JP5041397B2 - 電子デバイス用半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
ただし、ここで言う電子デバイスには、半導体結晶層を用いた半導体素子、例えばトランジスタやダイオード等によって構成される増幅器やスイッチング素子や整流素子などを含んでおり、更に、それらの半導体結晶層に対して、抵抗、容量、インダクタの内の少なくとも1つを組み込んだ半導体集積回路などをも含んでいる。
また、本発明の更なる目的は、半導体を用いて構成される前述の任意の電子デバイスの動作特性の改善を容易にすることである。
また、保護膜の厚さ又は成膜パターンによって、上記の可溶材料がフラックスに溶解する時期または溶解速度を任意に制御することも可能である。この様な保護膜の材料としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)やタンタル(Ta)などを用いることができ、これらの保護膜は、結晶成長や真空蒸着やスパッタリングなどの周知の方法によって成膜させることができる。
ただし、必要とされる不純物だけでこの可溶材料の全体を構成しても良い。
ただし、本願発明における攪拌混合処理は、揺動、回動、回転などによって反応容器を物理的に運動させることによって実施しても良いし、攪拌棒や攪拌羽根などを用いてフラックスを攪拌することによって実施しても良いし、或いは、加熱手段などを用いてフラックス中に熱勾配を生じさせ、これによってフラックスを熱対流させることで実施しても良い。即ち、本願発明における攪拌混合の処理方式は任意で良い。また、これらの方式は、適当に任意に組み合わせて実施しても良い。
即ち、用いる混合フラックスのNaに次ぐ第2の主要成分をリチウム(Li)またはカルシウム(Ca)の少なくとも何れか一方とすることである。
ただし、これらのクリーニング処理に掛ける時間は、2分以上10分以下がより望ましい。
これらの不純物は、1種類だけを含有させても良いし、同時に複数種類を含有させても良い。これらの選択や組み合わせは任意で良い。
ただし、上記の転位密度は、低いほど望ましく、また上記の最大径は大きいほど望ましい。特に、工業的な実用性を考慮すると、所望の半導体基板は、直径約50mm〜150mm程度の円形のものなどが更に望ましい。
ただし、上記の半導体基板の厚さは、400μm以上がより望ましく、更に望ましくは400μm〜600μm程度が良い。
また、上記のチャネル層Aまたはキャリヤ供給層Bの少なくとも何れか一方を無添加の半導体結晶から形成しても良い。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
即ち、本発明の第1乃至第6の何れか1つの手段によれば、フラックス法において、高品質な半導体結晶を効率的に低コストで生産するこができ、これによって、電子デバイス用半導体基板を、現実的な生産レベルで高品質かつ効率的に製造することができる。
また、上記の可溶材料としては、例えばシリコン(Si)などの様な比較的安価な材料を用いることができるため、GaN単結晶自立基板を下地基板として用いる従来の場合よりも、生産コストを安く抑えることができる。
また、本発明の電子デバイス用半導体基板は、結晶品質が従来のものに比べて非常に優れているため、結晶成長処理に基づいてその上に形成される半導体結晶層の結晶品質も高くなる。このため、前述の所望の電子デバイスの特性(例:シート抵抗など)を従来のものよりも良好に改善することができる。また、基板の結晶品質の向上に伴って、基板の熱伝導率も高くなるため、従来よりも高い放熱効果を得ることもできる。
したがって、例えばシート抵抗やリーク電流などの動作特性に優れた電子デバイスを製造することができる。また、その電子デバイス用半導体基板の厚さを300μm以上とすることによって、所望の電子デバイスの歩留りを高く確保することができる。
以上の本発明の手段によって、前記の課題を容易或いは合理的に解決することが可能となる。
また、それらの種結晶や下地基板の転位密度は低いほど望ましいが、請求項1乃至請求項3の何れかの方法を用いる場合には必ずしもその限りではない。即ち、この場合、逆に転位密度が低過ぎると上記の可溶材料(下地基板)がフラックス中に溶解し難くなることがあるため注意を要する。
また、上記のキャリヤ供給層Bの結晶成長気圧PBをチャネル層Aの結晶成長気圧PAと略一致させることも界面荒れを防止する上で効果的である。
また、上記のチャネル層Aの結晶成長温度TAを1200℃以下にするとより望ましい。また、チャネル層Aの結晶成長温度TAをキャリヤ供給層Bの結晶成長温度TBよりも50℃以上高くすることも重要である。この温度差のより望ましいと思われる適正範囲は、50℃以上150℃以内である。
