JP2005072409A - エピタキシャル基板、半導体積層構造、エピタキシャル基板の製造方法、およびエピタキシャル基板表面におけるピット発生抑制方法 - Google Patents
エピタキシャル基板、半導体積層構造、エピタキシャル基板の製造方法、およびエピタキシャル基板表面におけるピット発生抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高品質かつピットの発生が抑制されたＡｌ含有III族窒化物半導体のエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】サファイアやＳｉＣなどの単結晶基材に対し、ＮＨ３ガスにより窒化処理を行うことによって基材表面に窒化層を形成し、さらにバッファ層をIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度よりも低温で、かつ、ごく薄く（５ｎｍ以下）形成する。そのうえで、III族窒化物層をエピタキシャル形成する。これにより、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（００２）面半値幅が２００ｓｅｃ以下、（１０２）面半値幅が１５００ｓｅｃ以下であって基板表面が原子レベルで平坦であるという結晶品質を実現し、かつ、基板表面におけるピットの発生が従来よりも１／１５〜１／１０程度に抑制されたエピタキシャル基板を得ることができる。
【選択図】図４
【解決手段】サファイアやＳｉＣなどの単結晶基材に対し、ＮＨ３ガスにより窒化処理を行うことによって基材表面に窒化層を形成し、さらにバッファ層をIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度よりも低温で、かつ、ごく薄く（５ｎｍ以下）形成する。そのうえで、III族窒化物層をエピタキシャル形成する。これにより、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（００２）面半値幅が２００ｓｅｃ以下、（１０２）面半値幅が１５００ｓｅｃ以下であって基板表面が原子レベルで平坦であるという結晶品質を実現し、かつ、基板表面におけるピットの発生が従来よりも１／１５〜１／１０程度に抑制されたエピタキシャル基板を得ることができる。
【選択図】図４
Description
本発明は、基材の上にIII族窒化物層を形成したエピタキシャル基板、およびその製造技術に関する。
ＧａＮ系化合物半導体やＡｌＮ系化合物半導体などのIII族窒化物半導体には、他の半導体と比較して、バンドギャップが大きい上、絶縁破壊電界が大きく、飽和電子移動度が高いという特徴がある。このため、III族窒化物半導体は、紫外〜緑色領域のＬＥＤ（発光ダイオード；Light Emitting Diode）、ＬＤ（レーザーダイオード；Laser Diode）、受光素子などの光デバイスや高周波特性に優れたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ；High Electron Mobility Transistor）、ＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジスタ；Hetero Bipolar Transistor）などの電子デバイスの材料として、多くの研究対象となっている。
しかしながら、III族窒化物半導体については、大サイズのバルク単結晶を作製することが現状では困難であることから、上記のようなデバイスにおいて基板材料として用いる場合、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、III族窒化物半導体をサファイアやＳｉＣ等の単結晶基材上にヘテロエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャル基板が用いられる。例えばＧａＮ系化合物のエピタキシャル基板の場合、これらの基材とＧａＮ系化合物との格子不整合が大きいため、基材上に直接エピタキシャル層を形成したとしても、高品質のエピタキシャル基板を得ることはできないが、エピタキシャル層と基材との間に、高品質な単結晶が成長しない温度にてＡｌＮやＧａＮからなるバッファ層（低温バッファ層）を形成することによって、高品質のエピタキシャル基板が得られることが既に公知となっている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
一方、ＡｌＮ系化合物については、エピタキシャル層の形成に先立ち基材を例えばＮＨ３雰囲気にて窒化することによって、結晶品質を改善する技術が公知となっている（例えば特許文献３参照。）。また、ＧａＮ系化合物の場合と同様に、低温バッファ層を形成することにより高品質のＡｌＮが形成されるとの報告例もある（例えば、非特許文献１参照。）。
特許文献１および特許文献２には、ＧａＮあるいはＡｌＧａＮのエピタキシャル層を有するエピタキシャル基板の作製において、エピタキシャル層の形成温度よりも低い温度にて、特許文献１においては２ｎｍ以上、特許文献２においては１０ｎｍ以上の低温バッファ層を形成したうえで、エピタキシャル層を形成する技術が開示されている。しかしながら、ＡｌＮ系化合物のエピタキシャル基板を作製しようとする場合、同程度の膜厚を有する低温バッファ層を形成したとしても、結晶品質のよいエピタキシャル層が得られず、場合によってはクラックを発生してしまうという問題がある。これは、係るバッファ層には多量の貫通転位が存在し、これに起因してエピタキシャル層においても多量の転位が生成されることが要因と考えられる。
