TW201531601A - ＧａＮ基板、ＧａＮ基板之製造方法、ＧａＮ結晶之製造方法及半導體裝置之製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用以於使用鋪砌法製造之主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下、且直徑45~55mm之圓盤形GaN基板中，將構成該基板之結晶區域之個數削減為4個以下之技術。根據較佳之實施形態，提供一種GaN基板，該GaN基板係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑45mm以上的圓盤形GaN基板，且由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之4個以下之結晶區域構成，該4個以下之結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成一行。
Description
本發明係關於一種GaN(氮化鎵)基板、GaN基板之製造方法、GaN結晶之製造方法及半導體裝置之製造方法。
GaN係III-V族化合物半導體之一種，其具備屬於六方晶系之纖鋅礦型之結晶構造。藉由摻雜雜質而GaN可具有導電性。作為n型雜質已知有O(氧)、Si(矽)、Ge(鍺)等。作為p型雜質已知有Mg(鎂)、Zn(鋅)等。
期待藉由使用非極性或半極性GaN基板而改善氮化物半導體裝置(非專利文獻1)。氮化物半導體亦被稱為氮化物系III-V族化合物半導體、III族氮化物系化合物半導體、GaN系半導體等，除包含GaN(氮化鎵)以外，亦包含GaN之Ga之一部分或全部經其他週期表13族元素(B、Al、In)取代之化合物。例如AlN、InN、AlGaN、AlInN、GaInN、AlGaInN等。非極性GaN基板中，(10-10)基板，即M面基板尤其受到關注。半極性GaN基板中，(20-21)基板、(20-2-1)基板、(30-31)基板及(30-3-1)基板尤其受到關注。
非極性或半極性GaN基板可自使用氫化物氣相磊晶(HVPE，Hydride Vapor Phase Epitaxy)法於C面GaN模板上沿c軸方向
成長之塊體GaN結晶而製造。將該塊體GaN結晶於所期望之非極性或半極性面平行地進行切片。但是，可利用HVPE法於C面GaN模板上成長之塊體GaN結晶之厚度通常為數mm以下，因此可藉由該方法製作之非極性或半極性GaN基板之主表面之c軸方向之尺寸成為數mm以下。於該方法中，幾乎不可能獲得如2英吋基板(直徑2英吋之圓盤形基板)之大面積基板。
為了解決該問題而研究出鋪砌法(tiling method)。鋪砌法
係使用集合籽晶。所謂集合籽晶係將數個籽晶基板以結晶方位一致之方式沿橫方向緊密排列者。於包含數個籽晶基板之集合籽晶上，利用氣相法使形成一個連續層之塊體GaN結晶磊晶成長(專利文獻1~4)。
藉由使用集中多片主表面之c軸方向之尺寸不足數mm之M面GaN基板而構成之集合籽晶，可實現2英吋M面GaN基板(直徑2英吋之圓盤形M面GaN基板)。但是，自利用HVPE法於C面GaN模板上成長之塊體GaN結晶切出之M面籽晶基板之主表面之位錯密度相對較高，成為106cm-2台至107cm-2台。於位錯密度為1×106cm-2之情況下，若利用掃描型電子顯微鏡-陰極發光(SEM-CL，Scanning Electron Microscope-Cathode Luminescence)進行觀察，則於100μm×100μm之視野中平均觀察到100個表示位錯之存在之暗點。
作為可使位錯等缺陷較少之高品質之GaN結晶成長之
方法之一，已知有氨熱法(專利文獻5及6)。於氨熱法中，使用超臨界或次臨界狀態之氨作為溶劑，使GaN結晶於籽晶上析出。然而，迄今為止，利用氨熱法高效率地製造主表面之c軸方向之尺寸超過1cm之非極性或半極性GaN基板之方法並不為人所知。
[專利文獻1]日本專利特開2006-315947號公報
[專利文獻2]日本專利特開2008-143772號公報
[專利文獻3]日本專利特開2010-275171號公報
[專利文獻4]日本專利特開2011-026181號公報
[專利文獻5]國際公開WO2002/101125號公報
[專利文獻6]國際公開WO2011/065436號公報
[非專利文獻1]Po Shan Hsu, Matthew T. Hardy, Erin C. Young, Alexey E. Romanov, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and James S. Speck, Applied Physics Letters 100, 171917 (2012)
對使用鋪砌法製造之GaN結晶進行加工所獲得之非極性或半極性基板通常由數個結晶區域構成。於該基板中，有於不同之結晶區域間之邊界缺陷密度變高之傾向(專利文獻2~4)。因此，必須削減構成基板之結晶區域之數量。本發明係鑒於該情況而完成者，其主要目的在於提供一種實現包含較習知削減之數量之結晶區域之直徑2英吋以上之非極性或半極性GaN基板(例如由4個以下之結晶區域構成之直徑2英吋之非極性或半極性GaN基板)之技術。本發明之進一步之目的在於提供一種由單一之結晶區域構成之直徑2英吋之非極性或半極性GaN基板。
於本發明之實施形態中包含以下記載之GaN基板、GaN結晶之製造方法及半導體裝置之製造方法。
(1)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑45mm以上的圓盤形GaN基板，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之n個(其中，n為2、3或4)結晶區域構成，上述n個結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成一行。
(2)如(1)所記載之GaN基板，其直徑為55mm以下。
(3)如(1)或(2)所記載之GaN基板，其特徵在於：於自上述n個結晶區域任意地選擇鄰接之2個結晶區域時，該2個結晶區域間之邊界與上述第1主表面上之c軸之正投影於上述第1主表面內形成90°±10°之範圍內之角度。
(4)如(1)至(3)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：不存在將該基板於厚度方向貫通之下述(A)之貫通裂痕，或者即便存在，其數量亦於上述第1主表面上為每20cm2為10個以下，且不存在除下述(A)之貫通裂痕以外之類型之裂痕：(A)與上述第1主表面上之c軸之正投影之間形成之角度於上述第1主表面內在90°±10°之範圍內之貫通裂痕。
(5)如(1)至(4)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
(6)如(5)所記載之GaN基板，其特徵在於：去除相互鄰接之上述結
晶區域間之邊界而進行平均之上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
(7)如(1)至(6)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：於室溫下，上述第1主表面並非凹面。
(8)如(7)所記載之GaN基板，其特徵在於：於室溫下，上述第1主表面為凸面。
(9)如(7)或(8)所記載之GaN基板，其特徵在於：於室溫下，正面之SORI值未滿20μm。
(10)如(1)至(9)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分時，該中央部分之偏離角之變動幅度係對於上述第1主表面上之c軸之正投影之方向之成分及與該方向正交之方向之成分之各者未滿0.5°。
(11)如(1)至(10)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：具有積層缺陷。
(12)如(1)至(11)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：包含鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3且450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
(13)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑45mm以上的圓盤形GaN基板，其特徵在於，其由單一之結晶區域構成。
(14)如上述(13)所記載之GaN基板，其直徑為55mm以下。
(15)如(13)或(14)所記載之GaN基板，其特徵在於：鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3。
(16)如(13)至(15)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：包含波長450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
(17)如(13)至(16)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
(18)如上述(17)所記載之GaN基板，其特徵在於：上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
(19)如(13)至(18)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：於室溫下，上述第1主表面並非凹面。
(20)如(13)至(19)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：具有積層缺陷。
(21)一種GaN結晶之製造方法，其特徵在於具有如下步驟：準備上述(1)至(20)中任一項所記載之GaN基板，並於其上使GaN磊晶成長。
(22)如上述(21)所記載之製造方法，其係塊體GaN結晶之製造方法。
(23)一種GaN結晶之製造方法，其特徵在於：將上述(1)至(20)中任一項所記載之GaN基板用於籽晶使第一塊體GaN結晶成長後，將該第一塊體GaN結晶之一部分或全部用於籽晶使第二塊體GaN結晶成長。
