CN104220651B - 具有偏角的硅单晶和iii族氮化物单晶的层叠基板 - Google Patents

具有偏角的硅单晶和iii族氮化物单晶的层叠基板 Download PDF

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Abstract

得到在硅单晶基板上III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象。在硅单晶基板的表面上形成取向成硅单晶的<111>轴的氧化物的膜，在该氧化物的膜的表面上使III族氮化物单晶进行结晶。由此，晶体生长的III族氮化物单晶的<0001>轴取向成氧化物的c轴。如果对硅单晶基板赋予偏角，则III族氮化物单晶进行阶梯流动生长。通过将在硅单晶与氧化物的界面上形成的硅氧化物膜还原，氧化物的取向性得到改善。

Description

具有偏角的硅单晶和III族氮化物单晶的层叠基板
技术领域
本说明书中，公开了得到在硅单晶基板的表面上III族氮化物单晶膜进行阶梯流动(ステップフロー)生长的现象的技术。根据该技术，在硅单晶基板的表面上晶体缺陷少的III族氮化物单晶膜进行晶体生长。
背景技术
如非专利文献1中所公开，在晶体生长的一种模式中已知阶梯流动生长。本说明书中将在阶梯流动模式下进行晶体生长称为阶梯流动生长。在阶梯流动生长中的单晶的表面上，如图8中示意性地所示，观测到阶梯28与台阶(テラス)26的重复形状。晶体生长条件备齐时，在阶梯28的位置处进行晶体生长，阶梯28的位置如箭头30所示行进。阶梯28到达端部32时，单晶24按照阶梯28的高度的量增厚。需要说明的是，图8的阶梯28的高度和台阶26的倾斜角被夸大地示出，实际的阶梯28的高度为1至数个原子层的量，台阶26的倾斜角非常小。
除了阶梯流动生长之外，也已知二维成核生长这样的晶体生长模式。图9示意性地示出了二维成核生长中的单晶的表面。二维成核生长中，在平坦的表面的各部位开始晶体生长。晶体生长的开始位置随机地确定，因此，在二维成核生长后的单晶的表面18上共存高度不同的平面18a、18b、18c等，高差20不规则地移动。
已知阶梯流动生长后的单晶的表面比二维成核生长后的单晶的表面更平坦。另外，阶梯流动生长与二维成核生长相比更容易控制。例如，在使添加有杂质的单晶生长的情况(本说明书中将通过使晶体生长的条件备齐而得到晶体生长现象称为使晶体生长)下，根据阶梯流动生长，与利用二维成核生长的情况相比，可以严格地管控杂质的浓度和晶体中杂质的存在位置等。
非专利文献2中报道了，通过III族氮化物单晶进行阶梯流动生长，晶体表面变得平坦，能够形成陡峭的异质界面。利用III族氮化物单晶的半导体装置由于将表面或异质界面用于沟道或者漂移区，因此平坦的表面、平坦的界面、或者无序(乱れ)少的晶体结构有利地起到了作用。非专利文献2报道了，通过利用阶梯流动生长所得的III族氮化物单晶，半导体装置的特性得到改善。
非专利文献3中报道了，通过III族氮化物单晶进行阶梯流动生长，可以抑制深能级的形成，从而可以降低电流崩塌。
非专利文献2、4、5中公开了用于得到III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象的技术。在这些技术中，如图8中示意性地所示，在蓝宝石基板、SiC基板或者GaN自立基板等基板22上使III族氮化物单晶24晶体生长。作为晶体生长基础的基板22，其c轴22a倾斜成使得与基板22的表面22b不正交。即，使与基板22的c轴22a不正交的面22b露出，在该露出表面22b上使III族氮化物单晶24晶体生长。将露出表面22b的法线n与基板22的c轴22a所成的角θ调节成适当值时，在露出表面22b上进行晶体生长的III族氮化物单晶24的c轴24a也相对于法线n倾斜，III族氮化物单晶24进行阶梯流动生长。以下，将从露出表面22b的法线n至基板22的c轴22a的转角θ称为偏角。
专利文献1或者非专利文献6中公开了用于得到在硅单晶基板上III族氮化物单晶进行晶体生长的现象的技术。在这些技术中，在硅单晶基板上使AlN或Al(Ga,In)N等混晶生长，在其上使III族氮化物单晶进行晶体生长。
关于非专利文献7和8在下文进行说明。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-231550号公报
非专利文献
非专利文献1：外延生长的机理，中岛一雄编，共立出版，第148-150页(2003)
非专利文献2：Weiguo Hu等，Superlattices and Microstructures，46，812(2009)
非专利文献3：松下景一等，电子信息通信学会技术研究报告，第109卷，第81期，第69-72页(2009)
