特許 7198195 窒化物半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-20

(45)【発行日】2022-12-28

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20221221BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20221221BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20221221BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20221221BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20221221BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20221221BHJP

   C01B 21/06 20060101ALI20221221BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20221221BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L21/205

C30B29/38 D

C30B29/38 C

C30B25/18

C01B21/06 A

C23C16/34

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019232290

(22)【出願日】2019-12-24

(65)【公開番号】P2021100087

(43)【公開日】2021-07-01

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】507182807

【氏名又は名称】クアーズテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】大石 浩司

(72)【発明者】

【氏名】小宮山 純

(72)【発明者】

【氏名】阿部 芳久

(72)【発明者】

【氏名】江里口 健一

【審査官】杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５２８５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５９５９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板、１３族窒化物半導体からなるバッファー層、１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層されており、前記基板は、多結晶の窒化アルミニウムからなる第一基板と、前記第一基板上に設けられ比抵抗１００Ω・ｃｍ以上のＳｉ単結晶からなる第二基板で構成され、前記第一基板を形成するＡｌＮの平均粒径が４．０～７．０μｍであることを特徴とする窒化物半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に、高周波デバイスに好適な窒化物半導体基板に関する。

【背景技術】

【0002】

高周波デバイス用の窒化物半導体素子の作製には、絶縁性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用いられる。例えば、特許文献１には、寄生損失の小さい高周波数用途に好適とされる、１０²Ω・ｃｍ超の抵抗率を有し、かつ１０¹⁷／ｃｍ³未満の最大自由キャリア濃度の上面領域を含むシリコン基板と、シリコン基板の上面を覆うように形成されるIII族窒化物材料領域とを備える半導体構造の開示がある。

【0003】

近年、大口径（６インチ以上）の窒化物半導体基板を用いた高周波デバイスが注目されつつある。しかしながら、上記シリコン（Ｓｉ）を下地基板として用いる従来の窒化物半導体基板では、大口径化や窒化物半導体層の厚膜化に十分対応できているとは言えない。

【0004】

この点、例えば特許文献２には、下地基板の一主面上にシード層を介して形成された化合物半導体層を備え、前記下地基板は焼結体からなり、前記シード層は単結晶からなり、
前記化合物半導体層は前記シード層上で結晶成長されたバッファー層および活性層が順
次積層された構造を含み、前記焼結体の熱膨張係数は前記化合物半導体層全体の平均熱膨張係数の０．７倍以上１．４倍以下であり、前記バッファー層のＸ線回折ピークの半値幅が８００ａｒｃｓｅｃ以下である化合物半導体基板が記載されている。このような手法であれば、大口径化や窒化物半導体層の厚膜化にも十分対応できると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２００８-５２２４４７号公報

【文献】特開２０１７-７６６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、特許文献２に記載の発明で、単にシード層に特許文献１記載のＳｉ単結晶を適用するだけでは、寄生容量以外の特性については、必ずしも十分なものが得られるものではなかった。

【0007】

本発明は、上記に鑑み、特に、多結晶無機材料基板上にＳｉ単結晶からなるシード層を備えた構造において、より高周波デバイスとして好適な窒化物半導体基板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】

本発明は、基板、１３族窒化物半導体からなるバッファー層、１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層されており、前記基板は、多結晶の窒化アルミニウムからなる第一基板と、前記第一基板上に設けられ比抵抗１００Ω・ｃｍ以上のＳｉ単結晶からなる
第二基板で構成され、前記第一基板は平均粒径４．０～７．０μｍであることを特徴とする。

【0009】

かかる構成を有することで、高周波デバイスの作製に好適な窒化物半導体基板とすることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、特に、大口径化や窒化物半導体層の厚膜化に対応して高周波デバイスの作製に好適な、多結晶無機材料上にＳｉ単結晶からなるシード層を備えた窒化物半導体基板を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一態様に係る窒化物半導体の層構造を示す断面概略図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面も参照して本発明を詳細に説明する。本発明の窒化物半導体基板は、基板、１３族窒化物半導体からなるバッファー層、１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層されており、前記基板は、多結晶の窒化アルミニウムからなる第一基板と、前記第一基板上に設けられ比抵抗１００Ω・ｃｍ以上のＳｉ単結晶からなる第二基板で構成され、前記第一基板を形成するＡｌＮの平均粒径は３～９μｍである。

【0013】

図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体の層構造を示す断面概略図である。なお、本発明で示す概略図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。

【0014】

図１に示す通り、窒化物半導体基板Ｚは、下地となる基板Ｗの一主面上にバッファー層Ｂと動作層Ｇが順次積層されたものである。半導体素子として利用する場合は、電極Ｅが付与される。基板Ｗは、さらに、多結晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第一基板１と、第一基板１上のＳｉ単結晶からなる第二基板２で構成されている。

