JP2011184226A - エピタキシャル成長用基板、窒化物系化合物半導体基板及び窒化物系化合物半導体自立基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】エピタキシャル成長用基板上に直接GaN系半導体厚膜層を成長させるGaN系半導体基板の製造方法により、GaN系半導体基板を生産性よく製造できる技術を提供する。
【解決手段】900℃〜1050℃の成長温度で窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させる際に、成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが10nmを超えて劣化しないエピタキシャル成長用基板を用いる。
具体的には、1200℃以上1400℃以下で5〜20時間保持するインゴットアニール処理を施されたNGO基板を用いる。
【選択図】図2
【解決手段】900℃〜1050℃の成長温度で窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させる際に、成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが10nmを超えて劣化しないエピタキシャル成長用基板を用いる。
具体的には、1200℃以上1400℃以下で5〜20時間保持するインゴットアニール処理を施されたNGO基板を用いる。
【選択図】図2
Description
本発明は、エピタキシャル成長用基板、窒化物系化合物半導体基板及び窒化物系化合物半導体自立基板に関し、特に、エピタキシャル成長用基板上に直接窒化物系半導体厚膜層を成長させる場合に有用な技術に関する。
従来、基板上にGaN等の窒化物系化合物半導体(以下、GaN系半導体)をエピタキシャル成長させてなる半導体デバイス(例えば、電子デバイスや光デバイス)が知られている。この半導体デバイスには、主にサファイアやSiCなどからなる基板が用いられるが、これらの基板材料はGaN系半導体との格子不整合が大きいため、この上にGaN系半導体をエピタキシャル成長させると、歪みによる結晶欠陥が発生してしまう。そして、エピタキシャル層に生じた結晶欠陥は、半導体デバイスの特性を低下させる要因となる。そこで、このような格子不整合に起因する問題を解決するために様々な成長方法が試みられている。
例えば特許文献1では、擬似的な格子定数がGaN系半導体に近いNdGaO3基板(以下、NGO基板)を用いることが提案されている。具体的には、ハイドライド気相成長法(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)によりNGO基板上にGaN厚膜を成長させ、GaN自立基板(GaNのみで構成された基板)を作製する技術が開示されている。NGO基板の(011)面では、NGOのa軸の長さとGaNの[11−20]方向の格子定数がほぼ一致するので、上述した格子不整合に起因する問題を解決できる。そして、GaN自立基板を半導体デバイス用基板とすることで、デバイス特性の向上を図ることができる。
また、GaN厚膜層の成長は一般的には1000℃付近の成長温度で行われるが、NGO基板が1000℃付近の高温下で原料ガスに曝されると変質してしまい、GaN厚膜層の結晶品質が低下してしまう。そのため、GaN厚膜層を成長させる前に600℃付近でNGO基板上に低温保護層と呼ばれるGaN薄膜層を成長させ、NGO基板を保護する技術が提案されている(例えば特許文献1,2)。
最近では、発明者等の実験により、GaN厚膜層を成長させる前のNGO基板の表面粗さが0.2〜10nmであれば、GaN単結晶を再現性よく成長できることが明らかとなっている。具体的には、1000℃付近でGaN厚膜層を成長させる際、GaN厚膜層を成長する前のNGO基板の表面粗さが上記の範囲に入るように昇温プロセスを調整することで、低温保護層を成長させることなく、NGO基板上に直接高品質な単結晶からなるGaN厚膜層を成長させることができる。
しかしながら、1000℃付近でのNGO基板表面の挙動は不安定で、同様の昇温プロセスとしてもNGO基板の表面粗さが10nmを超えてしまうことがしばしばあった。この場合、1000℃でのGaN厚膜成長で高品質なGaN単結晶が得られず、多結晶となってしまった。このように、上述した手法によりGaN系半導体基板を製造する場合、生産性の面で問題があった。
本発明は、NGOなどからなるエピタキシャル成長用基板上に直接GaN系半導体厚膜層を成長させるGaN系半導体基板の製造方法において、GaN系半導体基板を生産性よく製造できる技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、
900℃〜1050℃の成長温度で窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させるためのエピタキシャル成長用基板であって、
前記成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが10nmを超えて劣化しないことを特徴とする。
900℃〜1050℃の成長温度で窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させるためのエピタキシャル成長用基板であって、
前記成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが10nmを超えて劣化しないことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のエピタキシャル成長用基板において、NdGaO3で構成されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のエピタキシャル成長用基板において、1200℃以上1400℃以下で5〜20時間保持するインゴットアニール処理を施されていることを特徴とする。
