JP6044975B2

JP6044975B2 - 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法

Info

Publication number: JP6044975B2
Application number: JP2012129102A
Authority: JP
Inventors: 平松　和政; 和政平松; 三宅　秀人; 秀人三宅
Original assignee: Mie University NUC
Current assignee: Mie University NUC
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: JP2013252989A

Description

本発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特に、III族窒化物からなるエピタキシャル基板に関する。

ＡｌＮとＧａＮとの混晶であるＡｌＧａＮは、両者の混晶組成比に応じてバンドギャップが３．４ｅＶ〜６．２ｅＶの間で変化する。係るＡｌＧａＮを用いて機能層を形成すれば、動作波長範囲が３６５ｎｍ〜２１０ｎｍの紫外領域であるＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）その他の受発光素子（光デバイス）を実現できる可能性がある。係る場合においては、ＡｌＧａＮが高Ａｌ組成であるほど、動作波長は小さくなる。

このような紫外領域で機能する高効率のＬＥＤやＬＤなどの光デバイス（紫外デバイス）を実現するには、ＡｌＧａＮからなる発光層等の機能層形成用の下地基板として、高品質な単結晶基板を用いる必要がある。

青色〜青紫色で発光するＬＤや高効率のＬＥＤの場合であれば、下地基板にＧａＮ単結晶基板を用いることが可能である。ＧａＮ単結晶基板は、ハロゲン化物を用いた気相成長法であるＨＶＰＥ（Hydride Vapor Epitaxy）法にて所定の単結晶基材の上にＧａＮ層をエピタキシャル形成することによって作成された、結晶欠陥の少ないエピタキシャル基板である。

しかしながら、係るＧａＮ単結晶基板の上に高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を形成した場合、ＧａＮの格子定数がＡｌＧａＮの格子定数よりも大きいためにＡｌＧａＮ層に引張応力が作用し、クラックの発生や結晶品質の劣化が生じる。すなわち、ＧａＮ単結晶基板は紫外デバイスの下地基板としては不適当である。

係るＧａＮ単結晶基板に代わって着目されているのが、ＡｌＮ単結晶基板である。これは、ＡｌＮがＡｌＧａＮよりも格子定数が小さいので、ＡｌＮ単結晶基板上に形成したＡｌＧａＮ層には圧縮応力が作用しクラックの発生が防げる、という理由や、ＡｌＧａＮのバンドギャップよりもＡｌＮのバンドギャップの方が大きいので、ＡｌＧａＮ層での発光をＡｌＮが吸収することがなく、デバイス構造上有利である、といった理由による。

また、ＡｌＮは高い熱伝導性を持つことから、ＡｌＮ単結晶基板は、光デバイスへの適用のみならず、高周波パワーアンプ用トランジスタや、電力制御用トランジスタなどの電子デバイスへの適用にも期待されている。

ＡｌＮ単結晶基板は、自立基板として使用されるのが好ましいが、これまで、ＡｌＮバルク結晶を得る手法が確立されているとはいえない。なお、大気圧下ではＡｌＮは高温で分解することから、融液からの結晶成長は困難である。具体的な作製手法としては、ＧａＮ単結晶基板と同様のＨＶＰＥ法のほか、昇華法やフラックス法なども試みられている。なお、ＧａＮ単結晶基板の場合はＳｉＯ_２マスクを用いたＥＬＯ（Epitaxially Lateral Overgrowth）技術が適用可能であるが、ＡｌＮがＳｉＯ_２と反応してしまうことや成長条件による成長モードの変化が大きくないなどの理由から、ＡｌＮ単結晶基板の作製にＥＬＯ技術を適用することは困難である。

上述した手法のうち、ＨＶＰＥ法によるＡｌＮ単結晶基板の作製は、基板の大面積化が比較的容易であり、かつ、数十〜数百μｍ／ｈという高速成長が得られる点で期待されている。ＨＶＰＥ法によるＡｌＮ単結晶を実現させるための技術としては、種々のものが公知である（例えば、特許文献１、非特許文献１、および非特許文献２参照）。

特開２００５−２５２２４８号公報

２００６年春季第５３回応用物理学関係連合講演会予稿集 25p-ZE-14. ３８７ページ "Low-pressure HVPE growth of crack-free thick AlN on a trench-patterned AlN template" Y.Katagiri,S.Kishino,K.Okuura,H.Miyake,K.Hiramatsu, Journal of Crystal Growth, 311(2009)2831-2833.

特許文献１および非特許文献１に開示されている手法には、基板とＡｌＮとの熱膨張率の違いから降温時にＡｌＮ層に強い引張応力が作用し、該ＡｌＮ層にクラックが発生してしまう問題がある。

