(57)【要約】      （修正有）【課題】オフ角を有するＳｉ基板を用いて、反りが小さく結晶性の高い窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】（１１１）結晶方位面に対して２．０°以上６．０°以下のオフ角を有するＳｉ基板Ｗと、Ｓｉ基板Ｗ上に形成されＡｌＮ単結晶層２０ａ上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）２０ｂが積層された第一バッファ領域Ａと、第一バッファ領域Ａ上に形成され厚さが３００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）からなる第１単層３０ａと厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）からなる第２単層３０ｂとが交互に複数積層された第二バッファ領域Ｂと、第二バッファ領域Ｂ上に形成された窒化物半導体活性層５０と、からなる窒化物半導体基板Ｚ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１１１）結晶方位面に対して２．０°以上６．０°以下のオフ角を有するＳｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成されＡｌＮ単結晶層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）が積層された第一バッファ領域と、
前記第一バッファ領域上に形成され厚さが３００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）からなる第１単層と厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）からなる第２単層とが交互に複数積層された第二バッファ領域と、
前記第二バッファ領域上に形成された窒化物半導体活性層と、
からなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記ＡｌＮ単結晶層に対する前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層の厚さの比が、１．３以上２．５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン（Ｓｉ）基板上にバッファ層を介して窒化物半導体を形成した窒化物半導体エピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体に用いられる窒化物半導体基板の一形態として、Ｓｉ基板上に複数の層を有するバッファ層を介して窒化物半導体層を形成した窒化物半導体基板があり、いくつかの改良技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、結晶面方位が（１１１）面であるシリコン単結晶基板と、前記シリコン単結晶基板上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶（０＜ｘ≦１）で構成された第１バッファ層と、前記第１バッファ層上に形成され、厚さが２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）で構成された第１単層と、厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）で構成された第２単層とが交互に複数積層された第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に形成され、少なくとも１層以上の窒化物系半導体単結晶層を含む半導体素子形成領域と、を備えることを特徴とする化合物半導体基板が開示されている。
【０００４】
ところで、下地のＳｉ基板の一主面にオフ角をつけると、窒化物半導体層の結晶性向上が図れることも知られており、例えば特許文献２には、立方晶のシリコン単結晶の｛１１１｝面から任意の方向に０．１度以上１．６度以下の範囲内のオフ角で傾斜した主面を有するシリコン基板と、その傾斜主面上において六方晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層の＜０００１＞方向がシリコン基板の＜１１１＞方向と実質的に平行になるようにエピタキシャル成長させられた窒化物半導体層の１以上を含む窒化物半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３２３２２号公報
