JP2014229872A - 窒化物半導体エピタキシャルウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】電子デバイスの作製プロセス中のＳi基板の脆さに起因する破壊を抑制する。
【解決手段】Ｓi単結晶基板(１)と、上記Ｓi単結晶基板(１)の表面に形成された窒化物半導体からなる初期成長層(２)と、上記初期成長層(２)の上に形成された複数の窒化物半導体層(３〜７)とを備え、上記Ｓi単結晶基板(１)内の酸素濃度は２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、上記Ｓi単結晶基板(１)における裏面側の炭素濃度が１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。こうして、上記Ｓi単結晶基板(１)の硬さを、エピタキシャルウェハの反りを抑える所望の硬さにする。それと共に、上記窒化物半導体層(３〜７)の成長時に上記Ｓi単結晶基板(１)の裏面側でのアンモニアによる酸素析出を抑制して、上記Ｓi単結晶基板(１)の脆さを改善する。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長された窒化物半導体エピタキシャルウェハに関するものであり、詳しくは、エピタキシャル成長後の電子デバイス作製プロセスにおいて生ずるウェハの割れを抑制することが可能な窒化物半導体エピタキシャルウェハに関する。

窒化物半導体を用いた電子デバイス用の基板材料として、一般的に、サファイア,ＳiＣ,Ｓi等が用いられている。その中でも、Ｓi半導体の電子デバイスであるＳiデバイスに対抗するためにはデバイスの低価格化が必須となることから、Ｓi基板上への窒化物半導体の成長が盛んに行なわれている。

Ｓi基板上に窒化物半導体を成長する場合の大きな課題として、Ｓiと窒化物半導体との熱膨張係数の差が挙げられる。すなわち、Ｓiの熱膨張係数は、窒化物半導体の熱膨張係数より小さいことから、一般的に上記Ｓi基板上に窒化物半導体を成長した場合に、下方に向かって凸の形状にエピタキシャルウェハが反ってしまうのである。

このエピタキシャルウェハの反りを抑える方法として、Ｓi基板自体を固くする方法が特許文献１(特開２０１０‐１５３８１７号公報)および特許文献２(特開２０１１‐１０３３８０号公報)に開示されている。

上記特許文献１には、ｐ型ドーパントであるボロンの添加量を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上にして、Ｓi単結晶の比抵抗値を０.０１Ω・ｃｍ以下にすることによって、Ｓi基板そのものを固くした電子デバイス用エピタキシャル基板が開示されている。

また、上記特許文献２には、Ｓi基板の酸素濃度を０.２×１０¹⁸atoms/ｃｍ³以上且つ１.４×１０¹⁸atoms/ｃｍ³以下に規定して、Ｓi基板の強度を向上することによって、Ｓi基板を固くした化合物半導体基板が開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示された上記従来の電子デバイス用エピタキシャル基板、および、上記特許文献２に開示された従来の化合物半導体基板には、以下のような問題がある。

すなわち、上記特許文献１に開示された従来の電子デバイス用エピタキシャル基板、および、上記特許文献２に開示された従来の化合物半導体基板では、何れも、Ｓi基板上に電子デバイスがエピタキシャル形成されたエピタキシャルウェハの反りを抑制するため、Ｓi基板を固くしている。そのために、窒化物半導体による電子デバイスの作製プロセス中において、エピタキシャルウェハが割れやすくなるという新たな問題が発生する。

本願発明者は、Ｓi基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長した窒化物半導体エピタキシャルウェハの割れを抑えるために鋭意検討を行った。そして、上記特許文献１および上記特許文献２において提案されている構造では、不十分であることを見出した。

すなわち、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを抑制するために、ボロン不純物濃度を増加するあるいは酸素をドーピングすることは、Ｓi基板の硬さを増加させるかもしれないが、実はＳi基板の脆さを増加させていることが、一連の検討から明らかになった。

特に、上記窒化物半導体の成長においては、窒素原料としてアンモニアを用いている。したがって、Ｓi基板の裏面が長時間高温でアンモニアに晒されることによって、Ｓi基板裏面における酸素析出が著しく促進されることになり、このことが、Ｓi基板の脆さに大きな影響を与えていることが明らかとなった。

