(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】2024-12-02
(45)【発行日】2024-12-10
(54)【発明の名称】積層体及び積層体の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/203 20060101AFI20241203BHJP
H01L 21/20 20060101ALI20241203BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20241203BHJP
H01L 29/778 20060101ALI20241203BHJP
H01L 29/812 20060101ALI20241203BHJP
H01L 21/337 20060101ALI20241203BHJP
H01L 29/808 20060101ALI20241203BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20241203BHJP
C23C 14/35 20060101ALI20241203BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20241203BHJP
【FI】
H01L21/203 S
H01L21/20
H01L29/80 H
H01L29/80 C
C23C14/06 A
C23C14/35 Z
H01L33/32
(21)【出願番号】P 2023527634
(86)(22)【出願日】2022-05-31
(86)【国際出願番号】 JP2022022163
(87)【国際公開番号】W WO2022259918
(87)【国際公開日】2022-12-15
【審査請求日】2023-12-06
(31)【優先権主張番号】P 2021098291
(32)【優先日】2021-06-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】502356528
【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ
(73)【特許権者】
【識別番号】599002043
【氏名又は名称】学校法人 名城大学
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】池田 雅延
(72)【発明者】
【氏名】石田 有親
(72)【発明者】
【氏名】上山 智
(72)【発明者】
【氏名】岩谷 素顕
(72)【発明者】
【氏名】竹内 哲也
【審査官】長谷川 直也
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第2008/0289420(US,A1)
【文献】中国特許出願公開第103334090(CN,A)
【文献】特開2012-224539(JP,A)
【文献】特開平07-109573(JP,A)
【文献】KUSAKA, K. et al.,Effect of sputtering gas pressure and nitrogen concentration on crystal orientation and residual stress in sputtered AlN films,Vacuum,2002年,Vol. 66,pp. 441-446
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/203
H01L 21/20
H01L 21/338
H01L 21/337
C23C 14/06
C23C 14/35
H01L 33/32
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
非晶質ガラス基板と、
前記非晶質ガラス基板の上に形成されたAlN層と、を有し、
前記AlN層は、前記非晶質ガラス基板上にc軸配向しており、
前記非晶質ガラス基板のガラス転移温度(Tg)は、720℃以上810℃以下であり、
前記非晶質ガラス基板の熱膨張係数(CTE)は、3.5×10
-6[1/K]以上4.0×10
-6[1/K]以下であり、
前記非晶質ガラス基板の軟化点は、950℃以上1050℃以下である、積層体。
【請求項2】
前記非晶質ガラス基板の表面における算術平均粗さ(Ra)は3nm以下である、請求項1に記載の積層体。
【請求項3】
前記非晶質ガラス基板には、局所的にSi-Oの結晶構造が存在する、請求項
1に記載の積層体。
【請求項4】
前記AlN層は、前記非晶質ガラス基板に成膜形成されている薄膜である、請求項
1に記載の積層体。
【請求項5】
前記AlN層は、400℃以上600℃以下の成膜温度で前記非晶質ガラス基板上に成膜形成されている、請求項4に記載の積層体。
【請求項6】
前記AlN層の膜厚は、20nm以上400nm以下である、請求項5に記載の積層体。
