JP2009256154A - 半導体結晶成長用基板および半導体結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥の少ない半導体層を形成する。
【解決手段】面方位が（１１１）であるＳｉからなる半導体結晶成長用基板本体１１の外周部に膜厚が１００ｎｍの窒化シリコンからなる保護膜１４を形成する。すなわち、半導体結晶成長用基板本体１１の側面１２および半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の最外周から２ｍｍまでの部分に保護膜１４を形成する。また、半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の保護膜１４が形成されていない領域上にＡｌＮからなるバッファ層２１を形成し、バッファ層２１上に膜厚が３μｍのＧａＮ結晶からなる半導体層２２を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板および半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶に関するものである。

窒化物系化合物半導体（たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮおよびそれらの混晶）は、同材料で基板を作製することが困難であった。そのため、異種材料であるサファイア基板や炭化シリコン基板を用いて成膜が行われてきた。しかしながら、サファイア基板は熱伝導率が低いために発熱しやすい高出力型電子デバイス用途には向かず、また炭化シリコン基板は調達コストが非常に高いという問題があった。近年、それらの問題を回避するために、価格が安価で安定供給が見込め、かつ大口径化が進んでいる、Ｓｉ（シリコン）基板を用いて窒化物系化合物半導体を成膜する試みがなされている。

Ｓｉ基板上に窒化物系化合物半導体を成膜する際の課題は、Ｓｉと窒化物系化合物半導体とで熱膨張係数が異なり、一般に高温で成膜した後に降温すると、窒化物系化合物半導体に引っ張り歪みが加わるためにクラック（ひび割れ）が入りやすいことである。また、格子定数の差に起因する歪みも加わりやすい。加えて、Ｓｉは窒化物系化合物半導体を構成する元素のうち特にＧａ（ガリウム）と直接接触すると、Ｓｉがメルトバックエッチングしてしまい、Ｓｉ基板の表面に反応物が析出してくる。この反応物の析出は、単にその領域での窒化物系化合物半導体の結晶成長を阻害するだけでなく、反応していない領域へもパーティクルをまき散らして、窒化物系化合物半導体の結晶欠陥を誘発する。これを防ぐ一つの方法として、Ｓｉ基板の直上にＡｌＮ膜を成長して、ＧａとＳｉ基板とが直接接触するのを防ぐというものがある。

図５は従来の基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を示す断面図である。図に示すように、Ｓｉからなる基板１上にＡｌＮからなる中間層２が形成され、中間層２上にＡｌＧａＩｎＮ結晶からなる半導体層３が形成されている。

この半導体結晶においては、基板１と半導体層３との間に中間層２が形成されているから、半導体層３に発生する歪みを緩和することができ、また基板１の表面に反応物が析出するのをある程度防止することができる。
特許第３３５２７１２号公報

しかしながら、上述した半導体結晶においては、基板１の外周部の半導体層３における成長層には歪みによる応力集中がかかるから、数ｍｍ程度のクラックが発生して、基板１に半導体層３のＧａが侵入することがあり、加えて基板１の側面にはそもそも中間層２をエピタキシャル成長させるのが難しいので、基板１の外周部でのＧａの反応を確実に抑えるのは難しかった。このため、基板１の表面に反応物が析出し、反応物が析出した領域での窒化物系化合物半導体の結晶成長が阻害されるとともに、反応物のパーティクルが反応していない領域にまき散らされ、半導体層３の結晶欠陥を誘発するから、半導体層３の結晶欠陥が多くなる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、結晶欠陥の少ない半導体層を形成することができる半導体結晶成長用基板、半導体結晶を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板において、Ｓｉからなる半導体結晶成長用基板本体の少なくとも側面に保護膜を形成する。

この場合、上記半導体結晶成長用基板本体の上記保護膜に覆われている部位が上記半導体層の構成元素と反応しないようにしてもよい。

これらの場合、上記半導体層の構成元素を、III族元素としてもよい。

この場合、上記III族元素を、Ｇａとしてもよい。

これらの場合、上記半導体結晶成長用基板本体の側面および表面の最外周から５ｍｍ以内の部分に上記保護膜を形成してもよい。

これらの場合、上記保護膜を、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タングステン、酸化シリコン、酸化アルミニウムのいずれかから構成された膜としてもよい。

