JP5378128B2 - 電子デバイス用エピタキシャル基板およびｉｉｉ族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板 - Google Patents

Description

本発明は、電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法に関し、特に、III族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板に関する。

近年、一般に、Al、Ga、InなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子や電子デバイス用素子等に広く用いられている。このようなデバイスの特性は、III族窒化物半導体の結晶性に大きく影響されるため、結晶性の高いIII族窒化物半導体を成長させるための技術が求められている。

III族窒化物半導体は、従来、サファイア基板上にエピタキシャル成長させることによって形成されていた。しかしながら、III族窒化物半導体とサファイア基板とは、格子定数が大きく異なるため、この格子定数の差に起因する転位が生じ、サファイア基板上に成長させたIII族窒化物半導体の結晶品質が低下してしまうという問題があった。また、サファイア基板は熱伝導率が小さいために放熱性が悪く、高出力デバイスの作成には適さないという問題もあった。

そのため、近年、III族窒化物半導体の結晶成長基板として、シリコン基板を用いる技術が提案されている。シリコン基板は、上記サファイア基板よりも放熱性が良いため高出力デバイスの作成に適しており、また、安価であることから、製造コストを抑えることができるという利点を有している。しかしながら、サファイア基板と同様に、シリコン基板はIII族窒化物半導体とは格子定数が異なり、このシリコン基板上に、直接III族窒化物半導体を成長させても、結晶性の高いIII族窒化物半導体を得ることは期待できなかった。

そこで、特許文献１には、シリコン単結晶基板上に金属アルミニウムの単結晶層を堆積し、この金属アルミニウム単結晶層が融解しない程度の温度で加熱した後、表面を窒化させ、その上に、III族窒化物半導体を成長させることにより、III族窒化物半導体の結晶性を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、シリコン基板上に、アルミニウム層および窒化アルミニウム多結晶核生成層を順に堆積させ、その上にバッファ構造を介して窒化ガリウム層を成長させることにより、優れた結晶性を有する窒化ガリウムを成長させる技術が開示されている。

しかしながら、これら特許文献１および２で開示される技術は、いずれもシリコン基板上にアルミニウム層を単層として形成したものであり、アルミニウム層上に直接積層する窒化アルミニウム多結晶などのIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長時の温度は、最大でも900℃であった。

特開平１０−１０７３１７号公報 特表２００５−５２７９８８号公報

本発明者らは、シリコン基板に窒化アルミニウムのバッファ層を形成する場合、低温成長による多結晶ではなく、高温成長による単結晶を形成することで、より結晶性の高いIII族窒化物半導体を得る技術を得た。しかし、シリコン基板上にアルミニウム単層を形成するという技術を適用した場合、このアルミニウム層上に例えば1000℃で単結晶の窒化アルミニウムを直接形成しようとすると、結果として大量の欠陥が発生し、結晶性が著しく悪化することが分かった。本発明者らによる鋭意研究の結果、これは、窒化アルミニウムの結晶成長中の高温によって、当初形成したアルミニウム層とシリコンとが反応することが原因であることが分かった。

したがって、本発明の目的は、上記問題を解決し、結晶性の高いIII族窒化物半導体を成長させることができる電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法ならびにIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）シリコン基板と、該シリコン基板上に形成した窒化アルミニウム単結晶層と、該窒化アルミニウム単結晶層上に形成した、少なくとも一組以上の超格子層を含むバッファ構造体とを具える電子デバイス用エピタキシャル基板であって、前記シリコン基板の表層部には、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面から基板厚さ方向に広がるアルミニウム拡散領域が設けられ、前記シリコン基板の、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面の表面粗さRaは、0.2〜１nmの範囲であることを特徴とする電子デバイス用エピタキシャル基板。

（２）前記アルミニウム拡散領域は、その拡散長が、前記シリコン基板の、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面を基準として、シリコン基板の深さ方向へ0.3〜1.0μmの範囲である上記（１）に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。

（３）前記アルミニウム拡散領域におけるAl濃度は、１×10¹⁵〜１×10²⁰atoms/cm³の範囲である上記（１）または（２）に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。

（４）前記バッファ構造体は、絶縁性を有する上記（１）、（２）または（３）に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。