【請求項7】
前記AlN層は、前記非晶質ガラス基板に直接接している、請求項6に記載の積層体。
【請求項8】
前記非晶質ガラス基板の厚みは、0.4mm以上1.0mm以下である、請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の積層体。
【請求項9】
ガラス転移温度(Tg)が720℃以上810℃以下、熱膨張係数(CTE)が3.5×10
-6[1/K]以上4.0×10
-6[1/K]以下、軟化点が950℃以上1050℃以下である非晶質ガラス基板を用意する第1工程と、
前記非晶質ガラス基板上に、AlN層を400℃以上600℃以下の成膜温度で形成する第2工程と、を有する、
積層体の製造方法。
【請求項10】
前記第2工程において、前記非晶質ガラス基板上に、前記AlN層は、c軸配向されており、前記AlN層は、20nm以上400nm以下の膜厚で成膜形成される、請求項9に記載の積層体の製造方法。
【請求項11】
前記AlN層は、スパッタリングにより前記非晶質ガラス基板の上に成膜されている、請求項10に記載の積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、積層体及び積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
サファイア基板上にGaNを成長させる際、サファイア基板とGaNとの間に、AlNのバッファー層を介在させる(例えば、非特許文献1参照)ことが知られている。この技術では、成膜温度が高く、基板価格が高価である課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平11-243229号公報
【文献】特開2000-124140号公報
【文献】国際公開第2020/188851号
【非特許文献】
【0004】
【文献】H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett. 48 363, (1986).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで、基板にガラスを用いて、GaNを成長させる試みがなされている(例えば、特許文献1、2及び3参照)。
【0006】
ただし、ガラス基板に成膜形成されるGaNには、GaNがc軸配向性を有するまでに結晶性を向上させる必要がある。GaNの結晶性を向上させるためには、下地層となるAlNがc軸配向を有する必要がある。
【0007】
本開示は、GaN層の高品質な結晶成長を促進する積層体及び積層体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】
【0008】
本開示の一態様の積層体は、非晶質ガラス基板と、前記非晶質ガラス基板の上に形成されたAlN層と、を有し、前記AlN層は、前記非晶質ガラス基板上にc軸配向しており、前記非晶質ガラス基板のガラス転移温度(Tg)は、720℃以上810℃以下であり、前記非晶質ガラス基板の熱膨張係数(CTE)は、3.5×10-6[1/K]以上4.0×10-6[1/K]以下であり、前記非晶質ガラス基板の軟化点は、950℃以上1050℃以下である。
【0009】
本開示の他の態様の積層体の製造方法は、ガラス転移温度(Tg)が720℃以上810℃以下、熱膨張係数(CTE)が3.5×10-6[1/K]以上4.0×10-6[1/K]以下、軟化点が950℃以上1050℃以下である非晶質ガラス基板を用意する第1工程と、前記非晶質ガラス基板上に、AlN層を400℃以上600℃以下の成膜温度で形成する第2工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】
図1は、実施形態1に係る積層体の製造方法を示す説明図である。
【
図2】
図2は、実施形態1に係る積層体の断面図である。
【
図3】
図3は、実施形態1の第1成膜工程を説明する模式図である。
【
図4】
図4は、実施形態1の評価例の評価結果を示す表である。
【
図5】
図5は、実施例1のXRDスペクトルを示す図である。
【
図6】
図6は、実施例1のXRDスペクトルを示す図である。
【
図7】
図7は、比較例1のXRDスペクトルを示す図である。
【
図8】
図8は、比較例2のXRDスペクトルを示す図である。
【
図9】
図9は、実施形態2に係る積層体を含む半導体デバイスの断面図である。
【
図10】
図10は、実施形態2に係る積層体を含む半導体デバイスの製造方法を示す説明図である。
【
図11】
図11は、実施形態3に係る積層体を含む半導体デバイスの断面図である。
【
図12】
図12は、実施形態3に係る積層体を含む半導体デバイスの製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本開示を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本開示が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本開示の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【0012】
