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JP5654910B2 - Zinc oxide substrate processing method - Google Patents
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JP5654910B2 - Zinc oxide substrate processing method - Google Patents

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Description

本発明は、酸化亜鉛(ZnO)基板の処理方法に関し、特に、結晶成長前に行われる基板処理方法に関する。   The present invention relates to a method for processing a zinc oxide (ZnO) substrate, and more particularly to a substrate processing method performed before crystal growth.

酸化亜鉛(ZnO)は、半導体発光素子に極めて適した物性を有し、青ないし紫外領域の光素子用の材料として期待されている。また、発光素子に限らず、受光素子、表面弾性波(SAW)デバイス、圧電素子等にも広く応用が可能である。さらに、原材料が安価であるとともに、環境や人体に無害であるという特徴を有している。   Zinc oxide (ZnO) has physical properties that are extremely suitable for semiconductor light emitting devices, and is expected as a material for optical devices in the blue or ultraviolet region. Further, the present invention can be widely applied not only to light emitting elements but also to light receiving elements, surface acoustic wave (SAW) devices, piezoelectric elements, and the like. In addition, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body.

一般に、ZnO基板上にZnO系半導体の結晶成長を行う際には、基板表面のダメージ層の除去や平坦化、残渣除去のため、基板エッチング等の基板前処理が行われる。例えば、特許文献1には、水熱合成法で形成したZnO基板を、EDTA・2Na(エチレンジアミン4酢酸2ナトリウム)とEDA(エチレンジアミン)の混合溶液をエッチング液として用いたエッチングについて開示されている。また、特許文献2には、蓚酸を含有する溶液で酸化亜鉛系材料をエッチングする第1の工程と、アルカリ性溶液を用いて、上記第1の工程におけるエッチング残渣を除去する第2の工程とを有するエッチング方法について開示されている。また、特許文献3には、基板表面の最終処理を、pH3以下の酸性ウェットエッチングで行い、Znの水酸化物の発生を防ぐことが開示されている。   In general, when a crystal growth of a ZnO-based semiconductor is performed on a ZnO substrate, substrate pretreatment such as substrate etching is performed to remove a damaged layer on the substrate surface, planarize, and remove a residue. For example, Patent Document 1 discloses etching using a mixed solution of EDTA · 2Na (ethylenediaminetetraacetic acid disodium) and EDA (ethylenediamine) as an etchant for a ZnO substrate formed by a hydrothermal synthesis method. Patent Document 2 discloses a first step of etching a zinc oxide-based material with a solution containing oxalic acid, and a second step of removing an etching residue in the first step using an alkaline solution. An etching method is disclosed. Patent Document 3 discloses that the final treatment of the substrate surface is performed by acidic wet etching at pH 3 or lower to prevent the generation of Zn hydroxide.

特開2007−1787公報JP 2007-1787 A 特開2010−67824号公報JP 2010-67824 A 国際公開WO2009/001919号公報International Publication WO2009 / 001919

コロイドと界面の化学 第二版、北原文雄、青木幸一郎 共訳/廣川書店Colloid and Interface Chemistry 2nd Edition, Fumio Kitahara, Koichiro Aoki Co-translation / Yodogawa Shoten

本発明は、ZnO単結晶基板が近年の基板製造技術の進歩により半導体素子製造用基板として高い品質に達していると考えられるものの、このような高品質のZnO基板を用いた場合であっても、結晶成長を行う際のエッチング等の基板前処理において、以下のような問題点を有しているという知見を得、かかる特有の問題を解決せんとしてなされたものである。   Although it is considered that the ZnO single crystal substrate has achieved high quality as a substrate for manufacturing semiconductor elements due to recent progress in substrate manufacturing technology, even when such a high quality ZnO substrate is used, The present inventors have obtained the knowledge that the following problems are present in substrate pretreatment such as etching when performing crystal growth, and have been made to solve such specific problems.

すなわち、従来の方法では、基板表面にSi(シリコン)が何らかの状態(亜鉛シリサイド、付着シリカ、埋没シリカ等)で残り、このような基板表面のSiがMgZnOなどのZnO系半導体成長層内に拡散・残留すること、また成長層の表面平坦性、モフォロジを劣化させるなど、結晶成長の阻害要因になるという知見を得、かかる問題を解決せんとしてなされたものである。   In other words, in the conventional method, Si (silicon) remains on the substrate surface in some state (zinc silicide, attached silica, buried silica, etc.), and Si on the substrate surface diffuses into a ZnO-based semiconductor growth layer such as MgZnO.・ It has been made as a solution to such a problem by obtaining the knowledge that it remains, and the surface flatness and morphology of the growth layer are deteriorated, thereby inhibiting the crystal growth.

本発明の目的は、亜鉛シリサイドやシリカなどが残留しないZnO基板の成長前処理方法を提供することにある。かかる前処理により、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積)法などの結晶成長において表面平坦性に優れ、Siの拡散のない高品質な結晶を得ることができる。   An object of the present invention is to provide a growth pretreatment method for a ZnO substrate in which zinc silicide, silica, and the like do not remain. By such pretreatment, it is possible to obtain high-quality crystals having excellent surface flatness and no Si diffusion in crystal growth such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

本発明は、Zn極性面を主面としたZnO単結晶の基板を、EDTAキレート化合物を含む溶液をエッチャントとして用いてエッチングするエッチング工程と、エッチングの次に、配位子を有する電解質溶液を洗浄液として用いて基板を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴としている。 The present invention, the cleaning liquid substrates ZnO single crystal with principal Zn polar surface, and an etching step of etching with a solution containing EDTA chelate compound as an etchant, etching then an electrolyte solution having a ligand And a cleaning process for cleaning the substrate.

評価用としてZnO基板上にZnO層及びMgxZn1-xO層の結晶成長を行ったウエハを示す断面図である。Is a sectional view showing a wafer subjected to crystal growth of the ZnO layer and Mg x Zn 1-x O layer on a ZnO substrate for evaluation. 実施例1による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)、SIMS深さ方向プロファイル(d)を示す図である。The evaluation results of the growth layer using the substrate according to Example 1, specifically, XRD2θ scan (a), (100) plane rocking curve (b), AFM image (c), SIMS depth direction profile (d) FIG. 実施例2による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the growth layer using the board | substrate by Example 2, specifically, XRD2 (theta) scan (a), (100) plane rocking curve (b), and AFM image (c). 実施例3による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the growth layer using the board | substrate by Example 3, specifically, XRD2 (theta) scan (a), (100) plane rocking curve (b), and AFM image (c). 実施例4による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the growth layer using the board | substrate by Example 4, specifically, XRD2 (theta) scan (a), (100) plane rocking curve (b), and AFM image (c). 実施例5による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the growth layer using the board | substrate by Example 5, specifically, XRD2 (theta) scan (a), (100) plane rocking curve (b), and AFM image (c). 比較例1による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)、SIMS深さ方向プロファイル(d)を示す図である。The evaluation result of the growth layer using the substrate according to Comparative Example 1, specifically, XRD2θ scan (a), (100) plane rocking curve (b), AFM image (c), SIMS depth direction profile (d) FIG. 比較例2による基板を用いた成長層の評価結果、具体的には、XRD2θスキャン(a)、(100)面ロッキングカーブ(b)、AFM像(c)を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the growth layer using the board | substrate by the comparative example 2, specifically, XRD2 (theta) scan (a), (100) plane rocking curve (b), and AFM image (c). 実施例1〜5及び比較例1,2による処理を行った基板を用いた成長層の評価結果をまとめて示す図である。It is a figure which shows collectively the evaluation result of the growth layer using the board | substrate which performed the process by Examples 1-5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. エッチング混合溶液と洗浄液の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an etching mixed solution and cleaning liquid.

以下においては、亜鉛シリサイドやシリカなどのSiを含む不純物が残留しないZnO基板の成長前処理方法について図面を参照して詳細に説明する。また、本実施形態に係る基板処理方法の特徴、構成及び効果を説明するための比較例についても詳述する。また、当該処理方法による処理を行った基板を用いて成長した結晶層の特性を説明するための比較例についても詳述する。   Hereinafter, a pre-growth processing method for a ZnO substrate in which impurities including Si such as zinc silicide and silica do not remain will be described in detail with reference to the drawings. Further, a comparative example for explaining the features, configuration, and effects of the substrate processing method according to the present embodiment will be described in detail. In addition, a comparative example for explaining the characteristics of the crystal layer grown using the substrate that has been processed by the processing method will be described in detail.

[MOCVD装置]
本実施形態及び比較例により処理を行った基板を用いて結晶成長を行い、その成長層について評価及び分析を行った。まず、結晶成長に用いたMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置の構成及び結晶成長材料について以下に説明する。
[MOCVD equipment]
Crystal growth was performed using the substrate processed according to this embodiment and the comparative example, and the growth layer was evaluated and analyzed. First, the structure of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus used for crystal growth and the crystal growth material will be described below.

用いたMOCVD装置は、ガス供給部、反応容器部及び排気部から構成されている。ガス供給部は、有機金属化合物材料を気化して供給する部分と、気体材料ガスを供給する部分と、これらのガスを輸送する配管を備えた輸送部とから構成されている。   The MOCVD apparatus used is composed of a gas supply unit, a reaction vessel unit, and an exhaust unit. The gas supply unit includes a portion for vaporizing and supplying the organometallic compound material, a portion for supplying a gaseous material gas, and a transport unit having a pipe for transporting these gases.

有機金属化合物材料ガスと気体材料ガスは、成長時にはそれぞれ第1ラン配管及び第2ラン配管を通して反応容器へキャリアガス(窒素)にて送気される。第1ラン配管及び第2ラン配管にはそれぞれ流量調整装置(マスフローコントローラ)が設置されており、所定の流量に調整されたキャリアガスにより、反応容器に取付けられたシャワーヘッドへ送気される。成長待機時には、有機金属材料ガス及び気体材料ガスは、それぞれ第1ベント配管及び第2ベント配管を通して排気される。   The organometallic compound material gas and the gaseous material gas are supplied as carrier gas (nitrogen) to the reaction vessel through the first run pipe and the second run pipe, respectively, at the time of growth. A flow rate adjusting device (mass flow controller) is installed in each of the first run pipe and the second run pipe, and the air is sent to the shower head attached to the reaction vessel by the carrier gas adjusted to a predetermined flow rate. When waiting for growth, the organometallic material gas and the gaseous material gas are exhausted through the first vent pipe and the second vent pipe, respectively.

反応容器部には、有機金属材料ガス及び材料ガスを基板に吹付けるシャワーヘッド、基板を保持するサセプタ、サセプタを加熱するヒーターが設けられている。基板は、ヒーターによって室温から1100℃程度まで加熱できる構造となっている。   The reaction vessel portion is provided with a showerhead that blows the organometallic material gas and the material gas onto the substrate, a susceptor that holds the substrate, and a heater that heats the susceptor. The substrate has a structure that can be heated from room temperature to about 1100 ° C. by a heater.

なお、本実施例における基板温度とは、基板を載置するサセプタの表面の温度を指している。すなわち、MOCVD法の場合、サセプタから基板への熱伝達は直接接触、およびサセプタと基板間に存在するガスにより行なわれる。本実施例で用いた成長圧力1kPa〜120kPa(Pa:パスカル)の間では、基板の表面温度はサセプタの表面温度より最大で10℃低い程度である。   Note that the substrate temperature in this embodiment refers to the temperature of the surface of the susceptor on which the substrate is placed. That is, in the case of the MOCVD method, heat transfer from the susceptor to the substrate is performed by direct contact and a gas existing between the susceptor and the substrate. Between the growth pressures of 1 kPa to 120 kPa (Pa: Pascal) used in this example, the surface temperature of the substrate is about 10 ° C. lower than the surface temperature of the susceptor.

