JP2006523033A - シリコン上に単結晶GaNを成長させる方法 - Google Patents
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Abstract
シリコン基板上に少なくとも2ミクロンの厚さの単結晶GaN薄膜を成長させる方法を開示する。該方法は、プレレイヤー、シリコン基板上のAlNを含むバッファ層、及び、該AlNバッファ層の頂部に交互に堆積された複数のGaN層及びAlN層を成長させることを含む。複数のGaN層及びAlN層の堆積条件及びタイミングを制御することにより、単結晶GaN薄膜は、クラック又はピット無しで2ミクロンより厚く成長させることができる。
Description
本発明は、一般的に、半導体基板上に単結晶GaN(窒化ガリウム)を成長させるための方法に関し、特に、シリコンウェハ上に単結晶GaNを成長させるための方法に関する。
GaN及びその合金は、広いバンドギャップ、青色及び紫外線放射デバイスのような光電子用途に適した高温半導体材料、並びに、圧電共振子、RFトランジスタ及びレーザのような高パワー/高周波数デバイスとして望まれている。目下、単結晶GaN薄膜は、サファイア(α−Al2O3)基板に(0 0 0 1)方位で成長させることができる。しかしながら、GaN薄膜とサファイアとの間の大きな格子及び熱的ミスマッチは、GaN薄膜の成長において高い欠陥密度を導き、GaN薄膜の光電子特性を低下させる。更に、サファイアは、伝導性ではなく、他の半導体デバイスと統合するのが困難である。従って、GaN薄膜を形成させた後、更なる処理のために、GaN薄膜はサファイア基板から除去される。
最近の開発では、SiC(炭化シリコン)基板上にGaN層を成長させている。SiCは、高温安定性、化学反応に対する卓越した耐性、高い熱伝導性、高い電子伝導度、及び、GaNとの比較的小さな格子ミスマッチを備えて、広いバンドギャップで作動する。しかしながら、SiCは非常に高価で、一般的には小さな直径のウェハしか入手できない。SiCが導電性で、GaNと比較的「相性がよい」けれども、高品質で、低コストでSiC基板上に大きな寸法のGaN薄膜を得ることは困難である。更に、最近のSiC上のGaN製造技術では、クラックなしでアンマスキングGaN薄膜を1ミクロン以上成長させることができない。しかしながら、2ミクロンまでの厚さのGaNを達成するのに、特定のパターン(「アイランド」)を備えた選択された基板領域にGaNを成長させることは可能である。あいにく、SiC上のGaNの成長で室温まで冷却されるとき、クラック及びピットが依然として成長したGaNに発生する。更に、この技術は、複雑で時間を消費する種々のマスキング及びエッチングステップを必要とする。
上述のサファイア及びSiC基板と比較して、シリコン(Si)基板は、最も高価でなく、GaN層の成長に対して最も有望である。Si基板は低コスト及び良好な電気特性を有するだけでなく、より大きなウェハサイズのものを入手することができる。更に、Si上のGaNエピタキシーは、マイクロエレクトロニクス及び光電子の集積を容易にする。しかしながら、GaNとSiとの間には大きなミスマッチがあるので、Si基板上に直接GaN単結晶を成長させることは困難である。GaNとSiとの間の大きな格子ミスマッチと並んで、GaNの熱膨張係数がSiのそれよりも大きいという著しい問題があり、それはヘテロエピタキシーの成功を制限する。それ故、Si上のGaNの結晶の質はまだ、サファイア又はSiC基板上に成長されたGaN層の質よりも劣っている。
Si上にGaNを成長させる際の上記問題を解決するために種々の技術が開発された。例えば、SiC及びAlNのバッファ層をそれぞれ使用して、真空反応蒸着法又は有機金属気相成長法(MOCVD)によってSi(1 1 1)にGaNエピタキシャル成長をさせることが指摘されている。また、プラズマ利用分子線エピタキシー(MBE)によってSi(001)基板上にキュービックGaN層を成長させることや、Si(111)基板上に形成されたSi3N4バッファ層上にウルツ鉱GaNを成長させることも指摘されている。しかしながら、これらの指摘されている技術は、Si基板の前体表面にわたってクラック又はピットなしで2ミクロンを超える厚さのGaN薄膜を成長させることができない。
従って、本発明の目的は、Si(111)基板上に単結晶GaN薄膜を成長させるための方法を提供することである。単結晶GaNは、MOCVD法によって成長され、シリコン基板上に交互に堆積された一連のAlN及びGaN層を含む。これらの層の堆積条件及びタイミングは、単結晶GaN薄膜が、クラック又はピット無しでSi(111)基板上に2ミクロンより厚く形成されるように制御される。
本発明のある実施形態では、シリコン基板上に単結晶GaN(窒化ガリウム)薄膜を成長させるための方法が、水素雰囲気中でトリメチルアルミニウム(TMAl)を使用してシリコン基板の頂部にバッファ層を堆積させ、前記バッファ層の頂部に幾らかのGaN層及び中間層を交互に成長させるステップを含む。
