JP2002274996A - エピタキシャル下地基板及びエピタキシャル基板 - Google Patents

エピタキシャル下地基板及びエピタキシャル基板

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JP2002274996A JP2001387772A JP2001387772A JP2002274996A JP 2002274996 A JP2002274996 A JP 2002274996A JP 2001387772 A JP2001387772 A JP 2001387772A JP 2001387772 A JP2001387772 A JP 2001387772A JP 2002274996 A JP2002274996 A JP 2002274996A
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Mitsuhiro Tanaka
光浩 田中
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小田　　修
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幸則 中村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】反り量が抑制された新規なエピタキシャル基板
を得るための、エピタキシャル下地基板を提供するとと
もに、このエピタキシャル下地基板を利用して得たエピ
タキシャル基板を提供する。 【解決手段】サファイア基板などから構成される基板１
上に、らせん転位密度が１×１０８／ｃｍ２以下の、少
なくともＡｌを含有するIII族窒化物緩衝膜２を形成す
る。次いで、このIII族窒化物緩衝膜２上に、III族窒化
物下地膜３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル下
地基板及びエピタキシャル基板に関し、詳しくは複数の
III族窒化物膜から構成される半導体発光素子などの基
板として好適に用いることのできる、エピタキシャル基
板及びこのエピタキシャル基板を形成する際の下地基材
として用いることのできる、エピタキシャル下地基板に
関する。
【０００２】
【従来の技術】III族窒化物膜は、発光ダイオード素子
などを構成する半導体膜として用いられており、近年に
おいては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップな
どを構成する半導体膜としても注目を浴びている。
【０００３】上記のような素子を構成するIII族窒化物
膜は、単結晶材料からなる基板上に、III族窒化物から
なる緩衝膜を形成した後、この緩衝膜上に同じくIII族
窒化物膜からなる下地膜を形成する。そして、この下地
膜上に目的とする機能を有する各種III族窒化物膜を形
成して、所望する半導体素子を作製する。したがって、
通常は、前記基板、前記緩衝膜、及び前記下地膜を一体
と見なし、これをエピタキシャル基板として呼んでい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記緩衝膜及び前記下
地膜を含めた各種III族窒化物膜は、通常ＭＯＣＶＤ法
によって形成されるが、ＭＯＣＶＤ法によって上記エピ
タキシャル基板を作製すると、この基板の反りが増大し
てしまう場合があった。そして、この傾向は前記緩衝膜
をＡｌを含むIII族窒化物、特にＡｌＮから構成した場
合において、特に顕著になっていた。
【０００５】実際、ＡｌＮ膜を緩衝膜として用いた場合
には、前記基板の反り量が７０μｍにまで達し、後に各
種半導体膜を形成して所定の構造の半導体素子を供する
際の、フォトリソグラフィ工程などを正確に実施するこ
とができずに、半導体素子の製造歩留りを悪化させる原
因となっていた。
【０００６】本発明は、反り量が抑制された新規なエピ
タキシャル基板を得るための、エピタキシャル下地基板
を提供するとともに、このエピタキシャル下地基板を利
用して得たエピタキシャル基板を提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、単結晶材料からなる基板上と、この基板上に
形成された、少なくともＡｌを含み、らせん転位密度が
１×１０８／ｃｍ２以下のIII族窒化物膜とを具えるこ
とを特徴とする、エピタキシャル下地基板に関する。
【０００８】また、本発明は、単結晶材料からなる基板
