JP6866952B1 - 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents
窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6866952B1 JP6866952B1 JP2020128377A JP2020128377A JP6866952B1 JP 6866952 B1 JP6866952 B1 JP 6866952B1 JP 2020128377 A JP2020128377 A JP 2020128377A JP 2020128377 A JP2020128377 A JP 2020128377A JP 6866952 B1 JP6866952 B1 JP 6866952B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- single crystal
- silicon single
- crystal substrate
- semiconductor wafer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 88
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 113
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 84
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 84
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 72
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 38
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 44
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000002230 thermal chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02002—Preparing wafers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/04—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their crystalline structure, e.g. polycrystalline, cubic or particular orientation of crystalline planes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
【課題】高周波デバイスに用いることに適した、ＣＺ法により製造した高抵抗低酸素シリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】シリコン単結晶基板１２の上に窒化物半導体からなるデバイス層１６を有する窒化物半導体ウェーハ１０であって、シリコン単結晶基板１６は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。【選択図】図１
Description
本発明は、窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法に関する。
高周波デバイスは、小型化、低コスト化に向けて、アンテナやアンプ、スイッチ、フィルター等のデバイスをインテグレーションする開発が進められている。また、周波数の高周波化に従い、回路が複雑化し、使用されるデバイスの材料もシリコンＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ、相補型ＭＯＳ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体や窒化物半導体を用いたデバイス、圧電体を用いたフィルターなど多岐にわたっている。
これらのデバイスの下地となる基板は、安価で大直径のウェーハが流通しているシリコン基板が適していると考えられる。
特許文献１では、酸素濃度が０．２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン基板上への化合物半導体の成長について開示されている。
しかしながら、特に、高周波デバイス用の基板としては、高抵抗で、サーマルドナーによる抵抗率の変化が少ない低酸素濃度の基板が適していると考えられる。また、高周波デバイスでは、高周波特性を改善するため、デバイスやその支持基板、周辺のパッケージの寄生容量を減少させる必要がある。寄生容量の低減のため、サーマルドナーの発生しにくい高抵抗低酸素シリコン基板を支持基板やパッケージに利用すると、特性が改善されるとともに、コスト上もメリットがあると考えられる。このように、より低い酸素濃度の基板の方が電気特性上有利であるが、酸素濃度が低いことによって塑性変形しやすいという問題があった。
デバイス作製は基板上へのエピタキシャル成長や熱処理、貼り合わせなどの工程を含むが、その過程で異種の材料間の格子定数差や熱膨張係数差で基板に応力が発生する。しかしながら、高抵抗低酸素シリコン基板は、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ（ＣＺ）法により製造された通常の低抵抗のＣＺシリコン基板と比較して、有転位化した時のヤング率が低く、塑性変形しやすいデメリットがある。塑性変形が起こるとウェーハが大きく歪み、形状が元に戻らないため、反り異常や接合不良が発生する恐れがある。
特許文献２では、窒素濃度が高いＦｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ（ＦＺ）法により製造された基板上に窒化物半導体を成長する技術が示されている。しかしながら、ＦＺ法では、バルク中の窒素濃度が高い結晶を取得することが難しく、歩留まりが低いという問題があった。また、ＦＺ基板では、直径２００ｍｍ以上の＜１１１＞基板の取得が難しく、大直径化に限界があった。
そこで本発明者らは、大直径のウェーハを作製することができるＣＺ法に着目して、鋭意調査を行ったところ、高抵抗低酸素濃度ＣＺシリコン基板は、機械的特性が低抵抗ＣＺシリコン基板と比較して悪く、転位の伸長によって塑性変形を起こしやすいという問題があることを見出した。特にシリコン基板上のＧａＮの成長では、格子定数差や熱膨張係数差による応力によって、反りの増大や塑性変形が起こりやすいので、成長条件や緩和層による応力低減が行われている。
例えば、特許文献３では、周期的に複数回積層された窒化ガリウム系化合物半導体の中間層を用いて、応力緩和を行い、反りやクラックが小さいウェーハを作製している。しかしながら、複雑な中間層を作製することにより、成長時間が長くなり、設計の自由度が小さくなることが懸念される。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高周波デバイスに用いることに適した、ＣＺ法により製造した高抵抗低酸素シリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である窒化物半導体ウェーハを提供する。
このような窒化物半導体ウェーハであれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が抑制され、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハとなる。また、大直径化や多くの面方位を有するシリコン単結晶基板を用いた窒化物半導体ウェーハとすることが可能なものとなる。
このとき、前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層の上に前記窒化物半導体からなるデバイス層を有することが好ましい。
このような中間層は、中間層上に有する窒化物半導体薄膜からなるデバイス層の結晶性改善や応力の制御のための緩衝層として機能するため、塑性変形がより抑制され、基板の反りがより小さい窒化物半導体ウェーハとなる。
また、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
このような窒化物半導体ウェーハの製造方法によれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が抑制され、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを容易に製造することができる。
このとき、前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることが好ましい。
このような中間層は、中間層上に形成される窒化物半導体薄膜からなるデバイス層の結晶性改善や応力の制御のための緩衝層として機能するため、塑性変形がより抑制され、基板の反りがより小さい窒化物半導体ウェーハをさらに容易に製造することができる。
以上のように、本発明に係る窒化物半導体ウェーハ及びその製造方法によれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形を抑制し、基板の反りを小さくすることが可能となる。
上述のように、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハおよびその製造方法が求められていた。
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である窒化物半導体ウェーハにより、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを提供することができることを見出し、本発明を完成した。
また、本発明者らは、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法により、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを容易に製造可能な製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成した。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明に係る窒化物半導体ウェーハの一例の概念図を図１に示す。
図１に示した本発明に係る窒化物半導体ウェーハ１０は、シリコン単結晶基板１２上に窒化物半導体薄膜からなるデバイス層１６を有する。シリコン単結晶基板１２として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下で、窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加（ドープ）した基板を使用する。
抵抗率について、高周波デバイス用の基板として要求される１０００Ω・ｃｍ以上とする。また、酸素濃度については、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を超えるとサーマルドナーによる抵抗率の影響が無視できなくなるため、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を上限とする。また、ＣＺ法で５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）未満の酸素濃度の単結晶を製造するのは極めて難しいことから、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を下限とする。
しかし、このように高抵抗基板の酸素濃度を低くした場合、通常の低抵抗ＣＺシリコン基板と比較して、有転位化した時のヤング率が低く、塑性変形しやすくなるという問題がある。そこで本発明者らは、高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板として、窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加したものを用いることで、塑性変形を抑制することができることを見出した。
塑性変形を防ぐことによって、反り異常を低減して、窒化物半導体ウェーハ１０の製造の歩留まりを向上させることができる。また、シリコン単結晶基板１２が応力に耐えることができるので、気相成長によるデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の膜厚を厚くすることができ、デバイスの設計の自由度が向上する。また、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度を、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、特には５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のようにさらに高くすることにより、基板の反りをより小さくすることができ、より確実に塑性変形を防止することができる。なお、シリコン単結晶基板１２に含まれる窒素濃度は５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度であれば、シリコン単結晶基板１２の原料であるシリコン単結晶の単結晶化率の低下を防止することができるためである。
このとき、高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板として、直径２００ｍｍ以上のものが好ましい。このような大直径基板はＣＺ法の利点を活かすことができるためである。また、基板の主面の面方位は特に限定されず、（１００）、（１１０）、（１１１）等とすることができる。特に、直径２００ｍｍ以上、（１１１）の基板はＦＺ法による製造が困難であるので有益である。
このような窒化物半導体ウェーハは、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いながらも、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハとなる。
また、図１に示すように、シリコン単結晶基板１２とデバイス層１６との間に窒化物半導体又は金属からなる中間層１４を有してもよい。中間層１４は、デバイス層１６の結晶性改善や応力の制御のために挿入される緩衝層として働く。中間層１４は、応力や結晶性の改善の必要が無い場合、省略することもできる。一方、中間層１４は、高周波フィルターなどのデバイスの構成上、空間を作るための犠牲層や電極として用いることができる金属で作製されても良い。中間層１４は金属からなる中間層でもよく、窒化物半導体からなる中間層でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、組成はデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜と異なっていてもよいし同一でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、中間層１４及びデバイス層１６が窒化物半導体薄膜を構成すると言える。また、中間層１４の組成は成長の途中で変化させたものとしてもよい。
また、シリコン単結晶基板１２の表面（図１の中間層１４との界面）には、キャリアの寿命を低下させるトラップリッチ層が形成されていてもよい。
本発明に係る窒化物半導体ウェーハの応用例として、図２に、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を形成した場合を示した。図２に示したように、例えば、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造では、デバイス層１６は窒化ガリウム（ＧａＮ）層１７とその上に形成されるＡｌＧａＮからなる電子供給層１８で構成される。
窒化ガリウムは、Ｓｉ（１１１）単結晶と格子定数差が１７％、熱膨張係数差が１１６％あり、高温での成長中に薄膜や基板に応力がかかる。また、成長中１０００℃以上に加熱されているため、ウェーハに応力がかかると脆性破壊せずに、延性を示すようになり、転位を発生させて塑性変形する。
そこで、本発明では、シリコン単結晶基板１２として窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加したものを用いることによって、シリコン単結晶基板１２の転位の進展を防止して、塑性変形を防ぐことができる。塑性変形を防ぐことによって、反り異常を低減して、窒化物半導体ウェーハ１０の製造の歩留まりを向上させることができる。また、シリコン単結晶基板１２が応力に耐えることができるので、気相成長によるデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の膜厚が厚いものとすることができて、デバイスの設計の自由度が向上する。
次に、本発明に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を説明する。図１を参照して説明すると、本発明に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法は、まず、シリコン単結晶基板１２を準備し、その後、シリコン単結晶基板１２の上にデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる。本発明では、シリコン単結晶基板１２として、ＣＺ法により製造された、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いる。
デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の成長の前に、シリコン単結晶基板１２上に中間層１４を形成し、中間層１４の上に、デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜を成長させてもよい。
また、シリコン単結晶基板１２の表面（図１の中間層１４との界面）にトラップリッチ層を形成する場合の形成方法は、特に限定されないが、イオン注入や電子線、Ｘ線、γ線などの電離放射線の照射によって形成することができる。
シリコン単結晶基板１２の上に（シリコン単結晶基板１２の上に中間層１４を形成した場合は中間層１４の上に）、熱ＣＶＤ（化学気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相エピタキシー）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、真空蒸着法、スパッタリング法などの気相成長で、窒化物半導体薄膜からなるデバイス層１６を作製する。デバイス層として、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＳｃＮなどの窒化物半導体薄膜に加え、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。窒化物半導体薄膜は１〜１０μｍの厚さとすることができ、デバイスに合わせて設計することができる。
図２に示した高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造では、デバイス層１６は、デバイス特性の向上のため、結晶欠陥が少なく、炭素や酸素などの不純物が少ない結晶が望ましく、ＭＯＶＰＥ法を用いて９００℃〜１３５０℃で作製することができる。
以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
（実施例）
ＣＺ法により製造された、直径１５０ｍｍ、軸方位＜１１１＞のシリコン単結晶基板であって、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が５．０×１０１６〜２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）の、窒素をドーピングした高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備した。ドーピングした窒素の濃度は、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。ＭＯＶＰＥ炉を用いて、準備した高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板上に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。成長温度は１２００℃とし、総膜厚２．８μｍのエピタキシャル層を成長した。
ＣＺ法により製造された、直径１５０ｍｍ、軸方位＜１１１＞のシリコン単結晶基板であって、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が５．０×１０１６〜２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）の、窒素をドーピングした高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備した。ドーピングした窒素の濃度は、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。ＭＯＶＰＥ炉を用いて、準備した高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板上に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。成長温度は１２００℃とし、総膜厚２．８μｍのエピタキシャル層を成長した。
図３は、気相成長中の窒化物半導体ウェーハの曲率の変化を示すグラフである。窒素を１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ドーピングした高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハは成長中に塑性変形が起こらず、成長後の反りは、平均で３０．４μｍと小さかった。
（比較例）
窒素をドーピングしていないことを除けば実施例と同じ高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備し、実施例と同様に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。
窒素をドーピングしていないことを除けば実施例と同じ高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備し、実施例と同様に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。
図３に示すように、窒素をドーピングしていない高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハでは、３枚中３枚のすべてが塑性変形している。窒素をドープしていない高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハの成長後の反りは平均で１７４．１μｍと大きく、不良となった。
実施例、比較例から、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、塑性変形が起きることを抑制し、基板の反りを小さくすることができるという本発明の効果が得られることがわかった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１０…窒化物半導体ウェーハ、
１２…シリコン単結晶基板、
１４…中間層、
１６…デバイス層（窒化物半導体薄膜）、
１７…ＧａＮ層、
１８…ＡｌＧａＮ層（電子供給層）。
１２…シリコン単結晶基板、
１４…中間層、
１６…デバイス層（窒化物半導体薄膜）、
１７…ＧａＮ層、
１８…ＡｌＧａＮ層（電子供給層）。
Claims (4)
- シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、
前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。 - 前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層の上に前記窒化物半導体からなるデバイス層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ウェーハ。
- シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化物半導体ウェーハの製造方法。 - 前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020128377A JP6866952B1 (ja) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 |
| CN202180045965.0A CN115997271A (zh) | 2020-07-29 | 2021-07-12 | 氮化物半导体晶圆及氮化物半导体晶圆的制造方法 |
| US18/013,618 US20230290835A1 (en) | 2020-07-29 | 2021-07-12 | Nitride semiconductor wafer and method for producing nitride semiconductor wafer |
| PCT/JP2021/026066 WO2022024729A1 (ja) | 2020-07-29 | 2021-07-12 | 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 |
| EP21850368.8A EP4191639A1 (en) | 2020-07-29 | 2021-07-12 | Nitride semiconductor wafer and method for producing nitride semiconductor wafer |
