JP2002293698A - 半導体基板の製造方法及び半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓｉ基板上にクラックや多結晶塊等のない半
導体単結晶を作る。 【解決手段】 反応防止層は、Ｓｉと窒化ガリウム系の
半導体との反応を防止するためのものであり、この様に
下地基板（Ｓｉ基板）上に窒化ガリウム系の半導体（半
導体結晶Ａ）よりも融点又は耐熱性が高い例えばＳｉＣ
やＡｌＮ等より成る反応防止層（晶質材料Ｂ）を成膜す
ることにより、窒化ガリウム系の半導体（半導体結晶
Ａ）を長時間結晶成長させる場合においても、シリコン
界面付近にＧａＮ多結晶塊などから成る「反応部」が形
成されることが無くなる。また、突起部を多数形成する
ことにより、窒化ガリウム系の半導体（半導体結晶Ａ）
は、突起部の平頂部を起点として横方向にも成長する。
これにより、反応防止層と半導体結晶Ａとの間の応力が
大幅に緩和され、反応防止層にも縦方向の貫通クラック
が生じないので、Ｓｉ基板が確実に遮断でき、反応防止
作用も確実になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン（Ｓｉ）
より形成された下地基板上に III族窒化物系化合物半導
体から成る結晶を成長させることにより、半導体基板を
得る方法に関する。また、本発明は、この様な半導体基
板を結晶成長基板として製造される III族窒化物系化合
物半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に、Ｓｉ基板（下地基板）上に結晶
成長した従来の半導体結晶の模式的な断面図を例示す
る。この結晶成長工程には、ＭＯＣＶＤ法が採用され
た。本図５に例示する様に、従来の技術によりＳｉ基板
（下地基板）上に高温成長した半導体結晶（ＧａＮ結晶
等）には、「反応部」や転位、クラック等が生じてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】転位やクラックは、異
種材料間における熱膨張係数差や格子定数差に基づいて
発生した応力が作用した結果生じたものであり、この様
な結晶成長基板で各種の半導体デバイスを製造した場
合、デバイス特性の劣化を引き起こす。また、例えばシ
リコン（Ｓｉ）等から成る下地基板を除去し、成長層の
みを残して、独立した基板（結晶）を得ようとする場
合、上記の転位やクラック等の作用により、大面積（１
cm² 以上）のものを得ることは殆ど不可能である。

【０００４】また、目的の半導体基板（半導体結晶Ａ）
の結晶成長温度である１０００℃〜１１５０℃付近で
は、シリコン（Ｓｉ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とが反
応し、多結晶のＧａＮ（図中の「反応部」）を形成して
しまうことがある。このため、高温の結晶成長過程を経
て単結晶のＧａＮ基板を得ることが容易でない等の問題
がある。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、比較的安価なシリコン
（Ｓｉ）を下地基板として用いて、クラックや多結晶塊
（反応部）のない高品質の半導体結晶を得ることであ
る。また、本発明の更なる目的は、高品質に製造された
上記の半導体結晶を結晶成長基板として用いることによ
り、高品質の半導体デバイスを製造することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の
効果】上記の課題を解決するためには、以下の手段が有
効である。即ち、第１の手段は、横方向結晶成長作用を
利用して、シリコン（Ｓｉ）より形成された下地基板上
に III族窒化物系化合物半導体から成る半導体結晶Ａを
成長させる、半導体基板の製造工程において、下地基板
上に半導体結晶Ａよりも融点又は耐熱性が高い晶質材料
Ｂより成る反応防止層を成膜する反応防止工程と、化学
的又は物理的なエッチングにより、反応防止層が成膜さ
れた側の片面に下地基板を露出させずにこの反応防止層
から多数の突起部を形成する突起部形成工程と、この突
起部の表面の少なくとも一部を半導体結晶Ａが結晶成長
を開始する最初の成長面とし、この成長面が各々互いに
連結されて少なくとも一連の略平面に成長するまで半導
体結晶Ａを結晶成長させる結晶成長工程とを設けること
である。

【０００７】ただし、上記の半導体結晶Ａから構成され
る上記の半導体基板は、単層構造であっても複層構造
（多層構造）であっても良い。また、ここで言う「 III
族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は
４元の「Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ≦１，０
≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される任
意の混晶比の半導体が含まれ、更に、ｐ型或いはｎ型の
不純物が添加された半導体も、本明細書の「 III族窒化
物系化合物半導体」の範疇とする。また、上記の III族
元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の一部をボロン（Ｂ）や
タリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）
の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等も
また、本明細書の「 III族窒化物系化合物半導体」の範
疇とする。

【０００８】また、上記のｐ型の不純物としては、例え
ば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃ
ａ）等を添加することができる。また、上記のｎ型の不
純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄
（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲル
マニウム（Ｇｅ）等を添加することができる。また、こ
れらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良い
し、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。

