(57)【要約】【課題】Ａｌ含有下地膜を有するエピタキシャル基板上にＩＩＩ族窒化物膜を形成した際に、そのＩＩＩ族窒化物膜の特性変動を抑制し、目的とする半導体素子の諸特性の変動を抑制して、その製造部止まりを向上させる。【解決手段】単結晶基材１上に少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地膜２を形成し、下地膜２上に酸化膜３を形成してエピタキシャル基板１０を作製する。酸化膜３の表面酸化濃度は３原子％以上であり、その厚さは５０Å以下である。【選択図】　　　　図１
2004043281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地膜と、このＩＩＩ族窒化物下地膜上に形成された酸化膜とを具え、前記酸化膜の表面酸素濃度が３原子％以上であり、前記酸化膜の厚さが５０Å以下であることを特徴とする、エピタキシャル基板。
【請求項２】
前記酸化膜の表面粗さＲａが５Å以下であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物下地膜中のＡｌ含有量が全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物下地膜はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項３に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物下地膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物下地膜の、表面から０．２μｍの深さにおける酸素濃度が、１０１９／ｃｍ３以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載のエピタキシャル基板を含むことを特徴とする、半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むＩＩＩ族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】このようなＩＩＩ族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆるエピタキシャル基板が用いられている。このエピタキシャル基板は反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱し、ＩＩＩ族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給し、ＣＶＤ法に従って目的とするＩＩＩ族窒化物膜を形成し、所定の半導体素子を得るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記エピタキシャル基板は所定の反応管内で作製した後取り出し、大気中において数時間又は数日放置された後に、上述した成膜工程が施される場合がほとんどである。この場合、前記エピタキシャル基板上に形成したＩＩＩ族窒化物膜の特性がその保存状態などによって変化し、最終的に得た半導体素子の特性も初期の設計値からずれてしまうという問題があった。
【０００５】この傾向は、前記エピタキシャル基板を構成する下地膜中のＡｌ含有量が増大するにつれて顕著になり、このようなＡｌ含有エピタキシャル基板上にＡｌ系ＩＩＩ族窒化物膜を形成して半導体素子を作製しようとした場合、その製造部止まりが大きく劣化してしまうという問題があった。
【０００６】本発明は、Ａｌ含有下地膜を有するエピタキシャル基板上にＩＩＩ族窒化物膜を形成した際に、そのＩＩＩ族窒化物膜の特性変動を抑制し、目的とする半導体素子の諸特性の変動を抑制して、その製造部止まりを向上させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の単結晶基材と、この単結晶基材上に形成された、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地膜と、このＩＩＩ族窒化物下地膜上に形成された酸化膜とを具え、前記酸化膜の表面酸素濃度が３原子％以上であり、前記酸化膜の厚さが５０Å以下であることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【０００８】本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、上述したようにエピタキシャル基板を大気中に放置した場合、当然のことながらその表面が酸化されて酸化膜が形成されるが、この酸化膜の物理特性が前記エピタキシャル基板上にＩＩＩ族窒化物膜を形成した場合において、その物理特性に大きな影響を及ぼすことを見出した。
【０００９】したがって、前記エピタキシャル基板表面、すなわちエピタキシャル基板を構成する下地膜表面に形成される酸化膜の物理特性を積極的に制御し、所定の特性を満足するようにすることにより、前記エピタキシャル基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物膜の物理特性の変動を抑制できることを見出し、本発明をするに至ったものである。
