JP2004200188A - ヘテロエピタキシャルウエーハおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】SiC基板の主表面上に、GaN系化合物半導体からなる化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハにおいて、該化合物半導体層の品質を効果的に高めることが可能なヘテロエピタキシャルウエーハおよび、その製造方法を提供する。
【解決手段】SiC単結晶からなるSiC基板1の主表面直上に、ハイドライド気相成長法にてSiCエピタキシャル層9をホモエピタキシャル成長させ、該SiCエピタキシャル層9の上に、有機金属気相成長法にてGaN系化合物半導体層3をヘテロエピタキシャル成長させる。
【選択図】 図4
【解決手段】SiC単結晶からなるSiC基板1の主表面直上に、ハイドライド気相成長法にてSiCエピタキシャル層9をホモエピタキシャル成長させ、該SiCエピタキシャル層9の上に、有機金属気相成長法にてGaN系化合物半導体層3をヘテロエピタキシャル成長させる。
【選択図】 図4
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロエピタキシャルウエーハおよびその製造方法に関し、詳細には、SiC基板上にGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
化合物半導体よりなるヘテロエピタキシャルウエーハは、周知の通り、発光ダイオードやレーザなどの発光素子や、MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの超高速トランジスタの製造に使用され、多くの需要を獲得するに至っている。特に、後者の超高速トランジスタにおいては、GaAs/AlGaAsヘテロ接合を用いたものが実用化されており、その優れたマイクロ波・ミリ波特性により、衛星放送用受信器等の低雑音素子として広く使用されている。ここで、高性能の超高速トランジスタを実現させるためには、基板部分への漏洩電流を極力抑える必要があるため、高抵抗率基板の使用が不可欠となる。GaAs/AlGaAsヘテロ接合においては、半絶縁性のGaAs単結晶基板が比較的容易に製造可能であることから、これらを用いた超高速トランジスタ等のデバイスが広く普及している一因となっている。
【0003】
他方、近年、注目を集めているヘテロエピタキシャルウエーハに、GaN(窒化ガリウム)系化合物半導体を用いたものがある。GaN系化合物半導体は、室温におけるバンドギャップエネルギーを2.0〜6.2eVの範囲で調整可能であることから、青色等の発光素子に応用されるとともに普及しつつある。また、GaN系化合物半導体は、バンドギャップエネルギーの広さに加えて、高い電子移動度を有するとともに、ヘテロ接合形成が容易である。そのため、GaN系化合物半導体は、高温環境での動作を可能とし、より高速・高出力の次世代型超高速トランジスタへの応用の観点からも、種々研究がなされている。
【0004】
ここで、GaN系化合物半導体は、GaAs系化合物半導体と異なり、ホモエピタキシャル成長のために必要な半絶縁性GaN単結晶基板の製造が困難とされる。そこで、GaN系化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長を行う場合、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層とは全く異なる材料であるSiC(炭化シリコン)基板などが使用される(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】特開平10−145006号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、GaN系化合物半導体を用いたヘテロエピタキシャルウエーハの製造には、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層とは全く異なる材料であるSiC基板などを使用する必要がある。そのため、GaAs単結晶基板を用いて形成可能なGaAs系化合物半導体からなる化合物半導体層に比べて、使用する基板表面の平滑性や界面不純物濃度といった基板表面の品質の影響を、過大に受けやすい。つまり、基板表面の品質に起因する界面不純物の拡散や、結晶欠陥や転位の発生が誘起されやすくなり、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層の結晶性の低下を招きやすくなる。このような化合物半導体層の結晶性の低下は、ヘテロエピタキシャルウエーハを用いた発光素子、MESFETやHEMTといった素子の品質低下に繋がる。
【0007】
また、GaNの線膨張係数は5.59×10−6/Kであり、バンドギャップエネルギーを調整するためにこれと混晶化されるAlN、InN等の化合物半導体もそれぞれ5.64×10−6/K及び5.70×10−6/K程度の値を示すの対して、SiCの線膨張係数は4.19×10−6/Kであり、上記の化合物半導体とは25〜35%程度の開きがある。そのため、図5に示すように、例えばGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層をSiC基板上に層成長させた後のウエーハを室温まで冷却する際に、これら化合物半導体層と基板との線膨張係数差に起因した応力により、ウエーハが大きく反ってしまうことがある。このような状態となると、ウエーハをMESFETやHEMTなどの素子に加工する際に、ステッパ等による電極形成等のための微小加工の精度(特に位置決めのためのフォーカシング精度)を確保することが困難となり、製品歩留まりの低下につながる問題がある。また、発生する応力が高い場合には、成長した化合物半導体層に転位やクラックなどの欠陥が発生してしまい、同様に素子品質あるいは歩留まりの低下につながる。
【0008】
上記のように、GaN系化合物半導体を用いたヘテロエピタキシャルウエーハにおいては、使用する基板と、その上に成長させる化合物半導体層との構成材料の違いに起因して、化合物半導体層の結晶性が基板品質の影響を受けやすい問題や、線膨張係数差によるウエーハの反り発生が起こりやすい問題がある。そこで、化合物半導体層の層厚を大きくする、例えば3μm程度以上とすることで、化合物半導体層の結晶性を高め、ひいては素子機能の安定化を図る方法も考えられる。しかしながら、化合物半導体層の層厚を増加させることは、該化合物半導体層の品質を高めることを可能とするが、反面、化合物半導体層の放熱性の低下や、線膨張係数差によるウエーハの反り発生を助長しやすくなる不具合に繋がる。また、コスト高や作業効率の低下も招くので、化合物半導体層の層厚を過度に大きくすることなく、その品質を高めることが求められる。この要求に応えるためには、基板と、化合物半導体層との間に位置する層構造の形成形態を工夫することが重要な課題となる。
【0009】
上述した問題も含めて上記課題を考慮してなされたのが本発明であって、該本発明は、SiC単結晶からなる基板と、該基板の主表面上にヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層との間の層構造形態にて、該化合物半導体層の品質向上を可能とするヘテロエピタキシャルウエーハおよび、その製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するための本発明のヘテロエピタキシャルウエーハは、
SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハにおいて、
前記基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させてなるSiCエピタキシャル層を有し、
前記GaN系化合物半導体層は、有機金属気相成長法にて形成されてなることを特徴とする。
【0011】
上記本発明のヘテロエピタキシャルウエーハは、GaN系化合物半導体からなる化合物半導体層、つまり、GaN系化合物半導体層を、SiC単結晶よりなるSiC基板の主表面上にヘテロエピタキシャル成長させたものである。そして、結晶欠陥や転位および界面不純物、表面粗さといったSiC基板の主表面の品質に起因して、GaN系化合物半導体層に誘起される結晶欠陥や転位の発生を低減させるために、SiCエピタキシャル層をSiC基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させた層構造形態からなる。
このように、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にて適切な成長条件で形成させることで、SiC基板の主表面に存在する、結晶欠陥や転位の層厚方向への成長を効果的に抑制することが可能となる。選択エピタキシャル成長技術を用い、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長させて、層厚方向への結晶欠陥の成長を抑制させることもできる。
また、例えばSiC基板の主表面の平滑性が良好でない場合SiC基板の主表面に界面不純物が付着しやすくなるが、SiCエピタキシャル層を形成することで、該界面不純物の層厚方向への拡散も合わせて抑制することが可能となり、界面不純物の濃度も層厚方向に向かい効果的に抑制させることができる。
ここで、SiCエピタキシャル層は、ホモエピタキシャル成長にて形成させるので、SiC基板との格子不整合がないため、これに起因した新しい結晶欠陥や転位は導入されない。
さらに、SiCエピタキシャル層は、ハイドライド気相成長法にて成長させるので、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法にて成長させるよりも成長速度を高めることができる。すると、SiC基板の表面粗さに対応する凹凸を効果的に被覆することができるので、SiCエピタキシャル層の表面では、SiC基板の主表面よりも平滑性を向上させることができる。
よって、このハイドライド気相成長法にて成長させるSiCエピタキシャル層にて、効果的に、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位および界面不純物の層厚方向への伝播を低減させるとともに、平滑性を向上させることが可能となる。
