(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の一部分にマスク材を形成する工程と、前記基板の前記マスク材のない部分に凹部を形成する工程と、前記基板を窒化させて前記凹部上に保護膜を形成する工程と、前記マスク材を除去する工程と、前記基板の前記マスク材が除去された領域上に選択的に半導体膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板の主面が（１１１）面であり、前記凹部はストライプ状であり、そのストライプの方向が＜１１−２＞方向である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
主面が（１１１）面である基板上の一部分にマスク材を形成する工程と、前記基板の前記マスク材のない部分にストライプの方向が＜１１−２＞であるストライプ状の凹部を形成する工程と、前記基板を酸化させて前記凹部上に保護膜を形成する工程と、前記マスク材を除去する工程と、前記基板の前記マスク材が除去された領域上に選択的に半導体膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記凹部として溝または穴を形成した請求項１または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記基板としてシリコンを用い、前記マスクとして窒化シリコンを用い、前記保護膜として酸化シリコンを用いる請求項１または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
主面に凸部と凹部とが形成されかつ前記凹部の表面が酸化または窒化された基板と、前記基板の前記主面上に半導体膜が形成され、かつ前記基板の凸部上に窒化アルミニウム膜が形成され、かつ前記窒化アルミニウム膜の上に前記半導体膜が形成された半導体装置。
【請求項７】
前記基板がシリコン基板である請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記凹部が溝または穴である請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体膜や窒化物半導体基板を異種材料基板上に形成する方法およびそれにより得られる窒化物半導体膜や窒化物半導体基板等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等、一般式がＢxＡｌyＧａ1-x-y-zＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される窒化物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、かつ広いエネルギーギャップを持つために、短波長光源や耐環境デバイスとして脚光を浴びている。例えば、窒化ガリウム（以下、ＧａＮ）は約３．４ｅＶの広いエネルギーギャップを持っているために、青色から紫外領域にわたる光を発する発光素子として有望な材料である。
【０００３】
窒化物半導体の単結晶膜は、サファイアやＳｉＣなどの異種材料の基板を用い、その上にＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（分子線結晶成長）法やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などのエピタキシャル法により得ることができる。なかでも、ＨＶＰＥ法は、成長速度が大きいという特徴を持つため、ＧａＮ単結晶基板を作製するための厚膜成長法として注目されている。
【０００４】
ところで、サファイアを基板としてＧａＮ厚膜を成長した場合、サファイアはＧａＮとの格子定数差が１３．８％、熱膨張係数差が２５．５％もあることから、基板との界面で１０10ｃｍ-2と高密度の転位が発生し、また、生じる結晶欠陥あるいは熱歪により亀裂や基板の反りが発生する。
【０００５】
近年、選択成長とマスク上への横方向成長（ＥＬＯＧ）法を利用してマスクの埋め込み構造を作製する方法（特公平６−１０５７９７号公報）により、転位密度が１０6／ｃｍ3程度のＧａＮ単結晶膜を作製できるまでに至っている。
【０００６】
また近年、ＧａＮ膜に溝を形成し、溝の内部に窒化シリコンよりなるマスクを形成し、さらにそのＧａＮ膜の上にＧａＮ層を結晶成長させる方法すなわちＡＢＬＥＧ法が提案されている（Isao Kidoguchi  他、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス第３９巻第Ｌ４５３ページ〜Ｌ４５６ページ（２０００年）、Isao Kidoguchi et. Al., Japanese Journal of Applied Physics Volume 39 (2000) pp. L453-L456）。その結晶成長方法を図４に示し、以下に説明する。
【０００７】
