窒化物半導体基板の製造方法
【課題】簡易かつ効果的に、窒化物半導体の絶縁破壊電圧低下が低減された窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、前記窒化ケイ素層を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【解決手段】シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、前記窒化ケイ素層を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス用の窒化物半導体に用いられる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代電子デバイス材料として期待されている窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体の製造方法の一例として、大口径化や低コスト化に有利といわれる、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体を形成する方法があり、その製造方法もいくつか知られている。
【０００３】
特許文献１には、基板と、前記基板上に形成されたＡｌＮ系超格子バッファ層と、前記ＡｌＮ系超格子バッファ層の上に形成された窒化物半導体層とからなる窒化物半導体素子の製造方法であって、前記基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．５≦ｘ≦１）の組成を持つ第１のバッファ層を形成するステップと、前記第１のバッファ層の上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．０１≦ｙ≦０．２）の組成を持つ第２のバッファ層を形成するステップと、前記第１のバッファ層を形成するステップおよび前記第２のバッファ層を形成するステップを交互に繰り返して前記ＡｌＮ系超格子バッファ層を形成するステップと、を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法の発明が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を成膜してバッファ層とする工程、前記バッファ層上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなる下部クラッド層、活性層、上部クラッド層およびキャップ層を順次積層する工程、前記単結晶シリコン基板に垂直にエッチングして、前記バッファ層を露出させる工程、前記キャップ層および前記エッチングにより露出したバッファ層上に電極を形成する工程、およびダイシングまたは劈開によってチップに分離する工程、からなる半導体発光素子の製法の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０６７０７７号公報
【特許文献２】特開平８−６４９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、シリコン基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．５≦ｘ≦１）の組成を持つ第１のバッファ層を形成するステップにおいて、アンモニア等の原料ガスあるいは水素等のキャリアガスによってシリコン基板表面がエッチングされ、シリコン基板表面に凹凸が発生する、としている。
【０００７】
しかし、この凹凸が存在する状態で、新たな窒化物の膜を形成すると、この凹凸に起因する欠陥が窒化物の膜中に発生し、窒化物半導体面上にｍｍオーダーの広い面積の電極を形成したとき、絶縁破壊電圧低下による絶縁破壊不良が多発する。
【０００８】
そこで、シリコン基板上に窒化物半導体層を形成する場合、シリコン基板上に窒化ケイ素の膜を形成するという技術が知られており、この方法によれば、比較的簡易な方法で、窒化物半導体層への転位発生の抑制や、平坦性の向上が図れるとされている。
【０００９】
特許文献２には、チッ素雰囲気中５００〜９００℃で熱処理、単結晶シリコン基板上の表面をチッ化、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁膜を１〜５ｎｍの厚さで形成、その上に気相成長法で窒化物半導体からなる各層を形成、という半導体発光素子の製法が開示されている。
【００１０】
しかし、特許文献２に記載の技術には、シリコン上に窒化ケイ素の膜を形成するにあたり、詳細な保持時間、保持雰囲気のガス種類については具体的な開示がない。このため、窒化物半導体面上にｍｍオーダーの広い面積の電極を形成したときの絶縁破壊電圧低下を、効果的に低減することが困難であった。
【００１１】
これらの課題を鑑み、本発明は、シリコン単結晶基板上に窒化物を堆積させるときに発生する凹凸に起因する、窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に低減することの出来る、窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、前記窒化ケイ素層を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなることを特徴とする。
【００１３】
これにより、絶縁破壊電圧低下が低減された窒化物半導体基板を、簡易かつ効果的に製造することができる。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、第３ステップの還元性ガス含有雰囲気が、還元性ガス３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部は不活性ガスからなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリコン単結晶基板上に窒化物を堆積させるときに発生する凹凸に起因する窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に低減した窒化物半導体基板の作製が可能となる。特に、面積の大きい電極を窒化物半導体層に形成した場合において、より顕著な効果を呈するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の構造を、断面方向から見たときの概念図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の、窒化ケイ素からなる薄膜層の平均厚さと、薄膜層の表層凹凸の最大高低差を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の構造を、断面方向から見たときの概念図である。
