JP2006128536A - 半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板面内が熱的に極めて均質な状態に保たれる半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子を提供すること。
【解決手段】固体結晶基板と、該固体結晶基板上へＭＯＶＰＥ法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる半導体エピタキシャルウェハにおいて、窒化ガリウム系化合物半導体膜が水素を含む雰囲気中でＭＯＶＰＥ法により成長され、且つ前記固体結晶基板が円形で７０．０mm以上の直径を有する場合に、前記固体結晶基板３０１が３８０ミクロン以上の厚みを有している構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体エピタキシャルウェハの構造に係り、より詳細にはＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体膜を有する半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、III族元素の組成比を制御することによって、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする発光素子の材料として利用される。また窒化ガリウム系化合物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有する為、高周波・高出力の電子デバイス材料としても利用される。

窒化ガリウム系化合物半導体は、ガリウム、アルミニウム、インジウムなどのIII族元素と、Ｖ族に属する窒素から形成される。窒化ガリウム系化合物半導体は常圧での窒素の蒸気圧が高いため、溶液からの単結晶成長が非常に困難である。そこで窒化ガリウム系化合物半導体は、普通、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法によって単結晶成長される。

窒化ガリウム系化合物半導体を固体結晶基板上にＭＯＶＰＥ法で形成する場合には、固体結晶基板はヒーター等で１，０００℃程度にまで加熱された基板保持台（サセプター）にセットされる。ここで、基板と基板保持台との間に異物が存在すると、基板が均一に加熱されず、基板の温度が不均一になるという問題がある。そこで、輻射熱により基板を加熱する方法を採用する一方、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂからなる群のうちの少なくとも１種を基板本体に添加して、輻射線の吸収率を高くした基板とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２３７１９２号公報

しかしながら、輻射熱だけではなく、通常のヒーターなどの熱伝導及び輻射熱による加熱機構を用いて基板を加熱し、基板の温度をより簡易に均一化する他の手段の提供が望まれる。

そこで検討するに、ＭＯＶＰＥ法で窒化ガリウム系化合物半導体を作製する場合には、Ｖ族原料としてアンモニアを、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をそれぞれ使用するのが普通である。また窒化ガリウム系化合物半導体の伝導型を制御するため、ｎ型の半導体を作製する場合にはモノシラン（ＳｉＨ₄）を、ｐ型の半導体を作製する場合にはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を使用する場合が多い。製造時には、反応容器内で上記の原料を加熱した基板上に吹きつけることにより、基板表面上に所望の窒化ガリウム系化合物半導体の薄膜を形成させるのである。

上記の原料のうち、特にIII族原料やＣｐ₂Ｍｇなどは常温で液体或いは固体である為、これらをそのまま反応容器に供給することは難しい。このため通常は、まず原料容器に窒素ガス或いは水素ガスを吹き込み、III族原料やＣｐ₂Ｍｇなどの分子を吹き込んだガス中に飽和させたのち、このガスを取り出して反応容器内へ供給する、という手法が用いられる。半導体製造では材料に高純度化が求められており、このキャリアーガスには、パラジウム膜を用いることで容易に高純度化が可能な水素ガスが、一般的に用いられる。

ところで、この水素ガスは熱伝導率、熱容量が極めて大きい気体である。例えば室温付近での熱伝導率は、窒素が２．４０×１０^-2Ｗｍ^-1Ｋ^-1、アンモニアが２．１８×１０^-2Ｗｍ^-1Ｋ^-1、であるのに対し、水素は１６．８２×１０^-2Ｗｍ^-1Ｋ^-1と非常に大きい。また室温付近における比熱は、窒素が１．０４×１０³Ｊｋｇ^-1Ｋ^-1、アンモニアが１．９７×１０³Ｊｋｇ^-1Ｋ^-1であるのに対し、水素は１４．３２×１０³Ｊｋｇ^-1Ｋ^-1であり、こちらも非常に大きい。このように水素は熱伝導率、熱容量とも極めて大きい特殊なガスであるため、水素ガスを基板等の表面に吹き付けた場合には、窒素やアンモニアの場合と比較して、桁違いに大きい熱量が基板等の表面から奪われることになる。

既に述べたように、窒化ガリウム系化合物半導体を固体結晶基板上にＭＯＶＰＥ法で形成する場合には、固体結晶基板はヒーター等で１，０００℃程度にまで加熱された基板保持台にセットされている。このとき基板保持台に接触している固体結晶基板の下側は、基板保持台と同様の高温状態に保たれている。この一方で、固体結晶基板の上側には前記のキャリアーガスを吹き付けられており、特にキャリアーガスに水素が混合されている場合において基板上面から熱が激しくガスに奪われる為、固体結晶基板の上側の温度は下側より低くなる傾向がある（縦方向の温度差）。

