特開 2022-84473 導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022084473

(43)【公開日】2022-06-07

(54)【発明の名称】導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20220531BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20220531BHJP

   C30B 31/22 20060101ALI20220531BHJP

   C30B 33/02 20060101ALI20220531BHJP

   C23C 14/48 20060101ALI20220531BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20220531BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20220531BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20220531BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 C

C30B25/18

C30B31/22

C30B33/02

C23C14/48 A

C23C16/34

H01L21/20

H01L21/265 Z

H01L21/265 601A

H01L21/265 V

H01L21/265 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020196391

(22)【出願日】2020-11-26

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(71)【出願人】

【識別番号】000224798

【氏名又は名称】ＤＯＷＡホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100179903

【弁理士】

【氏名又は名称】福井 敏夫

(74)【代理人】

【識別番号】100213436

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 直俊

(72)【発明者】

【氏名】奥村 宏典

(72)【発明者】

【氏名】柴田 智彦

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 康弘

【テーマコード（参考）】

4G077

4K029

4K030

5F152

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077AB01

4G077AB03

4G077AB10

4G077BE13

4G077DB08

4G077EA02

4G077EB01

4G077ED06

4G077FD05

4G077FD06

4G077FE02

4G077HA02

4G077HA06

4G077TA04

4G077TA07

4G077TB05

4G077TC13

4G077TC16

4G077TJ02

4G077TJ03

4G077TJ06

4G077TK01

4K029AA07

4K029AA24

4K029BA58

4K029BD01

4K029CA10

4K029DE04

4K029GA01

4K030AA11

4K030AA13

4K030BA02

4K030BA38

4K030BB02

4K030BB13

4K030CA05

4K030CA12

4K030FA10

4K030JA01

4K030JA10

4K030LA15

5F152LL05

5F152LM08

5F152LN03

5F152LN04

5F152LN22

5F152MM01

5F152MM10

5F152MM20

5F152NN13

5F152NN27

5F152NP09

5F152NQ09

(57)【要約】

【課題】表面平坦性が高く、所定の導電性を有するｎ型ＡｌＮ層をサファイア基板上に有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００は、サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成されたＡｌＮ層２と、を備え、ＡｌＮ層２は、厚さが２μｍ以上であり、サファイア基板１に対向する側と反対側の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、当該表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成されたＡｌＮ層と、を備え、
前記ＡｌＮ層は、
厚さが２μｍ以上であり、
前記サファイア基板に対向する側と反対側の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、
前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度が６×１０^１７ｃｍ^－３以下である導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板。

【請求項2】

前記表面の二乗平均平方根高さが１ｎｍ以下である請求項１に記載の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板。

【請求項3】

サファイア基板上にＡｌＮ層を、成長温度１４００℃以下で、厚さ２μｍ以上に形成するＡｌＮ層形成工程と、
前記ＡｌＮ層における前記サファイア基板に対向する側と反対側の表面からＳｉイオンを注入するイオン注入工程と、
前記ＡｌＮ層と前記サファイア基板とを、窒素雰囲気下で、１３００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、を含み、
前記イオン注入工程における前記Ｓｉイオンのドーズ量が２×１０^１５ｃｍ^－２未満であり、
前記熱処理工程は、前記熱処理後における、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度を６×１０^１７ｃｍ^－３以下とする導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法。

【請求項4】

前記ＡｌＮ層形成工程は、
前記サファイア基板上に前記ＡｌＮ層としての第一ＡｌＮ層を成長温度１４００℃以下で形成する第一ＡｌＮ層形成工程と、
前記第一ＡｌＮ層の成長温度よりも高い温度で前記第一ＡｌＮ層と前記サファイア基板とを熱処理する予備熱処理工程と、
前記第一ＡｌＮ層上に前記ＡｌＮ層としての第二ＡｌＮ層を成長温度１４００℃以下で形成する第二ＡｌＮ層形成工程と、を含む請求項３に記載の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法。

【請求項5】

前記イオン注入工程は、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下とする請求項３又は４に記載の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法。

【請求項6】

前記ＡｌＮ層形成工程は、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度を２×１０^１８ｃｍ^－３以下とする請求項３から５のいずれか一項に記載の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サファイア基板上にＡｌＮ層を有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡｌＮ（窒化アルミニウム）は、バンドギャップが大きい材料であり、ｎ型やｐ型のドーピングが可能であることが知られている。そのため、高耐圧デバイス、深紫外ＬＥＤ、光導波路、ＭＥＭＳ圧電音響センサなどの用途で、幅広く用いられている。

【0003】

非特許文献１には、サファイア基板上の厚さ１μｍのＡｌＮ層に対し、Ｓｉをドーズ量５×１０^１５ｃｍ^－２でイオン注入した後、１４００℃で１０分加熱することにより、導電性のあるｎ型ＡｌＮを得られたことが記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Masakazu Kanechika, and Tetsu Kachi Appl. Phys. Lett. 88, 202106 (2006)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

サファイア基板はＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板などに比べて安価である。そこで発明者らは、サファイア基板上において導電性のｎ型ＡｌＮ層を得るために、種々の検討を行った。その過程で、非特許文献１に記載されたようにＳｉを高いドーズ量（例えばドーズ量５×１０^１５ｃｍ^－２以上）でイオン注入を行うと、イオン注入により蓄積されたダメージの影響で、イオン注入後に例えば１２３０℃、１４００℃、１６００℃といった温度で熱処理を行うと、表面にＲＭＳ（二乗平均平方根高さ）で５～１５ｎｍ程度の大きな凹凸が生じてしまうことが分かった。一方、低いドーズ量（例えばドーズ量５×１０^１４ｃｍ^－２）でイオン注入を行うと、イオン注入後の１６００℃の熱処理を経ても表面の凹凸は生じず、ＲＭＳで０．５ｎｍ程度の平坦性を維持できるものの、導電性のあるｎ型ＡｌＮ層を得ることが困難であることが分かった。