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る積層体の製造方法を示す説明図である。
図2は、実施形態1に係る積層体の断面図である。
図3は、実施形態1の第1成膜工程を説明する模式図である。
【0013】
図1に示すように、基板準備工程では、
図2に示す積層体10の基板として、非晶質ガラス基板1が準備される(ステップST1)。本開示では、基板準備工程を第1工程とする。非晶質ガラス基板1のガラス転移温度(Tg)は、720℃以上810℃以下である。非晶質ガラス基板1の熱膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)は、3.5×10
-6[1/K]以上4.0×10
-6[1/K]以下である。非晶質ガラス基板1の軟化点は、950℃以上1050℃以下である。
【0014】
第1成膜工程(ステップST2)では、
図2に示すように、非晶質ガラス基板1に直接接してAlN層2が成膜される。本開示では、第1成膜工程を第2工程とする。第1成膜工程(ステップST2)では、有機金属気相成長法(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)ではなく、
図3に示すスパッタリング装置51により、AlN層2が薄膜として成膜される。これにより、AlN層の成膜速度が大きくなり、積層体10の製造コストが低減できる。
【0015】
図3に示すように、スパッタリング装置51の陽極53には非晶質ガラス基板1が取り付けられ、スパッタリング装置の陰極52には、Alターゲット55が取り付けられる。陽極53、陰極52は、それぞれ電源装置54に接続される。スパッタリング装置51は、排気バルブ59を閉止し、アルゴン導入バルブおよび窒素導入バルブを介して、アルゴンガスおよび窒素ガスをスパッタリング装置51内に封入する。
【0016】
第1成膜工程(ステップST2)では、マグネトロンスパッタリング法により、400℃以上600℃以下の成膜温度で非晶質ガラス基板1に直接AlN層2が成膜される。成膜温度が400℃より低いと、AlN層2がc軸配向し難く、成膜温度が600℃を超えると、成膜チャンバーからの脱ガスによりAlN層2がc軸配向し難くなる。AlN層2が400℃以上600℃以下の温度で成膜されるので、AlN層2がc軸配向した状態で非晶質ガラス上に成膜することができる。ここで、成膜されるAlN層2の熱膨張係数(CTE)は、4.2×10-6[1/K]以上5.3×10-6[1/K]以下である。成膜温度が上昇して、非晶質ガラス基板1が熱膨張しても、非晶質ガラス基板1の熱膨張係数(CTE)とAlN層2の熱膨張係数(CTE)とが近いので熱膨張のずれが生じにくく、AlN層2がc軸配向しやすくなる。
【0017】
また、非晶質ガラス基板1のガラス転移温度(Tg)は、720℃以上810℃以下であり、非晶質ガラス基板1の軟化点は、950℃以上1050℃以下である。成膜温度が低いので、成膜時の非晶質ガラス基板1の安定性を高く保つことができる。非晶質ガラス基板1のガラス転移温度(Tg)が720℃より小さく、かつ軟化点が950℃より小さいと成膜されたAlN層2はc軸配向し難くなる。非晶質ガラス基板1のガラス転移温度(Tg)が810℃を越え、かつ軟化点が1050℃を越えると成膜温度は高く設定できるが、成膜されたAlNはc軸配向し難くなる。
【0018】
非晶質ガラス基板1の厚みは、0.4mm以上1.0mm以下である。非晶質ガラス基板1の厚みが、0.4mmより小さいと、成膜温度によって生じたAlN層2の膜ストレスにより非晶質ガラス基板1が反る傾向が生じる。非晶質ガラス基板1の厚みが、1.0mmを超えると半導体デバイスを形成する際にAlN層2の成膜プロセス以降の工程で基板搬送が困難になる傾向が生じ、製品コスト及び製造コストの削減としては好ましくない。AlN層2の膜厚は、20nm以上400nm以下である。AlN層2の膜厚が、20nmより小さいとc軸配向し難くなりやすい。AlN層の膜厚が、400nmを超えるとAlN層2の膜ストレスにより基板が反りやすくなる。
【0019】
(評価例)
図4は、実施形態1の評価例の評価結果を示す表である。実施例1、実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2の基板をそれぞれ用意した。
【0020】
実施例1の基板の組成は、アルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラスである。
【0021】
実施例2の基板の組成は、無アルカリアルミノ珪酸塩ガラスである。
【0022】
