WO2021024670A1 - 窒化物半導体基板 - Google Patents

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WO2021024670A1
WO2021024670A1 PCT/JP2020/026400 JP2020026400W WO2021024670A1 WO 2021024670 A1 WO2021024670 A1 WO 2021024670A1 JP 2020026400 W JP2020026400 W JP 2020026400W WO 2021024670 A1 WO2021024670 A1 WO 2021024670A1
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oxygen concentration
nitride semiconductor
substrate
intermediate layer
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圭太郎 池尻
剛規 長田
田中　光浩
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住友化学株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor substrate.
  • a semiconductor substrate there is a nitride semiconductor substrate in which a nitride semiconductor is epitaxially grown on a base substrate.
  • the nitride semiconductor is a wide bandgap semiconductor and has excellent dielectric breakdown strength. Therefore, application of nitride semiconductors to semiconductor devices that require high withstand voltage is being studied.
  • As a base substrate for epitaxially growing a nitride semiconductor it has been studied to use a silicon substrate from the viewpoint of increasing the diameter (see, for example, Patent Document 1).
  • the oxygen concentration in the laminated structure has a large influence on the withstand voltage of the nitride semiconductor substrate using the silicon substrate, and therefore it is preferable that the oxygen concentration is controlled so as to improve the withstand voltage. ..
  • One object of the present invention is to provide a technique for improving the withstand voltage of a nitride semiconductor substrate using a silicon substrate.
  • a nitride semiconductor substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a silicon substrate.
  • the nitride semiconductor layer is formed in order from the silicon substrate side.
  • the first layer composed of Al x Ga 1-x N (0.9 ⁇ x ⁇ 1) and
  • the second layer containing AlGaN having an Al composition smaller than the Al composition x of the first layer, and
  • a third layer formed by laminating a plurality of nitride semiconductor crystal layers having different compositions is provided.
  • a nitride semiconductor substrate in which the oxygen concentration in the second layer is lower than the oxygen concentration in the third layer.
  • a technique for improving the withstand voltage of a nitride semiconductor substrate using a silicon substrate is provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a vapor phase growth apparatus used for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment.
  • 3A and 3B are timing charts conceptually showing how to control the growth conditions in the growth process of the reaction suppressing layer, the intermediate layer and the stress generating layer according to the embodiment.
  • 4 (a) and 4 (b) are timing charts conceptually showing how to control the growth conditions in the growth process of the reaction suppressing layer, the intermediate layer and the stress generating layer according to the embodiment.
  • FIG. 5 shows the profile of the nitride semiconductor substrate of the example in the thickness direction of the oxygen concentration measured by secondary ion mass spectrometry.
  • FIG. 6 shows the current-voltage characteristics measured for the nitride semiconductor substrate of the example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor substrate 100.
  • the nitride semiconductor substrate 100 (hereinafter, also referred to as epi substrate 100) is configured by laminating a nitride semiconductor layer 120 (hereinafter, also referred to as epi layer 120) made of a group III nitride semiconductor on a silicon substrate 110. ..
  • the silicon (Si) substrate 110 is a base substrate for heteroepitaxially growing the epi layer 120.
  • the Si substrate 110 for example, one having a large diameter of 150 mm or more can be used.
  • the epi layer 120 includes a reaction suppression layer 130, an intermediate layer 140, a stress generation layer 150, and a device forming layer 160 in this order from the Si substrate 110 side.
  • the oxygen concentration in the intermediate layer 140 during the lamination of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140 and the stress generating layer 150 is suppressed to be low, so that the thickness direction ( The pressure resistance in the vertical direction) has been improved.
  • the withstand voltage in the thickness direction of the epi substrate 100 is simply referred to as a withstand voltage.
  • the reaction suppression layer 130 is a layer (preferably a layer composed of AlN) provided on the Si substrate 110 and containing AlN (aluminum nitride).
  • the reaction suppressing layer 130 suppresses the reaction (alloying) between Si contained in the Si substrate 110 and gallium (Ga) contained in the intermediate layer 140 by interposing between the Si substrate 110 and the intermediate layer 140. ..
  • As a material constituting the reaction suppression layer 130 Al x Ga 1-x N (0.9 ⁇ x ⁇ 1) may be used. Further, a layer made of SiN y (1 ⁇ y ⁇ 2) may be sandwiched between the reaction suppression layer 130 and the Si substrate 110.
  • the reaction suppression layer 130 also has a function of forming an initial nucleus of a nitride semiconductor layer grown above the reaction suppression layer 130.
  • the thickness of the reaction suppression layer 130 is, for example, 30 nm or more and 300 nm or less.
  • the intermediate layer 140 is provided on the reaction suppression layer 130 and is a layer containing AlGaN (aluminum gallium nitride) (a layer composed of AlGaN containing Al and Ga as group III elements).
  • the intermediate layer 140 expands the initial nuclei formed in the reaction suppression layer 130 and has a flat upper surface than the upper surface of the reaction suppression layer 130, so that the intermediate layer 140 is under the stress generating layer 150 grown above the intermediate layer 140. Make up the ground.
  • the Al composition of the intermediate layer 140 is selected to be smaller than the Al composition of the reaction suppression layer 130.
  • the thickness of the intermediate layer 140 is, for example, 40 nm or more and 1000 nm or less.
  • the intermediate layer 140 preferably grows coherently with respect to the reaction suppression layer 130, but it is not essential that the intermediate layer 140 grows completely coherently with respect to the reaction suppression layer 130, and lattice relaxation may occur.
  • the stress generating layer 150 is located between the silicon (Si) substrate 110 and the device forming layer 160, and is a layer that generates compressive stress for reducing the warping of the entire epi substrate 100.
  • the stress generation layer 150 is formed by repeatedly stacking a plurality of nitride semiconductor crystal layers having different AlGaN compositions. By repeatedly laminating nitride semiconductor crystal layers having different AlGaN compositions, compressive stress can be generated in the layer formed above the stress generating layer 150, and the warpage of the entire epi substrate 100 can be reduced. it can.
  • the stress generation layer 150 is configured by alternately laminating first and second nitride semiconductor crystal layers 151 and 152 having different AlGaN compositions, and repeatedly laminating multiple crystal layers 153.
  • the first nitride semiconductor crystal layer 151 is formed from, for example, a group III nitride crystal having a lattice constant of a1 in a bulk crystal.
  • the second nitride semiconductor crystal layer 152 is formed from, for example, a group III nitride crystal whose lattice constant in the bulk crystal is a2 (a1 ⁇ a2) larger than that of the first nitride semiconductor crystal layer.
  • the AlGaN compositions of the first and second nitride semiconductor crystal layers 151 and 152 are not particularly limited as long as the relationship of the lattice constants is a1 ⁇ a2.
  • the AlGaN composition of the first nitride semiconductor crystal layer 151 is preferably Al q Ga 1-q N (0.9 ⁇ q ⁇ 1).
  • the second nitride semiconductor crystal layer 152 has a higher Ga than the first nitride semiconductor crystal layer 151 from the viewpoint of making the lattice constant a2 larger than the lattice constant a1 of the first nitride semiconductor crystal layer 151.
  • the ratio is preferably high, and for example, the AlGaN composition thereof is preferably Al p Ga 1-p N (0 ⁇ p ⁇ 0.3).
  • the thicknesses of the first and second nitride semiconductor crystal layers 151 and 152 and the number of repetitions of the multiple crystal layer 153 are not particularly limited, and the device forming layer formed on the stress generation layer 150. It may be appropriately changed according to the thickness and composition of 160.
  • the thickness of the first nitride semiconductor crystal layer 151 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, and more preferably 5.0 nm or more and 20 nm or less.
  • the thickness of the second nitride semiconductor crystal layer 152 is preferably 5 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 300 nm or less.
  • the number of layers of the multilayer crystal layer 153 is, for example, 2 to 500.
