DE112013002033T5 - Epitaxialsubstrat, Halbleitervorrichtung, und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Epitaxialsubstrat, Halbleitervorrichtung, und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung Download PDF

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c/o SANKEN ELECTRIC CO. LTD. Goto Hirokazu
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c/o Isobe R&D Center Tsuchiya Keitaro
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Epitaxialsubstrat bereit, einschließend ein Siliziumsubstrat, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger, und eine Halbleiterschicht, die auf das Siliziumsubstrat platziert ist, und aus einem Material hergestellt ist mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats. Als Ergebnis wird das Epitaxialsubstrat bereitgestellt, indem das Auftreten von Verzug, der durch Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat und der Halbleiterschicht verursacht wird, unterdrückt ist, bereitgestellt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Epitaxialsubstrat mit einer auf einem Siliziumsubstrat gebildeten epitaktisch gewachsenen Schicht, einer Halbleitervorrichtung und einem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • In einer Halbleitervorrichtung wird ein Epitaxialsubstrat mit einer Halbleiterschicht, die auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat durch epitaktisches Wachstum gebildet ist und aus einem Material hergestellt ist, wie einem Nitrid-Halbleiter, der anders ist als das Material des Siliziumsubstrats, verwendet. Jedoch wird aufgrund eines Unterschieds der Gitterkonstante und eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Siliziumsubstrat und der Halbleiterschicht wird eine hohe Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat und der Halbleiterschicht zur Zeit des epitaktischen Wachstums der Halbleiterschicht oder wenn die Temperatur reduziert wird, erzeugt. Durch Generierung von solch hoher Spannung tritt plastische Deformation in dem Siliziumsubstrat auf, wobei ein enormer Verzug entsteht. Als Ergebnis wird ein Epitaxialsubstrat erzeugt, das nicht in einer Halbleitervorrichtung verwendet werden kann.
  • Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Verfahren zum Unterdrücken des Verzugs eines Siliziumsubstrats durch Erhöhen der Stärke des Siliziumsubstrats durch Hinzufügen von Bor (B) zu dem Siliziumsubstrat vorgeschlagen (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
    Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 4519196
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es war bekannt, dass die Stärke eines Siliziumsubstrats durch Hinzufügen von Bor (B) zu dem Siliziumsubstrat erhöht werden kann. Jedoch wurde, was das Siliziumsubstrat, zu welchem Bor hinzugefügt wird, angeht, eine geeignete Konzentration von Sauerstoff, das in dem Siliziumsubstrat enthalten ist, bislang nicht gut untersucht.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Epitaxialsubstrat bereitzustellen, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, in welcher das Auftreten von Verzug, das durch die Spannung zwischen einem Siliziumsubstrat und einer Halbleiterschicht verursacht wird, durch Definieren der Konzentration von Sauerstoffatomen und Boratomen, die in dem Siliziumsubstrat enthalten sind, unterdrückt wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Epitaxialsubstrat einschließlich: ein Siliziumsubstrat, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger; und eine Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat angeordnet ist, und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats hergestellt ist, bereitgestellt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung einschließlich: einem Siliziumsubstrat, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger, eine Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat platziert ist und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats hergestellt ist; und eine Elektrode, die elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden ist, bereitgestellt.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das Verfahren einschließend: Herstellen eines Siliziumsubstrats, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger; Bilden auf dem Siliziumsubstrat durch epitaktisches Wachstumsverfahren einer Halbleiterschicht, hergestellt aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats während Erhitzen des Siliziumsubstrats; und Bilden einer Elektrode, die elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Epitaxialsubstrat, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung, in der das Auftreten von Verzug, das durch Spannung zwischen einem Siliziumsubstrat und einer Halbleiterschicht verursacht wird, unterdrückt wird, bereitzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, welche die Struktur eines Epitaxialsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Graph, welche das Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient und der Temperatur von jedem Material zeigt;
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Struktur einer Pufferschicht des Epitaxialsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3(a) zeigt die Struktur der Pufferschicht, die auf zwei Nitrid-Halbleiterschicht-Multischichtfilmen gebildet ist; und 3(b) zeigt die Struktur einer intermittierenden Pufferschicht;
  • 4 ist eine Tabelle, die das Verhältnis zwischen der Konzentration von Sauerstoffatomen, die in einem Siliziumsubstrat enthalten sind und die Ausbeute des Siliziumsubstrats zeigt;
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein strukturelles Beispiel einer Halbleitervorrichtung, welche das Epitaxialsubstrat gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, darstellt;
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein anderes strukturelles Beispiel der Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Epitaxialsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche noch ein anderes strukturelles Beispiel der Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Epitaxialsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche noch ein anderes strukturelles Beispiel der Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Epitaxialsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Als nächstes wird mit Bezug auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Beschreibungen der Zeichnungen werden gleiche oder ähnliche Ziffern zu den gleichen oder ähnlichen Abschnitten beigefügt. Jedoch sollte es verstanden werden, dass die Zeichnungen schematische Zeichnungen sind und das Verhältnis zwischen den Dicken und den planaren Abmessungen, das Verhältnis der Länge von jedem Abschnitt zu den Längen der anderen Abschnitte, usw. nicht dem tatsächlichen Verhältnis und den Proportionen entsprechen. Daher müssen spezifische Abmessungen basierend auf den folgenden Beschreibungen beurteilt werden. Des Weiteren versteht es sich von selbst, dass die Zeichnungen auch einen Abschnitt einschließen, dessen Verhältnis und Proportionen der Abmessungen in einer Zeichnung von der in einer anderen Zeichnung sich unterscheiden.