【0012】
上記のような層構造形態にて、SiCエピタキシャル層を形成させる。その結果、GaN系化合物半導体層の品質を高めることを可能とし、また、その層厚を低減させることも可能となる。このGaN系化合物半導体層の層厚の低減化は、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することを可能とする。
【0013】
また、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にて成長させる際の、例えば、成長時間、成長温度や成長雰囲気を適宜調整することで、SiCエピタキシャル層の結晶性を十分に確保することが可能であるとともに、層厚についても調整可能である。SiCエピタキシャル層は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法に比べて成長速度が速いハイドライド気相成長法にて形成するので、層厚をある程度厚くしてもコスト高になることはない。このように、SiCエピタキシャル層の層厚範囲の設定自由度は大きいので、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥などを層厚方向に成長することを有効に阻止することができるとともに、SiCエピタキシャル層自体の結晶性も確保することができる。また、SiCの熱伝導率は、GaNといったGaN系化合物半導体よりも5倍程度大きいので、SiCエピタキシャル層の層厚をある程度大きくしても、素子自体の放熱性に影響は与えないものと言える。
【0014】
そして、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハが有するGaN系化合物半導体層は、有機金属気相成長法にて形成されてなるものとする。GaN系化合物半導体層は、素子の根幹をなす層であるので、その結晶品質は特に確保する必要がある。そこで、GaN系化合物半導体層は、ハイドライド気相成長法よりも、組成むらの発生の制御や、結晶軸の配向性の制御といった結晶性の制御に優れた有機金属気相成長にて形成させる。また、有機金属気相成長法は、分子線エピタキシ法に比べて、形成させる層の構成原料として供給されるガスの供給量や、形成温度の調整により、成長速度を広範囲に変えることが可能である。つまり、組成むらなどの結晶性の低下をより抑制した形で、効率よくGaN系化合物半導体層を形成することができる。その結果、コスト低減化に努めつつ、結晶性に優れたGaN系化合物半導体層をなすことができる。
【0015】
上記のような層構造形態にて、SiCエピタキシャル層およびGaN系化合物半導体層を形成することで、該GaN系化合物半導体層の品質を効果的に高めることが可能となる。また、上記したが、GaN系化合物半導体層の層厚を有為に低減させることが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めることが可能となるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することが可能となる。
【0016】
次に、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハにおける、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間には、それぞれと積層界面をなすバッファ層が形成されてなるとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする。
【0017】
上記のように、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間には、SiC基板の主表面の直上に位置する形でSiCエピタキシャル層が形成されてなる。そこで、例えば、SiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を形成させた場合においても、上記したSiCエピタキシャル層の形成に基づくGaN系化合物半導体層の結晶品質を向上させる効果は得られる。しかしながら、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間には、構成材料の違いに起因した格子不整合などが存在するので、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めるためには、例えば、この格子不整合を小さくさせる層構造を形成させることが望ましい。そこで、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと積層界面をなすバッファ層を形成するとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層を、III−V族化合物半導体におけるV族元素をN(窒素)とする窒化物系化合物半導体から構成させる。このようにバッファ層を形成することで、SiCエピタキシャル層の直上には、窒化物系化合物半導体からなる層が位置することになる。すると、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくするために、SiCエピタキシャル層と、その直上に位置する窒化物系化合物半導体からなる層との積層界面に格子不整合が誘起される。その結果、バッファ層にて、効果的に、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくすることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をさらに高めることが可能となる。このバッファ層は、該バッファ層の最下層と、SiCエピタキシャル層との積層界面に格子不整合を誘起させるものなので、格子不整合に起因した結晶欠陥などがバッファ層の下層部に発生した場合においても、バッファ層の直上に形成されるGaN系化合物半導体層の結晶品質に与える影響はより小さくなる。ここで、バッファ層を窒化物系化合物からなる層のみで構成させても勿論よい。なお、ここでの窒化物系化合物半導体としては、InN(窒化インジウム)、GaN、AlN(窒化アルミニウム)から選ばれる1種や、これら2種または3種を混晶させたものなどを挙げることができる。
【0018】
さらに、上記した、それぞれSiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層と積層界面をなすバッファ層は、SiC層がそれ自身とは異種の化合物半導体からなる介在層を介して周期的に配列した周期構造体よりなるとともに、該介在層は、上記窒化物系化合物半導体からなるものとするのが望ましい。
【0019】
図3の模式図に示すのが、バッファ層2とされる、SiC層4が、窒化物系化合物半導体からなる介在層5を介して周期的に配列した周期構造体10である。図3の周期構造体10は1例であるが、このような周期構造を形成することで、GaN系化合物半導体層と同等また同程度の線膨張係数を有する窒化物系化合物半導体からなる介在層を介して、SiC基板と同等または同程度の線膨張係数を有するSiC層が周期的に積層される。すると、隣接する介在層とSiC層とが形成する積層界面に、ウエーハの反り発生を誘起する応力と同方向の応力と、逆方向の応力とを、周期的な繰り返しで誘起させることが可能となる。その結果、GaN系化合物半導体層とSiC基板との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反りに繋がる応力の大きさを、周期構造体内にて緩和することが可能となる。つまり、ウエーハの反り発生をさらに効果的に抑制することが可能となるとともに、GaN系化合物半導体層の結晶品質をさらに高めることが可能となる。
【0020】
図3の模式図に示す周期構造体はあくまで1例である。周期構造体内におけるSiC層の介在層を介した1周期は、図3に示すようにSiC層と介在層とを1対としたものでもよいし、SiC層と2層以上の介在層とを一対としたものでもよく、特に限定されない。また、その周期数についても、図3では3周期であるが、2周期以上であれば特に限定されない。これら、周期構造体をなすための1周期を構成する介在層の総数や周期数は、GaN系化合物半導体層とSiC基板との線膨張係数差や、SiC基板の主表面の品質の程度により適宜選択されればよい。
【0021】
また、周期構造体内においては、GaN系化合物半導体層や窒化物系化合物半導体からなる介在層に比べて、熱伝導率の大きい、つまり、放熱性のよいSiC層が周期的に形成される。そのため、周期構造体を形成しても、GaN系化合物半導体層の放熱性は十分に確保される。つまり、SiC層を介して、GaN系化合物半導体層および介在層からの熱引きが効果的になされる。
【0022】
なお、周期構造体内におけるそれぞれの介在層は、同組成の窒化物系化合物半導体から構成させてもよいし、異なる組成のものから構成させてもよく、特に限定されず、それぞれの介在層ごとに適宜、構成材料となる窒化物系化合物半導体の組成を選別すればよい。ここでは、介在層を、GaN系化合物半導体層と同等または同程度の線膨張係数の窒化物系化合物半導体を用いて形成するのが主眼である。
【0023】
上記した周期構造体内でGaN系化合物半導体と積層界面を形成する層は、上記窒化物系化合物半導体からなるものとするのが望ましい。周期構造体内で、GaN系化合物半導体と積層界面を形成する層は、GaN系化合物半導体層との格子不整合がより小さいものがよく、この層を窒化物系化合物半導体からなるものとすることで、GaN系化合物半導体層の結晶品質を十分に高めることができるとともに、層厚の低減化を促進させることができる。また、周期構造体内において、SiC層と該SiC層と隣接する層との間の格子不整合の大きさを考慮して、これらの層の層厚を適宜調整するのが望ましい。このような指針で、周期構造体内の各層の層厚を調整することで、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層の結晶品質をより高めることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質を高めることができる。
