JP2012023314A

JP2012023314A - Ｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板

Info

Publication number: JP2012023314A
Application number: JP2010162151A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ikuta; 哲也生田; Daisuke Hino; 大輔日野; Tomohiko Shibata; 智彦柴田
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: JP5543866B2

Abstract

【課題】従来よりも反りの値を低減させたIII族窒化物エピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【解決手段】Ｓｉ基板と、上記Ｓｉ基板上に形成された超格子積層体と、上記超格子積層体上にエピタキシャル成長されたIII族窒化物積層体とを具え、上記超格子積層体が、上記Ｓｉ基板側からAlN材料を含む第１層、Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層、およびAl_yGa_１−yN(0≦y＜1)材料を含む第３層（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成ｙは、y＜xの関係を有する）を順に有する積層体を複数組そなえることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、III族窒化物エピタキシャル基板、特に、ＨＥＭＴ用のIII族窒化物エピタキシャル基板に関する。

近年、ＩＣ用デバイス等の高速化に伴い、高速の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ: Field effect transistor）として、高電子移動度トランジスタ(ＨＥＭＴ: High electron mobility transistor)が広く用いられるようになっている。このような電界効果型のトランジスタは、例えば図１に模式的に示されるように、絶縁性基板２１上にチャネル層２２および電子供給層２３を積層し、この電子供給層２３の表面にソース電極２４、ドレイン電極２５およびゲート電極２６を配設することにより形成されるのが一般的である。デバイスの動作時には、ソース電極２４、電子供給層２３、チャネル層２２、電子供給層２３およびドレイン電極２５の順に電子が移動して横方向を主電流導通方向とし、この横方向の電子の移動は、ゲート電極２６に印加される電圧により制御される。ＨＥＭＴにおいて、バンドギャップの異なる電子供給層２３およびチャネル層２２の接合界面に生じる電子は、通常の半導体内と比較して高速で移動することができる。

このようなＨＥＭＴ等の電子デバイスの活性材料としては、III族元素と窒素との化合物から成るIII族窒化物半導体が注目されている。また、絶縁性基板としては、低価格で放熱性に優れるという理由から、Ｓｉ基板が好ましい。

ところが、III族窒化物半導体とＳｉ基板とでは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、Ｓｉ基板上に直接III族窒化物半導体を成長させた場合、成長したIII族窒化物半導体には、歪を緩和するためのクラックや反りが発生し、反りはデバイスプロセスの段階で吸着不良や露光不良が生じる原因となっていた。

そこで、従来は、Ｓｉ基板とIII族窒化物半導体との間にバッファ層を配置し、上述したクラックや反りを低減させるのが通常であった。このようなバッファ層の例としては、一般に、AlN層およびGaN層を交互に複数積層した超格子状の多層膜が提案されている。

また、特許文献１には、上述した多層膜を介して形成される窒化物半導体の表面の平坦性およびクラック発生の防止を両立する最適な条件について検討した結果、基板と窒化物半導体層との間に、例えばAlNからなる第１のバッファ層と、AlGaNからなる第２のバッファ層とを交互に各々複数層を積層して形成されたAlN系超格子バッファ層を配置することにより、従来よりもクラックの発生を抑制した技術が開示されている。

しかしながら、上記の技術をもってしても、近年における反りやクラックの一層の低減という要求対して十分に応えることができず、さらなる技術の向上が求められていた。

特開２００７−６７０７７号公報

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、クラックの発生を無くすのは勿論のこと、従来よりも反りを軽減させたIII族窒化物エピタキシャル基板を提供することを目的とする。

本発明者らは、従来よりも反りを軽減させたIII族窒化物エピタキシャル基板を得るために鋭意検討を行ったところ、上述した従来のAlNからなる第１のバッファ層とAlGaNからなる第２のバッファ層に加え、さらに別のバッファ層を介在させることを試みた。この別のバッファ層の配設位置としては、第１のバッファ層と第２のバッファ層との間、もしくは、第２のバッファ層上が考えられるので、この点についてさらに検討を行った。その結果、第２のバッファ層上に所定の組成を有する第３のバッファ層を配設し、これら第１、第２および第３バッファ層を繰返し積層させたところ、反りを効果的に低減できることの知見を得た。

