JP2003332242A

JP2003332242A - 半導体基板およびその製造方法

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Publication number: JP2003332242A
Application number: JP2002136186A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishida; 誠石田; Koichiro Ueno; 康一郎上之; Yoshitaka Moriyasu; 嘉貴森安
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】安価でかつ大面積の化合物半導体基板を得る
ために、シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層
され、さらに、その上に高品質の化合物半導体材料層が
積層されてなる３層構造の半導体基板を提供する。【解決手段】シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層
が積層され、さらに、その上に化合物半導体材料層が積
層されてなる３層構造の半導体基板において、前記絶縁
性単結晶酸化物層の膜厚を５オングストローム以上３０
００オングストローム以下とすることによって、絶縁性
単結晶酸化物層の結晶欠陥および表面ラフネスを抑制
し、酸化物層上に成長させる化合物半導体層の結晶性を
改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン基板上に
絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さらに前記絶縁性単
結晶酸化物層の上にガリウム砒素や窒化ガリウム等の化
合物半導体層を形成してなる３層構造の半導体基板およ
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＧａＡｓのような化合物半導体
を用いた化合物半導体装置では、ＧａＡｓ基板のように
化合物半導体結晶層がホモ・エピタキシャルとなるよう
なバルク化合物半導体基板が使用されている。一方、Ｇ
ａＮのような窒化物半導体では、ホモ・エピタキシャル
となるバルク化合物半導体基板が存在しないため、主と
してサファイア基板が基板として使用されている。しか
しながら、前記の化合物半導体基板やサファイア基板は
かなり高価なものであって、基板コストの大半を占めて
いる。また、それらの基板は引き上げ法やポート法など
の方法によって製造されているが、シリコン単結晶基板
のように結晶性が高く、大面積のものが得にくいことも
問題である。

【０００３】これらの問題を解決するために、安価でか
つ大面積化が可能であるシリコン基板上に化合物半導体
を形成する方法が考えられるが、基板と化合物半導体と
の結晶構造の違いや、格子のミスマッチ、さらに熱膨張
係数の差などから、シリコン基板上に欠陥の少ない良質
な化合物半導体層を形成することは困難である。

【０００４】近年、ＧａＡｓのような化合物半導体に対
し、格子のミスマッチが極めて小さく（約０．６％）、
また、サファイア基板と同様に、ＧａＮのような窒化物
半導体層をその上に形成することが可能なγ−Ａｌ_２Ｏ
_３層を、シリコン基板上に成長し、この基板上に化合物
半導体層を形成する方法が、報告されている（特願平１
１−５７４４５号）。この方法では、表面平滑性の高い
γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を積層したシリコン基板を得ることが
可能であり、この基板上にＧａＮのような化合物半導体
層を形成した例も報告されている。したがって、この方
法により安価でかつ大面積の化合物半導体基板を得るこ
とが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記手
法におけるシリコン基板上のγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚は
十分に最適化するには至っておらず、結晶性の高い化合
物半導体層を形成するためには、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層の結
晶性の向上が不十分であることが問題であった。

【０００６】前記従来の問題に鑑み、本発明の課題は、
シリコン基板上のγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚を十分に最適
化し、結晶性の高いγ−Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させたシリ
コン基板、およびその製造方法を提供するとともに、こ
の基板上に良質の化合物半導体層を形成した半導体基
板、およびその製造方法をも提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の請求項１に記載の半導体基板は、シリコン
基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さらに、そ
の上に化合物半導体材料層が積層されてなる３層構造の
半導体基板であって、前記絶縁性単結晶酸化物層の膜厚
が５オングストローム以上３０００オングストローム以
下であることを特徴とする。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、前記請求
項１の半導体基板において、絶縁性単結晶酸化物層がγ
−Ａｌ_２Ｏ_３層であることを特徴とする。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、前記請求
項１または２の半導体基板において、化合物半導体材料
層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、
ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、お
よびこれらの混晶化合物のいずれかを成長させたもので
あることを特徴とする。

【００１０】また、請求項４に記載の発明は、シリコン
基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さらに、そ
の上に化合物半導体材料層が積層されてなる３層構造を
有する、請求項１から３のいずれかに記載の半導体の製
造方法であって、前記シリコン基板上にシリコン酸化物
を堆積させる工程と、前記シリコン酸化物層上に金属Ａ
ｌ層を堆積させる工程と前記シリコン酸化物層と前記金
属Ａｌ層とからなる積層物を熱処理することによって、
前記絶縁性単結晶酸化物層を形成する工程と、前記絶縁
性酸化物単結晶層上にさらに絶縁性酸化物単結晶層を所
定の膜厚になるまでエピタキシャル成長させる工程と、
を有することを特徴とする。

