JP5080429B2 - Nitride semiconductor multilayer structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体多層構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor multilayer structure and a method for manufacturing the same.
窒化アルミニウム(以下、「AlN」ともいう。)、窒化ガリウム(以下、「GaN」ともいう。)、窒化インジウム(以下、「InN」ともいう。)、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウムAlxGa1−x−yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)等の窒化物半導体は、その材料特性を用いて、受発光装置や電子走行装置へ応用できることから幅広い研究が行われている。窒化物半導体は、発光ダイオード、レーザーダイオードとして、既に実用化されているが、近年、窒化物半導体の応用分野の拡大のために、さらに研究が行われている。 Aluminum nitride (hereinafter also referred to as “AlN”), gallium nitride (hereinafter also referred to as “GaN”), indium nitride (hereinafter also referred to as “InN”), and aluminum nitride gallium indium Al which is a mixed crystal thereof. Nitride semiconductors such as x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) are used for the light emitting / receiving device and the electronic traveling device using the material characteristics thereof. A wide range of research has been conducted because it can be applied to. Nitride semiconductors have already been put into practical use as light-emitting diodes and laser diodes, but in recent years, further research has been conducted in order to expand the application fields of nitride semiconductors.
窒化物半導体の大型バルク単結晶を結晶成長するのが困難であることから、代用基板として一般にサファイア基板が使用され、サファイア基板(0001)の上に、窒化物半導体をヘテロエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体装置が形成される。サファイア基板が使用される場合は、サファイア基板と窒化物半導体との間に存在する16%以上の格子定数差とサファイア基板の価格とが問題となる。3〜4インチ以上の大口径のサファイア基板は、依然として高価で、窒化物半導体装置の価格の低下を阻む要因となっている。 Since it is difficult to grow a large bulk single crystal of a nitride semiconductor, a sapphire substrate is generally used as a substitute substrate, and nitride semiconductor is nitrided by heteroepitaxial growth on a sapphire substrate (0001). A physical semiconductor device is formed. When a sapphire substrate is used, a difference of 16% or more of the lattice constant existing between the sapphire substrate and the nitride semiconductor and the price of the sapphire substrate become a problem. A sapphire substrate having a large diameter of 3 to 4 inches or more is still expensive, and is a factor that hinders the price reduction of nitride semiconductor devices.
他方、珪素基板は、大規模集積回路に使用されていることから、製造技術が進んでいるので、4インチ基板については、サファイア基板の1/10程度の価格で、価格の点においてサファイア基板より優れている。また、珪素の熱伝導率は、サファイアに比べて大きく、放熱性に優れた窒化物半導体装置を形成するには、優れている。このため、珪素基板上に高品質の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる技術の開発が期待されている。 On the other hand, since the silicon substrate is used in large-scale integrated circuits, the manufacturing technology is advanced. Therefore, the 4-inch substrate is about 1/10 the price of the sapphire substrate, and is cheaper than the sapphire substrate. Are better. In addition, the thermal conductivity of silicon is larger than that of sapphire and is excellent for forming a nitride semiconductor device having excellent heat dissipation. For this reason, development of a technique for epitaxially growing a high-quality nitride semiconductor layer on a silicon substrate is expected.
しかしながら、珪素基板上に、窒化物半導体層を成長させると、窒化物半導体層にクラックが発生するという問題が生じる。クラックが発生することなく窒化物半導体層を成長させることができる窒化物半導体層の最大の厚さを臨界膜厚という。この臨界膜厚を大きくすることが窒化物半導体の応用範囲を拡大するために必要となる。珪素基板の上に、窒化ガリウム(GaN)を直接成長させた場合、窒化ガリウム(GaN)層をクラックが発生することなく臨界膜厚1μm以上に成長させるのは困難である。 However, when a nitride semiconductor layer is grown on a silicon substrate, there arises a problem that cracks occur in the nitride semiconductor layer. The maximum thickness of the nitride semiconductor layer that allows the nitride semiconductor layer to grow without cracking is referred to as a critical film thickness. Increasing the critical film thickness is necessary to expand the application range of nitride semiconductors. When gallium nitride (GaN) is directly grown on a silicon substrate, it is difficult to grow the gallium nitride (GaN) layer to a critical film thickness of 1 μm or more without generating cracks.
以下、珪素基板の上に窒化物半導体層を形成する従来技術について説明する。特許文献1(特開2003−059948号公報)は、珪素基板上に、多層構造を介して窒化物半導体層を成長する場合に、多層構造を構成する材料として、インジウム又はホウ素のいずれかから選ばれる元素をMとしてAlxMyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y<1、x+y≦1)を用いることを開示する。そして、特許文献1は、窒化物半導体層に発生するクラックを抑制する効果を熱膨張係数(段落0010)と材料の堅牢性(段落0041)の観点から説明する。 Hereinafter, a conventional technique for forming a nitride semiconductor layer on a silicon substrate will be described. Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-059948) selects one of indium and boron as a material constituting a multilayer structure when a nitride semiconductor layer is grown on the silicon substrate via the multilayer structure. It is disclosed that Al x M y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) is used as the element to be M. Patent Document 1 describes the effect of suppressing cracks generated in the nitride semiconductor layer from the viewpoint of the thermal expansion coefficient (paragraph 0010) and the material robustness (paragraph 0041).