一方、特許文献３に開示されている技術を用いた場合、窒化をするほど結晶品質はよくなるが、ピットの発生が増加するという問題点がある。これは、基材表面に窒素原子が存在すると、窒化をしない場合よりも基材表面近傍におけるエピタキシャル層形成時の原子の表面拡散が容易となって、結晶成長がより促進されることが理由であると推察される。図９は、これを説明するためのエピタキシャル基板１の平面模式図である。すなわち、窒化処理を行った場合、図９（ａ）のように基材表面上に結晶核１０１の形成が起こると、図９（ｂ）のようにひとたび形成された結晶核からの島１０２の成長が進みやすく、その結果、図９（ｃ）のようにそれぞれに十分成長したうえで島１０３同士が接触することになる。窒化処理により面方位の揺らぎは低減されるものの、原子の拡散が促進されすぎて核密度が粗になってしまい、島結合部のピットが消失し難いと推察される。また、基材の窒化には、基材表面に窒素が導入されることにより、基材本体から窒化アルミニウムに近い状態に組成及び結晶構造が連続的に変化し、格子ミスマッチを効率よく緩和するという効果もある。
また、非特許文献１においては、所要の効果を得るために必要とされる低温バッファ層の厚みが特定されておらず、結晶品質と低温バッファ層の厚みとの相関が明確ではない。
本発明は、上記の問題点を解決するものであり、結晶品質に優れ、かつピットの発生が抑制されたＡｌ含有III族窒化物半導体のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基材と、前記基材の上にエピタキシャル形成され、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層と、備えるエピタキシャル基板であって、前記基材の表面の少なくとも一部が窒化されており、前記基材の前記表面と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層が形成されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記バッファ層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、前記バッファ層の形成温度が前記III族窒化物層の形成温度よりも低いことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、前記バッファ層の形成温度が１１００℃以下であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１または請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、前記Ａｌ元素のモル分率が８０％以上であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載のエピタキシャル基板であって、前記III族窒化物層がＡｌＮからなることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記バッファ層が、III族窒化物を原料として形成されたものであることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載のエピタキシャル基板であって、前記バッファ層の前記原料に含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が、前記III族窒化物層に含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率以上であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記基材が、サファイア単結晶あるいはＳｉＣ単結晶からなることを特徴とする。
請求項１０の発明は、基材の上に、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層がエピタキシャル形成されてなるエピタキシャル基板を製造する方法であって、前記基材の表面の少なくとも一部を窒化する窒化処理工程と、前記基材と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層の上に前記III族窒化物層をエピタキシャル形成する工程と、を備えることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の製造方法であって、前記バッファ層の厚さを５ｎｍ以下とすることを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の製造方法であって、前記窒化処理工程が、前記バッファ層形成工程よりも先に行われることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の製造方法であって、前記窒化処理工程が、前記バッファ層形成工程よりも後に行われることを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の製造方法であって、前記バッファ層形成工程は、前記基材の前記表面の上に前記バッファ層として微結晶群の分布を形成させる工程であり、前記窒化処理工程は、前記微結晶群の相互の隙間を介して前記基板の前記表面を窒化する工程であることを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１０ないし請求項１４のいずれかに記載の製造方法であって、前記バッファ層の形成温度が前記III族窒化物層の形成温度よりも低いことを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の製造方法であって、前記バッファ層の形成温度が１１００℃以下であることを特徴とする。
請求項１７の発明は、基材の上に、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層がエピタキシャル形成されてなるエピタキシャル基板表面におけるピットの発生を抑制する方法であって、前記基材の表面の少なくとも一部を窒化する窒化処理工程と、前記基材と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層の上に前記III族窒化物層をエピタキシャル形成する工程と、を備えることを特徴とする。
請求項１８の発明は、半導体積層構造であって、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、前記エピタキシャル基板の上に形成されたIII族窒化物半導体層群と、を備えることを特徴とする。
