(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、
前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２】
前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層の上に前記窒化物半導体からなるデバイス層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３】
シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜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ウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体ウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウェーハおよび窒化物半導体ウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波デバイスは、小型化、低コスト化に向けて、アンテナやアンプ、スイッチ、フィルター等のデバイスをインテグレーションする開発が進められている。また、周波数の高周波化に従い、回路が複雑化し、使用されるデバイスの材料もシリコンＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ、相補型ＭＯＳ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体や窒化物半導体を用いたデバイス、圧電体を用いたフィルターなど多岐にわたっている。
【０００３】
これらのデバイスの下地となる基板は、安価で大直径のウェーハが流通しているシリコン基板が適していると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１０３３８０号公報
【特許文献２】特開２０２０−９８８３９号公報
【特許文献３】特開２０１２−７９９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、酸素濃度が０．２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン基板上への化合物半導体の成長について開示されている。
【０００６】
しかしながら、特に、高周波デバイス用の基板としては、高抵抗で、サーマルドナーによる抵抗率の変化が少ない低酸素濃度の基板が適していると考えられる。また、高周波デバイスでは、高周波特性を改善するため、デバイスやその支持基板、周辺のパッケージの寄生容量を減少させる必要がある。寄生容量の低減のため、サーマルドナーの発生しにくい高抵抗低酸素シリコン基板を支持基板やパッケージに利用すると、特性が改善されるとともに、コスト上もメリットがあると考えられる。このように、より低い酸素濃度の基板の方が電気特性上有利であるが、酸素濃度が低いことによって塑性変形しやすいという問題があった。
【０００７】
デバイス作製は基板上へのエピタキシャル成長や熱処理、貼り合わせなどの工程を含むが、その過程で異種の材料間の格子定数差や熱膨張係数差で基板に応力が発生する。しかしながら、高抵抗低酸素シリコン基板は、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ（ＣＺ）法により製造された通常の低抵抗のＣＺシリコン基板と比較して、有転位化した時のヤング率が低く、塑性変形しやすいデメリットがある。塑性変形が起こるとウェーハが大きく歪み、形状が元に戻らないため、反り異常や接合不良が発生する恐れがある。
【０００８】
特許文献２では、窒素濃度が高いＦｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ（ＦＺ）法により製造された基板上に窒化物半導体を成長する技術が示されている。しかしながら、ＦＺ法では、バルク中の窒素濃度が高い結晶を取得することが難しく、歩留まりが低いという問題があった。また、ＦＺ基板では、直径２００ｍｍ以上の＜１１１＞基板の取得が難しく、大直径化に限界があった。
【０００９】
そこで本発明者らは、大直径のウェーハを作製することができるＣＺ法に着目して、鋭意調査を行ったところ、高抵抗低酸素濃度ＣＺシリコン基板は、機械的特性が低抵抗ＣＺシリコン基板と比較して悪く、転位の伸長によって塑性変形を起こしやすいという問題があることを見出した。特にシリコン基板上のＧａＮの成長では、格子定数差や熱膨張係数差による応力によって、反りの増大や塑性変形が起こりやすいので、成長条件や緩和層による応力低減が行われている。
【００１０】
例えば、特許文献３では、周期的に複数回積層された窒化ガリウム系化合物半導体の中間層を用いて、応力緩和を行い、反りやクラックが小さいウェーハを作製している。しかしながら、複雑な中間層を作製することにより、成長時間が長くなり、設計の自由度が小さくなることが懸念される。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高周波デバイスに用いることに適した、ＣＺ法により製造した高抵抗低酸素シリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハおよびその製造方法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】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である窒化物半導体ウェーハを提供する。
【００１３】
このような窒化物半導体ウェーハであれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が抑制され、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハとなる。また、大直径化や多くの面方位を有するシリコン単結晶基板を用いた窒化物半導体ウェーハとすることが可能なものとなる。
【００１４】
このとき、前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を有し、該中間層の上に前記窒化物半導体からなるデバイス層を有することが好ましい。
【００１５】
このような中間層は、中間層上に有する窒化物半導体薄膜からなるデバイス層の結晶性改善や応力の制御のための緩衝層として機能するため、塑性変形がより抑制され、基板の反りがより小さい窒化物半導体ウェーハとなる。
【００１６】
また、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
【００１７】
このような窒化物半導体ウェーハの製造方法によれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が抑制され、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを容易に製造することができる。
【００１８】
このとき、前記シリコン単結晶基板上に窒化物半導体又は金属からなる中間層を形成し、該中間層の上に前記窒化物半導体薄膜を成長させることが好ましい。
【００１９】
このような中間層は、中間層上に形成される窒化物半導体薄膜からなるデバイス層の結晶性改善や応力の制御のための緩衝層として機能するため、塑性変形がより抑制され、基板の反りがより小さい窒化物半導体ウェーハをさらに容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体ウェーハ及びその製造方法によれば、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形を抑制し、基板の反りを小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る窒化物半導体ウェーハの一例を概念的に示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体ウェーハの応用例としてＨＥＭＴ構造を形成した場合を示す概略断面図である。
