(57)【要約】【課題】高度に低減された貫通転位密度およびエピタキシャル成長に適した表面を有する新しいタイプの半導体基板を提供すること。【解決手段】本発明の半導体基板（１）は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板（２）上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層（３）上、のいずれかにおいて気相成長し、高度に低減された転位密度を有する。本発明によれば、貫通転位が互いに接触する確率を高めるために、（０００１）以外であって    【数１】2008523635.tif 000023  の指数を有する高い指数の結晶平面に対して貫通転位（６）の意図的な傾きを与える転位リダイレクション層（４）と、転位リダイレクション層（４）の上に配置され、貫通転位（６）が互いに合体し、半導体基板表面（７）において貫通転位密度を低減する、転位リアクション層（５）とを備える構造が転位密度低減のために利用される。【選択図】図１
2008523635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板（２）上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層（３）上、のいずれかにおいて気相成長する半導体基板（１）であって、
（０００１）以外であって
【数１】
2008523635.tif 000016
の指数を有する高い指数の結晶平面に対して貫通転位（６）の傾きが、前記貫通転位が互いに接触する確率を高めるように配置されている転位リダイレクション層（４）と、
前記転位リダイレクション層の上に配置され、前記貫通転位（６）が互いに合体し、前記半導体基板表面（７）において貫通転位密度を低減する転位リアクション層（５）と、を備える半導体基板（１）。
【請求項２】
前記転位リダイレクション層（４）が０．２μｍから４μｍの厚さを有する請求項１に記載の半導体基板（１）。
【請求項３】
前記転位リアクション層（５）が１μｍから１０μｍの厚さを有する請求項１または２に記載の半導体基板（１）。
【請求項４】
ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体装置材料と格子不整合する異種基板（２）上、または該半導体装置材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層（３）上、のいずれかにおいて気相成長する半導体装置（２０）であって、
半導体基板（１）と、この半導体基板（１）上に配置される装置層とを備え、（０００１）以外であって
【数２】
2008523635.tif 000017
の指数を有する高い指数の結晶平面に対して貫通転位（６）の傾きが、前記貫通転位が互いに接触する確率を高めるように配置されている、転位リダイレクション層（４）と、
前記転位リダイレクション層の上に配置され、前記貫通転位（６）が互いに合体し、前記半導体基板表面（７）において貫通転位密度を低減する、転位リアクション層（５）と、を備える半導体装置（２０）。
【請求項５】
前記転位リダイレクション層（４）が０．２μｍから４μｍの厚さを有する請求項４に記載の半導体装置（２０）。
【請求項６】
前記転位リアクション層（５）が１μｍから１０μｍの厚さを有する請求項４または５に記載の半導体装置（２０）。
【請求項７】
ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板（２）上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層（３）上、のいずれかにおいて気相成長する半導体基板（１）を製造する方法であって、
前記異種基板（２）上、または高い転位密度を有する層（３）上の転位リダイレクション層（４）を成長させるステップであって、貫通転位（６）が互いに接触し反応する確率を高めるために、（０００１）以外であって
【数３】
2008523635.tif 000018
の結晶指数を有する高い指数の結晶平面に対して前記貫通転位（６）の意図的な傾きを与えるステップと、
前記転位リダイレクション層（４）の上にある転位リアクション層（５）を成長させるステップであって、前記貫通転位（６）間の反応を容易にし、前記転位密度を低減させるステップと、を含む方法。
【請求項８】
前記転位リダイレクション層を成長させる工程が、前記異種基板（２）の表面上、または高い転位密度を有する層（３）上の析出物（１１）の形成から開始され、前記析出物が、０．１μｍから１．５μｍの高さおよび１０７から１０８ｃｍ−２の表面密度を有し、前記転位リアクション層を成長させる工程が、（０００１）の結晶指数を有する結晶平面（１７）の選択的成長を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記析出物が、９００℃から１１５０℃の温度範囲にて実行される高温層アニーリング期間に続いて、４５０℃から７００℃の温度範囲にて実行される一連の短い低温積層からなる工程によって形成される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記転位リダイレクション層（４）を成長させる工程が、前記異種基板（２）の表面上、または高い転位密度を有する層（３）上の析出物（１１）の形成ステップと、（０００１）以外であって
【数４】
2008523635.tif 000019
の結晶指数を有する結晶平面（８）の選択的成長ステップと、を含む請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記転位リダイレクション層（４）を成長させる工程が、前記異種基板（２）の表面上、または高い転位密度を有する層（３）上の析出物（１１）の形成ステップと、（０００１）以外であって
【数５】
2008523635.tif 000020
の結晶指数を有する結晶平面（８）の選択的成長ステップと、
溝（１３）にあるポテンシャル最小表面へのアモルファス材料のその場積層ステップと、
（０００１）以外であって
