JP2011173749A - 窒化物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成長途中に生じる凹部を縮小させ、バルク状でかつ結晶性の高い窒化物半導体単結晶体の製造方法を提供する。
【解決手段】気相成長法による窒化物半導体単結晶の製造方法であって、種基板１との界面の裏側に主面および凹部を有する第１の窒化物半導体単結晶部２を前記種基板１上に成長させる工程と、前記凹部内にマスク４を設ける工程と、前記マスク４を覆うように前記第１の窒化物半導体結晶部２上に第２の窒化物半導体結晶部を成長させる工程と、を具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、気相成長法によって窒化物半導体単結晶を成長させる単結晶体の製造方法に関するものである。

単結晶体のなかでも、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどの窒化物半導体単結晶体は、発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子，トランジスタ，パワーＦＥＴ（Field Effect Transistor）などのパワーデバイスなどの電子素子などに用いられ、今後、使用の拡大が見込まれている。

しかしながら、窒化物半導体単結晶は、高融点であること、Ｎ（窒素）の平衡蒸気圧が高いことなどから、液相からのバルク型の単結晶の製造が困難である。そのため、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３），炭化珪素（ＳｉＣ）などの種基板上に薄膜を気相成長させて、その薄膜を各種デバイス用に利用することが行われている。

例えば、特許文献１には、気相成長法としてハイドライド気相成長法を用い、アンモニアガスおよび塩化ガリウムガスの原料ガスを供給させることで窒化ガリウムの単結晶体を種基板上に設ける技術が記載されている。

特開２００３−１６５７９９号公報

しかし、気相成長法によって窒化物半導体からなる単結晶を成長させる際、成長途中の単結晶の成長面に凹部が生じる場合がある。この凹部は種々の要因によって発生する。一部の凹部を放置したまま成長を続けると、成長により単結晶の厚みが大きくなるにしたがって、単結晶の成長面の凹部の深さはより深くなる場合があり、結果として得られる単結晶は、表面に凹部を有し、品質に劣る場合があった。

従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、成長途中に生じる凹部を縮小させ、バルク状でかつ結晶性の高い単結晶体の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体単結晶の製造方法は、気相成長法によって種基板上に単結晶を成長させる窒化物半導体単結晶の製造方法であって、種基板との界面の裏側に主面および凹部を有する第１の窒化物半導体単結晶部を前記種基板上に成長させる工程１と、前記凹部内にマスクを設ける工程２と、前記マスクを覆うように前記第１の窒化物半導体結晶部上に第２の窒化物半導体結晶部を成長させる工程３と、を具備する。

前記凹部の底部には、反転ドメイン領域の一部が露出し、前記工程２は、前記底部を前記マスクにより覆う工程であることが好ましい。

前記工程２は、前記凹部以外に設けられたマスクを除去する工程をさらに含むことが好ましい。

前記工程２は、スピンコート法によりマスクを設ける工程であることが好ましい。

前記凹部は、前記種基板側に向かって先細りした形状であることが好ましい。

前記凹部は、錐状または錐台状を示すことが好ましい。

前記第１の窒化物半導体単結晶部において、前記主面の面方位が（０００１）面であり、前記凹部の前記底部の面方位が（０００−１）面であることが好ましい。

前記気相成長法は、ハイドライド気相成長法であることが好ましい。

本発明の窒化物半導体単結晶の製造方法によれば、単結晶体の成長途中で一旦成長を止め、単結晶体の成長面に設けられた凹部内にマスクを設けたのち、単結晶体を再度成長させることで、表面の凹部が低減され、品質の優れた単結晶体を作製することができる。

（ａ）は工程１により得られた第１の窒化物半導体単結晶部２を示す断面図であり、（ｂ）は錐状の凹部２ｂを示す断面図であり、（ｃ）は錐台状の凹部２ｂを示す断面図である。 （ａ）は窒化ガリウム単結晶の原子の配列を示す断面図であり、（ｂ）は反転ドメイン領域３を有する窒化ガリウム単結晶の原子の配列を示す断面図である。 反転ドメイン領域３を有する第１の窒化物半導体単結晶部２の断面図を示す。 工程２によりマスク４が設けられた第１の窒化物半導体単結晶部２の断面図を示す。 工程３により得られた第２の窒化物半導体単結晶部５を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は工程３により成長途中の第２の窒化物半導体単結晶部５を示す断面図である。

以下、図面にもとづいて本発明を説明するが、本発明の内容は図面に限定されない。

本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体単結晶の製造方法は、主として、３つの工程から構成される。

（工程１）
工程１では、種基板１上に気相成長法によって、所望する窒化物半導体単結晶の成長途中段階である第１の窒化物半導体単結晶部２を成長させる（図１（ａ）参照）。

