JP2009224758A - Composite semiconductor substrate and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite semiconductor substrate that lowers defect density in a nitride semiconductor layer and at the same time, an amount of warpage of the composite semiconductor substrate by reducing stress between an Si substrate and a nitride semiconductor layer. <P>SOLUTION: The composite semiconductor substrate includes a silicon board (101) which has a principal plane having a (111) plane orientation and a plurality of protrusions formed thereon, and a nitride semiconductor layer (102) covering the principal plane, wherein an air void (103) is present in a space between each protrusion out of the plurality of protrusions. In such a composite substrate, stress caused by the inclusion of different types of materials of silicon and the nitride semiconductor can be reduced, thereby holding the defect density in the nitride semiconductor layer at a low level and minimizing warpage of the composite substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物系半導体層を含む複合半導体基板に関し、特に良質の窒化物系半導体層を含む複合半導体基板とその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite semiconductor substrate including a nitride-based semiconductor layer, and particularly to a composite semiconductor substrate including a high-quality nitride-based semiconductor layer and a method for manufacturing the same.

窒化物系半導体は、光デバイス用や電子デバイス用の材料として注目を浴びている。しかし、良好なデバイス特性の実現とその再現性を確保するには、結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させることが必要である。   Nitride-based semiconductors are attracting attention as materials for optical devices and electronic devices. However, in order to achieve good device characteristics and ensure reproducibility, it is necessary to epitaxially grow a nitride-based semiconductor layer with few crystal defects.

窒化物系半導体層中の結晶欠陥を低減させる技術として、ELOG(エピタキシャル横方向成長)技術が周知である。また、特許文献1の特開2002−246698号公報、特許文献2の特開2004−356454号公報、特許文献3の特開2005−64469号公報なども、窒化物系半導体層中の結晶欠陥を低減させる技術を開示している。   As a technique for reducing crystal defects in the nitride-based semiconductor layer, an ELOG (epitaxial lateral growth) technique is well known. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-246698 of Patent Document 1, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-356454 of Patent Document 2, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-64469 of Patent Document 3 also show crystal defects in the nitride-based semiconductor layer. A technique for reducing the amount is disclosed.

特許文献1〜3は、レーザダイオードに利用される窒化物系半導体層の成長技術に関係している。これらの特許文献に開示された技術では、基板ウエハの一主面上において、数μm〜数十μmの幅とサブミクロン〜数μmの深さとを有する溝の複数本が周期的ストライプ状に形成され、それによって表面凹凸が設けられる。その後、ELOG技術によって窒化物系半導体層の成長を行い、その成長した窒化物系半導体層内には基板の溝に平行な欠陥集中領域と低欠陥密度領域が生成する。そして、レーザダイオードの各素子は、その低欠陥密度領域に形成される。すなわち、一般的なリッジストライプ型レーザダイオードのリッジ部の幅は数μmであるので、発光領域に対応するリッジ部を低欠陥密度領域内に形成することができ、良好な発光特性を有するレーザダイオードを得ることが可能となる。
特開2002−246698号公報 特開2004−356454号公報 特開2005−064469号公報 特開2002−343728号公報
Patent Documents 1 to 3 relate to a nitride semiconductor layer growth technique used for a laser diode. In the techniques disclosed in these patent documents, a plurality of grooves having a width of several μm to several tens of μm and a depth of submicron to several μm are formed in a periodic stripe pattern on one main surface of a substrate wafer. Thereby, surface irregularities are provided. Thereafter, a nitride semiconductor layer is grown by the ELOG technique, and a defect concentration region and a low defect density region parallel to the groove of the substrate are generated in the grown nitride semiconductor layer. Each element of the laser diode is formed in the low defect density region. That is, since the width of the ridge portion of a general ridge stripe laser diode is several μm, the ridge portion corresponding to the light emitting region can be formed in the low defect density region, and the laser diode has good light emitting characteristics. Can be obtained.
JP 2002-246698 A JP 2004-356454 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-064469 JP 2002-343728 A

上述のレーザダイオードの場合と異なって、窒化物系半導体層を利用して作製されるヘテロ接合電界効果トランジスタにおいては、電流が流れる動作面積がはるかに広い。特に、大電力用トランジスタの場合には、数百μm〜数mm角以上の面積にわたって窒化物系半導体層中の欠陥密度を減らすことが必要である。なぜならば、トランジスタにおいて電流が流れる動作面積内で欠陥密度が高ければ、リーク電流の増大や耐圧の低下が生じて信頼性が低下するからである。   Unlike the laser diode described above, a heterojunction field effect transistor fabricated using a nitride-based semiconductor layer has a much larger operating area for current flow. In particular, in the case of a high power transistor, it is necessary to reduce the defect density in the nitride-based semiconductor layer over an area of several hundred μm to several mm square or more. This is because if the defect density is high within the operating area where current flows in the transistor, the leakage current increases and the breakdown voltage decreases, and the reliability decreases.

したがって、大きな面積にわたって欠陥密度の低い窒化物系半導体層を成長させ得る技術が望まれており、それを可能にし得る技術の一例が特許文献4の特開2002−343728号公報に開示されている。図6の模式的な断面図は、特許文献4に開示された窒化物系半導体層の結晶成長技術を図解している。   Therefore, a technique capable of growing a nitride-based semiconductor layer having a low defect density over a large area is desired, and an example of a technique that can make it possible is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-343728. . The schematic cross-sectional view of FIG. 6 illustrates the crystal growth technique of the nitride-based semiconductor layer disclosed in Patent Document 4.

図6(a)において、結晶学的(0001)面(C面と略称される)を主面として有するウエハ状の単結晶サファイア基板501上に、MOCVD(有機金属気相堆積)法でアンドープGaN層502を成長させる。   In FIG. 6A, an undoped GaN film is formed on a wafer-like single crystal sapphire substrate 501 having a crystallographic (0001) plane (abbreviated as C plane) by a MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method. Layer 502 is grown.

図6(b)において、アンドープGaN層502上には、金属Ti膜503が蒸着によって積層される。   In FIG. 6B, a metal Ti film 503 is laminated on the undoped GaN layer 502 by vapor deposition.

図6(c)において、金属Ti膜503が蒸着されたウエハがMOCVD装置内に導入され、H2が20%混合されたアンモニア気流中で1050℃において30minの熱処理が施される。これによって、Ti膜503はTiN膜503aに変化する。この際に、TiN膜503aにおいて多数の微小貫通穴が0.1μm程度の間隔で均一に形成される。また、これに伴って、下地のGaN膜502は深さ400nm程度の多数の空隙を含むGaN膜(以下、「空隙含有GaN層」と称す)502aに変化する。この空隙含有GaN層502aの断面は多数の微小三角形領域を含んでおり、それらの微小三角形の頂点がTiN膜503aを支えている状態になっている。 In FIG. 6C, the wafer on which the metal Ti film 503 is deposited is introduced into the MOCVD apparatus, and is subjected to heat treatment at 1050 ° C. for 30 minutes in an ammonia stream mixed with 20% of H 2 . As a result, the Ti film 503 changes to a TiN film 503a. At this time, a large number of minute through holes are uniformly formed in the TiN film 503a at intervals of about 0.1 μm. Along with this, the underlying GaN film 502 is changed to a GaN film containing a large number of voids having a depth of about 400 nm (hereinafter referred to as “gap-containing GaN layer”) 502a. The cross section of the void-containing GaN layer 502a includes a large number of minute triangle regions, and the apexes of these minute triangles support the TiN film 503a.

