JP2013069935A - Manufacturing method of semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce dislocation density of a semiconductor crystal layer composed of a nitride semiconductor when forming the semiconductor crystal layer above a base substrate such as a silicon wafer.SOLUTION: There is provided a manufacturing method of a semiconductor substrate which includes a base substrate, an adhesive layer, a buffer layer, and an active layer arranged in this order and in which an Si exists in a region where the base substrate touches the adhesive layer and the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer are composed of a nitride semiconductor comprising the steps of: exposing a surface of the base substrate to a hydrogen gas while keeping a temperature of the base substrate at 1000°C or higher and at 1150°C or lower after installing the base substrate in a growth chamber of an epitaxial crystal growth device; and sequentially forming the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer on the base substrate by an epitaxial growth method after exposing the surface of the base substrate to the hydrogen gas.

Description

本発明は、半導体基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate.

GaN、AlGaN等の窒化物半導体は、絶縁破壊電圧が高い、飽和ドリフト速度が大きい、化学的・熱的に安定である、バンドギャップが大きい等の優れた物性を有する。このため、トランジスタ等電子デバイスの活性層に当該窒化物半導体を適用することが期待されている。   Nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have excellent physical properties such as a high dielectric breakdown voltage, a high saturation drift velocity, chemical and thermal stability, and a large band gap. For this reason, it is expected that the nitride semiconductor is applied to an active layer of an electronic device such as a transistor.

窒化物半導体は、一般に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等のエピタキシャル結晶成長法を用いて形成される。すなわち、ベース基板をエピタキシャル結晶成長装置の成長室に設置し、成長室内での3族原料ガスと窒素原料ガスとの熱反応を利用して、当該ベース基板の上に窒化物半導体からなる結晶層を形成する。   A nitride semiconductor is generally formed using an epitaxial crystal growth method such as a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. That is, a base substrate is installed in a growth chamber of an epitaxial crystal growth apparatus, and a crystal layer made of a nitride semiconductor is formed on the base substrate by utilizing a thermal reaction between a group 3 source gas and a nitrogen source gas in the growth chamber. Form.

なお、窒化物半導体からなる結晶層を活性層に用いた電子デバイスのコストを低減しようとすれば、シリコンデバイス用の量産装置が転用でき、価格も低いシリコン基板をベース基板に用いることが好ましい。よって、シリコンからなるベース基板に窒化物半導体を形成することも試みられている。   Note that in order to reduce the cost of an electronic device using a crystal layer made of a nitride semiconductor as an active layer, it is preferable to use a silicon substrate that can be diverted to a mass production apparatus for silicon devices and has a low price as a base substrate. Therefore, an attempt has been made to form a nitride semiconductor on a base substrate made of silicon.

非特許文献1は、シリコン基板上にAlGaN層とGaN層とをエピタキシャル成長法を用いて繰り返し形成し、その上にInGaN多重量子井戸からなる活性層を、エピタキシャル成長法を用いて形成すると、当該活性層の転位密度が低下することを開示する。   Non-Patent Document 1 discloses that when an AlGaN layer and a GaN layer are repeatedly formed on a silicon substrate using an epitaxial growth method, and an active layer formed of an InGaN multiple quantum well is formed thereon using the epitaxial growth method, the active layer It is disclosed that the dislocation density decreases.

特許文献1は、格子定数あるいは熱膨張係数が異なる結晶層を積層した積層体の繰り返し構造において、繰り返し構造を構成する結晶層の組み合わせ方等を制御することで発生する応力を制御し、繰り返し構造の破壊を避けることができる技術を開示する。   Patent Document 1 discloses a repetitive structure of a laminate in which crystal layers having different lattice constants or different thermal expansion coefficients are laminated, and controls the stress generated by controlling the combination of crystal layers constituting the repetitive structure. Disclosed is a technique capable of avoiding the destruction of the device.

S.A.Nikishin, et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) pp. L738-L740S.A.Nikishin, et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) pp. L738-L740

特開2009−289956JP 2009-289956 A

しかし、窒化物半導体からなる結晶層(以下単に「半導体結晶層」という。)を単にエピタキシャル成長法により作成するだけでは、半導体結晶層に高密度な転位が発生し、当該半導体結晶層を用いてトランジスタ等の電子デバイスを製造しても、耐電圧特性、電子移動度特性などのデバイス特性において理論的に期待される値を大きく下回ることが多くなる。よって、半導体結晶層の転位密度を低減する技術が望まれる。   However, if a crystal layer made of a nitride semiconductor (hereinafter simply referred to as “semiconductor crystal layer”) is simply formed by an epitaxial growth method, high-density dislocations are generated in the semiconductor crystal layer, and a transistor is formed using the semiconductor crystal layer. Even when an electronic device such as the above is manufactured, it is often much lower than theoretically expected values in device characteristics such as withstand voltage characteristics and electron mobility characteristics. Therefore, a technique for reducing the dislocation density of the semiconductor crystal layer is desired.

また、半導体結晶層は、アルミニウム、ガリウム等の3族原子と窒素原子との化合物半導体であるところ、3族原子の組成比たとえばアルミニウムとガリウムの比率により、熱膨張係数、格子定数が異なる。このため、組成の異なる半導体結晶層を積層すると、各層に応力が発生し、この応力が弾性限界を超えて結晶が破壊される場合がある。結晶の破壊を免れるには、発生する応力が弾性限界を超えないよう制御する必要がある。   The semiconductor crystal layer is a compound semiconductor of a group 3 atom such as aluminum or gallium and a nitrogen atom. The thermal expansion coefficient and lattice constant differ depending on the composition ratio of the group 3 atom, for example, the ratio of aluminum to gallium. For this reason, when semiconductor crystal layers having different compositions are stacked, stress is generated in each layer, and the stress may exceed the elastic limit and the crystal may be broken. In order to avoid crystal breakage, it is necessary to control the generated stress so as not to exceed the elastic limit.

上記した転位密度の低減要求に対し、非特許文献1に記載の繰り返し構造は、窒化物半導体からなる活性層の転位密度を低減する可能性がある。また、上記した結晶破壊の抑制要求に対し、特許文献1に記載の繰り返し構造は、窒化物半導体結晶の応力を制御し、結晶破壊を免れる効果が期待できる。   In response to the above demand for reducing the dislocation density, the repetitive structure described in Non-Patent Document 1 may reduce the dislocation density of the active layer made of a nitride semiconductor. Further, in response to the above-described demand for suppressing crystal breakdown, the repeating structure described in Patent Document 1 can be expected to control the stress of the nitride semiconductor crystal and avoid the crystal breakdown.

しかしながら、現状における転位密度が十分に低いとは言えず、より一層の転位密度の低減が必要である。また、ベース基板にシリコン基板を用いようとすると、基板と結晶層とが格子整合しないため、間にバッファ層が必要になり、一方、シリコン基板は、従来結晶層形成用基板として用いられてきたサファイア基板、SiC基板等と比較して絶縁性に劣るため、バッファ層を厚くして絶縁性を確保する必要がある。バッファ層を厚くすると、バッファ層を含む結晶層の全体が厚くなり、結晶層全体の応力による結晶破壊が発生しやすくなる。このため、より一層結晶破壊を抑制する技術が望まれる。結晶破壊は、下地層との接着性が劣る場合に頻繁に発生することから、バッファ層とベース基板との接着性を向上する技術の開発も望まれる。   However, it cannot be said that the dislocation density at present is sufficiently low, and further reduction of the dislocation density is necessary. In addition, if a silicon substrate is used as the base substrate, the substrate and the crystal layer do not lattice match, so a buffer layer is required, while the silicon substrate has been conventionally used as a substrate for forming a crystal layer. Since the insulating property is inferior to that of a sapphire substrate, an SiC substrate, or the like, it is necessary to increase the buffer layer to ensure the insulating property. When the buffer layer is thickened, the entire crystal layer including the buffer layer becomes thick, and crystal breakage due to stress of the entire crystal layer is likely to occur. For this reason, a technique for further suppressing crystal breakage is desired. Since crystal breakage frequently occurs when the adhesion with the underlying layer is poor, development of a technique for improving the adhesion between the buffer layer and the base substrate is also desired.

本発明の目的は、シリコンウェハ等のベース基板上方に窒化物半導体からなる半導体結晶層を形成する場合に、当該半導体結晶層の結晶性を向上することにある。結晶性の向上は転位密度の低減にも寄与し、デバイス性能の向上が期待できる。また、本発明の目的は、シリコンウェハ等のベース基板上方に窒化物半導体からなる半導体結晶層を形成する場合に、ベース基板と半導体結晶層との間に形成されるバッファ層の結晶破壊を抑制することにある。   An object of the present invention is to improve the crystallinity of a semiconductor crystal layer when a semiconductor crystal layer made of a nitride semiconductor is formed above a base substrate such as a silicon wafer. Improvement of crystallinity contributes to reduction of dislocation density, and improvement of device performance can be expected. Another object of the present invention is to suppress crystal breakdown of the buffer layer formed between the base substrate and the semiconductor crystal layer when a semiconductor crystal layer made of a nitride semiconductor is formed above the base substrate such as a silicon wafer. There is to do.

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、ベース基板、接着層、バッファ層および活性層を有し、前記ベース基板、前記接着層、前記バッファ層および前記活性層がこの順に位置し、前記ベース基板の前記接着層と接する領域にSiが存在し、前記接着層、前記バッファ層および前記活性層が、窒化物半導体からなる半導体基板の製造方法であって、前記ベース基板をエピタキシャル結晶成長装置の成長室に設置した後、前記ベース基板の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつ前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する水素ガス暴露工程と、前記水素ガス暴露工程の後、前記ベース基板の上に、前記接着層、前記バッファ層および前記活性層をエピタキシャル成長法により順次形成する層形成工程と、を有する半導体基板の製造方法を提供する。   In order to solve the above-described problem, in the first aspect of the present invention, a base substrate, an adhesive layer, a buffer layer, and an active layer are provided, and the base substrate, the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer include the base substrate, the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer. A method for manufacturing a semiconductor substrate, wherein Si is present in a region in contact with the adhesive layer of the base substrate, and the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer are made of a nitride semiconductor, wherein the base substrate Is placed in the growth chamber of the epitaxial crystal growth apparatus, and then the hydrogen gas exposure step of exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower, and the hydrogen gas exposure A layer forming step of sequentially forming the adhesive layer, the buffer layer, and the active layer on the base substrate by an epitaxial growth method after the step. To provide a method of manufacturing a semiconductor substrate that.

