JP2013216538A - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板、ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法、及び、半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな設備投資をすることなく、III族窒化物半導体の湾曲に起因して生じうる結晶歪みを解決する手段を提供する。
【解決手段】（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を有する第１の主面Ｆ１と、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を有する第２の主面Ｆ２とを有する第１のIII族窒化物半導体層１０と、第１のIII族窒化物半導体層１０の第２の主面Ｆ２上に成長した第２のIII族窒化物半導体層２０とを有するIII族窒化物半導体基板。
【選択図】図４

Description

本発明は、III族窒化物半導体基板、III族窒化物半導体基板の製造方法、及び、半導体デバイスの製造方法に関する。

低価格な異種基板（例：サファイア基板）上に、III族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））を成長（ヘテロ成長）させる技術がある。ヘテロ成長の場合、基板上にIII族窒化物半導体を成長後、室温に戻すと、基板とIII族窒化物半導体との熱膨張係数の差に起因して、基板及びIII族窒化物半導体が大きく湾曲してしまう。

特許文献１には、このようなIII族窒化物半導体の湾曲（反り）を軽減する技術が開示されている。当該技術では、III族元素の窒化物結晶を成長用基板上でエピタキシャル成長させ、得られた窒化物結晶基板を上記窒化物結晶の成長温度近傍まで加熱するとともに反りを矯正するため平行平面の間に挟み、そのまま室温まで冷却する。

特開２００３−１２８４９９号公報

特許文献１に記載の技術の場合、新たに、基板を平行平面で挟みながら冷却する大掛かりな装置を準備する必要があり、コスト負担が大きくなる。

ところで、本発明者は、上述のような湾曲したIII族窒化物半導体において、以下のような課題を見出した。このような湾曲したIII族窒化物半導体は結晶歪みが生じ、（０００１）面内に面内位置に応じた結晶軸（ｃ軸）傾きの分布が存在する。このような分布が存在するIII族窒化物半導体には、様々な問題が発生し得る。例えば、このようなIII族窒化物半導体を、半導体デバイスを作製するための下地基板として用いた場合、不純物をドープした場合に面内位置に応じた不純物量の分布が生じたり、また、III族混晶組成比に分布が生じるなどの不都合が生じ得る。

特許文献１に記載の技術は、基板自体の物理的な湾曲（反り）に着目し、これを解決するための手段を提供しているに過ぎず、結晶歪み（ｃ面の湾曲）を解決するという視点での解決手段は提供していない。

ちなみに、基板自体の物理的な湾曲（反り）を解決する手段としては、基板の主面が平坦面となるように湾曲した基板を研磨したり、または、当該基板から主面が平坦面となっている基板を切り出したりする手段が考えられる。当該手段によれば、基板の主面を平坦面とすることができる。しかし、結晶歪み（ｃ面の湾曲）の問題が残存する。

そこで、本発明では、III族窒化物半導体の湾曲に起因して生じうる結晶歪みを解決する手段を提供することを課題とする。

本発明によれば、
（０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面とを有する第１のIII族窒化物半導体層と、
前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面上に成長した第２のIII族窒化物半導体層と、
を有し、
以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たすIII族窒化物半導体基板が提供される。

（算出方法）
（１）前記第１の主面上において、前記第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２）前記ペア毎に、一方の前記観測点における第１のｃ軸と、他方の前記観測点における第２のｃ軸とが、前記第１のｃ軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と前記第２のｃ軸とがなす角を測定し、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と、前記第２のｃ軸を前記第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
（３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、前記ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。

また、本発明によれば、
（０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面とを有する第１のIII族窒化物半導体層を準備する準備工程と、
前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面上に第２のIII族窒化物半導体層を成長させる第１成長工程と、
を有し、
前記第１成長工程前における前記第１のIII族窒化物半導体層から、以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）のうち、少なくとも１つは−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たし、
前記第１成長工程後における前記第１のIII族窒化物半導体層から、以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たすIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