(24)一種半導體裝置之製造方法，其特徵在於：準備上述(1)至(20)中任一項所記載之GaN基板，並於其上使一種以上之氮化物半導體層成長。
於本發明之實施形態中進而包含以下記載之GaN基板之製造方法。
(a1)一種製造方法，其係製造圓盤形GaN基板之方法，該圓盤形GaN基板具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下，該製造方法之特徵在於包含：第1步驟，其係將分別具有主表面之數個籽晶基板以其等之主表面成為同一平面上之方式緊密地排列，構成集合籽晶；及第2步驟，其係使GaN結晶於該集合籽晶上氣相成長；上述數個籽晶基板之各者，其主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下，並且具有與主表面上之c軸之正投影分別以90°±10°之範圍內之角度相交之+C端面及-C端面，且上述數個籽晶基板之至少一個之主表面之尺寸係於平行於+C端面與主表面之交線之方向上為55mm以上，並且於與該交線正交之方向上為15mm以上。
(a2)如(a1)所記載之製造方法，其中，於上述數個籽晶基板之各者中，其主表面上之c軸之正投影與+C端面及-C端面分別以90°±1°之範圍內之角度相交。
(a3)如(a1)或(a2)所記載之製造方法，其特徵在於：於上述所有數個籽晶基板中，其主表面之尺寸於平行於+C端面與主表面之交線之方向上為55mm以上，並且於與該交線正交之方向上為15mm以上。
(a4)如(a1)至(a3)中任一項所記載之製造方法，其中，於上述第1步驟中，將上述數個籽晶基板於其等之主表面上之c軸之正投影之方
向排成一行、兩行或三行而構成集合籽晶。
(a5)如(a4)所記載之製造方法，其中，上述圓盤形GaN基板之直徑為45mm以上且55mm以下，且於上述第1步驟中，將上述數個籽晶基板於其等之主表面上之c軸之正投影之方向排成一行而構成集合籽晶。
(a6)如(a4)所記載之製造方法，其中，上述圓盤形GaN基板之直徑為95mm以上且105mm以下，且於上述第1步驟中，將上述數個籽晶基板於其等之主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行而構成集合籽晶。
(a7)如(a4)所記載之製造方法，其中，上述圓盤形GaN基板之直徑為145mm以上且155mm以下，且於上述第1步驟中，將上述數個籽晶基板於其等之主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行或三行而構成集合籽晶。
(a8)如(a1)至(a7)中任一項所記載之製造方法，其進而包含對上述第2步驟中氣相成長之GaN結晶進行加工而獲得目標之圓盤形GaN基板之步驟。
(a9)如(a1)至(a7)中任一項所記載之製造方法，其進而包含將上述第2步驟中氣相成長之GaN結晶之至少一部分用於籽晶，使進一步之GaN結晶氣相成長之步驟。
於本發明之實施形態中，進而包含以下記載之GaN基板。
(b1)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下者，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出
之數個結晶區域構成，於將上述第1主表面上之c軸之正投影之方向稱為第1方向、將於該第1主表面內與該第1方向正交之方向稱為第2方向時，基板尺寸於該第1方向及該第2方向上分別為45mm以上，上述數個結晶區域沿該第1方向排成一行，且其至少一個沿該第1方向具有15mm以上之尺寸。
(b2)如(b1)所記載之GaN基板，其中，上述所有數個結晶區域均沿上述第1方向具有15mm以上之尺寸。
(b3)如(b1)或(b2)所記載之GaN基板，其中，基板尺寸於上述第1方向及上述第2方向上分別為55mm以下。
(b4)如(b1)至(b3)中任一項所記載之GaN基板，其為圓盤形。
(b5)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下者，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之數個結晶區域構成，於將上述第1主表面上之c軸之正投影之方向稱為第1方向、將於該第1主表面內與該第1方向正交之方向稱為第2方向時，基板尺寸於該第1方向及該第2方向上分別為95mm以上，上述數個結晶區域沿該第1方向排成兩行或三行，且其至少一個沿該第1方向具有15mm以上之尺寸。
(b6)如(b5)所記載之GaN基板，其中，上述所有數個結晶區域均沿上述第1方向具有15mm以上之尺寸。
(b7)如(b5)或(b6)所記載之GaN基板，其中，上述數個結晶區域沿上述第1方向排成兩行。
(b8)如(b5)至(b7)中任一項所記載之GaN基板，其中，基板尺寸於上述第1方向及上述第2方向上分別為155mm以下。
(b9)如(b8)所記載之GaN基板，其中，基板尺寸於上述第1方向及上述第2方向上分別為105mm以下。
(b10)如(b5)至(b9)中任一項所記載之GaN基板，其為圓盤形。
(b11)如(b1)至(b10)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：於自上述數個結晶區域任意地選擇沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向鄰接之2個結晶區域時，該2個結晶區域間之邊界與上述第1主表面上之c軸之正投影於上述第1主表面內形成90°±10°之範圍內之角度。
(b12)如(b1)至(b11)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
(b13)如(12)所記載之GaN基板，其特徵在於：去除相互鄰接之上述結晶區域間之邊界而進行平均之上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
(b14)如(b1)至(b13)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：包含鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3且450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
於本發明之實施形態中進而包含以下記載之GaN基板。
(c1)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑95mm以上且105mm以下的圓盤形GaN基板，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之數個結晶區域構
成，該數個結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行，且各行中所含之結晶區域之數量為2個以上且8個以下。
(c2)如(c1)所記載之GaN基板，其中，上述各行中所含之上述結晶區域之數量為2個以上且4個以下。
(c3)一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑145mm以上且155mm以下的圓盤形GaN基板，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之數個結晶區域構成，該數個結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行或三行，且各行中所含之結晶區域之數量為3個以上且12個以下。
(c4)如(c3)所記載之GaN基板，其中，上述數個結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行。
(c5)如(c3)或(c4)所記載之GaN基板，其中，上述各行中所含之結晶區域之數量為3個以上且6個以下。
(c6)如(c1)至(c5)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：於自上述數個結晶區域任意地選擇沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向鄰接之2個結晶區域時，該2個結晶區域間之邊界與上述第1主表面上之c軸之正投影於上述第1主表面內形成90°±10°之範圍內之角度。
(c7)如(c1)至(c6)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
(c8)如(c7)所記載之GaN基板，其特徵在於：去除相互鄰接之上述結晶區域間之邊界而進行平均之上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
(c9)如(c1)至(c8)中任一項所記載之GaN基板，其特徵在於：包含鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3且450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
本發明提供一種實現包含較習知削減之數量之結晶區域之直徑2英吋以上之非極性或半極性GaN基板(例如由4個以下之結晶區域構成之直徑2英吋之非極性或半極性GaN基板)之技術。於較佳之實施形態中，提供一種由單一之結晶區域構成之直徑2英吋之非極性或半極性GaN基板。
10、20、30‧‧‧GaN基板
10a、10b、10c、10d、30a、30b、30c、30d、30e、30f、200a、200b、200c、200d‧‧‧結晶區域
11a、21a、31a‧‧‧第1主表面
11a-1、21a-1、31a-1‧‧‧外周部分
11a-2、21a-2、31a-2‧‧‧中央部分
11b、21b、31b‧‧‧第2主表面
12、22、32、1001b、1001c‧‧‧端面
100‧‧‧籽晶基板
200、2002‧‧‧GaN結晶
1001‧‧‧C面GaN基板
1001a、2002a‧‧‧N極性表面
1002‧‧‧成長遮罩
1003‧‧‧二次GaN結晶
1003b‧‧‧端部
1004、1005‧‧‧壁
2001‧‧‧GaN結晶籽晶
2001a‧‧‧主表面
2002b、2002c‧‧‧穩定面
B1ab、B1bc、B1cd、B3ab、B3bc、B3de、B3ef‧‧‧邊界
C‧‧‧貫通裂痕
P‧‧‧平板
Ps‧‧‧條紋週期
