JP2006518104A - シリコン基板改質用バッファ構造 - Google Patents

Abstract

例えばＬａ、Ｙ、ＳｃまたはＡｃなど２つ以上のＩＩＩＢ族元素を含む組成傾斜窒化物合金層５を含むバッファ構造１を使用してシリコン基板３を改質して、例えばＧａＮなどの一連のターゲット材７をその上に堆積させることができる一般的な基板を生成して、電子工学的／光学的用途の半導体デバイスを生成する。結果として得られる格子定数Ｌは、基板全体にわたって厚さＴとともに変化する。

Description

本発明は、後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造、前記バッファ構造を組み入れた前駆体デバイス構造およびデバイス、ならびに前記構造およびデバイスを形成する方法に関する。詳細には、例えば、Ｓｉ上のＩＩＩ−Ｖ族半導体またはペロブスカイト酸化物などのターゲット材の成長に適し、特に窒化ガリウム材に適用されるバッファ構造に関する。

窒化ガリウム材は、幾多の超小型電子技術の用途において役立つ数々の魅力的な特性を有する半導体化合物である。一般に、窒化ガリウムは、エピタキシャル成長のメカニズムに影響を及ぼす適切な基板上に単結晶（エピタキシャル）層として成長させる必要がある。単結晶層は、バルク基板上に利益の上がる数量で成長させることが望ましいが、ヘテロエピタキシャル成長に適した基板を識別することは難しい。

サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコンカーバイドおよびシリコンはみな、窒化ガリウムを堆積させるための基板として使用されているが、基板とターゲット材の特性がそれぞれ相異することによって、結果として得られる層の性質が制約されることがある。ＧａＮは、上記の基板とは異なる熱膨張率を有するため、ＧａＮ層は処理後冷却されると、より厚い基板層による圧迫を受け、割れを生じやすい。窒化ガリウム層内に割れが生じると、その最終用途が厳しく制約される。

別の問題は、質の高いエピタキシャル成長を行うには、基板およびターゲット材の結晶格子定数は、同一であるか相当に近いものでなければならないということである。基板の表面構造および向きは、結果として得られるターゲット材層に強く影響を及ぼし、格子定数がうまく合致していない場合は、多数の転位が形成されターゲット材構造の微細な調整が利かなくなる。このような欠陥の形成は、結果として得られる単結晶の電子特性および／または光学特性に好ましからざる影響を及ぼすため、やはり最終用途が制約される。

遷移層およびバッファ層を使用する技法を含め、割れ形成および欠陥形成を防止するための従来技術の技法が開発されてきた。ヘテロエピタキシャル系内を突き進む転位を低減する１つの方策は、非結晶質または多結晶質のバッファ層を使用することである。例えば、モトローラ社のＴＦＯＳ（Ｔｈｒｅｅ Ｆｉｖｅｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）プロセスにおいては、基板上にコヒーレントな単結晶酸化膜を堆積させる。この酸化物が「臨界厚さ」に到達（この時点の厚さで多数の欠陥が現れる）する前に、基板から膜への界面が非結晶質層に変換される。この非結晶質層は、特定の材料に対して不整合歪みを吸収し、その結果転位密度が低くなる。歪み開放が起こる前に酸化物層がコヒーレントとなる必要があるため、層に対するこの手法によって不整合率が±５〜７％の範囲（この不整合率において、臨界厚さは１枚の原子単層を下回る）にとどまる。

傾斜組成またはステップ組成の遷移層またはバッファ層を使用して質の高いヘテロエピタキシャル構造を実現できることが立証されている。傾斜層またはステップ層の役割は、歪みを徐々に導入し、それによって転位が移動する機会を提供することである。こうして、各不整合転位の長さを延ばし、転位が進む区域の消滅を促進することで、層表面に侵入する転位の数を低減させる。シリコン上に窒化ガリウム材を直接エピタキシャル成長させるための遷移層を使用する従来技術の技法は、組成傾斜ＧａＮのＡｌ合金およびＩｎ合金を含む層を使用しているが大した成果があがっていない。

