JP4137633B2

JP4137633B2 - ３−５族化合物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP4137633B2
Application number: JP2002379941A
Authority: JP
Inventors: 泰家近; 誠也清水; 善伸小野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2003273036A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系３−５族化合物半導体の製造方法及びこれを用いた半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般式Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるＧａＮ系３−５族化合物半導体は、３族元素の組成を変えることにより直接型のバンドギャップエネルギーを調整して、紫外から赤色の波長の光エネルギーに対応させることができるため、紫外から可視領域にわたる高効率の発光デバイス用材料として利用可能である。また、これまで一般に用いられているＳｉあるいはＧａＡｓなどの半導体に比べて大きなバンドギャップを持つため、従来の半導体では動作できないような高温においても半導体としての特性を有することを利用して、耐環境性に優れた電子デバイスの作製が原理的に可能である。
【０００３】
しかし、上述したＧａＮ系３−５族化合物半導体は、融点付近での蒸気圧が非常に高いため、大きな結晶を成長することが非常に難しく、半導体デバイス作製のための基板として用いることができるような実用的な大きさの結晶が得られていない。このため、該化合物半導体の作製には、サファイア、ＳｉＣ等、該化合物半導体と類似の結晶構造を有し、大きな結晶が作製可能な材料を基板として、この上に所要の単結晶薄膜層をエピタキシャル成長させるのが一般的である。現在、このような方法を用いることによって、比較的良質な該化合物半導体の結晶が得られるようになっている。しかし、この場合でも、基板材料と該化合物半導体の格子定数、あるいは熱膨張係数の差に由来する結晶欠陥を低減することが難しく、１０⁸ｃｍ^-2程度、あるいはそれ以上の欠陥密度を有するのが一般的である。しかし、高性能なＧａＮ系デバイスを作製するには、転位密度の低い該化合物半導体結晶が強く求められている。
【０００４】
そこで、従来から、サファイア等を基板とするヘテロエピタキシャル成長方法において、一旦結晶表面上にマスクパターンを形成した後、さらに該化合物半導体を再成長させることで転位の密度を減少させる方法が試みられている。本方法はマスク上に該化合物半導体を横方向成長させる点に特徴があり、エピタキシャルラテラルオーバーグロース（Epitaxial Lateral Overgrowth、以下、ＥＬＯと記すことがある。）法と呼ばれている。
【０００５】
この方法によると、再成長の初期には、例えばＳｉＯ₂等で作られたマスク上には結晶成長が起こらず、開口部のみに結晶成長が生じるいわゆる選択成長が起きる。この段階からさらに結晶成長を続けると、開口部に成長した結晶がマスク上にも広がり、やがてマスクを埋め込んだ埋め込み構造ができあがり、最終的には平坦な結晶表面を得ることができる。上述のような埋め込み構造の形成により、再成長層での転位密度が下地結晶より大幅に低減できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系の３−５族化合物半導体の場合において上述したＥＬＯ法を適用しようとする際には、ｃ面を表面とする結晶成長が一般に行われており、ストライプ状マスクのストライプ方向は、マスク上への横方向成長を効率的に行うため、＜１−１００＞方向とするのが一般的である。しかし、ＥＬＯ法によると、マスクとして用いる材料にもよるが、マスク上に成長した結晶のｃ軸方向が下地結晶のｃ軸とずれを生じることが知られている。そして、このｃ軸のずれた領域同士の接合部分には小傾角粒界と呼ばれる転位の集中した部分が発生する。
【０００７】
マスクストライプを＜１−１００＞方向とした従来のＥＬＯでは、このように、マスク上に成長したＧａＮ結晶のｃ軸方向が下地結晶のｃ軸とずれることによってマスク上に成長したＧａＮ層に多くの転位が発生し、出来上がった３−５族化合物半導体の品質を低下させる、大きな原因となっている。
【０００８】
本発明の目的は、従来技術における上述した問題点を解決することができる３−５族化合物半導体の製造方法及び半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ストライプ状マスクを用いた横方向選択成長によって３−５族化合物半導体を製造する場合に生じる小傾角粒界を低減させるようにして、転位密度の低い高品質の３−５族化合物半導体を得ることができるようにした３−５族化合物半導体の製造方法及び半導体素子を提供することができるようにするため、横方向選択成長のためのマスクパターンのマスクストライプ方向を所定の方向から若干ずらすことで、その上に成長する３−５族化合物半導体のｃ軸の揺らぎを低減させ、これにより小傾角粒界を低減させるようにしたものである。