非特許文献２に開示されている手法は、ＡｌＮ層におけるクラック発生の抑制には効果があるが、ＡｌＮ層における低転位領域の確保という点では必ずしも十分な効果が得られないという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも表面における転位密度が小さく低転位領域が広いＡｌＮ単結晶厚膜層を備える、半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板であって、サファイア単結晶基材と、ＡｌＮからなり、前記サファイア単結晶基材の上に形成された下地層と、ＡｌＮからなり、前記下地層の上に形成された厚膜層と、を備え、前記下地層が、所定の間隔で離間しかつ同一の延在方向に沿って延在する三角柱状の複数の凸部を上部に有してなり、前記厚膜層の内部であって、水平面内において隣り合う前記凸部の形成位置の略中間となる複数の位置に、前記延在方向に沿って延在する三角柱状のボイドを有する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、前記厚膜層の表面においては、前記ボイドの上方に位置する領域が転位偏在領域となっており、前記転位偏在領域以外の領域が前記転位偏在領域よりも相対的に転位密度の小さい低転位領域となっている、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、前記複数の凸部のピッチが１μｍ以上２０μｍ以下である、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、前記延在方向がＡｌＮの＜１−１００＞方向である、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、前記ボイドにおいては、当該ボイドの断面三角形の頂点となる位置が前記厚膜層の内部における最上端部となっており、前記厚膜層の表面から前記頂点までの距離が１μｍ以上２０μｍ以下であり、かつ、前記ボイドの底部が前記下地層にある前記複数の凸部の上端より上に位置してなる、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、サファイア単結晶基材の上にＡｌＮからなる平坦層をエピタキシャル成長させる平坦層形成工程と、マスクパターンを用いて前記平坦層をウェットエッチングすることによって、ＡｌＮからなり、所定の間隔で離間しかつ同一の延在方向に沿って延在する三角柱状の複数の凸部を上部に備える下地層を形成する下地層形成工程と、ＨＶＰＥ法によって前記下地層の上にＡｌＮからなる厚膜層をエピタキシャル成長させる厚膜層形成工程と、を備え、前記厚膜層形成工程においては、前記厚膜層の内部であって水平面内において隣り合う前記凸部の形成位置の略中間となる複数の位置に、前記延在方向に沿って延在する三角柱状のボイドを形成させつつ、前記厚膜層を成長させる、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、前記厚膜層形成工程においては、金属ＡｌとＨＣｌガスとを５００℃以上５５０℃以下で反応させて塩化アルミニウムガスを生成する第１工程と、前記塩化アルミニウムガスとアンモニアガスとを、１１００℃以上１７００℃以下に加熱した前記下地層形成後の前記サファイア単結晶基材の近傍で反応させることによってＡｌＮを生成させ、前記下地層の上に前記厚膜層をエピタキシャル成長させる第２工程とを、雰囲気圧力を１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下に保った反応管内で行う、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、前記厚膜層形成工程においては、前記厚膜層の表面から前記厚膜層の内部における前記ボイドの最上端部である当該ボイドの断面三角形の頂点までの距離が１μｍ以上２０μｍ以下であるように、かつ、前記ボイドの底部が前記下地層にある三角柱状の複数の前記凸部の上端より上に位置するように、前記厚膜層を成長させる、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項８の発明によれば、クラックフリーであり、表面における転位密度が低くかつ低転位領域が広いエピタキシャル基板さらにはＡｌＮ単結晶自立基板を得ることができる。

エピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す断面図である。凸部２ａの様子を示すＳＥＭ像である。凸部２ａの部分拡大断面図である。下地層の構造の違いが転位に与える影響を示す図である。下地層２を得るために行う加工手順i)〜x)を模式的に示す図である。ＨＶＰＥ装置２０の構成を概略的に示す図である。成長用基板１０αの温度（基板温度）と、ガス供給タイミングとの関係を示す図である。厚膜層３を形成するＡｌＮの成長方向の、場所による相違について説明する図である。厚膜層３の形成が時間ｔとともに進行する様子を示す図である。実施例に係るエピタキシャル基板１０の作製に用いる成長用基板１０αの主要な箇所の寸法図である。厚膜層３の光学顕微鏡像である。比較例に係るエピタキシャル基板１１０の作製に用いる成長用基板１１０αの主要な箇所の寸法図である。実施例に係るエピタキシャル基板１０の断面ＳＥＭ像である。比較例に係るエピタキシャル基板１０の断面ＳＥＭ像である。実施例に係るエピタキシャル基板１０のレーザー顕微鏡像である。比較例に係るエピタキシャル基板１０のレーザー顕微鏡像である。

＜エピタキシャル基板の構成＞
図１は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０は、基材１と、下地層２と、厚膜層３とを備える。

基材１としては、公知のＣ面サファイア単結晶基板を用いることができる。その厚みに特段の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みを有することが好ましい。また、外形（平面形状）についても特段の制限はなく、矩形や円形など、適宜の形状のものを用いればよい。

下地層２は、ＡｌＮからなる層である。下地層２は、その上部に、所定の間隔Ｗ_ｇで離間しかつ同一の延在方向に沿って延在するとともに、垂直断面における各々の断面形状が三角形である複数の凸部２ａを有する。別の見方をすれば、これら複数の凸部２ａを備えることで、下地層２の上部には、複数の溝部２ｇが形成されているともいえる。なお、下地層２がこのような断面三角形状の凸部２ａを有する構造を、三角ストライプ構造とも称する。

図２は、凸部２ａの様子を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。図３は、凸部２ａの部分拡大断面図である。典型的には、下地層２はＡｌＮの＜０００１＞方向を成長方向として形成され、凸部２ａは、図２に示すように三角柱状をなしている。これにより、凸部２ａの断面は二等辺三角形状となる。係る場合の凸部２ａの延在方向は＜１−１００＞方向である。また、図３に示すように、凸部２ａの２つの斜面Ｓ１、Ｓ２（図３では斜辺Ｓ１、Ｓ２）が下地層２の平坦部２ｓを含む水平面となす角をθとすると、係る場合においては、θは５８°±１０°の範囲内の値となる。なお、θ＝５８°のとき、斜面Ｓ１、Ｓ２はＡｌＮの｛１１−２２｝面と略一致する。

間隔Ｗ_ｇは１μｍ以上２０μｍ以下であればよいが、３μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。平坦部２ｓからの凸部２ａの高さｄ_ｇは、１０μｍ以下であればよいが、１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。凸部２ａの幅ｗ_ｇは、高さｄ_ｇと同程度かそれ以下であればよく、１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。また、平坦部２ｓの厚みは１０μｍ以下であって、凸部２ａの高さｄ_ｇと同程度かそれよりも大きい程度であればよい。

以上のような構成を有する下地層２は、ＭＯＣＶＤ法などの公知のエピタキシャル成長手法によって基材１の上にＡｌＮからなる平坦層２αをエピタキシャル形成したうえで、該平坦層２αの一部を除去することによって形成される。下地層２の形成についての詳細については後述する。

