特表 2025-504251 窒化ガリウムを堆積するためのヘテロエピタキシャルウエハ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-02-06

(54)【発明の名称】窒化ガリウムを堆積するためのヘテロエピタキシャルウエハ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20250130BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20250130BHJP

   H01L 21/322 20060101ALI20250130BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20250130BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20250130BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L21/205

H01L21/322 J

H01L21/322 S

C30B25/18

C30B29/38 D

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024547705

(86)(22)【出願日】2023-02-08

(85)【翻訳文提出日】2024-08-13

(86)【国際出願番号】 EP2023053061

(87)【国際公開番号】W WO2023156265

(87)【国際公開日】2023-08-24

(31)【優先権主張番号】22156958.5

(32)【優先日】2022-02-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599119503

【氏名又は名称】ジルトロニック アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｌｔｒｏｎｉｃ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｅｉｎｓｔｅｉｎｓｔｒａｓｓｅ １７２，８１６７７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マーフィー，ブライアン

(72)【発明者】

【氏名】タパ，サラド・バハドゥール

【テーマコード（参考）】

4G077

5F045

5F152

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BE15

4G077ED05

4G077ED06

4G077EF02

4G077HA06

4G077TA04

4G077TK06

4G077TK13

5F045AA04

5F045AB14

5F045AC07

5F045AC12

5F045AD01

5F045AE01

5F045AF03

5F045AF13

5F045BB12

5F045BB16

5F045DA66

5F152LL05

5F152MM05

5F152MM18

5F152NN03

5F152NN27

5F152NN30

5F152NP02

5F152NP09

5F152NQ09

(57)【要約】

（１）厚さ直径および抵抗率を有するシリコンから作製され、水素の埋め込みゲッタリング層を含む基板と、（２）３C－SiC層と、（３）第１の窒素富化窒化アルミニウム領域と、窒化アルミニウム領域と、第２の窒素富化窒化アルミニウム領域とを所定の順序で含む窒化アルミニウム核生成層と、を含む、ヘテロエピタキシャルウエハ。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

（１）厚さ、直径および抵抗率を有するシリコンから作製され、水素のための埋込みゲッタリング層を含む基板と、
（２）３C－SiC層と、
（３）第１の窒素富化窒化アルミニウム領域と、窒化アルミニウム領域と、第２の窒素富化窒化アルミニウム領域とを所定の順序で含む窒化アルミニウム核生成層と、を備える、ヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項2】

前記ゲッタリング層はボイドを含むことを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項3】

前記ゲッタリング層は損傷範囲の端部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項4】

前記基板の結晶方位が＜１－１－１＞であることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項5】

前記直径が１２５mmより大きく３１０mm未満であることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項6】

前記厚さが７００μmより大きく１１００μm未満であることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項7】

前記シリコン基板の前記抵抗率が１０mOhmcm未満であることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項8】

前記シリコン基板の前記抵抗率が１０００Ohmcmを超えることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【請求項9】

前記シリコン基板の酸素含有量（ASTM－Norm F１２１－８３）が２×１０^１７ At／cm^３未満であることを特徴とする、請求項８に記載のヘテロエピタキシャルウエハ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、その上に窒化ガリウムを堆積するために最適化されたヘテロエピタキシャルウエハに関する。

【背景技術】

【0002】

関連技術の説明
窒化ガリウム（GaN）は、シリコンを超えるいくつかの基本的な利点を提供する。特に、より高い臨界電気絶縁破壊電界は、シリコンMOSFETと比較して顕著な比動的オン状態抵抗およびより小さい容量を有するパワー半導体デバイスにとって非常に魅力的である。したがって、GaN HEMTは高速スイッチングに優れている。これは、結果として生じる電力節約および総システムコスト削減のためだけでなく、より高い動作周波数を可能にし、電力密度ならびに全体的なシステム効率を改善する。

【0003】

有機金属化学気相成長（MOCVD：Metal－Organic Chemical Vapor Deposition）を使用したGaN p－n接合ダイオードの成長中、良好な構造、光学、および同時に電気的完全性を有するp型材料を成長させることは非常に困難である。GaN接合ダイオードのp型領域は、一般に、所望の導電率を達成するためにマグネシウム（Mg）を添加することによってMOCVD反応器内で成長される。

【0004】

しかしながら、一般的な問題は、Mg、亜鉛（Zn）、炭素（C）などのアクセプタの水素原子による電気的不動態化である。水素原子はGaN材料中に拡散し、そこでMgアクセプタおよびMgによって生成された正孔を中和すると考えられる。