【0015】

窒化物半導体基板Ｚの基本的な構成は、特許文献２に記載された発明の化合物半導体基板Ｚと同じであるが、さらに本発明は、基板Ｗの構成が従来にない特徴を有するものである。その詳細は後述する。

【0016】

本発明における窒化物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素のうち少なくとも一つと、窒素（Ｎ）からなる。必要に応じて、酸素（Ｏ）、Ｓｉ、マグネシウム（Ｍｇ）等の各種元素がドーピングされていてもよい。

【0017】

バッファー層Ｂは、用途や目的に応じて、公知の構造を適時適用できる。本発明では、高周波デバイスに用いることも考慮して、高抵抗化されたバッファー層Ｂが好適である。高抵抗化は、窒化物半導体層にＣまたは鉄（Ｆｅ）をドーピングすることで達成される。

【0018】

動作層Ｇは、図１では、電子走行層３と、これよりバンドギャップの大きい電子供給層４を例示するが、格別これに限定されるものではなく、必要に応じて、キャップ層、スペーサー層、ｐ型層、等を適時追加してもよく、更に、上記した各層の層厚や不純物濃度も、目的に応じて適時設計される。

【0019】

本発明では、高周波デバイスに好適な大口径の窒化物半導体基板として、バッファー層Ｂと動作層Ｇの厚さの総計は、５～２０μｍの範囲とする。単一材料の基板では、例えば５μｍの窒化物半導体層の積層でも、近年要求される反りや転位密度のレベルを得ることが困難であるが、本発明の基板Ｗでは、さらに厚いバッファー層Ｂの積層が可能である。

【0020】

窒化物半導体層の厚膜化は、高周波デバイスにおける寄生容量低下にも寄与するので好ましいが、前記厚さの総計が２０μｍを超えると、耐圧向上や寄生容量低減という特性向上効果は十分に得られるものの、反りの制御性は大幅に劣化し、かつ、製造コストが特性向上に見合うものでなくなってくる。

【0021】

基板Ｗは、多結晶のＡｌＮからなる第一基板１と、第一基板１上に設けられたＳｉ単結晶からなり比抵抗１００Ω・ｃｍ以上の第二基板２で構成される。

【0022】

まず、第一基板１は、多結晶のＡｌＮからなるが、基本的な構成は、特許文献２に記載の化合物半導体基板Ｚに準ずる。第一基板１は、単体のＡｌＮでもよいが、必要に応じて、ＡｌＮからなる基板表面および裏面に、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜、その他各種無機材料からなる層が、少なくとも一層以上形成された複合体が適用されてもよい。

【0023】

特に、窒化物半導体基板で要求される高い放熱性を効果的に得るには、第一基板１の熱伝導率を第二基板２の熱伝導率より高くするとよい。Ｓｉは熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ強であるのに対して、ＡｌＮは材料設計を最適化することで１００～２５０Ｗ／ｍＫの範囲で熱伝導率を得ることが可能である。しかしながら、高熱伝導率を有するＡｌＮは粒界相を追い出すために十分な焼結が必要となり、結果として粒径が大きくなり機械的強度は低くなる。放熱性と強度のバランスを考慮すると、第二基板２にＳｉを用いた場合の第一基板１の熱伝導率は、１５０～２００Ｗ／ｍＫが好ましい。

【0024】

上記に鑑みて、第一基板１では、その平均粒径が３～９μｍである。この平均粒径は、コード法で測定される。

【0025】

第一基板１の熱伝導率を、上記の１５０～２００Ｗ／ｍＫにしようとすると、それなりの大きさの粒径にしないといけないが、前述の強度との兼ね合いで、粒径をむやみに大きくできない。そこで本発明では、第一基板１の平均粒径を決定する指標として、さらに熱伝導性と強度のバランスをとることを考慮している。

【0026】

平均粒径が３μｍを下回ると、十分な焼結を完了することが出来ず十分な強度が得られないとともに粒界相も多く残存することから第一基板１の熱伝導率を１５０～２００Ｗ／ｍＫとすることが困難になる。しかしながら、平均粒径が９μｍを超える焼結プロセスを経ると粒界相が減少し十分な熱伝導率が得られるが、その一方で強度の低下が懸念される。

【0027】

上記した各事情を勘案して、第一基板１の平均粒径を３～９μｍとする。より好適には、第一基板１の平均粒径は４．０～７．０μｍである。なお、平均粒径は、原料粉の粒度分布、焼成温度やバインダーの種類等の変更、その他公知の技術を用いて、適時調製される。

