WO2023013696A1 - 半導体基板、半導体ウエハ、及び半導体ウエハの製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a semiconductor substrate, a semiconductor wafer, and a method for manufacturing a semiconductor wafer.
- an invention in which a gallium oxide-based single crystal film is epitaxially grown on a substrate made of a gallium oxide-based single crystal by the HVPE (Halide Vapor Phase Epitaxy) method (see, for example, Patent Document 1).
- HVPE Hydrode Vapor Phase Epitaxy
- Patent Document 1 by setting the orientation of the main surface of the substrate to a predetermined orientation, the growth rate of the epitaxial film by the HVPE method can be increased.
- Gallium oxide-based epitaxial wafers with a diameter of 2 inches or more manufactured by conventional techniques have a large epitaxial film thickness distribution of 11% and a large donor concentration distribution (intentionally adding donors). If not, the donor distribution becomes 40% or more).
- the density of crystal defects due to epitaxial growth appearing as etch pits increases to 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 3 or more. Due to these problems, it has been difficult to manufacture gallium oxide-based power devices with good yield using conventional gallium oxide-based epitaxial wafers.
- an object of the present invention is to provide a gallium oxide-based semiconductor substrate capable of forming a gallium oxide-based epitaxial film having a small film thickness distribution, a small donor concentration distribution, and a low density of crystal defects by the HVPE method, and a semiconductor substrate thereof. and an epitaxial film, and a method for manufacturing the semiconductor wafer.
- one aspect of the present invention provides a semiconductor substrate of [1] below, a semiconductor wafer of [2] to [5] below, and a method of manufacturing a semiconductor wafer of [6] below.
- the off angle in the [010] direction is in the range of -0.3° or more and -0.01° or less, or 0.01° or more and less than 0.3° wherein the region of the growth underlayer has an off angle in the [001] direction of -1° or more and 1° or less, and has a diameter of 2 inches or more.
- the off angle in the [010] direction is greater than -0.3° and less than or equal to -0.01°, or within the range of 0.01° or more and less than 0.3°
- a gallium oxide-based semiconductor substrate capable of forming a gallium oxide-based epitaxial film having a small film thickness distribution, a small donor concentration distribution, and a low density of crystal defects by the HVPE method, and the semiconductor substrate and the epitaxial layer.
- a semiconductor wafer with a membrane and a method for manufacturing the semiconductor wafer can be provided.
- FIG. 1 is a vertical sectional view of a semiconductor wafer according to an embodiment of the invention.
- FIG. 2A is a photograph of a semiconductor wafer manufactured with the set value of the off-angle in the [010] direction of the growth underlayer set to 0°, taken from the surface side of the epitaxial film.
- FIG. 2B is a photograph of a semiconductor wafer manufactured with the off-angle of the growth underlayer in the [010] direction set to 0°, taken from the surface side of the epitaxial film.
- FIG. 3 is a photograph of a semiconductor wafer manufactured with the off-angle of the growth underlayer in the [010] direction set to 0°, taken from the surface side of the epitaxial film.
- FIG. 1 is a vertical sectional view of a semiconductor wafer according to an embodiment of the invention.
- FIG. 2A is a photograph of a semiconductor wafer manufactured with the set value of the off-angle in the [010] direction of the growth underlayer set to 0°, taken
- FIG. 4 is a photograph of a semiconductor wafer manufactured with the set value of the off-angle in the [010] direction of the growth underlayer set to 0.1°, taken from the surface side of the epitaxial film.
- FIG. 5A is a plan view showing the film thickness distribution of a Ga 2 O 3 film formed on a sapphire substrate by the HVPE method.
- FIG. 5B is a plan view showing the film thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate normalized with the central film thickness being 1.00.
- FIG. 6 is a plan view showing the thickness distribution of the epitaxial film shown in FIG. 2B corrected using the normalized thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate.
- FIG. 7 is a graph showing measured donor concentrations in regions with linear morphology and regions without linear morphology of 25 epitaxial films.
- FIG. 1 is a vertical sectional view of a semiconductor wafer 1 according to an embodiment of the invention.
- the semiconductor wafer 1 includes a semiconductor substrate 10 made of a gallium oxide-based semiconductor single crystal, and an epitaxial film 20 made of a gallium oxide-based semiconductor single crystal formed by epitaxial growth on a growth base surface 11 of the semiconductor substrate 10 .
- the gallium oxide-based semiconductor refers to Ga 2 O 3 or Ga 2 O 3 to which an element such as Al or In is added.
- a gallium oxide-based semiconductor has a composition represented by (Ga x Al y In (1 ⁇ x ⁇ y) ) 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x+y ⁇ 1). have.
- Al is added to Ga 2 O 3
- the bandgap widens, and when In is added, the bandgap narrows.
- a single crystal of a gallium oxide-based semiconductor forming the semiconductor substrate 10 and the epitaxial film 20 has a ⁇ -type crystal structure.
- the semiconductor substrate 10 and the epitaxial film 20 may contain dopants such as Si and Sn.
- the semiconductor substrate 10 is a substrate used as a base substrate for epitaxial crystal growth by the HVPE method.
- the semiconductor substrate 10 is formed by slicing a bulk crystal of a Ga 2 O 3 -based single crystal grown by a melt growth method such as the FZ (Floating Zone) method or the EFG (Edge Defined Film Fed Growth) method, and polishing the surface. It is formed by
- the epitaxial film 20 is formed by the HVPE method using a material gas containing Cl. Therefore, the epitaxial film 20 contains Cl derived from the raw material for the HVPE method. The concentration of Cl contained in the epitaxial film 20 is 5 ⁇ 10 16 atoms/cm 3 or less.
- the epitaxial film When an epitaxial film of a gallium oxide-based semiconductor is formed by a method other than the HVPE method, since raw materials containing Cl are not used, the epitaxial film generally does not contain Cl and has a thickness of at least 1 ⁇ 10 16 cm. -3 or more Cl is not included.
