JP2013187285A - Epitaxial wafer manufacturing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial wafer manufacturing method which can improve yield of an electronic device which is manufactured by using an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on an Si substrate.SOLUTION: An epitaxial wafer manufacturing method comprises a first process (S1) of cleaning an Si substrate by wet etching; a second process (S2) of cleaning the Si substrate by dry etching after the first process (S1); and a third process (S3) of epitaxial growing a nitride semiconductor on the Si substrate after the second process (S2).

Description

この発明は、エピタキシャルウェハの製造方法に関し、詳しくはSi基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハの製造方法に関する。   The present invention relates to an epitaxial wafer manufacturing method, and more particularly to an epitaxial wafer manufacturing method in which a nitride semiconductor is formed on an Si substrate.

従来、エピタキシャルウェハの製造方法としては、Si基板表面に酸化被膜を形成した後、弗化水素酸による溶液エッチングにより酸化被膜を剥離し、水素ガス中で加熱処理することによりSi基板の表面を清浄化するものがある(例えば、特開2005−142445号公報(特許文献1)参照)。   Conventionally, as an epitaxial wafer manufacturing method, after forming an oxide film on the surface of the Si substrate, the oxide film is removed by solution etching with hydrofluoric acid, and the surface of the Si substrate is cleaned by heat treatment in hydrogen gas. (For example, refer to JP-A-2005-142445 (Patent Document 1)).

図3は、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハのピットを含む要部の断面TEM像を示しており、図3において、101はSi基板、102はAlN層、103は超格子層、104はGaN層、105はAlN特性改善層、106はAlGaN層である。   FIG. 3 shows a cross-sectional TEM image of a main part including pits of an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on a Si substrate. In FIG. 3, 101 is a Si substrate, 102 is an AlN layer, and 103 is a superlattice. 104 is a GaN layer, 105 is an AlN characteristic improving layer, and 106 is an AlGaN layer.

このエピタキシャルウェハのピットの発生部分をさらに詳細に解析することによって、欠陥の起点にSiOが存在することが明らかとなった。 By analyzing the pit generation portion of this epitaxial wafer in more detail, it became clear that SiO 2 exists at the origin of the defect.

このようなエピタキシャルウェハのピットの下部は、超格子層103の超格子構造が崩れており、なおかつ、GaN層104の膜厚も薄くなっていることから、エピタキシャルウェハが有するべき縦方向耐圧がないため、低い電圧で破壊するウィークポイントになっていた。ただし、この欠陥は、表面検査器によってその存在が確認することが可能であり、予め歩留まりの把握が可能となる。   At the lower part of the pits of such an epitaxial wafer, the superlattice structure of the superlattice layer 103 is broken and the film thickness of the GaN layer 104 is thin, so that there is no longitudinal breakdown voltage that the epitaxial wafer should have. Therefore, it was a weak point to break at a low voltage. However, the presence of this defect can be confirmed by a surface inspection device, and the yield can be grasped in advance.

図4は、図3と同じ構成のエピタキシャルウェハにおいて、ピットの起点となるSiOの大きさとピット開口部の大きさの関係を示したものである。この図4に示すように、SiOの大きさが100nm程度以下になった場合は、ピットとしてGaN層104表面に開口部が形成されないが、その下の部分の超格子層103の超格子構造が崩れているという欠陥が存在する可能性を示している。この種の欠陥は、表面検査器によっても検出が不可能であり、このようなエピタキシャルウェハを用いて製作された複数のデバイスのう、どのデバイスが壊れるかを事前に把握することが不可能である。 FIG. 4 shows the relationship between the size of the SiO 2 serving as the starting point of the pit and the size of the pit opening in the epitaxial wafer having the same configuration as FIG. As shown in FIG. 4, when the size of SiO 2 is about 100 nm or less, an opening is not formed as a pit on the surface of the GaN layer 104, but the superlattice structure of the superlattice layer 103 below that is formed. This indicates the possibility that there is a defect that is broken. This type of defect cannot be detected by a surface inspector, and it is impossible to know in advance which device will break among multiple devices manufactured using such an epitaxial wafer. is there.

実際、図5に示すように、超格子層203の超格子構造は崩れているが、その上のGaN層で平坦になっている欠陥を見出すに至った。この図5は、上記エピタキシャルウェハの要部の断面TEM像を示しており、図5において、201はSi基板、202はAlN層、203は超格子層、204はGaN層、205はAlN特性改善層、206はAlGaN層である。   In fact, as shown in FIG. 5, although the superlattice structure of the superlattice layer 203 is broken, a defect flattened in the GaN layer thereon has been found. FIG. 5 shows a cross-sectional TEM image of the main part of the epitaxial wafer. In FIG. 5, 201 is an Si substrate, 202 is an AlN layer, 203 is a superlattice layer, 204 is a GaN layer, and 205 is an AlN characteristic improvement. Layer 206 is an AlGaN layer.

