JPH11274079A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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- JPH11274079A JPH11274079A JP7985798A JP7985798A JPH11274079A JP H11274079 A JPH11274079 A JP H11274079A JP 7985798 A JP7985798 A JP 7985798A JP 7985798 A JP7985798 A JP 7985798A JP H11274079 A JPH11274079 A JP H11274079A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安価なＳｉ基板上に良質な窒化物半導体の結
晶薄膜をエピタキシャル成長させることができる良質な
中間層（バッファ層）を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板４を、たとえば１％のＨＦ水溶
液中に浸して化学洗浄を行い、Ｓｉ基板４の表面の自然
酸化膜５を除去するとともに水素終端面６を形成する。
次に、Ｓｉ基板４を分子線結晶成長（ＭＢＥ）装置内に
導入し、Ｓｉ基板４の表面に約２ｎｍの膜厚の単結晶Ｓ
ｉＣ薄膜７を、約１０-6Torrのエタノール（Ｃ2 Ｈ5 Ｏ
Ｈ）の雰囲気中で、Ｓｉ基板４を温度約９００℃、１５
分間の条件で加熱処理して形成する。次に、分子線結晶
成長法により、たとえば有機ガリウムガスおよびアンモ
ニア（ＮＨ3 ）を原料ガスとし、基板温度６００℃、反
応時間１時間で、５０ｎｍの厚さにＧａＮ膜８をエピタ
キシャル成長させる。
晶薄膜をエピタキシャル成長させることができる良質な
中間層（バッファ層）を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板４を、たとえば１％のＨＦ水溶
液中に浸して化学洗浄を行い、Ｓｉ基板４の表面の自然
酸化膜５を除去するとともに水素終端面６を形成する。
次に、Ｓｉ基板４を分子線結晶成長（ＭＢＥ）装置内に
導入し、Ｓｉ基板４の表面に約２ｎｍの膜厚の単結晶Ｓ
ｉＣ薄膜７を、約１０-6Torrのエタノール（Ｃ2 Ｈ5 Ｏ
Ｈ）の雰囲気中で、Ｓｉ基板４を温度約９００℃、１５
分間の条件で加熱処理して形成する。次に、分子線結晶
成長法により、たとえば有機ガリウムガスおよびアンモ
ニア（ＮＨ3 ）を原料ガスとし、基板温度６００℃、反
応時間１時間で、５０ｎｍの厚さにＧａＮ膜８をエピタ
キシャル成長させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造技術に関し、特に、基板との格子定数差の大き
い窒化物化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長さ
せる技術に適用して有効なものである。
その製造技術に関し、特に、基板との格子定数差の大き
い窒化物化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長さ
せる技術に適用して有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、１９９６年７月１０日、応用
物理学会発行、「応用物理第６５巻第７号」、ｐ６７６
〜ｐ６８６に記載されているように、発光ダイオード
（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や半導体レーザ（Ｌ
Ｄ：Laser Diode ）等に適用できる材料として、窒化物
半導体が注目されている。
物理学会発行、「応用物理第６５巻第７号」、ｐ６７６
〜ｐ６８６に記載されているように、発光ダイオード
（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や半導体レーザ（Ｌ
Ｄ：Laser Diode ）等に適用できる材料として、窒化物
半導体が注目されている。
【０００３】窒化物半導体としては、同文献に記載され
ているように、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、窒化インジュウム（ＩｎＮ）等、ＩＩ
Ｉ−Ｖ族窒化物系化合物半導体がある。これら窒化物半
導体は、バンドギャップが1.９５〜6.０ｅＶの範囲で変
化させることが可能であることから、赤色から紫外まで
の波長領域をカバーする発光素子への適用が期待でき
る。また、これら窒化物半導体は、高硬度、高融点、高
熱伝導度であるという特性に加えて、直接遷移型のバン
ド構造を有することから、高輝度、高効率な発光素子の
実現が期待される。
ているように、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、窒化インジュウム（ＩｎＮ）等、ＩＩ
Ｉ−Ｖ族窒化物系化合物半導体がある。これら窒化物半
導体は、バンドギャップが1.９５〜6.０ｅＶの範囲で変
化させることが可能であることから、赤色から紫外まで
の波長領域をカバーする発光素子への適用が期待でき
る。また、これら窒化物半導体は、高硬度、高融点、高
熱伝導度であるという特性に加えて、直接遷移型のバン
ド構造を有することから、高輝度、高効率な発光素子の
実現が期待される。
【０００４】窒化物半導体たとえばＧａＮは、融点が１
７００℃と高く、しかも窒素の平衡蒸気圧が高いため、
融液成長（バルク結晶成長）が困難である。このため、
前記文献に記載のように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）等
を成長基板とし、その上に結晶薄膜であるＧａＮをエピ
タキシャル成長させて形成される。エピタキシャル成長
法としては、ハライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法、
有機金属化学反応成長（ＭＯＣＶＤ）法、有機金属分子
線成長（ＭＯＭＢＥ）法、高周波誘起分子線成長（ＲＦ
−ＭＢＥ）法などが知られている。また、窒化物半導体
の成長基板としては、この他にヒ化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）など
が考え得る。
７００℃と高く、しかも窒素の平衡蒸気圧が高いため、
融液成長（バルク結晶成長）が困難である。このため、
前記文献に記載のように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）等
を成長基板とし、その上に結晶薄膜であるＧａＮをエピ
タキシャル成長させて形成される。エピタキシャル成長
法としては、ハライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法、
有機金属化学反応成長（ＭＯＣＶＤ）法、有機金属分子
線成長（ＭＯＭＢＥ）法、高周波誘起分子線成長（ＲＦ
−ＭＢＥ）法などが知られている。また、窒化物半導体
の成長基板としては、この他にヒ化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）など
が考え得る。
【０００５】このエピタキシャル成長の際、基板と成長
層たとえばＧａＮとの格子定数差（ミスフィット：ｆ）
に起因して成長層の結晶性が悪化し、不純物の導入によ
るｐ型あるいはｎ型の導電率制御が困難になることは周
知である。たとえば、ＧａＮを例にとれば、ＧａＮとＡ
ｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓ、Ｓｉなどのミスフィットｆは極め
て大きく１５％を越える。一方、ＳｉＣでは、前記文献
にも記載のとおり、窒化物半導体とのミスフィットｆは
小さく約２％である。このため、ＳｉＣ基板上に直接窒
化物半導体の結晶薄膜を成長することが可能である。
層たとえばＧａＮとの格子定数差（ミスフィット：ｆ）
に起因して成長層の結晶性が悪化し、不純物の導入によ
るｐ型あるいはｎ型の導電率制御が困難になることは周
知である。たとえば、ＧａＮを例にとれば、ＧａＮとＡ
ｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓ、Ｓｉなどのミスフィットｆは極め
て大きく１５％を越える。一方、ＳｉＣでは、前記文献
にも記載のとおり、窒化物半導体とのミスフィットｆは
小さく約２％である。このため、ＳｉＣ基板上に直接窒
化物半導体の結晶薄膜を成長することが可能である。
【０００６】ミスフィットｆが１０％を越えるような基
板（たとえばＡｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓ、Ｓｉ）と窒化物半
導体との組み合わせでは、前記文献に記載のとおり、基
板と成長層との間に適当な薄膜を挿入して、ミスフィッ
トｆの緩和をはかる手段が採られる。これにより良好な
エピタキシャル成長層を得ることが可能となる。
板（たとえばＡｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓ、Ｓｉ）と窒化物半
導体との組み合わせでは、前記文献に記載のとおり、基
板と成長層との間に適当な薄膜を挿入して、ミスフィッ
トｆの緩和をはかる手段が採られる。これにより良好な
エピタキシャル成長層を得ることが可能となる。
【０００７】前記したミスフィットｆが大きい基板の中