【0005】

不動態化プロセスは、Mgアクセプタを不活性のままにし、その結果、材料はその成長したままの状態で絶縁性または弱いp型になる。p型領域の不動態化は、ダイオードの重大な性能問題をもたらす。アクセプタおよびドナーの水素不動態化は、シリコン［S．J．Peartonら、Appl．Phys．A ４３、１５３（１９８７）参照］、ヒ化ガリウム［N．M．Johnsonら、Phys．Rev．B ３３、１１０２（１９８６）、W．C．Dautremont－Smith、Mater．Res．Soc．Symp．Proc．１０４、３１３（１９８８）］、リン化インジウム［G．R．Antellら、Appl．Phys．Lett．、５３、７５８（１９８８）］、およびテルル化カドミウム［L．Svobら、J．Cryst．Growth ８６、８１５（１９８８）］を含む多種多様な半導体について報告されている。

【0006】

不動態化は、エピタキシャル成長プロセスの結果として意図的および非意図的の両方で実証されている。GaNダイオードの成長は、水素不動態化が重要な役割を果たす例を表す。アクセプタの不動態化は、成長後、反応器の冷却段階中に起こることが示されている［G．R．Antellら、Appl．Phys．Lett．７３、２９５３（１９９８）］。MOCVD反応器では、GaN材料の成長およびその後の反応器冷却中に水素が発生するのが一般的で、通常は２つの供給源に由来する。水素は、成長中に成長原料ガスのキャリアガスとして一般的に使用される。

【0007】

さらに、アンモニア（NH_３）は、GaN材料の成長中に窒素（N）の供給源ガスとして使用され、また、反応器冷却中にGaN材料を安定させるためにも使用される。水素は、成長および冷却中にアンモニア分解の副生成物として生成される。従来のGaN成長プロセス中、冷却中にp型領域の不動態化を引き起こすのに十分な水素が反応器内に利用可能である。

【0008】

米国特許第５，８９１，７９０号明細書に開示されているように、冷却前に反応器から水素供給源を除去することによって、p型領域の不動態化を理論的に回避することができる。

【0009】

しかしながら、GaN結晶は成長温度で不安定であり、p型GaN領域は分解を受けやすく、表面損傷をもたらす。この分解を回避するための従来の方法は、反応器の冷却中にNH_３の流れを維持することである。

【0010】

しかしながら、反応器冷却中のNH_３の存在は水素を生成し、不動態化をもたらす。したがって、すべての水素供給源の除去は実用的ではなく、反応器冷却中の不動態化を回避することはできないと考えられた。

【0011】

米国特許第６４９ ８１１１号明細書は、半導体成長プロセス中のドーピング種の不動態化を防止または低減し、したがって上述の効果を排除または少なくとも低減するための不動態化バリア層を製造する方法を開示している。

【0012】

GaN系デバイスをシリコン系デバイスとより密接に統合する可能性の観点からも、基板コストの観点からも、GaN層をシリコン基板上にヘテロエピタキシャル成長させることが有利である。

【0013】

そのようなGaNオンシリコン（GOS：GaN－on－silicon）成長は、格子不整合と、窒化物材料とシリコン基板との間の線熱膨張係数の不整合の両方のために、生成が困難である。

【0014】

エピタキシャル成長などの高温プロセス中に、熱膨張の不整合が基板の反りおよび反りを引き起こす可能性がある。反りは、基板表面の垂直変位の尺度であり、より大きな熱不整合応力に耐えるために必要なより大きな剛性を提供するためにシリコン基板の厚さが著しく増加しない限り、基板直径が増加するにつれてより重要になる。

【0015】

しかしながら、シリコン基板の直径および厚さは標準化されており、GOS用途に対する懸念はほとんどない。

【0016】

結果として、直径２００mmおよび厚さ７２５μmを有する基板に約３００μmの反りを誘発する高温GaN成長は、直径３００mmおよび厚さ７７５μmを有する基板に対して６５０μmを超える反りを誘発する可能性があり、これは現代のデバイス製造プロセスには許容できない。

【0017】

また、水素は、高温におけるシリコン中の拡散係数がかなり高いことも知られている。したがって、シリコン基板上に堆積されたGaN層の品質は、基板を介してGaN層に拡散することができる水素によって低下する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

本発明では、水素によって引き起こされるドーパントの記載された不動態化効果を引き起こすことなく、ドープされたGaNでコーティングすることができるシリコン製の基板を提供することが本発明の課題である。

