JP2010254483A - 窒化物系半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上層にエピタキシャル層を成長させた場合に、その結晶性を劣化させることのない、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好な窒化物系半導体基板を提供する。
【解決手段】基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板１をＨ2ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより、基板表面が２モノレイヤーステップ構造となった窒化物系半導体基板が得られる。熱処理の雰囲気中には、適度なエッチングガス、例えばＨＣｌガスが含まれていてもよい。また、エッチングにより基板表面の凹凸が激しくなるような場合は、エッチングを抑制する効果のあるＮＨ3ガスを適度に雰囲気中に混合してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体結晶からなる自立した窒化物系半導体基板に関するものである。

ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板を得る方法として、特許文献１に示されるようなＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits）法や、特許文献２に示されるようなボイド形成剥離法（Void-assisted Separation Method：ＶＡＳ法）が挙げられるが、これら方法で製造したＧａＮ単結晶基板のアズグロウンの状態は、表面にピットやヒロック等の大きな凹凸や、ステップバンチングによって現れると思われる微少な凹凸が多数存在している。

これら凹凸は、その上にエピタキシャル層を成長させたときのモフォロジや、膜厚、組成等を不均一にする要因となるばかりでなく、デバイス作製プロセスにおいても、フォトリソグラフィ工程の露光精度を落とす要因となる。

従って、ＧａＮ単結晶基板の基板表面は平坦であることが望ましく、ＧａＮ単結晶基板の表面と裏面を研磨加工して鏡面に仕上げてから、デバイス作製に使用するのが一般的である。

特開２００３−１６５７９９号公報 特開２００６−０５２１０２号公報 特開２００３−２０９２５１号公報 特開２００７−２７７０７７号公報

しかしながら、ＧａＮ単結晶基板の基板表面を鏡面に仕上げるべく研磨加工を施すと、研磨前に比べてＸ線ロッキングカーブ半値幅が悪く（大きく）なる。Ｘ線ロッキングカーブ半値幅とは、Ｘ線ロッキングカーブ法により測定された結晶の配向分布を示すロッキングカーブのピークの半値幅のことであり、この値が大きいほど結晶の配向性のばらつきが大きく結晶性が悪化していることを意味する。

また、その研磨加工後のＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル層を形成すると、さらにそのエピタキシャル層のＸ線ロッキングカーブ半値幅が悪くなる傾向が見られる。つまり、ＧａＮ単結晶基板のＸ線ロッキングカーブ半値幅が悪いと、その上にエピタキシャル層を成長させたときに、ＧａＮ単結晶基板の結晶性の悪さに起因して、エピタキシャル層の結晶性も劣化し、作製するデバイス（発光素子、電子素子等）の特性を悪化させてしまう場合がある。

これは、図４に示すように、研磨によってダメージを受けたダメージ層の影響や、基板表面に形成されるスクラッチの影響が考えられる。このように、ＧａＮ単結晶基板のダメージや基板表面のスクラッチの影響は、その上に成長されるエピタキシャル層に伝搬してしまう。

研磨によるダメージや基板表面のスクラッチを取り除く方法の一つとして、特許文献２に示されるように、研磨されたＧａＮ単結晶基板を少なくともＮＨ₃ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理して、基板表面を平坦化する方法がある。

しかしながら、本発明者らが調べたところ、１００％のＮＨ₃ガス雰囲気中、基板温度１０５０℃で１０分間熱処理を施したＧａＮ単結晶基板でも、基板表面のＲＭＳ（平均二乗平方根粗さ）は０．２ｎｍ程度になったが、図５に示すように、スクラッチや研磨によるダメージが十分に取り除かれておらず、研磨前のアズグロウンのＧａＮ単結晶基板に比べ、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が悪くなる結果が得られた。さらに、そのＧａＮ単結晶基板上に成長させたエピタキシャル層のＸ線ロッキングカーブ半値幅も悪くなるという問題が発生した。

このように、従来のＧａＮ単結晶基板では、ＧａＮ単結晶基板のＸ線ロッキングカーブ半値幅が悪く、その上層にエピタキシャル層を成長させた場合に、その結晶性を劣化させてしまう場合がある。

そこで、本発明の目的は、上層にエピタキシャル層を成長させた場合に、その結晶性を劣化させることのない、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好な（小さい）窒化物系半導体基板及びそ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に創案されたものであり、請求項１の発明は、基板表面が２モノレイヤーステップ構造となっている窒化物系半導体基板である。

