JP5743928B2 - 窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、高出力用途の高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor；ＨＥＭＴ）等の材料として広く用いられている。
高電子移動度トランジスタ等を製造する際に用いる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハは、特許文献１に示されるようなボイド形成剥離（Void-Assisted Separation；ＶＡＳ）法等によって得られた窒化ガリウム基板と、その窒化ガリウム基板上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、そのバッファ層上に形成された１層以上の窒化物半導体層と、を備える。
窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造する際には、有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy；ＭＯＶＰＥ）法等により、窒化ガリウム基板上に各層をエピタキシャル成長させるが、図５に示すように、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ５０の表面には局所的な段差５１が形成され、全面が平坦な表面とならないことがある。
この局所的な段差５１は、高電子移動度トランジスタ等の２次元電子ガスを形成する電子デバイスにおいて、段差５１のあるところで２次元電子ガスの高さが変わってしまうので、電子デバイスの正常な動作を阻害し、動作不良の原因となっている。
窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの表面に局所的な段差が形成されるのは、窒化ガリウム基板上に直接バッファ層をエピタキシャル成長させると、窒化ガリウム基板の面内におけるオフ角バラツキが大きいので、オフ角の微小な変化に対応しながらバッファ層がエピタキシャル成長され、オフ角のズレを面内の局所的な部分で解消しようとすることが原因である。
これを解決する方法としては、オフ角が面内で均一な窒化ガリウム基板を用いて窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造することが考えられるが、現状ではそのような窒化ガリウム基板の入手は難しい。
そこで、本発明の目的は、オフ角が面内で不均一な窒化ガリウム基板を用いた場合でも、窒化物半導体層の面内のオフ角バラツキを抑制した窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。
この目的を達成するために創案された本発明は、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウムからなるバッファ層と１層以上の窒化物半導体層とを備える窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記窒化ガリウム基板よりも前記窒化物半導体層の方がオフ角バラツキが小さい窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハである。
前記窒化ガリウム基板と前記バッファ層との間に窒化インジウムガリウムからなる中間層を備えると良い。
前記中間層のインジウム組成が０．１以上０．４以下であると良い。
前記中間層が量子ドットからなると良い。
前記量子ドットの直径が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であると良い。
前記窒化物半導体層のオフ角バラツキが０．２度以下であると良い。
また、本発明は、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウムからなるバッファ層と１層以上の窒化物半導体層とをエピタキシャル成長させる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記窒化ガリウム基板上に窒化インジウムガリウムからなる中間層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、前記中間層上に窒化ガリウムからなるバッファ層をエピタキシャル成長させる第２の工程と、前記バッファ層上に１層以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第３の工程と、を備え、前記第１の工程では、インジウム組成を０．１以上０．４以下として、直径が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の量子ドットからなる中間層をエピタキシャル成長させる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
前記第２の工程では、層厚が５００ｎｍ以上のバッファ層をエピタキシャル成長させると良い。
本発明によれば、オフ角が面内で不均一な窒化ガリウム基板を用いた場合でも、窒化物半導体層の面内のオフ角バラツキを抑制した窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０は、窒化ガリウム基板１１上に窒化ガリウムからなるバッファ層１２と１層以上の窒化物半導体層１３とを備え、窒化ガリウム基板１１よりも窒化物半導体層１３の方がオフ角バラツキが小さいことを特徴とする。
「オフ角」とは、「表面と結晶面とのなす角度」のことであり、本発明においての「オフ角バラツキ」は面内の複数箇所で測定したオフ角（度）のうち最大オフ角と最小オフ角との差を２で割った値（度）とする。
窒化ガリウム基板１１としては特に規定はなく、面内のオフ角バラツキが不均一な基板であれば、本発明の効果を得やすい。例えば、後述するようなボイド形成剥離法により製造された窒化ガリウム基板を用いても良い。