では、Ａｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓなどは、表面改質が比較的
容易であることが知られており、その表面層にバッファ
層を形成し、そのバッファ層上に良好な窒化物半導体の
結晶薄膜を成長できる。たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 基板上へ
の窒化物半導体薄膜の形成では、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶ
Ｄ、ＭＯＭＢＥあるいはＲＦ- ＭＢＥ法のいずれの成長
法においても窒素原料をＡｌ2 Ｏ3 基板表面に照射する
ことにより、Ａｌ2 Ｏ3 基板の表面上に極めて簿い窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成することができる。こ
のＡｌＮ膜を介して、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等窒化物
半導体の結晶薄膜がＡｌ2 Ｏ3 基板上に形成される。
では、Ａｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓなどは、表面改質が比較的
容易であることが知られており、その表面層にバッファ
層を形成し、そのバッファ層上に良好な窒化物半導体の
結晶薄膜を成長できる。たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 基板上へ
の窒化物半導体薄膜の形成では、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶ
Ｄ、ＭＯＭＢＥあるいはＲＦ- ＭＢＥ法のいずれの成長
法においても窒素原料をＡｌ2 Ｏ3 基板表面に照射する
ことにより、Ａｌ2 Ｏ3 基板の表面上に極めて簿い窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成することができる。こ
のＡｌＮ膜を介して、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等窒化物
半導体の結晶薄膜がＡｌ2 Ｏ3 基板上に形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、ＳｉＣ
基板上には直接、Ａｌ2 Ｏ3 基板またはＧａＡｓ基板上
にはＡｌＮ膜を介して、窒化物半導体の結晶薄膜が形成
される。しかし、Ｓｉ基板のように安価な基板を用いる
ことができればコスト競争力上都合がよい。
基板上には直接、Ａｌ2 Ｏ3 基板またはＧａＡｓ基板上
にはＡｌＮ膜を介して、窒化物半導体の結晶薄膜が形成
される。しかし、Ｓｉ基板のように安価な基板を用いる
ことができればコスト競争力上都合がよい。
【０００９】ところが、Ｓｉを基板として用いようとす
れば、窒素原科のＳｉ基板への照射によりＳｉ基板の表
面が非晶質化し、良好な単結晶の窒化物半導体薄膜の成
長は極めて困難である。したがって、Ｓｉ基板上に窒化
物半導体の結晶薄膜を成長するためには、前記したエピ
タキシャル成長法により、Ｓｉ基板上に数ミクロンの厚
さのＳｉＣ膜やＧａＡｓ膜をあらかじめ堆積し、このＳ
ｉＣ膜やＧａＡｓ膜を堆積した基板を用いて窒化物半導
体の結晶薄膜を堆積する必要がある。
れば、窒素原科のＳｉ基板への照射によりＳｉ基板の表
面が非晶質化し、良好な単結晶の窒化物半導体薄膜の成
長は極めて困難である。したがって、Ｓｉ基板上に窒化
物半導体の結晶薄膜を成長するためには、前記したエピ
タキシャル成長法により、Ｓｉ基板上に数ミクロンの厚
さのＳｉＣ膜やＧａＡｓ膜をあらかじめ堆積し、このＳ
ｉＣ膜やＧａＡｓ膜を堆積した基板を用いて窒化物半導
体の結晶薄膜を堆積する必要がある。
【００１０】しかし、このようなＳｉＣ膜やＧａＡｓ膜
をエピタキシャル成長させた基板を用いる方法では、エ
ピタキシャル成長工程が複数回にわたるため、製造工程
が複雑となる。
をエピタキシャル成長させた基板を用いる方法では、エ
ピタキシャル成長工程が複数回にわたるため、製造工程
が複雑となる。
【００１１】また、Ｓｉ基板上のＳｉＣ膜やＧａＡｓ膜
の膜厚が厚く、また、その品質が必ずしも十分でないた
め、その上に成長された窒化物半導体の結晶薄膜も不完
全な膜であるという欠点がある。
の膜厚が厚く、また、その品質が必ずしも十分でないた
め、その上に成長された窒化物半導体の結晶薄膜も不完
全な膜であるという欠点がある。
【００１２】さらに、従来のＡｌ2 Ｏ3 基板の（０００
１）面上にエピタキシャル成長されたＧａＮ等の窒化物
半導体は、その結晶構造が六方晶系となり、薄膜の加工
性、製造工程の容易性を考慮すれば、窒化物半導体の結
晶構造は立方晶系であることが好ましい。
１）面上にエピタキシャル成長されたＧａＮ等の窒化物
半導体は、その結晶構造が六方晶系となり、薄膜の加工
性、製造工程の容易性を考慮すれば、窒化物半導体の結
晶構造は立方晶系であることが好ましい。
【００１３】本発明の目的は、窒化物半導体の結晶薄膜
をＳｉ基板上にエピタキシャル成長させるに際し、Ｓｉ
基板表面の非晶質化を防止することにある。
をＳｉ基板上にエピタキシャル成長させるに際し、Ｓｉ
基板表面の非晶質化を防止することにある。
【００１４】本発明の他の目的は、Ｓｉ基板上に良質な
窒化物半導体の結晶薄膜をエピタキシャル成長させるこ
とができる良質な中間層（バッファ層）の技術を提供す
ることにある。
窒化物半導体の結晶薄膜をエピタキシャル成長させるこ
とができる良質な中間層（バッファ層）の技術を提供す
ることにある。
【００１５】本発明のさらに他の目的は、前記中間層の
形成工程を簡略化することにある。
形成工程を簡略化することにある。
【００１６】本発明のさらに他の目的は、Ｓｉ基板上に
良質な窒化物半導体の結晶薄膜を形成できる技術を提供
することにある。
良質な窒化物半導体の結晶薄膜を形成できる技術を提供
することにある。
【００１７】本発明のさらに他の目的は、立方晶系ある
いは六方晶系の何れかの結晶構造を任意に選択してＳｉ
基板上に窒化物半導体の結晶薄膜を形成できる技術を提
供することにある。
いは六方晶系の何れかの結晶構造を任意に選択してＳｉ
基板上に窒化物半導体の結晶薄膜を形成できる技術を提
供することにある。
【００１８】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。
【００２０】（１）本発明の半導体装置は、単結晶シリ
コン基板と、シリコン基板上の中間層と、中間層上にエ
ピタキシャル成長された窒化物半導体層とを有する半導
体装置であって、この中間層が、シリコン基板と窒化物
半導体層との格子定数差を緩和するとともに、エピタキ
シャル成長の際のシリコン基板の窒化によるアモルファ
ス化を抑制するものであることを特徴とする。
コン基板と、シリコン基板上の中間層と、中間層上にエ
ピタキシャル成長された窒化物半導体層とを有する半導
体装置であって、この中間層が、シリコン基板と窒化物
半導体層との格子定数差を緩和するとともに、エピタキ
シャル成長の際のシリコン基板の窒化によるアモルファ
ス化を抑制するものであることを特徴とする。
【００２１】このような半導体装置によれば、中間層の
存在により、安価なシリコン基板上に良質な窒化物半導
体層を形成することが可能となる。すなわち、中間層
は、シリコン基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩
和するとともにエピタキシャル成長の際のシリコン基板
表面のアモルファス化を抑制するものであるため、窒化
物半導体層のエピタキシャル成長を可能にし、格子定数
の不整合による窒化物半導体層の結晶性の悪化を防止す
る。
存在により、安価なシリコン基板上に良質な窒化物半導
体層を形成することが可能となる。すなわち、中間層
は、シリコン基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩
和するとともにエピタキシャル成長の際のシリコン基板
表面のアモルファス化を抑制するものであるため、窒化
物半導体層のエピタキシャル成長を可能にし、格子定数
の不整合による窒化物半導体層の結晶性の悪化を防止す
る。
【００２２】また、中間層は、結晶構造を有する炭化シ
リコン膜またはシリコンゲルマニウム膜とすることがで
きる。このように中間層を炭化シリコン膜またはシリコ
ンゲルマニウム膜の結晶薄膜とすることにより、格子定
数の不整合を緩和し、かつ、中間層のアモルファス化を
防止できる。
リコン膜またはシリコンゲルマニウム膜とすることがで
きる。このように中間層を炭化シリコン膜またはシリコ
ンゲルマニウム膜の結晶薄膜とすることにより、格子定
数の不整合を緩和し、かつ、中間層のアモルファス化を
防止できる。
【００２３】また、中間層の膜厚は１０ｎｍ以下とする
ことができる。これにより、中間層の表面平坦性を向上
して窒化物半導体層の結晶性を良好にできる。すなわ
ち、中間層の膜厚が厚くなると、中間層の表面形状の悪
化に起因して窒化物半導体層の結晶性が低下するが、中
間層の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより前記のよう
な不具合を抑制できる。
ことができる。これにより、中間層の表面平坦性を向上
して窒化物半導体層の結晶性を良好にできる。すなわ
