(57)【要約】  本発明は積層半導体基板に関し、積層半導体基板は、少なくとも８０％のケイ素ならびに第１の厚さおよび第１の格子定数ａ1を有する単結晶の第１の層（１）を備え、第１の格子定数ａ1は第１のドーパントエレメントおよび第１のドーパント濃度によって定められ、さらに少なくとも８０％のケイ素ならびに第２の厚さおよび第２の格子定数ａ2を有する単結晶の第２の層（２）を備え、第２の格子定数ａ2は第２のドーパントエレメントおよび第２のドーパント濃度によって定められ、第２の層（２）は第１の層と直接接触し、さらに第２の層が第１の層と第３の層との間に配置されるよう、ＩＩＩ族窒化物を含む単結晶の第３の層（４）を備え、第２の格子定数は第１の格子定数よりも大きく、第１の層（１）および第２の層（２）の結晶格子は格子整合され、積層半導体基板の反りは−５０μｍから５０μｍの範囲にある。本発明はさらにこの積層半導体基板を製造するための方法に関する。
2014526138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層半導体基板であって、
−少なくとも８０％のケイ素を含み、第１の厚さおよび第１の格子定数（ａ1）を有する単結晶の第１の層（１）を備え、前記第１の格子定数（ａ1）は第１のドーパントエレメントおよび第１のドーパント濃度によって定められ、さらに
−少なくとも８０％のケイ素を含み、第２の厚さおよび第２の格子定数（ａ2）を有する単結晶の第２の層（２）を備え、前記第２の格子定数（ａ2）は第２のドーパントエレメントおよび第２のドーパント濃度によって定められ、前記第２の層（２）は第１の層と直接接触し、さらに
−第２の層が第１の層と第３の層との間に配置されるよう、ＩＩＩ族窒化物からなる単結晶の第３の層（４）を備え、
前記第２の格子定数（ａ2）は第１の格子定数（ａ1）よりも大きく、前記第１の層（１）および第２の層（２）の結晶格子は、格子整合し、積層半導体基板の反りは、−５０μｍから５０μｍの範囲にある、積層半導体基板。
【請求項２】
前記第１および第２のドーパントエレメントは同一である、請求項１に記載の積層半導体基板。
【請求項３】
前記第１のドーパントエレメントおよび第２のドーパントエレメントは、ケイ素よりも小さい共有結合原子半径を有する元素であり、前記第１のドーパント濃度は前記第２のドーパント濃度よりも高い、請求項２に記載の積層半導体基板。
【請求項４】
前記第１のドーパントエレメントおよび第２のドーパントエレメントはホウ素である、請求項３に記載の積層半導体基板。
【請求項５】
前記第２のドーパント濃度はゼロである、請求項３または４に記載の積層半導体基板。
【請求項６】
前記第１のドーパントエレメントおよび第２のドーパントエレメントは、ケイ素よりも大きい共有結合原子半径を有する元素であり、第２のドーパント濃度は前記第１のドーパント濃度よりも高い、請求項２に記載の積層半導体基板。
【請求項７】
前記第１のドーパントエレメントおよび第２のドーパントエレメントは、ゲルマニウムまたはアンチモンである、請求項６に記載の積層半導体基板。
【請求項８】
前記第１のドーパント濃度はゼロである、請求項６または７に記載の積層半導体基板。
【請求項９】
前記第１のドーパントエレメントは、ケイ素よりも小さい共有結合原子半径を有し、前記第２のドーパントエレメントはケイ素よりも大きい共有結合原子半径を有する、請求項１に記載の積層半導体基板。
【請求項１０】
前記第１のドーパントエレメントはホウ素であり、前記第２のドーパントエレメントはゲルマニウムまたはアンチモンである、請求項９に記載の積層半導体基板。
【請求項１１】
請求項１に記載の積層半導体基板を製造するための方法であって、
−少なくとも８０％のケイ素と第１のドーパント濃度を有する第１のドーパントエレメントとを含む単結晶を成長させるステップを備え、前記単結晶は第１の格子定数を有し、
−前記単結晶から少なくとも１枚のウェハをスライスするステップと、
