AT521082A2 - Halbleiterwafer und Verfahren zur Herstellung des Halbleiterwafers - Google Patents

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AT521082A2
AT521082A2 ATA9292/2014A AT92922014A AT521082A2 AT 521082 A2 AT521082 A2 AT 521082A2 AT 92922014 A AT92922014 A AT 92922014A AT 521082 A2 AT521082 A2 AT 521082A2
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Abstract

Ein Halbleiterwafer schließt erste und zweite Übergitterschichten ein. Die erste Übergitterschicht beinhaltet die erste Einheitsschicht, von der jede erste und zweite Schichten beinhaltet, die zweite Übergitterschicht beinhaltet zweite Einheitsschichten, von der jede dritte und vierte Schichten beinhaltet, die erste Schicht ist aus AlxiGa1_x1N (0 < x1 ~ 1) gebildet, die zweite Schicht ist aus Aly1Ga1_y1N (0 ~ y1 < 1, x1 > y1) gebildet, die dritte Schicht besteht aus Alx2Ga1-x2N (0 < x2 ~ 1), die vierte Schicht besteht aus Aly2Ga1_y2N (0 ~ y2 < 1, x2 > y2), eine mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht unterscheidet sich von der der zweiten Übergitterschicht, und eine oder mehrere Schichten, ausgewählt aus den ersten und zweiten Übergitterschichten, enthalten Fremdatome, die die Durchschlagspannung verbessern und eine Konzentration von mehr als 7 x 1018 [Atome/cm3] aufweisen.

Description

Technisches Fachgebiet [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterwafer und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers.
Stand der Technik [0002] Es sind Verfahren zum Bilden von Nitrid-Halbleiterkristallschichten hoher Qualität auf Siliciumwafem zur Verwendung für Vorrichtungen mit hoher Durchschlagspannung erwünscht. Die nicht-Patentdruckschrift 1 offenbart eine Struktur, in der eine Pufferschicht, eine Ubergitterstruktur und eine Galliumnitridschicht in der angegebenen Reihenfolge auf der Silicium(lll)-Ebene angeordnet sind. Hier stellt die Galliumnitridschicht eine aktive Schicht eines Transistors bereit. Diese Struktur kann verringerten Verzug des Wafers durch das Vorhandensein der Übergitterstruktur erreichen und ist so insofern vorteilhaft, als eine relativ dicke Galliumnitridschicht leicht gebildet werden kann und eine NitridHalbleiterkristallschicht mit hoher Durchschlagspannung leicht erhalten werden kann. Wenn die Nitridhalbleiter-Kristallschicht dicker gemacht wird, um die Durchschlagspannung zu erhöhen, nimmt jedoch der Verzug des Wafers zu und kann den möglichen Bereich des Verzugs für den Herstellungsschritt der Vorrichtung überschreiten. Die in den Patentdruckschriften 1 und 2 offenbarten Verfahren sind zur Steuerung des Umfangs des Verzugs des Wafers bekannt.
[0003] Gemäß dem in der Patentdruckschrift 1 offenbarten Verfahren wird eine erste GaN/AlN Übergitterschicht auf einem Wafer gebildet. In der ersten GaN/AlN Übergitterschicht befinden sich mehrere Paare einer GaN Schicht und einer A1N Schicht derart übereinander, dass die GaN Schichten und die A1N Schichten sich abwechselnd übereinander befinden. Zusätzlich wird eine zweite GaN/AlN Übergitterschicht gebildet und ist in Kontakt mit der ersten GaN/AlN Übergitterschicht. In der zweiten GaN/AlN Übergitterschicht befinden sich mehrere Paare einer GaN Schicht und einer A1N Schicht derart übereinander, dass die GaN Schichten und die A1N Schichten sich abwechselnd übereinander befinden. Auf der zweiten GaN/AlN Übergitterschicht wird eine Schicht zum / 33
Betrieb der Vorrichtung, gebildet durch eine GaN Elektronentransportschicht und eine AlGaN Elektronenzufuhrschicht, gebildet. Hier offenbart die Patentdruckschrift 1, dass die Beziehung LC1 < LC2 < LC3 erfüllt ist, wobei LC1 die mittlere Gitterkonstante der C-Achse der ersten GaN/AlN Übergitterschicht, LC2 die mittlere Gitterkonstante der C-Achse der zweiten GaN/AlN Übergitterschicht und LC3 die mittlere Gitterkonstante der C-Achse der GaN Elektronentransportschicht bezeichnet.
[0004] Die Patentdruckschrift 2 offenbart einen epitaktischen Wafer, in dem eine Reihe von Nitridschichten der Gruppe III auf dem (111) monokristallinen Si Wafer derart gebildet wird, dass die (0001) Kristallebene im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Wafers ist. Der epitaktische Wafer schließt eine Pufferschicht und eine Kristallschicht, gebildet auf der Pufferschicht, ein, und die Pufferschicht wird durch abwechselndes Übereinanderlegen der ersten Einheiten des Übereinanderlegens und zweiten Einheiten des Übereinanderlegens derart gebildet, dass die oberen und unteren Teile beide durch die ersten Einheiten des Übereinanderlegens gebildet werden. Die erste Einheit des Übereinanderlegens schließt eine Schicht der Änderung der Zusammensetzung und eine erste Zwischenschicht ein. In der Schicht der Änderung der Zusammensetzung werden erste Einheitsschichten und zweite Einheitsschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wiederholt und abwechselnd übereinandergelegt, so dass eine Druckbeanspruchung darin eingeschlossen ist. Die erste Zwischenschicht erhöht die in der Schicht der Änderung der Zusammensetzung eingeschlossene Druckbeanspruchung. Die zweite Einheit des Übereinanderlegens wird als eine zweite Zwischenschicht ohne wesentliche Spannung gebildet.
[Druckschriften des Stands der Technik] [Patentdruckschriften]
Patentdruckschrift 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2011-238685 Patentdruckschrift 2: Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2011/102045 [Nicht-Patentdruckschriften]
Nicht-Patentdruckschrift 1: „High quality GaN grown on Si(lll) by gas source molecular beam epitaxy with ammonia“, S.A. Nikishin et al., Applied Physics letter, Band 75, 2073 (1999) / 33
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme [0005] Um eine Nitrid-Halbleiterkristallschicht mit hoher Durchschlagspannung zu erhalten, haben die jetzigen Erfinder Experimente durchgeführt und die Ergebnisse, Fremdatome, wie Kohlenstoffatome, in eine Trägerschicht (eine Übergitterschicht) der NitridHalbleiterkristallschicht einzuführen, überprüft. Die jetzigen Erfinder haben die vorstehend aufgeführte Näherung bestätigt, dass ein einfaches Einfuhren von Fremdatomen Probleme aufweist. Genauer wird die Spannung in der Übergitterschicht, die zur Steuerung des Umfangs des Verzugs des Wafers bereitgestellt wird, entspannt, und ihre Wirkung der Steuerung des Umfangs des Verzugs des Wafers wird unterlaufen. Mit anderen Worten haben die jetzigen Erfinder folgendes geschlossen. Die in den vorstehend aufgeführten Patentdruckschriften 1 und 2 offenbarten Verfahren zur Steuerung des Umfangs des Verzugs des Wafers können nur verwendet werden, wenn keine Fremdatome eingefuhrt wurden, um die Durchschlagspannung zu verbessern, oder wenn nur eine kleine Menge an Fremdatomen eingefuhrt wurde. Die in den Patentdruckschriften 1 und 2 offenbarten Verfahren können den Umfang des Verzugs des Wafers nicht mehr steuern, wenn Fremdatome in einem solchen Ausmaß eingefuhrt wurden, dass die Durchschlagspannung wesentlich verbessert wird.
