窒化物半導体形成用基板及び窒化物半導体
【課題】窒化物半導体形成に好適な、シリコンウェーハをベースとした安価な形成用基板を提供することである。また、厚膜の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させた場合でも、各材料間の格子定数差および熱膨張係数差から生じる、反り・クラックの発生を低減し、機械的強度や、熱的強度に優れた窒化物半導体形成用基板を提供すること。
【解決手段】ボロンとゲルマニウムとが特定濃度でドープされており、好ましくはボロンとゲルマニウムの濃度比において、ゲルマニウムの濃度をボロンの濃度の５〜８倍と制御したシリコンウェーハ。
【解決手段】ボロンとゲルマニウムとが特定濃度でドープされており、好ましくはボロンとゲルマニウムの濃度比において、ゲルマニウムの濃度をボロンの濃度の５〜８倍と制御したシリコンウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体形成用基板に関し、詳しくは、基板上に窒化物半導体皮膜を形成した場合にも、該皮膜に生じる反りと応力を低減でき、良好な窒化物半導体を与える窒化物半導体形成用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体として、例えばＧａＮ、ＡｌＮに代表される窒化物半導体は、シリコン半導体と比較して、高移動度、発光特性、高バンドギャップ、高絶縁破壊電界等を有するので、電子デバイス（例えば高周波・高出力デバイス）、及び光デバイス（例えばレーザーダイオード、発光ダイオード）への使用が注目されている。
しかしながら、窒化物半導体のバルク結晶成長はコスト、技術的な面で問題があるため、シリコン基板上に窒化物半導体単結晶をヘテロエピタキシャル成長させた窒化物系化合物半導体に研究が加速されている。
【０００３】
通常、窒化物半導体を用いた電子デバイスは、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、サファイヤ、ＺｎＯ又はシリコンからなる基板を用いて作製されている。特に、シリコンからなる基板は大口径のものが安価で入手できるため、電子デバイス用の基板として非常に有効である。
しかしながら、シリコンとＧａＮなどの窒化物半導体では格子定数および熱膨張係数に非常に大きな差があるため、シリコン基板上に窒化物半導体層を直接エピタキシャル成長させると、窒化物半導体層に大きな引張り歪みが内在することになり、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板全体に凹形状の反りが発生したり結晶性が悪化したりする原因となる。さらに内在する歪みが大きいと窒化物半導体層中にクラックが発生する。
【０００４】
このようにシリコン基板上の窒化物半導体のエピタキシャル成長は、各々が格子定数、熱膨張係数が異なるヘテロエピタキシャル成長のため、成膜後の反り、クラックが大きく、結晶欠陥が少なく且つ厚い窒化物半導体エピタキシャル層を成長させることは、シリコン基板使用上の大きな問題点であった。
【０００５】
特許文献１には、シリコンエピタキシャル層を形成するためのシリコンウェーハとして、ボロンとゲルマニウムとが添加されたシリコン単結晶インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハが開示されている。
しかしながら、該文献に開示されているシリコンウェーハは、あくまでもシリコンエピタキシャル層を形成するための基板を提供するものであり、ＧａＮ等の窒化物半導体層を形成した際には、依然として反りが大きく生じ、窒化物半導体形成用基板としては不適であることから、窒化物半導体層形成に使用できる窒化物半導体形成用基板が強く要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、窒化物半導体形成用基板を提供することである。
【０００８】
具体的にはＧａＮ等の窒化物半導体形成に好適な、シリコンウェーハをベースとした安価な形成用基板を提供することである。また、格子欠陥の少なくかつ厚膜の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させた場合でも、反り、クラックの発生が低減され、機械的強度や、熱的強度に優れた窒化物半導体形成用基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討した結果、ボロンとゲルマニウムとが特定濃度でドープされており、好ましくはボロンとゲルマニウムの濃度比において、ゲルマニウム濃度をボロンの濃度の５〜８倍と制御したシリコンウェーハを準備し、窒化物半導体層としてＧａＮ層を形成した所、著しく反り量が低減でき、良好な特性の窒化物半導体を提供できることを見出し、本発明の完成に至った。
【００１０】
すなわち本発明は、以下に示すものである。
【００１１】
第１の発明は、窒化物半導体を形成するための半導体基板であって、
シリコン中に、ボロン及びゲルマニウムがドープされてなり、
ボロン及びゲルマニウムの濃度をそれぞれ［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたときに、
以下の条件、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９、
を満たすことを特徴とする窒化物半導体形成用基板である。
【００１２】
第２の発明は、さらに、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすことを特徴とする第１の発明に記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１３】
第３の発明は、１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０、
３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９、
であることを特徴とする第２の発明に記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１４】
