(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属三塩化物前駆体を用いてＩＩＩ族窒化物半導体材料を基板上に堆積させる方法であって、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させて、核形成ＨＶＰＥプロセス段階において少なくともいくつかのウルツ鉱型微結晶およびいくつかの非晶質ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含むナノ構造を有する核形成層を形成するステップと、
前記核形成層をアニーリングしてウルツ鉱型の核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップと、
ウルツ鉱型の核形成材料の島状部を合体ＨＶＰＥプロセス段階において成長させ合体させて、基板の表面を覆うウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層を形成するステップと、
追加のＨＶＰＥプロセス段階において、追加のＩＩＩ族窒化物半導体材料を少なくともウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層の上に堆積させるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
エピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を、ピーク形状をもつように基板の表面上に形成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】
前記核形成層をアニーリングしてエピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップは、前記核形成層を９００℃から１３００℃の温度でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記核形成層を９００℃から１３００℃の温度でアニーリングするステップは、前記核形成層を１０２５℃から１１００℃の温度でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記核形成層を１０２５℃から１１００℃の温度でアニーリングするステップは、前記核形成層を１０４０℃から１０７０℃の温度でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記核形成層を１０４０℃から１０７０℃の温度でアニーリングするステップは、前記核形成層を１０５０℃の温度でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記核形成層をアニーリングしてエピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップは、前記核形成層を１００Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記核形成層を１００Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でアニーリングするステップは、前記核形成層を２００Ｔｏｒｒの圧力でアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において４００℃から７００℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において４００℃から７００℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップが、前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において５７０℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において５０Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において５０Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップが、前記核形成ＨＶＰＥプロセス段階において２００Ｔｏｒｒの圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記合体ＨＶＰＥプロセス段階において、９００℃から１１００℃の温度でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記合体ＨＶＰＥプロセス段階において、９７５℃から１０５０℃の温度で前記エピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記合体ＨＶＰＥプロセス段階において、９８５℃から１０１５℃の温度で前記エピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記合体ＨＶＰＥプロセス段階において、１００Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記合体ＨＶＰＥプロセス段階において、２００Ｔｏｒｒの圧力で前記エピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
エピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させた後、前記エピタキシャル核形成材料の核形成テンプレート層をアニーリ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から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体材料を、窒化ガリウムを含むように選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板を、サファイアを含むように選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記追加のＨＶＰＥプロセス段階における堆積させるステップが、５ｓｅｃから４５ｓｅｃの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記追加のＨＶＰＥプロセス段階における堆積させるステップが、１０ｓｅｃから３０ｓｅｃの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記追加のＨＶＰＥプロセス段階における堆積させるステップが、１５ｓｅｃから２５ｓｅｃの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記核形成層の前記アニーリングが、３ｍｉｎから１０ｍｉｎの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記核形成層の前記アニーリングが、５ｍｉｎから１０ｍｉｎの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記核形成層の前記アニーリングが、７ｍｉｎから１０ｍｉｎの期間にわたって実施されることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、ＩＩＩ族窒化物材料を基板上に堆積させる方法、およびそうした方法によって形成される構造物に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物材料を、金属窒化物材料を含む成長テンプレート層を備えた基板上に堆積させる方法およびそうした方法によって形成される構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学蒸着（ＣＶＤ）は、固体材料を基板上に堆積させるのに使用される化学プロセスであり、半導体デバイスの製造において一般的に使用されている。化学蒸着プロセスにおいて、基板を、基板の表面上に固体材料の堆積をもたらすような仕方で反応もしくは分解するまたは反応しかつ分解する１つまたは複数の試薬ガスに曝露する。
【０００３】
ＣＶＤプロセスの特定の１つのタイプは、当技術分野では気相エピタキシー（ＶＰＥ）と称される。ＶＰＥプロセスにおいては、基板を反応チャンバー中で、基板の表面上に固体材料のエピタキシャル堆積をもたらすような仕方で反応もしくは分解するまたは反応しかつ分解する１つまたは複数の試薬蒸気に曝露する。ＶＰＥプロセスは、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を堆積させるのにしばしば使用される。ＶＰＥプロセスにおける試薬蒸気の１つがハロゲン化物蒸気を含む場合、このプロセスをハロゲン化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）プロセスと称することができる。
【０００４】
金属有機（ＭＯ）前駆体材料を反応チャンバー内で分解してＩＩＩ族窒化物半導体材料を形成するＶＰＥプロセスを用いて、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ族窒化物半導体材料を形成することは当技術分野で公知である。そうしたプロセスはしばしば金属有機気相エピタキシー（ＭＯ  ＶＰＥ）プロセスと称され、これはまた金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）プロセスと特徴づけることもできる。そうしたＭＯ  ＶＰＥプロセスは一般に、所望のバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料を堆積させる前に、いくつかの逐次的なプレ堆積プロセスを用いて実施される。これらの逐次的プレ堆積プロセスは、成長基板（例えばサファイア基板）の高温水素ベーク処理、成長基板の窒化物形成、その成長基板上における比較的低温でのＩＩＩ族窒化物材料の核形成テンプレート層の形成、比較的高温での核形成テンプレート層のアニーリング、核形成テンプレート層の合体を含み、最後に、核形成テンプレート層上でのバルクＩＩＩ族窒化物材料層の成長を含むことができる。
【０００５】
ＨＶＰＥプロセスは、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ族窒化物半導体材料を形成するためにも用いられる。そうしたプロセスにおいて、基板上でのＧａＮのエピタキシャル成長は、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とアンモニア（ＮＨ３）の間の気相反応によりもたらすことができる。この反応は、反応チャンバー中、約５００℃から約１，０００℃の間の高温で実施される。ＮＨ３は、ＮＨ３ガスの標準的な供給源から供給することができる。いくつかの方法において、ＧａＣｌ蒸気は、加熱液体ガリウム（Ｇａ）上に塩化水素（ＨＣｌ）ガス（これはＨＣｌガスの標準的な供給源から供給することができる）を通して反応チャンバー内でＧａＣｌをインサイチュで形成することによって提供される。この液体ガリウムは、約７５０℃から約８５０℃の温度に加熱することができる。ＧａＣｌおよびＮＨ３を、半導体材料のウエハーなどの加熱基板の表面の方へ（例えば、その上へ）導くことができる。２００１年１月３０日発行のＳｏｌｏｍｏｎらによる（特許文献１）は、そうしたシステムおよび方法で使用するためのガス注入システムを開示している。
【０００６】
主に数十から数百ミクロン／時間の範囲であるＨＶＰＥプロセスによって得られることができる比較的速い成長速度のため、サファイア上に比較的厚いＧａＮ層を成長させるのに現在ＨＶＰＥプロセスが広範に使用されている。しかし、ＨＶＰＥを用いた厚いＧａＮ層の成長は通常、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長するＧａＮテンプレート層を必要とする。そうしたＧａＮテンプレート層なしでは、サファイア上で直接成長したＧａＮ層は通常、その厚さが特定の値を超えるとクラッキングを起こしてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，１７９，９１３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２２３４４２Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許仮出願第６１／１５７，１１２号明細書
【特許文献４】米国特許出願第１２／８９４，７２４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００９／０２１４７８５Ａ１号明細書
【特許文献６】国際公開第２０１０／１０１７１５Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この概要を、その概念が本発明のいくつかの例示的実施形態の以下の詳細な説明においてさらに説明される、単純化された形態での概念の選択を導入するために提供する。この概要は、特許請求されている主題の主要な特徴または本質的特徴を特定しようとするものではなく、また特許請求されている主題の範囲を限定しようとするものでもない。
【０００９】
ＨＶＰＥプロセスを用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）などのＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料の比較的厚い層をサファイアなどの非天然基板上に直接形成するのに使用できる方法およびシステムを提供することが望ましい。
【００１０】