請求項２の発明は、前記２モノレイヤーステップ構造は、基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより形成される請求項１に記載の窒化物系半導体基板である。

請求項３の発明は、前記熱処理の雰囲気中に、ＮＨ₃ガスが含まれている請求項２に記載の窒化物系半導体基板である。

請求項４の発明は、前記熱処理の雰囲気中に、ＨＣｌガスが含まれている請求項２又は３に記載の窒化物系半導体基板である。

請求項５の発明は、基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理し、前記基板表面を２モノレイヤーステップ構造に形成する窒化物系半導体基板の製造方法である。

請求項６の発明は、前記熱処理の雰囲気中に、ＮＨ₃ガスを含む請求項５に記載の窒化物系半導体基板の製造方法である。

請求項７の発明は、前記熱処理の雰囲気中に、ＨＣｌガスを含む請求項５又は６に記載の窒化物系半導体基板の製造方法である。

本発明によれば、上層にエピタキシャル層を成長させた場合に、その結晶性を劣化させることのない、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好な窒化物系半導体基板を提供することができる。

本発明の窒化物系半導体結晶基板の基板表面の模式的な断面図である。 本発明の窒化物系半導体結晶基板の基板表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像（５μｍ角）である。 研磨加工後のＧａＮ単結晶基板を１００％のＮＨ₃ガス雰囲気中、基板温度１０５０℃で１０分間熱処理した窒化物系半導体結晶基板の基板表面の模式的な断面図である。 研磨加工後のＧａＮ単結晶基板の基板表面のＡＦＭ像（５μｍ角）である。 研磨加工後のＧａＮ単結晶基板を１００％のＮＨ₃ガス雰囲気中、基板温度１０５０℃で１０分間熱処理した窒化物系半導体結晶基板の基板表面のＡＦＭ像（５μｍ角）である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の窒化物系半導体結晶基板の基板表面の模式的な断面図であり、図２は、その基板表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像（５μｍ角）である。

図１、図２に示すように、窒化物系半導体結晶基板１は、基板表面が２モノレイヤーステップ構造となっているものである。

２モノレイヤーステップ構造とは、平坦なテラス４とＧａ原子層２＋Ｎ原子層３の２層原子層に対応する高さの段差であるステップ５とが規則正しく配列された構造である。すなわち、平面高さの異なるテラス４とそのテラス４間のステップ５とで階段状に形成された構造である。

この２モノレイヤーステップ構造の形成方法は限定されるものではないが、例えば、基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより形成される。これは、熱処理温度が１０００℃より高いとエッチングが激しくなり、また８００℃より低いと基板表面の原子再配列が容易に起こらず、２モノレイヤーステップ構造になりにくいからである。

熱処理の雰囲気中には、適度なエッチングガス、例えばＨＣｌガスが含まれていてもよい。また、エッチングにより基板表面の凹凸が激しくなるような場合は、エッチングを抑制する効果のあるＮＨ₃ガスを適度に雰囲気中に混合してもよい。

これにより、基板表面に大きな凹凸を作らずに、原子再配列を行わせ、２モノレイヤーステップ構造を形成できる。

基板表面を２モノレイヤーステップ構造とする理由を以下に述べる。

特許文献２に示されるように、研磨されたＧａＮ単結晶基板を少なくともＮＨ₃ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上で熱処理して、基板表面を平坦化する方法がある。

この方法を用いて、１００％のＮＨ₃ガス雰囲気中、基板温度１０５０℃で１０分間熱処理して、基板表面を平坦化した窒化物系半導体結晶基板の模式的な断面図を図３に示す。

図３に示すように、従来の方法で平坦化された窒化物系半導体結晶基板１００の基板表面は、１原子層に対応するテラス１０１とステップ１０２が規則正しく配列されたモノレイヤーステップ構造となっている。

しかしながら、このモノレイヤーステップ構造では、例えば、発光素子や電子素子等のデバイスを形成すべく、その基板表面にＧａＮエピタキシャル層を成長させた場合に、ステップ１０２を境にＧａ原子層１０３とＮ原子層１０４のフェーズの異なるアンチフェーズドドメインバウンダリ等の面欠陥が発生しやすい。

これに対し、基板表面を２モノレイヤーステップ構造とした本発明の窒化物系半導体結晶基板１では、基板表面にＧａＮエピタキシャル層を成長させた場合、成長の最初から２モノレイヤーのステップフローで成長させることができ、ステップ５が発生原因となるアンチフェーズドドメインバウンダリを発生させることなく、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好なＧａＮエピタキシャル層を成長させることが可能となる。そのため、本発明では基板表面を２モノレイヤーステップ構造としている。

