JP2010228955A - ＧａＮ系化合物半導体基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表層に到達する転位の密度を、簡便かつ効果的に低減することができるＧａＮ系化合物半導体基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０と、基板１０の主面上に形成される緩衝層２０と、緩衝層２０上に形成されるＧａＮ系半導体単結晶の活性層３０とを備え、基板１０の主面に平行な任意の方向に屈曲する屈曲転位が活性層３０内における緩衝層２０と活性層３０との界面近傍に存在することを特徴とするＧａＮ系半導体基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、表層の転位が低減されたＧａＮ系化合物半導体基板とその製造方法に関する。

化合物半導体基板は、パワーデバイス等の基板として用いられ、例えばＳｉやＳｉＣの基板上にＧａＮ系化合物半導体層を気相成長させる方法で製造される。

化合物半導体基板の製造時において、基板とＧａＮ系化合物半導体層との格子定数の差や熱膨張係数の差により転位が発生し、半導体デバイスの特性を劣化させるという問題があり、この転位の低減が強く求められている。

この要求に対して、例えば特許文献１には、シリコンから成る基板の上にｎ形不純物としてのＳｉを含むＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮから成る第１の層とｎ形不純物としてのＳｉを含むＧａＮ又はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮから成る第２の層とを交互に複数積層した複合層構造のバッファ層を設けるという技術が開示されている。このバッファ層の熱膨張係数はシリコン又はこの化合物から成る基板の熱膨張係数とＧａＮ系化合物から成る半導体領域の熱膨張係数との中間の値を有し、基板と半導体領域との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生、すなわち転位の発生を抑制することができる。

また、例えば特許文献２には、シリコン基板の上にストライプ状又は格子状にＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層が形成され、基板の露出領域と格子状の層の上部領域にＧａＮ層を成長させるとき、ＧａＮをＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ上に３次元的、すなわち垂直方向のみならず横方向にもエピタキシャル成長させることで、基板の露出領域である横方向成長領域では転位が大幅に減少した窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができるという技術が開示されている。

特開２００３−１１５６０６号公報 特開２０００−９１２５３号公報

しかし、特許文献１に記載されている方法による転位低減の効果は必ずしも十分であるとはいえない。また、特許文献２に記載されている方法は、エッチングにより基板の露出部または凹部を形成する工程が必要になり、緩衝層を形成する方法に比べて製造工程が煩雑になり、コスト高が懸念される。

本発明は、上記事情に鑑み、表層に到達する転位の密度を、簡便かつ効果的に低減することができるＧａＮ系化合物半導体基板とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様のＧａＮ系化合物半導体基板は、基板と、前記基板の主面上に形成される緩衝層と、前記緩衝層上に形成されるＧａＮ系半導体単結晶の活性層とを備え、前記基板の主面に平行な任意の方向に屈曲する屈曲転位が前記活性層内における前記緩衝層と前記活性層との界面近傍に存在することを特徴とする。このような構成をとることで、ＧａＮ系化合物半導体単結晶の活性層の表層まで貫通する転位を効果的に抑制できる。

上記態様のＧａＮ系化合物半導体基板において、前記基板は、単結晶Ｓｉ、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉと立方晶ＳｉＣの積層、サファイアのいずれか一つからなることが好ましい。

上記態様のＧａＮ系化合物半導体基板において、前記緩衝層は、２種類の窒化物半導体単結晶層の積層構造が１回または複数回繰り返された１次層と、前記１次層上に形成され、前記１次層とは異なる組み合わせの２種類の窒化物半導体単結晶層の積層構造が前記１次層の１０倍以上５００倍以下の回数繰り返された２次層とで構成されることが好ましい。

本発明の一態様のＧａＮ系半導体基板の製造方法は、六方晶ＳｉＣ基板上に第１のＡｌＮ単結晶層を堆積する工程と、前記第１のＡｌＮ単結晶層上に前記第１のＡｌＮ単結晶層と同一の膜厚のＡｌＧａＮ単結晶層を堆積して１次層とする工程と、前記ＡｌＧａＮ単結晶層上に、前記膜厚より薄い第２のＡｌＮ単結晶層と前記膜厚より薄く前記第２のＡｌＮ単結晶層より厚い第１のＧａＮ単結晶層の積層構造を１０回以上５００回以下繰り返して堆積して２次層とする工程と、活性層となる第２のＧａＮ単結晶層を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、表層に到達する転位の密度を十分に低減することができるＧａＮ系半導体基板およびその製造方法を簡易に提供することが可能となる。

