(57)【要約】      （修正有）【課題】高品質なエピタキシャルウェハの製造が可能な表面に保護膜が形成された窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】窒化物半導体基板を空気または酸素を含む雰囲気中で熱処理するか、あるいは、窒化物半導体基板の表面を酸素プラズマに暴露することにより、窒化物半導体基板表面に、主成分が酸化ガリウムおよび/または酸化インジウムで、表面粗さの２乗平均値が5nm以下である保護膜が形成される。前記保護膜は基板表面への汚染物質の付着を防ぐとともに、水素雰囲気中1200℃以下の温度に保持するだけで簡単に除去できるので、汚染物質に起因するエピタキシャル成長膜の異常成長や結晶欠陥の発生を防止する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に保護膜が形成された窒化物半導体基板であって、前記保護膜の表面粗さの２乗平均値が5 nm以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記保護膜の主成分が酸化ガリウムおよび/または酸化インジウムであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記保護膜の平均膜厚が1 nm以上10 nm以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記窒化物半導体の組成がInxGa1-xN（0 ≦ x ≦ 1）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
表面粗さの２乗平均値が5 nm以下である保護膜を窒化物半導体基板の表面上に形成する方法であって、前記窒化物半導体基板を空気または酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記工程は、窒化物半導体基板の表面を酸素プラズマに暴露する工程であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体基板に関し、特に窒化物半導体基板の汚染を防ぐための保護膜が形成された基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、禁制帯幅が大きく、直接遷移型半導体であるという特長を有しているため、短波長発光素子への応用に適している。近年では、青紫色レーザーダイオードや緑色・青色・白色の発光ダイオードなどに用いられている。また、絶縁耐圧や飽和電子速度が従来の半導体材料に比べて非常に大きいことから、高周波電子デバイスへの応用も盛んに研究されている。
【０００３】
従来、窒化物半導体デバイスの作製にはサファイア基板が用いられてきた。しかし、サファイアと窒化物半導体との間の格子不整合が大きいため、サファイア基板上に作製した窒化物半導体エピタキシャル成長膜には、1 cm2あたり108〜1010個もの転位欠陥が存在した。近年では、高品質な窒化ガリウム単結晶基板が実現し流通するようになったため、転位欠陥を1 cm2あたり105〜106個程度に抑えた窒化物半導体エピタキシャル成長膜の作製が可能となった。これにより、窒化物半導体材料は、高いパフォーマンスを示すデバイスを提供することができるようになってきた。
【０００４】
シリコン（Si）系デバイスは、金属元素による汚染に対して敏感である。金属元素はSi結晶中で容易に拡散し深い準位を形成するため、デバイス特性に甚大な悪影響を及ぼす。そのため、特許文献１や特許文献２に記載されているように、Si基板の表面を金属汚染から保護するため、Si基板表面に保護膜を形成するなどの対策が施されてきた。
【０００５】
一方、窒化物半導体基板においても、一部のデバイスに保護膜が形成されている。例えば、特許文献３では、窒素とケイ素からなる保護層を形成したHJFET（ヘテロ接合電界効果トランジスタ）エピタキシャルウェハが開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、窒化物半導体の自立基板中に含まれる不純物を低減させる技術として、基板表面に酸化膜を形成し、基板中に含まれる硫黄（S）や炭素（C）等の不純物をゲッタリングした後、エピタキシャル成長前に該酸化膜を除去するという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−１９８１４０号公報
【特許文献２】特開平２−１７７５３９号公報
【特許文献３】特開２００７−１５０１０６号公報
【特許文献４】特表２００４−５０２２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