- Source gases for the epitaxial film 20 include Ga source gases such as GaCl gas, GaCl 2 gas, GaCl 3 gas, and (GaCl 3 ) 2 gas, which are Ga chloride gases, and O 2 gas, H 2 O gas, and the like.
- a raw material gas of O which is an oxygen-containing gas
- a dopant raw material gas which is a dopant-containing gas such as SiCl 4 gas, GeCl 4 gas, SnCl 4 gas, PbCl 2 gas, are used.
- an Al source gas such as an Al chloride gas such as AlCl
- an In source gas such as an In chloride gas such as InCl is used.
- the epitaxial film 20 is formed by the HVPE method with a high crystal growth rate, it can be formed thickly, for example, to a thickness of 1000 nm or more.
- the growth rate of the epitaxial film 20 by the industrial HVPE method is about 200 ⁇ m/h, and in this case, the film can be formed in a realistic time if the thickness is up to 1000 ⁇ m. That is, for example, the epitaxial film 20 with a thickness of 1000 nm or more and 1000 ⁇ m or less can be formed.
- the crystal growth rate of the epitaxial film of the gallium oxide-based semiconductor in the case of using the MBE method is about 120 nm/h, and it takes 8 hours or more to form a film having a thickness of 1000 nm or more. Not realistic in the field.
- At least one main surface of the semiconductor substrate 10 serves as a base surface 11 for crystal growth.
- the underlying growth plane 11 of the semiconductor substrate 10 is the (001) plane.
- the off angle in the [010] direction is in the range of greater than -0.3° and less than or equal to -0.01°, or in the range of greater than or equal to 0.01° and less than 0.3°.
- the continuous region of 80 area % or more of the growth undersurface 11, more preferably 90 area % or more of the growth undersurface 11 has an off angle in the [010] direction (inclination from the (001) plane angle) is in the range of greater than -0.3° and less than or equal to -0.01°, or in the range of greater than or equal to 0.01° and less than 0.3°.
- the off angle (tilt angle from the (001) plane) in the [010] direction is greater than ⁇ 0.3° and less than or equal to ⁇ 0.01°, or more than or equal to 0.01° and less than or equal to 0.3°.
- the off angle in the [001] direction is within a range of ⁇ 1° or more and 1° or less.
- the off-angle of the growth underlayer 11 can be measured using an atomic force microscope. Specifically, when the under-growth surface 11 is observed with an atomic force microscope, information on a step-terrace structure with the (001) plane serving as a terrace is obtained. can get the off angle.
- FIGS. 2A, 2B, and 3 are photographs of the semiconductor wafer 1 taken from the surface 21 side of the epitaxial film 20.
- FIG. The epitaxial films 20 shown in FIGS. 2A and 2B are Ga 2 O 3 films formed under the same conditions that can suppress dusting (described later), and have thicknesses of 3 ⁇ m and 6 ⁇ m, respectively.
- Region A of the surface 21 of the epitaxial film 20 shown in FIGS. 2A, 2B is a region with linear morphology
- region B is a black roughened region
- region C is a white roughened region. area.
- FIG. 3 shows off-angle values in the [010] direction at nine points on the growth surface 11 of the semiconductor substrate 10 under the epitaxial film 20 on the photograph of the semiconductor wafer 1 shown in FIG. 2B. is.
- a region surrounded by a dashed circle in FIG. 3 is a region where the off-angle of the growth underlayer 11 is in the vicinity of 0°.
- the semiconductor substrate 10 of the semiconductor wafer 1 shown in FIGS. 2A, 2B, and 3 is manufactured with the set value of the off angle of the [010] direction of the growth underlayer 11 set to 0° (no off angle). , and the off-angle distribution is caused by processing errors in slicing or polishing and twisting of the gallium oxide-based single crystal.
- the linear morphology of the surface 21 of the epitaxial film 20 spreads from the portion grown on the region where the off-angle of the growth underlayer 11 is near 0°. Recognize.
- the deposition rate is low in the portion having linear morphology on surface 21 of epitaxial film 20, if the portion having linear morphology and the portion not having linear morphology coexist on surface 21, the distribution of the thickness of epitaxial film 20 becomes large. Become. Also, the donor concentration is high in the portion of the epitaxial film 20 having linear morphology. The increase in donor concentration is presumed to originate from unintentionally incorporated Cl contained in the raw material of the HVPE process.
- the off angle of the [010] direction of the growth undersurface 11 of the semiconductor substrate 10 is ⁇ 0.01° or less or 0.01° or more, the occurrence of linear morphology on the surface 21 of the epitaxial film 20 is suppressed. In-plane variations in the deposition rate of the epitaxial film 20 can be suppressed, so that the distribution of the film thickness of the epitaxial film 20 in the as-grown state (as grown without being subjected to polishing or the like) is less than ⁇ 10%.
- the thickness of the thickest part and the thickness of the thinnest part deviate from their central values of less than ⁇ 10% of the central value, that is, the thickness of the thickest part and the thickness of the thinnest part The absolute value of the difference between the values is suppressed to less than 10% of the median value).
- the growth underlayer 11 has an off angle of -0.01° or less or 0.01° or less in the [010] direction in a continuous region of 70 area% or more (preferably 80 area% or more, more preferably 90 area% or more). 01° or more, the film thickness distribution is less than ⁇ 10% in a continuous region of 70 area% or more (preferably 80 area% or more, more preferably 90 area% or more) of the epitaxial film 20 in the as-grown state. becomes.
- the film thickness of the epitaxial film 20 can be measured with a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR).
- FIG. 4 is a photograph taken from the surface 21 side of the epitaxial film 20 of the semiconductor wafer 1 manufactured with the set value of the off-angle of the growth underlayer 11 in the [010] direction of 0.1°.
- the semiconductor wafer 1 shown in FIG. 4 has an off angle of ⁇ 0.01° or less in the [010] direction at the nine points shown on the growth base surface 11 of the semiconductor substrate 10, and the growth including these nine points.
- a region that occupies most of the base surface 11 is a white roughened region (region without linear morphology).
