JP2018041851A - 窒化物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】反りや歪みの少ない窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体基板は、一主面上に窒化物半導体層を形成するためのＳｉ単結晶基板として、口径が６インチ以上で、ボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有し、かつ、反り形状が「０μｍ≦ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|≦２０μｍ」という式で表されるＳｉ単結晶基板を用いているので、反りを効果的にすることができ、さらにその反り形状は、Ｓｉ単結晶基板の「ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ|」値とほぼ同等とすることも可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体基板に関する。

下地基板にＳｉ単結晶基板を用いて、気相成長法で該基板上にガリウム系窒化物半導体層を形成して作製される窒化物半導体基板は、コスト面や大口径化に対して有利なことから、各種パワーデバイスへの適用も進んでいる。

窒化物半導体基板の反りを低減することは積年の課題であるが、数ある対策方法の中で、下地基板であるＳｉ単結晶基板そのものに対する改良は、窒化物半導体層の積層構造に依存しない点で、汎用性の高い有力な解決方法といえる。

例えば、特許文献１には、Ｓｉ単結晶基板と、該Ｓｉ単結晶基板上に複数層の３族窒化物層をエピタキシャル成長させて形成したＩＩＩ族窒化物積層体とを備え、横方向を主電流導通方向とする電子デバイス用エピタキシャル基板が開示され、前記Ｓｉ単結晶基板はｐ型基板であって、かつ、比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍ以下であること、前記電子デバイス用エピタキシャル基板の反りの断面形状は||ＢＯＷ|−ＳＯＲＩ|≦２μｍの関係式を満たすことが開示されている。

特許文献２には、フローティングゾーン法によって形成された第１シリコン基板上に、チョクラルスキー法によって形成された第２シリコン基板を貼り合わせて形成された基板であって、前記基板における第２シリコン基板の表面に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させて電子デバイス形成面を形成させ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。

特開２０１０−１５３８１７号公報 特開２０１４−１９２２２６号公報

特許文献１に記載の技術は、Ｓｉ単結晶基板上に窒化物半導体層を形成する場合の反り等を低減する有力な手法とされているが、大口径の窒化物半導体基板を製造する場合には、必ずしも反り形状が十分に制御できないことが分かっている。

すなわち、Ｓｉ単結晶基板自体の反り形状が窒化物半導体層を積層した後の窒化物半導体基板の反り形状に影響を及ぼすこと、また、反りの小さいＳｉ単結晶基板を用いても、それに比例して窒化物半導体基板の反り形状が良くなるとは限らないことが明らかになってきた。

特許文献２に記載の発明は、２枚のシリコン基板を貼り合わせて形成されるので、貼り合わせ工程やその後の研磨工程において、新たな基板の反り、凹凸、または歪みが発生する懸念がある。かつ、このような基板の作製により、材料費や加工コストが著しく増大するので、実用上有用な手法とはいえない。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、反り形状が効果的に低減された窒化物半導体基板を提供することを目的とする。

本発明の窒化物半導体基板は、口径が６インチ以上で、ボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有し、かつ、反り形状が数式「０μｍ≦ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|≦２０μｍ」で表されるＳｉ単結晶基板上に、いずれもガリウム系窒化物半導体からなる多層構造のバッファー層および活性層がこの順で積層されることを特徴とする。

かかる構成を有することで、反り形状が適切な窒化物半導体基板を得ることができる。また、反り形状が数式「０μｍ≦ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|≦２０μｍ」で表される窒化物半導体層形成用のＳｉ単結晶基板を用いて、反りの小さい窒化物半導体基板を製造することができる。

本発明によれば、適切な反り形状を有するＳｉ単結晶基板を用いることで、その口径が６インチ以上であっても、得られる窒化物半導体基板の反り形状を効果的に制御することができる。よって、本発明の窒化物半導体基板は、反りが顕著になる大口径基板として、特に好適である。

本発明の窒化物半導体基板の斜視概念図である。 本発明で用いるＳｉ単結晶基板の反り形状について、径方向の変位で説明したグラフである。 本発明の実施形態から外れた一形態である、Ｓｉ単結晶基板の反り形状を、径方向の変位で説明したグラフである。 実施例１および比較例１について、窒化物半導体基板のＷＡＲＰ値と、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜値をプロットした対比図である。 実施例１および比較例１の窒化物半導体基板の層構成を表す概略概念図である。

以下、本発明の窒化物半導体基板について詳細に説明する。
本発明の窒化物半導体基板は、口径が６インチ以上で、ボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有し、かつ、次式で表される反り形状を有するＳｉ単結晶基板上に、いずれもガリウム系窒化物半導体からなる多層構造のバッファー層および活性層がこの順で積層された構造を有する。