[0006] Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind, einen Halbleiterwafer mit einer solchen Schichtstruktur bereitzustellen, dass die Übergitterschicht, die als eine Trägerschicht der Nitrid-Halbleiterkristallschicht dient, ihre Wirkungen der Steuerung des Umfangs des Verzugs beibehält, auch wenn die Supergitterschicht mit einer solchen Menge an Fremdatomen dotiert wurde, dass die Durchschlagspannung wirksam und ausreichend verbessert ist, und ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterwafers bereitzustellen.
Maßnahmen zu Lösen der Probleme [0007] Um die vorstehend-erwähnten Aufgaben zu lösen, ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterwafer bereitzustellen, umfassend einen Trägerwafer, eine erste Übergitterschicht, eine Verbindungsschicht, eine zweite Übergitterschicht und eine Nitrid-Halbleiterkristallschicht. Hier sind der Trägerwafer, die erste Übergitterschicht, die Verbindungsschicht, die zweite Übergitterschicht und die Nitrid-Halbleiterkristallschicht in einer Reihenfolge des Trägerwafers, der ersten Übergitterschicht, der Verbindungsschicht, der zweiten Übergitterschicht und der Nitrid-Halbleiterkristallschicht angeordnet, wobei die erste Übergitterschicht mehrere erste Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus einer ersten / 33 ·· ·· ·· ·· ···· ·· • » · · · Λ* · ·· · • · · · · Η-· ··· · ·· • ·· · · · · · · · · • ·· · · · » ·· · · ·
Schicht und einer zweiten Schicht aufgebaut ist, die zweite Übergitterschicht mehrere zweite
Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus einer dritten Schicht und einer vierten
Schicht aufgebaut ist, die erste Schicht aus AlxiGai_xiN (0 < xl < 1) gebildet ist, die zweite
Schicht aus AlyiGai.yiN (0 < yl < 1, xl > yl) gebildet ist, die dritte Schicht aus AlX2Gai.X2N (0 < x2 < 1) besteht, die vierte Schicht aus Alj^Gaj.^N (0 < y2 < 1, x2 > y2) besteht, eine mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht sich von einer mittleren Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht unterscheidet, eine oder mehrere Schichten, ausgewählt aus der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht, Fremdatome enthalten, die eine 18
Durchschlagspannung verbessern und die eine Konzentration von mehr als 7 x 10 [Atome/cm ] aufweisen.
[0008] Die Fremdatome können eine oder mehrere Arten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C-Atomen, Fe-Atomen, Mn-Atomen, Mg-Atomen, V-Atomen, Cr-Atomen, BeAtomen und B-Atomen, sein. Die Fremdatome sind vorzugsweise C-Atome oder Fe-Atome. Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise eine Kristallschicht in Kontakt mit der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht. Eine Zusammensetzung der Verbindungsschicht kann sich kontinuierlich in einer Dickerichtung der Verbindungsschicht von der ersten Übergitterschicht zu der zweiten Übergitterschicht ändern. In einer anderen Ausfuhrungsform kann sich eine Zusammensetzung der Verbindungsschicht stufenweise in einer Dickerichtung der Verbindungsschicht von der ersten Übergitterschicht zu der zweiten Übergitterschicht ändern. Die Verbindungsschicht kann aus AlzGai_zN (0 < z < 1) hergestellt sein. Die Dicke der Verbindungsschicht ist vorzugsweise größer als eine Dicke jeder der ersten Schicht, der zweiten Schicht, der dritten Schicht und der vierten Schicht. Eine mittlere Gitterkonstante der Verbindungsschicht ist vorzugsweise geringer als eine mittlere Gitterkonstante jeder der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht.
[0009] Eine zweite Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterwafers der ersten Ausfuhrungsform bereitzustellen. Das Herstellungsverfahren schließt «-faches Bilden der ersten Übergitterschicht durch Bilden der ersten Einheitsschicht, welche aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht aufgebaut ist, Bilden der Verbindungsschicht, w-faches Bilden der zweiten Übergitterschicht durch Bilden der zweiten Einheitsschicht, welche aus der dritten Schicht und der vierten Schicht aufgebaut ist, und Bilden der Nitrid-Halbleiterkristallschicht ein. Hier werden, während des ein- oder mehrfachen Bildens, ausgewählt aus dem Bilden der ersten Übergitterschicht und dem Bilden / 33
44 44 44 4444 44 • 4 4 4 4 r4 4 4 4 · • 4 4 4 4 A4 444 4 ·· · · 4 4 4 4 4 44 4 • 44 44 44 44 44 4 der zweiten Übergitterschicht, die eine oder mehrere der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht so gebildet, dass sie Fremdatome enthalten, die eine Durchschlagspannung der einen oder mehreren der ersten Übergitterschicht und der zweiten Ubergitterschicht verbessern und eine Konzentration von mehr als 7 x 10 [Atome/cm ] aufweisen.
[0010] Abhängig von einer Zusammensetzung und der Dicke der NitridHalbleiterkristallschicht können ein oder mehrere Parameter, ausgewählt aus (i) einer Zusammensetzung jeder der ersten bis vierten Schicht, (ii) einer Dicke jeder der ersten bis vierten Schicht, (iii) der Zahl n der Einheitsschichten, die in der ersten Übergitterschicht enthalten sind, und (iv) der Zahl m der Einheitsschichten, die in der zweiten Übergitterschicht enthalten sind, so angepasst werden, dass der Verzug des Halbleiterwafers, gemessen an einer Oberfläche der Nitrid-Halbleiterkristallschicht 50 pm oder weniger beträgt. Abhängig von der Zusammensetzung und der Dicke der Nitrid-Halbleiterkristallschicht werden die Zahl n der Einheitsschichten, die in der ersten Übergitterschicht enthalten sind, und die Zahl m der Einheitsschichten, die in der zweiten Übergitterschicht enthalten sind, vorzugsweise so eingestellt, dass der Verzug des Halbleiterwafers, gemessen an der Oberfläche der NitridHalbleiterkristallschicht 50 pm oder weniger beträgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0011] Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines Halbleiterwafers 100.
Fig. 2 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer der ersten Ausführung zeigt.
Fig. 3 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer des ersten Vergleichsbeispiels zeigt.
Fig. 4 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer des zweiten Vergleichsbeispiels zeigt.
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Fig. 5 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer des dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
Fig. 6 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer der zweiten Ausführung zeigt.
Fig. 7 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für Halbleiterwafer der ersten und zweiten Ausführung und des ersten bis dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
Fig. 8 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung für Halbleiterwafer einer dritten Ausführung zeigt, in der die Zahlen der Einheitsschichten für die erste und zweite Übergitterschicht auf verschiedene Werte eingestellt werden.