上と、この基板上に形成された、少なくともＡｌを含
み、らせん転位密度が１×１０８／ｃｍ２以下のIII族
窒化物緩衝膜と,このIII族窒化物緩衝膜上に形成された
III族窒化物下地膜とを具えることを特徴とする、エピ
タキシャル基板に関する。
【０００９】本発明者らは、ＭＯＣＶＤ法によってエピ
タキシャル基板を作製する際において、反り量が増大す
る原因を探るべく鋭意検討を実施した。その結果、以下
の事実を発見するに至った。
【００１０】従来、エピタキシャル基板を構成する緩衝
膜は、基板と下地膜との格子定数差を緩和し、その緩衝
効果を助長させるために、一般には５００〜７００℃の
低い温度において、低結晶性の下に形成される。したが
って、前記緩衝膜中には、１０９／ｃｍ２以上の密度で
転位が存在する。
【００１１】これに対して本発明者らは、前記緩衝膜が
Ａｌを含む窒化物膜から構成される場合においては、膜
中の転位を低減させて、その結晶性をある程度高くし、
この緩衝膜上に所定のIII族窒化物膜を形成した場合、
驚くべきことに、これらのIII族窒化物膜及び基板を含
む多層構造全体の反り量が著しく低減されることを見出
した。
【００１２】さらに、Ａｌを含むIII族窒化物膜を緩衝
膜として用いた場合、上述のようにその結晶性をある程
度向上させても、従来の常識に反してその緩衝効果が失
われないことを見出した。
【００１３】本発明は、上述したように、従来の常識を
打破する本発明者らの卓越した着眼に基づいてなされた
ものである。
【００１４】本発明のエピタキシャル下地基板、及びこ
の下地基板を用いた本発明のエピタキシャル基板によれ
ば、基板及びIII族窒化物膜を含んだ多層構造全体の反
りを、従来に比し極めて低減することができる。したが
って、この窒化物膜を下地膜として、この窒化物膜上に
種々のIII族窒化物膜を形成した場合においても、例え
ば、これらの膜を含んだ多層構造全体の反り量を５０μ
ｍ以下にすることができる。
【００１５】このため、これらのIII族窒化物膜から半
導体素子を作製する際の、フォトリソグラフィ工程など
において、前記多層構造基板の取り付けなどを正確に行
うことができ、その結果、前記フォトリソグラフィなど
を極めて高精度に行うことができる。したがって、この
ような半導体素子の製造歩留りを飛躍的に向上させるこ
とができる。
【００１６】なお、本発明でいう反り量とは、図１に示
すように、エピタキシャル基板全体が凸あるいは凹状に
反っている場合は、その反り幅を意味し、図２に示すよ
うに、エピタキシャル基板の全体が波形に反っている場
合は、その最大反り幅を意味するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に即して詳細に説明する。図１は、本発明のエピタキシ
ャル基板の一例を示す側面図である。
【００１８】図１に示すエピタキシャル基板１０は、単
結晶材料からなる基板１と、この基板１上に形成された
Ａｌを含むIII族窒化物緩衝膜２と、このIII族窒化物緩
衝膜２上に形成されたIII族窒化物下地膜３とを具えて
いる。なお、基板１及びIII族窒化物緩衝膜２によっ
て、エピタキシャル下地基板が構成される。
【００１９】基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結
晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡ
ｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓ
ｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単
結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、
及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ
２などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料から構成
することができる。
【００２０】III族窒化物緩衝膜２は、らせん転位密度
が１×１０８／ｃｍ２以下であることが必要であり、好
ましくは１×１０７／ｃｍ２以下、さらに好ましくは１
×１０６／ｃｍ２以下である。III族窒化物緩衝膜２中
の転位密度を上記のように低減させることによって、上
述したように、エピタキシャル基板１０に対して緩衝効
果と反り抑制効果とを付与することができる。この結
果、エピタキシャル基板１０上において、各種III族窒
