(57)【要約】【課題】キャリア供給層を支持基板上にエピタキシャル成長させる工程における基板温度の面内均一性を向上できる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板の製造装置を提供する。【解決手段】支持基板を加熱しながら成膜されたキャリア供給層までを形成された窒化物半導体基板の第２の基板主面と全面にわたって平行な搭載面を有するトレイを用意するステップと、搭載面に第２の基板主面を対向させて新たな支持基板をトレイ上に配置するステップと、トレイ上に搭載された新たな支持基板の第１の基板主面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の基板主面により両面が定義された支持基板の前記第１の基板主面上に、前記支持基板と格子定数が異なり、キャリア走行層とキャリア供給層を含む窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、
前記支持基板を加熱しながら成膜された前記キャリア供給層までを形成された前記窒化物半導体基板の前記第２の基板主面と全面にわたって平行な搭載面を有するトレイを用意するステップと、
前記搭載面に前記第２の基板主面を対向させて新たな前記支持基板を前記トレイ上に配置するステップと、
前記トレイ上に搭載された前記新たな支持基板上に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと
を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記トレイを用意するステップが、
前記キャリア供給層までを形成された前記窒化物半導体基板のサンプルを用意するステップと、
前記サンプルの前記キャリア供給層の表面の曲率を測定するステップと、
前記測定された曲率を用いて前記第２の基板主面の曲率を決定するステップと、
前記決定された曲率を有する面に対して平行な前記搭載面を有する前記トレイを用意するステップと
を含み、
前記サンプルと同一のプロセス条件で、前記新たな支持基板上に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ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の製造方法。
【請求項３】
前記サンプルの前記キャリア供給層の反り量と前記支持基板の反り量が同一であるとして、前記第２の基板主面の曲率を決定することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記トレイの前記搭載面が凸形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
第１及び第２の基板主面により両面が定義された支持基板の前記第１の基板主面上に、前記支持基板と格子定数が異なり、キャリア走行層とキャリア供給層を含む窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板を製造する製造装置であって、
原料ガスが導入されるチャンバーと、
前記支持基板を加熱しながら成膜された前記キャリア供給層までを形成された前記窒化物半導体基板の前記第２の基板主面と全面にわたって平行な搭載面を有する、前記チャンバー内に配置されたトレイと、
前記トレイ上の前記支持基板を加熱する加熱装置と
を備え、前記搭載面に前記第２の基板主面を対向させて前記トレイ上に配置した新たな前記支持基板上に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造装置。
【請求項６】
前記トレイの前記搭載面の曲率が、前記キャリア供給層までを形成された前記窒化物半導体基板のサンプルの前記第２の基板主面の曲率を用いて設定されることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造装置。
【請求項７】
前記トレイの前記搭載面が凸形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載の窒化物半導体基板の製造装置。
【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層を有する窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体層を有する半導体装置について、安価なシリコン基板などの支持基板上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板が使用されることが多い。例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のキャリア走行層（チャネル層）及びキャリア供給層（バリア層）などの、半導体装置の機能層である窒化物半導体層が支持基板上に形成される。
【０００３】
しかし、支持基板の格子定数と窒化物半導体層の格子定数が大きく異なる場合に、エピタキシャル成長によって支持基板上に形成された窒化物半導体層に大きな歪みエネルギーが発生する。その結果、窒化物半導体層にクラックが発生したり、結晶品質が低下したりしやすい。
【０００４】
