(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減少された数の表面転位を有する半導体構造を製作する方法であって、
半導体表面に現われる複数の発現表面転位の周りの表面乱れの範囲を拡大するステップと、
複数の発現表面転位の周りの表面の少なくとも乱れた部分を不連続なやり方で覆うように誘電体マスキング材料の層を堆積させるステップであって、前記表面の一部分はマスキング材料で覆われるが、前記表面の他の部分はそのように覆われない、ステップと、
実質的に連続した横方向範囲と減少された数の表面転位を有する次の半導体層を形成するステップと、
を含み、前記拡大するステップは、前記表面転位に関連した成長ピットの開きを助長するように選ばれた第１のエピタキシャル成長条件の下で中間半導体層を形成するステップをさらに含み、
前記半導体層を形成するステップは、前記成長ピットおよび前記成長ピットの凝集のいくらかまたは全てを密閉するための層を横方向成長させるステップをさらに含み、
前記横方向成長は、前記次の半導体層が実質的に連続した横方向範囲を有するまで少なくとも続き、
前記横方向成長は、前記マスキング材料の不連続層で覆われない成長ピットおよび成長ピットの凝集の一部分から核を成すことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記拡大するステップは、前記中間半導体層を形成するステップより前に、前記表面転位に関連したエッチングを助長するように選ばれた第１のエッチング条件の下で前記半導体表面をエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記中間半導体層を形成するステップは、前記表面転位に関連した複数の成長ピットが交差して成長ピットの凝集になるのを助長するように選ばれた第２のエピタキシャル成長条件の下での成長をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記拡大するステップは、空洞の横方向範囲の増加および空洞の形成を助長するように選ばれた第１のエッチング条件の下で前記半導体表面をエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記次の半導体層は、複数の発現表面転位の周りの前記表面乱れを密閉するのを助長するように選ばれた第３のエピタキシャル成長条件の下で形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記拡大するステップ、前記堆積させるステップ、および前記形成するステップを１回または複数回繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記誘電体マスキング材料の前記不連続層は、２０オングストローム未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記拡大するステップ、前記堆積させるステップ、および前記形成するステップは、エクスサイチュ処理なしに単一反応炉チャンバ内で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ＩＩＩ−窒化物半導体構造を形成する方法であって、前記半導体構造が、複数の発現転位を有する最初のＩＩＩ−窒化物表面を備え、前記方法が、
前記最初の表面上に成長する中間ＩＩＩ−窒化物層中の、前記最初のＩＩＩ−窒化物表面の表面転位に関連した成長ピットの開きを助長し、
前記成長する中間層中に開いた複数の前記成長ピットが交差して成長ピットの凝集になるのを助長し、さらに、
前記成長ピットおよび前記成長ピットの凝集のいくらかまたは全てを密閉するための次のＩＩＩ−窒化物層の横方向成長を助長する
ように選ばれた一連のエピタキシャル成長条件に、前記最初の表面をさらすステップを含み、
前記横方向成長は、次の層が実質的に連続した横方向範囲を有するまで少なくとも続き、前記次の層は、前記最初の表面の転位密度よりも少ない転位密度で形成され、さらに、前記横方向成長は、誘電体マスキング材料の不連続層で覆われない成長ピットおよび成長ピットの凝集の一部分から核を成すことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記成長ピットの開きを助長する前記成長条件は、前記成長ピットの交差を助長する前記成長条件と実質的に似ていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記成長ピットの開きおよび交差を助長する前記成長条件は、９５０℃未満の温度、１００ミリバールを超える圧力、またはその両方を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記一連の成長条件は、成長ピットの開きおよび交差を助長する条件より順序が後であるが横方向成長を助長する条件より順序が前である、前記誘電体マスク材料の成長を助長する条件をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
形成された前記ＩＩＩ−窒化物層を前記成長チャンバから取り出すことなく、前記一連の成長条件を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記成長ピットの開きおよび交差は、複数の個々の成長ピットが５μｍ未満の横方向範囲を有する限り続くことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記誘電体マスキング材料の前記不連続層は、前記成長ピットおよび前記成長ピットの凝集の表面全体にわたって無秩序に分布されたシリコン窒化物を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体構造の製作に関し、より詳細には、ＩＩＩ−窒化物材料を含む高結晶品質構造のエピタキシャル成長に関する。本発明の実施形態は、半導体構造の結晶品質を改善する方法およびこの方法を利用して製作される構造を含む。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料の品質は、この半導体材料から製造される固体デバイスの性能に相当に影響を及ぼすことがある。半導体材料が、望ましくない密度の結晶欠陥、例えば転位を有するとき、固体デバイスには、劣った寿命および動作特性の欠点があることがある。そのような問題は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、他のＩＩＩ族−窒化物（例えば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ）および他の混合窒化物（本明細書で「ＩＩＩ−窒化物」と呼ばれる）並びに或るＩＩＩ−Ｖ族化合物を含んだ半導体、および或る他の化合物材料（例えば、ＩＶ、ＩＩ−ＶＩ材料）の開発を一般に妨げている。これらの材料の多くでは、適当な商業的に有用な成長基板は、入手の可能性が限られ、さらに結晶品質が悪い。適当な基板は、成長されるべき目標材料の結晶特性に厳密に整合している。この特性が厳密に整合していない場合には、結果として得られる材料には、普通、許容できないほどの転位密度がある。
【０００３】
特に、ＧａＮの場合には、成長基板を前処理することによって、例えば、窒化および他の化学的修正によって、他のＩＩＩ窒化物例えばＡｌＮまたはＧａＮの薄い低温バッファ層を成長させることによって、熱アニールによって、および同様なものによって、結晶品質を改善することができる。エピタキシャル横方向オーバーグロース（ＥＬＯ）およびこれの変形（ＰＥＮＤＥＯ、ＦＩＥＬＯ、その他）のような方法は、転位密度の減少に成功することが分かっている。しかし、これらの一般的な方法は、リソグラフィで製造されたマスキング要素を利用することが多く、このマスキング要素は、しばしば、多くの用途で望ましくない不均一な分布の表面転位を持った材料を生成する。均一な表面転位密度を生成する転位減少のいくつかの代替え方法は、いくつかの例で、表面転位寸法を拡大するエッチャントを追加して転位の発達を妨げるインサイチュ（または、エクスサイチュ）堆積方法を利用した。そのような妨害方法の例には、特許文献１、非特許文献１、および非特許文献２がある。転位減少のさらに他の代替え方法は、ＧａＮ層の成長の中間段階で、エッチングによってＧａＮ層の表面に存在する欠陥を拡大し、次にＧａＮが容易に核を成さないマスキング材料でその拡大された表面欠陥を塞ぎ、それからＧａＮ成長を続けることによって、成長層の中への転位伝播を制限することを目指している。そのような方法の例には、２００８年５月１４日に出願された特許文献２があり、この出願は、その全体が参照して本明細書に組み込まれる。
【０００４】
改善された品質のＩＩＩ−窒化物の層および結晶が望まれる。そのように行うために応用可能なプロセスは、従来の技術で得られ、ＩＩＩ−窒化物材料中の転位密度を減らすのに或る程度成功しており、より大きな転位減少および分布の均一性をもたらすことができる方法が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２５９５０４号明細書
【特許文献２】米国特許仮出願第６１／１２７７２０号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Tanaka et al. Japanese Journal of Applied Physics 39 L831 2000
【非特許文献２】Zang et al. Journal of Applied Physics 101 093502 2007
【非特許文献３】Hino et al. Applied Physics Letters 76 3421 2000
【非特許文献４】Hiramatu et al Journal of Physics: Condensed Matter 13 6961 (2001)
【非特許文献５】Physica Status Solidi (B) 228 395 (2001)
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、半導体構造を製作するシステムおよび方法、特に、ＩＩＩ−窒化物材料を含む半導体構造を製作するシステムおよび方法を提供する。本発明の方法は、最新技術に比べて改善された結晶品質を持った半導体層、例えば転位のより少ない半導体層を製作することができる。本発明は、また、これらの方法によって製作された半導体構造を提供する。
【０００８】
一般に、本発明の方法は、より劣った品質の出発層（または「基板」、「最初の」層または「下にある」層、または同様なもの）に一般に見られる或る型の転位を活用することによって、より優れた品質の次の半導体層（または、「最終」層、または「上にある」層または「一面に成長された」層、または同様なもの）を生成する。
【０００９】
出発または下にある表面の転位の表面範囲が、或る程度まで、顕著であればあるほど、そのような出発または下にある表面から最終的に製作された次の層の品質はそれだけ良くなることが、分かっている。この驚くべき結果は、いくつかの要素の相互作用に起因していると考えられている（しかし、意図した限定なしに）。
【００１０】