ち、中間層の膜厚が厚くなると、中間層の表面形状の悪
化に起因して窒化物半導体層の結晶性が低下するが、中
間層の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより前記のよう
な不具合を抑制できる。
【００２４】また、シリコン基板の表面を（１００）面
と物理的に等価な表面とした場合には、中間層および窒
化物半導体層の結晶構造を立方晶系とすることができ、
また、シリコン基板の表面を（１１１）面と物理的に等
価な表面とした場合には、中間層および窒化物半導体層
の結晶構造を六方晶系とすることができる。このよう
に、本発明の半導体装置では、シリコン基板の表面の面
方位を選択することにより、窒化物半導体層の結晶構造
を、立方晶系あるいは六方晶系の何れかにすることがで
きる。窒化物半導体層の結晶構造を立方晶系とした場合
には、その加工性が向上し、製造工程を簡略化すること
が可能になる。
と物理的に等価な表面とした場合には、中間層および窒
化物半導体層の結晶構造を立方晶系とすることができ、
また、シリコン基板の表面を（１１１）面と物理的に等
価な表面とした場合には、中間層および窒化物半導体層
の結晶構造を六方晶系とすることができる。このよう
に、本発明の半導体装置では、シリコン基板の表面の面
方位を選択することにより、窒化物半導体層の結晶構造
を、立方晶系あるいは六方晶系の何れかにすることがで
きる。窒化物半導体層の結晶構造を立方晶系とした場合
には、その加工性が向上し、製造工程を簡略化すること
が可能になる。
【００２５】また、中間層と窒化物半導体層との格子定
数差は５％以下とすることができる。格子定数差が５％
以下であれば、良好な結晶性を有する窒化物半導体の結
晶薄膜をエピタキシャル成長により形成することが可能
となる。
数差は５％以下とすることができる。格子定数差が５％
以下であれば、良好な結晶性を有する窒化物半導体の結
晶薄膜をエピタキシャル成長により形成することが可能
となる。
【００２６】（２）本発明の半導体装置の製造方法は、
単結晶シリコンの基板上に窒化物半導体層をエピタキシ
ャル成長させる工程の前処理として、基板の主面上に基
板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和する単結晶薄
膜を形成するものである。
単結晶シリコンの基板上に窒化物半導体層をエピタキシ
ャル成長させる工程の前処理として、基板の主面上に基
板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和する単結晶薄
膜を形成するものである。
【００２７】このような半導体装置の製造方法によれ
ば、基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和する単
結晶薄膜を形成するため、単結晶シリコンの基板上に良
質な窒化物半導体層をエピタキシャル成長することがで
きる。また、単結晶の薄膜を形成するためシリコン基板
表面のアモルファス化を防止して窒化物半導体層のエピ
タキシャル成長を可能にすることができる。
ば、基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和する単
結晶薄膜を形成するため、単結晶シリコンの基板上に良
質な窒化物半導体層をエピタキシャル成長することがで
きる。また、単結晶の薄膜を形成するためシリコン基板
表面のアモルファス化を防止して窒化物半導体層のエピ
タキシャル成長を可能にすることができる。
【００２８】この単結晶薄膜は、炭素原子またはゲルマ
ニウム原子と水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲
気において基板を熱処理することにより形成することが
できる。このように、炭素原子またはゲルマニウム原子
と水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲気において
基板を熱処理することによりＳｉＣまたはＳｉＧｅの薄
膜が単結晶薄膜としてシリコン基板上に形成され、この
ＳｉＣまたはＳｉＧｅの単結晶薄膜を窒化物半導体層の
エピタキシャル成長の際の中間層（バッファ層）として
機能させる。これにより、シリコン基板上に良質な窒化
物半導体層をエピタキシャル成長することができる。ま
た、このように、シリコン基板上のＳｉＣまたはＳｉＧ
ｅの単結晶薄膜は、簡単な熱処理のみによって形成する
ことができ、従来技術のような複雑な工程を採用する必
要がない。これにより工程を簡略化することができる。
すなわち、単結晶薄膜の形成後に行う窒化物半導体層の
エピタキシャル成長の反応装置（反応槽）をそのまま用
いて単結晶薄膜の形成（前処理）を行うことができる。
ニウム原子と水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲
気において基板を熱処理することにより形成することが
できる。このように、炭素原子またはゲルマニウム原子
と水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲気において
基板を熱処理することによりＳｉＣまたはＳｉＧｅの薄
膜が単結晶薄膜としてシリコン基板上に形成され、この
ＳｉＣまたはＳｉＧｅの単結晶薄膜を窒化物半導体層の
エピタキシャル成長の際の中間層（バッファ層）として
機能させる。これにより、シリコン基板上に良質な窒化
物半導体層をエピタキシャル成長することができる。ま
た、このように、シリコン基板上のＳｉＣまたはＳｉＧ
ｅの単結晶薄膜は、簡単な熱処理のみによって形成する
ことができ、従来技術のような複雑な工程を採用する必
要がない。これにより工程を簡略化することができる。
すなわち、単結晶薄膜の形成後に行う窒化物半導体層の
エピタキシャル成長の反応装置（反応槽）をそのまま用
いて単結晶薄膜の形成（前処理）を行うことができる。
【００２９】また、熱処理の条件は、基板の温度が７０
０℃〜１３００℃の範囲、処理時間を１秒〜１時間の範
囲とすることができる。この条件により、シリコン基板
上のＳｉＣまたはＳｉＧｅの単結晶薄膜の膜厚を１０ｎ
ｍ以下にして、窒化物半導体層の結晶性を良好にするこ
とができる。
０℃〜１３００℃の範囲、処理時間を１秒〜１時間の範
囲とすることができる。この条件により、シリコン基板
上のＳｉＣまたはＳｉＧｅの単結晶薄膜の膜厚を１０ｎ
ｍ以下にして、窒化物半導体層の結晶性を良好にするこ
とができる。
【００３０】また、単結晶薄膜の形成前に、基板を水素
を含む酸性溶液で処理することができる。これにより、
単結晶薄膜の形成前のシリコン基板の表面を水素原子で
終端し、その清浄度を保持することができる。
を含む酸性溶液で処理することができる。これにより、
単結晶薄膜の形成前のシリコン基板の表面を水素原子で
終端し、その清浄度を保持することができる。
【００３１】また、窒化物半導体層は、ハライド気相エ
ピタキシ法、有機金属化学反応成長法、有機金属分子線
成長法、または、窒素ラジカル源を用いた分子線エピタ
キシ法を用いて形成することができる。すなわち、本発
明の単結晶薄膜（中間層）を用いれば、特に窒化物半導
体層の形成方法を限定する必要なく、あらゆるエピタキ
シャル成長法を採用することが可能である。
ピタキシ法、有機金属化学反応成長法、有機金属分子線
成長法、または、窒素ラジカル源を用いた分子線エピタ
キシ法を用いて形成することができる。すなわち、本発
明の単結晶薄膜（中間層）を用いれば、特に窒化物半導
体層の形成方法を限定する必要なく、あらゆるエピタキ
シャル成長法を採用することが可能である。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。
に基づいて詳細に説明する。
【００３３】（実施の形態１）図１は、本実施の形態の
半導体装置のシリコン基板上に窒化ガリウム膜を堆積す
るまでの工程を示した断面図である。
半導体装置のシリコン基板上に窒化ガリウム膜を堆積す
るまでの工程を示した断面図である。
【００３４】本実施の形態では、代表的な窒化物半導体
層の例として、Ｓｉ基板上に窒化ガリウム膜をへテロエ
ピタキシャル成長させる工程について説明する。
層の例として、Ｓｉ基板上に窒化ガリウム膜をへテロエ
ピタキシャル成長させる工程について説明する。
【００３５】まず、（００１）の面方位を持つＳｉ基板
４を用意し、表面を適当な方法により化学洗浄する（図
１（ａ））。この状態では、Ｓｉ基板４の表面には自然
酸化膜５が形成されている。
４を用意し、表面を適当な方法により化学洗浄する（図
１（ａ））。この状態では、Ｓｉ基板４の表面には自然
酸化膜５が形成されている。
【００３６】次に、Ｓｉ基板４を、たとえば１％のＨＦ
水溶液中に浸して化学洗浄を行う（図１（ｂ））。これ
によって、Ｓｉ基板４の表面の自然酸化膜５を除去する
とともに、表面シリコン原子の結合手が水素で終端され
た水素終端面６を形成する。この水素終端面６は、Ｓｉ
基板４の表面の清浄度を保持し、一種の保護膜として機
能する。
水溶液中に浸して化学洗浄を行う（図１（ｂ））。これ
によって、Ｓｉ基板４の表面の自然酸化膜５を除去する
とともに、表面シリコン原子の結合手が水素で終端され
た水素終端面６を形成する。この水素終端面６は、Ｓｉ
基板４の表面の清浄度を保持し、一種の保護膜として機
能する。
【００３７】次に、Ｓｉ基板４を分子線結晶成長（ＭＢ
Ｅ）装置内に導入し、Ｓｉ基板４の表面に約２ｎｍの膜