窒化ガリウム基板を取得する方法の一例として、ボイド形成剥離法による窒化ガリウム基板の製造方法を説明する。ボイド形成剥離法とは、図２に示すように、下地基板としてのサファイア基板２１上に窒化ガリウム層２２をエピタキシャル成長させた後、サファイア基板２１を除去し、窒化ガリウム自立基板３０を得る方法である。
具体的には、先ずサファイア基板２１のＣ面上に、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）とアンモニア（ＮＨ3）とを原料としてアンドープ窒化ガリウムからなる窒化ガリウム層２３をエピタキシャル成長させる（図２（ａ））。
次いで、窒化ガリウム層２３上にチタン（Ｔｉ）薄膜２４を蒸着させた後、これを電気炉に入れてアンモニアと水素との混合ガス雰囲気中で熱処理を施す（図２（ｂ））。
これにより、窒化ガリウム層２３の一部がエッチングされ、高密度のボイド（空隙）２５が発生してボイド形成窒化ガリウム層２６に変化すると共に、チタン薄膜２４が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴２７が高密度に形成された穴形成窒化チタン（ＴｉＮ）層２８に変化する（図２（ｃ））。
この基板２９をハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）炉に入れ、水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との混合ガスをキャリアガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガスを加熱したガリウム（Ｇａ）メタルのボートに供給し、これらを反応させて原料ガスとしての塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを生成し、同時にアンモニアガスを供給し、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）を調整しつつ、窒化ガリウムを堆積させる。
そうすると、窒化ガリウムの核が穴形成窒化チタン層２８上に３次元の島状に成長し、次いで、その島状の結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していき、窒化ガリウム層２２となる（図２（ｄ））。
この窒化ガリウム層２２は、ハイドライド気相成長炉を冷却する過程で、ボイド形成窒化ガリウム層２６を境にサファイア基板２１から自然に剥離し、窒化ガリウム自立基板３０となる（図２（ｅ））。
その後、窒化ガリウム自立基板３０をハイドライド気相成長炉から取り出すと共に研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて窒化ガリウム自立基板３０に表裏面研磨を施し、窒化ガリウム基板１１とする。
再び図１を参照し、得られた窒化ガリウム基板１１上にバッファ層１２と１層以上の窒化物半導体層１３とをエピタキシャル成長させるのであるが、その前に第１の工程として、窒化ガリウム基板１１上に窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる中間層１４をエピタキシャル成長させる。
つまり、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０の製造方法は、窒化ガリウム基板１１上に窒化インジウムガリウムからなる中間層１４をエピタキシャル成長させる第１の工程と（図１（ａ））、中間層１４上に窒化ガリウムからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる第２の工程と（図１（ｂ））、バッファ層１２上に１層以上の窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させる第３の工程と（図１（ｃ））、を備えるのである。
第１の工程では、インジウム組成を０．１以上０．４以下として（ＩｎxＧａ(1-x)Ｎで表したとき０．１≦ｘ≦０．４として）、直径が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の量子ドット１５からなる中間層１４をエピタキシャル成長させる。
これは、窒化インジウムガリウムが自発的にドット状に成長することを利用したものであり、このようにすることで中間層１４とその後のバッファ層１２と窒化物半導体層１３とを連続的に成長させることができる。
この中間層１４は、窒化ガリウム基板１１の面内におけるオフ角バラツキの影響、即ち面内における面方位の微小な傾きの影響を緩和し、その上にエピタキシャル成長させるバッファ層１２の面方位を揃える、言わば面方位調整層としての役割がある。
量子ドット１５の直径を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とするのは、この範囲を超えた直径とすると、中間層１４の面方位調整層としての機能を発揮できなくなるためである。つまり、量子ドット１５の直径が小さすぎると面方位の微小な傾きの影響を充分に緩和できず、大きすぎると量子ドット１５が近接して通常の層と何ら変わらなくなり、面方位の微小な傾きの影響を緩和することができなくなり、最悪の場合、表面ピット等の別の欠陥を生じさせる原因となるためである。
これと同様の理由から、即ち量子ドット１５の密度が小さいと面方位調整層としての機能を発揮できず、大きすぎると通常の層と何ら変わらなくなるから、量子ドット１５は１平方センチメートル当たり１０8個程度の密度で形成することが好ましい。
第２の工程では、層厚が５００ｎｍ以上のバッファ層１２をエピタキシャル成長させることが好ましい。これにより、バッファ層１２が充分に平坦化され、平坦な表面が得られるからである。つまり、バッファ層１２の層厚が５００ｎｍ未満であると、中間層１４のドット形状がバッファ層１２に引き継がれてしまうからである。
