窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハとその製造方法
【課題】Ｓｉ基板上のＡｌＮ下地層の上面における凹凸をマスクするように平滑な上面を有する高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層形成し、ＡｌＮ下地層の表面凹凸に起因するＶ字欠陥を上面に含まない窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハを提供する。
【解決手段】窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハ（１０）は、Ｓｉ基板上（１）にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層（２）、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層（３）、ＡｌＧａＮバッファ層（４）を含み、そのモフォロジー改善層（３）は熱拡散を利用して平滑化された上面を有することと特徴としている。
【解決手段】窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハ（１０）は、Ｓｉ基板上（１）にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層（２）、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層（３）、ＡｌＧａＮバッファ層（４）を含み、そのモフォロジー改善層（３）は熱拡散を利用して平滑化された上面を有することと特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ基板上にＧａＮエピタキシャル層を含む窒化物半導体デバイス用のエピタキシャルウエハとその製造方法の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、大口径化可能なＳｉ基板を用いてＧａＮ層をエピタキシャル成長させる技術開発が、コスト低減の観点から盛んに試みられている。しかし、Ｓｉ基板上に高品質のＧａＮ結晶層を成長させることは容易ではない。その要因としては、Ｓｉ基板とＧａＮ層との熱膨張係数差および格子定数差に起因して、結晶欠陥、ウエハの反り、およびクラックなどが発生しやすいことがある。
【０００３】
エピタキシャル成長層を厚くすることによって表面近傍の結晶欠陥の低減は可能であるが、他方において層厚の増加に伴ってウエハの反りが増大する傾向になる。このウエハの反りは、基板が大口径になるほど顕著になる。
【０００４】
特開２０００−２７７４４１号公報の特許文献１は、ｎ型Ｓｉ基板の（１１１）面上にＡｌＮ層とＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を順に積層し、その上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層の表面が鏡面状になって、クラックやピットが観察されなかったと述べている。特許文献１はまた、ｎ型Ｓｉ基板の（１１１）面上に、ＡｌＮ層、Ａｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎ層、Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ層、Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ層、およびＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を順に積層し、その上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層の上面が鏡面状になってクラックやピットが観察されなかったとも述べている。
【０００５】
特開２００７−２５０７２１号公報の特許文献２は、Ｓｉ基板の（１１１）面上にＡｌＮバッファ層とＡｌＧａＮ中間層を順に積層し、その上にＡｌ組成比が互いに異なる２種のＡｌＧａＮ層をペア数が２１以上７０未満になるまで交互に積層し、さらにその上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層中のストレスが抑制されて結晶性と平坦性が向上すると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２７７４４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｓｉ基板を用いて高品質のＧａＮ層をエピタキシャル成長させるためには、Ｓｉ基板とＧａＮ層とが反応を生じやすいという理由から、特許文献１および２におけるように、一般的にＳｉ基板上にＡｌＮ下地層を形成する必要がある。
【０００８】
しかし、ＡｌＮ結晶は粒状成長しやすい特性を有するので、ＡｌＮ層を堆積させる際に、ＡｌＮ層の表面に凹凸が形成されやすい傾向にある。その結果、ＡｌＮ下地層上にＡｌＧａＮ層を成長せる場合に、ＡｌＮ下地層の表面凹凸に起因して、ＡｌＧａＮ層の上面の平滑性が悪化することが考えられる。
【０００９】
図２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置を用いてＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に積層させた場合において、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示している。このＳＥＭ写真の底部に示された白い線分のスケールは、１μｍの長さを示している。図２において観察されるように、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を成長させた場合には、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の表面に多くの窪みが形成されていることが確認できる。
【００１０】
図３は、Ｓｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、およびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を順に積層した場合において、その積層の断面を示すＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。このＴＥＭ写真の底部に示された１０目盛のスケールの全長は、２μｍの長さを表している。図３において観察されるように、最上層であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の表面にＶ字状の大きな欠陥（窪み）が生じていることが分かる。
【００１１】
図４は、図３に示されたＶ字状欠陥を拡大して示すＴＥＭ写真である。このＴＥＭ写真の底部に示された１０目盛のスケールの全長は、３００ｎｍの長さを表している。図４において観察されるように、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ膜の表面窪みはその上のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の成長によって埋められているが、その窪みを引継いでＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の表面にＶ字状の大きな欠陥が生じていることが分かる。すなわち、下層の上面の窪みが上層の上面Ｖ字欠陥形成の原因となっていることが分かる。
【００１２】