本発明では、窒化物半導体層を気相成長法等の手段で一主面上に形成するための下地基板として、半導体用のＳｉ単結晶基板を用いる。

他の一主面、すなわちＳｉ単結晶基板の裏面側には、各種の保護膜が付与されていてもよい。前記保護膜としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、窒化ケイ素および炭化ケイ素のうち少なくとも１つ、またはこれらを２つ以上用いた積層体が挙げられ、多結晶または非晶質で、膜厚は１００ｎｍから１５００ｎｍの範囲の裏面膜が挙げられる。Ｓｉ単結晶基板の裏面膜は、公知の方法、好適には常圧気相成長（ＡＰＣＶＤ）法により形成される。

次に、本発明で用いるＳｉ単結晶基板は、その口径が６インチ以上で、ボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する。

Ｓｉ単結晶基板にボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗とすることで、下地基板としてのＳｉ単結晶基板に、窒化物半導体層との熱膨張係数差で生じる応力に対して、変形に耐えうるだけの十分な強度を持たせている。

本発明で用いるＳｉ単結晶基板は、口径６インチ以上の基板を対象としており、例えば、従来技術の０．０１Ω・ｃｍよりもさらに低い比抵抗、換言すればより高い濃度でボロンがドープされ、より強度が向上したものでないと、反りや歪みを十分に低減できない。このことから、本発明では、比抵抗を０．００６Ω・ｃｍ以下とする必要がある。

一方、基板の強度を高くするという観点からは、比抵抗は低いほどよいが、比抵抗が０．００１Ω・ｃｍを下回るほどにボロンがドープされると、ボロン原子過剰により結晶歪が過大となり、転位や結晶欠陥が多発する懸念がある。
本発明では、上記の事情を考慮すれば、より好ましい範囲は０．００１Ω・ｃｍ以上０．００４Ω・ｃｍ以下となる。

なお、本発明では、Ｓｉ単結晶基板については、上記の構成以外に格別の制約を設けるものではなく、製法、およびその他、不純物や転位の含有量、面方位、一主面のオフ角や面粗さ、ベベル形状、またはノッチかオリフラかの相違、等については、任意に設定してよい。

本発明で用いるＳｉ単結晶基板は、その厚さが大きいほど、反りや歪みの抑制に対しては有利に作用する一方、あまりに大きいと、半導体基板の製造上の制約や研磨加工時の不具合などの問題が生じる。このことを考慮すると、本発明では、Ｓｉ単結晶基板の厚さは、６インチ基板では６００〜７００μｍ、８インチ基板では７００〜１０００μｍが、それぞれ好適である。

本発明で用いるＳｉ単結晶基板の反り形状は、０μｍ≦ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|≦２０μｍという式で表される。ＷＡＲＰおよびＢＯＷの定義は、いずれもＪＥＩＤＡ-４３₁₉₉₉による。反り形状をこのような範囲内とすることで、口径６インチ以上の窒化物半導体基板の作製において、ボロンのドープによる低い比抵抗と相まって、窒化物半導体層を積層した後の反り形状が適正化される。本発明におけるこの反り形状の定義について、以下、さらに詳しく説明する。

窒化物半導体形成用のＳｉ単結晶基板は、反りおよび歪みのいずれもゼロであることが理想であるが、実際にはＳｉ単結晶基板の製造過程により、反りや歪みが必ず発生する。このとき、歪みが大きいもの、または、歪みが小さくても反りが大きいものは、窒化物半導体形成用としては不適である。また、歪みおよび反りは小さいが凸形状のものも、後工程であるパターン形成工程や露光工程で、吸着不良を発生させる恐れがある、等の理由で、あまり好ましいとはいえない。つまり、窒化物半導体形成用のＳｉ単結晶基板は、反りと歪みはできるだけ小さく、どちらかといえば、凹型の反り形状のものが好ましい。なお、歪み形状については、極めて微小な局所凹凸が窒化物半導体層の形成後の基板形状に与える影響までは、実用上厳密に考慮しなくてもよいことが分かっている。

本発明では、Ｓｉ単結晶基板の中心を通り、互いに直交する径方向に対して反り形状を観察し、それぞれの反り形状の相違から歪みを把握している。図２は、本発明で用いるＳｉ単結晶基板の反り形状を、径方向の変位で説明した図とグラフである。

図２は、Ｓｉ単結晶基板のＸ軸とＹ軸とで、反り形状が大きく異なることを示している。すなわち、図２から、このＳｉ単結晶基板は、基板中心から同心円状に均一な凹形状を有しているとはいえないが、概ね回転方向に対して凹凸を有していることが分かる。

