JP2023160752A - 半導体構造およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体構造は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板１０２、核生成層１０４および窒化ガリウム（ＧａＮ）層１０６を含む。炭化ケイ素層は、第１厚さＴ１を有する。核生成層は、炭化ケイ素層上に位置し、第２厚さＴ２を有する。核生成層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で作られ、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００２％～Ｔ１＊０．００６％の厚さ範囲を満たす。窒化ガリウム層は、核生成層上に位置し、炭化ケイ素基板から間隔を空けて配置され、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．０２％～Ｔ１＊１％の厚さ範囲である。【選択図】図３Ｃ

Description

本発明は、半導体構造に関するものであり、特に、半導体構造およびその製造方法に関するものである。
窒化ガリウム（gallium nitride, GaN）エピタキシャル層を炭化ケイ素（silicon carbide, SiC）基板上に成長させるためには、通常、炭化ケイ素基板と窒化ガリウムエピタキシャル層の間に窒化アルミニウムをバッファ層またはウェッティング層として形成し、窒化ガリウムの成長を促進する必要がある。例えば、窒化ガリウムを炭化ケイ素基板上に直接成長させると、窒化ガリウムの３Ｄ（three-dimensional）成長が生じるため、窒化ガリウムの表面が粗くなり、後続のエピタキシャル成長が行えなくなる。そのため、窒化ガリウムエピタキシャル層を形成する一般的な方法は、窒化アルミニウムの使用を必要とする。しかしながら、窒化アルミニウムは、抵抗値が高く、通常、高温で成長させる必要があるため、その湾曲度（bow）を容易に制御することができない。上記の観点から、いかにして半導体構造が優れた幾何学的品質を有するように窒化ガリウムエピタキシャル層の形成を制御するかが、早急に解決すべき課題となっている。
関連技術は、半導体構造が優れた幾何学的品質を有するように窒化ガリウムエピタキシャル層の形成を制御するための解決手段をまだ提供していない。
本発明は、窒化アルミニウムガリウム（aluminum gallium nitride, AlGaN）で作られた核生成層上に窒化ガリウム層を形成し、優れた幾何学的品質を有する半導体構造を提供する。
本発明の半導体構造は、炭化ケイ素基板、核生成層、および窒化ガリウム層を含む。炭化ケイ素基板は、第１厚さＴ１を有する。核生成層は、炭化ケイ素基板上に位置し、第２厚さＴ２を有する。核生成層は、ＡｌＧａＮで構成され、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００２％～Ｔ１＊０．００６％の厚さ範囲である。窒化ガリウム層は、核生成層上に位置し、炭化ケイ素基板から間隔を空けて配置される。
本発明の１つの実施形態において、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００２％～Ｔ１＊０．００７％の厚さ範囲である。
本発明の１つの実施形態において、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００３％～Ｔ１＊０．００５％の厚さ範囲である。
本発明の１つの実施形態において、ＡｌＧａＮは、式（１）：ＡｌｘＧａ（１００％－ｘ）Ｎで表され、式（１）中、アルミニウム含有量Ｘは、２０％～６０％の範囲である。
本発明の１つの実施形態において、炭化ケイ素基板は、４インチの炭化ケイ素ウェハ基板である。
本発明の１つの実施形態において、ＡｌＧａＮは、式（１）：ＡｌｘＧａ（１００％－ｘ）Ｎで表され、式（１）中、アルミニウム含有量Ｘは、３０％～５０％の範囲である。
本発明の１つの実施形態において、炭化ケイ素基板は、６インチの炭化ケイ素ウェハ基板である。
本発明の１つの実施形態において、半導体構造は、－２５μｍ～＋２５μｍの範囲の湾曲度を有する。
本発明の１つの実施形態において、半導体構造は、－５μｍ～＋５μｍの範囲の湾曲度を有する。
