(57)【要約】  III族窒化物結晶構造を成長させる方法は、シリコン基板（１２）を用意する工程と、第１マスクを基板上に形成して、第１マスクはシリコン基板の各領域をそれぞれ露出させる複数の開口（１４）を有するようにする工程と、開口の各々によって露出されるシリコンをエッチングして、複数のファセット（１８、２０、２２、２４）を有するリセス（１６）の各々を形成する工程と、各リセスのうちの幾つかのファセットを覆う第２のマスクを堆積させ、各リセスのファセットのうちの少なくとも１つ（２２）を露出させたままとする工程と、露出しているファセット（２２）の上に、次に基板全体にIII族窒化物を成長させて連続層を形成する工程とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物結晶構造の成長方法であって、
シリコン基板を用意する工程と、
前記シリコン基板上に、前記シリコン基板の各々の領域を露出させる複数の開口を有する第１マスクを形成する工程と、
前記開口の各々から露出されるシリコンをエッチングして、複数のファセットを有する対応するリセスを形成する工程と、
各リセスのファセットのうちの幾つかのファセットを覆う第２のマスクを堆積し、各リセスのファセットのうちの少なくとも１つを露出させたままとする工程と、
露出されたファセットの上にIII族窒化物を成長させ、次に基板全体にIII族窒化物を成長させて連続層を形成する工程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
エッチング工程は、異方性ウェットエッチングを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
リセスの各々のファセットの各々は、実質的に三角形又は台形形状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】
各リセスは、底部が点をなす先細り形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の方法。
【請求項５】
各リセスの唯一のファセットが、該ファセット上でのIII族窒化物の成長のために露出された状態に残されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の方法。
【請求項６】
各リセスは、（１−１１）ファセットを有し、該（１−１１）ファセットは、該（１−１１）ファセット上でのIII族窒化物の成長のために露出された状態に残されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の方法。
【請求項７】
III族窒化物は、最初に、各リセスの（１−１１）シリコンファセット上に（０００１）III族窒化物として成長し、次に、III族窒化物は、リセスの外へと成長し結合して（１１−２２）III族窒化物の単一層を形成することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一に記載の方法。
【請求項８】
バッファ層が、III族窒化物の成長前に、露出されたファセット上に堆積されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一に記載の方法。
【請求項９】
前記開口は、規則的なアレイに配列されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一に記載の方法。
【請求項１０】
III族窒化物は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮの何れかであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一に記載の方法。
【請求項１１】
シリコン基板を有し、該シリコン基板上にIII族窒化物の層を有するテンプレートであって、
前記基板は該基板上に形成されたリセスのアレイを有し、該リセスの各々は複数のファセットを有し、ファセットのうち該ファセットの上にマスクを備えたファセットもあり、各リセスにおけるファセットのうちの少なくとも１つは、該少なくとも１つのファセットの上に成長されたIII族窒化物を有し、該III族窒化物は、リセスのアレイを覆う連続層を形成することを特徴とするテンプレート。
【請求項１２】
リセスの各々のファセットの各々は、実質的に三角形で有り、各リセスは、底部が点をなす先細り形状であることを特徴とする請求項１１に記載のテンプレート。
