(57)【要約】  半極性半導体テンプレートを作製する方法は、半極性半導体ウエハを準備する工程と、半導体ウエハをエッチングして、領域間に複数の間隙を有する複数の半導体領域（２６０）を含む規則的半導体構造を形成する工程であって、各領域（２６０）は、間隙の各々に面する側壁を有する工程と、半導体構造上に半導体材料を成長させる工程とを有する。半導体材料は、各側壁から成長が最も速く進む選択成長方向（ｃ）を有し、側壁の各々は、間隙の各々の鉛直中心線に面する部分を少なくとも有し、前記部分からの選択方向における成長は、前記鉛直中心線に向かって伸びる。
2018520502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半極性半導体テンプレートを作製する方法であって、
半極性半導体ウエハを準備する工程と、
前記半極性半導体ウエハをエッチングしてカラムの規則的アレイを形成する工程と、
前記カラムの上に半導体材料を成長させる工程と、
を備え、
前記半導体材料は、成長がカラムの各々から最速で進行する選択成長方向を有し、
前記規則的アレイは、カラムの一連の列を有し、
前記列は、前記選択成長方向に対し垂直な方向に互いにオフセット配置され、故に、前記列の１つにおける前記カラムの１つから前記選択成長方向における成長は、隣接する列の隣接カラムの間に広がることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ウエハは上面を有し、前記カラムは、前記上面に対し垂直な方向に伸び、前記選択成長方向は、前記上面に対して上方に向けて傾斜することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体材料はIII族窒化物であり、前記選択方向はｃ方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記上面は、（１１−２２）面にあることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記規則的アレイは、長方形、正方形、斜め、斜方形（菱形）、又は六角形アレイであることを特徴とする請求項１から４の何れか一に記載の方法。
【請求項６】
半導体層は、基板の上に支持されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一に記載の方法。
【請求項７】
前記基板は、サファイヤ、シリコン及び炭化ケイ素の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記カラムの各々は、前記半導体材料の成長の間の、主要部と、前記主要部の上部のキャップとを有することを特徴とする請求項１から７の何れか一に記載の方法。
【請求項９】
前記キャップは、二酸化ケイ素及び窒化シリコンの少なくとも１つから形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記半導体材料は、基底積層欠陥（ＢＳＦ）が材料の成長中に移動するＢＳＦ移動方向を有し、
前記キャップの高さは、少なくとも十分に高いために、前記ＢＳＦ移動方向における前記カラムの１つの主要部の側部の最も高い点からの成長は、別のカラムの上のキャップによってブロックされることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記キャップの高さは、十分に高いために、前記カラムの１つの主要部の側部の最も高い点からの選択成長方向における成長は、別のカラムの上のキャップによってブロックされることを特徴とする請求項８から１０の何れか一に記載の方法。
【請求項１２】
半導体材料から形成されるカラムのアレイを有し、
前記カラムの各々が、その上面に形成されるマスク材料から形成されるキャップを含み、
前記カラムの間で且つ前記カラムの上部に広がって連続層を形成すると共に選択成長方向を有する半導体材料と
を有し、
前記カラムは、カラムの一連の列を有する規則的アレイに配列され、
前記列は、前記選択成長方向に対し垂直な方向に互いにオフセット配置され、故に、前記列の１つにおける前記カラムの一つからの選択成長方向における成長は、隣接する列において隣接するカラムの間に広がることを特徴とする半導体テンプレート。
【請求項１３】
前記規則的アレイは、長方形、正方形、斜め、斜方形、六角形又は菱形アレイであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体テンプレート。
【請求項１４】
前記カラムの各々は、主要部と、前記主要部の上部のキャップとを有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体テンプレート。
【請求項１５】
前記キャップの高さは、少なくとも十分に高いために、ＢＳＦ移動方向における前記カラムの１つの主要部の側部において最も高い点からの成長は、別のカラムのキャップによってブロックされることを特徴とする請求項１４に記載の半導体テンプレート。
【請求項１６】
前記キャップの高さは、１のカラムの主要部の側部における最高点から選択成長方向における成長が、別のカラムのキャップによってブロックされるような高さであることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の半導体テンプレート。
【請求項１７】
半導体層は、基板の上に支持されていることを特徴とする請求項１２から１６の何れか一に記載の半導体テンプレート。
【請求項１８】
前記基板は、サファイヤ、シリコン及び炭化ケイ素の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１７に記載の半導体テンプレート。
【請求項１９】
前記キャップは、二酸化ケイ素及び窒化シリコンの少なくとも１つから形成されていることを特徴とする請求項１２から１８の何れか一に記載の半導体テンプレート。
【請求項２０】
半導体材料から形成されるカラムのアレイと、
前記カラムの間で且つ前記カラムの上部に広がって上面と共に連続層を形成する半導体材料と
を有し、
前記カラムの各々は、主要部と、前記主要部の上部に形成されるマスク材料から形成されるキャップとを含み、