ここで、インゴットアニールとは、NGO結晶の育成からNGO基板の研磨工程までの間に行うアニール処理であり、インゴット状態でのアニール又はインゴットを複数に分割・切断したブロック状でのアニールの両方を含む。
インゴット、又はブロックの厚さは40mm以下が好ましく、より好ましくは10mm以下である。厚さが60mm以上では、NGO結晶内部までアニール効果が十分に浸透しないことがあり、後で気相成長した際、GaNの多結晶化が多発する。
ここで、インゴットアニールとは、NGO結晶の育成からNGO基板の研磨工程までの間に行うアニール処理であり、インゴット状態でのアニール又はインゴットを複数に分割・切断したブロック状でのアニールの両方を含む。
インゴット、又はブロックの厚さは40mm以下が好ましく、より好ましくは10mm以下である。厚さが60mm以上では、NGO結晶内部までアニール効果が十分に浸透しないことがあり、後で気相成長した際、GaNの多結晶化が多発する。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3の何れか一項に記載のエピタキシャル成長用基板上に、窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させてなる窒化物系化合物半導体基板である。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物系化合物半導体層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られる窒化物系化合物半導体自立基板である。
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
一般に、GaN系半導体基板を製造するための成長用基板となるNGO基板は、チョクラルスキー(CZ:Czochralski)法などの結晶引き上げ法により育成したNGOインゴットをウェハ状にスライスして作製される。このスライス工程の前後において、所定温度でのアニール処理(インゴットアニール処理又はウェハアニール処理)が施される。
一般に、GaN系半導体基板を製造するための成長用基板となるNGO基板は、チョクラルスキー(CZ:Czochralski)法などの結晶引き上げ法により育成したNGOインゴットをウェハ状にスライスして作製される。このスライス工程の前後において、所定温度でのアニール処理(インゴットアニール処理又はウェハアニール処理)が施される。
本発明者等は、インゴットアニール処理を行った後、スライス加工してGaN厚膜層成長時の昇温プロセスに相当するウェハアニール処理を行った際に、インゴットアニールの温度(以下、インゴットアニール温度)と時間により、NGO基板の耐熱特性が変化し、GaN厚膜層の成長に影響するのではないかと考え、以下の実験を行った。
すなわち、インゴットアニール温度の違いによるNGO基板の耐熱特性(熱安定性)を調べるため、NGOインゴットに対して1200℃、1300℃、1400℃及び1450℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施した。その後、これらのインゴットをスライスして作製したNGO基板に対して、1000℃で15分保持するウェハアニール処理(GaN厚膜層成長時の昇温プロセスに相当)を施した。
すなわち、インゴットアニール温度の違いによるNGO基板の耐熱特性(熱安定性)を調べるため、NGOインゴットに対して1200℃、1300℃、1400℃及び1450℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施した。その後、これらのインゴットをスライスして作製したNGO基板に対して、1000℃で15分保持するウェハアニール処理(GaN厚膜層成長時の昇温プロセスに相当)を施した。
図1は、ウェハアニール処理前後のNGO基板のX線半値幅を示す図である。
図1に示すように、1200℃〜1450℃でインゴットアニールしたNGO基板のX線半値幅は、ウェハアニール処理前が15.55〜18.36秒であったのに対し、ウェハアニール処理後が15.22〜16.43秒であった。ウェハアニール処理の前後でNGO基板のX線半値幅はほとんど変化していないといえる。すなわち、インゴットアニール温度の違いにより、NGO基板の結晶性は変化しないという結果になった。
図1に示すように、1200℃〜1450℃でインゴットアニールしたNGO基板のX線半値幅は、ウェハアニール処理前が15.55〜18.36秒であったのに対し、ウェハアニール処理後が15.22〜16.43秒であった。ウェハアニール処理の前後でNGO基板のX線半値幅はほとんど変化していないといえる。すなわち、インゴットアニール温度の違いにより、NGO基板の結晶性は変化しないという結果になった。
図2は、ウェハアニール処理後のNGO基板の表面粗さを示す図である。
図2に示すように、1300℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが1.23nmであったが、1450℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが10nmを超えていた。なお、ウェハアニール処理前のNGO基板の表面粗さは0.15nmであったので、1300℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが1.08nm劣化していることになる。
図2に示すように、1300℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが1.23nmであったが、1450℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが10nmを超えていた。なお、ウェハアニール処理前のNGO基板の表面粗さは0.15nmであったので、1300℃でインゴットアニールしたNGO基板では表面粗さが1.08nm劣化していることになる。