前記水素ガス暴露工程の後、前記層形成工程の前に、前記ベース基板の温度を1000℃以上に維持しつつ前記ベース基板の表面をアンモニアガスとキャリアガスとの混合ガスに暴露するアンモニアガス暴露工程をさらに有してもよい。この場合、前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が0.5kPa以上1.5kPa未満であることが好ましく、アンモニアガスの分圧が前記範囲である場合、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間は30秒以上120秒以下であることが好ましい。あるいは、前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が1.5kPa以上4.5kPa未満であることが好ましく、アンモニアガスの分圧が前記範囲である場合、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間は10秒以上60秒以下であることが好ましい。あるいは、前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が4.5kPa以上8.0kPa未満であることが好ましく、アンモニアガスの分圧が前記範囲である場合、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間は10秒以上45秒以下であることが好ましい。前記アンモニアガス暴露工程の後、前記層形成工程の前に、前記ベース基板の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつ前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する第2の水素ガス暴露工程をさらに有してもよい。前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する時間として、1分以上40分以下が挙げられる。   After the hydrogen gas exposure step and before the layer formation step, the surface of the base substrate is exposed to a mixed gas of ammonia gas and carrier gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher. You may have a process further. In this case, the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is preferably 0.5 kPa or more and less than 1.5 kPa, and when the partial pressure of ammonia gas is in the range, the surface of the base substrate is exposed to the mixed gas. It is preferable that the time to perform is 30 seconds or more and 120 seconds or less. Alternatively, the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is preferably 1.5 kPa or more and less than 4.5 kPa, and when the partial pressure of ammonia gas is in the above range, the surface of the base substrate is exposed to the mixed gas. The time is preferably 10 seconds or more and 60 seconds or less. Alternatively, the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is preferably 4.5 kPa or more and less than 8.0 kPa, and when the partial pressure of ammonia gas is in the above range, the surface of the base substrate is exposed to the mixed gas. The time is preferably from 10 seconds to 45 seconds. After the ammonia gas exposure step, before the layer formation step, a second hydrogen gas exposure step of exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. May further be included. Examples of the time for exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas include 1 minute to 40 minutes.

前記ベース基板を前記成長室に設置する前に、前記ベース基板を洗浄装置の洗浄室に設置し、前記ベース基板の表面をHF水溶液により洗浄する第1洗浄工程をさらに有してもよい。前記第1洗浄工程の前に、前記ベース基板の表面を硝酸および過酸化水素水により洗浄する第2洗浄工程をさらに有してもよい。この場合、前記第1洗浄工程および前記第2洗浄工程を繰り返して実施することができる。前記第1洗浄工程の後、前記ベース基板を前記洗浄室から前記成長室に移送し、前記層形成工程に移行することができる。あるいは、前記第1洗浄工程の後、前記ベース基板を水洗する水洗工程をさらに有してもよく、前記水洗工程の後、前記ベース基板を前記成長室に移送し、前記層形成工程に移行することができる。   Before installing the base substrate in the growth chamber, the method may further include a first cleaning step of installing the base substrate in a cleaning chamber of a cleaning apparatus and cleaning the surface of the base substrate with an HF aqueous solution. Prior to the first cleaning step, there may be further provided a second cleaning step of cleaning the surface of the base substrate with nitric acid and hydrogen peroxide solution. In this case, the first cleaning step and the second cleaning step can be repeated. After the first cleaning step, the base substrate can be transferred from the cleaning chamber to the growth chamber and transferred to the layer forming step. Or after the said 1st washing | cleaning process, you may further have the water washing process of washing the said base substrate, the said base substrate is transferred to the said growth chamber after the said water washing process, and it transfers to the said layer formation process. be able to.

前記接着層が、前記ベース基板に接する第1結晶層と、前記第1結晶層と前記バッファ層との間に位置する第2結晶層とを含んでもよく、前記第1結晶層として、AlGa1−xN、(但し0<x≦1)で表される結晶からなるものが挙げられ、前記第2結晶層として、AlGa1−yN、(但し0≦y<1、x>y)で表される結晶からなるものが挙げられ、前記層形成工程における前記接着層を形成する工程が、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより前記第1結晶層を形成する工程と、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより前記第2結晶層を形成する工程と、を有してもよく、前記第1結晶層の形成後であって前記第2結晶層の形成前の第1の段階、および、前記第2結晶層の形成後であって前記バッファ層の形成前の第2の段階、からなる群から選択された少なくとも1つの段階において、前記3族原料ガスの供給を停止するとともに前記成長室の内部を、アンモニアを含むガスの雰囲気に一定時間だけ維持する雰囲気維持工程を有してもよい。 The adhesive layer may include a first crystal layer in contact with the base substrate, and a second crystal layer positioned between the first crystal layer and the buffer layer. As the first crystal layer, Al x Ga 1-x N (where 0 <x ≦ 1) is included, and the second crystal layer may be Al y Ga 1-y N (where 0 ≦ y <1, x The step of forming the adhesive layer in the layer forming step includes forming the first crystal layer by supplying a Group 3 source gas and ammonia gas. And forming the second crystal layer by supplying a Group 3 source gas and ammonia gas, and after the formation of the first crystal layer, the formation of the second crystal layer Before the first step and after the formation of the second crystal layer In at least one stage selected from the group consisting of the second stage before the formation of the buffer layer, the supply of the Group 3 source gas is stopped and the inside of the growth chamber is kept constant in an atmosphere of gas containing ammonia. You may have the atmosphere maintenance process maintained only for time.

前記第1の段階および前記第2の段階の何れの段階においても、前記雰囲気維持工程を有する場合、前記第1段階において前記成長室の内部を前記雰囲気に維持する一定時間T1が、前記第2段階において前記成長室の内部を前記雰囲気に維持する一定時間T2より短いことが好ましい。   In any of the first stage and the second stage, when the atmosphere maintaining step is included, the fixed time T1 for maintaining the inside of the growth chamber in the atmosphere in the first stage is the second stage. In the stage, it is preferable that the predetermined time T2 during which the inside of the growth chamber is maintained in the atmosphere is shorter.

前記バッファ層が、第3結晶層と第4結晶層が交互に複数積層された積層構造体であってもよく、前記第3結晶層として、AlGa1−mN、(但し0≦m≦1)で表される結晶からなるものが挙げられ、前記第4結晶層として、AlGa1−nN、(但し0≦n≦1、m>n)で表される結晶からなるものが挙げられ、前記第3結晶層の格子緩和度が、前記第4結晶層の格子緩和度より大きいことが好ましい。 The buffer layer may be a stacked structure in which a plurality of third crystal layers and fourth crystal layers are alternately stacked. As the third crystal layer, Al m Ga 1-m N (provided that 0 ≦ m ≦ 1), and the fourth crystal layer is made of Al n Ga 1-n N (where 0 ≦ n ≦ 1, m> n). The lattice relaxation degree of the third crystal layer is preferably larger than the lattice relaxation degree of the fourth crystal layer.

前記第3結晶層のアルミニウム組成比mと前記第4結晶層のアルミニウム組成比nとが、m−n>0.5、の関係を満足することが好ましい。前記積層構造体における前記第3結晶層および前記第4結晶層の繰り返し数が、2以上160以下であることが好ましい。前記活性層として、AlGa1−zN、(但し0≦z≦1)で表される結晶からなるものが挙げられ、前記活性層のアルミニウム組成比zが、0以上0.3以下であることが好ましい。 It is preferable that the aluminum composition ratio m of the third crystal layer and the aluminum composition ratio n of the fourth crystal layer satisfy a relationship of mn> 0.5. The number of repetitions of the third crystal layer and the fourth crystal layer in the stacked structure is preferably 2 or more and 160 or less. Examples of the active layer include those composed of crystals represented by Al z Ga 1-z N (where 0 ≦ z ≦ 1), and the aluminum composition ratio z of the active layer is 0 or more and 0.3 or less. Preferably there is.

半導体基板100の断面を示す。A cross section of a semiconductor substrate 100 is shown. 表1の結果を示したグラフであり、水素ガス暴露工程の温度を変えたときのRqの変化を示す。It is the graph which showed the result of Table 1, and shows the change of Rq when the temperature of a hydrogen gas exposure process is changed.

図1は、半導体基板100の断面を示す。半導体基板100は、ベース基板102、接着層104、バッファ層106および活性層108を有する。ベース基板102、接着層104、バッファ層106および活性層108は、ベース基板102、接着層104、バッファ層106、活性層108の順に位置する。接着層104、バッファ層106および活性層108は、窒化物半導体からなる。   FIG. 1 shows a cross section of a semiconductor substrate 100. The semiconductor substrate 100 includes a base substrate 102, an adhesive layer 104, a buffer layer 106, and an active layer 108. The base substrate 102, the adhesive layer 104, the buffer layer 106, and the active layer 108 are positioned in the order of the base substrate 102, the adhesive layer 104, the buffer layer 106, and the active layer 108. The adhesive layer 104, the buffer layer 106, and the active layer 108 are made of a nitride semiconductor.

