(57)【要約】【課題】窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を基板上へ形成する際に、その膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性を向上させる技術を提供する。【解決手段】両面が凸状に反るよう又は中心部が外周部よりも厚くなるように研磨加工された炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウム基板１０１を、窒化物系化合物半導体多層薄膜（１０２〜１０３）をエピタキシャル成長する為の基板として用いる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面が凸状に反るよう研磨加工された炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムからなる基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体製造方法において、上記炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム或いは窒化アルミニウムからなる基板として、その両面それぞれの曲率半径が３１．５ｍ以下である基板を用いることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項３】
中心部が外周部よりも厚くなるよう研磨加工された炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムからなる基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体製造方法において、上記基板として、ウェハ中心部の厚みが、ウェハ端から５ｍｍ内側の部分である外周部の厚みよりも２０μｍ以上厚いウェハを用いることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４記載の半導体製造方法によって製造したことを特徴とする半導体ウェハ。
【請求項６】
請求項５記載の半導体ウェハにおいて、基板上にエピタキシャル成長した窒化物系化合物半導体多層薄膜が、少なくとも窒化ガリウム層及び窒化アルミニウムガリウム層を含む積層体からなることを特徴とする半導体ウェハ。
【請求項７】
請求項５記載の半導体ウェハにおいて、基板上にエピタキシャル成長した窒化物系化合物半導体多層薄膜が、窒化アルミニウム層、窒化ガリウム層及び窒化アルミニウムガリウム層からなることを特徴とする半導体ウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体技術に属し、より詳細には炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムの基板を用いて、窒化物系化合物半導体デバイス用のエピタキシャルウェハを形成する半導体製造方法及び半導体ウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体は、ＩＩＩ族元素の組成比を制御することによって、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする発光素子材料として利用される。また窒化物系化合物半導体は高い飽和電子速度と、高い絶縁破壊耐圧を有する為、高周波・高出力の電子デバイス用の材料としても利用される。
【０００３】
窒化物系化合物半導体はガリウム、アルミニウム、インジウムなどのＩＩＩ族元素と、Ｖ族に属する窒素から形成される。窒化物系化合物半導体は常圧の窒素の蒸気圧が高いため、溶液からの単結晶成長が非常に困難である。そこで窒化物系化合物半導体は、普通、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＶａｐｏｒＰｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などの気相成長法によって単結晶成長される。
【０００４】
半導体材料を気相成長で製造しようとする場合において、表面平坦性の高い単結晶層を得る為には、気相から供給された原料分子に、基板表面をマイグレーションするのに充分な運動エネルギーを与える必要がある。すなわち基板表面は高温に加熱されている必要があり、その温度は成長される半導体材料の融点付近、且つ融点よりも若干低い温度が望ましい。窒化物系化合物半導体は窒素の蒸気圧が高いため、常圧以下では融点を持たない。そこで窒化物系化合物半導体は、それぞれの分解温度付近でエピタキシャル成長することが望ましいとされる。
【０００５】
例えば青色発光素子の活性層に利用される窒化インジウムガリウムは、普通、ＭＯＶＰＥ法によって７００℃付近で成長される。また紫外発光素子や電子デバイス用の材料に利用される窒化アルミニウムガリウムは、ＭＯＶＰＥ法によって１，１００℃付近で成長される。
【０００６】
ここで、基板の温度が不均一になると基板に反りが発生し、良質且つ、均質な窒化物系化合物半導体を成長させることが困難となるとの観点から、従来では、基板を均一に加熱して基板の反りを防止する工夫が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２００１−２３７１９２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板を均一に加熱することには、技術的に困難がある。
【０００９】