第４の発明は、
窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、
その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、
ウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることを特徴とする第１から第３の発明のいずれかにひとつに記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１５】
第５の発明は、
ウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする第１から第４の発明のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１６】
第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかひとつに記載の半導体形成用基板上に、窒化物半導体薄膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、厚膜の窒化物半導体層を形成した際にも、反りならびにクラックが低減された、窒化物半導体用基板を提供することができる。
また、本発明の窒化物半導体は、厚膜の窒化物半導体層が形成されており、窒化物系半導体からなる電子デバイスとして極めて有用である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、シリコンウェーハにゲルマニウム及びボロンが含有されていることを特徴としている。
シリコンウェーハ中に、ゲルマニウムとボロンとがドープされていることで、上層にＧａＮ等の窒化物半導体層を形成した際にも耐熱衝撃性に優れ、反りやクラックの生じない強靭なシリコンウェーハとなる。
【００２０】
（基板）
本発明の窒化物半導体形成用基板は、ボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコン基板である。
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコン基板は、その上に形成する窒化物半導体層の格子定数差による格子歪ならびに熱膨張率差により生じる熱応力歪に伴う反りやクラックを低減し、得られる基板から製造される窒化物半導体からなる電子デバイスの歩留まり向上に資する。
【００２１】
（ボロン）
本発明の窒化物半導体形成用基板中にドープされるボロンの濃度としては、ボロン濃度を［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすると、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９であり、より好ましくは、３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９を満たすものである。
シリコン中にボロンを上記濃度にてドーピングすることで、シリコン結晶中の転位を抑制することができる。
そして、本発明の窒化物半導体用基板であるシリコン基板は、さらにゲルマニウムを共存させることで、シリコン単結晶の機械的強度が高まり、極めて強靭なシリコン単結晶が得られる。
【００２２】
（ゲルマニウム）
ここで、好適なゲルマニウム濃度としては、ゲルマニウムの濃度を［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすると、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０であり、より好ましくは、１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０を満たすものである。
【００２３】
（ゲルマニウムとボロンの濃度関係）
ここで、［Ｂ］で示されるボロン濃度と、［Ｇｅ］で示されるゲルマニウム濃度とは、以下の関係式（１）で示される。
５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］・・・（１）
ここで、ゲルマニウム濃度をボロン濃度の５倍以上とすることは、窒化物半導体層を形成するためのシリコン基板に極めて重要なことである。
すなわちゲルマニウムの濃度が５倍に満たない場合、シリコン基板中に形成されるＧｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が生じにくくなり、熱的強度や転位固着効果が低下し、窒化物半導体層形成時の格子定数差による格子歪ならびに熱膨張率差により生じる熱応力歪によって、基板に反りが生じやすくなる。
また、ゲルマニウム濃度がボロン濃度に対して８倍を超える場合、ゲルマニウムが非常に高価なことから、製造コストが高くなる他に、得られるシリコン基板中の格子ひずみ差が大きくなり、熱的強度や転位固着効果が低下してしまうため、基板の反りが大きくなる場合がある。
従って、ゲルマニウム濃度に対するボロン濃度の適正な比は、ボロン濃度１に対し、ゲルマニウムが５〜８の濃度であり、より好ましくは、６〜８である。
【００２４】
（酸素濃度）
ボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハについては、酸素濃度にも大きく影響を受ける。本発明のウェーハ中の酸素濃度については、９×１０１７〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）の範囲であることが好ましい。
該酸素濃度が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の場合、機械的強度が低下するとともに、Ｇｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が不十分となってしまい、十分な反り抑制効果が得られない場合がある。
一方、１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える場合、ウェーハ中の酸素析出物密度が多くなる場合があり、得られる半導体基板の機械的強度が劣り、反りが大きくなる場合がある。
