WO2012032915A1 - 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法、および半導体素子 - Google Patents

半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法、および半導体素子 Download PDF

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substrate
iii nitride
group iii
epitaxial substrate
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実人 三好
幹也 市村
宗太 前原
田中　光浩
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    • H01L29/2003—Nitride compounds

Definitions

  • the present invention relates to an epitaxial substrate for a semiconductor device, and more particularly to an epitaxial substrate configured using a group III nitride.
  • Nitride semiconductors have a wide band gap of direct transition type, a high breakdown electric field, and a high saturation electron velocity. Therefore, semiconductors for light emitting devices such as LEDs and LDs, and high frequency / high power electronic devices such as HEMTs. It is attracting attention as a material.
  • a HEMT (High Electron Mobility Transistor) element formed by laminating a barrier layer made of AlGaN and a channel layer made of GaN has a laminated interface due to a large polarization effect (spontaneous polarization effect and piezoelectric polarization effect) peculiar to nitride materials. This utilizes the feature that a high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is generated at the (heterointerface) (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • 2DEG high-concentration two-dimensional electron gas
  • a single crystal (heterogeneous single crystal) having a composition different from that of group III nitride, such as SiC, is used as a base substrate used for an epitaxial substrate for HEMT devices.
  • a buffer layer such as a strained superlattice layer or a low temperature growth buffer layer is generally formed on the base substrate as an initial growth layer. Therefore, epitaxially forming the barrier layer, the channel layer, and the buffer layer on the base substrate is the most basic configuration of the HEMT element substrate using the base substrate made of different single crystals.
  • a spacer layer having a thickness of about 1 nm may be provided between the barrier layer and the channel layer for the purpose of promoting spatial confinement of the two-dimensional electron gas.
  • the spacer layer is made of, for example, AlN. Furthermore, a cap layer made of, for example, an n-type GaN layer or a superlattice layer is formed on the barrier layer for the purpose of controlling the energy level at the outermost surface of the substrate for HEMT elements and improving the contact characteristics with the electrode. Sometimes it is done.
  • Non-Patent Document 2 It is also already known that increasing the total film thickness of the channel layer and the barrier layer and improving the dielectric breakdown strength of both layers are effective for making the HEMT device epitaxial substrate have a high withstand voltage structure. (For example, see Non-Patent Document 2).
  • an intervening layer made of AlN is formed on the Si base substrate, and then the first semiconductor layer made of GaN and the second semiconductor layer made of AlN are alternately formed, however, as a whole, a convex warp occurs.
  • a method of manufacturing a semiconductor device is also known in which the warpage of the entire substrate is canceled as a result of the shrinkage of these layers when the temperature is subsequently lowered (see, for example, Patent Document 4).
  • the thermal expansion coefficient of a nitride material is larger than that of silicon, in the process of epitaxially growing a nitride film on a silicon substrate at a high temperature and then lowering the temperature to near room temperature, a tensile stress is generated in the nitride film. Work. As a result, cracks are likely to occur on the film surface, and large warpage is likely to occur in the substrate.
  • TMG trimethylgallium
  • Patent Document 1 to Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 When the conventional techniques disclosed in Patent Document 1 to Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 are used, it is possible to epitaxially grow a GaN film on a silicon substrate. However, the crystal quality of the obtained GaN film is never better than that obtained when SiC or sapphire is used as the base substrate. For this reason, when an electronic device such as a HEMT is manufactured using the conventional technology, there are problems that the electron mobility is low and the leakage current and breakdown voltage at the time of OFF are low.
  • Patent Document 4 intentionally causes a large convex warp in the middle of device fabrication, so that cracks may occur in the middle of device fabrication depending on the layer formation conditions.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a low-dislocation and crack-free epitaxial substrate using a silicon substrate as a base substrate.
  • the (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate on the base substrate which is single crystal silicon of (111) orientation.
  • an amorphous interface layer is formed between the base substrate and the first base layer.
  • the interface layer is made of SiAl x O y N z .
  • the at least one third group III nitride layer includes two or more types having different compositions. It includes a superlattice structure layer in which a group III nitride layer is periodically laminated directly on the base layer group.
  • the at least one third group III nitride layer includes a functional layer of the semiconductor element. did.
  • a semiconductor element was fabricated using the epitaxial substrate according to any one of the first to fifth aspects.
  • a group III nitride layer group whose (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate is formed on the base substrate which is single crystal silicon of (111) orientation.
  • a method of manufacturing an epitaxial substrate for a semiconductor device is a step of forming a base layer group by repeatedly laminating a plurality of base layers on the base substrate, wherein each of the plurality of base layers is formed.
  • a step of forming a first group III nitride layer made of AlN, and Al yy Ga zz N (yy + zz 1, 0 ⁇ yy ⁇ on the first group III nitride layer;
  • the first group III nitride layer is formed as a polycrystalline defect-containing layer composed of at least one of columnar or granular crystals or domains and having a three-dimensional uneven surface.
  • an interface layer is formed to form an amorphous interface layer between the base substrate and the first base layer. The process is further provided.
  • the interface layer is made of SiAl x O y N z .
  • two or more types of group III nitride layers having different compositions in the third formation step Including a step of periodically laminating directly on the base layer group.
  • the third forming step includes a step of forming a functional layer of the semiconductor element. did.
  • an epitaxial substrate for a semiconductor element was produced using the epitaxial substrate manufacturing method according to any of the seventh to eleventh aspects.
  • the semiconductor element includes an epitaxial substrate for a semiconductor element manufactured by using the epitaxial substrate manufacturing method according to any one of the seventh to eleventh aspects.
  • the lattice misfit in the epitaxial substrate is alleviated. Accumulation of strain energy due to misfit is suppressed. Further, by disposing the interface between the first group III nitride layer and the second group III nitride layer as a three-dimensional uneven surface, dislocations generated in the first group III nitride layer are bent at the interface. As a result, coalescence disappears in the second group III nitride layer.
  • an epitaxial substrate that is crack-free and has a low dislocation density is realized.
  • a semiconductor element such as HEMT can be provided at a lower cost than when a sapphire substrate or a SiC substrate is used.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of an epitaxial substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a HAADF (High Angle Scattered Electron) image of the epitaxial substrate 10.
  • 4 is a diagram schematically showing dislocation disappearance in the epitaxial substrate 10.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of an epitaxial substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the epitaxial substrate 10 mainly includes a base substrate 1, a plurality of base layers 7, and a functional layer 5.
  • the description will be given mainly for the case where the epitaxial substrate 10 includes the first underlayer 71 and the second underlayer 72 as the underlayer 7 as shown in FIG.
  • the aspect formed by laminating the ground layer 7 may be sufficient.
  • a portion where a plurality of base layers 7 are stacked is also referred to as a base layer group.
  • the epitaxial substrate 10 includes an interface layer 2 between the base substrate 1 and the first base layer 71 that is the lowermost base layer 7, or the base layer 7 and the functional layer 5.
  • the superlattice structure layer 6 may be provided between the two. The interface layer 2 and the superlattice structure layer 6 will be described later.
  • each base layer 7 is composed of the uneven layer 3 and the planarizing layer 4.
  • the concavo-convex layer 3 and the planarization layer 4 constituting the first foundation layer 71 are referred to as a first concavo-convex layer 31 and a first planarization layer 41, respectively.
  • the uneven layer 3 and the planarizing layer 4 constituting the second underlayer 72 are referred to as a second uneven layer 32 and a second planarized layer 42, respectively.
  • the base substrate 1 is a (111) plane single crystal silicon wafer. Although there is no special restriction
  • the planarization layer 4, the functional layer 5, and the superlattice structure layer 6 are each made of wurtzite group III nitride such that the (0001) crystal plane is substantially parallel to the substrate surface of the base substrate 1.
  • the uneven layer 3 (the first uneven layer 31 and the second uneven layer 32) is a layer (first group III nitride layer) made of AlN. More specifically, the concavo-convex layer 3 is composed of a large number of fine columnar crystals and the like (columnar crystals, granular crystals, columnar domains, or granular domains) grown in a direction substantially perpendicular to the substrate surface of the base substrate 1 (film forming direction). A layer composed of at least one kind).
  • the concavo-convex layer 3 is uniaxially oriented in the stacking direction of the epitaxial substrate 10, but contains a large number of crystal grain boundaries or dislocations along the stacking direction, and has a multi-defect content with poor crystallinity. Is a layer. However, there are fewer crystal grain boundaries in the second uneven layer 32 formed on the first planarization layer 41 than in the first uneven layer 31 formed immediately above the base substrate 1. In the present embodiment, for convenience, the term “crystal grain boundary” including domain grain boundaries or dislocations may be used. The distance between crystal grain boundaries in the concavo-convex layer 3 is about several tens of nm at most.
  • the first concavo-convex layer 31 has an X-ray rocking curve half-value width of 0.5 degrees or more and 1.1 degrees on the (0002) plane, which is an indication of the magnitude of the mosaic property with respect to the c-axis inclination component or a screw dislocation.
  • the X-ray rocking curve half-value width of the (10-10) plane is 0, which is as follows, and is a measure of the mosaicity of the rotation component of the crystal with the c-axis as the rotation axis or some degree of edge dislocation. It is formed to be 8 degrees or more and 1.1 degrees or less.
  • a layer made of a group III nitride represented by the composition formula (second group III nitride layer) is there.
  • the subscript (i) means a value for the i-th planarization layer 4.
  • the second planarizing layer 42 or the planarizing layer 4 formed on the second planarizing layer 42 is III in the composition range of 0 ⁇ yy (i) ⁇ 0.2. It is composed of a group nitride.