前記半導体材料は、最速で成長する傾向がある選択成長方向を有し、
前記カラムは、カラムの一連の列を有する規則的アレイに配列され、
前記列は、前記選択成長方向に対し垂直な方向に互いにオフセット配置されていることを特徴とする半極性半導体テンプレート。
【請求項２１】
半導体テンプレートを作製する方法であって、
半導体ウエハを準備する工程と、
前記半導体ウエハをエッチングして、各々が主要部とその上部のキャップとを有するカラムのアレイを形成する工程と、
前記カラムの上に前記カラムの前記主要部から半導体材料を成長させる工程と
を備え、
前記材料は、ＢＳＦが移動するＢＳＦ移動方向を有し、
前記キャップの高さは、ＢＳＦ移動方向における各カラムの主要部の上部からの成長が別のカラムのキャップによってブロックされるような高さであることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記半導体材料は、カラムから最速で成長する選択成長方向を有し、
前記キャップの高さは、十分に高いために、選択成長方向における少なくとも幾つかのカラムの主要部の上部からの成長は、選択成長方向において最も隣接するカラムのキャップによってブロックされることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
各々が上部にキャップを備えた主要部を有し且つ半導体材料からなるカラムのアレイと、
カラムの間に且つカラムの上に成長して連続層を形成する半導体材料と
を有し、
前記材料は、ＢＳＦが移動するＢＳＦ移動方向を有し、
前記キャップの高さは、ＢＳＦ移動方向において、カラムの各々の主要部の上部からの成長が、別のカラムのキャップによってブロックされるような高さであることを特徴とする半導体テンプレート。
【請求項２４】
半極性半導体テンプレートを作製する方法であって、
半極性半導体ウエハを用意する工程と、
前記半導体ウエハをエッチングして規則的半導体構造を形成する工程と、
前記半導体構造の上に半導体材料を成長させる工程と
を有し、
前記規則的半導体構造は、複数の半導体領域と、前記領域の間の複数の間隙とを有し、前記領域の各々は、間隙のそれぞれに対向する側壁を有し、
前記半導体材料は、成長が側壁の各々から最速で進行する選択成長方向を有し、
前記側壁の各々は、間隙の各々の鉛直中心線と対向する部分を少なくとも有し、故に、前記部分から選択成長方向における成長が、前記鉛直中心線に向けて伸びることを特徴とする方法。
【請求項２５】
複数の半導体領域と、前記領域の間に複数の間隙とを有し、前記領域の各々は間隙の各々に対向する側壁を有する規則的半導体構造と、
間隙の内部に且つカラムの上部に形成されて連続層を形成するとともに、選択成長方向を有する半導体材料と
を有し、
前記側壁の各々は、間隙の各々の鉛直中心線に対向する部分を少なくとも有することを特徴とする半導体テンプレート。
【請求項２６】
半極性半導体ウエハを準備する工程と、
前記半導体ウエハをエッチングして規則的半導体構造を形成する工程と、
前記半導体構造の上に半導体材料を成長させる工程と
を有し、
前記規則的半導体構造は、複数の半導体領域と、前記領域の間に複数の間隙とを有し、前記領域の各々は間隙の各々に対向する側壁を有し、前記間隙は平行な列に配置され、
前記半導体材料は、成長が側壁の各々から最速で進行する選択成長方向を有し、
前記列の各々は、選択成長方向に対し垂直な方向に伸び、
前記列は、選択成長方向に対し垂直な方向において互いにオフセット配置されていることを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記列は、間隙の周期の半分に等しい距離だけ前記選択成長方向に対し垂直な方向において互いにオフセット配置されていることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記領域は、カラムを有することを特徴とする請求項２４、２６及び２７の何れか一に記載の方法。
【請求項２９】
前記間隙は、穴からなることを特徴とする請求項２４、２６及び２７の何れか一に記載の方法。
【請求項３０】
前記穴の各々の側壁は平坦であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記穴の各々の側壁の少なくとも一部は、前記選択成長方向の水平成分の方向を向いていることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３２】
複数の半導体領域を有すると共に前記領域の間に複数の間隙を有する規則的半導体構造体と、
前記間隙内部に且つカラムの上部に形成されて連続層を形成すると共に選択成長方向を有する半導体材料と
を有し、
前記領域の各々は間隙の各々に対向する側壁を有し、
前記半導体材料は、成長が前記側壁の各々から最速で進行する選択成長方向を有し、前記間隙は複数の列に配置され、前記列の各々は、前記選択成長方向に対し垂直な方向に伸び、前記列は、前記選択成長方向に対し垂直な方向において互いにオフセット配置されていることを特徴とする半導体テンプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体テンプレート及び半導体テンプレートの作製方法に関する。特に、本発明は、高品質の結晶構造を有する半導体テンプレートの製造に関する。テンプレートは、例えば、発光ダイオード及び固体レーザの形成に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
