(57)【要約】【課題】低温保護層の成長プロセスを省略でき、ＧａＮ系半導体基板の製造コストを低減できるとともに、低温保護層の品質のばらつきによる影響を排除できる窒化物系化合物半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍに制御された成長用基板上に、窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。例えば、成長用基板をエピタキシャル成長装置に投入した後、成長用基板の平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなるようにアニール処理を施す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるためのＮＧＯ基板であって、
基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．０１ｎｍ以下であり、所定のアニール処理が施された際に前記平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．５ｎｍ以下となることを特徴とするＮＧＯ基板。
【請求項２】
前記アニール処理の温度が９００〜１０５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のＮＧＯ基板。
【請求項３】
前記アニール処理の時間が５分以内であることを特徴とする請求項２に記載のＮＧＯ基板。
【請求項４】
基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍに制御された成長用基板上に、窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
成長用基板の基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなるようにアニール処理を施し、
前記アニール処理が施された成長用基板上に、前記窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項４に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記アニール処理は、前記成長用基板を９００〜１０５０℃で５分以内保持する処理であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記アニール処理の後、前記窒化物系化合物半導体層を９００〜１０５０℃の成長温度でエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項６に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記成長用基板として請求項１から３の何れか一項に記載のＮＧＯ基板を用いることを特徴とする請求項４から７に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
請求項４から８の何れか一項に記載の製造方法により製造された窒化物系化合物半導体基板。
【請求項１０】
請求項９に記載の窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物系化合物半導体層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られる窒化物系化合物半導体自立基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるためのＮＧＯ基板、成長用基板上に窒化物系化合物半導体層を直接成長させる窒化物系化合物半導体基板の製造方法、窒化物系化合物半導体基板及び窒化物系化合物半導体自立基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上にＧａＮ等の窒化物系化合物半導体（以下、ＧａＮ系半導体）をエピタキシャル成長させてなる半導体デバイス（例えば、電子デバイスや光デバイス）が知られている。この半導体デバイスには、主にサファイアやＳｉＣなどからなる基板が用いられるが、これらの基板材料はＧａＮ系半導体との格子不整合が大きいため、この上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させると、歪みによる結晶欠陥が発生してしまう。そして、エピタキシャル層に生じた結晶欠陥は、半導体デバイスの特性を低下させる要因となる。そこで、このような格子不整合に起因する問題を解決するために様々な成長方法が試みられている。
【０００３】
例えば特許文献１では、擬似的な格子定数がＧａＮ系半導体に近いＮｄＧａＯ３基板（以下、ＮＧＯ基板）を用いることが提案されている。具体的には、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）によりＮＧＯ基板上にＧａＮ厚膜を成長させ、ＧａＮ自立基板（ＧａＮのみで構成された基板）を作製する技術が開示されている。ＮＧＯ基板の（０１１）面では、ＮＧＯのａ軸の長さとＧａＮの［１１−２０］方向の格子定数がほぼ一致するので、上述した格子不整合に起因する問題を解決できる。そして、ＧａＮ自立基板を半導体デバイス用基板とすることで、デバイス特性の向上を図ることができる。
【０００４】
