JP2016204201A - Nitride semiconductor epitaxial wafer and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物半導体エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor epitaxial wafer and a method for manufacturing the same.
窒化物半導体は、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)で表される。上記窒化物半導体は、その組成によって、バンドギャップを1.95eV〜6eVの範囲で変化させることができることから、紫外域から赤外域までに及ぶ広波長範囲の発光デバイスの材料として研究開発が行われ、実用化されている。 The nitride semiconductor is represented by a general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1). Since the nitride semiconductor can change the band gap in the range of 1.95 eV to 6 eV depending on the composition, it is researched and developed as a light emitting device material in a wide wavelength range from the ultraviolet region to the infrared region. Has been put to practical use.
また、上記窒化物半導体を用いたデバイスは、高周波で且つ高出力で動作するパワー素子等に用いられている。中でも、高周波帯域での増幅に適した半導体デバイスとして、例えば高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)等の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)が知られている。 Moreover, the device using the nitride semiconductor is used for a power element or the like that operates at a high frequency and a high output. In particular, field effect transistors (FETs) such as high electron mobility transistors (HEMTs) are known as semiconductor devices suitable for amplification in a high frequency band.
上記窒化物半導体を用いた電子デバイスにおいては、デバイスの価格を抑える方法として、一般的にSi基板が用いられている。 In an electronic device using the nitride semiconductor, an Si substrate is generally used as a method for suppressing the price of the device.
しかしながら、上記窒化物半導体の結晶成長は、1000℃付近の高温で行うために、Siと窒化物半導体との熱膨張係数の違いから、上記窒化物半導体をエピタキシャル成長したエピタキシャル基板(以下、窒化物半導体エピタキシャルウェハと言う)には、大きな反りが生ずる。 However, since the crystal growth of the nitride semiconductor is performed at a high temperature around 1000 ° C., an epitaxial substrate (hereinafter referred to as a nitride semiconductor) on which the nitride semiconductor is epitaxially grown due to the difference in thermal expansion coefficient between Si and the nitride semiconductor. A large warp occurs in an epitaxial wafer).
上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを低減する方法として、エピタキシャル成長される上記窒化物半導体層の層構造に工夫を凝らすことが考えられる。例えば、電子デバイス用の窒化物半導体層の層構造として、AlN層とAlGaN層とのペアの繰返しで構成される超格子層における上記ペア数を減らす等によって、反りは軽減される場合がある。 As a method for reducing the warpage of the nitride semiconductor epitaxial wafer, it is conceivable to devise a layer structure of the nitride semiconductor layer that is epitaxially grown. For example, as a layer structure of a nitride semiconductor layer for an electronic device, warpage may be reduced by reducing the number of pairs in a superlattice layer formed by repeating pairs of an AlN layer and an AlGaN layer.
また、特開2012‐197218号公報(特許文献1)に開示された半導体バルク結晶がある。この半導体バルク結晶においては、下地基板と化合物半導体単結晶とが直接接触する態様で空洞を形成したり、上記下地基板の主面に凹凸を形成したりすることにより、上記化合物半導体単結晶のエピタキシャル成長途中におけるクラックの発生を抑制している。 Further, there is a semiconductor bulk crystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-197218 (Patent Document 1). In this semiconductor bulk crystal, the compound semiconductor single crystal is epitaxially grown by forming a cavity in such a manner that the base substrate and the compound semiconductor single crystal are in direct contact with each other or by forming irregularities on the main surface of the base substrate. The generation of cracks in the middle is suppressed.
こうして、エピタキシャル成長用基板に予め凹凸加工を施し、窒化物半導体を成長させる等によって、エピタキシャル成長用基板の歪を緩和し、反りの抑制や端部のクラックを抑制するようにしている。 In this way, the epitaxial growth substrate is preliminarily roughened to grow a nitride semiconductor, thereby relaxing the strain of the epitaxial growth substrate and suppressing warpage and cracks at the edges.
しかしながら、上記従来の上記エピタキシャル基板の反りを低減する方法においては、以下のような問題がある。 However, the conventional method for reducing the warpage of the epitaxial substrate has the following problems.
すなわち、上記AlN層とAlGaN層とのペアの繰返しで構成される超格子層における上記ペア数を減らした電子デバイス用の窒化物半導体層の層構造においては、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りが軽減される場合がある。しかしながら、その代償として、プロセス完了後のデバイス特性である耐圧が低減する等の問題が発生する。 That is, in the layer structure of the nitride semiconductor layer for electronic devices in which the number of pairs in the superlattice layer formed by repeating pairs of the AlN layer and the AlGaN layer is reduced, the warp of the nitride semiconductor epitaxial wafer is warped. May be reduced. However, as a compensation, problems such as a reduction in breakdown voltage, which is a device characteristic after completion of the process, occur.
