专利名称：化合物半导体的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种化合物半导体的制造方法，特别涉及能够适用于功率器件等中的化合物半导体的制造方法。
背景技术：
II1-V 族氮化物半导体是以通式 BwAlxGayInzN(其中，w+x+y+z = 1,0 ^ w ^ I,O彡X彡1，0彡y彡1，0彡z彡I。)表示的、由铝(Al)、硼(B)、镓(Ga)及铟(In)和氮(N)的化合物构成的化合物半导体。以氮化镓(GaN)为代表的II1-V族氮化物半导体具有大的带隙，与之相伴地具有高击穿电压、高电子饱和速度、高电子迁移率、以及形成异质结时的高电子浓度等优点。由此，在II1-V族氮化物半导体中，以应用于短波长发光元件、高输出高频率元件、高频率低噪音放大元件及高输出开关元件等中为目的的研究开发正在推进之中。近年来，作为用于形成使用了 II1-V族氮化物半导体的半导体装置的基板，正在研究使用包含硅(Si)等的基板。包含硅的基板可以容易地大口径化，如果使用包含硅的基板作为使II1-V族氮化物半导体生长的基板，则可以大大地降低半导体装置的成本。一般来说，在包含硅的基板上形成II1-V族氮化物半导体的情况下，由于硅与氮化物半导体的晶格常数及热膨胀系数有大的不同，因此难以在包含硅的基板上结晶性良好地形成II1-V族氮化物半导体。以往，在短波长的光电器件或利`用高电流密度进行工作的GaN系电力器件中，为了 GaN的外延生长，广泛地使用蓝宝石基板。但是，在低成本化及大口径化方面存在大的技术性障碍，尤其是就降低成本而言，不能说是现实性基板的选择。碳化硅(SiC)由于晶格的不匹配小并且与蓝宝石基板相比具有高导热性，因此被认为有望用作GaN系电力器件用基板。但是，已知大块的碳化硅非常昂贵，另外，还具有难以得到大的形状的晶片的问题(例如参照非专利文献I。)。所以，例如在专利文献I等中提示过如下的方法，即，在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，通过注入碳(C)离子而形成SiC层作为中间层，并通过在其上形成残留应力少并且高品质的II1-V族氮化物半导体，来制造廉价并且高性能的II1-V族氮化物半导体。现有技术文献专利文献专利文献I日本特开2005-203666号公报非专利文献非专利文献1“宽带隙半导体器件化材料研究的现状与课题”，吉田贞史，电子技术综合研究所汇报，第62卷第10，11号，p.575-586(1998)非专利文献2“B diffusion and clustering in ion implanted Si:The role of Bcluster precursors，，L.Pelaz, M.Jaraiz, G.H.Gilmer, H.-J.Gossmann, C.S.Rafferty,D.J.Eaglesham, and J.M.Poate Applied.Physics.Letters.70 (17)
发明内容
发明所要解决的问题但是，若要将硅碳化而变为碳化硅，需要非常多的碳离子的注入，在专利文献I中记载的以往方法的情况下，需要lX1017ionS/cm2左右的剂量。该方法不仅难以在现实的成本内实施，而且要将因注入高剂量而明显地扰乱了结晶性的包含硅的基板的表面利用热处理加以单晶化，事实上在技术上较为困难，也缺乏再现性。
发明内容
本发明鉴于所述的问题，其目的在于，能够在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，形成残留应力少而且高品质的化合物半导体。为了实现上述目的，本发明将化合物半导体的制造方法设为如下的构成，即，在包含注入了离子的单晶硅的基底层上形成半导体膜。具体来说，本发明的化合物半导体的制造方法具备:在包含硅的基板的上部形成硅氧化膜的工序(a);通过对基板中的硅氧化膜的下侧的区域进行离子注入，接着进行热处理，而形成包含注入了离子的单晶硅的基底层的工序(b);通过除去硅氧化膜而露出基底层的工序(C);和在基底 层上形成半导体膜的工序(d)。根据本发明的化合物半导体的制造方法，由于在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，利用离子注入和热处理，形成包含注入了离子的单晶硅的基底层，因此可以在基板上形成残留应力少并且高品质的化合物半导体层。本发明的化合物半导体的制造方法中，优选利用IOOKeV以下的加速能来进行离子注入。本发明的化合物半导体的制造方法中，优选利用lX1013ionS/cm2以上并且lX1016ions/cm2以下的剂量率来进行离子注入。本发明的化合物半导体的制造方法中，优选在1000°C以上的温度下并且在不活泼气体气氛中进行热处理。本发明的化合物半导体的制造方法中，半导体膜优选由AlxGayInzN(x+y+z =1、