すなわち、窒化アルミニウムガリウムは１，１００℃付近で成長されると述べたが、これは特に工業的に窒化アルミニウムガリウムを量産する際に、技術的に大きな問題となる。１，１００℃付近というような高温領域では、輻射が熱伝導で支配的な要因を占める為、ＭＯＶＰＥリアクタの微小な変化が基板表面温度を大きく左右する。たとえば、結晶成長中にＭＯＶＰＥリアクタの基板対向面に付着した化合物は、その厚みの変化によって、反対側に存在する基板上のエピタキシャル層の成長速度等に影響を与える。また１，１００℃付近まで加熱された基板及びサセプタ部と、空冷或いは水冷されたサセプタ保持治具との間には大きな温度勾配が存在する。
【００１０】
このため、例えば２インチのような小さい基板サイズを用いた場合であっても、この基板面内全体を均一温度に加熱し、窒化物系化合物半導体薄膜を膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性が良い状態で形成する、ということは非常に困難である。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基板を均一に加熱するという従来技術のアプローチから離れ、リアクタ内雰囲気によって温度分布が生じることを許容した上で、窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を基板上へ形成する際に、その膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性を向上させることができる半導体製造方法及び半導体ウェハを提供することにある。
【００１２】
【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。
【００１３】
請求項１の発明に係る半導体製造方法は、両面が凸状に反るよう研磨加工された炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムからなる基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体製造方法において、上記炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム或いは窒化アルミニウムからなる基板として、その両面それぞれの曲率半径が３１．５ｍ以下である基板を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明に係る半導体製造方法は、中心部が外周部よりも厚くなるよう研磨加工された炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムからなる基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項３記載の半導体製造方法において、上記基板として、ウェハ中心部の厚みが、ウェハ端から５ｍｍ内側の部分である外周部の厚みよりも２０μｍ以上厚いウェハを用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明に係る半導体ウェハは、請求項１〜４記載の半導体製造方法によって製造したことを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項５記載の半導体ウェハにおいて、基板上にエピタキシャル成長した窒化物系化合物半導体多層薄膜が、少なくとも窒化ガリウム層及び窒化アルミニウムガリウム層を含む積層体からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項５記載の半導体ウェハにおいて、基板上にエピタキシャル成長した窒化物系化合物半導体多層薄膜が、窒化アルミニウム層、窒化ガリウム層及び窒化アルミニウムガリウム層からなることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明者等は、半絶縁性の炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウム基板であって、両面が凸状に反った又は中心部が外周部よりも厚い基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いると、窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を基板上へ形成する際に、その膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性を向上させることができ、サセプタ或いはその他のリアクタ内雰囲気によって生じる温度分布が相殺されたのと同等の結果が得られることを見い出し、本発明に至ったものである。
【００２１】
すなわち、本発明は基板を均一に加熱するという従来技術のアプローチから離れ、リアクタ内雰囲気によって温度分布が生じることを許容した上で、窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を基板上へ形成する際に、その膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性を向上させるものである。
【００２２】
【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。
【００２３】
［実施例１］
本発明の実施例を、図を用いて以下に説明する。図１は本発明の実施形態の一例である半導体ウェハの断面図であり、１０１は半絶縁性炭化ケイ素基板、１０２はアンドープ窒化アルミニウム層、１０３はアンドープ窒化ガリウム層、１０４はアンドープ窒化アルミニウムガリウム層である。