  • the functional layer 5 is at least one layer formed of group III nitride, and has a predetermined function when a semiconductor element is formed by further forming a predetermined semiconductor layer, an electrode, or the like on the epitaxial substrate 10. It is a layer which expresses. Therefore, the functional layer 5 is formed of one or more layers having a composition and thickness corresponding to the function.
  • the interface I1 (the surface of the first uneven layer 31) between the first uneven layer 31 and the first planarization layer 41 and the interface I2 (the second uneven layer 32 between the second uneven layer 32 and the second planarization layer 42).
  • the HAADF image is a mapping image of the integrated intensity of electrons inelastically scattered at a high angle, obtained by a scanning transmission electron microscope (STEM).
  • STEM scanning transmission electron microscope
  • the concavo-convex layer 3 is made of AlN, while the planarization layer 4 is a layer having a composition different from that of AlN containing at least Ga, as indicated by the above composition formula. Since Ga has a larger atomic number than Al, in FIG. 2, the planarization layer 4 is observed to be relatively bright and the uneven layer 3 is observed to be relatively dark. Thereby, it can be easily recognized from FIG. 2 that both the interfaces I1 and I2 are three-dimensional uneven surfaces.
  • the convex portions 3a of the concave-convex layer 3 are shown to be positioned at approximately equal intervals, but this is merely for convenience of illustration, and actually the convex portions are not necessarily evenly spaced. 3a is not located.
  • the concavo-convex layer 3 is formed so that the density of the convex portions 3a is 5 ⁇ 10 9 / cm 2 or more and 5 ⁇ 10 10 / cm 2 or less, and the average interval of the convex portions 3a is 45 nm or more and 140 nm or less. The When these ranges are satisfied, it is possible to form the functional layer 5 having particularly excellent crystal quality.
  • the convex portion 3a of the concavo-convex layer 3 refers to a substantially vertex position of an upward convex portion on the surface (interfaces I1 and I2).
  • the side wall of the convex portion 3a is formed by the (10-11) plane or the (10-12) plane of AlN. .
  • the first uneven layer 31 In order to form the convex portions 3a satisfying the above density and average interval on the surface of the first uneven layer 31, it is preferable to form the first uneven layer 31 so that the average film thickness is 40 nm or more and 200 nm or less.
  • the average film thickness is smaller than 40 nm, it is difficult to realize a state in which AlN covers the substrate surface while forming the convex portions 3a as described above.
  • the average film thickness is to be made larger than 200 nm, it becomes difficult to form the convex portions 3a as described above because the AlN surface begins to flatten.
  • the second uneven layer 32 is preferably formed so that the average film thickness is 50 nm or more and 100 nm or less.
  • the average film thickness is smaller than 50 nm, it is difficult to realize a state in which AlN covers the flattening layer 4 directly below while forming the convex portions 3a as described above.
  • the average film thickness is to be made larger than 100 nm, the flattening of the AlN surface starts to progress, and it becomes difficult to form the convex portions 3a as described above.
  • the formation of the concavo-convex layer 3 is realized under predetermined epitaxial growth conditions, but the formation of the concavo-convex layer 3 with AlN does not include Ga which forms a liquid phase compound with silicon, and Since the lateral growth is relatively difficult to proceed, it is preferable in that the interfaces I1 and I2 are easily formed as a three-dimensional uneven surface.
  • the epitaxial substrate 10 including the first underlayer 71 has a grain boundary between the undersubstrate 1 and the first planarization layer 41. It has a configuration in which a first concavo-convex layer 31 that is an inherent multi-defect-containing layer is interposed. Thereby, the lattice misfit between the base substrate 1 and the first planarization layer 41 is alleviated, and further, the accumulation of strain energy due to the lattice misfit is suppressed.
  • the effects of mitigating lattice misfit and suppressing strain energy accumulation are obtained by laminating the second underlayer 72 (the second uneven layer 32 and the second planarization layer 42) on the first planarization layer 41. It is further strengthened by this. This is because the epitaxial substrate 10 includes the second underlayer 27 so that the second uneven layer 32, which is a multi-defect-containing layer, is interposed between the first planarization layer 41 and the second planarization layer 42. It is because it has a configuration. As a result, the epitaxial substrate 10 has little residual stress, is crack free and has little warpage.
  • the range of the half-width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane and the (10-10) plane of the first concavo-convex layer 31 described above is a range in which the accumulation of strain energy due to the crystal grain boundary is suitably suppressed. It is determined as
  • the uneven layer 3 is interposed, a number of dislocations originating from crystal grain boundaries such as columnar crystals of the uneven layer 3 are propagated to the planarizing layer 4 immediately above the uneven layer 3.
  • Such dislocation propagation is particularly remarkable between the first concavo-convex layer 31 formed immediately above the base substrate 1, which is a different material, and the first planarization layer 41 immediately above the first concavo-convex layer 31.
  • the dislocations are effectively reduced by making the interfaces I1 and I2 between the uneven layer 3 and the planarizing layer 4 into a three-dimensional uneven surface as described above.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing dislocation disappearance in the epitaxial substrate 10, taking as an example the state before and after the interface I ⁇ b> 1 between the first uneven layer 31 and the first planarization layer 41.
  • an interface layer 2 described later is omitted.
  • the interface I1 between the first uneven layer 31 and the first planarization layer 41 is formed as a three-dimensional uneven surface, most of the dislocations d generated in the first uneven layer 31 are as shown in FIG.
  • the dislocation d (d0) propagating in a portion substantially parallel to the base substrate 1 in the interface I1 can reach the upper side of the first planarization layer 41, but the base substrate 1 in the interface I1 can be reached.
  • the dislocation d (d1) propagating through the inclined portion disappears in the first planarization layer 41.
  • the dislocations starting from the first concavo-convex layer 31 only a few dislocations penetrate the first planarization layer 41 and propagate to the second concavo-convex layer 32 immediately above.
  • the number is smaller than that of the first concavo-convex layer 31 because the number of inherent crystal grain boundaries is small. Therefore, the dislocation that propagates through the second uneven layer 32 and propagates to the second planarization layer 42 in combination with the dislocation that propagates from the first planarization layer 41 is more than the dislocation that exists in the first planarization layer 41. Even less.
  • dislocation coalescence disappears in the second planarization layer 42 by the same mechanism as that shown in FIG. 3, so that the number of dislocations penetrating through the second planarization layer 42 and propagating immediately above is further reduced. It has become.
  • the underlayer 7 is further formed on the second planarizing layer 42, a further effect of reducing dislocation is expected. That is, in the epitaxial substrate 10 according to the present embodiment, by providing the plurality of underlayers 7, the propagation of dislocations upward is suitably suppressed.
  • the first planarization layer 41 is preferably formed along the surface shape of the first uneven layer 31 at the initial growth stage, but as the growth proceeds.
  • the surface is gradually flattened and finally formed to have a surface roughness of 10 nm or less.
  • the surface roughness is represented by an average roughness ra for a 5 ⁇ m ⁇ 5 ⁇ m region measured by an AFM (atomic force microscope).
  • the planarization layer 4 is formed of a group III nitride having a composition containing at least Ga, in which the lateral growth is relatively easy, improves the surface planarity of the planarization layer 4. It is suitable.
  • the average thickness of the planarizing layer 4 is preferably 40 nm or more. This is because, when it is formed thinner than 40 nm, the unevenness derived from the uneven layer 3 cannot be sufficiently flattened, or the disappearance due to the intercombination of dislocations propagated to the flattened layer 4 does not occur sufficiently. This is because problems arise. When the average thickness is 40 nm or more, the dislocation density is reduced and the surface is flattened effectively. Therefore, the upper limit of the thickness of the flattening layer 4 is not particularly limited in terms of technology. However, it is preferably formed to a thickness of about several ⁇ m or less from the viewpoint of productivity.
  • the dislocation density is suitably reduced and the crystal quality is good. Thereby, good crystal quality can be obtained also in the functional layer 5.
  • the functional layer 5 can be formed with lower dislocations than the planarization layer 4.
  • the low dislocation functional layer 5 having a dislocation density of about 2.5 ⁇ 10 9 / cm 2 or less can be formed.
  • the dislocation density of the epitaxial substrate in which only the first underlayer 71 is formed without providing the second underlayer 72 or the further underlayer 7 is at least about 5 ⁇ 10 9 / cm 2. Confirmed by the inventors.
  • the value of dislocation density when a group III nitride layer group having the same total film thickness is formed on a sapphire substrate or SiC substrate via a low-temperature GaN buffer layer or the like by MOCVD is approximately 5 ⁇ 10 8 to 1 ⁇ 10 10. since the range of / cm 2, the above results, the epitaxial substrate having the same quality as in the case of using a sapphire substrate have been realized using an inexpensive single crystal silicon wafer than the sapphire substrate as the base substrate 1 It means that.
  • the epitaxial substrate 10 may be provided with the interface layer 2 between the base substrate 1 and the first base layer 71 (more specifically, between the first uneven layer 31).
  • the interface layer 2 has a thickness of about several nm and is preferably made of amorphous SiAl x O y N z .
  • the interface layer 2 When the interface layer 2 is provided between the base substrate 1 and the first concavo-convex layer 31, lattice misfit between the base substrate 1 and the first planarization layer 41 is more effectively mitigated, and the respective planarization layers 4. Further, the crystal quality of the functional layer 5 is further improved. That is, in the case where the interface layer 2 is provided, the AlN layer as the first uneven layer 31 has the same uneven shape as that in the case where the interface layer 2 is not provided, and there is a crystal that is present more than in the case where the interface layer 2 is not provided. It is formed so that there are few grain boundaries. In particular, the first uneven layer 31 having an improved X-ray rocking curve half-width value on the (0002) plane can be obtained.