特開２０１０‐１５３８１７号公報 特開２０１１‐１０３３８０号公報

そこで、この発明の課題は、窒化物半導体による電子デバイスの作製プロセス中におけるＳi基板の脆さに起因するエピタキシャルウェハの破壊を抑制できる窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、
Ｓi単結晶基板と、
上記Ｓi単結晶基板の表面に形成された窒化物半導体からなる初期成長層と、
上記初期成長層の上に形成された複数の窒化物半導体層と
を備え、
上記Ｓi単結晶基板内の酸素濃度は、２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、
上記Ｓi単結晶基板における裏面側の炭素濃度が、１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である
ことを特徴としている。

以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、Ｓi単結晶基板内の酸素濃度が２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、上記Ｓi単結晶基板における裏面側の炭素濃度が、１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。

一般に、エピタキシャルウェハの反りを抑えるために、Ｓi基板に酸素をドーピングすることによって硬さを増加させるようにしている。しかしながら、１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3を超える酸素濃度はＳi基板の脆さを増加させる。この発明では、Ｓi単結晶基板内の酸素濃度を２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。したがって、上記Ｓi単結晶基板の硬さを、エピタキシャルウェハの反りを抑えるための所望の硬さにすることができる。

さらに、窒化物半導体層の成長においては窒素原料としてアンモニアを用いるが、その場合、Ｓi基板の裏面が長時間高温でアンモニアに晒されることによって、Ｓi基板の裏面における酸素析出が著しく促進され、そのことがＳi基板の脆さに大きな影響を与えている。この発明では、上記Ｓi単結晶基板における裏面側に、濃度が１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の炭素をドープしている。したがって、上記裏面側におけるアンモニアによる酸素の析出を抑制することができ、酸素濃度の増加により上記Ｓi単結晶基板が脆くなるのを防止することができる。

すなわち、この発明によれば、上記Ｓi単結晶基板の脆さに起因するデバイス作製プロセスでの破壊を抑制できる窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することができるのである。

この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける断面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

・第１実施の形態
図１は、本実施の形態における基板上に窒化物半導体層がエピタキシャル形成された窒化物半導体エピタキシャルウェハの断面図である。

図１において、基板として、ＣＺ法(チョクラルスキー法)によって成長されたＳi単結晶基板(以下、単にＳi基板と言う)１を用いる。このＳi基板１は、ｐ型ドーパントであるボロンが１×１０¹⁹cm^-3の濃度でドーピングされて、抵抗率が０.０１Ωcmであり、且つ酸素濃度が１×１０¹⁸cm^-3である。

上述のようなＳi基板１の上にＡlＮ層２でなる初期成長層を１００ｎｍの厚さで成長する。引き続き。Ａｌ_0.2Ｇa_0.8Ｎ３を４０ｎｍの厚さで成長する。ここで、ＡlＮ層２やＡlＧaＮ層３の膜厚は、２０ｎｍから２００ｎｍの範囲内で、変更することが可能である。

その後に、ＡlＮ層とＡlＧaＮ層とを交互に積層してなる超格子バッファ層４(炭素濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3)を１００周期成長し、さらに、厚さ１μｍのチャネルＧaＮ層５、厚さ１ｎｍのＡlＮ中間層６、および、厚さ３０ｎｍのＡl_0.2Ｇa_0.8Ｎ障壁層７を成長する。

上記超格子バッファ層４における上記ＡlＧaＮ層のＡｌ組成としては０.０５から０．３程度が好ましい。また、超格子バッファ層４の各層厚としては、５ｎｍから２５ｎｍ程度が好ましい。また、超格子バッファ層４の周期数は、必要な膜厚に応じて変化させることが可能である。

上記各層の成長は、一例ではあるが、以下のような成長方法で行われる。尚、以下の各層の成長は、後にダイシングによってＳi基板１となるＳiウェハに対して行われる。そこで、以下においては、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１と表記することにする。