我々の以前の特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５０４５８号は、半導体結晶構造、例えばＧａＮ結晶構造を成長させる方法を記載している。この方法において、ナノカラム、マイクロカラム、ロッドまたはピラーとも称されるカラムの不規則なアレイが形成され、次に、半導体材料の層が、カラムの上部からの成長を妨げるカラムの上にあるマスク層によって、カラムの側面から横方向に、次にカラムの上部に亘って成長される。これは、カラムの上部から上方に向かって、貫通転位、刃状転位および混合転位の移動を防止するのに役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この方法では、半導体カラムの結晶構造における基底積層欠陥のかなりの部分が、依然として、カラムの側面からメイン半導体層に向かって外方および上方に成長するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上面に半導体層を有する半極性半導体ウエハを準備する工程と、半導体層をエッチングして上面と垂直に伸びるカラムのアレイを形成する工程と、カラムの上に半導体材料を成長させる工程とを備える、半極性半導体テンプレートを作製する方法を提供する。半導体材料は、少なくとも成長条件次第では、成長が最速で進行する選択成長方向を有する。カラムは、例えば、上面と垂直な方向から見たときに、カラムの一連の列を含む規則的アレイになるように配置される。列は、例えば選択成長方向に垂直な方向に互いにオフセットになるように配置され、故に、列の１つにおいてカラムの１つからの選択方向の成長は、隣接する列において隣接するカラムの間に広がる。
【０００５】
この構成は、選択成長方向への成長を促進する傾向があり、選択成長方向以外の他の方向に移動する基底積層欠陥（ＢＳＦ）の移動の阻止に役立つ。また、この構成は、完成したテンプレート上に均一な表面を提供する。
【０００６】
ＢＳＦがａ方向およびｍ方向のみに移動する傾向があるIII族窒化物材料に対し、選択成長方向は、ｃ方向であり、この方向では、ＢＳＦは移動しない。
【０００７】
ウエハは、（１１−２２）面のウエハ、すなわち、上面が（１１−２２）面にあるウエハである。又は、（１−１０１）、（１０１１）、（１０−１３）、（２０−２１）または（２０−２−１）等の別の半極性配向でもよい。
【０００８】
列は、それぞれ、選択成長方向に垂直な水平方向に延びる。例えば、カラムの正方形または菱形のアレイでは、列は、正方形または菱形のアレイの対角線に沿って延在する。又は、六角形のアレイでは、列は、アレイの最も近接したものの間に伸びる。
【０００９】
カラムは、多くは、高さが数百ナノメートルから数十マイクロメートルのオーダであり、直径が数百ナノメートルから十数マイクロメートル程度のオーダであり、故に、ナノカラムまたはナノロッド、またはマイクロカラムまたはマイクロロッドと称される。
【００１０】
規則的アレイは、正方形アレイ、または他の長方形または菱形アレイ、又は他の斜めアレイである。上面に垂直な方向から見るとき、選択成長方向は、正方形または菱形アレイの対角線に沿って伸びる。すなわち、水平面における選択成長方向の成分は、正方形または菱形アレイの対角線に沿って伸びる。又は、規則的アレイは、六角形アレイまたは菱形アレイである。
【００１１】
各カラムは、半導体材料の成長の間、その上部にキャップを有する。キャップは、少なくとも１のマスク層またはマスク層の一部からなる。キャップは、カラムの上部からの半導体材料の成長を防止するように配置される。キャップの高さは、少なくとも十分に高いので、材料のＢＳＦ移動方向の直線において、カラムの１つの側面上の最高点からのＢＳＦの移動は、別のカラムのキャップによってブロックされる。キャップの高さも、十分に高いので、カラムの１つの側面の最も高い点からの選択成長方向における線条の成長は、別のカラムのキャップによってブロックされる。
【００１２】
半導体層は、基板上に支持される。基板は、サファイア、シリコン及び炭化ケイ素の少なくとも１つからなる。
【００１３】
前記半導体層は、III族窒化物にて形成される。例えば、半導体層は、ＧａＮである。サファイアおよびシリコンのパターン化基板上にＧａＮおよび他のIII族窒化物の様々な半極性配向を成長させる方法は、周知である。
【００１４】
キャップは、二酸化ケイ素および窒化ケイ素のうちの少なくとも一方から形成される。カラムの上部からの成長を妨げる他の材料も使用しても良い。
【００１５】
本発明は、さらに、半導体材料から形成されたカラムのアレイと、カラムの間とカラムの上部とに広がって連続層を形成する半導体材料とを含む半導体テンプレートを提供する。カラムの各々は、その上部に、少なくともマスク材料から形成されるキャップを含む。半導体材料は、選択成長方向を有する。カラムは、カラムの一連の列を有する規則的アレイになるように配置され、列は、選択成長方向に垂直な方向において互いにオフセット配置される。故に、列の１つにおいてカラムの１つからの選択成長方向における線条の成長は、隣接する列において隣接するカラムの間に広がる。オフセットは、列に沿うカラムの周期または間隔の半分、すなわち隣接するカラムの中心間の距離の半分に等しい。
【００１６】
本発明は、さらに、半導体材料から形成されたカラムのアレイと、カラムの間であって且つカラムの上部に広がり連続層を形成する半導体材料とを含む半導体テンプレートを提供する。各カラムは、その上部にマスク材から形成されたキャップを含む。半導体材料は、少なくとも成長条件次第では、最速で成長する傾向がある選択成長方向を有する。カラムは、カラムからなる一連の列を含む規則的アレイに配列される。列は、選択成長方向に垂直な方向に互いにオフセット配置される。
【００１７】
本発明は、半導体テンプレートを作製する方法を提供する。この方法は、半導体ウエハを準備する工程と、半導体ウエハをエッチングして各々が主要部とその上部にキャップとを有するカラムのアレイを形成する工程と、カラムの主要部からカラムの上に半導体材料を成長させる工程とを有する。材料は、ＢＳＦが結晶の成長中に移動するＢＳＦ移動方向を有する。キャップの高さは、ＢＳＦ移動方向における線条のカラムの１つの主要部の上部からの成長が、他のカラムのキャップによってブロックされるような高さである。
【００１８】
アレイは、規則的又は不規則である。例えば、アレイが不規則である場合、カラムをエッチングする時にマスクとしてアニールされたニッケルを使用して形成される。アレイが規則的である場合、エッチングマスクは、フォトリソグラフィを使用して形成される。
【００１９】
各カラムは、そのカラムから全て等距離にある最も近接する隣接カラムが複数ある。
【００２０】
半導体材料は、少なくとも成長条件次第では、カラムから最速で成長し、キャップの高さが十分に高いので、カラムの１つの主要部の側部にて最高点から選択方向における線条の成長は、選択成長方向において最も近接するカラム上のキャップの上部によって阻止される。
