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JP4451265B2 - Group III element nitride crystal substrate and group III element nitride semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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JP4451265B2 - Group III element nitride crystal substrate and group III element nitride semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Group III element nitride crystal substrate and group III element nitride semiconductor device manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、III族元素窒化物結晶基板およびIII族元素窒化物半導体デバイスの製造方法、それにより得られたIII族元素窒化物結晶基板ならびにIII族元素窒化物半導体デバイスに関する。   The present invention relates to a group III element nitride crystal substrate and a method for manufacturing a group III element nitride semiconductor device, and a group III element nitride crystal substrate and a group III element nitride semiconductor device obtained thereby.

窒化ガリウム(GaN)などのIII族元素窒化物化合物半導体(以下、III族元素窒化物半導体またはGaN系半導体という場合がある)は、緑色や青色、紫外光を発光する半導体素子の材料として注目されている。青色レーザダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイに応用され、また青色発光ダイオード(LED)はディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDはバイオテクノロジーなどへの応用が期待され、紫外線LEDは蛍光灯の紫外線源として期待されている。   Group III element nitride compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) (hereinafter sometimes referred to as Group III element nitride semiconductors or GaN-based semiconductors) are attracting attention as materials for semiconductor elements that emit green, blue, and ultraviolet light. ing. Blue laser diodes (LD) are applied to high-density optical discs and displays, and blue light-emitting diodes (LEDs) are applied to displays and lighting. Further, ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and ultraviolet LED is expected to be an ultraviolet light source for fluorescent lamps.

LDやLED用のIII族元素窒化物半導体の基板(例えば、GaN基板)は、通常、サファイア基板上に、気相エピタキシャル成長法を用いてIII族元素窒化物結晶をヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されている。この方法で得られる結晶の転位密度は、通常、108cm-2〜109cm-2であり、転位密度の減少が重要な課題となっている。また、この課題を解決するために、転位密度を低減する取り組みが行われており、例えば、ELOG(Epitaxial lateral overgrowth)法が開発されている。この方法によれば、転位密度を105cm-2〜106cm-2程度まで下げることができるが、作製工程が複雑である。 A group III element nitride semiconductor substrate (for example, a GaN substrate) for an LD or LED is usually formed on a sapphire substrate by heteroepitaxially growing a group III element nitride crystal using a vapor phase epitaxial growth method. Yes. The dislocation density of the crystal obtained by this method is usually 10 8 cm −2 to 10 9 cm −2 , and reduction of the dislocation density is an important issue. In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the dislocation density. For example, an ELOG (Epitaxial lateral overgrowth) method has been developed. According to this method, the dislocation density can be lowered to about 10 5 cm −2 to 10 6 cm −2, but the manufacturing process is complicated.

一方、気相エピタキシャル成長ではなく、液相で結晶成長を行う方法も検討されてきた。しかしながら、GaNやAlNなどのIII族元素窒化物単結晶の融点における窒素の平衡蒸気圧は10000atm(10000×1.013×105Pa)以上であるため、従来、GaN単結晶を液相で成長させるためには1200℃で8000atm(8000×1.013×105Pa)の条件が必要とされてきた。これに対し、近年、Naフラックスを用いることで、750℃、50atm(50×1.013×105Pa)という比較的低温低圧でGaN単結晶を合成できることが明らかにされた。 On the other hand, a method of performing crystal growth in a liquid phase instead of vapor phase epitaxial growth has been studied. However, since the equilibrium vapor pressure of nitrogen at the melting point of a group III element nitride single crystal such as GaN or AlN is 10000 atm (10000 × 1.013 × 10 5 Pa) or more, conventionally, a GaN single crystal has been grown in the liquid phase. In order to achieve this, a condition of 8000 atm (8000 × 1.013 × 10 5 Pa) at 1200 ° C. has been required. On the other hand, it has recently been clarified that GaN single crystals can be synthesized at a relatively low temperature and low pressure of 750 ° C. and 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa) by using Na flux.

最近では、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気下においてGaとNaとの混合物を800℃、50atm(50×1.013×105Pa)で溶融させ、この融液を用いて96時間の育成時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(例えば、特許文献1参照)。 Recently, a mixture of Ga and Na was melted at 800 ° C. and 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa) in a nitrogen gas atmosphere containing ammonia, and this melt was used for a growth time of 96 hours. A single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm is obtained (see, for example, Patent Document 1).

また、サファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法によってGaN結晶層を成膜したのち、液相成長(LPE:Liquid Phase Epitaxy)法によって単結晶を成長させる方法も報告されている。
特開2002−293696号公報
Also reported is a method of growing a single crystal by liquid phase epitaxy (LPE) after forming a GaN crystal layer on the sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Has been.
JP 2002-293696 A

アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方をフラックスとして用いた窒化物結晶の液相成長方法においても、不純物の混入が問題となる。不純物が入ると、キャリア密度などが変化する場合があるからである。また、フラックスであるアルカリ金属やアルカリ土類金属は、半導体プロセスにおいて、特に混入が嫌われる元素類である。   Also in the liquid crystal growth method of a nitride crystal using at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal as a flux, mixing of impurities becomes a problem. This is because the carrier density and the like may change when impurities are introduced. Moreover, alkali metals and alkaline earth metals, which are fluxes, are elements that are particularly apt to be mixed in semiconductor processes.

そこで、本発明の目的は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方をフラックスとし、この中でIII族元素窒化物結晶を成長させることにより得られた基板およびその基板を用いて作製した半導体デバイスにおいて、不純物の拡散防止技術を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a substrate obtained by growing a group III element nitride crystal in at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, and a semiconductor device manufactured using the substrate. In order to provide a technique for preventing diffusion of impurities.

前記目的を達成するために、本発明のIII族元素窒化物結晶基板の製造方法は、下記(a)の基板形成工程および(b)の熱処理工程を有する製造方法である。
(a) アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融解液(フラックス)中において、窒素含有ガスの窒素とIII族元素とを反応させて結晶化させ、III族元素窒化物結晶基板を形成する基板形成工程。
(b) 前記(a)工程により得られた基板中に存在する不純物を熱処理により無機化合物化する熱処理工程。
In order to achieve the above object, the method for producing a group III element nitride crystal substrate of the present invention is a production method having the following substrate forming step (a) and a heat treatment step (b).
(A) In a molten liquid (flux) containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, nitrogen of the nitrogen-containing gas is allowed to react with a group III element to crystallize to form a group III element nitride crystal substrate Substrate forming step.
(B) A heat treatment step in which impurities existing in the substrate obtained in the step (a) are converted into an inorganic compound by heat treatment.

また、本発明のIII族元素窒化物半導体デバイスの製造方法は、III族元素窒化物結晶基板上にIII族元素窒化物結晶層が積層されたIII族元素窒化物半導体デバイスの製造方法であって、下記の(d)の基板形成工程、(e)の結晶層形成工程および(f)の熱処理工程を有する。
(d) アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融解液(フラックス)中において、窒素含有ガスの窒素とIII族元素とを反応させて結晶化させ、III族元素窒化物結晶基板を形成する基板形成工程。
(e) 前記(d)工程で得られた前記基板上に、前記III族元素窒化物結晶層を形成する結晶層形成工程。
(f) 前記(e)工程により得られた基板中に存在する不純物を熱処理により無機化合物化する熱処理工程。
The method for producing a group III element nitride semiconductor device of the present invention is a method for producing a group III element nitride semiconductor device in which a group III element nitride crystal layer is laminated on a group III element nitride crystal substrate. And (d) a substrate forming step, (e) a crystal layer forming step, and (f) a heat treatment step.
(D) In a molten liquid (flux) containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, nitrogen of the nitrogen-containing gas is allowed to react and crystallize to form a group III element nitride crystal substrate. Substrate forming step.
(E) A crystal layer forming step of forming the group III element nitride crystal layer on the substrate obtained in the step (d).
(F) A heat treatment step in which impurities present in the substrate obtained in the step (e) are converted into an inorganic compound by heat treatment.

アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むフラックス中でIII族元素窒化物結晶を成長させて得られた結晶の一部に、例えば、貫通転位(例えば、らせん転位や刃状転位等)や格子欠陥等が存在する場合は、そこにアルカリ金属やアルカリ土類金属等の不純物が混入するおそれがある。このように、液相成長において、結晶中の貫通転位や格子欠陥領域に、アルカリ金属やアルカリ土類金属、中でも、NaおよびLiが混入する場合があり、これが拡散することは、本発明者等が初めて見出したものである。なお、この混入は、例えば、SIMS(Secondary ion mass spectroscopy)により確認できる。そして、この液相成長の問題点を解決するのが、本発明である。すなわち、本発明によれば、前述のように基板に熱処理を施すため、液相成長させた基板中にアルカリ金属やアルカリ土類金属等の不純物が混入しても、これらを無機化合物化して、その拡散を防止できる。そのため、本発明により得られる基板および半導体デバイスは、高品質である。さらに、本発明の方法により得られた基板を使用すれば、デバイス形成のプロセス中に基板内の不純物が製造装置内等に飛散することも防止できるため、安定したデバイス作製が実現でき、得られる半導体デバイスも極めて高品質である。   In part of the crystal obtained by growing a group III element nitride crystal in a flux containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, for example, threading dislocation (for example, screw dislocation or edge dislocation) When lattice defects exist, impurities such as alkali metals and alkaline earth metals may be mixed there. Thus, in liquid phase growth, alkali metals and alkaline earth metals, especially Na and Li may be mixed in the threading dislocations and lattice defect regions in the crystal, and this is diffused. Was first discovered. This contamination can be confirmed by, for example, SIMS (Secondary ion mass spectroscopy). The present invention solves this problem of liquid phase growth. That is, according to the present invention, since the substrate is subjected to heat treatment as described above, even if impurities such as alkali metal or alkaline earth metal are mixed in the liquid phase grown substrate, these are converted into inorganic compounds, The diffusion can be prevented. Therefore, the substrate and semiconductor device obtained by the present invention are of high quality. Furthermore, if the substrate obtained by the method of the present invention is used, it is possible to prevent impurities in the substrate from being scattered in the manufacturing apparatus or the like during the device formation process, so that stable device fabrication can be realized and obtained. Semiconductor devices are also very high quality.

前記(a)の基板形成工程において、使用するアルカリ金属としては、Na、Li、K、Rb、CsおよびFrがあげられ、アルカリ土類金属としては、Ca、Mg、Sr、BeおよびBaがあげられる。これらは、単独で使用しても2種類以上で併用してもよい。これらの中でもNa、Li、Ca、Mgを使用することが好ましく、特にNaとLiとを併用することや、これらを単体で使用することが好ましい。前記基板が、例えば、GaN基板である場合、NaとLiとを含む融解液中で形成することが好ましく、AlN基板である場合、Li、NaおよびSnから選択される1つと、Caとを含む融解液中で形成することが好ましい。また、前記融解液は、フラックス成分として、アルカリ金属やアルカリ土類金属に加えて、例えば、Sn等のその他の金属を含んでいてもよい。   In the substrate forming step (a), examples of the alkali metal used include Na, Li, K, Rb, Cs, and Fr, and examples of the alkaline earth metal include Ca, Mg, Sr, Be, and Ba. It is done. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use Na, Li, Ca, and Mg, and it is particularly preferable to use Na and Li in combination or to use them alone. For example, when the substrate is a GaN substrate, it is preferably formed in a melt containing Na and Li. When the substrate is an AlN substrate, one selected from Li, Na and Sn and Ca is included. It is preferable to form in a melt. Moreover, the said melt may contain other metals, such as Sn, for example in addition to an alkali metal and alkaline-earth metal as a flux component.

前記III族元素としては、Ga、Al、Inがあげられ、好ましくはGaおよびAlであり、前記基板が、AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表されるIII族元素窒化物結晶基板であることが好ましい。また、前記III族元素がGaであり、前記基板がGaN基板であることや、前記III族元素がAlであり、前記基板がAlN基板であることが好ましい。 Examples of the group III element include Ga, Al, and In, preferably Ga and Al, and the substrate is Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1). , U + v ≦ 1), preferably a group III element nitride crystal substrate. Further, it is preferable that the group III element is Ga, the substrate is a GaN substrate, the group III element is Al, and the substrate is an AlN substrate.

また、前記(a)の基板形成工程において、前記基板を、予め準備した支持基板の上にIII族元素窒化物結晶を成長させてもよい。この場合において、前記支持基板の上にシード層が形成されており、前記シード層が、前記III族元素窒化物結晶基板と同じ組成の結晶から形成されたものであることが好ましい。前記支持基板は、表面が(111)面であるGaAs基板、表面が(111)面であるSi基板、表面が(0001)面であるサファイア基板および表面が(0001)面であるSiC基板のいずれかの基板であることが好ましい。なお、このように、支持基板やシード層上にIII族元素窒化物結晶を成長させた場合、支持基板やシード層を除去した後(自立基板作製後)に、(b)の熱処理工程の熱処理を施すことが好ましい。前記除去方法としては、例えば、レーザリフトオフ法、研削加工、研磨加工等があげられる。   In the substrate forming step (a), a group III element nitride crystal may be grown on a support substrate prepared in advance. In this case, it is preferable that a seed layer is formed on the support substrate, and the seed layer is formed of a crystal having the same composition as the group III element nitride crystal substrate. The support substrate may be any one of a GaAs substrate having a (111) surface, a Si substrate having a (111) surface, a sapphire substrate having a (0001) surface, and a SiC substrate having a (0001) surface. Such a substrate is preferable. In addition, when the group III element nitride crystal is grown on the support substrate or the seed layer as described above, the heat treatment in the heat treatment step (b) is performed after the support substrate or the seed layer is removed (after the self-standing substrate is manufactured). It is preferable to apply. Examples of the removing method include a laser lift-off method, a grinding process, and a polishing process.

前述のように、前記(a)の基板形成工程により得られた基板中に不純物が存在する場合があり、前記不純物としては、例えば、フラックス成分であるアルカリ金属、アルカリ土類金属およびSn、結晶の製造に使用する坩堝、反応容器、その他の部材等の構成材料成分に由来するもの等があげられる。前記アルカリ金属としては、Na、Li、K、Rb、CsおよびFrがあげられ、前記アルカリ土類金属としては、Ca、Mg、Sr、BeおよびBaがあげられる。この中でも、特に、Na、Li、Ca、Mg等が前記基板中に混入することにより、例えば、前記基板上に形成したデバイス構造(例えば、III族元素窒化物結晶層等)のキャリア密度等に大きな影響を与えるおそれがある。前記不純物は、前述のように、貫通転位部位や格子欠陥部位等に混入する場合が多く、前記転位部位や格子欠陥部位は、例えば、基板に電子線を照射することにより生じるカソードルミネッセンスの面内分布を観測することによって評価することが可能である。この場合、前記部位は、発光度が弱いため暗点として観測される。   As described above, impurities may exist in the substrate obtained by the substrate forming step (a). Examples of the impurities include alkali metals, alkaline earth metals and Sn, which are flux components, crystals, And the like derived from constituent materials such as crucibles, reaction vessels, and other members used in the production of the above. Examples of the alkali metal include Na, Li, K, Rb, Cs and Fr, and examples of the alkaline earth metal include Ca, Mg, Sr, Be and Ba. Among these, in particular, when Na, Li, Ca, Mg, etc. are mixed in the substrate, for example, the carrier density of the device structure (for example, a group III element nitride crystal layer) formed on the substrate is increased. May have a major impact. As described above, the impurities are often mixed into threading dislocation sites, lattice defect sites, and the like, and the dislocation sites and lattice defect sites are, for example, in the plane of cathodoluminescence generated by irradiating the substrate with an electron beam. It is possible to evaluate by observing the distribution. In this case, the site is observed as a dark spot because of its low luminous intensity.

