JPWO2007072984A1 - 半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法 - Google Patents
半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2007072984A1 JPWO2007072984A1 JP2007551175A JP2007551175A JPWO2007072984A1 JP WO2007072984 A1 JPWO2007072984 A1 JP WO2007072984A1 JP 2007551175 A JP2007551175 A JP 2007551175A JP 2007551175 A JP2007551175 A JP 2007551175A JP WO2007072984 A1 JPWO2007072984 A1 JP WO2007072984A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal layer
- chromium
- nitride film
- manufacturing
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 202
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 120
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 110
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 76
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 67
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 53
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 52
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 27
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 36
- 238000001741 metal-organic molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 22
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 16
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 claims description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 69
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 40
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 33
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 33
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 32
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 30
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 13
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XMPZTFVPEKAKFH-UHFFFAOYSA-P ceric ammonium nitrate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[Ce+4].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XMPZTFVPEKAKFH-UHFFFAOYSA-P 0.000 description 6
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 5
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 4
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002128 reflection high energy electron diffraction Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/56—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/06—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
- C23C16/18—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material from metallo-organic compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
- H01L29/151—Compositional structures
- H01L29/152—Compositional structures with quantum effects only in vertical direction, i.e. layered structures with quantum effects solely resulting from vertical potential variation
- H01L29/155—Comprising only semiconductor materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本発明の第１側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、前記クロム層を窒化してクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
Description
本発明は、半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法に関する。
半導体基板を得るために、ＭＯＣＶＤ法により下地基板の上にアルミニウム膜を成膜した後、そのアルミニウム膜を同一炉内で窒化して窒化アルミニウム膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、窒化アルミニウム膜の不純物汚染を低減している。
特開２００２−２８４６００号公報
特許文献１に示された技術では、窒化アルミニウム膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成長させた場合、窒化アルミニウム膜とＩＩＩ族窒化物半導体との格子不整合などにより核生成サイトがランダムになりやすく、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶の結晶性が悪くなるおそれがある。
本発明の目的は、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶層の結晶性を向上できる半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法を提供することにある。
本発明の第１側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、前記クロム層を窒化してクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第２側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第３側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、前記クロム層を窒化して、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第４側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上に、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第５側面に係る素子構造の製造方法は、本発明の第１側面から第４側面に係る半導体基板の製造方法により、前記第２結晶層を半導体基板として準備する準備工程と、前記半導体基板の上に素子構造を形成する素子構造形成工程とを備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
本発明の目的は、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶層の結晶性を向上できる半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法を提供することにある。
本発明の第１側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、前記クロム層を窒化してクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第２側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第３側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、前記クロム層を窒化して、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第４側面に係る半導体基板の製造方法は、外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、気相成長法により、前記下地基板の上に、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程とを備え、前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われることを特徴とする。
本発明の第５側面に係る素子構造の製造方法は、本発明の第１側面から第４側面に係る半導体基板の製造方法により、前記第２結晶層を半導体基板として準備する準備工程と、前記半導体基板の上に素子構造を形成する素子構造形成工程とを備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
図１Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図１Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図１Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図３は、ＭＯＣＶＤ装置の構成図を示す。
図４は、第２結晶層を観察したＳＥＭ写真を示す。
図５は、エッチング状態を観察したＳＥＭ写真を示す。
図６は、図２Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図７は、クロム窒化物膜の表面を観察したＳＥＭ写真を示す。
図８は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図９は、第２結晶層の表面を観察した顕微鏡写真を示す。
図１０は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図１１Ａは、試料断面のＴＥＭ写真（比較例）を示す。
図１１Ｂは、試料断面のＴＥＭ写真（比較例）を示す。
図１２Ａは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｂは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｃは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｄは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１３は、クロム窒化物膜の表面を観察したＳＥＭ写真（比較例）を示す。
図１４は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（比較例）を示す。
図１５は、第２結晶層の表面を観察した顕微鏡写真（比較例）を示す。
図１６は、第２結晶層の表面をＡＦＭ解析した結果（比較例）を示す。
図１７は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（比較例）を示す。
図１８Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１８Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１８Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図２０は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２１は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２２は、ＭＯＨＶＰＥ装置の構成図を示す。
図２３は、図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２４Ａは、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＳＥＭ写真（変形例）を示す。
図２４Ｂは、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面Ｘ線回折結果（変形例）を示す。
図２５は、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＴＥＭ写真（変形例）を示す。
図２６は、図１９Ａに示す工程で得られた試料の断面ＴＥＭ写真（変形例）を示す。
図２７は、図１９Ａに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２８は、ＭＯＭＢＥ装置の構成図を示す。
図２９は、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＳＥＭ写真及びＸ線回折結果（変形例）を示す。