【０００９】図１は、本発明の基本概念を例示的に説明
する半導体結晶の製造工程における模式的な断面図であ
る。この反応防止層は、Ｓｉと窒化ガリウム系の半導体
との反応を防止するためのものであり、この様に、下地
基板（Ｓｉ基板）上に窒化ガリウム系の半導体（半導体
結晶Ａ）よりも融点又は耐熱性が高い例えばＳｉＣやＡ
ｌＮ等より成る反応防止層（晶質材料Ｂ）を成膜するこ
とにより、窒化ガリウム系の半導体（半導体結晶Ａ）を
長時間結晶成長させる場合においても、シリコン界面付
近に前記の「反応部」が形成されることが無くなる。

【００１０】また、突起部を多数形成することにより、
窒化ガリウム系の半導体（半導体結晶Ａ）は、突起部の
平頂部を起点として横方向にも成長する。これにより、
反応防止層と窒化ガリウム系の半導体結晶Ａとの間の格
子定数差に基づく応力が発生し難くなり、応力が大幅に
緩和される。

【００１１】また、突起部を多数形成することにより、
反応防止層に作用する応力が緩和され、これらの応力は
反応防止層に縦方向のクラックを形成する様には働き難
くなり、よって、反応防止層には縦方向に貫通したクラ
ックが発生し難くなる。このため、縦方向に貫通したク
ラックの無い反応防止層で、下地基板（Ｓｉ基板）と窒
化ガリウム系の半導体（半導体結晶Ａ）とを完全に遮断
することができるので、上記の様な「反応部」の発生を
より確実に防止することができる。

【００１２】また、例えば、上記の様な突起部を形成す
ることにより、反応防止層と半導体基板（即ち、所望の
半導体結晶層Ａ）との接触部位が狭く限定されるため、
両者の格子定数差に基づく歪が大きくなり難く、「下地
基板と半導体基板の間の格子定数差に基づく応力」が緩
和される。このため、半導体基板（所望の半導体結晶
Ａ）が結晶成長する際に、成長中の半導体基板に働く不
要な応力が抑制されて転位やクラックの発生密度が低減
される。即ち、以上の応力緩和作用により、窒化ガリウ
ム系の半導体（半導体結晶Ａ）には転位が発生し難くな
り、また、クラックの発生密度も格段に削減できる。

【００１３】以上の作用と相乗効果により、上記の「反
応部」やクラックの無い、転位密度の十分抑制された高
品質の半導体基板（半導体結晶Ａ）を得ることが可能又
は容易となる。

【００１４】尚、本図におけるバッファ層Ｃは、必要に
応じて挿入する形態を採れば良いものであって、本発明
を実施する上でこの様なバッファ層は、必ずしも必要と
なる構成要素ではない。即ち、バッファ層を設けない場
合においても本発明の作用・効果を一定以上に得ること
が可能である。

【００１５】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、上記の半導体結晶Ａを、組成式が「Ａｌ_x Ｇａ
_y Ｉｎ_(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦
１）」を満たす III族窒化物系化合物半導体から構成す
ることである。

【００１６】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、反応防止層を形成する晶質材料Ｂとし
て、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、又はスピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）を用いることで
ある。

【００１７】また、第４の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、反応防止層を形成する晶質材料Ｂとし
て、アルミニウム組成比が少なくとも0.３０以上のＡｌ
ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いはＡｌＧａＩｎＮを用いるこ
とである。また、更には、晶質材料Ｂとしては、格子定
数が3.18Å未満の原子間結合力の比較的強固な耐熱性
（融点）の高い安定した材料を選択することが望まし
い。

【００１８】また、第５の手段は、上記の第１乃至第４
の何れか１つの手段において、成長面を横方向に成長さ
せて各々互いに連結させることにより、突起部間に、半
導体結晶Ａが積層されていない空洞を形成することであ
る。この様な空洞は、大きくできる程望ましいが、余り
大き過ぎると連結後に略平面状の成長面が得られ難くな
る場合があるため、注意を要する。また、小さ過ぎる
と、横方向成長による応力緩和作用も小さくなるため、
注意を要する。

【００１９】また、第６の手段は、上記の第１乃至第５
の何れか１つの手段において、突起部間の反応防止層の
谷部における膜厚を0.１μｍ以上、２μｍ以下に形成す
ることである。

【００２０】この厚さが薄過ぎると、膜厚にはムラが伴
うため、或いは、反応防止層を形成する上記の晶質材料
Ｂも十分には安定な物質ではないため、ガリウム（Ｇ
ａ）若しくは窒化ガリウム（ＧａＮ）とシリコン（Ｓ
ｉ）とを完全には遮断することができなくなる。従っ
て、これらの反応に基づく「反応部（多結晶のＧａ
Ｎ）」の形成を防止する効果が十分には得られなくな
る。

【００２１】また、反応防止層の谷部における膜厚が厚
過ぎると、反応防止層の谷部にクラックが入り易くな
り、ガリウム（Ｇａ）若しくは窒化ガリウム（ＧａＮ）
とシリコン（Ｓｉ）とを完全には遮断することができな
くなる。従って、これらの反応に基づく「反応部」の形
成を防止する効果が十分には得られなくなる。また、反
応防止層の谷部における膜厚が厚過ぎると、その分だけ
反応防止層の積層時間や積層材料が余計に必要となるの
で、生産コスト等の面でも望ましくない。