【数６】
2008523635.tif 000021
の結晶指数を有する結晶平面（８）の選択的成長ステップと、を含む請求項８または９に記載の方法。
【請求項１２】
前記転位リダイレクション層（４）を成長させる工程が、前記異種基板（２）の表面上、または高い転位密度を有する層（３）上の析出物（１１）の形成ステップと、（０００１）の結晶指数を有する結晶平面（１７）の選択的成長ステップと、
転位コアに近接する層表面領域の選択的化学エッチングステップと、
エッチピットにあるポテンシャル最小表面へのアモルファス材料のその場積層ステップと、
（０００１）以外であって
【数７】
2008523635.tif 000022
の結晶指数を有する結晶平面（８）の選択的成長ステップと、を含む請求項８または９に記載の方法。
【請求項１３】
０．２μｍから４μｍのトータルの層の厚さを有する転位リダイレクション層（４）が成長する請求項７から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
１μｍから１０μｍの厚さを有する転位リアクション層（５）が成長する請求項７から１３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、貫通転位密度が低減された半導体基板に関する。より詳細には、該半導体基板は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層上、のいずれかにおいて気相成長する。本発明はまた、該基板を利用する装置および該基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きな格子不整合のある異種基板（例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、または酸化亜鉛）上での、（０００１）面を有するウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属窒化物の成長は、基板表面上の三次元島状構造部の形成を通じて生じる。通常、第１の工程として、低温にて基板上に薄い層を積層する。この層は連続しているが、ナノサイズの多結晶構造を持つ。該層は立方晶相と六方晶相との混合からなる。その後、温度が通常の成長温度にまで上昇すると、核形成層の再結晶化が生じる。再結晶化の間、連続した二次元の層が破壊され、材料の三次元島状構造部が六方晶相により形成され、気相を介した物質移動の結果として、基板表面上に成長する。該島状構造部は通常、ピラミッド形をしている。層−基板の界面における結晶の格子不整合は、該界面に沿った方向に転位線を有するミスフィット転位（ＭＤ）を形成する。これらのＭＤは不整合に関連する弾性ひずみを緩和させ、装置構造に対して有害ではない。再結晶化の初期段階における島状構造部の内部には基本的に転位はなく、僅かな貫通転位（ＴＤ）のみを含む。島状構造部はまた、［０００１］方向への成長方向について、それらの結晶格子の面内方向のオフ角を明らかにする。二次元の平面成長モードへの遷移は、島状構造部の更なる成長と合体を通じて達成可能である。島状構造部のオフ角のために、主に刃状のＴＤは、合体した島状構造部の境界に形成される。実際のＩＩＩ族窒化物膜におけるＴＤの密度は１０１０ｃｍ−２と同じ密度であり得る。垂直なＴＤは、反応することなく、さらなる成長の間、層を伝播し、電子装置および光電子装置の有効領域内に残る。その高いＴＤの密度が装置の物理的性能を変化させることは公知である。それらの高い密度にもかかわらず、ＴＤは基本的に非平衡の欠陥である。それゆえ、それらの数は、適切な材料に対する処理または成長条件の選択によって低減することができる。近来、膨大な実験的リサーチおよび実用的な発明が、ＩＩＩ族窒化物におけるＴＤ密度の低減に向けられている。
【０００３】
薄い低温層の積層による格子不整合を有する基板上への結晶性のエピタキシャル層の成長方法は、特許文献１に開示されている。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ膜の場合は、特許文献２に開示されている。低温層の上で成長するウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物のエピタキシャル層において実現される通常のＴＤ密度は１０９ｃｍ−２までである。この方法の異なるバリエーションでは、異種基板上のＩＩＩ族金属の窒化物の成長の開始についての特許の重要な部分を構成する（特許文献３、特許文献４、特許文献５を参照）。
特許文献６にも、いくつかの低温層を用いてＴＤ密度を低減することが可能であることが示されている。
【０００４】
格子不整合を有する基板に成長した結晶性のエピタキシャル層の転位密度を低減する他のいくつかの技術も示唆されている。特許文献７は、階段状の格子定数を有するバッファ層を用いることを示唆している。特許文献８は、「転位のシンク（ｓｉｎｋ）」、すなわち基板上の層のアモルファス領域を用いることを示唆しており、転位はアモルファス材料の中を伝播する間に解消される。特許文献９は、基礎材料に形成される第１の材料の島状構造部および該島状構造部の上に第２の材料の連続層を含む、欠陥フィルタを開示している。異種基板上に成長したエピタキシャル層におけるＴＤ密度を低減する、これまでに確認された最も効果的な方法は、前もって積層してある誘電性のマスク内の開口部を通して、該誘電性のマスク上の層における、選択的領域成長（ＳＥＡ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ  ｇｒｏｗｔｈ）およびエピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ：ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）である。Ｓｉ上のＧａＡｓなどの半導体の選択的エピタキシャルの重要な特徴の第１の議論としては、特許文献１０が我々に最もよく知られている。高度に不整合な基板上への、様々な従来のＩＩＩ−Ｖ族半導体のＳＥＡおよびＥＬＯに関して、多くの文献が存在する。