(57)【要約】【課題】面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として成長させるIII族窒化物半導体単結晶層から、面内の結晶方位のばらつきが低減されたIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることのできる、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様において、III族窒化物半導体単結晶からなる下地基板１０の一方の面に溝１１を形成する工程と、下地基板１０の他方の面上に、III族窒化物半導体単結晶からなるエピタキシャル層１２を下地基板１０よりも厚くホモエピタキシャル成長させる工程と、エピタキシャル層１２からIII族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出す工程と、を含む、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。【選択図】図２
2016074553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体単結晶からなる下地基板の一方の面に溝を形成する工程と、
前記下地基板の他方の面上に、III族窒化物半導体単結晶からなるエピタキシャル層を前記下地基板よりも厚くホモエピタキシャル成長させる工程と、
前記エピタキシャル層からIII族窒化物半導体単結晶基板を切り出す工程と、
を含む、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項２】
前記下地基板が、異種基板上にＨＶＰＥ法でヘテロエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体単結晶層を加工することにより得られる基板である、
請求項１に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項３】
前記下地基板の面内における、ｃ軸が前記下地基板の表面となす角度の最大値と最小値の差が０．１°以上である、
請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項４】
前記エピタキシャル層を前記下地基板の厚さの２倍よりも厚く成長させる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項５】
切り出されたIII族窒化物半導体単結晶基板の面内における、ｃ軸が前記III族窒化物半導体単結晶基板の表面となす角度の最大値と最小値の差が０．１°未満である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項６】
前記下地基板の他方の面が、ｃ面又はｃ面から５°以内の角度で傾斜した面であり、
前記溝のパターンが、前記下地基板の中心軸を対称軸とする回転対称性を有する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項７】
前記溝のパターンが、前記下地基板のａ軸又はｍ軸に平行な線から構成され、前記下地基板の中心軸を対称軸とする３回又は６回の回転対称性を有する、
請求項６に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項８】
前記溝を構成する複数の直線溝のうち、方向の同じ溝のピッチが、１００μｍ以上、１０ｍｍ以下である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【請求項９】
前記エピタキシャル層がホモエピタキシャル成長する間に、前記下地基板に前記一方の面を凹面とする反りが生じる、
請求項１〜８のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムに代表されるIII族窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に関する技術として、裏面に溝を形成した下地基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させる技術が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された技術においては、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）成長用のマスクが上面に形成された下地基板の裏面の、マスクの位置に対応する位置に、破壊誘導部としての切欠き溝を設ける。ＧａＮ系結晶を成長過程において、下地基板が破壊誘導部から割れることによって、積層体全体に生じる反りを防止し、かつ、下地基板上面のマスクが、下地基板の割れが窒化ガリウム結晶へ達することを防ぐ。
【０００４】
特許文献２に開示された技術によれば、下地基板の裏面にストライプ状の溝を形成し、下地基板を裏面から加熱しながら下地基板上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ、ｙ、ｚ≧０）結晶を成長させることにより、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶中の転位密度の分布を下地基板裏面の溝のパターンに応じたものに制御することができる。
【０００５】
特許文献３に開示された技術によれば、ＧａＮ系結晶と線膨張係数の異なる下地基板の裏面に所定の間隔で溝を形成し、下地基板上にＧａＮ系結晶を成長させることにより、下地基板とＧａＮ系結晶の線膨張係数の違いに起因して生じる応力を緩和し、ＧａＮ系結晶の反りや割れを防ぐことができる。