ベース基板102は、ベース基板102の接着層104と接する領域にSiが存在する。ベース基板102として、シリコン基板(たとえばシリコンウェハ)、SOI(Silicon on Insulator)基板が挙げられる。ベース基板102としてシリコン基板を用いることで、サファイア基板、SiC基板等の高価な基板を用いる必要がなく、シリコンデバイス用の既存の製造装置および既存の製造プロセスが利用できるので、製造コストを低くすることができる。   The base substrate 102 has Si in a region in contact with the adhesive layer 104 of the base substrate 102. Examples of the base substrate 102 include a silicon substrate (for example, a silicon wafer) and an SOI (Silicon on Insulator) substrate. By using a silicon substrate as the base substrate 102, it is not necessary to use an expensive substrate such as a sapphire substrate or a SiC substrate, and an existing manufacturing apparatus and an existing manufacturing process for silicon devices can be used, thereby reducing manufacturing costs. be able to.

接着層104は、バッファ層106の結晶性を高めるために、ベース基板102とバッファ層106との間に形成する結晶層である。接着層104は、ベース基板102に接する第1結晶層110と、第1結晶層110とバッファ層106との間に位置する第2結晶層112と含んでもよい。第1結晶層110として、AlGa1−xN、(但し0<x≦1)で表される結晶層が挙げられ、第2結晶層112として、AlGa1−yN、(但し0≦y<1、x>y)で表される結晶層が挙げられる。より具体的には、第1結晶層110としてAlN層が挙げられ、第2結晶層112としてAlGaN層が挙げられる。第1結晶層110がAlN層である場合、その厚さとして、5nm以上500nm以下が挙げられる。第2結晶層112がAlGaN層である場合、その厚さとして、5nm以上500nm以下が挙げられる。 The adhesive layer 104 is a crystal layer formed between the base substrate 102 and the buffer layer 106 in order to increase the crystallinity of the buffer layer 106. The adhesive layer 104 may include a first crystal layer 110 in contact with the base substrate 102 and a second crystal layer 112 located between the first crystal layer 110 and the buffer layer 106. As the first crystal layer 110, a crystal layer represented by Al x Ga 1-x N (where 0 <x ≦ 1) can be given, and as the second crystal layer 112, Al y Ga 1-y N, (however, Examples thereof include a crystal layer represented by 0 ≦ y <1, x> y). More specifically, the first crystal layer 110 may be an AlN layer, and the second crystal layer 112 may be an AlGaN layer. When the first crystal layer 110 is an AlN layer, the thickness may be 5 nm or more and 500 nm or less. In the case where the second crystal layer 112 is an AlGaN layer, the thickness may be 5 nm or more and 500 nm or less.

接着層104の結晶性は必ずしも高くなくてよい。接着層104は、不純物原子をドープしないノンドープ層であることが好ましい。接着層104としてノンドープ層を用いることで、接着層104の電気抵抗を高め、活性層108に形成される電子デバイスとベース基板102とを電気的に分離することができる。   The crystallinity of the adhesive layer 104 is not necessarily high. The adhesive layer 104 is preferably a non-doped layer that is not doped with impurity atoms. By using a non-doped layer as the adhesive layer 104, the electric resistance of the adhesive layer 104 can be increased, and the electronic device formed in the active layer 108 and the base substrate 102 can be electrically separated.

バッファ層106は、活性層108の結晶性を高めるために、接着層104と活性層108との間に形成する結晶層である。バッファ層106を形成することで活性層108の結晶性を高め、活性層108の転位密度が低減される。バッファ層106は、第3結晶層114と第4結晶層116が交互に複数積層された積層構造体であってもよく、第3結晶層114として、AlGa1−mN、(但し0≦m≦1)で表される結晶が挙げられ、第4結晶層116として、AlGa1−nN、(但し0≦n≦1、m>n)で表される結晶層が挙げられる。より具体的には、第3結晶層114としてAlN層が挙げられ、第4結晶層116としてGaN層が挙げられる。第3結晶層114がAlN層である場合、その厚さとして、2nm以上10nm以下が挙げられる。第4結晶層116がGaN層である場合、その厚さとして、5nm以上40nm以下が挙げられる。 The buffer layer 106 is a crystal layer formed between the adhesive layer 104 and the active layer 108 in order to increase the crystallinity of the active layer 108. By forming the buffer layer 106, the crystallinity of the active layer 108 is increased, and the dislocation density of the active layer 108 is reduced. The buffer layer 106 may be a stacked structure in which a plurality of third crystal layers 114 and fourth crystal layers 116 are alternately stacked. As the third crystal layer 114, Al m Ga 1-m N (however, 0 ≦ m ≦ 1), and the fourth crystal layer 116 includes a crystal layer represented by Al n Ga 1-n N (where 0 ≦ n ≦ 1, m> n). . More specifically, the third crystal layer 114 may be an AlN layer, and the fourth crystal layer 116 may be a GaN layer. When the third crystal layer 114 is an AlN layer, the thickness may be 2 nm or more and 10 nm or less. When the fourth crystal layer 116 is a GaN layer, the thickness may be 5 nm or more and 40 nm or less.

第3結晶層114の格子緩和度は、第4結晶層116の格子緩和度より大きい。ここで、格子緩和度(X)は、その結晶層の平均格子定数(d1)を、歪がない場合の格子定数(d2)で規格化した値として定義され、X=d1/d2、で表される。一般に、結晶層が下地結晶との間でヘテロ界面を構成する場合、当該ヘテロ界面では下地結晶および結晶層の一方または双方の格子定数が、本来の格子定数(歪がない場合の格子定数)からずれて形成され(擬格子整合)、その結果として下地結晶および結晶層の一方または双方に歪(ストレス)が内蔵される。ただし、このような格子定数のズレは、ヘテロ界面の全面に渡って確実に発生しているとは限らず、ヘテロ界面の一部で下地結晶と結晶層との結合が切断された結果、当該一部において歪(ストレス)が解放されている一部格子緩和状態が発生していると、本発明者は考えている。格子緩和度は、このような一部格子緩和状態を定量的に表したものであり、格子緩和度に応じて、下地結晶と結晶層との間の歪(ストレス)が変化する。なお、格子緩和度は、X線分析法等により現実の格子定数を測定し、測定した格子定数と物質に固有な格子定数の値から計算により求めることができる。   The lattice relaxation degree of the third crystal layer 114 is larger than the lattice relaxation degree of the fourth crystal layer 116. Here, the degree of lattice relaxation (X) is defined as a value obtained by normalizing the average lattice constant (d1) of the crystal layer with the lattice constant (d2) when there is no strain, and is expressed as X = d1 / d2. Is done. In general, when the crystal layer forms a heterointerface with the base crystal, the lattice constant of one or both of the base crystal and the crystal layer is determined from the original lattice constant (lattice constant when there is no strain) at the heterointerface. As a result, strain (stress) is built in one or both of the base crystal and the crystal layer. However, such a shift in lattice constant is not necessarily generated over the entire surface of the heterointerface, and as a result of the bond between the base crystal and the crystal layer being broken at a portion of the heterointerface, The present inventor believes that a partial lattice relaxation state in which strain (stress) is partially released occurs. The degree of lattice relaxation is a quantitative representation of such a partial lattice relaxation state, and the strain (stress) between the base crystal and the crystal layer changes according to the degree of lattice relaxation. Note that the lattice relaxation degree can be obtained by calculation from an actual lattice constant measured by an X-ray analysis method or the like, and a value of the measured lattice constant and a lattice constant specific to the substance.

結晶層のストレスが圧縮応力となるか引張応力となるか、あるいはその大きさは、ベース基板102や他の結晶層との熱膨張係数の相違、厚さ等が複雑に関係するので、一概に特定することはできない。しかし、ベース基板102がシリコン基板であり、活性層108がGaN層である場合、結晶層形成時の温度と室温における各材料の熱膨張係数の相違から、活性層108には引張応力が発生すると考えられる。よって、バッファ層106に圧縮応力が発生すれば、活性層108の引張応力と相殺され、半導体基板100の全体としての応力が小さくなり好ましい。このようなバッファ層106に圧縮応力を発生させる条件として、本発明者らは、第3結晶層114の格子緩和度が第4結晶層116の格子緩和度より大きいという条件を見出した。すなわち、第3結晶層114の格子緩和度を第4結晶層116の格子緩和度より大きくすることで、バッファ層106の応力を圧縮応力に制御し、半導体基板100の全体のストレス(応力)を低減して、バッファ層106および活性層108の結晶破壊を免れることができる。   Whether the stress of the crystal layer is a compressive stress or a tensile stress, or the magnitude of the stress is intricately related to the difference in thermal expansion coefficient and thickness of the base substrate 102 and other crystal layers. It cannot be specified. However, when the base substrate 102 is a silicon substrate and the active layer 108 is a GaN layer, tensile stress is generated in the active layer 108 due to the difference in the thermal expansion coefficient of each material at the temperature at which the crystal layer is formed and at room temperature. Conceivable. Therefore, if compressive stress is generated in the buffer layer 106, it is preferably offset by the tensile stress of the active layer 108, and the overall stress of the semiconductor substrate 100 is reduced. As a condition for generating a compressive stress in the buffer layer 106, the present inventors have found a condition that the degree of lattice relaxation of the third crystal layer 114 is larger than the degree of lattice relaxation of the fourth crystal layer 116. That is, by making the lattice relaxation degree of the third crystal layer 114 larger than the lattice relaxation degree of the fourth crystal layer 116, the stress of the buffer layer 106 is controlled to a compressive stress, and the overall stress (stress) of the semiconductor substrate 100 is reduced. Thus, the crystal breakage of the buffer layer 106 and the active layer 108 can be avoided.