また、ＧａＮ厚膜層の成長は一般的には１０００℃付近の成長温度で行われるが、ＮＧＯ基板が１０００℃付近の高温下で原料ガスに曝されると変質してしまい、ＧａＮ厚膜層の結晶品質が低下してしまう。そのため、ＧａＮ厚膜層を成長させる前に６００℃付近でＮＧＯ基板上に低温保護層と呼ばれるＧａＮ薄膜層を成長させ、ＮＧＯ基板を保護する技術が提案されている（例えば特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５７８５４号公報
【特許文献２】特開２０００−４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の製造方法では低温保護層の成長プロセスが必要であるため、ＧａＮ系半導体基板の製造コストが増大する上、低温保護層の品質のばらつきによってＧａＮ系半導体厚膜層の品質が影響を受けるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、低温保護層の成長プロセスを省略でき、ＧａＮ系半導体基板の製造コストを低減できるとともに、低温保護層の品質のばらつきによる影響を排除できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるためのＮＧＯ基板であって、
基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．０１ｎｍ以下であり、所定のアニール処理が施された際に前記平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．５ｎｍ以下となることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＮＧＯ基板において、前記アニール処理の温度が９００〜１０５０℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のＮＧＯ基板において、前記アニール処理の時間が５分以内であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍに制御された成長用基板上に、窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化物系化合物半導体基板の製造方法である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、成長用基板の基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなるようにアニール処理を施し、
前記アニール処理が施された成長用基板上に、前記窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、前記アニール処理は、前記成長用基板を９００〜１０５０℃で５分以内保持する処理であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、前記アニール処理の後、前記窒化物系化合物半導体層を９００〜１０５０℃の成長温度でエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項４から７に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、前記成長用基板として請求項１から３の何れか一項に記載のＮＧＯ基板を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項４から８の何れか一項に記載の製造方法により製造された窒化物系化合物半導体基板である。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物系化合物半導体層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られる窒化物系化合物半導体自立基板である。
【００１８】
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者等は、まず、所定のアニール温度（８００℃、９００℃、１０００℃）まで昇温した後、所定時間保持するアニール処理をＮＧＯ基板に施し、加熱によるＮＧＯ基板の特性の変化をＮＧＯ基板のＸ線半値幅により調べた。なお、アニール温度が８００℃，９００℃の場合の保持時間は５分とし、１０００℃の場合の保持時間は５〜１５分とした。
図１にアニール温度とＮＧＯ基板のＸ線半値幅の関係を示す。なお、アニール温度０℃のＸ線半値幅は、アニール処理前のＮＧＯ基板のＸ線半値幅である。図１に示すように、アニール処理前のＮＧＯ基板のＸ線半値幅は１８．３６秒であったのに対して、アニール処理後のＮＧＯ基板のＸ線半値幅は１６〜２３秒であった。アニール処理前の基板でもこの程度は値がばらつくので、アニールによってＮＧＯ基板のＸ線半値幅は変化しないといえる。
【００１９】
次に、上記のアニール処理を施したＮＧＯ基板について、アニール温度とＮＧＯ基板の表面粗さＲａの関係を調べた。具体的には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）により、５μｍ×５μｍの測定範囲において、ＮＧＯ基板表面の面内の中心１点及び中心点を通る直交軸上の周縁部に位置する４点の計５点の表面粗さを測定した。そして、５箇所の測定点における表面粗さの平均値（平均表面粗さ）と、（最大値−最小値）／２により表面粗さのばらつきを算出した。
