化合物半导体基板的制作方法

本发明涉及一种化合物半导体基板，更特别地，涉及一种具备sic(碳化硅)层的化合物半导体基板。

背景技术：

对于gan(氮化镓)，作为比si(硅)带隙大、绝缘击穿电场强度高的宽带隙半导体材料而已知。gan具有与其他宽带隙半导体材料相比更高的耐绝缘击穿性，因此被期待应用于下一代的低损耗的功率器件。

在对使用了gan的半导体器件的起始基板(基底基板)使用si基板的情况下，容易引起如下现象：由于gan与si之间的晶格常数和热膨胀系数的大的差异，导致在基板中发生翘曲，或者在gan层内发生裂纹。

作为发生基板的翘曲、向gan层内的裂纹的对策，例如，在下述专利文献1等中公开了一种半导体基板，其具备si基板、在si基板上形成的3c-sic层、以及交替形成的多个aln(氮化铝)层和gan层。

下述专利文献2和3等中也公开了现有的具备gan层的半导体基板。下述专利文献2中公开了一种半导体构造，其具备由sic构成的基板、在基板上形成的由aln构成的成核层、在成核层上形成的由algan(氮化铝镓)构成的倾斜层、以及在倾斜层上形成的由gan构成的氮化物层。

下述专利文献3中公开了一种半导体基板，其具有基板、基板上的缓冲层、缓冲层上的由氮化物系半导体构成并含有过渡金属和碳的高电阻层、以及高电阻层上的由氮化物系半导体构成的沟道层。高电阻层具有与沟道层相接并且过渡金属的浓度从缓冲层一侧朝向沟道层一侧而减少的减少层。碳浓度的朝向沟道层而减少的减少率大于过渡金属的浓度的朝向沟道层而减少的减少率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-179121号公报

专利文献2：日本特表2010-521065号公报

专利文献3：日本特开2015-201574号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在专利文献1等的技术中，能够在某种程度上抑制基板的翘曲、向gan层内的裂纹的发生，得到了结晶品质比较良好的gan层。然而，在专利文献1等的技术中，gan层的厚膜化存在极限，对于耐电压也同样存在极限。这是因为，当使gan层厚膜化时，会在基板中发生翘曲，或者在gan层内发生裂纹。当考虑gan的作为功率器件的用途时，重要的是，改善使用了gan的半导体器件的耐电压。

本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的是，提供一种具有所希望的品质的化合物半导体基板。

用于解决课题的手段

根据本发明的一种方式的化合物半导体基板，具备：sic层；在sic层上形成的由aln构成的缓冲层；在缓冲层上形成的含有al的氮化物半导体层；在氮化物半导体层上形成的复合层；在复合层上形成的由gan构成的电子渡越层；以及在电子渡越层上形成的阻挡层，复合层包括：在上下方向上层叠的含有碳的由gan构成的多个第一层、以及在多个第一层的各个层之间形成的并由aln构成的第二层。

在上述化合物半导体基板中，优选地，多个第一层的各个层具有1×10¹⁸个/cm³以上且1×10²¹个/cm³以下的平均碳原子浓度。

在上述化合物半导体基板中，优选地，第二层具有10nm以上且15nm以下的厚度。

在上述化合物半导体基板中，优选地，第一层具有550nm以上且2000nm以下的厚度。

在上述化合物半导体基板中，优选地，氮化物半导体层的内部的al组成比随着从下部向上部而减少。

在上述化合物半导体基板中，优选地，氮化物半导体层包括：含有al和ga的第一氮化物半导体层；与第一氮化物半导体层接触地在第一氮化物半导体层上形成的含有al的第二氮化物半导体层；以及与第二氮化物半导体层接触地在第二氮化物半导体层上形成的含有al和ga的第三氮化物半导体层，第一氮化物半导体层和第三氮化物半导体层中的至少任意一个层的内部的al组成比随着从下部向上部而减少。

在上述化合物半导体基板中，优选地，多个第一层中的形成于第二层上的第一层包含压缩变形。

在上述化合物半导体基板中，优选地，氮化物半导体层具有900nm以上且2μm以下的厚度。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种具有所希望的品质的化合物半导体基板。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式中的化合物半导体基板cs1的结构的剖面图。

