JP2013069878A - 窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体デバイス用の半導体積層構造を成長させるために改善されたバッファ層構造を有する基板を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板であって、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面に形成された窒化ケイ素層を有し、この窒化ケイ素層上に順次積層されたＡｌ層とＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層とを有し、ＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層の表面は（０００１）の面方位とIII族元素極性の表面を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板の改善に関し、特にその基板が有するバッファ層構造の改善に関する。そのように改善された基板上に積層された複数の窒化物半導体層を含むエピタキシャルウエハは、例えばヘテロ接合電界効果トランジスタのような窒化物半導体デバイスの作製に好ましく利用され得るものである。

ヘテロ接合電界効果トランジスタに必要な例えばＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層との積層構造を含むエピタキシャルウエハを作製する場合、ＧａＮ基板が高価であることから、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなどの異種材料の基板上にそれらの窒化物半導体層を結晶成長させることが従来から行なわれている。

異種材料の基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）で成長させる場合、基板と半導体層との間における結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪を緩和するために、種々のバッファ層構造が用いられている。

例えば特許文献１の特開平２−２２９４７６号公報は、サファイア基材上に４００℃以上９００℃以下の比較的低い基板温度でＡｌＮ層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的低温で堆積されたバッファ層は、低温バッファ層とも呼ばれる。

しかし、低温バッファ層は、非晶質の母相中に微結晶や多結晶を含んでいる。したがって、半導体デバイス用の窒化物半導体層を低温バッファ層上に結晶成長させるために基板温度を１０００℃程度以上まで上昇させたとき、そのバッファ層内の非晶質の母相が多結晶化して内部に比較的多量の転位を含むことになる。そして、そのバッファ層上に成長させたデバイス用の窒化物半導体積層構造において、多量の転位が導入されると共に、結晶品質がばらついて、クラックが入りやすくなる傾向がある。

他方、例えば特許文献２の特開２００２−３６７９１７号公報は、サファイア基板上に１１００℃以上１２５０℃以下の比較的高い基板温度でＡｌＮ結晶層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的高温で堆積されたバッファ層は、高温バッファ層とも呼ばれる。

しかし、特許文献３の特開２００７−５９８５０号公報は、高温バッファ層上に成長させた窒化物半導体積層構造においてはクラックが発生しにくくなるが、そのバッファ層の表面において原子レベルでの平坦性を確保するためには、バッファ層の厚さを大きくしなければならないと述べている。実際に、特許文献２は、その発明の実施例において高温ＡｌＮバッファ層をかなり大きな２μｍの厚さに堆積することを教示している。特許文献３はまた、バッファ層の厚さを大きくすれば基板とバッファ層との格子定数差に起因して基板に反りが発生しやすくなることも述べており、さらにＡｌＮバッファ層の堆積温度を高くすればそのバッファ層の表面に白濁が発生しやすくなることも述べている。このような問題に鑑み、特許文献３は、サファイア基板上に高温ＡｌＮバッファ層を薄く形成してもその表面に白濁が生じることを抑制するために、高温ＡｌＮバッファ層の堆積の途中で温度、圧力、原料ガス流量などのＭＯＣＶＤ条件の少なくともいずれかを変化させることを教示している。

一方、特許文献４の特開２００９−１５２６２７号公報は、単結晶シリコン基板上に窒化物半導体結晶層を成長させる場合の問題点を指摘している。具体的には、シリコン基板上に窒化物低温バッファ層を堆積してから窒化物半導体結晶層を成長させる場合、窒化物低温バッファ層の堆積時にシリコン基板表面のランダムな領域に非晶質窒化ケイ素を生じ、これが基板と窒化物半導体結晶層との界面の平坦度を悪化させたり、窒化物半導体結晶層に欠陥を生じさせる原因となると指摘している。そして、この問題を改善するために、特許文献４は窒化物低温バッファ層の堆積前にシリコン基板表面を窒化処理によって均一厚さの窒化ケイ素層で覆うことを提案している。

