TW202340551A - 氮化物半導體基板及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明是一種氮化物半導體基板，其是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，該氮化物半導體基板的特徵在於，前述矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。藉此，可提供一種氮化物半導體基板及其製造方法，該氮化物半導體基板對於塑化變形具有耐性。

Description

氮化物半導體基板及其製造方法
本發明關於一種藉由有機金屬氣相成長(MOCVD)法產生的氮化物半導體基板及其製造方法。
半導體薄膜製造方法之一的MOCVD法，在大口徑化和量產性方面優異，能夠將均質的薄膜結晶進行成膜，因此被廣泛地使用。此外，由GaN所代表的氮化物半導體被期待作為次世代半導體材料，其可突破Si作為材料的限制。因為GaN為飽和電子速率大這樣的特性而能夠製作能夠高頻操作的裝置，此外也因為絕緣崩潰電場大，所以能夠在高輸出下進行操作。此外，也可期待輕量化和小型化、低電力消耗化。近年來，由於5G等所代表的通訊速度的高速化、和伴隨其的高輸出化的要求，高頻且能夠在高輸出下操作的GaN HEMT受到矚目。
作為用來用以製作GaN裝置的GaN磊晶晶圓的基板，矽基板最為價廉且在大口徑化方面有利。在矽單晶基板上利用MOCVD法將GaN進行成膜的情況下，在成膜時及冷卻時會由於GaN與Si的熱膨脹係數差異而施加應力。為了防止該應力所造成的塑性變形，矽單晶基板大多會使用厚度厚於SEMI spec的厚度的基板(例如1 mm、1.15 mm等)。但是，有時會在裝置步驟中配合SEMI規格來進行裝置構成，在這樣的情況下無法以較厚的基板投入到裝置步驟中，因此矽單晶基板較佳是盡量使用SEMI規格的厚度的基板。
然而，SEMI規格的厚度的矽單晶基板在直徑150 mm的晶圓為675 μm，在直徑200 mm的晶圓為725 μm而較薄，有時會因為將較厚的GaN進行成膜等這樣的成長條件，發生無法耐受GaN成膜時的應力而造成塑性變形的問題。特別是，高頻裝置用的矽單晶基板謀求1000 Ω･cm以上的高電阻基板，但是在摻雜物濃度低且高電阻的晶圓中會變得容易造成塑性變形。
專利文獻1記載有一種矽單晶基板，其藉由對矽單晶基板摻雜氧及氮，而具有對於GaN成膜中產生的應力所造成的塑性變形的耐性。專利文獻1中所記載的摻雜有氧、氮之矽單晶基板，雖然對於塑性變形比起未摻雜的矽單晶基板更具耐性，但是有時仍會因為進行成膜的GaN的膜厚而有不充分的情況。 [先前專利文獻]
專利文獻1：日本專利6866952號公報。
[發明所欲解決的問題] 本發明是用以解決上述問題而成者，目的在於提供一種氮化物半導體基板及其製造方法，該氮化物半導體基板對於塑化變形具有耐性。
[解決問題的技術手段] 為了解決上述問題，本發明提供一種氮化物半導體基板，其是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者， 前述矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。
只要矽單晶基板中以這樣的濃度範圍摻雜有碳，即可獲得對於塑性變形的耐性，而成為可降低翹曲的氮化物半導體基板。
此外，較佳是：前述矽單晶基板進一步是氧濃度為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下、氮濃度為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下者。
只要是這樣的氮化物半導體基板，能夠成為可進一步抑制塑性變形者。
此外，較佳是：前述矽單晶基板是藉由CZ法所製成者。
根據CZ法，即能夠較為容易地製造摻雜有特定濃度的氧、氮、碳之大直徑的晶圓。
此外，較佳是：前述矽單晶基板是晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
只要晶面為(111)，能夠容易地使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長，只要電阻率為1000 Ω･cm以上，能夠作成高耐壓、高頻特性優異的電子裝置用的基板。
此外，較佳是：前述氮化物半導體薄膜包含氮化鉀。
本發明中能夠將氮化物半導體薄膜作成這樣的形態。
此外，本發明提供一種氮化物半導體基板的製造方法，該氮化物半導體基板是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，該製造方法包含： 步驟(1)，準備一矽單晶基板的步驟，該矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者；及， 步驟(2)，其將氮化物半導體薄膜形成於前述矽單晶基板上。
只要是這樣的製造方法，可抑制在氮化物半導體薄膜的成長中的塑性變形，而能夠製造翹曲較少的氮化物半導體基板。
此外，較佳是：將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板，進一步作成氧濃度為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下、氮濃度為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下。
如此設定，能夠進一步抑制塑性變形。
此外，較佳是：將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為藉由CZ法所製成者。