−前記ウェハの厚さを第１の厚さに減少させるステップとを備え、前記ウェハは第１の層（１）を構成し、
−第２の層（２）を前記ウェハの１つの表面上にエピタキシャルに生成するステップと、
−ＩＩＩ族窒化物を含む第３の層（４）をエピタキシャルに生成するステップとを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物層の生成のための基板として用いることができる、ケイ素に基づく積層半導体基板、およびその基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）層がケイ素（Ｓｉ）基板上にエピタキシャルに生成される（ＧａＮ−オン−Ｓｉ層構造）場合には、いくつかの基本的問題があり、これはＧａＮとＳｉ（ｌｌｌ）との間の材料の不整合に起因する。たとえば、ＧａＮの熱膨張係数（ＴＥＣ）はケイ素の熱膨張係数よりも大きい。同じことが周期表の３族の他の元素の窒化物にもいえる。この熱膨張係数の違いは、ＩＩＩ族窒化物層の生成温度が室温に下がる際にウェハが広い範囲で凹状に湾曲することを引起す。湾曲の程度は、ＩＩＩ族窒化物層の厚さが増加するにつれ大きくなる。ウェハの湾曲がひどすぎると、さらなる処理は不可能である。したがって、湾曲は低く抑えなければならない。
【０００３】
いくつかの解決策が提案されている。最新技術は、圧縮応力を生成するＧａＮ層のスタックに中間層を生成することである。たとえば、低い温度で生成される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）中間層がある。たとえばＵＳ２００３／０１３６３３３Ａ１は、ケイ素基板上でＧａＮ層のスタック内にいくつかのＡｌＮ中間層を生成することを開示している。ＡｌＮはＧａＮよりも小さい格子定数を有する。したがって、ＡｌＮ上で成長したＧａＮ層は成長の際圧縮を受ける。この圧縮は、冷却の際に起こる引張り応力を補う。これにより、厚くかつクラックのないＧａＮ層がケイ素基板上に生成されることを可能にする。
【０００４】
ＡｌＮ層は低い温度で生成されなければならず、これにより成長速度は遅い。したがって、アルミニウム層の生成は非常に時間が掛かる。さらに、約１１００℃の相対的に高い温度で行なわれるＧａＮ層の生成は、中断されなければならない。ＧａＮおよびＡｌＮ生成工程間の温度の下降および上昇はさらに時間をとることになる。別の不利点は、ＡｌＮ中間層によってＧａＮ層内に形成される付加的応力であり、これはＧａＮ層の欠陥密度を増加させる。
【０００５】
代替的に、１つ以上の層をウェハの裏面側に生成し、これはウェハの上面側のＧａＮ層による湾曲に対抗する湾曲を生成する。米国特許第４，８３０，９８４号は、凸状上面を有する歪みのある構造を形成するために、ケイ素基板ウェハの裏面に金属（たとえばタングステン）シリサイドの層を生成し、それをアニーリングすることを教示している。その後、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層がケイ素基板ウェハの上面側に生成される。当該構造を室温まで下げる際、両方の層、すなわち上面側のＧａＡｓ層と裏面側の金属ケイ化物層はケイ素基板ウェハのそれぞれの側に引張り力を与え、それによりＧａＡｓ層のほぼ平坦な面となる。応力を受けている裏側層の生成はいくつかの処理工程の追加（裏側層の生成（潜在的にはウェハを裏返す）、エッジおよび上面側をエッチングして堆積物を除去する、上面側をさらに研磨する）を必要とし、これは製造に複雑性およびコストを加えることになる。さらに、非Ｓｉの裏側は以降のすべての処理工程での汚れの源となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明によって解決する問題は、湾曲が小さい高品質のＩＩＩ族窒化物層であって、その製造は既知の構造のものよりも時間が掛からない方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この問題は、積層半導体基板によって解決され、この積層半導体基板は：
