(57)【要約】主表面に存在する結晶性低下帯の幅を狭くした非極性または半極性ＧａＮウエハを提供する。第一主表面と、その反対側にある第二主表面とを有し、該第一主表面はＭ面に平行またはＭ面に対して傾斜しており、該傾斜が存在する場合においては該傾斜をａ軸方向成分およびｃ軸方向成分に分解したときの該ａ軸方向成分の絶対値が５°以下かつ該ｃ軸方向成分の絶対値が４５°以下である、ＧａＮウエハであって、該ＧａＮウエハは、ｃ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を該第一主表面上に有し、該結晶性低下帯の幅は１９０μｍ未満である。
2017010166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主表面と、その反対側にある第二主表面とを有し、該第一主表面はＭ面に平行またはＭ面に対して傾斜しており、該傾斜が存在する場合においては該傾斜をａ軸方向成分およびｃ軸方向成分に分解したときの該ａ軸方向成分の絶対値が５°以下かつ該ｃ軸方向成分の絶対値が４５°以下である、ＧａＮウエハであって、ｃ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を該第一主表面上に有し、該結晶性低下帯の幅が１９０μｍ未満であることを特徴とするＧａＮウエハ。
【請求項２】
前記結晶性低下帯の幅が１５０μｍ未満である、請求項１に記載のＧａＮウエハ。
【請求項３】
前記結晶性低下帯の幅が１２０μｍ未満である、請求項２に記載のＧａＮウエハ。
【請求項４】
前記第一主表面のうち外縁から３ｍｍ以上離れた領域で測定される（１００）面のＸ線ロッキングカーブ半値全幅が、前記結晶性低下帯を除き０．０１°未満である、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
【請求項５】
｛１０−１０｝ウエハ、｛１０−１１｝ウエハ、｛１０−１−１｝ウエハ、｛２０−２１｝ウエハ、｛２０−２−１｝ウエハ、｛３０−３１｝ウエハまたは｛３０−３−１｝ウエハである、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
【請求項６】
４５〜５５ｍｍの直径を有する円盤であり、前記第一主表面上に有する前記結晶性低下帯の本数が１以上３以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
【請求項７】
更に、ａ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を前記第一主表面上に有する、請求項１〜５のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
【請求項８】
９５〜１５５ｍｍの直径を有する円盤である、請求項７に記載のＧａＮウエハ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のＧａＮウエハを準備することと、該準備したＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体を気相エピタキシャル成長させてデバイス構造を形成することと、を含む窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非極性または半極性ＧａＮ（窒化ガリウム）ウエハに関する。本明細書にいうＧａＮウエハは、特に断らない限り、ＧａＮのみで構成された自立ＧａＮウエハを意味する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮは、III−V族化合物半導体の一種であり、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を備える。
不純物でドープすることにより、ＧａＮは導電性とすることができる。Ｏ（酸素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）などがｎ型不純物として知られている。Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）などがｐ型不純物として知られている。  ＧａＮを高抵抗の絶縁体とするために用いられる不純物もあり、その代表例はＦｅ（鉄）である。【０００３】
Ｃ面に対し大きく傾斜した主表面を有する非極性または半極性ＧａＮウエハが、特性の改善された窒化物半導体デバイス用の基板として期待されている（非特許文献１）。窒化物半導体は、窒化物系III−V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、ＧａＮ系半導体、などとも呼ばれ、ＧａＮの他に、ＧａＮのＧａの一部または全部が、他の周期表１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ）に置換された化合物を含む。一例を挙げれば、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等である。
非極性ＧａＮウエハの中で特に注目されているのは、（１０−１０）ウエハ、すなわちＭ面ウエハである。半極性ＧａＮウエハの中で特に注目されているのは、（２０−２１）ウエハ、（２０−２−１）ウエハ、（３０−３１）ウエハおよび（３０−３−１）ウエハである。【０００４】
非極性または半極性ＧａＮウエハは、Ｃ面ＧａＮウエハまたはＣ面ＧａＮテンプレートのＧａＮ（０００１）表面上にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法で成長させたバルクＧａＮ結晶を、所望する非極性または半極性面に平行にスライスする方法で製造することができる。ただし、ＧａＮ（０００１）表面上に安定的に気相成長させ得るＧａＮ結晶の厚さは、通常、数ｍｍ以下であることから、この方法で作製される非極性または半極性ＧａＮウエハの面積は限られている。この方法で２インチウエハ（直径約５０ｍｍの円盤形ウエハ）のような大面積ウエハを工業的に生産することは極めて困難である。【０００５】