【００１０】本発明によれば、Ａｌ含有下地膜を含むエピタキシャル基板表面に形成された酸化膜が本発明の要件を満足する限り、前記エピタキシャル基板の保存状態などに関係なく、前記エピタキシャル基板上に形成したＩＩＩ族窒化物膜の物理特性の変動を抑制し、目的とする半導体素子の特性変動を抑制して製造部止まりを向上させることができる。
【００１１】なお、本発明の好ましい態様においては、前記酸化膜の表面粗さＲａを５Å以下にする。これによって、エピタキシャル基板上に形成したＩＩＩ族窒化物膜の物理特性の変動をより効果的に抑制し、目的とする半導体素子の特性変動をより効果的に抑制して製造部止まりをさらに向上させることができる。
【００１２】また、前記酸化膜の表面酸素濃度及び厚さは、Ａｒイオンを用いて前記ＩＩＩ族窒化物下地膜を厚さ方向にエッチングすると同時に、ＥＳＣＡによる組成分析を行って得た、厚さ方向の組成分析より求めたものである。
【００１３】詳細なＥＳＣＡ測定条件は以下に示す通りである。Ｘ線源として、Ｍｇターゲットを用いたエネルギー１２５３．６ｅＶのＸ線を用いた。分析は、測定領域１．１ｍｍφ、検出角４５度、及びパスエネルギー３５．７５ｅＶで行ない、酸素原子の同定には、Ｏ１ｓスペクトルを用いた。測定の際の真空度は３×１０−９Ｔｏｒｒであった。エッチングには加速電圧３．０ｋＶのＡｒ＋イオンを用い、その際、ラスター領域は３ｍｍ×３ｍｍである。
【００１４】本条件でのエッチング速度は、ＳｉＯ２で４２Å／分であり、Ａｌ２Ｏ３のスパッタ速度はＳｉＯ２の場合の１／４であることが確認された。そこで、前記ＩＩＩ族窒化物下地膜のスパッタ速度を便宜上Ａｌ２Ｏ３換算エッチングレートから計算し、１ｎｍエッチングするための時間を逆算して、そのエッチング開始時点の酸素濃度を上記表面酸素濃度とし、表面残留酸素が消失するまでのエッチング時間及び上記エッチングレートから上記酸化膜の厚さを導出したものである。なお、上述した方法における酸素検出限界は０．５原子％である。
【００１５】さらに、本発明の他の好ましい態様においては、前記酸化膜下のＡｌ含有下地膜の酸素濃度を所定濃度以下、具体的には、表面から０．２μｍの深さにおける酸素濃度が１０１９／ｃｍ３以下となるようにする。これによって前記ＩＩＩ族窒化物膜の特性変動に対するＡｌ含有下地膜からの影響を抑制することができ、目的とする半導体素子の特性変動をより効果的に抑制して製造部止まりをさらに向上させることができるようになる。
【００１６】前記Ａｌ含有下地膜中の酸素濃度は、上述したように極めて微量であるため、測定検出限界以下のＥＳＣＡではなく、ＳＩＭＳにて測定を実施した。
【００１７】詳細なＳＩＭＳ測定条件は以下に示す通りである。ＣＡＭＥＣＡ社製セクター磁場型−ＳＩＭＳ装置を用いるとともに、一次イオンとして１４．５ＫｅＶのＣｓ＋を用い、二次イオンとして負イオンを用いる。この際、酸素導入・チャージ補正は行わない。また、前記Ａｌ含有下地膜に対して金蒸着膜を表面にコーティングしてチャージアップの影響を極力抑え、大気中の不純物による影響を最小にするため液体窒素コールドトラップを使用する。また、表面より０．２μｍ深さでの酸素濃度の値は、アルゴンイオンを用いた厚さ方向のエッチングを行うことによって得た、ｄｅｐｔｈ　ｐｒｏｆｉｌｅから決定する。濃度の絶対値は、イオン注入標準試料に基づいて決定している。検出限界は、７×１０１６／ｃｍ３である。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】図１は本発明のエピタキシャル基板の構成を概念的に示す図である。図１に示すように、本発明のエピタキシャル基板１０は、所定の単結晶基材１と、この単結晶基材１上に形成された、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地膜２と、この下地膜２上に形成された酸化膜３とを具える。
【００２０】酸化膜３の表面酸素濃度は３原子％以上であることが必要であり、好ましくは５原子％〜１０原子％に設定する。また、酸化膜３の厚さは５０Å以下であることが必要であり、好ましくは１０Å〜４０Åに設定する。これによって、エピタキシャル基板１０、すなわち酸化膜３上に所定のＩＩＩ族窒化物膜を形成した場合において、その物理特性の変動を抑制し、最終的に得た半導体素子の特性変動を効果的に抑制することができる。なお、酸化膜３の厚さは、上述したＥＳＣＡによる組成分析において、酸素原子が１原子％以上存在する領域の厚さで定義したものである。
【００２１】また、上述したように酸化膜３の表面粗さＲａは５Å以下であることが好ましく、さらには２Å以下であることが好ましい。これによって、上述した作用効果をより効果的に奏することができるようになる。
【００２２】さらに、下地膜２中の酸素濃度を所定の濃度以下、具体的には下地膜２の表面から０．２μｍ深さにおける酸素濃度が１０１９／ｃｍ３以下、さらには１０１８／ｃｍ３以下、特には５×１０１８／ｃｍ３以下とすることが好ましい。これによって、酸化膜３上に形成した前記ＩＩＩ族窒化物膜の特性変動に対する下地膜２の影響を低減することができ、目的とする半導体素子の特性変動をより効果的に抑制して製造部止まりをさらに向上させることができるようになる。
【００２３】酸化膜３は上述した特性を満足するものであればその形成方法については特に限定されない。図１に示すエピタキシャル基板１０は、単結晶基材１を所定の反応管内に設置し、ＣＶＤ法などにより下地膜２を形成することによって作製されるが、この際の、酸素濃度及び水分濃度を適宜に制御することによって本発明の要件を満足する酸化膜３を簡易に形成することができる。この場合は、例えば前記反応管内の露点を−９０℃以下、好ましくは−１００℃以下に設定する。
【００２４】しかしながら、好ましくは下地膜２の諸特性を制御することによって実施する。具体的には下地膜２の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２００秒以下、好ましくは１００秒以下となるようにその結晶性を向上させることにより、エピタキシャル基板１０の作製条件などに依存することなく、本発明の要件を満足する酸化膜３を簡易に得ることができる。すなわち、通常のエピタキシャル基板の作製工程及び大気中での放置を経ることにより、上述した要件を満足する酸化膜３を得ることができる。
【００２５】したがって、この場合は、エピタキシャル基板１０を作製する際の、反応管内の露点を−９０℃を超える値に設定した場合においても上記要件を満足した酸化膜３を簡易に得ることができる。また、エピタキシャル基板１０の大気中での保存状態に依存することなく、上記要件を満足する酸化膜３を簡易に得ることができる。
【００２６】上述のような高結晶の下地膜２は、例えばＣＶＤ法によって下地膜２を形成する場合において、基板となる単結晶基材１の温度を１１００℃以上、好ましくは１２５０℃以下に設定することによって簡易に得ることができる。このとき、下地膜２の厚さは０．５μｍ以上であることが好ましく、さらには１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
【００２７】上述した本発明の作用効果は下地膜２中のＡｌ含有量が増大するにつれて顕著になる。さらに、単結晶基材１を上述した高温度に設定して下地膜２を形成する場合、下地膜２中のＡｌ含有量が増大するにつれてその結晶性がより向上するようになる。かかる観点より、下地膜２中のＡｌ含有量は全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることが好ましく、さらには１００原子％、すなわち下地膜２がＡｌＮから構成されていることが好ましい。
【００２８】但し、下地膜２はＡｌの他にＧａ及びＩｎなどのＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、又はＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むことができる。
【００２９】単結晶基材１はサファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＳｉＣ単結晶、Ｓｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００３０】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例）
本実施例においては、図１に示すようなエピタキシャル基板１０を作製し、このエピタキシャル基板上にＧａＮ膜を形成した。単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した。次いで、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータにより、前記基材を１２００℃まで加熱した。
【００３１】Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、窒素供給原料としてアンモニアガス（ＮＨ３）を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＴＭＡとＮＨ３とのモル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基材上に供給した。そして、１２０分間エピタキシャル成長させることによって、下地膜としてのＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成し、エピタキシャル基板を作製した。
【００３２】前記ＡｌＮ膜の厚さ方向に対して上述したＥＳＣＡによる組成分析を行ったところ、前記ＡｌＮ膜の表面において、表面酸素濃度６原子％及び厚さ３０Å、表面粗さ１．５Åの酸化膜が形成されていることが判明した。また、３０Åよりも深い領域においてはＥＳＣＡで測定する限り、酸素成分は検出限界以下であった。
【００３３】さらに、前記ＡｌＮ膜の、０．２μｍ深さにおける酸素濃度は、１．５×１０１７／ｃｍ３以下であった。また、同深さにおいて、Ｈ濃度は５×１０１７／ｃｍ３であり、Ｃ濃度は５×１０１６／ｃｍ３であり、Ｓｉ濃度は３×１０１６／ｃｍ３であった。なお、前記ＡｌＮ膜はエピタキシキャル成長しており、ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は６０秒であった。
