JP2009046369A - Ｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体基板及びｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粗研磨を実施したときのクラックの発生率を低下することができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板は、異種基板上にファセット面で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第１の領域と、異種基板上に所定の面方位で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第２の領域とを有し、第１の領域は、第２の領域に対して１０％以下の面積比を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法に関する。特に、本発明は、クラックの発生率が低いＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層は、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、又はハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法等を用いて下地基板上にエピタキシャル成長して形成される。

ここで、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と格子定数が整合する下地基板が存在しないため、低欠陥のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を成長することが困難であり、成長により形成されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層中には転位等の多くの結晶欠陥が含まれていた。結晶欠陥はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を用いて形成される発光素子等の素子特性の向上を阻害する要因であり、低欠陥のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の形成が望まれている。

そこで、高性能の発光素子等の素子の形成に用いられる低欠陥のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の基板を形成する方法としては、下地基板に開口部を有するマスクを形成して、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得るＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、下地基板に酸化シリコンマスクを用いて開口部を有するマスクを形成して、開口部にファセットを形成することにより転位の伝播方向を変更して、エピタキシャル成長層の上面にいたる貫通転位を低減するＦＩＥＬＯ（Ｆａｃｅｔ−Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｅｐｉｔａｘａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法がある（例えば、非特許文献１参照）。

更に、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてＧａＮを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成して、ピットの底部に転位を集積させて、その他の領域を低転位化するＤＥＥＰ（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｅｐｉ−ｇｒｏｗｔｈ ｗｉｔｈ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｐｙｒａｍｉｄａｌ Ｐｉｔｓ）法がある（例えば、特許文献２参照）。

これらＥＬＯ法、ＦＩＥＬＯ法、及びＤＥＥＰ法は、結晶成長中に結晶内を伝播する転位がファセット面の存在によりその伝播の進行方向を曲げる性質を利用して、転位が結晶表面に到達しないようにして基板表面の転位密度を低下させることができる。また、結晶成長界面に、ファセットで囲まれたピットを形成しつつ結晶成長させると、ピットの底部に高密度に転位が集積する性質を利用して、ピットの底部において転位を互いに衝突させて転位を消滅させること、あるいは転位ループを形成させて表面への転位の進行をとめることができる。

以上述べた特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の結晶成長方法では、いずれもファセット成長により結晶転位の伝播方向を変えて、結晶表面を低転位にしている。このようにエピタキシャル成長した結晶を得た後、結晶表面に残存したファセット成長による凹凸がなくなるまで粗研磨して表面の平坦な結晶を得ている。
特開平１１−２５１２５３号公報 特開２００３−１６５７９９号公報 A. Usui, et. al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol.36 (1997) L899

しかし、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の結晶成長方法では、得られた基板を粗研磨するとクラックが発生するという問題がある。本発明者は、このクラックの発生が結晶表面積に対するファセット面で成長した領域の割合に依存しているという知見を得た。

したがって、本発明の目的は、粗研磨を実施したときのクラックの発生率を低下することができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、異種基板上にファセット面で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第１の領域と、異種基板上に所定の面方位で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第２の領域とを有し、第１の領域は、第２の領域に対して１０％以下の面積比を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板が提供される。

また、上記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板は、第１の領域及び第２の領域は、異種基板としてサファイア基板上に成長させられた後、サファイア基板から分離されてもよい。また、第２の領域は、所定の面方位として（０００１）面で成長させられてもよい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、異種基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを第１の分圧で供給して所定の面方位とファセット面とでＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を異種基板上に成長させる第１の結晶成長工程と、第１の結晶成長工程を所定時間継続させた後、第１の分圧よりも高い圧力の第２の分圧でＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを供給することによりファセット面での結晶成長を抑制して、所定の面方位とファセット面とでＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を成長させる第２の結晶成長工程とを備えるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

また、上記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法は、第２の結晶成長工程が、ファセット面で成長する領域の面積が所定の面方位で成長する領域の面積の１０％以下となる第２の分圧でＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを供給してもよい。また、所定の面方位が、（０００１）面であってもよい。

本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法によれば、粗研磨を実施したときのクラックの発生率を低下することができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板を提供することができ、かつ、粗研磨を実施したときのクラックの発生率を低下することができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法を提供することができる。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造の流れの一例を示す。

本実施形態においては、まず、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガス、及びアンモニア（ＮＨ_３）ガスを原料として用いるハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法を用いて、異種基板としてのサファイア基板１０上に所定の厚さのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶としてのＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる。そして、サファイア基板１０上に成長したのＧａＮ結晶からサファイア基板１０を除去して、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板（ＧａＮ自立基板）を得る。