図5に示すように、Si基板201上のSiOからなる残留物(図5では見えない)が起点となって、上側に成長させたAlN層202に第1のピットが形成されている。さらに、そのAlN層202上に成長させた超格子層203は、AlN層202の第1のピットの存在により積層構造が崩れて、第1のピットよりも大きい第2のピット203aが形成されている。 As shown in FIG. 5, a first pit is formed in the AlN layer 202 grown on the upper side, starting from a residue of SiO 2 on the Si substrate 201 (not visible in FIG. 5). Further, the superlattice layer 203 grown on the AlN layer 202 has a laminated structure collapsed by the presence of the first pits of the AlN layer 202, and second pits 203a larger than the first pits are formed. Yes.

さらに、小さいSiOが存在すると、図6に示すように、Si基板101近傍でのみ超格子層303の超格子構造が崩れた欠陥が形成されることになる。この欠陥も、欠陥検査器での検出が不可能である。図6において、301はSi基板、302はAlN層、303は超格子層である。 Further, when small SiO 2 exists, a defect in which the superlattice structure of the superlattice layer 303 is broken only in the vicinity of the Si substrate 101 is formed as shown in FIG. This defect cannot be detected by a defect inspector. In FIG. 6, 301 is an Si substrate, 302 is an AlN layer, and 303 is a superlattice layer.

図7は、エピタキシャルウェハのピットが無い部分の縦方向耐圧のCUM(cumulative:累積)プロットを示す図である。このときのサンプルの作製方法は、以下のとおりである。   FIG. 7 is a diagram showing a CUM (cumulative) plot of the longitudinal breakdown voltage of a portion of the epitaxial wafer where there is no pit. The method for preparing the sample at this time is as follows.

まず、エピタキシャルウェハ上にメタルマスクを用いて1.4mmφのタングステンからなる電極を形成する。その後、電極の周りを2mm角にダイシングして電極の周りを素子分離する。次に、2mm角の中にピットが存在しないサンプルを抽出して、ピットのないサンプルに対して高電圧を印可して、何ボルトで破壊したかをプロットしたものが図7である。   First, an electrode made of tungsten having a diameter of 1.4 mm is formed on an epitaxial wafer using a metal mask. Thereafter, the periphery of the electrode is diced into 2 mm square to separate the elements around the electrode. Next, FIG. 7 is a graph in which samples with no pits in a 2 mm square are extracted, a high voltage is applied to the samples without pits, and the number of volts destroyed is plotted.

図6に示す欠陥は、図7中の点線で囲った縦方向耐圧が低い部分(400〜600V程度)で破壊を引き起こす。一方、図6に示す欠陥は、エピタキシャルウェハが有するべき縦方向耐圧よりも低電圧側に裾を引いている図7の一点鎖線で囲った部分に対応する。図5,図6のいずれの欠陥も、エピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりに大きく影響するものと考えられる。   The defect shown in FIG. 6 causes breakage in a portion (about 400 to 600 V) having a low vertical breakdown voltage surrounded by a dotted line in FIG. On the other hand, the defect shown in FIG. 6 corresponds to the portion surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 7 that has a tail on the lower voltage side than the longitudinal breakdown voltage that the epitaxial wafer should have. Both of the defects in FIGS. 5 and 6 are considered to greatly affect the yield of electronic devices manufactured using an epitaxial wafer.

しかしながら、上記特許文献1に示された水素ガスによるエピタキシャルウェハの清浄化は、残留しているSiOを除去する効果がなく、単にSi表面を水素終端するのみであり、SiOに起因する欠陥を減少させることは不可能である。 However, the cleaning of the epitaxial wafer with the hydrogen gas disclosed in Patent Document 1 has no effect of removing the remaining SiO 2 , and merely terminates the Si surface with hydrogen, and defects caused by SiO 2. It is impossible to reduce.

特開2005−142445号公報JP 2005-142445 A

そこで、この発明の課題は、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりを向上できるエピタキシャルウェハの製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an epitaxial wafer manufacturing method capable of improving the yield of electronic devices manufactured using an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on a Si substrate.

上記課題を解決するため、この発明のエピタキシャルウェハの製造方法は、
Si基板をウェットエッチングにより洗浄する第1の工程と、
上記第1の工程の後、上記Si基板をドライエッチングにより洗浄する第2の工程と、
上記第2の工程の後、上記Si基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる第3の工程と
を有することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, a method for manufacturing an epitaxial wafer of the present invention includes:
A first step of cleaning the Si substrate by wet etching;
A second step of cleaning the Si substrate by dry etching after the first step;
And a third step of epitaxially growing a nitride semiconductor on the Si substrate after the second step.

