JP2016135736A

JP2016135736A - 半導体基板

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Publication number: JP2016135736A
Application number: JP2016001405A
Authority: JP
Inventors: 洋幸佐沢; Hiroyuki Sazawa; 祥晃本多; Yoshiaki Honda; 清水　三聡; Mitsuaki Shimizu; 三聡清水; 冠錫朴; Kwan-Sop Park
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP6138974B2; JP2011254068A; JP2017147464A

Abstract

【課題】シリコン基板上にＧａＮ結晶を成長させた反りの抑制された基板の提供。【解決手段】ベース基板１０２、第１、第２、第３、第４の結晶層１０４，１０６，２０４，２０６、機能層１０８がこの順に配置され、第１と第２の結晶層、及び、第３と第４の結晶層とが格子整合して接し、第２と第３の結晶層とが互いに接し、機能層１０８の熱膨張係数がベース基板１０２より大きく、第１結晶層１０４の格子定数が第２結晶層１０６より小さく、第３結晶層２０４の格子定数が第４結晶層２０６より小さく、第１、第２結晶層の界面（第１界面）、第２、第３結晶層の界面（第２界面）、第３、第４結晶層の界面（第３界面）を同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、第１界面を含む第１モアレ画像１１８の面積が第２界面を含む第２モアレ画像１２０の面積より小さく、第３界面を含む第３モアレ画像２１０の面積が第２モアレ画像の面積より小さい半導体基板２００。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板に関する。

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特徴を生かして、パワースイッチングデバイス、高温で動作が可能なデバイス、青色あるいは緑色の発光デバイス等への用途が見込まれている。しかし、窒化物半導体のベース基板として用いられている単結晶ＧａＮ基板あるいは単結晶ＡｌＮ基板は高価であり、基板の大口径化に対応しようとすればさらに価格が高くなると予想される。そこで低価格化が望めるＳｉ基板を用いて窒化物半導体を形成する技術が求められる。ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体の結晶構造は六方晶系に属するウルツ鉱型なので、窒化物半導体をＳｉ基板上にエピタキシャル成長させる場合、結晶成長面としてＳｉ（１１１）面が選択される。

特許文献１は、耐圧が高く反りが小さい半導体電子デバイスを開示する。当該半導体電子デバイスは、基板と、基板上に形成されたバッファ層と、基板とバッファ層との間に形成された介在層と、バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなる半導体動作層とを備える。バッファ層は、基板よりも格子定数が小さく熱膨張係数が大きい窒化物系化合物半導体からなる第一半導体層と該第一半導体層よりも格子定数が小さく基板よりも熱膨張係数が大きい窒化物系化合物半導体からなる第二半導体層とが交互に積層した２層以上の複合層を有し、介在層は、第一半導体層よりも格子定数が小さく基板よりも熱膨張係数が大きい窒化物系化合物半導体からなる。そしてバッファ層は、各第一半導体層または各第二半導体層の厚さが積層方向に向かって減少するように形成されている。

非特許文献１は、Ｓｉ（１１１）面のＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる場合に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造を用いることが開示され、多層構造が引っ張り歪を緩和するとの記載がある。

特開２００９−１８８２５２号公報

Seong-Hwan Jang他著、「High-quality GaN/Si(111) epitaxial layers grown with various AlGaN/GaN superlattices as intermediate layer by MOCVD」、Journal of Crystal Growth、第253巻、64-70頁、2003年刊行

Ｓｉ（１１１）面にＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合、Ｓｉの格子定数とエピタキシャル成長層であるＧａＮあるいはＡｌＧａＮとの格子定数の相違（格子不整合）が大きいことに加え、Ｓｉの熱膨張係数とＧａＮあるいはＡｌＧａＮの熱膨張係数との相違が大きいことが問題となる。すなわち、Ｓｉの熱膨張係数が２．６×１０^−６／℃であるのに対し、ＧａＮの熱膨張係数は５．６×１０^−６／℃と大きい。この結果、Ｓｉ基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた後、Ｓｉ基板およびＧａＮ結晶を冷却すると、ＧａＮ結晶がＳｉ基板より多く収縮し、基板に反りが生じ、あるいはＧａＮ結晶にひび割れが生じる場合がある。

