特開 2022-139024 ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法および製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022139024

(43)【公開日】2022-09-26

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法および製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20220915BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20220915BHJP

   C30B 25/02 20060101ALI20220915BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C30B29/38 D

C30B25/02 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021039226

(22)【出願日】2021-03-11

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】鰍場 真樹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 圭

(72)【発明者】

【氏名】堀 勝

(72)【発明者】

【氏名】小田 修

(72)【発明者】

【氏名】児玉 和樹

【テーマコード（参考）】

4G077

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BE15

4G077DB08

4G077DB16

4G077EA01

4G077EA05

4G077ED06

4G077EG03

4G077EG21

4G077TA04

4G077TA07

4G077TB05

4G077TB07

4G077TC06

4G077TC08

4G077TG06

4G077TK01

5F045AA04

5F045AA08

5F045AB09

5F045AB14

5F045AC08

5F045AC09

5F045AC15

5F045AD12

5F045AD13

5F045AD14

5F045AE19

5F045AE21

5F045DP03

5F045DP28

5F045EF03

5F045EH18

5F045EK07

5F045EM10

(57)【要約】

【課題】炭素の含有量が小さいＩＩＩ族窒化物半導体を製造できる技術を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は搬入工程Ｓ１と減圧工程Ｓ２と加熱工程Ｓ３と励起ガス供給工程Ｓ５と有機金属ガス供給工程Ｓ６とを備える。搬入工程Ｓ１では、チャンバ内に基板を搬入する。減圧工程Ｓ２では、吸引部がチャンバ内の圧力を低下させる。加熱工程Ｓ３では、チャンバ内に設けられたヒータが基板を加熱する。励起ガス供給工程Ｓ５では、水素を含まず窒素を含んだ第１ガスをプラズマ発生部に供給し、プラズマ発生部が第１ガスをプラズマ化させた励起ガスを、チャンバ内の基板に供給する。有機金属ガス供給工程Ｓ６では、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである第２ガスをチャンバ内の基板に供給する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
チャンバ内に基板を搬入する搬入工程と、
吸引部が前記チャンバ内の圧力を低下させる減圧工程と、
前記チャンバ内に設けられたヒータが前記基板を加熱する加熱工程と、
水素を含まず窒素ガスを含んだ第１ガスをプラズマ発生部に供給し、前記プラズマ発生部が前記第１ガスをプラズマ化させた励起ガスを、前記チャンバ内の前記基板に供給する励起ガス供給工程と、
ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである第２ガスを前記チャンバ内の前記基板に供給する有機金属ガス供給工程と
を備える、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
前記第２ガスの流量に対する窒素ラジカルの密度の比率は１以上かつ１０以下である、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。

【請求項3】

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であって、
前記加熱工程において、基板の温度を８００℃以上かつ１０００℃以下に加熱する、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
前記第２ガスは、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムもしくはトリスジメチルアミドガリウムを含む、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
前記減圧工程において、前記チャンバ内の圧力を１００Ｐａ以上かつ５００Ｐａ以下に低下させる、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。

【請求項6】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、基板を保持する基板保持部と、
前記チャンバ内の圧力を低下させる吸引部と、
前記チャンバ内に設けられ、前記基板を加熱するヒータと、
水素を含まずに窒素ガスを含む第１ガスを供給する第１ガス供給部と、
前記第１ガス供給部から供給された前記第１ガスをプラズマ化させて生成した励起ガスを、前記チャンバ内の前記基板に供給するプラズマ発生部と、
ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである第２ガスを前記チャンバ内の前記基板に供給する第２ガス供給部と
を備える、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法および製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、有機金属気相成長法により、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を基板に形成する技術が提案されている。有機金属気相成長法では、一般的に大気圧近傍で基板を加熱し、ガリウム源としての有機金属ガス（例えばトリメチルガリウム）、および、窒素源としてのアンモニア（ＮＨ_３）ガスを基板に供給し、熱分解により発生したガリウムと窒素とで基板の上に窒化ガリウム膜を成長させる。

【0003】

このような製造方法では、アンモニアガスを熱分解させる必要があり、その熱分解のためには１１００℃以上の高温が必要となる。温度が高くなると熱により基板にストレスがかかって、膜にクラックが生じる可能性が高くなる。よって、デバイスの歩留まりの低下を招く。