第１に、下にある半導体表面の転位は、終端された転位が最終層の中へ伝播しないようなやり方で密閉され、終端されることがあり、さらに最終層は、そのようなやり方で成長可能である。そのとき、最終層には、下にある表面よりも少ない転位があることがあるが、これはうまく密閉され終端された、下にある表面のそれらの転位は最終層には現われないからである。第２に、下にある表面の転位から自然に生成された一般的な表面窪み（例えば、ピット状構造）は、拡大の小さい転位に比べて関連した転位をより効果的に終端させることができるような具合に拡大することができ、例えば表面断面をより大きくする（例えば、横寸法と深さ寸法の両方の大きさを大きくする）ことができることが、分かっている。最後に、複数の拡大された転位の交差を助長する条件は、さらに、関連した転位の終端をさらに高め、したがって、転位終端効率と転位減少効率の両方を向上させることが分かっている。したがって、拡大され密閉された転位を有する、下にある表面から成長された最終層は、そのとき、下にある層よりもいっそう少ない転位を有することがあり得る。
【００１１】
簡単に言えば、適切な半導体材料の、下にある表面から始めて、本発明の方法は、下にある表面に存在する選ばれた転位に自然に生成される一般的な表面窪みを拡大することを含むステップによって、改善された品質の次の層を製作する。次に、続いて起こるプロセスは、下にある表面の拡大された転位から発生した転位をほとんどまたは全く有しない次の層を成長させる。
【００１２】
本発明の実施形態では、転位に自然に生成された一般的な表面窪みを拡大する有利な方法は、下にある表面の転位のいくらかまたは全てによって誘起され拡大された開口を有する１つの中間層（複数の中間層）を成長させることを含み、この中間層は、その誘起された開口が、中間層が成長するにつれて次第に拡大されるようになるようなやり方で成長される。本発明の追加の実施形態は、複数のそのような拡大された転位の交差を促進して、中間層（または、凝集層）が成長するにつれて、拡大された転位の凝集（または「クラスタ化」または「集群」）を生成する。
【００１３】
転位発現に自然に生成された表面窪み（例えば、ピット状構造）を拡大することは、その窪みの大きさ（例えば、深さ、幅、および表面断面）を大きくすることを含む。拡大は、中間層の厚さが大きくなるときに起こり得る。そのような拡大は、また、転位の「開き」と呼ばれ、すなわち、中間層は転位を「開く」ように条件の下で成長される。
【００１４】
また、転位に自然に生成される一般的な表面窪みを大きくすることで、結果として複数のそのような表面開口の交差が生じるようなやり方で、中間層は成長される。複数の開口（またはピット）のそのような交差は、ピット「凝集」またはピット「クラスタ化」と呼ばれる。すなわち、中間層は、関連する型の転位を「開く」ように条件の下で成長され、「開口」は、１つまたは複数の他の「開口」と交差して開口の凝集またはクラスタ化を形成する。
【００１５】
本発明の追加の実施形態で、転位を拡大するさらに有利な方法は、転位ピットを大きくするのを助長するように選ばれたエッチング剤で表面を処理すること、すなわち、下にある材料の表面に見出される自然窪みを開いて（または、「飾」って）「エッチピット」を形成することを含む。中間層の成長の場合のように、拡大は、エッチングプロセスが進むときに起こり、それによって、「開いた」転位を生成するように転位を「深くし」、「開く」。適切なエッチング条件は、また、バルク転位の表面発現の周りに複数のそのような表面開口または乱れの交差を生じさせることができ、中間層に生成されるものと同様なピット「凝集」またはピット「クラスタ化」を生成する。
【００１６】
最後に、転位を終端させる有利な方法は、転位によって誘起された開口の凝集の上を覆って、または開口の凝集の中から横方向に成長させることを含み、その結果として横方向成長層が生じる。横方向成長層は、下にある層の結晶特性と実質的に同様な結晶特性を持つように選ばれた材料（例えば、ＩＩＩ−窒化物材料）を含むことができる。この成長ステップは、そのような横方向成長を促進するように選ばれた条件の下で始まり、必要であれば、所望の層厚さが達成されるまでより多くの垂直方向成長を促進するように選ばれた条件の下で継続する。
【００１７】
好ましい実施形態では、転位を終端させるより前に、本発明は、ＩＩＩ−窒化物半導体の場合に、シリコン窒化物または酸化物などの誘電体材料の不連続膜を堆積させることを含む。適切な堆積（および／または堆積後条件）を選ぶことで、誘電体材料は、不連続に堆積して横方向に成長する材料中の転位の数を減少させることが分かっている。この理由は、不連続堆積が、発現転位の周りの不規則領域に起こって、発現転位の周りのより不規則な領域からの続いて起こる横方向成長を妨げ（これは、成長材料の中への転位の伝播を促進するかもしれない）、かつ転位の周りのより不規則でない領域からの続いて起こる横方向成長を助長する（これは、横方向に成長する材料の中への転位の伝播を妨げる）からだと考えられる。
【００１８】
本発明は、また、様々な組合せおよび順序で上のステップを実施することを含む。例えば、最初の表面の上に中間層を注意深く成長させることによって、または最初の表面を注意深くエッチングすることによって、または中間層を成長させ続いて注意深くエッチングすることによって、エッチングし続いて中間層を成長させること（随意に、さらに他の注意深いエッチングが続く）によって、表面発現転位を拡大することができる。最後に、減少された転位を有する次の層は、誘電体材料の不連続層の注意深い堆積に続いて横方向に成長される。
【００１９】
本発明は、例えば拡大と次の横方向成長によって効率的にかつ確実に密閉することができる型の転位が発生し、かつ下にある表面の密閉された転位が上にある層にほとんどまたは全く転位を誘起しないようにプロセスによって成長させることができる（「適当な」）半導体材料に有用に応用される。本発明による密閉に選ばれる転位の型は、異なる適切な半導体材料で異なることがある。その理由は、選ばれた型の転位を密閉する方法と、処理された転位のある表面の上を覆って材料を成長させる方法とが異なることがあるからである。
【００２０】
ＩＩＩ−窒化物を含む半導体材料、特にＧａＮを含む材料は、特に適当な材料であることが分かっている。したがって、次の説明は、主として、ＩＩＩ−窒化物材料を含む層を製作するそのような実施形態に向けられる。しかし、本発明はＩＩＩ−窒化物材料に限定されず、他の材料に有用に応用可能であることを理解されたい。
【００２１】
本発明は、半導体構造を製作する方法を提供するだけでなく、この提供された方法によって製作される半導体構造も提供する。より詳細には、これらの方法は、複数の発現表面転位のある最初の半導体表面に半導体材料層をエピタキシャル成長させることを含み、このエピタキシャル成長は、先ず第１に、発現表面転位に関連した成長ピットの開きを助長するように選ばれた第１のエピタキシャル成長条件の下で、次に引き続き、複数の成長ピットが交差して成長ピットの凝集になるのを助長するように選ばれた第２のエピタキシャル成長条件の下で、最初の表面にエピタキシャル成長させることによって成長ピットおよび成長ピットの凝集を有する中間半導体層を形成し、次に第２に、成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての上を覆う横方向成長、または成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての中からの横方向成長を助長するように選ばれた第３のエピタキシャル成長条件の下で、最初の半導体表面よりも少ない表面転位を有する実質的に連続した次の半導体層を、エピタキシャル成長によって中間層上に形成する。
【００２２】
本発明の方法は、また、ＩＩＩ−窒化物半導体構造を形成することを含み、その半導体構造は複数の発現転位のある最初のＩＩＩ−窒化物表面を有し、このＩＩＩ−窒化物半導体構造の形成は、第１に、表面転位に関連した成長ピットの開きを助長し、第２に、複数の開かれた成長ピットが交差して成長ピットの凝集になるのを助長し、さらに第３に、成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての上を覆う横方向成長、または成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての中からの横方向成長を、実質的に連続した層を形成するまで、助長するように選ばれた一連の成長条件の下で次のＩＩＩ−窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。実質的に連続した層の転位密度は、最初の表面の転位密度よりも少ない。
【００２３】
また、その一連の成長条件は、ＩＩＩ−窒化物半導体構造を成長チャンバから取り出すことなく単一成長チャンバ中で完全に行うことができ、さらに、形成されるＩＩＩ−窒化物層を成長チャンバから取り出すことなくその一連の成長条件を繰り返して行うことができる。好ましくは、複数の個々の成長ピットが約５μｍ未満の横方向範囲を有する限り、成長ピットの開きおよび交差が継続する。
【００２４】
これらの方法の態様は、中間層を形成するステップおよび実質的に連続した次の層を形成するステップを２回以上、中間半導体を形成するより前に、実質的に連続した次の半導体層を形成するより前に、繰り返すこと、および誘電体マスキング材料の不連続層を中間層に塗布することを含む。
【００２５】
本方法の態様は、また、成長ピットの開きを助長し、さらに実質的に似ている成長ピットの交差を助長する成長条件を含む。成長ピットの開きおよび交差を助長する成長条件は、９５０℃未満の温度、約１００ミリバールを超える圧力またはその両方を含む。
【００２６】
本発明は、また、第１の層内を伝播する複数の欠陥と、各々その伝播する欠陥の１つまたは複数に関連している複数のボイドとを含む第１の層を有するＩＩＩ−窒化物半導体構造、および第１の層よりも伝播する欠陥の少ない横方向オーバーグロース層の上にある、実質的にボイドの無い実質的に連続した次の層を提供する。
【００２７】
ＩＩＩ−窒化物半導体構造は、少なくとも１つの欠陥が終端する第１の層の中により狭い頂点を持ち、かつ次の層との境界に隣接したより広いベースを持つ複数のボイドと、第１の層と次の層の複数の対と、各対は前の対の直ぐ上にあり、次の層の表面から発現する転位はその表面全体にわたって実質的に一様に分布し、約０．１μｍと１．５μｍの間の厚さ、好ましくは約１μｍ未満の厚さを持った中間層と次の層の一方または両方と、を有する。
【００２８】
「実質的に」という用語は、本明細書で、当技術分野で通常予想される欠陥を除いて完全である結果を意味するように使用される。例えば、エピタキシャル層は、巨視的寸法全体にわたって完全に連続的（または、完全に単結晶、または完全に１つの結晶極性）であると日常的に予想することができない。しかし、エピタキシャル層は、巨視的寸法全体にわたって「実質的に連続的」（または「実質的に単結晶」または「実質的に１つの結晶極性」）であると日常的に予想することができ、存在する不連続（または結晶ドメイン、または結晶境界）は、処理条件、求められる材料品質、または同様なものに関して、当技術分野で予想されるものである。
【００２９】
