JP2003073197A - 半導体結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下地基板から独立した良質の半導体結晶を得
ること。 【解決手段】 分離層消失工程αでは、反応室の温度
（熱処理温度Ｔ_X ）を約１０００℃まで昇温し、分離層
Ａを熱分解（気化）することにより、下地基板側（バッ
ファ層１０２を有するサファア基板１０１）から膜厚約
１０μｍの保護層Ｂを分離する。この分離は、この分離
層Ａの分解温度が、保護層Ｂの成膜温度（約６５０℃）
以上であり、かつ、半導体結晶層Ｃの成膜温度（約１０
００℃）以下であるために、分離層Ａが熱分解により消
失（気化）することにより起る。以上の製造工程によ
り、図２（ｂ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得
られる。したがって、下地基板側から独立したこの保護
層Ｂを新たな結晶成長基板とすれば、下地基板側との格
子定数差や熱膨張係数差等に起因する応力に伴う転位や
クラックが発生せず、高品質な半導体結晶層Ｃ（ＧａＮ
単結晶）が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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を成長さ
せ、下地基板から独立した良質の半導体結晶を得る方法
に関する。また、本発明は、ＬＥＤ等に代表される各種
の半導体素子の結晶成長基板の製造等に適用することが
できる。

【０００２】

【従来の技術】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を成長させ、その下地基板から独
立した半導体結晶を得る従来技術としては、例えば、公
開特許公報「特開平７−２０２２６５： III族窒化物半
導体の製造方法」に記載されている湿式エッチングによ
る方法や、或いは、サファイア基板上にＨＶＰＥ法等に
より厚膜のＧａＮ（目的の半導体結晶）を成長させ、レ
ーザ照射や研磨等によりサファイア基板を取り除く方法
等が一般に知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来技術においては、下地基板（例：サファイア等）
と III族窒化物系化合物半導体との間の熱膨張率差や格
子定数差等に起因して、結晶成長工程完了後の降温時等
に目的の単結晶（例：ＧａＮ等）に応力が加わり、目的
の単結晶に転位やクラックが多数発生すると言う問題が
ある。また、厚膜成長の場合には、成長中にさえ目的の
単結晶にクラックが入り、部分的に小片剥離が発生する
等の問題が非常に生じ易い。

【０００４】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、下地基板から独立した
良質の半導体結晶を得ることである。

【０００５】

【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、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を成長させ、下
地基板から独立した良質の半導体結晶を得る製造工程に
おいて、 III族窒化物系化合物半導体から成る目的の半
導体結晶層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃよりも前に実
施する工程として、半導体結晶層Ｃに対して結晶成長面
を供する III族窒化物系化合物半導体から成る保護層Ｂ
と下地基板との間に積層された III族窒化物系化合物半
導体から成る分離層Ａを熱処理により蒸発させる分離層
消失工程αを設けることである。

【０００６】即ち、例えば、サファイア等から成る下地
基板とＧａＮ膜等から成る目的の半導体結晶層Ｃの間
に、Ｇａ_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｎ等から成る分離層ＡとＧａ_0.8
Ｉｎ_{0. 2} Ｎ等から成る保護層Ｂを成長させておく等の手
段が考えられる。例えば、これらの様な構成によれば、
分離層Ａが熱分解により蒸発する温度を保護層Ｂが熱分
解により蒸発する温度よりも十分に低くできるので、分
離層Ａのみを昇温により熱分解することが可能となる。
このため、半導体結晶層Ｃの成膜前に分離層Ａのみを熱
分解により消失させることができるため、半導体結晶層
Ｃが下地基板から受ける応力等の悪影響を防止して半導
体結晶層Ｃを成長させることができる。即ち、独立した
保護層Ｂ上に成長する半導体結晶層Ｃは、格子定数差や
熱膨張係数差に基づく応力等の下地基板からの影響を受
けない。