前記(b)の熱処理工程の熱処理は、前記不純物を無機化合物化する条件下で実施することが好ましい。前記不純物を無機化合物化する条件としては、例えば、不純物と反応することができる元素を含む溶液および雰囲気中等があげられ、前記元素としては、例えば、塩素、硫黄、酸素、臭素等があげられる。前記条件の具体例としては、酸性溶液中、酸素雰囲気中、空気雰囲気中、水蒸気雰囲気中、水中、硫化物含有ガス中および塩素ガス雰囲気中があげられ、これらは、1種類のみを行っても、2種類以上を併用してもよい。前記酸性溶液としては、例えば、塩酸液、臭素酸液、硫酸液、硝酸液等があげられる。前記硫化物含有ガスとしては、例えば、硫黄を昇華させた雰囲気中、硫化水素ガス等があげられる。これらの熱処理方法の中でも、好ましくは塩酸液、酸素雰囲気、水蒸気雰囲気である。例えば、このような条件下で熱処理した場合、その環境に応じて不純物を無機化合物化して、より一層安定な化合物とすることにより、それらの拡散を防止できる。   The heat treatment in the heat treatment step (b) is preferably carried out under conditions for converting the impurities into inorganic compounds. Examples of the conditions for converting the impurity into an inorganic compound include a solution containing an element capable of reacting with the impurity and in an atmosphere. Examples of the element include chlorine, sulfur, oxygen, bromine and the like. Specific examples of the conditions include an acidic solution, an oxygen atmosphere, an air atmosphere, a water vapor atmosphere, water, a sulfide-containing gas, and a chlorine gas atmosphere, and these may be performed alone. Two or more types may be used in combination. Examples of the acidic solution include hydrochloric acid solution, bromic acid solution, sulfuric acid solution, and nitric acid solution. Examples of the sulfide-containing gas include hydrogen sulfide gas in an atmosphere in which sulfur is sublimated. Among these heat treatment methods, a hydrochloric acid solution, an oxygen atmosphere, and a water vapor atmosphere are preferable. For example, when heat treatment is performed under such conditions, diffusion of impurities can be prevented by converting the impurities into inorganic compounds according to the environment to make the compounds more stable.

前記熱処理の温度は、例えば、液体中では、常温〜沸点(例えば、水である場合100℃)であることが好ましく、気相中では、100℃〜1000℃であることが好ましく、100℃〜900℃であることがより好ましく、前記熱処理の圧力は、例えば、大気圧下で行うことが好ましい。また、前記熱処理の時間は、例えば、液体中では、30分以上であることが好ましく、より好ましくは1時間以上であり、気相中では、30分以上であることが好ましく、より好ましくは1時間以上である。熱処理の時間の上限は、特に制限されないが、例えば、24時間であることが好ましい。   The temperature of the heat treatment is preferably, for example, normal temperature to boiling point (for example, 100 ° C. in the case of water) in a liquid, and preferably 100 ° C. to 1000 ° C. More preferably, the temperature is 900 ° C., and the pressure of the heat treatment is preferably performed under atmospheric pressure, for example. In addition, for example, the heat treatment time is preferably 30 minutes or more in a liquid, more preferably 1 hour or more, and preferably 30 minutes or more in a gas phase, more preferably 1 It's over time. The upper limit of the heat treatment time is not particularly limited, but is preferably 24 hours, for example.

前記(b)の熱処理工程の熱処理が、例えば、塩酸液中で実施される場合、濃度10%〜40%の塩化水素水溶液を常温〜109℃(沸点)に加熱し、30分〜6時間実施することが好ましい。また、例えば、酸素雰囲気中で実施される場合、酸素分圧1atm(1×1.013×105Pa)〜5atm(5×1.013×105Pa)、100℃〜1000℃の環境下で、30分〜6時間実施することが好ましい。例えば、水蒸気雰囲気中で実施される場合、雰囲気圧力1atm(1×1.013×105Pa)〜5atm(5×1.013×105Pa)、100℃〜1000℃の環境下で、30分〜6時間実施することが好ましい。 When the heat treatment in the heat treatment step (b) is carried out, for example, in a hydrochloric acid solution, a hydrogen chloride aqueous solution having a concentration of 10% to 40% is heated to room temperature to 109 ° C. (boiling point) and carried out for 30 minutes to 6 hours. It is preferable to do. For example, when implemented in an oxygen atmosphere, the oxygen partial pressure is 1 atm (1 × 1.013 × 10 5 Pa) to 5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa) in an environment of 100 ° C. to 1000 ° C. It is preferable to carry out for 30 minutes to 6 hours. For example, when carried out in a water vapor atmosphere, 30 atmospheres under an environment pressure of 1 atm (1 × 1.013 × 10 5 Pa) to 5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa), 100 ° C. to 1000 ° C. It is preferable to carry out for 6 minutes.

前記基板中に不純物として、例えば、Naが存在し、前記(b)の熱処理工程の熱処理を塩酸液中または塩素ガス雰囲気中で実施した場合、NaClを形成し、臭素酸液中で実施した場合、NaBrを形成し、硫酸液中で実施した場合、Na2SO4を形成し、硝酸液中で実施した場合、NaNO3を形成し、酸素雰囲気中で実施した場合、Na2Oを形成し、空気雰囲気中で実施した場合、Na2OやNaOHを形成し、水蒸気雰囲気中で実施した場合、Na2OやNaOHを形成し、水中で実施した場合、NaOHを形成し、硫化物含有ガス中で実施した場合、Na2Sを形成する。 When, for example, Na exists as an impurity in the substrate and the heat treatment in the heat treatment step (b) is performed in a hydrochloric acid solution or a chlorine gas atmosphere, NaCl is formed and the heat treatment step is performed in a bromic acid solution. When formed in a sulfuric acid solution, Na 2 SO 4 is formed; when performed in a nitric acid solution, NaNO 3 is formed; when operated in an oxygen atmosphere, Na 2 O is formed. When carried out in an air atmosphere, Na 2 O or NaOH is formed, when carried out in a water vapor atmosphere, Na 2 O or NaOH is formed, and when carried out in water, NaOH is formed and sulfide-containing gas is formed. When carried out in, Na 2 S is formed.

前記基板中に不純物として、例えば、Liが存在し、前記(b)の熱処理工程の熱処理を塩酸液中または塩素ガス雰囲気中で実施した場合、LiClを形成し、臭素酸液中で実施した場合、LiBrを形成し、硫酸液中で実施した場合、Li2SO4を形成し、硝酸液中で実施した場合、LiNO3を形成し、酸素雰囲気中で実施した場合、Li2Oを形成し、空気雰囲気中で実施した場合、Li2OやLi3Nを形成し、水蒸気雰囲気中で実施した場合、LiOHを形成し、水中で実施した場合、LiOHを形成し、硫化物含有ガス中で実施した場合、Li2Sを形成する。 When, for example, Li is present as an impurity in the substrate and the heat treatment in the heat treatment step (b) is performed in a hydrochloric acid solution or a chlorine gas atmosphere, LiCl is formed and performed in a bromic acid solution. When LiBr is formed and carried out in a sulfuric acid solution, Li 2 SO 4 is formed, when carried out in a nitric acid solution, LiNO 3 is formed, and when carried out in an oxygen atmosphere, Li 2 O is formed. When carried out in an air atmosphere, Li 2 O or Li 3 N is formed, when carried out in a water vapor atmosphere, LiOH is formed, and when carried out in water, LiOH is formed in a sulfide-containing gas. When implemented, Li 2 S is formed.

前記(a)の基板形成工程において得られる基板が、例えば、GaN基板である場合、前記(b)の熱処理工程の熱処理を、塩酸液、酸素雰囲気、水蒸気雰囲気の環境下で実施することが好ましい。また、前記(a)の基板形成工程において得られる基板が、例えば、AlN基板である場合、前記(b)の熱処理工程の熱処理を、塩酸液、酸素雰囲気、水蒸気雰囲気の環境下で実施することが好ましい。   When the substrate obtained in the substrate forming step (a) is, for example, a GaN substrate, the heat treatment in the heat treatment step (b) is preferably performed in an environment of hydrochloric acid solution, oxygen atmosphere, or water vapor atmosphere. . When the substrate obtained in the substrate forming step (a) is, for example, an AlN substrate, the heat treatment in the heat treatment step (b) is performed in an environment of hydrochloric acid solution, oxygen atmosphere, or water vapor atmosphere. Is preferred.

前記熱処理は、基板表面全体に施しても、半導体デバイス形成面の基板表面にのみであってもよい。基板表面全体に施すことにより、不純物の拡散をより一層防止することができ、半導体デバイス形成面の基板表面にのみ施した場合であっても、十分に不純物の拡散を防止できる。   The heat treatment may be performed on the entire substrate surface or only on the substrate surface of the semiconductor device formation surface. By applying to the entire surface of the substrate, the diffusion of impurities can be further prevented, and even when applied only to the substrate surface of the semiconductor device formation surface, the diffusion of impurities can be sufficiently prevented.

