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JP6130995B2 - エピタキシャル基板及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エピタキシャル成長層を有するエピタキシャル基板及び半導体装置に関する。
窒化物半導体層を有する半導体装置において、シリコンやシリコンカーバイトなどの安価なシリコン系基板上に窒化物半導体層が形成されることが多い。例えば発光ダイオード(LED)の活性層や高電子移動度トランジスタ(HEMT)のチャネル層などの、半導体装置の機能層として機能する窒化物半導体層がシリコン系基板上に形成される。しかし、シリコン系基板と窒化物半導体層の格子定数は大きく異なる。このため、例えば、シリコン系基板と機能層との間にバッファ層を配置した構造が採用されている。
バッファ層や機能層などのエピタキシャル成長層は、窒化アルミニウム(AlN)層と窒化ガリウム(GaN)層とを交互に複数積層した構造などの、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(x>y)のヘテロ構造を複数積層した構造が、一般的に用いられている。なお、バッファ層とシリコン系基板との間にバッファ層よりも厚いAlN初期層が更に配置されることもある。
エピタキシャル成長層は、AlN/GaNのようなヘテロ構造を有するため、格子定数の差や熱膨張係数の差に起因して、外縁部から多くのクラックが入りやすい。
また、シリコン系基板上に窒化物半導体からなるエピタキシャル成長層を配置したエピタキシャル基板では、外縁部においてエピタキシャル成長層の膜厚が厚くなり、エピタキシャル成長層の「クラウン」が発生する。半導体装置として使用する中央部でシリコン系基板の反りとエピタキシャル成長層の応力が最適になるように、半導体装置の各層の厚みなどの条件が選択されている。このため、上記クラウンが発生すると、エピタキシャル成長層に生じる応力と基板の反りのバランスが崩れてエピタキシャル成長層に影響を与え、外縁部近傍のエピタキシャル成長層に亀甲模様のクラックなどが生じる。クラウン発生を防止するために、シリコン系基板の外縁部を面取りし、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法などが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭59−227117号公報
一般的には「クラックフリー」と呼ばれるエピタキシャル基板においても、クラウンの発生に起因して外縁部から数mm程度の領域にはクラックが存在しているのが現状である。このクラックはデバイスの製造工程において伸張したり、エピタキシャル成長層の剥離を誘発して製造ラインを汚染したりすることが懸念される。このため、完全にクラックフリーなエピタキシャル基板が望まれている。
上記要求を満たすために、本発明は、外縁部でのクラックの発生が抑制されたエピタキシャル基板及び半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、(イ)シリコン系基板と、(ロ)格子定数及び熱膨張係数が互いに異なる第1及び第2の窒化物半導体層が交互に積層された構造を有し、第1及び第2の窒化物半導体層のそれぞれの膜厚が端部から主面の中央部に向けて徐々に厚く形成され、構造の外縁部において膜厚が外縁に向けて徐々に薄くなるようにシリコン系基板上に配置されることにより、外縁部において膜厚が厚くなるクラウンの発生を防止されたエピタキシャル成長層とを備えるエピタキシャル基板が提供される。
本発明の他の態様によれば、(イ)シリコン系基板と、(ロ)格子定数及び熱膨張係数が互いに異なる第1及び第2の窒化物半導体層が交互に積層された構造を有し、第1及び第2の窒化物半導体層のそれぞれの膜厚が端部から主面の中央部に向けて徐々に厚く形成され、構造の外縁部において膜厚が外縁に向けて徐々に薄くなるようにシリコン系基板上に配置されることにより、外縁部において膜厚が厚くなるクラウンの発生を防止されたエピタキシャル成長層と、(ハ)エピタキシャル成長層上に配置された、窒化物半導体からなる機能層とを備える半導体装置が提供される。
本発明によれば、外縁部でのクラックの発生が抑制されたエピタキシャル基板及び半導体装置を提供できる。