【００１８】
本発明は、シリコン単結晶基板１の一主面上に窒化ケイ素層２を形成する工程と、窒化ケイ素層２上に窒化物半導体からなる中間層３を形成する工程と、中間層３上に窒化物半導体からなる活性層４を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板Ｗの製造方法であって、窒化ケイ素層２を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなる。
【００１９】
窒化物半導体基板Ｗの製造方法には、広く公知の製法が適用できるが、優れた成膜制御性と扱いやすさの点で、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が好適である。以下、ＭＯＣＶＤ法での製造工程に準じて説明する。
【００２０】
まず、シリコン単結晶基板１を、ＭＯＣＶＤ装置にセットする。このとき、シリコン単結晶基板１の表面は、自然酸化膜あるいは有機物等が残存しない状態が好ましい。このため、ＭＯＣＶＤ装置にセットする前に、シリコン単結晶基板１を、あらかじめ公知の半導体基板の洗浄方法を適用するとよい。
【００２１】
シリコン単結晶基板１は、窒化物半導体基板Ｗにおける下地基板となる。その口径、厚さ、抵抗、ドーパントタイプ、面方位、表裏面の面仕上げ状態、欠陥密度、酸素濃度、等については、設計される窒化物半導体基板Ｗの仕様に応じて、適時設定してよい。シリコン単結晶基板１の製造方法としては、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法、フローティングゾーン（ＦＺ）法、貼りあわせ法、が挙げられる。
【００２２】
次に、窒化ケイ素層２を形成する工程を行う。まず、第1ステップとして、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ装置にセットされたシリコン単結晶基板１の処理雰囲気は、大気雰囲気から窒素雰囲気に切り替えられる。その切り替えのタイミングは、室温状態でも、あるいは昇温途中でもよいが、後者の場合、６００℃に達する前に窒素雰囲気への置換が完了されることが好ましい。これは、反応室内に残留する酸素や水分が、温度が高いことでシリコンと活発に反応し、次工程の窒化ケイ素層２の形成に悪影響を及ぼす懸念があることによる。
【００２４】
ガス雰囲気は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなることが望ましい。窒素ガスが９０ｖｏｌ％未満では、次工程において、窒化ケイ素層２が、均等な厚さでかつ高品質に形成されないおそれがある。好適には窒素ガス濃度が９８ｖｏｌ％以上、より好適には１００ｖｏｌ％である。
【００２５】
窒素ガスは、例えば、純度９９．９９９％以上の半導体製造用高純度窒素ガスが好適である。なお、窒素ガス濃度が１００％未満の場合における窒素ガス以外の残部は、不活性ガスが好ましく、一例として、アルゴン、キセノン、クリプトンが挙げられる。
【００２６】
次に、ＭＯＣＶＤ装置にセットされたシリコン単結晶基板１は、室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温される。このとき、シリコン単結晶基板１の表層部が窒素雰囲気下で窒化され、窒化ケイ素層２が形成される。
【００２７】
室温は、厳密に規定されるものではないが、５℃以上３５℃以下の範囲である。
【００２８】
到達温度は、９００℃以上１０００℃以下の範囲、好ましくは、９５０℃以上１０００℃以下である。
【００２９】
到達温度が９００℃未満では、必要とされる窒化ケイ素層２を構成する窒化ケイ素の生成が不十分となるおそれがある。１０００℃を越えると、成長速度が必要以上に速くなり、窒化ケイ素が、シリコン単結晶基板１の一主面における平面方向に対して、均等に成膜せず、その結果、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差が増大する懸念がある。
【００３０】
なお、窒化ケイ素層２の表層凹凸とその最大高低差については、図２および実施例で説明する。
【００３１】
ここで、昇温には、１０分以上２００分以下の時間をかけることが望ましい。この範囲であると、シリコン単結晶基板１の表層部にあるシリコン原子と窒素分子とが反応して、窒化ケイ素が生成する成長速度は非常に遅くなり、極端に大きい表層凹凸が生成しにくい。
【００３２】
昇温時間が１０分未満では、昇温速度が速すぎて、窒化ケイ素層２が、シリコン単結晶基板１上の全面に対して、均等な膜厚で生成されにくい。その結果として、層の厚さの均一性が低下する。昇温時間が２００分以上では、本発明の温度領域では、窒化ケイ素層２の平均厚さがほとんど増加せず、製造プロセス上の工程ロスに繋がる。
【００３３】
引き続き、第一ステップのガス雰囲気および到達温度のままで、所定時間保持する第２ステップに移る。この第２ステップは、昇温工程の遅い成長速度で生成された窒化ケイ素層２が、シリコン単結晶基板１上で均等な厚さとなるように、必要にして十分な時間保持する、いわゆる層厚の均等化の役目を有する。
【００３４】
第２ステップの保持時間は、１分以上１０分以下であることが望ましい。１分未満では、層厚の均等化の効果が十分得られない。１０分を超えると、窒化ケイ素層２の形成が進行する過程で、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２が大きくなるおそれがある。
【００３５】
第２ステップに続いて、雰囲気を、還元性ガス含有雰囲気に変更して所定時間保持する第３ステップが実施される。還元性ガスが存在することにより、窒化ケイ素層２の表層凹凸を埋めるように、窒化ケイ素分子が移動するのを促進する作用が引き起こされる。
【００３６】
よって、第２ステップのみで窒化ケイ素を形成する場合と比べて、より一層表層凹凸が低減される。また、必要以上の膜厚増加が生じないので、シリコン単結晶基板１の結晶面方位情報が、上方に形成される窒化物半導体に対して、より的確に伝えられる。
【００３７】