この問題を解決するために考案されたのがタイリング法である。タイリング法では、集合シードを用いる。集合シードとは、複数のシードを結晶方位が揃うように密に並べたものである。複数のシードからなる集合シード上に、ひとつの連続した層をなすバルクＧａＮ結晶がＨＶＰＥ法でエピタキシャル成長される（特許文献１〜４）。主表面のｃ軸方向のサイズが数ｍｍ足らずのＭ面ＧａＮウエハを複数枚集めて構成した集合シードを用いることにより、直径約５０ｍｍのＭ面ＧａＮウエハを実現することが可能となる。【０００６】
転位等の欠陥が少ない高品質のＧａＮ結晶を成長させ得る方法のひとつとして、アモノサーマル法が知られている（特許文献５）。アモノサーマル法では、超臨界または亜臨界状態のアンモニアを溶媒に用いて、ＧａＮ単結晶をシード上に析出させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３１５９４７号公報
【特許文献２】特開２００８−１４３７７２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７５１７１号公報
【特許文献４】特開２０１１−０２６１８１号公報
【特許文献５】国際公開第２０１４／１２９５４４号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Po Shan Hsu, Matthew T. Hardy, Erin C. Young, Alexey E. Romanov, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and James S. Speck, Applied Physics Letters 100, 171917 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
タイリング法を用いて成長されたバルクＧａＮ結晶では、隣接するシード間の境界の上方で成長した部分の結晶性が低くなる。かかるＧａＮ結晶をスライスして製造される非極性または半極性ＧａＮウエハは、この結晶性低下部が帯状に露出した領域である結晶性低下帯を、その主表面に有している。
主表面に結晶性低下帯を有する非極性または半極性ＧａＮウエハを用いて窒化物半導体デバイスを製造する場合、結晶性低下帯の直上に形成された素子は、同じウエハ上の他の部分に形成された素子に比べ、特性や信頼性の点で劣ったものとなるであろう。従って、結晶性低下帯の幅を狭くすることができれば、かかる非極性または半極性ＧａＮウエハを用いて製造される窒化物半導体デバイスの歩留りが向上するであろう。
そこで、本発明では、主表面に存在する結晶性低下帯の幅を狭くした非極性または半極性ＧａＮウエハを提供することを、主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態には、以下に記載のＧａＮウエハが含まれる。
（１）第一主表面と、その反対側にある第二主表面とを有し、該第一主表面はＭ面に平行またはＭ面に対して傾斜しており、該傾斜が存在する場合においては該傾斜をａ軸方向成分およびｃ軸方向成分に分解したときの該ａ軸方向成分の絶対値が５°以下かつ該ｃ軸方向成分の絶対値が４５°以下である、ＧａＮウエハであって、ｃ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を該第一主表面上に有し、該結晶性低下帯の幅が１９０μｍ未満であることを特徴とするＧａＮウエハ。
（２）前記結晶性低下帯の幅が１５０μｍ未満である、（１）に記載のＧａＮウエハ。
（３）前記結晶性低下帯の幅が１２０μｍ未満である、（２）に記載のＧａＮウエハ。
（４）前記第一主表面のうち外縁から３ｍｍ以上離れた領域で測定される（１００）面のＸ線ロッキングカーブ半値全幅が、前記結晶性低下帯を除き０．０１°未満である、（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
（５）｛１０−１０｝ウエハ、｛１０−１１｝ウエハ、｛１０−１−１｝ウエハ、｛２０−２１｝ウエハ、｛２０−２−１｝ウエハ、｛３０−３１｝ウエハまたは｛３０−３−１｝ウエハである、（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
（６）４５〜５５ｍｍの直径を有する円盤であり、前記第一主表面上に有する前記結晶性低下帯の本数が１以上３以下である、（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
（７）更に、ａ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を前記第一主表面上に有する、（１）〜（５）のいずれかに記載のＧａＮウエハ。
（８）９５〜１５５ｍｍの直径を有する円盤である、（７）に記載のＧａＮウエハ。
（９）前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＧａＮウエハを準備することと、該準備したＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体を気相エピタキシャル成長させてデバイス構造を形成することと、を含む窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
主表面に存在する結晶性低下帯の幅を狭くした非極性または半極性ＧａＮウエハが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第一実施形態に係るＭ面ＧａＮウエハの一例を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示すＭ面ＧａＮウエハの平面図であり、図２（ｂ）は、図１に示すＭ面ＧａＮウエハの断面図である。