【0006】

サファイア基板上に導電性のｎ型ＡｌＮ層を形成した導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板において、そのＡｌＮ層の表面は、ある程度表面平坦性が高いことが必要である。すなわち、サファイア基板上にＡｌＮ層を形成し、更にイオン注入後に高い温度で熱処理を行っても、そのＡｌＮ層の表面平坦性が高いことが必要である。表面平坦性は、例えばＲＭＳが１ｎｍ以下であることが望まれる。また、この導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板におけるＡｌＮ層は、導電性として、たとえばシート抵抗が所定の抵抗値以下であることが必要である。ＡｌＮ層のシート抵抗は、例えば５０ＧΩ/□以下であることが望まれる。

【0007】

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、表面平坦性が高く、導電性を有するｎ型ＡｌＮ層をサファイア基板上に有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者等は、上述の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、本発明者等は、酸素濃度に着目し、以下に述べる本発明を完成させた。

【0009】

上記目的を達成するための本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板は、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成されたＡｌＮ層と、を備え、
前記ＡｌＮ層は、
厚さが２μｍ以上であり、
前記サファイア基板に対向する側と反対側の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、
前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度が６×１０^１７ｃｍ^－３以下である。

【0010】

本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板は、更に、
前記表面の二乗平均平方根高さが１ｎｍ以下であってもよい。

【0011】

上記目的を達成するための本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法は、
サファイア基板上にＡｌＮ層を、成長温度１４００℃以下で、厚さ２μｍ以上に形成するＡｌＮ層形成工程と、
前記ＡｌＮ層における前記サファイア基板に対向する側と反対側の表面からＳｉイオンを注入するイオン注入工程と、
前記ＡｌＮ層と前記サファイア基板とを、窒素雰囲気下で、１３００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、を含み、
前記イオン注入工程における前記Ｓｉイオンのドーズ量が２×１０^１５ｃｍ^－２未満であり、
前記熱処理工程は、前記熱処理後における、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度を６×１０^１７ｃｍ^－３以下とする。

【0012】

本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法では、更に、
前記ＡｌＮ層形成工程は、
前記サファイア基板上に前記ＡｌＮ層としての第一ＡｌＮ層を成長温度１４００℃以下で形成する第一ＡｌＮ層形成工程と、
前記第一ＡｌＮ層の成長温度よりも高い温度で前記第一ＡｌＮ層と前記サファイア基板とを熱処理する予備熱処理工程と、
前記第一ＡｌＮ層上に前記ＡｌＮ層としての第二ＡｌＮ層を成長温度１４００℃以下で形成する第二ＡｌＮ層形成工程と、を含むとよい。

【0013】

本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法では、更に、
前記イオン注入工程は、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下とするとよい。

【0014】

本発明に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法では、更に、
前記ＡｌＮ層形成工程は、前記表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度を２×１０^１８ｃｍ^－３以下とするとよい。

【発明の効果】

【0015】

表面平坦性が高く、所定の導電性を有するｎ型ＡｌＮ層をサファイア基板上に有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法を提供することができる。この導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板にあっては、Ｓｉイオンの注入及び熱処理後のＡｌＮ層の表面平坦性を、ＲＭＳが１ｎｍ以下とすることができる。また、この導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板にあっては、ＡｌＮ層が、そのシート抵抗が５０ＧΩ/□以下となるレベルの導電性を有することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に従う導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の側断面図である。

【図2】本発明に従う導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の製造方法を説明するための、模式断面図による工程図である。

【図3】実施例１のＡｌＮ層における深さ方向のＳｉ濃度及び酸素濃度のグラフである。

【図4】実施例１のＡｌＮ層における深さ方向の炭素濃度及び水素濃度のグラフである。

【図5】実施例２のＡｌＮ層における深さ方向のＳｉ濃度及び酸素濃度のグラフである。

【図6】実施例２のＡｌＮ層における深さ方向の炭素濃度及び水素濃度のグラフである。

【図7】比較例１のＡｌＮ層における深さ方向のＳｉ濃度及び酸素濃度のグラフである。

【図8】比較例１のＡｌＮ層における深さ方向の炭素濃度及び水素濃度のグラフである。

【図9】比較例２，３のＡｌＮ層における深さ方向のＳｉ濃度及び酸素濃度のグラフである。

【図10】比較例２，３のＡｌＮ層における深さ方向の炭素濃度及び水素濃度のグラフである。

【図11】比較例４の、第二の熱処理後のＡｌＮ層における深さ方向のＳｉ濃度及び酸素濃度のグラフである。

【図12】比較例４の、第二の熱処理後のＡｌＮ層における深さ方向の炭素濃度及び水素濃度のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。

【0018】

本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型層と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型層と称する。一方、酸素、水素、炭素及びＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型又はｎ型として機能しない場合、「アンドープ」と言う。アンドープの層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよく、具体的には、キャリア密度が小さい（例えば４×１０^１６／ｃｍ^３未満）場合に「アンドープ」である、と本明細書において称する。また、上記Ｓｉ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。

【0019】

また、エピタキシャル成長により形成されるＡｌＮ層の厚み全体は、光干渉式膜厚測定装置を用いて測定することができる。ＡｌＮ層の不純物濃度は、ＳＩＭＳ分析により測定できる。

【0020】

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法について説明する。なお、各図において、説明の便宜上、基板及び各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。

【0021】

〔概略構成の説明〕
図１には、本実施形態に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００を示している。導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００は、サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成されたＡｌＮ層２と、を備えている。ＡｌＮ層２は、厚さが２μｍ以上である。ＡｌＮ層２における、サファイア基板１に対向する側と反対側の表面（以下、単にＡｌＮ層２の表面と記載する）から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における算術平均値として求めた平均Ｓｉ濃度（以下、単に平均Ｓｉ濃度と記載する）は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下である。ＡｌＮ層２の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における算術平均値として求めた平均酸素濃度（以下、単に平均酸素濃度と記載する）は６×１０^１７ｃｍ^－３以下であり、より好ましくは、平均酸素濃度は５×１０^１７ｃｍ^－３以下である。