半導体装置の歩留まりを向上するには、窒化物半導体層の結晶状態が基板全面にわたって均一であることが必要である。薄膜の結晶状態は、成膜時の基板温度に依存するため、均一な結晶状態を得るためには基板温度を基板全面にわたって均一にする必要がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１２６７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物半導体層のうちの膜厚の薄い層の結晶状態が、半導体装置のデバイス特性に大きな影響を与えることが多い。例えば、ＨＥＭＴのしきい値やオン抵抗に影響する二次元キャリアガス層の特性は、膜厚が数十μｍ程度のキャリア供給層の結晶状態に依存する。このため、ウェハの大口径化に伴って、キャリア供給層の成膜時における基板温度の面内均一性がより重要になっている。
【０００７】
本発明は、キャリア供給層を支持基板上にエピタキシャル成長させる工程における基板温度の面内均一性を向上できる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板の製造装置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】
【０００８】
本発明の一態様によれば、第１及び第２の基板主面により両面が定義された支持基板の第１の基板主面上に、支持基板と格子定数が異なり、キャリア走行層とキャリア供給層を含む窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、（イ）支持基板を加熱しながら成膜されたキャリア供給層までを形成された窒化物半導体基板の第２の基板主面と全面にわたって平行な搭載面を有するトレイを用意するステップと、（ロ）搭載面に第２の基板主面を対向させて新たな支持基板をトレイ上に配置するステップと、（ハ）トレイ上に搭載された新たな支持基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップとを含む窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、第１及び第２の基板主面により両面が定義された支持基板の第１の基板主面上に、支持基板と格子定数が異なり、キャリア走行層とキャリア供給層を含む窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板を製造する製造装置であって、（イ）原料ガスが導入されるチャンバーと、（ロ）支持基板を加熱しながら成膜されたキャリア供給層までを形成された窒化物半導体基板の第２の基板主面と全面にわたって平行な搭載面を有する、チャンバー内に配置されたトレイと、（ハ）トレイ上の支持基板を加熱する加熱装置とを備え、搭載面に第２の基板主面を対向させてトレイ上に配置した新たな支持基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キャリア供給層を支持基板上にエピタキシャル成長させる工程における基板温度の面内均一性を向上できる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板の製造装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置により製造される窒化物半導体基板の構造例を示す模式的な断面図である。
【図３】窒化物半導体基板に生じる応力を説明するための模式的な断面図である。
【図４】製造過程における窒化物半導体基板の反りを示す模式的な断面図である（その１）。
【図５】製造過程における窒化物半導体基板の反りを示す模式的な断面図である（その２）。
【図６】本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置のトレイの構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。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を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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もちろんである。
【００１３】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１０は、第１及び第２の基板主面により両面が定義された支持基板の第１の基板主面上に、支持基板と格子定数が異なる窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板を製造する製造装置である。窒化物半導体基板の製造装置１０は、図１に示すように、原料ガス１４０が導入されるチャンバー１１と、チャンバー１１内に配置されたトレイ１２と、トレイ１２上の支持基板１１０を加熱する加熱装置１３とを備える。詳細は後述するが、トレイ１２は、支持基板１１０を加熱しながら成膜されたキャリア供給層までを形成された窒化物半導体基板１００の第２の基板主面１１２と全面にわたって平行な搭載面１２Ｓを有する。
【００１５】
図１に示した窒化物半導体基板の製造装置１０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって支持基板１１０上に窒化物半導体層１２０を成膜して、窒化物半導体基板１００を製造する。具体的には、トレイ１２の搭載面１２Ｓに配置された支持基板１１０がチャンバー１１内に格納される。そして、ガス供給源１４からチャンバー１１内に原料ガス１４０が導入され、原料ガス１４０が支持基板１１０の表面と反応して支持基板１１０上に窒化物半導体層１２０がエピタキシャル成長により形成される。成膜後にチャンバー１１内に残った原料ガスは、排気装置１５によってチャンバー１１から排気される。
【００１６】