  • the stress generating layer 150 does not have to be a structure in which a plurality of multiple crystal structures 153 are laminated, and may be a single layer. Further, for example, the stress generating layer 150 is laminated with three layers in addition to the first and second nitride semiconductor crystal layers and a third nitride semiconductor crystal layer having a lattice constant of a3 (a2 ⁇ a3) in the bulk crystal. It may be a structure. Further, for example, the stress generation layer 150 may be composed of a graded crystal layer in which the lattice constant in the bulk crystal increases continuously or stepwise as the distance from the Si substrate 110 increases (as it goes upward).
  • the device forming layer 160 is provided on the stress generating layer 150 and is a layer on which a device structure such as a transistor or an LED is formed.
  • the device forming layer 160 used for manufacturing a high electron mobility transistor (HEMT) includes an active layer 161 and a Schottky layer 162.
  • the active layer 161 is, for example, an Al a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) layer, preferably a GaN layer.
  • the thickness may be, for example, 100 nm or more and 2000 nm or less.
  • the Schottky layer 162 is, for example, an Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1, a ⁇ b) layer, preferably an Al b Ga 1-b N (0.1 ⁇ b ⁇ 0.3) layer. is there.
  • the thickness may be, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the epi layer 120 is mixed with oxygen or the like as impurities in the raw material or derived from the inner wall of the crystal growth apparatus.
  • the inventor of the present application improves the withstand voltage of the epi substrate 100 by suppressing the oxygen concentration in the intermediate layer 140 during the lamination of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140, and the stress generating layer 150 to a low level. I got the finding that it can be done.
  • FIG. 5 is an oxygen concentration profile (hereinafter, also referred to as an oxygen concentration profile of the example) in the Si substrate 110, the reaction suppression layer 130, the intermediate layer 140, and the stress generating layer 150 of the epi substrate 100 produced as an example.
  • the oxygen concentration profile of the examples was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Note that FIG. 5 shows a profile in which fine irregularities such as noise are leveled.
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • the oxygen concentration in each of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140 and the stress generating layer 150 is defined as follows.
  • the oxygen concentration in each layer is located in the center of each layer in the thickness direction, and is the thickness in the portion having a thickness of 10% of the thickness of each layer (the portion having a thickness of 5% above and below the center). It is defined by the oxygen concentration averaged in the direction.
  • a feature of the oxygen concentration of the epi layer 120 of the present embodiment is that the oxygen concentration in the intermediate layer 140 is lower than the oxygen concentration in the stress generating layer 150. Further, the oxygen concentration in the intermediate layer 140 is lower than the oxygen concentration in the reaction suppression layer 130. The oxygen concentration in the stress generating layer 150 is lower than the oxygen concentration in the reaction suppressing layer 130. That is, the oxygen concentration in the stress generating layer 150 is higher than the oxygen concentration in the intermediate layer 140, and the oxygen concentration in the reaction suppressing layer 130 is higher than the oxygen concentration in the stress generating layer 150.
  • the withstand voltage of the epi substrate 100 (hereinafter, also referred to as the conventional epi substrate 100) provided with the epi layer 120 having the conventional oxygen concentration profile was about 840 V at the maximum.
  • the withstand voltage of the epi substrate 100 having the epi layer 120 having the oxygen concentration profile of the example (hereinafter, also referred to as the epi substrate 100 of the embodiment) was improved to about 880 V.
  • the withstand voltage varies widely among the epi-boards 100, and some show a low withstand voltage of 200 V or less, whereas in the epi-board 100 of the example (the epi-board 100 of the example).
  • FIG. 6 shows the current-voltage characteristics of the epi-board 100 produced as an example.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is a voltage expressed in V units.
  • the vertical axis of FIG. 6 is the current density expressed in units of A / mm 2 .
  • the applied voltage when the device forming layer 160 side applies a positive DC voltage between the device forming layer 160 and the Si substrate 110 of the epi substrate 100 and the current density reaches 1 ⁇ 10 -6 A / mm 2. , Withstand voltage.
  • a high withstand voltage of about 880 V is obtained.
  • the concentration profile of various impurities by SIMS is improved with that of the conventional epi substrate 100.
  • the above-mentioned difference was found in relation to the oxygen concentration profile when compared with the epi-board 100 (of the example) in which the above was observed. That is, in the epi substrate 100 of the example, the difference was found that the oxygen concentration in the intermediate layer 140 was lower than the oxygen concentration in the stress generating layer 150. Therefore, it is considered that making the oxygen concentration in the intermediate layer 140 lower than the oxygen concentration in the stress generating layer 150 is a preferable feature for improving the withstand voltage of the epi substrate 100.
  • the guideline for the ratio of the oxygen concentration in the stress generating layer 150 to the oxygen concentration in the intermediate layer 140 is, for example, more than 1 time (more preferably more than 1.5 times) and 10 times or less. Further, the guideline of the ratio of the oxygen concentration in the reaction suppressing layer 130 to the oxygen concentration in the intermediate layer 140 is, for example, more than 5 times and 100 times or less.
  • the guideline for the upper limit of the oxygen concentration in the intermediate layer 140 is, for example, 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
  • the guideline for the upper limit of the oxygen concentration in the stress generation layer 150 is, for example, 5 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
  • the guideline for the upper limit of the oxygen concentration in the reaction suppression layer 130 is, for example, 5 ⁇ 10 19 cm -3 or less.
  • the lower limit of the oxygen concentration in the intermediate layer 140, the oxygen concentration in the stress generating layer 150, and the oxygen concentration in the reaction suppressing layer 130 is not particularly limited (as long as the above-mentioned relationship is satisfied).
  • the regulation of oxygen concentration in each layer as described above can be regarded as the average oxygen concentration in the central portion in the thickness direction of each layer.
  • the reaction suppression layer 130 has a tendency that the oxygen concentration (not averaged) decreases from the Si substrate 110 side toward the intermediate layer 140 side. This tendency is that the oxygen concentration in the reaction suppression layer 130 (the average oxygen concentration in the central portion in the thickness direction) is lower than the oxygen concentration at the interface position of the reaction suppression layer 130 with the Si substrate 110, and the reaction suppression layer 130. It can be defined as a relationship that the oxygen concentration at the interface position of the reaction suppressing layer 130 with the intermediate layer 140 is lower than the oxygen concentration (average oxygen concentration in the central portion in the thickness direction).
  • the oxygen concentration (not averaged) at each depth of the stress generating layer 150 tends to be a substantially constant level, and the oxygen concentration at each depth of the stress generating layer 150 tends to be at any depth. Also, it tends to be higher than the oxygen concentration in the intermediate layer 140 (the average oxygen concentration in the central portion in the thickness direction). Further, the (non-averaged) oxygen concentration at each depth of the reaction suppression layer 130 is higher than the oxygen concentration at the intermediate layer 140 (average oxygen concentration at the central portion in the thickness direction) at any depth. Has a high tendency.
  • the Si substrate 110 is prepared. Above the Si substrate 110, the reaction suppression layer 130, the intermediate layer 140, the stress generation layer 150, and the device forming layer 160, which are the layers constituting the epi layer 120, are grown by, for example, organic metal vapor phase growth (MOVPE). Then, the epi substrate 100 is formed.
  • the group III raw material gases for example, trimethylgallium (Ga (CH3) 3 , TMG) gas is used as the Ga raw material gas.
  • the Al source gas among the group III source gases for example, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 , TMA) gas is used.
  • the nitrogen (N) raw material gas which is a group V raw material gas
  • ammonia NH 3
  • the carrier gas for example, at least one of nitrogen gas (N 2 gas) and hydrogen gas (H 2 gas) can be used.
  • N 2 gas nitrogen gas
  • H 2 gas hydrogen gas
  • the concentration of background impurities taken into the epi layer 120 is reduced by sufficiently reducing the impurities (moisture) in the gas using a gas purification device. Can be done.
  • the growth temperature can be selected in the range of, for example, 900 ° C.
