Iii族氮化物外延基板以及其的制造方法
Iii族氮化物外延基板以及其的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及III族氮化物外延基板以及其的制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，通常包含Al、Ga、In等与N的化合物的III族氮化物半导体广泛用于发光 元件、电子装置用元件等。这样的装置的特性受III族氮化物半导体的结晶性的较大影响， 因此谋求用于使结晶性高的III族氮化物半导体生长的技术。
[0003] III族氮化物半导体以往通过使其在蓝宝石基板上外延生长而形成。然而，存在蓝 宝石基板的热导率小，因此散热性差，不适于高输出装置的制作的问题。
[0004] 因此，近年来，提出作为III族氮化物半导体的晶体生长基板，使用硅基板（Si基 板）的技术。Si基板具有与上述蓝宝石基板相比散热性高，因此适于高输出装置的制作， 此外，大型基板廉价，因此能够抑制制造成本的优点。然而，与蓝宝石基板同样地、Si基板 与III族氮化物半导体的晶格常数不同，即便直接使III族氮化物半导体在该Si基板上生 长、也不能期待得到结晶性高的III族氮化物半导体。
[0005] 此外，直接使III族氮化物半导体在Si基板上生长的情况下，存在如下问题：该 III族氮化物半导体的热膨胀系数与Si相比大，因此在从高温的晶体生长工序冷却至室温 的过程中，III族氮化物半导体中产生大的拉伸应变，由此引起Si基板翘曲，与此同时III 族氮化物半导体中产生高密度的裂纹。
[0006] 因此，专利文献1中公开了如下的技术，通过在Si基板与III族氮化物半 导体之间，设置交替地分别层叠多层包含AlxGai_xN(0. 5 <X< 1)的第1层和包含 AlyGai_yN(0. 01彡y彡0. 2)的第2层而成的A1N系超晶格缓冲层，从而在Si基板上制造结 晶性高、并且防止了裂纹的产生的III族氮化物半导体。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开2007-67077号公报
【发明内容】
[0010] 发明要解决的问题
[0011] 专利文献1中，提及通过形成氮化物半导体超晶格结构，从而防止在其上的III族 氮化物半导体层（主层叠体）中的裂纹的产生。然而，根据本发明人等的研宄，确认到如下 情况：对于Si基板形成如专利文献1那样的以往的超晶格层叠体，在其上形成包含III族 氮化物半导体层的主层叠体时，所得到的III族氮化物外延基板会发生Si基板侧凹陷、主 层叠体侧凸起的大的翘曲。需要说明的是，关于III族氮化物外延基板的翘曲，以下将Si 基板侧凹陷、主层叠体侧凸起而翘曲的情况称为"向上侧凸起地翘曲"，与之相对，将Si基 板侧凸起、主层叠体侧凹陷而翘曲的情况称为"向下侧凸起地翘曲"。发生这种大的向上侧 凸起的翘曲的情况下，给装置形成工序中对于主层叠体的正确的加工造成障碍，存在产生 装置不良的可能性，因此成为问题。
[0012] 此外，还谋求提高III族氮化物外延基板的纵向耐压。
[0013] 因此，本发明鉴于上述问题，目的在于提供减少形成主层叠体后的翘曲、并且提高 纵向耐压的III族氮化物外延基板以及其的制造方法。
[0014] 用于解决问题的方案
[0015] 可以达成该目的的本发明的III族氮化物外延基板的特征在于，具有：Si基板；与 该Si基板连接的初期层；和形成于该初期层上、交替地层叠包含AlaGa^MO.SKa<1)的 第1层以及包含AlpGagNOKe<0. 5)的第2层而成的超晶格层叠体，前述第2层的A1 组成比0越远离前述Si基板越逐渐增加。
[0016] 本发明中，优选的是，前述超晶格层叠体具有多个超晶格层，所述超晶格层是由前 述第1层和A1组成比0固定的前述第2层交替层叠而成的，对于前述第2层的A1组成比 0，越远离前述Si基板的位置的超晶格层的0越大。
[0017] 此外，距前述Si基板最近的前述第2层的A1组成比x与距前述Si基板最远的前 述第2层的A1组成比y之差y-x优选为0. 02以上。
[0018] 此外，前述第1层优选为A1N。
[0019] 此外，优选的是，前述初期层包含A1N层和该A1N层上的A1ZG&1_ZN层（0〈z〈l)，该 AlzGa^N层的A1组成比z大于距前述Si基板最远的前述第2层的A1组成比y。
[0020] 在前述超晶格层叠体上，优选还具有通过使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层 的III族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体。
[0021] 前述主层叠体形成后的翘曲量优选为以下的式（1)的值以下。
[0022] (x/6)2X50ym? ? ? (1)
[0023] 其中，x设为前述Si基板的英制尺寸。即，前述Si基板为6英寸时，前述主层叠 体形成后的翘曲量优选为50ym以下。
[0024] 本发明的III族氮化物外延基板的制造方法的特征在于，具有：在Si基板上形成 与该Si基板连接的初期层的第1工序，和在该初期层上形成超晶格层叠体的第2工序，所 述超晶格层叠体是由包含AlaGai_aN(0. 5〈a<1)的第1层和包含AlpGa^NOKe<0. 5) 的第2层交替层叠而成的，在前述第2工序中，使前述第2层的A1组成比0越远离前述Si 基板越逐渐增加。
[0025] 发明的效果
[0026] 根据本发明，第2层的A1组成比0越远离前述Si基板越逐渐增加，从而减少形 成主层叠体之后的翘曲、并且可以得到提高了纵向耐压的III族氮化物外延基板。
【附图说明】
[0027] 图1为基于本发明的III族氮化物外延基板10的示意截面图。
[0028] 图2为基于本发明的其它的III族氮化物外延基板20的示意截面图。
[0029] 图3为说明翘曲量（S0RI)的定义的基板的示意截面图。
【具体实施方式】
[0030] 以下，边参考附图边更详细地说明本发明。需要说明的是，在本说明书中，对于作 为本发明的实施方式的2个III族氮化物外延基板中共通的构成要素，原则上对下1位数 赋予相同的参考编号，省略说明。此外、基板的示意截面图是为了方便说明而相对于Si基 板夸张地描绘了各层的厚度的图。此外，在本说明书中，简记为"AlGaN"的情况，意味着III 族元素（Al、Ga的总计）与N的化学组成比为1 :1、111族元素A1与Ga的比率是不定的任 意的化合物。此外，将该化合物的III族元素中的A1的比例称为"A1组成比"。
[0031] (实施方式1 :III族氮化物外延基板10)
[0032] 对于作为本发明的一实施方式的III族氮化物外延基板10,如图1所示，具有Si 基板11、和形成于该Si基板11上的缓冲层12。并且，在该缓冲层12上可以具有使III 族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体13。缓冲层12具有与Si基板11连接的初期层 14,和形成于该初期层14上、交替地层叠包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGagMCKe<0.5)的第2层而成的超晶格层叠体15。本实施方式中，超晶格层叠体15 具有第1超晶格层15A以及第2超晶格层15B的这2层的超晶格层，所述第1超晶格层15A 例如为交替地层叠包含A1N的第1层15A1 (a= 1)以及包含A1组成比0取固定值0. 10 的AU%.，的第2层15A2而成的第1超晶格层15A，所述第2超晶格层15B例如为交替 地层叠包含A1N的第1层15Bl(a=1)以及A1组成比0取固定值0. 15的AlQ.15GaQ. 85N的 第2层15B2而成的第2超晶格层15B。
[0033] Si基板11为Si单晶基板，面方位没有特别指定，可以使用（111)、（100)、（110) 面等，为了使III族氮化物的（〇〇〇1)面生长，（110)、（111)面是理想的，进而，为了表面平 坦性良好地生长，期望使用（111)面。此外，传导型也可以任意设为P型、n型，可以应用于 0.001~100000D*011的各种电阻率。此外，Si基板内也可以包含除目的为控制导电性以 外的杂质（C、0、N、Ge等）。 对于基板的厚度，考虑各层的外延生长后的翘曲量等而适宜设 定，例如为500~2000ym的范围内。