具体的には、まず、図１（ａ）に示すように、所定の面方位としての（０００１）面、すなわち、Ｃ面１０ａを有するサファイア基板１０を、ＨＶＰＥ炉に導入する。ＨＶＰＥ炉では、ＧａＮ結晶の原料ガスとして、第１の分圧を有するＧａＣｌとＮＨ_３とを用いる。そして、キャリアガスとして、５％の水素（Ｈ_２）と９５％の窒素（Ｎ_２）との混合ガスを用いる。また、ＧａＮ結晶の成長条件は、常圧、サファイア基板１０の温度を１０５０℃に設定する。

結晶成長を開始すると、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ結晶からなる複数の初期核２０が、サファイア基板１０上に３次元の島状に生成する。そして、図１（ｃ）に示すように、複数の初期核２０の側壁にファセット面３０ａが生じてＧａＮ結晶の成長が進行する。ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴い、ＧａＮ結晶２２の頂上の領域が平坦化する。そして、平坦化したＧａＮ結晶２２は、サファイア基板１０の表面と水平の方向に成長する。

ここで、ＧａＮ結晶の結晶成長初期においてファセット面３０ａを露出したままの凹凸が存在する状態で結晶成長を所定時間だけ進行させた後、ＧａＮ結晶の成長条件を所定の結晶成長条件に変更する。具体的には、結晶成長開始時から所定時間経過後のＧａＣｌ分圧を、結晶成長開始時の第１の分圧より所定の圧力だけ増加させた第２の分圧に変更して、ファセット面３０ａでの結晶成長を抑制する。より具体的には、結晶成長の表面のファセット面で成長する第１の領域としての領域の総面積が、Ｃ面で成長する第２の領域としての領域の総面積の１０％以下となるＧａＣｌ分圧になるように、ＧａＣｌ分圧を変更する。

そして、結晶成長が進行すると、ＧａＮ結晶２２とＧａＮ結晶２２の原料ガスの気相との成長界面は完全には平坦化せず、ＧａＮ結晶２２の表面には複数のファセット面３０ａで包囲された複数のピット３０が発生する。続いて、ＧａＮ結晶の成長を進行させると、図１（ｄ）に示すように、ＧａＮ結晶２４の表面の平坦化が更に進行する。この状態においては、ＧａＮ結晶２４の表面は完全には平坦化せず、複数の凹凸部２４ａが含まれている。

続いて、ＧａＮ結晶２４が形成されたサファイア基板１０をＨＶＰＥ炉から取り出して、サファイア基板１０を除去する。具体的には、サファイア基板１０を透過すると共に、ＧａＮ結晶２４においては吸収される波長の高出力の紫外線レーザ光を、サファイア基板１０のＧａＮ結晶２４が形成されている面の反対側から照射する。そして、ＧａＮ結晶２４とサファイア基板１０との界面の領域を融解することにより、サファイア基板１０とＧａＮ結晶２４とを分離する（レーザリフトオフ法）。これにより、図１（ｅ）に示すように、ＧａＮ基板２６が得られる。

次に、図１（ｆ）に示すように、ＧａＮ基板２６の表面であるＧａ面を粗研磨することにより、研磨面４０ａを有するＧａＮ自立基板４０が得られる。なお、ＧａＮ基板２６の粗研磨は、所定の粒度を有するダイヤモンド粒子を用いて実施する。一例として、ダイヤモンドの粒度が５００番のダイヤモンド粒子を用いる。

なお、図１（ｂ）において、結晶成長の開始時から所定時間経過後にＧａＣｌ分圧を所定分圧だけ増加させることにより、結晶成長初期のファセット面を露出したままの凹凸としての初期核２０のサファイア基板１０上における密度を減少させることもできる。これにより、図１（ｄ）のような結晶成長の終了時において、ＧａＮ結晶２４の表面の凹凸部２４ａが残る領域を減少させることができる。

図２は、本発明の実施の形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の検査方法の概念を示す。

上記図１において説明したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法において得られたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板としてのＧａＮ自立基板４０の表面を、蛍光顕微鏡を用いて検査する。この検査においては、研磨時においてＧａＮ自立基板４０に発生したクラックと、結晶成長時においてＣ面で成長した領域（Ｃ面成長領域４０ｂ）の面積とファセット面で成長した領域（ファセット成長領域４０ｃ）の面積とを調査する。