非专利文献4：X.Q.Shen等，J.Crystal Growth，300，75(2007)
非专利文献5：Toshio Nishida等，J.Crystal Growth，195，41(1998)
非专利文献6：A.Watanabe等，J.Crystal Growth，128，391(1993)
非专利文献7：F.Reiher等，J.Crystal Growth，312，180(2010)
非专利文献8：S.R.Lee等，“Effect of threading dislocations on the Braggpeak widths of GaN,AlGaN and AlN heterolayers”Appl.Phys.Lett.86，241904(2005)
发明内容
发明要解决的问题
即使尝试将非专利文献2、4、5中公开的、得到III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象的技术，与专利文献1和非专利文献6中公开的、得到在硅单晶基板上III族氮化物单晶进行晶体生长的现象的技术组合，在目前的技术中也无法得到在硅单晶基板上III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象。
图9示意性地示出了：根据非专利文献2、4、5，使硅单晶基板2的未与c轴2a正交的面2b露出、在该露出表面2b上使AlN或Al(Ga，In)N等混晶8生长、并在其上使III族氮化物单晶10进行晶体生长的情况下而产生的现象。
如非专利文献7所记载，即使在露出表面2b的法线n与c轴2a之间具有角度(偏角)，在露出表面2b上生长的AlN的混晶8的c轴8a也与露出表面2b正交。因此，III族氮化物单晶10的c轴10a与晶体生长中的表面18正交。因此，III族氮化物单晶10进行二维成核生长，在其表面18上共存高度不同的多个平面18a、18b、18c等。另外，形成不规则移动的高差20。
目前的技术中，为了得到III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象，需要蓝宝石基板、SiC基板或者GaN基板等高价的基板，无法利用廉价的硅基板。
本说明书中，公开了得到利用硅单晶基板使III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象的技术。
用于解决问题的方法
根据下述的(1)～(5)的方法，可以得到利用硅单晶基板使III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象。
(1)使硅单晶基板的相对于与<111>轴正交的面倾斜的面露出。即，使相对于<111>轴非正交的面(未正交的面)露出。
(2)在露出的表面上形成硅氧化物的膜。形成自然氧化物膜的情况下，自然氧化物膜的形成工序对应于该工序。
(3)在硅氧化物膜的表面上形成具有比硅氧化物更大的生成焓的氧化物的膜。
(4)进行热处理。这样，在硅氧化物膜中含有的氧在生成焓大的氧化物内移动，硅氧化物膜被还原。其结果，失去硅氧化物膜的非晶性，氧化物的c轴在硅单晶基板的<111>轴上取向。
(5)在氧化物的膜的表面上使纤维锌矿型的III族氮化物单晶进行晶体生长(将晶体生长的条件备齐)。在具有偏角的氧化物的表面上进行晶体生长，因此，III族氮化物单晶进行阶梯流动生长。
通过本说明书中公开的技术，可以形成包含硅单晶基板和纤维锌矿型的III族氮化物单晶膜的新型层叠基板。
通过以往技术能够获得的层叠基板，对包含立于硅单晶基板的表面上的法线和硅单晶的<11-2>轴的面进行截面观察时，即使在具有相对于硅单晶的<111>轴倾斜的法线的表面上使III族氮化物单晶进行晶体生长，也无法通过硅单晶的<111>轴的方向控制III族氮化物单晶的<0001>轴的方向。
根据本说明书中公开的技术，可以得到如下层叠基板，其中，对包含立于硅单晶基板的表面上的法线和硅单晶的<11-2>轴的面进行截面观察时，硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴相对于法线向相同方向倾斜。
图1示意性地示出了在硅单晶的与<111>轴非正交的面上III族氮化物单晶进行阶梯流动生长时的取向关系。
图1中，将立于硅单晶基板的表面上的法线设为n。硅单晶的<111>轴相对于法线n倾斜。<1-10>轴与<11-2>轴相对于硅单晶的<111>轴正交。包含<1-10>轴和<11-2>轴的面相对于硅单晶基板的表面倾斜。
图1的y轴与法线n正交，且设定在沿法线n观察时与<11-2>轴重合的位置上。<11-2>轴位于ny面内。x轴与法线n和y轴正交。x轴采用形成右手系正交轴的朝向。
