JP2010168273A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法、およびテンプレート基板 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造すること。
【解決手段】ａ面サファイア基板１０の表面１０ａに、ＩＣＰエッチングで長手方向がサファイア基板１０のｍ軸方向に平行なストライプ状に凹部１１を形成する（図１（ａ））。次に、サファイア基板１０を、反応性マグネトロンスパッタに導入し、厚さ７５〜１２５ÅのＡｌＮ膜１２を形成する（図１（ｂ））。次に、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、１０２０〜１０６０℃まで昇温する。続いて、凹部１１の側面１１ａにＧａＮ結晶１３をエピタキシャル成長させる（図１（ｃ））。成長が進むと、サファイア基板１０の表面１０ａはＧａＮ結晶１３に覆われていき、平坦なＧａＮ結晶１３が形成される（図１（ｄ））。このＧａＮ結晶１３の主面はｍ面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｍ面やａ面などの非極性面や、ｒ面などの半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。また、成長基板上に非極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体が形成されたテンプレート基板に関する。

従来、III 族窒化物半導体からなる半導体素子を作製する場合、サファイア基板などの成長基板上にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向に積層させていた。しかし、III 族窒化物半導体のｃ軸方向には結晶構造の歪に起因してピエゾ電界が発生し、素子性能の低下の要因となっており、たとえば発光素子では内部量子効率の低下が生じていた。

そこで近年、ピエゾ電界による素子性能の低下を回避するために、ａ面、ｍ面、ｒ面などの非極性面、半極性面を主面とするＧａＮ基板、ＧａＮテンプレート基板を作製し、これを成長基板として用いることが検討されている。

ｍ面やａ面を主面とするＧａＮ基板の製造方法の１つは、サファイアなどの異種基板上にｃ面を主面とするＧａＮ層を厚く成長させ、このＧａＮ層をｍ面やａ面に平行に切り出す方法である。

また、特許文献１には、主面をａ面またはｍ面とするサファイア基板を成長基板として用い、この成長基板に長手方向をｃ軸方向とするストライプ状の凹部を形成し、成長基板表面、凹部側面の一方の面、および凹部底面の一部にＳｉＯ₂ からなるマスクを形成し、凹部側面の他方の面のみにバッファ層を形成し、バッファ層を設けた凹部側面からＧａＮを成長させることで、主面をａ面またはｍ面とするＧａＮテンプレート基板が得られることが示されている。

特開２００６−３６５６１

しかし、従来の方法で得られるｍ面、ａ面のＧａＮ基板は、ＧａＮ層の厚さにより基板のサイズが決まるため、大きなサイズの基板を作製することができず、量産性に乏しい。また、ＧａＮ層は、成長基板に近い側ほど結晶性が悪く、成長基板から遠い側ほど結晶性がよいため、このＧａＮ層を切り出して得られるｍ面、ａ面のＧａＮ基板には、その面内に結晶性のばらつきが生じていた。

また、特許文献１の方法では、マスクやバッファ層を選択的に形成することが難しく、製造工程が複雑であり、結晶性のよいａ面またはｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を再現性よく成長させることが難しかった。

そこで本発明の目的は、ａ面、ｍ面、ｒ面などの非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を、結晶性、再現性よく形成することができるIII 族窒化物半導体の製造方法を提供すること、および成長基板上に非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体が形成されたテンプレート基板を提供することである。

第１の発明は、成長基板の表面に、エッチングによって凹部を形成する凹部形成工程と、凹部形成工程の後、成長基板の表面に、スパッタによりバッファ膜を形成するバッファ膜形成工程と、基板を水素とアンモニアを含む雰囲気中で、III 族窒化物半導体の成長温度まで昇温する昇温工程と、凹部側面に、その成長温度でIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる結晶成長工程と、を有し、バッファ膜の厚さおよび成長温度は、III 族窒化物半導体が主として凹部側面から成長基板の主面に平行な方向へ成長する値である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、ｎ型化、ｐ型化などのために不純物がドープされているもの、およびＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示し、ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが用いられる。

また、凹部側面とは、成長基板に凹部を形成することで露出した面のうち、成長基板の主面に平行でない面を意味する。

成長基板には、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、スピネル、などの六方晶系の材料を用いることができるが、入手の容易さ、III 族窒化物半導体との格子整合性などの点からサファイア基板を用いるのが望ましい。

