CN117099184A - 氮化物半导体晶圆的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种氮化物半导体晶圆的制造方法，所述氮化物半导体晶圆在单晶硅基板上形成氮化物半导体膜，该方法包括：在所述单晶硅基板上形成所述氮化物半导体膜的工序；以及将1×1014/cm2以上的照射量的电子束照射至所述单晶硅基板的工序。由此，提供一种氮化物半导体晶圆的制造方法，其在使氮化物半导体膜形成在单晶硅基板上而获得的氮化物半导体晶圆中，改善了由基板所造成的损失及第2高次谐波的特性。

Description

氮化物半导体晶圆的制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体晶圆的制造方法，特别涉及一种适合用于高频器件的氮化物半导体晶圆的制造方法。
背景技术
高频器件面向小型化、低成本化，而进行将天线、放大器、开关、滤波器等器件整合的开发。此外，电路随着频率的高频化而复杂化，所使用的器件的材料也有下述分别：使用硅CMOS、III-V族半导体和氮化物半导体的器件、及使用压电体的滤波器等。
廉价且流通有大口径的晶圆的单晶硅基板被认为适合用于作为这些器件的基底的基板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2005/020320号
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，在上述那样的现有高频器件中，能够观察到起因于基板的特性劣化、由基板所造成的损失及第2、3高次谐波特性劣化。
此处，所谓高次谐波，是指基础的频率的整数倍的高阶的频率分量。将基础的频率作为基波，具有基波的2倍频率(二分之一波长)定义为第2高次谐波，具有基波的3倍频率(三分之一波长)定义为第3高次谐波。在高频电路中，为了避免由高次谐波所造成的干扰，而需要高次谐波较小的基板。
专利文献1中记载有：预先将γ射线、电子束、带电粒子束之中的1种照射至功率用途的宽能隙双极性半导体(SiC)，并将载流子寿命调整于预定范围，从而提高开关特性，但未提及第2高次谐波特性等的劣化。
本发明为了解决上述技术问题而完成，其目的在于提供一种制造氮化物半导体晶圆的方法，其在使氮化物半导体膜形成在单晶硅基板上而获得的氮化物半导体晶圆中，改善了由基板所造成的损失及第2高次谐波的特性。
(二)技术方案
为了达成上述目的，本发明提供一种氮化物半导体晶圆的制造方法，所述氮化物半导体晶圆在单晶硅基板上形成氮化物半导体膜，其特征在于，包括：
在所述单晶硅基板上形成所述氮化物半导体膜的工序；以及将1×1014/cm2以上的照射量的电子束照射至所述单晶硅基板的工序。
如果是这样的氮化物半导体晶圆的制造方法，则能够制造一种氮化物半导体晶圆，其通过照射1×1014/cm2以上的照射量(剂量)的电子束，从而改善基板所造成的损失、改善第2高次谐波特性，抑制第2高次谐波特性劣化。而且，特别是通过将制造出的氮化物半导体晶圆用于高频器件，从而能够提供一种高质量的高频器件，其改善了由基板所造成的损失(例如电力损失)和第2高次谐波特性。
此时，在照射所述电子束的工序中，可以将所照射的电子束的照射量设为3×1014/cm2以上1×1016/cm2以下。
如果这样将电子束的照射量设为3×1014/cm2以上，则能够制造一种氮化物半导体晶圆，其进一步改善了损失并抑制了第2高次谐波特性劣化。
此外，通过设为1×1016/cm2以下，从而避免照射所需的时间过长，效率高。
此外，可以在形成所述氮化物半导体膜的工序之前进行照射所述电子束的工序。或者，可以在形成所述氮化物半导体膜的工序之后进行照射所述电子束的工序。
这样，只要能够向单晶硅基板照射上述照射量的电子束即可，电子束的照射本身可以在形成氮化物半导体膜的工序之前进行，也可以在形成氮化物半导体膜的工序之后进行。
此时，可以是，在形成所述氮化物半导体膜的工序之后进一步在所述氮化物半导体膜上制作器件后，进行照射所述电子束的工序。