【００２５】
（窒化物半導体形成用基板の製造方法）
本発明の窒化物半導体基板は以下の方法で製造することができる。
シリコン融液に、所定量のボロン及びゲルマニウムをドープし、ＣＺ法等の通常の単結晶成長法を用いてシリコン単結晶を育成する。
得られたシリコン単結晶からシリコンウェーハをスライスし、各スライスドウェーハに対して、公知の方法で面取り、ラップ、酸エッチング、鏡面研磨等の各工程を施してシリコンウェーハを作製する。
【００２６】
（窒化物半導体の製造方法）
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハ上に、窒化物半導体薄膜を成長、形成させるには、公知の技術を用いることができ、特に限定されない。公知の技術としては、常圧有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、昇華法、液相成長法等が挙げられる。
また、本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハは、種々の窒化物半導体薄膜を成長、形成させることが可能であるが、バッファー層として、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物化合物系半導体層を、公知の技術を用いて形成させ、次に、これらの窒化物化合物系半導体層にて形成されたバッファー層上に、公知の技術を用いてＧａＮ層等の窒化物化合物系半導体層を成長させることが好ましい。
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハは、その上部にＧａＮ層を形成した際にも、格子定数差から生じる格子歪、及び熱膨張率差により生じる応力歪を低減し、窒化物系半導体からなる電子デバイス製造の際に、様々な熱履歴を繰り返しても反りが生じにくく、クラック及び格子歪を低減し、窒化物半導体の歩留まり向上に寄与する。
【００２７】
（評価方法）
（ボロン、ゲルマニウム、酸素濃度の測定）
ボロン濃度、ゲルマニウム濃度および酸素濃度の測定方法としては、以下の方法で測定する。
ボロン、ゲルマニウムの濃度および酸素濃度の測定は、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を使用して測定できる。
（酸素析出物密度の測定法）
（１）酸素析出物を評価する方法として、本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハを作製した後、窒素雰囲気中において８００℃で４時間の熱処理を施し、その後、さらに酸素雰囲気中において１０００℃で１６時間の熱処理を実施する。
（２）評価熱処理で形成された熱酸化膜をＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：１のエッチング液で除去する。
（３）ウェーハを劈開して、ジルトルエッチング液（組成：ＨＦ：ＣｒＯ3（５Ｍ）＝１：１）を用いて該ウェーハの選択エッチングを行う。
（４）倍率５００〜１０００倍の光学顕微鏡を用いて、ウェーハ劈開面の酸素析出物を観察し、単位体積あたりの酸素析出物の個数を計測する。
この評価方法にて、酸素析出物が２．０×１０１０個／ｃｍ３を超える場合、シリコンウェーハ中の酸素析出物の形成密度が過多となり、機械的強度が低下し、ウェーハの反りが大きくなる場合がある。
本評価方法にて酸素析出物密度（個／ｃｍ３）の下限としては１．０×１０７以上であることが好ましい。これ以下の酸素析出物密度であると、シリコン単結晶基板中に必然的に形成され、シリコン単結晶基板の機械的強度を向上させると考えられているＧｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が生じにくくなり、十分な反り抑制効果が得られない場合がある。
（反りの測定方法）
レーザー測長器により、シリコンウェーハの厚み方向において、ウェーハ同一面上におけるウェーハの中心部と外周部の高低差を測定した値を反り量とする。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明について実施例を挙げ、より詳細に説明する。
なお、本発明は、本実施例により何ら限定されるものでない。
【００２９】
実施例１〜６
シリコン融液に、ボロン及びゲルマニウムをドープし、ＣＺ法により６インチの＜１１１＞シリコン単結晶を成長させ、このシリコン単結晶から、ジルトルエッチングによって検出されるシリコンウェーハ内部の酸素析出物を１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満、さらにウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる鏡面シリコンウェーハを、公知の加工方法によって厚さ６２５μｍとして作製した。
【００３０】
ボロン及びゲルマニウムのドープ量を制御しながら種々変え、表１に示すボロン濃度及びゲルマニウム濃度に変えた以外同様にウェーハを準備し、それぞれ実施例１〜６とした。
各シリコンウェーハの鏡面側となる主面に、バッファー層としてＡｌＮ層を形成し、次に窒化物半導体層として、ＧａＮ層を有機金属気相成長法により高温下で成長させ、計４〜６μｍ程度の窒化物半導体層を形成させた。
成長後に室温まで降温し、主面に生じた反り量をレーザー測長器により測定した。
結果を表１に示す。
【００３１】
比較例１〜６
ボロンとゲルマニウムの濃度を表１に示すものに変化させた比較用ウェーハを準備し、それぞれ比較例１〜６とした。各ウェーハについて実施例と同様にＧａＮ層を形成した後、反りを評価した。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１によれば、ボロン濃度が、４．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、ゲルマニウム濃度が、２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］＞［Ｇｅ］のいずれかの場合、ウェーハ主面に生じる反りが大きくなることがわかる。