また、反応容器内にはサセプタを回転させる回転機構が設けられている。より詳細には、サセプタはステージ上に回転自在に支持され、回転モータによって回転されるように構成されている。   A rotation mechanism for rotating the susceptor is provided in the reaction vessel. More specifically, the susceptor is rotatably supported on the stage and is configured to be rotated by a rotary motor.

排気部は、容器内圧力調整装置と排気ポンプで構成されており、容器内圧力調整装置にて反応容器内の圧力を0.01kPaないし120kPa程度まで調整できる構造となっている。   The exhaust part is composed of an in-container pressure adjusting device and an exhaust pump, and has a structure in which the pressure in the reaction container can be adjusted to about 0.01 kPa to 120 kPa by the in-container pressure adjusting device.

[結晶成長材料]
本実施例においては、有機金属化合物材料として、構成分子内に酸素を含まない材料を用いた。酸素を含まない有機金属材料は、水蒸気(酸素材料又は酸素源)との反応性が高く、低成長圧力、あるいは水蒸気と有機金属(MO)の流量比(FH2O/FMO比)又はVI/II比が低い領域においてもZnO系結晶の成長を可能とする。
[Crystal growth material]
In this example, a material that does not contain oxygen in the constituent molecules was used as the organometallic compound material. An organometallic material that does not contain oxygen is highly reactive with water vapor (oxygen material or oxygen source), and has a low growth pressure, or a flow rate ratio of water vapor to organometallic (MO) (F H2O / FMO ratio) or VI / ZnO-based crystals can be grown even in a region where the II ratio is low.

本実施例においては、II族原料として、DMZn(ジメチル亜鉛)、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いたが、DEZn(ジエチル亜鉛)、MeCp2Mg(ビスメチルペンタジエニルマグネシウム)、EtCp2Mg(ビスエチルペンタジエニルマグネシウム)。また、III族原料として、TMGa(トリメチルガリウム)、TEGa(トリエチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミニウム)、TEAl(トリエチルアルミニウム)、TIBA(トリイソブチルアルミニウム)などを利用することができる。   In this example, DMZn (dimethylzinc) and Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) were used as Group II materials, but DEZn (diethylzinc), MeCp2Mg (bismethylpentadienylmagnesium), EtCp2Mg (bismuth). Ethyl pentadienyl magnesium). Further, TMGa (trimethylgallium), TEGa (triethylgallium), TMAl (trimethylaluminum), TEAl (triethylaluminum), TIBA (triisobutylaluminum), or the like can be used as the group III material.

酸素材料(以下、酸素源という。)としては、極性酸素材料(極性酸素源)が適している。特に、HO(水蒸気)は、分子内に水素原子が結合した側と孤立電子対側でδ、δに大きく分極しており、酸化物結晶表面への吸着能力が優れている。 As the oxygen material (hereinafter referred to as oxygen source), a polar oxygen material (polar oxygen source) is suitable. In particular, H 2 O (water vapor) is greatly polarized to δ + and δ on the side where hydrogen atoms are bonded in the molecule and on the side of the lone pair, and has an excellent adsorption ability to the oxide crystal surface.

また、HO分子は、水素原子結合手と孤立電子対で4面体構造をとり、sp型混成軌道の閃亜鉛鉱構造(Zincblende/Cubic)、ウルツ鉱構造(Wurtzeite/Hexagonal)の酸化物結晶の成長では、優先的に酸素サイトに配向吸着する優れた酸素源である。他の酸素源として、同様に、双極子モーメントが大きくO原子がsp型混成軌道を取る低級アルコール類でも良い。すなわち、具体的には、酸素源として、HO(水蒸気)以外に、低級アルコール類、特に、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノールの炭素数が1〜5の低級アルコール類が利用できる。なお、本実施例にはHO(超純水:関東化学(株)製、規格:Ultrapur)を用いた。 The H 2 O molecule has a tetrahedral structure with a hydrogen atom bond and a lone pair, and an oxide of sp 3 -type hybrid orbital (Zincblende / Cubic) or wurtzite (Wurtzeite / Hexagonal). Crystal growth is an excellent oxygen source that is preferentially oriented and adsorbed to oxygen sites. Similarly, other oxygen sources may be lower alcohols having a large dipole moment and O atoms taking sp 3 type hybrid orbitals. Specifically, as an oxygen source, in addition to H 2 O (water vapor), lower alcohols, in particular, lower alcohols having 1 to 5 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, butanol and pentanol can be used. . In this example, H 2 O (ultra pure water: manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., standard: Ultrapur) was used.

キャリアガス(雰囲気ガス)としては、上記した結晶成長材料と反応しない不活性ガスが適している。また、HO(水蒸気)、TBP(ターシャリーブチルホスフィン)など結晶成長材料の基板表面への吸着を妨げないガスが良い。具体的には、キャリアガス及び雰囲気ガスとして、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、Xe(キセノン)またはN(窒素)などの不活性ガスを利用できる。本実施例においては、残留O濃度が1ppm未満のN(窒素)ガスをキャリアガスとして用いた。 As the carrier gas (atmosphere gas), an inert gas that does not react with the crystal growth material described above is suitable. A gas that does not hinder the adsorption of the crystal growth material to the substrate surface, such as H 2 O (water vapor) or TBP (tertiary butyl phosphine), is preferable. Specifically, an inert gas such as He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (xenon), or N 2 (nitrogen) can be used as the carrier gas and the atmospheric gas. . In this example, N 2 (nitrogen) gas having a residual O 2 concentration of less than 1 ppm was used as a carrier gas.

ZnO(酸化亜鉛)基板は、ウルツ鉱(ウルツァイト)構造の結晶で、代表的な基板切り出し面には、{0001}面であるc面、{11−20}面であるa面、{10−10}面であるm面、{10−12}面であるr面がある。また、c面には、Zn極性面(+c面)とO極性面(−c面)がある。   A ZnO (zinc oxide) substrate is a crystal having a wurtzite structure, and typical substrate cut-out surfaces include a c-plane that is a {0001} plane, an a-plane that is a {11-20} plane, {10- There are m-planes that are 10} planes and r-planes that are {10-12} planes. The c-plane includes a Zn polar plane (+ c plane) and an O polar plane (-c plane).

以下に説明する実施例及び比較例においては、水熱合成法(hydrothermal method)で製造されたインゴットより切出されたZnO単結晶基板を用いた。なお、高温熱処理(1000℃以上)等の処理により残留Li濃度を低減した基板を用いた。   In the examples and comparative examples described below, a ZnO single crystal substrate cut out from an ingot manufactured by a hydrothermal method was used. In addition, the board | substrate which reduced residual Li density | concentration by processes, such as high temperature heat processing (1000 degreeC or more), was used.

また、ZnO単結晶基板10として、基板主面(結晶成長面)がZn極性面(+c面)である基板(以下、c面ZnO単結晶基板ともいう。)が好ましい。下記実施例及び比較例においては、結晶成長面がZn極性面である基板を用いた。また、基板主面(結晶成長面)がa軸およびm軸の何れかに傾いた基板であることが好ましい。下記実施例及び比較例においては、具体的には、(0001)面が [10−10]方向に0.5°傾いた、いわゆる0.5°オフ基板(あるいは、c面がm軸方向に0.5°傾いた0.5°オフ基板)を用いた。なお、{ }は等価な面の代表値を示し、( )は固有の面を示す。例えば、{111}=(111),(−111),(1−11),(11−1)である。同様に、< >は等価な軸方位の代表値を示し、[ ]は固有の軸方位を示す。   The ZnO single crystal substrate 10 is preferably a substrate whose main surface (crystal growth surface) is a Zn polar surface (+ c plane) (hereinafter also referred to as a c-plane ZnO single crystal substrate). In the following examples and comparative examples, a substrate whose crystal growth surface is a Zn polar surface was used. Moreover, it is preferable that the substrate main surface (crystal growth surface) be inclined to either the a-axis or the m-axis. In the following examples and comparative examples, specifically, the so-called 0.5 ° off-substrate (or c-plane in the m-axis direction) in which the (0001) plane is inclined by 0.5 ° in the [10-10] direction. 0.5 ° off substrate tilted by 0.5 °) was used. Note that {} indicates an equivalent surface representative value, and () indicates a unique surface. For example, {111} = (111), (−111), (1-11), (11-1). Similarly, <> indicates a representative value of equivalent axial orientations, and [] indicates a unique axial orientation.

基板表面ダメージ層の厚みは、(100)ω測定のFWHM(full width at half maximum)値で選別できる。以下に説明する実施例および比較例においては、XRD(100)ωロッキングカーブのFWHMが40arcsec未満のZnO単結晶基板を用いた。   The thickness of the substrate surface damage layer can be selected by a FWHM (full width at half maximum) value measured by (100) Ω. In Examples and Comparative Examples described below, a ZnO single crystal substrate having an XRD (100) ω rocking curve FWHM of less than 40 arcsec was used.

[評価用結晶成長]
図1は、評価用として結晶成長を行ったウエハの断面図を示す。具体的には、ZnO基板10上にZnO層11とMgxZn1-xO層12を成長した。尚、以下に示す実施例及び比較例おいては、MgxZn1-xO層12としてMg0.2Zn0.8O(x=0.2)を成長したが、Mgの組成xは、0<x≦0.68であってもよい。
[Evaluation crystal growth]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a wafer on which crystal growth has been performed for evaluation. Specifically, a ZnO layer 11 and a Mg x Zn 1-x O layer 12 were grown on the ZnO substrate 10. In Examples and Comparative Examples shown below, Mg 0.2 Zn 0.8 O (x = 0.2) was grown as the Mg x Zn 1-x O layer 12, but the Mg composition x was 0 <x It may be ≦ 0.68.

より詳細には、反応容器内のサセプタにZnO基板10をセットし、10rpmで回転した。反応容器を閉じて、第1ラン配管および第2ラン配管から其々窒素ガスを2000cc/min (計4000cc/min)の流量で送気し、シャワーヘッドから基板10に吹き付けた。なお圧力は10kPaとした。   More specifically, the ZnO substrate 10 was set on the susceptor in the reaction vessel and rotated at 10 rpm. The reaction vessel was closed, nitrogen gas was supplied from the first run pipe and the second run pipe at a flow rate of 2000 cc / min (total 4000 cc / min), and sprayed onto the substrate 10 from the shower head. The pressure was 10 kPa.

第1ラン配管および第2ラン配管より供給するガス流量は、常に一定流量に保った。例えば、DMZnの気化ガスを100cc/minの流量で第1ラン配管に送気する場合には、第1ラン配管基部に設けた流量調節器の流量を1900cc/minに減少し、トータル2000cc/minとしてシャワーヘッドへ送気した。   The gas flow rate supplied from the first run pipe and the second run pipe was always kept constant. For example, when DMZ vaporized gas is fed to the first run pipe at a flow rate of 100 cc / min, the flow rate of the flow controller provided at the base of the first run pipe is reduced to 1900 cc / min, and a total of 2000 cc / min. Was fed to the shower head.

ZnO層11は、成長圧力80kPa、基板温度775℃とし、H2O(水蒸気)を800μmol/min、DMZnを10μmol/minの流量で供給し、100nmの層厚で成長した。Mg0.2Zn0.8O層(以下、単にMgZnO層ともいう。)12は、成長圧力5kPa、基板温度875℃とし、H2O(水蒸気)を800μmol/min、DMZnを30μmol/min、Cp2Mgを1.0μmol/minの流量で供給し、400〜800nmの層厚で成長した。 The ZnO layer 11 was grown at a layer thickness of 100 nm by supplying a growth pressure of 80 kPa and a substrate temperature of 775 ° C., supplying H 2 O (water vapor) at a flow rate of 800 μmol / min, and DMZn at a flow rate of 10 μmol / min. The Mg 0.2 Zn 0.8 O layer (hereinafter also simply referred to as MgZnO layer) 12 has a growth pressure of 5 kPa, a substrate temperature of 875 ° C., H 2 O (water vapor) of 800 μmol / min, DMZn of 30 μmol / min, and Cp 2 Mg of 1. It was supplied at a flow rate of 0 μmol / min and grown with a layer thickness of 400 to 800 nm.

