JP5023834B2

JP5023834B2 - 半導体結晶の成長方法

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Publication number: JP5023834B2
Application number: JP2007161500A
Authority: JP
Inventors: 志行西岡; 智喜上村; 康二上松
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: JP2009001436A

Description

本発明は、半導体結晶の成長方法および半導体結晶基板に関し、たとえばＨＶＰＥ法により単結晶の膜を成長させる半導体結晶の成長方法および半導体結晶基板に関する。

発光素子、電子素子、および半導体センサなどの半導体デバイスを形成するための材料としての半導体結晶を成長させるために、従来から、たとえば昇華法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法などの気相成長法が提案されている。

このような半導体結晶の成長方法として、たとえば特開２００５−２００２５０号公報（特許文献１）には、単結晶窒化物半導体基板を種基板として用い、気相成長によって厚さが５ｍｍ以上の窒化物半導体結晶を成長させる方法が開示されている。特許文献１では、高品質な窒化物半導体結晶を成長させることを目的として、図１１に示すように、成長中の半導体結晶２２０の成長面外周および側面を所定距離をおいて周囲からカバー２１６で覆い、成長面外周および側面への多結晶の付着を防止しながら窒化物単結晶を成長させている。カバー２１６はグラファイト製である。
特開２００５−２００２５０号公報

しかしながら、上記特許文献１の半導体結晶の成長方法では、種基板２０９とカバー２１６との隙間から原料ガスが流れて種基板２０９の側面に多結晶２２２が付着してしまう。成長させる半導体結晶２２０において多結晶２２２は単結晶２２１よりも速い成長速度で成長するので、種基板２０９の側面からカバー２１６を覆うように多結晶２２２が成長してしまうという問題がある。成長させた半導体結晶２２０に多結晶２２２が付着していると、多結晶２２２を取り除く工程が必要となる。すなわち、半導体結晶の製造過程において工程数が増加する。また、種基板２０９の中央上に形成された単結晶の半導体結晶と種基板２０９の側面から中央に向けて形成された多結晶の半導体結晶とが存在するので、多結晶２２２を取り除く工程が複雑である。さらに、半導体結晶２２０の異常成長により歪みが生じて、半導体結晶２２０にクラックが発生してしまう。

したがって本発明の目的は、種基板に多結晶の半導体結晶が付着することを抑制する半導体結晶の成長方法および半導体結晶基板を提供することである。

本発明の半導体結晶の成長方法は、気相成長法により半導体結晶を成長させる方法であって、以下の工程を備える。種基板が準備される。そして、半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部が種基板の側面を囲むように配置されて、種基板上に気相成長法により半導体結晶が成長される。成長させる工程では、種基板の側面と枠状部との最も長い距離が５ｍｍ以下になるように枠状部を配置し、半導体結晶としてＡｌ _x Ｉｎ _y Ｇａ _(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を成長させる。本発明の半導体結晶の他の成長方法は、気相成長法により半導体結晶を成長させる方法であって、以下の工程を備える。種基板が準備される。そして、半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部が種基板の側面を囲むように配置されて、種基板上に気相成長法により半導体結晶が成長される。成長させる工程では、種基板の側面と枠状部との最も長い距離が５ｍｍ以下になるように枠状部を配置し、ハイドライド気相成長法により半導体結晶を成長させる。

本発明者は、種基板上に多結晶が成長することを抑制できる方法を鋭意研究した結果、成長させる半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部を種基板の側面を囲むように配置することによって、枠状部において種基板と対向する側と反対側に多結晶を成長させて、種基板上に多結晶が成長することを防止できることを見出した。よって、本発明によれば、種基板に多結晶の半導体結晶が付着することを抑制できる。また、種基板の側面と枠状部との最も長い距離が５ｍｍ以下になるように枠状部を配置することにより、枠状部において種基板と対向する側と反対側に多結晶を成長させやすい。そのため、種基板上に多結晶の半導体結晶が付着することを効果的に抑制できる。また、単結晶の非常に有用な半導体結晶であるＡｌ _x Ｉｎ _y Ｇａ _(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を成長させることができる。あるいは、ハイドライド気相成長法により半導体結晶を成長させるため、高品質な半導体結晶を成長させることができる。

上記半導体結晶の成長方法において好ましくは、成長させる工程では、種基板の厚み以下の枠状部を配置する。これにより、枠状部において種基板と対向する側と反対側に多結晶を成長させやすい。そのため、種基板上に多結晶の半導体結晶が付着することを効果的に抑制できる。