実施の形態の半導体基板の模式断面図である。 図１の矩形領域Ａの拡大図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施の形態のＧａＮ系半導体基板は、基板と、基板の主面上に形成される緩衝層と、緩衝層上に形成されるＧａＮ系半導体単結晶の活性層とを備えている。そして、基板の主面に平行な任意の方向に屈曲する屈曲転位が活性層内における緩衝層と活性層との界面近傍に存在する。ここで、界面近傍とは、活性層の下半分の領域を意味する。

「屈曲する」とは、基板の主面に平行の方向に転位が伸張することを指し、「屈曲転位」とは、屈曲した転位が活性層の主表面でない端面に貫通した状態、あるいは２本の転位同士が結合して閉じた状態になった状態の転位を指し示すものとする。また、屈曲しているかどうかは、例えば、基板の主面に垂直な断面のＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過電子顕微鏡）観察を行い、ＴＥＭの視野内の転位の形状を確認することで判別可能である。

図１は、実施の形態の半導体基板の模式断面図である。図２は、図１の矩形領域Ａの拡大図である。

基板１０の主面上に、緩衝層（バッファ層）２０が形成されている。また、緩衝層２０上にＧａＮ系半導体単結晶の活性層３０を備えている。そして、緩衝層２０と活性層３０の界面から活性層側の領域４０に、基板１０の主面に平行方向に伝播する屈曲転位５０ａが存在する。

屈曲転位は次のようなメカニズムで発生する。まずエピタキシャル結晶が結晶面上で島状に３次元核成長を開始する。島状に点在する成長核がそれぞれ独立して成長していくが、十分膜厚が厚くなってくると結晶面に対して水平方向の膜成長が促進される。転位は結晶成長に伴って進行するので、島状に成長する段階で結晶面に対して垂直方向に伸展する転位が、水平方向への膜成長に伴いその成長方向である水平方向に転位が取り込まれることで屈曲する。さらに、屈曲した転位同士が合体してループ状に閉じることにより転位は終端し、もはや活性層上方へ伝播しなくなる。

緩衝層と活性層の界面付近に屈曲転位が発生する条件としては、緩衝層の層構造や膜厚に依存するが、特に、緩衝層と緩衝層と活性層の界面、そして活性層の３つの層それぞれの応力の方向と値が相互に作用する。そして、３つの層の応力がいずれも圧縮応力の場合に顕著に屈曲転位が発生する。

また、緩衝層と活性層の界面での圧縮応力が高いと、界面と水平方向へ転位を曲げる作用を促進するので、より屈曲転位が多くなる。

したがって、緩衝層と緩衝層と活性層の界面、活性層の応力がいずれも圧縮応力であること、基板の反り、その他の特性値とのバランスを考慮した上で、緩衝層と活性層の界面の応力値をなるべく高くすることが重要である。この条件は、緩衝層単体の膜厚、積層回数、緩衝層全体の膜厚を最適化することで得られる。

さらに、新たに緩衝層から伝播してきた転位も、すでに形成された屈曲転位に沿って界面と水平方向に曲げられるので、活性層上方へ抜けていく転位の量も低減される。従来は緩衝層を貫通してきた転位がほとんどそのまま活性層上方へ伸展していたものが、本発明の実施の形態基板構造によって屈曲あるいは閉じて終端化する作用と、一旦出来上がった屈曲転位が新たな転位の屈曲を促進する作用により、大幅に低減される。

次に、本実施の形態のＧａＮ系半導体基板の構造について説明する。基板１０は、その上面に形成される緩衝層２０や活性層３０を支持する機能を有し、比較的安価で機械的強度が強く、活性層３０のＧａＮ系半導体単結晶と格子定数や熱膨張係数が比較的近い材料であり、活性層３０に対して汚染源となりにくい材料であることが好ましい。例えば、単結晶Ｓｉ、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉと立方晶ＳｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ）の積層構造、またはサファイアの基板を用いることが可能である。

基板１０の厚さは、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。この範囲であれば、基板が薄すぎて十分な機械的強度が保てない恐れが低減され、過剰なコスト高を回避できる。

緩衝層２０は、基板１０と活性層３０との物性の違いに起因して、半導体基板製造中、半導体基板上への半導体デバイス製造中、あるいは半導体デバイスの動作中に、ミスフィトやそりが生じ、活性層３０に転位が発生することを抑制する機能を有している。図１では、積層構造の緩衝層２０を例示している。緩衝層２０は、基板１０側から１次層２１と２次層２２に分かれている。