【００３４】
また、ボロン濃度が、４．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超、ゲルマニウム濃度が、２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、８［Ｂ］＜［Ｇｅ］のいずれかの場合においても、ウェーハ主面に生じる反りが同様に大きくなることがわかる。
【００３５】
ボロン濃度が、４．０×１０１６〜４．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、かつゲルマニウム濃度が、２．５×１０１８〜２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、かつボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たす場合には、ウェーハ主面における反りが効果的に抑制され、優れた機械的強度、強いては反り抑制効果を有していることが確認された。
【００３６】
実験例１
濃度３．０×１０１８〜２．７×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンと、濃度１．５×１０１９〜２．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のゲルマニウムについて、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすようにドープし、ＣＺ法により６インチの＜１１１＞シリコン単結晶を成長させた。
【００３７】
その際、シリコン単結晶を作製する際の酸素濃度を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたもの、および１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超の酸素濃度で作製したものをそれぞれ準備した。
【００３８】
これらのシリコン単結晶から、ジルトルエッチングによって検出されるシリコンウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３から１．０×１０１１個／ｃｍ３となる鏡面シリコンウェーハが得られた。
【００３９】
公知の加工方法によって厚さ６２５μｍのシリコンウェーハを作製し、各シリコンウェーハの鏡面側となる主面に、実施例１〜６と同様に窒化物半導体層を形成した後、反りを評価した。
【００４０】
図１は、シリコンウェーハ内部の酸素析出物密度と、ＧａＮ層形成後のウェーハ主面における反り量の関係を示すものである。
シリコン単結晶を作製する際の酸素濃度を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で作製したウェーハ（図１中、○でプロットしたもの）は、反り量が少ない一方、１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超の酸素濃度で作製したもの（図１中、×でプロットしたもの）は相対的に反り量が著しく増加した。
【００４１】
それぞれのシリコンウェーハについて、窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、上記段落００２７に示した評価方法にて酸素析出物密度を測定した酸素析出物密度と反り量には明らかに関係がみられ、ＧａＮ層形成後のウェーハ主面における反り量を抑制するためには、酸素析出物密度を２．０×１０１０個／ｃｍ３未満に留めることが望ましいことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】基板酸素析出物密度とＧａＮ層形成後の反り量との関係を示した図。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、窒化物半導体層を形成する際の、反りを低減し、クラックを抑制することができる。
【００４４】
また本発明によれば、窒化物半導体形成用基板は厚膜の窒化物半導体層の形成が可能であり、窒化物系半導体からなる電子デバイスとして極めて有用である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体形成用基板に関し、詳しくは、基板上に窒化物半導体皮膜を形成した場合にも、該皮膜に生じる反りと応力を低減でき、良好な窒化物半導体を与える窒化物半導体形成用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体として、例えばＧａＮ、ＡｌＮに代表される窒化物半導体は、シリコン半導体と比較して、高移動度、発光特性、高バンドギャップ、高絶縁破壊電界等を有するので、電子デバイス（例えば高周波・高出力デバイス）、及び光デバイス（例えばレーザーダイオード、発光ダイオード）への使用が注目されている。
しかしながら、窒化物半導体のバルク結晶成長はコスト、技術的な面で問題があるため、シリコン基板上に窒化物半導体単結晶をヘテロエピタキシャル成長させた窒化物系化合物半導体に研究が加速されている。
【０００３】
通常、窒化物半導体を用いた電子デバイスは、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、サファイヤ、ＺｎＯ又はシリコンからなる基板を用いて作製されている。特に、シリコンからなる基板は大口径のものが安価で入手できるため、電子デバイス用の基板として非常に有効である。
しかしながら、シリコンとＧａＮなどの窒化物半導体では格子定数および熱膨張係数に非常に大きな差があるため、シリコン基板上に窒化物半導体層を直接エピタキシャル成長させると、窒化物半導体層に大きな引張り歪みが内在することになり、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板全体に凹形状の反りが発生したり結晶性が悪化したりする原因となる。さらに内在する歪みが大きいと窒化物半導体層中にクラックが発生する。
【０００４】