ＧａＮおよび他のＩＩＩ−Ｖ族半導体への技術的関心が高いため、１７％の格子不整合があるにもかかわらず、Ｓｉ基板上にＧａＮを成長させる数々の代替技術が開発されている。こうした技術には、パターニングされた基板上にＧａＮを成長させるペンドエピタキシ法（ｐｅｎｄｏｅｐｉｔａｘｙ）およびＥＬＯＧ法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）、ならびにＧａＮを成長させる前にエチレン内でアニーリングすることによってＳｉ基板をまずＳｉＣに変換させる、いわゆるナイトロネックス（Ｎｉｔｒｏｎｅｘ）プロセスがある。ただし、こうしたプロセスの全てがＳｉ層上にＧａＮの成長を成功裏に行っているが、欠陥密度は依然として必要以上にかなり高く、基板の予備処理によって生産コストが極めて高くなっている。

本発明の第１の態様では、後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造が提供される。バッファ構造は、ＩＩＩＢ族窒化物合金を含む組成傾斜（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ）バッファ層を含み、前記合金は２つ以上のＩＩＩＢ族元素を含み、その相対量は、前記傾斜を達成するための深さによって変わる。

ＩＩＩＢ族という用語は本明細書では、希土類元素Ｓｃ、Ｙ、ＬａおよびＡｃを指すために使用する。これらの元素はいくつかの代替実施の下では、ＩＩＩＡ族元素としても知られている。

ＩＩＩ−Ｖ族半導体という用語は、一般にＮ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂまたはＢｉを有するＢ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎまたはＴｌの化合物を指すのに使用される。

Ｓｉ上にＧａＮ合金および他のＩＩＩ−Ｖ族半導体をエピタキシャルに堆積させることは、シリコンと、これらの材料との間に、熱膨張率の差があるばかりでなく、格子不整合が上記のように高い度合いであるため、かなりの難題である。本発明者は、それらが、ＩＩＩＢ族窒化物の物理特性および結晶構造によって、シリコン上に傾斜バッファ構造を提供するのに特に適したものとなり、それによって質の高いターゲット材層を堆積させることができるということを見出した。さらに、ＩＩＩＢ族窒化物においては、その各々の立方構造内の格子定数に十分な多様性があるため、エピタキシャル成長向けの「普遍的な」シリコンベース基板、つまり広範囲のターゲット材に適したように構成することができる基板の生成が容易になる。したがって、本発明は、質の高いＧａＮの成長に適したバッファ構造、ならびに、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体および技術的に重要なペロブスカイト酸化物などの材料を含め、広範囲にわたる他のターゲット材に適合可能な基板構造を提供するものである。

本発明のさらなる態様では、シリコン基板上に上記のバッファ構造が設けられた結晶構造、ならびに上記のバッファ構造およびその上に設けられたターゲット材層を含む結晶構造も提供される。このような結晶構造を含む半導体デバイスも提供される。

さらなる態様では、後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造を形成する方法が提供される。この方法は、ＩＩＩＢ族窒化物合金を含む、組成傾斜バッファ層をシリコン基板上に成長させる段階を含む。前記合金は、２つ以上のＩＩＩＢ族元素を含み、その相対量は前記傾斜を達成するための深さによって変わる。

好ましい態様では、後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造が提供される。このバッファ構造は、窒化ランタン合金を含む組成傾斜バッファ層を含む。前記合金は、前記傾斜を達成するための、ＩＩＩＢ族からの１つまたは複数のさらなる元素をさらに含む。

添付の図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

本発明者は、２つ以上のＩＩＩＢ族元素（Ｌａ、Ｙ、ＳｃまたはＡｃ）を含む、組成傾斜合金層を含むバッファ構造を使用してシリコン基板を改質して、一連のターゲット材（例えばＧａＮ）をその上に堆積させることができる適合性の高いバッファ構造を生成して、電子工学的および光学的用途の半導体デバイスを生成することができることを見出した。

