JP4933137B2 - 半導体および半導体製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、平滑面を有するＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層と、当該平滑面上に形成されたＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層と、を備える半導体および半導体製造方法に関する。

基板を傾斜させることによってステップフロー成長を促進させるものが提案されている（特許文献１、参照。）。なお、ステップフロー成長は、原子ステップを起点として基板に沿った方向に結晶が成長する結晶成長機構であり、基板の厚み方向に結晶欠陥が伝搬しにくいことから、高い結晶品質を得るために有用である。また、ステップフロー成長は、ポリタイプの制御が可能であることから、ポリタイプの単一性に優れた結晶を得るために有用である。
上述した技術では、基板を傾斜させることにより、ステップフロー成長における結晶成長の起点となる原子ステップを周期的に供給することができ、確実にステップフロー成長を実現することが可能であった。
特願２００５−０５６２８６号（本出願人による未公開出願）

上述した技術においては基板における結晶成長面が理想的な方位から所定の角度傾斜することとなるため、その上に成長させる半導体層の結晶品質が劣るという問題があった。例えば、ＳｉＣ基板上に窒化物半導体を成長させる場合、ＳｉＣ基板の｛０００１｝方位の結晶成長面にて窒化物半導体を成長させることが望ましいが、この方位から所定角度傾いた面にて窒化物半導体が成長することとなるため、その結晶品質が問題となる。また、傾斜した結晶成長面を研磨によって理想的な方位に調整し、その後、半導体層を成長させることも可能である。しかしながら、全体的に傾斜した結晶成長面を研磨して面方位を調整しなければならないため、研磨量が多くなり、無駄な材料コストや加工コストが生じるという問題があった。
この発明は、上記課題にかんがみてなされたものであり、ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層と、ＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層とを備え、ポリタイプの単一性に優れ、高い結晶品質の半導体を提供することを目的とする。

こうした目的を達成するため、ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層が設けられ、この被積層半導体層に平滑面が形成される。平滑面においては平滑面が残るように機械加工によって平滑面から凹んだ凹部が形成される。そして、平滑面から凹んだ凹部が形成されたＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層の平滑面上にてステップフロー成長させることにより、ＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層が設けられる。凹部における平滑面に対して切り立った壁面はステップフロー成長における結晶成長の起点となる原子ステップを構成するため、平滑面上にて確実にステップフロー成長させることができる。ステップフロー成長によればポリタイプを単一化させることができ、例えば発光ダイオードの基板等に有用な半導体を提供することができる。また、ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層に沿った方向に成長が進行するステップフロー成長によれば、結晶欠陥が被積層半導体層の厚み方向に伝搬することが抑制できるため、ＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層を高い結晶品質とすることができる。さらに、平滑面自体を傾斜させて形成する必要がないため、平滑面上に形成するＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層や、当該積層半導体層上に積層する半導体層の結晶品質を良好なものとすることができる。

平滑面に凹部を形成する手法として、機械加工を適用している。機械加工によれば、容易かつ高速に凹部を形成することができる。例えば、平滑面よりも硬質な加工具を平滑面に衝突させたり摩擦させたりすることにより、平滑面に凹部を形成することができる。また、凹部をスクラッチ傷によって形成してもよい。すなわち、硬質の加工具で平滑面を引っかく機械加工を行うことにより、略線状の凹部を形成することができる。ただし、凹部の形状はスクラッチ傷のように線状であるものに限られず、ディンプル状とすることも可能である。ディンプル状においても平滑面に対して切り立った壁面を形成することができ、ステップフロー成長の起点を提供することができる。

また、例えば被積層半導体層をＳｉＣ単結晶基板とした場合、平滑面をＳｉＣ単結晶における｛０００１｝面とするのが好ましい。このようにすることにより、ポリタイプの単一性に優れたＳｉＣ単結晶基板を得ることができ、｛０００１｝面上に結晶品質の良好な半導体層を成長させることができる。また、｛０００１｝面上に成長させる半導体層の一例として、窒化物半導体からなるヘテロ構造を成長させてもよい。窒化物半導体によるヘテロ構造は、ＳｉＣ単結晶基板に対する格子整合性が良好であるとともに、高い出力を得ることができる。凹部の深さを１ｎｍから５０ｎｍとすることにより、凹部をステップフロー成長に必要な原子ステップとして機能させることができる。より好ましい凹部の深さとして、３ｎｍから２０ｎｍとすることにより、より確実にステップフロー成長をさせることができる。