請求項１ないし請求項１７の発明によれば、III族窒化物層の結晶品質が優れ、かつ、ピットの発生が従来よりも抑制されたエピタキシャル基板を提供することができる。
特に、請求項２、および請求項１１ないし請求項１４の発明によれば、バッファ層の厚みを５ｎｍ以下にすることで、結晶核が微細に分散したバッファ層が得られるとともに、エピタキシャル形成に際しては、窒化層の作用により原子の拡散が促進されることによって、エピタキシャル形成の早い段階から結晶核が合体して成長が進むことになる。これにより、結晶品質が良く、かつピットの発生が抑制されたエピタキシャル基板を提供することができる。
特に、請求項３、請求項４、請求項１５および請求項１６の発明によれば、バッファ層をIII族窒化物層よりも低温で形成することで、結晶核が微細に分散したバッファ層が得られるとともに、エピタキシャル形成に際しては、窒化層の作用により原子の拡散が促進されることによって、エピタキシャル形成の早い段階から結晶核が合体して成長が進むことになる。これにより、結晶品質が良く、かつピットの発生しないエピタキシャル基板を提供することができる。
また、請求項１８の発明によれば、III族窒化物層の結晶品質が優れ、かつピットの発生しないエピタキシャル基板を、光デバイスや電子デバイスの作製に用いることになるので、当該光デバイスや電子デバイスの動作性能の向上が実現できる。
＜エピタキシャル基板の構造＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１の積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１は、後述する処理を施した後の基材１１の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてIII族窒化物層１２をエピタキシャル成長させることにより作製されるものである。
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１の積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１は、後述する処理を施した後の基材１１の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてIII族窒化物層１２をエピタキシャル成長させることにより作製されるものである。
基材１１は、例えば、サファイア，ＺｎＯ，ＬｉＡｌＯ２，ＬｉＧａＯ２，ＭｇＡｌ２Ｏ４，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ３，ＮｄＧａＯ３，ＭｇＯ，Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮおよびＺｒＢ２等の単結晶から適宜選択して使用することが可能である。特に、III族窒化物層の表面平坦性を確保するという観点から、基板成長面としては、Ｃ面のIII族窒化物層を成長可能な面が望ましく、さらに、III族窒化物層の結晶品質の高品質化の観点から、特に、Ａ面・Ｃ面サファイア、Ｃ面４Ｈ―ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いることが望ましい。ここでいうＡ面、Ｃ面は、結晶面の（１１−２０）面、（０００１）面をそれぞれ意味する。また、基材１１の厚みにも制限はないが、例えば、２２０μｍ〜３０００μｍの範囲の厚みを有するものが好適である。
基材１１には、III族窒化物層１２のエピタキシャル形成に先だって所定の窒化処理が施されて、あらかじめその表面に窒化層１１ａが形成されている。窒化処理は、所定の温度に加熱された基材１１をアンモニアガス雰囲気中に保持する態様が、その好適な一例である。この場合、処理条件を変えることにより、窒化層１１ａの深さを制御することが可能である。特に、この窒化層１１ａの状態としては、Ｃ面サファイア基板を基材１１として用いた場合、表面層の１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子モル％以上、望ましくは５原子モル％以上であることが望ましく、Ｃ面４Ｈあるいは６ＨＳｉＣ基板を基材１１として用いた場合、同深さにおける窒素含有量が３原子モル％以上、望ましくは５原子モル％以上であることが望ましい。なお、本窒素含有量はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）を用いて測定することができる。
III族窒化物層１２は、含有する全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が、５０％以上、好ましくは８０％以上となる組成を有してなる窒化物である。より好ましくは、III族窒化物層１２はＡｌＮである。本実施の形態に係るエピタキシャル基板１においては、上述の窒化層１１ａおよび次述するバッファ層１３を形成したうえで、III族窒化物層１２のエピタキシャル形成がなされている。III族窒化物層１２の形成は、１１００℃以上の温度（基材温度）で行うことが好ましい。これより低い温度範囲では、結晶性のよいIII族窒化物層１２が得られないからである。より好ましくは、１１５０℃以上から１２５０℃で行う。これにより、転位が減少し、III族窒化物層１２の結晶性が向上する。また、III族窒化物層１２は、０．２μｍ以上の厚みに形成されるのが好適な一例である。特に、Ｃ面サファイア基板を基材とする場合は、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは０．８μｍ以上の厚みに形成される。Ｃ面４Ｈあるいは６ＨＳｉＣ基板を基材とする場合は、好ましくは０．３μｍ以上、さらに好ましくは０．４μｍ以上の厚みに形成される。厚みの上限については、ピット発生の抑制の観点から、厚ければ厚いほど望ましいが、クラックの発生等他の条件を考慮に入れて、決定する。