[0034] 作为构成初期层14的典型的材料，可以列举出AlGaN或A1N，尤其是将初期层14 的基板接触部分设为A1N层，从而可以抑制与Si基板11的反应、提高纵向耐压。此外，初 期层14在膜厚方向上没有必要为均一组成，若将基板接触部分设为A1N层，可以在该A1N 层上形成AlGaN层等设为不同组成的多层的层叠、或也可以使其组成倾斜。此外，在A1N与 Si单晶基板的界面部分可以插入Si的氮化膜/氧化膜/碳化膜等薄膜，或也可以插入这 样的膜与A1N反应的薄膜。进而，对于初期层14,可以以不损害晶体品质的范围的厚度，形 成例如低温缓冲层那样的非晶层、多晶层。初期层14的厚度例如为10~500nm的范围内。 这是由于，不足l〇nm时，存在作为上层原料的一部分的Ga与Si基板反应从而产生缺陷的 可能性，超过500nm时，存在在形成初期层时产生裂纹的可能性。
[0035] 本实施方式中，在如下方面为特征结构：第1超晶格层15A的第2层15A2的A1 组成比0为0.10,第2超晶格层15B的第2层15B2的A1组成比0为0.15,第2层的A1 组成比0越远离Si基板11越增加。如此，本发明人等发现：在高A1组成比a的AlGaN 层（包含A1N)与低A1组成比0的AlGaN层的超晶格层叠体中，通过使低A1组成比0的 AlGaN层的A1组成比0越远离Si基板越增加，从而可以减少形成主层叠体13之后的III 族氮化物外延基板10的翘曲。其结果，可以减少针对主层叠体的装置形成工序中的装置不 良的可能性。
[0036] 本发明人等预想到本发明通过以下那样的作用而得到上述的效果。即、在A1组成 比低的层上形成A1组成比高的层时，考虑晶片面内的晶格常数的情况下，通过在面内晶格 常数大的层（例如GaN= 3. 19)之上形成面内晶格常数小的层（例如A1N= 3. 11)，从而 在A1组成比高的层中引发拉伸应力。进而，在引发该拉伸应力的A1组成比高的层之上形 成A1组成比低的层时，反之在A1组成比低的层中引发压缩应力。因此，简单地重复时，整 体上这些应力被抵消而变小。然而，在高A1组成比的AlGaN层（包含A1N)与低A1组成比 的AlGaN层的超晶格层叠体中，使低A1组成比的AlGaN层的A1组成比越远离Si基板越增 加时，晶格常数差变小，结果可以产生拉伸应力。结果，与除此以外的层中产生的压缩应力 抵消，从而可以减少应力的总和。因此，对于本发明的超晶格层叠体15,在与主层叠体13之 间使应力相互抵消，能够减少形成主层叠体13之后的III族氮化物外延基板10的翘曲。
[0037] 此外，第2层的A1组成比0越远离Si基板11越增加的本实施方式中，与其相反 地第2层的A1组成比越远离Si基板越减少的情况相比，还实现纵向耐压提高的效果。对 于III族氮化物半导体，A1组成比越高带隙越大，材料自身具有的固有的电阻变高。本实 施方式中，认为通过增加在超晶格层中使用A1组成比高的层的比例，从而可以提高缓冲层 的电阻，具有减少漏电流/耐压提高的效果。但是，超晶格层叠体整体产生的压缩应力变得 过大时，带来裂纹的产生，因此需要适宜设定组成差。
[0038] 主层叠体13通过在缓冲层12上使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层的III族 氮化物层外延生长而形成。本实施方式中，主层叠体13包括：形成于第2超晶格层15B上 的AlGaN层16 ;形成于AlGaN层16上的包含GaN的通道层17 ;以及形成于通道层17上、与 通道层相比带隙大的包含AlGaN的电子供给层18。为了避免在2维电子气体产生部分的 合金散射，主层叠体13中的GaN层最优选如本实施方式那样地位于电子供给层18侧。对 于超晶格层叠体15正上的层，优选以在该层上施加压缩应力的方式，设置与超晶格层叠体 15中的最上侧的第2层相比具有低A1组成比的AlGaN或GaN。本发明中，主层叠体13的 厚度优选为〇. 1~5ym的范围内。这是由于，不足0. 1ym时，存在产生凹坑等缺陷的可能 性，超过5ym时，存在在主层叠体13中产生裂纹的可能性。对于通道层16以及电子供给 层17的厚度，在装置设计方面适宜设定即可。
[0039] 本实施方式的III族氮化物外延基板10可以用于任意的电子装置（LED、LD、晶体 管、二极管等）、特别优选用于HEMT(HighElectronMobilityTransistor)。
[0040] 作为将本发明的III族氮化物外延基板10装置化的工序，可以列举出在基板10 上形成电极的工序，为了单片化氮化物半导体层而用蚀刻形成沟的工序，形成表面钝化膜 的工序，分离元件的工序等，在各工序间进行元件的搬送。
[0041](实施方式2 :III族氮化物外延基板20)
[0042] 作为本发明的另外的实施方式的III族氮化物外延基板20,如图2所示，具有Si 基板21、和在该Si基板21上形成的缓冲层22。并且，在该缓冲层22上可以具有使III族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体23。缓冲层22具有与Si基板11连接的初期层 24、和形成于该初期层24上、交替地层叠包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGagMCKe<0.5)的第2层而成的超晶格层叠体25。本实施方式中，超晶格层叠体 25具有：例如交替地层叠包含A1N的第1层25Al(a= 1)以及包含A1组成比0取固定值 0. 10的的第2层25A2而成的第1超晶格层25A，例如交替地层叠包含A1N的 第1层25Bl(a=1)以及包含A1组成比0取固定值0. 12的AlQ.12GaQ. 88N的第2层25B2 而成的第2超晶格层25B，例如交替地层叠包含A1N的第1层25C1 ( a = 1)以及包含A1组 成比0取固定值0. 14的Alai4Gaa86N的第2层25C2而成的第3超晶格层25C，例如交替地 层叠包含A1N的第1层25Dl(a =1)以及包含A1组成比0取固定值0. 16的Alai6GaQ.84N 的第2层25D2而成的第4超晶格层25D，例如交替地层叠包含A1N的第1层25E1 (a= 1) 以及包含A1组成比0取固定值0. 18的AlQ.18Gaa82N的第2层25E2而成的第5超晶格层 25E这5层的超晶格层。
[0043] 在本实施方式中，5个超晶格层25A~25E中的第2层25A2~25E2的A1组成比 0为0. 10〈0. 12〈0. 14〈0. 16〈0. 18时，越远离Si基板21越增加，与实施方式1同样，可以减 少形成主层叠体23之后的III族氮化物外延基板20的翘曲、并且可以提高纵向耐压。
[0044] 对于Si基板21、初期层24、AlGaN层26、通道层27、电子供给层28与实施方式1 同样。
[0045] (其它的实施方式）
[0046] 上述的实施方式均为表示代表性的实施方式的例子，本发明并不限于实施方式， 例如也包含以下那样的实施方式。
[0047] 实施方式1、2的超晶格层叠体15、25显示了如下的例子，设置多个超晶格层，在各 超晶格层中，第1层设为A1N，使各超晶格层中的包含AlpGagN的第2层的固定的A1组成 比0越远离基板越增加。然而，作为超晶格层叠体中的A1组成比变化的方式，例如可以为 以下这样的方式。
[0048] 例如，在交替形成多组包含A1N的第1层和包含AlpGa^N的第2层的超晶格层 叠体中，可以使该第2层的A1组成比0越远离基板越逐渐增加。在此，逐渐增加是指连续 或阶梯状地增加，利用上述的多个超晶格层使第2层的A1组成比0阶梯状地增加，除此以 外，也包括第2层的A1组成比0越远离Si基板越连续地持续增加的情况。可知这种情况 下也实现实施方式1中说明的作用效果。
[0049] 此外，本发明中的第2层的A1组成比0为〇〈0 < 0. 5,第1层的A1组成比a为 0. 5〈a< 1，因此所有第2层不论距元件是远是近，都一定具有比第1层低的A1组成比。因 此，本发明中，不论第1层距元件的距离，都没有必要限定为相同的组成（实施方式1、2中 为A1N)，多个第1层之间使A1组成比在0. 5〈a< 1的范围内变化即可。
[0050] 然而，本发明中，如实施方式1、2所示，全部的第1层优选为A1N。由此，使与连接 的第2层的A1组成比之差最大，应变缓冲效果最大。