  • the first concavo-convex layer 31 and the first concavo-convex layer 31 are formed on the interface layer 2 in comparison with the case where the first concavo-convex layer 31 is formed directly on the base substrate 1. This is because the nucleation of AlN is difficult to proceed, and as a result, the lateral growth is promoted compared to the case where the interface layer 2 is not provided.
  • the interface layer 2 is formed with a thickness not exceeding 5 nm. When such an interface layer 2 is provided, the first concavo-convex layer 31 is formed such that the half-value width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane is in the range of 0.5 degrees or more and 0.8 degrees or less. Can do.
  • the functional layer 5 having a lower dislocation whose dislocation density is about 1.5 ⁇ 10 9 / cm 2 or less.
  • the dislocation density of the epitaxial substrate in which only the first underlayer 71 is formed without providing the second underlayer 72 or the further underlayer 7 while the interface layer 2 is provided has a minimum dislocation density of about 3 ⁇ 10 9 / cm 2. This is confirmed by the inventor of the present invention.
  • the epitaxial substrate 10 may be provided with the superlattice structure layer 6 between the planarization layer 4 and the functional layer 5.
  • the superlattice structure layer 6 includes a first unit layer 6 a and a second unit layer, which are two types of group III nitride layers having different compositions, on the second planarization layer 42. 6b and repeatedly and alternately stacked.
  • a set of one first unit layer 6a and one second unit layer 6b is also referred to as a pair layer.
  • the epitaxial substrate 10 is strained in the in-plane direction of the planarization layer 4 due to a large difference in thermal expansion coefficient between the single crystal silicon wafer as the underlying substrate 1 and the group III nitride.
  • the superlattice structure layer 6 has an action of relaxing the strain and suppressing the propagation of the strain to the functional layer 5.
  • the superlattice structure layer 6 is not an essential component in the epitaxial substrate 10, the provision of the superlattice structure layer 6 increases the total film thickness of the group III nitride layer group in the epitaxial substrate 10. The effect that the withstand voltage in a semiconductor element improves is acquired. Even if the superlattice structure layer 6 is interposed between the planarization layer 4 and the functional layer 5, the crystal quality of the functional layer 5 is sufficiently good (super To the same extent as when the lattice structure layer 6 is not provided).
  • the superlattice structure layer 6 is formed by forming the first unit layer 6a with GaN to a thickness of about several tens of nm and the second unit layer 6b with AlN. It is a preferable example that the thickness is about several nm.
  • FIG. 1 illustrates the case where the pair layer is repeatedly formed 15 times.
  • the thermal expansion coefficient between the base substrate 1 and the group III nitride layer group is formed by repeating the formation of the pair layers so that the strain inherent in the planarization layer 4 is sufficiently released and then forming the functional layer 5.
  • the epitaxial substrate 10 in which the occurrence of cracks and warping due to the difference is suitably suppressed is realized.
  • the superlattice structure layer 6 has a strain relaxation capability for relaxing the propagation of strain to the functional layer 5 in the epitaxial substrate 10.
  • the epitaxial substrate 10 provided with the superlattice structure layer 6 is such that the occurrence of cracks is more preferably suppressed.
  • the functional layer 5 includes a channel layer 5a made of high-resistance GaN, a spacer layer 5b made of AlN, AlGaN, InAlN, etc.
  • the case where the barrier layer 5c which consists of is formed is illustrated.
  • the channel layer 5a is preferably formed to a thickness of about several ⁇ m.
  • the spacer layer 5b is preferably formed to a thickness of about 1 nm.
  • the spacer layer 5b is not an essential component in configuring the HEMT element.
  • the barrier layer 5c is preferably formed to a thickness of about several tens of nm.
  • a two-dimensional electron gas region is formed in the vicinity of the heterojunction interface between the channel layer 5a and the barrier layer 5c (or the spacer layer 5b) due to a spontaneous polarization effect or a piezoelectric polarization effect.
  • one group III nitride layer (for example, a GaN layer) is formed as the functional layer 5.
  • an InAlGaN mixed layer composed of an n-type nitride layer (for example, a GaN layer) as a functional layer 5 and a composition ratio according to a target emission wavelength.
  • a light emitting layer made of crystals, a p-type nitride layer (for example, a GaN layer), and the like are formed.
  • the epitaxial substrate 10 having the above configuration, characteristics similar to those of a semiconductor element (for example, a Schottky diode or HEMT element) in which a group III nitride layer group is formed on a sapphire substrate or SiC substrate are obtained.
  • a semiconductor element for example, a Schottky diode or HEMT element
  • a group III nitride layer group is formed on a sapphire substrate or SiC substrate.
  • the functional layer 5 is configured as an AlGaN / GaN laminated structure so as to be applicable to a HEMT device, the functional layer 5 having excellent crystal quality and high electron mobility can be obtained.
  • a (111) plane single crystal silicon wafer is prepared as the base substrate 1, and the natural oxide film is removed by dilute hydrofluoric acid cleaning. After that, SPM cleaning is performed, and an oxide film having a thickness of about several mm is formed on the wafer surface. Is formed. This is set in the reactor of the MOCVD apparatus.
  • each layer is formed under a predetermined heating condition and gas atmosphere.
  • the first concavo-convex layer 31 made of AlN maintains the substrate temperature at a predetermined concavo-convex layer formation temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and the reactor internal pressure (also referred to as growth pressure) is set to about 0.1 kPa to 30 kPa.
  • TMA trimethylaluminum
  • NH 3 gas are introduced into the reactor at an appropriate molar flow ratio, and the film formation rate is set to 20 nm / min or more. it can.
  • the first concavo-convex layer 31 is formed so that the average film thickness satisfies the range of 40 nm or more and 200 nm or less.
  • the silicon wafer reaches the concavo-convex layer forming temperature, prior to the formation of the first concavo-convex layer 31, only the TMA bubbling gas is introduced into the reactor and the wafer is exposed to the TMA bubbling gas atmosphere.
  • the interface layer 2 made of SiAl x O y N z is formed.
  • the first planarization layer 41 is formed by maintaining the substrate temperature at a predetermined planarization layer formation temperature of 800 ° C. or more and 1200 ° C. or less after the formation of the first uneven layer 31 and setting the reactor internal pressure to 0.1 kPa to 100 kPa.
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 gas a gallium raw material
  • TMA bubbling gas a predetermined flow ratio according to the composition of the first planarization layer 41 to be produced. were introduced into the reactor, it is achieved by reacting at least one of NH 3 and TMA, and TMG.
  • the formation of the second concavo-convex layer 32 may be performed in the same manner as the formation of the first concavo-convex layer 31 except that the pressure in the reactor is 20 kPa or more and the average film thickness is in the range of 50 nm to 100 nm.
  • the pressure in a reactor is made smaller than 20 kPa, since the interface I2 does not become a three-dimensional uneven surface, the second uneven layer 32 cannot be suitably formed.
  • the formation of the second planarization layer 42 can be performed by setting the same formation conditions as the first planarization layer 41.
  • the formation conditions when the uneven layer 3 and the flattening layer 4 are further laminated on the second flattening layer 42 are the same as the formation conditions of the second uneven layer 32 and the second flattening layer 42.
  • the foundation layer 7 formed on the second foundation layer 72 is also formed in a manner substantially similar to that of the second foundation layer 72.
  • the epitaxial substrate 10 has a configuration in which at least one second underlayer 72 is laminated on one first underlayer 71.
  • the superlattice structure layer 6 is formed by maintaining the substrate temperature at a predetermined superlattice structure layer formation temperature of 800 ° C. or more and 1200 ° C. or less after the formation of the uppermost planarizing layer 4, and the reactor pressure is 0.1 kPa to 100 kPa.
  • NH 3 gas and group III nitride source gas TMI (trimethylindium), TMA, TMG
  • TMI trimethylindium
  • TMA trimethylindium
  • TMG group III nitride source gas
  • the formation of the functional layer 5 is performed after the formation of the superlattice structure layer 6 while maintaining the substrate temperature at a predetermined functional layer formation temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower and the reactor internal pressure at 0.1 kPa to 100 kPa. At least one of bubbling gas, TMA bubbling gas, or TMG bubbling gas and NH 3 gas are introduced into the reactor at a flow ratio according to the composition of the functional layer 5 to be produced, and NH 3 and TMI, TMA, And at least one of TMG is reacted. As shown in FIG. 1, when the functional layer 5 is composed of a plurality of layers having different compositions, manufacturing conditions corresponding to each layer composition are applied.
  • Example 1 In this example, 12 types of epitaxial substrates 10 (sample Nos. A-1 to a-12) having different formation conditions for the second underlayer 72 were produced, and appearance inspection of the functional layer 5 (inspection for occurrence of cracks) ) And evaluation of dislocation density. Specifically, the epitaxial substrate 10 (sample NO.a-1) in which the second underlayer 72 is not formed, the thickness and formation pressure of the second uneven layer 32, and the Al mole fraction yy ( Eleven types of epitaxial substrates 10 (Sample Nos. A-2 to a-12) having different values from 2) were produced. However, in any sample, formation of the interface layer 2 and the superlattice structure layer 6 was omitted. Table 1 shows the conditions for forming the second underlayer 72 (the second uneven layer 32 and the second planarization layer 42) specific to each sample and the evaluation results thereof.
  • a single crystal silicon wafer (hereinafter referred to as a silicon wafer) having a diameter of 4 inches and a thickness of 525 ⁇ m was prepared as the base substrate 1.
  • An SPM cleaning with a cleaning liquid was performed to form an oxide film having a thickness of several millimeters on the wafer surface, which was set in the reactor of the MOCVD apparatus.