【図３】図３は、第一実施形態に係るＭ面ＧａＮウエハの一例を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）は、複数のタイリング用ＧａＮシードを、密に並べた状態で、平坦なプレートの表面に貼り付けたところを示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す複数のタイリング用ＧａＮシードに平坦化加工後を施した後の様子を示す断面図である。
【図５】図５は、集合シードとその上にエピタキシャル成長したバルクＧａＮ結晶とからなる複合体の断面図を示す。
【図６】図６は、複数のタイリング用ＧａＮシードを互いに離間した状態で平坦なプレートの表面に貼り付けて平坦化加工を施した後の様子を示す断面図である。
【図７】図７は、集合シードとその上にエピタキシャル成長したバルクＧａＮ結晶とからなる複合体の断面図を示す。
【図８】図８は、図５に示す複合体を円筒形に加工した後の断面図であり、破線は、該複合体をスライスして図１に示すＧａＮウエハを得る際のスライス位置を示している。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施例のＭ面ＧａＮウエハの主表面上をｃ軸方向に延びる測定ライン上において、約２７μｍ毎の（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭを測定した結果を表すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、比較例のＭ面ＧａＮウエハの主表面上をｃ軸方向に延びる測定ライン上において、約２７μｍ毎の（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭを測定した結果を表すグラフである。
【図１１】図１１は、ＧａＮウエハの主表面のＭ面からの傾斜θと、そのｃ軸方向成分θｃおよびａ軸方向成分θａとの関係を示す図面である。
【図１２】図１２は、Ｘ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線源とＧａＮウエハと検出器の配置を示す模式図であり、図１２（ａ）は、ＧａＮウエハの主表面に平行かつＸ線の入射面に垂直な方向から見たところを、図１２（ｂ）は、ＧａＮウエハの主表面に垂直な方向から見たところを、それぞれ示す。
【図１３】図１３は、おもて面と側面とがなす角度が鈍角（＞９０°）となったタイリング用ＧａＮシードの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＧａＮ結晶では、［０００１］および［０００−１］に平行な結晶軸がｃ軸、＜１０−１０＞に平行な結晶軸がｍ軸、＜１１−２０＞に平行な結晶軸がａ軸と呼ばれる。また、ｃ軸に直交する結晶面がＣ面（C-plane）、ｍ軸に直交する結晶面がＭ面（M-plane）、ａ軸に直交する結晶面がＡ面（A-plane）と呼ばれる。
以下において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、ＧａＮ結晶の結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味するものとする。
ＧａＮウエハの名称に付される結晶面の名称またはミラー指数は、当該ウエハの２つの主表面のうち、半導体デバイスの形成や結晶のエピタキシャル成長に使用することが意図された側の主表面と平行または最も平行に近い低指数面のそれである。
例えば、かかる主表面と平行または最も平行に近い低指数面がＭ面すなわち｛１０−１０｝であるＧａＮウエハは、Ｍ面ウエハまたは｛１０−１０｝ウエハと呼ばれる。
通常は、ミラー指数｛ｈｋｍｌ｝における整数ｈ、ｋ、ｍおよびｌの絶対値がいずれも３以下である結晶面が、低指数面とされる。
【００１４】
１．第一実施形態
本発明の第一実施形態は、ＧａＮウエハに関する。
図１は、第一実施形態に係るＧａＮウエハの一例を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１に示すＧａＮウエハ１０の平面図である。図２（ｂ）は、図１に示すＧａＮウエハ１０の断面図であって、ａ軸に直交する平面で切断したときに形成される切断面を示している。
図１および図２を参照すると、ＧａＮウエハ１０は円盤の形状を有するＭ面ウエハであり、第一主表面１１と、該第一主表面の反対側の第二主表面１２とを有している。第一主表面１１と第二主表面１２は、側面１３を介してつながっている。第一主表面１１と第二主表面１２は、好ましくは、互いに平行である。
【００１５】
第一主表面１１は、窒化物半導体デバイスの形成やＧａＮ結晶のエピタキシャル成長等に使用することが意図された主表面であり、これらの目的に適した平坦面に仕上げられている。例えば、ＡＦＭで測定した第一主表面１１の根二乗平均（ＲＭＳ）粗さは、測定範囲１０μｍ×１０μｍにおいて通常５ｎｍ未満、好ましくは２ｎｍ未満、より好ましくは１ｎｍ未満である。
第一主表面１１は、Ｍ面に対して５°程度まで傾斜していてもよい。傾斜方向に限定は無いが、好ましくは、第一主表面１１のＭ面からの傾斜をｃ軸方向成分とａ軸方向成分とに分解したとき、ｃ軸方向成分の絶対値がａ軸方向成分の絶対値より大きくなるようにする。
【００１６】
ＧａＮウエハの主表面のＭ面からの傾斜と、そのｃ軸方向成分およびａ軸方向成分との関係は、図１１に示す通りである。
ＧａＮウエハの主表面のＭ面からの傾斜とは、換言すれば、該主表面の法線ベクトルＮの、ｍ軸からの傾斜θである。該傾斜θをｃ軸方向成分とａ軸方向成分に分解するには、該法線ベクトルＮをＡ面平行成分Ｎ//ＡとＣ面平行成分Ｎ//Ｃに分解する。Ａ面平行成分Ｎ//ＡはＡ面上における法線ベクトルＮの正射影であり、Ｃ面平行成分Ｎ//ＣはＣ面上における法線ベクトルＮの正射影である。Ａ面平行成分Ｎ//Ａのｍ軸に対する傾斜が、傾斜θのｃ軸方向成分θｃであり、Ｃ面平行成分Ｎ//Ｃのｍ軸に対する傾斜が、傾斜θのａ軸方向成分θａである。
【００１７】