【０００６】
特許文献４に開示された技術においては、サファイア基板等の下地基板の裏面に劈開方向にそって溝を形成し、下地基板上に窒化物半導体結晶を成長させる。窒化物半導体結晶を下地基板から剥離する際、下地基板が裏面の溝に沿って劈開するため、剥離に伴う衝撃を吸収し、窒化物半導体結晶の損傷を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−４０８４９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６１５００号公報
【特許文献３】特開２００４−２７３９６４号公報
【特許文献４】特開２００８−３０８３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的の１つは、面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として成長させるIII族窒化物半導体単結晶層から、面内の結晶方位のばらつきが低減されたIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることのできる、III族窒化物半導体単結晶基板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】
【０００９】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［９］のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法を提供する。
【００１０】
［１］III族窒化物半導体単結晶からなる下地基板の一方の面に溝を形成する工程と、前記下地基板の他方の面上に、III族窒化物半導体単結晶からなるエピタキシャル層を前記下地基板よりも厚くホモエピタキシャル成長させる工程と、前記エピタキシャル層からIII族窒化物半導体単結晶基板を切り出す工程と、を含む、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１１】
［２］前記下地基板が、異種基板上にＨＶＰＥ法でヘテロエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体単結晶層を加工することにより得られる基板である、［１］に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１２】
［３］前記下地基板の面内における、ｃ軸が前記下地基板の表面となす角度の最大値と最小値の差が０．１°以上である、［１］又は［２］に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１３】
［４］前記エピタキシャル層を前記下地基板の厚さの２倍よりも厚く成長させる、［１］〜［３］のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１４】
［５］切り出されたIII族窒化物半導体単結晶基板の面内における、ｃ軸が前記III族窒化物半導体単結晶基板の表面となす角度の最大値と最小値の差が０．１°未満である、［１］〜［４］のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１５】
［６］前記下地基板の他方の面が、ｃ面又はｃ面から５°以内の角度で傾斜した面であり、前記溝のパターンが、前記下地基板の中心軸を対称軸とする回転対称性を有する、［１］〜［５］のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１６】
［７］前記溝のパターンが、前記下地基板のａ軸又はｍ軸に平行な線から構成され、前記下地基板の中心軸を対称軸とする３回又は６回の回転対称性を有する、［６］に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１７】
［８］前記溝を構成する複数の直線溝のうち、方向の同じ溝のピッチが、１００μｍ以上、１０ｍｍ以下である、［１］〜［７］のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【００１８】
［９］前記エピタキシャル層がホモエピタキシャル成長する間に、前記下地基板に前記一方の面を凹面とする反りが生じる、［１］〜［８］のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として成長させるIII族窒化物半導体単結晶層から、面内の結晶方位のばらつきが低減されたIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることのできる、III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板が形成される過程と、そのIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として、従来の方法により面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶が成長する過程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶基板の製造工程を模式的に表す垂直断面図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ下地基板の裏面に形成される溝１１のパターンの一例を表す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔実施の形態〕