  • the V / III ratio which is the flow rate ratio of the group V raw material gas to the group III raw material gas
  • the ratio of the supply amount of each raw material gas is adjusted according to the composition of each layer to be formed.
  • the growth time corresponding to the design thickness can be calculated from the growth rate obtained in the preliminary experiment, and the thickness can be controlled by the growth time.
  • FIG. 2 is a schematic view of the MOVPE device 200, which is a crystal growth device used in the method for manufacturing the epi substrate 100.
  • the MOVPE apparatus 200 includes a reactor 210, and a susceptor 220 for mounting the Si substrate 110 is arranged in the reactor 210. Above the susceptor 220, a top plate 242 made of quartz (silicon oxide) is supported and fixed so as to face the upper surface of the susceptor 220 at a distance from each other.
  • the space 250 partitioned between the susceptor 220 and the top plate 242 serves as a flow path for supplying the group III raw material gas Ga1, the group V raw material gas Ga2, and the carrier gas Gb1.
  • the carrier gas supplied together with the group III raw material gas Ga1 and the carrier gas supplied together with the group V raw material gas Ga2 are collectively referred to as a carrier gas Gb1.
  • the space 251 between the top plate 242 and the inner wall of the reactor 210, which is arranged on the opposite side of the top plate 242 to the susceptor 220, serves as a flow path to which the gas Gb2 for cooling the top plate 242 is supplied.
  • the gas Gb2 for example, at least one of N 2 gas and H 2 gas can be used.
  • each of the gases Ga1, Ga2, Gb1 and Gb2 are adjusted by a flow rate adjusting mechanism controlled by the control device 270.
  • gass Ga1, Ga2, Gb1 and Gb2 flow from left to right on the paper.
  • a susceptor cover 241 made of quartz is placed on the susceptor 220.
  • the susceptor cover 241 has a function of covering and protecting the susceptor 220 so that the susceptor 220 is not contaminated by the raw material gas.
  • the susceptor cover 241 is provided with an opening 231, and the Si substrate 110 is placed in the opening 231.
  • FIG. 2 illustrates a mode in which the Si substrate 110 is placed via the rotation mechanism 230.
  • the rotation mechanism 230 allows the layers 130 to 160 constituting the epi layer 120 to grow while rotating the Si substrate 110.
  • the susceptor 220 is provided with an outer peripheral side heater 261 and an inner peripheral side heater 262.
  • the outer peripheral side heater 261 can heat the susceptor cover 241 mounted on the susceptor 220.
  • the inner peripheral side heater 262 can heat the Si substrate 110 mounted on the susceptor 220 via the rotation mechanism 230.
  • Each of the outer peripheral side heater 261 and the inner peripheral side heater 262 is controlled by the control device 270 so as to reach a predetermined temperature at a predetermined timing.
  • the susceptor cover 241 is placed on the susceptor 220, the top plate 242 is arranged facing the susceptor, and the Si substrate 110 is placed in the opening 231 of the susceptor cover 241.
  • the epi layer is formed on the Si substrate. It has a step of forming 120. In the step of forming the epi layer 120, the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140, and the stress generating layer 150 are formed in this order from the Si substrate 110 side.
  • the oxygen concentration in the intermediate layer 140 during the lamination of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140 and the stress generating layer 150 is suppressed to be low.
  • a method for suppressing the oxygen concentration of the intermediate layer 140 to be low in the step of forming the epi layer 120 will be described.
  • the quartz constituting the susceptor cover 241 and the top plate 242 is one of the factors for generating oxygen mixed in the epi layer 120. Since quartz contains oxygen, when the temperature of the susceptor cover 241 or top plate 242 made of quartz becomes high, the quartz is reduced by the atmosphere to generate oxygen, and the amount of generation is temperature-dependent (the higher the temperature, the more oxygen is generated). (Large amount) is known. By reducing the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242 during the growth of the intermediate layer 140, or by reducing the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242 mixed into the intermediate layer 140. It was found that the oxygen concentration of the intermediate layer 140 could be reduced.
  • oxygen-containing components such as oxygen and water remaining in the reactor 210 can be mentioned.
  • impurities (moisture) in the gas supplied to the reactor are sufficiently reduced by using the gas purification apparatus, the oxygen taken into the epi layer 120 is mixed from the oxygen-containing components remaining in the reactor 210. Is dominant, so it is considered that the epilayer 120 gradually decreases from the start of growth.
  • the tendency of the oxygen concentration in each layer to decrease monotonically from the reaction suppressing layer 130 to the stress generating layer 150 is considered to correspond to such a decrease in the amount of oxygen mixed.
  • the growth conditions in the growth process of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140, and the stress generating layer 150 were kept constant. That is, the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242, or the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242, is the amount of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140, and the stress generating layer 150.
  • the epi layer 120 was grown under growth conditions that did not change in the growth process. Therefore, in the conventional oxygen concentration profile, oxygen in each layer is reflected from the reaction suppression layer 130 to the stress generation layer 150, reflecting the change in the amount of oxygen mixed from the oxygen-containing components remaining in the reaction furnace 210. It is probable that the concentration tended to decrease monotonically.
  • the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242, or the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242 is mixed.
  • the growth conditions are controlled so as to be reduced in the growth process of the intermediate layer 140. This makes it possible to make the oxygen concentration in the intermediate layer 140 lower than the oxygen concentration in the stress generating layer 150.
  • the first timing chart from the top of FIG. 3A shows the temperature of the susceptor cover 241.
  • the temperature of the susceptor cover 241 is lowered as compared with the growth step of the reaction suppression layer 130 and the stress generating layer 150.
  • the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 can be reduced in the growth step of the intermediate layer 140.
  • the second, third, and fourth timing charts from the top of FIG. 3A exemplify some specific embodiments for lowering the temperature of the susceptor cover 241 in the growth step of the intermediate layer 140.
  • the second, third, and fourth timing charts from the top of FIG. 3A show the temperature of the outer peripheral heater 261 and the ratio of H 2 gas to N 2 gas in the carrier gas Gb1 (H 2 / N 2 ratio), respectively. ), And the flow rate of the carrier gas Gb1.
  • the temperature of the outer peripheral side heater 261 is lowered as compared with the growth step of the reaction suppression layer 130 and the stress generating layer 150, and H in the carrier gas Gb1. At least one of increasing the 2 / N 2 ratio and increasing the flow rate of the carrier gas Gb1 is performed.
  • the temperature of the susceptor cover 241 can be lowered by lowering the temperature of the outer peripheral side heater 261. Since the H 2 gas has high heat transfer property, increasing the H 2 / N 2 ratio in the carrier gas Gb1 increases the amount of heat that the carrier gas Gb1 takes from the susceptor cover 241. Therefore, the temperature of the susceptor cover 241 can be lowered. it can. Further, by increasing the flow rate of the carrier gas Gb1, the amount of heat that the carrier gas Gb1 takes from the susceptor cover 241 increases, so that the temperature of the susceptor cover 241 can be lowered.
  • the susceptor cover 241 is directly mounted on the susceptor 220, and the Si substrate 110 is indirectly mounted on the susceptor 220 via the rotation mechanism 230.
  • the mode in which it is placed is illustrated. Therefore, when the outer peripheral side heater 261 is heated under the same conditions as the inner peripheral side heater 262, the susceptor cover 241 is more likely to be heated than the Si substrate 110, so that the temperature tends to be higher.
  • the first timing chart from the top of FIG. 3B shows the temperature of the top plate 242.
  • the temperature of the top plate 242 is lowered as compared with the growth step of the reaction suppressing layer 130 and the stress generating layer 150.
  • the amount of oxygen generated from the top plate 242 can be reduced in the growth step of the intermediate layer 140.
  • the second and third timing charts from the top of FIG. 3B exemplify some specific embodiments for lowering the temperature of the top plate 242 in the growth step of the intermediate layer 140.
