JP2003188101A - Crystal growth method - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize crystal of high quality which has small dislocation and cracking by selectively growing GaN on a substrate having a stepped striped pattern consisting of projection and recessed parts in various widths by using an organic metal vapor-phase grown crystal method. <P>SOLUTION: The organic metal vapor-phase growth crystal method which deposits a desired film on a wafer set on a susceptor by introducing raw- material gas and carrier gas from a gas intake and guiding it onto the susceptor at high temperature is used to selectively grow GaN crystal on a (111) silicon substrate in such stepped striped pattern structure, which has a <-1-12> direction of the (111) silicon substrate 1 along the length of the striped pattern and a <1-10> direction of the (111) silicon substrate in a direction of unevenness perpendicular thereto and is uneven in the widths of projection parts 2 and recessed pats 3, from projection part surfaces 4. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、反応させるべき原
料ガス及びこれを搬送するガスを、ガス導入口より導入
し、これを化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ
上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において
化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目
的とした有機金属気相成長結晶法を用い、凸部と凹部の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターン構造を有す
るシリコン基板上に、ＧａＮを選択成長させることを特
徴とする結晶成長方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention introduces a raw material gas to be reacted and a gas for carrying the same through a gas inlet and guides the gas onto a susceptor having a temperature high enough to cause a chemical reaction. Using the metalorganic vapor phase epitaxy (CEM) method for the purpose of depositing a desired deposited film derived from a chemical reaction on the wafer placed above, a stepped stripe pattern structure with convex and concave widths that are coarse and dense The present invention relates to a crystal growth method characterized in that GaN is selectively grown on a silicon substrate having.

【０００２】[0002]

【従来の技術】Al、Ga、In等のIII族元素とV族元素との
化合物である半導体は、ワイドギャップを有する直接遷
移型半導体であり、可視から紫外域の発光材料として、
最も有望であると考えられる。これら、光半導体デバイ
スの材料となる、窒化ガリウムGaN等の、結晶学的に優
れた制作手法が求められている。ＭＯＶＰＥ（Metalorg
anic Vapor Phase Epitaxy）法は、これを産業レベルで
実現できる有力な手法として、各方面で研究開発が進め
られている。2. Description of the Related Art A semiconductor, which is a compound of a group III element such as Al, Ga, In, and a group V element, is a direct transition semiconductor having a wide gap, and is used as a light emitting material in the visible to ultraviolet range.
Considered the most promising. There is a demand for a crystallographically excellent production technique for gallium nitride GaN, which is a material for these optical semiconductor devices. MOVPE (Metalorg
The anic Vapor Phase Epitaxy) method is being researched and developed in various fields as a powerful method that can realize this at the industrial level.

【０００３】例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化
物半導体の結晶成長を考える。このための結晶成長用基
板としては、結晶構造がウルツ鉱型である、窒化物半導
体と同じ六回対称で、耐熱性に優れ、比較的大面積の単
結晶が入手しやすいサファイアやシリコンカーバイト
（６Ｈ−ＳｉＣ等）が用いられ、低温バッファ層堆積技
術や選択成長技術等を用いて、高品質エピタキシャル薄
膜作成の研究開発がなされている。ところが、サファイ
アを基板として用いた場合、その上に成長した例えばＧ
ａＮ結晶のへき開方向が、サファイアを基板のへき開方
向と異なるため、レーザーダイオードの作成において、
共振器ミラーの作製に一般的な方法であるへき開法を用
いるのが困難であることや、サファイア基板が絶縁体材
料であるために、裏面電極を形成することができない
等、デバイス構造作製上の問題点が存在する。一方、シ
リコンカーバイト（６Ｈ−ＳｉＣ等）は、ＧａＮ結晶と
へき開面が一致するなど、多くの利点を有し、有望であ
る。しかし、ＳｉＣは一般に高価であり、大面積基板を
入手することが困難であること、また結晶多形が存在す
ること等の課題が存在する。For example, consider crystal growth of a nitride semiconductor such as GaN, InN and AlN. As a substrate for crystal growth for this purpose, sapphire or silicon carbide, which has a wurtzite crystal structure, has the same six-fold symmetry as nitride semiconductors, and has excellent heat resistance and is easy to obtain a single crystal with a relatively large area. (6H-SiC, etc.) is used, and research and development of high-quality epitaxial thin film formation have been carried out using a low temperature buffer layer deposition technique, a selective growth technique, and the like. However, when sapphire is used as the substrate, for example G
Since the cleavage direction of aN crystal is different from that of sapphire substrate,
It is difficult to use the cleavage method, which is a general method for manufacturing a resonator mirror, and the back electrode cannot be formed because the sapphire substrate is an insulator material. There are problems. On the other hand, silicon carbide (6H-SiC, etc.) is promising because it has many advantages such as a cleavage plane that matches that of a GaN crystal. However, SiC is generally expensive, and it is difficult to obtain a large-area substrate, and there are problems such as the presence of crystal polymorphism.