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、ベース基板と、第１結晶層と、第２結晶層と、機能層とを有し、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層、前記機能層の順に配置され、前記第１結晶層と前記第２結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、前記機能層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数より大きく、前記第１結晶層の格子定数が、前記第２結晶層の格子定数より小さく、前記第１結晶層および前記第２結晶層が互いに接する第１界面と、前記機能層側に位置する前記第２結晶層の第２界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第１界面を含んで観察される第１モアレ画像の面積が、前記第２界面を含んで観察される第２モアレ画像の面積より小さい半導体基板を提供する。

前記ベース基板がシリコンからなり、前記第１結晶層がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなり、前記第２結晶層がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなり、ｘおよびｙが０≦ｙ＜ｘ≦１の関係を有することが好ましい。前記第２結晶層は、前記第１結晶層を結晶成長させた場合における表面粗さより、前記第２結晶層の表面粗さが大きくなる条件で結晶成長させたものであることが好ましい。なお、前記機能層には、前記ベース基板の熱膨張係数と前記機能層の熱膨張係数との相違に起因した第１応力が、温度の低下により発生してもよい。前記第２結晶層には、前記第１結晶層の格子定数と前記第２結晶層の格子定数との相違に起因した第２応力が前記第１応力の向きと逆向きに発生してもよい。

第３結晶層と、第４結晶層とをさらに有してよく、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層と、前記第３結晶層および前記第４結晶層とが、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層、前記第３結晶層、前記第４結晶層、前記機能層の順に配置され、前記第２結晶層と前記第３結晶層とが互いに接して形成され、前記第３結晶層と前記第４結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、前記第３結晶層の格子定数が、前記第４結晶層の格子定数より小さく、前記第２結晶層および前記第３結晶層が互いに接する前記第２界面と、前記第３結晶層および前記第４結晶層が互いに接する第３界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第３界面を含んで観察される第３モアレ画像の面積が、前記第２モアレ画像の面積より小さいものであってもよい。前記第４結晶層には、前記第３結晶層の格子定数と前記第４結晶層の格子定数との相違に起因した第３応力が前記第１応力の向きと逆向きに発生してもよい。

本発明の第２の態様においては、ベース基板の上に第１結晶層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第１結晶層に接してかつ格子整合または擬格子整合して第２結晶層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第２結晶層の上に機能層をエピタキシャル成長させる段階と、を有する製造方法により得られた半導体基板であって、前記機能層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数より大きく、前記第１結晶層の格子定数が、前記第２結晶層の格子定数より小さく、前記第１結晶層および前記第２結晶層が互いに接する第１界面と、前記機能層側に位置する前記第２結晶層の第２界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第１界面を含んで観察される第１モアレ画像の面積が、前記第２界面を含んで観察される第２モアレ画像の面積より小さい半導体基板を提供する。すなわち第１の態様において、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層の各層が、エピタキシャル成長法により形成されたものであってもよい。

本発明の第３の態様においては、ベース基板と、第１結晶層と、第２結晶層と、機能層とを有し、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層、前記機能層の順に配置され、前記第１結晶層と前記第２結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、前記機能層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数より小さく、前記第１結晶層の格子定数が、前記第２結晶層の格子定数より大きく前記第１結晶層および前記第２結晶層が互いに接する第１界面と、前記機能層側に位置する前記第２結晶層の第２界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第１界面を含んで観察される第１モアレ画像の面積が、前記第２界面を含んで観察される第２モアレ画像の面積より小さい半導体基板を提供する。

第３結晶層と、第４結晶層とをさらに有してよく、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層と、前記第３結晶層および前記第４結晶層とが、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層、前記第３結晶層、前記第４結晶層、前記機能層の順に配置され、前記第２結晶層と前記第３結晶層とが互いに接して形成され、前記第３結晶層と前記第４結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、前記第３結晶層の格子定数が、前記第４結晶層の格子定数より大きく、前記第２結晶層および前記第３結晶層が互いに接する前記第２界面と、前記第３結晶層および前記第４結晶層が互いに接する第３界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第３界面を含んで観察される第３モアレ画像の面積が、前記第２モアレ画像の面積より小さいものであってもよい。