W0‧‧‧寬度
θ1ab、θ1bc、θ1cd、θ3ab、θ3bc、θ3de、θ3ef‧‧‧角度
圖1係表示實施形態之GaN基板之圖式，圖1(a)係平面圖，圖1(b)係圖1(a)之X-X線之位置之剖面圖。
圖2係表示實施形態之GaN基板之平面圖。
圖3係表示實施形態之GaN基板之圖式，圖3(a)係平面圖，圖3(b)係圖3(a)之X-X線之位置之剖面圖。
圖4係表示具有配置於N極性表面上之條紋圖案之成長遮罩之C面GaN基板之立體圖。
圖5係表示於N極性表面上配置有條紋圖案之成長遮罩之C面GaN基板上之GaN結晶之成長之情況的立體圖。
圖6係表示於在N極性表面上配置有條紋圖案之成長遮罩之C面
GaN基板上形成氨熱性地成長之GaN結晶之構造之立體圖。
圖7係說明藉由於表面出現相對於成長方向傾斜之穩定面而使GaN結晶之成長速率鈍化之立體圖。圖7(a)表示使GaN結晶成長前之籽晶基板，圖7(b)表示於在籽晶基板上成長之GaN結晶之表面出現穩定面之情況，圖7(c)表示於籽晶基板上成長之GaN結晶之表面整體被穩定面佔據之情況。
圖8係表示鋪砌法中使用之籽晶基板之形狀例之圖式，圖8(a)係立體圖，圖8(b)係自A端面側觀察之側視圖。
圖9係表示將短條形狀之籽晶基板以排列為端面彼此於鄰接之籽晶基板間接觸之狀態固定於平板上之情況之立體圖。
圖10係表示固定於平板上之數個籽晶基板之拋光及化學機械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)後之剖面之圖。圖10(a)表示將數個籽晶基板以端面彼此接觸之方式排列而進行拋光及CMP之情況，圖10(b)表示使數個籽晶基板相互分隔而進行拋光及CMP之情況。
圖11係說明將數個籽晶基板載置於氣相成長裝置之基座上時之排列方式之平面圖。
圖12表示GaN結晶於包含4個籽晶基板之集合籽晶上磊晶成長之情況，圖12(a)係平面圖，圖12(b)係剖面圖。
圖13係2英吋M面GaN基板之主表面之陰極發光像。
圖14係說明17片籽晶基板之排列方式之平面圖。
圖15係表示於若干假定下計算之GaN基板之積層缺陷密度與發光二極體(LED，Light Emitting Diode)晶片之良率之關係之曲線圖。
圖16係模式性地表示自塊體GaN結晶將GaN基板切片之步驟之剖面圖，圖16(a)表示包含4片籽晶基板之集合籽晶及於其上磊晶成長
之塊體GaN結晶，圖16(b)表示該塊體GaN結晶已被切片之狀態。
圖17係表示實施形態之GaN基板之圖式，圖17(a)係平面圖，圖17(b)係圖17(a)之X1-X1線之位置之剖面圖，圖17(c)係圖17(a)之X2-X2線之位置之剖面圖。
於GaN結晶中，將平行於[0001]之結晶軸稱為c軸，將平行於[10-10]之結晶軸稱為m軸，將平行於[11-20]之結晶軸稱為a軸。又，將與c軸正交之結晶面稱為C面，將與m軸正交之結晶面稱為M面，將與a軸正交之結晶面稱為A面。以下，於言及結晶軸、結晶面、結晶方位等之情況下，若無特別說明，則指GaN結晶之結晶軸、結晶面、結晶方位等。附於GaN基板之名稱之結晶面之名稱或密勒指數係與該基板之正面平行或最接近於平行之低指數面之名稱或密勒指數。所謂正面係指基板之兩個主表面中意圖使用於半導體裝置之形成或結晶之磊晶成長之面。非正面之方向之主表面被稱為背面。例如，與正面平行或最接近於平行之低指數面為M面，即(10-10)的GaN基板被稱為M面基板或(10-10)基板。通常，將密勒指數(hkm1)中之整數h、k、m及1之絕對值均為3以下之結晶面設為低指數面。
本發明之GaN基板係僅由GaN結晶構成之獨立基板。本發明之GaN基板只要具有可作為獨立基板操作之厚度即可。於直徑2英吋之圓盤形GaN基板之情況下，為了可作為獨立基板操作而所需要之最低限度之厚度為150~200μm，較佳之厚度為250μm以上，進而為280μm以上。本發明之GaN基板之厚度並無特別上限，但通常為1mm以下，於2英吋基板之情況下，較佳為400μm以下。
於本發明之GaN基板中，正面之法線與m軸之間之角
度為0度以上且20度以下。換言之，本發明之GaN基板之正面係與自M面之傾斜角為0度以上且20度以下之結晶面平行。例如，[10-10]、[20-21]、[20-2-1]、[30-31]及[30-3-1]與m軸之間所形成之角度處於0度以上且20度以下之範圍內。因此，(10-10)基板、(20-21)基板、(20-2-1)基板、(30-31)基板及(30-3-1)基板包含於正面之法線與m軸之間之角度為0度以上且20度以下之GaN基板。
以下，根據實施形態詳細地說明本發明。
將第1實施形態之GaN基板示於圖1。圖1(a)係平面圖，即對基板自其主表面之法線方向觀察之圖，圖1(b)係圖1(a)之X-X線之位置之剖面圖。圖1(b)所示之剖面係與主表面正交之剖面。圖1所示之GaN基板10其形狀為圓盤，即具有圓形之主表面之板，具有第1主表面11a及其相反側之第2主表面11b，並且具有端面12。
第1主表面11a係意圖使用於半導體裝置之形成或結晶
之磊晶成長之面(即正面)，其被精加工成適於該等目的之平坦面。具體而言，利用原子力顯微鏡(AFM，Atomic Force Microscopy)測定之第1主表面之均方根(RMS，Root Mean Square)粗度於測定範圍10μm×10μm內通常未滿5nm，較佳為未滿2nm，更佳為未滿1nm。第1主表面11a與M面平行，因此GaN基板10係M面基板。第1主表面11a之直徑為45~55mm，例如亦可為2英吋(50mm)。
GaN基板10係由自利用鋪砌法製造之GaN結晶切出而獲得，包含沿c軸方向排成一行之4個結晶區域10a、10b、10c、10d。c軸係與[0001]平行之結晶軸。4個結晶區域10a、10b、10c、10d均於
第1主表面11a及第2主表面11b之兩者露出。於圖1(a)中，將出現於第1主表面11a之鄰接之結晶區域間之邊界以虛線表示。同樣地，於圖1(b)中，將出現於剖面之鄰接之結晶區域間之邊界以虛線表示。邊界B1ab存在於結晶區域10a與10b之間，邊界B1bc存在於結晶區域10b與10c之間，邊界B1cd存在於結晶區域10c與10d之間。於圖1(a)中，若X-X線與c軸平行，則θ1ab、θ1bc及θ1cd分別為80~100°。即，邊界B1ab、B1bc及B1cd分別於與c軸形成90°±10°之範圍內之角度之方向延伸。該等邊界B1ab、B1bc及B1cd分別延伸之方向與c軸所成之角度之範圍較佳為90°±5°，更佳為90°±1°。
於陰極發光(CL)像中，鄰接之結晶區域間之邊界B1ab、
B1bc及B1cd如圖2中模式性地表示般，作為位錯密度局部地變高之帶狀區域出現於第1主表面11a。該帶狀區域之寬度通常未滿200μm，較佳為未滿100μm。於位錯密度較高之區域，光致發光(PL，photoluminescence)強度相對降低，因此存在藉由第1主表面11a之PL映射發現鄰接之結晶區域間之邊界之情況。又，多數情況下，於鄰接之結晶區域間，結晶方位略微不同，於其邊界，結晶方位不連續地變化。結晶方位不連續地變化之部位，例如可藉由對第1主表面11a進行X射線拓撲學分析而偵測。
如圖1(a)所示，將第1主表面11a分為自邊緣起3mm以下之外周部分11a-1(長虛線之外側)與由該外周部分包圍之中央部分11a-2(長虛線之內側)時，去除鄰接之結晶區域間之邊界B1ab、B1bc及B1cd而進行平均之該中央部分11a-2之位錯密度較佳為未滿105cm-2。位錯密度之評價可藉由通常之CL測定進行。位錯係以CL像中之暗點之形式被觀察到。於在第1主表面之中央部分實現平均位錯密度未滿
105cm-2之情況下，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，多數情況下於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。外周部分11a-1一般係於半導體裝置之製作中不使用之部分。但，較佳為外周部分之位錯密度亦較低。
進而，去除鄰接之結晶區域間之邊界B1ab、B1bc及B1cd
而進行平均之第1主表面之中央部分11a-2之積層缺陷密度較佳為20cm-1以下，更佳為10cm-1以下，最佳為1cm-1以下。將其原因以於第1主表面上形成0.5mm見方(500μm×500μm)之LED晶片之情況為例進行說明。0.5mm見方之晶片尺寸係使用GaN基板之高功率LED晶片中可採用之典型尺寸。於第1主表面上之1cm×1cm之矩形區域內可形成之0.5mm見方之LED晶片之個數為400。將良品占400個LED晶片之比率設為「良率」，為簡單起見，於下述假定下計算積層缺陷對良率之影響。
‧1cm×1cm之矩形區域由平行於c軸之直線與平行於a軸之直線包圍。
‧積層缺陷係於a軸平行地形成。
‧於1cm×1cm之區域內僅形成1條長度未滿1cm之積層缺陷。
‧積層缺陷彼此之間隔成為500μm以上。
‧若於形成該LED晶片之區域具有積層缺陷，則該LED晶片成為不良。僅於形成該LED晶片之區域完全無積層缺陷之LED晶片成為良品(因此，若積層缺陷為零，則自1cm×1cm之區域可獲得400個良品)。
於上述假定下，積層缺陷密度為0.1cm-1時，於1cm×1
cm之區域內具有1條長度0.1cm(=1000μm)之積層缺陷。因此，2個LED晶片成為不良，良率成為(400-2)/400=99.5%。於積層缺陷密度為1cm-1時，於1cm×1cm區域內具有1條長度1cm之積層缺陷。因此，20個晶片成為不良，良率成為(400-20)/400=95%。於積層缺陷密度為10cm-1時，於1cm×1cm之區域內具有10條長度1cm之積層缺陷。積層缺陷彼此之間隔為500μm以上，因此200個晶片成為不良。
因此，良率成為(400-200)/400=50%。若將以此方式計算之積層缺陷密度與LED晶片之良率之關係曲線化，則如圖15所示。
存在於第1主表面之積層缺陷之長度可藉由於該第1主
表面上利用有機金屬化學氣相沈積(MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法使GaN薄膜成長，並以光學顯微鏡觀察該薄膜之表面而求出。GaN薄膜係例如只要使用氮氣作為載體氣體，於氨流量10slm、三甲基鎵供給速率206μmol/min、壓力12.5kPa、基板溫度1040℃之條件下以2μm之厚度成長即可。於該GaN薄膜之表面，對應於積層缺陷而形成階差，因此藉由利用光學顯微鏡觀察測定該階差之長度，可求出積層缺陷之長度。
於GaN基板10存在貫通裂痕C。貫通裂痕C係與c軸
