JP6994835B2 - 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板 - Google Patents
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Description
窒化物半導体結晶からなる種結晶基板の+C面上に窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させてn-型の第一窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一窒化物半導体層の+C面上に窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させて第二窒化物半導体層を形成する工程と、
前記種結晶基板を除去して前記第一窒化物半導体層の-C面を露出させ、前記-C面を主面とする前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との積層体を窒化物半導体基板として得る工程と、
を含む窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
窒化物半導体結晶からなる第一窒化物半導体層および第二窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体基板であって、
前記第一窒化物半導体層は、-C面を露出面として有するn-型のものであり、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満である
窒化物半導体基板が提供される。
発光素子や高速トランジスタ等の半導体デバイスを構成する窒化物半導体基板として、GaNの単結晶からなる基板(以下、「GaN基板」ともいう。)が着目されている。GaN基板を用いて半導体デバイスを構成する場合には、例えば、GaN基板にマグネシウム(Mg)等のp型不純物をイオン注入によって打ち込んで、GaN基板内にp型領域を形成する、といった手法が用いられることがある。その場合において、GaN基板へのイオン注入は注入後に1200℃を超える高温域でのアニール処理を必要とするためGaN結晶の熱分解が問題となり得るが、ガリウム(Ga)極性面よりも熱的に安定な窒素(N)極性面に対してイオン注入を行えば、GaN結晶の熱分解の問題が解消し、良好な整流性を示すpn接合ダイオードを形成することが可能になると考えられる。
本発明は、本発明者が見出した上述の新たな知見に基づくものである。
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を説明する。
窒化物半導体基板を構成する窒化物半導体結晶は、III族元素とV族元素を用いたIII-V族化合物半導体においてV族元素としてNを用いた半導体の結晶であり、InxAlyGa1-x-yNの組成式(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)で表される結晶である。
以下、本実施形態では、窒化物半導体結晶がGaNの単結晶であり、窒化物半導体基板としてGaN結晶からなるGaN基板を製造する場合を例に挙げて説明する。
本実施形態では、GaN結晶からなるGaN基板の製造を、ハイドライド気相成長装置(HVPE装置)を利用して行う。ここで、GaN基板の製造に利用するHVPE装置の構成について、図1を参照しながら説明する。
具体的には、図1中においてハッチング種類により識別可能に示しているように、高温に加熱するゾーンヒータ207a,207bの輻射を受けるような領域に配置される部材は、全て炭化ケイ素(SiC)コートグラファイトで構成されることが好ましい。その一方で、比較的低温部では、高純度石英を用いて部材を構成することが好ましい。つまり、比較的高温(例えば1000℃以上)になるような場所でHClガスと触れ合う箇所では、高純度石英を用いず、SiCコートグラファイトを用いて各部材を構成する。詳しくは、インナーカバー204、サセプタ208、回転軸215、ガス生成器233a、各ノズル249a~249c等を、SiCコートグラファイトで構成する。なお、気密容器203を構成する炉心管は石英とするしかないので、成膜室201内には、サセプタ208やガス生成器233a等を囲うインナーカバー204が設けられているのである。気密容器203の両端の壁部や排気管230等については、ステンレス等の金属材料を用いて構成すればよい。
例えば、「Polyakov et al. J. Appl. Phys. 115, 183706 (2014)」によれば、950℃で成長することにより、低不純物濃度のGaN結晶の成長が実現可能なことが開示されている。ところが、このような低温成長では、得られる結晶品質の低下を招き、熱物性、電気特性等において良好なものが得られない。この点、上述した構成のHVPE装置200によれば、例えば、1050℃以上というGaN結晶の成長に適した温度域においても、Si、O、C、Fe、Cr、Ni等の不純物の結晶成長部への供給を遮断することができ、高純度で、かつ、熱物性および電気特性においても良好な特性を示すGaN結晶を成長させることが実現可能である。
続いて、上述のHVPE装置200を用い、種結晶基板20上にGaN単結晶をエピタキシャル成長させて、GaN基板を製造する場合の手順の一例について、詳しく説明する。以下の説明において、HVPE装置200を構成する各部の動作はコントローラ280により制御される。
具体的には、先ず、反応容器203の炉口を開放し、サセプタ208上に種結晶基板20を載置する。サセプタ208上に載置する種結晶基板20は、後述するGaN基板10を製造するための基(種)となるもので、窒化物半導体の一例であるGaNの単結晶からなる板状のものである。そして、互いに対向する二つの主面のうち、一方の主面がGa極性面に相当する{0001}面(すなわち+C面)となっており、他方の主面がN極性面に相当する{000-1}面(すなわち-C面)となっている。