キャリアーガスに水素が混合された為に固体結晶基板の上下で温度差が生じると、基板が反ってしまうという現象が起こり始める。具体的には基板の下側が熱膨張し、基板の上側が収縮することから、基板は下に凸となり、お椀型の形状に反ってしまう。基板が反り始めた場合、基板の中心付近以外は基板保持台と完全密着せず、基板中心からの距離に応じて基板裏面と基板保持台の間に隙間が生じるようになる。すると基板保持台から基板への熱輸送量が基板中心では多く、外周部では少なくなる。このため基板の中心部は強く加熱されて高温になり、一方で基板外周部は低温となる傾向が生じる（横方向の温度差）。

このように基板の面内で温度差が生じると、結果としてその基板上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体の成分や特性が温度差に応じて分布を持つような弊害が生じる。例えば、青色発光ＬＥＤの活性層として用いられるＩｎＧａＮは、ＧａＮ成分及び比較的蒸発し易いＩｎＮ成分からなるため、同一基板上での温度の低い部分ではＩｎＧａＮ中のＩｎ濃度が高くなる一方、温度の高い部分ではＩｎＮの蒸発が促進される為にＩｎＧａＮ中のＩｎ濃度が低くなってしまう。すなわち、同一基板上でＩｎ濃度に大きな分布が生じる。この結果ＩｎＧａＮ層から発せられる光は基板上の異なる位置では、異なった波長が得られることとなり、ＬＥＤなど光デバイスの特性そのものが大きな基板面内での不均一性を持つことになってしまう。

同様の例として、ＧａＮ−電界効果トランジスタでバリア層として用いられるＡｌＧａＮは、ＧａＮ成分および比較的蒸発し難いＡｌＮ成分からなるため、同一基板上での温度の低い部分ではＡｌＧａＮ中のＡｌ濃度が低くなる一方、温度の高い部分ではＧａＮの蒸発が促進される為にＡｌＧａＮ中のＡｌ濃度が高くなってしまう。すなわち、同一基板上でＡｌ濃度に大きな分布が生じる。この結果ＡｌＧａＮ層の自発分極及びピエゾ分極によって誘起される二次元電子ガスは、基板上の異なる位置では異なった濃度が得られることとなり、電界効果型トランジスタなど電子デバイスの特性そのものが大きな基板面内での不均一性を持つことになってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板面内が熱的に極めて均質な状態に保たれる半導体エピタキシャルウェハ及びそれから切り出した半導体素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へＭＯＶＰＥ法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径７０．０mm以上の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のＭＯＶＰＥ法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に３８０ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記水素を含む雰囲気中でのＭＯＶＰＥ法による成長で、原料ガスとキャリアーガスの和である流入ガスの総流量に占める水素の割合が８％以上であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記固体結晶基板が、サファイアまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）であることを特徴とする。

請求項４の発明に係る半導体素子は、請求項１〜３のいずれかの半導体エピタキシャルウェハから切り出したことを特徴とする。

本発明の半導体エピタキシャルウェハは、固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へＭＯＶＰＥ法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径７０．０mm以上の半導体エピタキシャルウェハであって、前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のＭＯＶＰＥ法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に３８０ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されている構成としたものである。従って、本発明によれば、半導体エピタキシャルウェハにおけるウェハ面内での窒化ガリウム系化合物半導体膜の厚さ、ドーピング濃度、及びIII族原子構成比の均一性を向上させることができる。

本発明を、以下の具体的な試作例に基づいて説明する。

［比較例］
典型的なＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの層構造（比較例）を図３に示す。

図３において、１０１はサファイア基板（３インチ（７６．２mm）径、厚さ３３０ミクロン）、１０２はＩｎＧａＮバッファ層、１０３はｕｎ−ＧａＮ層（アンドープＧａＮ層）、１０４はｕｎ−ＡｌＧａＮ層（アンドープＡｌＧａＮ層）である。我々はこのような層構造を、ＭＯＶＰＥ装置にて成長する。成長に用いるＭＯＶＰＥ装置は３インチの基板を６枚チャージできる能力を持っており、エピタキシャルウェハをセットしたステージは駆動機構により公転する。同ＭＯＶＰＥ装置のリアクター内部では、エピタキシャルウェハの上方対向面にシャワー状の微細な孔が多数設けられており、原料を含むキャリアーガスはこのシャワー状の孔から吹き出す仕組みになっている。リアクター内部のエピタキシャルウェハをセットしたステージは抵抗加熱方式によって熱せられ、この熱がステージを介して、サファイア基板に与えられる。