（５）前記バッファ構造体は、B_a1Al_b1Ga_c1In_d1N(０≦a₁≦１, ０≦b₁≦１, ０≦c₁≦１, ０≦d₁≦１, a₁+b₁+c₁+d₁=１)材料からなる第１超格子層および該第１超格子層とはバンドギャップの異なるB_a2Al_b2Ga_c2In_d2N(０≦a₂≦１, ０≦b₂≦１, ０≦c₂≦１, ０≦d₂≦１, a₂+b₂+c₂+d₂=１)材料からなる第２超格子層を交互に積層してなる超格子積層体を有する上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。

（６）上記（１）〜（５）に記載のバッファ構造体上に、窒化ガリウム層を具えるIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板。

本発明によれば、シリコン基板にアルミニウム拡散領域を設け、表面粗さを適正範囲に設定することにより、その上方に成長するIII族窒化物半導体の結晶性を向上させることができる電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法ならびにIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を提供することができる。

図１は、本発明に従う電子デバイス用エピタキシャル基板の模式的断面図である。 図２は、実施例１の二次イオン質量分析計(SIMS)による結果を示すグラフである。 図３は、比較例１の二次イオン質量分析計(SIMS)による結果を示すグラフである。 図４(a)〜(c)は、サンプルを原子間力顕微鏡(AFM)で観察した結果を示す写真である。 図５(a),(b)は、サンプルのＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した結果をプロットしたグラフである。

次に、本発明の電子デバイス用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１は、本発明に従う電子デバイス用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。なお、図１は、説明の便宜上、厚さ方向を誇張して描いたものである。

本発明に従う電子デバイス用エピタキシャル基板１は、一例として図１に示されるように、シリコン基板２と、このシリコン基板２上に形成した窒化アルミニウム単結晶層３と、この窒化アルミニウム単結晶層３上に形成した、少なくとも一組以上の超格子層を含むバッファ構造体４とを具え、シリコン基板２の表層部には、窒化アルミニウム単結晶層３と接する表面２ａから基板厚さ方向に広がるアルミニウム拡散領域５が設けられ、シリコン基板２の、窒化アルミニウム単結晶層３と接する表面２ａの表面粗さRaは、0.2〜１nmの範囲であることを特徴とする。本発明は、かかる構成を有し、特に、シリコン基板２の表面粗さを適正範囲とする結果、その上で窒化アルミニウム単結晶層３を成長させる際に横方向成長を誘起することにより、転位を低減することができるので、結果としてその上のIII族窒化物半導体６の結晶性を向上させることができるものである。また、本発明の電子デバイス用エピタキシャル基板１において、シリコン基板１を高温で暴露処理することによりアルミニウムはすべてシリコン基板１に拡散し、単層として残っていないため、その後の窒化アルミニウム単結晶層３以降のエピタキシャル成長を高温で行っても途中でアルミニウムとシリコン基板とが接する界面の状態が変化し、結晶性が悪化するおそれがないという利点も有する。

ここで、表面粗さRaとは、算術平均粗さのことをいい、シリコン基板２の、窒化アルミニウム単結晶層３と接する表面２ａの表面粗さRaが0.2nm未満では、上記転位低減の効果が得られず、むしろ転位が増加してしまい、一方、表面粗さRaが１nmを超えると、ピットの発生によりIII族窒化物層の品質が劣化してしまうことから、表面粗さRaは0.2〜１nmの範囲とする。

アルミニウム拡散領域５は、シリコン基板２の、窒化アルミニウム単結晶層３と接する表面２ａを基準として、シリコン基板２への深さ方向の拡散長が0.3〜1.0μmであるのが好ましい。拡散長が0.3μm未満であると、転位低減の効果が十分発揮されないか、むしろ転位が増加するおそれがあり、拡散長が1.0μmを超えると、アルミニウム拡散領域５に起因するピットが発生してしまうおそれがあるためである。なお、上記の拡散長とは、シリコン基板上に窒化アルミニウム単結晶層を形成後にSIMS(二次イオン質量分析計)にて測定したSi基板内のAl濃度が１×10¹⁵atoms/cm³以上となっている部分の、Si基板と窒化アルミニウム単結晶層との界面からの深さとする。

また、アルミニウム拡散領域５におけるAl濃度は、１×10²⁰atoms/cm³以下とするのが好ましい。濃度が１×10²⁰atoms/cm³を超えると、拡散領域よりピットが発生したり、拡散領域に起因する転位が発生したりするおそれがあるためである。

バッファ構造体４は、用途に応じて、絶縁性を有するものとすることができる。例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT)のような横方向を主電流導通方向とするようなデバイスに用いる場合には、縦方向に電流が流れないよう、バッファ構造体４は絶縁性を有するのが好ましい。このとき、バッファ構造体４の抵抗値は、10⁵Ω・cm以上であるのが好ましい。