【0004】

そこで、プラズマを利用した有機金属気相成長法が提案されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に記載の製造装置では、チャンバ内において、窒素（Ｎ_２）ガスおよび水素（Ｈ_２）ガスの混合ガスをプラズマ化させつつ、チャンバ内にＩＩＩ族元素の有機金属ガスを供給する。これによれば、窒素源としてのアンモニアガスを熱分解する必要性がないので、比較的低温で基板にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６５１６４８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の技術では、低温でＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成することができる一方で、温度が低くなると、半導体膜の内部により多くの炭素が取り込まれてしまうという問題があった。半導体膜中の炭素の含有量が大きくなると、半導体膜のバルク移動度が低下してしまい、膜質が低下してしまう。

【0007】

そこで、本願は、炭素の含有量が小さいＩＩＩ族窒化物半導体を製造できる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１の態様は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、チャンバ内に基板を搬入する搬入工程と、吸引部が前記チャンバ内の圧力を低下させる減圧工程と、前記チャンバ内に設けられたヒータが前記基板を加熱する加熱工程と、水素を含まず窒素ガスを含んだ第１ガスをプラズマ発生部に供給し、前記プラズマ発生部が前記第１ガスをプラズマ化させた励起ガスを、前記チャンバ内の前記基板に供給する励起ガス供給工程と、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである第２ガスを前記チャンバ内の前記基板に供給する有機金属ガス供給工程とを備える。

【0009】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第２の態様は、第１の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記第２ガスの流量に対する窒素ラジカルの密度の比率は１以上かつ１０以下である。

【0010】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第３の態様は、第１または第２の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記加熱工程において、基板の温度を８００℃以上かつ１０００℃以下に加熱する。

【0011】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第４の態様は、第１から第３のいずれか一つの態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記第２ガスは、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムもしくはトリスジメチルアミドガリウムを含む。

【0012】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第５の態様は、第１から第４のいずれか一つの態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、前記減圧工程において、前記チャンバ内の圧力を１００Ｐａ以上かつ５００Ｐａ以下に低下させる。

【0013】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置の第１の態様は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置であって、チャンバと、前記チャンバ内に設けられ、基板を保持する基板保持部と、前記チャンバ内の圧力を低下させる吸引部と、前記チャンバ内に設けられ、前記基板を加熱するヒータと、水素を含まずに窒素ガスを含む第１ガスを供給する第１ガス供給部と、前記第１ガス供給部から供給された前記第１ガスをプラズマ化させて生成した励起ガスを、前記チャンバ内の前記基板に供給するプラズマ発生部と、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである第２ガスを前記チャンバ内の前記基板に供給する第２ガス供給部とを備える。

【発明の効果】

【0014】

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法および製造装置によれば、水素がプラズマ化しないので、第２ガスと水素との反応を抑制でき、メタン系の生成を抑制できる。メタン系はＩＩＩ族窒化物半導体に取り込まれやすく、当該半導体における炭素の含有量を増加させるのに対して、メタン系の生成を抑制できるので、当該半導体における炭素の含有量を低減させることができる。言い換えれば、炭素含有量が小さいＩＩＩ族窒化物半導体を基板に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置の構成の一例を概略的に示す図である。

【図2】制御部の内部構成の一例を示すブロック図である。

【図3】ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一例を示すフローチャートである。

【図4】半導体膜中の炭素の濃度の分布の一例を示すグラフである。

【図5】比較例に係る半導体膜中の炭素の濃度の分布の一例を示すグラフである。

【図6】第２ガスの流量と半導体膜中の炭素の濃度との関係の一例を示すグラフである。

【図7】第２ガスの流量に対する窒素ラジカルの密度の比率と、半導体膜中の炭素の濃度との関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付の図面を参照しながら、実施の形態について説明する。なお、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本開示の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法または数が誇張または簡略化して図示されている場合がある。

【0017】

相対的または絶対的な位置関係を示す表現（例えば「一方向に」「一方向に沿って」「平行」「直交」「中心」「同心」「同軸」など）は、特に断らない限り、その位置関係を厳密に表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる範囲で相対的に角度または距離に関して変位された状態も表すものとする。等しい状態であることを示す表現（例えば「同一」「等しい」「均質」など）は、特に断らない限り、定量的に厳密に等しい状態を表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる差が存在する状態も表すものとする。形状を示す表現（例えば、「四角形状」または「円筒形状」など）は、特に断らない限り、幾何学的に厳密にその形状を表すのみならず、同程度の効果が得られる範囲で、例えば凹凸または面取りなどを有する形状も表すものとする。一の構成要素を「備える」「具える」「具備する」「含む」または「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的表現ではない。「Ａ，ＢおよびＣの少なくともいずれか一つ」という表現は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ，ＢおよびＣのうち任意の２つ、ならびに、Ａ，ＢおよびＣの全てを含む。