このようにシリコン基板上の窒化物半導体のエピタキシャル成長は、各々が格子定数、熱膨張係数が異なるヘテロエピタキシャル成長のため、成膜後の反り、クラックが大きく、結晶欠陥が少なく且つ厚い窒化物半導体エピタキシャル層を成長させることは、シリコン基板使用上の大きな問題点であった。
【０００５】
特許文献１には、シリコンエピタキシャル層を形成するためのシリコンウェーハとして、ボロンとゲルマニウムとが添加されたシリコン単結晶インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハが開示されている。
しかしながら、該文献に開示されているシリコンウェーハは、あくまでもシリコンエピタキシャル層を形成するための基板を提供するものであり、ＧａＮ等の窒化物半導体層を形成した際には、依然として反りが大きく生じ、窒化物半導体形成用基板としては不適であることから、窒化物半導体層形成に使用できる窒化物半導体形成用基板が強く要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、窒化物半導体形成用基板を提供することである。
【０００８】
具体的にはＧａＮ等の窒化物半導体形成に好適な、シリコンウェーハをベースとした安価な形成用基板を提供することである。また、格子欠陥の少なくかつ厚膜の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させた場合でも、反り、クラックの発生が低減され、機械的強度や、熱的強度に優れた窒化物半導体形成用基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討した結果、ボロンとゲルマニウムとが特定濃度でドープされており、好ましくはボロンとゲルマニウムの濃度比において、ゲルマニウム濃度をボロンの濃度の５〜８倍と制御したシリコンウェーハを準備し、窒化物半導体層としてＧａＮ層を形成した所、著しく反り量が低減でき、良好な特性の窒化物半導体を提供できることを見出し、本発明の完成に至った。
【００１０】
すなわち本発明は、以下に示すものである。
【００１１】
第１の発明は、窒化物半導体を形成するための半導体基板であって、
シリコン中に、ボロン及びゲルマニウムがドープされてなり、
ボロン及びゲルマニウムの濃度をそれぞれ［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたときに、
以下の条件、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９、
を満たすことを特徴とする窒化物半導体形成用基板である。
【００１２】
第２の発明は、さらに、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすことを特徴とする第１の発明に記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１３】
第３の発明は、１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０、
３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９、
であることを特徴とする第２の発明に記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１４】
第４の発明は、
窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、
その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、
ウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることを特徴とする第１から第３の発明のいずれかにひとつに記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１５】
第５の発明は、
ウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする第１から第４の発明のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板である。
【００１６】
第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかひとつに記載の半導体形成用基板上に、窒化物半導体薄膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、厚膜の窒化物半導体層を形成した際にも、反りならびにクラックが低減された、窒化物半導体用基板を提供することができる。
また、本発明の窒化物半導体は、厚膜の窒化物半導体層が形成されており、窒化物系半導体からなる電子デバイスとして極めて有用である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、シリコンウェーハにゲルマニウム及びボロンが含有されていることを特徴としている。
シリコンウェーハ中に、ゲルマニウムとボロンとがドープされていることで、上層にＧａＮ等の窒化物半導体層を形成した際にも耐熱衝撃性に優れ、反りやクラックの生じない強靭なシリコンウェーハとなる。
【００２０】
（基板）
本発明の窒化物半導体形成用基板は、ボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコン基板である。
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコン基板は、その上に形成する窒化物半導体層の格子定数差による格子歪ならびに熱膨張率差により生じる熱応力歪に伴う反りやクラックを低減し、得られる基板から製造される窒化物半導体からなる電子デバイスの歩留まり向上に資する。
【００２１】
（ボロン）