（算出方法）
（１）前記第１の主面上において、前記第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２）前記ペア毎に、一方の前記観測点における第１のｃ軸と、他方の前記観測点における第２のｃ軸とが、前記第１のｃ軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と前記第２のｃ軸とがなす角を測定し、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と、前記第２のｃ軸を前記第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
（３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、前記ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_０（ｍ^−１）または１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。

III族窒化物半導体の湾曲に起因して生じうる結晶歪みを解決することが可能となる。

本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２成長工程前の本実施形態の第１のIII族窒化物半導体層の一例を示す模式図である。 第２成長工程前の本実施形態の第１のIII族窒化物半導体層の一例を示す模式図である。 本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示す模式図である。 本実施形態の作用効果を説明するための図である。 本実施形態の作用効果を説明するための図である。 本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、本発明のIII族窒化物半導体基板、III族窒化物半導体基板の製造方法、及び、半導体デバイスの製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図示するように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、準備工程Ｓ１０と、第１成長工程Ｓ２０とを有する。

準備工程Ｓ１０では、以下の条件１及び２を満たす第１のIII族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））の層（以下、「第１のIII族窒化物半導体層」）を準備する。

条件１：（０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面とを有する。

条件２：以下の算出方法を用い、第１の主面の外周上の任意の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）のうち、少なくとも１つは−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たす。

（算出方法）
（１）第１の主面上において、第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２）ペア毎に、一方の観測点における第１のｃ軸と、他方の観測点における第２のｃ軸とが、第１のｃ軸及び２つの観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、第２のｃ軸が第１の平面上に存在する場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と第２のｃ軸とがなす角を測定し、第２のｃ軸が第１の平面上に存在しない場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と、第２のｃ軸を第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
（３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_０（ｍ^−１）となる。

第１のｃ軸を延長した線と、第１の平面上に存在する第２のｃ軸又は仮想第２のｃ軸を延長した線とが「第２の主面側で交わる」とは、第１の平面を第１の主面を境に２つの領域に分けた場合、これら２つの領域の内、第２の主面が位置する側の領域で交わることを意味する。第１のｃ軸を延長した線と、第１の平面上に存在する第２のｃ軸又は仮想第２のｃ軸を延長した線とが「第１の主面側で交わる」とは、第１の平面を第１の主面を境に２つの領域に分けた場合、これら２つの領域の内、第２の主面が位置しない側の領域で交わることを意味する。

なお、第１のIII族窒化物半導体層は、さらに、上記算出方法を用い、第１の主面の外周上の任意の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）のすべてが、−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たすのが好ましい（条件３）。−０．４ｍ^−１≧１／Ｒ_０となるIII族窒化物半導体層は、湾曲が大きすぎるため、第１のIII族窒化物半導体層としてあまり好ましくない。

θ（°）は、ロッキングカーブ測定装置を用いて各観測点におけるｃ軸の所定の方向からの傾き角を測定後、当該測定結果を用いて算出することができる。例えば、第１の主面側から複数の点毎に（０００４）面のロッキングカーブ測定を行ってもよい。

図２に、第１のIII族窒化物半導体層の一例を示す。図示する第１のIII族窒化物半導体層１１は、（０００１）面を第１の主面として有するとともに、（０００−１）面を第２の主面として有する。そして、（０００１）面側から（０００−１）面側に向かって凸状となるように湾曲している。

このような第１のIII族窒化物半導体層１１は、例えば、サファイア等の異種基板の（０００１）面上にIII族窒化物半導体層を成長させた後、当該異種基板を分離することで得られたIII族窒化物半導体層であってもよい。または、このようにして得られたIII族窒化物半導体層の破片であってもよい。このようにして得られたIII族窒化物半導体層は、図２に示すように、（０００１）面側から（０００−１）面側に向かって凸状となるように湾曲する場合がある。このようなIII族窒化物半導体層は、結晶格子が歪んでいる。すなわち、ｃ軸の少なくとも一部が互いに平行とならず所定の角度をなし、ｃ面が湾曲している。このようなIII族窒化物半導体層の中には、上記条件１及び２を満たすIII族窒化物半導体層、また、上記条件１乃至３を満たすIII族窒化物半導体層が含まれる。なお、III族窒化物半導体層の成長手段は特段制限されず、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置またはＨＶＰＥ（Hydride Vapor. Phase Epitaxy）装置を用いたエピタキシャル成長であってもよい。成長条件は設計的事項である。