いくつかの実施形態では、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料を基板上に堆積させる方法を含む。そうした方法は、金属三塩化物前駆体および金属四塩化物前駆体の少なくとも１つの使用を含むことができる。そうした方法によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を、核形成ＨＶＰＥプロセス段階において基板の表面上に堆積させて少なくともいくつかのウルツ鉱型微結晶およびいくつかの非晶質ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含むナノ構造を有する核形成層を形成する。この核形成層をアニールして、少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の結晶性島状部（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｉｓｌａｎｄ）を基板の表面上に形成する。少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の島状部は成長し、合体（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ）ＨＶＰＥプロセス段階において合体して少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層を形成する。この核形成テンプレート層は、基板の表面を少なくとも実質的に覆うことができる。追加のＨＶＰＥプロセス段階において、追加のＩＩＩ族窒化物半導体材料を、少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層上に堆積させる。
【００１１】
本発明の追加の実施形態は、本明細書で開示する方法で形成されるＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む最終構造物および中間構造物を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の実施形態は、添付の図面で例示される例示的実施形態の以下の詳細な説明を参照することによってより完全に理解することができる。
【図１Ａ】反応チャンバーおよび少なくとも１つのガスインジェクターを備え、本発明の方法の実施形態において使用できるＨＶＰＥ堆積システムの例示的実施形態を概略的に例示する断面図である。
【図１Ｂ】そこで示す切断線１Ｂ−１Ｂに沿った、図１Ａで示した反応チャンバーの略図の断面図である。
【図２】図１Ａの堆積システムにおいて使用できる熱化用ガスインジェクターの実施形態を概略的に例示する図である。
【図３】図１Ａの堆積システムにおいて使用できるガスインジェクターの他の例示的実施形態を概略的に例示する図である。
【図４】図３のガスインジェクターの一部の拡大した部分切り取り図である。
【図５】本発明の方法の実施形態に従って用いることができる基板の簡略化した断面図である。
【図６】そのミクロ構造において非晶質および結晶領域を含む図５の基板上に堆積された核形成層を例示する簡略化した断面図である。
【図７】図６に示した核形成層をアニーリングすることによって形成された核形成材料の実質的に結晶性の島状部を例示する簡略化した断面図である。
【図８】図７で示した核形成材料の結晶性島状部の成長および合体による核形成テンプレート層の形成を例示する簡略化した断面図である。
【図９】図８で示した核形成材料の島状部の斜め側部切子面（ｓｉｄｅ  ｆａｃｅｔ）からのＩＩＩ族窒化物半導体材料の優先的な側方成長を引き起こすことによって形成される、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の側方過成長層を例示する図である。
【図１０】図９で示したＩＩＩ族窒化物半導体材料の側方過成長層上でのＩＩＩ族窒化物半導体材料の垂直成長によって形成される、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の他の過成長層を例示する図である。
【図１１】図１１〜１３は、機構を例示する簡略化した図面であり、それによって図６の核形成層を図７で示したような核形成材料の島状部に転換させることができる。図１１は、核形成層をアニーリングして図７で示した核形成材料の島状部を形成する前に、図６の核形成層のミクロ構造がどのように見えることができるかを簡略化して例示する図であり、これは、核形成層のミクロ構造における非晶質および結晶領域を例示している。
【図１２】図７で示した核形成材料の結晶性島状部の形成の際に、それによって図６の核形成層中の非晶質材料を核形成層の結晶領域の結晶構造中に取り込むことができる、分解および再堆積の機構を例示する図である。
【図１３】図７のものと類似しているが、図６で示した核形成層をアニーリングして形成されて、図７で示した核形成材料の島状部を形成することができる上部が平たいまたは「メサ形状の」島状部および尖った「ピーク形状の」島状部を含む異なる形状を有する核形成材料の島状部を例示する図である。
【図１４】いかにして貫通転位を、メサ形状の島状部およびピーク形状の島状部のそれぞれを介して島状部上に堆積されたＩＩＩ族窒化物半導体材料中に伝播させることができるかを例示するために用いる図である。
【図１５】図６の核形成層からの図７の核形成材料の島状部の形成の際に用いられる特定のプロセスパラメーターの変動が、核形成材料の得られる島状部の高さ、密度および形状のそれぞれにどのように影響を及ぼすかを例示するチャートである。
【図１６】図７の核形成材料の島状部からの図８の核形成テンプレート層の形成の際に用いられる特定のプロセスパラメーターの変動が、核形成テンプレート層の表面粗度、結晶品質および平均厚さのそれぞれにどのように影響を及ぼすかを例示するチャートである。
【図１７】図１Ａおよび図１Ｂで示したようなＨＶＰＥ堆積プロセスおよびシステムを用いて、図６で示した核形成層を堆積させ、その核形成層をアニールして図７で示した核形成材料の島状部を形成するのに用いることができる堆積プロセスを図式的に表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書で示す例示は、任意の特定の成分、デバイスまたはシステムの実際の見解であることを意味するものではなく、本発明の実施形態を説明するために用いた単なる理想的な表現に過ぎない。
【００１４】
いくつかの文献を本明細書で引用するが、本明細書でどのように見なされているかに関係なく、引用文献のどれも、本明細書で特許請求されている主題の本発明に関連する従来技術として認められるものではない。
【００１５】
本明細書で用いる「ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料」という用語は、周期表のＩＩＩΑ族（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｉ）からの１つまたは複数の元素および周期表のＶＡ族（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉ）からの１つまたは複数の元素を少なくとも主に含む任意の半導体材料を意味しそれらを含む。例えば、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料には、これらに限定されないが、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮＰ等が含まれる。
【００１６】
本明細書で用いる「ＩＩＩ族窒化物半導体材料」という用語は、周期表のＩＩＩΑ族（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｉ）からの１つまたは複数の元素および窒素を少なくとも主に含む任意のＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を意味しそれらを含む。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体材料には、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＡｌＮ等が含まれる。
【００１７】
本明細書で用いる「金属窒化物」という用語は、金属と窒素の化合物を意味する。金属窒化物材料には、これらに限定されないが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、アルミニウム窒化ガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）および窒化チタン（ＴｉＮ）が含まれる。
【００１８】
本明細書で用いる「化学蒸着」および「ＣＶＤ」という用語は同義語であり、その中で基板を、基板の表面上の固体材料（複数可）の堆積をもたらすような仕方で反応もしくは分解するまたは反応しかつ分解する１つまたは複数の試薬ガスに曝露する反応チャンバーの中で固体材料（複数可）を基板上に堆積させるのに用いられる任意のプロセスを意味しそれらを含む。
【００１９】
本明細書で用いる「気相エピタキシー」および「ＶＰＥ」という用語は同義語であり、基板を、基板の表面上の固体材料（複数可）のエピタキシャル堆積をもたらすような仕方で反応もしくは分解するまたは反応しかつ分解する１つまたは複数の試薬蒸気に曝露する任意のＣＶＤプロセスを意味しそれらを含む。
【００２０】
本明細書で用いる「ハロゲン化物気相エピタキシー」および「ＨＶＰＥ」という用語は同義語であり、ＶＰＥプロセスにおいて使用される少なくとも１つの試薬蒸気がハロゲン化物蒸気を含む任意のＶＰＥプロセスを意味しそれらを含む。
【００２１】
本明細書で用いる「金属有機」という用語は、少なくとも１つの金属元素および有機化学種を含む任意の化合物を意味しそれらを含む。金属有機はしばしば当技術分野で「有機金属」とも称され、そうした用語は本開示のためには同義語である。堆積には、これらに限定されないが、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、テトラキスジエチルアミノチタン（ＴＤＥＡＴ）およびテトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）が含まれる。
【００２２】
本明細書で用いる「金属有機気相エピタキシー」および「ＭＯ  ＶＰＥ」という用語は同義語であり、ＶＰＥプロセスにおいて使用される少なくとも１つの試薬蒸気が金属有機蒸気を含む任意のＶＰＥプロセスを意味しそれらを含む。
【００２３】
本明細書で用いる「非金属有機化学蒸着プロセス」および「非ＭＯＣＶＤプロセス」という用語は同義語であり、ＭＯＣＶＤプロセスではない任意の堆積プロセスを意味しそれらを含む。
【００２４】
本明細書で用いる「非金属有機気相エピタキシープロセス」および「非ＭＯＶＰＥプロセス」という用語は同義語であり、ＭＯＶＰＥプロセスではない任意の堆積プロセスを意味しそれらを含む。
【００２５】
本明細書で用いる「ガス」という用語は、ガス（独立した形状も体積ももたない流体）および蒸気（拡散液体またはその中に懸濁された固体物質を含むガス）を含み、「ガス」および「蒸気」という用語は本明細書では同義語として使用される。
【００２６】
本発明の方法の実施形態は、ＨＶＰＥシステムを用いて実施されるＨＶＰＥプロセスにおいて、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の核形成テンプレート層および過成長層を堆積させることを含むことができる。本発明の方法の実施形態において、種々の構成のＨＶＰＥシステムを用いることができるが、本発明の方法の実施形態を説明する前に、本発明の実施形態で使用できるＨＶＰＥシステムの例を図１Ａ、図１Ｂおよび図２〜４を参照して以下で説明する。
【００２７】
図１Ａおよび図１Ｂは、本明細書で説明するような本発明の方法の実施形態において使用できるＨＶＰＥ堆積システム１００の実施形態を概略的に例示する簡略化した図である。非限定的な例として、堆積システム１００は、Ａｒｅｎａらの名義の２００９年９月１０日公開の（特許文献２）、Ａｒｅｎａらの名義の２００９年３月３日出願の（特許文献３）およびＢｅｒｔｒａｎの名義の２０１０年９月３０日出願の（特許文献４）のいずれかに記載されているような堆積システムを含むことができる。図１Ａおよび図１Ｂに示した堆積システム１００は、図２〜４を参照して以下で説明する反応チャンバー１０２および１つまたは複数のガスインジェクターを含む。
【００２８】
堆積システム１００、より具体的には堆積システム１００の反応チャンバー１０２の以下の説明において、「縦（の）」および「横断（の）」という用語は、図１Ａおよび図１Ｂの透視図での反応チャンバー１０２に対する方向を指すのに用いられる。ここで、縦方向は、図１Ａの透視図からの垂直方向であり、図１Ｂの平面中に延在する方向であり、横断方向または側方への方向は、図１Ａおよび図１Ｂのそれぞれの透視図から水平に延在する方向である。横断方向は、「反応器を横断して」延在する方向とも称される。
【００２９】
堆積システム１００は、反応チャンバー１０２、堆積システム１００内でその上に材料が堆積されるまたは提供されることが望ましい１つまたは複数の被加工物（workpiece）基板１０６を支持するように構成された基板支持構造物１０４（例えばサセプタ）を備える。非限定的な例によれば、反応チャンバー１０２は約２インチの高さ、約１２インチの幅および約２０インチの長さをもつことができ、基板支持構造物１０４は、１・８インチ被加工物基板１０６、１・６インチ被加工物基板１０６、３・４インチ被加工物基板１０６または８・２インチ被加工物基板１０６を支持するように構成することができる。この堆積システム１００は、堆積システム１００を選択的に加熱して、堆積プロセスの間、反応チャンバー１０２内の平均温度を望ましい高温に制御できるようにするのに使用できる加熱素子１０８（図１Ｂ）をさらに備える。加熱素子１０８は、例えば抵抗式加熱素子または放射式加熱素子を含むことができる。
【００３０】
図１Ｂに示すように、基板支持構造物１０４は、スピンドル１１０の回転、したがって反応チャンバー１０２内の基板支持構造物１０４の回転を駆動するように構成された電動機などの駆動デバイス１１２に連結されていることができる（例えば、直接構造的に連結されている、磁気的に連結されている等）スピンドル１１０上に取り付けることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、反応チャンバー１０２、基板支持構造物１０４、スピンドル１１０および反応チャンバー１０２内の他の任意の成分の１つまたは複数は、セラミック酸化物（例えば、シリカ（石英）、アルミナ、ジルコニア等）、炭化物（例えば、炭化ケイ素、炭化ホウ素等）または窒化物（例えば、窒化ケイ素、窒化ホウ素等）などの耐火性セラミック材料を少なくとも実質的に含むことができる。
【００３２】