特開平２−２２９４７６号公報 特開２００２−３６７９１７号公報 特開２００７−５９８５０号公報 特開２００９−１５２６２７号公報

六方晶系のウルツ鉱型構造を有するＡｌＮ結晶は、ｃ軸に沿ってＡｌ原子とＮ原子が非対称に配列した極性結晶である。無極性の基板上にＡｌＮ結晶層の厚さをｃ軸方向に成長させる場合、表面にＡｌ原子が安定して存在するＡｌ極性（III族元素極性）とＮ原子が安定して存在するＮ極性（Ｖ族元素極性）のいずれかの方位で成長する。このような極性の相違は結晶成長表面のモフォロジーに特徴的に表れ、Ａｌ極性面は平坦性の高い表面であるのに対して、Ｎ極性面は六角形状のファセットを有する凹凸の顕著な表面になる傾向にある。

したがって、特許文献３におけるように極性面を考慮せずにＡｌＮ結晶層をバッファ層として成長させれば、Ａｌ極性面とＮ極性面が混在したＡｌＮ結晶層の表面を生じ、高い表面平坦性が得られない。そして、そのＡｌ極性面とＮ極性面の混在は、ＡｌＮバッファ層上に成長させられるデバイス用窒化物半導体積層構造内まで引き継がれ、半導体積層構造のさらなる表面平坦性の悪化を招く。

また、特許文献４におけるようにＳｉ基板表面を窒化処理した窒化ケイ素層上にＡｌＮ結晶バッファ層を成長させる場合にも、Ａｌ極性面とＮ極性面の混在したＡｌＮ結晶バッファ層が成長しやすい傾向にある。

上述のような課題に鑑み、本願発明は、窒化物半導体デバイス用の半導体積層構造を成長させるために改善されたバッファ層構造を有する基板を提供することを主要な目的としている。

本発明者達は、鋭意検討を重ねた結果、シリコン基板に形成された窒化ケイ素層の表面上に直接に高温ＡｌＮバッファ層を形成するのではなくて、Ａｌ層を介在させることによって従来の高温ＡｌＮバッファ層に比べて表面平坦性が顕著に改善された新規なバッファ層構造が得られることを見出すに至った。

本発明によれば、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面に形成された窒化ケイ素層を有し、この窒化ケイ素層上に順次積層されたＡｌ層とＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層とを有し、このＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層の表面は（０００１）の面方位とIII族元素極性の表面を有していることを特徴としている。

なお、本発明による基板は、ＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ層上に積層された付加的なＡｌＧａＮ結晶層をさらに有してもよい。この付加的なＡｌＧａＮ結晶層は、Ａｌ組成比が順次低減された複数のサブ層を含むこともできる。

上記のような本発明によれば、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層を成長させる前に窒化ケイ素層上にＡｌ層を均一に形成することによって、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層の表面に良質なIII族極性面が得られる。すなわち、そのＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層の表面は、実質的にIII族極性面のみを含んでいるので、高い平坦性を有している。

本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を示す模式的断面図である。 従来技術を利用して形成された基板を用いて作製された窒化物半導体デバイス用ウエハの表面における微小な凸状欠陥の分布を示すノマルスキー光学顕微鏡写真である。 本発明の製造方法による基板を用いて作製された窒化物半導体デバイス用ウエハの表面状態を示すノマルスキー光学顕微鏡写真である。 従来技術を利用して形成された基板を用いて作製された窒化物半導体デバイス用ウエハの表面における凸状欠陥以外の領域の状態を拡大して示すノマルスキー光学顕微鏡写真である。 本発明の製造方法による基板を用いて作製された窒化物半導体デバイス用ウエハの表面状態を図４と対比して示すためのノマルスキー光学顕微鏡写真である。

（実施形態）
図１は、本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を模式的断面図で示している。このようなヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の作製方法の一例が、以下において説明される。基板１としては、（１１１）主面を有するＳｉ基板が用いられる。まず、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１の表面酸化膜を除去した後に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置の窒素雰囲気のチャンバ内にその基板がセットされる。

基板１がセットされた後には、チャンバ内の窒素雰囲気が水素雰囲気に入れ替えられる。そして、チャンバ内圧力１３．３ｋＰａの下で、Ｈ_２流量＝５０ｓｌｍと基板温度１１００℃の条件にてＳｉ基板１の表面の熱クリーニングが行なわれる。

その後、チャンバ内圧力と基板温度を維持したまま、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍとＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下でＳｉ基板１の表面が４０秒間窒化処理される。これによって、Ｓｉ基板１の表面に窒化ケイ素層１ａが形成される。