図３０Ａは、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３０Ｂは、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３１は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３２は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３３は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３４は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図１Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図１Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図２Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図を示す。
図３は、ＭＯＣＶＤ装置の構成図を示す。
図４は、第２結晶層を観察したＳＥＭ写真を示す。
図５は、エッチング状態を観察したＳＥＭ写真を示す。
図６は、図２Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図７は、クロム窒化物膜の表面を観察したＳＥＭ写真を示す。
図８は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図９は、第２結晶層の表面を観察した顕微鏡写真を示す。
図１０は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果を示す。
図１１Ａは、試料断面のＴＥＭ写真（比較例）を示す。
図１１Ｂは、試料断面のＴＥＭ写真（比較例）を示す。
図１２Ａは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｂは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｃは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１２Ｄは、試料断面の元素分析結果（比較例）を示す。
図１３は、クロム窒化物膜の表面を観察したＳＥＭ写真（比較例）を示す。
図１４は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（比較例）を示す。
図１５は、第２結晶層の表面を観察した顕微鏡写真（比較例）を示す。
図１６は、第２結晶層の表面をＡＦＭ解析した結果（比較例）を示す。
図１７は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（比較例）を示す。
図１８Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１８Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１８Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ａは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ｂは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図１９Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図（変形例）を示す。
図２０は、図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２１は、図２Ｂに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２２は、ＭＯＨＶＰＥ装置の構成図を示す。
図２３は、図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２４Ａは、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＳＥＭ写真（変形例）を示す。
図２４Ｂは、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面Ｘ線回折結果（変形例）を示す。
図２５は、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＴＥＭ写真（変形例）を示す。
図２６は、図１９Ａに示す工程で得られた試料の断面ＴＥＭ写真（変形例）を示す。
図２７は、図１９Ａに示す工程で得られた試料のＸ線回折結果（変形例）を示す。
図２８は、ＭＯＭＢＥ装置の構成図を示す。
図２９は、図２Ｂに示す工程で得られた試料の断面ＳＥＭ写真及びＸ線回折結果（変形例）を示す。
図３０Ａは、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３０Ｂは、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３１は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３２は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３３は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
図３４は、ＧａＮ基板の素子構造への応用を示す図を示す。
本明細書において、「膜」は、連続した膜でもよいし、不連続な膜でもよいものとする。「膜」は、厚さを持って形成されている状態を表す。
本発明は、気相成長法によりクロム層又はクロム窒化物膜を成膜する方法に関する。ここで、気相成長法は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法、ＭＯＨＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法である。
本発明の実施形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体の半導体基板の製造方法を、図１Ａ〜図３を用いて説明する。図１Ａ〜図２Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図である。図３は、ＭＯＣＶＤ装置２００の構成図である。以下では、ＩＩＩ族窒化物半導体の一例として、窒化ガリウムを中心に説明するが、他のＩＩＩ族窒化物半導体に関しても同様である。
図１Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ装置２００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内に搬入されサセプタ２１６の上に置かれる。そして、反応管２１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。なお、下地基板１１０の材料は、例えば、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの半導体の単結晶、多結晶、及び非晶質のいずれかの基板でもよいし、あるいは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃなどの金属の単結晶の基板でもよい。
図１Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２４０を介して反応管２１０に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
なお、クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒが好ましい。（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒは、他のＣｒ有機金属原料より融点が低く（約３５℃）気体状態の圧力を制御しやすい。クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、（Ｃ６Ｈ６）２Ｃｒ、（Ｃ２Ｈ５）２Ｃｒなどでもよい。
また、原料槽２０１内には、有機金属原料の代わりに金属化合物原料が入れられていてもよい。金属化合物原料は、例えば、Ｃｒ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３、Ｃｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｃｒ（Ｃ５ＨＦ６Ｏ２）３などである。
ここで、クロム層１１５を成膜するのは、その後に窒化して形成するクロム窒化物の格子定数が窒化ガリウムに近く、窒化ガリウムとの格子不整合が小さいためである。
図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管２１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
ここで、クロム層１１５の窒化温度は、１０００℃以上（１２７３Ｋ以上）であることが好ましく、１０４０℃以上であることがさらに好ましく、１０６０℃以上であることがさらに好ましい。クロム窒化物膜１２０は、下地基板１１０と、後述の第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０との間の応力を緩和するバッファー層として機能する。また、クロム窒化物膜１２０は、後述の第１結晶層１３０が結晶成長するためのシード膜として機能する。さらに、クロム窒化物膜１２０は、後述のエッチング処理における剥離層として機能する。
この工程において下地基板１１０の加熱温度を１０００℃以上で窒化することにより得られた試料の表面を顕微鏡観察すると、例えば図７に示すＳＥＭ写真が得られる。図７に示すように、クロム層１１５がほぼ全部窒化して、三角錐形状の複数の凸部（微結晶部）を表面に有するクロム窒化物膜１２０が形成される。
また、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）行われる。これにより、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５に均質に供給された状態で、クロム窒化物膜１２０の表面に凸部（微結晶部）が形成される。このため、クロム窒化物膜１２０の表面の凸部（微結晶部）の大きさが均一になる（図７のＳＥＭ写真参照）。これにより、後述の図２Ａに示す工程において、第１結晶層１３０が結晶するための核生成サイトが均一に分布するので、第１結晶層１３０の結晶性を向上させることができる。このため、後述の図２Ｂに示す工程において、第１結晶層１３０の上に成長する第２結晶層１４０の結晶層も向上させることができる。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図８に示すＸ線回折結果が得られる。図８に示されるように、クロム窒化物膜１２０の（１１１）面のピーク半値幅は、１３１０［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
なお、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。第１結晶層１３０は、例えば、ＧａＮの単結晶体、多結晶体又はアモルファス体で構成されうる。第１結晶層１３０の厚さは、数十Å〜数十μｍであることが好ましい。第１結晶層１３０の成長温度は、９００℃付近であることが好ましい。反応管２１０内の圧力は、例えば、５００Ｔｏｒｒに維持される。有機金属原料の流量は、例えば、３００ｃｃである。窒化ガスに含まれる水素ガスの流量は、例えば、１０リットル／分である。
図２Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００□に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
この工程で得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図４のＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図４に示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）連続して行われる。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好な状態に保たれ、その表面にピットがほとんど形成されない（図９参照）。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図１０に示すＸ線回折結果が得られる。図１０に示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、４６７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ｃに示す工程では、化学溶液を用いてクロム窒化物膜１２０を選択的にエッチングする。すなわち、クロム窒化物膜１２０を、側方からウェットエッチングする。
ここで、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
なお、エッチングレートは、化学溶液の温度及び濃度によって調節することができる。エッチングレートを調節することによって、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０が下地基板１１０から分離される際に発生するクラックを抑制することができる。
この工程の途中で試料の断面（エッチング状態）をＳＥＭ観察すると、例えば、図５のＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図５に示すように、下地基板１１０と第１結晶層１３０との間において、クロム窒化物膜１２０では、エッチングされた部分１２０ａが、エッチングされていない部分１２０ｂの側方に位置している。エッチングされた部分１２０ａは、空洞部分である。
クロム窒化物膜１２０がエッチングされると、図２Ｃに示すように、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０は、下地基板１１０から分離する。すなわち、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板（テンプレート基板）ＳＢを製造する。
また、この工程で得られた試料のＸ線回折結果を図６に示す。図６では、この工程で得られた試料の（０００２）面の回折プロファイルが実線で示され、前の工程（図２Ｂに示す工程）で得られた試料の（０００２）面の回折プロファイルが比較のために破線で示されている。図６に示されるように、この工程を行う前（破線）の（０００２）面のピーク半値幅が２４１［ａｒｃｓｅｃ］であり、この工程を行った後（実線）の（０００２）面のピーク半値幅が２２９［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好に保たれた状態でエッチングが行われたことがわかる。
（比較例）
図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放した場合を考える。