バッファ膜を形成するためのスパッタは、マグネトロンスパッタを用いることが望ましい。バッファ膜は、III 族窒化物半導体を主として凹部側面から成長基板の主面に平行な方向へ成長させることができる材料であればよく、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどを用いることができる。特に、サファイアとの格子整合性からＡｌＮを用いるのが望ましい。

凹部側面からIII 族窒化物半導体を主として成長基板の主面に平行な方向へエピタキシャル成長させるには、たとえば平坦な成長基板上にバッファ膜を介してIII 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へ成長させる時のバッファ膜の厚さよりもバッファ膜を薄くし、平面状の成長基板にバッファ膜を介して一様に成長基板の主面に垂直な方向へIII 族窒化物半導体を成長させる際の成長温度よりも低い成長温度とすれば可能となる。サファイア基板の平坦な主面上に、ＡｌＮからなるバッファ膜を形成して、そのバッファ膜の主面に垂直に、III 族窒化物半導体をｃ軸方向へ成長させる場合には、通常、バッファ膜の厚さを少なくとも１５０〜２００Åとしている。したがって、本発明において、成長基板の凹部の側面に垂直な方向へのIII 族窒化物半導体の成長速度を、基板の主面に垂直な方向への成長速度よりも大きくするためには、バッファ膜の厚さを１５０Å以下とすればよい。したがって、バッファ膜の厚さは、１５０Å以下が望ましい。成長したIII 族窒化物半導体の平坦性を良くするためには、バッファ膜の厚さは、５５Å以上が望ましい。したがって、バッファ膜の厚さは、５５Å以上、１５０Å以下が望ましい。また、５５〜１２５Åとすれば、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性がより良くなるので、さらに、望ましい。さらに望ましいのは７５〜１２５Åである。これらの厚さのバッファ膜としては、ＡｌＮを用いることが望ましい。
また、III 族窒化物半導体を平坦なサファイア基板上にバッファ膜を介してｃ軸方向へ成長させる際の成長温度は、通常１１００℃より高い温度であるから、成長温度を１１００℃以下とすれば、III 族窒化物半導体を、主として、凹部側面から成長基板の主面に平行な方向へ成長させることができる。また、成長温度は１０２０℃以上が望ましい。１０２０℃よりも低いとIII 族窒化物半導体の結晶性が悪化してしまうからである。したがって、III 族窒化物半導体の成長温度は、１０２０以上、１１００℃以下とすることが望ましい。成長温度を１０２０〜１０６０℃とすれば、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性がより良くなるので、さらに望ましい。さらに望ましいのは１０３０〜１０５０℃である。バッファ膜の厚さは、主面に垂直な方向には、III 族窒化物半導体が成長しない厚さ以下であり、結晶性が損なわれない厚さが必要である。バッファ膜として、ＡｌＮを用いて、バッファ膜の厚さを１５０Å以下とすることが最も望ましい。本発明は、バッファ膜は成長基板の平面上にIII 族窒化物半導体を成長させずに凹部の側面から横方向にIII 族窒化物半導体を成長させるものである。

成長基板表面に形成する凹部の平面パターンは、ストライプ状、格子状、六角形、三角形、円形などのドット状、など任意のパターンでよい。また、凹部の成長基板垂直方向の断面についても、所望のIII 族窒化物半導体の主面の面方位に応じて、矩形、台形、くさび形など任意の形状としてよい。

第２の発明は、第１の発明において、バッファ膜の厚さは、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際に用いるバッファ膜の厚さよりも薄く、成長温度は、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、成長基板はサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。この場合、III 族窒化物半導体を成長させる凹部側面は、サファイアｃ面またはａ面との成す角がなるべく小さいことが望ましい。これは、成す角が小さいほどIII 族窒化物半導体がｃ軸方向へ成長しやすいからである。逆に言えば、サファイアｃ面またはａ面との成す角が大きい側面からは、III 族窒化物半導体が成長しづらいということである。最も望ましいのは、III 族窒化物半導体を成長させる凹部側面がｃ面またはａ面であることである。