【0022】

〔各部の説明〕
〔サファイア基板〕
サファイア基板１は、その表面にＡｌＮ層２が形成される担体である。サファイア基板１における、ＡｌＮの結晶成長を行う表面の面方位は（０００１）面とすることができる。サファイア基板１は、オフ角を０．１°以上１°以下の範囲で有していても良い。サファイア基板１の厚みは、例えば８０μｍ以上１４００μｍ以下のものを用いることができる。

【0023】

〔ＡｌＮ層〕
ＡｌＮ層２とは、ＩＩＩ族として主にＡｌを含み、Ｖ族として主に窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ－Ｖ族化合物（本実施形態ではＡｌＮ）により形成された層である。

【0024】

サファイア基板１上に形成されるＡｌＮ層２には、後述するように、酸素が所定量含まれており、Ｓｉ（ケイ素）が所定量注入されている。そして、ＡｌＮ層２はｎ型の半導体層である。ＡｌＮ層２には、上記の酸素及びＳｉ不純物以外の不純物（ＡｌとＮ以外の元素）は意図的に添加されていない。しかし、ＡｌＮ層２には、酸素及びＳｉ以外では水素などの製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよく、ＧａやＩｎなどの他のＩＩＩ族元素や他のＶ族元素が不純物レベル（例えば１×１０^２１ｃｍ^－３以下）で含まれていても良い。

【0025】

本実施形態におけるＡｌＮ層２の平均酸素濃度及び平均Ｓｉ濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した値である。平均酸素濃度及び平均Ｓｉ濃度は、ＳＩＭＳ分析により、ＡｌＮ層２の表面からの深さ方向測定により求める。ＡｌＮ層２の最表面は汚れや表面酸化等による影響を受けている場合もあるため、平均酸素濃度及び平均Ｓｉ濃度は、ＡｌＮ層２の表面近傍、すなわち、ＡｌＮ層２表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均値を算出することで評価する。

【0026】

上記のごとく、ＡｌＮ層２の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における、平均Ｓｉ濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、同範囲における平均酸素濃度は、６×１０^１７ｃｍ^－３以下であり、より好ましくは５×１０^１７ｃｍ^－３以下である。この範囲における平均Ｓｉ濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上５×１０^１８ｃｍ^－３以下であることがより好ましい。このように、ＡｌＮ層２の表面近傍において、酸素濃度を６×１０^１７ｃｍ^－３以下の低い濃度としつつ、後述するようにＡｌＮ層２の表面が荒れない程度にイオン注入量を少なくしてＳｉを適切な濃度で含有させることで、シート抵抗が５０ＧΩ/以下となる導電性を有しながら平坦なＡｌＮ層２を得ることができる。

【0027】

ＡｌＮ層２の厚さは、２μｍ以上であり、より好ましくは２．５μｍ以上である。ＡｌＮ層２の厚さは、非接触型膜厚計、例えば、光干渉式膜厚測定装置を用いて測定することができる。本実施形態におけるＡｌＮ層２の厚さは、光干渉式膜厚測定装置であるＮａｎｏＳｐｅｃ ６１００（Ｎａｎｏ ｍｅｔｒｉｃｓ社製）により測定した値を用いている。ＡｌＮ層２の厚さの上限は特に制限されないが、例えば１０μｍとすることができる。

【0028】

ＡｌＮ層２の表面の凹凸は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いて計測することができる。ＡｌＮ層２上に更に半導体層を形成するためには、ＡｌＮ層２の表面の凹凸は、ＲＭＳ（二乗平均平方根高さ）で評価した場合、少なくとも１ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施形態においてＡｌＮ層２の表面の凹凸は、走査型プローブ顕微鏡であるＤｉｍｅｎｓｉｏｎ ＩＣＯＮ（ブルカー・エイエックスエス社製）で測定した値を用いている。ＡｌＮ層２の表面の凹凸を評価する場合のＡｌＮ層２の表面の凹凸の測定条件は、Ｓｃａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｔのカンチレバーで、Ｔａｐｐｉｎｇモードにより（スキャン速度１Ｈｔｚ，Ｓａｍｐｌｅ／ｌｉｎｅ：５１２）であり、計測範囲は、２μｍ×２μｍ角である。ＲＭＳは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３）に基づいて算出した値を用いている。

【0029】

〔製造方法の説明〕
導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００の製造方法を説明する。

【0030】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００の製造方法は、図２に示すように、サファイア基板１上にＡｌＮ層２を形成するＡｌＮ層形成工程（図２のステップＡ，Ｂ）と、ＡｌＮ層２におけるサファイア基板１に対向する側と反対側の表面からＳｉイオンを注入するイオン注入工程（図２のステップＣ）と、ＡｌＮ層２とサファイア基板１とを、窒素雰囲気下で、１３００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程（図２のステップＤ）と、を含む。

【0031】

ＡｌＮ層形成工程では、サファイア基板１上に、エピタキシャル成長によりＡｌＮ層２を厚さ２μｍ以上に形成して導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００の前駆体を形成する。ＡｌＮ層２は、第一ＡｌＮ層２１と第二ＡｌＮ層２２とを形成することにより形成される。すなわち、ＡｌＮ層形成工程は、サファイア基板１上にＡｌＮ層２としての第一ＡｌＮ層２１を形成する第一ＡｌＮ層形成工程及び第一ＡｌＮ層２１とサファイア基板１とを熱処理する予備熱処理工程（図２のステップＡ）と、第一ＡｌＮ層２１上にＡｌＮ層２としての第二ＡｌＮ層２２を形成する第二ＡｌＮ層形成工程（図２のステップＢ）と、を含む。第一ＡｌＮ層形成工程、予備熱処理工程及び第二ＡｌＮ層形成工程については後述する。