本発明の１つの実施形態において、窒化ガリウム層は、第３厚さＴ３を有し、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．０２％～Ｔ１＊１％の厚さ範囲である。
本発明の１つの実施形態において、窒化ガリウム層は、第３厚さＴ３を有し、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．０４％～Ｔ１＊０．５％の厚さ範囲である。
本発明の１つの実施形態において、窒化ガリウム層は、第３厚さＴ３を有し、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．１％～Ｔ１＊０．３％の厚さ範囲である。
本発明の１つの実施形態において、第１厚さＴ１は、５００μｍである。
本発明の１つの実施形態において、第２厚さＴ２は、２０ｎｍである。
本発明の１つの実施形態において、核生成層は、ＡｌＧａＮ層を含み、ＡｌＧａＮ層は、第１側および第１側の反対側にある第２側を含み、第１側は、炭化ケイ素基板に接触し、第２側は、窒化ガリウム層に接触し、ＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量は、第１側から第２側に向かって減少する。
本発明の１つの実施形態において、ＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量は、直線的に減少する。
本発明の１つの実施形態において、ＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量は、非直線的に減少する。
本発明は、さらに、半導体構造体の製造方法を提供する。この方法は、以下のステップを含む。ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量の比率に対する半導体構造体の湾曲度の回帰プロット図を提供する。形成したい半導体構造体の理想の湾曲度を設定し、回帰プロット図に基づいて、理想のアルミニウム含有量を計算する。炭化ケイ素基板を提供する。理想のアルミニウム含有量に基づいて、炭化ケイ素基板上にＡｌＧａＮで構成された核生成層を形成する。核生成層上に窒化ガリウム層を形成する。
本発明の１つの実施形態において、理想の湾曲度は、－２５μｍ～＋２５μｍの範囲に設定される。
本発明の１つの実施形態において、半導体構造が高出力デバイスまたは無線周波数デバイスに使用される半導体構造である場合、理想のアルミニウム含有量は、５０％～６０％の範囲である。
本発明の１つの実施形態において、半導体構造が光デバイスに使用される半導体構造である場合、理想のアルミニウム含有量は、２０％～５０％の範囲である。
以上のように、本発明の実施形態に係る半導体構造は、ＡｌＧａＮで構成された核生成層の厚さを制御し、ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量を制御することにより、形成されたＡｌＧａＮ層を２Ｄ形態で連続的に成長させることができるため、後続の工程において応力の低い窒化ガリウムのエピタキシャル層を形成するために使用することができる。したがって、形成された半導体構造は、優れた幾何学的品質を有し、湾曲度を適切な範囲で制御することができる。
本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法のフローチャートである。 ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量の比率に対する半導体構造の湾曲度の回帰プロット図である。 ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量の比率に対する半導体構造の湾曲度の回帰プロット図である。 本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法の概略的断面図である。 本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法の概略的断面図である。 本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法の概略的断面図である。 本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法の概略的断面図である。