反応室201内への種結晶基板20の搬入が完了したら、続いて、結晶成長ステップを実施する。結晶成長ステップでは、少なくとも第一層形成ステップおよび第二層形成ステップを、それぞれ順に実施する。
第一層形成ステップでは、図2(a)に示すように、種結晶基板20の+C面上にGaN結晶をエピタキシャル成長させて、第一GaN層21を形成する。
処理圧力:0.5~2気圧
GaClガスの分圧:0.1~20kPa
NH3ガスの分圧/GaClガスの分圧:1~100
H2ガスの分圧/GaClガスの分圧:0~100
種結晶基板20の+C面上に第一GaN層21を形成したら、次いで、第二層形成ステップを実施する。本ステップでは、図2(a)に示すように、第一GaN層21の+C面上にGaN結晶をエピタキシャル成長させて、第二GaN層22を形成する。
種結晶基板20上に第一GaN層21および第二GaN層22を形成したら、反応室201内へNH3ガス、N2ガスを供給しつつ、また、反応室201内を排気した状態で、ガス生成器233aへのHClガスの供給、反応室201内へH2ガスの供給、ゾーンヒータ207a、207bによる加熱をそれぞれ停止する。そして、反応室201内の温度が500℃以下に降温したらNH3ガスの供給を停止し、反応室201内の雰囲気をN2ガスへ置換して大気圧に復帰させる。そして、反応室201内を、例えば200℃以下の温度、すなわち、反応容器203内からのGaNの結晶インゴット(表面に第一GaN層21および第二GaN層22が形成された種結晶基板20)の搬出が可能となる温度へと降温させる。その後、結晶インゴットを反応室201内から外部へ搬出する。
結晶インゴットを搬出したら、その結晶インゴットについて、図2(b)に示すように、種結晶基板20と第一GaN層21との界面近傍を成長面と平行にスライスし(図中A-A参照)、これにより種結晶基板20を除去して第一GaN層21の-C面を露出させる。このスライス加工は、例えばワイヤソーや放電加工機等を用いて行うことが可能である。ただし、これに限定されることはなく、第一GaN層21の-C面を露出できれば、種結晶基板20に対するエッチング加工等を利用しても構わない。
なお、-C面と対向する第二GaN層22の露出面(+C面)の側については、後述する。
-C面と対向する第二GaN層22の露出面(+C面)の側については、GaN基板10が後述するイオン注入ステップ等を行うことを考慮すると、図2(d)に示すように、+C面の全面を覆う保護膜23が形成されていることが好ましい。
次に、上述した手順の製造方法によって得られるGaN基板10、すなわち本発明に係る窒化物半導体基板の一具体例について、その構成を説明する。
GaN基板10を構成する第一GaN層21は、-C面を露出面として有するn-型のものであり、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が少なくとも1×1017at/cm3未満、より好適には後述するような不純物濃度を有したものとなっている。
GaN基板10を構成する第二GaN層22は、第一GaN層21を支持するために自立可能な厚さで形成されたものであり、導電性を担保するn+型のものである。
以上のような第一GaN層21および第二GaN層22の積層体からなるGaN基板10は、-C面(N極性面)を露出面として有し、かつ、その露出面を有する第一GaN層21のGaN結晶の不純物濃度が極めて低くなるように構成されたものである。さらに詳しくは、GaN基板10は、-C面を露出面として有するn-型の第一GaN層21と+C面を露出面として有するn+型の第二GaN層22とが積層された二層構造を有しており、少なくとも第一GaN層21の露出面である-C面が鏡面研磨面(エピレディなミラー面)に仕上げられている。
次に、上述した構成のGaN基板10に対して、p型不純物をイオン注入によって打ち込む場合について、具体的に説明する。
例えば、GaN基板10にMg等のp型不純物をイオン注入によって打ち込んで、GaN基板10内にp型領域を形成する場合には、イオン注入ステップおよびアニール処理ステップを実施する。
本ステップでは、先ず、図3(a)に示すように、GaN基板10の主面である第一GaN層21の-C面(N極性面)の上に、例えば、保護膜として機能する窒化シリコン(SiNx)膜24を、30~50nmの厚さで形成する。SiNx膜24の形成は、その手法が特に限定されることはなく、例えば反応性スパッタリング法といった公知の手法を用いればよい。
本ステップでは、イオン注入ステップを経たGaN結晶の結晶格子を整えるためにアニール処理を行う。アニール処理は、例えば、1200℃以上の高温域、具体的には1250℃程度の温度にて、3分程度の時間で行う。
上述のイオン注入ステップでp型領域26が形成されたGaN基板10は、半導体デバイス(半導体装置)を構成するために用いて好適なものである。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
このように、本実施形態で得られるGaN結晶は、これらの不純物をより多く含む従来のGaN結晶に比べ、欠陥密度、転位密度、内部応力が大幅に小さくなる等、極めて良好な結晶品質を有することになる。また、このようなGaN結晶を有して構成されたGaN基板10を用いて半導体デバイスを作製する場合、不純物をより多く含む上述のGaN結晶からなる基板を用いる場合に比べ、不純物の拡散が抑制される効果により、デバイスの特性を向上させたり、寿命を延ばしたりすることが可能となる。
次に、本発明の第二実施形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、主として上述した第一実施形態との相違点について説明し、第一実施形態と同様の内容については説明を省略する。
すなわち、本実施形態によれば、第一GaN層21と第二GaN層22との積層構造から複数のGaN基板10を得るので、GaN基板10の製造を効率的に行うことができ、GaN基板10を量産化する上で非常に好適なものとなる。