還元性ガス含有雰囲気は、還元性ガスが３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部が不活性ガスであることが望ましい。還元性ガスが３０ｖｏｌ％未満では、還元性ガス不足で、窒化ケイ素分子の移動を促進する作用が十分発揮されない懸念がある。一方、還元性ガスが７０ｖｏｌ％を越えると、還元性ガス過多になり、窒化ケイ素分子の移動を促進する作用が過大になり、表層凹凸が大きくなる懸念がある。
【００３８】
還元性ガスは、高純度品が入手容易で取扱いも周知である点から、水素が好ましい。例えば、純度９９．９９９％以上の半導体製造用高純度水素ガスが挙げられる。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴン、キセノン、クリプトン等が挙げられる。
【００３９】
なお、第３ステップにおける保持時間は、１分以上１０分以下であることが望ましい。１分未満では、均一な成膜が行われず、１０分を超えると、膜厚が厚いことによる表層凹凸の増大が懸念されるためである。
【００４０】
さらに、還元性ガス含有雰囲気での保持温度は、第１ステップの到達温度から、±５０℃の範囲で温度を変更してから実施してもよい。この範囲内であれば、本発明の混合ガス雰囲気での保持効果が、著しく損なわれるおそれはないからである。
【００４１】
続いて、第３ステップが終了したシリコン単結晶基板１の一主面上に、窒化物半導体からなる中間層３を気相成長法にて少なくとも１層形成する。そして、中間層３上に、窒化物半導体層からなる活性層４を、少なくとも１層以上形成する。ここでは、設計されるデバイスの仕様に合わせて、任意の組成、厚さ、層数の窒化物半導体層を形成してよい。
【００４２】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で製造された窒化物半導体基板Ｗは、図１に示すように、シリコン単結晶基板１の一主面上に窒化ケイ素層２が形成され、その上には、少なくとも１層の窒化物半導体からなる中間層３と、中間層３上に少なくとも１層の窒化物半導体からなる活性層４を備える。中間層３と活性層４は、作製する製品の目的や仕様に応じて、広く公知の窒化物半導体基板の構成を適用できる。
【００４３】
窒化ケイ素層２は、シリコン単結晶基板１の一主表面に対して、窒化物半導体層を気相成長法などの手段で形成する際に生じる、微小な表層凹凸の発生を抑制する。この表層凹凸が大きいと、窒化物半導体基板Ｗの絶縁破壊電圧の低下を招く。
【００４４】
窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが望ましい。１ｎｍ以下では、表層凹凸発生を抑制する効果が不十分である。しかし、３ｎｍを超えると、シリコン単結晶基板１の結晶情報が、中間層３および活性層４に正確に伝播されず、中間層３および活性層４の結晶性が損なわれる懸念がある。
【００４５】
窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２は、０．３ｎｍ以下であることが望ましい。これは、完全に平坦な窒化ケイ素の層が理想であるが、実際にはその実現が困難であることを考慮し、実用上窒化ケイ素１分子径なら、その上に形成する中間層３の平坦性確保には問題のないレベルであるとする。それでも、Ｔ２が０．３ｎｍを超えると、絶縁破壊電圧の低下が大きくなるおそれがある。
【００４６】
なお、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２は、絶対値が０．３ｎｍ近辺という表層凹凸としては非常に小さい値であるにもかかわらず、絶縁破壊電圧に非常に敏感に作用する。この点を考慮して、本発明の窒化物半導体基板Ｗは、窒化ケイ素層２の厚さと表層凹凸を低く抑えて設計される。
【００４７】
以上のとおり、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によれば、シリコン単結晶基板上に、窒化物半導体を堆積させるときに発生する表層凹凸に起因する、窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に抑制することが可能となる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
【００４９】
[実施例１]
ＣＺ法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、比抵抗２５Ωｃｍの、Ｎタイプシリコン単結晶基板１を準備し、この一主面に対して、窒化ケイ素層２と中間層３、および活性層４を、ＭＯＣＶＤ法により積層して、評価用窒化物半導体基板を作製した。
【００５０】
まず、シリコン単結晶基板１を、室温でＭＯＣＶＤ装置にセットし、窒素ガス１００％に置換した後、９５０℃まで３０分の時間をかけて、一定の昇温速度にて昇温し、９５０℃で５分保持した。このときの窒素ガス流量は、６リットル／分とした。
【００５１】
引き続き、窒素ガス１００％から、窒素ガス５０ｖｏｌと％水素ガス５０ｖｏｌ％の混合ガス雰囲気に置換したのち、温度はそのままにして５分間保持した。このようにして、窒化ケイ素層２をシリコン単結晶基板１の一主面上に形成した。
【００５２】
次に、窒化ケイ素層２上に、以下の内容で中間層３を形成した。原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびアンモニア（ＮＨ３）を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層を積層させた。続けて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させた。前記ＡｌＮ単結晶層およびＧａＮ単結晶層を同様の工程にて交互に繰り返し、積層数を５０として、多層バッファ領域を形成した。このようにした多層バッファ領域を中間層３とした。
【００５３】
中間層３上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させた。これを活性層４とした。
【００５４】
以上の工程を経て、実施例１の評価用窒化物半導体基板を作製した。なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。
【００５５】
実施例１の評価用窒化物半導体基板の中央１点について、窒化ケイ素層２の形成直後に、エリプソメトリを用いて、窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１を測定した。
【００５６】