【００１１】また、請求項５に記載の発明は、前記熱処
理が５００℃から１０００℃の範囲の温度条件で行われ
ることを特徴とする。

【００１２】また、請求項６に記載の発明は、シリコン
基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さらに、そ
の上に化合物半導体材料層が積層されてなる３層構造を
有する、請求項１から３のいずれかに記載の半導体基板
の製造方法であって、前記絶縁性酸化物単結晶層上に金
属からなる成長層を前記化合物半導体材料層の予備成長
層として形成する工程と、前記予備成長層上に前記化合
物半導体層を形成する工程と、を有することを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項７に記載の発明は、前記予備
成長層の金属材料としてＡｌを用いることを特徴とす
る。

【００１４】また、請求項８に記載の発明は、前記請求
項６または７の製造方法において、予備成長層の膜厚が
実質的に３０オングストロームより薄いことを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明にあって
は、シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層を積層する
場合、その成長様式はシリコンの表面エネルギー、シリ
コンと酸化物層の界面エネルギー、および酸化物層の表
面エネルギーの関係から、一般的にその成長初期段階に
おいては３次元島状成長となる。

【００１６】前記酸化物層の膜厚が５オングストローム
よりも薄い場合、酸化物の各島は充分に成長できず、基
板表面を完全に覆うことができない。また、シリコン基
板上に予めＳｉＯ_２と金属元素を堆積させ、熱処理する
ことにより酸化物層を成形する場合でも、５オングスト
ローム以下の膜厚では、熱処理の段階で酸化物層の一部
がエッチングされてしまい、やはり基板表面を完全に覆
うことができない。このような不完全な酸化物層上にシ
リコンや化合物半導体層をさらに形成した場合、酸化物
層がない場合よりも、その結晶性は悪化してしまう。

【００１７】一方、酸化物層の膜厚を厚くした場合、上
記のように、酸化物層の成長は３次元島状成長であるた
め、膜厚が厚くなるにつれて、各島は成長合体して基板
の表面を完全に覆うようになる。さらに、成長が進むこ
とで、ドメインの巨大化、または欠陥同士の合体等によ
り、酸化膜の結晶性は改善されていく。しかしながら、
一度生成された島は、膜の成長に伴って巨大化していく
ことによりエネルギー的に安定に向かうことになり、酸
化物層の膜厚を厚くすると、上記島状の３次元成長も膜
厚とともにさらに進み、やがて、酸化物層表面の凹凸が
強調されるようになり、表面のラフネスが大きくなる。
このようなラフネスの大きい厚膜の単結晶酸化物層の上
に化合物半導体層を成長させる場合、酸化物層表面のラ
フネスは、その上に成長させる化合物半導体材料層の結
晶性に影響し、化合物半導体材料層の転位や積層欠陥等
の結晶欠陥を生じさせる原因となる。上記単結晶酸化物
層の膜厚が３０００オングストローム以上となったと
き、化合物半導体材料層の結晶性は悪化する。

【００１８】以上のことから、シリコン基板上に絶縁性
単結晶酸化物層が積層され、さらにその上に化合物半導
体材料層が積層されてなる３層構造の半導体基板を作製
する場合、シリコン基板上に積層された絶縁性単結晶酸
化物層の膜厚は、５オングストローム以上３０００オン
グストローム以下であることが極めて重要である。ここ
で、酸化物層の初期成長の状況、および基板表面のラフ
ネスは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）で評価することができる。また、絶縁性単結
晶酸化物層の結晶性は、Ｘ線回折法等によって評価する
ことができる。また、上記のように単結晶酸化物層の膜
厚を５オングストローム以上３０００オングストローム
以下とすることで、化合物半導体材料層の結晶欠陥が減
少し、その結果、化合物半導体材料層中のキャリアのモ
ビリティも大きく向上する。

【００１９】なお、上記シリコン基板としては、（１０
０）基板や（１１１）基板、また、これらの面方位から
特定の方位に微傾斜を持たせたオフ基板等を用いること
ができるし、ガラス基板であっても良い。