さらに、「実質的無転位」の半導体層は、その半導体層の材料に関して当技術分野で一般的であるものに比べて少なくとも低いまたは非常に低い転位密度を、その半導体層が有することを意味するように本明細書で使用される。例えば、ＧａＮの場合には、「実質的無転位」（または、低いまたは非常に低い転位密度）は、本明細書でおおよそ１０6／ｃｍ2未満、特におおよそ１０5／ｃｍ2未満の転位密度を意味するように、本明細書では解される。ＩＩＩ族窒化物中の転位密度は、原子力顕微鏡、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、および透過型電子顕微鏡を含めて当業者にはよく知られている方法によって測定される。転位密度を測定する好ましい方法は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による。
【００３０】
タイトルは、本明細書で、どんな意図された限定もなく簡潔さだけのために使用される。いくつかの参考文献が本明細書で引用され、その参考文献の全開示は、全ての目的のために参照してその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、引用された参考文献はどれも、上でどの様に特徴付けられたかとは無関係に、ここで特許請求される内容の本発明に先立つものと認められない。この発明の要素のさらなる態様および詳細および代替え組合せは、次の詳細な説明から明らかであり、同じく本発明者の発明の範囲内である。
【００３１】
本発明は、本発明の実施形態、本発明の特定の実施形態の例示の例、および添付の図についての次の詳細な説明を参照することによって、より完全に理解可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】本発明の実施形態を模式的に図示する図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態を模式的に図示する図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態を模式的に図示する図である。
【図１Ｄ】本発明の実施形態を模式的に図示する図である。
【図１Ｂｂ】さらに他の代替え実施形態を図示する図である。
【図２】本発明の実施形態によって生成された成長ピットおよび凝集成長ピットを模式的に図示する図である。
【図３Ａ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図３Ｂ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図３Ｃ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図３Ｄ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図３Ｅ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図４Ａ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図４Ｂ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図４Ｃ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図４Ｄ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図４Ｅ】本発明のさらに他の実施形態を模式的に図示する図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態の繰返し使用を模式的に図示する図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態の繰返し使用を模式的に図示する図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態の繰返し使用を模式的に図示する図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態の繰返し使用を模式的に図示する図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態の実際的な例を図示する図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態の実際的な例を図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
次の説明は、主に、ＩＩＩ−窒化物材料を含む層を製作する実施形態に向けられるが、実施形態がそのような材料に限定されないことは理解されるべきである。したがって、限定なしに、本発明の実施形態は、半導体構造の表面層に存在する転位が半導体構造の次の表面層に存在するのを実質的に妨げ、その結果として、半導体構造の次の表面は改善された品質を有することができるようになる。この方法は、次の層の品質を改善するように一度行われることがあり、または連続する次の層の品質を連続して改善するように二度以上行われることがある。  
【００３４】
簡単に言うと、ＩＩＩ−窒化物（または、他の）材料を含む下にある表面から始めて、本発明の方法は、改善された品質の次の（または「最終」）層を成長させる。そのステップは、下にある表面に既に存在する転位の表面範囲（すなわち、幅および深さ）を拡大すること、拡大された転位の交差を促進することによって、拡大された転位の凝集を形成すること、および、次に、拡大された転位の凝集の上を覆ってまたは内部でほとんどまたは全く転位のない次の材料層を成長させることによって、拡大された転位を密閉することを含む。
【００３５】
ＩＩＩ−窒化物材料に向けられた本発明の実施形態では、好ましくは、同じまたは異なるＩＩＩ−窒化物材料の１つの中間層（または、複数の層）をエピタキシャル成長させることによって、転位が拡大される。中間層は、下にあるＩＩＩ−窒化物表面に既に存在する表面転位に関連した成長ピットを含み、さらに、下にあるＩＩＩ−窒化物表面のいくつかまたは全ての転位の位置にそのいくつかまたは全ての転位によって誘起される。
【００３６】
成長ピットの表面開口（例えば、幅および深さ）が徐々に大きくなるように、言い換えれば、成長ピットが開くように、中間層は成長される。成長ピットは、普通、逆ピラミッド型の形を有し、中間層の成長中、成長ピットは自然に拡がり深くなる傾向があり、中間層の厚さが増すにつれて次第に拡大される（「開く」）ようになる。成長ピットの全てまたは実質的に全てが、逆ピラミッド型構造の頂点に位置する転位を含んでいる。したがって、成長ピットが開くと、成長ピットによって生成されたボイド領域の直ぐ近くに、発生転位がある。
【００３７】
成長ピットの開きを促進することに加えて、下にある層および中間層は、交差成長ピットの組み合わされた表面開口が中間層の表面開口の全横方向範囲として大きくなるような具合に、複数の成長ピットの交差を促進するようにそのようなやり方で形成される。交差成長ピットのグループ（複数）は、本明細書で、「凝集」または「ピット凝集」と呼ばれ、ピット凝集の表面開口は、「凝集部分」と呼ばれる。したがって、中間層の表面は、複数の成長ピットの交差によって生成された複数の凝集部分を含む。凝集部分は、その凝集部分のベース（すなわち、個々の逆ピラミッドの頂点）にあるいくつかの転位と、交差成長ピットの組み合わされた内部ボイド体積から結果として生じた広大なボイド領域とを含んでいる。それによって、成長ピットの表面開口は、拡大可能であり、または非常に大きく拡大することさえできる。
【００３８】
したがって、理解されることであるが、本発明に従って、さらに高い品質の層を生成する際の第１のステップは、複数のピット凝集を形成する複数の交差成長ピットを含む中間層を生成することである。拡大された凝集成長ピットを有するそのような中間層は、また、本明細書で「ピットのある」層（以下、ピット層）と呼ばれる。
【００３９】
本発明のさらに他の実施形態では、追加のステップは、下にある表面に存在する転位に中間層中の拡大された転位（すなわち、成長ピット）を位置付けするのを特に助長するために、下にある表面を処理（好ましくは、エッチングによって）することを含む。そのようなエッチングステップは、好ましくは、中間層の成長の前に行われることがあるが、中間層の成長の後に行われることもあり、さらに、中間層の成長なしに単独で行われることさえある。
【００４０】
いったん形成されると、下にある表面層中の転位を介して誘起された凝集成長ピット開口は、ＩＩＩ−窒化物の連続した一様な次の層で密閉され、覆われる。したがって、好ましくは、ＥＬＯプロセスが多数の転位に橋を架けて（または、埋めて）連続した表面を生成するのに十分な大きさに交差成長ピットの開口の表面範囲が作られるように、成長ピットの凝集部分の大きさは、例えば中間層の厚さ、最初の層中の欠陥密度、成長条件などによって調節される。
【００４１】
言い換えると、中間層は、拡大されたピット開口のベースの複数の転位をクラスタ化するのに適した大きさの表面開口を生成するために、複数の成長ピットを開いて交差させるように成長される。したがって、次のＩＩＩ−窒化物層の続いて起こる横方向成長は、拡大された表面開口を密閉して、下にある転位のさらなる伝播を妨げる。
【００４２】
最初の表面全体にわたって転位の分布が一様である場合には、最終表面全体にわたって転位の表面分布は、同様に実質的に一様である（統計的変動まで）。この理由は、本発明のステップは、たとえあったとしても大きな表面偏りなしに無秩序に最初の転位の数を減少させるからである。したがって、最初の転位の数が減少するときに、転位の分布はおおむね維持される。例えば、最初の表面に存在する転位の無秩序な分布は、その上で続いて起こる中間層の成長（または、表面エッチング）中に強められ、さらに、中間層（または、エッチングされた最初の層）の表面に存在する拡大された転位の無秩序な分布は、続いて起こる転位処理中にうまく密閉される。したがって、転位の無秩序な表面分布が望ましい場合には、同じく転位の無秩序な表面分布を有する最初の表面から始めることが好ましい。
【００４３】
本発明は、また、上の方法で生成されたＩＩＩ−窒化物半導体構造も含む。そのような構造には、そのような拡大された交差成長ピットおよび転位の観察可能な証拠が、それらが形成された中間層の表面である面内に配列されている。
【００４４】
本発明の様々な実施形態のさらに詳細な説明が、図１Ａ〜Ｄの実施形態から始めて、これから示される。これらの図は、好ましい実施形態の主要な特徴を模式的なやり方で図示している。特に、これらの図は、一定の拡大比でなく、典型的な転位を図示し、品質を改善する上でのこの発明の実際のパフォーマンスを表していない。また、留意されるべきことであるが、本発明の好ましい実施形態の次の説明の大部分は、窒化ガリウム層に特有のものであるが、本発明を前記の材料に限定するものと解釈されるべきでなく、ＩＩＩ−窒化物および他の半導体材料の全ファミリを包含する。
【００４５】
