(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上に成長した窒化物半導体結晶薄膜にかかる歪みを緩和し、基板の反りをなくす窒化物系化合物半導体結晶成長方法を得る。【解決手段】Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を成長するに際し、Ｓｉ基板表面にＳｉＯ２薄膜を事前に形成し、さらにその上にＡｌＮ薄膜を堆積させた後、高温アニールを加え、その薄膜上に必要な窒化物半導体薄膜を成長することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を成長するに際し、
Ｓｉ基板表面にＳｉＯ２薄膜を事前に形成し、さらにその上にＡｌＮ薄膜を堆積させた後、高温アニールを加え、その薄膜上に必要な窒化物半導体薄膜を成長することを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物系化合物半導体結晶成長方法において、
ＳｉＯ２薄膜を０．５〜２０．０ｎｍの厚さで形成することを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の窒化物系化合物半導体結晶成長方法において、
上記ＡｌＮ薄膜を１０〜２００ｎｍの厚さで堆積させることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【請求項４】
請求項３記載の窒化物系化合物半導体結晶成長方法において、
上記高温アニールとして、基板に１２００℃以上の温度を与えることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体結晶成長方法において、
ＡｌＮ薄膜を堆積させた後で高温アニールを加える代わりに、ＡｌＮ薄膜の堆積を１２００℃以上の温度で行うことを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の窒化物系化合物半導体結晶成長方法において、
ＡｌＮ薄膜の代わりに、ＧａＮを組成０〜８０％の割合で添加した、ＡｌＧａＮ混晶薄膜を用いることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ基板上に良質なＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を成長する方法に関するものであり、従来品よりも安価、且つ大口径な窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウェハを供給する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、およびこれらの混晶を最適な構造で積層成長させたＩＩＩ−Ｖ族窒化物結晶エピタキシャルウェハは、青色ＬＥＤやＬＤの半導体デバイス用結晶として市場に出回っている。近年、紫外ＬＥＤや高耐圧電子デバイスなども開発されつつあり、ますます需要は高くなるものと予想される。
【０００３】
窒化物結晶のバルクというものは、最近になりようやくＧａＮ基板が開発されたばかりであり、これまでは半導体デバイス用エピタキシャルウェハの基板としてはサファイアや炭化シリコン（ＳｉＣ）が用いられていた。サファイア基板やＳｉＣ基板の特性として、格子定数と熱膨張係数は窒化物結晶と異なるものの、結晶の対称性が似通っていること、研磨により平坦な表面が実現できること、窒化物結晶成長に必要な高温下でも安定なことが挙げられる。
【０００４】
しかし、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板に共通して言えることは、Ｓｉ基板に比べて大口径化が技術的に難しく、高価であり、さらには硬いためチップの製造が難しいことである。そのため近年になり、Ｓｉ基板上に窒化物半導体薄膜結晶を成長し、デバイスを作製する研究報告が増えてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
Ｓｉ基板上の窒化物半導体薄膜結晶の成長に関しては、１０００℃以上でＡｌＮ薄膜もしくはＡｌＧａＮ薄膜を成長して、その上に最適な温度でＧａＮ薄膜を成長することにより、表面が平坦で比較的低転位な薄膜結晶が実現することが報告されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−９３８３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の成長方法には次のような課題がある。
【０００８】
Ｓｉ基板上に成長した窒化物薄膜の表面状態・転位密度は、まだサファイア基板上やＳｉＣ基板上に成長した薄膜には及ばない。また薄膜に発生するクラックも問題であるが、これは膜厚を薄く設計することである程度の抑止は可能である。
【０００９】
しかし一番大きな問題は、薄膜を成長した後のＳｉ基板の反りである。これはＳｉ基板と窒化物結晶の格子定数および熱膨張係数の違いに起因する。以下の表にそれぞれの基板結晶およびＧａＮ、ＡｌＮの物性値を記述する。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１に示すように、各結晶基板に対するＧａＮ格子定数差の絶対値はＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアの順に大きくなっていく。一方、熱膨張係数に関してはサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉの順に差が大きくなっていき、特にＧａＮの熱膨張係数はＳｉの２倍以上もあることがわかる。これらが技術的に大きな障壁となっており、良質な結晶を得ることは非常に困難となっている。
【００１２】