図6(d)において、TiN膜503a上にGaN層504をMOCVDで成長させれば、TiN膜503aに含まれる多数の微小貫通穴を通して下地のGaN膜502a中の空隙が優先的に埋め込まれ、続いてTiN膜503a上にGaN層504が成長し、最終的に平坦な表面のGaN層504を含む複合基板が得られる。   In FIG. 6D, if the GaN layer 504 is grown on the TiN film 503a by MOCVD, voids in the underlying GaN film 502a are preferentially embedded through a large number of minute through holes included in the TiN film 503a. Subsequently, a GaN layer 504 is grown on the TiN film 503a, and finally a composite substrate including the GaN layer 504 having a flat surface is obtained.

しかしながら、TiN膜の熱膨張係数(約9×10-6/K)は、GaN層の熱膨張係数(約5.6×10-6/K)との差が大きい。したがって、GaN層の成長時の温度である約1000℃と成長後の環境温度である室温との間の大きな温度差によって、TiN膜503aとGaN層504との界面には大きな応力が発生する。そして、その応力は、GaN層504中の欠陥やクラックの原因となり得る。 However, the thermal expansion coefficient of the TiN film (about 9 × 10 −6 / K) is greatly different from the thermal expansion coefficient of the GaN layer (about 5.6 × 10 −6 / K). Therefore, a large stress is generated at the interface between the TiN film 503a and the GaN layer 504 due to a large temperature difference between about 1000 ° C., which is the temperature during the growth of the GaN layer, and room temperature, which is the environmental temperature after the growth. The stress can cause defects and cracks in the GaN layer 504.

また、特許文献4に開示された複合基板は高価なサファイア基板を含んでおり、特に大口径のサファイア基板は得難くてより高価である。しかし、特に大電力用トランジスタは大きな素子面積を有するので、その量産によってコスト低減を図るためには基板の大口径化が望まれる。また、電力用トランジスタからの発熱を効果的に放熱するためには、熱伝導率の高い基板が望まれる。これらの大口径と高熱伝導率の条件を満たす基板として、Si基板を用いることが好ましいと考えられる。   Further, the composite substrate disclosed in Patent Document 4 includes an expensive sapphire substrate, and in particular, a large-diameter sapphire substrate is difficult to obtain and is more expensive. However, since a high power transistor has a large element area, it is desired to increase the substrate diameter in order to reduce the cost by mass production. In order to effectively dissipate heat generated from the power transistor, a substrate having high thermal conductivity is desired. It is considered preferable to use a Si substrate as a substrate that satisfies the conditions of these large diameters and high thermal conductivity.

このような観点から、Si基板上に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させることが試みられている。しかし、サファイア基板とGaN層との格子不整合率(約13%)に比べてSi基板とGaN層との格子不整合率(約20%)が大きく、Si基板上に良質のGaN層を成長させることは困難であることが分かる。   From such a viewpoint, it has been attempted to epitaxially grow a nitride-based semiconductor layer on a Si substrate. However, compared with the lattice mismatch ratio between the sapphire substrate and the GaN layer (approximately 13%), the lattice mismatch ratio between the Si substrate and the GaN layer (approximately 20%) is large, and a high-quality GaN layer is grown on the Si substrate. It turns out to be difficult.

また、熱膨張係数に関しても、サファイア基板(約5×10-6/K)とGaN層(約5.6×10-6/K)との間の相違に比べて、Si基板(約2.6×10-6/K)とGaN層との間の相違の方が大きい。したがって、GaN層の成長温度(1000℃程度)と成長後の環境温度(室温)との温度差において、Si基板とGaN層との熱膨張係数差による応力が発生して欠陥やクラックの原因となるので、低欠陥密度のGaN結晶層を得ることが困難である。 Further, regarding the thermal expansion coefficient, the Si substrate (about 2.times.10.sup.- 6 / K) is different from the difference between the sapphire substrate (about 5.times.10.sup.- 6 / K) and the GaN layer (about 5.6.times.10.sup.- 6 / K). The difference between 6 × 10 −6 / K) and the GaN layer is greater. Therefore, in the temperature difference between the growth temperature of the GaN layer (about 1000 ° C.) and the environmental temperature after growth (room temperature), stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate and the GaN layer, which causes defects and cracks. Therefore, it is difficult to obtain a GaN crystal layer having a low defect density.

さらに、Si基板とGaN層との間に大きな熱膨張係数差が存在することとSi基板の口径が大きいことから、GaN層の結晶成長後のSi基板は大きく反る傾向にある。従来のレーザダイオード用の小口径のサファイア基板に関しては、反りの曲率半径が大きくなっても、基板表面の反り量が問題になることはない。しかし、Si基板のように6インチ以上の大口径基板を用いれば、同じ反りの曲率半径であっても、基板表面の反り量は数十μm以上の大きな高低差になり得る。熱膨張係数差に基づく応力によってそのように大きな反り量が生じようとするとき、エピタキシャルGaN層がその応力を緩和するように、そのGaN層中に結晶欠陥が導入されたりクラックが発生したりする。   Furthermore, since a large difference in thermal expansion coefficient exists between the Si substrate and the GaN layer and the diameter of the Si substrate is large, the Si substrate after crystal growth of the GaN layer tends to greatly warp. With a sapphire substrate having a small diameter for a conventional laser diode, even if the curvature radius of the warp increases, the warp amount of the substrate surface does not become a problem. However, if a large-diameter substrate having a diameter of 6 inches or more, such as a Si substrate, is used, even if the curvature radius is the same, the amount of warpage on the substrate surface can be a large difference in height of several tens of micrometers or more. When such a large amount of warpage is caused by stress based on the difference in thermal expansion coefficient, crystal defects are introduced or cracks are generated in the GaN layer so that the epitaxial GaN layer relieves the stress. .

さらに、基板が大きく反っている場合、エピタキシャル層成長後のデバイス作製工程を行なうことが困難となる。具体的には、フォトリソグラフィ工程において、縮小投影型露光装置を用いる場合には焦点を合わせることが困難になり、コンタクトアライナ露光装置を用いる場合には基板とマスクが密着しなくて高解像度を得ることが困難となる。すなわち、その解像度は、基板とマスクとの間の距離の増大とともに低下する。   Furthermore, when the substrate is greatly warped, it is difficult to perform a device manufacturing process after epitaxial layer growth. Specifically, in the photolithography process, it becomes difficult to focus when using a reduction projection type exposure apparatus, and when a contact aligner exposure apparatus is used, the substrate and the mask do not adhere to each other to obtain high resolution. It becomes difficult. That is, the resolution decreases with increasing distance between the substrate and the mask.