【0018】

＜製造装置の概要＞
図１は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置１００の構成の一例を概略的に示す図である。この製造装置１００は、プラズマを利用した有機金属気相成長法によって、基板Ｗの主面にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する成膜装置である。

【0019】

基板Ｗは、例えばサファイア等の基板である。基板Ｗは例えば円板形状を有する。この基板Ｗの主面にはＩＩＩ族窒化物半導体膜が結晶成長することから、基板Ｗは成長基板とも呼ばれる。なお、基板Ｗの材質および形状はこれらに限らず、適宜に変更し得る。

【0020】

製造装置１００はチャンバ１と基板保持部２と第１ガス供給部３とプラズマ発生部４と第２ガス供給部５と吸引部６とヒータ７と制御部９とを含んでいる。以下、各構成を概説した後に、その具体的な一例について詳述する。

【0021】

チャンバ１は箱形の中空形状を有している。チャンバ１の内部空間は、基板Ｗに対する成膜処理を行う処理空間に相当する。チャンバ１は真空チャンバとも呼ばれ得る。

【0022】

基板保持部２はチャンバ１内に設けられる。基板保持部２は基板Ｗを水平姿勢で保持する。ここでいう水平姿勢とは、基板Ｗの厚み方向が鉛直方向に沿う姿勢である。

【0023】

吸引部６はチャンバ１内のガスを吸引してチャンバ１内の圧力を低下させる。吸引部６はチャンバ１内の圧力を、成膜処理に適した所定の減圧範囲内に調整する。

【0024】

ヒータ７はチャンバ１内に設けられており、基板Ｗを加熱する。具体的には、ヒータ７は基板Ｗの温度が成膜処理に適した温度範囲となるように、基板Ｗを加熱する。

【0025】

第１ガス供給部３は第１ガスをプラズマ発生部４に供給する。第１ガスは、水素を含まず窒素を含むガスである。第１ガスは窒素ガスのみを含んでもよい。

【0026】

プラズマ発生部４は第１ガスの少なくとも一部をプラズマ化させる。これにより、反応性の高い窒素のイオンまたは中性ラジカル等の活性種が生成される。以下では、第１ガスがプラズマ化されて得られるガスおよびプラズマをまとめて励起ガスとも呼ぶ。励起ガスには、窒素の活性種および窒素ガスが含まれる。図１の例では、プラズマ発生部４はプラズマ室４ａを有しており、第１ガスはプラズマ室４ａにおいてプラズマ化する。励起ガスはプラズマ室４ａから流出し、チャンバ１内を基板Ｗに向かって流れる。これにより、励起ガスがチャンバ１内の基板Ｗに供給される。

【0027】

第２ガス供給部５は第２ガスをチャンバ１内の基板Ｗに供給する。第２ガスは、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガスである。ＩＩＩ族元素は第１３族元素とも呼ばれる。ＩＩＩ族元素は例えばガリウムであり、この場合、第２ガスとしては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）もしくはＴＤＭＡＧ（トリスジメチルアミドガリウム）を採用することができる。

【0028】

制御部９は製造装置１００の全体を統括的に制御する。例えば制御部９は、基板保持部２、第１ガス供給部３、プラズマ発生部４、第２ガス供給部５、吸引部６およびヒータ７を制御する。

【0029】

この製造装置１００によれば、プラズマ発生部４が第１ガスをプラズマ化させて、反応性の高い窒素の活性種を生成させる。この反応性の高い窒素の活性種が、加熱された基板Ｗの上面で、第２ガスから熱分解したＩＩＩ族元素と反応して、ＩＩＩ族窒化物半導体膜を基板Ｗの上面に形成する。ＩＩＩ族元素がガリウムである場合、ＩＩＩ族窒化物半導体膜として窒化ガリウム（ＧａＮ）膜が形成される。

【0030】

以上のように、製造装置１００によれば、熱による化学反応のみならず、プラズマ化による反応性の高い活性種を利用してＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する。よって、基板Ｗの温度を低くしても、基板Ｗの上面にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成することができる。したがって、基板のクラックを抑制し、歩留まりを向上させることができる。

【0031】

しかも、製造装置１００によれば、プラズマ化の対象であるガス（第１ガス）には水素が含まれていない。これによって、後に詳述するように、ＩＩＩ族窒化物半導体膜における炭素の含有量を低減させることができる。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体膜のバルク移動度を向上させることができ、その膜質を向上させることができる。