【特許文献２】特開２００３−０８６８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、オフ角を有するＳｉ基板上にバッファ層を介して窒化物半導体層を形成すると、窒化半導体基板の反り制御性が悪化することが判明した。そして、特許文献１と特許文献２にそれぞれ記載の技術のみでは、この点に十分対応することが困難であった。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、下地のＳｉ基板の一主面にオフ角をつけて窒化物半導体層の結晶性向上を図りつつ、かつ、反りの悪化を抑えられる窒化物半導体基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る窒化物半導体基板は、（１１１）結晶方位面に対して２．０°以上６．０°以下のオフ角を有するＳｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成されＡｌＮ単結晶層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）が積層された第一バッファ領域と、前記第一バッファ領域上に形成され厚さが３００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）からなる第１単層と厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）からなる第２単層とが交互に複数積層された第二バッファ領域と、前記第二バッファ領域上に形成された窒化物半導体活性層と、からなることを特徴とする。
【０００９】
このような構成をとることで、オフ角を大きくしても、反りを低減しつつ、高い結晶性を得られる窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、ＡｌＮ単結晶層に対するＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層の厚さの比が、１．３以上２．５以下であるとより望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によって、下地のＳｉ基板の一主面にオフ角をつけることで結晶性を向上しつつ、さらに窒化物半導体基板の反り制御性を有する窒化物半導体基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板を、断面方向から見た概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る窒化物半導体基板を、図面を基に詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体基板Ｚは、（１１１）結晶方位面に対して２．０°以上６．０°以下のオフ角を有するＳｉ基板Ｗを有する。このＳｉ基板Ｗの、オフ角を有する一主面上に対して、各種の窒化物半導体の層が順次積層される。
【００１５】
Ｓｉ基板Ｗは、公知の半導体用Ｓｉ基板を広く適用できる。Ｓｉ基板の結晶引上げ方法、酸素濃度、ドーパントの種類とその濃度、口径、厚さ、面粗さ、等は、設計される窒化物半導体に要求される仕様に応じて、適時選択してよい。
【００１６】
オフ角があると、オフ角がない場合と比べて、窒化物半導体導体層の結晶性が向上するが、オフ角の角度が大きすぎると、Ｓｉ基板Ｗの一主面上に形成されているステップ段差の影響で、逆に窒化物半導体層の結晶性が損なわれる。
【００１７】
本発明においては、Ｓｉ基板Ｗのオフ角が２．０°未満では、窒化物半導体層の結晶性向上効果が充分に得られない。一方、オフ角が６．０°を超えると、本発明に係る第一バッファ領域Ａと第二バッファ領域Ｂをもってしても、結晶性の低下が補えない恐れがある。
【００１８】
Ｓｉ基板Ｗのオフ角は、３°以上５．５°以下であると、結晶性に優れる点でより好ましい。さらに好ましくは、全体的にオフ角の効果が十分に享受されている、４．０°以上５．５°以下である。
【００１９】
Ｓｉ基板Ｗ上には、ＡｌＮ単結晶層２０ａ上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）２０ｂが積層された第一バッファ領域Ａが形成されている。
【００２０】
第一バッファ領域Ａは、Ｓｉ基板Ｗの表面保護と、Ｓｉ基板Ｗ上に形成される各種の窒化物半導体層に発生する割れ（クラック）や結晶欠陥を抑制する効果をもつ。
【００２１】
なお、本発明に係る窒化物半導体基板Ｚは、詳細は後述するが、Ｓｉ基板Ｗのオフ角による影響を、後述する第二バッファ領域Ｂの第１単層３０ａの厚さで制御するものである。
【００２２】
このとき、ＡｌＮ単結晶層２０ａに対するＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）２０ｂの厚さの比を１．３以上２．５以下とすると、第１単層３０ａとの厚さの相互作用がより効果的に発揮され、さらに好ましいものであるといえる。
【００２３】
なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層（０＜ｘ＜１）２０ｂのｘは、第一バッファ領域Ａと第二バッファ領域Ｂとの格子定数の差を考慮すると、０．１以上０．３以下が好ましく、０．１以上０．２以下がさらに好ましい。
【００２４】
第一バッファ領域Ａ上には、厚さが３００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）からなる第１単層３０ａと、厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）からなる第２単層３０ｂとが交互に複数積層された３０ａと３０ｂの交互積層４０からなる第二バッファ領域Ｂが形成されている。
【００２５】