また格子定数の違いによる歪みはウェハの反りやクラックの原因になるだけでなく、表面ラフネス・欠陥密度の増加の原因の一つにもなっている。そのため歪みを緩和することはこれらの問題点を改善することにもつながる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、Ｓｉ基板上に成長した窒化物半導体結晶薄膜にかかる歪みを緩和し、基板の反りをなくす窒化物系化合物半導体結晶成長方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１５】
請求項１の発明に係る窒化物系化合物半導体結晶成長方法は、Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を成長するに際し、Ｓｉ基板表面にＳｉＯ２薄膜を事前に形成し、さらにその上にＡｌＮ薄膜を堆積させた後、高温アニールを加え、その薄膜上に必要な窒化物半導体薄膜を成長することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の成長方法において、ＳｉＯ２薄膜を０．５〜２０．０ｎｍの厚さで形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の成長方法において、上記ＡｌＮ薄膜を１０〜２００ｎｍの厚さで堆積させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３記載の成長方法において、上記高温アニールとして、基板に１２００℃以上の温度を与えることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の成長方法において、ＡｌＮ薄膜を堆積させた後で高温アニールを加える代わりに、ＡｌＮ薄膜の堆積を１２００℃以上の温度で行うことを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４又は５記載の成長方法において、ＡｌＮ薄膜の代わりに、ＧａＮを組成０〜８０％の割合で添加した、ＡｌＧａＮ混晶薄膜を用いることを特徴とする。
【００２１】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ２層を形成し、さらにその上にＡｌＮ薄膜を堆積させた後、高温アニールを加えることにより歪みを緩和することである。
【００２２】
ＳｉＯ２はアモルファス状になることによって、結晶に掛かっている歪みを吸収することが可能である。またＡｌＮは濡れ性の高い結晶であり、ＳｉＯ２上でも堆積は可能である。しかしＳｉ上ほど強固な結合は持たないため、熱を加えることによりＡｌＮ／ＳｉＯ２界面で容易に歪みを緩和させることができる。さらにＡｌＮは共有結合の強い結晶であるため、１２００℃以上の高い温度でもＮ原子脱離による表面荒れは起こらない。
【００２３】
本発明はこれらの特性を組み合わせることにより、薄膜に掛かる歪みを緩和して成長中の基板の反り・クラック発生・表面荒れ・欠陥の増加を抑止し、さらには成長後の降温時においてＡｌＮ／ＳｉＯ２界面における緩和により基板反りを抑止するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２５】
次のような従来例と実施例を試作した。すなわち、単純にＳｉ基板上にＡｌＮ薄膜成長をしてその上にＧａＮ薄膜成長をしたエピタキシャルウェハ１（従来例）と、熱酸化を行ったＳｉ基板上にＡｌＮ薄膜成長をして、１２５０℃の熱処理を施した後にＧａＮ薄膜を成長したエピタキシャルウェハ２（実施例）を製造し、両者の表面状態・基板の反りを比較した。Ｓｉ基板は（１１１）面ＪＵＳＴの２インチウェハを用いた。
【００２６】
エピタキシャルウェハ１（実施例）の試作は次のように行った。ＲＣＡ洗浄により基板の表面処理を行った後、ドライ熱酸化により基板表面に５ｎｍのＳｉＯ２膜を形成した。この基板をＭＯＣＶＤ薄膜結晶成長装置に設置し、水素雰囲気の減圧下で１１００℃まで加熱した後、温度を変えずにＡｌＮ薄膜を５０ｎｍ成長した。このときの原料は水素希釈したトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアンモニア（ＮＨ３）を用いた。次にアンモニア雰囲気中で基板温度を１２５０℃まで上げて３０分間熱処理（高温アニール）を行った後、温度を１０５０℃まで下げてＧａＮ薄膜を７００ｎｍ成長した。このときの原料は水素希釈したトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ３）を用いた。ＭＯＣＶＤ炉内での成長シーケンスを図１に示す。
【００２７】
エピタキシャルウェハ２（従来例）の試作は次のように行った。ＲＣＡ洗浄で基板の表面処理を行った後、ＭＯＣＶＤ薄膜結晶成長装置に設置し、水素雰囲気の減圧下で１１００℃まで加熱した。次に温度を変えずにＡｌＮ薄膜を５０ｎｍ成長した。このときの原料は水素希釈したトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアンモニア（ＮＨ３）を用いた。その後、温度を１０５０℃まで下げてＧａＮ薄膜を５００ｎｍ成長した。このときの原料は水素希釈したトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ３）を用いた。ＭＯＣＶＤ炉内での成長シーケンスを図２に示す。
【００２８】
このエピタキシャルウェハ１とエピタキシャルウェハ２の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を、図３と図４にそれぞれ示す。両者のＧａＮ表面を比較すると、共にクラックフリーであり、表面ラフネスもほとんど違いのないことがわかる。
【００２９】