如图1中所示，硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴不限于位于ny面内。图1的<111>ny为将<111>轴从ny面的正交方向(x轴方向)投影至ny面而得到的轴，<0001>ny为将<0001>轴从ny面的正交方向(x轴方向)投影至ny面而得到的轴。
图1中，将ny面上在圆弧上延伸的带状区域设为ny。ny区域中图示的黑圆点表示位于ny面上。
图2(a)示出了对硅单晶基板的包含法线n和<11-2>轴的面(即ny面)进行截面观察后的图。在图2(a)的情况下，硅单晶的<111>轴在ny面上进行截面观察所得的轴<111>ny从法线n顺时针方向旋转θx0°。III族氮化物单晶的<0001>轴在ny面上进行截面观察所得的轴<0001>ny从法线n沿顺时针方向旋转θx1°。在将法线n处理成从下向上延伸的情况下，轴<111>ny和轴<0001>ny也处理成从下向上延伸。或者，法线n也可以处理成相对于硅基板从上向下延伸。该情况下，轴<111>ny处理成从上向下延伸。
图2(a)的情况下，轴<111>ny和轴<0001>ny均从法线n沿顺时针方向旋转。在θx0≠0，θx1≠0，且θx0与θx1为相同的方向时，硅单晶的<111>轴和III族氮化物单晶的<0001>轴相对于法线向相同方向倾斜。图2(a)的情况下，例示了从法线沿顺时针旋转方向测定的θx0和θx1均为正的情况。根据旋转方向的采用方式有时也均为负。
在硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴向相同方向倾斜的情况下，如图2的(c)中所示，从法线n方向观察时，硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴没有重合，可以在两者之间形成角度。如果θx0≠0，θx1≠0，且θx0与θx1为相同的方向，则硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴向相同方向倾斜。
以往的技术中得到的层叠基板即使θx0≠0也实现θx0的绝对值>>θx1的绝对值。以往的技术中，通过使硅单晶基板的<111>轴倾斜，并不能控制III族氮化物单晶的<0001>轴的倾斜。上述层叠基板通过本说明书中公开的技术首次得到。
通过本说明书中公开的技术实现的层叠基板，其一个特征在于，在硅单晶基板上依次层叠有SiOx膜、SiOx以外的氧化物膜、和III族氮化物单晶膜，并且x<2。上述中SiOx以外的氧化物优选为具有比硅氧化物更大的生成焓的氧化物。例如，优选为氧化铝，特别优选为α型氧化铝结构的氧化铝。另外，氧化铝膜的膜厚优选为0.5～20nm。
本说明书中，如图1中所示，将与法线n正交的、且从法线n的方向观察时与<11-2>轴重合的轴设为y轴，将与法线和y轴正交的轴设为x轴(采用右手系的朝向)，将包含法线和y轴的面设为ny面，将包含法线和x轴的面设为nx面。硅单晶基板的表面与xy面平行地延伸。另外，如图1、图2的(a)和(b)所示，将<111>轴投影至ny面上而得到的轴设为<111>ny轴，将<111>轴投影至nx面上而得到的轴设为<111>nx轴，将<0001>轴投影至ny面上而得到的轴设为<0001>ny轴，将<0001>轴投影至nx面上而得到的轴设为<0001>nx轴。图1中，将nx面上在圆弧上延伸的带状区域设为nx。处于nx区域的黑圆点表示位于nx面上。<1-10>轴不限于位于nx面上，也不限于位于xy面上。
图1中，将在ny面中测定的、从法线到<111>ny轴的转角设为θx0，将从法线到<0001>ny轴的转角设为θx1。另外，将在nx面中测定的、从法线到<111>nx轴的转角设为θy0，从法线到<0001>nx轴的转角设为θy1。上述中的转角从法线在相同方向上测定。图1的情况下，对于硅单晶的晶轴，用从与法线n相反方向的轴(-n轴)的转角进行图示，但如图2中所示，与从法线n的转角相等。
图2的情况下，例示了θx0和θx1为正、θy0和θy1为负的情况。但是，根据采用的旋转方向，有时转角为正，也有时为负。通过本说明书的技术得到的层叠基板的情况下，θx0与θx1为相同符号，θy0与θy1为相同符号。通过本说明书中公开的技术，如图2的(a)和(b)所示，得到具备θx0的绝对值>θy0的绝对值、并且θx1的绝对值>θy1的绝对值的关系的层叠基板。
