JP4206609B2 - 半導体装置およびその製造方法ならびに半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザや電界効果トランジスタなどのIII族窒化物よりなる半導体装置の製造方法、ならびにそれらの半導体装置に用いられる半導体基板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlN、InNに代表される窒化物半導体は、そのバンドギャップが1.9〜6.2eVと広範囲にわたっており、赤色から紫外までの波長をカバーできる材料として期待されている。この材料を用いたデバイスを作製するのに用いる基板材料としては、同じ物質のバルク結晶であることが望ましい。しかし、窒化物半導体、例えばGaNでは、窒素の平衡蒸気圧が高いために、バルク結晶成長が困難である。そのため、主としてサファイアを成長基板とし、その上にGaNのエピタキシャル成長が行なわれてきた。サファィア基板とGaNの格子不整合差は約16%と大きいが、バッファ層の形成によりエピタキシャル成長する。
【0003】
ところが、GaNの成長温度は1000℃以上の高温を必要とするため、高温でGaNをエピタキシャル成長させた後、降温すると、成長層と基板の熱膨張係数の違いによる影響を受ける。この熱膨張係数差の違いにより、GaN層に熱応力が発生し、GaN層にクラックや欠陥が発生する。また、冷却時に反りが発生し、変形する。さらに、サファイア基板は化学的に安定で硬度が高い。このため、劈開が困難であり、また、サファイア基板だけをエッチングすることができないという問題があった。
【0004】
サファイア基板以外の基板として、加工性に優れている、特にエッチングが容易である基板としてSi基板が挙げられる。しかし、Si基板上に厚さ1μm以上のGaN層を成長すると、GaN層にクラックが生じる。この原因として次の2点が考えられる。
【0005】
Si{111}面上での原子間隔は0.3840nmである。これに対し、GaNの格子定数は0.3189nmである。約17%の格子不整合差があり、Si{111}面上に成長したGaNには引っ張り歪みによる応力がかかる。
【0006】
本発明者等は、Si上に成長した窒化物半導体のクラックや反りを低減する構造として、サファイア基板上にSi薄膜を形成し、このSi薄膜上に窒化物半導体を形成する構造を見出した(特願平11−50027号公報)。GaN、Si、サファイアの熱膨張係数はそれぞれ5.6×10-6K-1、2.6×10-6K-1、7.5×10-6K-1であるので、このような構造にすると、サファイア基板がGaN層に与える圧縮歪みによる応力を、Si薄膜がGaN層に与える引っ張り歪みによる応力以上とすることができるので、GaN層中にはクラックが発生しなくなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構造を結晶成長により製造を行なう場合において、サファイア基板上に形成したSi薄膜の厚さが約100μm以下のときに著しいはがれが発生する場合がある。これは、従来から知られている600℃程度の低温中間層(バッファ層)を用いた場合、反応温度が単結晶成長する温度よりも低いために、分子量論比(ストイキオメトリ、Stoichiometry)がずれて、過剰なGaが生じ、SiとGaが反応してしまい、Si層を破壊するからである(この過剰なGaがSiと溶融反応をすることをGaのメルトバックと呼ぶ)。特に、Si層が薄い場合はメルトバックによる溶融層がSiを貫通し、サファイアからSiがはがれたり、クラックが発生してしまうことがある。
【0008】
上記課題に鑑み、本発明はSi上に、はがれを起こさず、クラックのない高品質なIII族窒化物よりなる半導体を得る製造方法およびそれらを用いて得られる半導体装置ならびに半導体基板を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置は、サファイア基板上にシリコン膜が形成された膜形成基板と、前記膜形成基板の上かつ前記シリコン膜に接して形成された窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層の上に形成された、ガリウムを含有する III 族窒化物半導体層とを有するものである。
【0010】
この構成により、シリコン膜に接する窒化物半導体層がAlを含んでおり、Gaのみ含む窒化物半導体層の場合と比べて核生成中心の密度が高いので、平坦な面を有する窒化物半導体層が得られるとともに、窒化物半導体層の成長時に生じる過剰なGa原子が、シリコン膜と反応するのを妨げることが可能となり、シリコン膜のはがれを抑制できる。
【0011】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、窒化アルミニウム層の厚さが100nm以上1μm以下であることにより、窒化物半導体層とシリコン膜との格子不整合によるシリコン膜のはがれを抑制できるとともに、クラックのほとんどない結晶性の良好な半導体装置となる。
【0012】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、サファイア基板の主面が(0001)面であり、前記シリコン膜の主面が(111)面であるものである。