表１に測定結果を示し、図２にアニール温度とＮＧＯ基板の平均表面粗さの関係を示す。なお、図２におけるアニール温度０℃の平均表面粗さは、アニール処理前のＮＧＯ基板の平均表面粗さである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１、図２に示すように、アニール処理前のＮＧＯ基板は非常に平坦な表面であり、平均表面粗さは０．１５１ｎｍ、表面粗さのばらつきは０．０１ｎｍ以下（０．００５ｎｍ）であった。これに対して、８００℃×５分のアニール処理を施したＮＧＯ基板では平均表面粗さが０．１９５ｎｍとなり、アニール温度の上昇に伴って表面粗さが大きくなっていた。また、１０００℃でのアニール処理を施したＮＧＯ基板では、保持時間が長くなるに伴って表面粗さが大きくなった。更に、表面粗さのばらつきは、保持時間が１０分を超えると大きくなる傾向が見られ、５分でおよそ０．５ｎｍ（０．４６ｎｍ）、１０分でおよそ０．１ｎｍ（０．１３４ｎｍ）なのに対して、１５分ではおよそ１．３ｎｍ（１．２２７ｎｍ）と非常に大きくなった。
【００２２】
さらに、上記のアニール処理を施したＮＧＯ基板上に、その温度でＧａＮ厚膜層を成長させた。このとき、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給した。
図３に、ＮＧＯ基板の平均表面粗さとＧａＮ厚膜層のＸ線半値幅の関係を示す。図３に示すように、ＮＧＯ基板の平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲にある場合は、Ｘ線半値幅が１０００秒以下のＧａＮ単結晶が得られた。一方、ＮＧＯ基板の平均表面粗さが０．２ｎｍ以下又は１０ｎｍ以上ではＸ線半値幅が３０００秒以上のＧａＮ多結晶となった。
【００２３】
そして、かかる知見に基づいてＧａＮ厚膜層の成膜実験を繰り返し行った結果、ＮＧＯ基板の平均表面粗さを０．２〜１０ｎｍの範囲に収めることで、ＧａＮ単結晶が再現性良く得られることが確認され、本発明に至った。
また、基板面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．０１ｎｍ以下のＮＧＯ基板であれば、アニール処理を施した後の平均表面粗さが一層容易に０．２〜１０ｎｍとなることが確認された。
【００２４】
従来は、ＧａＮ成長における昇温プロセスによる加熱時間が長すぎてＮＧＯ基板表面が荒れすぎていたため、ＮＧＯ基板にＧａＮを直接成長させた場合にＧａＮ単結晶が得られなかったと考えられる。
本発明者等は、ＮＧＯ基板の表面の粗さとＧａＮ結晶の結晶性の関係は不明であるが、ＮＧＯ基板表面のキンクサイトの数がＧａＮ結晶の結晶性に影響しているのではないかと予想している。すなわち、ＮＧＯ基板の表面の荒れが大きくキンクサイトが多すぎると、ＧａＮ成長初期の核発生が大量に起こり多結晶化してしまい、一方、ＮＧＯ基板の表面粗さが小さいとキンクサイトが少なすぎるため、核発生が起こりにくく、多結晶が析出するのではないかと考えている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、低温保護層を成長させることなく、ＮＧＯ基板上に直接ＧａＮ系半導体厚膜層を成長させることができるので、ＧａＮ系半導体基板の製造コストを低減できる。さらには、低温保護層の成長プロセスを省略できるので、低温保護層の品質のばらつきによってＧａＮ系半導体厚膜層の品質が影響を受けるということもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アニール温度とＮＧＯ基板のＸ線半値幅の関係を示す図である。
【図２】アニール温度とＮＧＯ基板の平均表面粗さの関係を示す図である。
【図３】ＮＧＯ基板の平均表面粗さとＧａＮ厚膜層のＸ線半値幅の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、ＨＶＰＥ法を利用して、希土類ペロブスカイトからなるＮＧＯ基板上に、ＧａＮ系半導体であるＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ基板を製造する方法について説明する。ＨＶＰＥ法では、ＩＩＩ族金属であるＧａとＨＣｌから生成された塩化物ガス（ＧａＣｌ）とＮＨ３を反応させて、ＮＧＯ基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる。
【００２８】
本実施形態では、ＮＧＯ基板をＨＶＰＥ装置内に投入した後、ＧａＮ層の成長直前のＮＧＯ基板の面内の５点測定による平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなるようにアニール処理を施す。ＧａＮ層の成長直前のＮＧＯ基板の平均表面粗さが０．２ｎｍ以下又は１０ｎｍ以上となっていると、良質なＧａＮ単結晶を得られないためである。
【００２９】
一般に、ＧａＮ成長に用いられるＮＧＯ基板の平均表面粗さは０．１０〜０．１７ｎｍ程度であるが、この場合、９００〜１０５０℃、好ましくは９００〜１０００℃のアニール温度で、５分以内で保持することにより、ＮＧＯ基板の平均表面粗さが所望の範囲に収まるように制御することができる。アニール処理における保持時間が５分超となると、ＮＧＯ基板の表面が荒れすぎる傾向にあるため、保持時間は５分以内とするのが望ましい。
また、平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍの範囲内で、前記５点における表面粗さのばらつきが０．０１ｎｍ以下のＮＧＯ基板を用いれば、アニール条件にかかわらず、アニール処理を施した後の平均表面粗さを一層容易に０．２〜１０ｎｍとすることができる。
ＧａＮ成長においては、ＧａＮの成長温度（例えば１０００℃）まで昇温した後、温度を安定させるために所定時間保持するので、この昇温プロセスにより上述したアニール処理を施すことができる。
【００３０】
［実施例１］