- Ga oxidation occurs under the condition that Ga oxide powder is generated in the gas phase and adheres to the growth underlayer 11 due to the vapor phase reaction of the raw material gas during film formation (hereinafter referred to as powder deposition). Since the particles of the material fall evenly on the under-growth surface 11, the in-plane variation in the film thickness of the epitaxial film 20 caused by the off-angle of the under-growth surface 11 can be alleviated. However, due to dusting, the density of crystal defects appearing as etch pits increases to 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 3 or more, causing problems such as lowering the breakdown voltage of devices manufactured from semiconductor wafers. Semiconductor wafers manufactured under conditions that cause dusting cannot be put to practical use.
- the density of the crystal defects appearing as the etch pits described above is obtained by etching the semiconductor wafer 1 for 30 minutes using a 10% KOH solution heated to 85° C., and using a differential interference microscope. obtained by measuring the density of etch pits.
- the off-angle of the [010] direction in a predetermined region of the growth base surface 11 of the semiconductor substrate 10 is ⁇ 0.01° or less, or 0.01° or more, without forming the epitaxial film 20 under conditions that cause dusting.
- the film thickness distribution in a predetermined region of the epitaxial film 20 is suppressed to less than ⁇ 10%, the density of crystal defects due to epitaxial growth appearing as etch pits is less than 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 3 . Become.
- the off angle of the [010] direction of the under-growth surface 11 of the semiconductor substrate 10 is ⁇ 0.01° or less or 0.01° or more, the surface 21 of the epitaxial film 20 has almost linear morphology. not observed and unintended incorporation of Cl is suppressed. Therefore, when a donor is intentionally added to the epitaxial film 20, the donor concentration can be controlled more accurately. In addition, when the donor is not intentionally added to the epitaxial film 20, the distribution of the donor concentration of the epitaxial film 20 is less than ⁇ 40% (from the center value of the concentration of the highest concentration portion and the concentration of the lowest portion).
- the growth underlayer 11 has an off angle of -0.01° or less or 0.01° or less in the [010] direction in a continuous region of 70 area% or more (preferably 80 area% or more, more preferably 90 area% or more). 01° or more, when a donor is not intentionally added to the epitaxial film 20, a continuous region of 70 area% or more (preferably 80 area% or more, more preferably 90 area% or more) of the epitaxial film 20 , the donor concentration distribution is less than ⁇ 40%.
- the donor concentration of the epitaxial film 20 can be obtained by capacitance measurement (CV measurement).
- penetrating pits Deep pits reaching the semiconductor substrate 10 (hereinafter referred to as penetrating pits) are likely to occur.
- the off-angle of the [010] direction of the under-growth surface 11 of the semiconductor substrate 10 is greater than ⁇ 0.3° and less than 0.3°, the number of penetrating pits on the surface 21 of the epitaxial film 20 is reduced.
- the in-plane density is suppressed to 0.1 pieces/cm 2 or less.
- the off angle in the [010] direction in a continuous region of 70 area% or more is greater than ⁇ 0.3° and 0 .3° or less, in a continuous region of 70 area % or more (preferably 80 area % or more, more preferably 90 area % or more) of the surface 21 of the epitaxial film 20, the in-plane of the through pit The density becomes 0.1 pieces/cm 2 or less.
- the in-plane density of through pits included in the epitaxial film 20 can be measured using an optical microscope.
- [010] direction off angle (inclination angle from the (001) plane) in a continuous region of 70 area% or more (preferably 80 area% or more, more preferably 90 area% or more) of the growth underlayer 11 is greater than -0.3° and less than or equal to -0.01°, or within a range of 0.01° or more and less than 0.3°".
- the off angle in the [001] direction in that region is in the range of -1° or more and 1° or less.
- the off angle in the [010] direction (angle of inclination from the (001) plane) in a continuous region of 70 area % or more (preferably 80 area % or more, more preferably 90 area % or more) of the growth underlayer 11 is greater than ⁇ 0.3° and less than or equal to ⁇ 0.01°, or within a range of greater than or equal to 0.01° and less than 0.3°.”
- semiconductor substrates 10 with a diameter of up to 8 inches can be manufactured that satisfy this condition.
- a method for manufacturing a semiconductor wafer 1 according to an embodiment of the present invention is a semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more, made of a single crystal of a gallium oxide-based semiconductor, having at least one main surface as a crystal growth base surface 11. and forming an epitaxial film 20 by epitaxially growing a gallium oxide-based semiconductor single crystal on a growth underlayer 11 of a semiconductor substrate 10 by HVPE.
- the pressure and temperature of the space in which the semiconductor substrate 10 is set in the reaction chamber of the HVPE apparatus are maintained at, for example, 0.5 to 1.5 atm and 900 to 1100° C., respectively.
- a source gas of Ga and a source gas of O (furthermore, when the epitaxial film 20 contains Al, the source gas of Al, when the epitaxial film 20 contains In, the source gas of In, and when the epitaxial film 20 contains a dopant, the source gas of the dopant) is placed in the space as a carrier.
- a single crystal of a gallium oxide-based semiconductor is epitaxially grown on the growth base surface 11 of the semiconductor substrate 10 by introducing an inert gas as a gas.
- the GaCl partial pressure is 1.5 ⁇ 10 -3 atm or less
- the VI/III ratio GaCl and O supply ratio
- the linear velocity of the gas inside the reaction chamber is 150 cm / s or more.
- GaCl gas is a gas capable of maintaining the growth driving force of a Ga 2 O 3 -based semiconductor single crystal up to the highest temperature.
- GaCl gas which has a high growth driving force at high temperatures.
- chloride-based gas in order to suppress unintended contamination of other impurities.
- Chloride gases such as SiCl 4 , GeCl 4 , SnCl 4 and PbCl 2 are used respectively.
- the chloride-based gas is not limited to the one compounded only with chlorine, and for example, a silane-based gas such as SiHCl 3 may be used.
- the epitaxial film 20 having a small film thickness distribution, a small donor concentration distribution, and a small density of crystal defects can be formed by HVPE.
- a film can be formed by the method.