【0013】
本発明の半導体装置の製造方法は、サファイア基板上にシリコン膜が形成された膜形成基板の上に、前記シリコン膜に接して窒化アルミニウム層を形成する工程と、前記窒化アルミニウム層の上にガリウムを含有する III 族窒化物半導体層を形成する工程とを有するものである。
【0014】
この構成により、Si上のAlとGaとの吸着係数を比較した場合にAlの方が大きくシリコン膜上に高密度に核生成中心を形成させることができ、シリコン膜に接してAlを含む窒化物半導体層を形成する際に窒化物半導体層を二次元成長させやすくなり、窒化物半導体層の平坦な面が得られるとともに、窒化物半導体層の成長時に生じる過剰なGa原子がシリコン膜と反応するのを妨げることが可能となり、シリコン膜のはがれを抑制できる。
【0015】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、窒化アルミニウム層を形成する工程において、前記Alを含む窒化物半導体層が単結晶化する温度で前記Alを含む窒化物半導体層を形成することにより、窒化物半導体を密に構成し、効果的にGaのメルトバックを防止することができる。
【0016】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、単結晶化する温度が800℃以上1200℃以下であることにより、クラックのほとんどない単結晶化された窒化物半導体層を得ることができる。
【0017】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、窒化アルミニウム層の厚さを100nm以上1μm以下とすることにより、窒化物半導体層とシリコン膜との格子不整合によるシリコン膜のはがれを抑制できるとともに、クラックのほとんどない結晶性の良好な半導体装置を製造できる。
【0018】
本発明の半導体基板の製造方法は、かかる構成につき、ガリウムを含有する III 族窒化物半導体層を形成する工程の後に前記膜形成基板を除去する工程を有するものである。
【0019】
この構成により、Si上のAlとGaとの吸着係数を比較した場合にAlの方が大きくシリコン膜上に高密度に核生成中心を形成させることができ、シリコン膜に接してAlを含む窒化物半導体層を形成する際に窒化物半導体層を二次元成長させやすくなり、窒化物半導体層の平坦な面が得られるとともに、窒化物半導体層の成長時に生じる過剰なGa原子がシリコン膜と反応するのを妨げることが可能となり、シリコン膜のはがれを抑制でき、結果として良好な結晶性を有する半導体基板を得ることができる。
【0020】
本発明の半導体基板の製造方法は、かかる構成につき、Alを含む窒化物半導体層を形成する工程において、前記Alを含む窒化物半導体層が単結晶化する温度で前記Alを含む窒化物半導体層を形成することにより、窒化物半導体を密に構成し、効果的にGaのメルトバックを防止することができ、結果として良好な結晶性を有する半導体基板を得ることができる。
【0021】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、単結晶化する温度が800℃以上1200℃以下であることにより、クラックのほとんどない単結晶化された窒化物半導体基板を得ることができる。
【0022】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、Alを含む窒化物半導体層の厚さが1μm以下であることにより、窒化物半導体層とシリコン膜との格子不整合によるシリコン膜のはがれを抑制できるとともに、クラックのほとんどない結晶性の良好な半導体基板を製造できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、詳しく説明する。
【0024】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における半導体装置およびその製造方法について、図1を参照しながら説明する。
【0025】
基板には厚さ300μmの、(0001)面を主面とするサファイア基板1の上に、モノシランやジクロルシランなどのケイ素を含むガスを用いた気相エピタキシャル成長法(以下、CVD法という)により、厚さ100nmのSi薄膜2を結晶成長する(図1(a))。(0001)面を主面とするサファイア基板1を用いることにより、成長面が(111)面であるSi薄膜2を形成することができる。
【0026】
次に基板を有機金属気相エピタキシャル成長(以下、MOVPEという)装置の反応炉内にあるサセプタ上に設置する。なお、ここでいう基板とはサファイア基板1上にSi薄膜2を結晶成長したものである(以下、単に基板というときはこの意味で用いる)。水素ガスを流しながら、基板を1000℃で、10分間加熱し、Si薄膜2上の酸化膜を除去する。
【0027】
次に基板の温度を1000℃に保ち、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3、以下TMAと記す)、アンモニア(NH3)を供給し、Si薄膜2の上に厚さ200nmのAlN中間層3を成長する(図1(b))。
【0028】