図１では、第二バッファ領域Ｂは、第１単層３０ａの上に第２単層３０ｂが形成された形態を図示している。しかし、本発明はこの形態のみに限定されるものではなく、第１単層３０ａの上に第２単層３０ｂが交互に積層されている、いくつかの形態も含む。
【００２６】
すなわち、本発明における「交互に複数積層された」には、第二バッファ領域Ｂの最下層が第１単層３０ａで最上層が第２単層３０ｂの場合、最下層が第２単層３０ｂで最上層が第２単層３０ｂの場合、最下層が第１単層３０ａで最上層が第１単層３０ａの場合、及び最下層が第２単層３０ｂで最上層が第２単層３０ａの場合の、計四種類の形態をも含むものとする。
【００２７】
第二バッファ領域Ｂには、クラックや結晶欠陥等の発生と反りの増大を抑制する作用があり、この厚さや層の構成によって、反りの抑制に必要な圧縮応力の発生量を適正化することができる。
【００２８】
Ｓｉ基板Ｗがオフ角を持たないジャスト基板の場合、その上に形成される多層構造の窒化物半導体は、各層の界面における成長初期段階において、３次元成長から２次元成長への移行が速やかに行われる。しかし、Ｓｉ基板Ｗがオフ角を持つと、３次元成長から２次元成長への移行速度がオフ角に起因すると考えられる成長様式の違いにより、窒化物半導体層の各界面における平坦性が悪化することが判明した。
【００２９】
この平坦性の悪化により、第二バッファ領域Ｂにおける、反りを低減するのに必要な圧縮応力の発生が制限され、反りを低く抑えられなくなる恐れが生じる。
【００３０】
すなわち、本発明においては、所定の厚さ範囲に調整された第１単層３０ａが、窒化物半導体層の各界面で悪化した平坦性を回復し、それにより窒化物半導体基板Ｚを製造する過程で増大した反りを、一定の範囲内に抑えられるとしている。
【００３１】
さらに、本発明に係る窒化物半導体基板Ｚは、窒化物半導体基板Ｚの反りが大きくなっても、ジャスト基板のＳｉ基板Ｗを用いた場合と比べて、相対的にクラックの発生を抑えられる。
【００３２】
この効果をもたらす詳細なメカニズムの解析は、未だ十分でなく、今後の課題であるが、Ｓｉ基板Ｗのオフ角と第１単層３０ａの層厚との適切な関係が、本発明の第一バッファ領域Ａと第二バッファ領域Ｂを有する構造において、有効に作用しているのではないかと推測される。
【００３３】
第１単層３０ａの厚さが３００ｎｍ未満では、界面の平坦性が回復せず反りの抑制に必要な圧縮応力が得られないが、４５０ｎｍ超では、層厚が増加しても圧縮応力の増加は小ないので、反りの抑制が困難となる。好ましくは、より反りの制御性に優れた範囲の、３３０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下である。
【００３４】
第２単層３０ｂは、厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）からなる。厚さが５ｎｍ未満では、バッファ層としての機能を備えることが難しく、厚さが２０ｎｍ超では、第２単層３０ｂの成膜中に極小の割れ（マイクロクラック）が発生し、反りの抑制が難しくなる。
【００３５】
ここで、第１単層３０ａのＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶（０≦ｙ＜０．１）と、第２単層３０ｂのＡｌｚＧａ１−ｚＮ単結晶（０．９＜ｚ≦１）は、互いの組成ができるだけ相違したほうが好ましい。
【００３６】
これは、多層膜は、格子定数の異なる材料の格子が揃おうとする際に発生する圧縮または引張応力を、応力制御の駆動力とするため、互いの組成が近似してくると、その駆動力が発生しづらくなり、その結果、クラック発生や反りの増加などが生じることによるものである。
【００３７】
従って、第１単層３０ａはＧａＮ（ｙ＝０）、第２単層３０ｂはＡｌＮ（ｚ＝１）であると、より好ましい。
【００３８】
第二バッファ領域Ｂ上には、窒化物半導体活性層５０が形成されているが、層の組成、層厚、および層の数については、窒化物半導体基板Ｚの設計仕様に応じて、任意に設定することが可能である。なお、図１では２層構造を例示している。
【００３９】
本発明に係る窒化物半導体基板Ｚは、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｚｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｏｉｎ）を初めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタリング法等により形成することができる。
【００４０】
以上のとおり、本発明に係る窒化物半導体基板は、下地のＳｉ基板の一主面にオフ角をつけることで結晶性を向上しつつ、さらに、交互層の膜厚を適正化することにより、窒化物半導体基板の反りが低減された窒化物半導体基板を提供できる。
【００４１】
さらに、本発明に係る窒化物半導体基板は、窒化物半導体基板Ｚの反りが大きくなっても、ジャスト基板のＳｉ基板Ｗを用いた場合と比べて、相対的にクラックの発生を抑えられる効果もみられる。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。
【００４３】
（実験１）
ＣＺ法により製造され、結晶面方位（１１１）面、キャリア濃度１×１０１８／ｃｍ３、伝導型がｎ型、直径４インチ、厚さ５００μｍ、窒化物半導体層を形成する一主面が鏡面研磨されたＳｉ基板Ｗを準備した。