【００３４】次いで、Ｇａ供給原料としてトリメエチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、窒素供給原料としてＮＨ３ガスを用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＴＭＧとＮＨ３とのモル比が１：２０００となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給して、ＧａＮ膜を厚さ３μｍに形成した。
【００３５】前記ＧａＮ膜の結晶品質を調べたところ、転位密度が１×１０８／ｃｍ３であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が１２０秒以下であることが確認された。
【００３６】（比較例１）
単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、下地膜としてのＡｌＮ膜を前記基材を９００℃に加熱して、厚さ０．０５μｍに形成した以外は実施例と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。前記ＡｌＮ膜の厚さ方向に対してＥＳＣＡによる組成分析を実施したところ、表面粗さ１０Å、表面酸素濃度１２原子％で、膜厚方向ほほ全域で２原子％以上の酸素成分が存在することが判明した。前記ＡｌＮ膜の結晶品質をＴＥＭで観察したところ、一部異軸成長が混入していることが確認された。
【００３７】次いで、前記エピタキシャル基板上に実施例と同様にして厚さ３μｍのＧａＮ膜を形成した。前記ＧａＮ膜の結晶品質を調べたところ、転位密度が１×１０９／ｃｍ２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒程度であることが確認された。
【００３８】（比較例２）
単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、下地膜としてのＡｌＮ膜を前記基材を８００℃に加熱して、厚さ１．０μｍに形成した以外は実施例と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。前記ＡｌＮ膜の厚さ方向に対してＥＳＣＡによる組成分析を実施したところ、表面粗さ１００Å、表面酸素濃度１５原子％で、膜厚方向ほほ全域で２原子％以上の酸素成分が存在することが判明した。また、前記ＡｌＮ膜の結晶品質をＴＥＭで観察したところ、一部異軸成長が混入していることが確認された。
【００３９】次いで、前記エピタキシャル基板上に実施例と同様にして厚さ３μｍのＧａＮ膜を形成した。前記ＧａＮ膜の結晶品質を調べたところ、転位密度が５×１０９／ｃｍ２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００秒程度であることが確認された。
【００４０】（比較例３）
単結晶基材としてＣ面サファイア基材を用い、下地膜としてのＡｌＮ膜を前記基材を１０００℃に加熱して、厚さ１．０μｍに形成した以外は実施例と同様にしてエピタキシャル基板を作製した。前記ＡｌＮ膜の厚さ方向に対してＥＳＣＡによる組成分析を実施したところ、表面粗さ５０Å、表面酸素濃度１２原子％で、膜厚方向ほほ全域で１原子％以上の酸素成分が存在することが判明した。また、前記ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は２５０秒であった。
【００４１】次いで、前記エピタキシャル基板上に実施例と同様にして厚さ３μｍのＧａＮ膜を形成した。前記ＧａＮ膜の結晶品質を調べたところ、転位密度が５×１０９／ｃｍ２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３００秒程度であることが確認された。
【００４２】以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の要件を満足した酸化膜を有するエピタキシャル基板上に形成したＧａＮ膜は、転位密度及びＸ線ロッキングカーブ半値幅の結晶品質が一定のレベル以上となり、物理特性の変動が抑制されることが分かる。
【００４３】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、エピタキシャル基板を構成する単結晶基材と下地膜との間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記下地膜の結晶性を向上させて、前記エピタキシャル基板上に形成すべきＩＩＩ族窒化物膜の結晶性向上を図ることができる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物下地膜を有するエピタキシャル基板上にＩＩＩ族窒化物膜を形成した際に、そのＩＩＩ族窒化物膜の特性変動を抑制し、前記エピタキシャル基板及び前記ＩＩＩ族窒化物膜を含む半導体素子を作製した場合において、その諸特性の変動を抑制して、製造部止まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエピタキシャル基板の構成を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１　単結晶基材、２　Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物下地膜、３　酸化膜、１０　エピタキシャル基板
【図１】
2004043281.tif 000003