【図３】気相成長中の窒化物半導体ウェーハの曲率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
上述のように、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハおよびその製造方法が求められていた。
【００２３】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体からなるデバイス層を有する窒化物半導体ウェーハであって、前記シリコン単結晶基板は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である窒化物半導体ウェーハにより、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを提供することができることを見出し、本発明を完成した。
【００２４】
また、本発明者らは、シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコン単結晶基板を用い、該シリコン単結晶基板の上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体ウェーハの製造方法により、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハを容易に製造可能な製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成した。
【００２５】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明に係る窒化物半導体ウェーハの一例の概念図を図１に示す。
【００２６】
図１に示した本発明に係る窒化物半導体ウェーハ１０は、シリコン単結晶基板１２上に窒化物半導体薄膜からなるデバイス層１６を有する。シリコン単結晶基板１２として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下で、窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加（ドープ）した基板を使用する。
【００２７】
抵抗率について、高周波デバイス用の基板として要求される１０００Ω・ｃｍ以上とする。また、酸素濃度については、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を超えるとサーマルドナーによる抵抗率の影響が無視できなくなるため、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を上限とする。また、ＣＺ法で５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）未満の酸素濃度の単結晶を製造するのは極めて難しいことから、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）を下限とする。
【００２８】
しかし、このように高抵抗基板の酸素濃度を低くした場合、通常の低抵抗ＣＺシリコン基板と比較して、有転位化した時のヤング率が低く、塑性変形しやすくなるという問題がある。そこで本発明者らは、高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板として、窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加したものを用いることで、塑性変形を抑制することができることを見出した。
【００２９】
塑性変形を防ぐことによって、反り異常を低減して、窒化物半導体ウェーハ１０の製造の歩留まりを向上させることができる。また、シリコン単結晶基板１２が応力に耐えることができるので、気相成長によるデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の膜厚を厚くすることができ、デバイスの設計の自由度が向上する。また、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度を、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、特には５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のようにさらに高くすることにより、基板の反りをより小さくすることができ、より確実に塑性変形を防止することができる。なお、シリコン単結晶基板１２に含まれる窒素濃度は５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度であれば、シリコン単結晶基板１２の原料であるシリコン単結晶の単結晶化率の低下を防止することができるためである。
【００３０】
このとき、高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板として、直径２００ｍｍ以上のものが好ましい。このような大直径基板はＣＺ法の利点を活かすことができるためである。また、基板の主面の面方位は特に限定されず、（１００）、（１１０）、（１１１）等とすることができる。特に、直径２００ｍｍ以上、（１１１）の基板はＦＺ法による製造が困難であるので有益である。
【００３１】
このような窒化物半導体ウェーハは、高周波デバイスに適した高抵抗低酸素のＣＺシリコン単結晶基板を用いながらも、塑性変形が起きにくく、基板の反りを小さくすることができる窒化物半導体ウェーハとなる。
【００３２】
また、図１に示すように、シリコン単結晶基板１２とデバイス層１６との間に窒化物半導体又は金属からなる中間層１４を有してもよい。中間層１４は、デバイス層１６の結晶性改善や応力の制御のために挿入される緩衝層として働く。中間層１４は、応力や結晶性の改善の必要が無い場合、省略することもできる。一方、中間層１４は、高周波フィルターなどのデバイスの構成上、空間を作るための犠牲層や電極として用いることができる金属で作製されても良い。中間層１４は金属からなる中間層でもよく、窒化物半導体からなる中間層でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、組成はデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜と異なっていてもよいし同一でもよい。中間層１４を窒化物半導体からなるものとした場合、中間層１４及びデバイス層１６が窒化物半導体薄膜を構成すると言える。また、中間層１４の組成は成長の途中で変化させたものとしてもよい。
【００３３】
また、シリコン単結晶基板１２の表面（図１の中間層１４との界面）には、キャリアの寿命を低下させるトラップリッチ層が形成されていてもよい。
【００３４】
本発明に係る窒化物半導体ウェーハの応用例として、図２に、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を形成した場合を示した。図２に示したように、例えば、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造では、デバイス層１６は窒化ガリウム（ＧａＮ）層１７とその上に形成されるＡｌＧａＮからなる電子供給層１８で構成される。
【００３５】