図１は、本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法のフローチャートである。以下、本発明の１つの実施形態に係る半導体構造の製造方法の具体的なステップについて、図２Ａ～図２Ｂの回帰プロット図および図３Ａ～図３Ｄの概略的断面図とともに、図１を参照しながら説明する。
図１ＡのステップＳ１０を参照すると、いくつかの実施形態において、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）中のアルミニウム含有量の比率に対する半導体構造の湾曲度の回帰プロット図を提供する。例えば、異なるアルミニウム含有量のＡｌＧａＮ層を炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、アルミニウム含有量の比率が半導体構造の湾曲度に及ぼす影響を確認する。表１および表２に示した実験結果に示されているように、異なるアルミニウム含有量のＡｌＧａＮ層を４インチの炭化ケイ素ウェハ基板または６インチの炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、形成された半導体構造の湾曲度を確認する。
炭化ケイ素ウェハ基板（４インチ）
炭化ケイ素ウェハ基板（６インチ）
本発明のいくつかの実施形態において、表１および表２に示した実験結果に基づくと、アルミニウム含有量と湾曲度の間の関係は、二次関数（例えば、式：ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ）により計算され、図２Ａおよび図２Ｂに示した回帰プロット図が得られる。図２Ａに示すように、図２Ａは、４インチの炭化ケイ素ウェハ基板上にＡｌＧａＮを形成した時の回帰プロット図である。また、図２Ｂに示すように、図２Ｂは、６インチの炭化ケイ素ウェハ基板上にＡｌＧａＮを形成した時の回帰プロット図である。
続いて、図１ＡのステップＳ２０を参照すると、いくつかの実施形態において、形成したい半導体構造の理想の湾曲度を設定し、回帰プロット図に基づいて対応する理想のアルミニウム含有量を計算する。いくつかの実施形態において、理想の湾曲度は、－２５μｍ～＋２５μｍの範囲に設定される。いくつかの好ましい実施形態において、理想の湾曲度は、－５μｍ～＋５μｍの範囲に設定される。図２Ａを参照すると、ＡｌＧａＮを４インチの炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、理想の湾曲度を－５μｍ～＋５μｍの範囲に設定した場合、図２Ａの回帰プロット図からわかるように、ＡｌＧａＮの理想のアルミニウム含有量は、２０％～６０％の範囲である。図２Ｂを参照すると、ＡｌＧａＮを６インチの炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、理想の湾曲度を－２５μｍ～＋２５μｍの範囲に設定した場合、図２Ｂの回帰プロット図からわかるように、ＡｌＧａＮの理想のアルミニウム含有量は、３０％～７５％の範囲であり、好ましくは、３０％～５０％の範囲である。
さらに一歩進み、半導体構造が高出力デバイスまたは無線周波数デバイスに使用される場合、アルミニウム含有量を増やして、より高い抵抗値を達成することができる。したがって、理想のアルミニウム含有量は、回帰プロット図から、５０％～６０％の範囲であると推定することができる。また、半導体構造が光デバイスに使用される場合、アルミニウム含有量を減らして、より低い抵抗値を達成することができる。したがって、理想のアルミニウム含有量は、回帰プロット図から、２０％～５０％の範囲であると推定することができる。具体的に説明すると、ＡｌＧａＮを４インチの炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、高出力デバイスまたは無線周波数デバイスの半導体構造に使用した場合、理想の湾曲度を－５μｍ～＋５μｍの範囲に設定した時、図２Ａの回帰プロット図からわかるように、ＡｌＧａＮの理想のアルミニウム含有量は、５０％～６０％であってもよい。半導体構造が光デバイスに使用される半導体構造である場合、アルミニウム含有量を減らして、より低い抵抗値を達成することができる。