(57)【要約】【課題】所定の単結晶基板上において、高い結晶品質のＡｌ含有III族窒化物膜を形成することが可能なエピタキシャル成長用基板を提供する。【解決手段】６Ｈ−ＳｉＣ基板上に、例えばＣＶＤ法を用いて１１００℃以上の温度で、少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜を形成し、前記III族窒化物膜の転位密度を１×１０１１／ｃｍ２以下とし、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下とし、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下とすることにより、結晶品質に優れたエピタキシャル成長用基板を提供する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６Ｈ−ＳｉＣ基板と、このＳｉＣ基板上に形成された、少なくともＡｌを含み、転位密度が１×１０１１／ｃｍ２以下であって、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下であるIII族窒化物膜とを具えることを特徴とする、エピタキシャル成長用基板。
【請求項２】
前記III族窒化物膜の厚さが０．２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３】
前記III族窒化物膜の表面粗さが３Å以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項４】
前記III族窒化物膜は、Ａｌを全III族元素に対して５０原子％以上の割合で含有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項５】
前記III族窒化物膜は、ＡｌＮから構成されることを特徴とする、請求項４に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項６】
前記III族窒化物膜は、ＣＶＤ法を用いて１１００℃以上の温度で形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項７】
前記６Ｈ−ＳｉＣ基板は、その主面上に表面窒化層を有し、前記III族窒化物膜は前記表面窒化層を介して形成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項８】
前記表面窒化層の表面での窒素モル分率が３％以上であることを特徴とする、請求項７に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項９】
前記III族窒化物膜中のＡｌ組成が、その厚さ方向において前記６Ｈ−ＳｉＣ基板側から前記６Ｈ−ＳｉＣ基板と反対側の方へ向けて連続的又はステップ状に減少していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一に記載のエピタキシャル成長用基板を含むことを特徴とする、半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種半導体素子の基板として好適に用いることのできるエピタキシャル成長用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｌを含むIII族窒化物膜は、半導体発光素子や半導体受光素子を構成する半導体膜あるいはその半導体膜成長用の下地膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどの電子デバイスや、短波長ＬＥＤなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。
【０００３】上記半導体素子は、サファイア単結晶などからなる単結晶基板上に、必要に応じてIII族窒化物からなる緩衝膜を形成した後、この緩衝膜上に同じくＡｌ含有III族窒化物膜からなる下地膜を形成し、この下地膜上に目的とする機能を有する各種III族窒化物膜を形成することによって得る。また、通常においては、前記基板、前記緩衝膜、及び前記下地膜を一体と見なし、これをエピタキシャル成長用基板として呼んでいる。
【０００４】前記緩衝膜は、前記基板と前記下地膜との格子定数差を補完して緩衝効果を発揮させるべく、その結晶性を無視して５００〜７００℃の低温において、ＭＯＣＶＤ法によって形成される。
【０００５】また、放熱性に優れ、サファイア単結晶よりも格子定数がIII族窒化物膜に近いことからＳｉＣ基板を用い、このＳｉＣ基板上にＡｌＮからなる緩衝膜あるいは下地膜を形成する場合もある。この場合、前記緩衝膜及び前記下地膜は、１０００℃以上の高温でにおいてＭＯＣＶＤ法によって形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファイア基板を用いた場合、緩衝膜は上述したような低温度で形成されるために結晶性が低く、前記緩衝膜上に形成した下地膜及び各種機能が付与されたＡｌ含有窒化物膜の結晶性を十分に高めることができないでいた。さらに、前記緩衝膜中には比較的多量の転位が存在するため、前記下地膜及び前記Ａｌ含有半導体膜にも前記転位に起因した多量の転位が生成されてしまうとともに、Ｘ線ロッキングカーブで評価することのできるモザイク性が大きくなってしまっていた。さらに緩衝膜形成とIII族窒化物膜形成との間の温度履歴により、Ａｌ含有III族窒化物膜の結晶性や転位密度などの結晶品質が大きくばらついてしまうという問題もあった。
【０００７】この結果、各種機能が付与されたＡｌ含有III族窒化物膜の結晶性や転位密度などの結晶品質を十分に高めることができず、これらのＡｌ含有III族窒化物膜を含む半導体素子、例えば半導体発光素子などにおいては、その発光効率が劣化してしまうという問題があった。
【０００８】また、ＳｉＣ基板を用いた場合、高温で成膜したＡｌＮからなる前記緩衝膜や前記下地膜は、０．１μｍ程度の厚さしか有しないため、結晶性において不十分であり、ピットなどが発生することにより表面平坦性も不十分なものであった。また、ＳｉＣ基板表面に存在する欠陥の影響を受けやすいという問題もあった。
【０００９】本発明は、所定の単結晶基板上において、高い結晶品質のＡｌ含有III族窒化物膜を形成することが可能なエピタキシャル成長用基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、
６Ｈ−ＳｉＣ基板と、このＳｉＣ基板上に形成された、少なくともＡｌを含み、転位密度が１．０×１０１１以下であって、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下であるIII族窒化物膜とを具えることを特徴とする、エピタキシャル成長用基板に関する。