本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板の構造を示す模式的な断面図であり、図1(a)は全体図、図1(b)及び図1(c)は端部の拡大図である。 比較例のエピタキシャル基板の外縁部の構造を示す模式的な断面図である。 比較例のエピタキシャル成長層の外縁部における表面写真である。 材料毎の熱膨張係数を比較したグラフである。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板の外縁部の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル成長層の外縁部における表面写真である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板のエピタキシャル成長層の外縁部における膜厚分布の例を示すグラフである。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板のエピタキシャル成長層の外縁部における膜厚分布の例を示す表である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板の製造方法の例を説明するための模式図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板を用いた半導体装置の構造例を示す模式的な断面図である。 図10に示した半導体装置の1ユニット分の構造例を示す模式的な断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板を用いた半導体装置の他の構造例を示す模式的な断面図である。 図12に示した半導体装置の1ユニット分の構造例を示す模式的な断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るエピタキシャル基板の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るエピタキシャル基板の構造を示す模式的な断面図である。
次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第3の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す第1乃至第3の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板10は、図1(a)に示すように、シリコン系基板11と、外縁部において膜厚が徐々に薄くなるようにシリコン系基板11上に配置されたエピタキシャル成長層12とを備える。つまり、エピタキシャル成長層12は、図1(a)に示したように、外縁部(端部)の膜厚方向に沿った切断面の外縁の形状が凸円弧状である。また、エピタキシャル成長層12は、格子定数及び熱膨張係数が互いに異なる第1の窒化物半導体層121と第2の窒化物半導体層122が交互に積層されたバッファ層の構造を有する。
図1(a)に示したエピタキシャル基板10上に窒化物半導体からなる機能層を形成することにより、半導体装置が製造される。例えば、エピタキシャル成長層12をバッファ層とした半導体装置を実現可能である。なお、半導体装置を製造するためにバッファ層上に形成した窒化物半導体からなる機能層もエピタキシャル成長層12に含まれる。
エピタキシャル成長層12の端部は、例えば図1(b)に示すように、膜厚の減少率が外側ほど大きいように膜厚が徐々に薄くなる。或いは図1(c)に示すように、エピタキシャル成長層12の端部は徐々に薄くなる。なお、図1(b)、図1(c)では、エピタキシャル成長層12が、バッファ層上にGaN層とAlGaN層を積層した構造である例を示した。エピタキシャル成長層12を構成する各層の膜厚の比率は端部近傍と中央部とで、ほとんど違いはない。なお、「中央部」は、半導体デバイスとして使用される、エピタキシャル成長層12の端部より内側の部分である。
図1(a)に示したエピタキシャル基板では、エピタキシャル成長層12の端部がシリコン系基板11の端部よりも内側にあり、第1及び第2の窒化物半導体層121、122のそれぞれの膜厚が端部から中央部に向けて徐々に厚く形成されている。つまり、エピタキシャル成長層12はシリコン系基板11の主面110の中央領域上に配置され、且つ中央領域の周囲を囲む主面110の外周領域上に配置されていない。このため、外周領域においてシリコン系基板11の主面が露出している。第1及び第2の窒化物半導体層121、122は、例えばAlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1)からなる窒化物半導体からなる。
シリコン系基板11は、例えばシリコン(Si)基板やシリコンカーバイト(SiC)基板などである。図1(a)に示したようにシリコン系基板11の外縁部は、端部に近づくほど膜厚が薄くなるように面取りされている。
一般的に、シリコン系基板上に窒化物半導体からなるエピタキシャル膜を成長させた場合は、図2に示すように、シリコン系基板11Aの外縁部でエピタキシャル成長層12Aの膜厚が厚くなってクラウン13が発生する。図2に示した比較例は、エピタキシャル成長層12Aとしてバッファ層、GaN層及びAlGaNバリア層を積層した構造である。既に説明したように、クラウン13の発生によってエピタキシャル基板にクラックが生じる。図2に符号Aで示したエピタキシャル成長層12Aの外縁部の表面写真を、図3に示す。図3に示すように、エピタキシャル成長層12Aにはすじ状のクラックが発生している。
