(57)【要約】【課題】  大口径かつこれまでのシリコンプロセスを流用可能な窒化ガリウム系化合物半導体および製造方法を提案する。【解決手段】  半導体材料として優れた特性を持つ窒化ガリウム系化合物を比較的安価なＳｉ基板上に形成することを特徴とする。Ｓｉ基板上へ形成することにより、これまでのシリコンプロセスを活用することが可能となる。【選択図】  図１
2006222402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Sｉ（１１０）基板上にβ−ＳｉＣ薄膜の一層のみ、または、β−ＳｉＣ薄膜およびＡｌＮ薄膜の二層の中間層を用いることを特徴とする窒化ガリウム化合物半導体。
【請求項２】
中間層のβ−ＳｉＣの面方位（１１１）であることを特徴とする。
【請求項３】
中間層は、０．０２〜５μmのβ−ＳｉＣ層のみ、または、０．０２〜５μmのβ−ＳｉＣ層および０．０１〜０．１μmのＡｌＮ薄膜の二層を用いることを特徴とする。
【請求項４】
窒化ガリウム系化合物とは、GaNだけでなくAlGaNやGaInNなどの混晶を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ＧａＮに代表される窒化ガリウム系化合物半導体は、広いバンドギャップを有し、紫外光などの短波長発光素子だけでなく、高出力高効率および高周波電子素子などの次世代電子素子としての応用が期待される材料である。特にＳｉ基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、現在のＳｉ半導体工程の装置および技術を活用できる可能性があり、産業技術の開発コストにおける優位性からも、実用化が求められる材料である。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体は、融点が高く窒素の平衡蒸気圧がきわめて高いため、融液からのバルク結晶成長は容易でなく、単結晶作製はＧａＮ基板結晶が存在しないことから異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長がおこなわれている。
基板としては、主に熱膨張係数の近いサファイア基板が用いられる。また、比較的格子常数の近いＳｉＣ基板や、ＳｉおよびＧａＡｓ基板なども検討されている。
サファイア基板上への窒化ガリウム系化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長は、ＡｌＮなどの低温緩衝層を介しておこなわれる。
【０００３】
ＳｉＣ基板上への窒化ガリウム系化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長は、直接またはＡｌＮなどの緩衝層を介しておこなわれる。
Ｓｉ基板上への窒化ガリウム系化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長は、ＳｉとＧａが反応してしまうこともあり、β−ＳｉＣまたはＡｌＮなどの緩衝層を介しておこなわれる。ここで、β−ＳｉＣはＳｉ基板表面を炭化しただけの薄膜炭化層である。
ＡｌＮ緩衝層の場合、薄膜一層のみではさらに窒化ガリウム系化合物半導体を成長した際にＳｉ基板との熱膨張差により大きな反りおよびクラックが発生するため、ＡｌＮ/ＧａＮを繰り返し形成した多層緩衝層として最終的なＧａＮ成長層を成長させている。
Ｓｉ基板上へ窒化ガリウム系化合物半導体をヘテロエピタキシャル成長させる場合、結晶系の違いから、ＧａＮのような六方晶系に対して立方晶系のＳｉ基板では面方位（１１１）が用いられる。
【非特許文献１】III族窒化物半導体  赤崎勇編著  培風館
【特許文献１】特開2001-177190
【非特許文献２】サンケン電気（株）広報  2001.11
【０００４】
一般にＳｉ基板上にＳｉＣ単結晶を成長させる場合、Ｓｉ基板面方位と同じ面方位の３Ｃ−ＳｉＣがエピタキシャル成長されるが、面方位（１１０）のＳｉ基板を用いた場合、異なる面方位（１１１）の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を成長したとの報告がある。
【非特許文献３】T.Nishiguchi,Y.Mukai,S.Ohshima,S.Nishino,phys.stat.sol.(c)Vol.0(2003),2585
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化ガリウム系化合物半導体は、その優れた物性より現在主流であるＳｉ半導体によるデバイスの物性限界を凌駕するものとして期待されている。ところが、その結晶を得るためのヘテロエピタキシャル成長において、サファイア基板やＳｉＣ基板などを用いるため、非常に高額なものになっている。また、Ｓｉ基板上へのヘテロエピタキシャル成長も試みられているが、それぞれ以下の問題により良好な結晶が得られていない。
