特開 2023-39743 窒化物半導体基板の製造方法

(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】P2023039743

(43)【公開日】2023-03-22

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20230314BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20230314BHJP

   C23C 16/02 20060101ALI20230314BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20230314BHJP

   C30B 25/10 20060101ALI20230314BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230314BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20230314BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 D

C30B25/18

C23C16/02

C23C16/34

C30B25/10

H01L21/205

H01L21/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021147011

(22)【出願日】2021-09-09

(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

(72)【発明者】

【氏名】久保埜 一平

【テーマコード（参考）】

4G077

4K030

5F045

5F152

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077AB01

4G077BE13

4G077BE15

4G077DB08

4G077ED01

4G077ED06

4G077EE01

4G077EE05

4G077EE06

4G077EF03

4G077HA12

4G077TA04

4K030BA38

4K030BB02

4K030BB03

4K030CA04

4K030CA12

4K030DA02

4K030FA10

4K030HA01

4K030JA10

4K030JA11

4K030LA14

5F045AA04

5F045AA20

5F045AB09

5F045AB14

5F045AB17

5F045AB33

5F045AC15

5F045AF03

5F045AF16

5F045BB08

5F045BB16

5F045CA07

5F045DA53

5F045DA57

5F045HA06

5F152LL05

5F152LN19

5F152MM05

5F152NN03

5F152NP09

5F152NP11

5F152NQ09

(57)【要約】

【課題】高抵抗単結晶シリコン基板上に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Ａｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散するのを防止することができる窒化物半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】成膜用基板上に窒化物半導体が形成された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を窒素雰囲気で熱処理することで、前記成膜用基板上にシリコン窒化膜を形成する工程、（２）前記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。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

成膜用基板上に窒化物半導体が形成された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を窒素雰囲気で熱処理することで、前記成膜用基板上にシリコン窒化膜を形成する工程、
（２）前記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。

【請求項2】

前記工程（１）において、前記熱処理はＲＴＡ炉で１１００～１３００℃で１～１２０秒の熱処理を行う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】

前記シリコン窒化膜が単結晶であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

【請求項4】

成長用基板表面のＡｌ拡散濃度が４ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒化物半導体基板を製造することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の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、窒化物半導体基板の製造方法に関する。特に高周波デバイス用の窒化物半導体基板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。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】

単結晶シリコン基板上にＡｌＮバッファ層を積み、緩衝層を積み、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造エピタキシャル層を積み、パワーデバイス用、ＲＦデバイス用エピタキシャルウェーハとしている。特にＲＦデバイス用エピタキシャルウェーハの単結晶シリコン基板には、高抵抗基板を用いている。高抵抗単結晶シリコン基板上にＡｌＮバッファ層を積み、その上に緩衝層である超格子構造バッファ層（ＳＬｓ）、その上にＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させている。

【0005】

ところで高抵抗単結晶シリコン基板に直接ＡｌＮバッファ層を積み、緩衝層、ＨＥＭＴ構造を積んだ場合、ＡｌＮの成長レートが遅く、トータルのエピタキシャル成長時間が長くなり、ＡｌＮバッファ層のＡｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散し、低抵抗層ができチャネルを形成することがわかっている。このＡｌの拡散を低減する方法として、直近では３Ｃ－ＳｉＣ ｏｎ Ｓｉのエピ成長技術が知られている。つまり、ＡｌＮ／３Ｃ－ＳｉＣ／Ｓｉとして、中間層３Ｃ－ＳｉＣ層を挿入する。３Ｃ－ＳｉＣ層により、より簡便に効率よくＡｌの拡散抑止層を導入する。

【0006】

また、特許文献１では、シリコン基板と窒化アルミニウム層の間にＳｉＮを備える半導体構造が開示されている。ＳｉＮは、反応前に形成することができる。ＳｉＮは非晶質・単一層結晶構造・多結晶を有する。非晶質の場合、その上に成長するものは、ポリ化して、エピタキシャル成長をしない。また、ＣＶＤプロセスで形成との記載もあるが、ＣＶＤ薄膜（２ｎｍ）を積んでも、多結晶化してしまう。また、単一結晶構造ＳｉＮにするにしても、窒素ソースガスとしてアンモニアガスを使用することが記載されているがアンモニアを使用した場合、エピタキシャルウェーハに曇りが発生してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２００８－５２２４４７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、単結晶シリコン基板上に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Ａｌが単結晶シリコン基板に拡散するのを防止することができる窒化物半導体基板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】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明では、
成膜用基板上に窒化物半導体が形成された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を窒素雰囲気で熱処理することで、前記成膜用基板上にシリコン窒化膜を形成する工程、
（２）前記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。

