外延基板的制造方法以及外延基板与流程

1.本公开涉及外延基板的制造方法以及外延基板。
2.本技术主张基于在2019年11月5日提出申请的日本技术第2019－200738号的优先权，并引用所述日本技术所记载的所有记载内容。


背景技术：

3.专利文献1公开一种对氮化镓系化合物半导体装置所包括的p型层进行活化的方法。在该方法中，在200℃以上且500℃以下的温度下对p型层照射包含紫外光至可见光的范围内所包含的波长的光。由此，与p型层所包含的p型掺杂剂键合的氢被分离去除，作为受主的p型掺杂剂的活化被促进。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2000－306854号公报
7.专利文献2：国际公开第2006/013846号


技术实现要素：

8.本公开的一个实施方式的外延基板的制造方法具备：使iii族氮化物半导体层在基板上外延生长的工序；将基板从生长炉取出的工序；一边将iii族氮化物半导体层的表面暴露于含氧的气氛，一边对表面照射紫外光的工序；以及测定iii族氮化物半导体层的薄层电阻值的工序。
9.本公开的一个实施方式的外延基板具备沟道层、阻挡层以及帽层。沟道层设于基板的主面上。阻挡层设于沟道层上，阻挡层的组成为alyga
1-y
n(0＜y＜0.4)。帽层设于阻挡层上。在该外延基板中，由沟道层、阻挡层以及帽层构成的iii族氮化物半导体层的薄层电阻值为300(ω/sq.)以上且800(ω/sq.)以下。
附图说明
10.图1是表示包括供薄层电阻值的测定的氮化物半导体层的基板产品的截面构造的图。
11.图2是表示一个实施方式的制造方法的流程图。
12.图3a是表示制造方法的一个工序的图。
13.图3b是表示制造方法的一个工序的图。
14.图3c是表示制造方法的一个工序的图。
15.图3d是表示制造方法的一个工序的图。
16.图4a是表示制造方法的一个工序的图。
17.图4b是表示制造方法的一个工序的图。
18.图4c是表示制造方法的一个工序的图。
19.图5是表示he－cd激光器的构造例的图。
20.图6是表示在生长iii族氮化物半导体层之后从生长炉取出基板并保持原样地放置的情况下的、iii族氮化物半导体层的薄层电阻值的时间变化的一个例子的图表。
21.图7a是通过模拟求出的iii族氮化物半导体层的电势概要图(能带图)。
22.图7b是图7a所示的区域a的局部放大图。
23.图8a是对存在于iii族氮化物半导体层的表面上的负离子进行分析/计数而得到的结果。
24.图8b是对存在于iii族氮化物半导体层的表面上的负离子进行分析/计数而得到的结果。
25.图8c是对存在于iii族氮化物半导体层的表面上的正离子进行分析/计数而得到的结果。
26.图9a是对iii族氮化物半导体层的表面的氧化通过紫外光uv的照射而被促进的理由进行说明的图。
27.图9b是对iii族氮化物半导体层的表面的氧化通过紫外光uv的照射而被促进的理由进行说明的图。
28.图9c是对iii族氮化物半导体层的表面的氧化通过紫外光uv的照射而被促进的理由进行说明的图。
29.图9d是对iii族氮化物半导体层的表面的氧化通过紫外光uv的照射而被促进的理由进行说明的图。
30.图10是表示以将形成有iii族氮化物半导体层的基板从生长炉取出起经过48小时后的薄层电阻值为基准(100％)的薄层电阻值的比例的图表。
具体实施方式
31.[本公开所要解决的问题]
[0032]
iii族氮化物系的半导体元件大多具备在基板上外延生长出的半导体层。为了掌握半导体层的性能，测定半导体层的薄层电阻值是有效的。这是因为薄层电阻值与半导体元件的工作特性(例如最大正向漏极电流ifmax等)具有高的相关性。薄层电阻值的测定例如通过涡流法来进行。为了准确地掌握半导体元件的性能，理想的是，精度好地测定薄层电阻值。然而，当生长半导体层并从生长炉取出基板时，生长炉外的环境中所含的各种物质会与iii族原子(例如ga)键合。这些物质渐渐离开iii族原子，取而代之，氧原子与iii族原子键合。因此，半导体层的表面的氧化程度最初低，随着时间而逐渐增加。薄层电阻值取决于半导体层的表面的氧化程度，因此，为了精度好地测定半导体层的薄层电阻值，需要在将生长有半导体层的基板取出至生长炉外后，将半导体层长时间(根据经验为48小时左右)放置，在氧化充分地进展从而薄层电阻值稳定之后进行测定。这会导致生产前置时间(production lead time)的长时间化，成为生产效率下降的主要原因。