根據CZ法，即能夠較為容易地製造摻雜有特定濃度的氧、氮、碳之大直徑的晶圓。
此外，較佳是：將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
只要晶面為(111)，能夠容易地使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長，只要電阻率為1000 Ω･cm以上，能夠作成高耐壓、高頻特性優異的電子裝置用的基板。
此外，較佳是：將在前述步驟(2)所形成的前述氮化物半導體薄膜設為包含氮化鉀。
本發明中能夠將氮化物半導體薄膜作成這樣的形態。 [發明的效果]
如同上述，根據本發明，能夠提供一種氮化物半導體基板及其製造方法，該氮化物半導體基板對於塑化變形具有耐性。
如同上述，利用MOCVD法將包含GaN之氮化物半導體薄膜成膜於矽單晶基板上的情況下，在成膜時及冷卻時會由於GaN與Si的熱膨脹係數差而施加應力。並且，會有無法耐受該應力而造成塑性變形這樣的問題。
發明人為了解決上述問題致力於研究，發現只要矽單晶基板的碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下，即能夠抑制塑性變形，進而完成本發明。
亦即，本發明是一種氮化物半導體基板，其是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，前述矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。
此外，本發明是一種氮化物半導體基板的製造方法，該氮化物半導體基板是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，該製造方法包含：步驟(1)，準備一矽單晶基板的步驟，該矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者；及，步驟(2)，其將氮化物半導體薄膜形成於前述矽單晶基板上。
以下，詳細地說明本發明，但是本發明不限於此。
[氮化物半導體基板] 第1圖顯示本發明的氮化物半導體基板的一例。本發明的氮化物半導體基板1，是氮化物半導體薄膜12形成於矽單晶基板11上而成者，矽單晶基板11是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。
只要是如此地在碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上的矽單晶基板上形成氮化物半導體薄膜而成之氮化物半導體基板，即可抑制塑性變形而作成翹曲較少者。再者，藉由CZ法進行的矽單晶的製作中，從Si中的碳濃度的固溶度和製造設備的觀點來看，不易以高於2E17 atoms/cm 3的碳濃度來摻雜。
矽單晶基板的碳濃度較佳能夠設為5E16 atoms/cm 3以上且1.5E17 atoms/cm 3以下，更佳是5E16 atoms/cm 3以上且1E17 atoms/cm 3以下。
此外，作為矽單晶基板的其他元素的摻雜濃度，並無特別限定，除了上述範圍的碳濃度之外，較佳是：進一步氧濃度為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下、氮濃度為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下。只要是這樣的氮化物半導體基板，能夠作成進一步抑制塑性變形者。
只要矽單晶基板是碳濃度在上述範圍內即可，並無特別限定，較佳是藉由CZ法所製成者。根據CZ法，即能夠較為容易地製造摻雜有特定濃度的氧、氮、碳之大直徑的晶圓。
矽單晶基板的主面的晶面並無特別限定，能夠設為(100)、(110)、(111)等，但是較佳是(111)。只要晶面為(111)，即能夠容易地使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長。
矽單晶基板的電阻率並無特別限定，例如較佳是1000 Ω･cm以上者。電阻率的上限也沒有特別限定，例如能夠設為100000 Ω･cm以下。只要電阻率為1000 Ω･cm以上，能夠作成高耐壓、高頻特性優異的電子裝置用的基板。
此外，作為氮化物半導體薄膜並無特別限定，例如能夠設為如後述的磊晶層。作為氮化物半導體薄膜，較佳是包含氮化鉀者。
[氮化物半導體基板的製造方法] 本發明的氮化物半導體基板，能夠藉由如以下的本發明的氮化物半導體的製造方法來製造。
＜步驟(1)的準備矽單晶基板的步驟＞ 步驟(1)，是準備一矽單晶基板的步驟，該矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。步驟(1)例如能夠依照以下方式來實行。
首先，藉由CZ法製作軸向為(111)的矽晶棒。此時，以成長結晶的碳濃度成為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下的方式，對原料摻雜會成為碳源的物質(例如碳粉等)，來育成單晶。藉由將矽單晶基板的碳濃度設為這樣的濃度，可抑制磊晶成長中的塑性變形，並且能夠使冷卻後的氮化物半導體基板的翹曲變小。
此時，較佳是：進一步設為氧濃度成為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下的製造條件，並且以氮濃度成為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下的方式，對原料摻雜氮。只要是如此地包含特定量的氧、氮者，能夠進一步抑制塑性變形。
繼而，將所製成的矽晶棒切片進行晶圓化，來準備矽單晶基板，其碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下。
