JP2012121771A

JP2012121771A - 窒化ガリウム基板

Info

Publication number: JP2012121771A
Application number: JP2010274649A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Yamamoto; 俊輔山本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】ガリウム極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中のクラック発生率を低下させることができる窒化ガリウム基板を提供する。
【解決手段】ＨＶＰＥ成長装置１内にある基板ホルダ３に基板１１をセットする。反応炉内は常圧とし、ヒータ４により基板１１を加熱、昇温させる。初期核は、反応ガス導入管５によりＮＨ3ガスをキャリアガスであるＮ2ガスと共に導入し、金属Ｇａ６が載置された原料載置室７を有する反応ガス導入管８によりＧａＣｌガスをキャリアガスであるＮ2ガスとＨ2ガスと共に導入して、成長させる。初期核の形成後は、ＧａＣｌガス分圧とＮ2ガス分圧を高くした以外は初期核を形成した条件で結晶成長させる。得られる窒化ガリウム基板は、窒素極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が７μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム基板に関するものである。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料は、禁制帯幅が十分大きく、バンド間遷移も直線遷移型であるため、半導体レーザ素子や発光ダイオード等の短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なことなどから、電子素子への応用も期待されている。

これらの素子を構成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法、分子線気相成長（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層と格子定数が整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。結晶欠陥は素子特性の向上を阻害する要因であるので、これまでＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。

結晶欠陥が比較的少ないＩＩＩ−Ｖ族窒化物系結晶を得る方法として、サファイア等の異種基板からなる下地基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法では、まずサファイア等の異種基板からなる下地基板上にＡｌＮ又はＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。その後、これを１０００℃付近に昇温することにより一部を蒸発させ、又は結晶化させて、密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶性のよいＧａＮ膜（ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系結晶）が得られる。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、得られるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系結晶には貫通転位や空孔等の結晶欠陥が相当程度存在し、現在望まれている高性能の素子を得るには不十分であった。

以上の事情に鑑み、結晶成長用の基板として窒化ガリウム基板（ＧａＮ基板）を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する方法が盛んに検討されている。ＧａＮ基板を得る方法として、ＥＬＯ（ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術が知られている。ＥＬＯ法は、下地基板に開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術である。特許文献１では、このＥＬＯ法を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることを提案している。

ＥＬＯ法をさらに発展させた方法として、ＦＩＥＬＯ（Ｆａｃｅｔ−ＩｎｉｔｉａｔｅｄＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法が開発された（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＥＬＯ法は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯ法と共通するが、選択成長の際にマスク開口部にファセットを形成することにより、転位の伝播方向を変え、エピタキシャル成長層の上面に至る貫通転位を低減する技術である。このＦＩＥＬＯ法を用いて、例えば、サファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ膜を成長させ、その後、下地基板を除去すれば、結晶欠陥の少ない良質なＧａＮ自立基板を得ることができる。

また、低転位のＧａＮ自立基板を得る方法として、ＤＥＥＰ（ＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎＥｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｂｙｔｈｅＥｐｉ−ｇｒｏｗｔｈｗｉｔｈＩｎｖｅｒｔｅｄ−ＰｙｒａｍｉｄａｌＰｉｔｓ）法が開発された。ＤＥＥＰ法は、ＧａＡｓ基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてＧａＮを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、そのピットの底部に転位を集中させることにより、その他の領域を低転位化するものである。

これらＥＬＯ法やＦＩＥＬＯ法、ＤＥＥＰ法では、結晶成長の初期に結晶成長界面にファセット面を出しながら結晶を成長させる。結晶成長中に伝播してくる転位は、ファセット面があるとその進行方向を曲げる性質がある。これを利用して転位が結晶表面に到達しないようにすることで、基板表面の転位密度を下げることができる。また、結晶成長界面に、ファセット面で囲まれたピットを出しながら結晶を成長させると、転位はピットの底部に高密度に集積する。転位が集積すれば、互いにぶつかった転位が消滅する、あるいは転位ループを形成して表面への進行が止まるという作用もでき、より効果的に転位密度を減少させることができる。