  • Des Weiteren stellt die nachstehend beschriebene Ausführungsform ein Beispiel einer Vorrichtung und eines Verfahrens, welche die technische Idee dieser Erfindung verkörpern, dar, und die technische Idee dieser Erfindung schränkt nicht die Formen, Strukturen, Platzierung, usw. der Komponenten auf die unten beschriebenen ein. Verschiedene Veränderungen können in der Ausführungsform dieser Erfindung gemacht werden im Umfang der Ansprüche.
  • Ein Epitaxialsubstrat 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 abgebildet, schließt ein Siliziumsubstrat 10, enthaltend Sauerstoff(O)-Atome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Bor(B)-Atome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger, und eine Halbleiterschicht 20, die auf dem Siliziumsubstrat 10 platziert ist und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats 10 hergestellt ist, ein.
  • Die Halbleiterschicht 20 ist eine epitaktisch gewachsene Schicht, die durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren gebildet wurde. Das Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats 10, ist ein Nitrid-Halbleiter, Gruppe III-V-Verbindungs-Halbleiter wie ein Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP), und Gruppe II-VI-Verbindungs-Halbleiter wie ein Siliziumcarbid (SiC), Diamant, Zinkoxid (ZnO) und Zinksulfid (ZnS). Im Folgenden, einem Fall, in dem die Halbleiterschicht 20 aus dem Nitrid-Halbleiter hergestellt ist, wird als ein Beispiel beschrieben.
  • Die Nitrid-Halbleiterschicht ist auf dem Siliziumsubstrat 10 durch metallorganischchemische Gasphasenabscheidung (metal organic vapor deposition, MOCVD) oder dergleichen gebildet. Ein typischer Nitrid-Halbleiter wird als AlxInyGa1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt und ist Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN), Indiumnitrid (InN), usw. In 2 wird ein Graph des Vergleichs unter Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien abgebildet. 2 bildet das Verhältnis zwischen der Temperatur und einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von jedem Halbleitermaterial ab. Bei Temperaturen von 1000 K oder höher ist das Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien Si < GaN < AlN, und das Verhältnis zwischen den Gitterkonstanten ist AlN (a-Achse) < GaN (a-Achse) < Si ((111)-Ebene). Da es Unterschiede in Gitterkonstante, Wärmeausdehnungskoeffizient, usw. zwischen Silizium, AlN und GaN gibt, falls zum Beispiel, nach Einstellen der Temperatur des Siliziumsubstrats 10 bei einer hohen Temperatur von 1000 K oder höher, und Stapeln des Nitrid-Halbleiters auf dem Siliziumsubstrat 10 auf eine Art und Weise, um Gitterübereinstimmung zu erhalten, ist die Temperatur des Siliziumsubstrats 10 reduziert, oder Wärmebehandlung wird auf der Halbleiterschicht 20 durchgeführt, Spannung wird in dem Siliziumsubstrat 10 und der Halbleiterschicht 20 erzeugt, wodurch ein Riss und Verzug des Substrats einfach entstehen.
  • In dem in 1 abgebildeten Beispiel ist die Halbleiterschicht 20 ein gestapelter Körper einer Pufferschicht 21 und einer funktionalen Schicht 22. Als die funktionale Schicht 22 sind verschiedene Konfigurationen, abhängig von einer Halbleitervorrichtung, die unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 hergestellt werden, verwendet. Die Einzelheiten der funktionalen Schicht 22 werden später beschrieben.
  • Da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats 10 und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Halbleiterschicht 20 sich voneinander unterscheiden, wird erhebliche Spannungsenergie in dem Epitaxialsubstrat 1 generiert. Die Pufferschicht 21 wird zwischen das Siliziumsubstrat 10 und die funktionale Schicht 22 platziert, und unterdrückt die Entstehung eines Risses, eine Reduktion der Kristallqualität, und Verzug des Substrats, die durch Verzerrung in der funktionalen Schicht 22 verursacht werden.