表１は、複数のＧａＣｌ分圧でＧａＮ結晶をサファイア基板上に成長したときにおけるＣ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合を示す。

表１においては、供給ガス中のＮＨ_３分圧を５．０７×１０^２Ｐａに設定すると共に、供給ガス中のＧａＣｌ分圧を変化させてＧａＮ基板を形成した。すなわち、供給ガス中のＧａＣｌ分圧を、０．５１×１０^２Ｐａ、１．０１×１０^２Ｐａ、２．０３×１０^２Ｐａ、３．０４×１０^２Ｐａ、４．０５×１０^２Ｐａのそれぞれに設定してＧａＮ基板を形成した。その他の成長条件は図１の上記説明における成長条件と同一である。なお、成長したＧａＮ結晶は、全体で６００μｍの厚さである。

複数のＧａＣｌ分圧のそれぞれを用いてサファイア基板１０上に成長したＧａＮ結晶２４を、レーザリフトオフ法を用いてサファイア基板１０から分離した。そして、所定粒度のダイヤモンド粒子を用いてＧａＮ結晶２４の表面（Ｇａ面）を粗研磨して、厚さが４００μｍのＧａＮ自立基板４０を得た。なお、この粗研磨は、粒度が５００番のダイヤモンド粒子を埋め込んだ直径２００ｍｍの固定砥粒の砥石を用い、砥石の回転数を１５００ｒｐｍ、砥石送り速度を０．１μｍ／秒に設定して実施した。その後、蛍光顕微鏡を用いて、ＧａＮ自立基板４０の表面における、結晶成長時にＣ面で成長（Ｃ面成長）した領域の面積とファセット面で成長（ファセット成長）した領域の面積とを調査した。

表１を参照すると分かるように、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合は、ＧａＣｌ分圧が０．５１×１０^２Ｐａ、１．０１×１０^２Ｐａ、２．０３×１０^２Ｐａ、３．０４×１０^２Ｐａ、そして４．０５×１０^２Ｐａと増加するにしたがって、略線形に減少することが示された。

表２は、本発明の実施例に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の成長方法において、複数のＧａＣｌ分圧でＧａＮ結晶をサファイア基板上に成長したときにおけるＣ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合を示す。

本実施例においては、ＧａＮ結晶の成長条件を結晶成長の途中で変更してＧａＮ結晶を成長した。具体的には、表１における複数のＧａＣｌ分圧で結晶成長を開始時から１０分経過した後に、それぞれのＧａＣｌ分圧を１．５２×１０^３Ｐａに増加させた。その他の結晶成長条件、リフトオフ方法、研磨条件、及び検査方法は表１の場合と同一である。

表２を参照すると分かるように、Ｃ面で成長した領域の総面積に対するファセット面で成長した領域の総面積の割合は、ＧａＣｌ分圧を結晶成長開始時から所定時間経過後に増加させることにより、表１の場合よりも低下することが示された。特に、結晶成長初期のＧａＣｌ分圧が３．０４×１０^２Ｐａ及び４．０５×１０^２Ｐａであって、結晶開始から１０分経過後にＧａＣｌ分圧を１．５２×１０^３Ｐａに更に増加させることにより、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合が１０％以下になることが示された。

表３は、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット面成長した領域の面積の割合に応じた、基板表面を粗研磨したときのクラック発生率の調査結果を示す。

図３は、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット面成長した領域の面積の割合に応じた、基板表面を粗研磨したときのクラック発生率のグラフを示す。

まず、上記表１及び表２のように結晶成長条件を変化させて複数のＧａＮ基板を形成した。具体的には、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合が９０％から１００％、８０％から９０％、７０％から８０％、６０％から７０％、５０％から６０％、４０％から５０％、３０％から４０％、２０％から３０％、１０％から２０％、及び０％から１０％であるＧａＮ基板をそれぞれ５０枚ずつ形成した。そして、ダイヤモンド粒子（粒度５００番）でＧａＮ基板の基板表面（Ｇａ面）を粗研磨することにより、クラックの発生率を調査した。

表３及び図３を参照すると分かるように、Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット成長した領域の総面積の割合が０％から１０％の範囲内で形成されたＧａＮ基板において、クラック発生率が４%となった。

なお、Ｃ面で成長した領域の総面積に対するファセット面で成長した領域の総面積の割合が異なることによりＧａＮ基板の粗研磨時のクラック発生率が異なる理由は、発明者は次のように推測した。

