説明

半導体基板及びその製造方法

【課題】歪みが緩和されたバッファ層を形成し、そのバッファ層上に窒化ガリウム層を形成することにより、低コストで、反りやクラックの抑制された窒化ガリウム層を有する半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板を準備する工程と、SOI基板のSOI層上にバッファ層を形成する工程と、形成されたバッファ層上に窒化ガリウム層を形成する工程とを含む半導体基板の製造方法であって、窒化ガリウム層を形成する工程より前に、SOI基板のSOI層中にイオン注入により歪み緩衝層を形成する工程を有する半導体基板の製造方法を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化ガリウム層が形成された半導体基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
III族窒化物系化合物半導体(窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(GaAlN)等)は、近年、青色、紫外発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)の材料として重要な役目を果たし始めている。また、窒化物半導体は、光素子以外にも耐熱性や耐環境性がよいため、或いは、高周波特性が良いため、この特長をいかした電子デバイスの開発が盛んに行われている。
そして、窒化ガリウムは、バンドギャップが大きく、高耐圧、高周波用パワー素子材料として注目されている。
【0003】
パワー素子用窒化ガリウム基板の出発基板としては、窒化ガリウムの成長温度に安定で、かつ、窒化ガリウム材料との格子定数差の小さい材料が必要である。現在広く実用化されている窒化ガリウムの出発基板としては、サファイア(Al)基板や、6H、4H炭化珪素基板であり、例えば単結晶サファイア基板の上に有機金属気相成長法(MOVPE法)等でGaNをエピタキシャル成長させる方法が一般に用いられている。
【0004】
この場合、サファイア基板は、GaNと格子定数が異なるため、サファイア基板上に直接GaNをエピタキシャル成長させるのでは良好な単結晶膜を成長させることができない。このため、サファイア基板上に一旦低温でAlN等のバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてから、そのバッファ層の上にGaNを成長させる方法がある。
【0005】
しかし、サファイア基板等は、素子形成において、基板加工性が悪くかつ高価であり、また大口径基板も得にくいと言う問題がある。
一方、これらの問題を解決する方法として、SOI(Silicon On Insulator)基板を出発材料として、SOI層をSiCに炭化熱処理し、このSiC層を窒化ガリウム層のバッファ層として使用する方法が提案されている(特許文献1参照)。
【0006】
しかし、上記いずれの方法においても、窒化ガリウム層を厚くすると、格子定数差や熱膨張係数の違いによる応力によって、基板が大きく反り、かつ基板にクラックが生じる問題があった。
【0007】
【特許文献1】特開2007−123675
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、歪みが緩和されて応力が低減されたバッファ層を形成し、そのバッファ層上に窒化ガリウム層を形成することにより、低コストで、反りやクラックの抑制された窒化ガリウム層を有する半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板を準備する工程と、該SOI基板の前記SOI層上にバッファ層を形成する工程と、該形成されたバッファ層上に窒化ガリウム層を形成する工程とを含む半導体基板の製造方法であって、少なくとも、前記窒化ガリウム層を形成する工程より前に、前記SOI基板のSOI層中にイオン注入により歪み緩衝層を形成する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法を提供する(請求項1)。
【0010】
このように、SOI基板のSOI層中にイオン注入により歪み緩衝層を形成することにより、バッファ層や窒化ガリウム層を形成した際に、シリコンとバッファ層、窒化ガリウム層との格子定数や熱膨張係数の違いによって界面に生じる歪みを、埋め込み酸化層と、さらに歪み緩衝層によっても緩和することができる。さらには、埋め込み酸化層下の厚いシリコン部分が熱膨張することによって生じる転位や歪みによる応力が、バッファ層さらには窒化ガリウム層にまで伝搬するのを防ぐことができる。これにより、半導体基板に生じる反りや、クラックを効果的に抑制することができる。
これにより、良好な窒化ガリウム層を形成するためにSOI基板を出発基板とすることができるため、簡便な方法により窒化ガリウム層が形成された半導体基板を低コストで製造できる。
【0011】
