特開 2023-32276 窒化物半導体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】P2023032276

(43)【公開日】2023-03-09

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20230302BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230302BHJP

   C30B 25/02 20060101ALI20230302BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 D

H01L21/205

C30B25/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021138308

(22)【出願日】2021-08-26

(71)【出願人】

【識別番号】000190149

【氏名又は名称】信越半導体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102532

【弁理士】

【氏名又は名称】好宮 幹夫

(74)【代理人】

【識別番号】100194881

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 俊弘

(74)【代理人】

【識別番号】100215142

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 徹

(72)【発明者】

【氏名】萩本 和徳

【テーマコード（参考）】

4G077

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BE13

4G077BE15

4G077DB06

4G077ED06

4G077EE02

4G077EE07

4G077EF02

4G077HA12

5F045AA04

5F045AB09

5F045AB14

5F045AB17

5F045AF03

5F045AF20

5F045BB12

5F045CA07

5F045DA53

5F045DB01

(57)【要約】

【課題】シリコン基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、その上にＧａＮやＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合にエッジ部に反応痕や多結晶成長部分の無い窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】単結晶シリコンからなる成膜用基板上に、窒化物半導体薄膜が成膜された窒化物半導体基板であって、前記成膜用基板の外周部にはシリコン窒化膜が形成されており、前記成膜用基板及び前記シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜が形成されており、前記ＡｌＮ膜上に前記窒化物半導体薄膜が形成されたものであることを特徴とする窒化物半導体基板。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶シリコンからなる成膜用基板上に、窒化物半導体薄膜が成膜された窒化物半導体基板であって、
前記成膜用基板の外周部にはシリコン窒化膜が形成されており、前記成膜用基板及び前記シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜が形成されており、前記ＡｌＮ膜上に前記窒化物半導体薄膜が形成されたものであることを特徴とする窒化物半導体基板。

【請求項2】

前記シリコン窒化膜上の前記窒化物半導体薄膜は単結晶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。

【請求項3】

窒化物半導体基板の製造方法であって、
（１）単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜を形成する工程、
（２）前記成膜用基板上、及び前記外周部のシリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程、及び
（３）前記ＡｌＮ膜上にＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方を成長させる工程
を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化物半導体基板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＧａＮやＡｌＮをはじめとする窒化物半導体は、２次元電子ガスを用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や高耐圧電子デバイスの作製に用いることができる。

【0003】

これらの窒化物半導体を基板上に成長させた窒化物ウェーハを製作することは難しく、基板としては、サファイア基板やＳｉＣ基板が用いられている。しかし、大口径化や基板のコストを抑えるために、シリコン基板上への気相成長によるエピタキシャル成長が用いられている（特許文献１）。シリコン基板上への気相成長によるエピタキシャル成長膜の作製は、サファイア基板やＳｉＣ基板に比べて大口径の基板が使用できるのでデバイスの生産性が高く、放熱性の点で有利である。

【0004】

シリコン基板上にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造のエピタキシャル成長を行なった時、エッジ近傍は、ＡｌＮバッファ層が綺麗に成膜できていない部分が生じる。この上にＧａＮやＡｌＧａＮ層等を積むと、ＡｌＮ膜が成膜できていない部分では、原料のＴＭＧのＧａとＳｉが反応して、反応痕が発生する。この反応痕はプロセス中の発塵源となる。また、反応痕が発生しないように、ＳｉＯ_２保護膜を付けても、保護膜上には多結晶が成長し、プロセス中に薬液等の残渣が残り、不良を発生させる原因となる。したがって、エッジ近傍表面で多結晶成長部分をなくす必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－３６０３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、シリコン基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、その上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させた場合にエッジ部に反応痕や多結晶成長部分の無い窒化物半導体基板及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】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明では、
単結晶シリコンからなる成膜用基板上に、窒化物半導体薄膜が成膜された窒化物半導体基板であって、
前記成膜用基板の外周部にはシリコン窒化膜が形成されており、前記成膜用基板及び前記シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜が形成されており、前記ＡｌＮ膜上に前記窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板を提供する。

【0008】

このように単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜が形成されていれば反応痕の発生が抑制されているのでデバイスプロセス中に反応痕による発塵が生じることがなく、窒化物半導体基板へのパーティクルの付着が抑制される。

【0009】

また、前記シリコン窒化膜上の前記窒化物半導体薄膜は単結晶であることが好ましい。

【0010】

シリコン窒化膜上の窒化物半導体薄膜が単結晶化している窒化物半導体基板であれば、多結晶成長が起きないのでプロセス中に薬液等の残渣が残り、不良を発生させることもない。

