JP2007335484A - 窒化物半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】ラテラル成長技術を用いて製造される新規な窒化物半導体ウェハを提供することを目的とする。
【解決手段】異種基板１と、異種基板１上に成長した窒化物半導体結晶層３と、からなる窒化物半導体ウェハであって、窒化物半導体結晶層３が、第１結晶層３１と、第１結晶層３１を下地層として成長した第２結晶層３２とを含んでおり、第２結晶層３２の少なくとも一部にはＭｇが添加されており、第１結晶層３１と第２結晶層３２との間にはマスク層Ｍが挟まれている窒化物半導体ウェハ。好ましくは、窒化物半導体結晶層３が、更に、第２結晶層３２の上にＭｇ拡散防止層３３を含んでいる。
【選択図】図５

Description

本発明は、異種基板と、該異種基板上に成長した窒化物半導体結晶層と、からなる窒化物半導体ウェハに関し、特に、ラテラル成長により形成された高品質の窒化物半導体結晶を含む窒化物半導体ウェハに関する。

窒化物半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される３族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものが例示される。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、窒化物半導体に含まれる。

本明細書では、窒化物半導体以外の材料からなる単結晶基板を異種基板と呼ぶ。窒化物半導体結晶の成長に適した異種基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、スピネル基板、ＺｎＯ基板、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ_３）基板、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ_２）基板、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ_３）基板、ＺｒＢ_２基板、ＴｉＢ_２基板などが知られている。

本明細書では、異種基板上に窒化物半導体結晶層が積層されてなる半導体ウェハを総称して、窒化物半導体ウェハと呼ぶ。窒化物半導体ウェハは、その窒化物半導体結晶層中に光素子構造、電子素子構造等が形成されているものを含み、その中には、更に、光素子、電子素子等の製造工程で中間品として産生されるものを含む。また、窒化物半導体ウェハは、光素子、電子素子等の製造に用いられるテンプレート基板を含む。また、窒化物半導体ウェハは、ＧａＮ基板等の窒化物半導体基板の製造に用いられるテンプレート基板を含む。また、窒化物半導体ウェハは、ＧａＮ基板等の窒化物半導体基板の製造工程で中間品として産生される、異種基板と窒化物半導体結晶層との複合体を含む。

ラテラル成長により形成された高品質の窒化物半導体結晶を含む窒化物半導体ウェハが公知である（特許文献１）。マスク層を用いたラテラル成長技術は、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）などと呼ばれ、この分野ではよく知られている。この技術を用いると、マスク層の上部に、基板との格子不整合に起因する転位欠陥を含まない結晶を成長させることができる。

