JP5158833B2

JP5158833B2 - 窒化物系化合物半導体装置および窒化物系化合物半導体装置の製造方法。

Info

Publication number: JP5158833B2
Application number: JP2006098638A
Authority: JP
Inventors: 斉佐々木; 禎宏加藤
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273814A

Description

本発明は、シリコン基板及びその製造方法に関し、より詳しくは、窒化物系化合物半導体を成膜するための基板として用いられるシリコン基板及びその製造方法に関する。

窒化物系化合物半導体素子、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果トランジスタは、４００℃近い高温環境下においても動作する固体素子として注目されている。

ＧａＮ系化合物半導体素子を形成するための基板として、ＧａＮ基板を用いることが好ましいが、ＳｉやＧａＡｓのような大口径の単結晶基板の作成については開発途上にある。そこで、ＧａＮ基板の代替基板としてサファイア基板、ＳｉＣ基板、シリコン基板等が一般に使用される。

サファイア基板を使用する場合にはその上に異種材料であるＧａＮ系化合物半導体を成長することになるが、それらの格子常数や線膨張係数の違いがある。そのため、サファイア基板上にＡｌＮを形成して格子の歪みを緩和させ、その上にＧａＮを成長させることが下記の特許文献１に記載されている。しかし、そのようなサファイア基板であっても、ＧａＮを成長させた後の冷却によって基板のＧａＮ成長面側が凸状に反ってしまうという問題は解決されなかった。

これに対し、サファイア基板の表面に形成されるＧａＮ層の膜厚分布を最適化することによって反りの影響を相殺することが特許文献１に記載されている。また、サファイア基板上にエピタキシャル成長される窒化物半導体による応力を抑制するために、サファイア基板にイオンを打ち込むことによって基板にアモルファス的な構造の中間層を形成し、その中間層によって応力による歪みを吸収、緩和することが特許文献２に記載されている。なお、特許文献２には、反りの発生を防止して形成した窒化物半導体層をサファイア基板から剥離して自立単結晶基板を刺繍的に形成するが記載されている。

一方、窒化物物系半導体からなる電子デバイスを形成する基板として、シリコン基板を使用することが特許文献３に記載されている。

例えば、ＧａＮ系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）をシリコン基板上に形成する場合には、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル結晶成長法によって単結晶のシリコン基板上にＡｌＮからなる介在層を形成し、さらに介在層上にＧａＮをエピタキシャル成長してバッファ層を形成する。それらの層は、複数回繰り返して重畳されることもある。そのようなバッファ層の上に、電子走行層、電子供給層及びコンタクト層を順次形成し、コンタクト層の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が形成される。
特開平４−２９７０２３号公報特開２００５−３０６６８０号公報特開２００５−５７２３号公報

しかしながら、シリコン基板上にＧａＮなどの窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させると、窒化物系化合物半導体の熱膨張率が基板の熱膨張率よりも大きいので、窒化物系化合物半導体層が凹状に湾曲してしまう。

そして、湾曲した状態でエピタキシャル成長層やその上の金属膜などをフォトリソグラフィ法の露光の際に焦点合わせが難しくなるなどの不都合が生じる。

これに対して、シリコン基板についても特許文献２、特許文献３に記載の方法を採用することも考えられるが、その反りの向きは、サファイア基板を使用する場合とは逆であり、しかもシリコン基板とサファイア基板では格子定数、硬度等が異なるので、そのまま採用することはできない。

本発明の目的は、エピタキシャル成長される窒化物系化合物半導体の湾曲を抑制することができるシリコン基板及びその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、窒化物系化合物半導体層の成長によって凹状に反る方向に応力が加わる主面には、前記窒化物系化合物半導体層の成長後に前記応力を減少させる反り量を有する凸状の湾曲が予め付与されていることを特徴とするシリコン基板である。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に記載のシリコン基板において、前記主面又は主面の所定深さから裏面に向けて連続して減少する濃度分布で酸素を含むことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に記載のシリコン基板において、直径をｄとし且つ前記主面の前記反り量をＢとした場合に、該Ｂはｄ／１０００±２０％の範囲内であることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第１乃至第３の態様のいずれかに記載のシリコン基板において、直径の０．５％以上の厚みを有することを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第１乃至第４の態様のいずれかに記載のシリコン基板において、前記凸状の湾曲は表面研削及び研磨により前記主面に付与されていることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、前記第１乃至第４の態様のいずれかに記載のシリコン基板において、裏面には、前記凸状の湾曲を付与する応力を発生させる窒化膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、前記第１又は第２の態様に記載のシリコン基板において、前記主面又は主面の所定深さから裏面に向けて連続して減少する密度若しくはサイズの分布で酸素析出物が含まれていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板。