図１（ａ）に示すように、第１の窒化物半導体単結晶部２の表面（種基板１との界面の裏側の面をいう）には、主面２ａおよび凹部２ｂを有する。なお、主面２ａとは、前述した第１の窒化物半導体単結晶部２の表面のうち、凹部２ｂを除く面をいう。図１（ａ）には、主面２ａが平面の場合を示すが、主面２ａは例えば曲面でもかまわない。

工程１では、第１の窒化物半導体単結晶部２の厚み（種基板１との界面から主面２ａまでの厚み）が１〜５０μｍであり、また、凹部２ｂの深さが０．５〜５０μｍとなるまで窒化物半導体単結晶を成長させる。

凹部２ｂは、種基板１側に向かって先細りした形状を示す。凹部２ｂが示す先細り形状
としては、例えば、図１（ｂ）に示すように凹部２ｂの底部２ｂａが点状の錐状のものが挙げられ、錐状としては、６角錐状、１２角錐状などが挙げられる。また、凹部２ｂが示す先細り形状としては錐状の他に、例えば、図１（ｃ）に示すように、凹部２ｂの底部２ｂａが面状の錐台状が挙げられる。錐台状としては、６角錐台状、１２角錐台状などが挙げられる。

ここで、工程１において第１の窒化物半導体単結晶部２中に作成される反転ドメイン領域の影響によって生じる凹部２ｂ（ピット）について以下に示す。

第１の窒化物半導体単結晶部２の成長途中において、反転ドメイン領域３が発生する場合がある。窒化物半導体単結晶として窒化ガリウムを例に挙げる。一般的に窒化ガリウム単結晶はガリウム極性とＮ極性を有しており、縦方向（単結晶の厚み方向ｘ）にはガリウム原子と窒素原子とが交互に並び、横方向にはガリウム原子および窒素原子がそれぞれ同じ原子同士で並び、規則正しい配列を形成している（図２（ａ））。

しかし、気相成長法により窒化ガリウム単結晶を成長させる際、ある確率で、横方向に並んだガリウム原子および窒素原子のうち、一方の原子同士の行の中に他方の原子が形成される。そして、単結晶をさらに成長させると、他方の原子上には一方の原子が、さらに一方の原子上には他方の原子が交互に成長するため、縦方向において、原子の並びが反転した領域が生じる。この領域を反転ドメイン領域３という（図２（ｂ））。

この反転ドメイン領域３は、気相成長法により窒化物半導体単結晶を形成する際、サファイアなどの異種基板を種基板として用いる場合、あるいは異種基板上に成長させた窒化物半導体単結晶を種基板として用いる場合に発生する。

この反転ドメイン領域３をそのままの状態で、さらに窒化物半導体単結晶を成長させると、反転ドメイン領域３の結晶成長は、その他の結晶成長よりも遅いため、底部２ｂａとして反転ドメイン領域３の一部が露出する凹部２ｂが発生する（図３）。

なお、工程１において成長させた第１の窒化物半導体２において、主面２ａの面方位は（０００１）、凹部２ｂの底部２ｂａの面方位は（０００−１）となる。

工程１における気相成長法としては、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることが好ましい。なお、その他の気相成長法としては有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、昇華法などが挙げられるが、成長速度が速く、品質も良く、窒化物体を作製させやすいという理由によりＨＶＰＥ法が好ましい。

なお、ＨＶＰＥ法により例えば、窒化ガリウム単結晶を作製する場合、ガスガリウム融液に塩化水素ガスを流すことで生成された塩化ガリウムと、アンモニアガスと、を混合させて、所定の温度とした種基板１に供給することによって種基板１の表面に窒化ガリウムの単結晶体を高速で成長させることができる。

また、種基板１としては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮなどの３族窒化物単結晶体、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ単結晶、ＡｌＮ単結晶、またはＧａＮ単結晶およびＡｌＮ単結晶の混晶などを挙げることができる。種基板１としては、得られる単結晶体の品質に優れることから、成長させる単結晶体と同一の材料、つまり、ホモエピタキシャル成長させるものが好ましい。種基板１の厚みは０．３〜０．６ｍｍ程度である。また、種基板１が円板状である場合、種基板１の直径は２０ｍｍ〜６０ｍｍである。

（工程２）
工程２では、凹部２ｂ内にマスク４を設ける（図４）。マスク４の形成法としては、スパッタ法、スピンコート法などが挙げられる。また、マスク４の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどが挙げられる。

工程２では、工程を行なった結果として、図４に示すように、余分なマスク４が第１の窒化物半導体単結晶２の主面２ａを覆わないようにすることが好ましい。こうした後、工程３を行うことにより、第２の窒化物半導体単結晶５の成長速度および結晶品質を向上させることができる。この観点から、凹部２ｂ内の底部２ｂａにのみマスク４が覆われていることが好ましい。