図３は、本発明の実施形態から外れた一態様である、従来のＳｉ単結晶基板の反り形状が、径方向に変位するのを説明したグラフである。図３では、図２と比べると、Ｘ軸上の変位とＹ軸上の変位との差が大きいことがわかる。図２および図３を比較すると、Ｘ軸上の変位は大差ないが、Ｙ軸上の変位（特に中心から外周にかけての差）は異なっており、基板の一主面内で見たとき、図３のほうが、基板全体の歪みが大きいといえる。

ここで、図２および図３に記載された「外周３ｍｍ」とは、外周端部から中心方向に向かって３ｍｍの位置を指す。つまり、図２および図３では、外周端部から中心方向に向かって３ｍｍまでの部分は除外したＳｉ単結晶基板の反り形状を説明している。

Ｘ軸上およびＹ軸上の変位の差がいずれも小さいＳｉ単結晶基板を選択すれば、窒化物半導体層形成後の反りや歪みを高い確率で低く抑えることができる。

本発明では、Ｓｉ単結晶基板の反り形状を０μｍ≦ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|≦２０μｍという式の範囲内に制御する。ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|値が２０μｍを超えると、口径６インチ以上の窒化物半導体基板の反り形状が良好なレベルにならず、いわゆる反り形状歩留まりが低下する場合がある。

窒化物半導体層形成後の窒化物半導体基板の反り形状の判定値は、要求される反り形状の規格に合わせて任意に設定することができる。判定値をいずれの数値に設定しても、上記Ｓｉ単結晶基板を用いれば、反り形状の適切な窒化物半導体基板が得られる確率、いわゆる反り形状歩留まりが高いことに変わりはない。

さらには、上記Ｓｉ単結晶基板のＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|の範囲と、得られる窒化物半導体基板のＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|の範囲とを、ほぼ同等にすることもできる。すなわち、Ｓｉ単結晶基板が本来有する反り形状を、窒化物半導体基板にほぼそのまま反映させることができる。

また、多層構造のバッファー層の層構成を最適化することで、ＷＡＲＰ−|ＢＯＷ|の範囲が０μｍ以上２０μｍ以下、すなわち、全体の反り量が十分に低減された窒化物半導体層を形成することができる。上記Ｓｉ単結晶基板は、このように種々の形態を有する窒化物半導体層を積層させても、窒化物半導体層に生じる歪みを大きく抑制することができる。
言い換えると、本発明では、窒化物半導体層の形態に依存せずに、窒化物半導体基板の反り形状を下地基板であるＳｉ単結晶基板で制御できるため、窒化物半導体層の設計自由度を高めることができる。

窒化物半導体層の層厚は、限定されるものではないが、層厚４μｍ以上が好ましい。

上記Ｓｉ単結晶基板は、例えば、Ｓｉインゴットをワイヤーソーでスライシングする、等の方法で製造することができる。

本発明の窒化物半導体基板は、反りや歪みが十分に低減されており、デバイス工程で好適に使用できる。

ここで、特許文献１に、エピタキシャル基板の反りの断面形状が||ＢＯＷ|−ＳＯＲＩ|≦２μｍの関係式を満たす場合は、デバイス工程での不具合が抑制される旨の記載があり、本発明に類似した技術が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、実施形態に記載されるように、もともとの反りが非常に小さい口径３インチのＳｉ単結晶基板を使用し、かつ、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を制御することで達成されている。

これに対して、本発明で用いる、例えば、口径６インチＳｉ単結晶基板は、口径３インチのＳｉ単結晶基板に比べて、もともとの反りが大きく、このような口径６インチＳｉ単結晶基板を用いて、特許文献１に記載の技術で窒化物半導体層を形成すれば、窒化物半導体基板の反りも、かなり大きくなることは明らかである。このような効果は、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を制御するだけでは十分に達成することができない。

以上のとおり、本発明では、Ｓｉ単結晶基板のもともとの反り形状を最適化することで、６インチ以上もの大口径基板においても、窒化物半導体基板の反り低減効果を得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明は下記に示す実施例により制限されるものではない。

（Ｓｉ単結晶基板の準備）
評価に用いるＳｉ単結晶基板は、口径６インチ、ボロンドープで比抵抗０．００３〜０．００４Ω・ｃｍの範囲、面方位（１１１）、厚さ６７５μｍ、多結晶シリコン酸化膜からなる裏面膜（厚さ５００ｎｍ）を有するＣＺ（チョクラルスキ―）品である。

そして、上記のＳｉ単結晶基板について、２５枚単位の１ロットから２枚を測定用として抜き取り、前述のＪＥＩＤＡ-４３₁₉₉₉に基づいて、汎用の反り測定装置を用いて、ＷＡＲＰとＢＯＷを測定した。ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜の平均値が７．７８μｍの集団２５枚を実施例１、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜の平均値が２４．２μｍの集団２５枚を比較例１とした。なお、実施例１および比較例１ともに、すべてお椀型の凹形状（ＷＡＲＰ値で１２．９μｍ〜４１．３μｍの範囲内）であった。