図１Ａは、基板上にエピタキシャル成長され（または、別の方法で配置され、または移され）、基板表面から発現する転位を有する最初の窒化ガリウム半導体層を図示する。図１Ｂは、複数の交差「ピット」（または、交差するうつろ、空洞、凹み、その他）を含んだ表面を持った中間層（同様な意味合いで、「ピットのある中間」層（以下、ピット中間層）または「ピット」層、または同様なもの）を生成する好ましい実施形態の第１のステップの結果を図示する。「ピット」層の交差ピット（同様な意味合いで、「成長ピット」の凝集またはクラスタ化部分）は、最初の窒化ガリウム層の表面に存在する転位の全てまたは実質的な数によって誘起される。いくつかの成長ピットの交差は、広がったボイド領域を生成し、いくつかの転位が主にそのボイド領域のベースにある。
【００４６】
図１Ｂｂは、転位減少を支援するために誘電体材料層が堆積される好ましい実施形態を図示する。本発明のそのような方法は、後でより詳細に説明される。この実施形態では、好ましくは、成長ピットおよび凝集成長ピット（好ましくは、より不規則な部分）の側面ファセットの一部が覆われ、一方で残り部分（好ましくは、より不規則でない部分）およびピットのない平面材料が、続いて起こる材料成長に利用可能なままにしておかれるように或るやり方で、マスキング材料１３１の薄い層が、ピット中間層１２０の表面に塗布される。好ましいマスキング材料は、ＩＩＩ窒化物の成長に対して抗界面活性剤として作用する物質を含み、それによって、図１Ｂｂの構造のマスクされた部分での核形成の量を制限する。
【００４７】
図１Ｃ〜Ｄは、当技術分野で知られているようなエピタキシャル横方向オーバーグロースに従った、ピット中間層の上表面への次のＩＩＩ−窒化物層のオーバーグロースを図示する。オーバーグロースのプロセス中、次の層の材料は、交差成長ピットによって形成された広がったボイド領域の上にエピタキシャル的にオーバーグロースしてボイド領域を密閉し、それによって、ピットの部分を閉じ込め、凝集成長ピットのベースにある転位を終端させ、さらに他のＩＩＩ−窒化物材料の中へのピットの伝播を妨げ、それによってピットの伝播は止められる。エピタキシャル成長は、次の層の材料が合体して実質的に連続した膜を形成するまで続けられ、この時点で、成長モードは、より効果的なやり方で所望の厚さの材料を生成するために、より多くの垂直方向成長の成長を促進するように変えられることがある。
【００４８】
ピット層の成長ピットの全てまたは実質的に全ては、下にある最初のＩＩＩ−窒化物層中で発現する転位から発生し、またはその発現する転位によって誘起される。したがって、密閉されたとき、転位は延びて（または、伝播して）、ピット層の上に成長される次のエピタキシャルＩＩＩ−窒化物層に入ることができない。次の層は、少なくとも最初は、エピタキシャル横方向オーバーグロース（ＥＬＯ）によって凝集成長ピットの上を覆って成長するので、転位は、次の層の中へ転位を誘起することができない。好ましい実施形態では、次の層の材料は、ピット中間層の半導体材料と実質的に同じであるか、またはピット中間層の半導体材料と厳密に似た結晶特性を有しているので、結果として、これらの層の間の界面は、次の層に転位をほとんどまたは全く誘起しないか、または転位を誘起するようになる。それによって、本発明の実施形態では、次の層は、最初の表面に存在したよりも転位が少ないという点で、改善された品質を有している。
【００４９】
したがって、図１Ｂ（および１Ｂｂ）、１Ｃ、および１Ｄによって図示された特定の実施形態は、下にある最初の層の表面転位の全てまたは実質的に全てから発生する複数の交差ピットを持ったピット層、例えば適当に拡大された（例えば、十分に開いた）ピット凝集部分または領域を持った中間層を生成し、それから、ＩＩＩ−窒化物材料の次の層の横方向オーバーグロースによってピットのある表面の部分を閉じ込めることによって、進行する。
【００５０】
より詳細には、図１Ａは、最初のエピタキシャルプロセス中に基板１０２上に成長された（または、別の方法で、例えば層移転によって基板１０２上に配置された）最初のＩＩＩ−窒化物層１００（例えば、窒化ガリウム）を図示する。その上、層１００と１０２の組合せは、自立型ＧａＮまたはＳｉウェーハ）のような単一材料層を構成するかもしれない。最初の層の材料の結晶特性（および他の物理特性）は、基板１０２（または、層１００が成長された基板）の材料の結晶特性と十分に厳密に整合していないことが多いので、１０４、１０６、および１０８で表された転位は、最初の層と基板の間の界面１１０から生じることがある。この転位は、成長する材料と共に延びて（または、「伝播」して）最初の層１００の中に入り、成長する層表面を転位がインターセプトする時に結晶構造を乱す。
【００５１】
例えば、転位１０４は、表面転位１１２として発現し、そこでは表面の構造がより著しく乱されている（表面の欠陥の無い部分と比べて）。比較して、転位１０６は、表面の明白な乱れのほとんどないまたは全くない表面転位１１６として発現している。例えば、理論によって制限されず、成長する表面での転位の発現に起因する表面乱れの重大さは、或る場合には、転位の特性、例えば、歪み、バーガースベクトル、特質すなわち螺旋、刃状、混合型などに依存することがある（例えば、非特許文献３を参照されたい）。ＧａＮの場合には、転位１０４、１０６および１０８は、最も一般的には、スレッド転位（ＴＤ）であり、サファイア基板上にエピタキシャル成長された層に多数あることがある。転位１０６は、また、成長するＩＩＩ−窒化物材料のバルク中で生じ、成長する層と共に延びてまたは伝播して最初の層表面１１８に発現１１６することがある。これらの型の転位は、一般に、表面を余り著しく乱すことはない。留意されるべきことであるが、どんな方法で発生しようとも、どんな欠陥でも、大なり小なり表面の乱れを伴って発現することがある。より大きな乱れは、発現１１２で図示されるように、裸眼検査ではっきり見える凹み、またはうつろ、または同様なものを含むことがある。より小さな乱れは、発現１１６で図示されるように、一般に、支援された検査、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）を介してはっきり見えるだけである余り顕著でない表面乱れを含むことがある。例えばエッチングによって、そのような転位を暴露して（一般に、「加飾（ｄｅｃｏｒａｔｉｎｇ）」と呼ばれる）より容易にはっきり見えるようにすることが、一般的な慣行である。
【００５２】
続いて起こるＩＩＩ−窒化物層（ピットのあるまたは中間ＩＩＩ−窒化物半導体層）１２０は、最初の窒化ガリウム層の表面１１８にエピタキシャル成長される。或る実施形態では、ピット層のＩＩＩ−窒化物層は、最初のＩＩＩ−窒化物層１００の結晶特性に実質的に整合した結晶特性、例えば格子定数、熱膨張係数を有する。ピット層１２０と最初の層１００の間の結晶特性の整合によって、最初のＩＩＩ−窒化物層からピットのあるＩＩＩ−窒化物層（以下、ピットＩＩＩ−窒化物層）まで材料品質が実質的に保存される。最初の層は窒化ガリウムを含むことができるので、ピット層は、それがまた窒化ガリウムまたはそれの合金を含む場合、最初のＩＩＩ−窒化物層の結晶品質、例えば同等の転位密度を実質的に保存している。
【００５３】
ピットＩＩＩ−窒化物層１２０は、水素化物（ハロゲン化物）気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、および分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を含めて様々な方法によって、エピタキシャル成長可能である。ピットのある（例えば、溝の付いた、深い穴のある）表面１２６で開く凝集またはクラスタ化成長ピット１２２になるピット状構造の形成および交差を促進するために、最初のＩＩＩ−窒化物層表面１１８の転位密度およびピット層１２０の成長条件が、最適化される。転位１０８は、成長ピット構造１２４をもたらすものとして図示されているが、成長ピット構造１２４は、さらに他の成長ピットと交差していないので、表面１２６に生成された表面開口は、クラスタ化または凝集領域１２２によって生成されたものほど顕著でない。
【００５４】
最初の層表面１１８の転位密度、および成長時間（または、同様な意味合いで、中間層の厚さ）は、凝集成長ピットの表面発現が適当な大きさに作られて確実に効果的にその上をオーバーグロースされるように選ばれる。その上、凝集成長ピットは、交差成長ピットから生じるその凝集成長ピットのベース領域に複数の転位を含むようにそのようなやり方で成長される。例えば、凝集成長ピット構造１２２は、６個の別個の転位を含む。
【００５５】
したがって、ピット層１２０は、相互接続された成長ピット特徴１２２（ボイド、凹み、その他）の間に散在する高品質窒化ガリウム１２８から成る、下にある基板１０２に対して平行な実質的に平らな上表面を含む。例えば、適当に開いた交差成長ピットは、普通、０．１μｍと１．０μｍの間の厚さを有するピット（中間）層に形成されることが分かった。
【００５６】
その上、或る実施形態では、かなりの表面転位網を有する最初のＩＩＩ−窒化物層を使用し、それによって、成長ピットの形成を促進し、成長ピット交差の確率を高めることが有利である可能性がある。したがって、本発明の或る実施形態では、最初のＩＩＩ−窒化物表面１１８は、５×１０7ｃｍ-2を超える表面転位密度を含むことがあり、または代替え実施形態では、１×１０9ｃｍ-2を超える表面転位密度を含むことがあり、または、最後に、他の代替え実施形態では、１×１０10ｃｍ-2を超える転位密度を含むことがある。
【００５７】
ピット中間層中の成長ピットの交差は、実質的に別個のボイドによって広げられた交差表面開口１２２を表面１２６に有する凝集領域（複数の成長ピットを持つ）を、好ましくはピットのある中間層全体にわたって実質的に一様な分布で、生じさせることを理解されたい。したがって、初めの表面転位が初めの表面１１８で実質的に一様な分布であることが好ましい。成長ピットは、最初のＩＩＩ−窒化物層の表面１１８に存在する転位の全てまたはいくつかから発生し、ピット中間層の全てまたは一部を通って広がる。例えば、交差転位１０４は、層１２０中に凝集ピット構造１２２の一部を形成するように交差する表面乱れ１１２を形成するものとして図示されている（図１Ａ）。
【００５８】
しかし、いくつかの表面転位は、凝集を引き起こさないことがある。例えば、転位１０６は、表面１１８に表面乱れを形成しないか、より少ない表面乱れを形成し、そのようなものとして、ピット層１２０中に成長ピット構造を誘起しない。転位１０６は、したがって、層１２０を通り抜けて伝播して表面１２６に発現し、そこに、結果として、多かれ少なかれ重大な表面乱れ１３０を生じることができる。その上、転位１０８は、中間層の形成中に成長ピット１２４を生成するが、プロセス条件および最初のＩＩＩ−窒化物層中の転位の分布密度のために、成長ピット１２４は、他の成長ピット構造と交差することができない。したがって、転位１０８は、表面１２６に単一開口１２４を形成し、この開口は、交差することができる成長ピットと比べて、横方向範囲が減少している。
【００５９】
さらに、いくつかのピット構造は、テンプレート表面１１８に直接隣接していないことがあり、代わりに、層１２０中の伝播する転位から発生することがある。そのような成長ピットは、したがって、ピットＩＩＩ−窒化物層１２０（この層は、表面１２６と表面１１８の間の材料全体を意味する）の全体を通して延びるとは限らない可能性がある。例えば、図１Ｂのピット構造１２４は、このピット構造の頂点が表面１１８に直接隣接しないように層１２０の中で伝播する転位１０８から発生している。成長ピットの大部分、または実質的に全て、またはさらにほとんど全ても、ピット層全体を通して延びる可能性があるが、いくつかの他の成長ピットは、ピット層の部分だけを通して延びることがあることを理解されたい。したがって、成長ピットがテンプレート層の表面１１８の転位の全てまたはいくつかから発生するという効果についての本明細書での陳述は、いくつかの成長ピット構造が実際に層１２０の中で発生する実施形態を除外するものと解釈されるべきでない。