また、エピタキシャル基板１においては、基材１１とIII族窒化物層１２との間に、バッファ層１３が形成されている。バッファ層１３の形成は、ＭＯＣＶＤ法により、III族窒化物層１２の形成に先立って行われる。バッファ層１３は、後述するIII族窒化物層１２の形成の場合と、同一種の原料ガスを用いて形成されるのが好ましい。この場合、バッファ層１３は、III族窒化物層１２以上のＡｌモル分率を有することになる。また、バッファ層１３はIII族窒化物層１２の形成温度よりも低い温度にて形成される。さらに、バッファ層１３の厚さは、５ｎｍ以下、より好ましくは、２ｎｍ以下となるように形成されるのが好ましい。バッファ層１３の厚さがこれ以上大きくなると、特許文献１および２に開示された技術を用いた場合と同様に、結晶性が劣化するからである。なお、本実施の形態において、バッファ層１３の厚さは、「９０％厚さ」によって定義するものとする。ここでいう「９０％厚さ」は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により５μｍ×５μｍの表面粗さを測定し、その高さ分布累積グラフの高い側から９０％の位置での高さを表すものである。
本実施の形態においては、このように、基材１１の窒化処理を行い、さらにバッファ層１３をごく薄く形成したうえで、III族窒化物層１２をエピタキシャル形成することによって、高品質でかつピットの発生しないエピタキシャル基板１を得ることができる。係る効果が実現する理由は、以下のように推察される。なお、図２はこれを説明するための、エピタキシャル基板１の平面模式図である。
特許文献３に開示された技術を用いる場合、窒化層の上に直接にエピタキシャル層を形成することになるが、本実施の形態では、これと異なり、窒化を行った基材１１にいったん、エピタキシャル層であるIII族窒化物層１２を形成するよりも低い温度で、バッファ層１３を形成している。形成温度が低いことから、直接にエピタキシャル層を形成する場合ほどには、基材表面における原子の拡散は進まないと考えられる。すなわち、図２（ａ）のように結晶核１４が形成され始める状態から始まり、図２（ｂ）に示すように、結晶性の悪い微細な島あるいは結晶核１４が、密に分散した状態、換言すれば、微結晶群の分布が形成された状態に至っているものと推定される。なお、図２においては説明の都合上、結晶核１４を実際よりも誇張して示しており、図２が基材１１に対する結晶核１４の実際の相対的な大きさを表すものではない。さらに、厚みをごく薄く形成することを併せ考えると、バッファ層１３の断面構造は、図１（ａ）には窒化層１１ａを完全に覆う態様ように概念的に描いてあるが、より正確には、図１（ｂ）に示すような状態であるものと推定される。あるいは、結晶が網目状に成長した状態も起こり得ると考えられる。なお、こうした場合、厳密には窒化層１１ａの上に、当該窒化層１１ａを全て覆うという狭義の「層」が形成されているとは言えないが、本発明においては、係る場合であっても、バッファ層１３が形成されていると称する。
そして、本実施の形態においては、このように微細な島あるいは結晶核が密に分散してなるバッファ層１３の上に、III族窒化物層１２をエピタキシャル形成させている。係るエピタキシャル形成に際しては、窒化層１１ａの作用により、初期の段階から原子の配列が揃いやすいことから、結晶方位のそろった島が高密度に形成され、図２（ｃ）さらには（ｄ）に示すように、成膜を継続するに従い近接する島の間で次々と合体が生じ、その結果として、表面が原子レベルで平坦で、かつピットの発生が抑制された高結晶品質のIII族窒化物層１２の形成が実現されると考えられる。
また、ピットの発生を抑制することにより、Ａｌを５０％以上含むIII族窒化物層の結晶品質の劣化の原因である層内の酸化を抑制することができ、その酸素濃度として、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下、さらには、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下を実現することができる。
また、ピットの発生を抑制することにより、Ａｌを５０％以上含むIII族窒化物層の結晶品質の劣化の原因である層内の酸化を抑制することができ、その酸素濃度として、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下、さらには、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下を実現することができる。
ここで、結晶性に関しては、III族窒化物層１２の（００２）面および（１０２）面のＸ線ロッキングカーブ測定におけるロッキングカーブ半値幅について、結晶の傾きばらつきの指標となる（００２）面においては２００ｓｅｃ以下、結晶の面内方位のばらつきの指標となる（１０２）面においては１５００ｓｅｃ以下、という値が実現される。なお、表面窒化によって基材１１表面の窒素含有量が多くなるほど、原料元素の表面拡散が効率良く行われるようになるため、結晶性は向上する。ちなみに、（００２）面の半値幅が２００ｓｅｃ以下というのは、ＧａＮエピタキシャル基板において実現される値よりも優れた値である。また、（１０２）面が１５００ｓｅｃ以上の半値幅を有すると、転位密度がおおむね５×１０１０／ｃｍ２以上となって、もはや高品質なエピタキシャル基板であるとはいえない。
＜エピタキシャル基板の製造方法＞
図３は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造装置２の断面模式図である。製造装置２は、III族有機金属ガスを原料ガスとして用い、化学気相反応法によってIII族窒化物膜を形成する、いわゆる「ＭＯＣＶＤ装置」である。製造装置２は、エピタキシャル基板１を作製するための原料ガスを、基材１１の主面上に流すことができるように構成されている。また、エピタキシャル基板１に対しさらにエピタキシャル層を多層に形成し、光デバイスや電子デバイスの作製に供する半導体積層構造を実現することも可能である。この際、エピタキシャル基板１上に成長するIII族窒化物は、エピタキシャル基板１の表面層であるIII族窒化物層よりも、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が大きくないことが望ましい。この条件を満たすことにより、低転位でかつクラックの存在しないIII族窒化物層を実現することができる。たとえば、エピタキシャル基板１の表面層としてＡｌＮを用いた場合、ＧａＮ、ＩｎＮはもちろんのこと、全組成域のＡｌＧａＩｎＮを成長させることができる。ここでいうＡｌＧａＩｎＮは、ｎ−ｔｙｐｅ、ｐ−ｔｙｐｅ、絶縁性の各種の導電性を持つことが可能である。