【０００７】これらの作用により、膜厚の半導体結晶層
Ｃ（例：ＧａＮ膜等）の成膜前に、下地基板を保護層Ｂ
から分離できるので、格子定数差や熱膨張係数差等によ
る転位やクラックが発生せず、高品質な半導体結晶層Ｃ
が得られる。この様にして得られる膜厚の半導体結晶層
Ｃ（例：ＧａＮ膜等）は、例えば半導体素子の結晶成長
基板等として大いに利用できるため、その産業上の利用
価値は大きい。また、上記の製造方法は、結晶成長工程
のみで実施可能なため、レーザ照射、研磨等の工程が不
要となる。このため、下地基板は研磨や破損等されずに
そのまま残るので、上記の製造方法によれば、下地基板
の再利用も可能となる。

【０００８】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、上記の III族窒化物系化合物半導体を「Ａｌ
_1-x-y Ｇａ_y Ｉｎ_x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦
１−ｘ−ｙ≦１」より形成することである。

【０００９】ただし、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
_1-x-y Ｇａ_y Ｉｎ_x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦
１−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）の内の少なくとも一部をボロン（Ｂ）やタ
リウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の
少なくとも一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモ
ン（Ｓｂ）、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。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（Ｃａ）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。尚、
本明細書においては、上記の「 III族窒化物系化合物半
導体」のことを単に「 III族窒化物」等と言う場合があ
る。

【００１０】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段の下地基板として、サファイア、スピネル、酸化
マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ₂ ）、硫
化モリブデン（ＭｏＳ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリ
コン（ＳｉＣ）、ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，
ＭｇＯ，ＺｎＯ、又はＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ を用ることであ
る。

【００１１】これらの下地基板の材料としては、上記の
分離層消失工程αにおける熱処理の温度に耐え得る材料
であれば何でも良く、 III族窒化物系化合物半導体に対
する、公知或いは任意の結晶成長基板を使用することが
できる。

【００１２】また、第４の手段は、上記の第１乃至第３
の何れか１つの手段において、分離層消失工程αにおけ
る熱処理の温度Ｔ_X と、半導体結晶層Ｃの結晶成長温度
Ｔ_Cと、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B との大小関係を
「Ｔ_B ＜Ｔ_X ≦Ｔ_C 」とすることである。

【００１３】この分離層Ａの分解温度（Ｔ_X ）は、分離
層Ａや保護層Ｂの組成等を調整することにより、保護層
Ｂの成膜温度（Ｔ_B ）と半導体結晶層Ｃの成膜温度（Ｔ
_C ）の間の温度に設定することができる。そして、この
様な設定によれば、半導体結晶層Ｃの成膜開始までに、
分離層Ａは必然的な昇温処理に伴う熱分解により必然的
に消失できるので、下地基板からの応力等による悪影響
を自動的に防止しつつ半導体結晶層Ｃを成長させること
ができる。

【００１４】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、保護層Ｂのインジウム(I
n)組成比を分離層Ａのインジウム(In)組成比よりも小さ
くすることである。即ち、例えば、半導体結晶の組成
「Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ」において、保護層Ｂのインジウム
(In)組成比ｘ１を0.２程度とし、分離層Ａのインジウム
(In)組成比ｘ２を0.５程度（＞ｘ１）にする等の設定が
良い。例えば、この様なインジウム(In)組成比ｘ１，ｘ
２の設定により、分離層消失工程αにおいて、分離層Ａ
のみを十分に消失させ、かつ、保護層Ｂを良質或いは安
定に残留させることができる。

【００１５】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、上記の半導体結晶層Ｃと
して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を９００℃〜１１００℃
で結晶成長させることである。半導体結晶層Ｃのより具
体的な組成としては、半導体の結晶成長基板等に最適で
非常に有用な窒化ガリウム（ＧａＮ）が、今のところ産
業上最も利用価値が高いものと考えられる。また、１０
００℃前後で窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる
ことにより、最も品質の高い単結晶を得ることができ
る。ただし、ＡｌＧａＮや、或いはＡｌＧａＩｎＮ等に
ついても、勿論産業上の利用価値は大きいので、半導体
結晶層Ｃのより具体的な組成としてこれらを選択しても
良い。