ここで、本発明で言う「反りの値」とは、図２に示される「ＳＯＲＩ」によって定義される。ＳＯＲＩとは、非吸着状態の板の主表面上で、ベストフィット基準面上部の最も高い段差を持つ場所の値(最大値Ａ)の絶対値と、ベストフィット基準面下部の最も低い段差を持つ場所の値(最小値Ｂ)の絶対値と和(|Ａ|＋|Ｂ|)をいう。また、本願では、ウェハ中心位置がベストフィット面よりも低い位置にある場合を下凹と定義する。

本発明は、上記の知見に立脚するもので、その要旨構成は以下の通りである。
（１）Ｓｉ基板と、上記Ｓｉ基板上に形成された超格子積層体と、上記超格子積層体上にエピタキシャル成長されたIII族窒化物積層体とをそなえ、上記超格子積層体が、上記Ｓｉ基板側からAlN材料を含む第１層、Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層、およびAl_yGa_1-yN(0≦y＜1)材料を含む第３層（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成yは、y＜xの関係を有する）を順次有する積層体を複数組そなえることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。

（２）前記第３層の厚みが、前記第２層の厚みよりも薄い上記（１）に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（３）前記第３層の厚みが、0.25〜20ｎｍの範囲である上記（１）または（２）に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（４）前記超格子積層体の不純物濃度が、1×10¹⁸/cm³以上である上記（１）、（２）または（３）に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

（５）前記積層体の組数が50〜300の範囲である上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。

本発明に従い、Ｓｉ基板とIII族窒化物積層体との間に、Ｓｉ基板側からAlN材料を含む第１層、Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層、およびAl_yGa_1-yN(0≦y＜1)材料を含む第３層（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成yは、y＜xの関係を有する）を順に有する積層体を複数組そなえる超格子積層体を配置することにより、従来よりも反りを軽減させたIII族窒化物エピタキシャル基板を提供することができる。

一般的な電界効果トランジスタを示す模式的断面図である。「SORI」を説明するための模式図である。本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板の模式的断面図である。

以下に、本発明のIII族窒化物エピタキシャル基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。図３は、本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板の断面構造を模式的に示したものである。

図３に示すように、本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル基板１は、Ｓｉ基板２と、Ｓｉ基板２上に形成された超格子積層体３と、超格子積層体３上にエピタキシャル成長されたIII族窒化物積層体４とをそなえ、超格子積層体３が、Ｓｉ基板２側からAlN材料を含む第１層３ａ、Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層３ｂ、およびAl_yGa_1-yN(0≦y＜1)材料を含む第３層３ｃ（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成yは、y＜xの関係を有する）を順に有する積層体３Ｓを複数組そなえる。本発明は、かかる構成とすることにより、従来よりも反りの値を大幅に低減させることができるという顕著な効果を奏するものである。なお、不等号で示される第２層のAl組成xと、第１層および第３層とのAl組成差は、0.01以上とする。
また、AlN、AlGaN、GaNは、本発明の効果を妨げることのない程度にBやInを所定の比率で含むものとしてもよい。

ここに、第１層３ａの厚みは、クラックの発生を抑制するために、0.25〜10ｎｍとすることが好ましく、第２層３ｂの厚みは、同様の理由により、10〜50nｍとすることが好ましい。また、第１層３ａは、Al組成が１のAlN層であるのが最も好ましいが、本発明において、Al組成が0.9以上のものは実質的にAlN層であるものとみなす。また、第２層３ｂのAl組成は、横方向及び縦方向の耐圧を向上するため、Alを0.05より多く含むことがのぞましく、超格子のひずみ緩衝効果を引き出しクラックを抑制するには0.5以下が好ましい。さらに、転位の低減効果を引き出すためには、AlN層との組成差が大きいほうが望ましく、0.2以下がより好ましい。

