TW202319228A - 積層體及其製造方法、半導體元件與電子設備 - Google Patents

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    • H01L21/2015Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate the substrate being of crystalline semiconductor material, e.g. lattice adaptation, heteroepitaxy

Abstract

本發明提供一種與包含包括先前的氮化鎵的矽基板的積層體相比而包含包括結晶性更高的氮化鎵的矽基板的積層體、其製造方法、包括該積層體的半導體元件、及包括該半導體元件的電子設備中的至少任一種。該積層體的特徵在於具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。該積層體較佳為藉由如下積層體的製造方法而獲得,所述積層體的製造方法的特徵在於,具有:AlN成膜步驟,於Si(111)基板形成氮化鋁膜,從而獲得包括氮化鋁膜的Si基板;氧化步驟,於氧化環境下對包括該氮化鋁膜的Si基板進行處理,從而獲得包括含氧的氮化鋁膜的Si基板;以及GaN成膜步驟,於包括該含氧的氮化鋁膜的Si基板形成氮化鎵膜,且該積層體具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。

Description

積層體及其製造方法
本揭示是有關於一種包括氮化物膜及矽基板的積層體以及其製造方法。
以氮化鎵(GaN)為代表的氮化物膜顯示出優異的半導體特性。因此,正在研究包括基板及氮化物膜的積層體作為藍色發光二極體(Light Emitting Diode,LED)、藍色雷射二極體(Laser Diode,LD)等電子器件的適用。近年來,隨著向功率器件等的進一步的用途的展開,正在研究一種包含包括結晶性高的氮化物膜的廉價的基板即矽基板的積層體。
通常,氮化物膜藉由有機金屬化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法或濺鍍法等成膜方法而於基板上成膜。藉由MOCVD法形成高結晶性的氮化物膜時需要1000℃左右的基板溫度,因此於成膜中會發生矽基板與鎵等的氮化物膜前驅物的反應、即所謂的回熔蝕刻。因此,於MOCVD法中,於矽基板上形成高結晶性的氮化物膜的情況非常困難。
另一方面,藉由濺鍍法於矽基板形成氮化物膜時,難以控制氮化物膜的結晶性。相對於此,本發明者等人報告了藉由在氮化物膜與矽基板之間設置中間層,氮化物膜的結晶性提高(專利文獻1)。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2021-075779號
[發明所欲解決之課題]
於專利文獻1中,藉由在矽基板與氮化鎵膜之間設置包含氮化物系材料及/或鋁的膜(第一薄膜),可提高氮化鎵的結晶性。然而,為了適用於功率器件等用途,需要更進一步提高氮化鎵的結晶性。
本揭示的目的在於提供一種與包含包括先前的氮化鎵的矽基板的積層體相比而包含包括結晶性更高的氮化鎵的矽基板的積層體、其製造方法、包括該積層體的半導體元件、及包括該半導體元件的電子設備中的至少任一種。 [解決課題之手段]
本發明者等人對於適於功率器件等用途、於矽基板積層有氮化鎵膜的積層體,更具體而言於矽基板積層有膜的積層體、即於最表面具有氮化鎵膜的積層體進行了研究。其結果發現,藉由在矽基板與氮化鎵膜之間設置特定的膜,於積層體的最表面形成的氮化鎵膜的配向性具有高Ga極性,該氮化鎵膜的結晶性提高。即,本發明如申請專利範圍所記載般,另外,本揭示的主旨如下所述。
[1] 一種積層體,其特徵在於,具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。
[2] 如所述[1]所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜積層於含氧的氮化鋁膜上。
[3] 如所述[1]所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜隔著氮化鋁膜積層於所述含氧的氮化鋁膜上。
[4] 如所述[1]至所述[3]中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜積層於所述Si(111)基板上。
[5] 如所述[1]至所述[3]中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜隔著鋁膜積層於所述Si(111)基板上。