[0033]
[本公开的效果]
[0034]
根据本公开，能在更短的时间内使外延基板的薄层电阻值稳定。
[0035]
[本公开的实施方式的说明]
[0036]
首先，列举本公开的实施方式来进行说明。本公开的一个实施方式的外延基板的
制造方法具备：使iii族氮化物半导体层在基板上外延生长的工序；将基板从生长炉取出的工序；一边将iii族氮化物半导体层的表面暴露于含氧的气氛，一边对表面照射紫外光的工序；以及测定iii族氮化物半导体层的薄层电阻值的工序。
[0037]
当一边将iii族氮化物半导体层的表面暴露于含氧的气氛一边对iii族氮化物半导体层的表面照射紫外光时，与保持原样地放置的情况相比较，iii族氮化物半导体层的表面的氧化被促进。可以认为这是由于以下的作用。当对iii族氮化物半导体层的表面照射紫外光时，iii族氮化物半导体层的表面发热。生长炉外的环境中所含的各种物质与iii族原子的键合由于该热而被解除。或者，各种物质氧化而变成低密度物质。由于这些作用，各种物质从iii族氮化物半导体层脱离。之后，气氛中的氧原子立即与iii族氮化物半导体层的表面的iii族原子键合从而iii族原子氧化。如此一来，iii族氮化物半导体层的表面的氧化被促进，能在更短的时间内使薄层电阻值稳定。因此，能缩短生产前置时间，提高生产效率。
[0038]
在上述的制造方法中，也可以是，iii族氮化物半导体层在表面包含ga。在该情况下，当对iii族氮化物半导体层的表面照射紫外光时，氧原子与ga原子键合而变成gao
x
。因此，iii族氮化物半导体层的表面的氧化被促进，能在更短的时间内使薄层电阻值稳定。
[0039]
在上述的制造方法中，也可以是，在对iii族氮化物半导体层的表面照射中心波长320nm以上且330nm以下的紫外光后，利用高斯函数对通过x射线光电子能谱法得到的表面的ga3d峰进行了拟合的情况下的gao强度i
gao
与gan强度i
gan
之比(i
gao
/i
gan
)为0.15以上。根据本发明人等的经验，当在使iii族氮化物半导体层在基板上外延生长之后，将基板从生长炉取出并放置时，薄层电阻值会在48小时左右稳定。表示此时的氧化程度的上述比(i
gao
/i
gan
)为0.15左右。根据上述的测定方法，能在短时间内将iii族氮化物半导体层的氧化程度促进到相同程度以上。
[0040]
在上述的制造方法中，也可以是，在将基板从生长炉取出起0.2小时以内测定iii族氮化物半导体层的薄层电阻值。如此，根据上述的测定方法，能在将基板从生长炉取出起极短的时间内测定iii族氮化物半导体层的薄层电阻值，能有助于生产效率的提高。
[0041]
在上述的制造方法中，也可以是，紫外光的中心波长为422nm以下。在该情况下，通过紫外光的强的能量，各种物质与iii族原子的键合被更早地解除，能更有效地促进iii族氮化物半导体层的表面的氧化。此外，也可以是，紫外光例如是he－cd激光。在该情况下，能在中心波长为190nm以上且422nm以下的范围照射紫外光uv的光。
[0042]
在上述的制造方法中，也可以是，在对表面照射紫外光的工序中，作为紫外线的强度与照射时间之积的照射能量密度为2.4w
·
s/m2以上。在该情况下，能进一步促进iii族氮化物半导体层的表面的氧化从而在更短的时间内使薄层电阻值稳定。
[0043]
也可以是，上述的制造方法还具备在iii族氮化物半导体层的ga的表面形成绝缘膜的工序。在该情况下，ga表面稳定化，薄层电阻能尽早地稳定化。
[0044]
本公开的一个实施方式的外延基板具备沟道层、阻挡层(barrier layer)以及帽层(cap layer)。沟道层设于基板的主面上。阻挡层设于沟道层上，阻挡层的组成为alyga
1-y