Fig. 9 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs für Halbleiterwafer einer vierten Ausführung zeigt, in der die Zahlen der Einheitsschichten der ersten und zweiten Übergitterschicht auf verschiedene Werte eingestellt werden.
Fig. 10 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs in Bezug auf den Unterschied der mittleren Gitterkonstante für Halbleiterwafer einer fünften Ausführung zeigt.
Beste Ausführungsweise der Erfindung [0012] Fig. 1 ist eine Querschnittansicht für einen Halbleiterwafer 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Halbleiterwafer 100 schließt einen Trägerwafer 102, eine Pufferschicht 104, eine erste Übergitterschicht 110, eine Verbindungsschicht 120, eine zweite Übergitterschicht 130 und eine NitridHalbleiterkristallschicht 140 ein. Der Trägerwafer 102, die erste Übergitterschicht 110, die Verbindungsschicht 120, die zweite Übergitterschicht 130 und die NitridHalbleiterkristallschicht 140 sind in der Reihenfolge des Trägerwafers 102, der ersten Übergitterschicht 110, der Verbindungsschicht 120, der zweiten Übergitterschicht 130 und der Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 abgeschieden.
/ 33 •η»·« • <· [0013] Der Trägerwafer 102 ist ein Träger zum Aufbringen der Pufferschicht 104 und der jeweiligen darauf befindlichen Schichten, die später beschrieben werden. Der Trägerwafer 102 kann aus jedem Material hergestellt werden, sofern der Trägerwafer 102 mechanische Festigkeit, die erforderlich ist, um die einzelnen Schichten aufzubringen, und thermische Stabilität aufweist, die ermöglicht, dass die einzelnen Schichten durch epitaktisches Wachstum und andere Verfahren gebildet werden. Der Trägerwafer 102 kann zum Beispiel ein Si-Wafer, ein blauer Korundwafer, ein Ge-Wafer, ein GaAs-Wafer, ein InP-Wafer oder ein ZnO-Wafer sein.
[0014] Die Pufferschicht 104 ist so angelegt, dass sie den Unterschied in der Gitterkonstante zwischen dem Trägerwafer 102 und der ersten Übergitterschicht 110 absorbiert. Die Pufferschicht 104 kann durch epitaktisches Wachstum gebildet werden, wobei die Reaktionstemperatur (die Temperatur des Wafers) auf 500°C bis 1000°C eingestellt wird. Wenn ein Si(l 11)-Wafer als Trägerwafer 102 verwendet wird, und eine Substanz auf AlGaNBasis für die erste Übergitterschicht 110 verwendet wird, kann die Pufferschicht 104 zum Beispiel eine A1N Schicht sein. Die Pufferschicht 104 weist vorzugsweise eine Dicke von 10 nm bis 300 nm, stärker bevorzugt 50 nm bis 200 nm, auf.
[0015] Die erste Übergitterschicht 110, die Verbindungsschicht 120 und die zweite Übergitterschicht 130 stellen eine Schichtstruktur bereit, die ermöglicht, dass der Umfang des Verzugs des Halbleiterwafers 100 eingedämmt wird, auch wenn eine ausreichende Menge an Fremdatomen eingefuhrt wurde, um die Durchschlagspannung zu verbessern. Die erste Übergitterschicht 110 weist mehrere erste Einheitsschichten 116 auf, und die zweite Übergitterschicht 130 weist mehrere zweite Einheitsschichten 136 auf.
[0016] Die erste Einheitsschicht 116 ist durch eine erste Schicht 112 und eine zweite Schicht 114 aufgebaut, und die zweite Einheitsschicht 136 ist durch eine dritte Schicht 132 und eine vierte Schicht 134 aufgebaut. Die erste Schicht 112 ist aus AlxiGai.xiN (0 < xl < 1) gebildet, und die zweite Schicht 114 ist aus AlyiGai.yiN (0 < yl < 1, xl > yl) gebildet. Die dritte Schicht 132 besteht aus AlX2Gai.X2N (0 < x2 < 1), und die vierte Schicht besteht aus Alj^Gai.j^N (0 < y2 < 1, x2 > y2).
[0017] Die erste Schicht 112, die zweite Schicht 114, die dritte Schicht 132 und die vierte Schicht 134 können durch epitaktisches Wachstum gebildet werden. Die erste Schicht 112 / 33
• · und die dritte Schicht 132 können zum Beispiel eine A1N Schicht sein, wenn xl und x2 auf 1 eingestellt werden. Die erste Schicht 112 und die dritte Schicht 132 weisen vorzugsweise eine Dicke von 1 nm bis 10 nm, stärker bevorzugt 3 nm bis 7 nm, auf. Bezüglich der zweiten Schicht 114 und der vierten Schicht 134 können yl und y2 in einem Bereich von 0,05 bis 0,25 eingestellt werden. Mit anderen Worten können die zweite Schicht 114 und die vierte Schicht 134 Alo,o5Gao,95N bis Alo^sGaojsN zum Beispiel sein. Die zweite Schicht 114 und die vierte Schicht 134 weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 30 nm, stärker bevorzugt 15 nm bis 25 nm, auf.
[0018] Mehrere erste Einheitsschichten, von denen jede aus einer ersten Schicht 112 und einer zweiten Schicht 114 aufgebaut ist, bilden die erste Übergitterschicht 110. Die mittlere Gitterkonstante al der ersten Übergitterschicht 110 kann durch Variieren der Zusammensetzungen (der Al-Verhältnisse) und der Dicken der ersten Schichten 112 und der zweiten Schichten 114 variiert werden. Die mittlere Gitterkonstante al der ersten Gitterschicht 110 kann als das Ergebnis der Gitterkonstante der ersten Schichten 112 x das Verhältnis der ersten Schichten 112 + der Gitterkonstante der zweiten Schichten 114 x das Verhältnis der zweiten Schichten 114 definiert werden. Die Zahl n der ersten Einheitsschichten 116, die in die erste Übergitterschicht 110 enthalten sind, liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200, stärker bevorzugt 1 bis 150.
[0019] Mehrere zweite Einheitsschichten 136, von denen jede durch die dritte Schicht 132 und die vierte Schicht 134 aufgebaut ist, bilden die zweite Übergitterschicht 130. Die mittlere Gitterkonstante a2 der zweiten Übergitterschicht 130 kann durch Variieren der Zusammensetzungen (der Al Verhältnisse) und der Dicken der dritten Schichten 132 und der vierten Schichten 134 variiert werden. Die mittlere Gitterkonstante a2 der zweiten Übergitterschicht 130 kann als das Ergebnis der Gitterkonstante der dritten Schichten 132 x das Verhältnis der dritten Schichten 132 + die Gitterkonstante der vierten Schichten 134 x das Verhältnis der vierten Schichten definiert werden. Die Zahl m der zweiten Einheitsschichten 136, die in der zweiten Übergitterschicht 130 enthalten sind, liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200, stärker bevorzugt 1 bis 150.