ＬａＮ、ＳｃＮおよびＹＮは全て、半金属または微小ギャップ半導体（例えば、ＳｃＮは約２．２ｅＶのバンドギャップを有する）である。したがって、本発明によるバッファ構造は、例えば、デバイス底部に電気的コンタクトを必要とするＬＥＤへの用途において導電性を選択することができ、あるいは例えば、マイクロ波ＦＥＴへの用途においては高抵抗性とすることができる。

本明細書で使用するように、「シリコン基板」という用語は、例えば、バルクシリコンウェハ、シリコンオンインシュレータ基板、シリコンオンサファイア基板、ＳＩＭＯＸ基板および別の多結晶材に結合されたシリコンウェハを有する基板を含め、単結晶シリコン層を含むどんな基板をも意味する。

構造または層が基板または他の層の上にあると記載されている場合、その構造または層は、その基板または他の層の全体または一部分の上に直接配設されているか、中間層も存在する場合は間接的に配設されていることがある。

「組成傾斜」バッファ層内では、ＩＩＩＢ族元素それぞれの相対量は、バッファ層の少なくとも一部の厚さ全体を通して、バッファ層内で深さとともに変化する。相対量は、純粋な個々のＩＩＩＢ族窒化物（例えば、ＬａＮまたはＳｃＮの窒化物）それぞれの格子定数に関して、シリコン基板からの距離とともに格子定数が徐々に減少するように変化することができる。その層内には違う深さのところに、最低限でも２つの異なる組成が存在する。しかし通常は、単結晶または単一格子内のＬａ、ＳｃまたはＹ原子それぞれの相対濃度内で緩やかに変化する。

不整合歪みを吸収するために、結晶構造がターゲットつまりＧａＮ（ウルツァイト型）の結晶構造と適合性のあるＩｎＮまたはＡｌＮなどの合金のバッファ層を使用する傾向にある従来技術のバッファシステムに対し、本発明は別の周期律の族つまりＩＩＩＢ族からの元素を含む組成傾斜バッファ層の成長に基づいている。その結果得られる窒化物合金の格子は、以下にさらに説明するように、傾斜に応じた広範囲の格子定数変動、ならびにＳｉとやはりＧａＮに近い格子整合を達成することができる別の結晶構造（立方晶のＮａＣｌ）を有する。

さらに、ＩＩＩＢ族元素は、シリコンよりもはるかに陽電性が低いことから、ＳｉＮに優先して窒化物を形成する。したがって、初期の結晶成長段階中は、露出した基板上での窒化ケイ素形成（この窒化物は非結晶質であり、基板とヘテロエピタキシャル層とのエピタキシャルな関係を妨害する）を防止する手順をとることが（従来技術のプロセスにおけるよりも）容易であり、製造プロセスの簡略化、低コストにつながる。

合金は、ランタン、スカンジウムおよびイットリウムから選択された、少なくとも２つのＩＩＩＢ族元素を含むことができる。ＬａＮ、ＹＮおよびＳｃＮはみな立方晶（ＮａＣｌ）構造を有し、格子定数はＬａＮが０．５３０ｎｍ、ＹＮが０．４８９ｎｍおよびＳｃＮが０．４４５ｎｍである。シリコンは、相応する格子定数０．５４３１ｎｍを有する。したがって、Ｓｉ表面上での成長は、バッファ層用の出発組成物、例えば、純粋なＬａＮまたは純粋なＹＮ、あるいは、より大きな窒化物パラメータを有し、元素濃度が約７５％超、好ましくは９０％以上の高濃度のＬａＹＮまたはＬａＳｃＮまたはＹＳｃＮまたはＬａＹＳｃＮから始めることができる。その後、他の元素の量を、より大きなパラメータの元素量が２５％以下、好ましくは１０％以下に落ちるまで増加することができる。とりわけＬａＮは、特に格子整合がよいため、極めて低い転位密度を達成することが可能であり、したがって、これまで可能であったよりも質の高いエピタキシャル層をＳｉ上に設けることができる。ＧａＮがターゲット材の場合、１０^８ｃｍ^−２未満の転位密度ならびに１ｎｍ未満のＲＭＳ〔二乗平均平方根〕表面粗さを達成することができる。

