JP5545781B2 - エピタキシャル基板およびエピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板10の構成を概略的に示す模式断面図である。
次に、MOCVD法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板10を製造する方法について概説する。
本実施の形態もそうであるように、一般に、単結晶シリコンウェハーの上にIII族窒化物からなる結晶層を所定の形成温度でエピタキシャル成長させてエピタキシャル基板を得ようとする場合、III族窒化物の方がシリコンよりも熱膨張係数が大きい(例えば、シリコン:3.4×10-6/K、GaN:5.5×10-6/K)ことから、結晶成長後、常温にまで降温される過程において、結晶層には面内方向に引張応力が生じる。この引張応力は、エピタキシャル基板におけるクラック発生や、反りの要因となる。本実施の形態においては、係る引張応力を低減させ、クラック発生や反りを抑制する目的で、エピタキシャル基板10にバッファ層8が設けられている。より具体的には、バッファ層8を構成する各層がそれぞれに奏する作用効果によって、エピタキシャル基板10におけるクラックの発生と反りとが抑制されてなる。以下、詳細に説明する。
図2は、組成変調層3において第1単位層31の上に第2単位層32が形成されるときの結晶格子の様子を示すモデル図である。いま、第2単位層32を構成するIII族窒化物の無歪状態における面内方向の格子長をa0、実際の格子長をaとする。本実施の形態においては、図2(a)、(b)に示すように、第2単位層32は第1単位層31の結晶格子に対して整合を保ちつつ結晶成長していく。このことは、結晶成長時に、第2単位層32の面内方向にs=a0−aだけの圧縮歪が生じることを意味している。すなわち、第2単位層32の結晶成長は歪みエネルギーを保持した状態で進行する。
終端層4は、組成変調層3の最上部に、第1単位層31と同じ組成のIII族窒化物にて、つまりは、第2単位層32を形成するIII族窒化物よりも面内格子定数が小さいIII族窒化物にて、第1単位層31の厚み以上の厚みで形成されてなる。係る態様にて終端層4が存在することで、組成変調層3に導入された圧縮歪は、後述する態様にて中間層5を設ける場合においても好適に維持される。
図3は、第1中間層5の形成までを行ったエピタキシャル基板の反り量と、第1中間層5の厚みとの関係を示す図である。なお、図3は、エピタキシャル膜の総膜厚を横軸として表している。また、本実施の形態において、エピタキシャル基板の反り量は、レーザー変位計によって測定するものとする。
組成変調層3と第1中間層5とが上述した態様にて形成されることで、単位構造体6は全体として圧縮歪を内在することになる。それゆえ、複数の単位構造体6を積層すれば、クラック発生防止に十分な、大きな圧縮歪が得られることになるはずである。しかしながら、実際には、ある単位構造体6の直上に別の単位構造体6を形成したとしても、上側の単位構造体6においては十分な圧縮歪が得られない。これは、下側の単位構造体6の最上層である第1中間層5を構成するIII族窒化物の方が、上側の単位構造体6の最下層である第1単位層31を構成するIII族窒化物よりも無歪の状態における面内格子定数が大きく、かつ、第1単位層31がせいぜい3nm〜20nm程度の厚みに形成されるに過ぎないために、第1中間層5の上に直接、第1単位層31を形成すると、第1単位層31が引張歪を内在してしまい、組成変調層3に十分な圧縮歪が導入されなくなるためである。
本実施の形態においては、バッファ層8の構成パラメータ(各層の組成、厚み、組成変調層3のペア層の数、単位構造体6の繰り返し積層数など)を種々に違えることで、具体的構成の異なる様々なエピタキシャル基板10を得ることができる。
エピタキシャル基板10は、下地基板1と第1下地層2aの間に図示しない界面層を備える態様であってもよい。界面層は、数nm程度の厚みを有し、アモルファスのSiAluOvNwからなるのが好適な一例である。
本実施例では、D、E、n、およびKの値を種々に違えることで、バッファ層8の構成が異なる27種のエピタキシャル基板10(試料a−1〜a−27)を作製し、クラックの発生の有無の評価と、反り量の測定とを行った。なお、いずれの試料においても、A=C=5nm、B=15nmとした。図4は、それぞれのエピタキシャル基板10について、それぞれの層構成と、クラックの発生の有無と、反り量とを、一覧にして示す図である。
本実施例では、x、y、D、E、n、およびKの値を種々に違えることで、第2単位層32と第1中間層5とがAlを含む態様の32種のエピタキシャル基板10(試料b−1〜b−35)を実施例1と同様の手順で作製し、クラックの発生の有無の評価と、反り量の測定と、耐電圧の測定とを行った。なお、いずれの試料においても、A=C=5nm、B=15nmとした。
本実施例では、終端層4の厚みが第1単位層31の厚みよりも大きい16種のエピタキシャル基板10(試料c−1〜c−16)を実施例1と同様の手順で作製し、クラックの発生の有無の評価と、反り量の測定と、耐電圧の測定とを行った。なお、いずれの試料においても、A=5nm、B=15nmとした。
バッファ層8の最上部の単位構造体6において、組成変調層3のペア層の繰り返し積層数を10としたほかは、試料b−19と同様の構成を有するエピタキシャル基板10(試料d)を作製し、クラックの有無の評価と耐電圧の測定とを行った。その結果、試料dについてはクラックは確認されず、耐電圧は810Vであった。
バッファ層8の最上部の第2中間層7の厚みを30nmとしたほかは、試料b−19と同様の構成を有するエピタキシャル基板10(試料e)を作製し、クラックの有無の評価と耐電圧の測定とを行った。その結果、試料eについてはクラックは確認されず、耐電圧は790Vであった。