【0024】
ここまでに、バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層や、周期構造体内における介在層や、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体からなることを述べた。ここで、特には、該窒化物系化合物半導体は、AlNとされるのが望ましい。窒化物系化合物半導体としては、InN、GaN、AlNから選ばれる1種や、これら2種または3種を混晶させたものなどがある。この中でも、AlNは、特に熱伝導率が大きい。そこで、バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層や、周期構造体内における介在層や、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層を、AlNから構成することで、GaN系化合物半導体層からの熱引きをより効果的に高めることができる。その結果、GaN系化合物半導体層の放熱性をより高めることができるとともに、素子特性の安定化をより図ることができる。また、AlNにおける面内の格子定数は、GaNのものと同程度である。そのため、窒化物系化合物半導体としてAlNを用いることで、SiC基板とGaN系化合物半導体層との格子不整合を、バッファ層内で効果的に小さくすることが可能であり、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることが可能となる。
【0025】
次に、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法は、
SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法であって、
基板の主表面直上に、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させるSiCエピタキシャル層形成工程と、
GaN系化合物半導体層を、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体層形成工程と、
を含むことを特徴とする。
【0026】
ここまでに、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハについて述べてきたが、その製造方法としては、上記SiCエピタキシャル層形成工程と上記GaN系化合物半導体層形成工程とを含むものとされる。SiCエピタキシャル層形成工程は、SiC基板の主表面直上に、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させる工程である。このように、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にて行う製造上の最大の利点としては、その層形成速度が、他の有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法に比べて速いので、作業効率が高められる点である。また、上述したように、ハイドライド気相成長法にてSiCエピタキシャル層を適切な成長条件で形成することで、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位および界面不純物の層厚方向への伝播を効果的に抑制することが可能となる。例えば、選択エピタキシャル成長技術を用い、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長させても、層厚方向への結晶欠陥の成長を抑制させることができる。つまり、作業効率を高めながら、形成するGaN系化合物半導体層の結晶品質を効果的に高めることが可能となる。また、このSiCエピタキシャル層は、ハイドライド気相成長法にて形成するので、ある程度層厚を厚くしても、コスト高を招かない。そこで、SiCエピタキシャル層を形成する際の、成長時間、成長温度や成長雰囲気などを適宜調整しながら、例えば設定自由度が大きい層厚を調整してSiCエピタキシャル層を結晶性よく成長させることができる。
【0027】
上記SiCエピタキシャル層形成工程の後、GaN系化合物半導体層形成工程を行う。このGaN系化合物半導体層形成工程は、GaN系化合物半導体を、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させる工程である。ここで、GaN系化合物半導体の形成は、少なくともハイドライド気相成長法よりも、組成むらの発生の制御や、結晶軸の配向性の制御といった結晶性の制御に優れた有機金属気相成長法を用いて行う。その結果、素子の根幹をなすGaN系化合物半導体層を、組成むらなどの結晶性の低下をより抑制した形で成長させることができる。また、有機金属気相成長法は、他の分子線エピタキシ法などに比べて、形成させる層の構成材料として供給されるガス供給量や、形成温度の調整により成長速度を広範囲に変えることが可能である。よって、作業効率を高めた形で、結晶性に優れたGaN系化合物半導体層を成長させることができる。
【0028】
上記した本発明の製造方法を用いることで、製造されるヘテロエピタキシャルウエーハにおけるGaN系化合物半導体層の品質を簡便に高めることが可能となる。また、上記のごとく、GaN系化合物半導体層の層厚を有為に低減させることが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めることが可能となるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することが可能となる。
【0029】
さらに、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法は、
SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと積層界面をなすバッファ層を有機金属気相成長法にて形成するバッファ層形成工程を含み、
バッファ層内で前記SiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体にて構成することを特徴とする。
【0030】
上記SiCエピタキシャル層形成工程にて形成させたSiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を、上記GaN系化合物半導体層形成工程にて形成させても、SiCエピタキシャル層の形成に基づくGaN系化合物半導体層の結晶品質を向上させる効果は得られる。しかしながら、SiC基板やSiCエピタキシャル層と、GaN系化合物半導体層との間には格子不整合が存在する。そこで、上記バッファ層形成工程にて、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと界面をなすバッファ層を形成するとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面をなす層を、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体にて構成する。このように、バッファ層形成工程にてバッファ層を形成すると、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合が小さくなるので、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることができる。
【0031】
また、バッファ層形成工程におけるバッファ層の形成は、有機金属気相成長法を用いて行う。SiCエピタキシャル層は、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位などの層厚方向への伝播を抑制させることを第一の主眼として形成させるものである。そのため、上記SiCエピタキシャル層形成工程では、有機金属気相成長法などに比べて、配向性といった結晶性の制御は困難とされるハイドライド気相成長法を用いてSiCエピタキシャル層を形成させることが有効である。一方、バッファ層は、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくさせる効果を有するものであり、その結晶品質を高めることで、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めることが可能となる。そのため、バッファ層は、特には、結晶性の制御に優れた有機金属気相成長法を用いて形成するのが望ましい。このように有機金属気相成長法を用いてバッファ層を形成することで、バッファ層の結晶品質を十分に確保することが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる実施形態を、図面を併用しながら説明する。
図1は、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハを用いた半導体素子の一例であるMESFETの構造を模式的に示すものである。該MESFET100は、SiC単結晶からなるSiC基板101の主表面直上に、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させてなるSiCエピタキシャル層109を形成し、さらに、SiCエピタキシャル層109の上に、バッファ層102を介してGaN系化合物半導体層103を有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させて形成したものである。GaN系化合物半導体層103は、GaNにて構成されており、具体的にはバッファ層102に近い側からノンドープGaN層(以下、ノンドープであることを「i−」にて表す)104とn型GaN層105とがこの順序にて積層されたものである(従って、本実施形態のMESFET100は、例えばSiをドープしたnチャネル型であるが、例えばMgをドープしたpチャネル型の場合は、n型GaN層105の代わりにp型GaN層を用いればよい)。そして、n型GaN層105上には、ドレイン電極106、ソース電極107及びゲート電極108が形成されている。ドレイン電極106とソース電極107とはn型GaN層105との間でオーミック接合を形成する金属(例えばTi/Al)により、ゲート電極108はn型GaN層105との間でショットキー(Schottky)接合を形成する金属(例えばPd/Au)により、それぞれ構成されている。該MESFET100の動作原理自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