特許文献2(特開2008−053399号公報)は、珪素基板上に、多層構造を介して窒化物半導体層を成長する場合に、多層構造として、InxAl1−xN/ByAl1−yN(0<x≦1、0<y≦1)を用いることを開示する。また、特許文献2は、三元混晶において、ホウ素の組成比を0.2以上にすると、局所的に六方晶系から立方晶系に遷移して成長が行われるので、ホウ素の組成比を0.2以下が望ましい旨(段落0045)を開示する。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-053399) discloses that when a nitride semiconductor layer is grown on a silicon substrate via a multilayer structure, In x Al 1-x N / B y Al 1 is used as the multilayer structure. -Y N (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) is disclosed. Further, in Patent Document 2, in a ternary mixed crystal, if the composition ratio of boron is 0.2 or more, the growth is performed by locally transitioning from a hexagonal system to a cubic system. It is disclosed that 0.2 or less is desirable (paragraph 0045).
非特許文献1(Tomoya Sugahara)は、珪素基板上に、窒化アルミニウム(AlN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層を介して1μm以上の窒化ガリウム(GaN)半導体層を成長し、その窒化ガリウム(GaN)半導体層を評価し、引っ張り応力と圧縮応力について検討している。 Non-Patent Document 1 (Tomoya Sugahara) has grown a gallium nitride (GaN) semiconductor layer of 1 μm or more on a silicon substrate via an aluminum nitride (AlN) / gallium nitride (GaN) multilayer structure, (GaN) semiconductor layer is evaluated and tensile stress and compressive stress are studied.
非特許文献2(Shunsuke Watanabe)は、高品質結晶を成長可能なホウ素のモル分率は、アルミニウム(Al)を含まない三元混晶ByGa1−yNで、ホウ素のモル分率yが0.012程度以下、ガリウム(Ga)を含まない三元混晶AlxB1−xNで、ホウ素のモル分率xが0.023程度以下であることを開示する。 Non-Patent Document 2 (Shunsuke Watanabe), the molar fraction of viable boron quality crystal, aluminum (Al) does not include the ternary mixed crystal B y Ga 1-y N, the mole fraction of boron y Is a ternary mixed crystal Al x B 1-x N containing no gallium (Ga) and having a molar fraction x of boron of about 0.023 or less.
図3は、従来の窒化物半導体多層構造体の断面を示す。図3に示される従来の窒化物半導体多層構造体は、珪素基板10と、珪素基板10の上に配置され、第1の層211と、第1の層211の上に配置される第2の層212とを交互に積層する多層構造層21と、多層構造層21の上に配置される窒化物半導体層22とを有する。従来の窒化物半導体多層構造体を、非特許文献1及び特許文献1を例として説明する。
FIG. 3 shows a cross section of a conventional nitride semiconductor multilayer structure. The conventional nitride semiconductor multilayer structure shown in FIG. 3 is disposed on the
非特許文献1は、従来の窒化物半導体多層構造体の一例であり、珪素基板上に、第1の層211を窒化アルミニウム(AlN)とし、第2の層212を窒化ガリウム(GaN)として交互に繰り返して結晶成長して窒化アルミニウム(AlN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層21を形成し、窒化アルミニウム(AlN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層21を介して1μm以上の窒化ガリウム(GaN)半導体層を成長している。しかし、窒化ガリウム(GaN)半導体層の最大臨界膜厚は1.5μm程度であった。
Non-Patent Document 1 is an example of a conventional nitride semiconductor multilayer structure. On a silicon substrate, the
特許文献1は、珪素基板上に、第1の層211及び第2の層212として、インジウム又はホウ素のいずれかから選ばれる元素をMとしてAlxMyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y<1、x+y≦1)の組成比を変えて交互に積層して多層構造層を形成し、その多層構造層を介して窒化物半導体層を成長している。
Patent Document 1 discloses that, on a silicon substrate, as the
珪素基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に発生する大きな問題の1つとして、窒化物半導体の成長層にクラックが発生することを説明した。このクラックは、主として、表面に窒化物半導体層を成長させた珪素基板を、1000℃以上の成長温度から室温まで冷却する際に、発生する。クラックを発生することなく、臨界膜厚を大きく(2μm以上の大きさ)して窒化物半導体層を成長させることが課題となっている。 As one of the major problems that occur when a nitride semiconductor layer is epitaxially grown on a silicon substrate, it has been explained that cracks occur in the nitride semiconductor growth layer. This crack mainly occurs when a silicon substrate having a nitride semiconductor layer grown on the surface is cooled from a growth temperature of 1000 ° C. or higher to room temperature. It has been a problem to grow a nitride semiconductor layer by increasing the critical film thickness (size of 2 μm or more) without generating cracks.
珪素基板の上に、二元化合物、又は三元混晶以上の多元混晶からなる多層構造層を積層し、その上に窒化物半導体層成長させることで、窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制し、窒化物半導体層の臨界膜厚を大きくすることが試みられている。しかしながら、反応炉の状態によって、混晶を構成する化合物のモル分率や成長レートが刻々と変化するため、特に、三元混晶以上の多元混晶を精密に制御することは難しく、所望の多層構造層を再現性良く形成することが課題となっている。 By laminating a multilayer structure layer made of a binary compound or a multi-element mixed crystal of a ternary mixed crystal or more on a silicon substrate, and growing a nitride semiconductor layer thereon, a crack is generated in the nitride semiconductor layer. Attempts have been made to suppress this and increase the critical thickness of the nitride semiconductor layer. However, since the molar fraction and growth rate of the compound constituting the mixed crystal change every moment depending on the state of the reaction furnace, it is particularly difficult to precisely control a multi-element mixed crystal higher than the ternary mixed crystal. It is a problem to form a multilayer structure layer with good reproducibility.