−少なくとも８０％のケイ素を含有し、第１の厚さおよび第１の格子定数ａ1を有する単結晶第１層１を備え、第１の格子定数ａ1は第１のドーパントエレメントおよび第１のドーパント濃度によって定められ、さらに
−少なくとも８０％のケイ素を含有し、第２の厚さおよび第２の格子定数ａ2を有する単結晶第２層２を備え、第２の格子定数ａ2は第２のドーパントエレメントおよび第２のドーパント濃度によって定められ、第２の層２は第１の層と直接接触し、さらに
−第２の層が第１の層と第３の層との間に配置されるよう、ＩＩＩ族窒化物を含む単結晶第３層４を備え、
第２の格子定数ａ2は第１の格子定数ａ1よりも大きく、第１の層１および第２の層２の結晶格子は格子整合し、積層半導体基板の反りは、−５０μｍから５０μｍの範囲にある。
【０００８】
先行技術に反して、本発明は、基板上に生成されるべきＩＩＩ族窒化物層によって与えられる応力を補償するために、完全にケイ素に基づく積層を用いて応力を生成する。
【０００９】
本発明に従い、基板の第２の層の組成は、少なくとも１つのエレメントを、第２および第１の層間で格子不整合をもたらす少なくとも１つの層に追加することにより、第１の層について変更される。ドーパントエレメントおよびその濃度は、第２の層の格子定数が第１の層の格子定数よりも大きいよう選択される。本明細書において、「格子定数」の用語は、結晶格子が弛緩した場合の材料の格子定数であると理解される。第１の層１上に生成される第２の層２の場合のように、材料が歪みのあるヘテロエピタキシャル層を形成するのなら、その実際の面内格子定数は弛緩した状態の材料の格子定数からずれる。第１および第２の層のドーパントエレメントと、ドーパントエレメントの濃度（以降、ドーパント濃度」と呼ぶ）と、厚さとを調整することにより、ある量の応力が生成され、ウェハに凸状の湾曲をもたらす。基板に形成されるこの応力の量は、基板の第２の層の上または上方に生成されるＩＩＩ族窒化物層からもたらされる応力に対抗するのに十分である。
【００１０】
本発明は湾曲を減らすために、他の技術と組合せることもできる。たとえば、上記の先行技術の技法または基板上の優先する湾曲の使用を組合せることができる。
【００１１】
本発明の利点は、第２の層上に生成されるＩＩＩ族窒化物層の品質を向上させ、処理時間を減らす（すなわちより低いコストとなる）ことである。なぜなら、ＧａＮのエピタキシャル生成に応力補償層を含む必要はなくなり、（Ａｌ）ＧａＮ緩衝層の成長は簡単になるからである。
【００１２】
より高い品質は、ＩＩＩ族窒化物層内に応力生成層がないことによる。これはＩＩＩ族窒化物層の欠陥密度を減少させる。第１の層または第２の層は、容易に標準のＳｉエピタキシ処理によって他の層の上にエピタキシャルに生成でき、これは層の高い結晶品質をもたらす。
【００１３】
（ＡＬ）ＧａＮバッファ層に応力補償層を生成することに比べて、ドープドＳｉ層の生成はより高いスループット（より低いコスト）を提供する。その結果、全体の処理は簡略化され、製造コストは低くなる。
【００１４】
本発明は３つの図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（本発明には従わない）ケイ素基板上に生成されたＩＩＩ族窒化物層を概略的に示す図である。
【図２】ＩＩＩ族窒化物層の生成の前に、本発明に従う積層半導体基板の中間プロダクトを概略的に示す図である。
【図３】本発明に従い、第１および第２のケイ素系層、中間層、およびＩＩＩ族窒化物層を含む、積層半導体基板を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に従う積層半導体基板は少なくとも以下の３つの層からなる：