n(0＜y＜0.4)。帽层设于阻挡层上。在该外延基板中，由沟道层、阻挡层以及帽层构成的iii族氮化物半导体层的薄层电阻值为300(ω/sq.)以上且800(ω/sq.)以下。
[0045]
在上述的外延基板中，也可以是，iii族氮化物半导体层的表面处的、利用高斯函数对通过x射线光电子能谱法得到的表面的ga3d峰进行了拟合的情况下的gao强度i
gao
与
gan强度i
gan
之比(i
gao
/i
gan
)为0.15以上。
[0046]
[本公开的实施方式的详情]
[0047]
以下，参照附图对本公开的外延基板的制造方法的具体例进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于这些示例，而是由权利要求书示出，意图在于包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。在以下的说明中，在附图的说明中对相同的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。
[0048]
图1是表示包括供薄层电阻值的测定的iii族氮化物半导体层12的外延基板10的截面构造的图。该外延基板10例如是在高电子迁移率晶体管(hemt：high electron mobility transistor)的制造中使用的外延晶片。作为一个例子，外延基板10具备：具有平坦的主面11a的基板11；以及在基板11的主面11a上外延生长出的iii族氮化物半导体层12。基板11的材料只要是晶格常数与iii族氮化物半导体接近的材料即可，例如是sic。主面11a是c面，但也可以具有一些偏离角。iii族氮化物半导体层12包括：在主面11a上外延生长出的gan沟道层13；在gan沟道层13上外延生长出的algan阻挡层14；以及在algan阻挡层14上外延生长出的gan帽层15。需要说明的是，gan沟道层13也作为用于提高algan阻挡层14的结晶性的缓冲层发挥功能。此外，也可以设置ingan阻挡层来代替algan阻挡层14。gan沟道层13的厚度例如为200nm以上且1000nm以下。algan阻挡层14的厚度例如为10nm以上且30nm以下。gan帽层15的厚度例如为1nm以上且10nm以下。
[0049]
图2是表示本实施方式的制造方法的流程图。首先，作为工序s1，使iii族氮化物半导体层12在基板11上外延生长。具体而言，如图3a所示，将基板11设置于生长炉gr内。然后，在控制生长炉gr内的温度和压力之后，向生长炉gr内供给三甲基镓(tmg)气体和氨(nh3)气体。由此，如图3b所示，在基板11上外延生长gan沟道层13。接着，在变更生长炉gr内的温度和压力之后，向生长炉gr内供给tmg气体、三甲基铝(tma)气体以及nh3气体。由此，如图3c所示，在基板11上外延生长algan阻挡层14。需要说明的是，在形成ingan阻挡层来代替algan阻挡层14的情况下，供给三甲基铟(tmi)气体来代替tma气体为好。接着，在再次变更生长炉gr内的温度和压力之后，向生长炉gr内供给tmg气体和nh3气体。由此，如图3d所示，在基板11上外延生长gan帽层15。如此一来，在基板11上形成包括gan沟道层13、algan阻挡层14以及gan帽层15的iii族氮化物半导体层12。
[0050]
接着，作为工序s2，如图4a所示，将形成有iii族氮化物半导体层12的基板11从生长炉gr取出。此时，iii族氮化物半导体层12的表面12a露出而被暴露于含氧的大气气氛。
[0051]
接着，作为工序s3，如图4b所示，一边将iii族氮化物半导体层12的表面12a暴露于大气中，一边在室温和大气压下对表面12a照射紫外光uv。需要说明的是，在基板11足够薄而能透射紫外光uv的情况下，也可以从基板11的背面侧对iii族氮化物半导体层12的表面12a照射紫外光uv。
[0052]