バッファ層106は、前記の通り第3結晶層114と第4結晶層116の繰り返し構造である。繰り返し構造とすることで活性層108の結晶性を高め、活性層108の転位密度が低減される。バッファ層106における第3結晶層114および第4結晶層116の繰り返し数は、2以上160以下であることが好ましい。2以上の繰り返し数とすることで、繰り返し構造を形成できる。ただし、繰り返し数は、前記した繰り返し構造の効果(活性層108の転位密度を低減する効果およびバッファ層106自体の結晶破壊を免れる効果)が発現する程度の繰り返し数とすることがより好ましい。繰り返し数が160を超えると、繰り返し構造の効果が概ね飽和する一方、製造コストが増大する。よって、繰り返し数は160以下とするのが適切である。   The buffer layer 106 has a repeating structure of the third crystal layer 114 and the fourth crystal layer 116 as described above. By adopting a repeating structure, the crystallinity of the active layer 108 is increased, and the dislocation density of the active layer 108 is reduced. The number of repetitions of the third crystal layer 114 and the fourth crystal layer 116 in the buffer layer 106 is preferably 2 or more and 160 or less. By setting the number of repetitions to 2 or more, a repeating structure can be formed. However, the number of repetitions is more preferably set to such a degree that the effects of the above-described repetition structure (an effect of reducing the dislocation density of the active layer 108 and an effect of avoiding crystal breakdown of the buffer layer 106 itself) are exhibited. If the number of repetitions exceeds 160, the effect of the repeating structure is almost saturated, while the manufacturing cost increases. Therefore, it is appropriate that the number of repetitions is 160 or less.

バッファ層106は、ベース基板102から活性層108に向かう方向に沿って、第3結晶層114/第4結晶層116/・・・/第3結晶層114/第4結晶層116の順に形成される第1の場合(図1に示す場合)と、第4結晶層116/第3結晶層114/・・・/第4結晶層116/第3結晶層114の順に形成される第2の場合(図示しない場合)の何れの場合であってもよい。   The buffer layer 106 is formed in the order of the third crystal layer 114 / the fourth crystal layer 116 /... / The third crystal layer 114 / the fourth crystal layer 116 along the direction from the base substrate 102 toward the active layer 108. The first case (the case shown in FIG. 1) and the second case where the fourth crystal layer 116 / the third crystal layer 114 /... / The fourth crystal layer 116 / the third crystal layer 114 are formed in this order. It may be any case (not shown).

第3結晶層114は、AlGa1−mN、(但し0≦m≦1)からなり、第4結晶層116は、AlGa1−nN、(但し0≦n≦1、m>n)からなる。第3結晶層114と第4結晶層116は、互いに組成が異なるものの、共にアルミニウム・ガリウム窒素系化合物半導体の結晶層である。第3結晶層114および第4結晶層116の組成および厚さを制御して、バッファ層106の応力、結晶性等を制御できる。また、第3結晶層114のアルミニウム組成比を高めてバンドギャップを大きくし、バッファ層106の絶縁性を高くできる。あるいは、第4結晶層116のガリウム組成比を高めて活性層108と接する層の組成を活性層108に近づけ、活性層108の転位密度を低減することができる。たとえば、第3結晶層114のアルミニウム組成比mと第4結晶層116のアルミニウム組成比nとが、m−n>0.5、の関係を満足するようにすることができる。m−nが0.5を超えれば、前記したバッファ層106の応力制御および活性層108の転位密度の低減が共に充足できるようになる。 The third crystal layer 114 is made of Al m Ga 1-m N (where 0 ≦ m ≦ 1), and the fourth crystal layer 116 is made of Al n Ga 1-n N (where 0 ≦ n ≦ 1, m > N). Although the third crystal layer 114 and the fourth crystal layer 116 have different compositions, both are crystal layers of an aluminum / gallium nitrogen compound semiconductor. The stress and crystallinity of the buffer layer 106 can be controlled by controlling the composition and thickness of the third crystal layer 114 and the fourth crystal layer 116. Further, the aluminum composition ratio of the third crystal layer 114 can be increased to increase the band gap, and the insulating property of the buffer layer 106 can be increased. Alternatively, the composition ratio of the layer in contact with the active layer 108 can be made closer to the active layer 108 by increasing the gallium composition ratio of the fourth crystal layer 116, and the dislocation density of the active layer 108 can be reduced. For example, the aluminum composition ratio m of the third crystal layer 114 and the aluminum composition ratio n of the fourth crystal layer 116 can satisfy the relationship of mn> 0.5. If mn exceeds 0.5, both the stress control of the buffer layer 106 and the reduction of the dislocation density of the active layer 108 can be satisfied.

活性層108は、AlGa1−zN、(但し0≦z≦1)からなる。活性層108は、電子デバイスの活性層として機能する結晶層であり、転位の少ない良質な結晶であることが求められる。活性層として機能することを考慮して、活性層108のアルミニウム組成比zは、0以上0.3以下とすることが好ましい。 The active layer 108 is made of Al z Ga 1-z N (where 0 ≦ z ≦ 1). The active layer 108 is a crystal layer that functions as an active layer of an electronic device, and is required to be a high-quality crystal with few dislocations. In consideration of functioning as an active layer, the aluminum composition ratio z of the active layer 108 is preferably 0 or more and 0.3 or less.

活性層108の厚みとして、0.5μm以上3μm以下が挙げられる。活性層108の厚さが0.5μm以上になると、活性層108の膜応力が大きくなり、転位等による結晶性の低下、膜剥離(結晶破壊)等の問題が顕在化してくる。本発明は、このような状況においても活性層108の結晶性を良好にし、剥離を抑制するものであり、活性層108の厚みが0.5μm以上の場合に本発明の効果がより顕著に発揮される。ただし、活性層108の厚みが3μmを超えるとバッファ層106とのストレスバランスの調整が困難となり、膜剥離(結晶破壊)が発生するようになる。よって活性層108の厚みは3μm以下とするのが好適である。なお、活性層108とバッファ層106との間に中間層118を形成してもよい。   Examples of the thickness of the active layer 108 include 0.5 μm or more and 3 μm or less. When the thickness of the active layer 108 is 0.5 μm or more, the film stress of the active layer 108 becomes large, and problems such as a decrease in crystallinity due to dislocations and film peeling (crystal breakage) become obvious. The present invention improves the crystallinity of the active layer 108 and suppresses peeling even in such a situation, and the effect of the present invention is more remarkable when the thickness of the active layer 108 is 0.5 μm or more. Is done. However, if the thickness of the active layer 108 exceeds 3 μm, it is difficult to adjust the stress balance with the buffer layer 106, and film peeling (crystal breakdown) occurs. Therefore, the thickness of the active layer 108 is preferably 3 μm or less. Note that an intermediate layer 118 may be formed between the active layer 108 and the buffer layer 106.

次に、半導体基板100の製造方法を説明する。まず、ベース基板102を洗浄装置の洗浄室に設置し、ベース基板102の表面をHF水溶液により洗浄する第1洗浄工程を実施する。HF水溶液のHF濃度は、0.1%から10%の間、たとえば5%とすることができる。HF水溶液による洗浄時間は、0.5分から10分の間、たとえば1分とすることができる。第1洗浄工程により、シリコン表面をH原子またはF原子で終端し、大気雰囲気等酸素が存在する環境においても、ベース基板102のシリコン表面が酸化されることを抑制することができる。   Next, a method for manufacturing the semiconductor substrate 100 will be described. First, the base substrate 102 is set in a cleaning chamber of a cleaning apparatus, and a first cleaning process is performed in which the surface of the base substrate 102 is cleaned with an HF aqueous solution. The HF concentration of the aqueous HF solution can be between 0.1% and 10%, for example 5%. The cleaning time with the HF aqueous solution can be 0.5 to 10 minutes, for example, 1 minute. By the first cleaning step, it is possible to suppress the silicon surface of the base substrate 102 from being oxidized even in an environment where oxygen exists such as an air atmosphere by terminating the silicon surface with H atoms or F atoms.

第1洗浄工程の前に、ベース基板102の表面を硝酸および過酸化水素水により洗浄する第2洗浄工程を実施してもよい。第2洗浄工程により、ベース基板102の表面に付着した有機物が除去され、第1洗浄工程後のベース基板102の表面を、より清浄にすることができる。また、硝酸および過酸化水素水による洗浄により、ベース基板102であるシリコン表面の凸部が酸化され、その後第1洗浄工程のHF巣水溶液による洗浄によって酸化された凸部がエッチングされ除去される。ここで、第1洗浄工程および第2洗浄工程は、繰り返し実施することが好ましい。第1洗浄工程および第2洗浄工程を繰り返し実施することで、ベース基板102の表面を、さらに清浄にすることができるとともに、前記した凸部がより平坦にエッチングされ、シリコン表面が原子レベルまで平滑にできる。   Prior to the first cleaning step, a second cleaning step of cleaning the surface of the base substrate 102 with nitric acid and hydrogen peroxide solution may be performed. By the second cleaning step, organic substances attached to the surface of the base substrate 102 are removed, and the surface of the base substrate 102 after the first cleaning step can be made cleaner. In addition, the convex portions on the silicon surface, which is the base substrate 102, are oxidized by cleaning with nitric acid and hydrogen peroxide, and thereafter the convex portions oxidized by the cleaning with the HF nest aqueous solution in the first cleaning step are etched and removed. Here, the first cleaning step and the second cleaning step are preferably performed repeatedly. By repeatedly performing the first cleaning step and the second cleaning step, the surface of the base substrate 102 can be further cleaned, and the above-described convex portions are etched more flatly, and the silicon surface is smoothed to the atomic level. Can be.

第1洗浄工程の後、ベース基板102を洗浄室から成長室に移送し、接着層104以降の層形成工程に移行する。あるいは、第1洗浄工程の後、ベース基板102を水洗する水洗工程をさらに有してもよく、当該水洗工程の後、ベース基板102をエピタキシャル結晶成長装置の成長室に移送し、接着層104以降の層形成工程に移行してもよい。第1洗浄工程の後、水洗工程を経ないで層形成工程に移行する場合、水洗によりベース基板102の表面が酸化されることなく、清浄な表面を維持した状態で接着層104の形成工程に移行できる。一方、第1洗浄工程の後にベース基板102を水洗する場合、ベース基板102の表面に残留したHF分子等が除去できる。   After the first cleaning process, the base substrate 102 is transferred from the cleaning chamber to the growth chamber, and the process proceeds to the layer forming process after the adhesive layer 104. Alternatively, the base substrate 102 may be further washed with water after the first washing step. After the water washing step, the base substrate 102 is transferred to the growth chamber of the epitaxial crystal growth apparatus, and the adhesive layer 104 and the subsequent layers. You may transfer to the layer forming step. After the first cleaning process, when the process proceeds to the layer forming process without passing through the water washing process, the surface of the base substrate 102 is not oxidized by the water washing, and the process of forming the adhesive layer 104 is performed while maintaining a clean surface. Can be migrated. On the other hand, when the base substrate 102 is washed with water after the first cleaning step, HF molecules remaining on the surface of the base substrate 102 can be removed.

