JP2003224072A - Semiconductor structure and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor structure and manufacturing method therefor

Info

Publication number
JP2003224072A
JP2003224072A JP2002019656A JP2002019656A JP2003224072A JP 2003224072 A JP2003224072 A JP 2003224072A JP 2002019656 A JP2002019656 A JP 2002019656A JP 2002019656 A JP2002019656 A JP 2002019656A JP 2003224072 A JP2003224072 A JP 2003224072A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
layer containing
transition metal
substrate
semiconductor structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002019656A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ayumi Tsujimura
歩 辻村
Toshiya Yokogawa
俊哉 横川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2002019656A priority Critical patent/JP2003224072A/en
Publication of JP2003224072A publication Critical patent/JP2003224072A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress crack generation at the time of epitaxially growing a nitride semiconductor on an Si based substrate and to improve crystal quality. <P>SOLUTION: An Ni layer is formed on the Si substrate by a sputtering method, and Ni<SB>3</SB>N layer is formed by heat-treating it at 500 to 900°C in an ammonia air flow. It is turned to a template layer and an AlN layer and a GaN layer are epitaxially grown successively. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はSi系基板上に形成
した窒化物半導体からなる電子素子、受発光素子等を構
成するトランジスタ、ダイオード等の半導体素子に関す
るものであり、特に基板と窒化物半導体との界面の構造
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic device made of a nitride semiconductor formed on a Si-based substrate, a semiconductor device such as a transistor and a diode constituting a light emitting and receiving device, and more particularly to a substrate and a nitride semiconductor. Regarding the structure of the interface with.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaN系窒化物半導体は、高い絶縁破壊
電界強度、電子飽和速度、熱伝導率を有し、特に高周波
パワー素子材料として有望である。大口径で安価なSi
系基板上に窒化物半導体を形成できると、窒化物半導体
素子の低コスト化が図れるだけでなく、窒化物半導体か
らなる受発光素子、高周波パワー素子とSi系LSIと
の1チップ化が実現できる。
2. Description of the Related Art GaN-based nitride semiconductors have high dielectric breakdown field strength, electron saturation rate, and thermal conductivity, and are particularly promising as high frequency power device materials. Large diameter and inexpensive Si
If the nitride semiconductor can be formed on the substrate, not only the cost of the nitride semiconductor element can be reduced, but also the light emitting / receiving element made of the nitride semiconductor, the high frequency power element and the Si-based LSI can be realized in one chip. .

【0003】なお、本明細書で述べるSi系基板とは、
Si基板だけでなく、SiGe、SiGeC等の混晶層
を少なくとも一部分有するSi基板、あるいは基板表面
の少なくとも一部分がSiからなる基板を指す。また、
窒化物半導体とは、B、Al、Ga、Inのうちの少な
くとも1種の元素およびNを含む半導体を指す。
Incidentally, the Si-based substrate described in this specification means
Not only the Si substrate but also a Si substrate having at least a part of a mixed crystal layer such as SiGe or SiGeC, or a substrate having at least a part of the substrate surface made of Si. Also,
A nitride semiconductor refers to a semiconductor containing N and at least one element of B, Al, Ga, and In.

【0004】一般に窒化物半導体は六方晶系であるか
ら、Si系を基板に用いる場合はエピタキシャル成長の
六方晶系テンプレートとなる(111)面方位の基板が
使用される。Si(111)に対してGaNは−17%
の格子不整合および+2×10 -6/℃の熱膨張係数差を
有する。GaNのエピタキシャル成長温度は成長方法に
も依存するが、700〜1000℃程度であり、成長後
は成長中にも増してGaN層に引っ張り応力がかかるの
で、クラックの発生を伴わずに成長できるのは膜厚1〜
2μm程度以下である。なお、GaN層の成長に先立
ち、一般に、SiC層、AlN層、AlGaN層等がバ
ッファ層として形成される。
Is a nitride semiconductor generally hexagonal
In the case of using a Si-based material for the substrate,
A substrate with a (111) plane orientation that serves as a hexagonal template
used. -17% of GaN with respect to Si (111)
Lattice mismatch and + 2 × 10 -6Difference in thermal expansion coefficient
Have. The growth temperature of GaN depends on the growth method.
Although it depends also on, it is about 700 to 1000 ° C, and after growth
Causes tensile stress on the GaN layer even during growth
The film thickness of 1 to 1 can grow without cracks.
It is about 2 μm or less. Note that prior to the growth of the GaN layer
Generally, SiC layers, AlN layers, AlGaN layers, etc.
Formed as a buffer layer.

【0005】また、Si系LSIプロセスで主流となっ
ている(100)基板を用いると、窒化物半導体に立方
晶相が混在する傾向が強くなるが、エピタキシャル成長
条件の制御により立方晶相の析出を抑制できる。例え
ば、「Applied Physics Letter
s第79巻(2001)第L1459〜L1461ペー
ジ」には、Si(100)基板上にAlNバッファ層を
介して六方晶GaN薄膜(膜厚2μm)がクラックの発
生なく成長できたことが記載されている。
When a (100) substrate, which is the mainstream in Si-based LSI processes, is used, the cubic phase tends to coexist in the nitride semiconductor, but the cubic phase is precipitated by controlling the epitaxial growth conditions. Can be suppressed. For example, "Applied Physics Letter
s Vol. 79 (2001) L1459 to L1461 "describes that a hexagonal GaN thin film (film thickness 2 μm) could be grown on a Si (100) substrate via an AlN buffer layer without cracks. ing.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、C面内
におけるa軸配向性の分布が大きいので、C面内でのキ
ャリア移動度の低下が懸念されている。
However, since the distribution of the a-axis orientation in the C-plane is large, there is a concern that the carrier mobility in the C-plane will decrease.

【0007】従って本発明は、Si系基板上に窒化物半
導体をエピタキシャル成長させる際のクラック発生を抑
制し、結晶品質を改善し、この構造を備えた半導体素子
の電気特性および信頼性の向上に資することを目的とす
る。
Therefore, the present invention suppresses the occurrence of cracks when epitaxially growing a nitride semiconductor on a Si-based substrate, improves the crystal quality, and contributes to the improvement of the electrical characteristics and reliability of the semiconductor device having this structure. The purpose is to

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による半導体構造は、Si系基板上に形成さ
れた遷移金属元素X(XはV、Cr、Co、Ni、Z
r、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの群から選ばれる元
素)を含む層と、前記遷移金属元素Xを含む層の上に形
成されたIII族元素およびNを含む半導体層とを備えて
いる。前記構成においては、前記遷移金属元素Xを含む
層が、遷移金属元素XおよびNを含むことが好ましい。
また、前記遷移金属元素Xを含む層におけるNの含有量
が、前記Si系基板に接する側から前記III族元素およ
びNを含む半導体層に接する側にかけて増加することが
好ましい。また、前記遷移金属元素Xを含む層の格子定
数が、前記Si系基板に接する側から前記III族元素お
よびNを含む半導体層に接する側にかけて減少すること
が好ましい。
In order to achieve the above object, a semiconductor structure according to the present invention has a transition metal element X (X is V, Cr, Co, Ni, Z) formed on a Si-based substrate.
a layer containing an element selected from the group consisting of r, Nb, Mo, Hf, Ta and W), and a semiconductor layer containing a group III element and N formed on the layer containing the transition metal element X. There is. In the above structure, the layer containing the transition metal element X preferably contains the transition metal elements X and N.
Further, it is preferable that the content of N in the layer containing the transition metal element X increases from the side in contact with the Si-based substrate to the side in contact with the semiconductor layer containing the group III element and N. Further, it is preferable that the lattice constant of the layer containing the transition metal element X decreases from the side in contact with the Si-based substrate to the side in contact with the semiconductor layer containing the group III element and N.