すなわち、Ｃ面で成長した領域とファセット面で成長した領域とはそれぞれ、化学的及び物理的な性質が異なるため、粗研磨時にＣ面で成長した領域とファセット面で成長した領域とのそれぞれに不均一に加工歪が入る。そして、この加工歪によりＧａＮ基板表面に応力が発生して、クラックが発生しやすいと発明者は推測した。また、ＧａＮ基板表面には、ファセット構造による凹凸が残り、ＧａＮ基板表面の形状が不均一になるため、基板の粗研磨時にクラックが発生しやすいとも発明者は推測した。

これらの推測は、発明者の以下の知見から得られたものである。すなわち、結晶成長時にファセット面で成長した領域は、Ｃ面で成長した領域よりも酸素が多くドープされることが知られている。また、発明者が、ＧａＮ基板の表面をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により分析したところ、結晶成長の反応管の材質として用いられている石英に含まれるシリコン（Ｓｉ）が、ファセット面で成長した領域とＣ面で成長した領域とのそれぞれに異なる濃度で含まれていることが分かった。発明者によると、ファセット面で成長した領域のＳｉ濃度は６×１０^１８ｃｍ^−３であり、Ｃ面で成長した領域のＳｉ濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３であることが分かった。

これにより発明者は、Ｃ面で成長した領域とファセット面で成長した領域とはそれぞれ、化学的及び物理的な性質が異なるという知見を得た。そして、結晶表面に残存したファセット面で成長した領域による凹凸は、研磨により除去することを要する。研磨は、粗研磨、精密研磨、及び化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）の３段階の研磨により実施する。この際に、砥粒の粒径を粗研磨、精密研磨、及び化学機会研磨の順に小さくしていくことによりウエハ表面をミラー化する。研磨においては粗研磨時に用いる砥粒の粒径が他の研磨において用いる砥粒の粒径より大きいため、最も基板にダメージを与える。特に、発明者は、化学的及び機械的な性質がそれぞれ異なるＣ面で成長した領域とファセット面で成長した領域とが混在することにより、粗研磨時に基板にクラックが発生しやすいと考えたものである。

以上により、サファイア基板１０上に成長したＧａＮ基板をサファイア基板１０から分離した後の粗研磨時のクラック発生率を大幅に低下させるには、Ｃ面で成長した領域の総面積に対するファセット面で成長した領域の面積の割合を１０％以下にすればよいことが示された。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶としてのＧａＮ結晶の結晶成長開始時から所定時間経過後に所定の原料ガスの分圧を増加させることにより、Ｃ面で成長した領域の総面積に対するファセット面で成長した領域の総面積の割合を１０％以下にすることができる。これにより、得られたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板を粗研磨したときのクラック発生率を大幅に低下させることができる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

実施の形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造工程の図である。 実施の形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の検査方法の概念図である。 Ｃ面成長した領域の総面積に対するファセット面成長した領域の面積の割合に応じた、基板表面を粗研磨したときのクラック発生率を示す図である。

符号の説明

１０ サファイア基板
１０ａ Ｃ面
２０ 初期核
２２、２４ ＧａＮ結晶
２４ａ 凹凸部
２６ ＧａＮ基板
３０ ピット
３０ａ ファセット面
４０ ＧａＮ自立基板
４０ａ 研磨面
４０ｂ Ｃ面成長領域
４０ｃ ファセット成長領域

Claims (6)

1. 異種基板上にファセット面で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第１の領域と、
   前記異種基板上に所定の面方位で成長したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体結晶の第２の領域とを有し、
   前記第１の領域は、前記第２の領域に対して１０％以下の面積比を有する
   ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板。
2. 前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記異種基板としてサファイア基板上に成長させられた後、前記サファイア基板から分離される
   請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板。
3. 前記第２の領域は、前記所定の面方位として（０００１）面で成長させられる
   請求項１又は２に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板。
4. 異種基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを第１の分圧で供給して所定の面方位とファセット面とでＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を前記異種基板上に成長させる第１の結晶成長工程と、
   前記第１の結晶成長工程を所定時間継続させた後、前記第１の分圧よりも高い圧力の第２の分圧で前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを供給することにより前記ファセット面での結晶成長を抑制して、前記所定の面方位と前記ファセット面とでＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を成長させる第２の結晶成長工程と
   を備えるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法。
5. 前記第２の結晶成長工程が、前記ファセット面で成長する領域の面積が前記所定の面方位で成長する領域の面積の１０％以下となる前記第２の分圧で前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料ガスを供給する
   請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法。
6. 前記所定の面方位が、（０００１）面である
   請求項４又は５に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板の製造方法。

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