【００２０】また、単結晶酸化物層としては、γ−Ａｌ
_２Ｏ_３、ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）、ＭｇＯ、ＰｂＺｒ_ｘ
Ｔｉ_１−ｘＯ（ＰＺＴ）、ＣｅＯ_２、等が好ましい。

【００２１】次に、請求項２の発明にあっては、請求項
１に記載の発明において、絶縁性単結晶酸化物層がγ−
Ａｌ_２Ｏ_３層であることを特徴としている。この構成に
おいて、γ−Ａｌ_２Ｏ_３は基板となるＳｉとの格子のミ
スマッチが約３．５％と小さく、一方で、その上に成長
するＧａＡｓやＩｎＰといった化合物半導体との格子の
ミスマッチも０．６％から４％と小さいため、シリコン
基板上に化合物半導体を成長させるための中間層とし
て、非常に優れている。また、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層は化学
的気相成長法（ＣＶＤ法）やＭＢＥ法を用いて、シリコ
ン基板上に容易に成長させることが可能である。

【００２２】次に、請求項３に記載の発明にあっては、
前記化合物半導体材料層が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、
ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、
ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、およびこれらの混晶化合
物のいずれかを成長させたものであることを特徴として
いる。

【００２３】ここで、前記化合物半導体材料層と、基板
および前記単結晶酸化物層との間の格子ミスマッチにつ
いて、化合物半導体材料層がＧａＡｓである場合を例に
とって、説明する。基板となるＳｉ（００１）とＧａＡ
ｓ（００１）との格子ミスマッチは約４％である。これ
に対し、単結晶酸化物層として好ましいとしたγ−Ａｌ
_２Ｏ_３（００１）とＧａＡｓ（００１）の格子ミスマッ
チを図を参照して考察してみる。図１（ａ）は、ＧａＡ
ｓ（００１）格子面とγ−Ａｌ_２Ｏ_３（００１）格子面
とを重ねて格子の整合性を見た平面図であり、図１
（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）におけるγ
−Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａＡｓの結晶方位を示したもので
ある。これらの図から明らかなように、ＧａＡｓの［１
００］方向がγ−Ａｌ_２Ｏ_３の［１１０］方向と平行と
なり、またγ−Ａｌ_２Ｏ_３の基本単位格子１つに対し
て、ＧａＡｓの基本単位格子が２つ並ぶことになるの
で、その格子ミスマッチは約０．６％となる。従って、
前記絶縁性単結晶酸化物層としてγ−Ａｌ_２Ｏ_３を用い
た場合、Ｓｉ基板上に極めて結晶性の良い、高品質のＧ
ａＡｓを成長することが可能である。

【００２４】また、前記化合物半導体材料層がＧａＮで
ある場合、基板となるＳｉ（１１１）とＧａＮ（０００
１）との格子ミスマッチは約１７％である。これに対
し、γ−Ａｌ_２Ｏ_３（１１１）とＧａＮ（０００１）と
の格子ミスマッチを、同様に図を参照して考察してみ
る。図２（ａ）は、ＧａＮ（０００１）格子面とγ−Ａ
ｌ _２Ｏ_３（１１１）格子面とを重ねて格子の整合性を見
た平面図であり、図２（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ
図２（ａ）におけるｈ−ＧａＮおよびγ−Ａｌ_２Ｏ _３の
結晶方位を示したものである。これらの図から明らかな
ように、ＧａＮの［１１−２０］方向がγ−Ａｌ_２Ｏ_３
の［１−１０］方向と平行となり、γ−Ａｌ _２Ｏ_３の基
本単位格子１つに対して、ＧａＮの基本単位格子が２つ
並ぶことになるので、格子ミスマッチは約１３．５％と
小さくなる。従って、ＧａＡｓの場合と同様に、ＧａＮ
化合物半導体材料層に対して絶縁性単結晶酸化物層とし
てγ−Ａｌ_２Ｏ_３を用いた場合、Ｓｉ基板上に結晶性の
良い、高品質のＧａＮを容易に成長することが可能とな
る。

【００２５】以下同様に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＡｓ、
ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、
ＩｎＰ、何れの化合物においても、γ−Ａｌ_２Ｏ_３を前
記絶縁性単結晶酸化物層として用いることで、Ｓｉ基板
との格子ミスマッチを小さくすることが出来るため、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＮと同様の効果が期待できる。