ここで、窒化ケイ素層２の平均厚さは図２のＴ１に、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差は図２のＴ２に、それぞれ相当する。Ｔ１とＴ２の測定、評価方法としては、窒化物半導体基板Ｗを直径方向に対して劈開し、その断面を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で測定する手法を好適に用いることができる。以下に、その評価例を示す。
【００５７】
窒化物半導体基板Ｗの、主面の中心点を含む領域から、径方向に測定箇所１ｍｍ幅を有した短冊状のサンプルを劈開して切り出す。そして、サンプルの断面をＡＦＭで観察し、シリコン単結晶基板１と中間層３の界面に存在する、窒化ケイ素層２の断面方向の距離を計測する。
【００５８】
計測箇所は、測定箇所１ｍｍ幅を均等に５分割した箇所とする。このときのＡＦＭ観察範囲Ｔ３は、径方向に５００ｎｍから２０００ｎｍをとる。なお、この計測箇所、分割ピッチ、測定範囲は、測定精度やサンプルの状態、評価仕様に応じて、適時変更してよい。
【００５９】
ＡＦＭ観察範囲Ｔ３において、シリコン単結晶基板１と薄膜層２の境界にラインＬ１を引く。そして、窒化ケイ素層２と中間層３の境界近傍において、目視で観察できる範囲で、表層凹凸を平均化したラインＬ２を引く。このようにして得られたＬ１とＬ２の距離Ｔ１を、中心部と外周部それぞれの箇所における窒化ケイ素層２の平均厚さとする。
【００６０】
あるいは、窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１は、薄膜層２が形成された直後に、ＭＯＣＶＤ装置にインラインで膜厚保測定装置、好適にはエリプソメトリで評価してもよい。
【００６１】
また、ＡＦＭ観察範囲Ｔ３内において、観察される限度において窒化ケイ素層２の厚さが最大の箇所と、最小の箇所を選択し、Ｌ１と平行な仮想ラインＬ３、Ｌ４を、図２に示すように設定する。そして、Ｌ３とＬ４との距離Ｔ２のうち、ＡＦＭ観察範囲Ｔ３内において最大の値を、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差とする。
【００６２】
なお、サンプルを切り出す箇所は、窒化物半導体基板Ｗの主面中心点を含む領域以外の、任意の箇所を複数選択してもよい。
【００６３】
実施例１の評価用窒化物半導体基板の中央１点から、幅１ｍｍ角の切片を切り出し、任意の１辺について、切片の断面部２０００ｎｍをＡＦＭ観察して、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２を測定した。
【００６４】
評価用窒化物半導体基板の一主表面上に、直径２ｍｍのＡｕ電極箔を、中心点を通る十字線上に対して、中心に１枚、３ｍｍピッチで縦横各２枚、計９枚を蒸着した。評価用窒化物半導体基板の裏面と、各電極箔との間に、市販のプローブ装置と電界印加、測定回路を有する装置を用いて、６００Ｖの電界を印加して、絶縁破壊の有無を確認した。
【００６５】
実施例１は、平均厚さＴ１が１．５ｎｍ、表層凹凸の最大高低差Ｔ２が０．２ｎｍであった。すなわち、還元性ガスを含む追加熱処理による、表層凹凸の低減がみられた。また、絶縁破壊不良も、９枚全ての電極で発生していなかった。
【００６６】
[比較例１]
窒化ケイ素層２を形成せず、その他は実施例１と同様に作製、評価した評価用窒化物半導体基板を比較例１とした。
【００６７】
比較例１の評価用窒化物半導体基板は、電極９枚のうち、８枚が絶縁破壊不良を示した。このことから、窒化ケイ素層２の効果が顕著に現れていることが確認できた。
【００６８】
[比較例２]
第３ステップを省略して、その他は実施例１と同様に作製、評価した評価用窒化物半導体基板を比較例２とした。
【００６９】
比較例２の評価用窒化物半導体基板は、５枚の電極で絶縁破壊不良が発生した。また、平均厚さＴ１が１．８ｎｍ、表層凹凸の最大高低差Ｔ２が０．３ｎｍであり、表層凹凸が実施例１と比べて大きいものであった。
【００７０】
[実施例２〜９、比較例３〜５]表１の内容で製造条件を変更し、その他の製造条件、評価方法は実施例１に準じた。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１より、本発明の実施範囲を外れた場合は、絶縁破壊不良の発生数が９枚中５枚以上、または、窒化ケイ素層２の膜厚均一性の低下、凹凸増大がみられ、本発明の実施範囲に比べて劣るものであった。
【００７３】
また、第３ステップの還元性ガスの濃度が、本発明のより好ましい範囲を外れると、絶縁破壊不良の発生数が９枚中２枚となり、本発明の実施範囲外よりは良好であるが、若干見劣りするものであった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速・高温での動作可能な電子素子等に用いられる窒化物半導体基板として好適である。また、さまざま材料のヘテロエピタキシャル成長における、基板の平坦性を向上させる方法に応用できる。
【符号の説明】
【００７５】
Ｗ 窒化物半導体基板
１ シリコン単結晶基板
２ 窒化ケイ素層
３ 窒化物半導体からなる中間層
４ 窒化物半導体からなる活性層
Ｌ１ シリコン単結晶基板１と薄膜層２の境界ライン
Ｌ２ 薄膜層２の凹凸を平均化したライン
Ｌ３ 薄膜層２の厚さが最大の箇所を仮想したＬ１と平行な仮想ライン
Ｌ４ 薄膜層２の厚さが最小の箇所を仮想したＬ１と平行な仮想ライン
Ｔ１ 薄膜層２の平均厚さ
Ｔ２ 薄膜層２の表層凹凸の最大高低差
Ｔ３ ＡＦＭ観察範囲
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス用の窒化物半導体に用いられる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代電子デバイス材料として期待されている窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体の製造方法の一例として、大口径化や低コスト化に有利といわれる、シリコン単結晶基板上に窒化物半導体を形成する方法があり、その製造方法もいくつか知られている。
【０００３】