図５は、Ｓｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、およびＧａＮ層を順に積層し場合に、その積層の破断断面を示すＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真の底部に示された白い線分のスケールは、１００ｎｍの長さを示している。図５において観察されるように、最上層であるＧａＮ層の表面にＶ字状の大きな欠陥（窪み）が生じていることが分かる。図３と４に関連して述べたように、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層にＶ字状の大きな欠陥が生じたのと同様の理由で、ＧａＮ層中に生じたＶ字状欠陥も下層の上面窪みに起因して生じていると考えられる。
【００１３】
以上のような結果から、ＡｌＮ下地層上にＡｌＧａＮ層を成長させた際に形成されるＡｌＧａＮ層の上面窪みが、ＧａＮ層の表面におけるＶ字状欠陥形成の原因となっているといえる。そして、それらのＶ字状欠陥は、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハにおいては重大な欠陥となる。
【００１４】
ところで、一般的にＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ層に比べて横方向成長しにくく、とくにそのＡｌ組成比が大きくなるほど横方向成長しにくくなる。したがって、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が小さいほどＡｌＮ下地層の表面窪みを埋めやすいと考えられ、逆にＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が大きいほどＡｌＮ下地層の表面窪みを埋めることが難しいと考えられる。
【００１５】
したがって、特許文献１において特にＡｌＮ下地層上にＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層を成長させた場合には、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を成長させた場合の図２の観察結果と同様に、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層の表面にはＡｌＮ下地層の窪みに起因する表面粗さが生じると考えられる。その結果、それらの表面窪みを含むＡｌＧａＮ層上に形成されるＧａＮ層の上面にはＶ字状の大きな欠陥が生じると考えられる。
【００１６】
特許文献２においては、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ層を形成している。その特許文献２自体は述べていないが、横方向成長しやすいＡｌ組成比の小さいＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ層を積層することによって、ＡｌＮ下地層の表面凹凸をマスクして平坦化できていると考えられる。
【００１７】
他方、ＡｌＮ下地層の格子定数がＳｉ基板に比べて小さいことに起因するエピタキシャルウエハの反りを低減させる観点からは、ＡｌＮ下地層上に形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）のＡｌ組成比ｘは大きい方が好ましい。なぜならば、そのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に積層されるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差が大きいほど（すなわちＡｌ組成比差ｘ−ｙが大きいほど）、格子定数差に起因するウエハの反りを全体として低減させることができるからである。
【００１８】
換言すれば、ＡｌＮ下地層上に形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）のＡｌ組成比ｘが小さい場合は、そのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）上に積層するＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差（Ａｌ組成比差ｘ−ｙ）による応力が小さくなり、ウエハの反りを低減させる応力が小さくなるので好ましくない。
【００１９】
このような理由から、Ｓｉ基板とＡｌＮ下地層との格子定数差に起因するウエハの反りを低減させるためには、ＡｌＮ下地層に接して高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層を形成するのが望ましい。
【００２０】
しかし、前述のように、高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層は、横方向成長しにくいので、ＡｌＮ下地層の表面に形成された凹凸をマスクして平坦化することは困難である。
【００２１】
そこで、本発明の主要な目的は、Ｓｉ基板上のＡｌＮ下地層の上面における凹凸をマスクするように平滑な上面を有する高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層形成し、ＡｌＮ下地層の上面凹凸に起因するＶ字欠陥を上表面に含まない窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の１つの態様によれば、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、ＡｌＧａＮバッファ層を含み、そのモフォロジー改善層は熱拡散を利用して平滑化された上表面を有することを特徴としている。
【００２３】
本発明のもう１つの態様によれば、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法は、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、およびＡｌＧａＮバッファ層を順にＭＯＣＶＤによって積層する工程を含み、そのモフォロジー改善層は第１の基板温度においてIII族元素用原料ガスとＶ族元素用原料ガスを供給することによって堆積され、その後に第１の基板温度より高い第２の基板温度においてIII族元素用原料ガスの供給を停止してＶ族元素用原料ガスのみを供給することによって熱拡散生じさせ、これによってモフォロジー改善層の上面が平滑化されることを特徴としている。
【００２４】
なお、ＡｌＧａＮバッファ層は順に積層されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を含む多層バッファ層であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、モフォロジー改善層の上面が平滑化されているので、その上のバッファ層も平滑な上面を有し、上面にＶ字状欠陥を含まないエピタキシャルウエハを窒化物半導体デバイス用に提供することができる。また、バッファ層を多層バッファ層で形成した場合に、全体として特に反りが低減された平坦なエピタキシャルウエハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図２】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に成長させたウエハの上表面を示すＳＥＭ写真である。
【図３】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、およびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を順に積層したウエハの積層断面を示すＴＥＭ写真である。