上述のように、工程２の結果物において余分なマスク４が設けられないように、一旦マスク４を形成した後、凹部２ｂ以外に設けられたマスク４を除去する工程を含むことが好ましい。除去工程には、ウェットエッチング、ドライエッチングなどが挙げられる。また、本工程前のマスク形成法としては、マスク４の厚みが主面２ａ上と凹部２ｂ上とで同じになるスパッタ法よりも、異なる厚みにすることが可能なスピンコート法が好ましい。スピンコート法を用いる場合、マスク材料としては、スピンオングラス（ＳＯＧ）を用いることが好ましい。

工程２において得られるマスク４の厚み（凹部２ｂの底部２ｂａからマスク４上面までの厚み）は０．５〜４０μｍである。

（工程３）
工程３では、マスク４を覆うように第１の窒化物半導体結晶部２上に第２の窒化物半導体単結晶部５を成長させる（図５参照）。なお、第２の窒化物半導体結晶部５は、第１の窒化物半導体結晶部２上に成長したものであり、図５の点線より上の部位を示す。

工程３における気相成長法としても、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、昇華法などが挙げられるが、工程１と同様にＨＶＰＥ法が好ましい。

工程３において第２の窒化物半導体単結晶部５の成長の経過を図６に示す。

第１の窒化物半導体結晶部２上に第２の窒化物半導体単結晶部５を成長させると、凹部２ｂの内壁面からマスク４を覆うように、横方向成長が生じる。

そして、横方向成長によって、凹部が埋められていき（図６（ａ）から（ｂ））、最終的に得られた窒化物半導体単結晶は、図５に示すように上面が平坦なものが得られる。とくに、凹部が先細り形状であって、工程２において凹部の斜面を残すようにマスクを設けた場合、凹部の中央付近で出会うように、斜面から結晶が横方向成長する。これにより、凹部はより早く埋められることになるため好適である。凹部としては、前述のように錐状または錐台状が好ましく、とくに斜面が互いに向かいあう錐状または錐台状が好ましい。

このように、工程１から工程３を経ることによって結晶性が高く、結晶品質のばらつきが小さく、さらに厚みが大きいバルク状の単結晶体（いわゆるインゴット）をも製造することができる。このように、大きな厚みを有し、かつ単結晶体内における結晶品質のばらつきが小さい単結晶体から、ダイシングをすることにより、複数枚の単結晶基板を切り出すことができる。そして、大口径の単結晶体が得られた場合、大口径単結晶基板を切り出すことが可能となる。

得られた窒化物半導体単結晶は、例えば、以下に示す方法により基板形状に加工される
。

まず、ダイアモンド砥石を使用して成長させた窒化物半導体単結晶を外周研削して所定の外径とする。次に、ダイアモンド砥粒などを固着させたワイヤ、または、真鍮ワイヤにダイアモンドまたはＳｉＣ砥粒をスラリーで滴下しながら、ワイヤの往復運動で結晶を切断するワイヤーソーにより、所定厚み（例えば０．６ｍｍ）のウェハ形状に切り出す。

そして、単結晶ウェハの両面をダイアモンド砥粒、または、ＳｉＣ砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いてデバイス工程で使用する表面を鏡面研磨することにより、単結晶ウェハ基板を得る。

以上より、光学素子、電子素子に適用される窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長するのに好適なバルク型でかつ高品質な単結晶基板の製造が可能となる。

１： 種基板
２： 第１の窒化物半導体単結晶部
２ａ： 第１の窒化物半導体単結晶部２の主面
２ｂ： 第１の窒化物半導体単結晶部２の凹部
２ｂａ：凹部２ｂの底部
３： 反転ドメイン領域３
４： マスク
５： 第２の窒化物半導体単結晶部

Claims (8)

1. 気相成長法によって種基板上に単結晶を成長させる窒化物半導体単結晶の製造方法であって、
   前記種基板の反対側に主面および凹部を有する第１の窒化物半導体単結晶部を前記種基板上に成長させる工程１と、
   前記凹部内にマスクを設ける工程２と、
   前記マスクを覆うように前記第１の窒化物半導体結晶部上に第２の窒化物半導体結晶部を成長させる工程３と、
   を具備する窒化物半導体単結晶の製造方法。
2. 前記凹部の底部には、反転ドメイン領域の一部が露出し、
   前記工程２は、前記底部を前記マスクにより覆う工程である
   請求項１記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
3. 前記工程２は、前記凹部以外に設けられたマスクを除去する工程をさらに含む請求項１または２記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
4. 前記工程２は、スピンコート法によりマスクを設ける工程である請求項１乃至３のいずれか記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
5. 前記凹部は、前記種基板側に向かって先細りした形状である請求項１乃至４のいずれか記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
6. 前記凹部は、錐状または錐台状を示す請求項５記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
7. 前記第１の窒化物半導体単結晶部において、
   前記主面の面方位が（０００１）面であり、
   前記凹部の前記底部の面方位が（０００−１）面である請求項１乃至６のいずれか記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
8. 前記気相成長法は、ハイドライド気相成長法である請求項１乃至７のいずれか記載の窒化物半導体単結晶の製造方法。
   

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