ここで、「Si基板」とは、イントリンシックのSi基板に限らず、n型にドープされたSi基板でもよいし、p型にドープされたSi基板でもよい。   Here, the “Si substrate” is not limited to an intrinsic Si substrate, but may be an n-type doped Si substrate or a p-type doped Si substrate.

上記構成によれば、第1の工程においてウェットエッチングによりSi基板を洗浄した後に、第2の工程においてSi基板をドライエッチングにより洗浄することによって、Si基板上に残留したSiOを可能な限り除去することができ、第3の工程において、SiO残留物のないSi基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる。したがって、Si基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させるときに、Si基板上のSiO残留物に起因する欠陥が抑制される。これにより、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりを向上できる。 According to the above configuration, SiO 2 remaining on the Si substrate is removed as much as possible by cleaning the Si substrate by wet etching in the first step and then cleaning the Si substrate by dry etching in the second step. In the third step, a nitride semiconductor can be epitaxially grown on a Si substrate free of SiO 2 residue. Therefore, when the nitride semiconductor is epitaxially grown on the Si substrate, defects due to the SiO 2 residue on the Si substrate are suppressed. Thereby, the yield of the electronic device produced using the epitaxial wafer in which the nitride semiconductor was formed on Si substrate can be improved.

また、一実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、
上記第1の工程は、少なくとも弗化水素酸または弗化アンモニウムからなる弗酸系エッチャントを用いたウェットエッチングにより上記Si基板を洗浄する。
Moreover, in the manufacturing method of the epitaxial wafer of one embodiment,
In the first step, the Si substrate is cleaned by wet etching using a hydrofluoric acid etchant composed of at least hydrofluoric acid or ammonium fluoride.

上記実施形態によれば、第1の工程において、少なくとも弗化水素酸または弗化アンモニウムからなる弗酸系エッチャントを用いることによって、Si基板上に残留したSiOを効率よく除去できる。 According to the above-described embodiment, SiO 2 remaining on the Si substrate can be efficiently removed by using a hydrofluoric acid-based etchant composed of at least hydrofluoric acid or ammonium fluoride in the first step.

また、一実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、
上記第1の工程は、RCA法により上記Si基板を洗浄する。
Moreover, in the manufacturing method of the epitaxial wafer of one embodiment,
In the first step, the Si substrate is cleaned by an RCA method.

ここで、RCA洗浄とは、米RCA社が開発した半導体基板用の洗浄方法であり、過酸化水素をベースにアルカリや酸を加えた薬液を高温で用いる洗浄方法である。   Here, RCA cleaning is a cleaning method for a semiconductor substrate developed by RCA in the US, and is a cleaning method using a chemical solution in which alkali or acid is added based on hydrogen peroxide at a high temperature.

上記実施形態によれば、第1の工程においてRCA法によりSi基板を洗浄することによって、SiO以外のパーティクルも除去されるため、SiO以外のパーティクルに起因するピットの生成も抑制され、エピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりをさらに向上できる。 According to the embodiment, since particles other than SiO 2 are removed by cleaning the Si substrate by the RCA method in the first step, generation of pits caused by particles other than SiO 2 is also suppressed, and The yield of electronic devices manufactured using a wafer can be further improved.

また、一実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、
上記第2の工程は、フルオロカーボン系のガス、または、水素ガスまたは酸素ガスと上記フルオロカーボン系のガスとの混合ガスを用いて、上記Si基板を洗浄する。
Moreover, in the manufacturing method of the epitaxial wafer of one embodiment,
In the second step, the Si substrate is cleaned using a fluorocarbon-based gas or a mixed gas of hydrogen gas or oxygen gas and the fluorocarbon-based gas.

上記実施形態によれば、第2の工程において、カーボンの存在する弗素系のガスであるCFやCなどのフルオロカーボン系のガス、または、水素ガスまたは酸素ガスとフルオロカーボン系のガスとの混合ガスを用いることによって、SiOを効率よく除去できる。 According to the embodiment, in the second step, a fluorocarbon gas such as CF 4 or C 2 F 6 that is a fluorine-based gas in which carbon is present, or hydrogen gas or oxygen gas and a fluorocarbon-based gas By using this mixed gas, SiO 2 can be efficiently removed.

また、一実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、
上記第3の工程は、
上記Si基板上にAlN層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
上記AlN層上にエピタキシャル成長によりGaN系半導体層を形成する工程と
を有する。
Moreover, in the manufacturing method of the epitaxial wafer of one embodiment,
The third step is
Forming an AlN layer on the Si substrate by epitaxial growth;
Forming a GaN-based semiconductor layer on the AlN layer by epitaxial growth.

この明細書において、「GaN系半導体層」とは、AlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で示される化合物半導体をいう。 In this specification, the “GaN-based semiconductor layer” refers to a compound semiconductor represented by Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Say.

