ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法
【課題】損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を提供する。
【解決手段】サファイア基板１０上に、開口部１１２を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部１１２を有する。開口部１１２に、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有するＧａＮ膜１４を成長させる。隣接する第一のＧａＮ膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜１４の成長を止める。続いてマスク１１を除去し空隙１５を形成する。その後、内部に空隙１５を有する第一のＧａＮ膜１４上に第二のＧａＮ膜１６を成膜する。以上のようにして得られた構造体を冷却する過程でサファイア基板１０を分離除去し、ＧａＮ自立基板を得る。
【解決手段】サファイア基板１０上に、開口部１１２を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部１１２を有する。開口部１１２に、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有するＧａＮ膜１４を成長させる。隣接する第一のＧａＮ膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜１４の成長を止める。続いてマスク１１を除去し空隙１５を形成する。その後、内部に空隙１５を有する第一のＧａＮ膜１４上に第二のＧａＮ膜１６を成膜する。以上のようにして得られた構造体を冷却する過程でサファイア基板１０を分離除去し、ＧａＮ自立基板を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を窒化物系光デバイスや電子デバイス作製用基板として用いることが提案されており、この基板を得るためにバルク結晶を作製する試みが、多くの研究機関で行われている。しかしながら、ＧａＮ結晶の窒素の解離圧が高いために、ＧａＡｓのように溶液から大きなバルク結晶を得ることが難しく、ＧａＮ半導体基板として利用できるＧａＮバルク結晶の作製は非常に困難である。
【０００３】
このため、GaN基板を作製する方法として、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等の異種材料基板にGaN膜を成長させた後、異種材料基板を分離除去することによりGaN基板を得る方法が広く採用されており、このような基板を自立基板と呼んでいる。以下、自立基板の作製方法に関連する従来技術について説明する。
【０００４】
特許文献１には、サファイア基板上にＧａＮ膜を成長させ、その後レーザ光を照射してサファイア基板からＧａＮ膜を剥離する方法が開示されている。しかし、この方法ではサファイア基板およびGaN層に加わっている歪が大きいことから、剥離の最中にクラックが発生しやすく大きな自立基板を得ることが困難である。また、剥離の最中に転位などの欠陥が生じやすいという問題もある。
【０００５】
一方、特許文献２には、サファイアに代わる基板材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いてＧａＮ膜を成長させ、その後エッチングによりＧａＡｓを除去する方法が開示されている。
この方法によれば、クラック等の発生も少なく、GaN層とGaAsの分離は比較的良好に行われる。しかし、ＧａＡｓは分解温度が低いのでＧａＮ膜成長中にＧａＡｓが分解されてＧａＮ膜の中にＡｓが不純物として混入し、ＧａＮ基板の品質を下げる場合がある。また、毒性の強いＡｓを扱うため安全性の面で好ましくない。
【０００６】
また、特許文献３には、サファイア基板上に、結晶欠陥または空隙を含むＡｌＧａＮ膜またはＩｎＧａＮ膜からなるリフトオフ層を成長させ、リフトオフ層上にＧａＮ膜を成長させ、結晶欠陥または空隙を含むリフトオフ層によって、サファイア基板からGaN膜を剥離する方法が開示されている。しかし、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層といったGaNとは格子定数の異なる層を成長させることで、転位などの結晶欠陥が導入されやすくなり、リフトオフしたGaN層の結晶性が悪化するという問題を有している。また、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層からなるリフトオフ層に多数の微細な空隙または結晶欠陥を安定して形成するためには、１）キャリアガスの水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との割合、２）ＮＨ３と、トリメチルガリウム（ＴＭＧa）や塩化ガリウム（ＧａＣｌ）などIII族原料との気相における比（Ｖ／ＩＩＩ比）、３）ＡｌまたはＩｎの供給量、４）成長温度の各条件を精緻にバランスさせる必要性が高い。そのため、制御安定性の面でさらなる改善の余地がある。また、微細な空隙または結晶欠陥を有するリフトオフ層上に形成されるＧａＮ膜の結晶性を向上させることは困難である。そのため、ＧａＮ基板の品質の面でも課題を有している。
【０００７】
また、特許文献４には、ＨＶＰＥ法を用いたＧａＮ半導体基板の製造方法が開示されている。この製造方法では、サファイア基板上に、ストライプ状に配置された断面矩形形状の被覆部および被覆部間に形成された開口部を有するマスクを形成する。このマスクの被覆部は、サファイア基板の<１１−２０>、ＧａＮ半導体基板の<１−１００>方向に延在する。マスク形成後、その開口部からＧａＮ半導体層を成長させ、マスクの被覆部上面を、完全には覆わない状態で成長を止める。このときＧａＮ半導体層は、特許文献１の請求項１等に記載されているように、断面略Ｔ字型となる。その後、マスクをドライエッチングにより除去し、次いでＧａＮ半導体層上にさらにＧａＮ半導体層を成長させた後、サファイア基板を剥離し、ＧａＮ半導体基板を得る。
【０００８】
しかしながらこの方法では、マスク上面を完全に覆わない状態で成長を止めることが困難である。マスク上面がＧａＮ半導体層で覆われてしまうと、マスクをドライエッチングできなくなる。上記のように断面Ｔ字型の半導体膜が形成される成長方法は、いわゆるＥＬＯ法とよばれ、横方向の成長速度が速い上、各開口部におけるＧａＮ半導体層の成長速度がばらつくという傾向を有している。したがって、マスクを覆わないタイミングでＧａＮ半導体層の成長を制御性良く止めることは困難である上、各マスクがＧａＮ半導体層で覆われるタイミングがずれる関係で、不可避的に、少なくとも一部のマスクについては上面がＧａＮ半導体層で覆われてしまう形態となる。このため、同文献記載の方法では、マスクを充分に除去してサファイア基板を容易に剥離することは、事実上困難である。
【特許文献１】特開２００２−５７１１９号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ９９／２３６９３号パンフレット
【特許文献３】特開２００４−１１２０００号公報
【特許文献４】特開２００３−５５０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、結晶品質の良好なIII族窒化物半導体基板が安定的に得られる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
下地基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止め、前記開口部に、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成する工程と、
前記第一のIII族窒化物半導体膜により覆われていないマスク表面の露出部にエッチャントを接触させて前記マスクの少なくとも一部をエッチング除去し、空隙を形成する工程と、
前記空隙を残しつつ前記第一のIII族窒化物半導体膜上に第二のIII族窒化物半導体膜をさらに成長させ、前記第一のIII族窒化物半導体膜および前記第二のIII族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物半導体層を得る工程と、
前記III族窒化物半導体層と前記下地基板とを分離し、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明においては、マスク開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止める。これにより、開口部に、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体が形成される。このような構造体が形成される成膜方法は、いわゆるＦＩＥＬＯ（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）とよばれるもので、前述の特許文献４に記載されている断面Ｔ字型の構造体が形成されるＥＬＯ法に比し、横方向の結晶成長が遅い。このため、ＥＬＯ法に比べ、マスクを覆わないタイミングでＧａＮ半導体層の成長を制御性良く止めることが容易となる上、各マスクがＧａＮ半導体層で覆われるタイミングのずれも低減できる。このため、マスクを確実に除去し、空隙部を下地基板全面にわたって安定に形成することができる。この結果、III族窒化物半導体層に過大なストレスをかけることなく、サファイア基板を容易に分離除去することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明は、マスクの表面全面を覆わない段階でIII族窒化物半導体の成長を止め、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成し、その後、マスクを除去して空隙部を形成し、下地基板を除去する方法を採用する。このため、空隙部を下地基板全面にわたって安定に形成することができ、下地基板の除去に際しIII族窒化物半導体層に過大なストレスをかけることを避けることができる。これにより、本発明によれば、結晶品質の良好なIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
<実施形態１>
図１は、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法においては、まず、サファイア基板１０上に開口部１１２を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部１１２が設けられる。次いで、５００℃の低温でＧａＮ層１３を成長させた後、昇温し、ＧａＮ層１３の一部を分解・蒸発させてマスク開口部に結晶核を形成する。その後、この結晶核を種として第一のＧａＮ膜１４を形成する。隣接する第一のＧａＮ膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜１４の成長を止める（一次成膜工程）。このとき、開口部１１２に、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有する構造体が形成される。続いてマスク１１をウエットエッチングにより除去し、空隙１５を形成する。そして、内部に空隙１５を有する第一のＧａＮ膜１４上に第二のＧａＮ膜１６を成膜する（二次成膜工程）。以上のようにして得られた構造体には成長温度から降温する過程でＧａＮとサファイアの熱膨張係数差に起因する応力が成長界面に加わり、空隙１５が存在することで簡単にサファイア基板１０を分離除去することができ、その結果、ＧａＮ膜だけの自立基板が得られる。
【００１５】
以下、上記製造方法の各工程の詳細および製造に用いる装置について説明する。
図５は、ＧａＮ層１３を成膜する際に使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置である。
【００１６】
このＭＯＣＶＤ装置５００は、反応管５０と、反応管５０内に回転自在に配設されている基板サセプタ５１と、を備える。このＭＯＣＶＤ装置５００は、反応管５０のうち、基板サセプタ５１の上半を成長領域５８、下半を回転機構室５９として区画している。
【００１７】
成長領域５８には、ガス供給管５３、５４が設けられている。回転機構室５９には、成長領域５８側のキャリアガスが回転機構室５９側に流入することを抑制するためのガス供給管５２、および駆動軸５６が設けられている。
【００１８】
成長領域５８と回転機構室５９とは、反応管５０内の下流側で合流しており、その先にはガス排出管５５が設けられている。反応管５０外周の基板サセプタ５１と相対する箇所には、加熱用高周波コイル５７が設けられている。
【００１９】
以下、図５に示すＭＯＣＶＤ装置５００を用いてＧａＮ層１３を成膜する工程について説明する。
ＧａＮ層１３を成膜する前に、まず、（０００１）面（ｃ面）から０．１５°傾斜した厚さ４３０μｍのサファイア基板１０を用意し、この基板のｃ面に電子ビーム（ＥＢ）蒸着法を用いて２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。
【００２０】
続いて、リソグラフィ技術を用いて開口部１１２の幅が３μｍ、ＳｉＯ2膜の幅が７μｍとなるようストライプ状のマスク１１を形成する。ストライプ方向は、サファイア基板１０の<１−１００>方向（基板上に形成されるGaN半導体層の<１１−２０>方向）とする。ここまでが本実施形態のマスキング工程（図１（ａ））である。
【００２１】
上記工程に続いて、図５に示す構成を備えるＭＯＣＶＤ成長装置５００の反応管５０内の基板サセプタ５１上に、マスク１１を形成したサファイア基板１０を、セットする。図５中、サファイア基板１０をウェハ５０２として表示する。そして、ガス供給管５２、５３、および５４からＮ2ガスを供給して、反応管５０内をパージする。反応管５０内に供給したガスは、排出口５５より排出される。
