JP2005136200A

JP2005136200A - 窒化物半導体結晶層の作製方法、窒化物半導体結晶層、及び窒化物半導体結晶層作製用の基材

Info

Publication number: JP2005136200A
Application number: JP2003370790A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Sawaki; 宣彦澤木; Yoshio Honda; 善央本田; Yoshiyuki Nishimura; 慶之西村
Original assignee: Nagoya University NUC
Current assignee: Nagoya University NUC
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-05-26
Also published as: EP1528590A2; US20050245054A1

Abstract

【課題】大面積のシリコン基板上に一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶を厚く形成する技術を確立する。
【解決手段】シリコン基板１１上に、矩形状の開口部１２Ａを有するマスク部材１２を介し、選択及び横方向の結晶成長を通じて厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＮ微結晶層１３を形成する。次いで、ＡｌＮ微結晶層１３上に、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶層１４を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、窒化物半導体結晶層の作製方法、窒化物半導体結晶層、及び窒化物半導体結晶層作製用の基材に関する。

一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される化合物半導体（III族窒化物半導体）は、サファイヤ（Ａ１_２０_３）あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）を基板として用い、この上方にエピタキシャル成長を通じて層状に形成されてきた。サファイヤあるいは炭化珪素の基板（ウエハ）は単価が高いばかりか、直径が４インチを越えるものは入手が困難で、製品に対するプロセスの費用を低減するために必要な大面積基板への拡張が困難であった。

また、窒化物青色レーザの開発においては、窒化物半導体結晶を基板として用い、ホモエビタキシャル成長を利用した技術の開発も行われてきたが、現状ではサファイヤあるいはガリウム砒素を基板としてＧａＮ単結晶層を成長させ、レーザ照射などにより剥離する手法が採用されている。この場合においても、基板の面積の制限ならびに剥離技術に難があった。これらの難点を取り除くため、大面積基板が入手でき、エッチング技術が優れているシリコンを基板としてＧａＮ単結晶層を作製する技術への期待が高まってきた。

シリコン基板上への窒化物半導体の結晶成長では、熱膨張係数の差、格子構造の相違などを克服するために、ＡｌＮあるいはＡｌＧａＮ緩衝層を用いる方法が開発され（Honda et al., J. Crystal Growth 230 (2001) 346）、これによって、１μｍ程度の薄膜の作製が可能となり、発光ダイオード作製を可能ならしめている（T. Egawa，Technical Digest 5^th International Conference on Nitride Semiconductors, May, 2003, Nara, ThA8.1）。レーザダイオードの作製には結晶品質の高度化が必要であり、そのため窒化物半導体を十分に厚膜化することが要求される。しかしながら、上述した従来技術においては、十分に厚膜化した窒化物半導体を得ることができないでいた。

シリコン基板上に窒化物半導体結晶層を厚膜化して作製するためには、成長時間を長くするか成長速度を上げる必要があった。ＭＯＣＶＤ法の成長速度は１時間当たり１−２μｍ程度であり、例えば実用に足る５μｍ以上の厚膜化を実現するためには数時間のオーダでの成長時間が要求される。ＭＯＣＶＤ法では、前記シリコン基板を約１０００℃に加熱してＧａＮ単結晶層などの窒化物半導体結晶層の成長を行う必要があるが、このような加熱雰囲気中に、前記シリコン基板及び前記窒化物半導体結晶層を保持すると、前記窒化物半導体結晶層の表面荒れが発生してしまう。この結果、上述した半導体レーザなどの、目的とする機能を有する半導体素子の作製が困難になってしまっていた。

他方、前記ＭＯＣＶＤ法に代えてＨＶＰＥ法を使用することにより、目的とする窒化物半導体結晶層の成長速度を増大させることが可能となるが、使用する原料ガスが化学的に分解することによって生成した塩酸ガスにより、例えばＧａＮ単結晶層などの窒化物半導体結晶層とシリコン基板との反応が促進され、特に１時間以上の成長時間を経ると前記窒化物半導体結晶層の表面荒れが際だち、部分的に破壊する場合もあった。

上述した一般式で表される窒化物半導体はエネルギーバンドギャップが組成によって大きく変化し、紫外線から赤外線に至る広い範囲での光素子への応用が提案されている。しかしながら、性能の高度化とプロセスに要する費用の低減には、上述したように大面積シリコン基板上への窒化物半導体結晶層の厚膜化成長技術が必要不可欠と思量されるが、工業的にそれに応える技術はなかった。

本発明は、大面積のシリコン基板上に一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶を厚く形成する技術を確立することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板上に、厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＮ微結晶層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ微結晶層上に、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、窒化物半導体結晶層の作製方法に関する。