本発明の半導体結晶は、上記いずれかに記載の半導体結晶の成長方法により得られる半導体結晶基板であって、種基板と、種基板上に形成された半導体結晶とを備えている。

本発明の半導体結晶によれば、上記半導体結晶の成長方法により得られるので、単結晶の半導体結晶を備えた半導体結晶基板が得られる。

本発明の半導体結晶の成長方法および半導体結晶によれば、成長させる半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部を種基板の側面を囲むように配置して、半導体結晶を成長させるので、種基板に多結晶の半導体結晶が付着することを抑制できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

本発明の一実施の形態における半導体結晶の成長方法を説明する。図１は、本発明の一実施の形態における半導体結晶の成長方法に用いる結晶成長装置を示す概略図である。まず、図１を参照して、本実施の形態における半導体結晶の成長方法に用いる結晶成長装置１００について説明する。図１に示すように、結晶成長装置１００は、結晶成長容器１１０と、第１ガス導入管１１１と、第２ガス導入管１１２と、ソースボート１１３と、ヒータ１１４と、排気管１１５と、サセプタ１１６と、局所加熱機構（図示せず）とを備えている。結晶成長装置１００は、たとえば縦型反応炉としている。

結晶成長容器１１０は、内部に種基板１１を収容保持して、その種基板１１上に半導体結晶を成長させるための容器である。第１ガスおよび第２ガス導入管１１１、およびソースボート１１３には、成長させる半導体結晶を構成する元素を含む原料が供給される。第１ガスおよび第２ガス導入管１１１，１１２の各々は、第１および第２ガスＧ１，Ｇ２の各々を結晶成長容器１１０の外部から内部へ導入するために結晶成長容器１１０に設けられている。ソースボート１１３は、金属原料を収容保持し、第２ガス導入管１１２の下方に配置されている。ソースボート１１３において、第２ガス導入管１１２から供給される第２ガスＧ２と金属原料とを反応させて反応ガスＧ３を生成し、反応ガスＧ３と第１ガスＧ１とを種基板１１の表面に供給する。ヒータ１１４は、結晶成長容器１１０の内部をたとえば７００℃以上１５００℃以下に加熱する能力を有し、結晶成長容器１１０の外部に配置されている。排気管１１５は、反応後のガスを結晶成長容器１１０の外部に排出するために、結晶成長容器１１０に設けられている。

サセプタ１１６は、種基板１１を保持して、結晶成長容器１１０内において種基板１１を保持する面が結晶成長容器１１０の内部の第１ガスおよび第２ガス導入管１１１，１１２の下方に配置されている。サセプタ１１６は、結晶成長容器１１０の内部で横置きに配置されている。また、局所加熱機構は、種基板１１の抵抗加熱ヒータなど加熱用の部材であり、たとえばサセプタ１１６に埋め込まれている。

続いて、図２〜図１０を参照して、本発明の一実施の形態における半導体結晶の成長方法を説明する。本実施の形態における半導体結晶の成長方法は、気相成長法により半導体結晶を成長させる方法である。図２は、本発明の実施の形態における半導体結晶の成長方法を示すフローチャートである。図３は、成長させる工程後の状態を示す概略断面図である。図４は枠状部を示す上面図であり、図５は枠状部の一部である枠体を示す上面図である。図６および図８は、本発明の実施の形態における別の枠状部を示す上面図であり、図９は断面図である。図７は、別の枠体を示す上面図である。図１０は、半導体結晶基板を示す概略断面図である。

まず、図１および図２に示すように、種基板１１を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。準備する工程（Ｓ１０）では、たとえば図１に示すサセプタ１１６に、種基板１１を保持させる。

準備する工程（Ｓ１０）では、シリコン、サファイヤ、炭化シリコン、窒化ガリウム、および窒化アルミニウムよりなる群から選ばれる１種以上の材質からなる種基板１１を準備することが好ましい。これらの材質を用いると、後述する成長させる工程（Ｓ２０）でＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体結晶を容易に成長させることができる。

なお、この工程（Ｓ１０）で準備する種基板１１の形状は特に限定されず、円形であっても矩形であってもよい。

次に、図１〜図１０に示すように、半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部２１を種基板１１の側面を囲むように配置して、種基板１１上に気相成長法により半導体結晶を成長させる工程（Ｓ２０）を実施する。成長させる工程（Ｓ２０）を実施すると、図３に示すように、種基板１１上に単結晶の半導体結晶１２が成長し、枠状部２１上に単結晶の半導体結晶２２が成長し、枠状部２１における種基板と対向する側（種基板１１の側面を囲っている側）と反対側の側面から多結晶の半導体結晶２３が成長する。