【００２２】
反応管５０内を充分パージした後、導入管５３、５４より水素（Ｈ2）ガスを供給し、加熱用高周波コイル５７でサセプタ５１を加熱し、サファイア基板１０を昇温する。サファイア基板１０の温度は１０５０℃まで昇温させる。
【００２３】
サファイア基板１０の表面を１０分間熱アニール待機した後、５００℃の温度まで降温する。サファイア基板１０の温度が安定した時点で、ガス供給管５３からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、導入管５４からアンモニア（ＮＨ3）ガスをそれぞれ供給してサファイア基板１０上にＧａＮ層１３の成長を行う。ＴＭＧ、ＮＨ3の供給量は、それぞれ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、５０００ｃｃ／ｍｉｎとする。
なお、ＧａＮ層１３を構成する低温バッファ層は、４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。こうすることにより、その後のＧａＮ層の成長において、ファセット構造を安定的に形成することができる（図１（ｂ））。
【００２４】
ＧａＮ層１３の成膜後、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置にセットする。
図４は、第二のＧａＮ膜を成膜する際に使用するＨＶＰＥ装置である。このＨＶＰＥ装置４００は、反応管４０と、反応管４０内に回転自在に配設されている基板ホルダ４１と、反応管４０の外部のヒータ４２とを備える。このＨＶＰＥ装置４００は、ガリウム（Ｇａ）ソース４４を載置するソースボート４８を反応管４０内に備える。また、このＨＶＰＥ装置４００は、反応管４０に、ガス供給管４３、４５と、ガス排出管４７とを備える。
【００２５】
基板ホルダ４１は、反応管４０の下流側に回転自在に設けられている。基板ホルダ４１に保持されるウェハ４０２（図１におけるサファイア基板１０に相当する）に相対する箇所に成長領域４６が形成されている。ヒータ４２は、反応管４０の外周に設けられている。ガス排出管４７は、基板ホルダ４１の下流側に設けられている。
【００２６】
Ｇａソース４４は、反応管４０内の上流側のＧａＣｌ生成領域４９に区画されて配されている。塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するガス供給管４５は、ＧａＣｌ生成領域４９の上流側に設けられている。ＧａＣｌ生成領域４９の排出口は成長領域４６に相対している。アンモニア（ＮＨ3）ガスを供給するガス供給管４３は、反応管４０の上流側のＧａＣｌ生成領域４９の区画外の箇所に設けられている。
【００２７】
以下、図１（ｃ）以降の工程について説明する。まず、図４に示す構成を備えるＨＶＰＥ装置４００の反応管４０内の基板ホルダ４１に、空隙１５を形成したサファイア基板１０をセットした後、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。その後、Ｎ２ガスがらＨ ２ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０内を昇温する。反応管４０内の温度が５００℃前後からガス導入管４３よりＮＨ3ガスを供給する。ＧａＣｌの生成領域４９の温度を８５０℃、成長領域４６の温度を１０４０℃とする。この昇温過程でＧａＮ膜１３の一部が分解・蒸着する一方、ＧａＮ膜１３の他の一部がマスク開口部において結晶化して残留する。ガス供給管４５よりＨＣｌガスを供給してＧａと反応させＧａＣｌを成長領域４６に輸送する。結晶化したＧａＮ膜１３を種としてＧａＮ膜１４の成長が行なわれる（図１（ｃ））。さらに成長を続けると開口部１１２から成長したＧａＮ膜１４は、ＳｉＯ２マスク１１表面を覆い始めとともに第一のＧａＮ膜１４は、傾斜面１４ａを有するファセット構造を維持しながら成長していく。傾斜面１４ａは、サファイア基板の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝である。
【００２８】
ＳｉＯ2マスク１１の表面の露出幅が１μｍ程度になった時点でガス導入管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して反応管４０を降温する。反応管４０の温度が５００℃前後でＮＨ3ガスの供給を停止し、Ｈ2ガスからＮ2ガスに切替える。常温に達した時点で反応管４０からサファイア基板１０を取り出す。ここまでが本実施形態の一次成膜工程（図１（ｄ））である。
【００２９】
取り出したサファイア基板１０を弗化水素（ＨＦ）あるいは、弗化水素（ＨＦ）と水の混合液に浸して処理し、サファイア基板１０上部のＳｉＯ２マスク１１を、ＳｉＯ２マスク１１の上面のうち第一のＧａＮ膜１４に覆われない領域（露出領域）を通じて溶解して、複数の空隙１５を形成する。その結果、複数の空隙１５に挟まれた第一のＧａＮ膜１４は、隔壁部１４ｂ上に形成される。空隙１５形成後、充分に流水洗浄し、水分を乾燥させる。ここまでが本実施形態の空隙形成工程（図１（ｅ））である。
【００３０】
再び、空隙１５を形成したサファイア基板１１をＨＶＰＥ装置に反応管４０内にセットする。ガス導入管４３、４５よりＮ２ガスを供給して反応管４０内を十分パージした後、Ｎ２ガスからＨ２ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。反応管４０の温度が５００℃前後からガス導入管４３よりＮＨ3ガスを加えて供給する。
【００３１】
引き続き、Ｇａソース４４が存在するＧａＣｌ生成領域４９の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。それぞれの温度が安定した時点で導入管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応して第一のＧａＮ膜１４のファセット構造の傾斜面１４ａ上に第二のＧａＮ膜１６を成長させる。
【００３２】
ファセット構造の傾斜面１４ａの上で第二のＧａＮ膜１６が成長すると、隣接する傾斜面１４ａ上を成長した第二のＧａＮ膜１６と合体し、空隙１５の上面がＧａＮ１６によって閉塞されたが、内部の空隙１５はそのまま保持される。さらに、成長を続けると第一のＧａＮ膜１４のファセット構造は埋め込まれて第二のＧａＮ膜１６の表面は平坦になる。
【００３３】
第二のＧａＮ膜１６の厚さが５００μｍになった時点で、ガス供給管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して、反応管４０を降温する。ここまでが本実施形態の二次成膜工程（図１（ｆ））である。
【００３４】
この降温中に、空隙１５に挟まれた隔壁部１４ｂに亀裂が生じて、第二のＧａＮ膜１６はサファイア基板１０の界面から剥離する。剥離した第二のＧａＮ膜１６の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる（図１（ｇ））。
【００３５】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法の作用効果について、以下、説明する。
【００３６】
本実施形態の製造方法によれば、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。本実施形態によれば、下地のサファイア基板とその上のＧａＮ層との境界面において、マスクを形成した箇所に対応し、複数の空隙１５が形成される。このため、下地のサファイア基板とＧａＮ層とは、空隙を除く領域に形成されたＧａＮ膜のみによって接合された状態となり、容易に分離することができる。たとえば、成膜直後の高温状態（１０４０℃程度）から常温（２５℃程度）まで降温すると、サファイアおよびＧａＮの熱膨張係数の違いにより両者の界面に熱応力が発生するが、この熱応力によって、外力を加えることなくＧａＮ層からサファイア基板が自然に除去される。また、自然に除去できない場合であっても、サファイアとＧａＮの接合体をエッチング液に浸漬すれば、空隙にエッチング液が速やかに浸入し、空隙を除く領域に形成されたＧａＮ膜を容易に溶解することができる。この結果、サファイア基板を容易に分離することができる。
【００３７】
特に本実施形態では、ＦＩＥＬＯ法により第一のＧａＮ膜１４を形成している。このため、ＥＬＯ法に比べて第一のＧａＮ膜１４の横方向の成膜速度が小さくなり、その制御が容易となる。このため、図１（ｃ）の工程においてＳｉＯ2マスク１１上面における第一のＧａＮ膜１４の横方向成長を制御性良く停止させることができ、第一のＧａＮ膜１４に覆われない露出領域を確実に残すことができる。この露出部を介してエッチング液をＳｉＯ2マスク１１に接触させて溶解し、空隙１５を安定に形成することができる。
【００３８】
また、本実施形態の製造方法によれば、ＧａＮ膜をＦＩＥＬＯ法により形成しているため、結晶品質の良好なＧａＮ基板が得られる。ＦＩＥＬＯ法によれば、基板に対して傾斜するファセットを形成しながら成長が進むため、マスク開口部の成長領域において下地から受け継いだ転位がファセット面で折れ曲がり、積層方向上部への転位の伝播を効果的に抑制することができる。このため、第一のＧａＮ膜１４の上部に形成される第二のＧａＮ膜１６中に生じる結晶欠陥を大幅に低減することができ、良好な品質のＧａＮ基板を得ることができる。
【００３９】
<実施形態２>
図２は、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【００４０】
まず、サファイア基板２１上にＭＯＣＶＤを用いてＧａＮ層２１を形成する（図２（ａ））。次いで、フォトリソグラフィ法とエッチングにより、ＧａＮ層２１上に複数の開口部２３を有するマスク２２を形成するマスキング工程を行う。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部２３が設けられる。続いて、マスク開口部２３を成長領域として、第一のＧａＮ膜２４を形成し、その際に隣接する第一のＧａＮ膜２４同士がマスク２２を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜２４の成長を止める一次成膜工程を行う。このとき、開口部２３に、サファイア基板の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有する構造体が形成される。その後、マスク２２をエッチングにより除去し空隙２５を形成する空隙形成工程を行う。さらに、内部に空隙を有する第一のＧａＮ膜２４上に再度第二のＧａＮ膜２６を成膜する二次成膜工程を行う。以上のようにして得られた構造体を冷却し、サファイア基板２０を分離除去し、ＧａＮ膜からなる自立基板が得られる。
【００４１】
以下、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造工程をより詳細に説明する。
【００４２】
はじめに、図２（ａ）に示すように、サファイア基板２０上にＧａＮ層２１を形成する。ＧａＮ層２１の形成は、ＭＯＣＶＤ法による。まず、サファイア基板２０を図５に示すＭＯＣＶＤ装置の反応管５０内の基板サセプタ５１をセットする。図５では、サファイア基板２０が５０２に対応する。つづいて、ガス供給管５２、５３、および５４よりＮ２ガスを供給して反応管５０内を十分置換する。反応管５０内に供給したガスは、ガス排出管５５より排出される。反応管５０内をパージした後、駆動軸５６により基板サセプタ５１を毎分２０回の速度で回転させる。
次にＮ２ガスに対して水素（Ｈ２）ガスを３０％の割合で供給して、高周波加熱コイル５７により基板サセプタ５１を１０５０℃の温度に昇温する。基板サセプタ５１の温度が１０５０℃の温度で１０分間待機した後、降温して５００℃の温度する。基板サセプタの温度が安定してからトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給して、サファイア基板２０の表面に３０ｎｍの厚さのＧａＮ層を形成し、ＴＭＧの供給を停止して再び、１０５０℃の温度に１２分程度かけて昇温し、１０５０℃の温度に安定させる。再びＴＭＧを供給して、ＧａＮ層２１を形成する。ＧａＮ層２１の膜厚が２μｍ程度の厚さになったらＴＭＧの供給を停止して降温する。基板サセプタ５１が５００℃前後の温度になったらＮＨ３ガスとＨ２ガスの供給を停止、基板サセプタ５１の回転を停止する。基板サセプタ５１が常温になってから反応管５０より取り出す。
【００４３】
次に、サファイア基板２０のＧａＮ層２１上に、シラン（ＳｉＨ4）ガスと酸素（Ｏ2）との反応による熱ＣＶＤ法を用いて、２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。そして、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術とを用いて、開口部２３の幅が３μｍ、ＳｉＯ2膜の幅が６μｍとなるようストライプ状のマスク２２を形成する。ストライプの方向は、ＧａＮ層２１に対して<１１−２０>方向に作成する。ここまでが、本実施形態のマスキング工程（図２（ｂ））である。
【００４４】
次に、マスク２２を形成したサファイア基板２０を、図４に示すＨＶＰＥ装置の反応管４０内の基板ホルダ４１にセットする。図４中、サファイア基板２０をウェハ４０２として表示する。そして、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。
【００４５】
反応管４０内を充分パージした後、ガス供給管４３、４５より供給するガスをＨ2ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。
【００４６】