単結晶の第１の層１は、少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％のケイ素を含む。（層のすべての組成は、本明細書において原子パーセントで与えられる。）第１の層１は第１の厚さおよび第１の格子定数ａ1を有する。第１の格子定数ａ1は第１のドーパントエレメントおよびこの第１のドーパントエレメントの濃度（本明細書において、「第１のドーパント濃度」と呼ぶ）によって定められる。結晶格子配向は好ましくは（１１１）である。
【００１７】
単結晶の第２の層２も少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％のケイ素を含む。この層は第２の厚さおよび第２の格子定数ａ2を有する。第２の格子定数ａ2は、第２のドーパントエレメントおよびこの第２のドーパントエレメントの濃度（本明細書において「第２のドーパント濃度」と呼ぶ）によって定められる。
【００１８】
第２の層２は第１の層と直接接触する。第１の層１と第２の層２との間には他の層はない。第２の層２は、第２の層２の実際の面内格子定数が第１の層の格子定数面内と整合する、歪みのあるヘテロエピタキシャル層を形成するような態様で生成される。第２の格子定数ａ2は第１の格子定数ａ1よりも大きいので、第２の層２は第１の層１に対して圧縮的に歪む。これは第３の層４の生成の前に、凸状の湾曲（第１の層１に対向する第２の層２の表面に対する）を引起す。この状態は図２に示される。
【００１９】
単結晶の第３の層４（図３）は、周期表のＩＩＩ族の元素の窒素からなる（本明細書において「ＩＩＩ族窒化物」と呼ぶ）。このＩＩＩ族窒化物のうち、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化インジウム（ＩｎＮ）ならびにその混合物が特に重要である。典型的に、積層半導体基板は２つ以上のＩＩＩ族窒化物層（「第３層４」と呼ぶ）を含む。好ましくは、ＩＩＩ族窒化物層の積層は、ケイ素系基板を化学的に分離するためのＡｌＮ層で始まり、二次元的層成長を用意し、第２の層２の格子定数ａ2から一番上のＩＩＩ族窒化物層の格子定数まで、格子定数を調整する。最も好ましくは、一番上のＩＩＩ族窒化物はＧａＮからなる。
【００２０】
本発明に従う積層半導体基板において、第２の層２は第１の層１および第３の層４間に配置される。第３の層４は第２の層２と直接接触できる。しかし、第２の層２と第３の層３との間に１つ以上の中間層３を配置することも可能である。
【００２１】
本発明に従う積層半導体基板は、好ましくは円形ウェハの形を有する。
第１、第２、および第３の層の歪みの相互の補償により、積層半導体基板の反りは、ＡＳＴＭ  Ｆ５３４  ３.１.２およびＳＥＭＩ  ＭＦ５３４によって規定される、−５０μｍから５０μｍの範囲にある。上記のように、ＩＩＩ族窒化物の熱膨張係数（ＴＥＣ）はケイ素の熱膨張係数よりも大きい。したがって、ＩＩＩ族窒化物層４（図１）が高温でケイ素基板５上にエピタキシャル生成され、その後室温に冷却されると、ＧａＮ層４はケイ素基板５よりも収縮する。これにより、図１に示されるように、凹状のかなり湾曲した構造となる。本発明に従い、この湾曲（冷却ＧａＮ層の引張り歪みによってもたらされる）は、ケイ素系基板の逆の歪みによって補償される。ケイ素系基板の構造は図２に示される。ケイ素系基板は、第１の格子定数を有する第１の層１と、第１の層１と直接接触し、かつ第１の層１よりも大きい格子定数を有する第２の層２とを含む。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態において、第１および第２のドーパントエレメントは同じであり、第１および第２のドーパント濃度のみが異なる。
【００２３】
第１の実施の形態において、ドーパントエレメントがケイ素よりも小さい共有結合原子半径を有するのなら、第１のドーパント濃度は第２のドーパント濃度よりも高いものが選択される。こうして、第１の格子定数ａ1は第２の格子定数ａ2よりも小さくなる。ホウ素（Ｂ）はケイ素よりも小さい共有結合原子半径を有する典型的なドーパントエレメントであり、ここでは好ましく用いられる。第２のドーパント濃度は０にまで低くしてもよいが、第１のドーパント濃度はこの場合０より大きくならなければならない。