さらに、デバイス作製工程において熱処理を行なう場合、基板をホットプレート上に載置して加熱したり、カーボン製プレート上に基板を載置してランプ加熱したりするが、基板が反っていればプレート部と密着することができない。この場合、基板面内の温度分布が不均一になり、その不均一温度分布がデバイスの特性のバラツキや不良の原因となり得る。   Furthermore, when heat treatment is performed in the device manufacturing process, the substrate is placed on a hot plate and heated, or the substrate is placed on a carbon plate and heated by a lamp. It cannot adhere to the part. In this case, the temperature distribution in the substrate surface becomes non-uniform, and the non-uniform temperature distribution can cause variations in device characteristics and defects.

さらに、デバイス作製工程では基板をステージなどに真空吸着することが多く、基板の反りが大きければ安定な真空吸着ができなくなり、最悪の場合は基板が割れることもある。   Further, in the device manufacturing process, the substrate is often vacuum-sucked on a stage or the like, and if the warp of the substrate is large, stable vacuum suction cannot be performed, and in the worst case, the substrate may be cracked.

上述の問題を解決するために基板の反り量を低減する方法として、基板とデバイス構造層との間にバッファ層としてAlNサブ層とGaNサブ層を交互に複数積層して基板反り量(応力)を制御することも試みられている。しかし、通常ではそのようなバッファ層上にレーザやトランジスタのデバイス構造を積層するので、デバイス構造に含まれるエピタキシャル成長層の種類や厚さなどが変更されれば応力のバランスが崩れるので、AlN/GaNバッファ層中のサブ層の積層数や厚さを設定し直すことが必要となる。   As a method of reducing the amount of warpage of the substrate in order to solve the above-mentioned problem, the substrate warpage amount (stress) is obtained by alternately stacking a plurality of AlN sublayers and GaN sublayers as buffer layers between the substrate and the device structure layer. Attempts have also been made to control. However, since the device structure of a laser or transistor is usually stacked on such a buffer layer, the balance of stress is lost if the type or thickness of the epitaxial growth layer included in the device structure is changed. It is necessary to reset the number and thickness of the sub-layers in the buffer layer.

バッファ層中のAlNサブ層とGaNサブ層およびデバイス構造中のエピタキシャル層に関するそれぞれの格子定数、厚さ、弾性定数などに基づいて、理論的応力計算によってバッファ層を設計することは可能である。しかし、Si基板とその上のAlN/GaNバッファ層とに関する格子定数差が大きくて、そのバッファ層に欠陥やクラックが発生して応力緩和を生じ得るので、理論計算どおりの設計を実際に適用することは困難である。   It is possible to design the buffer layer by theoretical stress calculations based on the respective lattice constants, thicknesses, elastic constants, etc. for the AlN and GaN sublayers in the buffer layer and the epitaxial layers in the device structure. However, since the lattice constant difference between the Si substrate and the AlN / GaN buffer layer on the Si substrate is large and defects or cracks may occur in the buffer layer to cause stress relaxation, the design according to the theoretical calculation is actually applied. It is difficult.

さらに、バッファ層の変更はその上のデバイス構造中の結晶欠陥にも影響を与えるので、バッファ層とデバイス構造とを一体的に見直して、各窒化物系半導体層の成長条件を探し出す必要がある。   Furthermore, since the change of the buffer layer also affects the crystal defects in the device structure above it, it is necessary to review the buffer layer and the device structure together to find the growth conditions of each nitride-based semiconductor layer. .

さらに、Si基板上においては、低欠陥密度の窒化物系半導体層を数ミクロン以上の厚みに成長させることは、大きな格子定数差と熱膨張係数差の理由から困難である。   Furthermore, on a Si substrate, it is difficult to grow a nitride semiconductor layer having a low defect density to a thickness of several microns or more because of a large difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient.

以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明の主要な目的は、複合半導体基板においてSi基板とその上の窒化物系半導体層との応力を低減することにより、窒化物系半導体層中の欠陥密度を低くするとともに、複合半導体基板の反り量を小さくすることである。   In view of the situation in the prior art as described above, the main object of the present invention is to reduce the stress between the Si substrate and the nitride-based semiconductor layer thereon in the composite semiconductor substrate. It is to reduce the defect density and to reduce the amount of warpage of the composite semiconductor substrate.

本発明による複合半導体基板は、(111)面方位を有しかつ複数の凸部が形成された一主面を有するシリコン基板と、その一主面を覆う窒化物系半導体層とを含み、複数の凸部間に空隙が存在していることを特徴としている。このような複合基板においては、異種材料のシリコンと窒化物系半導体を含むことによる応力を低減することができ、窒化物系半導体層中の欠陥密度を低く抑えることと複合基板の反りを小さくすることができる。   A composite semiconductor substrate according to the present invention includes a silicon substrate having a (111) plane orientation and having a principal surface on which a plurality of convex portions are formed, and a nitride-based semiconductor layer covering the principal surface, It is characterized by the presence of voids between the convex portions. In such a composite substrate, stress due to the inclusion of silicon and nitride semiconductors of different materials can be reduced, the defect density in the nitride semiconductor layer can be kept low, and the warpage of the composite substrate can be reduced. be able to.

なお、窒化物系半導体層は、複数の凸部の頂面のみを覆う第1の窒化物系半導体サブ層と、第1窒化物系半導体サブ層のみならず複数の凸部の間をも覆う第2の窒化物系半導体サブ層とを含んでいてもよい。   The nitride-based semiconductor layer covers not only the first nitride-based semiconductor sublayer covering only the top surfaces of the plurality of protrusions, but also the space between the plurality of protrusions as well as the first nitride-based semiconductor sublayer. And a second nitride-based semiconductor sublayer.

凸部の高さは、その幅および間隔のいずれと比べて大きいことが好ましく、5倍以上に大きいことが好ましい。凸部の高さが大きいことによって、凸部間の空隙が確実に保持され、その空隙によって応力が緩和され得る。他方、凸部の幅は、約0.2μm以下であるこが好ましい。このように凸部の幅が狭いことによって、Si基板の凸部と窒化物系半導体層が接する面積が小さくなって、異種材料間で生じる応力を小さくすることができる。   The height of the convex portion is preferably larger than any of the width and interval, and is preferably five times or more. Since the height of the convex portion is large, the gap between the convex portions is reliably held, and the stress can be relieved by the gap. On the other hand, the width of the convex portion is preferably about 0.2 μm or less. By narrowing the width of the convex portion in this way, the area where the convex portion of the Si substrate and the nitride-based semiconductor layer are in contact with each other is reduced, and the stress generated between different materials can be reduced.

以上のような複合半導体基板の窒化物系半導体層を利用することによって高品質の半導体装置を得ることができ、その半導体装置においては、欠陥密度が低いので低リーク電流や高耐圧などの良好な特性を得ることができるだけでなく、複合基板の反り量が小さいのでその作製工程を容易に行なうことができる。   By using the nitride-based semiconductor layer of the composite semiconductor substrate as described above, a high-quality semiconductor device can be obtained. In the semiconductor device, since the defect density is low, low leakage current, high breakdown voltage, etc. are good. Not only can the characteristics be obtained, but the amount of warpage of the composite substrate is small, so that the manufacturing process can be easily performed.