図３は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造装置２の断面模式図である。製造装置２は、III族有機金属ガスを原料ガスとして用い、化学気相反応法によってIII族窒化物膜を形成する、いわゆる「ＭＯＣＶＤ装置」である。製造装置２は、エピタキシャル基板１を作製するための原料ガスを、基材１１の主面上に流すことができるように構成されている。また、エピタキシャル基板１に対しさらにエピタキシャル層を多層に形成し、光デバイスや電子デバイスの作製に供する半導体積層構造を実現することも可能である。この際、エピタキシャル基板１上に成長するIII族窒化物は、エピタキシャル基板１の表面層であるIII族窒化物層よりも、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が大きくないことが望ましい。この条件を満たすことにより、低転位でかつクラックの存在しないIII族窒化物層を実現することができる。たとえば、エピタキシャル基板１の表面層としてＡｌＮを用いた場合、ＧａＮ、ＩｎＮはもちろんのこと、全組成域のＡｌＧａＩｎＮを成長させることができる。ここでいうＡｌＧａＩｎＮは、ｎ−ｔｙｐｅ、ｐ−ｔｙｐｅ、絶縁性の各種の導電性を持つことが可能である。
製造装置２は、反応性ガスを基材１１の主面に導入するための、反応性ガス導入管３１を備える。反応性ガス導入管３１は、気密の反応容器２１内にあり、その２つの外部端は、それぞれ、反応性ガスの導入口２２および排気口２４となっている。また、反応性ガス導入管３１には、基材１１の主面上に反応性ガスを接触させるために開口部３１ｈが設けられている。
反応容器２１の外側にある導入口２２には、配管系Ｌ１およびＬ２が接続されている。
配管系Ｌ１は、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）および水素ガス（Ｈ２）を供給するための配管系である。
一方、配管系Ｌ２は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム；Ａｌ（ＣＨ３）３）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム；Ｇａ（ＣＨ３）３）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム；Ｉｎ（ＣＨ３）３）、ＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム；Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）、シランガス（ＳｉＨ４）、窒素ガスおよび水素ガスを供給するための配管系である。さらに、配管系Ｌ２には、エピタキシャル基板やデバイス形成の際の原料ガスとなるＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣＰ２Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｇが接続される。
なお、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣＰ２Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｇは、バブリングを行うために、窒素ガスの供給源２４ｂに接続されている。同様に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣＰ２Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｇは、水素ガスの供給源２４ｃに接続される。
また、製造装置２においては、水素（Ｈ２）もしくは窒素(Ｎ２)、またはその混合ガスがキャリアガスとして機能する。なお、全てのガス供給系は、流量計を用いて、ガス流量が制御されている。各ガスの流量を適宜に制御することにより、単相も含め、種々の混晶組成を有するIII族窒化物をエピタキシャル形成させることが可能となっている。
さらに、排気口２４には、反応容器２１の内部のガスを強制排気する真空ポンプ２７が接続されている。
また、反応容器２１の内部には、エピタキシャル層の形成対象となる基材１１を載置する基材台（サセプタ）２８と、基材台２８を反応容器２１の内部に支持する支持脚２９とが設けられる。基材台２８は、その直下に設けられたヒータ３０によって加熱することにより温度制御可能である。ヒータ３０は、例えば抵抗加熱式のヒータである。製造装置２においては、基材１１と密着している基材台２８の温度を変更することにより、エピタキシャル層の成長温度を変化させることが可能である。換言すれば、ＭＯＣＶＤ法におけるエピタキシャル成長温度は、ヒータ３０によって可変に制御可能とされている。
＜実施例１＞
以下、実施例として、本実施の形態に係るエピタキシャル基板の製造方法に係る具体的な製造手順と、作製されたエピタキシャル基板の品質評価結果の一例を説明する。また、当該エピタキシャル基板に半導体積層構造を形成する方法もあわせて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。図４は、係るエピタキシャル基板の製造手順を示す図である。図５は、係る製造手順の主な段階におけるエピタキシャル基板の積層構造を示す断面模式図である。