特許文献１には、基板と、前記基板上に形成されたＡｌＮ系超格子バッファ層と、前記ＡｌＮ系超格子バッファ層の上に形成された窒化物半導体層とからなる窒化物半導体素子の製造方法であって、前記基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．５≦ｘ≦１）の組成を持つ第１のバッファ層を形成するステップと、前記第１のバッファ層の上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．０１≦ｙ≦０．２）の組成を持つ第２のバッファ層を形成するステップと、前記第１のバッファ層を形成するステップおよび前記第２のバッファ層を形成するステップを交互に繰り返して前記ＡｌＮ系超格子バッファ層を形成するステップと、を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法の発明が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を成膜してバッファ層とする工程、前記バッファ層上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなる下部クラッド層、活性層、上部クラッド層およびキャップ層を順次積層する工程、前記単結晶シリコン基板に垂直にエッチングして、前記バッファ層を露出させる工程、前記キャップ層および前記エッチングにより露出したバッファ層上に電極を形成する工程、およびダイシングまたは劈開によってチップに分離する工程、からなる半導体発光素子の製法の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０６７０７７号公報
【特許文献２】特開平８−６４９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、シリコン基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．５≦ｘ≦１）の組成を持つ第１のバッファ層を形成するステップにおいて、アンモニア等の原料ガスあるいは水素等のキャリアガスによってシリコン基板表面がエッチングされ、シリコン基板表面に凹凸が発生する、としている。
【０００７】
しかし、この凹凸が存在する状態で、新たな窒化物の膜を形成すると、この凹凸に起因する欠陥が窒化物の膜中に発生し、窒化物半導体面上にｍｍオーダーの広い面積の電極を形成したとき、絶縁破壊電圧低下による絶縁破壊不良が多発する。
【０００８】
そこで、シリコン基板上に窒化物半導体層を形成する場合、シリコン基板上に窒化ケイ素の膜を形成するという技術が知られており、この方法によれば、比較的簡易な方法で、窒化物半導体層への転位発生の抑制や、平坦性の向上が図れるとされている。
【０００９】
特許文献２には、チッ素雰囲気中５００〜９００℃で熱処理、単結晶シリコン基板上の表面をチッ化、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁膜を１〜５ｎｍの厚さで形成、その上に気相成長法で窒化物半導体からなる各層を形成、という半導体発光素子の製法が開示されている。
【００１０】
しかし、特許文献２に記載の技術には、シリコン上に窒化ケイ素の膜を形成するにあたり、詳細な保持時間、保持雰囲気のガス種類については具体的な開示がない。このため、窒化物半導体面上にｍｍオーダーの広い面積の電極を形成したときの絶縁破壊電圧低下を、効果的に低減することが困難であった。
【００１１】
これらの課題を鑑み、本発明は、シリコン単結晶基板上に窒化物を堆積させるときに発生する凹凸に起因する、窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に低減することの出来る、窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、前記窒化ケイ素層を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなることを特徴とする。
【００１３】
これにより、絶縁破壊電圧低下が低減された窒化物半導体基板を、簡易かつ効果的に製造することができる。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、第３ステップの還元性ガス含有雰囲気が、還元性ガス３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部は不活性ガスからなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリコン単結晶基板上に窒化物を堆積させるときに発生する凹凸に起因する窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に低減した窒化物半導体基板の作製が可能となる。特に、面積の大きい電極を窒化物半導体層に形成した場合において、より顕著な効果を呈するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の構造を、断面方向から見たときの概念図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の、窒化ケイ素からなる薄膜層の平均厚さと、薄膜層の表層凹凸の最大高低差を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で作製された窒化物半導体基板の構造を、断面方向から見たときの概念図である。
【００１８】
本発明は、シリコン単結晶基板１の一主面上に窒化ケイ素層２を形成する工程と、窒化ケイ素層２上に窒化物半導体からなる中間層３を形成する工程と、中間層３上に窒化物半導体からなる活性層４を形成する工程と、を含む窒化物半導体基板Ｗの製造方法であって、窒化ケイ素層２を形成する工程は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、からなる。
【００１９】
窒化物半導体基板Ｗの製造方法には、広く公知の製法が適用できるが、優れた成膜制御性と扱いやすさの点で、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が好適である。以下、ＭＯＣＶＤ法での製造工程に準じて説明する。
【００２０】
まず、シリコン単結晶基板１を、ＭＯＣＶＤ装置にセットする。このとき、シリコン単結晶基板１の表面は、自然酸化膜あるいは有機物等が残存しない状態が好ましい。このため、ＭＯＣＶＤ装置にセットする前に、シリコン単結晶基板１を、あらかじめ公知の半導体基板の洗浄方法を適用するとよい。
【００２１】