  • Als Pufferschicht 21 kann im Allgemeinen eine Struktur, die aus einer Vielzahl von gestapelten Nitriden als Halbleiterschichten gebildet ist, deren Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten sich voneinander unterscheiden, angewendet werden. Zum Beispiel wird als die Pufferschicht 21 ein Multischichtfilm, der auf einem Paar von gestapelten AlGaN-Schichten mit voneinander verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen gebildet ist, verwendet. Im Besonderen, wie in 3(a) abgebildet, wird beispielsweise ein Multischichtfilm, der aus alternierend gestapelter erster Nitrid-Halbleiterschicht 211 und zweiter Nitrid-Halbleiterschicht 212 gebildet ist, verwendet. Zum Beispiel ist die erste Nitrid-Halbleiterschicht 211 eine Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht mit einer Filmdicke von etwa 5 nm, und ist die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 212 eine Galliumnitrid(GaN)-Schicht mit einer Filmdicke von etwa 20 nm.
  • Alternativ kann eine ”intermittierende Pufferstruktur” mit einer Vielzahl von Multischichtfilmen, die aus einem Nitrid-Halbleiter und einer dicken Nitrid-Halbleiterschicht, die zwischen den Multischichtfilmen platziert ist, gebildet ist, als die Pufferschicht 21 angewendet werden. Wie zum Beispiel in 3(b) abgebildet, hat die Pufferschicht 21 mit der intermittierenden Pufferstruktur einen Multischichtfilm 210, gebildet aus einer Vielzahl von gestapelten Paaren der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 211 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 212, deren Zusammensetzungen sich voneinander unterscheiden, und einer dritten Nitrid-Halbleiterschicht 213, die so gestapelt ist, dass sie an den Multischichtfilm 210 angrenzt. Durch Verwendung eines gestapelten Körpers des Multischichtfilms 210 und der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 213 als eine Einheit und Stapeln einer Vielzahl von diesen Einheiten, wird die intermittierende Pufferstruktur gebildet.
  • Als ein spezifisches Beispiel der intermittierenden Pufferstruktur wird ein gestapelter Körper entsprechend einer Einheit durch Platzieren einer GaN-Schicht als die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 213 auf dem Multischichtfilm 210 gebildet aus etwa zehn gestapelten Paaren, indem jedes Paar aus alternierend gestapelter AlN-Schicht und GaN-Schicht gebildet ist, gebildet. Durch periodisches Wiederholen dieser gestapelten Körperstruktur wird die Pufferstruktur 21 mit der intermittierenden Pufferstruktur gebildet. Zum Beispiel ist die Filmdicke des AlN-Films und des GaN-Films, welche den Multischichtfilm 210 bilden, etwa 5 nm, und die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 213 ist eine GaN-Schicht mit einer Filmdicke von etwa 200 nm. Durch Anwenden der intermittierenden Pufferstruktur, im Vergleich zu einer Struktur, in der der Multischichtfilm 210, der aus einem Paar der AlGaN-Schicht oder dergleichen gebildet ist, einfach gestapelt wird, ist es möglich, die Filmdicke der Pufferschicht 21 weiter zu erhöhen. Dies ermöglicht es, die Durchschlagsspannung des Epitaxialsubstrats 1 in einer vertikalen Richtung (der Richtung der Filmdicke) zu erhöhen.
  • Im Folgenden werden die Eigenschaften des Siliziumsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Siliziumsubstrat 10 ist mit einer eingestellten Konzentration von Boratomen dotiert. Durch Hinzufügen der Boratome zu dem Siliziumsubstrat 10 ist es möglich, den Verlagerungs-/Verankerungs-Effekt (disclocation anchoring effect) zu erhalten, sodass die Verlagerung in dem Siliziumsubstrat 10 durch Bor gestoppt wird.
  • Als Ergebnis der Überprüfung durch die vorliegenden Erfinder wurde bestätigt, dass wenn die Konzentration von Boratomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, niedriger ist als 5 × 1018 cm–3, ist der durch Bor produzierte Verlagerungs-/Verankerungs-Effekt klein. Auf der anderen Seite, wenn die Konzentration des enthaltenen Boratoms erhöht wird, wird das Siliziumsubstrat 10 zu hart, wodurch ein Problem in einem Produktionsverfahren entsteht. Im Besonderen wurde herausgefunden, dass wenn die Boratom-Konzentration des Siliziumsubstrats 10 höher ist als 6 × 1019 cm–3, es schwierig ist, ein Siliziumsubstrat 10 mit einer geeigneten Dicke durch Schneiden eines Silizium-Ingots herzustellen, und es schwierig ist, das Siliziumsubstrat 10 zu polieren.
  • Deshalb funktioniert, durch Hinzufügen von Boratomen zu dem Siliziumsubstrat 10 im Bereich von Atomkonzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher oder 6 × 1019 cm–3 oder weniger, der Verlagerungs-/Verankerungs-Effekt durch Boratome in dem Siliziumsubstrat 10 effektiv, und kein Problem entsteht in einem Verfahrensschritt. Das heißt, mit dem Verlagerungs-/Verankerungs-Effekt durch die Boratome ist es möglich, die Steuerbarkeit des Verzugs von Siliziumsubstrat 10 zu erhöhen.