本実施の形態によれば、面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として成長させるIII族窒化物半導体単結晶から、面内の結晶方位のばらつきが低減されたIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることができる。
【００２２】
図１（ａ）〜（ｃ）は、面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板が形成される過程と、そのIII族窒化物半導体単結晶基板を下地基板として、従来の方法により面内の結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶が成長する過程を模式的に示す断面図である。
【００２３】
図１（ａ）は、異種基板上に成長した板状のIII族窒化物半導体単結晶１の状態を模式的に表す垂直断面図である。図１（ａ）中の矢印はIII族窒化物半導体単結晶１のｃ軸の方向を模式的に表すものである。図１（ａ）に示されるように、III族窒化物半導体単結晶１は反りを有し、その結晶方位は面内でばらついている。
【００２４】
ここで、III族窒化物半導体とは、組成式ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される物質をいう。また、異種基板とは、III族窒化物半導体単結晶と異なる材料からなる基板をいう。
【００２５】
III窒化物半導体単結晶は、ＧａＡｓに代表されるIII-Ｖ族化合物半導体単結晶と異なり、融液からのバルク結晶成長が困難である。そのため、現在実用化されているほぼすべてのIII族窒化物半導体単結晶基板は、サファイア、ＳｉやＧａＡｓからなる異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体単結晶を出発結晶にして作製されている。
【００２６】
窒化物半導体単結晶を異種基板上へヘテロエピタキシャル成長させた場合、異種基板と窒化物半導体単結晶との間の格子定数差や線膨張係数差に起因して、結晶成長中や成長後の結晶冷却中に、窒化物半導体単結晶に反りが生じる。なお、この反りは、一般に、結晶成長方向に向かって窒化物半導体単結晶が凹になるように生じる。
【００２７】
また、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）等の気相成長法により、窒化物半導体単結晶を異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させる際には、成長初期において、結晶成長が３次元島状成長モードで進行する。ここで、島状に発生した結晶の成長初期核が肥大化して会合し、最終的に結晶表面が平坦化に到る過程で、結晶中に歪を生じて、ひいては結晶に反りを生じさせるというメカニズムが示唆されている。そして、結晶内部には、反りに対応した結晶方位のばらつき（結晶方位の傾きの不均一な分布）が生じる。
【００２８】
図１（ｂ）は、III族窒化物半導体単結晶１から得られるIII族窒化物半導体単結晶基板２の垂直断面図である。III族窒化物半導体単結晶基板２は、反りを有する板状のIII族窒化物半導体単結晶１の表面に研磨加工を施し、平坦化することにより得られる。
【００２９】
図１（ｂ）の矢印が示すように、III族窒化物半導体単結晶１の表面を平坦化しても、結晶方位のばらつきは変わらず、III族窒化物半導体単結晶基板２内に残留する。
【００３０】
図１（ｃ）は、III族窒化物半導体単結晶基板２を下地基板としてホモエピタキシャル成長するIII族窒化物半導体単結晶層２０の垂直断面図である。
【００３１】
III族窒化物半導体単結晶層２０には、III族窒化物半導体単結晶基板２内に残留した結晶方位のばらつきが引き継がれる。このため、III族窒化物半導体単結晶層２０から切り出されるIII族窒化物半導体単結晶基板は、結晶方位のばらつきを有することになる。そして、そのような結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板を用いて各種の半導体デバイスを作製すると、デバイス間の特性のばらつきが生じる。
【００３２】
また、成長中のIII族窒化物半導体単結晶層２０内には、結晶方位を正常な分布形態に戻そうとする応力が発生するため、成長が進むにつれて結晶方位のばらつきは少しずつ緩和するが、その結果として、III族窒化物半導体単結晶層２０内に応力が残留してしまう。このIII族窒化物半導体単結晶層２０内に残留する応力は、III族窒化物半導体単結晶層２０にスライス加工や研磨加工を施す際にクラックを頻発させ、基板の製造歩留まりを極端に低下させる。
【００３３】
そこで、本実施の形態においては、結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板上にホモエピタキシャル成長するIII族窒化物半導体単結晶層の結晶方位のばらつきを低減し、かつ、歪みの残留を抑えることにより、結晶方位のばらつきの少ないIII族窒化物半導体単結晶基板を歩留まりよく製造する方法を提供する。
【００３４】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶基板１３の製造工程を模式的に表す垂直断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示される矢印は、各結晶のｃ軸方向を示す。