窒化ガリウムは、Ｓｉ（１１１）単結晶と格子定数差が１７％、熱膨張係数差が１１６％あり、高温での成長中に薄膜や基板に応力がかかる。また、成長中１０００℃以上に加熱されているため、ウェーハに応力がかかると脆性破壊せずに、延性を示すようになり、転位を発生させて塑性変形する。
【００３６】
そこで、本発明では、シリコン単結晶基板１２として窒素を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上添加したものを用いることによって、シリコン単結晶基板１２の転位の進展を防止して、塑性変形を防ぐことができる。塑性変形を防ぐことによって、反り異常を低減して、窒化物半導体ウェーハ１０の製造の歩留まりを向上させることができる。また、シリコン単結晶基板１２が応力に耐えることができるので、気相成長によるデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の膜厚が厚いものとすることができて、デバイスの設計の自由度が向上する。
【００３７】
次に、本発明に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を説明する。図１を参照して説明すると、本発明に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法は、まず、シリコン単結晶基板１２を準備し、その後、シリコン単結晶基板１２の上にデバイス層１６となる窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる。本発明では、シリコン単結晶基板１２として、ＣＺ法により製造された、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いる。
【００３８】
デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜の成長の前に、シリコン単結晶基板１２上に中間層１４を形成し、中間層１４の上に、デバイス層１６となる窒化物半導体薄膜を成長させてもよい。
【００３９】
また、シリコン単結晶基板１２の表面（図１の中間層１４との界面）にトラップリッチ層を形成する場合の形成方法は、特に限定されないが、イオン注入や電子線、Ｘ線、γ線などの電離放射線の照射によって形成することができる。
【００４０】
シリコン単結晶基板１２の上に（シリコン単結晶基板１２の上に中間層１４を形成した場合は中間層１４の上に）、熱ＣＶＤ（化学気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相エピタキシー）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、真空蒸着法、スパッタリング法などの気相成長で、窒化物半導体薄膜からなるデバイス層１６を作製する。デバイス層として、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＳｃＮなどの窒化物半導体薄膜に加え、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。窒化物半導体薄膜は１〜１０μｍの厚さとすることができ、デバイスに合わせて設計することができる。
【００４１】
図２に示した高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造では、デバイス層１６は、デバイス特性の向上のため、結晶欠陥が少なく、炭素や酸素などの不純物が少ない結晶が望ましく、ＭＯＶＰＥ法を用いて９００℃〜１３５０℃で作製することができる。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
【００４３】
（実施例）
ＣＺ法により製造された、直径１５０ｍｍ、軸方位＜１１１＞のシリコン単結晶基板であって、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が５．０×１０１６〜２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）の、窒素をドーピングした高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備した。ドーピングした窒素の濃度は、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。ＭＯＶＰＥ炉を用いて、準備した高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板上に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。成長温度は１２００℃とし、総膜厚２．８μｍのエピタキシャル層を成長した。
【００４４】
図３は、気相成長中の窒化物半導体ウェーハの曲率の変化を示すグラフである。窒素を１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ドーピングした高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハは成長中に塑性変形が起こらず、成長後の反りは、平均で３０．４μｍと小さかった。
【００４５】
（比較例）
窒素をドーピングしていないことを除けば実施例と同じ高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を３枚準備し、実施例と同様に窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。
【００４６】
図３に示すように、窒素をドーピングしていない高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハでは、３枚中３枚のすべてが塑性変形している。窒素をドープしていない高抵抗低酸素ＣＺシリコン基板を用いた窒化物半導体ウェーハの成長後の反りは平均で１７４．１μｍと大きく、不良となった。
【００４７】
実施例、比較例から、シリコン単結晶基板１２の窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、塑性変形が起きることを抑制し、基板の反りを小さくすることができるという本発明の効果が得られることがわかった。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４９】
１０…窒化物半導体ウェーハ、
１２…シリコン単結晶基板、
１４…中間層、
１６…デバイス層（窒化物半導体薄膜）、
１７…ＧａＮ層、
１８…ＡｌＧａＮ層（電子供給層）。
【要約】      （修正有）【課題】高周波デバイスに用いることに適した、ＣＺ法により製造した高抵抗低酸素シリコン単結晶基板を用いても、塑性変形が起きにくく、基板の反りが小さい窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体ウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】シリコン単結晶基板１２の上に窒化物半導体からなるデバイス層１６を有する窒化物半導体ウェーハ１０であって、シリコン単結晶基板１６は、ＣＺシリコン単結晶基板であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以上、２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＪＥＩＤＡ）以下であり、窒素濃度が５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。【選択図】図１【図１】
0006866952.tif 000002
【図２】
0006866952.tif 000003
【図３】
0006866952.tif 000004