厚の単結晶ＳｉＣ薄膜７を形成する（図１（ｃ））。単
結晶ＳｉＣ薄膜７の形成は、たとえば、約１０-6Torrの
エタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の雰囲気中で、Ｓｉ基板４
を温度約９００℃、１５分間の条件で加熱処理して形成
する。
Ｅ）装置内に導入し、Ｓｉ基板４の表面に約２ｎｍの膜
厚の単結晶ＳｉＣ薄膜７を形成する（図１（ｃ））。単
結晶ＳｉＣ薄膜７の形成は、たとえば、約１０-6Torrの
エタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の雰囲気中で、Ｓｉ基板４
を温度約９００℃、１５分間の条件で加熱処理して形成
する。
【００３８】このような単結晶ＳｉＣ薄膜７は、次工程
で形成されるＧａＮ膜８の格子定数とＳｉ基板４の格子
定数との差（ミスフィットｆ）を緩和するものである。
すなわち、Ｓｉ基板４上に直接ＧａＮ膜８を堆積しよう
とする場合には、ミスフィットｆは１５％以上となり、
良質なＧａＮ膜のエピタキシャル成長は期待できない
が、単結晶ＳｉＣ薄膜７とＧａＮ膜８とのミスフィット
ｆは約２％となって、結晶性の良好なＧａＮ膜８をＳｉ
基板４上に形成することが可能となる。
で形成されるＧａＮ膜８の格子定数とＳｉ基板４の格子
定数との差（ミスフィットｆ）を緩和するものである。
すなわち、Ｓｉ基板４上に直接ＧａＮ膜８を堆積しよう
とする場合には、ミスフィットｆは１５％以上となり、
良質なＧａＮ膜のエピタキシャル成長は期待できない
が、単結晶ＳｉＣ薄膜７とＧａＮ膜８とのミスフィット
ｆは約２％となって、結晶性の良好なＧａＮ膜８をＳｉ
基板４上に形成することが可能となる。
【００３９】また、単結晶ＳｉＣ薄膜７は、次工程のＧ
ａＮ膜８の堆積によるＳｉ基板４表面のアモルファス化
を防止する機能を有する。これにより、Ｓｉ基板４表面
のアモルファス化に起因するＧａＮ膜８のエピタキシャ
ル成長の困難性を回避できる。すなわち、アモルファス
化の阻止およびミスフィットｆの緩和の効果が相まっ
て、安価なＳｉ基板４上に良質なＧａＮ膜８を形成する
ことが可能となる。
ａＮ膜８の堆積によるＳｉ基板４表面のアモルファス化
を防止する機能を有する。これにより、Ｓｉ基板４表面
のアモルファス化に起因するＧａＮ膜８のエピタキシャ
ル成長の困難性を回避できる。すなわち、アモルファス
化の阻止およびミスフィットｆの緩和の効果が相まっ
て、安価なＳｉ基板４上に良質なＧａＮ膜８を形成する
ことが可能となる。
【００４０】このように、良質なＧａＮ膜８をＳｉ基板
４上に形成できるのは、単結晶ＳｉＣ薄膜７が良質な単
結晶薄膜であることに基づくが、本発明者の検討によれ
ば、以下ようなメカニズムにより単結晶ＳｉＣ薄膜７が
形成されると考えられる。すなわち、Ｓｉ基板４の表面
は水素終端面６で被覆されているため清浄表面が保持さ
れており、また、前記熱処理によってエタノール中の炭
素と水素終端面６の水素とが置換される反応が生じ、Ｓ
ｉ基板４の表面に極く薄い（約２ｎｍ）ＳｉＣ薄膜が形
成される。このような極く薄いＳｉＣ薄膜は、ＣＶＤ等
堆積反応により形成されるものではなく、Ｓｉ基板４の
表面での付着、置換反応により形成されるものであるた
め、Ｓｉ基板４の結晶性を反映した良質な単結晶薄膜と
して形成される。
４上に形成できるのは、単結晶ＳｉＣ薄膜７が良質な単
結晶薄膜であることに基づくが、本発明者の検討によれ
ば、以下ようなメカニズムにより単結晶ＳｉＣ薄膜７が
形成されると考えられる。すなわち、Ｓｉ基板４の表面
は水素終端面６で被覆されているため清浄表面が保持さ
れており、また、前記熱処理によってエタノール中の炭
素と水素終端面６の水素とが置換される反応が生じ、Ｓ
ｉ基板４の表面に極く薄い（約２ｎｍ）ＳｉＣ薄膜が形
成される。このような極く薄いＳｉＣ薄膜は、ＣＶＤ等
堆積反応により形成されるものではなく、Ｓｉ基板４の
表面での付着、置換反応により形成されるものであるた
め、Ｓｉ基板４の結晶性を反映した良質な単結晶薄膜と
して形成される。
【００４１】また、単結晶ＳｉＣ薄膜７は、前記のよう
な簡単な熱処理によりＳｉ基板４の表面に形成され、し
かも、熱処理はＧａＮ膜８を形成するための分子線結晶
成長（ＭＢＥ）装置内で行われる。これにより、独立し
た熱処理装置における工程としてではなく、次工程の分
子線結晶成長工程の前処理として簡便に単結晶ＳｉＣ薄
膜７を形成することができる。この結果、Ｓｉ基板４上
に厚いＳｉＣ膜あるいはＧａＡｓ膜をエピタキシャル成
長させるような複雑な工程を採用することなく、簡便な
熱処理工程により安価なＳｉ基板４上に良質なＧａＮ膜
８を形成できる。
な簡単な熱処理によりＳｉ基板４の表面に形成され、し
かも、熱処理はＧａＮ膜８を形成するための分子線結晶
成長（ＭＢＥ）装置内で行われる。これにより、独立し
た熱処理装置における工程としてではなく、次工程の分
子線結晶成長工程の前処理として簡便に単結晶ＳｉＣ薄
膜７を形成することができる。この結果、Ｓｉ基板４上
に厚いＳｉＣ膜あるいはＧａＡｓ膜をエピタキシャル成
長させるような複雑な工程を採用することなく、簡便な
熱処理工程により安価なＳｉ基板４上に良質なＧａＮ膜
８を形成できる。
【００４２】なお、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚として２
ｎｍ程度の場合を例示したが、単結晶ＳｉＣ薄膜７がＳ
ｉ基板４上に均一な膜として形成される限り、さらに薄
くても（単原子層程度の膜厚でも）かまわない。本発明
者の実験検討によれば、現実に市販あるいは製造できる
シリコンウェハを使用する限り、２ｎｍ程度の膜厚は必
要である。これは、単結晶ＳｉＣ薄膜７が必ずしも１原
子層ずつ形成されるわけではなく、島状に形成されるた
め、２ｎｍ程度の膜厚にならなければＳｉ基板４の表面
を全て覆う膜にはならないためである。ただし、本発明
は、この２ｎｍ以上の膜厚に限定されるわけではなく、
単結晶ＳｉＣ薄膜７が膜として形成される限り、単原子
層程度の膜厚でもかまわないことは前記のとおりであ
る。
ｎｍ程度の場合を例示したが、単結晶ＳｉＣ薄膜７がＳ
ｉ基板４上に均一な膜として形成される限り、さらに薄
くても（単原子層程度の膜厚でも）かまわない。本発明
者の実験検討によれば、現実に市販あるいは製造できる
シリコンウェハを使用する限り、２ｎｍ程度の膜厚は必
要である。これは、単結晶ＳｉＣ薄膜７が必ずしも１原
子層ずつ形成されるわけではなく、島状に形成されるた
め、２ｎｍ程度の膜厚にならなければＳｉ基板４の表面
を全て覆う膜にはならないためである。ただし、本発明
は、この２ｎｍ以上の膜厚に限定されるわけではなく、
単結晶ＳｉＣ薄膜７が膜として形成される限り、単原子
層程度の膜厚でもかまわないことは前記のとおりであ
る。
【００４３】また、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚は、１０
ｎｍ以下であることが好ましい。本発明者の実験検討に
よれば、単結晶ＳｉＣ薄膜７の形成は、前記のとおり炭
素原子の付着、および水素原子との置換反応が生じるこ
とにより形成されるが、シリコン原子はＳｉ基板４から
供給されることとなる。このシリコン原子の供給は、必
ずしもＳｉ基板４から均一に供給されるわけではなく、
ある特定の領域から選択的に（不均一に）供給される傾
向がある。このため、この特定の領域にはピット状の凹
部が形成され、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚が厚くなる
と、この凹部が拡大して単結晶ＳｉＣ薄膜７の表面モル
フォロジーが劣化する。これは、単結晶ＳｉＣ薄膜７の
結晶性の劣化をも意味する。本発明者の検討によれば、
許容できる単結晶ＳｉＣ薄膜７の凹凸のレベルは、単結
晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚が１０ｎｍに相当する程度であ
る。このため、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚は１０ｎｍ以
下であることが好ましいことになる。
ｎｍ以下であることが好ましい。本発明者の実験検討に
よれば、単結晶ＳｉＣ薄膜７の形成は、前記のとおり炭
素原子の付着、および水素原子との置換反応が生じるこ
とにより形成されるが、シリコン原子はＳｉ基板４から
供給されることとなる。このシリコン原子の供給は、必
ずしもＳｉ基板４から均一に供給されるわけではなく、
ある特定の領域から選択的に（不均一に）供給される傾
向がある。このため、この特定の領域にはピット状の凹
部が形成され、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚が厚くなる
と、この凹部が拡大して単結晶ＳｉＣ薄膜７の表面モル
フォロジーが劣化する。これは、単結晶ＳｉＣ薄膜７の
結晶性の劣化をも意味する。本発明者の検討によれば、
許容できる単結晶ＳｉＣ薄膜７の凹凸のレベルは、単結
晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚が１０ｎｍに相当する程度であ
る。このため、単結晶ＳｉＣ薄膜７の膜厚は１０ｎｍ以
下であることが好ましいことになる。
【００４４】次に、分子線結晶成長法によりＧａＮ膜８
を堆積する（図１（ｄ））。ＧａＮ膜８の堆積は、たと
えば有機ガリウムガスおよびアンモニア（ＮＨ3 ）を原
料ガスとし、基板温度６００℃、反応時間１時間で、５
０ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させる。成長速度
は、約５０ｎｍ／ｈである。このようにして、図示する
ようなＧａＮのヘテロエピタキシャル成長膜を製造す
る。
を堆積する（図１（ｄ））。ＧａＮ膜８の堆積は、たと
えば有機ガリウムガスおよびアンモニア（ＮＨ3 ）を原
料ガスとし、基板温度６００℃、反応時間１時間で、５
０ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させる。成長速度
は、約５０ｎｍ／ｈである。このようにして、図示する
ようなＧａＮのヘテロエピタキシャル成長膜を製造す
る。
【００４５】本工程では、前記した前処理により単結晶
ＳｉＣ薄膜７が形成されているため、ＧａＮ膜８の反応
ガスであるアンモニアによりＳｉ基板４の表面が窒化さ
れてアモルファス化されることがない。また、ミスフィ
ットｆが緩和されている単結晶ＳｉＣ薄膜７が形成され
ているため、Ｓｉ基板４上に形成されたＧａＮ膜８であ
っても、その結晶性は良好にすることができる。したが
って、ＧａＮ膜８あるいはその上層に形成される窒化物
半導体層への不純物導入によるｐ型あるいはｎ型の導電
率制御が可能であり、高効率かつ高性能な素子に適用す
ることが可能である。
ＳｉＣ薄膜７が形成されているため、ＧａＮ膜８の反応
ガスであるアンモニアによりＳｉ基板４の表面が窒化さ
れてアモルファス化されることがない。また、ミスフィ
ットｆが緩和されている単結晶ＳｉＣ薄膜７が形成され
ているため、Ｓｉ基板４上に形成されたＧａＮ膜８であ
っても、その結晶性は良好にすることができる。したが
って、ＧａＮ膜８あるいはその上層に形成される窒化物
半導体層への不純物導入によるｐ型あるいはｎ型の導電
率制御が可能であり、高効率かつ高性能な素子に適用す
ることが可能である。
【００４６】なお、ここでは、分子線結晶成長法により
ＧａＮ膜８を形成する例を示したが、他のエピタキシャ
ル成長法、たとえばハライド気相エピタキシ法、有機金
属化学反応成長法、または、窒素ラジカル源を用いた分
子線エピタキシ法を用いて形成することができる。
ＧａＮ膜８を形成する例を示したが、他のエピタキシャ
ル成長法、たとえばハライド気相エピタキシ法、有機金
属化学反応成長法、または、窒素ラジカル源を用いた分
子線エピタキシ法を用いて形成することができる。
【００４７】この後、任意のＧａＮ系の化合物半導体層
を形成し、ダブルヘテロ構造のＬＥＤ、単一量子井戸
（ＳＱＷ）構造のＬＥＤ、あるいは、多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ）構造のＬＤ等を形成できる。
を形成し、ダブルヘテロ構造のＬＥＤ、単一量子井戸
（ＳＱＷ）構造のＬＥＤ、あるいは、多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ）構造のＬＤ等を形成できる。
【００４８】本実施の形態の半導体装置の製造方法を用
いれば、安価なＳｉ基板４上に良好な結晶性を有するＧ
ａＮ膜８を簡便に形成することができる。
いれば、安価なＳｉ基板４上に良好な結晶性を有するＧ
ａＮ膜８を簡便に形成することができる。
【００４９】図２および図３は、本実施の形態により形
成されたＧａＮ膜の結晶評価結果を示し、図２は、反射
高エネルギ電子線回折（ＲＨＥＥＤ）図形の観察を行っ
たパターン写真であり、図３は、透過電子顕微鏡により
観察した界面部分の断面写真である。
成されたＧａＮ膜の結晶評価結果を示し、図２は、反射
高エネルギ電子線回折（ＲＨＥＥＤ）図形の観察を行っ
たパターン写真であり、図３は、透過電子顕微鏡により
観察した界面部分の断面写真である。
【００５０】反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）図形の観察は、ＧａＮ膜８の成長後、ＭＢＥ装置内
でを行ったものである。この結果の解析から明らかなよ
うに、ヘテロエピタキシャル成長されたＧａＮ膜８は、
立方晶（zinc-blend）型の結晶構造を有する単結晶体で
あることがわかる。
Ｄ）図形の観察は、ＧａＮ膜８の成長後、ＭＢＥ装置内
でを行ったものである。この結果の解析から明らかなよ
うに、ヘテロエピタキシャル成長されたＧａＮ膜８は、
立方晶（zinc-blend）型の結晶構造を有する単結晶体で
あることがわかる。
【００５１】また、図３に示す断面写真は、前記Ｓｉ基
板４をＭＢＥ室より取り出し、断面透過電子顕微鏡によ
りＧａＮ膜８の界面部分を観察した結果であり、図に示
すように、ヘテロエピタキシャル成長膜であるＧａＮ膜
８とＳｉ基板４との界面に約２ｎｍの厚さを持つＳｉＣ
が形成されていること、および、Ｓｉ基板４の表面には
非晶質層の形成が見られないことがわかる。これらの観
察結果から明らかなように、ＧａＮ膜８をエピタキシャ
ル成長する際の窒素原料照射による損傷は、先に形成し
た単結晶ＳｉＣ薄膜７によって阻止されていることがわ
かる。なお、単結晶ＳｉＣ薄膜７は、反射高エネルギー
電子線回折により単結晶であることが確認されている。
板４をＭＢＥ室より取り出し、断面透過電子顕微鏡によ
りＧａＮ膜８の界面部分を観察した結果であり、図に示
すように、ヘテロエピタキシャル成長膜であるＧａＮ膜
８とＳｉ基板４との界面に約２ｎｍの厚さを持つＳｉＣ
が形成されていること、および、Ｓｉ基板４の表面には
非晶質層の形成が見られないことがわかる。これらの観
察結果から明らかなように、ＧａＮ膜８をエピタキシャ
ル成長する際の窒素原料照射による損傷は、先に形成し
た単結晶ＳｉＣ薄膜７によって阻止されていることがわ
かる。なお、単結晶ＳｉＣ薄膜７は、反射高エネルギー
電子線回折により単結晶であることが確認されている。
【００５２】（実施の形態２）実施の形態１において
は、エタノール雰囲気での単結晶ＳｉＣ薄膜７の形成の
例について説明したが、エタノール雰囲気以外でも、ア
セチレン、エチレン等の炭化水素系ガス雰囲気中におい
ても単結晶のＳｉＣ薄膜が形成される。すなわち、熱処
理による単結晶ＳｉＣ薄膜の形成に必要な雰囲気は、少
なくとも炭素および水素を含む分子雰囲気によって実現
できる。ここで、エタノールのように酸素を含む分子で
あっても単結晶ＳｉＣ薄膜の形成には特に影響が生じな
いことは本発明者により確認されている。また、炭化水
素系ガスにおいても炭素の結合様式（すなわち、一重結
合であるか二重結合であるか）も単結晶ＳｉＣ薄膜の形
成には特に影響しない。
は、エタノール雰囲気での単結晶ＳｉＣ薄膜７の形成の
例について説明したが、エタノール雰囲気以外でも、ア
セチレン、エチレン等の炭化水素系ガス雰囲気中におい
ても単結晶のＳｉＣ薄膜が形成される。すなわち、熱処
理による単結晶ＳｉＣ薄膜の形成に必要な雰囲気は、少
なくとも炭素および水素を含む分子雰囲気によって実現
できる。ここで、エタノールのように酸素を含む分子で
あっても単結晶ＳｉＣ薄膜の形成には特に影響が生じな
いことは本発明者により確認されている。また、炭化水
素系ガスにおいても炭素の結合様式（すなわち、一重結
合であるか二重結合であるか）も単結晶ＳｉＣ薄膜の形
成には特に影響しない。
【００５３】次に、炭化水素系ガス雰囲気中における単
結晶ＳｉＣ薄膜の形成の際に、熱処理温度および処理圧
力が単結晶ＳｉＣ薄膜の膜厚にどのように影響するかに
ついて表１を用いて説明する。
結晶ＳｉＣ薄膜の形成の際に、熱処理温度および処理圧
力が単結晶ＳｉＣ薄膜の膜厚にどのように影響するかに
ついて表１を用いて説明する。
【００５４】
【表１】
【００５５】表１は、反応時間１０分における単結晶Ｓ
ｉＣ薄膜の膜厚を熱処理の温度および処理雰囲気の圧力
の相違について示した実験の結果表である。なお、膜厚
の単位はオングストロームである。
ｉＣ薄膜の膜厚を熱処理の温度および処理雰囲気の圧力
の相違について示した実験の結果表である。なお、膜厚
の単位はオングストロームである。
【００５６】圧力が高いほど単結晶ＳｉＣ薄膜の膜厚は
厚くなり、また、処理の温度が高いほど単結晶ＳｉＣ薄
膜の膜厚は厚くなる傾向にある。また、圧力が低く、温
度が低い領域では、単結晶ＳｉＣ薄膜が形成されない領
域（表中「−−」で示す）が存在する。このように、単
結晶ＳｉＣ薄膜の形成速度は圧力および時間に依存する
ことから反応時間を調整して所定の膜厚を得ることがで
きる。ただし、膜厚は、それが２０ｎｍ以下である場合
には反応時間に対して直線的に大きくなるが、２０ｎｍ
以上になると基板からのシリコンの供給がされず膜厚は
飽和する。膜厚が飽和する時間は、５×１０-5Ｔｏｒｒ
の場合で約１０分、５×１０-6Ｔｏｒｒの場合で約２０
分、５×１０-7Ｔｏｒｒの場合で約６０分である。
厚くなり、また、処理の温度が高いほど単結晶ＳｉＣ薄
膜の膜厚は厚くなる傾向にある。また、圧力が低く、温
度が低い領域では、単結晶ＳｉＣ薄膜が形成されない領
域（表中「−−」で示す）が存在する。このように、単
結晶ＳｉＣ薄膜の形成速度は圧力および時間に依存する
ことから反応時間を調整して所定の膜厚を得ることがで
きる。ただし、膜厚は、それが２０ｎｍ以下である場合
には反応時間に対して直線的に大きくなるが、２０ｎｍ
以上になると基板からのシリコンの供給がされず膜厚は
飽和する。膜厚が飽和する時間は、５×１０-5Ｔｏｒｒ
の場合で約１０分、５×１０-6Ｔｏｒｒの場合で約２０
分、５×１０-7Ｔｏｒｒの場合で約６０分である。
【００５７】なお、ここでは、温度が８５０℃〜９５０