【0032】

ＡｌＮ層形成工程では、ＡｌＮ層２（すなわち第二ＡｌＮ層２２の表面）の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度を２×１０^１８ｃｍ^－３以下、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^－３以下となるように、ＡｌＮ層２を形成する。以下では、ＡｌＮ層２の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲を、単にＡｌＮ層２の表面近傍と記載する。第二ＡｌＮ層形成工程の段階で、ＡｌＮ層２（すなわち第二ＡｌＮ層２２の表面）の表面近傍に含まれる酸素濃度を低くしておくことで、後述のイオン注入工程におけるイオン注入によるＳｉの活性化を促し、後述の第二の熱処理後の表面近傍の酸素濃度の上昇も抑制することができる。

【0033】

ＡｌＮ層形成工程において、第一ＡｌＮ層２１及び第二ＡｌＮ層２２を形成するにあたり、エピタキシャル成長時に含有される酸素濃度は、エピタキシャル成長における成長温度のほか、成長圧力や成長速度、Ｖ／ＩＩＩ比（Ｖ族／ＩＩＩ族の比）の制御によって、特定の範囲に制御することが可能である。

【0034】

本実施形態では、第一ＡｌＮ層２１形成時及び第二ＡｌＮ層２２形成時における酸素濃度制御の一例として、成長温度（サファイア基板１の温度）を、１４００℃以下と、低い温度とした。ＡｌＮ層２の成長温度は、好ましくは１２００℃以上１３４０℃以下である。こうすることで、サファイア基板１や装置内壁などの酸素がエピタキシャル成長中のＡｌＮ層２中に混入することを抑制しやすくなる。

【0035】

また、成長温度を１４００℃以下とすることで、Ｖ／ＩＩＩ比による酸素濃度制御も可能となる。例えば、１３４０℃を超える温度でもＶ／ＩＩＩ比を６００以上とすれば、ＡｌＮ層２の表面近傍に含まれる酸素濃度を低く制御することができる。また、成長温度を１４００℃以下とすることで、成長圧力や成長速度などの他の制御要因によっても酸素濃度制御ができる。

【0036】

また、例示すると、成長圧力は５ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、成長速度は０．３μｍ／時以上３μｍ／時以下、Ｖ／ＩＩＩ比は１００以上３０００以下の範囲で酸素濃度が上記範囲内となるよう、ＡｌＮ層２を成長されればよい。

【0037】

第一ＡｌＮ層形成工程では、図２のステップＡとして示すように、第一ＡｌＮ層２１をサファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法などのＣＶＤ法（気相成長法）によりエピタキシャル成長させる。第一ＡｌＮ層形成工程における第一ＡｌＮ層２１の成長温度は、１４００℃以下とする。第一ＡｌＮ層２１の成長温度は、１２００℃以上１３４０℃以下であることが好ましい。第一ＡｌＮ層２１は、後述する予備熱処理工程でのクラック発生を抑制するため、１．５μｍ以下の膜厚とすることが望ましい。第一ＡｌＮ層２１は、０．３μｍ以上１μｍ以下の厚さとすることが更に好ましい。なお、エピタキシャル成長法はＣＶＤ法に限らず、スパッタ法、ＭＢＥ法などの他の成膜法を活用可能であるが、結晶品質を向上するという観点でＭＯＣＶＤ法が望ましい。

【0038】

予備熱処理工程は第一ＡｌＮ層形成工程後に行う。予備熱処理工程では、第一ＡｌＮ層２１の成長温度よりも高い温度で第一ＡｌＮ層２１とサファイア基板１とを熱処理（第一の熱処理）する。第一の熱処理の温度は、好ましくは１５００℃以上である。また、第一の熱処理の温度は、好ましくは１８００℃以下である。

【0039】

第一ＡｌＮ層２１をサファイア基板１上に形成した直後の状態では、第一ＡｌＮ層２１にはサファイア基板１との格子不整合を起因とする多くの転位が含まれる場合がある。しかし、第一ＡｌＮ層２１をサファイア基板１上に形成した後に１５００℃以上で熱処理することで、転位密度を低減することができる。これにより、第一ＡｌＮ層２１の結晶性を向上させることができる。

【0040】

予備熱処理工程においては、第一ＡｌＮ層２１中にサファイア基板１から酸素が拡散される。この酸素は第一ＡｌＮ層２１の結晶性の向上に必要なものである。サファイア基板１から拡散した酸素は、第一ＡｌＮ層２１中に広く拡散する。熱処理後の第一ＡｌＮ層２１には多くの酸素が含まれた状態になる。

【0041】

予備熱処理工程後の第一ＡｌＮ層２１中における、サファイア基板１との界面から第一ＡｌＮ層２１の表面までの酸素拡散の影響が大きい範囲（サファイア基板１との界面から０．５μｍまでの範囲とする）における平均酸素濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上であることが好ましく、１×１０^２０ｃｍ^－３以上であることがより好ましい。

【0042】

第二ＡｌＮ層形成工程（図２のステップＢ）では、第二ＡｌＮ層２２を第一ＡｌＮ層２１上（第一ＡｌＮ層２１におけるサファイア基板１に対向する側と反対側の表面上）にＭＯＣＶＤ法などのＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。

【0043】

第二ＡｌＮ層２２は、第一ＡｌＮ層２１よりも厚く形成する。第二ＡｌＮ層２２は、第一ＡｌＮ層２１との合計厚さが２μｍ以上となる厚さとすることが好ましく、例えば、第二ＡｌＮ層２２は１μｍ以上９μｍ以下の厚さとすることが好ましく、１．７μｍ以上がより好ましく、２μｍ以上とすることが更に好ましい。第二ＡｌＮ層形成工程における第二ＡｌＮ層２２の成長温度は、１４００℃以下とする。第二ＡｌＮ層２２の成長温度は、１２００℃以上１３４０℃以下であることが好ましい。第二ＡｌＮ層２２は、第一ＡｌＮ層２１よりも酸素濃度が低い状態となるようにする。第二ＡｌＮ層形成工程においても第一ＡｌＮ層形成工程と同様に、エピタキシャル成長法はＣＶＤ法に限らず、スパッタ法、ＭＢＥ法などの他の成膜法を活用可能であるが、結晶品質を向上するという観点でＭＯＣＶＤ法が望ましい。

