JP4941435B2 - Method for producing compound semiconductor epitaxial wafer - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法に係り、特に、下地基板の反りに応じたエピタキシャル層成長方法を設定できる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer, and more particularly to a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer in which an epitaxial layer growth method can be set in accordance with the warp of a base substrate.
化合物半導体として、III族窒化物半導体は、そのバンドギャップの広さを特徴とし、紫外から可視光の広範囲の波長領域をカバーする高効率発光デバイスの材料に用いられている。 As a compound semiconductor, a group III nitride semiconductor is characterized by its wide band gap and is used as a material for a high-efficiency light-emitting device that covers a wide wavelength range from ultraviolet to visible light.
また、III族窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊電界を有するため、高周波領域で使用される電子デバイス用材料として、開発が進められる一方、実用化されつつあり、化合物半導体エピタキシャルウェハからなる電子デバイスへの社会的な期待度は大きい。 Group III nitride semiconductors have high saturation electron velocities and high breakdown electric fields, so that they are being developed as electronic device materials for use in high-frequency regions, and are being put into practical use. Social expectations for electronic devices consisting of
従来、窒化物半導体を成長させる際には、基板と窒化物半導体エピタキシャル層との間の格子不整合を緩和する目的で、基板上に直接形成する核生成層の温度条件に関する技術の報告がされている。 Conventionally, when a nitride semiconductor is grown, a technique related to the temperature condition of the nucleation layer directly formed on the substrate has been reported for the purpose of relaxing the lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor epitaxial layer. ing.
核生成層としてAlN層を形成する際の成長温度は、特許文献1で示されるとおり、1200℃が最も望ましいことが報告されている。この温度でAlN層を形成すると、AlNの表面が一番平坦となるとしている。
It has been reported that the growth temperature at the time of forming the AlN layer as the nucleation layer is most preferably 1200 ° C. as shown in
この特許文献1では、基板の反りに関係なく、AlN核生成層の最適成長温度を1200℃としており、デバイス特性が良好となることを報告している。しかし、単結晶基板の反りにより、ウェハに面内バラツキが生じると、デバイスの歩留が大幅に低下する問題が生じる。
This
すなわち、複数元素からなる単結晶基板は、高温中では熱膨張し、反りが発生する。反りによる成長中の基板形状変化は、核生成層と、その上の窒化物半導体層の成長時におけるエピタキシャル結晶の成長面温度を変化させ、その結果、ウェハ面内の結晶成長分布に変動バラツキ(例えば、チップ化後の電気特性のバラツキ)を発生させるという問題の原因になる。 That is, a single crystal substrate composed of a plurality of elements thermally expands at a high temperature and warps. The substrate shape change during growth due to warpage changes the growth surface temperature of the epitaxial crystal during the growth of the nucleation layer and the nitride semiconductor layer thereon, and as a result, the crystal growth distribution in the wafer surface varies ( For example, this causes a problem of generating variation in electrical characteristics after chip formation.
基板の反りが原因で面内バラツキが発生するという問題の報告例は見られないが、温度が高くなるほど反りは顕著になり、またウェハサイズが大きくなるほど反りの影響が大きく現れるようになる。 Although there is no report on the problem of in-plane variation due to the warpage of the substrate, the warpage becomes more prominent as the temperature increases, and the influence of the warpage becomes larger as the wafer size increases.
実際に、核生成層であるAlN層の成長温度が高い場合は、その上に成長したAlGaN層において、ウェハ中心付近のAl組成が高く、基板外周のAl組成が低い結果となった。しかし、核生成層の成長温度が低い場合には、その上に成長したAlGaN層のAl組成が、面内でほぼ均一となった。 Actually, when the growth temperature of the AlN layer as the nucleation layer was high, the AlGaN layer grown thereon had a high Al composition near the center of the wafer and a low Al composition around the substrate. However, when the growth temperature of the nucleation layer was low, the Al composition of the AlGaN layer grown thereon was almost uniform in the plane.
成長中の反りを緩和することは、結晶品質の面内分布の制御に大きく関わってくるため、反りと温度の相関に関する知見はエピタキシャルウェハの製造に不可欠である。 Since mitigating warpage during growth greatly affects control of the in-plane distribution of crystal quality, knowledge about the correlation between warpage and temperature is indispensable for the production of epitaxial wafers.