为了得到上述基板，在设定硅单晶基板表面的偏角时，设定成向<11-2>轴方向的偏角大于向<1-10>轴方向的偏角的关系。换言之，设定为硅单晶的<111>轴主要向<11-2>轴方向倾斜、<1-10>轴大致限定在基板表面内的关系。该情况下，在基板表面上生长的III族氮化物单晶的阶梯面成为(1-100)面或(1-101)面。在III族氮化物单晶进行c面生长时，(1-100)面和(1-101)面成为稳定面。因此，当使硅单晶的<111>轴主要向<11-2>轴方向倾斜时，则进行阶梯流动生长的III族氮化物单晶的阶梯面直线延伸，稳定地得到如后述图3中所示的阶梯·台阶形状。
需要说明的是，本说明书中公开的技术不排除使硅单晶基板的<111>轴向<1-10>轴方向倾斜。即使向<1-10>轴方向倾斜，III族氮化物单晶也进行阶梯流动生长。
实际上，难以使<111>轴仅向<11-2>轴方向倾斜而不向<1-10>轴方向倾斜。也会向<1-10>轴方向倾斜。即使向<1-10>轴方向倾斜，如果其倾斜角小，则进行阶梯流动生长的III族氮化物单晶的阶梯面成为稳定面，并直线地延伸。如果是θx0的绝对值>θy0的绝对值的关系，则进行阶梯流动生长的III族氮化物单晶的阶梯面成为稳定面。
通过本说明书中公开的技术，可以实现图2的(a)中所示的θx0和θx1满足θx1/θx0＝0.6～1.0的关系的层叠基板。如上所述，θx0和θx1为相同符号。
θx0优选绝对值为0.1°以上。如果绝对值为0.1°以上，则进行阶梯流动生长的III族氮化物单晶的台阶宽度不会过剩，不会在台阶上开始二维成核生长。另外，θx0优选绝对值为1.0°以下。如果绝对值为1.0°以下，则阶梯的高度不会过剩。以数个原子层的厚度持续阶梯流动生长。
通过本说明书中公开的技术，可以得到III族氮化物单晶膜的表面为阶梯和台阶形状的层叠基板。
将III族氮化物单晶的台阶宽度的平均值设为W、将III族氮化物单晶的<0001>轴的晶格常数设为C时，W×tanθx1的绝对值优选为0.5×C～2.0×C。以数个原子层的厚度持续阶梯流动生长。
已知阶梯流动生长所得的III族氮化物单晶在晶体结构中无序少。通过本说明书中公开的技术，可以得到膜厚为1.5μm以下、位错密度(螺旋位错与混合位错的合计位错的密度)为5×108cm-2以下的III族氮化物单晶膜。通过本说明书中公开的技术，可以得到薄且缺陷少的III族氮化物单晶膜。
如上所述，以往的技术中，可以在硅单晶基板的表面上使III族氮化物单晶进行晶体生长。该情况下，在硅单晶基板的表面上使AlN等的混晶生长。实际上，由于在硅单晶基板的表面上形成自然氧化物膜，因此，变成在该自然氧化物膜的表面上使AlN等的混晶生长。自然氧化物膜的表面没有被管控，是不平坦的。以往的技术中，在其上使AlN等的混晶生长，因此，在进行晶体生长的混晶中引入了诸多缺陷。其结果，缺陷也传播到在混晶的表面上生长的III族氮化物单晶膜中。但是，在混晶生长装置中，难以除去自然氧化物膜。通过以往的技术，虽然能够在硅单晶基板的表面上使III族氮化物单晶进行晶体生长，但这样得到的III族氮化物单晶的缺陷多，无法使洁净的III族氮化物单晶进行晶体生长。
为了在硅单晶的基板上使晶体缺陷少的III族氮化物单晶进行晶体生长，也可以利用本说明书中公开的技术。在硅单晶基板的表面形成的自然氧化物膜的表面上形成氧化物的膜(其中，使用具有比硅氧化物大的生成焓的氧化物)，进行热处理从而还原，在其上使III族氮化物单晶膜进行晶体生长时，晶体缺陷少的III族氮化物单晶进行晶体生长。
在为了得到晶体缺陷少的III族氮化物单晶而利用本说明书中公开的技术的情况下，有时也不必在硅单晶基板中设置偏角、III族氮化物单晶不进行阶梯流动生长。在III族氮化物单晶的表面的平坦度不成为问题、而III族氮化物单晶的内部存在的缺陷密度很重要的情况下，III族氮化物单晶即使没有进行阶梯流动生长也具有实用性。
通过本说明书中公开的技术，制作出如下层叠基板，其具备如下特征，在硅单晶基板上依次层叠有SiOx膜、SiOx以外的氧化物的膜、和III族氮化物单晶膜，SiOx以外的氧化物具有比硅氧化物更大的生成焓，并且x<2。该层叠基板具备位错密度低的III族氮化物单晶膜。
发明效果
根据本说明书中公开的技术，可以得到在比蓝宝石基板和III族氮化物单晶基板更廉价的硅单晶基板上III族氮化物单晶进行阶梯流动生长的现象。可以廉价地制造表面平坦且晶体缺陷少的III族氮化物单晶膜。或者，能够在硅单晶基板上使晶体缺陷少的III族氮化物单晶膜生长。可以廉价地制造晶体缺陷少的III族氮化物单晶膜。
附图说明
图1立体地示出在硅单晶的与<111>轴非正交的面(xy面)上进行阶梯流动生长所得III族氮化物单晶的<0001>轴的方向。
图2的(a)表示在包含法线n和y轴的面上截面观察的<111>轴与<0001>轴的关系，(b)表示在包含法线n和x轴的面上截面观察的<111>轴与<0001>轴的关系，(c)表示从法线方向观测的<111>轴与<0001>轴的关系。