| TW110126343A TW202206656A (zh) | 2020-07-29 | 2021-07-19 | 氮化物半導體晶圓及氮化物半導體晶圓的製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020128377A JP6866952B1 (ja) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP6866952B1 true JP6866952B1 (ja) | 2021-04-28 |
| JP2022025512A JP2022025512A (ja) | 2022-02-10 |
Family
ID=75638913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020128377A Active JP6866952B1 (ja) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230290835A1 (ja) |
| EP (1) | EP4191639A1 (ja) |
| JP (1) | JP6866952B1 (ja) |
| CN (1) | CN115997271A (ja) |
| TW (1) | TW202206656A (ja) |
| WO (1) | WO2022024729A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023100540A1 (ja) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体基板及びその製造方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011103380A (ja) * | 2009-11-11 | 2011-05-26 | Covalent Materials Corp | 化合物半導体基板 |
| JP2012079952A (ja) * | 2010-09-08 | 2012-04-19 | Covalent Materials Corp | 窒化ガリウム系化合物半導体基板とその製造方法 |
| JP2014094851A (ja) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | シリコン単結晶の製造方法、シリコン単結晶ウェーハの製造方法、及びシリコン単結晶ウェーハ |
| JP2020098839A (ja) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体ウェーハの製造方法および窒化物半導体ウェーハ |
-
2020
- 2020-07-29 JP JP2020128377A patent/JP6866952B1/ja active Active
-
2021
- 2021-07-12 EP EP21850368.8A patent/EP4191639A1/en active Pending
- 2021-07-12 CN CN202180045965.0A patent/CN115997271A/zh active Pending
- 2021-07-12 WO PCT/JP2021/026066 patent/WO2022024729A1/ja active Application Filing
- 2021-07-12 US US18/013,618 patent/US20230290835A1/en active Pending
- 2021-07-19 TW TW110126343A patent/TW202206656A/zh unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011103380A (ja) * | 2009-11-11 | 2011-05-26 | Covalent Materials Corp | 化合物半導体基板 |
| JP2012079952A (ja) * | 2010-09-08 | 2012-04-19 | Covalent Materials Corp | 窒化ガリウム系化合物半導体基板とその製造方法 |
| JP2014094851A (ja) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | シリコン単結晶の製造方法、シリコン単結晶ウェーハの製造方法、及びシリコン単結晶ウェーハ |
| JP2020098839A (ja) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体ウェーハの製造方法および窒化物半導体ウェーハ |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023100540A1 (ja) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体基板及びその製造方法 |
| JP7487726B2 (ja) | 2021-11-30 | 2024-05-21 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体基板及びその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230290835A1 (en) | 2023-09-14 |
| JP2022025512A (ja) | 2022-02-10 |
| TW202206656A (zh) | 2022-02-16 |
| WO2022024729A1 (ja) | 2022-02-03 |
| EP4191639A1 (en) | 2023-06-07 |
| CN115997271A (zh) | 2023-04-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2020129540A1 (ja) | 窒化物半導体ウェーハの製造方法および窒化物半導体ウェーハ | |
| JP6863423B2 (ja) | 電子デバイス用基板およびその製造方法 | |
| US11705330B2 (en) | Substrate for electronic device and method for producing the same | |
| JP2018117064A (ja) | 窒化物半導体デバイス及び窒化物半導体デバイスの製造方法 | |
| JP4382748B2 (ja) | 半導体結晶成長方法 | |
| JP4449357B2 (ja) | 電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法 | |
| JP6866952B1 (ja) | 窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法 | |
| JP7142184B2 (ja) | 窒化物半導体ウェーハの製造方法及び窒化物半導体ウェーハ | |
| CN115398042B (zh) | 气相生长用的单晶硅基板、气相生长基板以及这些基板的制造方法 | |
| WO2023132191A1 (ja) | 窒化物半導体基板及びその製造方法 | |
| WO2023100540A1 (ja) | 窒化物半導体基板及びその製造方法 | |
| TW202320141A (zh) | 氮化物半導體晶圓的製造方法、及氮化物半導體晶圓 | |
| JP2023039743A (ja) | 窒化物半導体基板の製造方法 | |
| JP2024042982A (ja) | 窒化物半導体層付き単結晶シリコン基板及び窒化物半導体層付き単結晶シリコン基板の製造方法 | |
| JP2005259990A (ja) | ＩｎＮ半導体及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201029 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20201029 |
|
| A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20201126 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201215 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210309 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210322 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6866952 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |