ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法
【課題】結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体基板を製造することを課題とする。
【解決手段】ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、前記準備した基板１を選択的にエッチングし、平坦面２と、平坦面２より突出している突起部３と、平坦面２より掘り下げられている溝部４と、を形成するエッチング工程と、エッチングされ、平坦面２、突起部３、および、溝部４が形成された基板１上に、ＩＩＩ族窒化物をエピタキシャル成長する成長工程と、を有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、前記準備した基板１を選択的にエッチングし、平坦面２と、平坦面２より突出している突起部３と、平坦面２より掘り下げられている溝部４と、を形成するエッチング工程と、エッチングされ、平坦面２、突起部３、および、溝部４が形成された基板１上に、ＩＩＩ族窒化物をエピタキシャル成長する成長工程と、を有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【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】
ＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））は、優れた物理的・化学的特徴を有するため様々な用途向けに研究がなされ、例えば半導体レーザなどの用途では既に実用化されている。
【０００３】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶を製造する方法としてはエピタキシャル成長が利用されるが、大型で、結晶欠陥の少ない単結晶を製造するのは難しく、様々な研究が多数なされている。
【０００４】
また、上述したエピタキシャル成長はサファイヤ基板等の異種基板上に行われる場合があるが、異種基板上に極性面であるｃ面窒化物結晶成長を行うと、ヘテロ接合面の格子不整合等に起因する内部電界が存在することとなり、内部量子効率の低下などの問題が発生する。このような理由などから、無極性面窒化物結晶成長に関する研究が多数なされている。
【０００５】
ここで、特許文献１には、図１６に示すように、Ｒ面サファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と、凸状のテラス部とを交互に設け、この主面上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この技術によれば、成長方位依存性により、溝部の底からの成長よりも側壁からの選択横方向成長（ｃ軸方向成長）が促進され、このような選択横方向成長により溝部を埋めた後に、Ｒ面サファイヤ基板に対して垂直方向にも成長していくことで、ａ軸配向したＩＩＩ族窒化物半導体が得られると記載されている。そして、このようなエピタキシャル成長によれば、初期成長では溝部の側壁から横方向に成長するので、転位は横方向に伝搬し、結果、膜厚方向に伸びる貫通転位を減少させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３２６４０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics 47(2008)119-123
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術の場合、テラス部の角において結晶欠陥が発生しやすく、改善の余地が残る。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本発明では、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体基板を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部とを形成するエッチング工程と、前記エッチングされた前記基板上にＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程とを有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法によれば、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図２】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図３】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図６】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図７】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面を形成する工程の一例を模式的に示す図である。
【図８】所定時間ドライエッチングした後の、基板の断面形状を示す走査電子顕微鏡像である。
【図９】本実施例により得られたＧａＮ結晶を示す図である。
【図１０】本実施例により得られたＧａＮ結晶と基板を構成するサファイヤ結晶との結晶方位関係を示す図である。
【図１１】Ｘ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線入射方向を示す図である。
【図１２】本実施例のＸ線ロッキングカーブ測定の結果である。
【図１３】比較例により得られたＧａＮ結晶を示す図である。
【図１４】比較例のＸ線ロッキングカーブ測定の結果である。
【図１５】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図１６】従来の結晶成長を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法は、（１）ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）の角度となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、（２）前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部を形成するエッチング工程と、（３）前記エッチングされた前記基板上に、ＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程を有する。以下、各工程について説明する。
【００１５】
（１）基板を準備する工程
本工程で準備する基板は、ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）の角度となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板であれば特段制限されない。例えば、Ｒ面サファイヤ基板、ａ面ＧａＮ基板、または、｛１１−２２｝面ＧａＮ基板、同様の面を有するＳｉＣ基板、ＬｉＡｌＯ２基板、ＬｉＧａＯ２基板などを選択することができる。
【００１６】
（２）エッチング工程
本工程では、上記（１）工程で準備した基板の表面を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部と、を形成する。１つの基板上に形成する平坦面、突起部、および溝部の数は制限されないが、製造効率等を考慮すると、複数形成するのが好ましい。
【００１７】
まず、本工程で形成される平坦面、突起部および溝部の構成について説明する。
【００１８】
図１に、エッチング工程後の基板の断面形状の一例を模式的に示す。図１に示すように、エッチング工程後の基板１には、平坦面２と、突起部３と、突起部３に近接して溝部４が形成される。基板１を断面視した際の突起部３および溝部４の形状は図１に示すものに限定されず、あらゆる形状とすることができる。すなわち、本実施形態の突起部３および溝部４の側壁は、基板１の面（平坦面２）に対して垂直になる必要はなく、基板１の面（平坦面２）に対して垂直な面から所定角度Ｒ（０°＜Ｒ＜９０°）傾いていてもよい。また、図１では突起部３の両サイドに溝部４が設けられているが、このような構成に限定されず、１つの溝部４が突起部３に近接して設けられてもよい。
【００１９】
なお、突起部３および溝部４の位置関係は、以下のようにするのが望ましい。
【００２０】
すなわち、第１の突起部３の高さをｈとし、第１の突起部３と第１の溝部４（図１中、左側の溝部４）の間に介在する平坦面２の第１の突起部３と第１の溝部４とを結ぶ方向の長さをｌとした時、ｈ＞ｌの関係、より好ましくはｈ／２＞ｌを満たすのが望ましい。例えば、図２に示すように、第１の突起部３と第１の溝部４とは、平坦面２を介さず繋がっていてもよい（ｌ＝０）。第１の突起部３に対して上記関係を満たす第１の溝部４は少なくとも１つ存在するのが好ましく、複数存在してもよい。上記位置関係を満たす場合、後に説明する成長工程において、第１の突起部３が第１の溝部４内に原料ガスを導くガイドとして効果的に機能すると考えられる。
【００２１】
次に、本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４の平面形状について説明するが、これについても特段制限されず、あらゆる形状とすることができる。ここで、図３および図４に、図１に示すような断面形状を有する基板１の平面図の一例を模式的に示す。また、図５および図６に、図２に示すような断面形状を有する基板１の平面図の一例を模式的に示す。
【００２２】
図３および図５に示すように、平坦面２、突起部３および溝部４はストライプ形状を形成していてもよい。なお、図示する各ラインの幅はあくまで一例であり、本実施形態は図３および図５に示す関係に限定されない。すなわち、図示するように各ラインの幅はバラバラであってもよいし、または、規則正しく同じ幅のラインが形成されてもよい。その他の平面形状としては、図４および図６に示すように、突起部３はドット形状に形成されてもよい。かかる場合、平坦面２および溝部４は、ドット形状の周囲の一部または全部に近接して設けられることで、図１または図２に示すような断面形状が得られる。例えば、平坦面２および溝部４は、突起部３の周囲を取り囲むように形成されてもよい（図４および図６中、上側に示す状態）。なお、突起部３のドット形状としては、図示する正方形に限定されず、その他の四角形、その他の多角形、円形、楕円形など、あらゆる形状とすることができ、また、これらが１つの基板１上に混在していてもよい。また、複数のドット形状の大きさはすべて同一であってもよいし、ばらばらであってもよい。
【００２３】
なお、図３乃至図６に示す例では、異なる幅または大きさの平坦面２、突起部３および溝部４が不規則に配列しているが本実施形態はこのような構成に限定されず、同じ幅または大きさの複数の平坦面２、同じ幅または大きさの複数の突起部３および同じ幅または大きさの複数の溝部４が規則正しく周期的に配列していてもよい。
【００２４】
次に、本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４の形成方法について説明する。
【００２５】
本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４は、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの技術を用いて容易に形成することができ、その手段は制限されない。
【００２６】
例えば、（１）基板１上に、平坦面２および溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成、（２）次いで、ドライエッチングにより突起部３（エッチングされなかった箇所）を形成、（３）次いで、フォトレジストパターンを除去、（４）次いで、基板１上に溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成、（５）次いで、ドライエッチングにより溝部４（エッチングされた箇所）を形成、（６）次いで、フォトレジストパターンを除去、という工程を経ることで実現することができる。
【００２７】
しかし、本発明者は、以下のような第１工程、第２工程および第３工程を有する形成方法によっても本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４を形成できることを見出した。そして、かかる手段の場合、上述の手段よりも工程数が少なくなり、作業効率が向上するという効果を奏する。以下、図７を用いて第１工程、第２工程および第３工程について説明する。図７は、製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２８】
第１工程では、図７（ｃ）に示すように、基板１上に、所定のパターンを有する膜６´を形成する。膜６´は、ドライエッチング時に基板に対し高いエッチング選択比を取りうる性質を有するものであれば特段制限されず、Ｎｉ膜や、Ｔｉ膜，Ｗ膜，Ｍｏ膜，ＳｉＮｘ膜などとすることができる。
【００２９】
このような第１工程はあらゆる技術を用いて実現できるが、例えば以下のような工程であってもよい。まず、図７（ａ）に示すように、基板１上にフォトレジストパターン５を形成する。このフォトレジストパターン５の幅ｍは、開口部の幅ｎよりも大きくするのが望ましい。この理由は以下で明らかになる。次に、図７（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン５の上から膜６を成膜する。例えばスパッタリング法を用いて膜６を成膜してもよい。その後、リフトオフにより、フォトレジストパターン５とともにその上に成膜された膜６を除去することで、図７（ｃ）に示す状態を得る。
【００３０】
第１工程の後に行われる第２工程では、膜６´をマスクとして基板１をドライエッチングする。このドライエッチングは、例えば、膜６´を一部または全部エッチングする条件で行われてもよい。膜６´を全部エッチングする条件でドライエッチングが行われた場合は、第２工程の後に、図７（ｄ）に示す状態が得られる。また、それ以外の条件でドライエッチングが行われた場合は、第２工程の後に膜６´を除去する工程を経ることで、図７（ｄ）に示す状態が得られる。かかる状態では、平坦面２および突起部３が形成されているが溝部４は形成されていない。なお、突起部３の側壁を基板１の面（平坦面２）に対して垂直にするのは手間を要するため、突起部３の側壁は図７（ｄ）に示すように非垂直となる場合がある。
【００３１】
第２工程の後に行われる第３工程は、膜６´が除去された後に行われ、所定時間、基板１の全面をエッチングする。エッチングの条件は、例えば、第２工程のドライエッチングの条件と同じにすることができる。
【００３２】
図７（ｅ）は、第３工程の後の基板１の状態を示す。図７（ｅ）に示す状態では、平坦面２、突起部３および溝部４が形成されている。本発明者は、膜６´が除去された後、所定時間、基板１の全面をエッチングすることで、図７（ｅ）に示す状態が得られことを見出した（以下の実施例で実際に得られた状態を表す走査電子顕微鏡像を示す）。
【００３３】
ここで、膜６´を除去する手段は特段制限されないが、第２工程のドライエッチングを、膜６´を全部エッチングする条件で行う場合、第２工程のドライエッチングにより膜６´をもエッチングすることで除去してもよい。かかる場合、第２工程のドライエッチング、および、第３工程のエッチングを連続的に行うことが可能となり、作業効率が格段に向上する。その他の膜６´を除去する手段としては、第２工程と第３工程との間に、膜６´を例えばウェットエッチングなどにより除去する工程を設けることで実現してもよい。かかる場合、上記手段に比べて作業効率は落ちるが、第２工程のドライエッチングの間は膜６´が存在することとなり、結果、所望の大きさおよび形状の平坦面２、突起部３および溝部４を得ることが可能となる。いずれの手段を用いるかは、基板に対する要求性能などに応じて決定することができる。
【００３４】
なお、図７（ｄ）の状態から図７（ｅ）の状態に移ると、平坦面２および突起部３の平面が削られ小さくなるが、上述したようにｍ＞ｎの関係を満たしていると、平坦面２が維持されるので、好ましい。なお、第３工程の後には、突起部３は平面を有さなくてもよい。
【００３５】