珪素基板の上に、多層構造層を介して、窒化物半導体層を成長する場合に窒化物半導体層の臨界膜厚を厚くするために、クラック発生のメカニズムが、熱膨張係数、材料の堅牢性、引っ張り応力、圧縮応力の等の様々な観点から検討されている。そのようななかで、ホウ素を含む混晶をバッファ層となる多層構造層として用いることにより多層構造層の上に形成される窒化物半導体層の臨界膜厚を大きくすることが検討されている。しかしながら、ホウ素を含む混晶については、ホウ素の割合を高めて良質な混晶を作ることが難しいことから実験例が少なく、いかにしてホウ素の割合を高めて、再現性良く、良質な混晶を成長させるかが課題となっている。 In order to increase the critical thickness of the nitride semiconductor layer when growing the nitride semiconductor layer on the silicon substrate via the multilayer structure layer, the crack generation mechanism, thermal expansion coefficient, material robustness It has been studied from various viewpoints such as tensile stress and compressive stress. Under such circumstances, it has been studied to increase the critical film thickness of the nitride semiconductor layer formed on the multilayer structure layer by using a mixed crystal containing boron as a multilayer structure layer serving as a buffer layer. However, for mixed crystals containing boron, it is difficult to increase the boron ratio to make a good quality mixed crystal, so there are few experimental examples, how to increase the boron ratio, good reproducibility and good quality mixed crystals. The issue is whether to grow
本発明は、珪素基板の上に、バッファ層として多層構造層を制御性良く結晶成長させることにより、多層構造層の上に、クラックを生じさせることなく、窒化物半導体層を厚く結晶成長させることができる多層構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention allows a nitride semiconductor layer to be thickly grown on a silicon substrate without causing cracks by crystallizing the multilayer structure layer as a buffer layer on the silicon substrate with good controllability. It is an object of the present invention to provide a multilayer structure that can be manufactured and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体多層構造体の製造方法は、
珪素基板の上に窒化アルミニウム層を結晶成長させる工程(a)と、前記窒化アルミニウム層の上に、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とを交互に繰り返して結晶成長させて、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とを交互に積層する多層構造層を形成する工程(b)と、前記多層構造層の上に、窒化物半導体層を成長させる工程(c)と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for producing a nitride semiconductor multilayer structure of the present invention includes:
A step (a) of crystal growth of an aluminum nitride layer on a silicon substrate, and a boron nitride layer and a gallium nitride layer are alternately and repeatedly grown on the aluminum nitride layer, whereby the boron nitride layer and the gallium nitride are grown. The method includes a step (b) of forming a multilayer structure layer in which layers are alternately stacked, and a step (c) of growing a nitride semiconductor layer on the multilayer structure layer.
また、本発明の窒化物半導体多層構造体の製造方法は、前記工程(a)の後に、前記窒化アルミニウム層の上に窒化アルミニウムガリウム層を結晶成長させる工程(d)を含み、前記窒化アルミニウムガリウム層の上に、前記工程(b)により前記多層構造層を形成することを特徴としても良い。 The method for manufacturing a nitride semiconductor multilayer structure according to the present invention further includes a step (d) of crystal growing an aluminum gallium nitride layer on the aluminum nitride layer after the step (a), The multilayer structure layer may be formed on the layer by the step (b).
また、本発明の窒化物半導体多層構造体の製造方法は、前記窒化物半導体層の格子定数が、前記多層構造層の格子定数より大きい前記工程(c)は、前記多層構造層の上に、前記多層構造層の格子定数より大きい格子定数の窒化物半導体層を成長させる工程であることを特徴としても良い。 Further, in the method for producing a nitride semiconductor multilayer structure of the present invention, the step (c) in which the lattice constant of the nitride semiconductor layer is larger than the lattice constant of the multilayer structure layer may be performed on the multilayer structure layer. This may be a step of growing a nitride semiconductor layer having a lattice constant larger than that of the multilayer structure layer.
本発明の窒化物半導体多層構造体は、珪素基板と、前記珪素基板の上に配置される窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層の上に配置され、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とが交互に積層される多層構造層と、前記多層構造層の上に配置される窒化物半導体層と、を有することを特徴とする。 The nitride semiconductor multilayer structure according to the present invention includes a silicon substrate, an aluminum nitride layer disposed on the silicon substrate, and an aluminum nitride layer disposed on the aluminum nitride layer, wherein the boron nitride layer and the gallium nitride layer are alternately disposed. It has a multilayer structure layer to be laminated, and a nitride semiconductor layer disposed on the multilayer structure layer.
また、本発明の窒化物半導体多層構造体は、窒化アルミニウムガリウム層を有し、前記窒化アルミニウムガリウム層が、前記窒化アルミニウム層の上に配置され、前記多層構造層が、前記窒化アルミニウムガリウム層の上に配置されることを特徴としても良い。 The nitride semiconductor multilayer structure of the present invention has an aluminum gallium nitride layer, the aluminum gallium nitride layer is disposed on the aluminum nitride layer, and the multilayer structure layer is formed of the aluminum gallium nitride layer. It is good also as arrange | positioning above.
また、本発明の窒化物半導体多層構造体は、前記窒化物半導体層の格子定数が、前記多層構造層の格子定数より大きいことを特徴としても良い。 The nitride semiconductor multilayer structure of the present invention may be characterized in that a lattice constant of the nitride semiconductor layer is larger than a lattice constant of the multilayer structure layer.