図4に、材料毎の熱膨張係数を比較したグラフを示す。図4は、各半導体材料における温度と線熱膨張係数αとの関係を示す。1000K以上では、各材料の熱膨張係数の関係はSi<GaN<AlNであり、格子定数の関係はAlN(a軸)<GaN(a軸)<Si((111)面)である。シリコン、AlN及びGaNで格子定数や熱膨張係数などに差があるため、これらの材料を、例えばシリコン系基板の温度を1000K以上の高温にして積層した場合には図3に示すようなクラックが発生しやすい。
図2に示した比較例と比較するために、図1(a)に示したエピタキシャル基板10の外縁部の状態について以下に説明する。図5に符号Bで示したエピタキシャル成長層12の外縁部の表面写真を、図6に示す。図6に示すように、シリコン系基板11にはクラックが発生していない。このときのシリコン系基板11の中央領域におけるエピタキシャル成長層12の膜厚は6μmである。つまり、膜厚が6μmのエピタキシャル成長層12を形成した場合に、エピタキシャル成長層12の外縁部においてシリコン系基板11にクラックが発生していないことが確認された。
上記のように、外縁部において膜厚が徐々に薄くなるようにエピタキシャル成長層12を形成することによって、シリコン系基板11の外縁部においてエピタキシャル成長層12のクラウンが発生しない。これにより、シリコン系基板11でのクラックの発生やエピタキシャル成長層12の剥離が抑制される。
図7に、外縁部におけるエピタキシャル成長層12の膜厚分布の例を示す。図7の縦軸はエピタキシャル成長層12の膜厚であり、横軸はエピタキシャル成長層12の外縁部の端から中央領域に向かってシリコン系基板11の主面110に沿った距離である。なお、エピタキシャル成長層12として、シリコン系基板11上にバッファ層及びGaN層を積層した。図7において、「GaN−OF」及び「バッファ−OF」が基板のオリフラに近い側(以下において「オフ側」という。)のGaN層及びバッファ層の膜厚を示し、「GaN−Top」及び「バッファ−Top」が基板のオリフラから遠い側(以下において「トップ側」という。)のGaN層及びバッファ層の膜厚を示す。図8に、トップ側におけるバッファ層、GaN層、及びバッファ層とGaN層のトータルの膜厚の変化量を示す。
既に述べたように、外側に向かってエピタキシャル成長層12の膜厚は徐々に薄くなり、外側ほど膜厚の減少率は大きい。例えば、外縁部の端から20mmにおける中央領域のエピタキシャル成長層12の膜厚を100%とした場合に、外縁部の端からの距離が3mmの領域では90%程度、外縁部の端からの距離が1mmの領域では70%程度、外縁部の端からの距離が0.5mmの領域では50%程度の膜厚であるように、エピタキシャル成長層12が形成されている。
エピタキシャル成長層12の膜厚が厚いほど、エピタキシャル基板10にクラックが発生しやすい。このため、エピタキシャル成長層12の中央部における膜厚が例えば5μm以上の場合に、外縁部においてエピタキシャル成長層12の膜厚を徐々に薄くすることよってクラック発生を低減する効果が顕著である。
また、エピタキシャル成長層12の直径が大きい場合ほど、外縁部においてクラックが発生しやすい。このため、例えば、エピタキシャル基板10の直径が125mm以上である場合に、エピタキシャル成長層12の膜厚を徐々に薄くすることよるクラック発生の抑制効果が大きい。
図1(a)に示したエピタキシャル基板10は、例えば図9(a)、図9(b)に示す製造方法などによって製造可能である。即ち、シリコン系基板11の主面110の外周領域上に、外周に沿って環状のリング100を配置する。リング100は、例えばシリコンからなる。リング100が配置されたシリコン系基板11の主面110上に、有機金属気相成長(MOCVD)法等のエピタキシャル成長法を用いてエピタキシャル成長層12を形成する。その後、シリコン系基板11からリング100を除去することにより、図1(a)に示したエピタキシャル基板10が完成する。エピタキシャル成長中にリング100が配置されていたシリコン系基板11の外周領域にはエピタキシャル成長層12が形成されず、シリコン系基板11の表面が露出する。
バッファ層としてのエピタキシャル成長層12の最適な構造はAlN層とGaN層を交互に積層した構造であり、900℃以上、例えば1350℃に設定されたシリコン系基板11上にエピタキシャル成長層12を形成する。
以上に説明したように、本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャル基板10によれば、外縁部でエピタキシャル成長層12の膜厚が厚くなってクラウンが発生することが防止され、クラックの発生やエピタキシャル膜の剥離などを抑制できる。このようにエピタキシャル基板10はクラックの発生がないクラックフリー基板であるため、エピタキシャル成長中にクラックが発生し、原料ガスとシリコン系基板が反応してしまう現象(メルトバックエッチング)も抑制される。