[分析及び評価方法]
表面モフォロジは、AFM(Atomic Force Microscope)により評価を行った。結晶配向性及び欠陥・転位密度については、X線回折(XRD:X-Ray Diffractometer)で評価した。また、結晶中の不純物濃度については、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により評価した。
[Analysis and Evaluation Method]
The surface morphology was evaluated by AFM (Atomic Force Microscope). The crystal orientation and the defect / dislocation density were evaluated by X-ray diffraction (XRD). The impurity concentration in the crystal was evaluated by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

XRD分析は、CuのKα1線(X線)をプローブとし、測定対象より回折されるX線を測定する方法で、結晶の配列状態を評価できる。測定は2θ測定およびロッキングカーブ測定がある。c面ZnO単結晶基板上にZnO系結晶層を成長した場合は、c軸長を(002)2θ測定で評価した。基板に対する成長層の結晶配向性(チルティング、ツイスティングの程度)は(002)面、(100)面のロッキングカーブ測定の半値幅(FWHM:full width at half maximum)で評価した。具体的には、(002)面のロッキングカーブ測定でチルティング評価を行い、(100)面のロッキングカーブ測定でツイスティング評価を行った。但し、(002)面のロッキングカーブ測定は、成長膜が薄膜の場合、基板の回折強度が強く評価が困難になる。これに対し、(100)面のロッキングカーブ測定は、c軸を基準に89°で入射・回折させることで、薄膜(20nm程度)でも感度良く配向性を評価できる。チルティングが測定面側に傾斜している場合は(100)面ロッキングカーブでは評価できないが、他の面が傾斜していればツイスト成分が発生するので2/3の割合でチルティングも評価できる。従って、本発明においては、主に(100)面のロッキングカーブで評価を行った。なお、当然ではあるが、チルティング、ツイスティングの程度が大きければ、欠陥・転位密度が高いことになる。逆に小さければ欠陥・転位密度は低いことになる。   XRD analysis is a method of measuring X-rays diffracted from a measurement object using Cu Kα1 ray (X-ray) as a probe, and can evaluate the crystal arrangement state. The measurement includes 2θ measurement and rocking curve measurement. When a ZnO-based crystal layer was grown on a c-plane ZnO single crystal substrate, the c-axis length was evaluated by (002) 2θ measurement. The crystal orientation (degree of tilting and twisting) of the growth layer relative to the substrate was evaluated by the full width at half maximum (FWHM) of rocking curve measurement on the (002) plane and (100) plane. Specifically, tilting evaluation was performed by measuring the (002) plane rocking curve, and twisting evaluation was performed by measuring the (100) plane rocking curve. However, when the growth film is a thin film, the (002) plane rocking curve measurement is difficult to evaluate because the diffraction intensity of the substrate is strong. On the other hand, in the measurement of the rocking curve on the (100) plane, the orientation can be evaluated with high sensitivity even for a thin film (about 20 nm) by making it incident and diffracted at 89 ° with respect to the c-axis. When tilting is tilted toward the measurement surface, the (100) rocking curve cannot be used for evaluation, but when other surfaces are tilted, twist components are generated, so tilting can be evaluated at a rate of 2/3. . Therefore, in the present invention, the evaluation was performed mainly with the rocking curve of the (100) plane. As a matter of course, if the degree of tilting and twisting is large, the defect / dislocation density is high. Conversely, if it is small, the defect / dislocation density is low.

本実施例においては、EDTA・2Na(エチレンジアミン4酢酸2ナトリウム)とEDA(エチレンジアミン)との混合溶液をエッチング液として用いて基板10の成長前処理を行った。   In this example, the substrate 10 was subjected to pre-growth treatment using a mixed solution of EDTA · 2Na (ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt) and EDA (ethylenediamine) as an etching solution.

より詳細には、EDTA・2Na(エチレンジアミン4酢酸2ナトリウム・2水和物、化学式:C1014Na・2HO)の0.2mol/l溶液と、EDA(エチレンジアミン(無水)、化学式:C)との混合溶液を用いた。処理の手順は以下の通りであった。
(i) ZnO基板10の裏面(−c面、酸素極性面)に保護シートを貼る。
(ii) EDTA・2Na:EDA=10:1の体積比で混液し、15分撹拌する。
(iii) ZnO基板10を(ii)の混合溶液の中に入れ、2時間エッチングする。なお、このときエッチングレートは、0.7μm/hである。また、エッチング時間はダメージ層の厚みで決める。
(iv) (ii)の混合溶液:純水=1:10000の体積比で希釈して洗浄溶液を作る。
(v) (iii)のエッチング終了後、(iv)の溶液中にZnO基板10を入れ、洗浄する。同時に、(i)の保護シートを剥がす。
(vi) アセトン中にZnO基板10を入れ、超音波洗浄機に5分かける。アセトンは脱水の目的で使用する。超音波は、気泡が発生する強さとした。
(vii) アセトンを入れ替え、(vi)と同じ工程をもう一度繰り返す。
(viii) 予め加熱したIPA(イソプロピルアルコール)中にZnO基板10を入れ、IPA蒸気中でZnO基板を引き上げる。
And more particularly, EDTA-2Na (disodium ethylenediaminetetraacetate dihydrate, the chemical formula: C 10 H 14 N 2 Na 2 O 8 · 2H 2 O) and 0.2 mol / l solution of, EDA (ethylenediamine ( Anhydrous), a mixed solution with chemical formula: C 2 H 8 N 2 ) was used. The processing procedure was as follows.
(i) A protective sheet is attached to the back surface (−c surface, oxygen polar surface) of the ZnO substrate 10.
(ii) EDTA · 2Na: EDA is mixed at a volume ratio of 10: 1 and stirred for 15 minutes.
(iii) The ZnO substrate 10 is placed in the mixed solution of (ii) and etched for 2 hours. At this time, the etching rate is 0.7 μm / h. The etching time is determined by the thickness of the damaged layer.
(iv) A cleaning solution is prepared by diluting the mixed solution of (ii): pure water = 1: 10000.
(v) After the completion of the etching in (iii), the ZnO substrate 10 is placed in the solution in (iv) and washed. At the same time, remove the protective sheet (i).
(vi) Put the ZnO substrate 10 in acetone and put it in an ultrasonic cleaner for 5 minutes. Acetone is used for the purpose of dehydration. The ultrasonic wave was strong enough to generate bubbles.
(vii) Replace acetone and repeat step (vi) again.
(viii) The ZnO substrate 10 is put in IPA (isopropyl alcohol) heated in advance, and the ZnO substrate is pulled up in IPA vapor.

なお、上記手順(ii)において、EDTA・2Na:EDA=10:1(体積比)の場合、例えば、EDTA・2Na(濃度0.2mol/l)を200mlとするとEDA(無水、密度:0.9g/cm、分子量:60.10)は20mlを用いることを意味する。そして、このときのモル比は以下のように計算される。
・EDTA・2Na溶液(200ml)のモル数
=0.2×(200/1000)=0.04mol
・EDA(20ml)のモル数
=20(ml)×0.9/60.10=0.2995mol≒0.30mol
・EDTA・2Na:EDA(モル比)=0.04:0.30=1:7.5
In the above procedure (ii), in the case of EDTA · 2Na: EDA = 10: 1 (volume ratio), for example, when EDTA · 2Na (concentration 0.2 mol / l) is 200 ml, EDA (anhydrous, density: 0.00). 9 g / cm 3 , molecular weight: 60.10) means that 20 ml is used. And the molar ratio at this time is calculated as follows.
・ Mole number of EDTA · 2Na solution (200 ml) = 0.2 × (200/1000) = 0.04 mol
-Number of moles of EDA (20 ml) = 20 (ml) x 0.9 / 60.10 = 0.2995 mol ≒ 0.30 mol
* EDTA * 2Na: EDA (molar ratio) = 0.04: 0.30 = 1: 7.5

本実施例の処理方法が上記した実施例1と異なる点について説明する。実施例1と異なる点は、手順(iv)であり、EDAの希釈溶液を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。すなわち、
(iv) EDA:純水=1:200の体積比で希釈して洗浄溶液を作る。
The difference between the processing method of the present embodiment and the first embodiment will be described. The difference from Example 1 is the procedure (iv), in which a pre-growth treatment of the substrate 10 was performed using a diluted solution of EDA as a cleaning solution. That is,
(iv) A cleaning solution is prepared by diluting at a volume ratio of EDA: pure water = 1: 200.

そして、実施例1と同様に、 (iii)のエッチング終了後、(iv)の溶液中にZnO基板10を入れ、洗浄する。同時に、(i)の保護シートを剥がす。その他の工程は、実施例1と同様である。   Then, similarly to Example 1, after the completion of the etching of (iii), the ZnO substrate 10 is put into the solution of (iv) and washed. At the same time, remove the protective sheet (i). Other steps are the same as those in the first embodiment.

本実施例の処理方法が上記した実施例1と異なる点は、手順(iv)であり、EDTA・2Naの希釈溶液を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。すなわち、
(iv) EDTA・2Na:純水=1:100の体積比で希釈して洗浄溶液を作る。
The processing method of this example is different from Example 1 described above in procedure (iv), in which the substrate 10 was subjected to pre-growth processing using a diluted solution of EDTA · 2Na as a cleaning solution. That is,
(iv) EDTA · 2Na: pure water = 1: 100 is diluted to make a washing solution.

そして、実施例1と同様に、 (iii)のエッチング終了後、(iv)の溶液中にZnO基板10を入れ、洗浄する。同時に、(i)の保護シートを剥がす。   Then, similarly to Example 1, after the completion of the etching of (iii), the ZnO substrate 10 is put into the solution of (iv) and washed. At the same time, remove the protective sheet (i).

本実施例においては、EDAの希釈溶液を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。処理手順は以下の通りであった。
(i) ZnO基板10の裏面(−c面、酸素極性面)に保護シートを貼る。
(ii) 0.2mol/lのEDTA・2Naを用意する。
(iii) ZnO基板10を(ii)の溶液の中に入れ、2時間エッチングする。
(iv) EDA:純水=1:200になるように、洗浄溶液を作る
(v) (iii)のエッチング終了後、(iv)の溶液中にZnO基板10を入れ、洗浄する。同時に、(i)の保護シートを剥がす。
(vi) アセトン中にZnO基板10を入れ、超音波洗浄機に5分かける。アセトンは脱水の目的で使用する。超音波は、気泡が発生する強さとした。
(vii) アセトンを入れ替え、(vi)と同じ工程をもう一度繰り返す。
(viii) 予め加熱したIPA中にZnO基板10を入れ、IPA蒸気中でZnO基板を引き上げる。
In this example, the growth pretreatment of the substrate 10 was performed using a diluted solution of EDA as a cleaning solution. The processing procedure was as follows.
(i) A protective sheet is attached to the back surface (−c surface, oxygen polar surface) of the ZnO substrate 10.
(ii) Prepare 0.2 mol / l EDTA · 2Na.
(iii) The ZnO substrate 10 is placed in the solution (ii) and etched for 2 hours.
(iv) Prepare a cleaning solution so that EDA: pure water = 1: 200.
(v) After the completion of the etching in (iii), the ZnO substrate 10 is placed in the solution in (iv) and washed. At the same time, remove the protective sheet (i).
(vi) Put the ZnO substrate 10 in acetone and put it in an ultrasonic cleaner for 5 minutes. Acetone is used for the purpose of dehydration. The ultrasonic wave was strong enough to generate bubbles.
(vii) Replace acetone and repeat step (vi) again.
(viii) The ZnO substrate 10 is put in IPA heated in advance, and the ZnO substrate is pulled up in IPA vapor.