本発明の他の実施形態では、中間層の各々が、少なくとも3つの層;AlN層、GaN層及びAlN層を底部から頂部にかけて含む。各中間層内のAlN層並びにGaN層は、それぞれ、水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用して、並びに、水素雰囲気中でTMGa及びNH3を使用して形成される。各中間層内のAlN及びGaN層の各々は、約100オングストロームの厚さを有する。
本発明の更に別の実施形態では、バッファ層、GaN層、及び、中間層が、約100トールの圧力でMOCVDによって形成される。バッファ層の厚さは約400オングストロームであり、各GaN層の厚さは約5000オングストロームである。
本発明の更に別の実施形態では、単結晶GaN薄膜構造体は、Si(111)基板、反応ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)を使用することにより金属・有機化学気相成長(MOCVD)によって形成されたSi(111)基板上に堆積されたバッファ層と、前記バッファ層上に交互に堆積された複数のGaN層及び中間層を有し、GaN層は前記バッファ層の頂部に直接堆積され、中間層の各々は、2つのGaN層の間に挟まれるように配置される。
本発明の更に別の実施形態では、シリコン基板は、1分までの間、BOE(緩衝オキサイド・エッチング)エッチャント(10:1)にシリコンウェハを最初に浸すことによって準備される。次いで、ウェハは、10分までの間に脱イオン水(DI)でリンスされる。次いで、ウェハはDIから取り出され、残っている水は窒素ガス流で除去される。その後、シリコンウェハは、MOCVD反応炉内に配置される。焼成ステップの後、プレレイヤーがシリコンウェハ上に形成される。プレレイヤーは、水素雰囲気中、約4乃至8秒間、約1210℃の温度で約100トールの圧力で堆積される。
本発明の特徴及び利点は、図面を参照して以下の発明の詳細な説明を読んだ上で十分に理解されるであろう。
本発明によるSi(111)基板上に単結晶GaN薄膜を成長させるための方法を記載する。本発明によれば、GaN層及びAlN層の連続的な堆積により、及び、堆積状態及びタイミングを制御することにより、クラック又はピット無しで2ミクロンの厚さまで単結晶GaN薄膜をSi基板上に成長させることができる。AlNバッファ層がSi基板上に形成された後、単結晶GaN薄膜は、Si基板上に交互に堆積された複数のGaN及びAlN層を含む。単結晶GaNのピットはTMAl(金属・有機トリメチルアルミニウム)の先進的なフロー及びAlNバッファ層の堆積温度でプレレイヤーを特定の組み合わせで堆積させることにより除去する。クラックは、GaN層の間をあけるAlN/GaN超格子の種々のセットを成長させることにより防止される。AlNバッファ層、GaN層、及び本発明によるAlN/GaN中間層の堆積は、MOCVDにより、及び、ブランケット堆積法(blanket deposition method)により実行されるのが好ましい。好ましくない従来技術の方法、特定の設計パターンを備えたマスクは、クラック又はピットなしでGaN層を達成するには必要でない。
図1は、本発明の方法によって、Si基板上に交互に成長された複数のGaN層とAlN層を含む単結晶GaN薄膜を示す断面概略図である。
Si基板11上のGaN層の従来の成長では、Si基板11は、BOE(緩衝オキサイド・エッチング:buffered oxide etch)エッチャント(10:1)にSiウェハを浸けることにより準備された。次いで、ウェハは、SiウェハのBOEエッチャントの残りを清浄するために脱イオン(DI)水でリンスされる。DI水を除去した後、残りの水は、窒素ガス流で除去される。本発明のある実施形態では、BOEエッチャントにSiウェハを浸す時間は、1分までである。リンス時間は、10分までである。次いで、シリコンウェハは、ウェハベークプロシージャのためにMOCVDシステム成長炉内に配置される。MOCVD炉で使用される圧力は、約100トールであるのが好ましく、ベークガスは水素であるのが好ましい。ウェハベークプロセスは、約1150℃の温度で、約10分間実施される。次いで、約100トールの圧力で水素雰囲気中で、約1150℃で約4乃至8秒間でプレレイヤーが形成される。プレレイヤーは、図1の参照番号10で示したように、金属・有機トリメチルアルミニウム(TMAl)を使用してウェハ表面に堆積される。
GaN層を成長させる前に、AlN(窒化アルミニウム)を包含するバッファ層12を、プレレイヤー10及びシリコン基板11の上に最初に堆積させるのが好ましい。バッファ層12の目的は、後に成長させるGaN層とシリコン基板11との間の大きな格子ミスマッチを補償することである。GaNに対するAlNのより良好な格子整合は、後のプロセスにおけるGaN層の成長を容易にする。本発明のある好ましい実施形態では、AlNバッファ層12は、水素雰囲気中で約100トールの圧力で反応ガスとしてアンモニア(NH3)及びTMAlを使用して成長される。バッファ層12は、約8分間の間、約1150℃の温度で形成される。AlNバッファ層12の厚さは、約400オングストローム(Å)である。
