JP2013187368A - 窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法及び高周波デバイス用エピタキシャルウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた場合のシート抵抗のばらつきを低減することができる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法及び高周波デバイス用エピタキシャルウェハを提供する。
【解決手段】複数枚の炭化珪素基板１１上のそれぞれに、少なくとも窒化アルミニウムからなる核生成層１２、窒化ガリウムからなるバッファ層１３、窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層１４を順次成長させて、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を製造する方法において、複数枚の炭化珪素基板１１として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下の基板を用いる。この方法により製造された窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を高周波デバイス用エピタキシャルウェハとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法及び高周波デバイス用エピタキシャルウェハに関するものである。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧とを有するため、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する高周波デバイス用材料としての応用が期待されている。

高周波デバイス、具体的には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電界効果型トランジスタの材料に用いる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハは、炭化珪素（ＳｉＣ）基板と、その炭化珪素基板上に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる核生成層と、その核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、そのバッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層と、からなる（例えば、特許文献１参照）。

この窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造する際には、例えば、一度に複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造できる多数枚チャージの有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）を用い、複数枚の炭化珪素基板上に前述した各層を成長させる。

電界効果型トランジスタのデバイス特性に関連する、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの電気的特性パラメータの一つとして、非接触型渦電流法等で測定されるシート抵抗（ρｓ）［Ω／□］がある。

しかし、多数枚チャージの有機金属気相成長装置において、同一条件下で成長させた場合でも、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのロットの位置によって、シート抵抗にばらつきが生じてしまうという問題がある。

このシート抵抗が複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハごとにばらついていると、これらの窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハから電界効果型トランジスタを製造した場合に、そのソース−ドレイン間電流（Ｉｄｓ）、オン抵抗等のデバイス特性がばらつく要因となる。その場合、要求特性に満たないものは、使用できないため、歩留まりが低下する。

そのため、同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗の均一性が要求されている。

特開２０１１−０２３６７７号公報

しかしながら、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造した場合には、図３に示すように、使用する炭化珪素基板の基板ロットによっては、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗が大きくばらつき（図３では、シート抵抗の高いサンプル３と低いサンプル６とでは５．７％のばらつき幅がある）、その結果として所望する規格を満たせなくなる。

そこで、本発明の目的は、同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた場合のシート抵抗のばらつきを低減することができる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法及び高周波デバイス用エピタキシャルウェハを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、複数枚の炭化珪素基板上のそれぞれに、少なくとも窒化アルミニウムからなる核生成層、窒化ガリウムからなるバッファ層、窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層を順次成長させて、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造する方法において、前記複数枚の炭化珪素基板として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下の基板を用いる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。

前記複数枚の炭化珪素基板として、Ｃ面のオフ角が０．１３度以下の基板を用いると良い。

また、本発明は、この方法により製造された窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハからなる高周波デバイス用エピタキシャルウェハである。

本発明によれば、同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた場合のシート抵抗のばらつきを低減することができる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法及び高周波デバイス用エピタキシャルウェハを提供することができる。

本発明に係る窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法とその構造を示す概略図である。 本発明により製造された複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗のばらつきを示す図である。 従来技術により製造された複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗のばらつきを示す図である。 炭化珪素基板のＣ面のオフ角と窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明を完成させるに当たり、鋭意研究の結果、同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗がばらつく原因を調査し、図４に示すように、各層を成長させるための炭化珪素基板のＣ面（（０００１）面）のオフ角に依存してシート抵抗が変動することを見出した。

そして、その結果とシート抵抗のばらつきの大きさとを観察すると、シート抵抗のばらつき幅を４％以内にするためには、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造する際に用いる炭化珪素基板のＣ面のオフ角を０度以上０．２０度以下の範囲とする必要があることが分かった。

その中でも特に、炭化珪素基板のＣ面のオフ角が０．１３度以下の範囲においては、シート抵抗のばらつき幅を１％程度にまで低減することができることを見出した。

なお、本発明において、シート抵抗のばらつき幅とは、多数枚チャージの有機金属気相成長装置において一度に成長させた窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗の最大値と最小値の幅をいう。

この知見に基づいて完成された本発明は、図１に示すように、炭化珪素基板１１上に、少なくとも窒化アルミニウムからなる核生成層１２、窒化ガリウムからなるバッファ層１３、窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層１４を順次成長させて、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を製造する方法において、多数枚チャージの有機金属気相成長装置に一度に配置する複数枚の炭化珪素基板１１として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下、より好ましくは０度以上０．１３度以下の基板を用いることを特徴とする。

