(57)【要約】【課題】半導体材料薄膜の成長の際、基板の反り量を低減するか、もしくは反り量が無い状態の半導体材料薄膜の成長法を提案し、精密で微細な加工を要求される素子作製プロセスを可能とし、かつ歩留まりの向上を図る。【解決手段】あらかじめ、基板の裏面に、窒化物半導体材料であるＧａＮまたはＡｌＮ４を基板裏面に堆積させたサファイア基板３を用い、サファイア基板３の表面上に、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）により、２μｍ程度のＧａＮ２を堆積した後、Ａｌ組成１０％から３０％の厚さ３０ｎｍ程度のＡｌＧａＮ１のヘテロ構造を成長した。ＧａＮ２の格子定数、熱膨張係数は、サファイア基板３に比べ共に小さい。この素子構造としたところ、サファイア基板３の反り量を５μｍ程度に低減（基板裏面に窒化物を堆積しない場合の反り量は４０μｍ）できた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用することを特微とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項２】
基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用することを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項３】
基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の熱膨張係数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用することを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項４】
基板上ヘの半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用することを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体材料薄膜の成長法において、基板の表面、裏面の両面、またはいずれか一方の面に、窒化物半導体が堆積されていることを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体材料薄膜の成長法において、基板はサファイア、炭化ケイ素、シリコンのいずれか１種よりなることを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項７】
請求項５において、表面に堆積される上記窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含むことを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項８】
請求項５において、表面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくほ４元混晶層を含むことを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項９】
請求項５において、表面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなることを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項１０】
請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含むことを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項１１】
請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を含むことを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【請求項１２】
請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなることを特徴とする半導体材料薄膜の成長法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
基板の反り量が少ないか、もしくは基板の反り量が無い窒化物半導体薄膜の成長法に係り、精密で微細な素子構造を作製する際に、そのプロセスと歩留まり向上をはかる半導体材料薄膜の成長法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体素子は、近年急激な進歩を遂げている。青色発光ダイオード、青紫色レーザーは、すでに量産化されており、電界効果トランジスタも実用化に間近なところまで、研究・開発が進んでいる。しかし、窒化物半導体材料は、他のIII-V族半導体材料と異なり、加工、プロセスが困難であり、それが素子の特性、歩留まりなどに大きな影響を与える。その加工、プロセスの困難さを招く一因として、ウエハの反りが挙げられる。ウエハの反りは、基板と窒化物半導体層の熱膨張係数差が異なることから、成長後の降温過程において発生する。ウエハが反ることにより、プロセス時にステッパーが通らない、あるいはアライメントがずれ、設計通りに素子構造を作製することができないなどの素子特性や歩留まりに大きな影響を与える。また、反りの量は、基板の直径の２乗に比例して大きくなるため、将来、大口径の基板を使用するようになった時には、より深刻な間題となり得ることが予想される。基板の反りを低減させるために、従来、以下に示す（１）および（２）のような手法が提案されている。
【０００３】
（１）窒化物半導体層の膜厚を薄くする方法
結晶の弾性的性質から、堆積した薄膜より基板が圧倒的に厚い場合、反りの量は、薄膜の膜厚に比例して多くなる。したがって、例えば「非特許文献１」に示されているように、バッファ層の膜厚を薄くすることにより、反りを低減すことが試みられている。
【０００４】
（２）バッファ層に中間層を挿入する方法
基板の反りは、前述のとおり、成長後の降温過程で生じる。基板と窒化物半導体薄膜の熱膨張係数差により発生する応力歪みを中間層により緩和させることで、反り量を低減することができる。例えば「非特許文献２」に示されているように、中間層として、ＧａＮより弾性定数の小さいＩｎＧａＮなどを挿入することで、基板の反り量を低減することが可能である。