【００２１】
選択方向の成長は、他の方向の成長を阻害する傾向があるため、これは、いずれかの方向の転位または基底積層欠陥の移動が阻止される傾向があることを意味する。
【００２２】
本発明は、半極性半導体ウエハを準備する工程と、半導体ウエハをエッチングして、領域間に複数の間隙を有する複数の半導体領域を含む規則的半導体構造を形成する工程と、前記半導体構造上に半導体材料を成長させる工程とを有し、半極性半導体テンプレートを作製する方法を提供する。領域の各々は、間隙の各々に対向する側壁を有する。半導体材料は、成長が側壁の各々から最速で進行する選択成長方向を有する。また、側壁の各々は、隙間の各々の垂直中心線に面する部分を少なくとも有するので、当該部分からの選択方向への成長は、垂直中心線に向けて延びる。
【００２３】
本発明は、領域間に複数の間隙を有する複数の半導体領域を含む規則的半導体構造と、間隙内およびカラムの上部の上に形成されて連続層を形成する半導体材料とを含む半導体テンプレートを提供する。領域の各々は、間隙の各々に面する側壁を有する。半導体材料は、選択成長方向を有する。側壁の各々は、間隙の各々の鉛直中心線に面する部分を少なくとも有する。
【００２４】
本発明は、半極性半導体ウエハを準備する工程と、前記半導体ウエハをエッチングして複数の半導体領域と領域間に設けられる間隙の複数とを含む規則的半導体構造を形成する工程と、半導体構造の上に半導体材料を成長させる工程とを有し、半極性半導体テンプレートを作製する方法を提供する。領域の各々は間隙の各々に面する側壁を有する。間隙は、平行な列に配置される。半導体材料は、成長がそれぞれの側壁から最速で成長が進行する選択成長方向を有する。各列は、選択成長方向に垂直な方向に伸びる。列は、選択成長方向と垂直な方向に互いにオフセット配置されている。
【００２５】
本発明は、さらに、複数の半導体領域を含むと共に領域間に複数の間隙を有する規則的半導体構造と、間隙内及びカラムの上部の上に形成されて連続層を形成する半導体材料とを有する半導体テンプレートを提供する。領域の各々は、間隙の各々に対向する側壁を有する。半導体材料は選択成長方向を有する。半導体材料は、成長が側壁の各々から最速で進行する選択成長方向をする。間隙は列状に配列される。各列は選択成長方向と垂直な方向に延びる。列は、選択成長方向と垂直な方向に互いにオフセット配置されている。
【００２６】
列は、選択成長方向に垂直な方向において、間隙の周期または間隔の半分に等しい距離だけ互いにオフセット配置されている。
【００２７】
領域は、カラムからなる。この場合、間隙が相互に接続される。又は、間隙は穴を有し、この場合、領域は相互に接続される。
【００２８】
各穴の側壁は、平坦であってもよく、又は平坦な領域を含んでもよい。
【００２９】
本方法またはウエハは、本発明の好ましい実施の形態の適宜の工程または特徴を、任意の実行可能な組み合わせでさらに有し、添付の図面を参照して例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１ａ】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成における工程を示す。
【図１ｂ】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成における工程を示す。
【図１ｃ】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成における工程を示す。
【図１ｄ】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成における工程を示す。
【図１ｅ】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成における工程を示す。
【図２】図１ｃに示されるようなカラムアレイの上面図である。
【図３】図２のカラムアレイの一部を示す図であり、関連する結晶成長方向を示す。
【図４】図３の矢印IV方向におけるカラムアレイの一部の側面図である。
【図５】図３の矢印Ｖ方向におけるカラムアレイの一部の側面図である。
【図６】本発明のさらなる実施の形態による方法で使用されるカラムアレイの上面図である。
【図７】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートのカラムアレイの平面図である。
【図８】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートのカラムアレイの平面図である。
【図９】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートのカラムアレイの平面図である。
【図１０】本発明の一の実施の形態によるテンプレートの形成中のＧａＮ結晶構造の上部のＳＥＭ画像である。
【図１１】図１０の構造のＳＥＭ側面図である。
【図１２】（ａ）マイクロカラムアレイ上に成長させた（１１−２２）ＧａＮ結晶における転位のブロッキングを示す図であり、（ｂ）マイクロロッドの直径とマイクロロッドの間隔との関数として残留転位のパーセンテージの２つの等高線図を含む。マイクロロッドの直径はそれぞれ１．４μｍと０．４μｍである。
【図１３】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートの一部を形成する半導体構造の上面図である。
【図１４】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートの一部を形成する半導体構造の上面図である。
【図１５】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートの一部を形成する半導体構造の上面図である。
【図１６】本発明のさらなる実施の形態によるテンプレートの一部を形成する半導体構造の上面図である。
【図１７】（ａ）極性面を示すIII族窒化物結晶構造の図であり、（ｂ）非極性面および半極性表面を示すIII族窒化物結晶構造の図である。
【図１８】（ａ）（１１−２２）半極性面を示すIII族窒化物結晶構造の図であり、（ｂ）（１０−１１）および（２０−２１）半極性面を示すIII族窒化物結晶構造の図である。