また、上記のチャネル層Aのアルミニウム組成比を略0とし、上記のキャリア供給層Bのアルミニウム組成比を0.15以上、0.30以下にすると良い。また、上記のキャリヤ供給層Bの厚さを1nm以上にすることも重要である。キャリヤ供給層Bの更に望ましい厚さは、5nm以上である。
以上の最適化によって、電界効果トランジスタにおけるチャネル層Aとキャリヤ供給層Bとの界面を効果的に平坦化することができる。
また、その時のキャリヤ供給層Bの上記の界面とは反対側のもう一方の界面におけるアルミニウム組成比x2は0.05以上0.20以下にすると良い。ただし、より望ましくは、上記のアルミニウム組成比x2は、0.13以上0.17以下が良い。
また、上記のp形の不純物(アクセプター)としては、例えば、マグネシウム(Mg)や、或いはカルシウム(Ca)等の公知のp形不純物を添加することができる。
また、これらの不純物(アクセプター又はドナー)は、同時に2元素以上を添加しても良いし、同時に両形(p形とn形)を添加しても良い。
また、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)などを添加することによって、高抵抗の半導体結晶層や、或いは高抵抗の電子デバイス用半導体基板を製造してもよい。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
1.結晶成長装置
この結晶成長装置は、フラックス法によって、基板8の結晶成長面上に所望の半導体結晶を成長させるためのものであり、耐熱耐圧容器1の内部に配設された加熱容器2には、窒素含有ガス7を導入するためのガス導入パイプ4が連結されている。また、加熱容器2の反対側には、揺動装置5から伸びるシャフト6がガス導入パイプ4と同軸になる様に連結されている。この揺動装置5は、モータ及びモータ制御装置などから構成されている。窒化ホウ素からなる反応容器3には、混合フラックスと上記の基板8を入れる。
図1の結晶成長装置を用いて、窒化ガリウム単結晶を結晶成長させる結晶成長について以下説明する。
(1)まず、MOVPE法によってサファイア基板の結晶成長面上に膜厚3μmのGaN膜を形成し、これによって、図1の基板8を完成させた。
(2)次に、反応容器3の底部にこの基板8を配置し、更にこの反応容器3にナトリウム(Na)とリチウム(Li)を入れた。この時のナトリウム(Na)の量は、約8.8gであり、リチウム(Li)の量は、約0.027gであった。モル比に換算すれば、99:1である。
(6)その後、揺動装置5を用いて反応容器3を揺動させることによって、図2−A,−B,−Cに例示する様に、原料液9(混合フラックス)を左右に行き来させて、GaN膜の結晶成長面が常時薄い混合フラックス9で覆われる様にした。また、この揺動を継続しながら、上記の温度と圧力も4時間一定に維持した。この時の揺動周期は、毎分1往復〜数往復程度で良い。
なお、サファイア基板はその後、研磨またはレーザーリフトオフ等により取り除く。
また、このGaN単結晶について、フォトルミネッセンスを常温下で測定したところ、波長325nmの励起光に対して、10mW以上の強度を示した。
また、(100)面で反射されるX線のXRDピーク半値幅を測定したところ、100arc.sec.以下であった。
以上のことから、例えば厚さ400μmの転位密度が低い所望の高品質な電子デバイス用半導体基板は、上記の結晶成長処理を約160時間行えば得られることが分かる。
1.下地基板の作成
(1)まず、シリコン基板11(本願の可溶材料)の裏面に保護膜15を成膜する。この保護膜15は、例えばMOVPE法などに従ってAlN層を積層することによって成膜しても良いし、或いはタンタル(Ta)などの適当な金属をスパッタリング装置又は真空蒸着装置を用いて成膜する様にしても良い。
以上の工程(1)、(2)により、テンプレート10(下地基板)を作製することができる。
図4−A,−Bに本実施例2の結晶成長装置の構成図を示す。この結晶成長装置は、窒素ガスを供給するための原料ガスタンク21と、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器22と、リーク用バルブ23と、結晶育成を行うための電気炉25を備えており、原料ガスタンク21と電気炉25とをつなぐ配管等は、ステンレス系(SUS系)またはアルミナ系の材料、或いは銅等により形成されている。
また、電気炉25内の温度は、1000℃以下の範囲内で任意に昇降温制御することができる。また、ステンレス容器24の中の結晶雰囲気圧力は、圧力調整器22,29やリーク用バルブ23などによって、1.0×107Pa以下の範囲内で配管28を介して任意に昇降圧制御することができる。
以下、図4−A,−Bの結晶成長装置を用いた本実施例の結晶成長工程について、図5−A〜Cを用いて説明する。
