Therefore, the crystal may be grown without stirring. Also, the presence or absence of stirring may be changed midway.

[表1]
原材料 原材料の量
Ga/Na比 10~40mol%
C 0.1mol%~2.0mol%(Naに対して)
[Table 1]
Raw materials Amount of raw materials Ga/Na ratio 10-40 mol%
C 0.1 mol% to 2.0 mol% (relative to Na)

ここで、この半導体単結晶形成工程で用いた坩堝内の各種条件を表2に示す。半導体単結晶の成長温度は、例えば870℃である。圧力は、例えば3MPaである。育成時間はおよそ20時間から200時間である。なお、結晶成長装置1000の内部の酸素濃度および水分濃度は、Qmass等により測定することができる。 Here, the various conditions in the crucible used in this semiconductor single crystal formation process are shown in Table 2. The growth temperature of the semiconductor single crystal is, for example, 870°C. The pressure is, for example, 3 MPa. The growth time is approximately 20 to 200 hours. The oxygen concentration and moisture concentration inside the crystal growth apparatus 1000 can be measured by Qmass or the like.

[表2]
温度 700℃~900℃程度
圧力 2MPa~10MPa
攪拌速度 0rpm~100rpm
育成時間 20~200時間
[Table 2]
Temperature: 700℃ to 900℃ Pressure: 2MPa to 10MPa
Stirring speed: 0 rpm to 100 rpm
Growth time: 20 to 200 hours

9.変形例
9-1.Na純度制御工程
Na純度制御工程において、コールドトラップ2300の温度を300℃近くに設定してもよい。その場合には、Na循環装置2000の周囲の雰囲気から、酸素がコールドトラップ2300に入る。そして、その酸素が溶融状態のNa材料に混入する。これにより、Na材料に含まれる酸素濃度を高めることができる。このように、Na純度制御工程では、コールドトラップ2300の温度を制御することにより、成長に用いるNa中の酸素濃度をコントロールすることができる。また、Na材料に含まれる酸素濃度を低くすること、またはNa材料に含まれる酸素濃度を高くすることもできる。
9. Modification 9-1. Na Purity Control Step In the Na purity control step, the temperature of the cold trap 2300 may be set to close to 300° C. In that case, oxygen enters the cold trap 2300 from the atmosphere surrounding the Na circulation device 2000. Then, the oxygen is mixed into the molten Na material. This makes it possible to increase the oxygen concentration contained in the Na material. In this way, in the Na purity control step, the oxygen concentration in the Na used for growth can be controlled by controlling the temperature of the cold trap 2300. Also, it is possible to lower the oxygen concentration contained in the Na material, or to increase the oxygen concentration contained in the Na material.

9-2.種結晶としての再利用
半導体成長工程で成長させたIII 族窒化物半導体を種結晶として用いてもよい。その場合には、得られたその種結晶の上にIII 族窒化物半導体を再成長させる。つまり、種結晶の上に半導体を成長させる第1の半導体成長工程と、第1の半導体成長工程で得られた半導体を種結晶にしてその種結晶の上に半導体を成長させる第2の半導体成長工程と、を有する。反りやオフ角分布が小さい種結晶を使うことにより従来より品質の良い半導体単結晶を厚く成長させることができる。
9-2. Reuse as seed crystal The Group III nitride semiconductor grown in the semiconductor growth process may be used as a seed crystal. In this case, the Group III nitride semiconductor is regrown on the obtained seed crystal. In other words, the method includes a first semiconductor growth process in which a semiconductor is grown on a seed crystal, and a second semiconductor growth process in which a semiconductor is grown on the seed crystal using the semiconductor obtained in the first semiconductor growth process as a seed crystal. By using a seed crystal with small warpage and off-angle distribution, it is possible to grow a thick semiconductor single crystal with better quality than before.

9-3.Na循環装置の構成
Na循環装置2000の構成については、図4と異なっていてもよい。
9-3. Configuration of the Na Circulation Device The configuration of the Na circulation device 2000 may be different from that shown in FIG.

9-4.組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
9-4. Combinations The above modifications may be freely combined.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、III 族窒化物半導体の単結晶の製造方法について説明した。第2の実施形態では、そのIII 族窒化物半導体の単結晶を自立基板として用いた半導体素子について説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, a method for producing a single crystal of a Group III nitride semiconductor has been described. In the second embodiment, a semiconductor device using the single crystal of the Group III nitride semiconductor as a free-standing substrate will be described.