上記実施形態によれば、Si基板上にAlN層をエピタキシャル成長により形成し、そのAlN層上にエピタキシャル成長によりGaN系半導体層を形成することによって、Si基板上に形成されるAlN層においてSiO残留物に起因する欠陥が抑制されるので、そのAlN層上に形成されるGaN系半導体層も欠陥が低減され、良好なエピタキシャル成長を行うことができる。これにより、例えば、AlN層上にGaN系半導体層としてGaN層や超格子層を形成し、その上にGaNチャネル層とAlGaN障壁層を形成したHFETなどの高耐圧で良好な特性を有するパワーデバイスを実現できる。 According to the above embodiment, the SiO 2 residue is formed in the AlN layer formed on the Si substrate by forming the AlN layer on the Si substrate by epitaxial growth and forming the GaN-based semiconductor layer on the AlN layer by epitaxial growth. As a result, the defects of the GaN-based semiconductor layer formed on the AlN layer are reduced, and good epitaxial growth can be performed. Thereby, for example, a power device having high breakdown voltage and good characteristics such as an HFET in which a GaN layer or a superlattice layer is formed as a GaN-based semiconductor layer on an AlN layer, and a GaN channel layer and an AlGaN barrier layer are formed thereon. Can be realized.

以上より明らかなように、この発明によれば、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりが飛躍的に改善することが可能となる。   As apparent from the above, according to the present invention, the yield of electronic devices manufactured using an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on an Si substrate can be dramatically improved.

図1Aはこの発明の第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1A is a flowchart showing an epitaxial wafer manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. 図1Bは従来のエピタキシャルウェハの製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1B is a flowchart showing a conventional epitaxial wafer manufacturing method. 図2は上記第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法による改善後の縦方向耐圧のCUMプロットを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a CUM plot of longitudinal breakdown voltage after improvement by the epitaxial wafer manufacturing method of the first embodiment. 図3はSi基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハのピットを含む要部の断面TEM像である。FIG. 3 is a cross-sectional TEM image of a main part including pits of an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on a Si substrate. 図4はSiOの大きさとピットの開口径の関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the SiO 2 size and the pit opening diameter. 図5はGaN層表面にピットの無いSiO起因の欠陥を含む要部の断面TEM像である。FIG. 5 is a cross-sectional TEM image of a main part including defects due to SiO 2 having no pits on the surface of the GaN layer. 図6は微小なSiOによる超格子構造の乱れを示す要部の断面TEM像である。FIG. 6 is a cross-sectional TEM image of the main part showing the disturbance of the superlattice structure due to minute SiO 2 . 図7はGaN層表面にピットが無い部分の縦方向耐圧のCUMプロットを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a CUM plot of the longitudinal breakdown voltage of a portion where there is no pit on the GaN layer surface. 図8はこの発明の第3実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法により製造されたエピタキシャルウェハを用いたパワーデバイスの一例としてのHFET(Hetero-junction Field Effect Transistor;ヘテロ接合電界効果トランジスタ)の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of an HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor) as an example of a power device using an epitaxial wafer manufactured by the epitaxial wafer manufacturing method of the third embodiment of the present invention. is there.

本発明者は、図3〜図7で説明したとおり、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる前のSi基板上に残っている微小なSiOからなる残留物が、エピタキシャルウェハの歩留まりを著しく低下させる欠陥を生成するということを見出した。 As described with reference to FIGS. 3 to 7, the present inventor has a defect that a residue composed of minute SiO 2 remaining on the Si substrate before epitaxially growing the nitride semiconductor significantly reduces the yield of the epitaxial wafer. I found out that it generates.

このことから、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハの耐圧の弱い部分を無くすためには、可能な限りSiO残留物を除去する必要があり、どれくらい除去できるかが、エピタキシャルウェハ上に作製される電子デバイスの歩留まりを決定することになる。 From this, it is necessary to remove the SiO 2 residue as much as possible in order to eliminate the weak part of the breakdown voltage of the epitaxial wafer in which the nitride semiconductor is formed on the Si substrate. The yield of the electronic device manufactured on top will be determined.

したがって、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりを改善するためには、Si基板上に残っているSiOの大きさにかかわらず、いかにしてSi基板表面からSiO残留物を除去するかが重要である。 Therefore, in order to improve the yield of an electronic device manufactured using an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on a Si substrate, how can it be performed regardless of the size of SiO 2 remaining on the Si substrate? It is important to remove the SiO 2 residue from the Si substrate surface.

そこで、本発明者は、窒化物半導体のエピタキシャル成長前にSi基板上に残っている微小なSiO残留物を除去する方法について検討した結果、Si基板上のSiO残留物を効果的に除去して、エピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりを向上できるエピタキシャルウェハの製造方法を発明した。 Therefore, as a result of studying a method for removing a minute SiO 2 residue remaining on the Si substrate before the epitaxial growth of the nitride semiconductor, the present inventor effectively removed the SiO 2 residue on the Si substrate. Thus, the inventors have invented an epitaxial wafer manufacturing method capable of improving the yield of electronic devices manufactured using the epitaxial wafer.