本実施例の処理方法が上記した実施例4と異なる点は、手順(iv)であり、EDTA・2Naの希釈溶液を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。すなわち、
(iv) EDTA・2Na:純水=1:100の体積比で希釈して洗浄溶液を作る。
The processing method of this example differs from Example 4 described above in the procedure (iv), in which the substrate 10 was subjected to pre-growth processing using a diluted solution of EDTA · 2Na as a cleaning solution. That is,
(iv) EDTA · 2Na: pure water = 1: 100 is diluted to make a washing solution.

上記した実施例の処理方法を纏めると、実施例1〜3では、EDTA・2Na及びEDAの混合液(中性ないし弱アルカリ性)でエッチングを行い、その後に、実施例1では中性ないし弱アルカリ性のEDTA・2Na+EDA(希釈溶液)を、実施例2では弱酸性のEDTA・2Na(希釈溶液)を、実施例3ではアルカリ性のEDA(希釈溶液)を洗浄液として用いた。すなわち、エッチング後に「配位子を有する電解質溶液」によって処理(洗浄)を行った。   The processing methods of the above-described examples can be summarized as follows. In Examples 1 to 3, etching is performed with a mixed solution (neutral or weakly alkaline) of EDTA · 2Na and EDA, and then in Example 1 is neutral to weakly alkaline. EDTA · 2Na + EDA (diluted solution), weakly acidic EDTA · 2Na (diluted solution) in Example 2, and alkaline EDA (diluted solution) in Example 3 were used as cleaning solutions. That is, treatment (cleaning) was performed with “electrolyte solution having a ligand” after etching.

また、実施例4、5では、EDTA・2Na(弱酸性)でエッチングを行い、その後に、実施例4ではアルカリ性のEDA(希釈溶液)を、実施例5では弱酸性のEDTA・2Na(希釈溶液)を洗浄液として用いた。すなわち、エッチング後に「配位子を有する電解質溶液」によって処理(洗浄)を行った。   Further, in Examples 4 and 5, etching was performed with EDTA · 2Na (weakly acidic), and thereafter, alkaline EDA (diluted solution) was used in Example 4, and weakly acidic EDTA · 2Na (diluted solution) was used in Example 5. ) Was used as the cleaning solution. That is, treatment (cleaning) was performed with “electrolyte solution having a ligand” after etching.

[比較例1〜3]
上記した実施例1〜5による基板処理の評価のため、比較例として以下の方法で基板の処理を行った。
[Comparative Examples 1-3]
In order to evaluate the substrate processing according to Examples 1 to 5 described above, the substrate was processed by the following method as a comparative example.

(比較例1)
本比較例においては、純水を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。処理手順は以下の通りであった。
(i) ZnO基板10の裏面(−c面、酸素極性面)に保護シートを貼る。
(ii) EDTA・2Na:EDA=10:1の体積比で混液し、15分撹拌する。
(iii) ZnO基板10を(ii)の混合溶液の中に入れ、2時間エッチングする。なお、このときエッチングレートは、0.7μm/hである。また、エッチング時間はダメージ層の厚みで決める。
(iv) (iii)のエッチング終了後、ZnO基板を純水で流水洗浄する。同時に、(i)の保護シートを剥がす。
(v) アセトン中にZnO基板10を入れ、超音波洗浄機に5分かける。アセトンは脱水の目的で使用する。超音波は、気泡が発生する強さとした。
(vi) アセトンを入れ替え、(vi)と同じ工程をもう一度繰り返す。
(vii) 予め加熱したIPA中にZnO基板10を入れ、IPA蒸気中でZnO基板を引き上げる。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, the growth pretreatment of the substrate 10 was performed using pure water as a cleaning solution. The processing procedure was as follows.
(i) A protective sheet is attached to the back surface (−c surface, oxygen polar surface) of the ZnO substrate 10.
(ii) EDTA · 2Na: EDA is mixed at a volume ratio of 10: 1 and stirred for 15 minutes.
(iii) The ZnO substrate 10 is placed in the mixed solution of (ii) and etched for 2 hours. At this time, the etching rate is 0.7 μm / h. The etching time is determined by the thickness of the damaged layer.
(iv) After completion of the etching in (iii), the ZnO substrate is washed with running pure water. At the same time, remove the protective sheet (i).
(v) Put the ZnO substrate 10 in acetone and put it in an ultrasonic cleaner for 5 minutes. Acetone is used for the purpose of dehydration. The ultrasonic wave was strong enough to generate bubbles.
(vi) Replace acetone and repeat step (vi) again.
(vii) The ZnO substrate 10 is put in preheated IPA, and the ZnO substrate is pulled up in IPA vapor.

(比較例2)
本比較例の処理方法が上記した比較例1と異なる点は、手順(ii),(iii)であり、EDTA・2Naの希釈溶液を用いたエッチング後に、純水を洗浄溶液として用いて基板10の成長前処理を行った。すなわち、より具体的には、
(ii) EDTA・2Naの0.2mol/l溶液を用意する。
(iii) ZnO基板10を(ii)の溶液の中に入れ、2時間エッチングする。
(Comparative Example 2)
The processing method of this comparative example is different from the above-described comparative example 1 in the procedures (ii) and (iii). After etching using a diluted solution of EDTA · 2Na, the substrate 10 is prepared using pure water as a cleaning solution. The growth pretreatment was performed. That is, more specifically,
(ii) Prepare a 0.2 mol / l solution of EDTA · 2Na.
(iii) The ZnO substrate 10 is placed in the solution (ii) and etched for 2 hours.

[評価結果]
以下に、上記した実施例1〜5、及び比較例1、2により処理を行った基板を用いて結晶成長を行い、結晶成長層について評価を行った。なお、以下においては、理解の容易さのため、実施例1〜5及び比較例1、2の基板又は成長層をEMB1〜5,CMP1,2と略記して説明する場合がある。
[Evaluation results]
Below, crystal growth was performed using the substrate processed according to the above-described Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, and the crystal growth layer was evaluated. In the following, for ease of understanding, the substrates or growth layers of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 may be abbreviated as EMB1 to 5, CMP1, and 2 in some cases.

図2,3,4,5,6は、それぞれ実施例1,2,3,4,5の評価結果を、図7,8は、それぞれ比較例1,2の評価結果を示す図である。具体的には、図2(a),3(a),4(a),5(a),6(a)は、それぞれ実施例1,2,3,4,5の処理を行った基板を用いた成長層のXRD2θ測定結果、図7(a),8(a)は、それぞれ比較例1,2の処理を行った基板を用いた成長層のXRD2θ測定結果を示す。また、図2(b),3(b),4(b),5(b),6(b),7(b),8(b)は、それぞれ実施例1,2,3,4,5,比較例1,2の(100)面ロッキングカーブの測定結果を示す。また、図2(c),3(c),4(c),5(c),6(c),7(c),8(c)は、それぞれ実施例1,2,3,4,5,比較例1,2のAFM評価結果を示す。なお、AFM評価結果は成長層表面の15μm×15μmの領域についてのものである。さらに、図2(d),図7(d)は、それぞれ実施例1、比較例1のSIMS測定結果(深さ方向プロファイル)を示す。また、図9は、実施例1〜5及び比較例1,2の評価結果を表にまとめて示している。   2, 3, 4, 5, and 6 show the evaluation results of Examples 1, 2, 3, 4, and 5, respectively. FIGS. 7 and 8 show the evaluation results of Comparative Examples 1 and 2, respectively. Specifically, FIGS. 2 (a), 3 (a), 4 (a), 5 (a), and 6 (a) are substrates subjected to the processing of Examples 1, 2, 3, 4, and 5, respectively. 7A and 8A show the XRD2θ measurement results of the growth layer using the substrates subjected to the processing of Comparative Examples 1 and 2, respectively. 2 (b), 3 (b), 4 (b), 5 (b), 6 (b), 7 (b), and 8 (b) are shown in Examples 1, 2, 3, 4, respectively. 5, the measurement result of the (100) plane rocking curve of Comparative Examples 1 and 2 is shown. 2 (c), 3 (c), 4 (c), 5 (c), 6 (c), 7 (c), and 8 (c) are shown in Examples 1, 2, 3, 4, respectively. 5, AFM evaluation results of Comparative Examples 1 and 2 are shown. The AFM evaluation results are for a 15 μm × 15 μm region on the growth layer surface. Further, FIG. 2D and FIG. 7D show the SIMS measurement results (depth profile) of Example 1 and Comparative Example 1, respectively. FIG. 9 shows the evaluation results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 in a table.

上記したように、比較例1においては、EDTA・2Na+EDAエッチャントによるエッチング後に洗浄液として純水を用いて処理した基板上に結晶成長を行い、比較例2においては、EDTA・2Naエッチャントによるエッチング後に洗浄液として純水を用いて処理した基板上に結晶成長を行った。   As described above, in Comparative Example 1, crystal growth is performed on a substrate treated with pure water as a cleaning liquid after etching with EDTA · 2Na + EDA etchant. In Comparative Example 2, as a cleaning liquid after etching with EDTA · 2Na etchant. Crystal growth was performed on a substrate treated with pure water.

まず、比較例1,2のXRD測定結果について説明する。実施例1〜5及び比較例1,2においては、ZnO基板10上にZnO層11(層厚、約100nm)を成長し、次にMgZnO層12(層厚、400〜800nm)を積層した構造としている。MgZnO結晶のa軸長とc軸長は、Mg組成の増加に従い、a軸長は伸び、c軸長は短くなる。比較例1及び比較例2のXRDの2θスキャン(図7(a),図8(a))では、ZnO結晶の(0002)の回折ピーク(34.42°)と、その高角側にMgZnO結晶の(0002)の回折ピークが観察された。また、成長層の結晶性の劣化に敏感な(100)面ロッキングカーブ(図7(b),図8(b))では半値幅が広くなる傾向が見られた。   First, the XRD measurement results of Comparative Examples 1 and 2 will be described. In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, a structure in which a ZnO layer 11 (layer thickness, about 100 nm) is grown on a ZnO substrate 10 and then an MgZnO layer 12 (layer thickness, 400 to 800 nm) is stacked. It is said. The a-axis length and the c-axis length of the MgZnO crystal increase as the Mg composition increases, and the c-axis length decreases. In the XRD 2θ scan of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (FIGS. 7A and 8A), the (0002) diffraction peak (34.42 °) of the ZnO crystal and the MgZnO crystal on the higher angle side (0002) diffraction peaks were observed. Further, in the (100) plane rocking curve (FIGS. 7B and 8B) which is sensitive to the deterioration of the crystallinity of the growth layer, the half-value width tends to be widened.

また、比較例1及び比較例2のAFM像(図7(c),図8(c))を参照すると、MgZnO結晶はステップフロー成長しているものの、成長面に方向性がなく、褶曲状又は凹凸状のモフォロジであった(3次元(3D)成長モード)。このようなモフォロジから、成長層にドメインが形成され結晶性が劣化していることがわかった。   Further, referring to the AFM images of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (FIGS. 7 (c) and 8 (c)), although the MgZnO crystal is step flow grown, the growth surface has no directionality and is curved. Or it was an uneven | corrugated morphology (three-dimensional (3D) growth mode). From this morphology, it was found that the crystallinity was degraded due to the formation of domains in the growth layer.

また、比較例1のSIMS分析結果(図7(d))を参照すると、Al(アルミニウム)はZnO成長層11とMgZnO成長層12内において検出下限界値(LM(Al))以下であり、ZnO基板10からこれら成長層への拡散は見られなかった。ところが、Si(シリコン)はZnO成長層11では検出下限界値(LM(Si))以下であるが、MgZnO成長層12への拡散が確認された。その濃度は3×1018cmとZnO基板11に含まれるSi濃度より高い値であった。 Further, referring to the SIMS analysis result of Comparative Example 1 (FIG. 7 (d)), Al (aluminum) is below the lower detection limit (LM (Al)) in the ZnO growth layer 11 and the MgZnO growth layer 12, Diffusion from the ZnO substrate 10 to these growth layers was not observed. However, although Si (silicon) is below the lower detection limit value (LM (Si)) in the ZnO growth layer 11, diffusion into the MgZnO growth layer 12 was confirmed. The concentration was 3 × 10 18 cm 3 , which was higher than the Si concentration contained in the ZnO substrate 11.