【0009】別の発明による半導体構造は、Si系基板
上に形成された遷移金属元素X(XはV、Cr、Co、
Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの群から選ば
れる元素)およびNを含む層と、前記遷移金属元素Xお
よびNを含む層の上に形成されたIII族元素およびNを
含む六方晶系の半導体層とを備えており、前記遷移金属
元素XおよびNを含む層の原子配列が、前記III族元素
およびNを含む六方晶系の半導体層との界面において六
方晶系である。前記構成においては、前記遷移金属元素
XおよびNを含む層の原子配列が、前記Si系基板との
界面において立方晶系であることが好ましい。また、前
記Si系基板の面方位が{100}であることが好まし
い。
A semiconductor structure according to another invention is a transition metal element X (X is V, Cr, Co,) formed on a Si-based substrate.
A layer containing Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W) and N, and a group III element and N formed on the layer containing the transition metal elements X and N A hexagonal semiconductor layer, and the atomic arrangement of the layer containing the transition metal elements X and N is hexagonal at the interface with the hexagonal semiconductor layer containing the group III element and N. . In the above structure, the atomic arrangement of the layer containing the transition metal elements X and N is preferably cubic at the interface with the Si-based substrate. Further, the plane direction of the Si-based substrate is preferably {100}.

【0010】さらに、前記Si系基板の表面が周期的な
リセス状ストライプからなる段差形状を有しており、リ
セス部の上方がエアギャップとなっていることが好まし
い。
Further, it is preferable that the surface of the Si-based substrate has a stepped shape composed of periodic recessed stripes, and an air gap is formed above the recessed portion.

【0011】本発明による半導体構造の製造方法は、S
i系基板上に遷移金属元素X(XはV、Cr、Co、N
i、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの群から選ばれ
る元素)を含む層をスパッタ法で形成する工程と、前記
遷移金属元素Xを含む層をアンモニアを含む気流中で熱
処理する工程と、前記遷移金属元素Xを含む層の上にII
I族元素およびNを含む半導体層を有機金属気相成長法
で形成する工程とを有する。
The method of manufacturing a semiconductor structure according to the present invention comprises:
Transition metal element X (X is V, Cr, Co, N
i, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W), and a step of forming a layer containing a transition metal element X by a sputtering method, and a step of heat-treating the layer containing the transition metal element X in a stream containing ammonia. And II on the layer containing the transition metal element X.
And a step of forming a semiconductor layer containing a group I element and N by a metal organic chemical vapor deposition method.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体構造お
よびその製造方法に関する実施の形態を詳細に説明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a semiconductor structure and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail below.

【0013】(実施の形態1)図1は本発明による半導
体構造を模式的に示す断面図である。この半導体構造
は、Si(100)基板101上に、Ni層102、N
3N層103、AlN層104、GaN層105を順
次積層した構成を備えている。
(First Embodiment) FIG. 1 is a sectional view schematically showing a semiconductor structure according to the present invention. This semiconductor structure comprises a Ni (102), N (N),
The i 3 N layer 103, the AlN layer 104, and the GaN layer 105 are sequentially laminated.

【0014】以下、各層の構造およびその製造方法につ
いて説明する。Si基板101には(100)面を用い
ているが、それ以外の面方位を持つSi基板を用いるこ
ともできる。例えば、(111)面を使うこともでき
る。一般に、六方晶の窒化物半導体をエピタキシャル成
長させるためにはSi原子が六方配列している(11
1)面を用いるのが好ましい。また、低指数面だけでな
く、ある方向へオフ角をつけた基板を用いてもよい。例
えば、(100)面から[011]方向へ6oオフ角を
つけた基板あるいは、(100)面から[01−1]方
向へ0.2oオフ角をつけた基板などを用いることがで
きる。これらにより、基板表面上に形成する界面層の状
態、構造を制御できるので、格子不整合に伴って発生す
る転位の密度を制御したり、結晶軸の配向性分布を制御
したりすることができる。また、基板の伝導型について
は、n型、p型いずれであってもよい。用途によっては
高抵抗基板を用いてもよい。なお、Si基板以外にも、
SiGe、SiGeC等の混晶層を少なくとも一部分有
するSi基板、あるいは基板表面の少なくとも一部分が
Siである基板を用いてもよい。
The structure of each layer and the manufacturing method thereof will be described below. Although the (100) plane is used for the Si substrate 101, a Si substrate having another plane orientation can also be used. For example, the (111) plane can be used. Generally, in order to epitaxially grow a hexagonal nitride semiconductor, Si atoms are hexagonally arranged (11
It is preferable to use the 1) plane. Further, not only the low index surface but also a substrate having an off angle in a certain direction may be used. For example, a substrate having a 6 ° off angle from the (100) plane in the [011] direction, or a substrate having a 0.2 ° off angle from the (100) plane in the [01-1] direction can be used. Since these can control the state and structure of the interface layer formed on the substrate surface, it is possible to control the density of dislocations generated due to lattice mismatch and the orientation distribution of crystal axes. . The conductivity type of the substrate may be either n-type or p-type. A high resistance substrate may be used depending on the application. In addition to the Si substrate,
A Si substrate having at least a part of a mixed crystal layer such as SiGe or SiGeC, or a substrate having at least a part of the substrate surface made of Si may be used.

【0015】Ni層102は、Si基板101の結晶軸
の配向性をNi3N層103に反映させるための層とし
て、またAlN層104およびGaN層105にかかる
引っ張り応力を緩和するための層として設けられる。N
i層102は必ずしも単結晶層である必要はなく、配向
性多結晶層であってもよい。膜厚は1〜100nm程度
であり、好ましくは1〜10nm程度である。これによ
り窒化物半導体層でのクラックの発生が抑制される。
The Ni layer 102 is a layer for reflecting the crystallographic orientation of the Si substrate 101 in the Ni 3 N layer 103, and a layer for relaxing the tensile stress applied to the AlN layer 104 and the GaN layer 105. It is provided. N
The i layer 102 is not necessarily a single crystal layer, and may be an oriented polycrystal layer. The film thickness is about 1 to 100 nm, preferably about 1 to 10 nm. This suppresses the occurrence of cracks in the nitride semiconductor layer.

【0016】Niの結晶構造は立方晶系(面心立方格
子)で、Siに対する格子不整は約−9%とAlN、G
aNの Siに対する格子不整の約半分である。かつN
iの熱膨張係数はSiの熱膨張係数に対して約10倍で
あり、またAlNの熱膨張係数に対して約9倍、GaN
の熱膨張係数に対して約7倍と大きい。このため、Al
N層104およびGaN層105にかかる成長中の引っ
張り応力はNi層102を介在させない場合に比べて低
減され、成長後は更に低減される。したがって、窒化物
半導体層でのクラックの発生が著しく抑制される。
The crystal structure of Ni is a cubic system (face centered cubic lattice), and the lattice mismatch with respect to Si is about -9% and AlN and G.
It is about half of the lattice mismatch of aN with respect to Si. And N
The coefficient of thermal expansion of i is about 10 times that of Si, and that of AlN is about 9 times that of GaN.
It is as large as about 7 times the thermal expansion coefficient. Therefore, Al
The tensile stress applied to the N layer 104 and the GaN layer 105 during the growth is reduced as compared with the case where the Ni layer 102 is not interposed, and is further reduced after the growth. Therefore, the occurrence of cracks in the nitride semiconductor layer is significantly suppressed.