ＧａＮ基板では、異種基板上に厚くエピタキシャル成長させた結晶を、成長後に剥離又は除去することで基板として用いているので、結晶成長初期のヘテロエピタキシャル成長界面近傍は、どうしても転位の発生を低く抑えることが難しい。このため、高密度に発生した転位を、基板とする厚膜エピタキシャル結晶成長中に低減し、最終的に基板表面で低転位化を実現しなければならない。そこで、前述のＥＬＯ法、ＦＩＥＬＯ法、ＤＥＥＰ法のような転位低減の方法が考案された。

特開平１１−２５１２５３号公報特開２００２−３７３８６４号公報特開２００９−４６３６９号公報特開２００８−２５４９７０号公報

Ａ．Ｕｓｕｉ，ｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌｅ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６（１９９７）ｐｐ．Ｌ８９９−Ｌ９０２

ただし、ＥＬＯ法、ＦＩＥＬＯ法、ＤＥＥＰ法とも全てファセットにより転位の伝播方向を変えることで、結晶表面を低転位にしている。このように厚くエピタキシャル成長させた結晶を成長後、表面と裏面を粗研磨、研磨、加工歪除去して平坦になるように加工する。そのため、平坦に加工したＧａＮ基板には、結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域とが混在している。この結晶成長時にファセット面で成長した領域は、平坦に成長した領域より酸素が多くドープされていることが分かっている（例えば、特許文献２参照）。また、本発明者は、結晶成長の反応管の材質として一般的に用いられている石英に含まれているＳｉに関しても、ＧａＮ基板の組成をＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって分析したところ、ファセット面で成長した領域ではＳｉ濃度が６×１０¹⁸ｃｍ^-3であったが、平坦に成長した領域ではＳｉ濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3未満であることが分かった。そのため、結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域では、化学的、物理的な性質が異なる。この起因により、平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域では段差が発生する。

また、平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域では、化学的、物理的な性質が異なるため、ファセット面で成長した領域が１０％以上あると、粗研磨を実施するときに、クラックが発生しやすいことが分かっている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、本発明者が調査した結果、ＧａＮ基板のガリウム極性面（Ｇａ極性面）の粗研磨実施後の精密研磨実施中に、平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域でクラックが発生しやすいことが判明した。

そこで、本発明の目的は、ガリウム極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中のクラック発生率を低下させることができる窒化ガリウム基板を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、窒化ガリウム基板において、窒素極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が７μｍ以下である窒化ガリウム基板である。

また本発明は、窒化ガリウム基板において、窒素極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が５μｍ以下である窒化ガリウム基板である。

本発明によれば、ガリウム極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中のクラック発生率を低下させることができる。

実施例で用いたＨＶＰＥ成長装置を示す断面模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を説明する。

本発明者が調査した結果、粗研磨、精密研磨、加工歪除去する過程で発生する平坦に成長した領域とファセット面で成長した領域（ファセット成長した領域）との段差は、Ｇａ極性面と比較した場合、窒素極性面（Ｎ極性面）のほうが大きく、段差量は研磨、加工歪除去量が多いほど大きくなることが判明した。

そこで、さらに本発明者が鋭意研究した結果、Ｎ極性面の平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が大きい場合は、Ｇａ極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中に、クラックの発生率が非常に高くなることが判明した。Ｎ極性面の平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が大きい状態でＧａ極性面の研磨を実施すると、段差量に応じてＧａＮ基板に応力がかかるためにクラックが発生しやすいと考えられる。

Ｇａ極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中に、クラック発生率が高くなるＮ極性面の平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差量を調査したところ、その段差が７μｍ以下でクラック発生率を低くできることが判明した。さらには、段差を５μｍ以下にすることでクラック発生率を非常に低くできることが判明した。