- the manufacturing yield of semiconductor devices within the wafer surface is required to be 60% or more, but in order to achieve this, the effective area of the wafer (the area that can be used for manufacturing semiconductor devices) must be less than 60%. is also required to be larger, for example, 70% or more.
- the off-angle in the [010] direction ( (001) plane) is in the range of more than -0.3° and less than -0.01°, or in the range of more than 0.01° and less than 0.3°.
- the film thickness distribution, the donor concentration distribution, and the in-plane density of through pits are small. Therefore, the effective area of the semiconductor wafer 1 is 70% or more, 80% or 90% or more, and the production yield of semiconductor devices can be greatly increased.
- the cause of the manufacturing method using the HVPE apparatus is corrected. remove.
- FIG. 5A is a plan view showing the film thickness distribution of a Ga 2 O 3 film formed by HVPE on a sapphire substrate having a C-plane as a principal surface.
- the in-plane distribution of the off-angle of the sapphire substrate is within ⁇ 0.05 degrees, and the off-angle of the entire main surface can be regarded as approximately 0°.
- the film thickness distribution of the Ga 2 O 3 film formed on the sapphire substrate having the C-plane as the principal surface does not substantially depend on the off-angle of the sapphire substrate. Therefore, the film thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate is mostly due to factors in the manufacturing process. Specifically, in the reaction chamber of the HVPE apparatus, the raw material gas is flowed onto the substrate from the upper side of the drawing, and the film thickness increases downstream of the flow of the raw material gas (lower side of the drawing).
- the epitaxial film can be formed using the film thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate.
- the film thickness distribution of 20 By correcting the film thickness distribution of 20, only the effect of the off-angle of the growth underlayer 11 on the film thickness distribution of the epitaxial film 20 can be extracted.
- FIG. 5B is a plan view showing the film thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate normalized with the central film thickness being 1.00.
- the normalized film thickness at each point of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate shown in FIG. 5B is used as a correction value.
- FIG. 6 is a plan view showing the thickness distribution of the epitaxial film 20 shown in FIG. 2B corrected using the normalized thickness distribution of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate.
- the numerical value of each point in FIG. 6 indicates the film thickness (unit: ⁇ m) after correction, and the numerical value in parentheses indicates the film thickness before correction.
- the correction is performed by dividing the film thickness at each point of the epitaxial film 20 by the correction value (normalized film thickness of the Ga 2 O 3 film on the sapphire substrate shown in FIG. 5B).
- the film thickness of the portion having linear morphology of the epitaxial film 20 is smaller than the film thickness of the other portions.
- FIG. 7 shows effective donors in regions with linear morphology (corresponding to region A above) and regions without linear morphology (corresponding to region B and region C above) of 25 epitaxial films 20.
- 4 is a graph showing measured values of concentration (Nd—Na).
- the 25 epitaxial films 20 shown in FIG. 7 are all doped with a small amount of Si having a concentration of about 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
- FIG. 7 shows that the donor concentration in the regions with linear morphology is generally higher and has greater variation than the donor concentration in regions without linear morphology. This is probably because the regions with linear morphology tend to incorporate impurities (presumed to be Cl contained in the raw material for the HVPE method) that act as donors.