堆積システム１００は、１つまたは複数のガスを反応チャンバー１０２に注入し、その反応チャンバー１０２からガスを排気するのに使用されるガス流システムをさらに含む。図１Ａを参照すると、堆積システム１００は、それぞれのガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃからガスを輸送する３つのガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃを備えることができる。任意選択で、弁、背圧調整器および質量流制御装置の１つまたは複数を含むことができるデバイス１１７Ａ、１１７Ｂ、１１７Ｃを、それぞれガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃを通してガスの流れを選択的に制御するために使用することができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂの少なくとも１つは（特許文献２）に記載されているような、金属三塩化物（ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３またはＡｌＣｌ３など）および金属四塩化物（ＴｉＣｌ４など）の少なくとも１つの外部供給源を含むことができる。ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３およびＡｌＣｌ３は、例えば、それぞれＧａ２Ｃｌ６、Ｉｎ２Ｃｌ６およびＡｌ２Ｃｌ６などの二量体の形態で存在することができる。したがって、ガス供給源１２８Ａ、１２８の少なくとも１つはＧａ２Ｃｌ６、Ｉｎ２Ｃｌ６またはＡｌ２Ｃｌ６などの二量体を含むことができる。非限定的な例として、ガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂの１つまたは複数は、ＩＩＩΑ族前駆体成分としてＧａＣｌ３蒸気の質量流を提供することができる。ガス供給源１２８Ｃは、アンモニア（ＮＨ３）などのＶＡ族前駆体の外部供給源を含むことができる。
【００３４】
ガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂの１つまたは複数がＧａＣｌ３供給源であるまたはそれを含む実施形態では、そのＧａＣｌ３供給源は少なくとも１２０℃（例えば約１３０℃）の温度に保持された液体ＧａＣｌ３のリザーバを含み、これは、液体ＧａＣｌ３の蒸発速度を増進させるための物理的手段を備えることができる。そうした物理的手段は、例えば、液体ＧａＣｌ３を撹拌するように構成されたデバイス、液体ＧａＣｌ３を噴霧するように構成されたデバイス、キャリアガスを液体ＧａＣｌ３上に急速に流すように構成されたデバイス、液体ＧａＣｌ３を通してキャリアガスをバブリングするように構成されたデバイス、液体ＧａＣｌ３を超音波で分散させるように構成されたデバイス、例えば圧電型デバイスなどを含むことができる。非限定的な例として、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２もしくはＡｒまたはその混合物（例えばＮ２とＨ２の混合物）などのキャリアガスを、供給源ガスが１つまたは複数のキャリアガスを含むことができるように、液体ＧａＣｌ３を少なくとも１２０℃の温度に保持しながら液体ＧａＣｌ３を通してバブリングさせることができる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態では、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの１つまたは複数へのＧａＣｌ３蒸気の流束を制御することができる。例えば、キャリアガスを、液体ＧａＣｌ３を通してバブリングする実施形態では、ガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８ＣからのＧａＣｌ３流束は、例えばＧａＣｌ３の温度、ＧａＣｌ３まわりの圧力およびＧａＣｌ３を通してバブリングされるキャリアガスの流れを含む１つまたは複数の因子に依存する。ＧａＣｌ３の質量流束は原理上これらのパラメーターのいずれかで制御することができるが、いくつかの実施形態では、ＧａＣｌ３の質量流束を、質量流制御装置を用いてキャリアガスの流れを変動させることによって制御することができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、ガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂの温度はガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂとガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの間で制御することができる。ガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂなどの中でのガス（例えばＧａＣｌ３蒸気）の凝縮を防止するために、ガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂおよび関連した質量流センサー、制御装置などの温度を、それぞれのガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂからの流出口の第１の温度（例えば約１２０℃以上）からガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの第２の温度（例えば約１６０℃以下）まで徐々に上昇させることができる。任意選択で、それぞれのガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂとガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの間のガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂの長さは約３フィート以下、約２フィート以下またはさらには約１フィート以下であってよい。供給源ガスの圧力は１つまたは複数の圧力制御システムを用いて制御することができる。
【００３７】
２つのガス流入導管１１４Ａ、１１４Ｂのそれぞれは任意選択で、以下でさらに詳細に説明する２つのガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂのそれぞれの１つへと延在していてよい。
【００３８】
追加の実施形態において、堆積システム１００は２つ未満（すなわち１つ）のガス流入導管およびそれぞれのガスインジェクターを備えるか、または堆積システム１００は２つ超（例えば３つ、４つ、５つ等）のガス流入導管およびそれぞれのガスインジェクターを備えることができる。
【００３９】
図１Ａおよび図１Ｂの実施形態において、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂは、反応チャンバー１０２の完全に外側に位置する。しかし、他の実施形態では、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂを反応チャンバー１０２の完全に内側に配置するか、またはガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの少なくとも一部を、反応チャンバー１０２を通して少なくとも部分的に延在させることができる。
【００４０】
堆積システム１００は、反応チャンバー１０２の外部と内部の間の流体伝達をもたらす３つのガスポート１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃをさらに備えることができる。ガスポート１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃのそれぞれは、反応チャンバー１０２内のガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂのそれぞれ１つとそれぞれのガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃとの間の反応チャンバー１０２の壁部、天井部または床部の１つまたは複数を介して流体伝達を提供することができる。
【００４１】
反応チャンバー１０２内のガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃは、エンクロージャー内の望ましい位置にガスを輸送するのに使用することができる。ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃを、基板支持構造物１０４上に担持された被加工物基板１０６に対して選択された方向で反応チャンバー１０２の内部にガスを注入するように配置し、構成することができる。前駆体ガスおよびキャリアガスなどのガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃで輸送されたガスは、反応チャンバー１０２を通して縦方向（図１Ａの透視図からは垂直方向）に流すことができ、このガスを、反応チャンバー１０２内で縦方向に被加工物基板１０６の方へ延在する方向でそこから吹き出させる（ｉｎｊｅｃｔ  ｏｕｔ）ことができ、この方向は、被加工物基板１０６の上部の露出主表面に対して少なくとも実質的に平行に配向されている。導管支持固定具を用いてガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃを支持し、反応チャンバー１０２内の所定位置に保持することができる。
【００４２】
ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃの具体的なレイアウトおよび構成は、本発明の実施形態で使用できるいくつかのレイアウトおよび構成のうちの１つに過ぎず、反応チャンバー１０２の追加の実施形態は、反応チャンバー１０２内でのガス分散導管の異なる構成およびレイアウトをもつことができる。
【００４３】
ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃは能動的に加熱するもしくは受動的に加熱することも、または受動的かつ能動的に加熱することもできる。例えば、熱発生素子（図示せず）を、ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃの少なくとも一部に隣接して配置することができる。いくつかの実施形態では、ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃを加熱素子１０８（図１Ｂ）で加熱する。任意選択で、受動的熱移動構造物（例えば、黒体と類似した挙動をする材料を含む構造物）を、反応チャンバー１０２内のガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃの少なくとも一部に隣接または近接して配置して、ガス分散導管１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃへの熱の移動を改善することができる。
【００４４】
例えばＡｒｅｎａらの名義の２００９年８月２７日公開の（特許文献５）に開示されているように、反応チャンバー１０２内に受動的熱移動構造物（例えば、黒体と類似した挙動をする材料を含む構造物）を提供することができる。例えば、熱移動板１２４が、基板支持構造物１０４および基板支持構造物１０４で支持された被加工物基板１０６の上に反応チャンバー１０２を横断して延在するように、熱移動板１２４（図１Ａおよび図１Ｂでは点線で表されている）を反応チャンバー１０２内に配置することができる。熱移動板１２４は、加熱素子（加熱素子１０８など）からの放射を吸収し、その吸収された熱をプロセスガス中に再放射することによって、熱移動板１２４に近接して流れるプロセスガスを熱化させる助けとなることができる。
【００４５】
そうした受動的熱移動構造物は、反応チャンバー１０２の内部での熱移動を改善し、反応チャンバー１０２内の温度の均一性および一貫性を改善することができる。受動的熱移動構造物は、堆積システム１００内で遭遇する可能性のある高温、腐食環境に耐えることもできる高い放射率値（１に近い）を有する材料（黒体材料）を含むことができる。そうした材料には、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）が含まれることができ、これらはそれぞれ０．９８、０．９２および０．９２の放射率値を有する。
【００４６】
ガス状副生成物、キャリアガスおよび任意の過剰前駆体ガスは、チャンバー出口１２６を通して反応チャンバー１０２から排気することができる。
【００４７】
上述した通り、図１Ａおよび図１Ｂの堆積システム１００のガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの１つまたは複数は、図２〜図４を参照して以下にさらに詳細に説明するようなガスインジェクターであっても、またはそれを含んでもよい。
【００４８】
いくつかの実施形態では、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂは、Ａｒｅｎａらの名義の２０１０年９月１０日公開の（特許文献６）に開示されているようなガスインジェクターを備えることができる。例えば図２は、図１Ａに示したガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの一方または両方のために使用できる熱化用ガスインジェクター１６０の透視図である。図２に示すように、ガスインジェクター１６０は、入口部１６４、コイル状中央部１６６および出口部１６８を含む導管１６２を備える。供給源ガス（例えばＧａＣｌ３）、キャリアガス（例えばＨ２、Ｎ２等）または供給源ガスとキャリアガスの混合物を入口部１６４に供給することができる。１つまたは複数のガスは、入口部１６４からコイル状中央部１６６を通って出口部１６８に抜けて、反応チャンバー１０２（図１Ａ）に流入する。以下でさらに詳細に論じるように導管１６２の少なくともコイル状中央部１６６を加熱することができる。導管１６２をコイル状にすることによって、導管１６２によって占められる物理的な空間の長さは、導管１６２を通る流路の実際の長さより大幅に短くなる。別の言い方をすれば、導管１６２の長さを、入口部１６４と出口部１６８の間の最短距離より長くすることができる。導管１６２は他の構造を有していてよい。例えば、導管１６２は、１８０°の角度で延在する曲線部分によって端と端が接した形で（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ  ｆａｓｈｉｏｎ）一緒に連結された複数のほぼ平行な直線部分を備える蛇行状の構造を有することができる。