具体的には、先ず多数枚チャージの有機金属気相成長装置に、各層を成長させるための土台となるＣ面オフ角が０度以上０．２０度以下の複数枚の炭化珪素基板１１をセットした後、アンモニア（ＮＨ₃）ガスとトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）とを用いて窒化アルミニウムからなる核生成層１２を炭化珪素基板１１上に成長させる。

核生成層１２は、バッファ層１３以降を鏡面（平坦化）成長させるためのものである。核生成層１２を成長させずに、炭化珪素基板１１上に直接バッファ層１３を成長させると、直接バッファ層１３が多結晶化してしまう。

続いて、アンモニアガスとトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）とを用いて窒化ガリウムからなるバッファ層１３を核生成層１２上に成長させる。

その後、アンモニアガス、トリメチルアルミニウム、及びトリメチルガリウムを用いて窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層１４をバッファ層１３上に成長させる。

そして、得られた複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を有機金属気相成長装置から取り出し、これまでの工程を繰り返すことで窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を量産することができる。

この製造方法により、複数枚の炭化珪素基板１１として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．１３度以下の基板を用いて、６枚チャージの有機金属気相成長装置において、１ターン成長を行い、６枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０をサンプルとして製造し、そのシート抵抗のばらつきを調べたところ、図２に示すように、各ロットの窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０のばらつき幅は２．３％であった。

このように、本発明では、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０における炭化珪素基板１１のＣ面のオフ角とシート抵抗のばらつきとの関係を明らかにし、炭化珪素基板１１の選定基準を従来に比べてより精密に、即ちＣ面のオフ角が０度以上０．２０度以下の基板を用いることで、同一成長バッチ内又は同一成長条件で成長させた場合のシート抵抗のばらつきを低減することができる。具体的には、成長させた窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗のばらつき幅を４％以内に抑えることが可能となる。

更に、多数枚チャージの有機金属気相成長装置に一度に配置する複数枚の炭化珪素基板１１として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．１３度以下の基板を用いることで、成長させた窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗のばらつき幅を１％程度にまで低減することができるようになる。

なお、図４を見ると、炭化珪素基板１１のＣ面のオフ角に依存して窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０のシート抵抗が変動するのであるから、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下、或いは０度以上０．１３度以下の範囲でなくとも、単にＣ面のオフ角が揃った炭化珪素基板１１を選定すれば良いとの考えが生じる。

しかし、Ｃ面のオフ角が０．１３度を超えた範囲では、Ｃ面のオフ角が増加するに連れて窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０のシート抵抗が線形的に減少しているため、Ｃ面のオフ角が異なった炭化珪素基板１１を用いて窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を製造した場合にはそのシート抵抗が変動する。

一方、Ｃ面のオフ角が０度以上０．１３度以下の範囲では、シート抵抗が図４上で略水平に遷移しているため、たとえＣ面のオフ角が異なった炭化珪素基板１１を用いて窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０を製造しても、シート抵抗の変動が少なく、狙ったシート抵抗に制御しやすいという利点がある。

つまり、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０のシート抵抗のばらつき幅を４％以下に抑えるためには、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下の炭化珪素基板１１を用いれば十分であるが、生産性を考慮した場合には、Ｃ面のオフ角が０度以上０．１３度以下の範囲である方がより好ましいと言える。

なお、炭化珪素基板１１のＣ面におけるオフの傾き方向は、エピタキシャル成長後の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０のシート抵抗に依存しないため、特に規定されず、Ｃ面のオフ角が前述した範囲内であれば適用可能である。

本発明により得られた複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０は、高周波デバイスを製造したときにその製品特性の均一化を図ることが可能な高周波デバイス用エピタキシャルウェハとして用いることができる。

１０ 窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ
１１ 炭化珪素基板
１２ 核生成層
１３ バッファ層
１４ バリア層

Claims (3)

1. 複数枚の炭化珪素基板上のそれぞれに、少なくとも窒化アルミニウムからなる核生成層、窒化ガリウムからなるバッファ層、窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層を順次成長させて、複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造する方法において、
   前記複数枚の炭化珪素基板として、Ｃ面のオフ角が０度以上０．２０度以下の基板を用いることを特徴とする窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
2. 前記複数枚の炭化珪素基板として、Ｃ面のオフ角が０．１３度以下の基板を用いる請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法により製造された窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハからなることを特徴とする高周波デバイス用エピタキシャルウェハ。