【００１１】本発明者らは、単結晶基板上において結晶品質に優れたＡｌ含有III族窒化物膜を形成すべく鋭意検討を実施した。その結果、従来のサファイア単結晶基板などに代えて６Ｈ−ＳｉＣ基板を用い、この基板上に所定の条件で少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜を少なくとも０．２μｍ以上の厚さで形成することにより、前記III族窒化物膜の転位密度及び結晶性を著しく向上させることができ、結晶品質に優れ、かつクラックの存在しないエピタキシャル成長用基板を提供できることを想到した。
【００１２】すなわち、基板として６Ｈ−ＳｉＣ基板を用い、この基板上に所定の作製条件を満足するように比較的多量のＡｌを含むIII族窒化物膜を形成することによって、前記III族窒化物膜の結晶品質、しいてはエピタキシャル成長用基板の結晶品質を向上できることを見出した。
【００１３】このように本発明のエピタキシャル成長用基板は優れた結晶品質を有するので、前記基板上に目的とするＡｌ含有III族窒化物膜を作製した場合において、その結晶品質を著しく向上させることができるようになる。したがって、最終的に得た半導体素子などの特性も著しく向上させることができるようになる。
【００１４】なお、本発明の好ましい態様においては、前記６Ｈ−ＳｉＣ基板の主面に対して表面窒化処理を施し、表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、前記基板上に形成する前記III族窒化物膜の結晶品質をより向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明のエピタキシャル成長用基板の構成を示す概略図である。図１に示すエピタキシャル成長用基板１０は、６Ｈ−ＳｉＣ基板１と、この基板上に形成された少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜２とから構成されている。
【００１６】III族窒化物膜２はＡｌを含むことが必要であり、一般的にはＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成式で表すことができる。また、Ａｌ含有量はIII族窒化物膜２中における全III族元素に対して５０原子％以上（ｘ≧０．５）であることが好ましく、さらにはIII族窒化物膜２中におけるIII族元素の総てがＡｌより構成され（ｘ＝１）、ＡｌＮから構成されることが好ましい。
【００１７】図１に示すエピタキシャル成長用基板１０においては、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を用いるとともに、上述のように比較的多量のＡｌを含むIII族窒化物膜２を有しているので、所定の作製条件を満足することにより、III族窒化物膜２中における転位密度を１×１０１１／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１１／ｃｍ２以下、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ２以下に設定することができる。
【００１８】また、III族窒化物膜２の結晶性は、（００２）面におけるロッキングカーブ半値幅が２００秒以下、好ましくは１５０秒以下となるように設定することができる。さらに、（１０２）面におけるロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下、好ましくは１２００秒以下、さらに好ましくは１０００秒以下となるように設定することができる。
【００１９】さらには、作製条件を適宜に設定することにより、III族窒化物膜２の表面粗さＲａを５μｍ２の領域内において、３Å以下にまですることができる。この場合、表面には数層の原子層から構成される原子ステップが観察される。
【００２０】同様に、III族窒化物膜２の厚さを０．２μｍ以上、好ましくは０．３μｍ以上、さらに好ましくは０．４μｍ以上に設定することができる。従来においては、ＳｉＣ基板を用い、前記基板上にIII族窒化物膜を０．２μｍ以上の厚さに形成すると、前記III族窒化物膜中にはクラックが発生してしまっていたが、本発明においては、III族窒化物膜の厚さを０．２μｍ以上としてもクラックの発生を抑制することができる。なお、III族窒化物膜２の厚さは１．２μｍ以下であることが好ましい。これより厚くなると、作製条件によってはクラックが発生してしまう場合がある。
【００２１】但し、このようなクラックの発生を抑制するため、前記III族窒化物膜中のＡｌ組成を、その厚さ方向において、６Ｈ−ＳｉＣ基板側からその反対側の膜表面に向けて、連続的又はステップ状に減少させることができる。この場合、クラックの発生する臨界膜厚をより増大させることができ、前記III族窒化物膜の厚さを１．２μｍ以上とすることができる。
【００２２】このように、図１に示す本発明のエピタキシャル成長用基板１０は、その表面に結晶品質に優れたIII族窒化物膜２を有するので、所定のIII族窒化物膜を形成した場合において、その結晶品質を向上させることができ、目的とする半導体素子を作製した場合において、その特性を向上させることができるようになる。
【００２３】上述した要件を満足するIII族窒化物膜２は、公知の成膜手法を用いて形成することができるが、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を１１００℃以上、さらには１２００℃以上、特には１３００℃以上に加熱した状態において、ＣＶＤ法を用いて形成することが好ましい。これによって、上述した要件を満足したIII族窒化物膜２を簡易に形成することができるようになる。なお、上記温度は、６Ｈ−ＳｉＣ基板１自身の設定温度である。
【００２４】図２は、本発明のエピタキシャル成長用基板における他の例の構成を示す概略図である。図２に示すエピタキシャル成長用基板２０は、６Ｈ−ＳｉＣ基板１１と、この基板の主面１１Ａに形成された表面窒化層１３を介して形成された少なくともＡｌを含むIII族窒化物膜１２とから構成されている。本例におけるエピタキシャル成長用基板２０においては、III族窒化物膜１２は表面窒化層１３を介して形成されているので、その結晶品質をより簡易に向上させることができる。また、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００２５】表面窒化層１３は、６Ｈ−ＳｉＣ基板１１をアンモニアなどの活性窒素含有雰囲気中に配置するとともに、１１００℃以上に加熱することによって形成することができる。