【0028】

第二基板２は、第一基板１上に設けられた比抵抗１００Ω・ｃｍ以上のＳｉ単結晶基板である。この第二基板２は、高周波デバイスとして好適であるという観点から、特許文献１に記載の技術思想に倣って高抵抗とし、少なくとも比抵抗１００Ω・ｃｍ以上とする。

【0029】

本発明では、第二基板２がＭＣＺ法で製造されたものであると好ましい。通常、高周波デバイス用基板にＳｉ単結晶を用いる場合、高抵抗を得る目的で、ＦＺ法にて製造されたＳｉ単結晶基板（ＦＺウェハ）が適用される。一方、ＦＺ法ほど高抵抗品ではないが、比較的安価に製造が可能なＭＣＺ法で製造されたＳｉ単結晶基板（ＭＣＺウェハ）があるが、本発明では、このＭＣＺウェハが適用される。

【0030】

しかしながら、第二基板２に寄生容量の低減を目的とした高抵抗のＳｉを用いた場合、ＡｌＮの多結晶体からなる第一基板１、窒化物半導体からなるバッファー層Ｂおよび動作層Ｇと比較すると、高抵抗のＳｉは、どうしても両者に比べて強度の面で劣る。

【0031】

特に、第二基板２の上下に、第二基板２より強度の高い層が形成されている構造では、窒化物半導体基板Ｚ全体に発生する反りやひずみによる応力が、最も強度で劣る第二基板２に集中する。第二基板２がＦＺウェハでは、この応力の集中に持ちこたえられない懸念が生じる。

【0032】

そこで、好適な本発明の一態様として、第二基板２を、ＦＺウェハと比較して寄生容量の低減効果では劣るが、高抵抗でありながら酸素濃度が高く強度に優れるＭＣＺウェハとするものである。

【0033】

第二基板２にＭＣＺウェハを用いると、ＦＺウェハを用いた場合と比べて寄生容量低減効果は相対的に劣るが、これを、バッファー層Ｂの厚膜化で補完することができる。本発明では、バッファー層Ｂの厚膜化は、第一基板１に本発明の多結晶ＡｌＮ（平均粒径３～９μｍ）を用いることで可能となる。

【0034】

本発明の第二基板２は、酸素濃度が１Ｅ＋１８～９Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、比抵抗が１００～１０００Ω・ｃｍであると、より好適である。第二基板２の比抵抗が１００Ω・ｃｍ未満では、寄生容量の低減効果が十分に得られず、１０００Ω・ｃｍを超えるものは酸素濃度を１Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ³より高くできないので、窒化物半導体基板Ｚ全体として必要な強度が保持できない、という問題が懸念される。ただし、酸素濃度は９Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えると、強度（硬さ）は十分だが逆に脆くなるので好ましくない。

【0035】

第二基板２は、あまりに厚いと、第一基板１、および、各窒化物半導体層に比べて強度が不足しているので、反りや外周部の膜剥がれを誘発するリスクが生じる。そのため、特に基板Ｗの口径が６インチ以上の場合は、該厚さは０．１～１．０μｍが好ましい。

【0036】

なお基板Ｗは、第一基板１と第二基板２を、公知の基板接合技術を用いて貼り合わせたものである。その際、第一基板１と第二基板２の界面に、例えばシリコン酸化膜（厚さ５００～１０００ｎｍ程度）が介在していてもよい。

【0037】

このように、本発明の基板Ｗを用いた窒化物半導体基板Ｚは、適切な熱伝導性（第一基板１の平均粒径３～９μｍで達成）、基板の強度確保（第一基板１の平均粒径＋第二基板２がＭＣＺウェハの組み合わせで達成）、そして十分な寄生容量低減効果（前記の基板強度向上でバッファー層Ｂの厚膜化が可能になることで実現）を、同時に得ることができる。

【実施例】

【0038】

以下、本発明を実験例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらにより制限されるものではない。

【0039】

（第一基板１の準備）
直径６インチ、厚さ１０００μｍのＡｌＮ焼結体から成る基板を準備し、これを第一基板１とした。この下地基板の一の主面を、算術平均粗さＲａ＝１００ｎｍ以下となるように、公知の研磨加工方法で鏡面とした。そして、この鏡面におけるＡｌＮの平均粒径は５μｍであった。

【0040】

（第二基板２の準備）
口径６インチ、厚さ６７５μｍ、面方位（１１１）、比抵抗５００Ω・ｃｍ、酸素濃度３Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のＭＣＺウェハを準備した。この片面を算術平均粗さＲａ＝５０ｎｍに鏡面加工した後、これを、半導体用熱処理炉を用いて、酸素１００％雰囲気下１０００℃で２時間の酸化処理を行い、鏡面に酸化膜を形成した。