以上においては、凹部を形成したＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層の平滑面上にＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層を成長させる技術的特徴を有した半導体として本発明を特定したが、むろん当該技術的特徴を半導体製造方法にて具体化させることも可能である。すなわち、上記ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層が有する平滑面が残るように機械加工によって当該平滑面から凹んだ凹部を形成し、この凹部が形成された上記平滑面上において上記ＳｉＣ単結晶で構成される積層半導体層をステップフロー成長させる半導体製造方法によっても本発明の技術的特徴が具現化できる。また、当該半導体製造方法によって作成された半導体においても、上述した半導体と同様に、優れたポリタイプの単一性と、良好な結晶品質を実現することができる。

請求項１および請求項８の発明によれば、ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層と、ＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層とを備え、ポリタイプの単一性に優れ、高い結晶品質の半導体を提供することができる。
請求項２および請求項６の発明によれば、容易に凹部を形成することができる。
請求項３の発明によれば、ポリタイプの単一性に優れたＳｉＣ結晶を得ることができる。
請求項４の発明によれば、高効率の発光を実現することができる。
請求項５の発明によれば、確実なステップフロー成長を実現することができる。
請求項７の発明によれば、第２積層半導体層を有するポリタイプの単一性に優れた半導体を提供することができる。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
（２）第２の実施形態
（３）変形例
（４）まとめ：

（１）第１の実施形態：
図１は、本発明の半導体を構成する半導体基板の構成を模式的に示している。同図において、半導体基板１００は、基板１０と単結晶層１１とから構成されている。基板１０は昇華法によって形成された６Ｈ型のＳｉＣ結晶で構成されており、図１に示す上方の面１０ａが｛０００１｝面を表している。厳密には、基板１０の製造誤差によって、面１０ａの角度が｛０００１｝面から±５°程度の傾き有している。なお、面１０ａが本発明の平滑面を構成し、基板１０が本発明の被積層半導体層を構成する。図の簡略化のため小数の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂを図示したが、実際には多数の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが平滑面１０ａの全体にわたって形成されている。

図２は、平滑面１０ａにおける凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・を原子間力顕微鏡によって観察した様子を示している。同図において、基板１０上に単結晶層１１等が形成される前の状態の平滑面１０ａが斜めから見て示されており、平滑面１０ａに沿ったランダムな方向に線状の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・が形成されている。凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・の深さは約５ｎｍを中心とし、１ｎｍから２０ｎｍの間に分布している。また、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・の密度は１ｃｍあたり１０³〜１０⁴本となっている。図１において、単結晶層１１は平滑面１０ａ上に所定の厚みで積層され、単結晶層１１によって凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが充填されている。なお、単結晶層１１が本発明の積層半導体層を構成する。

図３は、単結晶層１１をＸ線回折測定した結果を示している。同図においては、回折角度（横軸）ごとの度数（縦軸）分布が示されており、単結晶層１１が単一の回折ピーク角度αを有していることがわかる。このことから、ＳｉＣ単結晶で構成される単結晶層１１が単一のポリタイプで構成されていることがわかる。なお、図３に示す回折ピーク角度αはＳｉＣの６Ｈ型の回折ピーク角度に相当しており、本実施形態の単結晶層１１は６Ｈ型のＳｉＣ単結晶で構成されている。このようにポリタイプの単一性に優れた半導体基板１０によれば、半導体基板１０の性能にポリタイプの特性を反映させることができる。例えば、本実施形態のように６Ｈ型に単一化させることにより、青色発光ダイオードの基板として半導体基板１０を利用することができる。

図４は、半導体基板１０を製造する流れを模式的に示している。図４ａにおいては、略板状の基板１０が用意されている。基板１０は昇華法によって作成されたＳｉＣインゴットを｛０００１｝面に沿ってスライスすることにより作成され、そのスライス面を平滑面１０ａとしている。基板１０が用意できると、図４ｂに示すように平滑面１０ａにおいて凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂを形成する。本実施形態において凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂは線状のスクラッチ傷であり、例えばダイヤモンド粒子を塗布した研磨パッドで平滑面１０ａを擦ることにより形成される。