このとき、前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程より後、前記窒化ガリウム層を形成する工程より前に、前記形成された歪み緩衝層に結晶欠陥を導入するための熱処理工程を行うことが好ましい(請求項2)。
このように、窒化ガリウム層を形成する前に結晶欠陥導入熱処理を行うことにより、歪み緩衝層を有するSOI層とバッファ層の界面における歪みが緩和され、予め歪みの緩和による応力の低減されたバッファ層上に、窒化ガリウム層を形成することができるため、半導体基板に生じる反りやクラックをより効果的に抑制することができる。
【0012】
このとき、前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程において、水素、アルゴン、窒素、炭素、ヘリウムのいずれか一以上のイオンを前記SOI層中にイオン注入することができる(請求項3)。
このように、本発明において、歪み緩衝層を形成するための注入イオンは、上記イオンを適宜選択することができる。
【0013】
このとき、前記バッファ層を形成する工程において、SiCのバッファ層を形成することが好ましい(請求項4)。
このように、SiCのバッファ層であれば、SOI層に容易に形成することができ、さらには臨界せん断応力が高いため、スリップが生じにくく、窒化ガリウム層にまで伝搬しにくいため、より良好な窒化ガリウム層を形成することができる。
【0014】
このとき、前記SOI基板を準備する工程において、面方位(100)のベースウェーハと、面方位(111)のボンドウェーハとを酸化膜を介して貼り合わせて、貼り合わせSOI基板を準備することが好ましい(請求項5)。
このように、面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板を準備する工程において、上記のような貼り合わせSOI基板を準備することで、SOI層は(111)であり、支持基板は、比較的安価で品質を向上しやすい面方位(100)のベースウェーハを用いることができ、高品質の窒化ガリウム層が形成された半導体基板を低コストで品質良く製造することができる。
【0015】
このとき、前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程において水素イオンを注入し、前記バッファ層を形成する工程の前に、前記熱処理工程を500℃以下の温度で行うことが好ましい(請求項6)。
このように、歪み緩衝層を形成する際に水素イオンを注入し、バッファ層形成前に500℃以下の熱処理を行うことで、SOI層に結晶欠陥としてのマイクロキャビティ(微小空洞)を形成することができる。このマイクロキャビティが形成されたSOI層表面にバッファ層を形成することで、効率的に界面における歪みを緩和することができるため、高品質なバッファ層の形成が可能となる。
【0016】
また、本発明は、少なくとも、埋め込み酸化層上に面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板の、前記SOI層上にバッファ層が形成され、該バッファ層上に窒化ガリウム層が形成された半導体基板であって、前記バッファ層と前記埋め込み酸化層との間のSOI層に、イオン注入による歪み緩衝層が形成されたものであることを特徴とする半導体基板を提供する(請求項7)。
このように、イオン注入による歪み緩衝層を有するSOI層上にバッファ層を形成することで、格子定数や熱膨張係数の違いによる異種層同士の界面に生じる歪みを、埋め込み酸化層と歪み緩衝層の2つの層で緩和することができる。これにより、歪みによる応力のほとんど生じていないバッファ層上に形成された窒化ガリウム層はその界面における歪みによる応力が低減されているため、反りやクラックのほとんど無い半導体基板とすることができる。
このため、良好な窒化ガリウム層を有するとともにSOI基板を出発基板としているため、低コストの半導体基板とすることできる。
【0017】
このとき、前記バッファ層が、SiCであることが好ましい(請求項8)。
このように、バッファ層がSiCであれば、臨界せん断応力が高く、また、SOI層に容易に形成することができるので、より良好な窒化ガリウム層とすることができる。
【0018】
このとき、前記SOI基板が、面方位(100)のベースウェーハと、面方位(111)のボンドウェーハとを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板であることが好ましい(請求項9)。
このような貼り合わせSOI基板であれば、バッファ層を形成するSOI層は面方位(111)にでき、ベースウェーハとしては低コストで品質を向上できる面方位(100)のウェーハを用いることができるため、良好な窒化ガリウム層が形成された半導体基板をより低コストで製造することができる。
【0019】
このとき、前記SOI層に注入されたイオンが、水素、アルゴン、窒素、炭素、ヘリウムのいずれか一以上のイオンであることができる(請求項10)。
このように、SOI層に注入されたイオンとしては、上記いずれかのイオンを適宜選択することができる。