次に、実施例1〜5においては、MgZnO結晶のa軸長はZnO結晶のa軸長にコヒーレントに成長しているので、c軸長が若干長くなる。XRDの2θスキャンの測定結果から、ZnO結晶の(0002)の回折ピーク(34.42°)と、その高角側にMgZnO結晶の(0002)の回折ピークが観察された。また、MgZnO結晶の(100)面ロッキングカーブの半値幅(FWHM)は、ZnO基板の半値幅と同等であり、ツイスト成分はなく欠陥や転位密度は非常に低く、良好な結晶性であることが分かった。   Next, in Examples 1 to 5, since the a-axis length of the MgZnO crystal grows coherently to the a-axis length of the ZnO crystal, the c-axis length becomes slightly longer. From the XRD 2θ scan measurement results, a (0002) diffraction peak (34.42 °) of the ZnO crystal and a (0002) diffraction peak of the MgZnO crystal on the higher angle side were observed. In addition, the half width (FWHM) of the (100) plane rocking curve of the MgZnO crystal is equivalent to the half width of the ZnO substrate, there is no twist component, the defect and dislocation density are very low, and the crystallinity is good. I understood.

また、実施例1〜5のAFM像(図2(c)〜6(c))を参照して説明する。
本実施例において使用したZnO基板10の主面(結晶成長面)はZn極性であるc面で、AFM像の上下方向がa軸方向であり、左右方向がm軸方向である。また、c軸は0.5°オフしている。実施例1から実施例5において、MgZnO結晶はm軸方向にステップフロー成長しており、その結果、m軸方向に階段状の表面形状を有している。従って、AFM像はa軸方向の縦縞状の形態を呈している(2次元(2D)成長モード)。
The description will be made with reference to AFM images of Examples 1 to 5 (FIGS. 2C to 6C).
The main surface (crystal growth surface) of the ZnO substrate 10 used in this example is a c-plane with Zn polarity, the vertical direction of the AFM image is the a-axis direction, and the horizontal direction is the m-axis direction. The c-axis is off by 0.5 °. In Example 1 to Example 5, the MgZnO crystal is step-flow grown in the m-axis direction, and as a result, has a stepped surface shape in the m-axis direction. Therefore, the AFM image has a vertical stripe shape in the a-axis direction (two-dimensional (2D) growth mode).

また、実施例1のSIMS分析結果(図2(d))を参照すると、ZnO基板11中に含まれるSiとAlは、ZnO層11およびMgZnO層12内では検出下限界(LM(Si)、LM(Al))以下であり、成長層中への拡散は見られなかった。   Further, referring to the SIMS analysis result of Example 1 (FIG. 2D), Si and Al contained in the ZnO substrate 11 are within the lower detection limit (LM (Si), in the ZnO layer 11 and the MgZnO layer 12). LM (Al)) or less, and no diffusion into the growth layer was observed.

[洗浄液の濃度等]
以下に説明する実施例、比較例においては、上記したように、EDTA・2Na(濃度0.2mol/l)及びEDA(無水)を原液として用い、これらを混液・希釈したが、これと異なる濃度の溶液を原液として用いる場合には換算して適用すればよい。例えば、濃度が0.5mol/lのEDTA・2Naを使用する場合、0.2mol/lの溶液を使用したときのモル濃度に合わせて使用すればよい。EDAについても同様である。
[Concentration of cleaning solution]
In Examples and Comparative Examples described below, as described above, EDTA · 2Na (concentration 0.2 mol / l) and EDA (anhydrous) were used as stock solutions, and these were mixed and diluted. When using this solution as a stock solution, it may be converted and applied. For example, when EDTA · 2Na having a concentration of 0.5 mol / l is used, it may be used in accordance with the molar concentration when a 0.2 mol / l solution is used. The same applies to EDA.

1.実施例1の洗浄液について
1.1 洗浄液の性質
洗浄液に用いたEDTA・2Na及びEDAの混合希釈溶液は、電解質溶液または、キレート配位できる溶液ならばZnO基板表面のシリカまたは亜鉛シリサイドを除去できる。
1. About Cleaning Solution of Example 1 1.1 Properties of Cleaning Solution The mixed dilution solution of EDTA · 2Na and EDA used in the cleaning solution can remove silica or zinc silicide on the surface of the ZnO substrate if it is an electrolyte solution or a solution capable of chelate coordination.

1.2 洗浄液の濃度
エッチング液の洗浄が目的なのでエッチングされない(またはエッチング速度が非常に遅い)ことが好ましく、混合溶液の純水による希釈液において混合溶液1に対して純水が100以上(体積比)が良い。
1.2 Concentration of cleaning solution It is preferable that etching is not performed (or the etching rate is very slow) for the purpose of cleaning the etching solution. In the diluted solution of pure water of the mixed solution, pure water is 100 or more (volume Ratio) is good.

別の観点としては、洗浄工程でZnO基板の裏面(O(酸素)極性面)の保護シートを洗浄中に剥がすので、その際に裏面側がエッチングされない(O極性面は弱酸、弱塩基で容易にエッチングされる)濃度、すなわち混合溶液の純水による希釈液において混合溶液1に対して純水が100以上(体積比)が好ましい。ZnO基板の裏面保護シートの代わりに、耐薬品性と成長雰囲気(温度、ガスなど)で剥離しない保護膜(SiCやGaNなど)を用いることもできる。   As another viewpoint, since the protective sheet on the back surface (O (oxygen) polar surface) of the ZnO substrate is peeled off during the cleaning process, the back surface side is not etched at that time (the O polar surface is easily formed with a weak acid or a weak base). It is preferable that pure water is 100 or more (volume ratio) with respect to the mixed solution 1 in the concentration of etching), that is, in a diluted solution of the mixed solution with pure water. A protective film (SiC, GaN, etc.) that does not peel off in chemical resistance and a growth atmosphere (temperature, gas, etc.) can also be used in place of the back protective sheet of the ZnO substrate.

洗浄液が薄すぎると、電解質およびキレート濃度が薄くなり、シリカが基板表面に付着しやすくなるので、混合溶液:純水において混合溶液1に対して純水が10000未満(体積比)であることが好ましい。   If the cleaning solution is too thin, the electrolyte and chelate concentrations will be thin, and silica will easily adhere to the substrate surface. Therefore, the pure water may be less than 10,000 (volume ratio) with respect to the mixed solution 1 in the mixed solution: pure water. preferable.

1.3 エッチング混合溶液と洗浄液の濃度範囲
エッチング混合溶液と洗浄液の関係を図10に示す。エッチング混合溶液(エッチャント)は、EDTA・2Na:EDA=5:1,10:1,20:1(体積比)などで実用的なエッチング速度が得られる。10:1ならば0.7μm/hのエッチング速度であり、5:1ならばこれより速くなる。逆に20:1ならば遅くなる。
1.3 Concentration Range of Etching Mixed Solution and Cleaning Solution FIG. 10 shows the relationship between the etching mixed solution and the cleaning solution. The etching mixed solution (etchant) can have a practical etching rate such as EDTA · 2Na: EDA = 5: 1, 10: 1, 20: 1 (volume ratio). If it is 10: 1, the etching rate is 0.7 μm / h, and if it is 5: 1, it becomes faster. Conversely, if it is 20: 1, it will be slow.

洗浄液は、上記エッチング混合溶液より若干薄い(エッチング混合溶液:純水=20:1)程度であれば、洗浄中にエッチングされやすく、より希釈すればエッチングされにくくなる。図10に示した洗浄液は、どれも良好な洗浄特性を示すが、洗浄液の観点からはEDTA・2Na+EDA:純水=1:100ないし1:100000の範囲が好ましい。   If the cleaning solution is slightly thinner than the etching mixed solution (etching mixed solution: pure water = 20: 1), the cleaning solution is easily etched during cleaning, and is more difficult to etch when diluted. All of the cleaning solutions shown in FIG. 10 exhibit good cleaning characteristics, but from the viewpoint of the cleaning solution, the range of EDTA · 2Na + EDA: pure water = 1: 100 to 1: 100000 is preferable.

なお、EDTA・2Na水溶液をEDAと混液したときに混合前の体積の合計値と混合後の体積が一致すると仮定した場合(実際は、混合後の体積は若干小さい)のEDTA・2Na:EDA=5:1で混液する場合のモル濃度は以下のように算出される。ここで、EDAは無水物を使用しているので、モル濃度という概念を用いないが、便宜上モル濃度を算出する。すなわち、EDA(無水、密度:0.9g/cm3、分子量:60.10)を1000 ml 使用したときのモル数は、
[EDAのモル数(mol)]=1000ml×0.9g/cm3÷60.10 =約15.0 mol
従って、EDTA・2Na:EDA=5:1で混液した場合のモル濃度は、
[EDTA・2Na]=0.2 mol/l ×5÷6=0.166 =約0.17 mol/l
[EDA]=15 mol/l ×1÷6=2.5 mol/l
である。同様に、EDTA・2Na:EDA=20:1で混液した場合のモル濃度は、
[EDTA・2Na]=0.2 mol/l ×20÷21=0.190 =約0.19 mol/l
[EDA]=15 mol/l ×1÷21 =0.714=約0.71 mol/l
である。
In addition, when it is assumed that the total value of the volume before mixing coincides with the volume after mixing when the EDTA · 2Na aqueous solution is mixed with EDA (actually, the volume after mixing is slightly smaller), EDTA · 2Na: EDA = 5 The molar concentration in the case of mixing at 1: is calculated as follows. Here, since EDA uses an anhydride, the concept of molar concentration is not used, but the molar concentration is calculated for convenience. That is, when 1000 ml of EDA (anhydrous, density: 0.9 g / cm 3 , molecular weight: 60.10) is used,
[Mole number of EDA (mol)] = 1000 ml × 0.9 g / cm 3 ÷ 60.10 = about 15.0 mol
Therefore, the molar concentration when mixed with EDTA · 2Na: EDA = 5: 1 is
[EDTA · 2Na] = 0.2 mol / l x 5 ÷ 6 = 0.166 = about 0.17 mol / l
[EDA] = 15 mol / l x 1 ÷ 6 = 2.5 mol / l
It is. Similarly, the molar concentration when mixed with EDTA · 2Na: EDA = 20: 1 is
[EDTA · 2Na] = 0.2 mol / l x 20 ÷ 21 = 0.190 = about 0.19 mol / l
[EDA] = 15 mol / l x 1 ÷ 21 = 0.714 = about 0.71 mol / l
It is.

上記したように、EDTA・2Na及びEDAの混合溶液であるエッチャントの混合比(体積比)は、EDTA・2Na:EDA=5:1〜20:1が好ましい。この場合、エッチャントのEDTA・2Na及びEDAのモル濃度は、それぞれ0.17〜0.19mol/l及び2.5〜0.71mol/lの範囲である。
1.4 EDTAキレート材について
EDTAキレート材(化合物)には、Naが付加しないEDTA、Naが1つついたEDTA・1Na、2つついたEDTA・2Na、同様にEDTA・3Na、EDTA・4Naがある。このうち、アルカリ性のEDAと混合して用いるには酸性のEDTA・1Na、EDTA・2Naを用いるのがよい。
As described above, the mixing ratio (volume ratio) of the etchant which is a mixed solution of EDTA · 2Na and EDA is preferably EDTA · 2Na: EDA = 5: 1 to 20: 1. In this case, the molar concentrations of EDTA · 2Na and EDA in the etchant are in the range of 0.17 to 0.19 mol / l and 2.5 to 0.71 mol / l, respectively.
1.4 About EDTA Chelate Material EDTA chelate materials (compounds) include EDTA to which Na is not added, EDTA · 1Na in which Na is added, EDTA · 2Na in which Na is added, as well as EDTA · 3Na and EDTA · 4Na. Of these, acidic EDTA · 1Na and EDTA · 2Na are preferably used in combination with alkaline EDA.

2.実施例2の洗浄液について
2.1 EDAの希釈比
本実施例では無水EDAを用いた。実施例1と同様に、洗浄液に適した濃度をテストした結果、エッチング混合溶液のEDA濃度より薄ければよいが、実用的にはEDAの純水による希釈比は、EDA:純水=1:100から1:100000(体積比)が良い。
2. About the cleaning liquid of Example 2 2.1 EDA dilution ratio In this example, anhydrous EDA was used. As in Example 1, as a result of testing the concentration suitable for the cleaning solution, it is sufficient that the concentration is lower than the EDA concentration of the etching mixed solution, but practically, the dilution ratio of EDA with pure water is EDA: pure water = 1: 100 to 1: 100,000 (volume ratio) is good.

なお、EDA:純水=1:100のとき、希釈液の濃度は、
[EDA]=15.0 mol/l ×1÷101=0.148 =約0.15 mol/l
また、EDA:純水=1:100000のとき、希釈液の濃度は、
[EDA]=15.0 mol/l ×1÷100001=0.000148 =約0.00015 mol/l
である。
When EDA: pure water = 1: 100, the concentration of the diluent is
[EDA] = 15.0 mol / l x 1/101 = 0.148 = about 0.15 mol / l
When EDA: pure water = 1: 100000, the concentration of the diluent is
[EDA] = 15.0 mol / l × 1 ÷ 100001 = 0.000148 = approx. 0.00015 mol / l
It is.

3.実施例3の洗浄液について
3.1 EDTA・2Naの希釈比
本実施例では0.2mol/lのEDTA・2Naを純水で希釈した。洗浄液に適した濃度をテストした結果、エッチング混合溶液のEDTA・2Naの濃度より薄ければよいが、実用的にはEDTA・2Naの純水による希釈比は、EDTA・2Na:純水=1:100から1:10000(体積比)の範囲が良い。
3. Regarding the cleaning liquid of Example 3, 3.1 Dilution ratio of EDTA · 2Na In this example, 0.2 mol / l EDTA · 2Na was diluted with pure water. As a result of testing the concentration suitable for the cleaning liquid, it is sufficient that the concentration is lower than the concentration of EDTA · 2Na in the etching mixed solution, but practically, the dilution ratio of EDTA · 2Na with pure water is EDTA · 2Na: pure water = 1: The range of 100 to 1: 10000 (volume ratio) is good.

なお、EDTA・2Na:純水=1:100のとき、希釈液の濃度は、
[EDTA・2Na]=0.2 mol/l ×1÷101=0.00198 =約0.0020 mol/l
また、EDTA・2Na:純水=1:10000のとき、希釈液の濃度は、
[EDTA・2Na]=0.2 mol/l ×1÷10001=0.0000199 =約0.000020 mol/l
である。
When EDTA · 2Na: pure water = 1: 100, the concentration of the diluent is
[EDTA · 2Na] = 0.2 mol / l x 1 ÷ 101 = 0.00198 = about 0.0020 mol / l
Moreover, when EDTA · 2Na: pure water = 1: 10000, the concentration of the diluent is
[EDTA · 2Na] = 0.2 mol / l x 1 ÷ 10001 = 0.0000199 = about 0.000020 mol / l
It is.

4.実施例4の洗浄液について
4.1 EDTA・2Naのエッチング速度
EDTA・2Naは、Zn極性面のZnO結晶面をほとんどエッチングしない。具体的には、そのエッチング速度は、0.005μm/h以下である。しかし、付着シリカや亜鉛シリサイド層は十分に除去できる。EDTA・2Naは、ZnO基板表面に変質層(加工ダメージ層 )がなく、埋没シリカもない状態のエッチングに適している。
4). About Cleaning Solution of Example 4.1 Etching Rate of EDTA · 2Na EDTA · 2Na hardly etches the ZnO crystal plane of the Zn polar plane. Specifically, the etching rate is 0.005 μm / h or less. However, the attached silica or zinc silicide layer can be sufficiently removed. EDTA · 2Na is suitable for etching in a state where there is no altered layer (process damage layer) on the ZnO substrate surface and no embedded silica.

なお、エッチング工程におけるEDTA・2Naエッチャントのモル濃度は、0.1〜0.5mol/lの範囲が好ましい。   The molar concentration of the EDTA · 2Na etchant in the etching step is preferably in the range of 0.1 to 0.5 mol / l.

4.2 EDAの希釈比の適正範囲については、実施例2と同様である。   4.2 The appropriate range of the EDA dilution ratio is the same as in Example 2.

5.実施例5の洗浄液について
5.1 EDTA・2Naの希釈比の適正範囲については、実施例3と同様である。
5. About the cleaning liquid of Example 5, the appropriate range of the dilution ratio of 5.1 EDTA · 2Na is the same as that of Example 3.

[Si残留・拡散の原因及び問題点]
1.比較例の問題点
比較例1、2においては、EDTA・2Na+EDAエッチャント又はEDTA・2Naエッチャントによるエッチング後に、標準的な薬液除去処理方法として純水を用いた洗浄を行った。そして、かかる処理を行ったZnO基板上にZnO結晶層およびMgZnO結晶層をMOCVD法で成長した場合において、以下の問題点が明らかとなった。
[Causes and problems of Si residue / diffusion]
1. Problems of Comparative Example In Comparative Examples 1 and 2, after etching with EDTA · 2Na + EDA etchant or EDTA · 2Na etchant, cleaning using pure water was performed as a standard chemical removal method. When the ZnO crystal layer and the MgZnO crystal layer were grown on the ZnO substrate subjected to such treatment by the MOCVD method, the following problems were revealed.

1.1 第1の問題点は、SIMS分析結果(図7(d))で示されるように、MgZnO結晶層へSi(シリコン)が拡散、残留する問題である。本問題は、ZnO結晶層中のSi濃度が検出下限界以下であることから、MgZnO結晶層の成長に特有な問題であると考えられる。   1.1 The first problem is the problem that Si (silicon) diffuses and remains in the MgZnO crystal layer as shown in the SIMS analysis result (FIG. 7D). This problem is considered to be a problem peculiar to the growth of the MgZnO crystal layer since the Si concentration in the ZnO crystal layer is below the detection limit.

MgZnO結晶層中にSiが拡散、残留すると、例えば以下のような問題が生じる。例えば、DH(ダブルヘテロ)構造のLED素子の場合、少なくともn型MgZnO層、発光層としてのZnO層、p型MgZnO層の3層構造を形成する。そして、n型またはp型MgZnOには、電子と正孔(キャリア)を効率よく発光層に注入するために、それぞれの層にはキャリア密度が1×1017から1×1019cm-3程度の不純物ドーピングがなされる。ところが、Siのような残留不純物が結晶層中に高い濃度で混入していると、n型またはp型結晶層の導電性制御が困難になり、発光効率の高いLEDを製作する際の障害となる。 When Si diffuses and remains in the MgZnO crystal layer, for example, the following problems occur. For example, in the case of an LED element having a DH (double hetero) structure, a three-layer structure of at least an n-type MgZnO layer, a ZnO layer as a light emitting layer, and a p-type MgZnO layer is formed. For n-type or p-type MgZnO, in order to efficiently inject electrons and holes (carriers) into the light emitting layer, the carrier density of each layer is about 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3. Impurity doping is performed. However, if residual impurities such as Si are mixed in the crystal layer at a high concentration, it becomes difficult to control the conductivity of the n-type or p-type crystal layer, which is an obstacle in manufacturing an LED with high luminous efficiency. Become.

より具体的には、Siはn型不純物となりうる物質であり、p型MgZnO結晶層に混入するとn型残留キャリア密度を増加させp型MgZnO層の形成を困難にする。また、n型MgZnO層やMgZnO発光層等においてもSiは導電性制御を困難にしたり、意図しない発光センターを形成し、LEDの発光効率を低下させるので問題である。更には、高濃度のSiは成長層中に欠陥や転位を発生させ、LEDの発光効率を低下させるので問題である。   More specifically, Si is a substance that can be an n-type impurity, and when mixed into the p-type MgZnO crystal layer, the n-type residual carrier density is increased, making it difficult to form the p-type MgZnO layer. In addition, Si is problematic in the n-type MgZnO layer, the MgZnO light-emitting layer, and the like because it makes it difficult to control the conductivity or forms an unintended light-emitting center, thereby reducing the light-emitting efficiency of the LED. Furthermore, a high concentration of Si is a problem because it causes defects and dislocations in the growth layer and lowers the luminous efficiency of the LED.

1.2 第2の問題点は、MgZnO結晶層のモフォロジが褶曲状または凹凸状になる問題である。すなわち、MgZnO結晶の成長が阻害される問題である。   1.2 The second problem is a problem that the morphology of the MgZnO crystal layer becomes curved or uneven. That is, it is a problem that the growth of MgZnO crystals is hindered.

前述のように、LEDは発光層を発光層よりバンドギャップの大きな層で挟み込んで形成する。この際、バンドギャップ制御のためにMgZnO層を利用する場合があり、MgZnO層の上に他の層を成長させることが想定される。結晶成長において成長層が褶曲状や凹凸状になるとドメイン同士が接する界面に欠陥が生じ、LEDの発光効率を低下させるという問題がある。   As described above, the LED is formed by sandwiching the light emitting layer between layers having a larger band gap than the light emitting layer. At this time, an MgZnO layer may be used for band gap control, and it is assumed that another layer is grown on the MgZnO layer. When the growth layer becomes curved or uneven in crystal growth, there is a problem in that defects occur at the interface where the domains contact each other, and the luminous efficiency of the LED is lowered.

2.MgZnO結晶層にSiが拡散、残留する原因
2.1 本願の発明者は、MgZnO成長層中にSiが混入するのは、ZnO基板表面に何等かの状態で残るSiが原因であるとの知見を得た。より詳細には、ZnO基板のエッチング方法、特に、洗浄方法を工夫することでMgZnO成長層中のSi混入濃度を検出下限界値以下まで低減できることから、Siが混入するのは、ZnO基板に含まれているSiが主因ではなく、ZnO基板表面の残留Si(亜鉛シリサイド、付着シリカ、埋没シリカ等)が主因であることがわかった。
2. 2.1 Causes of Si Diffusion and Remaining in the MgZnO Crystal Layer 2.1 The inventor of the present application has found that Si is mixed into the MgZnO growth layer due to Si remaining in some state on the ZnO substrate surface. Got. More specifically, the inclusion of Si is included in the ZnO substrate because the concentration of Si in the MgZnO growth layer can be reduced to below the detection lower limit by devising the etching method of the ZnO substrate, particularly the cleaning method. It has been found that the main cause is not Si that is present but residual Si (zinc silicide, attached silica, buried silica, etc.) on the surface of the ZnO substrate.

