JPWO2016072521A1 - 半導体基板および半導体基板の検査方法 - Google Patents
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Abstract
Description
半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上の窒化物結晶層と、を有してよい。前記窒化物結晶層は、少なくとも、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層、圧縮応力を発生する応力発生層、および、電子素子が形成される活性層から選択された何れかの層を有してよい。一例では、前記窒化物結晶層は、前記反応抑制層、前記応力発生層、および、前記活性層の全てを有してよい。他の例では、前記窒化物結晶層は、前記反応抑制層および前記応力発生層を有してよい。他の例では、前記窒化物結晶層は、前記反応抑制層および前記活性層を有してよい。他の例では、前記窒化物結晶層は、前記応力発生層および前記応力発生層を有してよい。
図1は、半導体基板100の断面図である。半導体基板100は、シリコン基板102と、シリコン基板102の上の窒化物結晶層とを有する。シリコン基板102は、窒化物結晶層を支持する支持基板である。支持基板としてシリコン基板102を用いることにより、材料価格を下げることができる。また、支持基板としてシリコン基板102を用いることにより、従来のシリコンプロセスで用いられている半導体製造装置を利用することができる。これにより、コスト競争力を高めることができる。さらに、支持基板としてシリコン基板102を用いることにより、直径150mm以上の大型の基板を安価にかつ工業的に利用することができるようになる。
図3は、半導体基板200の断面図である。半導体基板200は、半導体基板100と同様に、シリコン基板102の上に窒化物結晶層を有し、窒化物結晶層には、反応抑制層104、応力発生層106および活性層108を有する。ただし、半導体基板200の応力発生層106には二層積層106cを複数有する。半導体基板200のその他の構成は、半導体基板100と同様である。
図4は、半導体基板300の断面図である。半導体基板300は、半導体基板100と同様に、シリコン基板102の上に窒化物結晶層を有し、窒化物結晶層には、反応抑制層104、応力発生層106および活性層108を有する。ただし、半導体基板300の応力発生層106には、第2結晶層106bの活性層108側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数がa3(a2<a3)である第3結晶層106dをさらに有する。半導体基板300のその他の構成は、半導体基板100と同様である。
図5は、半導体基板400の断面図である。半導体基板400は、半導体基板100と同様に、シリコン基板102の上に窒化物結晶層を有し、窒化物結晶層には、反応抑制層104、応力発生層106および活性層108を有する。ただし、半導体基板400の応力発生層106には、第2結晶層106bより活性層108の側に位置する第n結晶層106nの活性層108側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数a4が第n結晶層106nの格子定数より大きい第4結晶層106eをさらに有する。半導体基板400のその他の構成は、半導体基板100と同様である。第n結晶層106nが半導体基板300における第3結晶層106dである場合、第1結晶層106a、第2結晶層106b、第3結晶層106dおよび第4結晶層106eが順次積層され、第1結晶層106aから第4結晶層106eに進むに従いバルク結晶状態における格子定数が大きくなる構成となる。
図6は、半導体基板500の断面図である。半導体基板500は、半導体基板100と同様に、シリコン基板102の上に窒化物結晶層を有し、窒化物結晶層には、反応抑制層104、応力発生層106および活性層108を有する。ただし、半導体基板500の応力発生層106には、バルク結晶状態における格子定数がa5である第5結晶層106fと、第5結晶層106fの活性層108側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数がa6(a5<a6)である第6結晶層106gと、をさらに有する。半導体基板500のその他の構成は、半導体基板100と同様である。
(数1)t=0.00050×T+3.5(nm)
ただし、Tは、窒化物結晶層の合計厚さである。
当該方法によれば、反りが小さく、かつ、耐電圧が大きい半導体基板100等を製造することができる。
実施形態1〜5では、半導体基板100〜500として本発明の特徴を把握したが、本発明の特徴は、検査方法として把握することも可能である。すなわち、シリコン基板102と、シリコン基板102の上の窒化物結晶層と、を有し、前記窒化物結晶層が、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層104と、圧縮応力を発生する応力発生層106と、電子素子が形成される活性層108と、を有し、反応抑制層104、応力発生層106および活性層108が、シリコン基板102の側から、反応抑制層104、応力発生層106、活性層108の順に配置された半導体基板の検査方法であって、窒化物結晶層の回折面(−1−14)におけるX線逆格子マッピングによる反応抑制層104のQx値が、−0.6427を超え、−0.63977未満である場合に合格と判定する半導体基板の検査方法として把握することができる。
シリコン基板(大きさ:直径150mm)102上に、反応抑制層104、中間層110、応力発生層106、活性層108およびショットキ層112を、順次、MOCVD法により形成した。反応抑制層104としてAlN層を150〜230nmの厚さで形成し、中間層110としてAlGaN層を250nmの厚さで形成した。第1結晶層106aとして4.6〜8.5nmの厚さのAlN層を、第2結晶層106bとして20〜28nmの厚さのAlGaN層を形成し、AlN層およびAlGaN層からなる二層積層106cを60〜120回繰り返して積層し、応力発生層106とした。活性層108として600〜1200nmの厚さのGaN層を形成し、ショットキ層112として25nm厚さのAlGaN層を形成した。各層の組成は、Al源ガスとGa源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は1100〜1175℃の範囲で変化させた。
シリコン基板102上に、反応抑制層104、中間層110、応力発生層106、活性層108およびショットキ層112を、順次、MOCVD法により形成した。反応抑制層104の形成前にシリコン基板102の表面をアンモニアまたはAl源ガスで処理し、反応抑制層104としてAlN層を150nmの厚さで形成した。中間層110としてAlGaN層を250nmの厚さで形成した。第1結晶層106aとして7nmの厚さのAlN層を、第2結晶層106bとして28nmの厚さのAlGaN層を形成し、AlN層およびAlGaN層からなる二層積層106cを84回繰り返し積層して応力発生層106とした。活性層108として1500nmの厚さのGaN層を形成し、ショットキ層112として25nm厚さのAlGaN層を形成した。各層の組成は、Al源ガスとGa源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は1130〜1260℃の範囲で変化させた。