  • the step of growing the intermediate layer 140 as compared to the growth step of the reaction suppression layer 130 and the stress generation layer 150, for example, to increase the H 2 / N 2 ratio in the gas Gb2, and, At least one of increasing the flow rate of the gas Gb2 is performed.
  • the amount of heat that the gas Gb1 takes from the top plate 242 increases, so that the temperature of the top plate 242 can be lowered. Further, by increasing the flow rate of the gas Gb2, the amount of heat taken by the gas Gb2 from the top plate 242 increases, so that the temperature of the top plate 242 can be lowered.
  • the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242 mixed (incorporated) into the intermediate layer 140 is reduced.
  • a method of reducing the oxygen concentration of the intermediate layer 140 will be described. By this method, the amount of oxygen generated from factors other than the susceptor cover 241 or the top plate 242 can be reduced in the intermediate layer 140.
  • the first timing chart from the top of FIG. 4A shows the temperature of the Si substrate 110.
  • the temperature of the Si substrate 110 is raised as compared with the growth step of the reaction suppression layer 130 and the stress generating layer 150.
  • oxygen (O) can be made difficult to be taken into the intermediate layer 140, so that the amount of oxygen mixed in the intermediate layer 140 can be reduced.
  • the second timing chart from the top of FIG. 4A shows a mode in which the temperature of the inner peripheral side heater 262 is raised as a specific mode for raising the temperature of the Si substrate 110 in the growth step of the intermediate layer 140. Since the inner peripheral side heater 262 is provided for heating the Si substrate 110, the temperature of the Si substrate 110 can be raised by raising the temperature of the inner peripheral side heater 262.
  • the temperature of the susceptor cover 241 may be lowered in the growth step of the intermediate layer 140, and the temperature may be excessively lowered to the temperature of the Si substrate 110. Therefore, the temperature drop of the Si substrate 110 may be suppressed by raising the temperature of the inner peripheral side heater 262.
  • the timing chart of FIG. 4B shows the growth rate of the reaction suppression layer 130 and the like grown on the Si substrate 110.
  • the growth rate is increased as compared with the growth step of the reaction suppressing layer 130 and the stress generating layer 150.
  • the proportion of oxygen in the intermediate layer 140 is relatively reduced, so that the amount of oxygen mixed in the intermediate layer 140 can be reduced.
  • the growth rate can be adjusted by the V / III ratio, for example, when the supply amount of the nitrogen (N) raw material gas is constant.
  • the method of increasing the flow rate of the carrier gas Gb1 in the growth step of the intermediate layer 140 shown in the fourth timing chart from the top of FIG. 3A reduces the gas phase concentration of oxygen generated from the susceptor cover 241. It also has the effect of suppressing the uptake of oxygen at high flow velocities. Therefore, this method can also reduce the amount of oxygen mixed in the intermediate layer 140.
  • any one of the methods illustrated in FIGS. 3 (a) to 4 (b) may be carried out alone, or a plurality of methods may be carried out in combination.
  • Various growth conditions are based on, for example, preliminary experiments so that the oxygen concentration in the intermediate layer 140 during the lamination of the reaction suppressing layer 130, the intermediate layer 140 and the stress generating layer 150 becomes the predetermined conditions as described above. , May be adjusted as appropriate.
  • the susceptor cover is compared with the growing step of the stress generating layer 150. It is preferable to control the growth conditions so as to reduce the amount of oxygen generated from the 241 or the top plate 242, or to reduce the amount of oxygen generated from the susceptor cover 241 or the top plate 242.
  • the epi-board 100 with improved withstand voltage can be obtained.
  • the withstand voltage of the semiconductor device manufactured by using the epi substrate 100 of the present embodiment can be improved, and the quality of the semiconductor device composed of the group III nitride semiconductor and excellent in energy saving effect and the like can be improved. Can be done.
  • the nitride semiconductor layer is formed in order from the silicon substrate side.
  • the first layer composed of Al x Ga 1-x N (0.9 ⁇ x ⁇ 1) and
  • the second layer containing AlGaN having an Al composition smaller than the Al composition x of the first layer, and
  • a third layer formed by laminating a plurality of nitride semiconductor crystal layers having different compositions is provided.
  • Appendix 2 The nitride semiconductor substrate according to Appendix 1, wherein the oxygen concentration in the second layer is lower than the oxygen concentration in the first layer.
