JP2004506323A - 基板上に堆積された窒化ガリウムフィルムにおける応力の制御方法 - Google Patents

基板上に堆積された窒化ガリウムフィルムにおける応力の制御方法 Download PDF

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Abstract

シリコンおよび炭化ケイ素基板上に堆積されたＧａＮフィルムにおける応力の制御方法、およびこれによって生成されたフィルムが開示されている。典型的な方法は、基板を供給すること、および供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する基板上にグレーデッド窒化ガリウム層を堆積させることを含む。典型的な半導体フィルムは、基板と、供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する基板上に堆積されたグレーデッド窒化ガリウム層とを含む。

Description

【０００１】
（関連出願との相互参照）
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づいて、２０００年８月４日にＨｕｇｕｅｓ　ＭａｒｃｈａｎｄおよびＢｒｅｎｄａｎ　Ｊ．Ｍｏｒａｎによって出願され、発明の名称が「シリコンおよび炭化ケイ素基板上に堆積されたＧａＮフィルムにおける応力の制御方法（ＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ　ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ　ＳＴＲＥＳＳ　ＩＮ　ＧＡＮ　ＦＩＬＭＳ　ＤＥＰＯＳＩＴＥＤ　ＯＮ　ＳＩＬＩＣＯＮ　ＡＮＤ　ＳＩＬＩＣＯＮ　ＣＡＲＢＩＤＥ　ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ）」という、米国仮特許出願番号第６０／２２２，８３７号への優先権を主張する。本出願は、参照して本明細書に組込まれる。
【０００２】
（連邦政府により援助を受けた研究または開発に関する記述）
本発明は、海軍調査局（Ｏｆｆｉｃｅ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ）によって授与された助成金番号第Ｎ０００１４−９８−１−０４０１号として政府の補助を受けて実施された。政府は、本発明にあるいくつかの権利を有する。
【０００３】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、窒化物フィルムに関する。詳しくは半導体デバイス用の窒化ガリウムフィルムにおける亀裂形成の減少方法に関する。
【０００４】
２．関連技術の説明
（註：本出願は、カッコ内に入れられた参照番号、例えば［ｘ］によって、本明細書全体に示されているいくつかの様々な出版物を参照する。これらの参照番号に従って並べられたこれらの様々な出版物のリストは、下記において好ましい実施形態の詳細な説明の末尾に見ることができる。これらの出版物の各々は、参照して本明細書に組込まれる。）
シリコン基板上へのＧａＮフィルムの堆積は、これら２つの材料間の大きい熱膨張率の不整合のために困難である。大部分の堆積技術は、基板およびＧａＮとは異なる組成物を有する緩衝層または応力緩和層の堆積を含む。すなわち、緩衝層とＧａＮ層との間に急激な組成物の変化がある。これらの技術は、結果として、室温において引張り応力下にあるＧａＮフィルムを生じるさせることとなる。引張り応力は、ＧａＮにおける肉眼で見える亀裂の形成を促進する。これらの亀裂は、その上に製造されたデバイスにとって有害である。
【０００５】
ＧａＮ、およびそのＩｎＮおよびＡｌＮとの合金は、可視光またはＵＶ光発光デバイス（例えば青レーザーダイオード）、ならびに高出力、高周波電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）において用いられる。ＧａＮ基板の不足という理由から、このようなデバイスは一般的に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような基板上に堆積されたＧａＮの薄層から製造されている。どちらの基板も単結晶形態で入手可能であるが、これらの格子定数は、ＧａＮの格子定数とは異なる。前記格子不整合は、広範囲の欠陥、例えば基板とＧａＮ層との間の界面において、ならびにＧａＮ層それ自体の中に発生することになる転位および積層欠陥を引き起こす。緩衝層、例えばＡｌＮまたは低温ＧａＮの使用および堆積条件の最適化は一般的に、１平方センチメートルあたり約１０９の貫通（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）転位を有するフィルムを生じる。さらに新規な技術、例えば側方エピタキシャル成長（ＬＥＯ）、「ペンデオエピタキシ」、およびマスクレスＬＥＯは、より低い転位密度（１０６ｃｍ−２もの低さ）を結果として生じる。
【０００６】
