(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウムと反応して表面に穴を形成するシリコン基板の上面にメルトバックエッチングによる穴と前記穴の空間を閉じた厚みを有し且つガリウムを含まない第1の窒化物系化合物半導体からなる第１の層を形成する工程と、
前記第１の層が形成された前記支持基板上にガリウムを含む第２の窒化物系化合物半導体からなる層を気相エピタキシャル成長させる工程
とを含むことを特徴とするエピタキシャル成長基板の製造方法。
【請求項２】
前記穴と前記第１の層を形成する工程は、
前記支持基板上に、不均一な厚みを有し且つ第１の窒化物系化合物半導体からなるバッファ層成長核を配置する工程と、
前記バッファ層成長核が配置された前記支持基板にガリウムを含む気相を供給する工程
とを含むことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長基板の製造方法。
【請求項３】
前記第１の層は、第１の窒化物系化合物半導体からなる複数のバッファ層成長核が互いに接合し、不均一な厚みを有してい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成長基板の製造方法。
【請求項４】
ガリウムと反応して表面に穴を形成するシリコン基板の上面にメルトバックエッチングによる穴と前記穴の空間を閉じた厚みを有し且つガリウムを含まない第１の窒化物系化合物半導体からなる第１の層を形成する工程と、
前記第１の層が形成された前記支持基板上にガリウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２の層を気相エピタキシャル成長させる工程と、
前記第２の層を介して前記支持基板上に窒化物系化合物半導体からなる素子形成領域を形成する工程
とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長基板及び窒化物系化合物半導体素子に関し、特に支持基板上のエピタキシャル成長層の反りやクラックの発生を抑制し、且つ製造リードタイムを比較的短くするするエピタキシャル成長基板の製造方法、窒化物系化合物半導体素子の製造方法、エピタキシャル成長基板及び窒化物系化合物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー素子（ＨＥＭＴやショットキーバリアダイオードなど）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の材料として、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、インジウムナイトライド（ＩｎＮ）、アルミナイトライド（ＡｌＮ）、インジウムガリウムナイトライド（ＩｎＧａＮ）、アルミガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）等の窒化物系化合物半導体を用いるのが一般的である。これらの窒化物系化合物半導体は、サファイア基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等の異種材料の基板を用い、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、分子線結晶成長（ＭＢＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法等の例えば気相エピタキシャル成長法により得ることができる。
【０００３】
しかし、エピタキシャル成長等によって形成されるＧａＮ等の窒化物系半導体層とその土台となるＳｉ基板やサファイア基板等の支持基板とでは、格子定数や熱膨張係数に大きな差がある。例えば、シリコン基板に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させた後に反応炉の外部へ取り出すために反応炉を降温すると、支持基板には大きな圧縮応力が働き、エピタキシャル成長層には引っ張り応力が働く。その結果、エピタキシャル成長層にクラックが発生する恐れがある。
【０００４】
そこで、図４に示すように、窒化ケイ素（ＳｉＮ）のマスクを用いてシリコン基板の上面に台形溝を形成し、台形溝の表面に選択的に半導体膜（シリコン酸化膜）を成長させて半導体膜表面にＡｌＮ緩衝層を形成させないようにした後、ＡｌＮ緩衝層をシリコン基板上面に選択的に形成し、ＡｌＮ緩衝層上に形成されるＧａＮ層を台形溝上を覆い尽くすように形成することで、エピタキシャル成長基板の反りやクラックの発生を抑制する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。また、サファイア基板の場合、支持基板の上に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長した後に降温すると、支持基板には大きな引っ張り応力が働く。