【００２２】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部
の縦方向の高さを0.５μｍ以上、２０μｍ以下に形成す
ることである。より望ましくは、突起部の縦方向の高さ
は１μｍ以上、５μｍ以下が良い。

【００２３】この突起部が低過ぎると、前記の空洞が小
さくなったり、半導体結晶Ａの横方向成長が不十分とな
ったりして、応力緩和作用が不十分となり望ましくな
い。また、この突起部が高過ぎると、その分だけ反応防
止層の積層時間やエッチング時間、或いは積層材料等が
余計に必要となるので、生産コスト等の面で望ましくな
い。

【００２４】また、第８の手段は、上記の第１乃至第７
の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突起部
の横方向の太さ、幅、又は直径を0.１μｍ以上、１０μ
ｍ以下に形成することである。より望ましくは、結晶成
長の実施条件にも依存するが、突起部の横方向の太さ、
幅、又は直径は、0.５〜５μｍ程度が良い。

【００２５】この太さが太過ぎると、格子定数差に基づ
いて半導体基板（成長層）に働く応力の影響が大きくな
り、半導体基板の転位数が増加し易くなる。また、細過
ぎると、突起部自身の形成が困難となるか、或いは、突
起部の頭頂部の結晶成長速度ｂが遅くなり、望ましくな
い。

【００２６】また、第９の手段は、上記の第１乃至第８
の何れか１つの手段において、半導体結晶Ａと下地基板
とを冷却または加熱することにより、半導体結晶Ａと下
地基板との熱膨張係数差に基づく応力を発生させ、この
応力を利用して突起部を破断することにより半導体結晶
Ａと下地基板とを分離する分離工程を設けることであ
る。

【００２７】例えば、図１に例示する様に、多数の突起
部を有する下地基板上に III族窒化物系化合物より成る
半導体基板（半導体結晶Ａ）を成長させる場合、突起部
の大きさや配置間隔や結晶成長諸条件等を調整すること
により、各突起部間（突起部の側方）に、半導体結晶Ａ
が積層されていない「空洞」が形成可能である。このた
め、突起部の高さに比して半導体基板（半導体結晶Ａ）
を十分に厚くすれば、内部応力または外部応力がこの突
起部に集中的に作用し易くなる。その結果、特にこれら
の応力は、突起部に対する剪断応力等として作用し、こ
の応力が大きくなった時に、突起部が破断する。従っ
て、この応力を利用すれば、容易に下地基板と半導体基
板とを分離（剥離）することが可能となる。また、上記
の「空洞」が大きく形成される程、突起部に応力（剪断
応力）が集中し易くなる。即ち、上記の第９の手段によ
れば、上記の応力を容易に生成することができるため、
半導体結晶Ａと下地基板とを容易に分離することができ
る。

【００２８】尚、下地基板と半導体基板とを分離（剥
離）する際に、下地基板側に半導体基板の一部が残って
も良いし、或いは、半導体基板側に下地基板の一部
（例：突起部の破断残骸）が残っても良い。即ち、上記
の分離工程は、これらの材料の一部の残骸を皆無とする
様な各材料の完全な分離を前提（必要条件）とするもの
ではない。この様な破断残骸等の除去は、必要に応じて
ラッピングやエッチング等の周知の手段を用いて実施す
ることもできる。

【００２９】また、第１０の手段は、上記の第１乃至第
９の何れか１つの手段の結晶成長工程において、半導体
結晶Ａを５０μｍ以上積層することである。この厚さが
厚い程、半導体基板（半導体結晶Ａ）に対する引っ張り
応力が緩和されて、半導体基板の転位やクラックの発生
密度を減少でき、同時に半導体基板を強固にできるた
め、上記の応力を上記の突起部に集中させ易くなる。

【００３０】また、下地基板（Ｓｉ基板）の厚さは、３
００μｍ以下が望ましい。この厚さが薄い程、半導体基
板（半導体結晶Ａ）に対する引っ張り応力が緩和され
て、半導体基板の転位やクラックの発生密度が減少す
る。ただし、下地基板の厚さを５０μｍ未満とすると、
下地基板自身の絶対的な強度に問題が生じ、高い生産性
を維持することが難しくなる。したがって、製造する結
晶成長基板の品質と生産性を確保するためには、下地基
板の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下が望ましい。

【００３１】また、相対的には、結晶成長させる半導体
基板（半導体結晶Ａ）の厚さは、下地基板（Ｓｉ基板）
の厚さと略同等とするか、或いはそれ以上とすることが
望ましい。この様な設定により、半導体基板に対する引
っ張り応力が緩和され易くなり、半導体基板の転位やク
ラックの発生を従来よりも大幅に抑制することが可能と
なる。この効果は、相対的に半導体基板を厚くする程大
きくなる。

【００３２】また、第１１の手段は、上記の第１乃至第
１０の何れか１つの手段の結晶成長工程において、 III
族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整すること
により、下地基板の突起部間の谷部の少なくとも一部の
被浸食領域における III族窒化物系化合物半導体の結晶
成長速度ａと、突起部の頭頂部における結晶成長速度ｂ
との差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御することである。