【００１０】
すなわち、ＧａＮ系３−５族化合物半導体を含む下地結晶のｃ面上に形成されたストライプ状のマスクによって、該ｃ面上に所要のＧａＮ系３−５族化合物半導体層を横方向選択成長させるようにした３−５族化合物半導体の製造方法において、下地結晶上にストライプ状マスクをストライプの方向が＜１−１００＞方向から０．０９５度以上９．６度未満の範囲内でずれるようにして形成し、該ストライプ状マスクを用いてＧａＮ系３−５族化合物半導体層を横方向選択成長させるようにしている。
【００１１】
このように、横方向選択成長に用いるストライプ状マスクのストライプ方向を所定の＜１−１００＞方向から上述の範囲内でずらすことにより、下地結晶のｃ面上に横方向選択成長する所要の化合物半導体層のｃ軸のゆらぎが低減する。この結果、所要の化合物半導体層に生じる小傾角粒界が減少し、下地結晶上に高品質の３−５族化合物半導体層を形成することができる。
【００１２】
所要の化合物半導体層は、例えば、有機金属気相成長法、又はハイドライド気相成長法を用いて形成することができるが、これら以外の適宜の気相成長法を用いて形成することもできる。
【００１３】
請求項１の発明によれば、ｃ面を表面とする一般式Ｉｎ_aＧａ_bＡｌ_cＮ（ただし、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体を含む下地結晶層上にストライプ状マスクを形成した後、さらに一般式Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体層を、前記下地結晶層上に選択的に成長させた後前記マスク上で前記マスクを埋め込むように成長させて前記下地結晶層上に形成する工程を含む３−５族化合物半導体の製造方法において、該ストライプ状マスクをストライプの方向を＜１−１００＞方向から１度以上３度以下の範囲内でずらして前記下地結晶層上に形成するようにしたことを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１４】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記３−５族化合物半導体層を有機金属気相成長法またはハイドライド気相成長法により成長させる３−５族化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の方法により製造された３−５族化合物半導体の構造の一例を模式的に示す断面図である。３−５族化合物半導体１は、サファイア基板２の上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル成長法）によって下地結晶となる第１の３−５族化合物半導体層３を成長させ、第１の３−５族化合物半導体層３の上にはＲＦスパッタ法等により堆積させたＳｉＯ₂層をマスク層４として形成している。ここでは、第１の３−５族化合物半導体層３の厚さは３〜４（μｍ）となっている。良好な下地結晶を作製するためには、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＳｉＣ等の公知のバッファ層を用いる２段階成長法が有効である。
【００１８】
マスク層４は、図２に示されるように、第１の３−５族化合物半導体層３のｃ面３Ａ上に形成された窓部４Ａを有するストライプ状マスクであり、マスク層４は、そのストライプ方向が＜１−１００＞方向から後述するようにずらし角θをもって僅かにずらすようにしてｃ面３Ａ上に形成されている。なお、図１では紙面に垂直な方向が＜１−１００＞方向となっている。
【００１９】
マスク層４を、そのストライプ方向が＜１−１００＞方向から僅かにずらすようにして形成する方法としては、ストライプ状のパターンを有するフォトマスクを用いて、＜１−１００＞方向からずらして選択成長を行う第１の３−５族化合物半導体層３上に転写する方法を用いることができる。あるいは、ストライプ状のパターンを有するフォトマスクにおける隣り合うストライプ状のパターンが、平行ではなく、予め所望の角度を有するように形成しておき、これを転写する方法を用いてもよい。その他の方法として、ストライプ状のパターンを有するフォトマスクにおける隣り合うストライプ状のパターンが、平行ではあるが、所望の角度をもって蛇行するパターンとしておき、これを転写する方法を用いてもよい。勿論これらの方法を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００２０】