その結果、窒化物系化合物半導体層の反りが大きくなり、窒化物系化合物半導体層と支持基板との界面にクラックが発生し、それが窒化物系化合物半導体層内を伝播する恐れがある。そこで、図５に示すように、サファイア基板上にサファイア基板よりもエッチング率が低いＡｌＮ層をドット状に形成した後、このＡｌＮ層をマスクとしてＡｌＮよりもサファイア基板に対する溶解度が大きいエッチング液にてマスクを完全にエッチングして多硬質バッファ層を形成すると伴にマスクが形成されていないサファイア基板表面領域に穴が形成され、その後にＧａＮ層を穴上を覆い尽くすように形成することで、エピタキシャル成長基板の反りやクラックの発生を抑制する提案がなされている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、上述した方法では、ＧａＮ等を支持基板上にエピタキシャル成長する工程以外に、成膜（蒸着、スパッタ等）工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を行う必要があるので、製造リードタイムの延長を引き起こしてしまう。
【特許文献１】特開２００２−１１０５６９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９１０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、エピタキシャル成長基板の反りやクラックの発生を抑制し、且つ製造リードタイムを比較的短くすることができるエピタキシャル成長基板の製造方法、窒化物系化合物半導体素子の製造方法、エピタキシャル成長基板及び窒化物系化合物半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の一態様によれば、ガリウムと反応して表面に穴を形成するシリコン基板の上面にメルトバックエッチングによる穴と穴の空間を閉じた厚みを有し且つガリウムを含まない第１の窒化物系化合物半導体からなる第１の層を形成する工程と、第１の層が形成された支持基板上にガリウムを含む第２の窒化物系化合物半導体からなる層を気相エピタキシャル成長させる工程とを含むエピタキシャル成長基板の製造方法であることを要旨とする。
【０００９】
本願発明の他の態様によれば、ガリウムと反応して表面に穴を形成するシリコン基板の上面にメルトバックエッチングによる穴と穴の空間を閉じた厚みを有し且つガリウムを含まない第１の窒化物系化合物半導体からなる第１の層を形成する工程と、第１の層が形成された支持基板上にガリウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２の層を気相エピタキシャル成長させる工程と、第２の層を介して支持基板上に窒化物系化合物半導体からなる素子形成領域を形成する工程とを含む窒化物系化合物半導体素子の製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エピタキシャル成長基板の反りやクラックの発生を抑制し、且つ製造リードタイムを比較的短くすることができるエピタキシャル成長基板の製造方法、窒化物系化合物半導体素子の製造方法、エピタキシャル成長基板及び窒化物系化合物半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長基板及び窒化物系化合物半導体素子の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
【００１５】
（イ）まず、図１（ａ）に示すように、ガリウム（Ｇａ）と反応するとメルトバックを生じて表面に穴が形成される材料からなる支持基板１０として、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を採用することができる。支持基板１０にＳｉ基板等を採用した場合、支持基板１０とガリウム（Ｇａ）が反応するとその支持基板１０の表面に合金（アロイ）を形成し、支持基板１０の表面に穴を開けるほどの強いエッチング反応（メルトバックエッチング）を生じる。
【００１６】
ちなみに、支持基板１０は、例えば３５０〜１０００μｍの厚みを有し、バッファ層２２及び素子形成領域３０（図２及び図３参照）よりも大きい格子定数（例えば、シリコン基板の場合、０．５４３ｎｍ）を有し、且つバッファ層２２の線膨張係数（例えば、５．５９×１０−６／Ｋ）よりも小さい線膨張係数（例えば、４．７０×１０−６／Ｋ）を有する単結晶シリコンからなり、バッファ層２２及び素子形成領域３０をエピタキシャル成長させるための機能及び機械的支持基板としての機能を有する。
【００１７】