之間所形成之角度於第1主表面11a內處於90°±10°之範圍內，且將基板於厚度方向貫通之裂痕。即便於GaN基板10上積層半導體裝置用之磊晶薄膜，貫通裂痕C亦幾乎不會堵住。存在多個貫通裂痕之磊晶基板通過貫通裂痕產生抗蝕液之洩漏，因此存在難以進行半導體製程之問題。第1主表面11a之貫通裂痕C之數量係每20cm2較佳為10個以下、更佳為5個以下。所謂20cm2之面積係直徑2英吋之圓之面
積，即2英吋基板之主表面之面積。最佳為於第1主表面11a不存在貫通裂痕C。較理想為於第1主表面11a不存在除貫通裂痕C以外之類型之裂痕。
於用於利用MOVPE法等進行之氮化物半導體之成長時，GaN基板載置於氣相成長裝置之基座上，經由該基座而予以加熱。因此，若GaN基板之背面為極度之凸狀，則與基座之接觸面積變少，基板溫度之面內分佈變得不均勻。於GaN基板中，通常，若為設為正面與背面平行，且直徑45~55mm之情況，則總厚度變化(TTV，Total Thickness Variation)設為5μm以下。因此，於正面為凹面之情況下，背面成為凸面，經由基座加熱時，溫度之面內均勻性變差。因此，於GaN基板10中，第1主表面11a較佳為於室溫下並非凹面。第1主表面11a亦可為凸面，並無限定。
此處，所謂第1主表面11a為凹面係指該第1主表面之等高線呈多重環狀，且位於更內側之等高線指示之高度較低之情況。反之，所謂第1主表面11a為凸面係指該第1主表面之等高線呈多重環狀，且位於更內側之等高線指示之高度較高之情況。此處，第1主表面上之高度之基準面係第1主表面之最小平方平面。所謂多重環狀係較同心圓狀更上位之概念。呈多重環狀之等高線之各者只要為環狀即可，未必必須為圓。進而，環狀之等高線亦可具有朝向內側成為凸之部分。GaN基板10之第1主表面11a之等高線可使用如雷射斜入射干涉計之測定機器進行測定。如下所述之SORI值亦同樣。
所謂SORI值係用以將基板之翹曲之程度定量化之指標之一。將基板之正面之最小平方平面設為高度之基準面時，該正面_上之最高點與該基準面之間之距離、及該正面上之最低點與該基準面之
間之距離合計所得之值為SORI值。由定義可理解，不存在SORI值成為負值之情況。即便第1主表面並非凹面，亦於該SORI值過大之情況下，第2主表面與基座之接觸面積變小，經由基座加熱時之溫度之面內均勻性可能變差。因此，若為GaN基板10之直徑為45~55mm之情況，則第1主表面11a之室溫下之SORI值較佳為未滿20μm，更佳為未滿15μm，最佳為未滿10μm。求SORI值時，第1主表面之周邊部3mm者除外。其原因在於，於基板之外周部，為了進行端部處理等，而存在正面與背面不平行之情況。
第1主表面之中央部分11a-2之偏離角之變動幅度係針
對c軸方向之成分，又，針對與c軸正交之方向之成分，通常為未滿0.5°，較佳為未滿0.3°，更佳為未滿0.2°。此處所謂之偏離角之變動幅度係指針對偏離角之各成分，將中央值設為θ、將最大值設為θ+α、將最小值設為θ-α時之2α。所謂M面基板之偏離角係指正面之法線相對於M軸之傾斜，可利用正面上之任意位置進行定義。所謂正面係如上所述般，意圖使用於半導體裝置之形成或結晶之磊晶成長之主表面。於GaN基板10中，可將正面之偏離角意圖性地自0°偏離。於該情況下，將上述說明中所謂之c軸方向替換為「第1主表面上之c軸之正投影之方向」。
自GaN基板10之第1主表面11a去除因機械研磨而形
成之損傷層。損傷層之殘留可自藉由光致發光測定所獲得之主表面之發光光譜獲知。於殘留損傷層時，該發光光譜於可見光波長區域具有較寬之波峰。該較寬之發光波峰亦被稱為黃帶，出現於包含對應於黃色光之波長(550~580nm)之波長區域。若去除損傷層，則於上述發光光譜中，黃帶之強度相對於與GaN之帶隙對應之波長之波峰之強度之
比率降低。該比率較佳為未滿1/5，更佳為未滿1/10。
GaN基板10之第2主表面11b可為鏡面，亦可為無光
澤面。若第2主表面11b為無光澤面，則可藉由目視容易地進行與第1主表面11a之識別。於第2主表面11b，亦去除因機械加工而形成之損傷層。藉由機械研磨而平坦化之GaN表面可藉由進行CMP精加工，而成為無損傷層之鏡面。已實施粗糙之機械研磨之GaN表面或原切片之GaN表面可藉由進行乾式蝕刻處理，而成為無損傷層之無光澤面。
於較佳之實施形態中，可將構成GaN基板10之結晶區
域之數量減少至3個、進而減少至2個。隨著減少結晶區域之數量，鄰接之結晶區域間之邊界變少，因此，因於該邊界產生之應力所致之結晶缺陷減少。以上說明了本發明之第1實施形態，但於變形實施形態中，可將與GaN基板10之第1主表面11a平行或最接近於平行之低指數面設為如(30-31)面、(30-3-1)面、(20-21)面、(20-2-1)面等般自M面傾斜之結晶面。於該變形實施形態中，於第1主表面11a之法線之相對於M軸之傾斜中包含c軸方向成分之情況下，將上述第1實施形態之說明中所謂之c軸方向替換為「第1主表面上之c軸之正投影之方向」。
將第2實施形態之GaN基板示於圖3。圖3(a)係平面圖，即對基板自其主表面之法線方向觀察之圖，圖3(b)係圖3(a)之X-X線之位置之剖面圖。圖3所示之GaN基板20係其形狀為圓盤，即具有圓形之主表面之板，具有第1主表面21a及其相反側之第2主表面21b，並且具有端面22。第1主表面21a被精加工成適於使結晶於其上磊晶成長
之平坦面。第1主表面21a與M面平行，因此GaN基板20係M面基板。第1主表面21a之直徑為45~55mm，例如亦可為2英吋(50mm)。
第2實施形態之GaN基板20與上述第1實施形態之GaN
基板10不同，由單一之結晶區域構成。即，於GaN基板20中不存在結晶區域間之邊界。因此，抑制因於結晶區域間之邊界產生之應力所致之結晶缺陷之產生。如圖3(a)所示，將第1主表面21a分為自邊緣起3mm以下之外周部分21a-1(長虛線之外側)與由該外周部分包圍之中央部分21a-2(長虛線之內側)時，該中央部分21a-2之平均位錯密度較佳為未滿105cm-2。
於在第1主表面之中央部分21a-2實現平均位錯密度未
滿105cm-2之情況下，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，多數情況下於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。外周部分21a-1一般係於半導體裝置之製作中不使用之部分。但，較佳為外周部分之位錯密度亦較低。進而，第2主表面之中央部分21a-2之積層缺陷密度較佳為20cm-1以下，更佳為10cm-1以下，最佳為1cm-1以下。位錯密度及積層缺陷密度之評價可利用與第1實施形態相同之方法進行。以上說明了本發明之第2實施形態，但於變形實施形態中，可將與GaN基板20之第1主表面21a平行或最接近於平行之低指數面設為如(30-31)面、(30-3-1)面、(20-21)面、(20-2-1)面等般自M面傾斜之結晶面。
將第3實施形態之GaN基板示於圖17。圖17(a)係平面圖。圖17(b)
係圖17(a)之X1-X1線之位置之剖面圖，圖17(c)係圖17(a)之X2-X2線之位置之剖面圖。圖17(b)及(c)所示之剖面係與主表面正交之剖面。圖17所示之GaN基板30係具有矩形之主表面之板，具有第1主表面31a及其相反側之第2主表面31b，並且具有端面32。第1主表面31a被精加工成適於使結晶於其上磊晶成長之平坦面。第1主表面31a與M面平行，因此GaN基板30為M面基板。GaN基板20亦可為偏切(miscut)基板。偏切角可設為20°以下之任意角度。換言之，第1主表面31a亦可與至20°為止之範圍內自M面傾斜之結晶面平行。
第1主表面31a之尺寸係縱橫均為4英吋以上。如圖17(a)
所示，將第1主表面31a分為自邊緣起3mm以下之外周部分31a-1(長虛線之外側)與由該外周部分包圍之中央部分31a-2(長虛線之內側)時，去除鄰接之結晶區域間之邊界而進行平均之該中央部分31a-2之位錯密度未滿105cm-2。
GaN基板30係由自利用鋪砌法製造之GaN結晶切出而
獲得，包含沿c軸方向及a軸方向排列之6個結晶區域30a、30b、30c、30d、30e、30f。a軸係與[11-20]平行之結晶軸。6個結晶區域30a、30b、30c、30d、30e、30f均於第1主表面31a及第2主表面31b之兩者露出。於圖17(a)中，將出現於第1主表面31a之鄰接之結晶區域間之邊界以虛線表示。同樣地，於圖17(b)及(c)中，將出現於剖面之鄰接之結晶區域間之邊界以虛線表示。邊界B3ab存在於結晶區域30a與30b之間，邊界B3bc存在於結晶區域30b與30c之間，邊界B3ad存在於結晶區域30a與30d之間，邊界B3be存在於結晶區域30b與30e之間，邊界B3cf存在於結晶區域30c與30f之間，邊界B3de存在於結晶區域30d與30e之間，邊界B3ef存在於結晶區域30e與30f之間。
於陰極發光像中，鄰接之結晶區域間之邊界作為位錯密
度局部地變高之帶狀區域出現於第1主表面31a。該帶狀區域之寬度通常未滿200μm，較佳為未滿100μm。於位錯密度較高之區域，光致發光(PL)強度相對降低，因此存在藉由第1主表面31a之PL映射發現鄰接之結晶區域間之邊界之情況。又，多數情況下，於鄰接之結晶區域間，結晶方位略微地不同，於其邊界，結晶方位不連續地變化。結晶方位不連續地變化之部位例如可藉由對第1主表面31a進行X射線拓撲學分析而偵測。
於圖17(a)中，若X1-X1線及X2-X2與c軸平行，則θ3ab、
θ3bc、θ3de及θ3ef分別為80~100°。換言之，邊界B3ab、B3bc、B3de及B3ef分別沿與c軸形成90°±10°之範圍內之角度之方向延伸。該等邊界B3ab、B3bc、B3de及B3ef分別延伸之方向與c軸所形成之角度之範圍較佳為90°±5°，更佳為90°±1°。於GaN基板30存在貫通裂痕C。貫通裂痕C係與c軸之間所形成之角度於第1主表面31a內在90±10°之範圍內，且將基板於厚度方向貫通之裂痕。第1主表面31a之貫通裂痕C之數量，每20cm2較佳為10個以下。最佳為於第1主表面31a不存在貫通裂痕C。較理想為，於第1主表面31a不存在除貫通裂痕C以外之類型之裂痕。
於上述各實施形態中，可視需要適當進行用以使第1主表面與端面之邊界平滑之倒角。關於第2主表面與端面之邊界亦同樣。於對第1主表面與端面之邊界進行倒角之情況下，以倒角之前之第1主表面之邊緣作為基準定義上述外周部分與中央部分即可。可視需要設置表示