図１Ｂに示す工程により得られた試料を大気にさらすと、図１１Ａ及び図１１ＢのＴＥＭ写真及び図１２Ａ〜図１２Ｄの元素分析マップに示す結果が得られる。すなわち、クロム層１１５ｊの上に表面酸化膜１１６ｊが形成される（図１１Ａ、図１１Ｂ参照）。また、図１２Ａ〜図１２Ｄに示す元素分析マップにおいて、窒素マップ（図１２Ｂ参照）、クロムマップ（図１２Ｃ参照）、及び酸素マップ（図１２Ｄ参照）を比較すると、クロム層１１５ｊが部分的に酸化され酸素コンタミネーションを受けていることが分かる。これにより、図１Ｃに示す工程で、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５ｊに不均質に供給された状態で、クロム窒化物膜の表面に凸部（微結晶部）が形成される。これにより、比較例における凸部（微結晶部）は、図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で大気開放されない場合（図７参照）に比べて、その大きさが不均一になる（図１３のＳＥＭ写真参照）。
なお、図１２Ａ〜図１２Ｄに示す元素分析マップにおいて、図１２Ａに示す写真は、図１１Ａに示すものと同様のＴＥＭ写真である。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図１４に示すＸ線回折結果が得られる。図１４に示されるように、クロム窒化物膜の（１１１）面のピーク半値幅は、２８４７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、比較例に係るクロム窒化物膜は、図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で大気開放されない場合（図８参照）に比べて、結晶性が悪くなっていることが分かる。
次に、図１Ｃに示す工程と図２Ａに示す工程との間で、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放した場合を考える。図１Ｃに示す工程により得られた試料を大気にさらすと、クロム窒化物膜の表面が酸化される。これにより、第２結晶層の結晶性が悪くなり、その表面にピットが形成される（図１５及び図１６参照）。なお、図１６は、第２結晶層の表面をＡＦＭ解析した結果を示す。
さらに、第２結晶層に対してＸ線解析を行うと、図１７に示すＸ線回折結果が得られる。図１７に示されるように、第２結晶層の（０００２）面のピーク半値幅は、５５７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層は、図１Ｃに示す工程と図２Ａに示す工程との間で大気開放しない場合（図１０参照）に比べて、結晶性が悪くなっていることが分かる。
（変形例）
また、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程を大気開放せずに連続的に繰り返すと、図１８Ａに示すように、下地基板１１０の上に複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４が形成される。これにより、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４が複数積層された構造体１００が下地基板１１０の上に形成される。
この構造体１００では、クロム窒化物層１２０と第１結晶層１３０とが交互に積層されているので、下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させることができる。
なお、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程は、同一の装置内で行われても良いし、異なる装置内で行われても良い。異なる装置内で行われる場合、それぞれの反応室どうしが大気開放されずに搬送可能な機構（例えば、搬送路）で接続されているものとする。
図１８Ｂに示す工程では、化学溶液を用いて複数のクロム窒化物層１２０を選択的に同時にエッチングする。すなわち、図１８Ｂに示すように、複数のクロム窒化物層１２０を、それぞれ、側方からエッチングする。
ここで、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４のそれぞれにおけるクロム窒化物層１２０のエッチングの進行とともに結晶層１３０が破壊されながらエッチングが進行する。これにより、化学溶液の浸透していく経路が複数形成されるとともに、それらの経路が互いに結合するので、化学溶液の浸透していくための経路面積が大きくなる。このため、エッチングレートを向上することができる。また、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４がエッチング途中において下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させるので、第２結晶層１４０の内部応力を略均等な状態に保つことができる。
なお、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
複数のクロム窒化物層１２０がエッチングされると、図１８Ｃに示すように、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０が下地基板１１０から分離する。すなわち、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板ＳＢを製造する。このとき、第２結晶層１４０において、内部応力が略均等な状態になっている。これにより、第２結晶層１４０にクラックを生じるおそれが低減している。
ここで、第２結晶層１４０に隣接する第１結晶層１３０は、エッチャント（化学溶液）によりエッチングされずに、ＧａＮ基板ＳＢの一部となる。
このように、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程を大気開放せずに連続的に繰り返すことにより、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から分離する工程を、安定的にかつ短時間で行うことができる。
また、図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程の代わりに、図１９Ａに示す工程が行われても良い。図１９Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉを直接的に成膜する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、クロム層１１５（図１Ｂ）を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスが下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉが気相成長して成膜される。
なお、クロム窒化物膜１２０ｉの成長温度は、６００℃以上に保持される。クロム窒化物膜１２０ｉの成長温度は、１０００℃以上（１２７３Ｋ以上）であることが好ましく、１０４０℃以上であることがさらに好ましく、１０６０℃以上であることがさらに好ましい。
この工程で得られた試料におけるクロム窒化物膜１２０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２０に示すＸ線回折結果が得られる。図２０に示されるように、クロム窒化物膜１２０ｉの（１１１）面のピーク半値幅は、９７１［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０ｉの結晶性が、比較例に係るクロム窒化物膜の結晶性（図１４参照）に比べて、良好であることが分かる。
さらに、図１９Ｂに示す工程及び図１９Ｃに示す工程を行った試料の第２結晶層１４０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２１に示すＸ線回折結果が得られる。図２１に示されるように、第２結晶層１４０ｉの（０００２）面のピーク半値幅は、３３２［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０ｉの結晶性が、比較例に係るクロム窒化物膜の結晶性（図１７参照）に比べて、良好であることが分かる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程における少なくとも１つの工程は、ＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内で行われても良い。図２２は、ＭＯＨＶＰＥ装置３００の構成図である。このとき、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００と図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００とが搬送空間４０を介して接続されている（図２９参照）。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００又はＭＯＨＶＰＥ装置３００と搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、図１Ａに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ装置３００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内に搬入されサセプタ３１６の上に置かれる。そして、反応管３１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。
例えば、図１Ｂに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー３２０内の原料槽３０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ３３０を介して原料槽３０１に流入する。このとき、ＭＦＣ３３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽３０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ３４０を介して反応管３１０に流入する。このとき、ＥＰＣ３４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
なお、クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、例えば、（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒである。気化した有機金属原料の流量は０．９ｓｃｃｍであることが好ましく、キャリアガス（例えばＨ２）の流量は３２５０ｓｃｃｍであることが好ましい。下地基板１１０の温度は常温〜１１００℃であることが好ましい。クロム層１１５の膜厚は数十Å〜数十μｍであることが好ましい。
例えば、図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガスあるいは窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管３１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
なお、反応管３１０内には、窒化ガスに加えて、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、還元ガスとする）がさらに供給されても良い。
ここで、ＭＯＨＶＰＥ装置３００を用いて図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程により得られた試料をＸ線解析して、それぞれ、図２３の（ａ）及び図２３の（ｂ）に示すＸ線回折結果を得た。図２３の（ａ）と図２３の（ｂ）とを比較することにより、クロム層１１５が窒化処理によりクロム窒化物膜１２０に変わっていることが分かる。クロム窒化物膜１２０は、体心立方構造（ＢＣＣ：Ｂｏｄｙ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｕｂｉｃ）をとっている。
例えば、図２Ａに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、ヒータ３１５が反応管３１０内の気体を介してＧａ源３２２を加熱し、気化したガリウムが生成される。また、窒化ガスが、反応管３１０内に流入する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化したガリウム及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
例えば、図２Ｂに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
この工程で得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図２４ＡのＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図２４Ａに示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。また、この工程で得られた試料の断面をＴＥＭ観察すると、図２５に示す結果が得られる。図２５に示すように、ＴＥＭ観察した視野内において、転位ループ等が観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図２４Ｂに示すＸ線回折結果が得られる。図２４Ｂに示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、４９１［ａｒｃｓｅｃ］である。第２結晶層１４０の（１０−１１）面のピーク半値幅は、３４１［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
なお、クロム層１１５（図１Ｂ参照）の膜厚に応じて最適の窒化条件が変化する。第２結晶層１４０の成長温度を１０００℃以上にして、窒化ガスと還元ガスとの比率を１０〜４０まで変化しながら成長を行った。
あるいは、図１Ｂ及び図１Ｃに示す工程の代わりに図１９Ａに示す工程をＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内で行っても良い。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、クロム層１１５（図１Ｂ）を形成するための有機金属原料を、バブラー３２０内の原料槽３０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ３３０を介して原料槽３０１に流入する。このとき、ＭＦＣ３３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽３０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ３４０を介して反応管３１０に流入する。このとき、ＥＰＣ３４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管３１０内に流入する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスが下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉが気相成長して成膜される。