【0017】Ni3N層103は、その上にAlN層1
04およびGaN層105を成長するためのテンプレー
トとして設けられる。Ni3N層103は必ずしも単結
晶層である必要はなく、配向性多結晶層であってもよ
い。膜厚は1〜100nm程度であり、好ましくは5〜
50nm程度である。これにより窒化物半導体層でのc
軸およびa軸の配向性分布が向上し、高品質な窒化物半
導体結晶を得ることができる。
The Ni 3 N layer 103 has an AlN layer 1 formed thereon.
04 and GaN layer 105 are provided as a template for growing. The Ni 3 N layer 103 does not necessarily have to be a single crystal layer, and may be an oriented polycrystal layer. The film thickness is about 1 to 100 nm, preferably 5 to
It is about 50 nm. As a result, c in the nitride semiconductor layer
The orientation distribution of the axis and the a-axis is improved, and a high quality nitride semiconductor crystal can be obtained.

【0018】Ni3Nの結晶構造はNi結晶にN原子が
侵入した六方晶系で、AlN層104およびGaN層1
05をc軸配向させて成長するためのテンプレートにな
る。AlNに対する格子不整は約−14%であり、熱膨
張係数はAlNに対して約8倍である。本実施の形態で
はNi3Nを用いたが、NはNiに対して種々の割合で
化合物を形成するので、必ずしもこの組成だけに限定し
て用いられるものではない。すなわちテンプレート層と
して所望する格子定数のNiN層を形成することができ
る。また、NiN層内で組成が変化していてもよく、例
えばNi層102との界面からAlN層104との界面
にかけてN含有量が連続的にあるいは段階的に増加して
いてもよい。
The crystal structure of Ni 3 N is a hexagonal system in which N atoms have penetrated into the Ni crystal, and the AlN layer 104 and the GaN layer 1
05 serves as a template for growth by orienting c-axis. The lattice mismatch for AlN is about -14% and the coefficient of thermal expansion is about 8 times that for AlN. Although Ni 3 N is used in the present embodiment, N forms a compound at various ratios with respect to Ni, so N is not necessarily limited to this composition. That is, a NiN layer having a desired lattice constant can be formed as the template layer. Further, the composition may change in the NiN layer, and for example, the N content may continuously or stepwise increase from the interface with the Ni layer 102 to the interface with the AlN layer 104.

【0019】AlN層104は、その上にGaN層10
5を成長するための単結晶テンプレートとして設けられ
る。膜厚は5〜500nm程度であり、好ましくは10
〜200nm程度である。この層でエピタキシャル成長
が2次元成長的に進行し、GaN層105でのc軸およ
びa軸の配向性分布が向上し、高品質な窒化物半導体結
晶を得ることができる。本実施の形態ではAlN層を用
いたが、これ以外にAlGaN層、AlGaInN層、
GaInN層、InN層等を用いてもよい。
The AlN layer 104 has the GaN layer 10 formed thereon.
5 provided as a single crystal template for growing. The film thickness is about 5 to 500 nm, preferably 10
Is about 200 nm. Epitaxial growth proceeds two-dimensionally in this layer, the orientation distribution of the c-axis and the a-axis in the GaN layer 105 is improved, and a high-quality nitride semiconductor crystal can be obtained. Although the AlN layer is used in the present embodiment, in addition to this, an AlGaN layer, an AlGaInN layer,
A GaInN layer, an InN layer or the like may be used.

【0020】以上の構成によりGaN層105は、膜厚
が3μm程度以下であれば、クラックの発生を防ぎつつ
成長させることができる。下地層との格子不整に起因す
ると考えられる貫通転位が存在し、その密度は108
109cm-2程度である。GaN層105に相当する部
分にはGaNに限らず、その他の窒化物半導体を形成す
ることができる。したがってAlN層104の上に受発
光素子、高周波パワー素子等を構成するのに必要な窒化
物半導体多層膜を形成することができる。なお、AlN
層104 とGaN層105の間にGaInN層を膜厚
30〜100nm程度挿入すると、より効果的にクラッ
クの発生を抑制することができる。
With the above structure, the GaN layer 105 can be grown while preventing the generation of cracks if the film thickness is about 3 μm or less. There are threading dislocations that are considered to be caused by lattice mismatch with the underlayer, and their density is 10 8 to
It is about 10 9 cm -2 . Not only GaN but also other nitride semiconductors can be formed in the portion corresponding to the GaN layer 105. Therefore, it is possible to form the nitride semiconductor multilayer film necessary for forming a light emitting / receiving element, a high frequency power element, etc. on the AlN layer 104. AlN
If a GaInN layer with a film thickness of about 30 to 100 nm is inserted between the layer 104 and the GaN layer 105, the generation of cracks can be suppressed more effectively.

【0021】なお、本実施の形態ではSi基板101上
にNi層102が形成されている場合について説明した
が、Ni以外にV、Cr、Co、Zr、Nb、Mo、H
f、Ta、Wの群から選ばれる遷移金属元素を用いるこ
とができ、同様の効果を得ることができる。
Although the case where the Ni layer 102 is formed on the Si substrate 101 has been described in the present embodiment, V, Cr, Co, Zr, Nb, Mo and H are used in addition to Ni.
A transition metal element selected from the group consisting of f, Ta, and W can be used, and the same effect can be obtained.

【0022】次に、図1に示したような半導体構造を製
造する方法について説明する。Si基板101には、フ
ッ酸洗浄により表面の水素終端処理を施し、Ni層10
2を形成するまでに表面が酸化されるのを防ぐ。
Next, a method of manufacturing the semiconductor structure as shown in FIG. 1 will be described. The surface of the Si substrate 101 is terminated with hydrogen by cleaning with hydrofluoric acid, and the Ni layer 10 is formed.
Prevents the surface from being oxidized by the time 2 is formed.

【0023】Ni層102の形成には、結晶軸の配向性
を付与するためスパッタ法を用いる。DCスパッタ、マ
グネトロンスパッタ、ECRスパッタ等、既存の各種ス
パッタ方式から適当な方法を選べばよい。Niターゲッ
トをアルゴンでスパッタリングすることにより、Niタ
ーゲットに対向させたSi基板101上に Ni層10
2を例えば膜厚15nm程度形成する。配向性を高める
ために、Si基板101を例えば400℃程度に加熱し
ておいてもよい。また、この上にNi3N層103ある
いはAlN層104を形成するため加熱する際にNi層
102がボールアップするのを防ぐため、Si基板10
1と Ni層102のぬれ性を向上させるための金属層
を両者の界面に介在させておいてもよい。例えばTi層
を膜厚5nm程度形成しておく。
To form the Ni layer 102, a sputtering method is used to give orientation of crystal axes. An appropriate method may be selected from various existing sputtering methods such as DC sputtering, magnetron sputtering, and ECR sputtering. By sputtering the Ni target with argon, the Ni layer 10 is formed on the Si substrate 101 facing the Ni target.
2 is formed with a film thickness of about 15 nm. The Si substrate 101 may be heated to, for example, about 400 ° C. in order to enhance the orientation. Further, in order to prevent the Ni layer 102 from balling up during heating for forming the Ni 3 N layer 103 or the AlN layer 104 thereon, the Si substrate 10
A metal layer for improving the wettability of 1 and the Ni layer 102 may be interposed at the interface between the two. For example, a Ti layer is formed with a film thickness of about 5 nm.

【0024】Ni層102より上の層の形成には、有機
金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)装置内での
アンモニア(NH3)気流中熱処理とMOVPE法を用
いる。
To form a layer above the Ni layer 102, a heat treatment in an ammonia (NH 3 ) stream in a metal organic vapor phase epitaxial growth (MOVPE) apparatus and a MOVPE method are used.