従来は、典型的な機械研磨後の基板表面のＲＭＳは１．０ｎｍ程度であり、このような基板表面が粗い窒化物系半導体結晶基板上にエピタキシャル層を成長させた場合には、凹凸部でのランダムな核発生による３次元成長が起きてしまうため、平坦な基板表面を得ることが難しいと考えられてきた。

また、このような成長モードでは、生成した成長核同士が合体する際に、核間に存在する微小な結晶の方位ずれに起因して転位等の結晶欠陥が発生してしまい、結晶性が劣化する原因となると考えられてきた。

しかしながら、本発明者らは、窒化物系半導体結晶基板の表面粗さが結晶性を劣化させる本質的な問題ではないと考える。つまり、本発明は表面粗さに関係なく、基板表面が２モノレイヤーステップ構造をとれば、マクロなうねり等により基板表面が粗くなったとしても、ステップ５が発生原因となるアンチフェーズドドメインバウンダリを発生させることなく、エピタキシャル層を成長させることが可能である。

以上要するに、本発明の窒化物系半導体結晶基板１は、基板表面が２モノレイヤーステップ構造となっているため、窒化物系半導体結晶基板１上にエピタキシャル層を成長させた場合に、ステップ５が発生原因となるアンチフェーズドドメインバウンダリを発生させることはない。よって、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好で結晶性の良いエピタキシャル層を成長させることができる。そのため、この窒化物系半導体結晶基板１を用いて作製するデバイスの特性を向上させることができる。

また、窒化物系半導体結晶基板の基板表面の全面に亘って、２モノレイヤーステップ構造をとれればよいが、部分的にしかとれないような場合でも、その領域で、上記の効果を期待できるので、基板表面が部分的に２モノレイヤーステップ構造であってもよい。

次に、窒化物系半導体結晶基板１の製造方法をより具体的に説明する。

先ず、窒化物系半導体結晶基板１に用いるＧａＮ単結晶基板（窒化物系半導体結晶基板１の前駆体）を作製する。具体的には、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、サファイア基板上に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＮＨ₃を供給し、ＧａＮ層を成長させる。

その後、ＧａＮ層上に、Ｔｉ薄膜を蒸着により形成し、これを電気炉に入れてＮＨ₃とＨ₂の混合ガス雰囲気中、基板温度１０５０℃で２０分間熱処理を施して、ＧａＮ層の一部をエッチングして高密度の空隙を発生させてボイド形成ＧａＮ層に変化させる。

この基板をＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）炉に入れ、ＧａＮ単結晶基板となるＧａＮを堆積させる。その後、基板を冷却すると、サファイア基板からＧａＮが剥離され、ＧａＮ単結晶基板が得られる。

得られたＧａＮ単結晶基板を研磨装置を用いて、その基板表面が平坦となるように、表裏面を研磨する。研磨後、ＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理して、基板表面を２モノレイヤーステップ構造とする。これにより、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好な窒化物系半導体結晶基板１が得られる。

以上説明した窒化物系半導体結晶基板１の製造方法によれば、研磨後のＧａＮ単結晶基板を、Ｈ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することで、容易にＸ線ロッキングカーブ半値幅が良好な窒化物系半導体結晶基板１を製造することができる。

本発明の効果を実証すべく、様々な条件で窒化物系半導体結晶基板を作製した。以下、本実施例の窒化物系半導体結晶基板の製造方法について説明する。

先ず、窒化物系半導体結晶基板に用いるＧａＮ単結晶基板については、ＶＡＳ法を用いて、サファイア基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより、ＧａＮ単結晶基板を得た。

具体的には、直径２インチのサファイアＣ面基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、ＴＭＧとＮＨ₃を原料として、アンドープのＧａＮ層を３００ｎｍの厚さに成長させた。

その後、このＧａＮ層上に、Ｔｉ薄膜を２０ｎｍの厚さに蒸着し、これを電気炉に入れて、２０％のＮＨ₃と８０％のＨ₂の混合ガス雰囲気中、１０５０℃で２０分間熱処理を施した。その結果、ＧａＮ層の一部がエッチングされて高密度の空隙が発生してボイド形成ＧａＮ層に変化すると共に、Ｔｉ薄膜が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成された穴形成ＴｉＮ層に変化した。