さらに、１次層２１は、例えば、第１のＡｌＮ単結晶層２１ａとＡｌＧａＮ単結晶層２１ｂの積層構造で形成される。そして、２次層２２は、１次層２１とは異なる組み合わせの２種類の単結晶層の積層構造、例えば、第２のＡｌＮ単結晶層２２ａとＧａＮ単結晶層２２ｂの積層構造が、１次層２１の１０倍以上５００倍以下の回数繰り返されて形成されている。図１では２０回繰り返された構成を示す。

このように、それぞれが積層構造を備える１次層２１と２次層２２によって緩衝層２０を構成することで、転位の活性層３０中への伝播を効果的に抑制することができる。緩衝層２０中を膜の成長方向と同じ＜０００１＞方向に伝播してきた転位が積層構造の各界面で屈曲し、屈曲した転位同士が閉じることで上層への転位の伝播が抑制される。特に、第２のＡｌＮ単結晶層２２ａとＧａＮ単結晶層２２ｂの積層構造が繰り返されることにより転位の屈曲および合体が段階的に進められ、活性層３０まで到達する転位を段階的に低減させる。

第２のＡｌＮ単結晶層２２ａとＧａＮ単結晶層２２ｂの膜厚は、それぞれ、３ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが望ましい。この範囲ならば、転位の伝播抑制効果を保持しつつ過剰コスト高になるのを回避できるからである。

活性層３０は、一般式ＧａＮで表記されるＧａＮ系半導体単結晶である。活性層３０の厚さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。この範囲であれば、半導体デバイスを形成するための十分な領域が確保でき、かつコスト高も回避できる。

また、基板を六方晶ＳｉＣとし、緩衝層２０が、略同一の膜厚を有する第１のＡｌＮ単結晶層２１ａとＡｌＧａＮ単結晶層２１ｂの積層構造からなる１次層２１が１層と、１次層のそれぞれの膜厚より薄い第２のＡｌＮ単結晶層２２ａと１次層のそれぞれの膜厚より薄く第２のＡｌＮ単結晶層２２ａより厚いＧａＮ単結晶層２２ｂの積層構造を１０回以上５００回以下繰り返した２次層２２とから形成され、活性層３０がＧａＮ単結晶層であることが好ましい。

上述のように、本実施の形態の半導体基板によれば、特に、活性層３０に半導体デバイスを製造するプロセス中に生じ、基板１０側から活性層３０中に到達する貫通転位５０ｂの密度（貫通転位密度）をも効果的に低減することが可能となる。

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、六方晶ＳｉＣ基板上に第１のＡｌＮ単結晶層を堆積する工程と、第１のＡｌＮ単結晶層上に第１のＡｌＮ単結晶層と略同一の膜厚のＡｌＧａＮ単結晶層を堆積して１次層とする工程と、ＡｌＧａＮ単結晶層上に、ＡｌＧａＮ単結晶層の膜厚より薄い第２のＡｌＮ単結晶層とＡｌＧａＮ単結晶層の膜厚より薄く第２のＡｌＮ単結晶層より厚い第１のＧａＮ単結晶層の積層構造を１０回以上５００回以上繰り返して堆積して２次層とする工程と、活性層となる第２のＧａＮ単結晶層を形成する工程とを、有する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、半導体基板、半導体基板の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体基板、半導体基板の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体基板、半導体基板の製造方法が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

以下に、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。

図１に示す構造の各種半導体基板を、以下の製造プロセスに従って作製した。

［実施例１］
まず、厚さ２５０μｍのＳｉＣ単結晶基板上を、Ｈ_２ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層を形成した。

次に、原料ガスとしてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮ単結晶層を積層させ緩衝層２０の１次層２１とした。

さらに、上記と同様のプロセスで、厚さ５ｎｍ狙いでＡｌＮ単結晶層を形成した。その上に、原料ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍ狙いのＧａＮ単結晶を積層させてＧａＮ／ＡｌＮの１対の層とした。そしてこの１対の層を２０回繰り返して積層し２次層２２とした。膜厚の実測値はＧａＮ／ＡｌＮの１対の層が４０ｎｍ、緩衝層２０の２次層２２の全体厚さが８００ｎｍである。なお膜厚の実測値とは、後述するＴＥＭ観察結果から測定、算出した値である。

１次層２１と２次層２２で形成された緩衝層２０上に、原料ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１μｍのＧａＮ活性層を形成し、ＧａＮ系化合物半導体基板を作製した。