【００３３】この手段によれば、突起部の頭頂部付近の
結晶成長速度が相対的に大きくなり、上記の被浸食領域
付近の結晶成長は比較的抑制されて、頭頂部付近からの
結晶成長が支配的となる。この結果、突起部の頭頂部付
近から開始される半導体基板（半導体結晶Ａ）の横方向
成長が顕著となり、半導体基板の結晶成長時に半導体基
板に働く「反応防止層と半導体基板の間の格子定数差に
基づく応力」が緩和される。従って、半導体基板の結晶
構造が安定し、半導体基板に転位やクラックが発生し難
くなる。また、半導体基板の横方向成長（ＥＬＯ）が顕
著となれば、例えば、突起部の側方（各突起部間）に比
較的大きな空洞ができ易くなる。

【００３４】適当な大きさ、間隔、或いは周期で下地基
板の表面上に凹凸を形成した場合、一般に、下地基板の
外周側壁付近の周辺部分以外では、凸部（突起部）の上
面付近に比べて、凹部（谷部）の方が結晶材料の単位時
間・単位面積当たりの供給量は少なくなり易い。この傾
向は、結晶材料のガス流の流量、温度、方向等にも依存
するが、これらの諸条件を最適、或いは好適に制御する
ことにより、上記の差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御す
ることが可能となる。

【００３５】また、第１２の手段は、上記の第１１の手
段において、原料供給量ｑを１μmol ／min 以上、１０
０μmol ／min 以下に設定することである。

【００３６】より望ましくは、上記の原料供給量ｑは、
５μmol ／min 以上、９０μmol ／min 以下が良い。更
に望ましい値としては、形成される突起部の大きさや
形、配置間隔等の下地基板の仕様や、供給原料の種類や
供給流方向、結晶成長法等の諸条件にも依るが、概ね１
０〜８０μmol ／min 程度が理想的である。この値は、
大き過ぎると上記の差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御す
ることが難しくなるので、各突起部間（突起部の側方）
に大きな空洞を形成することが難しくなる。従って、こ
の様な場合には、格子定数差に基づく結晶内の応力が比
較的緩和され難く、転位が発生する等、半導体基板の単
結晶の結晶性が劣化し易くなってしまい望ましくない。

【００３７】また、応力（剪断応力）により、下地基板
と半導体基板とを分離する際にも、突起部側方の空洞が
無いか或いはこの空洞が小さいと、突起部に応力が集中
し難くなり、突起部の破断が起り難くなってしまい望ま
しくない。一方、原料供給量ｑが小さ過ぎると、結晶成
長時間が掛かり過ぎて生産性の面で不利となり、望まし
くない。

【００３８】また、第１３の手段は、上記の第１乃至第
１２の何れか１つの手段において、突起部形成工程後
に、少なくとも突起部の表面に「Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０
＜ｘ≦１）」より成るバッファ層Ｃを形成する工程を設
けることである。

【００３９】ただし、上記のバッファ層Ｃとは、４００
℃〜１１００℃付近で成長するＡｌＮやＡｌＧａＮ等の
半導体層のことであり、このバッファ層Ｃとは別に、更
に、上記のバッファ層Ｃと略同組成（例：ＡｌＮや、Ａ
ｌＧａＮ）の中間層（以下、単に「バッファ層」と言う
場合がある。）を周期的に、又は他の層と交互に、或い
は、多層構造が構成される様に、半導体基板（半導体結
晶Ａ）中に積層しても良い。

【００４０】これらのバッファ層（或いは、中間層）の
積層により、格子定数差に起因する半導体基板（成長
層）に働く応力を緩和できる等の従来と同様の作用原理
により、結晶性を向上させることが可能となる。また、
この様な作用・効果は、反応防止層を構成する晶質材料
Ｂが炭化シリコン（ＳｉＣ）等の場合に、特に顕著であ
る。

【００４１】また、第１４の手段は、上記の第１３の手
段において、バッファ層Ｃの膜厚を0.０１μｍ以上、１
μｍ以下に形成することである。

【００４２】この手段により、バッファ層の上に形成さ
れる所望の半導体結晶Ａ（例：ＧａＮ層）のみを良質に
横方向に成長させることができる。

【００４３】尚、バッファ層の膜厚は、上記の通りおよ
そ0.０１μｍ〜１μｍ程度が概ね妥当な範囲であるが、
より望ましくは、0.１μｍ以上、0.５μｍ以下が良い。
この膜厚が厚過ぎると、空洞が小さくなり易くなり望ま
しくない。また、この膜厚を薄くし過ぎると、略均一に
バッファ層を成膜することが困難となる。特に、突起部
の上部付近においてバッファ層の成膜ムラ（十分に成膜
されない部位）が生じると、結晶性にもムラが生じ易く
なり、望ましくない。

【００４４】また、第１５の手段は、上記の第１乃至第
１４の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突
起部が略等間隔または略一定周期で配置される様に突起
部を形成することである。