[0020] In dem Halbleiterwafer 100 unterschiedet sich die mittlere Gitterkonstante al der ersten Übergitterschicht 110 von der mittleren Gitterkonstante a2 der zweiten Übergitterschicht 130, und eine oder mehrere Schichten, ausgewählt aus der ersten / 33 • ·
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Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 enthalten Fremdatome, die so festgelegt sind, dass sie die Durchschlagspannung erhöhen und eine Konzentration von mehr als 7 x 1018 [Atome/cm3] aufweisen. Die Fremdatome können eine oder mehrere Arten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C-Atomen, Fe-Atomen, Mn-Atomen, Mg-Atomen, V-Atomen, Cr-Atomen, Be-Atomen und B-Atomen, sein. Die Fremdatome sind vorzugsweise C-Atome oder Fe-Atome, insbesondere C-Atome.
[0021] Die Verbindungsschicht 120 wird so gebildet, dass sie die erste Übergitterschicht 110 und die zweite Übergitterschicht 130 miteinander verbindet. Die Verbindungsschicht 120 kann durch epitaktisches Wachstum gebildet werden. Die Verbindungsschicht 120 kann zum Beispiel aus AlzGai_zN (0 < z < 1) gebildet werden. Die Verbindungsschicht 120 kann eine Kristallschicht in Kontakt mit der ersten Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 sein. Die Verbindungsschicht kann aus einer einzelnen oder mehreren Schichten bestehen. Zusätzlich kann sich die Zusammensetzung der Verbindungsschicht 120 in Dickerichtung ändern. Genauer kann die Zusammensetzung der Verbindungsschicht 120 sich kontinuierlich in der Dickerichtung der Verbindungsschicht 120 von der ersten Übergitterschicht 110 zu der zweiten Übergitterschicht 130 ändern. In einer anderen Ausfuhrungsform kann sich die Zusammensetzung der Verbindungsschicht 120 stufenweise in der Dickerichtung der Verbindungsschicht 120 von der ersten Übergitterschicht 110 zu der zweiten Übergitterschicht 130 ändern. Die Dicke der Verbindungsschicht 120 kann größer als die Dicke jeder der ersten Schicht 112, der zweiten Schicht 114, der dritten Schicht 132 und der vierten Schicht 134 eingestellt werden. Die mittlere Gitterkonstante der Verbindungsschicht kann kleiner als die mittlere Gitterkonstante jeder der ersten Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 eingestellt werden. Die Dicke der Verbindungsschicht 120 kann 20 bis 300 nm, vorzugsweise 25 bis 200 nm, stärker bevorzugt 30 bis 200 nm, insbesondere bevorzugt 30 bis 150 nm, betragen.
[0022] Die Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 kann eine Grundschicht der Vorrichtung 142 und eine aktive Schicht 144 aufweisen. Eine Zunahme der Dicke der Grundschicht der Vorrichtung 142 kann eine höhere Durchschlagspannung einer Vorrichtung ergeben. In der aktiven Schicht 144 wird ein aktiver Bereich eines Transistors, wie ein Kanal, gebildet.
[0023] Gemäß dem Halbleiterwafer 100 der vorliegenden Ausfuhrungsform kann hohe Durchschlagspannung von 450 V oder höher durch Einfuhren von Fremdatomen mit einer / 33
Konzentration von mehr als 7 x 1018 [Atome/cm3] realisiert werden, und gleichzeitig kann der Umfang des Verzugs, gemessen an der Oberfläche der Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140, auf 50 gm (der absolute Wert) oder weniger verringert werden. Hier bedeutet der Umfang des Verzugs die Höhe der Mitte des Wafers in Bezug auf die Kante des Wafers und nimmt einen negativen Wert, wenn die Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 konvex wird, und einen positiven Wert an, wenn die Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 konkav wird.
[0024] Wie vorstehend aufgefuhrt kann der Umfang des Verzugs des Halbleiterwafers 100 noch auf 50 gm oder weniger (der absolute Wert) eingestellt werden, auch wenn die eingefuhrten Fremdatome eine Konzentration von 7 x 1018 [Atome/cm3] erreichen, was eine hohe Durchschlagspannung von 450 V oder höher ergeben kann. Diese vorteilhafte Wirkung kann durch den folgenden Mechanismus bewirkt werden.
[0025] Wenn eine Kristallschicht auf GaN-Basis auf einem Si-Wafer angeordnet wird, wird der Kristall auf GaN-Basis Gitter-passend auf dem Si-Wafer bei hoher Temperatur gezüchtet und aufwärts konkav verzogen, nachdem die Temperatur verringert wird, da der thermische Expansionskoeffizient des Kristalls auf GaN-Basis höher ist als der thermische Expansionskoeffizient von Si. Wenn die Kristallschicht auf GaN-Basis aufwärts konkav verzogen wird, ist die Oberfläche der Kristallschicht auf GaN-Basis, die gegenüberliegende zum Si-Wafer ist, konkav. Hier wird ein Laminat einer oberen Übergitterschicht (USL) und einer unteren Übergitterschicht (LSL) zwischen dem Si-Wafer und der GaN-Schicht bereitgestellt. Die mittlere Gitterkonstante au der USL-Schicht und die mittlere Gitterkonstante aL der LSL-Schicht werden derart konfiguriert, dass die Beziehung au > aL erfüllt ist. Auf diese Weise bildet die Spannung, die sich aus dem Unterschied in der mittleren Gitterkonstante zwischen der USL-Schicht und der LSL-Schicht ergibt, eine Druckbeanspruchung, die in der USL-Schicht wirkt, und eine Zugbeanspruchung, die auf die LSL-Schicht wirkt. Die Spannung, die auf das Laminat, gebildet durch die USL-Schicht und die LSL-Schicht (kann hier als die „USL/LSL-Struktur“ bezeichnet werden), wirkt, bewirkt einen Verzug aufwärts konvex, der in die entgegen gesetzte Richtung zu dem vorstehend aufgeführten Verzug geht, der durch den Unterschied im thermischen Expansionskoeffizienten bewirkt wird. Demgemäß kann die US L/LSL-Struktur effizient den Verzug des Wafers verringern.
/ 33 ' · · · · · ilil·· · ·· [0026] Hier wirkt die Spannung auf die USL/LSL-Struktur, wobei sich der Dreh- und Angelpunkt in der Nähe der Grenzfläche zwischen der USL-Schicht und der LSL-Schicht befindet. Es wird angenommen, dass der Dreh- und Angelpunkt eine Breite (mit einer Dicke in der Wachstumsrichtung) von etwa mehreren bis mehreren Dutzend Nanometer aufweist, da in Wirklichkeit der Kristall Dislokationen und unebene Grenzflächen aufweist. Wenn der GaN-Kristall viele Fremdatome, wie Kohlenstoffatome, enthält, bildet der GaN-Kristall leicht Defekte in der Nähe der Grenzflächen zwischen den angeordneten Schichten. Daher wird, wenn die USL/LSL-Struktur viele Fremdatome enthält, angenommen, dass viele Defekte an der Grenzfläche zwischen der USL-Schicht und der LSL-Schicht oder an den ÜbergitterGrenzflächen zwischen der USL-Schicht und der LSL-Schicht gebildet werden. Wenn Kräfte auf solche Grenzflächen mit vielen Defekten wirken, wird angenommen, dass folglich eine Kristallisationsentspannung in der Nähe der Kristallgrenzflächen auftritt. Die Kristallisationsentspannung absorbiert die Spannung, die in der USL/LSL-Struktur gebildet wird, und die in der USL/LSL-Struktur gebildete Spannung trägt nicht mehr länger zu einem aufwärts konvexen Verzug bei. Mit anderen Worten steuert die USL/LSL-Struktur nicht mehr den Umfang des Verzugs des Wafers. Demgemäß wird ein Halbleiterwafer, der viele Kohlenstoffatome enthält, nur durch die Kraft beeinflusst, die sich aus dem Unterschied im thermalen Expansionskoeffizienten zwischen Si und GaN ergibt, und folglich signifikant abwärts konvex verzogen.