このことから、インゴットアニール温度によりNGO基板の耐熱特性が変化し、インゴットアニール温度が高過ぎると、GaN成長時の昇温プロセスにより表面粗さが著しく劣化することが明らかとなった。
なお、インゴットアニール温度が1200℃未満(例えば1100℃)では、内部歪の除去が不完全となるために、インゴットをスライスしたウェハの反りが大きくなる。そのため、研磨代が1.5〜2倍(200〜500μm)程度余計に必要となり、NGO基板の製造コストが高くなる。従って、1200℃以上でのインゴットアニールが望ましい。
なお、インゴットアニール温度が1200℃未満(例えば1100℃)では、内部歪の除去が不完全となるために、インゴットをスライスしたウェハの反りが大きくなる。そのため、研磨代が1.5〜2倍(200〜500μm)程度余計に必要となり、NGO基板の製造コストが高くなる。従って、1200℃以上でのインゴットアニールが望ましい。
以上の実験より、GaN成長時における耐熱特性の良いNGO基板、すなわちGaN厚膜層の成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが著しく劣化しないNGO基板を用いることで、GaN厚膜層を成長させる前のNGO基板の表面粗さを容易に0.2〜10nmに制御することができるとの見解を得て、本発明に至った。
本発明によれば、GaN系半導体成長の昇温プロセスにおける高温保持によってNGO基板の表面粗さが著しく劣化するのを防止できるので、GaN系半導体基板の生産性を格段に向上することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、HVPE法を利用して、希土類ペロブスカイトからなるNGO基板上に、GaN系半導体であるGaNをエピタキシャル成長させ、GaN基板を製造する方法について説明する。HVPE法では、III族金属であるGaとHClから生成された塩化物ガス(GaCl)とNH3を反応させて、基板上にGaN層をエピタキシャル成長させる。
本実施形態では、HVPE法を利用して、希土類ペロブスカイトからなるNGO基板上に、GaN系半導体であるGaNをエピタキシャル成長させ、GaN基板を製造する方法について説明する。HVPE法では、III族金属であるGaとHClから生成された塩化物ガス(GaCl)とNH3を反応させて、基板上にGaN層をエピタキシャル成長させる。
本実施形態では、GaN厚膜層の成長用基板として、成長温度までの昇温プロセス(安定するまでの保持を含む)において表面粗さが10nmを超えて劣化しない耐熱特性を有するNGO基板を用いる。例えば、CZ法により育成されたNGOインゴットに、1200℃以上1400℃以下で5〜20時間保持するインゴットアニール処理を施すことで、上記の耐熱特性を有するNGO基板を作製することができる。ここで、インゴットアニール処理温度を1200℃未満とすると、本来の目的である育成結晶内に残留する歪みを除去することが困難となるので、下限値を1200℃としている。
一般に、GaN成長に用いられるNGO基板の当初の表面粗さは0.1〜0.17nm程度であり、従来は、GaN厚膜層の成長直前、すなわち昇温プロセス後の表面粗さが10nmを越えて劣化していた。これに対して、本実施形態のNGO基板を用いると、昇温プロセス後の表面粗さは6.0〜9.6nmとなり、容易に0.2〜10nmに制御することができる。
[実施例]
実施例では、1300℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施したNGO基板を基板ホルダに配置し、1000℃まで昇温した後、温度を安定させるために15分間保持した。そして、このNGO基板上に、装置内に配置されたGaメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガスとをN2キャリアガスを供給するに際して、HClの供給分圧が1.06×10−2atm、NH3の供給分圧が5.00×10−2atmとなるように原料ガスを供給し、3000μmのGaN厚膜層を成長させた。得られたGaN厚膜層は単結晶であり、X線半値幅が430秒で優れた結晶性を有することが確認された。
なお、NGO基板の当初の表面粗さが0.15nmであったのに対して、GaN厚膜層の成長直前のNGO基板の表面粗さは1.23nmであった。
実施例では、1300℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施したNGO基板を基板ホルダに配置し、1000℃まで昇温した後、温度を安定させるために15分間保持した。そして、このNGO基板上に、装置内に配置されたGaメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガスとをN2キャリアガスを供給するに際して、HClの供給分圧が1.06×10−2atm、NH3の供給分圧が5.00×10−2atmとなるように原料ガスを供給し、3000μmのGaN厚膜層を成長させた。得られたGaN厚膜層は単結晶であり、X線半値幅が430秒で優れた結晶性を有することが確認された。
なお、NGO基板の当初の表面粗さが0.15nmであったのに対して、GaN厚膜層の成長直前のNGO基板の表面粗さは1.23nmであった。
[比較例]
比較例では、1450℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施したNGO基板を基板ホルダに配置し、1000℃まで昇温した後、温度を安定させるために15分間保持した。この昇温プロセス後のNGO基板の表面粗さは13nmであった。そして、このNGO基板上に、装置内に配置されたGaメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガスとをN2キャリアガスを供給するに際して、HClの供給分圧が1.06×10−2atm、NH3の供給分圧が5.00×10−2atmとなるように原料ガスを供給し、3000μmのGaN厚膜層を成長させた。得られたGaN厚膜層は多結晶であり、X線半値幅は3240秒であった。