【0011】

また本発明では、窒化物半導体基板の製造方法であって、
（１）単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜を形成する工程、
（２）前記成膜用基板上、及び前記外周部のシリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程、及び
（３）前記ＡｌＮ膜上にＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方を成長させる工程
を含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。

【0012】

このような製造方法であれば、エッジ部に反応痕や多結晶成長部分の無い窒化物半導体基板を比較的簡単にかつ確実に製造することができる。

【発明の効果】

【0013】

以上のように、本発明であれば、シリコン基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、その上に窒化物半導体薄膜、特にはＧａＮやＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合にエッジ部に反応痕や多結晶成長部分の無い窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の窒化物半導体基板の一例を示す概略図である。

【図2】本発明の窒化物半導体基板の製造方法の一例を示す概略図である。

【図3】実施例で製造した窒化物半導体基板のエッジ近傍及びエッジ部分の写真である。

【図4】実施例で製造した窒化物半導体基板のエッジ部とエッジ表面から中心へ向け測定したエピタキシャル層の膜厚のグラフである。

【図5】比較例１で製造した窒化物半導体基板のエッジ近傍及びエッジ部分の写真である。

【図6】比較例２で製造した窒化物半導体基板のエッジ近傍及びエッジ部分の断面写真である。

【図7】図６の多結晶部分の拡大写真である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

上述したようにシリコン基板上にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造からなる窒化物半導体のエピタキシャル成長を行なった時にエッジ部に反応痕が発生しない窒化物半導体基板の開発が望まれていた。

【0016】

本発明者が鋭意検討を重ねたところ、単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜を形成することで反応痕の発生を防止でき、更にシリコン酸化膜のように膜上に多結晶が成長することもないことが判り、本発明を完成させた。

【0017】

即ち、本発明は、単結晶シリコンからなる成膜用基板上に、窒化物半導体薄膜が成膜された窒化物半導体基板であって、前記成膜用基板の外周部にはシリコン窒化膜が形成されており、前記成膜用基板及び前記シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜が形成されており、前記ＡｌＮ膜上に前記窒化物半導体薄膜が形成されたものである窒化物半導体基板である。

【0018】

また本発明は、窒化物半導体基板の製造方法であって、（１）単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜を形成する工程、（２）前記成膜用基板上、及び前記外周部のシリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程、及び（３）前記ＡｌＮ膜上にＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方を成長させる工程を含む窒化物半導体基板の製造方法である。

【0019】

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0020】

［窒化物半導体基板］
図１に、本発明の窒化物半導体基板の一例の概略図を示す。本発明の窒化物半導体基板１は、単結晶シリコンからなる成膜用基板２の外周部５にシリコン窒化膜３が形成されており、さらに、成膜用基板２の中央部上、及び外周部５のシリコン窒化膜３上にエピタキシャル層４が形成されたものである。エピタキシャル層４は、成膜用基板２の中央部上、及び外周部５のシリコン窒化膜３上に形成されたＡｌＮ膜（バッファ層）、及び該ＡｌＮ膜上に形成された窒化物半導体薄膜からなる。窒化物半導体薄膜としては特に限定はされないが、例えば、ＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方とすることができる。

【0021】

ここで外周部とは、例えば、エッジ部（エッジ部上面）及びエッジ部近傍の領域である。エッジ部は面取り面であってもよい。

【0022】

シリコン窒化膜３の膜厚としては特に限定はされないが、例えば、０．２～２０ｎｍ、好ましくは１～４ｎｍ、特には２ｎｍとすることができる。シリコン窒化膜３が形成される外周部５の範囲は特に限定はされないが、例えば、エッジ部分及びエッジ近傍０．２～２０ｍｍ、好ましくは０．５～１０ｍｍ、より好ましくは１～５ｍｍ、特には２．５ｍｍとすることができる。また、エピタキシャル層４の厚さは特に限定はされないが、例えば、０．１～２０μｍ、好ましくは０．５～１０μｍ、より好ましくは１～５μｍ、特には２．７μｍ程度とすることができる。

【0023】

単結晶シリコンからなる成膜用基板２としても特に限定はされず、ＣＺ単結晶シリコンであってもＦＺ単結晶シリコンであってもよいし、ドーパントの有無や種類、及び濃度についても特に制限はない。