  • Appendix 3 The nitride semiconductor substrate according to Appendix 1 or 2, wherein the oxygen concentration in the third layer is higher than the oxygen concentration in the second layer, and the oxygen concentration in the first layer is higher than the oxygen concentration in the third layer.
  • Appendix 4 Any one of Appendix 1 to 3, wherein the oxygen concentration in the third layer is more than 1 time (more preferably more than 1.5 times) and 10 times or less with respect to the oxygen concentration in the second layer.
  • the third layer is formed by alternately laminating first and second nitride semiconductor crystal layers having different compositions.
  • the first nitride semiconductor crystal layer is formed of Al q Ga 1-q N (0.9 ⁇ q ⁇ 1).
  • a third layer formed by laminating two layers and a plurality of nitride semiconductor crystal layers having different compositions is formed.
  • the amount of oxygen generated from the susceptor cover or the top plate is reduced as compared with the formation of the third layer, or the oxygen generated from the susceptor cover or the top plate is formed.
  • Nitride semiconductor substrate 110 ... Silicon substrate, 120 ... Nitride semiconductor layer, 130 ... Reaction suppression layer, 140 ... Intermediate layer, 150 ... Stress generation layer, 151 ... First nitride semiconductor crystal layer, 152 ... 2 nitride semiconductor crystal layer, 160 ... device forming layer, 161 ... active layer, 162 ... Schottky layer

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Abstract

シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、窒化物半導体層は、シリコン基板側から順に、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）で構成された第１層と、前記第１層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを含む第２層と、組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第３層と、を備え、第２層における酸素濃度が、第３層における酸素濃度よりも低い。

Description

窒化物半導体基板
　本発明は、窒化物半導体基板に関する。
　半導体基板として、下地基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板がある。窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ半導体であり、優れた絶縁破壊強度を有している。そのため、窒化物半導体を、高い耐圧が要求される半導体デバイスへ適用することが検討されている。窒化物半導体をエピタキシャル成長させる下地基板としては、大口径化等の観点から、シリコン基板を用いることが検討されている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１８－８８５０１号公報
　シリコン基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる際、後述のように、反応抑制層、中間層、応力発生層等の積層構造が形成される。本願発明者が得た知見によれば、積層構造中の酸素濃度は、シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における耐圧への影響が大きいため、耐圧を向上させるように制御されていることが好ましい。
　本発明の一目的は、シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における耐圧を向上させる技術を提供することである。
　本発明の一態様によれば、
　シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
　前記窒化物半導体層は、前記シリコン基板側から順に、
　ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）で構成された第１層と、
　前記第１層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを含む第２層と、
　組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第３層と、を備え、
　前記第２層における酸素濃度が、前記第３層における酸素濃度よりも低い、窒化物半導体基板が提供される。
　シリコン基板を用いた窒化物半導体基板における耐圧を向上させる技術が提供される。
図１は、本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体基板の断面概略図である。 図２は、一実施形態にかかる窒化物半導体基板の製造に用いられる気相成長装置の概略図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、一実施形態にかかる、反応抑制層、中間層および応力発生層の成長工程における成長条件の制御の仕方を概念的に示すタイミングチャートである。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、一実施形態にかかる、反応抑制層、中間層および応力発生層の成長工程における成長条件の制御の仕方を概念的に示すタイミングチャートである。 図５は、実施例の窒化物半導体基板について、２次イオン質量分析により測定された酸素濃度の厚さ方向のプロファイルを示す。 図６は、実施例の窒化物半導体基板について測定された電流電圧特性である。
＜本発明の一実施形態＞
　以下、本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体基板１００について説明する。図１は、窒化物半導体基板１００の断面概略図である。窒化物半導体基板１００（以下、エピ基板１００ともいう）は、シリコン基板１１０上に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層１２０（以下、エピ層１２０ともいう）が積層されて構成される。
（シリコン基板）
　シリコン（Ｓｉ）基板１１０は、エピ層１２０をヘテロエピタキシャル成長させるための下地基板である。Ｓｉ基板１１０としては、例えば直径が１５０ｍｍ以上の大口径のものを使用することができる。
（エピ層）
　エピ層１２０は、Ｓｉ基板１１０側から順に、反応抑制層１３０、中間層１４０、応力発生層１５０およびデバイス形成層１６０を備えている。後述のように、本実施形態によるエピ基板１００は、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の積層中の中間層１４０における酸素濃度が低く抑制されていることで、厚さ方向（縦方向）の耐圧の向上が図られている。以下、エピ基板１００の厚さ方向の耐圧を、単に、耐圧ともいう。
（反応抑制層）
　反応抑制層１３０は、Ｓｉ基板１１０上に設けられ、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含む層（好ましくはＡｌＮで構成される層）である。反応抑制層１３０は、Ｓｉ基板１１０と中間層１４０との間に介在することで、Ｓｉ基板１１０に含まれるＳｉと中間層１４０に含まれるガリウム（Ｇａ）との反応（合金化）を抑制する。なお、反応抑制層１３０を構成する材料として、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）を用いてよい。更に反応抑制層１３０とＳｉ基板１１０との間にＳｉＮｙ（１≦ｙ≦２）からなる層を挟んでもよい。反応抑制層１３０は、また、反応抑制層１３０よりも上方に成長される窒化物半導体層の初期核を形成する働きも有する。反応抑制層１３０の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
（中間層）
　中間層１４０は、反応抑制層１３０上に設けられ、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）を含む層（ＩＩＩ族元素としてＡｌおよびＧａを含むＡｌＧａＮで構成された層）である。中間層１４０は、反応抑制層１３０に形成された初期核を拡大し、反応抑制層１３０の上面よりも平坦な上面を有することで、中間層１４０の上方に成長される応力発生層１５０の下地面を構成する。中間層１４０のＡｌ組成は、反応抑制層１３０のＡｌ組成よりも小さい値に選択される。中間層１４０の厚さは、例えば、４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。中間層１４０は、反応抑制層１３０に対しコヒーレントに成長していることが好ましいが、反応抑制層１３０に対し完全にコヒーレント成長していることが必須ではなく、格子緩和が生じていてもよい。
（応力発生層）
　応力発生層１５０は、シリコン（Ｓｉ）基板１１０とデバイス形成層１６０の間に位置し、エピ基板１００全体の反りを低減するための圧縮応力を発生させる層である。応力発生層１５０は、ＡｌＧａＮ組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層を繰り返し重ねて形成される。ＡｌＧａＮ組成の異なる窒化物半導体結晶層が繰り返し積層されることにより、応力発生層１５０において上方に形成される層に圧縮応力を発生させることができ、エピ基板１００全体での反りを低減させることができる。