  • the reactor was heated to a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere until the substrate temperature reached 1050 ° C., which is the uneven layer formation temperature.
  • the pressure in the reactor is set to 10 kPa, TMA bubbling gas is introduced into the reactor at a predetermined flow ratio, and NH 3 and TMA are reacted to form the first uneven layer 31 having a three-dimensional uneven shape on the surface. did.
  • the growth rate (deposition rate) of the first uneven layer 31 was 20 nm / min, and the target average film thickness was 40 nm.
  • the reactor pressure is set to 20 kPa, TMG bubbling gas is further introduced into the reactor, and NH 3 , TMA, and TMG By reaction, an Al 0.3 Ga 0.7 N layer as the first planarizing layer 41 was formed so that the average film thickness was about 50 nm.
  • the target average film thickness and the reactor internal pressure are different depending on the respective samples.
  • the second uneven layer 32 having a three-dimensional uneven shape on the surface was formed.
  • the target average film thickness was different in four levels of 50 nm, 75 nm, 100 nm, and 200 nm.
  • the pressure in the reactor was changed to four levels of 10 kPa, 20 kPa, 30 kPa, and 40 kPa.
  • the second planarization layer 42 was formed under the same manufacturing conditions as the first planarization layer 41.
  • the value of the Al mole fraction yy (2) was changed to four levels of 0.05, 0.1, 0.2, and 0.3.
  • the substrate temperature was 1050 ° C.
  • the reactor internal pressure was 30 kPa
  • TMG and NH 3 were reacted to form a GaN layer having a thickness of 800 nm as the functional layer 5. Thereby, each epitaxial substrate 10 was obtained.
  • the dislocation density was measured for the GaN layer (functional layer 5) of each epitaxial substrate 10. As shown in Table 1, the dislocation density of sample a-1 in which the second underlayer 72 was not provided was 5.7 ⁇ 10 9 / cm 2 . On the other hand, among the samples provided with the second underlayer 72, the dislocation densities of a-3 to a-5 and a-8 to a-11 are 1.9 ⁇ 10 9 / cm 2 to 2.3 ⁇ 10 9. / Cm 2 and about 1/2 of the sample a-1.
  • the growth pressures of the sample a-2 in which the average film thickness of the second uneven layer 32 is 40 nm, the sample a-6 in which the average film thickness of the second uneven layer 32 is 200 nm, and the second uneven layer 32 are set.
  • the dislocation density of sample a-7 with 10 kPa and sample a-12 with the Al molar fraction yy (2) of the second planarization layer 42 of 0.3 is at least 3.9 ⁇ 10 19 / cm 2. There was an opening of more than 10 orders with the former.
  • Example 2 Twelve types of epitaxial substrates 10 (sample names b-1 to b-12) were fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1 except that the interface layer 2 was provided.
  • AlN amorphous interface layer 2 made of SiAl x O y N z (also simply referred to as SiAlON) is formed at a thickness of about 3 nm at the / Si interface, and the first concavo-convex layer 31 is formed on the interface layer 2
  • the AlN layer is deposited in a form having a three-dimensional surface uneven shape, N and O are diffused and dissolved in the silicon wafer, and Si and O are diffused and dissolved in the AlN layer. It was confirmed that
  • each epitaxial substrate 10 finally obtained was visually and microscopically examined. As a result, no cracks were observed in the GaN layer (functional layer 5) in any sample.
  • the dislocation density was measured for the GaN layer (functional layer 5) of each epitaxial substrate 10. As shown in Table 2, the dislocation density of the sample b-1 in which the second underlayer 72 was not provided was 2.9 ⁇ 10 9 / cm 2 . In addition, the dislocation density of Samples b-3 to b-5 and b-8 to b-11 on which the second underlayer 72 was formed under the same conditions as those in Example 1 where the low dislocation density was realized was 1 It was about 0/3 of the sample b-1 from 0.0 ⁇ 10 9 / cm 2 to 1.2 ⁇ 10 9 / cm 2 .
  • Example 1 and Example 2 are that the average film thickness of the second uneven layer 32 is 50 nm or more and 100 mn or less, and the Al molar fraction yy (2) of the second planarization layer 42 is 0.2 or less.
  • the epitaxial substrate 10 having a functional layer with a suitably reduced dislocation density can be realized, and the production of the epitaxial substrate 10 can be realized by setting the growth pressure of the second uneven layer 32 to 20 kPa or more, Furthermore, it is shown that dislocation density is further reduced by providing the interface layer 2.

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Abstract

　シリコン基板を下地基板とし、低転位でかつクラックフリーなエピタキシャル基板を提供する。（１１１）単結晶シリコン基板の上に、（０００１）結晶面を基板面に対し略平行にIII族窒化物層群を形成してなるエピタキシャル基板が、それぞれが、ＡｌＮからなる第１のIII族窒化物層と、第１のIII族窒化物層の上に形成された、ＡｌyyＧａzzＮからなる第２のIII族窒化物層とからなる複数の下地層が積層されてなる下地層群を備え、第１のIII族窒化物層が、多結晶欠陥含有性層であり、第１と第２のIII族窒化物層の界面が三次元的凹凸面であり、複数の下地層のうち下地基板の直上以外の下地層を構成する第１のIII族窒化物層の厚みが５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、第２のIII族窒化物層が０≦ｙｙ≦０．２をみたすようにする。

Description

半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法、および半導体素子
　本発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特にIII族窒化物を用いて構成されるエピタキシャル基板に関する。
　窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。
　ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板に用いる下地基板として、ＳｉＣのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いる場合がある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、二次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進することを目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。