【0033】
また、図2は、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの適用対象となるHEMTの構造を模式的に示すものである。該HEMT150は、バッファ層102上に形成されるGaN系化合物半導体層103の構造が図1のMESFET100と相違する。GaN系化合物半導体層103は、バッファ層102に近い側から能動層として機能するi−GaN層104、電子供給層として機能するn型AlGaN層110、電極とのコンタクト層として機能するn型GaN層111とがこの順序にて積層されたものである(従って、本実施形態のHEMT150はnチャネル型であるが、pチャネル型の場合は、n型AlGaN層110及びn型GaN層111を、それぞれp型のものに置き換えればよい)。そして、n型GaN層111上には、ドレイン電極106、ソース電極107が形成され、n型GaN層111の非形成領域に露出するn型AlGaN層110にゲート電極108が形成されている。各電極の材質は図1のMESFET100と同じである。該HEMT150の動作原理自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
【0034】
上記の素子100,150は、いずれもSiC基板101の主表面上に、SiCエピタキシャル層109およびバッファ層102を介して、有機金属気相成長法を用いて、GaN系化合物半導体層103をヘテロエピタキシャル成長させることにより得られるヘテロエピタキシャルウエーハから製造されるものであり、そのヘテロエピタキシャルウエーハは、GaN系化合物半導体層103部分を除けば同一の構造を有するものである。以下、図2のHEMT150の製造に用いるエピタキシャルウエーハで代表させて、さらに詳細な説明を行う。
【0035】
図4に示すヘテロエピタキシャルウエーハ50は、HEMT150と同じ層構造を有するものである。すなわち、SiC単結晶からなるSiC基板1の主表面直上にSiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させ、該SiCエピタキシャル層9の上に形成させたバッファ層2を介して、GaN系化合物半導体層3を有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させた構造をなしている。なお、SiC基板1の直径は例えば4インチ以上といった大口径のものである。
【0036】
図4に示すように、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させることで、SiC基板1の主表面に存在する、結晶欠陥や転位の層厚方向への成長を効果的に抑止することが可能となるとともに、界面不純物の数も層厚方向に向かい低減させることができる。また、SiC基板1の主表面の平滑性が良好でない、つまりSiC基板1の厚さが不均一な場合、GaN系化合物半導体層3の結晶品質を低下させる原因となるが、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にて形成することで、そのような不具合の発生を抑制することができる。このように、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にて形成させることで、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体層3の結晶品質を有為に高めることができる。その結果、GaN系化合物半導体層3の層厚の低減化が可能となる。
【0037】
また、図4におけるヘテロエピタキシャルウエーハ50においては、SiCエピタキシャル層9とGaN系化合物半導体層3との間には、それぞれと積層界面をなすバッファ層2が形成されている。このバッファ層2は、SiC基板1とGaN系化合物半導体層3との間の格子不整合を小さくする効果を有する。また、バッファ層2内でSiCエピタキシャル層9と積層界面を形成する層は、特に、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体から構成するのがよく、SiC基板1とGaN系化合物半導体層3との間の格子不整合をバッファ層2内で効果的に小さくすることができる。この窒化物系化合物半導体としては、InN、GaN、AlNから選ばれる1種または、2種以上を混晶させたものを挙げることができるが、この中でもAlNは放熱性に優れているので特に好適である。
【0038】
GaN系化合物半導体層3は、GaN系化合物半導体とされるIII−V族化合物半導体であり、具体的には既に説明した通り、GaN単結晶層14、16あるいは、GaNとAlNとの混晶化合物からなるAlGaN混晶層15の積層体として構成される。ここで、GaN系化合物半導体層3の線膨張係数は5.59×10−6/K程度であり、SiC単結晶からなるSiC基板1の線膨張係数は、6H−SiCを代表値とすると4.19×10−6/Kであり、GaN系化合物半導体層3の線膨張係数よりも約25%小さい。有機金属気相成長法によるGaN系化合物半導体層3の成長温度は1000〜1100℃程度であり、成長後の冷却時には、GaN系化合物半導体層3の方がSiC基板1に比べて大きく収縮するので、図5に示すように、SiC基板1側が凸状となる反りを発生させる応力が生じる。
【0039】
図5に示すようなウエーハの反り発生は、GaN系化合物半導体層3の層厚の増加に伴い、抑制することが困難とされる。しかしながら、本発明においては、SiCエピタキシャル層をSiC基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にて形成させることで、素子機能の安定化を図るために必要とされるGaN系化合物半導体層の層厚を、低減化させることが可能である。その結果、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因して発生するウエーハの反りを効果的に抑制することができる。
【0040】
さらに、ウエーハの反り発生を抑制させる必要がある場合は、図4のバッファ層2を、図3に示すような、SiC層が窒化物系化合物半導体からなる介在層を介して周期的に配列した周期構造体とすることで、バッファ層を、ウエーハの反り発生をより効果的に抑制できる、好適な層構造形態とすることができる。
【0041】
また、図3においては、バッファ層2とされる周期構造体10内でGaN系化合物半導体層と積層界面をなす層は、介在層5とされる。つまり、窒化物系化合物半導体からなる層とされる。このように、GaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層を、窒化物系化合物半導体から構成することで、GaN系化合物半導体層とバッファ層との積層界面での格子不整合の大きさを低減化させることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めることができる。
【0042】
次に、図4のヘテロエピタキシャルウエーハを代表させて、その製造工程の1例の説明を行う。まず、SiCエピタキシャル層形成工程にて、SiC基板の主表面上に、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させる。このように、ハイドライド気相成長法を用いることで、作業工程の効率化も図ることができる。そして、SiCエピタキシャル層形成工程の後、バッファ層形成工程にてバッファ層を形成させる。このバッファ層形成工程では、特に、バッファ層の結晶品質を高める観点から、有機金属気相成長法にてバッファ層を形成させるのが望ましい。このバッファ層形成工程の後、GaN系化合物半導体層形成工程にて、GaN系化合物半導体層を有機金属気相成長法でヘテロエピタキシャル成長させる。このような工程を経ることにより、図4に示すヘテロエピタキシャルウエーハを製造させることができる。
【0043】
以上のように、本発明における、SiC基板とGaN系化合物半導体層と間の層構造形態を採用することにより、GaN系化合物半導体層の結晶品質を高めることができる。なお、上記実施形態は、あくまで例示であって、例えば、図4のようなバッファ層を形成させず、SiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を形成させたものでもよく、また、GaN系化合物半導体層が発光素子に対応した素子構造のものにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヘテロエピタキシャルウエーハを用いたMESFETの一実施形態を示す模式図。
【図2】同じくHEMTの一実施形態を示す模式図。
【図3】周期構造体からなる本発明のバッファ層の一実施形態に対応する模式図。
【図4】本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの一実施形態を示す模式図。
【図5】従来のヘテロエピタキシャルウエーハの問題点を説明するための説明図。
【符号の説明】
1 SiC基板
2 バッファ層
3 GaN系化合物半導体層
4 SiC層
5 介在層
9 SiCエピタキシャル層
10 周期構造体
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロエピタキシャルウエーハおよびその製造方法に関し、詳細には、SiC基板上にGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