本発明の第４の態様においては、ベース基板の上に第１結晶層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第１結晶層に接してかつ格子整合または擬格子整合して第２結晶層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第２結晶層の上に機能層をエピタキシャル成長させる段階と、を有する製造方法により得られた半導体基板であって、前記機能層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数より小さく、前記第１結晶層の格子定数が、前記第２結晶層の格子定数より大きく、前記第１結晶層および前記第２結晶層が互いに接する第１界面と、前記機能層側に位置する前記第２結晶層の第２界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第１界面を含んで観察される第１モアレ画像の面積が、前記第２界面を含んで観察される第２モアレ画像の面積より小さい半導体基板を提供する。すなわち第３の態様において、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層の各層が、エピタキシャル成長法により形成されたものであってもよい。

なお、本明細書において、第１結晶層の格子定数とは、当該第１結晶層のみを基板の上に格子整合させて成長させて得られた第１結晶層の２０℃における格子定数をいう。第２結晶層、第3結晶層、第4結晶層および機能層の各格子定数について同様である。本明細書において、機能層の熱膨張係数とは、２０℃における機能層の熱膨張係数をいう。第1結晶層、第２結晶層、第3結晶層および第4結晶層の各熱膨張係数について同様である。本明細書において、「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。このとき、各半導体の結晶格子が弾性変形できる範囲内で変形することで、上記格子定数の差が吸収される。例えば、ＧｅとＧａＡｓとの積層状態は、擬格子整合と呼ばれる。

半導体基板１００の断面例を示す。半導体基板２００の断面例を示す。実施例１の半導体基板の断面ＴＥＭ写真を示す。実施例１の半導体基板を５度傾けて観察した断面ＴＥＭ写真を示す。（ａ）から（ｃ）は、成長温度を変えてエピタキシャル成長させた場合の基板の反りを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。図１は、半導体基板１００の断面例を示す。半導体基板１００は、ベース基板１０２と、第１結晶層１０４と、第２結晶層１０６と、機能層１０８とを有する。

ベース基板１０２は、その上に形成されるエピタキシャル成長層を支持する支持基板である。ベース基板１０２としてＳｉ基板が挙げられる。Ｓｉ基板として、バルク全体がＳｉからなるシリコンウェハ、表面がＳｉであるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が例示できる。ベース基板１０２の表面は、表面上に結晶層が形成されていない場合、反りのない平坦面である。

第１結晶層１０４および第２結晶層１０６は、ベース基板１０２上に形成される窒化物半導体結晶である。第１結晶層１０４および第２結晶層１０６は、エピタキシャル成長により形成されてよい。第１結晶層１０４としてＡｌＮまたはＡｌＧａＮが挙げられる。第２結晶層１０６としてＡｌＧａＮまたはＧａＮが挙げられる。第１結晶層１０４および第２結晶層１０６は、応力制御層として機能する。第１結晶層１０４がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなり、第２結晶層１０６がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなり、ｘおよびｙが０≦ｙ＜ｘ≦１の関係を有することが好ましい。

機能層１０８として、ベース基板１０２上に形成される窒化物半導体結晶が挙げられる。機能層１０８は、第１結晶層１０４および第２結晶層１０６を介してベース基板１０２上に形成される。機能層１０８の材料は任意である。機能層１０８は、エピタキシャル成長により形成されてよい。機能層１０８として、ＡｌＧａＮまたはＧａＮが挙げられる。機能層１０８を活性層として半導体デバイスが形成できる。