【課題を解決するための手段】

【0019】

この解決策は、本発明の特許請求の範囲の特徴によって与えられる。

【発明を実施するための形態】

【0020】

詳細な説明
従来技術で知られているいくつかの技術的手段を適所に有するが、本発明者らは、GaN中の水素の拡散がSiウエハ上で依然として問題であることを認識した。この拡散は、特にGaNのドーパントに関する品質欠陥をもたらす。本発明者らは、（科学的証拠を提示してはいないが）ウエハの裏面を通る（シリコンを通る）水素の拡散がその原因であることを認識するに至った。

【0021】

好ましくは、改善は、ゲッタリング、バリア、およびドーパントに対する水素の悪性効果の不動態化／中和によって拡散を防止することができる層の組み合わせによって達成される。

【0022】

特許が付与された米国特許第６４９８１１１号明細書は、半導体成長プロセス中のドーピング種の不動態化を防止または低減し、したがってin－situまたはex－situアニーリングステップの必要性を排除するための不動態化バリア層を製造する方法を教示している。しかしながら、本発明者らは、従来技術に提示された方法が、問題を完全に解決するのに十分ではないことを認識した。

【0023】

好ましくは、ヘテロエピタキシャルウエハに使用することができる基板は、＜１－１－１＞方向に配向されたシリコン基板を含む。

【0024】

好ましくは、基板の厚さは、７００μmより大きく１１００μm未満である。
好ましくは、基板の直径は、１２５mmより大きく３１０mm未満である。

【0025】

シリコン基板層の抵抗率は、パワーデバイス用途に依存する。多くのパワーデバイス用途では、導電性基板が好ましい。導電性基板が必要な場合、抵抗率は好ましくは１０mOhmcm未満である。RF HEMTデバイスの半絶縁性または絶縁性基板が必要とされる場合、抵抗率は好ましくは１０００Ohmcmより高く、O_i濃度は好ましくは２×１０^１７ At／cm^３未満と低い。そのため、シリコン基板の抵抗率は、好ましくは１０mOhmcm未満または１０００Ohmcmを超える。

【0026】

本発明者らは、格子間酸素含有量が２×１０^１７ At／cm^３（ASTM－Norm F１２１－８３）未満であり、同時にシリコン基板の抵抗率が１０００Ohmcmを超える基板を使用することが最も好ましいことをさらに認識した。

【0027】

好ましくは、シリコン基板は、水素の拡散種をゲッタリングすることができる中間ゲッタリング層または埋め込みゲッタリング層を含む。

【0028】

ゲッタリング層は、結晶を乱し、したがって水素種をゲッタリングするための、応力場または注入されたヘリウムまたは酸素層を含むことが好ましい。より好ましくは、ゲッタリング層は「安定したゲッター」を含む。「安定したゲッター」とは金属のゲッタリング中心として作用する結晶欠陥のことで、１２００℃までの温度で最大３０分間続く高温処理ステップ後でもゲッタリング特性を維持するものとして理解される。

【0029】

上述の安定したゲッターの一例として、ボイドを結晶内へのヘリウム注入によって生成することができ、これらのボイドは、酸素の共注入によって安定化することができる。注入された酸素原子は、生成されたボイドの内壁の表面に酸化ケイ素を形成し、したがってそれらのボイドを安定化することが理解される。

【0030】

ゲッタリングの効率を決定するために、試験対象のウエハの裏面を意図的に金属イオンで汚染する試験を実行することができる（「グラフ試験」）。次いで、半導体ウエハを加熱することによって不純物を結晶格子に押し込む。有効なゲッター中心が存在しない場合、それらは半導体ウエハの前面に到達することができ、そこでエッチングおよび散乱光測定（ヘイズ測定）によって検出することができる。この試験は、例えば、銅（Cu）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）またはパラジウム（Pd）などの不純物を用いて行うことができる。この試験は、汚染物質として金属を使用して行われる。しかしながら、本発明者らは、この試験が水素にも有効であるという結論に達した。

【0031】

本発明者らは、（科学的証拠はないが）注入プロセス中の範囲端部での損傷が水素種のいくつかのゲッター中心を生成することができることを理解した。この手段は、デバイス製造プロセス中に一般的な高温でも有効である。より好ましくは、ゲッタリング層はボイドを含む。

【0032】

好ましくは、シリコン基板は、３C－SiCエピタキシャル層によって覆われる。さらにより好ましくは、エピタキシャル層は窒化アルミニウムの層によって覆われる。

【0033】

MOCVDによって作製される窒化アルミニウム層は、好ましくは、所定の順序で、第１の窒素富化窒化アルミニウム領域、窒化アルミニウム領域および第２の窒素富化窒化アルミニウム領域を含む。

【0034】

そのため、窒素富化窒化アルミニウムの領域は、３C－SiC層と接触していることが好ましい。この領域は、不動態化層として作用すると考えられる。

【国際調査報告】