本発明により、珪素基板上のバッファ層として、窒化アルミニウム層及び窒化アルミニウム層上に窒化ホウ素(BN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層を制御性良く結晶成長させることにより、窒化ホウ素(BN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層の上に、クラックを生じることなく、窒化物半導体層を厚く結晶成長することができる。 According to the present invention, as a buffer layer on a silicon substrate, a boron nitride (BN) / gallium nitride (GaN) multilayer structure layer is crystal-grown with good controllability on the aluminum nitride layer and the aluminum nitride layer, thereby boron nitride (BN). / The nitride semiconductor layer can be grown thickly on the gallium nitride (GaN) multilayer structure layer without causing cracks.
また、珪素基板上のバッファ層として、窒化アルミニウム層及び窒化アルミニウムガリウム層上に本発明の多層構造層を成長させても、クラックが生じることなく、窒化物半導体層を厚く、結晶成長することができる。窒化アルミニウムガリウム層を設けることで、窒化アルミニウム層の表面を平坦化することができ、好適である。 Further, even when the multilayer structure layer of the present invention is grown on the aluminum nitride layer and the aluminum gallium nitride layer as the buffer layer on the silicon substrate, the nitride semiconductor layer can be grown thick without causing cracks. it can. By providing the aluminum gallium nitride layer, the surface of the aluminum nitride layer can be planarized, which is preferable.
さらにまた、多層構造層上に成長させる窒化物半導体層として、多層構造層の格子定数より大きい格子定数の窒化物半導体層を選択することで、窒化物半導体層が多層構造体から受ける圧縮応力が成長後の冷却過程で生じる引っ張り応力を相殺することができ、好適である。 Furthermore, by selecting a nitride semiconductor layer having a lattice constant larger than that of the multilayer structure layer as the nitride semiconductor layer grown on the multilayer structure layer, the compressive stress that the nitride semiconductor layer receives from the multilayer structure is reduced. The tensile stress generated in the cooling process after the growth can be offset, which is preferable.
なお、本発明の多層構造層は、二元化合物のみで構成されるため、再現性良く製造することができる。 In addition, since the multilayer structure layer of this invention is comprised only with a binary compound, it can be manufactured with sufficient reproducibility.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
図1に基づいて、本発明の実施形態に係る窒化物半導体多層構造体について説明する。本発明の実施形態に係る窒化物半導体多層構造体は、珪素基板10と、珪素基板10の上に、結晶成長により配置される窒化アルミニウム層11と、窒化アルミニウム層11の上に配置され、窒化ホウ素層131と窒化ガリウム層132とが結晶成長により交互に積層される多層構造層13と、多層構造層13の上に、結晶成長により配置される窒化物半導体層14と、を有する。
A nitride semiconductor multilayer structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A nitride semiconductor multilayer structure according to an embodiment of the present invention includes a
本発明の実施形態に係る窒化物半導体多層構造体においては、珪素基板の上に、バッファ層として窒化ホウ素(BN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層を制御性良く形成することにより、窒化ホウ素(BN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層の上に、クラックを生じることなく、窒化物半導体層を厚く(2μm以上)形成することができる。 In the nitride semiconductor multilayer structure according to the embodiment of the present invention, a boron nitride (BN) / gallium nitride (GaN) multilayer structure layer is formed with good controllability as a buffer layer on a silicon substrate. A nitride semiconductor layer can be formed thick (2 μm or more) on the (BN) / gallium nitride (GaN) multilayer structure layer without causing cracks.
本発明の実施形態に係る窒化物半導体多層構造体は、窒化アルミニウムガリウム層12を有し、前記窒化アルミニウムガリウム層12が、前記窒化アルミニウム層11の上に結晶成長により配置され、前記多層構造層13が、前記窒化アルミニウムガリウム層の上に配置されるようにしても良い。
A nitride semiconductor multilayer structure according to an embodiment of the present invention includes an aluminum
窒化アルミニウムガリウム層12を設けるのは、窒化アルミニウム(AlN)層11の表面を平坦化するためである。したがって、窒化アルミニウム(AlN)層11の表面が、多層構造層13を形成するのに十分な程平坦であれば、窒化アルミニウムガリウム層12を省略しても良い。
The reason why the aluminum
本発明の窒化物半導体多層構造体において、窒化物半導体層14の格子定数が、多層構造層13の格子定数より大きくする。これにより、多層構造層13の上に、窒化物半導体層14を厚く形成することができる。この理由は、窒化物半導体層14が多層構造層13から受ける圧縮応力が、成長終了後の冷却過程で生じる引っ張り応力を相殺するためである。窒化ホウ素は、窒化ガリウムや窒化アルミニウムより格子定数が小さいため、窒化ホウ素層を含む多層構造層の格子定数を容易に小さくすることが可能で、その上の窒化物半導体層に及ぼす圧縮応力が大きくなるためである。
In the nitride semiconductor multilayer structure of the present invention, the lattice constant of the
次に、図1に基づいて、本発明の実施形態に係る窒化物半導体多層構造体の製造方法について説明する。最初に、窒化物半導体多層構造体を結晶成長させるための基板として、珪素基板10を用意する。珪素基板10は、面方位(111)基板、又はこの面方位から−2度以上で+2度以下の範囲にある基板であることが好ましい。この珪素基板10を硫酸系の洗浄液で洗浄した後に、フッ酸系液に浸す処理を行う。
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor multilayer structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, a