【００６０】
図２は、上表面１２６と下表面１１８（最初のＩＩＩ−窒化物層１００の上表面である）の間のピット中間層１２０の一部（破線で範囲が定められている）を、典型的なやり方で表し、さらに、本発明の好ましい実施形態で一般に形成されるような個々の（交差しない）成長ピットおよび成長ピットクラスタ化または凝集を図示している。個々の成長ピットは、一般に、表面１２６での発現で六角形の形状になっている（ピット層の半導体材料が、六方晶系結晶構造を有するＩＩＩ−窒化物を含むとき）。交差しない成長ピット１２４は、幅（Ｗ１）の表面１２６とのインターセプトと、深さ（Ｄ１）と、角度の付いたファセット２０２を持った逆ピラミッド状構造とを有するものとして図示されている。転位２０４は、ピット層１２０の中へ伝播して成長ピット構造１２４の形成をもたらすものとして図示されている。成長ピット１２４の深さ（Ｄ１）は、限定でなく、ピット層１２０の一部だけを含むものとして図示されている。他の個々の成長ピットは、ピットＩＩＩ−窒化物層の全てを通して延びることができる。
【００６１】
対照的に、凝集構造１２２の交差成長ピットは、最初の窒化ガリウム層（この模式図には示されていない）で発生し表面１２６に発現して、ピットＩＩＩ−窒化物層１２０の全深さを含むものとして図示されている。成長ピットおよび成長ピット凝集の幅は、ピット層の表面で場所ごとに異なることがある。限定でなく、成長ピットが延びて現在半導体層の中へ入る範囲は、転位自体の特性に依存し、例えば、転位に関して、深さ（Ｄ）は螺旋、刃状および混合型構造で、さらに転位の歪みおよびバーガースベクトルで変わる可能性があると考えられ、さらにまた、表面１２６に開いている個々のピットの幅は、そのピットを誘起した転位の特性に部分的に依存し、例えば、Ｗは転位の型の本質、歪み、その他に依存する可能性があると考えられる。
【００６２】
また、成長ピットの幅は、ピットＩＩＩ−窒化物層の成長厚さに応じて大きくなる。例えば、個々の成長ピット１２４は、表面１２６とのインターセプトのところで幅（Ｗ１）を有するが、ピット層の厚さが減少すれば、成長ピットの幅は減少するだろう。図２に示されるように、ピットＩＩＩ−窒化物層成長のもっと初期の段階では、成長ピット１２４の幅はＷ’として与えられ、成長のもっと後の段階での成長ピット幅はＷとして与えられる。幅ＷがＷ’よりも大きいことは明らかである。ピット幅の増加は、成長ピットの直ぐ近くでの成長メカニズムに関連して、角度の付いたピットファセット０００と表面に平行な成長ファセットの間の表面エネルギーの差によっていると、限定でなく考えられる。このようにして、ピット構造は、発現転位によって生成される表面ゆがみを、横方向範囲と軸方向範囲の両方で強める。周囲の窒化ガリウム結晶の高品質を維持しながら転位の表面プロファイルおよび大きさをそのように広げること（転位拡大）によって、次の半導体層の表面が改善されるように、すなわち転位が少なくなるように処理すること、例えばオーバーグロースを行うことが、いっそう容易になる。
【００６３】
成長ピットの横方向範囲は、複数の成長ピット構造の交差によってさらに増大される。ピット凝集（または、クラスタ化）構造１２２は、３つの個々の成長ピットの交差が表面１２６にＷ2の横方向開口を生成することを表している。３つの成長ピット構造の個々のボイド領域は、組み合わさってかなり大きくなったボイド領域を形成し、組み合わさったボイド領域のベースに３つの個々の転位がある。
【００６４】
ピットのある半導体層１２０中の成長ピットおよび凝集成長ピットは、好ましくは、注意深く選ばれた成長パラメータを手段として生成される。或る実施形態では、層１２０の低温成長が、ピットの形成を高めることが分かった。この背景では、低温成長は、高品質ＩＩＩ−窒化物の堆積に一般に使用される温度（例えば、窒化ガリウムでは、約１０００〜１１５０℃）よりも低い成長温度として定義される。例えば、窒化ガリウム成長ピットを形成するための低温成長は、おおよそ９５０℃未満、またはおおよそ９００℃未満、または代わりにおおよそ８５０℃未満であるかもしれない。他の実施形態では、成長温度は、高品質膜成長に一般に使用される温度（例えば、窒化ガリウムでは、≒１０００〜１１５０℃）に保たれ、成長反応炉の圧力は、高品質ＩＩＩ−窒化物堆積に一般に利用される圧力よりも高くされる。例えば、窒化ガリウム膜では、成長圧力は、おおよそ１００ミリバールを超え、またはおおよそ２００ミリバールを超え、または代わりにおおよそ３００ミリバールを超えるかもしれない。他の実施形態では、ＩＩＩ−窒化物膜のドーピングレベルは、成長ピットの促進を高めるように変えられる。例えば、Ｓｏｎ等は、Ｓｉドーピングおよびボイド形成に及ぼす効果を調べ、ピット密度がＳｉドーピングにつれて減少することを発見した。成長ピット状構造の形成を促進する成長パラメータは、互いに無関係でない可能性があり、パラメータの様々な組合せが、ＩＩＩ−窒化物膜中の成長ピットの形成を高める可能性がある。
【００６５】
クラスタ化成長ピットの配列および密度は、クラスタ化成長ピットの部分の閉じ込めの直ぐ後で、閉じ込められた成長ピットから離れたところに、続いて起こるエピタキシャル核形成および次のエピタキシャル層の支持のために、十分な表面面積（例えば、重大な転位または不規則が少なくとも無い表面）が、残っているようなものでなければならない。一般に、層１２０の表面の初めの面積の少なくとも約２５％以上、好ましくは、少なくとも約５０％以上、より好ましくは少なくとも約７５％以上が、無傷で凝集成長ピット部分の無い状態で残っていなければならない。
【００６６】
図１Ｂｂに図示された本発明のさらに好ましい実施形態では、好ましくは、成長ピットおよび凝集成長ピット（好ましくは、より不規則な部分）の側面ファセットの一部が覆われ、一方で残り部分（好ましくは、より不規則でない部分）およびピットのない平らな材料が、続いて起こる材料成長に利用可能なままにしておかれるように、或るやり方で、マスキング材料１３１の薄い層が、ピット中間層１２０の表面に塗布される。好ましいマスキング材料は、ＩＩＩ窒化物成長に対して抗界面活性剤として作用する物質を含み、それによって、図１Ｂｂの構造のマスクされた部分での核形成の量を制限する。二次的な材料への抗界面活性剤の堆積は、付着係数（すなわち、化学種が表面に吸着する確率）を減少させることによって表面成長動力学を変える。したがって、ＧａＮの場合には、抗界面活性剤が、抗界面活性剤表面へのＧａの吸着および合体を実質的に排除することができ、引き続きＧａＮの核形成を妨げる。或る実施形態では、抗界面活性剤材料は、誘電体材料を含む。そのような材料の例は、シリコン酸化物、シリコン窒化物およびそれらの混合物を含む。
【００６７】
本発明の典型的な好ましい実施形態では、シリコン窒化物が誘電体マスキング材料１３１として利用される。シリコン窒化物は、当技術分野でよく知られているいくつかの方法、例えば、ＰＶＤ、ＭＢＥ、スパッタ堆積、およびスピンオンコーティング技術を使用して、成長ピット１２４および凝集成長ピット１２２の表面に形成可能である。しかし、基板が大気にさらされないで処理されるように（あたかもエクスサイチュ処理が行われるかのように）全成長手順を単一反応炉内で行うことが望ましいので、誘電体マスキング層の堆積は、進行する成長に利用される反応炉チャンバの中で行われることが有利である。エクスサイチュ処理を除外できることは、プロセスプロトコルを簡単化するだけでなく、装置簡単化によって稼働コストも低減する。
【００６８】
不連続なシリコン窒化物層は、ＣＶＤプロセスによって、例えば、当技術分野で知られている条件の下でガス状のシラン（ＳｉＨ4）およびアンモニア（ＮＨ3）から堆積可能である。ＩＩＩ−窒化物材料を生成するためのＣＶＤ反応炉は、しばしば、Ｖ族元素前駆物質としてＮＨ3を使用し、したがって、シリコン窒化物の堆積は、任意の追加の補助的な取付け具に加えて、反応炉チャンバに投入されるＳｉＨ4を追加することを必要とするだけである。シリコン窒化物層１３１の成長厚さは、好ましくは、ほぼ５Åと３０Åの間の平均値に、好ましくは、ほぼ２０Åより下に維持されて、さらに中間層物１２０の表面の実質的に平らな部分の上を覆うマスキング層被覆の不連続を保証する。
【００６９】
シリコン窒化物の薄い不連続層の堆積中、材料が、単一の非凝集成長ピット、凝集成長ピット並びに平らなピットのない材料の上を覆って堆積されるという点で、無秩序な堆積が実現される。
【００７０】
ＩＩＩ−窒化物材料の次の層での転位の減少をさらに促進するために、核形成を実質的に減少させ、ピット構造の上を覆う横方向オーバーグロースを促進するように、シリコン窒化物およびシリコン酸化物（および他の）マスキング材料が供給される。
【００７１】
クラスタ化ピット構造１２２および個々のピット構造１２４を有するピットＩＩＩ−窒化物層、例えば層１２０の成長後に、ピット構造は次に閉じ込められる（または、埋められ、橋を架けられるなど）。閉じ込め成長ステップは、成長ピット構造のベースにある転位が次のＩＩＩ−窒化物材料中に伝播するか、さらなる欠陥を誘起するのを実質的に妨げる。したがって、本発明の実施形態は、改善された品質を有する、すなわち減少された転位密度を有する次のＩＩＩ−窒化物材料を成長させることができる。本発明の好ましい実施形態は、ＩＩＩ−窒化物材料の次の層のオーバーグロースによって、ピット構造のベースにある転位を閉じ込める。オーバーグロース層は、高品質ＩＩＩ−窒化物材料１２８を含む表面１２６のピットのない上の高品質領域から核を成すことができ、それから、クラスタ化成長ピット構造およびそれに関連した転位の上を覆って成長することができ、それによって、欠陥材料を閉じ込め、さらに転位のさらなる伝播を防ぐ。
【００７２】
図１Ｃは、次のＩＩＩ−窒化物材料の層１３２の横方向成長の初期段階を図示する。少なくとも、層１３２が成長ピットの上にオーバーグロースし橋を架けるまで、当技術分野で知られているようにＥＬＯを促進する条件が、選ばれることがある。例えば、非特許文献４を参照されたい。その後で、条件は、垂直方向成長を促進するように変えられることがある。横方向成長は、ピット中間層１２０の表面１２６の高品質な上の平らなＩＩＩ−窒化物材料から実質的に核を成し、成長ピット構造のファセット領域からはほとんど核をなさない。したがって、次の層が核形成部分の結晶品質を受け継ぐように、横方向成長プロセスは、ファセットのあるピット構造の上にオーバーグロースを行って高品質ＩＩＩ−窒化物材料を生成する。
【００７３】
或る実施形態では、次のＩＩＩ−窒化物材料は、ピットＩＩＩ−窒化物層の材料の特性と厳密に似た関連した特性を有し、その結果として、あったとしても僅かの転位が層１２０と次の層１３２の間の界面から生じるようになる。それによって、次の層１３２は、最初の層１００およびピット層１２０よりも優れた品質、すなわちより少ない転位を有する。多くの実施形態では、層１３２の次の材料は、１２０のピット層材料と実質的に同じであり、例えば、ピット層が窒化ガリウムを含む場合には、次の層は窒化ガリウムまたは窒化ガリウムの合金を含むことがある。
