JP4943132B2 - AlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法 - Google Patents
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III族窒化物半導体材料を用いた半導体素子は、その機能層である半導体素子層をエピタキシャル基板の上にエピタキシャル形成させることによって得られるが、結晶品質を向上させるためには、下地基板であるエピタキシャル基板を高品質化させることが有効である。以下に説明する、本発明の実施の形態に係る転位低減方法は、係るエピタキシャル基板の高品質化を実現するための方法である。具体的には、エピタキシャル基板の転位密度を低減することにより、半導体素子層にまで貫通して残存する転位密度を低減できるという効果を有している。
成を全て均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。また、上部層2の表面に、AlN系III族窒化物以外の材料、例えば、AlN系III族窒化物以外のIII族窒化物、窒化珪素、酸化アルミなどからなる薄膜層が、意図的であるないにも関わらず存在していてもよい。このような薄膜層には、上部層2の上にIII族窒化物結晶などを再成長させる際にバッファ層としての効果が期待できる。ただし、この場合、薄膜層は、本発明の効果を妨げない程度に薄いことが望ましい。
る。なお、界面部においては、1×1019/cm3以上のO原子が存在していることが望ましい。なお、図2ないし図5に例示した場合においては、上部層2の内部でO原子の総量の増加も起こっているので、O原子を上部層2の外部から供給することで、均一化あるいは濃度勾配緩和をより促進しているともいえる。
する際の基板自体の温度は1250℃以下であることを鑑みると、それ以上の温度で加熱を行うことが望ましい。ここで、1250℃以下としているのは、原子ステップが明瞭に観察出来る程度に平坦な上部層2を得ることが、加熱機構の構成上、大きな負荷無く実現できるからである。ただし、MOCVD法による形成温度は1250℃以下に限定されるものではなく、それ以上の温度で形成するものであってもよい。Alを主成分とするIII族窒化物、特にAlNの場合、MOCVD法による形成温度を1250℃以上に高くする
ことが想定される。もちろん、1250℃以上の基板温度で成膜した場合においても、均一化処理として上記形成温度以上の温度で加熱処理を行うことにより、転位低減の効果は得られる。
第1の実施の形態において述べたように、エピタキシャル基板10の上部層2を構成するIII族窒化物結晶の内部において酸素原子の移動を生じさせることで、転位の合体消失が引き起こされるものと解される。しかしながら、第1の実施の形態に係る加熱処理においては、上部層2の表面近傍では内部ほどには酸素原子濃度の増加が得られていない。これは、転位の合体消失が、該表面近傍においては内部ほど十分に生じていないことを意味するものと解される。本実施の形態においては、係る表面近傍においても酸素原子の濃度を増加させ、上部層2における酸素原子濃度の均一性をより高めることができる態様について説明する。
10に含まれる元素と酸素元素からなるアルミナやサファイアなどが好適である。あるいは、MgO、BeO、CaO、SiO2などを用いる態様であってもよい。また、さや207には開口208および209が設けられており、供給管105を通じて供給される窒素ガスがさや207にも出入りするようになっている。熱処理炉200においても、炉体101の内部は、図示しない加熱手段によって加熱されるようになっている。本実施例では、さや207をエピタキシャル基板10の周囲に離して配置しているが、エピタキシャル基板に接するように配置することもできるし、治具の素材を酸化物とすることができる。
りO原子の濃度勾配が緩和されており、濃度均一性が高くなっていることが確認される。加熱処理における第1の実施の形態との実質的な相違は、さや207の存在に起因して雰囲気中に酸素原子含有ガスが含まれていることであるので、基板表面側での酸素原子の濃度増加は、この雰囲気ガス中の酸素原子が上部層2の表面から内部へと拡散したことによるものと解される。
第2の実施の形態においては、さや207を加熱することで、熱処理炉200内に酸素元素ガス含有雰囲気を形成していたが、酸素元素含有ガス雰囲気を形成する態様は、これに限られるものではない。例えば、第1の実施の形態に係る熱処理炉100のような処理装置の内部にエピタキシャル基板を保持した状態で、窒素ガスなどの窒素元素含有ガスに酸素元素含有ガスを添加した混合ガスを供給する態様であってもよい。係る場合の酸素元素含有ガスとしては、水分(水蒸気ガス)、COxガス、NOxガス、あるいはO2ガスなどを用いることができる。例えば、窒素元素含有ガスに対してそれらの添加成分を混合し
た混合ガスを熱処理炉内に供給する態様が好適である。ただし、熱処理炉にカーボン部材が用いられている場合には、O2ガス添加は該部材の劣化を引き起こす可能性が相当に高いので留意が必要である。安全性の面からは、水分添加が最も好適である。ただし、水分ガス添加の場合でも、カーボン部材との反応の可能性があるので、必要に応じて、バリアガス(図示せず)を供給する、あるいは、基板にガスを吹き付ける等の態様によってガス流を最適化することがより望ましい。