【００２４】
このような半導体ウェハは、次のようなプロセスにより製造される。
【００２５】
まず両面を鏡面研磨され、両面とも曲率半径が約２１ｍであるように反っていて、基板中心の厚さが４２０μｍ、基板外周部（ウェハ端から５ｍｍ内側の部分）の厚さが約３９０〜４００μｍ、ポリタイプが４Ｈであり、抵抗率が１×１０５ｃｍ以上の、２インチ炭化ケイ素基板１０１を、ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ部に搬入する。
【００２６】
このＭＯＶＰＥ装置は２インチ、または３インチの基板を１枚だけチャージできる能力を持っており、ウェハは駆動機構により回転する。本ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ内部では、水平方向にキャリアガスが流れる仕組みになっている。リアクタ内部のサセプタはＲＦ加熱方式によって熱せられ、この熱が石英製のウェハトレイを介して、炭化ケイ素基板に与えられる。
【００２７】
上記ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ部に搬入された炭化ケイ素基板１０１を、まず１，２００℃まで水素雰囲気中で加熱する。１，２００℃で温度が安定したところで、水素をキャリアガスとして、トリメチルアルミニウムとアンモニアガスを、Ｖ族とＩＩＩ族のモル比Ｖ／ＩＩＩ＝４５０となるような割合で、リアクタに供給する。このような方法により、１００ｎｍの窒化アルミニウム層１０２を炭化ケイ素基板１０１上に形成する。
【００２８】
窒化アルミニウム層１０２の成長が終ったら、基板温度を１，０９０℃まで落とす。１，０９０℃で温度が安定したところで、水素をキャリアガスとして、トリメチルガリウムとアンモニアガスを、Ｖ族とＩＩＩ族のモル比Ｖ／ＩＩＩ＝５，０００となるような割合で、リアクタに供給する。このような方法により、約２μｍの窒化ガリウム層１０３を窒化アルミニウム層１０２上に形成する。
【００２９】
窒化ガリウム層１０３の成長が終ったら、基板温度を１，０９０℃に保ったままで、水素をキャリアガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、及びアンモニアガスを、Ｖ族の合計とＩＩＩ族のモル比Ｖ／ＩＩＩ＝６００となるような割合で、リアクタに供給する。このような方法により、約２５ｎｍの窒化アルミニウムガリウム層１０４を窒化ガリウム層１０３上に形成する。
【００３０】
上記のようなプロセスによって得られる構造をもつ窒化物系化合物半導体多層薄膜は、典型的にはファンデアポー法（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法）による測定で１×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度と、１，５００ｃｍ２／Ｖｓのキャリア移動度を有する。これは、電界効果型トランジスタ用のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）エピタキシャルウェハとして知られる積層構造である。
【００３１】
この窒化物系化合物半導体多層薄膜のうち、特に窒化アルミニウムガリウム層１０４は、厚さとＩＩＩ族元素の組成比がエピタキシャルウェハの電気特性を大きく左右する為、その面内均一性が重視される。
【００３２】
本実施例で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のうちの、窒化アルミニウムガリウム層１０４中のＡｌ組成と厚さのＯＦ（オリエンテーションフラット）面平行方向の面内分布を、Ｘ線回折法にて測定・算出した。この結果を図２に示す。ウェハ端から５ｍｍ内側の部分より内側においては、ＡｌＧａＮの膜厚の曲線と、ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成の曲線とが互いに相殺し合う関係にあることが分かる。
【００３３】
本実施例で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のうちの、窒化アルミニウムガリウム層１０４は、外周部と較べて中心付近でＡｌ組成が高く、厚さが薄い傾向があるが、組成の標準偏差：０．００７９、膜厚の標準偏差：０．６７３ｎｍと、比較的良好な均一性を示した。
【００３４】
このエピタキシャルウェハのシート抵抗値の面内分布を、渦電流を利用した非接触型シート抵抗測定装置によって分析した結果を、図５に示す。若干のＡｌ組成不均一の影響を受け、シート抵抗にも面内分布が見られるが、ほぼ全面で４００Ω／ｓｑ台を実現する結果を得られた。
【００３５】
［比較例］
上記のような素晴らしい結果と対比する意味で、本発明を用いず、通常よく行われるように表面が平坦に研磨された基板を使った場合の実験（比較例）について、以下に説明する。
【００３６】
図３は比較例の半導体ウェハの断面図であり、３０１はサファイア基板、３０２はアンドープ窒化インジウムガリウムバッファ層、３０３はアンドープ窒化ガリウム層、３０４はアンドープ窒化アルミニウムガリウム層である。
【００３７】
この実験（比較例）では両面を鏡面研磨され、基板の厚さが３６０μｍ±３．６μｍであって、基板が反っておらずほぼ全面で同一の厚さをもち、且つ表面がｃ−ｐｌａｎｅである、２インチサファイア基板３０１を、既に説明したものと同一のＭＯＶＰＥ装置のリアクタ部に搬入する。
【００３８】