ＧａＮベースのデバイスは現在、サファイヤと炭化ケイ素基板との両方の基板を用いて大量生産されているが、シリコン基板の使用は、さらなるコスト削減、ならびにこれらのデバイスの能力の改良をもたらすと期待される。例えばシリコンは、単純な薬品を用いてエッチングすることができるため、ＧａＮベースフィルムまたはデバイスについて、単純な基板除去技術を利用することができるようになる。シリコンはまた、これに基づいて電子デバイスの大部分（例えばマイクロプロセッサ）が開発された材料でもある。ＧａＮベースデバイスをシリコンベースの電子機能と統合すれば、新しい種類のシステムが創造されるであろう。シリコンは、低コストで優れた結晶品質を有する大きいウエハーサイズが容易に利用可能である。したがってシリコン上に成長されたデバイスは、サファイアまたは炭化ケイ素上に成長された同等のデバイスよりも安価であろう。最後にシリコンは、サファイヤよりも良好な熱伝導体である。
【０００７】
シリコン基板上のＧａＮの成長は、サファイヤおよび炭化ケイ素上の場合と同様な問題を有する。ＧａＮの（００１）面とシリコンの（１１１）面との間の格子不整合は、サファイヤの場合の１６％、炭化ケイ素の場合の３．５％と比べて１７．６％である。薄いＡｌＮ緩衝の使用により、１平方センチメートルあたり３×１０９もの低さの貫通転位を有するＳｉ（１１１）上のＧａＮフィルムを生じた。しかしながらＧａＮとシリコンとの熱膨張の不整合は、サファイヤの場合の−２６％、炭化ケイ素の場合の＋１７％と比べて＋３１％である。（プラス記号は、基板についてよりもＧａＮについての熱膨張率が大きいことを示している。）実証のために、ＧａＮフィルムは成長温度（一般的には１０００℃）において応力がないと仮定すれば、プラスの熱膨張不整合の結果として、室温までの冷却後、引張り応力下のＧａＮフィルムを生じるであろう。ＧａＮフィルムは、引張り応力が約４００ＭＰａを超える時に亀裂を示す。亀裂は一般に、電気短絡または開回路によって、デバイスを動作不能にする。一般に、成長の間に発生することがあるあらゆる緩和作用を含む格子不整合に伴なう応力は、「ｇｒｏｗｎ−ｉｎ（成長時導入）応力」と呼ばれる。フィルムが成長温度から室温まで冷却される時の熱膨張不整合から生じる応力は、「熱応力」と呼ばれる。ｇｒｏｗｎ−ｉｎ応力と熱応力との合計が、前記フィルムにおける正味の応力である。
【０００８】
シリコン基板上へのＧａＮフィルムのいくつかの形成方法が提案されている。Ｔａｋｅｕｃｈｉら［１］は、少なくともアルミニウムと窒素とから成る緩衝層、次いで（ＧａｘＡｌ１−ｘ）１−ｙＩｎｙＮ層を提案している。同じグループによって公開された技術論文（例えば［２］、［３］）に基づいた場合、光ルミネセンス分光測定によって評価することができるように、これらの結果として生じたフィルムは引張り応力下にある。これらのフィルムは亀裂を示す。カリフォルニア大学、サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）における大規模な研究の結果、この方法を用いて、結晶品質における意義深い改善がもたらされた。しかしながらこれらのＧａＮフィルムは常に、引張り応力（２００〜１０００ＭＰａ）下にあることが発見された。これは通常、亀裂を生じた。Ｔａｋｅｕｃｈｉら［４］はまた、緩衝層として３Ｃ−ＳｉＣを提案している。その結果生じたＧａＮフィルムもまた亀裂を示す。これは、これらが引張り応力下にあるという強力な証拠である。Ｙｕｒｉら［５］は、この方法の拡張を提案している。この方法では、シリコン基板が、ＳｉＣ緩衝層上へのＧａＮの薄層の堆積後に化学的にエッチングされ、したがってシリコン基板の存在に伴う引張り応力の問題なしにＧａＮのその後の堆積が可能となる。Ｍａｒｘら［６］は、中間層としてのＧａＡｓの使用を提案している。Ｓｈａｋｕｄａ［７］は、その上に窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）層が堆積されているシリコンウエハー上へのＧａＮベース発光デバイスの形成方法を提案している。
【０００９】
前記技術のすべてにおいて、前記基板と緩衝層との間、ならびに緩衝層とＧａＮ層との間に有限組成物工程がある。組成における差は、格子定数における差を伴ない、このことは一般に、ある量の弾性エネルギーがこれらの層中に存在することを意味する。前記弾性エネルギーは、最上層の（歪を受けていない）格子定数が底部層のものよりも大きいならば、圧縮歪の形態で保存される。前記弾性エネルギーは、最上層が底部層上で擬似格子整合的に（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃａｌｌｙ）成長するならば、すなわち最上層が底部層の面内格子定数を取るならば最大限にされる。考察中のケースでは、弾性エネルギーの量は、例えば島（ｉｓｌａｎｄｓ）または転位などの欠陥を形成するのに必要とされるエネルギーを超えることがあり、これは歪を受けた層のエネルギーを減少させる。このことは、この成長が中断されるならば特にそうである。その理由は、一般に成長の中断によって、整合的に歪を受けた層が、島へと変化させられるからである。この場合、最上層に保存された弾性エネルギーは、擬似格子整合のケースと比較して減少されている。