【００４５】これにより、横方向成長の成長条件が全体
的に略均等となり、結晶性の良否にムラが生じ難くな
る。また、本手段により、上記の空洞が各々略均等な大
きさとなり、上記の剪断応力を各突起部に略均等に分配
することが可能となるため、全突起部の破断がムラなく
生じ、下地基板と半導体基板との分離が確実に実施でき
る様になる。また、突起部間の谷部の上方が、半導体基
板によって完全に覆われるまでの時間に、局所的なバラ
ツキが生じ難くなるため、例えば、結晶成長速度の遅い
結晶成長法から、結晶成長速度の速い結晶成長法に、途
中で結晶成長法を変更する場合に、その時期を的確に、
早期に、或いは一意に決定することが容易となる。

【００４６】また、第１６の手段は、上記の第１５の手
段の突起部形成工程において、１辺が0.１μｍ以上の略
正三角形を基調とする２次元三角格子の格子点上に突起
部を形成することである。

【００４７】この手段により、上記の第１５の手段をよ
り具体的に正確、確実に実施でき、よって、転位の数を
確実に低減することができる。

【００４８】また、第１７の手段は、上記の第１乃至第
１６の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突
起部の水平断面形状を、略正三角形、略正六角形、略円
形、略矩形、略菱形、又は略平行四辺形にすることであ
る。

【００４９】この手段により、 III族窒化物系化合物半
導体より形成される結晶の結晶軸の方向が各部で揃い易
くなるため、或いは、任意の水平方向に対して突起部の
水平方向の長さ（太さ）を略一様に制限できるため、転
位の数を抑制することができる。特に、正六角形や正三
角形や平行四辺形等は、半導体結晶の結晶構造と合致し
易いのでより望ましい。また、円形や矩形は製造技術の
面で形成し易いと言う、現行一般の加工技術水準の現状
に照らしたメリットが有る。

【００５０】また、第１８の手段は、上記の第１乃至第
１７の何れか１つの手段の突起部形成工程において、突
起部の配置間隔を0.１μｍ以上、１０μｍ以下に形成す
ることである。より望ましくは、結晶成長の実施条件に
も依存するが、突起部の配置間隔は、0.５〜８μｍ程度
が良い。ただし、この配置間隔とは、互いに接近する各
突起部の中心点間の距離のことを言う。

【００５１】この手段により、突起部の谷部の上方を目
的の半導体基板（半導体結晶Ａ）で覆うことが可能とな
ると同時に、突起部間（突起部の谷部）に空洞を形成す
ることが可能となる。この値が小さ過ぎると、ＥＬＯの
作用が殆ど得られなくなり、応力緩和作用を十分には得
られず、結晶性が劣化する。また、形成される空洞が小
さくなり過ぎて、半導体基板の膜厚を必要以上に大きく
しない限り、突起部を容易に破断することができなくな
る。

【００５２】また、この値が大きくなり過ぎると、確実
に突起部の谷部の上方を半導体基板で覆うことができな
くなり、結晶性が均質かつ良質の半導体基板（半導体結
晶Ａ）が得られなくなる。或いは、この値が更に大き過
ぎると、谷部の露出面が広大となり過ぎて、ＥＬＯの作
用が殆ど得られなくなり、また、空洞が全く形成されな
くなる。

【００５３】また、第１９の手段は、上記の第１乃至第
１８の何れか１つの手段の反応防止工程において、反応
防止層を下地基板上の表裏両面に成膜することである。
これにより、反応防止工程後に生じる下地基板（Ｓｉ基
板）の反り（湾曲）を防止若しくは緩和することができ
る。

【００５４】また、第２０の手段は、 III族窒化物系化
合物半導体素子において、上記の第１乃至第１９の何れ
か１つの手段により製造された半導体結晶を結晶成長基
板として備えることである。この手段によれば、結晶性
が良質で、内部応力の少ない半導体より、 III族窒化物
系化合物半導体素子を製造することが可能又は容易とな
る。

【００５５】また、第２１の手段は、において、上記の
第１乃至第１９の何れか１つの手段により製造された半
導体結晶を結晶成長基板とした結晶成長により III族窒
化物系化合物半導体素子を製造することである。この手
段によれば、結晶性が良質で、内部応力の少ない半導体
より、 III族窒化物系化合物半導体素子を製造すること
が可能又は容易となる。以上の本発明の手段により、前
記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができ
る。

【００５６】

【発明の実施の形態】本発明を実施するに当り、次の中
から個々の製造条件をそれぞれ任意に選択しても良い。
また、これらの各製造条件は、任意に組み合わせても良
い。まず、最初に、III族窒化物系化合物半導体層を形
成する方法としては、有機金属気相成長法（MOCVD又はM
OVPE）が好ましい。しかしながら、分子線気相成長法
（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成
長法（LPE）等を用いても良く、また、各層を各々異な
る成長方法で形成しても良い。

【００５７】また、バッファ層については、格子不整合
を是正する等の理由から、結晶成長基板中、或いは下地
基板等に形成することが好ましい。特に、半導体基板
（半導体結晶Ａ）中にバッファ層（前記の中間層）を積
層する場合、これらのバッファ層としては、低温で形成
させたIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦
x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAl_xGa _1-x
N（0≦x≦1）を用いることができる。このバッファ層は
単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バ
ッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するも
のでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法
で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装
置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材
料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成る
バッファ層を形成することもできる。