ベース基板１０２、第１結晶層１０４、第２結晶層１０６および機能層１０８は、ベース基板１０２、第１結晶層１０４、第２結晶層１０６、機能層１０８の順に配置されている。ベース基板１０２と第１結晶層１０４との間には任意の層が介在してもよい。また、第２結晶層１０６と機能層１０８との間にも任意の層が介在してもよい。第１結晶層１０４と第２結晶層１０６とは、格子整合または擬格子整合して接している。第１結晶層１０４と第２結晶層１０６とが互いに接する界面には第１界面１１０が形成され、機能層１０８側に位置する第２結晶層１０６の界面には第２界面１１２が形成される。

機能層１０８の熱膨張係数は、ベース基板１０２の熱膨張係数より大きい。機能層１０８をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる場合、一般に７００℃程度あるいはそれ以上の温度で成長させる。機能層１０８を成長させた後、半導体基板１００の温度を低くすると、機能層１０８の熱収縮がベース基板１０２の熱収縮より大きくなり、機能層１０８には、引張応力である第１応力１１４が発生する。その結果、半導体基板１００に第１の反りが発生する。第１応力１１４が引張応力なので、第１の反りは、機能層１０８からベース基板１０２に向かう下方向に膨らんだ形状になる。なお、ここで上下方向は、機能層１０８を上、ベース基板１０２を下とした場合をいう。以下単に「上」または「下」という場合、これと同様とする。第１の反りは、第１応力１１４のみによって半導体基板１００に反りが発生した場合の仮想的な反りであり、実際の半導体基板１００に生ずる反りとは異なる。第１の反りの大きさ（第１反り量）として平坦面からの変位の最大値が挙げられる。下方向に膨らんだ反り量が正の値をとるとすれば、第１反り量は正値である。

第１結晶層１０４の格子定数は、第２結晶層１０６の格子定数より小さい。第２結晶層１０６を第１結晶層１０４上に格子整合または擬格子整合させてエピタキシャル成長させる場合、第１界面１１０における第２結晶層１０６の構成原子は、その間隔が第１結晶層１０４の格子定数と同じになるよう形成される。しかし第２結晶層１０６の格子定数は第１結晶層１０４の格子定数より大きいので、第１界面１１０から第２結晶層１０６のバルク内に離れるに従い第２結晶層１０６の構成原子の間隔は第２結晶層１０６の格子定数と一致するようになる。つまり第２結晶層１０６の少なくとも第１界面１１０近傍では構成原子間隔を大きくしようとする力が働き、第２結晶層１０６には圧縮応力である第２応力１１６が発生する。その結果、半導体基板１００に第２の反りが発生する。第２応力１１６が圧縮応力なので、第２の反りは、ベース基板１０２から機能層１０８に向かう上方向に膨らんた形状になる。第２の反りは、第２応力１１６のみによって半導体基板１００に反りが発生した場合の仮想的な反りであり、実際の半導体基板１００に生ずる反りとは異なる。第２の反りの大きさ（第２反り量）として平坦面からの変位の最大値が挙げられる。第２の反りは第１の反りの逆方向なので第２反り量は負値である。

そして、第１界面１１０と第２界面１１２とを同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、第１界面１１０を含んで観察される第１モアレ画像１１８の面積が、第２界面１１２を含んで観察される第２モアレ画像１２０の面積より小さい。一般に界面にミスフィット転位等の欠陥を生じた場合、界面における格子位置が変化し、ＴＥＭ画像によりこれを観察するとモアレ画像として観察される。つまり、モアレ画像の面積が大きく観察されるほどミスフィット等転位が多く存在することとなるので、モアレ画像の面積が大きく観察される領域における界面では応力緩和が生じていると推定できる。すなわち、第１界面１１０より第２界面１１２の方がより大きく応力緩和されている。

半導体基板１００に発生する実際の反り量は、半導体基板１００上に形成された各結晶層における応力から生じる反り量の総和で与えられる。一般に機能層１０８の熱応力は他の応力より大きいので、半導体基板１００の反り量は正値をとる。ベース基板１０２と第１結晶層１０４の間に形成される結晶層の反り量、および、第２結晶層１０６と機能層１０８との間に形成される結晶層の反り量が、正負何れの値をとるかにより実際の反り量が異なるが、少なくとも、機能層１０８による第１反り量が正の値であり、第２結晶層１０６による第２反り量が負の値であることから、半導体基板１００全体の反り量が少なくなる。この結果、機能層１０８の割れ、剥がれを抑制できる。