【0032】

以下では、各構成の具体的な一例および製造装置１００の具体的な動作の一例について詳述する。

【0033】

＜基板保持部＞
基板保持部２は基板Ｗを水平姿勢で保持する。図１の例では、基板保持部２はサセプタ２１とサセプタ保持部２２とを含んでいる。サセプタ２１は基板Ｗを載置するための台であり、例えば平板形状を有している。サセプタ２１は水平姿勢で設けられており、サセプタ２１の上面には基板Ｗが水平姿勢で載置される。サセプタ２１に載置された基板Ｗの上面はチャンバ１内で露出する。

【0034】

サセプタ保持部２２はチャンバ１内に設けられており、サセプタ２１を保持する。図１の例では、サセプタ保持部２２は保持台２２１と保持突部２２２とを含んでいる。保持台２２１はサセプタ２１よりも鉛直下方に設けられており、鉛直方向において間隔を空けてサセプタ２１と向かい合う。保持台２２１は例えば水平な上面を有しており、当該上面には保持突部２２２が立設される。例えば、保持突部２２２は複数設けられており、サセプタ２１の下面の周縁部に沿って並んで設けられる。保持突部２２２の先端はサセプタ２１に当接しており、サセプタ２１を支持または保持する。

【0035】

図１の例では、基板保持部２は回転機構２３をさらに備えている。回転機構２３はサセプタ保持部２２を回転軸線Ｑ１のまわりで回転させる。回転軸線Ｑ１は、基板Ｗの中心部を通り、かつ、鉛直方向に沿う軸である。回転機構２３は例えばシャフトとモータとを有する。シャフトの上端は保持台２２１の下面に連結される。シャフトは回転軸線Ｑ１に沿って延在し、回転軸線Ｑ１のまわりで回転可能にチャンバ１に軸支される。モータはシャフトを回転軸線Ｑ１のまわりで回転させる。これにより、サセプタ保持部２２、サセプタ２１および基板Ｗが回転軸線Ｑ１のまわりで一体に回転する。

【0036】

＜ヒータ＞
ヒータ７はチャンバ１内において、基板保持部２に保持された基板Ｗを加熱する。図１の例では、ヒータ７はサセプタ２１よりも鉛直下方に設けられており、サセプタ２１と鉛直方向において対向する。図１の例では、ヒータ７はサセプタ２１と保持台２２１との間であって、保持突部２２２よりも径方向内側に設けられている。ヒータ７は例えば電熱線を含む電気抵抗式のヒータであってもよく、あるいは、加熱用の光を照射する光源を含む光学式のヒータであってもよい。

【0037】

ここでは、ヒータ７は回転軸線Ｑ１のまわりで回転しないように設けられる。つまり、ヒータ７は非回転である。例えば、回転機構２３のシャフトは中空シャフトであり、ヒータ７は当該中空部を貫通する固定部材７１を介してチャンバ１に固定される。

【0038】

＜吸引部＞
吸引部６はチャンバ１内のガスを吸引する。図１の例では、吸引部６は吸引管６１と吸引機構６２とを含んでいる。吸引管６１の上流端はチャンバ１の排気口１ａに接続される。図１の例では、排気口１ａは、基板保持部２によって保持された基板Ｗよりも鉛直下方に形成されており、例えばチャンバ１の側壁に形成される。吸引機構６２は例えばポンプ（より具体的には、真空ポンプ）であって、吸引管６１に接続される。吸引機構６２は制御部９によって制御され、吸引管６１を通じてチャンバ１内のガスを吸引する。

【0039】

＜第１ガス供給部＞
第１ガス供給部３はプラズマ発生部４（より具体的には、プラズマ室４ａ）に第１ガスを供給する。図１の例では、第１ガス供給部３は供給管３１とバルブ３２と流量調整部３３とを含んでいる。供給管３１の下流端はプラズマ発生部４に接続されており、その上流端は第１ガス供給源３４に接続されている。第１ガス供給源３４は第１ガスを供給管３１の上流端に供給する。

【0040】

バルブ３２は供給管３１に介装される。バルブ３２は制御部９によって制御され、バルブ３２が開くことにより、第１ガス供給源３４から供給管３１を通じて第１ガスがプラズマ発生部４に供給される。バルブ３２が閉じることにより、第１ガスの供給が停止する。

【0041】

流量調整部３３は供給管３１に介装される。流量調整部３３は制御部９によって制御され、供給管３１を流れる第１ガスの流量を調整する。流量調整部３３は例えばマスフローコントローラである。