【請求項１３】
各リセスにおいて１のファセットのみが、該ファセットの上にIII族窒化物を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のテンプレート。
【請求項１４】
各リセスは、（１−１１）ファセットを有し、該ファセットの上にIII族窒化物が成長されることを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか一に記載のテンプレート。
【請求項１５】
III族窒化物は、ＧａＮであることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一に記載のテンプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非極性及び半極性結晶構造の成長と、係る構造を含むテンプレートとに関する。本発明は、シリコン上での半極性又は非極性のＧａＮの成長での特別な用途を有し、半極性窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、半極性窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、又は半極性窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等の他のIII族窒化物に対しても使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
最近の４０年間は、世界的な半導体市場の９０％を超える割合を占めながら、シリコン技術によって生じた半導体産業に類のないインパクトをみせてきた。シリコンをベースにした成熟した費用対効果のある技術を考慮すれば、III-Ｖ族技術のシリコン技術との統合は、エレクトロニクス及びフォトニクスベースの半導体集積に対して優れた解決法を提供する潜在性を有する。全般照明は、全世界の全エネルギ消費の１９％を消費する。エネルギ不足及び気候変動の結果、効率的なエネルギ技術に対する需要が相当増加したことにより、発熱ランプを蛍光灯に置き換えるために、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）に基づいた省エネ固体発光源を開発する必要がある。白色ＬＥＤの製造は、主にIII族窒化物半導体において行われる。III族窒化物の分野において達成される主な業績は、主に、（０００１）サファイヤ、極性方位での成長に限定されている。これは、分極の問題を生じ、ピエゾ電界になる。結果として、デバイスは、電子及び正孔波動関数の間のオーバーラップの減少を生じ、長期に亘る放射性再結合になり、低量子効率になる。
【０００３】
シリコン上でのＧａＮの成長（すなわち、ガン・オン・シリコン技術）が台頭したが、極性ｃ−面ＧａＮに限定されている。ガン・オン・シリコン技術の使用の結果である材料の問題は、ガン・オン・サファイアに比較して、さらに一層厳しくなっている。故に、シリコン上に結晶の質が高い半極性又は非極性ＧａＮを得るために、新しい成長技術の発現に需要がある。最も可能性があるアプローチは、内部電場の問題を解決し、故に、ＩＱＥでのステップ変化を達成することである。
【０００４】
過去１０年の間、いくつかのグループが、世界的に、シリコン上での半極性・非極性ＧａＮの成長に相当の努力を費やしてきた。しかしながら、結果は、シリコン上で半極性・非極性ＧａＮの成長を相当に制限している多数のチャレンジのせいで満足からかけ離れていた。
【０００５】
サファイア基板とは異なり、極性シリコン基板上に非極性・半極性ＧａＮを得ることは相当困難である。これまで、（（１１−２２）及び（１−１０１）配向を含む）シリコン上の半極性ＧａＮは、例えば、ＫＯＨを使用して（１１３）シリコンを異方性ウエットエッチングして、（１−１１）ファセットを備えた傾斜ストライプを有する矩形シリコンパターンを作成した、パターン化されたシリコン基板上での成長によってのみ得ることができた。（１−１１）ファセットは、（１１３）シリコンの面に対し５８度の位置にある。この場合、ＧａＮ成長は、半極性ＧａＮを形成するために、選択的に（１−１１）シリコンファセット上で行われる。
【０００６】