以上のように、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける上記窒化物半導体層の層構造に制限が加える場合には、他の特性が悪化する可能性が出てくると言う問題がある。 As described above, when restrictions are imposed on the layer structure of the nitride semiconductor layer in the nitride semiconductor epitaxial wafer, there is a problem that other characteristics may be deteriorated.
また、上記特許文献1に開示された「半導体バルク結晶」においては、上記下地基板の凹凸加工工程に時間とコストとが掛かり、製造の観点から好ましくない。
Further, the “semiconductor bulk crystal” disclosed in
そこで、この発明の課題は、反りを低減し、得られる窒化物半導体デバイスの特性を改善することが可能な窒化物半導体エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor epitaxial wafer that can reduce warpage and improve the characteristics of the obtained nitride semiconductor device, and a method for manufacturing the same.
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、
エピタキシャル成長用基板と、
上記エピタキシャル成長用基板上に、エピタキシャル結晶成長された窒化物半導体層と
を備え、
上記エピタキシャル成長用基板は、半径Rの略円を成しており、
上記エピタキシャル成長用基板の中心から半径(1/5)Rの円までの円形エリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円から半径(R−5mm)の円までのトーラスエリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満である
ことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the nitride semiconductor epitaxial wafer of the present invention is
An epitaxial growth substrate;
A nitride semiconductor layer epitaxially grown on the epitaxial growth substrate;
The epitaxial growth substrate has a substantially circular shape with a radius R,
The full width at half maximum of the X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the circular area from the center of the substrate for epitaxial growth to the circle of radius (1/5) R, and from the circle of radius (4/5) R to radius (R- A difference value between the full width at half maximum of X-ray rocking curve of GaN (10-12) in a torus area up to a circle of 5 mm) is 100 arcsec or more and less than 200 arcsec.
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記エピタキシャル成長用基板は、Si,SiC,ZnOおよびサファイアのうちの何れかである。
In the nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The substrate for epitaxial growth is any one of Si, SiC, ZnO, and sapphire.
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記エピタキシャル成長用基板の直径は3インチ以上であり、且つ厚さは1500μm以上である。
In the nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The epitaxial growth substrate has a diameter of 3 inches or more and a thickness of 1500 μm or more.
また、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、
エピタキシャル成長用基板上に、窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させるエピタキシャル成長工程を備え、
上記エピタキシャル成長工程で得られる窒化物半導体エピタキシャルウェハに関して、半径Rの上記エピタキシャル成長用基板の中心から半径(1/5)Rの円までの円形エリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円から半径(R−5mm)の円までのトーラスエリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満となるように、上記エピタキシャル成長工程を行う
ことを特徴としている。
In addition, the method of manufacturing the nitride semiconductor epitaxial wafer of the present invention is as follows:
An epitaxial growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor on the epitaxial growth substrate;
Regarding the nitride semiconductor epitaxial wafer obtained in the epitaxial growth step, the full width at half maximum of the X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the circular area from the center of the substrate for epitaxial growth of radius R to the circle of radius (1/5) R And the difference value between the full width at half maximum of X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the torus area from the circle with radius (4/5) R to the circle with radius (R-5mm) is 100 arcsec or more and less than 200 arcsec As described above, the epitaxial growth step is performed.
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法では、
上記エピタキシャル成長工程は、上記エピタキシャル成長用基板上にAlN下地層をエピタキシャル結晶成長させる工程と、上記AlN下地層上に上記窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させる工程とを含んでいる。
Further, in the method of manufacturing a nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The epitaxial growth step includes a step of epitaxially growing an AlN underlayer on the epitaxial growth substrate and a step of epitaxially growing the nitride semiconductor on the AlN underlayer.
以上より明らかなように、この発明は、中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせることによって、転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御することができる。 As is apparent from the above, the present invention can control the density of dislocations, nanopipes, and the like and the bending in the crystal by causing a difference in crystallinity between the central portion and the outer peripheral portion.
したがって、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に対して、上記中心部と上記外周部との上記エピタキシャル成長用基板からの上記応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させて、窒化物半導体エピタキシャルウェハ全体としてのバランスをとり、反りの抑制に効果を与えることができる。 Therefore, for the stress due to the difference in thermal expansion coefficient resulting from the temperature change during crystal growth, the transmission of the stress from the epitaxial growth substrate between the central portion and the outer peripheral portion is varied, dispersed, suppressed, changed, The nitride semiconductor epitaxial wafer as a whole can be balanced, and the effect of suppressing warpage can be given.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
・第1実施の形態
図1は、本実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いたHEMT用窒化物半導体における断面模式図である。
First Embodiment FIG. 1 is a schematic sectional view of a nitride semiconductor for HEMT using the nitride semiconductor epitaxial wafer of the present embodiment.