また、本発明は、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された、厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＮ微結晶層と、
を具えることを特徴とする、窒化物半導体結晶層作製用の基材に関する。

本発明者らは、上述したＭＯＣＶＤ法及びＨＶＰＥ法などによって、シリコン基板上にＧａＮ単結晶層などの窒化物半導体結晶層を形成した場合の、前記窒化物半導体結晶層の表面荒れの原因を探るべく鋭意検討を実施した。最初に、前記窒化物半導体結晶層の、表面悪化の起こった結晶部分の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、カソードルミネッセンススペクトル（ＣＬ）によって詳細に検討した。

その結果、約１０００℃程度の高温中に、シリコン基板及び窒化物半導体結晶層が保持されると、前記シリコン基板のＳｉと窒化物半導体結晶層のＧａとがゆっくり反応し、前記シリコン基板の表面を変質改変し、さらに、この改変の過程で液体状となった成分が前記窒化物半導体結晶層中の、微小なクラックあるいはピンホールを通して窒化物結晶の表面に噴出し、この結果、前記窒化物半導体結晶層の表面が改変されてしまうことを見出した。そして、このような現象が繰り返されることによって、前記窒化物半導体結晶層の表面荒れが拡大することを見出した。かかる観点より、本発明者らは、前記シリコン基板と前記窒化物半導体結晶層との間に特にＧａを含まないＡｌＮ中間層を設けることを想到した。

一方、前記ＡｌＮ中間層は前記窒化物半導体結晶層の下方に位置し、前記窒化物半導体結晶層は前記ＡｌＮ中間層上に形成されることになる。したがって、前記窒化物半導体結晶層の結晶成長を良好な状態で行い、その結晶品質を十分に向上させるためには、前記ＡｌＮ中間層は従来のようなアモルファス層ではなく、微結晶層であることが必要であることを見出した。

以上のような観点より、本発明者らは、前記シリコン基板と前記窒化物半導体結晶層との間にＡｌＮ微結晶層を設けることを想到した。しかしながら、前記ＡｌＮ微結晶層の厚さが小さいと、微結晶同士の境界においてボイドが発生してしまう場合があり、この結果、前記ボイドを通じて、前記シリコン基板のＳｉと前記窒化物半導体結晶層のＧａとが、前述したように化学的に反応する結果、前記窒化物半導体結晶層の表面を荒らしてしまう場合があった。

かかる問題を解決すべく、本発明者らはさらに検討を行い、前記ＡｌＮ微結晶層を所定の厚さ、具体的には２００ｎｍ以上まで厚くすることによって、前記ボイドが前記ＡｌＮ微結晶層の厚さ方向において貫通するのを防止し、前述したＳｉ及びＧａの前記ボイドを通じた化学的反応を抑制するようにした。

本発明は以上のような考察の下になされており、その結果、例えば４インチ径のシリコン基板上において、ＭＯＣＶＤ法により厚さ５μｍ以上の窒化物半導体結晶層を形成することができる。さらに、前述の大きさのシリコン基板上において、ＨＶＰＥ法により厚さ１００μｍ以上の窒化物半導体結晶層を形成することができる。

なお、前記ＡｌＮ微結晶層の結晶性は、ＳＥＭ又はＴＥＭによって確認することができる。

本発明において、前記ＡｌＮ微結晶層は如何なる方法を用いても形成することができるが、好ましくは前記シリコン基板上に設けた格子状のマスク部材を介して形成する。この場合、前記ＡｌＮ微結晶層は前記マスク部材の開口部内で選択的に成長し、前記開口部内を埋設した後、さらに成長を続けて一様な膜となる。この方法によれば、前記シリコン基板との格子歪みや熱膨脹係数差などを補完して、選択及び横方向成長を良好な状態で行うことができ、２００ｎｍ以上の十分に厚い前記ＡｌＮ微結晶層を高結晶品質の下で簡易に形成することができる。

前記マスク部材は矩形状の開口部を有することが好ましく、前記マスク部材の前記開口部の一辺の長さが５０μｍ〜５００μｍであることが好ましい。また、前記マスク部材において、隣接する前記開口部の間隔が５μｍ〜１０μｍであることが好ましく、前記マスク部材の厚さが１００ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、前記マスク部材は、窒化シリコン、二酸化シリコン、及び窒化タングステンより選ばれる少なくとも一種から構成することが好ましい。これらの材料は、前記窒化物半導体結晶層及び前記ＡｌＮ微結晶層を形成する際の温度及び雰囲気ガス下においても劣化することなく、さらに前記シリコン基板、前記ＡｌＮ微結晶層及び前記窒化物半導体結晶層とも化学的な反応を起こすことがなく、目的とする前記窒化物半導体結晶層の形成を確実及び安定的に行うことができ、その結晶品質を十分に向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、大面積のシリコン基板上に一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶を厚く形成する技術を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について詳述する。
図１〜図４は、本発明の窒化物半導体結晶層の作製方法の一例を示す工程図である。図１に示すように、最初にシリコン基板１１を準備し、このシリコン基板１１上に、スパッタリング法又はＣＶＤ法などの公知の方法を用いて、後にマスク部材を構成する下地層を一様に形成する。次いで、フォトリソグラフィ又は電子線リソグラフィなどの方法により、前記下地層をエッチングし、正方形状の開口部１２Ａを形成し、マスク部材１２を完成する。