【０００６】
中間層としてＳｉ基板表面の炭化によるβ−ＳｉＣ層を用いる場合、炭化によって得られるＳｉＣ層は数１０nmと非常に薄いため、窒化ガリウム系化合物結晶と基板のＳｉとの格子不整合緩和の効果は得られるが、熱膨張差を緩和するにいたらず、窒化ガリウム系化合物の結晶層が必要な厚み(２μm程度)に達する前にクラックが発生してしまう。
【０００７】
中間層としてＡｌＮ/ＧａＮの多層緩衝層を用いる場合は、デバイスとして必要な窒化ガリウム系化合物結晶層が得られたとの報告があるが、必要な結晶層とほぼ同等もしくはそれ以上の多層緩衝層が必要であり、あまり効率的とは言えない(２．４μmの多層緩衝層を介して１μm厚のＧａＮクラックフリー層を成長)。
【０００８】
上記の要求および問題点に対して、ＳｉＣ結晶成長による緩衝層の厚み増加を提案しているが（整理番号：ＴＳＡ４２０５Ｐ）、使用するＳｉ基板の面方位を（１１１）に限定していた。
面方位（１１１）のＳｉ基板を用いた際の問題点としては、中間層としてＳｉＣ層を成長した場合、面方位（１１１）に成長するが反りが大きく、Ｓｉ基板厚さが薄くなるに従って必要膜厚の成長が困難になる。例えば、Ｓｉ基板厚さ４００μmに対してＳｉＣ中間層厚さ２μm以上でクラックが発生した。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、大口径かつこれまでのシリコンプロセスを流用可能な窒化ガリウム系化合物半導体および製造方法を提案する。
半導体材料として優れた特性を持つ窒化ガリウム系化合物を比較的安価なＳｉ基板上に形成することを特徴とする。Ｓｉ基板上へ形成することにより、これまでのシリコンプロセスを活用することが可能となる。
【００１０】
Ｓｉ(Dia.)とＧａＮ(Wrz.)の結晶型の違いを考慮し、基板Ｓｉ面方位を（１１１）に限定していたが、Ｓｉ（１１０）上にＳｉＣ（１１１）成長することから〔非特許文献３〕、基板Ｓｉ面方位（１１０）でもＳｉＣ（１１１）中間層を形成することにより窒化ガリウム系化合物半導体を製造可能とする。
なお、同一面方位となるＳｉ（１１１）上のＳｉＣ（１１１）成長における問題点であった反りに対しては、Ｓｉ（１１０）上のＳｉＣ（１１１）成長では面方位の違いから格子不整合の異方性が大きくなることにより反りの発生による応力集中が緩和、ＳｉＣ中間層膜厚を増加することが可能となる（例えば、反りによりお椀型になるか舟形になるかの違い）。同じＳｉ基板厚さにおいて、中間層のβ−ＳｉＣ層厚みの最大値がＳｉ（１１１）基板を使用した場合の２倍以上成長可能である。
【００１１】
■格子不整合比較■
SiC(111)/Si(111)・・[1-11]Si//[1-11]SiC方向=24.7%，[11-2]Si//[11-2]SiC方向=13.1%
SiC(111)/Si(110) ・・[1-11]Si//[1-11]SiC方向=24.7%，[00-1]Si//[11-2]SiC方向=1.9%
【００１２】
Ｓｉ基板上に窒化ガリウム系化合物ヘテロエピタキシャル成長するための中間層として、既成のＳｉ表面炭化によるβ−ＳｉＣ層だけでなく所定の膜厚までβ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル成長することを特徴とする。Ｓｉ基板の表面炭化によるβ−ＳｉＣ層は、Ｃ元素の拡散および界面反応の限度により表層１０nm程度しか形成されず、窒化ガリウム系化合物を形成した際のクラック抑制効果が得られない。
【００１３】
Ｓｉ表面炭化によるＳｉＣ層だけでなく０．０２μm以上の膜厚までＳｉＣヘテロエピタキシャル成長することで、格子不整合緩和の効果に加えてＳｉＣの高剛性により熱膨張差の応力を緩和して、その後、窒化ガリウム系化合物の必要膜厚までクラックを発生させずに成長することを可能にする。
窒化ガリウム系化合物の膜厚増加に伴い、中間層のＳｉＣ膜厚が厚いほどＳｉ基板との応力緩和の効果が発揮されると考えられるが、厚くなりすぎた場合、ＳｉＣ層とＳｉ基板との熱膨張差による大きな反りが発生し、プロセスが困難となる。この点において、面方位（１１０）のＳｉ基板を使用することは優位である。
【００１４】
中間層のβ−ＳｉＣ層に直接窒化ガリウム系化合物を成長させることも可能であるが、表面の余剰ＳｉとＧａが反応してしまい正常なエピタキシャル成長が継続できない場合が生じるため、あらかじめＳｉＣ層表面をＡｌＮ薄膜で覆ってから窒化ガリウム系化合物を成長させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｓｉ基板上にクラックを発生させることなく窒化ガリウム系化合物を形成することができ、Ｓｉ基板を利用することにより、サファイア基板やＳｉＣ基板と比べて安価で大口径の窒化ガリウム系化合物半導体基板を実現できる。また、Ｓｉ基板上へ形成されることで現在のＳｉ半導体工程の装置および技術を活用できる可能性があり、産業技術の開発コストにおける優位性も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