　応力発生層１５０は、例えば図１に示すように、ＡｌＧａＮ組成の異なる第１および第２の窒化物半導体結晶層１５１，１５２を交互に積層させて、多重結晶層１５３が繰り返し積層されて構成される。第１の窒化物半導体結晶層１５１は、例えば、バルク結晶における格子定数がａ１であるＩＩＩ族窒化物結晶から形成される。第２の窒化物半導体結晶層１５２は、例えば、バルク結晶における格子定数が第１の窒化物半導体結晶層よりも大きなａ２（ａ１＜ａ２）であるＩＩＩ族窒化物結晶から形成される。第１および第２の窒化物半導体結晶層１５１，１５２のそれぞれのＡｌＧａＮ組成は、格子定数の関係がａ１＜ａ２となれば特に限定されない。例えば、第１の窒化物半導体結晶層１５１のＡｌＧａＮ組成は、ＡｌｑＧａ１－ｑＮ（０．９≦ｑ≦１）であることが好ましい。また、第２の窒化物半導体結晶層１５２は、格子定数ａ２を第１の窒化物半導体結晶層１５１の格子定数ａ１よりも大きくする観点からは第１の窒化物半導体結晶層１５１よりもＧａの比率が高いことが好ましく、例えば、そのＡｌＧａＮ組成は、ＡｌｐＧａ１－ｐＮ（０≦ｐ≦０．３）であることが好ましい。
　応力発生層１５０において、第１および第２の窒化物半導体結晶層１５１，１５２の各厚さと、多重結晶層１５３の繰り返し数は、特に限定されず、応力発生層１５０上に形成するデバイス形成層１６０の厚さや組成に応じて適宜変更するとよい。例えば、第１の窒化物半導体結晶層１５１の厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましく、５．０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第２の窒化物半導体結晶層１５２の厚さは、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることがより好ましい。多重結晶層１５３の積層数は、例えば、２～５００である。
　なお、応力発生層１５０は、多重結晶構造１５３が複数積層された構造でなくてもよく、１層であってもよい。また例えば、応力発生層１５０は、第１および第２の窒化物半導体結晶層に加え、バルク結晶における格子定数がａ３（ａ２＜ａ３）である第３窒化物半導体結晶層との３層の積層構造としてもよい。また例えば、応力発生層１５０は、バルク結晶における格子定数が、Ｓｉ基板１１０から遠ざかるに従い（上方に行くに従い）連続的またはステップ的に大きくなるグレーディッド結晶層で構成されてもよい。
（デバイス形成層）
　デバイス形成層１６０は、応力発生層１５０上に設けられ、例えばトランジスタやＬＥＤ等のデバイス構造が形成される層である。例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の作製に用いられるデバイス形成層１６０は、活性層１６１およびショットキ層１６２を備えて構成される。活性層１６１は、例えばＡｌａＧａ１－ａＮ（０≦ａ＜１）層であり、好ましくはＧａＮ層である。その厚さは、例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とするとよい。ショットキ層１６２は、例えばＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１、ａ＜ｂ）層であり、好ましくはＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０．１＜ｂ≦０．３）層である。その厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とするとよい。
（エピ層における酸素濃度）
　エピ層１２０には、その成長工程で、原料中あるいは結晶成長装置内壁由来の不純物として酸素等が混入する。本願発明者は、以下に説明するように、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の積層中の中間層１４０における酸素濃度を低く抑制することで、エピ基板１００の耐圧を向上させることができるという知見を得た。
　図５は、実施例として作製したエピ基板１００の、Ｓｉ基板１１０、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０における酸素濃度プロファイル（以下、実施例の酸素濃度プロファイルともいう）である。実施例の酸素濃度プロファイルは、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により測定した。なお、図５は、ノイズ的な細かい凹凸を均したプロファイルを示す。以下、実施例の酸素濃度プロファイルを例示しつつ、本実施形態によるエピ基板１００の耐圧を向上させるために好ましい酸素濃度の条件について説明する。
　反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の各層における酸素濃度は、以下のように規定される。各層における酸素濃度は、各層の厚さ方向の中心に位置し、各層の厚さの１０％分の厚さを有する部分（中心から上下それぞれに５％分の厚さの部分）における、厚さ方向に平均された酸素濃度で規定される。
　図５からわかるように、実施例の酸素濃度プロファイルにおいて、中間層１４０での凹みが特徴的に観察される。これに対し、従来の酸素濃度プロファイルは、反応抑制層１３０から応力発生層１５０にむけて各層における酸素濃度が単調に減少するものであって、中間層１４０での凹み、つまり、応力発生層１５０における酸素濃度よりも中間層１４０における酸素濃度が低くなっているという特徴が観察されるものではなかった。
　したがって、本実施形態のエピ層１２０が有する酸素濃度の特徴としては、中間層１４０における酸素濃度が、応力発生層１５０における酸素濃度よりも低いことが挙げられる。また、中間層１４０における酸素濃度が、反応抑制層１３０における酸素濃度よりも低いことが挙げられる。応力発生層１５０における酸素濃度は、反応抑制層１３０における酸素濃度よりも低い。つまり、中間層１４０における酸素濃度よりも応力発生層１５０における酸素濃度が高く、応力発生層１５０における酸素濃度よりも反応抑制層１３０における酸素濃度が高い。
　従来の酸素濃度プロファイルを有するエピ層１２０を備えたエピ基板１００（以下、従来のエピ基板１００ともいう）の耐圧は、最大でも８４０Ｖ程度であった。これに対し、実施例の酸素濃度プロファイルを有するエピ層１２０を備えたエピ基板１００（以下、実施例のエピ基板１００ともいう）の耐圧は、８８０Ｖ程度に向上した。さらに、従来のエピ基板１００では、エピ基板１００ごとに耐圧のばらつきが大きく、２００Ｖ以下の低い耐圧を示すものが散見されたのに対し、実施例のエピ基板１００では（実施例のエピ基板１００と同様な酸素濃度プロファイルを有する複数のエピ基板１００では）、エピ基板１００ごとの耐圧のばらつきが抑制されており、このような低い耐圧を示すものが生じにくいこともわかった。なお、測定は室温で行った。
　図６は、実施例として作製したエピ基板１００の電流電圧特性である。図６の横軸は、Ｖ単位で表した電圧である。図６の縦軸は、Ａ／ｍｍ２単位で表した電流密度である。エピ基板１００のデバイス形成層１６０とＳｉ基板１１０との間に、デバイス形成層１６０側が正の直流電圧を印加し、電流密度が１×１０－６Ａ／ｍｍ２に到達したときの印加電圧を、耐圧とした。図６に示す例では、８８０Ｖ程度の高い耐圧が得られている。
　実施例のエピ基板１００において、従来のエピ基板１００と比べて、耐圧の向上効果が得られたメカニズムは明らかではないが、各種不純物のＳＩＭＳによる濃度プロファイルを、従来のエピ基板１００と、耐圧向上が見られた（実施例の）エピ基板１００と、で比較したところ、顕著な相違点として、酸素濃度プロファイルに関し上述のような相違点が見出された。つまり、実施例のエピ基板１００において、中間層１４０における酸素濃度が、応力発生層１５０における酸素濃度よりも低くなっているという相違点が見出された。したがって、中間層１４０における酸素濃度を、応力発生層１５０における酸素濃度よりも低くすることが、エピ基板１００の耐圧を向上させるために好ましい特徴であると考えられる。
　以下さらに、エピ基板１００の耐圧を向上させるために好ましい酸素濃度の条件について説明する。中間層１４０における酸素濃度に対する応力発生層１５０における酸素濃度の比率の目安は、例えば、１倍超（より好ましくは１．５倍超）であって１０倍以下である。また、中間層１４０における酸素濃度に対する反応抑制層１３０における酸素濃度の比率の目安は、例えば、５倍超であって１００倍以下である。
　中間層１４０における酸素濃度の上限の目安は、例えば１×１０１８ｃｍ－３以下である。応力発生層１５０における酸素濃度の上限の目安は、例えば５×１０１８ｃｍ－３以下である。反応抑制層１３０における酸素濃度の上限の目安は、例えば５×１０１９ｃｍ－３以下である。中間層１４０における酸素濃度、応力発生層１５０における酸素濃度、および、反応抑制層１３０における酸素濃度の下限は、（上述のような関係性が満たされていれば、）特に制限されない。
　上述のような、各層における酸素濃度の規定は、各層の厚さ方向の中心部分での平均酸素濃度と捉えることもできる。反応抑制層１３０は、（平均されていない）酸素濃度がＳｉ基板１１０側から中間層１４０側に向かって減少する、という傾向を有している。この傾向は、反応抑制層１３０のＳｉ基板１１０との界面位置における酸素濃度よりも、反応抑制層１３０における酸素濃度（厚さ方向の中心部分での平均酸素濃度）が低いとともに、反応抑制層１３０における酸素濃度（厚さ方向の中心部分での平均酸素濃度）よりも、反応抑制層１３０の中間層１４０との界面位置における酸素濃度が低い、という関係性として規定することができる。
　なお、応力発生層１５０の各深さでの（平均されていない）酸素濃度は、概ね一定の水準である傾向を有し、応力発生層１５０の各深さでの酸素濃度は、いずれの深さにおいても、中間層１４０における酸素濃度（厚さ方向の中心部分での平均酸素濃度）よりも高い傾向を有する。また、反応抑制層１３０の各深さでの（平均されていない）酸素濃度は、いずれの深さにおいても、中間層１４０における酸素濃度（厚さ方向の中心部分での平均酸素濃度）よりも高い傾向を有する。
（エピ基板の製造方法）
　次に、本実施形態によるエピ基板１００の製造方法について説明する。Ｓｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の上方に、エピ層１２０を構成する各層である、反応抑制層１３０、中間層１４０、応力発生層１５０およびデバイス形成層１６０を、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）により成長させることで、エピ基板１００を形成する。ＩＩＩ族原料ガスのうちＧａ原料ガスとしては、例えばトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３、ＴＭＧ）ガスが用いられる。ＩＩＩ族原料ガスのうちＡｌ原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３、ＴＭＡ）ガスが用いられる。Ｖ族原料ガスである窒素（Ｎ）原料ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ３）が用いられる。キャリアガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２ガス）および水素ガス（Ｈ２ガス）の少なくとも一方を用いることができる。反応炉に供給されるＮＨ３、Ｎ２、Ｈ２について、ガス精製装置を用いてガス中の不純物（水分）を十分に下げることによって、エピ層１２０に取り込まれるバックグラウンドの不純物濃度を下げることができる。成長温度は、例えば、９００℃～１２６０℃の範囲で選択可能であり、ＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの流量比であるＶ／ＩＩＩ比は、例えば、１０～１００００の範囲で選択可能である。形成する各層の組成に応じて、各原料ガスの供給量の比率が調整される。形成する各層の厚さは、たとえば予備実験で得た成長速度から設計厚さに対応する成長時間を算出し、成長時間により厚さを制御できる。