さらに、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3、以下TMGと記す)とNH3を供給し、AlN中間層3の上に、厚さ3μmのGaN層4を形成する(図1(c))。その後、基板の温度を室温まで戻す。
【0029】
上記本発明の半導体装置の製造方法に関して、以下の比較を行なった。
【0030】
(比較例1)
上記実施の形態1により作製したGaN層4と、Si(111)基板上に同様の条件で成長したGaN層の表面を光学顕微鏡により観察し、比較を行なった。Si(111)基板上に成長したGaN層の厚さは3μmである。図2の光学顕微鏡写真に示すように、Si基板上に成長したGaNの表面には多くのクラックが発生しているのに対し(図2(a))、サファイア基板上にSi薄膜を形成した基板上に成長したGaNではクラックの発生は全く見られなかった(図2(b))。なお、図2(a)(b)に示す顕微鏡写真は、拡大率が1000倍のものである。
【0031】
図1(c)に示す構成にすると、サファイア基板1がGaN層4に与える圧縮歪みによる応力を、Si薄膜2がGaN層4に与える引っ張り歪みによる応力以上とすることができるので、GaN層4中にはクラックが発生しなくなったと考えられる。
【0032】
(比較例2)
サファイア基板上にSi薄膜を形成した後、AlN中間層を形成せずに、直接Si薄膜上にGaN層を成長したところ、Si薄膜はなくなっており、金属状の微粒子が堆積していた。これは、Gaのメルトバックにより、GaとSiが反応し、Si薄膜がはがれたためである。
【0033】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における半導体の製造方法は、サファイア基板1上にSi薄膜2を形成した基板上に、AlN中間層3の膜厚を20nm〜1μmの間で成長させた後、GaN層4を成長させる方法である。ただし、実施の形態2ではAlN中間層3の膜厚以外、実施の形態1と全く同様の成長方法である。
【0034】
図3はX線回折ωスキャン法により測定したGaN(0002)面の半値幅のAlN中間層膜厚依存性である。AlN中間層膜厚が20nmから2μmの間では、膜厚の増加に伴い半値幅が増加しており、結晶性が悪化しているのがわかる。
【0035】
これはAlN中間層膜厚を増加すると、表面状態が悪化するためであると考えられる。膜厚が100nm以下では、半値幅が狭く結晶性はよいが、図4の光学顕微鏡写真に示したように、Si薄膜2がはがれ、GaN層4が成長しない部分が現れる。これは、AlN中間層3の厚さが薄くなると、GaN層4成長時に、成長に寄与しない過剰なGa原子がAlN中間層3に侵入し、Si薄膜2まで到達してSiと反応を起こすためである。なお、図4に示す顕微鏡写真は、拡大率が100倍のものである。
【0036】
以上の結果より、AlN中間層3の膜厚は結晶性が良好になりうる1μm以下が好ましい。再現性よく結晶成長を行なうためには、100nm以上であるのが好ましい。
【0037】
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法は、サファイア基板1上にSi薄膜2を形成した基板上に、AlN中間層3の成長温度を500〜1200℃の間で成長させた後、基板温度を1000℃に設定し、GaN層4を成長させる方法である。ただし、実施の形態3ではAlN中間層3の成長温度以外、実施の形態1と全く同様の成長方法である。
【0038】
図5はX線回折ωスキャン法により測定したGaN(0002)面の半値幅のAlN中間層成長温度依存性である。AlN中間層3の成長温度の増加に伴い、半値幅は減少し、900℃を超えるとほぼ一定の値を示した。なお、成長温度500℃では、凹凸の激しい表面状態となり、GaN層4の回折ピークは得られなかった。
【0039】
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4における半導体装置は、実施の形態1と全く同様の成長方法を用いてサファイア基板1上にSi薄膜2を形成した基板上に、AlN中間層3を成長させ、AlN中間層3の上にIII族窒化物半導体の多層構造よりなるレーザ構造を形成したもの(図示せず)、すなわち半導体レーザ装置である。
この構成により、サファイア基板1がレーザ構造に与える圧縮歪みによる応力を、Si薄膜2がレーザ構造に与える引っ張り歪みによる応力以上とすることができるので、レーザ構造中にクラックがほとんど発生しなくなり、そのため半導体レーザ装置の寿命等の特性を向上させることができる。
【0040】
実際、上記半導体レーザ装置を作製し、AlN中間層を入れない従来の半導体レーザ装置と比較したところ、閾値電流密度が約10%向上したと同時に半導体レーザ装置の歩留まり率も向上した。
【0041】
なお、本実施の形態については半導体レーザ装置を例に説明したが、半導体レーザ装置以外にも半導体発光ダイオード等の光デバイスや、電解効果トランジスタ等の電子デバイスにも適用可能である。
【0042】