さらに、前記(b)の熱処理工程の後、前記基板に洗浄処理を施す洗浄工程(c)を有することが好ましい。洗浄処理を施すことにより、例えば、基板表面部分に存在する未反応の不純物(例えば、金属ナトリウムなどのアルカリ金属等)や、前記熱処理により形成した無機化合物化した不純物を除去できる。前記洗浄処理としては、例えば、水洗、純水中での加熱処理、酸溶液を用いた洗浄(加熱処理を含む)、有機溶剤を用いた洗浄等があげられる。前記有機溶剤としては、例えば、アセトン、ソルファイン(登録商標)、イソプロピルアルコール(IPA)等があげられる。前記酸溶液としては、例えば、塩酸液、フッ酸等があげられる。これらの中でも、好ましくは塩酸液中での加熱処理である。その他の洗浄処理としては、例えば、常温で、アセトン洗浄、ソルファイン洗浄およびIPA洗浄をそれぞれ5分間行った後、水洗し、さらに、フッ酸洗浄を10分間し、水洗10分間して、乾燥させるという洗浄処理があげられる。前記基板表面部分とは、例えば、基板の厚みが500μmである場合、基板表面から10μmまでの厚み付近であればよい。   Furthermore, it is preferable to have a cleaning step (c) for performing a cleaning process on the substrate after the heat treatment step (b). By performing the cleaning treatment, for example, unreacted impurities (for example, alkali metal such as sodium metal) present on the substrate surface portion and impurities formed as an inorganic compound by the heat treatment can be removed. Examples of the washing treatment include washing with water, heat treatment in pure water, washing with an acid solution (including heat treatment), washing with an organic solvent, and the like. Examples of the organic solvent include acetone, Solfine (registered trademark), isopropyl alcohol (IPA), and the like. Examples of the acid solution include hydrochloric acid solution and hydrofluoric acid. Among these, the heat treatment in a hydrochloric acid solution is preferable. As other cleaning treatments, for example, at room temperature, acetone cleaning, solfine cleaning and IPA cleaning are each performed for 5 minutes, followed by rinsing with water, followed by fluoric acid cleaning for 10 minutes, rinsing with water for 10 minutes, and drying. Cleaning process. For example, when the thickness of the substrate is 500 μm, the substrate surface portion may be near the thickness from the substrate surface to 10 μm.

本発明のIII族元素窒化物結晶基板は、前記本発明の基板の製造方法により製造されたIII族元素窒化物結晶基板である。本発明の基板は、前記(b)の熱処理工程を施しているため、基板表面付近の不純物密度が、基板内部の不純物密度よりも小さいことを特徴とする。基板表面付近の不純物密度が、例えば、基板内部の不純物密度よりも1桁以上小さいことが好ましく、2桁以上小さいことがより好ましい。なお、前記不純物密度は、例えば、SIMS(2次イオン質量分析)により求めることができる。前記基板表面部分とは、例えば、基板の厚みが500μmである場合、基板表面から10μmまでの厚み付近であればよく、また、50μmまでの厚み付近であってもよい。また、前記基板内部とは、前記基板表面部分以外の部分である。   The group III element nitride crystal substrate of the present invention is a group III element nitride crystal substrate manufactured by the substrate manufacturing method of the present invention. Since the substrate of the present invention has been subjected to the heat treatment step (b), the impurity density near the substrate surface is smaller than the impurity density inside the substrate. For example, the impurity density in the vicinity of the substrate surface is preferably one digit or more lower than the impurity density inside the substrate, and more preferably two or more digits lower. In addition, the said impurity density can be calculated | required by SIMS (secondary ion mass spectrometry), for example. For example, when the thickness of the substrate is 500 μm, the substrate surface portion may be in the vicinity of the thickness from the substrate surface to 10 μm, or may be in the vicinity of the thickness of 50 μm. Further, the inside of the substrate is a portion other than the substrate surface portion.

前記本発明のIII族元素窒化物結晶基板上に、III族元素窒化物結晶層を形成することにより半導体デバイスを製造することが好ましい。本発明のIII族元素窒化物結晶基板は、前記(b)の熱処理工程の熱処理により、基板に混入した不純物が無機化合物化されているため、それらが基板上に形成された結晶層に拡散することを防止できる。そのため、結晶層(デバイス構造)のキャリア密度に影響を及ぼすこともなく、得られる半導体デバイスは特性に優れ、極めて高品質である。前記結晶層は、AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表されるIII族元素窒化物結晶であることが好ましく、例えば、MOCVD法等の気相成長法により形成することが好ましい。また、前記基板上に前記III族元素窒化物結晶層を形成した後、さらに、前記熱処理を施してもよい。 It is preferable to manufacture a semiconductor device by forming a group III element nitride crystal layer on the group III element nitride crystal substrate of the present invention. In the group III element nitride crystal substrate of the present invention, impurities mixed in the substrate are converted into an inorganic compound by the heat treatment in the heat treatment step (b), so that they diffuse into the crystal layer formed on the substrate. Can be prevented. Therefore, the obtained semiconductor device has excellent characteristics and extremely high quality without affecting the carrier density of the crystal layer (device structure). The crystal layer is preferably a group III element nitride crystal represented by Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1), for example, It is preferable to form by vapor phase growth method such as MOCVD method. Further, after the Group III element nitride crystal layer is formed on the substrate, the heat treatment may be further performed.

次に、本発明の半導体デバイスの製造方法において、前記(d)の基板形成工程は、前記(a)の基板形成工程と同様に行うことができ、前記(f)の熱処理工程の熱処理は、前記(b)の熱処理工程の熱処理と同様にして行うことができる。   Next, in the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the substrate forming step (d) can be performed in the same manner as the substrate forming step (a), and the heat treatment of the heat treatment step (f) It can be performed in the same manner as the heat treatment in the heat treatment step (b).

また、前記(e)の結晶層形成工程で、半導体デバイスを製造し、得られた半導体デバイスを複数のチップに分割し、前記(f)の熱処理工程で、前記チップ化された半導体デバイスに熱処理を施すことが好ましい。また、前記熱処理は、チップ化された半導体デバイス全体に施すことが好ましく、特にチップ化することにより露出した面に施すことが好ましい。これにより、チップ化により露出した不純物を特に多く含む部分(例えば、基板内の貫通転位等)から不純物が拡散することをより一層防止できる。   Further, in the crystal layer forming step (e), a semiconductor device is manufactured, and the obtained semiconductor device is divided into a plurality of chips, and in the heat treatment step (f), the chip-shaped semiconductor device is heat treated. It is preferable to apply. Further, the heat treatment is preferably performed on the entire semiconductor device formed into chips, and in particular, it is preferably performed on the surface exposed by forming into chips. Thereby, it is possible to further prevent impurities from diffusing from a portion (for example, threading dislocations in the substrate) that contains a particularly large amount of the impurity exposed by the chip formation.

さらに、前記(f)の熱処理工程の後、前記半導体デバイスに洗浄処理を施す洗浄工程(g)を有することが好ましい。洗浄処理を施すことにより、例えば、基板表面部分に存在する未反応の不純物(例えば、金属ナトリウムなどのアルカリ金属等)や、前記熱処理により形成した不純物の無機化合物を除去することができる。なお、洗浄処理条件は、前述の通りである。   Furthermore, it is preferable to have a cleaning step (g) for performing a cleaning process on the semiconductor device after the heat treatment step (f). By performing the cleaning treatment, for example, unreacted impurities (for example, alkali metal such as sodium metal) present on the surface portion of the substrate and the impurity inorganic compound formed by the heat treatment can be removed. The cleaning process conditions are as described above.

次に、本発明の半導体デバイスは、本発明の製造方法により製造されたIII族元素窒化物半導体デバイスである。この半導体デバイスは、例えば、レーザダイオード、発光ダイオードまたは電界効果トランジスタであることが好ましい。   Next, the semiconductor device of the present invention is a group III element nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention. The semiconductor device is preferably a laser diode, a light emitting diode or a field effect transistor, for example.

次に、本発明の基板の製造方法の一例を、図1を用いて説明する。   Next, an example of the manufacturing method of the board | substrate of this invention is demonstrated using FIG.