AlNバッファ層12に続いて、第1のGaN層13がAlNバッファ層12の頂部に堆積される。本発明の好ましい実施形態では、第1のGaN層13、第2のGaN層15、第3のGaN層17及び第4のGaN層19のような複数のGaN層が、GaN層に隣接してその間に入る第1の中間層14、第2の中間層16、及び第3の中間層18のような中間層と連続して堆積される。好ましい実施形態では、GaN層の数は4で、中間層の数は3である。
GaN層13,15,17及び19は、トリメチルガリウム(TMGa)及びNH3を使用して水素雰囲気中で約100トールの圧力でそれぞれ堆積される。更に、GaN層は、約11分の間、約1050℃の温度で堆積され、各GaN層の厚さは約5000Åである。GaN単結晶薄膜の望まれる特徴によっては、より少ない又はより多いGaN層を使用することができることに注意すべきである。本発明によれば、中間層の数を、1より小さくない整数であるNとすると、GaN層の数はN+1となる。
図2は、中間層14の模範的な構造を示す概略断面図である。本発明のある好ましい実施形態では、各中間層14,16及び18は、底部から頂部に向かってAlN141/GaN142/AlN143という3つの層を含む。各中間層14,16及び18は、水素雰囲気中で約100トールの圧力で堆積される。GaN層142は、約15秒の間、反応ガスとしてNH3及びTMGaを使用して、約1050℃の温度で堆積される。AlN層141及び143は、約2分間の間、反応ガスとしてNH3及びTMAlを使用して、約700℃の温度で堆積される。GaN層142とAlN層141及び143との厚さは、それぞれ約100Åである。
図3は、本発明によって堆積されたシリコン基板上のGaN薄膜のSEM光学顕微鏡写真である。示したように、図1及び2を参照して記載したようなMOCVDを使用してGaN層とAlN/GaN構造の複数のセットを成長させることにより、少なくとも2ミクロンの厚さを備えた等しい単結晶GaN薄膜を、直径4インチのシリコン基板上に成長させることができる。単結晶GaN薄膜は、鏡のような表面を有し、GaN薄膜中にクラック又はピットのいずれも現れていないことの証拠である。写真の右側に見られるゴミの小斑点は、鏡の表面に焦点合わせさせるのに必要なものであり、GaN薄膜の欠陥ではない。
図2に示した各中間層14,16及び18における層の数は3であるが、各中間層の層の数は変更できることを理解すべきである。一般的には、中間層の構造は、AlN/GaN/AlN/GaN/AlNなどの順序の層を含む。
更に、ここで開示したプレレイヤー、AlNバッファ層、GaN層及び中間層を形成するのに用いられた特定の温度は、例示のためのみであると考慮すべきである。他の堆積装置と組み合わせることにより他の温度及び圧力は、本発明のものと対応する構造を許容し得る。
更に、本発明は、別の基板領域においてGaN層を堆積するためにマスクを使用せず、複数のセットのAlN/GaN超格子構造を堆積するためにブランケット(連続薄膜)堆積方法を利用する。それ故、単結晶GaN薄膜の製造は簡略化される。
本発明の好ましい実施形態の前述の開示は、例示及び開示の目的として表されたものである。正確な形態を開示するために、網羅的なものではなく、限定されるべきでない。ここに記載した実施形態の多くの変形及び修正は、上記開示の範囲の当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲のみにより規定されるものである。
更に、本発明の代表的な実施形態の記載では、明細書は特定のステップの順序として本発明の方法及び/又はプロセスを表したものである。しかしながら、方法及びプロセスがここで規定したステップの特定のオーダーでない範囲で、方法又はプロセスは上述のステップの特定の順序に限定されるべきでない。当業者には、他のステップ順序が可能であることは明らかであろう。それ故、明細書で特定されたステップの特定の順序は、特許請求の範囲に限定して解釈されるべきではない。更に、本発明の方法及び/又はプロセスに関連する特許請求の範囲は、記載された順序におけるそれらのステップのパフォーマンスに限定されるべきでなく、順序は変化しうるものであり、本発明の精神及び範囲内に依然として残っていることは当業者にとって明らかであろう。
Claims (41)
- シリコン基板上に単結晶GaN(窒化ガリウム)を成長させる方法であって、
水素雰囲気中でトリメチルアルミニウム(TMAl)を使用して、シリコン基板の頂部に少なくとも一つの最初の層を堆積させ、
前記最初の層の頂部に複数のGaN層及び中間層を交互に堆積させる、