[0027] Um sich diesem Problem zu widmen, weist der Halbleiterwafer 100, der die vorliegende Ausftihrungsform betrifft, eine Verbindungsschicht 120 zwischen der ersten Übergitterschicht 110 (äquivalent zu der vorstehend beschriebenen LSL-Schicht) und der zweiten Übergitterschicht 130 (äquivalent zu der vorstehend beschriebenen USL-Schicht) auf. Die Verbindungsschicht 120 dient als der Dreh- und Angelpunkt der Spannung, die durch den Unterschied in der mittleren Gitterkonstante zwischen der ersten Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 gebildet wird. Die Verbindungsschicht 120 ist dicker als die erste Schicht 112, die zweite Schicht 114, die dritte Schicht 132 und die vierte Schicht 134, die die erste Übergitterschicht 110 und die zweite Übergitterschicht 130 bilden, und weist eine geringe Dichte der Grenzflächen pro Längeneinheit in der Wachstumsrichtung (der Dickerichtung) auf. So wird die Verbindungsschicht 120 weniger wahrscheinlich durch die Entspannung an den Grenzflächen beeinflusst. Demgemäß ermöglicht, auch wenn die erste Übergitterschicht 110 oder die zweite Übergitterschicht 130 viele Kohlenstoffatome enthält, die Verbindungsschicht 120, dass die Spannung in der ersten Übergitterschicht 110 gebrochen / 33 .12*· ·· ···· ··
wird und die Spannung, die in der zweiten Übergitterschicht 130 gebildet wird, gegenseitig übertragen wird. Das soll heißen, der Umfang des Verzugs kann gesteuert werden. Folglich kann der Verzug des Halbleiterwafers 100 verringert werden.
[0028] Zusätzlich verringert, da die Verbindungsschicht 120 dicker als die erste Schicht 112, die zweite Schicht 114, die dritte Schicht 132 und die vierte Schicht 134 ist, die die erste Übergitterschicht 110 und die zweite Übergitterschicht 130 aufbauen, die Verbindungsschicht 120 auch wirksam während ihres Wachstums die Defekte, wie Dislokalisationen, die an den Grenzflächen gebildet werden. Der Grund ist die Tatsache, dass Dislokalisationen, die Burger-Vektoren mit entgegen gesetztem Vorzeichen aufweisen, während ihres Wachstums miteinander kombiniert werden. Als Ergebnis kann die Verbindungsschicht 120 zur Verringerung von Defekten nicht nur an den Grenzflächen, sondern auch in den Massekristallen beitragen. So wird angenommen, dass die Verbindungsschicht 120 ermöglichen kann, dass die Spannung wirksamer übertragen wird. Aus den vorstehend beschriebenen Gründen kann, auch wenn die erste Übergitterschicht 110 oder die zweite Übergitterschicht 130 eine hohe Konzentration an Kohlenstoffatomen aufweist, der Verzug des Wafers verringert werden.
[0029] Der vorstehend beschriebene Halbleiterwafer 100 kann mit dem folgenden Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die Pufferschicht 104 wird auf dem Trägerwafer 102 gebildet. Danach wird die erste Einheitsschicht 116 «-fach gebildet, um die erste Übergitterschicht 110 zu bilden. Hier ist die erste Einheitsschicht 116 aus der ersten Schicht 112 und der zweiten Schicht 114 aufgebaut. Danach wird die Verbindungsschicht 120 gebildet, und die zweite Einheitsschicht 136 wird m-fach gebildet, um die zweite Übergitterschicht 130 zu bilden. Hier ist die zweite Einheitsschicht 136 aus der dritten Schicht 132 und der vierten Schicht 134 aufgebaut. Außerdem kann die NitridHalbleiterkristallschicht 140 gebildet werden. Hier werden während einer oder mehrerer Bildungen, ausgewählt aus der Bildung der ersten Übergitterschicht 110 und der Bildung der zweiten Übergitterschicht 130, eine oder mehrere der Schichten 110 und 130 derart gebildet, dass die Schichten Fremdatome enthalten, die die Durchschlagspannung der Schichten verbessern und die eine höhere Konzentration als 7 x 1018 [Atome/cm3] aufweisen.
[0030] Die erste Schicht 112, die zweite Schicht 114, die Verbindungsschicht 120, die dritte Schicht 132, die vierte Schicht 134 und die Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 können durch / 33 • · • · • · · ·· • · · • · · • · ·
·*·> · · · · ··..···· · • · ·· • · epitaktisches Wachstum gebildet werden. Das epitaktische Wachstum kann unter Verwendung von zum Beispiel MOCVD (Metallorganische Chemische Dampfabscheidung) und MBE (Molekularstrahlepitaxie) realisiert werden. Wenn MOCVD verwendet wird, kann das Quellengas Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA) oder NH3 (Ammoniak) sein. Das Trägergas kann ein Stickstoff- oder Wasserstoffgas sein. Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von 400°C bis 1300°C gewählt werden.
[0031] Wenn Kohlenstoffatome als Fremdatome verwendet werden, kann die Konzentration der Kohlenstoffatome durch Einstellen mindestens eines Parameters des Verhältnisses zwischen dem Quellengas der Gruppe III und dem Quellengas der Gruppe V, der Reaktionstemperatur und des Reaktionsdrucks gesteuert werden. Mit der Maßgabe, dass die anderen Bedingungen gleich sind, nimmt die Konzentration der Kohlenstoffatome ab, wenn die Reaktionstemperatur steigt und nimmt zu, wenn das Verhältnis des Quellengases der Gruppe V zu dem Quellengas der Gruppe III abnimmt. Außerdem steigt die Konzentration der Kohlenstoffatome, wenn der Reaktionsdruck abnimmt. Die Konzentration der Kohlenstoffatome kann zum Beispiel durch SIMS (sekundäre Ionenmassenspektrometrie) bestimmt werden.
[0032] Abhängig von der Zusammensetzung und der Dicke der NitridHalbleiterkristallschicht 140 können ein oder mehrere Parameter, ausgewählt aus (i) der Zusammensetzung jeder der ersten bis vierten Schicht 112 bis 134, (ii) der Dicke jeder der ersten bis vierten Schicht 112 bis 134, (iii) der Zahl n der Einheitsschichten, die in der ersten Übergitterschicht 110 enthalten sind, und (iv) der Zahl m der Einheitsschichten, die in der zweiten Übergitterschicht 130 enthalten sind, so angepasst werden, dass der Verzug des Halbleiterwafers 100, gemessen an der Oberfläche der Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 50 pm oder weniger beträgt. Abhängig von der Zusammensetzung und der Dicke der NitridHalbleiterkristallschicht 140, können die Zahl n der Einheitsschichten, die in der ersten Übergitterschicht 110 enthalten sind, und die Zahl m der Einheitsschichten, die in der zweiten Übergitterschicht 130 enthalten sind, so eingestellt werden, dass der Verzug des Halbleiterwafers 100, gemessen an der Oberfläche der Nitrid-Halbleiterkristallschicht 140 50 pm oder weniger beträgt.
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• · · · · ·· ·· [0033] (Erste praktische Ausführung)
Ein 10,4 cm (4 inch) Si-Wafer (mit einer Dicke von 625 pm, p-dotiert) mit der Ebenenorientierung (111) wurde als der Trägerwafer 102 verwendet, und eine A1N Schicht mit einer Dicke von 150 nm wurde auf dem Si-Wafer als die Pufferschicht 104 gebildet. Auf dieser A1N Schicht wurde eine A1N Schicht mit einer Dicke von 5 nm als die erste Schicht 112 gebildet, und eine AlojsGao.ssN Schicht mit einer Dicke von 16 nm wurde als die zweite Schicht 114 gebildet. Die A1N Schicht mit einer Dicke von 5 nm und die Alo.isGao^sN Schicht bilden die erste Einheitsschicht 116. Hier wurden 75 erste Einheitsschichten gebildet, um die erste Übergitterschicht 110 bereitzustellen. Danach wurde eine A1N Schicht mit einer Dicke von 70 nm als die Verbindungsschicht 120 gebildet. Außerdem wurde eine A1N Schicht mit einer Dicke von 5 nm als die dritte Schicht 132 gebildet, und eine Alo.iGao^N Schicht mit einer Dicke von 16 nm wurde als die vierte Schicht 134 gebildet. Die A1N Schicht mit einer Dicke von 5 nm und die AlopGa^N stellen die zweite Einheitsschicht 136 bereit. Hier wurden 75 zweite Einheitsschichten 136 gebildet, um die zweite Übergitterschicht 130 bereitzustellen. Danach wurde eine GaN Schicht mit einer Dicke von 800 nm als eine Grundschicht der Vorrichtung 142 gebildet, und eine Alo,2Gao,8N Schicht mit einer Dicke von 20 nm wurde als die aktive Schicht 144 gebildet. Es ist anzumerken, dass mehrere Arten von Halbleiterwafern 100 hergestellt wurden, wobei die Reaktionstemperatur während der Bildung der ersten Übergitterschicht 110 auf verschiedene Werte eingestellt wurde. Auf diese Weise wurden mehrere Halbleiterwafer 100, die fünf unterschiedliche Niveaus der Konzentration der Kohlenstoffatome aufweisen, d.h. 1 x 1018, 5 x 1018, 7 x 1018, 1 x 1019 und 6 x 10 (in cm') hergestellt. Die mittlere Gitterkonstante der ersten Ubergitterschicht 110 beträgt 0,316187 nm, und die mittlere Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht 130 beträgt 0,316480 nm. Die mittlere Gitterkonstante der Verbindungsschicht 120 beträgt 0,311200 nm.
[0034] (Vergleichsbeispiele)
Um sie mit den Ausführungen zu vergleichen, wurde das folgende erste bis dritte Vergleichsbeispiel hergestellt.
[Erstes Vergleichsbeispiel]: Die Verbindungsschicht 120 wurde nicht bereitgestellt, das Al Verhältnis der vierten Schicht 134 wurde auf 0,15 eingestellt, so dass die mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht 110 so eingestellt wurde, dass sie gleich zur / 33 • ·
• · · · · · · • · ·» ·· ·· mittleren Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht 130 ist, und die anderen Eigenschaften waren die gleichen wie die bei der ersten Ausführung.
[Zweites Vergleichsbeispiel]: Das Al Verhältnis der vierten Schicht 134 wurde auf 0,15 eingestellt, so dass die mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht 110 so eingestellt wurde, dass sie gleich zur mittleren Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht 130 ist, und die andere Eigenschaften waren die gleichen wie bei der ersten Ausführung.
[Drittes Vergleichsbeispiel]: Die Verbindungsschicht 120 wurde nicht bereitgestellt, und die anderen Eigenschaften waren die gleichen wie bei der ersten Ausführung.
[0035] Fig. 2 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für die Halbleiterwafer der ersten Ausführung zeigt. Fig. 3 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für die Halbleiterwafer des ersten Vergleichsbeispiels zeigt. Fig. 4 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für die Halbleiterwafer des zweiten Vergleichsbeispiels zeigt. Fig. 5 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für den Halbleiterwafer des dritten Vergleichsbeispiels zeigt. Die Konzentration der Kohlenstoffatome bedeutet die mittlere Konzentration, gemessen mit SIMS Tiefenanalyse. Der Umfang des Verzugs wurde durch Messen der Höhe der jeweiligen Teile des Wafers mit Laserlicht beurteilt. Es ist anzumerken, dass der Verzug einen positiven Wert annimmt, wenn er in der Richtung gemessen wird, in dem der Mittelteil des Wafers höher als der Kantenteil des Wafers ist. Um die Durchschlagspannung zu bestimmen, wurden der Strom und die Spannung zwischen der ohmschen Elektrode mit 250 pm x 200 pm, gebildet auf der aktiven Schicht 144, und der ohmschen Elektrode, gebildet auf der gesamten rückseitigen Ebene des Trägerwafers 102 gemessen. Hier wurde die Durchschlagspannung als die Spannung definiert, die angelegt ist, wenn der Strom 1 pA/mm2 übersteigt.
[0036] Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ergebnisse geben an, dass die Durchschlagspannung auf etwa 700 V in dem Bereich ansteigt, in dem die Konzentration der Kohlenstoffatome 5 x 10 (cm') übersteigt. In dem ersten bis dritten Vergleichsbeispiel übersteigt jedoch der / 33 ······· ··· * · · 1 t · ···· · ·· • · · 1©· ·· · ·· * • ·· · · ·· ·· ·· ·
Umfang des Verzugs in dem Bereich, in dem die Konzentration der Kohlenstoffatome hoch ist, 100 gm. In der ersten Ausführung bleibt andererseits der Umfang des Verzugs etwa 40 gm oder weniger, auch wenn die Konzentration der Kohlenstoffatome hoch ist. So kann der Umfang des Verzugs klein gehalten werden. Anzumerken ist, dass in dem Bereich, in dem die io o
Konzentration der Kohlenstoffatome niedrig ist und 5x10 (cm') oder weniger beträgt, das zweite und dritte Vergleichsbeispiel auch den Umfang des Verzugs in einem ähnlichen Ausmaß gering halten wie die erste Ausführung. Es wird angenommen, dass das durch die Wirkung der Verbindungsschicht 120 (das zweite Vergleichsbeispiel) und die Wirkung des Unterschieds in der mittleren Gitterkonstante zwischen der ersten Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 (das dritte Vergleichsbeispiel) erreicht wird. Jedoch sind die vorteilhaften Wirkungen, die durch das zweite und dritte Vergleichsbeispiel erreicht werden, auf den Bereich beschränkt, in dem die Konzentration der Kohlenstoffatome niedrig sind, und gehen in dem Bereich verloren, in dem die Konzentration der Kohlenstoffatome hoch ist.