引続いて、ＮＨ_３の供給を停止し、Ｈ_２流量＝５０ｓｌｍとＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量＝５４ｓｃｃｍの条件下でＡｌ層を６秒間堆積させる。これによって、Ｓｉ基板１の窒化ケイ素層１ａの表面が、Ａｌ層２ａによって覆われる。

さらに、ＴＭＡ流量＝１０８．５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ層２ａ上に厚さ２００ｎｍのＡｌＮ層２ｂを堆積させる。

その後、基板温度を１１５０℃に上昇させ、ＴＭＡ流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）流量＝１２．７ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ層３が４００ｎｍの厚さに堆積される。続いて、ＴＭＡ流量＝５０．９ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝２２．１ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ層４が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＡ流量＝１６．４ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝３０．４、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層５が４００ｎｍの厚さに堆積される。これによって、組成傾斜バッファ層構造３−５が形成される。

その後、１３．３ｋＰａの圧力と１１５０℃の基板温度を維持したままで、ＴＭＧ流量＝４９．８ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で、ＧａＮ層６が３００ｎｍの厚さに堆積される。続いて、ＧａＮ層６の堆積条件から圧力のみが９０ｋＰａに下げられ、ＧａＮ層７が７００ｎｍの厚さに堆積される。ここで、堆積圧力が低い場合にはＴＭＧに含まれるカーボンがＧａＮ層内にドープされやすく、堆積圧力が高い場合にはＴＭＧからＧａＮ層内にカーボンがドープされにくい傾向にある。

そして、ＧａＮ層７の堆積後には、圧力が再度１３．３ｋＰａに上げられて、ＡｌＮ特性改善層８（１ｎｍ厚）、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ障壁層９（２５ｎｍ厚）およびＧａＮキャップ層１０（１ｎｍ厚）を含む電子供給層が堆積される。このとき、ＡｌＮ層８はＴＭＡ流量＝４７ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で堆積され、ＡｌＧａＮ層９はＴＭＧ流量＝１０．２ｓｃｃｍ、ＴＭＡ流量＝６．２ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で堆積され、そしてＧａＮ層１０はＴＭＧ流量＝１３ｓｃｃｍ、ＮＨ_３流量＝１２．５ｓｌｍ、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下で堆積され得る。

なお、以上の実施形態ではＡｌＧａＮ層３、４および５のＡｌ組成比が０．７、０．４および０．１の順に変化させられたが、組成傾斜バッファ層構造に含まれるＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比の組合せはこの組合せに限定されるものではない。また、組成傾斜バッファ層構造に含まれて異なるＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮ層の数も３層に限定されず、任意の数とすることができる。重要なことは、組成傾斜バッファ層構造の下面から上面に向かうにしたがってＡｌ組成比が徐々に減少していくことである。

（比較例と実施例）
本発明の基板による改善効果を調べるために、従来技術を利用して比較例としての基板が作製された。この比較例の基板は、図１におけるＳｉ基板１の窒化ケイ素層１ａ上に、ＡｌＮ結晶バッファ層２ｂおよび組成傾斜バッファ層構造３−５を有しているが、Ａｌ層２ａを有していない。

すなわち、比較例においては、上述の実施形態と同様にＳｉ基板１の表面が窒化処理されたことによる窒化ケイ素層１ａ上に、ＡｌＮ結晶バッファ層２ａが、１１００℃の基板温度、１３．３ｋＰａの圧力、１０８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、１２．５ｓｌｍのＮＨ_３、およびＨ_２流量＝３７．５ｓｌｍのＭＯＣＶＤ条件下で２００ｎｍの厚さに成長させられた。その後、ＡｌＮ結晶バッファ層２ａ上に上述の実施形態と同様に複数の窒化物半導体層３−１０が積層され、これによって窒化物半導体デバイス用のエピタキシャルウエハを得た。

図２は、こうして得られた比較例のエピタキシャルウエハの最上面におけるノマルスキー光学顕微鏡写真を示している。なお、この顕微鏡写真中の白い線分は、２００μｍのスケールを示している。図２の写真から明らかなように、比較例の基板を利用して作製されたエピタキシャルウエハの表面は多くの微細な凸状欠陥を含んでいることが分かる。