図１ａは、単結晶シリコン基板上にＬａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮ（０＜ｘ＜１）のエピ層が堆積され、基板からの距離が遠ざかるにつれてｘ値が増加してＩＩＩ−Ｖ族化合物のエピタキシャル成長に適したコンプライアント基板を提供する、好ましい実施形態を示している。結晶構造１は、シリコン基板３、組成傾斜Ｌａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮバッファ層５、およびＧａＮのターゲット材層７を含む。図１ｂは、バッファ層全体の厚さがＴのとき、組成が（ｘ＝０からｘ＝１に）いかに傾斜されて格子定数Ｌに連続的な変化を与えるかを示している。したがって、傾斜層の技法を利用することによって、約０．５３０ｎｍから約０．４４５ｎｍの間の任意の立方格子定数、および約０．３７４８ｎｍから０．３１４６ｎｍの間の任意の六方格子定数に整合することが可能なバッファ層または「コンプライアント基板」を生成することが可能である。したがって、本発明によって、ＩＩＩＢ族窒化物立方構造内のテンプレート成長平面に整合可能な立方晶構造または六方晶構造の、いかなる窒化物または酸化物ターゲット材の成長も簡略化される。組成は、所望のターゲット材の格子定数に２％以内、好ましくは１％以内、最も好ましくは０．１％以内で整合する選択された格子定数がバッファ層の外面（または最外面領域）に生成されるように傾斜させることができる。

合金は、Ｌａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ｌａ_{（１−ｙ）}Ｙ_ｙＮ（０＜ｙ＜１）、Ｙ_{（１−ｚ）}Ｓｃ_ｚＮ（０＜ｚ＜１）、およびＬａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｓｃ_ｘＹ_ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）からなる群から選択することができる。傾斜ＬａＳｃＮ合金を使用することによって特に適合可能なバッファ構造が提供され、その場合、バッファ層のうちシリコン基板に隣接して配置されたランタンの豊富な領域が、ターゲット材を受け取る対向面に配設されたスカンジウムの豊富な領域に変化する。ＹおよびＳｃの豊富な領域を有する傾斜ＹＳｃＮ合金も同様に使用することができる。ＳｃＮは、ＧａＮのスペーシング０．３１８９ｎｍに近い原子間スペーシング０．３１４６ｎｍを（１１１）表面に有する立方晶構造を有する。したがって、本発明は、欠陥密度が低く、質の高い単結晶ＧａＮの成長に適した界面を提供することができる。格子定数のより大きなターゲット材が必要な場合は、傾斜ＬａＹＮ合金で十分であろう。

傾斜バッファ層の組成は、幾多の方法で変化させることができ、特定の前駆体デバイス構造の物理および電子特性を画策するために選択される。通常、窒化物合金内に存在するより大きな格子定数の元素（例えば、ランタンおよび／またはイットリウム）の量は、もう１つまたは２つのより小さな窒化物格子定数の元素（例えば、スカンジウムおよび／またはイットリウム）で置き換えられる傾斜層のターゲット材側に向かって減少する。傾斜は、微細でも粗くてもよく、直線状プロファイル、階段状プロファイルおよび／または曲線状プロファイルのうちいずれか１つまたは複数のプロファイルをたどることができる。組成は連続的に変化してもよいし、傾斜内に１つまたは複数の非連続性があってもよい。この非連続性によって固定濃度の領域および／または変動濃度の領域を互いに分離することができる。傾斜は、組成傾斜層の深さまたは厚さ全体にわたって、あるいは一部の深さのみにわたって行うことができる。傾斜層は、１つまたは複数の所定箇所で格子緩和を強いる、少なくとも１つの定組成の領域を含むことが好ましい。