[6] 如所述[1]至所述[3]中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜的氧量為5×10 20原子(atoms)/cc以上。
[7] 如所述[1]至所述[6]中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜的膜厚為20 nm以下。
[8] 如所述[1]至所述[7]中任一項所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜的表面為鎵極性。
[9] 一種半導體元件,包含如所述[1]至所述[8]中任一項所述的積層體。
[10] 一種電子設備,包含如所述[9]所述的半導體元件。
[11] 一種積層體的製造方法,其特徵在於,具有: AlN成膜步驟,於Si(111)基板形成氮化鋁膜,從而獲得包括氮化鋁膜的Si基板; 氧化步驟,於氧化環境下對包括該氮化鋁膜的Si基板進行處理,從而獲得包括含氧的氮化鋁膜的Si基板;以及 GaN成膜步驟,於包括該含氧的氮化鋁膜的Si基板形成氮化鎵膜, 所述積層體具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。
[12] 如所述[11]所述的製造方法,其中,所述AlN成膜步驟中的成膜方法是濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。
[13] 如所述[11]或所述[12]所述的製造方法,其中,所述氧化步驟中的氧化處理是大氣暴露。
[14] 如所述[11]至所述[13]中任一項所述的製造方法,其中,所述GaN成膜步驟中的成膜方法是濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。 [發明的效果]
根據本揭示,本揭示可提供一種與包含包括先前的氮化鎵的矽基板的積層體相比而包含包括結晶性更高的氮化鎵的矽基板的積層體、其製造方法、包括該積層體的半導體元件、及包括該半導體元件的電子設備中的至少任一種。
對於本揭示的積層體,示出實施方式的一例進行說明。
<積層體> 本實施方式的積層體是以具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構為特徵的積層體。
本實施方式的積層體中的Si(111)基板是矽基板,進而是單晶矽基板。關於矽基板,根據矽的晶面方位,例如已知有選自Si(100)基板、Si(110)基板、及Si(111)基板的群組中的一個以上。根據目標用途,可使用任一任意晶面方位的矽基板,但由於是適於具有六方晶的氮化鎵的磊晶成長的矽基板,因此本實施方式的積層體具有Si(111)基板。
進而,本實施方式的積層體中的Si(111)基板可為包含摻雜元素的矽基板,亦可為n型及p型中的至少任一種矽基板。
本實施方式的積層體具有Si(111)基板及含氧的氮化鋁膜積層而成的結構。藉此,與於僅積層有氮化鋁膜等實質上不含有氧的氮化物膜的Si(111)基板形成氮化鎵膜的情況相比,可形成配向性更高的氮化鎵膜。
於本實施方式中,所謂「含氧的氮化鋁膜(以下,亦稱為「含氧的AlN膜」)」,是指具有氮化鋁(AlN)的結晶結構、而且至少一部分經氧取代的氮化鋁的膜。即,含氧的AlN膜的組成具有偏離AlN的化學計量比的組成,氮(N)相對於鋁(Al)的莫耳比小於1.0(N/Al<1.0)。
含氧的AlN膜的氧含量較佳為5×10 20atoms/cc以上或7×10 20atoms/cc以上。藉此,成膜時GaN的結晶性容易得到控制。氧含量無需高達必要程度以上,例如可列舉為5×10 21atoms/cc以下或3×10 21atoms/cc以下。
含氧的AlN膜的膜厚較佳為小於20 nm、15 nm以下或10 nm以下。藉由膜厚小於20 nm,於氮化鎵膜的成膜時氮化鎵的極性成為Ga極性,結晶性容易變得更高。含氧的AlN膜的膜厚為0.1 nm以上或1.0 nm以上即可。為了使本實施方式的積層體的表面容易變得更平滑,含氧的AlN膜的膜厚較佳為2.0 nm以上或5.0 nm以上。
含氧的AlN膜較佳為薄膜(含氧的AlN薄膜),更佳為濺鍍膜。
含氧的AlN膜可隔著鋁膜(後述)而積層於Si(111)基板上,但由於GaN膜的結晶性容易變得更高,因此較佳為積層於Si(111)基板上,進而佳為含氧的AlN膜與Si(111)膜鄰接而積層。
本實施方式的積層體具有Si(111)基板、含氧的AlN膜、及氮化鎵膜(以下,亦稱為「GaN膜」)積層而成的結構。含氧的AlN膜與氮化鎵膜積層,較佳為於具有含氧的AlN膜與Si(111)基板積層而成的結構的積層體積層氮化鎵膜,構成該GaN膜的氮化鎵(GaN)的結晶性提高,較佳為該GaN膜的表面成為Ga極性。