【００５８】同様に一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0
≦y≦1, 0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形
成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティ
ング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いるこ
とができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600
℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜600℃で
あり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのス
パッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、バッ
ファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ま
しくは、100〜400Åが望ましく、最も望ましくは、100
〜300Åである。

【００５９】多重層としては、例えばAl_xGa_1-xN（0≦x
≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同
じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として
交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み
合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化
合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y
≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質で
あり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期
として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で
良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。

【００６０】バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合
物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タ
リウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部
をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)
で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、こ
れら元素を組成に表示できない程度のドープをしたもの
でも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有
しないIII族窒化物系化合物半導体であるAl_xGa_1-xN（0
≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原
子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原
子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子
の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性
を良くしても良い。

【００６１】この場合はアクセプタ不純物がIII族原子
の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得
ることもできる。このようにして結晶性を良くすること
で本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１００
０分の１程度にまで下げることもできる。バッファ層と
III族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で形成さ
れている基底層の場合、各III族窒化物系化合物半導体
層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素をドー
プすると更に良い。なお、発光素子として構成する場合
は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しく
は３元系を用いることが望ましい。

【００６２】ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形
成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、
C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。ま
た、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II
族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを
複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープし
ても良い。

【００６３】横方向エピタキシャル成長を用いてIII族
窒化物系化合物半導体層の転位を減じることも任意であ
る。この際、マスクを用いるもの、エッチングにより段
差を埋めるもの任意の方法を取ることができる。

【００６４】エッチングマスクは、多結晶シリコン、多
結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiO_x)、
窒化珪素(SiN_x)、酸化チタン(TiO_X)、酸化ジルコニウム
(ZrO _X)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン
(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいるこ
とができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶ
Ｄ等の気相成長法の他、任意である。

【００６５】エッチングをする際には、反応性イオンビ
ームエッチング（ＲＩＢＥ）が望ましいが、任意のエッ
チング方法を用いることができる。基板面に垂直な側面
を有する段差を形成するのでないものとして、異方性エ
ッチングにより例えば段差の底部に底面の無い、断面が
Ｖ字状のものを形成しても良い。

【００６６】III族窒化物系化合物半導体にＦＥＴ、発
光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素
子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単
一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構
造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接
合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。

【００６７】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて
説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定さ
れるものではない。 （第１実施例）以下、本発明の実施例における半導体結
晶（結晶成長基板）の製造手順の概要を例示する。

【００６８】〔１〕反応防止工程 本反応防止工程は、下地基板（Ｓｉ基板）上に反応防止
層を積層する製造工程である。本反応防止工程では、ま
ず最初に、Ｓｉ（１１１）基板上に気相成長法（ＭＯＶ
ＰＥ）により、炭化シリコン（ＳｉＣ）より成る反応防
止層を約1.５μｍ成膜する。尚、ウエハの反りを防止す
るために、ＳｉＣ膜の成膜を表裏両面に行っても良い。

【００６９】〔２〕突起部形成工程 上記の反応防止層の上に、フォトリソグラフィーを利用
したドライエッチングにより、直径約１μｍ、高さ約１
μｍの略円柱形状の突起部Ｂ１を約２μｍの配置間隔で
形成する（図２）。配列形態としては、一辺が約２μｍ
の略正三角形を基調とする２次元三角格子の各格子点上
に突起部Ｂ１の円柱底面の中心が配置される様に、突起
部Ｂ１を形成する。ただし、下地基板の厚さは約２００
μｍとする。

【００７０】〔３〕結晶成長工程 本結晶成長工程では、図４に示す様に、結晶の成長面
が、突起部Ｂ１の上面（初期状態）から各々互いに連結
されて一連の略平面状に成長するまでの成長工程を有機
金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に従って実施
し、その後、この半導体基板（結晶層）が２００μｍ程
度の厚膜に成長するまでの成長工程をハイドライド気相
成長法（ＨＶＰＥ法）に従って実施する。尚、本結晶成
長工程では、アンモニア(NH₃) ガス、キャリアガス(H₂,
N₂) 、トリメチルガリウム(Ga(CH₃)₃)ガス（以下「TMG
」と記す）、及びトリメチルアルミニウム(Al(C
H₃)₃ ）ガス（以下「TMA 」と記す）を用いる。

【００７１】（ａ）まず、上記の突起部Ｂ１が設けられ
た下地基板（図２）を有機洗浄及び酸処理により洗浄
し、結晶成長装置の反応室に載置されたサセプタに装着
し、常圧でH₂を反応室に流しながら温度1100℃で下地基
板をベーキングする。 （ｂ）次に、上記の下地基板の上に、ＭＯＶＰＥ法に従
って、Ｈ₂ ，NH₃ ，ＴＭＧ，ＴＭＡを供給して、ＡｌＧ
ａＮバッファ層（バッファ層Ｃ）を成膜する。このＡｌ
ＧａＮバッファ層Ｃの結晶成長温度は、約１１００℃、
膜厚は約0.２μｍである。（図３）