【0025】Ni層102が形成されたSi基板101
をMOVPE装置の反応室内に載置し真空排気した後、
1気圧のNH3気流中500〜900℃で10分間程度
加熱し、Ni3N層103を形成する。この工程でNi
層102中にNが拡散し、例えば表面から深さ10nm
までの層がNi3N層103となる。Ni3N層103表
面の原子配列は六方格子となっている。前述のように、
本実施の形態ではNi 3Nを用いたが、NはNiに対し
て種々の割合で化合物を形成することができ、必ずしも
この組成だけに限定して用いられるものではない。熱処
理温度を高くするとN含有量が増加するので、温度制御
によって組成制御を行うことができる。また、熱処理時
間を制御することによって膜厚制御を行うことができ
る。したがって、熱処理温度および時間の制御によって
Ni層102からNiN層103にかけての構造および
格子定数の制御を行うことができる。例えば、Ni層1
02との界面からAlN層104との界面にかけてN含
有量を連続的にあるいは段階的に増加させるには、熱処
理温度を連続的にあるいは段階的に高くしていけばよ
い。また、Si基板101との界面までNを拡散させ、
実質的にNi層102が消失するような十分な熱処理を
行うことも可能である。
Si substrate 101 on which Ni layer 102 is formed
Was placed in the reaction chamber of the MOVPE device and evacuated,
1 atm of NH310 minutes at 500-900 ° C in airflow
Heat and Ni3The N layer 103 is formed. Ni in this process
N is diffused in the layer 102, and the depth from the surface is 10 nm, for example.
Layers up to Ni3It becomes the N layer 103. Ni3N layer 103 surface
The atomic arrangement of the plane is a hexagonal lattice. As aforementioned,
In this embodiment, Ni 3N was used, but N is Ni
To form compounds in various proportions, and not necessarily
The composition is not limited to this composition. Heat treatment
Since the N content increases as the processing temperature increases, temperature control
The composition can be controlled by. Also, during heat treatment
The film thickness can be controlled by controlling the
It Therefore, by controlling the heat treatment temperature and time
Structure from Ni layer 102 to NiN layer 103 and
The lattice constant can be controlled. For example, Ni layer 1
02 to the interface with the AlN layer 104.
To increase the quantity continuously or in steps, heat treatment
If you increase the processing temperature continuously or stepwise
Yes. In addition, N is diffused to the interface with the Si substrate 101,
Sufficient heat treatment to substantially eliminate the Ni layer 102
It is also possible to do so.

【0026】引き続きMOVPE法でAlN層104と
GaN層105を成長させる。すなわち、基板温度を1
100℃とし、水素および窒素をキャリアガスとしてト
リメチルアルミニウム(TMA)およびNH3を原料と
してV族/III族供給モル比(V/III比)が1500と
なるように供給し、AlN層104を成長させる。膜厚
は例えば100nm程度であり、成長速度は5nm/m
in程度である。次にTMAの供給を止めて基板温度を
1050℃とし、水素および窒素をキャリアガスとして
トリメチルガリウム(TMG)およびNH3を原料とし
てV/III比が7000となるように供給し、GaN層
105を成長させる。膜厚は例えば3μm程度であり、
成長速度は30nm/min程度である。その後TM
G、NH3の供給を止めて室温まで冷却して、図1に示
すような半導体構造を得る。
Subsequently, the AlN layer 104 and the GaN layer 105 are grown by the MOVPE method. That is, the substrate temperature is 1
The temperature is set to 100 ° C., hydrogen and nitrogen are used as carrier gases, and trimethylaluminum (TMA) and NH 3 are used as raw materials so that the supply molar ratio (V / III ratio) of the group V / group III is 1500, and the AlN layer 104 is grown. Let The film thickness is, for example, about 100 nm, and the growth rate is 5 nm / m.
It is about in. Then, the supply of TMA is stopped, the substrate temperature is set to 1050 ° C., hydrogen and nitrogen are used as carrier gases, and trimethylgallium (TMG) and NH 3 are used as raw materials so that the V / III ratio becomes 7,000 to form the GaN layer 105. Grow. The film thickness is, for example, about 3 μm,
The growth rate is about 30 nm / min. Then TM
The supply of G and NH 3 is stopped and the temperature is cooled to room temperature to obtain a semiconductor structure as shown in FIG.

【0027】本発明による半導体構造の製造方法は本実
施の形態で説明した方法に限定されるものではなく、M
OVPE法を用いた工程においては、代わりに水素化物
気相エピタキシャル成長(HVPE)法や分子線エピタ
キシャル成長(MBE)法等、窒化物半導体結晶を成長
させるためにこれまで提案されている全ての方法が適用
できる。また、Ni3N層103を形成するにはNi層
102のアンモニア気流中での熱処理の代わりに、反応
性スパッタ法を用いてもよい。すなわちNi層102の
形成に引き続き、窒素も導入してスパッタリングを行
う。さらにスパッタ法を用いた工程については、スパッ
タ法を用いる代わりにMBE法やMOCVD法等、配向
性の高い金属膜および窒化膜結晶を成長させるためにこ
れまで提案されている全ての方法が適用できる。
The method of manufacturing the semiconductor structure according to the present invention is not limited to the method described in this embodiment, and M
In the process using the OVPE method, instead of the hydride vapor phase epitaxial growth (HVPE) method or the molecular beam epitaxial growth (MBE) method, all the methods that have been proposed to grow a nitride semiconductor crystal are applied. it can. Further, in order to form the Ni 3 N layer 103, a reactive sputtering method may be used instead of the heat treatment of the Ni layer 102 in the ammonia stream. That is, following the formation of the Ni layer 102, nitrogen is also introduced and sputtering is performed. Further, with respect to the step using the sputtering method, all methods proposed so far to grow highly oriented metal film and nitride film crystal such as MBE method and MOCVD method can be applied instead of using the sputtering method. .

【0028】(実施の形態2)図2は本発明による半導
体構造を模式的に示す断面図である。この半導体構造
は、Si(111)基板201上に、Zr層202、A
lN層203、GaN層204を順次積層した構成を備
えている。
(Second Embodiment) FIG. 2 is a sectional view schematically showing a semiconductor structure according to the present invention. This semiconductor structure comprises a Zr layer 202, A
1N layer 203 and GaN layer 204 are sequentially stacked.

【0029】以下、各層の構造およびその製造方法につ
いて実施の形態1と異なる点について説明する。
Hereinafter, the structure of each layer and the manufacturing method thereof will be described while referring to differences from the first embodiment.

【0030】Zr層202は結晶構造が六方晶系であ
り、Si基板201の結晶軸の配向性をAlN層203
に反映させるための層として、またAlN層203およ
びGaN層204にかかる引っ張り応力を緩和するため
の層として設けられる。つまり、Zr層202は必ずし
も単結晶層である必要はなく、配向性多結晶層であって
もよい。膜厚は1〜100nm程度であり、好ましくは
1〜10nm程度である。これにより窒化物半導体層で
のクラックの発生が抑制される。
The Zr layer 202 has a hexagonal crystal structure, and the crystallographic orientation of the Si substrate 201 is controlled by the AlN layer 203.
And a layer for relieving the tensile stress applied to the AlN layer 203 and the GaN layer 204. That is, the Zr layer 202 does not necessarily have to be a single crystal layer, and may be an oriented polycrystal layer. The film thickness is about 1 to 100 nm, preferably about 1 to 10 nm. This suppresses the occurrence of cracks in the nitride semiconductor layer.