紫外光uv例如是单一波长的激光，对表面12a的整个面均匀地扫描(也称为扫掠)光束状的紫外光uv。紫外光的中心波长例如为200nm以上，也可以为320nm以上且330nm以下，作为一个例子为325nm以下。作为紫外光uv的产生源，例如可以使用氦镉(he－cd)激光器。图5是表示he－cd激光器的构造例的图。在图5所示的he－cd激光器50中，在气体管51中封入有he和cd，而且在气体管51的侧壁相互分离地设有阳极55和阴极56。气体管51的内部被加热至250℃以上，he和cd蒸气化而成为原子态。在该状态下，在阳极55与阴极56之间施
加来自电源57的电压，由此在气体管51中产生放电。此时，原子态的cd与he碰撞，在成为激发态后，回到基态。此时产生光la。所产生的光la在设于气体管51的两端的一对反射镜52、53之间进行激光振荡。该振荡光的一部分从形成于一个反射镜52的激光透射口54被取出，并被作为激光lb输出。需要说明的是，下述是紫外光uv的照射条件的一个例子，但并不限于此，例如，作为紫外线的强度与照射时间之积的照射能量密度也可以为2.4w
·
s/m2以上。
[0053]
波长：325nm
[0054]
输出功率：2.7mw
[0055]
照射时间：90秒
[0056]
照射光束直径：1mm
[0057]
照射能量密度：2.4w
·
s/m2[0058]
通过上述的紫外光uv的照射，iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值稳定。接下来，作为工序s4，如图4c所示，通过非接触式的测定方法(例如涡流法)测定iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值。例如，在将基板11从生长炉gr取出起0.2小时以内测定薄层电阻值。具体而言，使内置电磁铁的探针p接近iii族氮化物半导体层12的表面12a，产生贯通iii族氮化物半导体层12的交流磁场。其结果是，在iii族氮化物半导体层12的内部产生涡流，产生退磁场。由于该退磁场的影响而在探针p内的线圈产生电流，因此测定该电流的大小。由此，能测定涡流的大小，能通过规定的关系式来计算iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值。需要说明的是，测定薄层电阻值的方法不限于此，也可以使用其他方法。
[0059]
对通过以上说明过的本实施方式的制造方法得到的作用效果进行叙述。图6是表示在生长iii族氮化物半导体层12之后从生长炉gr取出基板11并保持原样地放置的情况下的、iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值的时间变化的一个例子的图表。在图6中，横轴表示经过时间(单位：时间)，纵轴表示将刚从生长炉gr取出后设为100％时的薄层电阻值的比例(单位：％)。如图6所示，在从生长炉gr取出基板11之后，随着时间的经过，iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值逐渐下降。然后，当经过48小时左右时，薄层电阻值稳定。这样的薄层电阻值的变化与iii族氮化物半导体层12的表面12a的氧化的程度有关系。
[0060]
在此，对薄层电阻值根据iii族氮化物半导体层12的表面12a的氧化的程度而变化的理由进行说明。图7a是通过模拟求出的iii族氮化物半导体层12的电势(potential)概要图(能带图)。在图7a中，范围b1与gan沟道层13对应，范围b2与algan阻挡层14对应，范围b3与gan帽层15对应，范围b4与表面氧化层(gao
x
)对应。此外，图形g11表示表面12a氧化前的电势，图形g12表示表面12a充分地氧化后的电势。图7b是图7a的a部分的局部放大图。
[0061]
如图7a的图形g12所示，与表面12a的氧化前(刚形成iii族氮化物半导体层12后、图形g11)相比较，表面12a的氧化越进展(表面氧化膜的厚度越增加)，iii族氮化物半导体层12的导带带电势(band potential)整体上越下降。因此，如图7b所示，algan阻挡层14与gan沟道层13的边界处的导带带电势的谷变深。其结果是，在gan沟道层13中的与algan阻挡层14的界面附近产生的二维电子气的载流子密度增加，薄层电阻值下降。根据这样的理由，表面12a的氧化越进展，薄层电阻值越下降。