シリコン上でのＧａＮの成長は、いわゆる「Ｇａメルトバック」エッチング問題を避ける必要がある。これは、成長したＧａＮとシリコンとの間の強力な化学反応に起因し、粗悪な表面状態や、最終的な結晶崩壊につながる。平坦なシリコン基板にとって、（１１１）シリコン上の極性ｃ面ＧａＮなどの、シリコン基板からＧａＮ層を完全に分離できるＡｌＮバッファ層の初期堆積によって簡単に解決することは易しい。しかしながら、傾斜ストライプを有するパターン化（１１３）シリコン上での成長にとって、多数の残留ボイドが成長過程の間に生じていることは、避けられないことであり、成長したＧａＮが直接シリコンに接触するように残される（図１参照）。メルトバックエッチングは、成長温度の増加に伴い増加する。現在の解決策は、メルトバックエッチングを抑制するために、ＧａＮエピタキシャル成長にとって受け入れないポイントまで成長温度を下げることである。結果として、結晶品質は、満足には程遠い。
【０００７】
図１に示されるような２ステップ選択成長法が、名古屋の天野によって提案された（T Murase, T Tanikawa, Y Honda, M Yamaguchi, H Amano and N Sawaki, Jpn. J. Appl. Phys. 50, 01AD04 (2011)）。三角形ＧａＮストライプテンプレートが、上記と同一のアプローチを使用して（１１３）シリコンの上の傾斜（１−１１）ストライプファセットに用意され、さらなる再成長のために三角ＧａＮストライプを選択的にカバーするために、ＳｉＯ2マスクの層の堆積が続く。この場合、再成長は、覆われていない領域上に選択的に生じる。これらは、非常に感動的な結果を出した。しかしながら、このアプローチはいくつかの問題を有する。第１に、メルトバックの問題は解決していない。第２に、選択的再成長に対し、三角ＧａＮストライプのエッジでの小（０００１）面は、（０００１）に沿った成長を避けるために、ＳｉＯ2によって慎重にカバーされる必要がある（図１に円で示す）。これは、大変困難であると証明された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半極性又は非極性III族窒化物結晶又はテンプレートを成長する方法を提供する。この方法は、シリコン基板を用意し、基板上に第１マスクを形成する。マスクは、複数の開口を有し、当該開口を介して、シリコン基板上の対応領域を露出させる。さらに、開口の各々によって露出されたシリコンをエッチングして、各々が複数のファセットを有するリセスを形成する。各リセスのファセットのうちの幾つかに第２マスクを堆積し、各リセスのファセットのうち少なくとも1つのファセットを露出させたままに残す。露出させたファセットの上にIII族窒化物を成長させる。この方法は、さらに、基板を覆うようにIII族窒化物を成長させて連続層を形成する。ここで、適宜のマスク材料が、リセスの間の基板に残される。成長は、基板の表面に直接的ではなく，マスク材料を覆っていても良い。層は、複数のリセスを覆うように延び、また、全てのリセスを覆っていても良い。
【０００９】
第１マスクは、III族窒化物の成長前に除去しても良い。
【００１０】
エッチングは、異方性ウエットエッチングを使用して、例えば、腐食液としてＫＯＨを使用して行われる。
【００１１】
リセスの各々のファセットの各々は、実質的に三角形又は台形形状である。各リセスは、底部が点となる先細り形状である。各ファセットは、水平面に対して傾斜していて、一部が上方を向いている。故に、各開口は、側部がオーバーハングしていない。
【００１２】
各リセスにおいて１のファセットのみが、その上へのIII族窒化物の成長のために露出された状態で残される。
【００１３】
各リセスは、（１−１１）ファセットを有し、該ファセットは、その上へのIII族窒化物の成長のために露出されたままである。
【００１４】
III族窒化物は、最初に、各リセスの（１−１１）シリコンファセットの上に（０００１）III族窒化物として成長する。次に、III族窒化物は、リセスの外へと成長し結合して（１１−２２）III族窒化物の単一の層を形成する。他の実施の形態の形態において、III族窒化物の最後の層は、（００１）Ｓｉ上の（１−１０１）III族窒化物、又は、（１１０）Ｓｉ上の（１１−２０）極性III族窒化物である。
【００１５】
III族窒化物は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮの何れかである。
【００１６】
バッファ層が、III族窒化物の成長の前に露出されたファセットの上に堆積される。
【００１７】
開口は、正方形アレイ、矩形アレイ、六角形アレイ、傾斜アレイ、又は面心長方形（又はひし形）アレイ等の規則的な２Ｄアレイに配列されている。場合によっては、規則性のない、又は不規則なアレイが使用される。開口の各々は、正方形、長方形、三角形、六角形、又は円形である。