℃の場合を例示しているが、反応圧力の選択により７０
０〜１３００℃の温度範囲で単結晶ＳｉＣ薄膜が形成で
きることを確認している。また、単結晶ＳｉＣ薄膜の膜
厚は２０ｎｍ程度まで形成できることは前記のとおりで
あるが、その最適膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であ
る。したがって、前記実験結果を基にして最適膜厚を選
択し、反応時間は１秒〜１時間の範囲とすることができ
る。
℃の場合を例示しているが、反応圧力の選択により７０
０〜１３００℃の温度範囲で単結晶ＳｉＣ薄膜が形成で
きることを確認している。また、単結晶ＳｉＣ薄膜の膜
厚は２０ｎｍ程度まで形成できることは前記のとおりで
あるが、その最適膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であ
る。したがって、前記実験結果を基にして最適膜厚を選
択し、反応時間は１秒〜１時間の範囲とすることができ
る。
【００５８】（実施の形態３）図４は、本発明の他の実
施の形態である発光ダイオードの一例を示した断面図で
ある。本実施の形態３の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、
単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有し、単結晶シリコン基
板１１上に、実施の形態１および２で説明したような単
結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮ障壁層
１３、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ障壁層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６を有し、ｎ
型ＧａＮ障壁層１３に接してｎ電極１７、ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１６に接してｐ電極１８が形成されている。
施の形態である発光ダイオードの一例を示した断面図で
ある。本実施の形態３の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、
単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有し、単結晶シリコン基
板１１上に、実施の形態１および２で説明したような単
結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮ障壁層
１３、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ障壁層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６を有し、ｎ
型ＧａＮ障壁層１３に接してｎ電極１７、ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１６に接してｐ電極１８が形成されている。
【００５９】このようなＬＥＤでは、単結晶シリコン基
板１１を用いて安価に構成することができ、また、単結
晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２を単結晶シリコン基板
１１とｎ型ＧａＮ障壁層１３との界面に形成しているた
め、ｎ型ＧａＮ障壁層１３およびその上層に形成される
アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ障壁
層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の結晶性を良好に
形成できる。この結果、活性層であるアンドープＩｎＧ
ａＮ井戸層１４等の結晶性を良好にして、高効率かつ高
品質なＬＥＤを構成できる。
板１１を用いて安価に構成することができ、また、単結
晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２を単結晶シリコン基板
１１とｎ型ＧａＮ障壁層１３との界面に形成しているた
め、ｎ型ＧａＮ障壁層１３およびその上層に形成される
アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ障壁
層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の結晶性を良好に
形成できる。この結果、活性層であるアンドープＩｎＧ
ａＮ井戸層１４等の結晶性を良好にして、高効率かつ高
品質なＬＥＤを構成できる。
【００６０】なお、単結晶シリコン基板１１上に単結晶
ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２およびｎ型ＧａＮ障壁層
１３を形成する方法は、実施の形態１または２の単結晶
ＳｉＣ薄膜７およびＧａＮ膜８を形成する場合と同様で
ある。また、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型Ａ
ｌＧａＮ障壁層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の形
成は、ｎ型ＧａＮ障壁層１３と同様にＭＢＥ法を用いて
行うことができる。
ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２およびｎ型ＧａＮ障壁層
１３を形成する方法は、実施の形態１または２の単結晶
ＳｉＣ薄膜７およびＧａＮ膜８を形成する場合と同様で
ある。また、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１４、ｐ型Ａ
ｌＧａＮ障壁層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の形
成は、ｎ型ＧａＮ障壁層１３と同様にＭＢＥ法を用いて
行うことができる。
【００６１】（実施の形態４）図５は、本発明のさらに
他の実施の形態である半導体レーザの一例を示した断面
図である。本実施の形態４の半導体レーザ（ＬＤ）は、
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、単結晶シリコン基
板１１上に、実施の形態１および２で説明したような単
結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮコンタ
クト層１９、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層２０、ｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｎ型ＧａＮガイド層２２、
ＩｎＧａＮ発光層２３、ｐ型ＡｌＧａＮ内部クラッド層
２４、ｐ型ＧａＮガイド層２５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７を有し、ｎ
型ＧａＮコンタクト層１９に接してｎ電極２８、ｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層２７に接してｐ電極２９が形成されて
いる。
他の実施の形態である半導体レーザの一例を示した断面
図である。本実施の形態４の半導体レーザ（ＬＤ）は、
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、単結晶シリコン基
板１１上に、実施の形態１および２で説明したような単
結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮコンタ
クト層１９、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層２０、ｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｎ型ＧａＮガイド層２２、
ＩｎＧａＮ発光層２３、ｐ型ＡｌＧａＮ内部クラッド層
２４、ｐ型ＧａＮガイド層２５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層２６およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７を有し、ｎ
型ＧａＮコンタクト層１９に接してｎ電極２８、ｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層２７に接してｐ電極２９が形成されて
いる。
【００６２】このようなＬＤでは、実施の形態３と同様
に、単結晶シリコン基板１１を用いて安価に構成するこ
とができ、また、単結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２
を単結晶シリコン基板１１とｎ型ＧａＮコンタクト層１
９との界面に形成しているため、ｎ型ＧａＮコンタクト
層１９およびその上層に形成されるｎ型ＩｎＧａＮクラ
ック防止層２０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｎ型
ＧａＮガイド層２２、ＩｎＧａＮ発光層２３、ｐ型Ａｌ
ＧａＮ内部クラッド層２４、ｐ型ＧａＮガイド層２５、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６およびｐ型ＧａＮコンタ