特開平１１−１３０５９８号公報 特開平１０−３１２９７１号公報

特許文献１に記載されているように、ラテラル成長技術を用いた窒化物半導体ウェハの製造において、窒化物半導体結晶のラテラル成長速度を大きくすることによって、マスク層上を覆うように形成する窒化物半導体結晶層の厚さを薄くすることが可能となるので、反りの無いウェハが得られる等の好ましい効果が得られる。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたものであって、ラテラル成長技術を用いて製造される新規な窒化物半導体ウェハを提供することを目的とする。具体的には、特許文献１に開示された方法とは異なる方法によってラテラル成長を促進した窒化物半導体結晶を含む、窒化物半導体ウェハを提供することを目的とする。
本発明は、また、かかる新規な窒化物半導体ウェハにおける、窒化物半導体結晶層の品質の改善を目的とする。
本発明は、また、かかる新規な窒化物半導体ウェハにおける特有の問題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は次の特徴を有する。
（１）異種基板と、該異種基板上に成長した窒化物半導体結晶層と、からなる窒化物半導体ウェハであって、前記窒化物半導体結晶層が、第１結晶層と、第１結晶層を下地層として成長した第２結晶層とを含んでおり、第２結晶層の少なくとも一部にはＭｇが添加されており、第１結晶層と第２結晶層との間にはマスク層が挟まれている窒化物半導体ウェハ。
（２）第１結晶層および第２結晶層がいずれもＧａＮ層である、前記（１）に記載の窒化物半導体ウェハ。
（３）第１結晶層が不純物無添加である前記（１）または（２）に記載の窒化物半導体ウェハ。
（４）第２結晶層が、第１結晶層の表面から厚さ方向に成長した結晶と、該結晶を種結晶としてラテラル成長した結晶を含み、該厚さ方向に成長した結晶が不純物無添加であり、該ラテラル成長した結晶にＭｇが添加されている、前記（３）に記載の窒化物半導体ウェハ。
（５）第２結晶層が、第１結晶層の表面から厚さ方向に成長した結晶と、該結晶を種結晶としてラテラル成長した結晶を含むとともに、第２結晶層の内部には、該厚さ方向に成長した結晶中を第１結晶層との界面から厚さ方向に伝播した後、ラテラル方向に曲げられた転位線が存在している、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
（６）前記マスク層と第２結晶層との間に空間が存在している、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
（７）前記マスク層が酸化マグネシウム層を含む、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
（８）前記窒化物半導体結晶層が、更に、第２結晶層の上にＭｇ拡散防止層を含んでいる、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
（９）前記Ｍｇ拡散防止層のＭｇ濃度が、第２結晶層から遠ざかるに従って単調に減少している、前記（８）に記載の窒化物半導体ウェハ。
（１０）前記Ｍｇ拡散防止層の内部に、または、前記Ｍｇ拡散防止層と第２結晶層との間に、少なくともひとつのヘテロ界面が存在する、前記（８）または（９）に記載の窒化物半導体ウェハ。
（１１）前記Ｍｇ拡散防止層が、ドナーの添加によりｎ型半導体とされた部分を含んでいる、前記（８）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。

本発明の窒化物半導体ウェハは、Ｍｇの添加によってラテラル成長を促進した窒化物半導体結晶を含むことから、より短い時間で製造することができ、製造効率が良い。

また、本発明の窒化物半導体ウェハは、Ｍｇの添加によって窒化物半導体結晶のラテラル成長を促進するので、薄い窒化物半導体結晶でマスク層上が覆われたものとすることができる。マスク層上を覆う窒化物半導体結晶を薄くすることで、該結晶にクラックが入り難くなるため、歩留りが良くなる。また、ウェハに生じる反りも低減される。

また、本発明の窒化物半導体ウェハでは、好ましくは、無添加の窒化物半導体結晶をラテラル成長のための種結晶とすることにより、Ｍｇの添加によってラテラル成長を促進した窒化物半導体結晶の結晶性を改善することができる。

また、本発明の窒化物半導体ウェハでは、好ましくは、Ｍｇを添加してラテラル成長させた結晶を含む窒化物半導体結晶層の上に、Ｍｇ拡散防止層を設けることによって、ラテラル成長の促進に用いたＭｇが、Ｍｇの混入が望まれない他の窒化物半導体結晶層に向かって拡散することを防止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態をより詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウェハの断面構造を示す模式図である。図１において、１はサファイア基板、２はＧａＮバッファ層、３はＧａＮ結晶層、ＭはＳｉＯ_２からなるマスク層である。ＧａＮ結晶層３は、バッファ層の直上に成長した下側ＧａＮ層３１と、その上にマスク層Ｍを挟んで成長した上側ＧａＮ層３２とから構成されている。上側ＧａＮ層３２は、ラテラル成長技術を用いて形成された結晶層であり、Ｍｇが添加されている。この窒化物半導体ウェハは、テンプレート基板として、光素子、電子素子等のデバイス製造や、ＧａＮ基板の製造などに用いることができる。