【００１６】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段における保護層Ｂとして、「Ｇａ
_1-x Ｉｎ_x Ｎ（0.０≦ｘ≦0.８）」を結晶成長させるこ
とである。より望ましくは、保護層Ｂのインジウム(In)
組成比ｘは、0.０５〜0.５程度が良い。

【００１７】また、更に望ましくは、分離層Ａのインジ
ウム(In)組成比や分離層消失工程αにおける熱処理温度
等にも依存するが、概ねｘの値は0.１〜0.３程度が理想
的と考えられる。例えば、この様なインジウム(In)組成
比の設定により、分離層消失工程αにおいて、保護層Ｂ
を良質或いは安定に残留させることができる。ただし、
保護層ＢはＧａＮから形成することも十分に可能であ
る。

【００１８】また、保護層Ｂの膜厚は、0.１〜１００μ
ｍ程度が良く、更により望ましくは、保護層Ｂの膜厚
は、５〜２０μｍ程度が良い。この厚さが厚過ぎると必
要以上に結晶成長時間を要することになり望ましくな
い。また、この厚さが薄過ぎると、基板取り出し工程等
で保護層Ｂをハンドリングする際に、保護層Ｂが破断或
いは損傷され易くなるため望ましくない。

【００１９】また、第８の手段は、上記の第１乃至第７
の何れか１つの手段における分離層Ａとして、「Ｇａ
_1-x Ｉｎ_x Ｎ（0.０５≦ｘ≦１.0）」を結晶成長させる
ことである。より望ましくは、分離層Ａのインジウム(I
n)組成比ｘは、0.３〜0.７程度が良い。

【００２０】また、更に望ましくは、保護層Ｂのインジ
ウム(In)組成比や分離層消失工程αにおける熱処理温度
等にも依存するが、概ねｘの値は0.４〜0.６程度が理想
的と考えられる。例えば、この様なインジウム(In)組成
比の設定により、分離層消失工程αにおいて、分離層Ａ
を十分に消失させることができる。

【００２１】また、分離層Ａの膜厚は、0.１〜１００μ
ｍ程度が良く、更により望ましくは、分離層Ａの膜厚
は、５〜２０μｍ程度が良い。この厚さが厚過ぎると必
要以上に結晶成長時間を要することになり望ましくな
い。また、この厚さが薄過ぎると、下地基板（例：サフ
ァイア）と保護層Ｂとを確実に分離できなくなる場合が
生じ得る等の都合により望ましくない。

【００２２】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、分離層消失工程αにおけ
る熱処理の温度Ｔ_X を７００℃以上、１１００℃以下と
することである。この温度Ｔ_X の最適値は、各半導体層
Ａ，Ｂ，Ｃの組成等にも依存するが、熱処理時間を短く
すると共に保護層Ｂの結晶性を維持するために、温度Ｔ
_X は概ね半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C と同程度か
或いは１０００℃前後が最も望ましいものと考えられ
る。

【００２３】また、第１０の手段は、上記の第１乃至第
９の何れか１つの手段において、単結晶成長工程ｃより
も後に実施する工程として、保護層Ｂを熱処理により蒸
発させる保護層消失工程βを設けることである。例え
ば、ＧａＮ等から成る半導体結晶層Ｃの結晶成長後に、
保護層Ｂの分解温度（例：１１００〜１２００℃程度）
まで反応室を昇温すれば、保護層Ｂをも消失させること
ができ、よって半導体結晶層Ｃだけが残るため、単一層
から成る独立した半導体単結晶を得ることができる。た
だし、単結晶成長工程ｃ実施後、必ずしも保護層Ｂを除
去する必要は無い。即ち、この保護層消失工程βを本発
明の製造工程中に設けるか否かの是非は、最終的に形成
される半導体素子の構造、機能、性能、用途、単価等の
各種の要件に照らして総合的に判断すれば良い。