第1洗浄工程の後、ベース基板102の上に、接着層104、バッファ層106および活性層108をエピタキシャル成長法により順次形成する層形成工程に移行する。なお、上記洗浄工程から層形成工程に至る手順として下記(1)から(5)の手順(4通り×2=8通りの手順)が可能である。
(1)第1洗浄工程から層形成工程に移行する手順
(2)第2洗浄工程から第1洗浄工程に移行し、層形成工程に移行する手順
(3)第1洗浄工程から第2洗浄工程に移行し、第1洗浄工程および第2洗浄工程を繰り返し、第1洗浄工程に移行し、層形成工程に移行する手順
(4)第2洗浄工程から第1洗浄工程に移行し、第2洗浄工程に移行し、第1洗浄工程および第2洗浄工程を繰り返し、第1洗浄工程に移行し、層形成工程に移行する手順
(5)上記(1)〜(4)の各手順において、最終の第1洗浄工程から層形成工程に移行する間に水洗工程を経由する手順
After the first cleaning process, the process proceeds to a layer forming process in which the adhesive layer 104, the buffer layer 106, and the active layer 108 are sequentially formed on the base substrate 102 by the epitaxial growth method. As the procedure from the washing step to the layer forming step, the following procedures (1) to (5) (4 ways × 2 = 8 ways) are possible.
(1) Procedure for shifting from the first cleaning step to the layer forming step (2) Procedure for shifting from the second cleaning step to the first cleaning step and shifting to the layer forming step (3) From the first cleaning step to the second cleaning step (4) Procedure for transferring the first cleaning process and the second cleaning process to the first cleaning process and shifting to the layer forming process (4) Moving from the second cleaning process to the first cleaning process, The process moves to the process, the first washing process and the second washing process are repeated, the process moves to the first washing process, and the process moves to the layer forming process. (5) In each of the above steps (1) to (4), the final Procedure through the water washing process during the transition from the first washing process to the layer formation process

前記した洗浄工程の後、ベース基板102を、エピタキシャル結晶成長装置の成長室に設置し、ベース基板102の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつベース基板102の表面を水素ガスに暴露する水素ガス暴露工程を実施する。水素ガス暴露工程により、ベース基板102の表面に存在する酸化層を除去することができる。酸化層を除去することで、ベース基板102の上に良質な窒化物半導体結晶層が形成できる。   After the above-described cleaning process, the base substrate 102 is placed in the growth chamber of the epitaxial crystal growth apparatus, and the surface of the base substrate 102 is exposed to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate 102 at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. Implement a hydrogen gas exposure process. Through the hydrogen gas exposure step, the oxide layer present on the surface of the base substrate 102 can be removed. By removing the oxide layer, a good quality nitride semiconductor crystal layer can be formed on the base substrate 102.

水素ガス暴露工程では、ベース基板102の表面の酸化シリコン膜を還元性ガスである水素との熱反応により除去する。反応が十分でなければ酸化シリコン膜が除去されず、反応が強すぎるとベース基板102の表面に荒れが発生して好ましくない。よって、水素ガス暴露工程における暴露温度には最適範囲が存在し、下限である1000℃は、酸化シリコン膜が十分に除去できる温度から選択され、上限である1150℃は、ベース基板102の表面に荒れが発生しない温度から選択されている。   In the hydrogen gas exposure step, the silicon oxide film on the surface of the base substrate 102 is removed by a thermal reaction with hydrogen which is a reducing gas. If the reaction is not sufficient, the silicon oxide film is not removed, and if the reaction is too strong, the surface of the base substrate 102 is undesirably roughened. Therefore, there is an optimum range for the exposure temperature in the hydrogen gas exposure step, and the lower limit of 1000 ° C. is selected from the temperature at which the silicon oxide film can be sufficiently removed, and the upper limit of 1150 ° C. is on the surface of the base substrate 102. The temperature is selected so as not to cause roughening.

水素ガス暴露工程の後、ベース基板102の温度を1000℃以上に維持しつつベース基板102の表面をアンモニアガスとキャリアガスとの混合ガスに暴露するアンモニアガス暴露工程を実施する。キャリアガスとして水素ガスまたは窒素ガスが挙げられる。アンモニアガス暴露工程により、ベース基板102の表面を部分的に覆う窒化シリコン膜が形成できる。このような、ベース基板102の表面を部分的に覆う窒化シリコン膜により、後に形成する接着層104を高温条件にて形成できる。   After the hydrogen gas exposure step, an ammonia gas exposure step is performed in which the surface of the base substrate 102 is exposed to a mixed gas of ammonia gas and carrier gas while maintaining the temperature of the base substrate 102 at 1000 ° C. or higher. Examples of the carrier gas include hydrogen gas or nitrogen gas. Through the ammonia gas exposure step, a silicon nitride film that partially covers the surface of the base substrate 102 can be formed. With such a silicon nitride film partially covering the surface of the base substrate 102, an adhesive layer 104 to be formed later can be formed under high temperature conditions.

シリコン基板上にGaN層を形成する場合、5族原料であるアンモニアを3族原料であるトリメチルガリウム(TMG)やトリメチルアルミニウム(TMA)より前に供給を開始するとGaN単結晶層が成長できないことが知られている。これは、GaN単結晶層の成長前にシリコン基板表面が窒化されるためであると考えられている。よって、シリコン基板の表面にGaN層、AlGaN層あるいはAlN層を形成する場合、5族原料より前に3族原料の供給を開始し、多くの場合AlN層を中間層として形成する。ただし、このようなAlN中間層は、成長温度を低温条件としなければ形成できず、低温条件で形成したAlN層はピンチオフ性、オンオフ比の点で高温条件で形成したAlN層に劣るものであった。   When a GaN layer is formed on a silicon substrate, if the supply of ammonia, which is a Group 5 material, is started before trimethyl gallium (TMG) or trimethylaluminum (TMA), which is a Group 3 material, the GaN single crystal layer may not grow. Are known. This is considered to be because the surface of the silicon substrate is nitrided before the growth of the GaN single crystal layer. Therefore, when a GaN layer, an AlGaN layer, or an AlN layer is formed on the surface of the silicon substrate, supply of the Group 3 material is started before the Group 5 material, and in many cases, the AlN layer is formed as an intermediate layer. However, such an AlN intermediate layer cannot be formed unless the growth temperature is set to a low temperature condition, and an AlN layer formed under a low temperature condition is inferior to an AlN layer formed under a high temperature condition in terms of pinch-off property and on / off ratio. It was.

しかし、本発明者は、ベース基板102の表面を部分的に覆う窒化シリコン膜を形成することで、高温条件でもAlN層等の窒化物半導体結晶層が形成できることを見出した。シリコン基板からなるベース基板102であっても高温条件で窒化物半導体結晶層が形成できるのは、窒化シリコン膜で覆われていない部分のシリコン(露出部)を起点として窒化物半導体結晶層の結晶成長が開始し、窒化シリコン膜で覆われている部分で窒化物半導体結晶層が横方向成長しているからであると考えられる。   However, the present inventor has found that a nitride semiconductor crystal layer such as an AlN layer can be formed even under high temperature conditions by forming a silicon nitride film that partially covers the surface of the base substrate 102. Even in the case of the base substrate 102 made of a silicon substrate, the nitride semiconductor crystal layer can be formed under high temperature conditions because the crystal of the nitride semiconductor crystal layer starts from the silicon (exposed portion) that is not covered with the silicon nitride film. This is probably because the growth started and the nitride semiconductor crystal layer was laterally grown in the portion covered with the silicon nitride film.

このように、アンモニアガス暴露工程を実施することで、良質な接着層104を形成することができるようになる。なお、水素ガス暴露工程の後にアンモニアガス暴露工程を実施するのは、ベース基板102の表面を部分的に覆う窒化シリコン膜(SiNマスク)をベース基板102の全面に渡り同様の粗密性で均一に形成できることに寄与する。すなわち、水素ガス暴露工程によってベース基板102の表面が極めて清浄にされているが故にSiNマスクが均一な粗密性で形成され、それ故に良質な接着層104が均質に形成できると言える。   As described above, by performing the ammonia gas exposure step, it is possible to form the high-quality adhesive layer 104. Note that the ammonia gas exposure step is performed after the hydrogen gas exposure step because a silicon nitride film (SiN mask) that partially covers the surface of the base substrate 102 is uniformly applied to the entire surface of the base substrate 102 with the same roughness. It contributes to being able to form. That is, since the surface of the base substrate 102 is extremely cleaned by the hydrogen gas exposure process, the SiN mask is formed with uniform roughness, and therefore, it can be said that the high-quality adhesive layer 104 can be formed uniformly.

上記のようなメカニズムから、アンモニアガス暴露工程におけるベース基板102の表面の窒化は、少な過ぎても多すぎても好ましくない。ベース基板102の表面の窒化を適度に制御することが必要であり、このため、アンモニアをキャリアガスで希釈し、反応速度を低下させることができる。キャリアガスとして、水素ガスまたは窒素ガスが挙げられる。ベース基板102の表面の窒化反応は、アンモニアガスの分圧と反応時間で制御できるので、各パラメータの組み合わせにおいて最適範囲が存在する。   From the above mechanism, the nitridation of the surface of the base substrate 102 in the ammonia gas exposure step is not preferable if it is too little or too much. It is necessary to moderately control the nitridation of the surface of the base substrate 102. For this reason, ammonia can be diluted with a carrier gas to reduce the reaction rate. Examples of the carrier gas include hydrogen gas or nitrogen gas. Since the nitridation reaction on the surface of the base substrate 102 can be controlled by the partial pressure of ammonia gas and the reaction time, there is an optimum range for each parameter combination.