【００２６】ここで、上記の化合物半導体材料は、いず
れも光デバイスや磁気デバイス、あるいは高速電子デバ
イスの材料として使用されているが、そのバルク基板は
存在しないか、高価であり、また大面積化が難しい。

【００２７】したがって、これらの材料を本発明により
Ｓｉ基板上に成長させることで、安価かつ大面積の基板
を提供することが可能となる。

【００２８】次に、請求項４に記載の発明にあっては、
シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さ
らに、その上に化合物半導体材料層が積層されてなる３
層構造を有する、請求項１から３のいずれかに記載の半
導体基板の製造方法であって、前記シリコン基板上にシ
リコン酸化物を堆積させる工程と、前記シリコン酸化物
層上に金属Ａｌ層を堆積させる工程と、前記シリコン酸
化物層と前記金属Ａｌ層とからなる積層物を熱処理する
ことによって、前記絶縁性単結晶酸化物層を形成する工
程と、前記絶縁性酸化物単結晶層上にさらに絶縁性酸化
物単結晶層を所定の膜厚になるまでエピタキシャル成長
させる工程と、を有することを特徴としている。これら
の工程を、以下に、図３の（ａ）から（ｃ）を参照しな
がら説明する。

【００２９】まず、表面を石坂・白木法などの方法によ
ってクリーニングしたシリコン基板１上に、８オングス
トローム以上３０オングストローム以下の酸化膜２を形
成する。酸化膜２の形成方法に特に制限はないが、例え
ば、石坂・白木法等による表面クリーニングで形成され
る化学酸化膜をそのまま使用できるばかりでなく、自然
酸化膜も使用可能である。また、酸化膜２の膜厚が８オ
ングストローム以下であると、これ以降の工程におい
て、充分な膜厚のＡｌ_２Ｏ_３予備層を形成するのが困難
となり、３０オングストロームよりも厚い場合には余剰
な酸化膜が残ってしまい、表面平坦性を悪くする原因と
なる。次に、酸化膜２上に金属Ａｌ層３を堆積する。こ
の金属Ａｌ層３の成長方法としては、蒸着法、分子線エ
ピタキシー法（ＭＢＥ法）、スパッタリング法、パルス
レーザー堆積法、等を用いることができる。この際、こ
の金属Ａｌ層３の膜厚は、４オングストローム以上２０
オングストローム以下である。これ以下の膜厚である
と、これ以降の工程において、表面を覆うに充分な膜厚
のＡｌ_２Ｏ_３予備層を形成するのが困難となり、これ以
上の膜厚であると、余剰のＡｌがシリコンと直接反応し
てしまい、表面平坦性が悪くなる。次に、金属Ａｌ層３
が積層された積層体を真空中で加熱処理することで、Ａ
ｌ_２Ｏ_３予備層４を形成する。Ａｌ_２Ｏ_３予備層が形成
されたかどうかは、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）
や、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）を用いて確認することが
できる。次に、このＡｌ_２Ｏ_３予備層4上に、絶縁性酸
化物単結晶層５を全体で５オングストローム以上３００
０オングストローム以下の膜厚となるように成長させ
る。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３予備層４が存在することで、絶
縁性酸化物単結晶層５を成長する際に、酸素とシリコン
の反応によって、シリコン基板表面に酸化膜が形成され
ることを抑制することができ、その結果、極めて表面平
滑性が高く、かつ結晶性の良い絶縁性酸化物単結晶層５
を形成することができる。なお、絶縁性酸化物単結晶層
５の成長方法には、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、超
高真空化学的気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）、分子線
エピタキシー法（ＭＢＥ法）、パルスレーザー堆積法、
等を用いることができる。

【００３０】次に、請求項５に記載の発明にあっては、
請求項４に記載の発明において、熱処理が５００℃から
１０００℃の範囲の温度条件下で行われることを特徴と
している。ここで、熱処理温度が５００℃以下である
と、酸化膜２と金属Ａｌ層３が充分に反応できず、Ａｌ
_２Ｏ_３予備層４が形成できない。一方、１０００℃以上
になると、薄いＡｌ_２Ｏ_３予備層４が昇華してしまう。
したがって、前記熱処理は、５００℃から１０００℃の
範囲の温度条件下で行われることが重要である。