【００１０】
半導体デバイス用の窒化ガリウムフィルム中の亀裂の形成の減少方法についてのニーズがある。したがってこれらのフィルム中に、引張り応力ではなく圧縮応力を生成するような方法についてのニーズも存在する。さらに、例えばシリコンなどの普通の基板上にこのようなフィルムを生成する方法についてのニーズも存在する。本発明はこれらのニーズに合致する。
【００１１】
（発明の概要）
シリコンおよび炭化ケイ素基板上に堆積されたＧａＮフィルムにおける応力の制御方法、およびこれによって生成されたフィルムが開示されている。典型的な方法は、基板を供給すること、および供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する基板上にグレーデッド窒化ガリウム層を堆積させることを含む。典型的な半導体フィルムは、基板と、供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する基板上に堆積されたグレーデッド窒化ガリウム層とを含む。
【００１２】
本発明は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた、シリコン基板上への亀裂を含まないデバイス品質のＧａＮ層の形成を結果として生じる堆積シーケンス（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を含む。本発明の方法を用いて成長されたＧａＮフィルムは、圧縮応力下にあり、このことはＧａＮが亀裂する傾向を除去する。この堆積シーケンスは、成長されつつあるフィルムの全体の厚さの有意部分（例えば２０〜１００％）を構成する厚さにわたって、高アルミニウム組成物（例えばＡｌＮ、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ）を有する材料Ａから、低アルミニウム組成物（例えばＧａＮ、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）を有する材料Ｂまでの連続グレードから成っている。このグレードは、多様な方法によって達成することができる。例えば（ｉ）成長チャンバにおいて先駆物質の蒸気圧を変えること；（ｉｉ）成長チャンバのその他のパラメータ、例えば基板温度を変えること；または（ｉｉｉ）成長チャンバの形状寸法を変えることである。その他の元素（例えばＳｉ、Ｉｎ、Ａｓ）も、組成物の変動が急激でないかぎり、ＡｌＧａＮ以外の中間材料が堆積されるように、成長チャンバに導入することができる。当分野における通常の実施方法に従って、電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）および光電子デバイス（例えば発光ダイオード）が形成されるように、他の層をこのグレーデッド層上に堆積させることができる。あるいはまた、５ミクロンを超える厚さを有するＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ合金の追加層も、独立したＧａＮ基板を形成する手段として、このグレーデッド層上に堆積させることができる。この方法はまた、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に成長されたＧａＮフィルムにおける応力を制御するためにも用いることができる。
【００１３】
ここで図面を参照するが、図面における同様な参照番号は、図面全体を通じて対応部分を表す。
【００１４】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明の一般的原理に従って製造された層の構造を示す概略断面図として、本発明の半導体フィルム１００を表している。フィルム１００の典型的生成方法は、緩衝層とＧａＮ層とを単一堆積工程中に組み合わせ、基板１０４上に単一グレーデッド窒化ガリウム層１０２を生成することを含む。この堆積の間、成長チャンバ１１２への先駆物質１１０の供給はまったく中断することなく、この組成物は当初組成物１０６と最終組成物１０８との間で連続的に変えられる。当初組成物１０６は、基板を湿潤する緩衝層に適した材料Ａの組成物、例えば中〜高アルミニウム部分（例えば２０％またはそれ以上）を有するＡｌＮまたはＡｌＧａＮ化合物である。最終組成物１０８は、材料Ｂの組成物、例えば低アルミニウム部分（例えば２０％未満）を有するＧａＮまたはＡｌＧａＮである。この組成物グレード１１４が生じる厚さ１１６は、堆積される総厚さ１１８の有意部分、例えば１マイクロメートルの厚さのフィルムの２０〜８０％である。
【００１５】
本発明の主要な特徴は、先駆物質１１０の供給がまったく中断されることなく、この組成物が当初組成物１０６と最終組成物１０８との間で連続的に変えられるということである。進行中の材料研究から、成長プロセスに中断がないことによって、低アルミニウム含量のこれらの層が材料Ａおよび材料Ｂ間の格子不整合に伴なう弾性エネルギーを分散することが、防がれるように思われる。したがってその他の方法を用いた場合に見られる量よりも大きい量の圧縮歪が、この層構造に存在する。多くの場合、この圧縮応力は、冷却手順によって誘発された引張り応力を平衡させるのに十分なほど大きく、したがってエピタキシャル層の正味の応力は圧縮性である。圧縮歪を受けたフィルムは亀裂せず、したがってその後に堆積され、加工されるあらゆるデバイスの特性を保持する。