成長させる工程（Ｓ２０）では、枠状部２１は、成長させる半導体結晶１２と同じ組成の結晶からなる。たとえば成長させる半導体結晶１２がＧａＮ（窒化ガリウム）である場合には、枠状部２１はＧａＮからなる。また、枠状部２１と、種基板１１と、成長させる半導体結晶１２とは、同じ組成の結晶からなることがより好ましい。

図４に示すように、枠状部２１は、種基板１１の側面を囲むように配置している。枠状部２１は、たとえばＧａＮ基板から図５に示す枠体２１ａを複数加工して、種基板１１の側面を囲むように複数の枠体２１ａからなる枠状部２１を配置する。本実施の形態では枠体２１ａが６本形成され、上面から見た時の形状が六角形になるように種基板１１の外周側を囲むように６本の枠体２１ａが配置されている。

なお、枠状部２１は、図６に示すように、円形状の種基板１１の側面を囲むように配置してもよい。また、図７に示す枠体２１ｂを複数用いて、図８に示すように矩形状の種基板１１の側面を囲むように配置してもよい。

また、図４に示すように、種基板１１の側面と枠状部２１との最も長い距離Ｌが５ｍｍ以下になるように枠状部２１を配置することが好ましい。距離Ｌが５ｍｍ以下であると、種基板１１の側面に多結晶が付着しない。本発明では、距離Ｌは０ｍｍである場合を含む。距離Ｌが０ｍｍである場合、つまり種基板１１と枠状部２１とが接触している場合、これらは同じ組成の結晶であるため、種基板１１上に大きな歪みを発生させることなく厚く半導体結晶を成長させることができる。

また、図１に示すように、枠状部２１の高さＨは、種基板１１の厚みＤ以下であることが好ましい。これにより、種基板１１上に半導体結晶１２を成長させるときに枠状部２１が障害にならないため、表面積が大きな半導体結晶１２を成長できる。

また、図９に示すように、枠状部２１は、種基板１１を保持するための爪部２１ｃが設けられていてもよいが、種基板１１上に表面積の大きな単結晶の半導体結晶１２を成長させる観点から、図１に示すように枠状部２１に爪部２１ｃは設けられていないことが好ましい。

また、図４および図５に示すように、枠状部２１の幅Ｗは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。０．０５ｍｍ以上であると、厚みの大きい半導体結晶１２を容易に成長できる。なお、枠状部２１の幅Ｗの上限は、たとえば１０ｍｍ以下である。

また、成長させる工程（Ｓ２０）では、半導体結晶１２としてＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を成長させることが好ましい。すなわち、枠状部２１はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることが好ましい。

また、厚みが１ｍｍ以上になるように半導体結晶１２を成長させることが好ましい。厚みが１ｍｍ以上であれば半導体結晶１２を分割することによって、複数の単結晶の半導体結晶が同時に得られる。半導体結晶１２は単結晶からなるので、半導体結晶１２を容易に分割することができる。なお、切断とは、電着ダイヤモンドホイールの外周刃を持つスライサーなどで機械的に半導体結晶１２を分割することをいう。へき開とは、結晶格子面に沿って半導体結晶１２を分割することをいう。

また、成長させる工程（Ｓ３０）において半導体結晶を成長させる方法は、昇華法、ハイドライド気相成長法、ＭＢＥ法、またはＭＯＣＶＤ法などの気相成長法であれば特に限定されないが、ハイドライド気相成長法により半導体結晶１２を成長させることが好ましい。ハイドライド気相成長法は成長速度が速いため、効率良く半導体結晶を成長させることができる。

ハイドライド気相成長法は、たとえば以下のようにして行なわれる。図１に示すように、まずソースボート１１３に原料を供給する。そして、ソースボート１１３を加熱する。そして、第２ガス導入管１１２から供給される第２ガスＧ２と、ソースボート１１３の原料とを反応させて反応ガスＧ３を生成する。そして、第１ガス導入管１１１から供給される第１ガスＧ１と、反応ガスＧ３とを種基板１１の表面に当たるように流して（供給して）反応させる。なお、種基板１１に供給されるガスの流れは、常に一定となるように制御することが好ましい。また、ヒータ１１４を用いて、結晶成長装置１００の内部を半導体結晶１２が適切な速度で成長する温度（たとえば７００℃以上１５００℃以下）で加熱する。また、排気管１１５で、反応後のガスを外部に排出する。