第４の発明は、第３の発明において、凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、結晶成長工程は、サファイアのｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第５の発明は、第４の発明において、成長基板は、ａ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第６の発明は、第４の発明において、成長基板は、ｍ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第７の発明は、第４の発明から第６の発明において、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に凹部が形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、成長温度は、１０２０〜１１００℃であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第９の発明は、第３の発明において、凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、結晶成長工程は、サファイアのａ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１０の発明は、第９の発明において、成長基板は、ｃ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１１の発明は、第９の発明または第１０の発明において、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に凹部を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１２の発明は、第１の発明から第１１の発明において、バッファ膜は、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１３の発明は、第１２の発明において、バッファ膜はＡｌＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１４の発明は、第４の発明から第８の発明において、バッファ膜はＡｌＮであり、バッファ膜の厚さは、１５０Å以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１５の発明は、第１の発明から第１４の発明において、エッチングはドライエッチングであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１６の発明は、第１５の発明において、ドライエッチングは、ＩＣＰエッチングであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１７の発明は、第１の発明から第１６の発明において、マグネトロンスパッタであることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。

第１８の発明は、表面に凹部が形成された、ａ面を主面とするサファイア基板と、成長基板の表面、凹部側面、および凹部底面に形成されたバッファ膜と、バッファ膜を介してサファイア表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ｍ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第１９の発明は、表面に凹部が形成された、ｍ面を主面とするサファイア基板と、成長基板の表面、凹部側面、および凹部底面に形成されたバッファ膜と、バッファ膜を介してサファイア表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第２０の発明は、第１８の発明または第１９の発明において、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に凹部が形成されていることを特徴とするテンプレート基板である。

第２１の発明は、表面に凹部が形成された、ｃ面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板の表面、凹部側面、および凹部底面に形成されたバッファ膜と、バッファ膜を介してサファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、を備え、凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、ことを特徴とするテンプレート基板である。

第２２の発明は、第２１の発明において、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に凹部が形成されていることを特徴とするテンプレート基板である。

第２３の発明は、第１８の発明から第２２の発明において、バッファ膜は、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とするテンプレート基板である。

第２４の発明は、第２３の発明において、バッファ膜は、ＡｌＮであることを特徴とするテンプレート基板である。

第２５の発明は、第１８の発明から第２０の発明において、バッファ膜はＡｌＮであり、バッファ膜の厚さは、１５０Å以下であることを特徴とするテンプレート基板である。

第１の発明では、よく知られているＥＬＯ成長技術で用いるマスクを設けずに、スパッタによるバッファ膜を設け、成長基板に形成した凹部の側面に、III 族窒化物半導体を成長基板の主面に平行な方向へエピタキシャル成長させている。これにより、非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を、高品質に形成することができる。また、バッファ膜をスパッタで形成するため、そのバッファ膜の特性が安定しており、非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を再現性よく形成することができ、量産性にも優れている。また、成長基板を熱処理などによりエッチングダメージを回復させる工程を行わないので、簡便な工程により非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができる。なお、形成されるIII 族窒化物半導体の主面の面方位は、成長基板の結晶構造、格子定数、成長基板主面の面方位、凹部側面の面方位などに依存する。たとえば、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、主面をａ面とし、凹部側面をｃ面とすれば、主面をｍ面とするIII 族窒化物半導体を得ることができ、主面をｍ面とし、凹部側面をｃ面とすれば、主面をａ面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。

また、第２の発明によると、バッファ膜の厚さを、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際に用いるバッファ膜の厚さよりも薄くし、且つ、成長温度を、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低くすることで、成長基板の凹部側面からIII 族窒化物半導体を主として成長基板の主面に平行な方向へエピタキシャル成長させることができる。すなわち、成長基板の主面に垂直の方向の成長速度よりも凹部の側面に垂直な方向の成長速度を大きくすることができる。したがって、成長基板の凹部側面からIII 族窒化物半導体を主としてｃ軸方向へエピタキシャル成長させることができる。

また、第３の発明のように、成長基板にはサファイアを用いることができ、低コストで大面積の非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第４、９の発明のように、III 族窒化物半導体はサファイアｃ面またはａ面に結晶成長しやすいことから、凹部側面をｃ面またはａ面とすることで効率的に結晶性のよい非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第５の発明のように、ａ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。また、第６の発明のように、ｍ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ｃ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第７の発明のように、長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状の凹部とすれば、結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第８の発明のように、III 族窒化物半導体の成長温度は１０２０〜１１００℃とするのが望ましく、これにより凹部側面に成長するIII 族窒化物半導体の成長方向を、ｃ軸方向が支配的となるようにすることができ、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性をより良くすることができる。