更に、エピタキシャル基板10では外縁部のエピタキシャル成長層12の膜厚が薄いため、シリコン系基板11、エピタキシャル成長層12を構成する第1の窒化物半導体層121及び第2の窒化物半導体層122の熱膨張係数の差によって端部から生じる応力も弱く、エピタキシャル基板10の反りの制御が容易になる。例えば、図2に示した比較例と比較した場合に、エピタキシャル成長層12の膜厚が同じ場合には応力に依存する反り量は小さい。また、反り量を同じにする場合には、エピタキシャル成長層12を厚く成長させることができる。
図10に、エピタキシャル基板10を用いてHEMTを形成した例を示す。即ち、図10に示した半導体装置は、キャリア供給層22、及びキャリア供給層22とヘテロ接合を形成するキャリア走行層21を積層した構造の機能層20を有する。バンドギャップエネルギーが互いに異なる窒化物半導体からなるキャリア走行層21とキャリア供給層22間の界面にヘテロ接合面が形成され、ヘテロ接合面近傍のキャリア走行層21に電流通路(チャネル)としての二次元キャリアガス層23が形成される。
図10に示した半導体装置のバッファ層120は、例えばAlNからなる第1のサブレイヤー(第1の副層)とGaNからなる第2のサブレイヤー(第2の副層)とを交互に積層した多層構造バッファである。
バッファ層120上に配置されたキャリア走行層21は、例えば不純物が添加されていないノンドープGaNを、MOCVD法等によりエピタキシャル成長させて形成する。ノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
ここで、端部におけるバッファ層120の厚みの中央部に対する変化の割合が、端部におけるキャリア走行層21の厚みの中央部に対する変化の割合との比率の±5%以内でほぼ等しく、バッファ層120とキャリア走行層21に関して同等の割合で端部の厚みが変化していることが好ましい。なお、キャリア走行層21の変化の割合がバッファ層120の変化の割合より大きくてもよい。
キャリア走行層21上に配置されたキャリア供給層22は、キャリア走行層21よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層21より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層22としてノンドープのAlxGa1-xNが採用可能である。
キャリア供給層22は、MOCVD法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層21上に形成される。キャリア供給層22とキャリア走行層21は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層22の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層21に高密度のキャリアが生じ、電流通路(チャネル)としての二次元キャリアガス層23が形成される。
図10に示すように、機能層20上にソース電極31、ドレイン電極32及びゲート電極33が形成される。ソース電極31及びドレイン電極32は、機能層20と低抵抗接触(オーミック接触)可能な金属により形成される。例えばアルミニウム(Al)、チタン(Ti)などがソース電極31及びドレイン電極32に採用可能である。或いはTiとAlの積層体として、ソース電極31及びドレイン電極32は形成される。ソース電極31とドレイン電極32間に配置されるゲート電極33には、例えばニッケル金(NiAu)などが採用可能である。ソース電極31、ドレイン電極32及びゲート電極33はエピタキシャル成長層中央部にのみ形成される。
その後、図11に示すように、半導体装置の1ユニット分にダイシングしてチップが製造される。
上記では、エピタキシャル基板10を用いた半導体装置がHEMTである例を示したが、エピタキシャル基板10を用いて電界効果トランジスタ(FET)などの他の構造のトランジスタを形成してもよい。
また、エピタキシャル基板10を用いてLEDなどの発光装置を製造してもよい。図12に示した発光装置は、n型クラッド層41、活性層42及びp型クラッド層43を積層したダブルへテロ接合構造の機能層40を、バッファ層120上に配置した例である。
n型クラッド層41は、例えばn型不純物がドーピングされたGaN膜などである。図13に示すように、n型クラッド層41にはn側電極410が接続されており、発光装置の外部の負電源から電子がn側電極410に供給される。これにより、n型クラッド層41から活性層42に電子が供給される。
p型クラッド層43は、例えばp型不純物がドーピングされたAlGaN膜である。p型クラッド層43にはp側電極430が接続されており、発光装置の外部の正電源から正孔(ホール)がp側電極430に供給される。これにより、p型クラッド層43から活性層42に正孔が供給される。
活性層42は、例えばノンドープのInGaN膜である。図12及び図13では活性層42を単層として図示しているが、活性層42はバリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された多重量子井戸(MQW)構造を有する。ただし、活性層42を1つの層で構成することもできる。また、活性層42に、p型或いはn型の導電型不純物をドーピングしてもよい。n型クラッド層41から供給された電子とp型クラッド層43から供給された正孔とが活性層42で再結合して、光が発生する。