さて、第３層３ｃは、本発明において特に重要な層である。第３層３ｃを配置することによって、反りの軽減が達成されるのである。ここに、第３層３ｃのAl組成は0.05以下が好ましく、例えばGaNが好ましい。第１層、第２層とのAl組成の関係により反りの低減効果をもたらすと共に、横方向成長を促進し、ピットの発生を抑制するからである。第３層３ｃの厚みは、0.25〜20ｎｍであるのが好ましい。原子層が一層以上あれば効果が確認できるため、一層分の厚みにほぼ対応する0.25ｎｍ未満だと、反りの軽減効果に乏しい。一方、上限は格子緩和をせずに成長できる臨界膜厚以下であれば特に限定されるものではないが、20ｎｍを超えると二次元電子ガスが発生し、電流リークの源となるおそれがあるためである。

このように、第３層３ｃを配設することにより、超格子層内に、圧縮応力を印加することができるので、従来よりも引張応力を抑制でき、反りの値を低減させることができるのである。
加えて、本発明では、図には示されないが、第３層上に、第４層として、第２層とAl組成の近いAl_zGa_1-zN(y＜z＜1)材料を含む層をさらに有する積層体を複数組そなえる超格子積層体とすることもできる。

また、積層体３Ｓの組数は、５０〜３００の範囲とするのが好ましい。組数を増やせば増やすほど縦方向のリーク電流の抑制及び耐圧向上を図ることができる。しかしながら、組数があまりに多くなると、クラックが発生するという問題が生じるため、組数は３００組以下であるのが好ましい。なお、本発明の効果を妨げない程度であれば、第１層３ａ、第２層３ｂおよび第３層３ｃ以外の層を挿入したり、界面の組成を傾斜させたりしてもよい。

さらに、超格子積層体３の不純物濃度は、1×10¹⁸/cm³以上とするのが好ましい。というのは、濃度が1×10¹⁸/cm³に満たないと、バンド不連続に起因したキャリアが発生し、バッファの耐圧が劣化するおそれがあるためである。
不純物元素としてはＣやＦｅ等を用いるのが好ましい。濃度の上限は特に指定されるものではないが、III族窒化物積層体４でのピットの発生を抑制する観点から、1×10²⁰/cm³以下とすることが好ましい。

なお、Ｓｉ基板２の厚みやサイズは、用途に応じて適宜選択することができる。また、Ｓｉ基板２の面は特に特定されるものでなく、(111),(100),(110)面など、各面の適用が可能であるが、(111)面を用いるのが好ましい。(111)面を用いた場合、III族窒化物の(0001)面が容易に成長でき、表面平坦性が向上できるからである。
また、Ｓｉ基板２の裏面に他の材料の基板を貼り合わせたり、酸化膜、窒化膜等の保護膜を付けたりすることも可能である。

さらに、Ｓｉ基板２と超格子積層体３との間には、原料起因のGaとSi基板の反応を防ぐため、AlN材料からなる初期成長層５を設けるのが好ましい。

さらに、III族窒化物積層体４は、例えばGaN材料を含むチャネル層４ａおよびAlGaN系材料を含む電子供給層４ｂを有することができるが、用途に応じて適宜変更可能である。

なお、図３は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

（実施例１）
Ｓｉ基板(直径：150mm(６インチ)、厚さ：625μm、結晶面(111))を、水素および窒素混合雰囲気中で1050℃に加熱した後、MOCVD法を用いて、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、NH₃の供給量を調整することにより、初期成長層(AlN材料、厚さ：100nm)を形成した。その後、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、NH₃の供給量を調整することにより、上記初期成長層上に、超格子積層体として、第１層(AlN材料、厚さ：4nm)と第２層(Al_0.1Ga_0.9N材料、厚さ：22nm)と第３層(GaN材料、厚さ：10nm)とを順に成長させ、この積層体を55組形成した。SIMSにて測定した結果、この超格子積層体の平均不純物(Ｃ)濃度は1×10¹⁹/cm³であった。さらにその上に、横方向電流導電層として機能する、チャネル層(GaN材料、厚さ：1.2μm)と電子供給層(Al_0.25Ga_0.75N材料、厚さ：30nm)を積層し、III族窒化物エピタキシャル基板を得た。