また、第１０の発明のように、ｃ面を主面とするサファイア基板を成長基板として用い、ａ面である凹部側面にIII 族窒化物半導体をｃ軸方向にエピタキシャル成長させれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第１１の発明のように、長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状の凹部とすれば、結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第１２の発明のように、バッファ膜にはＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎを用いることができ、特に第１３の発明のように、ＡｌＮを用いることができる。第１４の発明のように、バッファ膜の厚さを１５０Å以下とすれば、より結晶性、表面平坦性に優れた非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を製造することができる。

また、第１５の発明のように、エッチングにはドライエッチングを用いることができ、特に第１６の発明のようにＩＣＰエッチングを採用することができる。また、第１７の発明のように、スパッタにはマグネトロンスパッタを採用することができる。

また、第１８の発明から第２５の発明によるテンプレート基板は、III 族窒化物半導体層の結晶性、平坦性が優れており、このテンプレート基板上にIII 族窒化物半導体を積層させて半導体素子を作製すれば、ピエゾ電界による影響のない半導体素子を得ることができる。

実施例１のＧａＮテンプレート基板の製造工程について示した図。 ＧａＮ結晶１３表面のＸ線回折結果を示した図。 ＡｌＮ膜１２形成時のスパッタ時間とＸ線ロッキングカーブ半値幅との関係を示したグラフ。 ＧａＮ結晶１３の表面を撮影した写真。 ３インチ基板を用いた場合において、ＡｌＮ膜１２形成時のスパッタ時間とＸ線ロッキングカーブ半値幅との関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１は、ｍ面を主面とするＧａＮテンプレート基板の製造方法である。その製造工程について、図１を参照に説明する。

（凹部形成工程）
まず、ａ面を主面とするサファイア基板１０（本発明の成長基板に相当）の表面１０ａに、マスクを用いてＩＣＰエッチングすることで、長手方向がサファイア基板１０のｍ軸方向に平行なストライプ状に凹部１１を形成する（図１（ａ））。凹部１１のｃ軸に平行な面での断面は矩形であり、凹部１１の側面１１ａにはサファイアのｃ面が露出し、凹部１１の底面１１ｂには、サファイアのａ面が露出する。

（バッファ膜形成工程）
次に、凹部を形成したサファイア基板１０を、反応性マグネトロンスパッタに導入し、５００℃でＡｌＮ膜１２（本発明のバッファ膜に相当）を形成する（図１（ｂ））。この時、ＡｌＮ膜１１はサファイア基板１０の表面１０ａだけでなく、凹部１１の側面１１ａや凹部１１の底面１１ｂにも形成されるが、凹部１１の側面１１ａには、サファイア基板１０の表面１０ａや凹部１１の底面１１ｂよりもＡｌＮ膜１２が薄く形成されている。以下でＡｌＮ膜１２の厚さという場合、サファイア基板１０の表面１０ａ上に形成されるＡｌＮ膜１２の厚さをいうものとする。

なお、通常は、ＩＣＰエッチングによるサファイア基板１０のダメージを回復させるために、ＡｌＮ膜１２を形成する前にサファイア基板１０を１０００℃以上に加熱する処理を行うが、実施例１では、このダメージ回復の熱処理は行わず、凹部１１の側面１１ａや凹部１１の底面１１ｂにＩＣＰエッチングによるダメージが残った状態でＡｌＮ膜１２を形成する。

（昇温工程）
次に、ＡｌＮ膜１２を形成したサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、成長温度まで昇温する。

（結晶成長工程）
続いて、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）を導入し、凹部１１の側面１１ａにＧａＮ結晶１３をエピタキシャル成長させる。ＧａＮ結晶１３は、サファイア基板１０のｃ軸方向と、ＧａＮ結晶１３のｃ軸方向が一致するように成長する。このＧａＮ結晶１３のｃ軸方向の極性については、凹部１１の側面１１ａから凹部１１内側（中心側）へと向かう方向が−ｃ方向である。すなわち、側面１１ａから垂直に、ＧａＮは−ｃ軸方向に成長することになり、その成長面は−ｃ面となる。