次に、珪素基板上10に、有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて窒化物半導体層を順次成長させる。有機金属気相成長法を用いるのは、本発明の一例であり、分子線エピタキシー(MBE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法等を用いても良い。
Next, nitride semiconductor layers are sequentially grown on the
次に、珪素基板10を、例えば、基板温度1100℃まで昇温し、10分間水素雰囲気中で保持してクリーニングを行う。そして、III族原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)を、V族原料としてアンモニア(NH3)を用い、膜厚20〜200nmの範囲で窒化アルミニウム(AlN)層11をエピタキシャル成長させる。珪素基板10の上に窒化アルミニウム(AlN)層11を積層させるのは、珪素基板10の上にガリウム(Ga)を含む層を直接積層させると、珪素(Si)とガリウム(Ga)とが反応して珪素基板10がエッチング(侵食)されることを防止するためである。
Next, the
次に、必要に応じて窒化アルミニウムガリウムAlxGa1−xN層12を膜厚10〜100nmの範囲で成長させる。III族原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)に加えてトリメチルガリウム(TMG)を、V族原料としてアンモニア(NH3)を用いる。AlNのモル分率xがx<1の好ましい値となるようにトリメチルアルミニウム(TMA)とトリメチルガリウム(TMG)の供給比率を制御する。窒化アルミニウムガリウムAlxGa1−xN層12を成長させるのは、窒化アルミニウム(AlN)層11の表面の凹凸形状を埋め込んで平坦化するためである。
Next, an aluminum gallium nitride Al x Ga 1-x N layer 12 is grown in a thickness range of 10 to 100 nm as necessary. Trimethylgallium (TMG) is used in addition to trimethylaluminum (TMA) as a group III material, and ammonia (NH 3 ) is used as a group V material. The supply ratio of trimethylaluminum (TMA) and trimethylgallium (TMG) is controlled so that the molar fraction x of AlN becomes a preferable value of x <1. The reason why the aluminum nitride gallium Al x Ga 1-x N layer 12 is grown is to bury the uneven shape on the surface of the aluminum nitride (AlN)
したがって、後に窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13を成長させるために十分な程度に窒化アルミニウム(AlN)層11の表面が平坦になっていれば、AlxGa1−xN層12のxについて特に制約が課されることはなく、例えば、xを0.25程度としても良い。AlxGa1−xN層12の成長温度は、1100℃でも良く、1100℃と異なる温度でも良い。窒化アルミニウム(AlN)層11の表面が十分に平坦になっていれば、AlxGa1−xN層12の成長を省略しても良い。
Therefore, if the surface of the aluminum nitride (AlN)
次に、第1の層131として窒化ホウ素層を、第2の層132として窒化ガリウム層とを交互に繰り返して結晶成長して、窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13を形成する。第1の層131として窒化ホウ素層を成長させる際に、III族原料としてトリエチルボロン(TEB)を、V族原料としてアンモニア(NH3)を用いる。また、第2の層132として窒化ガリウム層を成長させる際に、III族原料としてトリメチルガリウム(TMG)を、V族原料としてアンモニア(NH3)を用いる。なお、図1において、多層構造13の4周期のみを図示しているが、実際には、多層構造13は、4周期ではなく、4周期以上の多数の周期を有する。
Next, a boron nitride layer as the
第1の層131として窒化ホウ素層は、例えば、1400℃の高温で成長せせることにより、窒化ホウ素層の品質が向上する。実際には、本発明では、珪素基板を用いることから、珪素の融点である1414℃付近の温度で窒化ホウ素層を成長させると、窒化ホウ素層の品質は向上するが、珪素基板を溶融させ、性能を低下させる恐れがある。そこで、珪素基板の温度が1350℃程度になるように窒化ホウ素層の成長温度を設定するのが良い。
The boron nitride layer as the
窒化ホウ素は、六方晶の半導体層上に積層する場合、成長条件の制御によって、六方晶の半導体層として成膜することができるが、成長条件の制御がうまくできない場合には、立方晶層が発生し、膜質が劣化してしまう。本発明では、高温プロセスを用いることにより、六方晶の成長に適した成長条件を容易に実現することができ、均一で品質の優れた窒化ホウ素層を成長させることができる。 When boron nitride is stacked on a hexagonal semiconductor layer, it can be formed as a hexagonal semiconductor layer by controlling the growth conditions, but if the growth conditions cannot be controlled well, a cubic layer is formed. Occurs and the film quality deteriorates. In the present invention, by using a high temperature process, growth conditions suitable for hexagonal crystal growth can be easily realized, and a uniform and excellent quality boron nitride layer can be grown.
以上説明したように、高品質の窒化ホウ素(BN)層を成長させるためには、例えば、ホウ素を含まないAlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)を成長させる場合に比較して成長温度を高くする必要がある。AlxInyGa1−x−yN層を成長させる場合に通常用いられている、炭化珪素で表面を被覆した黒鉛製ヒーターは、高温での耐雰囲気性に劣っている。実際には、使用中にピンホール等の欠陥を生じて黒鉛を劣化させる。炭化珪素で表面を被覆した黒鉛製ヒーターを使用して、高温でBN層を成長させ、所望の特性を有するBN層を成長させることは困難である。 As described above, in order to grow a high-quality boron nitride (BN) layer, for example, Al x In y Ga 1-xy N containing no boron (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ It is necessary to raise the growth temperature as compared with the case of growing 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A graphite heater whose surface is coated with silicon carbide, which is usually used for growing an Al x In y Ga 1-xy N layer, is inferior in atmospheric resistance at high temperatures. In practice, defects such as pinholes are generated during use, and graphite is deteriorated. It is difficult to grow a BN layer having desired characteristics by growing a BN layer at a high temperature using a graphite heater whose surface is coated with silicon carbide.