まず、図４（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法によりサファイア基板３１上にＡｌＮまたはＧａＮよりなる緩衝層３２を介してＧａＮ層３３を形成する。次に、ＧａＮ層３３表面にストライプ状のレジストマスク３４を形成し、これをマスクとして台形溝を形成した後、シリコン酸化膜３５を全面に堆積する（図４（ｂ））。その後、リフトオフにより台形溝部にのみシリコン酸化膜３５が残留するようにする（図４（ｃ））。次に、再びＭＯＶＰＥ法により台形溝部を覆うようにＧａＮ層３６を堆積して表面平坦な層を形成するものである（図４（ｄ））。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
サファイア基板等の異種材料基板上に窒化物半導体膜を形成する場合、特に数１０μｍ以上の厚膜を形成する場合に、亀裂と反りが問題となる。亀裂や反りが生じるのは、基板と窒化物半導体膜との間に格子不整合がある場合、基板と窒化物半導体膜との間に熱膨張係数の不整合がある場合やドーピングレベルを大きくしたときに窒化物半導体膜の格子定数が変化する場合である。中でも基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数の不整合は、温度変化に応じた窒化物半導体膜の格子定数の増大または減少に関して生じるものであり、とりわけ成長後の基板温度降下中に生じた場合に窒化物半導体膜にクラックが生じやすくなる。
【０００９】
ＥＬＯＧ法を用いると、基板と窒化物半導体膜との界面に発生する転位の低減が可能であり、また基板と窒化物半導体膜との接触面積が小さいため亀裂や反りがある程度抑制される。しかし、マスク上への横方向成長の際に、マスク材が障害となってマスク上で結晶軸が傾斜する領域が形成されるという問題が生じ、高品質なＧａＮ単結晶膜を作製することが困難である。
【００１０】
一方、ＡＢＬＥＧ法を用いた場合、ＧａＮ層３６が横方向に成長していく際、結晶成長方向に障害物がないような理想的な場合にはＧａＮ層３６の結晶軸の方向が乱れるのを防止できる。しかしながら図４に示す方法では、レジストをリフトオフにより除去する際に例えば図５に示すようにリフトオフ部での凹凸が発生しやすくなって高精度かつ平坦なシリコン酸化膜３５の形成が困難となる。その結果、ＧａＮ層３６を結晶成長させた場合にＧａＮ層３６の結晶軸の傾斜が生じてＧａＮ層３６の結晶性を著しく悪化させてしまう。また、サファイア基板は化学的に安定で硬度が高く加工性に乏しいので、直接台形溝を形成できず一旦ＧａＮ層３６を形成した後に形成することとなるため製造工程が複雑となるだけでなく、ＧａＮ層３６を堆積した後にサファイア基板を研磨やエッチングして除去することが困難である。
【００１１】
上記課題に鑑み、本発明は窒化物半導体膜の形成時に発生する歪や欠陥や結晶軸の傾斜に係わる課題を解決し、また厚膜を成長しても亀裂や反りの問題を克服する高品質の窒化物半導体膜や窒化物単結晶基板、及び簡便かつ安価に達成できる窒化物半導体膜や窒化物単結晶基板の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の一部分にマスク材を形成する工程と、前記基板の前記マスク材のない部分に凹部を形成する工程と、前記基板を窒化させて前記凹部上に保護膜を形成する工程と、前記マスク材を除去する工程と、前記基板の前記マスク材が除去された領域上に選択的に窒化物半導体膜を形成する工程とを有するものである。
【００１３】
この構成により、基板の凹部周辺に凹凸がほとんど生じないので、凹凸などの障害物の存在にともない生じる窒化物半導体膜の結晶軸の傾斜を防止することができる。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法は、主面が（１１１）面である基板上の一部分にマスク材を形成する工程と、前記基板の前記マスク材のない部分にストライプの方向が＜１１−２＞であるストライプ状の凹部を形成する工程と、前記基板を酸化させて前記凹部上に保護膜を形成する工程と、前記マスク材を除去する工程と、前記基板の前記マスク材が除去された領域上に選択的に半導体膜を形成する工程とを有するものである。この構成により、窒化物半導体膜結晶の格子配列を基板の格子配列に近づけることができる。
【００１９】
本発明の半導体装置は、主面に凸部と凹部とが形成されかつ前記凹部の表面が酸化または窒化された基板と、前記基板の前記主面上に半導体膜が形成され、かつ前記基板の凸部上に窒化アルミニウム膜が形成され、かつ前記窒化アルミニウム膜の上に前記半導体膜が形成されたものである。
【００２０】
この構成により、凹部の表面が酸化または窒化された基板を用いているので、結晶軸の傾斜がほとんどない窒化物半導体膜を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係わる窒化物半導体膜及びその製造方法について示したものである。
【００２３】
まず、図１（ａ）に示すように、（１１１）面を主面とする直径２インチのシリコン基板１１上に、ＳｉＮ膜を堆積し、フォトリソグラフィ法とウエットエッチングで成長領域となる部分だけに２００ｎｍ厚のＳｉＮマスク１２を形成する。ＳｉＮマスク１２は、６μｍ間隔に形成した２μｍの幅のストライプ状である。ストライプ方向は＜１１−２＞方向とした。なお、ここで＜１１−２＞方向とは、