- a gallium oxide-based semiconductor substrate on which a gallium oxide-based epitaxial film having a small film thickness distribution, a small donor concentration distribution, and a low density of crystal defects can be formed by HVPE, and a semiconductor wafer comprising the semiconductor substrate and the epitaxial film , and a method for manufacturing a semiconductor wafer thereof.
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Abstract
膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さい酸化ガリウム系のエピタキシャル膜をHVPE法により成膜することができる酸化ガリウム系の半導体基板、その半導体基板とエピタキシャル膜を備えた半導体ウエハ、及び半導体ウエハの製造方法を提供する。 一実施の形態として、少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面11とする半導体基板10であって、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、成長下地面11が(001)面であり、成長下地面11の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、成長下地面11の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にあり、直径が2インチ以上である、半導体基板10を提供する。
Description
本発明は、半導体基板、半導体ウエハ、及び半導体ウエハの製造方法に関する。
従来、HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy)法により、酸化ガリウム系単結晶からなる基板上に酸化ガリウム系単結晶膜をエピタキシャル成長させる発明が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された発明によれば、基板の主面の方位を所定の方位に設定することにより、HVPE法によるエピタキシャル膜の成長レートを高めることができる。
従来の技術により作製された直径が2インチ以上の酸化ガリウム系のエピタキシャルウエハには、エピタキシャル膜の膜厚分布が11%と大きく、また、ドナー濃度の分布が大きくなる(意図的にドナーを添加しない場合にはドナー分布が40%以上となる)という問題があった。また、膜厚分布が小さくなるような条件で成膜を行う場合には、エッチピットとして現れるエピタキシャル成長に起因する結晶欠陥の密度が5×104cm-3以上と大きくなっていた。これらの問題により、従来の酸化ガリウム系のエピタキシャルウエハを用いて酸化ガリウム系のパワーデバイスを歩留まりよく製造することが困難であった。
したがって、本発明の目的は、膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さい酸化ガリウム系のエピタキシャル膜をHVPE法により成膜することができる酸化ガリウム系の半導体基板、その半導体基板とエピタキシャル膜を備えた半導体ウエハ、及びその半導体ウエハの製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]の半導体基板、下記[2]~[5]の半導体ウエハ、下記[6]の半導体ウエハの製造方法を提供する。
[1]少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面とする半導体基板であって、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、前記成長下地面が(001)面であり、前記成長下地面の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、前記成長下地面の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にあり、直径が2インチ以上である、半導体基板。
[2]上記[1]に記載の半導体基板と、前記半導体基板の前記成長下地面上の、HVPE法の原料に由来するClを含む酸化ガリウム系半導体の単結晶からなるエピタキシャル膜と、を備え、前記エピタキシャル膜中のエッチピットとして現れる結晶欠陥の密度が5×104cm-3未満である、半導体ウエハ。
[3]前記エピタキシャル膜がアズグロウンの状態であり、前記エピタキシャル膜の70面積%以上の連続した領域において、膜厚の分布が±10%未満である、上記[2]に記載の半導体ウエハ。
[4]前記エピタキシャル膜が意図的に添加されたドナーを含まず、前記エピタキシャル膜のドナー濃度の分布が±40%未満である、上記[2]又は[3]に記載の半導体ウエハ。
[5]前記エピタキシャル膜の表面の70面積%以上の連続した領域において、前記エピタキシャル膜の表面から前記半導体基板の表面まで達するピットの面内密度が、0.1個/cm2以下である、上記[2]~[4]のいずれか1項に記載の半導体ウエハ。
[6]少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面とする、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、直径が2インチ以上である半導体基板を用意する工程と、前記半導体基板の前記成長下地面上に、酸化ガリウム系半導体の単結晶をHVPE法によりエピタキシャル成長させて、エピタキシャル膜を形成する工程と、を含み、前記成長下地面が(001)面であり、前記成長下地面の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、前記成長下地面の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にある、半導体ウエハの製造方法。
[2]上記[1]に記載の半導体基板と、前記半導体基板の前記成長下地面上の、HVPE法の原料に由来するClを含む酸化ガリウム系半導体の単結晶からなるエピタキシャル膜と、を備え、前記エピタキシャル膜中のエッチピットとして現れる結晶欠陥の密度が5×104cm-3未満である、半導体ウエハ。
[3]前記エピタキシャル膜がアズグロウンの状態であり、前記エピタキシャル膜の70面積%以上の連続した領域において、膜厚の分布が±10%未満である、上記[2]に記載の半導体ウエハ。
[4]前記エピタキシャル膜が意図的に添加されたドナーを含まず、前記エピタキシャル膜のドナー濃度の分布が±40%未満である、上記[2]又は[3]に記載の半導体ウエハ。
[5]前記エピタキシャル膜の表面の70面積%以上の連続した領域において、前記エピタキシャル膜の表面から前記半導体基板の表面まで達するピットの面内密度が、0.1個/cm2以下である、上記[2]~[4]のいずれか1項に記載の半導体ウエハ。
[6]少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面とする、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、直径が2インチ以上である半導体基板を用意する工程と、前記半導体基板の前記成長下地面上に、酸化ガリウム系半導体の単結晶をHVPE法によりエピタキシャル成長させて、エピタキシャル膜を形成する工程と、を含み、前記成長下地面が(001)面であり、前記成長下地面の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、前記成長下地面の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にある、半導体ウエハの製造方法。
本発明によれば、膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さい酸化ガリウム系のエピタキシャル膜をHVPE法により成膜することができる酸化ガリウム系の半導体基板、その半導体基板とエピタキシャル膜を備えた半導体ウエハ、及びその半導体ウエハの製造方法を提供することができる。