この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、ＧａＮを全体で８００μｍの厚さに堆積させた。Ｇａメタルのボートは９００℃に加熱し、基板側は１１００℃とし、キャリアガスとして５％のＨ₂と９５％のＮの混合ガスを用いた。原料ガスとしてＨＣｌガスとＧａを反応させてＧａＣｌを生成させ、同時にＮＨ₃ガスを供給し、成長の開始時には、Ｖ／III比が１２になるように流量を調整した。

この条件でＧａＮの核が穴形成ＴｉＮ層上に３次元の島状に成長され、次いで結晶同士が横方向に成長され互いに結合し、基板表面の平坦化が進行していった。この様子は、成長時間を変えて炉外に取り出した基板の基板表面及び断面を顕微鏡観察することにより確認した。

ＧａＮの結晶成長の終了後、ＨＶＰＥ炉を冷却する過程で、ＧａＮはボイド形成ＧａＮ層を境に下地基板であるサファイア基板から自然に剥離し、８００μｍの厚さのＧａＮ単結晶基板が得られた。

得られたＧａＮ単結晶基板の基板表面のＡＦＭ観察を行ったが、研磨前のため、凹凸が激しくうまく測定できなかった。ＧａＮ単結晶基板のＸ線ロッキングカーブ半値幅についても測定したところ６３秒であった。

その後、ＧａＮ単結晶基板を研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、その基板表面が平坦となるように、表裏面研磨し、４００μｍの平坦なＧａＮ単結晶基板が得られた。

得られた研磨後のＧａＮ単結晶基板について、基板表面のＡＦＭ観察及びＸ線ロッキングカーブ半値幅を測定した。その結果、ＧａＮ単結晶基板のＸ線ロッキングカーブ半値幅は２００３秒まで悪化していた。

このＧａＮ単結晶基板を分割し、分割したＧａＮ単結晶基板の欠片を１枚ずつ表１に示すような熱処理条件で、電気炉にて熱処理を施した。様々な熱処理条件で熱処理し、取り出した窒化物系半導体結晶基板について、基板表面のＡＦＭ観察及びＸ線ロッキングカーブ半値幅（（１０−１０）回折半値幅）を測定した。

その結果、Ｈ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより、２モノレイヤーステップ構造（２ＭＬステップ表面）を形成することができ、この２モノレイヤーステップ構造の基板表面を持つ窒化物系半導体結晶基板については、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が劇的に改善し、アズグロウン時とほぼ同等な値が得られた。

さらに、各熱処理条件で熱処理を施した各窒化物系半導体結晶基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、ＴＭＧとＮＨ₃を原料として、アンドープのＧａＮ層を２μｍの厚さにエピタキシャル成長させた。

ＧａＮ層をエピタキシャル成長させた各窒化物系半導体結晶基板について、ＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ半値幅を測定した結果、２モノレイヤーステップ構造の基板表面を持つ窒化物系半導体結晶基板についてはＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ半値幅は変化せず、アズグロウン時と同等な値をキープしており、モノレイヤーステップ構造（１ＭＬステップ表面）の基板表面を持つ窒化物系半導体結晶基板やスクラッチ残りのある窒化物系半導体結晶基板についてはＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブ半値幅が悪化した。

このように、ＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより、上層にエピタキシャル層を成長させた場合に、その結晶性を劣化させることのない、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が良好な窒化物系半導体基板を得られる。そのため、この窒化物系半導体結晶基板１を用いて作製するデバイスの特性を向上させることができる。

Claims (7)

1. 基板表面が２モノレイヤーステップ構造となっていることを特徴とする窒化物系半導体基板。
2. 前記２モノレイヤーステップ構造は、基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理することにより形成される請求項１に記載の窒化物系半導体基板。
3. 前記熱処理の雰囲気中に、ＮＨ₃ガスが含まれている請求項２に記載の窒化物系半導体基板。
4. 前記熱処理の雰囲気中に、ＨＣｌガスが含まれている請求項２又は３に記載の窒化物系半導体基板。
5. 基板表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板をＨ₂ガスを含んだ雰囲気中、基板温度８００℃以上１０００℃以下で熱処理し、前記基板表面を２モノレイヤーステップ構造に形成することを特徴とする窒化物系半導体基板の製造方法。
6. 前記熱処理の雰囲気中に、ＮＨ₃ガスを含む請求項５に記載の窒化物系半導体基板の製造方法。
7. 前記熱処理の雰囲気中に、ＨＣｌガスを含む請求項５又は６に記載の窒化物系半導体基板の製造方法。

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