特に好ましい例においては、第一主表面のＭ面に対する傾斜のｃ軸方向成分の絶対値が２〜５°、かつ、ａ軸方向成分の絶対値が１°未満である。ｃ軸方向成分は正であっても負であってもよいが、好ましくは負である。ここで、ｃ軸方向成分が正であるとは、第一主表面の法線ベクトルのＡ面平行成分Ｎ//Ａが、ｍ軸に対し［０００１］側に傾いていることを意味し、ｃ軸方向成分が負であるとは、第一主表面の法線ベクトルのＡ面平行成分Ｎ//Ａが、ｍ軸に対し［０００−１］側に傾いていることを意味している。
【００１８】
ＧａＮウエハ１０は、自立ウエハとして取り扱い得る厚さを有している。直径４５〜５５ｍｍ（約２インチ）の円盤形ＧａＮウエハの場合、自立ウエハとして取り扱い得るために必要な最低限の厚さは１５０〜２００μｍであり、好ましい厚さは２５０μｍ以上、更には２８０μｍ以上である。直径がより大きい場合は、好ましい厚さもより大きくなる。
ＧａＮウエハ１０の厚さに特に上限は無いが、通常は１ｍｍ以下であり、直径４５〜５５ｍｍのウエハの場合には、好ましくは４００μｍ以下である。
【００１９】
ＧａＮウエハ１０は、各々がｃ軸と直交する方向に延びる３本の結晶性低下帯１４を、第一主表面１１に有している。結晶性低下帯は、結晶の配向が乱れた部分を含む帯状領域である。第一主表面１１のＣＬ（カソードルミネセンス）像を取得すると、結晶性低下帯１４に対応する領域で暗点（転位）密度が高くなっている様子が観察される。
結晶性低下帯１４の存在は、ＧａＮウエハ１０を構成するＧａＮ結晶の製造過程でタイリング法が使用されたことを示している。
後述するように、タイリング法を用いて成長されたＧａＮ結晶から作られるＧａＮウエハの主表面には、結晶性低下帯が存在する。それだけでなく、主表面に結晶性低下帯を有するＧａＮウエハをシードに用いてＧａＮ結晶を成長させ、そのＧａＮ結晶から作製したＧａＮウエハも、主表面に結晶性低下帯を有するものとなる。
【００２０】
結晶性低下帯と他の領域との境界では、結晶の配向性の指標であるＸ線ロッキングカーブ半値全幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が大きく変化しており、結晶性低下帯内の多くの部分ではＸＲＣ−ＦＷＨＭが結晶性低下帯外の領域に比べて大きい。
ＧａＮウエハ１０において、第一主表面１１上の結晶性低下帯１４の幅ｗは、通常１９０μｍ未満、好ましくは１５０μ未満であり、より好ましくは１２０μｍ未満、より好ましくは９０μｍ未満、より好ましくは６０μｍ未満である。
【００２１】
ＧａＮウエハが主表面に有する結晶性低下帯の幅は、半導体ピクセル検出器［例えば、PANalytical製のPIXcel3D（登録商標）］を備えたＸ線回折装置を用いてＸ線ロッキングカーブ測定を行うことにより、調べることが可能である。かかるＸ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線源とＧａＮウエハと検出器の配置を図１２に模式的に示す。図１２（ａ）は、ＧａＮウエハ３０の主表面１６に平行かつＸ線４０５の入射面に垂直な方向から見た図であり、図１２（ｂ）はＧａＮウエハ３０の主表面１６に垂直な方向から見た図である。
Ｘ線源４００、ＧａＮウエハ３０および半導体ピクセル検出器５００は、Ｘ線源４００と検出器５００の中間の位置でＸ線４０５がＧａＮウエハ３０の主表面１６に入射するように配置する。
【００２２】
半導体ピクセル検出器５００は、各々がＸ線検出器としての機能を備えるｎ個のピクセルが、一定のピッチ２Ｌ／ｎで一列に並置された一次元ピクセルアレイ５０５を有している。ここで２Ｌは該一次元ピクセルアレイ５０５の長さ（アレイの一端から他端までの距離）である。該一次元ピクセルアレイは、二次元ピクセルアレイの一部であってもよい。半導体ピクセル検出器５００は、該一次元ピクセルアレイがＸ線４０５の入射面に垂直となるように配置する。
上記配置の下でωスキャンを１回行うことにより、上記一次元ピクセルアレイ５０５に平行で、その半分の長さＬを有するひとつの測定ライン１７上における、Ｌ／ｎ毎のＸ線ロッキングカーブを一度に測定することができる。
【００２３】
例えば、２５６個のピクセルが５５μｍピッチで一列に並置された長さ約１４ｍｍの一次元ピクセルアレイを有する半導体ピクセル検出器を用いた場合には、該ピクセルアレイに平行な長さ約７ｍｍの測定ライン上における２７．５μｍ毎のＸ線ロッキングカーブを、１回のωスキャンにより測定することができる。
従って、測定ラインが結晶低下帯を直角に横切るようにＸ線源、ＧａＮウエハおよび半導体ピクセル検出器を配置してωスキャンを行えば、該測定ラインと交わる位置における該結晶性低下帯の幅を調べることができる。
【００２４】
再び図２を参照すると、ＧａＮウエハ１０が第一主表面１１に有する結晶性低下帯１４の数は３本に限定されるものではなく、４本以上であってもよいが、６本を超えないことが望ましい。ＧａＮウエハ１０の直径が４５〜５５ｍｍの場合、結晶性低下帯１４の数は好ましくは２本、より好ましくは１本である。
図２（ａ）中の破線は、第一主表面１１上における、外縁からの距離が３ｍｍ未満の領域と該距離が３ｍｍ以上の領域との間の境界を示している。第一主表面１１のうち、該破線で囲まれた領域（すなわち、外縁から３ｍｍ以上離れた領域）で測定される（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭは、結晶性低下帯１４を除き、０．０１°未満であることが好ましく、０．００８°以下であることがより好ましい。
【００２５】
ＧａＮウエハ１０を構成するＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶を含んでおり、アルカリ金属濃度が低く、また、可視短波長域における透明度が高いという特徴を有している。アルカリ金属については、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）等の各元素の濃度が１×１０15ｃｍ-3未満である。可視短波長域における透明度については、例えば、波長４５０ｎｍの光に対する吸収係数が２ｃｍ-1以下である。
ＧａＮウエハ１０を構成するＧａＮ結晶は５×１０17ｃｍ-3以上の濃度でＯ（酸素）を含有し得る。