非特許文献１によれば、線形のマスクパターンを用いたサファイア基板上において、ＳＥＡによるＧａＮの成長に高い異方性が存在する。ＥＬＯの特徴形態がマスクの充填比に影響されることが非特許文献５に見出される。しかしながら、これらの場合において、転位のない領域は、誘電性のストライプ上の狭いストライプに限られる。さらに、成長したウイング部において結晶格子が傾く現象のために、隣接する開口部から成長したウイング部が接触するところで、新しい転位が該領域内に生成される（非特許文献７および非特許文献８を参照）。積層される誘電材料としては、例えば窒化ケイ素、二酸化ケイ素、または窒化マグネシウムが挙げられる。それは、覆われていない基板領域における三次元成長モードを容易にする抗界面活性剤として作用する。エピタキシャル膜の成長は、ＥＬＯ技術と同じように、誘電材料で覆われた領域の横方向成長を通じて進む。転位の一部は、マイクロマスキングによって阻止されるか、またはマイクロマスキングされた領域上での横方向成長の間に曲げられるかのいずれかであり（特許文献１７を参照）、基板表面と平行になる。これらの技術の性能は、マスキング領域がランダムに分散されており、転位領域の選択的な処理をもたらさないという事実に制限される。その性能はまた、転位の少ない層よりも低い。縦方向および横方向の成長速度は、六方対称性を有する結晶面に由来して、正反対に最小および最大を有することが報告されている。（０００１）面を有するサファイア基板上における窒化ガリウムの微小六角柱の選択的成長の可能性は、非特許文献２に記載されている。ＥＬＯの他のバリエーションは、非特許文献３、非特許文献４、および特許文献１１に記載されている。さらに、縦方向の成長速度が、マスクストライプ開口部の方向および充填比の両方に強く依存しており、他方では、横方向の成長速度が、充填比には比較的依存しておらず、ストライプ方向に強く依存し���いることが、非特許文献６に示されている。
【０００５】
これらの技術のバリエーションの大部分において（特許文献１２および特許文献１３を参照）、マスキングされた領域上のＴＤの伝播がマスクによってブロックされ（図２ａを参照）、これらの方法によって成長したエピタキシャル半導体の結晶の品質は劇的に改善する。それゆえ、これらの技術は、レーザダイオードなどの狭い装置にのみ利用することができる。ＥＬＯ技術の改良されたバリエーションは、非特許文献９に示されている。それは成長モードを提供しており、該モードは、線の方向が層―基板の界面と平行になるように、横方向成長の間に転位が必ず曲がるようにするものである（図２ｂを参照）。その結果、エピタキシャル層表面に対して垂直の転位のさらなる伝播は妨げられる。これらのバリエーションの不利益のうちの一つは、それらが、移動を伴った（ｅｘ  ｓｉｔｕ）プロセスであることである。ＰＥＮＤＥＯエピタキシー（特許文献１４を参照）、およびカンチレバーエピタキシー（特許文献１５および非特許文献１０を参照）のような、ＳＥＡおよびＥＬＯの他のいくつかのバリエーションもまた存在し、ＩＩＩ族金属へテロエピタキシーの窒化物における転位低減に関する特許の重要な部分を形成する。
【０００６】
その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）技術のなかで、最も効率的なものは、基板上または底部のエピタキシャル層上に誘電材料を積層することであり、単分子層以下の厚さの中間層で、エピタキシャル層表面の部分的でランダムな範囲を生成する（すなわちマイクロマスキング）（Ｕ．ＭｉｓｈｒａおよびＳ．Ｋｅｌｌｅｒによる特許文献１６を参照）。
【０００７】
転位の選択的処理を提供する転位低減技術は、特許文献１８に開示されている。この技術の他のバリエーションはまた、特許文献１９に開示されている。
【０００８】
先行する従来技術の記載に従うと、当該技術領域のあらゆる発展にもかかわらず、公知の解決策はいまだに多くの欠点および弱点を有する。基板表面全域に亘って、高度に低減された転位密度を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなる基板が必要とされているのは明らかである。特に、半導体装置層のさらなるエピタキシャル成長に適した表面品質を有する基板を、効果的に、かつ制御可能に、完全にその場で行う（ｉｎ  ｓｉｔｕ）製造方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第４，１７４，４２２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８５５，２４９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，１２２，８４５号明細書
【特許文献４】米国特許第５，２９０，３９３号明細書
【特許文献５】米国特許第５，６５６，８３２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８６３，８１１号明細書
【特許文献７】米国特許第５，６３３，５１６号明細書
【特許文献８】米国特許第５，０９１，７６７号明細書
【特許文献９】米国特許第６，６５７，２３２号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，５２２，６６１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，０５１，８４９号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８８０，４８５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，２５２２６１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，１７７，６８８号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，５９９，３６２号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，６１０，１４４号明細書