結晶之方位之定向‧平面、或用以能夠識別2個主表面之指標‧平面。
於實施形態之GaN基板中，主表面之形狀並不限定於圓形或矩形，但其面積通常係與直徑2英吋、較佳為直徑3英吋、更佳為直徑4英吋之圓之面積為同等以上。於圓盤形GaN基板之情況下，其直徑通常為2英吋以上，較佳為3英吋以上，更佳為4英吋以上。該直徑無特別上限，但通常為6英吋以下。因此，於上述第1或第2實施形態之GaN基板中，可將其直徑擴大至例如75mm(3英吋)、100mm(4英吋)、150mm(6英吋)等。如第3實施形態之GaN基板般，於其主表面之形狀為矩形之情況下，其尺寸係縱橫均較佳為2英吋以上，進而為3英吋以上，進而為4英吋以上。該縱橫之長度無特別上限，但通常為6英吋以下。
於如第1或第3實施形態之GaN基板般由數個結晶區域構成之GaN基板中，較佳為，該數個結晶區域之至少一個沿主表面上之c軸之正投影之方向具有15mm以上之尺寸。更佳為，該所有數個結晶區域均沿該方向具有15mm以上之尺寸。
亦可如第3實施形態之GaN基板般將數個結晶區域沿主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行之構成應用於圓盤形GaN基板。該構成尤其可較佳地採用於直徑約4英吋(95~105mm)~約6英吋(145~155mm)之圓盤形GaN基板。於直徑約6英吋之圓盤形GaN基板中，亦可採用數個結晶區域沿主表面上之c軸之正投影之方向排成三行之構成。如此，於具有數個結晶區域沿主表面上之c軸之正投影之方向排成兩行或三行之構成的GaN基板中，各行中所含之結晶區域之個數N因基板尺寸而異。即，於沿主表面上之c軸之正投影之方向之基板尺寸約為4英吋之情況下，N較佳為2~8，更佳為2~4，於
該尺寸約為6英吋之情況下，N較佳為3~12，更佳為3~6。
此處，參照圖式針對製造第1實施形態之GaN基板之方法之一例進行說明。
鋪砌法中使用之籽晶基板可藉由如下順序製作。(i)準備包含利用HVPE法成長之GaN結晶(一次GaN結晶)之C面基板。(ii)將上述步驟(i)中準備之C面GaN基板用於籽晶，藉由氨熱法使二次GaN結晶成長，自該二次GaN結晶製作M面基板。(iii)將上述步驟(ii)中製作之M面GaN基板用於籽晶，藉由氨熱法使三次GaN結晶成長。(iv)自上述步驟(iii)中成長之三次GaN結晶製作鋪砌法用之籽晶基板。
於上述步驟(ii)中使二次GaN結晶成長時，有3個重點。
第一，於C面GaN基板之N極性表面上使二次GaN結晶成長。所謂N極性表面係[000-1]側之主表面，亦被稱為氮極性面、氮面等。第二，於二次GaN結晶成長前，於C面GaN基板之N極性表面上形成下述特定圖案之成長遮罩。第三，使用酸性礦化劑。藉由執行該3點，可使結晶構造之應變較小之二次GaN結晶以較高之速率成長至成為大尺寸為止。其結果，可實現步驟(iv)中製作之鋪砌法用籽晶基板之大面積化。
上述步驟(iii)亦有重要之意義。之所以說需要上述步驟
(iii)，其原因在於，上述步驟(ii)中製作之M面基板無法耐受於利用氣相法之GaN結晶之成長中使用之溫度條件。步驟(ii)中成長之GaN結晶於其內部含有大量空隙，因此若曝於接近1000℃之高溫，則會產生
碎裂或變質。對此，於氨熱法中，可於650℃以下使GaN結晶成長，因此可將步驟(ii)中製作之M面GaN基板使用作為籽晶。上述步驟(iii)中獲得之GaN結晶成為應變較少，且具備可使用作為使GaN氣相成長時之籽晶之程度之耐熱性者。
以下說明各步驟之詳情。
將藍寶石基板、GaAs基板等用於籽晶，利用HVPE法使塊體GaN結晶成長，並對該塊體GaN結晶進行加工，藉此可製作C面GaN基板。較佳為，使用大於2英吋之直徑之籽晶，製作具有2英吋以上之直徑之C面GaN基板。對於業者而言，熟知HVPE法中使用之結晶成長裝置或成長條件。例如，關於用以利用HVPE法使塊體GaN結晶在GaAs基板上成長之技術，可參照國際公開WO99/023693號公報(或對應之美國專利第6693021號公報)等。又，關於用以利用HVPE法使塊體GaN結晶在藍寶石基板上成長之技術，可參照日本專利特開2003-178984號公報(或對應之美國專利公開2002/0197825號公報)、或日本專利特開2007-277077號公報(或對應之美國專利公開2009/0081110號公報)等。對C面GaN基板之N極性表面進行CMP(Chemical Mechanical Polishing)精加工，進行平坦化及損傷層之去除。C面GaN基板之形狀並不限於圓盤，亦可為角板等。
於上述步驟(i)中準備之C面GaN基板之N極性表面上，形成用以限定能夠結晶成長之區域之成長遮罩。圖4係例示形成有成長遮罩之C面GaN基板之模式圖。C面GaN基板1001具有矩形之N極性表面
1001a，於其上配置有具有寬度W0為50~100μm左右之線狀開口部之與a軸平行之條紋圖案(線紋&空間圖案)之成長遮罩1002。條紋週期Ps較佳為大於1mm，且較佳為設為10mm以下。C面GaN基板之a軸方向之端面1001b及m軸方向之端面1001c必須不被成長遮罩覆蓋。於一例中，進而亦可使N極性表面之外周部自基板端面於數mm以內之範圍內露出。成長遮罩係由利用氨熱法之GaN結晶之成長中不溶解或不分解之金屬、例如Al、W、Mo、Ti、Pt、Ir、Ag、Au、Ta、Ru、Nb、Pd、或其等之合金形成。
氨熱法中使用之原料較佳為多晶GaN。該多晶GaN中
作為雜質所含之氧之濃度較佳為5×1019cm-3以下。溶劑中使用之氨含有之水、氧等雜質之量較佳為0.1ppm以下。礦化劑係使用酸性礦化劑。酸性礦化劑之較佳例係包含如鹵化銨、鹵化鎵、鹵化氫之鹵素元素者。特佳為併用氟化銨與碘化氫。礦化劑之純度較佳為99.99%以上。
關於氨熱法中使用之結晶成長裝置之構成及結晶成長
條件之詳情，例如可參照國際公開WO2011/065436號公報(或對應之美國專利公開2012/0237431號公報)、國際公開WO 2013/062042(或對應之美國專利公開2013/0108537號公報)等。使用之成長容器係於內部設置有原料溶解區域及結晶成長區域之密閉壓力容器。於結晶成長時，成長容器內之壓力較佳為200~220MPa，成長容器內之溫度較佳為590~630℃。原料溶解區域與結晶成長區域之間之溫度差較佳為5~20℃。原料溶解區域之溫度高於結晶成長區域。
將二次GaN結晶之成長之情況模式性地示於圖5。於圖
5中，二次GaN結晶1003於成長遮罩1002之各開口部上逐一地呈壁狀成長。壁之高度方向係[000-1]方向(-c方向)，壁之厚度方向係m軸
方向。壁之各者亦於厚度方向成長，但難以產生鄰接之壁彼此之融合。
壁之厚度可為1mm以上，但受成長遮罩1002之條紋週期Ps約束。二次GaN結晶1003與C面GaN基板1001之界面限於設置於成長遮罩1002之細長之開口部內，因此可抑制於該界面產生之應力對二次GaN結晶之成長造成之影響。
雖然於圖5中省略，但GaN結晶亦自C面GaN基板1001
之端面成長，因此作為整體，形成圖6中模式性所示之構造。自C面GaN基板之a軸方向之端部1001b成長之GaN結晶沿[000-1]方向延伸，形成具有傾斜之外表面之壁1004。二次GaN結晶之a軸方向之端部1003b與該壁1004之內表面連結。自C面GaN基板之m軸方向之端部1001c成長之GaN結晶亦沿[000-1]方向延伸，形成具有傾斜之外表面之壁1005。壁1004與壁1005相互連結，形成包圍二次GaN結晶1003之周壁構造。
藉由形成圖6所示之構造，至少可獲得如下3種效果。
第一效果係將二次GaN結晶保持於C面GaN基板上之效果。第二效果係防止二次GaN結晶之[000-1]方向之成長速率之鈍化之效果。第三效果係防止二次GaN結晶之a軸方向之尺寸縮小之效果。
根據上述第一效果，二次GaN結晶可於成長步驟中再成
長。所謂再成長係指使結晶成長至某種程度後將籽晶自成長容器取出，轉移至新的成長容器，並再次於其上使結晶成長之操作。若消耗成長容器內之原料，則成長速率降低，因此為了獲得大尺寸之二次GaN結晶，再成長不可或缺，而形成圖6所示之構造使之成為可能。假設不形成該構造，則難以將二次GaN結晶於不自C面GaN基板脫落之情況下，自使用過之成長容器轉移至新的成長容器。其原因在於，如
上所述，二次GaN晶與C面GaN基板之直接結合僅限於設置於成長遮罩之細長之開口部之內側。若形成圖6所示之構造，則二次GaN結晶經由上述周壁構造而固定於C面GaN基板，因此可進行再成長操作，此外，於成長容器內，藉由溶劑之對流作用等，二次GaN結晶自C面GaN基板脫落之機率亦始終變低。進而，圖6所示之周壁構造亦有保護二次GaN結晶免受操作中之損傷之效果。
若將上述第二效果模型化進行說明，則如下所述。例
如，考慮使用圖7(a)所示之GaN結晶籽晶2001使GaN結晶成長之情況。該籽晶之主表面2001a係N極性表面，其形狀係於a軸方向上細長地延伸之長方形。成長剛開始後，GaN結晶於籽晶之N極性表面上以較高之速率成長，但於較早之階段，如圖7(b)所示，於GaN結晶2002之表面出現穩定面2002b及2002c。穩定面2002b及2002c均相對於屬於GaN結晶2002之成長方向之[000-1]方向傾斜，因此隨著結晶成長進行，GaN結晶之N極性表面2002a變窄。不久，如圖7(c)所示，GaN結晶之表面整體被穩定面2002b及2002c佔據，若N極性表面2002a消失，則GaN結晶之[000-1]方向之成長速率降低至非實用之等級。
相對於此，於形成圖6所示之構造之情況下，於二次
GaN結晶之表面難以出現穩定面，因此不會產生因N極性表面消失所致之[000-1]方向之成長速率之鈍化。因此，藉由將[000-1]方向之成長速率維持著實用之等級(例如超過100μm/day)進行再成長，可使二次GaN結晶於該方向成長15mm以上。再成長可重複2次以上。
關於上述第三效果，亦可根據與圖7所示之例之比較進
行說明。於圖7之例中，隨著GaN結晶2002於[000-1]方向成長，其a軸方向之尺寸逐漸縮小。其原因在於，出現於a軸方向之端部之穩定
面2002b相對於c軸傾斜。相對於此，於形成圖6所示之構造之情況下，二次GaN結晶之a軸方向之端部1003b與壁1004結合。因此，不會產生因出現傾斜之穩定面所致之二次GaN結晶之a軸方向之尺寸縮小。藉由上述第三效果，二次GaN結晶之a軸方向之尺寸大致根據C面GaN基板之a軸方向之尺寸而規定。因此，於上述步驟(i)中，較佳為準備a軸方向之尺寸大於50mm之C面GaN基板。
切斷二次GaN結晶之外周部而調整形狀，並且藉由拋光