まず、図1(a)に示すように、窒素含有ガス中(好ましくは100atm(100×1.013×105Pa)以下の加圧雰囲気)において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方とIII族元素と窒素とを含む融解液中で、III族元素窒化物結晶を成長させ、III族元素窒化物結晶基板13を形成する。前記窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガスや、アンモニアガスの少なくとも一方を含む窒素含有ガスを使用できる。前記融解液は、例えば、材料を坩堝に投入して加熱することによって調製される。融解液を調製したのち、融解液を過飽和の状態とすることによってIII族元素窒化物結晶を成長させる。融解液の調製および結晶成長は、例えば、温度が700℃〜1100℃程度で、圧力が1atm(1×1.013×105Pa)〜50atm(50×1.013×105Pa)程度で行うことができる。得られたIII族元素窒化物結晶13の表面を、例えば、機械加工(研磨加工)とメカノケミカル研磨により、平坦化加工してもよく、研磨加工した基板に熱処理を施してもよい。 First, as shown in FIG. 1 (a), in a nitrogen-containing gas (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) or less), at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal A group III element nitride crystal is grown in a melt containing a group III element and nitrogen to form a group III element nitride crystal substrate 13. As the nitrogen-containing gas, for example, a nitrogen-containing gas containing at least one of nitrogen gas and ammonia gas can be used. The melt is prepared, for example, by putting a material into a crucible and heating. After preparing the melt, the group III element nitride crystal is grown by bringing the melt into a supersaturated state. Preparation of the melt and crystal growth are performed at a temperature of about 700 ° C. to 1100 ° C. and a pressure of about 1 atm (1 × 1.013 × 10 5 Pa) to 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa), for example. It can be carried out. The surface of the obtained group III element nitride crystal 13 may be planarized by, for example, machining (polishing) and mechanochemical polishing, or the polished substrate may be subjected to heat treatment.

そして、図1(b)に示すように、III族元素窒化物結晶基板13に、例えば、80℃に加熱した塩酸液中で0.5時間熱処理を施すことが好ましい(同図において、熱処理部分の一例を15で示す)。これは、III族元素窒化物結晶基板13には、いくつかの貫通転位14が存在する場合があり、その部分に不純物が混入し、これらが拡散する場合があるが、この熱処理により、例えば、III族元素窒化物結晶基板13から金属ナトリウム等の不純物が拡散することを防止できる。また、塩酸以外の酸類と反応させて、安定な塩(例えば、不純物がNaであれば、NaBr等)を形成させてもよく、これをさらに、水洗または純水中で加熱処理することで除去してもよい。   Then, as shown in FIG. 1B, the group III element nitride crystal substrate 13 is preferably subjected to heat treatment in, for example, a hydrochloric acid solution heated to 80 ° C. for 0.5 hour (in FIG. An example is shown by 15). This is because there may be some threading dislocations 14 in the group III element nitride crystal substrate 13, and impurities may be mixed in the portion and these may diffuse, but by this heat treatment, for example, It is possible to prevent impurities such as metallic sodium from diffusing from the group III element nitride crystal substrate 13. Alternatively, it may be reacted with acids other than hydrochloric acid to form a stable salt (for example, NaBr if the impurity is Na), which is further removed by washing with water or heat treatment in pure water. May be.

また、別の熱処理条件としては、例えば、酸素ガス中で熱処理することで、不純物を酸化物に変化させて、より一層安定な化合物とし、さらに、水洗または純水中で加熱処理して除去してもよい。例えば、不純物が金属ナトリウムであれば、酸化ナトリウム(Na2O)となり、この化合物は、融点も高く、金属ナトリウムよりも安定な材料であるため、拡散が防止されるのである。同様に、硫黄を昇華させた雰囲気中で熱処理し、不純物を硫化物に変化させることもできる。例えば、不純物が金属ナトリウムであれば、硫化ナトリウム(Na2S)に変化させることができる。この場合も、水洗または純水中で加熱処理することで、反応させて除去してもよい。 Further, as another heat treatment condition, for example, the heat treatment is performed in oxygen gas to change the impurities into oxides to make the compound more stable, and further, it is removed by washing with water or heat treatment in pure water. May be. For example, if the impurity is metallic sodium, it becomes sodium oxide (Na 2 O), and since this compound has a high melting point and is a more stable material than metallic sodium, diffusion is prevented. Similarly, heat treatment can be performed in an atmosphere in which sulfur is sublimated to change the impurities into sulfides. For example, if the impurity is metallic sodium, it can be changed to sodium sulfide (Na 2 S). Also in this case, it may be removed by reaction by washing with water or heat treatment in pure water.

このような熱処理を施すことにより、基板から不純物が拡散することを低減できるため、得られた基板上に作製した半導体デバイスは、不純物の拡散を低減でき、リーク電流などの特性劣化を防止することができる。   By performing such a heat treatment, it is possible to reduce the diffusion of impurities from the substrate, so that the semiconductor device fabricated on the obtained substrate can reduce the diffusion of impurities and prevent deterioration of characteristics such as leakage current. Can do.

次に、本発明の半導体デバイスの製造方法の一例を、図2を用いて説明する。   Next, an example of the semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、図2(a)に示すように、サファイア基板等の支持基板11上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表されるシード層12を形成する。シード層12は、種結晶となり、例えば、GaNや、AluGa1-uN(ただし、0≦u≦1)等で表される結晶であることが好ましい。シード層12は、例えば、MOCVD法、MBE法、HVPE法などにより形成できる。なお、支持基板11とシード層12との間に他の半導体層を含んでもよい。 First, as shown in FIG. 2A, a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v ≦ 1) is formed on a support substrate 11 such as a sapphire substrate. ) Is formed. The seed layer 12 is a seed crystal, and is preferably a crystal represented by, for example, GaN or Al u Ga 1-u N (where 0 ≦ u ≦ 1). The seed layer 12 can be formed by, for example, the MOCVD method, the MBE method, the HVPE method, or the like. Note that another semiconductor layer may be included between the support substrate 11 and the seed layer 12.

次に、図2(b)に示すように、窒素含有ガス中(好ましくは100atm(100×1.013×105Pa)以下の加圧雰囲気)において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方とIII族元素と窒素とを含む融解液にシード層12を接触させ、シード層12上にLPE−GaN13aを成長させる。この場合、支持基板11、シード層12およびLPE−GaN13aを含めてIII族元素窒化物結晶基板13とする。なお、LPE−GaN13aを形成後、前記支持基板11を除去してもよく、除去することにより、LPE−GaN13aの歪みを緩和できる。除去方法としては、例えば、レーザリフトオフ法、研削加工、研磨加工等があげられる。 Next, as shown in FIG. 2B, at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal in a nitrogen-containing gas (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) or less). Then, the seed layer 12 is brought into contact with a melt containing group III element and nitrogen, and LPE-GaN 13a is grown on the seed layer 12. In this case, the group III element nitride crystal substrate 13 including the support substrate 11, the seed layer 12, and the LPE-GaN 13a is used. Note that the support substrate 11 may be removed after the formation of the LPE-GaN 13a, and the strain of the LPE-GaN 13a can be relaxed by removing the support substrate 11. Examples of the removal method include a laser lift-off method, a grinding process, and a polishing process.

次に、図2(c)に示すように、LPE−GaN13aに、前述と同様にして熱処理を施す(熱処理部分を15で示す)。   Next, as shown in FIG. 2C, the LPE-GaN 13a is heat-treated in the same manner as described above (the heat-treated portion is indicated by 15).

そして、図2(d)のように、LPE−GaN13a上に、例えば、MOCVD法によりGaN層16やAlGaN層17を形成することにより、半導体レーザ、発光ダイオードや高周波デバイスなどのデバイス構造を形成することで、信頼性の高い半導体デバイスを実現できる。   Then, as shown in FIG. 2D, a device structure such as a semiconductor laser, a light-emitting diode, or a high-frequency device is formed on the LPE-GaN 13a by, for example, forming the GaN layer 16 or the AlGaN layer 17 by MOCVD. Thus, a highly reliable semiconductor device can be realized.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例ではGaN結晶を用いたIII族元素窒化物半導体デバイスの作製について説明するが、例えば、AlxGa1-xNやAlN等の組成式AlxGayIn1-x-yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表されるIII族元素窒化物結晶も同様の方法によって形成できる。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In the following examples, the fabrication of a group III element nitride semiconductor device using a GaN crystal will be described. For example, the composition formula Al x Ga y In 1 -xy N such as Al x Ga 1-x N or AlN is used. A group III element nitride crystal represented by (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) can also be formed by a similar method.

まず、図3(a)のように、サファイアからなる支持基板21の温度を約1020℃〜1100℃になるように加熱したのち、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを基板上に供給することによって、GaNからなる半導体シード層22を形成した。 First, as shown in FIG. 3A, the temperature of the support substrate 21 made of sapphire is heated to about 1020 ° C. to 1100 ° C., and then trimethylgallium (TMG) and NH 3 are supplied onto the substrate. Thus, a semiconductor seed layer 22 made of GaN was formed.

次に、フォトリソグラフィーによって、半導体シード層22の表面上にレジストパターンを形成した後、図3(b)に示すように、Cl2ガスを用いたドライエッチングによって、半導体シード層22をパターン処理した。前記ドライエッチングは、誘導結合型の反応性ドライエッチング(RIE)装置を用いて行うことができる。 Next, after forming a resist pattern on the surface of the semiconductor seed layer 22 by photolithography, the semiconductor seed layer 22 is patterned by dry etching using Cl 2 gas as shown in FIG. 3B. . The dry etching can be performed using an inductively coupled reactive dry etching (RIE) apparatus.