本発明の第８の態様は、主面側から裏面にかけて厚み方向に酸素の濃度分布を減少させる工程と、高温熱処理することにより前記酸素の析出物を内部に生成させて前記主面に凸状の湾曲面を付与する工程とを有することを特徴とするシリコン基板の製造方法である。

本発明の第９の態様は、前記第８の態様に記載のシリコン基板の製造方法において、一様に分布した酸素を含む基板の前記主面に酸化シリコン膜を形成する工程と、前記基板を加熱することにより前記厚み方向で前記酸素の濃度分布を変化させる工程とを有することを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、前記第８の態様に記載のシリコン基板の製造方法において、前記主面に向けて酸素をイオン注入することにより前記厚み方向に前記酸素の濃度分布を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、シリコン基板の主面に凸状の湾曲を予め付与するとともに、その凸状の湾曲の反り量については、窒化物系化合物半導体層の成長によって主面に加わる応力のため発生する反りを減少させる大きさとしている。

これにより、シリコン基板の主面に窒化物系化合物半導体層を形成すると、反りの減殺によって主面は実質的に平坦になるとともに、その窒化物系化合物半導体層も実質的に平坦になる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るシリコン基板を示す断面図、図１（ｂ）は、そのシリコン基板上に窒化物系化合物半導体層を成長した状態を示す断面図である。

図１（ａ）において、シリコン基板１のうち少なくとも窒化物系化合物半導体層が成長される側の主面１ａは、研削、研磨等により凸状に湾曲している。その主面１ａは、シリコン基板１の直径をｄ、反り量をＢとすると、Ｂは、（ｄ／１０００）±２０％の範囲内である。また、凸状の湾曲を曲率半径で示すと、１２．５ｍ±２．５ｍの範囲内である。なお、反り量は、基板の厚さ方向に対して、同一面の最も突出した位置と最も窪んだ位置の差で表される。

シリコン基板１の凸状の湾曲は、表面研削及び研磨によって形成され、例えば、研磨時において研磨布に向けてシリコン基板に加える押圧力の面内分布を調整したり、凹状に湾曲させた型の中でシリコン基板を研磨したりすることにより得られる。

そのようなシリコン基板１の主面１ａに厚さ２．０μｍのＧａＮ層２を例えば化学蒸着法により高温で成長した後、室温まで降温すると、その主面１ａとＧａＮ層２は、図１（ｂ）に示すように実質的に平坦になった。なお、ＧａＮの代わりにＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の他の窒化物系化合物系半導体を成長してもよく、以下の実施形態でも同様である。

そのような主面１ａの凸状の反り量Ｂは、次のような理由から規定されている。

発明者は、シリコン基板上にＧａＮ層を成長することによりシリコン基板の主面がどのくらいの量で反るかを測定した。シリコン基板として、市販されている様々な直径のものをそれぞれ１０枚ずつ用意し、それらの主面上に厚さ２．０μｍ〜３．０μｍのＧａＮ層を例えば化学蒸着法により高温で成長し、室温まで降温した後に生じた主面の反り量、即ちＧａＮ層の反り量を調べたところ、表１に示すような結果が得られた。シリコン基板の主面は、ＧａＮ成長の前と後を比較すると、ほぼ平坦状から凹状に変化した。なお、各シリコン基板の厚さは５２５μｍであった。

シリコン基板の主面の反りは、シリコンとＧａＮの熱膨張係数の違いから生じるものであり、シリコン基板の熱膨張係数は４．２×１０^-6Ｋ^-1、ＧａＮ層の熱膨張係数は５．６×１０^-6Ｋ^-1である。

表１によれば、シリコン基板の直径によらず、反り量は直径ｄに対して１／１０００±２０％の範囲内にあることがわかった。

従って、そのような成長による反りを相殺するためには、シリコン基板の主面について予めｄ／１０００±２０％の範囲内で凸状の反り量Ｂを付与しておくことにより、ＧａＮ層を成長し、冷却した後にはシリコン基板の主面及びＧａＮ層がほぼ平坦になる。

ところで、市販のシリコン基板上にＧａＮ層を成長することによってその主面に生じる反り量は、基板が薄くなれば、ＧａＮ層の収縮に抗する基板の張力が弱まるために、大きく湾曲する。

そこで、発明者は、様々な厚さを有する市販の直径１００ｍｍのシリコン基板を用い、その主面に２．０μｍ〜３．０μｍのＧａＮ層を成長してそれらの主面の反り量のバラツキを測定したところ、表２のような結果が得られた。

表２によれば、シリコン基板の厚さが直径の０．５％より薄くなると、反り量のバラツキが許容誤差の±２０％を超えて不安定化してしまう。これを避けるためにはシリコン基板１の厚さＴは直径の０．５％以上にすることが望ましい。