なお、ベース基板１０２がＳｉからなり、第１結晶層１０４がＡｌＮあるいはＡｌＧａＮのような３−５族化合物半導体からなる場合、ベース基板１０２と第１結晶層１０４との格子定数差が大きいので、第１結晶層１０４は十分に格子緩和された状態でベース基板１０２上に層形成される。このような場合、ベース基板１０２と第１結晶層１０４との界面が十分に格子緩和されているので、格子定数差に起因した第１結晶層１０４の反り量は非常に小さくなる。また、第１結晶層１０４の厚さは機能層１０８の厚さより一般に薄く形成するため、ベース基板１０２と第１結晶層１０４の熱膨張係数差に起因した第１結晶層１０４の反り量は、機能層１０８に発生する前記した第1の反り量より小さい。すなわち、第１結晶層１０４が大きな反り量を発生させることはなく、半導体基板１００全体の反り量を少なくして機能層１０８の割れ、剥がれを抑制するという発明の効果を失うことはない。なお、ベース基板１０２と第１結晶層１０４との間に任意の結晶層たとえばバッファ層を形成することができ、バッファ層が前記した第1結晶層１０４と同様である場合には、前記した第１結晶層１０４の場合と同様にバッファ層に大きな反りが発生することはない。よってバッファ層によって前記した発明の効果を失うこともない。

第２結晶層１０６と機能層１０８との間に形成される結晶層であって第２結晶層１０６の第２界面１１２に接して形成される結晶層が、第２結晶層１０６の格子定数より大きな格子定数を有するものである場合、当該結晶層には第２応力１１６と同じ方向の圧縮応力が発生し、反り量も負の値になるので、機能層１０８による第１反り量を低減する方向に働かせることができる。しかし当該結晶が、第２結晶層１０６の格子定数より小さな格子定数を有するものである場合、当該結晶層には第１応力１１４と同じ方向の引張応力が発生し、半導体基板１００の反り量を増加させる方向に作用して好ましくない。

しかしながら、仮に第２界面１１２に接して形成される結晶層の格子定数が第２結晶層１０６の格子定数より小さく、引張応力を発生させるものであっても、第２界面１１２は、第１界面１１０より大きく応力緩和されているので、第２界面１１２に接して形成される結晶層による反り量の絶対値は、第２結晶層１０６による第２反り量の絶対値より小さくなる。この結果、第２界面１１２に接して形成される結晶層の反り量と第２結晶層１０６による第２反り量の和は負値となり、半導体基板１００全体の反り量を少なくできる。

以上のように、第１結晶層１０４および第２結晶層１０６は応力制御層として機能する。第１結晶層１０４および第２結晶層１０６を複数層形成して応力制御効果を増強する場合でも積層する層数を少なくすることができる。なお、モアレ画像は基板を傾けた状態でＴＥＭ観察できるようになる。基板の傾斜角度は０．２から７度の範囲である。モアレ画像が鮮明に観察されるよう傾斜角度を調整し、このような状態で観察された断面ＴＥＭ写真によりモアレ画像を観察するものとする。

なお、機能層１０８の熱膨張係数がベース基板１０２の熱膨張係数より小さいものを選択してもよい。この場合、第１結晶層１０４の格子定数は、第２結晶層１０６の格子定数より大きくなるよう結晶層材料を選択する。この場合、機能層１０８には、ベース基板１０２の熱膨張係数と機能層１０８の熱膨張係数との相違に起因した圧縮応力が温度の低下により発生し、第２結晶層１０６には、第１結晶層１０４の格子定数と第２結晶層１０６の格子定数との相違に起因した引張応力が発生する。