(1)まず、反応容器(坩堝26)の中に、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)及びIII元素であるGaを入れ、その反応容器(坩堝26)を結晶成長装置の反応室(ステンレス容器24)の中に配置してから、反応室の中のガスを排気する。ただし、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)のモル比は、99:1とした。また、この坩堝中には必要に応じて、例えばアルカリ土類金属等の前述の任意の添加物を予め投入しておいても良い。また、これらの作業を空気中で行うとNaがすぐに酸化してしまうため、基板や原材料を反応容器にセットする作業は、Arガスなどの不活性ガスで満たされたグローブボックス内で実施する。
以上の結晶成長工程によって、n型GaN単結晶20が例えば約500μm以上の十分な膜厚にまで成長したら、引き続き坩堝の温度を850℃以上880℃以下に維持して、保護膜15及びシリコン基板11がフラックス中に全て溶解するのを待ち(図5−B〜C)、その後も、窒素ガス(N2)のガス圧を3〜5気圧(3〜5×105Pa)程度に維持したまま、反応室の温度を100℃以下にまで降温する。
次に、結晶成長装置の反応室から上記のn型GaN単結晶20(所望の半導体結晶)を取り出して、これを30℃以下にまで降温してからその周辺も30℃以下に維持して、n型GaN単結晶20の周りに付着したフラックス(Na)をエタノールを用いて除去する。
上記の電界効果トランジスタ100の各半導体層(半導体層103,104)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2又はN2)と、アンモニアガス(NH3)と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)などである。
(半導体層Aの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TA : 1100〔℃〕
(2)結晶成長気圧PA : 1013〔hPa〕
(半導体層Bの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TB : 1000〔℃〕
(2)結晶成長気圧PB : 1013〔hPa〕
TB>TA,
PB<PA …(1)
(本実施例3の結晶成長条件)
1000℃=TB<TA=1100℃,
PB=PA=(常圧) …(2)
この式(2)の結晶成長条件下では、半導体層103(チャネル層A)を2μm積層した後には、結晶成長炉内の結晶成長温度は降温され、結晶成長気圧はそのまま略常圧に維持される。
しかしながら、本実施例3の様な結晶成長の実施条件(上記の式(2))に従えば、半導体層103(チャネル層A)の上面を形成する原子の昇華を効果的に抑制することができるため、半導体層103,104の界面の荒れを効果的に防止することができる。
このアルミニウム組成比xは、半導体結晶層203との界面からの距離の増大に対して、0.20から0.15まで単調に減少させた。
上記の電界効果トランジスタ200の各半導体結晶層(半導体結晶層203,204)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2又はN2)と、アンモニアガス(NH3)と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)などである。
1.チャネル層A(半導体結晶層203)
(1)結晶成長温度TA : 1140〔℃〕
(2)積層構成 : 単層(膜厚約2μmの真性GaN結晶)
(1)結晶成長温度TB : 1000〔℃〕
(2)積層構成 : 複層(6層)
第1層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.20
第2層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.19
第3層 : 膜厚約60Å,アルミニウム組成比x=0.18
第4層 : 膜厚約60Å,アルミニウム組成比x=0.17
第5層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.16
第6層 : 膜厚約70Å,アルミニウム組成比x=0.15
(シート抵抗)
電界効果トランジスタ200 : 約600〔Ω/□〕
サンプルS2 : 約700〔Ω/□〕
サンプルS3 : 約500〔Ω/□〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
例えば、上記の実施例3(図6)では、本発明の電子デバイス用半導体基板(101)の上に、チャネル層A(103)を結晶成長にて積層しているが、本発明の電子デバイス用半導体基板を用いた場合、基板の結晶品質が特に優れているため、その結晶成長基板(101)自身でチャネル層Aを兼ねることも可能である。その場合には、結晶成長面のクリーニング処理を十分に行った上で、本発明の電子デバイス用半導体基板(101)の上に直接キャリヤ供給層B(104)を積層すれば良い。