化物膜を形成した場合においても、全体の反り量を抑制
することができる。
【００２１】らせん転位密度は、透過型電子顕微鏡（Ｔ
ＥＭ）を用い、ｇ＝［０００１］の暗視野像観察という
操作を施すことによって観察及び測定することができ
る。
【００２２】また、III族窒化物緩衝膜２は、好ましく
はＡｌを５０原子％以上含み、さらにはＡｌＮから構成
されていることが好ましい。このようにIII族窒化物緩
衝膜中のＡｌ含有量が増大することによって、高結晶化
の効果が助長され、緩衝効果と反り抑制効果とを増大さ
せることができる。
【００２３】さらに、III族窒化物緩衝膜２は、Ａｌ以
外のIII族元素、例えばＧａ、Ｉｎを含むことができ
る。さらに、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ
ｅ、Ｐ及びＢなどの添加元素を含有することもできる。
また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原
料、及び反応管材質に含まれる微量不純物Ｏ又はＣを含
むこともできる。
【００２４】上述した高結晶性のIII族窒化物緩衝膜２
は、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）又はトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などを用
い、窒素供給原料としてアンモニアなどを用いて、ＭＯ
ＣＶＤ法により基板１上に形成する。また、厚膜化する
際には、金属Ａｌを塩化水素系ガスを用いて輸送するＨ
ＶＰＥ法を組み合わせることもできる。
【００２５】そして、Ｖ族供給原料とIII族供給原料と
の流量比、さらにはこれら供給原料の絶対的な供給量、
基板温度、成膜圧力、ガス流速、ガス種、及び成膜速度
などを適宜に調節することによって、上述したような低
転位密度のIII族窒化物緩衝膜２を得ることができる。
【００２６】しかしながら、基板温度を適宜に調節し
て、その形成温度を１１００℃以上、好ましくは１１０
０〜１２５０℃に設定することによって、その他の成膜
条件を広範囲に設定しても、上述したような低転位密度
のIII族窒化物緩衝膜２を簡易に得ることができる。
【００２７】これは、上述したバッファ層を形成する際
の温度５００〜７００℃と比べると、はるかに高い温度
である。
【００２８】なお、III族窒化物緩衝膜２中にＧａ又は
Ｉｎなどを含有させる場合については、トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）又はトリメチルインジウム（ＴＭＩ）な
どのＧａ又はＩｎ供給原料を用い、その所定量を上記Ｔ
ＭＡ及びアンモニアガスなどとともに基板１上に供給
し、目的とする組成のIII族窒化物緩衝膜２を作製す
る。
【００２９】III族窒化物緩衝膜２の厚さは、基板１及
びIII族窒化物下地膜３の種類、並びに作製条件などに
よって異なる。半導体素子からの発熱の放出を促進させ
る観点からは厚い方が好ましく、成膜コストなどの観点
からは薄い方が好ましい。一般には０．１〜１００μｍ
である。
【００３０】同様に、III族窒化物下地膜３の厚さも作
製条件や目的とする素子の構造などに依存して決定され
るが、一般には０．１〜１００μｍである。
【００３１】III族窒化物下地膜３は、III族窒化物緩衝
膜２上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて
形成する。このIII族窒化物下地膜３は、例えば、Ｇａ
を含む窒化物膜を積層させて発光素子などを作製する場
合においては、同様にＧａを含有していることが好まし
い。しかしながら、Ａｌ及びＩｎ、さらには、上述した
Ｂなどの添加元素を含有することもできる。
【００３２】III族窒化物下地膜３がＧａを含有する場
合において、このＧａ含有量が増大し、III族窒化物緩
衝膜２のＡｌ含有量が増大する場合においては、両者の
格子定数差が極めて大きくなってしまう。そして、特に
III族窒化物緩衝膜２の厚さが増大すると、前記格子定
数差に起因してエピタキシャル基板１０の反り量が増大
する、あるいはIII族窒化物下地膜３にクラックが生成
してしまう場合がある。
【００３３】したがって、この場合においては、III族
窒化物緩衝膜２中のＡｌ含有量がその厚さ方向におい
て、連続的又はステップ状に傾斜していることが好まし
い。具体的には、Ａｌ含有量が基板１からIII族窒化物
下地膜３に向かって連続的又はステップ状に減少するよ