【図４】図３に示されたＶ字状欠陥を拡大して示すＴＥＭ写真である。
【図５】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、およびＧａＮ層を順に積層したウエハの破断断面を示すＳＥＭ写真である。
【図６】本発明によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に成長させたウエハの上表面を示すＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜構造＞
図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。なお、この模式図において、各層の厚さは図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００２８】
図１のウエハ１０は、Ｓｉ基板１上においてＭＯＣＶＤを利用して順次積層されたＡｌＮ下地層２、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）からなるモフォロジー改善層３、多層バッファ層４、窒化物半導体チャネル層５、および窒化物半導体電子供給層６を含んでいる。
【００２９】
Ｓｉ基板１の上方において良好な結晶性のＧａＮ層を成長させるためには、Ｓｉの（１１１）面を基板面として用いることが望ましい。また、Ｓｉ基板とＧａＮ層が直接接して反応することがないように、下地層２としては障壁の役割が求められ、前述のようにＧａを含まないＡｌＮ下地層を形成することが望ましい。
【００３０】
モフォロジー改善層３は、下地層２の上面に形成されている凹凸の窪みを埋めて、ウエハの上面の平滑性を向上させる役割を担う。具体的には、上述のようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）が、モフォロジー改善層３として用いられる。このモフォロジー改善層３は、層成長させられた後に、層成長をともなうことなく熱拡散を利用して表面が平滑化された層である。
【００３１】
図１の場合、多層バッファ層４において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮモフォロジー改善層３のＡｌ組成比ｘと同一のＡｌ組成比ｘを有する第１のＡｌＧａＮサブバッファ層４１、Ａｌ組成比ｙを有する第２のＡｌＧａＮサブバッファ層４２、およびＡｌ組成比ｚを有する第３のサブバッファ層４３が順に積層されている。そして、これらの第１、第２、および第３のサブバッファ層のＡｌ組成比ｘ、ｙ、およびｚは、ｘ＞ｙ＞ｚの関係を満たすように設定されている。すなわち、多層バッファ層４において、上層のサブバッファ層ほど小さなＡｌ組成比を有している。
【００３２】
なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮモフォロジー改善層３および第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層４１のＡｌ組成比ｘは大きい方が好ましい。なぜならば、前述のように、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層とその上に積層される第２のＡｌｙＧａ１−ｙＮサブバッファ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差が大きいほど、その格子定数差に起因してウエハの反りを低減させる応力が大きくなるからである。すなわち、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層と第２のＡｌｙＧａ１−ｙＮサブバッファ層とのＡｌ組成比の差（ｘ−ｙ）が大きいほど、ウエハの反りが低減され得る。
【００３３】
図１の窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハはバッファ層４上にチャネル層５と電子供給層６を含み、このウエハはヘテロ接合ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の作製に用いられることが想定されている。このチャネル層５の材料としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどを用いることができる。
【００３４】
電子供給層６の材料としても、窒化物系化合物半導体が用いられ得る。なお、チャネル層５の格子定数ａ１と電子供給層６の格子定数ａ２とはａ１＞ａ２の関係を満たし、チャネル層５のバンドギャップＥｇ１と電子供給層６のバンドギャップＥｇ２とはＥｇ１＜Ｅｇ２の関係を満たす。これらの格子定数とバンドギャップの関係を満たせば、電子供給層６の材料は特には限定されない。例えば、チャネル層５にＧａＮを使用した場合には、電子供給層６にはＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどが使用することができる。また、チャネル層５にＩｎＧａＮを使用した場合には、電子供給層にはＧａＮなどを使用でき、さらにチャネル層５にＩｎＮを使用した場合には、電子供給層６にはＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを使用することができる。
【００３５】
＜製造方法＞
図１に示す断面構造を有する窒化ガリウム系のエピタキシャルウエハ１０は、ＭＯＣＶＤ法を利用して、以下のように製造することができる。まず、Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮ下地層２を形成する。続いてＡｌＮ下地層２上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）からなるモフォロジー改善層３をＭＯＣＶＤと熱拡散を利用して形成する。
【００３６】
ここで、モフォロジー改善層３を形成する方法について、より詳細に説明する。まず、Ｓｉ基板上１にＡｌＮ下地層２を形成した際に、堆積するＡｌＮ結晶は粒成長しやすい特性を有するので、ＡｌＮ下地層２の表面に凹凸が形成される。したがって、そのような表面凹凸を有するＡｌＮ下地層２上に高いＡｌ組成比のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）モフォロジー改善層３をＭＯＣＶＤで成長させれば、そのＡｌＮ下地層２の表面凹凸に起因して、成長したモフォロジー改善層の表面は図２に示されているような多くの窪みを含んでいる。
【００３７】
そこで、モフォロジー改善層を成長させた後に、熱拡散を利用して、モフォロジー改善層の表面における多くの窪みを埋め込んで平滑化するのである。具体的には、モフォロジー改善層を成長させた後に、III族元素源となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を全く供給せずに、キャリアガスである窒素ガスもしくは水素ガスとＶ族元素源であるアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給した状態で基板温度が上昇させられる。
【００３８】
こうすれば、モフォロジー改善層の表面でＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）が一旦熱分解され、Ｇａ原子、Ａｌ原子、またはＡｌＧａＮ分子が層表面または層表面近傍で拡散移動する過程において、表面エネルギーが低い窪み部分で固体中に再び取り込まれて再結合し、こうして窪みが埋め込まれると考えられる。その結果、モフォロジー改善層３の表面が窪みを含まない平滑面に変換されると考えられる。