【００３１】次に、請求項６に記載の発明にあっては、
シリコン基板の上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、
さらにその上に化合物半導体材料層が積層されてなる３
層構造を有する、請求項１から３のいずれかに記載の半
導体基板の製造方法であって、前記絶縁性単結晶酸化物
層上に、金属からなる成長層を前記化合物半導体層の予
備成長層として形成する工程と、前記予備成長層上に前
記化合物半導体層を形成する工程と、を有することを特
徴としている。これらの工程を、以下に、図３の（ｄ）
を参照しながら、説明する。

【００３２】まず、絶縁性単結晶酸化物層が堆積された
シリコン基板６上に金属からなる予備成長層７を形成す
る。この予備成長層７の形成方法としては、有機金属化
学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法、
電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、等を用いること
ができる。次に、予備成長層７を形成した基板を、所望
とする化合物半導体の成長温度まで昇温させた後、化合
物半導体を所望の膜厚にて堆積させ、これにより化合物
半導体膜８を形成する。ここで、化合物半導体膜８を形
成する際に、金属の予備成長層７を成長させることによ
り、実際には原子レベルで不規則であった絶縁性酸化物
層の表面が、予備成長層の金属で一様に覆われた状態に
なり、その後に成長する化合物半導体が成長初期におい
て２次元核成長を起こしやすくなる。このため、堆積し
た化合物半導体は、金属の予備成長層がない場合に比べ
て、結晶性および平坦性を飛躍的に向上させることが可
能となる。

【００３３】ここで、前記金属の予備成長層としては、
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、および成長する化合物半導体を構成
する金属元素のうちの少なくとも１つであることが好ま
しい。

【００３４】また、化合物半導体膜８の形成方法として
は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エ
ピタキシー法、有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭ
ＢＥ法）、パルスレーザー堆積法、スパッタリング法、
等を用いることができる。

【００３５】次に、請求項７に記載の発明にあっては、
請求項６に記載の発明において、予備成長層の金蔵材料
として、Ａｌを用いることを特徴としている。ここで、
例えば、絶縁性単結晶酸化物層がγ−Ａｌ_２Ｏ_３層であ
る場合、前記予備成長層の金属Ａｌによって、γ−Ａｌ
_２Ｏ_３層の表面がＡｌ面によって一様に終端されること
になり、その後に化合物半導体を成長する際に、その成
長初期において２次元核成長を起こしやすい表面とする
ことが可能となる。

【００３６】次に、請求項８に記載の発明にあっては、
請求項６または７に記載の発明において、予備成長層の
膜厚が実質的に３０オングストロームより薄いことを特
徴とする。ここで、前記金属予備成長層の膜厚が、３０
オングストロームより厚くなると、余剰の金属層が存在
することによって、その後に成長する化合物半導体層と
余剰金属層との反応が生じて基板表面に異相が形成され
ることになり、それによって化合物半導体層の結晶性が
劣化することになる。

【００３７】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、これら実施
例は本発明を好適に説明する代表例に過ぎず、本発明を
何ら限定するものではない。

【００３８】なお、以下に示す実施例１〜６と、比較例
１〜３とで得られた半導体基板におけるＧａＡｓおよび
ＧａＮヘテロエピタキシャル層のＸ線ロッキングカーブ
半値幅と、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚との関係は、グラフ
化し、図４に示した。

【００３９】（実施例１）まず、基板として、Ｓｉ（１
００）単結晶基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_３：Ｈ _２Ｏ＝
１：１：２０の混合液中で、１分間煮沸し、Ｓｉ基板表
面に酸化膜を形成した。この酸化膜の膜厚をＸＰＳにて
測定したところ、膜厚は約１５オングストロームと見積
もられた。

【００４０】この酸化膜を形成したＳｉ基板をＭＢＥチ
ャンバー内に導入し、室温で７オングストロームの金属
Ａｌ層をクヌーセンセルを用いて堆積した。次に、これ
を、同じ真空チャンバー内で、８００℃において、３０
分間の熱処理を行って、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を形成した。
形成後のγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚を、エリプソメトリー
法により測定したところ、膜厚は約１０オングストロー
ムであった。

【００４１】次に、上記γ−Ａｌ_２Ｏ_３（００１）／Ｓ
ｉ（００１）基板を再びＭＢＥチャンバーに導入し、室
温において、クヌーセンセルを用いて、γ−Ａｌ_２Ｏ_３
層上に金属Ａｌ層を約２０オングストローム堆積した。
この基板を、真空チャンバー内において基板温度を約８
００℃にして、熱処理し、余分なＡｌ層を昇華すること
により、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層の最外表面がＡｌ終端される
ようにした。