於本實施方式中,所謂「氮化鎵膜」,是具有氮化鎵的結晶結構、且包含含有鎵及氮的化合物的膜,較佳為包含結晶結構為六方晶的氮化鎵。進而,氮化鎵膜較佳為包含(0002)磊晶成長的氮化鎵。再者,於本實施方式中,(0002)磊晶成長可基於氮化鎵為Ga極性或N極性來進行確認。
GaN膜的膜厚較佳為10 nm以上、30 nm以上或50 nm以上。另外,GaN膜的膜厚可例示1000 nm以下、500 nm以下、300 nm以下或100 nm以下。
GaN膜較佳為薄膜(GaN薄膜),更佳為濺鍍膜。
GaN膜可隔著氮化鋁膜(後述)而積層於含氧的AlN膜上,但由於GaN膜的結晶性容易變得更高,因此較佳為積層於含氧的AlN膜上,進而佳為GaN膜與含氧的AlN膜鄰接而積層。
本實施方式的積層體不僅包含含氧的AlN膜及GaN膜,而且亦可包含氮化鋁膜(以下,亦稱為「AlN膜」)及鋁膜(以下,亦稱為「Al膜」)中的至少任一種。藉由積層AlN膜,可容易獲得結晶性更高的GaN膜。另外,藉由積層Al膜,容易提高積層於其上的含氧的AlN膜或AlN膜的結晶性。
AlN膜是氮化鋁的膜,且是具有氮化鋁的結晶結構、而且未經氧取代的氮化鋁的膜。AlN膜的組成可為偏離AlN的化學計量比的組成,Al:N以莫耳比計亦可並非1:1。
AlN實質上不含氧。AlN膜(氧化AlN膜以外的AlN膜)的氧含量可例示為小於5×10 20atoms/cc,進而可例示為7×10 20atoms/cc以下。
AlN膜的膜厚為任意,可例示為0.1 nm以上或1.0 nm以上,另外,可例示為小於20 nm、15 nm以下或10 nm以下。
AlN膜較佳為積層於含氧的AlN膜上。
Al膜是包含金屬鋁的膜。Al膜較佳為積層於Si(111)基板上。
本實施方式的積層體是Si(111)基板、含氧的AlN膜、及氮化鎵膜積層而成的積層體,亦可將其視為基板-膜積層體、進而視為積層膜結構體。
進而,本實施方式的積層體較佳為按照Si(111)基板、含氧的AlN膜、GaN膜的順序進行積層,且較佳為具有於Si(111)基板上鄰接積層含氧的AlN膜、而且於該含氧的AlN膜上鄰接積層GaN膜的結構。本實施方式的積層體只要於Si(111)基板上依次積層各種膜即可,該積層體的表面(進而,與Si(111)基板相向的表面。最表面)為GaN膜即可。亦可於Si(111)基板上積層多層含氧的AlN膜及GaN膜。
以下,基於以下的圖所示的結構對本實施方式的積層體進行說明。再者,於以下的圖中,Si(111)基板、含氧的AlN膜、GaN膜、AlN膜及Al膜的厚度(膜厚)示意性地以相同程度的厚度表示,但亦可分別為不同的厚度。
圖1是表示本實施方式的積層體的剖面的示意圖。積層體(100)是具有Si(111)基板(10)、含氧的AlN膜(11)、及GaN膜(12)積層而成的結構的積層體。積層體(100)中,含氧的AlN膜(11)積層於Si(111)基板(10)上,GaN膜(12)積層於含氧的AlN膜(11)上。
圖2是表示另一本實施方式的積層體的剖面的示意圖。積層體(200)是具有Si(111)基板(20)、兩層含氧的AlN膜(21a、21b)、及兩層GaN膜(22a、22b)積層而成的結構的積層體。積層體(200)中,含氧的AlN膜(21a)積層於Si(111)基板(20)上,GaN膜(22a)積層於含氧的AlN膜(21a)上,含氧的AlN膜(21b)積層於GaN膜(22a)上,而且GaN膜(22b)積層於含氧的AlN膜(21b)上。如此,藉由積層多個GaN膜,容易緩和積層體中產生的應力。
圖3是表示另一本實施方式的積層體的剖面的示意圖。積層體(300)是具有Si(111)基板(30)、含氧的AlN膜(31)、GaN膜(32)、及Al膜(33)積層而成的結構的積層體。積層體(300)中,Al膜(33)積層於Si(111)基板(30)上,含氧的AlN膜(31)積層於Al膜(33)上,GaN膜(32)積層於含氧的AlN膜(31)上。如此,藉由在Al膜上積層含氧的AlN膜,Ga極性的GaN膜容易成長。
圖4是表示另一本實施方式的積層體的剖面的示意圖。積層體(400)是具有Si(111)基板(40)、含氧的AlN膜(41)、AlN膜(44)、及GaN膜(42)積層而成的結構的積層體。於積層體(400)中,含氧的AlN膜(41)積層於Si(111)基板(40)上,AlN膜(44)積層於含氧的AlN膜(41)上,GaN膜(42)積層於AlN膜(44)上。即便為GaN膜不直接積層於含氧的AlN膜上的結構,藉由具有AlN膜積層於含氧的AlN膜上的結構,亦可形成結晶性高的GaN膜。
<半導體元件及電子設備> 本實施方式的積層體可作為包括該積層體的半導體元件來使用。進而,本實施方式的半導體元件可作為包括該半導體元件的電子設備使用。
包括本實施方式的積層體的半導體元件(以下,亦稱為「本實施方式的半導體元件」)可用於公知的半導體元件的用途,較佳為可作為發光元件及功率器件中的至少任一個來使用,更佳為可作為功率器件來使用。作為發光元件,例如可列舉藍色發光二極體(LED)及藍色雷射二極體(LD)中的至少任一個。另外,關於功率器件,可例示作為二極體及電晶體中的至少任一個等用於控制及供給電能的半導體元件來使用。