【0044】

ＡｌＮ層形成工程直後の段階では、上述の拡散する酸素を除いて、ＡｌＮ層２はアンドープである。ＡｌＮ層２の厚さは、第一ＡｌＮ層２１の厚さと第二ＡｌＮ層２２の厚さの合計である。

【0045】

イオン注入工程（図２のステップＣ）は、第二ＡｌＮ層形成工程後に行う。イオン注入工程では、ＡｌＮ層２の表面から、Ｓｉイオンを注入する。イオン注入工程では、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均Ｓｉ濃度を１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下にする。ＡｌＮ層２の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、好ましくは５×１０^１８ｃｍ^－３以下である。ＡｌＮ層２の表面近傍における平均Ｓｉ濃度を上記記載の範囲の濃度とすることで、導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００のシート抵抗を適切な値まで下げて導電性を確保しつつ、後述する熱処理後のＡｌＮ層２の表面の凹凸を低減することができる。

【0046】

なお、Ｓｉイオンの注入方向（照射方向）は、サファイア基板１の（０００１）面に垂直な方向から傾斜させる。ただし、サファイア基板１の（０００１）面に対して完全に垂直に注入すると、チャネル効果により、ＳｉイオンがＡｌＮ層２の表面から０．５μｍの深さを越えて（例えば、１μｍの深さまで）Ｓｉが注入されてしまい、Ｓｉの濃度制御が適切に行えない場合がある。そのため注入方向を傾斜させる方が好ましく、その場合のＳｉイオン注入時の傾斜角度は、一例として０．１°から１０°が好ましく、典型的には７°傾斜させると更に好ましい。

【0047】

イオン注入工程では、Ｓｉイオン注入時の電圧を、１回目を９０ｋｅＶ、２回目を４０ｋｅＶ及び３回目を１０ｋｅＶといった具合に、複数回に分けて、電圧を高い電圧から低い電圧に段階的に変化させつつ、Ｓｉイオンの注入を行うようにしても良い。これにより、ＡｌＮ層２の表面からの深さ方向のＳｉ濃度（例えば、ＡｌＮ層２の表面から深さ０．１μｍまでの範囲のＳｉ濃度）を均しくすることができる。例示すると、加速電圧をＡｌＮ層２の厚さに応じて選択すればよいが、加速電圧は少なくとも１ｋｅＶとすることが好ましく、更に好ましくは１０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲で選択するとよい。

【0048】

イオン注入工程では、Ｓｉのドーズ量（複数回に分けてＳｉイオンの注入を行う場合はＳｉの総ドーズ量）を、２×１０^１５ｃｍ^－２未満とする。Ｓｉのドーズ量は、更に好ましくは２×１０^１４ｃｍ^－２以上１×１０^１５ｃｍ^－２以下の範囲とする。ＡｌＮ層２へのＳｉのドーズ量を上記記載の範囲の濃度とすることで、導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００のシート抵抗を適切な値まで下げて導電性を確保しつつ、後述する熱処理後のＡｌＮ層２の表面の凹凸を低減することができる。

【0049】

熱処理工程（図２のステップＤ）は、イオン注入工程後に行う。熱処理工程では、１３００℃以上１７００℃以下の温度環境下に、所定の熱処理時間の間、導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００の前駆体を晒す熱処理を行う（以下、第二の熱処理と記載する場合がある）。第二の熱処理の熱処理時間は１０分以上６０分間以下とすることが好ましい。第二の熱処理に用いる熱処理炉としては例えば、超高温炉ＳＲ１８００ＴＳ（サーモ理工社製）を用いることができる。

【0050】

この第二の熱処理の過程では、サファイア基板１からＡｌＮ層２へ酸素の拡散が生じる。詳述すると、サファイア基板１からの酸素の拡散は、サファイア基板１とＡｌＮ層２との界面から、ＡｌＮ層２の表面へ向けて進行する。なお、第二の熱処理の過程では、ＡｌＮ層２の最表面からの酸素の離脱も生じる。

【0051】

第二の熱処理の際に進行するサファイア基板１からの酸素の拡散は、サファイア基板１とＡｌＮ層２との界面から最大でも２μｍまでの範囲に概ねとどまる。第一の熱処理によって既に十分な酸素が拡散された第一ＡｌＮ層２１が存在するため、第二の熱処理の過程では、サファイア基板１から第一ＡｌＮ層２１であった部分への更なる酸素の拡散が緩慢になる。そして、第二ＡｌＮ層２２への酸素の拡散は、第一ＡｌＮ層２１と第二ＡｌＮ層２２との界面での酸素の拡散が主となる。そのため、その界面から第二ＡｌＮ層２２内部に向けた酸素の拡散は、主に第二の熱処理前における第一ＡｌＮ層２１と第二ＡｌＮ層２２の界面における酸素の濃度差の解消のみとなる。これにより、サファイア基板１からの（第一ＡｌＮ層２１を介した）第二ＡｌＮ層２２への酸素の拡散が抑制されるためである。そのため、サファイア基板１の近傍における酸素濃度が高い状態（サファイア基板１との界面から０．５μｍまでの平均酸素濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上）であっても、ＡｌＮ層２の厚さが２μｍ以上であれば、本実施形態において必要な範囲で第二の熱処理を行ってもＡｌＮ層２の表面側の酸素濃度の増加を抑制することができる。また、第二ＡｌＮ層形成工程において第一ＡｌＮ層２１の厚さよりも、第二ＡｌＮ層２２の厚さの方を厚く形成することで、ＡｌＮ層２の表面近傍の酸素濃度の増加を抑制する効果が得られやすくなるため好ましい。

【0052】

第二の熱処理は、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均酸素濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下、且つ、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下となるように行う。なお、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、５×１０^１８ｃｍ^－３以下となるように熱処理することが好ましい。また、第二の熱処理後も、ＡｌＮ層２のサファイア基板１との界面から０．５μｍまでの平均酸素濃度は１×１０^１９ｃｍ^－３以上であることが好ましい。