単位構造体6の繰り返し積層数を5とし、第2中間層7の厚みを4つの第2中間層について種々に違えた他は、試料b−19と同様の構成を有する4つのエピタキシャル基板(試料f−1〜f−4)を作製し、クラックの有無の評価と耐電圧の測定とを行った。
試料f−2:40、60、60、80、耐電圧800V;
試料f−3:40、60、60、60、耐電圧805V;
試料f−4:50、55、60、80、耐電圧800V;
また、いずれの試料においても、クラックは確認されなかった。
Claims (20)
- (111)方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し(0001)結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなるエピタキシャル基板であって、
第1の積層単位と第2の積層単位とを交互に積層してなり、かつ、最上部と最下部がいずれも前記第1の積層単位にて構成されてなるバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成された、III族窒化物からなる結晶層と、
を備え、
前記第1の積層単位が、
組成の相異なるIII族窒化物からなる第1単位層と第2単位層とを繰り返し交互に積層してなり、かつ、前記第1単位層を構成する第1のIII族窒化物よりも前記第2単位層を構成する第2のIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きい組成変調層と、
第3のIII族窒化物からなり、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態に形成されてなる第1中間層と、
を含み、
前記組成変調層においてはそれぞれの前記第2単位層が前記第1単位層に対してコヒーレントな状態に形成されてなり、
前記第2の積層単位が、前記第3のIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さい第4のIII族窒化物からなる第2中間層である、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項1に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第1単位層がAlNからなり、前記第2単位層がAl x Ga 1-x N(0≦x≦0.25)なる組成のIII族窒化物からなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項2に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第1中間層がAl y Ga 1-y N(0≦y≦0.25)なる組成のIII族窒化物にて100nm以上500nm以下の厚みに形成されてなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項3に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第2中間層がAlNにて15nm以上150nm以下の厚みに形成されてなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項2ないし請求項4のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第2単位層がAl x Ga 1-x N(0.1≦x≦0.25)なる組成のIII族窒化物からなり、かつ、前記第1中間層がAl y Ga 1-y N(0.1≦y≦0.25)なる組成のIII族窒化物からなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項5に記載のエピタキシャル基板であって、
前記下地基板の上に形成された全ての層の総膜厚が4.0μm以下であり、全ての前記第2単位層と前記第1中間層との膜厚の総和が1700nm以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項5または請求項6に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第2単位層の組成と前記第1中間層の組成が実質的に同じであることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記組成変調層の最上部に前記第1単位層と同じ組成を有する終端層が設けられてなることを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項8に記載のエピタキシャル基板であって、
前記終端層の厚みが前記第1単位層の厚みよりも大きいことを特徴とするエピタキシャル基板。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記下地基板の上に形成された、AlNからなる第1の下地層と、
前記第1の下地層の上に形成され、Al p Ga 1-p N(0≦p<1)からなる第2の下地層と、
をさらに備え、
前記第1の下地層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、
前記第1の下地層と前記第2の下地層との界面が3次元的凹凸面であり、
前記第2の下地層の直上に前記バッファ層が形成されてなる、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。 - (111)方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し(0001)結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