ここで、ＧａＮ結晶１３がサファイア基板１０の表面１０ａや凹部１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ凹部１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるように、ＡｌＮ膜１２の厚さと、ＧａＮ結晶１３の成長温度を調整する。たとえば、ＡｌＮ膜１２の厚さを、ＧａＮをサファイア基板の主面に垂直な方向をＧａＮのｃ軸方向として、そのｃ軸方向へ平坦にエピタキシャル成長させる際にサファイア基板とＧａＮとの間に設けるＡｌＮ膜の最小厚さよりも薄くし、ＧａＮ結晶１３の成長温度は、通常ＧａＮをサファイア基板の主面に垂直な方向をｃ軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度とすればよい。このような最小厚さのＡｌＮ膜は、通常スパッタ時間を４０秒として形成しており、これは厚さにして１５０〜２００Åである。また、通常ＧａＮををサファイア基板の主面に垂直な方向をｃ軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度は、１１００℃よりも高い温度である。よって、ＡｌＮ膜１２の厚さを１５０Å以下、ＧａＮの成長温度を１１００℃以下とすることで、ＧａＮ結晶１３がサファイア基板１０の表面１０ａや凹部１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ凹部１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるようにすることができる。

このようにしてＧａＮ結晶１３を結晶成長させると、ＧａＮ結晶１３はｃ軸方向（−ｃ方向）、すなわちサファイア基板１０に対して水平に凹部１１の内側方向へ早く成長していき、サファイア基板１０に垂直な方向へも少しずつ成長していく（図１（ｃ））。そしてさらに成長が進むと、凹部１１はＧａＮによって埋められ、サファイア基板１０に水平な方向（−ｃ方向と＋ｃ方向の双方）への成長によってサファイア基板１０の表面１０ａも次第にＧａＮに覆われていき、最後にはサファイア基板１０上に平坦なＧａＮ結晶１３が形成される（図１（ｄ））。このＧａＮ結晶１３の主面は、ｍ面となる。これは、サファイア基板１０の凹部１１の側面１１ａがｃ面であるためであり、ＧａＮとサファイアとの格子定数の違いなどに起因するものである。

以上に示した実施例１のＧａＮテンプレート基板製造方法により、結晶性、表面平坦性の高い、ｍ面を主面とするＧａＮ結晶１３が得られる。これは、以下の理由によるものと考えられる。本発明者らは、ａ面を主面とするサファイア基板を用い、マスクを用いずに、ＩＣＰエッチングを行い、ＩＣＰエッチングによるサファイア基板へのダメージを回復させずにスパッタでＡｌＮ膜を形成し、ＧａＮ結晶を成長させてみたところ、ａ面を主面とするサファイア基板上にｃ面を主面とする平坦なＧａＮ結晶を形成することはできなかった。このことから、ＩＣＰエッチングによるサファイア基板へのダメージは、ａ面を主面とするサファイア基板上にｃ面を主面とするＧａＮ結晶が成長するのを抑制しているものと考えられる。また、ＡｌＮ膜１２の厚さやＧａＮ結晶１３の成長温度を適切な値とすることで、サファイア基板１０の表面１０ａや、凹部１１の底面１１ｂからはＧａＮ結晶１３が成長せず、凹部１１の側面１１ａからのみＧａＮ結晶１３がエピタキシャル成長し、かつ、ＧａＮ結晶１３の成長方向としてｃ軸方向、つまりサファイア基板１０に水平な方向への成長が支配的な条件となったと考えられる。このとき、サファイアとＧａＮとの格子整合性などから、ＧａＮ結晶１３のサファイア基板１０に平行な面はｍ面となる。以上の２つの理由により、ＧａＮ結晶１３はサファイア基板１０の主面に平行なｃ面の結晶が混在せず、ｍ面を主とした結晶となり、また、サファイア基板１０に水平な方向への成長が支配的であるため、すみやかにサファイア基板１０の表面１０ａを覆うことができ、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａは平坦となる。

