ＩＩＩ族窒化物基板、それを備える半導体デバイス、及び、表面処理されたＩＩＩ族窒化物基板を製造する方法
【課題】 安定した表面を有するIII族窒化物基板を提供する。
【解決手段】 一実施形態に係るIII族窒化物基板は、表面層を有している。当該表面層は、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。このIII族窒化物基板は、安定した表面を有するものとなる。
【解決手段】 一実施形態に係るIII族窒化物基板は、表面層を有している。当該表面層は、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。このIII族窒化物基板は、安定した表面を有するものとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物基板、当該基板を備える半導体デバイス、及び、当該基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板としては、下記の特許文献１〜５に記載されたものが知られている。特許文献１には、所望の電気特性を得るように表面処理された半導体基板が開示されている。具体的に、特許文献１には、ｐ型不純物原子をその表面に有するｐ型化合物半導体基板、ｎ型不純物原子をその表面に有するｎ型化合物半導体基板、Ｆｅ原子又はＣ原子をその表面に有する半絶縁性の化合物半導体基板、及び、第２導電型不純物をその表面に有する第１導電型の化合物半導体基板が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、ＧａＮ基板上の汚染金属物質を１０×１０１０原子／ｃｍ２以下とすることが開示されている。また、特許文献３には、良好なエピタキシャル成長をIII族窒化物基板に形成するために、当該基板の表面においてＳｉ原子を３×１０１３原子／ｃｍ２とし、酸性物質の原子の個数を３×１０１４原子／ｃｍ２とすることが開示されている。また、特許文献４には、欠陥や汚染のない基板を得るために、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０＜ｙ≦1，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１)をＣＭＰによりＲＭＳ０．１５ｎｍの表面粗さとすることが開示されている。このＣＭＰにおいては、砥粒としてＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２が用いられ、研磨液に酸化剤を添加してｐＨ調整を行うことが開示されている。また、特許文献５には、窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングに、Ｓｉ系ガス及びＳｉ片を使用することが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３４４９１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０４１２８３号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００８／０４７６２７号パンフレット
【特許文献４】米国特許６４８８７６７号明細書
【特許文献５】特許第２５９９２５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、窒化物基板の表面が酸化すると、当該基板の表面上に形成したエピタキシャル成長層の品質が低下する。その結果、当該基板を用いたデバイスの特性が低下する。また、エピタキシャル成長層は基板表面に格子整合しつつ成長するので、基板表面の結晶品質は高品質であることが求められる。したがって、安定した表面を有する窒化物基板が求められている。
【０００５】
本発明は、安定した表面を有するIII族窒化物基板を提供することを目的としている。また、本発明は、このようなIII族窒化物基板を備える半導体デバイスを提供することを目的としている。さらに、本発明は、このようなIII族窒化物基板、即ち、表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のIII族窒化物基板は、表面層を有している。この表面層は、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。このIII族窒化物基板は、安定した表面を有している。表面層は、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を更に含むことが好ましい。
【０００７】
本発明の半導体デバイスは、このような表面層を有するIII族窒化物基板と、当該基板の表面層上に形成された少なくとも一層以上のエピタキシャル成長層と、を備えるものである。かかる半導体デバイスは、III族窒化物基板の表面が安定しているので、良好なデバイス特性を有しており、安定して製造可能である。
【０００８】
本発明の化合物半導体基板は、エピタキシャル層付きIII族窒化物基板である。この化合物半導体基板は、III族窒化物基板とエピタキシャル層とを備えており、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１６個以上５×１０１７個以下であり、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個以上１×１０１７個以下である。上記界面における１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数は５×１０１６個以上２×１０１７個以下であることがより好ましい。
【０００９】
また、本発明の化合物半導体基板では、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が２×１０１６個以上１×１０１８個以下であることが好ましく、５×１０１６個以上５×１０１７個以下であることがより好ましい。
【００１０】
また、本発明の化合物半導体基板では、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が１×１０１５個以上１×１０１９個以下であることが好ましく、１×１０１５個以上５×１０１８個以下であることがより好ましい。
【００１１】
本発明は、別の側面においては、（ａ）基板の表面をドライエッチングする工程と、（ｂ）基板の表面をポリッシングする工程と、を含んでいる。ドライエッチングする工程では、チャンバ内において、混合ガスを用いて、III族窒化物基板の表面がドライエッチングされる。混合ガスは、炭素を含む第１のガスと塩素を含む第２のガスの混合ガスである。ドライエッチングする工程は、チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０を満たすように行われる。ポリッシングする工程は、ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液であって、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する当該溶液を用いて行われる。この製造方法によれば、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む表面層を有するIII族窒化物基板を好適に製造することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、安定した表面を有するIII族窒化物基板が提供され、また、このようなIII族窒化物基板を備える半導体デバイスが提供される。さらに、本発明によれば、このようなIII族窒化物基板を好適に製造する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板の断面図である。なお、以下では、 III族窒化物基板としてＧａＮ基板を例にとって説明するが、本発明のIII族窒化物基板は、ＧａＮ基板に限定されるものではない。
【００１５】
図１に示すＧａＮ基板１０は、表面層１０ａを備えている。この表面層１０ａは、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。
【００１６】
表面層１０ａは、３ａｔ．％以上の炭素を含むことにより、その抵抗を維持することが可能となり、また、２５ａｔ．％以下の炭素を含むことにより、その抵抗を維持し、且つ当該表面層１０ａ上に形成されるエピタキシャル成長層を高品位のものとすることができる。
【００１７】
ｐ型金属元素としては、Ｃｕ及びＺｎが例示される。表面層１０ａは、Ｃｕ及びＺｎの一方、又は、双方を含んでいてもよい。表面層１０ａは、５×１０１０原子／ｃｍ２以上のｐ型金属元素を含むことにより、その抵抗を維持することが可能となり、また、２００×１０１０原子／ｃｍ２以下のｐ型金属元素を含むことにより、その抵抗を維持し、且つ当該表面層１０ａ上に形成されるエピタキシャル成長層を高品位のものとすることができる。
【００１８】
表面層１０ａは、更に、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を含んでいてもよい。絶縁性金属元素としては、Ｆｅ及びＮｉが例示される。表面層１０ａは、Ｆｅ及びＮｉの一方、又は、双方を含んでいてもよい。このように絶縁性金属元素を含むことにより、表面層１０ａは、より安定した表面となる。
【００１９】
III族窒化物基板には、表面の酸化や雰囲気からのＳｉの付着により、低抵抗層が形成される。本願発明者は、低抵抗層が形成されないようにするためには、III族窒化物基板の表面における酸素及びＳｉの量が少ないことが必要であることを見出している。表面層の酸素濃度は、３ａｔ．％〜１５ａｔ．％であることが好ましく、５ａｔ．％〜１０ａｔ．％であることがより好ましい。また、表面層のＳｉ濃度は、５００×１０１０原子／ｃｍ２〜８０００×１０１０原子／ｃｍ２であることが好ましく、１０００×１０１０原子／ｃｍ２〜５０００×１０１０原子／ｃｍであることがより好ましい。このような酸素濃度及びＳｉ濃度の表面層は、本実施形態における表面層１０ａによって実現される。
【００２０】
なお、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａの表面粗さはＲＭＳ基準で３ｎｍ以下である必要があり、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍであることがより好ましい。表面粗さはＡＦＭを用いて１０μm角の範囲を基準面積として測定する。表面粗さを３ｎｍ以下とすることで、ＧａＮ基板上にモフォロジー及び結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。また、ＧａＮ基板１０の表面における加工変質層の厚みは５０ｎｍ以下である必要があり、２０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ〜１０ｎｍであることがより好ましい。加工変質層は結晶表面の研削または研磨によって、結晶の表面領域に形成される結晶格子の乱れた層である。加工変質層は、結晶を劈開面で破断した断面のＴＥＭ観察により観察する。加工の影響を受ける表面領域と、加工の影響を受けない内部領域とを対比することにより、加工変質層の存在、およびその厚さを測定する。加工変質層の厚みを５０ｎｍ以下とすることで、ＧａＮ基板上にモフォロジー及び結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る半導体デバイスについて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの一例を示す図である。図２に示すＨＥＭＴデバイス１は、上述したＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａ上に形成された一以上のエピタキシャル層を備えている。即ち、ＨＥＭＴデバイス１は、ＧａＮ基板１０とエピタキシャル層とを含む化合物半導体基板を備えている。