他方、本発明の実施例による基板を含むエピタキシャルウエハは、上述の実施形態において図１を参照して説明されたように、Ｓｉ基板１の窒化ケイ素層１ａ上のＡｌ層２ａおよびＡｌＮ結晶バッファ層２ｂを含んで作製された。

図３は、こうして得られた実施例のエピタキシャルウエハの最上面におけるノマルスキー光学顕微鏡写真を示している。この顕微鏡写真中の白い線分も、２００μｍのスケールを示している。図２と対比から明らかなように、本発明の基板を利用して作製された窒化物半導体デバイス用のエピタキシャルウエハの表面を示す図３においては、図２において観察されるような凸状欠陥が消失していることが分かる。すなわち、本発明の基板を利用して作製された窒化物半導体デバイス用のエピタキシャルウエハの表面は顕著に改善された平坦性を有しており、半導体デバイスの作製に好ましく用いられ得ることが理解されよう。

図４は図２における凸状欠陥以外の一部領域を拡大して示すノマルスキー光学顕微鏡写真であり、この写真中の白い線分は１０μｍのスケールを示している。ここに添付の図４の写真では少し見づらいが、原写真ではオレンジピールのように荒れた表面地肌が観察され得る。

他方、図５は図３一部領域を拡大して示す顕微鏡写真であり、この写真中の白い線分も図４と同様に１０μｍのスケールを示している。図５においては、図３を拡大して観察しても図４におけるようなオレンジピール状の肌荒れ表面を示すコントラストが観察されず、極めて平滑な表面を示していることが分かる。

以上のように、Ｓｉ基板表面の窒化ケイ素層上にＡｌＮ結晶バッファ層を成長させる前に窒化ケイ素層をＡｌ層で覆うことによって、そのＡｌＮ結晶バッファ層の表面の平滑性を顕著に改善することができ、その結果としてＡｌＮ結晶バッファ層上に成長する窒化物半導体層の表面の平滑性をも改善することができる。この理由としては、窒化ケイ素層がＡｌ層で覆われたことによって、その上に成長するＡｌＮ結晶バッファ層が均一なＡｌ極性面を有することとなって、それによって改善された表面平坦性が得られると考えられる。

なお、上述の実施形態および実施例においてはＡｌ層上にＡｌＮ結晶バッファ層を堆積する例について説明されたが、ＡｌＮ結晶バッファ層の代わりにＡｌＧａＮ結晶バッファ層を堆積しても同様な効果が得られる。また、上述の実施形態および実施例では窒化ケイ素層１ａがシリコン基板１の窒化処理で形成される例が説明されたが、場合によってはＭＯＣＶＤまたはスパッタリングなどの他の方法を利用して窒化ケイ素層１ａを形成することも可能である。

以上から明らかなように、本発明によれば、Ｓｉ基板上に形成された窒化ケイ素層上にＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層を成長させる前に窒化ケイ素層をＡｌ層で覆うことによって、そのＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層の表面の平滑性を顕著に改善することができ、その結果としてＡｌＮまたはＡｌＧａＮの結晶バッファ層上に成長する窒化物半導体層の表面の平滑性をも改善することができる。

そして、そのように改善された表面平滑性を有する基板を利用することによって、その基板上に改善された特性を有する種々の窒化物半導体デバイスを作製することができる。

１ Ｓｉ基板、１ａ 窒化ケイ素層、２ａ Ａｌ層、２ｂ ＡｌＮ結晶層、３ Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ層、４ Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ層、５ Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層、６ カーボンドープＧａＮ層、７ アンドープＧａＮチャネル層、８ ＡｌＮ特性改善層、９ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ障壁層、１０ ＧａＮキャップ層。

Claims (3)

1. 窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板であって、
   Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面に形成された窒化ケイ素層を有し、
   前記窒化ケイ素層上に順次積層されたＡｌ層とＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層とを有し、
   前記ＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ結晶層の表面は（０００１）の面方位とIII族元素極性の表面を有していることを特徴とする基板。
2. 前記ＡｌＮ結晶層またはＡｌＧａＮ層上に積層された付加的なＡｌＧａＮ結晶層をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の基板。
3. 前記付加的なＡｌＧａＮ結晶層はＡｌ組成比が順次低減された複数のサブ層を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板。