すなわち、研磨パッドに保持された硬質のダイヤモンド粒子が平滑面１０ａを引っかくことにより、図２に示すように多数の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・を形成することができる。なお、ダイヤモンド粒子の大きさや研磨パッドにかける負荷を調整することにより凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・の深さを制御することができ、研磨パッドを擦る方向によって凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・の形成方向を制御することができる。本実施形態においては、研磨パッドをランダムな方向に擦ることにより、ランダムな方向の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・を形成している。研磨パッドによる研磨のような機械加工によれば、容易かつ高速に凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・を形成することができる。

図４ｂのように凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが形成できると、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが形成された平滑面１０ａ上にてＳｉＣを近接昇華法によってステップフロー成長させる。近接昇華法は、ＳｉＣを高温にて昇華させ、低温にした基板１０の平滑面１０ａに堆積させるエピタキシャル成長法であり、例えば温度勾配等の成長条件を調整することにより、高い成長速度でのステップフロー成長を実現させることができる。なお、ステップフロー成長においては、平滑面１０ａに沿った方向に結晶が成長するため、結晶欠陥が表層に伝搬しにくく、高い結晶品質を実現することができる。また、ステップフロー成長によれば高いポリタイプの単一性を実現することができ、図３に示すような回折角分布を得ることができる。ところで、ステップフロー成長においては、平滑面１０ａに沿った方向に原子が堆積する際の起点が必要となるが、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂの壁面が平滑面１０ａに対して切り立った角度で露出しているため、当該壁面を起点として原子を平滑面１０ａに沿った方向に吸着させることができる。

すなわち、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂの壁面をステップフロー成長における原子ステップとして機能させることができ、確実にステップフロー成長が行われるようにすることができる。ただし、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが大きすぎると原子ステップの機能をなさなくなり、３次元成長が生じて他のポリタイプが混入してしまう。従って、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂの深さは５０ｎｍ以下とする必要がある。さらに好ましくは、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂの深さを３ｎｍから２０ｎｍとすることにより、より確実にステップフロー成長を行わせることができる。

ステップフロー成長が完了すると、図４ｃに示すように平滑面１０ａ上に単結晶層１１が形成される。ステップフロー成長においては平滑面１０ａに沿った方向に結晶が成長するが、ステップフロー成長を継続することにより平滑面１０ａに沿った方向に成長した薄い結晶が平滑面１０ａに垂直な方向に重なって所望する厚みを得ることができる。部分的に凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂが形成されているものの、基本的には平滑面１０ａは｛０００１｝面であるため、エピタキシャル成長によって形成される単結晶層１１の表面も基本的には｛０００１｝面となる。ただし、凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂに起因する凹みが残存するため、その凹みを消失させるために表面の研磨を行う。例えば、微細と粒による湿式研磨を行うことにより、図４ｄに示すように平滑な｛０００１｝面を形成することができる。このときの研磨量は凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂの深さ程度で済むため、２０ｎｍ程度で十分である。平滑な｛０００１｝面を有する半導体基板１０においては、その上に結晶品質の良好な半導体層を成長させることができ、半導体基板１０を各種半導体デバイスの基板として利用することができる。

（２）第２の実施形態：
図５は、第２の実施形態にかかる半導体としての白色発光ダイオードの構成を模式的に示している。同図において、白色発光ダイオード２００は基板１１０と第１蛍光層１１１ａと第２蛍光層１１１ｂとバッファ層１１２と第１コンタクト層１１３と第１クラッド層１１４と多重量子井戸活性層１１５と電子ブロック層１１６と第２クラッド層１１７と第２コンタクト層１１８とｐ電極１１９とｎ電極１２０とから構成されている。なお、基板１１０が本発明の被積層半導体層を構成し、第１蛍光層１１１ａが本発明の積層半導体層を構成する。

最下層を構成する板状の基板１１０は、６Ｈ型のＳｉＣ単結晶で構成されており、例えば昇華法によって作成される。基板１１０の上面を構成する平滑面１１０ａにおいて多数の凹部１１０ｂ，１１０ｂ，１１０ｂが形成されている。凹部１１０ｂ，１１０ｂ，１１０ｂの作成方法および形状は前実施形態と同様とされている。第１蛍光層１１１ａは、６Ｈ型のＳｉＣ単結晶で構成されており、ステップフロー成長によって形成される。このステップフロー成長は、近接昇華法によって行われ、その際にホウ素と窒素がＳｉＣにドープさせられる。また、前実施形態と同様に多数の凹部１１０ｂ，１１０ｂ，１１０ｂが成長の起点となる原子ステップを構成するため、確実にステップフロー成長を行わせることができる。