なお、成長させる工程（Ｓ２０）では、第１ガスＧ１の流量、第２ガスＧ２の流量、原料の種類、または原料の量などを調整することにより、半導体結晶１２の厚みや半導体結晶１２の材質などを適宜変更できる。

次に、図２および図１０に示すように、成長させる工程（Ｓ２０）後に、種基板１１と、種基板１１上に形成された半導体結晶１２とを備えた半導体結晶基板１０を加工する後処理工程（Ｓ３０）を実施する。後処理工程（Ｓ３０）では、図３に示す枠状部２１の側面に成長した多結晶の半導体結晶２３を除去する。本実施の形態では、枠状部２１上および側面に付着した半導体結晶２２，２３を除去することにより、種基板１１と種基板１１上の単結晶の半導体結晶１２とを備える半導体結晶基板１０を製造している。

後処理工程（Ｓ３０）で半導体結晶基板１０に加工する方法は、任意の方法を採用でき、たとえば切断または研削などにより加工することができる。なお、研削とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで多結晶の半導体結晶２３などを機械的に削り取ることをいう。

また、後処理工程（Ｓ３０）では、半導体結晶基板１０の表面を研磨する工程などをさらに実施してもよい。研磨する方法については特に限定されず、任意の方法を採用できる。

以上説明したように、本発明の実施の形態における半導体結晶の成長方法によれば、半導体結晶１２と同じ組成の結晶からなる枠状部２１を種基板１１の側面を囲むように配置して、種基板１１上に気相成長法により半導体結晶１２を成長させる工程（Ｓ２０）を備えている。これにより、枠状部２１において種基板１１と対向する側と反対側に多結晶の半導体結晶２３を成長させることによって、種基板１１に多結晶の半導体結晶が付着することを抑制できる。そのため、種基板１１上に単結晶の半導体結晶１２を成長させることができる。よって、種基板１１と、種基板１１上に形成された単結晶の半導体結晶１２とを備える半導体結晶基板１０が得られる。

また、種基板１１に多結晶の半導体結晶２３が付着しないので、半導体結晶基板１０を得るために多結晶の半導体結晶を取り除くための工程を行なわなくてもよい、または、枠状部２１を除去することで容易に加工を行なうことができる。

さらに、種基板１１上には単結晶の半導体結晶１２が成長し、多結晶の半導体結晶２３が成長しない。そのため、半導体結晶１２中に歪みが生じないので、半導体結晶が異常成長しない。よって、種基板１１上に成長させる半導体結晶１２に発生するクラックを抑制できる。

［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、実施の形態における半導体結晶の成長方法にしたがって、図１に示す結晶成長装置１００を用いて、ＨＶＰＥ法により半導体結晶を成長させた。

まず、種基板を準備する工程（Ｓ１０）では、図４に示す直径Ｒが５０ｍｍで、厚みＤが３００μｍのＧａＮからなる種基板１１を準備した。

次に、半導体結晶１２と同じ組成の結晶からなる枠状部２１を種基板１１の側面を囲むように配置して、種基板１１上に気相成長法により半導体結晶１２を成長させる工程（Ｓ２０）を実施した。具体的には、まず、種基板１１をサセプタ１１６上に配置した。また、図５に示すｘが２ｍｍで、ｙが３０ｍｍで、ｚが３２ｍｍで、高さＨが３００μｍのＧａＮからなる枠体２１ａを６枚準備した。続いて、図４に示すように、種基板１１の側面を囲むように配置した。この時、種基板１１の側面と枠状部との最も長い距離Ｌを５ｍｍとした。

また、第１ガスＧ１としてＮＨ₃（アンモニア）ガスを、第２ガスＧ２としてＨＣｌ（塩化水素）ガスを準備した。その後、ソースボート１１３にＧａ（ガリウム）を供給して、ソースボート１１３を加熱した。そして、第２ガス導入管１１２から供給されるＨＣｌガスとソースボート１１３のＧａとを下記の式（１）のように反応させて、反応ガスＧ３としてＧａＣｌ（塩化ガリウム）ガスを生成した。
Ｇａ＋ＨＣｌ＝ＧａＣｌ＋１／２Ｈ₂・・・・・式（１）