图2是表示本发明的第一实施方式中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

图3是表示本发明的第二实施方式中的化合物半导体基板cs2的结构的剖面图。

图4是表示本发明的第一变形例中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

图5是表示本发明的第二变形例中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

图6是表示本发明的一种实施例中的比较例(化合物半导体基板cs10)的结构的剖面图。

图7是表示本发明的一种实施例中的各样本的评价结果的表。

图8是表示本发明的一种实施例中的纵向耐电压的测量方法的剖面图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的实施方式。

[第一实施方式]

图1是表示本发明的第一实施方式中的化合物半导体基板cs1的结构的剖面图。

参照图1，本实施方式的化合物半导体基板cs1包含hemt(highelectronmobilitytransistor，高电子迁移率晶体管)。化合物半导体基板cs1具备：si基板1、sic层2、aln缓冲层3(由aln构成的缓冲层的一例)、al氮化物半导体层4(含有al的氮化物半导体层的一例)、复合层5、gan层7(电子渡越层的一例)、al氮化物半导体层10(阻挡层的一例)。

si基板1例如由p+型的si构成。在si基板1的表面露出了(111)面。此外，si基板1可以具有n型的导电类型，也可以是半绝缘性的。在si基板1的表面也可以露出(100)面、(110)面。si基板1例如具有6英寸的直径，并具有900μm的厚度。

sic层2与si基板1相接触，并形成在si基板1上。sic层2由3c-sic、4h-sic、或者6h-sic等构成。特别地，在sic层2是在si基板1上进行外延生长而得的层的情况下，sic层2一般由3c-sic构成。

也可以，在通过使si基板1的表面碳化而得的sic所构成的基底层上，通过使用mbe(molecularbeamepitaxy，分子束外延)法、cvd(chemicalvapordeposition，化学气相沉积)法、或者lpe(liquidphaseepitaxy，液相外延)法等，使sic进行同质外延生长，来形成sic层2。也可以仅通过使si基板1的表面碳化，来形成sic层2。此外，也可以通过使其在si基板1的表面(或夹着缓冲层)进行异质外延生长，来形成sic层2。sic层2例如掺杂有n(氮)等，并具有n型的导电类型。sic层2例如具有0.1μm以上且3.5μm以下的厚度。此外，sic层2可以具有p型的导电类型，也可以是半绝缘性的。

aln缓冲层3与sic层2相接触，并形成在sic层2上。aln缓冲层3实现了作为使sic层2与al氮化物半导体层4的晶格常数的差缓解的缓冲层的功能。例如，使用mocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化学气相沉积)法，来形成aln缓冲层3。设aln缓冲层3的生长温度例如是1000℃以上且1300℃以下。此时，作为al源气体，例如使用tma(trimethylaluminium，三甲基铝)、tea(triethylaluminium，三乙基铝)等。作为n源气体，例如使用nh3(氨)。aln缓冲层3例如具有100nm以上且1000nm以下的厚度。

al氮化物半导体层4与aln缓冲层3相接触，并形成在aln缓冲层3上。al氮化物半导体层4由含al的氮化物半导体构成，例如由以alxga1-xn(0＜x≤1)表示的材料构成。此外，al氮化物半导体层4也可以由以alxinyga1-x-yn(0＜x≤1、0≤y＜1)表示的材料构成。al氮化物半导体层4实现了作为使aln缓冲层3与复合层5中的c-gan层51a的晶格常数的差缓解的缓冲层的功能。al氮化物半导体层4例如具有500nm以上且2μm以下的厚度，优选地，具有900nm以上且2μm以下的厚度。例如，使用mocvd法来形成al氮化物半导体层4。

复合层5与al氮化物半导体层4相接触，并形成在al氮化物半导体层4上。复合层5包含在上下方向(与si基板1、sic层2、aln缓冲层、和al氮化物半导体层4的层叠方向相同的方向，图1中的纵向方向)层叠的多个c-gan层、以及在多个c-gan层的各个层之间形成的aln层。换言之，复合层5具有c-gan层与aln层以1以上的次数交替层叠而得的结构，复合层5的最上层和最下层均是c-gan层。c-gan层是包含c(碳)的gan层(掺杂了c的gan层)。c起到了提高gan层的绝缘性的作用。