及CMP使兩主表面平坦化，藉此可製作M面GaN基板。本發明者等確認，可自上述方法中成長之二次GaN結晶製作具有52mm×52mm之矩形之主表面之M面GaN基板。認為，藉由將結晶成長時間進一步延長，亦可製作具有55mm見方以上之尺寸之M面GaN基板。
將上述步驟(ii)中製作之M面GaN基板用於籽晶，藉由氨熱法使成為鋪砌法用之籽晶基板之素材之三次GaN結晶成長。結晶之成長方向與c軸之平行度越低，越易產生GaN結晶之積層缺陷。其不限於氣相成長，於氨熱法中亦同樣。然而，三次GaN結晶，儘管成長方向與c軸之平行度不高，但積層缺陷密度非常低。其原因在於，將自應變極少之二次GaN結晶製作之M面GaN基板用於籽晶而進行成長。於三次GaN結晶之成長中，與上述步驟(ii)同樣，可較佳地使用酸性礦化劑。關於較佳之結晶成長條件，亦與上述步驟(ii)同樣。
三次GaN結晶係以覆蓋M面GaN基板之表面整體之方式成長，但可較佳地使用作為鋪砌法用之籽晶基板之素材的係形成於M面GaN基板之主表面上之M面成長部。使三次GaN結晶成長時，
尤其推薦使用如氟化銨之包含氟之酸性礦化劑。該礦化劑具有顯著提高GaN結晶之M面成長之速率之作用。關於鹼性礦化劑，迄今為止尚未開發出能夠以實用之速率使GaN結晶之M面成長者。使用包含氟之酸性礦化劑氨熱性成長之GaN結晶係成為含有氟者，該氟之濃度通常超過1×1015cm-3。該GaN結晶中之鹼金屬濃度通常未滿1×1015cm-3。
鋪砌法用之籽晶基板係如圖8所示之籽晶基板100般形成為角板形狀，於其[0001]側(+c)側與[000-1]側(-c側)分別設置+C端面及-C端面。+C端面與-C端面係以相互平行的方式，且分別與主表面上之c軸之正投影以90°±10°之範圍內、較佳為90°±5°之範圍內、更佳為90°±1°之範圍內之角度相交。籽晶基板之主表面之尺寸較佳為，於平行於+C端面與主表面之交線之方向上為55mm以上，於與該交線正交之方向上為15mm以上。籽晶基板之厚度較佳為250μm以上。
自三次GaN結晶製作籽晶基板時，依序進行以下說明之(a)切片、(b)端面之形成、(c)主表面之平坦化。
使用通常之線鋸‧切片機，自三次GaN結晶切出主表面之法線與m軸之間之角為0度以上且20度以下之預基板。切片方向係使用X射線繞射裝置確認。
使用切割機切除預基板之緣部，使主表面成為四邊形。該步驟中形成之切斷面成為籽晶基板之端面。
於減少在屬於最終生產物之GaN基板之主表面產生之
貫通裂痕方面，一重點在於使籽晶基板之端面之面方位儘可能接近於設計方位。具體而言，較理想為使自設計方位之偏離收斂於±0.1°之範圍內。因此，每次切斷預基板時，只要利用X射線繞射裝置確認所形成之端面之面方位，於自設計方位之偏離超過0.1°之情況下調整工件之方向並再次進行切斷即可。重複該操作直至獲得自設計方位之偏離為0.1°以內之端面為止。
於端面之形成完成之後，藉由依序進行之拋光及CMP(化學機械研磨)使籽晶基板之主表面平坦化。亦可代替拋光而進行磨光，或除進行拋光以外，亦進行磨光。CMP之目的除平坦化以外，亦在於去除切片及拋光中所形成之損傷層。拋光及CMP係以於半導體基板之研磨中一般地進行之方式，使用蠟將工件(籽晶基板)固定於平坦之平板之表面而進行。於較佳之實施形態中，將數個籽晶基板以緊密排列為端面彼此於鄰接之籽晶基板間接觸之狀態固定於平板上。排列之方向係設為各籽晶基板之主表面上之c軸之正投影之方向。圖9係表示以該方式將圖8所示之角板形狀之籽晶基板100排列於平板P上之情況之立體圖。
圖9中之兩箭頭表示各籽晶基板100之主表面上之c軸之正投影之方向。若以此方式緊密地排列數個籽晶基板而進行拋光及CMP，則可抑制各籽晶基板之+C端面及-C端面之邊緣衰減。
圖10(a)係表示如圖9所示般固定於平板P上之籽晶基
板100之拋光及CMP後之剖面的模式圖。另一方面，圖10(b)係表示使籽晶基板100相互分隔而固定於平板P上之情況下之拋光及CMP後之剖面的模式圖。如圖10(a)所示，任一籽晶基板100中，與鄰接之籽
晶基板之-C端面接觸之+C端面、及與鄰接之籽晶基板之+C端面接觸之-C端面之邊緣衰減均得以抑制。不與其他籽晶基板之端面接觸之+C端面及-C端面之邊緣衰減未得到抑制。
於排列多個上述方法中製作之籽晶基板而成之集合籽晶上使GaN結晶氣相成長。較佳之氣相成長方法為HVPE法。利用HVPE法之GaN結晶之成長可較佳地使用具備石英製反應容器之一般之熱壁型成長裝置。於利用HVPE法之GaN結晶之成長中，若將對反應容器內供給之載體氣體之99~100體積%設為氮氣(N2)，則可獲得應變極少之GaN結晶。本發明者等人確認到，與將氮氣占載體氣體之比率設為92體積%(N2：H2比為92：8)之情況相比，於設為100體積%之情況下，成長之GaN結晶之應變顯著減少。
構成集合籽晶之數個籽晶基板係於主表面上之c軸之正
投影之方向排成一行。此時，所有籽晶基板之主表面上之[0001]之正投影均朝向同一方向。圖11係表示以該方式將圖8所示之角板形狀之籽晶基板100排列於氣相成長裝置之基座上之情況之平面圖。圖11中之箭頭分別表示各籽晶基板100之主表面上之[0001]之正投影。於圖11所示之所有4個籽晶基板100中，+C端面與-C端面係以自設計方位之偏離成為0.1°以內之方式形成。因此，+C端面與-C端面以接觸之方式配置時之籽晶基板間之結晶方位之偏離較小。
圖12表示GaN結晶200於包含4個籽晶基板100之集
合籽晶上磊晶成長之情況，圖12(a)為平面圖，圖12(b)為剖面圖。於4個籽晶基板100之間，雖然僅有略微之不同，但因存在結晶方位之不
同，而於GaN結晶200中形成有4個結晶區域200a、200b、200c及200d(虛線表示結晶區域間之邊界)。圖12(a)及(b)中之4個箭頭分別表示與GaN結晶200之厚度方向(成長方向)正交之假想平面上之GaN結晶200之[0001]之正投影。由於4個結晶區域200a、200b、200c及200d之間之結晶方位僅存在略微之不同，故而4個箭頭大致平行。
若將藉由HVPE法成長之塊體GaN結晶與藉由助熔劑
法或氨熱法成長之塊體GaN結晶進行比較，則存在如下不同。其一，可列舉藉由HVPE法成長之GaN結晶之鹼金屬濃度較低。例如，於助熔劑法中，難以獲得合計鋰(Li)、鈉(Na)及鉀(K)所得之鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3之GaN結晶(日本專利特開2009-18961號公報)。該情況於將鹼金屬用於礦化劑之氨熱法中亦相同(日本專利特開2011-523931號公報)。相對於此，藉由HVPE法成長之GaN結晶通常鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3。使用鹼金屬濃度較低之結晶對於提高形成於基板上之半導體裝置之可靠性較為有利。
進而，藉由HVPE法成長之GaN結晶由於可見光波長
區域之透明度較高，故而適於發光裝置用之GaN基板之素材。例如，於白色LED中使用之屬於激發用藍色LED之發光波長450nm中，藉由氨熱法成長之GaN結晶之吸收係數為4~20cm-1，相對於此，藉由HVPE法成長之GaN結晶之吸收係數為2cm-1以下(T.Hashimoto,et al.,Sensors and Materials,Vol.25,NO.3(2013)155-164)。此外，與助熔劑法或氨熱法相比，HVPE法容易控制摻雜劑濃度，因此可獲得載體濃度或導電率被精密地控制之GaN結晶。
關於自藉由鋪砌法成長之塊體GaN結晶切出圓盤形之基板之方法，可適當參照公知技術。為了使基板之主表面為圓形，只要對塊體GaN結晶進行圓筒研削加工或取心鑽加工即可。塊體結晶之切片方向可設為與籽晶基板之主表面平行，亦可設為不同之方向。切片後之基板之主表面可藉由磨光、拋光、CMP等而平坦化。
圖16係模式性地表示自塊體GaN結晶將GaN基板切片
之步驟之剖面圖。圖16(a)表示包含4片籽晶基板之集合籽晶及於其上磊晶成長之塊體GaN結晶。塊體GaN結晶之成長方向係圖中之箭頭所示之方向，即遠離籽晶基板之方向。圖16(b)表示塊體GaN結晶被切片之狀態。於該例中，切片方向與籽晶基板之主表面不平行。
於室溫下製作第1主表面並非凹面之GaN基板時，如圖
16(b)所示，將朝向構成該基板之GaN結晶之成長方向之主表面選擇第1主表面。進而，自GaN基板之第1主表面及第2主表面之兩者去除損傷層。對於正面，藉由機械研磨進行平坦化，於機械研磨後進行由此產生之損傷層之去除。損傷層之去除較佳為可藉由CMP進行。於經機械研磨之GaN基板表面之陰極發光像中觀察到對應於位錯之多個暗點。若對該基板表面實施CMP，則最初隨著CMP量增加而暗點密度減小。於充分去除損傷層之後，即便增加CMP量，暗點密度亦不變。
損傷層之去除除CMP以外，亦可藉由使用含有氯、氟、
溴等鹵素元素之蝕刻氣體之反應性離子蝕刻(RIE，Reactive Ion Etching)進行。對於GaN基板之背面，可視需要利用機械研磨進行平坦化。GaN基板之背面之損傷層較佳為藉由RIE而去除。於非極性或半極性GaN基板，尤其正面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之GaN基板中，主表面之化學穩定性與極性基板之Ga極性表面同程度地較
高，因此於藉由濕式蝕刻去除損傷層之情況下，必須使用嚴酷之條件。
上述2.2.(iii)中成長之三次GaN結晶即便始終於相同之條件下成長，亦無法避免其品質產生某種程度之分佈。因此，於2.2.(iv)中，亦可於自三次GaN結晶製作鋪砌法用籽晶基板時，在進行端面形成之步驟(b)之前，對步驟(a)中獲得之原切片基板之主表面進行研磨而平坦化，評價該基板之位錯缺陷或積層缺陷之密度。該評價中，將位錯缺陷或積層缺陷之密度超過預先規定之基準之基板設為不合格品，使之不流向下一步驟(c)，藉此可將鋪砌法中使用之籽晶基板之品質以較高之水準保持一致。又，於不合格品中，於基板之端處具有位錯缺陷密度或積層缺陷密度局部地變高之部分者，可於如下(b)之端面形成步驟中藉由切除該部分而恢復。
本發明者等人使用上述所說明之方法，嘗試製作第1實施形態之直徑2英吋之M面GaN基板，結果可知有產生與c軸正交之貫通裂痕之傾向。尤其，關於鋪砌法中使用之籽晶基板之+C端面及-C端面之面方位，於容許自設計方位偏離0.5°左右之情況下，產生多個該貫通裂痕。圖13係使用上述所說明之方法嘗試製作之2英吋M面GaN基板之正面之陰極發光(CL)像。如CL像所示，貫通裂痕有沿c軸方向形成行之傾向。於圖13中，白箭頭所指者為貫通裂痕。於圖13中，沿c軸方向延伸之黑線係位錯密集之區域。沿c軸方向形成行之貫通裂痕均沿此種線狀之高位錯密度區域形成。尤其，圖13所示之GaN基板