【００１６】
グレード１１４は、当業者に知られた多様な方法によって達成することができる。例えば（ｉ）成長チャンバ１１２において、Ｇａ、Ａｌ、およびＮのうちの少なくとも１つの先駆物質１１０の蒸気圧１２０を変えること；（ｉｉ）成長チャンバのその他のパラメータ１２２、例えば全圧、基板温度、総流量、基板の回転速度、反応器壁の温度を変えること；（ｉｉｉ）成長チャンバ１１２の形状寸法を変えること、例えばインジェクタに対して基板を動かすこと等；または（ｉｖ）組成物の変動が急激でないかぎり、ＡｌＧａＮ以外の中間材料が堆積されるように、その他の元素、例えばＳｉ、Ｉｎ、またはＡｓを成長チャンバ１１２に導入することである。電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）および光電子デバイス（例えば発光ダイオード）が形成されるように、その他の層をＧａＮ層の後に堆積させることができる。
【００１７】
成長しつつあるフィルムの組成物を厚さまたは時間に関連づける数学的関数を、適切なプロセス制御器の使用によりあらゆる適切な関数形態を取るようにさせることができる。最も単純なケースは、組成物が時間の関数として直線的に変わるケースである。もしも堆積速度が時間と共に一定なままになるように流量が調節されるならば、この方法は、分離作用が発生しない場合、厚さと共に直線的に変わる組成物を生じるであろう。他のケースでは、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ応力をさらに調整するために、組成物の変更速度をグレードの最初と最後により小さく（またはより大きく）することもできるであろう。
【００１８】
グレーディングプロセスの典型的な実施形態は、当初組成物１０６としてＡｌＮを、最終組成物１０８としてＧａＮを用いる。この組成物は、ガリウム、アルミニウム、および窒素先駆物質（それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニア）の分圧を変えることによって制御することができる。１つの実施形態において、基板１０４は、Ｓｉ（１１１）であり、堆積層１０２の総厚み１１８は、ほぼ１マイクロメートルである。成長温度は１０５０℃であった。
【００１９】
図２は、本発明のＧａＮフィルムの一例を示している。１つの実施例における正味の応力は、レーザーデフレクション測定を用いて、２７０ＭＰａ（圧縮）であると測定された。光学測定（光ルミネセンス、ラマン）も実施され、この値が確認された。図２に示されているように、ＧａＮフィルム１０２には亀裂がなかった。このフィルムのミクロ構造は、単結晶型であった。
【００２０】
図３は、透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）に基づく断面図であり、本発明に従ってＳｉ（１１１）基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）のミクロ構造を表している。転位密度は、成長の開始の時、最新式フィルムよりも高かった（＞１０１１ｃｍ−２）が、転位消滅反応のために、このフィルムの表面において、デバイス実例による証明を可能にするのに十分なほど低かった（１０９〜１０１０ｃｍ−２）。これは下記で明らかになるであろう。
【００２１】
図４は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）走査に基づく上面図顕微鏡写真であり、本発明に従ってＳｉ（１１１）基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）の表面形態を表している。この表面形態は、この原子間力顕微鏡画像によって示されているように、サファイアまたは炭化ケイ素基板上に成長された最新式ＧａＮフィルムのものと類似であった。より薄いフィルム（約０．５５μｍ）についてのプロセスを繰返した時、圧縮応力は４００ＭＰａであると測定された。本発明を用いて、このグレーディング方法のいくつかの実施形態が利用可能である。
【００２２】
図５は、簡略プロセスフロー図５００であり、本発明の１つの実施形態に従って先駆物質１１０化学物質が成長チャンバ１１２に導入されるシーケンスを表している。本実施例において、このグレーディングプロセスは、適切なシリコン先駆物質、例えばＳｉグレードライン５０２によって示されているジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）の使用による加熱シリコンウエハー表面上へのシリコンの堆積から始まる。Ａｌグレードライン５０４によって示されているように、アルミニウム含有合金へのグレードは、制御された量の適切なアルミニウム先駆物質、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を導入し、このようにしてケイ化アルミニウムを形成することによって実施される。次いでこのシリコン先駆物質１１０が、このチャンバから徐々に除去され、このようにしてアルミニウムの薄膜が形成される。窒素先駆物質、例えばアンモニア（ＮＨ３）が、窒化アルミニウムへの転移を完成するように徐々に添加され（ＮＨ３グレードライン５０６によって示されている）、その後このシーケンスは、Ｇａグレードライン５０８によって示されているガリウム先駆物質（例えばトリメチルガリウム、ＴＭＧａ）の導入によって続けられる。