【０００５】
【非特許文献１】大野泰男：「窒化ガリウムを用いる高周波デバイスの現状と展望」FED Review,vol.1,No.13（2001）,14 March 2002,pp.1-11
【非特許文献２】坂井正弘、江川孝志、石川博康、神保孝志：「中間層を用いたAlGaN/GaN HEMT構造の反り低減効果」第５０回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集(2003,3 神奈川大学)ｐ1498 29ｐ-ZF-11(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の（１）、（２）の方法では、下記のような課題が挙げられる。  
上記（１）の窒化物半導体層の膜厚を薄くする方法は、窒化物半導体と基板、特にサファイア基板は、格子不整が大きい。そのため、それらの基板上に窒化物半導体層を成長させたとき、界面に高密度の欠陥が発生する。このように、バッファ層を薄くすると、素子構造と界面との距離が近づくため、界面の欠陥が素子特性に与える影響が大きくなる恐れがある。また、同じ膜厚でも、ウエハサイズが大きくなると、反り量が大きくなる。したがって、大口径基板では、より膜厚を薄くする必要があるので、上記の問題がより顕著に現れるという課題が生じる。さらに、この方法では、反りを全く無くすことができないので、精密で微細な素子構造を作製する時、そのプロセスと歩留まりの向上をはかることができないという問題がある。  
上記（２）のバッファ層に中間層を挿入する方法は、例えば、ＩｎＧａＮを中間層に用いた場合は電気的に活性であり、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のように、横方向に電子を流す素子の場合、その特性に影響を与える恐れがある。また、上記（１）と同様に、この方法でも、反りを全く無くすことはできない。
【０００７】
本発明の目的は、半導体材料薄膜の成長時において、基板の反り量を少なくするか、もしくは基板の反り量が無い状態の半導体材料薄膜の成長法を提案し、精密で微細な加工を要求される素子作製プロセスを可能とし、かつ素子作製プロセスの歩留まりの向上を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した従来技術における課題を鑑みて発明されたものであり、基本とするところは、基板の反対側に、窒化物半導体層を堆積させることで、基板の両面から等分の応カ歪みを発生させることにより、反り量を低減あるいは無くす方法である。
【０００９】
上記課題を解決するための具体的方法として、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用する半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１０】
また、請求項２に記載のように、基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用する半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、基板上への半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の熱膨張係数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用する半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１２】
また、請求項４に記載のように、基板上ヘの半導体薄膜成長時において、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用する半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１３】
また、請求項５に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体材料薄膜の成長法において、基板の表面、裏面の両面、またはいずれか一方の面に、窒化物半導体が堆積されている構造の半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１４】
また、請求項６に記載のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体材料薄膜の成長法において、基板はサファイア、炭化ケイ素、シリコンのいずれか１種よりなる半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１５】
また、請求項７に記載のように、請求項５において、表面に堆積される上記窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１６】
また、請求項８に記載のように、請求項５において、表面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくほ４元混晶層を含む半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１７】
また、請求項９に記載のように、請求項５において、表面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなる半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１８】
また、請求項１０に記載のように、請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００１９】
また、請求項１１に記載のように、請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を含む半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００２０】