【００２４】また、第１１の手段は、上記の第１０の手
段において、保護層消失工程βにおける熱処理の温度を
９００℃以上、１２００℃以下とすることである。この
熱処理温度の最適値は、保護層Ｂや半導体結晶層Ｃの組
成等に依存するが、上記の温度範囲内で半導体結晶層Ｃ
に対するダメージを抑制しつつ保護層Ｂを比較的効率よ
く消失させることができる。

【００２５】上記の熱処理温度が高過ぎると、半導体結
晶層Ｃに対するダメージが大きくなり、結晶性の良い半
導体結晶が得られない。また、上記の熱処理温度が低過
ぎると、保護層Ｂを確実に消失させることが困難となる
か、消失させるための時間が長くなってしまい望ましく
ない。例えば、半導体結晶層ＣをＧａＮから形成し、保
護層Ｂのインジウム(In)組成比ｘを0.２前後にした場
合、保護層消失工程βにおける熱処理の温度は１１５０
℃程度が望ましい。この様な温度設定により、半導体結
晶層Ｃの結晶性を良好に維持しつつ、保護層Ｂを十分に
消失させることができる。

【００２６】また、第１２の手段は、上記の第１乃至第
１１の何れか１つ手段における、分離層消失工程αより
も前に実施する工程として、分離層消失工程αにおける
熱分解から保護層Ｂを保護するキャップ層を保護層Ｂの
上に積層しておくキャップ層積層工程を設けることであ
る。

【００２７】このキャップ層の組成、成長温度及び膜厚
は、半導体結晶層Ｃの結晶成長が開始される時点まで
に、このキャップ層が熱分解作用により丁度過不足無く
消失される様に設定しておくことが望ましい。この様な
キャップ層の積層及び消失により、熱処理等の高温下に
おいて、保護層Ｂの表面、即ち半導体結晶層Ｃの結晶成
長面の結晶性を十分良質に維持しておくことができる。
したがって、半導体結晶層Ｃをより確実に良質な単結晶
にすることができる。また、キャップ層の組成を半導体
結晶層Ｃの組成と略同じ組成に設定しておく方法も有効
である。これにより、キャップ層の一部が完全に消失し
切らずに、保護層Ｂ上に一部残った場合にも、高品質の
半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始することが可能或いは
容易となる。

【００２８】尚、この様なキャップ層に幾らか関連する
文献としては、例えば、公開特許公報「特開平１１−６
８１５９：３族窒化物半導体素子の製造方法」等があ
り、本文献には、本発明の上記のキャップ層に関連する
基本的な作用原理が、より一般的に記載されている。

【００２９】また、第１３の手段は、上記の第１２の手
段において、キャップ層として、半導体結晶層Ｃと略同
組成の III族窒化物系化合物半導体を半導体結晶層Ｃの
結晶成長温度Ｔ_C よりも低い成長温度で結晶成長させる
ことである。また、第１４の手段は、上記の第１２又は
第１３の手段において、キャップ層として、窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）を８００℃〜１０００℃の成長温度で結晶
成長させることである。例えば、これらの方法によって
も、上記の第１２の手段を順調或いは良好に実施するこ
とが可能である。

【００３０】また、第１５の手段は、上記の第１乃至第
１４の何れか１つの手段において、単結晶成長工程ｃの
全体若しくは遅くとも途中以降の結晶成長を、それまで
実施していた結晶成長法（例：ＭＯＶＰＥ法等）よりも
結晶成長速度の速い第２の結晶成長法（例：ＨＶＰＥ
法）で実施することである。

【００３１】例えば、半導体結晶層Ｃがある程度の厚さ
（例：約１０〜５０μｍ）に形成されるまでは、良質の
単結晶を成長させ易い結晶成長法（例：ＭＯＶＰＥ法
等）を採用し、その後は、膜厚を効率よく成長させるこ
とが容易な結晶成長法（例：ＨＶＰＥ法）を採用すれ
ば、短時間に結晶性の良質な厚膜（例：約１００〜２０
０μｍ）の半導体結晶を得ることが可能となる。