【特許文献１７】米国特許第６，８０２，９０２号明細書
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００２／０１６７０２２号明細書
【特許文献１９】国際公開第２００４／００８５０９号パンフレット
【非特許文献１】Ｄ．Ｋａｐｏｌｎｅｋら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（９）、１２０４（１９９７）
【非特許文献２】Ｔ．Ａｋａｓａｋａら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１５）、２１９６（１９９７））
【非特許文献３】Ａ．Ｓａｋａｉら、（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１６）、２２５９（１９９７））
【非特許文献４】Ｔ．Ｚｈｅｌｅｖａら、（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１７）、２４７２（１９９７））
【非特許文献５】Ｍ．Ｃｏｌｔｒｉｎら、（ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．４Ｓｌ，  Ｇ６．９（１９９９））
【非特許文献６】Ｊ．Ｐａｒｋら、（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（３）、３３３（１９９８））
【非特許文献７】Ｐ．Ｆｉｎｉら（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ２０９，５８１  （２０００））
【非特許文献８】Ａ．Ｒｏｍａｎｏｖら（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９３（１）、１０６（２００３））
【非特許文献９】Ｐ．Ｖｅｎｎｅｇｕｅｓら（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８７（９），  ４１７５（２０００））
【非特許文献１０】Ｔ．Ｍ．Ｋａｔｏｎａら、（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９（１８），２９０７（２００１））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術における上述の不利益を取り除くことが本発明の目的である。
【００１０】
特に、本発明の目的は、高度に低減された貫通転位密度およびエピタキシャル成長に適した表面を有する新しいタイプの半導体基板を開示することであり、該基板は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物で形成され、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層上、のいずれかにおいて気相成長する。
【００１１】
さらに、本発明の目的はまた、上述の半導体基板を備える新しいタイプの半導体装置を開示することである。
【００１２】
最後に、本発明の目的はまた、上述のタイプの半導体基板の、効果的かつ制御可能なその場製造方法を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体基板は請求項１に提示される内容により特徴付けられる。基板は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層上、のいずれかにおいて気相成長する。多くの通常用いられる窒化物は、ＧａＮおよびＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）であるが、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｘ≦１）などの他の材料およびＢＮも利用可能である。本発明によれば、半導体基板は、貫通転位が互いに接触する確率を高めるために、（０００１）以外であって
【数１】
2008523635.tif 000003
の指数によって特徴付けられる高い指数の結晶平面に対して貫通転位の傾きが配置されている転位リダイレクション層と、この転位リダイレクション層上に配置され、貫通転位が互いに合体し、半導体基板表面において貫通転位密度を低減する、転位リアクション層とを備える。低減された転位密度を有するかかる表面は高結晶品質であり、該表面上の装置層のさらなるエピタキシャル成長に適している。転位密度は、基板成長の初期段階において高い転位を有する層を部分的にマスキングすることによって実行される転位密度を低減する従来の基板とは対照的に、該表面全体に亘って低減する。
【００１４】
本発明に係る半導体装置は請求項４に提示された内容によって特徴付けられる。この半導体装置は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体装置材料と格子不整合する異種基板上、または該半導体装置材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層上、のいずれかにおいて気相成長する。該装置は、半導体基板および該基板の上に配置された装置層を備える。本発明によれば、転位リダイレクション層は、（０００１）以外であって
【数２】
2008523635.tif 000004
の指数を有する高い指数の結晶平面に対して貫通転位の傾きが、前記貫通転位が互いに接触する確率を高めるように配置されており、転位リアクション層は、前記転位リダイレクション層の上に配置され、前記貫通転位が互いに合体し、前記半導体基板表面において貫通転位密度を低減する。半導体装置はまた、ＬＥＤまたはレーザダイオード等であってもよい。半導体基板表面全体に亘る低い転位密度のために、装置層のより良い品質での構造によって、明らかに有利な点が達成される。
【００１５】
例えば、（０００１）以外であって
【数３】
2008523635.tif 000005