図３ａから図３ｆは、バッファ層組成ｘが厚さｔとともに変化する様子を、好ましいＬａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮ（０＜ｘ＜１）バッファ層におけるｘの変化の典型的なプロファイルによって示している。スカンジウムの量は０％またはより高い％、例えば１０％から増加させることができる。図３ａは、厚さまたは深さとともにｘが２段階の濃度で階段状に増加する様子を示し、図３ｂは、多段階を示している。図３ｃは、深さとともにｘが直線状に増加する様子を示し、図３ｄも同じであるが、定組成の中間領域がある。図３ｅでは、直線状に増加する前に初期の組成が一定に留まり、その下の図３ｇでは、バッファ層の上部に追加の定組成がある。最後に、図３ｆは、最初の階段状の増加に続き最後の直線状の傾斜を含む特に好ましいプロファイルを示している。階段状の増加によって、転位が生じながらも下部領域に制限されながらバッファ層の濃度増大を速めることを可能にし、その一方では上部層における緩やかな傾斜によって転位の表面への到達が防止される。

図３ａから図３ｆに示されたプロファイルは、単に例示的なものであって、傾斜層の組成は、他の形、例えば使用されたエピタキシャル成長のプロセスに応じて変えることもできることを理解されたい。

傾斜率は、最終的なターゲット材に応じて決まる。ＧａＮの場合、ｘ（またはｙまたはｚ）は、１ミクロン当たり４から０．２の範囲で変えることができる。

バッファ層の深さは、最終用途および必要とされるターゲット材の質に応じて決まる。例えばある場合には、バッファ層は最大７μとすることができるが、好ましくは０．５〜４μの範囲であり、より好ましくは１〜２μの範囲である。例えば他の場合には、バッファ層の深さは１μ未満、好ましくは０．１〜０．８μ、より好ましくは０．４〜０．５μである。

ある好ましい実施形態では、バッファ層と、ターゲット材層および基板層のどちらかまたは両方との間に少なくとも１つの層が介在している。このような中間層は、拡散などが原因で成長中に形成されることがあるが、別の理由で別の組成層を、例えばターゲット層の下に導入して別のターゲット材の核形成を助長しなければならないこともある。

図２ａは、図１ａの構造におけるものと同じ層を含み、基板上にＬａＮ単層４も含み、さらにターゲット層７の直下に定組成の窒化ランタンスカンジウム合金からなる副層６を含む、第２の結晶構造を示している。ある応用例では、バッファ層が基板上に直に設けられた最初の副層を含むと有利である。この副層は、通常深さが１〜２ｎｍで、より大きな格子定数の元素からなる窒化物のみを通常含む。このような副層は、基板の結晶形となって現れる仮像開始層（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を提供することができる。したがって、ＬａＳｃＮ合金のバッファ層の場合、その副層内で純粋なＬａＮを使用することができる。その後、傾斜バッファ層の成長によって徐々に歪みを増加させることができる。

本発明のバッファ構造は、シリコン基板のＳｉ（１１１）表面に成長させることが理想的である。これによってＧａＮの場合、六方晶のＧａＮの成長に適切な対称性を有するテンプレートが提供される。あるいは、ペロブスカイト酸化物またはせん亜鉛鉱型ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの合金など、立方型の材料の成長にＳｉ（００１）表面を使用することもできる。選択された平面の理想的な配向からの小さなオフカットを有するバッファ層を成長させることもできる。その配向は、例えば、最大５°、好ましくは最大１または２°であるが、ある場合には０．１または０．５°以下のより小さな角度が有用であることもある。このようなオフカットによって、バッファ層およびターゲット材の成長メカニズムを調整して表面形態などの特性を改善することができる。