そして、第１ガス導入管１１１から供給されるＮＨ₃ガスと、ＧａＣｌガスとを種基板１１の半導体結晶を成長させる表面に当たるように流して、その表面上で下記の式（２）のように反応させて、種基板１１上に、厚さが５ｍｍのＧａＮ結晶を成長させた。
ＧａＣｌ＋ＮＨ₃＝ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ₂・・・・・式（２）

なお、ＨＣｌガスおよびＮＨ₃ガスの分圧を調整し、種基板１１上の結晶の成長速度が２０μｍ／ｈｒになるようにした。

（比較例１）
比較例１の半導体結晶の製造方法は、基本的には実施例１と同様であるが、成長させる工程（Ｓ２０）において枠状部２１を配置せずに半導体結晶を成長させた点においてのみ異なる。

（評価方法）
実施例１および比較例１の成長させる工程（Ｓ２０）後に、微分干渉顕微鏡により、多結晶の半導体結晶が存在しているかを確認した。また、成長させる工程（Ｓ２０）後に成長した結晶にクラックが生じているかを目視で観察した。

（評価結果）
実施例１の半導体結晶の成長方法では、種基板１１の表面および側面には多結晶の半導体結晶が付着せず、単結晶の半導体結晶が成長した。また、枠状部２１において種基板１１と対向する側には結晶が成長せず、枠状部２１上に単結晶の半導体結晶が成長し、さらに枠状部２１において種基板１１と対向する側と反対側の面に厚さが５ｍｍの多結晶の半導体結晶が成長した。また、種基板１１上に成長した半導体結晶にはクラックは発生しなかった。

一方、比較例１の半導体結晶の成長方法では、種基板の外周に多結晶が大量に付着した。また、種基板上に成長した半導体結晶にはクラックが発生した。

以上より、本実施例によれば、半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部２１を種基板１１の側面を囲むように配置して、種基板１１上に気相成長法により半導体結晶を成長させると、種基板に多結晶の半導体結晶が付着することを抑制できることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の半導体結晶の成長方法により得られるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）などの半導体結晶は単結晶であるため、たとえば発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴなどの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイスなどに好適に用いることができる。

本発明の実施の形態における半導体結晶の成長方法に用いる結晶成長装置を示す概略図である。本発明の実施の形態における半導体結晶の成長方法を示すフローチャートである。成長させる工程後の状態を示す概略断面図である。本発明の実施の形態における枠状部を示す上面図である。枠状部の一部である枠体を示す上面図である。本発明の実施の形態における別の枠状部を示す上面図である。本発明の実施の形態における別の枠体を示す上面図である。本発明の実施の形態におけるさらに別の枠状部を示す上面図である。本発明の実施の形態におけるさらに別の枠状部を示す断面図である。本発明の実施の形態における半導体結晶基板を示す概略断面図である。特許文献１の半導体結晶を製造する方法を示す模式図である。

符号の説明

１０半導体結晶基板、１１種基板、１２，２２，２３半導体結晶、２１枠状部、２１ａ，２１ｂ枠体、２１ｃ爪部、１００結晶成長装置、１１０結晶成長容器、１１１第１ガス導入管、１１２第２ガス導入管、１１３ソースボート、１１４ヒータ、１１５排気管、１１６サセプタ、Ｇ１第１ガス、Ｇ２第２ガス、Ｇ３反応ガス、Ｌ距離、Ｈ高さ、Ｒ直径、Ｗ幅。

Claims

気相成長法により半導体結晶を成長させる方法であって、
種基板を準備する工程と、
前記半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部を前記種基板の側面を囲むように配置して、前記種基板上に気相成長法により前記半導体結晶を成長させる工程とを備え、
前記成長させる工程では、前記種基板の前記側面と前記枠状部との最も長い距離が５ｍｍ以下になるように前記枠状部を配置し、前記半導体結晶としてＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を成長させる、半導体結晶の成長方法。
気相成長法により半導体結晶を成長させる方法であって、
種基板を準備する工程と、
前記半導体結晶と同じ組成の結晶からなる枠状部を前記種基板の側面を囲むように配置して、前記種基板上に気相成長法により前記半導体結晶を成長させる工程とを備え、
前記成長させる工程では、前記種基板の前記側面と前記枠状部との最も長い距離が５ｍｍ以下になるように前記枠状部を配置し、ハイドライド気相成長法により前記半導体結晶を成長させる、半導体結晶の成長方法。
前記成長させる工程では、前記種基板の厚み以下の前記枠状部を配置する、請求項１または２に記載の半導体結晶の成長方法。