【００３９】
なお、モフォロジー改善層３の表面を平滑化するための熱分解、熱拡散、および窪み部における再結合を制御する条件としては、基板温度、雰囲気圧力、加熱処理中における供給ガスの供給量および供給比率などが挙げられる。すなわち、モフォロジー改善層の平滑化の速度は、基板温度、雰囲気圧力、加熱処理中における供給ガスの供給量および供給比率などにより変化する。例えば、基板温度が高くなるほど熱分解と熱拡散が促進され、雰囲気圧力が高くてＮＨ３ガスの比率が大きいほど分解が抑制されまた再結合が促進される傾向になる。
【００４０】
上述のようにして表面が平滑化されたモフォロジー改善層３上には、前述のように多層バッファ層４、チャネル層５、および電子供給層６が順にＭＯＣＶＤによって形成される。こうして、窒化ガリウム系のエピタキシャルウエハ１０が作製され得る。
【実施例】
【００４１】
以下において、図１を参照しつつ、本発明の一実施例による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの作製についてより具体的に説明する。
【００４２】
Ｓｉ基板１の（１１１）面上において、厚さ１８０ｎｍのＡｌＮ下地層２が、基板温度１１００℃のもとでＭＯＣＶＤによって成長させられた。なお、原料としては、アンモニアガスとＴＭＡが使用された。
【００４３】
ＡｌＮ下地層２上には、原料としてアンモニアガス、ＴＭＧ、およびＴＭＡを用いて、厚さ０．１μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎのモフォロジー改善層３が成長させられた。この成長時において、基板温度は１１００℃とし、ガス圧力は１３．３ｋＰａとした。続いて、ＴＭＧおよびＴＭＡの供給を止め、キャリアガスとアンモニアのみを引き続き供給し、基板温度を１２００℃に上昇させ、ガス圧力を１３．３ｋＰａに維持した状態で、１０分間の加熱反応によって、モフォロジー改善層３の表面の平滑化を行った。
【００４４】
図６は、こうして形成されたＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎモフォロジー改善層３の平滑な表面を示すＳＥＭ写真である。なお、このＳＥＭ写真における白い三角のマークはＳＥＭ写真の焦点合わせのための目印である。また、この写真の底部に示された白い線分のスケールは、１μｍの長さを示している。この図６と前述の図２との比較から明らかなように、本実施例によるモフォロジー改善層３の表面は極めて平滑であることが分かるであろう。
【００４５】
Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎモフォロジー改善層３上には、厚さ０．３μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ第１サブバッファ層４１、厚さ０．４μｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ第２サブバッファ層４２、厚さ０．７μｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ第３サブバッファ層４３が、基板温度１１５０℃とガス圧力１３．３ｋＰａの条件のもとで積層され、これによって多層バッファ層４が形成された。
【００４６】
多層バッファ層４上には、基板温度１１００℃のもとで、ＧａＮからなるチャネル層５（格子定数ａ１＝０．３１８９ｎｍ、Ｅｇ１＝３．４２ｅＶ）が２μｍの厚さに成長させられた。その上に、基板温度１１００℃のもとで、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる電子供給層６（ａ２＝０．３１６６ｎｍ、Ｅｇ２＝４．０２ｅＶ）が、２０ｎｍの厚さに成長させられた。
【００４７】
以上のようにモフォロジー改善層３を含めた結果として、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５、およびＡｌＧａＮ電子供給層を含む積層膜中にＶ字状欠陥は生じなかった。
【００４８】
さらには、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの第１サブバッファ層４１とＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層４２とのＡｌ組成比の差（ｘ−ｙ）が大きいので（すなわち格子定数差が大きいので）、Ｓｉ基板１とＡｌＮ下地層２との格子定数差に起因する反りを緩和させる応力が大きくなり、その結果としてウエハ全体としての反りを無くすことができた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明によれば、モフォロジー改善層の効果によって、平滑な表面を有するエピタキシャルウエハを窒化物半導体デバイスの用途として提供することができる。また、バッファ層を多層バッファ層で形成した場合に、全体として特に反りが低減されたエピタキシャルウエハを提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ Ｓｉ基板、２ ＡｌＮ下地層、３ モフォロジー改善層、４ 多層バッファ層、５ チャネル層、６ 電子供給層、１０ 窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ基板上にＧａＮエピタキシャル層を含む窒化物半導体デバイス用のエピタキシャルウエハとその製造方法の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、大口径化可能なＳｉ基板を用いてＧａＮ層をエピタキシャル成長させる技術開発が、コスト低減の観点から盛んに試みられている。しかし、Ｓｉ基板上に高品質のＧａＮ結晶層を成長させることは容易ではない。その要因としては、Ｓｉ基板とＧａＮ層との熱膨張係数差および格子定数差に起因して、結晶欠陥、ウエハの反り、およびクラックなどが発生しやすいことがある。
【０００３】
エピタキシャル成長層を厚くすることによって表面近傍の結晶欠陥の低減は可能であるが、他方において層厚の増加に伴ってウエハの反りが増大する傾向になる。このウエハの反りは、基板が大口径になるほど顕著になる。
【０００４】
特開２０００−２７７４４１号公報の特許文献１は、ｎ型Ｓｉ基板の（１１１）面上にＡｌＮ層とＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を順に積層し、その上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層の表面が鏡面状になって、クラックやピットが観察されなかったと述べている。特許文献１はまた、ｎ型Ｓｉ基板の（１１１）面上に、ＡｌＮ層、Ａｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎ層、Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ層、Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ層、およびＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を順に積層し、その上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層の上面が鏡面状になってクラックやピットが観察されなかったとも述べている。
【０００５】