図２は、図１に示す窒化物半導体ウェハの製造工程の各段階における断面図である。図２（ａ）は、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、分子ビームエピタキシー法（ＭＢＥ法）等、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に通常使用される気相成長法を用いて、サファイア基板１上にＧａＮバッファ層２と下側ＧａＮ層３１を形成したところを示す。図２（ｂ）は、下側ＧａＮ層３１の表面に、該表面を部分的に覆うマスク層Ｍを形成したところを示す。マスク層Ｍの形成後、上側ＧａＮ層３２を気相成長法により再成長するが、このとき、まず、図２（ｃ）に示すように、下側ＧａＮ層３１の表面がマスク層Ｍに覆われていない領域に、厚さ方向に成長した結晶３２ａが形成される。そして、この結晶３２ａの厚さがマスク層Ｍの厚さを超えると、この結晶３２ａを種結晶として、ラテラル成長が発生する（図２（ｄ））。図２（ｄ）において、マスク層Ｍの上に成長している結晶３２ｂが、ラテラル成長した結晶である。この結晶３２ｂにＭｇ（マグネシウム）を添加すると、そのラテラル成長が促進される。具体的には、結晶３２ｂの成長時に、ガリウム原料と窒素原料に加えて、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）などの、Ｍｇ原料を供給する。やがて、隣り合う種結晶３２ａの表面からラテラル成長した結晶３２ｂ同士が合体して、マスク層上が上側ＧａＮ層３２に覆われる（図２（ｅ））。

例えば、図１に示す例において、下側ＧａＮ層３１の上面がＣ面の場合、マスク層Ｍを下側ＧａＮ層３１におけるＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に平行なストライプ状のパターンに形成したうえで、ＭＯＶＰＥ法を用いてＭｇを添加しながらＧａＮを成長温度１１００℃で成長させると、ストライプ幅約１０μｍのマスク層Ｍを、該マスク層上における膜厚が２μｍ程度である上側ＧａＮ層３２で覆うことができる。Ｍｇの添加量は、成長後のＧａＮ結晶中のＭｇ濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上となるように設定することが好ましく、特に、１×１０^１９ｃｍ^−３以上となるように設定することが好ましい。Ｍｇの添加量を多くし過ぎると結晶性の低下が問題となることから、この濃度は１×１０^２１ｃｍ^−３以下となるように設定することが好ましい。

Ｍｇ添加による上側ＧａＮ層３２の結晶性の低下を抑制するには、下側ＧａＮ層３１を不純物無添加で形成することが好ましい。更に、上側ＧａＮ層３２を形成する際に、最初に成長する結晶（下側ＧａＮ層の表面から厚さ方向に成長する結晶）３２ａも、不純物無添加とすることが好ましい。この結晶の品質を良くすることによって、この結晶を種結晶としてラテラル成長する結晶の品質も良くなるからである。

Ｍｇ添加による上側ＧａＮ層３２の結晶性の低下を抑制するうえでは、また、図３（ａ）に示すように、上側ＧａＮ層３２を形成する際に最初に成長する結晶３２ａがファセット構造を呈するように、その成長条件を設定することが好ましい。ファセット構造とは、斜めファセットが表面として露出した結晶の構造である。ファセット構造を呈するように成長した結晶は、その成長過程で起こる転位のベンディングのために、表面近傍の転位密度が低減された結晶となるので、種結晶として好ましい。ファセット構造を呈する窒化物半導体結晶を形成するのに適したマスク層のパターンや、結晶成長条件については、特許文献２などを参照することができる。ファセット構造の結晶３２ａを成長させた後は、結晶のラテラル成長が促進されるように成長条件を変化させて、図３（ｂ）に示すように、マスク層上を結晶３２ｂで覆う。ラテラル成長を促進させるには、例えば、成長温度を上げたり、あるいは、雰囲気圧力を下げればよい。このような方法で上側ＧａＮ層３２を形成すると、結晶３２ａが成長する際に、下側ＧａＮ層３１との界面から上方（厚さ方向）に伝播して、斜めファセットの表面に達した転位線が、ラテラル成長が促進されるよう成長モードを変えたときにラテラル方向に曲げられる。よって、上側ＧａＮ層３２の上面に達する転位欠陥の密度を下げることができる。

図４に示すように、下側ＧａＮ層３１の表面のうち、マスク層Ｍで覆う領域を、マスク層Ｍで覆わない領域に対して窪ませてもよい。このようにすると、マスク層Ｍと上側ＧａＮ層３２の間に空間が形成されるので、マスク層Ｍの分解生成物（ケイ素や酸素）が上側ＧａＮ層３２の内部に侵入することによる、上側ＧａＮ層３２の汚染を抑えることができる。また、結晶成長に寄与しなかった気相反応生成物がマスク層Ｍ上に堆積する場合があるが、マスク層Ｍと上側ＧａＮ層３２との間に空間があると、そのような堆積物が結晶３２ｂのラテラル成長を阻害することがない。