以下、この発明のエピタキシャルウェハの製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, an epitaxial wafer manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.

〔第1実施形態〕
図1Aはこの発明の第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法を示している。なお、図1Bは比較のための従来のエピタキシャルウェハの製造方法を示すフローチャートである。
[First Embodiment]
FIG. 1A shows a method of manufacturing an epitaxial wafer according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a flowchart showing a conventional epitaxial wafer manufacturing method for comparison.

この第1実施形態では、図1Aに示すステップS1(第1の工程)に進み、購入したSi基板を弗化水素酸HFで1分間、HSO:H=5:1で5分間、さらにHFで1分間エッチングを行う。 In the first embodiment, the process proceeds to step S1 (first process) shown in FIG. 1A, and the purchased Si substrate is hydrofluoric acid HF for 1 minute, and H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 5: 1. Etching is performed for 5 minutes and further with HF for 1 minute.

次に、図1Aに示すステップS2(第2の工程)に進み、Si基板をドライエッチング装置の内部に導入し、CF流量=50sccm、チャンバー圧力=0.4Pa、アンテナパワー=300W、バイアスパワー100Wで、約200nm/minのエッチング速度を得ることが可能であり、Si基板を1分間エッチングする。 Next, the process proceeds to step S2 (second process) shown in FIG. 1A, where the Si substrate is introduced into the dry etching apparatus, CF 4 flow rate = 50 sccm, chamber pressure = 0.4 Pa, antenna power = 300 W, bias power. An etching rate of about 200 nm / min can be obtained at 100 W, and the Si substrate is etched for 1 minute.

次に、図1Aに示すステップS3(第3の工程)に進み、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)装置にSi基板を導入し、成長圧力13.3kPa、基板温度1100℃でAlNシード層(TMA流量100μmol/min、NH流量12.5slm)、膜厚3nmのAlN層と膜厚20nmのAl0.1Ga0.9N層からなる超格子層を120回繰り返し(AlN層はAlNシード層と同じ条件、AlGaN層は、TMA流量80μmol/min、TMG流量72μmol/min、NH流量12.5slm)、カーボンドープGaN層を0.5μm成長させる(TMG流量720μmol/min、NH流量12.5slm)。 Next, the process proceeds to step S3 (third process) shown in FIG. 1A, and an Si substrate is introduced into a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, a growth pressure of 13.3 kPa, and a substrate temperature of 1100 ° C. A superlattice layer composed of an AlN seed layer (TMA flow rate 100 μmol / min, NH 3 flow rate 12.5 slm), a 3 nm thick AlN layer and a 20 nm thick Al 0.1 Ga 0.9 N layer is repeated 120 times ( The AlN layer has the same conditions as the AlN seed layer, the AlGaN layer has a TMA flow rate of 80 μmol / min, a TMG flow rate of 72 μmol / min, an NH 3 flow rate of 12.5 slm, and a carbon-doped GaN layer is grown by 0.5 μm (TMG flow rate of 720 μmol / min). , NH 3 flow rate 12.5slm).

その後、成長圧力100kPaでGaNからなるGaNチャネル層を1μm成長し(TMG流量100μmol/min、NH流量12.5slm)、
次に、成長圧力を再び13.3kPaにしてAl0.17Ga0.83N障壁層を成長させる(TMA流量8μmol/min、TMG流量50μmol/min、NH流量12.5slm)。
Thereafter, a GaN channel layer made of GaN is grown by 1 μm at a growth pressure of 100 kPa (TMG flow rate 100 μmol / min, NH 3 flow rate 12.5 slm),
Next, the growth pressure is again set to 13.3 kPa to grow an Al 0.17 Ga 0.83 N barrier layer (TMA flow rate 8 μmol / min, TMG flow rate 50 μmol / min, NH 3 flow rate 12.5 slm).

上記カーボンドープGaN層は、成長圧力13.3kPaとTMG流量を720μmol/minにすることによってTMG原料から自動的ドーピングされ、1×1019cm−3のカーボン濃度が実現できる。 The carbon-doped GaN layer is automatically doped from the TMG raw material by setting the growth pressure to 13.3 kPa and the TMG flow rate to 720 μmol / min, and a carbon concentration of 1 × 10 19 cm −3 can be realized.

一方、チャネルGaN層は、成長圧力100kPaとTMG流量100μmol/minにすることで5×1016cm−3のカーボンドープが実現される。カーボン濃度をさらに下げる方法としては、TMG流量を100μmol/min以下に下げる方法がある。 On the other hand, in the channel GaN layer, carbon doping of 5 × 10 16 cm −3 is realized by setting the growth pressure to 100 kPa and the TMG flow rate to 100 μmol / min. As a method of further reducing the carbon concentration, there is a method of reducing the TMG flow rate to 100 μmol / min or less.