【００４９】
導管１６２内の流路の断面積、導管１６２を通る供給源ガスの流量および導管１６２の全長の関数であることができる望ましい時間量（すなわち、滞留時間）のために、導管１６２を、導管１６２を通して流れるガスを加熱するように構成することができる。以下でさらに詳細に論じるように、導管１６２を、１つまたは複数の能動的または受動的加熱素子に近接して配置されるような形状にし、そのように構成することができる。
【００５０】
図２に示すように、導管１６２の少なくともコイル状中央部１６６は外側ハウジング１７０内に含めることができる。図には例示していないが、外側ハウジング１７０はまた、これも反応チャンバー１０２の中の方へ向いていてよいパージガスなどのガス用の追加のガス導通用導管として働くこともできる。例えば、図２に示すように、外側ハウジング１７０は、反応チャンバー１０２中へ延在していてよいハウジング入口１７２およびハウジング出口１７４を含むことができる。パージガスは、ハウジング入口１７２から外側ハウジング１７０を通ってハウジング出口１７４へ流れ、続いて反応チャンバー１０２に流入するようにさせることができる。パージガスは、外側ハウジング１７０を通過する際に、熱化用ガスインジェクター１６０で加熱することができる。
【００５１】
導管１６２および外側ハウジング１７０は、使用の際にそれらが被る高温において安定で不活性な耐火性材料を含むことができる。例えば導管１６２および外側ハウジング１７０は、石英で形成されていてよく、少なくとも実質的に石英を含むことができる。
【００５２】
熱化用ガスインジェクター１６０は、外側ハウジング１７０および導管１７２のコイル状中央部１６６の１つまたは複数に近接した（例えば、隣接した）能動的熱発生素子位置を用いて加熱することができる。能動的加熱素子には、加熱ランプなどの放射線放出素子、誘導加熱素子、抵抗加熱素子などの電気的加熱素子などが含まれる。熱化用ガスインジェクター１６０はまた、それ自体は熱を発生しないが、熱化用ガスインジェクター１６０の中またはその周りで、再分配する、反射する、または熱移動に影響を及ぼすのに使用される受動的加熱素子を含むこともできる。例えば図２に示すように、熱化用ガスインジェクター１６０は能動的加熱素子１８０を備えることができ、これは、外側ハウジング１７０の外部を少なくとも部分的に取り囲む抵抗加熱式クランプシェル形加熱器を備えることができる。したがって、導管１６２および／または外側ハウジング１７０を通して流れるガスを能動的加熱素子１８０で加熱することができる。図２に示すように、能動的であっても受動的であってもよい任意選択の加熱素子１８２を外側ハウジング１７０内に配置することができる。図２に示すように、加熱素子１８２は細長い円筒形状を有してよく、コイル１６２のコイル状中央部１６６は加熱素子１８２の周りに巻きつけられていてよい。非限定的な例によれば、加熱素子１８２は、能動的加熱素子１８０で発生した熱を再分配するのに使用される黒体材料を含むロッドを備えることができる。加熱素子１８２の存在は、それによってコイル１６２のコイル状中央部１６６内のガスおよび外側ハウジング１７０内のガスが、能動的加熱素子１８０で加熱される効率を改善することができる。
【００５３】
ガス供給源１２８Ａ、１２８Ｂの１つによって熱化用ガスインジェクター１６０に供給される供給源ガスがＧａＣｌ３などの金属三塩化物および水素キャリアガスＨ２を含む本発明の実施形態において、金属三塩化物と水素ガスは分解してＧａＣｌなどの金属一塩化物蒸気およびＨＣｌ蒸気を生成してもよく、この蒸気は導管１６２の出口部１６８を通過して反応チャンバー１０２へ進むことができる。
【００５４】
追加の実施形態において、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂは、（特許文献４）に開示されているようなガスインジェクターを含むことができる。例えば、ガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂは、例えば液体ガリウム（Ｇａ）、液体アルミニウム（Ａｌ）または液体インジウム（Ｉｎ）などの液体状の金属または他の元素を保持するように構成されたリザーバを含むことができる。他の実施形態では、そのリザーバは、供給源ガス（または供給源ガスの分解もしくは反応生成物）と反応させるための固体試薬を保持するように構成されていてよい。例えば、リザーバは、例えば固体ケイ素（Ｓｉ）または固体マグネシウム（Ｍｇ）などの１つまたは複数の材料の実体積（ｓｏｌｉｄ  ｖｏｌｕｍｅ）を保持するように構成されていてよい。
【００５５】
図３は、図１Ａで示したガスインジェクター１５０Ａ、１５０Ｂの一方またはその両方のために使用できるガスインジェクター２００の透視図である。図３に示すように、ガスインジェクター２００は入口２０２、出口２０４、熱化用導管２０６および容器２１０を備える。容器２１０はその中に液体試薬を保持するように構成されている。例えば液体ガリウム、液体インジウム、液体アルミニウム等の液体金属または液体有機金属物質などを容器２１０内に配置することができる。供給源ガス（例えばＧａＣｌ３）、キャリアガス（例えばＨ２、Ｎ２等）または供給源ガスとキャリアガスの混合物を入口２０２に供給することができる。１つまたは複数のガスを、入口２０２から熱化用導管２０６中に流すことができる。熱化用導管２０６を、熱化用導管２０６内の流路の断面積、熱化用導管２０６を通る供給源ガスの流量および熱化用導管２０６の全長の関数であってよい望ましい時間量（すなわち、滞留時間）で、熱化用導管２０６を通って流れるガスを加熱するように構成することができる。以下でさらに詳細に論じるように、熱化用導管２０６を１つもしくは複数の能動的または受動的加熱素子に近接して配置されるような形状にし、そのように構成することができる。
【００５６】
さらに、熱化用導管２０６は、熱化用導管２０６によって占められる物理的な空間の長さが熱化用導管２０６を通る流路の実際の長さより大幅に短くなるように１つまたは複数の曲線部分または屈曲部（ｔｕｒｎ）を含むことができる。別の言い方をすれば、熱化用導管２０６の長さを、入口２０２と液体容器２１０の間の最短距離より長くすることができる。いくつかの実施形態では、熱化用導管２０６の長さは、入口２０２と液体容器２１０の間の最短距離の少なくとも約２倍、入口２０２と液体容器２１０の間の最短距離の少なくとも約３倍またはさらには入口２０２と液体容器２１０の間の最短距離の少なくとも約４倍であってよい。例えば、熱化用導管２０６は、図３に示すような、１８０°の角度で延在する曲線部分によって端と端が接した形で一緒に連結された複数のほぼ平行な直線部分を備える蛇行状の構成を有することができる。
【００５７】
熱化用導管２０６は、例えば石英などの耐火性材料を少なくとも実質的に含む管を備えることができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、そのガスは、熱化用導管２０６内で少なくとも部分的に分解する供給源ガスを含むことができる。例えば、そのガスがＧａＣｌ３の供給源ガスおよびＨ２を含むキャリアガスを含む実施形態において、供給源ガスを分解してガス状ＧａＣｌおよび塩化水素（ＨＣｌ）を生成させることができる。
【００５９】
ガスは熱化用導管２０６から容器２１０へ流入する。図４は、容器２１０の拡大した部分切り取り図である。図４に示すように、容器２１０は底部壁２１２、上部壁２１４および少なくとも１つの側壁２１６を備える。図６および図７の実施形態において、リザーバは概ね円筒状の形状を有しており、したがって底部壁２１２および上部壁２１４のそれぞれは円形状の形状を有し、少なくとも実質的に平面であり、したがって側壁２１６は少なくとも実質的に円筒状（例えば、チューブ状）である。本発明の追加の実施形態において、リザーバを代替の幾何学的構造で構成することができる。底部壁２１２、上部壁２１４および少なくとも１つの側壁２１６は一緒になって中空体を画定し、その内側は、液体ガリウムまたは有機金属物質などの液体試薬を保持するためのリザーバを画定する。
【００６０】
中空容器２１０の内部空間は部分的に液体試薬で満たされていてよい。例えば、容器２１０内の液体試薬の上部に空隙または空間２２２が存在するように、容器２１０を図４の点線２２０で示されるレベルまで液体試薬で満たすことができる。熱化用導管２０６から流出するガスを、容器２１０内の液体試薬の上部の空間２２２に注入することができる。非限定的な例として、熱化用導管２０６から流出するガスを、底部壁２１２を通して管２２４に流入させることができる。いくつかの実施形態では、管２２４は、容器２１０中へ延在する熱化用導管２０６の一体部分（ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を含むことができる。管２２４は、液体容器内に配置された液体試薬を通って液体試薬の上部の空間２２２へ延在させることができる。管２２４は、管２２４の末端部分が液体試薬の上部を水平に延在するように９０°のベンドを含むことができる。
【００６１】
図４に示すように、液体試薬の表面に面するその側部上に管２２４の円筒状側壁を貫通する開口部を提供し、それによって管２２４を通して流れるガスが開口部２２６を通して管２２４の外に出るようにすることができる。開口部２２６を出るガスを、そのガスの１つまたは複数の成分と液体試薬の反応を促進させるように、液体試薬の表面の方へ配向された方向に開口部から出るように案内することができる。例えば、供給源ガスがＨ２などのキャリアガス中で輸送されるＧａＣｌ３を含み、熱化用導管２０６内でその供給源ガスが分解してガス状ＧａＣｌおよび例えば塩化水素（ＨＣｌ）などの塩素化種を含む実施形態において、液体容器内の液体試薬は、熱化用導管２０６内で発生した塩素化ガス（例えばＨＣｌ）と反応して追加のガス状ＧａＣｌを生成できる液体ガリウムを含むことができる。容器２１０内の液体試薬の上部の空間２２２中のガスは、容器から出口ポート２２８を通して流出することができる。例えば、出口ポート２２８は、管２２４の水平に延在する部分の上部の容器の上部壁２１４中に配置することができる。出口ポート２２８は出口導管２３０に通じ、その端部はガスインジェクター２００の出口２０４を画定することができる。
【００６２】
追加の実施形態において、熱化用導管２０６から流出するガスを容器２１０内の液体試薬中に注入することができ、それによって、ガスは液体試薬を通して液体試薬の上部の空間２２２中にバブリングされる。
【００６３】
容器２１０の種々の成分は、例えば石英などの耐火性材料を少なくとも実質的に含むことができる。
【００６４】
ＧａＣｌは、ＧａＮを生成させるのに望ましい前駆体ガスであってよい。したがって、例えば、ＧａＣｌ３およびＨ２の熱分解によってもたらされる塩化水素ガス（ＨＣｌ）などの過剰な塩素化種を追加的なＧａＣｌに転換させることによって、反応チャンバー１０２中に入る塩素化種（ＧａＣｌ３およびＨ２を含む供給源ガスを用いる系において）の量を減少させることができるので、堆積されたＧａＮ材料への過剰な塩素化種の有害な影響を回避することができる。そうした有害な影響には、例えば、窒化ガリウム結晶格子中への塩素原子の取り込みおよび堆積されたＧａＮ膜のクラッキングまたは層間剥離が含まれることができる。過剰な塩化水素ガス（ＨＣｌ）を反応チャンバー中に導入すると、反応チャンバー内でのＧａＮに対するエッチャントとして作用する塩化水素がもたらされ、それによって、ＧａＮの成長速度を低下させ、またはさらにはその成長を阻止することができる。さらに、過剰な塩素化種を液体ガリウムと反応して追加のＧａＣｌを生成させることによって、堆積システム１００の効率を改善することができる。
【００６５】
図１Ａおよび図１Ｂを参照して上述したＨＶＰＥ堆積システム１００を、以下で説明する本発明の方法の実施形態に従って、基板の上に核形成層を堆積させ、その核形成層をアニールして核形成材料の島状部を形成させて、核形成材料の島状部の上にＩＩＩ族窒化物半導体材料の過成長層を堆積させるために使用することができる。
【００６６】
図５〜図１０は、本発明の方法の実施形態に従った基板上への核形成層の堆積、核形成材料の島状部を形成するための核形成層のアニーリング、および核形成材料の島状部上へのＩＩＩ族窒化物半導体材料の過成長層の堆積を例示する。
【００６７】
図５を参照して、基板２４０を提供する。基板２４０は概ね平面のディスク形状体であってよく、概ね円形、矩形等であってもよい。基板２４０は、当技術分野で「ダイ（ｄｉｅ）」または「ウエハー」と称されるものを含むことができる。基板２４０は均質な材料２４２を少なくとも実質的に含むことができる。材料２４２は、例えば、酸化物（例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（例えば、α−Ａｌ２Ｏ３であるサファイア））または窒化物（例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化ホウ素（ＢＮ））などのセラミックを含むことができる。追加の例として、材料２４２はケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料等の半導体材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板２４０の材料２４２は、材料２４２の単結晶を少なくとも実質的に含むことができる。さらに、そうした実施形態において、単結晶は、材料２４２の露出主表面２４４が材料２４２の単結晶の選択された結晶学的平面を含むように、選択された結晶学的配向を有することができる。その露出主表面２４４は、その上にＩＩＩ族窒化物半導体材料を成長させるまたは堆積させることが望ましい成長表面を含む。非限定的な例として、基板２４０は、（０００１）サファイア基板を含むように選択することができる。そうしたサファイア基板は市販されている。
【００６８】
図６を参照して、核形成層２５０を、露出主表面２４４上に形成する（例えば、堆積させる）ことができる。本発明の方法の実施形態に従って、核形成層２５０は金属窒化物材料（例えばＧａＮ）を含むことができ、上述したようなＨＶＰＥプロセスおよびＨＶＰＥシステム１００を用いて形成することができる。非限定的な例によれば、その核形成層２５０が約２ナノメートル（２ｎｍ）から約５ミクロン（５μｍ）、約１０ナノメートル（１０ｎｍ）から約１００ナノメートル（１００ｎｍ）またはさらには約２０ナノメートル（２０ｎｍ）から約５０ナノメートル（５０ｎｍ）の平均厚さＴ１をもつように、核形成層２５０を露出主表面２４４上に堆積させることができる。さらに、核形成層２５０を、例えば約４００℃から約７００℃（例えば約５７０℃）の比較的低温および約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）（例えば約２００Ｔｏｒｒ）の圧力で堆積させることができる。