上側ＧａＮ層３２に添加されるＭｇは原子半径が小さく（特に正イオンとなったとき）、拡散し易い性質を持っている。そこで、図５に示すように、上側ＧａＮ層３２の上に、更に、ＧａＮからなるＭｇ拡散防止層３３を設けてもよい。Ｍｇ拡散防止層３３の目的は、例えば、この窒化物半導体ウェハをテンプレート基板として使用したときに、上側ＧａＮ層３２に添加されたＭｇが、その上に新たに成長させる結晶の内部に拡散して、これを汚染するのを防止することである。従って、Ｍｇ拡散防止層３３は、含まれるＭｇの濃度が、少なくとも上側ＧａＮ層３２よりも低濃度でなくてはならない。Ｍｇ拡散防止層３３の表面近傍におけるＭｇ濃度は、好ましくは、１×１０^１７ｃｍ^−３未満である。Ｍｇは窒化物半導体中ではアクセプタとして働くことから、Ｍｇの意図しない侵入が問題となるのは、特に、ｎ型の窒化物半導体である。従って、Ｍｇ拡散防止層３３が顕著な効果を奏するのは、とりわけ、このウェハをｎ型の窒化物半導体結晶層の形成に用いる場合である。

ところで、上側ＧａＮ層３２を形成する際にＣｐ_２ＭｇやＥｔＣｐ_２Ｍｇのような低蒸気圧のＭｇ原料を用いると、Ｍｇ原料が気相成長装置の成長炉や配管の壁面等に付着して成長系内に残留するために、続けてＭｇ拡散防止層３３を成長させたとき、Ｍｇ原料を意図的に供給しないにもかかわらず、Ｍｇ拡散防止層３３にＭｇが高濃度に入り込む場合がある。この現象はメモリー効果などと呼ばれている。このようなメモリー効果の度合いが著しいと、Ｍｇ拡散防止層３３の形成が困難となるが、この問題を解決する好ましい方法として、上側ＧａＮ層３２の形成後、ウェハを一旦、気相成長装置から取出して、該装置の成長系内をクリーニングした後、再びウェハを該装置内に戻して、Ｍｇ拡散防止層３３を形成する方法が挙げられる。このようにして、メモリー効果によるＭｇの混入を防止したＭｇ拡散防止層３３は、その内部に含まれるＭｇが、実質的に上側ＧａＮ層３２から拡散したもののみとなるので、該Ｍｇ拡散防止層３３の内部におけるＭｇ濃度は、上側ＧａＮ層３２から離れるに従って単調に減少することになる。

なお、図５の例では、Ｍｇ拡散防止層３３が上側ＧａＮ層３２と同じ結晶組成のＧａＮで形成されているが、この層を、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等、上側ＧａＮ層３２とは結晶組成の異なる窒化物半導体で形成してもよい。このようにすると、上側ＧａＮ層３２とＭｇ拡散防止層３３との間にヘテロ界面が形成されるので、上側ＧａＮ層３２からＭｇ拡散防止層３３へのＭｇの拡散が抑制される。この効果は、ヘテロ界面に発生する電荷によって、イオン化されたＭｇが該界面に吸着されることにより生じるものと思われる。よって、Ｍｇ拡散防止層３３を、ヘテロ界面を含む多層構造とすることも好ましく、特に、多数のヘテロ界面を含む超格子層とすることが好ましい。好ましい超格子層としては、Ａｌ_ａ１Ｇａ_１−ａ１Ｎ（０≦ａ１＜１）／Ａｌ_ａ２Ｇａ_１−ａ２Ｎ（ａ１＜ａ２≦１）超格子層が挙げられる。