次に、本発明の第三実施形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、主として上述した第一実施形態および第二実施形態との相違点について説明する。
本実施形態では、結晶成長ステップが上述した第一実施形態および第二実施形態とは異なる。なお、本実施形態においても、結晶成長ステップがHVPE装置200を用いて行う第一層形成ステップと第二層形成ステップとを含む点は、第一実施形態および第二実施形態の場合と同様である。
第一層形成ステップでは、図6に示すように、HVPE装置200のサセプタ208上に載置した種結晶基板(GaN基板)20の+C面上に対して、先ず、n-型の第一窒化物半導体層の一例である高純度HVPE-GaN層(以下、単に「GaN層」という。)31を形成する。このGaN層31は、第一実施形態または第二実施形態で説明した第一GaN層21と同様のものであり、GaN結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満のものである。
GaN基板20の+C面上にGaN層31を形成したら、次いで、第二層形成ステップを実施する。本ステップでは、GaN層31の+C面上に対して、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)結晶をエピタキシャル成長させて、第二窒化物半導体層の一例であるAlGaN層32を形成する。
AlCl3ガスの分圧:0.01~1kPa
NH3ガスの分圧/AlCl3ガスの分圧:1~100
H2ガスの分圧/AlCl3ガスの分圧:0~100
他の条件は、上述した第一実施形態の場合と同様である。
その後は、GaN層31を形成する第一層形成ステップと、AlGaN層32を形成する第二層形成ステップとを、それぞれ複数回にわたって繰り返し行う。これにより、GaN基板20上にGaN層31とAlGaN層32とが交互に積み重なる積層構造を有する結晶インゴットが得られる。なお、図中における破線の部分は、後述するように半導体デバイスを構成した際に、GaN層31内において二次元電子ガス(2DEG)が分布することになる領域を示している。
その後は、GaN層31とAlGaN層32との積層構造を有する結晶インゴットについてスライスステップを実施して、積層構造を分割するようにスライスする(図中A-A参照)。このときのスライス加工位置は、GaN層31の形成部分で、例えば、スライス加工後に2DEG分布領域を含む側のGaN層31の残存部分が50~100μm程度の厚さとなるように設定する。
続いて、本実施形態で得られるGaN層31とAlGaN層32との積層基板を用いて構成される半導体デバイス(半導体装置)について説明する。ここでは、半導体デバイスの具体例として、HEMTを構成する場合を例に挙げる。
以上のような本実施形態においても、第一実施形態または第二実施形態で説明した1つまたは複数の効果が得られる。
以上に、本発明の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態を具体的に説明した。ただし、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
窒化物半導体結晶からなる種結晶基板の+C面上に窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させてn-型の第一窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一窒化物半導体層の+C面上に窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させて第二窒化物半導体層を形成する工程と、
前記種結晶基板を除去して前記第一窒化物半導体層の-C面を露出させ、前記-C面を主面とする前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との積層体を窒化物半導体基板として得る工程と、
を含む窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
付記1に記載の方法であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満である。
付記2に記載の方法であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶中のSi、BおよびFeの各濃度がいずれも1×1015at/cm3未満であり、OおよびCの各濃度がいずれも5×1015at/cm3未満である。
付記1から3のいずれか1つに記載の方法であって、好ましくは、
少なくとも前記第一窒化物半導体層および前記第二窒化物半導体層のそれぞれをハイドライド気相成長法により形成する。
付記1から4のいずれか1つに記載の方法であって、好ましくは、
前記窒化物半導体基板の主面である前記-C面に対してp型不純物をイオン注入する工程と、
イオン注入後の前記窒化物半導体基板に対してアニール処理を行う工程と、
を含む。
付記5に記載の方法であって、好ましくは、
前記アニール処理を1200℃以上の高温域で行う。
付記1から6のいずれか1つに記載の方法であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層の形成と前記第二窒化物半導体層の形成とを繰り返し行い、前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層とが交互に積み重なる積層構造を得るとともに、前記積層構造から複数の前記窒化物半導体基板を得る。
本発明の他の態様によれば、
窒化物半導体結晶からなる第一窒化物半導体層および第二窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体基板であって、
前記第一窒化物半導体層は、-C面を露出面として有するn-型のものであり、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満である
窒化物半導体基板が提供される。