【００２２】
具体的に、ＨＥＭＴデバイス１は、ＧａＮ基板１０、ＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１４、ゲート電極１６、ソース電極１８、及び、ドレイン電極２０を備えている。
【００２３】
ＨＥＭＴデバイス１では、ＧａＮ基板１０は、絶縁性のＧａＮ基板である。ＧａＮ層１２及びＡｌＧａＮ層１４は、表面層１０ａ上に順に形成されている。ＧａＮ層１２及びＡｌＧａＮ層１４は共にアンドープである。ゲート電極１６、ソース電極１８、及び、ドレイン電極２０は、ＡｌＧａＮ層１４上に形成されている。ゲート電極１６は、ソース電極１８とドレイン電極２０の間に設けられている。
【００２４】
このＨＥＭＴデバイス１は、表面層１０ａが高抵抗を維持することが可能であるので、リーク電流が少ない。また、このＨＥＭＴデバイス１は、安定した表面層１０ａを有するＧａＮ基板１０を用いて製造されるので、安定して製造可能である。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの別の一例を示す図である。図３に示すＬＥＤ２は、上述したＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａ上に形成された一以上のエピタキシャル層を備えている。
【００２６】
具体的に、ＬＥＤ２は、ＧａＮ基板１０と、バッファ層２２、第１のクラッド層２４、活性層２６、第２のクラッド層２８、コンタクト層３０、第１の電極３２、及び、第２の電極３４を備えている。
【００２７】
ＬＥＤ２にでは、ＧａＮ基板１０は、ｎ型のＧａＮ基板である。バッファ層２２は、ｎ型ＧａＮ層であり、表面層１０ａ上に形成されている。バッファ層２２は、Ｓｉをドーパントとして含むことができる。第１のクラッド層２４は、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、バッファ層２２上に形成されている。第１のクラッド層２４は、Ｓｉをドーパントとして含むことができる。
【００２８】
活性層２６は、第１のクラッド層２４上に形成されている。活性層２６には、例えば、ＧａＮ障壁層とＧａＩｎＮ井戸層を交互に形成することによって得られる多重量子井戸構造の活性層を用いることができる。
【００２９】
第２のクラッド層２８は、活性層２６上に形成されている。第２のクラッド層２８は、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、Ｍｇをドーパントとして含むことができる。コンタクト層３０は、第２のクラッド層２８上に形成されている。コンタクト層３０は、ｐ型ＧａＮ層であり、Ｍｇをドーパントとして含むことができる。
【００３０】
ＬＥＤ２では、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａと反対側の表面には、第１の電極３２が形成されている。また、コンタクト層３０上に第２の電極３４が形成されている。
【００３１】
このようなＬＥＤ２は、上述した表面層１０ａを有するＧａＮ基板１０を用いているので、光出力が大きく、安定して製造可能である。
【００３２】
以下、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法の流れ図である。図４に示す製造方法は、上述した表面層１０ａを好適に得ることができる製造方法である。
【００３３】
図４に示す表面処理が施されるIII族窒化物基板の元となる結晶は、ＧａＮ結晶の場合には、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法により成長させることができる。また、ＡｌＮ結晶の場合には、ＨＶＰＥ法あるいは昇華法で成長させることができる。成長した結晶に、外周加工を行い窒化物結晶のインゴットを得る。インゴットをスライスしてIII族窒化物基板を得る。スライスは、ワイヤーソー、ブレードソーで実施することができる。基板の平坦化のために研削、ラッピング等の機械加工を行う。ラッピングに使用される硬質砥粒としては、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ2Ｏ3等がある。これらは機械的な作用から選定され、レート向上には高硬度、粒径の大きな砥粒が使用される。表面粗さを平滑にし、加工変質層を少なくするためには、低硬度、粒径の小さな砥粒が使用される。研磨時間を短縮して平滑な表面を得るためには、粒度の大きな砥粒から小さな砥粒へと多段階の研磨が行われる。粗さ低減、加工変質層除去のために表面仕上げ処理を行う。表面仕上げとして、機械研磨後に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことができる。ドライエッチングにより、加工変質層を除去することもできる。
【００３４】
以下、図４を再び参照する。図４に示す製造方法は、ドライエッチング工程Ｓ１及びポリッシング工程Ｓ２を含んでいる。ドライエッチング工程Ｓ１では、III族窒化物基板の表面がドライエッチングされる。このドライエッチング工程Ｓ１には、例えば、図５に示すドライエッチング装置を用いることができる。なお、図５に示すドライエッチング装置は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置であるが、本発明のドライエッチング工程に用いることができるドライエッチングは、ＲＩＥに限定されるものではなく、誘導結合プラズマＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ）、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）−ＲＩＥ、ＣＡＩＢＥ（化学アシストイオンビームエッチング）、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）等であってもよい。
【００３５】
ドライエッチング装置５０は、チャンバ５２を備えている。チャンバ５２内には、上部電極５４、下部電極５６、及び、基板支持台５８が設けられている。チャンバ５２には、ガス源に接続されたガス供給口６０が設けられており、また、真空ポンプに接続されたガス排気口６２が設けられている。
【００３６】
ドライエッチング装置５０では、基板支持台５８上にIII族窒化物基板１０を搭載し、ガス供給口６０からガスを供給し、高周波電源６４から高周波電力を下部電極５６に供給することにより、チャンバ５２内にプラズマを発生することができる。これにより、ドライエッチング装置５０は、III族窒化物基板１０の表面をドライエッチングすることができる。
【００３７】
本製造方法では、ドライエッチング工程Ｓ１において、チャンバ５２内に炭素を含む第１のガス（炭素系ガス）と塩素を含む第２のガス（塩素系ガス）とを含む混合ガスが供給される。炭素系ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、アセチレン等が例示される。塩素系ガスとしては、塩素、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４等が例示される。
【００３８】
また、ドライエッチング工程Ｓ１は、チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、
０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０ …（１）
を満たすように行われる。この式（１）の条件を満たすことにより、上述した表面層１０ａの炭素濃度を好適に得ることが可能である。ここで、１ｓｃｃｍは、１．６６７×１０−８ｍ３／ｓである。
【００３９】
なお、ドライエッチング工程Ｓ１において、平坦な表面層１０ａを得るためには、チャンバ５２内に、Ｓｉ系ガスやＳｉ片を存在させることが有効である。しかしながら、Ｓｉの比率が多い場合には、ドライエッチング後に基板表面に付着するＳｉの量が増加するという問題が生じる。そこで、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚ等のＳｉ元素と、Ｃ、Ｎからなる群の少なくとも一つの元素とを含む化合物を、ドライエッチング工程Ｓ１において、チャンバ５２内に存在させることができる。このような化合物は、基板支持台５８を当該化合物製とするか、又は、基板支持台５８上且つ基板１０の付近に当該化合物を配置することによって、チャンバ５２内に存在させることが可能である。これにより、平坦な表面層１０ａを得ることができ、且つ、表面層１０ａへのＳｉの付着を抑制することができる。
【００４０】
次に、本製造方法においては、ポリッシング工程Ｓ２が行われる。ポリッシング工程Ｓ２は、例えば、図６に示すポリッシング装置７０を用いて行うことができる。ポリッシング装置７０は、定盤７２と、ポリッシングパッド７４、結晶ホルダ７６、重り７８、及び、スラリー液供給口８０を備えている。
【００４１】
ポリッシングパッド７４は、定盤７２上に搭載されている。定盤７２及びポリッシングパッド７４は、定盤７２の中心軸線Ｘ１中心に回転可能である。結晶ホルダ７６は、基板１０をその下面に支持するための部品である。基板１０には、重り７８によって荷重が加えられる。結晶ホルダ７６は、軸線Ｘ１と略平行であり、且つ、軸線Ｘ１から変位した位置に中心軸線Ｘ２を有しており、この中心軸線Ｘ２中心に回転可能である。スラリー液供給口８０は、ポリッシングパッド７４上にスラリーＳを供給する。
【００４２】
このポリッシング装置７０によれば、定盤７２及びポリッシングパッド７４を回転させ、結晶ホルダ７６を回転させ、スラリーＳをポリッシングパッド７４上に供給し、基板１０の表面層１０ａをポリッシングパッド７４に接触させることによって、基板１０の表面層１０ａのポリッシングを行うことができる。
【００４３】
本製造方法では、ポリッシング工程Ｓ２において、ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液がスラリーＳとして供給される。ｐ型金属元素の酸化物としては、例えば、ＣｕＯ及びＺｎＯの一方、又は、双方を用いることができる。また、この溶液の粘度は、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）である。なお、溶液の粘度は、エチレングリコール等の高粘度の有機化合物やベーマイトなどの無機化合物を添加することにより、調整可能である。
【００４４】
このポリッシング工程Ｓ２によれば、酸化物のメカノケミカル効果により、基板１０の表面層１０ａに、ｐ型金属元素を結合させることができる。また、上述した粘度の溶液を用いることにより、基板１０の表面層１０ａにおけるｐ型金属元素の濃度を、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２の範囲に制御することができる。
【００４５】
なお、金属酸化物のメカノケミカル効果を促進するためには、溶液の溶媒に非極性溶媒を用いることが好ましい。非極性溶媒としては、炭化水素、四塩化炭素、ジエチルエーテル等が例示される。非極性溶媒を用いることにより、金属酸化物と基板の固体接触を促進して反応を促進することができ、効率よく基板表面の金属組成を制御することが可能となる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明に係るIII族窒化物基板を製造する方法を用いて製造したIII族窒化物基板、及び、本発明に係るIII族窒化物基板に基づいて作成した半導体デバイスを実施例として、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