このバッファ構造体４は、B_a1Al_b1Ga_c1In_d1N(０≦a₁≦１, ０≦b₁≦１, ０≦c₁≦１, ０≦d₁≦１, a₁+b₁+c₁+d₁=１)材料からなる第１超格子層４ａおよび第１超格子層４ａとはバンドギャップの異なるB_a2Al_b2Ga_c2In_d2N(０≦a₂≦１, ０≦b₂≦１, ０≦c₂≦１, ０≦d₂≦１, a₂+b₂+c₂+d₂=１)材料からなる第２超格子層４ｂを交互に積層してなる超格子積層体を有するのが好ましい。絶縁性のバッファ構造体の厚膜化により、耐圧向上が可能となり、上記超格子積層体とすることにより、III族窒化物膜内の応力を効果的に緩和することができ、厚膜化した際のクラックの発生を抑制できるためである。これは、バッファ構造体４の厚みを２μm以上にする際に十分な効果を発揮する。

また、バッファ構造体４および窒化物半導体６のバッファ４側の部分のＣ濃度はいずれも１×10¹⁸/cm³以上とするのが好ましい。バッファ構造体４のＣ濃度を１×10¹⁸/cm³以上とすることにより、縦方向耐圧を向上させることができ、窒化物半導体６のバッファ４側の部分のＣ濃度を１×10¹⁸/cm³以上とすることにより、横方向耐圧を向上させることができるとともに、横方向リーク電流を抑制することができるためである。なお、不純物を増加させすぎることによるピットの発生を防止するため、これらのＣ濃度は１×10²⁰/cm³未満とするのが好ましい。その他の不純物量については、特に指定されるものではないが、不純物準位の浅いドナー不純物(Si, Ge)の混入は抑制することが好ましい。なお、不純物濃度は、SIMS分析を用いて、表面側からエッチングしながら、深さ方向の不純物濃度分布を測定することにより同定した。

次に、本発明に従う電子デバイス用エピタキシャル基板１の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明に従う電子デバイス用エピタキシャル基板の製造方法は、一例として図１に示されるように、シリコン基板２の表層部にアルミニウム拡散領域５を形成する工程と、シリコン基板２上に窒化アルミニウム単結晶層３をエピタキシャル形成する工程と、窒化アルミニウム単結晶層３上にバッファ構造体４を形成する工程とを具え、アルミニウム拡散領域５を形成する工程は、シリコン基板２を、基板温度950℃以上、より好ましくは1000℃以上でAl(CH₃)₃ガス雰囲気下で暴露処理すること(ＴＭＡプレフロー)を含み、かかる構成を有することにより、シリコン基板２上の表面粗さを適度な範囲とできる結果、窒化アルミニウム単結晶層３の成長の際に横方向成長を誘起することにより転位を低減できるので、この上方に成長されるIII族窒化物半導体６の結晶性を向上させることができるものである。

シリコン基板２の面方位は特に指定されず、(111),(100),(110)面等を使用することができるが、III族窒化物の(0001)面を表面平坦性よく成長させるためには、(111)面を使用することが望ましい。また、ｐ型、ｎ型いずれの伝導型としてもよい。Si単結晶基板２の導電性については、10000Ω・cm以上の絶縁性の高い高比抵抗基板から、0.001Ω・cm程度までの低比抵抗基板まで、用途に応じて適宜使用することができる。このSi単結晶基板２の製法としては、CZ法・FZ法等各種方法を用いることができ、基板表面にSiをエピタキシャル成長することもできる。また、基板表面に酸化膜・窒化膜・炭化膜からなる薄膜が本発明のアルミニウム拡散に影響を与えない範囲で形成されているものを用いることも可能である。なお、窒化アルミニウム単結晶層３も、前記暴露処理と同じ基板温度950℃以上で成長されることができる。

上記暴露処理の時間は、40秒以上とするのが好ましい。暴露処理の時間が40秒未満だと、シリコン基板２の表面２ａを十分に荒らすことができないためである。一方、暴露処理の時間が160秒を超えると、ピットが発生してしまうことから、暴露処理の時間は160秒以下とするのがより好ましい。また、上記の暴露処理のAl(CH₃)₃ガスの流量等は、製造装置によって、表面粗さが所定の範囲となるように適宜設定することができる。

