(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に単結晶の窒化アルミニウム膜を形成し、
前記窒化アルミニウム膜上に単結晶の窒化アルミニウムガリウム膜を形成し、
前記窒化アルミニウムガリウム膜上に単結晶の第１の窒化ガリウム膜を形成し、
前記第１の窒化ガリウム膜上に、前記第１の窒化ガリウム膜の形成よりも高い温度且つ高い成長速度で、単結晶の第２の窒化ガリウム膜を形成する気相成長方法であって、
前記第１の窒化ガリウム膜を島状に形成し、前記第１の窒化ガリウム膜の高さの平均を１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とし、
前記第２の窒化ガリウム膜を、前記窒化アルミニウムガリウム膜及び前記第１の窒化ガリウム膜に接するように形成する気相成長方法。
【請求項２】
前記第１の窒化ガリウム膜形成時のＶ／ＩＩＩ比が前記第２の窒化ガリウム膜形成時のＶ／ＩＩＩ比より大きい請求項１記載の気相成長方法。
【請求項３】
前記第１の窒化ガリウム膜形成時の成長速度が３μｍ／ｈｏｕｒ以下である請求項１又は請求項２記載の気相成長方法。
【請求項４】
前記第１の窒化ガリウム膜形成時の温度が９５０℃以上１０５０℃未満であり、前記第２の窒化ガリウム膜形成時の温度が１０００℃以上１１００℃未満である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上に窒化ガリウムを形成する気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質な半導体膜を成膜する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長では、ウェハを加熱しながら、成膜の原料となるソースガス等のプロセスガスをウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱反応等が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が成膜される。
【０００３】
近年、発光デバイスやパワーデバイスの材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体デバイスが注目されている。ＧａＮ系の半導体膜を成膜するエピタキシャル成長技術として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）がある。
【０００４】
例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に窒化ガリウム膜を形成する場合、窒化ガリウム膜の膜厚が厚くなると、シリコンと窒化ガリウムの熱膨張係数等の違いに起因して窒化ガリウム膜にクラックが発生するという問題がある。特許文献１には、この問題を解決するために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のバッファ層をシリコン基板上に形成した後、第１の圧力で第１の窒化ガリウムを形成し、第１の圧力よりも低い第２の圧力で窒化ガリウムを形成する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２８６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、シリコン基板上に窒化ガリウムを形成する際のクラックの発生を抑制する気相成長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】
本発明の一態様の気相成長方法は、シリコン基板上に単結晶の窒化アルミニウム膜を形成し、前記窒化アルミニウム膜上に単結晶の窒化アルミニウムガリウム膜を形成し、前記窒化アルミニウムガリウム膜上に単結晶の第１の窒化ガリウム膜を形成し、前記第１の窒化ガリウム膜上に、前記第１の窒化ガリウム膜の形成よりも高い温度且つ高い成長速度で単結晶の第２の窒化ガリウムを形成する気相成長方法であって、前記第１の窒化ガリウム膜を島状に形成し、前記第１の窒化ガリウム膜の高さの平均を１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とし、前記第２の窒化ガリウム膜を、前記窒化アルミニウムガリウム膜及び前記第１の窒化ガリウム膜に接するように形成する。
【０００９】
上記態様の気相成長方法において、前記第１の窒化ガリウム膜形成時のＶ／ＩＩＩ比が前記第２の窒化ガリウム膜形成時のＶ／ＩＩＩ比より大きいことが望ましい。
【００１０】