以上説明した手段の場合、膜６の種類および厚さ、ドライエッチングの時間、また、第３工程のエッチング時間などを変化させることで、平坦面２、突起部３および溝部４の形状や、突起部３の高さ、溝部４の深さなどを変化させることができる。
【００３６】
次に、本発明者は、上記手段の変形例として、以下のような手段によっても本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４を形成できることを見出した。
【００３７】
すなわち、まず、基板１上に、平坦面２および溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成する（ｍ＞ｎ）。その後、ドライエッチングにより突起部３を形成し、次いで、フォトレジストパターンを除去する。ここまでの工程により、図７（ｄ）に示す状態が得られる。その後、例えば上記エッチングと同じ条件で第２突起部３が形成された基板上をエッチングすることで、図７（ｅ）に示す状態が得られる。
【００３８】
（３）成長工程
本工程では、エッチングされ、平坦面２、突起部３および溝部４を形成された基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長する。
【００３９】
ＩＩＩ族窒化物の成長方法は特段制限されず、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法またはＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いたあらゆる技術を適用して実現することができる。なお、成長条件は、加熱温度：１０００℃以上１３００℃以下、かつ、供給する原料比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１以上１５以下、とするのが好ましい。このようにすれば、結晶核が基板１上の随所で生成されてしまうのを抑制することができる。
【００４０】
上記成長工程の後、従来技術を適用して、エピタキシャル成長したＩＩＩ族窒化物半導体から基板１を除去する。
【００４１】
次に、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法による作用効果について説明する。
【００４２】
本実施形態の製造方法によれば、平坦面２と溝部４の境界部からの選択的な結晶成長が促進され、基板１上の随所で結晶核が生成されるのを抑制することができ、結果、高品質な単結晶を得ることができる。平坦面２と溝部４の境界部からの結晶成長が促進される理由は明らかではないが、本実施形態の基板１の特徴的な表面構造が１つの要因であると考えられる。すなわち、平坦面２より突出した突起部３が基板１上に供給された原料ガスを溝部４内に導くガイドの役割を果していること、平坦面２と溝部４との境界付近に存在する微小傾斜部分に適度な密度の原子ステップが形成されるため、ＧａＮ結晶の成長核が発生し易くなっていることなどが考えられる。なお、平坦面２、突起部３および溝部４を上述した位置関係（ｈ＞ｌ、または、ｈ／２＞ｌ、特に、ｌ＝０）とした場合、突起部３による上記ガイドの機能はより効果的に実現され、結果、平坦面２と溝部４の境界付近からの選択的な結晶成長がより促進されると考えられる。
【００４３】
また、本実施形態の製造方法によれば、突起部３や溝部４の角部における結晶欠陥を抑制することができる。この理由は明らかでないが、本実施形態における結晶成長核は平坦面２と溝部４の境界付近に選択的に生成するため、この部分から起きる初期のエピタキシャル成長は、特許文献１に記載された技術のように側壁から溝部４内を一方向に向かって成長する可能性は低い。すなわち、平坦面２と溝部４の境界付近を起点にして３次元的に成長すると考えられる。このため、溝部４内を埋めた後、横方向成長に切り替わる際、突起部３や溝部４の角部において成長方向が大きくシフトすることなく、結果、結晶欠陥が生じにくいと考えられる。なお、初期は３次元的に成長しても、溝部４を埋めた後には横方向成長するので、最終的には、平坦な面を有するＩＩＩ族窒化物半導体を得ることができる。
【００４４】
また、本実施形態の製造方法によれば、基板１を断面視した際の突起部３および溝部４の形状は特段制限されない。すなわち、基板１を加工して設ける突起部３および溝部４の側壁を基板１の面（平坦面２）に対して垂直にするなどの困難な制限がない。このため、容易に基板１を加工することができ、製造効率の向上および歩留まりの改善などが実現される。なお、本実施形態の製造方法の場合、基板１の加工において、平坦面２、突起部３および溝部４の位置関係に制限が設けられる場合があるが、このような位置関係は、基板１加工時のマスクとなる膜の形状を制御することで容易に実現できるほか、上述した第１工程および第２工程を有する方法およびこれに準じた手段を用いることで、容易に実現できる。これに対して、特許文献１に記載の技術の場合、Ｒ面サファイヤ基板に垂直な側壁を有する溝部およびテラス部を形成する必要があり、これを実現する手段として、フォトリソグラフィを利用した手段が記載されているが、化学的に安定なサファイヤの加工は難しく、垂直に近い側壁を有する溝部を形成するのは手間を要する。
【００４５】
また、本実施形態の製造方法の一例である上記第１工程乃至第３工程を用いた手段であって、第２工程のドライエッチングを、膜６´を全部エッチングする条件で行う手段の場合、第２工程における基板１を加工するためのエッチング工程において、マスクとして用いられる膜６´をも除去するので、第２工程と、基板全面をエッチングする第３工程との間に、別途膜６´を除去する工程を設ける必要がない。すなわち、工程数を減らすことができ、製造効率の向上が実現される。なお、エッチング工程（第２工程）においてマスクとして用いられる膜６´が除去されてしまうと、所望のパターンを形成できなくなってしまう恐れがあるが、本実施形態の場合、基板１には平坦面２、突起部３および溝部４が形成されればよく、突起部３および溝部４の形状は特段制限されないので問題はない。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
【００４７】
＜実施例１＞
＜平坦面、突起部および溝部の形成＞
【００４８】
上述した第１工程および第２工程を有する手段を用いた。
【００４９】
（１）基板の準備
厚さ４３０μｍのＲ面サファイヤ基板を準備した。
【００５０】
（２）基板の前処理
アルキルベンゼン、２−ブタノン、および、エタノールの順で各１０分間ずつ、Ｒ面サファイヤ基板の超音波洗浄を行った。その後、基板を脱イオン水で流水洗浄し、次いで王水（塩酸：硝酸＝１:１混合液）に６０分間浸し、また、１５０℃の硫酸：りん酸＝１：３混合液に３０分間浸した。その後、基板を脱イオン水で５分間、超純水で１０分間の流水洗浄し、窒素ブローにより乾燥した。
【００５１】
（３）フォトレジストパターンの形成
まず、ドライオーブンを用いて上記前処理後のＲ面サファイヤ基板を乾燥した。その後、スピンコーターを用いてポジ型フォトレジストをＲ面サファイヤ基板全面に塗布し、次いで、ドライオーブンで３０分間のプリベークを実施した。その後、フォトマスクと紫外線露光装置を用いてパターン露光した。ストライプマスクはレジスト幅５μｍ、開口部の幅２μｍのものを使用した。なお、ストライプの方向がＲ面サファイヤ基板の＜１−１０１＞軸に直角となるように配置した。
【００５２】
その後、フォトレジストの現像を行い、次いで、超純水を用いて１０分間流水洗浄を行った。続いて、ドライオーブンを用いて３０分間のポストベークを実施した。
【００５３】
（４）Ｎｉ膜の成膜
フォトレジストパターンの上から、スパッタリング法によりＮｉ膜を成膜した。スパッタ種はＡｒを用い、室温で成膜した。膜厚は１５０ｎｍとした。
【００５４】
（５）リフトオフ
アセトンに浸漬してレジストを溶かし、その上に堆積していたＮｉ膜をＲ面サファイヤ基板から剥離した。なお、マスク開口部に堆積していたＮｉ膜は剥離されずに基板上に残った。その後、基板をエタノールを用いて１０分間超音波洗浄し、その後超純水による流水洗浄を行った。
【００５５】
以上の工程により、Ｎｉ膜の幅が２μｍ、基板表面露出幅が５μｍの
ストライプ構造を表面に有するＲ面サファイヤ基板が得られた。
【００５６】
（６）ドライエッチング
次いで、Ｒ面サファイヤ基板をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置内に設置し、ドライエッチングを行った。ドライエッチングに用いたエッチングガスおよびガス流量は、Ａｒ（１５ｓｃｃｍ）、Ｃｌ２（２０ｓｃｃｍ）、および、ＢＣｌ３（３０ｓｃｃｍ）であり、バイアス電圧は８００Ｖとした。
【００５７】
＜＜結果＞＞
図８は、上記（６）ドライエッチングを９分間、１８分間、４５分間または９０分間行った後の、Ｒ面サファイヤ基板の断面形状を示す走査電子顕微鏡像である。図８に示すように、ドライエッチング９０分後には、Ｒ面サファイヤ基板の表面に、平坦面、突起部および溝部が形成されており、その位置関係は、図２および図７（ｅ）に示したものと同様になっている。
【００５８】
なお、Ｎｉ膜は、９分間のドライエッチング処理後には残存していたが、１８分間のドライエッチング処理後には完全に消失していた。すなわち、Ｎｉ膜の膜厚を１５０ｎｍとした場合、上記条件にて９分間から１８分間のエッチングを行うことにより、Ｎｉ膜は消失することが分かる。以上より、上記条件を利用した場合には、エッチング時間を変化することで、平坦面、突起部および溝部の形状を変化できることが分かる。
【００５９】
＜ＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長＞
上述したように（６）ドライエッチングを９０分間行うことにより平坦面、突起部および溝部を形成したＲ面サファイヤ基板上に、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させた。成長条件は以下の通りである。
【００６０】
成長温度 ：１０４０℃
Ｖ／ＩＩＩ比：ＮＨ３／ＨＣｌ＝９００ｓｃｃｍ／６０ｓｃｃｍ＝１５
成長時間 ：４７分
【００６１】
＜＜結果＞＞
＜１＞
図９（１）および図９（２）は、初期成長後のＧａＮ結晶を示す走査電子顕微鏡像である。図９（２）は、図９（１）の拡大図である。また、図９（３）は、初期成長後のＧａＮ結晶を模式的に示してある。なお、図９（１）には、平坦面、突起部および溝部を示す線を書き加えている。
【００６２】
図９（１）および図９（２）に示すように、突起部の図中右側の溝部と平坦面の境界付近から選択的に結晶核の生成・結晶成長が起こり（図中左側の溝部からは結晶成長せず）、この結晶は図中右側から左側に向かって結晶成長して、突起部を乗り越えようとしていることが分かる。この事実より、ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる際、突起部のガイド機能により溝部付近に選択的に原料ガスが流入し、結果、溝部と平坦面の境界付近に形成された微小傾斜構造において、選択的に結晶核が生成し、結晶成長したと推測される。
【００６３】
なお、突起部の右側の溝部と平坦面の境界付近にのみ選択的に結晶核の生成が起こる理由については、以下のように考えられる。
【００６４】
図１５は、本実施形態のエッチング工程後の基板の断面形状の一例を模式的に示した図である。図１５に示すように、平坦面２と溝部４の境界は微視的には急峻ではなく、傾斜が連続的に変化している。その結果、突起部の右側の溝部・平坦面境界（傾斜角θがマイナス）にはＧａ極性面を有する原子ステップ端面が露出する。一方、突起部の左側の溝部・平坦面境界（傾斜角θがプラス）にはＮ極性面を有する原子ステップ端面が露出する。Ｇａ極性面はＮ極性面に比べて成長が促進され易く（非特許文献１）、核発生も容易と考えられる。また、適度な傾斜角においては原子ステップ密度も適度となるため、核発生と平坦化成長が有利となる。結果的に、突起の右側の溝部・平坦面境界付近の、かつ、特定の傾斜角を有する極めて限定された領域のみで結晶核発生・成長が促進されたものと考えられる。
【００６５】
なお、結晶成長したＧａＮと基板を構成するサファイヤとの結晶方位関係は図１０に示す通りであり、ＧａＮのｍ軸とサファイヤのａ軸とが平行になる。
【００６６】
＜２＞
次に、十分に結晶成長させた後、得られたＧａＮ結晶からＲ面サファイヤ基板を除去し、ＧａＮ結晶の研磨を行った後、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を実施した。測定時、図１１に示す２つの方向からＸ線を入射した。結果を、図１２に示す。図中に示す数字（３７５および４４７）は、ピーク半値幅（単位：ａｒｃｓｅｃ）である。図示するように、２入射方向とも半値幅が同等であった。
【００６７】
＜比較例１＞
実施例１と同様の工程を行い、上述した（６）ドライエッチングを９分間行うことで、平坦面および突起部を形成したＲ面サファイヤ基板を比較例１とし（図８参照）、実施例１と同様の手段を用いて、ＧａＮをエピタキシャル成長させた。
【００６８】
＜＜結果＞＞
＜１＞
図１３は、初期成長後のＧａＮ結晶を示す走査電子顕微鏡像である。図１３から、突起部の両側の平坦面において、結晶成長していることが分かる。また、図１３の上側の走査電子顕微鏡像では、図中左側から右側に向かって結晶が成長し、突起部を乗り越えようとしている様子が示されているが、図１３の下側の走査電子顕微鏡像では、図中右側から左側に向かって結晶が成長し、突起部を乗り越えようとしている様子が示されている。
【００６９】
＜２＞
次に、実施例１と同様にして、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を実施した。結果を、図１４に示す。図中に示す数字（６６８および９８０）は、ピーク半値幅（単位：ａｒｃｓｅｃ）である。図示するように、入射方向により半値幅が大きく異なり、その差も大きいことが分かる。
【００７０】
＜まとめ＞
実施例１および比較例１を比較すると、実施例１の方が、選択成長の観点で有利であることが分かる。また、実施例１の方が、結晶性改善に有利であることが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 基板
２ 平坦面
３ 突起部
４ 溝部
５ フォトレジストパターン
６ 膜
６´ 膜（パターン）
【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】
ＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））は、優れた物理的・化学的特徴を有するため様々な用途向けに研究がなされ、例えば半導体レーザなどの用途では既に実用化されている。
【０００３】
このようなＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶を製造する方法としてはエピタキシャル成長が利用されるが、大型で、結晶欠陥の少ない単結晶を製造するのは難しく、様々な研究が多数なされている。
【０００４】
また、上述したエピタキシャル成長はサファイヤ基板等の異種基板上に行われる場合があるが、異種基板上に極性面であるｃ面窒化物結晶成長を行うと、ヘテロ接合面の格子不整合等に起因する内部電界が存在することとなり、内部量子効率の低下などの問題が発生する。このような理由などから、無極性面窒化物結晶成長に関する研究が多数なされている。
【０００５】
ここで、特許文献１には、図１６に示すように、Ｒ面サファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と、凸状のテラス部とを交互に設け、この主面上にＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この技術によれば、成長方位依存性により、溝部の底からの成長よりも側壁からの選択横方向成長（ｃ軸方向成長）が促進され、このような選択横方向成長により溝部を埋めた後に、Ｒ面サファイヤ基板に対して垂直方向にも成長していくことで、ａ軸配向したＩＩＩ族窒化物半導体が得られると記載されている。そして、このようなエピタキシャル成長によれば、初期成長では溝部の側壁から横方向に成長するので、転位は横方向に伝搬し、結果、膜厚方向に伸びる貫通転位を減少させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３２６４０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics 47(2008)119-123
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術の場合、テラス部の角において結晶欠陥が発生しやすく、改善の余地が残る。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本発明では、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体基板を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部とを形成するエッチング工程と、前記エッチングされた前記基板上にＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程とを有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法によれば、結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図２】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図３】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図６】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面の一例を模式的に示す図である。
【図７】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の平面を形成する工程の一例を模式的に示す図である。
【図８】所定時間ドライエッチングした後の、基板の断面形状を示す走査電子顕微鏡像である。
【図９】本実施例により得られたＧａＮ結晶を示す図である。
【図１０】本実施例により得られたＧａＮ結晶と基板を構成するサファイヤ結晶との結晶方位関係を示す図である。
【図１１】Ｘ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線入射方向を示す図である。
【図１２】本実施例のＸ線ロッキングカーブ測定の結果である。
【図１３】比較例により得られたＧａＮ結晶を示す図である。
【図１４】比較例のＸ線ロッキングカーブ測定の結果である。
【図１５】本実施形態の平坦面、突起部および溝部の断面の一例を模式的に示す図である。
【図１６】従来の結晶成長を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法は、（１）ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）の角度となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、（２）前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部を形成するエッチング工程と、（３）前記エッチングされた前記基板上に、ＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程を有する。以下、各工程について説明する。
【００１５】
（１）基板を準備する工程
本工程で準備する基板は、ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）の角度となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板であれば特段制限されない。例えば、Ｒ面サファイヤ基板、ａ面ＧａＮ基板、または、｛１１−２２｝面ＧａＮ基板、同様の面を有するＳｉＣ基板、ＬｉＡｌＯ２基板、ＬｉＧａＯ２基板などを選択することができる。
【００１６】
（２）エッチング工程
本工程では、上記（１）工程で準備した基板の表面を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部と、を形成する。１つの基板上に形成する平坦面、突起部、および溝部の数は制限されないが、製造効率等を考慮すると、複数形成するのが好ましい。
【００１７】
まず、本工程で形成される平坦面、突起部および溝部の構成について説明する。
【００１８】
図１に、エッチング工程後の基板の断面形状の一例を模式的に示す。図１に示すように、エッチング工程後の基板１には、平坦面２と、突起部３と、突起部３に近接して溝部４が形成される。基板１を断面視した際の突起部３および溝部４の形状は図１に示すものに限定されず、あらゆる形状とすることができる。すなわち、本実施形態の突起部３および溝部４の側壁は、基板１の面（平坦面２）に対して垂直になる必要はなく、基板１の面（平坦面２）に対して垂直な面から所定角度Ｒ（０°＜Ｒ＜９０°）傾いていてもよい。また、図１では突起部３の両サイドに溝部４が設けられているが、このような構成に限定されず、１つの溝部４が突起部３に近接して設けられてもよい。
【００１９】
なお、突起部３および溝部４の位置関係は、以下のようにするのが望ましい。
【００２０】
すなわち、第１の突起部３の高さをｈとし、第１の突起部３と第１の溝部４（図１中、左側の溝部４）の間に介在する平坦面２の第１の突起部３と第１の溝部４とを結ぶ方向の長さをｌとした時、ｈ＞ｌの関係、より好ましくはｈ／２＞ｌを満たすのが望ましい。例えば、図２に示すように、第１の突起部３と第１の溝部４とは、平坦面２を介さず繋がっていてもよい（ｌ＝０）。第１の突起部３に対して上記関係を満たす第１の溝部４は少なくとも１つ存在するのが好ましく、複数存在してもよい。上記位置関係を満たす場合、後に説明する成長工程において、第１の突起部３が第１の溝部４内に原料ガスを導くガイドとして効果的に機能すると考えられる。
【００２１】
次に、本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４の平面形状について説明するが、これについても特段制限されず、あらゆる形状とすることができる。ここで、図３および図４に、図１に示すような断面形状を有する基板１の平面図の一例を模式的に示す。また、図５および図６に、図２に示すような断面形状を有する基板１の平面図の一例を模式的に示す。
【００２２】
図３および図５に示すように、平坦面２、突起部３および溝部４はストライプ形状を形成していてもよい。なお、図示する各ラインの幅はあくまで一例であり、本実施形態は図３および図５に示す関係に限定されない。すなわち、図示するように各ラインの幅はバラバラであってもよいし、または、規則正しく同じ幅のラインが形成されてもよい。その他の平面形状としては、図４および図６に示すように、突起部３はドット形状に形成されてもよい。かかる場合、平坦面２および溝部４は、ドット形状の周囲の一部または全部に近接して設けられることで、図１または図２に示すような断面形状が得られる。例えば、平坦面２および溝部４は、突起部３の周囲を取り囲むように形成されてもよい（図４および図６中、上側に示す状態）。なお、突起部３のドット形状としては、図示する正方形に限定されず、その他の四角形、その他の多角形、円形、楕円形など、あらゆる形状とすることができ、また、これらが１つの基板１上に混在していてもよい。また、複数のドット形状の大きさはすべて同一であってもよいし、ばらばらであってもよい。
【００２３】
なお、図３乃至図６に示す例では、異なる幅または大きさの平坦面２、突起部３および溝部４が不規則に配列しているが本実施形態はこのような構成に限定されず、同じ幅または大きさの複数の平坦面２、同じ幅または大きさの複数の突起部３および同じ幅または大きさの複数の溝部４が規則正しく周期的に配列していてもよい。
【００２４】
次に、本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４の形成方法について説明する。
【００２５】
本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４は、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの技術を用いて容易に形成することができ、その手段は制限されない。
【００２６】