る窒化を行うことで、サファイア基板を基材とし、AlNエピタキシャル膜を上部層2とするエピタキシャル基板10を得ることができる。そして、該エピタキシャル基板10に対し、上述の実施の形態と同様の加熱処理を行うことで、AlNエピタキシャル膜の転位を低減することができる。
2 上部層
10 エピタキシャル基板
100、200 熱処理炉
102 窒素ガス供給源
105 供給管
106 排気口
207 さや
208、209 (さやの)開口
Claims (10)
- 所定の酸化物単結晶基板上にAlN系III族窒化物にて形成されてなるエピタキシャル膜の転位を低減する方法であって、
加熱によって前記酸化物単結晶基板から前記エピタキシャル膜中に向けて酸素原子を拡散させる拡散処理工程、
を備えることを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項1に記載の転位低減方法であって、
前記拡散処理工程においては、前記エピタキシャル膜の酸化物単結晶基板との界面からの距離が0.5μm以下の領域における酸素原子濃度が1×10 20 /cm 3 以上となるように加熱を行う、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項1または請求項2に記載の転位低減方法であって、
前記拡散処理工程においては、前記酸化物単結晶基板からの前記酸素原子の拡散に加えて、さらに、前記エピタキシャル膜の外部に酸素元素含有ガスが添加された窒素元素含有ガス雰囲気を形成し、前記酸素元素含有ガス中の酸素原子をも前記エピタキシャル膜中に拡散させる、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 所定の基板上にAlN系III族窒化物にて形成されてなるエピタキシャル膜の転位を低減する方法であって、
加熱によって前記酸化物単結晶基板から酸素原子を供給することにより、前記エピタキシャル膜における前記酸素不純物の総量を増加させつつ前記エピタキシャル膜中における酸素不純物の分布の均一性を高める均一化処理工程、
を備えることを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項4に記載の転位低減方法であって、
前記均一化処理工程においては、前記エピタキシャル膜の酸化物単結晶基板との界面からの距離が0.5μm以下の領域における酸素原子濃度が1×10 20 /cm 3 以上となるように加熱を行う、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項4または請求項5に記載の転位低減方法であって、
前記均一化処理工程においては、前記酸化物単結晶基板からの前記酸素原子の供給に加えて、さらに、前記エピタキシャル膜の外部に酸素元素含有ガスが添加された窒素元素含有ガス雰囲気を形成することによって前記酸素元素含有ガスからも前記酸素原子を供給する、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 所定の基板上にAlN系III族窒化物にて形成されてなるエピタキシャル膜の転位を低減する方法であって、
前記エピタキシャル膜中に存在する、前記酸化物単結晶基板との界面側から表面側へ向かうほど酸素不純物の濃度が小さくなる濃度勾配を、加熱によって前記酸化物単結晶基板から酸素原子を供給することにより前記エピタキシャル膜における前記酸素不純物の総量を増加させつつ緩和する、濃度勾配緩和処理工程、
を備えることを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項7に記載の転位低減方法であって、
前記濃度勾配緩和処理工程においては、前記エピタキシャル膜の酸化物単結晶基板との界面からの距離が0.5μm以下の領域における酸素原子濃度が1×1020/cm3以上となるように加熱を行う、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項7または請求項8に記載の転位低減方法であって、
前記濃度勾配緩和処理工程においては、前記酸化物単結晶基板からの前記酸素原子の供給に加えて、さらに、前記エピタキシャル膜の外部に酸素元素含有ガスが添加された窒素元素含有ガス雰囲気を形成することによって前記酸素元素含有ガスからも前記酸素原子を供給する、
ことを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。 - 請求項3、請求項6、または請求項9のいずれかに記載の転位低減方法であって、
前記エピタキシャル膜の表面側からの距離が0.5μm以下の領域における酸素原子濃度が1×10 20 /cm 3 以上となるように加熱を行う、
を備えることを特徴とするAlN系III族窒化物エピタキシャル膜の転位低減方法。
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