【0010】

このような製造方法であれば、ＡｌＮ層から単結晶シリコン基板へＡｌが拡散するのを防止することができるとともに曇りの発生のない窒化物半導体基板を製造することができる。

【0011】

また、前記工程（１）において、前記熱処理はＲＴＡ炉で１１００～１３００℃で１～１２０秒の熱処理を行うことが好ましい。

【0012】

このような熱処理であれば、比較的容易にシリコン窒化膜を形成することができる。

【0013】

また、前記シリコン窒化膜が単結晶であることが好ましい。

【0014】

本発明では、このようなシリコン窒化膜を形成することができる。

【0015】

また本発明では、成長用基板表面のＡｌ拡散濃度が４ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒化物半導体基板を製造することが好ましい。

【0016】

このように成長用基板表面へのＡｌ拡散が抑制された窒化物半導体基板は、高周波デバイス作製において特に有用である。

【発明の効果】

【0017】

以上のように、本発明であれば、単結晶シリコン基板、特には高抵抗単結晶シリコン基板上に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、Ａｌが単結晶シリコン基板に拡散するのを防止することができるとともに曇りの発生のない窒化物半導体基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の窒化物半導体基板の製造方法のフローの一例を示す概略図である。

【図2】実施例、及び比較例１、２において製造した窒化物半導体基板の写真である。

【図3】実施例及び比較例３で製造した窒化物半導体基板のバックサイドＳＩＭＳの測定結果である。

【図4】実施例１で製造した窒化物半導体基板の断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

上述したように高抵抗単結晶シリコン基板上に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Ａｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散するのを防止する窒化物半導体基板の製造方法の開発が望まれていた。

【0020】

本発明者ら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に窒素雰囲気で熱処理することでシリコン窒化膜を形成する工程、シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程、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れば、Ａｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散するのを防止でき、かつ、曇りの発生のない窒化物半導体基板を製造できることが判り、本発明を完成させた。

【0021】

即ち、本発明は、成膜用基板上に窒化物半導体が形成された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を窒素雰囲気で熱処理することで、前記成膜用基板上にシリコン窒化膜を形成する工程、（２）前記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。

【0022】

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。

【0023】

［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の製造方法は、下記工程（１）～（３）を含む。以下、図１の本発明の窒化物半導体の製造方法のフローを参照しながら、各工程について詳細に説明する。

【0024】

＜工程（１）＞
工程（１）は、単結晶シリコンからなる成膜用基板を窒素雰囲気で熱処理することで、成膜用基板上にシリコン窒化膜を形成する工程である。

【0025】

最初に図１（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）１を、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）炉に入れ、窒素雰囲気下で例えば１１００～１３００℃で１～１２０秒、好ましくは１１５０～１２５０℃で２～２０秒、特には１２００℃１０秒の熱処理を行い、表面に例えば厚さ０．２～２０ｎｍ、好ましくは１～４ｎｍ、特には２ｎｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）２を形成する。シリコン窒化膜２は、成膜用基板の表面側にだけ形成してもよいが、表面と裏面とを有する成膜用基板１の全体に形成することもできる。

【0026】

本発明では、特に、窒素雰囲気下でシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。ここで窒素雰囲気とは１００％窒素ガス雰囲気、又は、窒素ガスと不活性ガスの混合雰囲気のことを言う。シリコン窒化膜を形成すれば、後述のＡｌＮバッファ層からＡｌが高抵抗単結晶シリコン成長用基板の表面に拡散し、低抵抗層ができるのを防止することができるが、さらに窒素雰囲気下での熱処理で形成すれば、次工程以降で、シリコン窒化膜上に曇りのない窒化物半導体のエピタキシャル層を成長させることができる。窒素雰囲気下ではなくＣＶＤプロセスやアンモニアガス雰囲気下での熱処理によってシリコン窒化膜を形成した場合には、次工程以降で窒化物半導体を成長させる際に、シリコン窒化膜上に多結晶層が形成されたり、成長させたエピタキシャル層に曇りが発生したりする場合がある。

【0027】

単結晶シリコンからなる成膜用基板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。また成膜用基板は高抵抗単結晶シリコン基板であることが好ましい。抵抗率としては特に限定はされないが、下限は例えば１Ωｃｍ以上、好ましくは１０Ωｃｍ以上、より好ましくは１００Ωｃｍ以上であり、上限は例えば３０００Ωｃｍ以下、好ましくは１０００Ωｃｍ以下、より好ましくは５００Ωｃｍ以下である。

【0028】

＜工程（２）＞
工程（２）は、シリコン窒化膜上にＡｌＮ膜を成長させる工程である。

【0029】

図１（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜２上にＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮ膜（ＡｌＮバッファ層）３を例えば厚さ２０～５００ｎｍ、好ましくは５０～３００ｎｍ、より好ましくは１００～２００ｎｍ、特には１６０ｎｍで成長させる。