成長プロセスでは、上記ＭＯＶＰＥ装置のリアクター内部ステージにサファイア基板を搬入し、まず１２００℃まで水素雰囲気中で加熱して、いわゆるサーマルクリーニングと呼ばれる表面処理を１０分間行う。この後、ヒーターパワーを制御することにより、基板温度を５００℃まで下げる。５００℃で基板温度が安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムとアンモニアガスをリアクターに供給する。このような方法により、ＩｎＧａＮバッファ層（核生成層）１０２をサファイア基板１０１上に形成できる。ＩｎＧａＮバッファ層１０２の厚さは、具体的には２０nm程度が望ましいが、実際には１nm〜５０nm程度の厚さであってもバッファ層（核生成層）としての所望の働きをする。

このＩｎＧａＮバッファ層１０２の成長が終ったら、基板温度を１０９０℃にまで上げる。基板温度が１０９０℃で安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアガス（ＮＨ₃）を、Ｖ族とIII族のモル比Ｖ／III＝約５，０００となるような割合で、より具体的には、ＮＨ₃：１０ＳＬＭ、ＴＭＧ：８．９×１０^-5ｍｏｌ／ｓｅｃの速度で、リアクターに供給する。このような方法により、約２mmのｕｎ−ＧａＮ層１０３をバッファ層（核生成層）１０２を介して、サファイア基板１０１上に形成する。

このｕｎ−ＧａＮ層１０３の成長が終わったら、次に水素をキャリアーガスとして、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、及びアンモニアをリアクターに供給する。このような方法により、ｕｎ−ＡｌＧａＮ層１０４を形成する。ｕｎ−ＡｌＧａＮ層１０４の厚さは、意図するデバイス特性によって変える必要があるが、実際には２５nm〜４５nmが一般的である。

ＧａＮの上にＡｌＧａＮがコヒーレントに形成された場合、ＡｌＧａＮの自発分極及びピエゾ分極によって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ界面のＧａＮ側に二次元電子ガスが誘起される。この二次元電子ガスは、アンドープすなわち不純物が導入されていないＧａＮ層中を走行するため、イオン化不純物散乱の影響を受けず、高電子移動度を持つという特長を有する。本構造のような電界効果トランジスタ構造はＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ： 高電子移動度トランジスタ）と呼ばれ、今回の場合にはＧａＮが材料として用いられていることから、ＧａＮ−ＨＥＭＴとなる。

この二次元電子ガスの濃度はｕｎ−ＡｌＧａＮ層１０４の厚さ、並びにＡｌＧａＮ中のアルミニウム組成比によって主に決定されるが、典型的な構造では約１．０×１０¹³cm^-2のシートキャリア濃度となる。またＧａＮ−ＨＥＭＴ構造中の電子移動度は、結晶に含まれる転位などの密度に大きく依存するが、典型的な値として約１，２００cm²Ｖ^-1ｓ^-1が得られる。そこで、通常のＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハのシート抵抗値は、およそ５００Ω／ｓｑ．前後となる。

上記した方法で成長されたエピタキシャルウェハのシート抵抗の面内分布は、渦電流を利用した方法により、非破壊・非接触で測定することができる。図４にＬＥＨＩＧＨＴＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＩＮＣ．社の非接触シート抵抗測定装置によって得られた、上記３インチ（７６．２mm）径エピタキシャルウェハのシート抵抗面内分布を示す。

この測定値において平均値は５３４．５Ω／ｓｑ．であるが、最小値は４５１．４Ω／ｓｑ．、最大値は６８０．８Ω／ｓｑ．でありまた標準偏差は７８．１１Ω／ｓｑ．であって、面内のシート抵抗ばらつきが非常に大きく、工業上好ましくない。