図1において、本HEMT用窒化物半導体は、Si(111)基板1上に、AlN層2,AlGaNバッファ層5,超格子バッファ層10,アンドープGaN層11およびAlGaNバリア層12を、この順に積層して構成されている。
In FIG. 1, the nitride semiconductor for HEMT is formed by laminating an
ここで、上記AlGaNバッファ層5は、Al0.50Ga0.50N層3と、このAl0.50Ga0.50N層3上積層されたGaN層4とで構成されている。また、超格子バッファ層10は、AlN層6,Al0.05Ga0.95N層7,Al0.90Ga0.10N層8およびAl0.10Ga0.90N層9が繰返し積層されて構成されている。
The AlGaN
次に、上記構成を有するHEMT用窒化物半導体の作成に用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法について説明する。 Next, a method for producing a nitride semiconductor epitaxial wafer used for producing a nitride semiconductor for HEMT having the above configuration will be described.
先ず、800μm厚のSi(111)基板1を希釈フッ酸で処理し、表面の自然酸化膜を除去する。次に、Si基板1をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置のリアクタ内に導入する。
First, the Si (111)
上記MOCVD装置内において、基板温度を室温から1100℃に昇温させた後、H2,N2,NH3(アンモニア)およびTMA(トリメチルアルミニウム)を供給して、Si基板1の主面に、AlN層2を150nm厚に成長させる。
In the MOCVD apparatus, after raising the substrate temperature from room temperature to 1100 ° C., H 2 , N 2 , NH 3 (ammonia) and TMA (trimethylaluminum) are supplied to the main surface of the
次に、基板温度を1050℃に変更し、H2,N2,NH3,TMAおよびTMG(トリメチルガリウム)を供給し、AlN層2上に、層厚300nmのAl0.50Ga0.50N層3を成長させる。さらに、層厚20nmのGaN層4を成長させる。こうして、Al0.50Ga0.50N層3とGaN層4とが積層されたAlGaNバッファ層5が形成される。
Next, the substrate temperature is changed to 1050 ° C., H 2 , N 2 , NH 3 , TMA and TMG (trimethylgallium) are supplied, and Al 0.50 Ga 0.50 with a layer thickness of 300 nm is formed on the
そうした後、基板温度を1050℃に保持したまま、H2,N2,NH3およびTMAを供給して、層厚が3.5nmのAlN層6を成長させる。さらに、H2,N2,NH3,TMAおよびTMGを供給して、層厚が1.5nmのAl0.05Ga0.95N層7を成長させる。さらに、H2,N2,NH3,TMAおよびTMGを供給して、層厚が1.5nmのAl0.90Ga0.10N層8を成長させる。さらに、H2,N2,NH3,TMAおよびTMGを供給して、層厚が23.5nmのAl0.10Ga0.90N層9を成長させる。以下、AlN層6〜Al0.10Ga0.90N層9の形成を60回繰返して、超格子バッファ層10が形成される。
After that, while maintaining the substrate temperature at 1050 ° C., H 2 , N 2 , NH 3 and TMA are supplied to grow the
その後、基板温度を1040℃に変更して、H2,N2,NH3およびTMGを供給して、層厚が1200nmのアンドープGaN層11を成長させる。さらにその後に、成長温度を1020℃に変更して、H2,N2,NH3,TMAおよびTMGを供給して、層厚が30.0nmのAl0.20Ga0.80NのAlGaNバリア層12を成長させる。
Thereafter, the substrate temperature is changed to 1040 ° C., H 2 , N 2 , NH 3 and TMG are supplied to grow the
そうした後に、室温まで冷却することによって、上記Si(111)基板1上に、AlN層2,AlGaNバッファ層5,超格子バッファ層10,アンドープGaN層11およびAlGaNバリア層12が積層されたHEMT用の窒化物半導体エピタキシャルウェハが得られる。
After that, by cooling to room temperature, the
さらに、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるSi(111)基板1上の積層された窒化物半導体エピタキシー構造に対して、フォトリソグラフィー技術を用いて、電極および絶縁膜等を形成し、最終的に基板の研削,研磨およびダイシングを行ってHEMT用窒化物半導体が形成される。さらに、ダイボンディングおよび実装等の工程を経てHEMTデバイスが完成される。
Furthermore, an electrode, an insulating film, and the like are formed on the stacked nitride semiconductor epitaxy structure on the Si (111)
以下、上述のようにして形成された窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、AlGaNバッファ層5〜AlGaNバリア層12で成る窒化物半導体層の結晶性と反りとの相関を調べる。
Hereinafter, in the nitride semiconductor epitaxial wafer formed as described above, the correlation between the crystallinity and warpage of the nitride semiconductor layer formed of the
(結晶性の面内制御)
上記窒化物半導体層の結晶性におけるウェハ面内の調整は、アンドープGaN層11におけるH2,N2等のキャリアガスの流量とNH3等の材料ガスの流量とを調整することによって行った。
(In-plane control of crystallinity)
The in-wafer adjustment of the crystallinity of the nitride semiconductor layer was performed by adjusting the flow rate of a carrier gas such as H 2 and N 2 and the flow rate of a material gas such as NH 3 in the
上述のようにして調整された種々の結晶性と反りとの相関は、以下のようである。 The correlation between various crystallinities adjusted as described above and warpage is as follows.