特開２００７−２５０７２１号公報の特許文献２は、Ｓｉ基板の（１１１）面上にＡｌＮバッファ層とＡｌＧａＮ中間層を順に積層し、その上にＡｌ組成比が互いに異なる２種のＡｌＧａＮ層をペア数が２１以上７０未満になるまで交互に積層し、さらにその上にＧａＮ層を成長させることによって、ＧａＮ層中のストレスが抑制されて結晶性と平坦性が向上すると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２７７４４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｓｉ基板を用いて高品質のＧａＮ層をエピタキシャル成長させるためには、Ｓｉ基板とＧａＮ層とが反応を生じやすいという理由から、特許文献１および２におけるように、一般的にＳｉ基板上にＡｌＮ下地層を形成する必要がある。
【０００８】
しかし、ＡｌＮ結晶は粒状成長しやすい特性を有するので、ＡｌＮ層を堆積させる際に、ＡｌＮ層の表面に凹凸が形成されやすい傾向にある。その結果、ＡｌＮ下地層上にＡｌＧａＮ層を成長せる場合に、ＡｌＮ下地層の表面凹凸に起因して、ＡｌＧａＮ層の上面の平滑性が悪化することが考えられる。
【０００９】
図２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置を用いてＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に積層させた場合において、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示している。このＳＥＭ写真の底部に示された白い線分のスケールは、１μｍの長さを示している。図２において観察されるように、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を成長させた場合には、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層の表面に多くの窪みが形成されていることが確認できる。
【００１０】
図３は、Ｓｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、およびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を順に積層した場合において、その積層の断面を示すＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。このＴＥＭ写真の底部に示された１０目盛のスケールの全長は、２μｍの長さを表している。図３において観察されるように、最上層であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の表面にＶ字状の大きな欠陥（窪み）が生じていることが分かる。
【００１１】
図４は、図３に示されたＶ字状欠陥を拡大して示すＴＥＭ写真である。このＴＥＭ写真の底部に示された１０目盛のスケールの全長は、３００ｎｍの長さを表している。図４において観察されるように、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ膜の表面窪みはその上のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の成長によって埋められているが、その窪みを引継いでＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の表面にＶ字状の大きな欠陥が生じていることが分かる。すなわち、下層の上面の窪みが上層の上面Ｖ字欠陥形成の原因となっていることが分かる。
【００１２】
図５は、Ｓｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、およびＧａＮ層を順に積層し場合に、その積層の破断断面を示すＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真の底部に示された白い線分のスケールは、１００ｎｍの長さを示している。図５において観察されるように、最上層であるＧａＮ層の表面にＶ字状の大きな欠陥（窪み）が生じていることが分かる。図３と４に関連して述べたように、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層にＶ字状の大きな欠陥が生じたのと同様の理由で、ＧａＮ層中に生じたＶ字状欠陥も下層の上面窪みに起因して生じていると考えられる。
【００１３】
以上のような結果から、ＡｌＮ下地層上にＡｌＧａＮ層を成長させた際に形成されるＡｌＧａＮ層の上面窪みが、ＧａＮ層の表面におけるＶ字状欠陥形成の原因となっているといえる。そして、それらのＶ字状欠陥は、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハにおいては重大な欠陥となる。
【００１４】
ところで、一般的にＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ層に比べて横方向成長しにくく、とくにそのＡｌ組成比が大きくなるほど横方向成長しにくくなる。したがって、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が小さいほどＡｌＮ下地層の表面窪みを埋めやすいと考えられ、逆にＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が大きいほどＡｌＮ下地層の表面窪みを埋めることが難しいと考えられる。
【００１５】
したがって、特許文献１において特にＡｌＮ下地層上にＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層を成長させた場合には、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を成長させた場合の図２の観察結果と同様に、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層の表面にはＡｌＮ下地層の窪みに起因する表面粗さが生じると考えられる。その結果、それらの表面窪みを含むＡｌＧａＮ層上に形成されるＧａＮ層の上面にはＶ字状の大きな欠陥が生じると考えられる。
【００１６】
特許文献２においては、ＡｌＮ下地層上にＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ層を形成している。その特許文献２自体は述べていないが、横方向成長しやすいＡｌ組成比の小さいＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ層を積層することによって、ＡｌＮ下地層の表面凹凸をマスクして平坦化できていると考えられる。
【００１７】
他方、ＡｌＮ下地層の格子定数がＳｉ基板に比べて小さいことに起因するエピタキシャルウエハの反りを低減させる観点からは、ＡｌＮ下地層上に形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）のＡｌ組成比ｘは大きい方が好ましい。なぜならば、そのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に積層されるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差が大きいほど（すなわちＡｌ組成比差ｘ−ｙが大きいほど）、格子定数差に起因するウエハの反りを全体として低減させることができるからである。
【００１８】
換言すれば、ＡｌＮ下地層上に形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）のＡｌ組成比ｘが小さい場合は、そのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）上に積層するＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差（Ａｌ組成比差ｘ−ｙ）による応力が小さくなり、ウエハの反りを低減させる応力が小さくなるので好ましくない。