本発明の窒化物半導体形成用基板中にドープされるボロンの濃度としては、ボロン濃度を［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすると、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９であり、より好ましくは、３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９を満たすものである。
シリコン中にボロンを上記濃度にてドーピングすることで、シリコン結晶中の転位を抑制することができる。
そして、本発明の窒化物半導体用基板であるシリコン基板は、さらにゲルマニウムを共存させることで、シリコン単結晶の機械的強度が高まり、極めて強靭なシリコン単結晶が得られる。
【００２２】
（ゲルマニウム）
ここで、好適なゲルマニウム濃度としては、ゲルマニウムの濃度を［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすると、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０であり、より好ましくは、１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０を満たすものである。
【００２３】
（ゲルマニウムとボロンの濃度関係）
ここで、［Ｂ］で示されるボロン濃度と、［Ｇｅ］で示されるゲルマニウム濃度とは、以下の関係式（１）で示される。
５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］・・・（１）
ここで、ゲルマニウム濃度をボロン濃度の５倍以上とすることは、窒化物半導体層を形成するためのシリコン基板に極めて重要なことである。
すなわちゲルマニウムの濃度が５倍に満たない場合、シリコン基板中に形成されるＧｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が生じにくくなり、熱的強度や転位固着効果が低下し、窒化物半導体層形成時の格子定数差による格子歪ならびに熱膨張率差により生じる熱応力歪によって、基板に反りが生じやすくなる。
また、ゲルマニウム濃度がボロン濃度に対して８倍を超える場合、ゲルマニウムが非常に高価なことから、製造コストが高くなる他に、得られるシリコン基板中の格子ひずみ差が大きくなり、熱的強度や転位固着効果が低下してしまうため、基板の反りが大きくなる場合がある。
従って、ゲルマニウム濃度に対するボロン濃度の適正な比は、ボロン濃度１に対し、ゲルマニウムが５〜８の濃度であり、より好ましくは、６〜８である。
【００２４】
（酸素濃度）
ボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハについては、酸素濃度にも大きく影響を受ける。本発明のウェーハ中の酸素濃度については、９×１０１７〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）の範囲であることが好ましい。
該酸素濃度が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の場合、機械的強度が低下するとともに、Ｇｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が不十分となってしまい、十分な反り抑制効果が得られない場合がある。
一方、１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える場合、ウェーハ中の酸素析出物密度が多くなる場合があり、得られる半導体基板の機械的強度が劣り、反りが大きくなる場合がある。
【００２５】
（窒化物半導体形成用基板の製造方法）
本発明の窒化物半導体基板は以下の方法で製造することができる。
シリコン融液に、所定量のボロン及びゲルマニウムをドープし、ＣＺ法等の通常の単結晶成長法を用いてシリコン単結晶を育成する。
得られたシリコン単結晶からシリコンウェーハをスライスし、各スライスドウェーハに対して、公知の方法で面取り、ラップ、酸エッチング、鏡面研磨等の各工程を施してシリコンウェーハを作製する。
【００２６】
（窒化物半導体の製造方法）
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハ上に、窒化物半導体薄膜を成長、形成させるには、公知の技術を用いることができ、特に限定されない。公知の技術としては、常圧有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、昇華法、液相成長法等が挙げられる。
また、本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハは、種々の窒化物半導体薄膜を成長、形成させることが可能であるが、バッファー層として、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物化合物系半導体層を、公知の技術を用いて形成させ、次に、これらの窒化物化合物系半導体層にて形成されたバッファー層上に、公知の技術を用いてＧａＮ層等の窒化物化合物系半導体層を成長させることが好ましい。
本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハは、その上部にＧａＮ層を形成した際にも、格子定数差から生じる格子歪、及び熱膨張率差により生じる応力歪を低減し、窒化物系半導体からなる電子デバイス製造の際に、様々な熱履歴を繰り返しても反りが生じにくく、クラック及び格子歪を低減し、窒化物半導体の歩留まり向上に寄与する。
【００２７】
（評価方法）
（ボロン、ゲルマニウム、酸素濃度の測定）
ボロン濃度、ゲルマニウム濃度および酸素濃度の測定方法としては、以下の方法で測定する。
ボロン、ゲルマニウムの濃度および酸素濃度の測定は、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を使用して測定できる。
（酸素析出物密度の測定法）
（１）酸素析出物を評価する方法として、本発明のボロンとゲルマニウムとがドープされたシリコンウェーハを作製した後、窒素雰囲気中において８００℃で４時間の熱処理を施し、その後、さらに酸素雰囲気中において１０００℃で１６時間の熱処理を実施する。