の結晶指数を有する結晶平面の発展により、本発明に係る貫通転位の傾きが達成可能である。傾きは、転位エネルギーが減少することで制御され、該転位は、貫通転位のエネルギーを用いて、［０００１］の結晶軸に沿った転位線と比較して、意図的に導入された高い指数の平面と直角になる。これは、転位のエネルギーとその長さとの間の比に由来する。さらに、３つの底面の変形
【数４】
2008523635.tif 000006
のうちの一つに等しいバーガースベクトルを有する転位は、それらの線の方向が［０００１］と平行であるとき（すなわちウルツの基本セルのｃ軸と平行の線方向である刃状転位の場合）、単位長さ当り最大エネルギーを有する（エネルギー係数によって記載される）。これは、エネルギー的により好ましい位置への［０００１］方向の刃状貫通転位に傾ける工程を好む。局部的には、転位線の方向における変化は、構造力によって生じ、構造力は、自由表面での転位の相互作用によって生じる。初期の［０００１］方向の転位の傾きは、転位が相互に接触および反応する確率を大いに高める。接触の結果、単一のＴＤを生成するための、相反するバーガースベクトルまたは二つの転位の統合とともに、二つの転位が消滅する。これらの両方の工程が転位密度を低減させる。
【００１６】
好ましくは、本発明に係る転位リダイレクション層（４）は、貫通転位の有効な傾きを保持するために、０．２μｍから４μｍの厚さを有する。本発明に係る転位リアクション層は、十分量の転移反応を与えるため、好ましくは１〜１０μｍの厚さを有する。
【００１７】
半導体基板を製造する本発明の方法は請求項７に提示される内容により特徴付けられる。展開されるアプローチの物理的基礎により、初期の縦方向の貫通転位の傾きについて、転位反応の確率が高まる。この半導体基板は、ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属の窒化物からなり、（０００１）面を有する半導体基板材料と格子不整合する異種基板上、または該半導体基板材料からなる（０００１）面を有する高い転位密度を有する層上、のいずれかにおいて気相成長する。該窒化物は、例えば，ＧａＮおよびＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）、およびＢＮであってもよい。気相成長の工程は、有機金属気相成長またはハイドライド気相成長法などの気相成長法を用いて実行可能である。本発明によれば、この方法は、前記異種基板（２）上、または高い転位密度を有する層（３）上の転位リダイレクション層（４）を成長させるステップであって、貫通転位（６）が互いに接触し反応する確率を高めるために、（０００１）以外であっての結晶指数を有する高い指数の結晶平面に対して前記貫通転位（６）の意図的な傾きを提供するステップと、前記転位リダイレクション層（４）の上にある転位リアクション層（５）を成長させるステップであって、前記貫通転位（６）間の反応を容易にし、前記転位密度を低減させるステップと、を含む。個々の貫通転位を曲げるたり、フィルタリングして使用する従来の技術において開示された方法とは対照的に、本発明の方法は、貫通転位アンサンブルの動力学を考慮し、最終の基板表面全体に亘り効率的な転位密度の低減を目標として、相互に接触する貫通転位における反応を容易にする。
【００１８】
任意のリアクターに対して、該傾きを提供する本方法を実施する重要なステップは、転位リダイレクション層を成長させるために、（０００１）以外であって
【数５】
2008523635.tif 000007
の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長を提供することである。選択的成長または本明細書における選択的成長および本明細書における他の記載により、成長工程とは、時間、温度、気体流、および圧力などの工程パラメータが特定の結晶指数を有する面を成長させるように選択されることを意味する。各リアクターに対してかかるパラメータが存在する。しかしながら、各リアクターはそれ自体の正確な個々のパラメータを有するので、パラメータ値の一般的なセットが付与されることはない。好ましくは、転位リダイレクション層を成長させる工程が、異種基板の表面上、または高い転位密度を有する層上の析出物の形成から開始され、前記析出物が、０．１μｍから１．５μｍの高さおよび１０７から１０８ｃｍ−２の表面密度を有し、前記転位リアクション層を成長させる工程が、（０００１）の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長を含む。該析出物の形成は、高い指数の平面のさらなる選択的成長によって、該高い指数の結晶面に対して、貫通密度の傾きを提供することを可能にする。転位リアクション層の（０００１）平面の該選択的成長の間、傾きは維持され、反応の確率を高める。各々のリアクターに対して、該タイプの析出物の形成に対する工程パラメータは個別のものであり、パラメータ値の一般的なセットが与えられることはない。
【００１９】
一般に、析出物は、その後に続く高い温度での再結晶化とともに、材料の低温での積層の間に形成される。しかしながら、かかる技術は、通常、高い密度を有する多数の小さな析出物を形成する結果となり、必要とされる高さに達する前に合併される傾向にある。本発明によれば、特に限定されないが、好ましくは、析出物が、９００℃から１１５０℃の温度範囲にて実行される高温層アニーリング期間に続いて、４５０℃から７００℃の温度範囲にて実行される一連の短い低温積層からなる工程によって形成される正確な温度は、使用される材料のタイプおよびリアクターのタイプに依存する。該短時間の低温積層の継続期間は、例えば、数十秒であってもよい。各アニーリングの間、積層された材料の一部は表面から取り除かれる。温度の変化およびアニーリング時間など、アニーリング間の工程パラメータは、大きい析出物を残す一方で、小さな析出物を完全に取り除くように選択される。その結果、最も大きい析出物のみが優先的に成長する。これにより、制御された高さおよび密度にて析出物を取得することができる。
【００２０】
本発明の好ましい一実施形態では、転位リダイレクション層（４）を成長させる工程が、前記異種基板の表面上、または高い転位密度を有する層上の析出物の形成ステップと、（０００１）以外であって