【００３２】また、第１６の手段は、上記の第１乃至第
１５の何れか１つの手段において、分離層Ａの結晶成長
温度Ｔ_A 、又は、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B を４００
℃〜９００℃とすることである。これらの温度設定によ
り、目的の半導体結晶層Ｃに成長面を供する保護層Ｂの
結晶性を良質にすることができる。また、これらの半導
体層Ａ，Ｂの結晶成長温度は、４５０℃〜７００℃程度
がより望ましい。

【００３３】更に詳しくは、分離層Ａの成長温度は、分
離層Ａのインジウム組成比ｘが0.４〜0.６程度の場合、
５００℃〜７００℃程度がより望ましい。また、分離層
Ｂの成長温度は、分離層Ｂのインジウム組成比ｘが0.１
〜0.３程度の場合、６００℃〜８００℃程度がより望ま
しい。この様な温度設定により、所望のインジウム組成
比の単結晶膜を高品質に形成でき、且つ、分離層消失工
程αにおいて、保護層Ｂを良質或いは安定に残留させる
ことができる。

【００３４】また、第１７の手段は、上記の第１乃至第
１６の何れか１つの手段において、分離層Ａの結晶成長
温度Ｔ_A と、保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B との大小関係
を「Ｔ_A ≦Ｔ_B 」とすることである。即ち、例えば、分
離層Ａの結晶成長温度Ｔ_A を５００℃程度にし、保護層
Ｂの結晶成長温度Ｔ_B を６５０℃程度にすると、結晶性
の良質な単結晶（半導体結晶層Ｃ）が得られる場合が少
なくない。また、これらの結晶成長温度Ｔ_A ，Ｔ_B は更
に接近していても良い。これらの温度設定により、保護
層Ｂの構造を分離層Ａの構造よりも分離層消失工程中の
熱処理過程においてより安定にすることができる。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。

【００３５】

【発明の実施の形態】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）本発明の第１実施例においては、 III族
窒化物系化合物半導体（ＧａＮ）から成る目的の半導体
結晶層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃの途中まで（半導
体結晶層Ｃが約３０μｍの膜厚に成長するまでの前半）
をＭＯＶＰＥ法で実施し、その後の半導体結晶層Ｃの積
層（半導体結晶層Ｃが約１５０μｍの膜厚に成長するま
での後半）をＨＶＰＥ法で実施する。

【００３６】図１は、本第１実施例における単結晶成長
工程ｃ（上記の前半）に至るまでの反応室の温度変化を
示すグラフである。本グラフ中における記号ａは第１の
III族窒化物半導体（Ｇａ_0.50Ｉｎ_0.50Ｎ）より成る分
離層Ａを結晶成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「分
離層積層工程」を示しており、また、記号ｂは第２のII
I族窒化物半導体（Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ）より成る保護
層Ｂを結晶成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「保護
層積層工程」を、更に記号ｃは第３の III族窒化物半導
体、即ち、ＧａＮから成る目的の半導体結晶層Ｃを結晶
成長（ＭＯＶＰＥ法）により積層する「単結晶成長工
程」をそれぞれ示している。また、記号αは、上記の分
離層Ａを熱処理（昇温）により気化させる「分離層消失
工程」を示している。

【００３７】図２は、本第１実施例における各主要工程
前後の III族窒化物半導体の積層構成を表す断面図であ
る。以下、図１及び図２を用いて、本第１実施例におけ
る目的のＧａＮ単結晶（半導体結晶層Ｃ）の製造工程に
ついて、順を追って説明する。

【００３８】１．クリーニング工程 まず最初に、反応室を排気し、サファイア基板１０１が
装着されたサセプタを約１０００℃まで昇温することに
より、サファイア基板１０１の結晶成長面をクリーニン
グする。