[0037] (Zweite Ausführung)
Gemäß einer zweiten Ausführung wurde ein Halbleiterwafer auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführung hergestellt, außer dass die Zusammensetzung der Verbindungsschicht 120 kontinuierlich in der Dickerichtung von der ersten Übergitterschicht 110 zu der zweiten Übergitterschicht 130 von A1N zu Alo^GaojN variiert wird. Hier wurde die Konzentration der Kohlenstoffatome auf zwei unterschiedliche Niveaus von 1 x 1019 und 6 x 1019 (in cm'3) eingestellt. Fig. 6 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für die Halbleiterwafer der zweiten Ausführung zeigt. Fig. 7 wird bereitgestellt, um leicht den Vergleich zwischen der ersten und zweiten Ausführung nachzuvollziehen. Fig. 7 ist eine Grafik die den Umfang des Verzugs in Bezug auf die Konzentration der Kohlenstoffatome für die Halbleiterwafer der ersten und zweiten Ausführung (II und 12) und des ersten bis dritten Vergleichsbeispiels (CE1, CE2 und CE3) zeigt. Die Ergebnisse in Fig. 7 geben an, dass der Umfang des Verzugs für die Halbleiterwafer der zweiten Ausführung nicht nur geringer als der Umfang des Verzugs für die Halbleiterwafer des ersten bis dritten Vergleichsbeispiels angepasst ist, sondern auch als der Umfang des Verzugs für die Halbleiterwafer der ersten Ausführung.
/ 33 [0038] (Dritte Ausführung)
In einer dritten Ausführung wurden veranschaulichende Halbleiterwafer hergestellt, wobei die Zahlen n und m auf verschiedene Werte eingestellt wurden, wobei die Zahl n die Zahl der ersten Einheitsschichten 116 in der Übergitterschicht 110 bezeichnet und die Zahl m die Zahl der zweiten Einheitsschichten 136 in der zweiten Übergitterschicht 130 bezeichnet. Die Halbleiterwafer wurden auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführung hergestellt, außer dass die Konzentration der Kohlenstoffatome auf 1 x 1019 (cm'3) festgelegt wurde und die Zahlen m und n auf verschiedene Werte eingestellt wurden. Die Zahlen n und m wurden auf drei unterschiedliche Werte von n/m = 75/75, 100/50 und 1/149 eingestellt. Fig. 8 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs und die Durchschlagspannung für die Halbleiterwafer der dritten Ausführung zeigt. Die in Fig. 8 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass der Umfang des Verzugs durch Variieren der Zahlen n und m gesteuert werden kann.
[0039] (Vierte Ausführung)
Bei Halbleiterwafern einer vierten Ausführung wurde ein blauer Korundwafer als der Trägerwafer 102 verwendet. Die Halbleiterwafer wurden auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführung hergestellt, außer dass ein blauer Korundwafer als der Trägerwafer 102 verwendet wurde, die Konzentration der Kohlenstoffatome auf 1 x 1019 (cm'3) eingestellt wurde und die Zahlen n und m auf verschiedene Niveaus eingestellt wurden. Die Zahlen n und m wurden auf zwei unterschiedliche Niveaus von n/m = 75/75 und 50/100 eingestellt. Fig. 9 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs für die Halbleiterwafer der vierten Ausführung zeigt. Die in Fig. 9 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass der Umfang des Verzugs durch Variieren der Zahlen n und m der in die erste Gitterschicht 110 und die zweite Übergitterschicht 130 enthaltenen Einheitsschichten gesteuert werden kann, auch wenn der Trägerwafer 102 ein blauer Korundwafer ist.
[0040] (Fünfte Ausführung)
In einer fünften Ausführung wurden veranschaulichende Halbleiterwafer hergestellt, wobei der Al Verhältnis der Alga Schicht, die die vierte Schicht 134 ist, im Bereich von 0,15 bis 0,10 variiert wurde. Die fünfte Ausführung ist wie bei der ersten Ausführung, außer dass die Konzentration der Kohlenstoffatome auf 1 x 1019 (cm'3) festgelegt wurde. Das Al Verhältnis wurde auf sechs verschiedene Niveaus von 0,15, 0,14, 0,13, 0,12, 0,11 und 0,10 festgelegt. Wenn das Al Verhältnis auf die Niveaus 0,10 bzw. 0,15 festgelegt wurde, die einem der Fälle der ersten Ausführung und einem der Fälle des zweiten Vergleichsbeispiels, bei dem die / 33 • · · -,♦>· · ··· · ·· • · · 1<5· · · · · · · • ·· · · · · · · ·· ·
Konzentration der Kohlenstoffatome 1 x 1019 (cm'3) war, entsprachen. So wurden die Halbleiterwafer der ersten Ausführung bzw. des zweiten Vergleichsbeispiels, für die die Konzentration der Kohlenstoffatome auf 1 x 1019 (cm'3) festgelegt war, als die Halbleiterwafer der fünften Ausführung verwendet, für die das Al Verhältnis auf die Niveaus 0,10 und 0,15 festgelegt wurde. Wenn das Al Verhältnis auf 0,15, 0,14, 0,13, 0,12, 0,11 und 0,10 festgelegt wird, nimmt die mittlere Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht 130 Werte von 0,316187, 0,316245, 0,316304, 0,316363, 0,316421 und 0,316480 (in nm) an. Da die mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht 110 0,316187 nm beträgt, beträgt der Unterschied in der mittleren Gitterkonstante (die mittlere Gitterkonstante der zweiten Überschicht 130 - die mittlere Gitterkonstante der ersten Überschicht 110) 0,000000, 0,000059, 0,000117, 0,000176, 0,000235 und 0,000293 (in nm), wenn das Al Verhältnis auf 0,15, 0,14, 0,13, 0,12, 0,11 und 0,10 eingestellt wird.
[0041] Fig. 10 ist eine Grafik, die den Umfang des Verzugs in Bezug auf den Unterschied in der mittleren Gitterkonstante für die Halbleiterwafer der fünften Ausführung zeigt. Die in Fig. 10 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass der Umfang des Verzugs abnimmt, wenn der Unterschied der mittleren Gitterkonstante zunimmt. Die Ergebnis zeigen auch, dass wenn die mittlere Gitterkonstante der zweiten Überschicht 130 nur leicht größer als die mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht 110 wird (wenn der Unterschied in der mittleren Gitterkonstante größer wird), der Umfang des Verzugs sich ändert und die Änderung im Wert des Umfangs des Verzugs empfindlich gegenüber der Änderung im Unterschied der mittleren Gitterkonstante ist. Das zeigt, dass der vorstehend beschriebene Mechanismus, der ermöglicht, dass der Umfang des Verzugs des Halbleiterswafers ungeachtet der Einführung einer hohen Konzentration an Fremdatomen verringert werden kann, effektiv zur Steuerung des Umfangs des Verzugs als ein Ergebnis ausreichender gegenseitiger Übertragung der Spannung zwischen der ersten Übergitterschicht 110 und der zweiten Übergitterschicht 130 funktioniert.