【００２３】
本発明のもう１つの実施形態において、当初組成物１０６の材料は、シリコン（前記のように基板１０４上に堆積されている）から成っており、最終組成物１０８の材料は、ＧａＮから成っているが、シリコン、ガリウム、および窒素先駆物質１１０のみが用いられ、したがってＡｌＮ中間層の形成が避けられる。Ｃｈｕら［８］によって報告されているように、Ｓｉ基板１０４上にＧａＮを直接堆積させることは、通常、島の形成および高欠陥ＧａＮフィルムを生じさせる。しかしながら本発明において、島の形成は、この堆積が中断されないので妨げられる。ＧａＮとＳｉ（１１１）との間の格子不整合は、ＡｌＮとＳｉ（１１１）との間のものよりもわずかに大きいだけなので、この特別な堆積シーケンスにより、Ｓｉ（１１１）上に圧縮応力を受けたＧａＮが形成される。
【００２４】
図６は、本発明の１つの実施例に従って電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイス６００を製造するために用いられる層を表している概略断面図である。特別なデバイスを製造する目的で、基板１０４上へのグレーデッド層１０２の形成後に、追加層６０２が堆積される実施形態が本発明においていくつか存在する。本実施例の製造プロセスは、ＧａＮの組成物で終了しているグレーデッド層１０２の上面に堆積された薄い（約０．２＜ｘ＜約０．５）ＡｌｘＧａ１−ｘＮまたはＩｎＧａＡｌＮ層６０２から成っている。通常のプロセス工程、例えば電極形成に続いて、他の基板を用いて製造された最新式デバイスに匹敵しうる特徴を有するＦＥＴが、本発明を用いて生成される。
【００２５】
図７は、本発明の１つの実施例に従って製造された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスの性能を表す一組の特性曲線である。これらの曲線は、コモン・ソース設定におけるゲートバイアスを増加するために、ソース−ドレイン電圧の関数としてのソース−ドレイン電流を表す。ゲート幅１単位あたりの飽和電流は、５２５ｍＡ／ｍｍであり、ゲート幅１単位あたりの相互コンダクタンスは１００ｍＳ／ｍｍである。
【００２６】
本発明の別の実施態様において、５マイクロメートルを超える厚さを有するＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ合金の追加層６０２が、独立したＧａＮ基板の製造手段としてグレーデッド層１０２上に堆積されうる。シリコン基板１０４は、化学エッチングによって、または機械的研磨によって、あるいは一般に当分野で使用されるその他の手段によって除去することができる。
【００２７】
この方法はまた、炭化ケイ素基板１０４上の成長に使用することができる。薄いＡｌＮ緩衝を用いて炭化ケイ素上で成長されたＧａＮフィルムにおける応力は、約０．７μｍよりも薄いフィルムについては圧縮性であるかもしれないが、一方、約０．７μｍよりも厚いフィルムは一般に、引張り応力下にあることが、他のグループによって実証されている［９］。１つのグループは、０．３μｍ厚のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ緩衝層を用いて成長されたフィルムが、小さい圧縮応力（約２５０ＭＰａ）下にあったことを報告している［１０］。前記Ｓｉ（１１１）上の実例による説明におけるものと同じパラメータを用いた場合、本発明の方法により４Ｈ−ＳｉＣ半絶縁基板上に成長された時、０．６５μｍ厚のＧａＮフィルムが９５０ＭＰａの圧縮応力下に生成された。６Ｈ−ＳｉＣ基板上における１．９μｍ厚のフィルムの成長について同じプロセスを適用したところ、８１５ＭＰａの圧縮応力を生じた。
【００２８】
図８および図９は、本発明の結果と通常の方法の結果とを比較する光学顕微鏡写真である。図８は、本発明に従って６Ｈ−ＳｉＣ基板上に堆積されたグレーデッド層１０２（ＡｌＮ〜ＧａＮ）の表面形態を示している。図８のグレーデッド層１０２ＧａＮフィルムは、亀裂を含まず、滑らかな形態を示した。図９は、厚いグレーデッド層の代わりに薄いＡｌＮ緩衝が用いられている場合の比較例に従って６Ｈ−ＳｉＣ基板上に堆積されたＧａＮ層の表面形態を示す光学顕微鏡写真である。薄いＡｌＮ緩衝または薄いグレードを用いて成長されたこのようなフィルムについて測定された応力は、一般的に引張り応力であり、５００ＭＰａのオーダーである。示されているように、このようなフィルムには亀裂が存在する。
【００２９】
（結論）