【００３９】２．ＭＯＶＰＥ法（分離前） （１）バッファ層成膜工程 次に、サファイア基板１０１の結晶成長面上にＡｌＮよ
り成るバッファ層１０２を約５００Å成膜する。この時
の結晶成長温度は約４２０℃とする。 （２）分離層積層工程ａ 次に、第１の III族窒化物半導体（Ｇａ_0.50Ｉｎ
_0.50Ｎ）より成る膜厚約１０μｍの分離層Ａを積層す
る。この時の結晶成長温度Ｔ_A は約５００℃とする。 （３）保護層積層工程ｂ 次に、第２の III族窒化物半導体（Ｇａ_0.80Ｉｎ
_0.20Ｎ）より成る膜厚約１０μｍの保護層Ｂを積層す
る。この時の結晶成長温度Ｔ_B は約６５０℃とする。以
上の製造工程により、図２（ａ）に示す断面構造を有す
る半導体結晶が得られる。

【００４０】３．分離層消失工程α 次に、排気処理後、反応室の温度（熱処理温度Ｔ_X ）を
約１０００℃まで昇温し、上記の分離層Ａを気化させる
ことにより、バッファ層１０２を有するサファア基板１
０１から膜厚約１０μｍの保護層Ｂを分離する。この分
離層Ａの分解温度は、保護層Ｂの成膜温度（約６５０
℃）以上であり、半導体結晶層Ｃの成膜温度（約１００
０℃）以下であるため、分離層Ａは熱分解により消失
（気化）し、保護層Ｂは下地基板（サファイア基板１０
１）から分離される。以上の製造工程により、図２
（ｂ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得られる。

【００４１】４．下地基板取り出し工程 次に、反応室を略常温まで降温することにより、バッフ
ァ層１０２を有するサファア基板１０１（下地基板）と
膜厚約１０μｍの保護層Ｂを冷却し、サファア基板１０
１を反応室から取り出す。

【００４２】５．単結晶成長工程 （１）排気・昇温工程 次に、反応室を排気し、約１０００℃（半導体結晶層Ｃ
の結晶成長温度Ｔ_C ）まで昇温する。 （２）単結晶成長工程ｃ（前半） 次に、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＮから成る目的の半導
体結晶層Ｃの一部（膜厚約３０μｍ）を積層する。 （３）単結晶成長工程ｃ（後半） その後、ＨＶＰＥ法（第２の結晶成長法）により、上記
の膜厚約３０μｍのＧａＮ単結晶（半導体結晶層Ｃの一
部）を基板として、上記の半導体結晶層Ｃが約１５０μ
ｍに成長するまで結晶成長を実施する。この時の結晶成
長温度は１０００℃程度で良い。以上の製造工程によ
り、図２（ｃ）に示す断面構造を有する半導体結晶が得
られる。

【００４３】６．保護層消失工程β その後、保護層Ｂの分解温度（約１１５０℃程度）まで
昇温することにより、保護層Ｂを熱分解（気化）により
消失させる。これにより、半導体結晶層Ｃ（ＧａＮ層）
だけが残るため、独立したＧａＮ基板を得ることができ
る。以上の製造工程により、図２（ｄ）に示す断面構造
を有する半導体結晶が得られる。ただし、本工程βは省
略しても良い。

【００４４】以上の製造工程により、膜厚の半導体結晶
層Ｃ（ＧａＮ膜）の成膜前に、下地基板を保護層Ｂから
分離できるので、下地基板（サファイア基板１０１）と
の格子定数差や熱膨張係数差等に基づいた応力に伴う転
位やクラックが膜厚の半導体結晶層Ｃ中に発生せず、高
品質な半導体結晶層Ｃが得られる。