以下、実施例として、本実施の形態に係るエピタキシャル基板の製造方法に係る具体的な製造手順と、作製されたエピタキシャル基板の品質評価結果の一例を説明する。また、当該エピタキシャル基板に半導体積層構造を形成する方法もあわせて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。図４は、係るエピタキシャル基板の製造手順を示す図である。図５は、係る製造手順の主な段階におけるエピタキシャル基板の積層構造を示す断面模式図である。
本実施例においては、基材１１として、直径が２インチ、厚さ４３０μｍの略円形状のＣ面サファイア単結晶を使用し、（００１）面を成長面として、ＡｌＮをIII族窒化物層１２としてエピタキシャル形成した。
まず、有機溶剤および硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）との混合液を用いて基材１１を洗浄した（ステップＳ１）。次に、製造装置２の反応容器２１内部に設けられた基材台２８に基材１１を載置し（ステップＳ２）、圧力を１０Ｔｏｒｒと保持した状態で、水素を流速２ｍ／ｓｅｃで流しながら、ヒータ３０によって、基材１１を１２００℃まで昇温した（ステップＳ３)。なお、以後の処理において、２ｍ／ｓｅｃの総ガス流速を保つように、水素ガス流量を調整した。基材１１が１２００℃まで加熱されると、この状態で１０分間保持することによって、基材１１の表面のサーマルクリーニングを行った（ステップＳ４）。サーマルクリーニングを行うことにより、基板表面が洗浄されるとともに、再結晶化（水素アニール）も進行させることができる。
サーマルクリーニングに引き続き、窒化処理を行った（ステップＳ５）。窒化処理は、図５（ａ）に示すように、基材１１の温度を１２００℃に保った状態で、アンモニア（ＮＨ３）ガスを、ＮＨ３分圧が２Ｔｏｒｒになるように反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。基板表面の窒素原子濃度が７ｍｏｌ％となるように窒化時間を調整した。
窒化処理により窒化層１１ａを形成した後、ＮＨ３の導入を停止し、いったん９５０℃まで降温し（ステップＳ６）、バッファ層形成処理を行った（ステップＳ７）。バッファ層形成処理は、図５（ｂ）に示すように、９５０℃に保った状態で、ＮＨ３分圧を０．２Ｔｏｒｒ、ＮＨ３とＴＭＡのモル比をＮＨ３：ＴＭＡ＝５０：１として反応性ガス導入管３１に導入することにより行い、９０％厚さが４ｎｍになるようにバッファ層を形成した。
バッファ層の形成を終えると、ＮＨ３とＴＭＡとの導入を一旦停止し、基材１１を１２３０℃に昇温し（ステップＳ８）、III族窒化物層１２としてＡｌＮをエピタキシャル形成させた（ステップＳ９）。図５（ｃ）に示すように、ＡｌＮの形成は、１２３０℃に保った状態で、ＮＨ３分圧を０．４Ｔｏｒｒ、ＮＨ３とＴＭＡのモル比をＮＨ３：ＴＭＡ＝１００：１として反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、０．８μｍ厚のＡｌＮを形成させた。
最終的に得られたエピタキシャル基板１について、ＡｌＮの（００２）面および（１０２）面のＸ線ロッキングカーブ測定を行った。測定は、２０枚の基板について行った（以下同様）。結晶の傾きばらつきの指標となる（００２）面のロッキングカーブ半値幅の平均値は６０ｓｅｃ、結晶の面内方位のばらつきの指標となる（１０２）面のロッキングカーブ半値幅の平均値は１１００ｓｅｃとなった。また、転位密度は１×１０１０／ｃｍ２であった。さらに、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）による表面平坦性評価を行った。評価は、２０枚の基板について行った（以下同様）。その結果、表面粗さの指標であるＲａ値の平均値は、０．１５ｎｍであり、平均ピット密度は、１個／２５μｍ２以下であった。これにより、エピタキシャル基板１の最表面が原子レベルで平坦であり、ピットが少ないことが確認された。
エピタキシャル基板１の上にさらに半導体積層構造を形成する場合、その手順は例えば以下のようになる。なお、以下では、Ｓｉがドナーとして機能するＨＥＭＴ構造を形成する場合を一例として説明する。また、図６は、当該手順に従って形成されたＨＥＭＴ構造を例示する断面模式図である。まず、ＴＭＧおよびアンモニアガスの混合ガスを反応性ガス導入管３１の内部へ導入して、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの組成を有する層厚３μｍのエピタキシャル層４１を形成する。次に、ＴＭＡガス、ＴＭＧおよびアンモニアガスの混合ガスを反応性ガス導入管３１の内部へ導入して、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを層厚２５ｎｍのエピタキシャル層４２を形成する。
＜実施例２＞
基材として、サファイアに代わり、直径２インチ、厚さ２５０μｍの単結晶６Ｈ−ＳｉＣを用い、（００１）面を成長面としてエピタキシャル基板を作製した。本実施例においては、実施例１のステップＳ１に相当する処理として、バッファドフッ酸（buffered ＨＦ）にて洗浄を行った後、サーマルクリーニングを３０分行い、基材表面の窒素原子濃度が６ｍｏｌ％となるように窒化時間を調整した点を除くと、実施例１と同じ条件で作製を行った。
基材として、サファイアに代わり、直径２インチ、厚さ２５０μｍの単結晶６Ｈ−ＳｉＣを用い、（００１）面を成長面としてエピタキシャル基板を作製した。本実施例においては、実施例１のステップＳ１に相当する処理として、バッファドフッ酸（buffered ＨＦ）にて洗浄を行った後、サーマルクリーニングを３０分行い、基材表面の窒素原子濃度が６ｍｏｌ％となるように窒化時間を調整した点を除くと、実施例１と同じ条件で作製を行った。
最終的に得られたＡｌＮの結晶品質を評価したところ、（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅の平均値は１６０ｓｅｃ、（１０２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅の平均値は１０００ｓｅｃとなった。また、転位密度は１×１０１０／ｃｍ２であった。さらに、ＡＦＭによる表面平坦性評価の結果、Ｒａ値の平均値は、０．２０ｎｍであり、平均ピット密度は１個／２５μｍ２以下であった。実施例２においても、エピタキシャル基板１の最表面は原子レベルで平坦であり、ピットが少ないことが確認された。
