(57)【要約】【課題】  窒化物半導体ウェーハ製造時の塑性変形による反り不良、接合不良を抑制できる窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】  シリコン単結晶基板より上に気相成長により窒化物半導体薄膜を成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いる窒化物半導体ウェーハの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板より上に気相成長により窒化物半導体薄膜を成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記シリコン単結晶基板上に金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記シリコン単結晶基板として、浮遊帯域溶融法により製造されたシリコン単結晶を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項６】
シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、
前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項７】
前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項８】
前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウェーハの製造方法および窒化物半導体ウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮやＡｌＮをはじめとする窒化物半導体は、２次元電子ガスを用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を作製することができるので、高周波用途の半導体デバイスとしての応用が期待されている。また、上記の窒化物は、機械的特性に優れた圧電体でもあり、通信用高周波フィルターや、センサー、エナジーハーベスターなどへの利用も期待されている。
【０００３】
しかしながら、これらの窒化物半導体のウェーハを作製することは難しく、産業応用上は、サファイヤ基板やＳｉＣ基板、シリコン基板上への気相成長による薄膜が使用されている（例えば、特許文献１）。特に、シリコン基板上への気相成長による薄膜の作製は、サファイヤやＳｉＣに比べて大直径の基板が使用できるので生産性が高く、放熱性の点で有利であり有望と考えられている。しかしながら、シリコン基板上への気相成長による薄膜の作製では、格子定数差や熱膨張係数差による応力によって、反りの増大や塑性変形が起こりやすいので、成長条件や緩和層による応力低減が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−７９９５２号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００５／０３８８９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高周波デバイスでは、高周波特性を改善するため、デバイスやその支持基板、周辺のパッケージの寄生容量を減少させる必要がある（例えば、特許文献２）。寄生容量の低減のため、高抵抗シリコン基板、特に、サーマルドナーの発生しない高抵抗ＦＺシリコン基板（浮遊帯域溶融法により製造されたシリコン単結晶から作製されたシリコン基板）を支持基板やパッケージに利用すると、特性が改善されるとともに、コスト上もメリットがあると考えられる。
【０００６】
一方、デバイス作製は、基板上への気相成長や熱処理、貼り合わせなどの工程を含むが、その過程で異種の材料間の格子定数差や熱膨張係数差で基板に応力が発生する。しかしながら、高抵抗シリコン基板、特に、ＦＺシリコン基板は、通常の低抵抗ＣＺシリコン基板（チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶から作製されたシリコン基板）と比較して、有転位化した時のヤング率が低く、塑性変形しやすいデメリットがある。塑性変形が起こるとウェーハが大きく歪み、形状が元に戻らないため、反り異常や接合不良が発生する恐れがある。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、窒化物半導体ウェーハ製造時の塑性変形による反り不良、接合不良を抑制できる窒化物半導体ウェーハの製造方法及び窒化物半導体ウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶基板より上に気相成長により窒化物半導体薄膜を成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
【０００９】
このように、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜を成長することで、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上という高抵抗のシリコン単結晶基板を使用する場合であっても、基板の反りを小さくすることができ、塑性変形を起こすことも防止できる。
【００１０】
このとき、前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることが好ましい。また、前記シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることがさらに好ましい。
【００１１】
このような窒素濃度がより高いシリコン単結晶基板を用いることにより、さらに基板の反りをより小さくすることができ、塑性変形を防止することができる。
【００１２】
このとき、前記シリコン単結晶基板上に金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることができる。
【００１３】
このように、本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法では、金属からなる中間層を挿入することができ、該中間層は、中間層上に形成される窒化物半導体薄膜からなるデバイス層の結晶性改善や応力の制御のための緩衝層とすることができる。
【００１４】
また前記シリコン単結晶基板として、浮遊帯域溶融法により製造されたシリコン単結晶を用いることが好ましい。
【００１５】
このように、シリコン単結晶基板として、浮遊帯域溶融法により製造されたシリコン単結晶（ＦＺシリコン単結晶）を用いることにより、基板を通したリーク電流を低減することができる。