化合物半導体よりなるヘテロエピタキシャルウエーハは、周知の通り、発光ダイオードやレーザなどの発光素子や、MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの超高速トランジスタの製造に使用され、多くの需要を獲得するに至っている。特に、後者の超高速トランジスタにおいては、GaAs/AlGaAsヘテロ接合を用いたものが実用化されており、その優れたマイクロ波・ミリ波特性により、衛星放送用受信器等の低雑音素子として広く使用されている。ここで、高性能の超高速トランジスタを実現させるためには、基板部分への漏洩電流を極力抑える必要があるため、高抵抗率基板の使用が不可欠となる。GaAs/AlGaAsヘテロ接合においては、半絶縁性のGaAs単結晶基板が比較的容易に製造可能であることから、これらを用いた超高速トランジスタ等のデバイスが広く普及している一因となっている。
【0003】
他方、近年、注目を集めているヘテロエピタキシャルウエーハに、GaN(窒化ガリウム)系化合物半導体を用いたものがある。GaN系化合物半導体は、室温におけるバンドギャップエネルギーを2.0〜6.2eVの範囲で調整可能であることから、青色等の発光素子に応用されるとともに普及しつつある。また、GaN系化合物半導体は、バンドギャップエネルギーの広さに加えて、高い電子移動度を有するとともに、ヘテロ接合形成が容易である。そのため、GaN系化合物半導体は、高温環境での動作を可能とし、より高速・高出力の次世代型超高速トランジスタへの応用の観点からも、種々研究がなされている。
【0004】
ここで、GaN系化合物半導体は、GaAs系化合物半導体と異なり、ホモエピタキシャル成長のために必要な半絶縁性GaN単結晶基板の製造が困難とされる。そこで、GaN系化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長を行う場合、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層とは全く異なる材料であるSiC(炭化シリコン)基板などが使用される(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】特開平10−145006号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、GaN系化合物半導体を用いたヘテロエピタキシャルウエーハの製造には、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層とは全く異なる材料であるSiC基板などを使用する必要がある。そのため、GaAs単結晶基板を用いて形成可能なGaAs系化合物半導体からなる化合物半導体層に比べて、使用する基板表面の平滑性や界面不純物濃度といった基板表面の品質の影響を、過大に受けやすい。つまり、基板表面の品質に起因する界面不純物の拡散や、結晶欠陥や転位の発生が誘起されやすくなり、成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層の結晶性の低下を招きやすくなる。このような化合物半導体層の結晶性の低下は、ヘテロエピタキシャルウエーハを用いた発光素子、MESFETやHEMTといった素子の品質低下に繋がる。
【0007】
また、GaNの線膨張係数は5.59×10−6/Kであり、バンドギャップエネルギーを調整するためにこれと混晶化されるAlN、InN等の化合物半導体もそれぞれ5.64×10−6/K及び5.70×10−6/K程度の値を示すの対して、SiCの線膨張係数は4.19×10−6/Kであり、上記の化合物半導体とは25〜35%程度の開きがある。そのため、図5に示すように、例えばGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層をSiC基板上に層成長させた後のウエーハを室温まで冷却する際に、これら化合物半導体層と基板との線膨張係数差に起因した応力により、ウエーハが大きく反ってしまうことがある。このような状態となると、ウエーハをMESFETやHEMTなどの素子に加工する際に、ステッパ等による電極形成等のための微小加工の精度(特に位置決めのためのフォーカシング精度)を確保することが困難となり、製品歩留まりの低下につながる問題がある。また、発生する応力が高い場合には、成長した化合物半導体層に転位やクラックなどの欠陥が発生してしまい、同様に素子品質あるいは歩留まりの低下につながる。
【0008】
上記のように、GaN系化合物半導体を用いたヘテロエピタキシャルウエーハにおいては、使用する基板と、その上に成長させる化合物半導体層との構成材料の違いに起因して、化合物半導体層の結晶性が基板品質の影響を受けやすい問題や、線膨張係数差によるウエーハの反り発生が起こりやすい問題がある。そこで、化合物半導体層の層厚を大きくする、例えば3μm程度以上とすることで、化合物半導体層の結晶性を高め、ひいては素子機能の安定化を図る方法も考えられる。しかしながら、化合物半導体層の層厚を増加させることは、該化合物半導体層の品質を高めることを可能とするが、反面、化合物半導体層の放熱性の低下や、線膨張係数差によるウエーハの反り発生を助長しやすくなる不具合に繋がる。また、コスト高や作業効率の低下も招くので、化合物半導体層の層厚を過度に大きくすることなく、その品質を高めることが求められる。この要求に応えるためには、基板と、化合物半導体層との間に位置する層構造の形成形態を工夫することが重要な課題となる。
【0009】
上述した問題も含めて上記課題を考慮してなされたのが本発明であって、該本発明は、SiC単結晶からなる基板と、該基板の主表面上にヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体からなる化合物半導体層との間の層構造形態にて、該化合物半導体層の品質向上を可能とするヘテロエピタキシャルウエーハおよび、その製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するための本発明のヘテロエピタキシャルウエーハは、
SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハにおいて、
前記基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させてなるSiCエピタキシャル層を有し、
前記GaN系化合物半導体層は、有機金属気相成長法にて形成されてなることを特徴とする。
【0011】
上記本発明のヘテロエピタキシャルウエーハは、GaN系化合物半導体からなる化合物半導体層、つまり、GaN系化合物半導体層を、SiC単結晶よりなるSiC基板の主表面上にヘテロエピタキシャル成長させたものである。そして、結晶欠陥や転位および界面不純物、表面粗さといったSiC基板の主表面の品質に起因して、GaN系化合物半導体層に誘起される結晶欠陥や転位の発生を低減させるために、SiCエピタキシャル層をSiC基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させた層構造形態からなる。
このように、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にて適切な成長条件で形成させることで、SiC基板の主表面に存在する、結晶欠陥や転位の層厚方向への成長を効果的に抑制することが可能となる。選択エピタキシャル成長技術を用い、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長させて、層厚方向への結晶欠陥の成長を抑制させることもできる。
また、例えばSiC基板の主表面の平滑性が良好でない場合SiC基板の主表面に界面不純物が付着しやすくなるが、SiCエピタキシャル層を形成することで、該界面不純物の層厚方向への拡散も合わせて抑制することが可能となり、界面不純物の濃度も層厚方向に向かい効果的に抑制させることができる。
ここで、SiCエピタキシャル層は、ホモエピタキシャル成長にて形成させるので、SiC基板との格子不整合がないため、これに起因した新しい結晶欠陥や転位は導入されない。
さらに、SiCエピタキシャル層は、ハイドライド気相成長法にて成長させるので、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法にて成長させるよりも成長速度を高めることができる。すると、SiC基板の表面粗さに対応する凹凸を効果的に被覆することができるので、SiCエピタキシャル層の表面では、SiC基板の主表面よりも平滑性を向上させることができる。
よって、このハイドライド気相成長法にて成長させるSiCエピタキシャル層にて、効果的に、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位および界面不純物の層厚方向への伝播を低減させるとともに、平滑性を向上させることが可能となる。
【0012】
上記のような層構造形態にて、SiCエピタキシャル層を形成させる。その結果、GaN系化合物半導体層の品質を高めることを可能とし、また、その層厚を低減させることも可能となる。このGaN系化合物半導体層の層厚の低減化は、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することを可能とする。
【0013】
また、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にて成長させる際の、例えば、成長時間、成長温度や成長雰囲気を適宜調整することで、SiCエピタキシャル層の結晶性を十分に確保することが可能であるとともに、層厚についても調整可能である。SiCエピタキシャル層は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法に比べて成長速度が速いハイドライド気相成長法にて形成するので、層厚をある程度厚くしてもコスト高になることはない。このように、SiCエピタキシャル層の層厚範囲の設定自由度は大きいので、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥などを層厚方向に成長することを有効に阻止することができるとともに、SiCエピタキシャル層自体の結晶性も確保することができる。また、SiCの熱伝導率は、GaNといったGaN系化合物半導体よりも5倍程度大きいので、SiCエピタキシャル層の層厚をある程度大きくしても、素子自体の放熱性に影響は与えないものと言える。
【0014】