【0024】

本発明の窒化物半導体基板においては、単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜が形成されているので、成長基板の外周部ではＡｌＮ膜（バッファ層）はシリコン窒化膜上に形成される。これにより、成長基板の外周部においてもＡｌＮ膜（バッファ層）が良好に成膜されるので、窒化物半導体薄膜としてＡｌＮ膜上にＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜を成膜した場合にも、成長基板のＳｉと原料ガスのＧａとの反応による反応痕が発生することもない。また外周部を覆う膜をシリコン窒化膜とすることによって、その上に成膜される窒化物半導体薄膜は単結晶となる。

【0025】

［窒化物半導体基板の製造方法］
本発明の窒化物半導体基板は、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によって、例えば、以下のように製造することができる。以下、図２を参照しながら、本発明の窒化物半導体基板の製造方法のフローを説明する。

【0026】

＜工程（１）＞
まず、単結晶シリコンからなる成膜用基板の外周部にシリコン窒化膜を形成する（工程（１））。

【0027】

最初に図２（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる成膜用基板（シリコン基板）２を、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）炉に入れ、アルゴンで希釈したアンモニア雰囲気で例えば１１７５℃１０秒或いは窒素雰囲気で例えば１２００℃１０秒の熱処理を行い、成膜用基板２の表面に例えば厚さ２ｎｍのシリコン窒化膜３を形成する。

【0028】

次に図２（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜３上にレジスト６を塗布する。

【0029】

次に図２（ｃ）に示すように、エッジ近傍（例えば２．５ｍｍ）とエッジ部分のレジストが保護膜となるように露光・現像した後、エッジ近傍とエッジ部分に保護膜のついたシリコン基板をドライエッチング装置内にて、例えば１０秒間エッチングを行うことで保護膜のない部分（成膜用基板２の中央部）のシリコン窒化膜３を除去する。そして外周部のレジスト保護膜を除去し洗浄を行う。

【0030】

＜工程（２）及び（３）＞
次に、成膜用基板上、及び外周部のシリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程（工程（２））、及びＡｌＮ膜上にＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方を成長させる工程（工程（３））を行う。

【0031】

図２（ｄ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置でＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ層からなる窒化物半導体（エピタキシャル層４）を例えば２．７μｍ程度エピタキシャル成長させる。このようにして製造した窒化物半導体基板１は、外周部のシリコン窒化膜上にも単結晶が成長し、多結晶は成長しない。また、シリコン窒化膜とシリコン基板の界面部分にも反応痕が発生することはない。

【実施例0032】

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0033】

（実施例）
図２のフローにてシリコン基板をＲＴＡ炉に入れアルゴンで希釈したアンモニア雰囲気で１１７５℃１０秒の熱処理を行い全面に厚さ２ｎｍのシリコン窒化膜を形成し、フォトリソグラフィによりエッジ近傍（２．５ｍｍ）とエッジ部分のレジスト膜を残し、ドライエッチング装置で１０秒間エッチングを行うことでレジスト膜の無い部分のシリコン窒化膜を除去した。その後、レジスト膜を除去し、洗浄を行い、ＭＯＣＶＤ装置でＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造（トータル厚さ２．７μｍ）からなる窒化物半導体をエピタキシャル成長させた。その結果、図３に示す写真の通り、ウェーハのエッジ近傍部分、エッジ部は鏡面化しており、反応痕はなく、多結晶も成長していないことが判る。なお、図４にエッジ部とエッジ表面から中心へ向け断面ＳＥＭにて１００μｍ毎にエピ厚を測定したエピタキシャル成長した膜厚［μｍ］を示す。

【0034】

（比較例１）
シリコン窒化膜をエッジ近傍とエッジ部に形成しないことを除いて、実施例と同様にシリコン基板にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造からなる窒化物半導体をエピタキシャル成長させた。その結果、図５に示すように、ウェーハのエッジ近傍部分、エッジ部に反応痕が発生した。

【0035】

（比較例２）
エッジ近傍とエッジ部分にシリコン酸化膜を形成したことを除き、実施例と同様にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造からなる窒化物半導体をエピタキシャル成長させた。その結果、図６、図７に示すようにウェーハのエッジ近傍部分、エッジ部に反応痕は確認されなかったが、シリコン酸化膜上には多結晶が成長した。

【0036】

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】

【0037】

１…窒化物半導体基板、 ２…単結晶シリコンからなる成膜用基板、
３…シリコン窒化膜、 ４…エピタキシャル層、 ５…外周部、 ６…レジスト。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】