第1の積層単位と第2の積層単位とを最上部と最下部がいずれも前記第1の積層単位となるように交互に積層することによってバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層よりも上方にIII族窒化物からなる結晶層を形成する結晶層形成工程と、
を備え、
前記バッファ層形成工程が、前記第1の積層単位を形成する工程として、
組成の相異なるIII族窒化物からなる第1単位層と第2単位層とを繰り返し交互に積層することにより組成変調層を形成する組成変調層形成工程と、
前記組成変調層の上に第1中間層を形成する第1中間層形成工程と、
を含むとともに、前記第2の積層単位を形成する工程として、
前記第1中間層の上に第2中間層を形成する第2中間層形成工程、
を含み、
前記組成変調層形成工程においては、
前記第1単位層を構成する第1のIII族窒化物よりも前記第2単位層を構成する第2のIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きくなるように、かつ、
それぞれの前記第2単位層を前記第1単位層に対してコヒーレントな状態になるように形成し、
前記第1中間層形成工程においては、前記第1中間層を、第3のIII族窒化物にて、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態になるように形成し、
前記第2中間層形成工程においては、前記第3のIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さい第4のIII族窒化物にて前記第2中間層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項11に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第1単位層をAlNにて形成し、前記第2単位層をAl x Ga 1-x N(0≦x≦0.25)なる組成のIII族窒化物にて形成することを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項12に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第1中間層をAl y Ga 1-y N(0≦y≦0.25)なる組成のIII族窒化物にて100nm以上500nm以下の厚みに形成することを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項13に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第2中間層をAlNにて15nm以上150nm以下の厚みに形成することを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項12ないし請求項14のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第2単位層をAl x Ga 1-x N(0.1≦x≦0.25)なる組成のIII族窒化物にて形成し、かつ、前記第1中間層をAl y Ga 1-y N(0.1≦y≦0.25)なる組成のIII族窒化物にて形成することを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項15に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地基板の上に形成される全ての層の総膜厚を4.0μm以下とし、全ての前記第2単位層と前記第1中間層との膜厚の総和が1700nm以上とすることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項15または請求項16に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第2単位層の組成と前記第1中間層の組成を実質的に同じにすることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項11ないし請求項17のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第1の積層単位を形成する工程が、前記組成変調層の最上部に前記第1単位層と同じ組成を有する終端層を設ける終端層形成工程を含み、前記終端層の上に前記第1中間層が形成される、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項18に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記終端層形成工程においては、前記終端層を前記第1単位層よりも厚く形成することを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項11ないし請求項19のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地基板の上に、AlNからなる第1の下地層を形成する第1下地層形成工程と、
前記第1の下地層の上に、Al p Ga 1-p N(0≦p<1)からなる第2の下地層を形成する第2下地層形成工程と、
をさらに備え、
前記第1下地層形成工程においては、前記第1の下地層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、
前記バッファ層形成工程においては、前記第2の下地層の直上に前記バッファ層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
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