【００２４】
第１の実施の形態において、ドーパントエレメントがより大きい共有結合原子半径を有するのなら、第２のドーパント濃度は第１のドーパント濃度よりも高いものが選択される。こうして、ここでも第１の格子定数ａ1は第２の格子定数ａ2よりも小さくなる。ゲルマニウム（Ｇｅ）またはアンチモン（Ｓｂ）は、ケイ素よりも大きい共有結合原子半径を有する典型的なドーパントエレメントであり、ここでは好ましく用いられる。第１のドーパント濃度は０にまで低くしてもよいが、第２のドーパント濃度はここでは０より大きくならなければならない。
【００２５】
本発明の第２の実施の形態において、第１および第２のドーパントエレメントは異なるエレメントである。この場合、第１のドーパントエレメントはケイ素よりも小さい共有結合原子半径を有し、第２のドーパントエレメントはケイ素よりも大きい共有結合原子半径を有する。好ましくは、第１のドーパントエレメントはホウ素であり、第２のドーパントエレメントはゲルマニウムまたはアンチモンである。
【００２６】
歪みの必要な量（ケイ素系基板の凸状湾曲をもたらす、すなわち第１の層１および第２の層２の積層）は、（あれば）中間層３および第３の層４によって引起される歪みの量（凹状湾曲をもたらす）によって定められる。この凹状の反りの量は、層３および層４の厚さ、格子定数、およびＴＥＣ（さらに組成）によって定められる。同様に、第１の層１および第２の層２の積層の凸状湾曲の量は、第１の層および第２の層の厚さ、格子定数（および組成）に依存する。こうして、第１の層１および第２の層２の厚さおよび格子定数（さらに組成）は、第１および第２の層の積層に必要な量のひずみが誘起されるよう選択される。これらのパラメータの適切な組合せは、簡単な実験によって定めることができる。これらのパラメータを適切に選択することにより、−５０μｍから５０μｍ、好ましくは−１０μｍから１０μｍの非常に小さい歪みを有する積層半導体基板を得ることができる。
【００２７】
第１の層１および第２の層２の応力を受けた層のスタックを形成する上限は、その厚さが格子定数の所与の差異において臨界厚さを超えた場合に達し、これはFrankおよびvan der Merve (F.C. Frank and J.H. van der Merve, Proc.Roy.Soc.Al98,216（1949年））によって最初に予測されている。Ｓｉ（１１１）層構造では、臨界厚さは十分確立されていないので、上限は実験によって、たとえば層のスタックの反りを測定することにより、テストしなければならない。臨界厚さより小さければ、反りの変化は、最終の層構造の最適化を促進するために、ストーニーおよびフロードの式（L.B. Freund et al . Appl . Phys . Lett. 74, 1987 (1999)参照)に当てはまることができる。
【００２８】
本発明の積層半導体基板は、以下のステップを備える方法によって製造することができる：
−少なくとも８０％のケイ素と第１のドーパント濃度を有する第１のドーパントエレメントとを含む単結晶を成長させ、単結晶は第１の格子定数を有し、
−単結晶から少なくとも１枚のウェハをスライスし、
−ウェハの厚さを第１の厚さに減少させ、ウェハは第１の層１を構成し、
−第２の層２をウェハの１つの表面上にエピタキシャルに生成し、
−ＩＩＩ族窒化物を含む第３の層４をエピタキシャルに生成する。
【００２９】
本発明の第１のステップにおいて、少なくとも８０％のケイ素、好ましくは少なくとも９０％のケイ素を含む単結晶が成長させられる。好ましくは、結晶は周知のチョクラルスキー法を用いて成長させる。第１のドーパント濃度が０よりも大きければ、ケイ素の溶融物は、第１のドーパント濃度を成長するケイ素単結晶に組込むのに適する濃度で第１のドーパントエレメントがドーピングされる。成長した単結晶の第１の格子定数は、第１のドーパントエレメントおよび第１のドーパント濃度に依存する。チョクラルスキー法により、直径が４５０ｍｍまでのケイ素単結晶を成長させることができる。