そして、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハが有するGaN系化合物半導体層は、有機金属気相成長法にて形成されてなるものとする。GaN系化合物半導体層は、素子の根幹をなす層であるので、その結晶品質は特に確保する必要がある。そこで、GaN系化合物半導体層は、ハイドライド気相成長法よりも、組成むらの発生の制御や、結晶軸の配向性の制御といった結晶性の制御に優れた有機金属気相成長にて形成させる。また、有機金属気相成長法は、分子線エピタキシ法に比べて、形成させる層の構成原料として供給されるガスの供給量や、形成温度の調整により、成長速度を広範囲に変えることが可能である。つまり、組成むらなどの結晶性の低下をより抑制した形で、効率よくGaN系化合物半導体層を形成することができる。その結果、コスト低減化に努めつつ、結晶性に優れたGaN系化合物半導体層をなすことができる。
【0015】
上記のような層構造形態にて、SiCエピタキシャル層およびGaN系化合物半導体層を形成することで、該GaN系化合物半導体層の品質を効果的に高めることが可能となる。また、上記したが、GaN系化合物半導体層の層厚を有為に低減させることが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めることが可能となるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することが可能となる。
【0016】
次に、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハにおける、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間には、それぞれと積層界面をなすバッファ層が形成されてなるとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする。
【0017】
上記のように、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間には、SiC基板の主表面の直上に位置する形でSiCエピタキシャル層が形成されてなる。そこで、例えば、SiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を形成させた場合においても、上記したSiCエピタキシャル層の形成に基づくGaN系化合物半導体層の結晶品質を向上させる効果は得られる。しかしながら、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間には、構成材料の違いに起因した格子不整合などが存在するので、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めるためには、例えば、この格子不整合を小さくさせる層構造を形成させることが望ましい。そこで、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと積層界面をなすバッファ層を形成するとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層を、III−V族化合物半導体におけるV族元素をN(窒素)とする窒化物系化合物半導体から構成させる。このようにバッファ層を形成することで、SiCエピタキシャル層の直上には、窒化物系化合物半導体からなる層が位置することになる。すると、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくするために、SiCエピタキシャル層と、その直上に位置する窒化物系化合物半導体からなる層との積層界面に格子不整合が誘起される。その結果、バッファ層にて、効果的に、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくすることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をさらに高めることが可能となる。このバッファ層は、該バッファ層の最下層と、SiCエピタキシャル層との積層界面に格子不整合を誘起させるものなので、格子不整合に起因した結晶欠陥などがバッファ層の下層部に発生した場合においても、バッファ層の直上に形成されるGaN系化合物半導体層の結晶品質に与える影響はより小さくなる。ここで、バッファ層を窒化物系化合物からなる層のみで構成させても勿論よい。なお、ここでの窒化物系化合物半導体としては、InN(窒化インジウム)、GaN、AlN(窒化アルミニウム)から選ばれる1種や、これら2種または3種を混晶させたものなどを挙げることができる。
【0018】
さらに、上記した、それぞれSiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層と積層界面をなすバッファ層は、SiC層がそれ自身とは異種の化合物半導体からなる介在層を介して周期的に配列した周期構造体よりなるとともに、該介在層は、上記窒化物系化合物半導体からなるものとするのが望ましい。
【0019】
図3の模式図に示すのが、バッファ層2とされる、SiC層4が、窒化物系化合物半導体からなる介在層5を介して周期的に配列した周期構造体10である。図3の周期構造体10は1例であるが、このような周期構造を形成することで、GaN系化合物半導体層と同等また同程度の線膨張係数を有する窒化物系化合物半導体からなる介在層を介して、SiC基板と同等または同程度の線膨張係数を有するSiC層が周期的に積層される。すると、隣接する介在層とSiC層とが形成する積層界面に、ウエーハの反り発生を誘起する応力と同方向の応力と、逆方向の応力とを、周期的な繰り返しで誘起させることが可能となる。その結果、GaN系化合物半導体層とSiC基板との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反りに繋がる応力の大きさを、周期構造体内にて緩和することが可能となる。つまり、ウエーハの反り発生をさらに効果的に抑制することが可能となるとともに、GaN系化合物半導体層の結晶品質をさらに高めることが可能となる。
【0020】
図3の模式図に示す周期構造体はあくまで1例である。周期構造体内におけるSiC層の介在層を介した1周期は、図3に示すようにSiC層と介在層とを1対としたものでもよいし、SiC層と2層以上の介在層とを一対としたものでもよく、特に限定されない。また、その周期数についても、図3では3周期であるが、2周期以上であれば特に限定されない。これら、周期構造体をなすための1周期を構成する介在層の総数や周期数は、GaN系化合物半導体層とSiC基板との線膨張係数差や、SiC基板の主表面の品質の程度により適宜選択されればよい。
【0021】
また、周期構造体内においては、GaN系化合物半導体層や窒化物系化合物半導体からなる介在層に比べて、熱伝導率の大きい、つまり、放熱性のよいSiC層が周期的に形成される。そのため、周期構造体を形成しても、GaN系化合物半導体層の放熱性は十分に確保される。つまり、SiC層を介して、GaN系化合物半導体層および介在層からの熱引きが効果的になされる。
【0022】
なお、周期構造体内におけるそれぞれの介在層は、同組成の窒化物系化合物半導体から構成させてもよいし、異なる組成のものから構成させてもよく、特に限定されず、それぞれの介在層ごとに適宜、構成材料となる窒化物系化合物半導体の組成を選別すればよい。ここでは、介在層を、GaN系化合物半導体層と同等または同程度の線膨張係数の窒化物系化合物半導体を用いて形成するのが主眼である。
【0023】
上記した周期構造体内でGaN系化合物半導体と積層界面を形成する層は、上記窒化物系化合物半導体からなるものとするのが望ましい。周期構造体内で、GaN系化合物半導体と積層界面を形成する層は、GaN系化合物半導体層との格子不整合がより小さいものがよく、この層を窒化物系化合物半導体からなるものとすることで、GaN系化合物半導体層の結晶品質を十分に高めることができるとともに、層厚の低減化を促進させることができる。また、周期構造体内において、SiC層と該SiC層と隣接する層との間の格子不整合の大きさを考慮して、これらの層の層厚を適宜調整するのが望ましい。このような指針で、周期構造体内の各層の層厚を調整することで、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層の結晶品質をより高めることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質を高めることができる。
【0024】
ここまでに、バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層や、周期構造体内における介在層や、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体からなることを述べた。ここで、特には、該窒化物系化合物半導体は、AlNとされるのが望ましい。窒化物系化合物半導体としては、InN、GaN、AlNから選ばれる1種や、これら2種または3種を混晶させたものなどがある。この中でも、AlNは、特に熱伝導率が大きい。そこで、バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層や、周期構造体内における介在層や、周期構造体内でGaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層を、AlNから構成することで、GaN系化合物半導体層からの熱引きをより効果的に高めることができる。その結果、GaN系化合物半導体層の放熱性をより高めることができるとともに、素子特性の安定化をより図ることができる。また、AlNにおける面内の格子定数は、GaNのものと同程度である。そのため、窒化物系化合物半導体としてAlNを用いることで、SiC基板とGaN系化合物半導体層との格子不整合を、バッファ層内で効果的に小さくすることが可能であり、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることが可能となる。
【0025】
次に、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法は、
SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法であって、
