JP7487726B2 - 窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体基板及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7487726B2
JP7487726B2 JP2021193940A JP2021193940A JP7487726B2 JP 7487726 B2 JP7487726 B2 JP 7487726B2 JP 2021193940 A JP2021193940 A JP 2021193940A JP 2021193940 A JP2021193940 A JP 2021193940A JP 7487726 B2 JP7487726 B2 JP 7487726B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride semiconductor
atoms
single crystal
silicon single
crystal substrate
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
Application number
JP2021193940A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2023080538A (ja
Inventor
一平 久保埜
慶太郎 土屋
和徳 萩本
佳祐 三原
孝世 菅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin Etsu Handotai Co Ltd filed Critical Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority to JP2021193940A priority Critical patent/JP7487726B2/ja
Priority to EP22900973.3A priority patent/EP4442868A1/en
Priority to PCT/JP2022/039792 priority patent/WO2023100540A1/ja
Priority to CN202280078328.8A priority patent/CN118251519A/zh
Priority to TW111141332A priority patent/TW202340551A/zh
Publication of JP2023080538A publication Critical patent/JP2023080538A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7487726B2 publication Critical patent/JP7487726B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides
    • 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
    • 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
    • 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
    • C30B25/20—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer
    • 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
    • C30B29/38—Nitrides
    • 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
    • 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
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • 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
    • 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
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

