JP2009256154A - Substrate for growing semiconductor crystal and semiconductor crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板および半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor crystal growth substrate for growing a semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor crystal, and a semiconductor crystal in which a semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor crystal is formed on the semiconductor crystal growth substrate.
窒化物系化合物半導体(たとえば、GaN、AlN、InN、BNおよびそれらの混晶)は、同材料で基板を作製することが困難であった。そのため、異種材料であるサファイア基板や炭化シリコン基板を用いて成膜が行われてきた。しかしながら、サファイア基板は熱伝導率が低いために発熱しやすい高出力型電子デバイス用途には向かず、また炭化シリコン基板は調達コストが非常に高いという問題があった。近年、それらの問題を回避するために、価格が安価で安定供給が見込め、かつ大口径化が進んでいる、Si(シリコン)基板を用いて窒化物系化合物半導体を成膜する試みがなされている。 Nitride-based compound semiconductors (for example, GaN, AlN, InN, BN, and mixed crystals thereof) have been difficult to produce a substrate using the same material. Therefore, film formation has been performed using a sapphire substrate or a silicon carbide substrate which is a different material. However, since the sapphire substrate has a low thermal conductivity, the sapphire substrate is not suitable for use in a high-power electronic device that easily generates heat, and the silicon carbide substrate has a problem that the procurement cost is very high. In recent years, in order to avoid these problems, attempts have been made to form nitride-based compound semiconductors using a Si (silicon) substrate, which is inexpensive, can be stably supplied, and has a large diameter. Yes.
Si基板上に窒化物系化合物半導体を成膜する際の課題は、Siと窒化物系化合物半導体とで熱膨張係数が異なり、一般に高温で成膜した後に降温すると、窒化物系化合物半導体に引っ張り歪みが加わるためにクラック(ひび割れ)が入りやすいことである。また、格子定数の差に起因する歪みも加わりやすい。加えて、Siは窒化物系化合物半導体を構成する元素のうち特にGa(ガリウム)と直接接触すると、Siがメルトバックエッチングしてしまい、Si基板の表面に反応物が析出してくる。この反応物の析出は、単にその領域での窒化物系化合物半導体の結晶成長を阻害するだけでなく、反応していない領域へもパーティクルをまき散らして、窒化物系化合物半導体の結晶欠陥を誘発する。これを防ぐ一つの方法として、Si基板の直上にAlN膜を成長して、GaとSi基板とが直接接触するのを防ぐというものがある。 The problem in forming a nitride compound semiconductor on a Si substrate is that the thermal expansion coefficient differs between Si and the nitride compound semiconductor. Generally, when the temperature is lowered after film formation at a high temperature, the nitride compound semiconductor is pulled. Since distortion is added, cracks are likely to occur. Further, distortion caused by the difference in lattice constant is also easily added. In addition, when Si is in direct contact with Ga (gallium) among elements constituting the nitride-based compound semiconductor, Si is melt-back etched, and a reactant is deposited on the surface of the Si substrate. This precipitation of the reactants not only inhibits the crystal growth of the nitride compound semiconductor in the region, but also scatters particles to the unreacted region to induce crystal defects in the nitride compound semiconductor. . One method for preventing this is to grow an AlN film directly on the Si substrate to prevent direct contact between Ga and the Si substrate.
図5は従来の基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を示す断面図である。図に示すように、Siからなる基板1上にAlNからなる中間層2が形成され、中間層2上にAlGaInN結晶からなる半導体層3が形成されている。
FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor crystal in which a semiconductor layer made of a nitride-based compound semiconductor crystal is formed on a conventional substrate. As shown in the drawing, an intermediate layer 2 made of AlN is formed on a
この半導体結晶においては、基板1と半導体層3との間に中間層2が形成されているから、半導体層3に発生する歪みを緩和することができ、また基板1の表面に反応物が析出するのをある程度防止することができる。
しかしながら、上述した半導体結晶においては、基板1の外周部の半導体層3における成長層には歪みによる応力集中がかかるから、数mm程度のクラックが発生して、基板1に半導体層3のGaが侵入することがあり、加えて基板1の側面にはそもそも中間層2をエピタキシャル成長させるのが難しいので、基板1の外周部でのGaの反応を確実に抑えるのは難しかった。このため、基板1の表面に反応物が析出し、反応物が析出した領域での窒化物系化合物半導体の結晶成長が阻害されるとともに、反応物のパーティクルが反応していない領域にまき散らされ、半導体層3の結晶欠陥を誘発するから、半導体層3の結晶欠陥が多くなる。
However, in the semiconductor crystal described above, stress concentration due to strain is applied to the growth layer in the
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、結晶欠陥の少ない半導体層を形成することができる半導体結晶成長用基板、半導体結晶を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor crystal growth substrate and a semiconductor crystal that can form a semiconductor layer with few crystal defects.
この目的を達成するため、本発明においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板において、Siからなる半導体結晶成長用基板本体の少なくとも側面に保護膜を形成する。 In order to achieve this object, in the present invention, in a semiconductor crystal growth substrate for growing a semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor crystal, a protective film is formed on at least the side surface of the semiconductor crystal growth substrate body made of Si. Form.