【発明の効果】
【0020】
以上のように、本発明によれば、SOI基板を出発基板として、窒化ガリウム層を形成した場合でも、界面における歪みを緩和して応力を低減することができるため、低コストで、反りやクラックのほとんど無い窒化ガリウム層が形成された半導体基板及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明の半導体基板及びその製造方法について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図2、3は本発明の半導体基板の製造方法の実施態様の一例としてのフロー図である。
【0022】
図2(a)に示すように、本発明の製造方法では、埋め込み酸化層11上に面方位が(111)のSOI層12を有するSOI基板16を準備する。
このように、出発基板がSOI基板であれば、比較的安価に準備することができ、また、SOI層上にバッファ層等の異種層を形成する際に、SOI層下の埋め込み酸化層が異種層との界面で生じる歪みを緩和する役割を果たすため、窒化ガリウム層を形成した際の反りやクラックを低減することができる。また、窒化ガリウム層形成時のような高温の時には、埋め込み酸化層の流動性が増すため、埋め込み酸化層下の厚いシリコン部分の熱膨張によって界面に生じる転位や歪みによる応力が、バッファ層、窒化ガリウム層にまで伝搬するのを防ぐことができる。
また、バッファ層、窒化ガリウム層を形成するSOI層の面方位が(111)であれば、窒化ガリウムと格子定数が近いため、界面に生じる歪みが少ない。
【0023】
このSOI基板16としては、特に限定されず、面方位が(111)のシリコン基板を用いてSIMOX法により作製されたSOI基板としてもよいが、面方位(100)のベースウェーハと、面方位(111)のボンドウェーハとを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板とすることが好ましい。
このような貼り合わせSOI基板であれば、SOI層は面方位(111)とすることができ、ベースウェーハとしては、安価で品質の良い面方位(100)のウェーハを用いることができるため、出発基板としてのSOI基板をより低コストで準備することができる。しかも貼り合わせ界面でのすべりが発生しやすいので、より窒化ガリウム層を形成した半導体基板の歪みを緩和しやすい。
【0024】
次に、図2(b)に示すように、本発明の製造方法では、SOI基板16のSOI層12中にイオン注入により歪み緩衝層13を形成する。
このとき、注入するイオンとしては、特に限定されず、水素、アルゴン、窒素、炭素、ヘリウムのいずれか一以上のイオンをSOI層12中にイオン注入することができる。
【0025】
また、注入するイオンのドーズ量としては、特に限定されないが、後工程のバッファ層形成時や窒化ガリウム層形成時の温度で剥離しない程度のドーズ量にするとよい。歪みを十分に緩和できるドーズ量としては、例えば1×1014/cm以上が好ましい。また、例えばアルゴン、窒素、炭素は剥離が生じないが、一方、水素やヘリウムは多すぎると剥離してしまう可能性があるため、5×1016/cm未満のドーズ量でイオン注入することが好ましい。
【0026】
次に、図2(c)に示すように、本発明の製造方法では、SOI基板16のSOI層12上にバッファ層14を形成する。
このように、形成するバッファ層下のSOI層中に歪緩衝層があれば、界面における格子定数差歪みや熱膨張係数差歪みを歪み緩衝層と埋め込み酸化層の2層で緩和することができるため、バッファ層に生じる応力を効果的に低減することができる。
【0027】
このとき形成されるバッファ層14としては、特に限定されず、単層でも複層でもよく、種類としては、一般的に用いられるAlN、AlGaN、サファイア等とすることができるが、SiCのバッファ層とすることが好ましい。
SiCのバッファ層であれば、SOI層に容易に形成することができ、臨界せん断応力が高いため、後の工程で良好な窒化ガリウム層を形成することができる。
【0028】
また、工程(b)と工程(c)の順を逆にして、バッファ層が形成されたSOI基板のSOI層中にイオン注入により歪み緩衝層を形成してもよい。
この様に、歪み緩衝層の形成のタイミングは、注入イオンの種類等によって、適宜、上記のように工程の順序を選択することができる。
【0029】
また、このイオン注入により形成した歪み緩衝層13に対して、窒化ガリウム層を形成する工程より前に、予め結晶欠陥を導入するための熱処理工程を行うことが好ましい。
このように、予め熱処理することで、緩衝層に転位等の結晶欠陥を十分に形成することができるので、バッファ層との界面の歪みを緩和することができる。これによって、バッファ層に応力がほとんどかかっていない状態で窒化ガリウム層を形成することができ、より良好な窒化ガリウム層を形成することができる。
【0030】