【００６９】
堆積の際、核形成層２５０はそのナノ構造内に非晶質領域と結晶領域の両方を含むことができる。例えば、図１１は、拡大下で核形成層２５０の断面図がどのように見えることができるかを概略的に例示する簡略化した図面である。図１１に示すように、核形成層２５０のミクロ構造は、実質的に非晶質の金属窒化物材料２５４の中に埋め込まれ、それで取り囲まれた結晶性金属窒化物材料２５２（すなわち、結晶または微結晶）の結晶粒（ｇｒａｉｎ）を含むことができる。当技術分野で公知であるように、「非晶質」は、材料の原子配置において長い範囲で秩序がそれほどないことを意味する。言い換えれば、それが材料内で秩序ある原子面の配列で配置されているのとは対照的に、その材料内で非晶質材料の原子はほぼランダムに配置されている。図１１の図は簡略化されているが、図１１において結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒と非晶質金属窒化物材料２５４の間で識別可能な離散的境界を容易に見ることができ、実際このミクロ構造を拡大下で見た場合、結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒の周縁周りに延びるそうした離散的境界は、識別するのが比較的困難であることができることに留意すべきである。それでも、結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒および非晶質金属窒化物材料２５４の存在は、適切な拡大下でミクロ構造を見るかつ／またはＸ線回折（ＸＲＤ）などの他の手法を用いれば識別可能である。
【００７０】
結晶性金属窒化物材料２５２のいくつかの結晶粒を、下にある基板２４０（図５）の表面２４４の結晶格子上に直接配置し、かつその結晶格子とエピタキシャルに整列させることができる。例えば、基板２４０が（０００１）サファイア基板を含み、核形成層２５０が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む実施形態において、その表面２４４はサファイア結晶格子の（０００１）面を含むことができ、基板２４０の表面２４４上に直接配置されている結晶性ＧａＮ材料２５２の結晶粒を、結晶性ＧａＮ材料２５２のそれらの結晶粒の結晶格子内の［０００１］方向が表面２４４に対して実質的に垂直に延びるように配向させることができる。図１１において、結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒のそれぞれの中の［０００１］方向は、結晶粒内の矢印で表される。結晶性ＧａＮ材料２５２のそれらの結晶粒の結晶格子内の他の方向も、表面２４４で、下にあるサファイア基板２４０の結晶格子内の対応する方向に対して実質的に平行に延びることができ、その結果、表面２４４で、下にあるサファイア基板２４０の結晶格子に対する水平面（すなわち、図の平面の中へ延びる平面）内でのそれらの結晶粒の回転配向における不整合がほとんどないことになる。
【００７１】
やはり図１１に示すように、下にある基板２４０の表面２４４（図５）の上に直接配置されていない結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒は、下にある基板２４０の表面２４４の結晶格子とエピタキシャルに整列されていなくてよく、結晶格子内の［０００１］方向を示す結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒のそれぞれの中の矢印で示すように、空間中でランダムに配向されていてよい。もちろん、［０００１］方向の一部は、図１１の面の中へ入りその外へ出る角度で延びていてよいが、そうした方向は図に示されていない。
【００７２】
結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む実施形態において、結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒の一部またはすべてはウルツ鉱型結晶構造を少なくとも実質的に含む結晶粒であるかまたはそれを含んでよく、かつ／または結晶粒の一部またはすべては閃亜鉛鉱型結晶構造を少なくとも実質的に含む結晶粒であるかまたはそれを含んでよい。さらに、いくつかの実施形態では、結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒は、閃亜鉛鉱型結晶構造などの１つの結晶構造の内核（ｉｎｎｅｒ  ｃｏｒｅ）、およびウルツ鉱型結晶構造などの別の結晶構造を有する少なくとも部分的に内核を取り囲む外殻（ｏｕｔｅｒ  ｓｈｅｌｌ）をもつことができる。
【００７３】
図６を再度参照して、基板２４０の表面２４４上に核形成層２５０を形成させた後、その核形成層２５０をアニーリングプロセスで熱処理して、図７に示すような金属窒化物核形成材料の島状部２６０を基板２４０の表面２４４上に形成することができる。この核形成層２５０を、その中で核形成層２５０が基板２４０上に堆積されたのと同じ反応チャンバー１０２中でアニーリングプロセスにかけることができ、このアニーリングプロセスは、基板２４０の上にＩＩＩ族窒化物半導体材料を形成するのに用いられる全ＨＶＰＥプロセスの一体部分として堆積プロセスの後で実施することができる。非限定的な例によれば、アニーリングプロセスは、核形成層２５０を、約９００℃から約１３００℃（例えば約１０５０℃）の１つまたは複数の温度および約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）（例えば約２００Ｔｏｒｒ）の圧力に約１０秒間（１０ｓｅｃ）から約１０分間（１０ｍｉｎ）（例えば約３．５分間）かけることを含むことができる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、金属窒化物核形成材料の島状部２６０のそれぞれは少なくとも実質的に結晶性であってよく、下にある基板２４０の表面２４４の結晶格子上に直接配置されかつそれとエピタキシャルに整列されていてよい。例えば、基板２４０が（０００１）サファイア基板を含み、島状部２６０が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む実施形態において、その表面２４４はサファイア結晶格子の（０００１）面を含むことができ、ＧａＮの島状部２０６の結晶構造は、結晶格子内の［０００１］方向が表面２４４に対して実質的に垂直に延びるように配向されていてよい。さらに、ＧａＮの島状部２０６の結晶格子内の他の方向も、表面２４４で、下にあるサファイア基板２４０の結晶格子内の対応する方向に対して実質的に平行に延びることができ、その結果、表面２４４で、下にあるサファイア基板２４０の結晶格子に対する水平面（すなわち、図の面の中へ延びる面）内でのそれらの結晶粒の回転配向における不整合が皆無かまたはそれに近いことになる。いくつかの実施形態では、金属窒化物核形成材料の島状部２６０の一部またはすべては、基板２４０の表面２４４の少なくとも一部が島状部２６０間に曝露されるように、隣接島状部２６０から空間的に分離されていてよい。島状部２６０の少なくとも一部のベースは、その島状部が他のすべての島状部２６０から完全に隔離されないように１つまたは複数の他の隣接島状部２６０のベースと直接接触していてよいことに留意すべきである。
【００７５】
さらに、いくつかの実施形態では、島状部２６０はウルツ鉱型核形成材料を少なくとも実質的に含むことができる。
【００７６】
さらに、図７において、島状部２６０は互いに一様に分離されていて、秩序ある配列で配置されているように見えるが、この図は例示のために簡略化されており、実際には島状部２６０は、基板２４０の表面２４４にわたってランダムに配置され分散されていてよいことを理解すべきである。
【００７７】
島状部２６０が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む実施形態において、結晶性島状部２６０の結晶粒の一部またはすべてはウルツ鉱型結晶構造の結晶粒であるかまたはそれを含んでよく、かつ／またはその結晶粒の一部またはすべては閃亜鉛鉱型結晶構造の結晶粒を含んでよい。さらに、いくつかの実施形態では、島状部２６０の結晶粒は、閃亜鉛鉱型結晶構造などの１つの結晶構造の内核、およびウルツ鉱型結晶構造などの別の結晶構造を有する少なくとも部分的に内核を取り囲む外殻をもつことができる。
【００７８】
理論に拘泥するわけではないが、アニーリングプロセスの際に、それによって金属窒化物核形成層２５０が金属窒化物核形成材料の島状部２６０に転換される機構は、金属窒化物核形成層２５０の少なくとも一部の分解および再堆積を含むと考えられる。そうしたプロセスを図１２に概略的に例示する。図１２に示すように、アニーリングおよび結晶化プロセスの際に、核形成層２５０の少なくとも一部は分解して蒸発する。一例として、ＧａＮ材料について、黒丸（ｓｏｌｄ  ｂｌａｃｋ  ｃｉｒｃｌｅ）は窒素原子およびラジカルを表し、白丸（ｈｏｌｌｏｗ  ｃｉｒｃｌｅ）はガリウム原子およびラジカルを表すことができる。窒素およびガリウムの原子およびラジカルの一部は、基板２４０の表面２４４から遠ざかる方へ向けられた（図２）、図１２の破線矢印で表されているように分解し蒸発する。基板２４０の成長表面２４４上に配置されておらずかつそれとエピタキシャルに整列していない、実質的に非晶質の金属窒化物材料２５４および結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒は、基板２４０の成長表面２４４上に配置されておりかつそれとエピタキシャルに整列している結晶性金属窒化物材料２５２の結晶粒と比較してエネルギー的に安定性がより小さいと考えられるので、非晶質材料２５４および結晶性金属窒化物材料２５２の非エピタキシャルに整列した結晶粒は分解するが、結晶性金属窒化物材料２５２のエピタキシャルに整列した結晶粒は、基板２４０の表面２４４上に残留することができる。
【００７９】
さらに、図１２の実線矢印で示されるように、アニーリングおよび再結晶化プロセスの際に分解し蒸発した窒素およびガリウムの原子およびラジカルは再結合し、基板２４０の表面２４４上に残留している結晶性金属窒化物材料２５２のエピタキシャルに整列した結晶粒の表面上に堆積させることができる。さらに、図１２の位置２５８で起こっているのが示されているように、分解し蒸発した窒素およびガリウムの原子およびラジカルの一部は再結合して結晶性金属窒化物材料２５２の追加のエピタキシャルに整列した結晶粒の核を形成することができる。
【００８０】
アニーリングおよび再結晶化プロセスが進み続けると、結晶性金属窒化物材料２５２のエピタキシャルに整列した結晶粒は、図７で示したように島状部２６０が形成されるまで成長し続ける。アニーリングおよび再結晶化プロセスの後、基板２４０の表面２４４上に残留する非晶質金属窒化物材料２５４（図１１）は皆無かまたはそれに近くてよい。さらに、島状部２６０の大部分は基板２４０の表面２４４とエピタキシャルに整列していてよく、基板２４０の表面２４４と実質的にエピタキシャルに整列していない島状部２６０はほとんど存在しない可能性がある。
【００８１】
以下でさらに詳細に論じるように、本発明のいくつかの実施形態によれば、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスのパラメーター、および図７に示した核形成層２５０をアニールし再結晶化して島状部２６０を形成するのに用いられる熱処理プロセスのパラメーターは、図７に示すように、メサ形状の島状部とは対照的に、島状部２６０の実質的にすべてとまではいかなくても、島状部２６０の大部分が尖ったピーク形状の島状部２６０であるように選択することができる。
【００８２】
図１３は、１つのピーク形状の島状部２６０および２つのメサ形状の島状部２６０’を概略的に例示する。図１３に示すように、ピーク形状の島状部は、基板２４０の表面２４４に対して０°より大きい鋭角（例えば約４０°から約８５°）で配向された斜め切子面２６２を有する。斜め切子面２６２は、ピーク形状の島状部２６０の頂部の比較的尖った点２６４へ延びそこに収束する。メサ形状の島状部２６０’はピーク形状の島状部２６０の斜め切子面２６２と類似した斜め切子面２６２’をもつが、メサ形状の島状部２６０’の斜め切子面２６２’は、基板２４０の平坦な平面状の成長表面２４４に対してほぼ平行に配向している平坦な平面状の表面２６６’へ延びそれと交差する。図６の核形成層２５０を結晶性島状部に転換させるのに用いられるアニーリングおよび再結晶化プロセスの際、ピーク形状の島状部２６０とメサ形状の島状部２６０’の両方を基板２４０の表面２４４上に形成さることができる。ピーク形状の島状部２６０の上に形成されるＩＩＩ族窒化物材料の過成長層が、メサ形状の島状部２６０’の上に形成されるＩＩＩ族窒化物材料の過成長層に対して比較的小さい貫通欠陥密度をもつことができるように、ピーク形状の島状部２６０の形成を引き起こすまたは促す、かつ／またはメサ形状の島状部２６０’の形成を抑制することが望ましくあり得る。
【００８３】
図１４は、ピーク形状の島状部２６０および図１４に示すのと同様のメサ形状の島状部２６０’の拡大図である。核形成層２５０（図２）をアニーリングし再結晶させることによって島状部が形成されると、その島状部の少なくとも一部はその結晶構造中に欠陥を含むことになる。例えば、図１４に示すように、貫通転位２７０は、基板２４０の表面２４４（図２）と島状部２６０、２６０’の接触面から、島状部２６０、２６０’と島状部２６０、２６０’の上に堆積された被覆された（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）ＩＩＩ族窒化物材料の間の接触面を通って、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の中へ延びることができる。図１４に示すように、島状部２６０、２６０’の斜め切子面２６２、２６２’と交差する貫通転位２７０は、基板２４０の表面２４４（図２）に対してほぼ平行な側方への方向にベンドするまたは曲がり、その方向に延びる傾向を有する。これらのベンドしたもしくは曲がった貫通転位の少なくとも一部は互いに再結合する、または消滅する傾向を有しており、その結果、これらは、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の露出主表面に対して垂直に上向きに延びることはない。しかし、ピーク形状の島状部２６０の点２６４またはメサ形状の島状部２６０’の平坦な平面状の表面と交差する貫通転位２７０は、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の露出主表面の方へ垂直に上向きに延びる傾向を有する。そうした欠陥は望ましくなく、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料を用いて形成される能動的デバイスに悪影響を及ぼす恐れがある。