　ＨＥＭＴ素子およびＨＥＭＴ素子用の基板に対しては、電力密度の増大、高効率化などの性能向上に関する課題、ノーマリーオフ動作化などの機能性向上に関する課題、高信頼性や低コスト化などの基本的な課題など、様々な課題があり、各々について活発な取り組みが行われている。
　一方、エピタキシャル基板の低コスト化、さらにはシリコン系回路デバイスとの集積化などを目的として、上記のような窒化物デバイスを作製するにあたって単結晶シリコンを下地基板として用いる研究・開発が行われている（例えば、特許文献１ないし特許文献３、および非特許文献２参照）。ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板の下地基板にシリコンのような導電性の材料を選んだ場合には、下地基板の裏面からフィールドプレート効果が付与されるので、高耐電圧や高速スイッチングが可能なＨＥＭＴ素子の設計が可能となる。
　また、ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板を高耐電圧構造とするためには、チャネル層と障壁層の総膜厚を増やすことや、両層の絶縁破壊強度を向上させることが有効であることも既に公知である（例えば、非特許文献２参照）。
　また、Ｓｉ下地基板の上にＡｌＮからなる介在層を形成し、続いて、ＧａＮからなる第１半導体層とＡｌＮからなる第２半導体層とを交互に、ただし全体として凸の反りが生じるように形成し、その後の降温時においてこれらの層が収縮した結果として基板全体の反りが打ち消されるようにした、半導体デバイスの製法も公知である（例えば、特許文献４参照）。
　しかしながら、サファイア基板やＳｉＣ基板を用いる場合に比較して、シリコン基板上に良質な窒化物膜を形成することは、以下のような理由で非常に困難であることが知られている。
　まず、シリコンと窒化物材料とでは、格子定数の値に大きな差異がある。このことは、シリコン基板と成長膜の界面にてミスフィット転位を発生させたり、核形成から成長に至るタイミングで三次元的な成長モードを促進させる要因となる。換言すれば、転位密度が少なく表面が平坦である良好な窒化物エピタキシャル膜の形成を阻害する要因となっている。
　また、シリコンに比べると窒化物材料の熱膨張係数の値は大きいため、シリコン基板上に高温で窒化物膜をエピタキシャル成長させた後、室温付近に降温させる過程において、窒化物膜内には引張応力が働く。その結果として、膜表面においてクラックが発生しやすくなるとともに、基板に大きな反りが発生しやすくなる。
　このほか、気相成長における窒化物材料の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）は、シリコンと液相化合物を形成しやすく、エピタキシャル成長を妨げる要因となることも知られている。
　特許文献１ないし特許文献３および非特許文献１に開示された従来技術を用いた場合、シリコン基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長することは可能である。しかしながら、得られたＧａＮ膜の結晶品質は、ＳｉＣやサファイアを下地基板として用いた場合と比べると決して良好なものではない。そのため、従来技術を用いて例えばＨＥＭＴのような電子デバイスを作製した場合には、電子移動度が低かったり、オフ時のリーク電流や耐圧が低くなったりするという問題があった。
　また、特許文献４に開示された方法は、デバイス作製の途中で大きな凸の反りを意図的に生じさせているため、層形成条件によってはデバイス作製途中においてクラックが生じてしまうおそれがある。
　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、シリコン基板を下地基板とし、低転位でかつクラックフリーなエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなる、半導体素子用のエピタキシャル基板が、前記下地基板の上に形成されてなり、それぞれが、ＡｌＮからなる第１のIII族窒化物層と、前記第１のIII族窒化物層の上に形成された、ＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ＜１、０＜ｚｚ≦１）からなる第２のIII族窒化物層と、からなる複数の下地層が、繰り返し積層されてなる下地層群と、前記下地層群の上にエピタキシャル形成された少なくとも１つの第３のIII族窒化物層と、を備え、前記第１のIII族窒化物層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、前記第１のIII族窒化物層と前記第２のIII族窒化物層との界面が三次元的凹凸面であり、前記複数の下地層のうち、前記下地基板の直上に形成されている下地層を第１の下地層とし、前記第１の下地層以外の下地層を第２の下地層とするとき、前記第２の下地層を構成する前記第１のIII族窒化物層の厚みが５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２のIII族窒化物層がＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ≦０．２、０．８≦ｚｚ≦１）からなるようにした。
　本発明の第２の態様では、第１の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記下地基板と前記第１の下地層との間に、アモルファスの界面層が形成されてなるようにした。
　本発明の第３の態様では、第２の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記界面層がＳｉＡｌxＯyＮzからなるようにした。
　本発明の第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記少なくとも１つの第３のIII族窒化物層が、相異なる組成の２種類以上のIII族窒化物層を前記下地層群の直上に周期的に積層した超格子構造層を含む、ようにした。
　本発明の第５の態様では、第１ないし第４のいずれかの態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記少なくとも１つの第３のIII族窒化物層が半導体素子の機能層を含むようにした。
　本発明の第６の態様では、半導体素子を、第１ないし第５のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板を用いて作製した。
　本発明の第７の態様では、（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法が、前記下地基板の上に複数の下地層を繰り返し積層することにより下地層群を形成する工程であって、前記複数の下地層のそれぞれを形成する工程が、ＡｌＮからなる第１のIII族窒化物層を形成する第１形成工程と、前記第１のIII族窒化物層の上に、ＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ＜１、０＜ｚｚ≦１）からなる第２のIII族窒化物層を形成する第２形成工程と、を備える下地層群形成工程と、前記下地層群の上に少なくとも１つの第３のIII族窒化物層をエピタキシャル形成する第３形成工程と、を備え、前記第１形成工程においては、前記第１のIII族窒化物層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、前記複数の下地層のうち、前記下地基板の直上に形成される下地層を第１の下地層とし、前記第１の下地層以外の下地層を第２の下地層とするとき、前記第２の下地層を構成する前記第１のIII族窒化物層を、２０ｋＰａ以上の形成圧力にて５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均厚みに形成し、前記第２のIII族窒化物層をＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ≦０．２、０．８≦ｚｚ≦１）にて形成するようにした。
　本発明の第８の態様では、第７の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記下地基板と前記第１の下地層との間に、アモルファスの界面層を形成する界面層形成工程、をさらに備えるようにした。
　本発明の第９の態様では、第８の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記界面層がＳｉＡｌxＯyＮzからなるようにした。
　本発明の第１０の態様では、第７ないし第９のいずれかの態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記第３形成工程が相異なる組成の２種類以上のIII族窒化物層を前記下地層群の直上に周期的に積層する工程を含む、ようにした。
　本発明の第１１の態様では、第７ないし第１０のいずれかの態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記第３形成工程が半導体素子の機能層を形成する工程を含むようにした。
　本発明の第１２の態様では、半導体素子用エピタキシャル基板を、第７ないし第１１のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した。
　本発明の第１３の態様では、半導体素子が、第７ないし第１１のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した半導体素子用エピタキシャル基板を備えるようにした。
　本発明の第１ないし第１３の態様によれば、第１のIII族窒化物層を結晶性の劣った多結晶欠陥含有性層として設けることによって、エピタキシャル基板における格子ミスフィットが緩和され、係るミスフィットに起因する歪みエネルギーの蓄積が抑制される。また、第１のIII族窒化物層と第２のIII族窒化物層との界面を三次元的凹凸面とすることによって、第１のIII族窒化物層で発生した転位は当該界面で屈曲されて第２のIII族窒化物層において合体消失することになる。これらにより、単結晶シリコン基板を下地基板として用いた場合であっても、クラックフリーでかつ転位密度が小さいエピタキシャル基板が実現される。その結果、係るエピタキシャル基板を用いることで、例えばＨＥＭＴのような半導体素子をサファイア基板またはＳｉＣ基板を用いた場合よりも低コストで提供することができる。
本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す模式断面図である。 エピタキシャル基板１０のＨＡＡＤＦ（高角散乱電子）像である。 エピタキシャル基板１０における転位の消失の様子を、模式的に示す図である。
　　＜エピタキシャル基板の概略構成＞
　図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す模式断面図である。
　エピタキシャル基板１０は、下地基板１と、複数の下地層７と、機能層５とを主として備える。本実施の形態においては主に、図１に示すようにエピタキシャル基板１０が下地層７として第１下地層７１と第２下地層７２とを備える場合を対象として説明を行うが、さらに多くの下地層７が積層されてなる態様であってもよい。なお、エピタキシャル基板１０において、複数の下地層７が積層された部分を下地層群とも称する。また、エピタキシャル基板１０は、図１に示すように、下地基板１と最下部の下地層７である第１下地層７１との間に界面層２を備える態様や、下地層７と機能層５の間に超格子構造層６を備える態様であってもよい。界面層２および超格子構造層６については後述する。
　また、それぞれの下地層７は、凹凸層３と平坦化層４とから構成される。第１下地層７１を構成する凹凸層３および平坦化層４をそれぞれ第１凹凸層３１および第１平坦化層４１と称する。第２下地層７２を構成する凹凸層３および平坦化層４をそれぞれ第２凹凸層３２および第２平坦化層４２と称する。
　下地基板１は、（１１１）面の単結晶シリコンウェハーである。下地基板１の厚みに特段の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍから数ｍｍの厚みを有する下地基板１を用いるのが好ましい。
　平坦化層４と、機能層５と、超格子構造層６とは、それぞれ、ウルツ鉱型のIII族窒化物を（０００１）結晶面が下地基板１の基板面に対し略平行となるように、エピタキシャル成長手法によって形成した層である。これらの層の形成は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により行うのが好適な一例である。