なお、各層の膜厚はガス流量および供給時間の調整により行った。

［実施例２］
基本的なプロセスは実施例１に準ずる。異なるのは緩衝層２０の２次層２２の厚さで、膜厚の実測値は、ＧａＮ／ＡｌＮの１対の層が２５ｎｍ、２次層２２の全体厚さが５００ｎｍである。

［比較例１］
基本的なプロセスは実施例１に準ずる。異なるのは緩衝層２０の２次層２２の厚さと繰り返し回数でＧａＮ／ＡｌＮの１対の層を４０回繰り返して積層した。膜厚の実測値は、ＧａＮ／ＡｌＮの１対の層は２２．５ｎｍ、２次層２２の全体厚さは９００ｎｍである。

［比較例２］
基本的なプロセスは実施例１に準ずる。異なるのは緩衝層２０の２次層２２の厚さと繰り返し回数でＧａＮ／ＡｌＮの１対の層を４０回繰り返して積層した。膜厚の実測値は、ＧａＮ／ＡｌＮの１対の層が２６ｎｍ、２次層２２の全体厚さが１０４０ｎｍである。

作製した半導体基板をＴＥＭの断面観察用にイオンミリング法で試料作製し、ＴＥＭを用いて断面観察を行った。観察結果から各層の膜厚測定、転位の形状、転位の種類の特定を行った。

転位密度はＴＥＭの観察画像から単位面積当たりの転位本数から換算、各層の厚さは画像の実測とスケールから算出した。

転位の種類の特定については、ウィークビーム法を用い、結晶方位ｇ＝＜０００１＞の時と、ｇ＝＜２−１−１０＞の時のウィークビーム像を撮影し、向きが＜０００１＞方向（膜の成長方向と同じ向き）の転位に対し、バーガースベクトルを決定した。向きが＜０００１＞方向の転位について、バーガースベクトルが＜２−１−１０＞になった時、転位の向きとバーガースベクトルが直交関係になるので、この転位は刃状転位と判断し、上記の刃状転位がＧａＮ活性層および緩衝層との界面付近で９０度屈曲して、向きが＜２−１−１０＞になった場合、一本の転位のバーガースベクトルは同じであることから転位の向きとバーガースベクトルが平行関係となるので、この転位はらせん転位と判断した。

表１、表２に、各サンプルの作製条件と評価結果を示す。これから明らかなように、実施例１、２では、屈曲転位が観察され、比較例に比べて転位密度の低減が確認された。また、ＧａＮ活性層および緩衝層の界面近傍で、刃状転位がらせん転位化することにより、転位は屈曲して向きを変えることが確認された。

１０ 基板
２０ 緩衝層
２１ １次層
２１ａ 第１のＡｌＮ単結晶層
２１ｂ ＡｌＧａＮ単結晶層
２２ ２次層
２２ａ 第２のＡｌＮ単結晶層
２２ｂ ＧａＮ単結晶層
３０ 活性層
４０ 屈曲転位存在領域
５０ａ 主面に平行方向に伝播する屈曲転位
５０ｂ 貫通転位

Claims (4)

1. 基板と、前記基板の主面上に形成される緩衝層と、前記緩衝層上に形成されるＧａＮ系半導体単結晶の活性層とを備え、前記基板の主面に平行な任意の方向に屈曲する屈曲転位が前記活性層内における前記緩衝層と前記活性層との界面近傍に存在することを特徴とするＧａＮ系半導体基板。
2. 前記基板は、単結晶Ｓｉ、六方晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉと立方晶ＳｉＣの積層、サファイアのいずれか一つからなることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体基板。
3. 前記緩衝層は、２種類の窒化物半導体単結晶層の積層構造が１回または複数回繰り返された１次層と、前記１次層上に形成され、前記１次層とは異なる組み合わせの２種類の窒化物半導体単結晶層の積層構造が前記１次層の１０倍以上５００倍以下の回数繰り返された２次層とで構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＧａＮ系半導体基板。
4. 六方晶ＳｉＣ基板上に第１のＡｌＮ単結晶層を堆積する工程と、前記第１のＡｌＮ単結晶層上に前記第１のＡｌＮ単結晶層と同一の膜厚のＡｌＧａＮ単結晶層を堆積して１次層とする工程と、前記ＡｌＧａＮ単結晶層上に、前記膜厚より薄い第２のＡｌＮ単結晶層と前記膜厚より薄く前記第２のＡｌＮ単結晶層より厚い第１のＧａＮ単結晶層の積層構造を１０回以上５００回以下繰り返して堆積して２次層とする工程と、活性層となる第２のＧａＮ単結晶層を形成する工程とを有することを特徴とするＧａＮ系半導体基板の製造方法。
   

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