【0031】Zr層202の形成には、結晶軸の配向性
を付与するためスパッタ法を用いる。DCスパッタ、マ
グネトロンスパッタ、ECRスパッタ等、既存の各種ス
パッタ方式から適当な方法を選べばよい。Zrターゲッ
トをアルゴンでスパッタリングすることにより、Zrタ
ーゲットに対向させたSi基板201上に Zr層20
2を例えば膜厚5nm程度形成する。配向性を高めるた
めに、Si基板201を例えば400℃程度に加熱して
おいてもよい。また、この上にAlN層203を形成す
るため加熱する際にZr層202がボールアップするの
を防ぐため、Si基板201と Zr層202のぬれ性
を向上させるための金属層を両者の界面に介在させてお
いてもよい。
To form the Zr layer 202, a sputtering method is used to give the orientation of crystal axes. An appropriate method may be selected from various existing sputtering methods such as DC sputtering, magnetron sputtering, and ECR sputtering. The Zr layer 20 is formed on the Si substrate 201 facing the Zr target by sputtering the Zr target with argon.
2 is formed with a film thickness of about 5 nm, for example. The Si substrate 201 may be heated to, for example, about 400 ° C. in order to enhance the orientation. Further, a metal layer for improving the wettability of the Si substrate 201 and the Zr layer 202 is formed on the interface between the Si substrate 201 and the Zr layer 202 in order to prevent the Zr layer 202 from being balled up during heating to form the AlN layer 203 on this. You may intervene.

【0032】AlN層203とGaN層204の形成に
は、MOVPE法を用いる。Zr層202が形成された
Si基板201をMOVPE装置の反応室内に載置し真
空排気した後、基板温度を1100℃、圧力を0.2気
圧とし、水素および窒素をキャリアガスとしてTMAお
よびNH3を原料としてV/III比が2000となるよう
に供給し、AlN層203を成長させる。膜厚は例えば
200nm程度であり、成長速度は10nm/min程
度である。次にTMAの供給を止めて基板温度を105
0℃とし、水素および窒素をキャリアガスとしてTMG
およびNH3を原料としてV/III比が9000となるよ
うに供給し、GaN層204を成長させる。膜厚は例え
ば3μm程度であり、成長速度は30nm/min程度
である。その後TMG、NH3の供給を止めて室温まで
冷却して、図2に示すような半導体構造を得る。
The MOVPE method is used to form the AlN layer 203 and the GaN layer 204. The Si substrate 201 on which the Zr layer 202 is formed is placed in the reaction chamber of the MOVPE apparatus and evacuated, then the substrate temperature is set to 1100 ° C., the pressure is set to 0.2 atm, and hydrogen and nitrogen are used as carrier gases for TMA and NH 3. Is supplied as a raw material so that the V / III ratio becomes 2000, and the AlN layer 203 is grown. The film thickness is, for example, about 200 nm, and the growth rate is about 10 nm / min. Next, the supply of TMA is stopped and the substrate temperature is adjusted to 105
TMG with hydrogen and nitrogen as carrier gas
Then, NH 3 is supplied as a raw material so that the V / III ratio becomes 9000, and the GaN layer 204 is grown. The film thickness is, for example, about 3 μm, and the growth rate is about 30 nm / min. After that, the supply of TMG and NH 3 is stopped and the temperature is cooled to room temperature to obtain a semiconductor structure as shown in FIG.

【0033】なお、本実施の形態ではSi基板201上
にZr層202が形成されている場合について説明した
が、Zr以外にV、Cr、Co、Ni、Nb、Mo、H
f、Ta、Wの群から選ばれる遷移金属元素を用いるこ
とができ、同様の効果を得ることができる。
Although the case where the Zr layer 202 is formed on the Si substrate 201 has been described in the present embodiment, V, Cr, Co, Ni, Nb, Mo and H are used in addition to Zr.
A transition metal element selected from the group consisting of f, Ta, and W can be used, and the same effect can be obtained.

【0034】(実施の形態3)実施の形態1で述べたよ
うに、Si系基板上の窒化物半導体結晶には高密度の貫
通転位が発生するが、横方向選択成長を行うと転位密度
を数桁低減でき、容易に高品質結晶を得ることができ
る。図3〜6は本発明による半導体構造を製造手順に従
って模式的に示す断面図である。この半導体構造はヘテ
ロ接合電界効果トランジスタ(HFET)に用いられる
もので、周期的なリセス状ストライプからなる段差形状
を有するSi(100)基板301上に、NbN層30
2、AlGaN層303、GaN層305、AlGaN
スペーサ層306、n型AlGaN電子供給層307、
AlGaNキャップ層308を順次積層した構成を備え
ており、リセス部の上方にはエアギャップ304を有す
る。309はソース電極、310はゲート電極、311
はドレイン電極である。
(Third Embodiment) As described in the first embodiment, high density threading dislocations are generated in the nitride semiconductor crystal on the Si-based substrate. It can be reduced by several orders of magnitude, and high quality crystals can be easily obtained. 3 to 6 are sectional views schematically showing a semiconductor structure according to the present invention according to a manufacturing procedure. This semiconductor structure is used for a heterojunction field effect transistor (HFET), and includes an NbN layer 30 on a Si (100) substrate 301 having a step shape composed of periodic recessed stripes.
2, AlGaN layer 303, GaN layer 305, AlGaN
Spacer layer 306, n-type AlGaN electron supply layer 307,
It has a structure in which AlGaN cap layers 308 are sequentially stacked, and has an air gap 304 above the recess portion. 309 is a source electrode, 310 is a gate electrode, 311
Is a drain electrode.

【0035】以下、各層の構造およびその製造方法につ
いて説明する。ここでは、基板301として周期的なリ
セス状ストライプからなる段差形状を有する基板を用い
た。
The structure of each layer and the manufacturing method thereof will be described below. Here, as the substrate 301, a substrate having a step shape formed of periodic recessed stripes was used.

【0036】本実施の形態では、窒化物半導体結晶の成
長方法としてMOVPE法を用いているが、本発明によ
る半導体構造の製造方法はMOVPE法に限定されるも
のではなく、HVPE法等、窒化物半導体結晶を選択成
長させるためにこれまで提案されている全ての方法が適
用できる。
In the present embodiment, the MOVPE method is used as a method for growing a nitride semiconductor crystal, but the method for manufacturing a semiconductor structure according to the present invention is not limited to the MOVPE method, and a nitride such as HVPE method is used. All the methods proposed so far can be applied to selectively grow a semiconductor crystal.

【0037】まず、Si基板上にレジストを塗布し、フ
ォトリソグラフィによってレジストをストライプ幅約1
μm、周期約4μmで[−1−12]と平行な方向にス
トライプ状に加工する。レジストをマスクとし、ウェッ
トエッチングによって基板301をリセス状(凹状)に
加工する。このとき、リセス部の幅は約3μm、リッジ
部(レジストのある部分)の幅は約1μmである。ま
た、リセスの深さは約30〜800nmである。この
後、ストライプ状のレジストを除去し、段差形状を有す
る基板301を得る(図3)。なお、ストライプの長さ
(図3において紙面に垂直な方向の長さ)はストライプ
幅に比べて十分長くてもよいが、クラックの発生を抑制
するためには、ストライプ幅の数〜100倍程度が好ま
しい。
First, a resist is coated on a Si substrate, and the resist is stripe-width-approx. 1 by photolithography.
Processing is performed in a stripe shape in a direction parallel to [-1-12] with a μm and a cycle of about 4 μm. Using the resist as a mask, the substrate 301 is processed into a recess shape (concave shape) by wet etching. At this time, the width of the recess portion is about 3 μm, and the width of the ridge portion (the portion where the resist is) is about 1 μm. The depth of the recess is about 30 to 800 nm. Then, the striped resist is removed to obtain a substrate 301 having a step shape (FIG. 3). The length of the stripe (length in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3) may be sufficiently longer than the stripe width, but in order to suppress the occurrence of cracks, it is about several to 100 times the stripe width. Is preferred.