（２）評価熱処理で形成された熱酸化膜をＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：１のエッチング液で除去する。
（３）ウェーハを劈開して、ジルトルエッチング液（組成：ＨＦ：ＣｒＯ3（５Ｍ）＝１：１）を用いて該ウェーハの選択エッチングを行う。
（４）倍率５００〜１０００倍の光学顕微鏡を用いて、ウェーハ劈開面の酸素析出物を観察し、単位体積あたりの酸素析出物の個数を計測する。
この評価方法にて、酸素析出物が２．０×１０１０個／ｃｍ３を超える場合、シリコンウェーハ中の酸素析出物の形成密度が過多となり、機械的強度が低下し、ウェーハの反りが大きくなる場合がある。
本評価方法にて酸素析出物密度（個／ｃｍ３）の下限としては１．０×１０７以上であることが好ましい。これ以下の酸素析出物密度であると、シリコン単結晶基板中に必然的に形成され、シリコン単結晶基板の機械的強度を向上させると考えられているＧｅ−酸素−Ｂコンプレックスの形成が生じにくくなり、十分な反り抑制効果が得られない場合がある。
（反りの測定方法）
レーザー測長器により、シリコンウェーハの厚み方向において、ウェーハ同一面上におけるウェーハの中心部と外周部の高低差を測定した値を反り量とする。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明について実施例を挙げ、より詳細に説明する。
なお、本発明は、本実施例により何ら限定されるものでない。
【００２９】
実施例１〜６
シリコン融液に、ボロン及びゲルマニウムをドープし、ＣＺ法により６インチの＜１１１＞シリコン単結晶を成長させ、このシリコン単結晶から、ジルトルエッチングによって検出されるシリコンウェーハ内部の酸素析出物を１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満、さらにウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる鏡面シリコンウェーハを、公知の加工方法によって厚さ６２５μｍとして作製した。
【００３０】
ボロン及びゲルマニウムのドープ量を制御しながら種々変え、表１に示すボロン濃度及びゲルマニウム濃度に変えた以外同様にウェーハを準備し、それぞれ実施例１〜６とした。
各シリコンウェーハの鏡面側となる主面に、バッファー層としてＡｌＮ層を形成し、次に窒化物半導体層として、ＧａＮ層を有機金属気相成長法により高温下で成長させ、計４〜６μｍ程度の窒化物半導体層を形成させた。
成長後に室温まで降温し、主面に生じた反り量をレーザー測長器により測定した。
結果を表１に示す。
【００３１】
比較例１〜６
ボロンとゲルマニウムの濃度を表１に示すものに変化させた比較用ウェーハを準備し、それぞれ比較例１〜６とした。各ウェーハについて実施例と同様にＧａＮ層を形成した後、反りを評価した。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１によれば、ボロン濃度が、４．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、ゲルマニウム濃度が、２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］＞［Ｇｅ］のいずれかの場合、ウェーハ主面に生じる反りが大きくなることがわかる。
【００３４】
また、ボロン濃度が、４．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超、ゲルマニウム濃度が、２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、８［Ｂ］＜［Ｇｅ］のいずれかの場合においても、ウェーハ主面に生じる反りが同様に大きくなることがわかる。
【００３５】
ボロン濃度が、４．０×１０１６〜４．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、かつゲルマニウム濃度が、２．５×１０１８〜２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、かつボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たす場合には、ウェーハ主面における反りが効果的に抑制され、優れた機械的強度、強いては反り抑制効果を有していることが確認された。
【００３６】
実験例１
濃度３．０×１０１８〜２．７×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンと、濃度１．５×１０１９〜２．２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のゲルマニウムについて、ボロン濃度［Ｂ］とゲルマニウム濃度［Ｇｅ］が、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすようにドープし、ＣＺ法により６インチの＜１１１＞シリコン単結晶を成長させた。
【００３７】
その際、シリコン単結晶を作製する際の酸素濃度を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたもの、および１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超の酸素濃度で作製したものをそれぞれ準備した。
【００３８】
これらのシリコン単結晶から、ジルトルエッチングによって検出されるシリコンウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３から１．０×１０１１個／ｃｍ３となる鏡面シリコンウェーハが得られた。
【００３９】
公知の加工方法によって厚さ６２５μｍのシリコンウェーハを作製し、各シリコンウェーハの鏡面側となる主面に、実施例１〜６と同様に窒化物半導体層を形成した後、反りを評価した。
【００４０】
図１は、シリコンウェーハ内部の酸素析出物密度と、ＧａＮ層形成後のウェーハ主面における反り量の関係を示すものである。