1.縦型構造の半導体素子
本実施形態に係るパワー素子100を図10に示す。パワー素子100は、縦型構造の半導体装置である。パワー素子100は、図10中の下側に示すように、ドレイン電極D1と、図10中の上側に示すように、ゲート電極G1と、ソース電極S1とを有している。
1. Vertical-structure semiconductor element A power element 100 according to this embodiment is shown in Fig. 10. The power element 100 is a semiconductor device with a vertical structure. The power element 100 has a drain electrode D1 as shown in the lower part of Fig. 10, and a gate electrode G1 and a source electrode S1 as shown in the upper part of Fig. 10.

パワー素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。パワー素子100は、上記の電極の他に、図10に示すように、基板110と、n型層120と、p型層130と、n型層140と、絶縁膜150と、を有している。n型層120は、基板110の側から順に、n+ GaN層121と、n- GaN層122と、を有している。ソース電極S1は、n型層140とコンタクトしている。ドレイン電極D1は、基板110とコンタクトしている。 The power element 100 has a plurality of semiconductor layers made of Group III nitride semiconductors. In addition to the electrodes described above, the power element 100 has a substrate 110, an n-type layer 120, a p-type layer 130, an n-type layer 140, and an insulating film 150, as shown in Fig. 10. The n-type layer 120 has, in order from the substrate 110 side, an n + GaN layer 121 and an n - GaN layer 122. The source electrode S1 is in contact with the n-type layer 140. The drain electrode D1 is in contact with the substrate 110.

2.自立基板の製造方法
基板110は、第1の実施形態の結晶CRから作製された自立基板である。ここで、自立基板とは、円板状のもの(ウエハ)の他、素子分離後のものも含むものとする。そのために、結晶CRからサファイア基板11等を取り外す。この取り外しには、レーザーリフトオフ法など、公知の技術を用いてもよい。そして、単結晶CR1の両面を研磨等の加工をすることにより、基板110が得られる。また、この基板110に、凹凸形状等を形成することとしてもよい。また、両面を研磨したものでなくとも、両面のうちの少なくとも一方の面を研磨したものであってもよい。また、基板110は、結晶成長工程の後の冷却中の熱ひずみを利用して剥離させたものであってもよい。
2. Method for manufacturing a free-standing substrate The substrate 110 is a free-standing substrate made from the crystal CR of the first embodiment. Here, the free-standing substrate includes a disk-shaped one (wafer) as well as one after element separation. For this purpose, the sapphire substrate 11 and the like are removed from the crystal CR. This removal may be performed using a known technique such as a laser lift-off method. Then, the substrate 110 is obtained by processing both sides of the single crystal CR1, such as polishing. In addition, the substrate 110 may be formed with an uneven shape or the like. In addition, both sides may not be polished, and at least one of the two sides may be polished. In addition, the substrate 110 may be peeled off by utilizing thermal strain during cooling after the crystal growth process.

3.半導体素子の製造方法
MOCVD法等により、上記の自立基板の上にIII 族窒化物半導体の各層を成長させる。次に、エッチング技術を用いて半導体にトレンチを形成する。また、半導体に絶縁膜および電極を形成する。そして、各チップに分割する。
3. Manufacturing method of semiconductor device Each layer of a group III nitride semiconductor is grown on the above-mentioned free-standing substrate by MOCVD or the like. Next, a trench is formed in the semiconductor by etching technology. Also, an insulating film and an electrode are formed on the semiconductor. Then, the semiconductor is divided into each chip.