窒化物半導体基板上への半導体薄膜の形成（成膜）は、一般にMOVPE（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法やMBE（Molecular Beam Epitaxy）法等によるエピタキシャル成長によって行われる。この時、窒化物半導体基板の表面に汚染された領域が存在すると、その領域でエピタキシャル成長膜が異常成長したり結晶欠陥が多数発生したりして、デバイス特性が劣化するという問題があった。
【０００９】
このような問題の対策として、前述したように基板表面に保護膜を形成し、エピタキシャル成長前に該保護膜を除去する方法が考えられてきた。こうすることで、基板の保管中やハンドリング中に予期せぬ汚染物質が付着したとしても、保護膜をリフトオフすることで汚染物質が一緒に除去され、正常なエピタキシャル成長が期待できる。保護膜は、エピタキシャル成長を行う直前に成長炉内で簡単に除去されるような膜であることが望ましい。例えば、エピタキシャル成長時にキャリヤガスとして使用する水素雰囲気中で、適当な温度に昇温するだけで除去されるような膜であれば、その後連続して半導体薄膜のエピタキシャル成長を行うことができることから都合よい。
【００１０】
特許文献３では、窒素とケイ素からなる保護膜を形成しているが、この膜は水素雰囲気中で非常に安定であり、成長炉内で保護膜を簡便に除去することができない。また、特許文献４では、アルミニウムを含む酸化膜からなる保護膜を形成しているが、酸化アルミニウムは水素雰囲気中では1200℃よりも高温でないとエッチングすることができないめ、成長炉内で該酸化膜を除去することが困難と考えられる。
【００１１】
なお、一般的に、半導体薄膜のエピタキシャル成長装置における成長炉の構成部材には石英を用いることが多く、石英の軟化点を越える温度でまで昇温するプロセスは好ましくない。また、原子状態の水素を供給することにより、600℃程度の低温でも酸化アルミニウムをエッチングできるとの報告もあるが、一般的な気相成長装置で原子状態の水素を供給することは困難である。
【００１２】
従って、本発明の目的は、窒化物半導体基板上に容易に形成でき、かつ水素雰囲気中1200℃以下の温度に保持するだけで簡単に除去できる保護膜を有する窒化物半導体基板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するため、表面に保護膜が形成された窒化物半導体基板であって、前記保護膜の表面粗さの２乗平均値が5 nm以下であることを特徴とする窒化物半導体基板を提供する。
【００１４】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係る窒化物半導体基板において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記保護膜の主成分が酸化ガリウムおよび/または酸化インジウムである。
（２）前記保護膜の平均膜厚が1 nm以上10 nm以下である。
（３）前記窒化物半導体の組成がInxGa1-xN（0 ≦ x ≦ 1）である。
【００１５】
また、本発明は上記目的を達成するため、表面粗さの２乗平均値が5 nm以下である保護膜を窒化物半導体基板の表面上に形成する方法であって、前記窒化物半導体基板を空気または酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（４）前記工程は窒化物半導体基板の表面を酸素プラズマに暴露する工程である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、窒化物半導体基板上に簡便に保護膜を形成することができ、かつ該保護膜を水素雰囲気中1200℃以下の温度に保持するだけで簡単に除去できる窒化物半導体基板を提供することができる。また、本発明による窒化物半導体基板は、基板表面への汚染物質の付着を防ぎ、汚染物質に起因するエピタキシャル成長膜の異常成長や結晶欠陥の発生を防止することで高品質なエピタキシャルウェハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】窒化物半導体基板を用いたエピタキシャル成長膜において、汚染された領域上に異常成長した部分の光学顕微鏡写真（ノマルスキー観察像）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
従来技術を参照しながら各種保護膜の性状について調査した。はじめに、窒化ガリウム（GaN）基板の表面にAlを含む酸化保護膜を形成し、気相成長装置内でのエッチング除去を検討した。水素雰囲気中1100〜1200℃の熱処理を行った後、基板上にエピタキシャル成長を実施したところ、基板表面に酸化アルミニウム膜が残留し、エピタキシャル成長膜に欠陥を導入する起点となっていた。このことから、Alを含む酸化保護膜は、水素雰囲気中1200℃以下の温度での除去が困難であることが確認された。