付記8に記載の基板であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶中のSi、BおよびFeの各濃度がいずれも1×1015at/cm3未満であり、OおよびCの各濃度がいずれも5×1015at/cm3未満である。
付記8または9に記載の基板であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層は、20℃以上200℃以下の温度条件下でのn型のキャリア濃度が1×1016個/cm3未満である。
付記8から10のいずれか1つに記載の基板であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層は、20℃以上200℃以下の温度条件下での電気抵抗率が1×106Ωcm以上である。
より好ましくは、200℃を超え400℃以下の温度条件下での電気抵抗率が1×105Ωcm以上である。
付記8から11のいずれか1つに記載の基板であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層における前記-C面が鏡面研磨面である。
付記8から12のいずれか1つに記載の基板であって、好ましくは、
前記第一窒化物半導体層における前記-C面は、p型不純物の被注入部分を有する。
本発明の他の態様によれば、
付記8から13のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板を用いて構成された半導体装置であって、
前記第一窒化物半導体層の前記-C面へのp型不純物のイオン注入によって前記第一窒化物半導体層内にp型領域が形成されており、
前記p型領域を用いてpn接合が構成された半導体装置が提供される。
Claims (9)
- 窒化物半導体結晶からなる種結晶基板の+C面上に窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させて、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が相対的に低いn-型の第一窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一窒化物半導体層の+C面上に前記第一窒化物半導体層を構成する窒化物半導体結晶と同組成の窒化物半導体結晶をc軸方向に沿って成長させて、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が相対的に高いn+型の第二窒化物半導体層を形成する工程と、
前記種結晶基板を除去して前記第一窒化物半導体層の-C面を露出させ、前記-C面を主面とする前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との積層体を窒化物半導体基板として得る工程と、
前記窒化物半導体基板の主面である前記-C面に対してp型不純物をイオン注入する工程と、
イオン注入後の前記窒化物半導体基板に対してアニール処理を行う工程と、
を含む窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第一窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満である
請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 少なくとも前記第一窒化物半導体層および前記第二窒化物半導体層のそれぞれをハイド
ライド気相成長法により形成する
請求項1または2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記アニール処理を1200℃以上の高温域で行う
請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第一窒化物半導体層の形成と前記第二窒化物半導体層の形成とを繰り返し行い、前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層とが交互に積み重なる積層構造を得るとともに、前記積層構造から複数の前記窒化物半導体基板を得る
請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第一窒化物半導体層は、電気抵抗率が20℃以上200℃以下の温度条件下において50Ωcm以下であり、
前記第二窒化物半導体層は、電気抵抗率が20℃以上200℃以下の温度条件下において2×10-2Ωcm以下である
請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 同組成の窒化物半導体結晶からなる第一窒化物半導体層および第二窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体基板であって、
前記第一窒化物半導体層は、-C面を露出面として有し、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が相対的に低いn-型のものであり、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が1×1017at/cm3未満であり、
前記第二窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶中のn型不純物濃度が相対的に高いn+型のものであり、
前記第一窒化物半導体層における前記-C面は、p型不純物の被注入部分を有する
窒化物半導体基板。 - 前記第一窒化物半導体層における前記-C面が鏡面研磨面である
請求項7項に記載の窒化物半導体基板。 - 前記第一窒化物半導体層は、電気抵抗率が20℃以上200℃以下の温度条件下におい
て50Ωcm以下であり、
前記第二窒化物半導体層は、電気抵抗率が20℃以上200℃以下の温度条件下におい
て2×10-2Ωcm以下である
請求項7または8に記載の窒化物半導体基板。
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