上述の複合半導体基板を製造するための方法では、シリコンと酸素の結合を含む樹脂膜をシリコン基板の一主面上に形成し、酸素ガスを含むエッチングガスを用いて樹脂膜をドライエッチングすることによってマスクパターンを形成し、マスクパターンを介してシリコン基板の一主面をエッチングして複数の凸部を形成し、複数の凸部の形成後にマスクパターンを除去し、その後にシリコン基板の一主面を覆うように窒化物系半導体層を結晶成長させる工程を含むことが好ましい。この場合に、窒化物系半導体層は減圧下で結晶成長させられることが好ましい。   In the above method for manufacturing a composite semiconductor substrate, a resin film containing a bond of silicon and oxygen is formed on one main surface of the silicon substrate, and the resin film is dry-etched using an etching gas containing oxygen gas. A mask pattern is formed by etching, one main surface of the silicon substrate is etched through the mask pattern to form a plurality of convex portions, the mask pattern is removed after the formation of the plurality of convex portions, and then one main surface of the silicon substrate is formed. It is preferable to include a step of growing a nitride-based semiconductor layer so as to cover the surface. In this case, the nitride-based semiconductor layer is preferably crystal-grown under reduced pressure.

また、上述の複合半導体基板を製造するための方法において、シリコン基板の一主面上に第1の窒化物系半導体サブ層を形成し、シリコンと酸素の結合を含む樹脂膜をシリコン基板の一主面上に形成し、酸素ガスを含むエッチングガスを用いて樹脂膜をドライエッチングすることによってマスクパターンを形成し、マスクパターンを介して第1窒化物系半導体サブ層とシリコン基板の一主面とをエッチングして複数の凸部を形成し、複数の凸部の形成後にマスクパターンを除去し、その後に第1窒化物系半導体サブ層のみならず複数の凸部の間をも覆う第2の窒化物系半導体サブ層を結晶成長させる工程を含んでもよい。この場合に、第1と第2の窒化物系半導体サブ層のうちで少なくとも第2窒化物系半導体サブ層は減圧下で結晶成長させられることが好ましい。   In the above-described method for manufacturing a composite semiconductor substrate, a first nitride-based semiconductor sublayer is formed on one main surface of a silicon substrate, and a resin film containing a bond of silicon and oxygen is formed on the silicon substrate. A mask pattern is formed on the main surface by dry etching the resin film using an etching gas containing oxygen gas, and one main surface of the first nitride-based semiconductor sublayer and the silicon substrate through the mask pattern Are etched to form a plurality of protrusions, and after the formation of the plurality of protrusions, the mask pattern is removed, and then the second nitride covering not only the first nitride-based semiconductor sublayer but also the plurality of protrusions. A step of crystal growth of the nitride-based semiconductor sublayer. In this case, it is preferable that at least the second nitride semiconductor sublayer among the first and second nitride semiconductor sublayers is crystal-grown under reduced pressure.

上述のような本発明による複合半導体基板においては、シリコン基板上に成長させた窒化物系半導体層中の結晶欠陥が低減されるだけでなく、複合半導体基板の反りも低減される。そして、複合半導体基板の窒化物系半導体層が低欠陥密度であるので、それを利用して作製される窒化物系半導体デバイスの特性が良好となるだけでなく、複合半導体基板の反りが小さいのでその後のデバイス作製工程において問題を生じることがない。また、複合半導体基板の大面積化が容易であるので、良好な特性を有する窒化物系半導体デバイスを低コストで提供することができる。   In the composite semiconductor substrate according to the present invention as described above, not only the crystal defects in the nitride-based semiconductor layer grown on the silicon substrate are reduced, but also the warpage of the composite semiconductor substrate is reduced. Since the nitride-based semiconductor layer of the composite semiconductor substrate has a low defect density, not only the characteristics of the nitride-based semiconductor device manufactured using it are improved, but also the warpage of the composite semiconductor substrate is small. There is no problem in the subsequent device fabrication process. Moreover, since it is easy to increase the area of the composite semiconductor substrate, a nitride-based semiconductor device having good characteristics can be provided at low cost.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1による複合半導体基板モデルの構造的特徴とその構造の作用効果を説明するための図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining the structural features of the composite semiconductor substrate model according to Embodiment 1 of the present invention and the operational effects of the structure.

図1(a)の模式的な断面図は、応力分布計算が行なわれた複合半導体基板モデルの断面構造を示している。この複合半導体基板モデルでは、(111)面の主面を有するSi基板101の上面において、幅A=0.1μmで高さB=0.5μmの柱状凸部101aの複数が間隔C=0.1μmだけ隔てられて形成されている。すなわち、複数の柱状凸部101aの間には空隙103が存在している。そして、それらの柱状凸部101a上には、厚さ0.5μmのGaN層102が積層されている。   The schematic cross-sectional view of FIG. 1A shows a cross-sectional structure of a composite semiconductor substrate model for which stress distribution calculation has been performed. In this composite semiconductor substrate model, a plurality of columnar convex portions 101a having a width A = 0.1 μm and a height B = 0.5 μm are arranged at intervals C = 0. They are separated by 1 μm. That is, the gap 103 exists between the plurality of columnar convex portions 101a. A GaN layer 102 having a thickness of 0.5 μm is laminated on the columnar protrusions 101a.

柱101aの間隔Cは狭くてそのアスペクト比(B/A)が大きいので、GaN層102がSi基板101の上面に気相結晶成長する際に複数の柱101aの間を埋めることはなく、空隙103の存在が確保される。アスペクト比(B/A)が1の場合には柱101aの間が窒化物系半導体で埋め込まれ得るので、本実施形態ではアスペクト比が5に設定されている。アスペクト比が少なくとも5以上であれば、空隙103の存在が確保され得る。   Since the interval C between the columns 101a is narrow and the aspect ratio (B / A) is large, the gap between the plurality of columns 101a is not filled when the GaN layer 102 is vapor-phase crystal grown on the upper surface of the Si substrate 101. The existence of 103 is ensured. When the aspect ratio (B / A) is 1, the space between the pillars 101a can be filled with a nitride-based semiconductor. Therefore, in this embodiment, the aspect ratio is set to 5. If the aspect ratio is at least 5 or more, the presence of the air gap 103 can be ensured.

応力分布計算においては、Si基板101に比べてGaN層102の結晶格子間隔が20%小さく、結晶欠陥やクラックによって格子緩和していないと仮定された。   In the stress distribution calculation, it was assumed that the crystal lattice spacing of the GaN layer 102 was 20% smaller than that of the Si substrate 101 and the lattice was not relaxed by crystal defects or cracks.