第３の工程では、１層以上の窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させるのであるが、例えば、窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させる。
以上の工程により、高電子移動度トランジスタ等の製造に適した窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０が得られる。
この窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０によれば、窒化ガリウム基板１１とバッファ層１２との間に量子ドット状の窒化インジウムガリウムからなる中間層１４を備えるため、窒化ガリウム基板１１の面内におけるオフ角バラツキの影響、即ち面内における面方位の微小な傾きの影響が緩和され、窒化ガリウム基板１１よりも窒化物半導体層１３の方がオフ角バラツキが小さくなる。
本発明によれば、例えば、オフ角バラツキが０．３度の窒化ガリウム基板１１を用いた場合であっても、窒化物半導体層１３におけるオフ角バラツキは０．２度以下まで低減される。
その結果、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０の表面が平坦化され、局所的な段差も発生しにくくなる。
これらの効果は、どのようなサイズ（直径）の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ１０であっても同様に得ることができるが、サイズが小さければ面内のオフ角バラツキが小さくなるのは自明であるので、実用的なサイズ以上のもの、特に２インチ以上のもので効果が発揮される。
以上説明したように、本発明によれば、オフ角が面内で不均一な窒化ガリウム基板を用いた場合でも、窒化物半導体層の面内のオフ角バラツキを抑制した窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することができる。
中間層のインジウム組成が０．１以上０．４以下であることが好ましいとした理由を以下に説明する。
先ず、ボイド形成剥離法によって、窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを製造するための下地基板として窒化ガリウム基板を得た。
具体的には、直径２インチのサファイア基板のＣ面上に、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウムとアンモニアとを原料としてアンドープ窒化ガリウムからなる窒化ガリウム層を３００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させた。
次いで、この窒化ガリウム層上にチタン薄膜を２０ｎｍの厚さに蒸着させた後、これを電気炉に入れて、２０％のアンモニアと８０％の水素との混合ガス雰囲気中で、１０５０℃で２０分間の熱処理を施した。
これにより、窒化ガリウム層の一部がエッチングされ、高密度のボイドが発生してボイド形成窒化ガリウム層に変化すると共に、チタン薄膜が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成された穴形成窒化チタン層に変化した。
この穴形成窒化チタン層を形成した基板をハイドライド気相成長炉に入れて１１００℃に加熱し、５％の水素と９５％の窒素との混合ガスをキャリアガスとして塩化水素ガスを９００℃に加熱したガリウムメタルのボートに供給し、これらを反応させて原料ガスとしての塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを生成し、同時にアンモニアガスを供給し、成長の開始時にはＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比が１２になるように流量を調整しつつ、窒化ガリウムを全体で８００μｍの厚さに堆積させた。
そうすると、窒化ガリウムの核が穴形成窒化チタン層上に３次元の島状に成長し、次いで、その島状の結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していき、窒化ガリウム層となった。この様子は、成長時間を変えてハイドライド気相成長炉外に取り出した基板表面及び断面を顕微鏡観察することにより確認した。
８００μｍの厚さに堆積させた窒化ガリウム層は、ハイドライド気相成長炉を冷却する過程で、ボイド形成窒化ガリウム層を境にサファイア基板から自然に剥離し、８００μｍの厚さの窒化ガリウム自立基板を得た。
その後、窒化ガリウム自立基板をハイドライド気相成長炉から取り出すと共に研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて窒化ガリウム自立基板に表裏面研磨を施し、下地基板として厚さ４００μｍの窒化ガリウム基板を得た。
なお、本実施例においては、窒化ガリウム基板をボイド形成剥離法により形成したが、窒化ガリウム基板の取得法の一例として挙げており、これに限られたものではない。
以上のようにして得られた窒化ガリウム基板における面内のオフ角バラツキを測定した後、その窒化ガリウム基板上に、有機金属気相成長法により、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた。
「オフ角」の測定は、例えば、Ｃ面の回折角度で、（０００２）面等の回折ピーク角度から得ることができる。また、表面の角度は、「入射角＝反射角」となる位置で生じるＸ線の表面での全反射現象を利用して得られる回折ピーク角度から得ることができる。
この２つの角度差を、全周囲方向（少なくとも９０°おきに４方向）から測定することにより、測定位置における「表面と結晶面とのなす角度」、即ち「オフ角」を決定することができる。