ステップを含むことを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1つの最初の層が、少なくとも1つのプレレイヤー及びバッファ層を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- GaN層の各々が水素雰囲気中でトリメチルガリウム(TMGa)及びアンモニア(NH3)を使用して成長され、約5000オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- バッファ層が、水素雰囲気中でトリメチルアルミニウム(TMAl)及びNH3を使用して成長され、約400オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 中間層の各々が、水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用することにより形成された少なくとも一つのAlN層を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 中間層の各々が、底部から頂部にかけてAlN層、GaN層及びAlN層を有する少なくとも3つの層を含み、各中間層のAlN層及びGaN層はそれぞれ、水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用して形成され、水素雰囲気中でTMGa及びNH3を使用して形成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 各中間層内のAlN層及びGaN層の各々は、約100オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 中間層の数がNでるとき、Nが1より小さくない整数であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- GaN層の数がN+1であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- GaN層及び中間層が、約100トールの圧力が使用された金属・有機化学気相成長(MOCVD)プロセスによって堆積されたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つのプレレイヤー及びバッファ層が、約100トールの圧力が使用された金属・有機化学気相成長(MOCVD)プロセスによって堆積されたことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- バッファ層の堆積は、約8分間、約1150℃の温度で実行されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- GaN層の堆積は、約11分間、約1050℃の温度で実行されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 中間層の堆積は、GaN層については、約15秒間、約1050℃の温度で、AlN層については、約2分間、700℃の温度で実行されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- シリコン基板の方位が、Si(111)基板であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- BOE(緩衝オキサイド・エッチング)エッチャント(10:1)にシリコンウェハを浸け、
MOCVD系成長炉で水素雰囲気中でシリコンウェハを焼き、
水素雰囲気中で金属・有機TMAlを使用してシリコンウェハ上にプレレイヤーを堆積させるステップを含む、シリコン基板に関する準備プロセスを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - MOCVD系成長炉で使用される圧力は、約100トールであり、プレレイヤーは約4乃至8秒間、約1150℃の温度で堆積されることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- プレレイヤーが、水素中で金属・有機TMAlを使用して形成されることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- BOEエッチャントに浸した後、シリコンウェハは脱イオン水でリンスされ、次いで、脱衣温水から取り出させることを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
- シリコン基板上に単結晶GaN(窒化ガリウム)を成長させるための方法であって、
シリコン基板の頂部にプレレイヤーを堆積させ、
水素雰囲気中でトリメチルアルミニウム(TMAl)を使用して前記プレレイヤーの頂部にバッファ層を堆積させ、
前記バッファ層の頂部に複数のGaN層及び中間層を交互に堆積させ、
GaN層の各々が、水素雰囲気中でトリメチルガリウム(TMGa)及びアンモニア(NH3)を使用して成長され、
各中間層が、水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用して形成された少なくとも1つのAlN層を含む、