＜ＧａＮ基板の製造＞
上記実施形態の製造方法によりＧａＮ基板を製造した。まず、ＨＶＰＥ法により成長させた絶縁型ＧａＮ基板（ドーパント：Ｆｅ）を、（０００１）面に平行な面でスライスして直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＧａＮ基板を得た。
【００４８】
このＧａＮ基板（窒化物結晶）のＮ原子面側のｃ面（（０００−１）面）を、セラミックス製の結晶ホルダにワックスで貼り付けた。ラップ装置に直径３８０ｍｍの定盤を設置し、スラリー供給口からダイヤモンドの砥粒が分散されたスラリーを定盤に供給しながら、定盤をその中心軸線中心に回転させ、結晶ホルダ上に重りを載せてＧａＮ基板を定盤に押し付けながらＧａＮ基板を結晶ホルダの中心軸線中心に回転させることにより、ＧａＮ結晶の表面（Ｇａ原子面側のｃ面、（０００１）面）のラッピングを行った。
【００４９】
ここで、定盤としては銅定盤及び錫定盤を用いた。また、砥粒径が９μｍ、３μｍ、２μｍの３種類のダイヤモンド砥粒を準備し、ラッピングの進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。研磨圧力は１００ｇ／ｃｍ2〜５００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ基板及び定盤の回転数は定盤及び結晶ホルダともに３０回／ｍｉｎ〜６０回／ｍｉｎとした。かかるラッピングによりＧａＮ結晶基板の表面は鏡面となった。
【００５０】
次いで、ラッピング後のＧａＮ基板を化学機械研磨（ＣＭＰ）した。具体的には、ポリッシング装置に設置された直径３８０ｍｍの定盤上にポリシングパッドを設置した。また、スラリー液供給口から砥粒が分散されたスラリーをポリシングパッドに供給しながら、中心軸線中心にポリシングパッドを回転させた。同時に、結晶ホルダ上に重りを載せることによりＧａＮ基板をポリシングパッドに押し付けながら当該ＧａＮ基板を結晶ホルダの中心軸線中心に回転させた。これによって、ＧａＮ基板の表面（Ｇａ原子面側のｃ面、（０００１）面）の化学機械研磨（ＣＭＰ）をおこなった。スラリーは、砥粒として粒径２μｍのＡｌ２Ｏ３粒子を水に分散させてＡｌ２Ｏ３含有量を５質量％とし、ｐＨ調整剤としてＨＮＯ3を添加して、ｐＨを２〜４に調整することにより作製した。また、ポリシングパッドとしては、ポリウレタンのスウェードパッドを用い、定盤としてはステンレス鋼定盤を用いた。ポリシング圧力は５０ｇ／ｃｍ2〜６００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ基板及びポリシングパッドの回転数はいずれも３０回／ｍｉｎ〜７０回／ｍｉｎとした。
【００５１】
次いで、ＣＭＰを行った後のＧａＮ基板に対して、上述したドライエッチング工程Ｓ１に従い、炭素含有ガスと塩素含有ガスを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置でドライエッチングを実施した。エッチングガスには、メタン（炭素系ガス）と塩素（塩素系ガス）との混合ガスを用いた。チャンバの容積Ｖ、チャンバ内の圧力Ｐ、混合ガスの流量Ｑ、ＰＶ／Ｑ、炭素系ガスと塩素系ガスの流量比、バイアス電力、アンテナ電力、基板支持台の材質は、表１に示す実施例１〜１０の通りとした。また、参考のために、表１に示すように、これらパラメータを比較例１〜２の通りとした。
【００５２】
以上の工程により得られたＧａＮ基板の表面における炭素濃度をオージェ電子分光法（ＡＥＳ）により定量化した。各実施例及び各比較例のＧａＮ基板の炭素濃度は、表１に示す通りであった。実施例１〜１０、即ち、ＰＶ／Ｑが０．０５以上３．０以下の場合には、炭素系ガスと塩素系ガスの流量比によらず、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が３ａｔ．％〜２５ａｔ．％となった。一方、ＰＶ／Ｑが０．０５未満の場合（比較例１）の場合には、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が３ａｔ．％未満となり、また、ＰＶ／Ｑが３より大きい場合（比較例２）の場合には、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が２５ａｔ．％より大きくなった。なお、表面処理で通常適用されるエッチング時間では、表面層の炭素濃度は影響されなかった。また、バイアス電力を５０Ｗ〜２００Ｗとし、アンテナ電力を１００〜４００Ｗとしても、これらの電力の範囲では、表面層の炭素濃度に影響はなかった。
【表１】
【００５３】
次いで、上述したＣＭＰと同等のポリッシング装置、即ち図６に示したポリッシング装置を用いて、ドライエッチング後のＧａＮ基板の表面層をｐ型金属元素の酸化物を含む溶液でポリッシングした。具体的には、表２の実施例１１〜２１のパラメータでドライエッチング後のＧａＮ基板の表面層のポリッシングを行った。即ち、表２の実施例１１〜２１の金属酸化物及び溶媒を含み、且つ、表２の実施例１１〜２１の粘度を有する溶液を用い、表２の実施例１１〜２１のＧａＮ基板に対する圧力で、また、表２の実施例１１〜２１の定盤及び結晶ホルダの回転数で、ＧａＮ基板のポリッシングを行った。また、参考のために、表２の比較例３〜４の金属酸化物及び溶媒を含み、且つ、表２の比較例３〜４の粘度を有する溶液を用い、表２の比較例３〜４のＧａＮ基板に対する圧力で、また、表２の比較例３〜４の定盤及び結晶ホルダの回転数で、ＧａＮ基板のポリッシングを行った。ポリシングパッドには、不織布パッド（圧縮率３．０％）を用い、定盤としては表面処理を実施したアルミ定盤を用いた。
【００５４】
以上の工程により得られたＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度を全反射蛍光Ｘ線分析により定量化した。各実施例及び比較例のＣｕ濃度及びＺｎ濃度は表２に示す通りであった。表２のＣｕ濃度及びＺｎ濃度の加算値から明らかなように、実施例１１〜２１、即ち、ｐ型金属元素の酸化物を含み、且つ、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する溶液を用いることによって、ＧａＮ基板の表面層のｐ型金属元素の濃度を、ポリッシング時の圧力並びに定盤及び結晶ホルダの回転数に依らず、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２の範囲に制御できた。一方、溶液の粘度が２（ｍＰａ・ｓ）未満の場合（比較例３）には、ｐ型金属元素の濃度が２００×１０１０原子／ｃｍ２より大きくなり、溶液の粘度が３０（ｍＰａ・ｓ）より大きい場合（比較例４）には、ｐ型金属元素の濃度が５×１０１０原子／ｃｍ２未満となった。なお、ポリッシング溶液中の砥粒の粒径が大きいと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加する傾向があり、砥粒の粒径が小さいと、表面改質の効果が小さいため、砥粒の粒径は５０ｎｍ〜２０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１０００ｎｍであることがより好ましかった。このような砥粒の粒径の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、溶液中の砥粒の濃度が高いと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加し、砥粒の濃度が低いと、表面改質の効果が小さいため、砥粒の濃度は、１ｗｔ．％〜１０ｗｔ．％であることが好ましく、２ｗｔ．％〜５ｗｔ．％であることがより好ましかった。このような砥粒の濃度の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、ポリッシングパッドの圧縮率が小さいと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加する傾向があり、当該圧縮率が大きいと、表面改質の効果が小さいため、ポリッシングパッドの圧縮率は、１％〜２０％であることが好ましく、３％〜１５％であることがより好ましかった。このようなポリッシングパッドの圧縮率の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、表面処理において通常適用されるポリッシング時間である３分〜３０分では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。
【表２】
【００５５】
＜ＨＥＭＴデバイスの評価＞
上述した実施形態のＧａＮ基板を用いて上述した実施形態のＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各実施例について２００個準備した。具体的には、まず、実施例２２〜２８のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表３の実施例２２〜２８の列に示した炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の表面層を有するものを、各実施例について準備した。
【００５６】
そして、これらＧａＮ基板をＯＭＶＰＥ装置のリアクタに置き、水素、窒素、及びアンモニアを含むガスをリアクタ内に供給して、ＧａＮ基板の温度を１１００℃として２０分間の熱処理を行なった。
【００５７】
次に、ＧａＮ基板の温度を１１３０℃に昇温させ、アンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をリアクタに供給して、厚さ１．５μｍのＧａＮ層をＧａＮ基板上に成長させた。次いで、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、及び、アンモニアをリアクタに供給して、厚さ３０ｎｍ、Ａｌ組成２０％のＡｌＧａＮ層をＧａＮ層上に成長させた。
【００５８】
次いで、ＡｌＧａＮ層上にフォトリソグラフィ、ＥＢ蒸着、及び、リフトオフによって、ソース電極、及びドレイン電極を作製した。これら電極には、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０／１００／２０／３００ｎｍ）を用いた。リフトオフ後６００℃、１分間の合金化熱処理を行なった。次に、ソース電極、及びドレイン電極の作製と同様の工程によりゲート電極を作製した。ゲート電極には、Ｎｉ／Ａｕ（５０／５００ｎｍ）を用いた。ゲート長は２μｍとした。
【００５９】
なお、参考のために、比較例５〜１０のＨＥＭＴデバイス用に、表３の比較例５〜１０の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素濃度の表面層を有するＧａＮ基板を準備し、同様にＨＥＭＴデバイスを作製した。ＨＥＭＴデバイスは各比較例について２００個準備した。
【００６０】
以上の通りに得たＨＥＭＴデバイスのゲートリーク電流を検査した。ここでは、５Ｖのゲート電圧を与えたときに、ゲート電流密度が１×１０-６Ａ／ｃｍ２であったＨＥＭＴデバイスを良好なデバイス特性を有するものと判定する条件を採用した。各実施例及び比較例について、当該条件を満たすＨＥＭＴデバイスの歩留まりは、表３に示す通りであった。実施例２２〜２８、即ち、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む表面層を有するＧａＮ基板を用いたＨＥＭＴデバイスの歩留は、６５％以上であった。一方、比較例５〜１０のＨＥＭＴデバイスの歩留は、６５％を大きく下回った。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも１．５ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも３０ｎｍであった。