Ｓｉ等のドナーの添加も、Ｍｇ拡散防止層３３のＭｇ拡散防止効果を高める働きがある。ドナーの添加によりＭｇ拡散防止層３３はｎ型半導体となるが、これに対して、上側ＧａＮ層３２はアクセプター性を有するＭｇの添加によってｐ型半導体性を示す。そのために、上側ＧａＮ層３２とドナーを添加したＭｇ拡散防止層３３との間に電位障壁が形成され、イオン化したＭｇの拡散が抑制されるものと思われる。

次に、図１に示す窒化物半導体ウェハの製造方法の一例を示す。
まず、直径２インチのＣ面サファイア基板１を準備する。これをＭＯＶＰＥ装置の成長炉内に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、表面のクリーニングを行う。次に、基板温度を４００℃まで下げ、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニアを供給し、ＧａＮバッファ層２を形成する。次に、基板温度を１０００℃まで上げ、原料としてＴＭＧ、アンモニアを供給して、下側ＧａＮ層３１を２μｍの膜厚に形成して、一次ウェハを作製する。

ＭＯＶＰＥ装置から取出した一次ウェハの、下側ＧａＮ層３１の表面に、ＳｉＯ_２からなるマスク層Ｍを、該下側ＧａＮ層３１を構成するＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に平行なストライプ状のパターンに形成する。マスク層Ｍの厚さは、０．０１μｍ〜２μｍとすることができる。ストライプ状のマスク層の幅および、隣接するマスク層の間隔は、１μｍ〜３０μｍとすることができる。

次に、マスク層Ｍを形成した一次ウェハを再びＭＯＶＰＥ装置に戻し、基板温度を１１００℃に上げ、上側ＧａＮ結晶層３２を成長させる。このとき、最初は、原料としてＴＭＧとアンモニアを供給して、下側ＧａＮ層３１の表面がマスク層Ｍに覆われていない領域に、無添加のＧａＮ結晶３２ａを成長させる。そして、このＧａＮ結晶３２ａの膜厚がマスク層Ｍの膜厚と略同じとなったところで、更に、Ｃｐ_２Ｍｇを供給して、ＧａＮ結晶３２ｂをマスク層Ｍの上にラテラル成長させる。ＧａＮ結晶３２ｂの成長は、上側ＧａＮ層３２がマスク層Ｍを覆い、所定の膜厚に達するまで継続する。なお、Ｃｐ_２Ｍｇの供給（意図的な供給）は途中で停止してもよい。

図１、図３（ｂ）、図４および図５に例示した窒化物半導体ウェハをテンプレート基板として用いて、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子を製造する場合は、例えば、ＧａＮ層３の上に、更に、ｎ型コンタクト層と発光層とｐ型コンタクト層をこの順に含む窒化物半導体結晶層を成長させ、ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層に電極を形成した後、ウェハを分断してチップ化する。サファイア基板１を含まない発光素子も製造可能であり、その場合は、チップ化する前に、窒化物半導体結晶層を別途準備した支持基板に接合したうえで、サファイア基板１をレーザリフトオフ等の方法で除去する。

図１、図３（ｂ）、図４および図５に例示した窒化物半導体ウェハをテンプレート基板として用いて、ＧａＮ基板を製造する場合、ＧａＮ層３の上に、更に、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法等の気相法、または液相法を用いて、ＧａＮ結晶を数１００μｍの厚さに成長させ、その後、レーザリフトオフ等の方法でサファイア基板１を除去する。更に、サファイア基板の除去後、研削、研磨、エッチング等の方法により、テンプレート基板に由来するＧａＮ層の一部または全部を除去してもよい。テンプレート基板に由来するＧａＮ層のうち、特に、成長時にＭｇが添加された上側ＧａＮ層３２や、Ｍｇ拡散防止層３３を除去することによって、ＧａＮ基板に含まれる不要なＭｇの含有量を減らすことができる。なお、図１、図３（ｂ）、図４および図５に例示した窒化物半導体ウェハのＧａＮ層３の上に、更に厚いＧａＮ結晶層を成長させた窒化物半導体ウェハは、サファイア基板１を除去しないで、そのままテンプレート基板として使用することもできる。