【００４２】次に、上記Ａｌ終端した基板を化合物半導
体成長用ＭＢＥチャンバーに移し、基板温度を６７５℃
とした後、ＧａとＡｓのクヌーセンセルを用いて、Ｇａ
Ａｓ層を約５０００オングストローム成長させ、最終的
にＧａＡｓ（００１）／γ−Ａｌ_２Ｏ_３（００１）／Ｓ
ｉ（００１）の３層構造を有する化合物半導体基板を作
製した。

【００４３】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
４１０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において２．５ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、４１００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００４４】（実施例２）まず、基板として、Ｓｉ（１
００）単結晶基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_３：Ｈ _２Ｏ＝
１：１：６の混合液中で、１分間煮沸し、Ｓｉ基板表面
に酸化膜を形成した。この酸化膜を形成したＳｉ基板を
ＭＢＥチャンバー内に導入し、室温で３０オングストロ
ームの金属Ａｌ層をクヌーセンセルを用いて堆積した。
次に、これを、同じ真空チャンバー内で、８００℃にお
いて、３０分間の熱処理を行って、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を
形成した。

【００４５】次に、この基板をＵＨＶ−ＣＶＤ（Ultra
High Vaccum Chemical Vapor Deposition）装置に導入
し、１×１０^−５Ｐａの真空中において、約９００℃に
加熱した。ここに、アルミニウム原料としてトリメチル
アルミニウム（ＴＭＡ：Ａｌ（ＣＨ_３）_３）中でバブリ
ングしたＮ_２と、酸素原料としてＯ_２とを導入し、膜厚
が全体で１００オングストロームとなるように、γ−Ａ
ｌ_２Ｏ_３層を成長させた。このγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚
は、エリプソメトリー法により測定した。

【００４６】さらに、この基板上に実施例１と同様の方
法で、ＧａＡｓ層を成長させて、化合物半導体基板を作
製した。

【００４７】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
３９０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において２．０ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、４２００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００４８】（実施例３）実施例２と同様の方法で、Ｓ
ｉ基板上に膜厚１０００オングストロームのγ−Ａｌ_２
Ｏ_３層を成長させ、さらに、この基板上に実施例１と同
様の方法で、ＧａＡｓ層を成長させて、化合物半導体基
板を作製した。

【００４９】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
３２０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において３．０ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、４０００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００５０】（実施例４）実施例２と同様の方法で、Ｓ
ｉ基板上に膜厚２０００オングストロームのγ−Ａｌ_２
Ｏ_３層を成長させ、さらに、この基板上に実施例１と同
様の方法で、ＧａＡｓ層を成長させて、化合物半導体基
板を作製した。

【００５１】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
２８０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において５．０ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、３９００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００５２】（実施例５）まず、基板として、Ｓｉ（１
００）単結晶基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_３：Ｈ _２Ｏ＝
１：１：３０の混合液中で、１分間煮沸し、Ｓｉ基板表
面に酸化膜を形成した。この酸化膜の膜厚をＸＰＳにて
測定したところ、膜厚は約８オングストロームと見積も
られた。

【００５３】この酸化膜を形成したＳｉ基板をＭＢＥチ
ャンバー内に導入し、室温で４オングストロームの金属
Ａｌ層をクヌーセンセルを用いて堆積した。次に、これ
を、同じ真空チャンバー内で、８００℃において、３０
分間の熱処理を行って、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を形成した。
形成後のγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚は、膜のストイキロメ
トリから、膜厚は約５オングストロームと見積もられ
た。

【００５４】次に、上記γ−Ａｌ_２Ｏ_３（００１）／Ｓ
ｉ（００１）基板をＭＢＥチャンバーに導入し、実施例
１と同じ方法で、ＧａＡｓ層を成長させて化合物半導体
基板を作製した。

【００５５】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
５１０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において２．４ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、３９００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００５６】（実施例６）まず、基板として、Ｓｉ（１
００）単結晶基板を用い、実施例２と同様に、ＨＣｌ：
Ｈ_２Ｏ_３：Ｈ_２Ｏ＝１：１：６の混合液中で、１分間煮
沸し、Ｓｉ基板表面に酸化膜を形成した。この酸化膜を
形成したＳｉ基板をＭＢＥチャンバー内に導入し、室温
で３０オングストロームの金属Ａｌ層をクヌーセンセル
を用いて堆積した。次に、これを、同じ真空チャンバー
内で、８００℃において、３０分間の熱処理を行って、
γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を形成した。