【００３５】
まず、図２（ａ）に示されるように、III族窒化物半導体単結晶からなる下地基板１０の裏面に、溝１１を形成する。次に、図２（ｂ）に示されるように、下地基板１０の表面に、III族窒化物半導体単結晶からなるエピタキシャル層１２をホモエピタキシャル成長させる。次に、図２（ｃ）に示されるように、成長したエピタキシャル層１２から、III族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出す。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。
【００３６】
図２（ａ）に示される工程においては、まず、III窒化物半導体単結晶からなる下地基板１０を用意する。この下地基板１０は、異種基板上にヘテロエピタキシャル成長した結晶方位のばらつきを有するIII窒化物半導体単結晶層から切り出された基板であり、図２（ａ）のｃ軸方向の矢印が示すように、結晶方位のばらつきを有する。
【００３７】
具体的には、下地基板１０は、例えば、サファイア基板などの異種基板上にＨＶＰＥ法等によりIII族窒化物半導体単結晶を厚膜成長させた後、異種基板から剥離して、表裏面を鏡面加工することにより作製される。このような作製法は、例えば、特許第３６３１７２４号公報等に記載されている。
【００３８】
下地基板１０は、例えば、直径が５８ｍｍであり、厚さが４００μｍの自立基板である。厚さが小さすぎるとハンドリング時、溝１１の形成時、エピタキシャル層１２を成長させる際の昇温時等に、割れが生じるおそれがあるため、例えば、直径が５０ｍｍである場合の厚さは３００μｍ以上であることが好ましい。
【００３９】
下地基板１０を構成するIII族窒化物半導体単結晶は、アンドープ結晶であっても、不純物をドープした結晶であってもよい。下地基板１０上に不純物をドープしたエピタキシャル層１２を成長させる場合は、エピタキシャル層１２と同じ濃度の同じ不純物を下地基板１０が含むことが好ましい。一方のみが不純物を含む場合や、両者が異なる不純物を含む場合、不純物の濃度差が大きい場合には、成長中のエピタキシャル層１２に結晶欠陥が発生したりクラックが生じたりするおそれがある。
【００４０】
下地基板１０が、異種基板上にＨＶＰＥ法で形成されたIII族窒化物半導体単結晶から切り出された基板である場合には、下地基板１０内の結晶方位のばらつきが大きくなるため、本実施の形態が特に有効である。特に、下地基板１０の面内における、ｃ軸が下地基板１０の表面となす角度の最大値と最小値の差が０．１°以上である場合に、本実施の形態の効果が顕著に得られる。
【００４１】
次に、下地基板１０の裏面に、溝１１を形成する。溝１１の形成には、市販のレーザー加工機や、ダイサー、放電加工機などを用いることができるが、細い溝を高い位置精度で加工することができ、III族窒化物半導体単結晶へのダメージが少ないことから、レーザー加工機を用いることが好ましい。例えば、市販のＮｄ：ＹＡＧレーザーの高調波を用いた波長５３２ｎｍや３５５ｎｍ、２６６ｎｍ、２１３ｎｍ等のレーザー加工機を用いることができる。
【００４２】
レーザー加工機で溝１１を形成した後には、溝１１の内部や周囲にIII族窒化物半導体の粉状の加工屑が付着する場合がある。これを除去するために、溝１１を形成した後の下地基板１０に有機溶剤や純水中での超音波洗浄を施すことが好ましい。
【００４３】
上述のIII族窒化物半導体単結晶基板２上に成長するIII族窒化物半導体単結晶層２０と同様に、結晶方位のばらつきを有する下地基板１０上にエピタキシャル層１２をホモエピタキシャル成長させると、成長中のエピタキシャル層１２内に、結晶の方位ばらつきを修復しようとする応力が発生する。このとき、下地基板１０の裏面の溝１１が、下地基板１０の変形を助け、下地基板１０及びエピタキシャル層１２に裏面が凹面となる反りが発生し、エピタキシャル層１２の結晶の方位ばらつきが緩和される。
【００４４】
ここで、下地基板１０は、異種基板上に成長した、反りを有するｃ面基板を研磨することにより得られる基板であるため、中心軸を対称軸とするほぼ６回対称の異方性を有する。このため、エピタキシャル層１２内に発生する応力により、下地基板１０をより効率的に変形させるためには、溝１１のパターンが、下地基板１０の中心軸を対称軸とする回転対称性を有することが好ましく、下地基板１０の中心軸を対称軸とする３回又は６回の回転対称性を有することがより好ましい。
【００４５】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ下地基板１０の裏面に形成される溝１１のパターンの一例を表す平面図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、下地基板１０がｃ面である場合の平面図であり、下地基板１０のｃ軸が紙面に垂直に向いている。
【００４６】
図３（ａ）に示される溝１１は、正三角形を並べた格子状のパターンを有する。なお、溝１１が、この格子状のパターンに含まれる１つの正三角形の中心が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ａ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする３回の回転対称性を有する。また、溝１１が、正三角形の頂点が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ａ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする６回の回転対称性を有する。