この調査は、ボイド形成基板を作製した後、そのボイド形成基板を下地基板として、下地基板上にＧａＣｌ及びＮＨ₃を原料として用いるハイドライド気相成長法により、初期核を形成した後、平坦な面が得られるようにＧａＮ結晶を成長させ、その後、Ｎ極性面の粗研磨、精密研磨、化学的機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｏｓｈｉｎｇ）、ウェットエッチングの順に実施し、平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差を調査し、次いで、Ｇａ極性面の粗研磨、研磨の順に実施した後、光学顕微鏡によりクラック発生率を調査することにより行った。

この調査において、ボイド形成基板はボイド形成剥離（ＶＡＳ：Ｖｏｉｄ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＳｅｐａｒａｔｉｏｎ）法に従い、以下の記載の通り準備した。先ず、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ下地層を成長させた。その後、金属Ｔｉ薄膜を蒸着させた。そして、アンモニアと水素ガスの混合気流中で熱処理をすることにより金属Ｔｉ薄膜を窒化して網目構造のＴｉＮ構造とすると共に、ＧａＮ下地層をエッチングして空隙（ボイド）を形成し、ボイド形成基板を作製した。

以上の知見により得られた本発明は、Ｎ極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が７μｍ以下であるＧａＮ基板である。より好ましくは、Ｎ極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が５μｍ以下であると良い。

このＧａＮ基板によれば、Ｇａ極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中のクラック発生率を低下させることができる。

以下、本発明の数値的根拠について述べる。

先ず、ＭＯＣＶＤ法により直径３．５インチ（約８．９ｃｍ）のサファイア基板上に、厚さ５００ｎｍのＧａＮ下地層を形成し、この表面に厚さ３０ｎｍの金属Ｔｉ薄膜を蒸着し、Ｈ₂とＮＨ₃の混合気流中で１０００℃で３０分間熱処理を加えて、網目構造のＴｉＮ構造を有するボイド形成基板を同様に２５枚作製した。

次いで、ボイド形成基板を図１に示すＨＶＰＥ成長装置１にセットした。ＨＶＰＥ成長装置１は、反応管２と、反応管２内にある基板ホルダ３と、反応管２を加熱するヒータ４と、反応管２に接続された反応ガス（ＮＨ₃）導入管５と、反応管２に接続されると共に金属Ｇａ６が載置された原料載置室７を有する反応ガス（ＨＣｌ）導入管８と、反応管２に接続されたエッチングガス（ＨＣｌ）導入管９と、反応管２に接続された排気口１０とを備える。

ボイド形成基板１１のＨＶＰＥ成長装置１へのセットは、反応管２内にある基板ホルダ３にセットすることにより行った。そして、反応炉内は常圧とし、ヒータ４により基板温度を１０５０℃まで加熱、昇温させた。初期核の形成条件は、反応ガス（ＮＨ₃）導入管５により５×１０^-2ａｔｍ（約５０６６Ｐａ）のＮＨ₃ガスをキャリアガスである６×１０^-1ａｔｍ（約６０７９５Ｐａ）のＮ₂ガスと共に導入し、金属Ｇａ６が載置された原料載置室７を有する反応ガス（ＨＣｌ）導入管８により５×１０^-3ａｔｍ（約５０６Ｐａ）ＧａＣｌガスをキャリアガスである２×１０^-1ａｔｍ（約２０２６５Ｐａ）のＮ₂ガスと１×１０^-1ａｔｍ（約１０１３２Ｐａ）のＨ₂ガスと共に導入して、２０分間成長させた。

初期核の形成後は、ＧａＣｌガス分圧を１．５×１０^-2ａｔｍ（約１５１９Ｐａ）とし、キャリアガスであるＮ₂ガス分圧を５．８５×１０^-1ａｔｍ（約５９２７５Ｐａ）とした以外は初期核を形成した条件でＧａＮ結晶が全体で８００μｍになるまで結晶成長させ、ＧａＮ基板を同様に２５枚作製した。