上記のように、図1(a)に示したエピタキシャル基板10を用いて、種々の機能層を有する半導体装置を実現できる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係るエピタキシャル基板10は、図14に示すように、エピタキシャル成長層12の端部が、シリコン系基板11の端部の面取りされた領域上に位置している。その他の点は、図1(a)に示した第1の実施形態と同様である。
図14に示したエピタキシャル基板10では、面取りにより形成されるシリコン系基板11内側の角部及びその近傍において、エピタキシャル成長層12の下地であるシリコン系基板11の形状に影響されて、エピタキシャル成長層12の各層の膜厚がその周辺に比べて若干厚くなる。しかし、エピタキシャル成長層12各層の膜厚は、面取りにより形成される角部の上方から端部に向かって徐々に薄くなる。なお、面取りにより形成される角部よりも内側、即ちシリコン系基板11の面取りされていない領域上においても、端部に向かってエピタキシャル成長層12の各層の膜厚が徐々に薄くなっていることが好ましい。
他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係るエピタキシャル基板10は、図15に示すように、エピタキシャル成長層12の端部がシリコン系基板11の端部よりも外側に伸びている。その他の点は、図1(a)に示した第1の実施形態と同様である。
図15に示したエピタキシャル基板10では、シリコン系基板11の端部と面取りにより形成される角部及びこれらの近傍において、エピタキシャル成長層12の下地であるシリコン系基板11の形状に影響されて、エピタキシャル成長層12の各層の膜厚がその周辺に比べて若干厚くなる。しかし、エピタキシャル成長層12は、シリコン系基板11の端部及び角部の上方からエピタキシャル成長層12の端部に向かって徐々に薄くなる。なお、面取りにより形成される角部よりも内側、即ちシリコン系基板11の面取りされていない領域上においても、端部に向かってエピタキシャル成長層12の各層の膜厚が徐々に薄くなっていることが好ましい。
他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1乃至第3の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、図1(a)に示した実施形態では端部が面取りされたシリコン系基板11を使用する例を示したが、シリコン系基板11の端部が面取りされていなくてもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
10…エピタキシャル基板
11…シリコン系基板
12…エピタキシャル成長層
13…クラウン
20…機能層
21…キャリア走行層
22…キャリア供給層
23…二次元キャリアガス層
31…ソース電極
32…ドレイン電極
33…ゲート電極
40…機能層
41…n型クラッド層
42…活性層
43…p型クラッド層
100…リング
110…主面
120…バッファ層
121…第1の窒化物半導体層
122…第2の窒化物半導体層
410…n側電極
430…p側電極

Claims (4)

  1. シリコン系基板と、
    格子定数及び熱膨張係数が互いに異なる第1及び第2の窒化物半導体層が交互に積層された構造を有し、前記第1及び第2の窒化物半導体層のそれぞれの膜厚が端部から主面の中央部に向けて徐々に厚く形成され、前記構造の外縁部において膜厚が外縁に向けて徐々に薄くなるように前記シリコン系基板上に配置されることにより、前記外縁部において膜厚が厚くなるクラウンの発生を防止されたエピタキシャル成長層と
    を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
  2. 前記エピタキシャル成長層の端部が、前記シリコン系基板の端部よりも内側にあることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャル基板。
  3. 前記シリコン系基板の外縁部が、端部に近づくほど膜厚が薄くなるように面取りされており、前記エピタキシャル成長層の端部が前記シリコン系基板の面取りされた領域上に位置していることを特徴とする請求項1又は2に記載のエピタキシャル基板。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載されたエピタキシャル基板と、
    前記エピタキシャル成長層上に配置された、窒化物半導体からなる機能層と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
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