実施例3の基板の組成は、実施例2とは異なる無アルカリアルミノ珪酸塩ガラスである。
【0023】
比較例1は、BK7と呼ばれる高耐熱性の硼珪酸クラウンガラスである。
【0024】
比較例2は、石英である。
【0025】
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2のそれぞれの基板の厚みは、0.50mmである。実施例1、実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2のそれぞれの、ガラス転移温度(Tg)、熱膨張係数(CTE)、軟化点、密度を
図4に示す。
【0026】
実施例1、実施例2及び実施例3の基板表面の算術平均粗さ(Ra)をそれぞれ計測し、
図4に示す。算術平均粗さ(Ra)の測定は、原子間力顕微鏡(AFM)より計測した。
【0027】
実施例1から実施例3に示すように、非晶質ガラス基板1の表面における算術平均粗さ(Ra)は3nm以下である。非晶質ガラス基板1の表面における算術平均粗さ(Ra)が3nmを越える場合は、研磨処理をすることが望ましい。
【0028】
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2のそれぞれの基板表面に、マグネトロンスパッタリング法により、500℃の成膜温度で、200nmのAlN層を成膜した。
【0029】
AlN層が成膜された、実施例1、実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2の積層体に対して、積層体10のX線回折(XRD:X-Ray Diffraction)測定を行った。
図5は、実施例1のXRDスペクトルを示す図である。
図6は、実施例1のXRDスペクトルを示す図である。
図5は、
図6の回転角2θ/ω 36[deg]付近の拡大図である。
図7は、比較例1のXRDスペクトルを示す図である。
図8は、比較例2のXRDスペクトルを示す図である。
図5から
図8のXRDスペクトルにおいて、縦軸はX線回折強度(任意単位)であり、横軸は回転角2θ[deg]である。なお、XRDスペクトルの測定は、リガク社製X線回折装置を用いた。X線源としては、CuKαの特性X線(波長:1.5418Å)を用い、2θ―ωモード(またはωモード)でX線回折測定によりXRDスペクトルを測定した結果、回転角2θ/ω[deg]のうち36[deg]付近のピーク強度を、AlN層のc軸配向起因によると推定して、表1に記載した。
【0030】
図5から
図8のXRDスペクトルにおいて、縦軸はX線回折強度(任意単位)であり、横軸は回転角2θ[deg]である。なお、XRDスペクトルの測定は、リガク社製X線回折装置を用いた。
【0031】
図5に示す36[deg]付近のピーク強度は、
図7及び
図8に示す36[deg]付近のピーク強度よりも明らかに大きいことが分かる。
【0032】
図6に示すように、実施例1の基板は、ブロードなXRDスペクトルを示すことから、非晶質ガラス基板であることが分かる。図示を省略するが、実施例2及び実施例3の基板もブロードなXRDスペクトルを示すので、非晶質ガラス基板である。
【0033】
図6に示すXRDスペクトルのうち22[deg]付近のピーク強度PIは、局所的なSi-Oの結晶構造が存在することを示している。このSi-O結晶構造があることでAlN層2のc軸配向しやすいことが確認できた。非晶質ガラス基板1の表面に存在するSi-Oの規則的な結晶構造がAlN層2のc軸配向をしやすくさせている。
【0034】
(実施形態2)
図9は、実施形態2に係る積層体を含む半導体デバイスの断面図である。
図10は、実施形態2に係る積層体を含む半導体デバイスの製造方法を示す説明図である。実施形態2では、実施形態1と同じ構成および工程には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図9に示す半導体デバイス30は、LED(Light Emitting Diode)であり、発光素子である。
【0035】
図9に示すように、半導体デバイス30は、電極35がカソードに電気的に接続され、電極36がアノードに電気的に接続される。半導体デバイス30は、実施形態1の積層体10上に形成される。半導体デバイス30は、接合層31、n型クラッド層32、発光層33、p型クラッド層34、を有する。また、発光層33は、高効率化のために数原子層からなる井戸層と障壁層とを周期的に積層させた多重量子井戸構造(MQW構造)を有する。
【0036】
図10に示すように、上述した第1成膜工程(ステップST2)の後、第2成膜工程が行われる。第2成膜工程では、AlN層2の上に、接合層31が成膜される(ステップST3)。接合層31は、ドープされていないGaN層である。
【0037】
第2成膜工程(ステップST3)の後、第3成膜工程が行われる。第3成膜工程では、接合層31の上に、シリコン(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)のn型クラッド層32が成膜される(ステップST4)。