[0051] 对于本发明中的第2层，只要A1组成比0为0〈f3 <0.5,则没有特别限定，距Si 基板最远的第2层的A1组成比y优选为0. 05~0. 5的范围内。这是由于，y低于0. 05时， 存在不能充分地确保纵向耐压的可能性，超过〇. 5时，存在应变缓冲效果不充分、超晶格层 叠体中产生裂纹的可能性。
[0052] 此外，本发明中，距Si基板最近的第2层的A1组成比x也不为0。即，第2层不为 GaN。这是由于，第2层成为GaN时，不能充分地确保元件的纵向耐压。进而，纵向耐压特别 重要的情况下，如此从确保元件的纵向耐压的观点出发，x优选大于〇. 05,更优选为0. 10以 上。
[0053] 此外，本发明中，对于距Si基板最近的第2层的A1组成比x与距Si基板最远的第 2层的A1组成比y的关系，优选的是，在A1组成比0的值的范围内为x〈y，它们的差（y-x) 为0.02以上。这是由于，不足0.02时，存在翘曲的减少效果不充分的可能性。进而，它们 的差（y-x)优选为0. 45以下、更优选为0. 2以下。
[0054] 此外，初期层14在包含A1N层和该A1N层上的A1ZG&1_ZN层（0〈z〈l)的情况下，A1 组成比z优选大于距Si基板最远的第2层、即具有第2层中最大的A1组成比的第2层的 A1组成比y。这是由于，通过设为z>y，从而可以抑制超晶格层叠体中产生裂纹。
[0055] 在本说明书中，构成缓冲层的"AlGaN"可以包含总计1%以下的作为其它的III族 元素的B和/或In。此外，也可以包含例如31、11、0、(：、1%、48、？等微量的杂质。需要说明 的是，构成主层叠体的GaN、AlGaN等同样地也可以包含总计1 %以下的其它的III族元素。
[0056]对于本发明中的超晶格层叠体的一组层叠体（实施方式1、2中第1层以及第2层） 的厚度，根据组成的组合进行适宜设定、例如设为1~l〇〇nm左右即可。此外，第1层的厚 度可以设为〇? 5~200nm、第2层的厚度可以设为0? 5~100nm〇
[0057] 本发明中的超晶格层叠体的层叠体（第1层以及第2层）的组数根据必要的耐 压进行适宜设定、例如可以设为40~300组。此外，超晶格层叠体的整体的厚度优选设为 1ym以上。这是由于，1ym以上的情况下，在膜内产生的应力的总和变得足够大，因此充分 地发挥本发明的效果。
[0058] 在本发明中，主层叠体形成后的翘曲量优选为以下的式（1)的值以下。
[0059] (x/6)2X50ym? ? ? (1)
[0060] 其中，X设为前述Si基板的英制尺寸。即，Si基板为6英寸时，主层叠体形成后的 翘曲量优选为50ym以下。由此，可以更有效地减少针对主层叠体的装置形成工序中的装 置不良。
[0061] (III族氮化物外延基板的制造方法）
[0062] 接着，对于本发明的III族氮化物外延基板的制造方法的实施方式进行说明。本 发明的III族氮化物外延基板的制造方法的特征在于，例如如图1所示，具有：在Si基板11 上形成与该Si基板11连接的初期层14的第1工序；和在该初期层14上形成交替地层叠 包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡 1)的第 1 层 15A1(15B1)以及包含AlpGauNOKe彡 0. 5)的第 2层15A2(15B2)而成的超晶格层叠体15的第2工序，在该第2工序中，使第2层的A1组 成比0与第1超晶格层15A相比在第2超晶格层15B中即越远离Si基板11越逐渐增加。 然后，可以在缓冲层12上通过III族氮化物层外延生长从而形成主层叠体13。通过该方 法，可以减少形成主层叠体13之后的III族氮化物外延基板10的翘曲、并且可以提高纵向 耐压。
[0063] 作为本发明中的各层的外延生长方法，可以使用MOCVD法、MBE法等公知的方法。 作为形成AlGaN时的原料气体，可以列举出TMA(三甲基铝）、TMG(三甲基镓）、氨，膜中的 A1组成比的控制可以通过控制TMA和TMG的混合比来进行。此外，外延生长后的A1组成 比、膜厚的评价可以使用TEM-EDS等公知的方法。
[0064] 以下，使用实施例对本发明进行更详细地说明，本发明不受以下的实施例的任何 限定。
[0065] 实施例
[0066] (实施例1)
[0067] 在（111)面6英寸p型Si单晶基板（B掺杂、电阻率0. 02D?〇!!、厚度：625ym) 上作为缓冲层形成A1N(厚度：120nm)和(厚度：50nm)依次层叠的初期层。然 后，在初期层上，使交替地层叠50组A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的 第1超晶格层、交替地层叠50组A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚度：25nm)的第 2超晶格层依次外延生长，制成超晶格层叠体。然后，在超晶格层叠体上，作为主层叠体使 Al0.15GaQ.85N(厚度：1ym)、GaN通道层（厚度：20nm)以及AlQ.25GaQ. 75N电子供给层（厚度： 30nm)外延生长，制作具有HEMT结构的如实施方式1那样的III族氮化物外延基板。需要 说明的是，作为生长方法，使用利用TMA(三甲基铝）、TMG(三甲基镓）、氨作为原料的MOCVD 法。作为载气使用氮气/氢气。对于各层的生长条件（压力?温度），均设为20kPa、1000°C、 V/III比为2000。此外，各AlGaN层中的A1组成比的控制通过适宜控制TMA与TMG的混合 比来进行。在以下的各实施例以及各比较例中也同样。
[0068] (实施例2)
[0069] 将超晶格层叠体设为使如下超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠20组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚 度：3. 5nm)以及AlQ.12GaQ. 88N(厚度：25nm)的第2超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度： 3. 5nm)以及AlQ.14GaQ. 85N(厚度：25nm)的第3超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm) 以及AlQ.16GaQ. 84N(厚度：25nm)的第4超晶格层；和交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm)以 及Alai8Gaa82N(厚度：25nm)的第5超晶格层，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有 HEMT结构的如实施方式2那样的III族氮化物外延基板。生长温度以及生长压力与实施例 1同样。
[0070] (实施例3)
[0071] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠20组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚 度：3. 5nm)以及AlailGaQ.89N(厚度：25nm)的第2超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度： 3. 5nm)以及AlQ.12GaQ. 88N(厚度：25nm)的第3超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm) 以及AlQ.13GaQ. 87N(厚度：25nm)的第4超晶格层；和交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm)以 及Alai4Gaa86N(厚度：25nm)的第5超晶格层，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有 HEMT结构的III族氮化物外延基板。
[0072] (比较例1)
[0073] 将超晶格层叠体设为使交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例1的III族氮化物外延基板。
[0074] (比较例2)