O≤X ≤1、0 ≤γ ≤1、0 ≤z ≤I)构成。本发明的化合物半导体的制造方法优选在工序(d)之前，还具备在基底层上形成缓冲层的工序(dl)。该情况下，缓冲层中的与基底层接触的层优选由氮化铝构成。另外，在形成2层以上的缓冲层的情况下，缓冲层中的与半导体膜接触的层优选由 AlxGayInzN(x+y+z = 1>0 ≤x ≤1>0 ≤ y ≤1>0 ≤z ≤1)构成。本发明的化合物半导体的制造方法中，离子注入中所用的离子优选为硼离子或磷离子。本发明的化合物半导体的制造方法中，也可以是离子注入中所用的离子为硼离子，并且对于其注入量分布而言，在从基板的表面起沿深度方向IOOnm以内的位置处具有最大值。
本发明的化合物半导体的制造方法中，优选对基板的表面中的一部分进行离子注入。根据本发明的化合物半导体的制造方法，能够在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，形成残留应力少并且高品质的化合物半导体层。
图1是表示利用本发明的一个实施方式的化合物半导体的制造方法制造的化合物半导体的剖面图。图2是表示形成于基底层上的GaN层的X射线衍射的结果的曲线图。图3是在通过实施将B离子及P离子的剂量设为5X 1015ions/cm2的离子注入和热处理而形成的基底层上形成的GaN层的表面的SEM图像。图4是在通过实施将B离子及P离子的剂量设为I X 1014ions/cm2的离子注入和热处理而形成的基底层上形成的GaN层的表面的SEM图像。图5是在进行将B离子及P离子的剂量设为5X 1015ions/cm2的离子注入而未实施热处理时的离子注入层上形成的GaN层的表面的SEM图像。图6是表示面方位为(10-12)面的GaN层的衍射的半值宽度与离子注入中的剂量的依存性的曲线图。其中，101基板，102基底层，103A1N缓冲层，104AlGaN缓冲层，105GaN层
具体实施例方式对本发明的一个实施方式的化合物半导体的制造方法进行说明。本实施方式中，作为化合物半导体的一例使用了 II1-V族氮化物半导体。首先，在由单晶硅(Si)制成的基板上，形成硅氧化膜(3102膜)。通过对基板进行热处理而形成SiO2膜。SiO2膜是为了在后面进行的对基板的离子注入中，容易控制基板的从表面起在深度方向上的离子注入量分布而形成的。特别是，SiO2膜在硼(B)的注入时较为重要，可以控制B离子的深度方向的分布。关于对包含硅的基板的B离子的注入有过几个报告，近年来，对于基板内的B离子的行为已经为人所知。特别是已知有如下的现象，即，在B离子的注入的情况下，通过设置热氧化膜，可以将B离子向热氧化膜侧拉近(例如参照非专利文献2。)。即，根据是否具有SiO2膜，进行离子注入及热处理后的离子注入的轮廓(profile)是不同的。为了在从基板的表面起沿深度方向IOOnm以内，形成所注入的离子的浓度最高的区域，优选设置该热氧化膜，并进行离子的注入及用于修复损伤的热处理。对于SiO2膜，为了在除去该SiO2膜后在基板的表面有效地、高浓度地存在离子种，优选设为IOnm以上并且150nm以下左右的厚度，优选在氧气氛中约900°C的条件下形成。然后，对包含硅的基板，例如进行B离子或P离子的注入，在基板的上部形成离子注入层。为了抑制由离子造成的对基板的溅射蚀刻，B离子或P离子的注入时的加速能优选为约IOOkeV以下。这里，不需要对基板的加热。从将加速离子的能量分散宽度保持较小的观点考虑，B离子或P离子的注入时的气氛优选为约10_3Pa以下的真空中。而且，该离子注入不仅可以通过向基板的全面注入的方法，而且也可以通过局部地注入而在基板中具有局部分布的注入区域的方法、以及具有B离子及P离子双方的注入区域的方法，也可以获得减少基板的翘曲及裂纹的效果。然后，通过对注入了 B离子或P离子的基板进行热处理，而由上述的离子注入层形成基底层。基底层包含注入了离子的单晶硅。该热处理的温度条件需要为能够修复因注入到基板的离子种而产生的损伤的温度，优选在1000°c以上并且1200°C以下左右的温度下进行热处理。对于该热处理中的气氛的条件，优选在氮气氛中进行。但是，也可以使用其他的不活泼气体。