半导体元件用外延基板、半导体元件用外延基板的制造方法、以及半导体元件技术

本发明专利技术提供一种将硅基板作为基底基板、低位错且无裂纹的外延基板。一种外延基板，在（111）单晶硅基板上，以（0001）结晶面与基板面大致平行的方式形成III族氮化物层组，所述外延基板具有由多个基底层层叠而成的基底层组，所述基底层分别包括由AlN构成的第一III族氮化物层、和在第一III族氮化物层上形成的、由AlyyGazzN构成的第二III族氮化物层构成。第一III族氮化物层为多结晶含有缺陷层，第一和第二III族氮化物层的界面呈三维凹凸面，并且，在多个基底层中，构成基底基板正上方以外的基底层的第一III族氮化物层的厚度为50nm以上且100nm以下，第二III族氮化物层满足0≦yy≦0.2。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种半导体元件用外延基板，尤其涉及一种使用III族氮化物而构成的外延基板。
技术介绍
氮化物半导体由于具有直接迁移型的宽带隙(band gap)、高绝缘击穿电场和高饱和电子速度，因此作为LED或LD等发光器件、或HEMT (High Electron MobilityTransistor)等高频率/大功率的电子器件用半导体材料而受到关注。例如,将由AlGaN构成的势垒层和由GaN构成的沟道层层叠而成的HEMT (高电子迁移率晶体管)元件是利用以下特征的元件:根据氮化物材料特有的强极化效应(自发极化效应和压电极化效应)在层叠界面(异质界面)生成高浓度二维电子气(2DEG)(例如，参照非专利文献I)。作为在HEMT元件用外延基板中采用的基底基板，有时使用如SiC这样的、与III族氮化物不同的组成的单晶(异种单晶)。此时，通常应变超晶格层或低温生长缓冲层等缓冲层作为初始生长层在基底基板上形成。由此，在基底基板上外延形成势垒层、沟道层、以及缓冲层，成为使用了由异种单晶构成的基底基板的HEMT元件用基板的最基本的构成方式。除此之外，为了促进二维电子气的空间封闭性，有时还在势垒层和沟道层之间设铬厚度为Inm左右的隔离层。隔离层由例如AlN等构成。进而，为了控制HEMT元件用基板的最表面的能级和改善与电极的接触特性，有时还在势垒层之上形成例如由η型GaN层或超晶格层构成的保护层。对HEMT元件和HEMT元件用基板而言，有着功率密度增大、高效率化等与性能提高相关的课题、常闭动作化等与功能性增强相关的课题、高可靠性和低成本化这些基本课题等各种课题，并针对每个课题做了不懈的努力。另一方面，为了实现外延基板的低成本化，进而实现硅系电路器件之间的集成化等，进行着在制作如上所述的氮化物器件时将单晶硅用作基底基板(例如，参照专利文献I至专利文献3，以及非专利文献2)的研究和开发。作为HEMT元件用外延基板的基底基板选择了如娃这样的导电性的材料的情形下，从基底基板的背面赋予场板(field plate)效果，因此可设计能够实现高耐电压和高速开关的HEMT元件。另外，如果要将HEMT元件用外延基板做成高耐电压结构，则增加沟道层和势垒层的总膜厚或提高两层的绝缘击穿强度是有效的，这是已经公知的技术(例如，参照非专利文献2)。另外，还公知如下的半导体器件的制造方法:在Si基底基板上形成由AlN构成的夹层，接着，交替形成由GaN构成的第一半导体层和由AlN构成的第二半导体层，以在整体上产生凸弯曲的方式形成，并在之后降温时使这些层收缩，其结果，消除基板整体上的弯曲(例如，参照专利文献4)。然而，与使用蓝宝石基板或SiC基板的情形相比较，已知由于如下原因而在硅基板上形成优质的氮化物膜是非常困难的。首先，在硅和氮化物材料中，在晶格常数的值上存在很大差异。这成为在硅基板和生长膜的界面上发生失配位错(misfit dislocation),或在从核形成到生长的时机中促进三维生长模式的主要原因。换言之，成为阻碍形成位错密度小且表面平坦的良好的氮化物外延膜的主要原因。另外，与硅相比，氮化物材料的热膨胀系数的值更大，因此在硅基板上以高温使氮化物膜外延生长后，在使温度降低至室温附近的过程中，拉伸应力在氮化物膜内起作用。其结果，在膜表面上容易产生裂纹，并且基板容易产生较大弯曲。除此之外，还已知在气相生长中的作为氮化物材料的原料气体的三甲基镓(TMG:Trimethylgallium)容易形成娃和液相化合物,从而成为妨碍外延生长的主要原因。在使用专利文献I至专利文献3以及非专利文献I中所公开的现有技术的情形下，能够使GaN膜在硅基板上外延生长。然而，所得到的GaN膜的结晶质量决不比将SiC或蓝宝石用作基底基板的情形良好。因此，在使用现有技术来制作例如HEMT这样的电子器件的情形下，存在电子迁移率低、断开时产生漏电流或耐压降低等问题。另外，在专利文献4中所公开的方法中，由于特意在器件制作的途中产生较大的凸弯曲，所以因层形成条件的不同而有可能会在器件制作途中产生裂纹。现有技术文献专利文献专利文献1:特开平10-163528号公报专利文献2 :特开2004-349387号公报专利文献3:特开2005-350321号公报专利文献4:特开2009-289956号公报非专利文献非专利文献1: Highly ReliabIe250ff GaN High Electron Mobility TransistorPower Amplifier^Toshihide Kikkawa, Jpn.J.App1.Phys.44, (2005), pp.4896-4901.非专利文献2:〃High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdownvoltage of overl.8kV on4inch Si substrates and the suppresion of currentcollapse^, Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, SadahiroKato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the20th International Symposium on PowerSemicoductor Devices&IC’ s Mayl8_22, 20080ralando, FL〃，pp.287-290