先ず、成長に先立って、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の表面酸化膜をフッ酸系のエッチャントで除去した後に、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１を有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)装置にセットする。そして、ウェハ温度を１１００℃に設定し、チャンバー圧力を１３.３kＰaに設定して、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の表面のクリーニングを行なう。

ここで、上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１は、酸素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、裏面側に炭素が濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3でドーピングされている。この場合、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面側にのみ炭素をドーピング方法としては特に限定するものではなく、例えばイオン注入方が挙げられ、その場合のイオン注入は、基板メーカーでのＳi基板作製後に行われる。

また、イオン注入の条件としては、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面における表層へのドーピングが望ましいことから低エネルギー(１０ｋeＶ〜１００ｋeＶ程度)が望ましい。あるいは、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面に酸化膜を形成して上記裏面の近傍から上記酸化膜を通してイオン注入を行い、イオン注入後に上記酸化膜を除去する方法を用いることによって、上記裏面の最表層にドーピングすることが可能になる。尚、その場合における上記酸化膜の膜厚は、注入エネルギーによって変化させることが可能である。

こうして、上記裏面の表層に炭素がドーピングされたＳiウェハ(Ｓi基板)１に対して、上述した表面酸化膜の除去および表面のクリーニングが行われる。

次に、ウェハ温度およびチャンバー圧力を一定にして、アンモニアＮＨ₃(１２.５slm)を流すことにより、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の表面の窒化を行う。引き続き、ＡlＮ層２を形成(ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)流量＝１１７μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)する。次に、ウェハ温度１１５０℃で、Ａl_0.2Ｇa_0.8Ｎ３を形成(ＴＭＧ(トリメチルガリウム)流量＝１００μmol/min,ＴＭＡ流量＝３０μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)する。

次に、ＡlＮ(ＴＭＡ流量＝１１７μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)と、Ａl_0.15Ｇa_0.85Ｎ(ＴＭＧ流量＝１３７μmol/min,ＴＭＡ流量＝１８μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)とを、交互に積層して超格子バッファ層４を形成する。さらに、１.０μｍ厚でチャネルＧaＮ層５を形成し、ＡlＮ中間層６を形成(ＴＭＡ流量＝１０μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)し、Ａl_0.2Ｇa_0.8Ｎ障壁層７を形成(ＴＭＧ流量＝３３μmol/min,ＴＭＡ流量＝１０μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)する。

こうして、酸素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3であって、裏面に炭素が濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3でドーピングされたＳiウェハ(Ｓi基板)１上に、ＡlＮ層２でなる初期成長層を介して、ＡlＧaＮ層３,ＡlＮ層とＡlＧaＮ層とでなる超格子バッファ層４,チャネルＧaＮ層５,ＡlＮ中間層６およびＡl_0.2Ｇa_0.8Ｎ障壁層７でなる複数の窒化物半導体層が形成される。

表１は、裏面に炭素が１×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度でドーピングされたＳiウェハ(Ｓi基板)１と、炭素がドーピングされていないＳiウェハ(Ｓi基板)とを、夫々５０枚ずつ用意し、合計１００枚のＳiウェハ(Ｓi基板)上に、図１と同様に、ＡlＮ初期成長層２を介して、ＡlＧaＮ層３,超格子バッファ層４,チャネルＧaＮ層５,ＡlＮ中間層６およびＡl_0.2Ｇa_0.8Ｎ障壁層７を成長して窒化物半導体エピタキシャルウェハを形成する。さらに、この窒化物半導体エピタキシャルウェハに対して電子デバイス作製プロセスを行った場合における当該電子デバイス作製プロセスでの割れの頻度を示す。

ここで、上記電子デバイス作製プロセスについては、特に限定するものではない。本実施の形態の場合には、例えば、上記ＡlＮ中間層６とチャネルＧaＮ層５との界面に形成される２次元電子ガスの層とオーミック接触を形成するソース電極およびドレイン電極を形成し、上記ソース電極と上記ドレイン電極との間にゲート電極を形成する電界効果型トランジスタ(ＨＥＭＴ)の作製プロセス等である。