ＩＩＩ−Ｖ族窒化物のＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびそれらの合金を含め、ＩＩＩ−Ｖ族半導体には、ヘテロエピタキシャルターゲット材として特別な関心が寄せられている。こうした材料の特性によって赤から紫外の波長範囲にわたる効率の良い発光体を生成することができ、高出力、高電圧の電子機器の提供も行われる。したがってターゲット材は、好ましくはＩＩＩ−Ｖ族半導体を含み、より好ましくは窒化アルミニウム、窒化ガリウムまたは窒化インジウム、あるいはそれらの合金を含み、より一層好ましくは、窒化ガリウムを含む。本発明は、ウルツァイト型（六方晶のＧａＮ−最も一般に使用される位相）に特に適した成長表面を提供するものであるが、立方晶（せん亜鉛鉱型）のＧａＮ、ならびに同様に構成されたＡｌＮおよびＩｎＮ合金も成長させることができる。ＳｃＮはさらに重要なターゲット材である。

高い技術的関心が寄せられている別の種類の材料にペロブスカイト構造の酸化物があり、したがって、そのターゲット材はペロブスカイト酸化物を代わりとして含む。こうした酸化物は、例えば、強誘電性、巨大電磁抵抗、高誘電率および圧電性など興味ある一連の材料特性を示し、その特性は全てデバイスに適用することができる。多くのペロブスカイト酸化物は、格子定数がＳｉより小さいため、バッファ層が質の高いエピタキシャル成長を可能とすることが求められるが、本発明によって達成される格子サイズ内にある。スピネル型構造の酸化物も本発明によって成長させることができる。実行可能なペロブスカイト酸化物ターゲット材の例としては、タンタル酸スカンジウム鉛、チタン酸ジルコニウム鉛、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、マンガン酸ランタンカルシウム、マンガン酸ランタンストロンチウム、マンガン酸ランタンバリウム、ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸バリウム、酸化ハフニウム、ケイ酸ハフニウム、ハフニウム酸カルシウム、ハフニウム酸ストロンチウム、およびハフニウム酸バリウムなどがある。

ターゲット材は、バッファ層上に直接成長させることができ、それによって傾斜層の最終的な緩和が行われる。あるいは、バッファ構造はさらに、ターゲット材下方のバッファ層上部に配設された、例えば最大２μのＩＩＩＢ族窒化物合金からなる定組成層を含むことができ、この層によって材料層の成長前にほぼ完全な格子緩和が強制的に行われる。

ターゲット材は、所望の電子および機械特性を有する少なくとも１つのデバイス層を形成することができる。ある用途では、同じ材料からなる２つ以上のデバイス層が必要とされることがあり、他の用途では、バッファ層を覆って、互いに異なる材料からなる２つ以上のデバイス層を堆積させることがある。任意選択で、バッファ層の最上領域または副層をターゲット材の格子定数よりわずかに超える格子定数（例えば、最大２％超）に傾斜させることによって、選択された成長温度でターゲット材を圧縮歪み下に置く。実際は、最上領域は、例えば最大１μの固定された組成の窒化物合金からなる、必要とされるわずかに小さな格子定数を有する副層を含むことができる。このように、バッファ層の外面と材料層との間の格子定数の小さな差を利用して、冷却後すぐに圧縮歪みに対し、Ｓｉとターゲット材との間の不利益な熱膨張不整合を相殺することが可能である。例えば、ＳｃＮはＧａＮよりもわずかに小さい格子定数を有するが、ある程度の圧縮ひずみを導入することによって、ＳｉとＧａＮの間の熱不整合による引張り歪みが低減され、それによってターゲット層の割れの可能性が低減される。

