JP2009099932A

JP2009099932A - 半導体基板上において３族窒化物半導体層を形成する方法

Info

Publication number: JP2009099932A
Application number: JP2008054254A
Authority: JP
Inventors: Chun-Yen Chang; 張俊彦; Tsung-Hsi Yang; 楊宗▲き▼; Shih-Guo Shen; 沈詩國
Original assignee: National Yang Ming Chiao Tung University NYCU
Current assignee: National Yang Ming Chiao Tung University NYCU
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2009-05-07
Also published as: TWI351717B; US20090098714A1; KR100981008B1; KR20090038348A; TW200917337A

Abstract

【課題】シリコン半導体基板を含む半導体基板上において３族窒化物半導体層を大面積でエピタキシャル成長を行う技術を提供する。
【解決手段】半導体基板の表面をフッ酸（ＨＦ）洗浄及び高温における酸化物の除去後、さらに３族窒化物ナノロッドバッファ層（ＧａＮナノロッドバッファ層）を形成し、３族窒化物半導体層（ＧａＮエピ層）を３族窒化物ナノロッドバッファ層において被覆成長させることで、半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板上に窒素リッチ化物半導体層を形成する方法で、特にシリコン半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法に関する。

図１Ａは、半導体分野で周知の技術で、『Characterization of Over grown GaN Layers on Nano-Columns Grown by RF-Molecular Beam Epitaxy, Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40（2001）pp.L192L-194』の文献おいても掲載されている分子ビームエピタキシー（Molecular Beam Epitaxy Method, MBE Method ）を用いて、サファイア (Sapphire) 基板１０１上でＧａＮナノロッド(GaN Nanorods)102を成長させた後、前記ＧａＮナノロッド(GaN Nanorods)102を、ＧａＮを被覆成長(Overgrowth)させるバッファ層としたものである。ＧａＮナノロッド(GaN Nanorods)102とＧａＮナノロッド(GaN Nanorods)102の間にはエアギャップ105がある。

図１Ｂは、ガリウムリッチという条件の下、被覆成長方式によりＧａＮエピ層103をＧａＮナノロッド102の上に被覆成長させたものである。図１Ｂは104に示す通り、続けてＧａＮを被覆成長させたときにできた欠陥である。これは被覆成長させる際に、ナノロッドが上方方向に成長するときの速度が遅く、ナノロッドとナノロッドの間に２次元で薄い膜が形成されず、エアギャップにおいて新しいＧａＮ薄膜が形成され結晶粒界を招くため、結果的にＧａＮエピ層103において欠陥を作り、応力も完全に解放されないのである。さらに、ＧａＮナノロッド(GaN Nanorods)102とエアギャップ105との間には位置関係がある。

そのため、本技術において、半導体技術におけるシリコン製造工程を効果的に統合できないだけでなく、サファイア基板の導熱性が劣るため、エレメントの特性にも影響を与えるという事実上の欠点を生み出している。このほか、比較的面積の大きなサファイア基板が足りないため、大面積での成長を行うことができないのも問題である。さらに、続けてＧａＮの被覆成長を行おうとすると、もともと大きなエアギャップがあるナノロッドだけに形成した薄膜の修復がしにくく、エアギャップの中に新しいＧａＮを成長させてしまい、元のナノロッドと結びついてナノロッドビームを形成し、結晶粒界を引き起こしてしまう。このような現象が起きると、欠陥低下や応力解放を効果的に行うことができない。

このように、半導体技術面における需要に対応すべく、３族窒化物半導体関連技術を発展させることで、人件費や時間などのコストを節減し、さらにクオリティの高い３族窒化物半導体層を効果的に形成した。

本発明は、シリコン製造工程と効果的に統合させ、シリコンのすぐれた導熱性を利用してエレメントの特性を高め、12インチサイズのシリコン基板を製造することで、大面積でエピタキシャル成長を行う技術を形成する。

本発明は半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法である。まず、半導体基板があり、前記半導体基板には洗浄する表面があり、さらに３族窒化物ナノロッドバッファ層を形成し、最後に３族窒化物ナノロッドバッファ層において３族窒化物エピ層を被覆成長させることで、半導体基板の上にクオリティの高い３族窒化物半導体層を形成するものである。

本発明は形成されるナノロッドの応力を完全に解放することができるだけでなく、概ね１次元で成長するため、ほとんどナノロッドに欠陥が出ることがない。

本発明はＧａＮの表面に亀裂が入るという問題を解決し、シリコン基板上でＧａＮが成長した後に発生する応力や結晶配列不備による結晶欠陥などを引き下げることができる。

本発明は窒素リッチ(N-rich)という条件の下、下が狭く上に行くほど広がるまるで末広のような形をしたナノロッドをシリコン基板上に成長させた。

また、本発明ではガリウムリッチ(Ga-rich)という条件の下、被覆成長方式によりＧａＮエピ層を成長させた。

ここで、本発明に係る長所と方針について、以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

本発明は末広状のＧａＮナノロッドをバッファ層とし、さらに半導体シリコン基板上にＧａＮ層を成長させることで、シリコン基板上におけるＧａＮ（３族窒化物）半導体に生じる結晶欠陥・応力、表面亀裂という問題を解決する。

図２の２０１に示すように、本発明は結晶配向を利用し、111のシリコン半導体基板を成長基板とした。まず、フッ酸（ＨＦ）を使って表面の酸化物を取り除くが、イオン除去した超純水に浸水させた洗浄は行わず、シリコン半導体基板の表面をフッ素イオンで被覆すると、短期間であれば酸化物は形成しなかった。さらに高温によりフッ素イオンを除去した後、酸化物や汚染物も取り除くことで、半導体シリコン基板の表面の再構築を有利に行った。