【００７２】（ｃ）このＡｌＧａＮバッファ層（バッフ
ァ層Ｃ）の上に、半導体基板の一部、即ち、膜厚約５μ
ｍのＧａＮ層Ａを、H₂、NH₃ 及びＴＭＧを供給して、成
長温度１０７５℃で結晶成長させた。この工程により、
図４に示す様に、半導体基板（ＧａＮ層Ａ）の一部が横
方向成長し、谷部即ち突起部Ｂ１の側方に大きな空洞が
できる。尚、この時のＴＭＧ供給速度は、概ね４０μmo
l ／min 程度であり、ＧａＮ層（半導体結晶Ａ）の結晶
成長速度は、約１μｍ／Ｈｒ程度である。

【００７３】（ｄ）その後、ハイドライド気相成長法
（ＨＶＰＥ法）に従って、上記のＧａＮ層（半導体結晶
Ａ）を、更に、２００μｍまで結晶成長させた。このＨ
ＶＰＥ法におけるＧａＮ層の結晶成長速度は、凡そ４５
μｍ／Ｈｒ程度である。

【００７４】〔４〕分離工程 （ａ）上記の結晶成長工程の後、アンモニア（NH₃)ガス
を結晶成長装置の反応室に流したまま、下地基板（Ｓｉ
基板）を有するウエハを略常温まで冷却する。この時の
冷却速度は、概ね「−５０℃／ｍｉｎ〜−５℃／ｍｉ
ｎ」程度とすれば良い。

【００７５】（ｂ）その後、これらを結晶成長装置の反
応室から取り出すと、下地基板（Ｓｉ基板）から剥離し
たＧａＮ結晶（半導体結晶Ａ）が得られた。ただし、こ
の結晶は、ＧａＮ層（半導体基板）の裏面に、ＡｌＧａ
Ｎバッファ層Ｃの小さな一部分の残骸と突起部Ｂ１の破
断残骸とが残留したままのものである。

【００７６】〔５〕破断残骸除去工程 上記の分離工程の後、ラッピング処理により、ＧａＮ結
晶の裏面に残ったＳｉより成る突起部Ｂ１の破断残骸を
除去する。ただし、本破断残骸除去工程は、フッ酸に硝
酸を加えた混合液等を用いたエッチング処理により実施
しても良い。

【００７７】以上の製造方法により、膜厚約２００μｍ
の結晶性の非常に優れた良質のＧａＮ結晶（ＧａＮ
層）、即ち、下地基板から独立した所望の半導体基板
（半導体結晶Ａ）を得ることができる。

【００７８】尚、反応防止層を形成する晶質材料Ｂとし
ては、ＡｌＮ、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（0.30≦ｘ≦１）等で
も、上記の実施例と略同様の作用・効果が得られる。よ
り一般には、反応防止層を形成する晶質材料Ｂとして、
炭化シリコン（ＳｉＣ，３Ｃ−ＳｉＣ）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）、或い
は、アルミニウム組成比が少なくとも0.３０以上のＡｌ
ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＧａＩｎＮを用いることが
できる。

【００７９】また、目的の半導体基板を形成する半導体
結晶Ａは、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限定されるもので
はなく、前記の一般の「 III族窒化物系化合物半導体」
を任意に選択することができる。また、目的の半導体基
板（半導体結晶Ａ）は、多層構造を有するものとしても
良い。

【００８０】また、上記の実施例では、図２に例示した
様に、下地基板の突起部や谷部は鉛直面と水平面により
構成されているが、これらは任意の斜面や曲面等から形
成しても良い。従って、図２（ｃ）に例示した下地基板
上に形成される谷部の断面形状は、略矩形の凹字型以外
にも、例えば、略Ｕ字型や略Ｖ字型等の形に形成しても
良く、一般にこれらの形状、大きさ、間隔、配置、配向
等は任意である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念を例示的に説明する半導体結
晶の製造工程における模式的な断面図。

【図２】本発明の実施例に係わる、下地基板（Ｓｉ基
板）の部分的な断片の模式的な斜視図（ａ）、平面図
（ｂ）、及び断面図（ｃ）。

【図３】バッファ層Ｃ（ＡｌＧａＮ層）が成膜された下
地基板の模式的な斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、及び断
面図（ｃ）。

【図４】半導体基板（半導体結晶Ａ）が積層された下地
基板の模式的な斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、及び断面
図（ｃ）。

【図５】Ｓｉ基板（下地基板）上に結晶成長した従来の
半導体結晶を例示する模式的な断面図。

【符号の説明】

Ｓｉ … シリコン基板（下地基板） Ａ … 半導体結晶（目的の半導体基板） Ｂ … 反応防止層（晶質材料） Ｂ１… 突起部（反応防止層の一部分） Ｃ … バッファ層

フロントページの続き (72)発明者 永井 誠二 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 冨田 一義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE15 DB05 ED06 EE01 EE06 EF03 FJ03 TK08 TK11 5F045 AA04 AA05 AB06 AB09 AB14 AB18 AB38 AC08 AC12 AC15 AC18 AD14 AD15 AF03 BB12 BB13 DA53