【００２０】
次に、Alを含まない酸化保護膜について調査した。その結果、酸化インジウムや酸化ガリウムからなる保護膜は、水素雰囲気中1200℃以下の熱処理を行うことによって容易に分解・除去できることが判った。そこで、更に詳細に検討したところ、該酸化保護膜の表面粗さが非常に重要な因子となっており、該表面粗さが特定の範囲内に無いとエピタキシャル成長膜の品質が低下する場合があることを見出した。本発明は、そのような知見を基にして完成された。
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態について、詳細に説明する。
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体基板は、基板表面に保護膜が形成され、前記保護膜の表面粗さの２乗平均値が5 nm以下であることを特徴とする。表面粗さの２乗平均値が5 nmを超えると、当該基板を用いて形成したエピタキシャル成長膜の表面粗さが1 nmを超えてしまい、最終的なデバイス特性が低下する。よって、保護膜を形成した窒化物半導体基板の表面粗さの２乗平均値は5 nm以下であることが望ましい。
【００２３】
保護膜の平均膜厚は1 nm以上10 nm以下であることが好ましい。1 nm未満の膜厚では汚染物質のリフトオフが不完全になりやすい。一方、保護膜が10 nmよりも厚いと、表面粗さの２乗平均値が5 nmを超えやすくなる。また、保護膜の除去に多大な時間を要し、エピタキシャルウェハ作製のスループットが著しく低下する。
【００２４】
保護膜は、酸化ガリウムおよび/または酸化インジウムを主成分とし、例えば、InxGa1-xN（0 ≦ x ≦ 1）の組成を有する窒化物半導体基板の極表面を酸化することにより形成することができる。保護膜を形成する方法に特段の制限は無いが、窒化物半導体基板を空気または酸素を含む雰囲気中で熱酸化する方法が好ましく、窒化物半導体基板の表面を酸素プラズマに暴露する方法が膜厚制御性の観点から特に好ましい。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で組み合わせや改良が適宜可能である。
【００２６】
（比較例１）
基板の表面の一部を意図的に汚染させた直径2インチの窒化ガリウム基板を用意した。MOVPE装置を用い、該基板上に窒化ガリウム膜を厚さ2μmでホモエピタキシャル成長してエピタキシャルウェハを作製した。成長後、MOVPE装置から該ウェハを取り出し、意図的に汚染させた箇所を光学顕微鏡の微分干渉モードで観察した。図１は、窒化物半導体基板を用いたエピタキシャル成長膜において、汚染された領域上に異常成長した部分の光学顕微鏡写真（ノマルスキー観察像）である。図１から判るように、意図的に汚染させた箇所において異常成長が観察された。
【００２７】
（実施例１）
清浄な表面を有する直径2インチの窒化ガリウム基板を用意した。その後、該窒化ガリウム基板を電気炉内に設置し、乾燥空気を1 lmで供給しながら、30℃/minの速度で900℃まで昇温し60分間保持した後、自然冷却した。取り出した窒化ガリウム基板の表面および裏面には、酸化ガリウムの保護膜が形成されていた。酸化ガリウム保護膜の平均膜厚は約5 nmであった。該保護膜の表面に対し、10μm × 10μmの範囲についてAFM（原子間力顕微鏡）で観察したところ、表面粗さの２乗平均値は3.794 nmであった。
【００２８】
保護膜の表面の一部を意図的に汚染させた後、MOVPE装置に設置した。MOVPE装置内において、水素分圧40 kPa・アンモニア分圧13 kPaの雰囲気中で、1100℃で15分間保持する熱処理を施し、その後、窒化ガリウム膜を厚さ2μmでホモエピタキシャル成長した。なお、事前の検討において、この条件で熱処理後、窒化ガリウム膜を成長させずに取り出した基板表面をEDX（エネルギー分散型X線分光法）で分析したところ、酸素成分は検出されず、十分に保護膜（酸化ガリウム膜）を除去できていることが確認された。
【００２９】
窒化ガリウム膜の成膜後、MOVPE装置からウェハを取り出し、保護膜表面を意図的に汚染させた箇所を光学顕微鏡の微分干渉モードで観察した。その結果、エピタキシャル成長膜の異常成長は観察されなかった。また、エピタキシャル成長膜の表面に対し、10μm × 10μmについてAFMで観察したところ、表面粗さの２乗平均値は0.737 nmであった。
【００３０】
（実施例２）
清浄な表面を有する直径2インチの窒化ガリウム基板を電気炉内に設置し、酸素（純度99.9999％）を1 lmで供給しながら、30℃/minの速度で900℃まで昇温し60分間保持した後、自然冷却した。取り出した窒化ガリウム基板の表面および裏面には、酸化ガリウムの保護膜が形成されていた。酸化ガリウム保護膜の平均膜厚は約5 nmであり、実施例１の場合とほぼ同様の結果であった。