本発明は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法による窒化物半導体基板及びその製造方法に関する。
半導体薄膜製造方法のひとつであるＭＯＣＶＤ法は、大口径化や量産性に優れており、均質な薄膜結晶を成膜できるため、広く用いられている。ＧａＮに代表される窒化物半導体はＳｉの材料としての限界を超える次世代の半導体材料として期待されている。ＧａＮは飽和電子速度が大きいという特性から高周波動作可能なデバイスの作製が可能であり、また絶縁破壊電界も大きいことから、高出力での動作が可能である。また、軽量化や小型化、低消費電力化も見込める。近年、５Ｇ等に代表されるような通信速度の高速化、またそれ伴う高出力化の要求により、高周波、且つ高出力で動作可能なＧａＮ ＨＥＭＴが注目されている。
ＧａＮデバイスを作製するためのＧａＮエピタキシャルウェーハに用いられる基板としては、シリコン単結晶基板が最も安価であり且つ大口径化に有利である。シリコン単結晶基板上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮを成膜する際、成膜時、および冷却時にはＧａＮとＳｉの熱膨張係数差によって応力が加わる。この応力による塑性変形を防ぐため、シリコン単結晶基板はＳＥＭＩ ｓｐｅｃの厚さよりも厚い基板（例えば１ｍｍ、１．１５ｍｍ等）が用いられる事が多い。しかし、デバイス工程ではＳＥＭＩ規格に合わせて装置構成されている場合があり、その場合は厚い基板ではデバイス工程に投入できないため、シリコン単結晶基板はなるべくＳＥＭＩ規格の厚さの基板を用いることが好ましい。
しかしながら、ＳＥＭＩ規格の厚さのシリコン単結晶基板は直径１５０ｍｍのウェーハで６７５μｍ、直径２００ｍｍのウェーハで７２５μｍと薄く、厚いＧａＮを成膜する等といった成長条件によっては、ＧａＮ成膜時の応力に耐え切れず、塑性変形してしまうといった問題がある。特に高周波デバイス用のシリコン単結晶基板は１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板が求められるが、ドーパント濃度の低い高抵抗率のウェーハでは塑性変形がし易くなってしまう。
特許文献１には、シリコン単結晶基板に酸素及び窒素をドープする事で、ＧａＮ成膜中の応力による塑性変形に対して耐性のあるシリコン単結晶基板について記載されている。特許文献１に記載されている酸素、窒素ドープされたシリコン単結晶基板は、ノンドープのシリコン単結晶基板と比較すれば塑性変形に対して耐性があるが、成膜するＧａＮの膜厚によって、それでは不十分な場合がある。
特許６８６６９５２号公報
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、塑性変形に対して耐性がある窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、
シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板であって、
前記シリコン単結晶基板は、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものである窒化物半導体基板を提供する。
シリコン単結晶基板にこのような濃度範囲で炭素がドープされていれば、塑性変形に対して耐性が得られ、反りが低減された窒化物半導体基板となる。
また、前記シリコン単結晶基板は、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであることが好ましい。
このような窒化物半導体基板であれば更に塑性変形が抑制されたものとすることができる。
また、前記シリコン単結晶基板はＣＺ法により作製されたものであることが好ましい。
ＣＺ法によれば所定濃度の酸素、窒素、炭素がドープされた大直径のウェーハを比較的容易に製造することができる。
また、前記シリコン単結晶基板は結晶面方位が（１１１）で抵抗率が１０００Ωｃｍ以上のものであることが好ましい。
結晶面方位が（１１１）であれば窒化物半導体薄膜を容易にエピタキシャル成長でき、抵抗率が１０００Ωｃｍ以上であれば高耐圧、高周波特性に優れた電子デバイス用の基板とすることができる。
また、前記窒化物半導体薄膜は窒化ガリウムを含むものであることが好ましい。
本発明では、窒化物半導体薄膜をこのようなものとすることができる。
また本発明では、
シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板の製造方法であって、
（１）炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであるシリコン単結晶基板を準備する工程、及び
（２）前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜を形成する工程
を含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
このような製造方法であれば、窒化物半導体薄膜の成長中における塑性変形が抑制されて、反りの少ない窒化物半導体基板を製造することができる。
また、前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものとすることが好ましい。
このようにすれば、更に塑性変形を抑制することができる。
また、前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、ＣＺ法により作製されたものとすることが好ましい。
ＣＺ法によれば所定濃度の酸素、窒素、炭素がドープされた大直径のウェーハを比較的容易に製造することができる。
また、前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、結晶面方位が（１１１）で抵抗率が１０００Ωｃｍ以上のものとすることが好ましい。
結晶面方位が（１１１）であれば窒化物半導体薄膜を容易にエピタキシャル成長でき、抵抗率が１０００Ωｃｍ以上であれば高耐圧、高周波特性に優れた電子デバイス用の基板とすることができる。
また、前記工程（２）で形成する前記窒化物半導体薄膜を、窒化ガリウムを含むものとすることが好ましい。
本発明では、窒化物半導体薄膜をこのようなものとすることができる。
以上のように、本発明であれば、塑性変形に対して耐性がある窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することができる。
本発明の窒化物半導体基板の一例を示す概略図である。 本発明の窒化物半導体基板の製造方法に用いることができる、ＭＯＣＶＤ装置の一例を示す概略図である。 実施例１、実施例２、比較例１、比較例２における、エピタキシャル成長中に塑性変形する曲率の比較を示すグラフである。 実施例３、４、比較例３～６における、シリコン単結晶基板中の炭素濃度とＧａＮ成膜中に塑性変形した曲率の関係を示すグラフである。
上述したように、ＧａＮを含む窒化物半導体薄膜をＭＯＣＶＤ法でシリコン単結晶基板上に成膜する際、成膜時、および冷却時にはＧａＮとＳｉの熱膨張係数差によって応力が加わる。そして、この応力に耐え切れず、塑性変形してしまうといった問題がある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねたところ、シリコン単結晶基板の炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であれば、塑性変形を抑制できることが判り本発明を完成させた。