构成复合层5的c-gan层的层数是2以上即可，构成复合层5的aln层的层数也是任意的。本实施方式的复合层5包括：作为c-gan层的2层的c-gan层51a和51b(多个第一层的一例)、以及1层的aln层52a(第二层的一例)。c-gan层51a是构成复合层5的层中的最下层，并与al氮化物半导体层4接触。c-gan层51b是构成复合层5的层中的最上层，并与gan层7接触。aln层52a形成于c-gan层51a与c-gan层51b之间。

构成复合层5的多个c-gan层(本实施方式中的c-gan层51a和51b)的每一层例如具有1×10¹⁸个/cm³以上且1×10²¹个/cm³以下的平均碳原子浓度，优选地，具有3×10¹⁸个/cm³以上且2×10¹⁹个/cm³的平均碳浓度。构成复合层5的多个gan层的每一层可以具有相同的平均碳原子浓度，也可以具有彼此不同的平均碳原子浓度。

此外，构成复合层5的多个c-gan层的每一层例如具有550nm以上且2000nm以下的厚度，优选地，具有800nm以上且1500nm以下的厚度。构成复合层5的多个c-gan层的每一层可以具有相同的厚度，也可以具有彼此不同的厚度。

构成复合层5的aln层(本实施方式中的aln层52a)例如具有10nm以上且15nm以下的厚度。在构成复合层5的aln层为多个的情况下，构成复合层5的aln层的每一层可以具有相同的厚度，也可以具有彼此不同的厚度。

构成复合层5的c-gan层51a和51b例如使用mocvd法来形成。此时，作为ga源气体，例如使用tmg(trimethylgallium，三甲基镓)、teg(triethylgallium，三乙基镓)等。作为n源气体，例如使用nh3。构成复合层5的aln层通过与aln缓冲层3同样的方法来形成。

当要形成c-gan层51a和51b时，通过采用将tmg中含有的c吸取到gan层中这样的gan的生长条件，能够在gan层中掺杂c。作为在gan层中掺杂c的具体方法有，降低gan的生长温度的方法、降低gan的生长压力的方法、或者提高tmg相对于nh3的摩尔流量比的方法等。

此外，在al氮化物半导体层4与复合层5之间还可以存在未掺杂的gan层等其他层。

gan层7与复合层5相接触，并形成在复合层5上。gan层7是未掺杂的，是半绝缘性的。gan层7是hemt的电子渡越层。gan层7例如具有100nm以上且1000nm以下的厚度。gan层7例如使用mocvd法来形成。此时，作为ga源气体，例如使用tmg、teg等。作为n源气体，例如使用nh3等。

al氮化物半导体层10与gan层7相接触，并形成在gan层7上。al氮化物半导体层10由含有al的氮化物半导体构成，例如由以alxga1-xn(0＜x≤1)表示的材料构成。此外，al氮化物半导体层10也可以由以alxinygal-x-yn(0＜x≤1、0≤y＜1)表示的材料构成。al氮化物半导体层10是hemt的阻挡层。al氮化物半导体层10例如具有10nm以上且50nm以下的厚度。al氮化物半导体层10通过与al氮化物半导体层4同样的方法来形成。

图2是表示本发明的第一实施方式中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

参照图2，al氮化物半导体层4的内部中的al的组成比随着从下部向上部而减少。al氮化物半导体层4包含：al0.75ga0.25n层41(al的组成比是0.75的algan层)、al0.5ga0.5n层42(al的组成比是0.5的algan层)、以及al0.25ga0.75n层43(al的组成比是0.25的algan层)。al0.75ga0.25n层41与aln缓冲层3接触而形成在aln缓冲层3上。al0.5ga0.5n层42与al0.75ga0.25n层41接触而形成在al0.75ga0.25n层41上。al0.25ga0.75n层43与al0.5ga0.5n层42接触而形成在al0.5ga0.5n层42上。此外，上述的al组成比是一例，只要al组成比随着从下部向上部而减小，则还能设为其他组成。