実施例2と同様に、シリコン基板102上に、反応抑制層104、中間層110、応力発生層106、活性層108およびショットキ層112を作成した。
実施例1と同様の条件で、シリコン基板102上に、反応抑制層104、中間層110および応力発生層106を形成し、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて炭素原子濃度の深さプロファイルを測定した。
実施例1の実験例3と同様の条件で、シリコン基板102上に、反応抑制層104、中間層110および応力発生層106を形成し、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて炭素原子濃度の深さプロファイルを測定した。
Claims (24)
- シリコン基板と、前記シリコン基板の上の窒化物結晶層と、を有する半導体基板であって、
前記窒化物結晶層が、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層と、圧縮応力を発生する応力発生層と、電子素子が形成される活性層と、を有し、
前記反応抑制層、前記応力発生層および前記活性層が、前記シリコン基板の側から、前記反応抑制層、前記応力発生層、前記活性層の順に配置され、
前記応力発生層が、
バルク結晶状態における格子定数がa1である第1結晶層と、
前記第1結晶層の活性層側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数がa2(a1<a2)である第2結晶層と、を有する
半導体基板。 - 前記第1結晶層が、2×1018cm−3以下の炭素原子を含む部分を有する
請求項1に記載の半導体基板。 - 前記第1結晶層が、1×1018cm−3以下の炭素原子を含む部分を有する
請求項2に記載の半導体基板。 - 前記第1結晶層の厚さが、5.0nmを超え20nm未満である
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記第2結晶層の厚さが、10nm以上300nm以下である
請求項4に記載の半導体基板。 - 前記反応抑制層の前記応力発生層の側の面に、1×108個/cm2以上かつ1×109個/cm2以下の密度で、7×10−12cm2以上の面積の穴を有する
請求項1から請求項5の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記反応抑制層に有する前記穴の面積の全面積に対する比が4%以下である
請求項6に記載の半導体基板。 - 前記窒化物結晶層のX線逆格子マッピングによる前記反応抑制層の回折面(−1−14)におけるQx値が、−0.6427を超え、−0.63977未満である
請求項1から請求項7の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記反応抑制層を構成する結晶の逆格子座標におけるX線ピーク半値幅が、0.006から0.009rlu(逆格子空間単位)の範囲である
請求項8に記載の半導体基板。 - 前記第1結晶層が、5×1018cm−3以下の炭素原子を含む部分を有する
請求項4から請求項9の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記第2結晶層が、1×1018cm−3以上の炭素原子を含む部分を有する
請求項2から請求項10の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記第2結晶層が、5×1018cm−3以上の炭素原子を含む部分を有する
請求項11に記載の半導体基板。 - 前記第1結晶層が、AlxGa1−xN(0.9≦x≦1)であり、
前記第2結晶層が、AlyGa1−yN(0≦y≦0.3)である
請求項2から請求項12の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記応力発生層が、前記第1結晶層および前記第2結晶層からなる二層積層を複数有する
請求項2から請求項13の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記応力発生層が、
前記第2結晶層の活性層側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数がa3(a2<a3)である第3結晶層、をさらに有する
請求項2から請求項13の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記応力発生層が、
前記第2結晶層より前記活性層の側に位置する第n結晶層の活性層側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数a4が前記第n結晶層の格子定数より大きい第4結晶層、をさらに有する
請求項2から請求項13の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記応力発生層が、
バルク結晶状態における格子定数がa5である第5結晶層と、
前記第5結晶層の活性層側に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数がa6(a5<a6)である第6結晶層と、をさらに有する
請求項2から請求項13の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記窒化物結晶層が、
前記反応抑制層と前記応力発生層との間に、前記反応抑制層に接して位置し、バルク結晶状態における格子定数が前記反応抑制層の格子定数より大きい中間層、をさらに有する
請求項2から請求項17の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記窒化物結晶層の厚さが、500nm以上13000nm以下である
請求項2から請求項18の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記応力発生層が、1×1019cm−3以上の炭素原子を含む
請求項2から請求項19の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記反応抑制層の厚さが、30nm以上300nm以下であり、
前記シリコン基板の厚さが、400μm以上であり、
前記シリコン基板の直径が、100mm以上である
請求項2から請求項20の何れか一項に記載の半導体基板。 - 前記活性層の表面が、鏡面である
請求項2から請求項21の何れか一項に記載の半導体基板。 - シリコン基板と、前記シリコン基板の上の窒化物結晶層と、を有し、前記窒化物結晶層が、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層と、圧縮応力を発生する応力発生層と、電子素子が形成される活性層と、を有し、前記反応抑制層、前記応力発生層および前記活性層が、前記シリコン基板の側から、前記反応抑制層、前記応力発生層、前記活性層の順に配置された半導体基板の検査方法であって、
前記窒化物結晶層のX線逆格子マッピングによる前記反応抑制層のQx値が、−0.6427を超え、−0.63977未満である場合に合格と判定する
半導体基板の検査方法。 - 前記Qx値が、−0.6427を超え、−0.63977未満である場合に加え、さらに、前記反応抑制層を構成する結晶の逆格子座標におけるX線ピーク半値幅が、0.006から0.009rluの範囲である場合に合格と判定する
請求項23に記載の半導体基板の検査方法。
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