このようにシート抵抗の面内のシート抵抗ばらつきが大きくなった背景としては、上記の「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた通り、エピタキシャルウェハの反りとこれに起因するエピタキシャルウェハ面内の基板温度分布がある、と筆者らは考えた。すなわち水素キャリアー中、且つ１，０００℃を越える高温で、厚さ３３０ミクロンの薄いサファイア基板は極めて反り易い。エピタキシャルウェハが反ると、基板の中心付近以外は基板保持台と完全密着せず、基板中心からの距離に応じて基板裏面と基板保持台の間に隙間が生じるようになる。すると基板保持台から基板への熱輸送量が基板中心では多く、外周部では少なくなる。このため基板の中心部は強く加熱されて高温になり、一方で基板外周部は低温となる。すると、同一基板上での温度の低い部分ではＧａＮ成分が蒸発し難い為ＡｌＧａＮ中のＡｌ濃度が低くなる一方、温度の高い部分ではＧａＮの蒸発が促進される為にＡｌＧａＮ中のＡｌ濃度が高くなってしまう。この結果、ＡｌＧａＮの膜厚やアルミニウム組成によって影響を受けるＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハのシート抵抗値は、中心部で低く、外周部で高くなってしまったと考えられるのである。

なおこのような現象は、エピタキシャルウェハの径が大きいほど顕著となる。

［実施例］
上記のような不都合を回避する為に本発明者等が創案した方法は、用いるサファイア基板にこれまでよりも厚いものを使用するものである。より詳細には、直径７０．０mm以上のサファイア若しくはＳｉＣ基板を用いて、水素を含む雰囲気中で窒化ガリウム系化合物半導体膜のＭＯＶＰＥ法による成長を行う場合に、３８０ミクロン以上の厚みを有しているものを選択する。

以下にその具体例（実施例）を説明する。

我々が改良したＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの層構造（実施例）を図１に示す。

図１において、３０１はサファイア基板（３インチ（７６．２mm）径、厚さ４３０ミクロン）、３０２はＩｎＧａＮバッファ層、３０３はｕｎ−ＧａＮ層、３０４はｕｎ−ＡｌＧａＮ層である。ＩｎＧａＮバッファ層３０２やｕｎ−ＧａＮ層３０３、ｕｎ−ＡｌＧａＮ層３０４の厚さは図３のものと同程度であるが、唯一、サファイア基板（３インチ（７６．２mm）径、厚さ４３０ミクロン）３０１の厚さだけが大きく増えている。このようなエピタキシャルウェハは、図３に示したエピタキシャルウェハ同様、既に述べたような手順によりＭＯＶＰＥ法によって形成される。

この実施例に係るＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハのシート抵抗の面内分布測定値を、図２に示す。この測定値において平均値は５２７．８Ω／ｓｑ．であるが、最小値は５２１．１Ω／ｓｑ．、最大値は５３８．４Ω／ｓｑ．でありまた標準偏差は４．７９Ω／ｓｑ．であって、面内のシート抵抗ばらつきが非常に小さく、工業的に有利であると言える。

上記の良好な結果は、４３０ミクロンという十分に厚い基板を用いた為に、縦方向の熱分布に対してもエピタキシャルウェハの弾性的な反り量が少なくなり、これに付随して基板裏面と基板保持台の間にも隙間が生じず、エピタキシャルウェハ面内が熱的に極めて均質な状態を保たれた為であると考えられる。本発明ではこの自然現象を利用し、エピタキシャルウェハ面内での窒化ガリウム系化合物半導体膜の厚さ、ドーピング濃度、及びIII族原子構成比の均一性を向上させることに成功したのである。

本発明で得られる４３０ミクロン厚のサファイア基板を用いたＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの断面構造を示した図である。 本発明によるＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハのシート抵抗分布測定の結果を示した図である。 比較例による３３０ミクロン厚のサファイア基板を用いたＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの断面構造を示した図である。 比較例に係る図３のＧａＮ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハのシート抵抗分布測定の結果を示した図である。

符号の説明

３０１ サファイア基板（３インチ（７６．２mm）径、厚さ４３０ミクロン）
３０２ ＩｎＧａＮバッファ層
３０３ ｕｎ−ＧａＮ層
３０４ ｕｎ−ＡｌＧａＮ層

Claims (4)

1. 固体結晶基板と、前記固体結晶基板表面へＭＯＶＰＥ法によって成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜とからなる、直径７０．０mm以上の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
   前記窒化ガリウム系化合物半導体膜のＭＯＶＰＥ法による成長が水素を含む雰囲気中で実行され、且つ前記固体結晶基板に３８０ミクロン以上の厚みを有しているものが使用されていることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
2. 請求項１に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
   前記水素を含む雰囲気中でのＭＯＶＰＥ法による成長で、原料ガスとキャリアーガスの和である流入ガスの総流量に占める水素の割合が８％以上であることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
3. 請求項１又は２に記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
   前記固体結晶基板が、サファイアまたはシリコンカーバイドであることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
4. 請求項１〜３のいずれかの半導体エピタキシャルウェハから切り出したことを特徴とする半導体素子。

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