[发明专利]外延基板以及外延基板的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件用的外延基板，尤其涉及使用III族氮化物构成的外延基板。

背景技术

氮化物半导体由于具有直接迁移型的宽带隙(band gap)、高绝缘击穿电场以及高饱和电子速度，所以作为LED或LD等的发光器件，或HEMT(High Electron Mobility Transistor)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)上生成高浓度的二维电子气(2DEG)(例如，参照非专利文献1)。

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的缓冲层作为初始生长层在基底基板之上形成。由此，在基底基板之上外延形成势垒层、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上的封闭性，有时还在势垒层和沟道层之间设置厚度为1nm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n型GaN层或超晶格层构成的保护层。

对于HEMT元件以及HEMT元件用的基板，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1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，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势垒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基底基板之上形成由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(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：Trimethyl gallium)容易形成硅和液相化合物，而成为妨碍外延生长的主要原因。

在使用专利文献1至专利文献3以及非专利文献1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，所以因层形成条件的不同，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1：日本特开平10-163528号公报

专利文献2：日本特开2004-349387号公报

专利文献3：日本特开2005-350321号公报

专利文献4：日本特开2009-289956号公报

非专利文献