図２に示す点Ａ１及び点Ａ２は、隣接する２つの観測点を示している。すなわち、点Ａ１及び点Ａ２間の距離Ｌは５ｍｍである。点Ａ１、点Ａ２、線Ｄ１及び線Ｄ２は、同一平面上に位置する。線Ｄ１は、点Ａ１におけるｃ軸及びその延長線を示している。点Ａ１、点Ａ２、点Ａ１におけるｃ軸及び点Ａ２におけるｃ軸が同一平面上に存在する場合、線Ｄ２は、点Ａ２におけるｃ軸及びその延長線を示している。一方、点Ａ１、点Ａ２、点Ａ１におけるｃ軸及び点Ａ２におけるｃ軸が同一平面上に存在しない場合、線Ｄ２は、点Ａ２におけるｃ軸を点Ａ１におけるｃ軸、点Ａ１及び点Ａ２を含む平面に投影した仮想ｃ軸及びその延長線を示している。

α１（°）及びα２（°）各々は、所定の方向からの線Ｄ１及び線Ｄ２各々の傾き角を示す。点Ａ１におけるｃ軸と点Ａ２におけるｃ軸とが、点Ａ１におけるｃ軸、点Ａ１及び点Ａ２を含む平面（第１の平面）上でなす角θ（°）は、α１（°）＋α２（°）で算出される。ここで算出する角θ（°）は、点Ａ１におけるｃ軸と、点Ａ２におけるｃ軸または点Ａ２におけるｃ軸を第１の平面に投影した仮想ｃ軸とを、観測点側の端部（点Ａ１及び点Ａ２）でつないだ時に形成される角の角度（０°以上１８０°以下）である。

図２に示すＲ（ｍ）は、線Ｄ１及び線Ｄ２の交点Ｂを中心とする円であって、点Ａ１及び点Ａ２が円周上に存在する円の半径に相当する。当該Ｒ（ｍ）は、上記式のＲ（ｍ）に相当する。

上記式及び図２に示す概念図から明らかなように、曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）は、線Ｄ１及び線Ｄ２が（０００１）面側（第１の主面側）で交わる場合に負の値をとり、線Ｄ１及び線Ｄ２が（０００−１）面側（第２の主面側）で交わる場合に正の値をとる。そして、線Ｄ１及び線Ｄ２がより平行になるにつれて、１／Ｒ_０（ｍ^−１）は０（ゼロ）ｍ^−１に近づく。なお、図２に示す例の場合、線Ｄ１及び線Ｄ２が（０００１）面側（第１の主面側）で交わっているので、曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）は負の値をとる。

上記条件１及び２を満たす第１のIII族窒化物半導体層１１、すなわち、ｃ面が大きく湾曲（−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１）している第１のIII族窒化物半導体層１１を下地基板として用い、（０００１）面（第１の主面）上にIII族窒化物半導体層を成長させた場合、以下のような問題が発生する。

このような第１のIII族窒化物半導体層１１は、（０００１）面（第１の主面）内に、面内位置に応じた結晶軸傾きの分布が存在する。このような分布が存在する第１のIII族窒化物半導体層１１を、半導体デバイスを作製するための下地基板として用いた場合、不純物をドープした場合に面内位置に応じた不純物量の分布が生じたり、また、III族混晶組成比に分布が生じるなどの不都合が生じ得る。

そこで、本実施形態では、以下で説明する第１成長工程Ｓ２０により、第１のIII族窒化物半導体層１１の格子歪み（ｃ面曲率）を改善する。

なお、第１のIII族窒化物半導体層は、図２に示す第１のIII族窒化物半導体層１１の（０００−１）面を研磨し、平坦面としたものであってもよい。このようにして得られた第１のIII族窒化物半導体層は、（０００１）面を第１の主面として有するとともに、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第２の主面として有する。当該第２のIII族窒化物半導体層の第２の主面は加工面（研磨面）となる。