クト層２７の結晶性を良好に形成できる。この結果、Ｍ
ＱＷ層であるＩｎＧａＮ発光層２３等の結晶性を良好に
して、高効率かつ高品質なＬＤを構成できる。
に、単結晶シリコン基板１１を用いて安価に構成するこ
とができ、また、単結晶ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２
を単結晶シリコン基板１１とｎ型ＧａＮコンタクト層１
９との界面に形成しているため、ｎ型ＧａＮコンタクト
層１９およびその上層に形成されるｎ型ＩｎＧａＮクラ
ック防止層２０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｎ型
ＧａＮガイド層２２、ＩｎＧａＮ発光層２３、ｐ型Ａｌ
ＧａＮ内部クラッド層２４、ｐ型ＧａＮガイド層２５、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６およびｐ型ＧａＮコンタ
クト層２７の結晶性を良好に形成できる。この結果、Ｍ
ＱＷ層であるＩｎＧａＮ発光層２３等の結晶性を良好に
して、高効率かつ高品質なＬＤを構成できる。
【００６３】なお、単結晶シリコン基板１１上に単結晶
ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮコンタクト
層１９等を形成する方法は実施の形態３と同様である。
また、ｎ型ＧａＮコンタクト層１９等の形成は、実施の
形態３と同様にＭＢＥ法を用いて行うことができる。
ＳｉＣ薄膜からなる中間層１２、ｎ型ＧａＮコンタクト
層１９等を形成する方法は実施の形態３と同様である。
また、ｎ型ＧａＮコンタクト層１９等の形成は、実施の
形態３と同様にＭＢＥ法を用いて行うことができる。
【００６４】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでも
ない。
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでも
ない。
【００６５】たとえば、前記実施の形態では、ＳｉＣ膜
を熱処理により形成したが、ＳｉＣ原料を用いたスパッ
タ等によって形成してもよい。
を熱処理により形成したが、ＳｉＣ原料を用いたスパッ
タ等によって形成してもよい。
【００６６】また、前記実施の形態では、Ｓｉ基板の面
方位が（００１）面の場合について説明したが、（００
１）面以外のいずれの面方位を用いてもよい。Ｓｉ基板
の面方位に応じてＳｉＣの方位も変化し、さらにまた、
ＧａＮ膜８の結晶構造も立方晶から六方晶（hexagonal
）まで変化することが本発明者の実験により判明して
いる。
方位が（００１）面の場合について説明したが、（００
１）面以外のいずれの面方位を用いてもよい。Ｓｉ基板
の面方位に応じてＳｉＣの方位も変化し、さらにまた、
ＧａＮ膜８の結晶構造も立方晶から六方晶（hexagonal
）まで変化することが本発明者の実験により判明して
いる。
【００６７】さらに、前記実施の形態では、主にＧａＮ
膜のヘテロエピタキシャル成長について説明したが、こ
れに限らず、ＡｌＮ膜、ＩｎＮ膜、およびこれらとＩＩ
Ｉ族元素またはＩＶ族元素との化合物等、他の窒化物半
導体膜のヘテロエピタキシャル成長に対しても広く適用
できる。
膜のヘテロエピタキシャル成長について説明したが、こ
れに限らず、ＡｌＮ膜、ＩｎＮ膜、およびこれらとＩＩ
Ｉ族元素またはＩＶ族元素との化合物等、他の窒化物半
導体膜のヘテロエピタキシャル成長に対しても広く適用
できる。
【００６８】また、中間層としてＳｉＣ膜の場合を例示
したが、これに代えて単結晶のＳｉＧｅ薄膜を適用して
もよい。この場合も前記と同様の効果が得られる。
したが、これに代えて単結晶のＳｉＧｅ薄膜を適用して
もよい。この場合も前記と同様の効果が得られる。
【００６９】また、実施の形態３および４において、発
光素子に適用した場合を説明したが、これに限られず、
ＩＣ等の半導体装置に適用してもよい。
光素子に適用した場合を説明したが、これに限られず、
ＩＣ等の半導体装置に適用してもよい。
【００７０】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。
【００７１】（１）窒化物半導体の結晶薄膜をＳｉ基板
上にエピタキシャル成長させるに際し、格子定数差の不
整合を緩和するとともにＳｉ基板表面の非晶質化を防止
することができる。
上にエピタキシャル成長させるに際し、格子定数差の不
整合を緩和するとともにＳｉ基板表面の非晶質化を防止
することができる。
【００７２】（２）安価なＳｉ基板上に良質な窒化物半
導体の結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができ
る良質な中間層（バッファ層）を提供できる。
導体の結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができ
る良質な中間層（バッファ層）を提供できる。
【００７３】（３）中間層を簡便に形成できる。
【００７４】（４）Ｓｉ基板上に良質な窒化物半導体の
結晶薄膜を形成できる。
結晶薄膜を形成できる。
【００７５】（５）立方晶系あるいは六方晶系の何れか
の結晶構造を任意に選択してＳｉ基板上に窒化物半導体
の結晶薄膜を形成できる。
の結晶構造を任意に選択してＳｉ基板上に窒化物半導体
の結晶薄膜を形成できる。
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態であ
る半導体装置のシリコン基板上に窒化ガリウム膜を堆積
するまでの工程を示した断面図である。
る半導体装置のシリコン基板上に窒化ガリウム膜を堆積
するまでの工程を示した断面図である。
【図２】実施の形態１で形成されたＧａＮ膜の結晶評価
結果を示し、反射高エネルギ電子線回折（ＲＨＥＥＤ）
図形の観察を行ったパターン写真である。
結果を示し、反射高エネルギ電子線回折（ＲＨＥＥＤ）
図形の観察を行ったパターン写真である。
【図３】実施の形態１で形成されたＧａＮ膜の結晶評価
結果を示し、透過電子顕微鏡により観察した界面部分の
断面写真である。
結果を示し、透過電子顕微鏡により観察した界面部分の
断面写真である。
【図４】本発明の他の実施の形態である発光ダイオード
の一例を示した断面図である。
の一例を示した断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態である半導体レ
ーザの一例を示した断面図である。
ーザの一例を示した断面図である。
４ Ｓｉ基板 ５ 自然酸化膜 ６ 水素終端面 ７ 単結晶ＳｉＣ薄膜 ８ ＧａＮ膜 １１ 単結晶シリコン基板 １２ 中間層 １３ ｎ型ＧａＮ障壁層 １４ アンドープＩｎＧａＮ井戸層 １５ ｐ型ＡｌＧａＮ障壁層 １６ ｐ型ＧａＮコンタクト層 １７、２８ ｎ電極 １８、２９ ｐ電極 １９ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ２０ ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層 ２１ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ２２ ｎ型ＧａＮガイド層 ２３ ＩｎＧａＮ発光層 ２４ ｐ型ＡｌＧａＮ内部クラッド層 ２５ ｐ型ＧａＮガイド層 ２６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 ２７ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ｆ ミスフィット
【手続補正書】
【提出日】平成１１年２月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項４】 請求項１〜３の何れか一項に記載の半導
体装置であって、 前記中間層と窒化物半導体層との格子定数差は、５％以
下であることを特徴とする半導体装置。
体装置であって、 前記中間層と窒化物半導体層との格子定数差は、５％以
下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】 単結晶シリコンからなる基板上に窒化物
半導体層をエピタキシャル成長させる工程の前処理とし
て、前記基板の主面上に前記基板と前記窒化物半導体層
との格子定数差を緩和する単結晶薄膜を形成する半導体
装置の製造方法であって、 前記単結晶薄膜は、炭素原子またはゲルマニウム原子と
水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲気において前
記基板を熱処理することにより形成されることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
半導体層をエピタキシャル成長させる工程の前処理とし
て、前記基板の主面上に前記基板と前記窒化物半導体層
との格子定数差を緩和する単結晶薄膜を形成する半導体
装置の製造方法であって、 前記単結晶薄膜は、炭素原子またはゲルマニウム原子と
水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲気において前
記基板を熱処理することにより形成されることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
【請求項６】 請求項５記載の半導体装置の製造方法で
あって、 前記熱処理の条件を、前記基板の温度が７００℃〜１３