図2〜図5には、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハに関して、エピタキシャル成長用基板の表面上における各エリアを示している。 2 to 5 show the respective areas on the surface of the epitaxial growth substrate with respect to the nitride semiconductor epitaxial wafer.
図2〜図5において、略円形を成す上記エピタキシャル成長用基板21の表面に、基板中心O、基板半径R、基板半径Rの1/5の長さ(1/5)R、基板半径Rの4/5の長さ(4/5)R、基板半径Rの3/5の長さ(3/5)R、基板半径Rより5mm短い(基板外周の5mm内側までの)長さrを、設定する。
2 to 5, the surface of the
そして、上記エピタキシャル成長用基板21上に上記窒化物半導体層を形成する際に上述のようにして面内の結晶性を制御した窒化物半導体エピタキシャルウェハを作製する。そして、上記設定された基板中心Oからの各長さに基づいて窒化物半導体エピタキシャルウェハに下記のごとく設けられた各エリアに関して、「反り」の評価を行った。
Then, when the nitride semiconductor layer is formed on the
先ず、上記各エリアを示す。 First, each area will be described.
エリア(A) … 半径(1/5)Rの円22内の円エリア(図2参照)
エリア(B) … 上記半径(1/5)Rの円22から半径(3/5)Rの円23までのトーラス(ドーナツ)エリア(図3参照)
エリア(C) … 上記半径(3/5)Rの円23から半径(4/5)Rの円24までのトーラス(ドーナツ)エリア(図4参照)
エリア(D) … 上記半径(4/5)Rの円24から半径rの円25までのトーラス(ドーナツ)エリア(図5参照)
Area (A) ... Circle area within
Area (B): Torus (doughnut) area from
Area (C): Torus (doughnut) area from
Area (D): Torus (doughnut) area from
次に、上記エリア(A)〜エリア(D)におけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅(以下、XRC‐FWHMと表記する)と反りとの関係を調査した。その結果、エリア(A)とエリア(D)とにおける「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」の差分値と反りとの間に関係が見られた。 Next, the relationship between the full width at half maximum of X-ray rocking curve (hereinafter referred to as XRC-FWHM) and warpage of GaN (10-12) in the areas (A) to (D) was investigated. As a result, a relationship was found between the difference value and the warpage of “GN (10-12) XRC-FWHM” between area (A) and area (D).
すなわち、膜厚分布の(最大値−最小値)/最大値が5%以下に抑えられた上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、エリア(A)の「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」から、エリア(D)とにおける「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」を引いた値(以下、単に差分値と言う)と、反りの指標であるBOWとを計測した。ここで、上記「BOW」とは、ウェハの中央部で評価した反りの量を指し、ウェハの表面と裏面とからの等距離点を結んだ中間面の凹凸の変位量である。 That is, in the nitride semiconductor epitaxial wafer in which the (maximum value−minimum value) / maximum value of the film thickness distribution is suppressed to 5% or less, from “XRC-FWHM of GaN (10-12)” in area (A) The value obtained by subtracting “XRC-FWHM of GaN (10-12)” in area (D) (hereinafter simply referred to as a difference value) and BOW, which is an index of warpage, were measured. Here, the “BOW” refers to the amount of warpage evaluated at the center of the wafer, and is the amount of displacement of irregularities on the intermediate surface connecting equidistant points from the front surface and the back surface of the wafer.
その場合における差分値の区分は、次に示す通りである。 In this case, the difference values are classified as follows.