【００４７】
図３（ｂ）に示される溝１１は、正六角形と正三角形を並べた格子状のパターンを有する。なお、溝１１が、この格子状のパターンに含まれる１つの正六角形の中心が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ｂ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする６回の回転対称性を有する。また、溝１１が、正三角形の中心が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ｂ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする３回の回転対称性を有する。
【００４８】
図３（ｃ）に示される溝１１は、正六角形を並べた格子状のパターンを有する。なお、溝１１が、この格子状のパターンに含まれる１つの正六角形の中心が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ｃ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする６回の回転対称性を有する。また、溝１１が、正六角形の頂点が下地基板１０の中心軸上に位置するように形成される場合、図３（ｃ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０の中心軸を対称軸とする３回の回転対称性を有する。
【００４９】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示される溝１１のパターンは、下地基板１０のａ軸に平行（ｍ軸に垂直）な線の組み合わせにより構成されているが、これらは一例であり、例えば、ｍ軸に平行（ａ軸に垂直）な線の組み合わせにより構成されてもよい。また、他の溝１１のパターンの例として、菱形格子パターン、同心円パターン、放射状パターン、及びそれらを組み合わせたパターン等が考えられる。
【００５０】
溝１３を構成する複数の直線溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離（ピッチ）は、１００μｍ以上かつ１０ｍｍ以下であることが好ましい。ピッチが１００μｍよりも狭いと、エピタキシャル層１２の成長中に下地基板１０が割れて、エピタキシャル層１２の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、ピッチが１０ｍｍよりも広いと、エピタキシャル層１２の成長中の下地基板１０の変形が小さくなるおそれがある。例えば、溝１３を構成する直線溝の幅は４０μｍ、深さは６０μｍ、ピッチは１ｍｍとすることができる。
【００５１】
また、溝１３を構成する複数の直線溝の幅は、１０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることが好ましい。溝の幅が１０μｍよりも小さいと、下地基板１０の変形（たわみ）を十分に助けることができない場合がある。一方、溝の幅が２００μｍよりも大きいと、エピタキシャル層１２の成長中の下地基板１０の温度分布にムラが生じ、均質な結晶成長の妨げになるおそれがある。
【００５２】
また、溝１３を構成する複数の直線溝の深さは、下地基板１０の厚さをＴとしたとき、５０μｍ以上かつＴ−２００μｍ以下であることが好ましい。溝の深さが５０μｍよりも小さいと、下地基板１０の変形を十分に助けることができない場合がある。一方、溝の深さがＴ−２００μｍよりも大きいと、下地基板１０の溝１３の底部にクラックが生じるおそれがある。
【００５３】
また、溝１１は、連続な溝ではなく、不連続な溝の集合、例えば多数の孔により構成されてもよい。また、溝１１の幅や深さを、基板面内で変化させてもよい。さらに、下地基板１０の裏面だけでなく、表面（エピタキシャル層１２を成長させる面）にも溝を形成することができる。
【００５４】
次に、図２（ｂ）に示されるように、裏面に溝１１を形成した下地基板１０の表面に、エピタキシャル層１２を厚くホモエピタキシャル成長させる。エピタキシャル層１２の成長が進むと、上述のように、下地基板１０及びエピタキシャル層１２に変形が生じ、エピタキシャル層１２中の結晶方位のばらつきが緩和される。
【００５５】
エピタキシャル層１２を厚く成長させるためには、結晶成長速度の大きいＨＶＰＥ法を用いることが好ましい。また、ＨＶＰＥ法では、ホットウォール構造の反応炉を用いるため、下地基板１０及びエピタキシャル層１２が全周方向から加熱される。このため、溝１１が形成された下地基板１０においても、結晶成長中の基板面内の温度分布が生じにくく、均質なエピタキシャル層１２を成長させやすい。
【００５６】
III族窒化物半導体単結晶のＨＶＰＥ法による成長技術に関して、例えば、特許第３５５３５８３号公報に、ＧａＮ単結晶のＨＶＰＥ法による成長技術が開示されている。また、特許第３２７９５２８号公報に、ＨＶＰＥ法でＧａＮ単結晶を成長させる際にＳｉをドーピングする技術が開示されている。
【００５７】
また、フラックス法やアンモノサーマル法等の液相成長法により、エピタキシャル層１２を成長させてもよい。
【００５８】