次に、レジストパターンを除去した後、窒素雰囲気下(好ましくは100atm(100×1.013×105Pa)以下の加圧雰囲気下)において、GaとNaと窒素とを含む融解液に、半導体シード層22の表面を接触させ、融解液を過飽和状態で維持することによって、図3(c)に示すように、半導体シード層22上に選択的にLPE−GaN23aを成長させた。この場合、支持基板21、半導体シード層22およびLPE−GaN23aを含めてIII族元素窒化物結晶基板23とする。なお、III族元素窒化物結晶を成長させる際に、半導体シード層22の側面および支持基板21面に、マスクを形成しておいてもよい。 Next, after removing the resist pattern, in a nitrogen atmosphere (preferably under a pressurized atmosphere of 100 atm (100 × 1.013 × 10 5 Pa) or less), a molten solution containing Ga, Na, and nitrogen is added to the semiconductor. By bringing the surface of the seed layer 22 into contact and maintaining the melt in a supersaturated state, LPE-GaN 23a was selectively grown on the semiconductor seed layer 22 as shown in FIG. In this case, the group III element nitride crystal substrate 23 including the support substrate 21, the semiconductor seed layer 22, and the LPE-GaN 23a is used. Note that a mask may be formed on the side surface of the semiconductor seed layer 22 and the surface of the support substrate 21 when the group III element nitride crystal is grown.

図4に融解液を用いたIII族元素窒化物結晶の作製に使用する揺動型LPE装置の一例を示す。この揺動型LPE装置300は、ステンレス製の育成炉301を備え、50atm(50×1.013×105Pa)の気圧に耐えられるようになっている。育成炉301には、加熱用のヒータ302および熱電対303が配置されている。坩堝固定台304は育成炉301内に配置されており、これには、回転軸305を中心に回転する機構が取り付けられている。坩堝固定台304内には、窒化ホウ素(BN)またはアルミナ(Al23)からなる坩堝306が固定されている。坩堝306内には、融解液307および種結晶308が配置される。坩堝固定台304が回転することにより、坩堝306内の融解液が左右に移動し、これにより、融解液を攪拌できる。雰囲気圧力は、流量調整器309によって調整される。原料ガスである窒素ガス、またはアンモニアガス(NH3ガス)と窒素ガスとの混合ガスは、原料ガスタンク(図示せず)から供給され、ガス精製部によって不純物が除去されたのちに育成炉301内に送られる。 FIG. 4 shows an example of an oscillating LPE apparatus used for producing a group III element nitride crystal using a melt. The oscillating LPE apparatus 300 includes a stainless steel growth furnace 301 and can withstand an atmospheric pressure of 50 atm (50 × 1.013 × 10 5 Pa). The growth furnace 301 is provided with a heater 302 and a thermocouple 303 for heating. The crucible fixing base 304 is disposed in the growth furnace 301, and a mechanism that rotates about the rotation shaft 305 is attached thereto. A crucible 306 made of boron nitride (BN) or alumina (Al 2 O 3 ) is fixed in the crucible fixing base 304. In the crucible 306, a melt 307 and a seed crystal 308 are disposed. As the crucible fixing base 304 rotates, the molten liquid in the crucible 306 moves to the left and right, and thereby the molten liquid can be stirred. The atmospheric pressure is adjusted by the flow rate adjuster 309. Nitrogen gas, which is a raw material gas, or a mixed gas of ammonia gas (NH 3 gas) and nitrogen gas is supplied from a raw material gas tank (not shown), and after impurities are removed by a gas purification unit, the inside of the growth furnace 301 Sent to.

以下、この装置を用いた結晶成長の一例について説明する。   Hereinafter, an example of crystal growth using this apparatus will be described.

(1)まず、GaとフラックスであるNaとを、所定の量だけ秤量し、坩堝内にセットする。Gaには、純度が99.9999%(シックスナイン)以上のものを用い、Naは、精製したNaを用いることが好ましい。He(N2、Ar、Ne、Xeなどでもよい)置換したグローブボックス内でNaを加熱して融解し、表面層に現れる酸化物などを除去することによってNaを精製できる。ゾーンリファイニング法によってNaを精製してもよい。ゾーンリファイニング法では、チューブ内でNaの融解と固化とを繰り返すことによって、不純物を析出させ、それを除去することによってNaの純度を上げることができる。 (1) First, Ga and Na which is a flux are weighed by a predetermined amount and set in a crucible. Ga having a purity of 99.9999% (six nines) or more is preferably used, and purified Na is preferably used. Na can be purified by heating and melting Na in a substituted glove box (which may be N 2 , Ar, Ne, Xe, etc.) to remove oxides and the like appearing on the surface layer. Na may be purified by a zone refining method. In the zone refining method, impurities are precipitated by repeating melting and solidification of Na in a tube, and the purity of Na can be increased by removing it.

(2)次に、坩堝内の原材料を融解するため、電気炉内の温度を800℃まで上昇させる。この段階では、図示するように、種結晶基板は融解液中には存在しない。GaおよびNaをかき混ぜるため、種結晶基板上に融解液が付着しない程度に、坩堝を揺動させる。GaNの酸化を防止するため、雰囲気ガスとしては、例えば、窒素ガスを用いることが好ましい。   (2) Next, in order to melt the raw material in the crucible, the temperature in the electric furnace is raised to 800 ° C. At this stage, as shown, the seed crystal substrate is not present in the melt. In order to mix Ga and Na, the crucible is swung so that the melt does not adhere to the seed crystal substrate. In order to prevent GaN oxidation, for example, nitrogen gas is preferably used as the atmospheric gas.

(3)次に、回転軸を中心に坩堝を回転させることにより種結晶基板を融解液中に入れ、結晶育成を開始させる。   (3) Next, the seed crystal substrate is placed in the melt by rotating the crucible around the rotation axis, and crystal growth is started.

(4)結晶育成中は、融解液を攪拌させるため、1分間に1周期のスピードで坩堝を揺動させる。ただし、育成中は種結晶基板は融解液中に存在させ、坩堝を800℃に保持し、圧力を40atm(40×1.013×105Pa)に保持し、例えば、10時間LPE成長を行う。 (4) During crystal growth, the crucible is swung at a speed of one cycle per minute in order to stir the melt. However, during the growth, the seed crystal substrate is present in the melt, the crucible is kept at 800 ° C., the pressure is kept at 40 atm (40 × 1.013 × 10 5 Pa), and, for example, LPE growth is performed for 10 hours. .

(5)育成終了後は、図示するように坩堝を回転させ、融解液中から基板を取り出し、融解液温度を降下させる。   (5) After the growth is completed, the crucible is rotated as shown in the figure, the substrate is taken out of the melt, and the melt temperature is lowered.

この方法によれば、Naのみならず、Li、K、Ca、Sr、Baフラックス、またはアルカリ金属とアルカリ土類金属との混合フラックスを用いても、同様の効果が得られる。例えば、NaとCaとの混合フラックスでは、Caを10%程度混入することで、より低圧での結晶育成が可能となる。   According to this method, not only Na but also Li, K, Ca, Sr, Ba flux, or mixed flux of alkali metal and alkaline earth metal can be used to obtain the same effect. For example, in a mixed flux of Na and Ca, it is possible to grow crystals at a lower pressure by mixing about 10% of Ca.

結晶成長後、図3(d)に示すように、支持基板21およびシード層22を除去してLPE−GaN23aを得た。このように支持基板等を除去することにより、LPE−GaN23a内の歪みを緩和できた。得られたLPE−GaN23a中には、前述のように、半導体シード層22から基板表面に向かって貫通転位24が観測され、ラテラル成長したGaN結晶同士がぶつかる部分にも転位が観測された。SIMSにより不純物分析を行ったところ、貫通転位24領域には、例えば、ナトリウムなどの不純物が多く存在した。   After the crystal growth, as shown in FIG. 3D, the support substrate 21 and the seed layer 22 were removed to obtain LPE-GaN 23a. By removing the support substrate and the like in this manner, the strain in the LPE-GaN 23a could be relaxed. In the obtained LPE-GaN 23a, as described above, threading dislocations 24 were observed from the semiconductor seed layer 22 toward the substrate surface, and dislocations were also observed in a portion where the laterally grown GaN crystals collide with each other. When impurity analysis was performed by SIMS, there were many impurities such as sodium in the threading dislocation 24 region.