また、第１のIII族窒化物半導体層は、図２に示す第１のIII族窒化物半導体層１１の（０００−１）面及び（０００１）面の両方を研磨し、平坦面としたものであってよい。このようにして得られた第１のIII族窒化物半導体層は、（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第１の主面として有するとともに、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第２の主面として有する。当該第２のIII族窒化物半導体層の第１の主面及び第２の主面は加工面（研磨面）となる。

なお、研磨手段は特段制限されない。

上記研磨処理により、研磨前の第１のIII族窒化物半導体層１１（図２）の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）と、研磨後の第１のIII族窒化物半導体層１１の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）が異なる場合がある。しかし、本発明者は、研磨後の第１のIII族窒化物半導体層も、上記条件２及び３を満たし得ることを確認している。

その他、第１のIII族窒化物半導体層は、図２に示す第１のIII族窒化物半導体層１１から、（０００１）面側及び（０００−１）面側の両方が平坦面となるように切り出されたものであってもよい。図３に、このようにして得られた第１のIII族窒化物半導体層１０の一例を示す。このようにして得られた第１のIII族窒化物半導体層１０は、（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第１の主面として有するとともに、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第２の主面として有する。当該第１のIII族窒化物半導体層１０の第１の主面及び第２の主面は加工面となる。

また、第１のIII族窒化物半導体層は、図２に示す第１のIII族窒化物半導体層１１から、（０００−１）面側が平坦面となるように切り出されたものであってもよい。このようにして得られた第１のIII族窒化物半導体層は、（０００１）面を第１の主面として有するとともに、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を第２の主面として有する。当該第１のIII族窒化物半導体層１０の第２の主面は加工面となる。

なお、切り出す手段は特段制限されない。

上記切り出す処理により、切り出す処理前の第１のIII族窒化物半導体層１１（図３参照）の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）と、切り出した後の第１のIII族窒化物半導体層（例：図３の第１のIII族窒化物半導体層１０）の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）が異なる場合がある。しかし、本発明者は、切り出した後の第１のIII族窒化物半導体層も、上記条件２及び３を満たし得ることを確認している。

第１のIII族窒化物半導体層の第２の主面（（０００−１）面側）には、以下で説明する第１成長工程Ｓ２０でIII族窒化物半導体層を成長させる。このため、上述のように、第２の主面（（０００−１）面側）を平坦面としておくと、第１成長工程Ｓ２０におけるIII族窒化物半導体層の成長がし易くなる。また、第２の主面（（０００−１）面側）のみならず、第１の主面（（０００１）面側）をも平坦面としておくと、複数の第１のIII族窒化物半導体層を保管し易くなるほか、第２の主面を所定の方向に向けて載置する作業等が容易になる。

図１に戻り、第１成長工程Ｓ２０では、第１のIII族窒化物半導体層の第２の主面上に、第２のIII族窒化物半導体層を成長させる。例えば、図４（Ａ）に示すように、第１の主面Ｆ１及び第２の主面Ｆ２を有する第１のIII族窒化物半導体層１０を準備した後、図４（Ｂ）に示すように、第１のIII族窒化物半導体層１０の第２の主面Ｆ２上に、第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させる。

第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させる手段は特段制限されず、例えば、ＭＯＣＶＤ装置またはＨＶＰＥ装置を用いたエピタキシャル成長であってもよい。成長条件は設計的事項である。第２のIII族窒化物半導体層２０は、第１のIII族窒化物半導体層１０と同じIII族窒化物半導体であってもよいし、異なるIII族窒化物半導体であってもよい。

本発明者は、このように、第２の主面Ｆ２上に第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させると、第２のIII族窒化物半導体層２０の存在に起因して、図４（Ａ）→図４（Ｂ）に示すように、第１のIII族窒化物半導体層１０が物理的に湾曲することを確認した。