  • Des Weiteren, um klassische Deformation des Siliziumsubstrats 10 zur Zeit des Wachstums der Halbleiterschicht 20 zu verhindern, werden Kristallspezifikationen, die das Voranschreiten der Generierung von Sauerstoffpräzipitat-Nuclei oder Kristallspezifikationen, mit welchen Generierung von Sauerstoffpräzipitat-Nuclei kaum voranschreitet, wie im Folgenden beschrieben wird, in dem Siliziumsubstrat 10 angewendet.
  • Im Allgemeinen, zur Zeit der Herstellung eines Silizium-Ingots, der ein Material aus einem Siliziumsubstrat ist, werden Sauerstoffatome in den Silizium-Ingot eingeführt und Oxidpräzipitat-Nuclei werden generiert. Dann, wenn zum Beispiel eine Halbleiterschicht auf dem Siliziumsubstrat gebildet ist, wird ein Oxid (ein Präzipitat) des SiO2 in dem heißen Siliziumsubstrat gebildet. Im Allgemeinen, mit steigender Konzentration von Sauerstoffatomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, entsteht Verlagerung/Verankerung einfacher, und die Stärke des Siliziumsubstrats 10 wird erhöht. Jedoch, wenn die oben beschriebene, durch einen Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleiterschicht 20 und dem Siliziumsubstrat 10 verursachte Spannung, um ein Oxid herum hergestellt wird oder Punch-out-Verlagerung durch das Oxid generiert wird, entsteht eine Verschiebung (ein Verrutschen) einer Kristallachse oder ein Defekt in dem Siliziumsubstrat durch kleine externe Spannungen, wodurch Verzug in dem Siliziumsubstrat verursacht wird. Demnach, in dem Siliziumsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird durch Verzögern des Voranschreitens der Generierung von Sauerstoffpräzipitat-Nuclei oder Verhindern der Generierung davon, die Bildung dieses Oxids unterdrückt. Als Ergebnis ist es möglich, den Verzug des Siliziumsubstrats 10 zu reduzieren.
  • Im Besonderen sind die Kristallspezifikation des Siliziumsubstrats 10, enthaltend Boratome in dem oben beschriebenen Konzentrationsbereich, so bestimmt, dass die Konzentration von Sauerstoffatomen 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger ist.
  • In 4 ist das Verhältnis zwischen der Konzentration von Sauerstoffatomen, enthalten in einem Siliziumsubstrat, dessen Boratom-Konzentration 5 bis 8 × 1018 cm–3 ist und die Ausbeute des Siliziumsubstrats abgebildet. In 4 bedeutet die ”Menge an Verzug” einen Unterschied zwischen einem höchsten Punkt und einem niedrigsten Punkt einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats (Wafer) und, die ”Ausbeute”, das Verhältnis von Siliziumsubstraten mit Verzug, dessen Menge innerhalb der Toleranz ist, die es erlaubt, das Siliziumsubstrat in einer Halbleitervorrichtung zu verwenden. Was die Ausbeute betrifft, wurde ein Fall, in dem in einem Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 6 Zoll, die Menge an Verzug auf der negativen Seite (Abwärtsverzug in 4) 100 μm oder höher war, als Defekt bewertet.
  • Wie in 4 gezeigt, war in dem Siliziumsubstrat, dessen Sauerstoffatom-Konzentration 4 bis 6 × 1017 cm–3 war, die Ausbeute 100% Auf der anderen Seite war die Ausbeute des Siliziumsubstrats, dessen Sauerstoffatom-Konzentration 6 × 1017 cm–3 oder höher war, 50% oder weniger. Daher ist es bevorzugt, dass die Konzentration von Sauerstoffatomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten ist, 6 × 1017 cm–3 oder weniger ist.
  • Auf der anderen Seite, wenn ein Silizium-Ingot, der das Material des Siliziumsubstrats 10 ist, durch das CZ-Verfahren hergestellt wird, ist die Produktivität verringert, wenn die Konzentration der Sauerstoffatome, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, weniger als 4 × 1017 cm–3 ist. Da eine niedrigere Grenze der Sauerstoffatom-Konzentration, bei der die Sauerstoffatom-Konzentration des Silizium-Ingots genau kontrolliert werden kann, in einem gewöhnlich verwendeten Silizium-Ingot-Herstellungsgerät etwa 4 × 1017 cm–3 ist. Daher ist es bevorzugt, dass die Konzentration von Sauerstoffatomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, 4 × 1017 cm–3 oder höher ist.
  • Wie oben beschrieben, wird durch Einstellen der Konzentration von Sauerstoffatomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, innerhalb des Bereichs von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger, das Voranschreiten der Generierung von Sauerstoffpräzipitat-Nuclei in dem Siliziumsubstrat 10 unterdrückt. Als Ergebnis, wenn die Halbleiterschicht 20 durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren gebildet wird und die Temperatur des Siliziumsubstrats 10 reduziert wird, ist es möglich, den Verzug des Siliziumsubstrats 10 zu unterdrücken. Gleichzeitig, wenn die Filmdicke der Halbleiterschicht 20, die auf dem Nitrid-Halbleiter gebildet ist, 6 μm oder höher ist, ist die Unterdrückung von plastischer Deformation des Siliziumsubstrats 10 insbesondere erwünscht und daher ist es bevorzugt, die vorliegende Erfindung zu verwenden.