　図２は、エピ基板１００の製造方法に用いられる結晶成長装置であるＭＯＶＰＥ装置２００の概略図である。ＭＯＶＰＥ装置２００は、反応炉２１０を備えており、反応炉２１０内には、Ｓｉ基板１１０を載置するためのサセプタ２２０が配置されている。サセプタ２２０の上方には、サセプタ２２０の上面と相互に間隔をあけて対向するように、石英（酸化シリコン）からなる天板２４２が支持固定されている。
　サセプタ２２０と天板２４２との間に区画形成される空間２５０は、ＩＩＩ族原料ガスＧａ１、Ｖ族原料ガスＧａ２およびキャリアガスＧｂ１が供給される流路となる。ＩＩＩ族原料ガスＧａ１とともに供給されるキャリアガスと、Ｖ族原料ガスＧａ２とともに供給されるキャリアガスと、をまとめて、キャリアガスＧｂ１と表す。天板２４２のサセプタ２２０と反対側に配置される、天板２４２と反応炉２１０の内壁との間の空間２５１は、天板２４２を冷却するガスＧｂ２が供給される流路となる。ガスＧｂ２としては、例えば、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスの少なくとも一方を用いることができる。ガスＧａ１、Ｇａ２、Ｇｂ１およびＧｂ２のそれぞれの流量および組成は、制御装置２７０に制御される流量調整機構により調整される。図２では、紙面の左から右へガスＧａ１、Ｇａ２、Ｇｂ１およびＧｂ２が流れる。
　サセプタ２２０上に石英からなるサセプタカバー２４１が載置される。サセプタカバー２４１は、サセプタ２２０が原料ガスにより汚染されないようにサセプタ２２０を被覆保護する機能等を有する。サセプタカバー２４１には、開口部２３１が設けられており、開口部２３１内に、Ｓｉ基板１１０が載置される。図２は、Ｓｉ基板１１０が、回転機構２３０を介して載置される態様を例示する。回転機構２３０により、Ｓｉ基板１１０を回転させながら、エピ層１２０を構成する各層１３０～１６０を成長させることができる。
　サセプタ２２０に、外周側ヒータ２６１と内周側ヒータ２６２とが設けられている。外周側ヒータ２６１により、サセプタ２２０上に載置されたサセプタカバー２４１を加熱することができる。内周側ヒータ２６２により、サセプタ２２０上に回転機構２３０を介して載置されたＳｉ基板１１０を加熱することができる。外周側ヒータ２６１および内周側ヒータ２６２のそれぞれは、所定のタイミングで所定の温度となるように、制御装置２７０により制御される。
　本実施形態のエピ基板１００の製造工程は、サセプタカバー２４１がサセプタ２２０上に載置され、サセプタと対向して天板２４２が配置され、サセプタカバー２４１の開口部２３１にＳｉ基板１１０が載置された状態を準備する工程と、Ｓｉ基板を加熱しつつ、サセプタカバー２４１と天板２４２との間の空間２５０に（少なくとも）原料ガスＧａ１およびＧａ２を供給することにより、Ｓｉ基板上にエピ層１２０を形成する工程と、を有する。エピ層１２０を形成する工程では、Ｓｉ基板１１０側から順に、（少なくとも）反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０を形成する。
　上述のように、本実施形態によるエピ基板１００は、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の積層中の中間層１４０における酸素濃度が低く抑制されている。以下、エピ層１２０を形成する工程において、中間層１４０の酸素濃度を低く抑制するための方法について説明する。
　本願発明者の検討によると、サセプタカバー２４１および天板２４２を構成する石英は、エピ層１２０へ混入する酸素を発生させる要因の１つであることが分かった。石英は酸素を含むため、石英からなるサセプタカバー２４１または天板２４２が高温となることで、石英が雰囲気により還元されて酸素が発生し、発生量は温度依存性を持つ（高温ほど酸素の発生量が多い）ことが分かっている。サセプタカバー２４１または天板２４２から発生する酸素の量を中間層１４０の成長時に低減させることで、あるいは、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生した酸素が中間層１４０に混入する量を低減させることで、中間層１４０の酸素濃度を低減できることが分かった。
　なお、エピ層１２０へ混入する酸素を発生させるその他の要因として、反応炉２１０内に残留する酸素、水分等の酸素含有成分も挙げられる。ガス精製装置を用いて、反応炉に供給するガス中の不純物（水分）が十分に下げられている場合、エピ層１２０に取り込まれる酸素は、反応炉２１０内に残留する酸素含有成分からの混入が支配的となるため、エピ層１２０の成長開始から徐々に減少していくと考えられる。従来の酸素濃度プロファイルにおいて、反応抑制層１３０から応力発生層１５０にむけて各層における酸素濃度が単調に減少する傾向は、このような酸素の混入量減少に対応しているものと考えられる。
　従来のエピ基板１００を製造する際には、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の成長工程における成長条件を、一定としていた。つまり、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生する酸素の量が、あるいは、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生した酸素が混入する量が、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の成長工程で特に変化しないような成長条件で、エピ層１２０の成長を行っていた。このため、従来の酸素濃度プロファイルにおいては、反応炉２１０内に残留する酸素含有成分からの酸素の混入量の変化を反映して、反応抑制層１３０から応力発生層１５０にむけて、各層における酸素濃度が単調に減少する傾向が見られたものと考えられる。
　一方、本実施形態によるエピ基板１００を製造する際には、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生する酸素の量を、あるいは、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生した酸素が混入する量を、中間層１４０の成長工程において低減させるように、成長条件を制御する。これにより、中間層１４０における酸素濃度を、応力発生層１５０における酸素濃度よりも低くすることが可能となる。
　以下、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の成長工程における成長条件の制御の仕方を概念的に示すタイミングチャート（図３（ａ）～４（ｂ））を参照して、より具体的に説明する。
　まず、図３（ａ）のタイミングチャートを参照して、サセプタカバー２４１から（単位時間当たりに）発生する酸素の量を低減させることで、中間層１４０の酸素濃度を低減させる方法について説明する。図３（ａ）の上から１番目のタイミングチャートは、サセプタカバー２４１の温度を示す。中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、サセプタカバー２４１の温度を下げる。これにより、中間層１４０の成長工程において、サセプタカバー２４１から発生する酸素の量を低減させることができる。
　図３（ａ）の上から２番目、３番目および４番目のタイミングチャートは、中間層１４０の成長工程でサセプタカバー２４１の温度を下げるための具体的な態様のいくつかを例示する。図３（ａ）の上から２番目、３番目および４番目のタイミングチャートは、それぞれ、外周側ヒータ２６１の温度、キャリアガスＧｂ１におけるＮ２ガスに対するＨ２ガスの比率（Ｈ２／Ｎ２比率）、および、キャリアガスＧｂ１の流量を示す。
　サセプタカバー２４１の温度を下げるため、中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、例えば、外周側ヒータ２６１の温度を下げること、キャリアガスＧｂ１におけるＨ２／Ｎ２比率を上げること、および、キャリアガスＧｂ１の流量を増やすこと、の少なくともいずれかを行う。
　外周側ヒータ２６１は、サセプタカバー２４１の加熱用に設けられているため、外周側ヒータ２６１の温度を下げることで、サセプタカバー２４１の温度を下げることができる。Ｈ２ガスは、熱伝達性が高いので、キャリアガスＧｂ１におけるＨ２／Ｎ２比率を上げることで、キャリアガスＧｂ１がサセプタカバー２４１から奪う熱量が増えるため、サセプタカバー２４１の温度を下げることができる。また、キャリアガスＧｂ１の流量を増やすことによっても、キャリアガスＧｂ１がサセプタカバー２４１から奪う熱量が増えるため、サセプタカバー２４１の温度を下げることができる。
　なお、図２を参照して説明したように、本実施形態では、サセプタカバー２４１はサセプタ２２０上に直接的に載置され、Ｓｉ基板１１０はサセプタ２２０上に回転機構２３０を介して間接的に載置される態様を例示している。このため、外周側ヒータ２６１を内周側ヒータ２６２と同様な条件で加熱した場合、Ｓｉ基板１１０と比べて、サセプタカバー２４１は、加熱されやすいので高温になりやすい。
　次に、図３（ｂ）のタイミングチャートを参照して、天板２４２から（単位時間当たりに）発生する酸素の量を低減させることで、中間層１４０の酸素濃度を低減させる方法について説明する。図３（ｂ）の上から１番目のタイミングチャートは、天板２４２の温度を示す。中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、天板２４２の温度を下げる。これにより、中間層１４０の成長工程において、天板２４２から発生する酸素の量を低減させることができる。
　図３（ｂ）の上から２番目および３番目のタイミングチャートは、中間層１４０の成長工程で天板２４２の温度を下げるための具体的な態様のいくつかを例示する。図３（ｂ）の上から２番目および３番目のタイミングチャートは、それぞれ、ガスＧｂ２におけるＨ２／Ｎ２比率、および、ガスＧｂ２の流量を示す。
　天板２４２の温度を下げるため、中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、例えば、ガスＧｂ２におけるＨ２／Ｎ２比率を上げること、および、ガスＧｂ２の流量を増やすこと、の少なくともいずれかを行う。
　ガスＧｂ２におけるＨ２／Ｎ２比率を上げることで、ガスＧｂ１が天板２４２から奪う熱量が増えるため、天板２４２の温度を下げることができる。また、ガスＧｂ２の流量を増やすことによっても、ガスＧｂ２が天板２４２から奪う熱量が増えるため、天板２４２の温度を下げることができる。