【００３１】
（比較例２）
清浄な表面を有する直径2インチの窒化ガリウム基板を電気炉内に設置し、乾燥空気を1 lmで供給しながら、30℃/minの速度で800℃まで昇温し60分間保持した後、自然冷却した。取り出した窒化ガリウム基板の表面および裏面には、酸化ガリウムの保護膜が形成されていた。ただし、膜厚は0.3〜0.9 nm（平均約0.6 nm）と非常に薄いものであった。
【００３２】
保護膜の表面の一部を意図的に汚染させた後、MOVPE装置に設置した。MOVPE装置内において、水素分圧40 kPa・アンモニア分圧13 kPaの雰囲気中で、1100℃で5分間保持する熱処理を施し、その後、窒化ガリウム膜を厚さ2μmでホモエピタキシャル成長した。窒化ガリウム膜の成膜後、MOVPE装置からウェハを取り出し、保護膜表面を意図的に汚染させた箇所を光学顕微鏡の微分干渉モードで観察した。その結果、比較例１と同様な異常成長が観察された。
【００３３】
（実施例３）
清浄な表面を有する直径2インチの窒化ガリウム基板を電気炉内に設置し、乾燥空気を1 lmで供給しながら、30℃/minの速度で805℃まで昇温し60分間保持した後、自然冷却した。取り出した窒化ガリウム基板の表面および裏面には、酸化ガリウムの保護膜が形成されていた。酸化ガリウム保護膜の膜厚は1〜5 nm（平均約3 nm）であった。
【００３４】
保護膜の表面の一部を意図的に汚染させた後、MOVPE装置に設置した。MOVPE装置内において、水素分圧40 kPa・アンモニア分圧13 kPaの雰囲気中で、1100℃で5分間保持する熱処理を施し、その後、窒化ガリウム膜を厚さ2μmでホモエピタキシャル成長した。なお、事前の検討において、この条件で熱処理後、窒化ガリウム膜を成長させずに取り出した基板表面をEDXで分析したところ、酸素成分は検出されず、十分に保護膜（酸化ガリウム膜）を除去できていることが確認された。
【００３５】
窒化ガリウム膜の成膜後、MOVPE装置からウェハを取り出し、保護膜表面を意図的に汚染させた箇所を光学顕微鏡の微分干渉モードで観察した。その結果、エピタキシャル成長膜の異常成長は観察されなかった。また、エピタキシャル成長膜の表面に対し、10μm × 10μmの範囲についてAFMで観察したところ、表面粗さの２乗平均値は0.513 nmであった。
【００３６】
（比較例３）
清浄な表面を有する直径2インチの窒化ガリウム基板を電気炉内に設置し、乾燥空気を1 lmで供給しながら、30℃/minの速度で950℃まで昇温し60分間保持した後、自然冷却した。取り出した窒化ガリウム基板の表面および裏面には、酸化ガリウムの保護膜が形成されていた。酸化ガリウム保護膜の平均膜厚は約11 nmであった。該保護膜の表面に対し、10μm × 10μmの範囲についてAFMで観察したところ、表面粗さの２乗平均値は5.102〜6.659 nmであった。
【００３７】
保護膜の表面の一部を意図的に汚染させた後、MOVPE装置に設置した。MOVPE装置内において、水素分圧40 kPa・アンモニア分圧13 kPaの雰囲気中で、1100℃で30分間保持する熱処理を施し、その後、窒化ガリウム膜を厚さ2μmでホモエピタキシャル成長した。
【００３８】
窒化ガリウム膜の成膜後、MOVPE装置からウェハを取り出し、保護膜表面を意図的に汚染させた箇所を光学顕微鏡の微分干渉モードで観察した。その結果、エピタキシャル成長膜の異常成長は観察されなかった。また、エピタキシャル成長膜の表面に対し、10μm × 10μmの範囲についてAFMで観察したところ、表面粗さの２乗平均値は1.229〜3.354 nmであった。
【００３９】
以上の実施例１〜３および比較例１〜３の結果から、表面粗さの２乗平均値が5 nm以下で平均膜厚が1 nm以上10 nm以下である保護膜（酸化ガリウム膜）を窒化物半導体基板上に形成するためには、空気または酸素気流中、805℃以上950℃未満で1時間加熱保持を行うことによって得られることが確認された。
【００４０】
実施例１、実施例３および比較例３で作製したエピタキシャルウェハを用いて、発光波長410 nmのLED（発光ダイオード）を作製し、内部量子効率を測定する実験を行った。その結果、実施例１及び実施例３のウェハを使用したLEDと比べて、比較例３のウェハを用いたLEDは、内部量子効率が10％程度低かった。この実験から、良好なデバイス特性を得るためには、基板表面に保護膜が形成され、該保護膜の表面粗さの２乗平均値が5 nm以下である窒化物半導体基板を用いることが望ましいと言える。
【図１】
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