  • Wie oben beschrieben, gemäß dem Epitaxialsubstrat 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, durch Kontrollieren der Konzentrationen von Sauerstoffatomen und Boratomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, um innerhalb der vorbestimmten Bereiche zu liegen, ist es möglich, Verzug zu unterdrücken, der durch die Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und der Halbleiterschicht 20 verursacht wird. Als Ergebnis, in dem Epitaxialsubstrat 1 mit einer Struktur, in der die Halbleiterschicht 20 dessen Wärmeausdehnungskoeffizient anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats 10 auf dem Siliziumsubstrat 10 gestapelt ist, wird das Auftreten eines Risses der durch die plastische Deformation des Siliziumsubstrats 10 in der Halbleiterschicht 20 verursacht wird, unterdrückt.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats 1 erklärt. Nebenbei ist das Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats 1, das nachstehend beschrieben wird ein Beispiel, und es versteht sich von selbst, dass das Verfahren durch verschiedene andere Produktionsverfahren einschließlich modifiziertem Beispiel implementiert werden kann.
  • Ein Silizium-Ingot wird durch das MCZ-Verfahren oder dergleichen hergestellt. Zu dieser Zeit wird eine vorbestimmte Menge von Bor in einen Quarztiegel, enthaltend polykristallines Silizium, eingeführt. Die Menge von Bor wird angepasst, sodass die Konzentration von Boratomen, die in dem Silizium-Ingot der hergestellt werden soll, enthalten ist, 5 × 1018 cm–3 oder höher oder 6 × 1019 cm–3 oder weniger wird.
  • Des Weiteren wird zum Beispiel durch Mischen einer vorbestimmten Menge von Sauerstoffatomen aus der Oberfläche des Quarztiegels die Konzentration von Sauerstoffatomen, die in dem Silizium-Ingot enthalten sind, so angepasst, dass sie 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger ist.
  • Durch Schneiden der hergestellten Silizium-Ingots wird ein Siliziumsubstrat 10 mit einer gewünschten Dicke erhalten.
  • Nebenbei ist es möglich, durch Messen des Widerstands des Siliziumsubstrats 10, die Boratom-Konzentration zu bestätigen. Zum Beispiel wird die Boratom-Konzentration ausgehend von dem Widerstand konvertiert durch Verwendung einer Irvin-Kurve, und die Eigenschaften des Siliziumsubstrats 10 werden sichergestellt. Alternativ wird die Boratom-Konzentration durch sekundäre Ionenmassenspektrometrie (secondary ion mass spectrometry, SIMS) oder chemische Analyse bestätigt. Die Sauerstoff-Konzentration des Siliziumsubstrats 10 wird zum Beispiel gemessen durch Infrarot-Absorptionsverfahren, Gasfusionsanalyseverfahren (gas fusion analysis method, GFA-Verfahren) oder dergleichen.
  • Auf diese Weise wird das Siliziumsubstrat 10 enthaltend Sauerstoffatome in einer Konzentration von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in einer Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger hergestellt.
  • Als nächstes wird eine Halbleiterschicht 20, die aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoenizient des Siliziumsubstrats 10, epitaktisch auf dem Siliziumsubstrat 10 durch MOCVD-Verfahren oder dergleichen wachsen gelassen. Im Besonderen wird das Siliziumsubstrat 10 in einem Filmbildungsgerät gelagert und ein vorbestimmtes Quellengas wird zu dem Inneren des Filmbildungsgeräts geführt, wodurch die Halbleiterschicht 20 gebildet wird. Eine Struktur geeignet als Pufferschicht 21, ist eine Struktur, in der eine AlN-Schicht und eine GaN-Schicht alternierend gestapelt sind. Durch sequentielles Stapeln der Pufferschicht 21 und der funktionalen Schicht 22 auf dem Siliziumsubstrat 10, geheizt auf 900°C oder höher, beispielsweise 1350°C, wird die Halbleiterschicht 20 gebildet.
  • In einem Verfahren, in dem die AlN-Schicht wachsen gelassen wird, werden zum Beispiel ein Trimethylaluminium(TMA)-Gas, das ein Aluminiummaterial ist, und ein Ammoniak(NH3)-Gas, das ein Stickstoffmaterial ist, zu dem Filmbildungsgerät zugeführt. Des Weiteren, in einem Verfahren, in dem AlGaN-Schicht wachsen gelassen wird, zusätzlich zu dem TMA-Gas und dem Ammoniakgas, wird ein Trimethylgallium(TMG)-Gas, das ein Ga-Material ist, zu dem Filmbildungsgerät zugeführt. In einem Verfahren, in dem GaN-Schicht wachsen gelassen wird, werden das TMG-Gas und das Ammoniakgas zu dem Filmbildungsgerät zugeführt. Auf diese Weise wird das in 1 gezeigte Epitaxialsubstrat 1 vervollständigt.