＜比較例１＞
上記実施例１において、ＡｌＮバッファ層を形成するステップを省略し、基材の窒化処理を行った後、ＡｌＮをエピタキシャル形成させた。
上記実施例１において、ＡｌＮバッファ層を形成するステップを省略し、基材の窒化処理を行った後、ＡｌＮをエピタキシャル形成させた。
最終的に得られたＡｌＮの結晶品質を評価したところ、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅の平均値は、（００２）で７０ｓｅｃ、（１０２）で１０００ｓｅｃであり、転位密度は１×１０１０／ｃｍ２であった。すなわち、結晶品質は実施例１とほぼ同等であることが確認された。ただし、ＡＦＭによる表面平坦性評価を行ったところ、Ｒａ値は０．３５ｎｍであり、平均ピット密度は１０個／２５μｍ２以下であった。すなわち、比較例１においては実施例１の約１０倍のピットが存在することになる。
＜比較例２＞
上記実施例２において、ＡｌＮバッファ層を形成する工程を省略し、基材の窒化処理を行った後、ＡｌＮをエピタキシャル形成させた。
上記実施例２において、ＡｌＮバッファ層を形成する工程を省略し、基材の窒化処理を行った後、ＡｌＮをエピタキシャル形成させた。
最終的に得られたＡｌＮ膜の結晶品質を評価したところ、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅の平均値は、（００２）で１２０秒、（１０２）で１０００秒であり、転位密度は１×１０１０／ｃｍ２であることが確認された。すなわち、結晶品質は実施例１とはぼ同等であった。ただし、表面平坦性をＡＦＭを用いて評価したところ、Ｒａ値は０．４５ｎｍであり、平均ピット密度１５個／２５μｍ２以下であった。すなわち、比較例２においては実施例２の約１５倍のピットが存在することになる。
上記実施例１および実施例２をそれぞれ比較例１および比較例２と比較すれば明らかなように、本実施の形態にかかるエピタキシャル基板は、結晶性、転位密度および表面平滑性の点からみた結晶品質が優れているのみならず、ピットの発生を従来の約１／１５〜１／１０にまで抑制することが実現されてなるものである。すなわち、本実施の形態においては、基材に窒化処理を施した後、ごく薄いバッファ層を形成した上で、III族窒化物層をエピタキシャル形成することによって、結晶品質がよく、かつピットの発生が抑制されたエピタキシャル基板が実現されているといえる。
＜変形例＞
上述の実施の形態では、窒化処理の後にバッファ層形成処理を行っているが、これに代わり、バッファ層形成処理を行った後に、窒化処理を行っても、本発明の効果を得ることができるエピタキシャル基板を作製可能である。図７は、係る場合のエピタキシャル基板の製造手順を示す図である。図７においては、基材としてサファイアを用い、ＡｌＮをIII族窒化物層としてエピタキシャル形成するものとする。図８は、係る製造手順の主な段階におけるエピタキシャル基板の積層構造を示す断面模式図である。
上述の実施の形態では、窒化処理の後にバッファ層形成処理を行っているが、これに代わり、バッファ層形成処理を行った後に、窒化処理を行っても、本発明の効果を得ることができるエピタキシャル基板を作製可能である。図７は、係る場合のエピタキシャル基板の製造手順を示す図である。図７においては、基材としてサファイアを用い、ＡｌＮをIII族窒化物層としてエピタキシャル形成するものとする。図８は、係る製造手順の主な段階におけるエピタキシャル基板の積層構造を示す断面模式図である。
図７に示す手順においては、有機溶剤およびＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２との混合液を用いて基材１１を洗浄し（ステップＳ１０１）。次に、製造装置２の反応容器２１内部に設けられた基材台２８に基材１１を載置し（ステップＳ１０２）、ヒータ３０を用いて基材１１を１２００℃まで加熱（ステップＳ１０３)して、サーマルクリーニングを行う（ステップＳ１０４）までは上述の実施例１に示す手順（図４）と同じであるが、その後、基材はいったん９５０℃まで降温され（ステップ１０５）、バッファ層形成処理が行われる（ステップ１０６）ことになる。
バッファ層形成処理においては、図８（ａ）に示すように、基材１１の温度を９５０℃に保った状態で、ＮＨ３分圧を０．２Ｔｏｒｒ、ＮＨ３とＴＭＡのモル比がＮＨ３：ＴＭＡ＝５０：１として反応性ガス導入管３１に導入し、９０％厚さが４ｎｍになるようにバッファ層が形成される。これにより、結晶性の悪い微細な島あるいは結晶核が、密に分散した状態が実現される。
バッファ層が形成されると、ＮＨ３とＴＭＡの導入を一旦停止し、１２３０℃まで昇温して（ステップＳ１０７）、窒化処理（ステップＳ１０８）を行う。図８（ｂ）に示すように、窒化処理は、基材１１の温度を１２３０℃に保った状態で、ＮＨ３ガスを、ＮＨ３分圧が２Ｔｏｒｒになるように反応性ガス導入管３１に導入することにより行う。係る窒化処理によって、基材１１の少なくともバッファ層１３が形成されていない表面部分から、窒化層１１ａが形成されることになる。この際、バッファ層１３の下部にも窒素原子が拡散し、基材１１の最表面及びバッファ層１３における結晶化が促進される。
窒化層１１ａが形成されると、引き続いて、ＡｌＮからなるIII族窒化物層１２を形成させる（ステップＳ１０９）。図５（ｃ）に示すように、III族窒化物層１２の形成は、１２００℃に保った状態で、ＮＨ３分圧を０．４Ｔｏｒｒ、ＮＨ３とＴＭＡのモル比をＮＨ３：ＴＭＡ＝１００：１として反応性ガス導入管３１に導入することにより行う。これにより、０．８μｍ厚のＡｌＮが形成されることになる。
このようにエピタキシャル基板を作製しても、上述の実施例１の場合と同様に、結晶品質が優れ、かつピットの発生が抑制されたエピタキシャル基板を得ることができる。
１ エピタキシャル基板
２ 製造装置
１１ 基材
１１ａ 窒化層
１２ III族窒化物層
１３ バッファ層
１４ 結晶核
２１ 反応容器
２２ 導入口
２４ 排気口
２４ｂ 窒素ガス供給源