【００５７】次に、この基板を、金属ＡｌとＮ_２Ｏを原
料として用いるＭＢＥ装置内において、基板温度８２０
℃、金属Ａｌのクヌーセンセル温度１１００℃、Ｎ_２Ｏ
の圧力３×１０^−２Ｐａの条件下で、膜厚２０００オン
グストロームの（１１１）配向γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を成長
させた。このγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚は、偏向干渉型エ
リプソメトリー法により測定した。

【００５８】引き続き、上記γ−Ａｌ_２Ｏ_３（１１１）
／Ｓｉ（１１１）基板の基板温度を室温まで下げた後、
室温において、クヌーセンセルを用いて、γ−Ａｌ_２Ｏ
_３層上に金属Ａｌ層を約２０オングストローム堆積し
た。この基板を、真空チャンバー内において基板温度を
約８００℃にして、熱処理し、余分なＡｌ層を昇華する
ことにより、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層の最外表面がＡｌ終端さ
れるようにした。

【００５９】次に、上記Ａｌ終端した基板を化合物半導
体成長用ＭＢＥチャンバーに移し、基板温度を８００℃
とした後、金属ＧａとＥＣＲプラズマによって励起した
Ｎ_２ガスを原料として用いるガスソースＭＢＥ内におい
て、約３０００オングストロームの（０００１）配向し
たｈ−ＧａＮ膜を成長させ、最終的にＧａＮ（０００
１）／γ−Ａｌ_２Ｏ_３（１１１）／Ｓｉ（１１１）の３
層構造を有する化合物半導体基板を作製した。

【００６０】上記ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
５４０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において３．５ｎｍであった。

【００６１】（比較例１）基板として、Ｓｉ（１００）
単結晶基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_３：Ｈ_２Ｏ＝１：
１：５０の混合液中で、１分間煮沸し、Ｓｉ基板表面に
酸化膜を形成した。この酸化膜の膜厚をＸＰＳにて測定
したところ、膜厚は約５オングストロームと見積もられ
た。

【００６２】この酸化膜を形成したＳｉ基板をＭＢＥチ
ャンバー内に導入し、室温で３オングストロームの金属
Ａｌ層をクヌーセンセルを用いて堆積した。次に、これ
を、同じ真空チャンバー内で、８００℃において、３０
分間の熱処理を行って、γ−Ａｌ_２Ｏ_３層を形成した。
形成後のγ−Ａｌ_２Ｏ_３層の膜厚は、膜のストイキオメ
トリから、約３．３オングストロームと見積もられた。

【００６３】次に、上記γ−Ａｌ_２Ｏ_３（００１）／Ｓ
ｉ（００１）基板をＭＢＥチャンバーに導入し、実施例
１と同じ方法で、ＧａＡｓ層を成長させ、化合物半導体
基板を作製した。

【００６４】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
８５０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において７．２ｎｍであった。ま
た、上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドー
ピングし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用
いて測定したところ、２７００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００６５】（比較例２）実施例２と同様の方法で、Ｓ
ｉ基板上に膜厚３０００オングストロームのγ−Ａｌ_２
Ｏ_３層を成長させ、さらに、この基板上に実施例１と同
様の方法で、ＧａＡｓ層を成長させて、化合物半導体基
板を作製した。

【００６６】上記ＧａＡｓ層の（００４）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
７８０arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において３２ｎｍであった。また、
上記ＧａＡｓ層にＳｉを１×１０^１７ｃｍ^−３ドーピン
グし、キャリアのモビリティをvan der Pauw法を用いて
測定したところ、１８００ｃｍ^２／Ｖｓであった。

【００６７】（比較例３）実施例２と同様の方法で、Ｓ
ｉ基板上に膜厚３０００オングストロームのγ−Ａｌ_２
Ｏ_３層を成長させ、さらに、この基板上に実施例６と同
様の方法で、ＧａＮ層を成長させて、化合物半導体基板
を作製した。