【００７４】
次の層１３２の横方向オーバーグロースは、図１Ｄに図示されるように、連続した材料層が生成されるまで続けられる。より詳細には、転位１０４は、ＩＩＩ−窒化物層１３２のオーバーグロースによってオーバーグロースされ閉じ込められた凝集成長ピット中で発現しているので、転位１０４は、層１３２の中へ延びない。凝集成長ピットの大きさおよび間隔は、高品質ＥＬＯ成長を容易にするように最適化され、すなわち、ＥＬＯ成長フロント間の間隔は、合体中の転位形成を妨げる（しばしば、結晶中での傾きおよび捻りのために）レベルに保たれる。ＥＬＯ成長は図１Ｃに図示され、横方向成長は、次のＩＩＩ−窒化物層の材料の実質的に孤立した領域を生成し、ピット層の高品質で実質的に転位の無い半導体材料が成長の種部として作用する。引き続く横方向成長中に、次のＩＩＩ−窒化物層の材料は、連続した層を形成するように合体する。図１Ｄは、連続した次の層が、最初の層１００およびピット層１１８と比べて実質的に少ない転位を有することを図示している。ほとんどまたは実質的に全ての転位は閉じ込められるが、いくつかの転位が、例えば転位１０６が、次の層の中へ伝播することがある。欠陥１０６によって生成された表面開口の最初の横方向範囲は、成長ピットを誘起するのに不十分であったので（図１Ｂおよび図１Ｂｂに示されるように）、転位１０６は、最初の層１００を通り抜けて層１１８の中へ延びている。したがって、欠陥１０６は、次の層１３２の中でさらに伝播して発現表面欠陥開口１３０を生成することができる。
【００７５】
転位１０８は、他の成長ピット構造をインターセプトしない成長ピット構造１２４を生成した。一般に、孤立した成長ピットの上を覆う横方向成長は、図１Ｄに示されるように、合体中にさらに他の転位を生成しない。しかし、或る環境では（挿入図１３３によって示されるように）、孤立成長ピット１２４の上を覆う横方向成長の次の層への合体中に、転位１３４に発現するさらに他の転位１０８ａが生成されることがある。転位１０４は、凝集ピット構造を生成し、その凝集ピット構造は、オーバーグロース中に、広がったボイド領域１３６を形成する。凝集ピット構造に関連した転位１０４は、ボイド領域を通り抜けて伝播することができず、したがって、中間層の中で終端され、次のＩＩＩ−窒化物層中にさらに他の転位を生成することができない。
【００７６】
或る実施形態では、合体中に、次のＩＩＩ−窒化物層１３２の厚さは、所望の厚さが達成されるまで大きくされる（図示されない）。より詳細には、次の層は、述べられたように、横方向オーバーグロースによって形成されて連続した膜を生成する。次の層１３２の合体中に、層の材料の所望厚さをより効果的に生成するために、より多くの３次元成長モードが助長されることがある。
【００７７】
本発明の追加の好ましい実施形態がこれから説明される。第１の追加の実施形態は、図３Ａ〜Ｅに関連して説明され、ピット中間層の成長より前にエッチングステップが行われることを除いて、上の実施形態と同様である。第２の追加の実施形態は、図５Ａ〜Ｄに関連して説明され、最終層の品質がいっそう大きく改善されるように本発明の実施形態（例えば、図１Ａ〜Ｄの実施形態、図３Ａ〜Ｅの実施形態）を繰り返すことを含む。簡潔さのために、前に説明された実施形態の対応するステップに密接に関連づけられるこれらの追加の実施形態のステップは、ただ簡単にだけ説明される。また、図１Ａ〜Ｄの対応する要素に厳密に似ている図３Ａ〜Ｅおよび４Ａ〜Ｅの要素は、同じ参照番号で識別されている。
【００７８】
ここで、図３Ａ〜Ｅによって図示された追加の好ましい実施形態、特に図３Ａに注意を向けると、最初のＩＩＩ−窒化物層１００（例えば、窒化ガリウム）は、適当な基板１０２（例えば、サファイア）上に形成されている。最初の層１００は、最初の層と基板の材料の間の相違のために複数の転位１０４、１０６、および１０８を含んでいる（図３Ａ）。最初の層の転位は、表面１１８と交差し、結果として、個々の転位／転位の特性に依存して様々な程度の表面乱れを生じる。前に説明された実施形態に見られるように、転位１０６は、表面１１８にほとんどまたは全く乱れを生成しない。
【００７９】
この実施形態の方法では、最初のＩＩＩ−窒化物層の表面１１８は、ピット中間層の成長より前にエッチングプロセスにかけられる。エッチングプロセスは、ピット層の成長による拡大より前に、最初の層の表面転位の横方向範囲をある程度拡大するように作用する。そのようなエッチングは、最初の層１００の表面１１８に発現する転位の全てまたは実質的に全てによって生成される表面乱れの範囲を大きくすることによって、最初の層の表面転位を「飾る」と言われる。エッチングによって大きくなった、表面乱れの範囲は、エッチングの無い状態ではほとんどまたは全く表面乱れを生成しない転位（例えば、転位１０６）が、実際は、続いて起こる成長ピットのある層に成長ピットを誘起する確率を相当に高め、それによって、複数の成長ピットが交差してピット凝集領域を形成する確率をさらに高める。このようにして、表面１１８に発現した追加の転位（例えば、エッチングの無い状態では表面の結晶構造をほとんど乱さない表面発現を有する転位）は、ピット層１２０に成長ピット特徴を誘起し、成長ピット凝集の確率を高め、それによって最終層の中へ伝播するのを妨げられ、したがって最終層は、向上した品質の層である。
【００８０】
これから、そのような選択エッチングが、図３Ｂに関連してより詳細に説明される。「加飾」（また、「転位可視化」とも呼ばれる）ステップは、最初の表面１１８の転位に、または転位の直ぐ近くに空洞を形成して発現転位の表面乱れの範囲を大きくすることによって進行する。最初の層１１０の表面は、層１１０の材料（「最初の」材料）が表面転位（または、他の不規則領域）でまたはその近傍で、主にまたはもっぱら除去されるが、表面の欠陥の無い部分からは、仮に除去されるとしてもほとんど除去されないように、条件の下で、エッチングされる。それによって、層１１０の表面の転位のほとんどまたは全ての位置に、空洞（または、穴または凹み）３００、３０２、および３０４が形成される。転位エッチング条件は、結果として生じるエッチング空洞が、転位の主軸に沿って下に延びて、表面の最も幅の広い部分から深さと共に全体的に徐々に狭くなる全体的に円錐形または円筒形であるように形づくられ、大きさを作られさらに配列されるように選ばれることが好ましい。
【００８１】
表面を不規則領域で優先的にエッチングするエッチャント（例えば、エッチング液）は、当技術分野で知られており、これらのエッチャントのより「強力」でないものが、このエッチングステップに使用可能である。例えば、より強力でないものは、普通の状態に比べてより酸性の弱い、またはより塩基性の弱い、またはより酸化性の弱いものなどである。窒化ガリウムの特定の例では、転位選択エッチングは、インサイチュか、成長反応炉内か、堆積反応炉から材料を取り出すと同時にエクスサイチュかで行われることがある。プラズマ、光支援、湿式化学および気相エッチングが、利用可能な全ての方法である。多数のエッチング化学反応が使用可能である。例えば、一般的に利用される化学反応は、ハロゲン（例えば、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、およびヨウ化水素）、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、硫酸および燐酸を含む。実施形態例では、選択転位エッチングは、気相エッチングを利用して高温、例えば８００℃より上で、インサイチュで行われる。例えば、シラン（ＳｉＨ4）を含むガスが、知られたエッチング条件の下で使用可能である。インサイチュエッチングプロセスは、エッチングステップのコストおよび時間を減らす（例えば、ＣＶＤ反応炉への取込み取出しが無くなる）。
【００８２】
留意されるべきことであるが、より不規則でない表面１１８の部分は、より不規則な部分に別の方法で実現されるものに比べて、エッチングによって顕著に可視化されない可能性がある。例えば、非特許文献５を参照されたい。図３Ｂは、転位の発現／転位１０４（これらの転位は、今度は、基板１０２との界面１１０から発生している）にまたはその直ぐ近くにあるより不規則な表面領域１１２（図３Ａ）に形成されたより顕著なエッチング空洞３００と、転位１０６の発現にまたはその直ぐ近くにあるより不規則でない表面領域１１６に形成された余り顕著でない空洞３０２と、を図示している。エッチングステップのために、余り顕著でない転位でさえも今や、次のピット層に成長ピットを誘起し、したがって、ピット凝集の確率を高めるが、エッチングが無ければ、それらの余り顕著でない転位は、ピット層を通り抜けて最終層の中へ伝播する転位を誘起したかもしれない。
【００８３】
エッチングステップの完了と同時に、この実施形態は、前に説明されたように実質的に進むことができる。この場合に、ピット層１２０（例えば、窒化ガリウムを含む）が、選択エッチングされた最初のＩＩＩ−窒化物層から成長され、このピット層は、高品質材料の平坦な表面および凝集ピット構造３０６を含んでいる。しかし、図３Ｃは、転位１０６が今や、転位選択エッチングプロセスの結果として成長ピット構造を生成することを図示しているが、以前は、そのようなピット状特徴が生成されることはなかった（図３Ｃを図１Ｂまたは１Ｂｂと比較されたい）。したがって、欠陥加飾プロセスのせいで欠陥１０６によって生成された追加の成長ピットは、全ての転位の大きくなった横方向範囲が単一凝集ピット３０６を生成するように、生成されるピット凝集領域の横方向範囲を大きくする。
【００８４】
代わりに、エッチングされた最初の表面に成長されたばかりの中間層の表面が、さらにエッチングされることがある。さらなる代替えでは、中間層は、エッチングされない最初の表面に成長されるが（図１Ａ〜Ｄの実施形態のように）、中間層の表面が次にエッチングされることがある。また、さらに他の代替えでは、転位が十分に拡大されて中間層の成長を省くことができるように、エッチングステップが制御されることがある。
【００８５】
最後に、エッチングおよび中間層成長の順序とは関係なく、図３Ｄ〜Ｅは、ＩＩＩ−窒化物層が凝集成長ピット構造３０６に隣接する高品質ＩＩＩ−窒化物材料上で優先的に核を成すが、凝集成長ピット自体のファセット領域では、仮にするとしても滅多に核を成さないように、ＥＬＯ条件の下で、ＩＩＩ−窒化物層が成長されることを図示している。ＩＩＩ−窒化物成長のアイランド３０８は、表面１２６にでき、最初は凝集成長ピット構造の上を覆って横方向に成長し、例えば、凝集ピット構造３０６のベースにある転位１０４、１０６、および１０８の上にオーバーグロースする。横方向オーバーグロースは、アイランドが合体して実質的に連続した膜を形成するまで続く（図３Ｅ）。この実施形態例では、最初のＩＩＩ−窒化物層１００中の全ての転位は、単一凝集成長ピット構造を生成するように全て交差した成長ピットを誘起した。したがって、ＥＬＯプロセスは、下にある転位の伝播を妨げる凝集成長ピットの全範囲を埋めることができる。
【００８６】
最後に、ＥＬＯプロセスが完了すると同時に、成長モードは、層が所望の厚さに達するまで、より多くの垂直方向成長を促進するように変えられることがある（図示されない）。それによって、結果として生じた最終層は、最初の層に比べて減少した表面転位を有する。