【図１９】様々な極性、非極性および半極性面における上面下の結晶構造の配向を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１ａを参照すると、半導体テンプレートを製造する第１の工程は、適切な半導体ウエハ２０１を準備することである。ウエハ２０１は、従来のものであり、基板２０５で構成される。この場合、基板２０５は、サファイアの層を有し、その上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成された半導体層２１０がある。他の材料も使用できる。例えば、基板は、シリコン（平面またはパターン化のいずれか）または炭化シリコン（平面またはパターン化のいずれか）であってもよい。半導体は、例えば、インジウムガリウムナイトライド（ＩｎＧａＮ）またはアルミニウムガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）またはインジウムナイトライド（ＩｎＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような他のIII族窒化物のような他の適切な材料であってもよい。半導体ウエハは半極性である。特に、本実施の形態では、ＧａＮは、基板の面に平行な上面が（１１−２２）面内にあるように配向される。なお、本明細書では基板の面は水平面と称される。例えば、厚みが１０ｎｍから数マイクロメートルの高温Ａ１Ｎ、または薄い低温ＧａＮまたは薄い低温ＡｌＮなどのバッファ層または核形成層が、基板２０５とＧａＮ層２１０との間に設けられて、ＧａＮと基板結晶構造との間の格子不整合を部分的に補償する。
【００３２】
マスク層２２０が、例えば、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）または熱蒸発またはスパッタ蒸発を使用して、半導体層２１０上に設けられる。マスク層２２０は、二酸化ケイ素から形成されるが、例えば窒化シリコンなどのこの層のための適切な代替材料が存在する。
【００３３】
図１ｂを参照すると、マスク層２２０は、標準的なフォトリソグラフィ技術を用いてエッチングされて、ショートカラムの形態をしたマスク素子のアレイからなるマスクを残す。マスク素子は、ＧａＮ層２１０に亘って規則的なパターンで分布した二酸化ケイ素のナノカラムまたはマイクロカラム（ナノロッドまたはナノピラーまたはマイクロロッドまたはマイクロピラーとも称される）２４０である。前の工程から得られたカラム２４０は、ＧａＮ層２１０のいくつかの領域をマスクし、ＧａＮ層２１０のどの領域（すなわち、カラム２４０の間の空間内の露出した領域）がエッチングされるかを規定するように機能する。
【００３４】
図１ｃを参照すると、次の工程において、ＧａＮ層２１０は、ショートカラム２４０を用いて、例えば誘導結合プラズマエッチングによってエッチングされる。ショートカラム２４０は、前の工程で形成されてマスクを構成するマスク素子として使用される。この工程は、図１ｃに示すように、ＧａＮ層２１０を貫通するエッチングを含む。本実施の形態では、エッチングは、基板２０５に到達するまで継続されるが、他の実施の形態では、ＧａＮ層２１０を部分的にのみ、またはバッファ層が存在する場合にはバッファ層まで進むことができる。この工程は、図１ｃに示すように、カラム構造になる。この構造において、カラム２６０は、サファイア基板２０５から鉛直方向に上向きに伸長する。各カラム２６０は、ＧａＮ層２１０のそれぞれの部分２１１を含み、キャップがマスク層２２０のそれぞれの部分２４０に形成されている。したがって、この工程のエッチングにより、ＧａＮの露出した面２５０が作製される。面２５０は、カラム２６０の側面を構成する。各カラム２６０の直径および断面形状は、上から下にほぼ一定であり、マスクのそれぞれの部分２４０によって覆われている表面積の直径および形状とほぼ同じである。なお、実際にはカラムのテーパが生じている。
【００３５】
図１ｄを参照すると、ＧａＮカラムアレイは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または過成長のためのＭＢＥまたはＨＶＰＥによって、ＧａＮカラム２１１の側面２５０へのＧａＮ２７０の堆積のためのテンプレートとして使用される。再成長は、ＧａＮが露出しているＧａＮカラムの側壁２５０から（最初は横方向、次に鉛直方向）開始する。この成長は、様々な方向に様々な速度で進行するが、これについては以下に詳細を記載する。これは、カラムの側面に層を形成する。これらは、カラムから外方に向けて且つ別のカラムに向けて成長し、層が最も厚くなるところで出会う。これにより、出会ったポイントの下方での容積内でのさらなる成長が防止される。場合によっては、これにより、カラム２６０の各々の底部の周囲の中空の間隙又は空洞として容積２７３が残る。これらの間隙は、相互に接続されて空洞を形成する。空洞は、形の上では迷路であり、カラムの全て、または実質的に全ての間に延びている。カラムの上部にあるＳｉＯ２キャップ、すなわちマスク素子２２１は、その上のＧａＮ成長を防止する。図１ｅを参照すると、ＧａＮの成長面がＳｉＯ２マスク素子２２１の高さを超えるとき、ＧａＮ再成長は、ＳｉＯ２マスクの上部の上に横方向に進行し、最終的には合体してマスクの上部の上に延在する連続層を形成し、図１ｅに示すような、滑らかな表面２７１を有する。
【００３６】
成長が完了すると、基板２０５を除去することができ、これは用途によっては望ましい。基板の除去は、一般に、カラム２６０の底端部の除去を含む。これは、カラムの底部の周りの中空容積２７３の存在によって容易に行うことができる。カラム２６０の底部は、中空容積２７３の上部よりも低いレベルまで除去される。これによって、低レベルの歪みを有する非常に均一な構造になる。
【００３７】
図２を参照すると、マスクは、アイランドまたはカラム２２１の規則的なアレイとして形成される。本実施の形態では、アレイは、正方形アレイである。したがって、エッチングされたカラム２６０は、当然、同じ正方形アレイの中で互いに離間されている。ＧａＮ層の結晶構造に対するアレイの向きは、ＧａＮ層の成長が、ＢＳＦの成長並びに貫通転位及び他の転位を阻止する有利な態様で進行するように選択される。明細書の明確性のために、（１１−２２）面を、水平面とする。（１１−２２）面は、ウエハの上面と平行であり、且つ完成されたテンプレートである。また、それに垂直な方向、すなわちカラム２６０が基板から延びる方向を、鉛直方向とする。