【0030】

＜工程（３）＞
工程（３）は、ＡｌＮ膜上にＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はその両方を成長させる工程である。

【0031】

図１（ｃ）に示すように、例えば、ＡｌＮ層やＧａＮ層からなる多層膜からなる緩衝層４、さらにＧａＮ－ＨＥＭＴ層５からなる窒化物半導体をトータルで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程度エピタキシャル成長させる。

【0032】

以上のようにして、シリコン窒化膜によってＡｌＮバッファ層からＡｌが高抵抗単結晶シリコン成長用基板の表面に拡散し低抵抗層ができるのを防止することができ、かつ、ＡｌＮバッファ層上に成長したエピタキシャル層も曇りのない窒化物半導体基板を製造することができる。

【0033】

また本発明では、成長用基板表面のＡｌ拡散濃度が４ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは３ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは２ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒化物半導体基板を製造することができる。Ａｌ拡散濃度の下限値としては特に限定されないが、例えば、０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、もしくは１ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とすることができる。

【0034】

成長用基板表面のＡｌ拡散濃度の測定方法としては、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いることができる。

【実施例0035】

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。

【0036】

（実施例）
直径１５０ｍｍ、面方位（１１１）、抵抗率１００Ωｃｍの単結晶シリコン基板表面に厚さ２ｎｍのＳｉＮ膜（ＲＴＡ炉に入れ、Ｎ_２雰囲気１２００℃１０秒で表面をＳｉＮ化）を付け、その上にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長後、ウェーハ断面を観察した様子を図４に示す。図４から判るように、シリコン基板とＡｌＮ膜の間にフラットな単一結晶ＳｉＮ層が形成されていることが確認できる。電子線回折の結果、ＡｌＮ層は単結晶であった。

【0037】

また、図２（ａ）に示すように、エピタキシャル層が鏡面成長しているのが判る。また、図３に単結晶シリコン基板の裏面側からＳｉＮ膜までのＡｌ濃度についてバックサイドＳＩＭＳで調査した結果を示す。図３中、窒素（Ｎ）濃度が急上昇しているところが単結晶シリコン基板とその上のＡｌＮ膜との界面（シリコン窒化膜は厚さが２ｎｍしかない）を表しており、界面直下（グラフ横軸のＳＩＭＳ深さ２．３～２．７μｍの辺り）では後述するＳｉＮ膜のない比較例３に比べてＡｌ濃度が低いことが判る。

【0038】

（比較例１）
直径１５０ｍｍ、面方位（１１１）、抵抗率１００Ωｃｍの単結晶シリコン基板表面に厚さ２ｎｍのＳｉＮ膜（ＲＴＡ炉に入れ、ＮＨ_３＋Ａｒ雰囲気中１１７５℃１０秒で表面をＳｉＮ化）を付けたＳｉ基板上にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させた。図２（ｂ）に示すようにエピタキシャル層が曇り成長しているのが判る。

【0039】

（比較例２）
直径１５０ｍｍ、面方位（１１１）、抵抗率１００Ωｃｍの単結晶シリコン基板表面に厚さ２ｎｍのＳｉＮ膜（ＰＥ－ＣＶＤ炉に入れ、ＳｉＨ_４＋ＮＨ_３＋Ｎ_２雰囲気中３００℃３秒で表面をＳｉＮ化）を付けたＳｉ基板上にＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させた。図２（ｃ）に示すようにエピタキシャル層が曇り成長しているのが判る。

【0040】

（比較例３）
Ｓｉ基板表面にＳｉＮ膜を設けることなく、Ｓｉ基板表面上に直接ＡｌＮバッファ層、緩衝層、ＧａＮ－ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させた。図３に示すように、比較例３の窒化物半導体基板は実施例と比べてシリコン基板表面のＡｌ濃度が高いのが判る。

【0041】

以上のように、本発明の窒化物半導体基板の製造方法であれば、単結晶シリコン基板とＡｌＮ膜の間の窒化シリコン膜を窒素雰囲気下の熱処理で形成することによって、Ａｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散するのを防止することができるとともに曇りの発生のない窒化物半導体基板を製造できることがわかる。一方、窒化シリコン膜を窒素雰囲気以外の条件を用いて形成した比較例１と比較例２ではエピタキシャル層に曇りが発生し、窒化シリコン膜を形成しない比較例３ではＡｌが高抵抗単結晶シリコン基板に拡散するのを防止できない。

【0042】

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】

【0043】

１…単結晶シリコンからなる成膜用基板、 ２…シリコン窒化膜、 ３…ＡｌＮ膜、
４…緩衝層、 ５…ＧａＮ－ＨＥＭＴ層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】