【0053】

第二の熱処理は、外部からの酸素の混入を抑制した状態で行うことが好ましい。酸素の混入を抑制した状態での熱処理として、本実施形態では、ＡｌＮ層２の分解が起きないように窒素雰囲気下による熱処理を行う。窒素雰囲気は、例えば熱処理炉内を真空引きした後に、熱処理炉内に窒素ガスを通流させることで得られる。窒素雰囲気の窒素圧力は、常圧（１０^５Ｐａ）でも減圧（１０^２Ｐａ以上１０^４Ｐａ以下）でも良い。減圧の方がＡｌＮ層２の表面近傍の酸素濃度を低減しやすいため好ましい。

【0054】

第二の熱処理においては、窒素雰囲気を常圧とするか減圧とするかにかかわらず、加熱前に熱処理炉内を真空引きして炉内の酸素をできるだけ排除しておくことが好ましい。熱処理炉内の真空引きは、ロータリーポンプ（ＲＰ）でもよいが、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を用いることが好ましい。ロータリーポンプによる真空引きでは炉内に残存する酸素によって熱処理後のＡｌＮ層２中の酸素濃度が意図せず高くなってしまう不具合が生じる場合があるが、ターボ分子ポンプによる真空引きを行えば、ロータリーポンプを用いた場合よりも高い真空度に真空引きできるため、このような不具合を回避できる。

【0055】

本実施形態では、上記のように酸素の混入を抑制した状態で導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板１００の前駆体を熱処理することにより、ＡｌＮ層２が２μｍ以上ある状態では、熱処理後において、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均酸素濃度の上昇を抑制することができる。

【0056】

本実施形態では上記のように、ＡｌＮ層形成工程において、ＡｌＮ層２の厚さが２μｍ以上とされており、且つ、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均酸素濃度を少なくとも２×１０^１８ｃｍ^－３以下まで低減してＡｌＮ層２を形成しているため、熱処理工程での熱処理後における、ＡｌＮ層２の表面近傍の平均酸素濃度を６×１０^１７ｃｍ^－３以下とすることができる。

【0057】

なお、ＡｌＮ層２の厚さが薄い場合、具体的には２μｍ未満である場合は、熱処理によってサファイア基板１から拡散した酸素がＡｌＮ層２の表面まで拡散してＡｌＮ層２の表面側の酸素濃度が増加して、ＡｌＮ層２の表面近傍における平均酸素濃度を６×１０^１７ｃｍ^－３以下とすることができない場合がある。

【0058】

また、熱処理工程における熱処理時間が６０分間を大きく超えるような場合（例えば２４時間熱処理を継続した場合）は、第二の熱処理によってイオン注入した表面近傍のＳｉがサファイア基板方向へ拡散する量が多くなりすぎて、本発明の効果が低下する恐れがある。イオン注入により蓄積されたダメージによる表面付近の歪の調整（表面粗さの変化）は６０分までに完了していると考えられる。

【実施例0059】

本実施形態に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の実施例を説明する。

【0060】

〔実施例1〕
まず、ＭＯＣＶＤ法を用い、サファイア基板（直径２インチ、膜厚：４３０μｍ、面方位：（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．１１度）上に、ＡｌＮ層をエピタキシャル成長により形成して導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板の前駆体を形成した。以下では、この前駆体（後述する加工を施したものも含む）を、単に試料と記載する場合がある。

【0061】

（ＡｌＮ層形成工程）
ＭＯＣＶＤ法によるサファイア基板上へのＡｌＮ層の形成は、以下のように行った。

【0062】

（第一ＡｌＮ層形成工程）
まず、ＭＯＣＶＤ装置内のステージ上にサファイア基板を配置し、ステージの温度（成長温度に相当）を１３３０℃に設定して、ＴＭＡガス（４３ｓｃｃｍ）とアンモニアガス（２５０ｓｃｃｍ）で流して、第一ＡｌＮ層の厚さが０．５μｍとなるように形成した。Ｖ／ＩＩＩ比は３４６である。

【0063】

（予備熱処理工程）
次に、試料を熱処理炉に移し、第一の熱処理を行った。第一の熱処理は、１６００℃の窒素雰囲気中で５時間熱処理を行った。

【0064】

（第二ＡｌＮ層形成工程）
更に、ＭＯＣＶＤ装置内のステージ上に試料を配置し、ステージの温度（成長温度に相当）を１３３０℃に設定して、ＴＭＡガス（４３ｓｃｃｍ）とアンモニアガス（５００ｓｃｃｍ）で流して、第二ＡｌＮ層の厚さ（膜厚）が２．０μｍとなるように形成した。Ｖ／ＩＩＩ比は６９２である。これにより、第一ＡｌＮ層と第二ＡｌＮ層を合わせた合計のＡｌＮ層の厚さは２．５μｍとなる。なお、ＡｌＮ層の厚さについては、ＮａｎｏＳｐｅｃ ６１００（Ｎａｎｏ ｍｅｔｒｉｃｓ社製）を用いて、試料のＡｌＮ層側の表面の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。以下の膜厚測定も同様である。

【0065】

第二ＡｌＮ層形成後の試料のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．３４ｎｍであった。なお、ＲＭＳは前述のＤｉｍｅｎｓｉｏｎ ＩＣＯＮ（ブルカー・エイエックスエス社製）で測定した。以下のＲＭＳ測定も同様である。また、Ｘ線回折装置Ｄ８（Ｂｕｒｋｅｒ製）を用いてＡｌＮのロッキングカーブの半値幅を評価したところ、（０００２）面で１１３秒・（１０－１２）面で３３０秒であった。

【0066】

（イオン注入工程）
次に、第二ＡｌＮ層形成後の試料のＡｌＮ層の表面からＳｉイオンを注入した。Ｓｉイオンの注入は、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまで均一にＳｉイオンが入るように、９０ｋｅＶ、４０ｋｅＶ、１０ｋｅＶの順番に三段階で注入（加速）エネルギーを変えながら行った。Ｓｉイオンの注入方向は（０００１）面から７度傾斜させて行った。Ｓｉイオンの総ドーズ量は５．０×１０^１４ｃｍ^－２とした。Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。