混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が0.5kPa以上1.5kPa未満である場合、ベース基板102の表面を混合ガスに暴露する時間が30秒以上120秒以下であることが好ましい。あるいは、混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が1.5kPa以上4.5kPa未満である場合、ベース基板102の表面を混合ガスに暴露する時間が10秒以上60秒以下であることが好ましい。あるいは、混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が4.5kPa以上8.0kPa未満である場合、ベース基板102の表面を混合ガスに暴露する時間が10秒以上45秒以下であることが好ましい。   When the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 0.5 kPa or more and less than 1.5 kPa, it is preferable that the time for exposing the surface of the base substrate 102 to the mixed gas is 30 seconds or more and 120 seconds or less. Alternatively, when the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 1.5 kPa or more and less than 4.5 kPa, the time for exposing the surface of the base substrate 102 to the mixed gas is preferably 10 seconds or more and 60 seconds or less. Alternatively, when the partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 4.5 kPa or more and less than 8.0 kPa, the time for exposing the surface of the base substrate 102 to the mixed gas is preferably 10 seconds or more and 45 seconds or less.

アンモニアガス暴露工程の後、ベース基板102の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつベース基板102の表面を水素ガスに暴露する第2の水素ガス暴露工程をさらに実施することができる。アンモニアガス暴露工程の後さらに水素ガス暴露工程を実施することで、アンモニアガス暴露工程において反応室壁面から揮発した3族原料とアンモニアとの反応により生成された微量な多結晶または非結晶3族窒化物物質を、ベース基板102の表面から除去できる。   After the ammonia gas exposure step, a second hydrogen gas exposure step of exposing the surface of the base substrate 102 to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate 102 at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower can be further performed. By carrying out the hydrogen gas exposure process after the ammonia gas exposure process, a trace amount of polycrystalline or non-crystalline group 3 nitridation generated by the reaction of the group 3 material volatilized from the reaction chamber wall surface with ammonia in the ammonia gas exposure process Physical substances can be removed from the surface of the base substrate 102.

アンモニアガス暴露工程の後、必要に応じて第2の水素ガス暴露工程を実施し、ベース基板102の上に、接着層104、バッファ層106および活性層108をエピタキシャル成長法により順次形成する。エピタキシャル結晶成長法としてMOCVD法を用いる場合、原料ガスとして、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、NH(アンモニア)を用いることができ、シリコンドーピングガスとしてSi(ジシラン)、SiH(シラン)を用いることができ、キャリアガスとして、H(水素ガス)、N(窒素ガス)を用いることができる。 After the ammonia gas exposure step, a second hydrogen gas exposure step is performed as necessary, and an adhesive layer 104, a buffer layer 106, and an active layer 108 are sequentially formed on the base substrate 102 by an epitaxial growth method. When the MOCVD method is used as the epitaxial crystal growth method, TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), NH 3 (ammonia) can be used as the source gas, and Si 2 H 6 (disilane), SiH 4 (silane) can be used, and H 2 (hydrogen gas) and N 2 (nitrogen gas) can be used as the carrier gas.

接着層104を形成する工程では、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより第1結晶層110を形成する工程を実施し、その後、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより第2結晶層112を形成する工程を実施する。ただし、第1結晶層110の形成後であって第2結晶層112の形成前の第1の段階、および、第2結晶層112の形成後であってバッファ層106の形成前の第2の段階、からなる群から選択された少なくとも1つの段階において、3族原料ガスの供給を停止するとともに成長室の内部を、アンモニアを含むガスの雰囲気に一定時間だけ維持する雰囲気維持工程を有する。ここで、アンモニアを含むガスの雰囲気には、アンモニアガス単体の雰囲気、アンモニアガスおよび水素ガスからなる雰囲気を含む。   In the step of forming the adhesive layer 104, the step of forming the first crystal layer 110 is performed by supplying the group 3 source gas and ammonia gas, and then the group 3 source gas and the ammonia gas are supplied to supply the second layer. A step of forming the crystal layer 112 is performed. However, the first stage after the formation of the first crystal layer 110 and before the formation of the second crystal layer 112 and the second stage after the formation of the second crystal layer 112 and before the formation of the buffer layer 106 are performed. In at least one stage selected from the group consisting of the stages, there is an atmosphere maintaining step of stopping the supply of the Group 3 source gas and maintaining the inside of the growth chamber in a gas atmosphere containing ammonia for a certain period of time. Here, the atmosphere of the gas containing ammonia includes an atmosphere of ammonia gas alone and an atmosphere composed of ammonia gas and hydrogen gas.

すなわち、以下の何れかのパターンにより接着層104を形成する。
(1)第1結晶層110の形成工程の後、第1の段階の雰囲気維持工程を実施し、第2結晶層112の形成工程を実施し、連続してバッファ層106の形成工程に移行する第1のパターン
(2)第1結晶層110の形成工程の後、雰囲気維持工程を実施することなく連続して第2結晶層112の形成工程を実施し、第2の段階の雰囲気維持工程を実施した後、バッファ層106の形成工程に移行する第2のパターン
(3)第1結晶層110の形成工程の後、第1の段階の雰囲気維持工程を実施し、第2結晶層112の形成工程を実施し、第2の段階の雰囲気維持工程を実施した後、バッファ層106の形成工程に移行する第3のパターン
That is, the adhesive layer 104 is formed by any of the following patterns.
(1) After the formation process of the first crystal layer 110, the first stage atmosphere maintenance process is performed, the formation process of the second crystal layer 112 is performed, and the process proceeds to the formation process of the buffer layer 106 continuously. First Pattern (2) After the formation process of the first crystal layer 110, the second crystal layer 112 formation process is continuously performed without performing the atmosphere maintenance process, and the second stage atmosphere maintenance process is performed. The second pattern is transferred to the formation process of the buffer layer 106 after the execution. (3) After the formation process of the first crystal layer 110, the first-stage atmosphere maintenance process is performed to form the second crystal layer 112. The third pattern which shifts to the formation process of the buffer layer 106 after performing the process and performing the atmosphere maintaining process of the second stage

第1の段階あるいは第2の段階の雰囲気維持工程により、成長面のファセットが形成され、水素パッシベーションによる結晶層の高抵抗化が図れる利点がある。他方、雰囲気維持工程により表面に荒れが発生する可能性もある。よって、上記(1)から(3)のパターンには各々メリット・デメリットがある。すなわち、(1)の第1のパターンにおいては、第1結晶層110のファセット形成とファセット面を基点とした第2結晶層112の横方向成長による欠陥の低減が期待できる。
(2)の第2のパターンにおいては、第1結晶層110と比較して抵抗率が小さいと思われる第2結晶層112の高抵抗化が図れる。(3)の第3のパターンにおいては、第1結晶層110および第2結晶層112のファセット形成と高抵抗化を共に図ることができる。ただし、雰囲気維持工程により表面に荒れが発生することも予測されるため、要求特性によっては雰囲気維持工程実施の可否を比較検討する必要がある。なお、(3)の第3のパターンにおいて第1結晶層110および第2結晶層112の高抵抗化を目的とする場合、第1結晶層110より第2結晶層112のバンドギャップの方が狭いことから高抵抗化に要する時間は第2結晶層112の方が長くなる。よって、第1段階において成長室の内部を雰囲気に維持する一定時間T1は、第2段階において成長室の内部を雰囲気に維持する一定時間T2より短いことが好ましい。
There is an advantage that the facet of the growth surface is formed by the atmosphere maintaining process in the first stage or the second stage, and the resistance of the crystal layer can be increased by hydrogen passivation. On the other hand, the surface may be roughened by the atmosphere maintaining step. Therefore, each of the patterns (1) to (3) has advantages and disadvantages. That is, in the first pattern of (1), reduction of defects due to facet formation of the first crystal layer 110 and lateral growth of the second crystal layer 112 based on the facet plane can be expected.
In the second pattern (2), it is possible to increase the resistance of the second crystal layer 112 that is considered to have a lower resistivity than the first crystal layer 110. In the third pattern (3), both the facet formation and the high resistance of the first crystal layer 110 and the second crystal layer 112 can be achieved. However, since it is predicted that the surface will be roughened by the atmosphere maintenance process, it is necessary to compare and examine whether or not the atmosphere maintenance process can be performed depending on the required characteristics. In the third pattern of (3), when the purpose is to increase the resistance of the first crystal layer 110 and the second crystal layer 112, the band gap of the second crystal layer 112 is narrower than that of the first crystal layer 110. Therefore, the time required for increasing the resistance is longer in the second crystal layer 112. Therefore, the fixed time T1 for maintaining the inside of the growth chamber in the atmosphere in the first stage is preferably shorter than the fixed time T2 for maintaining the inside of the growth chamber in the atmosphere in the second stage.

以上説明した半導体基板100とその製造方法によれば、ベース基板102の表面をHF水溶液により洗浄する第1洗浄工程を実施するため、その後、水素ガス暴露工程およびアンモニアガス暴露工程を経てベース基板102上に形成される接着層104が、良好な結晶性と接着性を有するものとすることができる。この結果、接着層104より上方に形成されるバッファ層106および活性層108の品質を向上し、活性層108における転位密度を低減することができる。   According to the semiconductor substrate 100 and the manufacturing method thereof described above, since the first cleaning process of cleaning the surface of the base substrate 102 with the HF aqueous solution is performed, the base substrate 102 is subsequently subjected to a hydrogen gas exposure process and an ammonia gas exposure process. The adhesive layer 104 formed thereon can have good crystallinity and adhesiveness. As a result, the quality of the buffer layer 106 and the active layer 108 formed above the adhesive layer 104 can be improved, and the dislocation density in the active layer 108 can be reduced.