【0038】次に、フッ酸洗浄により水素終端処理を施
したSi基板301上に NbN層302をECRスパ
ッタ法で形成する。Nbターゲットをアルゴンと窒素で
スパッタリングすることにより、Nbターゲットに対向
させたSi基板301上にNbN層302を例えば膜厚
15nm程度形成する。これにより基板の段差はNbN
層302で覆われる(図4)。結晶軸の配向性を高める
ために、Si基板301を例えば400℃程度に加熱し
ておいてもよい。
Next, an NbN layer 302 is formed by ECR sputtering on the Si substrate 301 which has been hydrogen terminated by hydrofluoric acid cleaning. By sputtering the Nb target with argon and nitrogen, the NbN layer 302 is formed on the Si substrate 301 facing the Nb target, for example, with a film thickness of about 15 nm. As a result, the step of the substrate is NbN
Covered with layer 302 (FIG. 4). The Si substrate 301 may be heated to, for example, about 400 ° C. in order to enhance the orientation of the crystal axes.

【0039】NbNの結晶構造はNb2NからNbNま
での任意の組成で六方晶系であり、組成とともに格子定
数が変化するので、スパッタリング条件を制御すること
によりテンプレート層として所望する格子定数のNbN
層302を形成することができる。また、NbN層30
2内で組成が変化していてもよく、例えばSi基板30
1との界面からAlGaN層303との界面にかけてN
含有量が連続的にあるいは段階的に増加あるいは減少し
ていてもよい。
The crystal structure of NbN is a hexagonal system with an arbitrary composition from Nb 2 N to NbN, and the lattice constant changes with the composition. Therefore, by controlling the sputtering conditions, NbN having a lattice constant desired as a template layer can be obtained.
The layer 302 can be formed. In addition, the NbN layer 30
2 may have a different composition, for example, the Si substrate 30.
N from the interface with AlGaN layer 303 to the interface with AlGaN layer 303
The content may be continuously or stepwise increased or decreased.

【0040】なお、NbN層302を形成するには反応
性スパッタ法以外に、MBE法やMOCVD法等、配向
性の高い金属膜および窒化膜結晶を成長させるためにこ
れまで提案されている全ての方法が適用できる。また、
Nb層を形成しておき、これをNH3気流中で熱処理し
て窒化してもよい。
In order to form the NbN layer 302, in addition to the reactive sputtering method, MBE method, MOCVD method and the like, all of which have been proposed so far to grow highly oriented metal films and nitride film crystals. The method can be applied. Also,
It is also possible to form an Nb layer and heat-treat this in an NH 3 stream to nitride.

【0041】NbN層302より上の層の形成には、M
OVPE法を用いる。
To form a layer above the NbN layer 302, M
The OVPE method is used.

【0042】NbN層302が形成されたSi基板30
1をMOVPE装置の反応室内に載置し真空排気した
後、基板温度を1100℃、圧力を0.1気圧とし、水
素をキャリアガスとしてTMA、TMGおよびNH3
原料として供給する。この工程で、リセス部にもAlG
aN層303が成長するが、膜厚方向の成長速度が遅
く、リッジ頂部に形成されたAlGaNの横方向成長速
度が速いため、両隣から横方向成長してきたAlGaN
と合体し、主面がC面のみからなり、表面が平坦化され
たAlGaN層303が得られる(図4)。リッジ頂部
に形成されたAlGaN 層303の膜厚は1μm程
度、Al含有量は2〜6%程度である。また、リセス部
の上方にはエアギャップ304が形成される。
Si substrate 30 on which NbN layer 302 is formed
1 was placed in the reaction chamber of the MOVPE apparatus and evacuated, then the substrate temperature was 1100 ° C., the pressure was 0.1 atm, and hydrogen was used as a carrier gas and TMA, TMG, and NH 3 were supplied as raw materials. In this process, AlG is also used in the recess.
Although the aN layer 303 grows, the growth rate in the film thickness direction is slow and the lateral growth rate of AlGaN formed on the top of the ridge is high.
To obtain an AlGaN layer 303 whose main surface is composed of only the C-plane and whose surface is flattened (FIG. 4). The film thickness of the AlGaN layer 303 formed on the top of the ridge is about 1 μm, and the Al content is about 2 to 6%. An air gap 304 is formed above the recess portion.

【0043】この工程の初期にはTMGをまったく供給
しないかあるいは少量の供給として、NbN層302上
にAlNの単結晶テンプレートを形成させる。その後、
リッジ頂部に形成されたAlGaN結晶核の横方向選択
成長を促進させるために、TMGの供給量を増加させ、
TMAの供給量を減少させる。
At the beginning of this process, TMG is not supplied at all or a small amount of it is supplied to form an AlN single crystal template on the NbN layer 302. afterwards,
In order to promote the lateral selective growth of AlGaN crystal nuclei formed on the top of the ridge, the supply amount of TMG is increased,
Reduce TMA supply.

【0044】図5において、エアギャップ304の中央
付近から上方に伸びる縦線は、左右のリッジ頂部から横
方向成長してきたAlGaN 層303が合体した部分
を示す。合体部を除くエアギャップ304上方の領域で
は貫通転位の密度は106cm-2未満である。また、N
bN層302を介して基板301に接触している領域の
C軸とエアギャップ304上方の領域のC軸とのチルト
角は0.01〜0.03度である。このように高品質の
窒化物半導体層を形成できるのは、リセス状段差の存在
により、横方向選択成長したAlGaN 層303の下
面が下方のAlGaN 層303と接触しないためであ
る。
In FIG. 5, a vertical line extending upward from the vicinity of the center of the air gap 304 indicates a portion where the AlGaN layers 303 laterally grown from the tops of the left and right ridges are united. The density of threading dislocations is less than 10 6 cm -2 in the region above the air gap 304 excluding the merged portion. Also, N
The tilt angle between the C axis in the region in contact with the substrate 301 via the bN layer 302 and the C axis in the region above the air gap 304 is 0.01 to 0.03 degrees. The reason why a high-quality nitride semiconductor layer can be formed in this manner is that the lower surface of the AlGaN layer 303 laterally selectively grown does not contact the lower AlGaN layer 303 due to the presence of the recessed step.

【0045】AlGaN 層303の形成に引き続き、
水素および窒素をキャリアガスとして、1060℃、
0.4気圧でHFET構造の成長を行う。すなわち、G
aN層305(膜厚2μm)、AlGaNスペーサ層3
06(膜厚5〜7nm)、n型AlGaN電子供給層3
07(膜厚15〜20nm)、AlGaNキャップ層3
08(膜厚3〜5nm)を順次形成する(図6)。Al
含有量は例えば30%である。n型のドーピングには例
えばシランを用い、キャリア濃度は5×1018cm-3
する。
Following the formation of the AlGaN layer 303,
With hydrogen and nitrogen as carrier gases, 1060 ° C,
The HFET structure is grown at 0.4 atm. That is, G
aN layer 305 (film thickness 2 μm), AlGaN spacer layer 3
06 (film thickness 5 to 7 nm), n-type AlGaN electron supply layer 3
07 (film thickness 15 to 20 nm), AlGaN cap layer 3
08 (thickness 3 to 5 nm) are sequentially formed (FIG. 6). Al
The content is, for example, 30%. Silane, for example, is used for n-type doping, and the carrier concentration is 5 × 10 18 cm −3 .