【００３８】
周知のように、結晶成長速度は、成長条件に依存するだけでなく、方向によって変化する。特に、成長材料のIII／Ｖ比、および様々な方向の様々な成長速度が、本実施の形態および他の実施の形態において使用されて、転位および基底積層欠陥の両方のブロッキングを最大にする。様々な方向は、結晶格子構造によって定義され、各々が結晶格子構造の特定の面に関連し、本実施の形態に対し記載される。より一般的な説明が、図１２ａから図１４ｂを参照して以下に続く。正方形アレイは、次のように配列される。例えば４つのカラム２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄによって構成されているようなアレイの最小の正方形は、結晶構造のｃ方向を（１１−２２）面、すなわちｃ方向の水平成分に投影したときに、各々が結晶構造のｃ方向と一直線になる対角線を有する。これは、図３に見られ、図３は、ｃ方向、ａ方向及びｍ方向を示し、全てが（１１−２２）面に投影され、すなわち水平成分である。図４に示されるように、ｃ方向は、実際には水平から３１．６°の角度で上方に向けて傾斜しており、ａ方向は、ｃ方向の水平成分とは反対方向の水平成分を有し、水平に対し５８．４°の角度で上方に向けて傾斜している。同様に、図５に見られるように、結晶構造のｍ方向は、水平面内にあり、ｃ方向とは垂直である。
【００３９】
カラム上のＳｉＯ２キャップの高さは、好ましくは慎重に制御されるので、半導体カラムの結晶構造から移動した基底積層欠陥（ＢＳＦ）をブロックすることができる。ＢＳＦは、半導体カラムの結晶構造から、ｍ方向またはａ方向のみに沿って過成長層にまで広がる。成長がｃ方向に沿うものであれば、ＢＳＦは除去できる。ｍ方向に沿って生じるＢＳＦは、ｍ方向が水平方向に沿っているので、隣接するカラムによって自然とブロックされる。ａ方向に沿う成長により生成されるＢＳＦは、ＳｉＯ２キャップ２２１によって効率的にブロックされる。なお、ＳｉＯ２キャップ２２１の厚みは、それを達成するように選択される。
【００４０】
図４から分かるように、好ましくは、各カラムの主要部の最も高い点からのａ方向の成長は、その成長方向において、隣接カラムの上のＳｉＯ２キャップ２２１によってブロックされる。単純幾何学的に、これは、ａ方向（の水平成分）を向いているカラムの側面において、キャップを含まないカラムの主要部の上部からＢＳＦ移動方向（ここではａ方向）の直線は、その方向で最も近接するカラムのキャップに突き当たることを意味する。故に、ＳｉＯ２キャップの高さｈｃａｐも、以下の式を満たすように選択される必要があることが好ましい。
【００４１】
ｈｃａｐ ＞ ｄａ ｔａｎ ５８．４
なお、ｄａは、ａ方向の水平成分における隣接カラム間の最小の間隙である。
【００４２】
図１ｄおよび図１ｅに示すようなＧａＮ２７０の成長の間に、結晶中のＢＳＦおよび転位の成長を妨げる傾向がある多くの要因が効果を発揮する。最初に、図４および図５に示すように、ＧａＮの選択成長方向であるｃ方向の比較的速い成長は、ａ方向及びｍ方向の成長を妨げる傾向がある。その理由は、少なくとも成長条件によっては、ｃ方向の成長が、ａ方向及びｍ方向の成長よりも早いからである。また、また、ＧａＮカラム２６０の上部からのａ方向の成長は、好ましくは、その成長方向の隣接カラム、すなわち最近接カラムの上部に突き当たる。これは、成長が生じているカラムにより近い２つのカラムの間を通過した後、ｃ方向からずれる。故に、ｃ方向の成長は、カラムの上に成長するＧａＮ層２７０のバルクを形成する傾向がある。その理由は、他のすべての方向の成長よりも優勢だからである。
【００４３】
上記の規則的カラムアレイのいずれもが、このブロッキングを達成するために減らされた間隔で、このように使用することができる。又は、ランダムカラムアレイが、例えばカラムをエッチングするためのマスクとしてアニールされたニッケルを使用して使用される。
【００４４】
図６を参照すると、本発明の第２の実施の形態による方法では、基本プロセスは第１実施の形態と同じである。しかしながら、カラム２６０ａのアレイは、六角形アレイである。このアレイにおいて、各カラム２６０は、互いに最近接すると共に等距離に配置される６つのカラムによって包囲され、
且つ六角形の角に配置される。アレイは、各カラムの中心からのｃ方向、故に各カラムからのｃ方向成長が、最近接である２つのカラムの間を、各カラムの間で等距離になるようにして通過するように配向されている。これは、各カラム２６０ａからのａ方向も、最も近接する２つのカラムの間を、且つ各カラムから等距離になるように通過することを意味する。各カラムからのｍ方向は、最も近接する隣接カラムのうちの一方に直接向けられている。本実施の形態における貫通転位の最も効果的な阻止のために、ＳｉＯ２キャップの高さｈｃａｐを、以下の式を満たすように選択する必要がある。
【００４５】
ｈcap ＞ ｄａ tan ５８．４°
【００４６】
なお、ｄａは、図６に示すように、ａ方向において隣接するカラム間の間隙である。本実施の形態では、最近接の隣接カラムに向かう成長は、水平面内にあるｍ方向にあることに留意すべきである。したがって、この成長は、最近接の隣接カラムによってブロックされる。
【００４７】
本発明の他の実施の形態は、上述した実施の形態とは異なることは理解されえる。例えば、上述した各実施の形態において、カラムは、結晶構造のｍ方向の水平成分の水平方向に延びる列に配置されているとみなすことができる。これらの列は、図２の正方形アレイの対角線に沿って伸び、図６の六角形アレイの対向する角を通る方向に沿って延びている。いずれの場合においても、これらの列は、厳密な正方形または六角形アレイに必要とされるものよりわずかに多いまたは少ない間隔によって互いに分離され、例えば菱形アレイになる。そして、この方法は、特にカラムキャップの厚さが必要な範囲内にある場合には、同様に良好に機能する。実際には、図６の六角形アレイは、菱形に配置された４カラムのグループから構成され、長い対角線ｄａと短い対角線ｄｓとを有する菱形アレイとして考えられることに留意されたい。図２のものからカラムの列の間隙を増やすと、場所によっては、図６のアレイになる。これらの２つの間の列の間隔は、接近していても離れていても同じように機能する。同様に、カラムの隣接列間のオフセットは、２Ｄブラべー格子配置からわずかに変化させることができ、列に沿ったカラムの周期の半分に等しい。