【００２４】
【外１】
0004206629.tif 000002
【００２５】
を表す。
【００２６】
続いて、ＳｉＮマスク１２を用いてシリコン基板１１をウエットエッチングし、深さ０．５μｍ、の台形溝を形成する（図１（ｂ））。
【００２７】
次に、１０００℃程度に加熱された酸化炉にシリコン基板１１を配置し、酸素などの酸化媒体を含んだガスを導入し、エッチング保護膜としての厚さ２０００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）１３を台形溝の表面に形成する（図１（ｃ））。ここで、熱酸化によりシリコン基板円周側面にもシリコン酸化膜１３が十分に被覆される。
【００２８】
その後、ＳｉＮマスク１２を熱燐酸でウエットエッチングして除去する（図１（ｄ））。この段階においてシリコン基板を拡大率１００００倍の電子顕微鏡で観察したところ、シリコン基板１１の台形溝周辺に凹凸はほとんど観察されなかった。これは熱酸化により高精度に台形溝部にシリコン酸化膜１３を形成できるからである。
【００２９】
その後、シリコン基板１１を減圧ＭＯＶＰＥ装置内のサセプター上に配置し、Ｎ2ガスを１０ｓｌｍ（１ｓｌｍとは標準状態の気体が１分間に１ｌ流れる流量のことである）の流量で供給しながら、基板温度を１１００℃まで上昇させて１０分間保持し、シリコン基板１１表面のサーマルクリーニングを行う。減圧ＭＯＶＰＥ装置内の圧力を６．６７×１０3Ｐａとした。続いて、基板温度を９５０℃まで降下させて、Ｎ2ガスに加え、流量が１ｓｌｍのアンモニアガスと流量が３０μｍｏｌ／ｍｉｎ（１ｍｏｌ／ｍｉｎとは気体等が１分間に１ｍｏｌだけ流れる流量のことである）のトリメチルアルミニウムを添加して、シリコン基板１１上に２０ｎｍ厚のＡｌＮ緩衝層１４を形成する。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止する。ＡｌＮ緩衝層１４はシリコン酸化膜１３を形成した台形溝部には形成されず、選択的に成長領域のみに形成される（図２（ａ））。これは、台形溝部上に形成されたシリコン酸化膜１３にＡｌＮ成長抑制効果があるためである。ここで、ＡｌＮである必要は必ずしもなく、ＧａＮなど他の材料でも同様の効果が期待できる。
【００３０】
続いて、基板温度を１０５０℃まで上昇させて、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウムを添加して、図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＧａＮ層１５をＡｌＮ緩衝層１４上に積層する。ＧａＮ層１５は次第に台形溝上に広がって行く。成長につれて隣接する成長領域から広がってきた結晶と接して台形溝部を覆い尽くすと、今度は、上方へＧａＮ層１５が堆積される。成長速度は５μｍ／ｈであり、２時間で約１０μｍ厚みのＧａＮ層１５が形成される。その後、トリメチルガリウムの供給を停止し、基板温度を室温まで降下させてシリコン基板１１上に堆積した１０μｍ厚のＧａＮ層１５を得る。
【００３１】
上記本発明の半導体装置の製造方法によれば、独立した成長領域から核を発生させて結晶成長させるので、ＧａＮ層１５の中の内部応力を大幅に低減することができるとともに、シリコン基板１１の台形溝周辺に凹凸がほとんど生じないので、従来の技術において示したようなリフトオフ部でのシリコン酸化膜の凹凸などの障害物の存在にともない発生する結晶軸の傾斜を防止することができる。さらにシリコン基板は安価かつ入手が容易であり、ウエットエッチングやシリコン熱酸化膜の形成等の加工が容易であるので半導体装置の製造コスト低減に有効である。
【００３２】
とりわけシリコン基板を（１１１）面を主面とし、ＳｉＮマスクのストライプ方向を＜１１−２＞方向としているので、ＧａＮ層１５の格子配列をシリコン基板の格子配列に近づけることができる。その結果、より良好な結晶性を有する半導体装置を得ることができる。
【００３３】
上記本発明の半導体装置の製造方法により形成されたＧａＮ層１５は、１０μｍの厚みにもかかわらず、クラックは発生せず、転位密度は１０6ｃｍ-2と良好なものであった。また、結晶軸の傾斜は面内で０．１°以下と良好であり、それに起因した新たな欠陥も認められなかった。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体基板の製造方法について示したものである。
【００３５】
まず、（１１１）面が主面である直径２インチのシリコン基板１１上にＳｉＮ膜を堆積し、フォトリソグラフィ法とウエットエッチングで成長領域となる部分だけに２００ｎｍ厚のＳｉＮマスク１２を形成する工程からＳｉＮマスク１２を熱燐酸でウエットエッチング除去する工程まで、およびシリコン基板１１表面のサーマルクリーニングを行う工程からシリコン基板１１上に２０μｍ厚のＡｌＮ緩衝層１４を形成する工程までは実施の形態１と同じである。
【００３６】