差分値(1) … 0arcsec以上且つ15arcsec未満
差分値(2) … 15arcsec以上且つ50arcsec未満
差分値(3) … 50arcsec以上且つ100arcsec未満
差分値(4) … 100arcsec以上且つ200arcsec未満
差分値(5) … 200arcsec以上且つ300arcsec未満
差分値(6) … 300arcsec以上
Difference value (1) ... 0 arcsec or more and less than 15 arcsec Difference value (2) ... 15 arcsec or more and less than 50 arcsec Difference value (3) ... 50 arcsec or more and less than 100 arcsec Difference value (4) ... 100 arcsec or more and less than 200 arcsec Difference value (5) ... 200 arcsec or more and less than 300 arcsec Difference value (6) ... 300 arcsec or more
また、上述した各差分値の区分に該当する上記BOWの平均値は、次の通りである。 Further, the average value of the BOW corresponding to the above-described category of each difference value is as follows.
BOW (1) … −121μm
BOW (2) … −121.3μm
BOW (3) … −63.5μm
BOW (4) … −34.1μm
BOW (5) … −45.2μm
BOW (6) … −58.6μm。
BOW (1)… -121μm
BOW (2)… -121.3μm
BOW (3)… -63.5μm
BOW (4)… -34.1μm
BOW (5)… -45.2μm
BOW (6) ... -58.6 μm.
ここで、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける中心部(エリア(A))と外周部((エリア(D))との結晶性に差異を生じさせる物理モデルは、ウェハ中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせることによって、転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御する。こうすることにより、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に対して、上記中心部と上記外周部とのエピタキシャル成長用基板21からの上記応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させて、窒化物半導体エピタキシャルウェハ全体としてのバランスをとり、反りの抑制に効果を与えることである。
Here, the physical model causing a difference in crystallinity between the central portion (area (A)) and the outer peripheral portion ((area (D)) in the nitride semiconductor epitaxial wafer is the crystal of the wafer central portion and the outer peripheral portion. By controlling the density of the dislocations, nanopipes, etc. and the bending in the crystal by making a difference in the properties, it is possible to control the stress against the stress due to the difference in thermal expansion coefficient resulting from the temperature change during crystal growth. By varying / dispersing, suppressing, and changing the way the stress is transmitted from the
上記物理モデルにおいて、BOWを−50μm以上に制御すれば、AlGaNバッファ層5〜AlGaNバリア層12で成る窒化物半導体層内に発生する応力を低減できる。したがって、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの差分値は上記差分値(4)が望ましい。すなわち、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの差分値は100arcsec以上且つ200arcsec未満とするのが望ましい。
In the above physical model, if the BOW is controlled to -50 μm or more, the stress generated in the nitride semiconductor layer composed of the
ところが、上記差分値が200arcsec以上になると、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いて作製されたデバイスにおけるデバイス特性の面内分布が大きくなり過ぎるため好ましくない。したがって、上記差分値は、200arcsec未満が望ましいのである。 However, when the difference value is 200 arcsec or more, the in-plane distribution of device characteristics in a device manufactured using the nitride semiconductor epitaxial wafer becomes too large. Therefore, the difference value is desirably less than 200 arcsec.
尚、上述したエリア(A)とエリア(D)とにおける「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」の差分値においては、中心部付近(エリア(a))の結晶性が良好な窒化物半導体エピタキシャルウェハが多い。しかしながら、逆に、外周部(エリア(D))の結晶性の方が良好な場合でも、上記と同様の考え方が適用できる。 In addition, in the difference value of “GN (10-12) XRC-FWHM” between the above-mentioned area (A) and area (D), nitride having good crystallinity near the center (area (a)) There are many semiconductor epitaxial wafers. However, conversely, even when the crystallinity of the outer peripheral portion (area (D)) is better, the same idea as described above can be applied.
以上の結果、半径(1/5)Rの円22内の円エリア(A)と、半径(4/5)Rの円24から半径rの円25までのトーラス(ドーナツ)エリア(D)と、における「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」の差分値が100arcsec以上且つ200arcsec未満であることが好ましい。
As a result, the circular area (A) in the
以上のごとく、上記窒化物半導体層の結晶性におけるウェハ面内の結晶性のバランスを調整して、本窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを制御することができる。したがって、従来においては層厚や層構造に制限を加えていた上記窒化物半導体層の層構造に自由度を増しつつ、望ましい特性のデバイスを得ることが可能になる。 As described above, it is possible to control the warpage of the nitride semiconductor epitaxial wafer by adjusting the crystallinity balance in the wafer plane in the crystallinity of the nitride semiconductor layer. Therefore, it is possible to obtain a device having desirable characteristics while increasing the degree of freedom of the layer structure of the nitride semiconductor layer, which has conventionally limited the layer thickness and layer structure.
・第2実施の形態
本第2実施の形態は、上記第1実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける基板の種類に関する。
Second Embodiment The second embodiment relates to the type of substrate in the nitride semiconductor epitaxial wafer in the first embodiment.