【００１９】
このような理由から、Ｓｉ基板とＡｌＮ下地層との格子定数差に起因するウエハの反りを低減させるためには、ＡｌＮ下地層に接して高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層を形成するのが望ましい。
【００２０】
しかし、前述のように、高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層は、横方向成長しにくいので、ＡｌＮ下地層の表面に形成された凹凸をマスクして平坦化することは困難である。
【００２１】
そこで、本発明の主要な目的は、Ｓｉ基板上のＡｌＮ下地層の上面における凹凸をマスクするように平滑な上面を有する高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層形成し、ＡｌＮ下地層の上面凹凸に起因するＶ字欠陥を上表面に含まない窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の１つの態様によれば、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、ＡｌＧａＮバッファ層を含み、そのモフォロジー改善層は熱拡散を利用して平滑化された上表面を有することを特徴としている。
【００２３】
本発明のもう１つの態様によれば、窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法は、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、およびＡｌＧａＮバッファ層を順にＭＯＣＶＤによって積層する工程を含み、そのモフォロジー改善層は第１の基板温度においてIII族元素用原料ガスとＶ族元素用原料ガスを供給することによって堆積され、その後に第１の基板温度より高い第２の基板温度においてIII族元素用原料ガスの供給を停止してＶ族元素用原料ガスのみを供給することによって熱拡散生じさせ、これによってモフォロジー改善層の上面が平滑化されることを特徴としている。
【００２４】
なお、ＡｌＧａＮバッファ層は順に積層されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を含む多層バッファ層であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、モフォロジー改善層の上面が平滑化されているので、その上のバッファ層も平滑な上面を有し、上面にＶ字状欠陥を含まないエピタキシャルウエハを窒化物半導体デバイス用に提供することができる。また、バッファ層を多層バッファ層で形成した場合に、全体として特に反りが低減された平坦なエピタキシャルウエハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。
【図２】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に成長させたウエハの上表面を示すＳＥＭ写真である。
【図３】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、およびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を順に積層したウエハの積層断面を示すＴＥＭ写真である。
【図４】図３に示されたＶ字状欠陥を拡大して示すＴＥＭ写真である。
【図５】従来技術によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、およびＧａＮ層を順に積層したウエハの破断断面を示すＳＥＭ写真である。
【図６】本発明によってＳｉ基板上にＡｌＮ下地層とＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を順に成長させたウエハの上表面を示すＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜構造＞
図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの積層構造を示す模式的断面図である。なお、この模式図において、各層の厚さは図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００２８】
図１のウエハ１０は、Ｓｉ基板１上においてＭＯＣＶＤを利用して順次積層されたＡｌＮ下地層２、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）からなるモフォロジー改善層３、多層バッファ層４、窒化物半導体チャネル層５、および窒化物半導体電子供給層６を含んでいる。
【００２９】
Ｓｉ基板１の上方において良好な結晶性のＧａＮ層を成長させるためには、Ｓｉの（１１１）面を基板面として用いることが望ましい。また、Ｓｉ基板とＧａＮ層が直接接して反応することがないように、下地層２としては障壁の役割が求められ、前述のようにＧａを含まないＡｌＮ下地層を形成することが望ましい。
【００３０】
モフォロジー改善層３は、下地層２の上面に形成されている凹凸の窪みを埋めて、ウエハの上面の平滑性を向上させる役割を担う。具体的には、上述のようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）が、モフォロジー改善層３として用いられる。このモフォロジー改善層３は、層成長させられた後に、層成長をともなうことなく熱拡散を利用して表面が平滑化された層である。
【００３１】
図１の場合、多層バッファ層４において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮモフォロジー改善層３のＡｌ組成比ｘと同一のＡｌ組成比ｘを有する第１のＡｌＧａＮサブバッファ層４１、Ａｌ組成比ｙを有する第２のＡｌＧａＮサブバッファ層４２、およびＡｌ組成比ｚを有する第３のサブバッファ層４３が順に積層されている。そして、これらの第１、第２、および第３のサブバッファ層のＡｌ組成比ｘ、ｙ、およびｚは、ｘ＞ｙ＞ｚの関係を満たすように設定されている。すなわち、多層バッファ層４において、上層のサブバッファ層ほど小さなＡｌ組成比を有している。
【００３２】
なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮモフォロジー改善層３および第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層４１のＡｌ組成比ｘは大きい方が好ましい。なぜならば、前述のように、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層とその上に積層される第２のＡｌｙＧａ１−ｙＮサブバッファ層（０≦ｙ＜ｘ）との格子定数差が大きいほど、その格子定数差に起因してウエハの反りを低減させる応力が大きくなるからである。すなわち、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＮサブバッファ層と第２のＡｌｙＧａ１−ｙＮサブバッファ層とのＡｌ組成比の差（ｘ−ｙ）が大きいほど、ウエハの反りが低減され得る。
【００３３】