この工程で得られた試料の断面をＴＥＭ観察すると、図２６に示す結果が得られる。ＴＥＭ像（図２６のａ参照）及びその拡大像（図２６のｃ参照）に示すように、ＴＥＭ観察した視野内において、転位ループ等が観察されない。また、電子線回折結果（図２６のｂ参照）もほぼ対称に分布した回折スポットを示している。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
この工程で得られた試料のクロム窒化物膜１２０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２７に示すＸ線回折結果が得られる。図２７に示されるように、クロム窒化物膜１２０ｉの（１１１）面のピークが強く出ており、クロム窒化物膜１２０ｉが（１１１）配向していることが分かる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程における少なくとも１つの工程は、ＭＯＭＢＥ装置４００の反応管４１０内で行われても良い。図２８は、ＭＯＭＢＥ装置４００の構成図である。このとき、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００と図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００と図２８に示すＭＯＭＢＥ装置４００とが搬送空間４０を介して接続されている（図２９参照）。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００又はＭＯＭＢＥ装置４００と搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、図１Ａに示す工程では、ＭＯＭＢＥ装置４００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図２８に示すＭＯＭＢＥ装置４００の反応管４１０内に搬入されサセプタ４１６の上に置かれる。そして、反応管４１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。
例えば、図１Ｂに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー４２０内の原料槽４０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ４３０を介して原料槽４０１に流入する。このとき、ＭＦＣ４３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽４０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ４４０を介して反応管４１０に流入する。このとき、ＥＰＣ４４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管４１０内では、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
例えば、図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガスあるいは窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管４１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
なお、反応管４１０内には、窒化ガスに加えて、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、還元ガスとする）がさらに供給されても良い。
例えば、図２Ａに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー４２０内の原料槽４０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ４３０を介して原料槽４０１に流入する。このとき、ＭＦＣ４３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽４０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ４４０を介して反応管４１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ４４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管４１０内に流入する。反応管４１０内では、ヒータ４１４がサセプタ４１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００□に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
例えば、図２Ｂに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
なお、ＭＯＭＢＥ装置４００には、例えば、反射高速電子線回析（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＲＨＥＥＤ）用ガン４１４とＲＨＥＥＤスクリーン４１６が取り付けられていてもよく、表面微小凹凸部での透過回析パターンを観測できるようになっていてもよい。下地基板１１０を保持しているサセプタ４１６は、操作部（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）４１８の先に取り付けられていてもよい。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す各工程は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＭＯＭＢＥ、ＭＯＨＶＰＥ、ＨＶＰＥ法を含むいずれの気相成長法により行われても良い。
例えば、図１Ａ〜図２Ｂに示す各工程は、図２９に示すマルチチャンバシステム１を用いて行われても良い。マルチチャンバシステム１は、ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、ＨＶＰＥ装置３０、及び搬送空間４０を備える。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、及びＨＶＰＥ装置３０は、搬送空間４０を介して互いに接続されている。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、及びＨＶＰＥ装置３０と、搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、マルチチャンバシステム１を用いて、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程をＭＯＣＶＤ法により行い、搬送空間４０を介して試料をＭＯＣＶＤ装置２００からＨＶＰＥ装置３０へ搬送した後、図２Ａ及び図２Ｂに示す工程をＨＶＰＥ法により行ってもよい。
このようにして得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図３０ＡのＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図３０Ａに示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図３０Ｂに示すＸ線回折結果が得られる。図３０Ｂに示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、３４３［ａｒｃｓｅｃ］である。第２結晶層１４０の（１０−１１）面のピーク半値幅は、３７５［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
（ＧａＮ基板の素子構造への応用）
上記のようにして得られたＧａＮ基板ＳＢに、ＧａＮ系発光素子（例：ＩｎＧａＮ／ＧａＮ青色発光ダイオード、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ紫外線発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）、ＧａＮ系電子素子などを形成する。例えば、以下に示すような素子構造を形成することができる。
図３１に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層６４０を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層６４０の上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造）６５０を形成する。そして、活性層６５０の上にｐ−ＧａＮ層（又はｎ−ＡｌＧａＮ層）６６０を形成する。これにより、トップダウン型電極を持つ素子構造６００を形成できる。この結果、電極による発光面積の損失を回避できると共に、活性層から発生する熱を効率よく放熱することができ、素子動作特性の改善が期待できる。
図３２に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層（又はｎ−ＡｌＧａＮ層）７２２を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層７２２の上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造）７２４を形成する。そして、活性層の上にｐ−ＧａＮ層（又はｐ−ＡｌＧａＮ層）７２６を形成する。さらに、上部電極７２４及び下部電極７２２をそれぞれ形成する。これにより、トップダウン型電極を持つ発光素子構造７００を形成することができる。この結果、電極による発光面積の損失を回避できると共に、活性層から発生する熱を効率よく放熱することができ、素子動作特性の改善が期待できる。
図３３に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｉ−ＧａＮ層８２１を形成する。次に、ｉ−ＧａＮ層８２１の上にｎ−ＧａＮ層８２２を形成する。ｎ−ＧａＮ層８２２の上にｎ−ＡｌＧａＮ層８４０を形成する。そして、ｎ−ＡｌＧａＮ層８４０の一部をエッチングし、ソース電極８３２とドレイン電極８３８とを形成する。その後、ｎ−ＡｌＧａＮ層８４０上にゲート電極８３４を形成する。これにより、トップダウン型電極を持つＧａＮ系のヘテロ接合電子素子構造８００を形成することができる。
図３４に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層９３０を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層９３０の上にｉ−ＧａＮ層（又はｉ−ＡｌＧａＮ層）９４０を形成する。そして、ｉ−ＧａＮ層９４０の上に、ソース電極９１２、９１４とゲート電極９１６とを形成する。その後、ＧａＮ基板ＳＢの裏面にドレインの電極９１８を形成する。これにより、立て型電子素子構造９００を形成することができる。
以上のように、本発明によれば、ＧａＮ基板ＳＢの結晶性が大幅に改善される。そのため、その上に形成される素子構造に含まれる各層の結晶性が大幅に向上して、デバイスの特性と歩留まりとを大幅に向上できる。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
本発明は、気相成長法によりクロム層又はクロム窒化物膜を成膜する方法に関する。ここで、気相成長法は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法、ＭＯＨＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法である。
本発明の実施形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体の半導体基板の製造方法を、図１Ａ〜図３を用いて説明する。図１Ａ〜図２Ｃは、半導体基板の製造方法を示す工程断面図である。図３は、ＭＯＣＶＤ装置２００の構成図である。以下では、ＩＩＩ族窒化物半導体の一例として、窒化ガリウムを中心に説明するが、他のＩＩＩ族窒化物半導体に関しても同様である。
図１Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ装置２００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内に搬入されサセプタ２１６の上に置かれる。そして、反応管２１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。なお、下地基板１１０の材料は、例えば、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの半導体の単結晶、多結晶、及び非晶質のいずれかの基板でもよいし、あるいは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃなどの金属の単結晶の基板でもよい。
図１Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２４０を介して反応管２１０に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
なお、クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒが好ましい。（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒは、他のＣｒ有機金属原料より融点が低く（約３５℃）気体状態の圧力を制御しやすい。クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、（Ｃ６Ｈ６）２Ｃｒ、（Ｃ２Ｈ５）２Ｃｒなどでもよい。
また、原料槽２０１内には、有機金属原料の代わりに金属化合物原料が入れられていてもよい。金属化合物原料は、例えば、Ｃｒ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３、Ｃｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｃｒ（Ｃ５ＨＦ６Ｏ２）３などである。
ここで、クロム層１１５を成膜するのは、その後に窒化して形成するクロム窒化物の格子定数が窒化ガリウムに近く、窒化ガリウムとの格子不整合が小さいためである。
図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管２１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