実施例１では、平均表面粗さが０．１５ｎｍのＮＧＯ基板を基板ホルダに配置し、昇温プロセス後の平均表面粗さが１．２３ｎｍとなるように調整した。具体的には、１０００℃まで昇温した後、温度を安定させるために５分間保持した。そして、このＮＧＯ基板上に、装置内に配置されたＧａメタルとＨＣｌガスから生成されたＧａＣｌと、ＮＨ３ガスとをＮ２キャリアガスを供給するに際して、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、３０００μｍのＧａＮ厚膜層を成長させた。得られたＧａＮ厚膜層は単結晶であり、Ｘ線半値幅が４３０秒で優れた結晶性を有することが確認された。
【００３１】
［実施例２］
実施例２では、平均表面粗さが０．２５ｎｍのＮＧＯ基板を基板ホルダに配置し、昇温プロセス後の平均表面粗さが１．５５ｎｍとなるように調整した。具体的には、１０００℃まで昇温した後、温度を安定させるために５分間保持した。そして、このＮＧＯ基板上に、装置内に配置されたＧａメタルとＨＣｌガスから生成されたＧａＣｌと、ＮＨ３ガスとをＮ２キャリアガスを供給するに際して、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、３０００μｍのＧａＮ厚膜層を成長させた。得られたＧａＮ厚膜層は単結晶であり、Ｘ線半値幅が４００秒で優れた結晶性を有することが確認された。
【００３２】
［比較例１］
比較例１では、平均表面粗さが０．１５ｎｍのＮＧＯ基板を基板ホルダに配置し、１０００℃まで昇温した後、温度を安定させるために１５分間保持した。この昇温プロセス後のＮＧＯ基板の平均表面粗さは１３ｎｍであった。そして、このＮＧＯ基板上に、装置内に配置されたＧａメタルとＨＣｌガスから生成されたＧａＣｌと、ＮＨ３ガスとをＮ２キャリアガスを供給するに際して、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、３０００μｍのＧａＮ厚膜層を成長させた。得られたＧａＮ厚膜層は多結晶であり、Ｘ線半値幅は３２４０秒であった。
【００３３】
［比較例２］
比較例２では、平均表面粗さが０．１５ｎｍのＮＧＯ基板を基板ホルダに配置し、８００℃まで昇温した後、温度を安定させるために５分間保持した。この昇温プロセス後のＮＧＯ基板の平均表面粗さは０．１９ｎｍであった。そして、このＮＧＯ基板上に、装置内に配置されたＧａメタルとＨＣｌガスから生成されたＧａＣｌと、ＮＨ３ガスとをＮ２キャリアガスを供給するに際して、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、３０００μｍのＧａＮ厚膜層を成長させた。得られたＧａＮ厚膜層は多結晶であり、Ｘ線半値幅は３８９０秒であった。
【００３４】
このように、ＧａＮ厚膜層の成長直前のＮＧＯ基板の平均表面粗さを０．２〜１０ｎｍに制御することによって、ＧａＮ低温保護層を成長させることなく、ＧａＮ厚膜層を成長させることができる。すなわち、ＧａＮ低温保護層の成長プロセスを省略することができるので、ＧａＮ基板の製造コストを低減できる。また、ＧａＮ低温保護層の品質のばらつきによってＧａＮ厚膜層の品質が影響を受けるということもないので、高品質なＧａＮ基板を製造することができる。
さらには、このＧａＮ基板からＧａＮ厚膜層を剥離し、スライスし、研磨加工して得られるＧａＮ自立基板を半導体デバイスの製造に用いることで、デバイス性能の向上を図ることができる。
【００３５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
実施形態ではＮＧＯ基板上に窒化物系化合物半導体であるＧａＮを成長させる場合について説明したが、ＮＧＯ基板上にＧａＮ以外の窒化物系化合物半導体層を成長させる場合にも本発明を適用することができる。ここで、窒化物系化合物半導体とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体であり、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等がある。
また、実施形態ではＨＶＰＥ法を利用した場合について説明したが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）を利用して窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に本発明を適用することができる。
また、成長用基板としてＮＧＯ基板以外の希土類ペロブスカイト基板（例えば、ＮｄＡｌＯ３，ＮｄＩｎＯ３等）を用いる場合にも適用できる。
【００３６】
また、実施形態では、成長用基板をエピタキシャル成長装置（ＨＶＰＥ装置）内に投入した後、アニール処理によって成長用基板の平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなるように制御しているが、化学的エッチング処理やプラズマ処理によって成長用基板の平均表面粗さを制御してもよいし、これらを組み合わせてもよい。つまり、本発明では、窒化物系化合物半導体層の成長直前に、成長用基板の平均表面粗さが０．２〜１０ｎｍとなっていればよい。
したがって、窒化物系化合物半導体層の成長前に行われる処理（昇温プロセス等）によって、成長用基板の表面粗さが劣化しない（当初の表面状態が維持される）場合は、予め研磨加工などによって表面粗さを０．２〜１０ｎｍに制御した成長用基板を用いてもよい。
【００３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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