【0067】

次に、Ｓｉイオン注入後の試料のＡｌＮ層のＳｉ濃度、酸素濃度、炭素濃度及び水素濃度をＳＩＭＳにより測定した。なお、図３には、実施例１におけるＳｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。図３の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図３の左側のグラフは酸素濃度を示している。図３中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸はＡｌＮ層表面からの深さ（μｍ）である。また、図４には、実施例１におけるＳｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。図４の右側のグラフは炭素濃度を示している。図４の左側のグラフは水素濃度を示している。図４中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。

【0068】

このＡｌＮ層の表面から深さ０．１μｍまでの範囲の平均Ｓｉ濃度は３×１０^１９ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均酸素濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３であった。なお、以下の説明では、ＡｌＮ層のＳｉ濃度及び酸素濃度は、特に断りのない限り、ＳＩＭＳにより求めた値である。また、以下では、ＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲を、単にＡｌＮ層の表面近傍と記載する。

【0069】

（熱処理工程）
次に、サーモ理工社製ＳＲ１８００ＴＳを用いてＳｉイオン注入後の試料を熱処理（第二の熱処理）して実施例１の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。この熱処理は以下のように行った。すなわち、まず試料を炉内に投入後、ＲＰでの真空引きし、その後更にＴＭＰによる真空引きを行った。真空引きは、真空度が５×１０^-４Ｐａになるまで行った。その後、窒素ガスを１２０ｍｌ／分で流し、ＲＰで真空引きしながら１００Ｐａの減圧の窒素雰囲気下において１６００℃で３０分間加熱した。その後、窒素ガスを流しながら炉内で冷却した。冷却後の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．４ｎｍであった。

【0070】

第二の熱処理前のＡｌＮ層では、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまで高濃度にＳｉイオンが注入されていたが、第二の熱処理後（冷却後の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板）のＡｌＮ層では、注入されたＳｉが、約１μｍの深さまで拡散していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下の範囲における平均Ｓｉ濃度は３×１０^１８ｃｍ^－３であった。なお、図３には更に、実施例１における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。また、図４には更に、実施例１における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。

【0071】

第二の熱処理後のＡｌＮ層では、第二の熱処理前よりも酸素濃度が減少していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度が４×１０^１６ｃｍ^－３であった。

【0072】

更に、導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板のＡｌＮ層の表面に四角形電極（５０μｍ×１００μｍ）を複数個所形成した。これら四角形電極は、Ｔｉ層（膜厚２０ｎｍ）、Ａｌ層（膜厚１００ｎｍ）、Ｎｉ層（膜厚２０ｎｍ）及びＡｕ層（膜厚５０ｎｍ）を、この順に積層させて形成した。これら四角形電極はそれぞれ、電極間距離を変えて配置した。

【0073】

４探針マニュアルプローバー及び半導体特性評価システム（Ａｇｉｌｅｎｔ製のＢ１５９９Ｔ）を用いてこれら四角形電極間に最大３０Ｖの電圧を印加して、導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った。ＴＬＭ測定の結果、電流は流れ、シート抵抗は２３ＧΩ／□であった。

【0074】

〔実施例２〕
第二ＡｌＮ層の形成条件において、ＴＭＡガス（４３ｓｃｃｍ）とアンモニアガス（２５０ｓｃｃｍ）で流して、Ｖ／ＩＩＩ比を３４６としてＡｌＮ層を形成した以外は、実施例１と同様にして実施例２の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。

【0075】

第二ＡｌＮ層形成後の試料のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．４２ｎｍであった。

【0076】

Ｓｉイオン注入後の試料のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。このＡｌＮ層の表面から深さ０．１μｍまでの範囲の平均Ｓｉ濃度は３×１０^１９ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は４×１０^１８ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度は８×１０^１７ｃｍ^－３であった。

【0077】

第二の熱処理後の試料のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。第二の熱処理前のＡｌＮ層では、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまでＳｉイオンが注入されていたが、第二の熱処理後のＡｌＮ層では、注入されたＳｉが、実施例１と同様に約１μｍの深さまで拡散していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、実施例１と同様に３×１０^１８ｃｍ^－３であった。第二の熱処理後のＡｌＮ層では、実施例１と同様に、第二の熱処理前よりも酸素濃度が減少していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下における平均酸素濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３であった。

【0078】

なお、図５には、実施例２におけるＳｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ破線で、実施例２における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。図５の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図５の左側のグラフは酸素濃度を示している。図５中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。また、図６には、実施例２におけるＳｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ破線で、実施例２における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。図６の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図６の左側のグラフは酸素濃度を示している。

【0079】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った結果、電流は流れ、シート抵抗は２３ＧΩ／□であった。

【0080】

〔比較例１〕
第二ＡｌＮ層の形成条件において、ステージの温度を３０℃高い１３６０℃に設定してＡｌＮ層を形成した以外は実施例２と同様にして比較例１の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。

【0081】

第二ＡｌＮ層形成後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５２ｎｍであった。

【0082】

Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。このＡｌＮ層の表面から深さ０．１μｍまでの範囲の平均Ｓｉ濃度は３×１０^１９ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は３×１０^１８ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の酸素濃度は全体的に１０^１９ｃｍ^－３台であり、このＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度は３×１０^１９ｃｍ^－３であった。ＭＯＣＶＤでの第二ＡｌＮ層形成工程における成長温度が高いことでエピタキシャル成長時に含有される酸素濃度が増えている。なお、図７には、Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。図７の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図７の左側のグラフは酸素濃度を示している。図７中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。また、図８には、Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。図８の右側のグラフは炭素濃度を示している。図８の左側のグラフは水素濃度を示している。図８中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。

【0083】

第二の熱処理後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。第二の熱処理前のＡｌＮ層では、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまでＳｉイオンが注入されていたが、第二の熱処理後のＡｌＮ層では、注入されたＳｉが、実施例１，２と同様に約１μｍの深さまで拡散していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３であった。第二の熱処理後のＡｌＮ層では、実施例１と同様に、第二の熱処理前よりも酸素濃度が減少していた。しかし、第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度が７×１０^１７ｃｍ^－３であり、実施例１，２の場合よりも高かった。