　凹凸層３（第１凹凸層３１および第２凹凸層３２）は、ＡｌＮからなる層（第１のIII族窒化物層）である。より具体的には、凹凸層３は、下地基板１の基板面に略垂直な方向（成膜方向）に成長した多数の微細な柱状結晶等（柱状結晶、粒状結晶、柱状ドメインあるいは粒状ドメインの少なくとも一種）から構成される層である。換言すれば、凹凸層３は、エピタキシャル基板１０の積層方向への一軸配向はしてなるものの、積層方向に沿った多数の結晶粒界もしくは転位を含有する、結晶性の劣った多欠陥含有性層である。ただし、下地基板１の直上に形成される第１凹凸層３１よりも第１平坦化層４１の上に形成される第２凹凸層３２の方が内在する結晶粒界は少ない。なお、本実施の形態においては、便宜上、ドメイン粒界あるいは転位も含めて、結晶粒界と称することがある。凹凸層３における結晶粒界の間隔は大きくても数十ｎｍ程度である。
　なお、第１凹凸層３１は、ｃ軸傾き成分についてのモザイク性の大小もしくはらせん転位の多少の指標となる（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が、０．５度以上１．１度以下となるように、かつ、ｃ軸を回転軸とした結晶の回転成分についてのモザイク性の大小もしくは刃状転位の多少の指標となる（１０－１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が０．８度以上１．１度以下となるように、形成される。
　一方、平坦化層４（第１平坦化層４１および第２平坦化層４２）は、凹凸層３の上に形成された、Ａｌyy(i)Ｇａzz(i)Ｎ（ｙｙ（ｉ）＋ｚｚ（ｉ）＝１、０≦ｙｙ（ｉ）＜１、０＜ｚｚ（ｉ）≦１）なる組成式にて表されるIII族窒化物からなる層（第２のIII族窒化物層）である。なお、添字（ｉ）はｉ番目の平坦化層４についての値であることを意味する。ただし、第２平坦化層４２あるいはさらにその上に形成される平坦化層４（すなわちｉ≧２をみたす平坦化層４）については、０≦ｙｙ（ｉ）≦０．２なる組成範囲のIII族窒化物にて構成される。
　機能層５は、III族窒化物により形成される少なくとも１つの層であり、エピタキシャル基板１０の上にさらに所定の半導体層や電極などを形成することで半導体素子を構成する場合において、所定の機能を発現する層である。それゆえ、機能層５は、当該機能に応じた組成および厚みを有する１または複数の層にて形成される。
　　＜凹凸層と平坦化層の詳細構成とその効果＞
　第１凹凸層３１と第１平坦化層４１との界面Ｉ１（第１凹凸層３１の表面）、および、第２凹凸層３２と第２平坦化層４２との界面Ｉ２（第２凹凸層３２の表面）は、第１凹凸層３１および第２凹凸層３２を構成する柱状結晶等の外形形状を反映した三次元的凹凸面となっている。界面Ｉ１および界面Ｉ２がこのような形状を有することは、図２に例示する、エピタキシャル基板１０のＨＡＡＤＦ（高角散乱電子）像において、明瞭に確認される。なお、ＨＡＡＤＦ像とは、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によって得られる、高角度に非弾性散乱された電子の積分強度のマッピング像である。ＨＡＡＤＦ像においては、像強度は原子番号の二乗に比例し、原子番号が大きい原子が存在する箇所ほど明るく（白く）観察される。
　エピタキシャル基板１０においては、凹凸層３はＡｌＮからなるのに対して、平坦化層４は、上記の組成式が示すように、少なくともＧａを含んだＡｌＮとは異なる組成を有する層である。Ｇａの方がＡｌよりも原子番号が大きいので、図２においては、平坦化層４が相対的に明るく、凹凸層３が相対的に暗く観察される。これにより、図２からは、両者の界面Ｉ１およびＩ２が、三次元的凹凸面となっていることが容易に認識される。
　なお、図１の模式断面においては、凹凸層３の凸部３ａが略等間隔に位置するように示されているが、これは図示の都合にすぎず、実際には必ずしも等間隔に凸部３ａが位置するわけではない。好ましくは、凹凸層３は、凸部３ａの密度が５×１０9／ｃｍ2以上５×１０10／ｃｍ2以下であり、凸部３ａの平均間隔が４５ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であるように形成される。これらの範囲をみたす場合、特に結晶品質の優れた機能層５の形成が可能となる。なお、本実施の形態において、凹凸層３の凸部３ａとは、表面（界面Ｉ１、Ｉ２）において上に凸の箇所の略頂点位置のことを指し示すものとする。なお、本発明の発明者の実験および観察の結果、凸部３ａの側壁を形成しているのは、ＡｌＮの（１０－１１）面もしくは（１０－１２）面であることが確認されている。
　第１凹凸層３１の表面に上記の密度および平均間隔を満たす凸部３ａが形成されるには、平均膜厚が４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように第１凹凸層３１を形成することが好ましい。平均膜厚が４０ｎｍより小さい場合には、上述のような凸部３ａを形成しつつＡｌＮが基板表面を覆い尽くす状態を実現することが難しくなる。一方、平均膜厚を２００ｎｍより大きくしようとすると、ＡｌＮ表面の平坦化が進行し始めるために上述のような凸部３ａを形成することが難しくなる。
　一方、第２凹凸層３２は、平均膜厚が５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように形成されるのが好ましい。平均膜厚が５０ｎｍより小さい場合には、上述のような凸部３ａを形成しつつＡｌＮが直下の平坦化層４を覆い尽くす状態を実現することが難しくなる。一方、平均膜厚を１００ｎｍより大きくしようとすると、ＡｌＮ表面の平坦化が進行し始めるために上述のような凸部３ａを形成することが難しくなる。
　なお、凹凸層３の形成は、所定のエピタキシャル成長条件のもとで実現されるが、凹凸層３をＡｌＮにて形成することは、シリコンと液相化合物を形成するＧａを含まないという点、および、横方向成長が比較的進みにくいので界面Ｉ１およびＩ２が三次元的凹凸面として形成されやすいという点において好適である。
　上述した態様にて第１下地層７１（第1凹凸層３１および第１平坦化層４１）を備えるエピタキシャル基板１０は、下地基板１と第１平坦化層４１との間に、結晶粒界を内在する多欠陥含有性層である第１凹凸層３１を介在させた構成を有する。これにより、下地基板１と第１平坦化層４１との間の格子ミスフィットが緩和され、さらには、係る格子ミスフィットに起因する歪みエネルギーの蓄積が抑制されてなる。しかも、これらの格子ミスフィット緩和および歪みエネルギー蓄積抑制という効果は、第１平坦化層４１の上に第２下地層７２（第２凹凸層３２および第２平坦化層４２）が積層されてなることによって、さらに強められている。なぜならば、エピタキシャル基板１０は、第２下地層２７を備えることで、第１平坦化層４１と第２平坦化層４２の間に、多欠陥含有性層である第２凹凸層３２を介在させた構成を有するからである。その結果として、エピタキシャル基板１０は、残留応力が少なく、かつクラックフリーで反りが少ないものとなっている。なお、上述した第１凹凸層３１についての（０００２）面および（１０－１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅の範囲は、この結晶粒界による歪みエネルギーの蓄積が、好適に抑制される範囲として定まるものである。
　ただし、凹凸層３が介在することで、その直上の平坦化層４には、凹凸層３の柱状結晶等の結晶粒界が起点となった多数の転位が伝播している。係る転位の伝播は、異種材料である下地基板１の直上に形成された第１凹凸層３１とその直上の第１平坦化層４１との間で、特に顕著である。本実施の形態においては、凹凸層３と平坦化層４との界面Ｉ１およびＩ２を上述のように三次元的凹凸面とすることで、係る転位を効果的に低減させてなる。図３は、第１凹凸層３１と第１平坦化層４１との界面Ｉ１の前後の様子を例として、エピタキシャル基板１０における転位の消失の様子を、模式的に示す図である。なお、図３においては後述する界面層２を省略している。
　第１凹凸層３１と第１平坦化層４１との界面Ｉ１が三次元的凹凸面として形成されていることにより、第１凹凸層３１で発生した転位ｄのほとんどは、図３に示すように、第１凹凸層３１から第１平坦化層４１へと伝播する（貫通する）際に、界面Ｉ１で屈曲される。より具体的には、界面Ｉ１のうち下地基板１に略平行な箇所を伝播する転位ｄ（ｄ０）については第１平坦化層４１の上方にまで達しうるが、界面Ｉ１のうち下地基板１に対して傾斜している箇所を伝播する転位ｄ（ｄ１）は、第１平坦化層４１の内部において合体消失する。結果として、第１凹凸層３１を起点とする転位のうち、第１平坦化層４１を貫通してその直上の第２凹凸層３２へ伝播する転位はごく一部となる。
　さらにいえば、第２凹凸層３２においても結晶粒界を起点とする転位は存在するが、内在する結晶粒界の数が少ないために、第１凹凸層３１に比べるとその数は小さい。それゆえ、第１平坦化層４１から伝播する転位と併せても第２凹凸層３２を貫通して第２平坦化層４２へと伝播する転位は第１平坦化層４１に存在する転位よりもさらに少ない。しかも、第２平坦化層４２においても図３に示したものと同様のメカニズムにて転位の合体消失が起こるので、第２平坦化層４２を貫通してその直上へと伝播する転位はさらに少なくなっている。第２平坦化層４２の上にさらに下地層７を形成した場合にはさらなる転位低減の効果が期待される。すなわち、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０においては、複数の下地層７を備えることで、その上方への転位の伝播が好適に抑制されたものとなっている。
　また、図３にその様子を模式的に示すように、第１平坦化層４１は、好ましくは、その成長初期こそ第１凹凸層３１の表面形状に沿って形成されるものの、成長が進むにつれて徐々にその表面が平坦化されていき、最終的には、１０ｎｍ以下の表面粗さを有するように形成される。これは、第２平坦化層４２についても同様である。なお、本実施の形態において、表面粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により計測した５μｍ×５μｍ領域についての平均粗さｒａで表すものとする。ちなみに、平坦化層４が、横方向成長が比較的進みやすい、少なくともＧａを含む組成のIII族窒化物にて形成されることは、平坦化層４の表面平坦性を良好なものとするうえで好適である。
　なお、平坦化層４の平均厚みは、４０ｎｍ以上とするのが好適である。これは、４０ｎｍより薄く形成した場合には、凹凸層３に由来する凹凸が十分に平坦化しきれないことや、平坦化層４に伝播した転位の相互合体による消失が十分に起こらない、などの問題が生じるからである。尚、平均厚みが４０ｎｍ以上となるように形成した場合には、転位密度の低減や表面の平坦化が効果的になされるので、平坦化層４の厚みの上限については特に技術上の制限はないが、生産性の観点からは数μｍ以下程度の厚みに形成するのが好ましい。
　上述のような態様にて形成されてなることで、少なくとも最上部の平坦化層４（第２平坦化層４２）の表面近傍は（すなわち機能層５あるいは超格子構造層６との界面近傍は）、転位密度が好適に低減されてなるとともに良好な結晶品質を有するものとなっている。これにより、機能層５においても良好な結晶品質が得られる。あるいは、平坦化層４および機能層５の組成や形成条件によっては、機能層５を平坦化層４よりも低転位に形成することもできる。例えば、転位密度が約２．５×１０9／ｃｍ2以下であるという、低転位の機能層５を形成することができる。なお、第２下地層７２あるいはさらなる下地層７を設けず、第１下地層７１のみを形成したエピタキシャル基板の転位密度は、最低でも約５×１０9／ｃｍ2程度であることが、本発明の発明者によって確認されている。
　ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板またはＳｉＣ基板上に低温ＧａＮバッファ層などを介して同じ総膜厚のIII族窒化物層群を形成した場合の転位密度の値は、おおよそ５×１０8～１×１０10／ｃｍ2の範囲であるので、上述の結果は、サファイア基板を用いた場合と同等の品質を有するエピタキシャル基板が、サファイア基板よりも安価な単結晶シリコンウェハーを下地基板１として用いて実現されたことを意味している。
　　＜界面層＞
　上述のように、エピタキシャル基板１０は、下地基板１と第１下地層７１の間に（より具体的には第１凹凸層３１との間に）界面層２を備える態様であってもよい。界面層２は、数ｎｍ程度の厚みを有し、アモルファスのＳｉＡｌxＯyＮzからなるのが好適な一例である。