【００８７】
図１Ｂｂに関連して既に簡単に説明された実施形態（すなわち、中間層またはエッチングされた（飾られた）最初の表面に誘電体マスキング材料の不連続層を堆積させること）が、これから図４Ａ〜Ｅに関連してさらに詳細に念入りに説明される。
【００８８】
本実施形態の方法は、図４Ａの半導体構造の利用を始め、図４Ａは、図１Ｂまたは３Ｃの半導体構造と同様な、同じ方法で形成されたが不連続なマスキング層も含む半導体構造を含む。したがって、図１Ｂまたは３Ｃの構造の形成方法は、簡潔さのためにここで繰り返さないが、それどころか、不連続マスキング層の形成と、続いて起こる成長方法および構造を含む追加のステップが説明される。また、図１Ａ〜Ｄ（および１Ｂｂ）および３Ａ〜Ｅの対応する要素に厳密に似た図４Ａ〜Ｅの要素は、同じ参照番号で識別される。
【００８９】
ここで図４Ａに注意を向けると、図４Ａは、適当な基板１０２（例えば、サファイア）上に形成された最初のＩＩＩ−窒化物層１００（例えば、窒化ガリウム）を含む。最初の層１００は複数の転位１０４、１０４’および１０８を含み、これらの転位は、前に概説されたように本発明の実施形態の方法を利用して結晶ファセット４００を持った凝集成長ピット構造３０６および成長ピット構造１２４をピット中間層１２０中に生成するために利用される。
【００９０】
マスキング材料１３１の薄い層が、ピット中間層１２０の表面に塗布されて、図４Ｂの構造を生成する。本発明の方法の或る実施形態では、マスキング材料は、誘電体マスキング材料の不連続層がピット中間層１２０に形成されるように堆積され、ピット中間層の部分（ピット３０６および１２４の結晶ファセットを含めて）はマスキング材料で覆われるが、ピット中間層１２０の他の部分はそのように覆われない。その上、誘電体マスキング材料１３１の不連続層は、図４Ｂに図示されるように、成長ピットおよび成長ピットの凝集の表面全体にわたって無秩序に分布されたシリコン窒化物を含むことがある。
【００９１】
より詳細には、マスキング材料は、ＩＩＩ窒化物成長に対して抗界面活性剤として作用する物質を含むことがあり、それによって、図４Ｂの構造のマスクされた部分での核形成の量を制限する。二次的な材料への抗界面活性剤の堆積は、付着係数（すなわち、化学種が表面に吸着する確率）を減少させることによって表面成長動力学を変える可能性がある。したがって、ＧａＮの場合には、抗界面活性剤は、抗界面活性剤表面上へのガリウムの吸着および合体を実質的に排除し、引き続きＧａＮの核形成を妨げる。或る実施形態では、抗界面活性剤材料は、誘電体材料を含むことがある。そのような材料の例は、シリコン酸化物、シリコン窒化物およびそれらの混合物を含むことがある。
【００９２】
非限定の例として、シリコン窒化物は、誘電体マスキング材料１３１として利用されることがある。シリコン窒化物は、当技術分野で知られているいくつかの方法、例えば、ＰＶＤ、ＭＢＥ，スパッタ堆積およびスピンオンコーティング技術を使用して、成長ピット１２４および凝集成長ピット構造３０６の表面に不連続に形成されることがある。しかし、処理される基板が大気にさらされないように単一反応炉内で全成長手順を行うこと（エクスサイチュ処理が行われる場合に、あるかもしれないように）が望ましい可能性があるので、誘電体マスキング層の堆積は、進行する成長に利用される反応炉チャンバ中で行われるのが有利な可能性がある。エクスサイチュ処理を排除できることは、プロセスプロトコルを簡単化するだけでなく、装置簡単化のせいで稼働コストも低減させる。
【００９３】
誘電体マスキング材料の不連続層は、ＣＶＤプロセスによって、例えば、当技術分野で知られている条件の下でガス状のシラン（ＳｉＨ4）およびアンモニア（ＮＨ3）から堆積されることがある。ＩＩＩ−窒化物材料を生成するＣＶＤ反応炉は、しばしば、Ｖ族元素前駆物質としてＮＨ3を使用し、したがって、シリコン窒化物の堆積は、任意の追加の補助取付け具に加えて、反応炉チャンバに投入されるＳｉＨ4を追加する必要があるだけである。シリコン窒化物層１３１の成長厚さは、好ましくは、ほぼ５Åと３０Åの間の平均値に、好ましくはほぼ２０Åより下に維持されて、ピット中間層１２０の上を覆うマスキング層被覆の不連続をさらに保証する。
【００９４】
シリコン窒化物１３１の薄い不連続な層の堆積時に、単一非凝集成長ピット１２４、凝集成長ピット３０６並びに平坦なピットのない材料１２６の上を覆ってマスキング材料１３１が無秩序に堆積されるような具合に誘電体マスキング材料１３１が中間層１２０全体にわたって無秩序に分布されるように、いくつかの堆積パラメータが、選ばれることがある。その上、誘電体マスキング材料１３１の不連続層は、ピット構造１２４、３０６の結晶ファセット４００の部分を覆い、一方でピット構造１２４、３０６の結晶ファセット４００の残り部分は、続いて起こる成長プロセスのために露出され利用可能な状態のままにしておかれることがある。
【００９５】
したがって、シリコン窒化物およびシリコン酸化物（および他の）マスキング材料は、核形成を実質的に減少させ、成長ピット１２４および成長ピットの凝集３０６のいくらかまたは全ての中からの横方向成長を促進するように供給され、それによって、成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての密閉を可能にし、さらにＩＩＩ−窒化物材料の次の層での転位の減少を促進する。
【００９６】
より詳細には、図４Ｃの半導体構造は、成長ピット構造１２４および凝集成長ピット構造３０６の露出部分からの複数の横方向成長領域４０２の初期段階を図示している。横方向成長４０２は、成長ピット構造１２４および凝集成長ピット構造３０６の結晶ファセット４００の露出部分からシードを供給されることがある。したがって、横方向成長領域４０２の初期段階は、誘電体マスキング材料が実質的に無い結晶ファセット４００の露出部分から核を成す。横方向成長を可能にする成長パラメータは、当技術分野で知られており、前に概説された。横方向成長領域は、横方向成長領域４０２の連続した成長と共に発展する（すなわち、成長方向に前進する）１つまたは複数の自由表面４０６を含むことがある。或る実施形態では、１つまたは複数の自由表面は、複数の発現転位の伝播方法を変えることがある。
【００９７】
図４Ｄの半導体構造は、成長ピットおよび成長ピットの凝集のいくらかまたは全ての中からの横方向成長を助長するように選ばれた第３のエピタキシャル成長条件の下での、中間層上のエピタキシャル成長を図示する。例えば、横方向成長領域４０２の継続する横方向成長は、横方向成長領域４０２が合体して合体横方向成長領域４０２’を形成するまで行われることがある。成長ピット構造および成長ピット構造の凝集の結晶ファセットの露出領域からの横方向成長は、複数の機能空洞４０４を生成することがあり、その複数の機能空洞の各々は、誘電体マスキング材料が実質的に無い１つまたは複数の自由表面４０６を含むことがある。
【００９８】
複数の機能空洞４０４の１つまたは複数の自由表面４０６は、複数の発現転位が複数の機能空洞と交差するような具合に複数の発現表面転位の伝播方向を変えることがある。例えば、図４Ｄの発現転位１０４は、曲がって機能空洞４０６と交差するように図示され、また発現転位１０８は、機能空洞４０２’をインターセプトするように図示されている。
【００９９】
本発明の追加の実施形態は、また、機能空洞４０４の１つまたは複数の自由表面４０６’で複数の発現表面転位（例えば、転位１０４）を終端させることを含む。より詳細には、横方向成長プロセス中、機能空洞の１つまたは複数の自由表面は、発現表面転位にそれの伝播方向を変えるように仕向けることがある。
【０１００】
自由表面は、半導体材料の次の層が最初の半導体表面よりも少ない表面転位を有するように複数の発現表面転位のさらなる伝播を妨げるように作用する。
【０１０１】
本発明の方法の他の実施形態では、発現表面転位は、伝播方向を変え、二次的な発現表面転位をインターセプトすることがある。２つのインターセプトする発現表面転位は、その発現表面転位が或る物理特性を有するとき、すなわち２つのインターセプトする発現表面転位が等しく反対のバーガースベクトルを有するとき、互いに消滅することがある。本発明の方法のそのような実施形態は、発現転位１０４’によって図４Ｄに図示されている。図４Ｄに明らかに図示されているように、発現表面転位１０４’は、本発明の方法（すなわち、凝集成長ピット形成、不連続マスキング材料堆積および横方向成長を含む）によって伝播方向を変え、互いにインターセプトし合って転位１０４’の消滅をもたらし、さらにＩＩＩ−窒化物材料中の転位密度のさらなる減少をもたらす。
【０１０２】
本発明の方法の他の実施形態では、発現表面転位は、機能空洞の自由表面をインターセプトせず、その自由表面で終端しないことがあり、その上、等しい反対のバーガースベクトルを持った二次的な発現表面転位をインターセプトしないことがある。そのような例では、発現表面転位は、終端されることなしに半導体構造を通り抜けて伝播することがある。例えば、図４Ｄの発現転位１０８は、機能空洞４０４’をインターセプトするように図示されている。しかし、発現転位１０８は、機能空洞４０４の誘電体マスキング材料をインターセプトし、したがって、次の半導体材料１３２（図４Ｅ）に発現転位１０８’として複製されることがある。
【０１０３】
図４Ｅの半導体構造は、次の半導体層１３２のエピタキシャル成長を図示している。実質的に連続した次の半導体層１３２は、前に概説された本発明の方法の実施形態により最初の半導体表面よりも少ない表面転位を有することがある。
【０１０４】
図４Ｅに図示されるように、発現転位１０４は、機能空洞４０４の自由表面４０６’で終端されることがあり、したがって、次の半導体層１３２に伝播しないことがある。その上、発現転位１０４’は、本発明の方法によって互いにインターセプトし互いに消滅することがあり、したがって、そのような転位は、次の半導体層１３２の中へ伝播しないことがある。しかし、発現転位１０８は、機能空洞４０４’を通り越して伝播し、次の半導体層１３２の中へ伝播し、さらに次の半導体層１３２を通り抜けて伝播することがある。
【０１０５】
本発明の実施形態は、また、概説された方法によって形成された半導体構造を含むことがある。例えば、ＩＩＩ族−窒化物半導体構造は、複数の機能空洞４０４を含む第１の層４０８を備えることがあり（図４Ｅを参照されたい）、各機能空洞は、１つまたは複数の自由表面４０６を含むことがある。１つまたは複数の自由表面４０６には、誘電体マスキング材料１３１が実質的に無い可能性があるが、一方で、その複数の機能空洞は、また、誘電体マスキング材料１３１に隣接する１つまたは複数の境界表面４１０を含むこともあり、境界表面４１０は、マスキング材料が堆積された機能空洞の表面を含むことがある。
【０１０６】
半導体構造は、また、複数の転位１０４を含むことがあり、複数の転位は、第１の層４０８の機能空洞４０４の各々の１つまたは複数の自由表面４０６’をインターセプトすることがあり、その自由表面４０６’で複数の転位が終端することがある。半導体構造は、また、第１の層４０８の上にあって第１の層よりも少ない転位を有する連続した次の層１３２を含むことがある。本発明の或る実施形態では、複数の機能空洞４０４は、第１の層４０８の中に頂点４１２を含むことがあり、機能空洞の頂点は、第１の層の厚さ全体にわたって無秩序に分布することがあり、すなわち、頂点が第１の層全体にわたって様々な厚さに位置付けされるように無秩序に分布することがある。