2.2 ZnO基板表面にシリカ等が残留する原因1
エピタキシャル結晶成長用の半導体素子製造用基板は、単結晶のインゴットから特定な面方位(例えば、(100)面、(110)面)で切出される。切出された単結晶基板は、研磨(ラッピング)、鏡面研磨(ポリシング)の手順で成長面になる切出し面の原子配列に乱れが少ない水準まで加工される。特に、鏡面研磨は機械化学研磨(CMP:ケミカル・メカニカル・ポリシング)にて磨かれる。このとき、研磨剤としてコロイド状シリカ(水和酸化ケイ素)が用いられる。コロイド状シリカによるCMP研磨は、機械的作用(研磨粒)と化学的な作用によりZnO基板を鏡面研磨する。そのために、ZnO基板表面に亜鉛シリサイド(Zn−Si−O)が(部分的に)形成されSiが残留する。また、コロイド状シリカは基板表面に付着し易く容易に除去できない。さらに、ZnO基板はモース硬度が4と小さいので研磨面にコロイド状シリカが一部埋没する等してSiが残留する。以上の理由により、CMP研磨後にエッチングや洗浄で亜鉛シリサイドやコロイド状シリカを除去する方法が提案されているが、結晶性の良好なMgZnO結晶を成長するには十分な処理ではない。
2.2 Cause 1 of silica remaining on the ZnO substrate surface 1
A substrate for manufacturing a semiconductor element for epitaxial crystal growth is cut out from a single crystal ingot in a specific plane orientation (for example, (100) plane, (110) plane). The cut single crystal substrate is processed to a level with less disturbance in the atomic arrangement of the cut surface that becomes the growth surface by the steps of polishing (lapping) and mirror polishing (polishing). In particular, mirror polishing is polished by mechanical chemical polishing (CMP). At this time, colloidal silica (hydrated silicon oxide) is used as an abrasive. In CMP polishing with colloidal silica, a ZnO substrate is mirror-polished by mechanical action (abrasive grains) and chemical action. Therefore, zinc silicide (Zn—Si—O) is (partially) formed on the surface of the ZnO substrate, and Si remains. Also, colloidal silica tends to adhere to the substrate surface and cannot be easily removed. Further, since the ZnO substrate has a small Mohs hardness of 4, Si remains as a result of the colloidal silica being partially buried in the polished surface. For these reasons, a method of removing zinc silicide or colloidal silica by etching or cleaning after CMP polishing has been proposed, but this is not a sufficient treatment for growing MgZnO crystals with good crystallinity.

2.3 ZnO基板表面にシリカ等が残留する原因2
ZnO結晶は、多様な試薬でウェットエッチングが可能である。エッチングにより基板表面のSi残渣(表面亜鉛シリサイド、付着シリカ、埋没シリカ等)は、基板表面より遊離し、エッチング液中に水和シリカとして分散する。ところが、エッチング後の一般的な洗浄工程として、例えば純水を用いて洗浄を行うと、エッチング液中に分散または溶解していた亜鉛シリサイドがZnO基板表面に再付着または再析出する。あるいはZnO基板表面に亜鉛シリサイドが形成される。さらに、コロイド状シリカ水和物も凝集し易くなりZnO結晶表面へ付着する。
2.3 Cause 2 of silica remaining on the ZnO substrate surface 2
ZnO crystals can be wet etched with various reagents. By etching, Si residues (surface zinc silicide, attached silica, buried silica, etc.) on the substrate surface are released from the substrate surface and dispersed as hydrated silica in the etching solution. However, as a general cleaning step after etching, for example, when cleaning is performed using pure water, zinc silicide dispersed or dissolved in the etching solution is reattached or re-deposited on the surface of the ZnO substrate. Alternatively, zinc silicide is formed on the surface of the ZnO substrate. Furthermore, the colloidal silica hydrate also easily aggregates and adheres to the ZnO crystal surface.

2.4 MOCVD法で問題が置き易い理由
高温で結晶成長を行うMOCVD法の場合、ZnO結晶中のSiの拡散速度は速い。そのために成膜したZnO結晶中のSi濃度が低い(例えば、SIMS検出下限界値以下)場合であっても、基板表面にSiが残っていると結晶中を拡散し成長表面に達する。成長層表面に存在するSiは、MgZnO結晶成長における2次元成長を阻害し、3次元成長様式での成長を促進する。3次元成長様式では各ドメインの合体界面に欠陥や転位が生じたり、Mg、Zn、O元素が結晶表面の安定サイトに移動し結合する確率が低下し、欠陥や転移を生じ易くなり、MgZnO結晶成長層の結晶性を劣化させる。その結果、欠陥転位に由来するn型の残留キャリア密度が高くなったり、n型不純物として働くSi残留密度が高くなる問題が発生する。特にこの問題は、ZnO基板表面に散在する亜鉛シリサイドで引き起こされる。
2.4 Reason why problems are likely to occur in the MOCVD method In the case of the MOCVD method in which crystal growth is performed at a high temperature, the diffusion rate of Si in the ZnO crystal is high. Therefore, even if the Si concentration in the deposited ZnO crystal is low (for example, below the lower limit of SIMS detection), if Si remains on the substrate surface, it diffuses in the crystal and reaches the growth surface. Si existing on the surface of the growth layer inhibits two-dimensional growth in MgZnO crystal growth and promotes growth in a three-dimensional growth mode. In the three-dimensional growth mode, defects and dislocations occur at the coalescence interface of each domain, and the probability that Mg, Zn, and O elements move to and bond to stable sites on the crystal surface is reduced, and defects and transitions are likely to occur. Deteriorating the crystallinity of the growth layer. As a result, there arises a problem that the n-type residual carrier density derived from defect dislocations is increased and the Si residual density acting as an n-type impurity is increased. In particular, this problem is caused by zinc silicide scattered on the surface of the ZnO substrate.

2.5 MgZnO成長で問題がおき易い理由
MgZnO結晶(混晶)格子のa軸長とc軸長は、ZnO結晶のa軸長より長く、c軸長より短い(例えば、A. Ohtomo et al., Appl. Phys. Lett. 72, 19, p.2466, (1988))。具体的には、MgZnO結晶のMg組成増加に従い、a軸長は長くなり、c軸長は短くなる。しかるにZnO単結晶基板上にMgZnOエピタキシャル結晶を成長する場合、格子ミスマッチに基づく応力と下層のZnO層からのSi拡散により、MgZnO結晶成長が阻害され、褶曲状のモフォロジとなる。
2.5 Reason why problems easily occur in MgZnO growth The a-axis length and c-axis length of the MgZnO crystal (mixed crystal) lattice are longer than the a-axis length of the ZnO crystal and shorter than the c-axis length (for example, A. Ohtomo et al , Appl. Phys. Lett. 72, 19, p.2466, (1988)). Specifically, as the Mg composition of the MgZnO crystal increases, the a-axis length increases and the c-axis length decreases. However, when an MgZnO epitaxial crystal is grown on a ZnO single crystal substrate, the MgZnO crystal growth is hindered by stress based on lattice mismatch and Si diffusion from the lower ZnO layer, resulting in a bent morphology.

2.6 付着したシリカと埋没したシリカによる成長阻害
基板に付着したコロイド状シリカ残渣や埋没したコロイド状シリカ残渣は、凝集物なので成長表面において局所的に成長阻害を引き起こす。具体的には成長面のピット形成やヒルロック形成である。当然のことながら、ピットやヒルロックはLED素子を形成した場合に電流リーク等の悪影響を引き起こすので、コロイド状シリカ残渣や埋没したコロイド状シリカ残渣も除去した方が良い。
2.6 Growth Inhibition by Adhering Silica and Buried Silica Colloidal silica residue and buried colloidal silica residue adhering to the substrate are aggregates and cause growth inhibition locally on the growth surface. Specifically, pit formation and hill rock formation on the growth surface. As a matter of course, pits and hilllocks cause adverse effects such as current leakage when an LED element is formed. Therefore, it is better to remove colloidal silica residues and buried colloidal silica residues.

[本発明の作用及び効果]
1.1 本発明においては、洗浄工程において洗浄液として、従来一般的であった純水に代えて、配位子を有する電解質溶液又は二座以上の配位子(多座配位子)を有する電解質溶液の希釈溶液を用いている。これにより、配位子がZnO基板やコロイド状シリカ表面に配位(吸着)するので、ZnO基板表面での亜鉛シリサイドの形成を抑制および防止できる。同時にコロイド状シリカの付着(吸着)も防止できる。尚、埋没コロイド状シリカはエッチング工程により除去される。
[Operation and effect of the present invention]
1.1 In the present invention, instead of pure water, which has been conventionally used, as a cleaning liquid in the cleaning step, an electrolyte solution having a ligand or a bidentate or more ligand (polydentate ligand) is included. A diluted solution of the electrolyte solution is used. Thereby, since a ligand coordinates (adsorbs) on a ZnO substrate or colloidal silica surface, formation of zinc silicide on the ZnO substrate surface can be suppressed and prevented. At the same time, adhesion (adsorption) of colloidal silica can be prevented. The buried colloidal silica is removed by an etching process.

また別の観点から考えた場合、若干のエッチングが進行することで亜鉛シリサイド形成を抑制および防止できるとも考えられる。コロイド状シリカの付着(吸着)も防止も同様に考えることもできる。   From another point of view, it is considered that the formation of zinc silicide can be suppressed and prevented by the slight progress of etching. The adhesion (adsorption) and prevention of colloidal silica can be considered similarly.

更に別の観点から考えた場合、ZnO結晶表面(Zn)に配位したEDTA・2NaやEDAによる立体障害でコロイド状シリカが付着できなくなるとも考えられる。   From another viewpoint, it is considered that colloidal silica cannot be adhered due to steric hindrance by EDTA · 2Na or EDA coordinated on the ZnO crystal surface (Zn).

1.2 キレート剤を用いる利点
一般的に、コロイダルシリカを基板(例えばZnO基板)上に付着させないためには、ゼータ電位を同極性にし、かつ電位差を大きくすることで、静電気的反発が大きくなり、シリカ付着を防止できる(分散できる)。ところが、界面活性剤やキレート剤を用いた場合、コロイダルシリカや基板表面に吸着(または配位)するのでゼータ電位が(見かけ上)変わる。例えば、コロイダルシリカや基板の電位よりもゼータ電位が大きくなったり、電位が逆転するなどである(例えば、非特許文献1:「コロイドと界面の化学第二版」、北原文雄 青木幸一郎 共訳/株式会社 廣川書店 発行)。このように、界面活性剤やキレート剤を用いた場合、コロイダルシリカや基板の物性がゼータ電位を決定する要因ではなくなる。すなわち、溶液のpHでゼータ電位をコントロールする必要はなくなる。別の観点では、活性剤やキレート剤がZnO基板表面に吸着(または配位)してZn(OH)の生成を抑えることもできると考えられる。
1.2 Advantages of using a chelating agent Generally, in order to prevent colloidal silica from adhering to a substrate (for example, a ZnO substrate), electrostatic repulsion is increased by making the zeta potential the same polarity and increasing the potential difference. , Silica adhesion can be prevented (dispersed). However, when a surfactant or chelating agent is used, the zeta potential changes (apparently) because it adsorbs (or coordinates) on colloidal silica or the substrate surface. For example, the zeta potential is larger than the potential of colloidal silica or the substrate, or the potential is reversed (for example, Non-Patent Document 1: “Colloidal and Interface Chemistry 2nd Edition”, Fumio Kitahara Koichiro Aoki / Published by Yodogawa Shoten Co., Ltd.). Thus, when a surfactant or a chelating agent is used, the physical properties of colloidal silica and the substrate are not a factor that determines the zeta potential. That is, it is not necessary to control the zeta potential with the pH of the solution. From another viewpoint, it is considered that the activator or chelating agent can be adsorbed (or coordinated) on the surface of the ZnO substrate to suppress the production of Zn (OH) 2 .

1.3 本発明の溶液
本発明で使用しているEDTA・2Naはキレート化合物であり配位子を有する電解質溶液である。また、上記非特許文献1は電気2重層について述べており、界面活性剤とキレート剤を例に挙げているが、配位子についても、分子構造上同様な効果を有すると解される。
1.3 Solution of the Present Invention EDTA · 2Na used in the present invention is a chelate compound and an electrolyte solution having a ligand. In addition, Non-Patent Document 1 describes an electric double layer, taking a surfactant and a chelating agent as examples, but it is understood that a ligand also has a similar effect on the molecular structure.

本発明の処理においては、エッチング後、純水洗浄をせずにエッチング液成分の希釈溶液で洗浄を行っている。但し、このエッチング液の試薬成分はアセトン脱水、IPA乾燥の工程で脱離しないので、基板表面に試薬が残留(吸着または配位)する。しかし、ZnOおよびMgZnO成長において基板を高温(特には500℃以上)に昇温する段階で分解、飛散するので、結晶成長に悪影響を及ぼすことはない。   In the treatment of the present invention, after etching, cleaning is performed with a diluted solution of an etching solution component without cleaning with pure water. However, since the reagent component of this etching solution is not desorbed in the steps of acetone dehydration and IPA drying, the reagent remains (adsorbs or coordinates) on the substrate surface. However, since the substrate is decomposed and scattered when the substrate is heated to a high temperature (especially 500 ° C. or more) in the growth of ZnO and MgZnO, the crystal growth is not adversely affected.