上記エピタキシャル成長用基板としてSi,SiC,ZnO,サファイアを用いた場合、通常においてはエピタキシャル成長用基板と窒化物半導体との熱膨張係数差が大きいため、エピタキシャル結晶成長中における昇温および降温時、特に結晶成長終了後の降温時に大きな歪応力が発生する。 When Si, SiC, ZnO, or sapphire is used as the epitaxial growth substrate, the difference in thermal expansion coefficient between the epitaxial growth substrate and the nitride semiconductor is usually large. A large strain stress is generated when the temperature is lowered after the growth is completed.
そこで、本実施の形態においては、上記第1実施の形態の場合と同様に、上記半径(1/5)Rの円22内の円エリア(A)と、半径(4/5)Rの円24から半径rの円25までのトーラス(ドーナツ)エリア(D)と、における「GaN(10-12)のXRC‐FWHM」の差分値を100arcsec以上且つ200arcsec未満とすることによって、ウェハの中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせる。
Therefore, in the present embodiment, as in the case of the first embodiment, the circle area (A) in the
こうして、転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御することによって、エピタキシャル結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に関して、中心部と外周部とに対するエピタキシャル成長用基板からの上記応力の伝わり方を変化させる効果を奏することができる。その結果、本窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける反りの制御に大きな影響を与えることが可能となる。 Thus, by controlling the density in the dislocations and nanopipes and the bending in the crystal, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient resulting from the temperature change during epitaxial crystal growth can be controlled from the epitaxial growth substrate with respect to the central portion and the outer peripheral portion. The effect of changing how the stress is transmitted can be achieved. As a result, it is possible to greatly influence the warpage control in the nitride semiconductor epitaxial wafer.
・第3実施の形態
本第3実施の形態は、上記第1実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける基板の構成に関する。
Third Embodiment The third embodiment relates to the configuration of the substrate in the nitride semiconductor epitaxial wafer in the first embodiment.
本実施の形態においては、エピタキシャル成長用基板のサイズを可能な限り大きく、基板厚を可能な限り厚くしている。こうして、基板サイズを大きくする程または基板厚を厚くする程、結晶成長温度の昇温速度および降温速度の緩和による体積変化速度をより低減することができ、欠陥発生をより効果的に抑制できるという効果を得ることができる。 In the present embodiment, the size of the epitaxial growth substrate is made as large as possible, and the substrate thickness is made as thick as possible. Thus, as the substrate size is increased or the substrate thickness is increased, the rate of volume change due to relaxation of the rate of temperature rise and fall of the crystal growth temperature can be further reduced, and the generation of defects can be more effectively suppressed. An effect can be obtained.
したがって、例えば、上記エピタキシャル成長用基板の直径を3インチ以上、且つ厚さを1500μm以上にすることによって、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させて、本窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける反りを抑制することができる。 Therefore, for example, by setting the diameter of the epitaxial growth substrate to 3 inches or more and the thickness to 1500 μm or more, the manner of transmission of stress due to the difference in thermal expansion coefficient resulting from the temperature change during crystal growth is changed, dispersed, suppressed, and changed. Thus, warpage in the nitride semiconductor epitaxial wafer can be suppressed.
・第4実施の形態
本第4実施の形態は、上記第1実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法におけるAlNバッファ層の効果に関する。
Fourth Embodiment The fourth embodiment relates to the effect of the AlN buffer layer in the method for manufacturing a nitride semiconductor epitaxial wafer in the first embodiment.
窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造において、エピタキシャル成長用基板がSiである場合、Siと窒化物半導体であるGaNの反応を抑制するために、AlN層2が下地バッファ層として用いられる。そして、Si基板1との界面に接するAlN層2にはナノパイプ等の適度な大きさ(例えば数nm〜数十nm程度)の欠陥が発生する。
In the manufacture of a nitride semiconductor epitaxial wafer, when the substrate for epitaxial growth is Si, the
したがって、上記Si基板1と窒化物半導体であるGaNとの反応を、上記ナノパイプ等の適度な大きさの欠陥によって、より効果的に抑制することができ、デバイス特性を改善することができる。
Therefore, the reaction between the
尚、上記各実施の形態においては、HEMT用窒化物半導体を作製するための窒化物半導体エピタキシャルウェハを例に挙げて説明した。しかしながら、この発明は、HEMT用窒化物半導体を作製するための窒化物半導体エピタキシャルウェハに限定されるものではなく、発光素子用の窒化物半導体エピタキシャルウェハ等にも適用できる。 In each of the above embodiments, a nitride semiconductor epitaxial wafer for producing a nitride semiconductor for HEMT has been described as an example. However, the present invention is not limited to a nitride semiconductor epitaxial wafer for producing a nitride semiconductor for HEMT, and can also be applied to a nitride semiconductor epitaxial wafer for a light emitting element.