ベース基板１０２がＳｉからなり、機能層１０８がＧａＮである場合、機能層１０８に発生する第１応力１１４は引張応力なので、第２応力１１６として圧縮応力を発生させればよい。ＡｌＧａＮの場合Ａｌ組成比が大きいほど格子定数は小さいので、ベース基板１０２がＳｉである場合、第１結晶層１０４がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなり、第２結晶層１０６がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなり、ｘおよびｙが０≦ｙ＜ｘ≦１の関係を有することが好ましい。ベース基板１０２がＳｉである場合、第１結晶層１０４および第２結晶層１０６を各々ＡｌＮおよびＡｌＧａＮとすることができる。

なお、第２界面１１２におけるミスフィット転位の量は、第２結晶層１０６の表面状態により制御できる。たとえば、第２結晶層１０６は、第１結晶層１０４を結晶成長させた場合における表面粗さより、第２結晶層１０６の表面粗さが大きくなる条件で結晶成長させることができる。これにより、第２界面１１２におけるミスフィット転位を第１界面１１０におけるミスフィット転位より多くすることができる。たとえば、第２結晶層１０６は、第１結晶層１０４を結晶成長させた場合におけるグレインサイズより、第２結晶層１０６のグレインサイズが小さくなる条件で結晶成長させたものでもよい。第１結晶層１０４および第２結晶層１０６の表面粗さあるいはグレインサイズは、成長温度で制御することができる。成長温度が高い程、表面粗さは大きくなる。あるいは、ＩＩＩ族原料に対するＶ族原料の比であるＶ／ＩＩＩ比によっても制御できる。Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど表面粗さが大きくなる。

図２は、半導体基板２００の断面例を示す。半導体基板２００は、半導体基板１００を構成する部材に加えて、第３結晶層２０４と、第４結晶層２０６とをさらに有する構成を例示する。第３結晶層２０４および第４結晶層２０６は、第１結晶層１０４および第２結晶層１０６と同様な構成を有し、応力制御層として機能する。その他の構成は、半導体基板１００と同様である。

すなわち、ベース基板１０２、第１結晶層１０４、第２結晶層１０６および機能層１０８と、第３結晶層２０４および第４結晶層２０６とが、ベース基板１０２、第１結晶層１０４、第２結晶層１０６、第３結晶層２０４、第４結晶層２０６、機能層１０８の順に配置されている。第２結晶層１０６と第３結晶層２０４とが互いに接して形成されている。第３結晶層２０４と第４結晶層２０６とが格子整合または擬格子整合して接し、第３結晶層２０４の格子定数が、第４結晶層２０６の格子定数より小さい。第２結晶層１０６および第３結晶層２０４が互いに接する第２界面１１２と、第３結晶層２０４および第４結晶層２０６が互いに接する第３界面２０８とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、第３界面２０８を含んで観察される第３モアレ画像２１０の面積が、第２モアレ画像１２０の面積より小さい。

機能層１０８の熱膨張係数が、ベース基板１０２の熱膨張係数より大きく、第３結晶層２０４の格子定数が、第４結晶層２０６の格子定数より小さいので、第４結晶層２０６には、第３結晶層２０４の格子定数と第４結晶層２０６の格子定数との相違に起因した第３応力２２４（圧縮応力）が、第１応力１１４（引張応力）の向きと逆向きに発生する。すなわち、機能層１０８が正値の第１反り量を生じ、第２結晶層１０６が負値の第２反り量を発生することに加え、第３応力２２４に起因した第４結晶層２０６の負値の第３反り量を発生する。なお、第２結晶層１０６と第３結晶層２０４との第２界面１１２における接合により、第３結晶層２０４には引張応力が発生し正値の反り量が生ずるが、第２界面１１２における応力緩和が第１界面１１０における応力緩和または第３界面２０８における応力緩和より大きいので、第３結晶層２０４による反り量の絶対値は第２結晶層１０６による反り量あるいは第４結晶層２０６による反り量より小さい。このように、第１結晶層１０４および第２結晶層１０６を応力制御層として機能させるとともに、第３結晶層２０４および第４結晶層２０６をも応力制御層として機能させることにより、より効果的に半導体基板１００全体の反り量を少なくすることができる。