【数６】
2008523635.tif 000008
の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長ステップと、を含む合わされた析出物の境界に主に位置する初期の縦方向の貫通転位に対しては、さらなる成長の間、伝播の方向を変更することがエネルギー的に好ましく、高い指数を有する面の領域を増加させる。この工程の見解は、本明細書にてすでに説明されている。結果として、傾いたＴＤのうちの反応に必要な条件が達成される。転位リアクション層の（０００１）面の選択的成長の間、転位リアクションの高確率が維持される。本発明の方法の別の好ましい実施形態では、転位リダイレクション層を成長させる工程が、前記異種基板の表面上、または高い転位密度を有する層上の析出物の形成ステップと、（０００１）以外であって
【数７】
2008523635.tif 000009
の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長ステップと、溝にあるポテンシャル最小表面へのアモルファス材料のその場積層ステップと、（０００１）以外であって
【数８】
2008523635.tif 000010
の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長ステップと、を含む。ポテンシャル最小表面にアモルファス材料をその場積層することによって、転位をさらに傾けることが容易になる。基板表面に形成された半導体基板の析出物が合わされ始めているならば、第２のステップは中止される。刃状の貫通転位は、析出物が合わされる境界に形成される。この成長の段階にて、これらの刃状の貫通転位の出現位置は、主に、隣接する析出物の間にある溝内である。工程の次のステップはアモルファス材料のその場積層を含む。表面上で拡散される力のために、アモルファス材料の原子は、溝内にあるポテンシャル最小表面に到達する傾向にある。この相において、貫通転位はアモルファス材料と半導体材料との間にある界面に残る。なぜならば、アモルファス材料が存在するので、転位の傾きに対するポテンシャルバリアが低くなるからである。積層されるアモルファス材料の量は、その後の転位リアクション層の成長の間に、転位が傾いたままであることを保証するように選択されるべきである。最適な量は、使用される材料に依存し、溝の高さの５％から７０％の領域をカバーするように選択可能である。高い指数面の領域を増加させるさらなる成長の間、貫通転位は傾いたままであり、該高い指数面の方向を向く傾向にある。（０００１）面の選択的成長にて、転位リアクション層が成長する間、その転位は傾いたままであり、転位反応に対して高確率を維持する。その結果、コンパクトで低い転位密度の半導体基板を取得する。
【００２１】
本発明の方法の第３の好ましい実施形態では、前記転位リダイレクション層を成長させる工程が、前記異種基板の表面上、または高い転位密度を有する層上の析出物の形成ステップと、（０００１）の結晶指数を有する結晶平面（１７）の選択的成長ステップと、転位コアに近接する層表面領域の選択的化学エッチングステップと、エッチピットにあるポテンシャル最小表面へのアモルファス材料のその場積層ステップと、（０００１）以外であって
【数９】
2008523635.tif 000011
の結晶指数を有する結晶平面の選択的成長ステップと、を含む。選択的エッチングとは、適切な気体の混合物によって高い転位を有する層表面を化学的にエッチングするとき、その転位コアに近い領域が高いレートにてエッチングされることを意味する。これにより、転位線の終端にエッチピットを形成し、析出物の不完全な合体がもたらす溝に類似した役割を果たす。気体の混合物は、例えば、アンモニア、シラン、および水素を含んでもよい。アモルファス材料のその場積層の次の段階の間、表面上で拡散される力のために、アモルファス材料の原子は、エッチピット内のポテンシャル最小表面に到達する傾向にある。この相において、貫通転位はアモルファス材料と半導体材料との間にある界面に残る。なぜならば、アモルファス材料が存在するので、転位の傾きに対するポテンシャルバリアが低くなるからである。積層されるアモルファス材料の量は、その後の転位リアクション層の成長の間に、転位が傾いたままであることを保証するように選択されるべきであり、かつ、それは使用される材料に依存する。高い指数面の領域を増加させるさらなる成長の間、貫通転位は傾いたままであり、該高い指数面の方向を向く傾向にある。（０００１）面の選択的成長にて、転位リアクション層が成長する間、その転位は傾いたままであり、転位反応に対して高確率を維持する。その結果、コンパクトで低い転位密度の半導体基板を取得する。
【００２２】
該好適な実施形態における該アモルファス材料は、例えばＳｉＮであってもよいが、別の代替物も存在する。その場積層の工程パラメータは装置に対して個別的であり、個々のリアクターによって異なるので、一般的なパラメータ値が与えられることはない。
【００２３】
本発明の方法の該好適な実施形態は、転位マスキングのための誘電性の材料を積層することを含む他の方法と比較して明らかな利点を有する。本発明により、転位線が終端する領域に対して、大部分にマスキング材料をその場積層することが可能となるが、他の方法では、表面のランダムな領域をカバーするだけである。本発明のこれらの実施形態の本質的な特徴は、成長の中間段階における表面の溝内に、貫通転位を局在させることである。
【００２４】
ここで本発明の層厚をさらに詳細に記載する。必要とされる厚さは目的の貫通転位密度に依存する。転位リダイレクション層の厚さは、連続膜内の析出物を合体させるべきである。好ましくは、０．２μｍから４μｍの範囲内である。この厚さにより、高い指数面を有する十分に大きい領域を提供する。好ましくは、転位リダイレクション層の厚さは、析出物の高さよりも２倍から３倍厚い。転位リアクション層の厚さは、好ましくは、１μｍから１０μｍである。本発明に用いられるアプローチに従うと、ρ＝ρｖ＋ρｉ（これは、縦方向のＴＤの密度ρｖおよび傾いたＴＤの密度ρｉに分けられる）であるトータルの転位密度の低減は、「反応キネティクス」の式の以下の式から決定される。