【００２６】
第一実施形態に係るＧａＮウエハは、図１および図２に示すＧａＮウエハ１０を様々に変形したものであり得る。
一変形例において、ＧａＮウエハの第一主表面は円以外の形状であってもよく、例えば、矩形（正方形、長方形）であってもよい。
一変形例において、ＧａＮウエハの第一主表面は、Ｍ面に対し５°を超える角度で傾斜していてもよい。傾斜方向は限定されないが、好ましくは、第一主表面のＭ面からの傾斜をｃ軸方向成分とａ軸方向成分とに分解したとき、ａ軸方向成分の絶対値は５°以下、更には２°未満、更には１°未満である。ａ軸方向成分の絶対値が小さい程、第一主表面１１上に表面の平坦性の高い窒化物半導体薄膜を成長させることが容易となる。
【００２７】
一方、ｃ軸方向成分の絶対値は通常４５°以下、好ましくは３０°未満、より好ましくは２０°未満である。ｃ軸方向成分の絶対値が４５°を超えると、半極性ウエハとしての利点が失われる傾向がある。ｃ軸方向成分は正であっても負であってもよいが、好ましくは負である。
第一主表面がＭ面に対し５°を超える角度で傾斜したＧａＮウエハの好適例には、｛１０−１１｝ウエハ、｛１０−１−１｝ウエハ、｛２０−２１｝ウエハ、｛２０−２−１｝ウエハ、｛３０−３１｝ウエハおよび｛３０−３−１｝ウエハが含まれる。
｛１０−１１｝ウエハ、｛２０−２１｝ウエハ、および｛３０−３１｝ウエハにおいては、第一主表面のＭ面に対する傾斜のｃ軸方向成分が正であり、｛１０−１−１｝ウエハ、｛２０−２−１｝ウエハ、および｛３０−３−１｝ウエハにおいては、第一主表面のＭ面に対する傾斜のｃ軸方向成分が負である。
【００２８】
第一実施形態に係るＧａＮウエハは、ｃ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯に加えて、ａ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯を第一主表面に有するものであってもよい。図３は、かかるＧａＮウエハの一例を示す平面図である。
図３を参照すると、ＧａＮウエハ２０は円盤の形状を有しており、ｃ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯２４−１の他に、ａ軸に直交する方向に延びる結晶性低下帯２４−２を、第一主表面２１上に有している。ＧａＮウエハ２０の直径は、好ましくは９５〜１５５ｍｍである。
【００２９】
第一実施形態に係るＧａＮウエハは、各種の窒化物半導体デバイスを製造するための基板として使用することができる。通常は、本発明のＧａＮウエハ上に一種以上の窒化物半導体を気相エピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成する。エピタキシャル成長法として、薄膜の形成に適したＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、パルス蒸着法などを好ましく用いることができる。
窒化物半導体デバイスの具体例としては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、振動子、共振子、発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品、電圧アクチュエータ、太陽電池などがある。
【００３０】
２．第二実施形態
本発明の第二実施形態は、非極性または半極性ＧａＮウエハの製造方法に関する。
第二実施形態に係る非極性または半極性ＧａＮウエハの製造方法は、次のステップ１〜ステップ６を含んでいる。
ステップ１：Ｃ面ＧａＮシードの（０００−１）表面上に、アモノサーマル法によりＧａＮ結晶を［０００−１］方向に成長させる。
ステップ２：上記ステップ１で［０００−１］方向に成長したＧａＮ結晶から、Ｍ面ＧａＮシードを作製する。
ステップ３：上記ステップ２で作製したＭ面ＧａＮシード上に、アモノサーマル法によりバルクＧａＮ結晶を成長させる。
ステップ４：上記ステップ３で成長させたバルクＧａＮ結晶から、タイリング用ＧａＮシードを作製する。
ステップ５：上記ステップ４で作製したタイリング用ＧａＮシードを用いて、タイリング法によりバルクＧａＮ結晶を成長させる。
ステップ６：上記ステップ５で成長させたバルクＧａＮ結晶から、所望の面方位を持つ非極性または半極性ＧａＮウエハを作製する。
【００３１】
以下に各ステップの詳細を説明する。
（ステップ１）
ステップ１では、通常のＣ面ＧａＮウエハの（０００−１）表面（窒素極性表面）上に、ＴｉＷ合金を用いてストライプパターン（ライン＆スペースパターン）の成長マスクを形成したものを、Ｃ面ＧａＮシードとして使用する。成長マスクのストライプ方向はＧａＮのａ軸に平行とし、開口部の幅は例えば１００μｍとする。Ｃ面ＧａＮウエハの側面は成長マスクで覆わないようにする。
該Ｃ面ＧａＮシード上にアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させる際に用いる結晶成長装置および結晶成長条件については、国際公開２０１４／１２９５４４号および国際公開２０１５／０２０１６１号を参照されたい。
【００３２】
適切な条件を用いることにより、Ｃ面ＧａＮシードの（０００−１）表面上では、成長マスクの各開口部の位置でＧａＮ結晶が［０００−１］方向に成長し、ｃ軸方向を高さ方向、ｍ軸方向を厚さ方向とする壁状構造を形成する。
例えば、途中で成長容器交換を行いながら、トータルで１００日間の成長を行うことによって、壁の高さ（成長したＧａＮ結晶のｃ軸方向のサイズ）は２０ｍｍにも達し得る。
ＧａＮ結晶の成長は、Ｃ面ＧａＮシードの側面上でも生じる。Ｃ面ＧａＮシードの全ての側面からＧａＮ結晶が成長して［０００−１］方向に延び、シードの（０００−１）表面上に成長する複数の壁状ＧａＮ結晶を取り囲む周壁構造を形成する。
【００３３】
（ステップ２）
上記ステップ１において、Ｃ面ＧａＮシードの（０００−１）表面上に壁状に成長したＧａＮ結晶を、該シードから取り外し、加工して、Ｍ面ＧａＮシードを得る。Ｍ面ＧａＮシードは、Ｍ面に略平行な主表面を有する板状の結晶である。