基板の主表面直上に、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させるSiCエピタキシャル層形成工程と、
GaN系化合物半導体層を、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体層形成工程と、
を含むことを特徴とする。
【0026】
ここまでに、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハについて述べてきたが、その製造方法としては、上記SiCエピタキシャル層形成工程と上記GaN系化合物半導体層形成工程とを含むものとされる。SiCエピタキシャル層形成工程は、SiC基板の主表面直上に、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させる工程である。このように、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にて行う製造上の最大の利点としては、その層形成速度が、他の有機金属気相成長法や分子線エピタキシ法に比べて速いので、作業効率が高められる点である。また、上述したように、ハイドライド気相成長法にてSiCエピタキシャル層を適切な成長条件で形成することで、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位および界面不純物の層厚方向への伝播を効果的に抑制することが可能となる。例えば、選択エピタキシャル成長技術を用い、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長させても、層厚方向への結晶欠陥の成長を抑制させることができる。つまり、作業効率を高めながら、形成するGaN系化合物半導体層の結晶品質を効果的に高めることが可能となる。また、このSiCエピタキシャル層は、ハイドライド気相成長法にて形成するので、ある程度層厚を厚くしても、コスト高を招かない。そこで、SiCエピタキシャル層を形成する際の、成長時間、成長温度や成長雰囲気などを適宜調整しながら、例えば設定自由度が大きい層厚を調整してSiCエピタキシャル層を結晶性よく成長させることができる。
【0027】
上記SiCエピタキシャル層形成工程の後、GaN系化合物半導体層形成工程を行う。このGaN系化合物半導体層形成工程は、GaN系化合物半導体を、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させる工程である。ここで、GaN系化合物半導体の形成は、少なくともハイドライド気相成長法よりも、組成むらの発生の制御や、結晶軸の配向性の制御といった結晶性の制御に優れた有機金属気相成長法を用いて行う。その結果、素子の根幹をなすGaN系化合物半導体層を、組成むらなどの結晶性の低下をより抑制した形で成長させることができる。また、有機金属気相成長法は、他の分子線エピタキシ法などに比べて、形成させる層の構成材料として供給されるガス供給量や、形成温度の調整により成長速度を広範囲に変えることが可能である。よって、作業効率を高めた形で、結晶性に優れたGaN系化合物半導体層を成長させることができる。
【0028】
上記した本発明の製造方法を用いることで、製造されるヘテロエピタキシャルウエーハにおけるGaN系化合物半導体層の品質を簡便に高めることが可能となる。また、上記のごとく、GaN系化合物半導体層の層厚を有為に低減させることが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の放熱性を高めることが可能となるとともに、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因した、ウエーハの反り発生を抑制することが可能となる。
【0029】
さらに、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法は、
SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと積層界面をなすバッファ層を有機金属気相成長法にて形成するバッファ層形成工程を含み、
バッファ層内で前記SiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体にて構成することを特徴とする。
【0030】
上記SiCエピタキシャル層形成工程にて形成させたSiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を、上記GaN系化合物半導体層形成工程にて形成させても、SiCエピタキシャル層の形成に基づくGaN系化合物半導体層の結晶品質を向上させる効果は得られる。しかしながら、SiC基板やSiCエピタキシャル層と、GaN系化合物半導体層との間には格子不整合が存在する。そこで、上記バッファ層形成工程にて、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間に、それぞれと界面をなすバッファ層を形成するとともに、該バッファ層内でSiCエピタキシャル層と積層界面をなす層を、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体にて構成する。このように、バッファ層形成工程にてバッファ層を形成すると、SiCエピタキシャル層とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合が小さくなるので、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることができる。
【0031】
また、バッファ層形成工程におけるバッファ層の形成は、有機金属気相成長法を用いて行う。SiCエピタキシャル層は、SiC基板の主表面に存在する結晶欠陥や転位などの層厚方向への伝播を抑制させることを第一の主眼として形成させるものである。そのため、上記SiCエピタキシャル層形成工程では、有機金属気相成長法などに比べて、配向性といった結晶性の制御は困難とされるハイドライド気相成長法を用いてSiCエピタキシャル層を形成させることが有効である。一方、バッファ層は、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の格子不整合を小さくさせる効果を有するものであり、その結晶品質を高めることで、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めることが可能となる。そのため、バッファ層は、特には、結晶性の制御に優れた有機金属気相成長法を用いて形成するのが望ましい。このように有機金属気相成長法を用いてバッファ層を形成することで、バッファ層の結晶品質を十分に確保することが可能となり、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより高めることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる実施形態を、図面を併用しながら説明する。
図1は、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハを用いた半導体素子の一例であるMESFETの構造を模式的に示すものである。該MESFET100は、SiC単結晶からなるSiC基板101の主表面直上に、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させてなるSiCエピタキシャル層109を形成し、さらに、SiCエピタキシャル層109の上に、バッファ層102を介してGaN系化合物半導体層103を有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させて形成したものである。GaN系化合物半導体層103は、GaNにて構成されており、具体的にはバッファ層102に近い側からノンドープGaN層(以下、ノンドープであることを「i−」にて表す)104とn型GaN層105とがこの順序にて積層されたものである(従って、本実施形態のMESFET100は、例えばSiをドープしたnチャネル型であるが、例えばMgをドープしたpチャネル型の場合は、n型GaN層105の代わりにp型GaN層を用いればよい)。そして、n型GaN層105上には、ドレイン電極106、ソース電極107及びゲート電極108が形成されている。ドレイン電極106とソース電極107とはn型GaN層105との間でオーミック接合を形成する金属(例えばTi/Al)により、ゲート電極108はn型GaN層105との間でショットキー(Schottky)接合を形成する金属(例えばPd/Au)により、それぞれ構成されている。該MESFET100の動作原理自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
【0033】
また、図2は、本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの適用対象となるHEMTの構造を模式的に示すものである。該HEMT150は、バッファ層102上に形成されるGaN系化合物半導体層103の構造が図1のMESFET100と相違する。GaN系化合物半導体層103は、バッファ層102に近い側から能動層として機能するi−GaN層104、電子供給層として機能するn型AlGaN層110、電極とのコンタクト層として機能するn型GaN層111とがこの順序にて積層されたものである(従って、本実施形態のHEMT150はnチャネル型であるが、pチャネル型の場合は、n型AlGaN層110及びn型GaN層111を、それぞれp型のものに置き換えればよい)。そして、n型GaN層111上には、ドレイン電極106、ソース電極107が形成され、n型GaN層111の非形成領域に露出するn型AlGaN層110にゲート電極108が形成されている。各電極の材質は図1のMESFET100と同じである。該HEMT150の動作原理自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
【0034】