以上のように凸状に湾曲された主面を有するシリコン基板１の上には、例えば図２に示すようなＨＥＭＴなどの電子デバイスが形成される。

図２において、シリコン基板１のうち上記のような反り量を有する凸状に湾曲した主面１ａの上には、ＡｌＮ又はＧａＮよりなる厚さ５０ｎｍの介在層１１と、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を交互に３０層ずつ形成した厚さ約２１００ｎｍのバッファ層１２と、厚さ５００ｎｍのＧａＮよりなる電子走行層１３と、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮよりなる電子供給層１４と、厚さ２０ｎｍのＧａＮよりなるコンタクト層１５がＭＯＣＶＤ法により約１０００℃の基板温度で順に形成されている。

コンタクト層１５は、ゲート領域がエッチングにより除去され、その領域の電子供給層１４上にはゲート電極１６が形成されている。さらに、ゲート電極１６の両側方のコンタクト層１５上にはそれぞれソース電極１７とドレイン電極１８が形成されている。

このように、ＨＥＭＴを構成する窒化物系化合物半導体を上記のシリコン基板１の主面１ａ上に形成すると、窒化物系化合物半導体成長後にシリコン基板１の主面１ａの凸状の湾曲は実質的に解消される。
（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るシリコン基板を示す断面図、図３（ｂ）は、そのシリコン基板上に窒化物系化合物半導体層を成長した状態を示す断面図である。

図３（ａ）において、シリコン基板１のうち窒化物系化合物半導体素子が成長されない側の裏面１ｂには、湾曲付与膜として窒化シリコン膜３が例えば化学蒸着法などにより高温で形成されている。窒化シリコン膜３の厚さは、シリコン基板１の厚さが５２５μｍ、直径が１００ｍｍの場合に例えば１．６μｍとされる。

窒化シリコン膜３は、常温に戻されることにより収縮するので、シリコン基板１の裏面１ｂはその収縮力により凹状に湾曲する。これにより、裏面１ｂと反対側の主面１ａは第１実施形態と同様に凸状に湾曲する。

シリコン基板１の直径と厚さは特に限定されるものではないが、窒化シリコン膜３の膜厚や成長条件などを調整することにより、シリコン基板１の主面１ａが第１実施形態と同様に、反り量Ｂが直径ｄに対して（ｄ／１０００）±２０％の範囲内であるか、または、１２．５ｍ±２．５ｍの範囲内の曲率半径で湾曲するようにする。また、反りの安定のために、第１実施形態と同様に、シリコン基板１の厚さは５２５μｍ以上となることが好ましい。

そのようなシリコン基板１の主面１ａに厚さ２．０μｍのＧａＮ層２を例えば化学蒸着法により高温で成長し、室温まで降温したところ、その主面１ａ及びＧａＮ層２は、図３（ｂ）に示すように実質的に平坦となった。

なお、湾曲付与膜として、窒化シリコン膜３に限られるものではなく、窒化ガリウムや窒化アルミニウムのような窒化膜を成長してもよいし、複数種の化合物薄膜を組み合わせて成長してもよい。窒化ガリウムを使用する場合に、シリコン基板１の厚さを５２５μｍ、直径を１００ｍｍとすれば例えば２．０μｍとされる。
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係るシリコン基板の形成工程を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、１．４×１０¹⁸cm^-3以上、１．４〜２．１×１０¹⁸cm^-3のような高酸素濃度、例えば１．８×１０¹⁸cm^-3固溶酸素濃度（Ｏ_i ）を有するシリコン基板１を用意する。そのようなシリコン基板１は、例えばそのような固溶酸素濃度を有するシリコン単結晶棒をＣＺ（チョクラルスキー法）により作成した後に、そのシリコン単結晶棒をスライサによりウェハ状に輪切りにして基板とし、ついで、主面を平坦化のために研磨等の処理を行うことにより形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、熱酸化法若しくはＣＶＤ法によってシリコン基板１の主面１ａにシリコン酸化膜４を形成する。例えば、熱酸化法による場合には、ウェット酸素雰囲気中で基板温度を１１００℃に設定して４時間でシリコン酸化膜４を形成する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、不活性ガス雰囲気、例えば窒素ガス雰囲気中にシリコン基板１を置き、基板温度を１２００℃に設定して１６時間でシリコン基板１内の酸素について高温拡散熱処理を行うと、シリコン基板１中の酸素は、主にシリコン酸化膜４に覆われない裏面から外部に拡散し、深さ方向の酸素濃度は図５に例示するような分布に変化する。この場合、窒素ガス雰囲気を減圧させてもよい。