本實施方式的半導體元件亦可具有包括本實施方式的積層體作為基底層且於該積層體上包括氮化鎵(GaN)等氮化物膜的結構。
<積層體的製造方法> 關於本實施方式的積層體,只要可獲得滿足其結構的積層體,則其製造方法為任意。作為較佳的本實施方式的積層體的製造方法(以下,亦稱為「本實施方式的製造方法」),可列舉如下積層體的製造方法,其特徵在於具有: AlN成膜步驟,於Si(111)基板形成氮化鋁膜,從而獲得包括氮化鋁膜的Si基板; 氧化步驟,於氧化環境下對包括該氮化鋁膜的Si基板進行處理,從而獲得包括含氧的氮化鋁膜的Si基板;以及 GaN成膜步驟,於包括該含氧的氮化鋁膜的Si基板形成氮化鎵膜, 所述積層體具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。
於AlN成膜步驟中,於Si(111)基板形成AlN膜,從而獲得包括AlN膜的Si基板。
供於AlN成膜步驟的Si(111)基板只要是公知的Si(111)基板即可,較佳為表面粗糙度(Ra)為0.5 nm以下、進而佳為0.3 nm以下的Si(111)基板。作為公知的Si(111)基板,例如可列舉藉由柴可斯基(Czochralski,CZ)法或浮動帶域(floating zone,FZ)法製造的Si(111)基板、或於Si單晶基板上磊晶成長了Si單晶層的Si(111)基板等。
於本實施方式的製造方法中,亦可於AlN成膜步驟之前具有對Si(111)基板進行清洗的清洗步驟。清洗只要是可去除Si(111)基板的雜質的公知的清洗方法即可,可例示將Si(111)基板浸漬於清洗液中的清洗方法、即所謂的濕式蝕刻。
清洗液較佳為選自氫氟酸水溶液、硫酸、鹽酸、過氧化氫、氫氧化銨、三氯乙烯、丙酮、甲醇及異丙醇的群組中的一種以上,進而佳為氫氟酸水溶液。為了去除Si(111)基板上的雜質,而且抑制Si(111)基板表面粗糙度,清洗液更佳為氫氟酸濃度為5質量%以上且10質量%以下的氫氟酸水溶液。
浸漬只要將Si(111)基板配置於清洗液中以使該基板浸漬於清洗液中即可。浸漬只要是靜置及攪拌中的至少任一種狀態即可,亦可為藉由使用超音波清洗機等、利用超音波振動的攪拌狀態下的浸漬。
浸漬時間只要根據清洗液的種類或濃度適宜調整即可,例如可列舉5秒以上且100秒以下。
清洗後的Si(111)基板只要藉由任意的方法去除殘存的清洗液即可。清洗液的去除方法為任意,只要藉由對Si(111)基板噴附惰性氣體(例如,氮氣及氬氣中的至少任一種)而將其去除即可。
於AlN成膜步驟中,於Si(111)基板上形成AlN膜。成膜方法較佳為濺鍍法。作為具體的濺鍍法,可列舉選自直流(Direct Current,DC)濺鍍法、射頻(Radio Frequency,RF)濺鍍法、交流(Alternating Current,AC)濺鍍法、DC磁控濺鍍法、RF磁控濺鍍法、脈衝濺鍍法及離子束濺鍍法的群組中的一種以上。由於能夠於短時間內在面積大的基板上成膜,因此濺鍍法較佳為DC磁控濺鍍法及RF磁控濺鍍法中的至少任一種,進而佳為DC磁控濺鍍法。
濺鍍法中的濺鍍靶(以下,亦簡稱為「靶」)只要使用AlN膜的成膜中使用的公知的靶即可。作為此種靶,可列舉選自鋁靶及氮化鋁靶的群組中的一個以上,較佳為鋁靶。
就提高膜的結晶性的觀點而言,靶較佳為氧量低,靶的氧含量較佳為3 at%(原子%)以下,進而佳為1 at%以下。靶的氧含量可例示為0.1 at%以上。
由於所獲得的AlN膜的膜厚或膜質的均勻性存在提高的傾向,因此靶的濺鍍面的面積更佳為18 cm 2以上。濺鍍面的面積越大,越容易獲得大型的積層體,但濺鍍面的面積例如可列舉3000 cm 2以下。再者,所謂「濺鍍面」,是濺鍍時與基材等被成膜物相向的面,且是與經電漿化的環境氣體接觸的面。
為了抑制所獲得的AlN膜的結晶性的降低,濺鍍較佳為於極限真空度為1×10 -4Pa以下、7×10 -5Pa以下、2×10 -5Pa以下、9×10 -6Pa以下或5×10 -6Pa以下的真空環境下開始。
為了控制濺鍍的環境,於濺鍍中使用導入氣體。因此,與濺鍍開始時相比,濺鍍中的壓力變高。作為濺鍍中的壓力,可例示0.1 Pa以上且0.8 Pa以下。
為了促進濺鍍粒子的遷移,濺鍍較佳為於對基板進行加熱的狀態下進行。基板溫度、即濺鍍中的基板的溫度較佳為100℃以上或600℃以上,另外,較佳為800℃以下或700℃以下。
濺鍍的時間根據所使用的濺鍍裝置而不同,但較佳為所獲得的AlN膜的膜厚成為4 nm以上且20 nm以下的時間。例如,於任意的時間進行濺鍍,測定所獲得的AlN膜的膜厚,求出單位膜厚(nm)的成膜所需的濺鍍的時間,並基於此來設定濺鍍的時間以成為所期望的膜厚即可。