また、水素ガス暴露工程を実施することで、アンモニアガス暴露工程で形成されるベース基板102表面の窒化物の開口サイズを均一なものとすることができ、接着層104の第1結晶層110を、良好な結晶性と接着性を有するものとすることができる。この結果、第2結晶層112、バッファ層106および活性層108の品質を向上し、活性層108における転位密度を低減することができる。   In addition, by performing the hydrogen gas exposure step, the nitride opening size on the surface of the base substrate 102 formed in the ammonia gas exposure step can be made uniform, and the first crystal layer 110 of the adhesive layer 104 can be formed. It can have good crystallinity and adhesiveness. As a result, the quality of the second crystal layer 112, the buffer layer 106, and the active layer 108 can be improved, and the dislocation density in the active layer 108 can be reduced.

また、アンモニアガス暴露工程を実施することで、ベース基板102の表面にその一部を覆う窒化物を形成することができ、接着層104の第1結晶層110を高温条件において形成し、良好な結晶性と接着性を有するものとすることができる。この結果、第2結晶層112、バッファ層106および活性層108の品質を向上し、活性層108における転位密度を低減することができる。   Further, by performing the ammonia gas exposure step, a nitride covering a part of the surface of the base substrate 102 can be formed, and the first crystal layer 110 of the adhesive layer 104 is formed under a high temperature condition. It can have crystallinity and adhesiveness. As a result, the quality of the second crystal layer 112, the buffer layer 106, and the active layer 108 can be improved, and the dislocation density in the active layer 108 can be reduced.

また、接着層104の形成工程において第1結晶層110の形成後、または第2結晶層112の形成後、またはその両方において3族原料ガスの供給を停止するとともに成長室の内部を、アンモニアを含むガスの雰囲気に一定時間だけ維持する雰囲気維持工程を実施することで、接着層104の結晶性を向上し、あるいは接着層104の抵抗率を高くできる。この結果、バッファ層106および活性層108の品質を向上し、活性層108における転位密度を低減するとともに、活性層108を電子デバイスに適用した場合のベース基板102との絶縁性を向上できる。   In addition, after the formation of the first crystal layer 110, the formation of the second crystal layer 112, or both in the formation process of the adhesive layer 104, the supply of the group 3 source gas is stopped and the inside of the growth chamber is made to contain ammonia. By performing the atmosphere maintaining step of maintaining the atmosphere of the contained gas for a certain period of time, the crystallinity of the adhesive layer 104 can be improved or the resistivity of the adhesive layer 104 can be increased. As a result, the quality of the buffer layer 106 and the active layer 108 can be improved, the dislocation density in the active layer 108 can be reduced, and the insulation from the base substrate 102 when the active layer 108 is applied to an electronic device can be improved.

なお、本発明は、活性層108の一部を活性領域とする電子デバイスとして把握することも可能である。電子デバイスとして、電界効果トランジスタが例示できる。また活性層108が、その厚さを0.5μm以上3μm以下と厚く形成できる利点を活かして、活性領域内のキャリアが半導体基板100の縦方向に移動する縦型構造を備えた電子デバイスとすることもできる。縦型構造を備えた電子デバイスとして、ショットキーバリアダイオード、PINダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが挙げられる。   The present invention can also be understood as an electronic device having a part of the active layer 108 as an active region. A field effect transistor can be illustrated as an electronic device. Further, taking advantage of the fact that the active layer 108 can be formed to a thickness of 0.5 μm or more and 3 μm or less, an electronic device having a vertical structure in which carriers in the active region move in the vertical direction of the semiconductor substrate 100 is obtained. You can also. Examples of the electronic device having the vertical structure include a Schottky barrier diode, a PIN diode, and an insulated gate bipolar transistor.

(実施例)
ベース基板102としてシリコン基板を用い、当該シリコン基板を洗浄装置の洗浄室に設置して洗浄した。洗浄は、硝酸対過酸化水素水の比を1対1とし、時間を1分とした第2洗浄工程をまず実施し、次に、HF水溶液の濃度を5%、時間を1分とした第1洗浄工程を実施した。第1洗浄工程と第2洗浄工程の繰り返し数を2とし、水洗は行わなかった。
(Example)
A silicon substrate was used as the base substrate 102, and the silicon substrate was placed in a cleaning chamber of a cleaning apparatus and cleaned. In the cleaning, a second cleaning step was first performed in which the ratio of nitric acid to hydrogen peroxide water was 1: 1, and the time was 1 minute. Next, the concentration of the HF aqueous solution was 5% and the time was 1 minute. One washing step was performed. The number of repetitions of the first washing step and the second washing step was 2, and no water washing was performed.

その後、シリコン基板をエピタキシャル結晶成長装置の成長室に設置し、水素ガス暴露工程を実施した。水素ガス暴露工程の条件は後に述べる。さらに、キャリアガスを水素とするアンモニア分圧3kPaの雰囲気で30秒間のアンモニアガス暴露工程を実施した。   Thereafter, the silicon substrate was placed in the growth chamber of the epitaxial crystal growth apparatus, and a hydrogen gas exposure process was performed. The conditions for the hydrogen gas exposure process will be described later. Furthermore, an ammonia gas exposure step for 30 seconds was performed in an atmosphere with an ammonia partial pressure of 3 kPa using hydrogen as a carrier gas.

その後、3族原料ガスおよび5族原料ガスを供給し、第1結晶層110としてAlN層を40nmの厚さで形成した。水素および窒素の分圧比が1対1であるキャリアガスに、アンモニア分圧1.5kPa、温度110℃、時間60秒の条件で第1の段階の雰囲気維持工程を実施した。次いで3族原料ガスおよび5族原料ガスを供給し、第2結晶層112としてAlGaN層を100nmの厚さで形成した。その後、第2の段階の雰囲気維持工程を実施することなく連続的にバッファ層106の形成に移行した。   Thereafter, a Group 3 source gas and a Group 5 source gas were supplied, and an AlN layer having a thickness of 40 nm was formed as the first crystal layer 110. A first atmosphere maintaining step was performed on a carrier gas having a hydrogen / nitrogen partial pressure ratio of 1: 1 under the conditions of an ammonia partial pressure of 1.5 kPa, a temperature of 110 ° C., and a time of 60 seconds. Next, a Group 3 source gas and a Group 5 source gas were supplied, and an AlGaN layer having a thickness of 100 nm was formed as the second crystal layer 112. Thereafter, the buffer layer 106 was continuously formed without performing the second-stage atmosphere maintaining step.

第3結晶層114としてAlN層を5nmの厚さで、第4結晶層116としてGaN層を20nmの厚さで形成し、AlN層およびGaN層の積層を100回繰り返してバッファ層106を形成した。さらに中間層118としてAlN層を5nmの厚さで形成し、活性層108としてGaN層を1200nmの厚さで形成した。   An AlN layer having a thickness of 5 nm was formed as the third crystal layer 114, a GaN layer having a thickness of 20 nm was formed as the fourth crystal layer 116, and the buffer layer 106 was formed by repeating the stacking of the AlN layer and the GaN layer 100 times. . Further, an AlN layer having a thickness of 5 nm was formed as the intermediate layer 118, and a GaN layer was formed as the active layer 108 with a thickness of 1200 nm.

表1は、水素ガス暴露工程の条件を変えた実施例1〜8と各実施例におけるGaN層(活性層108)の表面粗さRqを示す。表面粗さRqの値が小さいほど平坦であることを示し、GaN層の結晶性が良好であることを示す。表1において、水素ガス暴露工程を実施しない比較例1、温度が適切な範囲から外れた比較例2〜5も同時に示す。なお、水素ガス暴露工程における水素分圧(全圧)は30kPaであり、温度は950℃から1200℃の範囲で変化させた。時間は20分または40分とした。

Figure 2013069935
Table 1 shows the surface roughness Rq of the GaN layer (active layer 108) in Examples 1 to 8 and each example in which the conditions of the hydrogen gas exposure process were changed. It shows that it is so flat that the value of surface roughness Rq is small, and it shows that the crystallinity of a GaN layer is favorable. In Table 1, the comparative example 1 which does not implement a hydrogen gas exposure process and the comparative examples 2-5 from which temperature deviated from the appropriate range are also shown simultaneously. The hydrogen partial pressure (total pressure) in the hydrogen gas exposure step was 30 kPa, and the temperature was changed in the range of 950 ° C. to 1200 ° C. The time was 20 minutes or 40 minutes.
Figure 2013069935

図2は、表1の結果を示したグラフであり、水素ガス暴露工程の温度を変えたときのRqの変化を示す。実線は水素ガス暴露時間が20分の場合を、破線は40分の場合を示す。図2に示す通り、水素ガス暴露時間による結果の違いは大きくなく、温度が1000℃〜1150℃の範囲で良好な結果が得られることが分かる。すなわち、1000℃より低い温度ではベース基板102であるシリコン基板の表面酸化膜が十分に除去されず、1150℃を超える温度ではシリコン基板の表面における荒れが大きく、良好な半導体結晶が形成できないと考えられる。   FIG. 2 is a graph showing the results of Table 1, showing changes in Rq when the temperature of the hydrogen gas exposure process is changed. A solid line indicates a case where the hydrogen gas exposure time is 20 minutes, and a broken line indicates a case where the exposure time is 40 minutes. As shown in FIG. 2, it can be seen that the difference in the results depending on the hydrogen gas exposure time is not great, and good results are obtained when the temperature is in the range of 1000 ° C. to 1150 ° C. That is, when the temperature is lower than 1000 ° C., the surface oxide film of the silicon substrate as the base substrate 102 is not sufficiently removed, and when the temperature is higher than 1150 ° C., the surface of the silicon substrate is greatly roughened and a good semiconductor crystal cannot be formed. It is done.

100 半導体基板、102 ベース基板、104 接着層、106 バッファ層、108 活性層、110 第1結晶層、112 第2結晶層、114 第3結晶層、116 第4結晶層、118 中間層。   100 semiconductor substrate, 102 base substrate, 104 adhesive layer, 106 buffer layer, 108 active layer, 110 first crystal layer, 112 second crystal layer, 114 third crystal layer, 116 fourth crystal layer, 118 intermediate layer.