ＧａＮ結晶１３の結晶性、表面１３ａの平坦性について、各種の依存性を以下の実験により考察した。

図２は、サファイア基板１０として直径２インチのものを使用し、サファイア基板１０の凹部１１の幅を１．５μｍ、深さを０．７μｍ、凹部１１の間隔を１．５μｍとし、ＧａＮ結晶１３の成長温度を１０４０℃としたときの、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａのＸ線回折結果である。ＡｌＮ膜１２を形成するときのスパッタ時間は、５〜３０秒まで５秒刻みで変化させた。図２のように、ＡｌＮ膜１２のスパッタ時間５〜３０秒のいずれの場合にも、（１０−１０）面および（２０−２０）面（ともにｍ面）に起因するピークが見られ、ＧａＮ結晶１３は、主面をｍ面とする結晶であることがわかった。また、５、１０、１５秒のスパッタ時間では、いずれも（０００２）面（ｃ面）に起因するピークが見られ、ＧａＮ結晶１３は、主面をｃ面とする結晶を含んでいることがわかった。（０００２）面に起因するピークは、５秒から１５秒へとスパッタ時間を長くすると次第に小さくなり、２０秒から３０秒では（０００２）面のピークは見られなかった。また、（０００４）面（ｃ面）に起因するピークは、スパッタ時間５秒の時のみに見られ、１０〜３０秒の時には見られなかった。また、ａ面に起因するピークは、いずれのスパッタ時間においても見られかった。

したがって、５秒から１５秒へとスパッタ時間を長くすると、主面がｃ面の結晶の割合が低下して結晶性がよくなり、２０〜３０秒では主面をｃ面とする結晶をほとんど含まず、最も結晶性がよいことがわかった。ここで、スパッタ時間を４０秒とした場合のＡｌＮ膜１２の厚さは、おおよそ１５０〜２００Åであることから、スパッタ時間２０〜３０秒は、７５〜１５０Å程度と推察される。

図３は、ＧａＮ結晶１３のｃ面、ｍ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、ＡｌＮ膜１２のスパッタ時間との関係について調べた結果を示すグラフである。サファイア基板１０、凹部１１のサイズ、ＧａＮ結晶１３の成長温度は図２の場合と同様である。ＡｌＮ膜１２を形成するときのスパッタ時間についても、図２の場合と同様に５〜３０秒まで５秒刻みで変化させた。ｍ面については、試料をａ軸周りとｃ軸周りの２通りに回転させて、ｍ面のｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、ｍ面のａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅を測定した。図３において四角形のプロットはｃ面、三角形のプロットはｍ面ｃ軸方向、丸のプロットはｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅である。

図３のように、ｍ面ｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、スパッタ時間１０〜２５秒では６００〜８００秒、スパッタ時間５秒、３０秒ではその倍近くあった。よって、ｍ面ｃ軸方向の配向性についてはスパッタ時間１０〜２５秒の場合が優れていることがわかった。また、ｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、いずれのスパッタ時間でも４００〜６００秒の範囲にあり、ｍ面ａ軸方向の配向性はスパッタ時間によらず良いことがわかった。また、ｃ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、スパッタ時間２０秒、２５秒でおおよそ１０００秒、スパッタ時間１０秒、１５秒、３０秒ではおおよそ１２００秒、スパッタ時間５秒ではおおよそ１５００秒であった。よって、ｃ面の配向性についてはスパッタ時間２０〜２５秒が他のスパッタ時間に比べて高いことがわかった。

この図２、３の結果から、ＧａＮ結晶１３の結晶性が最も優れているのは、スパッタ時間を２０〜２５秒としたときであり、この時のＡｌＮ膜１２の厚さは、おおよそ７５〜１２５Åであると推察される。

図４は、ＡｌＮ膜１２形成時のスパッタ時間を５〜３０秒まで５秒刻みで変化させたときの、ＧａＮ結晶１３表面について撮影した写真である。サファイア基板１０、凹部１１のサイズ、ＧａＮ結晶１３の成長温度は図２、３の場合と同様である。１５秒から２５秒、特に２５秒で平坦性が高く、１０秒、３０秒ではやや平坦性が劣っていることがわかった。また５秒では、１５秒から２５秒に比べると平坦性は低いが、１０秒、３０秒よりは平坦性が高いことがわかった。スパッタ時間１５〜２５秒は、５５〜１２５Å、２５秒は９０〜１２５Åと推察される。

また、ＧａＮ結晶１３の成長温度を変化させて、ＧａＮ結晶１３の表面１３ａを観察したところ、１０２０〜１０６０℃で平坦性が高く、特に１０３０〜１０５０℃ではさらに高かった。最も平坦性に優れていたのは、１０４０℃の時であった。

また、昇温工程における水素とアンモニアを含む雰囲気中で成長温度まで昇温する際に、水素の割合を変化させてみたところ、ＧａＮ結晶１３の結晶性やＧａＮ結晶１３の表面１３ａの平坦性は水素の割合が高い方がやや高くなった。