引き続き、Ｇａソース４４領域の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。それぞれの温度が安定した時点で、ガス供給管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させＧａＣｌを成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応してＧａＮ膜を成長させる。
【００４７】
上記のようにして開口部２３に露出したＧａＮ層２１から第一のＧａＮ膜２４を成長させる。約１０分間の成長を行うと、第一のＧａＮ膜２４は、ＳｉＯ2膜のマスク２２上まで成長し、ＳｉＯ2マスク２２を覆い始めるとともに、傾斜面２４ａを有するファセット構造が形成される。傾斜面２４ａは、ファセット面｛１−１０１｝からなる。
【００４８】
ＳｉＯ2マスク２２の表面の露出幅が０．５μｍ程度になった時点で、ＨＣｌガスの供給を停止して、反応管４０を降温する。その後、常温まで冷却して、サファイア基板２０を反応管４０より取り出す。ここまでが本実施形態の一次成膜工程（図２（ｃ））である。
【００４９】
次に、サファイア基板２０の上部のＳｉＯ2マスク２２を、ＳｉＯ2マスク２２の上面のうち第一のＧａＮ膜２４に覆われない領域（露出領域）を通じて、弗化水素（ＨＦ）と水との混合液で処理する。このようにして、ＳｉＯ2マスク２２を除去し、空隙２５を形成した後、充分に流水洗浄して乾燥させる。その結果、空隙２５に挟まれた第一のＧａＮ膜２４は、隔壁部２４ｂ上に形成される。ここまでが本実施形態の空隙形成工程（図２（ｄ））である。
【００５０】
次に、空隙２５を形成したサファイア基板２０を再び、ＨＶＰＥ装置４００の反応管４０内の基板ホルダ４１にセットする。図４中、サファイア基板２０をウェハ４０２として表示する。そして、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して、反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。
【００５１】
反応管４０内を充分パージした後、ガス供給管４３、４５より供給するガスをＨ2ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。引き続きＧａソース４４が存在するＧａＣｌ生成領域４９の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。
【００５２】
それぞれの温度が安定した時点で導入管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させ、ＧａＣｌを生成し成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応してファセット構造の傾斜面２４ａ上に第二のＧａＮ膜２６を成長させる。このとき、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを添加する。
【００５３】
第一のＧａＮ膜２４のファセット構造の傾斜面２４ａの上で第二のＧａＮ膜２６が成長すると、隣接する傾斜面２４ａ上を成長した第二のＧａＮ膜２６と合体し、空隙２５の上面が第二のＧａＮ膜２６によって閉塞されたが、内部の空隙２５はそのまま保持される。さらに、成長を続けると第一のＧａＮ膜２４のファセット構造は埋め込まれて第二のＧａＮ膜２６の表面は平坦になる。
【００５４】
約５時間の成長により第二のＧａＮ膜１６の厚さが６００μｍになった時点で、ガス供給管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して、反応管４０を降温する。ここまでが本実施形態の二次成膜工程（図２（ｅ））である。
【００５５】
この降温中に、空隙２５に挟まれた隔壁部２４ｂに亀裂が生じて、第二のＧａＮ膜２６はサファイア基板２０の界面から剥離する。剥離して得られるＧａＮ層の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる（図２（ｆ））。
【００５６】
以上の工程を経て得られたＧａＮ膜（第二のＧａＮ膜２６）について室温のホール測定によりキャリア濃度を調べたところ、２×１０18ｃｍ-3のキャリア濃度が測定された。剥離したＧａＮ膜に含まれる第二のＧａＮ膜２６の表面および裏面を研磨することで、平坦なｎ型のＧａＮ基板として用いることができた。得られた基板は、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、およびトランジスタ等を作製する際に好適に利用可能な、高品質な自立ＧａＮ基板であった。
【００５７】
本実施形態の製造方法は、第一の実施形態で述べたのと同様の作用効果にくわえ、以下の作用効果を奏する。すなわち、本実施形態では、バッファ層としてＧａＮ層２１を形成し、この上面にマスクを設けて選択成長を行っているため、各開口部から成長する第一のＧａＮ膜２４の成長速度をより精密に制御することができる。このため、図２（ｃ）の工程においてマスクの露出部分を確実に残し、エッチング液によるマスク除去を確実に行うことができる。
本実施形態において、ＧａＮ層２１は、５００℃で成長した低温バッファ層と、１０５０℃で成長したＧａＮ結晶層との積層構造とした。１０５０℃で成長したＧａＮ結晶層を設けることにより、設計通りの寸法、形状のマスクを安定的に形成することが可能となる。しかしながら、ＧａＮ層２１は上記積層構造以外の構造としてもよく、たとえば低温バッファ層のみにより構成してもよい。
【００５８】
<実施形態３>
図３は、本実施形態に係る二酸化珪素のマスクパターンの形状を模式的に示す平面図である。
【００５９】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、基本的には、実施形態１の場合と同様の工程を含む方法であるが、マスキング工程において、ストライプ状のマスクを形成するかわりに、図３（ａ）、（ｃ）に示すような矩形状の開口部３０を備えるマスク３１、または、図３（ｂ）に示すような三角形状の開口部３３を備えるマスク３２形成した点で異なる。なお、それ以外の工程は、基本的に実施形態１の場合と同条件とする。
【００６０】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、第一の実施形態で述べたのと同様の作用効果にくわえ、ＧａＮ膜の損傷を一層効果的に抑制できるという作用効果を奏する。
【００６１】
上記の方法では、マスクパターンを、矩形状の開口部３０を備えるマスク３１または三角形状の開口部３３を備えるマスク３２としている。ここで、ストライプ状のマスクでは、ストライプと直角方向に歪が大きく、熱歪が加わるとサファイア／GaN構造体において馬の背状態に反りが発生するのに対し、矩形状または角形状の開口部を備えるマスクでは、熱歪みによる反りがサファイア／ＧａＮ構造体の面内で均一となる。
【００６２】
このため、二次成膜工程後の降温中の剥離がサファイア基板上の空隙に挟まれた隔壁部の全体で均一に発生し、剥離途中でＧａＮ膜中に亀裂が生じる割合を低減できる。したがって、上記の製造方法によれば、損傷の少ない高品質のＧａＮ膜が安定的に得られる。
【００６３】
<実施形態４>
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、基本的には、実施形態１の場合と同様の工程を含む方法であるが、本実施形態では、マスクの断面形状を変更している。
【００６４】
図６は、本実施形態に係るＧａＮ半導体基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。この製造方法においては、まず、フォトリソグラフィ法とエッチングにより、下地基板であるサファイア基板（Ａｌ２Ｏ３）１０上に、断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって幅広となる開口部１１２、断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって幅狭となる被覆部１１１を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。
【００６５】
次いで、開口部１１２から第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる。この第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる工程では、マスク１１の開口部１１２内部から、第一のＧａＮ半導体膜１４を形成し、隣接する第一のＧａＮ半導体膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止める。
【００６６】
続いて、マスク１１をエッチングにより除去し、空隙１５を形成する。そして、空隙１５を有する第一のＧａＮ半導体膜１４上に、前記空隙１５を残しつつ、第二のＧａＮ半導体膜１６を成膜する。これにより、第一のＧａＮ半導体膜１４と、第二のＧａＮ半導体膜１６とを含むＧａＮ半導体層１７が形成される。
【００６７】
こうして得られたサファイア基板１０およびＧａＮ半導体層１７の接合体を冷却して、サファイア基板１０を分離除去する。
【００６８】
上述の製造工程を、以下、詳細に説明する。まず、厚さ５５０μｍの３インチφのサファイア基板１０表面に、１μｍの厚さのＳｉＯ2膜１１を積層する（図６（ａ））。ここで、ＳｉＯ2膜１１の成膜には、シラン（ＳｉＨ4）ガスと酸素（Ｏ2）ガスを用いる熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や電子ビーム（ＥＢ：Electron Beam）蒸着法、およびその他の手法を使用することができる。
【００６９】
続いて、リソグラフィ技術を用いてこのＳｉＯ2膜１１上にレジストマスク１２を形成する。レジストマスク１２は、その被覆部１２１の長手方向がサファイア基板１０の<１−１００>方向に沿うように形成した。レジストマスク１２の開口部１２２の幅は２μｍであり、被覆部１２１の幅は１０μｍである。このレジストマスク１２は、基板１０の一部または全面に形成される（図６（ｂ））。
【００７０】
次に、適宜条件を設定し、レジストマスク１２が形成されたサファイア基板１０をフッ化水素系の溶液に浸した。開口部１２２を通して、ＳｉＯ2膜１1がエッチングされ、ＳｉＯ2膜１１は、サファイア基板１０を被覆するストライプ状の複数の被覆部１１１と、前記サファイア基板１０が露出し、前記被覆部１１１間に配置された開口部１１２とを有するマスク１１となる（図６（ｃ））。被覆部１１１の長手方向は、サファイア基板１０の<１−１００>方向に沿った方向である。被覆部１１１の断面形状は、略台形形状で、サファイア基板１０側から上方に向かって幅狭となっている。また、開口部１１２の断面は、サファイア基板１０側から上方に向かって広くなる台形形状であり、サファイア基板１０側から上方に向かって幅広となっている。ここでいう断面とは、被覆部１１１の前記長手方向と直交する方向の断面である。換言すると、マスク１１をサファイア基板１０の<１１−２０>方向（GaN半導体層１７の<１−１００>方向）方向で切断したときの断面である。開口部１１２の幅が３〜４μｍとなるまでエッチングを行った後、レジストマスク１２を除去する。
【００７１】
次に、サファイア基板１０の表面を２０分間熱アニールした後、５００℃の温度まで降温する。サファイア基板１０の温度が安定した時点で、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０上にＧａＮ層１３を形成する（図６（ｄ））。
【００７２】
ＧａＮ層１３の厚さが１００ｎｍに達した時点で成長を止め、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出しＨＶＰＥ装置にセットする。つづいて、ＨＶＰＥ装置の成膜室内にＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガスを供給しながら昇温する（図６（ｄ））。この過程でＧａＮ層１３の一部は、分解・蒸発する一方で、ＧａＮ層１３の他の一部は結晶化して残留する。この残留した結晶部分を種として以後の層成長が行われる。
【００７３】
つづいて、マスク１１の開口部１１２内に残存した結晶部分をＨＶＰＥ法により成長させる。約１５分間の成長を行うと、結晶部分は、開口部１１２内で｛１−１０１｝ファセット構造を有する第一のＧａＮ半導体膜１４を形成するに至る（図６（ｅ））。このファセット構造は、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜した傾斜面を有し断面三角形状となる。
【００７４】
さらに成長を続けると第一のＧａＮ半導体膜１４はマスク１１の被覆部１１１の側壁面１１１ａを覆いはじめる（図６(ｆ)）。
【００７５】
さらに成長を続けると、第一のＧａＮ半導体膜１４は、マスク１１の被覆部１１１の上面を覆い、被覆部１１１を介して隣接する開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４のファセット構造と合体を始める。隣り合う第一のＧａＮ半導体膜１４のファセット構造が５０％合体した段階で第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を停止し、反応室を降温する。常温まで冷却した段階で、反応室より第一のＧａＮ半導体膜１４が形成されたサファイア基板１０を取り出す。
【００７６】
以上がマスク１１の開口部１１２から第一のＧａＮ半導体膜１４を形成する工程である。
【００７７】