この結晶欠陥を導入するための熱処理工程は、工程(b)、(c)のいずれの工程後に行ってもよいが、水素イオンを注入して歪み緩衝層13を形成した場合には、図3に示すような工程順で、バッファ層14を形成する工程の前に500℃以下の温度で熱処理工程を行い、水素イオンによりSOI層にマイクロキャビティを形成しておくことが好ましい。SOI層にマイクロキャビティを形成しておくことで、バッファ層、窒化ガリウム層を形成した際に歪みの緩和を十分に行うことができる。
【0031】
次に、図2(d)示すように、本発明の製造方法では、形成されたバッファ層14上に窒化ガリウム層15を形成して半導体基板10を製造する。
このように、SOI層とバッファ層の界面における歪みが緩和され、応力が低減されたバッファ層上に窒化ガリウム層を形成することで、反りやクラックのほとんど無い半導体基板を製造することができる。
【0032】
なお、窒化ガリウム層形成後に半導体基板10の反りをさらに低減するために、上述の結晶欠陥を導入するための熱処理を別途行うことができる。この場合には、窒化ガリウム層を形成する際の温度(1000℃程度)以上の温度で行い、例えば1100℃以上の温度であれば、埋め込み酸化層の流動性が増すため歪みの緩和をより効果的に行うことができる。
【0033】
以上のような本発明の製造方法により製造することができる、本発明の半導体基板の一例を示す概略図を図1に示す。
図1に示すように、本発明の半導体基板10は、埋め込み酸化層11上に面方位が(111)のSOI層12を有するSOI基板16の、SOI層12上にバッファ層14が形成され、バッファ層14上に窒化ガリウム層15が形成された半導体基板10であって、バッファ層14と埋め込み酸化層11との間のSOI層12に、イオン注入による歪み緩衝層13が形成されている。
【0034】
このように、イオン注入による歪み緩衝層を有するSOI層上にバッファ層が形成されていることにより、格子定数や熱膨張係数の違いにより界面に生じる歪みを、歪み緩衝層と埋め込み酸化層の両方で緩和することができる。これにより、バッファ層に生じる歪による応力が抑制され、そのバッファ層と窒化ガリウム層との界面の歪みを効果的に緩和できるため、反りやクラックのほとんどない半導体基板とすることができる。
また、窒化ガリウム層を形成するためにSOI基板を出発基板として用いることができるため、良好な窒化ガリウム層を低コストで製造することができる。
【実施例】
【0035】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【0036】
(実施例1)
まず、SOI基板として、面方位(100)のシリコン基板(ベースウェーハ)と、面方位(111)のシリコン基板(ボンドウェーハ)とを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板(SOI層の厚さ150nm、埋め込み酸化層の厚さ150nm)を準備した。
【0037】
次に、このSOI基板のSOI層に炭化処理(プロパン/水素:50sccm/10slm、温度1200℃)によりSiCバッファ層を形成した。
次に、SOI層中に水素イオンを注入量5×1015/cm、注入エネルギー10keVで注入して歪み緩衝層を形成した。
【0038】
次に、MOVPE(有機金属気相成長)法により1100℃で、SiCバッファ層上にAlNバッファ層、窒化ガリウム層(厚さ10μm)の順でエピタキシャル成長させて、窒化ガリウム層が形成された半導体基板を得た。
【0039】
(実施例2)
まず、SOI基板として、面方位(100)のシリコン基板(ベースウェーハ)と、面方位(111)のシリコン基板(ボンドウェーハ)とを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板(SOI層の厚さ150nm、埋め込み酸化層の厚さ150nm)を準備した。
【0040】
次に、SOI層中にアルゴンイオンを注入量5×1015/cm、注入エネルギー10keVで注入して歪み緩衝層を形成した。
次に、このSOI基板のSOI層に炭化処理(プロパン/水素:50sccm/10slm、温度1200℃)によりSiCバッファ層を形成した。
【0041】
次に、MOVPE(有機金属気相成長)法により1100℃で、SiCバッファ層上にAlNバッファ層、窒化ガリウム層(厚さ10μm)の順でエピタキシャル成長させて、窒化ガリウム層が形成された半導体基板を得た。
【0042】
(実施例3)
まず、SOI基板として、面方位(100)のシリコン基板(ベースウェーハ)と、面方位(111)のシリコン基板(ボンドウェーハ)とを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板(SOI層の厚さ150nm、埋め込み酸化層の厚さ150nm)を準備した。
【0043】
次に、SOI層中に水素イオンを注入量3×1016/cm、注入エネルギー10keVで注入して歪み緩衝層を形成した。
次に、熱処理を水素雰囲気中で500℃、10分で行い、SOI層にマイクロキャビティを形成した。
次に、このSOI基板のSOI層に炭化処理(プロパン/水素:50sccm/10slm、温度1200℃)によりSiCバッファ層を形成した。