これで、本発明の好ましい実施形態を含む説明を終わる。本発明の好ましい実施形態の前記説明は、例証および説明を目的として提示された。これは網羅的なものではなく、開示されたとおりの形態に本発明を限定しようとするものでもない。前記教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。
【００３０】
本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、添付クレームによって限定されるものとする。前記明細書、実施例、およびデータは、本発明の使用の完全な説明を提供する。本発明の多くの実施形態が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされうるため、本発明は添付クレームに属する。
【００３１】
（参考文献）
下記の参考文献は、すべて参照して本明細書に組込まれる。
【００３２】
１．Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ、Ａ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｋ．Ｍａｎａｂｅ、米国特許第５，３８９，５７１号：「アルミニウムおよび窒素含有中間層を有する、窒化ガリウムベースの半導体デバイスの製造方法（Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ａ　ｇａｌｌｉｕｍ　ｎｉｔｒｉｄｅ　ｂａｓｅｄ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｎｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｌａｙｅｒ）」。
【００３３】
２．Ａ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｋ．Ｈｉｒｏｓａｗａ、Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｋ．Ｈｉｒａｍａｔｓｕ、およびＩ．Ａｋａｓａｋｉ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ　１２８、３９１−３９６（１９９３）；「中間層としてＡｌＮを用いた、Ｓｉ基板上の単結晶ＧａＮの成長（Ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ＧａＮ　ｏｎ　ａ　Ｓｉ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ＡｌＮ　ａｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｌａｙｅｒ）」。
【００３４】
３．Ｓ．Ｃｈｉｃｈｉｂｕ、Ｔ．Ａｚｕｈａｔａ、Ｔ．Ｓｏｔａ、Ｈ．Ａｍａｎｏ、およびＩ．Ａｋａｓａｋｉ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｆｔ．７０（１６）、２０８５−２０８７（１９９７）：「引張り歪を受けたウルツ鉱ＧａＮエピタキシャル層の光学特性（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｌｅ−ｓｔｒａｉｎｅｄ　ｗｕｒｔｚｉｔｅ　ＧａＮ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｌａｙｅｒｓ）」。
【００３５】
４．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｔ．ら、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９９１、ｖｏｌ．１１５、（Ｎｏ．１−４）：６３４−８．
５．Ｍ．Ｙｕｒｉ、Ｔ．Ｕｅｄａ、Ｔ．Ｂａｂａ、米国特許第５，９２８，４２１号：「窒化ガリウム結晶の形成方法（Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｇａｌｌｉｕｍ　ｎｉｔｒｉｄｅ　ｃｒｙｓｔａｌ）」。
【００３６】
６．Ｄ．Ｍａｒｘ、Ｚ．Ｋａｗａｚｕ、Ｎ．Ｈａｙａｆｕｊｉ、米国特許第５，７６０，４２６号：「シリコン基板、ＧａＡｓ層、およびＧａＮ層＃１３を含むヘテロエピタキシャル半導体デバイス（Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ＧａＡｓ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ＧａＮ　ｌａｙｅｒ　＃１３）」。
【００３７】
７．Ｙ．Ｓｈａｋｕｄａ、米国特許第５，８３８，０２９号：「シリコン基板上に形成されたＧａＮ型発光デバイス（ＧａＮ−ｔｙｐｅ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ａ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」。
【００３８】
８．Ｔ．Ｌ．Ｃｈｕ、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１８、１２００（１９７１）：「窒化ガリウムフィルム（Ｇａｌｌｉｕｍ　ｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ）」。