【0046】以上の結晶成長で得られた半導体ウェハに
対して、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフ
ィ、ドライエッチング、素子分離、表面パッシベーショ
ン、電極蒸着等のプロセスを経てHFET素子を作製す
る。表面パッシベーションには、例えばSiN、SiO
2を用いる。ゲート電極310としては、例えばNi/
Au膜を、ソース電極309、ドレイン電極311とし
ては、例えばTi/Al膜を蒸着等により形成する。貫
通転位に沿った界面準位によるリーク電流を抑制するた
め、ソース電極309端からドレイン電極311端まで
の電子走行領域が、エアギャップ304上の転位密度の
少ない領域上となるよう配置することが好ましい。特に
ゲート電極310直下が転位密度の少ない領域上となる
よう配置することが好ましい。
The semiconductor wafer obtained by the above crystal growth is subjected to processes such as photolithography, electron beam lithography, dry etching, element isolation, surface passivation, and electrode deposition to produce an HFET element. For surface passivation, for example, SiN, SiO
Use 2 . As the gate electrode 310, for example, Ni /
The Au film is formed as the source electrode 309 and the drain electrode 311 by, for example, a Ti / Al film by vapor deposition or the like. In order to suppress the leak current due to the interface state along the threading dislocation, the electron transit region from the end of the source electrode 309 to the end of the drain electrode 311 may be arranged on the air gap 304 where the dislocation density is low. preferable. In particular, it is preferable to dispose the gate electrode 310 immediately below the region with a low dislocation density.

【0047】なお、本実施の形態では、リセス部表面に
いわゆる選択成長のためのマスクを用いなかったが、リ
セス部の結晶成長を抑制するためには、SiN膜などを
リセス部表面に被覆し、マスク層としてもよい。また、
本実施の形態では、NbN層302をSi基板301の
全面に形成したが、リフトオフ等を用いてリッジ部だけ
にNbN層302を形成して、リセス部はSi基板30
1が露出していてもよい。この場合、AlGaN 層3
03を形成する前に基板をNH3気流中で加熱すると、
SiとNH3が反応してリセス部がSiN膜で被覆され
ることになる。
In the present embodiment, the mask for so-called selective growth is not used on the surface of the recess portion, but in order to suppress the crystal growth of the recess portion, the surface of the recess portion is covered with a SiN film or the like. Alternatively, it may be used as a mask layer. Also,
In the present embodiment, the NbN layer 302 is formed on the entire surface of the Si substrate 301, but the NbN layer 302 is formed only on the ridge portion by using lift-off and the recess portion is formed on the Si substrate 30.
1 may be exposed. In this case, the AlGaN layer 3
If the substrate is heated in a NH 3 stream before forming 03,
Si reacts with NH 3 to cover the recess with the SiN film.

【0048】なお、本実施の形態では、Si系基板上の
窒化物半導体構造およびその製造方法を電子素子に適用
した場合について述べたが、転位密度の低い窒化物半導
体結晶を得ることができるので、受発光素子、特に半導
体レーザ構造およびその製造にも適用でき、低コストで
高い信頼性と高い歩留まりが得られる。
In this embodiment, the case where the nitride semiconductor structure on the Si-based substrate and the method for manufacturing the same are applied to the electronic device has been described, but a nitride semiconductor crystal having a low dislocation density can be obtained. It can also be applied to a light emitting / receiving element, particularly a semiconductor laser structure and its manufacture, and can obtain high reliability and high yield at low cost.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Si系基
板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる際のク
ラック発生を抑制し、高品質な窒化物半導体結晶を得る
ことができ、この構造を備えた半導体素子の電気特性、
信頼性を向上させるという顕著な効果が得られる。
As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of cracks during epitaxial growth of a nitride semiconductor on a Si-based substrate and obtain a high-quality nitride semiconductor crystal. The electrical characteristics of the semiconductor device provided,
A remarkable effect of improving reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施形態による半導体構造の断面模
式図
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態による半導体構造の断面模
式図
FIG. 2 is a schematic sectional view of a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施形態による半導体構造の製造方
法を説明する断面模式図
FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施形態による半導体構造の製造方
法を説明する断面模式図
FIG. 4 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施形態による半導体構造の製造方
法を説明する断面模式図
FIG. 5 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施形態による半導体構造の製造方
法を説明する断面模式図
FIG. 6 is a schematic sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 Si(100)基板 102 Ni層 103 Ni3N層 104 AlN層 105 GaN層 201 Si(111)基板 202 Zr層 203 AlN層 204 GaN層 301 Si(100)基板 302 NbN層 303 AlGaN層 304 エアギャップ 305 GaN層 306 AlGaNスペーサ層 307 n型AlGaN電子供給層 308 AlGaNキャップ層 309 ソース電極 310 ゲート電極 311 ドレイン電極101 Si (100) Substrate 102 Ni Layer 103 Ni 3 N Layer 104 AlN Layer 105 GaN Layer 201 Si (111) Substrate 202 Zr Layer 203 AlN Layer 204 GaN Layer 301 Si (100) Substrate 302 NbN Layer 303 AlGaN Layer 304 Air Gap 305 GaN layer 306 AlGaN spacer layer 307 n-type AlGaN electron supply layer 308 AlGaN cap layer 309 source electrode 310 gate electrode 311 drain electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/812 Fターム(参考) 5F045 AA04 AB09 AB14 AC12 AD14 AD15 AF03 AF13 BB13 HA06 HA24 5F052 KA01 KA05 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ03 GL04 GM04 GM08 GR01 GR06 GS01 GS04 GT01 HC01 HC02 HC11 HC21 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 29/812 F term (reference) 5F045 AA04 AB09 AB14 AC12 AD14 AD15 AF03 AF13 BB13 HA06 HA24 5F052 KA01 KA05 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ03 GL04 GM04 GM08 GR01 GR06 GS01 GS04 GT01 HC01 HC02 HC11 HC21