即ち、本発明は、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板であって、前記シリコン単結晶基板は、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものである窒化物半導体基板である。
また本発明は、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板の製造方法であって、（１）炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであるシリコン単結晶基板を準備する工程、及び（２）前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜を形成する工程を含む窒化物半導体基板の製造方法である。
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［窒化物半導体基板］
本発明の窒化物半導体基板の一例を図１に示す。本発明の窒化物半導体基板１は、シリコン単結晶基板１１上に窒化物半導体薄膜１２が形成されたものであり、シリコン単結晶基板１１は、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものである。
このように炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成された窒化物半導体基板であれば、塑性変形が抑制され反りの少ないものとすることができる。なお、ＣＺ法によるシリコン単結晶の作製では、Ｓｉ中の炭素濃度の固溶度や製造設備の観点から２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い炭素濃度でドープする事は難しい。
シリコン単結晶基板の炭素濃度は好ましくは５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
また、シリコン単結晶基板のその他の元素のドープ濃度としては特に限定はされないが、上記範囲の炭素濃度に加えて、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであることが好ましい。このような窒化物半導体基板であれば更に塑性変形が抑制されたものとすることができる。
シリコン単結晶基板は炭素濃度が上記範囲内であれば特に限定はされないが、ＣＺ法により作製されたものであることが好ましい。ＣＺ法によれば所定濃度の酸素、窒素、炭素がドープされた大直径のウェーハを比較的容易に製造することができる。
シリコン単結晶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が、（１１１）であることが好ましい。結晶面方位が（１１１）であれば窒化物半導体薄膜を容易にエピタキシャル成長させることができる。
シリコン単結晶基板の抵抗率は特に限定はされないが、例えば１０００Ωｃｍ以上のものであることが好ましい。抵抗率の上限も特に限定されないが、例えば１０００００Ωｃｍ以下とすることができる。抵抗率が１０００Ωｃｍ以上であれば高耐圧、高周波特性に優れた電子デバイス用の基板とすることができる。
また、窒化物半導体薄膜としては特に限定はされないが、例えば、後述のようなエピタキシャル層とすることができる。窒化物半導体薄膜としては、窒化ガリウムを含むものであることが好ましい。
［窒化物半導体基板の製造方法］
本発明の窒化物半導体基板は、以下のような本発明の窒化物半導体基板の製造方法によって製造することができる。
＜工程（１）シリコン単結晶基板を準備する工程＞
工程（１）は、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであるシリコン単結晶基板を準備する工程である。工程（１）は、例えば、以下のように行うことができる。
まず、ＣＺ法により、軸方位が〈１１１〉のシリコンインゴットを作製する。この際、成長結晶の炭素濃度は５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となるように原料に炭素源となる物質（例えば炭素粉等）をドープして、単結晶を育成する。シリコン単結晶基板の炭素濃度をこのような濃度とすることでエピタキシャル成長中の塑性変形が抑制され、冷却後の窒化物半導体基板の反りを小さくすることができる。
このとき、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる製造条件とし、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となるように原料に窒素をドープすることが好ましい。このように酸素、窒素を所定量含むものであれば、更に塑性変形を抑制することができる。
次に、作製したシリコンインゴットをスライスしウェーハ化して、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであるシリコン単結晶基板を準備する。
＜工程（２）窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長する工程＞
工程（２）は、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜を形成する工程である。工程（２）は、例えば、以下のように行うことができる。
図２に示すようなＭＯＣＶＤ反応炉において、シリコン単結晶基板上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよびＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜のエピタキシャル成長を行う。エピタキシャル層の構造はこれに限らず、ＡｌＧａＮを成膜しない場合や、ＡｌＧａＮ成膜後さらにＡｌＮを成膜する場合もある。また、Ａｌ組成を変化させたＡｌＧａＮを複数層成膜させる場合もある。膜厚は用途によって変更されるため、特に限定されない。
エピタキシャル層の表層側にはデバイス層を設けることができる。デバイス層は、２次元電子ガスが発生する結晶性の高い層（チャネル層）、２次元電子ガスを発生させるための層（バリア層）、最表層にｃａｐ層を設けた構造とすることができる。バリア層はＡｌ組成を２０％程度のＡｌＧａＮを用いることができるが、例えばＩｎＧａＮ等も用いることができ、これに限定されない。ｃａｐ層は例えばＧａＮ層やＳｉＮ層とすることもでき、これに限定されない。また、これらのデバイス層の厚さやバリア層のＡｌ組成は、デバイスの設計によって変更される。
エピタキシャル成長の際、Ａｌ源としてＴＭＡｌ、Ｇａ源としてＴＭＧａ、Ｎ源としてＮＨ３を用いることができる。また、キャリアガスはＮ２およびＨ２、ないしはそのいずれかとし、プロセス温度は９００～１３００℃程度とすることができる。
エピタキシャル成長時にはＧａＮとＳｉの熱膨張係数差によってシリコン単結晶基板に応力が加わる。しかし本発明では、シリコン単結晶基板の炭素濃度を上記範囲とすることによって、この応力による塑性変形を防ぐことができる。したがって、窒化物半導体薄膜をより厚く成長させることが可能となり、デバイスの設計の自由度が向上する。
