JP2011071266A - Epitaxial substrate for semiconductor element, semiconductor element, method of manufacturing epitaxial substrate for semiconductor element - Google Patents

Epitaxial substrate for semiconductor element, semiconductor element, method of manufacturing epitaxial substrate for semiconductor element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial substrate for a semiconductor element in which warpage is suppressed. <P>SOLUTION: In an epitaxial substrate 10 for a semiconductor element in which a group-III nitride layer group is laminated and formed on a foundation substrate 1, the group-III nitride layer group has: a buffer layer 2 in which at least two or more group-III nitride layers are laminated; a channel layer 3 composed of a group-III nitride having a composition of In<SB>x1</SB>Al<SB>y1</SB>Ga<SB>z1</SB>N (0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0<z1≤1, and x1+y1+z1=1); and a barrier layer 4 composed of a group-III nitride having a composition of In<SB>x2</SB>Al<SB>y2</SB>Ga<SB>z2</SB>N (0≤x2≤1, 0<y2≤1, 0≤z2≤1, and x2+y2+z2=1). At least one of the buffer layers 2 is a lattice hole inherent layer 23 having lattice holes. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体により構成される、多層構造を有するエピタキシャル基板、特に、電子デバイス用の多層構造エピタキシャル基板、およびその作製方法に関する。   The present invention relates to an epitaxial substrate composed of a group III nitride semiconductor and having a multilayer structure, in particular, a multilayer structure epitaxial substrate for an electronic device, and a manufacturing method thereof.

窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから次世代の高周波/ハイパワーデバイス用半導体材料として注目されている。例えば、AlGaNからなる障壁層とGaNからなるチャネル層とを積層してなるHEMT(高電子移動度トランジスタ)素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果(自発分極効果とピエゾ分極効果)により積層界面(ヘテロ界面)に高濃度の二次元電子ガス(2DEG)が生成するという特徴を活かしたものである(例えば、非特許文献1参照)。   Nitride semiconductors are attracting attention as semiconductor materials for next-generation high-frequency / high-power devices because they have a high breakdown electric field and a high saturation electron velocity. For example, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) element formed by laminating a barrier layer made of AlGaN and a channel layer made of GaN has a laminated interface due to a large polarization effect (spontaneous polarization effect and piezoelectric polarization effect) peculiar to nitride materials. This utilizes the feature that a high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is generated at the (heterointerface) (see, for example, Non-Patent Document 1).

HEMT素子用基板の下地基板として、その用途や要求価格に応じ、例えばシリコンやSiCのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶(異種単結晶)を用いることがある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である(例えば、特許文献1、特許文献2、および非特許文献2参照)。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたHEMT素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、2次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進する目的として、厚さ1nm前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばAlNなどで構成される。さらには、HEMT素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばn型GaN層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。   As a base substrate of a substrate for HEMT elements, a single crystal (heterogeneous single crystal) having a composition different from that of a group III nitride, such as silicon or SiC, may be used depending on the application and required price. In this case, a buffer layer such as a strained superlattice layer or a low-temperature growth buffer layer is generally formed on the base substrate as an initial growth layer (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document). Reference 2). Therefore, epitaxially forming the barrier layer, the channel layer, and the buffer layer on the base substrate is the most basic configuration of the HEMT element substrate using the base substrate made of different single crystals. In addition, a spacer layer having a thickness of about 1 nm may be provided between the barrier layer and the channel layer for the purpose of promoting spatial confinement of the two-dimensional electron gas. The spacer layer is made of, for example, AlN. Furthermore, a cap layer made of, for example, an n-type GaN layer or a superlattice layer is formed on the barrier layer for the purpose of controlling the energy level at the outermost surface of the substrate for HEMT elements and improving the contact characteristics with the electrode. Sometimes it is done.

上述のようなHEMT素子あるいはその作製に用いる多層構造体であるHEMT素子用基板を実用化するには、電力密度の増大、高効率化などといった性能向上に関連する課題、ノーマリオフ動作化など機能性向上に関連する課題、高信頼性や低価格化といった基本的な課題、など様々な課題を解決する必要がある。   In order to put the HEMT device as described above or a substrate for a HEMT device, which is a multilayer structure used for its production, into practical use, there are issues related to performance improvement such as increased power density and higher efficiency, and functionality such as normally-off operation. It is necessary to solve various issues such as issues related to improvement and basic issues such as high reliability and low price.

例えば、HEMTデバイスの高耐電圧化のために、窒化物膜の総膜厚を増やすなどの試みがなされている(例えば非特許文献3参照)。   For example, attempts have been made to increase the total thickness of nitride films in order to increase the withstand voltage of HEMT devices (see Non-Patent Document 3, for example).

特開2003−59948号公報JP 2003-59948 A 特開2005−158889号公報JP 2005-158889 A

"Highly Reliable 250W High Electron Mobility Transistor Power Amplifier", TOSHIHIDE KIKKAWA, Jpn. J. Appl. Phys. 44,(2005),4896"Highly Reliable 250W High Electron Mobility Transistor Power Amplifier", TOSHIHIDE KIKKAWA, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005), 4896 "Si(111)基板上AlGaN/GaN HEMT構造の多層膜構造検討による厚膜化"、鈴江隆晃、鈴木暢倫、野村幸靖、江川孝志、電子情報通信学会技術研究報告、ED2008-179"Thickening of AlGaN / GaN HEMT structure on Si (111) substrate by studying multilayer structure", Takashi Suzue, Yuri Suzuki, Yuki Nomura, Takashi Egawa, IEICE technical report, ED2008-179 "High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppresion of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semicoductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL", pp.287-290"High power AlGaN / GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppresion of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semicoductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL ", pp.287-290

非特許文献3においては、III族窒化物の総膜厚を増やすことでHEMTデバイスの高耐電圧化を実現する技術が開示されている。特に、非特許文献3に開示されているような、シリコン基板を下地基板とするエピタキシャル基板を用いたデバイスの作製は、エピタキシャル基板の低コスト化やシリコン系回路デバイスとの集積化などの点で利点がある。   Non-Patent Document 3 discloses a technique for realizing high voltage resistance of a HEMT device by increasing the total film thickness of the group III nitride. In particular, as disclosed in Non-Patent Document 3, a device using an epitaxial substrate having a silicon substrate as a base substrate is used in terms of cost reduction of the epitaxial substrate and integration with a silicon-based circuit device. There are advantages.

しかしながら、シリコンと窒化物材料とでは、格子定数の値に大きな差異がある。このことは、シリコン基板と成長膜の界面にてミスフィット転位を発生させたり、核形成から成長に至るタイミングで3次元的な成長モードを促進させる要因となる。換言すれば、転位密度が少なく表面が平坦である良好な窒化物エピタキシャル膜の形成を阻害する要因となっている。   However, there is a large difference in lattice constant values between silicon and nitride materials. This causes misfit dislocations at the interface between the silicon substrate and the growth film, and promotes a three-dimensional growth mode at the timing from nucleation to growth. In other words, it is a factor that hinders the formation of a good nitride epitaxial film having a low dislocation density and a flat surface.

また、シリコンに比べると窒化物材料の熱膨張係数の値は大きいため、シリコン基板上に高温で窒化物膜をエピタキシャル成長させた後、室温付近に降温させる過程において、窒化物膜内には引張応力が働く。その結果として、膜表面においてクラックが発生しやすくなるとともに、基板に大きな反りが発生しやすくなるという問題がある。   In addition, since the value of the thermal expansion coefficient of a nitride material is larger than that of silicon, in the process of epitaxially growing a nitride film on a silicon substrate at a high temperature and then lowering the temperature to near room temperature, a tensile stress is generated in the nitride film. Work. As a result, there are problems that cracks are likely to occur on the film surface and that large warpage is likely to occur on the substrate.

すなわち、サファイア基板やSiC基板を用いる場合に比較して、シリコン基板上に良質な窒化物膜を歩留まりよく形成することは、非常に困難であることが知られている。それゆえ、非特許文献3に開示されているように、III族窒化物の総膜厚を厚くすることによって高耐圧化されたデバイスを、再現性よく安定的に得ることは、容易ではない。   That is, it is known that it is very difficult to form a high-quality nitride film on a silicon substrate with a high yield as compared with the case of using a sapphire substrate or a SiC substrate. Therefore, as disclosed in Non-Patent Document 3, it is not easy to stably obtain a device having a high breakdown voltage by increasing the total thickness of the group III nitride with good reproducibility.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、反りが抑制された、半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an epitaxial substrate for a semiconductor element in which warpage is suppressed.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、下地基板の上にIII族窒化物層群を(0001)結晶面が前記下地基板の基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板であって、前記III族窒化物層群が、少なくとも2層以上のIII族窒化物層が積層された緩衝層と、Inx1Aly1Gaz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0<z1≦1、x1+y1+z1=1)なる組成のIII族窒化物からなるチャネル層と、Inx2Aly2Gaz2N(0≦x2≦1、0<y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)なる組成のIII族窒化物からなる障壁層と、を備え、前記緩衝層の少なくとも1つが、格子空孔を有する格子空孔内在層である、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a semiconductor device in which a group III nitride layer group is laminated on a base substrate so that the (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate. The group III nitride layer group includes a buffer layer in which at least two group III nitride layers are stacked, and In x1 Al y1 Gaz1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1) channel layer made of group III nitride, and In x2 Al y2 Gaz2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 <y2 ≦ 1, 0 ≦ a barrier layer made of a group III nitride having a composition of z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1), and at least one of the buffer layers is a lattice-hole-internal layer having lattice vacancies .