【００４５】（第２実施例）図３は、本第２実施例にお
ける各主要工程前後の III族窒化物半導体の積層構成を
表す断面図である。本第２実施例は、上記の第１実施例
の製造方法を基本とし、保護層積層工程ｂの後に、前記
のＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎから成る膜厚約１０μｍの保護層
Ｂの上に、更に、約９００℃程度でＧａＮ層Ｃ′（キャ
ップ層Ｃ′）を２０μｍ成長させて、その後１０００℃
程度に昇温し、それから中間に位置する分離層Ａを蒸発
させて、「サファイア基板１０１とＡｌＮバッファ層１
０２から成る下地基板側」と「ＧａＮ層Ｃ′と保護層Ｂ
から成る新たな結晶成長基板側」とを分離するものであ
る。

【００４６】例えば、以上の様な方法によれば、上記の
キャップ層Ｃ′（ＧａＮ層Ｃ′）の保護膜としての働き
により、９００〜１０００℃付近で熱分解等によるダメ
ージを幾分受けがちな保護層Ｂの結晶性を比較的安定に
保ちつつ、半導体結晶層Ｃを結晶成長させる単結晶成長
工程ｃを順調或いは良好に開始することが、可能又は容
易となる。

【００４７】このキャップ層Ｃ′の組成、成長温度及び
膜厚は、半導体結晶層Ｃの結晶成長が開始される時点ま
でに、このキャップ層が熱分解作用により丁度過不足無
く消失される様に設定しておくことが望ましい。この様
なキャップ層Ｃ′の積層及び消失により、熱処理等の高
温下においても、保護層Ｂの表面（半導体結晶層Ｃの結
晶成長面）の結晶性を十分良質に維持しておくことがで
き、よって、半導体結晶層Ｃをより確実に良質な単結晶
にすることができる。

【００４８】例えば上記の様に、一般に、キャップ層
Ｃ′の組成を半導体結晶層Ｃの組成と略同じ組成に設定
しておく方法が有効である。これにより、キャップ層の
一部が完全に消失し切らずに、保護層Ｂ上に一部残った
場合にも、高品質の半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始又
は継続することができる。

【００４９】また、キャップ層Ｃ′として、半導体結晶
層Ｃと略同組成の III族窒化物系化合物半導体を半導体
結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C よりも低い成長温度で結晶
成長させる方法も有効である。この様な方法によれば、
半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C 付近において、キャ
ップ層Ｃ′を比較的容易に消失させることが可能とな
る。このため、キャップ層Ｃ′が熱分解作用により丁度
過不足無く消失される様に設定しておくことが比較的容
易になる。また更に、半導体結晶層Ｃとキャップ層Ｃ′
とが同組成のため、キャップ層Ｃ′の一部が完全に消失
し切らずに、保護層Ｂ上に一部残った場合にも、高品質
の半導体結晶層Ｃの結晶成長を開始（或いは継続）する
ことが可能或いは容易となる。

【００５０】尚、上記の各実施例において、ＨＶＰＥ法
は、ＭＯＶＰＥ法等にて実施しても良い。即ち、第２の
結晶成長法を用いずに、終始１種類の結晶成長法で結晶
成長を実施しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における単結晶成長工程ｃ
に至るまでの反応室の温度変化を示すグラフ。

【図２】本発明の第１実施例における各主要工程前後の
III族窒化物半導体の積層構成を表す断面図。

【図３】本発明の第２実施例における各主要工程前後の
III族窒化物半導体の積層構成を表す断面図。

【符号の説明】

Ａ … 分離層（第１の III族窒化物） Ｂ … 保護層（第２の III族窒化物） Ｃ … 目的の単結晶層（第３の III族窒化物） Ｃ′ … キャップ層 ａ … 分離層積層工程 ｂ … 保護層積層工程 ｃ … 単結晶成長工程 α … 分離層消失工程 β … 保護層消失工程 １０１ … 下地基板（サファイア基板） １０２ … バッファ層（ＡｌＮ層） Ｔ_X … 分離層消失工程αにおける熱処理の温度 Ｔ_C … 半導体結晶層Ｃの結晶成長温度 Ｔ_B … 保護層Ｂの結晶成長温度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE15 DB01 ED06 EF01 FJ04 TK11