上記態様の気相成長方法において、前記第１の窒化ガリウム膜形成時の成長速度が３μｍ／ｈｏｕｒ以下であることが望ましい。
【００１１】
上記態様の気相成長方法において、前記第１の窒化ガリウム膜形成時の温度が９５０℃以上１０５０℃未満であり、前記第２の窒化ガリウム膜形成時の温度が１０００℃以上１１００℃未満であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シリコン基板上に窒化ガリウム膜を形成する際のクラックの発生を抑制する気相成長方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の気相成長方法のプロセスフロー図。
【図２】実施形態の気相成長方法を示す模式断面図。
【図３】実施形態の気相成長方法を示す模式断面図。
【図４】実施形態の気相成長方法を示す模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
実施形態の気相成長方法は、シリコン基板上に単結晶の窒化アルミニウム膜を形成し、窒化アルミニウム膜上に単結晶の窒化アルミニウムガリウム膜を形成し、窒化アルミニウム膜上に単結晶の第１の窒化ガリウム膜を形成し、第１の窒化ガリウム膜上に、第１の窒化ガリウムの形成よりも高い温度且つ高い成長速度で単結晶の第２の窒化ガリウム膜を形成する。
【００１６】
図１は、実施形態の気相成長方法のプロセスフロー図である。また、図２−図４は、実施形態の気相成長方法を示す模式断面図である。
【００１７】
本実施形態の気相成長方法は、シリコン（Ｓｉ）基板準備ステップ（Ｓ１００）、窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ）形成ステップ（Ｓ１１０）、窒化アルミニウムガリウム膜（ＡｌＧａＮ）形成ステップ（Ｓ１２０）、第１の窒化ガリウム膜（ＧａＮ）形成ステップ（Ｓ１３０）、第２の窒化ガリウム膜（ＧａＮ）形成ステップ（Ｓ１４０）を備えている。本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法により成膜が行われる。
【００１８】
まず、例えば、水素（Ｈ２）中で、１１００℃でベークし、自然酸化膜を除去した（１１１）面の単結晶のシリコン基板１０を準備する（Ｓ１００）。シリコン基板１０の厚さは、例えば、３００μｍ以上１５００μｍ以下である。
【００１９】
次に、シリコン基板１０上に単結晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜１２を形成する（Ｓ１１０）。窒化アルミニウム膜１２は、シリコン基板１０上にエピタキシャル成長させる。
【００２０】
窒化アルミニウム膜１２は、シリコン基板１０を加熱し、例えば、水素（Ｈ２）で希釈されたトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、水素（Ｈ２）で希釈されたアンモニア（ＮＨ３）をソースガスとして供給することにより成長させる。ＴＭＡはアルミニウム（Ａｌ）のソースガスであり、アンモニアは窒素（Ｎ）のソースガスである。
【００２１】
窒化アルミニウム膜１２の成長温度は、例えば、１０００℃以上１２００℃以下とする。窒化アルミニウム膜１２の結晶性を向上させる観点から、成長温度は１０００℃以上であることが望ましい。窒化アルミニウム膜１２の膜厚は、例えば、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とする。
【００２２】
窒化アルミニウム膜１２は、シリコン基板１０上にガリウム（Ｇａ）を含む単結晶膜をエピタキシャル成長させる際に、シリコンとガリウムとの反応が生じ、ガリウムを含む単結晶膜の膜質が劣化することや、シリコン基板がメルトバックすることを抑制する。また、シリコンと、ガリウムを含む単結晶膜との格子不整合を緩和するバッファ層として機能する。
【００２３】
次に、窒化アルミニウム膜１２上に、単結晶の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＸＧａ（１−Ｘ）Ｎ、ただし０＜Ｘ＜１）膜１４を形成する（Ｓ１２０、図２）。窒化アルミニウムガリウム膜１４は、窒化アルミニウム膜１２上にエピタキシャル成長させる
【００２４】
窒化アルミニウムガリウム膜１４は、シリコン基板１０を加熱し、例えば、水素（Ｈ２）で希釈されたトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、水素（Ｈ２）で希釈されたアンモニア（ＮＨ３）をソースガスとして供給することにより成長させる。ＴＭＡはアルミニウム（Ａｌ）のソースガスであり、ＴＭＧはガリウム（Ｇａ）のソースガスであり、アンモニアは窒素（Ｎ）のソースガスである。