例えば、（１）基板１上に、平坦面２および溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成、（２）次いで、ドライエッチングにより突起部３（エッチングされなかった箇所）を形成、（３）次いで、フォトレジストパターンを除去、（４）次いで、基板１上に溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成、（５）次いで、ドライエッチングにより溝部４（エッチングされた箇所）を形成、（６）次いで、フォトレジストパターンを除去、という工程を経ることで実現することができる。
【００２７】
しかし、本発明者は、以下のような第１工程、第２工程および第３工程を有する形成方法によっても本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４を形成できることを見出した。そして、かかる手段の場合、上述の手段よりも工程数が少なくなり、作業効率が向上するという効果を奏する。以下、図７を用いて第１工程、第２工程および第３工程について説明する。図７は、製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２８】
第１工程では、図７（ｃ）に示すように、基板１上に、所定のパターンを有する膜６´を形成する。膜６´は、ドライエッチング時に基板に対し高いエッチング選択比を取りうる性質を有するものであれば特段制限されず、Ｎｉ膜や、Ｔｉ膜，Ｗ膜，Ｍｏ膜，ＳｉＮｘ膜などとすることができる。
【００２９】
このような第１工程はあらゆる技術を用いて実現できるが、例えば以下のような工程であってもよい。まず、図７（ａ）に示すように、基板１上にフォトレジストパターン５を形成する。このフォトレジストパターン５の幅ｍは、開口部の幅ｎよりも大きくするのが望ましい。この理由は以下で明らかになる。次に、図７（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン５の上から膜６を成膜する。例えばスパッタリング法を用いて膜６を成膜してもよい。その後、リフトオフにより、フォトレジストパターン５とともにその上に成膜された膜６を除去することで、図７（ｃ）に示す状態を得る。
【００３０】
第１工程の後に行われる第２工程では、膜６´をマスクとして基板１をドライエッチングする。このドライエッチングは、例えば、膜６´を一部または全部エッチングする条件で行われてもよい。膜６´を全部エッチングする条件でドライエッチングが行われた場合は、第２工程の後に、図７（ｄ）に示す状態が得られる。また、それ以外の条件でドライエッチングが行われた場合は、第２工程の後に膜６´を除去する工程を経ることで、図７（ｄ）に示す状態が得られる。かかる状態では、平坦面２および突起部３が形成されているが溝部４は形成されていない。なお、突起部３の側壁を基板１の面（平坦面２）に対して垂直にするのは手間を要するため、突起部３の側壁は図７（ｄ）に示すように非垂直となる場合がある。
【００３１】
第２工程の後に行われる第３工程は、膜６´が除去された後に行われ、所定時間、基板１の全面をエッチングする。エッチングの条件は、例えば、第２工程のドライエッチングの条件と同じにすることができる。
【００３２】
図７（ｅ）は、第３工程の後の基板１の状態を示す。図７（ｅ）に示す状態では、平坦面２、突起部３および溝部４が形成されている。本発明者は、膜６´が除去された後、所定時間、基板１の全面をエッチングすることで、図７（ｅ）に示す状態が得られことを見出した（以下の実施例で実際に得られた状態を表す走査電子顕微鏡像を示す）。
【００３３】
ここで、膜６´を除去する手段は特段制限されないが、第２工程のドライエッチングを、膜６´を全部エッチングする条件で行う場合、第２工程のドライエッチングにより膜６´をもエッチングすることで除去してもよい。かかる場合、第２工程のドライエッチング、および、第３工程のエッチングを連続的に行うことが可能となり、作業効率が格段に向上する。その他の膜６´を除去する手段としては、第２工程と第３工程との間に、膜６´を例えばウェットエッチングなどにより除去する工程を設けることで実現してもよい。かかる場合、上記手段に比べて作業効率は落ちるが、第２工程のドライエッチングの間は膜６´が存在することとなり、結果、所望の大きさおよび形状の平坦面２、突起部３および溝部４を得ることが可能となる。いずれの手段を用いるかは、基板に対する要求性能などに応じて決定することができる。
【００３４】
なお、図７（ｄ）の状態から図７（ｅ）の状態に移ると、平坦面２および突起部３の平面が削られ小さくなるが、上述したようにｍ＞ｎの関係を満たしていると、平坦面２が維持されるので、好ましい。なお、第３工程の後には、突起部３は平面を有さなくてもよい。
【００３５】
以上説明した手段の場合、膜６の種類および厚さ、ドライエッチングの時間、また、第３工程のエッチング時間などを変化させることで、平坦面２、突起部３および溝部４の形状や、突起部３の高さ、溝部４の深さなどを変化させることができる。
【００３６】
次に、本発明者は、上記手段の変形例として、以下のような手段によっても本実施形態の平坦面２、突起部３および溝部４を形成できることを見出した。
【００３７】
すなわち、まず、基板１上に、平坦面２および溝部４となる箇所に開口を有するフォトレジストパターンを形成する（ｍ＞ｎ）。その後、ドライエッチングにより突起部３を形成し、次いで、フォトレジストパターンを除去する。ここまでの工程により、図７（ｄ）に示す状態が得られる。その後、例えば上記エッチングと同じ条件で第２突起部３が形成された基板上をエッチングすることで、図７（ｅ）に示す状態が得られる。
【００３８】
（３）成長工程
本工程では、エッチングされ、平坦面２、突起部３および溝部４を形成された基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長する。
【００３９】
ＩＩＩ族窒化物の成長方法は特段制限されず、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法またはＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いたあらゆる技術を適用して実現することができる。なお、成長条件は、加熱温度：１０００℃以上１３００℃以下、かつ、供給する原料比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１以上１５以下、とするのが好ましい。このようにすれば、結晶核が基板１上の随所で生成されてしまうのを抑制することができる。
【００４０】
上記成長工程の後、従来技術を適用して、エピタキシャル成長したＩＩＩ族窒化物半導体から基板１を除去する。
【００４１】
次に、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法による作用効果について説明する。
【００４２】
本実施形態の製造方法によれば、平坦面２と溝部４の境界部からの選択的な結晶成長が促進され、基板１上の随所で結晶核が生成されるのを抑制することができ、結果、高品質な単結晶を得ることができる。平坦面２と溝部４の境界部からの結晶成長が促進される理由は明らかではないが、本実施形態の基板１の特徴的な表面構造が１つの要因であると考えられる。すなわち、平坦面２より突出した突起部３が基板１上に供給された原料ガスを溝部４内に導くガイドの役割を果していること、平坦面２と溝部４との境界付近に存在する微小傾斜部分に適度な密度の原子ステップが形成されるため、ＧａＮ結晶の成長核が発生し易くなっていることなどが考えられる。なお、平坦面２、突起部３および溝部４を上述した位置関係（ｈ＞ｌ、または、ｈ／２＞ｌ、特に、ｌ＝０）とした場合、突起部３による上記ガイドの機能はより効果的に実現され、結果、平坦面２と溝部４の境界付近からの選択的な結晶成長がより促進されると考えられる。
【００４３】
また、本実施形態の製造方法によれば、突起部３や溝部４の角部における結晶欠陥を抑制することができる。この理由は明らかでないが、本実施形態における結晶成長核は平坦面２と溝部４の境界付近に選択的に生成するため、この部分から起きる初期のエピタキシャル成長は、特許文献１に記載された技術のように側壁から溝部４内を一方向に向かって成長する可能性は低い。すなわち、平坦面２と溝部４の境界付近を起点にして３次元的に成長すると考えられる。このため、溝部４内を埋めた後、横方向成長に切り替わる際、突起部３や溝部４の角部において成長方向が大きくシフトすることなく、結果、結晶欠陥が生じにくいと考えられる。なお、初期は３次元的に成長しても、溝部４を埋めた後には横方向成長するので、最終的には、平坦な面を有するＩＩＩ族窒化物半導体を得ることができる。