【０００４】上記課題を解決するために、シリコン基板
上に、ＧａＮをＭＯＶＰＥ法を用いて選択成長させる結
晶成長方法が検討されている。シリコンは、これまで最
も研究されている半導体材料であり、大面積高品質の基
板を入手することができる。さらに、導電性の制御が容
易に行えること、また加工技術が発達していることな
ど、多くの利点を有している。この、シリコン基板上へ
のＧａＮ結晶成長が実現されると、ＧａＮ系窒化物半導
体で実現される半導体レーザや発光ダイオードなどの光
デバイスと、シリコンで実現される電子デバイスを、１
チップ上に融合させることが可能となってくる。In order to solve the above problems, a crystal growth method for selectively growing GaN on a silicon substrate by using the MOVPE method has been studied. Silicon is the most studied semiconductor material to date, and large area, high quality substrates are available. Furthermore, it has many advantages such as easy control of conductivity and advanced processing technology. When the GaN crystal growth on the silicon substrate is realized, an optical device such as a semiconductor laser or a light emitting diode realized by a GaN-based nitride semiconductor and an electronic device realized by silicon are
It becomes possible to fuse it on the chip.

【０００５】具体的試みとして、例えば、（１１１）シ
リコン基板上に、シリコン酸化膜をスパッタリングし、
その後、２００ミクロン四方程度の窓を格子状に開けた
り、あるいは（００１）シリコンの７度オフ基板等を用
い、シリコン酸化膜のストライプ・パターンをマスクと
して形成することにより、選択成長の基板として用い、
検討が行われていた。As a concrete attempt, for example, a silicon oxide film is sputtered on a (111) silicon substrate,
After that, a window of about 200 μm square is opened in a lattice pattern, or by using a (001) silicon 7 ° off substrate or the like, a stripe pattern of a silicon oxide film is formed as a mask to be used as a substrate for selective growth. ,
It was being examined.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ンとＧａＮとの間には、格子定数や熱膨張係数の大きな
違いが存在するために、依然として、クラックや転位の
発生等の課題が存在していた。However, since there is a large difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between silicon and GaN, there are still problems such as generation of cracks and dislocations. .

【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、凸部と凹部の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンを有するシ
リコン基板上に、ＧａＮを選択成長させることを特徴と
する結晶成長方法を提供するものである。In view of the above problems, the present invention provides a crystal growth method characterized in that GaN is selectively grown on a silicon substrate having a stepped stripe pattern in which the widths of projections and recesses are coarse and dense. It is a thing.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の結晶成長方法においては、以下のような
手段を用いる。In order to solve the above problems, the crystal growth method of the present invention uses the following means.

【０００９】すなわち、反応させるべきトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）やアンモニア等の原料ガス及びこれを搬
送するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応
を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプ
タ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する
所望のＧａＮ堆積膜を堆積させることを目的とした有機
金属気相成長法を用い、凸部と凹部の幅に粗密のある段
差状ストライプ・パターン構造を有するシリコン基板上
に、ＧａＮを選択的に結晶成長させる。ストライプ・パ
ターンの長手方向をシリコン基板の＜−１−１２＞方向
にとり、これに垂直な凹凸のある方向をシリコン基板の
＜１−１０＞方向にとる方法が有効である。また、凸部
を、上辺よりも底辺の方が長い台形形状にすることによ
り、転位の発生を大きく減少させることができ有効であ
る。さらに、凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロンから
５０ミクロンである方法が有効である。隣接する凸部領
域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅の比がほぼ一定とな
るようにすることも、平坦性向上に対して有効である。
凸部表面を除き、シリコン基板表面を窒化した後、Ｇａ
Ｎを選択成長させる方法が有効である。加えて、Ｍｇを
ドーピングさせながらＧａＮを選択成長させる方法も有
効である。That is, a raw material gas such as trimethylgallium (TMG) or ammonia to be reacted and a gas for carrying the same are introduced from a gas introduction port, and are introduced onto a susceptor having a temperature high enough to cause a chemical reaction. Then, using a metalorganic vapor phase epitaxy method for the purpose of depositing a desired GaN deposition film derived from a chemical reaction on the wafer placed on the susceptor, the stepped stripes with the unevenness in the width of the projection and the depression are used. -Selectively crystallize GaN on a silicon substrate having a patterned structure. A method is effective in which the longitudinal direction of the stripe pattern is set to the <-1-12> direction of the silicon substrate, and the direction having irregularities perpendicular thereto is set to the <1-10> direction of the silicon substrate. Further, by forming the convex portion into a trapezoidal shape in which the bottom side is longer than the top side, the generation of dislocations can be significantly reduced, which is effective. Further, it is effective to use a method in which the width of the convex portion and the concave portion is 0.1 to 50 microns. It is also effective to improve the flatness that the ratio of the width of the upper side of the adjacent convex region to the width of the upper side of the concave region is substantially constant.
After removing the convex surface and nitriding the silicon substrate surface, Ga
A method of selectively growing N is effective. In addition, a method of selectively growing GaN while doping Mg is also effective.

【００１０】一方、段差状パターン構造として、上述の
１次元ストライプ・パターン構造のみならず、２次元多
角形格子状に形成された、凸部と凹部の幅に粗密のある
段差状ストライプ・パターンを有するシリコン基板上
に、ＧａＮを選択成長させても有効である。この際、２
次元多角形格子の一辺を構成するストライプ・パターン
の方向を、シリコン基板の＜１−１０＞方向と異なる方
向にとることが有効である。２次元多角形格子として、
三角形状を採用する場合には、その一辺を構成するスト
ライプ・パターンの方向が、シリコン基板の＜−１−１
２＞方向にとることが有効である。さらに、２次元多角
形格子として、六角形状を採用する場合にも、同様に、
その一辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シ
リコン基板の＜−１−１２＞方向にとることが有効であ
る。凹部パターンの領域が広い場合には、凹部領域の中
央近傍に、補助的に多角形状の小さい凸部パターンを、
配置させることが有効である。On the other hand, as the step-like pattern structure, not only the above-mentioned one-dimensional stripe pattern structure but also a step-like stripe pattern formed in a two-dimensional polygonal lattice shape and having a convex / concave width which is coarse and dense It is also effective to selectively grow GaN on the existing silicon substrate. At this time, 2
It is effective to set the direction of the stripe pattern forming one side of the three-dimensional polygon lattice to be different from the <1-10> direction of the silicon substrate. As a two-dimensional polygonal grid,
When the triangular shape is adopted, the direction of the stripe pattern forming one side of the triangular shape is <-1-1 of the silicon substrate.
It is effective to take the direction 2>. Further, when a hexagonal shape is adopted as the two-dimensional polygonal grid, similarly,
It is effective that the direction of the stripe pattern forming one side of the side is the <-1-12> direction of the silicon substrate. When the area of the concave pattern is large, a small polygonal convex pattern is supplementarily provided near the center of the concave area.
It is effective to place them.

【００１１】本発明は上述した構成によって、シリコン
基板上に、ＧａＮを選択的に結晶成長させることによ
り、転位やクラックが少なく、かつ平坦性の優れた高品
質のＧａＮ結晶膜を作成することが可能となる。According to the present invention having the above-mentioned structure, a high-quality GaN crystal film having few dislocations and cracks and excellent flatness can be formed by selectively growing GaN on a silicon substrate. It will be possible.

【００１２】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照しながら説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below.
A description will be given with reference to the drawings.

【００１３】ここで、図１は、本発明の第１の実施例に
おける結晶成長方法を実現するための（１１１）シリコ
ン段差基板を示した構成図である。選択成長用シリコン
基板は、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ
・パターンで構成され、この基板上にＭＯＶＰＥ法を用
いて、ＧａＮ結晶を選択成長させる。また、図２は、本
発明の第１の実施例における選択成長を、図１と組み合
わせて説明するための図である。（１１１）シリコン段
差基板の凸部を、矩形から、上辺幅を底辺幅より小さく
した台形形状にする方法が示されている。これにより、
機械的強度を維持しながら、転位発生の源となる凸部上
辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大きく減少さ
せることができる。次に、図３は、本発明の第２の実施
例における結晶成長方法をを実現するための（１１１）
シリコン段差基板を示した構成図である。２次元矩形格
子状に形成された、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状
ストライプ・パターンで構成されている。また、図４
は、本発明の第２の実施例における結晶成長方法を実現
するための（１１１）シリコン段差基板を示した構成図
である。２次元多角形格子として、三角形状を採用し、
その一辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シ
リコン基板の＜−１−１２＞方向にとるように構成され
ている。さらに、図５は、本発明の第２の実施例におけ
る結晶成長方法を実現するための（１１１）シリコン段
差基板を示した構成図である。２次元多角形格子とし
て、六角形状を採用し、その一辺を構成するストライプ
・パターンの方向が、シリコン基板の＜−１−１２＞方
向にとるように構成されている。FIG. 1 is a block diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing the crystal growth method in the first embodiment of the present invention. The silicon substrate for selective growth is composed of a stepped stripe pattern in which the widths of the projections and recesses are coarse and dense, and a GaN crystal is selectively grown on this substrate using the MOVPE method. Further, FIG. 2 is a diagram for explaining the selective growth in the first embodiment of the present invention in combination with FIG. A method of forming a convex portion of a (111) silicon step substrate from a rectangular shape to a trapezoidal shape in which the width of the upper side is smaller than the width of the base is shown. This allows
Generation of dislocations can be greatly reduced by reducing the width of the upper side of the convex portion that is a source of dislocation generation while maintaining the mechanical strength. Next, FIG. 3 shows (111) for implementing the crystal growth method in the second embodiment of the present invention.
It is a block diagram which showed the silicon level | step difference substrate. It is configured by a step-like stripe pattern formed in a two-dimensional rectangular lattice shape, in which the widths of the convex portions and the concave portions are uneven. Also, FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing a crystal growth method in a second example of the present invention. As a two-dimensional polygonal grid, a triangular shape is adopted,
The stripe pattern forming one side of the silicon substrate is formed so as to be oriented in the <-1-12> direction of the silicon substrate. Further, FIG. 5 is a configuration diagram showing a (111) silicon stepped substrate for realizing the crystal growth method in the second embodiment of the present invention. A hexagonal shape is adopted as the two-dimensional polygonal lattice, and the direction of the stripe pattern forming one side of the hexagonal shape is the <-1-12> direction of the silicon substrate.

【００１４】（実施例の説明）以下本発明の第一の実施
例である、結晶成長方法について、図面を参照しながら
説明する。図１は本発明の結晶成長方法を示した構成図
である。選択成長用シリコン基板は、凸部２と凹部３の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンである。上
面図及び断面図が示されている。ストライプ・パターン
の長手方向を（１１１）シリコン基板１の＜−１−１２
＞方向にとり、これに垂直な凹凸のある方向を（１１
１）シリコン基板の＜１−１０＞方向にとっている。
（１１１）シリコン基板は、リンがドープされたｎ型基
板である。凸部領域に相当する領域をレジストマスクに
て被覆した後、ドライエッチングにより、図１におい
て、Ｌ１＝１ミクロン、Ｌ２＝２ミクロン、Ｌ３＝３ミ
クロン、Ｓ１＝２ミクロン、Ｓ２＝４ミクロン、Ｓ３＝
６ミクロンの幅寸法となるように、凹凸段差構造を作成
した。その後、凸部表面を除く領域に対して、窒化処理
を行い、凸部表面４を除くシリコン基板表面に窒化膜５
を形成する。レジストマスクを除去後、有機溶媒中での
超音波洗浄、フッ酸による酸化膜除去、ＲＣＡ洗浄等を
行った。(Description of Embodiments) A crystal growth method, which is a first embodiment of the present invention, will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a crystal growth method of the present invention. The silicon substrate for selective growth has a stepped stripe pattern in which the widths of the convex portions 2 and the concave portions 3 are rough. Top and sectional views are shown. The longitudinal direction of the stripe pattern is <-1-12 of the (111) silicon substrate 1.
> Direction, and the direction with unevenness perpendicular to this is (11
1) It is in the <1-10> direction of the silicon substrate.
The (111) silicon substrate is an n-type substrate doped with phosphorus. After the area corresponding to the convex area is covered with a resist mask, by dry etching, L1 = 1 micron, L2 = 2 micron, L3 = 3 micron, S1 = 2 micron, S2 = 4 micron, and S3 in FIG. =
An uneven step structure was formed so as to have a width of 6 microns. Then, a nitriding process is performed on a region other than the convex surface to form a nitride film 5 on the silicon substrate surface except the convex surface 4.
To form. After removing the resist mask, ultrasonic cleaning in an organic solvent, oxide film removal with hydrofluoric acid, and RCA cleaning were performed.

【００１５】上記の選択成長用シリコン基板を用い、Ｍ
ＯＶＰＥ法により、まずＡｌＧａＮを薄く成長させた。
すなわち、シリコン基板をサーマルクリーニングの後、
アンモニア、ＴＭＧ，及びトリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）を結晶炉内に同時に供給し、３分間成長させた。
成長温度は１３５０Ｋである。凸部表面を除く窒化され
たシリコン基板表面においては、結晶成長は進行せず、
シリコン表面が現れた凸部のみから結晶成長が進行し
た。次に、アンモニア及びＴＭＧを結晶炉内に同時に供
給し、成長温度を１２７０Ｋにて、ＧａＮを１時間成長
させた。図１の断面図において、右半分のみに、凸部表
面から成長を始めたＧａＮ結晶６が、基板面に平行な横
方向への成長が主体となって成長しながら、凹部中央付
近にて合体する様子が示されている。合体後、上部への
成長が進んだ。このようにして、膜厚１．５ミクロン
の、ほぼ平坦なＧａＮが、凹部に気体のみで構成される
空間９を形成しながら、成長形成された。この方法を用
いることにより、比較的、密に凸部ストライプ・パター
ンが並んでいる領域において、成長させたＧａＮ結晶を
十分な機械的強度を維持しながら支えることができた。
また、この凸部ストライプ・パターンが密に並んでいる
領域すべてを凸部パターン領域にする場合に比べて、こ
の領域から発生する転位を減らせることができた。一
方、凹部の上部においては、転位やクラックの少ない、
高品質の結晶が得られた。Using the above-mentioned selective growth silicon substrate, M
First, AlGaN was grown thin by the OVPE method.
That is, after thermal cleaning the silicon substrate,
Ammonia, TMG, and trimethylaluminum (T
MA) was simultaneously fed into the crystal furnace and allowed to grow for 3 minutes.
The growth temperature is 1350K. Crystal growth does not proceed on the surface of the nitrided silicon substrate except the convex surface,
Crystal growth proceeded only from the convex portion where the silicon surface appeared. Next, ammonia and TMG were simultaneously supplied into the crystal furnace, and GaN was grown for 1 hour at a growth temperature of 1270K. In the cross-sectional view of FIG. 1, the GaN crystal 6, which started to grow from the surface of the convex portion, grows mainly in the lateral direction parallel to the substrate surface and merges in the vicinity of the center of the concave portion only in the right half. Is shown. After coalescence, the growth to the upper part proceeded. In this way, a substantially flat GaN film having a thickness of 1.5 μm was grown while forming the space 9 composed of only gas in the recess. By using this method, the grown GaN crystal could be supported while maintaining sufficient mechanical strength in the region where the convex stripe patterns are relatively densely arranged.
Further, dislocations generated from this region could be reduced as compared with the case where all the regions in which the convex stripe patterns are densely arranged are used as the convex pattern regions. On the other hand, in the upper part of the recess, there are few dislocations and cracks,
High quality crystals were obtained.

【００１６】また、凸部を、図２に示すように、矩形か
ら、上辺幅を底辺幅より小さくした台形形状７にするこ
とにより、機械的強度を維持しながら、転位発生の源と
なる凸部上辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大
きく減少させることができた。さらに、このように、凸
部を台形形状にすることにより、凸部側面８における窒
化膜５の形成を、より容易に行うことができた。なお、
凸部幅Ｌ及び凹部幅Ｓは、０．１ミクロンから５０ミク
ロンに対しても、十分に良い効果が得られた。さらに、
隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅の比
Ｌ／Ｓが、どの部分においてもほぼ一定となるようにす
ると、特に成長した結晶膜の平坦性向上に対して有効で
あった。また、ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを選
択成長させることも、平坦なＧａＮ結晶膜の形成に対し
て有効であった。Further, as shown in FIG. 2, the convex portion is formed into a trapezoidal shape 7 in which the width of the upper side is smaller than the width of the bottom side from a rectangular shape. By reducing the width of the upper side of the portion, the generation of dislocations could be greatly reduced. Further, by thus forming the protrusions in a trapezoidal shape, the nitride film 5 on the side faces 8 of the protrusions can be formed more easily. In addition,
The convex portion width L and the concave portion width S were sufficiently good even when they were 0.1 to 50 microns. further,
It is particularly effective for improving the flatness of the grown crystal film if the ratio L / S of the width of the upper side of the adjacent convex region and the width of the upper side of the concave region is set to be substantially constant in any portion. It was Further, selective growth of GaN while doping with Mg was also effective for forming a flat GaN crystal film.

【００１７】以下本発明の第二の実施例である結晶成長
方法について、図面を参照しながら説明する。図３は本
発明の結晶成長方法を示した構成図である。選択成長用
シリコン基板は、２次元矩形格子状に形成された、凸部
と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンで
ある。上面図のみが示されている。断面形状は第一の実
施例を示した図１及び図２と同様である。ストライプ・
パターンの２つの方向は、シリコン基板の＜−１−１２
＞方向、及びこれに垂直なシリコン基板の＜１−１０＞
方向にとっている。（１１１）シリコン基板は、リンが
ドープされたｎ型基板である。凸部領域をレジストマス
クにて被覆した後、ドライエッチングにより、図３にお
いて、Ｌ１＝０．５ミクロン、Ｌ２＝２ミクロン、Ｌ３
＝３．５ミクロン、Ｓ１＝２ミクロン、Ｓ２＝４ミクロ
ン、Ｓ３＝６ミクロン、Ｗ１＝０．５ミクロン、Ｗ２＝
２ミクロン、Ｗ３＝３．５ミクロン、Ｐ１＝２ミクロ
ン、Ｐ２＝４ミクロン、Ｐ３＝６ミクロンの幅寸法で、
２次元矩形格子状凹凸段差構造を作成した。その後、凸
部表面を除く領域に対して、窒化処理を行った。レジス
トマスクを除去後、有機溶媒中での超音波洗浄、フッ酸
による酸化膜除去、ＲＣＡ洗浄等を行った。上記の選択
成長用シリコン基板を用い、ＭＯＶＰＥ法により、まず
ＡｌＧａＮを薄く成長させた。すなわち、シリコン基板
をサーマルクリーニングの後、アンモニア、ＴＭＧ，及
びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を結晶炉内に同時
に供給し、３分間成長させた。成長温度は１３７０Ｋで
ある。凸部表面を除く窒化されたシリコン基板表面にお
いては、結晶成長は進行せず、シリコン表面が現れた凸
部のみから結晶成長が進行した。次に、アンモニア及び
ＴＭＧを結晶炉内に同時に供給し、成長温度を１２８０
Ｋにて、ＧａＮを１時間成長させた。図には示していな
いが、窒化膜の形成されていない凸部表面から成長を始
めたＧａＮ結晶は、基板面に平行な横方向への成長が主
体となって成長しながら、凹部中央付近にて合体し、そ
の後、上部への成長が進んだ。このようにして、膜厚
２．１ミクロンの、ほぼ平坦なＧａＮが、凹部に気体の
みで構成される空間を形成しながら、成長形成された。
この方法を用いることにより、比較的、密に凸部ストラ
イプ・パターンが並んでいる領域において、成長させた
ＧａＮ結晶を十分な機械的強度を維持しながら支えるこ
とができた。また、この凸部ストライプ・パターンが密
に並んでいる領域すべてを凸部パターン領域にする場合
に比べて、この領域から発生する転位を減らせることが
できた。一方、凹部の上部においては、転位やクラック
の少ない、高品質の結晶が得られた。A crystal growth method according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing the crystal growth method of the present invention. The silicon substrate for selective growth is a step-like stripe pattern formed in a two-dimensional rectangular lattice shape, in which the widths of the convex portions and the concave portions are rough. Only the top view is shown. The cross-sectional shape is the same as in FIGS. 1 and 2 showing the first embodiment. stripe·
The two directions of the pattern are <-1-12 of the silicon substrate.
> Direction and <1-10> of the silicon substrate perpendicular to this direction
I am in the direction. The (111) silicon substrate is an n-type substrate doped with phosphorus. After the convex area is covered with a resist mask, dry etching is performed to obtain L1 = 0.5 micron, L2 = 2 micron, and L3 in FIG.
= 3.5 microns, S1 = 2 microns, S2 = 4 microns, S3 = 6 microns, W1 = 0.5 microns, W2 =
With width dimensions of 2 microns, W3 = 3.5 microns, P1 = 2 microns, P2 = 4 microns, P3 = 6 microns,
A two-dimensional rectangular grid-like uneven step structure was created. After that, nitriding treatment was performed on the region excluding the surface of the convex portion. After removing the resist mask, ultrasonic cleaning in an organic solvent, oxide film removal with hydrofluoric acid, and RCA cleaning were performed. First, AlGaN was thinly grown by the MOVPE method using the above-described silicon substrate for selective growth. That is, after the silicon substrate was thermally cleaned, ammonia, TMG, and trimethylaluminum (TMA) were simultaneously supplied into the crystal furnace and grown for 3 minutes. The growth temperature is 1370K. On the surface of the nitrided silicon substrate excluding the surface of the convex portion, crystal growth did not proceed, and crystal growth proceeded only from the convex portion where the silicon surface appeared. Next, ammonia and TMG are simultaneously supplied into the crystal furnace to increase the growth temperature to 1280.
At K, GaN was grown for 1 hour. Although not shown in the figure, the GaN crystal that started to grow from the surface of the convex portion on which the nitride film was not formed grows mainly in the lateral direction parallel to the substrate surface, and grows near the center of the concave portion. And then merged, and then the growth to the upper part proceeded. In this way, a substantially flat GaN film having a thickness of 2.1 μm was grown and formed while forming a space composed of only gas in the recess.
By using this method, the grown GaN crystal could be supported while maintaining sufficient mechanical strength in the region where the convex stripe patterns are relatively densely arranged. Further, dislocations generated from this region could be reduced as compared with the case where all the regions in which the convex stripe patterns are densely arranged are used as the convex pattern regions. On the other hand, high quality crystals with few dislocations and cracks were obtained above the recesses.

【００１８】また、凸部を、図２に示すように、矩形か
ら、上辺幅を底辺幅より小さくした台形形状７にするこ
とにより、機械的強度を維持しながら、転位発生の源と
なる凸部上辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大
きく減少させることができた。さらに、このように、凸
部を台形形状にすることにより、凸部側面８における窒
化処理を、より容易に行うことができた。なお、凸部幅
Ｌ、Ｗ及び凹部幅Ｓ、Ｐは、０．１ミクロンから５０ミ
クロンに対しても、十分に良い効果が得られた。さら
に、隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅
の比Ｌ／Ｓ及びＷ／Ｐが、どの部分においてもほぼ一定
となるようにすると、特に成長した結晶膜の平坦性向上
に対して有効であった。また、Ｍｇをドーピングさせな
がらＧａＮを選択成長させることも、平坦なＧａＮ結晶
膜の形成に対して有効であった。Further, as shown in FIG. 2, the convex portion is formed into a trapezoidal shape 7 in which the width of the upper side is smaller than the width of the bottom side from a rectangular shape, so that the mechanical strength is maintained and the convex shape which is a source of dislocation generation is formed. By reducing the width of the upper side of the portion, the generation of dislocations could be greatly reduced. Furthermore, by thus forming the protrusions in a trapezoidal shape, the nitriding treatment on the side faces 8 of the protrusions can be performed more easily. It should be noted that the projection widths L and W and the recess widths S and P were sufficiently good even when they were 0.1 to 50 microns. Further, if the ratios L / S and W / P of the widths of the upper sides of the adjacent convex regions to the widths of the concave regions are made to be substantially constant in any portion, the flatness of the grown crystal film is particularly improved. Was effective against. Further, selective growth of GaN while doping with Mg was also effective for forming a flat GaN crystal film.