第１蛍光層１１１ａの成長が完了すると、さらに近接昇華法によってＳｉＣのステップフロー成長を継続し、第２蛍光層１１１ｂを形成する。第２蛍光層１１１ｂの成長においては、アルミニウムと窒素をドープさせる。第１蛍光層１１１ａの成長の完了後においても、図４ｃに示すように、もとの凹部１１０ｂ，１１０ｂ，１１０ｂに起因した凹みが維持されるため、その凹みを原子ステップとして、継続的に６Ｈ型のＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させることができる。第２蛍光層１１１ｂの成長が完了すると、第２蛍光層１１１ｂの表面を、例えば研磨によって平滑化する。以上により、ポリタイプが６Ｈ型で単一化されたＳｉＣ単結晶による第１蛍光層１１１ａと第２蛍光層１１１ｂを形成することができる。

第２蛍光層１１１ｂ上に、ＡｌＧａＮで構成されたバッファ層１１２と、ｎ−ＧａＮで構成された第１コンタクト層１１３と、ｎ−ＡｌＧａＮで構成された第１クラッド層１１４と、ＧａＩｎＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸活性層１１５と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された電子ブロック層１１６と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された第２クラッド層１１７と、ｐ−ＧａＮで構成された第２コンタクト層１１８とが例えば有機金属化合物気相成長法によって連続的に積層されている。第２コンタクト層１１８表面にはＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１１９が積層されている。また、第２コンタクト層１１８から第１コンタクト層１１３の途中までの所定領域を厚み方向にエッチングすることにより、第１コンタクト層１１３を表面に露出させるとともに、同露出した部位にｎ電極１２０を形成している。

以上のようにして形成された白色発光ダイオード２００のｐ電極１１９とｎ電極１２０に順方向の電圧を印加すると、第１コンタクト層１１３と第２コンタクト層１１８によって挟まれた各層１１４〜１１７に電流が供給され、多重量子井戸活性層１１５において、例えば波長３８５ｎｍの近紫外光が放出される。放出された近紫外光はそれぞれアクセプタ不純物とドナー不純物がドープされた第１蛍光層１１１ａと第２蛍光層１１１ｂに入射し、これらの層にて吸収される。第１蛍光層１１１ａと第２蛍光層１１１ｂにおいては、多重量子井戸活性層１１５にて発光された近紫外光を励起光としてドナー電子とアクセプタ正孔が再結合し、蛍光が発光されることとなる。

第１蛍光層１１１ａのアクセプタ不純物がホウ素であるため、ドナー不純物としての窒素との不純物準位に応じた緑色から赤色にかけての広い波長スペクトルを持つ蛍光が出力される。一方、第２蛍光層１１１ｂのアクセプタ不純物がアルミニウムであり、ドナー不純物としての窒素との不純物準位に応じた青色から緑色にかけての広い波長スペクトルを持つ蛍光が出力される。これらの蛍光が合成され、演色性の良好な白色光を得ることができる。第１蛍光層１１１ａと第２蛍光層１１１ｂは、単一性のよい６Ｈ型のＳｉＣ単結晶で形成されるとともに、欠陥が少ないため、白色光の高い出力を得ることができる。

（３）変形例：
以上の実施形態においては、凹部を形成することにより６Ｈ型のＳｉＣ結晶を形成するものを例示したが、凹部を起点としたステップフロー成長によって４Ｈ型や３Ｃ型や１５Ｒ型等の他のＳｉＣポリタイプを形成することも可能である。むろん、複数のポリタイプを有する結晶において本発明は有用であるということができる。さらに、凹部を形成する平滑面はＳｉＣ基板のＳｉ面であってもよいし、Ｃ面であってもよい。

ステップフロー成長の起点をなす凹部の形状は上述した実施形態のような線状であるものに限られるものではない。すなわち、平滑面に対してある程度切り立った壁面を形成することができればよく、例えば凹部をディンプル状に形成することも可能である。図６は、ディンプル状の凹部２１０ｂ，２１０ｂ，２１０ｂ・・・が形成された基板２１０を斜めから見て示している。同図に示すように円錐形をしたディンプル状の凹部２１０ｂ，２１０ｂ，２１０ｂ・・・においても平滑面２１０ａに対して切り立った壁面を形成することができ、この壁面を起点としてステップフロー成長を行うことができる。なお、ディンプル状の凹部２１０ｂ，２１０ｂ，２１０ｂ・・・とする場合、その形成密度は１０⁶〜１０⁸個／ｃｍ²とするのが望ましい。また、円錐状の硬質体を平滑面２１０ａに突き当てることにより機械的に円錐状の凹部２１０ｂ，２１０ｂ，２１０ｂ・・・を形成することができる。むろん、円錐状に限らず、三角錘状や四角錐状等のディンプル形状にしてもよい。さらに、半球状に凹部を形成するようにしてもよい。

以上は機械的な加工によって凹部を形成するものを例示した。また、本発明を発光ダイオード以外の半導体素子に適用することも可能であり、例えばトランジスタ等のスイッチング素子に適用することも可能である。

（４）まとめ：
平滑面１０ａを研磨してスクラッチ傷を形成することにより、平滑面１０ａに多数の線状の凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・を設ける。その後に近接昇華法により、ステップフロー成長を行う。凹部１０ｂ，１０ｂ，１０ｂ・・・の壁面が平滑面１０ａに対して切り立った角度で露出しているため、当該壁面を起点として原子を平滑面１０ａに沿った方向に吸着させることができる。すなわち、確実にステップフロー成長を行わせることができる。

半導体基板の構造を示す構造模式図である。 平滑面の斜視図である。 単結晶層をＸ線回折測定した結果を示すグラフである。 半導体基板の製造工程を説明する図である。 白色発光ダイオードの構造を示す構造模式図である。 変形例にかかる凹部を示す平滑面の斜視図である。

符号の説明

１０，１１０…基板、１０ａ，１１０ａ，２１０ａ…平滑面、１０ｂ，１１０ｂ，２１０ｂ…凹部、１１…単結晶層、１００…半導体基板，１１１ａ…第１蛍光層、１１１ｂ…第２蛍光層、１１２…バッファ層、１１３…第１コンタクト層、１１４…第１クラッド層、１１５…多重量子井戸活性層、１１６…電子ブロック層、１１７…第２クラッド層、１１８…第２コンタクト層、１１９…ｐ電極、１２０…ｎ電極、２００…白色発光ダイオード

Claims (8)

1. 平滑面を有するＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層と、当該平滑面上に形成されたＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層と、を備える半導体において、
   上記ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層の平滑面が残るように機械加工によって形成され当該平滑面から凹んだ凹部を備え、
   上記ＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層は、上記平滑面から凹んだ凹部が形成されたＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層の当該平滑面上におけるステップフロー成長によって形成されていることを特徴とする半導体。
2. 上記凹部はスクラッチ傷であることを特徴とする請求項１に記載の半導体。
3. 上記被積層半導体層はＳｉＣ単結晶基板であり、上記平滑面はＳｉＣ単結晶における｛０００１｝面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体。
4. 上記積層半導体層上に窒化物半導体からなるヘテロ構造を具備することを特徴とする請求項３に記載の半導体。
5. 上記凹部の深さが１ｎｍから５０ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体。
6. 上記凹部はディンプル状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体。
7. 上記積層半導体層は、上記凹部に起因した第２凹部が表面に維持される範囲内でステップフロー成長され、
   上記第２凹部が形成された表面上においてステップフロー成長され上記積層半導体層とは異なる第２積層半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の半導体。
8. 平滑面を有するＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層と、当該平滑面上に形成されたＳｉＣ単結晶で構成された積層半導体層とを備える半導体を製造する半導体製造方法において、
   上記ＳｉＣ結晶で構成された被積層半導体層が有する平滑面が残るように機械加工によって当該平滑面から凹んだ凹部を形成し、
   この凹部が形成された上記平滑面上において上記ＳｉＣ単結晶で構成される積層半導体層をステップフロー成長させることを特徴とする特徴とする半導体製造方法。