次に、シリコン基板１１をハイドライドＶＰＥ装置内に配置する。反応室を真空に引いて約１０００℃に加熱する。石英のＧａ溜めを８５０℃に加熱しＧａ融液とする。原料ガス導入口から水素ガスと塩化水素ガスの混合ガスをＧａ溜めに導き、塩化ガリウムを合成する。別の原料ガス導入口から水素とアンモニアの混合ガスを導入し、１０００℃に加熱された基板付近で反応を起こさせシリコン基板１１上にＧａＮ層１６を堆積させる。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＧａＮ層１６はＡｌＮ緩衝層１４上に堆積される。ＧａＮ層１６は次第に台形溝上に広がって行く。成長につれて隣接する成長領域から広がってきた結晶と接して台形溝部を覆い尽くすと、今度は、上方へＧａＮ層１６が堆積される。成長速度は１００μｍ／ｈであり、１時間で１００μｍ厚みのＧａＮ層１６が形成される。このように独立した成長領域から核を発生させて結晶成長させるので、ＧａＮ層１６の中の内部応力を大幅に低減することができる。
【００３７】
最後に、ＨＦ：ＨＮＯ3系のエッチャントを用いて、シリコン基板１１をエッチング除去してＧａＮ層１６だけの結晶とし、両面を研磨してＧａＮ単結晶基板を得る（図３（ｄ））。
【００３８】
上記本発明の半導体基板の製造方法によれば、実施の形態１と同様にＧａＮ層１６の中の内部応力を大幅に低減することができるとともに、リフトオフ部でのシリコン酸化膜の凹凸などの障害物の存在にともない発生する結晶軸の傾斜を防止することができる。さらにシリコン基板は安価かつ入手が容易であり、ウエットエッチングやシリコン熱酸化膜の形成等の加工が容易であるので半導体基板の製造コスト低減に有効である。
【００３９】
上記本発明の半導体基板の製造方法により形成されたＧａＮ基板１６は、１００μｍの厚みにもかかわらず、クラックは発生せず、転位密度は１０6ｃｍ-2と良好なものであった。また、結晶軸の傾斜は面内で０．１°以下と良好であり、それに起因した新たな欠陥も認められなかった。
【００４０】
なお、上記実施の形態において、エッチングを成長後に基板温度を下げることなく、高温で基板裏面に塩化水素などのエッチングガスを吹き付けて行うこともでき、この場合、熱膨張係数差にともなう反りや亀裂を無視できるようになるのでより好ましい。
【００４１】
また、ＨＶＰＥ法を用いた成長方法では、成長中にシリコン基板が塩素系ガスにより腐食されるという問題があったが、熱酸化によりシリコン基板円周側面まで十分被覆されるので腐食されることがほとんどない。
【００４２】
さらに、シリコン酸化膜１３の代わりにＳｉＮ膜、とりわけシリコン基板１１を窒化させてできるＳｉＮ膜を用いても同様の効果が得られる。この場合、ＳｉＮマスクの代わりにＳｉＯ2マスクを用い、エッチング液としてフッ酸を用いるとよい。
【００４３】
なお、実施の形態１および２においては、ＧａＮ膜を形成したが、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜等、ＢxＡｌyＧａ1-x-y-zＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される窒化物半導体よりなる膜としても差し支えない。さらに窒化物半導体膜にドーピングしても同様の効果が得られる。
【００４４】
また、実施の形態１および２においてＧａＮ膜を形成する代わりに、シリコン酸化膜を覆って結晶成長する半導体膜（窒化物半導体よりなる膜に限らない）を形成してもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態では成長領域として＜１１−２＞方向のストライプとしたが、これに限定されるものでなく、ドット状でもよい。また、基板にはシリコンを用いたが、必ずしもこれに限定されるものでなく、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板などでもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体基板の製造方法、半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、異種材料基板を用いる場合に熱膨張係数差によって生じる亀裂や反りを抑制できて、高品質な窒化物半導体膜を有する半導体装置や半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図４】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図
【図５】従来の半導体装置の製造方法におけるリフトオフ部のシリコン酸化膜形状を示す見取り図
【符号の説明】
１１  シリコン基板
１２  ＳｉＮマスク
１３  シリコン酸化膜
１４  緩衝層
１５，１６  ＧａＮ層
【図１】
0004206629.tif 000003
【図２】
0004206629.tif 000004
【図３】
0004206629.tif 000005
【図４】
0004206629.tif 000006
【図５】
0004206629.tif 000007