根据本实施方式，通过在复合层5中在c-gan层51a与c-gan层51b之间形成aln层52a，能够抑制si基板1的翘曲的发生，并能够抑制向c-gan层51b和gan层7的裂纹的发生。以下对此进行说明。

构成aln层52a的aln在相对于构成c-gan层51a的gan的结晶不匹配的状态(产生了滑移的状态)下，在c-gan层51a上进行外延生长。另一方面，构成c-gan层51b和gan层7的gan受到构成基底即aln层52a的aln的结晶的影响。即，构成c-gan层51b和gan层7的gan在aln层52a上进行外延生长，以便承接构成aln层52a的aln的结晶构造。gan的晶格常数大于aln的晶格常数，因此，构成gan层51b的gan在图1中横向方向的晶格常数小于一般的(不包括压缩变形的)gan的晶格常数。换言之，c-gan层51b和gan层7在其内部含有压缩变形。

在c-gan层51b和gan层7形成之后的降温时，由于gan与si之间的热膨胀系数的差，导致c-gan层51b和gan层7从aln层52a受到应力。该应力是发生si基板1的翘曲的原因，是发生向c-gan层51b和gan层7的裂纹的原因。但是，该应力通过在c-gan层51b和gan层7形成时导入到c-gan层51b和gan层7内部的压缩变形而被缓解。其结果，能够抑制si基板1的翘曲的发生，并能够抑制向c-gan层51b和gan层7的裂纹的发生。

此外，化合物半导体基板cs1包括：具有比gan的绝缘击穿电压更高的绝缘击穿电压的c-gan层51a和51b、aln层52a、以及al氮化物半导体层4。其结果，能够改善化合物半导体基板的纵向方向的耐电压。

此外，根据本实施方式，化合物半导体基板cs1在aln缓冲层3与复合层5中的c-gan层51a之间包含al氮化物半导体层4，因此，能够缓解si的晶格常数与gan的晶格常数之间的差。这是因为，al氮化物半导体层4的晶格常数具有介于si的晶格常数与gan的晶格常数之间的值。其结果，能够改善c-gan层51a和51b的结晶品质。此外，能够抑制si基板1的翘曲的发生，并能够抑制向c-gan层51a和51b的裂纹的发生。

此外，根据本实施方式，由于能够如上述那样抑制si基板1的翘曲的发生，以及向c-gan层51b和gan层7的裂纹的发生，因此，能够使gan层7厚膜化。

进而，化合物半导体基板cs1包括：c-gan层51a和51b、以及作为gan层7的基底层的sic层2。sic的晶格常数相比于si的晶格常数更接近于gan的晶格常数，因此，在sic层2上形成c-gan层51a和51b、以及gan层7，由此，能够改善c-gan层51a和51b、以及gan层7的结晶品质。

如上述，根据本实施方式，通过区分al氮化物半导体层4、复合层5、以及sic层2的各个功能，能够各自地增强抑制si基板1的翘曲的发生的效果、抑制向c-gan层51b和gan层7的裂纹的发生的效果、改善化合物半导体基板cs1的耐电压的效果、以及改善c-gan层51a和51b以及gan层7的结晶品质的效果。特别地，在本实施方式中，通过将sic层2设为基底层，对能够改善gan层7的结晶品质这一点的贡献大。

根据本实施方式，通过具有sic层2，并改善c-gan层51a和51b、以及gan层7的结晶品质，能够减小复合层5中的aln层的厚度，并能够更有效地抑制翘曲的发生和裂纹的发生。此外，通过具有sic层2，并改善c-gan层51a的结晶品质，能够使c-gan层51a和51b、以及gan层7增厚，因此能够进一步改善耐电压。hemt的性能也能够改善。

[第二实施方式]