また、請求項１２に記載のように、請求項５において、裏面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積してなる半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体材料薄膜の成長法によれば、基板の裏面に、窒化物層を堆積するので、膜厚などの、薄膜の構造や素子の特性に何ら影響を与えない。また、裏面の窒化物層の膜厚を、表面と等しくすれぱ、反り量をほぼ完全に無くすことが可能である。また、本発明を用いることで、反り量の少ない、あるいは反り量の無い窒化物半導体材料薄膜の作製が可能となり、精密で微細な加工を要求される素子のプロセスの実現と歩留まりの向上を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１（ａ）、図２（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）は、本発明の半導体材料薄膜の成長法の一例を示す模式図であって、本発明を実施するための最良の形態として例示する実施例１〜実施例４を示す。なお、図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）は、それぞれの実施例１〜実施例４における比較例１〜比較例４を示す。
【００２３】
〈実施例１〉
図１（ａ）は、本発明のサファイア基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積した場合を示し、これを実施例１とする。  
まず、比較例１〔図１（ｂ）〕に示すように、厚さ３００μｍのサファイア基板３の表面上に、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）により、２μｍのＧａＮ２を堆積した後、Ａｌ組成１０％から３０％の厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ１のヘテロ構造を成長した。ＧａＮ２の格子定数、熱膨張係数は、サファイア基板３に比べ共に小さい。この構造では、特に成長終了後の熱膨張係数に起因して、上に凸に４０μｍと大きく反った。  
そこで、本発明の実施例１〔図１（ａ）〕に示すように、あらかじめ、サファイア基板３の裏面に、窒化物半導体材料であるＧａＮまたはＡｌＮ４を基板裏面に堆積した後に、上記図１（ｂ）と同じ構造のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積したところ、サファイア基板３の反り量を５μｍ程度に低減することができた。
【００２４】
〈実施例２〉
図２（ａ）は、本発明のＳｉＣ基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積した場合を示し、これを実施例２とする。  
まず、比較例２〔図２（ｂ）〕に示すように、厚さ３００μｍのＳｉＣ基板６の表面上に、１００ｎｍのＡｌＮバッファ（緩衝）層５を堆積し、ＭＯＶＰＥにより１μｍのＧａＮ２を堆積した後、Ａｌ組成１０％から３０％の厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ１ヘテロ構造を成長した。ＧａＮ２の格子定数、熱膨張係数は、ＳｉＣに比べ共に大きい。この構造では、特に、成長終了後の熱膨張係数に起因して、下に凸に２０μｍと大きく反った。  
そこで、本発明の実施例２〔図２（ａ）〕に示すように、あらかじめ、ＳｉＣ基板６の裏面に、窒化物半導体材料であるＧａＮ２、あるいはＡｌＮバッファ層５を基板裏面に堆積した後に、上記図２（ｂ）と同じ構造のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積したところ、ＳｉＣ基板６の反り量を５μｍ程度に低減することができた。
【００２５】
〈実施例３〉
図３（ａ）は、本発明のＳｉ基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積した場合を示し、これを実施例３とする。  
まず、比較例３〔図３（ｂ）〕に示すように、厚さ３００μｍのＳｉ基板７の表面上に、１００ｎｍのＡｌＮバッファ（緩衝）層５を堆積し、ＭＯＶＰＥにより１μｍのＧａＮ２を堆積した後、Ａｌ組成１０％から３０％の厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ１ヘテロ構造を成長した。ＧａＮ２の格子定数は、Ｓｉに比べ小さく、熱膨張係数は、Ｓｉに比べ大きい。この構造では、特に、成長終了後の熱膨張係数に起因して、下に凸に１０μｍと大きく反った。  
そこで、本発明の実施例３〔図３（ａ）〕に示すように、あらかじめ、Ｓｉ基板７の裏面に、窒化物半導体材料であるＡｌＮバッファ層５、あるいはＧａＮ２を基板裏面に堆積した後、上記図３（ｂ）と同じ構造のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積したところ、Ｓｉ基板７の反り量を５μｍ程度に低減することができた。
【００２６】
〈実施例４〉
図４（ａ）は、本発明のサファイア基板上に青紫色ＬＤ（レーザダイオード）構造を堆積した場合を示し、これを実施例４とする。  
まず、図４（ｂ）〔比較例４〕に示すように、厚さ３００μｍのサファイア基板１４の表面上に、ＭＯＶＰＥ法により２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ１３を堆積した後、Ａｌ組成１０％のＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層１１、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層９、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を順次堆積して、青紫色ＬＤ構造を成長した。上記ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮの格子定数、熱膨張係数は、サファイアに比べ共に小さい。この構造では、特に成長終了後の熱膨張係数に起因して、上に凸に４０μｍと、大きく反った。  