２４ｃ 水素ガス供給源
２４ｄ〜２４ｇ 原料ガス供給源
２７ 真空ポンプ
２８ 基材台
２９ 支持脚
３０ ヒータ
３１ 反応性ガス導入管
３１ｈ 開口部
Ｌ１、Ｌ２ 配管系
２ 製造装置
１１ 基材
１１ａ 窒化層
１２ III族窒化物層
１３ バッファ層
１４ 結晶核
２１ 反応容器
２２ 導入口
２４ 排気口
２４ｂ 窒素ガス供給源
２４ｃ 水素ガス供給源
２４ｄ〜２４ｇ 原料ガス供給源
２７ 真空ポンプ
２８ 基材台
２９ 支持脚
３０ ヒータ
３１ 反応性ガス導入管
３１ｈ 開口部
Ｌ１、Ｌ２ 配管系
Claims (18)
- 基材と、
前記基材の上にエピタキシャル形成され、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記基材の表面の少なくとも一部が窒化されており、
前記基材の前記表面と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層が形成されていることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記バッファ層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、
前記バッファ層の形成温度が前記III族窒化物層の形成温度よりも低いことを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、
前記バッファ層の形成温度が１１００℃以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項１または請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、
前記Ａｌ元素のモル分率が８０％以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項５に記載のエピタキシャル基板であって、
前記III族窒化物層がＡｌＮからなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記バッファ層が、III族窒化物を原料として形成されたものであることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項７に記載のエピタキシャル基板であって、
前記バッファ層の前記原料に含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が、前記III族窒化物層に含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記基材が、サファイア単結晶あるいはＳｉＣ単結晶からなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 基材の上に、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層がエピタキシャル形成されてなるエピタキシャル基板を製造する方法であって、
前記基材の表面の少なくとも一部を窒化する窒化処理工程と、
前記基材と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に前記III族窒化物層をエピタキシャル形成する工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１０に記載の製造方法であって、
前記バッファ層の厚さを５ｎｍ以下とすることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１１に記載の製造方法であって、
前記窒化処理工程が、前記バッファ層形成工程よりも先に行われることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１１に記載の製造方法であって、
前記窒化処理工程が、前記バッファ層形成工程よりも後に行われることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１３に記載の製造方法であって、
前記バッファ層形成工程は、前記基材の前記表面の上に前記バッファ層として微結晶群の分布を形成させる工程であり、
前記窒化処理工程は、前記微結晶群の相互の隙間を介して前記基板の前記表面を窒化する工程であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１０ないし請求項１４のいずれかに記載の製造方法であって、
前記バッファ層の形成温度が前記III族窒化物層の形成温度よりも低いことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項１５に記載の製造方法であって、
前記バッファ層の形成温度が１１００℃以下であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 基材の上に、含有される全てのIII族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上であるIII族窒化物層がエピタキシャル形成されてなるエピタキシャル基板表面におけるピットの発生を抑制する方法であって、
前記基材の表面の少なくとも一部を窒化する窒化処理工程と、
前記基材と前記III族窒化物層との間の少なくとも一部にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に前記III族窒化物層をエピタキシャル形成する工程と、
を備えることを特徴とするピット発生抑制方法。 - 半導体積層構造であって、
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、
前記エピタキシャル基板の上に形成されたIII族窒化物半導体層群と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。
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