〔実施の形態〕
(半導体ウエハの構成)
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体ウエハ1の垂直断面図である。半導体ウエハ1は、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板10と、半導体基板10の成長下地面11上にエピタキシャル成長により形成された、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなるエピタキシャル膜20を備える。
(半導体ウエハの構成)
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体ウエハ1の垂直断面図である。半導体ウエハ1は、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板10と、半導体基板10の成長下地面11上にエピタキシャル成長により形成された、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなるエピタキシャル膜20を備える。
ここで、酸化ガリウム系半導体とは、Ga2O3、又は、Al、Inなどの元素が添加されたGa2O3をいう。例えば、酸化ガリウム系半導体は、(GaxAlyIn(1-x-y))2O3(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)で表される組成を有する。Ga2O3にAlを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Inを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。
半導体基板10とエピタキシャル膜20を構成する酸化ガリウム系半導体の単結晶は、β型の結晶構造を有する。また、半導体基板10とエピタキシャル膜20は、Si、Snなどのドーパントを含んでいてもよい。
半導体基板10は、HVPE法によるエピタキシャル結晶成長用の下地基板として用いられる基板である。半導体基板10は、例えば、FZ(Floating Zone)法やEFG(Edge Defined Film Fed Growth)法等の融液成長法により育成したGa2O3系単結晶のバルク結晶をスライスし、表面を研磨することにより形成される。
エピタキシャル膜20は、Clを含む原料ガスを用いるHVPE法により成膜される。このため、エピタキシャル膜20は、HVPE法の原料に由来するClを含む。エピタキシャル膜20に含まれるClの濃度は、5×1016atoms/cm3以下である。HVPE法以外の方法により酸化ガリウム系半導体のエピタキシャル膜を形成する場合には、Clを含む原料を用いないため、通常、エピタキシャル膜中にClが含まれることはなく、少なくとも、1×1016cm-3以上のClが含まれることはない。
エピタキシャル膜20の原料ガスには、GaClガス、GaCl2ガス、GaCl3ガス、(GaCl3)2ガスなどのGa塩化物ガスであるGaの原料ガスと、O2ガスやH2Oガスなどの酸素含有ガスであるOの原料ガスと、SiCl4ガス、GeCl4ガス、SnCl4ガス、PbCl2ガスなどのドーパント含有ガスであるドーパントの原料ガスを用いる。また、エピタキシャル膜20がAlやInを含む場合には、AlClなどのAl塩化物ガスであるAlの原料ガスや、InClなどのIn塩化物ガスであるInの原料ガスを用いる。
また、エピタキシャル膜20は、結晶成長速度の速いHVPE法により形成されるため、厚く形成することができ、例えば、1000nm以上の厚さに形成することができる。また、産業用のHVPE法によるエピタキシャル膜20の成長速度は200μm/h程度であり、この場合は、1000μmまでの厚さであれば、現実的な時間で成膜することができる。すなわち、例えば、厚さ1000nm以上1000μm以下のエピタキシャル膜20を形成することができる。なお、MBE法を用いる場合の酸化ガリウム系半導体のエピタキシャル膜の結晶成長速度は120nm/h程度であり、1000nm以上の厚さに形成するためには8時間以上の時間が必要となるため、生産現場においては現実的ではない。
半導体基板10は、少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面11とする。半導体基板10の成長下地面11は、(001)面である。成長下地面11の70面積%以上の連続した領域(成長下地面11の全体の70%以上の面積を有する連続した領域)において、[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にある。好ましくは、成長下地面11の80面積%以上の連続した領域、より好ましくは、成長下地面11の90面積%以上の連続した領域における[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にある。また、この[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にある領域においては、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にある。
なお、成長下地面11のオフ角は、原子間力顕微鏡を用いて測定することができる。具体的には、原子間力顕微鏡で成長下地面11を観察すると、(001)面をテラスとしたステップテラス構造の情報が得られ、そのテラスの長さとステップの高さから、三角関数を用いてオフ角を得ることができる。
成長下地面11の[001]方向のオフ角が、-0.01°より大きくかつ0.01°より小さい範囲内にある領域が存在する場合、エピタキシャル膜20の表面21のその領域上の部分から線状のモフォロジーが広がる。
図2A、図2B、図3は、半導体ウエハ1をエピタキシャル膜20の表面21側から写した写真である。図2A、図2Bに示されるエピタキシャル膜20は、粉降り(後述する)を抑制することのできる同一の条件で形成されたGa2O3膜であり、それぞれ3μm、6μmの厚さを有する。図2A、図2Bに示されるエピタキシャル膜20の表面21の領域Aは線状のモフォロジーを有する領域であり、領域Bは黒色の粗面化した領域であり、領域Cは白色の粗面化した領域である。
図3は、図2Bに示される半導体ウエハ1の写真上に、エピタキシャル膜20の下の半導体基板10の成長下地面11上の9つの点における[010]方向のオフ角の値を示したものである。図3の破線の円で囲まれた領域は、成長下地面11のオフ角が0°近傍である領域である。なお、図2A、図2B、図3に示される半導体ウエハ1の半導体基板10は、成長下地面11の[010]方向のオフ角の設定値を0°(オフ角なし)として製造されたものであり、オフ角の分布は、スライス加工や研磨加工の加工誤差や酸化ガリウム系単結晶の捻れにより生じるものである。
図2A、図2B、図3によれば、エピタキシャル膜20の表面21の線状のモフォロジーは、成長下地面11のオフ角が0°近傍である領域上に成長した部分から広がっていることがわかる。
エピタキシャル膜20の表面21に線状のモフォロジーを有する部分は成膜速度が低いため、表面21に線状のモフォロジーを有する部分と有しない部分が混在すると、エピタキシャル膜20の膜厚の分布が大きくなる。また、エピタキシャル膜20の線状のモフォロジーを有する部分においては、ドナー濃度が高くなる。ドナー濃度の上昇は、意図せずに取り込まれるHVPE法の原料に含まれるClが起源であると推測される。
半導体基板10の成長下地面11の[010]方向のオフ角が、-0.01°以下、又は0.01°以上であれば、エピタキシャル膜20の表面21における線状のモフォロジーの発生を抑制でき、エピタキシャル膜20の成膜速度の面内のばらつきが抑えられるため、アズグロウンの状態(研磨処理などを施していない成長したままの状態)のエピタキシャル膜20の膜厚の分布が±10%未満(最も厚い部分の膜厚と最も薄い部分の膜厚のそれらの中心値からのずれが中心値の±10%未満、すなわち最も厚い部分の膜厚と最も薄い部分の膜厚の、それらの中心値との差の絶対値が、中心値の10%未満)に抑えられる。成長下地面11は、70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域における[010]方向のオフ角が、-0.01°以下、又は0.01°以上であるため、アズグロウンの状態のエピタキシャル膜20の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域において、膜厚の分布が±10%未満となる。なお、エピタキシャル膜20の膜厚は、フーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)により測定することができる。
