(57)【要約】【課題】従来用いられていた（０００１）サファイア基板では、結晶のエピタキシャル成長前の水素雰囲気中の熱処理により、表面ラフニングが生じ、高品質なエピタキシャル薄膜を得ることが困難であった。【解決手段】主面が（１１−２０）面であり、研磨によって表面平坦化を行った上記主面に対し、水素雰囲気中で熱処理を施してサファイア基板を構成する。【選択図】  図１
2006062931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面が（１１−２０）面であり、研磨によって表面平坦化を行った上記主面に対し、水素雰囲気中で熱処理を施したことを特徴とするサファイア基板。
【請求項２】
上記主面にステップ／テラス構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のサファイア基板。
【請求項３】
上記主面の二乗平均平方根の表面粗さが０．１ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のサファイア基板。
【請求項４】
上記主面上にAlxGa1-x-y InyN（0≦x, y、0≦x+y≦1）で表される窒化物系半導体層を成長させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサファイア基板。
【請求項５】
主面が（１１−２０）面であるサファイア基板の熱処理方法において、水素雰囲気中で、熱処理温度が９００℃以上２０００℃以下であることを特徴とするサファイア基板の熱処理方法。
【請求項６】
水素を常に供給し、かつ排気しながら熱処理することを特徴とする請求項５記載のサファイア基板の熱処理方法。
【請求項７】
熱処理を行う空間の単位断面積当たりの水素流量が、５〜１００００ＳＣＣＭ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項５または６記載のサファイア基板の熱処理方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の熱処理方法により予め熱処理を行ったサファイア基板を用い、エピタキシャル成長装置内ではサファイア基板の熱処理を施すことなく、成長プロセスを開始することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項９】
AlxGa1-x-yIn y N（0≦x,y、0≦x+y≦1）で表される窒化物系半導体を成長させることを特徴とする請求項８記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体を成長させるためのサファイア基板、その熱処理方法、及び、窒化物系半導体の結晶成長方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（0≦x,y、0≦x+y≦1）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされている。
【０００３】
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的にはサファイアなどの異種基板を半導体成長用基板に用いてヘテロエピタキシャル成長させている。エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長(ＨＶＰＥ)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。
【０００４】
サファイア基板は、窒化物系半導体のみならず、その他の半導体材料や超伝導材料など、様々な材料の薄膜を堆積するために、広く用いられる。
【０００５】
元来、サファイア基板は、特定の結晶面を表面に露出させた後、機械研磨、及び化学機械研磨によって鏡面状態に研磨され、この上に素子構造を成長させる。従って、サファイア基板は表面形態が不均一であってはならないが、化学機械研磨を行っただけではサファイア基板上はｎｍオーダーで表面状態に凹凸がみられる。このため、高品質の半導体を成長させる技術として、サファイア基板の主面を所定の面方位から若干ずらして作製（オフアングル）した後、何らか処理を行い、主面に微小なステップ／テラス構造を形成させることが特許文献１〜３に提案されている。ここで、ステップ／テラス構造は、図３に示すように、原子層オーダーで階段状に原子が整列してステップ１１とテラス１２が形成されている状態を指す。ステップ／テラス構造を有する基板表面に結晶薄膜をエピタキシャル成長させると、所謂ステップフロー成長が起こり、高品質な結晶が成長できる。
【特許文献１】特開平１１−７４５６２号
【特許文献２】特開２０００−１５９６００号
【特許文献３】特開２００２−２９３６９２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の窒化物系半導体をエピタキシャル成長には下記のような問題があり、期待されているような高品質な窒化物系半導体を得ることができなかった。