Ｍ面ＧａＮシードの主表面は、両方ともラッピングにより平坦化した後、ダメージ層を除去するためにＣＭＰ仕上げする。
【００３４】
（ステップ３）
上記ステップ２で作製したＭ面ＧａＮシード上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させる。ＧａＮ結晶は、Ｍ面ＧａＮシードの表面全体を覆うように成長する。Ｍ面ＧａＮシードの主表面上におけるＧａＮ結晶の成長方向はｍ軸方向となる。
【００３５】
（ステップ４）
上記ステップ３で成長させたＧａＮ結晶をＭ面に平行にスライスし、得られたＧａＮ結晶板の縁部をダイシング・ソーで切り落とすことにより、長辺がｃ軸に直交し短辺がａ軸に直交する長方形の主表面を有する、タイリング用ＧａＮシードを作製する。
タイリング用ＧａＮシードの主表面は、スライス角度を調整することにより、Ｍ面から僅かに傾斜させてもよい。
タイリング用ＧａＮシードの側面は、ＧａＮ結晶板をダイシング・ソーで切断した際に形成される切断面である。切断する度に、形成された切断面の方位をＸ線回折法で確認し、設計方位からのズレが０．１°を超えていた場合にはワークの方向を調整し、再び切断を行うという操作を繰り返すことで、タイリング用ＧａＮシードの側面の設計方位からのズレを０．１°以内に収めることが可能である。
【００３６】
ダイシング・ソーでＧａＮ結晶板を切断する際には、次のステップ５で裏面となる側からソー・ブレードを当てるようにすることが望ましい。裏面とは、タイリング用ＧａＮシードの２つの主表面のうち、バルクＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に用いる側の主表面をおもて面とした場合の、その反対側の主表面をいう（以下においても同様とする）。
その理由は、タイリング用ＧａＮシードにおいて、おもて面と側面とがなす角度が鈍角となることを防止するためである。ダイシング・ソーのブレードは先端に向かって厚さが減少しているので、ブレードをおもて面側からタイリング用ＧａＮシードに当てて切断した場合には、図１３に断面図を示すように、おもて面と側面（切断面）とがなす角度が鈍角（＞９０°）となり易い。
おもて面と側面とがなす角度を直角または鋭角とすると、複数のタイリング用ＧａＮシードを密に並べたときに、隣接するシードのおもて面同士の間に隙間が生じることを防止できる。
【００３７】
通常、タイリング用ＧａＮシードの両主表面には、平坦化加工を施す。具体的には、研削および／またはラッピングを行った後、ＣＭＰでダメージ層を除去する。
平坦化加工は、裏面が先、おもて面が後、という順番で行う（前述の通り、次のステップ５でバルクＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に用いる側の主表面がおもて面、その反対側の主表面が裏面である）。特に、おもて面の平坦化加工の際には、図４（ａ）に断面図を示すように、複数のシード１００を密に並べた状態でプレートＰの平坦面上に固定する（シードの裏面をプレートＰに貼り付ける）。それによって、図４（ｂ）に断面図を示すように、平坦化加工後のタイリング用ＧａＮシード１００において、シード間の厚さのバラツキが極めて小さくなるとともに、シード同士が接する部分での被加工面（おもて面）のエッジロールオフが抑制される。
特に、タイリング用ＧａＮシードのおもて面と側面とがなす角度が鈍角とならないようにした場合には、複数の該シードを密に並べてそのおもて面を平坦化加工する際に、隣接するシードのおもて面同士の間の隙間が小さくなるので、エッジロールオフ抑制効果が好ましく発現する。
【００３８】
（ステップ５）
プレートの平坦面上に密に並べた状態でおもて面の平坦化を行った複数のタイリング用ＧａＮシードを、該プレート上に固定したときと同じ配置で、おもて面を上にして、ＨＶＰＥ装置のサセプター上に密に並べることにより、集合シードを構成する。この集合シード上に、ＨＶＰＥ法でバルクＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる（タイリング法）。バルクＧａＮ結晶の成長中に反応炉内に供給するキャリアガスは、窒素ガスのみとすることが好ましい。
エピタキシャル成長の結果得られる、集合シード２００とバルクＧａＮ結晶３００との複合体の断面図を図５に示す。
バルクＧａＮ結晶３００は、隣接するタイリング用ＧａＮシード１００間の境界の上方に結晶性低下部３０５を含むが、その厚さｔは小さい。なぜなら、該境界の近傍における、２つのタイリング用ＧａＮシード間のおもて面の面方位の違いが小さいからである。これは、ステップ４で説明した方法でおもて面の平坦化加工を行うことで、該境界の近傍におけるおもて面のエッジロールオフが抑制されることによる。
その他、タイリング用ＧａＮシードにおいて、おもて面と側面とがなす角度が鈍角とならないようにすることも、バルクＧａＮ結晶中に生じる結晶性低下部の厚さを小さくするうえで好ましい。集合シード中で隣接するシードのおもて面同士の間の隙間を、極めて小さくすることができるからである。
【００３９】
比較のために、複数のタイリング用ＧａＮシードを互いに離間した状態でプレートの表面に固定して、おもて面の平坦化加工を行った場合について説明する。この場合、図６に断面図を示すように、タイリング用ＧａＮシード１０００のおもて面のエッジロールオフが抑制されない。
このようなエッジロールオフ量の大きいタイリング用ＧａＮシードで集合シードを構成し、タイリング法を行った場合に得られる、集合シードとその上にエピタキシャル成長したバルクＧａＮ結晶とからなる複合体の断面図を図７に示す。
図７を参照すると、複数のタイリング用ＧａＮシード１０００からなる集合シード２０００上に成長したバルクＧａＮ結晶３０００は、隣接するタイリング用ＧａＮシード間の境界の上方に、厚い結晶性低下部３００５を含んでいる。
【００４０】
（ステップ６）