マスク部材１２は、窒化シリコン、二酸化シリコン、及び窒化タングステンより選ばれる少なくとも一種から構成することが好ましい。これらの材料は、後に窒化物半導体結晶層及びＡｌＮ微結晶層を形成する際の温度及び雰囲気ガス下においても劣化することなく、さらにシリコン基板１１、前記ＡｌＮ微結晶層及び前記窒化物半導体結晶層とも化学的な反応を起こすことがなく、目的とする前記窒化物半導体結晶層の形成を確実及び安定的に行うことができ、その結晶品質を十分に向上させることができる。

但し、マスク部材１２を構成する材料は上記種類に限定されるものではなく、上述した作用効果を有するものであれば、如何なる材料からも構成することができる。

また、マスク部材１２の開口部１２Ａの一辺の長さＬは５０μｍ〜５００μｍであることが好ましい。なお、開口部１２Ａが長方形状である場合は、短辺及び長辺のいずれもが上記範囲内であることが好ましい。さらに、マスク部材１２において、隣接する開口部１２Ａの間隔Ｄが５μｍ〜１０μｍであることが好ましく、マスク部材１２の厚さｔｍが１００ｎｍ以下であることが好ましい。これによって、後の工程において、シリコン基板１１との格子歪みや熱膨脹係数差などを補完して、選択及び横方向成長を良好な状態で行うことができ、２００ｎｍ以上の十分に厚いＡｌＮ微結晶層を高結晶品質の下で簡易に形成することができる。

次いで、シリコン基板１１上にマスク部材１２を介してＡｌＮ微結晶層１３を形成する。図２に示すように、ＡｌＮ微結晶層１３は、成長初期においてはシリコン基板１１上の、マスク部材１２における開口部１２Ａ内で選択的に成長し、開口部１２Ａを埋設した後は、マスク部材１２上を横方向に成長し、図３に示すように、最終的には一様な層となる。このようなマスク部材１２を用いた選択的及び横方向成長を用いれば、シリコン基板１１との格子歪みや熱膨脹係数差などを補完して、２００ｎｍ以上の十分に厚いＡｌＮ微結晶層１３を高結晶品質の下で簡易に形成することができる。

図３において、ＡｌＮ微結晶層１３の厚さｔｃは上述したように２００ｎｍ以上であることが必要であるが、好ましくは２００ｎｍ〜６００ｎｍである。ＡｌＮ微結晶層１３が６００ｎｍを超えて厚くなると、ＡｌＮ微結晶層１３とシリコン基板１１との格子歪みが増大して、ＡｌＮ微結晶層１３の結晶品質が劣化する場合がある。

なお、ＡｌＮ微結晶層１３は、例えばＭＯＣＶＤ法によってシリコン基板１１を９００℃〜１２００℃に加熱して形成することができる。ＡｌＮ微結晶層１３の結晶性はＳＥＭ又はＴＥＭによって確認することができる。

次いで、図４に示すように、ＡｌＮ微結晶層１３上に、目的とする窒化物半導体結晶層１４を形成する。窒化物半導体結晶層１４はＭＯＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法などの公知の方法を用いて形成することができる。なお、各方法において使用する成長条件は適宜最適な条件を選択する。

ＭＯＣＶＤ法を用いた場合、１μｍ／時間〜３μｍ／時間の成長速度で５μｍ以上の厚さの窒化物半導体結晶層１４を形成することができる。ＨＶＰＥ法を用いた場合、１０μｍ／時間以上の成長速度で１００ｎｍ以上の厚さの窒化物半導体結晶層１４を形成することができる。なお、いずれの場合においても、４インチ径以上のシリコン基板（ウエハ）上に上記厚さの窒化物半導体結晶層１４を形成することができる。

窒化物半導体結晶層１４は、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される。上述したように、窒化物半導体結晶層１４の表面荒れは、特に結晶層１４がＧａを含む場合に、このＧａとシリコン基板１１のＳｉとの化学的反応に起因して顕著に生じる。したがって、窒化物半導体結晶層１４がＧａを含む場合に本発明の作用効果は最も顕著となる。