なお、図１は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。たとえば、各層の間に本発明の効果に悪影響を与えない程度の中間層を挿入したり、他の超格子層を挿入したり、組成に傾斜をつけたりすることは可能である。また、Si基板の表面に、窒化膜、炭化膜などを形成することもできる。さらに、各層の厚さは用途に応じて適宜設定することができる。

（実施例１）
5000Ω・cmの比抵抗を持ち、FZ法により作製された４インチシリコン基板を、基板温度1025℃で、圧力10kPaにて、4μmol/minの供給量のAl(CH₃)₃ガス雰囲気(キャリアガス:水素および窒素)に90秒間暴露することにより、基板の表層部にアルミニウム拡散領域を形成した後、同じく基板温度1025℃で、圧力10kPaにて、120μmol/minの供給量のAl(CH₃)₃ガスと12SLMの供給量のNH₃ガス雰囲気で７分間流すことにより窒化アルミニウム単結晶層(厚さ:0.1μm)をエピタキシャル形成した。
この窒化アルミニウム単結晶層上に、超格子積層体(1025℃、10kPa、第１超格子層:Al_0.15GaN_0.85N、膜厚22.5nm、第２超格子層:AlN、膜厚3nm、合計120組)を成長させて絶縁性のバッファ構造体を形成し、この超格子積層体上に、耐圧層(1025℃、10kPa、GaN材料、厚さ:0.2μm)、チャネル層（1075℃、100kPa、GaN材料，厚さ:1.3μm）および電子供給層(Al_0.25Ga_0.75N材料、厚さ:25nm)からなるIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させてIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を形成した。成長方法としてはMOCVD法を用い、III族原料としては、TMA(トリメチルアルミニウム:Al(CH₃)₃)・TMG(トリメチルガリウム:Al(CH₃)₃)、Ｖ族原料としてはアンモニアを用い、キャリアガスとして、水素および窒素ガスを用いた。

（比較例１）
シリコン単結晶基板をAl(CH₃)₃ガス雰囲気に暴露しないこと以外は、実施例１と同様の方法によりIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を形成した。

（比較例２）
暴露時間を30秒としたこと以外は、実施例１と同様の方法によりIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を形成した。

（比較例３）
暴露時間を180秒としたこと以外は、実施例１と同様の方法によりIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を形成した。

（評価）
実施例１および比較例１のシリコン基板について、上記III族窒化物半導体をエピタキシャル形成した段階のサンプルについて、SIMSを用いてシリコン基板中のAl濃度を分析した。これらの結果をそれぞれ図２および図３に示す。なお、Al濃度のSIMS測定は、シリコン基板を適切な厚さまでエッチング除去し、シリコン基板側から窒化アルミニウム単結晶層側へ測定されるように行った。なお、比較し易いように、横軸の深さ情報を、窒化アルミニウム単結晶層３と接する界面を基準(０μm)となるように修正している。

図２および図３に示す結果から明らかなように、比較例１のシリコン基板にはアルミニウム拡散領域が形成されていない(図３)のに対し、本発明に従う実施例１のシリコン基板には、シリコン基板２の、窒化アルミニウム単結晶層３と接する界面(０μm)から0.7μmの深さ位置までの範囲に、Al濃度が1×10¹⁵atoms/cm³以上のアルミニウム拡散領域が形成されていることがわかる(図２)。すなわち、拡散長は0.7μmであった。

なお、図には示されないが、比較例２のシリコン基板には、Al濃度が１×10¹⁵atoms/cm³以上のアルミニウム拡散領域が0.2μmの深さ位置までの範囲に形成され（拡散長0.2μm）、比較例３のシリコン基板には、Al濃度が１×10¹⁵atoms/cm³以上のアルミニウム拡散領域が、1.2μmの深さまでの範囲に形成されていた（拡散長1.2μm）。

また、SIMSを用いて同様にして窒素濃度の分析を行った。Al濃度とは同時分析できないため図には示されないが、窒素と同時に測定した酸素や水素濃度の挙動により判明するシリコン基板と窒化アルミニウム単結晶層３との接する界面よりSi基板側において窒素ピークの立ち上がりが見られ、界面より先は窒化アルミニウムとして存在していることが確認された。これにより、Al層が存在しないこと、さらに窒化アルミニウム単結晶層形成時のアンモニアによるSi基板表面への窒素混入が推察できる。さらに、窒化アルミニウム単結晶層３は、TEM回折像より異軸成長に由来する回折パターンが観察されないことにより、単結晶であることが確認された。