また、半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶において、上記の半導体結晶成長用基板に、少なくともＧａおよびＮを含んだ上記窒化物系化合物半導体結晶からなる上記半導体層を形成する。

この場合、上記半導体層の層厚を０．５μｍ以上としてもよい。

本発明に係る半導体結晶成長用基板および半導体結晶においては、半導体結晶成長用基板本体に形成された保護膜によって、半導体層の窒化物系化合物半導体の構成元素と半導体結晶成長用基板とが化学反応するのを防止することができるから、半導体結晶成長用基板の外周部での意図しない反応物の生成を確実に抑えることができるので、結晶欠陥の少ない半導体層を形成することができる。

図１は本発明に係る半導体結晶成長用基板を示す斜視図、図２は本発明に係る半導体結晶成長用基板の一部を示す断面図である。図に示すように、面方位が（１１１）であるＳｉからなる半導体結晶成長用基板本体１１の外周部に膜厚が１００ｎｍの窒化シリコンからなる保護膜１４が形成されている。すなわち、半導体結晶成長用基板本体１１の側面１２および半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の最外周から２ｍｍまでの部分に保護膜１４が形成されている。そして、半導体結晶成長用基板本体１１の保護膜１４に覆われている部位は半導体層２２（説明後述）の構成元素と反応しない。

図３は本発明に係る半導体結晶の一部を示す断面図である。図に示すように、図１、図２に示した半導体結晶成長用基板、すなわち半導体結晶成長用基板本体１１の外周部に保護膜１４が形成された半導体結晶成長用基板上にＡｌＮからなるバッファ層２１が形成されている。すなわち、半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の保護膜１４が形成されていない領域上にバッファ層２１が形成されている。また、バッファ層２１上に膜厚が３μｍのＧａＮ結晶からなる半導体層２２が形成されている。

続いて、図３に示した半導体結晶の製造方法を図４により説明する。まず、図４（ａ）に示すように、半導体結晶成長用基板本体１１の側面１２を露出させた状態で、半導体結晶成長用基板本体１１の側面１２および表面１３に熱ＣＶＤを用いて保護膜１４を１００ｎｍ成膜する。つぎに、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィとフッ酸系エッチャントを用いて、半導体結晶成長用基板本体１１の最外周から２ｍｍより内側の保護膜１４を剥離する。つぎに、レジストを剥離して有機洗浄を行ったのち、保護膜１４を剥離しない程度にフッ酸溶液で再度洗浄し、清浄表面を得る。つぎに、ＭＯＣＶＤ装置に洗浄済の半導体結晶成長用基板を装填し、水素雰囲気下で昇温してサーマルクリーニングを行う。つぎに、図４（ｃ）に示すように、このサーマルクリーニングを行ったのち、半導体結晶成長用基板本体１１上にバッファ層２１を結晶成長する。つぎに、図４（ｄ）に示すように、バッファ層２１上に半導体層２２を成長する。

上述した半導体結晶成長用基板、半導体結晶においては、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部に形成された保護膜１４によって半導体層２２の構成元素と半導体結晶成長用基板本体１１とが化学反応するのを防止することができるから、半導体結晶成長用基板本体１１上に半導体層２２を形成する際に、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部での意図しない反応物の生成を確実に抑えることができる。すなわち、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部にＧａによる異常反応を生じさせることなく半導体層２２を成膜することができる。このため、半導体層２２の結晶成長が阻害されることがなく、また反応物のパーティクルが反応していない領域にまき散らされることがないから、反応物のパーティクルにより半導体層２２の結晶欠陥が誘発されることがないので、結晶欠陥の少ない半導体層２２を形成することができるため、半導体結晶の歩留りを向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層がＧａＮ結晶からなる半導体層２２である場合について説明したが、半導体層の窒化物系化合物半導体結晶がＡｌＧａＮ結晶、ＩｎＧａＮ結晶、ＩｎＮ結晶等である場合にも、本発明を適用することができる。この場合、特にＧａおよびＮを含むＡｌＧａＮ結晶、ＩｎＧａＮ結晶で本発明の効果をより享受することができる。

また、上述した実施の形態においては、窒化シリコンからなる保護膜１４を形成したが、保護膜の材料は、半導体層の一般的な成長温度である１０００℃以上の温度領域においても安定であり、また、半導体層２２の構成元素もしくは成長原料と反応しない、もしくは反応しにくい材料であることが要求され、また形成プロセスが容易な物質であることが望ましい。そのような観点からは、保護膜の材料は、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タングステン、酸化シリコン、酸化アルミニウム等が好適である。