請求項2の発明は、請求項1に記載のエピタキシャル基板であって、前記格子空孔内在層は、VIIIがIII族原子欠陥を表し、VNがN原子欠陥を表すとする場合に、InxAlyGazIII p(1-q)N q(0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦1、0<p<1、x+y+z+p=1、0≦q<1)なる組成式にて表されるIII族窒化物からなる、ことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the epitaxial substrate according to claim 1, wherein the lattice vacancy-containing layer has a structure in which V III represents a group III atom defect and V N represents an N atom defect. In x Al y Ga z V III p N (1-q) V N q (0 ≦ x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1,0 <p <1, x + y + z + p = 1,0 ≦ q <1) A group III nitride represented by the composition formula:

請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル基板であって、0.01≦p≦0.20である、ことを特徴とする。   The invention of claim 3 is the epitaxial substrate according to claim 1 or 2, wherein 0.01 ≦ p ≦ 0.20.

請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記格子空孔内在層の厚さが、2nm以上30nm以下である、ことを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the epitaxial substrate according to any one of the first to third aspects, wherein the thickness of the lattice vacancy inner layer is 2 nm or more and 30 nm or less.

請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記チャネル層が、少なくとも緩衝層と接する部位において、面内方向に圧縮歪みを内在している、ことを特徴とする。   A fifth aspect of the present invention is the epitaxial substrate according to any one of the first to fourth aspects, wherein the channel layer includes a compressive strain in an in-plane direction at least at a portion in contact with the buffer layer. It is characterized by that.

請求項6の発明は、半導体素子を、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板を用いて形成する。   According to a sixth aspect of the present invention, a semiconductor element is formed using the epitaxial substrate for a semiconductor element according to any one of the first to fifth aspects.

請求項7の発明は、下地基板の上にIII族窒化物層群を(0001)結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成することによる半導体素子用のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地基板の上に少なくとも2つ以上のIII族窒化物層を積層することにより緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、前記緩衝層の上にInx1Aly1Gaz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0<z1≦1、x1+y1+z1=1)なる組成のIII族窒化物からなるチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、Inx2Aly2Gaz2N(0≦x2≦1、0<y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)なる組成のIII族窒化物からなる障壁層を形成する障壁層形成工程と、を備え、前記緩衝層形成工程においては、前記緩衝層の少なくとも1つを、格子空孔を有する格子空孔内在層として形成する、ことを特徴とする。 The invention of claim 7 is a method of manufacturing an epitaxial substrate for a semiconductor device by forming a group III nitride layer group on a base substrate so that a (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface. A buffer layer forming step of forming at least two group III nitride layers on the base substrate to form a buffer layer; and In x1 Al y1 Ga z1 N (0 ≦ 1) on the buffer layer. a channel layer forming step of forming a channel layer made of a group III nitride having a composition of x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1), and In x2 Al y2 Gaz2 N (0 ≦ a barrier layer forming step of forming a barrier layer made of a group III nitride having a composition of x2 ≦ 1, 0 <y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1), and in the buffer layer forming step, , At least one of the buffer layers, Forming a lattice vacancies inherent layer having a child holes, characterized in that.

請求項8の発明は、請求項7に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、前記緩衝層形成工程においては、Inx'Aly'Gaz'N(0≦x’≦1、0<y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)なる組成式で表されるIII族窒化物からなる層を形成しこれをアニールすることにより、VIIIがIII族原子欠陥を表し、VNがN原子欠陥を表すとする場合に、InxAlyGazIII p(1-q)N q(0≦x<x’、0<y≦1、0≦z≦1、0<p<1、x+y+z+p=1、0≦q<1)なる組成式にて表される前記格子空孔内在層を形成する、ことを特徴とする。 The invention of claim 8 is the method for manufacturing an epitaxial substrate for a semiconductor device according to claim 7, wherein, in the buffer layer forming step, In x ′ Al y ′ Gaz N (0 ≦ x ′ ≦ 1). by 0 <y '≦ 1,0 ≦ z ' ≦ 1, x '+ y' + z '= 1) comprising forming a layer having a composition III nitride represented by the formula annealing this, V III There represents a group III atoms defects, if V N denote the N atom defects, in x Al y Ga z V III p N (1-q) V N q (0 ≦ x <x ', 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 <p <1, x + y + z + p = 1, 0 ≦ q <1).

請求項9の発明は、請求項7または請求項8に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、前記格子空孔内在層を形成するためのアニールを、水素分圧が5kPa以上100kPa以下でかつ温度が900℃以上1250℃以下の雰囲気下で、3分以上10分以下の保持時間で行う、ことを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the method for manufacturing an epitaxial substrate for a semiconductor device according to claim 7 or claim 8, wherein annealing for forming the lattice vacancy resident layer is performed with a hydrogen partial pressure of 5 kPa or more and 100 kPa. The temperature is 900 ° C. or more and 1250 ° C. or less and the holding time is 3 minutes or more and 10 minutes or less.

請求項10の発明は、半導体素子用エピタキシャル基板を、請求項7ないし請求項9のいずれかに記載の製造方法を用いて作製する。   According to a tenth aspect of the present invention, an epitaxial substrate for a semiconductor device is produced using the production method according to any one of the seventh to ninth aspects.

請求項1ないし請求項10の発明によれば、反りが抑制されたエピタキシャル基板が実現される。特に、シリコンウェハーを下地基板に用いる場合には、反りが抑制されるとともに、サファイア基板やSiC基板などを用いた場合と同程度の特性を有するエピタキシャル基板が実現される。   According to the inventions of claims 1 to 10, an epitaxial substrate in which warpage is suppressed is realized. In particular, when a silicon wafer is used as the underlying substrate, an epitaxial substrate having a property comparable to that when using a sapphire substrate, a SiC substrate, or the like is realized while suppressing warpage.

本発明の第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10の構成を概略的に示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of an epitaxial substrate 10 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20の構成を概略的に示す断面模式図である。4 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of an epitaxial substrate 20 according to a second embodiment of the present invention. FIG. 実施例1に係るエピタキシャル基板10について、当初形成層の組成、加熱放置後に得られる第3緩衝層23の組成、および種々の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the composition of the initially formed layer, the composition of the 3rd buffer layer 23 obtained after heat-standing, and various evaluation results about the epitaxial substrate 10 which concerns on Example 1. FIG. 実施例3に係るエピタキシャル基板10についての第3緩衝層23の厚さと種々の評価結果とを示す図である。6 is a diagram showing the thickness of a third buffer layer 23 and various evaluation results for an epitaxial substrate 10 according to Example 3. FIG. 実施例4に係るエピタキシャル基板10についての、第3緩衝層23を形成する際の加熱放置の条件と種々の評価結果とを示す図である。It is a figure which shows the conditions of the heating leaving at the time of forming the 3rd buffer layer 23, and various evaluation results about the epitaxial substrate 10 which concerns on Example 4. FIG.

<第1の実施の形態>
<エピタキシャル基板の構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10の構成を概略的に示す断面模式図である。エピタキシャル基板10は、下地基板1と、緩衝層2と、チャネル層3と、障壁層4とが積層形成された構成を有する。なお、図1における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
<First Embodiment>
<Configuration of epitaxial substrate>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of an epitaxial substrate 10 according to the first embodiment of the present invention. The epitaxial substrate 10 has a configuration in which a base substrate 1, a buffer layer 2, a channel layer 3, and a barrier layer 4 are stacked. In addition, the ratio of the thickness of each layer in FIG. 1 does not reflect the actual one.

下地基板1は、(111)面の単結晶シリコンウェハーであるのが好適な一例である。その他、SiC、サファイア、GaAs、スピネル、MgO、ZnO、フェライトなどからなる基板を用いる態様であってもよい。   The base substrate 1 is preferably a (111) plane single crystal silicon wafer. In addition, a mode using a substrate made of SiC, sapphire, GaAs, spinel, MgO, ZnO, ferrite, or the like may be used.

緩衝層2と、チャネル層3と、障壁層4とは、それぞれ、ウルツ鉱型のIII族窒化物を(0001)結晶面が下地基板1の基板面に対し略平行となるように、エピタキシャル成長手法によって形成した層である。これらの層の形成は、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により行うのが好適な一例である。   The buffer layer 2, the channel layer 3, and the barrier layer 4 are each formed by an epitaxial growth method using a wurtzite group III nitride so that the (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate 1. It is a layer formed by. These layers are preferably formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).

また、緩衝層2は、III族元素としてIn、Al、Gaの少なくとも1つを含むIII族窒化物にて、数十nm〜数百nm程度の厚みに形成される層である。緩衝層2は、単一のIII族窒化物層であってもよいし、複数のIII族窒化物層が積層された構成を有していてもよい。図1においては、緩衝層2が第1緩衝層21と、第2緩衝層22と、第3緩衝層23との3層からなる場合を例示している。   The buffer layer 2 is a layer formed of a group III nitride containing at least one of In, Al, and Ga as a group III element and having a thickness of about several tens nm to several hundreds nm. The buffer layer 2 may be a single group III nitride layer, or may have a configuration in which a plurality of group III nitride layers are stacked. In FIG. 1, a case where the buffer layer 2 includes three layers of a first buffer layer 21, a second buffer layer 22, and a third buffer layer 23 is illustrated.

ただし、緩衝層2は、これを構成する少なくとも1つの層が(単一の層からなる場合は当該層自体が)、格子空孔を有する格子空孔内在層として形成されてなる。緩衝層2の詳細については後述する。   However, at least one layer constituting the buffer layer 2 (in the case of a single layer, the layer itself) is formed as a lattice-hole-internal layer having lattice vacancies. Details of the buffer layer 2 will be described later.