【００１９】２次元格子形状として、矩形格子状以外
の、より一般的な多角形格子形状についても検討した。
この結果、２次元多角形格子の一辺を構成するストライ
プ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１−１０＞方
向と異なる方向にとることが、より平坦な高品質の結晶
膜成長に有効であることが判明した。図４に示すよう
に、２次元多角形格子として、三角形状を採用する場合
には、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向にとることが有
効であった。これにより、２次元三角形格子の他の二辺
を構成するストライプ・パターンの方向を、シリコン基
板の＜１−１０＞方向と十分に異なる方向にとることが
でき、より平坦な高品質の結晶膜成長をおこなうことが
できた。さらに、図５に示すように、２次元多角形格子
として、六角形状を採用する場合にも、同様に、その一
辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シリコン
基板の＜−１−１２＞方向にとることが有効であった。
これにより、２次元六角形格子の他の五つの辺を構成す
るストライプ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１
−１０＞方向と十分に異なる方向にとることができ、よ
り平坦な高品質の結晶膜成長をおこなうことができた。As the two-dimensional lattice shape, a more general polygonal lattice shape other than the rectangular lattice shape was also examined.
As a result, it is effective for flatter and higher quality crystal film growth that the stripe pattern forming one side of the two-dimensional polygonal lattice is oriented in a direction different from the <1-10> direction of the silicon substrate. It has been found. As shown in FIG. 4, when the triangular shape is adopted as the two-dimensional polygonal lattice, it is effective that the direction of the stripe pattern forming one side of the triangular lattice is the <-1-12> direction of the silicon substrate. Met. As a result, the direction of the stripe pattern forming the other two sides of the two-dimensional triangular lattice can be set to a direction sufficiently different from the <1-10> direction of the silicon substrate, and a flatter high quality crystal film can be obtained. I was able to grow. Further, as shown in FIG. 5, even when a hexagonal shape is adopted as the two-dimensional polygonal lattice, the direction of the stripe pattern forming one side of the hexagonal shape is also in the <-1-12> direction of the silicon substrate. It was effective to take it.
As a result, the direction of the stripe pattern forming the other five sides of the two-dimensional hexagonal lattice is changed to <1 of the silicon substrate.
The direction was sufficiently different from the −10> direction, and a flatter and higher quality crystal film could be grown.

【００２０】なお、凹部パターンの領域が広い場合に
は、凹部領域の中央近傍に、補助的に多角形状の小さい
凸部パターンを、配置させることが機械的強度の維持の
ために有効であった。When the area of the concave pattern is large, it is effective to arrange a convex pattern having a small polygonal shape in the vicinity of the center of the concave area in order to maintain the mechanical strength. .

【００２１】[0021]

【発明の効果】以上のように、本発明の結晶成長方法を
用いて、シリコン段差基板上に、ＧａＮを選択的に結晶
成長させることにより、転位やクラックが少なく、かつ
平坦性の優れた高品質のＧａＮ結晶膜を作成することが
可能となる。As described above, by using the crystal growth method of the present invention to selectively grow GaN on a silicon step substrate, dislocations and cracks are reduced and high flatness is achieved. It becomes possible to produce a high quality GaN crystal film.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の第１の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図FIG. 1 is a configuration diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing a crystal growth method according to a first embodiment of the present invention.

【図２】本発明の第１の実施例における選択成長を、図
１と組み合わせて説明するための図FIG. 2 is a diagram for explaining selective growth in the first embodiment of the present invention in combination with FIG.

【図３】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
を実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した
構成図FIG. 3 is a configuration diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing a crystal growth method according to a second embodiment of the present invention.

【図４】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図FIG. 4 is a configuration diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing a crystal growth method according to a second embodiment of the present invention.

【図５】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図FIG. 5 is a configuration diagram showing a (111) silicon step substrate for realizing a crystal growth method according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ （１１１）シリコン基板 ２ 段差凸部 ３ 段差凹部 ４ 凸部表面 ５ 窒化膜 ６ ＧａＮ結晶 ７ 台形形状 ８ 凸部側面 ９ 凹部に気体のみで構成される空間 1 (111) Silicon substrate 2 step difference 3 step recess 4 convex surface 5 Nitride film 6 GaN crystal 7 trapezoidal shape 8 Side of convex part 9 Space consisting only of gas in the recess

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB09 AB14 AC01 AC08 AC19 AD16 AD17 AF03 AF12 BB12 BB13 CA09 DB02 DB04   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5F045 AA04 AB09 AB14 AC01 AC08                       AC19 AD16 AD17 AF03 AF12                       BB12 BB13 CA09 DB02 DB04