【００１６】
また、本発明は、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハを提供する。
【００１７】
このような窒化物半導体ウェーハであれば、反りの小さい窒化物半導体ウェーハとすることができ、加工時の割れ等のトラブルを抑制することができる。
【００１８】
このとき、前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが好ましい。また、前記シリコン単結晶基板は、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることがさらに好ましい。
【００１９】
窒化物半導体ウェーハのシリコン単結晶基板が、このようなより高い窒素濃度を有するものであれば、さらに反りの小さい窒化物半導体ウェーハとすることができ、加工時の割れ等のトラブルを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法では、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜を成長することで、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上という高抵抗のシリコン単結晶基板を使用する場合であっても、基板の反りを極めて小さくすることができ、塑性変形を起こすことも防止できる。また、本発明の窒化物半導体ウェーハは、反りの小さい窒化物半導体ウェーハとすることができ、加工時の割れ等のトラブルを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の窒化物半導体ウェーハの一例を概念的に示す概略断面図である。
【図２】本発明の窒化物半導体ウェーハの応用例としてＨＥＭＴ構造を形成した場合を示す概略断面図である。
【図３】実施例１と比較例の気相成長中の曲率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の窒化物半導体ウェーハの概念図を図１に示す。
【００２３】
図１に示した本発明の窒化物半導体ウェーハ１０は、シリコン単結晶基板１２上に窒化物半導体又は金属からなる中間層１４を有し、該中間層１４上に窒化物半導体からなるデバイス層１６を有する。本発明では、シリコン単結晶基板１２は、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上である。特にシリコン単結晶基板１２の中心の窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが好ましい。シリコン単結晶基板１２は、基板を通したリーク電流を低減するために浮遊帯域溶融（ＦＺ、Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）法で製造されたＦＺシリコン単結晶基板であることが好ましい。また、シリコン単結晶基板１２は、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが好ましく、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることがさらに好ましい。
【００２４】
シリコン単結晶基板１２の表面（図１の中間層１４との界面）には、キャリアの寿命を低下させるトラップリッチ層が形成されていても良い。
【００２５】
次に、本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法を説明する。本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法は、シリコン単結晶基板より上に気相成長により窒化物半導体薄膜を成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、シリコン単結晶基板として、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする。
【００２６】
図１を参照して説明すると、本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法は、まず、シリコン単結晶基板１２を準備し、その後、シリコン単結晶基板１２の上にデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜を成長する。本発明では、シリコン単結晶基板１２として、窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いる。このシリコン単結晶基板１２は、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることが好ましく、窒素濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のものを用いることがさらに好ましい。デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の成長の前に、シリコン単結晶基板１２上に中間層１４を形成し、該中間層１４の上に、デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜を成長させることができる。中間層１４は金属からなる中間層でもよく、窒化物半導体からなる中間層でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、組成はデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜と異なっていてもよいし同一でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、中間層１４及びデバイス層１６が窒化物半導体薄膜を構成すると言える。また、中間層１４の組成は成長の途中で変化させてもよい。
【００２７】
本発明の窒化物半導体ウェーハの製造方法では、上記した、準備するシリコン単結晶基板１２として、基板を通したリーク電流を低減するために、浮遊帯域溶融法により製造されたシリコン単結晶を用いることが好ましい。
【００２８】
また、上記のように、シリコン単結晶基板１２の表面に、中間層１４やデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の成長前に、キャリアの寿命を低下させるトラップリッチ層を形成してもよい。トラップリッチ層の形成方法は、イオン注入や電子線、Ｘ線、γ線などの電離放射線の照射によって形成することができる。ただし、トラップリッチ層の形成方法は、これらの方法に限定されない。