厚膜層３は、下地層２の上に形成された、ＡｌＮからなる数十μｍ程度の厚みを有する層である。厚膜層３は、下地層２の凸部２ａによって形成された溝部２ｇを全て埋める態様にて形成されてなる。その一方で、厚膜層３の内部には、下地層２の凸部２ａと同一の延在方向に延在し、断面形状が三角形である複数のボイド４が、形成されてなる。それぞれのボイド４は、水平面内において隣り合う凸部２ａの形成位置の略中間となる位置に形成されてなる。すなわち、ボイド４の間隔Ｐは凸部２ａの間隔Ｗ_ｇと略同一である。

ボイド４の上端４ｔと厚膜層３の表面３ｓとの距離Ｄは、厚膜層３にクラックの生じない範囲で大きくすることが可能であり、５μｍ以上２０μｍ以下での範囲であれば、クラックフリーでかつ厚みの大きな厚膜層３を有するエピタキシャル基板１０が実現される。距離Ｄが２０μｍを上回ると、厚膜層３にクラックが生じる可能性がある。また、距離Ｄは、５μｍを下回ってもよいが、あまりに小さいと、厚膜層３の表面３ｓの強度が十分に確保されなくなることから、距離Ｄは１μｍ以上であることが望ましい。

ボイド４の上端４ｔと下地層２の凸部２ａの上端２ｔとの距離（これを上端４ｔの高さとも称する）は、数μｍ〜十数μｍ程度となる。なお、ボイド４の上端４ｔと平坦部２ｓとの距離（これを上端４ｔの高さとも称する）ｈ_ｔと、凸部２ａの間隔Ｗ_ｇと高さｄ_ｇとの間には、縦横比ｒを用いて
ｈ_ｔ−ｄ_ｇ＝ｒ（Ｗ_ｇ／２）・・・・・・・・（１）
なる関係が成り立つ。ここで、縦横比ｒとは、厚膜層３の水平方向と高さ方向の成長速度の比を表すパラメータであり、縦横比ｒの値が大きいほど、縦方向成長が横方向に比べて支配的であることを表す。下地層２の三角ストライプ構造が同じであれば、成長温度に応じて異なる値を取る。

一方、ボイド４の下端（底面）４ｂと下地層２の平坦部２ｓとの距離（これを底面４ｂの高さとも称する）ｈ_ｂは、数μｍ程度となる。なお、ボイド４の底面４ｂの高さｈ_ｂと、下地層２の凸部２ａの間隔Ｗ_ｇおよび高さｄ_ｇとの間には、
ｈ_ｂ＝ｋ（Ｗ_ｇ）^２／ｄ_ｇ・・・・・・・・（２）
なる関係が成り立つことが実験的にわかっている（ｋは比例定数）。

厚膜層３は、下地層２の上にＨＶＰＥ法によってエピタキシャル形成されてなる。また、係るエピタキシャル形成の過程においてボイド４が形成される。厚膜層３およびボイド４の形成についての詳細は後述する。

以上のような構成を有するエピタキシャル基板１０は、厚膜層３がＡｌＮ単結晶にて形成されたＡｌＮ単結晶基板であるといえる。

係るエピタキシャル基板１０は、従来のような台形ストライプ構造を有する下地層を用いて作製されたエピタキシャル基板に比して、転位密度が低減されるとともに、厚膜層３の表面における転位存在領域が偏在化されることによって、相対的に転位密度の小さい低転位領域がより拡大されたものとなっている。なお、台形ストライプ構造とは、下地層２の凸部２ａが、所定の間隔で離間しかつ同一の延在方向に沿って延在するとともに、垂直断面における断面形状が台形となっているもののことをいう。

図４は、下地層の構造の違いが転位に与える影響を示す図である。図４（ａ）は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０における転位ｄの伝播の様子を模式的に示している。図４（ｂ）は、対比のために示す、台形ストライプ構造が採用されたエピタキシャル基板１１０における転位ｄの伝播の様子を模式的に示している。なお、図４中における破線は、後述する厚膜層３の領域３ａ、３ｂ、および３ｃ（図８、図９参照）を区分する仮想的なものであり、実際に存在するものではない。

図４（ａ）に示す本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の場合も、図４（ｂ）に示すエピタキシャル基板１１０の場合も、基材１と下地層２との界面を起点とする転位ｄが下地層２を貫通して厚膜層３まで伝播しているが、その多くは、ボイド４において消失している。より具体的にいえば、それらは、起点から垂直に伝播しボイド４の底面で消失するか、起点から下地層２内を垂直に伝播した後、下地層２の凸部２ａにて折れ曲がり、ボイド４の斜面で消失するか、あるいは凸部とボイドとの間で折れ曲がり、ボイド４の底面もしくは斜面で消失している。

それゆえ、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０において厚膜層３の表面３ｓに現れるのは、ボイド４の上端４ｔ近傍を起点として垂直に伝播した転位ｄや、凸部２ａの上端２ｔ近傍を通って垂直に伝播した転位ｄに限られる。後者のケースが生じるのは確率的に希であるので、実質的には、厚膜層３の表面３ｓにおいてはほとんどの領域が転位密度の小さい低転位領域ＲＥ１となっており、ボイド４の上端４ｔの上方近傍のみが転位偏在領域ＲＥ２となっている。

一方、エピタキシャル基板１１０の場合は、エピタキシャル基板１０と同様に、ボイド４の上端４ｔ近傍からの転位ｄの伝播があることに加えて、下地層２のテラス部２Ｔを伝播する転位ｄも無視できなくなる。そのため、低転位領域が十分に得られない。

以上のことから、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０は、従来のエピタキシャル基板に比して、より転位密度が低減され、かつ、低転位領域が十分に確保されたものとなっているといえる。

＜下地層の形成＞
以降、上述のような構成を有するエピタキシャル基板１０の作製手順について順次に説明する。まず、三角ストライプ構造を有する下地層２の形成について説明する。

初めに、Ｃ面サファイア単結晶基板である基材１の主面上に平坦層２αとしてのＡｌＮ層を所定の厚みにエピタキシャル形成する。係る平坦層２αの形成は、ＭＯＣＶＤ法によって、特にその一態様であるアンモニアパルス供給多段成長法によって行うのが好適である。これによって、結晶品質の良好な平坦層２αが得られる。より具体的には、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が５０秒〜２００秒程度であり、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒〜１５００秒程度であり、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３００秒〜２０００秒程度であり、転位密度が１×１０^１０／ｃｍ^３程度以下である平坦層２αが得られる。平坦層２αがこのようにすぐれた結晶品質にて形成されることで、その上に形成される厚膜層３の結晶品質も良好なものとなる。

なお、＜０００１＞方向を成長方位として結晶品質の優れたＡｌＮ層を形成出来るのであれば、ＭＢＥ法など他の結晶成長を用いる態様であってもよい。

また、基材１に相当するサファイア単結晶基材上に、平坦層２αに相当する結晶品質および表面平坦性に優れたＡｌＮ層を形成してなる、いわゆるテンプレート基板を用意し、以降の処理に供する態様であってもよい。

次に、平坦層２αを加工することにより、下地層２を得る。図５は、下地層２を得るために行う以下の加工手順i)〜x)を模式的に示す図である。なお、以下においては、上述した構造を有する下地層２が得られるまでの途中状態にある基板を加工対象基板と総称する。

i)基板洗浄；
加工対象基板をアセトンとメタノールとによって順次に超音波洗浄し、純水でリンスした後、さらに、塩酸による洗浄と、フッ酸による酸化膜を除去とを行う。

ii)ＳｉＯ_２堆積；
洗浄後の加工対象基板の平坦層２αの表面に、公知のプラズマＣＶＤ法によって、後段の工程においてエッチングマスクとなるＳｉＯ_２膜５を堆積させる。

iii)ＯＡＰ塗布；
形成したＳｉＯ_２膜５の上に、ヘキサメチルジシラザン（ＯＡＰ）を塗布し、スピナーによって均一化した後、ベーキングすることでＯＡＰ膜６を形成した。これは、ＳｉＯ_２膜５と次に形成するレジスト膜７との密着性を向上させるために行う処理である。

iv)レジスト塗布；
ＯＡＰ膜６の上にポジ型のレジストを塗布し、スピナーで均一化した後、プリベーキングを行うことによって、レジスト膜７を形成した。

v)露光；
Ｍａｓｋ部分とＷｉｎｄｏｗ部分とが水平方向に交互に設けられたストライプパターンを有するＣｒ製露光用マスク（図示せず）を用い、該ストライプパターンの延在方向を平坦層２αを構成しているＡｌＮの＜１−１００＞方向に一致させる態様にて加工対象基板を露光する。

vi)現像；
露光後の加工対象基板をポジ型レジスト用の現像液に浸し、レジスト膜７（厳密にはＯＡＰ膜６も含む）のうち、露光時にＷｉｎｄｏｗ部分にあった部分を除去する。その後、純水でリンスし、さらにポストベーキングを行って、加工対象基板において残存しているストライプ状にレジスト膜７を固化させる。

vii)ウェットエッチング；
バッファードフッ酸（ＮＨ_４ＨＦ_２）をエッチャントとしてＳｉＯ_２膜５のウェットエッチングを行う。エッチャントがレジスト膜７の下方に回り込むことでＳｉＯ_２膜５はアンダーカットされ、断面形状が三角形のストライプ状となる。

viii)レジスト除去；
アセトンを用いた超音波洗浄を行うことにより、レジストを溶解除去する。これにより、ストライプ状のＳｉＯ_２膜５が加工対象基板の表面に露出する。

ix)ドライエッチング；
ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いて、加工対象基板をＣｌ_２ガスによりドライエッチングする。エッチングの選択比は、おおよそＡｌＮ：ＳｉＯ_２＝２：１である。係るドライエッチングによって、平坦層２αの上面がその上に備わるストライプ状のＳｉＯ_２膜５の形状に応じてエッチングされる。

x)ＳｉＯ_２除去；
最後に、フッ酸で残存しているＳｉＯ_２を完全に除去する。これにより、三角ストライプ構造を有する下地層２が得られる。

＜ＨＶＰＥ装置＞
次に、厚膜層３の形成に用いるＨＶＰＥ装置２０について概説する。図６は、ＨＶＰＥ装置２０の構成を概略的に示す図である。

ＨＶＰＥ装置２０は、概略、石英製の反応管２１の中に配置されたサセプタ（試料台）２２の上に、基材１と上述の態様にて三角ストライプ構造が形成された下地層２とを備える成長用基板１０αを載置し、該成長用基板１０αの表面に（下地層２の表面に）ＡｌＮからなる厚膜層３を形成するための装置である。

ＨＶＰＥ装置２０は、サセプタ２２の近傍に対してIII族原料ガスを供給するための第１供給経路２３と、Ｖ族原料ガスを供給するための第２供給経路２４とを備える。第１供給経路２３の途中には、III族原料となる金属アルミニウム（Ａｌ）２５がボート２６に入れられた状態で配置されている。また、第１供給経路２３には、図示しない供給源からＨＣｌガスがキャリアガスとしてのＮ_２ガスおよび／またはＨ_２ガスとともに供給される。一方、第２供給経路２４には、図示しない供給源からＮＨ_３ガスがキャリアガスとしてのＮ_２ガスおよび／またはＨ_２ガスとともに供給される。なお、ＨＣｌガスとしては、Ｈ２ガスによって５％希釈されたものを用いる。なお、反応管２１の長手方向においてガスが供給される側を上流側と称する。

反応管２１の内部は、ゾーンと称される４つの領域に区分される。具体的には、サセプタ２２が設けられておりＡｌＮの生成反応が生じる領域を反応ゾーンＺ０と称し、最上流側であって、ボート２６が配置されてなる領域を第１ゾーンＺ１と称し、第１ゾーンＺ１と反応ゾーンＺ０との間の領域を第２ゾーンＺ２と称し、反応ゾーンＺ０よりも下流側の領域を第３ゾーンＺ３と称する。

ＨＶＰＥ装置２０には、それぞれのゾーンに対応させて個別の加熱手段が備わっている。反応ゾーンＺ０においては、サセプタ２２に載置された成長用基板１０αを加熱するための加熱手段である基板加熱ヒータ３０が付設されてなる。基板加熱ヒータ３０は、反応ゾーンＺ０の全体ではなく、その近傍に備わる成長用基板１０αを優先的に加熱する局所加熱手段である。基板加熱ヒータ３０は、例えばＲＦ加熱や通電加熱ヒータである。あるいは、これらに代えて、ランプヒータを用いる態様であってもよい。

一方、反応管２１の外周部であって、第１ゾーンＺ１、第２ゾーンＺ２、および第３ゾーンＺ３に対応する箇所には、第１ゾーン加熱ヒータ３１と、第２ゾーン加熱ヒータ３２と、第３ゾーン加熱ヒータ３３とが設けられてなる。第１ゾーン加熱ヒータ３１と、第２ゾーン加熱ヒータ３２と、第３ゾーン加熱ヒータ３３とは、対応するゾーンを反応管２１の外側から全体的に加熱する。第１ゾーン加熱ヒータ３１と、第２ゾーン加熱ヒータ３２と、第３ゾーン加熱ヒータ３３とは、個別に制御されるので、ゾーン毎に異なる温度設定にて加熱を行うことが出来る。

また、反応管２１の下流側には、反応後の残存ガスを排気するための図示を省略する排気経路が設けられている。

＜ＨＶＰＥ法による厚膜層形成＞
続いて、上述したＨＶＰＥ装置２０を用いた厚膜層３の形成プロセスについて説明する。厚膜層３を形成するにあたっては、まず、成長用基板１０αに対し洗浄処理を施す。具体的には、成長用基板１０αをアセトン、メタノールで順次に洗浄した後、純水による超音波洗浄する。そして、塩酸およびフッ酸で金属および酸化膜を除去する。

係る洗浄処理後の成長用基板１０αをサセプタ２２に載置した後、第１ゾーン加熱ヒータ３１、第２ゾーン加熱ヒータ３２、および第３ゾーン加熱ヒータ３３によって、第１ゾーンＺ１を５００℃以上で５５０℃以下となるように加熱し、第２ゾーンＺ２を第１ゾーンＺ１より高温でかつ７００℃以下となるように加熱し、さらには第３ゾーンＺ３を７００℃以上９００℃以下となるように加熱する。

一方で、反応ゾーンＺ０においては、基板加熱ヒータ３０によって、成長温度が１２００℃以上１６００℃以下の所定の値となるように成長用基板１０αを加熱する。

なお、反応管２１内の圧力は、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下、さらに望ましくは１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下に保つようにする。

図７は、成長用基板１０αの温度（基板温度）と、ガス供給タイミングとの関係を示す図である。ただし、図７においては、厚膜層３の成長温度を１５００℃に設定した場合を例示している。図７に示すように、基板加熱ヒータ３０による加熱を開始する際には、これと併せて、第２供給経路２４からのＮＨ_３ガスの供給も開始する。係るＮＨ_３ガスの供給は、厚膜層３の成長終了後の降温過程で基板温度が４００℃に達するまで行う。これは、高温状態にあるＡｌＮからのＮの脱離を抑制するためである。

その後、成長用基板１０αの温度が成長温度に達すると、第１供給経路２３からのＨＣｌガスの供給を開始する。以降、所定の成長時間の間、該成長温度を保ちつつ、第１供給経路２３からのＨＣｌガスの供給を継続する。

第１供給経路２３から供給されたＨＣｌガスは、第１ゾーンＺ１においてボート２６に入れられた金属アルミニウム２５と反応する。第１ゾーンＺ１は５５０℃以下に保たれているので、両者の反応によって生成するのはＡｌＣｌ_３ガスである。係るＡｌＣｌ_３ガスは第２ゾーンＺ２を経て反応ゾーンＺ０へと達する。一方、第２供給経路２４においては、ＮＨ_３ガスが、第１ゾーンＺ１、第２ゾーンＺ２を経て反応ゾーンＺ０へと達する。なお、ＡｌＣｌ_３ガスが生成する第１ゾーンＺ１と反応ゾーンＺ０との間に第１ゾーンＺ１よりも高温の第２ゾーンＺ２を設けているのは、ＮＨ_３ガスの分解を促進し反応ゾーンＺ０との温度差を小さくするためである。

反応ゾーンＺ０においては、第１供給経路２３から供給されたＡｌＣｌ_３ガスと第２供給経路２４から供給されたＮＨ_３ガスとの反応によってＡｌＮが生成される。このようにして反応生成したＡｌＮが成長用基板１０α上に順次に堆積していくことによって、厚膜層３が形成される。

なお、第３ゾーンＺ３においては、未反応のＡｌＣｌ_xガスやＮＨ₃ガス、あるいは成長用基板１０α上に析出しなかったＡｌＮなどが分解される。

予定された反応時間が終了すると、ＨＣｌガスの供給は停止され、成長用基板１０αは降温される。上述のように、４００℃になるとＮＨ_３ガスの供給も停止され、厚膜層３が形成された成長用基板１０α、つまりはエピタキシャル基板１０は、室温まで冷却される。

＜ボイドの形成メカニズム＞
以上が、ＨＶＰＥ法によってＡｌＮからなる厚膜層３を形成するプロセスの概要であるが、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０は、厚膜層３の内部にボイド４が形成される点で特徴的である。係るボイド４は、厚膜層３の成長過程において形成される。以下、そのメカニズムについて詳説する。図８は、厚膜層３を形成するＡｌＮの成長方向の、場所による相違について説明する図である。図９は、厚膜層３の形成が時間ｔとともに進行する様子を示す図である。

図８に示すように、平坦部２ｓからその上方の領域３ａにかけては、ＡｌＮはＣ面（（０００１面））を形成しつつ縦方向に成長する。一方、下地層２の凸部２ａの斜面Ｓ１、Ｓ２からそれぞれの斜め上方の領域３ｂにかけては、ＡｌＮは斜めファセットを形成しつつ横方向に成長する。さらに、凸部２ａの上端２ｔの上方の領域３ｃにおいては、ＡｌＮは領域３ａと同様にＣ面を形成しつつ縦方向に成長する。このことはすなわち、厚膜層３は、ＡｌＮの成長態様が異なる３つの領域にて形成されることを意味している。

より具体的には、図９に示すように、厚膜層３の形成は縦方向成長をする領域３ａと領域３ｃとの間に、横方向成長をする領域３ｂが介在する態様にて進行する。そのため、ｔ＝ｔ１〜ｔ２に示すように、領域３ａにおいては成長が進むほど、左右の領域３ｂにおける横方向成長に阻まれていくことになる。そして、ｔ＝ｔ２〜ｔ３のように成長が進んで領域３ｂの間隔が狭まるにつれて、領域３ａの上方にＡｌＮが堆積しにくくなり、領域３ａの上方には隙間４αが形成される。その後、ｔ＝ｔ４〜ｔ５のように、左右の領域３ｂが合体することで、隙間４αが閉じ、ボイド４として厚膜層３内に残存することとなる。

その一方で、凸部２ａの上方であって２つの領域３ｂの間の領域３ｃにおいては、縦方向成長が進行する。領域３ｂが合体し、隙間４αが閉じてボイド４となった以降は、ｔ＝ｔ５に示すように、領域３ｃの縦方向成長が支配的となる。以上のような過程を経ることで、図１に示した構造のエピタキシャル基板１０が得られる。なお、得られたエピタキシャル基板１０の表面（厚膜層３の表面）はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて原子ステップが確認されるほどの優れた平坦性を示す。また、クラックが生じることもない。

このような厚膜層３およびボイド４の形成プロセスは、上述した、厚膜層３の表面における低転位化（転位の偏在化）と大いに関係がある。すなわち、下地層２からの貫通転位のうち、領域３ａおよび領域３ｂに伝播したものは、ボイド４のところで消失する。厚膜層３の表面に現れるのは、ボイド４の上端４ｔあるいは凸部２ａの上端２ｔから領域３ｃを貫通する転位のみとなっている。このことは、三角ストライプ構造を有するＡｌＮ下地層を備える成長用基板１０αの上にＨＶＰＥ法にてＡｌＮからなる厚膜層３を形成することが、表面における転位密度が低く低転位領域が広いエピタキシャル基板１０、つまりはＡｌＮ単結晶基板を得るうえにおいて有効であることを意味している。

なお、上述した下地層２の凸部２ａの間隔Ｗ_ｇ、高さｄ_ｇ、および幅ｗ_ｇの要件、さらには、斜面Ｓ１、Ｓ２が水平面となす角θの要件は、厚膜層３の形成過程においてボイド４が好適に形成され、これによってボイド４における転位の消失が好適に実現されるための要件でもある。例えば、間隔Ｗ_ｇが小さすぎると、下地層２に平坦部２ｓがほとんど存在しないことになるため、領域３ａに相当する部分の縦方向成長がほとんど起きず、結果としてボイド４が形成されなくなってしまい好ましくない。また、間隔Ｗ_ｇが大きすぎると、逆に平坦部２ｓからの縦方向成長が支配的となって、結果としてボイド４が形成されなくなってしまい好ましくない。換言すれば、上述した間隔Ｗ_ｇ、高さｄ_ｇ、幅ｗ_ｇ、および角度θの範囲は、厚膜層３の形成において縦方向成長と横方向成長とがバランスし、転位の低減に効果的にボイド４形成されるための要件であるといえる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、サファイア単結晶基材の上に三角ストライプ構造を有するＡｌＮ下地層を設けた成長用基板に、ＨＶＰＥ法にてＡｌＮ厚膜層を形成することで、クラックフリーであり、表面における転位密度が低くかつ低転位領域が広いエピタキシャル基板を得ることができる。また、係るエピタキシャル基板１０から切削や研磨やその他の公知の手法にて基材１を除去することで、ＡｌＮ単結晶自立基板を得ることも可能である。

（実施例）
実施例として、上述の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０作製した。図１０は、実施例に係るエピタキシャル基板１０の作製に用いる成長用基板１０αの主要な箇所の寸法図である。図１０に示すように、成長用基板１０αにおいては、Ｗ_ｇ＝１０μｍである。

まず、基材１としての直径２インチのＣ面サファイア単結晶基板の上に、平坦層２αとしてのＡｌＮ層が４μｍの厚みに形成されてなるテンプレート基板を用意した。なお、ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は１５４秒であり、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は５０７秒であった。

係るテンプレート基板に対し、アセトンとメタノールとで１０分間ずつ超音波洗浄を行い、純水で５分間リンスした。さらにその後、塩酸で１０分間洗浄し、最後にフッ酸で酸化膜を除去したうえで、図５に手順を示した三角ストライプ構造の形成に供した。

まず、プラズマＣＶＤ法により、平坦層２αの上にＳｉＯ_２膜５を２μｍの厚みに堆積させた。続いて、ＳｉＯ_２膜５の上にＯＡＰを塗布し、スピナーで均一化した後、７０℃で５分間のベーキングを行ってＯＡＰ膜６を形成した。

そして、このＯＡＰ膜６上にポジ型レジストを塗布し、スピナーで均一化した後、９０℃で３０ｍｉｎプリベーキングを行って、レジスト膜７を形成した。

続くレジスト露光は、Ｍａｓｋ：Ｗｉｎｄｏｗ＝５μｍ：５μｍのストライプパターンが設けられた露光用Ｃｒマスクを用いて行った。露光時間は８．５秒とした。

露光後、現像処理として、加工対象物をポジ型レジスト用現像液に３５秒浸して露光された部分のレジストを除去し、純水で約２５秒リンスし、１２０℃で３０分間のポストベーキングを行った。

続いて、濃度２２％の（ＮＨ_４ＨＦ_２）をエッチャントとしてＳｉＯ_２膜５のウェットエッチングを行った。エッチング時間は７２０秒とした。これらは、ＳｉＯ_２膜５が約２．５μｍエッチングされる条件である。ウェットエッチングによってＳｉＯ_２膜５は断面三角形状のストライプ構造を有するものとなった。その高さは約１μｍであった。ウェットエッチング後、アセトンによる超音波洗浄によって、レジストを溶解除去した。

続いて、ＲＩＥ装置を用い、ドライエッチングを行った。エッチング時間は９分とし、ＡｌＮを約２μｍ、ＳｉＯ_２を約１μｍエッチングした。最後に、最後にフッ酸でＳｉＯ_２を完全に除去した。これにより、図１０に示す成長用基板１０αが得られた。

得られた成長用基板１０αを洗浄処理した後、ＨＶＰＥ装置２０により、厚膜層３を形成した。なお、洗浄処理としては、アセトンとメタノールとで１０分間ずつ有機洗浄を行い、純水で５分間の超音波洗浄を行った。さらにその後、塩酸での１０分間の洗浄と、フッ酸での１０分間の洗浄を行い、金属および酸化膜を除去した。

ＨＶＰＥ装置２０による厚膜層３の形成においては、成長温度を１５００℃、Ｖ／III比を５００、ＨＣｌガス（Ｈ_２ガスにて５％に希釈）の流量を６ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスの流量を１．０ｓｃｃｍ、成長時間を８０分とした。また、第１ゾーンＺ１、第２ゾーンＺ２、および第３ゾーンＺ３の温度はそれぞれ５５０℃、７００℃、９００℃とした。

図１１は、得られた厚膜層３の光学顕微鏡像である。厚膜層３には、クラックは確認されなかった。

また、厚膜層３についてＡＦＭ観察を行ったところ、明瞭な原子ステップが観察された。係るＡＦＭ像から求められた１μｍ×１μｍ領域でのＲＭＳ値は０．１２１ｎｍであった。すなわち、得られた厚膜層３の表面、つまりは、実施例に係るエピタキシャル基板１０の表面は、原子レベルでの平坦性を有することが確認された。

また、得られた厚膜層３の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は１７６秒であり、（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は２４１秒であった。係る結果は、厚膜層３の総合的な結晶性が、下地層２となったＡｌＮ層に比べて優れていることを意味している。

（比較例）
比較例として、成長用基板が台形ストライプ構造を有するエピタキシャル基板１１０を作製した。図１２は、比較例に係るエピタキシャル基板１１０の作製に用いる成長用基板１１０αの主要な箇所の寸法図である。成長用基板１１０αは、凸部２ａの上端部にテラス部２Ｔが存在する点で、実施例において用いた成長用基板１０αと相違する。なお、図１２に示すように、成長用基板１１０αにおいても、Ｗ_ｇ＝１０μｍである。

成長用基板１１０αの形成は、バッファードフッ酸によるウェットエッチングの時間を実施例の半分の３６０秒としてＳｉＯ_２膜５のアンダーカットを生じさせないようにし、さらに、ＲＩＥ装置によるドライエッチングの時間を実施例の半分の４分３０秒としたほかは、同一の手順及び条件で行った。

また、成長用基板１１０αへの厚膜層３の形成は、実施例と同様の条件で行った。

得られたエピタキシャル基板１１０の厚膜層３についてＡＦＭ観察を行ったところ、実施例に係るエピタキシャル基板１０と同様、明瞭な原子ステップが観察された。ＡＦＭ像から求められた１μｍ×１μｍ領域でのＲＭＳ値は０．１２６ｎｍであった。すなわち、実施例と同様、比較例に係るエピタキシャル基板１１０についても、原子レベルでの平坦性を有することが確認された。

（実施例と比較例の厚膜層の対比）
実施例に係るエピタキシャル基板１０と比較例に係るエピタキシャル基板１１０とについて、ＳＥＭによる厚膜層３の形態観察と、レーザー顕微鏡によるエッチピット観察とを行った。エッチピット観察は、エピタキシャル基板１０および１１０を、３５０℃のＫＯＨ＋ＮａＯＨ融液に２分間浸し、転位部分にエッチピットを形成させたうえで行った。

図１３は、実施例に係るエピタキシャル基板１０の断面ＳＥＭ像である。図１４は、比較例に係るエピタキシャル基板１１０の断面ＳＥＭ像である。

図１３および図１４では、実施例、比較例ともに、厚膜層３の内部であって水平面内において隣り合う凸部２ａの形成位置の略中間となる位置に、断面形状が三角形であるボイド４（黒色部分）が形成されていることが確認される。なお、実施例、比較例ともに、ボイド４の間隔Ｐは約１０μｍであった。また、両者のＳＥＭ像から凸部２ａの上端とボイド４の上端の位置を測定し、（１）式に基づいて縦横比ｒを求めたところ、実施例ではｒ＝２．６であり、比較例ではｒ＝２．７となった。係る結果は、両者におけるＡｌＮの成長態様には著しい相違が無く、得られた縦横比ｒの値からは、横方向成長が促進されているものと判断される。

また、図１５は、実施例に係るエピタキシャル基板１０のレーザー顕微鏡像である。図１６は、比較例に係るエピタキシャル基板１１０のレーザー顕微鏡像である。両図ともに、図４に示したものと同様の転位の伝播の様子を示す模式図を付している。

図１６に示すように、比較例の場合、破線Ｌ２を付した観察範囲の略全体に均一にエッチピットが観察された。ピット密度は９．９×１０^６／ｃｍ^２であった。これに対して、実施例の場合、全体のピット密度は５．１×１０^６／ｃｍ^２と比較例よりも小さく、しかも、図１５に示すように、エッチピットは破線Ｌ１にて示すような直線状の領域に偏在し、それ以外の部分ではより少なくなっていた。

図１５によれば、当該領域同士の間隔は約１０μｍである。また、その延在方向はＡｌＮの＜１−１００＞方向と一致しているので、この破線Ｌ１にて囲まれた領域は、ボイド４の上方に位置していると判断される。

以上の結果は、実施例に係るエピタキシャル基板１０では、比較例に係るエピタキシャル基板１１０よりも、厚膜層３の表面における転位密度が小さいこと、および、図４（ａ）に模式的に示したように、転位の大半は直線状の転位偏在領域ＲＥ２に存在し、それ以外の広い範囲はより転位密度が小さい低転位領域ＲＥ１となっていることを示している。さらにいえば、以上の結果は、比較例のように台形ストライプ構造を採用したエピタキシャル基板では、クラックフリーは実現されるものの表面における転位の低減は十分ではなく、実施例のように三角ストライプ構造を採用することで初めて、クラックフリーでかつ表面における転位の少ないエピタキシャル基板が実現されることを意味している。

１基材
２下地層
２ａ（下地層の）凸部
２ｇ（下地層の）溝部
２ｓ（下地層の）平坦部
２ｔ（下地層の）上端
２Ｔテラス部
２α 平坦層
３厚膜層
４ボイド
４ｂ（ボイドの）底面
４ｔ（ボイドの）上端
１０、１１０エピタキシャル基板
１０α、１１０α 成長用基板
２０ＨＶＰＥ装置
２１反応管
２２サセプタ
２３第１供給経路
２４第２供給経路
２５金属アルミニウム
３０基板加熱ヒータ
３１第１ゾーン加熱ヒータ
３２第２ゾーン加熱ヒータ
３３第３ゾーン加熱ヒータ
Ｐ（ボイドの）間隔
ＲＥ１低転位領域
ＲＥ２転位偏在領域
Ｓ１、Ｓ２（凸部の）斜面
Ｗ_ｇ（凸部の）間隔

Claims

半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
サファイア単結晶基材と、
ＡｌＮからなり、前記サファイア単結晶基材の上に形成された下地層と、
ＡｌＮからなり、前記下地層の上に形成された厚膜層と、
を備え、
前記下地層が、所定の間隔で離間しかつ同一の延在方向に沿って延在する三角柱状の複数の凸部を上部に有してなり、
前記厚膜層の内部であって、水平面内において隣り合う前記凸部の形成位置の略中間となる複数の位置に、前記延在方向に沿って延在する三角柱状のボイドを有する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
請求項１に記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記厚膜層の表面においては、前記ボイドの上方に位置する領域が転位偏在領域となっており、前記転位偏在領域以外の領域が前記転位偏在領域よりも相対的に転位密度の小さい低転位領域となっている、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
請求項１または請求項２に記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記複数の凸部のピッチが１μｍ以上２０μｍ以下である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記延在方向がＡｌＮの＜１−１００＞方向である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記ボイドにおいては、当該ボイドの断面三角形の頂点となる位置が前記厚膜層の内部における最上端部となっており、前記厚膜層の表面から前記頂点までの距離が１μｍ以上２０μｍ以下であり、かつ、当該ボイドの底部が前記下地層にある前記複数の凸部の上端より上に位置してなる、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
サファイア単結晶基材の上にＡｌＮからなる平坦層をエピタキシャル成長させる平坦層形成工程と、
マスクパターンを用いて前記平坦層をウェットエッチングすることによって、ＡｌＮからなり、所定の間隔で離間しかつ同一の延在方向に沿って延在する三角柱状の複数の凸部を上部に備える下地層を形成する下地層形成工程と、
ＨＶＰＥ法によって前記下地層の上にＡｌＮからなる厚膜層をエピタキシャル成長させる厚膜層形成工程と、
を備え、
前記厚膜層形成工程においては、前記厚膜層の内部であって水平面内において隣り合う前記凸部の形成位置の略中間となる複数の位置に、前記延在方向に沿って延在する三角柱状のボイドを形成させつつ、前記厚膜層を成長させる、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。
請求項６に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記厚膜層形成工程においては、
金属ＡｌとＨＣｌガスとを５００℃以上５５０℃以下で反応させて塩化アルミニウムガスを生成する第１工程と、
前記塩化アルミニウムガスとアンモニアガスとを、１２００℃以上１７００℃以下に加熱した前記下地層形成後の前記サファイア単結晶基材の近傍で反応させることによってＡｌＮを生成させ、前記下地層の上に前記厚膜層をエピタキシャル成長させる第２工程と、
を、雰囲気圧力を１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下に保った反応管内で行う、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。
請求項６または請求項７に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記厚膜層形成工程においては、前記厚膜層の表面から前記厚膜層の内部における前記ボイドの最上端部である当該ボイドの断面三角形の頂点までの距離が１μｍ以上２０μｍ以下であるように、かつ、前記ボイドの底部が前記下地層にある三角柱状の複数の前記凸部の上端より上に位置するように、前記厚膜層を成長させる、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。