その後、横型平面研削機（秀和工業株式会社製ＳＧＭ−６３０１）により、Ｎ極性面の粗研磨を実施した。Ｎ極性面の粗研磨の実施条件は、使用砥石：メタルボンド＃８００、砥石径：２００ｍｍ、砥石回転数：２０００ｒｐｍ、砥石送り速度：０．２μｍ／秒、粗研磨実施時間：１５分間とした。

次いで、片面高速精密ラッピングマシン機（秀和工業株式会社製ＳＷ−０７）により、Ｎ極性面の精密研磨を実施した。Ｎ極性面の精密研磨の実施条件は、定盤回転数：１５０ｒｐｍ、圧力：０．４ＭＰａ、精密研磨液：ダイアモンドスラリー（秀和工業株式会社製ＳＰ−１１０７）、精密研磨液供給量：０．２Ｌ／ｍｉｎとし、精密研磨時間を表１のように変えて実施した。

さらに、片面高速精密ラッピングマシン機（秀和工業株式会社製ＳＷ−０７）により、Ｎ極性面のＣＭＰを実施した。Ｎ極性面のＣＭＰの実施条件は、定盤回転数：１５０ｒｐｍ、圧力：０．３ＭＰａ、研磨液供給量：０．２Ｌ／ｍｉｎとし、ＣＭＰ実施時間を表１のように変えて実施した。

その後、水酸化ナトリウムにより、ウェットエッチングを実施した。ウェットエッチング条件としては、５％のＮＨ₄ＯＨ溶液を用い、温度を７５℃とし、ウェットエッチング時間を表１のように変えて実施した。

そして、三次元光学プロファイラー（キャノン販売株式会社製ＮｅｗＶｉｅｗ６２００）により、Ｎ極性面の平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差量を調査した。その結果を表１に示す。Ｎ極性面の精密研磨時間、ＣＭＰ実施時間、ウェットエッチング時間が長くなるほど、平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差量の平均値が大きくなっていることが分かる。

その後、横型平面研削機（秀和工業株式会社製ＳＧＭ−６３０１）により、Ｇａ極性面の粗研磨を実施した。Ｇａ極性面の粗研磨の実施条件は、使用砥石：メタルボンド＃８００、砥石径：２００ｍｍ、砥石回転数：１５００ｒｐｍ、砥石送り速度：０．１μｍ／秒、粗研磨実施時間：１５分間とした。

次いで、片面高速精密ラッピングマシン機（秀和工業株式会社製ＳＷ−０７）により、Ｇａ極性面の精密研磨を実施した。Ｇａ極性面の精密研磨の実施条件は、定盤回転数：２５０ｒｐｍ、圧力：０．５ＭＰａ、精密研磨液：ダイアモンドスラリー（秀和工業株式会社製ＳＰ−１１０７）、精密研磨液供給量：０．３Ｌ／ｍｉｎとした。

最後に、２５枚の各ＧａＮ基板を、光学顕微鏡（オリンパス製ＢＸ５１）の１００倍観察により、平坦に成長した領域とファセット成長した領域のクラック発生率を調査した。平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差量の範囲とクラック発生率を調査した結果を表２に示す。平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差量が７μｍ以下ではクラック発生率が１０％以下と割合が低く、段差量が５μｍ以下ではクラック発生率が０％と発生していなかった。

以上の調査により、Ｎ極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差を７μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下とすることにより、ＧａＮ基板における、Ｇａ極性面の粗研磨実施後の精密研磨実施中のクラック発生率を低下させることができることが分かった。

１ＨＶＰＥ成長装置
２反応管
３基板ホルダ
４ヒータ
５反応ガス（ＮＨ₃）導入管
６金属Ｇａ
７原料載置室
８反応ガス（ＨＣｌ）導入管
９エッチングガス（ＨＣｌ）導入管
１０排気口

Claims

窒化ガリウム基板において、窒素極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が７μｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム基板。
窒化ガリウム基板において、窒素極性面側の結晶成長時に平坦に成長した領域とファセット成長した領域との段差が５μｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム基板。