【００２６】また、表面窒化層１３の表面での窒素モル分率は３％以上、さらには５％以上であることが望ましい。これによって、III族窒化物膜１２の結晶品質をより効果的に向上させ、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００２７】なお、本発明における「窒素モル分率」とはＥＳＣＡによる組成分析の結果から導出したものである。この測定は、Quantra SXM(PHI社製)の装置を用い、励起Ｘ線としてＸ線径２００μｍのＡｌＫα１，２線（１４８６．６ｅＶ）を用いて、光電子検出角度４５°にて実施した。
【００２８】なお、III族窒化物膜１２に要求される要件は、図１に示すIII族窒化物膜２に要求される要件と同じである。また、図１に示すIII族窒化物膜２と同様にＣＶＤ法によって形成することができる。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
厚さ３３０μｍ、直径２インチの６Ｈ−ＳｉＣ基板を反応管内に設置し、前記基板を１１５０℃に加熱するとともに、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ３）を流速５ｍ／ｓｅｃで前記反応管内に導入することによって前記基板上に０．５μｍ以上の厚さのＡｌＮ膜を各種形成した。なお、前記基板表面の窒素モル分率を測定したところ、２．１％であった。
【００３０】前記ＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ観察によって計測したところ、２×１０１０／ｃｍ２であった。また、前記ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブは８０秒であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００秒であった。さらに、前記ＡｌＮ膜の表面粗さは１．５Åであり、明瞭な原子ステップが観察された。また、この成長条件でのクラックの発生する臨界膜厚を調べたところ、０．７μｍであることが判明した。
【００３１】（実施例２）
実施例１と同じ６Ｈ−ＳｉＣ基板を反応管内に設置し、前記基板を１１５０℃に加熱するとともに、ＮＨ３を水素（Ｈ２）キャリアガスとともに導入して前記基板の主面に表面窒化処理を施し、表面窒化層を厚さ１ｎｍに形成した。次いで、実施例１と同条件で０．５μｍ以上の厚さのＡｌＮ膜を各種形成した。なお、別途、前記表面窒化処理のみを加えた基板のみを準備し、その表面のモル分率を測定したところ、１０．３％であった。
【００３２】前記ＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ観察によって計測したところ、２×１０１０／ｃｍ２であった。また、前記ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブは８０秒であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００秒であった。さらに、前記ＡｌＮ膜の表面粗さは１．５Åであり、明瞭な原子ステップが観察された。また、この成長条件でのクラックの発生する臨界膜厚を調べたところ、１．２μｍであることが判明した。
【００３３】（比較例１）
厚さ３３０μｍ、直径２インチの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を厚さ０．５μｍに形成した。  前記ＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ観察によって計測したところ、５×１０１０／ｃｍ２であった。また、前記ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブは４００秒であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は１２００秒であった。さらに、前記ＡｌＮ膜の表面粗さは３．５Åであり、表面にピットが観察され、明瞭な原子ステップは観察されなかった。
【００３４】（比較例２）
厚さ３３０μｍ、直径２インチの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた以外は、実施例２と同様にして、ＡｌＮ膜を厚さ０．５μｍに形成した。前記ＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ観察によって計測したところ、５×１０１０／ｃｍ２であった。また、前記ＡｌＮ膜の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブは３００秒であり、（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は１０００秒であった。さらに、前記ＡｌＮ膜の表面粗さは３．５Åであり、表面にピットが観察され、明瞭な原子ステップは観察されなかった。
【００３５】以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明に従って、６Ｈ−ＳｉＣ基板を用い、この基板を１１００℃以上に加熱してＣＶＤ法により形成したＡｌＮ膜は高い結晶品質を呈することが分かる。
【００３６】以上、具体例を挙げながら、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。
【００３７】例えば、前記III族窒化物膜は、上述したようにＡｌの他、Ｇａ及びＩｎなどを含むことができる。さらに、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００３８】さらに、６Ｈ−ＳｉＣ基板上に、所定の緩衝層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記基板上に形成すべきIII族窒化物膜の結晶品質をさらに向上させることもできる。また、ＳｉＣ基板表面に高温還元雰囲気で熱処理を実施し、前記ＳｉＣ基板表面の改質を行うこともできる。さらに、ＳｉＣ基板のオフ角度についても適宜に設定することができる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、結晶品質に優れたエピタキシャル成長用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエピタキシャル成長用基板の一例を示す構成図である。
【図２】本発明のエピタキシャルの他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，１１  単結晶基板、２，１２  III族窒化物膜、１０，２０  エピタキシャル成長用基板、１３  表面窒化層
【図１】
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【図２】
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