【0038】
第3成膜工程(ステップST4)の後、第4成膜工程が行われる。第4成膜工程では、n型クラッド層32の上に、インジウム窒化ガリウム(InxGa(1-x)N)と窒化ガリウム(GaN)とが複数層繰り返し積層された発光層33が成膜される(ステップST5)。
【0039】
第4成膜工程(ステップST5)の後、第5成膜工程が行われる。第5成膜工程では、n型クラッド層32の上に、マグネシウム(Mg)がドープされた窒化ガリウム(GaN)のp型クラッド層34が成膜される(ステップST6)。
【0040】
第5成膜工程(ステップST6)の後、フォトリソグラフィー工程(ステップST7)において、ブラズマエッチングなどにより、パターニングされる。
【0041】
フォトリソグラフィー工程(ステップST7)の後、n型電極形成工程が行われる。n型電極形成工程では、インジウム(In)により電極35が成膜される(ステップST8)。
【0042】
n型電極形成工程(ステップST8)の後、p型電極形成工程が行われる。p型電極形成工程では、パラジウム金合金(PdAu)の電極36が成膜される(ステップST9)。
【0043】
(実施形態3)
図11は、実施形態3に係る積層体を含む半導体デバイスの断面図である。
図12は、実施形態3に係る積層体を含む半導体デバイスの製造方法を示す説明図である。実施形態3では、実施形態1と同じ構成および工程には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図11に示す半導体デバイス40は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)デバイスである。
【0044】
図11に示すように、半導体デバイス40は、電子走行層41、電子供給層42、障壁層43、ゲート電極44、ソース電極45、ドレイン電極46を有する。ソース電極45とドレイン電極46とに挟まれたゲート電極44が障壁層43とショットキー接触を形成する。
【0045】
図12に示すように、上述した第1成膜工程(ステップST2)の後、第2成膜工程が行われる。第2成膜工程では、AlN層2の上に、電子走行層41が成膜される(ステップST11)。電子走行層41は、ドープされていないGaN層である。
【0046】
第2成膜工程(ステップST11)の後、第3成膜工程が行われる。第3成膜工程では、電子走行層41の上に、電子供給層42が成膜される(ステップST12)。電子供給層42は、ドープされていないインジウム窒化ガリウム(InxGa(1-x)N)である。
【0047】
第3成膜工程(ステップST12)の後、第4成膜工程が行われる。第4成膜工程では、電子供給層42の上に、障壁層43が成膜される(ステップST13)。障壁層43は、マグネシウム(Mg)がドープされた窒化ガリウム(GaN)である。
【0048】
第4成膜工程(ステップST13)の後、第5成膜工程が行われる。第5成膜工程では、障壁層43の上に、ゲート電極44が成膜される(ステップST14)。
【0049】
第5成膜工程(ステップST14)の後、フォトリソグラフィー工程(ステップST15)において、ブラズマエッチングなどにより、障壁層43及びゲート電極44の形状がパターニングされる。
【0050】
フォトリソグラフィー工程(ステップST15)の後、電極成膜工程が行われる。電極成膜工程では、ソース電極45及びドレイン電極46となる金属層が形成される(ステップST16)。
【0051】
電極成膜工程(ステップST16)の後、フォトリソグラフィー工程(ステップST17)において、ブラズマエッチングなどにより、電極成膜工程(ステップST16)で形成された金属層の形状がパターニングされ、ソース電極45及びドレイン電極46が形成される。
【0052】
以上、本開示の好適な実施の形態を説明したが、本開示はこのような実施の形態に限定されるものではない。実施の形態で開示された内容はあくまで一例にすぎず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。本開示の趣旨を逸脱しない範囲で行われた適宜の変更についても、当然に本開示の技術的範囲に属する。上述した各実施形態及び各変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。
【符号の説明】
【0053】
1 非晶質ガラス基板
2 AlN層
2θ 回転角
10 積層体
30 半導体デバイス
31 接合層
32 n型クラッド層
33 発光層
34 p型クラッド層
35 電極
36 電極
40 半導体デバイス
41 電子走行層
42 電子供給層
43 障壁層
44 ゲート電極
45 ソース電極
46 ドレイン電極
51 スパッタリング装置
52 陰極
53 陽極
54 電源装置
55 Alターゲット
59 排気バルブ