そこで、本発明の実施例４〔図４（ａ）〕に示すように、あらかじめ、サファイア基板１４の裏面に、窒化物半導体材料であるＧａＮまたはＡｌＮ１５を裏面に堆積した後に、上記図４（ｂ）と同じ構造のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を堆積したところ、反り量を５μｍ程度に低減することができた。
【００２７】
上述の実施例１〜４で説明したように、本発明は基板上に、基板とは格子定数もしくは熱膨張係数の異なる半導体薄膜を成長する際に生じる「反り」を低減するため、あらかじめ基板の反対側（例えば裏面）に、同種の半導体薄膜を成長させておくことを特徴とするものである。本発明によれば「反り」の小さい窒化物系化合物半導体薄膜ウエハを製造することができ、加工の精度や歩留まりが大幅に向上できるという顕著な効果を奏するものである。
【００２８】
本発明は基板上への半導体薄膜成長の際に、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、当該基板の格子定数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用して、基板の両面から等分の応力歪みを発生させることにより、反り量を低減あるいは無くす方法である。
【００２９】
また、本発明は基板上への半導体薄膜成長の際、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との格子定数が異なり、基板材料の格子定数が成長させる半導体材料の格子定数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用して、基板の両面から等分の応力歪みを発生させることにより、反り量を低減あるいは無くす方法である。
【００３０】
また、本発明は基板上への半導体薄膜成長の際、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも小さい場合、あらかじめ基板の裏面に、基板の熱膨張係数よりも小さい材料を積層させたものを基板として使用して、基板の両面から等分の応力歪みを発生させることにより、反り量を低減あるいは無くす方法である。
【００３１】
また本発明は基板上ヘの半導体薄膜成長の際、その成長に用いる基板材料と成長させる半導体材料との熱膨張係数が異なり、基板材料の熱膨張係数が成長させる半導体材料の熱膨張係数よりも大きい場合、あらかじめ基板の裏面に、基板の格子定数よりも大きい材料を積層させたものを基板として使用して、基板の両面から等分の応力歪みを発生させることにより、反り量を低減あるいは無くす方法である。
【００３２】
また、本発明は半導体材料薄膜の成長法の際、基板の表面、裏面の両面、またはいずれか一方の面に、窒化物半導体を堆積させておくもので、サファイア、炭化ケイ素、シリコンのいずれか１種よりなる基板を用いるものである。
【００３３】
また、基板の表面に堆積される窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む半導体材料薄膜となし、上記窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくほ４元混晶層を含む半導体材料薄膜とするか、さらに、窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積させる半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【００３４】
また、基板の裏面に堆積される窒化物半導体層は、上記表面と同じ、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む半導体材料薄膜となし、上記窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を含む半導体材料薄膜とするか、さらに窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、および、それらのうちより選択される１種以上を含む３元混晶層もしくは４元混晶層を複数層堆積させる半導体材料薄膜の成長法とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施例１で例示した半導体材料薄膜の成長法を示す模式図であり、図１（ｂ）は実施例１に対応する比較例を示す図。
【図２】図２（ａ）は本発明の実施例２で例示した半導体材料薄膜の成長法を示す模式図であり、図２（ｂ）は実施例２に対応する比較例を示す図。
【図３】図３（ａ）は本発明の実施例３で例示した半導体材料薄膜の成長法を示す模式図であり、図３（ｂ）は実施例３に対応する比較例を示す図。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例４で例示した半導体材料薄膜の成長法を示す模式図であり、図４（ｂ）は実施例４に対応する比較例を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＡｌＧａＮ
２  ＧａＮ
３  サファイア基板
４  ＧａＮまたはＡｌＮ
５  ＡｌＮバッファ層
６  ＳｉＣ基板
７  Ｓｉ基板
８  Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
９  Ｍｇドープｐ型ＧａＮキャリア閉じ込め層
１０  ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
１１  Ｓｉドープｎ型ＧａＮキャリア閉じ込め層
１２  Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３  Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
１４  サファイア基板
１５  ＧａＮまたはＡｌＮ
【図１】
2005116785.tif 000003
【図２】
2005116785.tif 000004
【図３】
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【図４】
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