なお、NGO基板の当初の表面粗さが0.15nmであったのに対して、GaN厚膜層の成長直前のNGO基板の表面粗さは13nmであり、10nmを超えて劣化していた。
比較例では、1450℃で10時間保持するインゴットアニール処理を施したNGO基板を基板ホルダに配置し、1000℃まで昇温した後、温度を安定させるために15分間保持した。この昇温プロセス後のNGO基板の表面粗さは13nmであった。そして、このNGO基板上に、装置内に配置されたGaメタルとHClガスから生成されたGaClと、NH3ガスとをN2キャリアガスを供給するに際して、HClの供給分圧が1.06×10−2atm、NH3の供給分圧が5.00×10−2atmとなるように原料ガスを供給し、3000μmのGaN厚膜層を成長させた。得られたGaN厚膜層は多結晶であり、X線半値幅は3240秒であった。
なお、NGO基板の当初の表面粗さが0.15nmであったのに対して、GaN厚膜層の成長直前のNGO基板の表面粗さは13nmであり、10nmを超えて劣化していた。
このように、GaN厚膜層の成長温度までの昇温プロセスにおいてNGO基板の表面粗さが10nmを超えて劣化しないNGO基板を用いることで、GaN厚膜層の成長直前のNGO基板の表面粗さを容易に0.2〜10nmに制御することができるので、GaN基板の生産性を格段に向上することができる。
また、GaN低温保護層の成長プロセスをなくすことができるので、GaN低温保護層の品質のばらつきによってGaN厚膜層の品質が影響を受けるということもない。したがって、高品質なGaN基板を製造することができる。
さらには、このGaN基板からGaN厚膜層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られるGaN自立基板を半導体デバイスの製造に用いることで、デバイス性能の向上を図ることができる。
また、GaN低温保護層の成長プロセスをなくすことができるので、GaN低温保護層の品質のばらつきによってGaN厚膜層の品質が影響を受けるということもない。したがって、高品質なGaN基板を製造することができる。
さらには、このGaN基板からGaN厚膜層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られるGaN自立基板を半導体デバイスの製造に用いることで、デバイス性能の向上を図ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施形態では成長用基板上に窒化物系化合物半導体であるGaNを成長させる場合について説明したが、成長用基板上に窒化物系化合物半導体層を成長させる場合にも本発明を適用することができる。ここで、窒化物系化合物半導体とは、InxGayAl1−x−yN(0≦x+y≦1,0≦x≦1,0≦y≦1)で表される化合物半導体であり、例えば、GaN、InGaN、AlGaN,InGaAlN等がある。
また、実施形態ではHVPE法を利用した場合について説明したが、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)や分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)を利用して窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に本発明を適用することができる。
また、成長用基板としてNGO基板以外の希土類ペロブスカイト基板(例えば、NdAlO3,NdInO3等)を用いる場合にも適用できる可能性がある。
上記実施形態では成長用基板上に窒化物系化合物半導体であるGaNを成長させる場合について説明したが、成長用基板上に窒化物系化合物半導体層を成長させる場合にも本発明を適用することができる。ここで、窒化物系化合物半導体とは、InxGayAl1−x−yN(0≦x+y≦1,0≦x≦1,0≦y≦1)で表される化合物半導体であり、例えば、GaN、InGaN、AlGaN,InGaAlN等がある。
また、実施形態ではHVPE法を利用した場合について説明したが、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)や分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)を利用して窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に本発明を適用することができる。
また、成長用基板としてNGO基板以外の希土類ペロブスカイト基板(例えば、NdAlO3,NdInO3等)を用いる場合にも適用できる可能性がある。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (5)
- 900℃〜1050℃の成長温度で窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させるためのエピタキシャル成長用基板であって、
前記成長温度までの昇温プロセスにおいて表面粗さが10nmを超えて劣化しないことを特徴とするエピタキシャル成長用基板。 - NdGaO3で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャル成長用基板。
- 1200℃以上1400℃以下で5〜20時間保持するインゴットアニール処理を施されていることを特徴とする請求項2に記載のエピタキシャル成長用基板。
- 請求項1から3の何れか一項に記載のエピタキシャル成長用基板上に、窒化物系化合物半導体層を直接エピタキシャル成長させてなる窒化物系化合物半導体基板。
- 請求項4に記載の窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物系化合物半導体層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られる窒化物系化合物半導体自立基板。
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