得られたLPE−GaN23aをスライス加工や研削加工により、円形のウェハ状に加工し、ウェハの両面をダイヤモンドポリッシュやメカノケミカル研磨などを施すことにより鏡面に加工した。   The obtained LPE-GaN 23a was processed into a circular wafer by slicing and grinding, and both surfaces of the wafer were processed into mirror surfaces by diamond polishing or mechanochemical polishing.

次に、図3(e)に示すように、水蒸気を充填した電気炉内で、500℃で0.5時間LPE−GaN23aに熱処理を施すことにより、基板表面部分(例えば、10μm近傍)の、例えば、アルカリ金属等の不純物を無機化合物化した。その後、洗浄処理を施し、乾燥させることにより、基板表面のナトリウム等の不純物濃度が低減されたIII族元素窒化物結晶基板が得られた。電気炉内の雰囲気としては、水蒸気以外に塩素ガス(HCl)、酸素ガス、硫化物ガス(H2S)などを用いることができる。酸素ガス中で熱処理することで、金属ナトリウムは酸化ナトリウムに変化させることができる。酸化ナトリウム(Na2O)は、水洗または純水中で加熱処理し、反応させて除去することができる。同様に、硫黄を昇華させた雰囲気中で熱処理し、硫化ナトリウム(Na2S)に変化させることもできる
そして、図3(f)に示すように、例えば、MOCVD法によりGaN層26およびAlGaN層27を形成することにより本発明の半導体デバイスを作製することができる。アルカリ金属フラックス法により作製されたGaN基板に、このような熱処理を施すことにより、半導体レーザや発光ダイオードの発光部や、FETトランジスタの各電極部へのアルカリ金属などの拡散を防止できるため、デバイスの特性を向上することができる。
Next, as shown in FIG. 3 (e), by subjecting the LPE-GaN 23a to heat treatment at 500 ° C. for 0.5 hours in an electric furnace filled with water vapor, the substrate surface portion (for example, around 10 μm), For example, impurities such as alkali metals were converted into inorganic compounds. Thereafter, the substrate was subjected to a cleaning treatment and dried to obtain a group III element nitride crystal substrate in which the concentration of impurities such as sodium on the substrate surface was reduced. As an atmosphere in the electric furnace, chlorine gas (HCl), oxygen gas, sulfide gas (H 2 S), or the like can be used in addition to water vapor. Metal heat can be changed to sodium oxide by heat treatment in oxygen gas. Sodium oxide (Na 2 O) can be removed by washing with water or heat treatment in pure water to cause a reaction. Similarly, heat treatment can be performed in an atmosphere in which sulfur is sublimated to change to sodium sulfide (Na 2 S). As shown in FIG. 3F, for example, the GaN layer 26 and the AlGaN layer are formed by MOCVD. By forming 27, the semiconductor device of the present invention can be manufactured. By applying such heat treatment to a GaN substrate produced by the alkali metal flux method, diffusion of alkali metal to the light emitting part of a semiconductor laser or a light emitting diode or each electrode part of an FET transistor can be prevented. The characteristics can be improved.

前述のようにして得られるIII族元素窒化物結晶基板上にIII族元素窒化物結晶層を形成することにより、電界効果トランジスタを作製する方法について図5に基づき説明する。III族元素窒化物結晶基板43は、電気抵抗が、例えば、1010Ω以上で絶縁体に近い特性を示した。このLPE−GaN43aに熱処理を施し、その後、MOCVD法によってGaN層46とAlGaN層47とを形成した。さらに、この上にソース電極48、ショットキーゲート電極49およびドレイン電極50を形成した。ゲート電極49へ電圧を印加することによって、GaN層46とAlGaN層47との界面に形成される2次元電子ガス濃度を制御し、トランジスタとしての動作を行わせる。 A method for producing a field effect transistor by forming a group III element nitride crystal layer on a group III element nitride crystal substrate obtained as described above will be described with reference to FIG. The group III element nitride crystal substrate 43 exhibited an electrical resistance close to that of an insulator with an electric resistance of, for example, 10 10 Ω or more. The LPE-GaN 43a was heat-treated, and then a GaN layer 46 and an AlGaN layer 47 were formed by MOCVD. Further, a source electrode 48, a Schottky gate electrode 49, and a drain electrode 50 were formed thereon. By applying a voltage to the gate electrode 49, the concentration of the two-dimensional electron gas formed at the interface between the GaN layer 46 and the AlGaN layer 47 is controlled, and the operation as a transistor is performed.

本発明の方法によりえられる電界効果トランジスタは、土台となる基板43に熱処理を施しているため、絶縁性も高く、トランジスタ動作時のリーク電流を低減することができ、高周波特性の優れた電界効果トランジスタを実現できる。   Since the field effect transistor obtained by the method of the present invention is heat-treated on the base substrate 43, the field effect transistor has high insulation, can reduce leakage current during transistor operation, and has excellent high frequency characteristics. A transistor can be realized.

以上、半導体シード層が形成された基板を用いてGaN結晶をLPE成長させたGaN基板について説明したが、GaN結晶をシードとして大型バルク成長させた結晶をスライス加工して得られたGaN基板を使用してもよい。このように成長させた結晶は、選択的に成長していないため、ランダムに発生する転位部分などにアルカリ金属やアルカリ土類金属等の不純物を含むおそれがあるため、基板全体に熱処理を施すことにより、不純物の拡散を防止できる。   As described above, the GaN substrate obtained by LPE growth of the GaN crystal using the substrate on which the semiconductor seed layer is formed has been described. However, the GaN substrate obtained by slicing the crystal obtained by growing the bulk bulk using the GaN crystal as a seed is used May be. Since the crystals grown in this way are not selectively grown, there is a possibility that impurities such as alkali metals or alkaline earth metals may be included in randomly generated dislocations, etc. Thus, diffusion of impurities can be prevented.

図6(a)に示すように、ナトリウムをフラックスとして液相成長により作製したGaN基板上にエピ成長させ、レーザ構造を加工し、電極を形成した半導体レーザのウェハ81を作製した。これを、図6(b)に示すように、バーに加工した。なお、同図において、LPE−GaN基板82上に、デバイス構造83を形成し、さらに電極84を形成してもよい。次に、図6(c)に示すように、発光部の端面をコーティングしたバーをチップ化した。このようなバーやチップ状の半導体デバイスを、水蒸気を充填した電気炉内で熱処理(500℃)し、その後、水洗または純水中で加熱処理した。これにより、基板中に含まれている不純物の拡散を防止できた。   As shown in FIG. 6 (a), a semiconductor laser wafer 81 in which an electrode was formed by epitaxial growth on a GaN substrate produced by liquid phase growth using sodium as a flux to process the laser structure was produced. This was processed into a bar as shown in FIG. In the figure, the device structure 83 may be formed on the LPE-GaN substrate 82, and the electrode 84 may be further formed. Next, as shown in FIG.6 (c), the bar which coated the end surface of the light emission part was chip-ized. Such a bar or chip-like semiconductor device was heat-treated (500 ° C.) in an electric furnace filled with water vapor, and then heat-treated in water or pure water. Thereby, the diffusion of impurities contained in the substrate could be prevented.

本発明によれば、液相成長により形成したIII族元素窒化物基板中に、例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属等の不純物が混入していても、熱処理工程によりこれらを無機化合物化するため、その拡散を防止できる、安定したデバイス作製が実現できるのである。したがって、本発明の製造方法は、例えば、レーザダイオード、発光ダイオード、電界効果トランジスタ等の様々な半導体装置に適用可能である。   According to the present invention, even if impurities such as alkali metals and alkaline earth metals are mixed in the group III element nitride substrate formed by liquid phase growth, these are converted into inorganic compounds by a heat treatment step. Therefore, stable device fabrication that can prevent the diffusion can be realized. Therefore, the manufacturing method of the present invention can be applied to various semiconductor devices such as laser diodes, light emitting diodes, and field effect transistors.