図１の窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハはバッファ層４上にチャネル層５と電子供給層６を含み、このウエハはヘテロ接合ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の作製に用いられることが想定されている。このチャネル層５の材料としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどを用いることができる。
【００３４】
電子供給層６の材料としても、窒化物系化合物半導体が用いられ得る。なお、チャネル層５の格子定数ａ１と電子供給層６の格子定数ａ２とはａ１＞ａ２の関係を満たし、チャネル層５のバンドギャップＥｇ１と電子供給層６のバンドギャップＥｇ２とはＥｇ１＜Ｅｇ２の関係を満たす。これらの格子定数とバンドギャップの関係を満たせば、電子供給層６の材料は特には限定されない。例えば、チャネル層５にＧａＮを使用した場合には、電子供給層６にはＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどが使用することができる。また、チャネル層５にＩｎＧａＮを使用した場合には、電子供給層にはＧａＮなどを使用でき、さらにチャネル層５にＩｎＮを使用した場合には、電子供給層６にはＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを使用することができる。
【００３５】
＜製造方法＞
図１に示す断面構造を有する窒化ガリウム系のエピタキシャルウエハ１０は、ＭＯＣＶＤ法を利用して、以下のように製造することができる。まず、Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮ下地層２を形成する。続いてＡｌＮ下地層２上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）からなるモフォロジー改善層３をＭＯＣＶＤと熱拡散を利用して形成する。
【００３６】
ここで、モフォロジー改善層３を形成する方法について、より詳細に説明する。まず、Ｓｉ基板上１にＡｌＮ下地層２を形成した際に、堆積するＡｌＮ結晶は粒成長しやすい特性を有するので、ＡｌＮ下地層２の表面に凹凸が形成される。したがって、そのような表面凹凸を有するＡｌＮ下地層２上に高いＡｌ組成比のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）モフォロジー改善層３をＭＯＣＶＤで成長させれば、そのＡｌＮ下地層２の表面凹凸に起因して、成長したモフォロジー改善層の表面は図２に示されているような多くの窪みを含んでいる。
【００３７】
そこで、モフォロジー改善層を成長させた後に、熱拡散を利用して、モフォロジー改善層の表面における多くの窪みを埋め込んで平滑化するのである。具体的には、モフォロジー改善層を成長させた後に、III族元素源となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）を全く供給せずに、キャリアガスである窒素ガスもしくは水素ガスとＶ族元素源であるアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給した状態で基板温度が上昇させられる。
【００３８】
こうすれば、モフォロジー改善層の表面でＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）が一旦熱分解され、Ｇａ原子、Ａｌ原子、またはＡｌＧａＮ分子が層表面または層表面近傍で拡散移動する過程において、表面エネルギーが低い窪み部分で固体中に再び取り込まれて再結合し、こうして窪みが埋め込まれると考えられる。その結果、モフォロジー改善層３の表面が窪みを含まない平滑面に変換されると考えられる。
【００３９】
なお、モフォロジー改善層３の表面を平滑化するための熱分解、熱拡散、および窪み部における再結合を制御する条件としては、基板温度、雰囲気圧力、加熱処理中における供給ガスの供給量および供給比率などが挙げられる。すなわち、モフォロジー改善層の平滑化の速度は、基板温度、雰囲気圧力、加熱処理中における供給ガスの供給量および供給比率などにより変化する。例えば、基板温度が高くなるほど熱分解と熱拡散が促進され、雰囲気圧力が高くてＮＨ３ガスの比率が大きいほど分解が抑制されまた再結合が促進される傾向になる。
【００４０】
上述のようにして表面が平滑化されたモフォロジー改善層３上には、前述のように多層バッファ層４、チャネル層５、および電子供給層６が順にＭＯＣＶＤによって形成される。こうして、窒化ガリウム系のエピタキシャルウエハ１０が作製され得る。
【実施例】
【００４１】
以下において、図１を参照しつつ、本発明の一実施例による窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの作製についてより具体的に説明する。
【００４２】
Ｓｉ基板１の（１１１）面上において、厚さ１８０ｎｍのＡｌＮ下地層２が、基板温度１１００℃のもとでＭＯＣＶＤによって成長させられた。なお、原料としては、アンモニアガスとＴＭＡが使用された。
【００４３】
ＡｌＮ下地層２上には、原料としてアンモニアガス、ＴＭＧ、およびＴＭＡを用いて、厚さ０．１μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎのモフォロジー改善層３が成長させられた。この成長時において、基板温度は１１００℃とし、ガス圧力は１３．３ｋＰａとした。続いて、ＴＭＧおよびＴＭＡの供給を止め、キャリアガスとアンモニアのみを引き続き供給し、基板温度を１２００℃に上昇させ、ガス圧力を１３．３ｋＰａに維持した状態で、１０分間の加熱反応によって、モフォロジー改善層３の表面の平滑化を行った。
【００４４】
図６は、こうして形成されたＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎモフォロジー改善層３の平滑な表面を示すＳＥＭ写真である。なお、このＳＥＭ写真における白い三角のマークはＳＥＭ写真の焦点合わせのための目印である。また、この写真の底部に示された白い線分のスケールは、１μｍの長さを示している。この図６と前述の図２との比較から明らかなように、本実施例によるモフォロジー改善層３の表面は極めて平滑であることが分かるであろう。
【００４５】
Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎモフォロジー改善層３上には、厚さ０．３μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ第１サブバッファ層４１、厚さ０．４μｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ第２サブバッファ層４２、厚さ０．７μｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ第３サブバッファ層４３が、基板温度１１５０℃とガス圧力１３．３ｋＰａの条件のもとで積層され、これによって多層バッファ層４が形成された。
【００４６】
多層バッファ層４上には、基板温度１１００℃のもとで、ＧａＮからなるチャネル層５（格子定数ａ１＝０．３１８９ｎｍ、Ｅｇ１＝３．４２ｅＶ）が２μｍの厚さに成長させられた。その上に、基板温度１１００℃のもとで、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる電子供給層６（ａ２＝０．３１６６ｎｍ、Ｅｇ２＝４．０２ｅＶ）が、２０ｎｍの厚さに成長させられた。
【００４７】
以上のようにモフォロジー改善層３を含めた結果として、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５、およびＡｌＧａＮ電子供給層を含む積層膜中にＶ字状欠陥は生じなかった。
【００４８】