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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を成長させ、前記下地基板から独立
   した良質の半導体結晶を得る方法であって、 III族窒化物系化合物半導体から成る目的の半導体結晶
   層Ｃを積層する単結晶成長工程ｃよりも前に実施する工
   程として、 前記半導体結晶層Ｃに対して結晶成長面を供する III族
   窒化物系化合物半導体から成る保護層Ｂと前記下地基板
   との間に積層された III族窒化物系化合物半導体から成
   る分離層Ａを熱処理により蒸発させる分離層消失工程α
   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 III族窒化物系化合物半導体は、 「Ａｌ_1-x-y Ｇａ_y Ｉｎ_x Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
   １，０≦１−ｘ−ｙ≦１」 より形成されてい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】前記下地基板として、サファイア、スピネ
   ル、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ
   ₂ ）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）、シリコン（Ｓｉ）、
   炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，
   ＧａＰ，ＭｇＯ，ＺｎＯ、又はＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ を用いた
   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】前記分離層消失工程αにおける前記熱処理
   の温度Ｔ_X と、 前記半導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C と、 前記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B との大小関係を「Ｔ_B
   ＜Ｔ_X ≦Ｔ_C 」としたことを特徴とする請求項１乃至請
   求項３の何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
5. 【請求項５】前記保護層Ｂのインジウム(In)組成比を前
   記分離層Ａのインジウム(In)組成比よりも小さくしたこ
   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】前記半導体結晶層Ｃとして、窒化ガリウム
   （ＧａＮ）を９００℃〜１１００℃で結晶成長させるこ
   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】前記保護層Ｂとして、「Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ
   （0.０≦ｘ≦0.８）」を結晶成長させることを特徴とす
   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】前記分離層Ａとして、「Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ
   （0.０５≦ｘ≦１.0）」を結晶成長させることを特徴と
   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】前記分離層消失工程αにおける前記熱処理
   の温度Ｔ_X を７００℃以上、１１００℃以下としたこと
   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】前記単結晶成長工程ｃよりも後に実施す
    る工程として、 前記保護層Ｂを熱処理により蒸発させる保護層消失工程
    βを有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】前記保護層消失工程βにおける前記熱処
    理の温度を９００℃以上、１２００℃以下としたことを
    特徴とする請求項１０に記載の半導体結晶の製造方法。
12. 【請求項１２】前記分離層消失工程αよりも前に実施す
    る工程として、 前記分離層消失工程αにおける熱分解から前記保護層Ｂ
    を保護するキャップ層を前記保護層Ｂの上に積層してお
    くキャップ層積層工程を有することを特徴とする請求項
    １乃至請求項１１の何れか１項に記載の半導体結晶の製
    造方法。
13. 【請求項１３】前記キャップ層として、前記半導体結晶
    層Ｃと略同組成の III族窒化物系化合物半導体を前記半
    導体結晶層Ｃの結晶成長温度Ｔ_C よりも低い成長温度で
    結晶成長させることを特徴とする請求項１２に記載の半
    導体結晶の製造方法。
14. 【請求項１４】前記キャップ層として、窒化ガリウム
    （ＧａＮ）を８００℃〜１０００℃の成長温度で結晶成
    長させることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に
    記載の半導体結晶の製造方法。
15. 【請求項１５】前記単結晶成長工程ｃの全体若しくは遅
    くとも途中以降の結晶成長を、それまで実施していた結
    晶成長法よりも結晶成長速度の速い第２の結晶成長法で
    実施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】前記分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_A 、又
    は、前記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B を４００℃〜９０
    ０℃としたことを特徴とする請求項１乃至請求項１５の
    何れか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
17. 【請求項１７】前記分離層Ａの結晶成長温度Ｔ_A と、前
    記保護層Ｂの結晶成長温度Ｔ_B との大小関係を「Ｔ_A ≦
    Ｔ_B 」とした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。