図4は、成長下地面11の[010]方向のオフ角の設定値を0.1°として製造された半導体ウエハ1をエピタキシャル膜20の表面21側から写した写真である。図4に示される半導体ウエハ1は、半導体基板10の成長下地面11の図示される9つの点における[010]方向のオフ角が-0.01°以下であり、それら9つの点を含む成長下地面11の大部分を占める領域が白色の粗面化した領域(線状のモフォロジーを有しない領域)である。
なお、成膜中に原料ガスが気相反応することによりGa酸化物の粉が気相中で生成されて成長下地面11に付着する(以下、粉降りと呼ぶ)条件を用いると、Ga酸化物の粉は成長下地面11上に満遍なく降り積もるため、成長下地面11のオフ角に起因したエピタキシャル膜20の膜厚の面内のばらつきを緩和することができる。しかしながら、粉降りに起因して、エッチピットとして現れる結晶欠陥の密度が5×104cm-3以上に増加し、半導体ウエハから製造されるデバイスの耐圧を低下させるなどの不具合を生じさせるため、粉降りが生じる条件で製造された半導体ウエハは実用できない。
上記のエッチピットとして現れる結晶欠陥の密度は、85℃に加熱された10%のKOH溶液を用いて半導体ウエハ1に30分間のエッチングを施し、微分干渉顕微鏡を用いてエピタキシャル膜20の表面に現れたエッチピットの密度を計測することにより得られる。
粉降りが生じる条件でエピタキシャル膜20を成膜することなく、半導体基板10の成長下地面11の所定の領域における[010]方向のオフ角を-0.01°以下、又は0.01°以上とすることにより、エピタキシャル膜20の所定の領域における膜厚の分布を±10%未満に抑える場合には、エッチピットとして現れるエピタキシャル成長に起因する結晶欠陥の密度は5×104cm-3未満となる。
また、半導体基板10の成長下地面11の[010]方向のオフ角が、-0.01°以下、又は0.01°以上であれば、エピタキシャル膜20の表面21に線状のモフォロジーがほぼ観察されず、Clの意図しない取り込みが抑えられる。そのため、エピタキシャル膜20に意図的にドナーを添加する場合に、より正確にドナー濃度を制御することができる。なお、エピタキシャル膜20に意図的にドナーを添加しない場合には、エピタキシャル膜20のドナー濃度の分布が±40%未満(最も濃度の高い部分の濃度と最も低い部分の濃度のそれらの中心値からのずれが中心値の±40%未満、すなわち最も濃度の高い部分の濃度と最も濃度の低い部分の濃度の、それらの中心値との差の絶対値が、中心値の40%未満)となる。成長下地面11は、70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域における[010]方向のオフ角が、-0.01°以下、又は0.01°以上であるため、エピタキシャル膜20に意図的にドナーを添加しない場合には、エピタキシャル膜20の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域において、ドナー濃度の分布が±40%未満となる。なお、エピタキシャル膜20のドナー濃度は、容量測定(C-V測定)により求めることができる。
半導体基板10の成長下地面11の[010]方向のオフ角が、-0.3°以下、又は0.3°以上である領域が存在する場合、その領域において、エピタキシャル膜20の表面21から半導体基板10まで到達する深いピット(以下、貫通ピットと呼ぶ)が発生しやすくなる。
半導体基板10の成長下地面11の[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ0.3°よりも小さい範囲内にあれば、エピタキシャル膜20の表面21における貫通ピットの面内密度が0.1個/cm2以下に抑えられる。成長下地面11は、70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域における[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ0.3°よりも小さい範囲内にあるため、エピタキシャル膜20の表面21の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域において、貫通ピットの面内密度が0.1個/cm2以下となる。なお、エピタキシャル膜20に含まれる貫通ピットの面内密度は、光学顕微鏡を用いて測定することができる。
上記の「成長下地面11の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域における[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にある」の条件を満たすことにより得られる各種の効果は、少なくとも、その領域における[001]方向のオフ角が-1°以上かつ1°以下の範囲内にあれば得られる。
なお、「成長下地面11の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域における[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にある」の条件を満たすことは、半導体基板10の直径が大きくなるほど難しくなるが、半導体基板10は、2インチ以上の大きさであってもこの条件を満たす。また、少なくとも、この条件を満たす、8インチまでの直径の半導体基板10を製造することができる。
(半導体ウエハの製造方法)
本発明の実施の形態に係る半導体ウエハ1の製造方法は、少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面11とする、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、直径が2インチ以上である半導体基板10を用意する工程と、半導体基板10の成長下地面11上に、酸化ガリウム系半導体の単結晶をHVPE法によりエピタキシャル成長させて、エピタキシャル膜20を形成する工程と、を含む。
本発明の実施の形態に係る半導体ウエハ1の製造方法は、少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面11とする、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、直径が2インチ以上である半導体基板10を用意する工程と、半導体基板10の成長下地面11上に、酸化ガリウム系半導体の単結晶をHVPE法によりエピタキシャル成長させて、エピタキシャル膜20を形成する工程と、を含む。
エピタキシャル膜20を形成する工程においては、HVPE装置の反応チャンバー内の半導体基板10がセットされる空間の圧力と温度を、例えば、それぞれ0.5~1.5atm、900~1100℃に保ち、その空間にGaの原料ガス、Oの原料ガス(さらに、エピタキシャル膜20がAlを含む場合はAlの原料ガス、Inを含む場合はInの原料ガス、ドーパントを含む場合はドーパントの原料ガス)をキャリアガスとしての不活性ガスとともに流入させ、半導体基板10の成長下地面11上に酸化ガリウム系半導体の単結晶をエピタキシャル成長させる。
ここで、例えば、GaCl分圧を1.5×10-3atm以下、VI/III比(GaClとOの供給比)を10、反応チャンバー内部のガスの線速度を150cm/s以上にしてエピタキシャル膜20を形成することにより、上述の粉降りの発生を抑え、エピタキシャル膜20におけるエッチピットとして現れるエピタキシャル成長に起因する結晶欠陥の密度を5×104cm-3未満とすることができる。
また、Gaの原料ガスであるGa塩化物ガスとして、GaClガスを用いることが好ましい。GaClガスは、Ga塩化物ガスの中で、Ga2O3系半導体の単結晶の成長駆動力を最も高い温度まで保つことのできるガスである。高純度、高品質のGa2O3系半導体の単結晶を得るためには、高い成長温度での成長が有効であるため、高温において成長駆動力の高いGaClガスを用いることが好ましい。
また、ドーパントの原料ガスとしては、意図しない他の不純物の混入を抑制するために、塩化物系ガスを用いることが好ましく、例えば、14族元素であるSi、Ge、Sn、又はPbをドーパントとする場合は、それぞれSiCl4、GeCl4、SnCl4、PbCl2等の塩化物系ガスが用いられる。また、塩化物系ガスは、塩素のみと化合したものに限られず、例えば、SiHCl3等のシラン系ガスを用いてもよい。
また、エピタキシャル膜20を形成する際の雰囲気に水素が含まれていると、エピタキシャル膜20の表面21の平坦性及び結晶成長駆動力が低下するため、Oの原料ガスとして、水素を含まないO2ガスを用いることが好ましい。