（ロ）次に、支持基板の表面の酸化膜を取り除いた後、図１（ｂ）に示すように、支持基板１０上に複数のバッファ層成長核２０を形成する。バッファ層成長核２０は、後述する窒化物系化合物半導体からなる第１の層２２ａが均一成長する前の段階である。したがって、バッファ層成長核２０が設けられていない支持基板１０の領域は支持基板１０が露出している。バッファ層成長核２０は、支持基板１０の格子定数に近く、ＧａＮよりも格子定数が小さい第１の窒化物系化合物半導体として、ＡｌＮ等の３次元成長する結晶を支持基板１０の（１１１）面上に有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法等の気相エピタキシャル成長法により支持基板１０の温度を１０００〜１３００℃にして厚み１〜５０ｎｍ程度の薄い単結晶となるように成長させる。ここで、バッファ層成長核２０が多結晶である場合、Ｇａとバッファ層成長核２０が設けられた支持基板１０の上面との反応を生じやすくなり、バッファ層成長核２０が設けられた支持基板１０の上面にも穴１２が生じやすくなるためである。なお、この工程において、バッファ層成長核２０がドット状又はドット状から更に横方向にも成長して互いのバッファ層成長核２０が接続し、互いのバッファ層成長核２０の接続した部分がバッファ層成長核２０の他の部分よりも薄く形成されていても良い。つまり、ドット状に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層成長核２０が更に結晶成長して互いのバッファ層成長核２０が接合しているが、接合部付近で不均一の厚み繋がっている（特に互いのバッファ層成長核２０の接続された上面にピットを有する）初期層でも良い。
【００１８】
（ハ）次に、図１（ｃ）に示すように、８００℃以上の温度、例えば１０００℃〜１３００℃にて、Ｇａを含みメチル基を有するトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やＧａを含みエチル基を有するトリエチルガリウム（ＴＥＧ）等とアンモニア（ＮＨ３）を水素（Ｈ2）もしくは窒素（Ｎ2）をキャリアガスとして用いてプリフローする。なお、あまり温度を上げすぎると、Ｇａが支持基板１０と反応しないため、１３００度以下とすることが望ましい。また、バッファ層成長核２０を構成するＡｌＮは、Ｓｉ基板に比べて結合エネルギーが強く、ＡｌＮが表面に設けられたＳｉ基板の表面は、ＡｌＮがメルトバックを生じにくい。したがって、図１（ｄ）に示すように、バッファ層成長核２０が設けられておらず、支持基板１０が露出している箇所では、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）に含まれるＧａと反応して支持基板１０にはメルトバックエッチングが生じ、バッファ層成長核２０が設けられていない支持基板１０の表面に、例えばその深さ方向よりもその横方向に長い異方性の穴が形成されて、支持基板１０の上面側に穴１２が設けられる。一方、バッファ層成長核２０が設けられた支持基板１０の上面では、支持基板１０の表面とＧａとの反応によるメルトバックエッチングが生じにくく、バッファ層成長核２０が設けられた支持基板１０の上面の部分を中心とする穴１２は形成されない。したがって、穴１２を形成させたくない支持基板１０の上面の部分と接触するバッファ層成長核２０はメルトバックエッチングが生じない厚み以上に形成する必要がある。穴１２の幅は約１〜１００ｎｍであり、その深さは約１〜１００ｎｍである。この時、バッファ層成長核２０の少なくとも一部はＧａ及び支持基板１０のエッチングされた残渣と反応して第１の窒化物系化合物半導体を含む多結晶膜となっていても良い。一方、工程（ロ）で初期層が形成されている場合、初期層が薄く形成された支持基板１０の箇所では、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）に含まれるＧａと反応して支持基板１０には同様にメルトバックエッチングが生じ、初期層が薄く形成された支持基板１０の表面に、例えばその深さ方向よりもその横方向に長い異方性の穴が形成されて、支持基板１０の上面側に穴１２が設けられる。一方、初期層が薄く形成された支持基板１０の上面では、支持基板１０の表面とＧａとの反応によるメルトバックエッチングが生じにくく、初期層が薄く形成された支持基板１０の上面の部分を中心とする穴１２は形成されない。したがって、穴１２を形成させたくない支持基板１０の上面の部分と接触する初期層の厚みはメルトバックエッチングが生じない厚み以上に形成する必要がある。
【００１９】
（ニ）次に、水素（Ｈ２）のみを注入してメルトバックエッチングによって生じた多層膜を取り除いた後、図１（ｅ）に示すように、支持基板１０の温度を１０００〜１３００℃にして、バッファ層成長核２０又は前述の初期層を含むほぼ全面にＭＯＣＶＤ法等の気相エピタキシャル成長法により支持基板１０の穴１２に蓋をする程度の厚み、例えば１０〜５００ｎｍ程度であって、第１の窒化物系化合物半導体と同じ又は同じ構成元素を含む、例えばＡｌＮで構成される第１の層２２ａを積層する。したがって、第１の層２２ａによって支持基板１０に設けられた穴１２が閉じられる。
【００２０】