シリコン単結晶基板１は、窒化物半導体基板Ｗにおける下地基板となる。その口径、厚さ、抵抗、ドーパントタイプ、面方位、表裏面の面仕上げ状態、欠陥密度、酸素濃度、等については、設計される窒化物半導体基板Ｗの仕様に応じて、適時設定してよい。シリコン単結晶基板１の製造方法としては、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法、フローティングゾーン（ＦＺ）法、貼りあわせ法、が挙げられる。
【００２２】
次に、窒化ケイ素層２を形成する工程を行う。まず、第1ステップとして、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ装置にセットされたシリコン単結晶基板１の処理雰囲気は、大気雰囲気から窒素雰囲気に切り替えられる。その切り替えのタイミングは、室温状態でも、あるいは昇温途中でもよいが、後者の場合、６００℃に達する前に窒素雰囲気への置換が完了されることが好ましい。これは、反応室内に残留する酸素や水分が、温度が高いことでシリコンと活発に反応し、次工程の窒化ケイ素層２の形成に悪影響を及ぼす懸念があることによる。
【００２４】
ガス雰囲気は、窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなることが望ましい。窒素ガスが９０ｖｏｌ％未満では、次工程において、窒化ケイ素層２が、均等な厚さでかつ高品質に形成されないおそれがある。好適には窒素ガス濃度が９８ｖｏｌ％以上、より好適には１００ｖｏｌ％である。
【００２５】
窒素ガスは、例えば、純度９９．９９９％以上の半導体製造用高純度窒素ガスが好適である。なお、窒素ガス濃度が１００％未満の場合における窒素ガス以外の残部は、不活性ガスが好ましく、一例として、アルゴン、キセノン、クリプトンが挙げられる。
【００２６】
次に、ＭＯＣＶＤ装置にセットされたシリコン単結晶基板１は、室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温される。このとき、シリコン単結晶基板１の表層部が窒素雰囲気下で窒化され、窒化ケイ素層２が形成される。
【００２７】
室温は、厳密に規定されるものではないが、５℃以上３５℃以下の範囲である。
【００２８】
到達温度は、９００℃以上１０００℃以下の範囲、好ましくは、９５０℃以上１０００℃以下である。
【００２９】
到達温度が９００℃未満では、必要とされる窒化ケイ素層２を構成する窒化ケイ素の生成が不十分となるおそれがある。１０００℃を越えると、成長速度が必要以上に速くなり、窒化ケイ素が、シリコン単結晶基板１の一主面における平面方向に対して、均等に成膜せず、その結果、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差が増大する懸念がある。
【００３０】
なお、窒化ケイ素層２の表層凹凸とその最大高低差については、図２および実施例で説明する。
【００３１】
ここで、昇温には、１０分以上２００分以下の時間をかけることが望ましい。この範囲であると、シリコン単結晶基板１の表層部にあるシリコン原子と窒素分子とが反応して、窒化ケイ素が生成する成長速度は非常に遅くなり、極端に大きい表層凹凸が生成しにくい。
【００３２】
昇温時間が１０分未満では、昇温速度が速すぎて、窒化ケイ素層２が、シリコン単結晶基板１上の全面に対して、均等な膜厚で生成されにくい。その結果として、層の厚さの均一性が低下する。昇温時間が２００分以上では、本発明の温度領域では、窒化ケイ素層２の平均厚さがほとんど増加せず、製造プロセス上の工程ロスに繋がる。
【００３３】
引き続き、第一ステップのガス雰囲気および到達温度のままで、所定時間保持する第２ステップに移る。この第２ステップは、昇温工程の遅い成長速度で生成された窒化ケイ素層２が、シリコン単結晶基板１上で均等な厚さとなるように、必要にして十分な時間保持する、いわゆる層厚の均等化の役目を有する。
【００３４】
第２ステップの保持時間は、１分以上１０分以下であることが望ましい。１分未満では、層厚の均等化の効果が十分得られない。１０分を超えると、窒化ケイ素層２の形成が進行する過程で、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２が大きくなるおそれがある。
【００３５】
第２ステップに続いて、雰囲気を、還元性ガス含有雰囲気に変更して所定時間保持する第３ステップが実施される。還元性ガスが存在することにより、窒化ケイ素層２の表層凹凸を埋めるように、窒化ケイ素分子が移動するのを促進する作用が引き起こされる。
【００３６】
よって、第２ステップのみで窒化ケイ素を形成する場合と比べて、より一層表層凹凸が低減される。また、必要以上の膜厚増加が生じないので、シリコン単結晶基板１の結晶面方位情報が、上方に形成される窒化物半導体に対して、より的確に伝えられる。
【００３７】
還元性ガス含有雰囲気は、還元性ガスが３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部が不活性ガスであることが望ましい。還元性ガスが３０ｖｏｌ％未満では、還元性ガス不足で、窒化ケイ素分子の移動を促進する作用が十分発揮されない懸念がある。一方、還元性ガスが７０ｖｏｌ％を越えると、還元性ガス過多になり、窒化ケイ素分子の移動を促進する作用が過大になり、表層凹凸が大きくなる懸念がある。
【００３８】
還元性ガスは、高純度品が入手容易で取扱いも周知である点から、水素が好ましい。例えば、純度９９．９９９％以上の半導体製造用高純度水素ガスが挙げられる。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴン、キセノン、クリプトン等が挙げられる。
【００３９】
なお、第３ステップにおける保持時間は、１分以上１０分以下であることが望ましい。１分未満では、均一な成膜が行われず、１０分を超えると、膜厚が厚いことによる表層凹凸の増大が懸念されるためである。
【００４０】
さらに、還元性ガス含有雰囲気での保持温度は、第１ステップの到達温度から、±５０℃の範囲で温度を変更してから実施してもよい。この範囲内であれば、本発明の混合ガス雰囲気での保持効果が、著しく損なわれるおそれはないからである。
【００４１】
続いて、第３ステップが終了したシリコン単結晶基板１の一主面上に、窒化物半導体からなる中間層３を気相成長法にて少なくとも１層形成する。そして、中間層３上に、窒化物半導体層からなる活性層４を、少なくとも１層以上形成する。ここでは、設計されるデバイスの仕様に合わせて、任意の組成、厚さ、層数の窒化物半導体層を形成してよい。