（その他の実施形態）
本発明の窒化物半導体ウェハは上記説明したものに限定されない。
本発明の窒化物半導体ウェハには、異種基板として、サファイア基板の他に、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、スピネル基板、ＺｎＯ基板、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ_３）基板、ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ_２）基板、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ_３）基板、ＺｒＢ_２基板、ＴｉＢ_２基板などを好適に用いることができる。

本発明の窒化物半導体ウェハにおいて、異種基板と窒化物半導体結晶層との間にバッファ層を介在させることは必須ではないが、成長面の平坦性の高い窒化物半導体結晶層を形成するには、バッファ層を用いることが好ましい。バッファ層には、当該分野における公知のバッファ層を任意に用いることができる。好ましいバッファ層としては、単結晶成長温度よりも低温で成膜した、窒化物半導体からなるバッファ層（いわゆる「低温バッファ層」）が挙げられる。

本発明の窒化物半導体ウェハにおいて、窒化物半導体結晶層を構成する結晶はＧａＮに限定されるものではない。ただし、マスク層を設けた結晶層の上に再成長させる結晶層は、ラテラル成長により形成することから、ＧａＮ層とすることが好ましい。ＧａＮは、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮよりも、ラテラル成長の速度を大きくすることができるからである。この再成長させる結晶層をＧａＮ層とする場合、格子不整合に起因する欠陥の発生を防止する観点から、その下地層（マスク層を設ける結晶層）もＧａＮ層とすることが好ましい。ＧａＮは二元結晶であるため、これらの層の結晶組成を合わせることが、三元以上の結晶と比べて遥かに容易である。

本発明の窒化物半導体ウェハにおいて、マスク層のパターンはストライプ状に限定されるものではなく、周知のＥＬＯで用いられるパターンを任意に採用し得る。例えば、三角形、四角形（平行四辺形、方形）、六角形、円形、楕円形等の上面形状を有するマスク層が、規則的かつ周期的に分散配置されたパターンや、あるいは、窒化物半導体結晶層の表面を覆うマスク層の中に、三角形、四角形（平行四辺形、方形）、六角形、円形、楕円形等の上面形状を有する開口部（窒化物半導体層の表面が露出した部分）が、規則的かつ周期的に分散配置されたパターンが公知である。好ましいパターンは、窒化物半導体結晶層の表面における、マスク層で覆われた領域（以下「マスク領域」ともいう。）と、窒化物半導体結晶が露出した領域（以下「露出領域」ともいう。）との境界が、どの部分においても、該窒化物半導体結晶層の＜１−１００＞方向に平行となるパターンである。

マスク領域と露出領域との面積比は任意に設定できるが、ラテラル成長により形成される結晶の割合を多くするためには、［マスク領域の面積］／［露出領域の面積］を、６０／４０〜９５／５とすることが好ましく、７０／３０〜９０／１０とすることがより好ましく、７５／２５〜９０／１０とすることが特に好ましい。マスク領域の面積の、露出領域の面積に対する比を７０／３０以上に大きくする場合には、図５に示す実施形態のように、マスク領域を露出領域に対して窪ませることが好ましい。マスク領域を露出領域に対して窪ませるには、まず、マスク層を設けようとする窒化物半導体結晶層上にエッチングマスクを形成し、フォトリソグラフィ技法を用いてこれを露出領域の形状にパターニングする。次に、該エッチングマスクの上からドライエッチングを行ってマスク領域とすべき領域に窪み（凹部）を形成する。次に、該エッチングマスクを残したままでマスク層の形成を行い、最後に、該エッチングマスクをリフトオフする。このようにして、窪みの表面にのみマスク層が存在する状態（マスク領域のみが窪んだ状態）を得ることができる。なお、図５に示す例では、窪みが窒化物半導体結晶層（下側ＧａＮ層３１）の範囲内に形成されているが、基板に達する窪みを形成しても構わない。

露出領域は、該露出領域上における窒化物半導体結晶の成長が正常に生じるようにするには、少なくとも、対向する２辺間の距離が１μｍである正六角形が包含される大きさとすることが望ましい。