  • Sogar wenn das Siliziumsubstrat 10 auf 900°C oder höher geheizt wird, zum Beispiel um die Halbleiterschicht 20 epitaktisch wachsen zu lassen, durch Kontrollieren der Konzentrationen von Sauerstoffatomen und Boratomen, die in dem Siliziumsubstrat 10 enthalten sind, um innerhalb der oben beschriebenen vorbestimmten Bereiche zu sein, wird das Auftreten von Verzug, verursacht durch die Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und der Halbleiterschicht 20 nach der Bildung des Epitaxialsubstrats 1 unterdrückt. Als ein Ergebnis ist es möglich, die Herstellung von einem Epitaxialsubstrat 1, das nicht für die Produktion einer Halbleitervorrichtung aufgrund von signifikantem Verzug verwendet werden kann, zu verhindern.
  • Durch Anwenden eines Halbleiterfilms mit einer vorbestimmten Struktur als der funktionalen Schicht 22 und Platzieren einer Elektrode, die elektrisch die funktionale Schicht 22 auf das Epitaxialsubstrat 1 durch Platzieren der Elektrode auf die Halbleiterschicht 20 elektrisch verbindet, wird eine Halbleitervorrichtung hergestellt, die unterschiedliche Funktionen implementiert.
  • In 5 ist ein Beispiel gezeigt, in dem ein Hochelektronenbeweglichkeits-Transistor (high electron mobility transistor, HEMT) durch Verwenden des Epitaxialsubstrats 1 hergestellt wird. Das heißt, eine in 5 abgebildete Halbleitervorrichtung hat eine funktionale Schicht 22 mit einer Struktur, in der eine Trägertransitschicht 221 und eine Trägerversorgungsschicht 222, die eine Heteroübergang mit der Trägertransitschicht 221 bildet, gestapelt werden. Eine Heteroübergangs-Ebene wird an einer Schnittstelle zwischen der Trägertransitschicht 221 und der Trägerversorgungsschicht 222 gebildet, die aus Nitrid-Halbleitern gebildet sind, von denen die Bandlücken-Energie von einem Nitrid-Halbleiter anders ist als die Bandlücken-Energie eines anderen, und eine zweidimensionale Trägergasschicht 223 als ein Stromweg (ein Kanal) in der Trägertransitschicht 221 nahe der Heteroübergangsschicht gebildet wird. Um die gute zweidimensionale Trägergasschicht 223 zu generieren und Durchschlagsspannung zu verbessern, ist es bevorzugt, dass die Filmdicke der Halbleiterschicht 20, die auf dem Nitrid-Halbleiter gebildet wird, 6 μm oder höher ist, und es ist bevorzugt, dass die Filmdicke der Trägertransitschicht 221 in der der Kanal gebildet wird, 3 μm oder höher ist.
  • Die Trägertransitschicht 221 wird zum Beispiel gebildet durch Bilden eines nicht-dotierten GaN, zu dem keine Verunreinigungen durch MOCVD-Verfahren oder dergleichen hinzugefügt werden. Hier bedeutet Nicht-Dotierung, dass Verunreinigungen nicht beabsichtigt hinzugefügt werden.
  • Die auf der Trägertransitschicht 221 platzierte Trägerversorgungsschicht 222 wird auf einem Nitrid-Halbleiter gebildet, dessen Bandlücke größer ist als die Bandlücke der Trägertransitschicht 221 und dessen Gitterkonstante kleiner ist als die Gitterkonstante der Trägertransitschicht 221. Als Trägerversorgungsschicht 221 kann nicht-dotiertes AlxGa1-xN verwendet werden.
  • Die Trägerversorgungsschicht 222 wird auf der Trägertransitschicht 221 durch MOCVD-Verfahren oder dergleichen gebildet. Da die Trägerversorgungsschicht 222 und die Trägertransitschicht 221 unterschiedliche Gitterkonstanten voneinander aufweisen, entsteht piezoelektrische Polarisation aufgrund von Gitterverzerrungen. Aufgrund dieser piezoelektrischen Polarisation und spontaner Polarisation des Kristalls der Trägerversorgungsschicht 222 wird ein hochdichter Träger in der Trägertransitschicht 221 nahe dem Heteroübergang generiert, und die zweidimensionale Trägergasschicht 223 wird gebildet.