チャネル層3は、Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1=1)なる組成のIII族窒化物にて、数μm程度の厚みに形成される層である。本実施の形態においては、チャネル層3は、x1=0、0≦y1≦0.3なる組成範囲をみたすように形成される。0.3<y1≦1とした場合には、チャネル層3自身の結晶性の劣化が顕著となり、電気特性が良好なエピタキシャル基板10を得ることが困難となる。 The channel layer 3 is a group III nitride having a composition of In x1 Al y1 Gaz1 N (x1 + y1 + z1 = 1) and is formed to a thickness of about several μm. In the present embodiment, the channel layer 3 is formed so as to satisfy a composition range of x1 = 0 and 0 ≦ y1 ≦ 0.3. In the case of 0.3 <y1 ≦ 1, the crystallinity of the channel layer 3 itself is significantly deteriorated, and it becomes difficult to obtain the epitaxial substrate 10 having good electrical characteristics.

一方、障壁層4は、Inx2Aly2Gaz2N(ただし、x2+y2+z2=1)なる組成のIII族窒化物にて、数nm〜数十nm程度の厚みに形成される層である。 On the other hand, the barrier layer 4 is a group III nitride having a composition of In x2 Al y2 Ga z2 N (where x2 + y2 + z2 = 1) and is formed to a thickness of about several nm to several tens of nm.

このような層構成を有するエピタキシャル基板10においては、チャネル層3と障壁層4の界面がヘテロ接合界面となるので、自発分極効果とピエゾ分極効果により、当該界面に(より詳細には、チャネル層3の当該界面近傍に)二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域が形成される。   In the epitaxial substrate 10 having such a layer structure, the interface between the channel layer 3 and the barrier layer 4 is a heterojunction interface. Therefore, due to the spontaneous polarization effect and the piezoelectric polarization effect, the interface layer (more specifically, the channel layer) A two-dimensional electron gas region in which the two-dimensional electron gas is present in a high concentration is formed in the vicinity of the three interfaces).

なお、係る二次元電子ガスを生成させるために、当該界面は、平均粗さが0.1nm〜3nmの範囲にあり、これを形成するための障壁層4の表面の二乗平均粗さが0.1nm〜3nmの範囲にあるように形成される。なお、係る範囲を超えて平坦な界面が形成される態様であってもよいが、コスト面や製造歩留まりなどを考えると現実的ではない。   In order to generate such a two-dimensional electron gas, the interface has an average roughness in the range of 0.1 nm to 3 nm. It is formed to be in the range of 1 nm to 3 nm. Note that a mode in which a flat interface is formed beyond the range may be possible, but it is not realistic in view of cost and manufacturing yield.

また、好ましくは、平均粗さが0.1nm〜1nmの範囲にあり、障壁層4の表面の5μm×5μm視野における二乗平均粗さが0.1nm〜1nmの範囲にあるように形成される。係る範囲をみたすエピタキシャル基板10の上にソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極を形成してHEMT素子を構成した場合には、ソース電極およびドレイン電極と障壁層4との間において、より良好なオーミック特性が得られるとともに、ゲート電極と障壁層4との間において、より良好なショットキー特性が得られる。加えて、二次元電子ガスの閉じこめ効果がさらに高められ、より高濃度の二次元電子ガスが生成する。   Preferably, the average roughness is in the range of 0.1 nm to 1 nm, and the mean square roughness of the surface of the barrier layer 4 in the 5 μm × 5 μm field of view is in the range of 0.1 nm to 1 nm. When the HEMT device is formed by forming the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode on the epitaxial substrate 10 satisfying such a range, a better ohmic resistance is provided between the source and drain electrodes and the barrier layer 4. Characteristics can be obtained, and better Schottky characteristics can be obtained between the gate electrode and the barrier layer 4. In addition, the confinement effect of the two-dimensional electron gas is further enhanced, and a two-dimensional electron gas with a higher concentration is generated.

以上のような構成を有するエピタキシャル基板10に対し、電極パターンその他の構成要素を適宜に設けることによって、HEMT素子やダイオード素子などの種々の半導体素子を得ることができる。   Various semiconductor elements such as HEMT elements and diode elements can be obtained by appropriately providing electrode patterns and other components to the epitaxial substrate 10 having the above-described configuration.

<緩衝層>
次に、緩衝層2についてより詳細に説明する。緩衝層2は、下地基板1と、上部に形成されるチャネル層3や障壁層4などの機能層との間の、格子定数差や熱膨張係数差に由来する結晶品質の劣化やエピタキシャル基板10の反りやクラックの発生などを抑制させる目的で、設けられる層である。本実施の形態では、緩衝層2を、それぞれの組成が異なる第1緩衝層21と、第2緩衝層22と、第3緩衝層23の3層にて構成するものとする。そして、以下においては、第3緩衝層23が格子空孔内在層である場合について説明する。
<Buffer layer>
Next, the buffer layer 2 will be described in more detail. The buffer layer 2 is formed by the deterioration of the crystal quality caused by the difference in lattice constant or the difference in thermal expansion coefficient between the underlying substrate 1 and the functional layers such as the channel layer 3 and the barrier layer 4 formed thereon, and the epitaxial substrate 10. This layer is provided for the purpose of suppressing the occurrence of warpage and cracks. In the present embodiment, the buffer layer 2 is constituted by three layers of a first buffer layer 21, a second buffer layer 22, and a third buffer layer 23 having different compositions. In the following, the case where the third buffer layer 23 is a lattice-hole inner layer will be described.

第1緩衝層21は、AlNからなる層である。第1緩衝層21は、40nmから200nm程度の厚みを有するように形成される。   The first buffer layer 21 is a layer made of AlN. The first buffer layer 21 is formed to have a thickness of about 40 nm to 200 nm.

第2緩衝層22は、チャネル層3の上に形成された、InxxAlyyGazzN(xx+yy+zz=1、0≦xx<1、0≦yy<1、0<zz≦1)なる組成のIII族窒化物からなる層である。好ましくは、第2緩衝層22は、AlyyGazzN(yy+zz=1、0≦yy<1、0<zz≦1)なる組成のIII族窒化物からなる。第2緩衝層22は、数十nm程度の厚みを有するように形成される。 The second buffer layer 22 is formed on the channel layer 3 and has a composition of In xx Al yy Ga zz N (xx + yy + zz = 1, 0 ≦ xx <1, 0 ≦ yy <1, 0 <zz ≦ 1). It is a layer made of group III nitride. Preferably, the second buffer layer 22 is made of a group III nitride having a composition of Al yy Ga zz N (yy + zz = 1, 0 ≦ yy <1, 0 <zz ≦ 1). The second buffer layer 22 is formed to have a thickness of about several tens of nm.

第3緩衝層23は、少なくともIII族原子の存在比が化学量論比(III族原子:窒素原子=1:1)よりも少なく、結晶格子におけるIII族原子の配置位置に格子空孔が存在してなる格子欠陥内在層である。あるいはさらに、窒素原子の配置位置についても格子空孔となっていてもよい。すなわち、第3緩衝層23は、III族窒化物VIIIがIII族原子欠陥を表し、VNがN原子欠陥を表すとする場合に、InxAlyGazIII p(1-q)N q(0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦1、0<p<1、x+y+z+p=1、0≦q<1)なる組成式にて形式的に表すことのできるIII族窒化物からなる。ここで、III族原子欠陥の比率を表すpの値は、0.01≦p≦0.20をみたすのが好適である。また、どのIII族原子の配置位置が格子空孔となっていてもよいが、後述する態様にてエピタキシャル基板10を作製する場合であれば、Inの蒸気圧がGa、Alの蒸気圧に比べて大きいために、In原子の配置位置が優先的に格子空孔となりやすい。また、第3緩衝層23の厚みは、30nm以下とするのが好ましい。30nmを超える厚みを有する場合、エピタキシャル基板10の表面に白濁が生じる。このような白濁の発生は、二次元電子ガス密度および電子移動度の極端な減少が生じるので好ましくない。なお、係る白濁は、第3緩衝層23の形成条件が適切でない場合にも発生しうる。 The third buffer layer 23 has at least a group III atom abundance ratio lower than the stoichiometric ratio (group III atom: nitrogen atom = 1: 1), and there is a lattice vacancy at the position where the group III atom is arranged in the crystal lattice. This is a lattice defect underlying layer. Or, furthermore, the arrangement positions of nitrogen atoms may be lattice vacancies. That is, the third buffer layer 23, when the group III nitride V III represents the group III atoms defects, V N denote the N atom defects, In x Al y Ga z V III p N (1-q ) V N q (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 <p <1, x + y + z + p = 1, 0 ≦ q <1) Made of Group III nitride. Here, it is preferable that the value of p representing the ratio of group III atom defects satisfies 0.01 ≦ p ≦ 0.20. In addition, any group III atom may be arranged at lattice vacancies, but if the epitaxial substrate 10 is manufactured in the manner described later, the vapor pressure of In is higher than the vapor pressures of Ga and Al. Therefore, the arrangement position of In atoms tends to preferentially become lattice vacancies. The thickness of the third buffer layer 23 is preferably 30 nm or less. When the thickness exceeds 30 nm, white turbidity occurs on the surface of the epitaxial substrate 10. Such white turbidity is not preferable because two-dimensional electron gas density and electron mobility are extremely reduced. Such cloudiness can also occur when the formation conditions of the third buffer layer 23 are not appropriate.