【００２５】
窒化アルミニウムガリウム膜１４の成長温度は、例えば、１０００℃以上１２００℃以下とする。窒化アルミニウムガリウム膜１４の膜厚は、例えば、１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。
【００２６】
窒化アルミニウムガリウム膜１４は、窒化アルミニウム膜１２と、窒化アルミニウムガリウム膜１４の上層に形成される単結晶ガリウム膜との格子不整合を緩和するバッファ層として機能する。格子不整合を緩和する観点から、窒化アルミニウムガリウム膜１４中のアルミニウム含有量を、窒化アルミニウムガリウム膜１４から窒化アルミニウムガリウム膜１４の上層に形成される単結晶ガリウム膜に向かう方向に低減させることが望ましい。また、窒化アルミニウムガリウム膜１４は、窒化アルミニウム膜１２から伸びる転位の向きを曲げて、転位が上層に形成される単結晶ガリウム膜に伸びることを抑制する機能を備える。
【００２７】
次に、窒化アルミニウムガリウム膜１４上に単結晶の第１の窒化ガリウム（ＧａＮ）膜１６を形成する（Ｓ１３０、図３）。第１の窒化ガリウム膜１６は、窒化アルミニウムガリウム膜１４上に島状にエピタキシャル成長させた島状膜である。
【００２８】
第１の窒化ガリウム膜１６は、シリコン基板１０を加熱し、例えば、水素（Ｈ２）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、水素（Ｈ２）で希釈されたアンモニア（ＮＨ３）をソースガスとして供給することにより成長させる。ＴＭＧはガリウム（Ｇａ）のソースガスであり、アンモニアは窒素（Ｎ）のソースガスである。
【００２９】
その際、島状の第１の窒化ガリウム膜１６の高さ（図３中のｈ）の平均を例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、幅（図３中のｗ）の平均を１０ｎｍ以上５０ｎｍとする。第１の窒化ガリウム膜１６の高さは、例えば、第１の窒化ガリウム膜１６成長後の断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察することで求めることが可能である。
【００３０】
そして、第１の窒化ガリウム膜１６形成時のＶ／ＩＩＩ比を、例えば１０００以上とする。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比とは、窒化ガリウムをエピタキシャル成長する際のガリウム（ＩＩＩ族元素）のソースガスであるＴＭＧと、窒素（Ｖ族元素）のソースガスであるアンモニアの流量比である。各ソースガスの流量単位は、μｍｏｌ／ｍｉｎである。
【００３１】
また、第１の窒化ガリウム膜１６形成時の成長速度を、例えば３μｍ／ｈｏｕｒ以下、温度を、例えば９５０℃以上１０５０℃未満、圧力を、例えば２０ｋＰａ以上３５ｋＰａ以下とする。
【００３２】
次に、島状の第１の窒化ガリウム膜１６上に第１の窒化ガリウム膜１６の形成よりも、高い温度且つ高い成長速度で単結晶の第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）膜１８を形成する（Ｓ１４０、図４）。第２の窒化ガリウム膜１８は、第１の窒化ガリウム膜１６上に層状にエピタキシャル成長させる。
【００３３】
第２の窒化ガリウム膜１８は、シリコン基板１０を加熱し、例えば、水素（Ｈ２）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、水素（Ｈ２）で希釈されたアンモニア（ＮＨ３）をソースガスとして供給することにより成長させる。ＴＭＧはガリウム（Ｇａ）のソースガスであり、アンモニアは窒素（Ｎ）のソースガスである。
【００３４】
第２の窒化ガリウム膜１８の膜厚は、例えば、３μｍ以上１０μｍ以下とする。第２の窒化ガリウム膜１８の膜厚は、例えば、第２の窒化ガリウム膜１８の成長後の断面をＳＥＭで観察することで求めることが可能である。
【００３５】
第２の窒化ガリウム膜１８形成時のＶ／ＩＩＩ比を１０００以下とする。また、第２の窒化ガリウム膜１８形成時の成長速度を、第１の窒化ガリウム膜１６形成時の成長速度より高く、例えば３μｍ／ｈｏｕｒ以上とする。また、第２の窒化ガリウム膜１８形成時の温度を、例えば、１０００℃以上１１００℃未満、圧力を、例えば、２０ｋＰａ以上３５ｋＰａ以下とし、第１の窒化ガリウム膜１６形成時の圧力と同一とする。
【００３６】
なお、第２の窒化ガリウム膜１８の一部又は全部に、例えば、シリコン（Ｓｉ）やマグネシウム（Ｍｇ）等のドーパントを添加することができる。