【表３】
【００６１】
上記の実施例２２、実施例２４、実施例２６、比較例５、及び比較例１０のＨＥＭＴデバイスにおけるIII族窒化物基板とエピタキシャル成長層との界面の組成、即ち、化合物半導体基板におけるIII族窒化物基板とエピタキシャル成長層との界面の組成を、ＳＩＭＳ分析によって調査した結果は、以下の通りであった。
実施例２２では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１８個、Ｓｉ原子の個数が１×１０１９個であった。
実施例２４では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が５×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が５×１０１７個であった。
実施例２６では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が５×１０１７個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が２×１０１７個であった。
比較例５では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１５個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１９個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が１×１０２０個であった。
比較例１０では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が５×１０１８個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が１×１０１８個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が２×１０１７個であった。
このように、化合物半導体基板における界面の組成が良好な実施例２２、２４、及び２６では、ＨＥＭＴデバイスの良好な歩留が得られた。一方、比較例５及び１０のような化合物半導体基板における界面の組成の場合には、ＨＥＭＴデバイスの歩留が低下した。
【００６２】
次に、実施例２９〜３６のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表４の実施例２９〜３６の列に示す炭素濃度、ｐ型金属元素（Ｃｕ）濃度、及び絶縁性金属元素（Ｆｅ）濃度の表面層を有するものを準備した。そして、これらＧａＮ基板を用いて、実施例２２〜２８と同様のＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各実施例について２００個準備した。また、参考のために、比較例１１〜１５のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表４の比較例１１〜１５の列に示した炭素濃度、ｐ型金属元素（Ｃｕ）濃度、及び絶縁性金属元素（Ｆｅ）濃度の表面層を有するものを準備し、同様にＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各比較例について２００個準備した。そして、実施例２９〜３６及び比較例１１〜１５のＨＥＭＴデバイスについて、上述した実施例２２〜２８及び比較例５〜１０と同様の条件により歩留を求めた。表４に示すように、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素をＧａＮ基板の表面層に含めることにより、ＨＥＭＴデバイスの歩留りは、更に向上した。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも２．２ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも４０ｎｍであった。
【表４】
【００６３】
＜ＬＥＤの評価＞
上述した実施形態のＧａＮ基板を用い、上述した実施形態のＬＥＤを作成した。ＬＥＤは各実施例について２００個準備した。具体的には、実施例３７〜４３のＬＥＤ用に、比抵抗１×１０−２Ωｃｍ、キャリア密度３×１０１８／ｃｍ２のｎ型ＧａＮ基板を準備した。ｎ型ＧａＮ基板としては、表５の実施例３７〜４３の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の濃度をもつ表面層を有するものを、各実施例について準備した。
【００６４】
これらｎ型ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置して、ｎ型ＧａＮ基板の一方の主面（（０００１）面）側に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ層（ドーパント：Ｓｉ）、厚さ１５０ｎｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層（ドーパント：Ｓｉ）、活性層、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（ドーパント：Ｍｇ）、及び厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（ドーパント：Ｍｇ）を順次形成して、エピタキシャル成長層を得た。ここで、活性層は、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層で形成される４層の障壁層と、厚さ３ｎｍのＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層で形成される３層の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
【００６５】
また、参考のために、比較例１６〜２１のＬＥＤ用に、比抵抗１×１０−２Ωｃｍ、キャリア密度３×１０１８／ｃｍ３のｎ型ＧａＮ基板であって、表５の比較例１６〜２１の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の濃度をもつ表面層を有するものを、各比較例について準備した。ＬＥＤは各比較例について２００個準備した。そして、比較例１６〜２１についても、実施例３７〜４３と同様に、エピタキシャル成長層を得た。
【００６６】
以上の通りに得たエピタキシャル成長層について、フォトルミネッセンス法(ＰＬ法)によりＰＬ強度評価を行った。ＰＬ強度評価は、波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源に用い、レーザー光を試料に照射して励起された波長４６０ｎｍの発光強度を評価した。その結果は、表５に示す通りであった。
【００６７】
次に、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１ともに、ｎ型のＧａＮ結晶基板の他方の主面（（０００−１）面）側に第１の電極として、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ１０００ｎｍのＡｌ層、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ２０００ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、窒素雰囲気中で加熱することにより、直径１００μｍのｎ側電極を形成した。一方、ｐ型ＧａＮ層上に第２の電極として、厚さ４ｎｍのＮｉ層、厚さ４ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、ｐ側電極を形成した。以上の工程により製造した生産物を２ｍｍ角に加工することにより、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１のＬＥＤを得た。
【００６８】
以上の通りに得たＬＥＤの光出力を、積分球を用いて注入電流４Ａの条件で測定した。発光素子の光出力は、以下のように測定した。即ち、積分球内に載置された発光素子に所定の電流を注入し、その発光素子から集光された光を受けるディテクタによって光出力を測定した。そして、光出力が２Ｗ以上のＬＥＤを良好な特性を有するＬＥＤとする条件により、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１のＬＥＤの歩留を求めた。結果は表５に示すとおりであった。
【００６９】
表５に示すように、実施例３７〜４３のＬＥＤ、即ち、表面層が、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含むＧａＮ基板を用いたＬＥＤは、比較例１６〜２１のＬＥＤに対して、ＰＬ強度及び歩留に優れていることが明らかとなった。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも０．９ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも２０ｎｍであった。
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの別の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法の流れ図である。
【図５】ドライエッチング工程に用いることが可能な装置を示す図である。
【図６】ポリッシング工程に用いることが可能な装置を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…ＨＥＭＴデバイス、２…ＬＥＤ、１０…III族窒化物基板（ＧａＮ基板）、１０ａ…表面層、１２…ＧａＮ層、１４…ＡｌＧａＮ層、１６…ゲート電極、１８…ソース電極、２０…ドレイン電極、２２…バッファ層、２４…第１のクラッド層、２６…活性層、２８…第２のクラッド層、３０…コンタクト層、３２…第１の電極、３４…第２の電極、５０…ドライエッチング装置、５２…チャンバ、５４…上部電極、５６…下部電極、５８…基板支持台、６０…ガス供給口、６２…ガス排気口、６４…高周波電源、７０…ポリッシング装置、７２…定盤、７４…ポリッシングパッド、７６…結晶ホルダ、７８…重り、８０…スラリー液供給口。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物基板、当該基板を備える半導体デバイス、及び、当該基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板としては、下記の特許文献１〜５に記載されたものが知られている。特許文献１には、所望の電気特性を得るように表面処理された半導体基板が開示されている。具体的に、特許文献１には、ｐ型不純物原子をその表面に有するｐ型化合物半導体基板、ｎ型不純物原子をその表面に有するｎ型化合物半導体基板、Ｆｅ原子又はＣ原子をその表面に有する半絶縁性の化合物半導体基板、及び、第２導電型不純物をその表面に有する第１導電型の化合物半導体基板が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、ＧａＮ基板上の汚染金属物質を１０×１０１０原子／ｃｍ２以下とすることが開示されている。また、特許文献３には、良好なエピタキシャル成長をIII族窒化物基板に形成するために、当該基板の表面においてＳｉ原子を３×１０１３原子／ｃｍ２とし、酸性物質の原子の個数を３×１０１４原子／ｃｍ２とすることが開示されている。また、特許文献４には、欠陥や汚染のない基板を得るために、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０＜ｙ≦1，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１)をＣＭＰによりＲＭＳ０．１５ｎｍの表面粗さとすることが開示されている。このＣＭＰにおいては、砥粒としてＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２が用いられ、研磨液に酸化剤を添加してｐＨ調整を行うことが開示されている。また、特許文献５には、窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングに、Ｓｉ系ガス及びＳｉ片を使用することが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３４４９１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０４１２８３号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００８／０４７６２７号パンフレット