なお、第１結晶層１０４と第３結晶層２０４とを同じものとし、第２結晶層１０６と第４結晶層２０６とを同じものとすることができる。機能層１０８の熱膨張係数がベース基板１０２の熱膨張係数より小さく、第３結晶層２０４の格子定数が第４結晶層２０６の格子定数より大きくてもよい。この場合、機能層１０８には、ベース基板１０２の熱膨張係数と機能層１０８の熱膨張係数との相違に起因した圧縮応力が温度の低下により発生し、第４結晶層２０６には、第３結晶層２０４の格子定数と第４結晶層２０６の格子定数との相違に起因した引張応力が発生する。第１結晶層１０４および第２結晶層１０６を、組成がなだらかに変化するグレーディッド層としてもよい。

主面が（１１１）面である２インチＳｉ基板を用意した。この基板をフッ化水素酸でエッチングし、基板主面のシリコン酸化膜を除去した。ついでこの基板を成長炉に搬入し、炉内に水素を導入しながら、基板を１１３０℃に昇温することにより、フッ化水素酸でエッチング後に基板表面に新たに生成した薄いシリコン酸化膜の除去を行った。

ついで、表１に示す条件で、Ｓｉ基板上に順次原料を供給することにより、表１に示す結晶積層構造を有する半導体基板を作製した。この積層構造では本発明の効果を明瞭に示すため、機能層の厚みを通常の素子に用いられる厚みよりも薄くしてある。このことにより、機能層とＳｉ基板の熱膨張係数差に起因する基板の反りへの影響は少なくなり、相対的に本発明である応力制御層の効果がより明瞭に示される。

原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびアンモニア（ＮＨ_３）を用いた。成長炉内の圧力は、３０ｋＰａに保った。原料のキャリアガスとして水素を用いた。各層の成長においては、各原料の供給量、基板温度を制御しながら行った。表１において、Ａｌ組成、Ｖ／ＩＩＩ比の違いを示しているが、Ａｌ組成はＴＭＧとＴＭＡの流量比を、Ｖ／ＩＩＩ比はアンモニアの流量とＴＭＧ、ＴＭＡの流量との比をそれぞれ変えることにより、制御した。

図３は上記の通り形成した半導体基板の断面ＴＥＭ写真である。断面ＴＥＭ写真用の試料は、基板を半導体結晶の（１０−１０）面と平行な面で切り出すことで作製した。切り出しにはイオンビーム加工法を用いた。切り出した試料の厚みは１００ｎｍとした。図４は、この半導体基板（切り出した試料）を５度傾けて観察した断面ＴＥＭ写真である。すなわち、（１０−１０）面に垂直な方向から（０００１）面方向への５°傾けた方向から電子線を照射した。電子線の加速電圧は３００ｋＶとした。照射電流値は約４００ｐＡであった。透過電子線をイメージングプレートで検出し、断面ＴＥＭ写真を得た。断面ＴＥＭ写真は、第１界面と第２界面とを同一視野に含み、かつ基板面に平行な方向（図４の写真において横方向）に６００ｎｍ幅の範囲を含むように撮影した。

５度傾けたことにより、ＡｌＮ層とその下側ＡｌＧａＮ層の界面を含む領域に縞状のモアレ画像が観察できる。図４ではモアレ画像の部分を破線で囲んである。縞状のモアレ画像の発生は、結晶層と結晶層の界面付近に異なる格子定数の結晶が近接して存在していることを示す。つまり、モアレが発生している界面において、結晶は不連続に成長している。すなわち格子緩和しながら成長している。

モアレ面積の評価は、半導体結晶の積層構造に平行な面の中央を通る断面における、第１界面と第２界面とを同一視野に含む範囲であり、かつ基板面に平行な方向（図４の写真において横方向）に６００ｎｍ幅の範囲について行う。図４では（基板側）ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ界面付近のほうが（基板側）ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ界面付近よりもよりモアレ縞が発生している面積が大きい。すなわち、（基板側）ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ界面付近のほうが（基板側）ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ界面付近より格子緩和のしている結合が多い。この結果、格子定数差に起因して発生する応力は、格子緩和した界面を挟む（基板側）ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ積層対よりも格子緩和が少ない界面を挟む（基板側）ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ積層対のほうが大きくなる。