[0075] 将超晶格层叠体设为使交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及Al^Ga^N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例2的III族氮化物外延基板。
[0076] (比较例3)
[0077] 将超晶格层叠体设为交替地层叠100组A1N(厚度 ：3. 5nm)以及AUa^N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例3的III族氮化物外延基板。
[0078](比较例4)
[0079] 将超晶格层叠体设为交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及GaN(厚度：25nm) 的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结构的比较 例4的III族氮化物外延基板。
[0080] (比较例5)
[0081] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层，和交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第2超晶格层，除此以外与实施例1同 样地操作，制作具有HEMT结构的比较例5的III族氮化物外延基板。
[0082] (比较例6)
[0083] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚度：25nm)的第1超晶格层，和交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第2超晶格层，除此以外与实施例1同 样地操作，制作具有HEMT结构的比较例6的III族氮化物外延基板。
[0084](评价1 :III族氮化物外延基板的翘曲量的测定）
[0085] 使用基于光学干涉方式的翘曲测定装置（Nidek公司制、FT-900)，测定形成主层 叠体之后的III族氮化物外延基板的翘曲量，在表1中示出结果。本发明中的"翘曲量"意 味着基于SEMIM1-0302而测定的值。即，在非强制状态下进行测定，翘曲量为非吸附下的 全部测定点数据的最大值与最小值的差值。如图3所示，将基准面设为利用最小二乘法而 求出的假想平面时，翘曲量（SORI)表示最大值A和最小值B的绝对值的和。需要说明的 是，表1中，将相对于基准面向下侧凸起的翘曲用"_(负）"表示、将向上侧凸起的翘曲用 " + (正）"表示。
[0086] (评价2 :纵向耐压的测定）
[0087] 在电子供给层上形成包含80ym<i)的Ti/Au层叠结构的欧姆电极，以50nm的厚度 蚀刻欧姆电极外侧之后，将Si基板背面与金属板接地，相对于电压测定在两电极间流过的 电流值。此时，为了抑制空气中的放电，用绝缘油将两电极间绝缘。此外，为了消除向基板 背面的泄漏的影响，在基板下配置绝缘板。在本实验例中，将纵向耐压设为将纵向的电流值 以上述欧姆电极的面积计换算为每单位面积值的值达到1(T4A/Cm2的电压值，基于以下的评 价基准在表1中示出结果。
[0088] (评价基准）
[0089] 〇：400V以上
[0090] A:200V以上且不足 400V
[0091] X:不足 200V
[0092] [表 1]
[0093]
[0094] 如表1所示，实施例中，与比较例相比，可以减小形成主层叠体之后的III族氮化 物外延基板的翘曲量，均可以使翘曲量为50ym以下。此外，由于随着由初期层接近主层叠 体而增高超晶格层叠体的第2层的A1组成比，因此与随着由初期层接近主层叠体而降低超 晶格层叠体的第2层的A1组成比的比较例5、6相比，纵向耐压没有变差。
[0095] 此外，根据实施例1和实施例2可知，即便进行多次A1组成比的变更，也可得到同 样的效果。此外，比较实施例2与实施例3时，可知增大第2层的A1组成比的变化，向下方 向凸起的效果更高。
[0096] 产业h的可利用件
[0097] 根据本发明，可以得到减少形成主层叠体之后的翘曲、并且提高纵向耐压的III 族氮化物外延基板。
[0098] 附图标iP,说明
[0099] 10 III族氮化物外延基板
[0100] 11 Si基板
[0101] 12 缓冲层
[0102] 13 主层叠体
[0103] 14 初期层
[0104] 15 超晶格层萱体
[0105] 15A 第1超晶格层
[0106] 15A1 第 1 层（A1N)
[0107] 15A2 第2层（AlojGaojN)
[0108] 15B 第2超晶格层
[0109] 15B1 第 1 层（A1N)
[0110] 15B2 第 2 层（AlQ.15GaQ. 85N)
[0111] 16 AlGaN层
[0112] 17 通道层（GaN)
[0113] 18 电子供给层（AlGaN)
【主权项】
1. 一种III族氮化物外延基板，其特征在于，具有：Si基板；与该Si基板连接的初 期层；和形成于该初期层上、交替地层叠包含Al aGai_aN(0.5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGa^NOKe彡0. 5)的第2层而成的超晶格层叠体， 所述第2层的Al组成比0越远离所述Si基板越逐渐增加。2. 根据权利要求1所述的III族氮化物外延基板，其中，所述超晶格层叠体具有多个超 晶格层，所述超晶格层是由所述第1层和Al组成比0固定的所述第2层交替层叠而成的， 对于所述第2层的Al组成比0，越远离所述Si基板的位置的超晶格层的0越大。3. 根据权利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其中，距所述Si基板最近的所 述第2层的Al组成比X与距所述Si基板最远的所述第2层的Al组成比y之差y-x为0. 02 以上。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，所述第1层为 AlN05. 根据权利要求1~4中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，所述初期层包含 AlN层和该AlN层上的AlzGa 1=N层（0〈z〈l)，该AlzGa1=N层的Al组成比z大于距所述Si基 板最远的所述第2层的Al组成比y。6. 根据权利要求1~5中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，在所述超晶格层 叠体上，还具有通过使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层的III族氮化物层外延生长从 而形成的主层叠体。7. 根据权利要求6所述的III族氮化物外延基板，其中，所述主层叠体形成后的翘曲量 为以下的式（1)的值以下， (x/6)2X50 ym ? ? ? (1) 其中，X设为所述Si基板的英制尺寸。8. 根据权利要求6所述的III族氮化物外延基板，其中，所述Si基板为6英寸，所述主 层叠体形成后的翘曲量为50 ym以下。9. 一种III族氮化物外延基板的制造方法，其特征在于，具有： 在Si基板上形成与该Si基板连接的初期层的第1工序，和 在该初期层上形成超晶格层叠体的第2工序，所述超晶格层叠体是由包含 AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层和包含AlpGa1^NOKe彡0.5)的第2层交替层叠而成 的， 在所述第2工序中，使所述第2层的Al组成比0越远离所述Si基板越逐渐增加。
【专利摘要】本发明提供减少形成主层叠体后的翘曲、并且提高纵向耐压的III族氮化物外延基板以及其的制造方法。本发明的III族氮化物外延基板(10)的特征在于，具有：Si基板(11)；与该Si基板(11)连接的初期层(14)；和形成于该初期层(14)上、交替地层叠包含AlαGa1-αN(0.5<α≤1)的第1层(15A1(15B1))以及包含AlβGa1-βN(0<β≤0.5)的第2层(15A2(15B2))而成的超晶格层叠体(15)，前述第2层的Al组成比β越远离前述Si基板越逐渐增加。
【IPC分类】H01L21/338, H01L29/812, H01L29/205, H01L29/778, C23C16/34, H01L21/20, H01L21/205
【公开号】CN104885198