また、第１のIII族窒化物半導体層１０及び第２のIII族窒化物半導体層２０の膜種の組み合わせの選択により、図４（Ｂ）に示すように、第２のIII族窒化物半導体層２０から第１のIII族窒化物半導体層１０の方向（図４（Ｂ）の場合、上から下方向）に向かって凸状となるように、第１のIII族窒化物半導体層１０を湾曲させることができることを確認した。すなわち、図３における凸方向と逆方向に凸状となるように、第１のIII族窒化物半導体層１０を湾曲させることができることを確認した。

さらに、第２のIII族窒化物半導体層２０の膜厚に応じて第１のIII族窒化物半導体層１０の湾曲の程度は異なり、第２のIII族窒化物半導体層の膜厚が厚くなるほど、より第１のIII族窒化物半導体層１０の湾曲の程度を大きくできることを確認した。

すなわち、本実施形態によれば、第２のIII族窒化物半導体層２０の膜種及び膜厚の選択により、第１のIII族窒化物半導体層１０を所望の状態に湾曲させることができる。なお、第２の主面（（０００−１）面側）上へのIII族窒化物半導体の成長は、表面モフォロジ−が凹凸状に成膜され易いので、厚さの制御が難しい。そこで、厚さ制御の代わりに、成長条件（成長時間、ガス流量の少なくとも一方）を制御してもよい。

このような本実施形態によれば、第１成長工程Ｓ２０の後、以下の算出方法を用い、第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たす第１のIII族窒化物半導体層１０が得られる。

（算出方法）
（１）第１の主面上において、第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２）ペア毎に、一方の観測点における第１のｃ軸と、他方の観測点における第２のｃ軸とが、第１のｃ軸及び２つの観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在する場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と第２のｃ軸とがなす角を測定し、第２のｃ軸が第１の平面上に存在しない場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と、第２のｃ軸を第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
（３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。

なお、当該算出方法は、上記１／Ｒ_０（ｍ^−１）を算出する算出方法と同様であり、１／Ｒ_０（ｍ^−１）は第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させる前の第１のIII族窒化物半導体層１０から算出された値であるのに対して、１／Ｒ_１（ｍ^−１）は第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させた後の第１のIII族窒化物半導体層１０から算出された値である点のみが相違する。

なお、図４では、第１のIII族窒化物半導体層として、図３に示す第１のIII族窒化物半導体層１１から、（０００１）面側及び（０００−１）面側が平坦面となるように切り出された第１のIII族窒化物半導体層１０を示しているが、上述したその他の第１のIII族窒化物半導体層を用いた場合も、同様の処理を行うことで、同様の作用効果を得られる。

例えば、図２に示す第１のIII族窒化物半導体層１１の（０００−１）面上に、所定の膜厚で第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させた場合、第１のIII族窒化物半導体層１０に存在する結晶歪みのみならず、第１のIII族窒化物半導体層１１自体の物理的な湾曲をも改善することができる。

このような本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法によれば、以下のようなIII族窒化物半導体基板が得られる。

すなわち、例えば、図４（Ｂ）に示すように、第１のIII族窒化物半導体層１０と、第１のIII族窒化物半導体層の第２の主面Ｆ２上に成長している第２のIII族窒化物半導体層２０とを有する。なお、第１のIII族窒化物半導体層１０の代わりに、上述したその他の第１のIII族窒化物半導体層を備えてもよい。

第１のIII族窒化物半導体層は、（０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面Ｆ１と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面Ｆ２とを有する。

なお、以下の算出方法を用い、第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たす。

（算出方法）
（１）第１の主面上において、第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２）ペア毎に、一方の観測点における第１のｃ軸と、他方の観測点における第２のｃ軸とが、第１のｃ軸及び２つの観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、第２のｃ軸が第１の平面上に存在する場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と第２のｃ軸とがなす角を測定し、第２のｃ軸が第１の平面上に存在しない場合は、角θ（°）として、第１のｃ軸と、第２のｃ軸を第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
（３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。

なお、当該算出方法は、上記１／Ｒ_０（ｍ^−１）を算出する算出方法と同様であり、１／Ｒ_０（ｍ^−１）は第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させる前の第１のIII族窒化物半導体層１０から算出された値であるのに対して、１／Ｒ_１（ｍ^−１）は第２のIII族窒化物半導体層２０を成長させた後の第１のIII族窒化物半導体層１０から算出された値である点のみが相違する。