【特許文献４】米国特許６４８８７６７号明細書
【特許文献５】特許第２５９９２５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、窒化物基板の表面が酸化すると、当該基板の表面上に形成したエピタキシャル成長層の品質が低下する。その結果、当該基板を用いたデバイスの特性が低下する。また、エピタキシャル成長層は基板表面に格子整合しつつ成長するので、基板表面の結晶品質は高品質であることが求められる。したがって、安定した表面を有する窒化物基板が求められている。
【０００５】
本発明は、安定した表面を有するIII族窒化物基板を提供することを目的としている。また、本発明は、このようなIII族窒化物基板を備える半導体デバイスを提供することを目的としている。さらに、本発明は、このようなIII族窒化物基板、即ち、表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のIII族窒化物基板は、表面層を有している。この表面層は、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。このIII族窒化物基板は、安定した表面を有している。表面層は、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を更に含むことが好ましい。
【０００７】
本発明の半導体デバイスは、このような表面層を有するIII族窒化物基板と、当該基板の表面層上に形成された少なくとも一層以上のエピタキシャル成長層と、を備えるものである。かかる半導体デバイスは、III族窒化物基板の表面が安定しているので、良好なデバイス特性を有しており、安定して製造可能である。
【０００８】
本発明の化合物半導体基板は、エピタキシャル層付きIII族窒化物基板である。この化合物半導体基板は、III族窒化物基板とエピタキシャル層とを備えており、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１６個以上５×１０１７個以下であり、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個以上１×１０１７個以下である。上記界面における１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数は５×１０１６個以上２×１０１７個以下であることがより好ましい。
【０００９】
また、本発明の化合物半導体基板では、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が２×１０１６個以上１×１０１８個以下であることが好ましく、５×１０１６個以上５×１０１７個以下であることがより好ましい。
【００１０】
また、本発明の化合物半導体基板では、III族窒化物基板とエピタキシャル層との界面における１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が１×１０１５個以上１×１０１９個以下であることが好ましく、１×１０１５個以上５×１０１８個以下であることがより好ましい。
【００１１】
本発明は、別の側面においては、（ａ）基板の表面をドライエッチングする工程と、（ｂ）基板の表面をポリッシングする工程と、を含んでいる。ドライエッチングする工程では、チャンバ内において、混合ガスを用いて、III族窒化物基板の表面がドライエッチングされる。混合ガスは、炭素を含む第１のガスと塩素を含む第２のガスの混合ガスである。ドライエッチングする工程は、チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０を満たすように行われる。ポリッシングする工程は、ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液であって、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する当該溶液を用いて行われる。この製造方法によれば、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む表面層を有するIII族窒化物基板を好適に製造することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、安定した表面を有するIII族窒化物基板が提供され、また、このようなIII族窒化物基板を備える半導体デバイスが提供される。さらに、本発明によれば、このようなIII族窒化物基板を好適に製造する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板の断面図である。なお、以下では、 III族窒化物基板としてＧａＮ基板を例にとって説明するが、本発明のIII族窒化物基板は、ＧａＮ基板に限定されるものではない。
【００１５】
図１に示すＧａＮ基板１０は、表面層１０ａを備えている。この表面層１０ａは、３ａｔ．％の〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含んでいる。
【００１６】
表面層１０ａは、３ａｔ．％以上の炭素を含むことにより、その抵抗を維持することが可能となり、また、２５ａｔ．％以下の炭素を含むことにより、その抵抗を維持し、且つ当該表面層１０ａ上に形成されるエピタキシャル成長層を高品位のものとすることができる。
【００１７】
ｐ型金属元素としては、Ｃｕ及びＺｎが例示される。表面層１０ａは、Ｃｕ及びＺｎの一方、又は、双方を含んでいてもよい。表面層１０ａは、５×１０１０原子／ｃｍ２以上のｐ型金属元素を含むことにより、その抵抗を維持することが可能となり、また、２００×１０１０原子／ｃｍ２以下のｐ型金属元素を含むことにより、その抵抗を維持し、且つ当該表面層１０ａ上に形成されるエピタキシャル成長層を高品位のものとすることができる。
【００１８】
表面層１０ａは、更に、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を含んでいてもよい。絶縁性金属元素としては、Ｆｅ及びＮｉが例示される。表面層１０ａは、Ｆｅ及びＮｉの一方、又は、双方を含んでいてもよい。このように絶縁性金属元素を含むことにより、表面層１０ａは、より安定した表面となる。
【００１９】
III族窒化物基板には、表面の酸化や雰囲気からのＳｉの付着により、低抵抗層が形成される。本願発明者は、低抵抗層が形成されないようにするためには、III族窒化物基板の表面における酸素及びＳｉの量が少ないことが必要であることを見出している。表面層の酸素濃度は、３ａｔ．％〜１５ａｔ．％であることが好ましく、５ａｔ．％〜１０ａｔ．％であることがより好ましい。また、表面層のＳｉ濃度は、５００×１０１０原子／ｃｍ２〜８０００×１０１０原子／ｃｍ２であることが好ましく、１０００×１０１０原子／ｃｍ２〜５０００×１０１０原子／ｃｍであることがより好ましい。このような酸素濃度及びＳｉ濃度の表面層は、本実施形態における表面層１０ａによって実現される。
【００２０】
なお、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａの表面粗さはＲＭＳ基準で３ｎｍ以下である必要があり、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍであることがより好ましい。表面粗さはＡＦＭを用いて１０μm角の範囲を基準面積として測定する。表面粗さを３ｎｍ以下とすることで、ＧａＮ基板上にモフォロジー及び結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。また、ＧａＮ基板１０の表面における加工変質層の厚みは５０ｎｍ以下である必要があり、２０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ〜１０ｎｍであることがより好ましい。加工変質層は結晶表面の研削または研磨によって、結晶の表面領域に形成される結晶格子の乱れた層である。加工変質層は、結晶を劈開面で破断した断面のＴＥＭ観察により観察する。加工の影響を受ける表面領域と、加工の影響を受けない内部領域とを対比することにより、加工変質層の存在、およびその厚さを測定する。加工変質層の厚みを５０ｎｍ以下とすることで、ＧａＮ基板上にモフォロジー及び結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る半導体デバイスについて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの一例を示す図である。図２に示すＨＥＭＴデバイス１は、上述したＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａ上に形成された一以上のエピタキシャル層を備えている。即ち、ＨＥＭＴデバイス１は、ＧａＮ基板１０とエピタキシャル層とを含む化合物半導体基板を備えている。
【００２２】
具体的に、ＨＥＭＴデバイス１は、ＧａＮ基板１０、ＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１４、ゲート電極１６、ソース電極１８、及び、ドレイン電極２０を備えている。
【００２３】
ＨＥＭＴデバイス１では、ＧａＮ基板１０は、絶縁性のＧａＮ基板である。ＧａＮ層１２及びＡｌＧａＮ層１４は、表面層１０ａ上に順に形成されている。ＧａＮ層１２及びＡｌＧａＮ層１４は共にアンドープである。ゲート電極１６、ソース電極１８、及び、ドレイン電極２０は、ＡｌＧａＮ層１４上に形成されている。ゲート電極１６は、ソース電極１８とドレイン電極２０の間に設けられている。
【００２４】
このＨＥＭＴデバイス１は、表面層１０ａが高抵抗を維持することが可能であるので、リーク電流が少ない。また、このＨＥＭＴデバイス１は、安定した表面層１０ａを有するＧａＮ基板１０を用いて製造されるので、安定して製造可能である。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの別の一例を示す図である。図３に示すＬＥＤ２は、上述したＧａＮ基板１０と、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａ上に形成された一以上のエピタキシャル層を備えている。
【００２６】
具体的に、ＬＥＤ２は、ＧａＮ基板１０と、バッファ層２２、第１のクラッド層２４、活性層２６、第２のクラッド層２８、コンタクト層３０、第１の電極３２、及び、第２の電極３４を備えている。
【００２７】