【数１１】
2008523635.tif 000012
ここでｈは層厚であり、漸次的に変化する変数の役割を果たす。式の右側の関数、ｆｖｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、ｆｉｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、およびｆｖｒｅａｃｔｉｏｎ、ｆｉｒｅａｃｔｉｏｎは、縦方向の転位リダイレクションの工程、それらの傾いた転位への変形、およびそれらの間の反応を示す。これらの関数は、基板製造のために選択された方法に依存し、それゆえ、（パラメータ化された形式において）成長状況やマスキング工程にも依存する。それらの関数は、転位反応の強さを示す層厚およびパラメータを明確に含んでいる。
【００２５】
例えば上述の関数は、
【数１２】
2008523635.tif 000013
およびｆｉｒｅａｃｔｉｏｎ＝κ×ρ２ｉとして選択可能である。かかるパラメータ化において、ρは、ρ＝１／γ×ｃｏｓα／（１−ｃｏｓα）（γは係数である）を介して、リダイレクション層および（０００１）の結晶面における平面間の角度αに関連しており、それは、結晶構造や、例えば結晶表面におけるアモルファス材料の存在などの縦方向の転位の傾きを強めるさらなる要因に依存する。ここで、κはＴＤの反応断面パラメータである。γの増加（例えば、アモルファス材料の積層による）は、厚さを有する縦方向のＴＤの密度をより速く低減させる。ＴＤ密度低減レートが初期のＴＤ密度に依存することに留意されたい。より高い初期ＴＤ密度は、より速いＴＤ密度低減レートとなる。それは、より高いＴＤ密度において、ＴＤは接触し反応するより高い確率を有するという事実に由来する。
【００２６】
本発明は従来技術に比べ、本質的な利点を提供する。本発明に係る基板は、基板表面全体に亘って劇的に低減された貫通転位密度を有し、装置層のさらなるエピタキシャル層の成長に適している。本発明の製造方法は、その場工程のステップのみを含むが、その一方で、従来の方法の多くのバリエーションは、不必要なイクサイチュ（ｅｘ  ｓｉｔｕ）処理を必要とする。本発明の方法は、ランダムなマスキングの領域をカバーすることを含む従来技術のマイクロマスキング方法とは対照的に、十分に制御可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に関連する実施形態および例を詳細に参照し、それらの実施形態および例は添付の図面に示されている。
【００２８】
図１の半導体装置２０は半導体基板１を備える。半導体基板は、異種基板２または半導体基盤材料の高く転位された層３、転位リダイレクション層４、および転位リアクション層５を含む。装置層２１は半導体基板表面７上に成長する。転位リダイレクション層４の初期段階に形成された貫通転位（ＴＤ）６は、初期の縦方向から、層の上方へ逸れる。転位リアクション層５において、ＴＤ６は互いに合体し、その結果、半導体基板１の転位密度を低減する。その結果、半導体基板表面７は、低い転位密度を有する高結晶品質となり、装置層２１のさらなる成長に適している。
【００２９】
図２ａおよび図２ｂに図示された従来技術の解決方法は、ＳＡＥおよびＥＬＯの技術の異なるバリエーションを用いて成長するアモルファス材料のマスクを含む。誘電性のマスクは、実質的に縦方向の狭い線で示される転位の一部の伝播をブロックするために用いられる。図２ａで示されるように、これはマスク上の転位のない領域へと通じている。図２ｂにおける改良された技術において、マスクを通過したＴＤの一部は曲がり、層−基板の界面と平行になり、その結果上側の層においてＴＤ密度を低減する。これらの技術は平均ＴＤ密度を低減するけれども、イクスサイチュ（ｅｘ  ｓｉｔｕ）工程のステップを必要とするため、製造工程を複雑にする。
【００３０】
図３は、転位リダイレクション層４が成長する間における、高い指数の平面８に対する、初期の縦方向からの、縁のＴＤ６の傾きを示す。該傾きは、転位リアクション層の後の成長の間で、相互に反応するＴＤ６の確率を高める。ミスフィット転位９およびバーガースベクトル（Ｂｕｒｇｅｒｓ  ｖｅｃｔｏｒ）の方向は、図にも示されている。転位線の方向は矢印によって示される。破線は、析出物の境界における縁型のＴＤ６を有する、合体した半導体材料析出物１１を示す。転位リダイレクション層４は、異種基板表面１２上、または半導体基板材料の高く転位した層上に成長する。
【００３１】
図４に示される転位リダイレクション層４において、隣接する析出物間の溝１３はアモルファス材料１４で充填されている。最小ポテンシャル面におけるこのアモルファス材料は転位の傾きに対してポテンシャルバリアを減少させ、ＴＤ６は、アモルファス材料と半導体材料との間の界面１５に残る。高い指数の平面のさらなる成長の間、ＴＤは傾いたままである。
【００３２】
高い指数の面８の選択的成長にて成長する転位リダイレクション層４および（０００１）面１７の選択的成長にて成長する転位リアクション層５からなる図５のフラット膜１６は、溝１３にある最小ポテンシャル面に成長するアモルファス材料１４の傾きを有する。転位リダイレクション層４におけるアモルファス材料によって生じて傾いた方向を有するＴＤ６は、後に、転位リアクション層５において、反応し、その結果、完全な半導体基板の表面７にてＴＤ密度を低減する。
【００３３】
図６に示す製造方法は二つの主相を有する。初めに、転位リダイレクション層が成長する。この相は、初期に縦方向に逸れたＴＤを有する層を最終的に生成する５つの連続したステップからなる。第１のステップは、異種基板または半導体基盤材料の既存の高く転位した層の表面上の析出物の形成である。第２のステップは、結晶指数（０００１）を有する結晶平面の選択的成長である。第３のステップは、転位コアに近い層表面上の領域における選択的化学エッチングである。第４のステップは、ＴＤの傾きを容易にするために、エッチピットにある最小ポテンシャル面へアモルファス材料の積層を利用する。最終ステップは、再び、（０００１）以外であって
【数１０】
2008523635.tif 000014