【００３０】
第２の工程において、少なくとも１枚のウェハが単結晶からスライスされる。スライス方法は本発明に従い特に限定されない。経済的な理由により、単結晶を同時に複数のウェハにスライスするために、好ましくはマルチワイヤソー（ＭＷＳ）を使用する。
【００３１】
第３の工程において、スライス工程によって損傷を受けた単結晶ウェハの表面層が除去され、ウェハの厚さは所望の第１の厚さに等しい値に減少させられる。これは機械的、化学的、および化学機械的処理工程の組合せにより達成される。機械的処理工程はたとえばラッピングまたは研削である。化学処理は液相エッチングまたは気相エッチングであり得る。研磨は広く用いられる化学機械的処理である。もたらされるウェハは、形成される積層半導体基板の第１の層１をなす。
【００３２】
第４の工程において、少なくとも８０％、好ましくは９０％のケイ素からなる第２の層２が、第１の層１の１つの表面上にエピタキシャルに生成される。好ましくは、エピタキシャル第２層を生成するのに化学蒸着（ＣＶＤ）が用いられる。ケイ素源ガスは好ましくはトリクロロシランである。第２のドーパント濃度が０よりも大きければ、第２のドーパント濃度を成長エピタキシャル層に導入するのに適する濃度で、ドーパントエレメント用の付加的源ガスを提供しなければならない。第２ドーパントエレメントがゲルマニウムの場合、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ4）またはゲルマン（ＧｅＨ4）が好ましくは付加的源ガスとして用いられる。
【００３３】
必要なら、１つ以上の中間層３を第２層２の表面上にエピタキシャルに堆積させることができる。
【００３４】
本発明の最終段階において、ＩＩＩ族窒化物、たとえばＡｌＮ、ＧａＮもしくはＩｎＮまたはその混合物からなる第３の層４が、第２層２の表面（または存在するのなら、付加的層３の表面）上にエピタキシャルに生成される。２枚以上のＩＩＩ族窒化物層を順次成長させることも可能である（かつ好ましい）。好ましくは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3）およびアンモニア（ＮＨ3）を前駆体として用いて、ＡｌＮシード層が先に成長させられる。後で、より高いＧａ濃度の傾斜ＡｌＧａＮ層を遷移層として、ＧａＮ層を成長させる前に用いることができる。典型的に、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3））が前駆体として用いられ、堆積は７００℃および１２００℃の間の成長温度で標準のＭＯＣＶＤリアクタを用いて行なわれる。
【００３５】
第１および第２のドーパントエレメント、第１および第２のドーパント濃度、ならびに第１および第２の厚さを適切に選択することにより、反りが５０μｍ以下、さらには１０μｍ以下の絶対値の、ＩＩＩ族窒化物層を含む積層半導体基板を製造することができる。
【００３６】
記載される製造方法にさらなる工程を加えることもできる。たとえば、ウェハのエッジを整形する（エッジの丸め、エッジの研磨）、洗浄工程、検査工程およびパッケージ化工程を含めることもできる。
【００３７】
本発明に従う積層半導体基板は、エレクトロニックデバイス（たとえば電源装置）または発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光電子デバイスを製造するための基板として用いることができる。
【図１】
2014526138.tif 000003
【図２】
2014526138.tif 000004
【図３】
2014526138.tif 000005
【国際調査報告】
2014526138.tif 000006
2014526138.tif 000007
2014526138.tif 000008