上記の素子100,150は、いずれもSiC基板101の主表面上に、SiCエピタキシャル層109およびバッファ層102を介して、有機金属気相成長法を用いて、GaN系化合物半導体層103をヘテロエピタキシャル成長させることにより得られるヘテロエピタキシャルウエーハから製造されるものであり、そのヘテロエピタキシャルウエーハは、GaN系化合物半導体層103部分を除けば同一の構造を有するものである。以下、図2のHEMT150の製造に用いるエピタキシャルウエーハで代表させて、さらに詳細な説明を行う。
【0035】
図4に示すヘテロエピタキシャルウエーハ50は、HEMT150と同じ層構造を有するものである。すなわち、SiC単結晶からなるSiC基板1の主表面直上にSiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させ、該SiCエピタキシャル層9の上に形成させたバッファ層2を介して、GaN系化合物半導体層3を有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させた構造をなしている。なお、SiC基板1の直径は例えば4インチ以上といった大口径のものである。
【0036】
図4に示すように、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させることで、SiC基板1の主表面に存在する、結晶欠陥や転位の層厚方向への成長を効果的に抑止することが可能となるとともに、界面不純物の数も層厚方向に向かい低減させることができる。また、SiC基板1の主表面の平滑性が良好でない、つまりSiC基板1の厚さが不均一な場合、GaN系化合物半導体層3の結晶品質を低下させる原因となるが、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にて形成することで、そのような不具合の発生を抑制することができる。このように、SiCエピタキシャル層9をハイドライド気相成長法にて形成させることで、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体層3の結晶品質を有為に高めることができる。その結果、GaN系化合物半導体層3の層厚の低減化が可能となる。
【0037】
また、図4におけるヘテロエピタキシャルウエーハ50においては、SiCエピタキシャル層9とGaN系化合物半導体層3との間には、それぞれと積層界面をなすバッファ層2が形成されている。このバッファ層2は、SiC基板1とGaN系化合物半導体層3との間の格子不整合を小さくする効果を有する。また、バッファ層2内でSiCエピタキシャル層9と積層界面を形成する層は、特に、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体から構成するのがよく、SiC基板1とGaN系化合物半導体層3との間の格子不整合をバッファ層2内で効果的に小さくすることができる。この窒化物系化合物半導体としては、InN、GaN、AlNから選ばれる1種または、2種以上を混晶させたものを挙げることができるが、この中でもAlNは放熱性に優れているので特に好適である。
【0038】
GaN系化合物半導体層3は、GaN系化合物半導体とされるIII−V族化合物半導体であり、具体的には既に説明した通り、GaN単結晶層14、16あるいは、GaNとAlNとの混晶化合物からなるAlGaN混晶層15の積層体として構成される。ここで、GaN系化合物半導体層3の線膨張係数は5.59×10−6/K程度であり、SiC単結晶からなるSiC基板1の線膨張係数は、6H−SiCを代表値とすると4.19×10−6/Kであり、GaN系化合物半導体層3の線膨張係数よりも約25%小さい。有機金属気相成長法によるGaN系化合物半導体層3の成長温度は1000〜1100℃程度であり、成長後の冷却時には、GaN系化合物半導体層3の方がSiC基板1に比べて大きく収縮するので、図5に示すように、SiC基板1側が凸状となる反りを発生させる応力が生じる。
【0039】
図5に示すようなウエーハの反り発生は、GaN系化合物半導体層3の層厚の増加に伴い、抑制することが困難とされる。しかしながら、本発明においては、SiCエピタキシャル層をSiC基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にて形成させることで、素子機能の安定化を図るために必要とされるGaN系化合物半導体層の層厚を、低減化させることが可能である。その結果、SiC基板とGaN系化合物半導体層との間の線膨張係数差に起因して発生するウエーハの反りを効果的に抑制することができる。
【0040】
さらに、ウエーハの反り発生を抑制させる必要がある場合は、図4のバッファ層2を、図3に示すような、SiC層が窒化物系化合物半導体からなる介在層を介して周期的に配列した周期構造体とすることで、バッファ層を、ウエーハの反り発生をより効果的に抑制できる、好適な層構造形態とすることができる。
【0041】
また、図3においては、バッファ層2とされる周期構造体10内でGaN系化合物半導体層と積層界面をなす層は、介在層5とされる。つまり、窒化物系化合物半導体からなる層とされる。このように、GaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層を、窒化物系化合物半導体から構成することで、GaN系化合物半導体層とバッファ層との積層界面での格子不整合の大きさを低減化させることができ、ひいては、GaN系化合物半導体層の結晶品質をより有為に高めることができる。
【0042】
次に、図4のヘテロエピタキシャルウエーハを代表させて、その製造工程の1例の説明を行う。まず、SiCエピタキシャル層形成工程にて、SiC基板の主表面上に、SiCエピタキシャル層をハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させる。このように、ハイドライド気相成長法を用いることで、作業工程の効率化も図ることができる。そして、SiCエピタキシャル層形成工程の後、バッファ層形成工程にてバッファ層を形成させる。このバッファ層形成工程では、特に、バッファ層の結晶品質を高める観点から、有機金属気相成長法にてバッファ層を形成させるのが望ましい。このバッファ層形成工程の後、GaN系化合物半導体層形成工程にて、GaN系化合物半導体層を有機金属気相成長法でヘテロエピタキシャル成長させる。このような工程を経ることにより、図4に示すヘテロエピタキシャルウエーハを製造させることができる。
【0043】
以上のように、本発明における、SiC基板とGaN系化合物半導体層と間の層構造形態を採用することにより、GaN系化合物半導体層の結晶品質を高めることができる。なお、上記実施形態は、あくまで例示であって、例えば、図4のようなバッファ層を形成させず、SiCエピタキシャル層の直上にGaN系化合物半導体層を形成させたものでもよく、また、GaN系化合物半導体層が発光素子に対応した素子構造のものにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヘテロエピタキシャルウエーハを用いたMESFETの一実施形態を示す模式図。
【図2】同じくHEMTの一実施形態を示す模式図。
【図3】周期構造体からなる本発明のバッファ層の一実施形態に対応する模式図。
【図4】本発明のヘテロエピタキシャルウエーハの一実施形態を示す模式図。
【図5】従来のヘテロエピタキシャルウエーハの問題点を説明するための説明図。
【符号の説明】
1 SiC基板
2 バッファ層
3 GaN系化合物半導体層
4 SiC層
5 介在層
9 SiCエピタキシャル層
10 周期構造体
Claims (7)
- SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハにおいて、
前記基板の主表面直上にハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させてなるSiCエピタキシャル層を有し、
前記GaN系化合物半導体層は、有機金属気相成長法にて形成されてなることを特徴とするヘテロエピタキシャルウエーハ。 - 前記SiCエピタキシャル層と前記GaN系化合物半導体層との間には、それぞれと積層界面をなすバッファ層が形成されてなるとともに、該バッファ層内で前記SiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項1記載のヘテロエピタキシャルウエーハ。
- 前記バッファ層は、SiC層がそれ自身とは異種の化合物半導体からなる介在層を介して周期的に配列した周期構造体よりなるとともに、該介在層は、前記窒化物系化合物半導体からなることを特徴する請求項2記載のヘテロエピタキシャルウエーハ。
- 前記周期構造体内で前記GaN系化合物半導体層と積層界面を形成する層は、前記窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項3記載のヘテロエピタキシャルウエーハ。
- 前記窒化物系化合物半導体は、AlNとされることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載のヘテロエピタキシャルウエーハ。
- SiC単結晶よりなる基板の主表面上に、GaN系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法であって、
前記基板の主表面直上に、SiCエピタキシャル層を、ハイドライド気相成長法にてホモエピタキシャル成長させるSiCエピタキシャル層形成工程と、
前記GaN系化合物半導体層を、有機金属気相成長法にてヘテロエピタキシャル成長させるGaN系化合物半導体層形成工程と、
を含むことを特徴とするヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法。 - 前記SiCエピタキシャル層と前記GaN系化合物半導体層との間に、それぞれと積層界面をなすバッファ層を有機金属気相成長法にて形成するバッファ層形成工程を含み、
前記バッファ層内で前記SiCエピタキシャル層と積層界面を形成する層は、III−V族化合物半導体におけるV族元素をNとする窒化物系化合物半導体にて構成することを特徴とする請求項6記載のヘテロエピタキシャルウエーハの製造方法。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091002 |