エピタキシャル基板10においては、このような構成を有する緩衝層2の上にチャネル層3および障壁層4が形成されてなることで、チャネル層3が、少なくとも緩衝層2と接する部位(換言すれば、緩衝層2との界面近傍)において、面内方向の圧縮歪みを内在した状態となっている。係る態様にて内部に圧縮歪みが作用することによって、エピタキシャル基板10におけるクラックの発生および反りが抑制されてなる。具体的には、曲率半径を測定した場合に、100m以上という値が得られる。   In the epitaxial substrate 10, the channel layer 3 and the barrier layer 4 are formed on the buffer layer 2 having such a configuration, so that the channel layer 3 is at least in contact with the buffer layer 2 (in other words, In the vicinity of the interface with the buffer layer 2, the compressive strain in the in-plane direction is inherent. In such an embodiment, when compressive strain acts on the inside, the occurrence of cracks and warpage in the epitaxial substrate 10 are suppressed. Specifically, when the radius of curvature is measured, a value of 100 m or more is obtained.

また、チャネル層3と障壁層4とから構成される機能層についての転位密度は6×109/cm2以下である。MOCVD法によりサファイア基板またはSiC基板上に低温GaNバッファ層などを介して同じ総膜厚のIII族窒化物層群を形成した場合の転位密度の値は、おおよそ5×108〜1×1010/cm2の範囲であるので、上述の結果は、サファイア基板あるいはSiC基板を用いた場合と転位密度が同程度であるエピタキシャル基板が、サファイア基板よりも安価な単結晶シリコンウェハーを下地基板1として用いて実現されたことを意味している。 The dislocation density of the functional layer composed of the channel layer 3 and the barrier layer 4 is 6 × 10 9 / cm 2 or less. The value of dislocation density when a group III nitride layer group having the same total film thickness is formed on a sapphire substrate or SiC substrate via a low-temperature GaN buffer layer or the like by MOCVD is approximately 5 × 10 8 to 1 × 10 10. since the range of / cm 2, the above results, the epitaxial substrate dislocation density and the case of using a sapphire substrate or SiC substrate is same degree, inexpensive single-crystal silicon wafer than the sapphire substrate as the base substrate 1 It means that it was realized by using.

また、エピタキシャル基板10の電子移動度、二次元電子ガス密度は、障壁層組成や障壁層厚さに対する依存性があるので一律に示すことが出来ないが、それぞれ、1000〜1500cm2/Vs、1.0×1013〜2.0×1013/cm2程度であり、チャネル層の比抵抗は1×105〜1×108Ωcm程度である。これらについても、転位密度と同様、サファイア基板やSiC基板を用いた総膜厚が同じエピタキシャル基板(以下、従来基板)と同程度の値である。 In addition, the electron mobility and the two-dimensional electron gas density of the epitaxial substrate 10 cannot be uniformly shown because they are dependent on the barrier layer composition and the barrier layer thickness, but are 1000 to 1500 cm 2 / Vs, 1 It is about 0.0 × 10 13 to 2.0 × 10 13 / cm 2 , and the specific resistance of the channel layer is about 1 × 10 5 to 1 × 10 8 Ωcm. Also in these cases, like the dislocation density, the total film thickness using the sapphire substrate or the SiC substrate is the same value as that of the same epitaxial substrate (hereinafter, conventional substrate).

よって、このような特性を有するエピタキシャル基板を用いて半導体素子を形成すれば、総膜厚が同程度の従来基板を用いた場合と同等の耐電圧を有する半導体素子を安定的に得ることが可能となる。   Therefore, by forming a semiconductor element using an epitaxial substrate having such characteristics, it is possible to stably obtain a semiconductor element having a withstand voltage equivalent to that when a conventional substrate having the same total film thickness is used. It becomes.

以上、説明したように、本実施の形態によれば、下地基板としてシリコン基板を用い、かつ、下地基板とチャネル層との間に緩衝層を形成し、その少なくとも一部を格子空孔内在層として設けることで、反りが抑制されてなるとともに、サファイア基板やSiC基板などを用いた場合と同程度の特性を有するエピタキシャル基板が実現される。   As described above, according to the present embodiment, a silicon substrate is used as a base substrate, and a buffer layer is formed between the base substrate and the channel layer, and at least a part of the buffer layer is a lattice vacant layer. As a result, it is possible to suppress the warpage and to realize an epitaxial substrate having characteristics similar to those when a sapphire substrate or a SiC substrate is used.

なお、以上の説明においては、シリコン基板を下地基板とする場合を対象に説明しているが、緩衝層の少なくとも一部を格子空孔内在層とすることによる反り抑制の効果は、他の種類の下地基板を用いた場合であっても、同様に得ることができる。   In the above description, the case where the silicon substrate is used as the base substrate has been described. However, the effect of suppressing warpage by using at least a part of the buffer layer as the lattice hole inner layer is different from that of other types. Even in the case of using the underlying substrate, it can be obtained similarly.

<エピタキシャル基板の製造方法>
次に、MOCVD法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板10を製造する方法について概説する。
<Epitaxial substrate manufacturing method>
Next, an outline of a method for manufacturing the epitaxial substrate 10 will be described by taking the case of using the MOCVD method as an example.

まず、下地基板1として(111)面の単結晶シリコンウェハーを用意し、希フッ酸洗浄により自然酸化膜を除去し、さらにその後、SPM洗浄を施してウェハー表面に厚さ数Å程度の酸化膜が形成された状態とする。これをMOCVD装置のリアクタ内にセットする。   First, a (111) plane single crystal silicon wafer is prepared as the base substrate 1, and the natural oxide film is removed by dilute hydrofluoric acid cleaning. Is formed. This is set in the reactor of the MOCVD apparatus.

そして所定の加熱条件とガス雰囲気のもとで各層を形成する。まず、AlNからなる第1緩衝層21は、基板温度を800℃以上、1200℃以下の所定の形成温度に保ち、リアクタ内圧力を0.1kPa〜30kPa程度とした状態で、アルミニウム原料であるTMA(トリメチルアルミニウム)バブリングガスとNH3ガスとを適宜のモル流量比にてリアクタ内に導入し、成膜速度を20nm/min以上、目標膜厚を200nm以下、とすることによって、形成させることができる。 Then, each layer is formed under a predetermined heating condition and gas atmosphere. First, the first buffer layer 21 made of AlN is a TMA which is an aluminum raw material in a state where the substrate temperature is kept at a predetermined formation temperature of 800 ° C. or more and 1200 ° C. or less and the reactor internal pressure is about 0.1 kPa to 30 kPa. (Trimethylaluminum) Bubbling gas and NH 3 gas are introduced into the reactor at an appropriate molar flow ratio, and the film formation rate is set to 20 nm / min or more and the target film thickness is set to 200 nm or less. it can.

第2緩衝層22の形成は、第1緩衝層21の形成後、基板温度を800℃以上1200℃以下の所定の形成温度に保ち、リアクタ内圧力を0.1kPa〜100kPaとした状態で、ガリウム原料であるTMG(トリメチルガリウム)バブリングガスとNH3ガスとを、あるいはさらに、インジウム原料であるTMI(トリメチルインジウム)バブリングガスあるいはTMAバブリングガスを、作製しようとする第2緩衝層22の組成に応じた所定の流量比にてリアクタ内に導入し、NH3とTMI、TMA、およびTMGの少なくとも1つを反応させることにより実現される。 After the formation of the first buffer layer 21, the second buffer layer 22 is formed in a state where the substrate temperature is maintained at a predetermined formation temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower and the reactor pressure is 0.1 kPa to 100 kPa. Depending on the composition of the second buffer layer 22 to be produced, TMG (trimethylgallium) bubbling gas and NH 3 gas as raw materials, or TMI (trimethylindium) bubbling gas or TMA bubbling gas as indium raw materials are used. It is realized by introducing into the reactor at a predetermined flow rate ratio and reacting NH 3 with at least one of TMI, TMA, and TMG.

第3緩衝層23の形成にあたっては、第2緩衝層23の形成後、まず、Inx'Aly'Gaz'N(0≦x’≦1、0<y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)なる組成式で表されるIII族窒化物からなる層(これを当初形成層と称する)を形成する。係る当初形成層は、III族原子と窒素原子とを化学量論比にて含む層である。これは、基板温度を650℃以上900℃以下の所定の形成温度に保ち、リアクタ内圧力を1kPa〜30kPaとした状態で、TMGバブリングガス、TMIバブリングガス、およびTMAバブリングガスとNH3ガスを上記組成に応じた所定の流量比にてリアクタ内に導入することにより実現される。 In the formation of the third buffer layer 23, after the formation of the second buffer layer 23, first, In x ′ Aly Gaz N (0 ≦ x ′ ≦ 1, 0 <y ′ ≦ 1, 0 ≦ z ′) A layer made of a group III nitride represented by a composition formula of ≦ 1, x ′ + y ′ + z ′ = 1) (this is referred to as an initially formed layer) is formed. Such an initially formed layer is a layer containing a group III atom and a nitrogen atom in a stoichiometric ratio. This is because the TMG bubbling gas, the TMI bubbling gas, the TMA bubbling gas, and the NH 3 gas are kept in the state where the substrate temperature is kept at a predetermined formation temperature of 650 ° C. or more and 900 ° C. or less and the pressure in the reactor is 1 kPa to 30 kPa. It implement | achieves by introduce | transducing in a reactor by the predetermined | prescribed flow rate ratio according to a composition.