【００３９】
９．Ｎ．Ｖ．Ｅｄｗａｒｄｓ、Ｍ．Ｄ．Ｂｒｅｍｓｅｒ、Ｒ．Ｆ．Ｄａｖｉｓ、Ａ．Ｄ．Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ、Ｓ．Ｄ．Ｙｏｏ、Ｃ．Ｆ．Ｋａｒａｎ、およびＤ．Ｅ．Ａｓｐｎｅｓ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３、２８０８（１９９８）：「ＧａＮ／ＡｌＮ／６Ｈ−ＳｉＣヘテロ構造についての残留応力における傾向（Ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｏｒ　ＧａＮ／ＡｌＮ／６Ｈ−ＳｉＣ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」。
【００４０】
１０．Ｉ．Ｐ．Ｎｉｋｉｔｉｎａ、Ｍ．Ｐ．Ｓｈｅｇｌｏｖ、Ｙｕ．Ｖ．Ｍｅｌｎｉｋ、Ｋ．Ｇ．Ｉｒｖｉｎｅ、およびＶ．Ａ．Ｄｉｍｉｔｒｉｅｖ、Ｄｉａｍｏｎｄ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　６、１５２４（１９９７）：「６Ｈ−ＳｉＣ上に成長されたＧａＮにおける残留歪（Ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒａｉｎｓ　ｉｎ　ＧａＮ　ｇｒｏｗｎ　ｏｎ　６Ｈ−ＳｉＣ）」。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一般的原理に従って製造された層の構造を表す概略断面図である。
【図２】図２は、本発明に従ってＳｉ（１１１）基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）の表面形態を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】図３は、本発明に従ってＳｉ（１１１）基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）のミクロ構造を表す透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）に基づいた断面図である。
【図４】図４は、本発明に従ってＳｉ（１１１）基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）の表面形態を表す原子間力光学顕微鏡検査（ＡＦＭ）走査に基づく上面図顕微鏡写真である。
【図５】図５は、本発明の１つの実施例に従って先駆化学物質が成長チャンバに導入されるシーケンスを表す簡略プロセスのフロー図である。
【図６】図６は、本発明の１つの実施例に従って電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスを製造するために用いられる層を表す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の１つの実施例に従って製造された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の性能を表す一組の特性曲線である。
【図８】図８は、本発明に従って６Ｈ−ＳｉＣ基板上に堆積されたグレーデッド層（ＡｌＮ〜ＧａＮ）の表面形態を示す光学顕微鏡写真である。
【図９】図９は、薄いＡｌＮ緩衝が厚いグレーデッド層の代わりに用いられている場合における、比較例に従って６Ｈ−ＳｉＣ基板上に堆積されたＧａＮ層の表面形態を示す光学顕微鏡写真である。

Claims (34)

  1. 基板と、
    供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する前記基板上に堆積されたグレーデッド窒化ガリウム層と、
    を含む半導体フィルム。
  2. 前記グレーデッド窒化ガリウム層が、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて堆積される、請求項１の半導体フィルム。
  3. 前記グレーデッド窒化ガリウム層が、正味の（ｎｅｔ）圧縮応力を有する、請求項１の半導体フィルム。
  4. 前記グレーデッド窒化ガリウム層が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給の蒸気圧を変えることによって堆積される、請求項１の半導体フィルム。
  5. 前記先駆物質がガリウム、アルミニウム、または窒素である、請求項１の半導体フィルム。
  6. 前記グレーデッド窒化ガリウム層が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバのパラメータを変えることによって堆積される、請求項１の半導体フィルム。
  7. 前記成長チャンバのパラメータが、全圧、基板の温度、総流量、基板の回転速度、または反応器壁の温度である、請求項６の半導体フィルム。