濺鍍的環境只要是適用於AlN膜的濺鍍的公知的環境即可,可列舉選自氬環境、氮環境、以及氬及氮環境的群組中的一種以上。用於形成此種濺鍍環境的導入氣體只要是AlN膜的成膜中使用的公知的氣體即可。作為導入氣體,可列舉氬(Ar)及氮(N 2)的混合氣體、以及氮氣中的至少任一種,進而可列舉氬及氮的混合氣體。另外,亦可根據需要導入氧氣或氨等其他氣體。
作為較佳的濺鍍方法,可列舉於氬環境下形成膜厚1 nm以上且10 nm以下的Al膜後,於含氮環境下對Al膜進行氮化並且形成AlN膜的方法。藉此,容易獲得結晶性高的AlN膜。
另外,作為較佳的成膜方法,可列舉濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。濺鍍能量較佳為0.1 W/cm 2Pa 2以上、0.5 W/cm 2Pa 2以上、1 W/cm 2Pa 2以上或2 W/cm 2Pa 2以上,另外,只要是100 W/cm 2Pa 2以下、60 W/cm 2Pa 2以下或30 W/cm 2Pa 2以下即可。
於本實施方式中,濺鍍能量(Es)是濺鍍時濺鍍粒子的能量,可根據以下的式子求出。
Es=[輸入功率密度(單位:W/cm 2)] /[導入氣體壓力(單位:Pa)] 2
上式中的輸入功率密度是將實際的輸入功率除以濺鍍面的面積而求出的、濺鍍面的每單位面積的輸入能量。
於濺鍍之前,為了去除濺鍍裝置中殘存的殘留氣體,亦可對該濺鍍裝置進行烘烤處理。
<氧化步驟> 於氧化步驟中,於氧化環境下對包括該氮化鋁膜的Si(111)基板進行處理,從而獲得包括含氧的氮化鋁膜的Si(111)基板。
氧化環境下的處理只要是氮化鋁膜局部地攝取氧的條件即可。作為此種處理,可列舉暴露於大氣環境中。
暴露時間為任意,可例示10秒以上且5分鐘以下。
本實施方式的製造方法亦可於氧化步驟後且GaN成膜步驟之前,將所獲得的積層體供於AlN膜成膜步驟中。
<GaN成膜步驟> 於GaN成膜步驟中,於包括該含氧的AlN膜的Si(111)基板形成GaN膜。成膜方法較佳為濺鍍法。
作為具體的濺鍍法,可列舉選自DC濺鍍法、RF濺鍍法、AC濺鍍法、DC磁控濺鍍法、RF磁控濺鍍法、脈衝濺鍍法及離子束濺鍍法的群組中的一種以上。由於能夠於短時間內在面積大的基板上成膜,因此濺鍍法較佳為DC磁控濺鍍法及RF磁控濺鍍法中的至少任一種,進而佳為DC磁控濺鍍法。
靶只要使用GaN膜的成膜中使用的公知的靶即可。作為此種靶,可列舉選自鎵靶及氮化鎵靶的群組中的一種以上,較佳為可列舉GaN靶。
就提高膜的結晶性的觀點而言,靶較佳為氧量低,靶的氧含量較佳為3 at%(原子%)以下,進而佳為1 at%以下。靶的氧含量可例示為0.1 at%以上。
由於所獲得的GaN膜的膜厚或膜質的均勻性存在提高的傾向,因此靶的濺鍍面的面積更佳為18 cm 2以上。濺鍍面的面積越大,越容易獲得大型的積層體,濺鍍面的面積例如可列舉為3000 cm 2以下。再者,所謂「濺鍍面」,是濺鍍時與基材等被成膜物相向的面,且是與經電漿化的環境氣體接觸的面。
為了抑制所獲得的GaN膜的結晶性的降低,濺鍍較佳為於極限真空度為1×10 -4Pa以下、7×10 -5Pa以下、2×10 -5Pa以下、9×10 -6Pa以下或5×10 -6Pa以下進行。
為了控制濺鍍的環境,於濺鍍中使用導入氣體。因此,與濺鍍開始時相比,濺鍍中的壓力變高。作為濺鍍中的壓力,可例示0.1 Pa以上且0.8 Pa以下。
為了促進濺鍍粒子的遷移,較佳為於對基板進行加熱的狀態下進行濺鍍。基板溫度、即濺鍍時的基板的溫度較佳為100℃以上或600℃以上,另外,較佳為800℃以下或700℃以下。所獲得的膜變得平滑,而且其結晶性容易變高。
濺鍍的時間根據所使用的濺鍍裝置而不同,但只要是所獲得的GaN膜的膜厚成為所期望的膜厚的時間即可,例如可列舉5秒以上且1200分鐘以下。
濺鍍的環境只要是適用於GaN膜的濺鍍的公知的環境即可,可列舉選自氬環境、氮環境、以及氬及氮環境的群組中的一種以上。用於形成此種濺鍍環境的導入氣體只要是GaN膜的成膜中使用的公知的氣體即可。作為導入氣體,可列舉氬(Ar)及氮(N 2)的混合氣體、以及氮氣中的至少任一種,進而可列舉氬及氮的混合氣體。另外,亦可根據需要導入氧氣或氨等其他氣體。
另外,作為較佳的成膜方法,可列舉濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。濺鍍能量較佳為0.1 W/cm 2Pa 2以上、0.5 W/cm 2Pa 2以上、1 W/cm 2Pa 2以上或2 W/cm 2Pa 2以上,另外,只要為100 W/cm 2Pa 2以下、60 W/cm 2Pa 2以下或30 W/cm 2Pa 2以下即可。
<其他步驟> 於本實施方式的製造方法中,可反覆進行AlN成膜步驟、氧化步驟及GaN成膜步驟,例如,亦可反覆進行兩次以上且五次以下的該些步驟。