当初形成層が形成されると、リアクタへのTMGバブリングガス、TMIバブリングガス、およびTMAバブリングガスの導入を停止し、リアクタ内の水素分圧が5kPa〜100kPaの範囲内の値となるようにリアクタ内の全圧およびNH3ガス、N2ガス、H2ガスの供給流量を調整する。そして、基板温度を900℃〜1300℃の範囲内に保ち、3分間〜10分の間放置する。すると、係る加熱放置の過程で、III族原子の当初形成層からの脱離が生じる。当初形成層中にIn原子が存在する場合には、蒸気圧の高いIn原子がAl原子、Ga原子よりも優先的に脱離する。これにより、格子空孔を内在する第3緩衝層23が形成される。 When the initial formation layer is formed, the introduction of TMG bubbling gas, TMI bubbling gas, and TMA bubbling gas into the reactor is stopped, and the reactor is set so that the hydrogen partial pressure in the reactor becomes a value in the range of 5 kPa to 100 kPa. The total pressure and the supply flow rate of NH 3 gas, N 2 gas, and H 2 gas are adjusted. Then, the substrate temperature is kept in the range of 900 ° C. to 1300 ° C. and left for 3 minutes to 10 minutes. Then, the group III atoms are detached from the initial formation layer in the process of being left to heat. When In atoms are present in the initially formed layer, In atoms having a high vapor pressure are desorbed preferentially over Al atoms and Ga atoms. Thereby, the third buffer layer 23 including the lattice vacancies is formed.

なお、係る手法にて第3緩衝層23を形成する場合、加熱放置前の当初形成層と加熱放置後の第3緩衝層23の平均膜厚に明確な変化が生じないことが、あらかじめ確認されている。従って、第3緩衝層23の形成にあたっては、その目標膜厚に相当する厚みの当初形成層を形成しておくことで、所望の厚みの第3緩衝層23を形成することができる。   In addition, when forming the 3rd buffer layer 23 by such a method, it is confirmed beforehand that a clear change does not arise in the average film thickness of the 3rd buffer layer 23 after an initial formation layer before heating leaving and the heating leaving stand. ing. Therefore, in forming the third buffer layer 23, the third buffer layer 23 having a desired thickness can be formed by forming an initial formation layer having a thickness corresponding to the target film thickness.

チャネル層3と障壁層4の形成は、第3緩衝層23の形成後、基板温度を800℃以上1200℃以下の所定の形成温度に保ち、リアクタ内圧力を0.1kPa〜100kPaとした状態で、TMIバブリングガス、TMAバブリングガス、あるいはTMGバブリングガスの少なくとも1つとNH3ガスとを、作製しようとするチャネル層3および障壁層4の組成に応じた流量比にてリアクタ内に導入し、NH3とTMI、TMA、およびTMGの少なくとも1つとを反応させることにより実現される。 The channel layer 3 and the barrier layer 4 are formed after the third buffer layer 23 is formed in a state where the substrate temperature is maintained at a predetermined formation temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower and the reactor pressure is 0.1 kPa to 100 kPa. At least one of TMI bubbling gas, TMA bubbling gas, or TMG bubbling gas and NH 3 gas are introduced into the reactor at a flow ratio according to the composition of the channel layer 3 and the barrier layer 4 to be produced. This is realized by reacting 3 with at least one of TMI, TMA, and TMG.

以上の方法によれば、緩衝層を形成するプロセスにおいて、当初形成層を設けた後、所定のガス雰囲気のもとで加熱放置するという、極めて実現容易な方法によって、格子空孔内在層を形成することができることから、結果として、反りの抑制されたエピタキシャル基板を高い歩留まりで安定的に作製することができる。   According to the above method, in the process of forming the buffer layer, after the initial formation layer is provided, the lattice vacancy inner layer is formed by a method that is extremely easy to realize by heating and leaving under a predetermined gas atmosphere. Therefore, as a result, an epitaxial substrate in which warpage is suppressed can be stably manufactured with a high yield.

<第2の実施の形態>
上述したように、緩衝層2の少なくとも一部に格子空孔内在層を設けることによりエピタキシャル基板の反りを抑制することが可能である。本実施の形態においては、第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10とは異なる構成の緩衝層2を有するエピタキシャル基板について説明する。なお、以降においては、第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
<Second Embodiment>
As described above, it is possible to suppress the warpage of the epitaxial substrate by providing the lattice vacant layer in at least a part of the buffer layer 2. In the present embodiment, an epitaxial substrate having buffer layer 2 having a configuration different from that of epitaxial substrate 10 according to the first embodiment will be described. In the following, constituent elements having the same operational effects as constituent elements of epitaxial substrate 10 according to the first embodiment will be given the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.

図2は、本発明の第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20の構成を概略的に示す断面模式図である。エピタキシャル基板20は、緩衝層2が第3緩衝層23の上に超格子構造を有する第4緩衝層24を備える点で第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10と相違する。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the configuration of the epitaxial substrate 20 according to the second embodiment of the present invention. The epitaxial substrate 20 is different from the epitaxial substrate 10 according to the first embodiment in that the buffer layer 2 includes a fourth buffer layer 24 having a superlattice structure on the third buffer layer 23.

第4緩衝層24は、第3緩衝層23の上に、相異なる組成の2種類のIII族窒化物層である第1単位層24aと第2単位層24bとを繰り返し交互に積層することにより形成されてなる。ここで、1つの第1単位層24aと1つの第2単位層24bとの組をペア層とも称する。第1単位層24aをAlwGa1-wN(0≦w≦1)にて数十nm程度の厚みに形成し、第2単位層24bをAlNにて数nm程度の厚みに形成するのが好適な一例である。 The fourth buffer layer 24 is formed by alternately and alternately stacking the first unit layer 24a and the second unit layer 24b, which are two types of group III nitride layers having different compositions, on the third buffer layer 23. Formed. Here, a set of one first unit layer 24a and one second unit layer 24b is also referred to as a pair layer. The first unit layer 24a is formed with Al w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 1) to a thickness of about several tens of nm, and the second unit layer 24b is formed with AlN to a thickness of about several nm. Is a suitable example.

係る第4緩衝層24を備えることで、エピタキシャル基板10におけるIII族窒化物層群の総膜厚が増加し、結果として、半導体素子における耐電圧が向上するという効果が得られる。なお、第4緩衝層24を設けたとしても、形成条件が好適に設定されていれば、チャネル層3および障壁層4の結晶品質は十分良好な程度に(第4緩衝層24を有さない場合と同程度に)確保される。   By providing the fourth buffer layer 24, the total film thickness of the group III nitride layer group in the epitaxial substrate 10 is increased, and as a result, the withstand voltage in the semiconductor element is improved. Even when the fourth buffer layer 24 is provided, the crystal quality of the channel layer 3 and the barrier layer 4 is sufficiently good (not having the fourth buffer layer 24) if the formation conditions are suitably set. As much as the case).

このような第4緩衝層24を備えることで、エピタキシャル基板20においては、第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10よりも、下地基板1上に形成したIII族窒化物層群(緩衝層2、チャネル層3、障壁層4の全体)が厚膜化されてなる。よって、エピタキシャル基板20を用いることで、エピタキシャル基板10を用いた場合に比して、より高い耐圧性を有する半導体素子を形成することができる。係る半導体素子の耐電圧は、第1の実施の形態と同様に、総膜厚の同じ従来基板を用いた場合と同程度である。   By providing such a fourth buffer layer 24, the epitaxial substrate 20 has a group III nitride layer group (buffer layer 2) formed on the base substrate 1 rather than the epitaxial substrate 10 according to the first embodiment. The channel layer 3 and the barrier layer 4 as a whole are made thick. Therefore, by using the epitaxial substrate 20, it is possible to form a semiconductor element having higher withstand voltage than when the epitaxial substrate 10 is used. The withstand voltage of the semiconductor element is the same as that in the case of using a conventional substrate having the same total film thickness, as in the first embodiment.

(実施例1)
本実施例では、第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10を作製した。具体的には、第3緩衝層23の組成が異なる7種のエピタキシャル基板10(試料a−1〜a−7)を作製した。図3に、実施例1に係るエピタキシャル基板10について、当初形成層の組成、加熱放置後に得られる第3緩衝層23の組成、および種々の評価結果を示している。
Example 1
In this example, the epitaxial substrate 10 according to the first embodiment was produced. Specifically, seven types of epitaxial substrates 10 (samples a-1 to a-7) having different compositions of the third buffer layer 23 were produced. FIG. 3 shows the composition of the initially formed layer, the composition of the third buffer layer 23 obtained after being left to heat, and various evaluation results for the epitaxial substrate 10 according to Example 1.

まず、それぞれの試料について、下地基板1として(111)面の単結晶シリコンウェハー(以下、シリコンウェハー)を用意した。用意したシリコンウェハーに、フッ化水素酸/純水=1/10(体積比)なる組成の希フッ酸による希フッ酸洗浄と硫酸/過酸化水素水=1/1(体積比)なる組成の洗浄液によるSPM洗浄とを施して、ウェハー表面に厚さ数Åの酸化膜が形成された状態とし、これをMOCVD装置のリアクタ内にセットした。次いで、リアクタ内を水素・窒素混合雰囲気とし、基板温度がチャネル層形成温度である1050℃となるまで加熱した。   First, for each sample, a (111) plane single crystal silicon wafer (hereinafter referred to as a silicon wafer) was prepared as the base substrate 1. The prepared silicon wafer was washed with dilute hydrofluoric acid with a composition of hydrofluoric acid / pure water = 1/10 (volume ratio) and sulfuric acid / hydrogen peroxide solution = 1/1 (volume ratio). An SPM cleaning with a cleaning liquid was performed to form an oxide film having a thickness of several millimeters on the wafer surface, which was set in the reactor of the MOCVD apparatus. Next, the reactor was heated to a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere until the substrate temperature reached 1050 ° C., which is the channel layer formation temperature.