また、この場合には、所望の電子デバイスの製造工程を非常に簡潔にすることができるため、生産性の上でも有利である。
また、上記の実施例3や実施例4では、本発明の半絶縁性の電子デバイス用半導体基板の上に横方向(水平方向)に電流を流すタイプのFETの構成例を示したが、本発明は、導電性の結晶成長基板(導電性の電子デバイス用半導体基板)の裏面の少なくとも一部に電極を設けてその結晶成長基板やその上に積層された半導体結晶層に縦方向(垂直方向)に電流を流すタイプのFETなどにも応用することができる。その様な縦方向導通型の電子デバイスとしては、例えば、「特開2004−260140」や「特開2000−349284」や「特開平10−294461」等に記載の電界効果トランジスタなどがある。
また、本発明のトランジスタは電界効果を利用したものであっても、バイポーラ型のものであっても良い。また、本発明に基づいて製造することができる電界効果トランジスタには、例えばMISFET,MOSFET,HFET,MODFET,JFET,HJFET,HEMT等の半導体素子が含まれ、更に、例えば、パワーMOSFETやIGBT等の電力制御用のパワートランジスタなども含まれる。
3 : 反応容器
8 : 種結晶
9 : 混合フラックス
H : ヒータ
10 : テンプレート
20 : 半導体基板
100,200 : 電界効果トランジスタ
103,203 : チャネル層
104,204 : キャリヤ供給層
Claims (6)
- アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)のIII族元素と窒素(N)とを反応させることによって、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる電子デバイス用半導体基板の製造方法において、
前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる下地基板の少なくとも一部に、前記混合フラックスに溶解する可溶材料を用い、
前記下地基板のIII族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させない裏面に保護膜を形成し、
前記可溶材料及び前記保護膜を、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程中に、または、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程後にその成長温度付近で、前記混合フラックス中に溶解させることを特徴とする電子デバイス用半導体基板の製造方法。 - 前記可溶材料は、少なくともその一部に、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物を有することを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
- 前記混合フラックスと前記III族元素とを攪拌混合しながら前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
- 前記混合フラックスは、リチウム(Li)又はカルシウム(Ca)、並びにナトリウム(Na)を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
- 種結晶または前記下地基板の結晶成長面を、前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、
水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、クリーニング処理することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。 - 前記混合フラックスは、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物として、
ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al2O3)、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si3N4)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In2O3)、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)を有することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の電子デバイス用半導体基板の製造方法。
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