ＬＥＤ２にでは、ＧａＮ基板１０は、ｎ型のＧａＮ基板である。バッファ層２２は、ｎ型ＧａＮ層であり、表面層１０ａ上に形成されている。バッファ層２２は、Ｓｉをドーパントとして含むことができる。第１のクラッド層２４は、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、バッファ層２２上に形成されている。第１のクラッド層２４は、Ｓｉをドーパントとして含むことができる。
【００２８】
活性層２６は、第１のクラッド層２４上に形成されている。活性層２６には、例えば、ＧａＮ障壁層とＧａＩｎＮ井戸層を交互に形成することによって得られる多重量子井戸構造の活性層を用いることができる。
【００２９】
第２のクラッド層２８は、活性層２６上に形成されている。第２のクラッド層２８は、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、Ｍｇをドーパントとして含むことができる。コンタクト層３０は、第２のクラッド層２８上に形成されている。コンタクト層３０は、ｐ型ＧａＮ層であり、Ｍｇをドーパントとして含むことができる。
【００３０】
ＬＥＤ２では、ＧａＮ基板１０の表面層１０ａと反対側の表面には、第１の電極３２が形成されている。また、コンタクト層３０上に第２の電極３４が形成されている。
【００３１】
このようなＬＥＤ２は、上述した表面層１０ａを有するＧａＮ基板１０を用いているので、光出力が大きく、安定して製造可能である。
【００３２】
以下、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法の流れ図である。図４に示す製造方法は、上述した表面層１０ａを好適に得ることができる製造方法である。
【００３３】
図４に示す表面処理が施されるIII族窒化物基板の元となる結晶は、ＧａＮ結晶の場合には、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法により成長させることができる。また、ＡｌＮ結晶の場合には、ＨＶＰＥ法あるいは昇華法で成長させることができる。成長した結晶に、外周加工を行い窒化物結晶のインゴットを得る。インゴットをスライスしてIII族窒化物基板を得る。スライスは、ワイヤーソー、ブレードソーで実施することができる。基板の平坦化のために研削、ラッピング等の機械加工を行う。ラッピングに使用される硬質砥粒としては、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ2Ｏ3等がある。これらは機械的な作用から選定され、レート向上には高硬度、粒径の大きな砥粒が使用される。表面粗さを平滑にし、加工変質層を少なくするためには、低硬度、粒径の小さな砥粒が使用される。研磨時間を短縮して平滑な表面を得るためには、粒度の大きな砥粒から小さな砥粒へと多段階の研磨が行われる。粗さ低減、加工変質層除去のために表面仕上げ処理を行う。表面仕上げとして、機械研磨後に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことができる。ドライエッチングにより、加工変質層を除去することもできる。
【００３４】
以下、図４を再び参照する。図４に示す製造方法は、ドライエッチング工程Ｓ１及びポリッシング工程Ｓ２を含んでいる。ドライエッチング工程Ｓ１では、III族窒化物基板の表面がドライエッチングされる。このドライエッチング工程Ｓ１には、例えば、図５に示すドライエッチング装置を用いることができる。なお、図５に示すドライエッチング装置は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置であるが、本発明のドライエッチング工程に用いることができるドライエッチングは、ＲＩＥに限定されるものではなく、誘導結合プラズマＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ）、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）−ＲＩＥ、ＣＡＩＢＥ（化学アシストイオンビームエッチング）、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）等であってもよい。
【００３５】
ドライエッチング装置５０は、チャンバ５２を備えている。チャンバ５２内には、上部電極５４、下部電極５６、及び、基板支持台５８が設けられている。チャンバ５２には、ガス源に接続されたガス供給口６０が設けられており、また、真空ポンプに接続されたガス排気口６２が設けられている。
【００３６】
ドライエッチング装置５０では、基板支持台５８上にIII族窒化物基板１０を搭載し、ガス供給口６０からガスを供給し、高周波電源６４から高周波電力を下部電極５６に供給することにより、チャンバ５２内にプラズマを発生することができる。これにより、ドライエッチング装置５０は、III族窒化物基板１０の表面をドライエッチングすることができる。
【００３７】
本製造方法では、ドライエッチング工程Ｓ１において、チャンバ５２内に炭素を含む第１のガス（炭素系ガス）と塩素を含む第２のガス（塩素系ガス）とを含む混合ガスが供給される。炭素系ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、アセチレン等が例示される。塩素系ガスとしては、塩素、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４等が例示される。
【００３８】
また、ドライエッチング工程Ｓ１は、チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、
０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０ …（１）
を満たすように行われる。この式（１）の条件を満たすことにより、上述した表面層１０ａの炭素濃度を好適に得ることが可能である。ここで、１ｓｃｃｍは、１．６６７×１０−８ｍ３／ｓである。
【００３９】
なお、ドライエッチング工程Ｓ１において、平坦な表面層１０ａを得るためには、チャンバ５２内に、Ｓｉ系ガスやＳｉ片を存在させることが有効である。しかしながら、Ｓｉの比率が多い場合には、ドライエッチング後に基板表面に付着するＳｉの量が増加するという問題が生じる。そこで、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚ等のＳｉ元素と、Ｃ、Ｎからなる群の少なくとも一つの元素とを含む化合物を、ドライエッチング工程Ｓ１において、チャンバ５２内に存在させることができる。このような化合物は、基板支持台５８を当該化合物製とするか、又は、基板支持台５８上且つ基板１０の付近に当該化合物を配置することによって、チャンバ５２内に存在させることが可能である。これにより、平坦な表面層１０ａを得ることができ、且つ、表面層１０ａへのＳｉの付着を抑制することができる。
【００４０】
次に、本製造方法においては、ポリッシング工程Ｓ２が行われる。ポリッシング工程Ｓ２は、例えば、図６に示すポリッシング装置７０を用いて行うことができる。ポリッシング装置７０は、定盤７２と、ポリッシングパッド７４、結晶ホルダ７６、重り７８、及び、スラリー液供給口８０を備えている。
【００４１】
ポリッシングパッド７４は、定盤７２上に搭載されている。定盤７２及びポリッシングパッド７４は、定盤７２の中心軸線Ｘ１中心に回転可能である。結晶ホルダ７６は、基板１０をその下面に支持するための部品である。基板１０には、重り７８によって荷重が加えられる。結晶ホルダ７６は、軸線Ｘ１と略平行であり、且つ、軸線Ｘ１から変位した位置に中心軸線Ｘ２を有しており、この中心軸線Ｘ２中心に回転可能である。スラリー液供給口８０は、ポリッシングパッド７４上にスラリーＳを供給する。
【００４２】
このポリッシング装置７０によれば、定盤７２及びポリッシングパッド７４を回転させ、結晶ホルダ７６を回転させ、スラリーＳをポリッシングパッド７４上に供給し、基板１０の表面層１０ａをポリッシングパッド７４に接触させることによって、基板１０の表面層１０ａのポリッシングを行うことができる。
【００４３】
本製造方法では、ポリッシング工程Ｓ２において、ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液がスラリーＳとして供給される。ｐ型金属元素の酸化物としては、例えば、ＣｕＯ及びＺｎＯの一方、又は、双方を用いることができる。また、この溶液の粘度は、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）である。なお、溶液の粘度は、エチレングリコール等の高粘度の有機化合物やベーマイトなどの無機化合物を添加することにより、調整可能である。
【００４４】
このポリッシング工程Ｓ２によれば、酸化物のメカノケミカル効果により、基板１０の表面層１０ａに、ｐ型金属元素を結合させることができる。また、上述した粘度の溶液を用いることにより、基板１０の表面層１０ａにおけるｐ型金属元素の濃度を、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２の範囲に制御することができる。
【００４５】
なお、金属酸化物のメカノケミカル効果を促進するためには、溶液の溶媒に非極性溶媒を用いることが好ましい。非極性溶媒としては、炭化水素、四塩化炭素、ジエチルエーテル等が例示される。非極性溶媒を用いることにより、金属酸化物と基板の固体接触を促進して反応を促進することができ、効率よく基板表面の金属組成を制御することが可能となる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明に係るIII族窒化物基板を製造する方法を用いて製造したIII族窒化物基板、及び、本発明に係るIII族窒化物基板に基づいて作成した半導体デバイスを実施例として、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
＜ＧａＮ基板の製造＞
上記実施形態の製造方法によりＧａＮ基板を製造した。まず、ＨＶＰＥ法により成長させた絶縁型ＧａＮ基板（ドーパント：Ｆｅ）を、（０００１）面に平行な面でスライスして直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＧａＮ基板を得た。
【００４８】
このＧａＮ基板（窒化物結晶）のＮ原子面側のｃ面（（０００−１）面）を、セラミックス製の結晶ホルダにワックスで貼り付けた。ラップ装置に直径３８０ｍｍの定盤を設置し、スラリー供給口からダイヤモンドの砥粒が分散されたスラリーを定盤に供給しながら、定盤をその中心軸線中心に回転させ、結晶ホルダ上に重りを載せてＧａＮ基板を定盤に押し付けながらＧａＮ基板を結晶ホルダの中心軸線中心に回転させることにより、ＧａＮ結晶の表面（Ｇａ原子面側のｃ面、（０００１）面）のラッピングを行った。
【００４９】
ここで、定盤としては銅定盤及び錫定盤を用いた。また、砥粒径が９μｍ、３μｍ、２μｍの３種類のダイヤモンド砥粒を準備し、ラッピングの進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。研磨圧力は１００ｇ／ｃｍ2〜５００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ基板及び定盤の回転数は定盤及び結晶ホルダともに３０回／ｍｉｎ〜６０回／ｍｉｎとした。かかるラッピングによりＧａＮ結晶基板の表面は鏡面となった。
【００５０】
次いで、ラッピング後のＧａＮ基板を化学機械研磨（ＣＭＰ）した。具体的には、ポリッシング装置に設置された直径３８０ｍｍの定盤上にポリシングパッドを設置した。また、スラリー液供給口から砥粒が分散されたスラリーをポリシングパッドに供給しながら、中心軸線中心にポリシングパッドを回転させた。同時に、結晶ホルダ上に重りを載せることによりＧａＮ基板をポリシングパッドに押し付けながら当該ＧａＮ基板を結晶ホルダの中心軸線中心に回転させた。これによって、ＧａＮ基板の表面（Ｇａ原子面側のｃ面、（０００１）面）の化学機械研磨（ＣＭＰ）をおこなった。スラリーは、砥粒として粒径２μｍのＡｌ２Ｏ３粒子を水に分散させてＡｌ２Ｏ３含有量を５質量％とし、ｐＨ調整剤としてＨＮＯ3を添加して、ｐＨを２〜４に調整することにより作製した。また、ポリシングパッドとしては、ポリウレタンのスウェードパッドを用い、定盤としてはステンレス鋼定盤を用いた。ポリシング圧力は５０ｇ／ｃｍ2〜６００ｇ／ｃｍ2とし、ＧａＮ基板及びポリシングパッドの回転数はいずれも３０回／ｍｉｎ〜７０回／ｍｉｎとした。