この場合、上記半導体結晶成長用基板本体の上記保護膜に覆われている部位が上記半導体層の構成元素と反応しないようにしてもよい。 In this case, the portion of the semiconductor crystal growth substrate body covered with the protective film may not react with the constituent elements of the semiconductor layer.
これらの場合、上記半導体層の構成元素を、III族元素としてもよい。 In these cases, the constituent element of the semiconductor layer may be a group III element.
この場合、上記III族元素を、Gaとしてもよい。 In this case, the group III element may be Ga.
これらの場合、上記半導体結晶成長用基板本体の側面および表面の最外周から5mm以内の部分に上記保護膜を形成してもよい。 In these cases, the protective film may be formed on the side surface and the outermost periphery of the surface of the semiconductor crystal growth substrate body within 5 mm.
これらの場合、上記保護膜を、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タングステン、酸化シリコン、酸化アルミニウムのいずれかから構成された膜としてもよい。 In these cases, the protective film may be a film made of any one of silicon nitride, aluminum nitride, titanium nitride, tungsten nitride, silicon oxide, and aluminum oxide.
また、半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶において、上記の半導体結晶成長用基板に、少なくともGaおよびNを含んだ上記窒化物系化合物半導体結晶からなる上記半導体層を形成する。 Further, in a semiconductor crystal in which a semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor crystal is formed on a semiconductor crystal growth substrate, the semiconductor crystal growth substrate is made of the nitride compound semiconductor crystal containing at least Ga and N. The semiconductor layer is formed.
この場合、上記半導体層の層厚を0.5μm以上としてもよい。 In this case, the thickness of the semiconductor layer may be 0.5 μm or more.
本発明に係る半導体結晶成長用基板および半導体結晶においては、半導体結晶成長用基板本体に形成された保護膜によって、半導体層の窒化物系化合物半導体の構成元素と半導体結晶成長用基板とが化学反応するのを防止することができるから、半導体結晶成長用基板の外周部での意図しない反応物の生成を確実に抑えることができるので、結晶欠陥の少ない半導体層を形成することができる。 In the semiconductor crystal growth substrate and the semiconductor crystal according to the present invention, a chemical reaction occurs between the constituent elements of the nitride-based compound semiconductor of the semiconductor layer and the semiconductor crystal growth substrate by the protective film formed on the semiconductor crystal growth substrate body. Therefore, the generation of unintended reactants at the outer periphery of the semiconductor crystal growth substrate can be reliably suppressed, so that a semiconductor layer with few crystal defects can be formed.
図1は本発明に係る半導体結晶成長用基板を示す斜視図、図2は本発明に係る半導体結晶成長用基板の一部を示す断面図である。図に示すように、面方位が(111)であるSiからなる半導体結晶成長用基板本体11の外周部に膜厚が100nmの窒化シリコンからなる保護膜14が形成されている。すなわち、半導体結晶成長用基板本体11の側面12および半導体結晶成長用基板本体11の表面13の最外周から2mmまでの部分に保護膜14が形成されている。そして、半導体結晶成長用基板本体11の保護膜14に覆われている部位は半導体層22(説明後述)の構成元素と反応しない。
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor crystal growth substrate according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a part of the semiconductor crystal growth substrate according to the present invention. As shown in the figure, a
図3は本発明に係る半導体結晶の一部を示す断面図である。図に示すように、図1、図2に示した半導体結晶成長用基板、すなわち半導体結晶成長用基板本体11の外周部に保護膜14が形成された半導体結晶成長用基板上にAlNからなるバッファ層21が形成されている。すなわち、半導体結晶成長用基板本体11の表面13の保護膜14が形成されていない領域上にバッファ層21が形成されている。また、バッファ層21上に膜厚が3μmのGaN結晶からなる半導体層22が形成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of a semiconductor crystal according to the present invention. As shown in the figure, a buffer made of AlN is formed on the semiconductor crystal growth substrate shown in FIGS. 1 and 2, that is, the semiconductor crystal growth substrate in which the