加熱装置１３は、トレイ１２を介して第２の基板主面１１２側から支持基板１１０を加熱する。加熱装置１３によって、窒化物半導体層１２０の形成中に支持基板１１０は所定の温度に加熱される。なお、図１に示す加熱装置１３はサセプタ１６の下に配置され、サセプタ１６によって加熱装置１３の発生する熱がトレイ１２に均一に伝達される。
【００１７】
窒化物半導体基板１００はＨＥＭＴ構造であり、窒化物半導体層はキャリア走行層とキャリア供給層がこの順に積層された積層体を含む。図２に、窒化物半導体基板の製造装置１０によって製造される窒化物半導体基板１００の構成例を示す。図２に示した窒化物半導体基板１００は、支持基板１１０上に、バッファ層１２１、キャリア走行層１２２及びキャリア供給層１２３がこの順に積層された窒化物半導体層１２０が配置された構造を有する。
【００１８】
支持基板１１０は、窒化物半導体層１２０と格子定数や熱膨張率が異なる材料からなる。例えば、支持基板１１０はシリコン（Ｓｉ）基板や炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板などである。
【００１９】
支持基板１１０の第１の基板主面１１１上に、バッファ層１２１が形成される。バッファ層１２１には、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ＞ｙ）のヘテロ構造を複数積層した構造が一般的に用いられている。例えば膜厚５ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と膜厚２０ｎｍ程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）層とを交互に複数積層した、膜厚が数μｍ程度のバッファ層１２１が採用される。
【００２０】
バッファ層１２１上に配置されるキャリア走行層１２２は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮをエピタキシャル成長させて形成する。ノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。キャリア走行層１２２の膜厚は、例えば２〜５μｍ程度である。
【００２１】
キャリア供給層１２３は、キャリア走行層１２２よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層１２２より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層１２３としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。
【００２２】
キャリア供給層１２３は、エピタキシャル成長によってキャリア走行層１２２上に形成される。キャリア供給層１２３とキャリア走行層１２２は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層１２３の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層１２２に高密度のキャリアが生じ、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層１２４が形成される。キャリア供給層１２３の膜厚は、例えば２０〜３０ｎｍ程度である。
【００２３】
キャリア供給層１２３上に配置されるキャップ層１２５には、ＧａＮ膜などを採用可能である。
【００２４】
シリコンの格子定数と窒化物半導体の格子定数は大きく異なり、更に熱膨張係数も異なる。このため、シリコン基板上に直接ＧａＮ膜を形成すると、ＧａＮ膜に強い引っ張り応力が働き、シリコン基板の周辺部に反りが生じ、シリコン基板の表面は凹形状になる。その結果、窒化物半導体からなる機能層にクラックが生じたり、結晶品質が低下したりする。
【００２５】
しかし、図３に示すように支持基板１１０にバッファ層１２１を介在させてキャリア走行層１２２を形成すると、キャリア走行層１２２に圧着応力を生じる。このため、キャリア走行層１２２の表面に向かって凸形状の反りが発生する。なお、図３に示した矢印の向きは応力の方向を示し、矢印の大きさと幅は応力の大きさを示す。バッファ層１２１では、支持基板１１０に近いほど引っ張り応力が大きい。
【００２６】
図４に示すようにキャリア走行層１２２上にキャリア供給層１２３を形成すると、反り量は増大する。キャリア供給層１２３上にキャップ層１２５を形成すると、図５に示すように反り量は減少する。
【００２７】
上記のように、窒化物半導体基板１００の形成工程の過程において、支持基板１１０の反る方向と反り量は変化する。既に述べたように、キャリア供給層１２３は窒化物半導体基板１００の各層の中でも膜厚が薄く、２次元電子ガスの生成などデバイス特性を大きく左右する機能を有する。したがって、キャリア供給層１２３の結晶状態が基板全面にわたって均一性であることが求められる。このため、キャリア供給層１２３の形成時において、支持基板１１０の基板温度が基板全面にわたって均一であることが重要である。
【００２８】
図１に示した窒化物半導体基板の製造装置１０では、窒化物半導体基板１００の各層のうちのキャリア供給層１２３までを形成された状態の支持基板１１０の第２の基板主面１１２と基板全面にわたって平行であるように、支持基板１１０の第２の基板主面１１２と対向するトレイ１２の搭載面１２Ｓが形成されている。
【００２９】