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Si系基板上に形成された遷移金属元素X
(XはV、Cr、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、H
f、Ta、Wの群から選ばれる元素)を含む層と、前記
遷移金属元素Xを含む層の上に形成されたIII族元素お
よびNを含む半導体層とを備えていることを特徴とする
半導体構造物。
1. A transition metal element X formed on a Si-based substrate.
(X is V, Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, H
a layer containing an element selected from the group consisting of f, Ta, and W), and a semiconductor layer containing a group III element and N formed on the layer containing the transition metal element X. Semiconductor structure.
【請求項2】遷移金属元素Xを含む層が、遷移金属元素
XおよびNを含むことを特徴とする請求項1記載の半導
体構造物。
2. The semiconductor structure according to claim 1, wherein the layer containing the transition metal element X contains the transition metal elements X and N.
【請求項3】遷移金属元素Xを含む層におけるNの含有
量が、Si系基板に接する側からIII族元素およびNを
含む半導体層に接する側にかけて増加することを特徴と
する請求項2記載の半導体構造物。
3. The content of N in the layer containing the transition metal element X increases from the side in contact with the Si-based substrate to the side in contact with the semiconductor layer containing the group III element and N. Semiconductor structure.
【請求項4】遷移金属元素Xを含む層の格子定数が、S
i系基板に接する側からIII族元素およびNを含む半導
体層に接する側にかけて減少することを特徴とする請求
項1あるいは2記載の半導体構造物。
4. The lattice constant of the layer containing the transition metal element X is S
3. The semiconductor structure according to claim 1, wherein the amount decreases from the side in contact with the i-type substrate to the side in contact with the semiconductor layer containing the group III element and N.
【請求項5】Si系基板上に形成された遷移金属元素X
(XはV、Cr、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、H
f、Ta、Wの群から選ばれる元素)およびNを含む層
と、前記遷移金属元素XおよびNを含む層の上に形成さ
れたIII族元素およびNを含む六方晶系の半導体層とを
備えており、前記遷移金属元素XおよびNを含む層の原
子配列が、前記III族元素およびNを含む六方晶系の半
導体層との界面において六方晶系であることを特徴とす
る半導体構造物。
5. A transition metal element X formed on a Si-based substrate.
(X is V, Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, H
a layer containing an element selected from the group consisting of f, Ta and W) and N, and a hexagonal semiconductor layer containing a group III element and N formed on the layer containing the transition metal elements X and N. A semiconductor structure characterized in that the atomic arrangement of the layer containing the transition metal elements X and N is hexagonal at the interface with the hexagonal semiconductor layer containing the group III element and N. .
【請求項6】遷移金属元素XおよびNを含む層の原子配
列が、Si系基板との界面において立方晶系であること
を特徴とする請求項5記載の半導体構造物。
6. The semiconductor structure according to claim 5, wherein the atomic arrangement of the layer containing the transition metal elements X and N is cubic at the interface with the Si-based substrate.
【請求項7】Si系基板の面方位が{100}であるこ
とを特徴とする請求項1から6いずれかに記載の半導体
構造物。
7. The semiconductor structure according to claim 1, wherein the Si-based substrate has a plane orientation of {100}.
【請求項8】Si系基板の表面が周期的なリセス状スト
ライプからなる段差形状を有しており、リセス部の上方
がエアギャップとなっていることを特徴とする請求項1
から7いずれかに記載の半導体構造物。
8. The surface of the Si-based substrate has a stepped shape composed of periodic recessed stripes, and an air gap is formed above the recessed portion.
7. The semiconductor structure according to any one of 1 to 7.
【請求項9】Si系基板上に遷移金属元素X(XはV、
Cr、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W
の群から選ばれる元素)を含む層をスパッタ法で形成す
る工程と、前記遷移金属元素Xを含む層をアンモニアを
含む気流中で熱処理する工程と、前記遷移金属元素Xを
含む層の上にIII族元素およびNを含む半導体層を有機
金属気相成長法で形成する工程とを有することを特徴と
する半導体構造物の製造方法。
9. A transition metal element X (X is V,
Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
On the layer containing the transition metal element X; a step of forming a layer containing an element selected from the group) by a sputtering method; a step of heat-treating the layer containing the transition metal element X in an air stream containing ammonia; And a step of forming a semiconductor layer containing a group III element and N by a metal organic chemical vapor deposition method.
JP2002019656A 2002-01-29 2002-01-29 Semiconductor structure and manufacturing method therefor Pending JP2003224072A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002019656A JP2003224072A (en) 2002-01-29 2002-01-29 Semiconductor structure and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002019656A JP2003224072A (en) 2002-01-29 2002-01-29 Semiconductor structure and manufacturing method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003224072A true JP2003224072A (en) 2003-08-08

Family

ID=27743421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002019656A Pending JP2003224072A (en) 2002-01-29 2002-01-29 Semiconductor structure and manufacturing method therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003224072A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005166719A (en) * 2003-11-28 2005-06-23 Seiko Epson Corp Method of manufacturing actuator device and liquid injection head equipped with actuator device fabricated thereby
JP2005175477A (en) * 2003-12-05 2005-06-30 Internatl Rectifier Corp Structure and manufacturing method of group iii nitride monolithic power ic
CN1314081C (en) * 2004-02-04 2007-05-02 中国科学院半导体研究所 Method for growing crackless III family nitride film on silicon substrate
WO2010074346A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 Dowaホールディングス株式会社 Iii-nitride semiconductor growth substrate, iii-nitride semiconductor epitaxial substrate, iii-nitride semiconductor element, iii-nitride semiconductor freestanding substrate, and method for fabricating these
JP2013514661A (en) * 2009-12-16 2013-04-25 ナショナル セミコンダクター コーポレーション Stress compensation for large area gallium nitride or other nitride-based structures on semiconductor substrates
CN110171807A (en) * 2019-06-10 2019-08-27 陕西师范大学 A method of preparing three nickel by powder of nano silicon nitride
CN110809819A (en) * 2017-07-04 2020-02-18 三菱电机株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005166719A (en) * 2003-11-28 2005-06-23 Seiko Epson Corp Method of manufacturing actuator device and liquid injection head equipped with actuator device fabricated thereby
JP4645024B2 (en) * 2003-11-28 2011-03-09 セイコーエプソン株式会社 Method for manufacturing actuator device
JP2005175477A (en) * 2003-12-05 2005-06-30 Internatl Rectifier Corp Structure and manufacturing method of group iii nitride monolithic power ic
US7892938B2 (en) 2003-12-05 2011-02-22 International Rectifier Corporation Structure and method for III-nitride monolithic power IC
CN1314081C (en) * 2004-02-04 2007-05-02 中国科学院半导体研究所 Method for growing crackless III family nitride film on silicon substrate
WO2010074346A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 Dowaホールディングス株式会社 Iii-nitride semiconductor growth substrate, iii-nitride semiconductor epitaxial substrate, iii-nitride semiconductor element, iii-nitride semiconductor freestanding substrate, and method for fabricating these
US8736025B2 (en) 2008-12-26 2014-05-27 Dowa Electroncs Materials Co., Ltd. III-nitride semiconductor growth substrate, III-nitride semiconductor epitaxial substrate, III-nitride semiconductor element, III-nitride semiconductor freestanding substrate all having improved crystallinity
JP2013514661A (en) * 2009-12-16 2013-04-25 ナショナル セミコンダクター コーポレーション Stress compensation for large area gallium nitride or other nitride-based structures on semiconductor substrates
CN110809819A (en) * 2017-07-04 2020-02-18 三菱电机株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
CN110809819B (en) * 2017-07-04 2023-09-12 三菱电机株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
CN110171807A (en) * 2019-06-10 2019-08-27 陕西师范大学 A method of preparing three nickel by powder of nano silicon nitride

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3569807B2 (en) Method for manufacturing nitride semiconductor device
JP3886341B2 (en) Method for manufacturing gallium nitride crystal substrate and gallium nitride crystal substrate
JP3866540B2 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4371202B2 (en) Nitride semiconductor manufacturing method, semiconductor wafer, and semiconductor device
JP3139445B2 (en) GaN-based semiconductor growth method and GaN-based semiconductor film
US7118934B2 (en) Porous substrate for epitaxial growth, method for manufacturing same, and method for manufacturing III-nitride semiconductor substrate
JPH04297023A (en) Crystal growth method of gallium nitride compound semiconductor
JPH09162125A (en) Semiconductor device and fabrication thereof
JP2003277196A (en) Method for producing nitride semiconductor crystal, nitride semiconductor wafer and nitride semiconductor device
JP4734786B2 (en) Gallium nitride compound semiconductor substrate and manufacturing method thereof
JPH09134878A (en) Manufacture of gallium nitride compound semiconductor
JP3476754B2 (en) Method for manufacturing gallium nitride-based compound semiconductor
JP2004111848A (en) Sapphire substrate, epitaxial substrate using it, and its manufacturing method
JP2005032823A (en) Method for manufacturing epitaxial wafer for field-effect transistor
JP2003178976A (en) Semiconductor device, and method for manufacturing it
JP2927768B1 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JPH11340147A (en) Manufacture of nitride semiconductor wafer and element
JP3934320B2 (en) GaN-based semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2003224072A (en) Semiconductor structure and manufacturing method therefor
JP2003332234A (en) Sapphire substrate having nitride layer and its manufacturing method
JP5814131B2 (en) Structure and manufacturing method of semiconductor substrate
JP2001326384A (en) Method of manufacturing gallium nitride compound semiconductor
JP3982788B2 (en) Method for forming semiconductor layer
JP4051311B2 (en) Nitride semiconductor crystal growth method
JP3544958B2 (en) Method of manufacturing gallium nitride based compound semiconductor