【００１８】
本発明は、さらに、基板上にIII族窒化物の層を有するシリコン基板を備えたテンプレートを提供する。この場合、基板は、該基板上に形成されたリセスのアレイを有し、各リセスは、複数のファセットを有する。ファセットのうち、その上にマスクが形成されているファセットもある。各リセスにおいて少なくとも１つのファセットは、その上にIII族窒化物が成長されている。III族窒化物は、リセスのアレイを覆う層を形成する。III族窒化物は、半極性、又は非極性、または極性を有する。
【００１９】
上記方法やテンプレートは、さらに、本発明の好ましい実施の形態の特徴の１つ、又は複数を有する。当該特徴を図面を参照しながら以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】三角断面ＧａＮストライプを使用する周知の２ステップ成長法を示す。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態による成長法における各工程を示す。
【図３ａ】図２（ｄ）のパターン化Ｓｉ基板のＳＥＭ画像である。
【図３ｂ】図３ａの基板の（１−１１）Ｓｉファセットにのみ成長させたＧａＮのＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図２（ａ）から図２（ｅ）を参照して、（１１３）シリコン上に原子的にフラットな（１１−２２）ＧａＮテンプレートを製造する方法を記載する。最初に、（１１３）シリコン基板、すなわち、その結晶構造の（１１３）面に平坦面を有するシリコン基板が用意される。図２（ａ）に示されるように、ＳｉＯ2薄膜１０が、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって（１１３）シリコン基板１２の表面に堆積される。他の実施の形態の形態では、ＳｉＯ2は、電子ビーム蒸着装置又はスパッタリング堆積を使用して堆積される。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、窓のアレイ１４、本実施の形態では、真四角のアレイが、ＳｉＯ2フィルムを介してエッチするために標準フォトリソグラフィ及びドライエッチング法（本実施の形態では反応性イオンエッチングＲＩＥ）を使用して、ウエハ全体に亘って開口として形成される。この真四角のアレイは、窓のサイズが２×２μｍの正方形であり、およそ１μｍの間隔で分離されている。なお、窓のサイズは、５００×５００ｎｍから１０×１０μｍまでの範囲の値であれば、大きくても小さくても良い。また、窓の間隔は、１００ｎｍから５μｍまでの範囲の値を取り得る。窓の形状は、矩形、円形、又は他の形状でも良い。各窓１４は、シリコン基板１２の表面領域を露出させる。
【００２３】
次に、図２（ｃ）に示されるように、４つの異なる（１１１）ファセット１８、２０、２２、２４を有するリセス１６が、各窓１４の領域内のシリコン基板に形成される。これは、異方性エッチング工程によって、この場合は、腐食剤としてＫＯＨを使用する異方性ウエットエッチングによって行われる。４つのファセット１８、２０、２２、２４は、それぞれ実質的に平坦であり、シリコンの異なる（１１１）面、特に（１１１）面２０、（−１１１）面２４、（−１−１１）面１８、（１−１１）面２２の対応するものにある。これらのファセットの各々は、トップ（１１３）表面に対し９０度未満で傾斜しているので、一部が上方に面し、一部が内側に面する。また、各々が、リセスの対応する上辺に沿う一端部を有し、リセスの底部にポイントがある三角形である。エッチングが場所によってはＳｉＯ2フィルムをアンダーカットするので、最後のリセスのトップは、正確には窓１４と同一の正方形状ではなく、実際には台形である。次に、ＳｉＯ2１０は、希釈フッ化水素酸を使用して図２（ｄ）に示されるように除去される。
【００２４】
次に、図２（ｅ）に示されるように、ＳｉＯ2が、（１１１）、（−１１１）及び（−１−１１）ファセットに堆積され、（１−１１）ファセットが覆われずに残される。ＳｉＯ2は、各リセスの間の領域（すなわち、（１１３）シリコンのエッチされなかった部分）にも堆積される。これは、電子ビーム蒸着法を使用し、さらにパターン化されたシリコンを傾斜させることによって簡単に達成される。電子ビームは、基板のエッチされた表面全体を覆うのに十分に広いものである。また、基板のエッチされた表面は、電子ビーム（ＥＢ）蒸着チャンバ内におけるＥＢの方向とは垂直ではない。傾斜角度を選択することによって、電子ビームは、（１１１）、（−１１１）及び（−１−１１）ファセットに入射するが、（１−１１）ファセットには入射しない（又は、相当量にはならない）。