【申请号】CN201380069372
【发明人】生田哲也, 柴田智彦
【申请人】同和电子科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年11月28日
【公告号】US20150340230, WO2014106875A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及III族氮化物外延基板以及其的制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，通常包含Al、Ga、In等与N的化合物的III族氮化物半导体广泛用于发光 元件、电子装置用元件等。这样的装置的特性受III族氮化物半导体的结晶性的较大影响， 因此谋求用于使结晶性高的III族氮化物半导体生长的技术。
[0003] III族氮化物半导体以往通过使其在蓝宝石基板上外延生长而形成。然而，存在蓝 宝石基板的热导率小，因此散热性差，不适于高输出装置的制作的问题。
[0004] 因此，近年来，提出作为III族氮化物半导体的晶体生长基板，使用硅基板（Si基 板）的技术。Si基板具有与上述蓝宝石基板相比散热性高，因此适于高输出装置的制作， 此外，大型基板廉价，因此能够抑制制造成本的优点。然而，与蓝宝石基板同样地、Si基板 与III族氮化物半导体的晶格常数不同，即便直接使III族氮化物半导体在该Si基板上生 长、也不能期待得到结晶性高的III族氮化物半导体。
[0005] 此外，直接使III族氮化物半导体在Si基板上生长的情况下，存在如下问题：该 III族氮化物半导体的热膨胀系数与Si相比大，因此在从高温的晶体生长工序冷却至室温 的过程中，III族氮化物半导体中产生大的拉伸应变，由此引起Si基板翘曲，与此同时III 族氮化物半导体中产生高密度的裂纹。
[0006] 因此，专利文献1中公开了如下的技术，通过在Si基板与III族氮化物半 导体之间，设置交替地分别层叠多层包含AlxGai_xN(0. 5 <X< 1)的第1层和包含 AlyGai_yN(0. 01彡y彡0. 2)的第2层而成的A1N系超晶格缓冲层，从而在Si基板上制造结 晶性高、并且防止了裂纹的产生的III族氮化物半导体。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开2007-67077号公报
【发明内容】
[0010] 发明要解决的问题
[0011] 专利文献1中，提及通过形成氮化物半导体超晶格结构，从而防止在其上的III族 氮化物半导体层（主层叠体）中的裂纹的产生。然而，根据本发明人等的研宄，确认到如下 情况：对于Si基板形成如专利文献1那样的以往的超晶格层叠体，在其上形成包含III族 氮化物半导体层的主层叠体时，所得到的III族氮化物外延基板会发生Si基板侧凹陷、主 层叠体侧凸起的大的翘曲。需要说明的是，关于III族氮化物外延基板的翘曲，以下将Si 基板侧凹陷、主层叠体侧凸起而翘曲的情况称为"向上侧凸起地翘曲"，与之相对，将Si基 板侧凸起、主层叠体侧凹陷而翘曲的情况称为"向下侧凸起地翘曲"。发生这种大的向上侧 凸起的翘曲的情况下，给装置形成工序中对于主层叠体的正确的加工造成障碍，存在产生 装置不良的可能性，因此成为问题。
[0012] 此外，还谋求提高III族氮化物外延基板的纵向耐压。
[0013] 因此，本发明鉴于上述问题，目的在于提供减少形成主层叠体后的翘曲、并且提高 纵向耐压的III族氮化物外延基板以及其的制造方法。
[0014] 用于解决问题的方案
[0015] 可以达成该目的的本发明的III族氮化物外延基板的特征在于，具有：Si基板；与 该Si基板连接的初期层；和形成于该初期层上、交替地层叠包含AlaGa^MO.SKa<1)的 第1层以及包含AlpGagNOKe<0. 5)的第2层而成的超晶格层叠体，前述第2层的A1 组成比0越远离前述Si基板越逐渐增加。
[0016] 本发明中，优选的是，前述超晶格层叠体具有多个超晶格层，所述超晶格层是由前 述第1层和A1组成比0固定的前述第2层交替层叠而成的，对于前述第2层的A1组成比 0，越远离前述Si基板的位置的超晶格层的0越大。
[0017] 此外，距前述Si基板最近的前述第2层的A1组成比x与距前述Si基板最远的前 述第2层的A1组成比y之差y-x优选为0. 02以上。
[0018] 此外，前述第1层优选为A1N。
[0019] 此外，优选的是，前述初期层包含A1N层和该A1N层上的A1ZG&1_ZN层（0〈z〈l)，该 AlzGa^N层的A1组成比z大于距前述Si基板最远的前述第2层的A1组成比y。
[0020] 在前述超晶格层叠体上，优选还具有通过使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层 的III族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体。
[0021] 前述主层叠体形成后的翘曲量优选为以下的式（1)的值以下。
[0022] (x/6)2X50ym? ? ? (1)
[0023] 其中，x设为前述Si基板的英制尺寸。即，前述Si基板为6英寸时，前述主层叠 体形成后的翘曲量优选为50ym以下。
[0024] 本发明的III族氮化物外延基板的制造方法的特征在于，具有：在Si基板上形成 与该Si基板连接的初期层的第1工序，和在该初期层上形成超晶格层叠体的第2工序，所 述超晶格层叠体是由包含AlaGai_aN(0. 5〈a<1)的第1层和包含AlpGa^NOKe<0. 5) 的第2层交替层叠而成的，在前述第2工序中，使前述第2层的A1组成比0越远离前述Si 基板越逐渐增加。
[0025] 发明的效果
[0026] 根据本发明，第2层的A1组成比0越远离前述Si基板越逐渐增加，从而减少形 成主层叠体之后的翘曲、并且可以得到提高了纵向耐压的III族氮化物外延基板。
【附图说明】
[0027] 图1为基于本发明的III族氮化物外延基板10的示意截面图。
[0028] 图2为基于本发明的其它的III族氮化物外延基板20的示意截面图。
[0029] 图3为说明翘曲量（S0RI)的定义的基板的示意截面图。
【具体实施方式】
[0030] 以下，边参考附图边更详细地说明本发明。需要说明的是，在本说明书中，对于作 为本发明的实施方式的2个III族氮化物外延基板中共通的构成要素，原则上对下1位数 赋予相同的参考编号，省略说明。此外、基板的示意截面图是为了方便说明而相对于Si基 板夸张地描绘了各层的厚度的图。此外，在本说明书中，简记为"AlGaN"的情况，意味着III 族元素（Al、Ga的总计）与N的化学组成比为1 :1、111族元素A1与Ga的比率是不定的任 意的化合物。此外，将该化合物的III族元素中的A1的比例称为"A1组成比"。
[0031] (实施方式1 :III族氮化物外延基板10)
[0032] 对于作为本发明的一实施方式的III族氮化物外延基板10,如图1所示，具有Si 基板11、和形成于该Si基板11上的缓冲层12。并且，在该缓冲层12上可以具有使III 族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体13。缓冲层12具有与Si基板11连接的初期层 14,和形成于该初期层14上、交替地层叠包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGagMCKe<0.5)的第2层而成的超晶格层叠体15。本实施方式中，超晶格层叠体15 具有第1超晶格层15A以及第2超晶格层15B的这2层的超晶格层，所述第1超晶格层15A 例如为交替地层叠包含A1N的第1层15A1 (a= 1)以及包含A1组成比0取固定值0. 10 的AU%.，的第2层15A2而成的第1超晶格层15A，所述第2超晶格层15B例如为交替 地层叠包含A1N的第1层15Bl(a=1)以及A1组成比0取固定值0. 15的AlQ.15GaQ. 85N的 第2层15B2而成的第2超晶格层15B。
[0033] Si基板11为Si单晶基板，面方位没有特别指定，可以使用（111)、（100)、（110) 面等，为了使III族氮化物的（〇〇〇1)面生长，（110)、（111)面是理想的，进而，为了表面平 坦性良好地生长，期望使用（111)面。此外，传导型也可以任意设为P型、n型，可以应用于 0.001~100000D*011的各种电阻率。此外，Si基板内也可以包含除目的为控制导电性以 外的杂质（C、0、N、Ge等）。 对于基板的厚度，考虑各层的外延生长后的翘曲量等而适宜设 定，例如为500~2000ym的范围内。
[0034] 作为构成初期层14的典型的材料，可以列举出AlGaN或A1N，尤其是将初期层14 的基板接触部分设为A1N层，从而可以抑制与Si基板11的反应、提高纵向耐压。此外，初 期层14在膜厚方向上没有必要为均一组成，若将基板接触部分设为A1N层，可以在该A1N 层上形成AlGaN层等设为不同组成的多层的层叠、或也可以使其组成倾斜。此外，在A1N与 Si单晶基板的界面部分可以插入Si的氮化膜/氧化膜/碳化膜等薄膜，或也可以插入这 样的膜与A1N反应的薄膜。进而，对于初期层14,可以以不损害晶体品质的范围的厚度，形 成例如低温缓冲层那样的非晶层、多晶层。初期层14的厚度例如为10~500nm的范围内。 这是由于，不足l〇nm时，存在作为上层原料的一部分的Ga与Si基板反应从而产生缺陷的 可能性，超过500nm时，存在在形成初期层时产生裂纹的可能性。
[0035] 本实施方式中，在如下方面为特征结构：第1超晶格层15A的第2层15A2的A1 组成比0为0.10,第2超晶格层15B的第2层15B2的A1组成比0为0.15,第2层的A1 组成比0越远离Si基板11越增加。如此，本发明人等发现：在高A1组成比a的AlGaN 层（包含A1N)与低A1组成比0的AlGaN层的超晶格层叠体中，通过使低A1组成比0的 AlGaN层的A1组成比0越远离Si基板越增加，从而可以减少形成主层叠体13之后的III 族氮化物外延基板10的翘曲。其结果，可以减少针对主层叠体的装置形成工序中的装置不 良的可能性。
[0036] 本发明人等预想到本发明通过以下那样的作用而得到上述的效果。即、在A1组成 比低的层上形成A1组成比高的层时，考虑晶片面内的晶格常数的情况下，通过在面内晶格 常数大的层（例如GaN= 3. 19)之上形成面内晶格常数小的层（例如A1N= 3. 11)，从而 在A1组成比高的层中引发拉伸应力。进而，在引发该拉伸应力的A1组成比高的层之上形 成A1组成比低的层时，反之在A1组成比低的层中引发压缩应力。因此，简单地重复时，整 体上这些应力被抵消而变小。然而，在高A1组成比的AlGaN层（包含A1N)与低A1组成比 的AlGaN层的超晶格层叠体中，使低A1组成比的AlGaN层的A1组成比越远离Si基板越增 加时，晶格常数差变小，结果可以产生拉伸应力。结果，与除此以外的层中产生的压缩应力 抵消，从而可以减少应力的总和。因此，对于本发明的超晶格层叠体15,在与主层叠体13之 间使应力相互抵消，能够减少形成主层叠体13之后的III族氮化物外延基板10的翘曲。
[0037] 此外，第2层的A1组成比0越远离Si基板11越增加的本实施方式中，与其相反 地第2层的A1组成比越远离Si基板越减少的情况相比，还实现纵向耐压提高的效果。对 于III族氮化物半导体，A1组成比越高带隙越大，材料自身具有的固有的电阻变高。本实 施方式中，认为通过增加在超晶格层中使用A1组成比高的层的比例，从而可以提高缓冲层 的电阻，具有减少漏电流/耐压提高的效果。但是，超晶格层叠体整体产生的压缩应力变得 过大时，带来裂纹的产生，因此需要适宜设定组成差。
[0038] 主层叠体13通过在缓冲层12上使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层的III族 氮化物层外延生长而形成。本实施方式中，主层叠体13包括：形成于第2超晶格层15B上 的AlGaN层16 ;形成于AlGaN层16上的包含GaN的通道层17 ;以及形成于通道层17上、与 通道层相比带隙大的包含AlGaN的电子供给层18。为了避免在2维电子气体产生部分的 合金散射，主层叠体13中的GaN层最优选如本实施方式那样地位于电子供给层18侧。对 于超晶格层叠体15正上的层，优选以在该层上施加压缩应力的方式，设置与超晶格层叠体 15中的最上侧的第2层相比具有低A1组成比的AlGaN或GaN。本发明中，主层叠体13的 厚度优选为〇. 1~5ym的范围内。这是由于，不足0. 1ym时，存在产生凹坑等缺陷的可能 性，超过5ym时，存在在主层叠体13中产生裂纹的可能性。对于通道层16以及电子供给 层17的厚度，在装置设计方面适宜设定即可。
[0039] 本实施方式的III族氮化物外延基板10可以用于任意的电子装置（LED、LD、晶体 管、二极管等）、特别优选用于HEMT(HighElectronMobilityTransistor)。
[0040] 作为将本发明的III族氮化物外延基板10装置化的工序，可以列举出在基板10 上形成电极的工序，为了单片化氮化物半导体层而用蚀刻形成沟的工序，形成表面钝化膜 的工序，分离元件的工序等，在各工序间进行元件的搬送。
[0041](实施方式2 :III族氮化物外延基板20)
[0042] 作为本发明的另外的实施方式的III族氮化物外延基板20,如图2所示，具有Si 基板21、和在该Si基板21上形成的缓冲层22。并且，在该缓冲层22上可以具有使III族氮化物层外延生长从而形成的主层叠体23。缓冲层22具有与Si基板11连接的初期层 24、和形成于该初期层24上、交替地层叠包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGagMCKe<0.5)的第2层而成的超晶格层叠体25。本实施方式中，超晶格层叠体 25具有：例如交替地层叠包含A1N的第1层25Al(a= 1)以及包含A1组成比0取固定值 0. 10的的第2层25A2而成的第1超晶格层25A，例如交替地层叠包含A1N的 第1层25Bl(a=1)以及包含A1组成比0取固定值0. 12的AlQ.12GaQ. 88N的第2层25B2 而成的第2超晶格层25B，例如交替地层叠包含A1N的第1层25C1 ( a = 1)以及包含A1组 成比0取固定值0. 14的Alai4Gaa86N的第2层25C2而成的第3超晶格层25C，例如交替地 层叠包含A1N的第1层25Dl(a =1)以及包含A1组成比0取固定值0. 16的Alai6GaQ.84N 的第2层25D2而成的第4超晶格层25D，例如交替地层叠包含A1N的第1层25E1 (a= 1) 以及包含A1组成比0取固定值0. 18的AlQ.18Gaa82N的第2层25E2而成的第5超晶格层 25E这5层的超晶格层。
[0043] 在本实施方式中，5个超晶格层25A~25E中的第2层25A2~25E2的A1组成比 0为0. 10〈0. 12〈0. 14〈0. 16〈0. 18时，越远离Si基板21越增加，与实施方式1同样，可以减 少形成主层叠体23之后的III族氮化物外延基板20的翘曲、并且可以提高纵向耐压。
[0044] 对于Si基板21、初期层24、AlGaN层26、通道层27、电子供给层28与实施方式1 同样。
[0045] (其它的实施方式）
[0046] 上述的实施方式均为表示代表性的实施方式的例子，本发明并不限于实施方式， 例如也包含以下那样的实施方式。
[0047] 实施方式1、2的超晶格层叠体15、25显示了如下的例子，设置多个超晶格层，在各 超晶格层中，第1层设为A1N，使各超晶格层中的包含AlpGagN的第2层的固定的A1组成 比0越远离基板越增加。然而，作为超晶格层叠体中的A1组成比变化的方式，例如可以为 以下这样的方式。
[0048] 例如，在交替形成多组包含A1N的第1层和包含AlpGa^N的第2层的超晶格层 叠体中，可以使该第2层的A1组成比0越远离基板越逐渐增加。在此，逐渐增加是指连续 或阶梯状地增加，利用上述的多个超晶格层使第2层的A1组成比0阶梯状地增加，除此以 外，也包括第2层的A1组成比0越远离Si基板越连续地持续增加的情况。可知这种情况 下也实现实施方式1中说明的作用效果。
[0049] 此外，本发明中的第2层的A1组成比0为〇〈0 < 0. 5,第1层的A1组成比a为 0. 5〈a< 1，因此所有第2层不论距元件是远是近，都一定具有比第1层低的A1组成比。因 此，本发明中，不论第1层距元件的距离，都没有必要限定为相同的组成（实施方式1、2中 为A1N)，多个第1层之间使A1组成比在0. 5〈a< 1的范围内变化即可。
[0050] 然而，本发明中，如实施方式1、2所示，全部的第1层优选为A1N。由此，使与连接 的第2层的A1组成比之差最大，应变缓冲效果最大。