００℃の範囲、処理時間を１秒〜１時間の範囲、とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
あって、 前記熱処理の条件を、前記基板の温度が７００℃〜１３
００℃の範囲、処理時間を１秒〜１時間の範囲、とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】 請求項５または６記載の半導体装置の製
造方法であって、 前記単結晶薄膜の形成前に、前記基板を水素を含む酸性
溶液で処理することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
造方法であって、 前記単結晶薄膜の形成前に、前記基板を水素を含む酸性
溶液で処理することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項８】 請求項５〜７の何れか一項に記載の半導
体装置の製造方法であって、 前記窒化物半導体層は、ハライド気相エピタキシ法、有
機金属化学反応成長法、有機金属分子線成長法、また
は、窒素ラジカル源を用いた分子線エピタキシ法を用い
て形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
体装置の製造方法であって、 前記窒化物半導体層は、ハライド気相エピタキシ法、有
機金属化学反応成長法、有機金属分子線成長法、また
は、窒素ラジカル源を用いた分子線エピタキシ法を用い
て形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣山 雄一 茨城県つくば市東１−１−４ 工業技術院 産業技術融合領域研究所内
Claims (10)
- 【請求項１】 単結晶シリコンからなるシリコン基板
と、前記シリコン基板上に形成された中間層と、前記中
間層上にエピタキシャル成長された窒化物半導体層とを
有する半導体装置であって、 前記中間層は、前記シリコン基板と窒化物半導体層との
格子定数差を緩和するとともに、前記エピタキシャル成
長の際の前記シリコン基板の窒化によるアモルファス化
を抑制するものであることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置であって、 前記中間層は、結晶構造を有する炭化シリコン膜または
シリコンゲルマニウム膜であることを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体装置であ
って、 前記中間層の膜厚は１０ｎｍ以下であることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項４】 請求項１、２または３記載の半導体装置
であって、 前記シリコン基板の表面が（１００）面と物理的に等価
な表面であり、前記中間層および窒化物半導体層の結晶
構造が立方晶系である第１の構造、または、前記シリコ
ン基板の表面が（１１１）面と物理的に等価な表面であ
り、前記中間層および窒化物半導体層の結晶構造が六方
晶系である第２の構造、の何れかの構造を有することを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】 請求項１〜４の何れか一項に記載の半導
体装置であって、 前記中間層と窒化物半導体層との格子定数差は、５％以
下であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項６】 単結晶シリコンからなる基板上に窒化物
半導体層をエピタキシャル成長させる工程の前処理とし
て、前記基板の主面上に前記基板と前記窒化物半導体層
との格子定数差を緩和する単結晶薄膜を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】 請求項６記載の半導体装置の製造方法で
あって、 前記単結晶薄膜は、炭素原子またはゲルマニウム原子と
水素原子とを含む分子からなるガスの雰囲気において前
記基板を熱処理することにより形成されることを特徴と
する半導体装置の製造方法。 - 【請求項８】 請求項７記載の半導体装置の製造方法で
あって、 前記熱処理の条件を、前記基板の温度が７００℃〜１３
００℃の範囲、処理時間を１秒〜１時間の範囲、とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】 請求項６〜８の何れか一項に記載の半導
体装置の製造方法であって、 前記単結晶薄膜の形成前に、前記基板を水素を含む酸性
溶液で処理することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項１０】 請求項６〜９の何れか一項に記載の半
導体装置の製造方法であって、 前記窒化物半導体層は、ハライド気相エピタキシ法、有
機金属化学反応成長法、有機金属分子線成長法、また
は、窒素ラジカル源を用いた分子線エピタキシ法を用い
て形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7985798A JP2927768B1 (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体装置およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP7985798A JP2927768B1 (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体装置およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2927768B1 JP2927768B1 (ja) | 1999-07-28 |
| JPH11274079A true JPH11274079A (ja) | 1999-10-08 |
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| JP7985798A Expired - Fee Related JP2927768B1 (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体装置およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2002075863A (ja) * | 2000-09-01 | 2002-03-15 | Inst Of Physical & Chemical Res | 極微細構造およびその製造方法 |
| KR100374479B1 (ko) * | 2000-01-07 | 2003-03-04 | 엘지전자 주식회사 | 질화물계 반도체 성장 방법 |
| JP2005307332A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-11-04 | Doshisha | 分子線エピタキシャル装置および分子線エピタキシャル装置を用いたｉｉｉ族グループ窒化物の立方晶単結晶薄膜の製造方法 |
| JP2007073873A (ja) * | 2005-09-09 | 2007-03-22 | Showa Denko Kk | 半導体素子 |
| JP2007281478A (ja) * | 2006-04-06 | 2007-10-25 | Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw | シリコン基板上にｉｉｉ族窒化物材料を積層するための方法 |
| KR100832164B1 (ko) | 2005-02-23 | 2008-05-23 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | 기판 표면 처리 방법, 기판 세정 방법 및 프로그램을기록한 기록 매체 |
| US7393763B2 (en) | 2002-11-25 | 2008-07-01 | Osaka Prefecture | Manufacturing method of monocrystalline gallium nitride localized substrate |
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| US7867799B2 (en) | 2003-10-28 | 2011-01-11 | Sharp Kabushiki Kaisha | MBE growth of a semiconductor laser diode |
| US8362503B2 (en) | 2007-03-09 | 2013-01-29 | Cree, Inc. | Thick nitride semiconductor structures with interlayer structures |
-
1998
- 1998-03-26 JP JP7985798A patent/JP2927768B1/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| KR100374479B1 (ko) * | 2000-01-07 | 2003-03-04 | 엘지전자 주식회사 | 질화물계 반도체 성장 방법 |
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