取り出したサファイア基板１０上の第一のＧａＮ半導体膜１４は、マスク１１の被覆部１１１を完全には覆っておらず、被覆部１１１が露出した状態となっている（図６（ｇ））。このような第一のＧａＮ半導体膜１４が形成されたサファイア基板１０を弗化水素（ＨＦ）と水の混合液であるエッチャントに２時間程度浸す。エッチャントは、マスク１１の被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂに接触し、被覆部１１１を溶解して空隙１５を形成する。空隙１５を形成した後、十分流水洗浄し、乾燥させる。以上により、マスク１１が除去され空隙１５が形成される（図６（ｈ））。
【００７８】
次に、ＨＶＰＥ法により、ファセット構造の傾斜面１４ａ上に第二のＧａＮ半導体膜１６を成長させる。第二のＧａＮ半導体膜１６は、ファセット構造の傾斜面１４ａから成長が行なわれ、隣接する傾斜面１４ａに形成された第二のＧａＮ半導体膜１６と合体し、空隙１５の上面が第二のＧａＮ半導体膜１６によって閉塞される。
【００７９】
なお、空隙１５内部には、第二のＧａＮ半導体膜１６は形成されず、空隙１５はそのまま保持される。さらに、成長を続けるとファセット構造は埋め込まれる。これにより、第一のＧａＮ半導体膜１４と第二のＧａＮ半導体膜１６とを備えたＧａＮ半導体層１７が形成される（図６（ｉ））。
【００８０】
ＧａＮ半導体層１７の厚さが１ｍｍに到達した段階でＧａＮ半導体層１７の成長を終了し、反応室を降温する。この降温中にＧａＮ半導体層１７とサファイア基板１０の熱膨張係数の違いから、空隙１５を構成する隔壁に応力が集中し、ＧａＮ半導体層１７はサファイア基板１０の界面近傍から剥離する（図６（ｊ））。剥離したＧａＮ半導体層１７の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる。
【００８１】
本実施形態に係る基板製造方法によれば、既述の実施形態の作用効果にくわえ、以下の作用効果を奏する。
【００８２】
マスク１１の開口部１１２を挟んで配置された被覆部１１１の断面形状が略台形形状であり、サファイア基板１０側から上方に向かって狭くなる形状となっている。このような形状とすることで開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４が、結晶性のよいものとなる。この第一のＧａＮ半導体膜１４上に第二のＧａＮ半導体膜１６を形成し、ＧａＮ基板を得ているため、結晶性のよいＧａＮ基板を得ることができる。
【００８３】
マスク１１の開口部１１２内部および被覆部１１１表面に、第一のＧａＮ半導体膜１４を形成したのち、マスク１１を除去することで、第一のＧａＮ半導体膜１４のうち、被覆部１１１表面に形成された部分の下部に空隙１５が形成される。そして、第一のＧａＮ半導体膜１４上に、前記空隙１５を埋めないように、第二のＧａＮ半導体膜１６を形成し、これをＧａＮ半導体層１７としている。従って、空隙１５により、サファイア基板１０とＧａＮ半導体層１７とが接触している面積が小さくなるため、ＧａＮ半導体層１７をサファイア基板１０から容易に分離することが可能となる。
【００８４】
また、マスク１１の開口部１１２の断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって広がる形状であり、この開口部１２２から第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させている。そのため、第一のＧａＮ半導体膜１４の開口部１１２内部に形成される部分をサファイア基板１０側から上方に向かって広がる形状とすることができ、第一のＧａＮ半導体膜１４のサファイア基板１０に支持される部分の面積を小さくすることができる。これにより、サファイア基板１０の分離除去を容易化することができる。
【００８５】
より詳細に説明すると、本実施形態では、サファイア基板１０と第一のＧａＮ半導体膜１４との熱膨張係数の違いを利用し、第一のＧａＮ半導体膜１４に亀裂を生じさせて、サファイア基板１０を分離している。第一のＧａＮ半導体膜１４のうち、サファイア基板１０に支持されている部分の面積が小さいので、単位断面積あたりの応力の負荷が大きくなる。そのため、前記熱膨張係数の違いにより発生する応力が、例え小さかったとしても容易に亀裂が生じ、サファイア基板１０の分離を容易に行うことができるのである。
【００８６】
さらに、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４によりマスク１１の被覆部１１１を完全に覆わず、被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂにエッチャントを接触させているので、マスク１１の被覆部１１１を容易にエッチング除去できる。
【００８７】
また、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４をＦＩＥＬＯ法により成長させているため、マスク１１の被覆部１１１上面のうち、第一のＧａＮ半導体膜１４により覆われない部分は、第一のＧａＮ半導体膜１４の傾斜面１４ａで囲まれ、略逆三角形状となる。このためエッチャントが第一のＧａＮ半導体膜１４の傾斜面１４ａで囲まれた部分に入り易くなり、エッチャントが被覆部１１１に接触しやすくなる。
【００８８】
さらに、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４によりマスク１１の被覆部１１１を完全に覆わず、被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂにエッチャントを接触させている。そのため、被覆部を第一のＧａＮ半導体膜により、完全に覆ってしまった後、第一のＧａＮ半導体膜をはがして露出部を形成する場合に比べ、製造に手間を要しない。
【００８９】
また、本実施形態では、マスク１１の被覆部１１１を断面略台形形状とし、開口部１１２の断面形状を上方に向かって幅広となるようにしているので、第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる際に、第一のＧａＮ半導体膜１４が開口部１１２を埋め尽くすのにかかる速度が上方に向かって低下する。そのため、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長状態が把握しやすくなる。これにより、隣接する開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４同士が被覆部１１１上面で完全に合体してしまう前に確実に第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止めることが容易となる。
【００９０】
これにくわえ、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させているため、第一のＧａＮ半導体膜１４の水平方向の成長速度がＥＬＯ法に比べ遅く、第一のＧａＮ半導体膜１４の水平方向の成長の制御性がよい。従って、より確実に第一のＧａＮ半導体膜１４同士が完全に合体してしまう前に、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止めることができる。
【００９１】
特に、本実施形態では、被覆部１１１の断面形状を略台形形状としており、被覆部１１１の上面の面積が小さいため、第一のＧａＮ半導体膜１４により、埋まってしまい易いが、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させることでこの問題を解決することができる。
【００９２】
また、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させることで、マスク１１の被覆部１１１が第一のＧａＮ半導体膜１４で覆われるタイミングのずれを防止できる。
【００９３】
さらに、本実施形態では、マスク１１の被覆部１１１の断面形状を略台形形状としているため、第一のＧａＮ半導体膜１４および第二のＧａＮ半導体膜１６で被覆部１１１の上面を完全に覆うのに時間を要しない。
【００９４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００９５】
たとえば、上記の実施形態では、ＳｉＯ2マスクを２μｍの厚さで形成したが、ＨＶＰＥ法で成長する第二のＧａＮ膜の一部が空隙内に入り込んだとしても、空隙を完全に充填しない程度の厚さであればよい。また、開口部の幅を３μｍとし、マスクの幅を７μｍとしたが、寸法の設定は任意であり、空隙の幅が充分確保できればよい。
【００９６】
また、実施形態１では、アンドープＧａＮ膜を形成したが、実施形態２で説明したように、ＧａＮ膜に不純物を添加して、ｎ型の導電性のＧａＮ基板にしてもよい。あるいは、鉄（Ｆｅ）を添加することで、高抵抗のＧａＮ基板とすることも可能である。
また、GaN半導体層１７を厚く成長させた場合には、スライスにより複数枚のGaNウエハを切り出すことができ、これらの表面、および裏面を研磨することでGaN基板を作製することができる。
【００９７】
さらに、上記の実施形態では、異種材料基板としてサファイア基板を用いたが、他にもＳｉＣ、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板などの異種材料基板を好適に用いることができる。
【００９８】
図１（ｃ）、図６（ｄ）〜（ｅ）において、マスク開口部に結晶核を形成する工程は、上記実施形態ではＨＶＰＥ装置内で行う例を示したが、これらは、ＭＯＣＶＤ装置内で行ってもよい。
また、上記の実施形態では、エッチングによりＳｉＯ2マスクを全部除去したが、必ずしもマスクを全部除去しなくてもよい。一部のマスクが残存していても、空隙が形成されれば、冷却過程で隔壁部において亀裂が生じて、特に大きな外力を加えることなくサファイア基板を分離除去できる。このため、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。
【００９９】
また、上記の実施形態では、冷却により外力を付加することなしに亀裂が形成され下地基板が全面剥離する態様について説明したが、必ずしも冷却過程で全面剥離しなくてもよい。この場合においても、剥離のために付与する外力を最小限にすることができ、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。
【０１００】
また、上記の実施形態では、特定の膜厚の半導体膜を、特定の製造条件で形成したが、特に限定する趣旨ではない。すなわち、上記の膜厚および製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体膜の構造または組成に応じて適宜変更が可能である。
【０１０１】
サファイア基板―GaN厚膜からなる構造体上に半導体レーザや、発光ダイオード等の発光素子構造、さらには電界効果トランジスタ等の電子デバイス構造を作製した後に、これらの構造体を成長温度から冷却する過程で、隔壁部において亀裂を生じさせて下地基板を除去する方法も本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】実施形態１に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図２】実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図３】実施形態３に係る二酸化珪素のマスクパターンの形状を模式的に示す平面図である。
【図４】ＨＶＰＥ装置の構成を示す図である。
【図５】ＭＯＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図６】実施形態４に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０、２０、６０ サファイア基板
１１、２２、２７、６１ マスク（ＳｉＯ2膜）
１１２、２３、２８、６２ 開口部
１３、６３ ＧａＮ膜
１４、２４、６４ ＧａＮ膜
１４ａ、２４ａ、６４ａ 傾斜面
１４ｂ、２４ｂ、６４ｂ 隔壁部
１５、２５、６５ 空隙
１６、２６、６６ ＧａＮ膜
２１ ＧａＮ膜
３０ 開口部
３１、３２ マスク（ＳｉＯ2膜）
３３ 開口部
４０ 反応管
４１ 基板ホルダ
４２ ヒータ
４３、４５ ガス供給管
４４ ガリウムソース
４６ 成長領域
４７ ガス排出管
４８ ソースボート
４９ ＧａＣｌ生成領域
４００ ＨＶＰＥ装置
４０２ ウェハ
５０ 反応管
５１ 基板サセプタ
５２、５３、５４ ガス供給管
５５ ガス排出管
５６ 駆動軸
５７ 加熱用高周波コイル
５８ 成長領域
５９ 回転機構室
１１１ 被覆部
５００ ＭＯＣＶＤ装置
５０２ ウェハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を窒化物系光デバイスや電子デバイス作製用基板として用いることが提案されており、この基板を得るためにバルク結晶を作製する試みが、多くの研究機関で行われている。しかしながら、ＧａＮ結晶の窒素の解離圧が高いために、ＧａＡｓのように溶液から大きなバルク結晶を得ることが難しく、ＧａＮ半導体基板として利用できるＧａＮバルク結晶の作製は非常に困難である。
【０００３】
このため、GaN基板を作製する方法として、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等の異種材料基板にGaN膜を成長させた後、異種材料基板を分離除去することによりGaN基板を得る方法が広く採用されており、このような基板を自立基板と呼んでいる。以下、自立基板の作製方法に関連する従来技術について説明する。
【０００４】
特許文献１には、サファイア基板上にＧａＮ膜を成長させ、その後レーザ光を照射してサファイア基板からＧａＮ膜を剥離する方法が開示されている。しかし、この方法ではサファイア基板およびGaN層に加わっている歪が大きいことから、剥離の最中にクラックが発生しやすく大きな自立基板を得ることが困難である。また、剥離の最中に転位などの欠陥が生じやすいという問題もある。