图3是表示本发明的第二实施方式中的化合物半导体基板cs2的结构的剖面图。

参照图3，本实施方式的化合物半导体基板cs2与第一实施方式的化合物半导体基板cs1相比较，复合层5的内部结构是不同的。具体地，本实施方式的复合层5包括：作为c-gan层的3层的c-gan层51a、51b和51c(多个第一层的一例)、以及2层的aln层52a和52b(第二层的一例)。c-gan层51a是构成复合层5的层中的最下层，与al氮化物半导体层4接触。aln层52a与c-gan层51a接触地形成在c-gan层51a上。c-gan层51b与aln层52a接触地形成在aln层52a上。aln层52b与c-gan层51b接触地形成在c-gan层51b上。c-gan层51c与aln层52b接触地形成在aln层52b上。c-gan层51c是构成复合层5的层中的最上层，与gan层7接触。

此外，化合物半导体基板cs2的除上述以外的结构与第一实施方式的化合物半导体基板cs1的结构相同，因此，对相同的部件赋予相同的附图标记，并不再重复其说明。

根据本实施方式，能够获得与第一实施方式同样的效果。除此之外，由于在复合层5中存在2层的aln层52a和52b，因此对上层的gan层51b和51c、以及gan层7施加压缩变形的效果增强。其结果，能够抑制si基板1的翘曲的发生，并能够抑制向c-gan层51a、51b和51c、以及gan层7的裂纹的发生。

此外，由于复合层5中存在2层的aln层52a和52b，因此能够改善化合物半导体基板的纵向方向的耐电压。

[变形例]

在本变形例中，说明化合物半导体基板cs1和cs2各自的al氮化物半导体层4的变形例的结构。

图4是表示本发明的第一变形例中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

参照图4，本变形例的al氮化物半导体层4包括：algan层4a(第一氮化物半导体层的一例)、aln中间层44(第二氮化物半导体层的一例)、以及algan层4b(第三氮化物半导体层的一例)。

algan层4a与aln缓冲层3接触地形成在aln缓冲层3上。algan层4a由al0.75ga0.25n层41(al的组成比是0.75的algan层)构成。在algan层4a的内部的al的组成比是固定的。

aln中间层44形成在algan层4a上。aln中间层44的下表面与algan层4a的上表面接触，aln中间层44的上表面与algan层4b的下表面接触。

algan层4b形成在aln中间层44上。在a1gan层4b的内部的al的组成比随着从下部向上部而e减少。algan层4b由al0.5ga0.5n层42(al的组成比是0.5的algan层)、以及与al0.5ga0.5n层42接触地形成在al0.5ga0.5n层42上的al0.25ga0.75n层43(al的组成比是0.25的algan层)构成。

图5是表示本发明的第二变形例中的al氮化物半导体层4内部的al组成比的分布的图。

参照图5，本变形例的al氮化物半导体层4包括：algan层4a(第一氮化物半导体层的一例)、aln中间层44(第二氮化物半导体层的一例)、以及algan层4b(第三氮化物半导体层的一例)。

algan层4a与aln缓冲层3接触地形成在aln缓冲层3上。在algan层4a的内部的al的组成比随着从下部向上部而减少。algan层4a由al0.75ga0.25n层41(al的组成比是0.75的algan层)、以及与al0.75ga0.25n层41接触地形成在al0.75ga0.25n层41上的al0.5ga0.5n层42(al的组成比是0.5的algan层)构成。

aln中间层44形成在algan层4a上。aln中间层44的下表面与algan层4a的上表面接触，aln中间层44的上表面与algan层4b的下表面接触。

algan层4b形成在aln中间层44上。algan层4b由al0.25ga0.75n层43(al的组成比是0.25的algan层)构成。在algan层4b的内部的al的组成比是固定的。

此外，第一和第二变形例的化合物半导体基板各自的除上述以外的结构与上述实施方式的情况下的结构相同，因此，不再重复其说明。

aln中间层44发挥了使algan层4b中产生压缩变形的功能。如第一和第二变形例那样，通过设置aln中间层44，能够进一步抑制翘曲、裂纹。

[实施例]

本申请的发明人分别制造了具有以下说明的结构的本发明例1和例2、以及比较例中的基板，来作为样本。

本发明例1：制造了图1所示的化合物半导体基板cs1。设c-gan层51a和51b各自的厚度为1450nm，设aln层52a的厚度为15nm。设c-gan层51a和51b各自的平均碳浓度为1×10¹⁹个/cm³以上且2×10¹⁹个/cm³以下的范围内的值。