そこで、本発明の目的は、個々の単結晶基板の反りに対する核生成層の最適な成長温度を設定することにより、ウェハ面内の結晶成長分布のバラツキを低減し、デバイスを製造する際の歩留の向上を図った化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to set the optimum growth temperature of the nucleation layer with respect to the warpage of each single crystal substrate, thereby reducing variations in the crystal growth distribution in the wafer surface and making a step in manufacturing a device. It is an object of the present invention to provide a method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer with improved yield.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、複数元素からなる単結晶基板に、核生成層を形成し、その核生成層上に、単層或いは複数層の窒化物半導体層を形成する化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記核生成層を形成する前の室温の状態で単結晶基板の反りα(μm)を測定し、前記核生成層を形成する際の成長温度T(℃)を、前記単結晶基板の反りα(μm)に対し、T<4α+1180とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
The present invention was devised to achieve the above object, and the invention of
請求項2の発明は、前記核生成層が、AlNからなる請求項1に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
The invention of
請求項3の発明は、前記単結晶基板の径が、100mm以上である請求項1又は2に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
The invention according to claim 3 is the method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer according to
請求項4の発明は、前記単結晶基板が、SiCからなる請求項1〜3のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。 Invention of Claim 4 is a manufacturing method of the compound semiconductor epitaxial wafer in any one of Claims 1-3 in which the said single crystal substrate consists of SiC.
請求項5の発明は、前記単結晶基板の厚さが、350μm以上450μm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
The invention of claim 5 is the method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of
請求項6の発明は、前記核生成層を形成する前の室温での反りが異なる複数の単結晶基板を用意し、その単結晶基板の反り毎に複数の成長温度で核生成層を形成した後、その核生成層上に窒化物半導体層を形成して得られた複数の各ウェハについて、シート抵抗の面内バラツキ(%)を測定すると共に、バラツキ6%未満をバラツキ良好、6%以上をバラツキ不良とし、このバラツキ結果を成長温度と反りをパラメータとしてプロットしてバラツキ良好とバラツキ不良の分布を求め、そのバラツキ良好とバラツキ不良の境界の近似式を求める請求項1に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
The invention of claim 6, prepared anti Riga different single crystal substrate at room temperature before forming the nucleation layer, the nucleation layer by a plurality of growth temperature for each reaction Ri of the single crystal substrate After the formation, the in-plane variation (%) of the sheet resistance is measured for each of the plurality of wafers obtained by forming the nitride semiconductor layer on the nucleation layer, and the variation is less than 6%. the 6% or more and variation
本発明によれば、個々の単結晶基板の反りに対する核生成層の最適な成長温度を設定することにより、ウェハ面内の結晶成長分布のバラツキを低減し、デバイスを製造する際の歩留の向上を図った化合物半導体エピタキシャルウェハが得られる。 According to the present invention, by setting the optimum growth temperature of the nucleation layer with respect to the warp of each single crystal substrate, variation in the crystal growth distribution in the wafer surface is reduced, and the yield in manufacturing the device is reduced. An improved compound semiconductor epitaxial wafer can be obtained.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面にしたがって説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好適な実施の形態を示す化合物半導体エピタキシャルウェハ製造方法により製造する化合物半導体エピタキシャルウェハの断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a compound semiconductor epitaxial wafer manufactured by a compound semiconductor epitaxial wafer manufacturing method showing a preferred embodiment of the present invention.
図1に示すように、化合物半導体エピタキシャルウェハ10は、SiCからなる単結晶基板1と、その単結晶基板1上に形成され、AlNからなる核生成層2と、その核生成層2上に形成され、AlGaNを含む窒化物半導体層3とで構成される。
As shown in FIG. 1, a compound semiconductor
単結晶基板1は、窒化物半導体を成長させる土台である。また、単結晶基板1としては、その径が100mm以上のものを用いる。これは、径が100mm未満の単結晶基板では、反りα(μm)が小さいので、バラツキが発生しにくく、対策を講じる必要性が薄いためである。さらに、単結晶基板1の厚さは、350μm以上450μm以下である。これは、径が100mm程度の単結晶基板1は、一般に、この範囲の厚さとなるからである。
核生成層2は、単結晶基板1と窒化物半導体層3との格子不整合を緩和するためのものである。
The
本発明は、核生成層2を形成する前に、単結晶基板1の反りα(μm)を測定し、核生成層2を形成する際の成長温度T(℃)を、単結晶基板1の反りα(μm)に対し、T<4α+1180としたものである。
In the present invention, the warp α (μm) of the
図4、5は、反りα(μm)の測定方法を説明する図である。 4 and 5 are diagrams for explaining a method of measuring warpage α (μm).