マスク層はＳｉＯ_２からなるものに限定されず、周知のＥＬＯで一般に用いられているマスク層を任意に採用することができる。具体的には、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化チタン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、タングステンなどからなる非晶質薄膜が挙げられる。ＭＯＶＰＥ法において顕著であるが、窒化物半導体結晶の成長温度は高温であり、また、アンモニア、水素などの反応性の高いガスが用いられることから、結晶成長時にはマスク層の劣化が発生し易い。そこで、本発明者等は好ましいマスク層の材料として、Ｍｇ化合物を提案する。Ｍｇ化合物からなるマスクが劣化し分解すると、Ｍｇが放出されるが、Ｍｇは窒化物半導体結晶のラテラル成長を促進する物質であるため、マスク層の分解に伴うラテラル成長の阻害が生じないからである。特に好ましいＭｇ化合物としては、熱安定性の高い酸化マグネシウムが例示される。酸化マグネシウムからなるマスク層は、単層の酸化マグネシウム層であってもよいし、酸化マグネシウム層と、他の材料からなる層とを積層したものであってもよい。積層体とする場合、表層が酸化マグネシウム層となるようにすることが望ましい。

本発明の窒化物半導体ウェハを製造する際、不純物無添加の窒化物半導体結晶層の直上にＭｇを添加した結晶を成長させるにあたっては、異常成長の発生を防ぐために、Ｍｇの供給量をゼロから一気に大きくしないで、徐々に（連続的または段階的に）大きくすることが好ましい。このことは、不純物無添加の種結晶の表面から、Ｍｇを添加した結晶をラテラル成長させる場合にもいえる。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウェハの構造を説明するための断面図である。 図１に示す窒化物半導体ウェハの製造途中における構造を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウェハの構造を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウェハの構造を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体ウェハの構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ＧａＮ結晶層
３１ 下側ＧａＮ層
３２ 上側ＧａＮ層
３３ Ｍｇ拡散防止層
Ｍ マスク層

Claims (11)

1. 異種基板と、該異種基板上に成長した窒化物半導体結晶層と、からなる窒化物半導体ウェハであって、
   前記窒化物半導体結晶層が、第１結晶層と、第１結晶層を下地層として成長した第２結晶層とを含んでおり、
   第２結晶層の少なくとも一部にはＭｇが添加されており、
   第１結晶層と第２結晶層との間にはマスク層が挟まれている窒化物半導体ウェハ。
2. 第１結晶層および第２結晶層がいずれもＧａＮ層である、請求項１に記載の窒化物半導体ウェハ。
3. 第１結晶層が不純物無添加である請求項１または２に記載の窒化物半導体ウェハ。
4. 第２結晶層が、第１結晶層の表面から厚さ方向に成長した結晶と、該結晶を種結晶としてラテラル成長した結晶を含み、該厚さ方向に成長した結晶が不純物無添加であり、該ラテラル成長した結晶にＭｇが添加されている、請求項３に記載の窒化物半導体ウェハ。
5. 第２結晶層が、第１結晶層の表面から厚さ方向に成長した結晶と、該結晶を種結晶としてラテラル成長した結晶を含むとともに、第２結晶層の内部には、該厚さ方向に成長した結晶中を第１結晶層との界面から厚さ方向に伝播した後、ラテラル方向に曲げられた転位線が存在している、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
6. 前記マスク層と第２結晶層との間に空間が存在している、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
7. 前記マスク層が酸化マグネシウム層を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
8. 前記窒化物半導体結晶層が、更に、第２結晶層の上にＭｇ拡散防止層を含んでいる、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
9. 前記Ｍｇ拡散防止層のＭｇ濃度が、第２結晶層から遠ざかるに従って単調に減少している、請求項８に記載の窒化物半導体ウェハ。
10. 前記Ｍｇ拡散防止層の内部に、または、前記Ｍｇ拡散防止層と第２結晶層との間に、少なくともひとつのヘテロ界面が存在する、請求項８または９に記載の窒化物半導体ウェハ。
11. 前記Ｍｇ拡散防止層が、ドナーの添加によりｎ型半導体とされた部分を含んでいる、請求項８〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。