また、上述した実施の形態においては、半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の最外周から２ｍｍまでの部分に保護膜１４を形成したが、保護膜の材料によっては、保護膜上で窒化物系化合物半導体の多結晶等が形成される可能性があるから、その影響を最小限にとどめるために、半導体結晶成長用基板本体の最外周から５ｍｍ以内の部分に保護膜を形成することが望ましい。

また、上述実施の形態においては、半導体層２２の膜厚を３μｍとしたが、半導体層の膜厚が０．５μｍ以上の場合に本発明の効果をより享受することができる。

また、上述実施の形態においては、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部にＣＶＤを用いて保護膜１４を成膜したが、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部にスパッタ、ＳＯＧ（Spin-on Glass）等を利用してリング状の保護膜を成膜してもよい。このとき、必ず半導体結晶成長用基板本体の側面を覆うことが重要である。

また、ＣＶＤやスパッタのように、非選択的に成膜するプロセスを使用して保護膜を成膜する場合は、上述のように、半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の全面に保護膜１４を成膜してから、半導体層２２を成長する領域の保護膜１４を選択エッチングにて除去してもよいし、逆に、あらかじめフォトリソグラフィを用いて半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の半導体層２２を成長させる領域を保護してから、保護膜１４を成膜してもよい。さらに、ＳＯＧ等の流動性のある物質を使用する場合は、通常通りスピンコータを利用して半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の全面に保護膜１４を成膜してもよいが、半導体結晶成長用基板本体１１の裏面から半導体結晶成長用基板本体１１のハンドリングを行い、半導体結晶成長用基板本体１１の側面部をコート剤に浸しながら回転させることで、半導体結晶成長用基板本体１１の外周部のみ保護膜１４をコートしてもよい。

また、バッファ層２１、半導体層２２の成長には、Ｖ族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法が好適であるが、本発明の趣旨に反しない限りは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、ハロゲン化気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法等の結晶成長法を用いてもよい。

また、半導体結晶成長用基板本体１１上に半導体層２２を形成したとき、保護膜１４を形成していない半導体結晶成長用基板本体１１上に半導体層２２の結晶が形成されるとともに、半導体結晶成長用基板本体１１の周辺の保護膜１４上に半導体層２２の多結晶等が形成される場合がある。ただし、デバイス（素子）作製時の対象となるのは、半導体結晶成長用基板本体１１の表面１３の保護膜１４が形成されていない領域上に形成された半導体層２２の結晶であるため、保護膜１４上の多結晶は形成されたままにしておいてもデバイス作製プロセスに影響を与えない。

本発明に係る半導体結晶成長用基板を示す斜視図である。 本発明に係る半導体結晶成長用基板の一部を示す断面図である。 本発明に係る半導体結晶の一部を示す断面図である。 図３に示した半導体結晶の製造方法の説明図である。 従来の半導体結晶の一部を示す断面図である。

符号の説明

１１…半導体結晶成長用基板本体
１２…側面
１３…表面
１４…保護膜
２１…バッファ層
２２…半導体層

Claims (8)

1. 窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を成長するための半導体結晶成長用基板において、Ｓｉからなる半導体結晶成長用基板本体の少なくとも側面に保護膜を形成したことを特徴とする半導体結晶成長用基板。
2. 上記半導体結晶成長用基板本体の上記保護膜に覆われている部位が上記半導体層の構成元素と反応しないことを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶成長用基板。
3. 上記半導体層の構成元素が、III族元素であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶成長用基板。
4. 上記III族元素が、Ｇａであることを特徴とする請求項３に記載の半導体結晶成長用基板。
5. 上記半導体結晶成長用基板本体の側面および表面の最外周から５ｍｍ以内の部分に上記保護膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体結晶成長用基板。
6. 上記保護膜が、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タングステン、酸化シリコン、酸化アルミニウムのいずれかから構成された膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体結晶成長用基板。
7. 半導体結晶成長用基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶において、請求項１乃至６のいずれかに記載の上記半導体結晶成長用基板に、少なくともＧａおよびＮを含んだ窒化物系化合物半導体結晶からなる上記半導体層を形成したことを特徴とする半導体結晶。
8. 上記半導体層の層厚が０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の半導体結晶。

Images