そこで、例えば、炭化タンタル(TaC)で表面を被覆された黒鉛製のヒーターを使用する。炭化タンタル(TaC)で表面を被覆された黒鉛製のヒーターは、高温でのアンモニア等に対する雰囲気耐性に優れており、1400℃程度の温度で劣化することがない。そこで、炭化タンタル(TaC)で表面を被覆された黒鉛製のヒーターを用いることにより、珪素基板の温度を1350℃程度にして、窒化ホウ素層を成長させることにより、良質な窒化ホウ素層を得ることができ、窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13の品質も向上できる。
Therefore, for example, a graphite heater whose surface is coated with tantalum carbide (TaC) is used. A graphite heater whose surface is coated with tantalum carbide (TaC) has excellent atmospheric resistance to ammonia at a high temperature and does not deteriorate at a temperature of about 1400 ° C. Therefore, by using a graphite heater whose surface is coated with tantalum carbide (TaC), the temperature of the silicon substrate is set to about 1350 ° C., and a boron nitride layer is grown to obtain a high-quality boron nitride layer. The quality of the boron nitride / gallium nitride (BN / GaN)
第2の層132となる窒化ガリウム層は、1350℃で成長させると揮発性が強くなるので、通常の成長温度である1100℃で成長させた場合と比較して、成長レートが小さくなる。したがって、窒化ホウ素層の成長温度に合わせて、窒化ガリウム層の成長温度を高温に設定する場合には、トリメチルガリウムTMGの供給量を増加してガリウムの量を制御することにより、所望の窒化ガリウム層を成長させることが可能となる。
Since the gallium nitride layer to be the
例えば、第1の層131として窒化ホウ素層の膜厚を0.1〜2.0nmの範囲、第2の層132として窒化ガリウム層の膜厚を3.0〜5.0nmの範囲とすると、周期性良く、コヒーレントに窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13を成長することができる。この条件で成長した窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13は、多層構造13の上に後に成長される窒化物半導体層14に効果的に圧縮応力を印加することが可能となり、窒化物半導体層14に生じる引っ張り応力と相殺することができる。これにより、窒化物半導体層14を厚く(2μm以上)形成することができる。
For example, when the film thickness of the boron nitride layer as the
窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13は、窒化ホウ素(BN)、窒化ガリウム(GaN)ともに二元化合物から構成される。多元混晶AlxBzGa1−x−y−zInyN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)を用いて多層構造を構成する場合と比較して、二元化合物を用いて多層構造を構成することにより、多層構造層におけるホウ素(B)のモル分率を高めて、多層構造層の周期性が格段に向上することが可能となる。
The boron nitride / gallium nitride (BN / GaN)
その後、成長温度を1100℃程度まで下げて、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)のうちの1つ以上、アンモニアを原料として、成長時間を制御して窒化物半導体層を成長させる。成長終了後、室温まで冷却して、窒化物半導体多層構造体を取り出す。多層構造層の上に成長させる窒化物半導体層は、格子定数が多層構造層の格子定数より大きいことが必要である。このような窒化物半導体層として、例えば、GaN、Ga1−xInxN(0<x≦1)があり、モル分率を適切に選べば、BxGa1−xN、AlxGa1−xNを用いることができる。 Thereafter, the growth temperature is lowered to about 1100 ° C., and the nitride semiconductor is controlled by controlling the growth time using one or more of trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) as a raw material. Grow layers. After the growth is completed, the nitride semiconductor multilayer structure is taken out by cooling to room temperature. The nitride semiconductor layer grown on the multilayer structure layer needs to have a lattice constant larger than that of the multilayer structure layer. Examples of such a nitride semiconductor layer include GaN, Ga 1-x In x N (0 <x ≦ 1), and B x Ga 1-x N, Al x Ga if the molar fraction is appropriately selected. 1-xN can be used.