【００２５】
次に、最終のパターン化シリコンが、（１１−２２）ＧａＮの成長のために使用され、この成長は、ガン・オン・シリコン（GaN-on-silicon）のための典型的なプロシージャアプローチによって覆われていない（１−１１）ファセットの上にのみ実行される。本実施の形態では、ＧａＮの成長は、露出しているシリコンファセットの上のＡｌＮ層の初期堆積によって達成され、ＧａＮ層の成長が続く。成長は、最初は、これらのファセットが面する方向において、露出したシリコンファセットの上で行われる。しかしながら、露出したファセットの周りの成長は、リセスから外へ、さらにシリコンの（１１３）表面を横切るように延びるので、ＧａＮは、統合されて単一の連続層を形成する。この連続層は、オリジナル（１１３）シリコン表面に平行であり、且つＧａＮ構造の（１１−２２）面に平滑な表面を有する。
【００２６】
パターン化（１１３）シリコンの製造のための本実施の形態の方法は、図１を参照して上述される傾斜ストリップパターンアプローチとは完全に異なる。本実施の形態の方法は、リセスの側面を形成するファセットの全てが一部上方を向き、故に、リセスに対する側面へのオーバーハングの無い「オープン」構成になる。そして、ＳｉＯ2フィルムは、（１−１１）ファセットを除いた全てのファセットを覆うことができ、「Ｇａメルトバック」問題を除外する。対照的に、図１の傾斜ストリップパターンアプローチは、一種の「クローズド」構成であり、故に、ＳｉＯ2を堆積して（−１１−１）ファセットをカバーすることは不可能であり、「Ｇａメルトバック」が生じる可能性を残す。Ｇａメルトバックは、傾斜ストリップパターンアプローチに対する基本的な限界である。
【００２７】
図３ａは、パターン化（１１３）シリコンの一部の典型的なＳＥＭ平面画像を示す。パターン化（１１３）シリコンは、２インチウエハを横切るように延びている。ここで、４つの（１１１）ファセットが、上記の且つ図２（ｄ）で示されるようなＫＯＨ異方性ウエットエッチングによって、サイズが２×２μｍの各窓領域内に形成される。
【００２８】
図３ｂは、図３ａのパターン化シリコン上で成長した（１１−２２）ＧａＮの断面ＳＥＭ画像を示し、ＧａＮが（１−１１）シリコンファセットの上にのみ成長していることを示している。ＧａＮは、リセスの各々において（１−１１）シリコンファセットの面に対して垂直な方向に（０００１）ＧａＮとして成長する。ＧａＮが成長するにつれて、各リセス内での成長は、リセスの外に延び、次に横方向に広がって、ＧａＮの連続層を形成する。このＧａＮ層は、（１１−２２）表面が最初の（１１３）シリコン表面に対して平行である。さらに、成長は、垂直方向、すなわち最初の（１１３）シリコン表面に対して垂直な方向に沿って（１１−２２）ＧａＮを形成する。さらに、成長フロントの合流によるボイドが、明確に確認される。これは、欠陥の減少と歪みの軽減とに役立つことが期待されている。ＳＥＭによるウエハ全体の検査は、「Ｇａメルトバック」エッチングの兆候がないことを明らかにした。さらに、Ｘ線測定によって（１１−２２）ＧａＮのみが形成されたことが確認された。
【００２９】
上記の実施の形態の様々な変形例において、様々なIII族窒化物が同じ基板に成長する。この方法は、上記と同じであり、完成したテンプレートは、図３ｂに示すものに相当する。さらなる変形例において、開口のシンプルな矩形アレイよりも、マスクが変更されて、開口が長方形のアレイに配列される。他の変形例では、六角形のアレイに配列される。これらの実施の形態に対するさらなる変形例では、開口の向きが変更される。開口は、図２（ｂ）に示す位置に対して回転され、故に、開口のサイドは、開口の列の方向に整列しない。さらなる変形例において、開口の形状が変更され、長方形のときもあり、三角形状や六角形状のときもある。
【符号の説明】
【００３０】
１０  第１マスク
１２  シリコン基板
１４  開口
１６  リセス
１８、２０、２２、２４  ファセット
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
2017523599.tif 000005
【図３ｂ】
2017523599.tif 000006
【国際調査報告】
2017523599.tif 000007
2017523599.tif 000008
2017523599.tif 000009