【実施例】
【００１７】
実施例１：
1)厚さ３８１μm、φ３inchの結晶面方位（１１０）のＳｉ基板を使用。まず、表面をケミカルエッチングしたＳｉ基板を基板ホルダーにのせ、反応管内の成長領域にセットする。ガス導入管からキャリアガスとして水素（Ｈ2 ）を供給しながら、Ｓｉ基板を１１００℃に昇温して基板表面クリーニングをおこなった。
2)その後、プロパン原料ガスを流した雰囲気において温度１１００℃の熱処理を施すことでＳｉ基板表面を炭化し、まず１０nm程度のβ−ＳｉＣ単結晶層を形成した。
3)引き続き原料ガスとしてモノシランとプロパンを導入し、温度１２００℃の気相成長によりβ−ＳｉＣ層の膜厚を３μmに形成した。β−ＳｉＣ単結晶層の総膜厚は、原料濃度、温度および時間により調整可能である。
4)最後に形成されたβ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル成長層の上にＧａＮの成膜を実施した。ＧａＮ成膜は、ＳｉＣ層形成後、ＳｉＣ原料ガスを停止し雰囲気を清浄化した後、基板温度を成長温度１０５０℃に調整、アンモニアとトリメチルガリウムを導入して  ＭＯＶＰＥ法によりおこなった。成長膜厚は３．５μmであった。得られたGaN結晶を評価した結果、X線回折による半値幅および欠陥密度はサファイア基板上に成長した場合と同等以上であった。また、基板の反りが５０μm程度存在したが、クラック発生は無かった。
【００１８】
実施例２：
1)厚さ３８１μm、φ３inchの結晶面方位（１１０）のＳｉ基板を使用。まず、表面をケミカルエッチングしたＳｉ基板を基板ホルダーにのせ、反応管内の成長領域にセットする。ガス導入管からキャリアガスとして水素（Ｈ2 ）を供給しながら、Ｓｉ基板を１１００℃に昇温して基板表面クリーニングをおこなった。
2)その後、炉内温度を１０００℃以下まで下げ、８３０℃にて原料ガスとしてモノメチルシランを導入し０．５μmのβ−ＳｉＣ結晶層を形成した。
3)形成されたβ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル成長層の上にＧａＮの成膜を実施した。
ＧａＮ成膜は、ＳｉＣ層形成後、ＳｉＣ原料ガスを停止し雰囲気を清浄化した後、基板温度を成長温度１０５０℃に調整、アンモニアとトリメチルガリウムを導入してＭＯＶＰＥ法によりおこなった。成長膜厚は１．５μmであった。得られたGaN結晶を評価した結果、X線回折による半値幅および欠陥密度はサファイア基板上に成長した場合と同等以上であった。また、クラック発生は無かった。
【００１９】
実施例３：
・実施例１の3),4)の間にＡｌＮ薄膜層を成長した。
β−ＳｉＣ層を形成後、ＳｉＣ原料ガスを停止し雰囲気を清浄化してから基板温度をＡｌＮ成長温度の６００℃に調整した。その後、トリメチルアルミとアンモニアを導入してＡｌＮ薄膜を３０nm程度形成した。
・ＡｌＮ薄膜層を形成後、実施例１と同様にＧａＮ層を形成した。成長膜厚は３．６μmであった。得られたGaN結晶を評価した結果、X線回折による半値幅および欠陥密度はサファイア基板上に成長した場合と同等以上であった。また、基板の反りが４８μm程度存在したが、クラック発生は無かった。
【００２０】
比較例１：
・実施例１の3)β−ＳｉＣ結晶成長を実施せずにＳｉ基板表面の炭化によるＳｉＣ層のみで、その他は同様の条件にてＧａＮ成膜をおこなった。
・得られたＧａＮ基板は、外周部より多数のクラックが発生しており、クラックフリーでのＧａＮ結晶層の形成は約０．７μm以下までであった。
【００２１】
比較例２：
・中間層として比較例１の炭化によるＳｉＣ層(１０nm)に加えてＡｌＮ薄膜層(３０nm)の二層形成した場合も同様の結果であった。
【００２２】
比較例３：
・中間層としてＡｌＮ薄膜層のみとした場合、クラックフリーでのＧａＮ結晶層の形成は約０．３μm以下までであった。
【００２３】
比較例４：
・厚さ３８１μm、φ３inchの結晶面方位（１１１）のＳｉ基板を使用。実施例１の3)β−ＳｉＣ結晶成長においてＳｉＣ層を２μm形成した。
・得られたＳｉＣ（１１１）／Ｓｉ（１１１）基板はお椀型に大きな反りが発生し、ＳｉＣとＳｉ基板の熱膨張差によるマイクロクラックが発生した。
【００２４】
比較例４：
・厚さ３８１μm、φ３inchの結晶面方位（１１１）のＳｉ基板を使用。実施例１の3)β−ＳｉＣ結晶成長においてＳｉＣ層を１μm形成し、その他は同様の条件にてＧａＮ成膜をおこなった。
・得られたＧａＮ基板は、ＳｉＣ中間層による応力緩和しきれず、ＧａＮとＳｉ基板の熱膨張差によるマイクロクラックが発生していた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例の概略図である。
【図１】
2006222402.tif 000003