進而,對於藉由本實施方式的製造方法獲得的積層體,亦可進而利用濺鍍法以外的方法、例如MOCVD法形成氮化鎵膜。 對本揭示的實施方式進行了說明,但本揭示並不限定於該些實施方式,設為將於該些實施方式中具體記載的上限值及下限值任意組合而得的數值範圍亦包含於本揭示中。另外,設為利用以下所說明的實施例的值來置換上限值及/或下限值而得者亦包含於本揭示中。 [實施例]
使用實施例及比較例對本實施方式進一步進行說明。然而,本實施方式並不限定於以下的實施例。再者,對於所獲得的積層體進行了以下評價。
<氧量> 藉由二次離子質譜法(SIMS;SECONDARY ION MASS SPECTROMETRY)測定了氧量。即,使用四極型二次離子質譜裝置,於以下的條件下測定了Si、Al、Ga及氧(O)的二次離子強度。
於Cs離子源  :1 kV、 一次離子電流        :100 nA、 腔室真空度            :5×10 -10tоrr的測定條件下進行。
對所獲得的二次離子強度相對於標準試樣的二次離子強度進行對比,求出了各元素的含量。再者,於SIMS測定結果中,將作為與Al的二次離子強度波峰重疊的氧(O)的二次離子強度波峰的強度最高的波峰視為與含氧的AlN膜的氧對應的二次離子強度波峰,並求出其氧含量。
<膜厚> 藉由階差計(裝置名:DekTak 6M,日本布魯克(Bruker Japan)公司製造)分別測定積層體的各膜的膜厚。設測定的垂直解析度為0.1 nm。
<氮化鎵薄膜的極性及結晶性> 使用飛行時間型原子散射表面分析裝置(裝置名:TOFLAS-3000,帕斯卡(PASCAL)公司製造),對GaN膜的極性及結晶相進行了評價。極點圖的測定是以積層體的成膜面(形成有GaN膜的面)成為上表面的方式將積層體配置於該裝置,並於以下的條件下進行。
探測器           :He(原子散射) 能量                      :3 keV 射束源-靶間距離    :805 mm 靶-偵測器間距離    :395 mm 分析室真空度        :2×10 -3Pa以下
對所獲得的極點圖、與利用該裝置的附屬解析裝置並藉由模擬而獲得的自GaN膜的最表面起對應於四層原子的各層的各結晶相及極性的極點圖進行比較,藉此確認了積層體中的GaN膜的極性及結晶相。
實施例1 使用n型Si(111)基板(松崎製作所公司製造、偏離角:無、直徑50 mm±0.5 mm、及厚度425 μm±25 μm、電阻率1000 Ω・cm以上)作為矽基板。
使用超純水(關東化學股份有限公司,超純(Ultrapure)等級)對氫氟酸(超純(Ultrapure)等級,關東化學公司製造)進行稀釋,從而獲得氟化氫濃度為5質量%的稀釋氫氟酸。將Si基板浸漬於所獲得的稀釋氫氟酸中30秒鐘進行濕式蝕刻處理後,回收矽基板。向回收後的Si基板噴附氮氣,去除矽基板表面的液滴,從而獲得表面粗糙度(Ra)為0.15 nm的矽基板。
<AlN成膜及氧化處理> 繼而,使用磁控濺鍍裝置,藉由RF磁控濺鍍法於矽基板形成了AlN膜。
成膜是將金屬鋁(Al)靶(純度99.99質量%)及矽基板配置於磁控濺鍍裝置的成膜室(腔室)內後,對成膜室內進行減壓。於真空度達到1.9×10 -6Pa後,於氬環境下,開始進行以下條件的濺鍍,從而獲得於矽基板上包括膜厚1.5 nm的Al膜的積層體(Al/矽基板積層體)。
導入氣體       :氬 導入氣體流量        :20 sccm 基板溫度               :400℃ 壓力                      :0.5 Pa 濺鍍能量(Es)     :30 W/cm 2Pa 2濺鍍時間               :10秒
於進行所述成膜後,將環境設為氬及氮環境,於該環境下藉由以下條件的濺鍍對Al膜進行氮化,並且於該Al膜上形成膜厚4 nm的AlN膜,從而獲得包含包括膜厚5.5 nm的AlN膜的矽基板的積層體(AlN/矽基板積層體)。
導入氣體       :氬及氮 導入氣體流量        :氬16 sccm、氮4 sccm 基板溫度               :650℃ 壓力                      :0.5 Pa 濺鍍能量(Es)     :30 W/cm 2Pa 2濺鍍時間               :60秒
使成膜後的Si基板自成膜室移動至準備室(負載鎖固室)後,將該準備室向大氣開放1分鐘,從而將AlN/矽基板積層體暴露於大氣。暴露於大氣後,對準備室進行減壓,於真空度達到1.9×10 -6Pa後,再次開始進行濺鍍。濺鍍是除了將濺鍍時間設為120秒以外,以與所述同樣的條件於氬及氮環境下進行。藉此,進一步形成8 nm的AlN膜,從而獲得包含於膜厚5.5 nm的含氧的AlN膜上包括膜厚8 nm的AlN膜的矽基板的積層體(AlN/含氧的AlN/矽基板積層體)。