另外，热处理的时间为0.5小时 3小时左右，优选为I小时 2小时左右。利用以上操作，进行了对包含硅的基板的离子注入及基板的损伤的修复，然而若要进行II1-V族氮化物半导体的外延生长，需要露出损伤得到了修复的基板的洁净表面。即，由于直到上述的工序之前，在其表面存在包含SiO2膜的不需要的层，因此需要将其除去。所以，需要将在均匀地形成于基板上的基底层的上部存在的包含SiO2膜的不需要的层除去，露出基底层。在基底层的上部的SiO2膜及Si层的蚀刻中，例如优选使用氢氟酸(HF)的含量为15%的缓冲氢氟酸(BHF)进行湿式蚀刻法。然后，在露出了的基底层上，依次形成例如AlN缓冲层、AlGaN缓冲层及由GaN构成的半导体膜。它们的形成优选使用有机金属气相生长(metal organic chemical vapordeposition:M0CVD)法。对于用于形成它们的条件说明如下。首先，在将MOCVD装置的反应器内设为氢气气氛后，例如以50°C /min 150°C /min左右的升温速度升高温度，到达1100°C 1300°C左右的温度范围，通过在该温度下保持约I分钟 30分钟，而对基底层进行氢气气氛中的借助热的清洁。通过该处理，基底层的表面被洁净化。然后，在将反应器内的温度维持为1100°C 1300°C左右的同时，向反应器内供给例如三甲基铝(TMA)和氨(NH3)的混合气体作为AlN的生长反应用的气体源，为了获得作为缓冲层来说适当的膜厚，在该温度下保持约I分钟 15分钟，从而形成AlN缓冲层。反应器内的晶体生长时的压力优选设为约6.67kPa 9.33kPa。然后，使反应器内的温度到达适于AlGaN缓冲层的生长的1150°C 1250°C左右。此时，以50°C /min 100°C /min左右改变温度。向反应器内供给例如三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和氨(NH3)的混合气体作为AlGaN的生长反应用的气体源，为了获得作为缓冲层来说适当的膜厚，在该温度下保持约I分钟 15分钟，从而形成AlGaN缓冲层。继而，在形成AlGaN缓冲层后，在继续供给氨气的同时，将反应器内的温度以500C /min 100°C /min左右的降温速度降低，到达适于GaN层的生长的1000°C 1200°C左右的温度。向反应器内供给例如三甲基镓(TMG)和氨(NH3)的混合气体作为GaN的生长反应用的气体源，生长至适当的膜厚。该温度的保持时间依赖于所必需的GaN层的厚度，用于获得约I μ m 5 μ m的膜厚的保持时间约为0.5小时 3小时。利用以上的工序，如图1所示，在包含硅的基板101的上部，形成包含注入了离子的单晶硅的基底层102。在基底层102上依次形成AlN缓冲层103及AlGaN缓冲层104，在AlGaN缓冲层104上，能够形成没有应力及裂纹的单晶的GaN层105。而且，虽然在本实施方式中，形成了缓冲层，并在缓冲层上形成了 GaN层，然而也可以不形成缓冲层，而在基底层上形成GaN层。另外，也可以根据需要，仅形成AlN缓冲层，不形成AlGaN缓冲层。上述的例子是使用了 MOCVD法时的说明，然而也可以利用使用施加了等离子体激活的氮作为氮源的分子束外延(molecular beam epitaxy:MBE)法。另外，本实施方式中的离子注入不一定需要对基板的整个面实施，利用局部注入、即图案化了的注入方法，也不会有损害效果的情况。此时的离子注入区域至少为晶片整体的约20%以上，优选为约30%以上的区域。该区域不一定需要连续，也可以是以同心圆状或格子状分布，还可以是散布有无数个I μ Hi2以上的区域那样的图案。根据本发明的一个实施方式的化合物半导体的制造方法，可以在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，形成残留应力少并且高品质的化合物半导体层。实施例对本发明的化合物半导体的制造方法的一个实施例进行说明。本实施例中，作为化合物半导体的一例使用了 II1-V族氮化物半导体。首先，通过在氧(O2)气氛中，进行将包含主面的面方位为(111)面的单晶硅的基板的温度达到900°C的热氧化，而在基板的上部形成50nm的硅氧化膜(SiO2膜)。然后，对基板利用以下的条件进行B离子的注入。对基板不进行加热，在将加速电压设为40keV、将注入角设为7°、将旋转角设为23°、将周围的气氛设为10_4Pa的真空、将B离子的注入的剂量率设为lX1015ionS/cm2的条件下进行。