さらには、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの第１サブバッファ層４１とＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層４２とのＡｌ組成比の差（ｘ−ｙ）が大きいので（すなわち格子定数差が大きいので）、Ｓｉ基板１とＡｌＮ下地層２との格子定数差に起因する反りを緩和させる応力が大きくなり、その結果としてウエハ全体としての反りを無くすことができた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明によれば、モフォロジー改善層の効果によって、平滑な表面を有するエピタキシャルウエハを窒化物半導体デバイスの用途として提供することができる。また、バッファ層を多層バッファ層で形成した場合に、全体として特に反りが低減されたエピタキシャルウエハを提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ Ｓｉ基板、２ ＡｌＮ下地層、３ モフォロジー改善層、４ 多層バッファ層、５ チャネル層、６ 電子供給層、１０ 窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハであって、
Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、ＡｌＧａＮバッファ層を含み、前記モフォロジー改善層は熱拡散を利用して平滑化された上面を有することを特徴とするウエハ。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮバッファ層は順に積層されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を含む多層バッファ層であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ。
【請求項３】
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤで順に積層された窒化物半導体チャネル層と窒化物半導体電子供給層をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のウエハ。
【請求項４】
前記チャネル層はＧａＮからなり、前記電子供給層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項３に記載のウエハ。
【請求項５】
窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法であって、
Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、およびＡｌＧａＮバッファ層を順にＭＯＣＶＤによって積層する工程を含み、
前記モフォロジー改善層は第１の基板温度においてIII族元素用原料ガスとＶ族元素用原料ガスを供給することによって堆積され、その後に前記第１の基板温度より高い第２の基板温度においてIII族元素用原料ガスの供給を停止してＶ族元素用原料ガスのみを供給することによって熱拡散を生じさせ、これによって前記モフォロジー改善層の上面が平滑化されることを特徴とする製造方法。
【請求項６】
前記ＡｌＧａＮバッファ層は多層バッファ層であって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を順に積層することによって形成されることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記バッファ層上に窒化物半導体チャネル層と窒化物半導体電子供給層とが順にＭＯＣＶＤによってさらに積層されることを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層はＧａＮからなり、前記電子供給層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハであって、
Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤで順次積層されたＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、ＡｌＧａＮバッファ層を含み、前記モフォロジー改善層は熱拡散を利用して平滑化された上面を有することを特徴とするウエハ。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮバッファ層は順に積層されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を含む多層バッファ層であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ。
【請求項３】
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤで順に積層された窒化物半導体チャネル層と窒化物半導体電子供給層をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のウエハ。
【請求項４】
前記チャネル層はＧａＮからなり、前記電子供給層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項３に記載のウエハ。
【請求項５】
窒化物半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法であって、
Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ下地層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）のモフォロジー改善層、およびＡｌＧａＮバッファ層を順にＭＯＣＶＤによって積層する工程を含み、
前記モフォロジー改善層は第１の基板温度においてIII族元素用原料ガスとＶ族元素用原料ガスを供給することによって堆積され、その後に前記第１の基板温度より高い第２の基板温度においてIII族元素用原料ガスの供給を停止してＶ族元素用原料ガスのみを供給することによって熱拡散を生じさせ、これによって前記モフォロジー改善層の上面が平滑化されることを特徴とする製造方法。
【請求項６】
前記ＡｌＧａＮバッファ層は多層バッファ層であって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．６≦ｘ＜１）の第１サブバッファ層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ）の第２サブバッファ層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜ｙ）の第３サブバッファ層を順に積層することによって形成されることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記バッファ層上に窒化物半導体チャネル層と窒化物半導体電子供給層とが順にＭＯＣＶＤによってさらに積層されることを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層はＧａＮからなり、前記電子供給層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１７４７０５（Ｐ２０１２−１７４７０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３１８８５（Ｐ２０１１−３１８８５）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]