【０００５】
一方、特許文献２には、サファイアに代わる基板材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いてＧａＮ膜を成長させ、その後エッチングによりＧａＡｓを除去する方法が開示されている。
この方法によれば、クラック等の発生も少なく、GaN層とGaAsの分離は比較的良好に行われる。しかし、ＧａＡｓは分解温度が低いのでＧａＮ膜成長中にＧａＡｓが分解されてＧａＮ膜の中にＡｓが不純物として混入し、ＧａＮ基板の品質を下げる場合がある。また、毒性の強いＡｓを扱うため安全性の面で好ましくない。
【０００６】
また、特許文献３には、サファイア基板上に、結晶欠陥または空隙を含むＡｌＧａＮ膜またはＩｎＧａＮ膜からなるリフトオフ層を成長させ、リフトオフ層上にＧａＮ膜を成長させ、結晶欠陥または空隙を含むリフトオフ層によって、サファイア基板からGaN膜を剥離する方法が開示されている。しかし、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層といったGaNとは格子定数の異なる層を成長させることで、転位などの結晶欠陥が導入されやすくなり、リフトオフしたGaN層の結晶性が悪化するという問題を有している。また、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層からなるリフトオフ層に多数の微細な空隙または結晶欠陥を安定して形成するためには、１）キャリアガスの水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との割合、２）ＮＨ３と、トリメチルガリウム（ＴＭＧa）や塩化ガリウム（ＧａＣｌ）などIII族原料との気相における比（Ｖ／ＩＩＩ比）、３）ＡｌまたはＩｎの供給量、４）成長温度の各条件を精緻にバランスさせる必要性が高い。そのため、制御安定性の面でさらなる改善の余地がある。また、微細な空隙または結晶欠陥を有するリフトオフ層上に形成されるＧａＮ膜の結晶性を向上させることは困難である。そのため、ＧａＮ基板の品質の面でも課題を有している。
【０００７】
また、特許文献４には、ＨＶＰＥ法を用いたＧａＮ半導体基板の製造方法が開示されている。この製造方法では、サファイア基板上に、ストライプ状に配置された断面矩形形状の被覆部および被覆部間に形成された開口部を有するマスクを形成する。このマスクの被覆部は、サファイア基板の<１１−２０>、ＧａＮ半導体基板の<１−１００>方向に延在する。マスク形成後、その開口部からＧａＮ半導体層を成長させ、マスクの被覆部上面を、完全には覆わない状態で成長を止める。このときＧａＮ半導体層は、特許文献１の請求項１等に記載されているように、断面略Ｔ字型となる。その後、マスクをドライエッチングにより除去し、次いでＧａＮ半導体層上にさらにＧａＮ半導体層を成長させた後、サファイア基板を剥離し、ＧａＮ半導体基板を得る。
【０００８】
しかしながらこの方法では、マスク上面を完全に覆わない状態で成長を止めることが困難である。マスク上面がＧａＮ半導体層で覆われてしまうと、マスクをドライエッチングできなくなる。上記のように断面Ｔ字型の半導体膜が形成される成長方法は、いわゆるＥＬＯ法とよばれ、横方向の成長速度が速い上、各開口部におけるＧａＮ半導体層の成長速度がばらつくという傾向を有している。したがって、マスクを覆わないタイミングでＧａＮ半導体層の成長を制御性良く止めることは困難である上、各マスクがＧａＮ半導体層で覆われるタイミングがずれる関係で、不可避的に、少なくとも一部のマスクについては上面がＧａＮ半導体層で覆われてしまう形態となる。このため、同文献記載の方法では、マスクを充分に除去してサファイア基板を容易に剥離することは、事実上困難である。
【特許文献１】特開２００２−５７１１９号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ９９／２３６９３号パンフレット
【特許文献３】特開２００４−１１２０００号公報
【特許文献４】特開２００３−５５０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、結晶品質の良好なIII族窒化物半導体基板が安定的に得られる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
下地基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止め、前記開口部に、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成する工程と、
前記第一のIII族窒化物半導体膜により覆われていないマスク表面の露出部にエッチャントを接触させて前記マスクの少なくとも一部をエッチング除去し、空隙を形成する工程と、
前記空隙を残しつつ前記第一のIII族窒化物半導体膜上に第二のIII族窒化物半導体膜をさらに成長させ、前記第一のIII族窒化物半導体膜および前記第二のIII族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物半導体層を得る工程と、
前記III族窒化物半導体層と前記下地基板とを分離し、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明においては、マスク開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止める。これにより、開口部に、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体が形成される。このような構造体が形成される成膜方法は、いわゆるＦＩＥＬＯ（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）とよばれるもので、前述の特許文献４に記載されている断面Ｔ字型の構造体が形成されるＥＬＯ法に比し、横方向の結晶成長が遅い。このため、ＥＬＯ法に比べ、マスクを覆わないタイミングでＧａＮ半導体層の成長を制御性良く止めることが容易となる上、各マスクがＧａＮ半導体層で覆われるタイミングのずれも低減できる。このため、マスクを確実に除去し、空隙部を下地基板全面にわたって安定に形成することができる。この結果、III族窒化物半導体層に過大なストレスをかけることなく、サファイア基板を容易に分離除去することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明は、マスクの表面全面を覆わない段階でIII族窒化物半導体の成長を止め、下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成し、その後、マスクを除去して空隙部を形成し、下地基板を除去する方法を採用する。このため、空隙部を下地基板全面にわたって安定に形成することができ、下地基板の除去に際しIII族窒化物半導体層に過大なストレスをかけることを避けることができる。これにより、本発明によれば、結晶品質の良好なIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
<実施形態１>
図１は、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法においては、まず、サファイア基板１０上に開口部１１２を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部１１２が設けられる。次いで、５００℃の低温でＧａＮ層１３を成長させた後、昇温し、ＧａＮ層１３の一部を分解・蒸発させてマスク開口部に結晶核を形成する。その後、この結晶核を種として第一のＧａＮ膜１４を形成する。隣接する第一のＧａＮ膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜１４の成長を止める（一次成膜工程）。このとき、開口部１１２に、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有する構造体が形成される。続いてマスク１１をウエットエッチングにより除去し、空隙１５を形成する。そして、内部に空隙１５を有する第一のＧａＮ膜１４上に第二のＧａＮ膜１６を成膜する（二次成膜工程）。以上のようにして得られた構造体には成長温度から降温する過程でＧａＮとサファイアの熱膨張係数差に起因する応力が成長界面に加わり、空隙１５が存在することで簡単にサファイア基板１０を分離除去することができ、その結果、ＧａＮ膜だけの自立基板が得られる。
【００１５】
以下、上記製造方法の各工程の詳細および製造に用いる装置について説明する。
図５は、ＧａＮ層１３を成膜する際に使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置である。
【００１６】
このＭＯＣＶＤ装置５００は、反応管５０と、反応管５０内に回転自在に配設されている基板サセプタ５１と、を備える。このＭＯＣＶＤ装置５００は、反応管５０のうち、基板サセプタ５１の上半を成長領域５８、下半を回転機構室５９として区画している。
【００１７】
成長領域５８には、ガス供給管５３、５４が設けられている。回転機構室５９には、成長領域５８側のキャリアガスが回転機構室５９側に流入することを抑制するためのガス供給管５２、および駆動軸５６が設けられている。
【００１８】
成長領域５８と回転機構室５９とは、反応管５０内の下流側で合流しており、その先にはガス排出管５５が設けられている。反応管５０外周の基板サセプタ５１と相対する箇所には、加熱用高周波コイル５７が設けられている。
【００１９】
以下、図５に示すＭＯＣＶＤ装置５００を用いてＧａＮ層１３を成膜する工程について説明する。
ＧａＮ層１３を成膜する前に、まず、（０００１）面（ｃ面）から０．１５°傾斜した厚さ４３０μｍのサファイア基板１０を用意し、この基板のｃ面に電子ビーム（ＥＢ）蒸着法を用いて２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。
【００２０】
続いて、リソグラフィ技術を用いて開口部１１２の幅が３μｍ、ＳｉＯ2膜の幅が７μｍとなるようストライプ状のマスク１１を形成する。ストライプ方向は、サファイア基板１０の<１−１００>方向（基板上に形成されるGaN半導体層の<１１−２０>方向）とする。ここまでが本実施形態のマスキング工程（図１（ａ））である。
【００２１】
上記工程に続いて、図５に示す構成を備えるＭＯＣＶＤ成長装置５００の反応管５０内の基板サセプタ５１上に、マスク１１を形成したサファイア基板１０を、セットする。図５中、サファイア基板１０をウェハ５０２として表示する。そして、ガス供給管５２、５３、および５４からＮ2ガスを供給して、反応管５０内をパージする。反応管５０内に供給したガスは、排出口５５より排出される。
【００２２】
反応管５０内を充分パージした後、導入管５３、５４より水素（Ｈ2）ガスを供給し、加熱用高周波コイル５７でサセプタ５１を加熱し、サファイア基板１０を昇温する。サファイア基板１０の温度は１０５０℃まで昇温させる。
【００２３】
サファイア基板１０の表面を１０分間熱アニール待機した後、５００℃の温度まで降温する。サファイア基板１０の温度が安定した時点で、ガス供給管５３からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、導入管５４からアンモニア（ＮＨ3）ガスをそれぞれ供給してサファイア基板１０上にＧａＮ層１３の成長を行う。ＴＭＧ、ＮＨ3の供給量は、それぞれ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、５０００ｃｃ／ｍｉｎとする。
なお、ＧａＮ層１３を構成する低温バッファ層は、４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。こうすることにより、その後のＧａＮ層の成長において、ファセット構造を安定的に形成することができる（図１（ｂ））。
【００２４】
ＧａＮ層１３の成膜後、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置にセットする。
図４は、第二のＧａＮ膜を成膜する際に使用するＨＶＰＥ装置である。このＨＶＰＥ装置４００は、反応管４０と、反応管４０内に回転自在に配設されている基板ホルダ４１と、反応管４０の外部のヒータ４２とを備える。このＨＶＰＥ装置４００は、ガリウム（Ｇａ）ソース４４を載置するソースボート４８を反応管４０内に備える。また、このＨＶＰＥ装置４００は、反応管４０に、ガス供給管４３、４５と、ガス排出管４７とを備える。
【００２５】
基板ホルダ４１は、反応管４０の下流側に回転自在に設けられている。基板ホルダ４１に保持されるウェハ４０２（図１におけるサファイア基板１０に相当する）に相対する箇所に成長領域４６が形成されている。ヒータ４２は、反応管４０の外周に設けられている。ガス排出管４７は、基板ホルダ４１の下流側に設けられている。
【００２６】
Ｇａソース４４は、反応管４０内の上流側のＧａＣｌ生成領域４９に区画されて配されている。塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給するガス供給管４５は、ＧａＣｌ生成領域４９の上流側に設けられている。ＧａＣｌ生成領域４９の排出口は成長領域４６に相対している。アンモニア（ＮＨ3）ガスを供給するガス供給管４３は、反応管４０の上流側のＧａＣｌ生成領域４９の区画外の箇所に設けられている。
【００２７】