図４(a)〜(c)は、比較例２、実施例１、および比較例３のAl(CH₃)₃ガス雰囲気による暴露を行った段階でのサンプルについて、原子間力顕微鏡(AFM)で観察した結果をそれぞれ示したものである。供給時間の増大により、表面粗さが増大していることがわかる。このとき、それぞれの表面粗さRaは0.17m,0.37nm，1.30nmであった。これら表面粗さの変化は、SiとAlが反応し、Alがシリコン基板内に侵入した結果であり、単層としてのAl層は形成されていなかった。なお、比較例１のAl(CH₃)₃ガス雰囲気に暴露しないシリコン基板の表面粗さRaは0.10nmである。

さらに、これら実施例１および比較例１〜３のIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板のIII族窒化物半導体表面からの(002)面および(102)面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した結果を図５(a),(b)に示す。図中、各プロットが上記図４(a)〜(c)のいずれかに対応するかが示されている。また、比較例１は図中のＴＭＡプレフロー時間が０secのプロットである。図５(a),(b)から分かるように、本発明に従う実施例１(グラフ中(b)で示される)のIII族窒化物半導体は、ＴＭＡプレフローによる表面粗さRaが0.17nmと小さいシリコン基板上の比較例２(グラフ中(a)で示される)およびＴＭＡプレフローをしない比較例１のIII族窒化物半導体よりも結晶性が良いことがわかる。また、ＴＭＡプレフローによる表面粗さRaが1.30nmと大きいシリコン基板上の比較例３(グラフ中(c)で示される)のIII族窒化物半導体は、結晶性はよいものの、表面にピットが観察された。さらに、比較例２のIII族窒化物半導体は、ＴＭＡプレフローをしなかった比較例１よりも、結晶性が悪化していることがわかる。これは、表面凹凸化による転位増加分に対し、上層の横方向成長による低転位化が、不十分な表面凹凸化により有効に働かなかったためであると考えられる。

なお、上記実施例・比較例においては、5000Ω・cmの比抵抗を持つFZ法にて製造したシリコン基板を用いているが、20Ω・cmの比抵抗を持つCZ法にて製造したＰドープｎ型シリコン基板およびＢドープｐ型シリコン基板でも同様の効果が得られた。

本発明によれば、シリコン基板にアルミニウム拡散領域を設け、表面粗さを適正範囲に設定することにより、その上方に成長するIII族窒化物半導体の結晶性を向上させることができる電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法ならびにIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板を提供することができる。

１ 電子デバイス用エピタキシャル基板
２ シリコン基板
３ 窒化アルミニウム単結晶層
４ バッファ構造体
４ａ 第１超格子層
４ｂ 第２超格子層
５ アルミニウム拡散領域
６ III族窒化物半導体

Claims (6)

1. シリコン基板と、
   該シリコン基板上に形成した窒化アルミニウム単結晶層と、
   該窒化アルミニウム単結晶層上に形成した、少なくとも一組以上の超格子層を含むバッファ構造体と
   を具える電子デバイス用エピタキシャル基板であって、
   前記シリコン基板の表層部には、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面から基板厚さ方向に広がるアルミニウム拡散領域が設けられ、
   前記シリコン基板の、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面の表面粗さRaは、0.2〜１nmの範囲であることを特徴とする電子デバイス用エピタキシャル基板。
2. 前記アルミニウム拡散領域は、その拡散長が、前記シリコン基板の、前記窒化アルミニウム単結晶層と接する表面を基準として、シリコン基板の深さ方向へ0.3〜1.0μmの範囲である請求項１に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
3. 前記アルミニウム拡散領域におけるAl濃度は、１×10¹⁵〜１×10²⁰atoms/cm³の範囲である請求項１または２に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
4. 前記バッファ構造体は、絶縁性を有する請求項１、２または３に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
5. 前記バッファ構造体は、B_a1Al_b1Ga_c1In_d1N(０≦a₁≦１, ０≦b₁≦１, ０≦c₁≦１, ０≦d₁≦１, a₁+b₁+c₁+d₁=１)材料からなる第１超格子層および該第１超格子層とはバンドギャップの異なるB_a2Al_b2Ga_c2In_d2N(０≦a₂≦１, ０≦b₂≦１, ０≦c₂≦１, ０≦d₂≦１, a₂+b₂+c₂+d₂=１)材料からなる第２超格子層を交互に積層してなる超格子積層体を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子デバイス用エピタキシャル基板。
6. 請求項１〜５に記載のバッファ構造体上に、窒化ガリウム層を具えるIII族窒化物電子デバイス用エピタキシャル基板。