続いて、図２の２０２に示すように、窒素リッチと約７００度の高温度下で成長させるという条件の下、分子ビームエピタキシーまたは有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）を用いて、末広状のＧａＮナノロッドバッファ層を成長させた。前記末広状のＧａＮナノロッドバッファ層の高さは約540ナノメートル（nm）である。ＧａＮナノロッドの下半分にあるＧａＮナノロッドとエアギャップの大きさはほとんど同じで、明確に分かれている。さらに、ＧａＮナノロッドの高さが540ナノメートル（nm）以上に達すると、ＧａＮナノロッドの上半分において横方向に末広状に成長した。

次に、図２の２０３に示すように、ガリウムリッチと約８５０度の高温度下で成長させるという条件の下、分子ビームエピタキシーまたは有機金属気相成長法を用いて、被覆成長方式にて於ＧａＮナノロッドバッファ層202にＧａＮエピ層（Epilayer）を成長させることで、シリコン半導体基板上にＧａＮ半導体層を形成した。このステップにおいて、分子ビームエピタキシーを用いたところ、同じチャンバー（Chamber）において形成することができた。

図３は、走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影した分子ビームエピタキシーを用いて被覆成長させたＧａＮ層の画像である。この画像からガリウムリッチの条件の下で被覆成長させた結果、ＧａＮ被覆層において瞬く間に薄膜が形成されたことがうかがえる。

図４は、走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影した有機金属気相成長法にて被覆成長させたＧａＮの画像である。この画像からガリウムリッチの条件の下で被覆成長させたことにより、ＧａＮ層に表面が平らな薄膜が完全に形成されたことがうかがえる。

図５は、分子ビームエピタキシーを用いて被覆成長させたＧａＮのＸ線回折図形である。そのうち、2θ= 34.57度である。前記図から応力が完全に解放されていることがうかがえる。ＧａＮのＣ軸の間隔は5.185オングストローム（Å）で、ＧａＮナノロッドバッファ層に使用するＧａＮのＣ軸の間隔は5.1848オングストローム（Å）であることから、ＧａＮ被覆層の応力は完全に解放され単体結晶の品質が良好であることを示した。

図６は有機金属気相成長法にて被覆成長させたＧａＮのＸ線回折図形である。ＧａＮのＣ軸の間隔は5.1921オングストローム（Å）であることから、ＧａＮ被覆層は応力を受けていることを示した。さらに、ＧａＮの先が鋭く尖っているのは単体結晶の品質が良好であることの証にほかならない。

このように、本発明は半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法である。まず、半導体基板があり、前記半導体基板には洗浄する表面があり、さらに３族窒化物ナノロッドバッファ層を形成し、最後に３族窒化物ナノロッドバッファ層において３族窒化物エピ層を被覆形成させることで、半導体基板上に前記３族窒化物半導体層を形成させるものである。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものでなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

技術図である。技術図である。本発明を実施したフローチャートである。本発明において用いた分子ビームエピタキシーを走査型電子顕微鏡で撮影した画像である。本発明において用いた有機金属気相成長法に関する走査型電子顕微鏡で撮影した画像である。本発明において用いた分子ビームエピタキシーに関するＸ線回折図形である。本発明において用いた有機金属気相成長法に関する之Ｘ線回折図形である。

符号の説明

101 サファイア基板
102 ＧａＮナノロッド
103 ＧａＮエピ層
104 欠陥
105 エアギャップ
201 洗浄するシリコン基板の表面
202 形成したＧａＮバッファ層
203 形成したＧａＮエピ層

Claims

少なくとも半導体基板があり、前記半導体基板は洗浄する表面を有し、さらに３族窒化物ナノロッドバッファ層を形成し、前記３族窒化物ナノロッドバッファ層において３族窒化物エピ層を被覆成長させることで、３族窒化物半導体層を形成することを特徴とする半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
前記３族窒化物には少なくともＧａＮ（窒化ガリウム）を含むことを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
前記半導体基板には少なくともシリコン半導体基板を含むことを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
前記半導体基板上の洗浄表面には少なくともフッ酸（ＨＦ）洗浄及び高温における酸化物の除去を含むことを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物ナノロッドバッファ層には少なくとも分子ビームエピタキシーを含むことを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物ナノロッドバッファ層には少なくとも有機金属気相成長法が使われていることを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物エピ層には少なくとも分子ビームエピタキシーを含むことを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物エピ層には少なくとも有機金属気相成長法が使われていることを特徴とする請求項１に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
少なくともシリコン半導体基板があり、前記半導体基板上には洗浄する表面を有し、前記表面はフッ酸（ＨＦ）洗浄及び高温における酸化物の除去を行い、
３族窒化物ナノロッドバッファ層を形成し、
前記３族窒化物ナノロッドバッファ層において３族窒化物エピ層を被覆成長させることで、前記３族窒化物半導体層を形成することを特徴とする半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
前記３族窒化物には少なくともＧａＮ（窒化ガリウム）含むことを特徴とする請求項９に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物ナノロッドバッファ層には少なくとも分子ビームエピタキシーを含むことを特徴とする請求項９に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物ナノロッドバッファ層には少なくとも有機金属気相成長法が使われていることを特徴とする請求項９に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
成長形成する前記３族窒化物エピ層には少なくとも分子ビームエピタキシーを含むことを特徴とする請求項９に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。
形成する前記３族窒化物エピ層には少なくとも有機金属気相成長法が使われていることを特徴とする請求項９に記載する半導体基板上に３族窒化物半導体層を形成する方法。