上記ＭＯＶＰＥ装置のリアクタ部に搬入されたサファイア基板３０１を、まず５００℃まで水素雰囲気中で加熱する。５００℃で温度が安定したところで、水素をキャリアガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムとアンモニアガスをリアクタに供給する。このような方法により、アンドープ窒化インジウムガリウムバッファ層（核生成層）３０２をサファイア基板３０１上に形成する。
【００３９】
窒化インジウムガリウムバッファ層３０２の成長が終ったら、基板温度を１，０９０℃まで上げる。１，０９０℃で温度が安定したところで、水素をキャリアガスとして、トリメチルガリウムとアンモニアガスを、Ｖ族とＩＩＩ族のモル比Ｖ／ＩＩＩ＝５，０００となるような割合で、リアクタに供給する。このような方法により、約２μｍの窒化ガリウム層３０３を窒化インジウムガリウムバッファ層３０２上に形成する。
【００４０】
窒化ガリウム層３０３の成長が終ったら、基板温度を１，０９０℃に保ったままで、水素をキャリアガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、及びアンモニアガスを、Ｖ族の合計とＩＩＩ族のモル比Ｖ／ＩＩＩ＝６００となるような割合で、リアクタに供給する。このような方法により、約２５ｎｍの窒化アルミニウムガリウム層３０４を窒化ガリウム層３０３上に形成する。
【００４１】
この実験（比較例）で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のうちの、窒化アルミニウムガリウム層中のＡｌ組成と、厚さのＯＦ（オリエンテーションフラット）に平行な方向の面内分布をＸ線回折法にて測定・算出した。この結果を図４に示す。
【００４２】
本実験（比較例）で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のうちの、窒化アルミニウムガリウム層３０４は、外周部と較べて中心付近でＡｌ組成が極端に高く、また一方で厚さは３５％以上薄くなっている。このウェハの状態は、若干誇張しているが、図３のようになっているものと理解して良い。この窒化アルミニウムガリウム層の組成の標準偏差：０．０３１８、膜厚の標準偏差：４．１６０ｎｍであり、前述した本発明が提供する反り基板を利用した実施例の場合と比較すると、大幅に劣っていることが分かる。
【００４３】
この実験（比較例）の結果は、以下のように理解できる。
【００４４】
本実験で用いたＭＯＶＰＥ装置のサセプタ上で、反っていない２インチウェハの面内においては、ウェハ中心部の実質的な温度が、ウェハ外周部の温度よりも上回っていると判断できる。窒化アルミニウムガリウムを構成する成分のうち窒化ガリウムは１，１００℃付近では再蒸発が激しくなり、基板上での窒化ガリウムの成長速度は温度によって大きく変化する。一方で、窒化アルミニウムガリウムを構成する成分のうち窒化アルミニウムは１，１００℃付近でもあまり再蒸発せず、基板上での窒化アルミニウムの成長速度は温度に依存しない。窒化アルミニウムガリウムはこのような相反する二つの成分の化合物であるため、２インチウェハの面内において実質的な温度に分布が生じた場合、それを反映してＡｌ組成と膜厚にバラツキが生じるのである。
【００４５】
一方、本発明によって提供される、反っている、或いは中心付近が外周部よりも厚い基板を用いた場合、サセプタ或いはその他のリアクタ内雰囲気によって生じる温度分布が相殺され、前述した実施例に示されるような優れた結果が得られるのである。
【００４６】
この効果は、例えばウェハ直径が２インチであれば表面と裏面の曲率半径が３１．５ｍ以下である、またはウェハ中心部の厚みが、外周部の厚みよりも２０μｍ以上厚い場合に顕著に見られる。
【００４７】
また同様の効果は、基板をサファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウムとした場合でも観察される。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、両面が凸状に反るように又は中心部が外周部よりも厚くなるように研磨された、半絶縁性の炭化ケイ素、サファイア、窒化ガリウム、或いは窒化アルミニウム基板を、窒化物系化合物半導体多層薄膜をエピタキシャル成長する為の基板として用いるため、窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を基板上へ形成する際に、その膜厚・組成・ドーピング濃度の面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ウェハの断面構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のうちの、窒化アルミニウムガリウム層中のＡｌ組成と、厚さのＯＦ平行方向の面内分布を示す図である。
【図３】比較例としての半導体ウェハの断面構造の一例を示す図である。
【図４】比較例における窒化アルミニウムガリウム層中のＡｌ組成と、厚さのＯＦ平行方向の面内分布を示す図である。
【図５】本発明の実施例で得られた窒化物系化合物半導体多層薄膜のシート抵抗の面内分布を示す図である。
【符号の説明】
１０１  炭化ケイ素基板
１０２  窒化アルミニウム層
１０３  窒化ガリウム層
１０４  窒化アルミニウムガリウム層
３０１  サファイア基板
３０２  窒化インジウムガリウム層
３０３  窒化ガリウム層
３０４  窒化アルミニウムガリウム層
【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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