4.変形例
4-1.横型構造の半導体装置
本実施形態の半導体装置は、縦型構造の半導体装置である。しかし、本実施形態の自立基板を、図11に示すような横型構造の半導体装置200について適用してもよい。図11の半導体装置200は、HFETである。半導体装置200は、基板210と、バッファ層220と、第1キャリア走行層230と、第2キャリア走行層240と、キャリア供給層250と、絶縁膜260と、ドレイン電極D2と、ソース電極S2と、ゲート電極G2と、を有している。ここで、基板210は、単結晶CR1を加工したものである。
4. Modification 4-1. Semiconductor device with horizontal structure The semiconductor device of this embodiment is a semiconductor device with a vertical structure. However, the free-standing substrate of this embodiment may be applied to a semiconductor device 200 with a horizontal structure as shown in FIG. 11. The semiconductor device 200 of FIG. 11 is an HFET. The semiconductor device 200 has a substrate 210, a buffer layer 220, a first carrier travel layer 230, a second carrier travel layer 240, a carrier supply layer 250, an insulating film 260, a drain electrode D2, a source electrode S2, and a gate electrode G2. Here, the substrate 210 is a processed single crystal CR1.

4-2.半導体発光素子
また、図12に示すような半導体発光素子300について適用してもよい。以上説明したように、第1の実施形態の製造方法により得られた単結晶CR1を種々の半導体装置に適用することができる。半導体発光素子300は、基板310と、半導体層と、p電極P3と、n電極N3と、を有している。ここで、基板310は、単結晶CR1を加工したものである。
4-2. Semiconductor Light Emitting Element The present invention may also be applied to a semiconductor light emitting element 300 as shown in FIG. 12. As described above, the single crystal CR1 obtained by the manufacturing method of the first embodiment can be applied to various semiconductor devices. The semiconductor light emitting element 300 has a substrate 310, a semiconductor layer, a p-electrode P3, and an n-electrode N3. Here, the substrate 310 is obtained by processing the single crystal CR1.

半導体層は、基板310の主面の上から、バッファ層320と、n型コンタクト層330と、n型静電耐圧層340と、n型クラッド層350と、発光層360と、p型クラッド層370と、p型コンタクト層380とを、この順序で配置されるように形成されたものである。p電極P3は、p型コンタクト層380と接触している。n電極N3は、n型コンタクト層330と接触している。 The semiconductor layer is formed by arranging, from above the main surface of the substrate 310, a buffer layer 320, an n-type contact layer 330, an n-type electrostatic breakdown voltage layer 340, an n-type cladding layer 350, a light-emitting layer 360, a p-type cladding layer 370, and a p-type contact layer 380 in this order. The p-electrode P3 is in contact with the p-type contact layer 380. The n-electrode N3 is in contact with the n-type contact layer 330.

(実験)
1.実験方法
製造装置A1を用いてGaN単結晶を製造した。種結晶は、サファイア基板の上にGaN層を形成したものである。コールドトラップ2300の温度を変えて、反りの発生量または雑晶の発生量との間の関係を調べた。なお、膨張タンク2500の温度は400℃であった。
(experiment)
1. Experimental Method GaN single crystals were produced using the production device A1. The seed crystal was a GaN layer formed on a sapphire substrate. The temperature of the cold trap 2300 was changed to investigate the relationship between the amount of warping or the amount of miscellaneous crystals. The temperature of the expansion tank 2500 was 400°C.

2.実験結果
図13は、コールドトラップ2300の温度と反りと雑晶との間の関係を示すグラフである。図13の横軸はコールドトラップの温度である。図13の縦軸は反りまたは雑晶の発生量である。反りは、曲率半径の逆数(1/m)で表される。雑晶の発生量は、雑晶の重さ(g)である。
2. Experimental Results Figure 13 is a graph showing the relationship between the temperature of the cold trap 2300, warpage, and miscellaneous crystals. The horizontal axis of Figure 13 is the temperature of the cold trap. The vertical axis of Figure 13 is the amount of warpage or miscellaneous crystals. Warpage is expressed as the reciprocal of the radius of curvature (1/m). The amount of miscellaneous crystals is the weight of the miscellaneous crystals (g).

図13に示すように、コールドトラップ2300の温度が高いほど、反りは大きく、雑晶の重量は小さくなる。つまり、反りを考慮すると、コールドトラップ2300の温度は低いほうがよく、雑晶の発生量を考慮すると、コールドトラップ2300の温度は高いほうがよい。つまり、反りの大きさと雑晶の発生量とはトレードオフの関係にある。 As shown in FIG. 13, the higher the temperature of the cold trap 2300, the greater the warping and the smaller the weight of the miscellaneous crystals. In other words, when considering warping, it is better for the temperature of the cold trap 2300 to be lower, and when considering the amount of miscellaneous crystals generated, it is better for the temperature of the cold trap 2300 to be higher. In other words, there is a trade-off between the magnitude of warping and the amount of miscellaneous crystals generated.