以下、図１（ｃ）以降の工程について説明する。まず、図４に示す構成を備えるＨＶＰＥ装置４００の反応管４０内の基板ホルダ４１に、空隙１５を形成したサファイア基板１０をセットした後、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。その後、Ｎ２ガスがらＨ ２ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０内を昇温する。反応管４０内の温度が５００℃前後からガス導入管４３よりＮＨ3ガスを供給する。ＧａＣｌの生成領域４９の温度を８５０℃、成長領域４６の温度を１０４０℃とする。この昇温過程でＧａＮ膜１３の一部が分解・蒸着する一方、ＧａＮ膜１３の他の一部がマスク開口部において結晶化して残留する。ガス供給管４５よりＨＣｌガスを供給してＧａと反応させＧａＣｌを成長領域４６に輸送する。結晶化したＧａＮ膜１３を種としてＧａＮ膜１４の成長が行なわれる（図１（ｃ））。さらに成長を続けると開口部１１２から成長したＧａＮ膜１４は、ＳｉＯ２マスク１１表面を覆い始めとともに第一のＧａＮ膜１４は、傾斜面１４ａを有するファセット構造を維持しながら成長していく。傾斜面１４ａは、サファイア基板の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝である。
【００２８】
ＳｉＯ2マスク１１の表面の露出幅が１μｍ程度になった時点でガス導入管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して反応管４０を降温する。反応管４０の温度が５００℃前後でＮＨ3ガスの供給を停止し、Ｈ2ガスからＮ2ガスに切替える。常温に達した時点で反応管４０からサファイア基板１０を取り出す。ここまでが本実施形態の一次成膜工程（図１（ｄ））である。
【００２９】
取り出したサファイア基板１０を弗化水素（ＨＦ）あるいは、弗化水素（ＨＦ）と水の混合液に浸して処理し、サファイア基板１０上部のＳｉＯ２マスク１１を、ＳｉＯ２マスク１１の上面のうち第一のＧａＮ膜１４に覆われない領域（露出領域）を通じて溶解して、複数の空隙１５を形成する。その結果、複数の空隙１５に挟まれた第一のＧａＮ膜１４は、隔壁部１４ｂ上に形成される。空隙１５形成後、充分に流水洗浄し、水分を乾燥させる。ここまでが本実施形態の空隙形成工程（図１（ｅ））である。
【００３０】
再び、空隙１５を形成したサファイア基板１１をＨＶＰＥ装置に反応管４０内にセットする。ガス導入管４３、４５よりＮ２ガスを供給して反応管４０内を十分パージした後、Ｎ２ガスからＨ２ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。反応管４０の温度が５００℃前後からガス導入管４３よりＮＨ3ガスを加えて供給する。
【００３１】
引き続き、Ｇａソース４４が存在するＧａＣｌ生成領域４９の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。それぞれの温度が安定した時点で導入管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応して第一のＧａＮ膜１４のファセット構造の傾斜面１４ａ上に第二のＧａＮ膜１６を成長させる。
【００３２】
ファセット構造の傾斜面１４ａの上で第二のＧａＮ膜１６が成長すると、隣接する傾斜面１４ａ上を成長した第二のＧａＮ膜１６と合体し、空隙１５の上面がＧａＮ１６によって閉塞されたが、内部の空隙１５はそのまま保持される。さらに、成長を続けると第一のＧａＮ膜１４のファセット構造は埋め込まれて第二のＧａＮ膜１６の表面は平坦になる。
【００３３】
第二のＧａＮ膜１６の厚さが５００μｍになった時点で、ガス供給管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して、反応管４０を降温する。ここまでが本実施形態の二次成膜工程（図１（ｆ））である。
【００３４】
この降温中に、空隙１５に挟まれた隔壁部１４ｂに亀裂が生じて、第二のＧａＮ膜１６はサファイア基板１０の界面から剥離する。剥離した第二のＧａＮ膜１６の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる（図１（ｇ））。
【００３５】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法の作用効果について、以下、説明する。
【００３６】
本実施形態の製造方法によれば、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。本実施形態によれば、下地のサファイア基板とその上のＧａＮ層との境界面において、マスクを形成した箇所に対応し、複数の空隙１５が形成される。このため、下地のサファイア基板とＧａＮ層とは、空隙を除く領域に形成されたＧａＮ膜のみによって接合された状態となり、容易に分離することができる。たとえば、成膜直後の高温状態（１０４０℃程度）から常温（２５℃程度）まで降温すると、サファイアおよびＧａＮの熱膨張係数の違いにより両者の界面に熱応力が発生するが、この熱応力によって、外力を加えることなくＧａＮ層からサファイア基板が自然に除去される。また、自然に除去できない場合であっても、サファイアとＧａＮの接合体をエッチング液に浸漬すれば、空隙にエッチング液が速やかに浸入し、空隙を除く領域に形成されたＧａＮ膜を容易に溶解することができる。この結果、サファイア基板を容易に分離することができる。
【００３７】
特に本実施形態では、ＦＩＥＬＯ法により第一のＧａＮ膜１４を形成している。このため、ＥＬＯ法に比べて第一のＧａＮ膜１４の横方向の成膜速度が小さくなり、その制御が容易となる。このため、図１（ｃ）の工程においてＳｉＯ2マスク１１上面における第一のＧａＮ膜１４の横方向成長を制御性良く停止させることができ、第一のＧａＮ膜１４に覆われない露出領域を確実に残すことができる。この露出部を介してエッチング液をＳｉＯ2マスク１１に接触させて溶解し、空隙１５を安定に形成することができる。
【００３８】
また、本実施形態の製造方法によれば、ＧａＮ膜をＦＩＥＬＯ法により形成しているため、結晶品質の良好なＧａＮ基板が得られる。ＦＩＥＬＯ法によれば、基板に対して傾斜するファセットを形成しながら成長が進むため、マスク開口部の成長領域において下地から受け継いだ転位がファセット面で折れ曲がり、積層方向上部への転位の伝播を効果的に抑制することができる。このため、第一のＧａＮ膜１４の上部に形成される第二のＧａＮ膜１６中に生じる結晶欠陥を大幅に低減することができ、良好な品質のＧａＮ基板を得ることができる。
【００３９】
<実施形態２>
図２は、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【００４０】
まず、サファイア基板２１上にＭＯＣＶＤを用いてＧａＮ層２１を形成する（図２（ａ））。次いで、フォトリソグラフィ法とエッチングにより、ＧａＮ層２１上に複数の開口部２３を有するマスク２２を形成するマスキング工程を行う。マスクは、<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されたパターンを有し、隣接する被覆部の間に開口部２３が設けられる。続いて、マスク開口部２３を成長領域として、第一のＧａＮ膜２４を形成し、その際に隣接する第一のＧａＮ膜２４同士がマスク２２を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ膜２４の成長を止める一次成膜工程を行う。このとき、開口部２３に、サファイア基板の基板面に対して傾斜するファセット面｛１−１０１｝を有する構造体が形成される。その後、マスク２２をエッチングにより除去し空隙２５を形成する空隙形成工程を行う。さらに、内部に空隙を有する第一のＧａＮ膜２４上に再度第二のＧａＮ膜２６を成膜する二次成膜工程を行う。以上のようにして得られた構造体を冷却し、サファイア基板２０を分離除去し、ＧａＮ膜からなる自立基板が得られる。
【００４１】
以下、本実施形態に係るＧａＮ基板の製造工程をより詳細に説明する。
【００４２】
はじめに、図２（ａ）に示すように、サファイア基板２０上にＧａＮ層２１を形成する。ＧａＮ層２１の形成は、ＭＯＣＶＤ法による。まず、サファイア基板２０を図５に示すＭＯＣＶＤ装置の反応管５０内の基板サセプタ５１をセットする。図５では、サファイア基板２０が５０２に対応する。つづいて、ガス供給管５２、５３、および５４よりＮ２ガスを供給して反応管５０内を十分置換する。反応管５０内に供給したガスは、ガス排出管５５より排出される。反応管５０内をパージした後、駆動軸５６により基板サセプタ５１を毎分２０回の速度で回転させる。
次にＮ２ガスに対して水素（Ｈ２）ガスを３０％の割合で供給して、高周波加熱コイル５７により基板サセプタ５１を１０５０℃の温度に昇温する。基板サセプタ５１の温度が１０５０℃の温度で１０分間待機した後、降温して５００℃の温度する。基板サセプタの温度が安定してからトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給して、サファイア基板２０の表面に３０ｎｍの厚さのＧａＮ層を形成し、ＴＭＧの供給を停止して再び、１０５０℃の温度に１２分程度かけて昇温し、１０５０℃の温度に安定させる。再びＴＭＧを供給して、ＧａＮ層２１を形成する。ＧａＮ層２１の膜厚が２μｍ程度の厚さになったらＴＭＧの供給を停止して降温する。基板サセプタ５１が５００℃前後の温度になったらＮＨ３ガスとＨ２ガスの供給を停止、基板サセプタ５１の回転を停止する。基板サセプタ５１が常温になってから反応管５０より取り出す。
【００４３】
次に、サファイア基板２０のＧａＮ層２１上に、シラン（ＳｉＨ4）ガスと酸素（Ｏ2）との反応による熱ＣＶＤ法を用いて、２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。そして、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術とを用いて、開口部２３の幅が３μｍ、ＳｉＯ2膜の幅が６μｍとなるようストライプ状のマスク２２を形成する。ストライプの方向は、ＧａＮ層２１に対して<１１−２０>方向に作成する。ここまでが、本実施形態のマスキング工程（図２（ｂ））である。
【００４４】
次に、マスク２２を形成したサファイア基板２０を、図４に示すＨＶＰＥ装置の反応管４０内の基板ホルダ４１にセットする。図４中、サファイア基板２０をウェハ４０２として表示する。そして、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。
【００４５】
反応管４０内を充分パージした後、ガス供給管４３、４５より供給するガスをＨ2ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。
【００４６】
引き続き、Ｇａソース４４領域の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。それぞれの温度が安定した時点で、ガス供給管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させＧａＣｌを成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応してＧａＮ膜を成長させる。
【００４７】
上記のようにして開口部２３に露出したＧａＮ層２１から第一のＧａＮ膜２４を成長させる。約１０分間の成長を行うと、第一のＧａＮ膜２４は、ＳｉＯ2膜のマスク２２上まで成長し、ＳｉＯ2マスク２２を覆い始めるとともに、傾斜面２４ａを有するファセット構造が形成される。傾斜面２４ａは、ファセット面｛１−１０１｝からなる。
【００４８】
ＳｉＯ2マスク２２の表面の露出幅が０．５μｍ程度になった時点で、ＨＣｌガスの供給を停止して、反応管４０を降温する。その後、常温まで冷却して、サファイア基板２０を反応管４０より取り出す。ここまでが本実施形態の一次成膜工程（図２（ｃ））である。
【００４９】
次に、サファイア基板２０の上部のＳｉＯ2マスク２２を、ＳｉＯ2マスク２２の上面のうち第一のＧａＮ膜２４に覆われない領域（露出領域）を通じて、弗化水素（ＨＦ）と水との混合液で処理する。このようにして、ＳｉＯ2マスク２２を除去し、空隙２５を形成した後、充分に流水洗浄して乾燥させる。その結果、空隙２５に挟まれた第一のＧａＮ膜２４は、隔壁部２４ｂ上に形成される。ここまでが本実施形態の空隙形成工程（図２（ｄ））である。
【００５０】
次に、空隙２５を形成したサファイア基板２０を再び、ＨＶＰＥ装置４００の反応管４０内の基板ホルダ４１にセットする。図４中、サファイア基板２０をウェハ４０２として表示する。そして、ガス供給管４３、４５よりＮ2ガスを供給して、反応管４０内をパージする。反応管４０内に供給したガスは、排出口４７より排出される。
【００５１】
反応管４０内を充分パージした後、ガス供給管４３、４５より供給するガスをＨ2ガスに切替えて、ヒータ４２により反応管４０を昇温する。引き続きＧａソース４４が存在するＧａＣｌ生成領域４９の温度が８５０℃、成長領域４６の温度が１０４０℃に到達する時点まで昇温を続ける。
【００５２】
それぞれの温度が安定した時点で導入管４５よりＨ2ガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａソース４４と反応させ、ＧａＣｌを生成し成長領域４６に輸送する。成長領域４６では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌとが反応してファセット構造の傾斜面２４ａ上に第二のＧａＮ膜２６を成長させる。このとき、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを添加する。
【００５３】
第一のＧａＮ膜２４のファセット構造の傾斜面２４ａの上で第二のＧａＮ膜２６が成長すると、隣接する傾斜面２４ａ上を成長した第二のＧａＮ膜２６と合体し、空隙２５の上面が第二のＧａＮ膜２６によって閉塞されたが、内部の空隙２５はそのまま保持される。さらに、成長を続けると第一のＧａＮ膜２４のファセット構造は埋め込まれて第二のＧａＮ膜２６の表面は平坦になる。