図1(a)〜(b)は、本発明の基板の製造方法の一例を示す断面図である。1A to 1B are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a substrate according to the present invention. 図2(a)〜(d)は、本発明の半導体デバイスの製造方法の一例を示す工程図である。2A to 2D are process diagrams showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 図3(a)〜(e)は、本発明の半導体デバイスの製造方法のその他の例を示す工程図である。3A to 3E are process diagrams showing another example of the semiconductor device manufacturing method of the present invention. 図4は、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いられる製造装置の一例の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of an example of a manufacturing apparatus used in the semiconductor device manufacturing method of the present invention. 図5は、本発明の半導体デバイスのその他の例の構成を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of another example of the semiconductor device of the present invention. 図6(a)〜(c)は、本発明の半導体デバイスの製造方法のさらにその他の例を示す工程図である。6A to 6C are process diagrams showing still another example of the semiconductor device manufacturing method of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 21 41 支持基板
12 22 42 シード層
13a 23a LPE−GaN
13 23 43 III族元素窒化物結晶基板
14 24 44 貫通転位
15 25 45 熱処理領域
16 26 46 GaN層
17 27 47 AlGaN層
48 ソース電極
49 ショットキーゲート電極
50 ドレイン電極
81 ウェハ
82 LPE−GaN基板
83 デバイス構造
84 電極
85 分割面
86 発光面
300 揺動型LPE装置
301 育成炉
302 ヒータ
303 熱電対
304 坩堝固定台
305 回転軸
306 坩堝
307 融解液
308 種結晶
309 流量調節器
310 原料ガス
11 21 41 Support substrate 12 22 42 Seed layer 13a 23a LPE-GaN
13 23 43 Group III element nitride crystal substrate 14 24 44 Threading dislocation 15 25 45 Heat treatment region 16 26 46 GaN layer 17 27 47 AlGaN layer 48 Source electrode 49 Schottky gate electrode 50 Drain electrode 81 Wafer 82 LPE-GaN substrate 83 Device Structure 84 Electrode 85 Dividing surface 86 Light emitting surface 300 Oscillating LPE device 301 Growth furnace 302 Heater 303 Thermocouple 304 Crucible fixing base 305 Rotating shaft 306 Crucible 307 Melting liquid 308 Seed crystal 309 Flow rate regulator 310 Source gas

Claims (16)

III族元素窒化物結晶基板の製造方法であって、下記(a)の基板形成工程および(b)の熱処理工程を有する製造方法。
(a)アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融解液(フラックス)中において、窒素含有ガスの窒素とIII族元素とを反応させて結晶化させ、III族元素窒化物結晶基板を形成する基板形成工程。
(b)前記(a)の基板形成工程により得られた基板中に存在する不純物を熱処理により無機化合物化する熱処理工程。
A method for producing a group III element nitride crystal substrate, comprising the following (a) substrate forming step and (b) heat treatment step.
(A) In a melt (flux) containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, nitrogen of the nitrogen-containing gas is reacted with a group III element to crystallize to form a group III element nitride crystal substrate Substrate forming step.
(B) A heat treatment step in which impurities present in the substrate obtained by the substrate formation step of (a) are converted into an inorganic compound by heat treatment.
前記(b)の熱処理工程の熱処理が、塩素、硫黄、酸素および臭素からなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む溶液若しくは雰囲気中で実施される請求項1に記載の基板の製造方法。   The substrate manufacturing method according to claim 1, wherein the heat treatment in the heat treatment step (b) is performed in a solution or atmosphere containing at least one element selected from the group consisting of chlorine, sulfur, oxygen, and bromine. 前記(b)の熱処理工程の熱処理が、酸性溶液中、酸素雰囲気中、水蒸気雰囲気中、水中、硫化物含有ガス中および塩素ガス雰囲気中からなる群から選択される少なくとも1つの環境中で実施される請求項1に記載の基板の製造方法。   The heat treatment in the heat treatment step (b) is performed in at least one environment selected from the group consisting of an acidic solution, an oxygen atmosphere, a water vapor atmosphere, water, a sulfide-containing gas, and a chlorine gas atmosphere. The method for manufacturing a substrate according to claim 1. 前記酸性溶液が、塩酸液、臭素酸液、硫酸液および硝酸液からなる群から選択される少なくとも1つである請求項3に記載の基板の製造方法。   The method for producing a substrate according to claim 3, wherein the acidic solution is at least one selected from the group consisting of a hydrochloric acid solution, a bromic acid solution, a sulfuric acid solution, and a nitric acid solution. 前記硫化物含有ガスが、硫黄を昇華させた雰囲気および硫化水素ガスの少なくとも一方である請求項3に記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 3, wherein the sulfide-containing gas is at least one of an atmosphere in which sulfur is sublimated and a hydrogen sulfide gas. 前記(a)の基板形成工程により得られた基板中に貫通転位部位および格子欠陥部位の少なくとも一方が存在し、前記部位に前記不純物が存在する請求項1から5のいずれかに記載の基板の製造方法。   The substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of a threading dislocation site and a lattice defect site is present in the substrate obtained by the substrate forming step (a), and the impurity is present in the site. Production method. 前記不純物が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方である請求項1から6のいずれかに記載の基板の製造方法。   The substrate manufacturing method according to claim 1, wherein the impurity is at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. 前記不純物が、Na、Li、CaおよびMgからなる群から選択される少なくとも1つである請求項1から6のいずれかに記載の基板の製造方法。   The substrate manufacturing method according to claim 1, wherein the impurity is at least one selected from the group consisting of Na, Li, Ca, and Mg. 前記(b)の熱処理工程の後、さらに、下記(c)の洗浄工程を有する請求項1から8のいずれかに記載の基板の製造方法。
(c)前記(b)の熱処理工程において熱処理を施した基板に洗浄処理を施す洗浄工程。
The method for manufacturing a substrate according to claim 1, further comprising a cleaning step (c) below after the heat treatment step (b).
(C) A cleaning step of cleaning the substrate that has been subjected to the heat treatment in the heat treatment step of (b).
前記融解液中のアルカリ金属が、Na、Li、K、Rb、CsおよびFrからなる群から選択される少なくとも1つである請求項1から9のいずれかに記載の基板の製造方法。   The method for producing a substrate according to claim 1, wherein the alkali metal in the melt is at least one selected from the group consisting of Na, Li, K, Rb, Cs, and Fr. 前記融解液が、Na、Li、CaおよびMgからなる群から選択される少なくとも1つを含む請求項1から9のいずれかに記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the melt includes at least one selected from the group consisting of Na, Li, Ca, and Mg. 前記III族元素がGa、AlおよびInからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記基板がAluGavIn1-u-vN(ただし0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)で表されるIII族元素窒化物基板である請求項1から11のいずれかに記載の基板の製造方法。 The Group III element is at least one selected from the group consisting of Ga, Al and In, and the substrate is Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v The method for producing a substrate according to claim 1, wherein the substrate is a group III element nitride substrate represented by ≦ 1). 前記III族元素がGaであり、前記基板がGaN基板である請求項1から11のいずれかに記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the group III element is Ga, and the substrate is a GaN substrate. 前記融解液がNaおよびLiの少なくとも一方を含み、前記基板がGaN基板である請求項1から9のいずれかに記載の基板の製造方法。   The method for producing a substrate according to claim 1, wherein the melt contains at least one of Na and Li, and the substrate is a GaN substrate. 前記融解液がLi、NaおよびSnからなる群から選択される1つと、Caとを含み、前記基板がAlN基板である請求項1から9のいずれかに記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the melt includes one selected from the group consisting of Li, Na, and Sn and Ca, and the substrate is an AlN substrate. III族元素窒化物結晶基板上にIII族元素窒化物結晶層が積層されたIII族元素窒化物半導体デバイスの製造方法であって、下記(d)の基板形成工程、(e)の結晶層形成工程および(f)の熱処理工程を有する製造方法。
(d)アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む融解液(フラックス)中において、窒素含有ガスの窒素とIII族元素とを反応させて結晶化させ、III族元素窒化物結晶基板を形成する基板形成工程。
(e)前記(d)の基板形成工程で得られた前記基板上に、III族元素窒化物結晶層を形成する結晶層形成工程。
(f)前記(d)の基板形成工程により得られた基板中に存在する不純物を熱処理により無機化合物化する熱処理工程。
A method of manufacturing a group III element nitride semiconductor device in which a group III element nitride crystal layer is laminated on a group III element nitride crystal substrate, the substrate forming step of (d) below, crystal layer formation of (e) The manufacturing method which has a heat treatment process of a process and (f).
(D) In a melt (flux) containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, nitrogen of the nitrogen-containing gas is reacted with a group III element to crystallize to form a group III element nitride crystal substrate Substrate forming step.
(E) A crystal layer forming step of forming a group III element nitride crystal layer on the substrate obtained in the substrate forming step of (d).
(F) A heat treatment step in which impurities existing in the substrate obtained by the substrate formation step of (d) are converted into an inorganic compound by heat treatment.
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