【００４８】
図７を参照すると、図２と同様なテンプレートにおいて、ｃ−およびａ−方向の水平成分が正方形のアレイの対角線と直線状に配置された、カラム３００の正方形アレイによって、ａ−方向における各カラムとそれに最も近接する隣接カラムとの間の距離ｄａを変化させることができる。そして、それが、さらに、カラムが最も近接する隣接カラムに接触またはほぼ接触する点にまで減少しても、結晶成長は、ｃ方向成長、及びｃ方向の成長における鉛直成長に一層制限される傾向がある。そして、これは、完成したテンプレートの品質をさらに向上させることができる。
【００４９】
図８を参照すると、この構成の変形例では、カラム４００は、断面が円形ではなく卵形または楕円形であり、垂直方向よりもｃ方向の方が幅が広い。これにより、ａ方向のカラム間の間隔Ａが、垂直なｍ方向の間隔Ｂよりも大きくなる。本実施の形態において、カラム４００は、菱形アレイに配置され、カラム寸法がより広いので、ｃ方向における対角線がより長くなっている。しかし、カラム４００は、十分に近接しているので互いに接触する。したがって、カラムの側面からの成長は、ｃ方向およびａ方向を向いているカラムの露出した側面上の小領域４０２に集中する。実際には、カラムが現に接触するようにカラムを作製することは非常に困難である。しかし、図１２ａおよび図１２ｂを参照して以下でより詳細に記載するように、正方形アレイの場合と同様の方法で、カラムをできる限り接近させることは効果的である。
【００５０】
図９を参照すると、更なる変形例では、カラム５００は円形であり、密集した六角形アレイに配置されている。故に、各々が６つの最近接且つ隣接カラムと接触し、又は、ほぼ可能な限り接触する状態になっている。再び、各カラムからのｃ方向およびａ方向が、最も近い２つの隣接カラムの間に伸び、又は２つの間の接触線に向かって延びるように、アレイは位置合わせされている。
【００５１】
図１０を参照すると、図２のものと同様に、テンプレートの形成中のカラムからの成長が示されている。ｃ方向は、図１０に示され、図１１では右から左に向かっている。ｃ方向とａ方向の成長が優先するが、次に、成長は、その成長から横方向及び上方向へと続く。カラムのｃ方向側面の成長は、ａ方向側面の成長よりも急速に上方に伸びる。これは、成長がこれらの図面において示されるポイントを超えて進むにつれて、ｃ方向成長に基づく成長は、ａ方向成長に基づく成長の上部の上に広がる傾向があり、故に、カラムの上部を覆うように延びる最終連続層において優位になることを示す。
【００５２】
図１２ａおよび図１２ｂを参照すると、結晶内を移動する貫通転位のパーセンテージをモデル化して、カラムアレイの好ましい寸法を決定することができる。
【００５３】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照すると、結晶内を移動する貫通転位のパーセンテージをモデル化して、カラムアレイの好ましい寸法を決定する。図１２（ａ）は、線分ＡＥがカラム構造の１周期を表すカラムの正方形アレイの断面を示す。透過型電子顕微鏡観察に基づいて、線分ＣＤに位置する転位のみが、「ａ」方向に移動して、結晶の表面に移動する機会を有する。一方、他の転位は、隣接カラムからのｃ方向成長がａ方向の転位（これらは線分ＢＣから始まる）の移動をブロックするときの最初の併合の間、またはＳｉＯ２マスク（これらは線分ＤＥから始まる）の何れかによってブロックされる。点ＣおよびＤは、それぞれ、最初の併合フロントの頂点Ｆ、およびマイクロカラムの側壁の頂点Ｇのａ方向に沿ったサファイア表面上への投影である。線分ＣＤをｍ方向に沿って（図１２（ａ）の平面内に）積分することにより、図１２（ａ）の挿入図に示すように、転位が表面に移動する可能性のある領域が得られる。ｍ方向に沿った積分線分ＡＥの面積に対するこの面積の比は、転位残留比として扱われる。簡略化のために、ａ方向に沿った横方向過成長に起因する転位密度の低下、および併合プロセス中に生成される非常に少数の余計な転位は考慮しない。
【００５４】
図１２（ｂ）は、転位残留比とカラム直径および間隔との間の関係を説明するシミュレーション結果を示す。なお、カラムの高さはそれぞれ０．４μｍおよび１．４μｍに設定される。いずれの場合も、シミュレーションは６μｍ以下のカラム直径に制限される。間隔は正方形アレイの対角線上で測定されるので、最小間隔は
【数１】
2018520502.tif 000003
であることが分かる。なお、Ｄはカラムの直径である。これは、カラムが最も近接する隣接カラムとちょうど接触する点である。低転位の２つの領域があることが分かる。一方は垂直軸に近い、すなわちカラム直径が非常に低い。故に、これを利用するために、カラムは、その直径が、正方形（または長方形）アレイの対角線方向においてそれらの間隔の２０％以下、またはそれらの間隔の１０％を超えないように配置されている。他方は、カラムが接触する最小のカラム間隔にあるか、又はそれに近接する。故に、これを利用するために、カラムは、それらの最も近い隣接カラムと接触するか、またはそれらの最も近い隣接カラムからその直径の１０％以下、またはその直径の５％を超えない間隔で配置される。低転位の領域は、高さ０．４μｍのカラムの方が、高さ１．４μｍのカラムよりも大きいことが分かる。故に、カラムの高さは、１μｍ以下、又は０．５μｍ以下であることが好ましい。非円形断面のカラムの場合、直径Ｄは、
【数２】
2018520502.tif 000004
として定義される。なお、Ａはカラムの断面積であり、直径と間隔との間の同一の好ましい関係がほぼ同一の方法で適用される。また、図８および図９を参照して上述したような他のカラムアレイでは、実際にできるだけカラムを互いに接近させる利点が依然として適用可される。
【００５５】