【００５４】
約５時間の成長により第二のＧａＮ膜１６の厚さが６００μｍになった時点で、ガス供給管４５からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ４２の電源を遮断して、反応管４０を降温する。ここまでが本実施形態の二次成膜工程（図２（ｅ））である。
【００５５】
この降温中に、空隙２５に挟まれた隔壁部２４ｂに亀裂が生じて、第二のＧａＮ膜２６はサファイア基板２０の界面から剥離する。剥離して得られるＧａＮ層の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる（図２（ｆ））。
【００５６】
以上の工程を経て得られたＧａＮ膜（第二のＧａＮ膜２６）について室温のホール測定によりキャリア濃度を調べたところ、２×１０18ｃｍ-3のキャリア濃度が測定された。剥離したＧａＮ膜に含まれる第二のＧａＮ膜２６の表面および裏面を研磨することで、平坦なｎ型のＧａＮ基板として用いることができた。得られた基板は、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、およびトランジスタ等を作製する際に好適に利用可能な、高品質な自立ＧａＮ基板であった。
【００５７】
本実施形態の製造方法は、第一の実施形態で述べたのと同様の作用効果にくわえ、以下の作用効果を奏する。すなわち、本実施形態では、バッファ層としてＧａＮ層２１を形成し、この上面にマスクを設けて選択成長を行っているため、各開口部から成長する第一のＧａＮ膜２４の成長速度をより精密に制御することができる。このため、図２（ｃ）の工程においてマスクの露出部分を確実に残し、エッチング液によるマスク除去を確実に行うことができる。
本実施形態において、ＧａＮ層２１は、５００℃で成長した低温バッファ層と、１０５０℃で成長したＧａＮ結晶層との積層構造とした。１０５０℃で成長したＧａＮ結晶層を設けることにより、設計通りの寸法、形状のマスクを安定的に形成することが可能となる。しかしながら、ＧａＮ層２１は上記積層構造以外の構造としてもよく、たとえば低温バッファ層のみにより構成してもよい。
【００５８】
<実施形態３>
図３は、本実施形態に係る二酸化珪素のマスクパターンの形状を模式的に示す平面図である。
【００５９】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、基本的には、実施形態１の場合と同様の工程を含む方法であるが、マスキング工程において、ストライプ状のマスクを形成するかわりに、図３（ａ）、（ｃ）に示すような矩形状の開口部３０を備えるマスク３１、または、図３（ｂ）に示すような三角形状の開口部３３を備えるマスク３２形成した点で異なる。なお、それ以外の工程は、基本的に実施形態１の場合と同条件とする。
【００６０】
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、第一の実施形態で述べたのと同様の作用効果にくわえ、ＧａＮ膜の損傷を一層効果的に抑制できるという作用効果を奏する。
【００６１】
上記の方法では、マスクパターンを、矩形状の開口部３０を備えるマスク３１または三角形状の開口部３３を備えるマスク３２としている。ここで、ストライプ状のマスクでは、ストライプと直角方向に歪が大きく、熱歪が加わるとサファイア／GaN構造体において馬の背状態に反りが発生するのに対し、矩形状または角形状の開口部を備えるマスクでは、熱歪みによる反りがサファイア／ＧａＮ構造体の面内で均一となる。
【００６２】
このため、二次成膜工程後の降温中の剥離がサファイア基板上の空隙に挟まれた隔壁部の全体で均一に発生し、剥離途中でＧａＮ膜中に亀裂が生じる割合を低減できる。したがって、上記の製造方法によれば、損傷の少ない高品質のＧａＮ膜が安定的に得られる。
【００６３】
<実施形態４>
本実施形態に係るＧａＮ基板の製造方法は、基本的には、実施形態１の場合と同様の工程を含む方法であるが、本実施形態では、マスクの断面形状を変更している。
【００６４】
図６は、本実施形態に係るＧａＮ半導体基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。この製造方法においては、まず、フォトリソグラフィ法とエッチングにより、下地基板であるサファイア基板（Ａｌ２Ｏ３）１０上に、断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって幅広となる開口部１１２、断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって幅狭となる被覆部１１１を有する二酸化珪素（ＳｉＯ2）のマスク１１を形成する。
【００６５】
次いで、開口部１１２から第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる。この第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる工程では、マスク１１の開口部１１２内部から、第一のＧａＮ半導体膜１４を形成し、隣接する第一のＧａＮ半導体膜１４同士がマスク１１を覆い尽くす前に、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止める。
【００６６】
続いて、マスク１１をエッチングにより除去し、空隙１５を形成する。そして、空隙１５を有する第一のＧａＮ半導体膜１４上に、前記空隙１５を残しつつ、第二のＧａＮ半導体膜１６を成膜する。これにより、第一のＧａＮ半導体膜１４と、第二のＧａＮ半導体膜１６とを含むＧａＮ半導体層１７が形成される。
【００６７】
こうして得られたサファイア基板１０およびＧａＮ半導体層１７の接合体を冷却して、サファイア基板１０を分離除去する。
【００６８】
上述の製造工程を、以下、詳細に説明する。まず、厚さ５５０μｍの３インチφのサファイア基板１０表面に、１μｍの厚さのＳｉＯ2膜１１を積層する（図６（ａ））。ここで、ＳｉＯ2膜１１の成膜には、シラン（ＳｉＨ4）ガスと酸素（Ｏ2）ガスを用いる熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や電子ビーム（ＥＢ：Electron Beam）蒸着法、およびその他の手法を使用することができる。
【００６９】
続いて、リソグラフィ技術を用いてこのＳｉＯ2膜１１上にレジストマスク１２を形成する。レジストマスク１２は、その被覆部１２１の長手方向がサファイア基板１０の<１−１００>方向に沿うように形成した。レジストマスク１２の開口部１２２の幅は２μｍであり、被覆部１２１の幅は１０μｍである。このレジストマスク１２は、基板１０の一部または全面に形成される（図６（ｂ））。
【００７０】
次に、適宜条件を設定し、レジストマスク１２が形成されたサファイア基板１０をフッ化水素系の溶液に浸した。開口部１２２を通して、ＳｉＯ2膜１1がエッチングされ、ＳｉＯ2膜１１は、サファイア基板１０を被覆するストライプ状の複数の被覆部１１１と、前記サファイア基板１０が露出し、前記被覆部１１１間に配置された開口部１１２とを有するマスク１１となる（図６（ｃ））。被覆部１１１の長手方向は、サファイア基板１０の<１−１００>方向に沿った方向である。被覆部１１１の断面形状は、略台形形状で、サファイア基板１０側から上方に向かって幅狭となっている。また、開口部１１２の断面は、サファイア基板１０側から上方に向かって広くなる台形形状であり、サファイア基板１０側から上方に向かって幅広となっている。ここでいう断面とは、被覆部１１１の前記長手方向と直交する方向の断面である。換言すると、マスク１１をサファイア基板１０の<１１−２０>方向（GaN半導体層１７の<１−１００>方向）方向で切断したときの断面である。開口部１１２の幅が３〜４μｍとなるまでエッチングを行った後、レジストマスク１２を除去する。
【００７１】
次に、サファイア基板１０の表面を２０分間熱アニールした後、５００℃の温度まで降温する。サファイア基板１０の温度が安定した時点で、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０上にＧａＮ層１３を形成する（図６（ｄ））。
【００７２】
ＧａＮ層１３の厚さが１００ｎｍに達した時点で成長を止め、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出しＨＶＰＥ装置にセットする。つづいて、ＨＶＰＥ装置の成膜室内にＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガスを供給しながら昇温する（図６（ｄ））。この過程でＧａＮ層１３の一部は、分解・蒸発する一方で、ＧａＮ層１３の他の一部は結晶化して残留する。この残留した結晶部分を種として以後の層成長が行われる。
【００７３】
つづいて、マスク１１の開口部１１２内に残存した結晶部分をＨＶＰＥ法により成長させる。約１５分間の成長を行うと、結晶部分は、開口部１１２内で｛１−１０１｝ファセット構造を有する第一のＧａＮ半導体膜１４を形成するに至る（図６（ｅ））。このファセット構造は、サファイア基板１０の基板面に対して傾斜した傾斜面を有し断面三角形状となる。
【００７４】
さらに成長を続けると第一のＧａＮ半導体膜１４はマスク１１の被覆部１１１の側壁面１１１ａを覆いはじめる（図６(ｆ)）。
【００７５】
さらに成長を続けると、第一のＧａＮ半導体膜１４は、マスク１１の被覆部１１１の上面を覆い、被覆部１１１を介して隣接する開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４のファセット構造と合体を始める。隣り合う第一のＧａＮ半導体膜１４のファセット構造が５０％合体した段階で第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を停止し、反応室を降温する。常温まで冷却した段階で、反応室より第一のＧａＮ半導体膜１４が形成されたサファイア基板１０を取り出す。
【００７６】
以上がマスク１１の開口部１１２から第一のＧａＮ半導体膜１４を形成する工程である。
【００７７】
取り出したサファイア基板１０上の第一のＧａＮ半導体膜１４は、マスク１１の被覆部１１１を完全には覆っておらず、被覆部１１１が露出した状態となっている（図６（ｇ））。このような第一のＧａＮ半導体膜１４が形成されたサファイア基板１０を弗化水素（ＨＦ）と水の混合液であるエッチャントに２時間程度浸す。エッチャントは、マスク１１の被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂに接触し、被覆部１１１を溶解して空隙１５を形成する。空隙１５を形成した後、十分流水洗浄し、乾燥させる。以上により、マスク１１が除去され空隙１５が形成される（図６（ｈ））。
【００７８】
次に、ＨＶＰＥ法により、ファセット構造の傾斜面１４ａ上に第二のＧａＮ半導体膜１６を成長させる。第二のＧａＮ半導体膜１６は、ファセット構造の傾斜面１４ａから成長が行なわれ、隣接する傾斜面１４ａに形成された第二のＧａＮ半導体膜１６と合体し、空隙１５の上面が第二のＧａＮ半導体膜１６によって閉塞される。
【００７９】
なお、空隙１５内部には、第二のＧａＮ半導体膜１６は形成されず、空隙１５はそのまま保持される。さらに、成長を続けるとファセット構造は埋め込まれる。これにより、第一のＧａＮ半導体膜１４と第二のＧａＮ半導体膜１６とを備えたＧａＮ半導体層１７が形成される（図６（ｉ））。
【００８０】
ＧａＮ半導体層１７の厚さが１ｍｍに到達した段階でＧａＮ半導体層１７の成長を終了し、反応室を降温する。この降温中にＧａＮ半導体層１７とサファイア基板１０の熱膨張係数の違いから、空隙１５を構成する隔壁に応力が集中し、ＧａＮ半導体層１７はサファイア基板１０の界面近傍から剥離する（図６（ｊ））。剥離したＧａＮ半導体層１７の表面および裏面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ基板を作製することができる。
【００８１】
本実施形態に係る基板製造方法によれば、既述の実施形態の作用効果にくわえ、以下の作用効果を奏する。
【００８２】
マスク１１の開口部１１２を挟んで配置された被覆部１１１の断面形状が略台形形状であり、サファイア基板１０側から上方に向かって狭くなる形状となっている。このような形状とすることで開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４が、結晶性のよいものとなる。この第一のＧａＮ半導体膜１４上に第二のＧａＮ半導体膜１６を形成し、ＧａＮ基板を得ているため、結晶性のよいＧａＮ基板を得ることができる。
【００８３】
マスク１１の開口部１１２内部および被覆部１１１表面に、第一のＧａＮ半導体膜１４を形成したのち、マスク１１を除去することで、第一のＧａＮ半導体膜１４のうち、被覆部１１１表面に形成された部分の下部に空隙１５が形成される。そして、第一のＧａＮ半導体膜１４上に、前記空隙１５を埋めないように、第二のＧａＮ半導体膜１６を形成し、これをＧａＮ半導体層１７としている。従って、空隙１５により、サファイア基板１０とＧａＮ半導体層１７とが接触している面積が小さくなるため、ＧａＮ半導体層１７をサファイア基板１０から容易に分離することが可能となる。
【００８４】
また、マスク１１の開口部１１２の断面形状がサファイア基板１０側から上方に向かって広がる形状であり、この開口部１２２から第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させている。そのため、第一のＧａＮ半導体膜１４の開口部１１２内部に形成される部分をサファイア基板１０側から上方に向かって広がる形状とすることができ、第一のＧａＮ半導体膜１４のサファイア基板１０に支持される部分の面積を小さくすることができる。これにより、サファイア基板１０の分離除去を容易化することができる。