【0042】

＜プラズマ発生部＞
プラズマ発生部４は、第１ガス供給部３から供給された第１ガスをプラズマ化させる。図１の例では、プラズマ発生部４はチャンバ１の天井部に設けられている。プラズマ発生部４は導電部材４１とプラズマ用電源４３とを含む。導電部材４１はプラズマ室４ａ内に設けられ、導電部材４１にはプラズマ用電源４３が電気的に接続される。プラズマ用電源４３は制御部９によって制御され、プラズマ用の電圧（例えば高周波電圧）を導電部材４１に印加する。これにより、導電部材４１の周囲にはプラズマを生成するための電界（または磁界）が形成される。

【0043】

図１の例では、導電部材４１として電極４１１および電極４１２が示されている。電極４１１および電極４１２は水平方向において互いに間隔を空けて向かい合って設けられている。プラズマ用電源４３は電極４１１および電極４１２に電気的に接続されており、電極４１１と電極４１２との間にプラズマ生成用の電圧を印加する。プラズマ用電源４３は例えば高周波電圧を電極４１１と電極４１２との間に出力する。これにより、電極４１１と電極４１２との間の空間にはプラズマ生成用の電界が生じる。

【0044】

図１の例では、第１ガス供給部３の供給管３１の下流端はプラズマ室４ａの上部に接続されている。供給管３１から供給された第１ガスはプラズマ室４ａ内で電極４１１と電極４１２との間を鉛直下方に向かって流れるので、第１ガスには電極４１１と電極４１２との間においてプラズマ用の電界が印加される。これにより、第１ガスの少なくとも一部がプラズマ化し、窒素の活性種が生成される。この窒素の活性種を含む励起ガスはプラズマ室４ａを鉛直下方に沿って流出し、基板Ｗに向かって流れる。

【0045】

なお、図１の例では、プラズマ発生部４はいわゆる容量結合方式でプラズマを発生させているものの、誘導結合方式でプラズマを発生させてもよい。

【0046】

＜第２ガス供給部＞
第２ガス供給部５は第２ガスをチャンバ１内に供給する。図１の例では、第２ガス供給部５は吐出ノズル５１と供給管５２とバルブ５３と流量調整部５４とを含む。吐出ノズル５１はチャンバ１内に設けられている。図１の例では、吐出ノズル５１はプラズマ発生部４よりも鉛直下方かつ基板保持部２よりも鉛直上方に設けられており、基板保持部２に保持された基板Ｗに向けて第２ガスを吐出する。図１の例では、吐出ノズル５１は水平に延在する長尺状の形状を有しており、鉛直方向において基板保持部２と対向する。吐出ノズル５１は平面視において、例えば基板Ｗの径方向に沿って延在する。言い換えれば、吐出ノズル５１の長手方向は基板Ｗの径方向に沿う。図１の例では、吐出ノズル５１の先端が基板Ｗの中心部と鉛直方向において対向するように、吐出ノズル５１が設けられている。

【0047】

吐出ノズル５１には吐出口５１ａが形成されている。図１の例では複数の吐出口５１ａが吐出ノズル５１の長手方向に沿って間隔を空けて配列される。複数の吐出口５１ａは鉛直方向において基板Ｗと対向する位置に設けられており、各吐出口５１ａから基板Ｗの上面に向けて第２ガスが吐出される。

【0048】

第２ガスはプラズマ発生部４とは反対側の基板保持部２に向かって流れるので、第２ガスにはプラズマ発生部４の電界（または磁界）がほとんど印加されない。言い換えれば、吐出ノズル５１は、プラズマ発生部４の電界（または磁界）が実質的に印加されない程度の距離だけプラズマ発生部４から離れて設けられる。よって、第２ガスは実質的にはプラズマ化しない。

【0049】

吐出ノズル５１は供給管５２を介して第２ガス供給源５５に接続されている。つまり、供給管５２の下流端は吐出ノズル５１の上流端に接続され、供給管５２の上流端は第２ガス供給源５５に接続される。第２ガス供給源５５は供給管５２の上流端に第２ガスを供給する。

【0050】

バルブ５３は供給管５２に介装されており、制御部９によって制御される。バルブ５３が開くことにより、第２ガス供給源５５から供給管５２および吐出ノズル５１を通じて第２ガスがチャンバ１内に供給される。バルブ５３が閉じることにより、第２ガスの供給が停止する。

【0051】

流量調整部５４は供給管５２に介装される。流量調整部５４は制御部９によって制御され、供給管５２を流れる第２ガスの流量を調整する。流量調整部５４は例えばマスフローコントローラである。