うにする。これによって、III族窒化物緩衝膜２とIII族
窒化物下地膜３との界面における格子定数差が減少する
ために、格子定数差に起因したクラックの発生を効果的
に防止することができる。
【００３４】本発明のエピタキシャル基板１０は、上述
したようなIII族窒化物緩衝膜２及びIII族窒化物下地膜
３を具えることにより、その反り量を５０μｍ以下、好
ましくは３０μｍ以下とすることができる。
【００３５】これによって、エピタキシャル基板１０上
に種々の窒化物膜を形成し、所定の多層構造基板を作製
した際においても、高精度の作業性が要求されるフォト
リソグラフィ工程などを正確に実施することができる。
この結果、最終的に得られる半導体素子の製造歩留りを
向上させることができる。
【００３６】なお、反り量は触針式あるいは光学式の形
状測定器などによって測定することができる。
【００３７】
【実施例】（実施例）基板としてｃ面サファイア基板を
用い、これを反応管内に設置されたサセプタ上に載置し
た後、吸引固定した。Ａｌ供給原料としてＴＭＡを用
い、Ｎ供給原料としてアンモニアガスを用いた。そし
て、アンモニアガスからなるＶ族供給原料と、ＴＭＡか
らなるIII族供給原料との比（Ｖ／III比）が４５０、圧
力が１５Ｔｏｒｒとなるようにして前記反応管内に導入
するとともに、前記基板上に供給した。このとき前記基
板を１２００℃まで加熱し、緩衝膜としてのＡｌＮ膜を
厚さ１μｍに形成した。
【００３８】なお、（０００２）面のＸ線ロッキングカ
ーブの測定を行なったところ半値幅は６０秒であり、極
めて結晶性に優れることが判明した。また、表面平坦性
（Ｒａ）を評価したところ２Åであり、表面平坦性にも
優れる膜であることが判明した。さらに、このＡｌＮ膜
のらせん転位密度をＴＥＭによって観察したところ、１
×１０７／ｃｍ２であることが判明した。
【００３９】その後、反応圧力を大気圧とし、前記基板
の温度を１０５０℃にするとともに、前記ＴＭＡ及び前
記アンモニアガスに加えて、ＴＭＧを（Ｖ／III比）
が、１０００となるようにして前記反応管内に導入する
とともに、前記基板上に供給して、厚さ３μｍのＡｌ
０．８Ｇａ０．２Ｎ膜を下地膜として形成した。
【００４０】このようにして作製したエピタキシャル基
板の反り量を形状測定器によって測定したところ、１５
μｍであった。
【００４１】（比較例）上記実施例において、ＡｌＮ膜
の形成温度を１１５０℃から７００℃にし、（Ｖ／III
比）を１０００、圧力を７６０Ｔｏｒｒとなるようにし
て前記反応管内に導入して厚さ０．０３μｍに形成した
以外は、実施例と同様にしてエピタキシャル基板を作製
した。
【００４２】ＡｌＮ膜のらせん転位密度は１×１０９／
ｃｍ２秒であり、作製されたエピタキシャル基板の反り
量は６０μｍであった。
【００４３】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明にしたがって低転位密度のＡｌＮ膜を緩衝膜
として設けたエピタキシャル基板は、反り量を５０μｍ
以下にまで抑制することができ、各種半導体素子のエピ
タキシャル基板として好適に用いられることが分かる。
【００４４】以上、具体例を挙げながら、発明の実施の
形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明
は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を
逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例
えば、前述したような緩衝膜を形成する以前に、基板の
主面に対して窒化処理を施すこともできる。また、緩衝
膜と下地膜との成膜を異なるＣＶＤ装置を用いて実施す
ることもできる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反り量が抑制されたエピタキシャル基板を提供すること
ができるとともに、このようなエピタキシャル基板を作
製する際の、エピタキシャル下地基板を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエピタキシャル基板における反り量を
定義づけるための説明図である。
【図２】同じく、本発明のエピタキシャル基板における
反り量を定義づけるための説明図である。
【図３】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す側面