基板温度が1050℃に達すると、リアクタ内にNH3ガスを導入し、5分間、基板表面をNH3ガス雰囲気に晒した。 When the substrate temperature reached 1050 ° C., NH 3 gas was introduced into the reactor, and the substrate surface was exposed to an NH 3 gas atmosphere for 5 minutes.

その後、TMAバブリングガスをリアクタ内に導入し、NH3とTMAを反応させることによって第1緩衝層21としてのAlN層を平均膜厚が100nm程度となるように形成した。その際、リアクタ内圧力は10kPaとした。 Then, TMA bubbling gas was introduced into the reactor, and NH 3 and TMA were reacted to form an AlN layer as the first buffer layer 21 so that the average film thickness was about 100 nm. At that time, the pressure in the reactor was 10 kPa.

第1緩衝層21が形成されると、続いて、基板温度を1050℃とし、リアクタ内圧力を10kPaとして、TMGバブリングガスをリアクタ内にさらに導入し、NH3とTMAならびにTMGとの反応により、第2緩衝層22としてのAl0.3Ga0.7N層を平均膜厚が50nm程度となるように形成した。 When the first buffer layer 21 is formed, subsequently, the substrate temperature is set to 1050 ° C., the pressure in the reactor is set to 10 kPa, TMG bubbling gas is further introduced into the reactor, and the reaction of NH 3 with TMA and TMG An Al 0.3 Ga 0.7 N layer as the second buffer layer 22 was formed to have an average film thickness of about 50 nm.

第2緩衝層22が形成されると、続いて、基板温度を800℃とし、リアクタ内圧力を10kPaとして、TMIバブリングガスをリアクタ内にさらに導入し、NH3とTMAとTMGならびにTMIとの反応により、当初形成層としてのInx'Aly'Gaz'N層を図3に示す組成比をみたすように形成した。その際、当初形成層の平均膜厚が20nm程度となるようにした。 When the second buffer layer 22 is formed, subsequently, the substrate temperature is set to 800 ° C., the pressure in the reactor is set to 10 kPa, TMI bubbling gas is further introduced into the reactor, and the reaction between NH 3 , TMA, TMG, and TMI is performed. Thus, an In x ′ Al y ′ Gaz N layer as an initial formation layer was formed so as to satisfy the composition ratio shown in FIG. At that time, the average film thickness of the initially formed layer was set to about 20 nm.

当初形成層が形成されると、続いて、リアクタ内へのTMAとTMGならびにTMIの導入を止め、リアクタ内の水素分圧が50kPaとなるように、全圧とNH3ガス、N2ガス、およびH2ガスの供給流量を調整したうえで、基板温度を1050℃とし、III族原子を脱離させるべく、5分間加熱放置した。ただし、試料a−6についてのみ、水素分圧を5kPaとした。なお、加熱放置前の当初形成層と加熱放置後の第3緩衝層23の平均膜厚に明確な変化はなかった。 When the initial formation layer is formed, the introduction of TMA, TMG, and TMI into the reactor is stopped, and the total pressure and NH 3 gas, N 2 gas, so that the hydrogen partial pressure in the reactor becomes 50 kPa, After adjusting the flow rate of H 2 gas and the H 2 gas, the substrate temperature was set to 1050 ° C., and the substrate was heated for 5 minutes to desorb group III atoms. However, the hydrogen partial pressure was set to 5 kPa only for sample a-6. It should be noted that there was no clear change in the average film thickness of the initially formed layer before being left to heat and the third buffer layer 23 after being left to heat.

試料a−1〜a−7について、XPS(X線光電子分光)により第3緩衝層23の組成を調べたところ、図3に示すように、得られた試料a−1〜a−7のうち、当初形成層にInを含んでいなかった試料a−1を除いて、Inが脱離していることが確認された。特に、試料a−6を除いては、第3緩衝層23から完全にInが脱離していた。試料a−1においては、他のIII族原子の脱離も認められなかった。すなわち、試料a−1は、加熱放置後も第3緩衝層23が化学量論比を有するものとなっていた。   Regarding the samples a-1 to a-7, the composition of the third buffer layer 23 was examined by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). As shown in FIG. 3, among the obtained samples a-1 to a-7, In addition, it was confirmed that In was desorbed except for sample a-1 in which In was not included in the initially formed layer. In particular, In was completely detached from the third buffer layer 23 except for the sample a-6. In sample a-1, the elimination of other group III atoms was not observed. That is, in the sample a-1, the third buffer layer 23 had a stoichiometric ratio even after being left to heat.

また、当初形成層と第3緩衝層23のそれぞれについてXRD(X線回折)測定を行ったところ、両者の間で回折ピークの位置にほとんど差異が見られなかった。これは、第3緩衝層23が、当初形成層の結晶格子を保ちつつ格子空孔を有していることを意味している。   Further, when XRD (X-ray diffraction) measurement was performed on each of the initially formed layer and the third buffer layer 23, there was almost no difference in the position of the diffraction peak between the two. This means that the third buffer layer 23 has lattice vacancies while maintaining the crystal lattice of the initially formed layer.

第3緩衝層23の形成後、基板温度を1050℃とし、リアクタ内圧力を30kPaとして、TMGとNH3を反応させて、チャネル層3としてのGaN層を約1μmの厚さで形成した。 After the formation of the third buffer layer 23, the substrate temperature was set to 1050 ° C., the reactor internal pressure was set to 30 kPa, and TMG and NH 3 were reacted to form the GaN layer as the channel layer 3 with a thickness of about 1 μm.

次いで、基板温度を1050℃とし、リアクタ内圧力を10kPaとして、TMAとTMGとNH3を反応させて、障壁層4としてのAl0.2Ga0.8N層を20nmの厚さで形成した。 Next, the substrate temperature was 1050 ° C., the pressure in the reactor was 10 kPa, and TMA, TMG, and NH 3 were reacted to form an Al 0.2 Ga 0.8 N layer as the barrier layer 4 with a thickness of 20 nm.

以上により、エピタキシャル基板10が得られた。なお、得られたエピタキシャル基板10において、シリコンウェハー上に形成されたIII族窒化物層群の総膜厚は約1.2μmであった。   Thus, the epitaxial substrate 10 was obtained. In the obtained epitaxial substrate 10, the total film thickness of the group III nitride layer group formed on the silicon wafer was about 1.2 μm.

さらに、得られたエピタキシャル基板について、曲率半径の測定、クラック密度の測定、および白濁発生の有無の評価を行った。   Furthermore, about the obtained epitaxial substrate, the measurement of the curvature radius, the measurement of a crack density, and the presence or absence of white turbidity generation were performed.

曲率半径の測定は、レーザー射入射干渉計による干渉縞を位相シフト法により画像解析することにより行った。その結果、図3に示すように、試料a−1を除いて100m以上という値が得られた。係る結果は、第3緩衝層23を格子空孔内在層として設けることで、反りが抑制されたエピタキシャル基板が得られることを示している。   The radius of curvature was measured by analyzing the image of interference fringes by a laser incident interferometer using the phase shift method. As a result, as shown in FIG. 3, a value of 100 m or more was obtained except for the sample a-1. Such a result indicates that an epitaxial substrate in which warpage is suppressed can be obtained by providing the third buffer layer 23 as an inner layer of lattice vacancies.

クラック密度の測定は、微分干渉顕微鏡画像に引いた単位長の直線を横切るクラック数をカウントすることにより行った。その結果、図3に示すように、試料a−5を除いてはクラックが確認されなかった。係る結果は、格子空孔の存在比pを0.2以下とすることで、クラックの発生が抑制されたエピタキシャル基板が得られることを示している。   The crack density was measured by counting the number of cracks crossing the unit length straight line drawn on the differential interference microscope image. As a result, as shown in FIG. 3, no cracks were confirmed except for the sample a-5. The result shows that an epitaxial substrate in which the occurrence of cracks is suppressed can be obtained by setting the abundance ratio p of the lattice vacancies to 0.2 or less.

白濁発生の有無は、目視により評価した。本実施例においては、試料a−1〜a−7のいずれにおいても、白濁は確認されなかった。   The presence or absence of white turbidity was evaluated visually. In this example, no cloudiness was observed in any of samples a-1 to a-7.

(実施例2)
実施例1で得られた試料a−3のエピタキシャル基板を対象に、さらに種々の評価を行った。
(Example 2)
Various evaluations were further performed on the epitaxial substrate of the sample a-3 obtained in Example 1.

まず、そのチャネル層3と障壁層4とのAlGaN/GaN積層構造について、電子移動度、2次元電子密度、比抵抗、および転位密度を測定した。   First, the electron mobility, two-dimensional electron density, specific resistance, and dislocation density of the AlGaN / GaN laminated structure of the channel layer 3 and the barrier layer 4 were measured.

その結果、電子移動度は約1300cm2/Vsであり、2次元電子密度は約1×1013/cm2であり、チャネル層の比抵抗は1×108Ωcmであった。また、転位密度は4×109/cm2であった。これらは、従来基板のGaN層と同程度の値である。 As a result, the electron mobility was about 1300 cm 2 / Vs, the two-dimensional electron density was about 1 × 10 13 / cm 2 , and the specific resistance of the channel layer was 1 × 10 8 Ωcm. The dislocation density was 4 × 10 9 / cm 2 . These are the same values as the GaN layer of the conventional substrate.