【００４４】
そして、前述の各仕様は共通で、表１に示すオフ角を有する各種のＳｉ基板Ｗを揃え、これらを水素雰囲気下、１０００℃で熱処理を行い、表面を清浄にした。
【００４５】
次に、基板温度を１１５０℃に上げて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、及びＮＨ３（アンモニア）ガスを供給し、Ｓｉ基板Ｗ上に、第１単層２０ａとしてＡｌＮ単結晶層を１００ｎｍ形成した。続けて、基板温度を１０５０℃として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を更に供給し、ＴＭＡとＴＭＧの各々の供給量を調整して、第１単層２０ａ上に厚さ２５０ｎｍのＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層２０ｂ（ｘ＝０．２）を形成した。  
【００４６】
次に、基板温度を１０５０℃として、ＴＭＧ及びＮＨ３ガスを供給し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層２０ｂ上に、ＧａＮ単結晶で構成された第１単層３０ａを形成した。その後、基板温度を１０５０℃のままとし、ＴＭＧをＴＭＡに切り換えてから、第１単層３０ａ上にＡｌＮ単結晶で構成された第２単層３０ｂを形成し、第一バッファ領域Ａとした。
【００４７】
以上の第１単層３０ａと第２単層３０ｂの形成を複数回繰り返して、合計層厚が約４０００ｎｍとなる第２バッファ層３０を形成した。この際、原料ガスの流量及び熱処理時間を調整して、第１単層３０ａの厚さを表１に示す値になるようにした第二バッファ領域Ｂをもつ各サンプルを作製した。なお、第２単層３０ｂの厚さは、全て２０ｎｍとした。
【００４８】
次に、作製した各サンプルに対して、基板温度を１０５０℃のままで、ＴＭＧ及びＮＨ３ガスを供給し、第二バッファ領域Ｂ上に、厚さ２０００ｎｍからなるＧａＮ単結晶で構成されたＧａＮ層と、その上に、ＴＭＡとＴＭＧの各々の供給量を調整して、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ単結晶で構成された厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＮ層を形成し、これを窒化物半導体活性層５０とした。
【００４９】
以上の方法で作製された、表１に示す構造を有する各窒化物半導体基板Ｚの、窒化物半導体活性層５０におけるクラック及び結晶欠陥等の発生状況を、光学顕微鏡と透過電子顕微鏡を用いて評価した。また、反りは、レーザー変位計にて評価した。
【００５０】
【表１】
2013089621.tif 000003
【００５１】
表１の結果から、本発明の実施範囲にあるものは、結晶性が高く、反りも小さく、かつクラックの発生も見られず、総じて良好な特性を示した。さらに、本発明の好ましい実施範囲にあるものは、より結晶性を高めることが可能である。
【００５２】
（実施例１１〜１４）
第一バッファ領域Ａにおいて、ＡｌＮ単結晶層２０ａに対するＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層
２０ｂの厚さの比が、１、１．３、１．６、１．８、２．５、３．０になるように、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層２０ｂの厚さを変更し、それ以外は実施例４に準じて、各サンプルの作製と評価を行った。
【００５３】
その結果、ＡｌＮ単結晶層２０ａに対するＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層２０ｂの厚さの比が１．３、１．６、１．８、２．５のサンプルは、反りが実施例４と比べて１０％程度さらに低減されており、より優れた特性を示した。
【００５４】
（実施例１５、比較例５）
窒化物半導体活性層５０のＧａＮ層の厚さを４０００ｎｍ、それ以外は実施例４、比較例１に準じたサンプルを作製して、それぞれ実施例１５、比較例５とした。評価は実験１に準じた。
【００５５】
その結果、実施例１５、比較例５ともに、反りが６０μｍと大きくなったが、実施例１５ではクラックの発生がなく、比較例５では、クラックの発生がみられた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る窒化物半導体基板は、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ等に好適である。特に、反りの増大が懸念される、活性層の厚さの厚い製品ではより有効といえる。
【符号の説明】
【００５７】
Ｚ      窒化物半導体基板
Ｗ      Ｓｉ基板
Ａ      第一バッファ領域
２０ａ  ＡｌＮ単結晶層
２０ｂ  ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層
Ｂ      第二層バッファ領域
３０ａ  第１単層
３０ｂ  第２単層
４０    ３０ａと３０ｂの交互積層
５０    窒化物半導体活性層
【図１】
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