[0051] 对于本发明中的第2层，只要A1组成比0为0〈f3 <0.5,则没有特别限定，距Si 基板最远的第2层的A1组成比y优选为0. 05~0. 5的范围内。这是由于，y低于0. 05时， 存在不能充分地确保纵向耐压的可能性，超过〇. 5时，存在应变缓冲效果不充分、超晶格层 叠体中产生裂纹的可能性。
[0052] 此外，本发明中，距Si基板最近的第2层的A1组成比x也不为0。即，第2层不为 GaN。这是由于，第2层成为GaN时，不能充分地确保元件的纵向耐压。进而，纵向耐压特别 重要的情况下，如此从确保元件的纵向耐压的观点出发，x优选大于〇. 05,更优选为0. 10以 上。
[0053] 此外，本发明中，对于距Si基板最近的第2层的A1组成比x与距Si基板最远的第 2层的A1组成比y的关系，优选的是，在A1组成比0的值的范围内为x〈y，它们的差（y-x) 为0.02以上。这是由于，不足0.02时，存在翘曲的减少效果不充分的可能性。进而，它们 的差（y-x)优选为0. 45以下、更优选为0. 2以下。
[0054] 此外，初期层14在包含A1N层和该A1N层上的A1ZG&1_ZN层（0〈z〈l)的情况下，A1 组成比z优选大于距Si基板最远的第2层、即具有第2层中最大的A1组成比的第2层的 A1组成比y。这是由于，通过设为z>y，从而可以抑制超晶格层叠体中产生裂纹。
[0055] 在本说明书中，构成缓冲层的"AlGaN"可以包含总计1%以下的作为其它的III族 元素的B和/或In。此外，也可以包含例如31、11、0、(：、1%、48、？等微量的杂质。需要说明 的是，构成主层叠体的GaN、AlGaN等同样地也可以包含总计1 %以下的其它的III族元素。
[0056]对于本发明中的超晶格层叠体的一组层叠体（实施方式1、2中第1层以及第2层） 的厚度，根据组成的组合进行适宜设定、例如设为1~l〇〇nm左右即可。此外，第1层的厚 度可以设为〇? 5~200nm、第2层的厚度可以设为0? 5~100nm〇
[0057] 本发明中的超晶格层叠体的层叠体（第1层以及第2层）的组数根据必要的耐 压进行适宜设定、例如可以设为40~300组。此外，超晶格层叠体的整体的厚度优选设为 1ym以上。这是由于，1ym以上的情况下，在膜内产生的应力的总和变得足够大，因此充分 地发挥本发明的效果。
[0058] 在本发明中，主层叠体形成后的翘曲量优选为以下的式（1)的值以下。
[0059] (x/6)2X50ym? ? ? (1)
[0060] 其中，X设为前述Si基板的英制尺寸。即，Si基板为6英寸时，主层叠体形成后的 翘曲量优选为50ym以下。由此，可以更有效地减少针对主层叠体的装置形成工序中的装 置不良。
[0061] (III族氮化物外延基板的制造方法）
[0062] 接着，对于本发明的III族氮化物外延基板的制造方法的实施方式进行说明。本 发明的III族氮化物外延基板的制造方法的特征在于，例如如图1所示，具有：在Si基板11 上形成与该Si基板11连接的初期层14的第1工序；和在该初期层14上形成交替地层叠 包含AlaGai_aN(0. 5〈a彡 1)的第 1 层 15A1(15B1)以及包含AlpGauNOKe彡 0. 5)的第 2层15A2(15B2)而成的超晶格层叠体15的第2工序，在该第2工序中，使第2层的A1组 成比0与第1超晶格层15A相比在第2超晶格层15B中即越远离Si基板11越逐渐增加。 然后，可以在缓冲层12上通过III族氮化物层外延生长从而形成主层叠体13。通过该方 法，可以减少形成主层叠体13之后的III族氮化物外延基板10的翘曲、并且可以提高纵向 耐压。
[0063] 作为本发明中的各层的外延生长方法，可以使用MOCVD法、MBE法等公知的方法。 作为形成AlGaN时的原料气体，可以列举出TMA(三甲基铝）、TMG(三甲基镓）、氨，膜中的 A1组成比的控制可以通过控制TMA和TMG的混合比来进行。此外，外延生长后的A1组成 比、膜厚的评价可以使用TEM-EDS等公知的方法。
[0064] 以下，使用实施例对本发明进行更详细地说明，本发明不受以下的实施例的任何 限定。
[0065] 实施例
[0066] (实施例1)
[0067] 在（111)面6英寸p型Si单晶基板（B掺杂、电阻率0. 02D?〇!!、厚度：625ym) 上作为缓冲层形成A1N(厚度：120nm)和(厚度：50nm)依次层叠的初期层。然 后，在初期层上，使交替地层叠50组A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的 第1超晶格层、交替地层叠50组A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚度：25nm)的第 2超晶格层依次外延生长，制成超晶格层叠体。然后，在超晶格层叠体上，作为主层叠体使 Al0.15GaQ.85N(厚度：1ym)、GaN通道层（厚度：20nm)以及AlQ.25GaQ. 75N电子供给层（厚度： 30nm)外延生长，制作具有HEMT结构的如实施方式1那样的III族氮化物外延基板。需要 说明的是，作为生长方法，使用利用TMA(三甲基铝）、TMG(三甲基镓）、氨作为原料的MOCVD 法。作为载气使用氮气/氢气。对于各层的生长条件（压力?温度），均设为20kPa、1000°C、 V/III比为2000。此外，各AlGaN层中的A1组成比的控制通过适宜控制TMA与TMG的混合 比来进行。在以下的各实施例以及各比较例中也同样。
[0068] (实施例2)
[0069] 将超晶格层叠体设为使如下超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠20组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚 度：3. 5nm)以及AlQ.12GaQ. 88N(厚度：25nm)的第2超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度： 3. 5nm)以及AlQ.14GaQ. 85N(厚度：25nm)的第3超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm) 以及AlQ.16GaQ. 84N(厚度：25nm)的第4超晶格层；和交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm)以 及Alai8Gaa82N(厚度：25nm)的第5超晶格层，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有 HEMT结构的如实施方式2那样的III族氮化物外延基板。生长温度以及生长压力与实施例 1同样。
[0070] (实施例3)
[0071] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠20组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚 度：3. 5nm)以及AlailGaQ.89N(厚度：25nm)的第2超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度： 3. 5nm)以及AlQ.12GaQ. 88N(厚度：25nm)的第3超晶格层；交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm) 以及AlQ.13GaQ. 87N(厚度：25nm)的第4超晶格层；和交替地层叠20组A1N(厚度：3. 5nm)以 及Alai4Gaa86N(厚度：25nm)的第5超晶格层，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有 HEMT结构的III族氮化物外延基板。
[0072] (比较例1)
[0073] 将超晶格层叠体设为使交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例1的III族氮化物外延基板。
[0074] (比较例2)