以上を纏めると、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、
エピタキシャル成長用基板1,21と、
上記エピタキシャル成長用基板1,21上に、エピタキシャル結晶成長された窒化物半導体層3〜12と
を備え、
上記エピタキシャル成長用基板1,21は、半径Rの略円を成しており、
上記エピタキシャル成長用基板1,21の中心から半径(1/5)Rの円22までの円形エリア(A)におけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円24から半径(R−5mm)の円25までのトーラスエリア(D)におけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満である
ことを特徴としている。
In summary, the nitride semiconductor epitaxial wafer of the present invention is
The
The full width at half maximum of the X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the circular area (A) from the center of the
上記構成によれば、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせることによって、転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御することができる。したがって、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に対して、上記中心部と上記外周部との上記エピタキシャル成長用基板1,21からの上記応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させて、窒化物半導体エピタキシャルウェハ全体としてのバランスをとり、反りの抑制に効果を与えることができる。
According to the above configuration, by causing a difference in crystallinity between the central portion and the outer peripheral portion of the nitride semiconductor epitaxial wafer, it is possible to control the density in the dislocations, the nanopipes, etc., and the bending in the crystal. Therefore, the way in which the stress is transmitted from the
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記エピタキシャル成長用基板1,21は、Si,SiC,ZnOおよびサファイアのうちの何れかである。
In the nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The
上記エピタキシャル成長用基板1,21として、上記窒化物半導体層3〜12との熱膨張係数差が大きいSi,SiC,ZnOまたはサファイアを用いた場合、結晶成長温度の昇温速度および降温速度、特に結晶成長終了後の降温時に、上記エピタキシャル成長用基板1,21と上記窒化物半導体層3〜12との熱膨張係数差から大きな歪応力が発生する。
When Si, SiC, ZnO or sapphire having a large difference in thermal expansion coefficient from the
この実施の形態によれば、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせて転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御することによって、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に対して、上記中心部と上記外周部との上記エピタキシャル成長用基板1,21からの上記応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させることができる。
According to this embodiment, the crystallinity of the nitride semiconductor epitaxial wafer is controlled by controlling the density of dislocations and nanopipes and the bending in the crystal by causing a difference in crystallinity between the central portion and the outer peripheral portion. It is possible to vary, suppress, and change the way the stress is transmitted from the
したがって、上記窒化物半導体層3〜12との熱膨張係数差が大きいSi,SiC,ZnOあるいはサファイアを上記エピタキシャル成長用基板1,21として用いた場合であっても、反りの抑制に効果を与えることができる。
Therefore, even when Si, SiC, ZnO or sapphire having a large difference in thermal expansion coefficient from the
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記エピタキシャル成長用基板1,21の直径は3インチ以上であり、且つ厚さは1500μm以上である。
In the nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The
この実施の形態によれば、上記エピタキシャル成長用基板1,21の直径を3インチ以上、且つ厚さを1500μm以上としている。したがって、基板サイズを大きく、基板厚を厚くして、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させることができる。
According to this embodiment, the
また、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、
エピタキシャル成長用基板1,21上に、窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させるエピタキシャル成長工程を備え、
上記エピタキシャル成長工程で得られる窒化物半導体エピタキシャルウェハに関して、半径Rの上記エピタキシャル成長用基板1,21の中心から半径(1/5)Rの円22までの円形エリア(A)におけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円24から半径(R−5mm)の円25までのトーラスエリア(D)におけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満となるように、上記エピタキシャル成長工程を行う
ことを特徴としている。
In addition, the method of manufacturing the nitride semiconductor epitaxial wafer of the present invention is as follows:
An epitaxial growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor on the
With respect to the nitride semiconductor epitaxial wafer obtained in the epitaxial growth step, GaN (10-12) in a circular area (A) from the center of the
上記構成によれば、上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける中心部と外周部との結晶性に差異を生じさせることによって、転位やナノパイプ等における密度および結晶中での曲がり方を制御することができる。したがって、結晶成長時の温度変化からくる熱膨張係数差による応力に対して、上記中心部と上記外周部との上記エピタキシャル成長用基板1,21からの上記応力の伝わり方を変分散,抑制,変化させて、窒化物半導体エピタキシャルウェハ全体としてのバランスをとり、反りの抑制に効果を与えることができる。
According to the above configuration, by causing a difference in crystallinity between the central portion and the outer peripheral portion of the nitride semiconductor epitaxial wafer, it is possible to control the density in the dislocations, the nanopipes, etc., and the bending in the crystal. Therefore, the way in which the stress is transmitted from the