したがって、理想のアルミニウム含有量は、回帰プロット図から、２０％～５０％の範囲であると推定することができる。ＡｌＧａＮを６インチの炭化ケイ素ウェハ基板上に形成し、高出力デバイスまたは無線周波数デバイスの半導体構造に使用した場合、理想の湾曲度を－２５μｍ～＋２５μｍの範囲に設定した時、図２Ｂの回帰プロット図からわかるように、ＡｌＧａＮの理想のアルミニウム含有量は、５０％～７５％であってもよい。半導体構造が光デバイスに使用される半導体構造である場合、アルミニウム含有量を減らして、より低い抵抗値を達成することができる。したがって、回帰プロット図からわかるように、理想のアルミニウム含有量は、３０％～５０％の範囲であると推定することができる。したがって、ＡｌＧａＮ中のアルミニウムの含有量を上記の範囲で制御した時、形成された半導体構造は、優れた幾何学的形状および理想の湾曲度を有することができる。一方、ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量が上記の範囲を超えると、湾曲度が高すぎて、その後に優れたエピタキシャル品質を有する窒化ガリウム層を得ることができない。
次に、図１ＡのステップＳ３０および図３Ａを参照すると、いくつかの実施形態において、炭化ケイ素基板１０２を提供する。炭化ケイ素基板１０２は、４インチの炭化ケイ素ウェハ基板または６インチの炭化ケイ素ウェハ基板である。また、炭化ケイ素基板１０２は、第１厚さＴ１を有する。
その後、図１ＡのステップＳ４０および図３Ｂを参照すると、上記の理想のアルミニウム含有量に基づいて、炭化ケイ素基板１０２上にＡｌＧａＮで構成された核生成層１０４を形成する。例えば、炭化ケイ素基板１０２が４インチの炭化ケイ素ウェハ基板である場合、理想のアルミニウム含有量は、２０％～６０％の範囲である。また、炭化ケイ素基板１０２が６インチの炭化ケイ素ウェハ基板である場合、理想のアルミニウム含有量は、３０％～５０％の範囲である。さらに、形成された半導体構造が高出力デバイス、無線周波数デバイス、または光デバイスであるかどうかに応じて、理想のアルミニウム含有量をさらに５０％以上になるように調整して、より高い抵抗値を実現することができ、または５０％未満になるように調整して、より低い抵抗値を実現することができる。
例えば、本発明の実施形態において、ＡｌＧａＮは、式（１）：ＡｌｘＧａ（１００％－ｘ）Ｎで表され、式（１）中、炭化ケイ素基板１０２が４インチの炭化ケイ素ウェハ基板である時、アルミニウム含有量Ｘは、２０％～６０％の範囲であり、炭化ケイ素基板１０２が６インチの炭化ケイ素ウェハ基板である時、アルミニウム含有量Ｘは、３０％～５０％の範囲である。
本発明の実施形態において、核生成層１０４のエピタキシャルプロセスは、上述した理想のアルミニウム含有量に基づいて行われる。いくつかの実施形態において、形成された核生成層１０４は、ＡｌＧａＮ層を含む。例えば、ＡｌＧａＮ層は、第１側および第１側の反対側にある第２側を含み、第１側は、炭化ケイ素基板１０２に接触し、第２側は、後に形成される窒化ガリウム層に接触する。エピタキシャル方法に基づくと、核生成層１０４のＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量は、第１側から第２側に向かって徐々に減少することができる。例えば、ＡｌＧａＮ層の第１側は、より高いアルミニウム濃度を有することができ、第２側は、より低いアルミニウム濃度を有することができるが、ＡｌＧａＮ層（核生成層１０４）全体のアルミニウム含有量は、依然として上記の理想のアルミニウム含有量の範囲である。
いくつかの実施形態において、核生成層１０４のＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量が第１側から第２側に向かって減少する場合、ＡｌＧａＮ層のアルミニウム含有量は、直線的に減少する。例えば、ＡｌＧａＮ層の第１側から第２側までの距離に基づき、ＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量は、第１側から１ｎｍの距離ごとに１％減少するように比例的に減少することができる。別の実施形態において、核生成層１０４のＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量が第１側から第２側に向かって減少する場合、ＡｌＧａＮ層のアルミニウム含有量は、非直線的に減少してもよい。例えば、アルミニウム含有量の非直線的な減少は、段階的な減少や非比例的な減少を含んでもよい。