エピタキシャル層１２の成長中に発生する応力により、効果的に下地基板１０を変形させるためには、エピタキシャル層１２を下地基板１０よりも厚く成長させることが求められる。さらに、より効果的に下地基板１０を変形させ、エピタキシャル層１２内の結晶方位のばらつきを緩和するためには、エピタキシャル層１２を下地基板１０の厚さの２倍以上の厚さに成長させることが好ましく、１０倍以上の厚さに成長させることがより好ましい。
【００５９】
なお、エピタキシャル層１２の厚さが下地基板１０の厚さの２倍を超えると、下地基板１０の変形速度は徐々に小さくなり、下地基板１０の厚さの１０倍を超えると、下地基板１０の変形は止まり、結晶方位のばらつきを緩和する効果は飽和する。しかし、厚さをさらに増すことにより、結晶欠陥（転位）密度を低減させ、また、エピタキシャル層１２からのIII族窒化物半導体単結晶基板１３の取得枚数を増やすことができる。
【００６０】
エピタキシャル層１２は、例えば、厚さ５ｍｍのＳｉドープ窒化ガリウム単結晶層である。また、エピタキシャル層１２を構成するIII族窒化物半導体単結晶は、アンドープ結晶であっても、不純物をドープした結晶であってもよい。エピタキシャル層１２を用いて各種デバイスを作製する場合には、導電性を制御するため、エピタキシャル層１２に故意に不純物をドープすることが求められる場合がある。エピタキシャル層１２へドープされる不純物としては、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ等がよく用いられる。また、エピタキシャル層１２に不純物をドープする場合の、エピタキシャル層１２内の不純物濃度は、通常５×１０１７ｃｍ−３以上、多い場合は１×１０１８ｃｍ−３以上となる。
【００６１】
次に、図２（ｃ）に示されるように、エピタキシャル層１２から、III族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出す。
【００６２】
例えば、厚さ５ｍｍのエピタキシャル層１２から、厚さ５００μｍのIII族窒化物半導体単結晶基板１３を６枚切り出す。そして、切り出したIII族窒化物半導体単結晶基板１３の外周部に面取り加工を施し、表裏面に鏡面研磨を施して、最終的に直径５０．８ｍｍ、厚さ４００μｍの基板に仕上げる。
【００６３】
エピタキシャル層１２の切断には、ＳｉやＧａＡｓ結晶の切断に一般的に使用されているマルチワイヤーソーを用いることができる。例えば、特開２０１３−０３２２７８号公報が、III族窒化物半導体単結晶であるＧａＮ単結晶のマルチワイヤーソーによる切断技術を開示している。その他にも、エピタキシャル層１２の切断には、内周刃スライサー、外周刃スライサー、ワイヤー放電加工機等による切断技術を用いることができる。これらの切断技術を用いて切り出したIII族窒化物半導体単結晶基板１３の表面には、一般的にソーマークや加工歪が残っていることが多いため、これらを除去するための研磨加工を表裏面に施すことが好ましい。
【００６４】
なお、III族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出す際のエピタキシャル層１２の割れを抑制するため、切断加工に先立って、非ｃ面成長領域を含む結晶外周部の厚さ５ｍｍ以上の領域を除去することが好ましい。表面がｃ面のエピタキシャル層１２を成長させた場合、エピタキシャル層１２の表面もｃ面となるが、表面と側面との境界領域に、ｃ面ではない傾斜面（非ｃ面成長領域）ができる。この非ｃ面成長領域は、成長界面がｃ面で成長した領域と比較して、不純物原子の取り込み効率に差があることが判っており、非ｃ面成長領域とｃ面成長領域との界面付近に、それぞれの領域の不純物濃度差に起因した歪が発生する。このため、エピタキシャル層１２からIII族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出す工程に先立ち、結晶外周部の不純物濃度の異なる領域及び歪みの蓄積された領域を除去することが、面内の特性の均一性が高いIII族窒化物半導体単結晶基板１３を得るために有効であり、また、エピタキシャル層１２をスライスする際のクラックの発生防止に有効である。エピタキシャル層１２の外周部の厚さ５ｍｍ以上の領域を除去することにより、歪みの蓄積した領域を有効に除去することができる。エピタキシャル層１２の外周部の除去方法としては、研削加工や放電加工等の方法を用いることができる。エピタキシャル層１２の外周部の厚さ５ｍｍ以上の領域を除去する場合には、III族窒化物半導体単結晶基板１３の直径よりも１０ｍｍ以上大きい直径の下地基板１０を用いることが求められる。このような結晶外周部の除去には、例えば、国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１４／０５１８０６に開示された技術を用いることができる。
【００６５】
上述のように、エピタキシャル層１２からは、複数のIII族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出すことができる。また、切断面を結晶成長方位に垂直な面から故意に傾斜させて切断することで、オフセット角の付いたIII族窒化物半導体単結晶基板１３を容易に得ることができる。オフセット角の付いたIII族窒化物半導体単結晶基板１３を得るためには、オフセット角の付いた下地基板１０を用いることも可能であるが、成長時のエピタキシャル層１２の対称性を考慮すると、ｃ面を主面とする下地基板１０上にエピタキシャル層１２をｃ面成長させることが好ましい。また、ｃ面で成長させたエピタキシャル層１２をｃ面で切断した後に、研磨工程で斜めに加工してオフセット角をつけることも可能であるが、エピタキシャル層１２の加工代が多く必要になるため効率が悪い。ｃ面で成長したエピタキシャル層１２を斜めに切断すれば、１つのエピタキシャル層１２からオフセット角を有する複数のIII族窒化物半導体単結晶基板１３を需要に応じて切り出すことができ、結晶の無駄が出ない。この場合、１つのエピタキシャル層１２から複数のIII族窒化物半導体単結晶基板１３を平行に切り出すことが、最も無駄の少ない方法となるが、必要に応じて基板毎に切る角度を変えることも可能である。例えば、エピタキシャル層１２から種結晶として使用するIII族窒化物半導体単結晶基板１３をｃ面で切り出した後に、残りの部分を、オフセット角を付けてスライスするというような方法を用いることも可能である。
【００６６】
また、研磨されていない状態のエピタキシャル層１２の上面（アズグロウン成長界面）を有するIII族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出して、次の結晶成長用の種結晶として用いる場合、研磨による材料の無駄を抑制できる。また、アズグロウン成長界面の凹凸形状は、結晶成長炉に固有の形状であり、再現性があるため、アズグロウン成長界面を有するIII族窒化物半導体単結晶基板１３を種結晶として用いることにより、結晶性の高いホモエピタキシャル成長を実現することが可能になる。
【００６７】
III族窒化物半導体単結晶基板１３は、図２（ｂ）に示される工程において、結晶方位のばらつきが緩和されたエピタキシャル層１２から切り出されるため、下地基板１０よりも結晶方位のばらつきが著しく小さくなっている。また、本実施の形態によれば、基板面内における、ｃ軸が基板表面となす角度の最大値と最小値の差を０．１°未満にすることができる。
【００６８】
また、図２（ｂ）に示される工程を経て、エピタキシャル層１２内の残留応力が低減されているため、エピタキシャル層１２のスライス加工や、III族窒化物半導体単結晶基板１３の研磨加工におけるクラックや割れの発生が抑制され、加工歩留まりが向上する。
【００６９】
エピタキシャル層１２を成長させた後の下地基板１０には、図２（ｂ）に示されるように、反りが生じている。しかし、この反りは弾性変形であり、エピタキシャル層１２からIII族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出した後は、エピタキシャル層１２から受けていた外力が消え、元の平坦な状態に戻る。そのため、表面に鏡面加工を施すことにより、下地基板１０を繰り返し使用することができる。
【００７０】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、結晶方位のばらつきを有するIII族窒化物半導体単結晶基板上にホモエピタキシャル成長するIII族窒化物半導体単結晶層の結晶方位のばらつきを低減し、かつ、歪みの残留を抑えることにより、結晶方位のばらつきの少ないIII族窒化物半導体単結晶基板を歩留まりよく製造することができる。
【００７１】
また、従来の方法では、結晶位のばらつきが大きかったり、割れ易かったりして製造歩留りの低かった、直径７５ｍｍ以上の大口径のIII族窒化物半導体単結晶基板を歩留りよく製造できる。さらに、直径１００ｍｍ以上のIII族窒化物半導体単結晶基板、さらに、直径１５０ｍｍ以上のIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることもできる。
【００７２】
結晶方位のばらつきの少ないIII族窒化物半導体単結晶基板が得られれば、その上に作製されるデバイスの特性ばらつきが少なくなり、デバイスの製造歩留りも向上する。また、本実施の形態により得られるIII族窒化物半導体単結晶基板は、残留応力が低減されているため、デバイス製造プロセスにおける割れの発生を大幅に抑制することができる。
【００７３】
本実施の形態により得られるIII族窒化物半導体単結晶基板は、ホモエピタキシャル成長した結晶から切り出されるため、ＥＬＯ法に代表されるマスクを利用した成長法により、ヘテロエピタキシャル成長した結晶から切り出される従来の基板に比べて、基板面内の転位密度が低く、かつ転位などの欠陥密度や電気特性の面内分布のばらつきが少ない。
【００７４】
本実施の形態は、従来の結晶成長技術や加工技術を利用して実施することが可能であり、得られる効果に対するコスト負担が非常に少ない。
【実施例】
【００７５】
以下に、III族窒化物半導体単結晶基板を上記実施の形態に基づいて製造し、評価した結果について述べる。
【００７６】
（実施例）
まず、下地基板１０として、ＶＡＳ（Void-Assisted Separation）法で作製した、直径６５ｍｍ、厚さ４００μｍの窒化ガリウム単結晶ｃ面基板を準備した。事前に、この窒化ガリウム単結晶基板の中心において、ｃ軸が基板表面となす角度をＸ線回折法により測定したところ、０．０４°であった。また、この窒化ガリウム単結晶基板の直径上で、中心から±５ｍｍ刻みの計８点においても同様の測定を行い、計９点の測定結果のばらつきを調べたところ、そのばらつきは大きく、最大値と最小値の差が０．５４°であった。
【００７７】
次に、この窒化ガリウム単結晶基板のＮ面側に、溝１１を形成した。溝１１の形成には、市販の波長５３２ｎｍ、定格出力５ＷのＹＶＯ４パルスレーザー加工機を用いた。溝１１のパターンは、図３（ａ）に示されるものとした。溝１１を構成する直線溝の幅は４０μｍ、深さは６０μｍ、ピッチ（隣接する直線溝の中央間の距離）は、１ｍｍとした。その後、溝加工時の汚れを除去するために、窒化ガリウム単結晶基板を純水の流水でよく洗浄し、メチルアルコール中で超音波洗浄した後、乾燥させた。
【００７８】
次に、窒化ガリウム単結晶基板のＧａ面上に、ＨＶＰＥ法でエピタキシャル層１２としての厚さ５ｍｍのＳｉドープ窒化ガリウム単結晶をホモエピタキシャル成長させた。
【００７９】
このＳｉドープ窒化ガリウム単結晶は、８００℃に加熱された金属ＧａにＨＣｌガスを接触させることで生成したＧａＣｌとＮＨ３を原料ガスとして、また、水素希釈したＳｉＨ２Ｃｌ２ガスをドーパントガスとして、１０５０℃に加熱した窒化ガリウム単結晶基板上に供給して成長させた。成長時の炉内圧力は常圧、キャリアガスの組成は窒素５０％、水素５０％とし、原料ガスのＶ／III比は４とした。成長中、窒化ガリウム単結晶基板を５ｒｐｍで自転させ、結晶の成長速度は、２５０〜３００μｍ／ｈとした。成長結晶の目標キャリア濃度は２×１０１８ｃｍ−３とした。
【００８０】
こうして成長させたＳｉドープ窒化ガリウム単結晶を、冷却後に炉内から取り出したところ、中央部の厚さが約５．０ｍｍの窒化ガリウム単結晶であることが確認された。外観からは、下地基板１０としての窒化ガリウム単結晶基板の裏面側が凹面に反っている様子が目視できたが、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。
【００８１】
次に、得られたエピタキシャル層１２としての厚さ約５．０ｍｍのＳｉドープ窒化ガリウム単結晶から、III族窒化物半導体単結晶基板１３としての窒化ガリウム単結晶基板を切り出した。
【００８２】
まず、切断に先立って、内径５２ｍｍのカップ型のダイヤモンド電着砥石を用いて、Ｓｉドープ窒化ガリウム単結晶の外周部を研削除去した。次に、外径５２ｍｍとなったＳｉドープ窒化ガリウム単結晶をスライス加工用の台座に貼付け、マルチワイヤーソーを用いて、結晶成長方向に垂直に切断し、厚さ約５００μｍの窒化ガリウム単結晶基板を取得した。結晶の外周除去、切断の工程においても、結晶にクラックが発生することは無く、こうして６枚の窒化ガリウム単結晶基板が得られた。
【００８３】
その後、窒化ガリウム単結晶基板の外周に、べべリング装置を用いてオリエンテーションフラット（ＯＦ）及びインデックスフラット（ＩＦ）を形成し、面取り整形を施して直径を５０．８ｍｍにした。さらに、表裏面にラップ、ポリッシュ加工を施し、最終的に厚さ４００μｍの鏡面基板に仕上げた。研磨工程においても、窒化ガリウム単結晶基板にクラックが入るなどの不具合は見られなかった。
【００８４】
こうして得られたIII族窒化物半導体単結晶基板１３としての窒化ガリウム単結晶基板の中心において、ｃ軸が基板表面となす角度をＸ線回折法により調べたところ、０．０４°であった。また、この窒化ガリウム単結晶基板の直径上で、中心から±５ｍｍ刻みの計８点においても同様の測定を行い、計９点の測定結果のばらつきを調べたところ、そのばらつきは非常に小さく、最大値と最小値の差が０．０８°であった。
【００８５】
さらに、この窒化ガリウム単結晶基板の転位密度を、カソードルミネッセンス法で観察される暗点密度で評価したところ、面内９点の平均値が９．７×１０５ｃｍ−２であった。
【００８６】
（比較例）
まず、上記の実施例と同条件で作製された窒化ガリウム単結晶基板を下地基板として準備した。事前に、この窒化ガリウム単結晶基板の中心において、ｃ軸が基板表面となす角度をＸ線回折法により測定したところ、０．０４°であり、実施例のものと同じであった。しかしながら、この窒化ガリウム単結晶基板の直径上で、中心から±５ｍｍ刻みの計８点においても同様の測定を行い、計９点の測定結果のばらつきを調べたところ、最大値と最小値の差が０．５２°であり、実施例のものとほぼ同じであった。
【００８７】
次に、窒化ガリウム単結晶基板に溝１１を形成せずに、そのＧａ面上に、上記実施例と同条件で厚さ５ｍｍのＳｉドープ窒化ガリウム単結晶層を成長させた。
【００８８】
成長させたＳｉドープ窒化ガリウム単結晶を、冷却後に炉内から取り出して観察したところ、下地基板としての窒化ガリウム単結晶基板の裏面側が凹面に反っている様子が目視できたが、反りの程度は実施例よりもかなり少なかった。また、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。
【００８９】
次に、やはり実施例と同じ条件で、Ｓｉドープ窒化ガリウム単結晶の外周部の除去、スライス加工、研磨加工を行い、６枚の窒化ガリウム単結晶基板を得た。
【００９０】
こうして得られた基板の中心において、ｃ軸が基板表面となす角度をＸ線回折法により調べたところ、０．０４°であった。また、この窒化ガリウム単結晶基板の直径上で、中心から±５ｍｍ刻みの計８点についても同様の測定を行い、計９点の測定結果のばらつきを調べたところ、そのばらつきは下地基板としての窒化ガリウム単結晶基板よりはだいぶ改善したものの、最大値と最小値の差が０．３８°であった。
【００９１】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００９２】
例えば、III族窒化物半導体単結晶基板１３を切り出すためのエピタキシャル層１２に替えて、デバイス作製用の窒化物系半導体単結晶の多層構造をエピタキシャル成長させてもよい。
【００９３】
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００９４】
１０        下地基板
１１        溝
１２        エピタキシャル層
１３        III族窒化物半導体単結晶基板
【図１】
2016074553.tif 000003
【図２】
2016074553.tif 000004
【図３】
2016074553.tif 000005