ことを特徴とする方法。 - バッファ層が約400オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 各GaN層が約5000オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 各中間層が、少なくとも3つの層、AlN層、GaN層、及びAlN層を含み、各々、AlN層は水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用して形成され、GaN層は水素雰囲気中でTMGa及びNH3を使用して形成されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- AlN層、GaN層及びAlN層の各々が、約100オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項23に記載の方法。
- プレレイヤー、バッファ層、GaN層及び中間層が、MOCVDプロセスによって堆積され、MOCVD圧力が約100トールであることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- プレレイヤー及びバッファ層の堆積が、約8分間、約1150℃の温度で実行されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- GaN層の堆積が、約11分間、約1050℃の温度で実行されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 中間層の堆積が、GaN層に関しては、約15秒間、約1050℃の温度で実行され、AlN層に関しては、約2分間、約700℃の温度で実行されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- BOE(緩衝オキサイド・エッチング)エッチャント(10:1)にシリコンウェハを浸け、
MOCVD系成長炉で水素雰囲気中でシリコンウェハを焼き、
水素雰囲気中で金属・有機TMAlを使用してシリコンウェハ上にプレレイヤーを成長させるステップを包含するシリコン基板に関する準備プロセスを更に有することを特徴とする請求項20に記載の方法。 - MOCVD系成長炉で使用される圧力が、約100トールであり、プレレイヤーが約4乃至8秒間、約1150℃の温度で堆積されることを特徴とする請求項29に記載の方法。
- Si(111)基板と、
反応ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)を使用することにより、金属・有機化学気相成長(MOCVD)によって形成されたSi(111)基板上に堆積された少なくとも1つの最初の層と、
前記最初の層の上に交互に堆積された複数のGaN層と中間層とを有し、
前記GaN層は前記最初の層の頂部に直接堆積され、中間層の各々は、前記GaN層の間に隣接して挟まれて配置されたことを特徴とする、単結晶GaN薄膜構造体。 - 少なくとも1つの最初の層が、少なくとも1つのプレレイヤー及びバッファAlN層を有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 複数の中間層及びGaN層の数がそれぞれ、N及びN+1であり、Nが1よりも小さくない整数であることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- GaN層の各々が、約5000オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 中間層の各々が、水素雰囲気中でTMAl及びNH3を使用して形成された少なくとも1つのAlN層を含むことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 中間層の各々が、少なくとも3つの層、AlN層、GaN層及びAlN層を底部から頂部にかけて有し、
各中間層内のAlN層並びにGaN層が、水素雰囲気中でTMAl及びNH3、並びに、水素雰囲気中でTMGa及びNH3を使用して形成されたことを特徴とする請求項31に記載の方法。 - 各中間層内のAlN層及びGaN層の各々が、約100オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項36に記載の方法。
- バッファ層、GaN層、及び、中間層が、金属・有機化学気相成長(MOCVD)プロセスによって堆積され、かかるプロセスで使用された圧力が約100トールであることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記最初の層の堆積が、約8分間、約1150℃の温度で実行されることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- GaN層の堆積が、約11分間、約1050℃の温度で実行されることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 中間層の堆積が、GaN層に関しては、約15秒間、約1050℃の温度で実行され、AlN層に関しては、約2分間、約700℃の温度で実行されることを特徴とする請求項36に記載の方法。
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