　下地基板１と第１凹凸層３１との間に界面層２を備える場合、下地基板１と第１平坦化層４１などとの格子ミスフィットがより効果的に緩和され、それぞれの平坦化層４および機能層５の結晶品質がさらに向上する。すなわち、界面層２を備える場合には、第１凹凸層３１であるＡｌＮ層が、界面層２を備えない場合と同様の凹凸形状を有しかつ界面層２を備えない場合よりも内在する結晶粒界が少なくなるように形成される。特に（０００２）面でのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が改善された第１凹凸層３１が得られる。これは、下地基板１の上に直接に第１凹凸層３１を形成する場合に比して、界面層２の上に第１凹凸層３を１形成する場合の方が第１凹凸層３１となるＡｌＮの核形成が進みにくく、結果的に、界面層２が無い場合に比べて横方向成長が促進されることによる。なお、界面層２の膜厚は５ｎｍを超えない程度で形成される。このような界面層２を備えた場合、第１凹凸層３１を、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が、０．５度以上０．８度以下の範囲となるように形成することができる。この場合、転位密度が約１．５×１０9／ｃｍ2以下であるという、さらに低転位の機能層５を形成することができる。なお、界面層２を設ける一方で、第２下地層７２あるいはさらなる下地層７を設けず、第１下地層７１のみを形成したエピタキシャル基板の転位密度は、最低でも約３×１０9／ｃｍ2程度であることが、本発明の発明者によって確認されている。
　なお、第１凹凸層３１の形成時に、Ｓｉ原子とＯ原子の少なくとも一方が第１凹凸層３１に拡散固溶してなる態様や、Ｎ原子とＯ原子の少なくとも一方が下地基板１に拡散固溶してなる態様であってもよい。
　　＜超格子構造層＞
　上述のように、エピタキシャル基板１０は、平坦化層４と機能層５の間に超格子構造層６を備える態様であってもよい。図１に示す例であれば、超格子構造層６は、第２平坦化層４２の上に、相異なる組成の２種類のIII族窒化物層である第１単位層６ａと第２単位層６ｂとを繰り返し交互に積層することにより形成されてなる。ここで、１つの第１単位層６ａと１つの第２単位層６ｂとの組をペア層とも称する。
　エピタキシャル基板１０においては、下地基板１である単結晶シリコンウェハーとIII族窒化物との間に熱膨張係数の値に大きな差異があることに起因して、平坦化層４の面内方向に歪が生じているが、超格子構造層６は、係る歪みを緩和して機能層５への歪の伝播を抑制する作用を有している。
　超格子構造層６は、エピタキシャル基板１０において必須の構成要素ではないが、超格子構造層６を備えることで、エピタキシャル基板１０におけるIII族窒化物層群の総膜厚が増加し、結果として、半導体素子における耐電圧が向上するという効果が得られる。なお、平坦化層４と機能層５の間に超格子構造層６を介在させたとしても、形成条件が好適に設定されていれば、機能層５の結晶品質は十分良好な程度に（超格子構造層６を有さない場合と同程度に）確保される。
　図１に示すＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板１０の場合であれば、超格子構造層６は、第１単位層６ａをＧａＮにて数十ｎｍ程度の厚みに形成し、第２単位層６ｂをＡｌＮにて数ｎｍ程度の厚みに形成するのが好適な一例である。なお、図１においては、ペア層を１５回繰り返し形成した場合を例示している。
　平坦化層４に内在する歪が十分に開放される程度にペア層の形成を繰り返したうえで、機能層５を形成することで、下地基板１とIII族窒化物層群との熱膨張係数の差に起因するクラックや反りの発生が好適に抑制された、エピタキシャル基板１０が実現される。換言すれば、超格子構造層６は、エピタキシャル基板１０において、機能層５に対する歪の伝播を緩和する歪緩和能を有してなるといえる。係る超格子構造層６を備えたエピタキシャル基板１０は、クラックの発生がより好適に抑制されたものとなっている。
　　＜機能層の具体的態様＞
　図１においては、エピタキシャル基板１０がＨＥＭＴ素子の基板として用いられる場合を想定して、機能層５として、高抵抗のＧａＮからなるチャネル層５ａと、ＡｌＮからなるスペーサ層５ｂと、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮなどからなる障壁層５ｃとが形成される場合を例示している。チャネル層５ａは数μｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。スペーサ層５ｂは１ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。ただし、ＨＥＭＴ素子を構成するにあたってスペーサ層５ｂは必須の構成要素ではない。障壁層５ｃは、数十ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。係る層構成を有することにより、チャネル層５ａの障壁層５ｃ（あるいはスペーサ層５ｂ）とのヘテロ接合界面近傍には、自発分極効果やピエゾ分極効果などによって二次元電子ガス領域が形成される。
　あるいは、エピタキシャル基板１０がショットキーダイオードの基板として用いられる場合であれば、機能層５として、１つのIII族窒化物層（例えばＧａＮ層）が形成される。
　さらに、エピタキシャル基板１０が発光ダイオードの基板として用いられる場合であれば、機能層５として、ｎ型窒化物層（例えばＧａＮ層）、目標とする発光波長に応じた組成比で構成されるＩｎＡｌＧａＮ混晶からなる発光層、ｐ型窒化物層（例えばＧａＮ層）などが形成される。
　以上のような構成を有するエピタキシャル基板１０を用いることで、サファイア基板またはＳｉＣ基板の上にIII族窒化物層群を形成した半導体素子（例えばショットキーダイオードやＨＥＭＴ素子など）と同程度の特性を有する半導体素子が、より安価に実現される。
　例えば、機能層５をＧａＮにて形成したエピタキシャル基板１０の上にアノードとカソードとを配置した同心円型ショットキーダイオードにおいては、小さいリーク電流と高い耐電圧とが実現される。
　あるいは、ＨＥＭＴ素子に適用しうるように機能層５をＡｌＧａＮ／ＧａＮ積層構造として構成した場合であれば、結晶品質に優れ、電子移動度が高い機能層５が得られる。
　　＜エピタキシャル基板の製造方法＞
　次に、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板１０を製造する方法について概説する。
　まず、下地基板１として（１１１）面の単結晶シリコンウェハーを用意し、希フッ酸洗浄により自然酸化膜を除去し、さらにその後、ＳＰＭ洗浄を施してウェハー表面に厚さ数Å程度の酸化膜が形成された状態とする。これをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットする。
　そして所定の加熱条件とガス雰囲気のもとで各層を形成する。まず、ＡｌＮからなる第１凹凸層３１は、基板温度を８００℃以上、１２００℃以下の所定の凹凸層形成温度に保ち、リアクタ内圧力（成長圧力とも称する）を０．１ｋＰａ～３０ｋＰａ程度とした状態で、アルミニウム原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）バブリングガスとＮＨ3ガスとを適宜のモル流量比にてリアクタ内に導入し、成膜速度を２０ｎｍ／ｍｉｎ以上とすることによって、形成させることができる。第１凹凸層３１は、平均膜厚が４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲をみたすように形成される。
　なお、シリコンウェハーが凹凸層形成温度に達した後、第１凹凸層３１の形成に先立って、ＴＭＡバブリングガスのみをリアクタ内に導入し、ウェハーをＴＭＡバブリングガス雰囲気に晒すようにした場合には、ＳｉＡｌxＯyＮzからなる界面層２が形成される。
　第１平坦化層４１の形成は、第１凹凸層３１の形成後、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の所定の平坦化層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ～１００ｋＰａとした状態で、ガリウム原料であるＴＭＧ（トリメチルガリウム）バブリングガスとＮＨ3ガスとを、あるいはさらに、ＴＭＡバブリングガスを、作製しようとする第１平坦化層４１の組成に応じた所定の流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＡ、およびＴＭＧの少なくとも１つを反応させることにより実現される。
　第２凹凸層３２の形成は、リアクタ内圧力を２０ｋＰａ以上とし、平均膜厚が５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲をみたすようにするほかは、第１凹凸層３１の形成と同様に行えばよい。なお、リアクタ内圧力を２０ｋＰａよりも小さくした場合には、界面Ｉ２が三次元的凹凸面とならないために、第２凹凸層３２を好適に形成することが出来ない。
　第２平坦化層４２の形成は、第１平坦化層４１と同様の形成条件を設定することによって行える。
　また、第２平坦化層４２の上に凹凸層３と平坦化層４とをさらに積層する場合の形成条件は、第２凹凸層３２および第２平坦化層４２の形成条件と同じとすればよい。このことは、第２下地層７２の上に形成される下地層７についても、実質的に第２下地層７２と同様の態様にて形成されることを意味する。換言すれば、エピタキシャル基板１０は、１つの第１下地層７１の上に、少なくとも１つの第２下地層７２を積層してなる構成を有するものともいえる。
　超格子構造層６の形成は、最上部の平坦化層４の形成後、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の所定の超格子構造層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ～１００ｋＰａとした状態で、第１単位層６ａと第２単位層６ｂの組成および膜厚に応じてリアクタ内に導入するＮＨ3ガスとIII族窒化物原料ガス（ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ、ＴＭＧのバブリングガス）との流量比を交互に変化させることにより行う。
　機能層５の形成は、超格子構造層６の形成後、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の所定の機能層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ～１００ｋＰａとした状態で、ＴＭＩバブリングガス、ＴＭＡバブリングガス、あるいはＴＭＧバブリングガスの少なくとも１つとＮＨ3ガスとを、作製しようとする機能層５の組成に応じた流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＩ，ＴＭＡ、およびＴＭＧの少なくとも１つとを反応させることにより実現される。図１のように、機能層５を組成の異なる複数の層から構成する場合は、それぞれの層組成に応じた作製条件が適用される。
　（実施例１）
　本実施例では、第２下地層７２の形成条件を違えた１２種のエピタキシャル基板１０（試料Ｎｏ．ａ－１～ａ－１２）を作製し、機能層５の外観検査（クラック発生有無の検査）と転位密度の評価とを行った。具体的には、第２下地層７２を形成しないエピタキシャル基板１０（試料ＮＯ．ａ－１）と、第２凹凸層３２の厚みおよび形成圧力と第２平坦化層４２におけるＡｌモル分率ｙｙ（２）の値とを種々に違えた１１種のエピタキシャル基板１０（試料Ｎｏ．ａ－２～ａ－１２）とを作製した。ただし、いずれの試料においても、界面層２および超格子構造層６の形成は省略した。表１に、それぞれの試料に固有の第２下地層７２（第２凹凸層３２および第２平坦化層４２）の形成条件およびそれぞれの評価結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　まず、下地基板１として（１１１）面の、直径４インチ、厚み５２５μｍである単結晶シリコンウェハー（以下、シリコンウェハー）を用意した。用意したシリコンウェハーに、フッ化水素酸／純水＝１／１０（体積比）なる組成の希フッ酸による希フッ酸洗浄と硫酸／過酸化水素水＝１／１（体積比）なる組成の洗浄液によるＳＰＭ洗浄とを施して、ウェハー表面に厚さ数Åの酸化膜が形成された状態とし、これをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットした。次いで、リアクタ内を水素・窒素混合雰囲気とし、基板温度が凹凸層形成温度である１０５０℃となるまで加熱した。