【００６８】上記ＧａＮ層の（０００２）面のＸ線ロッ
キングカーブをＸ線回折装置を用いて測定したところ、
１５００arcsecであった。また、表面粗さの二乗平均値
（Ｒｒｍｓ）をＡＦＭを用いて測定したところ、１０μ
ｍ×１０μｍの範囲において３２ｎｍであった。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層が積層され、さ
らに、その上に化合物半導体材料層が積層されてなる３
層構造の半導体基板において、その絶縁性単結晶酸化物
層の膜厚を５オングストローム以上３０００オングスト
ローム以下とすることにより、結晶性が高く、かつ表面
平坦性の高い化合物半導体層を備えた化合物半導体基板
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による効果を説明するためのもので、
（ａ）は、ＧａＡｓ（００１）格子面とγ−Ａｌ_２Ｏ_３
（００１）格子面とを重ねて格子の整合性を見た平面図
であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）におけ
るγ−Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａＡｓの結晶方位を示した図
である。

【図２】本発明による効果を説明するためのもので、
（ａ）は、ＧａＮ（０００１）格子面とγ−Ａｌ_２Ｏ_３
（１１１）格子面とを重ねて格子の整合性を見た平面図
であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）におけ
るｈ−ＧａＮおよびγ−Ａｌ_２Ｏ_３の結晶方位を示した
図である。

【図３】本発明による半導体基板の製造方法を説明する
ためのもので、（ａ）から（ｄ）は各々の工程に対応す
る半導体基板の断面図である。

【図４】実施例１〜６と、比較例１〜３とで得られた半
導体基板におけるＧａＡｓおよびＧａＮヘテロエピタキ
シャル層のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、γ−Ａｌ_２
Ｏ_３層の膜厚との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１シリコン基板２酸化膜３金属Ａｌ層４Ａｌ_２Ｏ_３予備層５絶縁性単結晶酸化物層６絶縁性単結晶酸化物層が堆積されたシリコン基板７予備成長層８化合物半導体膜（化合物半導体材料層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上之康一郎静岡県富士市鮫島２番地の１旭化成株式会社内 (72)発明者森安嘉貴静岡県富士市鮫島２番地の１旭化成株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE15 BE46 DA05 EB01 ED06 EE01 EF02 HA06 SA04 5F045 AB10 AB12 AB13 AB14 AB31 AF08 BB12 5F052 KA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板の上に絶縁性単結晶酸化物
層が積層され、さらに、その上に化合物半導体材料層が
積層されてなる３層構造の半導体基板であって、前記絶縁性単結晶酸化物の膜厚が５オングストローム以
上３０００オングストローム以下であることを特徴とす
る半導体基板。
【請求項２】前記絶縁性単結晶酸化物層がγ−Ａｌ_２
Ｏ_３層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体
基板。
【請求項３】前記化合物半導体材料層が、ＧａＮ、Ａ
ｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳ
ｂ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、およびこれらの混晶
化合物のいずれかを成長させたものであることを特徴と
する請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項４】シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層
が積層され、さらに、その上に化合物半導体材料層が積
層されてなる３層構造を有する、請求項１から３のいず
れかに記載の半導体基板の製造方法であって、前記シリコン基板上にシリコン酸化物を堆積させる工程
と、前記シリコン酸化物層上に金属Ａｌ層を堆積させる工程
と前記シリコン酸化物層と前記金属Ａｌ層とからなる積層
物を熱処理することによって、前記絶縁性単結晶酸化物
層を形成する工程と、前記絶縁性酸化物単結晶層上にさらに絶縁性酸化物単結
晶層を所定の膜厚になるまでエピタキシャル成長させる
工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方
法。
【請求項５】前記熱処理が５００℃から１０００℃の
範囲の温度条件で行われることを特徴とする請求項４に
記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】シリコン基板上に絶縁性単結晶酸化物層
が積層され、さらに、その上に化合物半導体材料層が積
層されてなる３層構造を有する、請求項１から３のいず
れかに記載の半導体基板の製造方法であって、前記絶縁性酸化物単結晶層上に金属からなる成長層を前
記化合物半導体材料層の予備成長層として形成する工程
と、前記予備成長層上に前記化合物半導体層を形成する工程
と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項７】前記予備成長層の金属材料としてＡｌを
用いることを特徴とする請求項６に記載の半導体基板の
製造方法。
【請求項８】前記予備成長層の膜厚が実質的に３０オ
ングストロームより薄いことを特徴とする請求項６また
は７に記載の半導体基板の製造方法。