図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ III族窒化物緩衝膜、３ III族窒化物下
地膜、１０ エピタキシャル基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 修 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 中村 幸則 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB01 BE13 DB08 EA02 EF03 TB05 TC06 TC13 5F045 AA04 AB09 AB17 AC08 AC12 AD16 AF09 BB12 CA10 DA67 5F052 DA04 DB01 GC06 KA01 KA05

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単結晶材料からなる基板上と、この基板上
    に形成された、少なくともＡｌを含み、らせん転位密度
    が１×１０８／ｃｍ２以下のIII族窒化物膜とを具える
    ことを特徴とする、エピタキシャル下地基板。
  2. 【請求項２】前記III族窒化物膜は、Ａｌを５０原子％
    以上含有することを特徴とする、請求項１に記載のエピ
    タキシャル下地基板。
  3. 【請求項３】前記III族窒化物膜は、ＡｌＮから構成さ
    れていることを特徴とする、請求項２に記載のエピタキ
    シャル下地基板。
  4. 【請求項４】前記III族窒化物膜は、ＭＯＣＶＤ法によ
    り１１００℃以上の温度で形成することを特徴とする、
    請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル下地
    基板。
  5. 【請求項５】前記III族窒化物膜は、ＭＯＣＶＤ法によ
    り１１００℃〜１２５０℃の温度で形成することを特徴
    とする、請求項４に記載のエピタキシャル下地基板。
  6. 【請求項６】前記III族窒化物膜中のＡｌ含有量が、そ
    の厚さ方向において前記基板側から外方に向かって連続
    的又はステップ状に減少していることを特徴とする、請
    求項１〜５のいずれか一に記載のエピタキシャル下地基
    板。
  7. 【請求項７】前記エピタキシャル下地基板の反り量が、
    ５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６の
    いずれか一に記載のエピタキシャル下地基板。
  8. 【請求項８】単結晶材料からなる基板上と、この基板上
    に形成された、少なくともＡｌを含み、らせん転位密度
    が１×１０８／ｃｍ２以下のIII族窒化物緩衝膜と,この
    III族窒化物緩衝膜上に形成されたIII族窒化物下地膜と
    を具えることを特徴とする、エピタキシャル基板。
  9. 【請求項９】前記III族窒化物緩衝膜は、Ａｌを５０原
    子％以上含有することを特徴とする、請求項８に記載の
    エピタキシャル基板。
  10. 【請求項１０】前記III族窒化物緩衝膜は、ＡｌＮから
    構成されていることを特徴とする、請求項８又は９に記
    載のエピタキシャル基板。
  11. 【請求項１１】前記III族窒化物緩衝膜は、ＭＯＣＶＤ
    法により１１００℃以上の温度で形成することを特徴と
    する、請求項８〜１０のいずれか一に記載のエピタキシ
    ャル基板。
  12. 【請求項１２】前記III族窒化物緩衝膜は、ＭＯＣＶＤ
    法により１１００℃〜１２５０℃の温度で形成すること
    を特徴とする、請求項１１に記載のエピタキシャル基
    板。
  13. 【請求項１３】前記III族窒化物下地膜は、少なくとも
    Ｇａを含有することを特徴とする、請求項８〜１２のい
    ずれか一に記載のエピタキシャル基板。
  14. 【請求項１４】前記III族窒化物緩衝膜中のＡｌ含有量
    が、前記基板側から前記III族窒化物下地膜へ向かって
    連続的又はステップ状に減少していることを特徴とす
    る、請求項１３に記載のエピタキシャル基板。
  15. 【請求項１５】前記エピタキシャル基板の反り量が、５
    ０μｍ以下であることを特徴とする、請求項８〜１４の
    いずれか一に記載のエピタキシャル基板。
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