また、チャネル層3を構成するGaNの格子長(c軸長)を、NDB法(nano-beam diffraction method)を用いて測定した。その結果、緩衝層2と接する部位のc軸長が、0.5190nmとなっていた。これは、バルクGaNのc軸長の値0.5185nmよりも大きな値である。係る結果は、チャネル層3が、少なくとも緩衝層2と接する部位において面内方向に圧縮歪みを内在していることを、指し示している。   Further, the lattice length (c-axis length) of GaN constituting the channel layer 3 was measured using an NDB method (nano-beam diffraction method). As a result, the c-axis length of the part in contact with the buffer layer 2 was 0.5190 nm. This is a value larger than the value of 0.5185 nm of the c-axis length of bulk GaN. Such a result indicates that the channel layer 3 inherently has a compressive strain in the in-plane direction at least at a portion in contact with the buffer layer 2.

さらに、ショットキー特性を調べるべく、試料a−3を用いてショットキーダイオードを作製した。具体的には、フォトリソグラフィープロセスにより、障壁層4の上に、アノード電極としてPt電極を形成するとともにカソード電極としてTi/Alオーミック電極を形成し、電極間隔10μmの同心円型ショットキーダイオードを作製した。   Furthermore, in order to investigate the Schottky characteristics, a Schottky diode was fabricated using Sample a-3. Specifically, a Pt electrode as an anode electrode and a Ti / Al ohmic electrode as a cathode electrode were formed on the barrier layer 4 by a photolithography process, and a concentric Schottky diode with an electrode interval of 10 μm was produced. .

得られたショットキーダイオードについて、シリコンウェハーとカソード電極とをともに接地した状態で、逆方向電流−電圧特性を評価した。その結果、印加電圧100V時のリーク電流が1×10-5A/cm2であり、耐電圧が180Vであった。これらは、従来基板を用いて同様に作製したショットキーダイオードについてのリーク電流および耐電圧と同程度の値である。 With respect to the obtained Schottky diode, the reverse current-voltage characteristics were evaluated in a state where the silicon wafer and the cathode electrode were both grounded. As a result, the leakage current at an applied voltage of 100 V was 1 × 10 −5 A / cm 2 and the withstand voltage was 180 V. These values are comparable to the leakage current and the withstand voltage of a Schottky diode manufactured in the same manner using a conventional substrate.

(比較例1)
本比較例では、当初形成層の形成後、加熱放置を行わない他は、試料a−3と同条件でエピタキシャル基板を作製した。すなわち、格子空孔内在層を備えないエピタキシャル基板を作製した。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, an epitaxial substrate was fabricated under the same conditions as Sample a-3, except that heating was not performed after the initial formation layer was formed. That is, an epitaxial substrate that does not have a lattice hole inner layer was produced.

得られたエピタキシャル基板について、実施例1と同様に、曲率半径の測定、およびクラック密度の測定を行った。その結果、クラックは確認されなかったが、曲率半径の値は10mと、実施例1に比して非常に小さかった。すなわち、本比較例においては、半導体素子の形成には適さないほど反りが大きなエピタキシャル基板が得られるのみであった。   The obtained epitaxial substrate was measured for the radius of curvature and the crack density in the same manner as in Example 1. As a result, no crack was confirmed, but the value of the radius of curvature was 10 m, which was very small compared to Example 1. That is, in this comparative example, only an epitaxial substrate having a warp large enough to be unsuitable for forming a semiconductor element was obtained.

また、実施例1と同様に、チャネル層3を構成するGaNの格子長(c軸長)を、NDB法を用いて測定したところ、緩衝層2と接する部位のc軸長は、実施例1とは異なり、バルクGaNの値より小さい0.5175nmとなっていた。   Similarly to Example 1, when the lattice length (c-axis length) of GaN constituting the channel layer 3 was measured using the NDB method, the c-axis length of the portion in contact with the buffer layer 2 was Unlike the bulk GaN value, it was 0.5175 nm.

以上の結果を上述の実施例1と対比すると、実施例1で行った加熱放置が、格子空孔内在層を設けるうえで有効であるといえる。   When the above results are compared with the above-mentioned Example 1, it can be said that the heating and leaving performed in Example 1 is effective in providing the lattice-hole-internal layer.

(実施例3)
本実施例では、試料a−3と同様の組成を有するものの、第3緩衝層23の厚さを種々に違えた複数のエピタキシャル基板10(試料b−1〜b−5)を作製した。第3緩衝層23の厚さは、当初形成層の形成時間を違えることで調整した。図4に、実施例3に係るエピタキシャル基板10についての第3緩衝層23の厚さと種々の評価結果とを示している。
(Example 3)
In this example, a plurality of epitaxial substrates 10 (samples b-1 to b-5) having the same composition as the sample a-3 but having different thicknesses of the third buffer layer 23 were produced. The thickness of the third buffer layer 23 was adjusted by changing the initial formation layer formation time. FIG. 4 shows the thickness of the third buffer layer 23 and various evaluation results for the epitaxial substrate 10 according to the third embodiment.

図4に示す結果は、第3緩衝層23の厚みを30nm以下とすることで、反りが抑制され、クラックの発生がなく、白濁も生じないエピタキシャル基板10が形成されることを指し示している。   The results shown in FIG. 4 indicate that when the thickness of the third buffer layer 23 is 30 nm or less, the warpage is suppressed, the crack is not generated, and the epitaxial substrate 10 which does not cause white turbidity is formed.

(実施例4)
本実施例では、試料a−3と同様の組成を有するものの、第3緩衝層23を形成するための加熱放置条件の異なる12種のエピタキシャル基板10(試料c−1〜c−12)を作製した。具体的には、第3緩衝層23の加熱放置時の水素分圧、温度、時間を違えた他は、実施例1と同一の条件でエピタキシャル基板10を作製した。図5に、実施例4に係るエピタキシャル基板10についての、第3緩衝層23を形成する際の加熱放置の条件と種々の評価結果とを示している。
Example 4
In this example, 12 types of epitaxial substrates 10 (samples c-1 to c-12) having the same composition as that of the sample a-3 but having different heating conditions for forming the third buffer layer 23 are produced. did. Specifically, the epitaxial substrate 10 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the hydrogen partial pressure, temperature, and time when the third buffer layer 23 was left to heat were different. FIG. 5 shows the conditions of the heating standing when the third buffer layer 23 is formed and various evaluation results for the epitaxial substrate 10 according to Example 4.

図5に示す結果は、リアクタ内の水素分圧を5kPa〜100kPaの範囲内の値とし、基板温度を900℃〜1300℃の範囲内に保ち、放置時間を3分間〜10分の間とすることで、反りが抑制され、クラックの発生がなく、白濁も生じないエピタキシャル基板10が形成されることを指し示している。   The results shown in FIG. 5 show that the hydrogen partial pressure in the reactor is a value in the range of 5 kPa to 100 kPa, the substrate temperature is kept in the range of 900 ° C. to 1300 ° C., and the standing time is 3 minutes to 10 minutes. This indicates that the epitaxial substrate 10 in which warpage is suppressed, cracks are not generated, and white turbidity does not occur is formed.

(実施例5)
本実施例では、第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20を作製した。具体的には、第3緩衝層23までを実施例1の試料a−3と同様に行い、続いて、第4緩衝層24を形成した上で、チャネル層3および障壁層4を実施例1の試料a−3と同様に形成した。第4緩衝層24の形成にあたっては、第1単位層24aは20nm厚のAl0.1Ga0.9N層とし、第2単位層24bは5nm厚のAlN層とした。それぞれを80層ずつ繰り返し交互に形成した。
(Example 5)
In this example, the epitaxial substrate 20 according to the second embodiment was produced. Specifically, the process up to the third buffer layer 23 is performed in the same manner as the sample a-3 in Example 1, and then the channel layer 3 and the barrier layer 4 are formed in Example 1 after the fourth buffer layer 24 is formed. The sample a-3 was formed in the same manner. In forming the fourth buffer layer 24, the first unit layer 24a was a 20 nm thick Al 0.1 Ga 0.9 N layer, and the second unit layer 24b was a 5 nm thick AlN layer. Each of them was alternately formed by 80 layers.

このようにして得られたエピタキシャル基板20において、シリコンウェハー上に形成されたIII族窒化物層群の総膜厚は約3.2μmであった。また、曲率半径を測定したところ、100mという値が得られた。   In the epitaxial substrate 20 thus obtained, the total film thickness of the group III nitride layer group formed on the silicon wafer was about 3.2 μm. Further, when the radius of curvature was measured, a value of 100 m was obtained.

また、チャネル層3と障壁層4とのAlGaN/GaN積層構造について、電子移動度、2次元電子密度、比抵抗、および転位密度を測定した。   In addition, the electron mobility, two-dimensional electron density, specific resistance, and dislocation density of the AlGaN / GaN laminated structure of the channel layer 3 and the barrier layer 4 were measured.

その結果、電子移動度は約1300cm2/Vsであり、2次元電子密度は約1×1013/cm2であり、チャネル層の比抵抗は1×108Ωcmであった。また、転位密度は4×109/cm2であった。これらは、試料a−3と同程度の値である。 As a result, the electron mobility was about 1300 cm 2 / Vs, the two-dimensional electron density was about 1 × 10 13 / cm 2 , and the specific resistance of the channel layer was 1 × 10 8 Ωcm. The dislocation density was 4 × 10 9 / cm 2 . These are values similar to those of the sample a-3.