【００４２】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法で製造された窒化物半導体基板Ｗは、図１に示すように、シリコン単結晶基板１の一主面上に窒化ケイ素層２が形成され、その上には、少なくとも１層の窒化物半導体からなる中間層３と、中間層３上に少なくとも１層の窒化物半導体からなる活性層４を備える。中間層３と活性層４は、作製する製品の目的や仕様に応じて、広く公知の窒化物半導体基板の構成を適用できる。
【００４３】
窒化ケイ素層２は、シリコン単結晶基板１の一主表面に対して、窒化物半導体層を気相成長法などの手段で形成する際に生じる、微小な表層凹凸の発生を抑制する。この表層凹凸が大きいと、窒化物半導体基板Ｗの絶縁破壊電圧の低下を招く。
【００４４】
窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが望ましい。１ｎｍ以下では、表層凹凸発生を抑制する効果が不十分である。しかし、３ｎｍを超えると、シリコン単結晶基板１の結晶情報が、中間層３および活性層４に正確に伝播されず、中間層３および活性層４の結晶性が損なわれる懸念がある。
【００４５】
窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２は、０．３ｎｍ以下であることが望ましい。これは、完全に平坦な窒化ケイ素の層が理想であるが、実際にはその実現が困難であることを考慮し、実用上窒化ケイ素１分子径なら、その上に形成する中間層３の平坦性確保には問題のないレベルであるとする。それでも、Ｔ２が０．３ｎｍを超えると、絶縁破壊電圧の低下が大きくなるおそれがある。
【００４６】
なお、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２は、絶対値が０．３ｎｍ近辺という表層凹凸としては非常に小さい値であるにもかかわらず、絶縁破壊電圧に非常に敏感に作用する。この点を考慮して、本発明の窒化物半導体基板Ｗは、窒化ケイ素層２の厚さと表層凹凸を低く抑えて設計される。
【００４７】
以上のとおり、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によれば、シリコン単結晶基板上に、窒化物半導体を堆積させるときに発生する表層凹凸に起因する、窒化物半導体層の絶縁破壊電圧低下を、簡易かつ効果的に抑制することが可能となる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
【００４９】
[実施例１]
ＣＺ法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、比抵抗２５Ωｃｍの、Ｎタイプシリコン単結晶基板１を準備し、この一主面に対して、窒化ケイ素層２と中間層３、および活性層４を、ＭＯＣＶＤ法により積層して、評価用窒化物半導体基板を作製した。
【００５０】
まず、シリコン単結晶基板１を、室温でＭＯＣＶＤ装置にセットし、窒素ガス１００％に置換した後、９５０℃まで３０分の時間をかけて、一定の昇温速度にて昇温し、９５０℃で５分保持した。このときの窒素ガス流量は、６リットル／分とした。
【００５１】
引き続き、窒素ガス１００％から、窒素ガス５０ｖｏｌと％水素ガス５０ｖｏｌ％の混合ガス雰囲気に置換したのち、温度はそのままにして５分間保持した。このようにして、窒化ケイ素層２をシリコン単結晶基板１の一主面上に形成した。
【００５２】
次に、窒化ケイ素層２上に、以下の内容で中間層３を形成した。原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびアンモニア（ＮＨ３）を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層を積層させた。続けて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させた。前記ＡｌＮ単結晶層およびＧａＮ単結晶層を同様の工程にて交互に繰り返し、積層数を５０として、多層バッファ領域を形成した。このようにした多層バッファ領域を中間層３とした。
【００５３】
中間層３上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させた。これを活性層４とした。
【００５４】
以上の工程を経て、実施例１の評価用窒化物半導体基板を作製した。なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。
【００５５】
実施例１の評価用窒化物半導体基板の中央１点について、窒化ケイ素層２の形成直後に、エリプソメトリを用いて、窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１を測定した。
【００５６】
ここで、窒化ケイ素層２の平均厚さは図２のＴ１に、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差は図２のＴ２に、それぞれ相当する。Ｔ１とＴ２の測定、評価方法としては、窒化物半導体基板Ｗを直径方向に対して劈開し、その断面を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で測定する手法を好適に用いることができる。以下に、その評価例を示す。
【００５７】
窒化物半導体基板Ｗの、主面の中心点を含む領域から、径方向に測定箇所１ｍｍ幅を有した短冊状のサンプルを劈開して切り出す。そして、サンプルの断面をＡＦＭで観察し、シリコン単結晶基板１と中間層３の界面に存在する、窒化ケイ素層２の断面方向の距離を計測する。
【００５８】
計測箇所は、測定箇所１ｍｍ幅を均等に５分割した箇所とする。このときのＡＦＭ観察範囲Ｔ３は、径方向に５００ｎｍから２０００ｎｍをとる。なお、この計測箇所、分割ピッチ、測定範囲は、測定精度やサンプルの状態、評価仕様に応じて、適時変更してよい。
【００５９】
ＡＦＭ観察範囲Ｔ３において、シリコン単結晶基板１と薄膜層２の境界にラインＬ１を引く。そして、窒化ケイ素層２と中間層３の境界近傍において、目視で観察できる範囲で、表層凹凸を平均化したラインＬ２を引く。このようにして得られたＬ１とＬ２の距離Ｔ１を、中心部と外周部それぞれの箇所における窒化ケイ素層２の平均厚さとする。
【００６０】
あるいは、窒化ケイ素層２の平均厚さＴ１は、薄膜層２が形成された直後に、ＭＯＣＶＤ装置にインラインで膜厚保測定装置、好適にはエリプソメトリで評価してもよい。