图3示意性地示出具备具有偏角的硅单晶基板、氧化价数小于2的硅氧化物膜、生成焓比硅氧化物更大的氧化物晶体、和进行阶梯流动生长所得III族氮化物单晶的层叠基板的层叠结构。
图4表示热处理前的硅氧化物膜、和热处理后的硅氧化物膜的XPS光谱。
图5表示硅单晶的偏角与III族氮化物单晶的偏角的关系。
图6为进行阶梯流动生长所得III族氮化物单晶的表面的AFM图像。
图7表示进行阶梯流动生长所得III族氮化物单晶的膜厚与位错密度的关系。
图8是在具有偏角的III族氮化物单晶基板上使III族氮化物单晶生长所得层叠基板的层叠结构。
图9是在具有偏角的硅单晶基板上使III族氮化物单晶生长所得层叠基板的层叠结构。
图10示意性地示出在硅单晶基板上使晶体缺陷少的III族氮化物单晶膜生长的装置。
具体实施方式
列举下述所示的实施例的主要特征。
(特征1)θx0>>θy0。即，硅单晶基板的<111>轴主要向<11-2>方向倾斜，几乎不向<1-10>方向倾斜。
(特征2)清洗硅单晶基板的表面，暴露于1％的氢氟酸中，用纯水冲洗后使其干燥，由此准备在表面上层叠有薄的自然氧化物膜的硅单晶基板。
(特征3)通过ALD(原子层沉积法)生成氧化铝膜。
(特征4)或者通过溅射生成氧化铝膜。
(特征5)在氧化铝膜发生结晶化的温度下进行热处理。
(特征6)在氧化铝膜结晶化成α型的温度下进行热处理。
(特征7)在1000～1200℃下进行热处理。
(特征8)在稀有气体中进行热处理。
(特征9)通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)，使III族氮化物单晶外延生长。
(特征10)首先使AlN进行晶体生长，接着使GaN进行晶体生长。形成具有异质结的III族氮化物单晶膜。
实施例
(硅单晶基板的准备)
首先，准备具有偏角的硅单晶基板。此时，实现硅单晶的<11-2>相对于基板表面倾斜、<1-10>几乎不相对于基板表面倾斜的关系。即，使满足<111>轴从立于基板表面的法线主要向<11-2>方向倾斜的关系的面露出。即，使图1中所示的θy0几乎为0，θx0具有数值。θy0可以不严格地为零，也可以具有小的值。
通常，满足tanθ0＝(tan2θx0+tan2θy0)1/2的关系。在此，θ0为法线n与硅单晶的<111>轴所成的角。在θy0小的情况下，θ0与θx0近似地相等。在θx0(与θ0近似地相等)的绝对值达到0.1°～1.0°的范围内使其倾斜。同样地tanθ1＝(tan2θx1+tan2θy1)1/2。在此，θ1是法线n与III族氮化物单晶的<0001>轴所成的角。
θx0的绝对值为0.1°以下时，图3中所示的台阶14的宽度W的平均值变得过宽(达到1μm以上)，在台阶14上开始二维成核生长，有可能产生图9中所示的不规则性。θx0的绝对值为1.0°以上时，图3中所示的台阶14的倾斜角变得过大，阶梯12的高度D变得过大。已知在阶梯流动生长中，一次生长的阶梯具有1或2个原子层的厚度时，晶体缺陷少、表面平坦(在1或2个原子层的厚度的范围内变化的阶梯/台阶形状宏观上非常平坦)的晶体膜进行生长。θx0的绝对值为1.0°以上时，一次生长的阶梯的厚度增厚，有可能产生阶梯聚束现象。
(硅氧化物膜的生成)
准备具有偏角的硅单晶基板。在所准备的硅单晶基板的表面上形成有自然氧化物膜。有时该自然氧化物膜变得过厚，因此进行下述处理。
(1)对硅单晶基板进行硫酸双氧水清洗、氨双氧水清洗、和/或盐酸双氧水清洗。
(2)将硅单晶基板暴露于1％的氢氟酸中，除去自然氧化物膜的一部分而变薄。
(3)用纯水冲洗进行干燥。
进行上述处理后的硅单晶基板的表面用薄的硅氧化物膜覆盖。
(氧化铝膜的生成)
形成0.5～20nm厚度的氧化铝膜。为此，优选通过ALD(原子层沉积法)生成氧化铝膜。也可以通过溅射法生成氧化铝膜。氧化铝膜的厚度为0.5nm以下时，不能整齐地覆盖硅氧化物膜的表面。氧化铝膜的厚度为20nm以上时，即使进行后述热处理，硅单晶的<111>轴的取向不会传达到氧化铝膜的表面上。该工序中，优选形成具有1～3nm厚度的氧化铝膜。
(热处理)
将层叠有硅氧化物膜和氧化铝膜的硅单晶基板加热至1000～1200℃进行热处理。在1000℃以下热处理不充分，在1200℃以上氧化铝的Al与硅氧化物膜的Si发生反应从而损害结晶性。通过进行热处理，氧化铝被结晶化成α型。氧化铝具备比硅氧化物更大的生成焓，在氧化铝膜发生结晶化时，相邻的硅氧化物被还原，SiO2变化成SiOx(x<2)。图4表示热处理前的硅氧化物膜的Si(1s轨道)的XPS光谱(曲线C1)、和热处理后的硅氧化物膜的XPS光谱(曲线C2)。与热处理前XPS光谱(C1)相比，热处理后XPS光谱(C2)在峰A、B中高度减小，与硅单晶的XPS光谱非常相似。通过进行热处理，硅氧化物膜被还原，确认变质为SiOx(x<2)。