図５は、ＧａＮ結晶１３のｃ面、ｍ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、ＡｌＮ膜１２のスパッタ時間との関係について調べた結果を示すグラフである。サファイア基板１０の直径は、３インチである。凹部１１のサイズ、ＧａＮ結晶１３の成長温度は図２の場合と同一である。ＡｌＮ膜１２を形成するときのスパッタ時間は、１０秒から２５秒まで、５秒間隔で変化させた。ｍ面については、試料をａ軸周りとｃ軸周りの２通りに回転させて、ｍ面のｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅と、ｍ面のａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅を測定した。図５において四角形のプロットはｃ面、三角形のプロットはｍ面ｃ軸方向、丸のプロットはｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅である。

図５の測定結果から理解されるように、ｍ面ｃ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、スパッタ時間１０〜２０秒では５００〜８００秒であった。よって、ｍ面ｃ軸方向の配向性についてはスパッタ時間１０〜２０秒の場合が優れていることがわかった。また、ｍ面ａ軸方向のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、いずれのスパッタ時間でも４００〜５００秒の範囲にあった。したがって、ｍ面ａ軸方向の配向性はスパッタ時間によらず良いことがわかった。また、ｃ面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、スパッタ時間１５秒でおおよそ１０００秒、スパッタ時間２０〜２５秒ではおおよそ１３００秒、スパッタ時間１０秒ではおおよそ１５００秒であった。図３、５の測定結果から理解されるように、本発明を用いた場合に、直径が３インチ以上の基板を用いた場合にも、結晶性の高い結晶が得られることが理解される。

なお、実施例では、成長基板としてサファイア基板を用いているが、サファイア以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、スピネル、などの六方晶系の材料を用いることができる。また、各実施例では、成長基板の凹部形成にＩＣＰエッチングを用いているが、他のドライエッチング法を用いてもよく、ドライエッチング以外のエッチング法を用いてもよい。また、各実施例では、バッファ膜としてＡｌＮ膜を用いているが、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどを用いてもよい。特に成長基板としてサファイアを用いる場合には、格子整合性などの点からバッファ膜材料のＡｌ組成比は高いことが望ましく、ＡｌＮが最も望ましい。また、バッファ膜形成のスパッタは、実施例では反応性マグネトロンスパッタを用いたが、他の任意のスパッタ法を用いることができる。

また、実施例はＧａＮテンプレート基板の製造方法であるが、本発明はＧａＮに限らず、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどIII 族窒化物半導体について適用することができる。また、面方位についても、実施例のようにｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体に限らず、成長基板の主面の面方位、成長基板に形成した凹部側面の面方位、成長基板の格子定数を考慮することで、任意の非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができる。たとえば、ｍ面を主面とするサファイア基板を用い、凹部側面をｃ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。また、ｃ面を主面とするサファイア基板を用い、凹部側面をａ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。

また、実施例では凹部の平面パターンをストライプ状に形成したが、格子状、ドット状など任意のパターンを採用することができる。ただし、III 族窒化物半導体はｃ軸方向に極性があり、凹部側面の方位が異なると、極性方向の異なるＧａＮ結晶が成長し、極性方向が混在した結晶となる。したがって、凹部側面の面方位が多数異なるようなパターンは、極性方向が多数混在したIII 族窒化物半導体結晶となって望ましくない。この点で、ストライプ状とすれば、側面は２面であり、得られるIII 族窒化物半導体の極性方向は２方向で少ないため、他のパターンに比べて有利である。また、ストライプ状とすれば、凹部側面を広くとることができるので、III 族窒化物半導体の結晶性や平坦性が他のパターンよりも高くなる点でも有利である。

極性方向が異なる結晶となることを回避するために、凹部側面のうち、いくつかの面にマスク等を形成してIII 族窒化物半導体結晶を成長させないようにしてもよい。たとえば、ストライプ状に形成された凹部の２つの側面のうち、一方の側面にマスクを形成して、他方の側面からのみIII 族窒化物半導体を成長させれば、得られるIII 族窒化物半導体の極性方向は一方向のみであり、良質なIII 族窒化物半導体が得られる。