図4、5に示すように、反りα(μm)は、アンクランプ状態で、単結晶基板1の表面中心の高さから、焦表面(表面3点基準)までの距離dで定義され、表面基準より下に凸の場合はマイナス、上に凸の場合はプラスの値をとる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the warp α (μm) is defined by a distance d from the height of the center of the surface of the
以下、単結晶基板1の反りα(μm)と核生成層2を形成する際の成長温度Tとの関係の根拠について述べる。
Hereinafter, the basis of the relationship between the warp α (μm) of the
本発明者等は、複数元素からなる径100mmの単結晶基板について、使用する単結晶基板の反りα(μm)に着目し、単結晶基板のウェハ面内の結晶成長分布のバラツキとの相関を調べたところ、反りα(μm)の大きな単結晶基板を使用すると面内バラツキが大きくなり、反りα(μm)の少ない単結晶基板を使用すると面内バラツキが比較的小さくなり、また、成長温度を下げて核生成層の成長を行ったところ、面内バラツキが低減することを突き止めた。 The present inventors pay attention to the warp α (μm) of a single crystal substrate to be used for a single crystal substrate having a diameter of 100 mm made of a plurality of elements, and correlate with the variation in the crystal growth distribution in the wafer surface of the single crystal substrate. As a result of the investigation, when a single crystal substrate having a large warp α (μm) is used, the in-plane variation becomes large, and when a single crystal substrate having a small warp α (μm) is used, the in-plane variation becomes relatively small. As a result of growing the nucleation layer with lowering, it was found that the in-plane variation was reduced.
以上から、面内バラツキは、使用する単結晶基板の反りα(μm)と核生成層の成長温度T(℃)に依存することが分かった。 From the above, it was found that the in-plane variation depends on the warp α (μm) of the single crystal substrate used and the growth temperature T (° C.) of the nucleation layer.
図2は、単結晶基板の反りにより生じる問題について説明する図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a problem caused by warpage of a single crystal substrate.
図2(a)に示すように、単結晶基板1に反りα(μm)がない場合は、単結晶基板1を加熱して結晶成長させる際、単結晶基板1を固定・加熱するサセプタ4と単結晶基板1との熱の授受が略均一であり、単結晶基板1の温度が略均一になるので、単結晶基板1面内での結晶の成長速度や、Alドープのバラツキは起こりにくい。
As shown in FIG. 2A, when the
しかしながら、図2(b)に示すように、単結晶基板1に反りα(μm)がある場合(反りα(μm)が大きい場合)には、サセプタ4と単結晶基板1との熱の授受が単結晶基板1面内で均一ではないので、成長温度の異なった結晶が形成される。つまり、この結晶の外周側は、設計値通りの温度で成長しないことになる。
However, as shown in FIG. 2B, when the
従って、結晶の成長速度や、Alドープにバラツキが生じ、結果的に、所定の特性(電気特性など)が得られない問題が生じる。また、単結晶基板1に反りα(μm)がある場合には、単結晶基板1を加熱することにより、さらに、反りα(μm)が大きくなることがある。
Therefore, the crystal growth rate and Al doping vary, resulting in a problem that predetermined characteristics (such as electrical characteristics) cannot be obtained. When the
そこで、本発明者等は、単結晶基板1上にエピタキシャル成長を行う前に、エピタキシャル層の結晶品質の均一性に注目し、均一性の良い結晶を製造できる最適な成長温度の予測を試みた。
Accordingly, the inventors of the present invention focused on the uniformity of the crystal quality of the epitaxial layer before performing epitaxial growth on the
図3は、以下に示す(1)〜(3)の条件で化合物半導体エピタキシャルウェハを製造したときのシート抵抗の面内バラツキの測定結果を、面内バラツキ良好(6%未満)と不良(6%以上)について、単結晶基板の反りα(μm)および核生成層の成長温度T(℃)の2つのパラメータをもとにまとめたものである。 FIG. 3 shows the results of measurement of in-plane variation in sheet resistance when a compound semiconductor epitaxial wafer is manufactured under the conditions (1) to (3) shown below. % Or more) are summarized based on the two parameters of the warp α (μm) of the single crystal substrate and the growth temperature T (° C.) of the nucleation layer.