本发明例2：制造了图3所示的化合物半导体基板cs2。设c-gan层51a、51b和51c各自的厚度为967nm，设aln层52a和52b各自的厚度为15nm。设c-gan层51a、51b和51c各自的平均碳浓度为1×10¹⁹个/cm³以上且2×10¹⁹个/cm³以下的范围内的值。

比较例：制造了图6所示的化合物半导体基板cs10。化合物半导体基板cs10在替代复合层5地形成有c-gan层105这一点上，与化合物半导体基板cs1(本发明例1)是不同的，除此以外的结构与化合物半导体基板cs1(本发明例1)相同。设c-gan层105的平均碳浓度为1×10¹⁹个/cm³以上且2×10¹⁹个/cm³以下的范围内的值。

本申请的发明人们，针对所得的各个试样，进行了基于目测的是否发生裂纹的确认、翘曲量的测定、以及纵向耐电压(化合物半导体基板的厚度方向的耐电压)的测定。

图7是表示本发明的一种实施例的各样本的评价结果的表。此外，图7中，作为纵向耐电压，示出了以比较例的纵向耐电压为基准(零)时的值。此外，作为翘曲量，在使化合物半导体基板中的si基板为下侧时以变为凸形的方式发生了翘曲的情况下，示出文字“凸”；在使化合物半导体基板中的si基板为下侧时以变为凹形的方式发生了翘曲的情况下，示出文字“凹”。

参照图7，在比较例中观察到了裂纹的发生，相比之下，在本发明例1和例2中未观察到裂纹的发生。此外，在比较例中，是成凹形的146μm这样的大翘曲量，与此相对地，在本发明例1中是成凹形的43μm这样的小翘曲量。进而，在本发明例2中是成凸形的27μm这样的翘曲量。此外，对于本发明例2的凸形翘曲，其起因于化合物半导体基板内的c-gan层的压缩变形大，并表示了对裂纹发生的抑制效果大。根据这些结果可知，与比较例相比，在本发明例1和例2中，抑制了裂纹的发生，改善了基板的翘曲。

图8是表示本发明的一种实施例中的纵向耐电压的测量方法的剖面图。

参照图7和图8，在粘贴于玻璃板21上的铜板22上固定了作为测量对象的样本即化合物半导体基板cs。在固定的化合物半导体基板cs的al氮化物半导体层10上，以与al氮化物半导体层10接触的方式设置了由al构成的电极23。将波形记录器24的一个端子连接到铜板22，将另一端子连接到电极23。使用波形记录器24在铜板22与电极23之间施加电压，测量在铜板22与电极23之间流动的电流(在纵向方向上流过样本的电流)的密度。当测量出的电流的密度达到1×10^-6a/mm²时，视为样本被绝缘击穿，测量此时的铜板22与电极23之间的电压，作为耐电压。

测定的结果，在本发明例1中，与比较例相比，纵向耐电压高出了60v。在本发明例2中，与比较例相比，纵向耐电压高出了85v。从这些结果可知，与比较例相比，在本发明例1和例2中改善了纵向耐电压。

[其他]

上述的实施方式和变形例能够进行适当组合。

对于上述实施方式、变形例以及实施例，应当认为，所有的点均是例示而不是限制性的。本发明的范围并不是由上述的说明来表示而是由权利要求书的范围来表示，并且意图包含有在与权利要求的范围均等的含义和范围内的全部变更。

附图标记的说明

1si(硅)基板

2sic(碳化硅)层

3aln(氮化铝)缓冲层

4、10al(铝)氮化物半导体层

4a、4balgan(氮化铝镓)层

5复合层

7gan(氮化镓)层

21玻璃板

22铜板

23电极

24波形记录器

41al0.75ga0.25n层

42al0.5ga0.5n层

43al0.25ga0.75n层

44aln中间层

51a、51b、51c、105c(碳)-gan层

52a、52baln层

cs、cs1、cs2、cs10化合物半导体基板