JP2010239145A

JP2010239145A - エピタキシャルウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2010239145A
Application number: JP2010129828A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yasutomi; 敬三安富
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP5510897B2

Abstract

【課題】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不足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。
【解決手段】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。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。
【選択図】図４

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１０−７００７６号公報特開平１１−２６０７３５号公報

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。

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。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するための方法として、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ことが考えられる。

このエピタキシャルウェーハの製造方法によると、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。

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の温度にて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、第一の温度よりも低い第二の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、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冷却工程と、をこの順序で実施することも考えられる。

このエピタキシャルウェーハの製造方法によると、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。

そして、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を特徴とする。

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。

そこで、上記本発明によると、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。

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。

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。

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）。

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考えられる。

このエピタキシャルウェーハの製造方法によると、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。

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。

本発明により製造されるエピタキシャルウェーハに基づいて得られるＨＥＭＴの一実施形態を示す模式図。本発明のエピタキシャルウェーハの製造工程の概略を説明する図。本発明の要旨に係る工程の、ガス供給及び温度制御形態の従来例を示す模式シーケンス図。本発明に関連する別発明の参考例１を示す模式シーケンス図。本発明に関連する別発明の参考例２を示す模式シーケンス図。本発明の第一例を示す模式シーケンス図。本発明の第二例を示す模式シーケンス図。本発明の第三例を示す模式シーケンス図。本発明に関連する別発明の参考例３を示す模式シーケンス図。本発明に関連する別発明の参考例４を示す模式シーケンス図。本発明の課題説明図。参考例１の効果説明図。参考例２の効果説明図。本発明の効果説明図。本発明の効果を確認するために行なった実験結果を示すグラフ。

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。

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（ＮＨ_３）；
・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。

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）。

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。

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。

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して、層厚が目減りすることにつながる。

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（参考例１）。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）。

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（参考例２）。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。

なお、上記参考例２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。

図６は、本発明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。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（参考例２との組み合わせ）。

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。

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（参考例３）。図１０は、図９にさらに参考例２及び本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。

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。

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。

１０３本体層
１０４表面薄層

Claims

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前記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、
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成長する本体層成長工程と、
前記本体層上に、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、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、をこの順序で実施するとともに、
前記冷却工程は、前記反応容器内の水素源となるガスの供給分圧を前記表面薄層成長工程よりも低く設定して実施す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。
前記冷却工程は、前記反応容器内の前記アンモニアガスの供給分圧を前記表面薄層成長工程よりも低く設定して実施することを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記キャリアガスの前記反応容器への供給を継続しつつ前記冷却工程を実施するとともに、該冷却工程において、前記キャリアガスの不活性ガス分圧を前記表面薄層成長工程よりも増加させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記表面薄層成長工程においては水素ガス分圧が不活性ガス分圧よりも大きいキャリアガスを使用し、前記冷却工程において前記水素ガスの分圧を減少させることを特徴とする請求項３に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記不活性ガスとして窒素ガスを用いることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。