[0062]
此外，可以认为表面12a的氧化需要时间是基于以下的理由。当在形成iii族氮化物半导体层12之后将基板11取出至生长炉gr之外时，表面12a暴露于大气气氛，大气中所含的各种各样的物质(例如碳化氢、卤素、氧化硫、碳化氮等)物理吸附于表面12a。此时，这些
物质与表面12a的iii族原子(ga)键合，阻碍iii族原子(ga)与氧原子的键合。需要说明的是，图8a和图8b是对存在于表面12a上的负离子进行分析/计数而得到的结果，图8c是对存在于表面12a上的正离子进行分析/计数而得到的结果。在图8a至图8c中，纵轴表示离子的个数，横轴的数字是原子量或分子量。可以认为这些物质与iii族原子的键合主要基于分子间力，比iii族原子与氧的共价键合不稳定，因此这些物质逐渐被取代为氧原子。由于经过这样的过程，表面12a的氧化需要长时间。
[0063]
在以往的测定方法中，在将基板11从生长炉gr取出之后，保持原样地将基板11放置于大气中，等待上述的物质被取代为氧原子，在表面12a充分地氧化之后测定了薄层电阻值。但是，在该方法中由于在表面12a充分地氧化之前需要长时间(例如48小时左右)，因此，会导致生产前置时间的长时间化，生产效率会下降。此外，在薄层电阻值稳定化之前需要多次测定薄层电阻值，会导致制造工时的增加。
[0064]
对于该问题，在本实施方式中，在将形成有iii族氮化物半导体层12的基板11从生长炉gr取出之后，一边将iii族氮化物半导体层12的表面12a暴露于大气中，一边对表面12a照射紫外光uv。根据本发明人等的见解，在一边将iii族氮化物半导体层12的表面12a暴露于大气中一边对表面12a照射紫外光uv的情况下，与保持将表面12a暴露于大气中的状态放置的情况相比较，表面12a的氧化被显著地促进。
[0065]
图9a至图9d是对表面12a的氧化通过紫外光uv的照射而被促进的理由进行说明的图。图9a表示刚形成iii族氮化物半导体层12后。在图9a中示出了作为iii族氮化物半导体层12的最上层的gan帽层15和gan帽层15的表面(即iii族氮化物半导体层12的表面12a)。当将基板11从生长炉gr取出时，如图9b所示，碳化氢、卤素、氧化硫、碳化氮等各种各样的物质61与表面12a的iii族原子(在该例子中为ga原子)60键合，阻碍iii族原子60与氧原子62的键合。因此，如图9c所示，当对表面12a照射紫外光uv时，表面12a发热。各物质61与iii族原子60的键合由于该热而被解除。或者，各物质61氧化而变成低密度物质。由于这些作用，各物质61从iii族氮化物半导体层12脱离。于是，大气中的氧原子62立即与表面12a的iii族原子60键合从而iii族原子60氧化(图9d)。如此一来，表面12a的氧化被促进，能在更短的时间内使薄层电阻值稳定。因此，根据本实施方式，能缩短生产前置时间，提高生产效率。需要说明的是，之后，能通过在ga的表面生长绝缘膜来抑制稳定后的薄层电阻值的变动。该绝缘膜可以通过cvd(chemical vapor deposition：化学气相沉积)来生长。例如，该绝缘膜可以是通过p－cvd(plasma cvd：等离子体cvd)、ald―cvd(atomic layer deposition cvd：原子层沉积cvd)、热cvd(thermal cvd)、lp―cvd(low pressure cvd：低压cvd)的生长方法而形成的氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜中的任一种。
[0066]
图10是表示以将形成有iii族氮化物半导体层12的基板11从生长炉gr取出起经过48小时后的薄层电阻值为基准(100％)的薄层电阻值的比例的图表。在图10中，图形g21表示刚从生长炉gr取出后且照射紫外光uv前的薄层电阻值。图形g22表示照射紫外光uv后的薄层电阻值。需要说明的是，照射条件是波长：325nm、输出功率：2.7mw、照射时间：90秒、照射光束直径：1mm、照射能量密度：2.4w