  8. 前記グレーデッド窒化ガリウム層が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバの形状寸法（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）の変更によって堆積される、請求項１の半導体フィルム。
  9. 成長チャンバの形状寸法の変更は、前記基板を前記成長チャンバのインジェクタに対して動かすことを含む、請求項８の半導体フィルム。
  10. 前記基板が、シリコンまたは炭化ケイ素である、請求項１の半導体フィルム。
  11. 前記当初組成物が高アルミニウム組成物である、請求項１の半導体フィルム。
  12. 前記当初組成物が、窒化アルミニウムまたは高アルミニウム含量アルミニウム窒化ガリウムである、請求項１の半導体フィルム。
  13. 前記最終組成物が、低アルミニウム組成物である、請求項１の半導体フィルム。
  14. 前記最終組成物が、窒化ガリウムまたは低アルミニウム含量アルミニウム窒化ガリウムである、請求項１の半導体フィルム。
  15. さらに、前記グレーデッド窒化ガリウム層上に堆積された少なくとも１つの追加層を含む、請求項１の半導体フィルム。
  16. 少なくとも１つの別の元素が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバに導入されるが、前記グレーデッド窒化ガリウム層の様々な組成物中に急激な変動を引き起こさない、請求項１の半導体フィルム。
  17. 前記別の元素が、シリコン、インジウム、またはヒ素である、請求項１６の半導体フィルム。
  18. 基板を供給すること；および
    供給の中断をまったく伴なわず、成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給によって形成された、当初組成物から最終組成物までの実質的に連続したグレードの様々な組成物を有する前記基板上にグレーデッド窒化ガリウム層を堆積させること、
    を含む半導体フィルムの生成方法。
  19. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の堆積工程が、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることを含む、請求項１８の方法。
  20. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の堆積工程が、正味の圧縮応力を有するグレーデッド窒化ガリウム層を生成する、請求項１８の方法。
  21. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の堆積工程が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバへの少なくとも１つの先駆物質の供給の蒸気圧を変えることを含む、請求項１８の方法。
  22. 前記先駆物質が、ガリウム、アルミニウム、または窒素である、請求項１８の方法。
  23. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の堆積工程が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバのパラメータを変えることを含む、請求項１８の方法。
  24. 前記成長チャンバのパラメータが、全圧、基板の温度、総流量、基板の回転速度、または反応器壁の温度である、請求項２３の方法。
  25. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の堆積工程が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバの形状寸法の変更を含む、請求項１８の方法。
  26. 前記成長チャンバの形状寸法の変更が、前記基板を前記成長チャンバのインジェクタに対して動かすことを含む、請求項２５の方法。
  27. 前記基板がシリコンまたは炭化ケイ素である、請求項１８の方法。
  28. 前記当初組成物が、高アルミニウム組成物である、請求項１８の方法。
  29. 前記当初組成物が、窒化アルミニウムまたは高アルミニウム含量アルミニウム窒化ガリウムである、請求項１８の方法。
  30. 前記最終組成物が、低アルミニウム組成物である、請求項１８の方法。
  31. 前記最終組成物が、窒化ガリウムまたは低アルミニウム含量アルミニウム窒化ガリウムである、請求項１８の方法。
  32. さらに、前記グレーデッド窒化ガリウム層上に少なくとも１つの追加層を堆積させることをを含む、請求項１８の方法。
  33. 前記グレーデッド窒化ガリウム層の形成工程が、前記グレーデッド窒化ガリウム層のための成長チャンバに少なくとも１つの別の元素を導入することを含むが、前記グレーデッド窒化ガリウム層の様々な組成物中に急激な変動を引き起こさない、請求項１８の方法。
  34. 前記別の元素が、シリコン、インジウム、またはヒ素である、請求項３３の方法。
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