(1)単結晶基板の窒化物半導体層成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ10,3,−8,−16,−24(μm)である場合に、核生成層を1100℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層を成長させた。 (1) When the warp α (μm) at room temperature before growth of the nitride semiconductor layer of the single crystal substrate is 10, 3, −8, −16, −24 (μm), respectively, the nucleation layer is 1100 After growing at 0 ° C., a nitride semiconductor layer was grown thereon.
(2)単結晶基板の窒化物半導体層成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ8,2,−11,−13,−19,−25(μm)である場合に、核生成層を1150℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層を成長させた。 (2) Nucleation when the warpage α (μm) at room temperature before the growth of the nitride semiconductor layer of the single crystal substrate is 8, 2, -11, -13, -19, and -25 (μm), respectively. After the layer was grown at 1150 ° C., a nitride semiconductor layer was grown thereon.
(3)単結晶基板の窒化物半導体層成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ7,3,−1,−9,−12,−19(μm)である場合に、核生成層を1200℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層を成長させた。 (3) Nucleation when warp α (μm) at room temperature before growth of the nitride semiconductor layer of the single crystal substrate is 7, 3, −1, −9, −12, −19 (μm), respectively. After the layer was grown at 1200 ° C., a nitride semiconductor layer was grown thereon.
上述した(1)〜(3)それぞれにおける反りα(μm)は、レーザー光照射により生じた光の位相差を解析することにより求めた。 The warp α (μm) in each of the above (1) to (3) was determined by analyzing the phase difference of light generated by laser light irradiation.
図3の実験結果から、バラツキ良好、バラツキ不良の境界は、単結晶基板1の反りα(μm)と核生成層2の成長温度Tをパラメータにとり、T=4α+1180で表された。
From the experimental results shown in FIG. 3, the boundary between good and bad variations was expressed as T = 4α + 1180 using the warp α (μm) of the
このT=4α+1180で表される直線上に位置する温度は、単結晶基板1が急激に反ってしまう温度の境界であると考えられ、この境界を表す直線式が均一性の良い結晶を製造できる最適温度の予測を可能にする。
The temperature located on the straight line represented by T = 4α + 1180 is considered to be a temperature boundary at which the
これらの理由から、核生成層2を形成する際の成長温度Tを、T<4α+1180とした。
For these reasons, the growth temperature T when forming the
この本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ10によれば、単結晶基板1の反りα(μm)を測定し、核生成層2を形成する際の成長温度T(℃)を、単結晶基板1の反りα(μm)に対し、T<4α+1180とすることで、化合物半導体エピタキシャルウェハ10面内の結晶成長分布のバラツキを低減できる。
According to the compound
すなわち、面内バラツキのよいウェハを取得する割合が増加し、バラツキの大きなウェハの取得率を低減できる。 That is, the ratio of acquiring wafers with good in-plane variation increases, and the acquisition rate of wafers with large variations can be reduced.
従って、化合物半導体エピタキシャルウェハ10をデバイスの材料に用いることでデバイスを製造する際の歩留を向上できる。
Therefore, the yield at the time of manufacturing a device can be improved by using the compound
次に、本発明のより具体的な化合物半導体エピタキシャルウェハ10の製造方法をさらに説明する。
Next, a more specific method for manufacturing the compound
化合物半導体エピタキシャルウェハ10は、SiCからなる単結晶基板1の反りα(μm)を測定し、その単結晶基板1上に、AlNからなる核生成層2を成長温度T(T<4α+1180)で形成し、その核生成層2上に、AlGaNを含む窒化物半導体層3を形成すると得られる。
Compound
窒化物半導体層3を形成する際の成長温度は、従来知られているような温度(例えば、1100℃程度)にするとよい。 The growth temperature at the time of forming the nitride semiconductor layer 3 is preferably set to a conventionally known temperature (for example, about 1100 ° C.).