図1(b)は、図1(a)中の破線で囲まれた領域105内における横方向の応力分布を白黒の濃淡で表した図である。この濃淡図において、濃度が高いほど応力が大きいことを表している。また、図1(c)は、図1(b)中の破線104に沿った応力分布を示すグラフである。   FIG. 1B is a diagram representing the stress distribution in the lateral direction in the region 105 surrounded by the broken line in FIG. In this shading diagram, the higher the concentration, the greater the stress. Moreover, FIG.1 (c) is a graph which shows the stress distribution along the broken line 104 in FIG.1 (b).

図1(b)と(c)から、Si基板101の柱状部分101aに応力が集中していることが分かる。また、図1(c)のグラフから分かるように、柱部101aにおいて応力が圧縮応力から引張応力へと変わって応力を緩和しているので、Si基板101の厚さ方向へは応力が伝わっていない。このことによって、複合半導体基板の反りを小さくすることができる。また、GaN層105内の応力も、小さくすることができている。このような内部応力の低減には柱部の幅Aを小さくするほど効果的であり、幅Aが大きいほど窒化物系半導体層102とSi基板の柱101aとの界面における応力が大きくなる。   1B and 1C that the stress is concentrated on the columnar portion 101a of the Si substrate 101. FIG. Further, as can be seen from the graph of FIG. 1C, the stress is transferred from the compressive stress to the tensile stress in the column portion 101a, so that the stress is relieved in the thickness direction of the Si substrate 101. Absent. As a result, the warpage of the composite semiconductor substrate can be reduced. Also, the stress in the GaN layer 105 can be reduced. The reduction of the internal stress is more effective as the width A of the column portion is reduced. As the width A is increased, the stress at the interface between the nitride-based semiconductor layer 102 and the Si substrate column 101a is increased.

(実施形態2)
図2の模式的断面図は、本発明の実施形態2による複合半導体基板の製造過程を図解している。
(Embodiment 2)
The schematic cross-sectional view of FIG. 2 illustrates the manufacturing process of the composite semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention.

図2(a)において、まず(111)面の主面を有するシリコン基板201上に、樹脂膜202が塗布形成される。本実施形態では、シリコンと酸素の結合を含むポリイミド樹脂膜202が、回転塗布によって厚さ2μmに形成された。   In FIG. 2A, first, a resin film 202 is formed on a silicon substrate 201 having a (111) principal surface. In this embodiment, the polyimide resin film 202 containing a bond of silicon and oxygen is formed to a thickness of 2 μm by spin coating.

図2(b)において、酸素ガスによるリアクティブイオンエッチング(RIE)などの異方性エッチングによって、ポリイミド樹脂膜202がエッチングされる。このとき、樹脂膜202に含まれるシリコンと酸素の結合は酸素ガスではエッチングされないので、Si基板201の上面にそれらの結合が凝集して約0.1μm径の針状付着物203として残る。この場合に、樹脂膜の厚さや濃度を変えることにより、凝集状態を変化させることができ、針状付着物203の大きさや密度を変えることができる。   In FIG. 2B, the polyimide resin film 202 is etched by anisotropic etching such as reactive ion etching (RIE) using oxygen gas. At this time, since the bond between silicon and oxygen contained in the resin film 202 is not etched by oxygen gas, the bond is aggregated on the upper surface of the Si substrate 201 and remains as a needle-like deposit 203 having a diameter of about 0.1 μm. In this case, the aggregation state can be changed by changing the thickness and concentration of the resin film, and the size and density of the acicular deposit 203 can be changed.

図2(c)において、塩素ガスなどを利用するRIEなどの異方性エッチングによって、針状のマスク203を介してSi基板201のエッチングを行なう。本実施形態では、ICP(インダクティブ・カップリング・プラズマ)法において塩素ガスを用いて異方性エッチングを行った。このエッチングによって、シリコン基板201の上面に、多数の微細な柱状凸部204が形成される。   In FIG. 2C, the Si substrate 201 is etched through the needle-like mask 203 by anisotropic etching such as RIE using chlorine gas or the like. In this embodiment, anisotropic etching was performed using chlorine gas in an ICP (inductive coupling plasma) method. By this etching, a large number of fine columnar protrusions 204 are formed on the upper surface of the silicon substrate 201.

その後、濃硫酸による洗浄とフッ化水素酸による洗浄を行い、針状のマスク203の除去とシリコン基板201の上面の浄化が行なわれた。図3は、この浄化後のシリコン基板201の上面に形成されている多数の微細な柱状凸部204を観察したSEM(走査電子顕微鏡)写真を示している。このSEM写真の底部に示された白の線分は100nm(0.1μm)の長さを表している。この図3において、約0.1μm〜0.2μm以下の径と約1μmの高さを有する多数の円柱状凸部204が形成されていることが分かる。なお、本発明における樹脂膜にはフォトリソグラフィで使用されるレジストなどをも利用でき、シリコンと酸素の結合を含む高分子材料を利用することができる。   Thereafter, cleaning with concentrated sulfuric acid and cleaning with hydrofluoric acid were performed to remove the needle-like mask 203 and to clean the upper surface of the silicon substrate 201. FIG. 3 shows an SEM (scanning electron microscope) photograph in which a large number of minute columnar protrusions 204 formed on the upper surface of the cleaned silicon substrate 201 are observed. The white line segment shown at the bottom of this SEM photograph represents a length of 100 nm (0.1 μm). In FIG. 3, it can be seen that a large number of cylindrical convex portions 204 having a diameter of about 0.1 μm to 0.2 μm or less and a height of about 1 μm are formed. Note that a resist used in photolithography can be used for the resin film in the present invention, and a polymer material containing a bond of silicon and oxygen can be used.

図2(d)では、図3に示されているように加工されたシリコン基板201の上面において、V族元素用原料のNH3(アンモニア)とIII族元素用原料のTMA(トリメチルアルミニウム)を用いるMOCVD法によって、1000℃の結晶成長温度にて、第1のバッファ層としてのAlN層205を厚さ100nmに成長させ、続いてその上には第2のバッファ層としてのAlGaN層206を厚さ250nm成長させた。そして、AlGaN層206上には、結晶性評価のためのGaN層207を厚さ2μmに1100℃で成長させた。 In FIG. 2D, on the upper surface of the silicon substrate 201 processed as shown in FIG. 3, NH 3 (ammonia) as a group V element material and TMA (trimethylaluminum) as a group III element material are added. According to the MOCVD method used, an AlN layer 205 as a first buffer layer is grown to a thickness of 100 nm at a crystal growth temperature of 1000 ° C., and then an AlGaN layer 206 as a second buffer layer is formed thereon. The film was grown to 250 nm. On the AlGaN layer 206, a GaN layer 207 for crystallinity evaluation was grown at 1100 ° C. to a thickness of 2 μm.