ここで、クロム層１１５の窒化温度は、１０００℃以上（１２７３Ｋ以上）であることが好ましく、１０４０℃以上であることがさらに好ましく、１０６０℃以上であることがさらに好ましい。クロム窒化物膜１２０は、下地基板１１０と、後述の第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０との間の応力を緩和するバッファー層として機能する。また、クロム窒化物膜１２０は、後述の第１結晶層１３０が結晶成長するためのシード膜として機能する。さらに、クロム窒化物膜１２０は、後述のエッチング処理における剥離層として機能する。
この工程において下地基板１１０の加熱温度を１０００℃以上で窒化することにより得られた試料の表面を顕微鏡観察すると、例えば図７に示すＳＥＭ写真が得られる。図７に示すように、クロム層１１５がほぼ全部窒化して、三角錐形状の複数の凸部（微結晶部）を表面に有するクロム窒化物膜１２０が形成される。
また、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）行われる。これにより、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５に均質に供給された状態で、クロム窒化物膜１２０の表面に凸部（微結晶部）が形成される。このため、クロム窒化物膜１２０の表面の凸部（微結晶部）の大きさが均一になる（図７のＳＥＭ写真参照）。これにより、後述の図２Ａに示す工程において、第１結晶層１３０が結晶するための核生成サイトが均一に分布するので、第１結晶層１３０の結晶性を向上させることができる。このため、後述の図２Ｂに示す工程において、第１結晶層１３０の上に成長する第２結晶層１４０の結晶層も向上させることができる。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図８に示すＸ線回折結果が得られる。図８に示されるように、クロム窒化物膜１２０の（１１１）面のピーク半値幅は、１３１０［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
なお、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。第１結晶層１３０は、例えば、ＧａＮの単結晶体、多結晶体又はアモルファス体で構成されうる。第１結晶層１３０の厚さは、数十Å〜数十μｍであることが好ましい。第１結晶層１３０の成長温度は、９００℃付近であることが好ましい。反応管２１０内の圧力は、例えば、５００Ｔｏｒｒに維持される。有機金属原料の流量は、例えば、３００ｃｃである。窒化ガスに含まれる水素ガスの流量は、例えば、１０リットル／分である。
図２Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００□に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
この工程で得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図４のＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図４に示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）連続して行われる。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好な状態に保たれ、その表面にピットがほとんど形成されない（図９参照）。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図１０に示すＸ線回折結果が得られる。図１０に示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、４６７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ｃに示す工程では、化学溶液を用いてクロム窒化物膜１２０を選択的にエッチングする。すなわち、クロム窒化物膜１２０を、側方からウェットエッチングする。
ここで、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
なお、エッチングレートは、化学溶液の温度及び濃度によって調節することができる。エッチングレートを調節することによって、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０が下地基板１１０から分離される際に発生するクラックを抑制することができる。
この工程の途中で試料の断面（エッチング状態）をＳＥＭ観察すると、例えば、図５のＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図５に示すように、下地基板１１０と第１結晶層１３０との間において、クロム窒化物膜１２０では、エッチングされた部分１２０ａが、エッチングされていない部分１２０ｂの側方に位置している。エッチングされた部分１２０ａは、空洞部分である。
クロム窒化物膜１２０がエッチングされると、図２Ｃに示すように、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０は、下地基板１１０から分離する。すなわち、第１結晶層１３０及び第２結晶層１４０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板（テンプレート基板）ＳＢを製造する。
また、この工程で得られた試料のＸ線回折結果を図６に示す。図６では、この工程で得られた試料の（０００２）面の回折プロファイルが実線で示され、前の工程（図２Ｂに示す工程）で得られた試料の（０００２）面の回折プロファイルが比較のために破線で示されている。図６に示されるように、この工程を行う前（破線）の（０００２）面のピーク半値幅が２４１［ａｒｃｓｅｃ］であり、この工程を行った後（実線）の（０００２）面のピーク半値幅が２２９［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好に保たれた状態でエッチングが行われたことがわかる。
（比較例）
図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放した場合を考える。
図１Ｂに示す工程により得られた試料を大気にさらすと、図１１Ａ及び図１１ＢのＴＥＭ写真及び図１２Ａ〜図１２Ｄの元素分析マップに示す結果が得られる。すなわち、クロム層１１５ｊの上に表面酸化膜１１６ｊが形成される（図１１Ａ、図１１Ｂ参照）。また、図１２Ａ〜図１２Ｄに示す元素分析マップにおいて、窒素マップ（図１２Ｂ参照）、クロムマップ（図１２Ｃ参照）、及び酸素マップ（図１２Ｄ参照）を比較すると、クロム層１１５ｊが部分的に酸化され酸素コンタミネーションを受けていることが分かる。これにより、図１Ｃに示す工程で、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５ｊに不均質に供給された状態で、クロム窒化物膜の表面に凸部（微結晶部）が形成される。これにより、比較例における凸部（微結晶部）は、図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で大気開放されない場合（図７参照）に比べて、その大きさが不均一になる（図１３のＳＥＭ写真参照）。
なお、図１２Ａ〜図１２Ｄに示す元素分析マップにおいて、図１２Ａに示す写真は、図１１Ａに示すものと同様のＴＥＭ写真である。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図１４に示すＸ線回折結果が得られる。図１４に示されるように、クロム窒化物膜の（１１１）面のピーク半値幅は、２８４７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、比較例に係るクロム窒化物膜は、図１Ｂに示す工程と図１Ｃに示す工程との間で大気開放されない場合（図８参照）に比べて、結晶性が悪くなっていることが分かる。
次に、図１Ｃに示す工程と図２Ａに示す工程との間で、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放した場合を考える。図１Ｃに示す工程により得られた試料を大気にさらすと、クロム窒化物膜の表面が酸化される。これにより、第２結晶層の結晶性が悪くなり、その表面にピットが形成される（図１５及び図１６参照）。なお、図１６は、第２結晶層の表面をＡＦＭ解析した結果を示す。
さらに、第２結晶層に対してＸ線解析を行うと、図１７に示すＸ線回折結果が得られる。図１７に示されるように、第２結晶層の（０００２）面のピーク半値幅は、５５７［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層は、図１Ｃに示す工程と図２Ａに示す工程との間で大気開放しない場合（図１０参照）に比べて、結晶性が悪くなっていることが分かる。
（変形例）
また、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程を大気開放せずに連続的に繰り返すと、図１８Ａに示すように、下地基板１１０の上に複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４が形成される。これにより、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４が複数積層された構造体１００が下地基板１１０の上に形成される。
この構造体１００では、クロム窒化物層１２０と第１結晶層１３０とが交互に積層されているので、下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させることができる。
なお、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程は、同一の装置内で行われても良いし、異なる装置内で行われても良い。異なる装置内で行われる場合、それぞれの反応室どうしが大気開放されずに搬送可能な機構（例えば、搬送路）で接続されているものとする。
図１８Ｂに示す工程では、化学溶液を用いて複数のクロム窒化物層１２０を選択的に同時にエッチングする。すなわち、図１８Ｂに示すように、複数のクロム窒化物層１２０を、それぞれ、側方からエッチングする。
ここで、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４のそれぞれにおけるクロム窒化物層１２０のエッチングの進行とともに結晶層１３０が破壊されながらエッチングが進行する。これにより、化学溶液の浸透していく経路が複数形成されるとともに、それらの経路が互いに結合するので、化学溶液の浸透していくための経路面積が大きくなる。このため、エッチングレートを向上することができる。また、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４がエッチング途中において下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させるので、第２結晶層１４０の内部応力を略均等な状態に保つことができる。
なお、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
複数のクロム窒化物層１２０がエッチングされると、図１８Ｃに示すように、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０が下地基板１１０から分離する。すなわち、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板ＳＢを製造する。このとき、第２結晶層１４０において、内部応力が略均等な状態になっている。これにより、第２結晶層１４０にクラックを生じるおそれが低減している。
ここで、第２結晶層１４０に隣接する第１結晶層１３０は、エッチャント（化学溶液）によりエッチングされずに、ＧａＮ基板ＳＢの一部となる。
このように、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程を大気開放せずに連続的に繰り返すことにより、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から分離する工程を、安定的にかつ短時間で行うことができる。
また、図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程の代わりに、図１９Ａに示す工程が行われても良い。図１９Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉを直接的に成膜する。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、クロム層１１５（図１Ｂ）を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスが下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉが気相成長して成膜される。
なお、クロム窒化物膜１２０ｉの成長温度は、６００℃以上に保持される。クロム窒化物膜１２０ｉの成長温度は、１０００℃以上（１２７３Ｋ以上）であることが好ましく、１０４０℃以上であることがさらに好ましく、１０６０℃以上であることがさらに好ましい。
この工程で得られた試料におけるクロム窒化物膜１２０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２０に示すＸ線回折結果が得られる。図２０に示されるように、クロム窒化物膜１２０ｉの（１１１）面のピーク半値幅は、９７１［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０ｉの結晶性が、比較例に係るクロム窒化物膜の結晶性（図１４参照）に比べて、良好であることが分かる。
さらに、図１９Ｂに示す工程及び図１９Ｃに示す工程を行った試料の第２結晶層１４０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２１に示すＸ線回折結果が得られる。図２１に示されるように、第２結晶層１４０ｉの（０００２）面のピーク半値幅は、３３２［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０ｉの結晶性が、比較例に係るクロム窒化物膜の結晶性（図１７参照）に比べて、良好であることが分かる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程における少なくとも１つの工程は、ＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内で行われても良い。図２２は、ＭＯＨＶＰＥ装置３００の構成図である。このとき、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００と図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００とが搬送空間４０を介して接続されている（図２９参照）。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００又はＭＯＨＶＰＥ装置３００と搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、図１Ａに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ装置３００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内に搬入されサセプタ３１６の上に置かれる。そして、反応管３１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。