次に、窒化物半導体層14の臨界膜厚を調べるために以下の実験を行った。例えば、第1の層131である窒化ホウ素(BN)層の膜厚と、第2の層132である窒化ガリウム(GaN)層の膜厚を変えて、窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造層13を成長させ、多層構造層13までで成長を止めてサンプルを作製した。作製したサンプルについて、光学顕微鏡により、多層構造へのクラックの発生状況を観察し、かつ、X線回折法により、多層構造の周期性について評価を行った。
Next, the following experiment was performed in order to investigate the critical film thickness of the
次に、サンプルとしてそれぞれの条件で成長された多層構造13の上に、膜厚を変えながら窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層14を成長させた。そして、それぞれのサンプルについて、光学顕微鏡を用いて観察を行い、窒化物半導体層14にクラックが発生する窒化物半導体層14の臨界膜厚を評価した。
Next, a
図2は、それぞれのサンプルを実験例1〜13と比較例1として、第1の層131である窒化ホウ素(BN)層の膜厚と、第2の層132である窒化ガリウム(GaN)層の膜厚と、窒化ホウ素/窒化ガリウム(BN/GaN)多層構造13のクラックの発生状況及び周期性と、窒化物半導体層14の臨界膜厚を表として示す。図2において、多層構造13にクラックが発生していなければ〇印、クラックが発生していれば×印としている。また、クラック13の周期性が良好であれば〇印、周期性が劣れば×印としている。
FIG. 2 shows the thickness of the boron nitride (BN) layer as the
GaNからなる第2の層の膜厚を10nmで一定とし、BNからなる第1の層の膜厚を変化させた場合の実験では、実験例7において、多層構造13でクラックが生じている。これは、多層構造13自体が引っ張り応力を内包しているためと思われる。また、実験例1〜6では、多層膜構造についてクラックは検出されず、また、X線回折においても先鋭なサテライトピークが観察され、それらの周期性が良好であると評価される。さらに、多層構造3の上に、GaN層をクラックなしで1μm以上成長させているが、臨界膜厚が2μm以上となっているのは、実験例4〜6に示されるBNからなる第1の層の膜厚が0.5〜2.0nmの場合である。
In the experiment in which the thickness of the second layer made of GaN is constant at 10 nm and the thickness of the first layer made of BN is changed, cracks are generated in the
BNからなる第1の層の膜厚を1nmで一定とし、GaNからなる第2の層の膜厚を変化させた実験では、実験例8及び9では、多層構造13の全体を平均したときのBNのモル分率が大きくなるため、実験例13では、多層構造13の全体を平均したときのGaNのモル分率が大きくなるため,周期性が乱れ、これにより、X線回折パターンにおいて先鋭なサテライトピークが検出されない。多層構造3の上に、GaN層をクラックなしで1μm以上成長させているのは、実施例10〜13のGaNからなる第2の層の膜厚が3.0〜5.0nmの場合である。GaN層の臨界膜厚が2μm以上となっているのは、GaNからなる第2の層の膜厚が5.0nmの実験例12の場合である。図2に示される実験例全体について、臨界膜厚が2μm以上となっているのは、実験例4〜6、12に示される場合である。
In the experiment in which the thickness of the first layer made of BN is constant at 1 nm and the thickness of the second layer made of GaN is changed, in Experimental Examples 8 and 9, the
本発明により、珪素基板の上に、バッファ層として六方晶の窒化ホウ素(BN)層/窒化ガリウム(GaN)多層構造層13を制御性良く結晶成長させることができれば、窒化ホウ素(BN)/窒化ガリウム(GaN)多層構造層13の上に、クラックを生じることなく、窒化物半導体層14を厚く結晶成長することができる。
According to the present invention, if a hexagonal boron nitride (BN) layer / gallium nitride (GaN)
本発明により、珪素基板の上に、窒化ホウ素層131と窒化ガリウム層132とを交互に繰り返し積層して多層構造層を成長させ、多層構造層の上に窒化物半導体層を成長させることにより、クラックの発生しない臨界膜厚2μm以上のGaN層を成長させることが可能になっている。そのメカニズムについて以下に検討する。
In accordance with the present invention, a
近年、珪素基板上に、AlN層とGaN層とを交互に複数周期的に成長させてAlN/GaN多層構造を積層し、その上に臨界膜厚1μm以上のGaN層を成長させることが可能になっている。ここでc軸に配向した六方晶のAlN、GaN、InNの面内格子定数aは、それぞれ3.112Å、3.189Å、3.548Åである。したがって、AlN/GaN多層構造が歪んでコヒーレントに成長した場合の格子定数aは、AlNとGaNの間の値となる。この結果、AlN/GaN多層構造の格子定数aは、AlN/GaN多層構造の上に成長させるGaN層の格子定数aより小さくなり、多層構造の上のGaN層に圧縮応力を加えるためと考えることができる。しかし、この場合にもGaN層の臨界膜厚1.5μm程度である。 In recent years, AlN layers and GaN layers can be alternately and periodically grown on a silicon substrate to laminate an AlN / GaN multilayer structure, and a GaN layer having a critical thickness of 1 μm or more can be grown thereon. It has become. Here, the in-plane lattice constants a of hexagonal AlN, GaN, and InN oriented in the c-axis are 3.112Å, 3.189Å, and 3.548Å, respectively. Accordingly, the lattice constant a when the AlN / GaN multilayer structure is distorted and coherently grown is a value between AlN and GaN. As a result, the lattice constant a of the AlN / GaN multilayer structure is smaller than the lattice constant a of the GaN layer grown on the AlN / GaN multilayer structure, which is considered to apply compressive stress to the GaN layer on the multilayer structure. Can do. However, also in this case, the critical thickness of the GaN layer is about 1.5 μm.
半導体装置を形成する上では、GaN層の膜厚を2μm以上とすることが好ましく、臨界膜厚を更に増加させることが必要である。このためには、本発明では、多層構造層によりGaN層に更に大きな圧縮応力を印加し、冷却過程で生じるGaN層の引っ張り応力を相殺することについて検討する。 In forming a semiconductor device, the film thickness of the GaN layer is preferably 2 μm or more, and it is necessary to further increase the critical film thickness. For this purpose, in the present invention, it is considered to apply a larger compressive stress to the GaN layer by the multilayer structure layer to cancel the tensile stress of the GaN layer generated in the cooling process.
珪素基板上に、多層構造を介して窒化物半導体層を成長する場合に、多層構造を構成する材料として、インジウム又はホウ素のいずれかから選ばれる元素をMとして四元混晶のAlxMyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y<1、x+y≦1)を用いることが試みられている。窒化物半導体層に発生するクラックを抑制する効果を熱膨張係数(と材料の堅牢性とから説明する観点に立つと、インジウムを用いることが考えられる。しかしながら、InNの格子定数aが3.548Åであるため、Inを用いた場合、InNのモル分率yを大きくすることでAlxInyGa1−x−yNの格子定数aは大きくなる。従って、AlxInyGa1−x−yNを含む多層構造層の格子定数aは、GaN層の格子定数aに近くなり、GaN層に印加する圧縮応力を低減する。インジウムを用いることは、圧縮力の観点からクラックの発生を抑制する上では逆効果となる。 When a nitride semiconductor layer is grown on a silicon substrate via a multilayer structure, an element selected from either indium or boron is used as a material constituting the multilayer structure, and M is a quaternary mixed crystal Al x M y Attempts have been made to use Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1). From the viewpoint of explaining the effect of suppressing cracks generated in the nitride semiconductor layer from the viewpoint of the thermal expansion coefficient (and the robustness of the material), it is conceivable to use indium. However, the lattice constant a of InN is 3.548Å. Therefore, when In is used, the lattice constant a of Al x In y Ga 1-xy N is increased by increasing the molar fraction y of InN, and therefore Al x In y Ga 1-x. The lattice constant a of the multilayer structure layer containing -yN becomes close to the lattice constant a of the GaN layer, and reduces the compressive stress applied to the GaN layer. It is counterproductive in terms of suppression.
他方、六方晶窒化ホウ素(BN)の面内格子定数aは、2.504Åであるため、Bを用いた場合、BNのモル分率yを大きくすることでAlxByGa1−x−yNの格子定数aは小さくなる。ゆえに、AlxByGa1−x−yNを用いることができれば、GaN層の臨界膜厚を更に大きくすることが期待できる。しかしながら、AlxByGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y<1、x+y≦1)は、面内格子定数aが大きなAlxGa1−xN(y=0)の場合を除いて四元混晶であり、実際にIII族元素を制御性良く成長させるのは大変困難である。 On the other hand, since the in-plane lattice constant a of hexagonal boron nitride (BN) is 2.504Å, when B is used, Al x ByGa 1-xy N is increased by increasing the molar fraction y of BN. The lattice constant a becomes smaller. Thus, if it is possible to use Al x B y Ga 1-x -y N, it can be expected to further increase the critical thickness of the GaN layer. However, Al x B y Ga 1- x-y N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) is, Al-plane lattice constant a large x Ga 1-x N (y = 0 ) Except in the case of (4), it is very difficult to actually grow group III elements with good controllability.
本発明により、珪素基板の上に、窒化ホウ素層131と窒化ガリウム層132とを積層する多層構造層を成長させ、多層構造層の上に窒化物半導体層を成長させる。二元化合物の多層構造を用いることにより、反応の制御性を向上する。また、ヒーターを改良して高温プロセスを採用することにより、六方晶から立方晶への遷移を抑制し、良質な窒化ホウ素層を含む多層構造層を形成する。条件の最適化により、臨界膜厚2μm以上のGaN層を成長させることが可能となる。
According to the present invention, a multilayer structure layer in which a
10:珪素基板、11:AlN層、12:AlGaN層、13:BN/GaN多層構造体、131:BN層、132:GaN層、14:窒化物半導体層、
21:多層構造体、211:第1の層、212:第2の層、22:窒化物半導体層
10: silicon substrate, 11: AlN layer, 12: AlGaN layer, 13: BN / GaN multilayer structure, 131: BN layer, 132: GaN layer, 14: nitride semiconductor layer,
21: Multilayer structure 211: First layer 212: Second layer 22: Nitride semiconductor layer
Claims (6)
前記窒化アルミニウム層の上に、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とを交互に繰り返して結晶成長させて、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とを交互に積層する多層構造層を形成する工程(b)と、
前記多層構造層の上に、窒化物半導体層を成長させる工程(c)と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体多層構造体の製造方法。 A step (a) of crystal growth of an aluminum nitride layer on a silicon substrate;
(B) forming a multilayer structure layer in which a boron nitride layer and a gallium nitride layer are alternately and repeatedly grown on the aluminum nitride layer to alternately laminate the boron nitride layer and the gallium nitride layer; ,
A step (c) of growing a nitride semiconductor layer on the multilayer structure layer;
A method for producing a nitride semiconductor multilayer structure comprising:
前記窒化アルミニウムガリウム層の上に、前記工程(b)により前記多層構造層を形成することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体多層構造体の製造方法。 After the step (a), the method includes a step (d) of crystal-growing an aluminum gallium nitride layer on the aluminum nitride layer,
The method for producing a nitride semiconductor multilayer structure according to claim 1, wherein the multilayer structure layer is formed on the aluminum gallium nitride layer by the step (b).
前記珪素基板の上に配置される窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層の上に配置され、窒化ホウ素層と窒化ガリウム層とが交互に積層される多層構造層と、
前記多層構造層の上に配置される窒化物半導体層と、
を有することを特徴とする窒化物半導体多層構造体。 A silicon substrate;
An aluminum nitride layer disposed on the silicon substrate;
A multilayer structure layer disposed on the aluminum nitride layer, wherein a boron nitride layer and a gallium nitride layer are alternately stacked;
A nitride semiconductor layer disposed on the multilayer structure layer;
A nitride semiconductor multilayer structure comprising:
前記窒化アルミニウムガリウム層が、前記窒化アルミニウム層の上に配置され、前記多層構造層が、前記窒化アルミニウムガリウム層の上に配置されることを特徴とする請求項4記載の窒化物半導体多層構造体。 Having an aluminum gallium nitride layer;
5. The nitride semiconductor multilayer structure according to claim 4, wherein the aluminum gallium nitride layer is disposed on the aluminum nitride layer, and the multilayer structure layer is disposed on the aluminum gallium nitride layer. .
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