  • Wie in 5 gezeigt, werden auf die funktionale Schicht 22 eine Source-Elektrode 31, eine Drain-Elektrode 32 und eine Gate-Elektrode 33 platziert. Die Source-Elektrode 31 und die Drain-Elektrode 32 sind aus einem Metall gebildet, das einen Niedrig-Widerstandskontakt (einen Ohm'schen Kontakt) mit der funktionalen Schicht 22 bilden kann. Aluminium (Al), Titan (Ti), usw. können zum Beispiel als Source-Elektrode 31 und Drain-Elektrode 32 angewendet werden. Alternativ sind die Source-Elektrode 31 und die Drain-Elektrode 32 ein gestapelter Körper von Ti und Al. Als Gate-Elektrode 33, die zwischen der Source-Elektrode 31 und der Drain-Elektrode 32 platziert ist, kann zum Beispiel Nickelgold (NiAu) angewendet werden.
  • In der obigen Beschreibung wurde das Beispiel, in dem die Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 das HEMT ist, gezeigt, aber ein Transistor mit einer anderen Struktur wie einem isolierten Gate-Feldeffekttransistor (insulated gate field-effect transistor, MISFET) oder einem vertikalen Feldeffekttransistor (vertical field-effect transistor, FET) unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 gebildet werden.
  • Um eine Schottky-Barrierendiode (Schottky barrier diode, SBD) unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 zu implementieren, kann des Weiteren eine Struktur wie in 6 abgebildet angewendet werden. Das heißt, wie es der Fall ist mit dem HEMT, wird eine funktionelle Schicht 22 beispielsweise durch Verwendung einer Trägertransitschicht 221, die auf einem GaN-Film gebildet ist und eine Trägerversorgungsschicht 220, die auf einem AlGaN-Film gebildet ist, gebildet werden. Dann werden eine Anodenelektrode 41 und eine Kathodenelektrode 42 auf der funktionellen Schicht 22 platziert, um Raum zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 bereitzustellen. Ein Schottky-Übergang wird zwischen der Anodenelektrode 41 und der funktionellen Schicht 22 gebildet, und ein Ohm'scher Übergang wird zwischen der Kathodenelektrode 42 und der funktionellen Schicht 22 gebildet. In dem SBD, das in 6 abgebildet ist, fließt ein Strom zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 über eine zweidimensionale Trägergasschicht 223.
  • Des Weiteren kann eine Licht emittierende Vorrichtung wie eine Licht emittierende Diode (LED) unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 hergestellt werden. Eine in 7 abgebildete Licht emittierende Vorrichtung ist ein Beispiel, in dem eine funktionelle Schicht 22 mit einer doppelten Heteroübergangsstruktur, die auf einer gestapelten n-Typ-Plattierungsschicht 225, aktiven Schicht 226 und p-Typ-Plattierungsschicht 227 gebildet ist, auf einer Pufferschicht 21 platziert.
  • Die n-Typ-Plattierungsschicht 225 ist ein GaN-Film oder dergleichen, dotiert beispielsweise mit einer n-Typ-Verunreinigung. Wie in 7 gezeigt, ist eine n-Seiten-Elektrode 51 mit der n-Typ-Plattierungsschicht 225 verbunden, und ein Elektron wird zu der n-Seiten-Elektrode 51 durch eine externe negative elektrische Stromversorgung der Licht emittierenden Vorrichtung zugeführt. Als Ergebnis wird das Elektron von der n-Typ-Plattierungsschicht 225 zu der aktiven Schicht 226 geführt.
  • Die p-Typ-Plattierungsschicht 227 ist ein AlGaN-Film, dotiert beispielsweise mit einer p-Typ-Verunreinigung. Eine p-Seiten-Elektrode 52 ist mit der p-Typ-Plattierungsschicht 227 verbunden, und ein positives Loch (ein Loch) wird an die p-Seiten-Elektrode 52 von einer externen positiven elektrischen Stromversorgung der Licht emittierenden Vorrichtung zugeführt. Als Ergebnis wird das positive Loch von der p-Typ-Plattierungsschicht 227 zu der aktiven Schicht 226 geführt.
  • Die aktive Schicht 226 ist beispielsweise ein nicht-dotierter InGaN-Film oder ein Nitrid-Halbleiterfilm, dotiert mit p-Typ- oder n-Typ-Leitfähigkeitstyp-Verunreinigungen. Das Elektron, das von der n-Typ-Plattierungsschicht 225 und das positive Loch, das von der p-Typ-Plattierungsschicht 227 geliefert werden, rekombinieren miteinander in der aktiven Schicht 226, wodurch Licht generiert wird. Nebenbei kann als aktive Schicht 226 eine Mehrfachquanten-Topf(multiple quantum well, MQW)-Struktur, in der eine Barrierenschicht und eine Topf-Schicht, deren Bandlücke kleiner ist als die Bandlücke der Barrierenschicht, alternierend platziert sind, angewendet werden. Beispielsweise ist diese MQW-Struktur eine gestapelte Struktur einer Halbleiterschicht, gebildet aus Alx1Ga1-x1-y1Iny1N, (0,5 < x1 ≤ 1, 0 ≤ y1 < 1, 0 < x1 + y1 ≤ 1) und einer Nitrid-Halbleiterschicht, gebildet aus Alx2Ga1-x2-y2Iny2N (0,01 < x2 < 0,5, 0 ≤ y2 < 1, 0 < x2 + y2 ≤ 1).