1.4 本発明の効果
実施例1〜3においては、中性ないし弱アルカリ性のエッチャントであるEDTA・2Na+EDAによるエッチング後に、洗浄液として、中性ないし弱アルカリの“EDTA・2Na+EDA”、弱酸の“EDTA・2Na”、希釈アルカリの“EDA”などの配位子を有する電解質溶液の希釈溶液を使用することにより、ZnO基板表面の亜鉛シリサイド形成を抑制することができる。更に、付着するコロイド状シリカを抑制することができる。
1.4 Effects of the Invention In Examples 1 to 3, after etching with EDTA · 2Na + EDA, which is a neutral or weak alkaline etchant, neutral or weak alkaline “EDTA · 2Na + EDA” or weak acid “EDTA” is used as a cleaning solution. -By using a diluted solution of an electrolyte solution having a ligand such as 2Na "or diluted alkaline" EDA ", formation of zinc silicide on the surface of the ZnO substrate can be suppressed. Furthermore, the colloidal silica which adheres can be suppressed.

また、実施例4〜5においては、弱酸性エッチャントであるEDTA・2Naによるエッチング後に、洗浄液として、弱酸の“EDTA・2Na”、希釈アルカリの“EDA”などの配位子を有する電解質溶液の希釈溶液を使用することにより、ZnO基板表面の亜鉛シリサイドの形成を抑制することができる。更に、付着するコロイド状シリカを抑制することができる。   In Examples 4 to 5, after etching with EDTA · 2Na, which is a weakly acidic etchant, the electrolyte solution having a ligand such as “EDTA · 2Na” of weak acid or “EDA” of diluted alkali is used as a cleaning solution. By using the solution, formation of zinc silicide on the surface of the ZnO substrate can be suppressed. Furthermore, the colloidal silica which adheres can be suppressed.

かかる前処理方法を施すことによって、亜鉛シリサイドやコロイド状シリカおよび埋没しているコロイド状シリカがない基板を提供できるので、高温MOCVD法においてもMgZnO結晶層にSiが混入せず(すなわち、検出下限界以下)、残留不純物の少ないMgZnO層を成長することができる。   By applying such a pretreatment method, a substrate free from zinc silicide, colloidal silica, and buried colloidal silica can be provided, so that Si is not mixed into the MgZnO crystal layer even in the high temperature MOCVD method (that is, under detection). The MgZnO layer with less residual impurities can be grown.

また、基板方位と選択成長に基づく、縦縞状のモフォロジとなるMgZnO結晶層を成長することができる。すなわち、欠陥密度の低い結晶の成長が可能となる。   Further, it is possible to grow a MgZnO crystal layer having a vertical stripe morphology based on the substrate orientation and selective growth. That is, a crystal having a low defect density can be grown.

成長したMgZnO層について微分干渉顕微鏡によりピット密度の観察を行った。比較例の方法では、ピット密度は1×10〜1×10個/cmとバラツキが大きかったのに対し、本発明の方法では、7×10〜3×10個/cmと低密度であることが確認された。 The grown MgZnO layer was observed for pit density with a differential interference microscope. In the method of the comparative example, the pit density varied greatly as 1 × 10 4 to 1 × 10 5 pieces / cm 2 , whereas in the method of the present invention, 7 × 10 3 to 3 × 10 4 pieces / cm 2. It was confirmed that the density was low.

このように、MOCVD法において結晶性の良好なMgZnO結晶層の成長が可能になり、MgZnO結晶層へのSi残留の抑制が可能となり、また平坦性に優れたMgZnO結晶層の成長が可能になる。   Thus, it becomes possible to grow a MgZnO crystal layer with good crystallinity in the MOCVD method, to suppress Si residue in the MgZnO crystal layer, and to grow an MgZnO crystal layer with excellent flatness. .

なお、EDTA・2NaとEDAの混合希釈溶液、EDTA・2Na希釈溶液、EDA希釈溶液は、エッチング溶液と同じ成分なので、別な試薬溶液を用いた場合に懸念される相互反応等によるエッチング面のダメージや、エッチング面への意図しない薬液残留が起きないという利点がある。   The mixed dilution solution of EDTA · 2Na and EDA, EDTA · 2Na diluted solution, and EDA diluted solution are the same components as the etching solution. Therefore, damage to the etched surface due to the interaction that is a concern when using another reagent solution. In addition, there is an advantage that unintended chemical solution does not occur on the etched surface.

以上詳細に説明したように、本発明によれば、亜鉛シリサイドやシリカなどが残留しないZnO基板の成長前処理方法を提供することができる。より詳細には、本発明によれば、EDTA・2NaとEDAの混合溶液やEDTA・2NaなどのEDTAキレート化合物を含む溶液をエッチャントとしてZnO基板をエッチングし、EDTA・2NaとEDAの混合希釈溶液、EDTA・2Na希釈溶液、EDA希釈溶液などの配位子を有する電解質溶液を洗浄液として、エッチング後の基板を洗浄する。かかる基板処理により、基板表面の亜鉛シリサイドやシリカなどを除去できる。そして、かかる前処理を行った基板を用いることにより、MOCVD法などの結晶成長において、亜鉛シリサイドやシリカ等に起因するSiがMgZnOなどのZnO系半導体成長層内に拡散・残留し、成長層の表面平坦性、モフォロジを劣化させることのない、表面平坦性に優れ、Siの拡散のない高品質な結晶を得ることができる。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a growth pretreatment method for a ZnO substrate in which zinc silicide, silica, or the like does not remain. More specifically, according to the present invention, the ZnO substrate is etched using a mixed solution of EDTA · 2Na and EDA or a solution containing an EDTA chelate compound such as EDTA · 2Na as an etchant, and a mixed diluted solution of EDTA · 2Na and EDA, The substrate after etching is cleaned using an electrolyte solution having a ligand such as EDTA · 2Na diluted solution or EDA diluted solution as a cleaning solution. By such substrate treatment, zinc silicide, silica, and the like on the substrate surface can be removed. Then, by using the substrate that has been subjected to such pretreatment, in crystal growth such as MOCVD, Si caused by zinc silicide, silica, or the like diffuses and remains in the ZnO-based semiconductor growth layer such as MgZnO. It is possible to obtain a high-quality crystal having excellent surface flatness and no Si diffusion without deteriorating surface flatness and morphology.

従って、半導体素子等への適用においては、優れた不純物濃度制御及び不純物濃度プロファイル制御、急峻な界面制御が可能となり、高品質の結晶積層構造を形成できるため、優れた特性の半導体素子を提供することができる。さらに、電気的特性及び発光効率に優れたZnO系結晶系半導体発光素子の製造が可能となる。   Therefore, when applied to semiconductor elements, etc., excellent impurity concentration control, impurity concentration profile control, and steep interface control are possible, and a high-quality crystal stacked structure can be formed, thereby providing a semiconductor element with excellent characteristics. be able to. Furthermore, it is possible to manufacture a ZnO-based crystal semiconductor light emitting device having excellent electrical characteristics and light emission efficiency.

10 ZnO基板
11 ZnO成長層
12 MgZnO成長層
10 ZnO substrate 11 ZnO growth layer 12 MgZnO growth layer

Claims (11)

Zn極性面を主面としたZnO単結晶の基板の処理方法であって、
EDTAキレート化合物を含む溶液をエッチャントとして用いて前記基板をエッチングするエッチング工程と、
前記エッチングの次に、配位子を有する電解質溶液を洗浄液として用いて前記基板を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする処理方法。
A method for processing a ZnO single crystal substrate having a Zn polar face as a main surface,
An etching step of etching the substrate using a solution containing an EDTA chelate compound as an etchant;
And a cleaning step of cleaning the substrate using an electrolyte solution having a ligand as a cleaning liquid after the etching.
前記エッチャントはEDTA・2Na(エチレンジアミン4酢酸2ナトリウム)及びEDA(エチレンジアミン)の混合溶液であり、
前記洗浄液は、EDTA・2Na及びEDAの混合溶液、EDTA・2Na及びEDAのうちいずれか1の純水による希釈液であることを特徴とする請求項1に記載の処理方法。
The etchant is a mixed solution of EDTA · 2Na (ethylenediaminetetraacetic acid disodium) and EDA (ethylenediamine),
The processing method according to claim 1, wherein the cleaning liquid is a mixed solution of EDTA · 2Na and EDA, or a diluted solution of pure water of any one of EDTA · 2Na and EDA.
前記エッチャントの前記混合溶液におけるEDTA・2Na及びEDAのモル濃度が、それぞれ0.17〜0.19mol/l及び2.5〜0.71mol/lの範囲であることを特徴とする請求項2に記載の処理方法。   The molar concentration of EDTA · 2Na and EDA in the mixed solution of the etchant is in the range of 0.17 to 0.19 mol / l and 2.5 to 0.71 mol / l, respectively. The processing method described. 前記希釈液の前記希釈比(体積比)が1:20ないし1:10000の範囲であることを特徴とする請求項2又は3に記載の処理方法。   The processing method according to claim 2 or 3, wherein the dilution ratio (volume ratio) of the diluent is in the range of 1:20 to 1: 10000. 前記洗浄液はEDTA・2Naの純水による希釈液であり、前記EDTA・2Naのモル濃度が0.0020〜0.000020mol/lの範囲であることを特徴とする請求項2又は3に記載の処理方法。   The treatment according to claim 2 or 3, wherein the cleaning liquid is a diluted solution of EDTA · 2Na with pure water, and the molar concentration of the EDTA · 2Na is in the range of 0.0020 to 0.000020 mol / l. Method. 前記洗浄液はEDAの純水による希釈液であり、前記EDAのモル濃度が0.15〜0.00015mol/lの範囲であることを特徴とする請求項2又は3に記載の処理方法。   The processing method according to claim 2 or 3, wherein the cleaning liquid is a diluted liquid of EDA with pure water, and the molar concentration of the EDA is in the range of 0.15 to 0.00015 mol / l. 前記エッチャントはEDTA・2Na溶液であり、
前記洗浄液は、EDTA・2Na及びEDAのうちいずれか1の純水による希釈液であることを特徴とする請求項1に記載の処理方法。
The etchant is an EDTA · 2Na solution,
The processing method according to claim 1, wherein the cleaning liquid is a diluted liquid of any one of EDTA · 2Na and EDA.
前記エッチャントにおけるEDTA・2Naのモル濃度は、0.1〜0.5mol/lの範囲であることを特徴とする請求項7に記載の処理方法。   The processing method according to claim 7, wherein a molar concentration of EDTA · 2Na in the etchant is in a range of 0.1 to 0.5 mol / l. 前記洗浄液はEDAの純水による希釈液であり、前記EDAのモル濃度が0.15〜0.00015mol/lの範囲であることを特徴とする請求項8に記載の処理方法。   The processing method according to claim 8, wherein the cleaning liquid is a diluted liquid of EDA with pure water, and the molar concentration of the EDA is in the range of 0.15 to 0.00015 mol / l. 前記洗浄液はEDTA・2Naの純水による希釈液であり、前記EDTA・2Naのモル濃度が0.0020〜0.000020mol/lの範囲であることを特徴とする請求項9に記載の処理方法。   The processing method according to claim 9, wherein the cleaning liquid is a diluted solution of EDTA · 2Na with pure water, and the molar concentration of the EDTA · 2Na is in the range of 0.0020 to 0.000020 mol / l. 前記配位子を有する電解質溶液において、前記配位子は多座配位子であることを特徴とする請求項1に記載の処理方法。   The processing method according to claim 1, wherein in the electrolyte solution having the ligand, the ligand is a multidentate ligand.
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