【００５１】
次いで、ＣＭＰを行った後のＧａＮ基板に対して、上述したドライエッチング工程Ｓ１に従い、炭素含有ガスと塩素含有ガスを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置でドライエッチングを実施した。エッチングガスには、メタン（炭素系ガス）と塩素（塩素系ガス）との混合ガスを用いた。チャンバの容積Ｖ、チャンバ内の圧力Ｐ、混合ガスの流量Ｑ、ＰＶ／Ｑ、炭素系ガスと塩素系ガスの流量比、バイアス電力、アンテナ電力、基板支持台の材質は、表１に示す実施例１〜１０の通りとした。また、参考のために、表１に示すように、これらパラメータを比較例１〜２の通りとした。
【００５２】
以上の工程により得られたＧａＮ基板の表面における炭素濃度をオージェ電子分光法（ＡＥＳ）により定量化した。各実施例及び各比較例のＧａＮ基板の炭素濃度は、表１に示す通りであった。実施例１〜１０、即ち、ＰＶ／Ｑが０．０５以上３．０以下の場合には、炭素系ガスと塩素系ガスの流量比によらず、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が３ａｔ．％〜２５ａｔ．％となった。一方、ＰＶ／Ｑが０．０５未満の場合（比較例１）の場合には、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が３ａｔ．％未満となり、また、ＰＶ／Ｑが３より大きい場合（比較例２）の場合には、ＧａＮ基板の表面層における炭素濃度が２５ａｔ．％より大きくなった。なお、表面処理で通常適用されるエッチング時間では、表面層の炭素濃度は影響されなかった。また、バイアス電力を５０Ｗ〜２００Ｗとし、アンテナ電力を１００〜４００Ｗとしても、これらの電力の範囲では、表面層の炭素濃度に影響はなかった。
【表１】
【００５３】
次いで、上述したＣＭＰと同等のポリッシング装置、即ち図６に示したポリッシング装置を用いて、ドライエッチング後のＧａＮ基板の表面層をｐ型金属元素の酸化物を含む溶液でポリッシングした。具体的には、表２の実施例１１〜２１のパラメータでドライエッチング後のＧａＮ基板の表面層のポリッシングを行った。即ち、表２の実施例１１〜２１の金属酸化物及び溶媒を含み、且つ、表２の実施例１１〜２１の粘度を有する溶液を用い、表２の実施例１１〜２１のＧａＮ基板に対する圧力で、また、表２の実施例１１〜２１の定盤及び結晶ホルダの回転数で、ＧａＮ基板のポリッシングを行った。また、参考のために、表２の比較例３〜４の金属酸化物及び溶媒を含み、且つ、表２の比較例３〜４の粘度を有する溶液を用い、表２の比較例３〜４のＧａＮ基板に対する圧力で、また、表２の比較例３〜４の定盤及び結晶ホルダの回転数で、ＧａＮ基板のポリッシングを行った。ポリシングパッドには、不織布パッド（圧縮率３．０％）を用い、定盤としては表面処理を実施したアルミ定盤を用いた。
【００５４】
以上の工程により得られたＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度を全反射蛍光Ｘ線分析により定量化した。各実施例及び比較例のＣｕ濃度及びＺｎ濃度は表２に示す通りであった。表２のＣｕ濃度及びＺｎ濃度の加算値から明らかなように、実施例１１〜２１、即ち、ｐ型金属元素の酸化物を含み、且つ、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する溶液を用いることによって、ＧａＮ基板の表面層のｐ型金属元素の濃度を、ポリッシング時の圧力並びに定盤及び結晶ホルダの回転数に依らず、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２の範囲に制御できた。一方、溶液の粘度が２（ｍＰａ・ｓ）未満の場合（比較例３）には、ｐ型金属元素の濃度が２００×１０１０原子／ｃｍ２より大きくなり、溶液の粘度が３０（ｍＰａ・ｓ）より大きい場合（比較例４）には、ｐ型金属元素の濃度が５×１０１０原子／ｃｍ２未満となった。なお、ポリッシング溶液中の砥粒の粒径が大きいと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加する傾向があり、砥粒の粒径が小さいと、表面改質の効果が小さいため、砥粒の粒径は５０ｎｍ〜２０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１０００ｎｍであることがより好ましかった。このような砥粒の粒径の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、溶液中の砥粒の濃度が高いと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加し、砥粒の濃度が低いと、表面改質の効果が小さいため、砥粒の濃度は、１ｗｔ．％〜１０ｗｔ．％であることが好ましく、２ｗｔ．％〜５ｗｔ．％であることがより好ましかった。このような砥粒の濃度の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、ポリッシングパッドの圧縮率が小さいと、表面粗さが増加し、加工変質層の厚みが増加する傾向があり、当該圧縮率が大きいと、表面改質の効果が小さいため、ポリッシングパッドの圧縮率は、１％〜２０％であることが好ましく、３％〜１５％であることがより好ましかった。このようなポリッシングパッドの圧縮率の範囲では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。また、表面処理において通常適用されるポリッシング時間である３分〜３０分では、ＧａＮ基板の表面におけるｐ型金属元素の濃度への影響はなかった。
【表２】
【００５５】
＜ＨＥＭＴデバイスの評価＞
上述した実施形態のＧａＮ基板を用いて上述した実施形態のＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各実施例について２００個準備した。具体的には、まず、実施例２２〜２８のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表３の実施例２２〜２８の列に示した炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の表面層を有するものを、各実施例について準備した。
【００５６】
そして、これらＧａＮ基板をＯＭＶＰＥ装置のリアクタに置き、水素、窒素、及びアンモニアを含むガスをリアクタ内に供給して、ＧａＮ基板の温度を１１００℃として２０分間の熱処理を行なった。
【００５７】
次に、ＧａＮ基板の温度を１１３０℃に昇温させ、アンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をリアクタに供給して、厚さ１．５μｍのＧａＮ層をＧａＮ基板上に成長させた。次いで、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、及び、アンモニアをリアクタに供給して、厚さ３０ｎｍ、Ａｌ組成２０％のＡｌＧａＮ層をＧａＮ層上に成長させた。
【００５８】
次いで、ＡｌＧａＮ層上にフォトリソグラフィ、ＥＢ蒸着、及び、リフトオフによって、ソース電極、及びドレイン電極を作製した。これら電極には、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０／１００／２０／３００ｎｍ）を用いた。リフトオフ後６００℃、１分間の合金化熱処理を行なった。次に、ソース電極、及びドレイン電極の作製と同様の工程によりゲート電極を作製した。ゲート電極には、Ｎｉ／Ａｕ（５０／５００ｎｍ）を用いた。ゲート長は２μｍとした。
【００５９】
なお、参考のために、比較例５〜１０のＨＥＭＴデバイス用に、表３の比較例５〜１０の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素濃度の表面層を有するＧａＮ基板を準備し、同様にＨＥＭＴデバイスを作製した。ＨＥＭＴデバイスは各比較例について２００個準備した。
【００６０】
以上の通りに得たＨＥＭＴデバイスのゲートリーク電流を検査した。ここでは、５Ｖのゲート電圧を与えたときに、ゲート電流密度が１×１０-６Ａ／ｃｍ２であったＨＥＭＴデバイスを良好なデバイス特性を有するものと判定する条件を採用した。各実施例及び比較例について、当該条件を満たすＨＥＭＴデバイスの歩留まりは、表３に示す通りであった。実施例２２〜２８、即ち、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む表面層を有するＧａＮ基板を用いたＨＥＭＴデバイスの歩留は、６５％以上であった。一方、比較例５〜１０のＨＥＭＴデバイスの歩留は、６５％を大きく下回った。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも１．５ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも３０ｎｍであった。
【表３】
【００６１】
上記の実施例２２、実施例２４、実施例２６、比較例５、及び比較例１０のＨＥＭＴデバイスにおけるIII族窒化物基板とエピタキシャル成長層との界面の組成、即ち、化合物半導体基板におけるIII族窒化物基板とエピタキシャル成長層との界面の組成を、ＳＩＭＳ分析によって調査した結果は、以下の通りであった。
実施例２２では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１８個、Ｓｉ原子の個数が１×１０１９個であった。
実施例２４では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が５×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が５×１０１７個であった。
実施例２６では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が５×１０１７個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が１×１０１７個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が２×１０１７個であった。
比較例５では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が２×１０１５個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が２×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１９個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が１×１０２０個であった。
比較例１０では、１ｃｍ３当たりのＣ原子の個数が５×１０１８個、１ｃｍ３当たりのｐ型金属元素の原子の個数が１×１０１８個、１ｃｍ３当たりのＯ原子の個数が１×１０１６個、１ｃｍ３当たりのＳｉ原子の個数が２×１０１７個であった。
このように、化合物半導体基板における界面の組成が良好な実施例２２、２４、及び２６では、ＨＥＭＴデバイスの良好な歩留が得られた。一方、比較例５及び１０のような化合物半導体基板における界面の組成の場合には、ＨＥＭＴデバイスの歩留が低下した。