前記ステップ５において得たバルクＧａＮ結晶をスライスして、非極性または半極性ＧａＮウエハを得る。スライス方向は、タイリング用ＧａＮシードのおもて面に平行としてもよいし、該面に対して傾斜させてもよい。
ＧａＮウエハの主表面には、平坦化加工を行う。具体的には、研削および／またはラッピングを行った後、ＣＭＰでダメージ層を除去する。
例えば、図５に示す複合体を、外周研削加工またはコアドリル加工によって円筒状に加工した後、図８に示す破線の位置でスライスすることにより、図１に示すＧａＮウエハ１０が得られる。このとき、バルクＧａＮ結晶３００中の結晶性低下部３０５がＧａＮウエハ１０の主表面１１に露出して、結晶性低下帯１４となる。
【００４１】
３．実験結果
３．１．実施例
Ｃ面ＧａＮウエハを準備し、その（０００−１）面（窒素極性表面）上にＴｉＷ合金を用いてストライプパターンの成長マスクを形成した。ストライプ方向はＧａＮのａ軸に平行とし、開口部の幅は１００μｍとした。
かかる成長マスクを形成したＣ面ＧａＮウエハの（０００−１）表面上に、アモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。フィードストックには多結晶ＧａＮ、鉱化剤にはフッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）およびヨウ化アンモニウム（ＮＨ4Ｉ）を用いた。
【００４２】
鉱化剤の仕込み量は、成長容器内に封入するＮＨ3に対するＮＨ4ＦおよびＮＨ4Ｉのモル比が、それぞれ０．５〜１．５％および１．５〜３．５％となるように、かつ、ＮＨ4Ｉに対するＮＨ4Ｆのモル比が０．２〜０．５となるように決定した。
成長条件は、成長容器内の平均温度（結晶成長ゾーンと原料溶解ゾーンの温度の平均値）を５９０〜６３０℃、結晶成長ゾーンと原料溶解ゾーンの温度差を５〜２０℃、成長容器内の圧力を２００〜２２０ＭＰａとした。
途中で２回の成長容器交換を挟みながら、トータルで１００日間の成長を行ったところ、成長マスクの各開口部の位置に、ｃ軸方向を高さ方向、ｍ軸方向を厚さ方向とする壁状のＧａＮ結晶が成長した。
【００４３】
上述の壁状に成長したＧａＮ結晶をＣ面ＧａＮウエハから取り外し、Ｍ面に略平行な主表面を有する平坦な板（Ｍ面ＧａＮシード）に加工した。Ｍ面ＧａＮシードの主表面は、両方ともラッピングにより平坦化した後、ダメージ層を除去するためにＣＭＰ仕上げした。
次いで、このＭ面ＧａＮシード上に、再びアモノサーマル法でＧａＮ結晶を成長させた。この２回目のアモノサーマル成長では、ＮＨ3に対するフッ素原子とヨウ素原子のモル比が、それぞれ０．５％および１．５％となるように、鉱化剤の仕込み量を設定した。また、成長容器内の平均温度を６００〜６１１℃、結晶成長ゾーンと原料溶解ゾーンの温度差を９〜１３℃に設定した。成長容器内の圧力は１回目のアモノサーマル成長と同じとした。
【００４４】
２回目のアモノサーマル成長によってＭ面ＧａＮシード上に形成されたＧａＮ結晶から、次の手順にて、板状で約３３０μｍ厚のタイリング用ＧａＮシードを作製した。
まず、マルチワイヤーソーを用いて該ＧａＮ結晶をＭ面に平行にスライスした。次いで、スライスされたＧａＮ結晶板の縁部をダイシング・ソーで切り落として、その主表面を、長辺がａ軸に平行、短辺がａ軸に垂直な長方形とした。ダイシング・ソーによる切断の際には、常にＧａＮ結晶板に対し裏面側からソー・ブレードを当てるようにした。該長方形の長辺および短辺のいずれについても、設計方向からのズレを０．１°以下とした。
【００４５】
最後に、ＧａＮ結晶板の各主表面に平坦化加工を施して、タイリング用ＧａＮシードを完成させた。具体的には、研削および／またはラッピングをこの順に行った後、ＣＭＰでダメージ層を除去した。
平坦化加工の順番は、裏面を先とし、おもて面を後とした。おもて面は、後にＨＶＰＥ法によるバルクＧａＮ結晶のエピタキシャル成長に使用する側の主表面である。
おもて面の平坦化加工は、５枚のＧａＮ結晶板をｃ軸方向に密に並べた状態でプレートの平坦面上にワックスで貼り付けて行った。詳しくいうと、５枚のＧａＮ結晶板を、どの隣り合う２枚のＧａＮ結晶板間でも一方の［０００１］側の端と他方の［０００−１］側の端が接するように該プレートの該平坦面上に１列に並べることで、５枚全ての［０００１］方向が一致するようにした。
【００４６】
次に、互いに密に並べた状態でおもて面の平坦化加工を行って得た５枚のタイリング用ＧａＮシードを、おもて面を上にしてＨＶＰＥ装置のサセプター上に密に並べ、集合シードを構成した。集合シード内における該５枚のシードの配置は、おもて面の平坦化加工時と同じとした。
この集合シード上に、ＨＶＰＥ法でバルクＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた。成長温度は１０５０℃、成長時間は８２時間とした。バルクＧａＮ結晶の成長中に反応炉内に供給するキャリアガスは、窒素ガスのみとした。
成長させたバルクＧａＮ結晶を、シードもろとも円筒形に加工した後、スライスしてウエハにした。このとき、ウエハの主表面がＭ面に対し［０００−１］方向に５°傾斜するよう、スライス方向を調節した。スライス後、ウエハの両方の主表面を平坦化加工することにより、直径５０ｍｍ、厚さ２８０μｍで、各々がｃ軸に直交する方向に延びる４本の結晶性低下帯を主表面上に有する、オフ角付きＭ面ＧａＮウエハを得た。
【００４７】
上記手順で作製した実施例のオフ角付きＭ面ＧａＮウエハから１枚を選び、その主表面にＸ線（ＣｕＫα線）を入射させて、（１００）面のＸ線ロッキングカーブ半値全幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）を測定した。選んだウエハは、バルクＧａＮ結晶のうちシード表面から約５ｍｍ離れた部分から切り出されたものであった。
測定は、入射側光学系にＸ線ミラーとＧｅ（２２０）２結晶ハイブリッドモノクロメータを備えた高分解能Ｘ線回折計（PAnalytical  X’Pert  PRO  MRD）を用いて行った。Ｘ線の入射方向はＭ面ＧａＮウエハのｃ軸に垂直とした。入射側には１／３２発散スリットおよび０．０５ｍｍ縦制限スリットを使用した。