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横方向結晶成長作用を利用して、シリコ
   ン（Ｓｉ）より形成された下地基板上に III族窒化物系
   化合物半導体から成る半導体結晶Ａを成長させることに
   より、半導体基板を得る方法であって、 前記下地基板上に、前記半導体結晶Ａよりも融点又は耐
   熱性が高い晶質材料Ｂより成る反応防止層を成膜する反
   応防止工程と、 化学的又は物理的なエッチングにより、前記反応防止層
   が成膜された側の片面に前記下地基板を露出させずに前
   記反応防止層から多数の突起部を形成する突起部形成工
   程と、 前記突起部の表面の少なくとも一部を前記半導体結晶Ａ
   が結晶成長を開始する最初の成長面とし、この成長面が
   各々互いに連結されて少なくとも一連の略平面に成長す
   るまで、前記半導体結晶Ａを結晶成長させる結晶成長工
   程とを有することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記半導体結晶Ａは、 組成式が「Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ＜１，
   ０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）」を満たす III族窒化物系化
   合物半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載の
   半導体結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 前記反応防止層を形成する前記晶質材料
   Ｂは、 炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（Ａｌ
   Ｎ）、又はスピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）より成ることを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体結晶の
   製造方法。
4. 【請求項４】 前記反応防止層を形成する前記晶質材料
   Ｂは、 アルミニウム組成比が少なくとも0.３０以上のＡｌＧａ
   Ｎ、ＡｌＩｎＮ、或いはＡｌＧａＩｎＮより成ることを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体結晶の
   製造方法。
5. 【請求項５】 前記成長面を横方向に成長させて各々互
   いに連結させることにより、前記突起部間に、前記半導
   体結晶Ａが積層されていない空洞を形成することを特徴
   とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導
   体結晶の製造方法。
6. 【請求項６】 前記突起部間の前記反応防止層の谷部に
   おける膜厚を0.１μｍ以上、２μｍ以下に形成すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載
   の半導体結晶の製造方法。
7. 【請求項７】 前記突起部形成工程において、前記突起
   部の縦方向の高さを0.５μｍ以上、２０μｍ以下に形成
   することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１
   項に記載の半導体結晶の製造方法。
8. 【請求項８】 前記突起部形成工程において、前記突起
   部の横方向の太さ、幅、又は直径を0.１μｍ以上、１０
   μｍ以下に形成することを特徴とする請求項１乃至請求
   項７の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
9. 【請求項９】 前記半導体結晶Ａと前記下地基板とを冷
   却または加熱することにより、前記半導体結晶Ａと前記
   下地基板との熱膨張係数差に基づく応力を発生させ、こ
   の応力を利用して前記突起部を破断することにより、前
   記半導体結晶Ａと前記下地基板とを分離する分離工程を
   有することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか
   １項に記載の半導体結晶の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記結晶成長工程において、 前記半導体結晶Ａを５０μｍ以上積層することを特徴と
    する請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の半導体
    結晶の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記結晶成長工程において、前記 III
    族窒化物系化合物半導体の原料供給量ｑを調整すること
    により、 前記下地基板の前記突起部間の谷部の少なくとも一部の
    被浸食領域における前記 III族窒化物系化合物半導体の
    結晶成長速度ａと、前記突起部の頭頂部における結晶成
    長速度ｂとの差分（ｂ−ａ）を略最大値に制御すること
    を特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記
    載の半導体結晶の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記原料供給量ｑを１μmol ／min 以
    上、１００μmol ／min 以下に設定することを特徴とす
    る請求項１１に記載の半導体結晶の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記突起部形成工程後、 少なくとも前記突起部の表面に「Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０
    ＜ｘ≦１）」より成るバッファ層Ｃを形成する工程を有
    することを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか
    １項に記載の半導体結晶の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記バッファ層Ｃの膜厚を0.１μｍ以
    上、１μｍ以下に形成することを特徴とする請求項１３
    に記載の半導体結晶の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記突起部形成工程において、 前記突起部が略等間隔または略一定周期で配置される様
    に前記突起部を形成することを特徴とする請求項１乃至
    請求項１４の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方
    法。
16. 【請求項１６】 前記突起部形成工程において、 １辺が0.１μｍ以上の略正三角形を基調とする２次元三
    角格子の格子点上に前記突起部を形成することを特徴と
    する請求項１５に記載の半導体結晶の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記突起部形成工程において、前記突
    起部の水平断面形状は、略正三角形、略正六角形、略円
    形、略矩形、略菱形、又は略平行四辺形であることを特
    徴とする請求項１乃至請求項１６の何れか１項に記載の
    半導体結晶の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記突起部形成工程において、前記突
    起部の配置間隔を0.１μｍ以上、１０μｍ以下に形成す
    ることを特徴とする請求項１乃至請求項１７の何れか１
    項に記載の半導体結晶の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記反応防止工程において、 前記反応防止層を前記下地基板上の表裏両面に成膜する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１８の何れか１項
    に記載の半導体結晶の製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１乃至請求項１９の何れか１項
    に記載の半導体結晶の製造方法を用いて製造された、前
    記半導体結晶を結晶成長基板として有することを特徴と
    する III族窒化物系化合物半導体素子。
21. 【請求項２１】 請求項１乃至請求項１９の何れか１項
    に記載の半導体結晶の製造方法を用いて製造された、前
    記半導体結晶を結晶成長基板とした結晶成長により製造
    されたことを特徴とする III族窒化物系化合物半導体素
    子。