【0044】
次に、MOVPE(有機金属気相成長)法により1100℃で、SiCバッファ層上にAlNバッファ層、窒化ガリウム層(厚さ10μm)の順でエピタキシャル成長させて、窒化ガリウム層が形成された半導体基板を得た。
【0045】
以上のように、製造した半導体基板は表面に良好な窒化ガリウム層が形成され、反りやクラックは発生しなかった。
【0046】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明の半導体基板の一例を示す概略図である。
【図2】本発明の半導体基板の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図3】本発明の半導体基板の製造方法の他の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【0048】
10…半導体基板、 11…埋め込み酸化層、 12…SOI層、
13…歪み緩衝層、 14…バッファ層、 15…窒化ガリウム層、
16…SOI基板。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも、面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板を準備する工程と、該SOI基板の前記SOI層上にバッファ層を形成する工程と、該形成されたバッファ層上に窒化ガリウム層を形成する工程とを含む半導体基板の製造方法であって、
少なくとも、前記窒化ガリウム層を形成する工程より前に、前記SOI基板のSOI層中にイオン注入により歪み緩衝層を形成する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項2】
前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程より後、前記窒化ガリウム層を形成する工程より前に、前記形成された歪み緩衝層に結晶欠陥を導入するための熱処理工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項3】
前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程において、水素、アルゴン、窒素、炭素、ヘリウムのいずれか一以上のイオンを前記SOI層中にイオン注入することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項4】
前記バッファ層を形成する工程において、SiCのバッファ層を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項5】
前記SOI基板を準備する工程において、面方位(100)のベースウェーハと、面方位(111)のボンドウェーハとを酸化膜を介して貼り合わせて、貼り合わせSOI基板を準備することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項6】
前記イオン注入により歪み緩衝層を形成する工程において水素イオンを注入し、前記バッファ層を形成する工程の前に、前記熱処理工程を500℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項2乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項7】
少なくとも、埋め込み酸化層上に面方位が(111)のSOI層を有するSOI基板の、前記SOI層上にバッファ層が形成され、該バッファ層上に窒化ガリウム層が形成された半導体基板であって、前記バッファ層と前記埋め込み酸化層との間のSOI層に、イオン注入による歪み緩衝層が形成されたものであることを特徴とする半導体基板。
【請求項8】
前記バッファ層が、SiCであることを特徴とする請求項7に記載の半導体基板。
【請求項9】
前記SOI基板が、面方位(100)のベースウェーハと、面方位(111)のボンドウェーハとを貼り合わせて作製された貼り合わせSOI基板であることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の半導体基板。
【請求項10】
前記SOI層に注入されたイオンが、水素、アルゴン、窒素、炭素、ヘリウムのいずれか一以上のイオンであることを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか一項に記載の半導体基板。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−40737(P2010−40737A)
【公開日】平成22年2月18日(2010.2.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−201592(P2008−201592)
【出願日】平成20年8月5日(2008.8.5)
【出願人】(000190149)信越半導体株式会社 (867)
【Fターム(参考)】