　次に、図４（ａ）および４（ｂ）のタイミングチャートを参照して、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生した酸素が中間層１４０に混入する（取り込まれる）量を低減させることで、中間層１４０の酸素濃度を低減させる方法について説明する。なお、この方法により、サセプタカバー２４１または天板２４２以外の他の要因から発生した酸素についても、中間層１４０に混入する量を低減させることができる。
　図４（ａ）の上から１番目のタイミングチャートは、Ｓｉ基板１１０の温度を示す。中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、Ｓｉ基板１１０の温度を上げる。これにより、酸素（Ｏ）が中間層１４０に取り込まれにくくすることができるため、中間層１４０に混入する酸素の量を低減させることができる。
　図４（ａ）の上から２番目のタイミングチャートは、中間層１４０の成長工程でＳｉ基板１１０の温度を上げるための具体的な態様として、内周側ヒータ２６２の温度を上げる態様を示す。内周側ヒータ２６２は、Ｓｉ基板１１０の加熱用に設けられているため、内周側ヒータ２６２の温度を上げることで、Ｓｉ基板１１０の温度を上げることができる。
　なお、図３（ａ）を参照して説明した方法では、中間層１４０の成長工程でサセプタカバー２４１の温度を下げることに伴い、Ｓｉ基板１１０の温度まで過度に下がってしまう可能性がある。このため、内周側ヒータ２６２の温度を上げることで、Ｓｉ基板１１０の温度低下を抑制してもよい。
　図４（ｂ）のタイミングチャートは、Ｓｉ基板１１０上に成長させる反応抑制層１３０等の成長レートを示す。中間層１４０の成長工程では、反応抑制層１３０および応力発生層１５０の成長工程と比べて、成長レートを高くする。これにより、中間層１４０中の酸素の割合が相対的に低下することとなるため、中間層１４０に混入する酸素の量を低減させることができる。成長レートは、例えば、窒素（Ｎ）原料ガスの供給量が一定の場合にＶ／ＩＩＩ比により調整することができる。
　なお、図３（ａ）の上から４番目のタイミングチャートに示した、中間層１４０の成長工程でキャリアガスＧｂ１の流量を増やす方法は、サセプタカバー２４１から発生した酸素の気相濃度を低下させ、また高流速で酸素の取り込みを抑制する効果も有する。したがって、この方法によっても、中間層１４０に混入する酸素の量を低減させることができる。図３（ｂ）の上から３番目のタイミングチャートに示した、中間層１４０の成長工程でガスＧｂ２の流量を増やす方法についても、同様である。
　以上、図３（ａ）～４（ｂ）に例示した方法は、どれか１つを単独で実施してもよいし、複数のものを組み合わせて実施してもよい。各種の成長条件は、反応抑制層１３０、中間層１４０および応力発生層１５０の積層中の中間層１４０における酸素濃度が、上述のような所定の条件となるように、例えば予備実験等に基づいて、適宜調整されてよい。
　なお、中間層１４０における酸素濃度が応力発生層１５０における酸素濃度よりも低いという特徴を得るためには、少なくとも、中間層１４０の成長工程において、応力発生層１５０の成長工程と比べて、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生する酸素の量を低減させるように、あるいは、サセプタカバー２４１または天板２４２から発生した酸素が混入する量を低減させるように、成長条件を制御することが好ましい。
　以上説明したように、本実施形態によれば、耐圧が向上したエピ基板１００が得られる。これにより、本実施形態のエピ基板１００を用いて作製される半導体デバイスの耐圧を向上させることができ、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され省エネルギー効果等に優れた半導体デバイスの高品質化を図ることができる。
＜本発明の好ましい態様＞
　以下、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
　シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
　前記窒化物半導体層は、前記シリコン基板側から順に、
　ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）で構成された第１層と、
　前記第１層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを含む第２層と、
　組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第３層と、を備え、
　前記第２層における酸素濃度が、前記第３層における酸素濃度よりも低い、窒化物半導体基板。
（付記２）
　前記第２層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度よりも低い、付記１に記載の窒化物半導体基板。
（付記３）
　前記第２層における酸素濃度よりも前記第３層における酸素濃度が高く、前記第３層における酸素濃度よりも前記第１層における酸素濃度が高い、付記１または２に記載の窒化物半導体基板。
（付記４）
　前記第２層における酸素濃度に対し、前記第３層における酸素濃度は、１倍超（より好ましくは１．５倍超）であって１０倍以下である、付記１～３のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記５）
　前記第２層における酸素濃度に対し、前記第１層における酸素濃度は、５倍超であって１００倍以下である、付記１～４のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記６）
　前記第２層における酸素濃度が、１×１０１８ｃｍ－３以下である、付記１～５のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記７）
　前記第３層における酸素濃度が、５×１０１８ｃｍ－３以下である、付記１～６のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記８）
　前記第１層における酸素濃度が、５×１０１９ｃｍ－３以下である、付記１～７のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記９）
　前記第１層は、酸素濃度が前記シリコン基板側から前記第２層側に向かって減少するように構成されている、付記１～８のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記１０）
　前記第３層は、組成の異なる第１および第２の窒化物半導体結晶層を交互に積層させて形成され、
　前記第１の窒化物半導体結晶層は、ＡｌｑＧａ１－ｑＮ（０．９≦ｑ≦１）から形成され、
　前記第２の窒化物半導体結晶層は、ＡｌｐＧａ１－ｐＮ（０≦ｐ≦０．３）から形成される、付記１～９のいずれか１つに記載の窒化物半導体基板。
（付記１１）
　石英からなるサセプタカバーがサセプタ上に載置され、サセプタと対向して石英からなる天板が配置され、前記サセプタカバーに設けられた開口部にシリコン基板が載置された状態を準備する工程と、
　前記シリコン基板を加熱しつつ、前記サセプタカバーと前記天板との間に形成される空間に原料ガスを供給することにより、前記シリコン基板上に窒化物半導体層を形成する工程と、を有し、
　前記窒化物半導体層を形成する工程では、
　前記シリコン基板側から順に、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）で構成された第１層、前記第１層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを含む第２層、および、組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第３層を形成し、
　前記第２層の形成において、前記第３層の形成と比べて、前記サセプタカバーまたは前記天板から発生する酸素の量を低減させるように、あるいは、前記サセプタカバーまたは前記天板から発生した酸素が混入する量を低減させるように、成長条件を制御する、窒化物半導体基板の製造方法。
１００…窒化物半導体基板、１１０…シリコン基板、１２０…窒化物半導体層、１３０…反応抑制層、１４０…中間層、１５０…応力発生層、１５１…第１の窒化物半導体結晶層、１５２…第２の窒化物半導体結晶層、１６０…デバイス形成層、１６１…活性層、１６２…ショットキ層

Claims (9)

  1. 　シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
    　前記窒化物半導体層は、前記シリコン基板側から順に、
    　ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．９≦ｘ≦１）で構成された第１層と、
    　前記第１層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを含む第２層と、
    　組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第３層と、を備え、
    　前記第２層における酸素濃度が、前記第３層における酸素濃度よりも低い、窒化物半導体基板。
  2. 　前記第２層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度よりも低い、請求項１に記載の窒化物半導体基板。
  3. 　前記第２層における酸素濃度よりも前記第３層における酸素濃度が高く、前記第３層における酸素濃度よりも前記第１層における酸素濃度が高い、請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
  4. 　前記第２層における酸素濃度に対し、前記第３層における酸素濃度は、１倍超であって１０倍以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  5. 　前記第２層における酸素濃度に対し、前記第１層における酸素濃度は、５倍超であって１００倍以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  6. 　前記第２層における酸素濃度が、１×１０１８ｃｍ－３以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  7. 　前記第３層における酸素濃度が、５×１０１８ｃｍ－３以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  8. 　前記第１層における酸素濃度が、５×１０１９ｃｍ－３以下である、請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  9. 　前記第１層は、酸素濃度が前記シリコン基板側から前記第２層側に向かって減少するように構成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
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