図1Bに示す従来のエピタキシャルウェハの製造方法では、ステップS11でウェットエッチングし、ステップS12で水素終端処理を行い、ステップS13でエピタキシャル成長させており、図1Aに示す第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法とは、第2の工程が異なる。   In the conventional epitaxial wafer manufacturing method shown in FIG. 1B, wet etching is performed in step S11, hydrogen termination treatment is performed in step S12, and epitaxial growth is performed in step S13. Manufacturing of the epitaxial wafer according to the first embodiment shown in FIG. 1A is performed. The second step is different from the method.

この第1実施形態で作製したエピタキシャルウェハにおける縦方向耐圧のCUM(cumulative:累積)プロットを図2に示す。   FIG. 2 shows a CUM (cumulative) plot of longitudinal breakdown voltage in the epitaxial wafer manufactured in the first embodiment.

図7に示すエピタキシャルウェハのピットが無い部分の縦方向耐圧のCUMプロットと比較すると、図2では、縦方向耐圧の分布が小さく、かつ耐圧のウィークポイントが消失しており、その結果、電子デバイスの歩留まりが大幅に改善する。   Compared with the CUM plot of the longitudinal breakdown voltage of the epitaxial wafer shown in FIG. 7 where there is no pit, in FIG. 2, the distribution of the longitudinal breakdown voltage is small and the breakdown point of the breakdown voltage disappears. Yield significantly improves.

具体的には、特許文献1の水素終端処理の場合には、図5のタイプの欠陥の欠陥密度Dが約2.8個/cmあったため、10A級(チップ面積S=約2mm□)デバイスのエピタキシャルウェハでの歩留まりは、
歩留まり = exp(−D×S)
= exp(−2.8×0.2×0.2)
= 0.89 ……… 式(1)
となる。
Specifically, in the case of the hydrogen termination treatment of Patent Document 1, since the defect density D of the type of defects of FIG. 5 was about 2.8 / cm 2 , the 10A class (chip area S = about 2 mm □) Device yield on epitaxial wafer is
Yield = exp (-DxS)
= Exp (-2.8 × 0.2 × 0.2)
= 0.89 ……… Formula (1)
It becomes.

上記水素終端処理の場合には、歩留まりが89%しかなかったが、この第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、ドライエッチングを用いた第2の工程の導入によって、欠陥密度が0.5個/cm程度に改善され、エピタキシャルウェハでの歩留まりが、96%程度にまで改善された。 In the case of the hydrogen termination treatment, the yield was only 89%. However, in the epitaxial wafer manufacturing method of the first embodiment, the defect density is 0.5 by introducing the second process using dry etching. The number of wafers / cm 2 was improved, and the yield on the epitaxial wafer was improved to about 96%.

このように、図1Aに示す第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法によれば、図1Bに示す従来のエピタキシャルウェハの製造方法に比べて、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて作製される電子デバイスの歩留まりを向上できる。   As described above, according to the epitaxial wafer manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. 1A, the epitaxial wafer in which the nitride semiconductor is formed on the Si substrate as compared with the conventional epitaxial wafer manufacturing method shown in FIG. 1B. The yield of electronic devices manufactured using can be improved.

また、上記第1の工程において、少なくとも弗化水素酸HFまたは弗化アンモニウムNHFからなる弗酸系エッチャントを用いることによって、Si基板上に残留したSiOを効率よく除去できる。 In the first step, SiO 2 remaining on the Si substrate can be efficiently removed by using a hydrofluoric acid-based etchant composed of at least hydrofluoric acid HF or ammonium fluoride NH 4 F.

また、上記第2の工程において、カーボンの存在する弗素系のガスであるCF、Cなどのフルオロカーボン系のガス、または、水素ガスまたは酸素ガスとフルオロカーボン系のガスとの混合ガスを用いることによって、SiOを効率よく除去できる。 In the second step, a fluorocarbon gas such as CF 4 or C 2 F 6 which is a fluorine-based gas in which carbon is present, or a mixed gas of hydrogen gas or oxygen gas and fluorocarbon-based gas is used. By using it, SiO 2 can be efficiently removed.

〔第2実施形態〕
この発明の第2実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法では、第1の工程において、購入したSi基板をRCA法により洗浄した以外は、第1実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法と同じである。
[Second Embodiment]
The epitaxial wafer manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is the same as the epitaxial wafer manufacturing method according to the first embodiment, except that the purchased Si substrate is cleaned by the RCA method in the first step.