【０００７】
ＭＯＶＰＥ法による窒化物系半導体のエピタキシャル成長の場合、低温バッファ層を介して窒化物系半導体を成長させることが一般的であるが、その低温バッファ層の堆積前に、エピタキシャル成長装置内でサファイア基板を水素雰囲気中での熱処理を行う。その時の熱処理温度は１１００〜１２００℃の高温で行われる。
【０００８】
また、サファイア基板上へ窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる場合、主に（０００１）面が主面として用いられる。この場合、前述の熱処理による表面ラフニングの影響があり、表面粗さが増大してしまう。図４は、熱処理時間５分の場合の、熱処理温度とサファイア基板表面の二乗根平均表面粗さＲｒｍｓの関係である。Ｒｒｍｓは、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)で評価した。
【０００９】
このため、予め何らかの処理を行ってサファイア基板の表面粗さを小さく抑えたとしても、低温バッファ層を堆積する直前のサファイア基板の表面粗さは増大してしまい、予め基板に対して行ったステップ／テラス構造の形成の効果が失われていた。しかしながら、低温バッファ層堆積前の熱処理は、その後の低温バッファ層の品質を左右する重要な工程であり省略できない。
【００１０】
同様の熱処理工程は、他の材料をサファイア基板上に形成する場合にも行われ、窒化物系半導体と同様の問題を抱えていた。
【００１１】
従って、水素雰囲気中での熱処理を行っても、表面粗さが増大しないようなサファイア基板や、それを用いた結晶成長方法が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記に鑑みて、本発明は、主面上に結晶成長させるためのサファイア基板において、主面が（１１−２０）面であり、研磨によって表面平坦化を行った上記主面に対し、水素雰囲気中で熱処理を施したことを特徴とする。
【００１３】
また、上記主面にステップ／テラス構造が形成されていることを特徴とする。さらに、上記主面の二乗平均平方根の表面粗さが０．１ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記主面上にAlxGa1-x-y InyN（0≦x, y、0≦x+y≦1）で表される窒化物系半導体層を成長させることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、主面が（１１−２０）面であるサファイア基板の熱処理方法において、水素雰囲気中で、熱処理温度が９００℃以上２０００℃以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、水素を常に供給し、かつ排気しながら熱処理することを特徴とする。さらに、熱処理を行う空間の単位断面積当たりの水素流量が、５〜１００００ＳＣＣＭ／ｃｍ２であることを特徴とする。
【００１７】
また、上記の熱処理方法により予め熱処理を行ったサファイア基板を用い、エピタキシャル成長装置内ではサファイア基板の熱処理を施すことなく、成長プロセスを開始する結晶成長方法を特徴とする。さらにAlxGa1-x-yIn y N（0≦x,y、0≦x+y≦1）で表される窒化物系半導体を成長させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
（１１−２０）面のサファイア基板は、（０００１）面サファイア基板とは異なり、水素雰囲気中での熱処理を行っても表面ラフニングが生じないだけでなく、表面にステップ／テラス構造を形成し得る。これにより高品質な窒化物系半導体のエピタキシャル成長が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
本発明のサファイア基板は、（１１−２０）面を主面として用い、機械研磨や化学機械研磨によって表面平坦化を行った上記主面に対し、水素雰囲気中で熱処理を施したものである。図１にＡＦＭで評価したサファイア表面の二乗根平均表面粗さＲｒｍｓと熱処理温度との関係を示す。熱処理は水素雰囲気中で行い、温度が安定した後５分間保持した。
【００２１】
図４に示す（０００１）面の場合は１０００℃を超える熱処理温度では面粗さが増大していたが、図１に示す（１１−２０）面の場合は、その面粗さはほぼ一定値であった。ＡＦＭ像から、９００℃を超えると表面形態が荒れたものになる（０００１）面とは異なり、（１１−２０）面ではステップ／テラス構造が観察された。図２に、ステップ／テラス構造が形成された（１１−２０）サファイア基板の表面ＡＦＭ像を示す。
【００２２】
これらの結果より、本発明者らは（１１−２０）面は、水素雰囲気中での熱処理を行っても、その表面は安定しており、表面ラフニングが生じないだけでなく、表面にステップ／テラス構造が生成することを、見出した。これは、還元雰囲気である水素雰囲気中では、同じサファイア結晶であっても面方位によって熱エネルギーによる原子の挙動がことなることを示している。その理由についてはまだ明確ではないが、熱エネルギーにより、アルミニウム原子、及び、酸素原子が、共にマイグレーションしていることは確かである。