表１から分かるように、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面に炭素がドーピングされている場合にはウェハの割れ率が４％であり、裏面に炭素がドーピングされていない場合のウェハの割れ率２０％よりも改善されている。

上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面に炭素がドープされていない場合は、ＡlＮ層２,ＡlＧaＮ３,超格子バッファ層４,チャネルＧaＮ層５,ＡlＮ中間層６およびＡlＧaＮ障壁層７を形成する際に供給される窒素原料としてのＮＨ₃に、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面が長時間高温下で晒されることになる。その結果、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面における酸素析出が著しく促進されることになり、酸素濃度の増加によりＳiウェハ(Ｓi基板)１の脆さが誘発されるのである。

しかしながら、本実施の形態のごとく、上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面に炭素をドープすることによって、炭素と窒素の共存状態が形成されて、酸素の析出が抑制される。そのために、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の脆さが誘発されず、デバイス作製プロセス時におけるＳiウェハ(Ｓi基板)１の割れが抑制されるのである。

以上のごとく、本実施の形態によれば、上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面に炭素を濃度１×１０¹⁷cm^-3でドープすることによって、窒化物半導体層を成長して形成された窒化物半導体エピタキシャルウェハに対してデバイス作製プロセスで生ずる割れを抑制することができる。したがって、歩留まり向上およびコスト低減が可能になる。

表２は、上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面にドープされる炭素の濃度と、表１の場合と同様にして形成されたエピタキシャルウェハに対して電子デバイス作製プロセスを行った場合の割れ頻度との関係を示す。

上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１に含まれる酸素濃度としては、Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の硬さをエピタキシャルウェハの反りを抑える所望の硬さにするためには、２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上が望ましい。また、過剰な酸素濃度は脆さを増加させるので、１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることが望ましい。

一方、図２により、上記Ｓiウェハ(Ｓi基板)１の裏面にドープされる炭素の濃度は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが望ましいことが分かる。

以上のごとく、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、
Ｓi単結晶基板１と、
上記Ｓi単結晶基板１の表面に形成された窒化物半導体からなる初期成長層２と、
上記初期成長層２の上に形成された複数の窒化物半導体層３〜７と
を備え、
上記Ｓi単結晶基板１内の酸素濃度は２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、
上記Ｓi単結晶基板１における裏面側の炭素濃度が１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である
ことを特徴としている。

上記構成によれば、Ｓi単結晶基板１内の酸素濃度は２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。したがって、上記Ｓi単結晶基板１の硬さを、エピタキシャルウェハの反りを抑える所望の硬さにすることができる。

さらに、上記Ｓi単結晶基板における裏面側の炭素濃度が、１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。したがって、上記窒化物半導体層３〜７の成長時に上記Ｓi単結晶基板１の裏面が窒素原料のアンモニアに長時間高温下で晒されても、上記裏面側における上記アンモニアによる酸素析出を抑制することができ、上記Ｓi単結晶基板１の脆さを改善できる。

すなわち、この発明によれば、上記Ｓi単結晶基板１の硬さを、エピタキシャルウェハの反りを抑えることができる所望の硬さにすることができ、尚且つデバイス作製プロセスでの破壊を抑制できる程度に上記Ｓi単結晶基板の脆さを改善することができる。

１…Ｓi基板、
２…ＡlＮ層(初期成長層)、
３…Ａｌ_0.2Ｇa_0.8Ｎ、
４…超格子バッファ層、
５…チャネルＧaＮ層、
６…ＡlＮ中間層、
７…Ａl_0.2Ｇa_0.8Ｎ障壁層。

Claims (1)

1. Ｓi単結晶基板と、
   上記Ｓi単結晶基板の表面に形成された窒化物半導体からなる初期成長層と、
   上記初期成長層の上に形成された複数の窒化物半導体層と
   を備え、
   上記Ｓi単結晶基板内の酸素濃度は、２.０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１.３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、
   上記Ｓi単結晶基板における裏面側の炭素濃度が、１.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上且つ３.７×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である
   ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。

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