ＩＩＩＢ族窒化物は、エピ層と基板の間の原子種の相互拡散を防止するバリア層としてある程度作用することができる。さらに、ＩＩＩＢ族窒化物は、知られている様々なエピタキシャル成長プロセスを使用して堆積させることができ、比較的高い融点を有するので、ＧａＮなど通常必要とされるターゲット材に必要な後続の成長条件との適合性を提供することができる。次の例では、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用してバッファ構造を設けている。しかし、バッファ構造は、例えば、金属有機分子線エピタキシ（ＭＯＭＢＥ）、金属有機気相成長（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ促進気相成長（ＰＥＰＶＤ）、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）、液相エピタキシ（ＬＰＥ）またはエピタキシャル成長に適していると知られている他の技法を使用しても成長させることができる。技法は、バッファ構造とターゲット材とが同じ装置を使用し、好ましくは単一のプロセスで堆積させることができるように選択されることが好ましい。したがって、ＬａＮ、ＳｃＮおよびＹＮは全て水素ベースの前駆体から成長させることができるので、ＧａＮ合金からなるターゲット材の場合、ＭＯＣＶＤをうまく使用することができる。

本発明によるバッファ構造は、電子工学、光電子工学、ＭＥＭＳ、フォトニクス、センサおよび画像を含む技術分野における様々なデバイスの応用例において使用することができる。したがって、さらなる態様では、本発明は上記の結晶構造／バッファ構造を含む半導体を提供する。デバイスは、ＬＥＤ、レーザダイオード、トランジスタなどを含む通常の用途の光学電子デバイスでよい。

本発明は、その表面の一部上で領域選択エピタキシ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｅｐｉｔａｘｙ）によって成長させた本発明による１つまたは複数のバッファ構造を含むシリコン基板、例えばシリコンウェハをさらに提供する。次いで、このようなバッファ構造およびそれに関連するターゲット材層は、シリコン基板／ウェハの残り部分上にパターニングされたシリコンデバイスに一体化することができる。

デバイスは普通、ターゲット材、バッファ層およびシリコン基板を含むが、例えば、本発明のバッファ層がそれ自体、デバイスの底部コンタクトとしての役割を果たすようになっている場合、シリコン基板は後に削除（したがって、単にテンプレートとしての役割を果たす）される応用例もあり得る。

さらなる態様では、本発明は、本発明の方法を使用して得られた単結晶ターゲット材を提供する。この材料は、バッファ層から分離されている。単結晶材料は、半導体または他の様々な用途に使用することができ、こうした用途に適した材料を形成するためにドープすることができる。

以下の例において、Ｌａ／Ｓｃ窒化物合金からなる傾斜バッファ層を含む、本発明によるバッファ構造を作成する１つの方法の一例を説明する。

標準の湿式化学プロセスである真空除去（ｅｘ−ｖａｃｕｏ）を使用してＳｉ基板から自然酸素がまず除去され、調整を利かせたやり方で、Ｓｉ基板上に希薄で均一な自然酸素が再形成された。基板はＭＢＥ室に装入され、再形成された自然酸素を熱的に取り除くために約９５０℃で３０分間加熱され、その結果、清浄な（７×７）構造の再構成（１１１）Ｓｉ表面を得た。

予備処理されたＳｉ基板は、７００℃に冷却され、エフュージョンセルを使用し、典型的な０．３ｍｌ／秒のＬａ流量および１０^−７トルのバックグラウンド圧で、（Ｓｉ基板の窒化物形成を防止するように）Ｌａ金属からなる１枚から２枚の単層がＳｉ表面上に堆積された。ＭＢＥ室のバックグラウンド圧は次いで、ブリージングによって窒素内で５×１０^−６トルに増大され、Ｌａ単層は、高周波のプラズマ窒素源を使用し、出力を５００Ｗに設定して窒化物に変換された。

Ｌａシャッタが再開されて厚さが１〜２ｎｍのＬａＮ層の成長が開始され、次いでＳｃシャッタも開かれた。ＬａセルおよびＳｃセルを反対に傾斜させることによって、１ミクロン当たり約ｘ＝０．５の傾斜率でＬａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮの組成傾斜層の成長が開始された。Ｓｃセルの開始流量は０．００３ｍｌ／秒であった。傾斜層の堆積中、基板温度が７００℃から９００℃に傾斜され窒素の豊富な状態が維持された。