[0075] 将超晶格层叠体设为使交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及Al^Ga^N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例2的III族氮化物外延基板。
[0076] (比较例3)
[0077] 将超晶格层叠体设为交替地层叠100组A1N(厚度 ：3. 5nm)以及AUa^N(厚 度：25nm)的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结 构的比较例3的III族氮化物外延基板。
[0078](比较例4)
[0079] 将超晶格层叠体设为交替地层叠100组A1N(厚度：3. 5nm)以及GaN(厚度：25nm) 的超晶格层外延生长而成的，除此以外与实施例1同样地操作，制作具有HEMT结构的比较 例4的III族氮化物外延基板。
[0080] (比较例5)
[0081] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第1超晶格层，和交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第2超晶格层，除此以外与实施例1同 样地操作，制作具有HEMT结构的比较例5的III族氮化物外延基板。
[0082] (比较例6)
[0083] 将超晶格层叠体设为使如下的超晶格层依次外延生长而成的：交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及Alai5Gaa85N(厚度：25nm)的第1超晶格层，和交替地层叠50组 A1N(厚度：3. 5nm)以及(厚度：25nm)的第2超晶格层，除此以外与实施例1同 样地操作，制作具有HEMT结构的比较例6的III族氮化物外延基板。
[0084](评价1 :III族氮化物外延基板的翘曲量的测定）
[0085] 使用基于光学干涉方式的翘曲测定装置（Nidek公司制、FT-900)，测定形成主层 叠体之后的III族氮化物外延基板的翘曲量，在表1中示出结果。本发明中的"翘曲量"意 味着基于SEMIM1-0302而测定的值。即，在非强制状态下进行测定，翘曲量为非吸附下的 全部测定点数据的最大值与最小值的差值。如图3所示，将基准面设为利用最小二乘法而 求出的假想平面时，翘曲量（SORI)表示最大值A和最小值B的绝对值的和。需要说明的 是，表1中，将相对于基准面向下侧凸起的翘曲用"_(负）"表示、将向上侧凸起的翘曲用 " + (正）"表示。
[0086] (评价2 :纵向耐压的测定）
[0087] 在电子供给层上形成包含80ym<i)的Ti/Au层叠结构的欧姆电极，以50nm的厚度 蚀刻欧姆电极外侧之后，将Si基板背面与金属板接地，相对于电压测定在两电极间流过的 电流值。此时，为了抑制空气中的放电，用绝缘油将两电极间绝缘。此外，为了消除向基板 背面的泄漏的影响，在基板下配置绝缘板。在本实验例中，将纵向耐压设为将纵向的电流值 以上述欧姆电极的面积计换算为每单位面积值的值达到1(T4A/Cm2的电压值，基于以下的评 价基准在表1中示出结果。
[0088] (评价基准）
[0089] 〇：400V以上
[0090] A:200V以上且不足 400V
[0091] X:不足 200V
[0092] [表 1]
[0093]
[0094] 如表1所示，实施例中，与比较例相比，可以减小形成主层叠体之后的III族氮化 物外延基板的翘曲量，均可以使翘曲量为50ym以下。此外，由于随着由初期层接近主层叠 体而增高超晶格层叠体的第2层的A1组成比，因此与随着由初期层接近主层叠体而降低超 晶格层叠体的第2层的A1组成比的比较例5、6相比，纵向耐压没有变差。
[0095] 此外，根据实施例1和实施例2可知，即便进行多次A1组成比的变更，也可得到同 样的效果。此外，比较实施例2与实施例3时，可知增大第2层的A1组成比的变化，向下方 向凸起的效果更高。
[0096] 产业h的可利用件
[0097] 根据本发明，可以得到减少形成主层叠体之后的翘曲、并且提高纵向耐压的III 族氮化物外延基板。
[0098] 附图标iP,说明
[0099] 10 III族氮化物外延基板
[0100] 11 Si基板
[0101] 12 缓冲层
[0102] 13 主层叠体
[0103] 14 初期层
[0104] 15 超晶格层萱体
[0105] 15A 第1超晶格层
[0106] 15A1 第 1 层（A1N)
[0107] 15A2 第2层（AlojGaojN)
[0108] 15B 第2超晶格层
[0109] 15B1 第 1 层（A1N)
[0110] 15B2 第 2 层（AlQ.15GaQ. 85N)
[0111] 16 AlGaN层
[0112] 17 通道层（GaN)
[0113] 18 电子供给层（AlGaN)
【主权项】
1. 一种III族氮化物外延基板，其特征在于，具有：Si基板；与该Si基板连接的初 期层；和形成于该初期层上、交替地层叠包含Al aGai_aN(0.5〈a彡1)的第1层以及包含 AlpGa^NOKe彡0. 5)的第2层而成的超晶格层叠体， 所述第2层的Al组成比0越远离所述Si基板越逐渐增加。2. 根据权利要求1所述的III族氮化物外延基板，其中，所述超晶格层叠体具有多个超 晶格层，所述超晶格层是由所述第1层和Al组成比0固定的所述第2层交替层叠而成的， 对于所述第2层的Al组成比0，越远离所述Si基板的位置的超晶格层的0越大。3. 根据权利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其中，距所述Si基板最近的所 述第2层的Al组成比X与距所述Si基板最远的所述第2层的Al组成比y之差y-x为0. 02 以上。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，所述第1层为 AlN05. 根据权利要求1~4中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，所述初期层包含 AlN层和该AlN层上的AlzGa 1=N层（0〈z〈l)，该AlzGa1=N层的Al组成比z大于距所述Si基 板最远的所述第2层的Al组成比y。6. 根据权利要求1~5中任一项所述的III族氮化物外延基板，其中，在所述超晶格层 叠体上，还具有通过使至少包含AlGaN层以及GaN层这2层的III族氮化物层外延生长从 而形成的主层叠体。7. 根据权利要求6所述的III族氮化物外延基板，其中，所述主层叠体形成后的翘曲量 为以下的式（1)的值以下， (x/6)2X50 ym ? ? ? (1) 其中，X设为所述Si基板的英制尺寸。8. 根据权利要求6所述的III族氮化物外延基板，其中，所述Si基板为6英寸，所述主 层叠体形成后的翘曲量为50 ym以下。9. 一种III族氮化物外延基板的制造方法，其特征在于，具有： 在Si基板上形成与该Si基板连接的初期层的第1工序，和 在该初期层上形成超晶格层叠体的第2工序，所述超晶格层叠体是由包含 AlaGai_aN(0. 5〈a彡1)的第1层和包含AlpGa1^NOKe彡0.5)的第2层交替层叠而成 的， 在所述第2工序中，使所述第2层的Al组成比0越远离所述Si基板越逐渐增加。
【专利摘要】本发明提供减少形成主层叠体后的翘曲、并且提高纵向耐压的III族氮化物外延基板以及其的制造方法。本发明的III族氮化物外延基板(10)的特征在于，具有：Si基板(11)；与该Si基板(11)连接的初期层(14)；和形成于该初期层(14)上、交替地层叠包含AlαGa1-αN(0.5<α≤1)的第1层(15A1(15B1))以及包含AlβGa1-βN(0<β≤0.5)的第2层(15A2(15B2))而成的超晶格层叠体(15)，前述第2层的Al组成比β越远离前述Si基板越逐渐增加。
【IPC分类】H01L21/338, H01L29/812, H01L29/205, H01L29/778, C23C16/34, H01L21/20, H01L21/205
【公开号】CN104885198
【申请号】CN201380069372
【发明人】生田哲也, 柴田智彦
【申请人】同和电子科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年11月28日
【公告号】US20150340230, WO2014106875A1
最新回复(0)