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5における半導体基板の製造方法は、サファイア基板1上にSi薄膜2、AlN中間層3を順次成長させた後、厚さ100μmのGaN厚膜を成長させる方法である。ただし、実施の形態5ではGaN層の膜厚以外は、実施の形態1と全く同様の成長方法である。
【0043】
GaN厚膜を形成した後、弗酸:硝酸:水=1:1:2の混合溶液を用いて、Si薄膜を除去し、サファイア基板1とGaN厚膜を分離し、GaN基板を得る。
【0044】
この構成により、サファイア基板がGaN厚膜に与える圧縮歪みと、Si薄膜がGaN厚膜に与える引っ張り歪みを相殺させて、GaN厚膜にかかる歪みの大きさを減少させることができるので、クラックの抑制されたGaN基板を得ることができる。
【0045】
以上に述べた実施の形態1〜5において、以下に示す置換えを行なっても、同様の効果が得られる。
【0046】
(0001)面(C面)を主面とするサファイア基板を用いたが、A面、R面を主面とするサファイア基板、あるいは前記基板の主面をオフアングルさせた基板を用いても同様の効果が得られる。
【0047】
CVD法を用いてサファイア基板1上にSi薄膜2を形成したが、形成方法は特に限定するものではなく、分子線エピタキシャル法(MBE法)やスパッタ法、あるいはサファイア基板にSi基板を貼りあわせてもよい。特にサファイア基板にSi基板を貼りあわせる方法は厚膜のSi層を形成する方法として適している。また、サファイア基板にSi基板を貼りあわせた後、サファイア基板またはSi基板を研磨またはエッチングにより所望の膜厚にしてもよい。
【0048】
MOVPE法を用いて成長を行なったが、成長方法は特に限定するものではなく、MBE法、ハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いてもよい。特にHVPE法は成長速度が非常に速いので、厚膜化には適している。
【0049】
GaN層を形成する際に、II族、IV族またはVI族元素を含む原料を用い、II族、IV族またはVI族元素をGaN層に添加してもよい。例えば、Si、Ge、Se等を不純物として添加すれば、n型の導電性を有するGaN層が得られ、Be、Mg、Zn等を不純物として添加すればp型の導電性を有するGaN層が得られる。
【0050】
AlN中間層の代わりにAlを含む窒化物半導体よりなる中間層を用いればよい。例えばAlxGa1-xN(0<x≦1)よりなる中間層を用いればよい。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、Si薄膜のはがれがなく、クラックのない良好な結晶性を有するIII族窒化物からなる半導体装置を得られる。
【0052】
さらに、本発明の半導体基板の製造方法によれば、容易に結晶性の良好な半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図2】同実施の形態1におけるGaN層表面の光学顕微鏡写真図
【図3】同実施の形態2におけるX線回折測定によるGaN層(0002)面の半値幅のAlN中間層膜厚依存性を示す図
【図4】同実施の形態2におけるGaN層表面の光学顕微鏡写真図
【図5】同実施の形態3におけるX線回折測定によるGaN層(0002)面の半値幅のAlN中間層成長温度依存性を示す図
【符号の説明】
1 サファィア基板
2 Si薄膜
3 AlN中間層
4 GaN層
Claims (8)
- サファイア基板上にシリコン膜が形成された膜形成基板と、前記膜形成基板の上かつ前記シリコン膜に接して形成された窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層の上に形成された、ガリウムを含有する III 族窒化物半導体層とを有する半導体装置。
- 前記窒化アルミニウム層の厚さが100nm以上1μm以下である請求項1記載の半導体装置。
- 前記サファイア基板の主面が(0001)面であり、前記シリコン膜の主面が(111)面であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- サファイア基板上にシリコン膜が形成された膜形成基板の上に、前記シリコン膜に接して窒化アルミニウム層を形成する工程と、前記窒化アルミニウム層の上にガリウムを含有する III 族窒化物半導体層を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法。
- 前記ガリウムを含有する III 族窒化物半導体層を形成する工程の後に前記膜形成基板を除去する工程を有する請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- 前記窒化アルミニウム層を形成する工程において、前記窒化アルミニウム層が単結晶化する温度で前記窒化アルミニウム層を形成する請求項4または5記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶化する温度が800℃以上1200℃以下である請求項6記載の半導体装置の製造方法。
- 前記窒化アルミニウム層の厚さを100nm以上1μm以下とする請求項4または5記載の半導体装置の製造方法。
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