半導体ピクセル検出器を用い、０．４°のω範囲について、０．００１°ステップ毎に積算時間１０秒で強度データを取り込むことにより、ウエハの主表面上をｃ軸方向に延びる約７ｍｍ長の測定ライン上において、約２７μｍ毎のＸＲＣ−ＦＷＨＭを得ることが可能であった。使用した半導体ピクセル検出器はPANalytical製のPIXcel3D（登録商標）で、２５６個のピクセルが５５μｍピッチで一列に並置されたピクセルアレイを含む構成を有していた。
【００４８】
結晶性低下帯を直角に横切るように選んだ測定ライン上で得た、約２７μｍ毎のＸＲＣ−ＦＷＨＭを、図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、異なる測定ライン上で得た結果である。図９（ａ）〜（ｃ）において、横軸は測定ライン上の相対位置（単位：ｍｍ）を表し、縦軸は（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭ（単位：°）を表している。
図９（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、測定ライン上におけるＸＲＣ−ＦＷＨＭは、グラフ中に「結晶性低下区間」として示した区間を除き、０．００８°以下（概ね０．００６〜０．００７°の範囲内）である。結晶性低下区間では局所的にＸＲＣ−ＦＷＨＭが０．０１°以上に増加している。
図９（ａ）〜（ｃ）の結晶性低下区間は、別途行ったＣＬ像観察から、いずれも測定ラインが結晶性低下帯を横切る部分に対応していることが判った。従って、結晶性低下区間の区間長が、結晶性低下帯の幅であるということができる。
図９（ａ）〜（ｃ）の各々において、結晶性低下区間の区間長は６０μｍ未満であった。
【００４９】
３．２  比較例
比較例では、実施例に対し次の４点を変更した。
第一に、タイリング用ＧａＮシードの使用枚数を４枚とした。
第二に、４枚のタイリング用ＧａＮシードのおもて面を平坦化加工する際に、４枚の該シードを互いに離間した状態でプレートの表面に固定した。
第三に、ＨＶＰＥ法によるバルクＧａＮ結晶の成長時間を６１時間とした。
第四に、バルクＧａＮ結晶をスライスする際、ウエハの主表面がＭ面に対し［０００−１］方向に２°傾斜するよう、スライス方向を調節した。
以上４点の変更を除き、実施例と同様にして比較例のオフ角付きＭ面ＧａＮウエハを作製した。
その中から１枚を選び、実施例と同じ測定方法を用いて、ウエハの主表面上をｃ軸方向に延びる測定ライン上における、約２７μｍ毎の（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭを得た。選んだウエハは、バルクＧａＮ結晶のうちシード表面から約０．２ｍｍ離れた部分から切り出されたものであった。
【００５０】
結晶性低下帯を直角に横切るように選んだ測定ライン上で得た、約２７μｍ毎の（１００）面のＸＲＣ−ＦＷＨＭを、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、異なる測定ライン上で得た結果である。図１０（ａ）〜（ｃ）において、横軸および縦軸が表す値は図９と同じである。
図１０（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、測定ライン上におけるＸＲＣ−ＦＷＨＭは、グラフ中に「結晶性低下区間」として示した区間を除き、０．００８°以下（概ね０．００６〜０．００７°の範囲内）である。結晶性低下区間にはＸＲＣ−ＦＷＨＭが０．０１°以上に増加した部分が含まれている。
【００５１】
図１０（ａ）〜（ｃ）の結晶性低下区間は、別途行ったＣＬ像観察から、いずれも測定ラインが結晶性低下帯を横切る部分に対応していることが判った。結晶性低下区間の区間長は、図１０（ａ）が６６０μｍ、図１０（ｂ）が１０７０μｍ、図１０（ｃ）が１９０μｍであった。
図１０（ａ）〜（ｃ）では、結晶性低下区間内にもＸＲＣ−ＦＷＨＭが０．０１°未満の部分が局所的に見られる。つまり、結晶性低下帯内にも、結晶配向が乱れていない小領域が所々に存在する。しかし、結晶配向の乱れが著しい部分と混在していることから、かかる小領域を半導体デバイスの形成に有効利用することは難しいと考えられる。
【００５２】
以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本明細書に記載された各実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、２０、３０  ＧａＮウエハ
１１、２１  第一主表面
１２  第二主表面
１３、２３  側面
１４、２４−１、２４−２  結晶性低下帯
１６  主表面
１７  測定ライン
１００、１０００  タイリング用ＧａＮシード
２００、２０００  集合シード
３００、３０００  バルクＧａＮ結晶
１５、３０５、３００５  結晶性低下部
４００  Ｘ線源
４０５  Ｘ線
５００  半導体ピクセル検出器
５０５  一次元ピクセルアレイ
Ｐ  プレート
【図１】
2017010166.tif 000003
【図２】
2017010166.tif 000004
【図３】
2017010166.tif 000005
【図４】
2017010166.tif 000006
【図５】
2017010166.tif 000007
【図６】
2017010166.tif 000008
【図７】
2017010166.tif 000009
【図８】
2017010166.tif 000010
【図９】
2017010166.tif 000011
【図１０】
2017010166.tif 000012
【図１１】
2017010166.tif 000013
【図１２】
2017010166.tif 000014
【図１３】
2017010166.tif 000015
【国際調査報告】
2017010166.tif 000016
2017010166.tif 000017
2017010166.tif 000018
2017010166.tif 000019