  • Nebenbei, für eine Halbleitervorrichtung, die ein p-Typ-Siliziumsubstrat 10 verwendet, das mit Bor dotiert ist als Teil des Stromwegs, ist das Epitaxialsubstrat 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ganz besonders effektiv. Das heißt, durch geeignetes Einstellen der Sauerstoff-Konzentration in dem Siliziumsubstrat 10, das zwangsläufig mit Bor dotiert ist, um das Siliziumsubstrat mit Leitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, ist es möglich, den Verzug des Siliziumsubstrats 10 zu unterdrücken. Dadurch ist es möglich, den elektrischen Widerstand des Siliziumsubstrats 10 zu reduzieren.
  • Wie in 8 abgebildet, kann beispielsweise durch Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 eine Licht emittierende Vorrichtung unter Verwendung des Siliziumsubstrats 10 als Teil des Stromwegs hergestellt werden. In der in 8 abgebildeten Licht emittierenden Vorrichtung ist die Halbleiterschicht 20 auf einer Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 10 platziert, dotiert mit Bor und die n-Seiten-Elektrode 51 ist auf der anderen Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 10 platziert. Das positive Loch (das Loch) wird zu der p-Typ-Plattierungsschicht 227 von der p-Seiten-Elektrode 52, die auf der p-Typ-Plattierungsschicht 227 der Halbleiterschicht 20 platziert ist, zugeführt. Das Elektron wird von der n-Typ-Plattierungsschicht 225 von der n-Seiten-Elektrode 51, die auf dem Siliziumsubstrat 10 platziert ist, über das Siliziumsubstrat 10 und die Pufferschicht 21 zugeführt.
  • Wie oben beschrieben, ist es durch die Verwendung des Epitaxialsubstrats 1 möglich, eine Halbleitervorrichtung mit der Halbleiterschicht 20 herzustellen, in der das Auftreten eines Risses unterdrückt ist, und Implementieren verschiedener Funktionen.
  • (Andere Ausführungsformen)
  • Wie oben beschrieben, wurde die vorliegende Erfindung unter Verwendung des Ausführungsbeispiels beschrieben, aber es sollte nicht so verstanden werden, dass die Beschreibung und Zeichnungen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden, die Erfindung beschränken. Ein Fachmann kann verschiedene alternative Ausführungsformen, Beispiele und Bedienungstechniken, basierend auf dieser Offenbarung, verstehen.
  • Beispielsweise in der obigen Beschreibung, ein Beispiel, in dem die Halbleiterschicht 20 ein gestapelter Körper ist, der auf der Pufferschicht 21 und der funktionalen Schicht 22 gebildet ist, wurde hier beschrieben, aber die Halbleiterschicht 20 kann eine Struktur ohne Pufferschicht 21 aufweisen. Des Weiteren kann eine bekannte Deckschicht (cap layer) oder Abstandsschicht (spacer layer) in oder auf der funktionalen Schicht 22 bereitgestellt werden.
  • Wie oben beschrieben, ist es selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen, usw. mit einschließt, die nicht oben beschrieben wurden. Daher ist es so zu verstehen, dass der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch den geeigneten Gegenstand gemäß den Ansprüchen, basierend auf der obigen Beschreibung, definiert wird.

Claims (7)

  1. Epitaxialsubstrat, umfassend: ein Siliziumsubstrat, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger, und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger; und eine Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat angeordnet ist, und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats, hergestellt ist.
  2. Epitaxialsubstrat gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht ein gestapelter Körper von Nitrid-Halbleiterfilmen ist.
  3. Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Siliziumsubstrat enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger, und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher und 6 × 1019 cm–3 oder weniger; und eine Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat angeordnet ist, und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der anders ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats, hergestellt ist; und eine Elektrode die elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden ist.
  4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Halbleiterschicht ein gestapelter Körper von Nitrid-Halbleiterfilmen ist.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Herstellen eines Siliziumsubstrats, enthaltend Sauerstoffatome in Konzentrationen von 4 × 1017 cm–3 oder höher und 6 × 1017 cm–3 oder weniger und enthaltend Boratome in Konzentrationen von 5 × 1018 cm–3 oder höher oder 6 × 1019 cm–3 oder weniger; Bilden, auf dem Siliziumsubstrat durch epitaktisches Wachstumsverfahren, einer Halbleiterschicht die aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, der anders ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats während Erhitzen des Siliziumsubstrats; Bilden einer Elektrode, so dass die Elektrode elektrisch mit der Halbleiterschicht verbunden ist.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei als die Halbleiterschicht ein gestapelter Körper von Nitrid-Halbleiterfilmen gebildet wird.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei bei der Bildung der Halbleiterschicht das Siliziumsubstrat auf 900°C oder höher erhitzt wird.
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