由於在製作過程中使用KOH水溶液進行濕式蝕刻處理，故而貫通裂痕之內部空間擴大。認為，由於僅在內壁之單側形成有微細之稜錐，故而化學穩定性較低之N極性表面經蝕刻後，裂痕之寬度擴大。
此種貫通裂痕藉由提高籽晶基板之+C端面及-C端面之
面方位之精度而減少。而且，藉由減少籽晶基板之+C端面及-C端面之邊緣衰減，而進一步減少。該等事實表明，於在不同之籽晶基板上分別成長之GaN結晶彼此接合之部分產生之應變會使高位錯密度區域產生，其成為裂痕之原因。若附帶說明，於使用藉由HVPE法製造之位錯密度較高之GaN結晶作為鋪砌法之籽晶基板之情況下，在所獲得之2英吋M面基板之表面產生多種裂痕，其數量始終多於上述貫通裂痕之數量。其中，產生頻度尤其較高之裂痕係形成於相鄰之結晶區域間之邊界上之與c軸平行之裂痕。換言之，此次與c軸正交之貫通裂痕係藉由採用上述2.1~2.3所記載之製造方法抑制其他類型之裂痕，結果係初次明顯化者。
此處，針對第2實施形態之GaN基板之製造方法進行說明。第2實施形態之GaN基板可藉由對上述2.1.(iii)中說明成長方法之三次GaN結晶進行加工而製造。例如，為了獲得可切出直徑50mm之GaN基板之尺寸之三次GaN結晶，將使該三次GaN結晶成長時使用之M面籽晶基板之主表面之尺寸設為大於50mm見方。具有該尺寸之主表面之M面籽晶基板可自上述2.1.(ii)中說明成長方法之二次GaN結晶進行製作。三次GaN結晶之成長係利用使用包含氟之酸性礦化劑之氨熱法，因此所獲得之GaN基板之鹼金屬濃度成為未滿1×1015cm-3，另一
方面，以超過1×1015cm-3之濃度含有氟。
第2實施形態之GaN基板亦可進而藉由其他方法製造。
例如，對上述三次GaN結晶進行加工而製作籽晶基板，並對藉由HVPE法於該籽晶基板上成長之GaN結晶進行加工，藉此可製造第2實施形態之GaN基板。自三次GaN結晶製作之籽晶基板可為M面基板，或亦可為主表面之法線與M軸之間之角為0度以上且20度以下之半極性基板。又，該籽晶基板可為圓盤形，或亦可為具有矩形之主表面者。
籽晶基板之主表面之尺寸係大於所欲製造之GaN基板之主表面之尺寸。藉由該方法製造之GaN基板，鹼金屬與氟之濃度均未滿1×1015cm-3。又，構成基板之GaN結晶之波長450nm之吸收係數成為2cm-1以下，因此作為藍色LED用之基板尤其適宜。
本發明之GaN基板可使用於各種半導體裝置之製造。通常，於本發明之GaN基板上使一種以上之氮化物半導體氣相磊晶成長，而形成裝置構造。作為磊晶成長法，可較佳地使用適於薄膜之形成之有機金屬化學氣相沈積(MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、分子束磊晶法(MBE，Molecular Beam Epitaxy)法、脈衝蒸鍍法等。
作為半導體裝置之具體例，有發光二極體、雷射二極體等發光裝置、整流器、雙極電晶體、電場效電晶體、高電子遷移率電晶體(HEMT，High Electron Mobility Transistor)等電子裝置、溫度感測器、壓力感測器、放射線感測器、可見光-紫外光檢測器等半導體感測器、表面聲波(SAW，Surface Acoustic Wave)裝置、振動器、共振器、振盪器、微機電系統(MEMS，Micro Electro Mechanical System)零件、電壓致動器、
太陽電池等。又，認為本發明之GaN基板亦可用於人工光合成單元用之電極。
本發明之GaN基板亦可使用作為用以使氮化物半導體
結晶成長之籽晶。例如，可於本發明之GaN基板上以任意方法使GaN磊晶成長，而獲得塊體GaN結晶。或者，可將本發明之GaN基板用於籽晶使第一塊體GaN結晶成長之後，將該第一塊體GaN結晶之一部分或全部用於籽晶使第二塊體GaN結晶成長。
按照以下之順序製作2英吋M面GaN基板。
於在C面藍寶石基板之表面利用MOVPE法使GaN層磊晶成長而成之GaN模板上，藉由HVPE法使c軸配向之GaN結晶層成長。將該GaN結晶層切片而製作C面GaN基板。為了於下一步驟中使用作為磊晶成長之基底面，因而藉由拋光及CMP使C面GaN基板之N極性表面平坦化。
於上述[1]中製作之C面GaN基板之N極性表面上，藉由TiW合金形成具有寬度100μm之線形開口部之條紋圖案之成長遮罩。開口部之長度方向，即條紋方向，係設為與GaN之a軸平行。於形成有該遮罩圖案之C面GaN基板之N極性表面上，藉由氨熱法使GaN結晶成長。原料係使用多晶GaN，礦化劑係使用氟化銨(NH4F)及碘化氫(HI)。
NH4F及HI之添加量係以氟原子相對於NH3之莫耳比成為0.5~1.5%、碘原子相對於NH3之莫耳比成為1.5~3.5%之方式，且以氟原子相對於碘原子之莫耳比成為0.2~0.5之方式決定。成長條件係將成長容器內之平均溫度(結晶成長區域與原料溶解區域之溫度之平均值)設為590~630℃，將結晶成長區域與原料溶解區域之溫度差設為5~20℃，將成長容器內之壓力設為200~220MPa。
若將於上述條件下保持30天前後之C面GaN基板自成
長容器取出，則藉由氨熱性成長之GaN結晶形成圖6所示之構造。於成長遮罩之各開口部上呈壁狀成長之GaN結晶被包圍其而形成周壁構造之GaN結晶支撐，保持於C面GaN基板上。因此，可更換成長容器而進行再成長。例如，藉由重複進行3次成長，於將成長時間設為合計100天之情況下，在成長遮罩之開口部上，GaN結晶沿[000-1]方向成長20mm。藉由調整該GaN結晶之外形，進行兩個主表面之平坦化及CMP精加工，而製作M面GaN基板。該主表面之尺寸較大為於a軸方向上62mm、於c軸方向上17mm。
繼而，逐一將上述製作之M面GaN基板用於籽晶，再
次藉由氨熱法使GaN結晶成長。自藉由該第2次氨熱成長獲得之GaN結晶，製作厚度約330μm之M面GaN基板作為鋪砌法用之籽晶基板。
籽晶基板之端面係藉由使用切割機切斷GaN結晶而形成。籽晶基板之主表面係設為長邊與a軸平行、短邊與c軸平行之長方形。其尺寸較大者為於a軸方向上52mm、於c軸方向上15mm。繼端面形成之後，藉由拋光及CMP使各籽晶基板之兩面平坦化。藉由SEM-CL對如此製作之籽晶基板之經拋光之主表面進行觀察之結果，於大致所有的部位，在90μm×120μm之視野中均未發現表示基底面位錯之存在之暗
點。
將以上述順序製作之4片籽晶基板以+C端面與-C端面接觸之方式於HVPE裝置之基座上排成一行，製成集合籽晶。繼而，將使氯化氫接觸已加熱之金屬鎵而產生之氯化鎵與氨氣供給至包含該等4片籽晶基板之集合籽晶上，使GaN結晶磊晶成長。成長溫度設為1050℃，成長時間設為80小時。成長中供給至反應爐內之載體氣體設為僅氮氣。
對利用HVPE法在集合籽晶上磊晶成長之塊體GaN結晶進行加工，製作直徑2英吋(5cm)、厚度約280μm之圓盤形M面GaN基板。
詳細而言，將對塊體GaN結晶進行切片所得之原切片基板之主表面中朝向GaN結晶之成長方向之主表面定為正面，依序實施磨光、拋光及CMP，使其平坦化。於CMP步驟中，以充分去除損傷層之方式設定CMP量。相反側之主表面(背面)之損傷層係藉由將氯氣用於蝕刻氣體之反應性離子蝕刻(RIE)而去除。條件係設為蝕刻氣體供給速率50sccm、蝕刻電力140W/50W(天線/偏壓)、腔室內壓力0.3Pa、蝕刻時間2000sec。所獲得之M面GaN基板中包含與4片籽晶基板對應之4個結晶區域。
將該M面GaN基板之正面之中央部分(除距邊緣之距離
為3mm以下之外周部以外之部分)以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到一個以上CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。繼而，使用NIDEK股份有限
公司製造之斜入射干涉法平坦度測定機FT-17測定該M面GaN基板之正面之等高線及SORI值，結果正面為凸面，該SORI值為7.9μm。附帶一提，於代替背面之RIE處理而使用KOH水溶液進行120℃、10分鐘之濕式蝕刻之情況下，僅獲得背面為凸狀之GaN基板。推測若將蝕刻時間延長至20小時，則正面成為凸狀，故而背面之損傷層會引起翹曲。進而，測定該M面GaN基板之正面之上述中央部分之偏離角之變動幅度，結果c軸方向為0.14°、a軸方向為0.06°。
藉由與上述實驗1相同之順序製作鋪砌法用之籽晶基板。籽晶基板之主表面係設為長邊與a軸平行、短邊與c軸平行之長方形。長邊之長度設為40~60mm之範圍內，短邊之長度設為5~15mm之範圍內。籽晶基板之端面係藉由使用切割機切斷GaN結晶而形成。於形成任一端面時，均於每次進行切斷時，使用X射線繞射裝置確認所形成之端面之面方位。於自設計方位之偏離超過0.1°之情況下，重複調整工件之方向而再次進行切斷之操作直至獲得自設計方位之偏離為0.1°以內之端面。
繼端面形成之後，藉由拋光及CMP使各籽晶基板之兩
面平坦化。繼而，使用蠟將6片籽晶基板以沿c軸方向緊密排列之狀態貼附於平坦之平板之表面，同時對該6片籽晶基板之一主表面實施拋光及CMP。藉由SEM-CL對如此製作之籽晶基板之經拋光之主表面進行觀察之結果，於大致所有部位，在90μm×120μm之視野中均未發現表示基底面位錯之存在之暗點。
將上述拋光及CMP步驟中排列固定於平板表面之6片
籽晶基板以與固定於該平板表面時相同之順序，於HVPE裝置之基座上緊密排列，製成集合籽晶。繼而，將使氯化氫與已加熱之金屬鎵接觸而產生之氯化鎵及氨氣供給至包含該6片籽晶基板之集合籽晶上，使GaN結晶磊晶成長。成長溫度設為1050℃，成長時間設為80小時。
成長中供給至反應爐內之載體氣體設為僅氮氣。
對藉由HVPE法於集合籽晶上磊晶成長之GaN結晶進
行加工，製作直徑2英吋(5cm)、厚度約280μm之圓盤形M面GaN基板。於所獲得之M面GaN基板形成有與6片籽晶基板對應之6個結晶區域。將主表面中距邊緣之距離超過3mm之中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到一個以上CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。藉由主表面之光學像觀察計算貫通裂痕之數量，結果為5個。貫通裂痕與c軸之間形成之角度均處於90°±10°之範圍內，其長度在0.7~3.4mm之範圍內。未檢測到與該5個貫通裂痕不同類型之裂痕。