硅氧化物膜被还原、氧化铝膜被结晶化成α型时，硅单晶的<111>倾斜的影响传播至氧化铝膜的表面，α型的氧化铝晶体的c轴也倾斜。如图1中所示，硅单晶的<111>主要向<11-2>方向倾斜。因此，氧化铝晶体的c轴也主要向<11-2>方向倾斜。
热处理优选在氩气等稀有气体中进行。在稀有气体中进行热处理时，能够防止硅单晶的氮化。
(氧化铝膜的生成和热处理的代替)
如上所述，生成氧化铝膜并进行热处理的目的在于，在还原硅氧化物膜的同时将氧化物膜结晶化，使氧化物晶体的取向在硅单晶的晶体取向上进行取向。得到该现象的材质不限于氧化铝膜。在硅氧化物膜上形成生成焓比硅氧化物更大的氧化物的膜、并进行热处理时，就得到想要的现象。氧化铝膜为优选的实施例，但不限于氧化铝膜。
(III族氮化物单晶的生长)
在c轴相对于表面倾斜的氧化铝晶体的表面上，通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)使III族氮化物单晶进行生长。在实施例中，使AlN进行晶体生长，接着使GaN进行晶体生长。
首先，在氢气或氮气气氛中，将基板加热至1000～1100℃，使AlN开始生长。在AlN的晶体生长开始时，优选在比氧化铝的热处理温度低约100℃的温度下开始晶体生长。在比氧化铝的热处理温度低约100℃的温度下开始晶体生长时，能够防止基板的氮化。然后，将氨用于氮源，将三甲基铝用于铝源，使AlN进行晶体生长。由此生长的AlN晶体相对于氧化铝晶体进行取向。结果，AlN晶体相对于硅单晶的具有3次对称性的<111>进行取向。由于硅单晶的<111>相对于基板表面倾斜(未正交)，AlN晶体的c轴也相对于基板表面倾斜进行生长。其结果，AlN晶体8如图3中所示进行阶梯流动生长。图3示意性地示出了具有偏角的硅单晶基板2、被还原的硅氧化物膜4、热处理发生结晶化的氧化铝膜6、和在其上进行阶梯流动生长的AlN膜8的层叠构图。
需要说明的是，也可以在400～800℃的温度范围内实施MOCVD法来生长AlN膜8。或者，也可以在通过ALD法形成非晶质的AlN膜后进行热处理来结晶化。
可以在AlN膜8的表面上使其他III族氮化物单晶外延生长。在图3的实施例中，使GaN膜10外延生长。形成在AlN膜8与GaN膜10之间形成有异质结界面的层叠基板。GaN膜10的c轴10a相对于GaN膜10的表面倾斜。其结果，GaN晶体10如图3中所示进行阶梯流动生长。
图3中，夸大地示出了阶梯12的高度与台阶14的倾斜角。实际的阶梯12的高度为1至数个原子层的量，台阶14的倾斜角非常小。即，GaN膜10的表面的平坦度非常高。在该平坦的GaN膜10的表面上可以使例如AlxGayIn1-x-yN的薄膜进行晶体生长。在GaN膜与AlxGayIn1-x- yN的薄膜之间，得到非常平坦的异质结界面。可以将混晶的组成设计成使得AlxGayIn1-x-yN的导带具有比GaN的导带更高的能量。由此，可以在GaN膜与AlxGayIn1-x-yN的异质结界面中产生电子云。该异质结界面非常平坦，电子的迁移率高。可以实现沿非常平坦的异质结界面迁移率高的电子高浓度地存在的半导体装置(因此性能高)。
图1示出了GaN单晶的<0001>轴。图2(a)示出了对包含法线n和硅单晶的<11-2>轴的面(ny面)进行截面观察的图。将<111>轴从x轴方向投影至ny面上而得到的<111>ny、和将<0001>轴从x轴方向投影至ny面上而得到的<0001>ny从法线n沿顺时针方向旋转，图示的θx0≠0、θx1≠0。硅的<111>和GaN的<0001>向相同一侧(相同方向)倾斜。
图5示出了图2(a)中所示的θx0与θx1的关系。如上文所述，图2(b)的θy0和θy1均几乎为零，因此θx0与θ0近似，θx1与θ1近似。图5可以说示出了θ0与θ1的关系。如图5中所示，根据本实施例，θ0与θ1良好相关。θ1/θ0几乎为0.6～0.7的关系成立。表示θ0与θ1的关系的直线的斜率根据GaN膜的成膜条件而变化。通过调节成膜条件，可以将θ1/θ0的值在0.6～1.0的范围内调节。
另外，如图2(c)所示，对硅单晶基板2或GaN膜10的表面进行平视时，硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴所构成的角θ几乎为零。可以得到硅单晶的<111>轴的取向与III族氮化物单晶的<0001>轴的取向非常一致的层叠基板。