シリコン単結晶を作製する際の酸素濃度を９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で作製したウェーハ（図１中、○でプロットしたもの）は、反り量が少ない一方、１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超の酸素濃度で作製したもの（図１中、×でプロットしたもの）は相対的に反り量が著しく増加した。
【００４１】
それぞれのシリコンウェーハについて、窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、上記段落００２７に示した評価方法にて酸素析出物密度を測定した酸素析出物密度と反り量には明らかに関係がみられ、ＧａＮ層形成後のウェーハ主面における反り量を抑制するためには、酸素析出物密度を２．０×１０１０個／ｃｍ３未満に留めることが望ましいことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】基板酸素析出物密度とＧａＮ層形成後の反り量との関係を示した図。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の窒化物半導体形成用基板は、窒化物半導体層を形成する際の、反りを低減し、クラックを抑制することができる。
【００４４】
また本発明によれば、窒化物半導体形成用基板は厚膜の窒化物半導体層の形成が可能であり、窒化物系半導体からなる電子デバイスとして極めて有用である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を形成するための半導体基板であって、
シリコン中に、ボロン及びゲルマニウムがドープされてなり、
ボロン及びゲルマニウムの濃度をそれぞれ［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたときに、
以下の条件、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９、
を満たすことを特徴とする窒化物半導体形成用基板。
【請求項２】
さらに、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項３】
１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０、
３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９、
であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項４】
窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、
その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、
ウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項５】
ウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかひとつに記載の半導体形成用基板上に、窒化物半導体薄膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項１】
窒化物半導体を形成するための半導体基板であって、
シリコン中に、ボロン及びゲルマニウムがドープされてなり、
ボロン及びゲルマニウムの濃度をそれぞれ［Ｂ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、［Ｇｅ］ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたときに、
以下の条件、
２．５×１０１８≦［Ｇｅ］≦２．５×１０２０、
４．０×１０１６≦［Ｂ］≦４．０×１０１９、
を満たすことを特徴とする窒化物半導体形成用基板。
【請求項２】
さらに、５［Ｂ］≦［Ｇｅ］≦８［Ｂ］を満たすことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項３】
１．５×１０１９≦［Ｇｅ］≦２．２×１０２０、
３．０×１０１８≦［Ｂ］≦２．７×１０１９、
であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項４】
窒素雰囲気中において８００℃×４時間の熱処理を施し、
その後、酸素雰囲気中において１０００℃×１６時間の熱処理を施した後、
ウェーハ内部の酸素析出物密度が１．０×１０７個／ｃｍ３以上、かつ２．０×１０１０個／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項５】
ウェーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１ １９７９）が９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、かつ１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の窒化物半導体形成用基板。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかひとつに記載の半導体形成用基板上に、窒化物半導体薄膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−６６９４３（Ｐ２０１２−６６９４３Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０４１７（Ｐ２０１０−２１０４１７）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（５００３２７３１５）株式会社シリコンテクノロジー (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（５００３２７３１５）株式会社シリコンテクノロジー (6)
【Ｆターム（参考）】
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