この場合の結晶成長においては、まず柱状凸部204の頂面上で基板に垂直方向に窒化物系半導体層が結晶成長しはじめ、成長時間の経過とともにその窒化物系半導体層の側面から横方向への成長も生じる。この横方向への結晶成長速度が大きくなるにしたがって、凸部204の頂面から窒化物系半導体層が庇状に広がって、複数の凸部204の間が覆われていく。そして、隣り合う凸部204の頂面から庇状に伸びた窒化物系半導体層の側面同士が合体し、横方向に伸びる転位が終端されて欠陥密度が低減される。   In crystal growth in this case, first, a nitride-based semiconductor layer starts growing on the top surface of the columnar protrusion 204 in a direction perpendicular to the substrate, and laterally extends from the side surface of the nitride-based semiconductor layer as the growth time elapses. Growth will also occur. As the crystal growth rate in the lateral direction increases, the nitride-based semiconductor layer spreads in a bowl shape from the top surface of the protrusions 204, and the space between the plurality of protrusions 204 is covered. Then, the side surfaces of the nitride-based semiconductor layers extending in a bowl shape from the top surfaces of the adjacent convex portions 204 are united, and dislocations extending in the lateral direction are terminated to reduce the defect density.

本実施形態2の場合、隣り合う凸部204間を窒化物系半導体層で覆うまでの結晶成長時の反応室の圧力は、20kPaに設定された。大気圧近い反応室内で結晶成長を行えば凸部間が窒化物半導体結晶で埋め込まれる場合もあるが、反応室内の減圧度が大きくなるにしたがって凸部間が窒化物半導体結晶で埋め込まれにくくなって、凸部間に空隙が残されやすくなる。より具体的には、凸部の高さがその幅および間隔のいずれと比べても大きい場合に、減圧された反応室内の窒化物系半導体層の結晶成長よって、確実に凸部間に空隙を残すことが可能となる。   In the case of the second embodiment, the pressure in the reaction chamber at the time of crystal growth until the gap between adjacent convex portions 204 is covered with a nitride-based semiconductor layer was set to 20 kPa. If crystal growth is performed in a reaction chamber close to atmospheric pressure, the space between the protrusions may be embedded with nitride semiconductor crystals, but the space between the protrusions becomes less likely to be embedded with nitride semiconductor crystals as the degree of decompression in the reaction chamber increases. As a result, voids are easily left between the convex portions. More specifically, when the height of the convex portions is larger than both the width and the interval, the crystal growth of the nitride-based semiconductor layer in the reduced pressure reaction chamber ensures the formation of voids between the convex portions. It becomes possible to leave.

このとき、Si基板201の上面において、複数の柱部204の間には窒化物系結晶が形成されずに空隙が残っている。その後、窒化物系半導体層の厚さ方向の成長速度が大きくなり、最終的に平坦表面を有するGaN層207を形成することができる。   At this time, on the upper surface of the Si substrate 201, a nitride-based crystal is not formed between the plurality of column portions 204, and a gap remains. Thereafter, the growth rate in the thickness direction of the nitride-based semiconductor layer is increased, and the GaN layer 207 having a flat surface can be finally formed.

得られたGaN層207は250℃に加熱した燐酸と硫酸の混合液に浸漬され、その表面に現れた欠陥(エッチピット)がSEMにて観察された。その結果、GaN層207の表面における欠陥密度は1×106台であって、特許文献4の場合に比べて1桁〜2桁も低くかった。さらに、図2(d)の複合基板の反り量は6インチ径の基板表面の高低差で10μm以下であった。 The obtained GaN layer 207 was immersed in a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid heated to 250 ° C., and defects (etch pits) appearing on the surface were observed by SEM. As a result, the defect density on the surface of the GaN layer 207 was 1 × 10 6 units, which was 1 to 2 digits lower than that in Patent Document 4. Further, the amount of warpage of the composite substrate in FIG. 2D was 10 μm or less due to the height difference of the 6-inch diameter substrate surface.

なお、本実施形態では樹脂を利用してエッチングマスクが形成されたが、樹脂を利用したSi基板の加工以外に、金属を利用してエッチングマスクを形成することもできる。具体的には、Si基板上にエッチングマスクとなるAlやInなどの金属を数十nmの厚さに堆積する。金属の堆積法としては、電子線蒸着、抵抗加熱蒸着、またはスパッタリングなどを用いることができる。この堆積時に、金属原子はSi基板の表面上を拡散し、金属原子同士が衝突して結合し、ランダムに成長核が発生して金属原子が凝集する。こうして、多数の島状の金属パターンが形成される。この島状金属パターンをマスクとして利用して、RIEによってSi基板を異方性エッチングする。その後に、酸で金属マスクをエッチング除去することによって、多数の微小な円柱状Si凸部を形成することができる。   In the present embodiment, the etching mask is formed using a resin. However, the etching mask can be formed using a metal in addition to the processing of the Si substrate using the resin. Specifically, a metal such as Al or In serving as an etching mask is deposited on the Si substrate to a thickness of several tens of nanometers. As a metal deposition method, electron beam evaporation, resistance heating evaporation, sputtering, or the like can be used. During the deposition, the metal atoms diffuse on the surface of the Si substrate, the metal atoms collide and bond with each other, and growth nuclei are randomly generated to aggregate the metal atoms. Thus, a large number of island-like metal patterns are formed. Using this island-like metal pattern as a mask, the Si substrate is anisotropically etched by RIE. Thereafter, the metal mask is etched away with acid, whereby a large number of minute cylindrical Si protrusions can be formed.

(実施形態3)
図4の模式的断面図は、本発明の実施形態3による複合半導体基板の製造過程を図解している。
(Embodiment 3)
The schematic cross-sectional view of FIG. 4 illustrates the manufacturing process of the composite semiconductor substrate according to the third embodiment of the present invention.

図4(a)において、まず(111)面の主面を有するシリコン基板401上に、V族元素用原料のNH3とIII族元素用原料のTMAを用いるMOCVD法によって、1000℃の結晶成長温度でAlN層402を厚さ100nmに成長させた。なお、本実施形態ではAlN層402を結晶成長させているが、MOCVD条件を変えてGaN層を成長させてもよい。 In FIG. 4A, first, crystal growth at 1000 ° C. is performed on a silicon substrate 401 having a (111) principal surface by MOCVD using NH 3 as a group V element material and TMA as a group III element material. The AlN layer 402 was grown to a thickness of 100 nm at a temperature. In the present embodiment, the AlN layer 402 is crystal-grown, but the GaN layer may be grown by changing the MOCVD conditions.

図4(b)において、実施形態2と同様に樹脂膜とRIEを利用して、AlN層402とSi基板401の上面を異方性エッチングし、円柱状の凸部403を形成する。すなわち、この凸部403は、Si柱部401aとその上のAlN層部402aとを含んでいる。   In FIG. 4B, similarly to the second embodiment, the upper surface of the AlN layer 402 and the Si substrate 401 is anisotropically etched using a resin film and RIE to form a columnar convex portion 403. That is, the convex portion 403 includes a Si pillar portion 401a and an AlN layer portion 402a thereon.