例えば、図１Ｂに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー３２０内の原料槽３０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ３３０を介して原料槽３０１に流入する。このとき、ＭＦＣ３３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽３０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ３４０を介して反応管３１０に流入する。このとき、ＥＰＣ３４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
なお、クロム層１１５を形成するための有機金属原料は、例えば、（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２Ｃｒである。気化した有機金属原料の流量は０．９ｓｃｃｍであることが好ましく、キャリアガス（例えばＨ２）の流量は３２５０ｓｃｃｍであることが好ましい。下地基板１１０の温度は常温〜１１００℃であることが好ましい。クロム層１１５の膜厚は数十Å〜数十μｍであることが好ましい。
例えば、図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガスあるいは窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管３１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
なお、反応管３１０内には、窒化ガスに加えて、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、還元ガスとする）がさらに供給されても良い。
ここで、ＭＯＨＶＰＥ装置３００を用いて図１Ｂに示す工程及び図１Ｃに示す工程により得られた試料をＸ線解析して、それぞれ、図２３の（ａ）及び図２３の（ｂ）に示すＸ線回折結果を得た。図２３の（ａ）と図２３の（ｂ）とを比較することにより、クロム層１１５が窒化処理によりクロム窒化物膜１２０に変わっていることが分かる。クロム窒化物膜１２０は、体心立方構造（ＢＣＣ：Ｂｏｄｙ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｕｂｉｃ）をとっている。
例えば、図２Ａに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、ヒータ３１５が反応管３１０内の気体を介してＧａ源３２２を加熱し、気化したガリウムが生成される。また、窒化ガスが、反応管３１０内に流入する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化したガリウム及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
例えば、図２Ｂに示す工程では、ＭＯＨＶＰＥ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
この工程で得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図２４ＡのＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図２４Ａに示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。また、この工程で得られた試料の断面をＴＥＭ観察すると、図２５に示す結果が得られる。図２５に示すように、ＴＥＭ観察した視野内において、転位ループ等が観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図２４Ｂに示すＸ線回折結果が得られる。図２４Ｂに示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、４９１［ａｒｃｓｅｃ］である。第２結晶層１４０の（１０−１１）面のピーク半値幅は、３４１［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
なお、クロム層１１５（図１Ｂ参照）の膜厚に応じて最適の窒化条件が変化する。第２結晶層１４０の成長温度を１０００℃以上にして、窒化ガスと還元ガスとの比率を１０〜４０まで変化しながら成長を行った。
あるいは、図１Ｂ及び図１Ｃに示す工程の代わりに図１９Ａに示す工程をＭＯＨＶＰＥ装置３００の反応管３１０内で行っても良い。
すなわち、ＭＯＨＶＰＥ装置３００では、図２２に示すように、クロム層１１５（図１Ｂ）を形成するための有機金属原料を、バブラー３２０内の原料槽３０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ３３０を介して原料槽３０１に流入する。このとき、ＭＦＣ３３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽３０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ３４０を介して反応管３１０に流入する。このとき、ＥＰＣ３４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管３１０内に流入する。反応管３１０内では、ヒータ３１４が反応管３１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスが下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム窒化物膜１２０ｉが気相成長して成膜される。
この工程で得られた試料の断面をＴＥＭ観察すると、図２６に示す結果が得られる。ＴＥＭ像（図２６のａ参照）及びその拡大像（図２６のｃ参照）に示すように、ＴＥＭ観察した視野内において、転位ループ等が観察されない。また、電子線回折結果（図２６のｂ参照）もほぼ対称に分布した回折スポットを示している。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
この工程で得られた試料のクロム窒化物膜１２０ｉに対してＸ線解析を行うと、図２７に示すＸ線回折結果が得られる。図２７に示されるように、クロム窒化物膜１２０ｉの（１１１）面のピークが強く出ており、クロム窒化物膜１２０ｉが（１１１）配向していることが分かる。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程における少なくとも１つの工程は、ＭＯＭＢＥ装置４００の反応管４１０内で行われても良い。図２８は、ＭＯＭＢＥ装置４００の構成図である。このとき、図３に示すＭＯＣＶＤ装置２００と図２２に示すＭＯＨＶＰＥ装置３００と図２８に示すＭＯＭＢＥ装置４００とが搬送空間４０を介して接続されている（図２９参照）。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００又はＭＯＭＢＥ装置４００と搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、図１Ａに示す工程では、ＭＯＭＢＥ装置４００内に下地基板１１０を搬入する。すなわち、下地基板１１０は、図２８に示すＭＯＭＢＥ装置４００の反応管４１０内に搬入されサセプタ４１６の上に置かれる。そして、反応管４１０内は、密閉された後に１ｍｍＴｏｒｒまで真空引きされる。
例えば、図１Ｂに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、下地基板１１０の上にクロム層１１５を成膜する。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、クロム層１１５を形成するための有機金属原料を、バブラー４２０内の原料槽４０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ４３０を介して原料槽４０１に流入する。このとき、ＭＦＣ４３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽４０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ４４０を介して反応管４１０に流入する。このとき、ＥＰＣ４４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。反応管４１０内では、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を一定温度に保つ。そして、気化状態の有機金属原料が下地基板１１０近傍に供給されることにより、下地基板１１０の上にクロム層１１５が気相成長して成膜される。
例えば、図１Ｃに示す工程では、クロム層１１５を窒化してクロム窒化物膜１２０を形成する。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、アンモニア（ＮＨ３）ガスを含む水素ガスあるいは窒素ガス（以下、窒化ガスとする）が、反応管４１０内のクロム層１１５近傍に供給される。ここで、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し、下地基板１１０の温度（クロム層１１５の窒化温度）が６００℃以上に保持されている。これにより、クロム層１１５が窒化してクロム窒化物膜１２０が形成される。
なお、反応管４１０内には、窒化ガスに加えて、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含む水素ガス又は窒素ガス（以下、還元ガスとする）がさらに供給されても良い。
例えば、図２Ａに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、図２８に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー４２０内の原料槽４０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ４３０を介して原料槽４０１に流入する。このとき、ＭＦＣ４３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽４０１内で気化した有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ４４０を介して反応管４１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ４４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管４１０内に流入する。反応管４１０内では、ヒータ４１４がサセプタ４１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００□に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
例えば、図２Ｂに示す工程では、ＭＯＭＢＥ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＭＢＥ装置４００では、ヒータ４１４が反応管４１０内の気体を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
なお、ＭＯＭＢＥ装置４００には、例えば、反射高速電子線回析（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＲＨＥＥＤ）用ガン４１４とＲＨＥＥＤスクリーン４１６が取り付けられていてもよく、表面微小凹凸部での透過回析パターンを観測できるようになっていてもよい。下地基板１１０を保持しているサセプタ４１６は、操作部（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）４１８の先に取り付けられていてもよい。
また、図１Ａ〜図２Ｂに示す各工程は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＭＯＭＢＥ、ＭＯＨＶＰＥ、ＨＶＰＥ法を含むいずれの気相成長法により行われても良い。
例えば、図１Ａ〜図２Ｂに示す各工程は、図２９に示すマルチチャンバシステム１を用いて行われても良い。マルチチャンバシステム１は、ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、ＨＶＰＥ装置３０、及び搬送空間４０を備える。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、及びＨＶＰＥ装置３０は、搬送空間４０を介して互いに接続されている。搬送空間４０は、真空状態又は不活性ガスが満たされた状態になっている。ＭＯＣＶＤ装置２００、ＭＯＨＶＰＥ装置３００、ＭＯＭＢＥ装置４００、ＣＶＤ装置１０、ＭＢＥ装置２０、及びＨＶＰＥ装置３０と、搬送空間４０との間には、処理時に閉じられ搬送時に開かれる開閉機構が設けられている。これにより、図１Ａ〜図２Ｂに示す工程を大気開放せずに連続して行うことができる。
例えば、マルチチャンバシステム１を用いて、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程をＭＯＣＶＤ法により行い、搬送空間４０を介して試料をＭＯＣＶＤ装置２００からＨＶＰＥ装置３０へ搬送した後、図２Ａ及び図２Ｂに示す工程をＨＶＰＥ法により行ってもよい。
このようにして得られた試料の断面をＳＥＭ観察すると、例えば、図３０ＡのＳＥＭ写真に示す結果が得られる。図３０Ａに示すように、ＳＥＭ観察した視野内において、第２結晶層１４０には転位等によるクラックが観察されない。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが推認できる。
さらに、第２結晶層１４０に対してＸ線解析を行うと、図３０Ｂに示すＸ線回折結果が得られる。図３０Ｂに示されるように、第２結晶層１４０の（０００２）面のピーク半値幅は、３４３［ａｒｃｓｅｃ］である。第２結晶層１４０の（１０−１１）面のピーク半値幅は、３７５［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、第２結晶層１４０の結晶性が良好であることが分かる。
（ＧａＮ基板の素子構造への応用）
上記のようにして得られたＧａＮ基板ＳＢに、ＧａＮ系発光素子（例：ＩｎＧａＮ／ＧａＮ青色発光ダイオード、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ紫外線発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）、ＧａＮ系電子素子などを形成する。例えば、以下に示すような素子構造を形成することができる。