また、凹部側面を傾斜させるなどして結晶成長しづらい面方位とすることで、極性方向の混在を回避してもよい。たとえば、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、凹部側面がサファイアｃ面またはａ面と成す角が小さいほど成長しやすく、凹部側面をｃ面またはａ面とするのが最も成長しやすい。そこで、たとえばIII 族窒化物半導体を結晶成長させる凹部側面をｃ面とし、それ以外の結晶成長させたくない凹部側面をｃ面に対して傾斜させることで、極性方向の混在を回避することが可能である。

本発明によると、ｍ面、ａ面、ｒ面などの非極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体が得られるので、ピエゾ電界による影響が回避されたIII 族窒化物半導体素子を容易に作製することができる。

１０：サファイア基板
１１：凹部
１２：ＡｌＮ膜
１３：ＧａＮ結晶

Claims (25)

1. 成長基板の表面に、エッチングによって凹部を形成する凹部形成工程と、
   前記凹部形成工程の後、前記成長基板の表面に、スパッタによりバッファ膜を形成するバッファ膜形成工程と、
   前記基板を水素とアンモニアを含む雰囲気中で、III 族窒化物半導体の成長温度まで昇温する昇温工程と、
   前記凹部側面に、前記成長温度でIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる結晶成長工程と、
   を有し、
   前記バッファ膜の厚さおよび前記成長温度は、前記III 族窒化物半導体が主として前記凹部側面から前記成長基板の主面に平行な方向へ成長する値である、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
2. 前記バッファ膜の厚さは、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際に用いるバッファ膜の厚さよりも薄く、
   前記成長温度は、III 族窒化物半導体を平面状の成長基板に一様に成長基板に垂直な方向へエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
3. 前記成長基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
4. 前記凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
   前記結晶成長工程は、サファイアのｃ面である前記凹部側面に前記III 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
5. 前記成長基板は、ａ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
6. 前記成長基板は、ｍ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
7. 長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
8. 前記成長温度は、１０２０〜１１００℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
9. 前記凹部側面のうち、少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、
   前記結晶成長工程は、サファイアのａ面である前記凹部側面に前記III 族窒化物半導体を主としてエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
10. 前記成長基板は、ｃ面を主面とするサファイア基板であることを特徴とする請求項９に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
11. 長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
12. 前記バッファ膜は、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
13. 前記バッファ膜は、ＡｌＮであることを特徴とする請求項１２に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
14. 前記バッファ膜はＡｌＮであり、前記バッファ膜の厚さは、１５０Å以下であることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
15. 前記エッチングは、ドライエッチングであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
16. 前記ドライエッチングは、ＩＣＰエッチングであることを特徴とする請求項１５に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
17. 前記スパッタは、マグネトロンスパッタであることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
18. 表面に凹部が形成された、ａ面を主面とするサファイア基板と、
    前記サファイア基板の表面、前記凹部側面、および前記凹部底面に形成されたバッファ膜と、
    前記バッファ膜を介して前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
    を備え、
    前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
    前記III 族窒化物半導体層の主面は、ｍ面である、
    ことを特徴とするテンプレート基板。
19. 表面に凹部が形成された、ｍ面を主面とするサファイア基板と、
    前記サファイア基板の表面、前記凹部側面、および前記凹部底面に形成されたバッファ膜と、
    前記バッファ膜を介して前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
    を備え、
    前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのｃ面であり、
    前記III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、
    ことを特徴とするテンプレート基板。
20. 長手方向側面をサファイアのｃ面とするストライプ状に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載のテンプレート基板。
21. 表面に凹部が形成された、ｃ面を主面とするサファイア基板と、
    前記サファイア基板の表面、前記凹部側面、および前記凹部底面に形成されたバッファ膜と、
    前記バッファ膜を介して前記サファイア基板表面上に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
    を備え、
    前記凹部の少なくとも１つの面は、サファイアのａ面であり、
    前記III 族窒化物半導体層の主面は、ａ面である、
    ことを特徴とするテンプレート基板。
22. 長手方向側面をサファイアのａ面とするストライプ状に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項２１に記載のテンプレート基板。
23. 前記バッファ膜は、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１８ないし請求項２２のいずれか１項に記載のテンプレート基板。
24. 前記バッファ膜は、ＡｌＮであることを特徴とする請求項２３に記載のテンプレート基板。
25. 前記バッファ膜はＡｌＮであり、前記バッファ膜の厚さは、１５０Å以下であることを特徴とする請求項１８ないし請求項２０のいずれか１項に記載のテンプレート基板。