以上要するに、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ10の製造方法によれば、個々の単結晶基板1の反りα(μm)に応じて核生成層2の最適な成長温度T(T<4α+1180)を設定することにより、ウェハ面内の結晶成長分布のバラツキを低減し、デバイスを製造する際の歩留を向上できる化合物半導体エピタキシャルウェハ10を得られる。
In short, according to the method of manufacturing the compound
本実施の形態では、窒化物半導体層3を単層としたが、複数層としてもよい。 Although the nitride semiconductor layer 3 is a single layer in the present embodiment, it may be a plurality of layers.
(実施例1)
単結晶基板1には100mm径半絶縁性SiC単結晶(厚さ365μm)を用い、その単結晶基板1の窒化物半導体層3成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ10,3,−8,−16,−24(μm)である場合に、核生成層2を1100℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層3を成長させ、シート抵抗の面内バラツキを測定した。反りα(μm)は、レーザー光照射により生じた光の位相差を解析し、アンクランプ状態での、ウェハ表面中心の高さから、焦表面(表面3点基準)までの距離として求めた。
Example 1
The
面内バラツキ6%未満をバラツキ良好、6%以上を不良と仮定したとき、単結晶基板1の反りα(μm)が−16を境に、それ以上の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ良好、それ未満の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ不良の結果となった。
Assuming that the in-plane variation is less than 6% and that the variation is 6% or more, the
(実施例2)
単結晶基板1には100mm径半絶縁性SiC単結晶(厚さ368μm)を用い、その単結晶基板1の窒化物半導体層3成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ8,2,−11,−13,−19,−25(μm)である場合に、核生成層2を1150℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層3を成長させ、シート抵抗の面内バラツキを測定した。反りα(μm)は、レーザー光照射により生じた光の位相差を解析し、アンクランプ状態での、ウェハ表面中心の高さから、焦表面(表面3点基準)までの距離として求めた。
(Example 2)
The
面内バラツキ6%未満をバラツキ良好、6%以上を不良と仮定したとき、単結晶基板1の反りα(μm)が−13を境に、それ以上の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ良好、それ未満の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ不良の結果となった。
Assuming that the in-plane variation is less than 6% and that the variation is 6% or more, the
(実施例3)
単結晶基板1には100mm径半絶縁性SiC単結晶(厚さ364μm)を用い、その単結晶基板1の窒化物半導体層3成長前の室温での反りα(μm)が、それぞれ7,3,−1,−9,−12,−19(μm)である場合に、核生成層2を1200℃で成長させた後、その上に窒化物半導体層3を成長させ、シート抵抗の面内バラツキを測定した。反りα(μm)は、レーザー光照射により生じた光の位相差を解析し、アンクランプ状態での、ウェハ表面中心の高さから、焦表面(表面3点基準)までの距離として求めた。
(Example 3)
The
面内バラツキ6%未満をバラツキ良好、6%以上を不良と仮定したとき、単結晶基板1の反りα(μm)が7を境に、それ以上の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ良好、それ未満の値の反りα(μm)を有するエピタキシャルウェハはバラツキ不良の結果となった。
Epitaxial wafer having a warp α (μm) of a value higher than that at the boundary of the warp α (μm) of the
1 単結晶基板
2 核生成層
3 窒化物半導体層
10 化合物半導体エピタキシャルウェハ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
In a method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer, in which a nucleation layer is formed on a single crystal substrate composed of a plurality of elements, and a single layer or a plurality of nitride semiconductor layers are formed on the nucleation layer, the nucleation layer is formed The warp α (μm) of the single crystal substrate is measured at room temperature before forming, and the growth temperature T (° C.) when forming the nucleation layer is determined with respect to the warp α (μm) of the single crystal substrate. , T <4α + 1180, A method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer.
After the anti Riga different single crystal substrate at room temperature before forming the nucleation layer was prepared to form a nucleation layer by a plurality of growth temperature for each Ri anti of the single crystal substrate, the nucleus For each of a plurality of wafers obtained by forming a nitride semiconductor layer on the generation layer, in-plane variation (%) of sheet resistance is measured, and variation less than 6% is good, and variation of 6% or more is bad. obtains a variation good and variations of failure distribution by plotting this variation results in growth temperature and anti Rio parameters, a compound semiconductor epitaxial wafer according to claim 1 for obtaining an approximate expression for the variation excellent and dispersion defect of the boundary Manufacturing method.
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