【００４４】
また、本実施形態の製造方法によれば、基板１を断面視した際の突起部３および溝部４の形状は特段制限されない。すなわち、基板１を加工して設ける突起部３および溝部４の側壁を基板１の面（平坦面２）に対して垂直にするなどの困難な制限がない。このため、容易に基板１を加工することができ、製造効率の向上および歩留まりの改善などが実現される。なお、本実施形態の製造方法の場合、基板１の加工において、平坦面２、突起部３および溝部４の位置関係に制限が設けられる場合があるが、このような位置関係は、基板１加工時のマスクとなる膜の形状を制御することで容易に実現できるほか、上述した第１工程および第２工程を有する方法およびこれに準じた手段を用いることで、容易に実現できる。これに対して、特許文献１に記載の技術の場合、Ｒ面サファイヤ基板に垂直な側壁を有する溝部およびテラス部を形成する必要があり、これを実現する手段として、フォトリソグラフィを利用した手段が記載されているが、化学的に安定なサファイヤの加工は難しく、垂直に近い側壁を有する溝部を形成するのは手間を要する。
【００４５】
また、本実施形態の製造方法の一例である上記第１工程乃至第３工程を用いた手段であって、第２工程のドライエッチングを、膜６´を全部エッチングする条件で行う手段の場合、第２工程における基板１を加工するためのエッチング工程において、マスクとして用いられる膜６´をも除去するので、第２工程と、基板全面をエッチングする第３工程との間に、別途膜６´を除去する工程を設ける必要がない。すなわち、工程数を減らすことができ、製造効率の向上が実現される。なお、エッチング工程（第２工程）においてマスクとして用いられる膜６´が除去されてしまうと、所望のパターンを形成できなくなってしまう恐れがあるが、本実施形態の場合、基板１には平坦面２、突起部３および溝部４が形成されればよく、突起部３および溝部４の形状は特段制限されないので問題はない。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
【００４７】
＜実施例１＞
＜平坦面、突起部および溝部の形成＞
【００４８】
上述した第１工程および第２工程を有する手段を用いた。
【００４９】
（１）基板の準備
厚さ４３０μｍのＲ面サファイヤ基板を準備した。
【００５０】
（２）基板の前処理
アルキルベンゼン、２−ブタノン、および、エタノールの順で各１０分間ずつ、Ｒ面サファイヤ基板の超音波洗浄を行った。その後、基板を脱イオン水で流水洗浄し、次いで王水（塩酸：硝酸＝１:１混合液）に６０分間浸し、また、１５０℃の硫酸：りん酸＝１：３混合液に３０分間浸した。その後、基板を脱イオン水で５分間、超純水で１０分間の流水洗浄し、窒素ブローにより乾燥した。
【００５１】
（３）フォトレジストパターンの形成
まず、ドライオーブンを用いて上記前処理後のＲ面サファイヤ基板を乾燥した。その後、スピンコーターを用いてポジ型フォトレジストをＲ面サファイヤ基板全面に塗布し、次いで、ドライオーブンで３０分間のプリベークを実施した。その後、フォトマスクと紫外線露光装置を用いてパターン露光した。ストライプマスクはレジスト幅５μｍ、開口部の幅２μｍのものを使用した。なお、ストライプの方向がＲ面サファイヤ基板の＜１−１０１＞軸に直角となるように配置した。
【００５２】
その後、フォトレジストの現像を行い、次いで、超純水を用いて１０分間流水洗浄を行った。続いて、ドライオーブンを用いて３０分間のポストベークを実施した。
【００５３】
（４）Ｎｉ膜の成膜
フォトレジストパターンの上から、スパッタリング法によりＮｉ膜を成膜した。スパッタ種はＡｒを用い、室温で成膜した。膜厚は１５０ｎｍとした。
【００５４】
（５）リフトオフ
アセトンに浸漬してレジストを溶かし、その上に堆積していたＮｉ膜をＲ面サファイヤ基板から剥離した。なお、マスク開口部に堆積していたＮｉ膜は剥離されずに基板上に残った。その後、基板をエタノールを用いて１０分間超音波洗浄し、その後超純水による流水洗浄を行った。
【００５５】
以上の工程により、Ｎｉ膜の幅が２μｍ、基板表面露出幅が５μｍの
ストライプ構造を表面に有するＲ面サファイヤ基板が得られた。
【００５６】
（６）ドライエッチング
次いで、Ｒ面サファイヤ基板をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置内に設置し、ドライエッチングを行った。ドライエッチングに用いたエッチングガスおよびガス流量は、Ａｒ（１５ｓｃｃｍ）、Ｃｌ２（２０ｓｃｃｍ）、および、ＢＣｌ３（３０ｓｃｃｍ）であり、バイアス電圧は８００Ｖとした。
【００５７】
＜＜結果＞＞
図８は、上記（６）ドライエッチングを９分間、１８分間、４５分間または９０分間行った後の、Ｒ面サファイヤ基板の断面形状を示す走査電子顕微鏡像である。図８に示すように、ドライエッチング９０分後には、Ｒ面サファイヤ基板の表面に、平坦面、突起部および溝部が形成されており、その位置関係は、図２および図７（ｅ）に示したものと同様になっている。
【００５８】
なお、Ｎｉ膜は、９分間のドライエッチング処理後には残存していたが、１８分間のドライエッチング処理後には完全に消失していた。すなわち、Ｎｉ膜の膜厚を１５０ｎｍとした場合、上記条件にて９分間から１８分間のエッチングを行うことにより、Ｎｉ膜は消失することが分かる。以上より、上記条件を利用した場合には、エッチング時間を変化することで、平坦面、突起部および溝部の形状を変化できることが分かる。
【００５９】
＜ＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長＞
上述したように（６）ドライエッチングを９０分間行うことにより平坦面、突起部および溝部を形成したＲ面サファイヤ基板上に、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させた。成長条件は以下の通りである。
【００６０】
成長温度 ：１０４０℃
Ｖ／ＩＩＩ比：ＮＨ３／ＨＣｌ＝９００ｓｃｃｍ／６０ｓｃｃｍ＝１５
成長時間 ：４７分
【００６１】
＜＜結果＞＞
＜１＞
図９（１）および図９（２）は、初期成長後のＧａＮ結晶を示す走査電子顕微鏡像である。図９（２）は、図９（１）の拡大図である。また、図９（３）は、初期成長後のＧａＮ結晶を模式的に示してある。なお、図９（１）には、平坦面、突起部および溝部を示す線を書き加えている。
【００６２】
図９（１）および図９（２）に示すように、突起部の図中右側の溝部と平坦面の境界付近から選択的に結晶核の生成・結晶成長が起こり（図中左側の溝部からは結晶成長せず）、この結晶は図中右側から左側に向かって結晶成長して、突起部を乗り越えようとしていることが分かる。この事実より、ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる際、突起部のガイド機能により溝部付近に選択的に原料ガスが流入し、結果、溝部と平坦面の境界付近に形成された微小傾斜構造において、選択的に結晶核が生成し、結晶成長したと推測される。
【００６３】
なお、突起部の右側の溝部と平坦面の境界付近にのみ選択的に結晶核の生成が起こる理由については、以下のように考えられる。
【００６４】
図１５は、本実施形態のエッチング工程後の基板の断面形状の一例を模式的に示した図である。図１５に示すように、平坦面２と溝部４の境界は微視的には急峻ではなく、傾斜が連続的に変化している。その結果、突起部の右側の溝部・平坦面境界（傾斜角θがマイナス）にはＧａ極性面を有する原子ステップ端面が露出する。一方、突起部の左側の溝部・平坦面境界（傾斜角θがプラス）にはＮ極性面を有する原子ステップ端面が露出する。Ｇａ極性面はＮ極性面に比べて成長が促進され易く（非特許文献１）、核発生も容易と考えられる。また、適度な傾斜角においては原子ステップ密度も適度となるため、核発生と平坦化成長が有利となる。結果的に、突起の右側の溝部・平坦面境界付近の、かつ、特定の傾斜角を有する極めて限定された領域のみで結晶核発生・成長が促進されたものと考えられる。