图6是GaN单晶的表面的AFM图像。实际观测到图3中示意性地示出的台阶·阶梯形状。在θx0与θ0近似地相等，并且其绝对值在0.1～1.0°的角度范围内时，当将台阶的宽度(在与阶梯正交的方向上测定的台阶的宽度)的平均值设为W，将GaN单晶的<0001>轴的晶格常数设为C时，可以得到W×tanθx1的绝对值＝0.5×C～2.0×C的关系。该情况下，各阶梯以2个原子层以下的厚度进行阶梯流动生长。可以得到表面平坦且晶体缺陷少的GaN单晶。在形成GaN单晶膜10时，有时使掺杂有杂质的GaN单晶进行晶体生长。在以2个原子层以下的厚度进行阶梯流动生长的情况下，可以控制将杂质导入III族位点(サイト)处或导入V族位点处。可以制作不仅杂质的浓度而且杂质的行为也稳定的基板。
图7示出了GaN单晶膜10的厚度与XRC(X射线摇摆曲线)半峰宽的关系。使用使AlN在1060℃下生长、在其上使GaN进行晶体生长的试样，测定002衍射的X射线摇摆曲线。GaN膜厚0.5μm的试样的半峰宽为952秒-1，膜厚0.8μm的试样的半峰宽为670秒-1，膜厚1.5μm的试样的半峰宽为449～514秒-1。
可以得到膜厚为1.5μm以下、半峰宽为450～500角秒(arcsec)(2.2～2.4×10- 3rad)的单晶氮化镓。XRC半峰宽可以换算成螺旋位错密度与混合位错密度的合计值ρs。非专利文献8中报道了下述的式1的关系成立。
ρs＝Γ2/4.35b2
Γ＝半峰宽(rad)
b＝伯格斯矢量的长度
使用式1，将利用膜厚为1.5μm的试样得到的半峰宽换算成位错密度时，得到5×108cm-2以下。换算的位错密度由AFM图像也确认是妥当的。在硅基板上直接使氮化铝生长、并在其上使GaN生长的情况下，如果以与上述同样的方式测定，则位错密度达到5×108cm-2以上。通过本说明书中公开的技术，可以得到膜厚为1.5μm以下、位错密度为5×108cm-2以下的单晶氮化镓。
根据实施例，得到在硅基板2上层叠有位错密度小且品质优良的III族氮化物单晶膜8、10的基板。通过在该基板上实施元件分离、栅凹槽蚀刻、源电极和漏电极的形成、电极烧结体的形成、栅绝缘膜的形成、栅电极的形成、层间绝缘膜的形成等工序，可以制造利用III族氮化物单晶的各种半导体器件。
如果是为了得到位错密度小且品质优良的III族氮化物单晶膜10，则不一定在硅单晶基板中设定偏角。本技术可用于在不具有偏角的硅单晶基板的表面上得到位错密度小且品质优良的III族氮化物单晶膜10。
在本实施例中，如图3中所示，在AlN膜8的上部层叠GaN膜10。作为其替代，通过在AlN膜8的上部依次层叠由AlGaN构成的应变缓和层、由GaN构成的沟道层、由AlxInyGa1-x-yN构成的势垒层、由GaN构成的盖帽层，可以制作成异质结场效应晶体管的层结构。作为沟道层起作用的GaN膜，其晶体缺陷少并且平坦，能够得到特性优良的晶体管。或者，可以在AlN膜8的上部层叠AlGaN膜、n型包覆膜、多量子阱有源层、p型电子势垒层、p型接触层。n型包覆膜、多量子阱有源层、p型电子势垒层、p型接触层等可以通过III族氮化物单晶而得到。根据该结构，可以制造AlGaN膜作为应变缓和层发挥功能的发光二极管。该发光二极管由于是含有In的单晶进行阶梯流动生长，因此抑制了In的偏析，发光效率提高。
图10示意性地示出在硅单晶基板上使位错密度小且品质优良的III族氮化物单晶膜生长的装置。
图10的(1)～(3)中，参考编号42表示在表面以硅氧化物膜覆盖的硅单晶基板上形成具有比硅氧化物更大的生成焓的氧化物的膜的腔室。图10(1)的参考编号52表示对形成有氧化物的膜的硅单晶基板进行热处理、进一步形成III族氮化物单晶膜的腔室。图10(2)和(3)的参考编号58表示对硅单晶基板进行热处理的腔室，参考编号66表示形成III族氮化物单晶膜的腔室。对硅单晶基板进行热处理的腔室和形成III族氮化物单晶膜的腔室可以相同，也可以分别准备。在腔室42、52、58、66中分别安装有真空泵P，可以调节腔室内的气体种类、压力和气体流量等。
在腔室与腔室之间，通过转移用通路48、62、72等连接。转移用通路48、62、72等均从外部空气中隔绝，可将处理中的试样不暴露于外部空气而进行处理。参考编号46、50、56、60、64、70等是将腔室与转移用通路间进行开闭的闸门。参考编号42a是将形成有自然氧化物膜的硅单晶基板放入腔室42内的开口，参考编号44是将开口42a进行开闭的闸门。参考编号52a是将在硅单晶基板上形成有III族氮化物单晶膜的层叠基板从腔室52中取出的开口，参考编号54是将开口52a进行开闭的闸门。参考编号66a是将在硅单晶基板上形成有III族氮化物单晶膜的层叠基板从腔室66中取出的开口，参考编号68是将开口66a进行开闭的闸门。
根据图10(1)～(3)的制造装置，可以在试样未暴露于外部空气中的状态下，制造在硅单晶基板上形成有III族氮化物单晶膜的层叠基板。
以上，对本发明的具体例详细地作了说明，但这些只不过是作为例示，并不是要限定权利要求的范围。在权利要求书中记载的技术也包括对以上例示的具体例进行的各种变形、变更。