【００８４】
メサ形状の島状部２６０’の平坦な平面状の表面２６４’の面積と、メサ形状の島状部２６０’と基板２４０の表面２４４（図２）の間の接触面の面積との比は、ピーク形状の島状部２６０の点２６４の面積と、ピーク形状の島状部２６０と基板２４０の表面２４４（図２）の間の接触面の面積との比より小さくてよい。そのため、平坦な平面状の表面２６４’へ延びる、したがって被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の露出主表面へ延びるメサ形状の島状部２６０’内での貫通転位２７０のパーセンテージは、点２６４へ延び、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の露出主表面上へ延びるピーク形状の島状部２６０内での貫通転位２７０のパーセンテージより大きい可能性がある。言い換えれば、点２６４の最小面積に起因してピーク形状の島状部２６０内の貫通転位２７０はその点２６４より斜め切子面２６２と交差する可能性が高いので、ピーク形状の島状部２６０内の貫通転位２７０は、メサ形状の島状部２６２’内の貫通転位２７０と比較して、被覆されたＩＩＩ族窒化物材料の露出主表面の方へ上向きに伝播する可能性は低い。
【００８５】
結果として、少なくともいくつかの実施形態において、本発明の方法は、図１３および図１４に示したようなメサ形状の島状部２６０’とは対照的に、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスのパラメーターおよび核形成層２５０をアニールし再結晶させるのに用いられる熱処理プロセスのパラメーターを選択し、調整して図７に示すようなピーク形状の島状部２６０を優先的に形成することを含むことができる。
【００８６】
出願人らは、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスの特定のパラメーターおよび核形成層２５０をアニールし再結晶させるのに用いられる熱処理プロセスのパラメーターがいかに、得られる核形成材料の島状部の高さ、密度および形状のそれぞれに影響を及ぼすかを検討した。図１５はこの検討結果を示すチャートである。
【００８７】
図１５に示すように、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセス（これは図１５で「核形成」プロセスと特定される）の際、メサ形状の島状部２６０’は約４５０℃の堆積温度で形成される傾向があり、他方ピーク形状の島状部２６０は約５７０℃の堆積温度で形成される傾向があることを発見した。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスは少なくとも約５００℃の温度で実施することができ、約５００℃から約７００℃、約５５０℃から約６００℃またはさらには約５６０℃から約５８０℃（例えば約５７０℃）の温度で実施することができる。図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスの際、メサ形状の島状部２６０’は約５４ｓｅｃの堆積（すなわち、核形成）時間で形成される傾向があり、他方ピーク形状の島状部２６０は約１８ｓｅｃの堆積時間で形成される傾向があることも発見した。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図６の核形成層２５０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスは約４５ｓｅｃ未満の期間にわたって実施することができ、約５ｓｅｃから約４５ｓｅｃ、約１０ｓｅｃから約３０ｓｅｃまたはさらには約１５ｓｅｃから約２５ｓｅｃ（例えば約１８ｓｅｃ）の期間にわたって実施することができる。
【００８８】
やはり図１５に示すように、図６の核形成層２５０から図７の島状部２６０を形成するのに用いられるアニーリングおよび再結晶化プロセス（このプロセスは図１５において「アニーリング」プロセスと特定されている）の際、メサ形状の島状部２６０’は約９５０℃のアニーリング温度で形成される傾向があり、他方ピーク形状の島状部２６０は約１０５０℃のアニーリング温度で形成される傾向があることを発見した。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図７の島状部２６０を形成するのに用いられるアニーリングおよび再結晶化プロセスは少なくとも約１０００℃の温度で実施することができ、約１０００℃から約１３００℃、約１０２５℃から約１１００℃またはさらには約１０４０℃から約１０７０℃（例えば約１０５０℃）の温度で実施することができる。図７の島状部２６０を形成するのに用いられるアニーリングおよび再結晶化プロセスの際、メサ形状の島状部２６０’は約１ｍｉｎのアニーリング期間で形成される傾向があり、他方ピーク形状の島状部２６０は約９ｍｉｎのアニーリング期間で形成される傾向があることも発見した。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図７の島状部２６０を形成するのに用いられるアニーリングおよび再結晶化プロセスを、約３ｍｉｎ超の期間にわたって実施することができ、約３ｍｉｎから約１０ｍｉｎ、約５ｍｉｎから約１０ｍｉｎまたはさらには約７ｍｉｎから約１０ｍｉｎ（例えば約９ｍｉｎ）の期間にわたって実施することができる。
【００８９】
上記で論じたプロセスパラメーターのそれぞれの得られる島状部２６０の高さおよび得られる島状部２６０の密度に対する影響も図１５のチャートに示す。図１５から、ピーク形状の島状部２６０の形成のために望ましい、より高い核形成温度およびより短い核形成時間は、より低い平均高さおよび比較的高い密度を有する島状部２６０をもたらすことができるようであり、以下で論じるように、これもやはり島状部２６０から最終的に形成される核形成テンプレート層の特性の改善のために好ましいものであってよい。
【００９０】
再度図７を参照すると、貫通欠陥２７０が、金属窒化物核形成材料のピーク形状の島状部２６０の中に示されている。
【００９１】
上述したようなピーク形状の島状部２６０が形成された後、図８に示すように、ピーク形状の島状部２６０は成長し合体して金属窒化物核形成テンプレート層２８０を形成することができる。島状部２６０は、上述したようなＨＰＶＥシステム１００においてＨＰＶＥ堆積プロセスを用いて成長させることができる。島状部２６０は、金属窒化物核形成テンプレート層２８０が少なくとも実質的に連続的であるように、少なくとも島状部２６０のベースが互いに収束してしまうまで成長させることができる。核形成テンプレート層２８０はピーク２８２を含むことができ、そのそれぞれは、それまでに形成された図７の島状部２６０の１つと対応することができる。金属窒化物核形成テンプレート層２８０は、表面２４４が核形成テンプレート層２８０のピーク２８２の間に曝露されないように、基板２４０の表面２４４を少なくとも実質的に覆うことができる。島状部２６０の実質的にすべてが下にある基板２４０の表面２４４と少なくとも実質的にエピタキシャルに整列し、島状部２６０が互いに成長し収束することができると、島状部２６０のそれぞれの結晶格子は実質的に互いに調和し整列してよく、したがって核形成テンプレート層２８０は単結晶材料を実質的に含み、したがって合体する島状部２６０間の合流接触面で比較的少ない欠陥しか形成されないようになる。図１３および図１４に示すような合体するメサ形状の島状部２６０’間の合流接触面に対して、図６に示すような比較的少ない欠陥が、合体するピーク形状の島状部２６０間の合流接触面で形成されると考えられる。
【００９２】
さらに、いくつかの実施形態では、金属窒化物核形成テンプレート層２８０は、ウルツ鉱型核形成材料を少なくとも実質的に含むことができる。
【００９３】
非限定的な例によれば、反応チャンバー１０２内において島状部２６０を、例えば約９００℃から約１１００℃（例えば約１０００℃）の温度および約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）（例えば約２００Ｔｏｒｒ）の圧力で、ＨＰＶＥプロセスで成長し合体させることができる。
【００９４】
島状部２６０を成長させて図８に示した金属窒化物核形成テンプレート層２８０を形成させた後、核形成テンプレート層２８０を熱処理して、核形成テンプレート層２８０をアニーリングプロセスにかけて、核形成テンプレート層２８０の結晶格子の特性を改善し、核形成テンプレート層２８０中の欠陥数を減少させることができる。
【００９５】
核形成テンプレート層２８０を、基板２４０の上にＩＩＩ族窒化物半導体材料を形成するのに用いられる全ＨＶＰＥプロセスの一体部分として、核形成テンプレート層２８０の形成に続いて、上記で論じた先行処理ステップが実施されたのと同じ反応チャンバー１０２中でアニーリングプロセスにかけることができる。非限定的な例によれば、核形成テンプレート層２８０に施されるアニーリングプロセスは、核形成テンプレート層２８０を、約９００℃から約１１００℃（例えば約１０００℃）の１つまたは複数の温度、および約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）（例えば約１５０Ｔｏｒｒ）の圧力に約５分間（５ｍｉｎ）から約１５分間（１５ｍｉｎ）（例えば約１０ｍｉｎ）の期間にわたってかけることを含むことができる。さらに、核形成テンプレート層２８０のアニーリングの際に、反応チャンバー１０２を通して、アンモニア（ＮＨ３）などのＶ族前駆体ガスが（反応チャンバー１０２を通してＩＩＩ族前駆体ガスが流れることは全くなく）流れるようにすることができる。
【００９６】
出願人らは、図７の島状部２６０から図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスの特定のパラメーターおよび核形成テンプレート層２８０をアニールするのに用いられる熱処理プロセスのパラメーターが、核形成テンプレート層２８０の露出主表面２８４の表面粗度、核形成テンプレート層２８０中の欠陥数および得られる核形成テンプレート層２８０の平均厚さのそれぞれにいかに影響を及ぼすかを検討した。これらの検討結果を図１６のチャートに示す。
【００９７】
図１６に示すように、核形成テンプレート層２８０の生成の間の成長温度およびアニーリング温度を比較的高くすると、核形成テンプレート層２８０の露出主表面２８４のより低い二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗度がもたらされることが発見された。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積およびアニーリングプロセスは少なくとも約９５０℃の温度で実施することができ、約９５０℃から約１１００℃、約９７５℃から約１０５０℃またはさらには約９８５℃から約１０１５℃（例えば約１０００℃）の温度で実施することができる。核形成テンプレート層２８０の生成の間の反応チャンバー１０２を通るＶ族前駆体ガス（例えばアンモニア（ＮＨ３））の流れを比較的多くすると、核形成テンプレート層２８０の露出主表面２８４のより低いＲＭＳ表面粗度がもたらされることが発見された。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積およびアニーリングプロセスは、Ｖ族前駆体ガス（例えばアンモニア（ＮＨ３））を、反応チャンバー１０２を通して少なくとも約１０ｓｌｍの流量で流しながら実施することができる。例えば、Ｖ族前駆体ガスの流量は約１０ｓｌｍから約３０ｓｌｍ、約１５ｓｌｍから約２５ｓｌｍまたはさらには約１８ｓｌｍから約２２ｓｌｍ（例えば約２０ｓｌｍ）であってよい。さらに、本発明のいくつかの実施形態によれば、核形成テンプレート層２８０の露出主表面２８４のＲＭＳ表面粗度は約５．０ｎｍ以下またはさらには約２．０ｎｍ以下であってよい。
【００９８】
Ｘ線回折（ＸＲＤ）を、本明細書で説明するようにして加工した種々のサンプルの核形成テンプレート層２８０について実施した。具体的には、（１０５）反射を測定し、得られたピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）値を測定した。より小さいＦＷＨＭ値はより引き締まったピークを示しており、したがって結晶格子におけるそれぞれの格子パラメーターの変動がより小さいと反射をもたらし、これは結晶格子における、より少ない欠陥を示す。図１６に示すように、図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積およびアニーリングプロセスの間の温度がより高く、圧力がより低いと、より小さいＦＷＨＭ値がもたらされ、したがって核形成テンプレート層２８０の結晶格子における結晶化度が改善されかつ／または欠陥がより少ない結果となる場合があることを発見した。したがって本明細書で上記に示した温度範囲に加えて、図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積およびアニーリングプロセスは、約２３５Ｔｏｒｒ以下の圧力で実施することができ、約５０Ｔｏｒｒから約２３５Ｔｏｒｒ、約１２０Ｔｏｒｒから約１７０Ｔｏｒｒまたはさらには約１４０Ｔｏｒｒから約１６０Ｔｏｒｒ（例えば、約１５０Ｔｏｒｒで）の圧力で実施することができる。図１６のＸＲＤデータをさらに参照して、核形成テンプレート層２８０の生成の間の反応チャンバー１０２を通る水素パージガス（Ｈ２）の流れを比較的少なくすると、核形成テンプレート層２８０の結晶格子において改善された結晶化度および／またはより少ない欠陥がもたらされることが発見された。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、図８の核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられるＨＶＰＥ堆積およびアニーリングプロセスは、反応チャンバー１０２を通して水素パージガス（Ｈ２）を約１５ｓｌｍ以下の流量で流しながら実施することができる。例えば、水素パージガスの流量は、約２ｓｌｍから約１５ｓｌｍ、約４ｓｌｍから約１２ｓｌｍまたはさらには約６ｓｌｍから約１０ｓｌｍ（例えば約８ｓｌｍ）であってよい。