の指数を有する結晶平面の選択的成長である。第２の相として、転位リアクション層が成長し、そこで、傾いた方向を有するＴＤが反応し、その結果ＴＤ密度が低減される。図７は、高温層の解消に続く、一連の短時間の低温積層からなる析出物１１の形成工程の効果を示す。本実験は、サファイア基板上におけるＧａＮ成長のための、３ｘ２インチのＴｈｏｍａｓ  Ｓｗａｎ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ社のクローズカップルドシャワーヘッド（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｓｈｏｗｅｒｈｅａｄ：ＣＣＳ）リアクターでなされた。画像（ａ）は、約５０ｎｍ（ナノメートル）の平均析出高さで、単一の標準的な積層／解消のサイクルの後のＧａＮ層表面を表す。画像（ｂ）は、２回の積層／解消のサイクルの後の状態を示し、平均析出高さは約２５０ｎｍである。画像（ａ）の工程パラメータは以下の通りである。積層は５６０℃で１２０秒。アニーリングは１０４０℃まで上昇し、２３０秒である。画像（ｂ）の工程パラメータは以下の通りである。第１の積層は５３０℃で７０秒。第１のアニーリングは１０００℃まで上昇し、３００秒である。第２の積層は５３０℃で９０秒。第２のアニーリングは１０４０℃まで上昇し、３００秒である。
【００３４】
異種基板上に成長したＧａＮエピタキシャル層内、およびｐ０＝１０１０ｃｍ−２の初期密度を有する計算された転位密度は、図８において、トータルの層の厚さの関数として示される。該トータルの層の厚さ（図では「膜厚」）は、二層構造全体の厚さを意味する。ＧａＮにおける転位リアクションの断面パラメータに対する通常の値は、１００ｎｍと等しい値がとられた。モデルの代表的なパラメータｐの３つの値（ａ）ｐ＝０，５、（ｂ）ｐ＝１、（ｃ）Ｐ＝２が用いられた。
【００３５】
図９は、初期のＴＤ密度ρ０：ａ）１０１０ｃｍ−２、ｂ）１０９ｃｍ−２、ｃ）１０８ｃｍ−２の三つの値に対するトータルのＧａＮ膜の厚さの関数として、トータルＴＤ密度の計算を表す。トータルの膜の厚さ（図では「膜厚」）は二層構造全体の厚さを意味する。ｐ＝１を前提とする。図９の曲線は、ＴＤ密度の低減レートにおける初期ＴＤ密度の効果を示す。初期密度が高いほど、低減レートは高い。
【００３６】
約１０９ｃｍ−２の初期ＴＤ密度を有する層の実験は、本発明に係る４μｍのトータルの厚さのＧａＮ層の成長の後、１０８ｃｍ−２以下のＴＤ密度まで低減したことを示した。図１０は、（ａ）薄い低温層の初期積層の従来の方法、および（ｂ）本発明に係る方法を用いて、サファイア基板上に成長する二つのＧａＮ層の原子間力顕微鏡の画像を表す。本発明に従って成長した例において、それらの実験は、サファイア基板上におけるＧａＮ成長のための、３ｘ２インチのＴｈｏｍａｓ  Ｓｗａｎ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ社のクローズカップルドシャワーヘッド（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｓｈｏｗｅｒｈｅａｄ：ＣＣＳ）リアクタでなされた。析出物の形成に対する工程パラメータは図７において記載された実験におけるものと同じである。（０００１）以外であって
【数１１】
2008523635.tif 000015
の指数を有する結晶平面のさらなる選択的成長は、４５ｓｃｃｍのＴＭＧフローおよび９６０ｓｃｃｍのアンモニアのフローにて、１０４０℃の温度で実行された。転位リアクション層は、６０ｓｃｃｍのＴＭＧフローおよび４５００ｓｃｃｍのアンモニアのフローにて、１０４０℃の温度にて成長した。両方のサンプルとも、層におけるＴＤ密度を際立たせるために、オルトリン酸および硫酸の５０：５０の混合物において、２４０℃で５分間、エッチングされた。図は、ＴＤ６の密度を低減することで、本発明の効果を示している。
【００３７】
技術の革新を有して、本発明の基本的な考え方が様々な方法にて実施され得ることは当業者に明らかである。したがって本発明および実施形態は上述の例に限定されることはなく、請求の範囲内にて様々に変更され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る半導体基板および半導体装置の略断面図を示す。
【図２ａ】従来技術における方法により成長した膜の略断面図を示す。
【図２ｂ】従来技術における方法により成長した膜の略断面図を示す。
【図３】層成長の中間段階において、本発明に係る転位リダイレクション層の略断面図である。
【図４】層成長の中間段階において、本発明の他の実施形態に従った転位リダイレクション層の略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って製造された、完成された半導体基板の略断面図である。
【図６】フローチャートとして本発明の方法の一実施形態を示す。
【図７】転位リダイレクション層の成長の初期段階において、半導体析出物の原子間力顕微鏡の画像を示す。
【図８】本発明に係る基板における、計算されたＴＤ密度を示す。
【図９】本発明に係る基板における、計算されたＴＤ密度を示す。
【図１０】従来の基板および本発明に係る基板の原子間力顕微鏡の画像を示す。
【図１】
2008523635.tif 000024
【図２ａ】
2008523635.tif 000025
【図２ｂ】
2008523635.tif 000026
【図３】
2008523635.tif 000027
【図４】
2008523635.tif 000028
【図５】
2008523635.tif 000029
【図６】
2008523635.tif 000030
【図７】
2008523635.tif 000031
【図８】
2008523635.tif 000032
【図９】
2008523635.tif 000033
【図１０】
2008523635.tif 000034
【国際調査報告】
2008523635.tif 000035
2008523635.tif 000036
2008523635.tif 000037