上記第1の工程のRCA法の導入により、SiO以外のパーティクルの除去が改善されるため、SiO以外のパーティクルに起因するピットの生成が抑制され、欠陥密度をさらに低減でき(D=0.2個/cm)、エピタキシャルウェハでの歩留まりがさらに改善される(約99%)。 The introduction of RCA method of the first step, since the removal of the SiO 2 other than the particles is improved, generation of pits caused by other than SiO 2 particles is suppressed, can further reduce the defect density (D = 0 .2 / cm 2 ), the yield on the epitaxial wafer is further improved (about 99%).

上記第2実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法を利用することより、Si基板上に窒化物半導体が形成されたエピタキシャルウェハを用いて製作される電子デバイス、特に高耐圧が要求されるパワーデバイスの歩留まりが飛躍的に改善される。   By using the epitaxial wafer manufacturing method of the second embodiment, the yield of electronic devices manufactured using an epitaxial wafer in which a nitride semiconductor is formed on an Si substrate, particularly power devices that require high breakdown voltage, is obtained. Is drastically improved.

〔第3実施形態〕
図8はこの発明の第3実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法により製造されたエピタキシャルウェハを用いたパワーデバイスの一例としてのHFETの断面図である。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view of an HFET as an example of a power device using an epitaxial wafer manufactured by the epitaxial wafer manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.

この第3実施形態のエピタキシャルウェハは、図8に示すように、Si基板1上に、AlNシード層2、超格子層3、カーボンドープGaN層4、GaNチャネル層5、AlGaN障壁層6を順に積層している。   As shown in FIG. 8, the epitaxial wafer according to the third embodiment includes an AlN seed layer 2, a superlattice layer 3, a carbon-doped GaN layer 4, a GaN channel layer 5, and an AlGaN barrier layer 6 in this order on an Si substrate 1. Laminated.

このHFETは、図8に示すように、AlGaN障壁層6上にソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13を形成している。このソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13の製造方法は、特に限定されず、例えば蒸着等の公知の方法を使用する。このソース電極11とドレイン電極12との間隔およびゲート電極13の位置などは、電界効果トランジスタの所望する性能に応じて調整する。また、ソース電極11とドレイン電極12を形成した後、窒素雰囲気中で800℃の熱処理を1分間施すことによって、AlGaN障壁層6とソース電極11とのオーミック接触およびAlGaN障壁層6とドレイン電極12とのオーミック接触が得られる。   In this HFET, a source electrode 11, a drain electrode 12, and a gate electrode 13 are formed on an AlGaN barrier layer 6 as shown in FIG. The manufacturing method of this source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 is not specifically limited, For example, well-known methods, such as vapor deposition, are used. The distance between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and the position of the gate electrode 13 are adjusted according to the desired performance of the field effect transistor. Further, after the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed, a heat treatment at 800 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere for 1 minute, so that the ohmic contact between the AlGaN barrier layer 6 and the source electrode 11 and the AlGaN barrier layer 6 and the drain electrode 12 are performed. Ohmic contact with is obtained.

次に、AlGaN障壁層6上に、プラズマCVD等の公知の方法でSiNからなる絶縁膜20を形成する。なお、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13および絶縁膜20を形成する順番は、特に限定されず、絶縁膜20を先に形成してもよい。   Next, an insulating film 20 made of SiN is formed on the AlGaN barrier layer 6 by a known method such as plasma CVD. Note that the order in which the source electrode 11, the drain electrode 12, the gate electrode 13, and the insulating film 20 are formed is not particularly limited, and the insulating film 20 may be formed first.

上記HFETにおいて、GaNチャネル層5とAlGaN障壁層6との界面に形成された2次元電子ガス(2DEG)が発生してチャネル層が形成される。このチャネル層をゲート電極13に電圧を印加することにより制御して、ソース電極11とドレイン電極12とゲート電極13を有するHFETをオンオフさせる。このHFETは、ゲート電極13に負電圧が印加されているときにゲート電極13下のGaNチャネル層5に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極13の電圧がゼロのときにゲート電極13下のGaNチャネル層5に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。   In the HFET, a two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the interface between the GaN channel layer 5 and the AlGaN barrier layer 6 is generated to form a channel layer. The channel layer is controlled by applying a voltage to the gate electrode 13 to turn on and off the HFET having the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13. The HFET is turned off when a depletion layer is formed in the GaN channel layer 5 under the gate electrode 13 when a negative voltage is applied to the gate electrode 13, while the gate is turned off when the voltage of the gate electrode 13 is zero. This is a normally-on type transistor in which the depletion layer disappears in the GaN channel layer 5 under the electrode 13 and is turned on.