【００６２】
次に、実施例２９〜３６のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表４の実施例２９〜３６の列に示す炭素濃度、ｐ型金属元素（Ｃｕ）濃度、及び絶縁性金属元素（Ｆｅ）濃度の表面層を有するものを準備した。そして、これらＧａＮ基板を用いて、実施例２２〜２８と同様のＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各実施例について２００個準備した。また、参考のために、比較例１１〜１５のＨＥＭＴデバイス用に、絶縁性のＧａＮ基板（比抵抗１×１０７Ωｃｍ）であって、表４の比較例１１〜１５の列に示した炭素濃度、ｐ型金属元素（Ｃｕ）濃度、及び絶縁性金属元素（Ｆｅ）濃度の表面層を有するものを準備し、同様にＨＥＭＴデバイスを作成した。ＨＥＭＴデバイスは各比較例について２００個準備した。そして、実施例２９〜３６及び比較例１１〜１５のＨＥＭＴデバイスについて、上述した実施例２２〜２８及び比較例５〜１０と同様の条件により歩留を求めた。表４に示すように、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素をＧａＮ基板の表面層に含めることにより、ＨＥＭＴデバイスの歩留りは、更に向上した。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも２．２ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも４０ｎｍであった。
【表４】
【００６３】
＜ＬＥＤの評価＞
上述した実施形態のＧａＮ基板を用い、上述した実施形態のＬＥＤを作成した。ＬＥＤは各実施例について２００個準備した。具体的には、実施例３７〜４３のＬＥＤ用に、比抵抗１×１０−２Ωｃｍ、キャリア密度３×１０１８／ｃｍ２のｎ型ＧａＮ基板を準備した。ｎ型ＧａＮ基板としては、表５の実施例３７〜４３の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の濃度をもつ表面層を有するものを、各実施例について準備した。
【００６４】
これらｎ型ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置して、ｎ型ＧａＮ基板の一方の主面（（０００１）面）側に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ層（ドーパント：Ｓｉ）、厚さ１５０ｎｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層（ドーパント：Ｓｉ）、活性層、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（ドーパント：Ｍｇ）、及び厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（ドーパント：Ｍｇ）を順次形成して、エピタキシャル成長層を得た。ここで、活性層は、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層で形成される４層の障壁層と、厚さ３ｎｍのＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層で形成される３層の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
【００６５】
また、参考のために、比較例１６〜２１のＬＥＤ用に、比抵抗１×１０−２Ωｃｍ、キャリア密度３×１０１８／ｃｍ３のｎ型ＧａＮ基板であって、表５の比較例１６〜２１の列に示す炭素濃度及びｐ型金属元素（Ｃｕ及びＺｎ）の濃度をもつ表面層を有するものを、各比較例について準備した。ＬＥＤは各比較例について２００個準備した。そして、比較例１６〜２１についても、実施例３７〜４３と同様に、エピタキシャル成長層を得た。
【００６６】
以上の通りに得たエピタキシャル成長層について、フォトルミネッセンス法(ＰＬ法)によりＰＬ強度評価を行った。ＰＬ強度評価は、波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源に用い、レーザー光を試料に照射して励起された波長４６０ｎｍの発光強度を評価した。その結果は、表５に示す通りであった。
【００６７】
次に、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１ともに、ｎ型のＧａＮ結晶基板の他方の主面（（０００−１）面）側に第１の電極として、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ１０００ｎｍのＡｌ層、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ２０００ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、窒素雰囲気中で加熱することにより、直径１００μｍのｎ側電極を形成した。一方、ｐ型ＧａＮ層上に第２の電極として、厚さ４ｎｍのＮｉ層、厚さ４ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、ｐ側電極を形成した。以上の工程により製造した生産物を２ｍｍ角に加工することにより、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１のＬＥＤを得た。
【００６８】
以上の通りに得たＬＥＤの光出力を、積分球を用いて注入電流４Ａの条件で測定した。発光素子の光出力は、以下のように測定した。即ち、積分球内に載置された発光素子に所定の電流を注入し、その発光素子から集光された光を受けるディテクタによって光出力を測定した。そして、光出力が２Ｗ以上のＬＥＤを良好な特性を有するＬＥＤとする条件により、実施例３７〜４３及び比較例１６〜２１のＬＥＤの歩留を求めた。結果は表５に示すとおりであった。
【００６９】
表５に示すように、実施例３７〜４３のＬＥＤ、即ち、表面層が、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含むＧａＮ基板を用いたＬＥＤは、比較例１６〜２１のＬＥＤに対して、ＰＬ強度及び歩留に優れていることが明らかとなった。なお、基板の表面粗さＲＭＳは実施例、比較例とも０．９ｎｍであり、加工変質層は実施例、比較例とも２０ｎｍであった。
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るIII族窒化物基板を備える半導体デバイスの別の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法の流れ図である。
【図５】ドライエッチング工程に用いることが可能な装置を示す図である。
【図６】ポリッシング工程に用いることが可能な装置を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…ＨＥＭＴデバイス、２…ＬＥＤ、１０…III族窒化物基板（ＧａＮ基板）、１０ａ…表面層、１２…ＧａＮ層、１４…ＡｌＧａＮ層、１６…ゲート電極、１８…ソース電極、２０…ドレイン電極、２２…バッファ層、２４…第１のクラッド層、２６…活性層、２８…第２のクラッド層、３０…コンタクト層、３２…第１の電極、３４…第２の電極、５０…ドライエッチング装置、５２…チャンバ、５４…上部電極、５６…下部電極、５８…基板支持台、６０…ガス供給口、６２…ガス排気口、６４…高周波電源、７０…ポリッシング装置、７２…定盤、７４…ポリッシングパッド、７６…結晶ホルダ、７８…重り、８０…スラリー液供給口。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面層を有し、
前記表面層が、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む、
III族窒化物基板。
【請求項２】
前記表面層が、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を更に含む、請求項１に記載のIII族窒化物基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のIII族窒化物基板と、
前記基板の表面層上に形成された少なくとも一層以上のエピタキシャル成長層と、
を備える半導体デバイス。
【請求項４】
表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法であって、
チャンバ内において炭素を含む第１のガスと塩素を含む第２のガスとを含む混合ガスを用いて前記基板の表面をドライエッチングする工程であって、前記チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、前記混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、
０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０
を満たすように行われる、該工程と、
ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液であって、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する該溶液を用いて前記基板の表面をポリッシングする工程と、
を含む、方法。
【請求項１】
表面層を有し、
前記表面層が、３ａｔ．％〜２５ａｔ．％の炭素を含み、且つ、５×１０１０原子／ｃｍ２〜２００×１０１０原子／ｃｍ２のｐ型金属元素を含む、
III族窒化物基板。
【請求項２】
前記表面層が、１×１０１０原子／ｃｍ２〜１００×１０１０原子／ｃｍ２の絶縁性金属元素を更に含む、請求項１に記載のIII族窒化物基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のIII族窒化物基板と、
前記基板の表面層上に形成された少なくとも一層以上のエピタキシャル成長層と、
を備える半導体デバイス。
【請求項４】
表面処理されたIII族窒化物基板を製造する方法であって、
チャンバ内において炭素を含む第１のガスと塩素を含む第２のガスとを含む混合ガスを用いて前記基板の表面をドライエッチングする工程であって、前記チャンバ内の圧力Ｐ（Ｐａ）、前記混合ガスの流量Ｑ（ｓｃｃｍ）、及び、チャンバ容積Ｖ（ｌ：リットル）が、
０．０５≦ＰＶ／Ｑ≦３．０
を満たすように行われる、該工程と、
ｐ型金属元素の酸化物を含む溶液であって、２（ｍＰａ・ｓ）〜３０（ｍＰａ・ｓ）の粘度を有する該溶液を用いて前記基板の表面をポリッシングする工程と、
を含む、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２０１０−１６３３０７（Ｐ２０１０−１６３３０７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９５３（Ｐ２００９−５９５３）
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【特許番号】特許第４３０５５７４号（Ｐ４３０５５７４）
【特許公報発行日】平成２１年７月２９日（２００９．７．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【特許番号】特許第４３０５５７４号（Ｐ４３０５５７４）
【特許公報発行日】平成２１年７月２９日（２００９．７．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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