図4(c)においては、RIE用マスクの除去後に、再度MOCVDによって円柱状凸部403上に窒化物系半導体層404の結晶成長を行なう。この窒化物系半導体層404のMOCVD条件としては、厚さ方向に比べて横方向への成長速度が大きい条件を選ぶことが好ましい。そうすれば、凸部403の頂面から窒化物系半導体層404が庇状に広がって、複数の凸部403の間が覆われていく。そして、隣り合う凸部403の頂面から庇状に伸びた窒化物系半導体層404の側面同士が合体し、横方向に伸びる転位が終端されて欠陥密度が低減される。このとき、Si基板401の上面側において、複数の柱部403の間には窒化物系結晶が形成されずに空隙が残る。その結果、最終的には、第1の窒化物系半導体サブ層としてのAlN層402aと第2の窒化物系半導体サブ層としてのGaN層404とを含む窒化物系半導体層がシリコン基板401形成された。   In FIG. 4C, after removing the RIE mask, the nitride-based semiconductor layer 404 is grown on the cylindrical protrusion 403 again by MOCVD. As the MOCVD condition for the nitride-based semiconductor layer 404, it is preferable to select a condition in which the growth rate in the lateral direction is higher than that in the thickness direction. Then, the nitride-based semiconductor layer 404 spreads in a bowl shape from the top surface of the convex portion 403 so that the space between the plurality of convex portions 403 is covered. Then, the side surfaces of the nitride-based semiconductor layer 404 extending in a bowl shape from the top surfaces of the adjacent convex portions 403 are united with each other, dislocations extending in the lateral direction are terminated, and the defect density is reduced. At this time, on the upper surface side of the Si substrate 401, a nitride-based crystal is not formed between the plurality of column portions 403, and a gap remains. As a result, the nitride semiconductor layer including the AlN layer 402a as the first nitride semiconductor sublayer and the GaN layer 404 as the second nitride semiconductor sublayer is finally formed on the silicon substrate 401. It was done.

(実施形態4)
図5の模式的断面図は、本発明の実施形態4によるヘテロ接合電界効果トランジスタを示している。このトランジスタは、前述の実施形態2による複合半導体基板の形成方法を利用して作製されている。
(Embodiment 4)
The schematic cross-sectional view of FIG. 5 shows a heterojunction field effect transistor according to Embodiment 4 of the present invention. This transistor is manufactured using the method for forming a composite semiconductor substrate according to Embodiment 2 described above.

すなわち、図5のトランジスタの作製においては、図2(d)の複合半導体基板中のGaN層207の代わりに、チャネル層としての厚さ3μmのGaN層208とバリア層としての厚さ30nmのAlGaN層209が続けてMOCVDにて結晶成長させられる。そして、AlGaN層209上にゲート電極212、ソース電極210、およびドレイン電極211を形成することによって、ヘテロ接合電界効果トランジスタを作製することができる。   That is, in manufacturing the transistor of FIG. 5, instead of the GaN layer 207 in the composite semiconductor substrate of FIG. 2D, a GaN layer 208 having a thickness of 3 μm as a channel layer and an AlGaN having a thickness of 30 nm as a barrier layer. Layer 209 is subsequently grown by MOCVD. Then, by forming the gate electrode 212, the source electrode 210, and the drain electrode 211 on the AlGaN layer 209, a heterojunction field effect transistor can be manufactured.

このようなトランジスタの作製において、窒化物系半導体層の成長温度(1000℃程度)と成長後の環境温度(室温)との温度差において、Si基板と窒化物系半導体層との熱膨張係数差による応力も複合半導体基板の柱部204で緩和できるので、低欠陥密度の窒化物系半導体積層を得ることができる。したがって、トランジスタ特性としても低リーク電流が実現できるだけでなく、さらに複合半導体基板の反りが小さいのでトランジスタ作製工程も容易に行なうことができる。   In the production of such a transistor, the difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate and the nitride-based semiconductor layer in the temperature difference between the growth temperature of the nitride-based semiconductor layer (about 1000 ° C.) and the environmental temperature after growth (room temperature). Since the stress due to the above can be relieved by the column portion 204 of the composite semiconductor substrate, a nitride-based semiconductor stack with a low defect density can be obtained. Therefore, not only a low leakage current can be realized as transistor characteristics, but also the transistor manufacturing process can be easily performed because the warpage of the composite semiconductor substrate is small.

なお、第2バッファ層としてのAlGaN層206の代わりに、例えば厚さ3nmのAlN層と例えば厚さ10nmのGaN層を交互に積層した多層膜を形成してから、その上にGaN層208とAlGaN層209を積層してもよい。その多層膜は、AlN層208およびGaN層209中の欠陥密度をさらに低減するように作用することが期待され得る。   Instead of the AlGaN layer 206 as the second buffer layer, a multilayer film in which, for example, an AlN layer having a thickness of 3 nm and a GaN layer having a thickness of 10 nm, for example, are alternately stacked is formed, and then a GaN layer 208 is formed thereon. An AlGaN layer 209 may be stacked. The multilayer film can be expected to act to further reduce the defect density in the AlN layer 208 and the GaN layer 209.

また、上述の実施形態2〜4においてはMOCVD法を用いているが、その代わりにHVPE(ハイドライド気相エピタキシ)法を用いてもよいことは言うまでもない。   Moreover, although the MOCVD method is used in the above-described Embodiments 2 to 4, it goes without saying that the HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method may be used instead.

以上のように、本発明による複合半導体基板においては、シリコン基板上に成長させた窒化物系半導体層中の結晶欠陥が低減されるだけでなく、複合半導体基板の反りも低減される。そして、複合半導体基板の窒化物系半導体層が低欠陥密度であるので、それを利用して作製される窒化物系半導体デバイスの特性が良好となるだけでなく、複合半導体基板の反りが小さいのでそのデバイスの作製工程において問題を生じることがない。また、複合半導体基板の大面積化が容易であるので、良好な特性を有する窒化物系半導体デバイスを低コストで提供することができる。   As described above, in the composite semiconductor substrate according to the present invention, not only crystal defects in the nitride-based semiconductor layer grown on the silicon substrate are reduced, but also the warpage of the composite semiconductor substrate is reduced. Since the nitride-based semiconductor layer of the composite semiconductor substrate has a low defect density, not only the characteristics of the nitride-based semiconductor device manufactured using it are improved, but also the warpage of the composite semiconductor substrate is small. There is no problem in the manufacturing process of the device. Moreover, since it is easy to increase the area of the composite semiconductor substrate, a nitride-based semiconductor device having good characteristics can be provided at low cost.