（ホ）次に、図１（ｆ）に示すように、第１の層２２ａ上に第１の窒化物系化合物半導体と格子定数が異なる第２の窒化物系化合物半導体として、例えばＧａＮを積層することで、第２の層２２ｂを設ける。更に第２の層２２ｂ上に第１の窒化物系化合物半導体のＡｌＮ層を積層することで第１の層２２ａを設ける。このように、第１の層２２ａと第２の層２２ｂを順次積層することで多層バッファ層（バッファ層）２２が形成される。多層バッファ層２２における、第１の層２２ａと第２の層２２ｂのペア数は、適宜決定することができるが、ペア数が少なすぎる又は多すぎる場合でも結晶性が悪くなってしまうので、ペア数は２〜１００程度が好ましい。また、第１の層２２ａと第２の層２２ｂが複数形成される場合、支持基板１０上のエピタキシャル成長層の反りやクラックの発生を抑制するために第１の層２２ａと第２の層２２ｂの内の１つ又は複数の厚みを他の順次積層させた第１の層２２ａと第２の層２２ｂの厚みと異なるようにするなど、個々の第１の層２２ａ及び第２の層２２ｂの厚みをバッファ層２２の厚みに応じて適宜変更しても良い。また、第１の層２２ａと第２の層２２ｂの少なくとも一方の抵抗値をさげるために、第１の層２２ａと第２の層２２ｂの少なくとも一方にＳｉ等の不純物を添加しても良い。
【００２１】
以上の工程により、エピタキシャル成長基板として提供される。
【００２２】
次に、各用途に合わせてバッファ層２２の上に窒化物系化合物半導体からなる素子形成領域３０や電極等が適宜形成され、窒化物系化合物半導体素子として提供される。
【００２３】
以上の工程により、支持基板１０上に支持基板１０と格子定数及び線膨張係数の異なるＧａＮ等のバッファ層２２を設けても、支持基板１０とバッファ層２２との界面に穴１２が設けられているため、バッファ層２２等のエピタキシャル成長後の降温時にバッファ層２２や素子形成領域３０等のエピタキシャル成長層における反りが大きくなり、エピタキシャル成長層にクラックが発生することを抑制することができる。また、エピタキシャル成長工程以外の、成膜（蒸着、スパッタ等）工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を行う必要がないので、製造リードタイムが比較的短時間にすることができる。更に、穴１２の幅が一般的なマスクを形成する場合よりも小さくできるため、穴１２を設けることでバッファ層２２形成工程時に生じる異常欠陥等を抑制することができる。
【００２４】
上記の製造方法によって、製造されたエピタキシャル成長基板を用いた窒化物系化合物半導体素子の実施例を以下に示す。
【００２５】
（第１実施例）
本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の第１実施例は、図２に示すように、前述のＧａとのメルトバックエッチングによって穴１２が形成されており、Ｓｉからなる支持基板１０と、第１の窒化物系化合物半導体として例えばＡｌＮで形成されており、支持基板１０の穴に蓋を閉じるように支持基板１０上に設けられた第１の層２２ａと、第２の窒化物系化合物半導体として例えばＧａＮからなり、第１の層２２ａの上に形成されている第２の層２２ｂと、更にその上に第１の層２２ａと第２の層２２ｂとが繰り返し形成されて支持基板１０上に設けられたバッファ層２２と、第２の窒化物系化合物半導体として例えばＧａＮからなり、バッファ層２２上に設けられたチャネル層３１と、チャネル層３１上に設けられており、チャネル層３１よりもバンドギャップエネルギーが広く、チャネル層３１との界面近傍に２次元電子ガス層を生じさせ、第３の窒化物系化合物半導体として例えばＡｌＧａＮからなる障壁層３２と、障壁層３２上に設けられたソース電極４０ａ、ゲート電極４０ｂ、ドレイン電極４０ｃとを備えるヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）である。ここで、特許請求の範囲における素子形成領域３０は、チャネル層３１及び障壁層３２に相当する。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法によって形成された窒化物系化合物半導体素子によれば、支持基板１０に穴１２を形成することでバッファ層２２及び素子形成領域３０からなるエピタキシャル成長層に生じる反りやクラックを抑制し、応力緩和をすることができる。これにより、エピタキシャル成長層の厚く形成することができ、高品質なエピタキシャル成長基板を得ることができる。そして、高品質なエピタキシャル成長基板が得られることにより、ウェハの大口径化にも寄与する。そして、エピタキシャル成長層の厚く形成することによって、窒化物系化合物半導体素子の縦方向の耐圧を向上することができる。
【００２７】
また、エピタキシャル成長工程中に支持基板１０に穴１２を形成することにより、成膜（蒸着、スパッタ等）工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を行う必要がないため、窒化物系化合物半導体素子の製造リードタイムを短縮させることができる。
【００２８】
（第２実施例）                                