Claims (18)

ベース基板、接着層、バッファ層および活性層を有し、前記ベース基板、前記接着層、前記バッファ層および前記活性層がこの順に位置し、
前記ベース基板の前記接着層と接する領域にSiが存在し、
前記接着層、前記バッファ層および前記活性層が、窒化物半導体からなる半導体基板の製造方法であって、
前記ベース基板をエピタキシャル結晶成長装置の成長室に設置した後、前記ベース基板の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつ前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する水素ガス暴露工程と、
前記水素ガス暴露工程の後、前記ベース基板の上に、前記接着層、前記バッファ層および前記活性層をエピタキシャル成長法により順次形成する層形成工程と、
を有する半導体基板の製造方法。
A base substrate, an adhesive layer, a buffer layer and an active layer, wherein the base substrate, the adhesive layer, the buffer layer and the active layer are positioned in this order;
Si exists in a region in contact with the adhesive layer of the base substrate,
The bonding layer, the buffer layer, and the active layer are a method of manufacturing a semiconductor substrate made of a nitride semiconductor,
A hydrogen gas exposure step of exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower after the base substrate is installed in the growth chamber of the epitaxial crystal growth apparatus;
A layer forming step of sequentially forming the adhesive layer, the buffer layer and the active layer on the base substrate by an epitaxial growth method after the hydrogen gas exposure step;
The manufacturing method of the semiconductor substrate which has this.
前記水素ガス暴露工程の後、前記層形成工程の前に、前記ベース基板の温度を1000℃以上に維持しつつ前記ベース基板の表面をアンモニアガスとキャリアガスとの混合ガスに暴露するアンモニアガス暴露工程をさらに有する
請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
After the hydrogen gas exposure step and before the layer formation step, the surface of the base substrate is exposed to a mixed gas of ammonia gas and carrier gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher. The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, further comprising a step.
前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が0.5kPa以上1.5kPa未満であり、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間が30秒以上120秒以下である
請求項2に記載の半導体基板の製造方法。
The semiconductor according to claim 2, wherein a partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 0.5 kPa or more and less than 1.5 kPa, and a time during which the surface of the base substrate is exposed to the mixed gas is 30 seconds or more and 120 seconds or less. A method for manufacturing a substrate.
前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が1.5kPa以上4.5kPa未満であり、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間が10秒以上60秒以下である
請求項2に記載の半導体基板の製造方法。
The semiconductor according to claim 2, wherein a partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 1.5 kPa or more and less than 4.5 kPa, and a time for exposing the surface of the base substrate to the mixed gas is 10 seconds or more and 60 seconds or less. A method for manufacturing a substrate.
前記混合ガスにおけるアンモニアガスの分圧が4.5kPa以上8.0kPa未満であり、前記ベース基板の表面を前記混合ガスに暴露する時間が10秒以上45秒以下である、
請求項2に記載の半導体基板の製造方法。
The partial pressure of ammonia gas in the mixed gas is 4.5 kPa or more and less than 8.0 kPa, and the time for exposing the surface of the base substrate to the mixed gas is 10 seconds or more and 45 seconds or less,
A method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 2.
前記アンモニアガス暴露工程の後、前記層形成工程の前に、前記ベース基板の温度を1000℃以上1150℃以下に維持しつつ前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する第2の水素ガス暴露工程をさらに有する
請求項2から請求項5の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
After the ammonia gas exposure step, before the layer formation step, a second hydrogen gas exposure step of exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas while maintaining the temperature of the base substrate at 1000 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. The method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of claims 2 to 5, further comprising:
前記ベース基板の表面を水素ガスに暴露する時間が、1分以上40分以下である
請求項1から請求項6の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein a time for exposing the surface of the base substrate to hydrogen gas is 1 minute or more and 40 minutes or less.
前記ベース基板を前記成長室に設置する前に、前記ベース基板を洗浄装置の洗浄室に設置し、前記ベース基板の表面をHF水溶液により洗浄する第1洗浄工程
をさらに有する請求項1から請求項8の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The method according to claim 1, further comprising: a first cleaning step of installing the base substrate in a cleaning chamber of a cleaning apparatus and cleaning the surface of the base substrate with an HF aqueous solution before installing the base substrate in the growth chamber. The method for producing a semiconductor substrate according to any one of claims 8 to 10.
前記第1洗浄工程の前に、前記ベース基板の表面を硝酸および過酸化水素水により洗浄する第2洗浄工程
をさらに有する請求項8に記載の半導体基板の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 8, further comprising a second cleaning step of cleaning the surface of the base substrate with nitric acid and hydrogen peroxide before the first cleaning step.
前記第1洗浄工程および前記第2洗浄工程を繰り返して実施する
請求項9に記載の半導体基板の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 9, wherein the first cleaning step and the second cleaning step are repeatedly performed.
前記第1洗浄工程の後、前記ベース基板を前記洗浄室から前記成長室に移送し、前記層形成工程に移行する
請求項8から請求項10の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of claims 8 to 10, wherein after the first cleaning step, the base substrate is transferred from the cleaning chamber to the growth chamber and transferred to the layer forming step. .
前記第1洗浄工程の後、前記ベース基板を水洗する水洗工程をさらに有し、
前記水洗工程の後、前記ベース基板を前記成長室に移送し、前記層形成工程に移行する
請求項8から請求項10の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
After the first cleaning step, further comprising a water washing step of washing the base substrate with water,
The manufacturing method of the semiconductor substrate as described in any one of Claims 8-10 which transfers the said base substrate to the said growth chamber after the said water washing process, and transfers to the said layer formation process.
前記接着層が、前記ベース基板に接する第1結晶層と、前記第1結晶層と前記バッファ層との間に位置する第2結晶層とを含み、
前記第1結晶層が、AlGa1−xN、(但し0<x≦1)で表される結晶からなり、
前記第2結晶層が、AlGa1−yN、(但し0≦y<1、x>y)で表される結晶からなり、
前記層形成工程における前記接着層を形成する工程が、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより前記第1結晶層を形成する工程と、3族原料ガスとアンモニアガスを供給することにより前記第2結晶層を形成する工程と、を有し、
前記第1結晶層の形成後であって前記第2結晶層の形成前の第1の段階、および、前記第2結晶層の形成後であって前記バッファ層の形成前の第2の段階、からなる群から選択された少なくとも1つの段階において、前記3族原料ガスの供給を停止するとともに前記成長室の内部を、アンモニアを含むガスの雰囲気に一定時間だけ維持する雰囲気維持工程を有する
請求項1から請求項12の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The adhesive layer includes a first crystal layer in contact with the base substrate, and a second crystal layer positioned between the first crystal layer and the buffer layer;
The first crystal layer is made of Al x Ga 1-x N (where 0 <x ≦ 1),
The second crystal layer is made of a crystal expressed by Al y Ga 1-y N (where 0 ≦ y <1, x>y);
The step of forming the adhesive layer in the layer forming step includes forming the first crystal layer by supplying a Group 3 source gas and ammonia gas, and supplying the Group 3 source gas and ammonia gas. Forming a second crystal layer,
A first stage after the formation of the first crystal layer and before the formation of the second crystal layer; and a second stage after the formation of the second crystal layer and before the formation of the buffer layer; And at least one stage selected from the group consisting of: an atmosphere maintaining step of stopping the supply of the Group 3 source gas and maintaining the inside of the growth chamber in a gas atmosphere containing ammonia for a certain period of time. The manufacturing method of the semiconductor substrate as described in any one of Claims 1-12.
前記第1の段階および前記第2の段階の何れの段階においても前記雰囲気維持工程を有する場合、前記第1段階において前記成長室の内部を前記雰囲気に維持する一定時間T1が、前記第2段階において前記成長室の内部を前記雰囲気に維持する一定時間T2より短い
請求項13に記載の半導体基板の製造方法。
When the atmosphere maintaining step is included in both the first stage and the second stage, a certain time T1 for maintaining the inside of the growth chamber in the atmosphere in the first stage is the second stage. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 13, wherein the time is shorter than a predetermined time T <b> 2 during which the inside of the growth chamber is maintained in the atmosphere.
前記バッファ層が、第3結晶層と第4結晶層が交互に複数積層された積層構造体であり、
前記第3結晶層が、AlGa1−mN、(但し0≦m≦1)で表される結晶からなり、
前記第4結晶層が、AlGa1−nN、(但し0≦n≦1、m>n)で表される結晶からなり、
前記第3結晶層の格子緩和度が、前記第4結晶層の格子緩和度より大きい
請求項1から請求項14の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The buffer layer is a stacked structure in which a plurality of third crystal layers and fourth crystal layers are alternately stacked,
The third crystal layer is composed of Al m Ga 1-m N (where 0 ≦ m ≦ 1),
The fourth crystal layer is made of a crystal represented by Al n Ga 1-n N (where 0 ≦ n ≦ 1, m>n);
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein a lattice relaxation degree of the third crystal layer is larger than a lattice relaxation degree of the fourth crystal layer.
前記第3結晶層のアルミニウム組成比mと前記第4結晶層のアルミニウム組成比nとが、m−n>0.5、の関係を満足する
請求項15に記載の半導体基板の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 15, wherein an aluminum composition ratio m of the third crystal layer and an aluminum composition ratio n of the fourth crystal layer satisfy a relationship of mn> 0.5.
前記積層構造体における前記第3結晶層および前記第4結晶層の繰り返し数が、2以上160以下である
請求項15または請求項16に記載の半導体基板の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 15, wherein the number of repetitions of the third crystal layer and the fourth crystal layer in the stacked structure is 2 or more and 160 or less.
前記活性層が、AlGa1−zN、(但し0≦z≦1)で表される結晶からなり、
前記活性層のアルミニウム組成比zが、0以上0.3以下である
請求項1から請求項17の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
The active layer is made of a crystal represented by Al z Ga 1-z N (where 0 ≦ z ≦ 1),
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 17, wherein an aluminum composition ratio z of the active layer is 0 or more and 0.3 or less.
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