【0084】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った結果、電流は流れず、シート抵抗は適切に計測できなかった。

【0085】

〔比較例２〕
第二ＡｌＮ層の形成条件において、第二ＡｌＮ層の厚さを０．５μｍとし、合計のＡｌＮ層の厚さを１μｍとした以外は、実施例２と同様にして比較例２の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。第二ＡｌＮ層形成後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。

【0086】

Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。このＡｌＮ層の表面から深さ０．１μｍまでの範囲の平均Ｓｉ濃度は３×１０^１９ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３であった。このＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度は８×１０^１７ｃｍ^－３であった。エピタキシャル成長時のサファイア基板からの酸素の拡散は０．５μｍ程度（第一ＡｌＮ層の厚さまで）であり、第二の熱処理前の段階では、このＡｌＮ層の表面側で酸素濃度は実施例２での値に近い。図９には、Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。図１０には、Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ破線で示している。

【0087】

１６００℃による第二の熱処理後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．４ｎｍであった。第二の熱処理前のＡｌＮ層では、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまでＳｉイオンが注入されていたが、第二の熱処理後のＡｌＮ層では、注入されたＳｉが、約０．４μｍの深さまで拡散していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３であった。第二の熱処理後のＡｌＮ層では、第二の熱処理前よりも酸素濃度が増加していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面から深さ０．２μｍ以上０．５μｍ以下における平均酸素濃度が２×１０^１９ｃｍ^－３であり、実施例１，２の場合よりも高かった。なお、図９には、比較例２における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。図９の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図９の左側のグラフは酸素濃度を示している。図９中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。また、図１０には、比較例２における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ実線で示している。図１０の右側のグラフは炭素濃度を示している。図１０の左側のグラフは水素濃度を示している。図１０中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。

【0088】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った結果、電流は流れず、シート抵抗は適切に計測できなかった。

【0089】

〔比較例３〕
第二の熱処理の温度を１２３０℃にして熱処理を行った以外は比較例２と同様にして比較例３の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。

【0090】

第二ＡｌＮ層形成後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．５ｎｍであった。第二の熱処理前のＡｌＮ層では、ＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さまでＳｉイオンが注入されていたが、第二の熱処理後のＡｌＮ層では、注入されたＳｉが、深さ方向に少し拡散していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、３×１０^１８ｃｍ^－３であった。第二の熱処理後のＡｌＮ層では、第二の熱処理前よりも酸素濃度が少し増加していた。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３であり、実施例１，２の場合よりも高かった。なお、図９には、比較例３における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフをそれぞれ二点鎖線で示している。図１０には、比較例３における第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、炭素濃度及び水素濃度のグラフをそれぞれ二点鎖線で示している。

【0091】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った結果、電流は流れず、シート抵抗は適切に計測できなかった。

【0092】

〔比較例４〕
比較例３において、イオン注入時の総ドーズ量を１×１０^１６ｃｍ^－２に増やした以外は、比較例３と同様にして導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板を作成した。

【0093】

Ｓｉイオン注入後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは０．６ｎｍであった。

【0094】

第二の熱処理後のＡｌＮ層の表面のＲＭＳは１３ｎｍであった。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均Ｓｉ濃度は、２×１０^１９ｃｍ^－３であった。第二の熱処理後のＡｌＮ層においては、ＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３であり、実施例１，２の場合よりも高かった。なお、図１１には、比較例４における、第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフを実線で示している。図１１の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図１１の左側のグラフは酸素濃度を示している。図１１中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。また、図１２には、比較例４における、第二の熱処理後のＡｌＮ層の深さ方向における、Ｓｉ濃度及び酸素濃度のグラフを実線で示している。図１１の右側のグラフはＳｉ濃度を示している。図１１の左側のグラフは酸素濃度を示している。図１１中、それぞれのグラフで縦軸は濃度（ｃｍ^-３）、横軸は深さ（μｍ）である。

【0095】

導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板についてＴＬＭ測定を行った結果、電流は流れず、シート抵抗は適切に計測できなかった。

【0096】

上記で説明した実施例１、２及び比較例１～４の結果を表１に示す。

【0097】

【表1】

【0098】

表１より明らかなように、実施例１，２に係る導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板においては、Ｓｉイオンの注入及び熱処理後のＡｌＮ層の表面平坦性が高く、且つ導電性を有する。これに対し、比較例１～３の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板では、Ｓｉイオンの注入及び熱処理後のＡｌＮ層の表面平坦性は高いものの、導電性を有さない。比較例４の導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板においては、Ｓｉイオンの注入及び熱処理後のＡｌＮ層の表面平坦性が低く、また導電性を有さない。実施例と比較例１の比較より、ＡｌＮ層形成工程においてＡｌＮ層の表面近傍における平均酸素濃度が２×１０^１８ｃｍ^－３を超えて高い場合には、第二の熱処理によって表面から酸素が脱離したとしても表面近傍における平均酸素濃度は６×１０^１７ｃｍ^－３以下までは下がらず、表面近傍のＳｉが活性化できず導電性が得られないことが分かった。実施例と比較例２と３の比較より、ＡｌＮ層の厚さが薄い場合には、第二の熱処理時にサファイア基板から拡散した酸素によって表面近傍の酸素が増加してしまい、導電性が得られないことが分かった。

【0099】

以上のようにして、表面平坦性が高く、所定の導電性を有するｎ型ＡｌＮ層をサファイア基板上に有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法を提供することができる。

【0100】

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0101】

本発明は、ｎ型ＡｌＮ層をサファイア基板上に有する導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板及びその製造方法に適用できる。

【符号の説明】

【0102】

１ サファイア基板
２ ＡｌＮ層
２１ 第一ＡｌＮ層
２２ 第二ＡｌＮ層
１００ 導電性ＡｌＮエピタキシャル膜付き基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】