本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の第２実施例は、図３に示すように、穴１２が形成された支持基板１０と、支持基板１０上に設けられたバッファ層２２と、バッファ層２２上に設けられた第１半導体層３４と、第１半導体層３４上に設けられた活性層３６と、活性層３６上に設けられた第２半導体層３８と、第２半導体層３８と低抵抗（オーミック）接触し第２半導体層３８上に設けられた第２電極４４と、支持基板１０と低抵抗（オーミック）接触し支持基板１０上に形成された第１電極４２を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ここで第１半導体層３４は、ｐ型ドーパントを添加した例えばＧａＮのＰ型クラッド層である。活性層３６は、例えばノンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）である。第２半導体層３８は、ｎ型ドーパントを添加した例えばＧａＮのＮ型クラッド層である。図３に示すように、第２半導体層３８と第２電極４４との間に挟まれたコンタクト層５０を設けても良いし、バッファ層２２を短絡するように支持基板１０から第１半導体層３４に延伸するように第１電極４２を設けても良い。ここで、特許請求の範囲における素子形成領域３０は、第１半導体層３４、活性層３６及び第２半導体層３８に相当する。
【００２９】
本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法によって形成された窒化物系化合物半導体素子によれば、支持基板１０に穴１２を形成されていることでエピタキシャル成長基板の反りやクラックの抑制、応力緩和をすることができる。これにより、活性層の結晶欠陥をより低減することが可能になり、高品質で高輝度な窒化物系化合物半導体素子を得ることができる。そして、高品質なエピタキシャル成長基板が得られることにより、ウェハの大口径化にも寄与し、窒化物系化合物半導体素子の取り数を増加することができる。
【００３０】
また、エピタキシャル成長工程中に支持基板１０に穴１２を形成することにより、成膜（蒸着、スパッタ等）工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を行う必要がないため、窒化物系化合物半導体素子は、製造リードタイムを短縮させることができる。
【００３１】
また、Ｓｉからなる支持基板１０は活性層３６から出る光（波長が約４７０ｎｍの光）を吸収する。ここで、ＡｌＮの屈折率が約１．９８であり、空気の屈折率が１．０であり、Ｓｉからなる支持基板１０の屈折率は約４．５である。本発明の第２の実施形態において、第１の層２２ａと支持基板１０との間に穴１２が設けられており、活性層３６から出た光が、第１の層（ＡｌＮ）２２ａ／穴（空気）１０の界面に達した場合と、第１の層（ＡｌＮ）２２ａ／支持基板（Ｓｉ）１０の界面に達した場合とにおいて、第１の層２２ａ／穴１２の方が第１の層２２ａ／支持基板１０の界面よりも反射が生じやすい。したがって、光が第１の層２２ａと穴１２との界面で屈折して、窒化物系化合物半導体素子の外部に取り出しやすくなり、窒化物系化合物半導体素子の発光効率を高めることができる。
【００３２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００３３】
例えば、実施例において、ヘテロ接合電界効果トランジスタと半導体発光素子において示したが、ヘテロ接合を有する窒化物系化合物半導体からなる素子形成領域３０の上にショットキーダイオードが形成された構造やＭＥＳＦＥＴに本発明の実施の形態を適応しても良い。
【００３４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長基板の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法による窒化物系化合物半導体素子の第１実施例である。
【図３】本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法による窒化物系化合物半導体素子の第２実施例である。
【図４】従来の窒化物系化合物半導体層を有するエピタキシャル成長基板の具体例（その１）である。
【図５】従来の窒化物系化合物半導体層を有するエピタキシャル成長基板の具体例（その２）である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…支持基板
１２…穴
２０…バッファ層成長核
２２…バッファ層
２２ａ…第１の層
２２ｂ…第２の層
３０…素子形成領域
３１…チャネル層
３２…障壁層
３４…第１半導体層
３６…活性層
３８…第２半導体層
４０ａ…ソース電極
４０ｂ…ゲート電極
４０ｃ…ドレイン電極
４２…第１電極
４４…第２電極
５０…コンタクト層
【図１】
0005163045.tif 000002
【図２】
0005163045.tif 000003
【図３】
0005163045.tif 000004
【図４】
0005163045.tif 000005
【図５】
0005163045.tif 000006