そして、シリコン酸化膜４をフッ酸（ＨＦ）溶液で除去した後に、ランピング加熱により例えば基板温度を１０００℃に設定し、１６時間で酸素析出物（SiO_x）を形成すると、酸素析出物は酸素濃度分布に依存してシリコン基板１の主面又は主面近傍でサイズが最も大きく且つ密度が最も高くなり、その裏面に近づくほどサイズ、密度ともに連続的に低くなる。従って、酸素析出物の大きさと密度の差によりシリコン基板１の主面１ａ側の膨張力が裏面側のそれに比べて大きくなる。

その結果、シリコン基板１の主面１ａは、図４（ｄ）に示すように第１実施形態と同様に、凸状に湾曲する。

そのようなシリコン基板１の主面１ａに厚さ２．０μｍのＧａＮ層を例えば化学蒸着法により高温で成長した後、室温まで降温すると、その主面１ａとＧａＮ層は、第１実施形態と同様に平坦となった。

ところで、ランピング加熱は独立した工程で行わなくても良く、例えば、シリコン基板１の主面１ａ上に窒化物系化合物半導体を成長する工程と並行して実施してもよい。また、不活性ガス雰囲気中でシリコン基板１を加熱することにより酸素析出物が所望の分布になる場合にはランピング加熱は省略してもよい。
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係るシリコン基板の形成工程を示す断面図である。

まず、図６（ａ）に示すように、酸素濃度の低い市販のシリコン基板１を用意する。

次に、図６（ｂ）に示すように、酸素イオンをシリコン基板１の主面１ａに注入する。シリコン基板１中の酸素濃度は、イオン注入時の加速エネルギーやドーズ量を調整することにより、図７に示すように、主面１ａ寄りの所定の深さで酸素濃度がピークとなるようにする。

続いて、ランピング加熱により例えば基板温度を１０００℃に設定し、１６時間でシリコン基板１内で酸素析出物（SiO_x）を形成すると、酸素析出物は酸素濃度分布に依存してシリコン基板１の主面寄りでサイズが最も大きく且つ密度が最も高くなり、基板裏面に近づくほどサイズ、密度ともに低くなる。従って、酸素析出物の大きさと密度の差によりシリコン基板１の主面１ａ側の膨張力が裏面側のそれに比べて大きくなる。

その結果、シリコン基板１の主面１ａは、図６（ｃ）に示すように第１実施形態と同様、凸状に湾曲する。湾曲の反り量は、イオン注入による酸素濃度のピークの深さ、酸素濃度、ランピング加熱条件等によって調整される。

ところで、ランピング加熱は独立した工程で行わなくても良く、例えば、シリコン基板１の主面１ａ上に窒化物系化合物半導体を成長する工程と並行して実施してもよい。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るシリコン基板を示す断面図、図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るシリコン基板の主面に窒化物系化合物半導体を成長した状態を示す側面図である。図２は、本発明の実施形態に係るシリコン基板の主面上に形成される電界効果トランジスタを示す断面図である。図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るシリコン基板を示す断面図、図３（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るシリコン基板の主面に窒化物系化合物半導体を成長した状態を示す側面図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３実施形態に係るシリコン基板をの形成工程を示す断面図である。図５は、本発明の第３実施形態に係るシリコン基板内の酸素濃度分布を示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３実施形態に係るシリコン基板の形成工程を示す断面図である。図７は、本発明の第４実施形態に係るシリコン基板内の酸素濃度分布を示す図である。

符号の説明

１：シリコン基板
１ａ：主面
２：ＧａＮ層（窒化物系化合物半導体層）
３：窒化シリコン膜
４：酸化シリコン膜

Claims

シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された窒化物系化合物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に形成された窒化物系化合物半導体からなる電子走行層とを含む窒化物系化合物半導体装置において、
前記シリコン基板は、窒化物系化合物半導体層の成長によって凹状に反る方向に応力が加わる主面から裏面に向けて連続して減少する密度若しくはサイズの分布で酸素析出物が含まれ、前記窒化物系化合物半導体層の成長後に前記応力を減少させる反り量を有する凸状の湾曲が予め付与されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
前記シリコン基板の直径をｄとし且つ前記主面の前記反り量をＢとした場合に、該Ｂはｄ／１０００±２０％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体装置。
前記シリコン基板が、該シリコン基板の直径の０．５％以上の厚みを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物系化合物半導体装置。
一様に分布した酸素を含むシリコン基板の主面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記主面に酸化シリコン膜が形成された前記シリコン基板を加熱することにより、前記シリコン基板の主面から裏面にかけて厚み方向に酸素の濃度分布を減少させる工程と、
前記主面から裏面にかけて厚み方向に酸素の濃度分布が減少している前記シリコン基板を高温熱処理することにより、前記酸素の析出物を内部に生成させて前記主面に凸状の湾曲面を付与する工程と
前記シリコン基板の主面側に窒化物系化合物半導体材料からなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に窒化物系化合物半導体材料からなる電子走行層を形成する工程と
を有することを特徴とする窒化物系化合物半導体装置の製造方法。