コールドトラップ2300の温度が120℃以上300℃以下の場合(図13の領域R1)には、半導体の反りと雑晶の発生量との少なくとも一方が抑制されている。領域R1では、反りがおよそ0.4/m以下であり、雑晶の発生量がおよそ8g以下である。 When the temperature of the cold trap 2300 is between 120°C and 300°C (region R1 in FIG. 13), at least one of the warping of the semiconductor and the amount of miscellaneous crystals generated is suppressed. In region R1, the warping is approximately 0.4/m or less, and the amount of miscellaneous crystals generated is approximately 8 g or less.

コールドトラップ2300の温度が120℃以上230℃以下の場合(図13の領域R2)には、反りはおよそ0.3/m以下である。このように、半導体の反りが抑制されている。 When the temperature of the cold trap 2300 is between 120°C and 230°C (region R2 in Figure 13), the warpage is approximately 0.3/m or less. In this way, the warpage of the semiconductor is suppressed.

コールドトラップ2300の温度が180℃以上300℃以下の場合(図13の領域R3)には、雑晶の発生量はおよそ2g以下である。このように、雑晶の発生量が抑制されている。 When the temperature of the cold trap 2300 is between 180°C and 300°C (region R3 in Figure 13), the amount of miscellaneous crystals generated is approximately 2 g or less. In this way, the amount of miscellaneous crystals generated is suppressed.

コールドトラップ2300の温度が180℃以上230℃以下の場合(図13の領域R4)には、半導体の反りが0.3/m以下であるとともに、雑晶の発生量が2g以下である。このように、半導体の反りおよび雑晶の発生量が抑制されている。 When the temperature of the cold trap 2300 is 180°C or higher and 230°C or lower (region R4 in FIG. 13), the warpage of the semiconductor is 0.3/m or less, and the amount of miscellaneous crystals generated is 2 g or less. In this way, the warpage of the semiconductor and the amount of miscellaneous crystals generated are suppressed.

半導体の反りが小さいほど、半導体中の転位密度が減少する傾向がある。そのため、半導体の反りが小さいほど、半導体の結晶性はよい。また、反りの小さい結晶ほど加工により平坦化させやすく、ウエハのオフ角分布を小さくできる。ただし、半導体の反りがある程度あると、種結晶から半導体単結晶を取り外しやすい。 The smaller the warp of a semiconductor, the lower the dislocation density in the semiconductor tends to be. Therefore, the smaller the warp of a semiconductor, the better the crystallinity of the semiconductor. Also, crystals with smaller warp are easier to flatten through processing, and the off-angle distribution of the wafer can be reduced. However, if the semiconductor has a certain degree of warp, it is easier to remove the semiconductor single crystal from the seed crystal.

なお、雑晶が多いと、III 族窒化物半導体の結晶性が悪くなるおそれがある。つまり、III 族窒化物半導体の歩留りが低下するおそれがある。そのため、一般に、雑晶の発生量は少なければ少ないほどよい。しかし、所望の品質の半導体結晶を得るために、あえて雑晶が発生する条件を選択することも可能である。 If there are a lot of miscellaneous crystals, the crystallinity of the Group III nitride semiconductor may deteriorate. In other words, there is a risk of the yield of the Group III nitride semiconductor decreasing. Therefore, generally, the fewer the amount of miscellaneous crystals, the better. However, in order to obtain semiconductor crystals of the desired quality, it is also possible to deliberately select conditions that will cause miscellaneous crystals to occur.

(付記)
第1の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法である。この製造方法は、Na循環装置を用いてNa材料のNa純度を制御するNa純度制御工程と、坩堝の内部にNa材料とGa材料と種結晶とを入れて種結晶の上にIII 族窒化物半導体を成長させる半導体成長工程と、を有する。Na循環装置は、Na材料を液体状にして流す循環経路を有する。循環経路は、Na純度制御部と、配管と、を有する。Na純度制御工程では、Na純度制御部の温度を120℃以上300℃以下とする。
(Additional Note)
The method for producing a Group III nitride semiconductor single crystal in the first aspect is a method for producing a Group III nitride semiconductor single crystal by growing a Group III nitride semiconductor by a flux method. This production method includes a Na purity control step of controlling the Na purity of a Na material using a Na circulation device, and a semiconductor growth step of putting a Na material, a Ga material, and a seed crystal in a crucible and growing a Group III nitride semiconductor on the seed crystal. The Na circulation device has a circulation path for liquidizing the Na material and causing it to flow. The circulation path includes a Na purity control unit and piping. In the Na purity control step, the temperature of the Na purity control unit is set to 120° C. or more and 300° C. or less.