第１のIII族窒化物半導体層の第２の主面は、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面であってもよい。第１のIII族窒化物半導体層の第２の主面は加工面となっていてもよい。

第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板の（０００１）面上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離して得られたIII族窒化物半導体層であってもよい。または、第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板の（０００１）面上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離した後、湾曲しているIII族窒化物半導体層の（０００−１）面側を研磨するか、または、（０００−１）面側の一部を切り取ることで、（０００−１）面側を平坦化したIII族窒化物半導体層であってもよい。

＜実施例＞
サファイア基板の（０００１）面上に成長し、当該サファイア基板を分離して得られた円状（直径２インチ）のＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）を用意した。そして、当該ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）の（０００１）面（第１の主面）の直径上に９点の観測点を定め、１／Ｒ_０（ｍ^−１）を算出した。なお、円の中心に１つの観測点を定めた。

その後、ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）に対して有機洗浄及び酸洗浄を行い、次いで、ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）の（０００−１）面（第２の主面）上に、ＨＶＰＥ装置でＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）を成長させた。この時、曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）が０（ゼロ）に近づくように、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）の厚さ（成長条件）をコントロールした。成長条件は以下の通りである。

実施例１：成長温度：１０４０℃、Ｈ_２キャリアガス流量：５．７Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３ガス流量：３Ｌ／ｍｉｎ、ＧａＣｌガス流量：５０ｃｃ／ｍｉｎ、成長時間：１２５ｍｉｎ

実施例２：成長温度：１０４０℃、Ｈ_２キャリアガス流量：５．７Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３ガス流量：３Ｌ／ｍｉｎ、ＧａＣｌガス流量：１５０ｃｃ／ｍｉｎ、成長時間：４５ｍｉｎ

実施例３：成長温度：１０４０℃、Ｈ_２キャリアガス流量：５．７Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３ガス流量：３Ｌ／ｍｉｎ、ＧａＣｌガス流量：２００ｃｃ／ｍｉｎ、成長時間：３４ｍｉｎ

ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長後、当該ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）の（０００１）面（第１の主面）の直径上に９点の観測点を定め、１／Ｒ_１（ｍ^−１）を算出した。なお、円の中心に１つの観測点を定めた。

得られた結果を図５に示す。横軸は、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長前のＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）から得た曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）を示す。縦軸は、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長後のＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）から得た曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）を示す。

図中一点鎖線上にマークが存在する場合、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長前後で結晶歪みに変化がなかったことを示す（１／Ｒ_０（ｍ^−１）＝１／Ｒ_１（ｍ^−１））。図中一点鎖線より左上側のエリアにマークが存在する場合、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長により結晶歪みに変化があったことを示す（１／Ｒ_０（ｍ^−１）＜１／Ｒ_１（ｍ^−１））。図中一点鎖線より右下側のエリアにマークが存在する場合、ＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長により結晶歪みに変化があったことを示す（１／Ｒ_０（ｍ^−１）＞１／Ｒ_１（ｍ^−１））。

各実施例とグラフ上のマークとの対応関係は以下の通りである。
実施例１−△、実施例２−◇、実施例３−○

図５に示すように、複数のマークはいずれも、図中一点鎖線より左上側のエリアに存在する（１／Ｒ_０（ｍ^−１）＜１／Ｒ_１（ｍ^−１））。この結果より、ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）の（０００−１）面（第２の主面）にＧａＮ層（第２のIII族窒化物半導体層）成長させることで、ＧａＮ基板（第１のIII族窒化物半導体層）に存在する結晶歪みを変化させることができることが分かる。

また、その変化の傾向は一定（１／Ｒ_０（ｍ^−１）＜１／Ｒ_１（ｍ^−１））であることが分かる。そして、「１／Ｒ_０（ｍ^−１）＜１／Ｒ_１（ｍ^−１）」となる傾向の場合、−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たす第１のIII族窒化物半導体層１１の結晶歪みを改善し、曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）が０（ゼロ）ｍ^−１に近い状態にできることは明らかである。実際、実施例２の一部、及び、実施例３は、狙い通り、曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）が０（ゼロ）ｍ^−１に近い状態となっている。