図１に戻ると、第１の３−５族化合物半導体層３は、一般式Ｉｎ_aＧａ_bＡｌ_cＮ（ここで、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表されるＧａＮ系の３−５族化合物半導体結晶層となっている。一方、マスク層４は、ＳｉＯ₂層を適宜の厚さに堆積して形成したもので、フォトリソグラフィにより複数の窓部４Ａがスリットの形状で形成されている。これらの窓部４Ａは、例えば幅５（μｍ）程度のストライプパターンをもって形成することができる。
【００２１】
そして、第１の３−５族化合物半導体層３とマスク層４との上には、一般式Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＮ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される第２の３−５族化合物半導体層５が再成長により形成されている。この第２の３−５族化合物半導体層５は、次のようにして形成される。第２の３−５族化合物半導体層５の成長初期の段階においては、マスク層４上には結晶成長が起こらず、窓部４Ａ内にのみ選択的に結晶成長が生じる。このようにして結晶成長が進むと、やがて窓部４Ａに成長した結晶がマスク層４上にも広がりつつ厚みを増し、マスク層４のパターンの両側から横方向に広がった成長結晶領域がパターンの中央部付近で出会って接合し、埋め込み構造が形成される。
【００２２】
第２の３−５族化合物半導体層５の上述の成長過程においては、一般に第２の３−５族化合物半導体層５のｃ軸方向が、第１の３−５族化合物半導体層３のｃ軸とずれを生じ、これによりマスク層４のパターンの両側から横方向に広がった成長結晶領域同士の接合部分に小傾角粒界６が発生することがある。
【００２３】
しかし、ここでは、マスク層４が、そのストライプ方向が＜１−１００＞方向からずらし角θだけずれるようにして形成されているので、第１の３−５族化合物半導体層３上で横方向選択成長する第２の３−５族化合物半導体層５のｃ軸のゆらぎが低減し、これにより接合部分に小傾角粒界が生じるのを有効に抑えることができる。
【００２４】
なお、図１の例では第２の３−５族化合物半導体層５は上述の如く、横方向選択成長により形成されるため、下地結晶である第１の３−５族化合物半導体層３に生じている多数の転位のうち、マスク層４によって終端せず窓部４Ａを貫通した貫通転位Ｄのみが第２の３−５族化合物半導体層５において受け継がれている。以上のようにして第２の３−５族化合物半導体層５を形成することによりマスク層４上の第２の３−５族化合物半導体層５では、マスク層４が第１の３−５族化合物半導体層３の転位を終端させ、その上の第２の３−５族化合物半導体層５には転位が発生しないので第２の３−５族化合物半導体層５での転位密度が低減できる。第２の３−５族化合物半導体層５を成長させる場合にファセットを形成し、このファセットの形成形態により貫通転位Ｄの第２の３−５族化合物半導体層５中での伝搬形態を制御し、これにより貫通転位Ｄが第２の３−５族化合物半導体層５の表面に到達することがないようにしてもよい。
【００２５】
３−５族化合物半導体１の製造のための成膜に用いる方法としては、分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと記すことがある。）法、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法が挙げられる。ＭＢＥ法は急峻な界面を有する積層構造を作製することに適した方法である点で重要である。ＭＯＶＰＥ法は急峻な界面を有する積層構造を作製するのに適しているのと同時に、大面積にわたり均一な成膜にも適しているため重要である。ＨＶＰＥ法は、不純物の少ない結晶を大きな成膜速度で作製できるため重要である。第２の３−５族化合物半導体層５を成長させるのにＨＶＰＥ法を用いると、大きな成長速度が得られるため、短時間で良好な結晶を得ることができる。
【００２６】
上述の如く、マスク層４のストライプ方向は、＜１−１００＞方向から僅かにずれている。このずらし角θはマスクパターンの方向と垂直方向である＜１１−２０＞方向の１ステップ（ａ軸長）がマスクパターン方向にａ軸長の６００倍から６倍に１回の割合で含まれる角度とするのが好ましい。すなわち、マスク層４のずらし角θは＜１−１００＞方向から０．０９５度以上９．６度未満とすることにより小傾角粒界の発生を有効に抑えることができる。より好ましいマスク層４のずらし角θは１度以上５度以下、最も好ましくは１度以上３度以下である。
【００２７】
マスク層４のストライプ方向を上述の如く僅かにずらすと、第１の３−５族化合物半導体層３のｃ面３Ａ上に横方向選択成長する第２の３−５族化合物半導体層５のｃ軸のゆらぎが低減し、これによりマスク層４の直上の第２の３−５族化合物半導体層５の接合部分に小傾角粒界６が発生するのを抑えることができ、第２の３−５族化合物半導体層５を高品質のものとすることができる。
