外延基板以及外延基板的制造方法技术

本发明专利技术提供一种将硅基板作为基底基板，无裂纹且耐电压性优良的外延基板。将在（111）取向的单晶Si基底基板上，以使（0001）结晶面与基板面大致平行的方式形成III族氮化物层组的外延基板，以如下方式形成。该外延基板具有：缓冲层，其具有多个通过交替层叠由AlN构成的第一组分层和由AlxGa1-xN（0≦x＜1）构成的第二组分层而形成的组分调制层；形成在缓冲层上的结晶层；将第一组分层和第二组分层的层叠数分别设为n，并将从基底基板侧开始的第i个第二组分层的x的值设为x（i）时，以满足x（1）≧x（2）≧···≧x（n-1）≧x（n），且x（1）＞x（n）的方式形成，使得各第二组分层相对于第一组分层形成共格状态。

【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(bandgap )、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(HighElectronMobilityTransistor)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这样的组分与III族氮化物不同的单晶(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之上形成。由此，在基底基板上外延形成阻挡层、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，为了促进对二维电子气的空间上的封闭性，有时还在阻挡层和沟道层之间设置厚度为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，有时还在阻挡层之上形成例如由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，存在功率密度增大、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，进行了如下研究和开发，即，在制作如上述这样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)。在作为HEMT元件用外延基板的基底基板选择了如硅这样的导电型的材料的情形下，从基底基板的背面赋予场板(fieldplate)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，为了将HEMT元件用外延基板做成高耐电压结构，已经公知增加沟道层和阻挡层的总膜厚或提高两层的绝缘击穿强度是有效的(例如，参照非专利文献2)。另外，还公知有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，以交替但整体产生凸弯曲的方式形成由GaN构成的第一半导体层和由AlN构成的第二半导体层，并在之后降温时使这些层收缩，其结果，消除基板整体的弯曲(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(misfitdislocation),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，在氮化物膜内拉伸应力起作用。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,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膜的结晶质量不是一定就会比将SiC或蓝宝石用作基底基板的情形好。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这样的问题。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，所以根据层形成条件的不同，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I: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I: "Highly Reliable 250W GaN High Electron MobilityTransistor Power Amplifier^Toshihide Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005),4896.非专利文献2:〃High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdownvoltage of over I.8kV on 4 inch Si substrates and the suppression of currentcollapse^, Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, SadahiroKato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on PowerSemiconductor Devices & IC' s May 18-22,2008 Orlando, 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、无裂纹且耐电压性优良的外延基板。为解决上述问题，在本专利技术第一方案中，将在作为(111)取向的单晶硅的基底基板上，以使(0001)结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成有III族氮化物层组的外延基板，以如下方式形所述外延基板具有缓冲层，其具有多个通过交替层叠第一组分层和第二组分层而形成的组分调制层，其中，所述第一组分层由AlN构成，所述第二组分层由AlxGahN组分的III族氮化物构成，x满足O = x < I;结晶层，其形成在所述缓冲层上。当将所述第一组分层和所述第二组分层的层叠数分别设为n，其中η为2以上的自然数，并将从所述基底基板侧开始的第i个所述第二组分层的X的值设为X (i)时，所述各组分调制层以满足X (I) = X (2)芎· · · ^ X (n-1) = X (η并且x (I) > χ (η)的方式形成，使得各所述第二组分层相对于所述第一组分层形成共格状态。在基于第一方案外延基板的本专利技术的第二方案中，所述缓冲层是通过交替层叠第一层叠单位和第二层叠单位而形成的层，所述第一层叠单位是所述组分调制层，所述第二层叠单位是由AlN以IOnm以上且150nm以下厚度形成的中间层。在基于第一方案或第二方案外延基板的本专利技术的第三方案中，所述外延基板还具有第一基底层，其在所述基底基板上形成且由AlN构成；第二基底层，其在所述第一基底层上形成且由AlpGai_pN构成，其中P满足O = P < I。所述第一基底层是由柱状结晶、粒状结晶、柱状畴或粒状畴中的至少一种构成的多结晶含有缺陷层；所述第一基底层和所述第二基底层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：三好实人，角谷茂明，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：
国别省市：