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 反応させるべき原料ガス及びこれを搬送
するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応を
生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ
上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所
望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相
成長結晶法を用い、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状
ストライプ・パターン構造を有するシリコン基板上に、
ＧａＮを選択成長させることを特徴とする結晶成長方
法。1. A raw material gas to be reacted and a gas for carrying the same are introduced from a gas introduction port, guided to a susceptor having a temperature high enough to cause a chemical reaction, and placed on a wafer installed on the susceptor. Using a metal organic chemical vapor deposition crystal method for the purpose of depositing a desired deposited film derived from the chemical reaction in ,
A crystal growth method characterized by selectively growing GaN. 【請求項２】 ストライプ・パターンの長手方向をシリ
コン基板の＜−１−１２＞方向にとり、これに垂直な凹
凸のある方向をシリコン基板の＜１−１０＞方向にとる
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長方法。2. The lengthwise direction of the stripe pattern is set to the <-1-12> direction of the silicon substrate, and the direction having irregularities perpendicular to this is taken to be the <1-10> direction of the silicon substrate. Item 3. The crystal growth method according to Item 1. 【請求項３】 凸部を、上辺よりも底辺の方が長い台形
形状にすることを特徴とする請求項１または２に記載の
結晶成長方法。3. The crystal growth method according to claim 1, wherein the convex portion has a trapezoidal shape in which the bottom side is longer than the top side. 【請求項４】 凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロンか
ら５０ミクロンであることを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の結晶成長方法。4. The width of the convex portion and the concave portion is 0.1 micron to 50 micron.
The crystal growth method according to any one of 1. 【請求項５】 隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域
の幅の比がほぼ一定となるようにすることを特徴とする
請求項１から４のいずれかに記載の結晶成長方法。5. The crystal growth method according to claim 1, wherein the ratio of the width of the upper side of the adjacent convex region to the width of the concave region is substantially constant. 【請求項６】 凸部の上部表面を除き、シリコン基板表
面を窒化した後、ＧａＮを選択成長させることを特徴と
する請求項１から５のいずれかに記載の結晶成長方法。6. The crystal growth method according to claim 1, wherein GaN is selectively grown after nitriding the surface of the silicon substrate except the upper surface of the convex portion. 【請求項７】 ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを選
択成長させることを特徴とする請求項１から６のいずれ
かに記載の結晶成長方法。7. The crystal growth method according to claim 1, wherein GaN is selectively grown while doping with Mg. 【請求項８】 反応させるべき原料ガス及びこれを搬送
するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応を
生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ
上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所
望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相
成長結晶法を用い、２次元多角形格子状に形成された、
凸部と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ・パター
ンを有するシリコン基板上に、ＧａＮを選択成長させる
ことを特徴とする結晶成長方法。8. A raw material gas to be reacted and a gas for carrying the same are introduced from a gas introduction port, guided to a susceptor having a temperature high enough to cause a chemical reaction, and on a wafer placed on the susceptor. In order to deposit a desired deposited film derived from a chemical reaction in, a metal-organic vapor phase epitaxy method was used to form a two-dimensional polygonal lattice,
A crystal growth method characterized in that GaN is selectively grown on a silicon substrate having a stepped stripe pattern in which the widths of the projections and recesses are coarse and dense. 【請求項９】 ２次元多角形格子の一辺を構成するスト
ライプ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１−１０
＞方向と異なる方向にとることを特徴とする請求項８に
記載の結晶成長方法。9. The direction of a stripe pattern forming one side of a two-dimensional polygonal lattice is set to <1-10 of a silicon substrate.
The crystal growth method according to claim 8, wherein the crystal growth direction is different from the> direction. 【請求項１０】 ２次元多角形格子の形状が三角形状で
あり、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向であることを特
徴とする請求項８または９に記載の結晶成長方法。10. The two-dimensional polygonal lattice has a triangular shape, and the direction of the stripe pattern forming one side thereof is the <-1-12> direction of the silicon substrate. Alternatively, the crystal growth method described in 9 above. 【請求項１１】 ２次元多角形格子の形状が六角形状で
あり、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向であることを特
徴とする請求項８または９に記載の結晶成長方法。11. The two-dimensional polygonal lattice has a hexagonal shape, and the direction of the stripe pattern forming one side thereof is the <-1-12> direction of the silicon substrate. Alternatively, the crystal growth method described in 9 above. 【請求項１２】 凸部を、上辺よりも底辺の方が長い台
形形状にすることを特徴とする請求項８から１１のいず
れかに記載の結晶成長方法。12. The crystal growth method according to claim 8, wherein the protrusion has a trapezoidal shape in which the bottom side is longer than the top side. 【請求項１３】 凹部パターンの広い領域に、補助的に
多角形状の小さい凸部パターンを、補助的に配置させる
ことを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載の
結晶成長方法。13. The crystal growth method according to claim 8, wherein a convex pattern having a small polygonal shape is auxiliary disposed in a wide area of the concave pattern. 【請求項１４】 凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロン
から５０ミクロンであることを特徴とする請求項８から
１３のいずれかに記載の結晶成長方法。14. The crystal growth method according to claim 8, wherein the width of the convex portion and the concave portion is 0.1 μm to 50 μm. 【請求項１５】 隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領
域の幅の比がほぼ一定となるようにすることを特徴とす
る請求項８から１４のいずれかに記載の結晶成長方法。15. The crystal growth method according to claim 8, wherein the ratio of the width of the upper side of the adjacent convex region to the width of the concave region is substantially constant. 【請求項１６】 凸部の上部表面を除き、シリコン基板
表面を窒化した後、ＧａＮを選択成長させることを特徴
とする請求項８から１５のいずれかに記載の結晶成長方
法。16. The crystal growing method according to claim 8, wherein GaN is selectively grown after nitriding the surface of the silicon substrate except the upper surface of the convex portion. 【請求項１７】 ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを
選択成長させることを特徴とする請求項８から１６のい
ずれかに記載の結晶成長方法。17. The crystal growth method according to claim 8, wherein GaN is selectively grown while doping with Mg.