【０１０７】
追加の好ましい実施形態は、本発明の他の実施形態（例えば、図１Ａ〜Ｄの実施形態、図３Ａ〜Ｅの実施形態、または他の実施形態）を１回または複数回繰り返し、ここで、図５Ａ〜Ｄに関連して説明される。各繰返しから結果として生じた各次の層は、連続的に改善された品質を有し得る。
【０１０８】
最初に図５Ａに注意を向けると、この図は、本発明の実施形態を一度実施することで結果として生じることがある構造を図示している。簡潔さと便宜のために、この構造は、図１Ａ〜Ｄに図示されたステップによって生成された、図１Ｄに図示された構造と同じものとして図示されている。図５Ａ（および図１Ｄ）に図示されるように、転位１０６は、半導体層１３２の中へ、さらに半導体層１３２を通り抜けて伝播し、結果としてＩＩＩ−窒化物表面１３８に表面乱れ１３０を生じている。その上、成長ピット構造を生成することはできたが他の成長ピット構造と交差することができなかった転位１０８は、合体のすぐあとで成長ピット構造の上方で転位１０８ａとして伝播し、結果として表面層１３８に発現転位１３４を生じている。
【０１０９】
次に、前に説明されたステップが、この構造に応用される。図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄの主要部分は、図１Ｂ（および図１Ｂｂも）、図１Ｃおよび図１Ｄをそれぞれもたらすステップと同様な対応するステップが図５Ａから始まって行われたときの結果を図示している。代わりに、図１Ｂｂに図示された誘電体マスキングステップおよび図３Ｂに図示されたエッチングステップの一方または両方が、この繰返し中に行われることもあり得る。
【０１１０】
先ず、図５Ｂ〜Ｄの主要部分に注意を向けると、図５Ｂは、成長ピットの形成およびそのような成長ピットのインターセプションを促進して凝集ピット構造５００を生成する、前に概説された条件の下で、さらに他のＩＩＩ−窒化物層５０２を成長することを図示する。凝集成長ピット構造５００は、（前に、次の層１３２を通り抜けて表面１３８に伝播した）転位１０６および１０８の表面発現の表面乱れによって誘起される。
【０１１１】
図５Ｃは、さらに他の次の層５０４を図示し、この層５０４は、前に説明されたように、別個の成長フロントが合体するまで（図５Ｄ）、ピットＩＩＩ−窒化物層５０２の凝集ピット領域の上を覆って最初に成長され、それによって、減少された転位密度を有する最終層を生成する。必要であれば、好ましい厚さのさらに他の次の層５０４が形成されるまで、より多い垂直方向成長モードで成長が行われる。
【０１１２】
図示されるように、ここで転位１０６および１０８は、ピット層５０４に凝集部分５００を形成するように交差成長ピットを誘起し、ＥＬＯを使った他の次の層５０４の続いて起こる成長が、この凝集領域を閉じ込める。したがって、これらの追加の転位は、この層で終端され、さらに他の次の層５０４の中へ、またはこの層５０４を通り抜けて伝播しない。それによって、第２の次の層５０４は、第１の次の層１３２よりも優れた品質を有し、この層１３２は、今度は、最初の層１００よりも優れた品質を有している。特に、層５０４中の転位の密度は、層１３２よりも少なく、層１３２は、今度は、層１００よりも少ない。
【０１１３】
最後に、本発明は、この発明の方法によって生成された半導体構造を含み、この半導体構造は、この発明の方法が１回または複数回行われたことを証拠の中に含んでいる。そのような半導体構造は、図１Ｄのように、複数の拡大された交差する転位構造、例えば１つまたは複数の成長ピットと交差しかつ構造の内部の面に沿って配列された成長ピット、を典型的に含む実施形態のただ１回の繰返しの証拠を含むことがある。さらに他のそのような半導体構造は、前の実施形態の証拠または２回の繰返しを示すことがある。図５Ｄのように、そのような証拠には、典型的に、複数の凝集ピット構造を形成する複数のインターセプトする成長ピットが配列された、複数の間隔を空けて配置された面があることがある。好ましくは、インターセプトする転位構造の密度は、最終表面に向かって面ごとに減少している。
【０１１４】
上で説明された実施形態は、典型的なものであり限定でない意図である。例えば、本発明の方法は、本発明の前述の原理および目標の範囲内にある本発明の基本的なステップ、例えば転位拡大、転位交差、および層オーバーグロース、の様々な数の繰返しおよび様々な配列を含むことができる。さらに、代替え実施形態では、転位拡大は、ピット層の成長またはエッチングなど以外で行われることがある。
【実施例】
【０１１５】
図６Ａ〜Ｂは、本発明の好ましい実施形態によって生成された窒化ガリウム構造を図示する。具体的には、初めのＧａＮ層の成長のために、（０００１）サファイア基板を利用した。（不要な汚染物質を除去するための基板洗浄サイクル（例えば、水素含有雰囲気中での高温ベーク）、基板の上表面の窒化、または成長材料とベース基板の両方の化学的性質に依存したさらに他の表面前処理を含めていくつかのプロセス段階が、成長より前に行われることがあることに留意されたい。）窒化ガリウム層１００の成長は、約５００℃の温度で２０分間の核形成層の堆積で始まった。引き続き、核形成層の熱処理および高品質窒化ガリウムの成長のために、反応炉の温度を上げた。この実施例では、反応炉内の温度を、２０分の時間で１１００℃の温度に上げ、成長を９０分間行い、約１．０〜２．５μｍの層厚さを生成した。それから、反応炉の温度を、ピット中間層１２０の成長のために約８９０℃に下げ、この実施例では、この下げた温度での成長を、約１５０ｎｍのピット層厚さが生成されるまで９０分間続けた。
【０１１６】
図６Ａは、（図１Ａおよび１Ｂに模式的に図示された）上のステップの完了後のＧａＮ構造の、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）によって生成された像を示す。気付かれるように、表面は、高品質窒化ガリウム６００およびピット状構造の六角形の暗い表面開口、例えばピット状構造６０２および６０４を含んでいる。ピット構造６０４に似たピット構造は、クラスタ化されていない単一の成長ピットであり、図１Ｂの、転位１０８により生成された成長ピットに似ている。ピット構造６０２に似たピット構造は、複数の成長ピットが交差した凝集部分であり、図１Ｂの構造１２２に似ている。（選ばれたクラスタ化構造だけがラベル表示されている。他のクラスタ化構造は、この図で明らかである。）ピット構造６０２に似た凝集ピット構造は、ピット構造６０４に似た個々のピット構造に比べて、ＩＩＩ−窒化物層でのそれの表面開口の横方向範囲が大きくなっている。
【０１１７】
図６Ａに示された例の窒化ガリウム表面６００は、さらなる成長プロセス、例えば次の低転位窒化ガリウム材料を生成するための成長ピットおよびピット凝集部分の横方向オーバーグロース、に申し分なく適していた。この構造は成長反応炉中に元通りに置かれ、バルク成長の初期段階用の温度および前駆物質流れのパラメータはＥＬＯ用に最適化され、結果として２Ｄ成長モードになった。ＩＩＩ−窒化物が合体して連続した膜になった直ぐ後で、前駆物質流れのパラメータを、残りのバルクＧａＮ材料の成長用に再び変えた。
【０１１８】
図６Ｂは、（図１Ｃおよび１Ｄに模式的に図示された）プロセスの横方向オーバーグロース段階の完了時のＩＩＩ−窒化物サンプルの断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。このＴＥＭ像の下の部分（水平な点線の下）は、図１Ｄのピット中間層１１８に対応し、そのようなものとしてラベル表示されている。上の部分は、横方向オーバーグロースによって生成されたＩＩＩ−窒化物材料の次の層、すなわち図１Ｄの領域１３２に似ており、再びそのようなものとしてラベル表示されている。
【０１１９】
円６０６の中の領域は、転位６０８によって生成された単一成長ピットを図示している。横方向オーバーグロースおよび合体中に、初めの転位は、ＩＩＩ−窒化物材料の次の層の中で転位６０８ａとして伝播した。この図は、単一のクラスタ化されない成長ピットは、転位伝播を妨げるのに成功しない可能性があることを図示している。
【０１２０】
円６１０内の領域は、転位６１２によって誘起された複数の成長ピットの交差によって形成された凝集部分を図示している。いくつかの交差成長ピット構造の概略は、領域６１０の中に見つけることができる。特に、成長ピット６１４は、他の成長ピットと交差している。点線のより上の上部分では、ＧａＮが凝集６１４の上に横方向オーバーグロースしていること、および初めの転位６１２が全く見えないことが理解できる。転位６１２は、本発明の凝集およびオーバーグロースプロセスによって終端されたものと考えられる。したがって、横方向オーバーグロース領域１３２中の転位の数は、下の領域１１８の転位の数よりも少ない。窒化ガリウムの最終表面転位密度はおおよそ５×１０7ｃｍ-2未満で観察された。
【０１２１】
上に与えられた実施例では、説明された物理パラメータ、例えば時間、温度などは、典型的なものに過ぎず、限定とみなされるべきでないことを理解されたい。例えば、成長温度範囲、成長時間などは、ＩＩＩ−窒化物、例えばＧａＮに適している。他のＩＩＩ−窒化物材料では、これらのパラメータは異なることがあり得る。
【０１２２】
上で説明された本発明の好ましい実施形態は、本発明の範囲を限定しない。その理由は、これらの実施形態は、本発明のいくつかの好ましい態様の例示であるからである。どんな同等な実施形態でも、本発明の範囲内である意図である。実際、本明細書で示され、説明されたものの外に本発明の様々な修正物、例えば、説明された要素の有用な代替えの組合せなどは、次の記述から当業者には明らかになるだろう。そのような修正物は、また、添付の特許請求の範囲内に含まれる意図である。下記で（および、全体としての出願で）、タイトルおよび説明文は、ただ明確さと便宜のためだけに使用される。
【０１２３】
いくつかの参考文献が本明細書で引用され、その参考文献の全開示は、全ての目的のために参照してその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、引用された参考文献のどれも、上でどの様に特徴付けられたかとは無関係に、ここで特許請求される内容の本発明に先立つものと認められない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0005571679.tif 000003
【図１Ｂｂ】
0005571679.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0005571679.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
0005571679.tif 000018
【図５Ｂ】
0005571679.tif 000019
【図５Ｃ】
0005571679.tif 000020
【図５Ｄ】
0005571679.tif 000021
【図６Ａ】
0005571679.tif 000022
【図６Ｂ】
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