また、チャネル層3を構成するGaNの格子長(c軸長)を、NDB法を用いて測定した。その結果、緩衝層2と接する部位のc軸長が、0.5195nmとなっていた。これは、バルクGaNのc軸長の値0.5185nmよりも大きな値である。係る結果は、第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20においても、チャネル層3が、少なくとも緩衝層2と接する部位において面内方向に圧縮歪みを内在していることを、指し示している。   Further, the lattice length (c-axis length) of GaN constituting the channel layer 3 was measured using the NDB method. As a result, the c-axis length of the portion in contact with the buffer layer 2 was 0.5195 nm. This is a value larger than the value of 0.5185 nm of the c-axis length of bulk GaN. Such a result indicates that also in the epitaxial substrate 20 according to the second embodiment, the channel layer 3 inherently has a compressive strain in the in-plane direction at least at a portion in contact with the buffer layer 2.

さらに、ショットキー特性を調べるべく、ショットキーダイオードを作製した。具体的には、フォトリソグラフィープロセスにより、障壁層4の上に、アノード電極としてPt電極を形成するとともにカソード電極としてTi/Alオーミック電極を形成し、電極間隔10μmの同心円型ショットキーダイオードを作製した。   Furthermore, a Schottky diode was fabricated in order to investigate the Schottky characteristics. Specifically, a Pt electrode as an anode electrode and a Ti / Al ohmic electrode as a cathode electrode were formed on the barrier layer 4 by a photolithography process, and a concentric Schottky diode with an electrode interval of 10 μm was produced. .

得られたショットキーダイオードについて、シリコンウェハーとカソード電極とをともに接地した状態で、逆方向電流−電圧特性を評価した。その結果、印加電圧100V時のリーク電流が1×10-5A/cm2であり、耐電圧が400Vであった。すなわち、第4緩衝層24を設け、III族窒化物層群の総膜厚を大きくすることによって、より高い耐電圧が得られることが確認された。 With respect to the obtained Schottky diode, the reverse current-voltage characteristics were evaluated in a state where the silicon wafer and the cathode electrode were both grounded. As a result, the leakage current at an applied voltage of 100 V was 1 × 10 −5 A / cm 2 and the withstand voltage was 400 V. That is, it was confirmed that a higher withstand voltage can be obtained by providing the fourth buffer layer 24 and increasing the total thickness of the group III nitride layer group.

(比較例2)
本比較例では、第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20と同様の緩衝層構造を有するものの、格子空孔内在層を有さないエピタキシャル基板を作製した。具体的には、当初形成層に対し形成後の加熱放置を実施しなかったほかは、実施例5と同一の条件で作製を行った。
(Comparative Example 2)
In this comparative example, an epitaxial substrate having a buffer layer structure similar to that of the epitaxial substrate 20 according to the second embodiment but having no lattice vacancy inner layer was produced. Specifically, production was performed under the same conditions as in Example 5 except that the initially formed layer was not heated and left after formation.

得られたエピタキシャル基板には、6/mmと多数のクラックが存在しており、該エピタキシャル基板は半導体素子プロセスに供するには不適であった。   The obtained epitaxial substrate had many cracks of 6 / mm, and the epitaxial substrate was unsuitable for use in a semiconductor element process.

以上の結果と実施例5とを対比すると、実施例1と比較例1とを対比した場合と同様、実施例5で行った加熱放置が、格子空孔内在層を設けるうえで有効であるといえる。   Comparing the above results with Example 5, as in the case of comparing Example 1 with Comparative Example 1, it was found that the heating leaving in Example 5 was effective in providing the lattice vacancy inner layer. I can say that.

1 下地基板
2 緩衝層
3 チャネル層
4 障壁層
10、20 エピタキシャル基板
21 第1緩衝層
22 第2緩衝層
23 第3緩衝層
24 第4緩衝層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base substrate 2 Buffer layer 3 Channel layer 4 Barrier layers 10 and 20 Epitaxial substrate 21 First buffer layer 22 Second buffer layer 23 Third buffer layer 24 Fourth buffer layer

Claims (10)

下地基板の上にIII族窒化物層群を(0001)結晶面が前記下地基板の基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記III族窒化物層群が、
少なくとも2層以上のIII族窒化物層が積層された緩衝層と、
Inx1Aly1Gaz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0<z1≦1、x1+y1+z1=1)なる組成のIII族窒化物からなるチャネル層と、
Inx2Aly2Gaz2N(0≦x2≦1、0<y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)なる組成のIII族窒化物からなる障壁層と、
を備え、
前記緩衝層の少なくとも1つが、格子空孔を有する格子空孔内在層である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
An epitaxial substrate for a semiconductor device, in which a group (III) crystal plane is laminated on a base substrate so that a (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate,
The group III nitride layer group is
A buffer layer in which at least two Group III nitride layers are laminated;
A channel layer made of a group III nitride having a composition of In x1 Al y1 Ga z1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1),
A barrier layer made of a group III nitride having a composition of In x2 Al y2 Ga z2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 <y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1);
With
At least one of the buffer layers is a lattice-hole-internal layer having lattice vacancies,
An epitaxial substrate for a semiconductor device, characterized in that:
請求項1に記載のエピタキシャル基板であって、
前記格子空孔内在層は、VIIIがIII族原子欠陥を表し、VNがN原子欠陥を表すとする場合に、InxAlyGazIII p(1-q)N q(0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦1、0<p<1、x+y+z+p=1、0≦q<1)なる組成式にて表されるIII族窒化物からなる、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to claim 1,
The lattice vacancies underlying layer, V III represents the group III atoms defects, if V N denote the N atom defects, In x Al y Ga z V III p N (1-q) V N q ( A group III nitride represented by a composition formula of 0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 <p <1, x + y + z + p = 1, 0 ≦ q <1),
An epitaxial substrate for a semiconductor device, characterized in that:
請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル基板であって、
0.01≦p≦0.20である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to claim 1 or 2, wherein
0.01 ≦ p ≦ 0.20,
An epitaxial substrate for a semiconductor device, characterized in that:
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記格子空孔内在層の厚さが、2nm以上30nm以下である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein
The thickness of the lattice vacancy inner layer is 2 nm or more and 30 nm or less,
An epitaxial substrate for a semiconductor device, characterized in that:
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記チャネル層が、少なくとも緩衝層と接する部位において、面内方向に圧縮歪みを内在している、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
The epitaxial substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein
The channel layer has a compressive strain in the in-plane direction at least at a portion in contact with the buffer layer.
An epitaxial substrate for a semiconductor device, characterized in that:
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板を用いて形成した半導体素子。   A semiconductor element formed using the epitaxial substrate for a semiconductor element according to claim 1. 下地基板の上にIII族窒化物層群を(0001)結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成することによる半導体素子用のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地基板の上に少なくとも2つ以上のIII族窒化物層を積層することにより緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、
前記緩衝層の上にInx1Aly1Gaz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0<z1≦1、x1+y1+z1=1)なる組成のIII族窒化物からなるチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
Inx2Aly2Gaz2N(0≦x2≦1、0<y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)なる組成のIII族窒化物からなる障壁層を形成する障壁層形成工程と、
を備え、
前記緩衝層形成工程においては、前記緩衝層の少なくとも1つを、格子空孔を有する格子空孔内在層として形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
A method of manufacturing an epitaxial substrate for a semiconductor device by forming a group III nitride layer group on a base substrate so that a (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface,
A buffer layer forming step of forming a buffer layer by laminating at least two group III nitride layers on the base substrate;
A channel layer made of a group III nitride having a composition of In x1 Al y1 Gaz1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1) is formed on the buffer layer. A channel layer forming step;
A barrier layer forming step of forming a barrier layer made of a group III nitride having a composition of In x2 Al y2 Ga z2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 <y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1);
With
In the buffer layer forming step, at least one of the buffer layers is formed as a lattice-hole-internal layer having lattice vacancies,
A method for producing an epitaxial substrate for a semiconductor device, comprising:
請求項7に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記緩衝層形成工程においては、Inx'Aly'Gaz'N(0≦x’≦1、0<y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)なる組成式で表されるIII族窒化物からなる層を形成しこれをアニールすることにより、VIIIがIII族原子欠陥を表し、VNがN原子欠陥を表すとする場合に、InxAlyGazIII p(1-q)N q(0≦x<x’、0<y≦1、0≦z≦1、0<p<1、x+y+z+p=1、0≦q<1)なる組成式にて表される前記格子空孔内在層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
A method for producing an epitaxial substrate for a semiconductor device according to claim 7,
In the buffer layer forming step, In x ′ Al y ′ Gaz N (0 ≦ x ′ ≦ 1, 0 <y ′ ≦ 1, 0 ≦ z ′ ≦ 1, x ′ + y ′ + z ′ = 1). When a layer made of a group III nitride represented by the composition formula is formed and annealed, when V III represents a group III atom defect and V N represents an N atom defect, In x Al y Ga z V III p N (1-q) V N q (0 ≦ x <x ′, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 <p <1, x + y + z + p = 1, 0 ≦ q <1) Forming the lattice void inner layer represented by the composition formula:
A method for producing an epitaxial substrate for a semiconductor device, comprising:
請求項7または請求項8に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記格子空孔内在層を形成するためのアニールを、
水素分圧が5kPa以上100kPa以下でかつ温度が900℃以上1250℃以下の雰囲気下で、3分以上10分以下の保持時間で行う、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
A method for producing an epitaxial substrate for a semiconductor device according to claim 7 or 8,
Annealing to form the lattice vacancy inner layer,
In an atmosphere with a hydrogen partial pressure of 5 kPa to 100 kPa and a temperature of 900 ° C. to 1250 ° C., with a holding time of 3 minutes to 10 minutes,
A method for producing an epitaxial substrate for a semiconductor device, comprising:
請求項7ないし請求項9のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した半導体素子用エピタキシャル基板。
The epitaxial substrate for semiconductor devices produced using the manufacturing method of the epitaxial substrate for semiconductor devices in any one of Claims 7 thru | or 9.
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