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、半導体基板10の成長下地面11のオフ角を所定の範囲内に納めることにより、膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さいエピタキシャル膜20をHVPE法により成膜することができる。
上記実施の形態によれば、半導体基板10の成長下地面11のオフ角を所定の範囲内に納めることにより、膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さいエピタキシャル膜20をHVPE法により成膜することができる。
一般的に、半導体デバイスのウエハ面内での製造歩留まりは60%以上が求められるが、それを達成するためにはウエハの有効面積(半導体デバイスの製造に用いることができる面積)が60%よりもさらに大きい、例えば70%以上であることが求められる。上述のように、半導体ウエハ1においては、成長下地面11の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域において、[010]方向のオフ角((001)面からの傾斜角度)が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあるため、エピタキシャル膜20の70面積%以上(好ましくは80面積%以上、より好ましくは90面積%以上)の連続した領域において、膜厚分布、ドナー濃度分布、及び貫通ピットの面内密度が小さくなる。このため、半導体ウエハ1の有効面積は70%以上、80%、又は90%以上であり、半導体デバイスの製造歩留まりを大きく高めることができる。
上記の実施の形態で述べた現象「成長下地面11の[010]方向のオフ角が、-0.01°より大きくかつ0.01°より小さい範囲内にある領域が存在する場合、エピタキシャル膜20の表面21のその領域上の部分から線状のモフォロジーが広がる」、及び「エピタキシャル膜20の表面21に線状のモフォロジーを有する部分は成膜速度が低い」について、実験結果を示しつつ説明する。
エピタキシャル膜20の膜厚に分布が生じる原因には、半導体基板10の成長下地面11の[010]方向のオフ角の分布の他に、製造工程上の要因がある。このため、本実施例では、成長下地面11の[010]方向のオフ角とエピタキシャル膜20の膜厚分布の関係を正確に判断するために、まず、HVPE装置による製法上の原因を補正により取り除く。
図5Aは、C面を主面とするサファイア基板上にHVPE法により成膜されたGa2O3膜の膜厚分布を示す平面図である。サファイア基板のオフ角の面内分布は±0.05度以内に収まっており、主面全体のオフ角をほぼ0°と見做すことができる。さらに、C面を主面とするサファイア基板上に成膜したGa2O3膜の膜厚分布は、サファイア基板のオフ角にはほぼ依存しないことがわかっていた。このため、サファイア基板上のGa2O3膜の膜厚分布は、ほぼ製造工程上の要因によるものである。具体的には、HVPE装置の反応チャンバー内で、図の上側から基板上に原料ガスを流入させており、原料ガスの流れの下流側(図の下側)で膜厚が大きくなっている。
このサファイア基板上のGa2O3膜とエピタキシャル膜20は同じHVPE装置を用いて同様の条件で成膜されるため、サファイア基板上のGa2O3膜の膜厚分布を利用してエピタキシャル膜20の膜厚分布を補正し、成長下地面11のオフ角がエピタキシャル膜20の膜厚分布に及ぼす影響のみを抽出することができる。
図5Bは、中心部の膜厚を1.00として規格化されたサファイア基板上のGa2O3膜の膜厚分布を示す平面図である。図5Bに示されるサファイア基板上のGa2O3膜の各点の規格化された膜厚を補正値として用いる。
図6は、規格化されたサファイア基板上のGa2O3膜の膜厚分布を用いて補正された、図2Bに示されるエピタキシャル膜20の膜厚分布を示す平面図である。図6の各点の数値は補正後の膜厚(単位はμm)を示し、括弧内の数値は補正前の膜厚を示す。補正は、エピタキシャル膜20の各点の膜厚を補正値(図5Bに示されるサファイア基板上のGa2O3膜の規格化された膜厚)で除することにより行われる。
図6によれば、エピタキシャル膜20の線状のモフォロジーを有する部分の膜厚が、他の部分の膜厚と比較して小さいことが確認できる。
次に、上記の実施の形態で述べた現象「エピタキシャル膜20の線状のモフォロジーを有する部分においては、ドナー濃度が高くなる」を示す実験結果について説明する。
図7は、25枚のエピタキシャル膜20の線状のモフォロジーを有する領域(上述の領域Aに対応)と、線状のモフォロジーを有しない領域(上述の領域B及び領域Cに対応)における実効ドナー濃度(Nd-Na)の測定値を示すグラフである。図7に係る25枚のエピタキシャル膜20には、いずれも濃度1×1016cm-3程度の微量のSiが添加されている。
図7は、線状のモフォロジーを有する領域のドナー濃度が、線状のモフォロジーを有しない領域のドナー濃度と比較して、全体的に高く、かつばらつきが大きいことを示している。これは、線状のモフォロジーを有する領域が、ドナーとして働く不純物(HVPE法の原料に含まれるClと推測される)を取り込みやすいためと考えられる。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態及び実施例の構成要素を任意に組み合わせることができる。
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
膜厚分布及びドナー濃度分布が小さくかつ結晶欠陥の密度が小さい酸化ガリウム系のエピタキシャル膜をHVPE法により成膜することができる酸化ガリウム系の半導体基板、その半導体基板とエピタキシャル膜を備えた半導体ウエハ、及びその半導体ウエハの製造方法を提供する。
1…半導体ウエハ、10…半導体基板、11…成長下地面、20…エピタキシャル膜、21…表面
Claims (6)
- 少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面とする半導体基板であって、
酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、
前記成長下地面が(001)面であり、
前記成長下地面の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、
前記成長下地面の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にあり、
直径が2インチ以上である、
半導体基板。 - 請求項1に記載の半導体基板と、
前記半導体基板の前記成長下地面上の、HVPE法の原料に由来するClを含む酸化ガリウム系半導体の単結晶からなるエピタキシャル膜と、
を備え、
前記エピタキシャル膜中のエッチピットとして現れる結晶欠陥の密度が5×104cm-3未満である、
半導体ウエハ。 - 前記エピタキシャル膜がアズグロウンの状態であり、
前記エピタキシャル膜の70面積%以上の連続した領域において、膜厚の分布が±10%未満である、
請求項2に記載の半導体ウエハ。 - 前記エピタキシャル膜が意図的に添加されたドナーを含まず、
前記エピタキシャル膜のドナー濃度の分布が±40%未満である、
請求項2又は3に記載の半導体ウエハ。 - 前記エピタキシャル膜の表面の70面積%以上の連続した領域において、前記エピタキシャル膜の表面から前記半導体基板の表面まで達するピットの面内密度が、0.1個/cm2以下である、
請求項2~4のいずれか1項に記載の半導体ウエハ。 - 少なくとも一方の主面を結晶の成長下地面とする、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなり、直径が2インチ以上である半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板の前記成長下地面上に、酸化ガリウム系半導体の単結晶をHVPE法によりエピタキシャル成長させて、エピタキシャル膜を形成する工程と、
を含み、
前記成長下地面が(001)面であり、
前記成長下地面の70面積%以上の連続した領域において、[010]方向のオフ角が、-0.3°よりも大きくかつ-0.01°以下の範囲、又は0.01°以上かつ0.3°よりも小さい範囲内にあり、
前記成長下地面の前記領域において、[001]方向のオフ角が、-1°以上かつ1°以下の範囲内にある、
半導体ウエハの製造方法。
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NENP | Non-entry into the national phase |
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ENP | Entry into the national phase |
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