这样，也能够在氮化物半导体膜上制作器件后，进行上述电子束的照射。
(三)有益效果
如果是本发明的氮化物半导体晶圆的制造方法，则能够制造一种氮化物半导体晶圆，其改善了由基板所造成的损失、第2高次谐波特性，能够提供一种特别适合用于高频器件的晶圆。
附图说明
图1是示出本发明的氮化物半导体晶圆的一例的示意图。
图2是用于评价第2高次谐波特性的Co-Planar Waveguide(CPW，共面波导)的示意平面图。
图3是示出各电阻率的基板的第2高次谐波特性的曲线图。
具体实施方式
如上所述，关于在单晶硅基板上形成有氮化物半导体膜的氮化物半导体晶圆，一直寻求一种制造方法，其能够获得一种改善了损失、提高了第2高次谐波特性、抑制了特性劣化的氮化物半导体晶圆。
本发明人等针对上技术问题反复精心研究，结果发现通过一种半导体晶圆的制造方法，能够制造一种改善了损失、提高了第2高次谐波特性、抑制了第2高次谐波特性劣化的氮化物半导体晶圆，从而完成了本发明，所述氮化物半导体晶圆在单晶硅基板上形成氮化物半导体膜，该方法包括：在所述单晶硅基板上形成所述氮化物半导体膜的工序；以及将1×1014/cm2以上的照射量的电子束照射至所述单晶硅基板的工序。
以下详细说明本发明，但本发明并不受这些所限定。
使用图1说明本发明的氮化物半导体晶圆的制造方法。
另外，以下的氮化物半导体晶圆的结构仅为一例，并不限定于此。
最初，准备单晶硅基板。此单晶硅基板无特别限定，关于电阻率，例如能够使用电阻率为100Ωcm以上这样的高电阻材料。电阻率的上限值无特别限定，能够设为例如10000Ωcm以下。此外，也能够使用像电阻率为1Ωcm以上且未达100Ωcm这样的一般电阻材料、和像电阻率为未达1Ωcm这样的低电阻材料。在本发明的制造方法中，无论单晶硅基板的电阻率的高低，都能够获得像前述这样的损失和第2高次谐波特性的改善。
在本发明的制造方法中，作为随后进行的工序，包括：在单晶硅基板上形成氮化物半导体膜的工序；及将预定照射量(1×1014/cm2以上)的电子束照射至单晶硅基板的工序，这些工序可先进行其中任一工序，优选后进行照射电子束的工序。
此处，首先，对单晶硅基板进行电子束照射。通过照射电子束，从而能够显著获得“使单晶硅基板中的掺杂剂和/或源自原料的杂质等载流子去活化”所得的效果。此处的去活化也就是由“照射电子束而在单晶硅基板中形成点缺陷，这些点缺陷捕捉单晶硅基板中的载流子这样的点缺陷与掺杂剂和/或载流子的反应”所造成。此外，认为：掺杂剂和/或载流子的移动度因点缺陷而降低，从而电阻改变。认为：使单晶硅基板中的掺杂剂和/或载流子去活化的结果是单晶硅基板高电阻率化。
另外，当在形成后述的氮化物半导体膜的工序之后照射电子束时，考认为：除了上述效果以外，还使氮化物半导体膜中的点缺陷减少而特性提高。
此时，为了获得上述效果，作为电子束的照射条件，将电子束的照射量设为1×1014/cm2以上。通过设为这样的照射量，从而能够制造一种氮化物半导体晶圆，其在后述的氮化物半导体膜形成后，改善了由基板所造成的损失，改善了第2高次谐波特性。
此处，优选可以设为3×1014/cm2以上的照射量，能够进一步改善损失和第2高次谐波特性。另外，进一步优选设为1×1015/cm2以上的照射量。
另一方面，作为上限值，能够设为例如1×1016/cm2以下。如果是这样的照射量，则能够防止照射时间过长而超过必要，效率高。
除此以外的照射条件无特别限定，能够使用例如具有250keV以上的能量的电子。如果为约250keV以上，则能够更可靠地在单晶硅基板中形成点缺陷，而能够使单晶硅基板中的掺杂剂和/或源自原料的杂质等载流子去活化。另外，照射能量的上限无特别限制。
此处，作为一例，能够设为2MeV、1×1015/cm2的电子束照射。
此外，电子束可照射至单晶硅基板表面的整面。