　基板温度が１０５０℃に達すると、リアクタ内にＮＨ3ガスを導入し、１分間、基板表面をＮＨ3ガス雰囲気に晒した。
　その後、リアクタ内圧力を１０ｋＰａとし、ＴＭＡバブリングガスを所定の流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＡを反応させることによって表面が三次元的凹凸形状を有する第１凹凸層３１を形成した。その際、第１凹凸層３１の成長速度（成膜速度）は２０ｎｍ／ｍｉｎとし、目標平均膜厚は４０ｎｍとした。
　第１凹凸層３が形成されると、続いて、基板温度を１０５０℃に保ったまま、リアクタ内圧力を２０ｋＰａとして、ＴＭＧバブリングガスをリアクタ内にさらに導入し、ＮＨ3とＴＭＡならびにＴＭＧとの反応により、第１平坦化層４１としてのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を平均膜厚が５０ｎｍ程度となるように形成した。
　第１平坦化層４１が形成されると、第２下地層７２を形成しない試料（ａ－１）を除き、目標平均膜厚およびリアクタ内圧力をそれぞれの試料に応じて違えた他は、第１凹凸層３１と同じ条件とすることにより、表面が三次元的凹凸形状を有する第２凹凸層３２を形成した。なお、目標平均膜厚は、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍの４水準で違えた。また、リアクタ内圧力は、１０ｋＰａ、２０ｋＰａ、３０ｋＰａ、４０ｋＰａの４水準に違えた。続けて、第１平坦化層４１と同じ作製条件で第２平坦化層４２を形成した。ただし、Ａｌモル分率ｙｙ（２）の値は、０．０５、０．１、０．２、０．３の４水準に違えた。
　次いで、基板温度を１０５０℃とし、リアクタ内圧力を３０ｋＰａとして、ＴＭＧとＮＨ3を反応させて機能層５としてのＧａＮ層を８００ｎｍの厚さで形成した。これによりそれぞれのエピタキシャル基板１０が得られた。
　得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０について、目視および顕微鏡にて外観検査を行ったところ、いずれの試料においてもＧａＮ層（機能層５）にクラックは確認されなかった。
　また、それぞれのエピタキシャル基板１０のＧａＮ層（機能層５）について、転位密度を測定した。表１に示すように、第２下地層７２を設けていない試料ａ－１の転位密度は、５．７×１０9／ｃｍ2であった。一方、第２下地層７２を設けた試料のうち、ａ－３～ａ－５、およびａ－８～ａ－１１の転位密度は１．９×１０9／ｃｍ2～２．３×１０9／ｃｍ2と試料ａ－１の１／２程度となった。これに対して、第２凹凸層３２の平均膜厚を４０ｎｍとした試料ａ－２、第２凹凸層３２の平均膜厚を２００ｎｍとした試料ａ－６、第２凹凸層３２の成長圧力を１０ｋＰａとした試料ａ－７、および第２平坦化層４２のＡｌモル分率ｙｙ（２）を０．３とした試料ａ－１２の転位密度は、最低でも３．９×１０19／ｃｍ2であり、前者との間には１０オーダー以上もの開きがあった。
　（実施例２）
　界面層２を設けるようにした他は、実施例１と同様の条件および手順で、１２種のエピタキシャル基板１０（試料名ｂ－１～ｂ－１２）を作製した。
　具体的には、基板温度が凹凸層形成温度である１０５０℃に達した地点で、リアクタ内にＮＨ3ガスを導入して、１分間、基板表面をＮＨ3ガス雰囲気に晒した後、実施例１とは異なり、ＮＨ3ガス供給をいったん停止し、代わってＴＭＡバブリングガスをリアクタ内に導入し１分間ＴＭＡバブリングガス雰囲気に晒すようにした。その後、ＮＨ3ガスを再びリアクタ内に導入し、以降、実施例１と同様に各層を形成した。表２に、それぞれの試料に固有の第２下地層７２（第２凹凸層３２および第２平坦化層４２）の形成条件およびそれぞれの評価結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　第１凹凸層３１までを形成した試料について、ＴＥＭおよびＨＡＡＤＦ像による構造分析、さらにＳＩＭＳ(二次イオン質量分析)、およびＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光装置）による組成分析を行った結果、ＡｌＮ／Ｓｉ界面に３ｎｍ程度の膜厚でＳｉＡｌxＯyＮz（単にＳｉＡｌＯＮとも記す）からなるアモルファス状の界面層２が形成されていること、該界面層２の上に第１凹凸層３１たるＡｌＮ層が三次元的な表面凹凸形状を有する態様にて堆積されていること、シリコンウェハー中にＮ、Ｏが拡散固溶していること、およびＡｌＮ層中にＳｉ、Ｏが拡散固溶していることが確認された。
　最終的に得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０について、目視および顕微鏡にて外観検査を行ったところ、いずれの試料においてもＧａＮ層（機能層５）にクラックは確認されなかった。
　また、それぞれのエピタキシャル基板１０のＧａＮ層（機能層５）について、転位密度を測定した。表２に示すように、第２下地層７２を設けていない試料ｂ－１の転位密度は、２．９×１０9／ｃｍ2であった。また、実施例１において低い転位密度が実現された条件と同じ条件にて第２下地層７２が形成された試料ｂ－３～ｂ－５、およびｂ－８～ｂ－１１の転位密度は１．０×１０9／ｃｍ2～１．２×１０9／ｃｍ2と、試料ｂ－１の１／３程度となった。これに対して、実施例１において高い転位密度しか得られなかった条件で第２下地層７２を形成した試料ｂ－２、ｂ－６、ｂ－７、およびｂ－１２の転位密度は、最低でも２．８×１０19／ｃｍ2であり、前者との間には１０オーダー以上もの開きがあった。
　実施例１および実施例２の結果は、第２凹凸層３２の平均膜厚を５０ｎｍ以上１００ｍｎ以下とし、第２平坦化層４２のＡｌモル分率ｙｙ（２）を０．２以下とすることで、転位密度が好適に低減された機能層を備えたエピタキシャル基板１０が実現できること、係るエピタキシャル基板１０の作製は、第２凹凸層３２の成長圧力を２０ｋＰａ以上とすることで実現されること、さらには、界面層２を設けることで、より転位密度が低減されることを示している。

Claims (13)

  1. 　（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなる、半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
    　前記下地基板の上に形成されてなり、それぞれが、
    　　ＡｌＮからなる第１のIII族窒化物層と、
    　　前記第１のIII族窒化物層の上に形成された、ＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ＜１、０＜ｚｚ≦１）からなる第２のIII族窒化物層と、
    からなる複数の下地層が、繰り返し積層されてなる下地層群と、
    　前記下地層群の上にエピタキシャル形成された少なくとも１つの第３のIII族窒化物層と、
    を備え、
    　前記第１のIII族窒化物層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、
    　前記第１のIII族窒化物層と前記第２のIII族窒化物層との界面が三次元的凹凸面であり、
    　前記複数の下地層のうち、前記下地基板の直上に形成されている下地層を第１の下地層とし、前記第１の下地層以外の下地層を第２の下地層とするとき、
    　前記第２の下地層を構成する前記第１のIII族窒化物層の厚みが５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２のIII族窒化物層がＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ≦０．２、０．８≦ｚｚ≦１）からなる、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  2. 　請求項１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
    　前記下地基板と前記第１の下地層との間に、アモルファスの界面層が形成されてなることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  3. 　請求項２に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
    　前記界面層がＳｉＡｌxＯyＮzからなることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
    　前記少なくとも１つの第３のIII族窒化物層が、相異なる組成の２種類以上のIII族窒化物層を前記下地層群の直上に周期的に積層した超格子構造層を含む、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
    　前記少なくとも１つの第３のIII族窒化物層が半導体素子の機能層を含むことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子。
  7. 　（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    　前記下地基板の上に複数の下地層を繰り返し積層することにより下地層群を形成する工程であって、前記複数の下地層のそれぞれを形成する工程が、
    　　ＡｌＮからなる第１のIII族窒化物層を形成する第１形成工程と、
    　　前記第１のIII族窒化物層の上に、ＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ＜１、０＜ｚｚ≦１）からなる第２のIII族窒化物層を形成する第２形成工程と、
    を備える下地層群形成工程と、
    　前記下地層群の上に少なくとも１つの第３のIII族窒化物層をエピタキシャル形成する第３形成工程と、
    を備え、
    　前記第１形成工程においては、前記第１のIII族窒化物層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、
    　前記複数の下地層のうち、前記下地基板の直上に形成される下地層を第１の下地層とし、前記第１の下地層以外の下地層を第２の下地層とするとき、
    　前記第２の下地層を構成する前記第１のIII族窒化物層を、２０ｋＰａ以上の形成圧力にて５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均厚みに形成し、前記第２のIII族窒化物層をＡｌyyＧａzzＮ（ｙｙ＋ｚｚ＝１、０≦ｙｙ≦０．２、０．８≦ｚｚ≦１）にて形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  8. 　請求項７に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    　前記下地基板と前記第１の下地層との間に、アモルファスの界面層を形成する界面層形成工程、
    をさらに備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  9. 　請求項８に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    　前記界面層がＳｉＡｌxＯyＮzからなることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  10. 　請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    　前記第３形成工程が相異なる組成の２種類以上のIII族窒化物層を前記下地層群の直上に周期的に積層する工程を含む、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  11. 　請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    　前記第３形成工程が半導体素子の機能層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  12. 　請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した半導体素子用エピタキシャル基板。
  13. 　請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した半導体素子用エピタキシャル基板を備える半導体素子。
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