这样，就在基板的表面的附近形成B离子注入层。然后，通过对注入了 B离子的基板进行热处理，而由基板的表面附近的B离子注入层形成基底层。基底层包含注入了离子的单晶硅。通过在氮气氛中设为1100°c、保持I小时而进行该热处理。然后，借助使用了氢氟酸(HF)浓度为15%的缓冲氢氟酸(BHF)蚀刻溶液的湿式蚀刻法，除去基底层的上部的SiO2膜或Si层等不需要的层，而露出基底层。然后，在露出的基底层上，使用有机金属气相生长(MOCVD)法依次形成AlN缓冲层、AlGaN缓冲层及GaN层。具体来说，使用MOCVD装置，首先，将反应器内设为氢气气氛，其后，以100°C /min的升温速度升高基板的温度，在1250°C下保持I分钟。其结果是，利用加热了的氢气气氛，将基底层的表面加以清洁。接下来，将反应器内的温度维持为1250°C，以氢气作为载气向反应器内供给三甲基铝(TMA)和氨(NH3)的混合气体作为AlN的生长反应用的气体源，进行作为缓冲层来说适当的膜厚的AlN层的生长反应。其后，以氢气作为载气供给三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和氨气体，生长由AlGaN构成的外延层。然后，以氢气作为载气供给TMG和氨气，生长由厚I μ m的GaN构成的外延层。在进行该由GaN构成的外延层的生长反应后，仅维持氨气的供给，将反应器内的温度以100°C /min的降温速度降低，最后停止氨的供给后，降低温度而结束反应。这里，对利用X射线衍射对在基底层上夹隔着AlN缓冲层及AlGaN缓冲层形成的、膜厚I Pm的GaN层进行特性评价的结果加以说明。而且，这里，对用于基底层的形成的B离子的剂量为lX1014ions/cm2及lX1015ions/cm2的情况进行比较。如图2所示，对于由GaN、AlGaN及AlN的外延层引起的衍射峰而言，无论B离子的剂量的大小如何都是同等的，在根据X射线衍射评价的结晶性方面没有大的差异。对于因离子注入而产生的损伤而言，通过热处理充分地修复，可以确认形成了良好的GaN层。
另一方面，包含硅的基板所引起的峰与B离子的剂量对应地显示出变化，然而随着剂量变多，包含硅的基板所引起的峰变小，在其附近出现新的晶格常数不同的峰(图2中的a)。然后，对于在利用以下的条件实施了离子注入及热处理的基底层或仅实施了离子注入的离子注入层上夹隔着AlN缓冲层及AlGaN缓冲层形成的膜厚I μ m的GaN层的表面，利用借助扫描型电子显微镜(scanning electron microscope:SEM)进行了观察，并进行了特性评价，对其结果加以说明。作为离子注入的条件，剂量为5X1015ionS/cm2或
IX 1014ionS/cm2，在相同的基板内设置有P离子注入区域及B离子注入区域。如图3所示，在以5X 1015ionS/cm2的剂量注入B离子及P离子的情况下，在P离子注入区域中产生了裂纹。另外，如图4所示，在以I X 1014ions/cm2的剂量注入B离子及P离子的情况下，在全部区域中没有裂纹的产生。在未进行用于修复基板的损伤的热处理的情况下，如图5所示，当以5 X 1015ions/cm2的剂量注入B离子及P离子时，即在P离子注入区域中产生裂纹，在B离子注入区域中没有形成外延生长，而是发生了多晶化。根据这些借助SEM的观察，离子注入的极限值在P离子的注入和B离子的注入中不同。另外，通过进行以修复基板的损伤为目的的热处理，在由Si制成的基板上生长出的II1-V族氮化物半导体可以维持良好的膜质，可以确认，抑制了在其表面中产生裂纹。继而，对在实施了 P离子或B离子的注入的基底层上夹隔着AlN缓冲层及AlGaN缓冲层形成的、膜厚Iym而面方位为(10-12)的GaN层的基于衍射得到的半值宽度进行说明。如图6所示，在P离子的注入的情况下，与注入量对应地半值宽度展宽，剂量为lX1015ions/cm2时半值宽度达到约1300秒，与借助SEM的观察的结果相结合可知，将剂量设为lX1015ionS/cm2的注入是极限。另一方面，在B离子的注入中，在剂量达到I X 1015ions/cm2之前没有半值宽度大幅度展宽的趋势，能够维持良好的结晶性。在剂量为5X 1015ionS/cm2时的借助SEM的观察的结果中，没有产生裂纹的材料的半值宽度达到约1500秒。根据这些情况可知，将剂量设为5X1015ionS/cm2的注入是极限。另外，根据有关借助SEM的观察的一连串的结果可知，进行离子注入的区域不需要是基板的整个面，通过只在任意的区域进行注入也可以防止裂纹。