省略將6片籽晶基板緊密排列且同時實施拋光及CMP之步驟，除此以外，以與實驗2同樣之方式製作M面GaN基板，對其進行評價。
於所獲得之M面GaN基板形成有與6片籽晶基板對應之6個結晶區域。將主表面中距邊緣之距離超過3mm之中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到一個以上CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。藉由主表面之光學像觀察計算貫通裂痕之數量，結果為29個。29個裂痕與c軸之間形成之角度均處於90°±10°之範圍內，其長度在0.2~5.4mm之範圍
內。未檢測到與該29個貫通裂痕不同類型之裂痕。
除下述3點以外，以與實驗2同樣之方式製作M面GaN基板，對其進行評價。1)將鋪砌法中使用之籽晶基板之片數設為7片。2)省略將鋪砌法中使用之籽晶基板緊密排列且同時實施拋光及CMP之步驟。3)藉由HVPE法使GaN結晶成長時，將供給至反應爐內之載體氣體之43體積%設為氫氣，剩餘設為氮氣。於所獲得之M面GaN基板形成有與6片籽晶基板對應之6個結晶區域。將主表面中距邊緣之距離超過3mm之中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到一個以上CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。藉由主表面之光學像觀察計算貫通裂痕之數量，結果為43個。43個裂痕與c軸之間形成之角度均處於90°±10°之範圍內，其長度在0.2~4.1mm之範圍內。未檢測到與該43個貫通裂痕不同類型之裂痕。
除下述4點以外，以與實驗2同樣之方式製作M面GaN基板，對其進行評價。1)使用切割機形成鋪砌法中使用之籽晶基板之端面時，未確認到自設計方位之偏離為±0.1°以下。切割機之加工精度為±0.5°。
2)將鋪砌法中使用之籽晶基板之片數設為17片。該17片基板以圖14所示之方式排列。3)省略將鋪砌法中使用之籽晶基板緊密排列且同時實施拋光及CMP之步驟。4)藉由HVPE法使GaN結晶成長時，將供給至反應爐內之載體氣體之43體積%設為氫氣，剩餘設為氮氣。於所
獲得之M面GaN基板形成有與17片籽晶基板對應之17個結晶區域。
將主表面中距邊緣之距離超過3mm之中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到一個以上CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。藉由主表面之光學像觀察計算貫通裂痕之數量，結果為99個。貫通裂痕與c軸之間形成之角度均處於90°±10°之範圍內，其長度在0.1~2.6mm之範圍內。未檢測到與該99個貫通裂痕不同類型之裂痕。
將實驗2~5之結果匯總示於表1。
於實驗2中，在2英吋M面GaN基板之主表面產生分
別與c軸正交之5個貫通裂痕，但認為可藉由削減鋪砌法中使用之籽晶基板之片數、或使籽晶基板之端面之面方位以更高之精度與設計方位一致，而進一步減少該貫通裂痕之數量。作為提高籽晶基板之端面之面方位精度之方法之一例，可列舉藉由乾式蝕刻進行端面形成之方法。藉由於蝕刻遮罩之圖案化中使用光微影技術，可精密地控制所形成之端面之方位。
將以與實驗1同樣之方式製作之2英吋M面GaN基板用於籽晶，於其上藉由HVPE法使厚膜GaN結晶層成長。繼而，藉由磨光將籽晶
部分去除，並且進行主表面之精加工處理，藉此製作第2代之2英吋M面GaN基板。該第2代基板與用於籽晶之第1代基板同樣地由4個結晶區域構成。認為係繼承籽晶之結晶方位者。另一方面，與c軸正交之貫通裂痕之數量，於第2代基板中少於第1代基板。
準備藉由與實驗1中使用之鋪砌法用之籽晶基板相同之方法製作之M面GaN基叛。主表面實質上為長方形，尺寸係a軸方向52mm、c軸方向31mm。將該M面GaN基板用於籽晶，藉由HVPE法使GaN結晶磊晶成長。繼而，將成長之塊體GaN結晶切片，製作2片鋪砌法用之籽晶基板。將該2片籽晶基板以一+C端面與另一-C端面接觸之方式排列，製成集合籽晶。於該集合籽晶上，藉由HVPE法使GaN結晶成長至約5mm之厚度。
對在上述包含2片籽晶基板之集合籽晶上成長之塊體
GaN結晶進行加工，製作直徑2英吋(50mm)、厚度300μm之圓盤形M面GaN基板。詳細而言，與實驗1同樣地，將對塊體GaN結晶切片所得之原切片基板之主表面中朝向GaN結晶之成長方向之主表面定為正面，依序實施磨光、拋光及CMP，並平坦化。於CMP步驟中，以充分去除損傷層之方式設定CMP量。相反側之主表面(背面)之損傷層係與實驗1同樣地藉由將氯氣用於蝕刻氣體之RIE而去除。於所獲得之M面GaN基板中包含與2片籽晶基板對應之2個結晶區域。以與實驗1同樣之方式測定該M面GaN基板之正面之等高線及SORI值，結果正面既非凸面，亦非凹面，其SORI值為8.8μm。進而，測定該M面GaN基板之正面之中央部分(除距邊緣之距離為3mm以下之外周
部以外之部分)之偏離角之變動幅度，結果c軸方向為0.24°，a軸方向為0.16°。
以上，根據具體之實施形態說明了本發明，但各實施形
態係作為示例而提出者，並非限定本發明之範圍。即，本說明書中所記載之各實施形態可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種變形，且可於能夠實施之範圍內與藉由其他實施形態說明之特徵進行組合。
10‧‧‧GaN基板
10a、10b、10c、10d‧‧‧結晶區域
11a‧‧‧第1主表面
11a-1‧‧‧外周部分
11a-2‧‧‧中央部分
11b‧‧‧第2主表面
12‧‧‧端面
B1ab、B1bc、B1cd‧‧‧邊界
C‧‧‧貫通裂痕
θ1ab、θ1bc、θ1cd‧‧‧角度
Claims (24)
- 一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑45mm以上的圓盤形GaN基板，其特徵在於：由分別於上述第1主表面及第2主表面之兩者露出之n個(其中，n為2、3或4)結晶區域構成，上述n個結晶區域沿上述第1主表面上之c軸之正投影之方向排成一行。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其直徑為55mm以下。
- 如申請專利範圍第1或2項之GaN基板，其中，於自上述n個結晶區域任意地選擇鄰接之2個結晶區域時，該2個結晶區域間之邊界與上述第1主表面上之c軸之正投影係於上述第1主表面內形成90°±10°之範圍內之角度。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其中，於厚度方向貫通該基板之下述(A)之貫通裂痕並不存在，或者即便存在，其數量於上述第1主表面上亦為每20cm2為10個以下，且不存在除下述(A)之貫通裂痕以外之類型之裂痕：(A)與上述第1主表面上之c軸之正投影之間形成之角度於上述第1主表面內處於90°±10°之範圍內的貫通裂痕。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其中，將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
- 如申請專利範圍第5項之GaN基板，其中，去除相互鄰接之上述結晶區域間之邊界而進行平均之上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其中，於室溫下，上述第1主表面並非凹面。
- 如申請專利範圍第7項之GaN基板，其中，於室溫下，上述第1主表面為凸面。
- 如申請專利範圍第7項之GaN基板，其中，於室溫下，上述第1主表面之SORI值未滿20μm。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其中，於將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分時，該中央部分之偏離角之變動幅度係對於上述第1主表面上之c軸之正投影之方向之成分、及與該方向正交之方向之成分之各者未滿0.5°。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其具有積層缺陷。
- 如申請專利範圍第1項之GaN基板，其包含鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3且450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
- 一種GaN基板，其係具有第1主表面及其相反側之第2主表面，且上述第1主表面之法線與m軸之間之角度為0°以上且20°以下之直徑45mm以上的圓盤形GaN基板，其特徵在於，其由單一之結晶區域構成。
- 如申請專利範圍第13項之GaN基板，其直徑為55mm以下。
- 如申請專利範圍第13或14項之GaN基板，其中，鹼金屬濃度未滿1×1015cm-3。
- 如申請專利範圍第13項之GaN基板，其包含波長450nm之吸收係數為2cm-1以下之GaN結晶。
- 如申請專利範圍第13項之GaN基板，其中，將上述第1主表面分為自邊緣起3mm以下之外周部分與由該外周部分包圍之中央部分，將該中央部分以一區塊成為一邊5mm之正方形之方式劃分為數個區塊時，於各區塊內觀察到至少一個CL測定中未檢測到暗點之一邊100μm之正方形區域。
- 如申請專利範圍第17項之GaN基板，其中，上述中央部分之平均位錯密度未滿105cm-2。
- 如申請專利範圍第13項之GaN基板，其中，於室溫下，上述第1主表面並非凹面。
- 如申請專利範圍第13項之GaN基板，其具有積層缺陷。
- 一種GaN結晶之製造方法，其特徵在於具有如下步驟：準備申請專利範圍第1至20項中任一項之GaN基板，並於其上使GaN磊晶成長。
- 如申請專利範圍第21項之製造方法，其係塊體GaN結晶之製造方法。
- 一種GaN結晶之製造方法，其特徵在於：將申請專利範圍第1至20項中任一項之GaN基板用於籽晶使第一塊體GaN結晶成長之後，將該第一塊體GaN結晶之一部分或全部用於籽晶而使第二塊體GaN結晶成長。
- 一種半導體裝置之製造方法，其特徵在於：準備申請專利範圍第1至20項中任一項之GaN基板，並於其上使一種以上之氮化物半導體層成長。
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