以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
ＣＺ法で直径１５０ｍｍ、軸方位＜１１１＞のシリコン単結晶を成長させた。このとき、炭素濃度８．６Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度５．６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように製造条件を調整した。円筒状のシリコンインゴットを作製し、６７５μｍ厚になるようにポリッシュドウェーハに加工してシリコン単結晶基板を準備した。
このシリコン単結晶基板を図２に示したようなＭＯＣＶＤ反応炉に載置し、シリコン単結晶基板上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよびＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜のエピタキシャル成長を行った。シリコン単結晶基板はサテライトと呼ばれるウェーハポケットに載置した。エピタキシャル成長の際、Ａｌ源としてＴＭＡｌ、Ｇａ源としてＴＭＧａ、Ｎ源としてＮＨ３を用いた。また、キャリアガスはＮ２およびＨ２のいずれも使用した。プロセス温度は９００～１３００℃程度とした。サテライトの上にシリコン単結晶基板を載置し、エピタキシャル成長を行う際、エピタキシャル層は基板側から成長方向に向かって順にＡｌＮ、ＡｌＧａＮを成膜し、その後ＧａＮをエピタキシャル成長させた。
エピタキシャル層の表層側にはデバイス層を設けた。デバイス層は、２次元電子ガスが発生する結晶性の高い層（チャネル層）を４００ｎｍ、２次元電子ガスを発生させるためのＡｌ組成が２０％のＡｌＧａＮからなるバリア層を２０ｎｍ形成した。最表層に３ｎｍのＧａＮからなるｃａｐ層を設けた構造とした。エピタキシャル成長させた窒化物半導体薄膜の総膜厚は６．５μｍとした。
エピタキシャル成長中に基板の反りをリアルタイムで測定し、応力により塑性変形する点（塑性変形する基板の曲率）を記録した。その結果を図３に示す。また、成膜後の窒化物半導体基板の反りを測定した。その結果を表１に示す。
（実施例２）
酸素濃度１．６Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度２．０Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度８．６Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のシリコンインゴットを作製し、実施例１と同様の形状に加工後、実施例１と同じ条件にて窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させた。測定についても、実施例１と同様の測定を実施し比較した。結果を図３及び表１に示す。
（比較例１）
酸素濃度１．６Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度２．０Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度ノンドープのシリコンインゴットを作製し、実施例１と同様の形状に加工後、実施例１と同じ条件にて窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させた。測定についても、実施例１と同様の測定を実施し比較した。結果を図３及び表１に示す。
（比較例２）
酸素濃度５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素ノンドープのシリコンインゴットを作製し、実施例１と同様の形状に加工後、実施例１と同じ条件にて窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させた。測定についても、実施例１と同様の測定を実施し、比較した。結果を図３及び表１に示す。
Figure 0007487726000001
図３に示すように、本発明である実施例１、２では、シリコン単結晶基板に所定量の炭素をドープしていることから、エピタキシャル成長中に塑性変形が起こらなかった。一方、シリコン単結晶基板に炭素をドープしていない比較例１、２では、エピタキシャル成長中に塑性変形が起こった。したがって表１に示されるように、実施例１、２では比較例１、２よりも反りの小さい窒化物半導体基板が得られた。特に炭素、酸素、窒素が所定量ドープされた実施例２は、なおいっそう反りが抑制されていることが分かる。
なお図３中、塑性変形する曲率が大きいほど、塑性変形に対して耐性がある（強度が強い）ことを意味する。また曲率がマイナスの場合は上に凸となり、プラスの場合は下に凸となることを意味する。
（実施例３、４、比較例３～６）
炭素濃度が以下の値となるように製造条件を変化させて、ＣＺ法で直径１５０ｍｍ、軸方位＜１１１＞のシリコン単結晶を成長させた。なお、酸素濃度は６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度でほぼ同じになるようにした。各インゴットを円筒状に加工し、６７５μｍ厚になるようにポリッシュドウェーハに加工してシリコン単結晶基板を準備した。
（比較例３）炭素濃度 １．７７Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
（比較例４）炭素濃度 ５．１ Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
（比較例５）炭素濃度 ９．１ Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
（比較例６）炭素濃度 ２．２１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
（実施例３）炭素濃度 ５．２ Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
（実施例４）炭素濃度 ７．９ Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
これらシリコン単結晶基板上に、実施例１と同じ条件にて窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長中に基板の反りをリアルタイムで測定し、応力により塑性変形する点（塑性変形する基板の曲率）を記録した。結果を図４に示す。
図４に示すように、本発明である実施例３、４では、シリコン単結晶基板に所定量の炭素をドープしていることから、エピタキシャル成長中に塑性変形が見られなかった（実施例３、４は塑性変形せずにＧａＮ成膜を完遂できたが、便宜上プロットしている）。一方、炭素のドープ量が少ない比較例３～６は、エピタキシャル成長中における塑性変形を抑制できていないことが分かる。特に、実施例３と比較例６から明らかなように炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上になると塑性変形しなくなることが判った。
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。
１…窒化物半導体基板、 １１…シリコン単結晶基板、 １２…窒化物半導体薄膜。

Claims (9)

  1. シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板であって、
    前記シリコン単結晶基板は、炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであることを特徴とする窒化物半導体基板。
  2. 前記シリコン単結晶基板は、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
  3. 前記シリコン単結晶基板は結晶面方位が（１１１）で抵抗率が１０００Ωｃｍ以上のものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体基板。
  4. 前記窒化物半導体薄膜は窒化ガリウムを含むものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板。
  5. シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板の製造方法であって、
    （１）炭素濃度が５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、２Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものであるシリコン単結晶基板を準備する工程、及び
    （２）前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体薄膜を形成する工程
    を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
  6. 前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、更に酸素濃度が５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものとすることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  7. 前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、ＣＺ法により作製されたものとすることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  8. 前記工程（１）で準備する前記シリコン単結晶基板を、結晶面方位が（１１１）で抵抗率が１０００Ωｃｍ以上のものとすることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  9. 前記工程（２）で形成する前記窒化物半導体薄膜を、窒化ガリウムを含むものとすることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
JP2021193940A 2021-11-30 2021-11-30 窒化物半導体基板及びその製造方法 Active JP7487726B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021193940A JP7487726B2 (ja) 2021-11-30 2021-11-30 窒化物半導体基板及びその製造方法
EP22900973.3A EP4442868A1 (en) 2021-11-30 2022-10-25 Nitride semiconductor substrate and method for producing same
PCT/JP2022/039792 WO2023100540A1 (ja) 2021-11-30 2022-10-25 窒化物半導体基板及びその製造方法
CN202280078328.8A CN118251519A (zh) 2021-11-30 2022-10-25 氮化物半导体基板及其制造方法
TW111141332A TW202340551A (zh) 2021-11-30 2022-10-31 氮化物半導體基板及其製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021193940A JP7487726B2 (ja) 2021-11-30 2021-11-30 窒化物半導体基板及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023080538A JP2023080538A (ja) 2023-06-09
JP7487726B2 true JP7487726B2 (ja) 2024-05-21