【００９９】
引き続き図１６を参照して、核形成テンプレート層２８０の結晶格子において改善された結晶化度および／またはより少ない欠陥をもたらすと考えられる、上述した水素パージガス（Ｈ２）の比較的少ない流量および比較的低い圧力は、得られる核形成テンプレート層２８０の平均合計厚さの増大ももたらすことをさらに発見した。これは、少なくとも部分的に、反応チャンバー１０２中の水素ラジカル濃度の低下、およびより低い圧力に起因した反応チャンバー１０２中で起こる気相反応の低下による核形成テンプレート層２８０のエッチングの低下の結果であると考えられる。
【０１００】
図１７はＨＶＰＥ堆積プロセスの非限定的な例を概略的に表すグラフである。このプロセスは、図１Ａおよび図１Ｂの堆積システム１００を用いて、図６に示すように核形成層２５０を堆積させ、図７に示すように核形成層２５０を結晶化させて核形成材料の島状部２６０を形成させ、図８に示すように島状部を成長させ合体させて結晶性核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いることができる。図１７に示す堆積プロセスを一例として示すが、本発明の方法の実施形態を実施するために他のＨＶＰＥ堆積プロセスおよびシステムを用いることもできる。図１７を参照して、堆積プロセスの例は、反応チャンバー１０２中の温度Ｔを時間ｔの関数としてプロットすることによって表される。グラフに示すように、この堆積プロセスはＳ１〜Ｓ１３と順次表示された１３（１０）の段階を含む。１３の段階Ｓ１〜Ｓ１３のそれぞれを通した堆積プロセスの非限定的なプロセスパラメーターの例を以下の表１に示す。
【０１０１】
【表１】
0005895279.tif 000002
【０１０２】
図１７および表１に示すように、段階Ｓ１はその間に、反応チャンバー１０２を通してパージガスを流しながら、被加工物基板１０６を４００℃の温度Ｔ１に加熱し、その温度および２００Ｔｏｒｒの圧力で安定化させる安定化段階である。パージガスは、１５標準リットル／分（ｓｌｍ）の流量のＮ２および２ｓｌｍの流量のＨ２を含む。
【０１０３】
ランプ段階Ｓ２は時間ｔ２に開始され、４．５ｍｉｎの期間にわたる。ランプ段階Ｓ２の間、反応チャンバー１０２は、実質的に一定のランプ速度で温度Ｔ１から１１００℃の温度Ｔ２まで一様に連続的に加熱される。ランプ段階Ｓ２の間、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持される。ランプ段階Ｓ２の間、５ｓｌｍの流量のＮ２および２２ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。
【０１０４】
ベーク段階Ｓ３は時間ｔ２に開始され、１０ｍｉｎの期間にわたる。ベーク段階は、その上への堆積の前に成長基板の上部成長表面を清浄にし修復するのに用いられる。ベーク段階Ｓ３の間、反応チャンバー１０２は１１００℃の温度Ｔ２および２００Ｔｏｒｒの圧力に保持される。ベーク段階Ｓ３の間、５ｓｌｍの流量のＮ２および２２ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。
【０１０５】
ランプ段階Ｓ４は時間ｔ３に開始され、４ｍｉｎの期間にわたる。ランプ段階Ｓ４の間、反応チャンバー１０２は、実質的に一定のランプ速度で温度Ｔ２から５７０℃の温度Ｔ３まで一様に連続的に冷却される。ランプ段階Ｓ４の間、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持される。ランプ段階Ｓ４の間、５ｓｌｍの流量のＮ２および２２ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。
【０１０６】
安定化段階Ｓ５は時間ｔ４に開始され、３ｍｉｎの期間にわたる。安定化段階Ｓ５の間、反応チャンバー内の温度は５７０℃で保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持され、５ｓｌｍの流量のＮ２および１８ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。
【０１０７】
核形成段階Ｓ６は時間ｔ５に開始され、６０ｓｅｃの期間にわたる。図５および図６を参照して上述したように、核形成段階Ｓ６は核形成層２５０を成長基板２４０上に堆積させるのに用いられる。核形成段階Ｓ６の間、反応チャンバー１０２内の温度は５７０℃に保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持される。核形成段階Ｓ６の間、６ｓｌｍの流量のＮ２および１８ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って２ｓｌｍの流量で流れ、ＧａＣｌ３を含むＩＩＩ族前駆体ガスが５１標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の流量で反応チャンバーに流入する。
【０１０８】
ランプ段階Ｓ７は時間ｔ６に開始され、４ｍｉｎの期間にわたる。ランプ段階Ｓ７の間、反応チャンバー１０２は、実質的に一定のランプ速度で温度Ｔ３から１０５０℃の温度Ｔ４まで一様に連続的に加熱される。ランプ段階Ｓ７の間、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持される。ランプ段階Ｓ７の間、２ｓｌｍの流量のＮ２および２１ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。ランプ段階Ｓ７の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが６ｓｌｍの流量で反応チャンバー１０２を通って流れる。
【０１０９】
結晶化段階Ｓ８は時間ｔ７に開始され、３．５ｍｉｎの期間にわたる。図６および図７を参照して上述したように、結晶化段階Ｓ８は、成長基板２４０上で核形成層２５０をアニールし、結晶化させて核形成材料の島状部２６０を形成するのに用いられる。結晶化段階Ｓ８の間、反応チャンバー１０２内の温度は１０５０℃に保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒに保持される。核形成段階Ｓ６の間、２ｓｌｍの流量のＮ２および２１ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。結晶化段階Ｓ８の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って６ｓｌｍの流量で流れる。
【０１１０】
ランプ段階Ｓ９は時間ｔ８に開始され、２０ｓｅｃの期間にわたる。ランプ段階Ｓ９の間、反応チャンバー１０２は、実質的に一定のランプ速度で温度Ｔ４から１０００℃の温度Ｔ５まで一様に連続的に冷却される。ランプ段階Ｓ９の間、反応チャンバー１０２内の圧力は２００Ｔｏｒｒから１５０Ｔｏｒｒまで低下する。ランプ段階Ｓ９の間、２ｓｌｍの流量のＮ２および２１ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。ランプ段階Ｓ７の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って６ｓｌｍの流量で流れる。
【０１１１】
合体段階Ｓ１０は時間ｔ９に開始され、１０ｍｉｎの期間にわたる。図７および図８を参照して上述したように、合体段階Ｓ１０は、核形成材料の島状部２６０を成長させ合体させて核形成テンプレート層２８０を形成するのに用いられる。合体段階Ｓ１０の間、反応チャンバー１０２内の温度は１０００℃に保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は１５０Ｔｏｒｒに保持される。アニーリング段階Ｓ１０の間、１２ｓｌｍの流量のＮ２および４ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って２０ｓｌｍの流量で流れ、ＧａＣｌ３を含むＩＩＩ族前駆体ガスが５１標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の流量で反応チャンバーに流入する。
【０１１２】
アニーリング段階Ｓ１１は時間ｔ１０に開始され、１０ｍｉｎの期間にわたる。図８を参照して上述したように、アニーリング段階Ｓ１１は、核形成テンプレート層２８０をアニールするのに用いられる。アニーリング段階Ｓ１１の間、反応チャンバー１０２内の温度は１０００℃に保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は１５０Ｔｏｒｒに保持される。アニーリング段階Ｓ１１の間、１２ｓｌｍの流量のＮ２および４ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。アニーリング段階Ｓ１１の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って２０ｓｌｍの流量で流れる。
【０１１３】
ランプ段階Ｓ１２は時間ｔ１１に開始され、４．５ｍｉｎの期間にわたる。ランプ段階Ｓ１２の間、反応チャンバー１０２は、実質的に一定のランプ速度で温度Ｔ５から４００℃の温度Ｔ６まで一様に連続的に冷却される。ランプ段階Ｓ１２の間、反応チャンバー１０２内の圧力は５００Ｔｏｒｒに保持される。ランプ段階Ｓ１２の間、２ｓｌｍの流量のＮ２および２１ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通過する。ランプ段階Ｓ１２の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って１２ｓｌｍの流量で流れる。
【０１１４】
安定化段階Ｓ１３は時間ｔ１２に開始され、２ｍｉｎの期間にわたる。安定化段階Ｓ５の間、反応チャンバー内の温度は４００℃に保持され、反応チャンバー１０２内の圧力は５００Ｔｏｒｒに保持され、２ｓｌｍの流量のＮ２および２１ｓｌｍの流量のＨ２を含むパージガスが反応チャンバー１０２を通って流れる。安定化段階Ｓ１３の間、ＮＨ３を含むＶ族供給源ガスが反応チャンバー１０２を通って１２ｓｌｍの流量で流れる。
【０１１５】
図８を再度参照して、核形成テンプレート層２８０を用いて、堆積されたバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料中の欠陥密度を望ましい濃度で保持しながら、基板２４０上へのバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の望ましい平均合計厚さまでの堆積ができるようにする。基板２４０の材料２４２の結晶格子構造と、基板２４０の上に堆積されることになるバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の結晶格子構造との差（この差は当技術分野ではしばしば「結晶格子不整合」と称される）のため、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料が基板２４０の露出主表面２４４上に直接堆積された場合、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の結晶構造は比較的高い望ましくない濃度の転位などの欠陥を含む可能性がある。したがって、基板２４０と被覆されたバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の間の結晶格子不整合の影響を抑えるために、核形成テンプレート層２８０を基板２４０とバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の間に提供する。言い換えれば、核形成テンプレート層２８０を、基板２４０とその上に堆積されるバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料との間の結晶格子不整合を和らげるために使用することができる。そうした核形成テンプレート層２８０は当技術分野で「緩衝」層とも称される。さらに、核形成テンプレート層２８０を、その上にバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料の成長の核とするための種層として使用することができ、そうした核形成テンプレート層２８０は当技術分野で「シード」層とも称される。
【０１１６】
図５〜図８を参照して本明細書で上述したように、核形成層２５０を堆積させ、核形成層２５０を結晶化して核形成材料の島状部２６０を形成させ、島状部２６０を成長させ合体させて結晶性核形成テンプレート層２８０を形成させた後、図９および図１０を参照して以下で説明するように、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の１つまたは複数の過成長層を結晶性核形成テンプレート層２８０上に成長させることができる。
【０１１７】
図９を参照して、核形成テンプレート層２８０を形成させた後、ＨＶＰＥプロセスを用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層を、核形成テンプレート層２８０の露出主表面２８４上およびその上の方に核形成させ堆積させることができる。図９の簡略化した図面において、核形成テンプレート層２８０とＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の間に離散的境界が見えるが、いくつかの実施形態では、核形成テンプレート層２８０およびＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の過成長層は少なくとも実質的に同じ組成を有することができ、核形成テンプレート層２８０とＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の過成長層の間の任意の離散的境界を見えるようにするまたは特定することは困難であるもしくは不可能である場合があることに留意すべきである。