<GaN成膜> 使用所獲得的積層體(AlN/含氧的AlN/矽基板積層體)、使用氮化鎵(GaN)靶(純度99.99質量%)作為濺鍍靶、以及將濺鍍條件設為以下的條件,除此以外,以與第一薄膜同樣的方法進行濺鍍,從而於AlN膜上形成膜厚70 nm的GaN膜。
導入氣體       :氬及氮 導入氣體流量        :氬16 sccm、氮4 sccm 基板溫度               :650℃ 壓力                      :1.0 Pa 濺鍍能量(Es)     :20 W/cm 2Pa 2成膜時間               :17分鐘
藉此,獲得矽基板、含氧的AlN膜(膜厚5.5 nm)、AlN膜(膜厚8 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/AlN/含氧的AlN/矽基板積層體),並將其作為本實施例的積層體。
實施例2 於AlN膜的成膜中,將濺鍍時間設為180秒,除此以外,藉由與實施例1同樣的方法形成12 nm的AlN膜,從而獲得包含包括膜厚13.5 nm的AlN膜的Si基板的積層體(AlN/矽基板積層體)。
使用所獲得的AlN/矽基板積層體,除此以外,藉由與實施例1同樣的方法進行大氣暴露及GaN膜的成膜,從而獲得矽基板、含氧的AlN膜(膜厚13.5 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/含氧的AlN/矽基板積層體),並將其作為本實施例的積層體。將本實施例的積層體的SIMS測定結果示於圖12中。
實施例3 使用藉由與實施例1同樣的方法獲得的矽基板、含氧的AlN膜(膜厚5.5 nm)、AlN膜(膜厚8 nm)、GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/含氧的AlN/矽基板積層體),除此以外,藉由與實施例1同樣的方法進行AlN膜的成膜及GaN膜的成膜,從而獲得矽基板、含氧的AlN膜(膜厚5.5 nm)、AlN膜(膜厚8 nm)、GaN膜(膜厚70 nm)、含氧的AlN膜(膜厚5.5 nm)、AlN膜(膜厚8 nm)、及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/AlN/含氧的AlN/GaN/AlN/含氧的AlN/矽基板積層體),並將其作為本實施例的積層體。
實施例4 使用藉由與實施例2同樣的方法獲得的矽基板、含氧的AlN膜(膜厚13.5 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/含氧的AlN/Si積層體),除此以外,藉由與實施例2同樣的方法進行AlN膜的成膜及GaN膜的成膜,從而獲得Si基板、含氧的AlN膜(膜厚13.5 nm)、GaN膜(膜厚70 nm)、含氧的AlN膜(膜厚13.5 nm)、及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/含氧的AlN/GaN/含氧的AlN/矽基板積層體),並將其作為本實施例的積層體。
將該些實施例的積層體的GaN膜的表面的極點圖示於圖5至圖8中。由於圖9的(a)所示的Ga極性GaN的模擬圖案與各實施例的積層體的GaN膜的極點圖的圖案相同,因此可確認該GaN膜的表面為Ga極性,藉此,可確認實施例的GaN膜均包含(0002)磊晶成長的GaN。
比較例1 於形成AlN膜後未暴露於大氣,除此以外,藉由與實施例1同樣的方法獲得Si基板、AlN膜(膜厚13.5 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/AlN/矽基板積層體),並將其作為本比較例的積層體。將本比較例的積層體的SIMS測定結果示於圖13中。
比較例2 於形成AlN膜後未暴露於大氣,除此以外,藉由與實施例2同樣的方法獲得Si基板、AlN膜(膜厚13.5 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/AlN/矽基板積層體)。使用所獲得的積層體,再次進行AlN膜的成膜及GaN膜的成膜,從而獲得矽基板、AlN膜(膜厚13.5 nm)、GaN膜(膜厚70 nm)、AlN膜(膜厚13.5 nm)及GaN膜(膜厚70 nm)積層而成的積層體(GaN/AlN/GaN/AlN/矽基板積層體),並將其作為本比較例的積層體。
將比較例的積層體的GaN膜的表面的極點圖示於圖10及圖11中。由於N極性GaN的模擬圖案(圖9的(b))與比較例2的極點圖的圖案相同,因此可確認該GaN膜的表面為N極性。另一方面,比較例1的極點圖的圖案與任何模擬圖案不同,可確認並非Ga極性。
將結果示於下表中。
[表1]
含氧的AlN膜 GaN膜 (最表面層)