（比較例１）
超格子積層体として、第１層(AlN材料、厚さ：4nm)と第２層(Al_0.1Ga_0.9N材料、厚さ：22nm)とを順に成長させ、この積層体を55組形成したこと以外は、実施例１と同様にしてIII族窒化物エピタキシャル基板を得た。

（比較例２）
超格子積層体として、第１層(AlN材料、厚さ：4nm)と第２層(GaN材料、厚さ：22nm)とを順に成長させ、この積層体を55組形成したこと以外は、実施例１と同様にしてIII族窒化物エピタキシャル基板を得た。

（比較例３）
超格子積層体として、第１層(AlN材料、厚さ：4nm)と第２層(GaN材料、厚さ：10nm)と第３層(Al_0.1Ga_0.9N材料、厚さ：22nm)とを順に成長させ、この積層体を55組形成したこと以外は、実施例１と同様にしてIII族窒化物エピタキシャル基板を得た。

（評価）
実施例１および比較例１〜３の各III族窒化物エピタキシャル基板に対し、形状測定装置（FT-900：NIDEC製）を用いて、反りの値を測定した。結果を表１に示す。なお、測定は、III族窒化物層を積層した側を上にして行った。また、超格子積層体の各層厚さはTEMを用いて確認した。

表１に示されるように、本発明に従う実施例１のIII族窒化物エピタキシャル基板は、比較例１〜３のIII族窒化物エピタキシャル基板と比較して、反りを大幅に低減することができた。
特に、第３層を設けなかった比較例１および２の反りの値がそれぞれ40μｍ、80μｍであり、第３層を第１層と第２層との間に設けた比較例３の反りの値が40μｍであるのに対し、第３層を適正に配置した実施例１のそりの値は15μｍであり、反りを比較例１や３の半分以下(20μm以下)に大幅に低減できていることがわかる。
また、金属顕微鏡(倍率100倍)で観察すると、比較例２にはクラックの発生が見られたが、実施例１、比較例１および３にはクラックの発生は見られなかった。本実施例１はクラックの抑制と反りの低減の効果を共に得ることができる。

本発明によれば、Ｓｉ基板とIII族窒化物積層体との間に、Ｓｉ基板側からAlN材料を含む第１層、Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層、およびAl_yGa_1-yN(0≦y＜1)材料を含む第３層（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成ｙは、y＜xの関係を有する）を順に有する積層体を複数組そなえる超格子積層体を配置することにより、従来よりも反りの値を低減させたIII族窒化物エピタキシャル基板を提供することができる。

１ III族窒化物エピタキシャル基板
２Ｓｉ基板
３超格子積層体
３ａ第１層
３ｂ第２層
３ｃ第３層
３Ｓ積層体
４ III族窒化物積層体
４ａチャネル層
４ｂ電子供給層
５初期成長層

Claims

Ｓｉ基板と、上記Ｓｉ基板上に形成された超格子積層体と、上記超格子積層体上にエピタキシャル成長されたIII族窒化物積層体とをそなえ、上記超格子積層体が、上記Ｓｉ基板側から
AlN材料を含む第１層、
Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)材料を含む第２層、および
Al_yGa_1-yN(0≦y＜1)材料を含む第３層（但し、第２層のAl組成xおよび第３層のAl組成ｙは、y＜xの関係を有する）
を順次有する積層体を複数組そなえることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。
前記第３層の厚みが、前記第２層の厚みよりも薄い請求項１に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
前記第３層の厚みが、0.25〜20ｎｍの範囲である請求項１または２に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
前記超格子積層体の不純物濃度が、1×10¹⁸/cm³以上である請求項１、２または３に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
前記積層体の組数が50〜300の範囲である請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。