具体的には、キャリア供給層１２３までを形成された支持基板１１０の第２の基板主面１１２の曲率に対応させて、トレイ１２の搭載面の曲率が設定されている。既に説明したように、キャリア供給層１２３までを形成した状態では、窒化物半導体層１２０の表面は凸形状である。このため、支持基板１１０の第２の基板主面１１２は周辺部が下方に反った形状である。したがって、図６に示すように、トレイ１２の搭載面１２Ｓも周辺部が下方に反った形状であり、トレイ１２の搭載面１２Ｓは上に凸形状である。上記のように、トレイ１２の搭載面１２Ｓの形状は、キャリア供給層１２３の形成工程における窒化物半導体基板１００の形状に基づいて設定される。
【００３０】
以下に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１０によって窒化物半導体基板１００を製造する方法を説明する。なお、以下に述べる窒化物半導体基板１００の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３１】
先ず、図４に示した状態のサンプルが用意される。即ち、窒化物半導体基板１００の各層のうちのキャリア供給層１２３までを形成されたサンプルを作成する。このとき、キャリア供給層１２３を含めて、窒化物半導体層１２０の各層は、実際の窒化物半導体基板１００と同様の製造工程で形成される。つまり、サンプルのキャリア供給層１２３などは、所定の温度で支持基板１１０を加熱しながら形成される。
【００３２】
次いで、作成したサンプルの最上層であるキャリア供給層１２３の表面の曲率を測定する。そして、測定された曲率を用いて支持基板１１０の第２の基板主面１１２の曲率を決定する。例えば、キャリア供給層１２３の反り量と支持基板１１０の反り量とは同一であるとして、第２の基板主面１１２の曲率を決定する。
【００３３】
そして、決定された曲率を有する第２の基板主面１１２に対して平行であるように、トレイ１２の搭載面１２Ｓの曲率を設定する。したがって、キャリア供給層１２３の反り量と支持基板１１０の反り量とが同一である場合、トレイ１２の搭載面１２Ｓの曲率は、キャリア供給層１２３までを形成されたサンプルのキャリア供給層１２３の表面の曲率と同一である。図６に示したように、トレイ１２の搭載面１２Ｓは凸形状である。
【００３４】
上記のようにして設定された曲率の搭載面１２Ｓを有するトレイ１２を用意し、搭載面１２Ｓ上に新たな支持基板１１０を搭載する。このトレイ１２を窒化物半導体基板の製造装置１０のチャンバー１１内に格納し、新たな支持基板１１０上に窒化物半導体層１２０をエピタキシャル成長させる。このとき、サンプルと同一の構造及び同一のプロセス条件で、支持基板１１０上にバッファ層１２１、キャリア走行層１２２及びキャリア供給層１２３を形成する。更に、キャリア供給層１２３上にエピタキシャル成長によってキャップ層１２５を形成して、窒化物半導体基板１００が製造される。
【００３５】
その後、窒化物半導体層１２０上にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極などが形成される。各電極が形成された窒化物半導体基板１００を複数のチップに分割することにより、ＨＥＭＴが完成する。
【００３６】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１０では、窒化物半導体基板１００の一連の製造過程の途中工程であるキャリア供給層１２３を形成する工程において、トレイ１２の搭載面１２Ｓが、搭載面１２Ｓに接する支持基板１１０の第２の基板主面１１２と全面にわたって平行である。即ち、トレイ１２の搭載面１２Ｓから支持基板１１０の第２の基板主面１１２までの距離は、支持基板１１０の全面にわたって均一である。このため、トレイ１２からの直接の熱伝導及び輻射熱伝導による支持基板１１０の面内温度が均一化される。
【００３７】
上記のように、キャリア供給層１２３を形成する工程において、加熱装置１３によって支持基板１１０が基板面内で均一に加熱される結果、キャリア供給層１２３の結晶状態を支持基板１１０の全面にわたって均一にできる。
【００３８】
上記の窒化物半導体基板の製造方法によれば、大口径ウェハを使用した場合などにおいても、キャリア供給層１２３の結晶状態の面内均一性が向上する。これにより、デバイス特性のばらつきが抑制され、製品の歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４０】
上記ではサンプルを作成してキャリア供給層１２３の表面の曲率を測定する例を説明したが、例えばシミュレーションによってキャリア供給層１２３の表面の曲率を算出し、算出された曲率を用いて支持基板１１０の第２の基板主面１１２の曲率を決定してもよい。
【００４１】
また、本発明における平行とは本発明の効果が得られる範囲の平行であって、多少の隙間が入るものも含まれる。
【００４２】
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形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０…窒化物半導体基板の製造装置
１１…チャンバー
１２…トレイ
１２Ｓ…搭載面
１３…加熱装置
１４…ガス供給源
１５…排気装置
１６…サセプタ
１００…窒化物半導体基板
１１０…支持基板
１１１…第１の基板主面
１１２…第２の基板主面
１２０…窒化物半導体層
１２１…バッファ層
１２２…キャリア走行層
１２３…キャリア供給層
１２４…二次元キャリアガス層
１２５…キャップ層
１４０…原料ガス
【図１】
2013239588.tif 000003
【図２】
2013239588.tif 000004
【図３】
2013239588.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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