＜步驟(2)的使氮化物半導體薄膜磊晶成長的步驟＞ 步驟(2)是將氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上的步驟。步驟(2)例如能夠如以下方式實行。
在如第2圖所示的MOCVD反應爐中，在矽單晶基板上實行AlN、AlGaN及GaN等III族氮化物半導體薄膜的磊晶成長。磊晶層的結構不限於此，也包含未成膜有AlGaN的情況、和在AlGaN成膜後進一步成膜有AlN的情況。此外，也包含成膜有複數層使Al組成變化的AlGaN的情況。膜厚可依據用途變更，因此並未特別限定。
磊晶層的表層側處能夠設置裝置層。裝置層能夠作成設置有下述層之結構：會產生二維電子氣體且晶性高的層(通道層)、會使二維電子氣體產生的層(阻障層)及最表層處的cap層(頂蓋層)。阻障層能夠使用Al組成為20%左右的AlGaN，但是例如也能夠使用InGaN等，並且不限於此。cap層例如也能夠設為GaN層和SiN層，並且不限於此。此外，該等裝置層的厚度和阻障層的Al組成，能夠依據裝置的設計來變更。
在磊晶成長時，能夠使用TMAl作為Al源、TMGa作為Ga源、NH 3作為N源。此外，載體氣體可設為N 2及H 2或者兩者中的任一種氣體，製程溫度能夠設為900～1300℃左右。
磊晶成長時會由於GaN與Si的熱膨脹係數差而對矽單晶基板施加應力。但是在本發明中，藉由將矽單晶基板的碳濃度設在上述範圍，能夠防止由於該應力造成的塑性變形。從而，能夠使氮化物半導體薄膜變得更厚，並且裝置設計的自由度會提升。 [實施例]
以下，使用實施例及比較例來具體地說明本發明，但是本發明不限於此。
(實施例1) 藉由CZ法使直徑150 mm、軸向＜111＞的矽單晶成長。此時，以碳濃度成為8.6E16 atoms/cm 3、氧濃度成為5.6E17 atoms/cm 3的方式來調整製造條件。製作圓筒狀的矽晶棒，然後以成為675 μm厚的方式加工為拋光晶圓，來準備矽單晶基板。
將該矽單晶基板載置於如第2圖所示的MOCVD反應爐中，在矽單晶基板上實行AlN、AlGaN及GaN等III族氮化物半導體薄膜的磊晶成長。矽單晶基板載置於被稱為衛星托盤的晶圓載盤(wafer pocket)中。當磊晶成長時，使用TMAl作為Al源，使用TMGa作為Ga源，使用NH 3作為N源。此外，載體氣體使用N 2及H 2中的任一種氣體。製程溫度設為900～1300℃左右。當將矽單晶基板載置於衛星托盤之上來實行磊晶成長時，磊晶層是自基板側起朝向成長方向依序地將AlN、AlGaN進行成膜，之後使GaN進行磊晶成長而成。
在磊晶層的表層側處設置有裝置層。裝置層作成下述結構，其形成有會產生二維電子氣體且晶性高的層(通道層)約400 nm及阻障層20 nm，該阻障層是用以使二維電子氣體產生的Al組成為20%且由AlGaN所構成者。並且作成在最表層處設置3 nm的由GaN所構成之cap層之結構。使磊晶成長而成的氮化物半導體薄膜的總膜厚為6.5 μm。
在磊晶成長中即時地測定基板的翹曲，並記錄由於應力產生塑性變形的點(進行塑性變形的基板的曲率)。將其結果顯示於第3圖。此外，測定成膜後的氮化物半導體基板的翹曲。將其結果顯示於表1。
(實施例2) 製作氧濃度1.6E18 atoms/cm 3、氮濃度2.0E14 atoms/cm 3、碳濃度8.6E16 atoms/cm 3的矽晶棒，加工為與實施例1相同的形狀後，利用與實施例1相同的條件使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長。針對測定，也實施與實施例1相同的測定來進行比較。將結果顯示於第3圖及表1。
(比較例1) 製作氧濃度1.6E18 atoms/cm 3、氮濃度2.0E14 atoms/cm 3並且未摻雜碳濃度之矽晶棒，加工為與實施例1相同的形狀後，利用與實施例1相同的條件使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長。針對測定，也實施與實施例1相同的測定來進行比較。將結果顯示於第3圖及表1。
(比較例2) 製作氧濃度5E17 atoms/cm 3並且未摻雜碳濃度之矽晶棒，加工為與實施例1相同的形狀後，利用與實施例1相同的條件使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長。針對測定，也實施與實施例1相同的測定來進行比較。將結果顯示於第3圖及表1。
[表1]
GaN成膜後的翹曲 Warp(μm)
實施例1 22.3
實施例2 8.5
比較例1 173
比較例2 1076.75
如第3圖所示，本發明的實施例1、2中，由於對矽單晶基板摻雜了特定量的碳，所以在磊晶成長中沒有發生塑性變形。另一方面，並未對矽單晶基板摻雜碳之比較例1、2中，在磊晶成長中發生了塑性變形。從而，如表1所示，實施例1、2可獲得翹曲小於比較例1、2的氮化物半導體基板。特別可知摻雜有特定量的碳、氧、氮之實施例2，能更進一步地抑制翹曲。
再者，第3圖中，塑性變形的曲率越大，意指對於塑性變形越有耐性(強度較強)。此外，曲率為負時意指會朝上凸起，為正時意指會朝下凸起。
(實施例3、4，比較例3～6) 碳濃度以成為以下的值的方式來使製造條件變化，藉由CZ法使直徑150 mm、軸向＜111＞的矽單晶成長。再者，氧濃度成為6E17 atoms/cm 3左右而設為大致相同。將各晶棒加工為圓筒狀，然後以成為675 μm厚的方式加工為拋光晶圓，來準備矽單晶基板。 (比較例3)碳濃度1.77E15 atoms/cm 3(比較例4)碳濃度5.1E15 atoms/cm 3(比較例5)碳濃度9.1E15 atoms/cm 3(比較例6)碳濃度2.21E16 atoms/cm 3(實施例3)碳濃度5.2E16 atoms/cm 3(實施例4)碳濃度7.9E16 atoms/cm 3