【００６１】
また、ＡＦＭ観察範囲Ｔ３内において、観察される限度において窒化ケイ素層２の厚さが最大の箇所と、最小の箇所を選択し、Ｌ１と平行な仮想ラインＬ３、Ｌ４を、図２に示すように設定する。そして、Ｌ３とＬ４との距離Ｔ２のうち、ＡＦＭ観察範囲Ｔ３内において最大の値を、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差とする。
【００６２】
なお、サンプルを切り出す箇所は、窒化物半導体基板Ｗの主面中心点を含む領域以外の、任意の箇所を複数選択してもよい。
【００６３】
実施例１の評価用窒化物半導体基板の中央１点から、幅１ｍｍ角の切片を切り出し、任意の１辺について、切片の断面部２０００ｎｍをＡＦＭ観察して、窒化ケイ素層２の表層凹凸の最大高低差Ｔ２を測定した。
【００６４】
評価用窒化物半導体基板の一主表面上に、直径２ｍｍのＡｕ電極箔を、中心点を通る十字線上に対して、中心に１枚、３ｍｍピッチで縦横各２枚、計９枚を蒸着した。評価用窒化物半導体基板の裏面と、各電極箔との間に、市販のプローブ装置と電界印加、測定回路を有する装置を用いて、６００Ｖの電界を印加して、絶縁破壊の有無を確認した。
【００６５】
実施例１は、平均厚さＴ１が１．５ｎｍ、表層凹凸の最大高低差Ｔ２が０．２ｎｍであった。すなわち、還元性ガスを含む追加熱処理による、表層凹凸の低減がみられた。また、絶縁破壊不良も、９枚全ての電極で発生していなかった。
【００６６】
[比較例１]
窒化ケイ素層２を形成せず、その他は実施例１と同様に作製、評価した評価用窒化物半導体基板を比較例１とした。
【００６７】
比較例１の評価用窒化物半導体基板は、電極９枚のうち、８枚が絶縁破壊不良を示した。このことから、窒化ケイ素層２の効果が顕著に現れていることが確認できた。
【００６８】
[比較例２]
第３ステップを省略して、その他は実施例１と同様に作製、評価した評価用窒化物半導体基板を比較例２とした。
【００６９】
比較例２の評価用窒化物半導体基板は、５枚の電極で絶縁破壊不良が発生した。また、平均厚さＴ１が１．８ｎｍ、表層凹凸の最大高低差Ｔ２が０．３ｎｍであり、表層凹凸が実施例１と比べて大きいものであった。
【００７０】
[実施例２〜９、比較例３〜５]表１の内容で製造条件を変更し、その他の製造条件、評価方法は実施例１に準じた。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１より、本発明の実施範囲を外れた場合は、絶縁破壊不良の発生数が９枚中５枚以上、または、窒化ケイ素層２の膜厚均一性の低下、凹凸増大がみられ、本発明の実施範囲に比べて劣るものであった。
【００７３】
また、第３ステップの還元性ガスの濃度が、本発明のより好ましい範囲を外れると、絶縁破壊不良の発生数が９枚中２枚となり、本発明の実施範囲外よりは良好であるが、若干見劣りするものであった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速・高温での動作可能な電子素子等に用いられる窒化物半導体基板として好適である。また、さまざま材料のヘテロエピタキシャル成長における、基板の平坦性を向上させる方法に応用できる。
【符号の説明】
【００７５】
Ｗ 窒化物半導体基板
１ シリコン単結晶基板
２ 窒化ケイ素層
３ 窒化物半導体からなる中間層
４ 窒化物半導体からなる活性層
Ｌ１ シリコン単結晶基板１と薄膜層２の境界ライン
Ｌ２ 薄膜層２の凹凸を平均化したライン
Ｌ３ 薄膜層２の厚さが最大の箇所を仮想したＬ１と平行な仮想ライン
Ｌ４ 薄膜層２の厚さが最小の箇所を仮想したＬ１と平行な仮想ライン
Ｔ１ 薄膜層２の平均厚さ
Ｔ２ 薄膜層２の表層凹凸の最大高低差
Ｔ３ ＡＦＭ観察範囲
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、
前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、
前記窒化ケイ素層を形成する工程は、
窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、
前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、
その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、
からなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
第３ステップの還元性ガス含有雰囲気が、還元性ガス３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部は不活性ガスからなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１】
シリコン単結晶基板の一主面上に窒化ケイ素層を形成する工程と、
前記窒化ケイ素層上に窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
を含む窒化物半導体基板の製造方法であって、
前記窒化ケイ素層を形成する工程は、
窒素ガスが９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下で残部は前記窒素ガス以外の不活性ガスからなるガス雰囲気にて室温から９００℃以上１０００℃以下の到達温度まで昇温する第１ステップと、
前記ガス雰囲気と前記到達温度のままで所定時間保持する第２ステップと、
その後還元性ガス含有雰囲気に切り替えて所定時間保持する第３ステップと、
からなることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
第３ステップの還元性ガス含有雰囲気が、還元性ガス３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で残部は不活性ガスからなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−３３８８７（Ｐ２０１３−３３８８７Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７００１０（Ｐ２０１１−１７００１０）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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