另外，本说明书或附图中说明的技术要素可以单独或者通过各种组合来发挥技术实用性，并不限于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或附图中例示的技术为同时实现多个目的的技术，且通过实现其中一个目的本身而具有技术实用性。
标号说明
2：硅单晶基板
2a：<111>轴
4：硅氧化物膜
6：氧化铝膜
6a：c轴
8：AlN膜
8a：c轴
10：GaN膜
10a：c轴
12：阶梯
14：台阶

Claims (11)

1.一种层叠基板，其依次层叠有硅单晶基板、SiOx膜、α型氧化铝膜和纤维锌矿型的III族氮化物单晶膜，其中x<2，当
将与立于硅单晶基板的表面上的法线正交的、且从法线方向观察时与硅单晶的<11-2>轴重合的轴设为y轴；
将与法线和y轴一起构成正交3轴的轴设为x轴；
将包含法线和y轴的面设为ny面；
将包含法线和x轴的面设为nx面；
将硅单晶的<111>轴投影至ny面上而得到的轴设为<111>ny轴；
将所述<111>轴投影至nx面上而得到的轴设为<111>nx轴；
将III族氮化物单晶的<0001>轴投影至ny面上而得到的轴设为<0001>ny轴；
将所述<0001>轴投影至nx面上而得到的轴设为<0001>nx轴；
将在ny面中测定的从法线到<111>ny轴的转角设为θx0；
将在nx面中测定的从法线到<111>nx轴的转角设为θy0；
将在ny面中测定的从法线到<0001>ny轴的转角设为θx1；且
将在nx面中测定的从法线到<0001>nx轴的转角设为θy1时；
其中θx0的绝对值>θy0的绝对值，并且θx1的绝对值>θy1的绝对值，
在对ny面进行截面观察时，相对于所述法线，硅单晶的<111>轴与III族氮化物单晶的<0001>轴向相同方向倾斜，并且
所述III族氮化物单晶膜是c面生长的膜。
2.如权利要求1所述的层叠基板，其中
所述III族氮化物单晶是AlN或GaN。
3.如权利要求1或权利要求2所述的层叠基板，其中
满足θx1/θx0＝0.6～1.0的关系。
4.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
θx0的绝对值为0.1°以上。
5.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
θx0的绝对值为1.0°以下。
6.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
III族氮化物单晶膜的表面为阶梯和台阶形状。
7.如权利要求6所述的层叠基板，
在将台阶的宽度的平均值设为W、将III族氮化物单晶的<0001>轴的晶格常数设为C时，
其中满足W×tanθx1的绝对值＝0.5×C～2.0×C的关系。
8.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
III族氮化物单晶膜的膜厚为1.5μm以下。
9.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
III族氮化物单晶膜的位错密度为5×108cm-2以下。
10.如权利要求1或2所述的层叠基板，其中
α型氧化铝膜的膜厚为0.5～20nm。
11.一种层叠基板的制造方法，包括：
将硅单晶基板的相对于<111>轴非正交的面露出，
在该露出表面上形成硅氧化物膜，
在该硅氧化物膜的表面上形成具有比硅氧化物更大的生成焓的氧化铝膜，
进行热处理从而将所述硅氧化物膜还原，并使氧化铝膜变为α型氧化铝膜，以及
在α型氧化铝膜的表面上使纤维锌矿型的III族氮化物单晶进行晶体生长，其中当
将与立于硅单晶基板的露出表面上的法线正交的、且从法线方向观察时与硅单晶的<11-2>轴重合的轴设为y轴；
将与法线和y轴一起构成正交3轴的轴设为x轴；
将包含法线和y轴的面设为ny面；
将包含法线和x轴的面设为nx面；
将硅单晶的<111>轴投影至ny面上而得到的轴设为<111>ny轴；
将所述<111>轴投影至nx面上而得到的轴设为<111>nx轴；
将III族氮化物单晶的<0001>轴投影至ny面上而得到的轴设为<0001>ny轴；
将所述<0001>轴投影至nx面上而得到的轴设为<0001>nx轴；
将在ny面中测定的从法线到<111>ny轴的转角设为θx0；
将在nx面中测定的从法线到<111>nx轴的转角设为θy0；
将在ny面中测定的从法线到<0001>ny轴的转角设为θx1；
将在nx面中测定的从法线到<0001>nx轴的转角设为θy1时；
其中θx0的绝对值>θy0的绝对值，并且θx1的绝对值>θy1的绝对值。
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