第2の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法においては、Na循環経路は、Na貯蔵部を有する。Na貯蔵部および配管の温度は、Na純度制御部の温度より高い。 In the second embodiment of the method for producing a Group III nitride semiconductor single crystal, the Na circulation path has a Na storage section. The temperature of the Na storage section and the piping is higher than the temperature of the Na purity control section.

第3の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法においては、Na純度制御工程の後に、Na循環装置から液体状のNa材料を計量しつつ保持室の内部の容器に注ぐ。 In the third aspect of the method for producing a Group III nitride semiconductor single crystal, after the Na purity control step, the liquid Na material is poured into a container inside the holding chamber while being measured from the Na circulation device.

第4の態様におけるIII 族窒化物半導体単結晶の製造方法においては、半導体成長工程で成長させたIII 族窒化物半導体を種結晶として用い、その種結晶の上にIII 族窒化物半導体を再成長させる。 In the fourth aspect of the method for producing a Group III nitride semiconductor single crystal, the Group III nitride semiconductor grown in the semiconductor growth step is used as a seed crystal, and the Group III nitride semiconductor is regrown on the seed crystal.

第5の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、フラックス法によりIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体素子の製造方法である。この製造方法は、Na循環装置を用いてNa材料のNa純度を制御するNa純度制御工程と、坩堝の内部にNa材料とGa材料と種結晶とを入れて種結晶の上にIII 族窒化物半導体を成長させる半導体成長工程と、を有する。Na循環装置は、Na材料を液体状にして流す循環経路を有する。循環経路は、Na純度制御部と、配管と、を有する。Na純度制御工程では、Na純度制御部の温度を120℃以上300℃以下とする。 The method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device in the fifth aspect is a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device in which a Group III nitride semiconductor is grown by a flux method. This manufacturing method includes a Na purity control step of controlling the Na purity of a Na material using a Na circulation device, and a semiconductor growth step of placing a Na material, a Ga material, and a seed crystal inside a crucible and growing a Group III nitride semiconductor on the seed crystal. The Na circulation device has a circulation path that liquidizes the Na material and flows it. The circulation path has a Na purity control unit and piping. In the Na purity control step, the temperature of the Na purity control unit is set to 120°C or higher and 300°C or lower.

第6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、Na純度制御工程の後に、Na循環装置から液体状のNa材料を計量しつつ保持室の内部の容器に注ぐ。 In the sixth aspect of the method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device, after the Na purity control step, the liquid Na material is poured into a container inside the holding chamber while being measured from the Na circulation device.

CR…結晶
CR1…単結晶
10…テンプレート
11…サファイア基板
12…バッファ層
13…GaN層
GB…グローブボックス
100…パワー素子
200…半導体装置
300…半導体発光素子
1000…結晶成長装置
2000…Na循環装置
CR... crystal CR1... single crystal 10... template 11... sapphire substrate 12... buffer layer 13... GaN layer GB... glove box 100... power element 200... semiconductor device 300... semiconductor light emitting element 1000... crystal growth device 2000... Na circulation device

Claims (6)