膜厚[nm] 氧含量[atoms/cc] 極性
實施例1 5.5 2.0×10^21 Ga
實施例2 13.5 1.6×10^21 Ga
實施例3 5.5 8.8×10^20 Ga
實施例4 13.5 1.3×10^21 Ga
比較例1 13.5 4.4×10^20 ×
比較例2 13.5 4.2×10^20 N
於2021年10月8日提出申請的日本專利申請案2021-166428號的說明書、申請專利範圍、圖式及摘要的全部內容亦作為本揭示的說明書的揭示而併入。
100、200、300、400:本實施方式的積層體 10、20、30、40:Si(111)基板 11、21a、21b、31、41:含氧的AlN膜 12、22a、22b、32、42:GaN膜 33:Al膜 44:AlN膜
圖1是表示本實施方式的積層體的剖面的示意圖。 圖2是表示本實施方式的積層體的剖面的示意圖。 圖3是表示本實施方式的積層體的剖面的示意圖。 圖4是表示本實施方式的積層體的剖面的示意圖。 圖5是實施例1的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖6是實施例2的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖7是實施例3的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖8是實施例4的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖9的(a)、圖9的(b)是藉由模擬獲得的氮化鎵的極點圖(圖9的(a):Ga極性的氮化鎵,圖9的(b):N極性的氮化鎵)。 圖10是比較例1的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖11是比較例2的積層體中的氮化鎵膜的極點圖。 圖12是實施例2的積層體中的SIMS的測定結果。 圖13是比較例1的積層體中的SIMS的測定結果。
10:Si(111)基板
11:含氧的AlN膜
12:GaN膜
100:本實施方式的積層體

Claims (14)

  1. 一種積層體,其特徵在於,具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。
  2. 如請求項1所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜積層於含氧的氮化鋁膜上。
  3. 如請求項1所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜隔著氮化鋁膜積層於所述含氧的氮化鋁膜上。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜積層於所述Si(111)基板上。
  5. 如請求項1至請求項3中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜隔著鋁膜積層於所述Si(111)基板上。
  6. 如請求項1至請求項5中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜的氧量為5×10 20原子/cc以上。
  7. 如請求項1至請求項6中任一項所述的積層體,其中,所述含氧的氮化鋁膜的膜厚為20 nm以下。
  8. 如請求項1至請求項7中任一項所述的積層體,其中,所述氮化鎵膜的表面為鎵極性。
  9. 一種半導體元件,包含如請求項1至請求項8中任一項所述的積層體。
  10. 一種電子設備,包含如請求項9所述的半導體元件。
  11. 一種積層體的製造方法,其特徵在於,具有: AlN成膜步驟,於Si(111)基板形成氮化鋁膜,從而獲得包括氮化鋁膜的Si基板; 氧化步驟,於氧化環境下對包括所述氮化鋁膜的Si基板進行處理,從而獲得包括含氧的氮化鋁膜的Si基板;以及 GaN成膜步驟,於包括所述含氧的氮化鋁膜的Si基板形成氮化鎵膜, 所述積層體具有Si(111)基板、含氧的氮化鋁膜、及氮化鎵膜積層而成的結構。
  12. 如請求項11所述的製造方法,其中,所述AlN成膜步驟中的成膜方法是濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。
  13. 如請求項11或請求項12所述的製造方法,其中,所述氧化步驟中的氧化處理是大氣暴露。
  14. 如請求項11至請求項13中任一項所述的製造方法,其中,所述GaN成膜步驟中的成膜方法是濺鍍能量為0.01 W/cm 2Pa 2以上且150 W/cm 2Pa 2以下的濺鍍法。
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