【００２３】
このように、（１１−２０）面を主面とするサファイア基板に水素雰囲気中で熱処理を行うと、ステップ／テラス構造を生じるが、その時の熱処理温度は、９００℃以上でなければならない。また、ステップ高さは、０．２ｎｍ以下であり、それ以上の高さを持つステップは重合していることが多く、均一性に乏しい表面となる。
【００２４】
なお、サファイアの融点が２０５３℃であるので、熱処理温度は２０００以下、好ましくは、１５００℃以下であるのが良い。
【００２５】
次に、本発明のサファイア基板の熱処理方法について説明する。
【００２６】
まず、熱処理装置内にサファイア基板を設置し、処理室内雰囲気を真空排気した後、水素を流し続ける。水素を密閉した状態で加熱しても上記のような効果は得られないので、水素は常に供給し、かつ排気を行う。その時の水素流量は、処理室の断面積に応じて５〜１００００ＳＣＣＭ／ｃｍ２とすればよい。５ＳＣＣＭ／ｃｍ２より流量が少ないと水素雰囲気の効果が得られないし、また、１００００ＳＣＣＭ／ｃｍ２より多いと水素流量が大きすぎて排気が困難となる問題が生じる。熱処理温度は、９００℃以上２０００℃以下、好ましくは１５００℃以下であれば良い。
【００２７】
次に、本発明のサファイア基板を用いた結晶成長方法について説明する。水素雰囲気中の熱処理を事前に行っておけば、その後に行う結晶成長についてはエピタキシャル成長炉内では、熱処理を割愛することができる。水素熱処理の効果は、一度大気に曝しても保持される。一律な熱処理を同時に大量に行うことができるため、結晶成長の度に熱処理を行う場合に比べ、製造時間の短縮の他、品質を安定化できる。この方法は、特に、AlxGayIn1-x-yN（0≦x,y、0≦x+y≦1）で表される窒化物系半導体からなる結晶をサファイア基板上に成長させる場合は有効である。
【実施例】
【００２８】
本発明で用いるサファイア基板は、公知の結晶成長方法を用いて製造したものでよく、EFG法やチョクラルスキー法など種々の方法が挙げられる。
【００２９】
まず、（１１−２０）面を主面とするサファイア基板を、銅板を用いてダイヤモンドスラリーにより機械研磨した。その後、研磨パッドを用いてコロイダルシリカにより化学機械研磨を行った。そのサファイア基板の主面が、サファイア基板の配置用治具に触れないよう注意しつつ、熱処理装置に設置した。
【００３０】
次に、処理室内雰囲気を真空排気し、水素を処理室に導入した。流量２０００ＳＣＣＭの水素を流し続けた。この時の処理室の断面積が１０ｃｍ２であったので、単位断面積当たりでは、２００ＳＣＣＭ／ｃｍ２である。まず、１１５０℃まで昇温し、安定してから5分の間保持した。その後、室温まで温度を下げ、処理室内雰囲気を窒素で置換してサファイア基板を取り出した。このようにして、主面の表面部が還元されたサファイア基板を得た。室温まで冷却してサファイア基板を取り出した後、ＡＦＭにより表面形態を測定したところ、ステップ／テラス構造が形成されており、表面粗さＲｒｍｓは０．０５ｎｍであった。
【００３１】
以下、上記と同様な評価を、条件を変化させて比較するために、表１に示すような条件で実施例１〜６、及び、比較例１を作成して評価した。
【００３２】
まず、比較例１に示すように、（０００１）を主面とするサファイア基板を用いたところ、表面ラフニングが生じ、表面粗さＲｒｍｓは０．２５ｎｍであり、表面平坦性に乏しかった。
【００３３】
次に、熱処理温度を変化させ、（１１−２０）面を主面とするサファイア基板を熱処理したところ、すべての場合において表面粗さＲｒｍｓは０．１ｎｍ以下であった。表面形態に関しては、９００℃以上の場合においてステップ／テラス構造が観察された。
【００３４】
別の実施例として、上記の実施例１〜６と同様の熱処理をサファイア基板上で行ったサファイア基板を用いてGaNの結晶成長を行い、評価を行った。その結果を表２に示す。実施例７〜１２に示すように、熱処理温度が８００℃の場合には、表面にピットを生じ、表面の粗い結晶が成長したが、９００℃以上では、平滑な結晶成長を行うことができた。
【表１】
2006062931.tif 000003
【表２】
2006062931.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のサファイア基板の、熱処理温度と表面粗さの関係を示す図である。
【図２】本発明のサファイア基板の表面状態を示す図である。
【図３】本発明のサファイア基板のステップ／テラス構造を説明する概略図である。
【図４】従来のサファイア基板の、熱処理温度と表面粗さの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１  ステップ
１２  テラス
【図１】
2006062931.tif 000005
【図２】
2006062931.tif 000006
【図３】
2006062931.tif 000007
【図４】
2006062931.tif 000008