また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法では、
上記エピタキシャル成長工程は、上記エピタキシャル成長用基板1,21上にAlN下地層をエピタキシャル結晶成長させる工程と、上記AlN下地層上に上記窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させる工程とを含んでいる。
Further, in the method of manufacturing a nitride semiconductor epitaxial wafer of one embodiment,
The epitaxial growth step includes a step of epitaxially growing an AlN underlayer on the
この実施の形態によれば、上記エピタキシャル成長用基板1,21がSiである場合に、SiとGaNとの反応を抑えるために、下地バッファ層としてAlNが用いられる。その場合に、Siとの界面に接するAlN層2にナノパイプ等の適度な大きさの欠陥が発生する。したがって、上記Si基板と上記窒化物半導体であるGaNとの反応を、上記ナノパイプ等の適度大きさの欠陥によって、より効果的に抑制することができ、デバイス特性を改善することができる。
According to this embodiment, when the
1 Si(111)基板
2 AlN層
3 Al0.50Ga0.50N層
4 GaN層
5 AlGaNバッファ層
6 AlN層
7 Al0.05Ga0.95N層
8 Al0.90Ga0.10N層
9 Al0.10Ga0.90N層
10 超格子バッファ層
11 アンドープGaN層
12 AlGaNバリア層
21 エピタキシャル成長用基板
22 半径(1/5)Rの円
23 半径(3/5)Rの円
24 半径(4/5)Rの円
25 半径rの円
(A),(B),(C),(D) エリア
1 Si (111)
(A), (B), (C), (D) area
Claims (5)
上記エピタキシャル成長用基板上に、エピタキシャル結晶成長された窒化物半導体層と
を備え、
上記エピタキシャル成長用基板は、半径Rの略円を成しており、
上記エピタキシャル成長用基板の中心から半径(1/5)Rの円までの円形エリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円から半径(R−5mm)の円までのトーラスエリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満である
ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。 An epitaxial growth substrate;
A nitride semiconductor layer epitaxially grown on the epitaxial growth substrate;
The epitaxial growth substrate has a substantially circular shape with a radius R,
The full width at half maximum of the X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the circular area from the center of the substrate for epitaxial growth to the circle of radius (1/5) R, and from the circle of radius (4/5) R to radius (R- A nitride semiconductor epitaxial wafer characterized in that a difference value between the full width at half maximum of X-ray rocking curve of GaN (10-12) in a torus area up to a circle of 5 mm) is 100 arcsec or more and less than 200 arcsec.
上記エピタキシャル成長用基板は、Si,SiC,ZnOおよびサファイアのうちの何れかである
ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。 The nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 1,
The nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the substrate for epitaxial growth is any one of Si, SiC, ZnO and sapphire.
上記エピタキシャル成長用基板の直径は3インチ以上であり、且つ厚さは1500μm以上である
ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。 In the nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 1 or 2,
A nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the epitaxial growth substrate has a diameter of 3 inches or more and a thickness of 1500 μm or more.
上記エピタキシャル成長工程で得られる窒化物半導体エピタキシャルウェハに関して、半径Rの上記エピタキシャル成長用基板の中心から半径(1/5)Rの円までの円形エリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅と、半径(4/5)Rの円から半径(R−5mm)の円までのトーラスエリアにおけるGaN(10-12)のX線ロッキングカーブ半値全幅との差分値が、100arcsec以上且つ200arcsec未満となるように、上記エピタキシャル成長工程を行う
ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 An epitaxial growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor on the epitaxial growth substrate;
Regarding the nitride semiconductor epitaxial wafer obtained in the epitaxial growth step, the full width at half maximum of the X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the circular area from the center of the substrate for epitaxial growth of radius R to the circle of radius (1/5) R The difference value between the full width at half maximum of X-ray rocking curve of GaN (10-12) in the torus area from the circle of radius (4/5) R to the circle of radius (R-5mm) is 100 arcsec or more and less than 200 arcsec Thus, a method of manufacturing a nitride semiconductor epitaxial wafer, wherein the epitaxial growth step is performed.
上記エピタキシャル成長工程は、上記エピタキシャル成長用基板上にAlN下地層をエピタキシャル結晶成長させる工程と、上記AlN下地層上に上記窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させる工程とを含んでいる
ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor epitaxial wafer according to claim 4,
The epitaxial growth step includes a step of epitaxially growing an AlN underlayer on the epitaxial growth substrate and a step of epitaxially growing the nitride semiconductor on the AlN underlayer. Manufacturing method of semiconductor epitaxial wafer.
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