続いて、図3に示した半導体結晶の製造方法を図4により説明する。まず、図4(a)に示すように、半導体結晶成長用基板本体11の側面12を露出させた状態で、半導体結晶成長用基板本体11の側面12および表面13に熱CVDを用いて保護膜14を100nm成膜する。つぎに、図4(b)に示すように、フォトリソグラフィとフッ酸系エッチャントを用いて、半導体結晶成長用基板本体11の最外周から2mmより内側の保護膜14を剥離する。つぎに、レジストを剥離して有機洗浄を行ったのち、保護膜14を剥離しない程度にフッ酸溶液で再度洗浄し、清浄表面を得る。つぎに、MOCVD装置に洗浄済の半導体結晶成長用基板を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。つぎに、図4(c)に示すように、このサーマルクリーニングを行ったのち、半導体結晶成長用基板本体11上にバッファ層21を結晶成長する。つぎに、図4(d)に示すように、バッファ層21上に半導体層22を成長する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor crystal shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 4A, a protective film is formed on the
上述した半導体結晶成長用基板、半導体結晶においては、半導体結晶成長用基板本体11の外周部に形成された保護膜14によって半導体層22の構成元素と半導体結晶成長用基板本体11とが化学反応するのを防止することができるから、半導体結晶成長用基板本体11上に半導体層22を形成する際に、半導体結晶成長用基板本体11の外周部での意図しない反応物の生成を確実に抑えることができる。すなわち、半導体結晶成長用基板本体11の外周部にGaによる異常反応を生じさせることなく半導体層22を成膜することができる。このため、半導体層22の結晶成長が阻害されることがなく、また反応物のパーティクルが反応していない領域にまき散らされることがないから、反応物のパーティクルにより半導体層22の結晶欠陥が誘発されることがないので、結晶欠陥の少ない半導体層22を形成することができるため、半導体結晶の歩留りを向上させることができる。
In the semiconductor crystal growth substrate and semiconductor crystal described above, the constituent elements of the
なお、上述した実施の形態においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層がGaN結晶からなる半導体層22である場合について説明したが、半導体層の窒化物系化合物半導体結晶がAlGaN結晶、InGaN結晶、InN結晶等である場合にも、本発明を適用することができる。この場合、特にGaおよびNを含むAlGaN結晶、InGaN結晶で本発明の効果をより享受することができる。
In the above-described embodiment, the case where the semiconductor layer made of a nitride compound semiconductor crystal is the
また、上述した実施の形態においては、窒化シリコンからなる保護膜14を形成したが、保護膜の材料は、半導体層の一般的な成長温度である1000℃以上の温度領域においても安定であり、また、半導体層22の構成元素もしくは成長原料と反応しない、もしくは反応しにくい材料であることが要求され、また形成プロセスが容易な物質であることが望ましい。そのような観点からは、保護膜の材料は、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タングステン、酸化シリコン、酸化アルミニウム等が好適である。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態においては、半導体結晶成長用基板本体11の表面13の最外周から2mmまでの部分に保護膜14を形成したが、保護膜の材料によっては、保護膜上で窒化物系化合物半導体の多結晶等が形成される可能性があるから、その影響を最小限にとどめるために、半導体結晶成長用基板本体の最外周から5mm以内の部分に保護膜を形成することが望ましい。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述実施の形態においては、半導体層22の膜厚を3μmとしたが、半導体層の膜厚が0.5μm以上の場合に本発明の効果をより享受することができる。
In the above-described embodiment, the thickness of the
また、上述実施の形態においては、半導体結晶成長用基板本体11の外周部にCVDを用いて保護膜14を成膜したが、半導体結晶成長用基板本体11の外周部にスパッタ、SOG(Spin-on Glass)等を利用してリング状の保護膜を成膜してもよい。このとき、必ず半導体結晶成長用基板本体の側面を覆うことが重要である。
In the above-described embodiment, the
また、CVDやスパッタのように、非選択的に成膜するプロセスを使用して保護膜を成膜する場合は、上述のように、半導体結晶成長用基板本体11の表面13の全面に保護膜14を成膜してから、半導体層22を成長する領域の保護膜14を選択エッチングにて除去してもよいし、逆に、あらかじめフォトリソグラフィを用いて半導体結晶成長用基板本体11の表面13の半導体層22を成長させる領域を保護してから、保護膜14を成膜してもよい。さらに、SOG等の流動性のある物質を使用する場合は、通常通りスピンコータを利用して半導体結晶成長用基板本体11の表面13の全面に保護膜14を成膜してもよいが、半導体結晶成長用基板本体11の裏面から半導体結晶成長用基板本体11のハンドリングを行い、半導体結晶成長用基板本体11の側面部をコート剤に浸しながら回転させることで、半導体結晶成長用基板本体11の外周部のみ保護膜14をコートしてもよい。
Further, when the protective film is formed by using a non-selective film forming process such as CVD or sputtering, the protective film is formed on the
また、バッファ層21、半導体層22の成長には、V族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相エピタキシ(MOVPE)法が好適であるが、本発明の趣旨に反しない限りは分子線エピタキシ(MBE)法、ハロゲン化気相エピタキシ(HVPE)法等の結晶成長法を用いてもよい。
Further, for the growth of the
また、半導体結晶成長用基板本体11上に半導体層22を形成したとき、保護膜14を形成していない半導体結晶成長用基板本体11上に半導体層22の結晶が形成されるとともに、半導体結晶成長用基板本体11の周辺の保護膜14上に半導体層22の多結晶等が形成される場合がある。ただし、デバイス(素子)作製時の対象となるのは、半導体結晶成長用基板本体11の表面13の保護膜14が形成されていない領域上に形成された半導体層22の結晶であるため、保護膜14上の多結晶は形成されたままにしておいてもデバイス作製プロセスに影響を与えない。
In addition, when the
11…半導体結晶成長用基板本体
12…側面
13…表面
14…保護膜
21…バッファ層
22…半導体層
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