これらの測定を図３に示すように面内で５点、中心及び中心から２０ｍｍ離れた位置で測定すると、オフ角はその位置によって大きさも方向も異なる場合がある。そこで、５点の測定結果のうち、そのオフ角の大きさが一番大きい値を最大オフ角、一番小さい値を最小オフ角とした場合、「最大オフ角−最小オフ角（度）」がバラツキの範囲の大きさを表し、それを２で割って「オフ角バラツキ」（±度）とした。
その後のエピタキシャル成長では、先ず得られた窒化ガリウム基板上に、８００℃で窒化インジウムガリウムからなる量子ドット状の中間層をエピタキシャル成長させ、次いで、１０５０℃でアンドープ窒化ガリウムからなるバッファ層を１μｍの層厚でエピタキシャル成長させた。最後に、バッファ層上にアルミニウム組成が０．２の窒化アルミニウムガリウム、即ちＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる厚さ３０ｎｍの窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させた。
このとき、有機金属原料として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、及びトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）を用いた。また、ガス原料として、アンモニアを、キャリアガスとして水素及び窒素を用いた。
以上の工程により、中間層のインジウム組成を０から０．５まで変化させた複数枚の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハを得た。
これらの窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハについて最表面の窒化物半導体層におけるオフ角バラツキを調査したところ、表１及び図４に示す結果となった。表１は使用した窒化ガリウム基板のオフ角バラツキと、その窒化ガリウム基板を用いて得られた窒化物半導体層のオフ角バラツキを示す。また、図４は窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハにおける中間層のＩｎ組成と窒化物半導体層のオフ角バラツキの関係を示す。
これらの結果を見ると、中間層のインジウム組成が０．０５以上０．４以下のとき、窒化物半導体層におけるオフ角バラツキが下地となる窒化ガリウム基板におけるオフ角バラツキよりも小さくなるが、特に中間層のインジウム組成が０．１以上０．４以下のとき、その効果が顕著に現れることが分かる。なお、中間層のインジウム組成が０．５のときには、窒化物半導体層の表面荒れのため、評価ができなかった。
本発明では、以上の根拠に基づいて、中間層のインジウム組成を０．１以上０．４以下の範囲内に規定した。
１０ 窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ
１１ 窒化ガリウム基板
１２ バッファ層
１３ 窒化物半導体層
１４ 中間層
１５ 量子ドット
１１ 窒化ガリウム基板
１２ バッファ層
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Claims (6)
- 窒化ガリウム基板上に窒化ガリウムからなるバッファ層と１層以上の窒化物半導体層とを備える窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記窒化ガリウム基板よりも前記窒化物半導体層の方がオフ角バラツキが小さいと共に、
前記窒化ガリウム基板と前記バッファ層との間に、量子ドットからなる窒化インジウムガリウム中間層を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ。 - 前記中間層のインジウム組成が０．１以上０．４以下である請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記量子ドットの直径が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ。
- 前記窒化ガリウム基板の中心と、当該中心を通る４０ｍｍの第１線分の両端点と、前記中心を通ると共に前記第１線分と直交する第２線分の両端点との合計５点で前記窒化物半導体層のオフ角を測定した時に、前記窒化物半導体層のオフ角バラツキが０．２度以下である請求項１〜３のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハ。
- 窒化ガリウム基板上に窒化ガリウムからなるバッファ層と１層以上の窒化物半導体層とをエピタキシャル成長させる窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記窒化ガリウム基板上に窒化インジウムガリウムからなる中間層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記中間層上に窒化ガリウムからなるバッファ層をエピタキシャル成長させる第２の工程と、
前記バッファ層上に１層以上の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第３の工程と、
を備え、
前記第１の工程では、インジウム組成を０．１以上０．４以下として、直径が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の量子ドットからなる中間層をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記第２の工程では、層厚が５００ｎｍ以上のバッファ層をエピタキシャル成長させる請求項５に記載の窒化ガリウム系半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
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