Family

ID=86611925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021193940A Active JP7487726B2 (ja) 2021-11-30 2021-11-30 窒化物半導体基板及びその製造方法

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4442868A1 (ja)
JP (1) JP7487726B2 (ja)
CN (1) CN118251519A (ja)
TW (1) TW202340551A (ja)
WO (1) WO2023100540A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024077071A (ja) * 2022-11-28 2024-06-07 信越半導体株式会社 ヘテロエピタキシャル用単結晶シリコン基板、エピタキシャル基板、半導体装置、及び、ヘテロエピタキシャル用単結晶シリコン基板の製造方法。

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012051774A (ja) 2010-09-03 2012-03-15 Covalent Materials Corp 化合物半導体基板
JP2014236093A (ja) 2013-05-31 2014-12-15 サンケン電気株式会社 シリコン系基板、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法
JP6866952B1 (ja) 2020-07-29 2021-04-28 信越半導体株式会社 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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012051774A (ja) 2010-09-03 2012-03-15 Covalent Materials Corp 化合物半導体基板
JP2014236093A (ja) 2013-05-31 2014-12-15 サンケン電気株式会社 シリコン系基板、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法
JP6866952B1 (ja) 2020-07-29 2021-04-28 信越半導体株式会社 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

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023080538A (ja) 2023-06-09
CN118251519A (zh) 2024-06-25
TW202340551A (zh) 2023-10-16
WO2023100540A1 (ja) 2023-06-08
EP4442868A1 (en) 2024-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4249184B2 (ja) 窒化物半導体成長用基板
JP2009507362A (ja) ネイティブ基板を含む高電子移動度電子デバイス構造およびそれらを製造するための方法
WO2015056714A1 (ja) ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板、および縦型窒化物半導体デバイス
JP2012142629A (ja) 炭化シリコン基板上のｉｉｉ族窒化物エピタキシャル層
JP6487989B2 (ja) １３族窒化物複合基板、半導体素子、および１３族窒化物複合基板の製造方法
JP2007518266A (ja) 半絶縁ｉｉｉ族窒化物においてフェルミ準位を制御するための同時ドーピング
WO2023231566A1 (zh) 半导体外延结构及其制备方法、半导体器件
JP2017208502A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体及びその製造方法
JP7487726B2 (ja) 窒化物半導体基板及びその製造方法
CN111063726A (zh) 一种Si基氮化镓器件的外延结构
EP4187576A1 (en) Heteroepitaxial structure with a diamond heat sink
JP5439675B2 (ja) 窒化物半導体形成用基板及び窒化物半導体
JP2004296701A (ja) エピタキシャル基板ならびに半導体装置および窒化物系半導体の結晶成長方法
US20230290835A1 (en) Nitride semiconductor wafer and method for producing nitride semiconductor wafer
CN111081762B (zh) 一种hemt器件的外延结构
US20240355620A1 (en) Nitride semiconductor substrate and manufacturing method therefor
JP6527667B2 (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
KR101384071B1 (ko) 질화물 반도체 기판, 이의 제조방법 및 질화물 반도체 기판을 구비하는 발광 다이오드
CN116798856B (zh) SiC基GaN外延结构的制备方法及结构、HBT的制备方法及HBT
JP2014192246A (ja) 半導体基板およびそれを用いた半導体素子
JPH0529653A (ja) 半導体素子
JP7388422B2 (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
EP4400636A1 (en) Method for manufacturing nitride semiconductor substrate
WO2022177503A1 (en) Semiconductor apparatus and method for fabricating thereof
KR100839224B1 (ko) ＧａＮ 후막의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221026

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230526

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20230526

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230801

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231205

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240125

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: 20240409

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240422

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7487726

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150