図３１に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層６４０を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層６４０の上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造）６５０を形成する。そして、活性層６５０の上にｐ−ＧａＮ層（又はｎ−ＡｌＧａＮ層）６６０を形成する。これにより、トップダウン型電極を持つ素子構造６００を形成できる。この結果、電極による発光面積の損失を回避できると共に、活性層から発生する熱を効率よく放熱することができ、素子動作特性の改善が期待できる。
図３２に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層（又はｎ−ＡｌＧａＮ層）７２２を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層７２２の上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造）７２４を形成する。そして、活性層の上にｐ−ＧａＮ層（又はｐ−ＡｌＧａＮ層）７２６を形成する。さらに、上部電極７２４及び下部電極７２２をそれぞれ形成する。これにより、トップダウン型電極を持つ発光素子構造７００を形成することができる。この結果、電極による発光面積の損失を回避できると共に、活性層から発生する熱を効率よく放熱することができ、素子動作特性の改善が期待できる。
図３３に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｉ−ＧａＮ層８２１を形成する。次に、ｉ−ＧａＮ層８２１の上にｎ−ＧａＮ層８２２を形成する。ｎ−ＧａＮ層８２２の上にｎ−ＡｌＧａＮ層８４０を形成する。そして、ｎ−ＡｌＧａＮ層８４０の一部をエッチングし、ソース電極８３２とドレイン電極８３８とを形成する。その後、ｎ−ＡｌＧａＮ層８４０上にゲート電極８３４を形成する。これにより、トップダウン型電極を持つＧａＮ系のヘテロ接合電子素子構造８００を形成することができる。
図３４に示すように、ＧａＮ基板ＳＢの上に、ｎ−ＧａＮ層９３０を形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層９３０の上にｉ−ＧａＮ層（又はｉ−ＡｌＧａＮ層）９４０を形成する。そして、ｉ−ＧａＮ層９４０の上に、ソース電極９１２、９１４とゲート電極９１６とを形成する。その後、ＧａＮ基板ＳＢの裏面にドレインの電極９１８を形成する。これにより、立て型電子素子構造９００を形成することができる。
以上のように、本発明によれば、ＧａＮ基板ＳＢの結晶性が大幅に改善される。そのため、その上に形成される素子構造に含まれる各層の結晶性が大幅に向上して、デバイスの特性と歩留まりとを大幅に向上できる。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
【０００８】
この工程において下地基板１１０の加熱温度を１０００℃以上で窒化することにより得られた試料の表面を顕微鏡観察すると、例えば図７に示すＳＥＭ写真が得られる。図７に示すように、クロム層１１５がほぼ全部窒化して、三角錐形状の複数の凸部（微結晶部）を表面に有するクロム窒化物膜１２０が形成される。
また、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）行われる。これにより、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５に均質に供給された状態で、クロム窒化物膜１２０の表面に凸部（微結晶部）が形成される。このため、クロム窒化物膜１２０の表面の凸部（微結晶部）の大きさが均一になる（図７のＳＥＭ写真参照）。これにより、後述の図２Ａに示す工程において、第１結晶層１３０が結晶するための核生成サイトが均一に分布するので、第１結晶層１３０の結晶性を向上させることができる。このため、後述の図２Ｂに示す工程において、第１結晶層１３０の上に成長する第２結晶層１４０の結晶性も向上させることができる。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図８に示すＸ線回折結果が得られる。図８に示されるように、クロム窒化物膜１２０の（１１１）面のピーク半値幅は、１３１０［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化し
この工程において下地基板１１０の加熱温度を１０００℃以上で窒化することにより得られた試料の表面を顕微鏡観察すると、例えば図７に示すＳＥＭ写真が得られる。図７に示すように、クロム層１１５がほぼ全部窒化して、三角錐形状の複数の凸部（微結晶部）を表面に有するクロム窒化物膜１２０が形成される。
また、図１Ａ〜図１Ｃに示す工程は、ＭＯＣＶＤ装置２００の反応管２１０内を大気開放せずに（ｉｎ−ｓｉｔｕで）行われる。これにより、下地基板１１０の加熱温度が１０００℃以上である場合、窒化ガスがクロム層１１５に均質に供給された状態で、クロム窒化物膜１２０の表面に凸部（微結晶部）が形成される。このため、クロム窒化物膜１２０の表面の凸部（微結晶部）の大きさが均一になる（図７のＳＥＭ写真参照）。これにより、後述の図２Ａに示す工程において、第１結晶層１３０が結晶するための核生成サイトが均一に分布するので、第１結晶層１３０の結晶性を向上させることができる。このため、後述の図２Ｂに示す工程において、第１結晶層１３０の上に成長する第２結晶層１４０の結晶性も向上させることができる。
さらに、クロム窒化物膜１２０に対してＸ線解析を行うと、図８に示すＸ線回折結果が得られる。図８に示されるように、クロム窒化物膜１２０の（１１１）面のピーク半値幅は、１３１０［ａｒｃｓｅｃ］である。これにより、クロム窒化物膜１２０の結晶性が良好であることが分かる。
図２Ａに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、クロム窒化物膜１２０の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層１３０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、図３に示すように、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料を、バブラー２２０内の原料槽２０１に入れておく。Ｎ２、Ｈ２、及びＡｒの少なくとも１つを、キャリアガスとして、ＭＦＣ２３０を介して原料槽２０１に流入する。このとき、ＭＦＣ２３０は、キャリアガスの流量を制御する。原料槽２０１内で気化し
【０００９】
た有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
なお、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。第１結晶層１３０は、例えば、ＧａＮの単結晶体、多結晶体又はアモルファス体で構成されうる。第１結晶層１３０の厚さは、数十Å〜数十μｍであることが好ましい。第１結晶層１３０の成長温度は、９００℃付近であることが好ましい。反応管２１０内の圧力は、例えば、５００Ｔｏｒｒに維持される。有機金属原料の流量は、例えば、３００ｃｃである。窒化ガスに含まれる水素ガスの流量は、例えば、１０リットル／分である。
図２Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
た有機金属原料は、キャリアガスとともにＥＰＣ２４０を介して反応管２１０内に流入する。このとき、ＥＰＣ２４０は、キャリアガス及び気化した有機金属原料の流量を制御する。また、窒化ガスが、反応管２１０内に流入する。反応管２１０内では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約６００〜１０００℃に保つ。そして、気化状態の有機金属原料及び窒化ガスがクロム窒化物膜１２０近傍に供給されることにより、クロム窒化物膜１２０の上に第１結晶層１３０が気相成長して成膜される。この結果、クロム窒化物膜１２０及び第１結晶層１３０を含む多重層ＭＬ１が下地基板１１０の上に形成される。
なお、第１結晶層１３０を形成するための有機金属原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。第１結晶層１３０は、例えば、ＧａＮの単結晶体、多結晶体又はアモルファス体で構成されうる。第１結晶層１３０の厚さは、数十Å〜数十μｍであることが好ましい。第１結晶層１３０の成長温度は、９００℃付近であることが好ましい。反応管２１０内の圧力は、例えば、５００Ｔｏｒｒに維持される。有機金属原料の流量は、例えば、３００ｃｃである。窒化ガスに含まれる水素ガスの流量は、例えば、１０リットル／分である。
図２Ｂに示す工程では、ＭＯＣＶＤ法により、第１結晶層１３０の上に、第１結晶層１３０の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層１４０を成長させる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置２００では、ヒータ２１４がサセプタ２１６を介して下地基板１１０を加熱し下地基板１１０を約１１００℃に保つ。そして、第２結晶層１４０の成長温度は、第１結晶層１３０の成長温度（９００℃付近）よりも高い温度である約１１００℃になる。ここで、第２結晶層１４０は、ＧａＮの単結晶体である。第２結晶層１４０の膜厚は、１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。他の点は、図２Ａに示す工程と同様である。
【００１３】
された構造体１００が下地基板１１０の上に形成される。
この構造体１００では、クロム窒化物層１２０と第１結晶層１３０とが交互に積層されているので、下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させることができる。
なお、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程は、同一の装置内で行われても良いし、異なる装置内で行われても良い。異なる装置内で行われる場合、それぞれの反応室どうしが大気開放されずに搬送可能な機構（例えば、搬送路）で接続されているものとする。
図１８Ｂに示す工程では、化学溶液を用いて複数のクロム窒化物層１２０を選択的に同時にエッチングする。すなわち、図１８Ｂに示すように、複数のクロム窒化物層１２０を、それぞれ、側方からエッチングする。
ここで、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４のそれぞれにおけるクロム窒化物層１２０のエッチングの進行とともに第１結晶層１３０が破壊されながらエッチングが進行する。これにより、化学溶液の浸透していく経路が複数形成されるとともに、それらの経路が互いに結合するので、化学溶液の浸透していくための経路面積が大きくなる。このため、エッチングレートを向上することができる。また、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４がエッチング途中において下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させるので、第２結晶層１４０の内部応力を略均等な状態に保つことができる。
なお、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
複数のクロム窒化物層１２０がエッチングされると、図１８Ｃに示すように、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０が下地基板１１０から分離する。すなわち、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板ＳＢを製造す
された構造体１００が下地基板１１０の上に形成される。
この構造体１００では、クロム窒化物層１２０と第１結晶層１３０とが交互に積層されているので、下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させることができる。
なお、図１Ｂ〜図２Ａに示す工程は、同一の装置内で行われても良いし、異なる装置内で行われても良い。異なる装置内で行われる場合、それぞれの反応室どうしが大気開放されずに搬送可能な機構（例えば、搬送路）で接続されているものとする。
図１８Ｂに示す工程では、化学溶液を用いて複数のクロム窒化物層１２０を選択的に同時にエッチングする。すなわち、図１８Ｂに示すように、複数のクロム窒化物層１２０を、それぞれ、側方からエッチングする。
ここで、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４のそれぞれにおけるクロム窒化物層１２０のエッチングの進行とともに第１結晶層１３０が破壊されながらエッチングが進行する。これにより、化学溶液の浸透していく経路が複数形成されるとともに、それらの経路が互いに結合するので、化学溶液の浸透していくための経路面積が大きくなる。このため、エッチングレートを向上することができる。また、複数の多重層ＭＬ１〜ＭＬ４がエッチング途中において下地基板１１０と第２結晶層１４０との間に働く内部応力を緩和させるので、第２結晶層１４０の内部応力を略均等な状態に保つことができる。
なお、エッチャント（化学溶液）は、例えば、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）と硝酸２セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６）との混合水溶液が好適であるが、これに限定されない。
複数のクロム窒化物層１２０がエッチングされると、図１８Ｃに示すように、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０が下地基板１１０から分離する。すなわち、第２結晶層１４０及びそれに隣接する第１結晶層１３０を下地基板１１０から自立させてＧａＮ基板ＳＢを製造す
Claims (21)
- 外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、
気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、
前記クロム層を窒化してクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、
前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程と、
を備え、
前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とに加えて前記第１結晶層成長工程は、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記クロム層成膜工程、前記窒化工程及び前記第１結晶層成長工程は、前記処理空間を大気開放せずに連続して複数回行われて、前記クロム窒化物膜と前記第１結晶層とを含む多重層を複数前記下地基板の上に積層する