いくつかの実施形態において、核生成層１０４は、金属有機化学気相成長（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）によって形成される。また、ＡｌＧａＮで構成された核生成層１０４は、第２厚さＴ２を有する。いくつかの実施形態において、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００１％～Ｔ１＊０．０１％の範囲の厚さである。いくつかの好ましい実施形態において、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００２％～Ｔ１＊０．００７％の範囲の厚さである。いくつかの最も好ましい実施形態において、第２厚さＴ２は、Ｔ１＊０．００３％～Ｔ１＊０．００５％の範囲の厚さである。第２厚さＴ２と第１厚さＴ１が上記の比例関係を満たす場合、形成された半導体構造が優れた幾何学的形状および理想の湾曲度を有することをさらに確実にすることができる。
いくつかの実施形態において、第２厚さＴ２は、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲の厚さである。いくつかの特定の実施形態において、第２厚さＴ２は、例えば、１ｎｍ～４０ｎｍの範囲の厚さである。いくつかの好ましい実施形態において、第２厚さＴ２は、例えば、１５ｎｍ～２５ｎｍの範囲の厚さである。第２厚さＴ２を上記の範囲に制御した場合、形成されたＡｌＧａＮ層を２Ｄ形態で連続的に成長させることができるため、後続の工程において応力の低い窒化ガリウムエピタキシャル層を確実に形成することができる。
次に、図１ＡのステップＳ５０および図３Ｃを参照すると、核生成層１０４上に窒化ガリウム層１０６を形成する。窒化ガリウム層１０６は、ノンドープであってもよく、または鉄や炭素等の深い準位のエネルギー勾配ドーパント源でドープしてもよい。窒化ガリウム層１０６は、第３厚さＴ３を有する。いくつかの実施形態において、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．０２％～Ｔ１＊１％の範囲の厚さである。いくつかの好ましい実施形態において、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．０４％～Ｔ１＊０．５％の範囲の厚さである。いくつかの最も好ましい実施形態において、第３厚さＴ３は、Ｔ１＊０．１％～Ｔ１＊０．３％の範囲の厚さである。１つの実施形態において、炭化ケイ素基板１０２の第１厚さＴ１が５００μｍである時、核生成層１０４の第２厚さＴ２は、例えば、２０ｎｍであり、窒化ガリウム層１０６の第３厚さＴ３は、例えば、１．５μｍである。別の実施形態において、炭化ケイ素基板１０２の第１厚さＴ１は、３５０μｍ～５００μｍであってもよく、窒化ガリウム層１０６の第３厚さＴ３は、例えば、０．３μｍ～２μｍである。
最後に、図３Ｃを参照すると、いくつかの実施形態において、窒化ガリウム層１０６上にバリア層１０８を形成してもよい。いくつかの実施形態において、バリア層１０８は、ＡｌＧａＮ、窒化アルミニウム（aluminum nitride, AlN）、または窒化インジウムアルミニウム（indium aluminum nitride, InAlN）を含む材料で作られてもよく、例えば、１～３０ｎｍの厚さを有する。バリア層１０８を形成した後、本発明のいくつかの実施形態に係る半導体構造が完成する。
以上のように、本発明の実施形態の半導体構造は、ＡｌＧａＮで構成された核生成層の厚さを制御し、ＡｌＧａＮ中のアルミニウム含有量を制御することにより、形成されたＡｌＧａＮ層を２Ｄ形態で連続的に成長させることができるため、後続の工程において応力の低い窒化ガリウムのエピタキシャル層を形成するために使用することができる。したがって、形成された半導体構造は、優れた幾何学的品質を有し、湾曲度を適切な範囲に制御することができる。
本発明の半導体構造およびその製造方法は、高電力デバイス、無線周波数デバイス、光デバイス等の半導体デバイスに適用することができる。
１０２ 炭化ケイ素基板
１０４ 核生成層