次にＸ線測定にてエピタキシャルウェハの反りを調べた。図５に、Ｘ線測定にてエピタキシャルウェハの反りを調べる概念図を示す。試料上のＰ点においてブラッグの反射条件を満足していたものが、試料をΔωだけ回転させると、今度はＱ点でブラッグの反射条件を満足する。つまり、反りのある試料結晶があった場合に、この試料をΔωだけ回転させて、回転前における回折Ｘ線の検出位置Ｐと、回転後における回折Ｘ線の検出位置Ｑとを確認すれば、その試料結晶の反りの曲率半径Ｒを知ることができる。図では、角度θにおいて回折Ｘ線が検出されており、両位置の差として、ウェハ反り量はＲ（１−ｃｏｓθ）で求められる。
【００３０】
ここでは、ウェハ中心点と中心からオリエンテーションフラット（ＯＦ）側に２０ｍｍシフトした点のＳｉ（１１１）面反射のロッキングピーク位置（回折Ｘ線強度曲線の回折ピーク）を比較した。図６に、本実施例でＧａＮ膜をエピタキシャル成長したＳｉ基板の、中心と中心からＯＦ側に２０ｍｍシフトした点のＳｉ（１１１）面からのＸ線回折ピークを、また図７に従来技術でＧａＮ膜をエピタキシャル成長したＳｉ基板の、中心と中心からＯＦ側に２０ｍｍシフトした点のＳｉ（１１１）面からのＸ線回折ピークを示す。
【００３１】
ウェハ中心部とシフトした点のピーク位置が近いほど反りが少ないことになり、また図５に示すように２点のωの差がウェハの曲率角度θとなる。エピタキシャルウェハ１とエピタキシャルウェハ２の結果は図６と図７にそれぞれ示した通りである。すなわち、従来技術の場合はΔω＝０．３８８ｄｅｇで、反り量は６７．６μｍに相当し比較的大きいが、本実施例の場合は、Δω＝０．１６９ｄｅｇで、反り量は２９．４μｍに相当し、小さくなっている。この結果より両方のウェハとも反りは完全にはなくなっていないが、本実施例のエピタキシャルウェハ２（図６）の方が明らかに反りが少ないことがわかった。
【００３２】
以上の結果より、窒化物薄膜とＳｉ基板の間にＳｉＯ２膜を入れて高温でアニールすることにより、従来報告されてきた技術よりもさらに反りが低減されることがわかった。
【００３３】
ここで最適条件について吟味するに、ＳｉＯ２膜の膜厚は歪みを緩和できる充分な厚さが必要であるが、厚すぎると配向性を失い、上に成長する窒化物薄膜結晶自体の配向性もなくなってしまう。結論からいうと、ＳｉＯ２薄膜の膜厚は０．５〜２０．０ｎｍの厚さで形成することが好ましい。この膜厚範囲は実験で試行錯誤的に求めた値である。
【００３４】
またＳｉＯ２が軟化すると歪みは格段に緩和され易いため、歪み緩和のためのアニール温度は１２００℃以上とするのがよい。それ以外の成長時および熱アニール時の温度・圧力・ガス流量・原料濃度は、使用する装置により異なるため、試行錯誤をしておさえなくてはならない。
【００３５】
さらにＳｉＯ２薄膜上に形成する材料としてＡｌＮを採択しているが、これは、濡れ性の高い結晶であり、ＳｉＯ２上でも堆積は可能であり、しかも熱を加えることによりＡｌＮ／ＳｉＯ２界面で容易に歪みを緩和させることができる、さらに１２００℃以上の高い温度でもＮ原子脱離による表面荒れは起こらない、といった理由によるものであり、ＡｌＮ薄膜の厚さとしては１０〜２００ｎｍの厚さがあればよい。
【００３６】
上記実施例では、ＳｉＯ２膜を熱酸化にて形成したが、ＳｉＯ２膜はＣＶＤによる堆積でも適用可能であり、熱酸化よりも配向性の良好な膜が形成される可能性がある。
【００３７】
また窒化物薄膜はＭＯＣＶＤで成長したが、途中で搬出してアニールが可能なら、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）で成長した方が、基板の反りはより抑えられると思われる。
【００３８】
さらに上記実施例では、ＡｌＮ薄膜を堆積させた後で高温アニール処理を行っているが、この代わりに、ＡｌＮ薄膜の堆積を１２００℃以上の温度で行っても、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また上記実施例では、ＳｉＯ２薄膜上に形成する材料としてＡｌＮを選択したが、ＡｌＮ薄膜の代わりに、ＧａＮを組成０〜８０％の割合で添加したＡｌＧａＮ混晶薄膜を用いることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を成長するに際し、Ｓｉ基板表面にＳｉＯ２薄膜を事前に形成し、さらにその上にＡｌＮ薄膜を堆積させた後、高温アニールを加え、その薄膜上に必要な窒化物半導体薄膜を成長するので、Ｓｉ基板上の窒化物半導体薄膜を成長しても基板の反りが少なく、表面平坦性も良好なエピタキシャルウェハが実現できる。また、サファイア基板やＳｉＣ基板を用いるエピタキシャルウェハよりも、大口径化や低コスト化を容易に実現することができ、既存品よりもはるかに低価格な窒化物半導体デバイスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物系化合物半導体結晶成長方法に係るＭＯＣＶＤ炉内での成長シーケンスを示す図である。
【図２】従来技術の成長方法に係るＭＯＣＶＤ炉内での成長シーケンスを示す図である。
【図３】本発明により成長したＳｉ基板上のＧａＮエピタキシャルウェハ表面のＡＦＭ画像を示す図面代用写真である。
【図４】従来技術により成長したＳｉ基板上のＧａＮエピタキシャルウェハ表面のＡＦＭ画像を示す図面代用写真である。
【図５】Ｘ線反射角からウェハの曲率を求める簡略図である。
【図６】本発明でＧａＮエピタキシャル層を成長したＳｉ基板の、中心点と中心からＯＦ側に２０ｍｍシフトした点のＸ線回折ピークを示す図である。
【図７】従来技術でＧａＮエピタキシャル層を成長したＳｉ基板の、中心点と中心からＯＦ側に２０ｍｍシフトした点のＸ線回折ピークを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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