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記クロム層成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＨＶＰＥ法及びＭＯＭＢＥ法のいずれかにより行われる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記処理空間は、
第１空間と、
第２空間と、
前記第１空間と前記第２空間とを接続する第３空間と、
を含む
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第１結晶層の上に、前記第１結晶層の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層を成長させる第２結晶層成長工程をさらに備え、
前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とに加えて前記第１結晶層成長工程と前記第２結晶層成長工程とは、気相成長法により、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記クロム窒化物膜をエッチングして、前記第２結晶層と前記第１結晶層とを含む部分を前記下地基板から分離する分離工程をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記多重層の上に、前記第１結晶層の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層を成長させる第２結晶層成長工程をさらに備え、
前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とに加えて前記第１結晶層成長工程と前記第２結晶層成長工程とは、気相成長法により、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記多重層の前記クロム窒化物膜をエッチングして、前記第２結晶層とそれに隣接する第１結晶層とを含む部分を前記下地基板から分離する分離工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体基板の製造方法。 - 外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、
気相成長法により、前記下地基板の上にクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、
前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程と、
を備え、
前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記クロム窒化物膜成膜工程及び前記第１結晶層成長工程は、前記処理空間を大気開放せずに連続して複数回行われて、前記クロム窒化物膜と前記第１結晶層とを含む多重層を複数前記下地基板の上に積層する
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＨＶＰＥ法及びＭＯＭＢＥ法のいずれかにより行われる
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記処理空間は、
第１空間と、
第２空間と、
前記第１空間と前記第２空間とを接続する第３空間と、
を含む
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第１結晶層の上に、前記第１結晶層の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層を成長させる第２結晶層成長工程をさらに備え、
前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とに加えて前記第２結晶層成長工程は、気相成長法により、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記クロム窒化物膜をエッチングして、前記第２結晶層と前記第１結晶層とを含む部分を前記下地基板から分離する分離工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記多重層の上に、前記第１結晶層の成長温度よりも高い温度でＩＩＩ族窒化物半導体の第２結晶層を成長させる第２結晶層成長工程をさらに備え、
前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とに加えて前記第２結晶層成長工程は、気相成長法により、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記多重層の前記クロム窒化物膜をエッチングして、前記第２結晶層とそれに隣接する第１結晶層とを含む部分を前記下地基板から分離する分離工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１６に記載の半導体基板の製造方法。 - 外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、
気相成長法により、前記下地基板の上にクロム層を成膜するクロム層成膜工程と、
前記クロム層を窒化して、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を形成する窒化工程と、
前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程と、
を備え、
前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記クロム層成膜工程と前記窒化工程とに加えて前記第１結晶層成長工程は、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体基板の製造方法。 - 外部空間から仕切られた処理空間内に下地基板を搬入する搬入工程と、
気相成長法により、前記下地基板の上に、三角錐形状の複数の微結晶部を有するクロム窒化物膜を成膜するクロム窒化物膜成膜工程と、
前記クロム窒化物膜の上にＩＩＩ族窒化物半導体の第１結晶層を成長させる第１結晶層成長工程と、
を備え、
前記クロム窒化物膜成膜工程と前記第１結晶層成長工程とは、前記処理空間を大気開放せずに連続して行われる
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 請求項１から２０のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法により、前記第２結晶層を半導体基板として準備する準備工程と、
前記半導体基板の上に素子構造を形成する素子構造形成工程と、
を備えたことを特徴とする素子構造の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005365780 | 2005-12-20 | ||
| JP2005365780 | 2005-12-20 | ||
| PCT/JP2006/325992 WO2007072984A1 (ja) | 2005-12-20 | 2006-12-20 | 半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP4238372B2 JP4238372B2 (ja) | 2009-03-18 |
| JPWO2007072984A1 true JPWO2007072984A1 (ja) | 2009-06-04 |
Family
ID=38188745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007551175A Active JP4238372B2 (ja) | 2005-12-20 | 2006-12-20 | 半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4238372B2 (ja) |
| WO (1) | WO2007072984A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5060875B2 (ja) * | 2007-08-28 | 2012-10-31 | Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体とその製造方法 |
| US20090194026A1 (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-06 | Burrows Brian H | Processing system for fabricating compound nitride semiconductor devices |
| JP5014217B2 (ja) * | 2008-03-18 | 2012-08-29 | Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体およびその製造方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07267796A (ja) * | 1994-03-31 | 1995-10-17 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | ＧａＮ単結晶の製造方法 |
| JP2002284600A (ja) * | 2001-03-26 | 2002-10-03 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム結晶基板 |
| JP3749454B2 (ja) * | 2001-05-29 | 2006-03-01 | 三菱電線工業株式会社 | ＧａＮ単結晶の製造方法 |
| JP4117156B2 (ja) * | 2002-07-02 | 2008-07-16 | 日本電気株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 |
| JP2004269313A (ja) * | 2003-03-07 | 2004-09-30 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法 |
-
2006
- 2006-12-20 JP JP2007551175A patent/JP4238372B2/ja active Active
- 2006-12-20 WO PCT/JP2006/325992 patent/WO2007072984A1/ja active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2007072984A1 (ja) | 2007-06-28 |
| JP4238372B2 (ja) | 2009-03-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4117156B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板の製造方法 | |
| JP3631724B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびその製造方法 | |
| JP4396816B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびその製造方法 | |
| JP5276852B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法 | |
| KR100646696B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| US8216869B2 (en) | Group III nitride semiconductor and a manufacturing method thereof | |
| JPH0864791A (ja) | エピタキシャル成長方法 | |
| JPWO2007023911A1 (ja) | 半導体基板製造方法 | |
| US9023721B2 (en) | Methods of forming bulk III-nitride materials on metal-nitride growth template layers, and structures formed by such methods | |
| JP2022173200A (ja) | 横方向に配向した低欠陥密度で大面積の金属窒化物アイランドのプラットフォームおよびその製造方法 | |
| US20050257733A1 (en) | III nitride crystal and method for producing same | |
| JPH10265297A (ja) | ＧａＮバルク単結晶の製造方法 | |
| JP2004111848A (ja) | サファイア基板とそれを用いたエピタキシャル基板およびその製造方法 | |
| JP4238372B2 (ja) | 半導体基板の製造方法及び素子構造の製造方法 | |
| JP2006225180A (ja) | 窒化物半導体結晶及びその製造方法 | |
| JP4768759B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板 | |
| JP2003332234A (ja) | 窒化層を有するサファイア基板およびその製造方法 | |
| JP3895410B2 (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物結晶膜を備えた素子、およびその製造方法 | |
| JP2001326384A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 | |
| KR100699739B1 (ko) | Ⅲ-ⅴ족 화합물 반도체 | |
| WO2011099469A1 (ja) | 構造体、及び半導体基板の製造方法 | |
| JP4907127B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の自立単結晶作製方法およびｉｉｉ族窒化物単結晶層を含む積層体 | |
| JP4892142B2 (ja) | 有機金属気相化学蒸着法による高品位ｉｉｉ−族窒化物薄膜の成長方法 | |
| JP7120598B2 (ja) | 窒化アルミニウム単結晶膜及び半導体素子の製造方法 | |
| US20220108890A1 (en) | Method for preparing a substrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081024 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |