(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体デバイスの分野で使用するのに好適な、転位の少ない、すなわち転位密度の小さい窒化アルミニウム単結晶を安定して製造する為の種結晶、及び窒化アルミニウム単結晶の製造方法の提供。【解決手段】窒化アルミニウムの単結晶を成長させるための種結晶４であって、種結晶４の少なくとも一面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下である窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。前記表面粗さＲａを有する面が結晶成長面である、窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム単結晶を成長させるための種結晶であって、該種結晶の少なくとも一面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。
【請求項２】
前記種結晶の表面粗さＲａが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。
【請求項３】
前記種結晶の表面粗さＲａが１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。
【請求項４】
前記表面粗さＲａを有する面が結晶成長面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶。
【請求項５】
昇華法による窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、種結晶として請求項１ないし４のいずれか一項に記載の種結晶を用いることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム単結晶を製造するための種結晶、および窒化アルミニウム単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウムは、広いエネルギバンドギャップを有し、しかも高い熱伝導率と大きい電気抵抗を有していることから、その単結晶は種々の半導体デバイス（たとえば光デバイス、電子デバイス等）の基板材料として注目されている。
【０００３】
その窒化アルミニウム単結晶を製造するための従来の一般的な製造技術は、昇華法と呼ばれる技術であり、たとえば特許文献１に記載されているように、ルツボに収納された窒化アルミニウム粉末が加熱されることによって分解し、さらに昇華して、その昇華したアルミニウムが雰囲気ガス中で窒素と気相反応を起こし、さらに種結晶に堆積し再結晶することによって単結晶となる。このような昇華法で製造した窒化アルミニウム単結晶には結晶欠陥（たとえばドメイン、転位等）が存在することが知られている。
【０００４】
とりわけ転位は、結晶中に存在する線状の格子欠陥であり、転位の分布密度(以下、転位密度という)が大きい窒化アルミニウム単結晶を半導体デバイス用の基板として用いると、作動効率の低下のみならず耐用性の低下を引き起こす。したがって転位密度の小さい窒化アルミニウム単結晶を用いる必要があるが、昇華法は熱的に非平衡なプロセスであるから、転位が発生し易いという問題がある。
【０００５】
その昇華法による種結晶の製造技術として、非特許文献１には、種結晶として異種単結晶基板（たとえばＳｉＣ基板等）を用いたヘテロエピ成長による窒化アルミニウム単結晶の製造技術が開示されている。しかし、この技術は異種単結晶基板から窒化アルミニウム単結晶に異種元素（すなわち不純物）が混入し易く、半導体デバイスの分野で使用する窒化アルミニウム単結晶の製造技術として好ましくない。
【０００６】
このように、半導体デバイスの分野で好適に使用できる大面積かつ高品質の窒化アルミニウム単結晶を工業的に安定して製造する技術は未だ確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−５３４９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＳＥＩテクニカルレビュー第１６８号（１０３）２００６年３月刊行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、半導体デバイスの分野で使用するのに好適な、転位の少ない、すなわち転位密度の小さい窒化アルミニウム単結晶を安定して製造するための種結晶、および窒化アルミニウム単結晶の製造方法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】
【００１０】
本発明者は、様々な単結晶を安定して製造するために昇華法が有効な技術であることから、昇華法を用いて転位の少ない窒化アルミニウム単結晶を製造する技術を検討した。そして、使用する種結晶の表面性状と製造される窒化アルミニウム単結晶の転位密度との関係について詳細に調査した。その結果、従来から使用している種結晶の表面粗さ（Ｒａ：数μｍ程度）では、アルミニウムのマイグレーションによる成長が不安定になり、エピタキシャル成長が阻害されることを見出した。つまり、種結晶の表面の凹凸を反映しながら窒化アルミニウム単結晶が成長するので、その凹凸が起点となって転位が発生し易くなる。したがって、表面粗さＲａを低減した種結晶を使用すれば、転位の少ない窒化アルミニウム単結晶を昇華法で製造することが可能となる。
【００１１】
しかし表面粗さＲａを低減するための表面処理は精密な作業となるので、種結晶の全面に表面処理を施すと、種結晶の製造コストの上昇、ひいては窒化アルミニウム単結晶の製造コストの上昇を招く。そこで、種結晶から窒化アルミニウム単結晶が成長していく面(以下、結晶成長面という)のみに表面処理を施して、その表面粗さＲａを低減した種結晶を窒化アルミニウム単結晶の製造実験に供したところ、結晶成長面から転位密度の小さい窒化アルミニウム単結晶が安定して成長することが分かった。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、窒化アルミニウムの単結晶を成長させるための種結晶であって、種結晶の少なくとも一面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下である窒化アルミニウム単結晶製造用種結晶である。この表面粗さＲａは、２ｎｍ以下がより好ましく、さらに１ｎｍ以下が特に好ましい。
【００１３】
本発明の種結晶においては、前記の表面粗さＲａを有する面が結晶成長面であることが好ましい。
また本発明は、昇華法による窒化アルミニウム単結晶の製造方法において、種結晶として上記の種結晶を用いる窒化アルミニウム単結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体デバイスの分野で使用するのに好適な、転位の少ない（すなわち転位密度の小さい）窒化アルミニウム単結晶を安定して製造できるので、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の種結晶を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する装置の例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の種結晶は、結晶成長面の表面粗さＲａを１０ｎｍ以下とする。結晶成長面の表面粗さＲａが１０ｎｍを超えると、窒化アルミニウム単結晶が成長する過程で、結晶成長面の凹凸を起点として転位が発生するのを抑制できない。なお、表面粗さＲａは算術平均粗さを意味しており、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。
【００１７】
表面粗さＲａの測定は、原子間力顕微鏡（いわゆるＡＦＭ）で行なうことができる。ＡＦＭは、走査型プローブ顕微鏡（いわゆるＳＰＭ）の一種で、極めて細く鋭らせた金属針（いわゆるプローブ）で試料表面を走査しながら、プローブと試料との間に働く原子間力（すなわち引力および反撥力）の変化を検出して、試料の表面形状を測定する顕微鏡であり、試料の表面粗さをほぼ原子レベルの大きさで観察することが可能である。
【００１８】
表面粗さＲａを１０ｎｍ以下とするための表面処理を施す手段は、特に限定せず、従来から知られている技術を使用する。たとえば、酸化クロムを分散した研磨スラリを遊離砥粒として用い、研磨布と擦り合わせて研磨する化学機械的研磨（いわゆるＣＭＰ）が一般的な技術である。
【００１９】
あるいは、水性研磨液を用いて研磨しても良い。この技術は、研磨の所要時間は長くなるが、研磨面の疵の発生を抑えることができるので、種結晶の結晶成長面の表面処理に好適な技術である。
また、種結晶の結晶成長面に熱を加えて表面処理を行うことも可能である。
このような表面処理は、種結晶の全面に施しても良いし、あるいは結晶成長面のみに施しても良い。ただし、種結晶の製造コストの低減、ひいては窒化アルミニウム単結晶の製造コストの低減を図る観点から、結晶成長面のみに表面処理を施すことが好ましい。
なお、種結晶は窒化アルミニウム単結晶を用いる。
ここで、上記した種結晶を用いて、結晶成長面から窒化アルミニウム単結晶を成長させる方法について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の種結晶を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する装置（以下、結晶成長炉という）の例を模式的に示す断面図である。
窒化アルミニウム単結晶を製造するにあたって、結晶成長炉１内のルツボ２に原料となる混合粉末３を収納する。混合粉末３は、窒化アルミニウム粉末と酸化物粉末とを混合した粉末である。その酸化物粉末は、後述する窒化アルミニウムの分解反応に必要な酸素の供給源となるものであり、窒化アルミニウム単結晶の成長に好適なＡｌ２Ｏ３等の粉末が好ましい。
【００２１】
種結晶４は、所定の結晶方位が結晶成長面に現われ、かつ結晶成長面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下となるように、表面処理を施したものである。そして、その結晶成長面を露出させて、種結晶４を種結晶配置具５の上蓋内面に固定する。種結晶配置具５の上蓋内面は、種結晶配置具５の下方よりも温度を低く設定されている。
【００２２】
次に、ガス排出口６から結晶成長炉１内の空気を排出して、結晶成長炉１の内部を減圧し、さらにガス導入口７から雰囲気ガスを供給することによって、結晶成長炉１の内部で雰囲気ガスを循環させる。雰囲気ガスは、窒素単味からなるガス（すなわちガス中の窒素含有量１００体積％）、あるいは、水素および／または炭素と窒素との混合ガスであることが好ましい。
【００２３】
引き続き、温度測定孔９から温度を測定しながら、加熱手段８を用いてルツボ２全体を１７００〜２３００℃に加熱する。その結果、混合粉末３中の窒化アルミニウムがアルミニウムと窒素に分解され、種結晶配置具５内を上昇する。そして、アルミニウムと窒素が種結晶４の結晶成長面に堆積、再結晶することによって、所定の方位を有する窒化アルミニウム単結晶が成長する。
【００２４】
この時、結晶成長面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であるから、窒化アルミニウム単結晶の成長層における転位発生の起点となり易い凹凸が極めて小さくなっており、転位の発生を効果的に抑制できる。つまり、結晶成長面の凹部（溝）と凸部（山）の高低差が小さいので、窒化アルミニウム単結晶の成長層における原子配列の規則性が改善されて、転位の発生が抑制される。
なお、結晶成長面の表面粗さＲａは、２ｎｍ以下がより好ましく、さらに１ｎｍ以下が特に好ましい。
以上に説明した通り、本発明を適用して得られた窒化アルミニウム単結晶は、転位が少ない（すなわち転位密度が小さい）ので、半導体デバイス用の基板として好適に使用できる。
【実施例】
【００２５】
図１に示す結晶成長炉を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造した。その手順を説明する。
ルツボ２はタングステン製のものを使用し、窒化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末との混合粉末３をルツボ２に収納した。種結晶４は、同種単結晶である窒化アルミニウム単結晶を使用し、その結晶成長面を化学機械的研磨（ＣＭＰ）して、種結晶配置具５の上蓋内面に固定した。結晶成長面の表面粗さをＡＭＦで測定した測定結果は、表面粗さＲａは０．１１ｎｍ（２μｍ×２μｍの領域内の測定値）であった。
【００２６】
そして、温度測定孔９から温度を測定しながら、加熱手段８を用いてルツボ２を１７００〜２３００℃に加熱して、収納した混合粉末をアルミニウムと窒素に分解し、さらに種結晶４の結晶成長面に堆積、再結晶させて、窒化アルミニウム単結晶を製造した。
【００２７】
次いで、製造した窒化アルミニウム単結晶を所定の結晶方位および所定の厚みに切り出して、ウェハを作製した。切り出したウェハを化学機械的研磨（ＣＭＰ）した。研磨したウェハを水酸化ナトリウムと水酸化カリウムを等量ずつ容器に入れて３００℃で溶融した溶融液の中に１０分間浸漬した後、取り出して水洗し、さらに乾燥した。こうして得た顕微鏡観察用の試料の表面を光学顕微鏡で撮影し、その画像から転位密度を測定した。その結果、転位密度は５．６×１０５個／ｃｍ２であった。これを発明例とする。
【００２８】
一方で比較例として、結晶成長面の表面粗さＲａが２７．３ｎｍ（２μｍ×２μｍの領域内の測定値）の種結晶４を用いて、上記の発明例と同様の手順で窒化アルミニウム単結晶を製造し、さらに転位密度を測定した。その結果、比較例の転位密度は、発明例に比べて大幅に増えており、４．８×１０６個／ｃｍ２であった。
【符号の説明】
【００２９】
１  結晶成長炉
２  ルツボ
３  混合粉末
４  種結晶
５  種結晶配置具
６  ガス排出口
７  ガス導入口
８  加熱手段
９  温度測定孔
【図１】
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