本発明の一実施形態による複合半導体基板モデルの構造的特徴とその構造の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural characteristic of the composite semiconductor substrate model by one Embodiment of this invention, and the effect of the structure. 本発明の他の実施形態による複合半導体基板の製造過程を図解する模式的断面図である。It is typical sectional drawing illustrating the manufacturing process of the composite semiconductor substrate by other embodiment of this invention. 図2の複合半導体基板の製造過程においてSi基板の上面に形成された多数の微細凸部を示す走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing a number of fine protrusions formed on the upper surface of the Si substrate in the manufacturing process of the composite semiconductor substrate of FIG. 2. FIG. 本発明のさらに他の実施形態による複合半導体基板の製造過程を図解する模式的断面図である。It is a typical sectional view illustrating the manufacture process of the compound semiconductor substrate by further another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるヘテロ接合電界効果トランジスタを示す模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a heterojunction field effect transistor according to still another embodiment of the present invention. 先行技術による複合基板の製造過程の一例を図解する模式的断面図である。It is typical sectional drawing illustrating an example of the manufacturing process of the composite substrate by a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

101,201,401 Si基板、101a 微小Si凸部、102 GaN層、103 空隙、104 図1(c)の応力分布が存在するライン、105 図1(b)の応力分布図に対応する領域、202 樹脂膜、203 多数の微細針状領域を含むマスク、204 微細円柱状シリコン、205 AlN層、206 AlGaN層、207 GaN層、208 GaN層、209 AlGaN層、210 ソース電極、211 ドレイン電極、212 ゲート電極、401a 微細柱状シリコン、402 AlN層、402a 微細柱状シリコン401a上のAlN層、403 微細柱状シリコン401aとAlN層402aを含む微細凸部、404 窒化物系半導体層、501 サファイア基板、502 GaN層、502a 空隙が形成されたGaN層、503 Ti膜、503a 多数の微細貫通穴を含むTiN膜、504 GaN層。   101, 201, 401 Si substrate, 101a Micro Si convex part, 102 GaN layer, 103 void, 104 Line where stress distribution of FIG. 1 (c) exists, 105 Region corresponding to stress distribution diagram of FIG. 1 (b), 202 resin film, 203 mask including many fine needle-like regions, 204 fine cylindrical silicon, 205 AlN layer, 206 AlGaN layer, 207 GaN layer, 208 GaN layer, 209 AlGaN layer, 210 source electrode, 211 drain electrode, 212 Gate electrode, 401a Fine columnar silicon, 402 AlN layer, 402a AlN layer on fine columnar silicon 401a, 403 Fine projection including fine columnar silicon 401a and AlN layer 402a, 404 Nitride semiconductor layer, 501 Sapphire substrate, 502 GaN Layer, 502a G with voids formed N layer, 503 Ti film, 503a a large number of TiN film containing fine through-holes, 504 GaN layer.

Claims (10)

(111)面方位を有しかつ複数の凸部が形成された一主面を有するシリコン基板と、
前記一主面を覆う窒化物系半導体層とを含み、
前記複数の凸部間に空隙が存在していることを特徴とする複合半導体基板。
A silicon substrate having a (111) plane orientation and having one principal surface on which a plurality of convex portions are formed;
A nitride-based semiconductor layer covering the one main surface,
A composite semiconductor substrate, wherein voids exist between the plurality of convex portions.
前記窒化物系半導体層は、前記複数の凸部の頂面のみを覆う第1の窒化物系半導体サブ層と、前記第1窒化物系半導体サブ層のみならず前記複数の凸部の間をも覆う第2の窒化物系半導体サブ層とを含むことを特徴とする複合半導体基板。   The nitride-based semiconductor layer includes a first nitride-based semiconductor sublayer that covers only top surfaces of the plurality of protrusions, and a space between the plurality of protrusions as well as the first nitride-based semiconductor sublayer. And a second nitride-based semiconductor sublayer covering the composite semiconductor substrate. 前記凸部の高さはその幅および間隔のいずれと比べて大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の複合半導体基板。   The composite semiconductor substrate according to claim 1, wherein a height of the convex portion is larger than any of a width and an interval thereof. 前記凸部の高さはその幅の5倍以上であることを特徴とする請求項3に記載の複合半導体基板。   4. The composite semiconductor substrate according to claim 3, wherein the height of the convex portion is at least five times the width. 前記凸部の幅が0.2μm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の複合半導体基板。   The composite semiconductor substrate according to claim 1, wherein a width of the convex portion is 0.2 μm or less. 請求項1から5のいずれかの複合半導体基板の前記窒化物系半導体層を利用して作製されていることを特徴とする半導体装置。   6. A semiconductor device manufactured using the nitride-based semiconductor layer of the composite semiconductor substrate according to claim 1. 請求項1の複合半導体基板を製造するための方法であって、
シリコンと酸素の結合を含む樹脂膜をシリコン基板の一主面上に形成し、
酸素ガスを含むエッチングガスを用いて前記樹脂膜をドライエッチングすることによってマスクパターンを形成し、
前記マスクパターンを介して前記シリコン基板の前記一主面をエッチングして前記複数の凸部を形成し、
前記複数の凸部の形成後に前記マスクパターンを除去し、
その後に、前記シリコン基板の前記一主面を覆うように前記窒化物系半導体層を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする製造方法。
A method for manufacturing the composite semiconductor substrate of claim 1, comprising:
Forming a resin film containing a bond of silicon and oxygen on one main surface of the silicon substrate;
A mask pattern is formed by dry etching the resin film using an etching gas containing oxygen gas,
Etching the one main surface of the silicon substrate through the mask pattern to form the plurality of convex portions;
Removing the mask pattern after forming the plurality of convex portions;
Thereafter, the method includes a step of crystal-growing the nitride-based semiconductor layer so as to cover the one main surface of the silicon substrate.
前記窒化物系半導体層は減圧下で結晶成長させられることを特徴とする請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein the nitride-based semiconductor layer is crystal-grown under reduced pressure. 請求項2の複合半導体基板を製造するための方法であって、
シリコン基板の一主面上に前記第1の窒化物系半導体サブ層を形成し、
シリコンと酸素の結合を含む樹脂膜を前記シリコン基板の前記一主面上に形成し、
酸素ガスを含むエッチングガスを用いて前記樹脂膜をドライエッチングすることによってマスクパターンを形成し、
前記マスクパターンを介して前記第1窒化物系半導体サブ層と前記シリコン基板の前記一主面とをエッチングして前記複数の凸部を形成し、
前記複数の凸部の形成後に前記マスクパターンを除去し、
その後に、前記第1窒化物系半導体サブ層のみならず前記複数の凸部の間をも覆う第2の窒化物系半導体サブ層を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする製造方法。
A method for manufacturing the composite semiconductor substrate of claim 2, comprising:
Forming the first nitride-based semiconductor sublayer on one main surface of the silicon substrate;
Forming a resin film containing a bond of silicon and oxygen on the one principal surface of the silicon substrate;
A mask pattern is formed by dry etching the resin film using an etching gas containing oxygen gas,
Etching the first nitride-based semiconductor sublayer and the one main surface of the silicon substrate through the mask pattern to form the plurality of protrusions;
Removing the mask pattern after forming the plurality of convex portions;
Thereafter, the method includes a step of crystal-growing a second nitride-based semiconductor sublayer that covers not only the first nitride-based semiconductor sublayer but also between the plurality of convex portions.
前記第1と第2の窒化物系半導体サブ層のうちで少なくとも前記第2窒化物系半導体サブ層は減圧下で結晶成長させられることを特徴とする請求項9に記載の製造方法。   10. The method according to claim 9, wherein at least the second nitride-based semiconductor sublayer of the first and second nitride-based semiconductor sublayers is crystal-grown under reduced pressure.
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