【００３７】
次に、実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３８】
シリコン基板上に窒化ガリウム膜を形成する場合、窒化ガリウム膜の膜厚が厚くなると、シリコンと窒化ガリウムの熱膨張係数等の違いに起因して窒化ガリウム膜にクラックが発生するおそれがある。これは、窒化ガリウム膜の形成中に、窒化ガリウム膜に引張応力が発生することにより生じると考えられる。特に、窒化ガリウム膜の成長速度を速くした場合に、クラックが発生しやすくなる。
【００３９】
本実施形態では、第１の窒化ガリウム膜１６を島状に３次元的に成長させる。この際、窒化アルミニウムガリウム膜１４表面における核形成の密度を、島状の第１の窒化ガリウム膜１６が十分な高さに成長する前に側面で接触してしまうことのないように制御する。その後、第２の窒化ガリウム膜１８を、第１の窒化ガリウム膜１６よりも速い成長速度で層状に成長させる。この方法により、窒化ガリウム膜の形成を、窒化ガリウム膜に圧縮応力をかけた状態で行うことが可能となる。したがって、クラックの発生を抑制しつつ、窒化ガリウム膜の高速成長が実現できる。また、結晶欠陥の低減した窒化ガリウム膜を成膜することが可能となる。
【００４０】
第１の窒化ガリウム膜１６を島状に形成する際、島状の第１の窒化ガリウム膜１６の高さ（図３中のｈ）の平均を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、幅（図３中のｗ）の平均を１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが望ましい。上記範囲を下回ると、第２の窒化ガリウム膜１８成膜の際に、第２の窒化ガリウム膜１８の応力が圧縮応力とならないおそれがある。また、第２の窒化ガリウム膜１８の結晶性が劣化する恐れがある。上記範囲を上回ると、第２の窒化ガリウム膜１８の表面モフォロジーが劣化する恐れがある。第２の窒化ガリウム膜１８の表面を平坦にする観点から、第１の窒化ガリウム膜１６の高さの平均が５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００４１】
第１の窒化ガリウム膜１６形成時のＶ／ＩＩＩ比が１０００以上であることが、第１の窒化ガリウム膜１６の成長速度を抑え、結晶性を向上させ、島状に３次元的に成長させる観点から望ましい。第１の窒化ガリウム膜１６形成時の成長速度は３μｍ／ｈｏｕｒ以下、温度は９５０℃以上１０５０℃未満、圧力は２０ｋＰａ以上３５ｋＰａ以下であることが、第１の窒化ガリウム膜１６の、結晶性を向上させ、島状に３次元的に成長させる観点から望ましい。
【００４２】
また、第２の窒化ガリウム膜１８の成長速度を速くし、生産性をあげる観点から、第２の窒化ガリウム膜１８形成時のＶ／ＩＩＩ比が１０００以下であることが望ましく、５００以下であることがより望ましい。第２の窒化ガリウム膜１８形成時のＶ／ＩＩＩ比は、第１の窒化ガリウム膜１６形成時のＶ／ＩＩＩ比よりも小さいことが望ましい。そして、第２の窒化ガリウム膜１８の成長速度は、３μｍ／ｈｏｕｒ以上であることが、生産性をあげる観点から望ましい。
【００４３】
さらに、第２の窒化ガリウム膜１８の成長速度を第１の窒化ガリウム膜１６の成長速度を速くする観点から、１０００℃以上１１００℃未満であって、第１の窒化ガリウム膜１６の形成よりも高い温度で、第２の窒化ガリウム膜１８の形成を行う。そして、生産性を向上させる観点から、第２の窒化ガリウム膜１８形成時の圧力は、圧力は２０ｋＰａ以上３５ｋＰａ以下であって、第１の窒化ガリウム膜１６形成時の圧力と略同一であることが望ましい。
【００４４】
本実施形態の気相成長方法によれば、シリコン基板上に膜厚の厚い窒化ガリウムを形成する際のクラックの発生を抑制することが可能となる。また、結晶欠陥の低減した膜厚の厚い窒化ガリウム膜を、高速で成膜することが可能となる。
【００４５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
【００４６】
実施形態では、気相成長方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０      シリコン基板
１２      窒化アルミニウム膜
１４      窒化アルミニウムガリウム膜
１６      第１の窒化ガリウム膜
１８      第２の窒化ガリウム膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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