·
s/m2。参照图10，刚从生长炉gr取出后且照射紫外光uv前的薄层电阻值超过了104％。与之相对，可知：照射紫外光uv后的薄层电阻值变得极其接近100％，与经过48小时后(即氧化充分地进展后的状态)的薄层电阻值几乎没有变化。根据该实验结果，确认了上述的效果。需要说明的是，可以认为：在照射了更高能量的中心
波长小于325nm的紫外光uv的情况下，也能得到同等以上的效果。此外，可以认为：即使是作为he－cd激光的波长的422nm以下，也能得到同等的效果。
[0067]
此外，在上述的实验后，对薄层电阻值已稳定化的(经过48小时后的)iii族氮化物半导体层12的样品进行基于x射线光电子能谱法(xps)的分析，并利用高斯函数对由此得到的ga3d峰进行了拟合，其结果是，gao强度i
gao
与gan强度i
gan
之比(i
gao
/i
gan
)为0.15。因此，为了使薄层电阻值稳定化，理想的是，表面氧化层(gao
x
)的(i
gao
/i
gan
)为0.15以上。根据本实施方式的测定方法，能在短时间内将iii族氮化物半导体层12的氧化的程度(i
gao
/i
gan
)促进到相同程度(0.15)以上。
[0068]
如上所述，也可以是，iii族氮化物半导体层12在表面12a包含ga。在该情况下，当对表面12a照射紫外光uv时，氧原子与ga原子键合而变成gao
x
。因此，表面12a的氧化被促进，能在更短的时间内使薄层电阻值稳定。
[0069]
如上所述，也可以是，在将基板11从生长炉gr取出起0.2小时以内测定iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值。根据本实施方式，能在将基板11从生长炉gr取出起这样极短的时间内测定薄层电阻值，能有助于生产效率的提高。
[0070]
如上所述，也可以是，紫外光uv的中心波长为325nm以下。在该情况下，通过紫外光uv的强的能量，各种物质61与iii族原子60的键合被更早地解除，能更有效地促进iii族氮化物半导体层12的表面12a的氧化。此外，也可以是，紫外光例如是he－cd激光。在该情况下，能在中心波长为190nm以上且422nm以下的范围照射紫外光uv的光。如此，可以认为：就紫外光uv而言，即使是作为he－cd激光的波长的422nm以下，也能得到同等的效果。
[0071]
此外，也可以是，上述的薄层电阻值稳定后的iii族氮化物半导体层12的薄层电阻值例如为300(ω/sq.)以上且800(ω/sq.)以下。
[0072]
本公开的外延基板的制造方法并不限于上述的实施方式，此外可以进行各种各样的变形。例如，在上述实施方式中，将本公开的方法应用于在gan系的hemt的制造中使用的基板产品，但本公开的方法不限于此，也能应用于各种各样的用途和构成的具有iii族氮化物半导体层的基板产品。此外，在上述实施方式中，在照射紫外光时将iii族氮化物半导体层暴露于大气气氛，但只要是含氧的气氛即可，也可以暴露于其他气氛。此外，在上述实施方式中，对表面为gan的iii族氮化物半导体层照射了紫外光，但iii族氮化物半导体层的表面也可以由algan、ingan等其他iii族氮化物半导体构成。
[0073]
附图标记说明
[0074]
10：外延基板
[0075]
11：基板
[0076]
11a：主面
[0077]
12：iii族氮化物半导体层
[0078]
12a：表面
[0079]
13：gan沟道层
[0080]
14：algan阻挡层
[0081]
15：gan帽层
[0082]
50：he－cd激光器
[0083]
51：气体管
[0084]
52、53：反射镜
[0085]
54：激光透射口
[0086]
55：阳极
[0087]
56：阴极
[0088]
57：电源
[0089]
60：iii族原子
[0090]
61：物质
[0091]
62：氧原子
[0092]
b1、b2、b3、b4：范围
[0093]
gr：生长炉
[0094]
la：光
[0095]
lb：激光
[0096]
p：探针
[0097]
uv：紫外光。