（窒化物半導体層の形成）
以下に示す工程により、実施例１および比較例１のＳｉ単結晶基板の一主面上に窒化物半導体層を積層して、図５に示す窒化物半導体基板を得た。

まず、Ｓｉ単結晶基板１０を公知の半導体基板洗浄方法で清浄化した後、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニア（ＮＨ₃）を用い、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１ａを１０００℃で気相成長させた。なお、以降の窒化物半導体層の形成はすべて、成長温度の基準を１０００℃とし、これに１〜１５℃の範囲で微調整を加えた。前記ＡｌＮ単結晶層上に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡ、およびＮＨ₃を用い、炭素濃度５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ３００ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（ｘ＝０．１）２１ｂを気相成長させ、初期核形成層２１を形成した。次に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ₃を用い、炭素濃度５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２２ａおよび厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ単結晶層２２ｂを交互に各８層気相成長させて、領域Ｖ_１を形成した。次に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ₃を用い、炭素濃度５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で厚さ１９０ｎｍのＡｌＧａＮ単結晶層２３を成膜し、領域Ｖ_２を形成した。その後、領域Ｖ_１の上にＶ_２という順で４回繰り返し成膜した。次に、炭素濃度１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³にて、厚さ１２５０ｎｍのＧａＮ単結晶層２４を同様にして積層し、領域Ｖ_３を形成した。その後、炭素濃度１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ７００ｎｍのＧａＮ単結晶層を同様にして積層し、活性層として電子走行層２５を、さらに厚さ１８ｎｍのＡｌ_ｙＧａ_1-yＮ単結晶層（ｙ＝０．２６）を同様にして積層し、電子供給層２６を形成し、窒化物半導体基板を得た。なお、気相成長により形成した各層の厚さや炭素濃度の制御は、原料ガスの流量および供給時間、基板温度、ならびにその他公知の成長条件の調整により行った。

（反りの評価）
得られた窒化物半導体基板に対しても、前述の手法でＢＯＷとＷＡＲＰを測定した。図４に、窒化物半導体層形成前のＳｉ単結晶基板、窒化物半導体層形成後の窒化物半導体基板のそれぞれの反りをプロットした散布図を示す。なお、欠けや割れ等により、反り測定不能なものは除去したため、窒化物半導体層形成後は、実施例１では２０枚、比較例１では２５枚であった。

図４に示した評価結果から、実施例１のＳｉ単結晶基板を用いて作製された窒化物半導体基板はすべて、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜が２０μｍを大きく下回っており、良好な結果であった。これに対して、比較例１のＳｉ単結晶基板を用いて作製された窒化物半導体基板は、２５枚中５枚は、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜が２０μｍを上回っており、実施例１と比べて見劣りするものであった。これを歩留まりに換算すると、実施例１は歩留り１００％に対して、比較例１は歩留り８０％（２０／２５）であった。

さらに、比較例１は、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜が１６μｍ以下は６０％（１５／２５）、ＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜が１５μｍ以下は４８％（１２／２５）であるのに対し、実施例１は、いずれの場合も歩留まり１００％であった。すなわち、Ｓｉ単結晶基板のＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜の平均値が７．７８μｍの実施例１は、窒化物半導体基板のＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜の平均値も１２．２μｍとなり、Ｓｉ単結晶基板上に窒化物半導体層を積層させても、反りの発生が抑えられていることがわかる。

なお、実施例は口径６インチであるが、口径６インチより大きい場合でも、Ｓｉ単結晶基板のＷＡＲＰ−｜ＢＯＷ｜値が２０μｍ以下であれば、少なくとも口径８インチまでは、同等の効果が得られる。

Ｚ 窒化物半導体基板
１、１０ Ｓｉ単結晶基板
２ 窒化物半導体層
２１ 初期核形成層
２１ａ ＡｌＮ単結晶層
２１ｂ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層
２２ 領域Ｖ₁
２２ａ ＡｌＮ単結晶層
２２ｂ ＡｌＧａＮ単結晶層
２３ ＡｌＧａＮ単結晶層（領域Ｖ₂）
２４ ＧａＮ単結晶層（領域Ｖ₃）
２５ 電子走行層（活性層）
２６ 電子供給層

Claims (1)

1. 口径が６インチ以上で、ボロンがドープされ、０．００１Ω・ｃｍ以上０．００６Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有し、かつ、反り形状が次式で表されるＳｉ単結晶基板上に、
   いずれもガリウム系窒化物半導体からなる多層構造のバッファー層および活性層がこの順で積層されていることを特徴とする窒化物半導体基板。
   

   

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