在該等矽單晶基板上，利用與實施例1相同的條件來使氮化物半導體薄膜進行磊晶成長。在磊晶成長中即時地測定基板的翹曲，並記錄由於應力產生塑性變形的點(進行塑性變形的基板的曲率)。將其結果顯示於第4圖。
如第4圖所示，本發明的實施例3、4中，由於對矽單晶基板摻雜了特定量的碳，所以在磊晶成長中沒有發生塑性變形(實施例3、4沒有發生塑性變形地完成了GaN成膜，但是為了方便起見仍進行繪圖)。另一方面，可知碳的摻雜量較少的比較例3～6中，無法抑制在磊晶成長中的塑性變形。特別是，由實施例3與比較例6可明顯觀察到，若碳濃度成為5E16 atoms/cm 3以上，則會變得不會塑性變形。
再者，本發明不限於上述實施形態。上述實施形態為例示，與本發明的發明申請專利範圍所記載的技術思想具有實質性相同的構成並發揮相同的作用效果者，全部皆包含在本發明的技術範圍中。
1:氮化物半導體基板 11:矽單晶基板 12:氮化物半導體薄膜
第1圖是顯示本發明的氮化物半導體基板的一例的示意圖。 第2圖是顯示能夠用於本發明的氮化物半導體基板的製造方法的MOCVD裝置的一例的示意圖。 第3圖是顯示將實施例1、實施例2、比較例1、比較例2中的磊晶成長中的塑性變形的曲率進行比較的圖表。 第4圖是顯示實施例3、實施例4、比較例3～6中的矽單晶基板中的碳濃度與GaN成膜中產生的塑性變形的曲率的關係的圖表。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
1:氮化物半導體基板
11:矽單晶基板
12:氮化物半導體薄膜

Claims (18)

  1. 一種氮化物半導體基板，其是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，該氮化物半導體基板的特徵在於， 前述矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者。
  2. 如請求項1所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板進一步是氧濃度為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下、氮濃度為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下者。
  3. 如請求項1所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是藉由CZ法所製成者。
  4. 如請求項2所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是藉由CZ法所製成者。
  5. 如請求項1所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  6. 如請求項2所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  7. 如請求項3所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  8. 如請求項4所述之氮化物半導體基板，其中，前述矽單晶基板是晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  9. 如請求項1～8中任一項所述之氮化物半導體基板，其中，前述氮化物半導體薄膜包含氮化鉀。
  10. 一種氮化物半導體基板的製造方法，該氮化物半導體基板是氮化物半導體薄膜形成於矽單晶基板上而成者，該製造方法的特徵在於包含： 步驟(1)，準備一矽單晶基板的步驟，該矽單晶基板是碳濃度為5E16 atoms/cm 3以上且2E17 atoms/cm 3以下者；及， 步驟(2)，其將氮化物半導體薄膜形成於前述矽單晶基板上。
  11. 如請求項10所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板，進一步作成氧濃度為5E17 atoms/cm 3以上且5E18 atoms/cm 3以下、氮濃度為1E14 atoms/cm 3以上且5E16 atoms/cm 3以下。
  12. 如請求項10所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為藉由CZ法所製成者。
  13. 如請求項11所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為藉由CZ法所製成者。
  14. 如請求項10所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  15. 如請求項11所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  16. 如請求項12所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  17. 如請求項13所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(1)中所準備的前述矽單晶基板設為晶面為(111)且電阻率為1000 Ω･cm以上者。
  18. 如請求項10～17中任一項所述之氮化物半導體基板的製造方法，其中，將在前述步驟(2)所形成的前述氮化物半導體薄膜設為包含氮化鉀。
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