【００８５】
より詳細に説明すると、本実施形態では、サファイア基板１０と第一のＧａＮ半導体膜１４との熱膨張係数の違いを利用し、第一のＧａＮ半導体膜１４に亀裂を生じさせて、サファイア基板１０を分離している。第一のＧａＮ半導体膜１４のうち、サファイア基板１０に支持されている部分の面積が小さいので、単位断面積あたりの応力の負荷が大きくなる。そのため、前記熱膨張係数の違いにより発生する応力が、例え小さかったとしても容易に亀裂が生じ、サファイア基板１０の分離を容易に行うことができるのである。
【００８６】
さらに、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４によりマスク１１の被覆部１１１を完全に覆わず、被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂにエッチャントを接触させているので、マスク１１の被覆部１１１を容易にエッチング除去できる。
【００８７】
また、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４をＦＩＥＬＯ法により成長させているため、マスク１１の被覆部１１１上面のうち、第一のＧａＮ半導体膜１４により覆われない部分は、第一のＧａＮ半導体膜１４の傾斜面１４ａで囲まれ、略逆三角形状となる。このためエッチャントが第一のＧａＮ半導体膜１４の傾斜面１４ａで囲まれた部分に入り易くなり、エッチャントが被覆部１１１に接触しやすくなる。
【００８８】
さらに、本実施形態では、第一のＧａＮ半導体膜１４によりマスク１１の被覆部１１１を完全に覆わず、被覆部１１１が露出した露出部１１１ｂにエッチャントを接触させている。そのため、被覆部を第一のＧａＮ半導体膜により、完全に覆ってしまった後、第一のＧａＮ半導体膜をはがして露出部を形成する場合に比べ、製造に手間を要しない。
【００８９】
また、本実施形態では、マスク１１の被覆部１１１を断面略台形形状とし、開口部１１２の断面形状を上方に向かって幅広となるようにしているので、第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させる際に、第一のＧａＮ半導体膜１４が開口部１１２を埋め尽くすのにかかる速度が上方に向かって低下する。そのため、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長状態が把握しやすくなる。これにより、隣接する開口部１１２から成長した第一のＧａＮ半導体膜１４同士が被覆部１１１上面で完全に合体してしまう前に確実に第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止めることが容易となる。
【００９０】
これにくわえ、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させているため、第一のＧａＮ半導体膜１４の水平方向の成長速度がＥＬＯ法に比べ遅く、第一のＧａＮ半導体膜１４の水平方向の成長の制御性がよい。従って、より確実に第一のＧａＮ半導体膜１４同士が完全に合体してしまう前に、第一のＧａＮ半導体膜１４の成長を止めることができる。
【００９１】
特に、本実施形態では、被覆部１１１の断面形状を略台形形状としており、被覆部１１１の上面の面積が小さいため、第一のＧａＮ半導体膜１４により、埋まってしまい易いが、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させることでこの問題を解決することができる。
【００９２】
また、ＦＩＥＬＯ法を用いて第一のＧａＮ半導体膜１４を成長させることで、マスク１１の被覆部１１１が第一のＧａＮ半導体膜１４で覆われるタイミングのずれを防止できる。
【００９３】
さらに、本実施形態では、マスク１１の被覆部１１１の断面形状を略台形形状としているため、第一のＧａＮ半導体膜１４および第二のＧａＮ半導体膜１６で被覆部１１１の上面を完全に覆うのに時間を要しない。
【００９４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００９５】
たとえば、上記の実施形態では、ＳｉＯ2マスクを２μｍの厚さで形成したが、ＨＶＰＥ法で成長する第二のＧａＮ膜の一部が空隙内に入り込んだとしても、空隙を完全に充填しない程度の厚さであればよい。また、開口部の幅を３μｍとし、マスクの幅を７μｍとしたが、寸法の設定は任意であり、空隙の幅が充分確保できればよい。
【００９６】
また、実施形態１では、アンドープＧａＮ膜を形成したが、実施形態２で説明したように、ＧａＮ膜に不純物を添加して、ｎ型の導電性のＧａＮ基板にしてもよい。あるいは、鉄（Ｆｅ）を添加することで、高抵抗のＧａＮ基板とすることも可能である。
また、GaN半導体層１７を厚く成長させた場合には、スライスにより複数枚のGaNウエハを切り出すことができ、これらの表面、および裏面を研磨することでGaN基板を作製することができる。
【００９７】
さらに、上記の実施形態では、異種材料基板としてサファイア基板を用いたが、他にもＳｉＣ、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板などの異種材料基板を好適に用いることができる。
【００９８】
図１（ｃ）、図６（ｄ）〜（ｅ）において、マスク開口部に結晶核を形成する工程は、上記実施形態ではＨＶＰＥ装置内で行う例を示したが、これらは、ＭＯＣＶＤ装置内で行ってもよい。
また、上記の実施形態では、エッチングによりＳｉＯ2マスクを全部除去したが、必ずしもマスクを全部除去しなくてもよい。一部のマスクが残存していても、空隙が形成されれば、冷却過程で隔壁部において亀裂が生じて、特に大きな外力を加えることなくサファイア基板を分離除去できる。このため、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。
【００９９】
また、上記の実施形態では、冷却により外力を付加することなしに亀裂が形成され下地基板が全面剥離する態様について説明したが、必ずしも冷却過程で全面剥離しなくてもよい。この場合においても、剥離のために付与する外力を最小限にすることができ、損傷の少ない高品質のＧａＮ基板を安定的に得ることができる。
【０１００】
また、上記の実施形態では、特定の膜厚の半導体膜を、特定の製造条件で形成したが、特に限定する趣旨ではない。すなわち、上記の膜厚および製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体膜の構造または組成に応じて適宜変更が可能である。
【０１０１】
サファイア基板―GaN厚膜からなる構造体上に半導体レーザや、発光ダイオード等の発光素子構造、さらには電界効果トランジスタ等の電子デバイス構造を作製した後に、これらの構造体を成長温度から冷却する過程で、隔壁部において亀裂を生じさせて下地基板を除去する方法も本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】実施形態１に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図２】実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図３】実施形態３に係る二酸化珪素のマスクパターンの形状を模式的に示す平面図である。
【図４】ＨＶＰＥ装置の構成を示す図である。
【図５】ＭＯＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図６】実施形態４に係るＧａＮ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０、２０、６０ サファイア基板
１１、２２、２７、６１ マスク（ＳｉＯ2膜）
１１２、２３、２８、６２ 開口部
１３、６３ ＧａＮ膜
１４、２４、６４ ＧａＮ膜
１４ａ、２４ａ、６４ａ 傾斜面
１４ｂ、２４ｂ、６４ｂ 隔壁部
１５、２５、６５ 空隙
１６、２６、６６ ＧａＮ膜
２１ ＧａＮ膜
３０ 開口部
３１、３２ マスク（ＳｉＯ2膜）
３３ 開口部
４０ 反応管
４１ 基板ホルダ
４２ ヒータ
４３、４５ ガス供給管
４４ ガリウムソース
４６ 成長領域
４７ ガス排出管
４８ ソースボート
４９ ＧａＣｌ生成領域
４００ ＨＶＰＥ装置
４０２ ウェハ
５０ 反応管
５１ 基板サセプタ
５２、５３、５４ ガス供給管
５５ ガス排出管
５６ 駆動軸
５７ 加熱用高周波コイル
５８ 成長領域
５９ 回転機構室
１１１ 被覆部
５００ ＭＯＣＶＤ装置
５０２ ウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止め、前記開口部に、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成する工程と、
前記第一のIII族窒化物半導体膜により覆われていないマスク表面の露出部にエッチャントを接触させて前記マスクの少なくとも一部をエッチング除去し、空隙を形成する工程と、
前記空隙を残しつつ前記第一のIII族窒化物半導体膜上に第二のIII族窒化物半導体膜をさらに成長させ、前記第一のIII族窒化物半導体膜および前記第二のIII族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物半導体層を得る工程と、
前記III族窒化物半導体層と前記下地基板とを分離し、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記マスクは、前記第一のIII族窒化物半導体膜の<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されとともに、隣接する被覆部の間に前記開口部が設けられたパターンを有する、III族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造方法において、
前記マスクのストライプ方向と垂直な方向の断面形状が、下地基板側から上方に向かって幅狭となる形状であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の製造方法において、
前記下地基板の上部にIII族窒化物半導体からなる膜を形成する工程を含み、
前記膜の上部に前記マスクを形成する、III族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の製造方法において、
前記下地基板と、前記III族窒化物半導体層とを分離する前記工程は、
前記下地基板と前記III族窒化物半導体層とを冷却する過程で、前記冷却により、前記III族窒化物半導体層の下地基板近傍部分に亀裂が生じ、前記下地基板が分離除去される工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１】
下地基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記開口部から第一のIII族窒化物半導体膜を選択成長させるとともに、第一のIII族窒化物半導体膜が前記マスクの表面全面を覆わないうちに成長を止め、前記開口部に、前記下地基板の基板面に対して傾斜するファセット面を有する構造体を形成する工程と、
前記第一のIII族窒化物半導体膜により覆われていないマスク表面の露出部にエッチャントを接触させて前記マスクの少なくとも一部をエッチング除去し、空隙を形成する工程と、
前記空隙を残しつつ前記第一のIII族窒化物半導体膜上に第二のIII族窒化物半導体膜をさらに成長させ、前記第一のIII族窒化物半導体膜および前記第二のIII族窒化物半導体膜を含むIII族窒化物半導体層を得る工程と、
前記III族窒化物半導体層と前記下地基板とを分離し、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記マスクは、前記第一のIII族窒化物半導体膜の<１１−２０>方向に延在するストライプ状の被覆部が平行配置されとともに、隣接する被覆部の間に前記開口部が設けられたパターンを有する、III族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造方法において、
前記マスクのストライプ方向と垂直な方向の断面形状が、下地基板側から上方に向かって幅狭となる形状であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の製造方法において、
前記下地基板の上部にIII族窒化物半導体からなる膜を形成する工程を含み、
前記膜の上部に前記マスクを形成する、III族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の製造方法において、
前記下地基板と、前記III族窒化物半導体層とを分離する前記工程は、
前記下地基板と前記III族窒化物半導体層とを冷却する過程で、前記冷却により、前記III族窒化物半導体層の下地基板近傍部分に亀裂が生じ、前記下地基板が分離除去される工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−３１６３０７（Ｐ２００６−３１６３０７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３９０７５（Ｐ２００５−１３９０７５）
【出願日】平成１７年５月１１日（２００５．５．１１）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１１日（２００５．５．１１）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
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