（基板側）ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ積層対により発生する応力によって基板に発生する反りは、機能層とＳｉ基板の熱の膨張係数差によって発生する反りの方向と同じであり、（基板側）ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ積層対により発生するそりは逆である。前述の通り、格子定数差に起因して発生する応力は、（基板側）ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ積層対よりも（基板側）ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ積層対のほうが大きいから、表１に示した応力緩和層は機能層とＳｉ基板の熱の膨張係数差によって発生する反りを低減するよう作用し、クラックの発生を抑制する。

図５は、応力制御層のＡｌＧａＮ層の成長温度を変えてエピタキシャル成長させた基板の外観写真を示す。基板のそりが視覚的に分かるように、幅２ｍｍの横線を４ｍｍの周期で並べた縞模様を基板背面側に配置し、この縞模様が基板に写るように斜め上方から撮影した。基板に写る縞模様の幅の違いにより基板の反りが分かる。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の基板は表１に示した構造と製造条件を基本として、応力制御層のＡｌＧａＮの成長温度だけを（ａ）９００℃、（ｂ）１０００℃、（ｃ）１１３０℃としたものである。

（ａ）が最も縞模様の幅が狭く、（ｂ）、（ｃ）の順に縞模様の幅が広がっている。（ａ）（ｂ）は基板が凸型であり、（ａ）のほうが（ｂ）よりもそりの程度が大きい。（ｃ）はほぼ平坦である。すなわち、本発明による応力制御層により、基板はＳｉ基板と機能層の熱膨張係数差により発生するそりとは逆の方向にそりが発生しており、その程度は制御することが出来る。この発明を適用すれば、機能層と基板の熱膨張係数差により発生する基板のそりを制御し、クラックの発生を抑えることが出来る。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システムおよび方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００…半導体基板、１０２…ベース基板、１０４…第１結晶層、１０６…第２結晶層、１０８…機能層、１１０…第１界面、１１２…第２界面、１１４…第１応力、１１６…第２応力、１１８…第１モアレ画像、１２０…第２モアレ画像、２００…半導体基板、２０４…第３結晶層、２０６…第４結晶層、２０８…第３界面、２１０…第３モアレ画像、２２４…第３応力。

Claims

ベース基板と、第１結晶層と、第２結晶層と、第３結晶層と、第４結晶層と、機能層とを有し、
前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層と、前記第３結晶層および前記第４結晶層とが、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層、前記第３結晶層、前記第４結晶層、前記機能層の順に配置され、
前記第１結晶層と前記第２結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、
前記第２結晶層と前記第３結晶層とが互いに接し、
前記第３結晶層と前記第４結晶層とが格子整合または擬格子整合して接し、
前記機能層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数より大きく、
前記第１結晶層の格子定数が、前記第２結晶層の格子定数より小さく、
前記第３結晶層の格子定数が、前記第４結晶層の格子定数より小さく、
前記第１結晶層および前記第２結晶層が互いに接する第１界面と、前記第２結晶層および前記第３結晶層が互いに接する前記第２界面と、前記第３結晶層および前記第４結晶層が互いに接する第３界面とを、同一視野に含んで断面ＴＥＭ像を観察した場合、前記第１界面を含んで観察される第１モアレ画像の面積が、前記第２界面を含んで観察される第２モアレ画像の面積より小さく、前記第３界面を含んで観察される第３モアレ画像の面積が、前記第２モアレ画像の面積より小さい
半導体基板。
前記ベース基板がシリコンからなり、
前記第１結晶層がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなり、
前記第２結晶層がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなり、
ｘおよびｙが０≦ｙ＜ｘ≦１の関係を有する
請求項１に記載の半導体基板。
前記第２結晶層は、前記第１結晶層を結晶成長させた場合における表面粗さより、前記第２結晶層の表面粗さが大きくなる条件で結晶成長させたものである
請求項１または請求項２に記載の半導体基板。
前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記機能層の各層が、エピタキシャル成長法により形成されたものである
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体基板。