【００２９】
中間層１４は、デバイス層の結晶性改善や応力の制御のために挿入される緩衝層として働く。中間層１４は、デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の形成と同一の設備で形成できるという理由から、窒化物半導体とすることが望ましい。一方、中間層１４は、高周波フィルターなどのデバイスの構成上、空間を作るための犠牲層や、電極として用いることができる金属で作製されてもよい。
【００３０】
次に、シリコン単結晶基板１２と中間層１４の上に、ＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相エピタキシー）法やスパッタリングなどの気相成長で、窒化物半導体の薄膜からなるデバイス層１６を作製することができる。窒化物半導体としては、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどを用いることができる。デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜は、例えば１〜１０μｍの厚さとすることができ、デバイスに合わせて設計することができる。
【００３１】
本発明の窒化物半導体ウェーハの応用例として、図２に、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を形成した場合を示した。図２に示したように、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造では、デバイス層１６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層１７とその上に形成されるＡｌＧａＮからなる電子供給層１８で構成される。デバイス層１６は、デバイス特性の向上のため、結晶欠陥が少なく、炭素や酸素などの不純物が少ない結晶が望ましく、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて９００℃〜１３５０℃で製造される。
【００３２】
窒化ガリウムは、シリコン単結晶の（１１１）面と格子定数差が１７％、熱膨張係数差が１１６％あり、高温での成長中に薄膜や基板に応力がかかる。また、成長中１０００℃以上に加熱されているため、ウェーハに応力がかかると脆性破壊せずに、延性を示すようになり、転位を発生させて塑性変形する。
【００３３】
そこで、本発明では、シリコン単結晶基板１２に窒素を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加することによってシリコン単結晶基板１２の転位の進展を防止して、塑性変形を防ぐことができる。塑性変形を防ぐことによって、反り異常を低減して、窒化物半導体ウェーハ１０の製造の歩留まりを向上させることができる。また、シリコン単結晶基板１２が応力に耐えることができるので、気相成長によるデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の膜厚を厚くすることができて、デバイスの設計の自由度が向上する。また、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度を、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、特には５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のようにさらに高くすることにより、基板の反りをより小さくすることができ、塑性変形を防止することができる。なお、シリコン単結晶基板１２に含まれる窒素濃度は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度であれば、シリコン単結晶基板１２の原料であるシリコン単結晶の単結晶化率の低下を防止することができるためである。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
（実施例１）
まず、ＦＺ法で製造した、抵抗率が１０００Ωｃｍであり、窒素をドープしたシリコン単結晶基板１２を準備した。このシリコン単結晶基板をＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）とＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）測定で分析した結果、窒素濃度１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。このシリコン単結晶基板１２の上に、ＭＯＶＰＥ装置で気相成長により中間層１４、デバイス層１６を形成し、窒化物半導体ウェーハ１０を製造した。図３に実施例１と後述する比較例の気相成長中の曲率の変化を示す。図３に示すように、気相成長中に塑性変形は起きなかった。また、製造後の窒化物半導体ウェーハ１０は、成長後の反りが−１８．８μｍと、後述する比較例で製造した窒化物半導体ウェーハに比べて小さいことがわかった。
【００３６】
（実施例２）
準備したシリコン単結晶基板１２の窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハ１０を製造した。成長後の反りは−２０．２μｍと後述する比較例で製造した窒化物半導体ウェーハに比べて小さいことがわかった。
【００３７】
（比較例）
シリコン単結晶基板の窒素濃度が４．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることを除き、実施例１と同様の条件で窒化物半導体ウェーハを製造した。図３中の曲率変化で示されるように、成長中に塑性変形が起こった。製造された窒化物半導体ウェーハは、成長後の反りが−２９３．１μｍと大きく不良となった。
【００３８】
実施例１、２、比較例から、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、基板の反りをより小さくすることができるという本発明の効果が得られることがわかった。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４０】
１０…窒化物半導体ウェーハ、
１２…シリコン単結晶基板、
１４…中間層、
１６…デバイス層（窒化物半導体薄膜）、
１７…ＧａＮ層、
１８…ＡｌＧａＮ層（電子供給層）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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