【0052】

＜制御部＞
図２は、制御部９の構成の一例を概略的に示すブロック図である。制御部９は電子回路機器であって、例えばデータ処理装置９１および記憶媒体９２を有していてもよい。データ処理装置９１は例えばＣＰＵ（Central Processor Unit）などの演算処理装置であってもよい。記憶媒体９２は非一時的な記憶媒体９２１（例えばＲＯＭ（Read Only Memory）またはハードディスク）および一時的な記憶媒体９２２（例えばＲＡＭ（Random Access Memory））を有していてもよい。非一時的な記憶媒体９２１には、例えば制御部９が実行する処理を規定するプログラムが記憶されていてもよい。データ処理装置９１がこのプログラムを実行することにより、制御部９が、プログラムに規定された処理を実行することができる。もちろん、制御部９が実行する処理の一部または全部が、論理回路などのハードウェア回路によって実行されてもよい。

【0053】

＜ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置の動作＞
次にＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置１００の動作の一例について説明する。図３は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。言い換えれば、図３は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一例を示すフローチャートである。

【0054】

まず、不図示の搬送装置によって基板Ｗがチャンバ１内に搬送される（ステップＳ１：搬入工程）。

【0055】

次に、吸引部６がチャンバ１内のガスを吸引し、チャンバ１内の圧力を低下させる（ステップＳ２：減圧工程）。具体的には、制御部９は吸引機構６２に吸引動作を行わせる。これにより、チャンバ１内のガスが吸引管６１を通じて吸引機構６２に吸引され、チャンバ１内の圧力が低下する。吸引部６はチャンバ１内の圧力が成膜処理に適した所定のプロセス圧力となるように圧力を調整する。所定のプロセス圧力は例えば１００Ｐａ以上かつ５００Ｐａ以下である。吸引部６は成膜処理が終了するまで、チャンバ１内の圧力を調整する。

【0056】

次に、ヒータ７が基板Ｗを加熱する（ステップＳ３：加熱工程）。具体的には、制御部９はヒータ７に加熱動作を行わせる。ヒータ７は基板Ｗの温度が成膜処理に適した所定温度となるように基板Ｗの温度を調整する。所定温度は例えば８００℃以上かつ１０００℃以下である。ヒータ７は成膜処理が終了するまで、基板Ｗの温度を調整する。

【0057】

次に、基板保持部２が基板Ｗを回転軸線Ｑ１のまわりで回転させる（ステップＳ４：回転工程）。具体的には、制御部９は回転機構２３にサセプタ保持部２２を回転させる。これにより、サセプタ保持部２２、サセプタ２１および基板Ｗは回転軸線Ｑ１のまわりで一体に回転する。基板保持部２は成膜処理が終了するまで、基板Ｗを回転させる。

【0058】

次に、第１ガス供給部３が第１ガスをプラズマ発生部４に供給し、プラズマ発生部４が第１ガスをプラズマ化させて生成された励起ガスをチャンバ１内の基板Ｗに供給する（ステップＳ５：励起ガス供給工程）。具体的には、まず、制御部９がバルブ３２を開く。これにより、第１ガスが第１ガス供給源３４から供給管３１を通じてプラズマ発生部４に供給され、プラズマ発生部４を通過してチャンバ１内を基板Ｗに向かって流れる。ここでは、第１ガスは窒素ガスである。第１ガス供給部３は成膜処理が終了するまで窒素ガスを供給する。

【0059】

そして、制御部９がプラズマ用電源４３に高周波電圧を出力させる。これにより、電極４１１と電極４１２との間にプラズマ用の電界が生じる。窒素ガスが当該電界を通過することで、その少なくとも一部がプラズマ化する。この窒素ガスのプラズマ化により、窒素の活性種が生じ、当該活性種を含む励起ガスがプラズマ室４ａから流出して、チャンバ１内を基板Ｗの上面に向かって流れる。プラズマ発生部４は成膜処理が終了するまで窒素ガスをプラズマ化させる。

【0060】

次に、第２ガス供給部５が第２ガスをチャンバ１内に供給する（ステップＳ６：有機金属ガス供給工程）。例えば、プラズマ発生部４によるプラズマが安定した状態で、第２ガス供給部５が第２ガスの供給を開始する。具体的には、制御部９はバルブ５３を開く。これにより、第２ガスが第２ガス供給源５５から供給管５２および吐出ノズル５１を通じてチャンバ１内に供給され、基板Ｗの上面に向かって流れる。ここでは、第２ガスは、ＴＭＧ、ＴＥＧもしくはＴＤＭＡＧである。