III 族金属とフラックスとを混合した混合融液に窒素を含むガスを炉内に供給して種基板上にIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記炉の外部において、前記フラックスであるNaに含まれる酸素原子を除去することによりNa中の酸素濃度を制御して、その酸素濃度の制御されたNaを前記炉内に供給し、
前記酸素濃度により前記種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反り又は雑晶の発生を制御し、
前記種基板上に成長する結晶成長初期のIII 族窒化物半導体のグレインの大きさについて、前記Na中の前記酸素濃度を少なくして前記グレインを大きくし、前記種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反りが小さくなるように制御し、前記酸素濃度を多くして前記グレインを小さくし、発生する雑晶を少なく制御することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
1. A method for producing a Group III nitride semiconductor, comprising: supplying a nitrogen-containing gas into a furnace to a mixed melt of a Group III metal and a flux to grow a Group III nitride semiconductor on a seed substrate,
Outside the furnace, oxygen atoms contained in the Na flux are removed to control the oxygen concentration in the Na flux, and the Na flux having the controlled oxygen concentration is supplied into the furnace;
the oxygen concentration controls the occurrence of warpage or miscellaneous crystals in the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate ;
a grain size of the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate in an initial stage of crystal growth is controlled by decreasing the oxygen concentration in the Na to increase the grain size so as to reduce warping of the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate, and by increasing the oxygen concentration to decrease the grain size so as to reduce the amount of miscellaneous crystals generated .
III 族金属とフラックスとを混合した混合融液に窒素を含むガスを炉内に供給して種基板上にIII 族窒化物半導体を成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記炉の外部において、前記フラックスであるNaに含まれる酸素原子を除去することによりNa中の酸素濃度を制御して、その酸素濃度の制御されたNaを前記炉内に供給し、
前記酸素濃度により前記種基板上に成長するIII 族窒化物半導体の反り又は雑晶の発生を制御し、
前記Naを液化させたNa融液を、第1温度に保持した第1状態と前記第1温度よりも低い第2温度に保持した第2状態とを循環させて、前記第2状態のNa融液の酸素を除去し、前記第2温度の制御により前記Naに含まれる前記酸素濃度を制御する
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
1. A method for producing a Group III nitride semiconductor, comprising: supplying a nitrogen-containing gas into a furnace to a mixed melt of a Group III metal and a flux to grow a Group III nitride semiconductor on a seed substrate,
Outside the furnace, oxygen atoms contained in the Na flux are removed to control the oxygen concentration in the Na flux, and the Na flux having the controlled oxygen concentration is supplied into the furnace;
controlling the occurrence of warpage or miscellaneous crystals in the Group III nitride semiconductor grown on the seed substrate by adjusting the oxygen concentration;
a Na melt obtained by liquefying the Na is circulated between a first state in which the Na melt is held at a first temperature and a second state in which the Na melt is held at a second temperature lower than the first temperature, thereby removing oxygen from the Na melt in the second state, and controlling the oxygen concentration contained in the Na by controlling the second temperature.
前記酸素濃度の制御されたNaはNa液体であり、このNa液体を坩堝に入れて、そのNa液体の表面に前記種基板を置いて、その坩堝を前記炉内に設けて、前記III 族窒化物半導体を成長させる
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
3. The method for producing a Group III nitride semiconductor according to claim 1 or 2, characterized in that the Na with the controlled oxygen concentration is a Na liquid, the Na liquid is placed in a crucible, the seed substrate is placed on a surface of the Na liquid, and the crucible is placed in the furnace to grow the Group III nitride semiconductor.
前記第2温度は、120℃以上300℃以下の範囲の値に制御される
ことを特徴とする請求項2に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
3. The method for producing a Group III nitride semiconductor according to claim 2 , wherein the second temperature is controlled to a value in the range of 120° C. to 300° C.
前記第2温度は、180℃以上230℃以下の範囲の値に制御される
ことを特徴とする請求項2に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
3. The method for producing a Group III nitride semiconductor according to claim 2 , wherein the second temperature is controlled to a value in the range of 180° C. to 230° C.
前記酸素濃度を制御するためのNa融液の循環は、前記Naを液体状にして流す循環経路を有したNa循環装置を用いて行い、
前記循環経路は、Na貯蔵部と、前記第2温度に設定されるNa純度制御部と、配管と、を有し、
前記Na貯蔵部および前記配管の温度は、前記Na純度制御部の温度より高い
ことを特徴とする請求項2ないし請求項5の何れか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
The circulation of the Na melt for controlling the oxygen concentration is carried out using a Na circulation device having a circulation path for making the Na liquid and flowing it;
The circulation path includes a Na storage unit, a Na purity control unit set to the second temperature, and a pipe;
6. The method for producing a Group III nitride semiconductor according to claim 2, wherein the temperatures of the Na storage unit and the piping are higher than the temperature of the Na purity control unit.
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