上記第1,第2実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法を用いて、Si基板1上にAlNシード層2をエピタキシャル成長により形成し、そのAlNシード層2上にエピタキシャル成長によりGaN系半導体層(超格子層3,カーボンドープGaN層4)形成することによって、Si基板1上に形成されるAlN層においてSiO残留物に起因する欠陥が抑制される。これにより、AlNシード層2上に形成されるGaN系半導体層(超格子層3,カーボンドープGaN層4)も欠陥が低減され、良好なエピタキシャル成長を行うことができる。したがって、高耐圧で良好な特性を有するパワーデバイスであるHFETを実現することができる。 The AlN seed layer 2 is formed on the Si substrate 1 by epitaxial growth using the epitaxial wafer manufacturing method of the first and second embodiments, and the GaN-based semiconductor layer (superlattice layer is formed on the AlN seed layer 2 by epitaxial growth. 3. By forming the carbon-doped GaN layer 4), defects caused by the SiO 2 residue in the AlN layer formed on the Si substrate 1 are suppressed. Thereby, defects are also reduced in the GaN-based semiconductor layer (superlattice layer 3, carbon-doped GaN layer 4) formed on the AlN seed layer 2, and good epitaxial growth can be performed. Therefore, it is possible to realize an HFET that is a power device having high breakdown voltage and good characteristics.

このように、第3実施形態のHFETによれば、上記第1,第2実施形態のエピタキシャルウェハの製造方法により製造されたエピタキシャルウェハを用いることにより、HFETの歩留まりが飛躍的に改善される。   As described above, according to the HFET of the third embodiment, the yield of the HFET is remarkably improved by using the epitaxial wafer manufactured by the epitaxial wafer manufacturing method of the first and second embodiments.

上記第3実施形態では、この発明のエピタキシャルウェハの製造方法により製造されたエピタキシャルウェハを、2DEGを利用するHFETの製作に用いたが、他の構成の電界効果トランジスタなどの半導体装置に用いても同様の効果が得られる。   In the third embodiment, the epitaxial wafer manufactured by the epitaxial wafer manufacturing method of the present invention is used for manufacturing an HFET using 2DEG. However, the epitaxial wafer may be used for a semiconductor device such as a field effect transistor having another configuration. Similar effects can be obtained.

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。   Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the first to third embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.

1…Si基板
2…AlNシード層
3…超格子層
4…カーボンドープGaN層
5…GaNチャネル層
6…AlGaN障壁層
11…ソース電極
12…ドレイン電極
13…ゲート電極
20…絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Si substrate 2 ... AlN seed layer 3 ... Superlattice layer 4 ... Carbon dope GaN layer 5 ... GaN channel layer 6 ... AlGaN barrier layer 11 ... Source electrode 12 ... Drain electrode 13 ... Gate electrode 20 ... Insulating film

Claims (5)

Si基板をウェットエッチングにより洗浄する第1の工程と、
上記第1の工程の後、上記Si基板をドライエッチングにより洗浄する第2の工程と、
上記第2の工程の後、上記Si基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる第3の工程と
を有することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
A first step of cleaning the Si substrate by wet etching;
A second step of cleaning the Si substrate by dry etching after the first step;
And a third step of epitaxially growing a nitride semiconductor on the Si substrate after the second step.
請求項1に記載のエピタキシャルウェハの製造方法において、
上記第1の工程は、少なくとも弗化水素酸または弗化アンモニウムからなる弗酸系エッチャントを用いたウェットエッチングにより上記Si基板を洗浄することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
In the manufacturing method of the epitaxial wafer according to claim 1,
The method of manufacturing an epitaxial wafer, wherein the first step includes cleaning the Si substrate by wet etching using a hydrofluoric acid etchant comprising at least hydrofluoric acid or ammonium fluoride.
請求項1に記載のエピタキシャルウェハの製造方法において、
上記第1の工程は、RCA法により上記Si基板を洗浄することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
In the manufacturing method of the epitaxial wafer according to claim 1,
In the first step, the Si substrate is cleaned by an RCA method.
請求項1から3までのいずれか1つに記載のエピタキシャルウェハの製造方法において、
上記第2の工程は、フルオロカーボン系のガス、または、水素ガスまたは酸素ガスと上記フルオロカーボン系のガスとの混合ガスを用いて、上記Si基板を洗浄することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
In the manufacturing method of the epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 3,
The method for producing an epitaxial wafer, wherein the second step is performed by cleaning the Si substrate using a fluorocarbon-based gas or a mixed gas of hydrogen gas or oxygen gas and the fluorocarbon-based gas.
請求項1から4までのいずれか1つに記載のエピタキシャルウェハの製造方法において、
上記第3の工程は、
上記Si基板上にAlN層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
上記AlN層上にエピタキシャル成長によりGaN系半導体層を形成する工程と
を有することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
In the manufacturing method of the epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 4,
The third step is
Forming an AlN layer on the Si substrate by epitaxial growth;
And a step of forming a GaN-based semiconductor layer by epitaxial growth on the AlN layer.
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JP2016208029A (en) * 2015-04-23 2016-12-08 ローム株式会社 Nitride semiconductor device

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