記載された実施の形態におけるマスク層およびカラムは、ほぼ円形断面であるが、フォトリソグラフィプロセスの精度に応じて、他の断面が使用できる。例えば、図２の実施の形態の変形例では、カラムは正方形の断面を有し、正方形カラムの側面はｃ方向およびｍ方向に平行な鉛直面内にある。これは選択方向への成長を促すという効果がある。又は、八角形断面のカラムを使用することもできる。長方形および台形のような他の断面も使用できる。
【００５６】
図１３を参照すると、カラムの間に間隙を有するカラムのアレイを形成するエッチングされた半導体層よりは、内部に穴６０２のアレイを有する半導体材料の規則的構造６００を形成しても良い。穴６０２は、実質的に一定の断面を有し、半導体層の上部から下方に延びる。穴をエッチングするために、マスク層は、穴が貫通する連続層の形態をとる。マスク層は、リソグラフィ技術によって形成される。他の概念では、半導体構造６００を形成する方法は、上述のようにカラムのアレイを形成する方法に対応してもいいので、ここでは詳細には説明しない。穴６０２は、それぞれ１つ以上の側壁６０４を有してもよく、水平方向において直線的であってもよいし、又は湾曲していてもよい。側壁６０４は、穴を形成するために使用されるエッチングプロセスの限界内で、ほぼ鉛直あり、鉛直方向に概ね直線的である。穴６０２の間の半導体層の領域６０６は、もちろん、互いに接続されて、穴６０２の周りに広がる単一の連続層を形成する。側壁６０４は、ホールの間の境界を形成し、穴６０２の間の領域６０６内の半導体材料は、穴の側壁と同様に、半導体材料の領域６０８の側壁と考えられる。
【００５７】
穴６０２は、図１３に示すように正方形の断面を有してもよく、または、図８のものと同様の配置で、４つの湾曲した側面を有してもよい。あるいは、図８のように、側面は内側にではなく外側に曲がっていても良い。穴６０２は、他の長方形の断面、または三角形または他の多面体の断面であってもよい。再び図１３を参照すると、各穴６０２の少なくとも１つの側壁６０８は、平坦または実質的に平坦であり、ｃ方向の水平成分に垂直である。その平らな側壁６０８の一部、例えば図１３に見られるような中心部６１０は、穴６０２の垂直中心線６１２、すなわち穴の任意の側壁から最も遠い鉛直線に面する。正方形の断面の穴の場合、中心線６１２は、正方形の断面の中心、すなわち図１３に示すように正方形の対角線の交点にある。穴６０２は、規則的な列に配置されてもよい。例えば、列は、選択成長方向に垂直な水平方向に広がってもよく、各列の穴が、図１３に示すように、隣接する列の穴と整列されてもよい。又は、各列の穴は、図１４に示すように、選択成長方向と垂直な水平方向にオフセット配置されてもよい。
【００５８】
図１４を参照すると、穴７０２の各々は、ｃ方向の水平成分の方向が垂直方向（ｍ方向の水平成分の方向）よりも広い。例えば、穴７０２は、長方形の短辺７０４がｃ方向の水平成分の方向を向いている略長方形の断面であってもよい。オフセットｄｘは、穴の周期または間隔の半分、すなわち列において隣接する穴の中心の間の距離の半分、又は、選択成長方向に垂直な水平方向における穴の間の半導体領域７０６の幅ｗ２と穴の幅ｗ１との和の半分でも良い。これは、ｃ方向の成長が起こる側壁７０４からの成長が、穴７０２を横切って延び、次に、次の列の最も近接する２つの穴の間の半導体領域７０６の上に広がることを意味する。穴の列のこのオフセットは、他の適宜の穴の形状と共に使用される。
【００５９】
図１５を参照すると、穴８０２は、図１４の穴と同様に長方形であるが、角８０３に丸みがある。角８０３の丸みの程度は、異なっていてもよい。例えば、Ｃ方向の成長が伸びる側壁８０８の縁部の角８０４は、穴８０２の反対側の端部の角８０４よりも丸くない場合がある。
【００６０】
図１６を参照すると、穴は、選択成長方向の水平成分の方向に面する平坦な側壁９０８を有するが、反対方向を向く平らな側壁が無いように配置されてもよい。例えば、穴は、図示のように三角形の断面であってもよく、又は五角形の断面であってもよく、一の平坦な側壁から離れた他の側壁がすべて湾曲していてもよい。
【００６１】
図１７（ａ）および図１７（ｂ）を参照すると、一般に、III族窒化物結晶構造中の極性面は、ｃ方向に垂直であり、非極性面は、ｃ方向に平行であり、半極性面は、全てｃ方向に対して傾斜した（すなわちｃ方向に対し平行でもなく垂直でもない）面である。図１８（ａ）および図１８（ｂ）を参照すると、上記の実施の形態は、（１１−２２）配向のウエハを使用するが、他の実施の形態では、ウエハの向きは、（１−１０１）、（１０−１１）、（１０−１３）、（２０−２１）または（２０−２−１）である。
【００６２】
図１９（ａ）は、様々な極性および非極性の配向を有する結晶上面の下の結晶構造の配向を示し、図１９（ｂ）は、本発明の様々な実施の形態で使用されるような、様々な半極性配向を有する結晶上面の下の結晶構造の配向を示す。
【符号の説明】
【００６３】
ｃ  選択成長方向
２０５  半導体ウエハ
２６０、３００、４００、５００  カラム
２７０  半導体材料
【図１ａ】
2018520502.tif 000005
【図１ｂ】
2018520502.tif 000006
【図１ｃ】
2018520502.tif 000007
【図１ｄ】
2018520502.tif 000008
【図１ｅ】
2018520502.tif 000009
【図２】
2018520502.tif 000010
【図３】
2018520502.tif 000011
【図４】
2018520502.tif 000012
【図５】
2018520502.tif 000013
【図６】
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【図７】
2018520502.tif 000015
【図８】
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【図９】
2018520502.tif 000017
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2018520502.tif 000020
【図１３】
2018520502.tif 000021
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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