以上の結果より、−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たす第１のIII族窒化物半導体層１１の第２の主面に第２のIII族窒化物半導体層を成長させることで、第１のIII族窒化物半導体層に存在する結晶歪みを改善できることが分かる。

図６に示すグラフは、横軸にＧａＣｌ流量をとり、縦軸に変化量Δ１／Ｒ（ｍ^−１）（＝１／Ｒ_１−１／Ｒ_０）をとり、上記実施例１乃至３の結果をプロットしたものである。各実施例とグラフ上のマークとの対応関係は上述の通りである。図より、ＧａＣｌ流量によってΔ１／Ｒ（ｍ^−１）が変化する傾向が読み取れる。

＜第２の実施形態＞
図７は、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図示するように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、準備工程Ｓ１０と、第１成長工程Ｓ２０と、第２成長工程Ｓ３０と、スライス工程Ｓ４０とを有する。準備工程Ｓ１０及び第１成長工程Ｓ２０は、第１の実施形態と同様である。

第２成長工程Ｓ３０は、第１成長工程Ｓ２０の後、第１のIII族窒化物半導体層の第１の主面（（０００１）面側）上に、第３のIII族窒化物半導体層を成長させる。

第３のIII族窒化物半導体層の成長手段は特段制限されず、例えば、ＭＯＣＶＤ装置またはＨＶＰＥ装置を用いたエピタキシャル成長であってもよい。成長条件は設計的事項である。なお、第２成長工程Ｓ３０の前に、図４（Ｃ）に示すように、第１の主面Ｆ１側を研磨し、平坦化する工程（平坦化工程）を行ってもよい。

本実施形態の場合、第１のIII族窒化物半導体層の結晶歪みが改善されている。このため、このような第１のIII族窒化物半導体層にIII族窒化物半導体を成長させた場合、厚膜成長してもクラック等が入りづらくなることが期待される。すなわち、厚膜な第３のIII族窒化物半導体層を得ることができる。

スライス工程Ｓ４０では、第３のIII族窒化物半導体層をスライスして、自立基板を得る。当該工程は、従来技術に準じて実施することができる。

以上説明した本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法によれば、厚膜な第３のIII族窒化物半導体層を形成し、それをスライスして多量の自立基板を得ることができる。すなわち、効率的に自立基板を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
本実施形態の半導体デバイスの製造方法は、第１の実施形態で得られた第１成長工程後の第１のIII族窒化物半導体層の第１の主面上、例えば、図４（Ｂ）に示す第１のIII族窒化物半導体層１０の第１の主面Ｆ１上に、半導体デバイスを作製する（デバイス作製工程）。

半導体デバイスは、例えば、ショットキーダイオード、発光ダイオード、半導体レーザ、フォトダイオード、トランジスタなどであるが、これらに限定されない。半導体デバイスは、従来技術に準じて作製することができる。

なお、デバイス作製工程の前に、図４（Ｃ）に示すように、第１の主面Ｆ１側を研磨し、平坦化する工程（平坦化工程）を行ってもよい。

本実施形態の場合、第１のIII族窒化物半導体層の結晶歪みが改善されている。このため、このような第１のIII族窒化物半導体層にデバイスを作製しても、第１の主面Ｆ１の面内位置に応じた不純物量の分布が生じる、III族混晶組成比に分布が生じるなどの不都合が生じにくい。

１０ 第１のIII族窒化物半導体層
１１ 第１のIII族窒化物半導体層
２０ 第１のIII族窒化物半導体層
Ｆ１ 第１の主面
Ｆ２ 第２の主面
Ａ１ 点
Ａ２ 点

Claims (13)