なお、十分厚膜の窒化物半導体結晶層１４が形成された後は、窒化物半導体結晶層１４をシリコン基板１１からＡｌＮ微結晶層１３ごと剥離して単独で使用することもできる。

以下、本発明を具体例に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１〜図４に示す工程に従って、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＮ単結晶層の作製を試みた。なお、マスク部材の厚さｔｍは１００ｎｍとし、マスク部材における開口部の長さは３００μｍ、隣接する開口部間隔は５μｍ〜１０μｍとした。また、ＡｌＮ微結晶層は、ＭＯＣＶＤ法により、基板温度約１０００℃で厚さ２００ｎｍに形成した。さらに、ＧａＮ単結晶層を形成する際の基板温度も約１０００℃とした。このとき、成長時間２０分で約１μｍのＧａＮ単結晶層を作製することができた。なお、ＳＥＭ観察の結果、前記ＧａＮ庵結晶層の表面は極めて平坦であることが確認された。

（実施例２）
図１〜図４に示す工程に従って、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ単結晶層の作製を試みた。なお、マスク部材は実施例１と同じものを用い、ＡｌＮ微結晶層は実施例１と同様にして形成した。その結果、基板温度約１０００℃において、成長時間２時間で約４０μｍのＧａＮ単結晶層を得ることができた。なお、ＳＥＭ観察の結果、前記ＧａＮ庵結晶層の表面は極めて平坦であることが確認された。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明の窒化物半導体結晶層の作製方法の一例における、一工程図である。図１に示す工程の次の工程を示す図である。図２に示す工程の次の工程を示す図である。図３に示す工程の次の工程を示す図である。

符号の説明

１１シリコン基板
１２マスク部材
１２Ａ（マスク部材の）開口部
１３ＡｌＮ微結晶層
１４窒化物半導体結晶層

Claims

シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板上に、厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＮ微結晶層を形成する工程と、
前記ＡｌＮ微結晶層上に、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体結晶層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記ＡｌＮ微結晶層の厚さが２００ｎｍ〜６００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記ＡｌＮ微結晶層は前記シリコン基板を９００℃〜１２００℃に加熱した状態で、ＭＯＣＶＤ法により形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記ＡｌＮ微結晶層は前記シリコン基板上に形成された格子状のマスク部材を介して形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記マスク部材は矩形状の開口部を有することを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記マスク部材の前記開口部の一辺の長さが５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記マスク部材において、隣接する前記開口部の間隔が５μｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記マスク部材の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記マスク部材は、窒化シリコン、二酸化シリコン、及び窒化タングステンより選ばれる少なくとも一種から構成することを特徴とする、請求項４〜８のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記窒化物半導体結晶層の厚さが５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記窒化物半導体結晶層はＭＯＣＶＤ法により作製することを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記窒化物半導体結晶層の厚さが１００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記窒化物半導体結晶層はＨＶＰＥ法により作製することを特徴とする、請求項１２に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記シリコン基板はウエハ状を呈し、その直径が４インチ以上であることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
前記窒化物半導体結晶層はＧａを含むことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層の作製方法。
シリコン基板上に形成され、厚さが５μｍ以上であって、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されることを特徴とする、窒化物半導体結晶層。
ＭＯＣＶＤ法により作製したことを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体結晶層。
シリコン基板上に形成され、厚さが１００μｍ以上であって、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されることを特徴とする、窒化物半導体結晶層。
ＨＶＰＥ法により作製したことを特徴とする、請求項１８に記載の窒化物半導体結晶層。
前記シリコン基板はウエハ状を呈し、その直径が４インチ以上であることを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層。
Ｇａを含むことを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層。
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された、厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＮ微結晶層と、
を具えることを特徴とする、窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記ＡｌＮ微結晶層の厚さが２００ｎｍ〜６００ｎｍであることを特徴とする、請求項２２に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記ＡｌＮ微結晶層は前記シリコン基板を９００℃〜１２００℃に加熱した状態で形成したことを特徴とする、請求項２２又は２３に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記ＡｌＮ微結晶層は前記シリコン基板上に形成された格子状のマスク部材を介して形成したことを特徴とする、請求項２２〜２４のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記マスク部材は矩形状の開口部を有することを特徴とする、請求項２５に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記マスク部材の前記開口部の一辺の長さが５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求項２６に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記マスク部材において、隣接する前記開口部の間隔が５μｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記マスク部材の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２５〜２８のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。
前記マスク部材は、窒化シリコン、二酸化シリコン、及び窒化タングステンより選ばれる少なくとも一種から構成したことを特徴とする、請求項２５〜２９のいずれか一に記載の窒化物半導体結晶層作製用の基材。