傾斜は、所望のターゲット材に関して適切な格子定数を提供する組成のところで停止された。この例では、後続のＧａＮ堆積のための格子整合を提供するために、Ｌａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮ層の傾斜はＬａ_０．０７Ｓｃ_０．９３Ｎの組成のところで停止され、次いで膜を完全に緩和するように０．５μのＬａＳｃＮの定組成層が堆積された。

次いで、従来のＭＯＣＶＤプロセスを使用してＧａＮのターゲット材層が堆積された。

本発明による好ましい結晶構造の概略断面図である。 構造全体の、得られる格子定数Ｌを、厚さをＴとして示すグラフである。 本発明による第２の結晶構造の概略断面図である。 構造全体の、得られる格子定数Ｌを、厚さをＴとして示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。 本発明による代替のバッファ構造において、濃度ｘが厚さｔとともに変化する例示的プロファイルを示すグラフである。

Claims (18)

1. 後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造であって、バッファ構造が、ＩＩＩＢ族窒化物合金を含む組成傾斜バッファ層を含み、前記合金が、前記傾斜を達成する深さとともに相対量が変化する２つ以上のＩＩＩＢ族元素を含むバッファ構造。
2. 合金が、ランタン、スカンジウムおよびイットリウムから選択された少なくとも２つのＩＩＩＢ族元素を含む請求項１に記載のバッファ構造。
3. 合金が、Ｌａ_{（１−ｘ）}Ｓｃ_ｘＮ（０＜ｘ＜１）、Ｌａ_{（１−ｙ）}Ｙ_ｙＮ（０＜ｙ＜１）、Ｙ_{（１−ｚ）}Ｓｃ_ｚＮ（０＜ｚ＜１）、およびＬａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｓｃ_ｘＹ_ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）からなる群から選択される請求項２に記載のバッファ構造。
4. 合金が、組成傾斜窒化ランタンスカンジウム合金である請求項３に記載のバッファ構造。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のバッファ構造を含む結晶構造、および前記バッファ層上に設けられたターゲット材層。
6. ＩＩＩＢ族窒化物合金からなる定組成の副層が、ターゲット材下方のバッファ層の上部領域内に堆積される請求項５に記載の結晶構造。
7. ターゲット材が、立方晶構造または六方晶構造を有する任意の酸化物または窒化物である請求項５または６に記載の結晶構造。
8. ターゲット材が、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびＧａＮ、またはそれらの合金のうちいずれか１つを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項７に記載の結晶構造。
9. ＩＩＩ−Ｖ族半導体が、窒化ガリウムを含む請求項８に記載の結晶構造。
10. バッファ構造が、シリコン基板上に設けられる請求項５から９のいずれか一項に記載の結晶構造。
11. 請求項５から１０のいずれか一項に特定された結晶構造を含む半導体デバイス。
12. 後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造を形成する方法であって、方法が、シリコン基板上にＩＩＩＢ族窒化物合金を含む組成傾斜バッファ層を成長させる段階を含み、前記合金が、前記傾斜を達成する深さとともに相対量が変化する２つ以上のＩＩＩＢ族元素を含む方法。
13. バッファ構造が、請求項２から４のいずれか一項または複数項に特定される請求項１２に記載の方法。
14. ターゲット材層が、バッファ構造上に続いて堆積される請求項１２または１３に記載の方法。
15. 半導体デバイスを形成する処理段階をさらに含む請求項１４に記載の方法。
16. ヘテロエピタキシャル成長をその上で行うシリコン基板を改質するためのＩＩＩＢ族窒化物合金からなる組成傾斜中間層の使用。
17. 添付の図面を参照して実質的に先に説明されたバッファ構造。
18. 添付の図面を参照して実質的に先に説明されたバッファ構造を形成する方法。

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