【０１１８】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層は、側方成長層を含むことができる。言い換えれば、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の層を成長させるために用いられるＨＶＰＥ堆積プロセスを、垂直方向（すなわち、基板２４０の成長表面２４４に対して垂直）の成長より速く、側方への方向（すなわち、基板２４０の成長表面２４４に対して平行に）に成長を引き起こすように調整することができる。そうした側方成長は、上部表面２４４と平行に配向された任意の表面とは対照的に成長基板２４０の上部表面２４４に対して鋭角で配向されているピーク２８２の斜め切子面２６２への材料の付加に有利に働く成長条件を選択することによって確立することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の過成長層の側方成長は、核形成テンプレート層２８０のピーク２８２の斜め切子面２６２から、成長するＩＩＩ族窒化物半導体材料が合体して図９に示すＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層が形成されるまで続行させることができる。図９に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層は実質的に平面状の上部表面２９２を有してよい。
【０１１９】
一般に、ＩＩＩ族窒化物材料の側方成長と垂直成長の相対速度は、成長温度、プロセスガスにおけるＶ族前駆体とＩＩＩ族前駆体の比、キャリアガス種の組成および反応チャンバー内の圧力の影響を受ける可能性がある。例えば、側方成長は、高い堆積温度、高いＶ族とＩＩＩ族前駆体の比、より高いＮ２とＨ２の比および低い堆積圧力、例えば約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）以下の圧力の少なくとも１つによって増進されることができる。
【０１２０】
斜め切子面２６２からのＩＩＩ族窒化物材料の側方成長は、核形成テンプレート層２８０から始まるＩＩＩ族窒化物材料内の貫通転位２７０を引き起こして、側方への方向へベンドするまたは曲がる可能性がある。本明細書で上述したように、ＩＩＩ族窒化物材料が核形成テンプレート層２８０のピーク２８２間で合体するにつれて、１つまたは複数の貫通転位２７０が互いに出会った場合、それらの貫通転位２７０は互いに一緒になって消滅し、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層内での貫通転位２７０の濃度の低下をもたらすことができる。互いに一緒になって消滅し、それによって、これらがＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の露出主表面２９２へ伝播することがない、いくつかの貫通転位２７０を図９に例示する。したがって、本発明のいくつかの実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の露出主表面２９２での貫通転位密度は、約５×１０９ｃｍ−２未満、約５×１０８ｃｍ−２未満またはさらには約１×１０７ｃｍ−２未満であってよい。
【０１２１】
図１０を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層を形成させた後（図９に示すように）、反応チャンバー１０２におけるＨＶＰＥ成長条件を垂直方向への成長に好都合なように変更することができ、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層をＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の上に成長させることができる。図１０の簡略化した図面では、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層とバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層との間に離散的境界が見えるが、いくつかの実施形態では、これらの材料層は少なくとも実質的に同じ組成をもつことができ、その間の任意の離散的境界を見えるようにするまたは特定することは困難であるもしくは不可能である場合があることに留意すべきである。図１０に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の表面２９２での貫通転位は、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層の露出主表面２９８へ垂直方向に伝播することができる。
【０１２２】
非限定的な例によれば、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層は、少なくとも約５ミクロン（５μｍ）、少なくとも約７ミクロン（７μｍ）、少なくとも約１０ミクロン（１０μｍ）、少なくとも約２０ミクロン（２０μｍ）またはさらには少なくとも約３０ミクロン（３０μｍ）の平均合計厚さＴ２まで堆積させることができる。本発明の実施形態に従って加工された核形成テンプレート層２８０およびＩＩＩ族窒化物半導体材料２９０の第１の過成長層の存在は、その露出主表面２９８でのバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層における転位密度を約５×１０９ｃｍ−２未満、約５×１０８ｃｍ−２未満またはさらには約１×１０７ｃｍ−２未満に保持しながら、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層がそうした平均合計厚さＴ２まで堆積されるようにすることを可能にすることができる。さらに、本発明の方法の実施形態は、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層を、バルクＩＩＩ族窒化物半導体材料２９６の第２の過成長層において構造的クラッキングを実質的に含まず層間剥離領域を含まないで、本明細書で説明するように加工を可能にすることができる。
【０１２３】
本明細書で説明するように、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、従来の公知の方法と比較してより厚くかつより小さい欠陥密度を有するサファイアなどの非天然基板上へのＩＩＩ族窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）の直接の加工を可能にすることができる。
【０１２４】
本発明の追加的な非限定的実施形態例を以下で説明する。
【０１２５】
実施形態１：金属三塩化物前駆体および金属四塩化物前駆体の少なくとも１つを用いてＩＩＩ族窒化物半導体材料を基板上に堆積させる方法であって、核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させて少なくともいくつかのウルツ鉱型微結晶およびいくつかの非晶質ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含むナノ構造を有する核形成層を形成するステップと；核形成層をアニーリングして少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップと；合体ＨＶＰＥプロセス段階において、少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の島状部を成長させ合体させて基板の表面を少なくとも実質的に覆う少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層を形成するステップと；追加のＨＶＰＥプロセス段階において、少なくとも実質的にウルツ鉱型の核形成材料の核形成テンプレート層の上に追加のＩＩＩ族窒化物半導体材料を堆積させるステップとを含む方法。
【０１２６】
実施形態２：エピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を、ピーク形状をもつように基板の表面上に形成するステップをさらに含む実施形態１の方法。
【０１２７】
実施形態３：核形成層をアニーリングしてエピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップは、核形成層を約９００℃から約１３００℃の温度でアニーリングするステップを含む実施形態１または実施形態２の方法。
【０１２８】
実施形態４：核形成層を約９００℃から約１３００℃の温度でアニーリングするステップは、核形成層を約１０２５℃から約１１００℃の温度でアニーリングするステップを含む実施形態３の方法。
【０１２９】
実施形態５：核形成層を約１０２５℃から約１１００℃の温度でアニーリングするステップは、核形成層を約１０４０℃から約１０７０℃の温度でアニーリングするステップを含む実施形態４の方法。
【０１３０】
実施形態６：核形成層を約１０４０℃から約１０７０℃の温度でアニーリングするステップは、核形成層を約１０５０℃の温度でアニーリングするステップを含む実施形態５の方法。
【０１３１】
実施形態７：核形成層をアニーリングしてエピタキシャル核形成材料の結晶性島状部を基板の表面上に形成するステップは、核形成層を約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でアニーリングするステップを含む実施形態１から６のいずれか１つの方法。
【０１３２】
実施形態８：核形成層を約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でアニーリングするステップは、核形成層を約２００Ｔｏｒｒの圧力でアニーリングするステップを含む実施形態７の方法。
【０１３３】
実施形態９：核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約４００℃から約７００℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップをさらに含む実施形態１から７のいずれか１つの方法。
【０１３４】
実施形態１０：核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約４００℃から約７００℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップは、核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約５７０℃の温度でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップを含む実施形態９の方法。
【０１３５】
実施形態１１：核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップをさらに含む実施形態１から１０のいずれか１つの方法。
【０１３６】
実施形態１２：核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約５０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップは、核形成ＨＶＰＥプロセス段階において、約２００Ｔｏｒｒの圧力でＩＩＩ族窒化物半導体材料の層を基板の表面上に堆積させるステップを含む実施形態１１の方法。
【０１３７】
実施形態１３：合体ＨＶＰＥプロセス段階において、約９００℃から約１１００℃の温度でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含む実施形態１から１２のいずれか１つの方法。
【０１３８】
実施形態１４：合体ＨＶＰＥプロセス段階において、約９７５℃から約１０５０℃の温度でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含む実施形態１３の方法。
【０１３９】
実施形態１５：合体ＨＶＰＥプロセス段階において、約９８５℃から約１０１５℃の温度でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含む実施形態１４の方法。
【０１４０】
実施形態１６：合体ＨＶＰＥプロセス段階において、約１００Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）の圧力でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含む実施形態１から１５のいずれか１つの方法。
【０１４１】
実施形態１７：合体ＨＶＰＥプロセス段階において、約２００Ｔｏｒｒの圧力でエピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させるステップをさらに含む実施形態１６の方法。
【０１４２】
実施形態１８：エピタキシャル核形成材料の島状部を成長させ合体させた後、エピタキシャル核形成材料の核形成テンプレート層をアニーリングするステップをさらに含む実施形態１から１７のいずれか１つの方法。
【０１４３】
実施形態１９：ＩＩＩ族窒化物半導体材料を、窒化ガリウムを含むように選択するステップをさらに含む実施形態１から１８のいずれか１つの方法。
【０１４４】
実施形態２０：基板を、サファイアを含むように選択するステップをさらに含む実施形態１から１９のいずれか１つの方法。
【０１４５】
実施形態２１：実施形態１から２０のいずれか１つに記載の方法に従って形成されたＩＩＩ族窒化物核形成材料の核形成テンプレート層を含む構造物。
【０１４６】
実施形態２２：そのＩＩＩ族窒化物半導体材料の核形成テンプレート層の上にバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料をさらに含む実施形態２１の構造物。
【０１４７】
実施形態２３：そのバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料は、構造的なクラッキングを少なくとも実質的に含まない実施形態２２の構造物。
【０１４８】
実施形態２４：そのバルクＩＩＩ族窒化物半導体材料は、層間剥離領域を少なくとも実質的に含まない実施形態２２または実施形態２３の構造物。
【０１４９】
実施形態２５：実施形態１から２０のいずれか１つに挙げた方法で形成される中間構造物。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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