[0042] Bei Vergleich der Zunahme des Unterschieds in der mittleren Gitterkonstante neigt die Abnahme des Umfangs des Verzugs dazu, gesättigt zu sein, nachdem der Unterschied in der mittleren Gitterkonstante im Wesentlichen 0,00017 nm übersteigt. Das zeigt möglicherweise eine solche Neigung, dass die Spannung als ein Ergebnis der Zunahme des Unterschieds in der mittleren Gitterkonstante und der Gitterrelaxation folglich an den Kristallgrenzflächen zuzunehmen beginnt. Die Zunahme der Gitterrelaxation ergibt eine Absorption der Spannung, / 33 :: ιρ • · die die Steuerbarkeit des Umfangs des Verzugs vermindert. Demgemäß wird angenommen, dass eine Obergrenze auf den Bereich des Unterschieds in der mittleren Gitterkonstante gelegt wird, um die Steuerbarkeit des Umfangs des Verzugs sicherzustellen. Es ist anzumerken, dass die Tatsachen, dass der Umfang des Verzugs durch Einstellen des Unterschieds in der mittleren Gitterkonstante genau gesteuert werden kann, und dass die Abnahme im Umfang des Verzugs zur Sättigung neigt, wenn der Unterschied der mittleren Gitterkonstante groß wird, mit dem früher bestimmten Mechanismus übereinstimmen und auf die Wirksamkeit des Mechanismus unter anderen Tatsachen geschlossen wird.
Erklärung der Bezugszeichen [0043] 100... Halbleiterwafer, 102... Trägerschicht, 104... Pufferschicht, 110...erste
Übergitterschicht, 112...erste Schicht, 114...zweite Schicht, 116...erste Einheitsschicht,
120.. .Verbindungsschicht, 130...zweite Übergitterschicht, 132...dritte Schicht, 134...vierte
Schicht, 136...zweite Einheitsschicht, 140... Nitrid-Halbleiterkristallschicht,
142.. .Grundschicht der Vorrichtung, 144.. .aktive Schicht

Claims (14)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Ein Halbleiterwafer, umfassend einen Trägerwafer, eine erste Übergitterschicht, eine Verbindungsschicht, eine zweite Übergitterschicht und eine NitridHalbleiterkristallschicht, wobei der Trägerwafer, die erste Übergitterschicht, die Verbindungsschicht, die zweite Übergitterschicht und die Nitrid-Halbleiterkristallschicht in einer Reihenfolge des Trägerwafers, der ersten Übergitterschicht, der Verbindungsschicht, der zweiten Übergitterschicht und der Nitrid-Halbleiterkristallschicht angeordnet sind, die erste Übergitterschicht eine Mehrzahl von ersten Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aufgebaut ist, die zweite Übergitterschicht eine Mehrzahl von zweiten Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus einer dritten Schicht und einer vierten Schicht aufgebaut ist, die erste Schicht aus AlxiGai_xiN (0 < xl < 1) gebildet ist, die zweite Schicht aus AlyiGai.yiN ( 0 < yl < 1, xl > yl) gebildet ist, die dritte Schicht aus AlX2Gai.X2N (0 < x2 < 1) besteht, die vierte Schicht aus Al^Gai.j^N (0 < y2 < 1, x2 > y2) besteht, eine mittlere Gitterkonstante der ersten Übergitterschicht sich von einer mittleren Gitterkonstante der zweiten Übergitterschicht unterscheidet, eine oder mehrere Schichten, ausgewählt aus der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht, Fremdatome enthalten, die eine Durchschlagspannung verbessern und die eine Konzentration von mehr als 7 x 1018 [Atome/cm3] aufweisen.
  2. 2. Der Halbleiterwafer nach Anspruch 1, wobei die Fremdatome eine oder mehrere Arten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CAtomen, Fe-Atomen, Mn-Atomen, Mg-Atomen, V-Atomen, Cr-Atomen, Be-Atomen und B-Atomen, sind.
  3. 3. Der Halbleiterwafer nach Anspruch 2, wobei die Fremdatome C-Atome oder Fe-Atome sind.
    21 / 33 • · · • ·
  4. 4. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindungsschicht eine Kristallschicht ist, die mit der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht in Kontakt ist.
  5. 5. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Zusammensetzung der Verbindungsschicht sich kontinuierlich in einer Dickerichtung der Verbindungsschicht von der ersten Übergitterschicht zu der zweiten Übergitterschicht ändert.
  6. 6. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Zusammensetzung der Verbindungsschicht sich stufenweise in einer Dickerichtung der Verbindungsschicht von der ersten Übergitterschicht zu der zweiten Übergitterschicht ändert.
  7. 7. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungsschicht aus AlzGai_zN (0 < z < 1) gebildet ist.
  8. 8. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Dicke der Verbindungsschicht größer ist als eine Dicke jeder ersten Schicht, zweiten Schicht, dritten Schicht und vierten Schicht.
  9. 9. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine mittlere Gitterkonstante der Verbindungsschicht kleiner ist als eine mittlere Gitterkonstante jeder ersten Übergitterschicht und zweiten Übergitterschicht.
  10. 10. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Übergitterschicht 1 bis 200 erste Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht aufgebaut ist.
  11. 11. Der Halbleiterwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Übergitterschicht 1 bis 200 zweite Einheitsschichten beinhaltet, von denen jede aus der dritten Schicht und der vierten Schicht aufgebaut ist.
    22 / 33 • ·
  12. 12. Ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren umfasst:
    /?-faches Bilden der ersten Übergitterschicht durch Bilden der ersten Einheitsschicht, welche aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht aufgebaut ist,
    Bilden der Verbindungsschicht;
    m-faches Bilden der zweiten Übergitterschicht durch Bilden der zweiten Einheitsschicht, welche aus der dritten Schicht und der vierten Schicht aufgebaut ist; und
    Bilden der Nitrid-Halbleiterkristallschicht, wobei während des einen oder mehrfachen Bildens, ausgewählt aus dem Bilden der ersten Übergitterschicht und dem Bilden der zweiten Übergitterschicht, die eine oder mehrere aus der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht so gebildet werden, dass sie Fremdatome enthalten, die eine Durchschlagspannung der einen oder mehreren aus der ersten Übergitterschicht und der zweiten Übergitterschicht verbessern und die eine Konzentration von mehr als 7 x 1014 * * * 18 [Atome/cm3] aufweisen.
  13. 13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei je nach einer Zusammensetzung und einer Dicke der Nitrid-Halbleiterkristallschicht, ein oder mehrere Parameter, ausgewählt aus (i) einer Zusammensetzung jeder ersten bis vierten Schicht, (ii) eine Dicke jeder ersten bis vierten Schicht, (iii) die Zahl n der in der ersten Übergitterschicht enthaltenen Einheitsschichten und (iv) die Zahl m der in der zweiten Übergitterschicht enthaltenen Einheitsschichten so eingestellt werden, dass der Verzug des Halbleiterwafers, gemessen an einer Oberfläche der NitridHalbleiterkristallschicht, 50 pm oder weniger beträgt.
  14. 14. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei je nach der Zusammensetzung und der Dicke der Nitrid-Halbleiterkristallschicht, die
    Zahl n der in der ersten Übergitterschicht enthaltenen Einheitsschichten und die Zahl m der in der zweiten Übergitterschicht enthaltenen Einheitsschichten so eingestellt werden, dass der Verzug des Halbleiterwafers, gemessen an der Oberfläche der NitridHalbleiterkristallschicht, 50 pm oder weniger beträgt.
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