1. （０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面とを有する第１のIII族窒化物半導体層と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面上に成長した第２のIII族窒化物半導体層と、
   を有し、
   以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たすIII族窒化物半導体基板。
   （算出方法）
   （１）前記第１の主面上において、前記第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
   （２）前記ペア毎に、一方の前記観測点における第１のｃ軸と、他方の前記観測点における第２のｃ軸とが、前記第１のｃ軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と前記第２のｃ軸とがなす角を測定し、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と、前記第２のｃ軸を前記第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
   （３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、前記ペア毎に算出した複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。
   

   
2. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面は、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を有するIII族窒化物半導体基板。
3. 請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面は加工面となっているIII族窒化物半導体基板。
4. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離して得られたIII族窒化物半導体層であるIII族窒化物半導体基板。
5. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離した後、湾曲している前記III族窒化物半導体層の（０００−１）面側を研磨するか、または、（０００−１）面側の一部を切り取ることで、（０００−１）面側を平坦化したIII族窒化物半導体層であるIII族窒化物半導体基板。
6. （０００１）面及び（０００１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第１の主面と、（０００−１）面及び（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方を有する第２の主面とを有する第１のIII族窒化物半導体層を準備する準備工程と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第２の主面上に第２のIII族窒化物半導体層を成長させる第１成長工程と、
   を有し、
   前記第１成長工程前における前記第１のIII族窒化物半導体層から、以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_０（ｍ^−１）のうち、少なくとも１つは−０．４ｍ^−１＜１／Ｒ_０＜−０．１ｍ^−１を満たし、
   前記第１成長工程後における前記第１のIII族窒化物半導体層から、以下の算出方法を用い、前記第１の主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々を用いて算出される複数の曲率１／Ｒ_１（ｍ^−１）はいずれも、−０．１ｍ^−１≦１／Ｒ_１≦０．１ｍ^−１を満たすIII族窒化物半導体基板の製造方法。
   （算出方法）
   （１）前記第１の主面上において、前記第１の主面の外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
   （２）前記ペア毎に、一方の前記観測点における第１のｃ軸と、他方の前記観測点における第２のｃ軸とが、前記第１のｃ軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と前記第２のｃ軸とがなす角を測定し、前記第２のｃ軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１のｃ軸と、前記第２のｃ軸を前記第１の平面に投影した仮想第２のｃ軸とがなす角を測定する。
   （３）測定値θ（°）及び以下の式を用いて１／Ｒ（ｍ^−１）を算出し、前記ペア毎に算出された複数の１／Ｒ（ｍ^−１）を平均した値が１／Ｒ_０（ｍ^−１）または１／Ｒ_１（ｍ^−１）となる。
   

   
7. 請求項６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記準備工程で準備する前記第１のIII族窒化物半導体層は、前記第２の主面として、（０００−１）面を１°以下の範囲で所定角度傾けた面を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
8. 請求項６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記準備工程で準備する前記第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離して得られたIII族窒化物半導体層であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
9. 請求項６に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記準備工程で準備する前記第１のIII族窒化物半導体層は、異種基板上にｃ面成長したIII族窒化物半導体層から当該異種基板を分離した後、湾曲している前記III族窒化物半導体層の（０００−１）面側を研磨するか、または、（０００−１）面側の一部を切り取ることで、（０００−１）面側を平坦化したIII族窒化物半導体層であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
10. 請求項６から９のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記第１成長工程の後、前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第１の主面上に、第３のIII族窒化物半導体層を成長させる第２成長工程と、
    前記第３のIII族窒化物半導体層をスライスして、自立基板を得るスライス工程と、
    をさらに有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
11. 請求項１０に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
    前記第１成長工程の後、かつ、前記第２成長工程の前に、前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第１の主面を研磨して平坦化する平坦化工程をさらに有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
12. 請求項６から１１のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法により得られる前記第１成長工程後の前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第１の主面上に、半導体デバイスを作製するデバイス作製工程を有する半導体デバイスの製造方法。
13. 請求項１２に記載の半導体デバイスの製造方法において、
    前記第１成長工程の後、かつ、前記デバイス作製工程の前に、前記第１のIII族窒化物半導体層の前記第１の主面を研磨して平坦化する平坦化工程をさらに有する半導体デバイスの製造方法。

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