根据这些结果可以确认，在利用本发明得到的基底层上形成的GaN层的结晶性优异，没有裂纹。虽然在以上的实施例中，作为外延层的例子举出GaN，另外作为与GaN层接触的缓冲层的例子举出AlGaN，然而除了它们以外，即使是氮化铟(InN)、氮化铝(A1N)、以及由氮化镓、氮化铟、氮化铝中的至少两种以上构成的合金(GaInN、GaAlN、InAlN及GaInAlN)等氮化物半导体，也可以获得上述的效果。根据本发明的一个实施例的化合物半导体的制造方法，由于利用热处理来减少因离子注入而在包含硅的基板中产生的多个晶体缺陷，在基板的上部形成优质的离子注入层，因此会改变包含硅的基板本来所具有的弹性常数。这样，就会缓解由基底层与GaN等半导体层之间的热膨胀系数差而产生的热应力，从而可以使基底层上所形成的GaN等半导体层在没有残留应力的状态下生长。其结果是，可以在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，形成残留应力少并且高品质的化合物半导体层。另外，可以在该化合物半导体层上形成高性能的化合物半导体器件。本发明的化合物半导体的制造方法可以在包含容易大面积化并且廉价的硅的基板上，形成残留应力少并且高品质的化合物半导体层，对于能够适用于功率器件等的化合物半导体的制造方法等十分有用。
权利要求
1.一种化合物半导体的制造方法，其特征在于，具备: 工序(a)，在包含硅的基板的上部，形成硅氧化膜； 工序(b)，通过对所述基板中的所述硅氧化膜的下侧的区域，进行离子注入，接着进行热处理，而形成包含注入了离子的单晶硅的基底层； 工序(C)，通过将所述硅氧化膜除去而露出所述基底层；以及 工序(d)，在所述基底层上形成半导体膜。
2.根据权利要求1所述的化合物半导体的制造方法，其中， 利用IOOKeV以下的加速能进行所述离子注入。
3.根据权利要求1或2所述的化合物半导体的制造方法，其中， 利用lX1013ionS/cm2以上并且I X 1016ionS/cm2以下的剂量率进行所述离子注入。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 在1000°C以上的温度且不活泼气体气氛中进行所述热处理。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 所述半导体膜由 AlxGayInzN 构成,其中 x+y+z = 1>0 ^ x ^ 1>0 ^ y ^ 1>0 ^ z ^ I。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 在所述工序(d)之前，还具备在所述基底层上形成缓冲层的工序(dl)。
7.根据权利要求6所述的化合物半导体的制造方法，其中， 所述缓冲层中的与所述基底层接触的层由氮化铝构成。
8.根据权利要求6或7所述的化合物半导体的制造方法，其中， 在形成有2层以上的所述缓冲层的情况下，所述缓冲层中的与所述半导体膜接触的层由 AlxGayInzN 构成,其中 x+y+z = 1>0 ^ x ^ 1>0 ^ y ^ 1>0 ^ z ^ I。
9.根据权利要求1 8中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 所述离子注入中所用的离子是硼离子或磷离子。
10.根据权利要求1 8中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 所述离子注入中所用的离子是硼离子，并且对于其注入量分布而言，在从所述基板的表面起沿深度方向IOOnm以内的位置处具有最大值。
11.根据权利要求1 10中任一项所述的化合物半导体的制造方法，其中， 对所述基板的表面中的一部分进行所述离子注入。
全文摘要
本发明提供一种化合物半导体的制造方法，在包含硅的基板的上部，形成硅氧化膜。其后，通过对基板(101)中的硅氧化膜的下侧的区域进行离子注入，接着进行热处理，而形成包含注入了离子的单晶硅的基底层(102)。接下来，通过除去硅氧化膜，而露出基底层(102)。其后，在基底层(102)上形成GaN层(105)。
文档编号C30B25/18GK103081062SQ20118004047
公开日2013年5月1日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年9月1日
发明者铃木朝实良, 梅田英和, 石田昌宏, 上田哲三 申请人:松下电器产业株式会社