另外，只要能够将电子束照射至单晶硅基板即可，该电子束照射也能够在形成后述的氮化物半导体膜的工序之后进行。当形成多层氮化物半导体层作为氮化物半导体膜时，可以在形成多层的氮化物半导体层的期间照射电子束。当在形成氮化物半导体膜之后进行电子束照射时，能够在制作器件之前进行，也能够在制作器件后进行。例如，能够对切割前的、在单晶硅基板上的氮化物半导体膜上制作有器件的晶圆状物以上述照射量进行电子束照射。
此外，电子束照射能够在形成氮化物半导体膜(或制作器件)之前或之后，特别是从背面侧(单晶硅基板侧)进行。
认为：这样，通过照射上述预定照射量的电子束，而减少掺杂剂和/或载流子(使单晶硅基板高电阻率化)，从而当施加高频时，追随高频的载流子消失，而高次谐波减少。
然后，通过外延生长来形成氮化物半导体。形成的氮化物半导体膜无特别限定，只要包含至少1层氮化物半导体层即可，可以为单层，也可以为多层。例如，当形成多层氮化物半导体层作为氮化物半导体膜时，如图1所示，最初形成中间层。
中间层能够在单晶硅基板上形成例如厚度为150nm的AlN层，并在该AlN层上形成例如厚度为160nm的AlGaN层，进而在该AlGaN层上形成例如GaN层和AlN层交替层叠70组而成的超晶格层。
然后，形成器件层。器件层能够形成例如厚度为800nm的GaN层，并在该GaN层上形成例如厚度为25nm的AlGaN层，进而在该AlGaN层上形成例如厚度为3nm的GaN层。
这样，通过本发明的制造方法，照射上述预定照射量的电子束，制造出氮化物半导体晶圆，该晶圆改善了损失以及第2高次谐波特性，抑制了特性劣化。而且，特别是，由这样的氮化物半导体晶圆制造出的高频器件改善了损失，并抑制了第2高次谐波特性劣化。
另外，为了测量、评价高次谐波特性，能够形成如图2所示的CPW(Co-PlanarWaveguide)的Al电极。将通过外延生长来形成氮化物半导体膜而制造出的氮化物半导体晶圆从成膜装置取出，在晶圆上形成绝缘膜，并通过光刻法在该绝缘膜上形成CPW的Al电极。
CPW具有如下结构：将金属电极空开间隙且并列地排列，并在该间隙的中央与这些金属电极并列地形成线状的中央金属电极。在图2所示的一例中，为如下结构：在金属电极的中央空开线状的间隙，并在该间隙的中央以不与外侧的金属电极接触的方式形成线状的电极。
CPW以这样的结构，通过如下的电场和磁场来传输电磁波，即：从中央金属电极朝向左右两侧的金属电极和半导体基板内部的方向的电场；以及在半导体基板内部包围中央金属电极的方向的磁场。如果在晶圆上形成CPW，则能够测量高次谐波特性(HarmonicDistortion：HD)。
实施例
以下列举实施例来具体说明本发明，但本发明并不受此所限定。
(实施例及比较例)
准备了电阻率不同的3种(8mΩcm、8Ωcm、5531Ωcm)单晶硅基板。作为中间层，在上述3种单晶硅基板上，形成厚度为150nm的AlN层，并在该AlN层上形成厚度为160nm的AlGaN层，进而在该AlGaN层上形成GaN层和AlN层交替层叠70组而成的超晶格层。然后，作为器件层，形成厚度为800nm的GaN层，并在该GaN层上形成厚度为25nm的AlGaN层，进而在该AlGaN层上形成厚度为3nm的GaN层(参照图1)。
将通过外延生长形成氮化物半导体膜而成的氮化物半导体晶圆从生长装置取出，在晶圆上形成绝缘膜，并通过光刻法来形成如图2所示CPW的电极(Al)(路线长：2199μm)。
然后，首先，测量电子束照射前的氮化物半导体晶圆的各元件的第2高次谐波特性(2HD)(未照射)。
在该测量后，对氮化物半导体晶圆进行电子束照射。电子束照射是将剂量改变为2MeV、5×1011/cm2、5×1012/cm2、1×1014/cm2、1×1015/cm2，并使用日新电机(NHV公司3000kV机)来进行。
然后，测量电子束照射后的氮化物半导体晶圆的各元件的第2高次谐波特性(2HD)。
另外，未照射、5×1011/cm2、5×1012/cm2这3种情况为比较例，1×1014/cm2、1×1015/cm2这2种情况为实施例。
测量结果如图3所示。图3是表示各电阻率的基板的第2高次谐波特性的图表。在图表中，纵轴的负值越大则意味着特性越好。另外，横轴的左端的位置是1×1011/cm2的位置，示出的图绘本身表示在未照射(也就是照射量为0/cm2)时的测量值。
对上述各种类(电阻率)比较了各照射量时的第2高次谐波特性，结果如图3所示，可知在任一种类中结果都是：相较于未照射、5×1011/cm2、5×1012/cm2这3种情况(比较例)，1×1014/cm2、1×1015/cm2这2种情况(实施例)得到改善。
例如，在8Ωcm的情况下，与未照射的情况相比，在进行1×1014/cm2的电子束照射的氮化物半导体晶圆中，能够观察到第2高次谐波损失改善了约20dBm。并且，当进行1×1015/cm2的电子束照射时，相较于1×1014/cm2的情况，可知第2高次谐波损失改善了约25dBm。也就是说，与未照射的情况相比，观察到改善了约45dBm。
在8mΩcm和5531Ωcm的情况下，也观察到同等或更大的改善。
如图表所示，可知下述情况：从未照射(照射量为0/cm2)起到照射量为5×1012/cm2左右为止，第2高次谐波没有明显变化，但以1×1014/cm2为分界，第2高次谐波逐渐大幅改善。而且，由图表的曲线也可知，随着照射量增加为3×1014/cm2以上、进一步为1×1015/cm2以上，第2高次谐波更加改善。另外，虽然对于1×1016/cm2和比其更大的照射量而言，也能够确认到第2高次谐波大幅改善，但如果考虑到效率方面，则认为改善程度在1×1016/cm2左右的照射量则为充分。
此外，也对由基板所造成的损失进行了调查。另外，将此损失称为由漏电流所造成的电力损失，所述漏电流起因于：中间层(缓冲层)的SLs部的2DEG(二维电子气)、Al从AlN层向单晶硅基板的扩散所造成的P通道化。
对上述各种类(电阻率)比较了各照射量时的损失。与第2高次谐波特性时同样地，在任一种类中都是：相较于未照射、5×1011/cm2、5×1012/cm2这3种情况(比较例)，1×1014/cm2、1×1015/cm2这2种情况(实施例)为改善的结果。
例如对于8Ωcm的种类而言，在从未照射到照射量为5×1012/cm2左右之间，损失为-60dBm/mm左右，在1×1014/cm2的情况下，损失为-80dBm/mm，得到改善。而且，能够确认到：以1×1014/cm2为分界，当为其以上时，更加大幅改善。
此外，本发明不限于上述实施方式。上述实施方式是例示，凡具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的结构并起到同样的作用效果的任何方案都包含在本发明的技术范围内。

Claims (5)

1.一种氮化物半导体晶圆的制造方法，所述氮化物半导体晶圆在单晶硅基板上形成氮化物半导体膜，其特征在于，包括：
在所述单晶硅基板上形成所述氮化物半导体膜的工序；以及将1×1014/cm2以上的照射量的电子束照射至所述单晶硅基板的工序。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体晶圆的制造方法，其特征在于，
在照射所述电子束的工序中，将所照射的电子束的照射量设为3×1014/cm2以上1×1016/cm2以下。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体晶圆的制造方法，其特征在于，
在形成所述氮化物半导体膜的工序之前进行照射所述电子束的工序。
4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体晶圆的制造方法，其特征在于，
在形成所述氮化物半导体膜的工序之后进行照射所述电子束的工序。
5.根据权利要求4所述的氮化物半导体晶圆的制造方法，其特征在于，
在形成所述氮化物半导体膜的工序之后进一步在所述氮化物半导体膜上制作器件后，进行照射所述电子束的工序。
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