【００２８】
種々実験を行った結果、マスク層４のストライプ方向の＜１−１００＞方向よりのずらし角θが、０．０９５度より小さい場合、小傾角粒界の減少を確認することができなかった。また、そのずらし角θが９．６度以上の場合には良好な埋め込み構造を得ることができなかった。すなわち、マスク層４のストライプ方向の＜１−１００＞方向よりのずらし角θは、０．０９５度以上９．６度未満の範囲内にある必要があることが実験によって確かめられた。
【００２９】
マスク層４のストライプ方向の＜１−１００＞方向よりのずれ具合によって小傾角粒界の発生がどの程度改善されるのかを確認するため下記のような実験を行った。
【００３０】
サファイア２インチウェハ上にＧａＮ層をＭＯＶＰＥ法により３μｍ形成し、その全面に５μｍ／５μｍパターンのストライプ状のマスク層を形成した。この基板上にＭＯＶＰＥ法によりさらにＧａＮ層を６μｍ、１０２０℃、１／２気圧で成膜し埋め込み構造を得た。そしてこのマスク層のストライプ方向を＜１−１００＞方向から僅かにずらした場合の（０００４）によるロッキングカーブの評価を行った。
【００３１】
マスク層の上述のずらし角θを、１度、３度、５度としてずらし角θが０度の比較例との間で測定結果についての評価を行った。図３、図４、図５にはずらし角θが１度、３度、５度の場合の測定結果がそれぞれ示されている。図６にはずらし角θが０度の場合の比較例の測定結果が示されている。
【００３２】
マスク層のストライプ方向にＸ線を入射した場合では、いずれも単一のピークからなるパターンを示し、その半値幅はほぼ２５０秒であった。一方、マスク層のストライプ方向とは垂直の方向からＸ線を入射した場合、今回作製した測定対象物では、ずらし角θが０度の場合、主ピークとその両側の２つのサイドピークが見られた。主ピークの半値幅は略２５０秒で、下地基板と同程度であった。ストライプの方向を＜１−１００＞から次第にずらすと、ずらさない場合に比べて高角側のピークが弱くなる。特に、ずらし角θが１度及び３度の場合に顕著であった。ストライプ方向をずらすことで、サイドピークの強度が減っていることから、小傾角粒界の発生が抑制されていると考えられる。この基板を用いて良好な半導体素子が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、横方向選択成長を行うために下地結晶のｃ面上に形成するストライプ状マスクを所定方向＜１−１００＞よりも０．０９５度以上９．６度未満の範囲内でずらすだけで小傾角粒界の発生を極めて効果的に減少させることができる。この結果、結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体をコストの大幅な上昇なしに製造することができる。また、この製造方法を用いて従来に比べて電気的特性の良好な半導体素子の製造を低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により製造された３−５族化合物半導体の構造の一例を模式的に示す断面図。
【図２】図１に示した３−５族化合物半導体におけるマスク層の所定方向からのずれを説明するための説明図。
【図３】マスク層のストライプのずらし角を１度にした場合のロッキングカーブの測定結果を示すグラフ。
【図４】マスク層のストライプのずらし角を３度にした場合のロッキングカーブの測定結果を示すグラフ。
【図５】マスク層のストライプのずらし角を５度にした場合のロッキングカーブの測定結果を示すグラフ。
【図６】マスク層のストライプのずらし角を０度にした場合のロッキングカーブの測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１３−５族化合物半導体
２サファイア基板
３第１の３−５族化合物半導体層
４マスク層
５第２の３−５族化合物半導体層
６小傾角粒界
Ｄ貫通転位
θ ずらし角

Claims

ｃ面を表面とする一般式Ｉｎ_aＧａ_bＡｌ_cＮ（ただし、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体を含む下地結晶層上にストライプ状マスクを形成した後、さらに一般式Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体層を、前記下地結晶層上に選択的に成長させた後前記マスク上で前記マスクを埋め込むように成長させて前記下地結晶層上に形成する工程を含む３−５族化合物半導体の製造方法において、
該ストライプ状マスクをストライプの方向を＜１−１００＞方向から１度以上３度以下の範囲内でずらして前記下地結晶層上に形成するようにしたことを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法。
前記３−５族化合物半導体層を有機金属気相成長法またはハイドライド気相成長法により成長させる請求項１記載の３−５族化合物半導体の製造方法。