【0041】

（基板Ｗの作製～第一基板１と第二基板２の接合と研磨）
上記のように作製した第一基板１の鏡面と第二基板２の鏡面同士を、公知の方法で熱圧
着して接合した後、第二基板２の厚さが０．５μｍになるまで表面を研削加工し、最後に算術平均粗さＲａ＝５０ｎｍで鏡面加工した。以上の様にして基板Ｗを得た。

【0042】

［バッファー層Ｂの製造条件］
次に、原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用いて、ＡｌＮ層１００ｎｍ上にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１５０ｎｍを積層した初期層、ＡｌＮ層５ｎｍとＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層３０ｎｍの２層を２０回繰り返し積層した多層、ＧａＮ層７３００ｎｍの単層を、上記した順で気相成長させて積層したものをバッファー層Ｂとした。ここで、バッファー層Ｂの層厚は８０００ｎｍである。

【0043】

［動作層Ｇの製造条件］
次に、動作層Ｇは、電子走行層３をＧａＮ層１００ｎｍ、電子供給層４をＡｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎ層２０ｎｍとして、この順で積層した。ここで、バッファー層Ｂ、および、動作層Ｇの成長条件は、成長温度１０５０℃と成長圧力６０ｈＰａを、それぞれおよその基準値として、各層を成長させる時に適時変更した。以上の通り、実験例１の窒化物半導体基板Ｚを作製した。
第一基板１の平均粒径と、第二基板２の酸素濃度および比抵抗を表１に示すように変更した以外は、実験例１に準じて、実験例２～１０の窒化物半導体基板Ｚを作製した。

【0044】

（参考例）
基板Ｗを、第一基板１は適用せず、第二基板２を、口径４インチ、厚さ５２５μｍ、面方位（１１１）、比抵抗２０００Ω・ｃｍ、酸素濃度１Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のＦＺ法で製造されたＳｉ単結晶基板とし、バッファー層ＢのＧａＮ層を５００ｎｍとした以外は、実験例１に準じて、参考例の窒化物半導体基板を作製した。そして、これを寄生容量のベンチマークとした。

【0045】

（評価１～高周波特性）
高周波特性は、実験例１～１０と参考例のサンプル表面にアルミ電極１ペア形成し、それに対してベクトルネットワークアナライザを用いた電極間での反射係数測定を行い、それを変換して得られるインピーダンスのリアクタンス成分を寄生容量と捉えて評価した。測定周波数は５ＧＨｚとした。サンプル間の比較は、実験例１の測定値で規格化した相対値にて行った。

【0046】

（評価２～基板強度）
基板強度は、窒化物半導体基板Ｚの反りで評価した。すなわち、公知の半導体ウェハの反り測定装置を用いて、基板全体の反り（ＢＯＷ値）を測定して比較した。そして、－７０μｍ以上＋５０μｍ以下を合格（〇）とし、この範囲外を不合格（×）とした。

【0047】

（評価３～熱伝導性）
試料厚さ方向の熱伝導性は、各実験例１～１０、参考例の窒化物半導体基板Ｚを用いて、レーザーフラッシュ法にて比較した。レーザーフラッシュ法では、熱拡散率を測定し、それに試料の比熱と密度をかけることで熱伝導率を得ることができるが、ここでは試料の構造が複雑であるため、正確な熱伝導率を評価することが困難である。今回の実験では試料の形状パラメータは共通であることから、あるパラメータを仮定して得られた熱拡散係数の測定値を試料間の熱伝導率の差を表す指標としてサンプル間で指標とした。寄生容量と同じく、サンプル間の比較は、実験例１の測定値で規格化した相対値にて行った。

【0048】

第一基板１の平均粒径、第二基板２の酸素濃度または比抵抗を変更した、複数の実験例を、以下の表１に示す内容でそれぞれ作製した。この時、変更したパラメータ以外は、全て実験例１に準じて作製した。

【0049】

上記した参考例、各実験例の条件、および、それらの評価結果を、まとめて表１に示す。

【0050】

【表1】

【0051】

表１の結果から明らかなように、本発明の範囲内にある実験例１～７は、反り、熱伝導性が良好であり、寄生容量も、ＦＺウェハを用いた参考例をしのいでいるといえる。一方、本発明の範囲外にある実験例８、９、１０は、寄生容量、反り、熱伝導性のいずれかが、実験例１～７と比べて劣るものであり、特に実験例１０においては、基板にクラックが発生した。

【符号の説明】

【0052】

Ｗ 基板
１ 第一基板（多結晶ＡｌＮ）
２ 第二基板（Ｓｉ単結晶）
Ｂ バッファー層
Ｅ 電極
Ｇ 動作層
３ 電子走行層
４ 電子供給層

【図1】