【0061】

第２ガスが基板Ｗの上面で熱分解し、当該熱分解によって生成されたＩＩＩ族元素が窒素の活性種と反応することで、ＩＩＩ族窒化物半導体膜が基板Ｗの上面で結晶成長する。基板Ｗの上面に供給されたガスのうち、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の形成に寄与しなかった物質は、排気口１ａから外部に排出される。

【0062】

ここでは、基板保持部２が基板Ｗを回転軸線Ｑ１のまわりで回転させるので、より均一に基板Ｗの上面にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成することができる。

【0063】

基板Ｗの上面に所定の膜厚でＩＩＩ族窒化物半導体膜が形成されると、成膜処理を実質的に終了するために、第１ガスおよび第２ガスの供給、高周波電圧の出力（つまり、プラズマ化）、基板Ｗの回転、基板Ｗの加熱およびチャンバ１内の減圧を終了させる（ステップＳ７）。

【0064】

次に、搬送装置は基板Ｗをチャンバ１から搬出する（ステップＳ８：搬出工程）。例えば、搬送装置はサセプタ２１に載置された基板Ｗをチャンバ１から搬出する。

【0065】

以上のように、製造装置１００によれば、窒素の活性種と、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガス（第２ガス）とが基板Ｗの上面で互いに反応して、ＩＩＩ族窒化物半導体膜を基板Ｗの上面に形成する。つまり、成膜処理において熱以外のエネルギー（プラズマ）を活用していることから、基板Ｗの温度が１０００℃以下という比較的低温でも、基板Ｗの上面にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成することができる。

【0066】

しかも、製造装置１００においては、プラズマ化の対象となる第１ガスには水素が含まれていない。よって、水素と第２ガス（有機金属ガス）との反応によるメタン系の生成を抑制することができる。メタンはＩＩＩ族窒化物半導体に取り込まれやすいところ、当該メタンの生成を抑制することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体膜への炭素の取り込みを抑制することができる。つまり、炭素の含有量が小さいＩＩＩ族窒化物半導体膜を基板Ｗに形成することができる。したがって、バルク移動度が高く、膜質の優れたＩＩＩ族窒化物半導体膜を基板Ｗに形成することができる。

【0067】

図４および図５は、実験結果の一例を示すグラフであり、二次イオン質量分析法によって得られたＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の濃度分布を示している。横軸はＩＩＩ族窒化物半導体膜の表面からの深さを示しており、ゼロは当該半導体膜の表面を示している。縦軸は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の濃度を示している。図４は、水素を含まない第１ガスとして、窒素ガスのみを採用した場合の実験結果を示し、図５は、比較例として、第１ガスの替わりに窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスを採用した場合の実験結果を示している。つまり、図５は、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスがプラズマ発生部４に供給され、プラズマ発生部４が当該混合ガスをプラズマ化させた場合の実験結果を示している。図４では、窒素ガスの流量は２０００ｓｃｃｍであり、図５では、窒素ガスおよび水素ガスの流量はそれぞれ１９００ｓｃｃｍおよび１００ｓｃｃｍであった。

【0068】

図４および図５の比較から理解できるように、水素を含まない第１ガスが供給される場合には、水素ガスおよび窒素ガスの混合ガスが供給される場合に比べて、炭素の濃度を１桁以上低減させることができる。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体膜のバルク移動度を大きく向上させることができ、膜質を大きく向上させることができることが分かる。

【0069】

＜窒素の活性種および第２ガス（有機金属ガス）の供給量＞
次に、第２ガスの流量とＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の濃度との関係の関係について考察する。図６は、第２ガスの流量に対する炭素の濃度の関係を示すグラフである。ここでは、流量２０００ｓｃｃｍで窒素ガスのみを第１ガスとして供給した場合の実験結果を黒丸のプロット点で示している。また、比較例として、流量１９００ｓｃｃｍ，１００ｓｃｃｍで窒素ガスおよび水素ガスをそれぞれ供給した場合の実験結果を黒三角のプロット点で示し、流量１９５０ｓｃｃｍ，５０ｓｃｃｍで窒素ガスおよび水素ガスをそれぞれ供給した場合の実験結果を黒四角のプロット点で示している。

【0070】

図６から理解できるように、第１ガスの替わりに窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスを供給する場合には、第２ガス（有機金属ガス）の流量が増加するほど、炭素の濃度が増加する。これに対して、水素を含まない窒素ガスをプラズマ化させる場合、第２ガス（有機金属ガス）の流量の増加につれて炭素の濃度が一旦は低下しており、第２ガスの流量がさらに増加すると炭素の濃度が増加している。つまり、炭素の濃度は第２ガスの流量に対して下に凸の波形を有する。