【００６５】
なお、結晶成長したＧａＮと基板を構成するサファイヤとの結晶方位関係は図１０に示す通りであり、ＧａＮのｍ軸とサファイヤのａ軸とが平行になる。
【００６６】
＜２＞
次に、十分に結晶成長させた後、得られたＧａＮ結晶からＲ面サファイヤ基板を除去し、ＧａＮ結晶の研磨を行った後、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を実施した。測定時、図１１に示す２つの方向からＸ線を入射した。結果を、図１２に示す。図中に示す数字（３７５および４４７）は、ピーク半値幅（単位：ａｒｃｓｅｃ）である。図示するように、２入射方向とも半値幅が同等であった。
【００６７】
＜比較例１＞
実施例１と同様の工程を行い、上述した（６）ドライエッチングを９分間行うことで、平坦面および突起部を形成したＲ面サファイヤ基板を比較例１とし（図８参照）、実施例１と同様の手段を用いて、ＧａＮをエピタキシャル成長させた。
【００６８】
＜＜結果＞＞
＜１＞
図１３は、初期成長後のＧａＮ結晶を示す走査電子顕微鏡像である。図１３から、突起部の両側の平坦面において、結晶成長していることが分かる。また、図１３の上側の走査電子顕微鏡像では、図中左側から右側に向かって結晶が成長し、突起部を乗り越えようとしている様子が示されているが、図１３の下側の走査電子顕微鏡像では、図中右側から左側に向かって結晶が成長し、突起部を乗り越えようとしている様子が示されている。
【００６９】
＜２＞
次に、実施例１と同様にして、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を実施した。結果を、図１４に示す。図中に示す数字（６６８および９８０）は、ピーク半値幅（単位：ａｒｃｓｅｃ）である。図示するように、入射方向により半値幅が大きく異なり、その差も大きいことが分かる。
【００７０】
＜まとめ＞
実施例１および比較例１を比較すると、実施例１の方が、選択成長の観点で有利であることが分かる。また、実施例１の方が、結晶性改善に有利であることが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 基板
２ 平坦面
３ 突起部
４ 溝部
５ フォトレジストパターン
６ 膜
６´ 膜（パターン）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部と、を形成するエッチング工程と、
前記エッチングされた前記基板上に、ＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程と、を有する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ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記酸化物基板としてサファイヤ基板を用いてＩＩＩ族窒化物を成長する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ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記平坦面からの前記突起部の高さをｈ、第１の前記突起部と前記第１の突起部の最も近くに位置する第１の前記溝部と、の間に介在する前記平坦面の前記第１の突起部と前記第１の溝部とを結ぶ方向の長さをｌとした時、ｈ＞ｌの関係を満たす、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第１の突起部と前記第１の溝部とは、前記平坦面を介さず繋がっているＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程は、
Ｖ族原料およびＩＩＩ族原料の供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）は１以上１５以下、かつ、加熱温度は１０００℃以上１３００℃以下の条件で行われるＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記エッチング工程は、
前記基板上に、所定のパターンを有する膜を形成する第１工程と、
前記膜をマスクとして前記基板をドライエッチングする第２工程と、
前記第２工程の後に行われ、前記膜が除去された後、所定時間、前記基板全面をエッチングする第３工程と、を有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第２工程の前記ドライエッチングは、前記膜を一部または全部エッチングする条件で行われ、
前記第３工程のエッチングは、前記第２工程の前記ドライエッチングを継続することで実現されるＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１】
ｃ面よりａ面方向もしくはｍ面方向に角度Ｒ（０°＜Ｒ≦９０°）となる傾斜面を有する酸化物基板、炭化物基板、またはＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記基板を選択的にエッチングし、平坦面と、前記平坦面より突出している突起部と、前記平坦面より掘り下げられている溝部と、を形成するエッチング工程と、
前記エッチングされた前記基板上に、ＩＩＩ族窒化物を成長する成長工程と、を有する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ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記酸化物基板としてサファイヤ基板を用いてＩＩＩ族窒化物を成長する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ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記平坦面からの前記突起部の高さをｈ、第１の前記突起部と前記第１の突起部の最も近くに位置する第１の前記溝部と、の間に介在する前記平坦面の前記第１の突起部と前記第１の溝部とを結ぶ方向の長さをｌとした時、ｈ＞ｌの関係を満たす、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第１の突起部と前記第１の溝部とは、前記平坦面を介さず繋がっているＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記成長工程は、
Ｖ族原料およびＩＩＩ族原料の供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）は１以上１５以下、かつ、加熱温度は１０００℃以上１３００℃以下の条件で行われるＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記エッチング工程は、
前記基板上に、所定のパターンを有する膜を形成する第１工程と、
前記膜をマスクとして前記基板をドライエッチングする第２工程と、
前記第２工程の後に行われ、前記膜が除去された後、所定時間、前記基板全面をエッチングする第３工程と、を有するＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第２工程の前記ドライエッチングは、前記膜を一部または全部エッチングする条件で行われ、
前記第３工程のエッチングは、前記第２工程の前記ドライエッチングを継続することで実現される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７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−５６７９７（Ｐ２０１２−５６７９７Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２２８０（Ｐ２０１０−２０２２８０）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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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