１０６ 窒化ガリウム層
１０８ バリア層
Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０、Ｓ４０、Ｓ５０ ステップ
Ｔ１ 第１厚さ
Ｔ２ 第２厚さ
Ｔ３ 第３厚さ

Claims (20)

  1. 第１厚さＴ１を有する炭化ケイ素基板と、
    前記炭化ケイ素基板上に位置し、Ｔ１＊０．００１％～Ｔ１＊０．０１％の厚さ範囲の第２厚さＴ２を有し、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で構成された核生成層と、
    前記核生成層上に位置し、前記炭化ケイ素基板から間隔を空けて配置された窒化ガリウム層と、
    を含む半導体構造。
  2. 前記第２厚さＴ２が、Ｔ１＊０．００２％～Ｔ１＊０．００７％の厚さ範囲である請求項１に記載の半導体構造。
  3. 前記第２厚さＴ２が、Ｔ１＊０．００３％～Ｔ１＊０．００５％の厚さ範囲である請求項２に記載の半導体構造。
  4. 前記ＡｌＧａＮが、下記の式（１）で表され、
    ＡｌｘＧａ（１００％－ｘ）Ｎ 式（１）
    式（１）中、アルミニウム含有量Ｘが、２０％～６０％の範囲である請求項１に記載の半導体構造。
  5. 前記炭化ケイ素基板が、４インチの炭化ケイ素ウェハ基板である請求項４に記載の半導体構造。
  6. 前記ＡｌＧａＮが、下記の式（１）で表され、
    ＡｌｘＧａ（１００％－ｘ）Ｎ 式（１）
    式（１）中、アルミニウム含有量Ｘが、３０％～５０％の範囲である請求項１に記載の半導体構造。
  7. 前記炭化ケイ素基板が、６インチの炭化ケイ素ウェハ基板である請求項６に記載の半導体構造。
  8. 前記半導体構造が、－２５μｍ～＋２５μｍの範囲の湾曲度を有する請求項１に記載の半導体構造。
  9. 前記半導体構造が、－５μｍ～＋５μｍの範囲の湾曲度を有する請求項１に記載の半導体構造。
  10. 前記窒化ガリウム層が、第３厚さＴ３を有し、前記第３厚さＴ３が、Ｔ１＊０．０２％～Ｔ１＊１％の厚さ範囲である請求項１に記載の半導体構造。
  11. 前記窒化ガリウム層が、前記第３厚さＴ３を有し、前記第３厚さＴ３が、Ｔ１＊０．０４％～Ｔ１＊０．５％の厚さ範囲である請求項１０に記載の半導体構造。
  12. 前記窒化ガリウム層が、前記第３厚さＴ３を有し、前記第３厚さＴ３が、Ｔ１＊０．１％～Ｔ１＊０．３％の厚さ範囲である請求項１１に記載の半導体構造。
  13. 前記第１厚さＴ１が、５００μｍである請求項１に記載の半導体構造。
  14. 前記第２厚さＴ２が、２０ｎｍである請求項１に記載の半導体構造。
  15. 前記核生成層が、ＡｌＧａＮ層を含み、前記ＡｌＧａＮ層が、第１側および前記第１側の反対側にある第２側を含み、前記第１側が、前記炭化ケイ素基板と接触し、前記第２側が、前記窒化ガリウム層と接触し、前記ＡｌＧａＮ層中のアルミニウム含有量が、前記第１側から前記第２側に向かって減少する請求項１に記載の半導体構造。
  16. 前記ＡｌＧａＮ層中の前記アルミニウム含有量が、直線的に減少する請求項１５に記載の半導体構造。
  17. 前記ＡｌＧａＮ層中の前記アルミニウム含有量が、非直線的に減少する請求項１５に記載の半導体構造。
  18. 窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）中のアルミニウム含有量の比率に対する半導体構造の湾曲度の回帰プロット図を提供することと、
    形成したい前記半導体構造の理想の湾曲度を設定し、前記回帰プロット図に基づいて理想のアルミニウム含有量を計算することと、
    炭化ケイ素基板を提供することと、
    前記理想のアルミニウム含有量に基づいて、前記炭化ケイ素基板上にＡｌＧａＮで構成された核生成層を形成することと、
    前記核生成層上に窒化ガリウム層を形成することと、
    を含む半導体構造の製造方法。
  19. 前記理想の湾曲度が、－２５μｍ～＋２５μｍの範囲に設定された請求項１８に記載の方法。
  20. 前記半導体構造が高出力デバイスまたは無線周波数デバイスに使用される半導体構造である時、前記理想のアルミニウム含有量が、５０％～６０％の範囲である請求項１９に記載の方法。
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