【0071】

このような知見は本願によって初めて開示されるものである。当該知見によれば、プラズマ化の対象となる第１ガスが水素を含まない場合には、プラズマ化の対象となるガスが水素ガスを含む場合とは異なって、第２ガスの流量に好ましい範囲が存在することが分かる。つまり、第２ガスの流量には、ＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の含有量を低減させるためのより好ましい流量範囲が存在することが分かる。

【0072】

ところで、ＩＩＩ族窒化物半導体膜は窒素の活性種（ラジカル）と第２ガスとの反応によって形成されるので、第２ガスの流量のみを考慮するのではなく、窒素ラジカルも考慮する必要がある。そこで、第２ガスの流量（μｍｏｌ／分）に対する窒素ラジカルの密度（個数／ｃｍ^３）の比率を導入する。当該比率には、炭素の含有量を低減させるための好ましい範囲が存在すると考えられる。

【0073】

図７は、第２ガスの流量に対する窒素ラジカルの密度の比率と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の濃度との関係を示すグラフである。なお、窒素ラジカルの密度の測定は、基板Ｗの上面よりも１ｃｍだけ上方位置で行われた。

【0074】

図７に示すように、当該比率が増加すると炭素の濃度は一旦低下し、さらに当該比率が増加すると炭素の濃度は増加する。つまり、炭素の濃度は当該比率に対しても下に凸の波形を有する。このように、炭素の濃度が低下から増加に転じる理由は次のように考察される。すなわち、窒素ラジカルの密度が第２ガスの流量に対してある臨界値（およそ４程度）を超えて大きくなると、基板Ｗの上面において部分的に３次元方向に結晶成長が生じてしまい、基板Ｗの上面に凹凸が形成される。これにより、半導体膜の表面積が増加し、表面上の炭素の吸着サイトが増加してしまう。よって、より多くの炭素が吸着サイトに吸着し、結果として、半導体膜中の炭素の濃度が増加する、と考察される。

【0075】

図７に示すように、炭素の濃度は当該比率に対しても下に凸の波形を有しており、当該比率には、炭素の濃度を低減させるための好ましい比率範囲が存在することが分かる。ここで、好ましい比率範囲を決めるための炭素の濃度の指標として、水素ガスおよび窒素ガスの混合ガスを供給した場合の炭素の濃度を採用する。図６から理解できるように、水素ガスおよび窒素ガスの混合ガスを供給する場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体膜中の炭素の濃度は１０^２０よりも大きくなる。よって、当該指標には、１０^２０を採用することができる。

【0076】

図７を参照して、炭素の濃度を１０^２０以下とするためには、上記比率が１以上かつ１０以下であることが望ましい。つまり、制御部９は、当該比率が１以上かつ１０以下となるように、流量調整部３３による第１ガスの流量、流量調整部５４による第２ガスの流量およびプラズマ用電源４３の出力電圧を制御することが望ましい。

【0077】

また、図７のプロット点群において、比率の最小値および最大値はそれぞれ、およそ２および６である。よって、制御部９は、より望ましくは、当該比率が２以上かつ６以下となるように、流量調整部３３による第１ガスの流量、流量調整部５４による第２ガスの流量およびプラズマ用電源４３の出力電圧を制御するとよい。

【0078】

＜基板の温度＞
上述の例では、基板Ｗの温度が８００℃以上かつ１０００℃以下となるように、ヒータ７が基板Ｗを加熱する。この温度範囲では、ＩＩＩ族窒化物半導体に取り込まれやすいメタン系の生成量が小さく、ＩＩＩ族窒化物半導体の炭素の含有量を有効に低減させることができた。

【0079】

以上のように、このＩＩＩ族窒化物半導体の製造装置１００およびその製造方法は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この製造装置１００および製造方法がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

【符号の説明】

【0080】

１ チャンバ
２ 基板保持部
３ 第１ガス供給部
４ プラズマ発生部
５ 第２ガス供給部
６ 吸引部
７ ヒータ
Ｓ１ 搬入工程
Ｓ２ 減圧工程（ステップ）
Ｓ３ 加熱工程（ステップ）
Ｓ５ 第１ガス供給工程（ステップ）
Ｓ６ プラズマ工程（ステップ）
Ｓ７ 第２ガス供給工程（ステップ）
Ｗ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】