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种将硅基板作为基底基板、低位错且无裂纹的外延基板。为解决上述问题，在本专利技术第一方案的半导体元件用外延基板，在由(111)取向的单晶硅所组成的基底基板上，以(0001)结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成III族氮化物层组，其特征在于，所述外延基板具有:基底层组，其在所述基底基板上形成，并由多个基底层重复层叠而成，所述基底层分别包括由AlN构成的第一 III族氮化物层，和在所述第一 III族氮化物层上形成、且由AlyyGazzN构成的第二 III族氮化物层，其中Y、Z满足yy + zz = 1、0 ^ yy < 1>0 < zz ^ I ;其中，所述第一 III族氮化物层是由柱状或粒状的结晶或畴体中的至少一种构成的多结晶含有缺陷层；所述第一 III族氮化物层和所述第二 III族氮化物层的界面是三维凹凸面；在所述多个基底层中，将在所述基底基板的正上方形成的基底层作为第一基底层，并将所述第一基底层以外的基底层作为第二基底层时，构成所述第二基底层的所述第一 III族氮化物层的厚度在50nm以上且IOOnm以下，所述第二 III 族氮化物层由 AlyyGazzN (yy + zz = 1、0 = yy = 0.2、0.8 ^ zz ^ I)构成。本专利技术第二方案中，在第一方案的半导体元件用外延基板的基础上，在所述基底基板和所述第一基底层之间形成非晶质的界面层。本专利技术第三方案中，在第二方案的半导体元件用外延基板的基础上，所述界面层由 SiAlxOyNz 构成。本专利技术第四方案中，在第一至第三方案中任一方案的半导体元件用外延基板的基础上，所述至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体元件用外延基板，在由（111）取向的单晶硅所组成的基底基板上，以（0001）结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成III族氮化物层组，其特征在于，所述外延基板具有：基底层组，其在所述基底基板上形成，并由多个基底层重复层叠而成，所述基底层分别包括由AlN构成的第一III族氮化物层，和在所述第一III族氮化物层上形成、且由AlyyGazzN构成的第二III族氮化物层，其中y、z满足yy＋zz＝1、0≦yy＜1、0＜zz≦1，在所述基底层组上外延形成的至少一个第三III族氮化物层；所述第一III族氮化物层是由柱状或粒状的结晶或畴体中的至少一种构成的多结晶含有缺陷层；所述第一III族氮化物层和所述第二III族氮化物层的界面是三维凹凸面；在所述多个基底层中，将在所述基底基板的正上方形成的基底层作为第一基底层，并将所述第一基底层以外的基底层作为第二基底层时，构成所述第二基底层的所述第一III族氮化物层的厚度在50nm以上且100nm以下，所述第二III族氮化物层由AlyyGazzN构成，其中y、z满足yy＋zz＝1、0≦yy≦0.2、0.8≦zz≦1。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.10 JP 2010-2030621.一种半导体元件用外延基板，在由(111)取向的单晶硅所组成的基底基板上，以(OOOl)结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成III族氮化物层组，其特征在于， 所述外延基板具有: 基底层组，其在所述基底基板上形成，并由多个基底层重复层叠而成，所述基底层分别包括由AlN构成的第一 III族氮化物层，和在所述第一 III族氮化物层上形成、且由AlyyGazzN构成的第二 III族氮化物层，其中y、z满足yy + zz = 1、0 ^ yy < 1、0 < zz ^ I,在所述基底层组上外延形成的至少一个第三III族氮化物层； 所述第一 III族氮化物层是由柱状或粒状的结晶或畴体中的至少一种构成的多结晶含有缺陷层； 所述第一 III族氮化物层和所述第二 III族氮化物层的界面是三维凹凸面； 在所述多个基底层中，将在所述基底基板的正上方形成的基底层作为第一基底层，并将所述第一基底层以外的基底层作为第二基底层时， 构成所述第二基底层的所述第一 III族氮化物层的厚度在50nm以上且IOOnm以下，所述第二 III族氮化物层由AlyyGazzN构成，其中y、z满足yy + zz = 1、0 = yy = 0.2、0.8 = zz = 1。2.权利要求1所述的半导体元件用外延基板，其特征在于， 在所述基底基板和所述第一基底层之间形成非晶质的界面层。3.权利要求2所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，所述界面层由SiAlxOyNz构成。4.权利要求1-3中任一项所述的半导体元件用外延基板，其特征在于， 所述至少一个第三III族氮化物层包括超晶格结构层，该超晶格结构层是在所述基底层组的正上方周期性地层叠不同组成的两种以上III族氮化物层而形成的。5.权利要求1-4中任一项所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，所述至少一个第三III族氮化物层包括半导体元件的功能层。6.—种半导体兀件,米用权利要求1-5中任一项所述的外延基板而制作。7.—种外延基板的制造方法，在作为(111)取向的单晶硅的基底基板上...

【专利技术属性】
技术研发人员：三好实人，市村干也，前原宗太，田中光浩，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP