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JP2023157999A - nitride semiconductor substrate - Google Patents

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JP2023157999A
JP2023157999A JP2023136035A JP2023136035A JP2023157999A JP 2023157999 A JP2023157999 A JP 2023157999A JP 2023136035 A JP2023136035 A JP 2023136035A JP 2023136035 A JP2023136035 A JP 2023136035A JP 2023157999 A JP2023157999 A JP 2023157999A
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JP
Japan
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layer
plane
growth
substrate
nitride semiconductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2023136035A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
丈洋 吉田
Takehiro Yoshida
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Sumitomo Chemical Co Ltd filed Critical Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

To improve crystal quality of a nitride semiconductor substrate.SOLUTION: A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate comprises: the step of preparing a base substrate; forming a first base layer on the base substrate; forming a metal layer on the first base layer; performing heating to form voids in the first base layer; epitaxially growing a second base layer above the first base layer to form the main surface of the second base layer into a mirror surface; the three-dimensional growth step of directly epitaxially growing a single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface having an exposed (0001)plane on the main surface of the second base layer, forming a plurality of recessed parts constituted of inclination interfaces except the (0001)plane on the top surface, gradually expanding the inclination interfaces as the same go above the second base layer and eliminating the (0001)plane from the top surface to grow a first layer having a surface constituted of only the inclination interfaces; and the flattening step of epitaxially growing the single crystal of the group III nitride semiconductor on the first layer to eliminate the inclination interfaces and growing a second layer having a surface formed into a mirror surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板および積層構造体に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor substrate, and a laminated structure.

III族窒化物半導体の単結晶からなる自立基板(以下、「窒化物半導体基板」ともいう)を得るために、様々な方法が開示されている(例えば特許文献1)。 Various methods have been disclosed for obtaining a free-standing substrate (hereinafter also referred to as "nitride semiconductor substrate") made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor (for example, Patent Document 1).

特開2003-178984号公報Japanese Patent Application Publication No. 2003-178984

本発明の目的は、窒化物半導体基板の結晶品質を向上させることにある。 An object of the present invention is to improve the crystal quality of a nitride semiconductor substrate.

本発明の一態様によれば、
下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上にIII族窒化物半導体からなる第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層上に金属層を形成する工程と、
熱処理を行い、前記第1下地層中にボイドを形成する工程と、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する第2下地層を、前記第1下地層の上方にエピタキシャル成長させ、該第2下地層の前記主面を鏡面化させる工程と、
(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記第2下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記第2下地層の上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、前記(0001)面を前記頂面から消失させ、表面が前記傾斜界面のみで構成される第1層を成長させる3次元成長工程と、
前記第1層上にIII族窒化物半導体の単結晶をエピタキシャル成長させ、前記傾斜界面を消失させ、鏡面化された表面を有する第2層を成長させる平坦化工程と、
を有する
窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
a step of preparing a base substrate;
forming a first base layer made of a group III nitride semiconductor on the base substrate;
forming a metal layer on the first base layer;
performing heat treatment to form voids in the first underlayer;
A second base layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor and having a main surface whose nearest low-index crystal plane is the (0001) plane is epitaxially grown above the first base layer, a step of mirror-finishing the main surface of the stratum;
A single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface with an exposed (0001) plane is epitaxially grown directly on the main surface of the second underlayer, and is composed of an inclined interface other than the (0001) plane. A plurality of recesses are formed on the top surface, and the inclined interface is gradually enlarged as it goes above the second underlayer, so that the (0001) plane disappears from the top surface, so that the surface is only the inclined interface. a three-dimensional growth process of growing a first layer consisting of;
A planarization step of epitaxially growing a group III nitride semiconductor single crystal on the first layer, eliminating the inclined interface, and growing a second layer having a mirrored surface;
A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate is provided.

本発明の他の態様によれば、
上述の態様に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第2層をスライスすることにより得られる
窒化物半導体基板が提供される。
According to another aspect of the invention:
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the above aspect, a nitride semiconductor substrate obtained by slicing the second layer is provided.

本発明の更に他の態様によれば、
2インチ以上の直径を有し、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
Ge(220)面の2結晶モノクロメータおよびスリットを介して前記主面に対してCuのKα1のX線を照射し、(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った場合に、前記スリットのω方向の幅を1mmとしたときの前記(0002)面回折の半値幅FWHMaから、前記スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの前記(0002)面回折の半値幅FWHMbを引いた差FWHMa-FWHMbは、FWHMaの30%以下である
窒化物半導体基板が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more and having a main surface whose nearest low-index crystal plane is a (0001) plane,
When X-rays of Kα1 of Cu are irradiated to the main surface through a Ge (220)-plane two-crystal monochromator and a slit, and an X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction is performed, the slit Subtract the half width FWHMb of the (0002) plane diffraction when the width in the ω direction of the slit is 0.1 mm from the half width FWHMa of the (0002) plane diffraction when the width in the ω direction of the slit is 0.1 mm. A nitride semiconductor substrate is provided in which the difference FWHMa-FWHMb is 30% or less of FWHMa.

本発明の他の態様によれば、
2インチ以上の直径を有する窒化物半導体基板であって、
多光子励起顕微鏡により視野250μm角で前記窒化物半導体基板の主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、前記転位密度が3×10cm-2を超える領域が前記主面に存在せず、前記転位密度が1×10cm-2未満である領域が前記主面の80%以上存在する
窒化物半導体基板が提供される。
According to another aspect of the invention:
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more,
When the main surface of the nitride semiconductor substrate is observed with a field of view of 250 μm square using a multiphoton excitation microscope and the dislocation density is determined from the dark spot density, the region where the dislocation density exceeds 3×10 6 cm −2 is the main surface of the nitride semiconductor substrate. There is provided a nitride semiconductor substrate in which 80% or more of the main surface has a region where the dislocation density is less than 1×10 6 cm −2 and is not present on the main surface.

本発明の更に他の態様によれば、
最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
前記主面内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、前記主面へ入射したX線と前記主面とがなすピーク角度ωを、前記直線上の位置に対してプロットし、前記ピーク角度ωを前記位置の1次関数で近似したときに、
前記1次関数の傾きの逆数により求められる前記(0001)面の曲率半径は、10m以上であり、
前記1次関数に対する、測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.05°以下である
窒化物半導体基板が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
A nitride semiconductor substrate having a main surface whose nearest low-index crystal plane is a (0001) plane,
The X-ray rocking curve of the (0002) plane is measured at each position on a straight line passing through the center within the principal plane, and the peak angle ω between the X-ray incident on the principal plane and the principal plane is calculated on the straight line. When the peak angle ω is approximated by a linear function of the position,
The radius of curvature of the (0001) plane determined by the reciprocal of the slope of the linear function is 10 m or more,
A nitride semiconductor substrate is provided in which an error of the measured peak angle ω with respect to the linear function is 0.05° or less.

本発明の更に他の態様によれば、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、鏡面化された主面を有し、前記主面に対して最も近い低指数の結晶面が(0001)面である下地層と、
前記(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記下地層の上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、(0001)面を前記頂面から消失させることにより形成され、表面が前記傾斜界面のみで構成される第1層と、
前記第1層上にIII族窒化物半導体の単結晶をエピタキシャル成長させ、前記傾斜界面を消失させ、鏡面化された表面を有する第2層と、
を有する
積層構造体が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
a base layer made of a single crystal of a group III nitride semiconductor, having a mirror-finished main surface, and a low-index crystal plane closest to the main surface being a (0001) plane;
A group III nitride semiconductor single crystal having a top surface with the (0001) plane exposed is directly epitaxially grown on the main surface of the underlayer, and a plurality of slanted interfaces other than the (0001) plane are formed. is formed by creating a recess on the top surface, gradually enlarging the sloped interface as it goes above the base layer, and causing the (0001) plane to disappear from the top surface, so that the surface is formed only by the sloped interface. A first layer consisting of;
a second layer having a mirror-finished surface by epitaxially growing a single crystal of a Group III nitride semiconductor on the first layer and eliminating the inclined interface;
A laminated structure having the following is provided.

本発明によれば、窒化物半導体基板の結晶品質を向上させることができる。 According to the present invention, the crystal quality of a nitride semiconductor substrate can be improved.

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. 下地構造体作製工程を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a base structure manufacturing process. (a)~(e)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (e) are schematic cross-sectional views showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)~(c)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (c) are schematic cross-sectional views showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)~(b)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (b) are schematic cross-sectional views showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)~(b)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。(a) to (b) are schematic cross-sectional views showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a part of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)は、傾斜界面およびc面のそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件下での成長過程を示す概略断面図であり、(b)は、傾斜界面が拡大しc面が縮小する第1成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。(a) is a schematic cross-sectional view showing the growth process under standard growth conditions in which the inclined interface and the c-plane do not expand or contract, and (b) is a schematic cross-sectional view showing the growth process in which the inclined interface expands and the c-plane contracts. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the growth process under one growth condition. 傾斜界面が縮小しc面が拡大する第2成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the growth process under a second growth condition in which the inclined interface shrinks and the c-plane expands. (a)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板を示す概略上面図であり、(b)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板のm軸に沿った概略断面図であり、(c)は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板のa軸に沿った概略断面図である。(a) is a schematic top view showing a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention, and (b) is a schematic cross section along the m-axis of the nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. FIG. 3(c) is a schematic cross-sectional view along the a-axis of a nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. (a)は、湾曲したc面に対するX線の回折を示す概略断面図であり、(b)および(c)は、c面の曲率半径に対する、(0002)面の回折角度の揺らぎを示す図である。(a) is a schematic cross-sectional view showing X-ray diffraction on a curved c-plane, and (b) and (c) are views showing fluctuations in the diffraction angle of the (0002) plane with respect to the radius of curvature of the c-plane. It is. 実施例の積層構造体の断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。It is a figure which shows the observation image of the cross section of the laminated structure of an Example observed by the fluorescence microscope. 多光子励起顕微鏡を用い、実施例の窒化物半導体基板の主面を観察した図である。FIG. 2 is a view of the main surface of the nitride semiconductor substrate of the example, observed using a multiphoton excitation microscope. (a)は、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、m軸方向に沿って(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った結果を示す図であり、(b)は、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、a軸方向に沿って(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った結果を示す図である。(a) is a diagram showing the results of X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction along the m-axis direction for each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1, and (b) 1 is a diagram showing the results of X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction along the a-axis direction for each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1. (a)は、実施例の窒化物半導体基板について、スリットを異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの、規格化したX線回折パターンを示す図であり、(b)は、比較例1の窒化物半導体基板について、実施例と同じ測定を行ったときの、規格化したX線回折パターンを示す図である。(a) is a diagram showing a normalized X-ray diffraction pattern when X-ray rocking curve measurements were performed with different slits on the nitride semiconductor substrate of the example, and (b) is a diagram of a comparative example. FIG. 2 is a diagram showing a normalized X-ray diffraction pattern when the same measurement as in Example was performed on the nitride semiconductor substrate No. 1.

<発明者等の得た知見>
まず、発明者等の得た知見について説明する。
<Findings obtained by the inventors>
First, the findings obtained by the inventors will be explained.

上述の特許文献1における方法は、VAS(Void-assisted Separation Method)と呼ばれる。VAS法は、例えば、以下のようにして行われる。 The method in Patent Document 1 mentioned above is called VAS (Void-assisted Separation Method). The VAS method is performed, for example, as follows.

まず、所定の下地基板上に、III族窒化物半導体からなる第1結晶層を形成する。第1結晶層を形成したら、第1結晶層上に金属層を形成する。金属層を形成したら、所定のガスを含む雰囲気中で熱処理を行うことで、金属層中に微細な穴を形成するとともに、金属層の網目(ナノネット)を介して第1結晶層中にボイドを形成する。第1結晶層中にボイドを形成したら、第1結晶層の上方に、III族窒化物半導体からなる第2結晶層を形成する。このとき、上述のボイドの一部が残存する。第2結晶層を形成したら、第2結晶層の成長温度から降温する際に、上述の残存したボイドを起因として、第2結晶層を下地基板から剥離させる。第2結晶層を剥離させたら、第2結晶層をスライスおよび研磨することで、高い結晶品質を有する窒化物半導体基板が得られる。 First, a first crystal layer made of a group III nitride semiconductor is formed on a predetermined base substrate. After forming the first crystal layer, a metal layer is formed on the first crystal layer. Once the metal layer is formed, heat treatment is performed in an atmosphere containing a predetermined gas to form fine holes in the metal layer and to create voids in the first crystal layer through the mesh (nannet) of the metal layer. form. After forming voids in the first crystal layer, a second crystal layer made of a group III nitride semiconductor is formed above the first crystal layer. At this time, some of the voids described above remain. After forming the second crystal layer, when the temperature is lowered from the growth temperature of the second crystal layer, the second crystal layer is peeled off from the underlying substrate due to the above-mentioned remaining voids. After the second crystal layer is peeled off, a nitride semiconductor substrate having high crystal quality can be obtained by slicing and polishing the second crystal layer.

ここで、III族窒化物半導体の単結晶からなる結晶層を、c面を成長面として厚く成長させると、結晶層の表面における転位密度は、当該結晶層の厚さに対して反比例する傾向がある。 Here, when a crystal layer consisting of a single crystal of a Group III nitride semiconductor is grown thickly with the c-plane as the growth plane, the dislocation density at the surface of the crystal layer tends to be inversely proportional to the thickness of the crystal layer. be.

そこで、上述のVAS法において、第2結晶層の転位密度を低減させるため、第1結晶層の上方に第2結晶層を厚く成長させることが考えられる。 Therefore, in the above-mentioned VAS method, in order to reduce the dislocation density of the second crystal layer, it is conceivable to grow the second crystal layer thickly above the first crystal layer.

しかしながら、上述のVAS法では、第2結晶層の下地基板側には、結晶の初期核が引き合うことで生じた引張応力が蓄積している。一方で、第2結晶層に生じた引張応力によって、第2結晶層のc面は、凹の球面状に湾曲している。凹に湾曲したc面上に第2結晶層を厚く成長させると、第2結晶層が厚くなるにしたがって、第2結晶層に加わる応力が徐々に圧縮応力に変化していく。このため、第2結晶層のうちの下地基板側と表面側との応力差が徐々に大きくなる。応力差が過大となると、第2結晶層にクラックが生じてしまう可能性がある。 However, in the above-mentioned VAS method, tensile stress caused by the initial nuclei of the crystals attracting each other is accumulated on the base substrate side of the second crystal layer. On the other hand, the c-plane of the second crystal layer is curved into a concave spherical shape due to the tensile stress generated in the second crystal layer. When the second crystal layer is grown thickly on the concavely curved c-plane, the stress applied to the second crystal layer gradually changes to compressive stress as the second crystal layer becomes thicker. Therefore, the stress difference between the base substrate side and the surface side of the second crystal layer gradually increases. If the stress difference becomes too large, cracks may occur in the second crystal layer.

このように、VAS法において、c面を成長面として第2結晶層を厚く成長させることは困難となる。 Thus, in the VAS method, it is difficult to grow the second crystal layer thickly with the c-plane as the growth plane.

本発明は、発明者が見出した上記知見に基づくものである。 The present invention is based on the above findings discovered by the inventor.

<本発明の一実施形態>
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
<One embodiment of the present invention>
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(1)窒化物半導体基板の製造方法
図1~図8を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法について説明する。
図1は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示すフローチャートである。図2は、下地構造体作製工程を示すフローチャートである。図3(a)~(e)、図4(a)~(c)、図6(a)~図8は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。図5は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一部を示す概略斜視図である。なお、図3(a)~(e)では、下地基板1の下側を省略している。また、図5は、図4(b)の時点での斜視図に相当し、下地構造体10上に成長する第1層30の一部を示している。また、図6(b)において、第2層40における細実線は、成長途中の結晶面を示し、図4(c)、図6(a)~図8において、点線は、転位を示している。
(1) Method for manufacturing a nitride semiconductor substrate A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment will be described using FIGS. 1 to 8.
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. FIG. 2 is a flowchart showing the base structure manufacturing process. 3(a)-(e), FIG. 4(a)-(c), and FIG. 6(a)-FIG. 8 are schematic cross-sectional views showing a part of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. It is. FIG. 5 is a schematic perspective view showing a part of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment. Note that in FIGS. 3(a) to 3(e), the lower side of the base substrate 1 is omitted. Moreover, FIG. 5 corresponds to a perspective view at the time of FIG. 4(b), and shows a part of the first layer 30 grown on the base structure 10. In addition, in FIG. 6(b), thin solid lines in the second layer 40 indicate crystal planes in the middle of growth, and in FIG. 4(c) and FIGS. 6(a) to 8, dotted lines indicate dislocations. .

なお、以下では、ウルツ鉱構造を有するIII族窒化物半導体の結晶において、<0001>軸(例えば[0001]軸)を「c軸」といい、(0001)面を「c面」という。なお、(0001)面を「+c面(III族元素極性面)」といい、(000-1)面を「-c面(窒素(N)極性面)」ということがある。また、<1-100>軸(例えば[1-100]軸)を「m軸」といい、{1-100}面を「m面」という。なお、m軸は<10-10>軸と表記してもよい。また、<11-20>軸(例えば[11-20]軸)を「a軸」といい、{11-20}面を「a面」という。 In the following, in a group III nitride semiconductor crystal having a wurtzite structure, the <0001> axis (for example, the [0001] axis) will be referred to as the "c-axis", and the (0001) plane will be referred to as the "c-plane". Note that the (0001) plane is sometimes referred to as the "+c plane (group III element polar plane)" and the (000-1) plane is sometimes referred to as the "-c plane (nitrogen (N) polar plane)." Further, the <1-100> axis (for example, the [1-100] axis) is referred to as the "m-axis", and the {1-100} plane is referred to as the "m-plane". Note that the m-axis may be expressed as the <10-10> axis. Further, the <11-20> axis (for example, the [11-20] axis) is referred to as the "a-axis", and the {11-20} plane is referred to as the "a-plane".

図1に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法は、例えば、下地構造体作製工程S100と、3次元成長工程S200と、平坦化工程S300と、スライス工程S400と、研磨工程S500と、を有している。 As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment includes, for example, a base structure manufacturing step S100, a three-dimensional growth step S200, a planarization step S300, a slicing step S400, and a polishing step S400. Step S500.

(S100:下地構造体作製工程)
まず、例えば、上述のVAS法により下地構造体10を作製する。
(S100: Base structure fabrication process)
First, the base structure 10 is manufactured by, for example, the above-mentioned VAS method.

具体的には、下地構造体作製工程S100は、例えば、下地基板準備工程S110と、第1下地層形成工程S120と、金属層形成工程S130と、ボイド形成工程S140と、第2下地層形成工程S150と、を有している。 Specifically, the base structure manufacturing process S100 includes, for example, a base substrate preparation process S110, a first base layer forming process S120, a metal layer forming process S130, a void forming process S140, and a second base layer forming process. S150.

(S110:下地基板準備工程)
まず、図3(a)に示すように、下地基板1を準備する。下地基板1は、例えば、III族窒化物半導体と異なる材料からなっている。具体的には、下地基板1は、例えば、サファイア基板である。なお、下地基板1は、例えば、Si基板またはガリウム砒素(GaAs)基板であってもよい。
(S110: Base substrate preparation step)
First, as shown in FIG. 3(a), a base substrate 1 is prepared. The base substrate 1 is made of, for example, a material different from a group III nitride semiconductor. Specifically, the base substrate 1 is, for example, a sapphire substrate. Note that the base substrate 1 may be, for example, a Si substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate.

下地基板1の直径は、例えば、2インチ(50.8mm)以上である。また、下地基板1の厚さは、例えば、300μm以上1mm以下である。 The diameter of the base substrate 1 is, for example, 2 inches (50.8 mm) or more. Further, the thickness of the base substrate 1 is, for example, 300 μm or more and 1 mm or less.

下地基板1は、例えば、エピタキシャル成長面となる主面1sを有している。主面1sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面である。 The base substrate 1 has, for example, a main surface 1s that becomes an epitaxial growth surface. The closest low-index crystal plane to the main surface 1s is, for example, the c-plane.

本実施形態では、下地基板1のc面が、主面1sに対して傾斜している。下地基板1のc軸は、主面1sの法線に対して所定のオフ角で傾斜している。下地基板1の主面1s内でのオフ角は、主面1s全体に亘って均一である。下地基板1の主面1sの中心におけるオフ角の大きさを、例えば、0°超1°以下とする。下地基板1の主面1s内でのオフ角は、後述する第2下地層6の主面6sの中心におけるオフ角に影響する。 In this embodiment, the c-plane of the base substrate 1 is inclined with respect to the principal surface 1s. The c-axis of the base substrate 1 is inclined at a predetermined off angle with respect to the normal to the main surface 1s. The off-angle within the main surface 1s of the base substrate 1 is uniform over the entire main surface 1s. The magnitude of the off-angle at the center of the principal surface 1s of the base substrate 1 is, for example, greater than 0° and less than or equal to 1°. The off-angle within the main surface 1s of the base substrate 1 influences the off-angle at the center of the main surface 6s of the second base layer 6, which will be described later.

(S120:第1下地層形成工程)
次に、図3(b)に示すように、下地基板1の主面1s上に、III族窒化物からなる第1下地層(第1結晶層)2を形成する。
(S120: First base layer forming step)
Next, as shown in FIG. 3B, a first base layer (first crystal layer) 2 made of a group III nitride is formed on the main surface 1s of the base substrate 1.

具体的には、例えば、有機金属気相成長(MOVPE)法により、所定の成長温度に加熱された下地基板1に対して、III族原料ガスおよび窒素原料ガスを供給する。例えば、III族原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)ガスと、窒素原料ガスとしてのアンモニアガス(NH)と、を供給することで、第1下地層2として、低温成長GaNバッファ層と、GaN層と、を下地基板1の主面1s上にこの順で成長させる。なお、GaN層の成長時には、例えば、n型ドーパントガスとしてのモノシラン(SiH)ガスを供給することで、GaN層中にn型不純物をドーピングしてもよい。 Specifically, for example, a group III source gas and a nitrogen source gas are supplied to the base substrate 1 heated to a predetermined growth temperature by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). For example, by supplying trimethyl gallium (TMG) gas as a group III raw material gas and ammonia gas (NH 3 ) as a nitrogen raw material gas, a low-temperature grown GaN buffer layer and a GaN and are grown in this order on the main surface 1s of the base substrate 1. Note that during growth of the GaN layer, n-type impurities may be doped into the GaN layer by, for example, supplying monosilane (SiH 4 ) gas as an n-type dopant gas.

このとき、第1下地層2としての低温成長GaNバッファ層の成長条件を、GaN層の所望の結晶品質が得られるよう調整する。具体的には、低温成長GaNバッファ層の成長温度を、例えば、400℃以上600℃以下とする。 At this time, the growth conditions for the low-temperature grown GaN buffer layer as the first underlayer 2 are adjusted so as to obtain the desired crystal quality of the GaN layer. Specifically, the growth temperature of the low-temperature grown GaN buffer layer is set to, for example, 400° C. or higher and 600° C. or lower.

また、このとき、第1下地層2としてのGaN層の成長条件を、後述のボイド形成工程S140において所望のボイドが形成されるよう調整する。具体的には、GaN層の成長温度を、例えば、1,000℃以上1,200℃以下とする。 Further, at this time, the conditions for growing the GaN layer as the first underlayer 2 are adjusted so that desired voids are formed in the void forming step S140, which will be described later. Specifically, the growth temperature of the GaN layer is set to, for example, 1,000° C. or more and 1,200° C. or less.

また、このとき、例えば、第1下地層2の表面を鏡面化させる。なお、ここでいう「鏡面」とは、表面の凹凸の差が可視光の波長以下である面のことをいい、当該第1下地層2の表面には、c面以外のファセットが露出したヒロックが生じていてもよい。具体的には、第1下地層2の表面の二乗平均平方根粗さRMSを、例えば、10nm未満、好ましくは1nm未満とする。このように第1下地層2の表面を鏡面化させることで、後述のボイド形成工程S140においてボイドの出現具合を下地基板1の主面1s全体に亘って略均一にすることができる。 Further, at this time, for example, the surface of the first base layer 2 is mirror-finished. Note that the "mirror surface" here refers to a surface where the difference in surface unevenness is less than the wavelength of visible light, and the surface of the first underlayer 2 has hillocks with exposed facets other than the c-plane. may have occurred. Specifically, the root mean square roughness RMS of the surface of the first underlayer 2 is, for example, less than 10 nm, preferably less than 1 nm. By mirror-finishing the surface of the first base layer 2 in this manner, it is possible to make the appearance of voids substantially uniform over the entire principal surface 1s of the base substrate 1 in the void forming step S140 described below.

(S130:金属層形成工程)
次に、図3(c)に示すように、第1下地層2上に金属層3を形成する。例えば、真空蒸着またはスパッタにより、金属層3を形成する。
(S130: Metal layer forming step)
Next, as shown in FIG. 3(c), a metal layer 3 is formed on the first base layer 2. For example, the metal layer 3 is formed by vacuum evaporation or sputtering.

金属層3は、後述のボイド形成工程S140における熱処理により、自身の中に微細な穴を形成し、第1下地層2の分解を促進させ、第1下地層2にボイドを形成するよう構成される材料からなることが好ましい。具体的には、この条件を満たす金属層3としては、例えば、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、レニウム(Re)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、白金(Pt)または金(Au)などが挙げられる。本実施形態では、金属層3を、例えば、Ti層とする。 The metal layer 3 is configured to form fine holes therein through heat treatment in the void forming step S140 described below, promote decomposition of the first base layer 2, and form voids in the first base layer 2. It is preferable that the material is made of a material that Specifically, the metal layer 3 that satisfies this condition includes, for example, titanium (Ti), scandium (Sc), yttrium (Y), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), and niobium (Nb). ), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), rhenium (Re), iron (Fe), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), rhodium (Rh ), iridium (Ir), nickel (Ni), palladium (Pd), manganese (Mn), copper (Cu), platinum (Pt), or gold (Au). In this embodiment, the metal layer 3 is, for example, a Ti layer.

このとき、金属層3の厚さを、例えば、1μm以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは100nm以下とする。金属層3の厚さを1μm以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは100nm以下とすることで、後述のボイド形成工程S140において金属層3(金属窒化層5)の平坦性の低下を抑制することができる。これにより、金属窒化層5上に形成する第2下地層6の結晶品質の低下を抑制することができる。なお、金属層3の厚さの下限値は、特に限定されない。ただし、後述のボイド形成工程S140において金属窒化層5を安定的に形成する観点では、金属層3の厚さは、例えば、0.5nm以上とすることが好ましい。 At this time, the thickness of the metal layer 3 is, for example, 1 μm or less, preferably 300 nm or less, and more preferably 100 nm or less. By setting the thickness of the metal layer 3 to 1 μm or less, preferably 300 nm or less, and more preferably 100 nm or less, the decrease in flatness of the metal layer 3 (metal nitride layer 5) can be suppressed in the void forming step S140 described below. I can do it. Thereby, deterioration in crystal quality of the second base layer 6 formed on the metal nitride layer 5 can be suppressed. Note that the lower limit of the thickness of the metal layer 3 is not particularly limited. However, from the viewpoint of stably forming the metal nitride layer 5 in the void forming step S140 described later, it is preferable that the thickness of the metal layer 3 is, for example, 0.5 nm or more.

(S140:ボイド形成工程)
金属層3を形成したら、所定の熱処理を行い、第1下地層2中にボイドを形成する。
(S140: void forming step)
After forming the metal layer 3, a predetermined heat treatment is performed to form voids in the first base layer 2.

具体的には、上述の下地基板1を電気炉内に投入し、所定のヒータを有するサセプタ上に下地基板1を載置する。下地基板1をサセプタ上に載置したら、ヒータにより下地基板1を加熱し、所定のガスを含む雰囲気中で熱処理を行う。 Specifically, the base substrate 1 described above is put into an electric furnace, and the base substrate 1 is placed on a susceptor having a predetermined heater. After the base substrate 1 is placed on the susceptor, the base substrate 1 is heated by a heater and heat-treated in an atmosphere containing a predetermined gas.

このとき、例えば、窒素(N)ガスおよび窒素含有ガスのうち少なくともいずれかを含む雰囲気中で熱処理を行う。窒素含有ガスとしては、例えば、NHガスおよびヒドラジン(N)ガスのうち少なくともいずれかが挙げられる。これにより、金属層3を凝集させつつ窒化し、表面に高密度の微細な穴(貫通孔)を有する網目状の金属窒化層5(金属窒化層5のナノネットともいう)を形成することができる。 At this time, the heat treatment is performed, for example, in an atmosphere containing at least one of nitrogen (N 2 ) gas and nitrogen-containing gas. Examples of the nitrogen-containing gas include at least one of NH 3 gas and hydrazine (N 2 H 4 ) gas. As a result, the metal layer 3 is nitrided while being aggregated, and a mesh-like metal nitride layer 5 (also referred to as a nanonet of the metal nitride layer 5) having a high density of fine holes (through holes) on the surface is formed. can.

さらに、このとき、例えば、水素(H)ガスおよび水素含有ガスのうち少なくともいずれかを含む雰囲気中で熱処理を行う。水素含有ガスとしては、例えば、上述のNHガスおよびNガスのうち少なくともいずれかが挙げられる。これにより、金属窒化層5の網目を介して第1下地層2の一部をエッチングし、該第1下地層2中に高密度のボイドを形成することができる。 Furthermore, at this time, heat treatment is performed in an atmosphere containing at least one of hydrogen (H 2 ) gas and hydrogen-containing gas. Examples of the hydrogen-containing gas include at least one of the above-mentioned NH 3 gas and N 2 H 4 gas. Thereby, a part of the first base layer 2 can be etched through the mesh of the metal nitride layer 5, and voids with high density can be formed in the first base layer 2.

なお、このとき、金属窒化層5のナノネットを形成する工程と、第1下地層2中にボイドを形成する工程とを、同時に行ってもよいし、或いは、異なる雰囲気で分けて行ってもよい。 Note that at this time, the step of forming nanonets in the metal nitride layer 5 and the step of forming voids in the first base layer 2 may be performed simultaneously, or may be performed separately in different atmospheres. good.

また、このとき、熱処理条件を、第1下地層2の所定のボイド率が得られるように調整する。具体的には、雰囲気中の水素化物ガスの分圧比率を、例えば、10%以上95%以下、好ましくは50%以下とする。また、熱処理温度を、例えば、1,000℃以上1,100℃以下とする。また、熱処理時間を、例えば、1分以上100分以下とする。 Further, at this time, the heat treatment conditions are adjusted so that a predetermined void ratio of the first underlayer 2 is obtained. Specifically, the partial pressure ratio of the hydride gas in the atmosphere is set to, for example, 10% or more and 95% or less, preferably 50% or less. Further, the heat treatment temperature is, for example, 1,000°C or more and 1,100°C or less. Further, the heat treatment time is, for example, 1 minute or more and 100 minutes or less.

以上のボイド形成工程S140より、図3(d)に示すように、ボイド含有第1下地層4を形成する。 From the above void forming step S140, the void-containing first base layer 4 is formed as shown in FIG. 3(d).

(S150:第2下地層形成工程)
ボイド含有第1下地層4を形成したら、図3(e)に示すように、ボイド含有第1下地層4の上方に、III族窒化物半導体の単結晶からなる第2下地層(第2結晶層)6をエピタキシャル成長させる。
(S150: Second base layer formation step)
After forming the void-containing first base layer 4, as shown in FIG. 3(e), a second base layer (second crystal Layer) 6 is grown epitaxially.

具体的には、例えば、下地基板1を所定の気相成長装置内に搬入する。次に、ハイドライド気相成長(HVPE)法により、所定の成長温度に加熱された下地基板1に対して、III族原料ガスおよび窒素原料ガスを供給する。例えば、塩化ガリウム(GaCl)ガスと、NHガスとを供給することで、第2下地層6としてのGaN層を、ボイド含有第1下地層4および金属窒化層5上にエピタキシャル成長させる。なお、第2下地層6としてのGaN層の成長時には、例えば、n型ドーパントガスとしてのジクロロシラン(SiHCl)ガスおよびテトラクロロゲルマン(GeCl)ガスの少なくともいずれかを供給することで、GaN層中にn型不純物をドーピングしてもよい。 Specifically, for example, the base substrate 1 is carried into a predetermined vapor phase growth apparatus. Next, a group III source gas and a nitrogen source gas are supplied to the base substrate 1 heated to a predetermined growth temperature by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). For example, a GaN layer as the second base layer 6 is epitaxially grown on the void-containing first base layer 4 and the metal nitride layer 5 by supplying gallium chloride (GaCl) gas and NH 3 gas. Note that when growing the GaN layer as the second underlayer 6, for example, by supplying at least one of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas and tetrachlorogermane (GeCl 4 ) gas as an n-type dopant gas. , n-type impurities may be doped into the GaN layer.

第2下地層6の成長初期では、島状結晶の初期核が生成する。このとき、第2下地層6の島状結晶の頻度は、金属窒化層5のナノネット上に成長する際の過飽和度と、当該ナノネットの開口幅のばらつきとに依存する。第2下地層6を成長させていくと、島状結晶の初期核が横方向成長する。その後、隣接する初期核との距離が近づいたときに、初期核の表面が2つ存在しているよりも、初期核の表面が1つに結合したほうが、エネルギー的に安定となる。このため、隣接する初期核同士は、強制的に引き合う(会合する)。第2下地層6の全体に亘って初期核同士が会合していくことで、第2下地層6の主面6sが形成される。 In the initial stage of growth of the second underlayer 6, initial nuclei of island-like crystals are generated. At this time, the frequency of island crystals in the second base layer 6 depends on the degree of supersaturation when growing on the nanonets in the metal nitride layer 5 and the variation in the opening width of the nanonets. As the second underlayer 6 grows, initial nuclei of island-like crystals grow laterally. After that, when the distance between adjacent initial nuclei becomes closer, it becomes more energetically stable if the surfaces of the initial nuclei are combined into one, rather than if there are two surfaces of the initial nuclei. Therefore, adjacent initial nuclei are forcibly attracted to each other (associate). The main surface 6s of the second base layer 6 is formed by the initial nuclei coming together over the entire second base layer 6.

このとき、例えば、第2下地層6の主面6sを鏡面化させる。なお、ここでいう「鏡面」は、上述と同様に、表面の凹凸の差が可視光の波長以下である面のことをいい、当該第2下地層6の主面6sには、c面以外のファセットが露出したヒロックが生じていてもよい。具体的には、第2下地層6の主面6sの二乗平均平方根粗さRMSを、例えば、10nm未満、好ましくは1nm未満とする。詳細は(4)において後述するが、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、後述の第1層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。これにより、後述の第1層30の最近接頂部間平均距離を3次元成長工程S200での第1成長条件に基づいて制御し、最近接頂部間距離を長くすることができる。 At this time, for example, the main surface 6s of the second base layer 6 is mirror-finished. Note that the "mirror surface" here refers to a surface where the difference in surface unevenness is less than the wavelength of visible light, as described above, and the main surface 6s of the second base layer 6 has no surface other than the c-plane. Hillocks with exposed facets may be formed. Specifically, the root mean square roughness RMS of the principal surface 6s of the second base layer 6 is, for example, less than 10 nm, preferably less than 1 nm. Although the details will be described later in (4), by mirror-finishing the main surface 6s of the second base layer 6, the growth form of the first layer 30, which will be described later, can be changed to an island-like shape that occurred in the early stage of growth of the second base layer 6. It can be changed depending on the growth form of the crystal. Thereby, the average distance between the closest apexes of the first layer 30, which will be described later, can be controlled based on the first growth conditions in the three-dimensional growth step S200, and the distance between the nearest apexes can be increased.

なお、このとき、下地基板1の主面1sに最も近い低指数の結晶面をc面としたことで、第2下地層6の鏡面化した主面6sに最も近い低指数の結晶面もc面となる。 At this time, by setting the low-index crystal plane closest to the main surface 1s of the base substrate 1 to be the c-plane, the low-index crystal plane closest to the mirrored main surface 6s of the second base layer 6 is also c-plane. It becomes a surface.

また、このとき、第2下地層6の成長条件を、島状成長する結晶の初期核を所定の頻度で生成させるよう調整する。具体的には、第2下地層6の成長温度を、例えば、1,000℃以上1,100℃以下とする。また、第2下地層6の成長時におけるIII族原料ガスとしてのGaClガスの分圧に対する窒素原料ガスとしてのNHガスの流量の分圧の比率(以下、「V/III比」ともいう)を、例えば、1以上50以下とする。 Further, at this time, the growth conditions of the second underlayer 6 are adjusted so that initial nuclei of crystals that grow in an island shape are generated at a predetermined frequency. Specifically, the growth temperature of the second base layer 6 is set to, for example, 1,000° C. or more and 1,100° C. or less. In addition, the ratio of the partial pressure of the flow rate of NH 3 gas as a nitrogen source gas to the partial pressure of GaCl gas as a group III source gas during the growth of the second underlayer 6 (hereinafter also referred to as "V/III ratio") is, for example, 1 or more and 50 or less.

また、このとき、第2下地層6の厚さを、例えば、100μm以上1.5mm以下、好ましくは200μm以上500μm以下とする。第2下地層6の厚さが100μm未満であると、第2下地層6の主面6sを鏡面化することが困難となる。これに対し、第2下地層6の厚さを100μm以上とすることで、第2下地層6の主面6sを容易に鏡面化することができる。これにより、第1層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から確実に変化させ、後述の3次元成長工程S200において3次元成長する第1層30の最近接頂部間距離を容易に長くすることができる。さらに第2下地層6の厚さを200μm以上とすることで、第2下地層6の主面6sを安定的に鏡面化することができる。一方で、第2下地層6の厚さが1.5mm超であると、第2下地層6にクラックが生じてしまう可能性がある。これに対し、第2下地層6の厚さを1.5mm以下とすることで、第2下地層6のクラックの発生を抑制することができる。さらに第2下地層6の厚さを500μm以下とすることで、第2下地層6のクラックの発生を安定的に抑制することができる。 Further, at this time, the thickness of the second base layer 6 is, for example, 100 μm or more and 1.5 mm or less, preferably 200 μm or more and 500 μm or less. If the thickness of the second base layer 6 is less than 100 μm, it becomes difficult to mirror-finish the main surface 6s of the second base layer 6. On the other hand, by setting the thickness of the second base layer 6 to 100 μm or more, the main surface 6s of the second base layer 6 can be easily mirror-finished. Thereby, the growth form of the first layer 30 is reliably changed from the growth form of island-like crystals that occurred at the initial stage of growth of the second base layer 6, and the first layer grows three-dimensionally in the three-dimensional growth step S200 described later. The distance between the 30 closest peaks can be easily increased. Further, by setting the thickness of the second base layer 6 to 200 μm or more, the main surface 6s of the second base layer 6 can be stably mirror-finished. On the other hand, if the thickness of the second base layer 6 is more than 1.5 mm, cracks may occur in the second base layer 6. On the other hand, by setting the thickness of the second base layer 6 to 1.5 mm or less, the occurrence of cracks in the second base layer 6 can be suppressed. Furthermore, by setting the thickness of the second base layer 6 to 500 μm or less, generation of cracks in the second base layer 6 can be stably suppressed.

また、このとき、第2下地層6は、ボイド含有第1下地層4から金属窒化層5の穴を介してボイド含有第1下地層4および金属窒化層5上に成長する。ボイド含有第1下地層4中のボイドの一部は、第2下地層6によって埋め込まれるが、ボイド含有第1下地層4中のボイドの他部は、残存する。第2下地層6と金属窒化層5との間には、当該ボイド含有第1下地層4中に残存したボイドを起因として、平らな空隙が形成される。この空隙が後述の剥離工程S380での第2下地層6の剥離を生じさせることとなる。 Moreover, at this time, the second base layer 6 grows from the void-containing first base layer 4 onto the void-containing first base layer 4 and the metal nitride layer 5 through the holes in the metal nitride layer 5 . Some of the voids in the void-containing first base layer 4 are filled with the second base layer 6, but other parts of the voids in the void-containing first base layer 4 remain. A flat void is formed between the second base layer 6 and the metal nitride layer 5 due to the voids remaining in the void-containing first base layer 4 . This void causes the second base layer 6 to peel off in the peeling step S380, which will be described later.

また、このとき、第2下地層6には、その成長過程で生じる初期核同士が引き合うことによって、引張応力が導入されている。このため、第2下地層6中に生じた引張応力に起因して、第2下地層6のc面が凹むように内部応力が働く。また、第2下地層6の主面6s側の転位密度が低く、一方で、第2下地層6の下地基板1側の転位密度が高くなっている。このため、第2下地層6の厚さ方向の転位密度差に起因しても、第2下地層6のc面が凹むように内部応力が働く。このため、第2下地層6のc面は、主面6sに対して凹の球面状に湾曲する。ここでいう「球面状」とは、球面近似される曲面状のことを意味している。また、ここでいう「球面近似」とは、真円球面または楕円球面に対して所定の誤差の範囲内で近似されることを意味している。上述のようにc面が湾曲することで、第2下地層6の主面6sの中心の法線に対してc軸がなすオフ角は、所定の分布を有する。 Further, at this time, tensile stress is introduced into the second base layer 6 by the initial nuclei generated during the growth process attracting each other. Therefore, due to the tensile stress generated in the second base layer 6, internal stress acts so that the c-plane of the second base layer 6 is depressed. Furthermore, the dislocation density on the main surface 6s side of the second underlayer 6 is low, while the dislocation density on the undersubstrate 1 side of the second underlayer 6 is high. Therefore, even due to the difference in dislocation density in the thickness direction of the second base layer 6, internal stress acts so that the c-plane of the second base layer 6 is depressed. Therefore, the c-plane of the second base layer 6 is curved into a concave spherical shape with respect to the main surface 6s. The term "spherical shape" used herein means a curved surface that is approximated to a spherical surface. Moreover, "spherical surface approximation" here means that a perfect circular spherical surface or an ellipsoidal spherical surface is approximated within a predetermined error range. Since the c-plane is curved as described above, the off-angle that the c-axis makes with respect to the normal to the center of the main surface 6s of the second base layer 6 has a predetermined distribution.

以上の下地構造体作製工程S100により、下地構造体10が得られる。 The base structure 10 is obtained through the base structure manufacturing step S100 described above.

(S200:3次元成長工程(第1層成長工程))
その後、図4(b)、図4(c)、および図5に示すように、c面30cが露出した頂面30uを有するIII族窒化物半導体の単結晶を、第2下地層6の主面6s上に直接的にエピタキシャル成長させる。これにより、第1層(3次元成長層)30を成長させる。
(S200: Three-dimensional growth process (first layer growth process))
Thereafter, as shown in FIGS. 4(b), 4(c), and 5, a group III nitride semiconductor single crystal having a top surface 30u with an exposed c-plane 30c is Epitaxial growth is performed directly on the surface 6s. As a result, the first layer (three-dimensional growth layer) 30 is grown.

このとき、c面以外の傾斜界面30iで囲まれて構成される複数の凹部30pを単結晶の頂面30uに生じさせ、第2下地層6の上方に行くにしたがって、該傾斜界面30iを徐々に拡大させ、c面30cを徐々に縮小させる。これにより、c面30cを頂面30uから消失させる。その結果、表面が傾斜界面30iのみで構成される第1層30を成長させる。 At this time, a plurality of recesses 30p surrounded by inclined interfaces 30i other than the c-plane are generated in the top surface 30u of the single crystal, and as the second base layer 6 goes above the inclined interfaces 30i, the inclined interfaces 30i are gradually , and the c-plane 30c is gradually reduced. This causes the c-plane 30c to disappear from the top surface 30u. As a result, the first layer 30 whose surface is composed of only the inclined interface 30i is grown.

すなわち、3次元成長工程S200では、鏡面化した第2下地層6の主面6sをあえて荒らすように、第1層30を3次元成長させる。なお、第1層30は、このような成長形態を形成したとしても、上述のように、単結晶で成長させる。この点において、第1層30は、サファイアなどの異種基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる前に該異種基板上にアモルファスまたは多結晶として形成されるいわゆる低温成長バッファ層とは異なるものである。 That is, in the three-dimensional growth step S200, the first layer 30 is three-dimensionally grown so as to intentionally roughen the main surface 6s of the mirror-finished second base layer 6. Note that even if such a growth form is formed, the first layer 30 is grown as a single crystal as described above. In this respect, the first layer 30 is different from a so-called low-temperature growth buffer layer that is formed as an amorphous or polycrystalline layer on a foreign substrate such as sapphire before a group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the substrate. be.

本実施形態では、第1層30として、例えば、下地基板1を構成するIII族窒化物半導体と同じIII族窒化物半導体からなる層をエピタキシャル成長させる。具体的には、例えば、HVPE法により、下地基板1を加熱し、当該加熱された下地基板1に対してGaClガスおよびNHガスを供給することで、第1層30としてGaN層をエピタキシャル成長させる。 In this embodiment, as the first layer 30, for example, a layer made of the same group III nitride semiconductor as the group III nitride semiconductor constituting the base substrate 1 is epitaxially grown. Specifically, for example, a GaN layer is epitaxially grown as the first layer 30 by heating the base substrate 1 using the HVPE method and supplying GaCl gas and NH 3 gas to the heated base substrate 1. .

ここで、3次元成長工程S200では、上述の成長過程を発現させるために、例えば、所定の第1成長条件下で、第1層30を成長させる。 Here, in the three-dimensional growth step S200, the first layer 30 is grown under, for example, predetermined first growth conditions in order to bring about the above-described growth process.

まず、図9(a)を用い、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件について説明する。図9(a)は、傾斜界面およびc面のそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。 First, reference growth conditions in which the inclined interface 30i and the c-plane 30c neither expand nor contract will be described using FIG. 9(a). FIG. 9A is a schematic cross-sectional view showing the growth process under standard growth conditions in which the inclined interface and the c-plane neither expand nor contract.

図9(a)において、太い実線は、単位時間ごとの第1層30の表面を示している。図9(a)で示されている傾斜界面30iは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面とする。また、図9(a)において、第1層30のうちのc面30cの成長レートをGc0とし、第1層30のうちの傾斜界面30iの成長レートをGとし、第1層30においてc面30cと傾斜界面30iとのなす角度をαとする。また、図9(a)において、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度αを維持したまま、第1層30が成長するものとする。なお、第1層30のc面30cのオフ角が、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度αに比べて無視できるものとする。 In FIG. 9(a), the thick solid line indicates the surface of the first layer 30 for each unit time. The inclined interface 30i shown in FIG. 9(a) is the inclined interface that is the most inclined with respect to the c-plane 30c. In addition, in FIG. 9A, the growth rate of the c-plane 30c in the first layer 30 is G c0 , the growth rate of the inclined interface 30i in the first layer 30 is G i , and in the first layer 30 Let α be the angle formed by the c-plane 30c and the inclined interface 30i. Further, in FIG. 9A, it is assumed that the first layer 30 is grown while maintaining the angle α between the c-plane 30c and the inclined interface 30i. Note that it is assumed that the off-angle of the c-plane 30c of the first layer 30 is negligible compared to the angle α between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

図9(a)に示すように、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしないとき、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡は、c面30cに対して垂直となる。このことから、傾斜界面30iおよびc面30cのそれぞれが拡大も縮小もしない基準成長条件は、以下の式(a)を満たす。
c0=G/cosα ・・・(a)
As shown in FIG. 9(a), when the inclined interface 30i and the c-plane 30c do not expand or contract, the locus of the intersection between the inclined interface 30i and the c-plane 30c is perpendicular to the c-plane 30c. . From this, the standard growth condition in which the inclined interface 30i and the c-plane 30c neither expand nor contract satisfies the following formula (a).
G c0 =G i /cosα...(a)

次に、図9(b)を用い、傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小する第1成長条件について説明する。図9(b)は、傾斜界面が拡大しc面が縮小する第1成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。 Next, a first growth condition in which the inclined interface 30i expands and the c-plane 30c contracts will be described using FIG. 9(b). FIG. 9(b) is a schematic cross-sectional view showing the growth process under the first growth condition in which the inclined interface expands and the c-plane contracts.

図9(b)においても、図9(a)と同様に、太い実線は、単位時間ごとの第1層30の表面を示している。また、図9(b)で示されている傾斜界面30iも、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面とする。また、図9(b)において、第1層30のうちのc面30cの成長レートをGc1とし、第1層30のうちの傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡の進行レートをRとする。また、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡と、c面30cとのなす角度のうち、狭いほうの角度をαR1とする。R方向とG方向とのなす角度をα’としたとき、α’=α+90-αR1である。なお、第1層30のc面30cのオフ角が、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度αに比べて無視できるものとする。 Also in FIG. 9(b), similarly to FIG. 9(a), the thick solid line indicates the surface of the first layer 30 for each unit time. Further, the inclined interface 30i shown in FIG. 9(b) is also the inclined interface that is most inclined with respect to the c-plane 30c. In addition, in FIG. 9(b), the growth rate of the c-plane 30c of the first layer 30 is G c1 , and the progress rate of the trajectory of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c of the first layer 30 is Let it be R1 . Furthermore, the narrower angle between the locus of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c and the angle formed by the c-plane 30c is α R1 . When the angle formed by the R 1 direction and the G i direction is α', α'=α+90−α R1 . Note that it is assumed that the off-angle of the c-plane 30c of the first layer 30 is negligible compared to the angle α between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

図9(b)に示すように、傾斜界面30iとc面30cとの交点の軌跡の進行レートRは、以下の式(b)で表される。
=G/cosα’ ・・・(b)
As shown in FIG. 9(b), the progress rate R1 of the trajectory of the intersection of the inclined interface 30i and the c-plane 30c is expressed by the following equation (b).
R 1 =G i /cosα'...(b)

また、第1層30のうちのc面30cの成長レートGc1は、以下の式(c)で表される。
c1=RsinαR1 ・・・(c)
Further, the growth rate G c1 of the c-plane 30c of the first layer 30 is expressed by the following equation (c).
G c1 = R 1 sin α R1 ...(c)

式(c)に式(b)を代入することで、Gc1は、Gを用いて、以下の式(d)で表される。
c1=GsinαR1/cos(α+90-αR1) ・・・(d)
By substituting equation (b) into equation (c), G c1 is expressed by the following equation (d) using G i .
G c1 = G i sin α R1 /cos (α+90-α R1 ) ... (d)

傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小するためには、αR1<90°となることが好ましい。したがって、傾斜界面30iが拡大しc面30cが縮小する第1成長条件は、式(d)とαR1<90°とにより、以下の式(1)を満たすことが好ましい。
c1>G/cosα ・・・(1)
ただし、上述のように、Gは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iの成長レートであり、αは、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iと、c面30cとのなす角度である。
In order for the inclined interface 30i to expand and the c-plane 30c to contract, it is preferable that α R1 <90°. Therefore, it is preferable that the first growth condition in which the inclined interface 30i expands and the c-plane 30c contracts satisfies the following formula (1) using formula (d) and α R1 <90°.
G c1 >G i /cosα...(1)
However, as mentioned above, G i is the growth rate of the inclined interface 30i that is the most inclined with respect to the c-plane 30c, and α is the growth rate of the inclined interface 30i that is the most inclined with respect to the c-plane 30c, and the growth rate of the inclined interface 30i that is the most inclined with respect to the c-plane 30c. It is the angle formed by

または、第1成長条件下でのGc1が、基準成長条件下でのGc0よりも大きいことが好ましいと考えることもできる。このことからも、Gc1>Gc0に式(a)を代入することにより、式(1)が導出されうる。 Alternatively, it can be considered that it is preferable that G c1 under the first growth conditions is larger than G c0 under the reference growth conditions. Also from this, equation (1) can be derived by substituting equation (a) into G c1 >G c0 .

なお、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iを拡大させる成長条件が最も厳しい条件となることから、第1成長条件が式(1)を満たせば、他の傾斜界面30iも拡大させることが可能となる。 Note that the growth conditions for enlarging the inclined interface 30i that is the most inclined with respect to the c-plane 30c are the most severe, so if the first growth condition satisfies formula (1), the other inclined interfaces 30i can also be enlarged. becomes possible.

具体的には、例えば、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが{10-11}面であるとき、α=61.95°である。したがって、第1成長条件は、例えば、以下の式(1’)を満たすことが好ましい。
c1>2.13G ・・・(1’)
Specifically, for example, when the inclined interface 30i that is most inclined with respect to the c-plane 30c is a {10-11} plane, α=61.95°. Therefore, it is preferable that the first growth condition satisfies the following formula (1'), for example.
G c1 >2.13G i ...(1')

または、後述するように、例えば、傾斜界面30iがm≧3の{11-2m}面である場合には、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが{11-23}面であるため、α=47.3°である。したがって、第1成長条件は、例えば、以下の式(1”)を満たすことが好ましい。
c1>1.47G ・・・(1”)
Alternatively, as described later, for example, if the inclined interface 30i is a {11-2m} plane with m≧3, the inclined interface 30i that is most inclined with respect to the c-plane 30c is a {11-23} plane. Therefore, α=47.3°. Therefore, it is preferable that the first growth condition satisfies the following formula (1''), for example.
G c1 >1.47G i ...(1")

本実施形態の第1成長条件としては、例えば、3次元成長工程S200での成長温度を、後述の平坦化工程S300での成長温度よりも低くする。具体的には、3次元成長工程S200での成長温度を、例えば、980℃以上1,020℃以下、好ましくは1,000℃以上1,020℃以下とする。 As the first growth condition of this embodiment, for example, the growth temperature in the three-dimensional growth step S200 is lower than the growth temperature in the planarization step S300, which will be described later. Specifically, the growth temperature in the three-dimensional growth step S200 is, for example, 980°C or more and 1,020°C or less, preferably 1,000°C or more and 1,020°C or less.

また、本実施形態の第1成長条件として、例えば、3次元成長工程S200でのV/III比を、後述の平坦化工程S300でのV/III比よりも大きくしてもよい。具体的には、3次元成長工程S200でのV/III比を、例えば、2以上20以下、好ましくは、2以上15以下とする。 Further, as the first growth condition of this embodiment, for example, the V/III ratio in the three-dimensional growth step S200 may be made larger than the V/III ratio in the planarization step S300, which will be described later. Specifically, the V/III ratio in the three-dimensional growth step S200 is, for example, 2 or more and 20 or less, preferably 2 or more and 15 or less.

実際には、第1成長条件として、式(1)を満たすように、成長温度およびV/III比のうち少なくともいずれかをそれぞれ上記範囲のなかで調整する。 Actually, as the first growth condition, at least one of the growth temperature and the V/III ratio is adjusted within the above ranges so as to satisfy equation (1).

なお、本実施形態の第1成長条件のうちの他の条件は、例えば、以下のとおりである。
成長圧力:90~105kPa、好ましくは、90~95kPa
GaClガスの分圧:1.5~15kPa
ガスの流量/Hガスの流量:0~1
Note that other conditions among the first growth conditions of this embodiment are, for example, as follows.
Growth pressure: 90 to 105 kPa, preferably 90 to 95 kPa
Partial pressure of GaCl gas: 1.5-15kPa
N2 gas flow rate/ H2 gas flow rate: 0 to 1

ここで、本実施形態の3次元成長工程S200は、例えば、第1層30の成長中の形態に基づいて、2つの工程に分類される。具体的には、本実施形態の3次元成長工程S200は、例えば、傾斜界面拡大工程S220と、傾斜界面維持工程S240と、を有している。これらの工程により、第1層30は、例えば、傾斜界面拡大層32と、傾斜界面維持層34と、を有することとなる。 Here, the three-dimensional growth step S200 of this embodiment is classified into two steps based on, for example, the form of the first layer 30 during growth. Specifically, the three-dimensional growth step S200 of this embodiment includes, for example, an inclined interface expanding step S220 and an inclined interface maintaining step S240. Through these steps, the first layer 30 includes, for example, the inclined interface expanding layer 32 and the inclined interface maintaining layer 34.

(S220:傾斜界面拡大工程)
まず、図4(b)、図4(c)および図5に示すように、III族窒化物半導体の単結晶からなる第1層30の傾斜界面拡大層32を、上述の第1成長条件下で、第2下地層6上にエピタキシャル成長させる。
(S220: Inclined interface expansion step)
First, as shown in FIG. 4(b), FIG. 4(c), and FIG. Then, epitaxial growth is performed on the second base layer 6.

傾斜界面拡大層32が成長する初期段階では、下地基板1の主面1sの法線方向(c軸に沿った方向)に、c面30cを成長面として傾斜界面拡大層32が成長する。 At the initial stage of growth of the inclined interface enlarging layer 32, the inclined interface enlarging layer 32 grows in the direction normal to the main surface 1s of the base substrate 1 (direction along the c-axis) with the c-plane 30c as a growth plane.

第1成長条件下で傾斜界面拡大層32を徐々に成長させることで、図4(c)および図5に示すように、傾斜界面拡大層32のうちc面30cを露出させた頂面30uに、c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせる。c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pは、当該頂面30uにランダムに形成される。これにより、c面30cとc面以外の傾斜界面30iとが表面に混在する傾斜界面拡大層32が形成される。 By gradually growing the inclined interface enlarging layer 32 under the first growth condition, as shown in FIGS. , a plurality of recesses 30p are formed by inclined interfaces 30i other than the c-plane. A plurality of recesses 30p constituted by inclined interfaces 30i other than the c-plane are randomly formed on the top surface 30u. As a result, the inclined interface expansion layer 32 is formed in which the c-plane 30c and the inclined interface 30i other than the c-plane coexist on the surface.

なお、ここでいう「傾斜界面30i」とは、c面30cに対して傾斜した成長界面のことを意味し、c面以外の低指数のファセット、c面以外の高指数のファセット、または面指数で表すことができない傾斜面を含んでいる。なお、c面以外のファセットは、例えば、{11-2m}、{1-10n}などである。ただし、mおよびnは0以外の整数である。 Note that the "tilted interface 30i" herein means a growth interface that is tilted with respect to the c-plane 30c, and includes a facet with a low index other than the c-plane, a facet with a high index other than the c-plane, or a facet with a plane index. Contains slopes that cannot be represented by . Note that facets other than the c-plane are, for example, {11-2m}, {1-10n}, and the like. However, m and n are integers other than 0.

本実施形態では、上述の鏡面化した第2下地層6上に傾斜界面拡大層32を成長させ、且つ、式(1)を満たすように第1成長条件を調整したことで、傾斜界面30iとして、例えば、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。これにより、c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることができる。具体的には、該傾斜角度を47.3°以下とすることができる。 In this embodiment, the inclined interface enlarging layer 32 is grown on the mirror-finished second base layer 6 described above, and the first growth conditions are adjusted so as to satisfy formula (1), so that the inclined interface 30i is grown. , for example, a {11-2m} plane with m≧3 can be generated. Thereby, the inclination angle of the {11-2m} plane with respect to the c-plane 30c can be made gentle. Specifically, the inclination angle can be 47.3° or less.

第1成長条件下で傾斜界面拡大層32をさらに成長させることで、図4(c)に示すように、第2下地層6の上方に行くにしたがって、傾斜界面拡大層32において、c面以外の傾斜界面30iを徐々に拡大させ、c面30cを徐々に縮小させる。なお、このとき、第2下地層6の上方に行くにしたがって、該下地基板1の主面1sに対する、傾斜界面30iがなす傾斜角度が徐々に小さくなっていく。これにより、最終的に、傾斜界面30iのほとんどが、上述したm≧3の{11-2m}面となる。 By further growing the inclined interface enlarging layer 32 under the first growth condition, as shown in FIG. The inclined interface 30i is gradually enlarged, and the c-plane 30c is gradually reduced. Note that at this time, as one goes above the second base layer 6, the angle of inclination that the inclined interface 30i makes with respect to the main surface 1s of the base substrate 1 gradually becomes smaller. As a result, most of the inclined interface 30i finally becomes the {11-2m} plane with m≧3 as described above.

さらに傾斜界面拡大層32を成長させていくと、傾斜界面拡大層32のc面30cは頂面30uから消失し、傾斜界面拡大層32の表面は傾斜界面30iのみで構成される。これにより、錐体を連続的に結合させた傾斜界面拡大層32が形成されることとなる。 As the inclined interface enlarging layer 32 is further grown, the c-plane 30c of the inclined interface enlarging layer 32 disappears from the top surface 30u, and the surface of the inclined interface enlarging layer 32 is composed only of the inclined interface 30i. As a result, the inclined interface enlarging layer 32 in which cones are continuously combined is formed.

このように、傾斜界面拡大層32の頂面30uにc面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせ、c面30cを消失させることで、図4(c)に示すように、該傾斜界面拡大層32の表面に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを形成する。複数の谷部30vのそれぞれは、傾斜界面拡大層320の表面のうち下に凸の変曲点であって、c面以外の傾斜界面30iのそれぞれが発生した位置の上方に形成される。一方で、複数の頂部30tのそれぞれは、傾斜界面拡大層320の表面のうち上に凸の変曲点であって、互いに相反する方向を向いて拡大した一対の傾斜界面30iを挟んでc面30cが(最後に)消失した位置またはその上方に形成される。谷部30vおよび頂部30tは、下地基板1の主面1sに沿った方向に交互に形成される。 In this way, by creating a plurality of recesses 30p composed of inclined interfaces 30i other than the c-plane on the top surface 30u of the inclined interface enlarging layer 32 and eliminating the c-plane 30c, as shown in FIG. 4(c), Then, a plurality of valleys 30v and a plurality of tops 30t are formed on the surface of the inclined interface enlarging layer 32. Each of the plurality of valleys 30v is a downwardly convex inflection point on the surface of the inclined interface enlarging layer 320, and is formed above the position where each of the inclined interfaces 30i other than the c-plane occurs. On the other hand, each of the plurality of peaks 30t is an upwardly convex inflection point on the surface of the inclined interface enlarging layer 320, and is a c-plane with a pair of inclined interfaces 30i enlarged in opposite directions. 30c is formed at or above the position where it (last) disappeared. The valley portions 30v and the top portions 30t are formed alternately in the direction along the main surface 1s of the base substrate 1.

本実施形態では、第2下地層形成工程S150において、下地基板1の主面1s上に、鏡面化した主面6sを有する第2下地層6を成長させた後、当該傾斜界面拡大工程S220において、傾斜界面拡大層32の表面に、c面以外の傾斜界面30iを生じさせる。これにより、複数の谷部30vは、第2下地層6の主面6sから上方に離れた位置に形成されることとなる。 In the present embodiment, in the second base layer forming step S150, the second base layer 6 having a mirror-finished main surface 6s is grown on the main surface 1s of the base substrate 1, and then in the inclined interface enlarging step S220. , a sloped interface 30i other than the c-plane is generated on the surface of the sloped interface expansion layer 32. Thereby, the plurality of valleys 30v are formed at positions upwardly away from the main surface 6s of the second base layer 6.

以上のような傾斜界面拡大層32の成長過程により、転位は、以下のように屈曲して伝播する。具体的には、図4(c)に示すように、第2下地層6内においてc軸に沿った方向に延在していた複数の転位は、第2下地層6から傾斜界面拡大層32のc軸に沿った方向に向けて伝播する。傾斜界面拡大層32のうちc面30cを成長面として成長した領域では、傾斜界面拡大層32のc軸に沿った方向に向けて転位が伝播する。しかしながら、傾斜界面拡大層32のc軸に沿った方向に伝播した転位が、傾斜界面30iに露出すると、当該転位は、傾斜界面30iが露出した位置で、該傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて屈曲して伝播する。すなわち、転位は、c軸に対して傾斜した方向に屈曲して伝播する。これにより、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、一対の頂部30t間での略中央の上方において、局所的に転位が集められることとなる。その結果、後述の第2層40の表面における転位密度を低減させることができる。 Through the growth process of the inclined interface expansion layer 32 as described above, dislocations propagate in a bent manner as described below. Specifically, as shown in FIG. 4(c), the plurality of dislocations extending in the direction along the c-axis within the second underlayer 6 are transferred from the second underlayer 6 to the inclined interface expansion layer 32. propagates in the direction along the c-axis of In the region of the inclined interface expansion layer 32 that is grown using the c-plane 30c as a growth plane, dislocations propagate in the direction along the c-axis of the inclined interface expansion layer 32. However, when a dislocation that has propagated in the direction along the c-axis of the inclined interface expansion layer 32 is exposed to the inclined interface 30i, the dislocation is located approximately perpendicular to the inclined interface 30i at the exposed position of the inclined interface 30i. It propagates by bending in the direction. That is, the dislocation propagates in a bent direction with respect to the c-axis. As a result, in the steps after the inclined interface expansion step S220, dislocations are locally collected above approximately the center between the pair of top portions 30t. As a result, the dislocation density on the surface of the second layer 40, which will be described later, can be reduced.

このとき、本実施形態では、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、複数の谷部30vのうちの1つを挟んで複数の頂部30tのうちで最も接近する一対の頂部30t同士が、下地基板1の主面1sに沿った方向に離間した平均距離(「最近接頂部間平均距離」ともいう)Lを、例えば、100μm超とする。傾斜界面拡大工程S220の初期段階から第2下地層6上に微細な六角錐状の結晶核を生じさせる場合などのように、最近接頂部間平均距離Lが100μm以下であると、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、転位が屈曲して伝播する距離が短くなる。このため、傾斜界面拡大層32のうち一対の頂部30t間の略中央の上方で充分に転位が集められない。その結果、後述の第2層40の表面における転位密度が充分に低減されない可能性がある。これに対し、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることで、傾斜界面拡大工程S220以降の工程において、転位が屈曲して伝播する距離を、少なくとも50μm超、確保することができる。これにより、傾斜界面拡大層32のうち一対の頂部30t間の略中央の上方に、充分に転位を集めることができる。その結果、後述の第2層40の表面における転位密度を充分に低減させることができる。 At this time, in this embodiment, when looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1s of the base substrate 1, the closest of the plurality of peaks 30t across one of the plurality of valleys 30v. The average distance L between the pair of top portions 30t in the direction along the principal surface 1s of the base substrate 1 (also referred to as the “average distance between nearest adjacent top portions”) is, for example, more than 100 μm. When the average distance L between the nearest apexes is 100 μm or less, as in the case where fine hexagonal pyramidal crystal nuclei are generated on the second base layer 6 from the initial stage of the inclined interface expanding step S220, the inclined interface is enlarged. In the steps after step S220, the distance that the dislocations bend and propagate becomes shorter. For this reason, dislocations are not sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30t of the inclined interface expansion layer 32. As a result, the dislocation density on the surface of the second layer 40, which will be described later, may not be sufficiently reduced. On the other hand, in this embodiment, by setting the average distance L between the closest vertices to more than 100 μm, the distance over which dislocations bend and propagate is ensured at least more than 50 μm in the steps after the inclined interface expansion step S220. be able to. Thereby, dislocations can be sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30t of the inclined interface expansion layer 32. As a result, the dislocation density on the surface of the second layer 40, which will be described later, can be sufficiently reduced.

本実施形態では、例えば、第1層30において、最近接頂部間距離が100μm以下となる部分が無いことが好ましい。言い換えれば、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、第1層30の表面全体に亘って、最近接頂部間距離が100μm超となっていることが好ましい。これにより、後述の第2層40の表面全体に亘って、転位密度を略均一に低減させることができる。 In the present embodiment, for example, it is preferable that there is no portion in the first layer 30 where the distance between the closest apexes is 100 μm or less. In other words, when looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1s of the base substrate 1, it is preferable that the distance between the closest apexes is more than 100 μm over the entire surface of the first layer 30. Thereby, the dislocation density can be reduced substantially uniformly over the entire surface of the second layer 40, which will be described later.

一方で、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを800μm未満とする。最近接頂部間平均距離Lが800μm以上であると、傾斜界面拡大層32の谷部30vから頂部30tまでの高さが過剰に高くなる。このため、後述の平坦化工程S300において、第2層40が鏡面化するまでの厚さが厚くなる。これに対し、本実施形態では、最近接頂部間平均距離Lを800μm未満とすることで、傾斜界面拡大層32の谷部30vから頂部30tまでの高さを低くすることができる。これにより、後述の平坦化工程S300において、第2層40を早く鏡面化させることができる。 On the other hand, in this embodiment, the average distance L between the closest apexes is less than 800 μm. If the average distance L between the closest peaks is 800 μm or more, the height from the valley 30v to the top 30t of the inclined interface enlarging layer 32 becomes excessively high. Therefore, in the planarization step S300, which will be described later, the thickness of the second layer 40 becomes thick until it becomes mirror-finished. On the other hand, in the present embodiment, by setting the average distance L between the closest apexes to less than 800 μm, the height from the valley portion 30v to the apex portion 30t of the inclined interface enlarging layer 32 can be reduced. Thereby, the second layer 40 can be mirror-finished quickly in the planarization step S300, which will be described later.

また、このとき、傾斜界面拡大層320には、成長過程での成長面の違いに基づいて、c面30cを成長面として成長した第1c面成長領域60と、c面以外の傾斜界面30iを成長面として成長した傾斜界面成長領域70(図中灰色部)とが形成される。 At this time, the inclined interface expansion layer 320 includes a first c-plane growth region 60 grown with the c-plane 30c as a growth plane and an inclined interface 30i other than the c-plane, based on the difference in growth planes during the growth process. An inclined interface growth region 70 (gray part in the figure) is formed as a growth surface.

また、このとき、第1c面成長領域60では、傾斜界面30iが発生した位置に谷部60aを形成し、c面30cが消失した位置に山部60bを形成する。また、第1c面成長領域60では、山部60bを挟んだ両側に、c面30cと傾斜界面30iとの交点の軌跡として、一対の傾斜部60iを形成する。 Furthermore, at this time, in the first c-plane growth region 60, a valley portion 60a is formed at a position where the inclined interface 30i occurs, and a peak portion 60b is formed at a position where the c-plane 30c disappears. Furthermore, in the first c-plane growth region 60, a pair of inclined portions 60i are formed on both sides of the peak portion 60b as a locus of the intersection of the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

また、このとき、第1成長条件が式(1)を満たすことで、一対の傾斜部60iのなす角度βを、例えば、70°以下とする。 Further, at this time, the first growth condition satisfies equation (1), so that the angle β formed by the pair of inclined portions 60i is, for example, 70° or less.

これらの領域については、詳細を後述する。 Details of these areas will be described later.

(S240:傾斜界面維持工程)
傾斜界面拡大層32の表面からc面30cを消失させた後に、図6(a)に示すように、表面において傾斜界面30iがc面30cよりも多く占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って第1層30の成長を継続させる。これにより、傾斜界面拡大層32上に、傾斜界面30iがc面30cよりも多く占める表面を有する傾斜界面維持層34を形成する。傾斜界面維持層34を形成することで、第1層30の表面全体に亘って確実にc面30cを消失させることができる。
(S240: Inclined interface maintenance step)
After the c-plane 30c disappears from the surface of the inclined interface expansion layer 32, as shown in FIG. The growth of the first layer 30 is continued over the period of time. As a result, a sloped interface maintenance layer 34 having a surface where the sloped interface 30i occupies more than the c-plane 30c is formed on the sloped interface expansion layer 32. By forming the inclined interface maintaining layer 34, it is possible to reliably eliminate the c-plane 30c over the entire surface of the first layer 30.

このとき、傾斜界面維持層34の表面の一部においてc面30cが再度出現してもよいが、下地基板1の主面1sに沿った沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合が80%以上となるように、傾斜界面維持層34の表面において、主に傾斜界面30iを露出させることが好ましい。なお、沿面断面において傾斜界面成長領域70の占める面積割合は、高ければ高いほどよく、100%であることが好ましい。 At this time, the c-plane 30c may reappear on a part of the surface of the inclined interface maintaining layer 34, but the area ratio occupied by the inclined interface growth region 70 in the creeping cross section along the main surface 1s of the base substrate 1 is 80%. % or more, it is preferable to mainly expose the inclined interface 30i on the surface of the inclined interface maintaining layer 34. Note that the higher the area ratio occupied by the inclined interface growth region 70 in the creeping cross section is, the better, and is preferably 100%.

また、このとき、傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220と同様に、上述の第1成長条件で維持する。これにより、傾斜界面30iを成長面として傾斜界面維持層34を成長させることができる。 Moreover, at this time, the growth conditions in the inclined interface maintenance step S240 are maintained at the above-mentioned first growth conditions, similarly to the inclined interface expanding step S220. Thereby, the inclined interface maintaining layer 34 can be grown using the inclined interface 30i as a growth surface.

また、このとき、第1成長条件下で、傾斜界面30iを成長面として傾斜界面維持層34を成長させることで、上述のように、傾斜界面拡大層32において傾斜界面30iが露出した位置で、c軸に対して傾斜した方向に向けて屈曲して伝播した転位は、傾斜界面維持層34においても同じ方向に伝播し続ける。 In addition, at this time, by growing the inclined interface maintaining layer 34 using the inclined interface 30i as a growth surface under the first growth condition, as described above, at the position where the inclined interface 30i is exposed in the inclined interface expanding layer 32, The dislocations that have propagated by bending in a direction oblique to the c-axis continue to propagate in the same direction in the inclined interface maintenance layer 34 as well.

以上の3次元成長工程S200により、傾斜界面拡大層32および傾斜界面維持層34を有する第1層30が形成される。 Through the above three-dimensional growth step S200, the first layer 30 having the inclined interface expanding layer 32 and the inclined interface maintaining layer 34 is formed.

本実施形態の3次元成長工程S200では、第2下地層6の主面6sから第1層30の頂部30tまでの高さ(第1層30の厚さ方向の最大高さ)を、例えば、100μm超1.5mm未満とする。 In the three-dimensional growth step S200 of the present embodiment, the height from the main surface 6s of the second base layer 6 to the top 30t of the first layer 30 (maximum height in the thickness direction of the first layer 30) is, for example, More than 100 μm and less than 1.5 mm.

(S300:平坦化工程(第2層成長工程))
c面30cを消失させた第1層30を成長させたら、図6(b)および図7(a)に示すように、第1層30上に、III族窒化物半導体の単結晶をさらにエピタキシャル成長させる。
(S300: Planarization process (second layer growth process))
After growing the first layer 30 in which the c-plane 30c has disappeared, a single crystal of a group III nitride semiconductor is further epitaxially grown on the first layer 30, as shown in FIGS. 6(b) and 7(a). let

このとき、第1層30の上方に行くにしたがって、傾斜界面40iを徐々に縮小させ、c面40cを徐々に拡大させる。これにより、第1層30の表面に形成されていた傾斜界面30iを消失させる。その結果、鏡面化された表面を有する第2層(平坦化層)40を成長させる。 At this time, as one goes above the first layer 30, the inclined interface 40i is gradually reduced and the c-plane 40c is gradually enlarged. As a result, the inclined interface 30i formed on the surface of the first layer 30 disappears. As a result, a second layer (flattening layer) 40 having a mirror-finished surface is grown.

本実施形態では、第2層40として、例えば、第1層30を構成するIII族窒化物半導体と同じIII族窒化物半導体を主成分とする層をエピタキシャル成長させる。なお、平坦化工程S300では、所定の成長温度に加熱された下地基板1に対して、GaClガス、NHガスおよびn型ドーパントガスとしてのSiHClガスを供給することで、第2層40として、シリコン(Si)ドープGaN層をエピタキシャル成長させる。なお、n型ドーパントガスとして、SiHClガスの代わりに、GeClガスなどを供給してもよい。 In this embodiment, as the second layer 40, for example, a layer whose main component is the same group III nitride semiconductor as the group III nitride semiconductor constituting the first layer 30 is epitaxially grown. In the planarization step S300, GaCl gas, NH 3 gas, and SiH 2 Cl 2 gas as an n-type dopant gas are supplied to the base substrate 1 heated to a predetermined growth temperature, thereby forming the second layer. 40, a silicon (Si) doped GaN layer is epitaxially grown. Note that GeCl 4 gas or the like may be supplied as the n-type dopant gas instead of SiH 2 Cl 2 gas.

ここで、平坦化工程S300では、上述の成長過程を発現させるために、例えば、所定の第2成長条件下で、第2層40を成長させる。 Here, in the planarization step S300, the second layer 40 is grown under, for example, predetermined second growth conditions in order to bring about the above-described growth process.

図10を用い、傾斜界面40iが縮小しc面40cが拡大する第2成長条件について説明する。図10は、傾斜界面が縮小しc面が拡大する第2成長条件下での成長過程を示す概略断面図である。図10は、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが露出した第1層30上に、第2層40が成長する過程を示している。 A second growth condition in which the inclined interface 40i shrinks and the c-plane 40c expands will be described using FIG. 10. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the growth process under the second growth condition in which the inclined interface shrinks and the c-plane expands. FIG. 10 shows a process in which the second layer 40 is grown on the first layer 30 in which the inclined interface 30i that is most inclined with respect to the c-plane 30c is exposed.

図10においても、図9(a)と同様に、太い実線は、単位時間ごとの第2層40の表面を示している。また、図10において、第2層40のうちのc面40cの成長レートをGc2とし、第2層40のうちの傾斜界面40iの成長レートをGとし、第2層40のうちの傾斜界面40iとc面40cとの交点の軌跡の進行レートをRとする。また、傾斜界面40iとc面40cとの交点の軌跡と、c面30cとのなす角度のうち、狭いほうの角度をαR2とする。R方向とG方向とのなす角度をα”としたとき、α”=α-(90-αR2)である。また、図10において、第1層30におけるc面30cと傾斜界面30iとのなす角度αを維持したまま、第2層40が成長するものとする。なお、第2層40のc面40cのオフ角が、c面30cと傾斜界面30iとのなす角度αに比べて無視できるものとする。 In FIG. 10, similarly to FIG. 9(a), the thick solid line indicates the surface of the second layer 40 for each unit time. In addition, in FIG. 10, the growth rate of the c-plane 40c of the second layer 40 is G c2 , the growth rate of the inclined interface 40i of the second layer 40 is G i , and the growth rate of the inclined interface 40i of the second layer 40 is G c2. The progress rate of the locus of the intersection between the interface 40i and the c-plane 40c is assumed to be R2 . Furthermore, the narrower angle between the locus of the intersection of the inclined interface 40i and the c-plane 40c and the angle formed by the c-plane 30c is α R2 . When the angle formed by the R2 direction and the G i direction is α'', α''=α−(90−α R2 ). Further, in FIG. 10, it is assumed that the second layer 40 is grown while maintaining the angle α between the c-plane 30c and the inclined interface 30i in the first layer 30. It is assumed that the off-angle of the c-plane 40c of the second layer 40 is negligible compared to the angle α between the c-plane 30c and the inclined interface 30i.

図10に示すように、傾斜界面40iとc面40cとの交点の軌跡の進行レートRは、以下の式(e)で表される。
=G/cosα” ・・・(e)
As shown in FIG. 10, the progress rate R2 of the trajectory of the intersection between the inclined interface 40i and the c-plane 40c is expressed by the following equation (e).
R 2 =G i /cos α”...(e)

また、第2層40のうちのc面40cの成長レートGc2は、以下の式(f)で表される。
c2=RsinαR2 ・・・(f)
Further, the growth rate G c2 of the c-plane 40c of the second layer 40 is expressed by the following equation (f).
G c2 = R 2 sin α R2 ...(f)

式(f)に式(e)を代入することで、Gc2は、Gを用いて、以下の式(g)で表される。
c2=GsinαR2/cos(α+αR2-90) ・・・(g)
By substituting equation (e) into equation (f), G c2 is expressed by the following equation (g) using G i .
G c2 = G i sin α R2 /cos (α + α R2 -90) ... (g)

傾斜界面40iが縮小しc面40cが拡大するためには、αR2<90°となることが好ましい。したがって、傾斜界面40iが縮小しc面40cが拡大する第2成長条件は、式(g)とαR2<90°とにより、以下の式(2)を満たすことが好ましい。
c2<G/cosα ・・・(2)
ただし、上述のように、Gは、c面40cに対して最も傾斜した傾斜界面40iの成長レートであり、αは、c面40cに対して最も傾斜した傾斜界面40iと、c面40cとのなす角度である。
In order for the inclined interface 40i to shrink and the c-plane 40c to expand, it is preferable that α R2 <90°. Therefore, the second growth condition under which the inclined interface 40i shrinks and the c-plane 40c expands preferably satisfies the following equation (2) using equation (g) and α R2 <90°.
G c2 <G i /cosα...(2)
However, as mentioned above, G i is the growth rate of the inclined interface 40i that is the most inclined with respect to the c-plane 40c, and α is the growth rate of the inclined interface 40i that is the most inclined with respect to the c-plane 40c, and the growth rate of the inclined interface 40i that is the most inclined with respect to the c-plane 40c. It is the angle formed by

または、基準成長条件下での第2層40のうちのc面30cの成長レートをGc0としたとき、第2成長条件下でのGc2が、基準成長条件下でのGc0よりも小さいことが好ましいと考えることもできる。このことからも、Gc2<Gc0に式(a)を代入することにより、式(2)が導出されうる。 Alternatively, when the growth rate of the c-plane 30c of the second layer 40 under the standard growth conditions is Gc0 , Gc2 under the second growth conditions is smaller than Gc0 under the standard growth conditions. This can also be considered preferable. From this, equation (2) can be derived by substituting equation (a) into G c2 <G c0 .

なお、c面40cに対して最も傾斜した傾斜界面40iを縮小させる成長条件が最も厳しい条件となることから、第2成長条件が式(2)を満たせば、他の傾斜界面40iも縮小させることが可能となる。 Note that, since the growth conditions that reduce the inclined interface 40i that is the most inclined with respect to the c-plane 40c are the most severe conditions, if the second growth condition satisfies formula (2), the other inclined interfaces 40i can also be reduced. becomes possible.

具体的には、c面40cに対して最も傾斜した傾斜界面40iが{10-11}面であるとき、第2成長条件は、以下の式(2’)を満たすことが好ましい。
c2<2.13G ・・・(2’)
Specifically, when the inclined interface 40i that is most inclined with respect to the c-plane 40c is a {10-11} plane, the second growth condition preferably satisfies the following formula (2').
G c2 <2.13G i ...(2')

または、例えば、傾斜界面30iがm≧3の{11-2m}面である場合には、c面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iが{11-23}面であるため、第2成長条件は、例えば、以下の式(2”)を満たすことが好ましい。
c2<1.47G ・・・(2”)
Alternatively, for example, if the inclined interface 30i is a {11-2m} plane with m≧3, the inclined interface 30i that is most inclined with respect to the c-plane 30c is the {11-23} plane, so that the second growth It is preferable that the condition satisfies the following formula (2''), for example.
G c2 <1.47G i ...(2")

本実施形態の第2成長条件としては、平坦化工程S300での成長温度を、例えば、3次元成長工程S200での成長温度よりも高くする。具体的には、平坦化工程S300での成長温度を、例えば、990℃以上1,120℃以下、好ましくは1,020℃以上1,100℃以下とする。 As the second growth condition of this embodiment, the growth temperature in the planarization step S300 is set higher than the growth temperature in the three-dimensional growth step S200, for example. Specifically, the growth temperature in the planarization step S300 is, for example, 990° C. or more and 1,120° C. or less, preferably 1,020° C. or more and 1,100° C. or less.

また、本実施形態の第2成長条件として、平坦化工程S300でのV/III比を調整してもよい。例えば、平坦化工程S300でのV/III比を、3次元成長工程S200でのV/III比よりも小さくしてもよい。具体的には、平坦化工程S300でのV/III比を、例えば、1以上10以下、好ましくは、1以上5以下とする。 Further, as the second growth condition of this embodiment, the V/III ratio in the planarization step S300 may be adjusted. For example, the V/III ratio in the planarization step S300 may be smaller than the V/III ratio in the three-dimensional growth step S200. Specifically, the V/III ratio in the planarization step S300 is, for example, 1 or more and 10 or less, preferably 1 or more and 5 or less.

実際には、第2成長条件として、式(2)を満たすように、成長温度およびV/III比のうち少なくともいずれかをそれぞれ上記範囲のなかで調整する。 Actually, as the second growth condition, at least one of the growth temperature and the V/III ratio is adjusted within the above ranges so as to satisfy equation (2).

なお、本実施形態の第2成長条件のうちの他の条件は、例えば、以下のとおりである。
成長圧力:90~105kPa、好ましくは、90~95kPa
GaClガスの分圧:1.5~15kPa
ガスの流量/Hガスの流量:1~20
Note that other conditions among the second growth conditions of this embodiment are, for example, as follows.
Growth pressure: 90 to 105 kPa, preferably 90 to 95 kPa
Partial pressure of GaCl gas: 1.5-15kPa
N2 gas flow rate/ H2 gas flow rate: 1 to 20

ここで、本実施形態の平坦化工程S300は、例えば、第2層40の成長中の形態に基づいて、2つの工程に分類される。具体的には、本実施形態の平坦化工程S300は、例えば、c面拡大工程S320と、本成長工程S340と、を有している。これらの工程により、第2層40は、例えば、c面拡大層42と、本成長層44と、を有することとなる。 Here, the planarization step S300 of this embodiment is classified into two steps based on, for example, the form of the second layer 40 during growth. Specifically, the planarization step S300 of this embodiment includes, for example, a c-plane enlargement step S320 and a main growth step S340. Through these steps, the second layer 40 includes, for example, the c-plane enlarged layer 42 and the main growth layer 44.

(S320:c面拡大工程)
図6(b)に示すように、第1層30上に、上述の第2成長条件で、III族窒化物半導体の単結晶からなる第2層40のc面拡大層42をエピタキシャル成長させる。
(S320: c-plane enlargement step)
As shown in FIG. 6(b), a c-plane enlarged layer 42 of a second layer 40 made of a single crystal of a group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the first layer 30 under the second growth conditions described above.

このとき、第1層30の上方に行くにしたがって、c面40cを拡大させつつ、c面以外の傾斜界面40iを縮小させる。 At this time, as one goes above the first layer 30, the c-plane 40c is enlarged while the inclined interface 40i other than the c-plane is reduced.

具体的には、第2成長条件下での成長により、c面拡大層42は、傾斜界面維持層34の傾斜界面30iから、傾斜界面40iを成長面としてc軸に垂直な方向に沿った方向(すなわち沿面方向または横方向)に成長する。c面拡大層42を横方向成長させていくと、傾斜界面維持層34の頂部30tの上方で、c面拡大層42のc面40cが再度露出し始める。これにより、c面40cとc面以外の傾斜界面40iとが表面に混在するc面拡大層42が形成される。 Specifically, by growing under the second growth condition, the c-plane expansion layer 42 grows from the inclined interface 30i of the inclined interface maintaining layer 34 in a direction perpendicular to the c-axis with the inclined interface 40i as the growth plane. (i.e., creeping or lateral). As the c-plane enlarged layer 42 grows laterally, the c-plane 40c of the c-plane enlarged layer 42 begins to be exposed again above the top 30t of the inclined interface maintenance layer 34. As a result, the c-plane enlarged layer 42 is formed in which the c-plane 40c and the inclined interface 40i other than the c-plane coexist on the surface.

さらにc面拡大層42を横方向成長させていくと、c面40cが徐々に拡大し、c面拡大層42の傾斜界面40iが徐々に縮小する。これにより、第1層30の表面において複数の傾斜界面30iにより構成された凹部30pが徐々に埋め込まれる。 When the c-plane enlarged layer 42 is further grown laterally, the c-plane 40c gradually expands, and the inclined interface 40i of the c-plane enlarged layer 42 gradually shrinks. As a result, the recesses 30p formed by the plurality of inclined interfaces 30i on the surface of the first layer 30 are gradually filled.

その後、さらにc面拡大層42を成長させると、c面拡大層42の傾斜界面40iが完全に消失し、第1層30の表面において複数の傾斜界面30iにより構成された凹部30pが完全に埋め込まれる。これにより、c面拡大層42の表面が、c面40cのみにより構成される鏡面(平坦面)となる。 After that, when the c-plane enlarged layer 42 is further grown, the inclined interface 40i of the c-plane enlarged layer 42 completely disappears, and the recess 30p formed by the plurality of inclined interfaces 30i on the surface of the first layer 30 is completely filled. It will be done. As a result, the surface of the c-plane enlarging layer 42 becomes a mirror surface (flat surface) composed only of the c-plane 40c.

このとき、第1層30およびc面拡大層42の成長過程で、転位を局所的に集めることで、転位密度を低減させることができる。具体的には、第1層30においてc軸に対して傾斜した方向に向けて屈曲して伝播した転位は、c面拡大層42においても同じ方向に伝播し続ける。これにより、c面拡大層42のうち、一対の頂部30t間での略中央の上方において、隣接する傾斜界面40iの会合部で、局所的に転位が集められる。c面拡大層42において隣接する傾斜界面40iの会合部に集められた複数の転位のうち、互いに相反するバーガースベクトルを有する転位同士は、会合時に消失する。また、隣接する傾斜界面40iの会合部に集められた複数の転位の一部は、ループを形成し、c軸に沿った方向(すなわち、c面拡大層42の表面側)に伝播することが抑制される。なお、c面拡大層42において隣接する傾斜界面40iの会合部に集められた複数の転位のうちの他部は、その伝播方向をc軸に対して傾斜した方向からc軸に沿った方向に再度変化させ、第2層40の表面側まで伝播する。このように複数の転位の一部を消失させたり、複数の転位の一部をc面拡大層42の表面側に伝播することを抑制したりすることで、第2層40の表面における転位密度を低減することができる。また、転位を局所的に集めることで、第2層40のうち、転位がc軸に対して傾斜した方向に向けて伝播した部分の上方に、低転位密度領域を形成することができる。 At this time, dislocation density can be reduced by locally collecting dislocations during the growth process of the first layer 30 and the c-plane enlarged layer 42. Specifically, the dislocations that have propagated in the first layer 30 by bending in a direction oblique to the c-axis continue to propagate in the same direction in the c-plane expanded layer 42 as well. As a result, dislocations are locally collected in the c-plane enlarged layer 42 at the meeting portion of the adjacent inclined interfaces 40i above the approximate center between the pair of top portions 30t. Among the plurality of dislocations gathered at the meeting portion of the adjacent inclined interfaces 40i in the c-plane enlarged layer 42, dislocations having mutually opposing Burgers vectors disappear when they come together. Further, some of the plurality of dislocations gathered at the meeting point of the adjacent inclined interfaces 40i form a loop and propagate in the direction along the c-axis (that is, toward the surface side of the c-plane expanded layer 42). suppressed. Note that the other portions of the plurality of dislocations gathered at the meeting part of the adjacent inclined interfaces 40i in the c-plane enlarged layer 42 change their propagation direction from the direction inclined with respect to the c-axis to the direction along the c-axis. It is changed again and propagated to the surface side of the second layer 40. By eliminating some of the plurality of dislocations or suppressing the propagation of some of the plurality of dislocations to the surface side of the c-plane expanded layer 42 in this way, the dislocation density on the surface of the second layer 40 is reduced. can be reduced. Furthermore, by locally collecting dislocations, a low dislocation density region can be formed above the portion of the second layer 40 where the dislocations have propagated in a direction oblique to the c-axis.

また、このとき、c面拡大層42では、c面40cが徐々に拡大することで、c面40cを成長面として成長した後述の第2c面成長領域80が、厚さ方向の上方に行くにしたがって徐々に拡大しながら形成される。 At this time, in the c-plane enlarged layer 42, as the c-plane 40c gradually expands, a second c-plane growth region 80, which will be described later and has grown with the c-plane 40c as a growth plane, increases upward in the thickness direction. Therefore, it is formed while gradually expanding.

一方で、c面拡大層42では、傾斜界面40iが徐々に縮小することで、傾斜界面成長領域70が厚さ方向の上方に行くにしたがって徐々に縮小し、厚さ方向の所定位置で終端する。このようなc面拡大層42の成長過程により、断面視で、c面40cが再度発生した位置に、傾斜界面成長領域70の谷部70aが形成される。また、傾斜界面40iにより構成された凹部が徐々に埋め込まれる過程で、断面視で、傾斜界面40iが消失した位置に、傾斜界面成長領域70の山部70bが形成される。 On the other hand, in the c-plane enlarged layer 42, the inclined interface 40i gradually shrinks, so that the inclined interface growth region 70 gradually shrinks upward in the thickness direction, and ends at a predetermined position in the thickness direction. . Through this growth process of the c-plane enlarged layer 42, the valley portion 70a of the inclined interface growth region 70 is formed at the position where the c-plane 40c has regenerated in cross-sectional view. In addition, in the process of gradually filling in the recess formed by the inclined interface 40i, the peak 70b of the inclined interface growth region 70 is formed at the position where the inclined interface 40i disappears in a cross-sectional view.

c面拡大工程S320では、c面拡大層42の表面がc面40cのみにより構成される鏡面となるため、c面拡大層42の厚さ方向の高さ(厚さ方向の最大高さ)は、例えば、傾斜界面維持層34の谷部30vから頂部30tまでの高さ以上となる。 In the c-plane enlarging step S320, the surface of the c-plane enlarging layer 42 becomes a mirror surface composed of only the c-plane 40c, so the height in the thickness direction (maximum height in the thickness direction) of the c-plane enlarging layer 42 is , for example, is equal to or higher than the height from the valley portion 30v to the top portion 30t of the inclined interface maintenance layer 34.

(S340:本成長工程(c面成長工程))
c面拡大層42において傾斜界面40iが消失し、表面が鏡面化されたら、図7(a)に示すように、c面拡大層42上に、c面40cを成長面として所定の厚さに亘って本成長層44を形成する。これにより、傾斜界面40iを有さずc面40cのみを表面に有する本成長層44を形成する。
(S340: Main growth step (c-plane growth step))
When the inclined interface 40i disappears in the c-plane enlarged layer 42 and the surface becomes mirror-finished, as shown in FIG. A main growth layer 44 is formed over this area. This forms the main growth layer 44 which does not have the inclined interface 40i and has only the c-plane 40c on its surface.

このとき、本成長工程S340での成長条件を、c面拡大工程S320と同様に、上述の第2成長条件で維持する。これにより、c面40cを成長面として本成長層44をステップフロー成長させることができる。 At this time, the growth conditions in the main growth step S340 are maintained at the above-mentioned second growth conditions, similarly to the c-plane enlargement step S320. Thereby, the main growth layer 44 can be grown in a step-flow manner using the c-plane 40c as a growth plane.

また、このとき、傾斜界面40iを露出させることなく、c面40cのみを成長面として、本成長層44を成長させることで、本成長層44の全体が、後述の第2c面成長領域80となる。 Also, at this time, by growing the main growth layer 44 using only the c-plane 40c as a growth surface without exposing the inclined interface 40i, the entire main growth layer 44 forms a second c-plane growth region 80, which will be described later. Become.

本成長工程S340では、本成長層44の厚さを、例えば、300μm以上10mm以下とする。本成長層44の厚さを300μm以上とすることで、後述のスライス工程S400において、本成長層44から少なくとも1枚以上の基板50をスライスすることができる。一方で、本成長層44の厚さを10mmとすることで、最終的な厚さを650μmとし、700μm厚の基板50を本成長層44からスライスする場合に、カーフロス200μm程度を考慮しても、少なくとも10枚の基板50を得ることができる。 In the main growth step S340, the thickness of the main growth layer 44 is, for example, 300 μm or more and 10 mm or less. By setting the thickness of the main growth layer 44 to 300 μm or more, at least one substrate 50 can be sliced from the main growth layer 44 in the slicing step S400 described later. On the other hand, by setting the thickness of the main growth layer 44 to 10 mm, the final thickness is 650 μm, and when slicing a 700 μm thick substrate 50 from the main growth layer 44, even if a kerf loss of about 200 μm is taken into consideration. , at least 10 substrates 50 can be obtained.

以上により、c面拡大層42および本成長層44を有する第2層40が形成される。 Through the above steps, the second layer 40 having the c-plane enlarged layer 42 and the main growth layer 44 is formed.

(S380:剥離工程)
第2層40の成長が終了した後、図7(b)に示すように、第2下地層6、第1層30および第2層40を有する積層構造体90を、下地基板1から剥離させる。
(S380: Peeling process)
After the growth of the second layer 40 is completed, as shown in FIG. 7(b), the laminated structure 90 having the second base layer 6, the first layer 30, and the second layer 40 is peeled off from the base substrate 1. .

具体的には、気相成長装置のチャンバ内を冷却する過程において、上述の積層構造体90と下地基板1との間に、これらの線膨張係数差によって、応力を発生させる。例えば、サファイアからなる下地基板1は、主にGaNからなる積層構造体90よりも大きい線膨張係数を有するため、下地基板1を積層構造体90に対して収縮させる応力を発生させる。 Specifically, in the process of cooling the inside of the chamber of the vapor phase growth apparatus, stress is generated between the above-described laminated structure 90 and base substrate 1 due to the difference in their linear expansion coefficients. For example, the base substrate 1 made of sapphire has a larger coefficient of linear expansion than the laminated structure 90 mainly made of GaN, and thus generates stress that causes the base substrate 1 to contract with respect to the laminated structure 90.

これにより、金属窒化層5と第2下地層6との間に形成された平らな空隙を起因として、上述の積層構造体90を下地基板1から自然に剥離させる。これにより、積層構造体90にクラックを生じさせることなく、積層構造体90を下地基板1から剥離させることができる。 As a result, the above-described laminated structure 90 is naturally peeled off from the base substrate 1 due to the flat gap formed between the metal nitride layer 5 and the second base layer 6. Thereby, the laminated structure 90 can be peeled off from the base substrate 1 without causing cracks in the laminated structure 90.

以上の工程により、本実施形態の積層構造体90が得られる。 Through the above steps, the laminated structure 90 of this embodiment is obtained.

なお、以上の第2下地層形成工程S150から平坦化工程S300までの工程を、下地基板1を大気暴露することなく、同一の気相成長装置内で連続的に行う。これにより、第2下地層6と第1層30との間の界面、および第1層30と第2層40との間の界面に、意図しない高酸素濃度領域(傾斜界面成長領域70よりも過剰に高い酸素濃度を有する領域)が形成されることを抑制することができる。 Note that the above steps from the second base layer forming step S150 to the planarization step S300 are performed continuously in the same vapor phase growth apparatus without exposing the base substrate 1 to the atmosphere. As a result, an unintended high oxygen concentration region (more than the inclined interface growth region 70 The formation of a region with an excessively high oxygen concentration can be suppressed.

(S400:スライス工程)
次に、図8に示すように、例えば、本成長層44の表面と略平行な切断面に沿ってワイヤーソーにより本成長層44をスライスする。これにより、アズスライス基板としての窒化物半導体基板50(基板50ともいう)を少なくとも1つ形成する。このとき、基板50の厚さを、例えば、300μm以上700μm以下とする。
(S400: slicing process)
Next, as shown in FIG. 8, the main growth layer 44 is sliced, for example, along a cutting plane substantially parallel to the surface of the main growth layer 44 using a wire saw. As a result, at least one nitride semiconductor substrate 50 (also referred to as substrate 50) as an as-sliced substrate is formed. At this time, the thickness of the substrate 50 is, for example, 300 μm or more and 700 μm or less.

このとき、基板50のc面50cの曲率半径を、第2下地層を第2層と同じ厚さで成長させ、3次元成長工程および平坦化工程を行わずに第2下地層をスライスした場合の窒化物半導体基板(すなわち従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板)のc面の曲率半径よりも大きくすることができる。これにより、基板50の主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのばらつきを、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc軸オフ角のばらつきよりも小さくすることができる。 At this time, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is set when the second base layer is grown to the same thickness as the second layer and the second base layer is sliced without performing the three-dimensional growth process and the planarization process. can be made larger than the radius of curvature of the c-plane of a nitride semiconductor substrate (that is, a nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method). Thereby, the variation in the off-angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s of the substrate 50 can be made smaller than the variation in the c-axis off-angle of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method.

(S500:研磨工程)
次に、研磨装置により基板50の両面を研磨する。なお、このとき、最終的な基板50の厚さを、例えば、250μm以上650μm以下とする。
(S500: Polishing process)
Next, both sides of the substrate 50 are polished using a polishing device. Note that at this time, the final thickness of the substrate 50 is, for example, 250 μm or more and 650 μm or less.

以上の工程S100~S500により、本実施形態に係る基板50が製造される。 Through the above steps S100 to S500, the substrate 50 according to this embodiment is manufactured.

(半導体積層物の作製工程および半導体装置の作製工程)
基板50が製造されたら、例えば、基板50上にIII族窒化物半導体からなる半導体機能層をエピタキシャル成長させ、半導体積層物を作製する。半導体積層物を作製したら、半導体積層物を用いて電極等を形成し、半導体積層物をダイシングし、所定の大きさのチップを切り出す。これにより、半導体装置を作製する。
(Manufacturing process of semiconductor laminate and manufacturing process of semiconductor device)
Once the substrate 50 is manufactured, for example, a semiconductor functional layer made of a group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the substrate 50 to produce a semiconductor laminate. After producing the semiconductor laminate, electrodes and the like are formed using the semiconductor laminate, and the semiconductor laminate is diced to cut out chips of a predetermined size. In this way, a semiconductor device is manufactured.

(2)積層構造体
次に、図7(b)を用い、本実施形態に係る積層構造体90について説明する。
(2) Laminated structure Next, the laminated structure 90 according to this embodiment will be explained using FIG. 7(b).

本実施形態の積層構造体90は、例えば、第2下地層6と、第1層30と、第2層40と、を有している。なお、第2下地層6は、単に「下地層」と言い換えることができる。 The laminated structure 90 of this embodiment includes, for example, the second base layer 6, the first layer 30, and the second layer 40. Note that the second base layer 6 can be simply referred to as a "base layer."

第2下地層6は、例えば、III族窒化物の単結晶からなっている。第2下地層6は、例えば、鏡面化された主面6s(の痕跡)を有している。第2下地層の主面6sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面である。 The second base layer 6 is made of, for example, a group III nitride single crystal. The second base layer 6 has, for example, (a trace of) a mirror-finished main surface 6s. The closest low-index crystal plane to the main surface 6s of the second underlayer is, for example, the c-plane.

第1層30は、例えば、第2下地層6上に成長している。 The first layer 30 is grown on the second base layer 6, for example.

第1層30は、例えば、III族窒化物半導体の単結晶の頂面30uに、c面以外の傾斜界面30iで構成される複数の凹部30pを生じさせ、c面30cを消失させることで形成される複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを有している。第2下地層6の主面6sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離は、例えば、100μm超である。 The first layer 30 is formed, for example, by creating a plurality of recesses 30p composed of inclined interfaces 30i other than the c-plane in the top surface 30u of a single crystal of a group III nitride semiconductor, and by eliminating the c-plane 30c. It has a plurality of valleys 30v and a plurality of tops 30t. When looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 6s of the second base layer 6, the average distance between the closest apexes is, for example, more than 100 μm.

また、第1層30は、例えば、成長過程での成長面の違いに基づいて、第1c面成長領域(第1低酸素濃度領域)60と、傾斜界面成長領域(高酸素濃度領域)70と、を有している。 In addition, the first layer 30 is divided into a first c-plane growth region (first low oxygen concentration region) 60 and an inclined interface growth region (high oxygen concentration region) 70, for example, based on the difference in the growth plane during the growth process. ,have.

第1c面成長領域60は、c面30cを成長面として成長した領域である。第1c面成長領域60は、例えば、断面視で、複数の谷部60aおよび複数の山部60bを有する。
なお、ここでいう谷部60aおよび山部60bのそれぞれは、積層構造体90の断面を蛍光顕微鏡等で観察したときに発光強度差に基づいて観察される形状の一部分を意味し、第1層30の成長途中で生じる最表面の形状の一部分を意味するものではない。複数の谷部60aのそれぞれは、断面視で、第1c面成長領域60のうち下に凸の変曲点であって、傾斜界面30iが発生した位置に形成される。複数の谷部60aのうち少なくとも1つは、第2下地層6の主面6sから上方に離れた位置に設けられている。一方で、複数の山部60bのそれぞれは、断面視で、第1c面成長領域60のうち上に凸の変曲点であって、互いに相反する方向を向いて拡大した一対の傾斜界面30iを挟んでc面30cが(最後に)消失した位置に形成される。谷部60aおよび山部60bは、第2下地層6の主面6sに沿った方向に交互に形成される。
The first c-plane growth region 60 is a region grown using the c-plane 30c as a growth plane. The first c-plane growth region 60 has, for example, a plurality of valleys 60a and a plurality of peaks 60b in a cross-sectional view.
Note that each of the troughs 60a and the peaks 60b herein means a part of the shape observed based on the difference in emission intensity when the cross section of the laminated structure 90 is observed with a fluorescence microscope, etc. It does not mean a part of the outermost surface shape that occurs during the growth of 30. Each of the plurality of valleys 60a is a downwardly convex inflection point of the first c-plane growth region 60 in cross-sectional view, and is formed at a position where the inclined interface 30i occurs. At least one of the plurality of valleys 60a is provided at a position upwardly away from the main surface 6s of the second base layer 6. On the other hand, each of the plurality of peaks 60b is an upwardly convex inflection point in the first c-plane growth region 60 in cross-sectional view, and forms a pair of inclined interfaces 30i enlarged in opposite directions. It is formed at the position where the c-plane 30c (last) disappears. The valley portions 60a and the peak portions 60b are formed alternately in the direction along the main surface 6s of the second base layer 6.

第1c面成長領域60は、断面視で、複数の山部60bのうちの1つを挟んだ両側に、c面30cと傾斜界面30iとの交点の軌跡として設けられる一対の傾斜部60iを有している。なお、ここでいう傾斜部60iは、積層構造体90の断面を蛍光顕微鏡等で観察したときに発光強度差に基づいて観察される形状の一部分を意味し、第1層30の成長途中で生じる最表面の傾斜界面30iを意味するものではない。 In cross-sectional view, the first c-plane growth region 60 has a pair of inclined portions 60i provided as a locus of the intersection of the c-plane 30c and the inclined interface 30i on both sides of one of the plurality of peaks 60b. are doing. Note that the sloped portion 60i herein refers to a portion of the shape observed based on the difference in luminescence intensity when the cross section of the stacked structure 90 is observed using a fluorescence microscope, etc., and is a portion of the shape that is observed during the growth of the first layer 30. This does not mean the outermost inclined interface 30i.

断面視で、一対の傾斜部60iのなす角度βは、例えば、70°以下、好ましくは、20°以上65°以下である。一対の傾斜部60iのなす角度βが70°以下であることは、第1成長条件において、第1層30のうちのc面30cに対して最も傾斜した傾斜界面30iの成長レートGに対する、第1層30のうちのc面30cの成長レートGc1の比率Gc1/Gが高かったことを意味する。これにより、c面以外の傾斜界面30iを容易に生じさせることができる。その結果、傾斜界面30iが露出した位置で、転位を容易に屈曲させることが可能となる。また、一対の傾斜部60iのなす角度βを70°以下とすることで、第2下地層6の上方に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを容易に生じさせることができる。さらに、一対の傾斜部60iのなす角度βを65°以下とすることで、c面以外の傾斜界面30iをさらに容易に生じさせることができ、第2下地層6の上方に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tをさらに容易に生じさせることができる。なお、一対の傾斜部60iのなす角度βを20°以上とすることで、第1層30の谷部30vから頂部30tまでの高さが高くなることを抑制し、第2層40が鏡面化するまでの厚さが厚くなることを抑制することができる。 In cross-sectional view, the angle β formed by the pair of inclined portions 60i is, for example, 70° or less, preferably 20° or more and 65° or less. The fact that the angle β between the pair of inclined portions 60i is 70° or less means that the growth rate G i of the inclined interface 30i that is the most inclined with respect to the c-plane 30c of the first layer 30 under the first growth condition is This means that the ratio G c1 /G i of the growth rate G c1 of the c-plane 30c in the first layer 30 was high. Thereby, an inclined interface 30i other than the c-plane can be easily generated. As a result, it becomes possible to easily bend the dislocation at the position where the inclined interface 30i is exposed. Further, by setting the angle β between the pair of inclined portions 60i to 70° or less, a plurality of valleys 30v and a plurality of peaks 30t can be easily formed above the second base layer 6. Furthermore, by setting the angle β formed by the pair of inclined portions 60i to 65° or less, the inclined interface 30i other than the c-plane can be more easily generated, and a plurality of valleys are formed above the second base layer 6. 30v and multiple peaks 30t can be generated more easily. In addition, by setting the angle β between the pair of inclined parts 60i to 20 degrees or more, the height from the valley part 30v to the top part 30t of the first layer 30 is suppressed from increasing, and the second layer 40 becomes mirror-finished. It is possible to suppress the thickness from increasing.

一方で、傾斜界面成長領域70は、c面以外の傾斜界面30iを成長面として成長した領域である。傾斜界面成長領域70の下面は、例えば、第1c面成長領域60の形状に倣って形成される。傾斜界面成長領域70は、第2下地層6の主面6sに沿って連続して設けられている。 On the other hand, the inclined interface growth region 70 is a region grown using the inclined interface 30i other than the c-plane as a growth plane. The lower surface of the inclined interface growth region 70 is formed, for example, following the shape of the first c-plane growth region 60. The inclined interface growth region 70 is continuously provided along the main surface 6s of the second base layer 6.

傾斜界面成長領域70では、第1c面成長領域60と比較して、酸素を取り込みやすい。このため、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、第1c面成長領域60中の酸素濃度よりも高くなる。なお、傾斜界面成長領域70中に取り込まれる酸素は、例えば、気相成長装置内に意図せずに混入する酸素、または気相成長装置を構成する部材(石英部材等)から放出される酸素等である。 The inclined interface growth region 70 can more easily incorporate oxygen than the first c-plane growth region 60. Therefore, the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70 is higher than the oxygen concentration in the first c-plane growth region 60. Note that the oxygen taken into the inclined interface growth region 70 is, for example, oxygen that is unintentionally mixed into the vapor phase growth apparatus, or oxygen that is released from members (quartz members, etc.) that constitute the vapor phase growth apparatus. It is.

なお、第1c面成長領域60中の酸素濃度は、例えば、5×1016cm-3以下、好ましくは3×1016cm-3以下である。一方で、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、例えば、3×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である。 Note that the oxygen concentration in the first c-plane growth region 60 is, for example, 5×10 16 cm −3 or less, preferably 3×10 16 cm −3 or less. On the other hand, the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70 is, for example, 3×10 18 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 or less.

第2層40は、例えば、成長過程での成長面の違いに基づいて、傾斜界面成長領域70と、第2c面成長領域(第2低酸素濃度領域)80と、を有している。 The second layer 40 has, for example, an inclined interface growth region 70 and a second c-plane growth region (second low oxygen concentration region) 80 based on the difference in the growth plane during the growth process.

第2層40における傾斜界面成長領域70の上面は、例えば、断面視で、複数の谷部70aおよび複数の山部70bを有している。なお、ここでいう谷部70aおよび山部70bのそれぞれは、積層構造体90の断面を蛍光顕微鏡等で観察したときに発光強度差に基づいて観察される形状の一部分を意味し、第2層40の成長途中で生じる最表面の形状の一部分を意味するものではない。傾斜界面成長領域70の複数の谷部70aは、上述のように、断面視で、c面40cが再度発生した位置に形成されている。また、傾斜界面成長領域70の複数の谷部70aは、それぞれ、断面視で、第1c面成長領域60の複数の山部60bの上方に形成されている。一方で、傾斜界面成長領域70の複数の山部70bは、上述のように、断面視で、傾斜界面40iが消失した位置に形成されている。また、傾斜界面成長領域70の複数の山部70bは、それぞれ、断面視で、第1c面成長領域60の複数の谷部60aの上方に形成されている。 The upper surface of the inclined interface growth region 70 in the second layer 40 has, for example, a plurality of valleys 70a and a plurality of peaks 70b in a cross-sectional view. Note that the troughs 70a and the peaks 70b herein each mean a part of the shape observed based on the difference in emission intensity when the cross section of the laminated structure 90 is observed with a fluorescence microscope, etc. It does not mean a part of the outermost surface shape that occurs during the growth of 40. As described above, the plurality of valleys 70a of the inclined interface growth region 70 are formed at the positions where the c-plane 40c occurs again in cross-sectional view. Moreover, the plurality of valleys 70a of the inclined interface growth region 70 are each formed above the plurality of peaks 60b of the first c-plane growth region 60 in cross-sectional view. On the other hand, as described above, the plurality of peaks 70b of the inclined interface growth region 70 are formed at the positions where the inclined interface 40i disappears in cross-sectional view. Moreover, the plurality of peaks 70b of the inclined interface growth region 70 are each formed above the plurality of valleys 60a of the first c-plane growth region 60 in cross-sectional view.

また、第2層40のうち傾斜界面成長領域70の上端で第2下地層6の主面6sに略平行な面が、第2層40で傾斜界面40iが消失した位置の境界面40bとなる。 In addition, a surface of the second layer 40 that is substantially parallel to the main surface 6s of the second base layer 6 at the upper end of the inclined interface growth region 70 becomes the boundary surface 40b at the position where the inclined interface 40i disappears in the second layer 40. .

第2c面成長領域80は、c面40cを成長面として成長した領域である。第2c面成長領域80では、傾斜界面成長領域70と比較して、酸素の取り込みが抑制される。このため、第2c面成長領域80中の酸素濃度は、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度よりも低くなる。第2c面成長領域80中の酸素濃度は、例えば、5×1016cm-3以下、好ましくは3×1016cm-3以下である。 The second c-plane growth region 80 is a region grown using the c-plane 40c as a growth plane. In the second c-plane growth region 80, oxygen uptake is suppressed compared to the inclined interface growth region 70. Therefore, the oxygen concentration in the second c-plane growth region 80 is lower than the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70. The oxygen concentration in the second c-plane growth region 80 is, for example, 5×10 16 cm −3 or less, preferably 3×10 16 cm −3 or less.

本実施形態では、第1層30の成長過程で、c面以外の傾斜界面30iが露出した位置で、該傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて、転位が屈曲して伝播することで、第2層40では、複数の転位の一部が消失したり、複数の転位の一部がc面拡大層42の表面側に伝播することが抑制されたりしている。これにより、第2層40の表面における転位密度は、第2下地層6の主面6sにおける転位密度よりも低減されている。 In this embodiment, during the growth process of the first layer 30, dislocations bend and propagate in a direction substantially perpendicular to the inclined interface 30i at a position where the inclined interface 30i other than the c-plane is exposed. In the second layer 40, some of the plurality of dislocations disappear, and some of the plurality of dislocations are suppressed from propagating to the surface side of the c-plane enlarged layer 42. Thereby, the dislocation density on the surface of the second layer 40 is lower than the dislocation density on the main surface 6s of the second underlayer 6.

その他、本実施形態では、第2層40の表面全体は+c面により構成されており、第1層30および第2層40は、それぞれ、極性反転区(インバージョンドメイン)を含んでいない。この点において、本実施形態の積層構造体90は、いわゆるDEEP(Dislocation Elimination by the Epitaxial-growth with inverse-pyramidal Pits)法により形成された積層構造体とは異なり、すなわち、ピットの中心に位置するコアに極性反転区を含む積層構造体とは異なっている。 In addition, in this embodiment, the entire surface of the second layer 40 is constituted by a +c plane, and the first layer 30 and the second layer 40 each do not include a polarity inversion domain. In this respect, the laminated structure 90 of the present embodiment differs from a laminated structure formed by the so-called DEEP (Dislocation Elimination by the Epitaxial-growth with inverse-pyramidal pits) method. This is different from a laminated structure that includes a polarity reversal area in the core.

(3)窒化物半導体基板(窒化物半導体自立基板、窒化物結晶基板)
次に、図11を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板50について説明する。図11(a)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板を示す概略上面図であり、(b)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板のm軸に沿った概略断面図であり、(c)は、本実施形態に係る窒化物半導体基板のa軸に沿った概略断面図である。
(3) Nitride semiconductor substrate (nitride semiconductor free-standing substrate, nitride crystal substrate)
Next, the nitride semiconductor substrate 50 according to this embodiment will be described using FIG. 11. FIG. 11(a) is a schematic top view showing the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment, and FIG. 11(b) is a schematic cross-sectional view along the m-axis of the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment, (c) is a schematic cross-sectional view along the a-axis of the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment.

本実施形態において、上述の製造方法によって第2層40をスライスすることで得られる基板50は、例えば、III族窒化物半導体の単結晶からなる自立基板である。本実施形態では、基板50は、例えば、GaN自立基板である。 In this embodiment, the substrate 50 obtained by slicing the second layer 40 by the above-described manufacturing method is, for example, a free-standing substrate made of a single crystal of a group III nitride semiconductor. In this embodiment, the substrate 50 is, for example, a GaN free-standing substrate.

基板50の直径は、例えば、2インチ以上である。また、基板50の厚さは、例えば、300μm以上1mm以下である。 The diameter of the substrate 50 is, for example, 2 inches or more. Further, the thickness of the substrate 50 is, for example, 300 μm or more and 1 mm or less.

基板50の導電性は特に限定されるものではないが、基板50を用いて縦型のショットキーバリアダイオード(SBD)としての半導体装置を製造する場合には、基板50は例えばn型であり、基板50中のn型不純物は例えばSiまたはゲルマニウム(Ge)であり、基板50中のn型不純物濃度は例えば1.0×1018cm-3以上1.0×1020cm-3以下である。 The conductivity of the substrate 50 is not particularly limited, but when manufacturing a semiconductor device as a vertical Schottky barrier diode (SBD) using the substrate 50, the substrate 50 is, for example, n-type, The n-type impurity in the substrate 50 is, for example, Si or germanium (Ge), and the n-type impurity concentration in the substrate 50 is, for example, 1.0×10 18 cm −3 or more and 1.0×10 20 cm −3 or less. .

基板50は、例えば、エピタキシャル成長面となる主面50sを有している。本実施形態において、主面50sに対して最も近い低指数の結晶面は、例えば、c面50cである。 The substrate 50 has, for example, a main surface 50s that serves as an epitaxial growth surface. In this embodiment, the closest low-index crystal plane to the main surface 50s is, for example, the c-plane 50c.

なお、基板50の主面50sは、例えば、鏡面化されており、基板50の主面50sの二乗平均粗さRMSは、例えば、1nm未満である。 Note that the main surface 50s of the substrate 50 is, for example, mirror-finished, and the root mean square roughness RMS of the main surface 50s of the substrate 50 is, for example, less than 1 nm.

また、本実施形態において、上述の製造方法によって得られる基板50中の不純物濃度は、フラックス法またはアモノサーマル法などによって得られる基板よりも低くなっている。 Further, in this embodiment, the impurity concentration in the substrate 50 obtained by the above-described manufacturing method is lower than that of a substrate obtained by a flux method, an ammonothermal method, or the like.

具体的には、基板50中の水素濃度は、例えば、1×1017cm-3未満、好ましくは5×1016cm-3以下である。 Specifically, the hydrogen concentration in the substrate 50 is, for example, less than 1×10 17 cm −3 , preferably 5×10 16 cm −3 or less.

また、本実施形態では、基板50は、c面40cを成長面として成長した本成長層44をスライスすることで形成されるため、傾斜界面30iまたは傾斜界面40iを成長面として成長した傾斜界面成長領域70を含んでいない。すなわち、基板50の全体は、低酸素濃度領域により構成されている。 Further, in this embodiment, since the substrate 50 is formed by slicing the main growth layer 44 grown using the c-plane 40c as a growth surface, the inclined interface growth layer grown using the inclined interface 30i or the inclined interface 40i as the growth surface It does not include area 70. That is, the entire substrate 50 is constituted by a low oxygen concentration region.

具体的には、基板50中の酸素濃度は、例えば、5×1016cm-3以下、好ましくは3×1016cm-3以下である。 Specifically, the oxygen concentration in the substrate 50 is, for example, 5×10 16 cm −3 or less, preferably 3×10 16 cm −3 or less.

(c面の湾曲、およびオフ角のばらつき)
図11(b)および(c)に示すように、本実施形態では、基板50の主面50sに対して最も近い低指数の結晶面としてのc面50cは、例えば、上述した基板50の製造方法に起因して、主面50sに対して凹の球面状に湾曲している。
(c-plane curvature and off-angle variation)
As shown in FIGS. 11(b) and 11(c), in this embodiment, the c-plane 50c as a low-index crystal plane closest to the main surface 50s of the substrate 50 is, for example, Due to the method, it is curved into a concave spherical shape with respect to the main surface 50s.

本実施形態では、基板50のc面50cは、例えば、m軸に沿った断面およびa軸に沿った断面のそれぞれにおいて球面近似される曲面状となっている。 In this embodiment, the c-plane 50c of the substrate 50 has a curved shape that is approximated to a spherical surface in each of the cross-section along the m-axis and the cross-section along the a-axis, for example.

本実施形態では、基板50のc面50fが上述のように凹の球面状に湾曲していることから、少なくとも一部のc軸50caは、主面50sの法線に対して傾斜している。主面50sの法線に対してc軸50caがなす角度であるオフ角θは、主面50s内で所定の分布を有している。 In this embodiment, since the c-plane 50f of the substrate 50 is curved into a concave spherical shape as described above, at least a part of the c-axis 50ca is inclined with respect to the normal to the main surface 50s. . The off angle θ, which is the angle that the c-axis 50ca makes with the normal to the main surface 50s, has a predetermined distribution within the main surface 50s.

なお、主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのうち、m軸に沿った方向成分を「θ」とし、a軸に沿った方向成分を「θ」とする。なお、θ=θ +θ である。 Note that, of the off angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s, the directional component along the m-axis is “θ m ” and the directional component along the a-axis is “θ a ”. Note that θ 2m 2a 2 .

本実施形態では、基板50のc面50cが上述のように凹の球面状に湾曲していることから、オフ角m軸成分θおよびオフ角a軸成分θは、それぞれ、xの1次関数およびyの1次関数で近似的に表すことができる。 In this embodiment, since the c-plane 50c of the substrate 50 is curved in a concave spherical shape as described above, the off-angle m-axis component θ m and the off-angle a-axis component θ a are each 1 of x. It can be approximately expressed by the following function and a linear function of y.

具体的には、例えば、主面50s内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、主面50sへ入射したX線と主面50sとがなすピーク角度ωを、直線上の位置に対してプロットしたときに、ピーク角度ωを位置の1次関数で近似することができる。なお、ここでいう「ピーク角度ω」とは、主面50sへ入射したX線と主面50sとがなす角度であって、回折強度が最大となる角度のことをいう。上述のように近似された1次関数の傾きの逆数により、c面50cの曲率半径を求めることができる。 Specifically, for example, the X-ray rocking curve of the (0002) plane is measured at each position on a straight line passing through the center within the main surface 50s, and the peak formed by the X-rays incident on the main surface 50s and the main surface 50s is measured. When the angle ω is plotted against the position on the straight line, the peak angle ω can be approximated by a linear function of the position. Note that the "peak angle ω" herein refers to the angle formed between the X-rays incident on the main surface 50s and the main surface 50s, and is the angle at which the diffraction intensity is maximum. The radius of curvature of the c-plane 50c can be determined by the reciprocal of the slope of the linear function approximated as described above.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径は、例えば、上述した従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc面の曲率半径よりも大きくなっている。 In this embodiment, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is, for example, larger than the radius of curvature of the c-plane of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method described above.

具体的には、c面50cのX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときに、当該1次関数の傾きの逆数により求められるc面50cの曲率半径は、例えば、10m以上、好ましくは15m以上、より好ましくは19m以上、さらに好ましくは40m以上である。 Specifically, when the peak angle ω is approximated by a linear function of position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane 50c, the radius of curvature of the c-plane 50c determined by the reciprocal of the slope of the linear function is, for example, , 10 m or more, preferably 15 m or more, more preferably 19 m or more, even more preferably 40 m or more.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径の上限値は、大きければ大きいほどよいため、特に限定されるものではない。基板50のc面50cが略平坦となる場合は、該c面50cの曲率半径が無限大であると考えればよい。 In this embodiment, the upper limit of the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is not particularly limited, since the larger the better. When the c-plane 50c of the substrate 50 is substantially flat, it may be considered that the radius of curvature of the c-plane 50c is infinite.

本実施形態では、基板50のc面50cの曲率半径が大きいことにより、基板50の主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのばらつきを、従来のVAS法の窒化物半導体基板のc軸のオフ角のばらつきよりも小さくすることができる。 In this embodiment, since the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is large, the variation in the off-angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s of the substrate 50 can be reduced compared to that of a nitride semiconductor substrate using the conventional VAS method. This can be made smaller than the variation in the off-angle of the c-axis.

また、本実施形態では、c面50cのX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときに、位置の1次関数に対するωの誤差が小さい。本実施形態のωの誤差を、例えば、マスク層を用いたELO法などで加工した下地基板上に成長させた結晶層から得られる基板、または3次元成長工程においてc面が消失しなかった場合に第2層から得られる基板などよりも小さくすることができる。 Furthermore, in this embodiment, when the peak angle ω is approximated by a linear function of position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane 50c, the error of ω with respect to the linear function of position is small. The error of ω in this embodiment can be applied to a substrate obtained from a crystal layer grown on a base substrate processed by the ELO method using a mask layer, or when the c-plane does not disappear in the three-dimensional growth process. It can be made smaller than the substrate etc. obtained from the second layer.

具体的には、上述のように近似した1次関数に対する、測定されたピーク角度ωの誤差は、例えば、0.05°以下、好ましくは0.02°以下、より好ましくは0.01°以下である。なお、少なくとも一部のピーク角度ωが1次関数と一致することがあるため、当該誤差の最小値は、0°である。 Specifically, the error of the measured peak angle ω with respect to the linear function approximated as described above is, for example, 0.05° or less, preferably 0.02° or less, more preferably 0.01° or less. It is. Note that since at least some of the peak angles ω may match a linear function, the minimum value of the error is 0°.

(暗点)
次に、本実施形態の基板50の主面50sにおける暗点について説明する。なお、ここでいう「暗点」とは、多光子励起顕微鏡における主面50sの観察像や、主面50sのカソードルミネッセンス像などにおいて観察される発光強度が低い点のことを意味し、転位だけでなく、異物または点欠陥を起因とした非発光中心も含んでいる。なお、「多光子励起顕微鏡」とは、二光子励起蛍光顕微鏡と呼ばれることもある。
(scotoma)
Next, a dark spot on the principal surface 50s of the substrate 50 of this embodiment will be described. Note that the "dark spot" here refers to a point where the luminescence intensity is low observed in an observed image of the main surface 50s using a multiphoton excitation microscope or a cathodoluminescence image of the main surface 50s, and only dislocations are observed. It also includes non-emissive centers caused by foreign matter or point defects. Note that the "multiphoton excitation microscope" is also sometimes called a two-photon excitation fluorescence microscope.

本実施形態では、VAS法により作製された下地構造体10を用いて基板50が製造されているため、基板50中に、異物または点欠陥を起因とした非発光中心が少ない。したがって、多光子励起顕微鏡等により基板50の主面を観察したときの暗点の95%以上、好ましくは99%以上は、異物または点欠陥を起因とした非発光中心ではなく、転位となる。 In this embodiment, since the substrate 50 is manufactured using the base structure 10 manufactured by the VAS method, there are few non-emissive centers caused by foreign matter or point defects in the substrate 50. Therefore, 95% or more, preferably 99% or more of the dark spots when observing the main surface of the substrate 50 using a multiphoton excitation microscope or the like are not non-emissive centers caused by foreign matter or point defects, but are dislocations.

また、本実施形態では、上述の製造方法により、第2層40の表面における転位密度が、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板における転位密度よりも低減されている。
これにより、第2層40をスライスして形成される基板50の主面50sにおいても、転位が低減されている。
Moreover, in this embodiment, the dislocation density on the surface of the second layer 40 is lowered by the above-described manufacturing method than the dislocation density in the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method.
Thereby, dislocations are also reduced in the main surface 50s of the substrate 50 formed by slicing the second layer 40.

また、本実施形態では、上述の製造方法により、加工を施さない状態の下地構造体10を用いて、3次元成長工程S200および平坦化工程S300を行ったことで、第2層40をスライスして形成される基板50の主面50sにおいて、転位の集中に起因した転位密度が高い領域が形成されておらず、転位密度が低い領域が均一に形成されている。 Further, in this embodiment, the second layer 40 is sliced by performing the three-dimensional growth step S200 and the planarization step S300 using the base structure 10 in an unprocessed state by the above-described manufacturing method. In the principal surface 50s of the substrate 50 formed by the above method, regions with high dislocation density due to concentration of dislocations are not formed, and regions with low dislocation density are uniformly formed.

具体的には、本実施形態では、多光子励起顕微鏡により視野250μm角で基板50の主面50sを観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、転位密度が3×10cm-2を超える領域が存在せず、転位密度が1×10cm-2未満である領域が主面50sの80%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上存在する。 Specifically, in this embodiment, when the main surface 50s of the substrate 50 is observed with a field of view of 250 μm square using a multiphoton excitation microscope and the dislocation density is determined from the dark spot density, the dislocation density is 3×10 6 cm 80% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more of the main surface 50s has no regions exceeding 2 and has a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 .

言い換えれば、本実施形態では、基板50の主面50s全体を平均した転位密度は、例えば、1×10cm-2未満であり、好ましくは、5.5×10cm-2未満であり、より好ましくは3×10cm-2以下である。 In other words, in the present embodiment, the average dislocation density over the entire principal surface 50s of the substrate 50 is, for example, less than 1×10 6 cm −2 , preferably less than 5.5×10 5 cm −2 . , more preferably 3×10 5 cm −2 or less.

また、本実施形態の基板50の主面50sは、例えば、上述の3次元成長工程S200での最近接頂部間平均距離Lに基づいて、少なくとも50μm角の無転位領域を含んでいる。また、本実施形態の基板50の主面50sは、例えば、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上の密度で有している。 Further, the principal surface 50s of the substrate 50 of this embodiment includes a dislocation-free region of at least 50 μm square, for example, based on the average distance L between the closest apexes in the above-mentioned three-dimensional growth step S200. Further, the principal surface 50s of the substrate 50 of this embodiment has, for example, dislocation-free regions of 50 μm square that do not overlap at a density of 100 pieces/cm 2 or more.

次に、本実施形態の基板50における転位のバーガースベクトルについて説明する。 Next, the Burgers vector of dislocations in the substrate 50 of this embodiment will be explained.

本実施形態では、上述の製造方法で用いられる第2下地層6の主面6sにおける転位密度が低いため、第2下地層6上に第1層30および第2層40を成長させる際に、複数の転位が結合(混合)することが少ない。これにより、第2層40から得られる基板50内において、大きいバーガースベクトルを有する転位の生成を抑制することができる。 In this embodiment, since the dislocation density on the main surface 6s of the second base layer 6 used in the above-described manufacturing method is low, when growing the first layer 30 and the second layer 40 on the second base layer 6, Multiple dislocations rarely combine (mix). This makes it possible to suppress the generation of dislocations having large Burgers vectors within the substrate 50 obtained from the second layer 40.

具体的には、本実施形態の基板50では、例えば、バーガースベクトルが<11-20>/3、<0001>、または<11-23>/3のうちいずれかである転位が多い。なお、ここでの「バーガースベクトル」は、例えば、透過電子顕微鏡(TEM)を用いた大角度収束電子回折法(LACBED法)により測定可能である。また、バーガースベクトルが<11-20>/3である転位は、刃状転位であり、バーガースベクトルが<0001>である転位は、螺旋転位であり、バーガースベクトルが<11-23>/3である転位は、刃状転位と螺旋転位とが混合した混合転位である。 Specifically, in the substrate 50 of this embodiment, for example, there are many dislocations whose Burgers vector is one of <11-20>/3, <0001>, or <11-23>/3. Note that the "Burgers vector" here can be measured by, for example, a large angle convergent electron diffraction method (LACBED method) using a transmission electron microscope (TEM). Furthermore, a dislocation with a Burgers vector of <11-20>/3 is an edge dislocation, and a dislocation with a Burgers vector of <0001> is a screw dislocation, with a Burgers vector of <11-23>/3. Some dislocations are mixed dislocations in which edge dislocations and screw dislocations are mixed.

本実施形態では、基板50の主面50sにおける転位を無作為に100個抽出したときに、バーガースベクトルが<11-20>/3、<0001>または<11-23>/3のうちいずれかである転位の数の割合は、例えば、50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上である。なお、基板50の主面50s内の少なくとも一部において、バーガースベクトルが2<11-20>/3または<11-20>などである転位が存在していてもよい。 In this embodiment, when 100 dislocations are randomly extracted on the main surface 50s of the substrate 50, the Burgers vector is either <11-20>/3, <0001>, or <11-23>/3. The ratio of the number of dislocations is, for example, 50% or more, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. Note that dislocations having a Burgers vector of 2<11-20>/3 or <11-20> may exist in at least a portion of the principal surface 50s of the substrate 50.

(スリット幅を異ならせたX線ロッキングカーブ測定について)
ここで、発明者は、入射側のスリット幅を異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行うことにより、本実施形態の基板50を構成する結晶のモザイシティと、上述のc面50cの湾曲(反り)と、の両方を同時に評価することができることを見出した。
(About X-ray rocking curve measurement with different slit widths)
Here, the inventor measured the mosaicity of the crystal constituting the substrate 50 of this embodiment and the curvature (warp) of the c-plane 50c by varying the width of the slit on the incident side and measuring the X-ray rocking curve. We have found that both can be evaluated simultaneously.

まず、X線ロッキングカーブ測定における結晶のモザイシティの影響について説明する。 First, the influence of crystal mosaicity on X-ray rocking curve measurement will be explained.

ここでいう「結晶のモザイシティ」とは、結晶面方位のばらつきのことを意味する。結晶において、転位が多いほど、結晶面方位がランダムに傾き、結晶のモザイシティが高くなる傾向がある。特に、複数の転位が線状に配列し、リネージを形成している場合には、リネージを介して隣接する亜結晶粒同士の結晶面方位がずれ、結晶のモザイシティが高くなり易い。このように結晶のモザイシティが高い場合では、X線ロッキングカーブ測定を行うと、モザイシティに起因して、結晶面の回折角度の揺らぎ(変動、分布幅)が大きくなる。 The term "crystal mosaicity" used herein refers to variations in crystal plane orientation. In a crystal, the more dislocations there are, the more randomly the crystal plane orientation tends to tilt, and the mosaicity of the crystal tends to increase. In particular, when a plurality of dislocations are arranged linearly to form a lineage, the crystal plane orientations of subgrains adjacent to each other via the lineage are likely to shift, resulting in a high mosaicity of the crystal. When the mosaicity of the crystal is high as described above, when an X-ray rocking curve is measured, the fluctuation (fluctuation, distribution width) of the diffraction angle of the crystal plane becomes large due to the mosaicity.

次に、図12(a)を用い、X線ロッキングカーブ測定におけるc面50cの湾曲の影響について説明する。図12(a)は、湾曲したc面に対するX線の回折を示す概略断面図である。 Next, the influence of the curvature of the c-plane 50c in X-ray rocking curve measurement will be explained using FIG. 12(a). FIG. 12(a) is a schematic cross-sectional view showing X-ray diffraction on a curved c-plane.

X線の入射側のスリットの幅をaとし、基板の主面に照射されるX線の照射幅(フットプリント)をbとし、結晶のブラッグ角度をθとしたとき、基板の主面におけるX線の照射幅bは、以下の式(h)で求められる。
b=a/sinθ ・・・(h)
When the width of the slit on the incident side of the X-ray is a, the irradiation width (footprint) of the X-ray irradiated onto the main surface of the substrate is b, and the Bragg angle of the crystal is θ B , the width of the slit on the main surface of the substrate is The X-ray irradiation width b is determined by the following equation (h).
b=a/sinθ B ...(h)

図12(a)に示すように、基板のc面が湾曲している場合では、c面の曲率半径をRとし、X線の照射幅bの範囲において湾曲したc面が形成する中心角度の半分をγとしたときに、c面の曲率半径Rは、X線の照射幅bに対して非常に大きい。このことから、角度γは、以下の式(i)で求められる。
γ=sin-1(b/2R)≒b/2R ・・・(i)
As shown in FIG. 12(a), when the c-plane of the substrate is curved, the radius of curvature of the c-plane is R, and the central angle formed by the curved c-plane in the range of the X-ray irradiation width b is When half is γ, the radius of curvature R of the c-plane is extremely large relative to the irradiation width b of the X-rays. From this, the angle γ is determined by the following equation (i).
γ=sin -1 (b/2R)≒b/2R...(i)

このとき、基板のc面のうちX線が照射される領域の入射側の端部(図中右側端部)では、基板の主面に対する回折角度は、θ+γ=θ+b/2Rとなる。 At this time, at the end of the incident side of the region irradiated with X-rays on the c-plane of the substrate (the right end in the figure), the diffraction angle with respect to the main surface of the substrate is θ B +γ=θ B +b/2R. Become.

一方、基板のc面のうちX線が照射される領域の受光側の端部(図中左側端部)では、基板の主面に対する回折角度は、θ-γ=θ-b/2Rとなる。 On the other hand, at the light-receiving end of the region irradiated with X-rays on the c-plane of the substrate (the left end in the figure), the diffraction angle with respect to the main surface of the substrate is θ B - γ = θ B - b/2R becomes.

したがって、基板のc面のうち上記入射側の端部における基板の主面に対する回折角度と、基板のc面のうち上記受光側の端部における基板の主面に対する回折角度との差分により、湾曲したc面に対するX線の回折角度の揺らぎは、b/Rとなる。 Therefore, due to the difference between the diffraction angle with respect to the principal surface of the substrate at the end of the incident side of the c-plane of the substrate and the diffraction angle with respect to the principal surface of the substrate at the end of the light-receiving side of the c-plane of the substrate, the curvature The fluctuation of the diffraction angle of X-rays with respect to the c-plane is b/R.

図12(b)および(c)は、c面の曲率半径に対する、(0002)面の回折角度の揺らぎを示す図である。なお、図12(b)の縦軸が対数スケールとなっており、図12(c)の縦軸がリニアスケールとなっている。 FIGS. 12(b) and 12(c) are diagrams showing fluctuations in the diffraction angle of the (0002) plane with respect to the radius of curvature of the c-plane. Note that the vertical axis in FIG. 12(b) is a logarithmic scale, and the vertical axis in FIG. 12(c) is a linear scale.

図12(b)および(c)に示すように、X線の入射側のスリットの幅aを大きくし、すなわちX線の照射幅bを大きくした場合では、X線の照射幅bに応じて、(0002)面の回折角度の揺らぎが大きくなる。また、c面の曲率半径Rが小さくなるにつれて、(0002)面の回折角度の揺らぎは徐々に大きくなる。また、X線の照射幅bを異ならせたときの、(0002)面の回折角度の揺らぎの差は、c面の曲率半径Rが小さくなるにつれて、大きくなる。 As shown in FIGS. 12(b) and (c), when the width a of the slit on the X-ray incident side is increased, that is, when the X-ray irradiation width b is increased, the , the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane increases. Further, as the radius of curvature R of the c-plane becomes smaller, the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane gradually increases. Further, the difference in the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane when the X-ray irradiation width b is varied becomes larger as the radius of curvature R of the c-plane becomes smaller.

実際に、結晶のモザイシティが低い基板のX線ロッキングカーブ測定を行った場合では、入射側のスリットの幅aが狭いときには、(0002)面の回折角度の揺らぎのうち、c面の湾曲による成分が小さく、結晶のモザイシティによる成分が支配的となる。しかしながら、入射側のスリットの幅aが広いときには、(0002)面の回折角度の揺らぎにおいて、結晶のモザイシティによる成分と、c面の湾曲による成分との両方が重畳されることとなる。したがって、入射側のスリットの幅aを異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行えば、結晶のモザイシティと、c面の湾曲(反り)と、の両方を同時に評価することが可能となる。 In fact, when measuring the X-ray rocking curve of a substrate with low crystal mosaicity, when the width a of the slit on the entrance side is narrow, the component due to the curvature of the c-plane out of the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane is small, and components due to crystal mosaicity become dominant. However, when the width a of the slit on the incident side is wide, both a component due to the mosaicity of the crystal and a component due to the curvature of the c-plane are superimposed in the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane. Therefore, by performing X-ray rocking curve measurements with different widths a of the slits on the incident side, it becomes possible to evaluate both the mosaicity of the crystal and the curvature (warp) of the c-plane at the same time.

ここで、本実施形態の基板50についてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの特徴について説明する。 Here, the characteristics when performing X-ray rocking curve measurement on the substrate 50 of this embodiment will be described.

以下において、Ge(220)面の2結晶モノクロメータおよびスリットを介して基板50の主面50sに対してCuのKα1のX線を照射し、(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った場合に、スリットのω方向の幅を1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅を「FWHMa」とし、スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅を「FWHMb」とする。なお、「ω方向」とは、X線ロッキングカーブ測定において、基板50の中心を通り基板50の主面に平行な軸を中心軸として基板50を回転させたときの回転方向(周方向)のことをいう。 In the following, X-rays of Kα1 of Cu are irradiated onto the main surface 50s of the substrate 50 through a Ge (220)-plane two-crystal monochromator and a slit, and an X-ray rocking curve of (0002) plane diffraction is measured. In this case, the half width of the (0002) plane diffraction when the width of the slit in the ω direction is 1 mm, and the half width of the (0002) plane diffraction when the width of the slit in the ω direction is 0.1 mm. Let the half width be "FWHMb". Note that the "ω direction" refers to the direction of rotation (circumferential direction) when the substrate 50 is rotated about an axis passing through the center of the substrate 50 and parallel to the main surface of the substrate 50 as the central axis in X-ray rocking curve measurement. Say something.

本実施形態の基板50では、上述のように、主面50sの広い範囲に亘って、転位が少なく、結晶のモザイシティが低い。 As described above, in the substrate 50 of this embodiment, there are few dislocations and low crystal mosaicity over a wide range of the main surface 50s.

その結果、本実施形態の基板50の主面50s内に5mm間隔で設定した複数の測定点において、スリットのω方向の幅を0.1mmとして(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行ったときに、例えば、全測定点の95%以上、好ましくは100%において、(0002)面回折の半値幅FWHMbは、80arcsec以下、好ましくは50arcsec以下である。 As a result, X-ray rocking curve measurements of (0002) plane diffraction were performed at a plurality of measurement points set at 5 mm intervals within the main surface 50s of the substrate 50 of this embodiment, with the width of the slit in the ω direction being 0.1 mm. For example, the half width FWHMb of (0002) plane diffraction is 80 arcsec or less, preferably 50 arcsec or less at 95% or more of all measurement points, preferably 100%.

また、本実施形態の基板50では、入射側のスリット幅を広くしてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの(0002)面の回折スペクトルが、入射側のスリット幅を狭くしてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの(0002)面の回折スペクトルよりも狭くなり難い傾向がある。 In addition, in the substrate 50 of this embodiment, the diffraction spectrum of the (0002) plane when X-ray rocking curve measurement is performed with the slit width on the entrance side widened is different from that when the slit width on the entrance side is narrowed. The diffraction spectrum tends to be less narrow than that of the (0002) plane when curve measurement is performed.

その結果、本実施形態の基板50では、スリットのω方向の幅を1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMaは、例えば、スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMb以上となりうる。 As a result, in the substrate 50 of this embodiment, the half-value width FWHMa of (0002) plane diffraction when the width of the slit in the ω direction is 1 mm is, for example, the half width FWHMa of the slit when the width in the ω direction is 0.1 mm. The half-width of (0002) plane diffraction can be equal to or greater than FWHMb.

また、本実施形態の基板50では、上述のように、主面50sの広い範囲に亘って、転位が少なく、結晶のモザイシティが低い。さらに、基板50のc面50cの湾曲が小さく、c面50cの曲率半径が大きい。これらにより、本実施形態の基板50において、入射側のスリット幅を広くしてX線ロッキングカーブ測定を行ったとしても、(0002)面の回折角度の揺らぎはあまり大きくならず、また、入射側のスリット幅を異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行ったとしても、(0002)面の回折角度の揺らぎの差は小さくなる。 Further, in the substrate 50 of this embodiment, as described above, there are few dislocations and low crystal mosaicity over a wide range of the main surface 50s. Furthermore, the curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 is small, and the radius of curvature of the c-plane 50c is large. Due to these, in the substrate 50 of this embodiment, even if the slit width on the incident side is widened and X-ray rocking curve measurement is performed, the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane does not become so large. Even if X-ray rocking curve measurements are performed with different slit widths, the difference in the fluctuation of the diffraction angle of the (0002) plane will be small.

その結果、本実施形態の基板50の所定の測定点(例えば主面の中心)において、スリットのω方向の幅を1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMaから、スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMbを引いた差FWHMa-FWHMbは、例えば、FWHMaの30%以下、好ましくは22%以下である。 As a result, at a predetermined measurement point (for example, the center of the main surface) of the substrate 50 of this embodiment, the half width FWHMa of the (0002) plane diffraction when the width of the slit in the ω direction is 1 mm, The difference FWHMa−FWHMb obtained by subtracting the half-width FWHMb of (0002) plane diffraction when the width of is 0.1 mm is, for example, 30% or less of FWHMa, preferably 22% or less.

また、本実施形態の基板50の主面50s内に5mm間隔で設定した複数の測定点において、スリットのω方向の幅を異ならせて(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行ったときに、例えば、全測定点の95%以上、好ましくは100%において、FWHMa-FWHMbは、例えば、FWHMaの30%以下、好ましくは22%以下である。 Furthermore, when measuring the X-ray rocking curve of (0002) plane diffraction at a plurality of measurement points set at 5 mm intervals within the main surface 50s of the substrate 50 of this embodiment, with different widths of the slits in the ω direction. For example, at 95% or more of all measurement points, preferably 100%, FWHMa-FWHMb is, for example, 30% or less of FWHMa, preferably 22% or less.

なお、本実施形態の基板50では、FWHMa<FWHMbとなったとしても、|FWHMa-FWHMb|は30%以下となる。 Note that in the substrate 50 of this embodiment, even if FWHMa<FWHMb, |FWHMa−FWHMb| is 30% or less.

なお、参考までに、上述の従来のVAS法の窒化物半導体基板では、比較的、c面10cの湾曲が大きく、c面10cの曲率半径が小さい。このため、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板における差FWHMa-FWHMbは、例えば、FWHMaの50%以上となる。 For reference, in the conventional VAS method nitride semiconductor substrate described above, the curvature of the c-plane 10c is relatively large and the radius of curvature of the c-plane 10c is small. Therefore, the difference FWHMa-FWHMb in a nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method is, for example, 50% or more of FWHMa.

(4)本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
(4) Effects obtained by this embodiment According to this embodiment, one or more of the following effects can be obtained.

(a)下地構造体10上に第1層30を3次元成長させることで、下地構造体10の第2下地層6に蓄積した引張応力を第1層30により相殺する応力相殺効果(応力緩和効果)を得ることができる。 (a) By growing the first layer 30 three-dimensionally on the base structure 10, a stress canceling effect (stress relaxation effect) can be obtained.

第1層30による応力相殺効果が得られる理由の1つとして、例えば、以下のような理由が考えられる。 One of the reasons why the stress offsetting effect of the first layer 30 can be obtained is, for example, as follows.

上述のように、3次元成長工程S200において、c面以外の傾斜界面30iを成長面として第1層30を3次元成長させることで、傾斜界面成長領域70が形成される。傾斜界面成長領域70では、第1c面成長領域60と比較して、酸素を取り込みやすい。このため、傾斜界面成長領域70中の酸素濃度は、第1c面成長領域60中の酸素濃度よりも高くなる。つまり、傾斜界面成長領域70は、高酸素濃度領域として考えることができる。 As described above, in the three-dimensional growth step S200, the first layer 30 is three-dimensionally grown using the inclined interface 30i other than the c-plane as a growth surface, thereby forming the inclined interface growth region 70. The inclined interface growth region 70 can more easily incorporate oxygen than the first c-plane growth region 60. Therefore, the oxygen concentration in the inclined interface growth region 70 is higher than the oxygen concentration in the first c-plane growth region 60. In other words, the inclined interface growth region 70 can be considered as a high oxygen concentration region.

このように、高酸素濃度領域中に酸素を取り込むことで、高酸素濃度領域の格子定数を、高酸素濃度領域以外の他の領域の格子定数よりも大きくすることができる(参考:Chris G. Van de Walle, Physical Review B vol.68, 165209 (2003))。第2下地層6、または第1層30のうちc面30cを成長面として成長した第1c面成長領域60には、第2下地層6のc面の湾曲によって、c面の曲率中心に向かって集中する応力が加わっている。これに対して、高酸素濃度領域の格子定数を相対的に大きくすることで、高酸素濃度領域には、c面30cを沿面方向の外側に広げる応力を生じさせることができる。これにより、高酸素濃度領域よりも下側でc面30cの曲率中心に向かって集中する応力と、高酸素濃度領域のc面30cを沿面方向の外側に広げる応力とを相殺させることができる。 In this way, by introducing oxygen into the high oxygen concentration region, the lattice constant of the high oxygen concentration region can be made larger than the lattice constant of other regions other than the high oxygen concentration region (Reference: Chris G. Van de Walle, Physical Review B vol. 68, 165209 (2003)). The first c-plane growth region 60 of the second base layer 6 or the first layer 30 that has grown with the c-plane 30c as a growth plane has a tendency toward the center of curvature of the c-plane due to the curvature of the c-plane of the second base layer 6. A concentrated stress is applied. On the other hand, by making the lattice constant of the high oxygen concentration region relatively large, it is possible to generate stress in the high oxygen concentration region that spreads the c-plane 30c outward in the creeping direction. Thereby, the stress that concentrates toward the center of curvature of the c-plane 30c below the high oxygen concentration region and the stress that spreads the c-plane 30c in the high oxygen concentration region outward in the creeping direction can be offset.

このように第1層30による応力相殺効果を得ることで、第2下地層6中に引張応力が蓄積した状態で第2層40を厚く成長させたとしても、第2層400のうちの下地構造体10側と表面側とで応力差が生じることを抑制することができる。これにより、第2層40にクラック等が発生することを抑制することができる。 By obtaining the stress canceling effect of the first layer 30 in this way, even if the second layer 40 is grown thickly with tensile stress accumulated in the second base layer 6, the base of the second layer 400 It is possible to suppress the stress difference from occurring between the structure 10 side and the surface side. Thereby, generation of cracks and the like in the second layer 40 can be suppressed.

(b)本実施形態では、上述した第1層30による応力相殺効果を得ることで、第2層40から得られる基板50のc面50cの曲率半径を、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板の曲率半径よりも大きくすることができる。これにより、基板50の主面50sの法線に対するc軸50caのオフ角θのばらつきを、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板のc軸のオフ角のばらつきよりも小さくすることができる。 (b) In this embodiment, by obtaining the stress canceling effect of the first layer 30 described above, the radius of curvature of the c-plane 50c of the substrate 50 obtained from the second layer 40 can be changed from that of the nitride obtained by the conventional VAS method. The radius of curvature can be made larger than the radius of curvature of the semiconductor substrate. Thereby, the variation in the off-angle θ of the c-axis 50ca with respect to the normal to the main surface 50s of the substrate 50 can be made smaller than the variation in the off-angle of the c-axis of the nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method. .

(c)3次元成長工程S200において、第1層30を構成する単結晶の表面にc面以外の傾斜界面30iを生じさせることで、傾斜界面30iが露出した位置で、該傾斜界面30iに対して略垂直な方向に向けて、転位を屈曲させて伝播させることができる。これにより、転位を局所的に集めることができる。転位を局所的に集めることで、互いに相反するバーガースベクトルを有する転位同士を消失させることができる。または、局所的に集められた転位がループを形成することで、転位が第2層40の表面側に伝播することを抑制することができる。このようにして、第2層40の表面における転位密度を低減することができる。その結果、従来のVAS法で得られる窒化物半導体基板よりも転位密度を低減させた基板50を得ることができる。 (c) In the three-dimensional growth step S200, an inclined interface 30i other than the c-plane is generated on the surface of the single crystal constituting the first layer 30, so that at a position where the inclined interface 30i is exposed, The dislocations can be bent and propagated in a substantially perpendicular direction. This allows dislocations to be locally collected. By locally gathering dislocations, dislocations having mutually opposing Burgers vectors can be eliminated. Alternatively, locally gathered dislocations form a loop, thereby suppressing dislocations from propagating to the surface side of the second layer 40. In this way, the dislocation density on the surface of the second layer 40 can be reduced. As a result, it is possible to obtain a substrate 50 with a lower dislocation density than a nitride semiconductor substrate obtained by the conventional VAS method.

(d)上述のように、第2層40の成長過程で、複数の転位の一部を消失させたり、複数の転位の一部を第2層40の表面側に伝播することを抑制したりすることで、III族窒化物半導体の単結晶からなる結晶層を、c面のみを成長面として成長させた場合よりも、急激に早く、転位密度を低減することができる。その結果、転位密度を低減させた基板50を効率よく得ることができ、その生産性を向上させることが可能となる。 (d) As described above, during the growth process of the second layer 40, some of the plurality of dislocations are eliminated or some of the plurality of dislocations are suppressed from propagating to the surface side of the second layer 40. By doing so, the dislocation density can be reduced more rapidly than when a crystal layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor is grown using only the c-plane as a growth plane. As a result, the substrate 50 with reduced dislocation density can be efficiently obtained, and its productivity can be improved.

(e)3次元成長工程S200では、第1層30の頂面30uからc面30cを消失させる。これにより、第1層30の表面に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを形成することができる。その結果、第2下地層6から伝播する転位を、第1層30における傾斜界面30iが露出した位置で、確実に屈曲させることができる。 (e) In the three-dimensional growth step S200, the c-plane 30c disappears from the top surface 30u of the first layer 30. Thereby, a plurality of valleys 30v and a plurality of tops 30t can be formed on the surface of the first layer 30. As a result, dislocations propagating from the second underlayer 6 can be reliably bent at the position where the inclined interface 30i in the first layer 30 is exposed.

ここで、3次元成長工程において、c面が残存した場合について考える。この場合、c面が残存した部分では、下地基板から伝播した転位が、屈曲されずに略鉛直上方向に伝播し、第2層の表面にまで到達する。このため、c面が残存した部分の上方では、転位が低減されず、高転位密度領域が形成されてしまう。 Here, a case will be considered in which the c-plane remains in the three-dimensional growth process. In this case, in the portion where the c-plane remains, dislocations propagated from the base substrate are propagated substantially vertically upward without being bent, and reach the surface of the second layer. Therefore, dislocations are not reduced above the portion where the c-plane remains, and a high dislocation density region is formed.

これに対し、本実施形態によれば、3次元成長工程S200において、第1層30の頂面30uからc面30cを消失させることで、第1層30の表面をc面以外の傾斜界面30iのみにより構成することができ、第1層30の表面に、複数の谷部30vおよび複数の頂部30tを形成することができる。これにより、第2下地層6から伝播する転位を、第1層30の表面全体に亘って、確実に屈曲させることができる。転位を確実に屈曲させることで、複数の転位の一部を消失させ易くし、または、複数の転位の一部を第2層40の表面側に伝播し難くすることができる。その結果、第2層40から得られる基板50の主面1s全体に亘って転位密度を低減することが可能となる。 On the other hand, according to the present embodiment, in the three-dimensional growth step S200, the c-plane 30c disappears from the top surface 30u of the first layer 30, thereby changing the surface of the first layer 30 to the inclined interface 30i other than the c-plane. A plurality of valleys 30v and a plurality of tops 30t can be formed on the surface of the first layer 30. Thereby, dislocations propagating from the second underlayer 6 can be reliably bent over the entire surface of the first layer 30. By reliably bending the dislocations, it is possible to make it easier to eliminate some of the plurality of dislocations, or to make it difficult for some of the plurality of dislocations to propagate to the surface side of the second layer 40. As a result, it becomes possible to reduce the dislocation density over the entire main surface 1s of the substrate 50 obtained from the second layer 40.

(f)本実施形態では、ボイド形成工程S140と3次元成長工程S200との間に第2下地層形成工程S150を行い、第2下地層6の主面6sを鏡面化させる。これにより、第1層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。 (f) In this embodiment, a second base layer forming step S150 is performed between the void forming step S140 and the three-dimensional growth step S200, and the main surface 6s of the second base layer 6 is mirror-finished. Thereby, the growth form of the first layer 30 can be changed from the growth form of island crystals that occurred at the initial stage of growth of the second underlayer 6.

ここで、ボイド形成工程S140直後に第2下地層形成工程S150を行わずに3次元成長工程S200を行うと、第1層の成長初期から、ボイド含有第1下地層の上方に金属窒化層を介して、第1層が島状結晶として成長する。この場合、第1層の島状結晶の頻度は、上述のように、金属窒化層のナノネット上に成長する際の過飽和度と、当該ナノネットの開口幅のばらつきとに依存する。このため、第1層の頂部が密に形成され、第1層の最近接頂部間平均距離が短くなる。第1層の最近接頂部間平均距離が短くなると、転位が充分に集められない。その結果、第2層の表面における転位密度を充分に低減することができない可能性がある。 Here, if the three-dimensional growth step S200 is performed without performing the second base layer forming step S150 immediately after the void forming step S140, a metal nitride layer is formed above the void-containing first base layer from the early stage of growth of the first layer. The first layer grows as island-shaped crystals through the crystals. In this case, the frequency of island crystals in the first layer depends on the degree of supersaturation when growing on the nanonets of the metal nitride layer and the variation in the opening width of the nanonets, as described above. Therefore, the tops of the first layer are formed densely, and the average distance between the closest tops of the first layer becomes short. When the average distance between the closest apexes of the first layer becomes short, dislocations cannot be sufficiently collected. As a result, the dislocation density on the surface of the second layer may not be sufficiently reduced.

これに対し、本実施形態では、ボイド形成工程S140後に、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、上述のように、第1層30の成長形態を、第2下地層6の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させることができる。 On the other hand, in the present embodiment, by mirror-finishing the main surface 6s of the second base layer 6 after the void forming step S140, the growth form of the first layer 30 is changed to the second base layer 6 as described above. can be changed from the growth form of island-shaped crystals that occur at the initial stage of growth.

すなわち、鏡面化した第2下地層6上に成長する第1層30を、成長初期から島状結晶として成長させるのではなく、3次元成長工程S200での上述の第1成長条件に依存して3次元成長させることができる。このとき、第1層30の最近接頂部間平均距離は、上述の第1成長条件としての、c面30cのc軸方向の成長レートGc0と傾斜界面30iの傾斜方向の成長レートGとの違いに依存する。これにより、第1層30の最近接頂部間平均距離を第1成長条件に基づいて制御し、最近接頂部間距離を長くすることができる。 That is, the first layer 30 grown on the mirror-finished second base layer 6 is not grown as an island crystal from the initial stage of growth, but is grown depending on the first growth conditions described above in the three-dimensional growth step S200. It can be grown in three dimensions. At this time, the average distance between the closest apexes of the first layer 30 is the growth rate G c0 in the c-axis direction of the c-plane 30c and the growth rate G i in the inclined direction of the inclined interface 30i as the first growth condition. Depends on the difference. Thereby, the average distance between the closest apexes of the first layer 30 can be controlled based on the first growth condition, and the distance between the closest apexes can be increased.

また、本実施形態では、ボイド形成工程S140後に、第2下地層6の主面6sを鏡面化させることで、ボイド含有第1下地層4および金属窒化層5の状態にかかわらず、第2下地層6の主面6sのモフォロジを全体に亘って略均一にすることができる。第2下地層6の主面6sのモフォロジを略均一にすることで、3次元成長工程S200において傾斜界面30iの発生状態を、第1層30の表面全体に亘って略均一にすることができる。これにより、第1層30の表面の一部に、最近接頂部間距離が短い領域が形成されることを抑制し、第1層30の表面全体に亘って、最近接頂部間距離を略均一に長くすることができる。 In addition, in the present embodiment, by mirror-finishing the main surface 6s of the second base layer 6 after the void forming step S140, the second base layer 6 is The morphology of the main surface 6s of the stratum 6 can be made substantially uniform throughout. By making the morphology of the main surface 6s of the second underlayer 6 substantially uniform, the state of occurrence of the inclined interface 30i can be made substantially uniform over the entire surface of the first layer 30 in the three-dimensional growth step S200. . This suppresses the formation of a region where the distance between the closest apexes is short on a part of the surface of the first layer 30, and makes the distance between the closest apexes substantially uniform over the entire surface of the first layer 30. can be made longer.

これらの結果、本実施形態では、第2層40の表面の一部に、転位密度が高い領域が形成されることを抑制し、第2層40の表面全体に亘って、転位密度を低くすることができる。 As a result, in this embodiment, the formation of a region with high dislocation density on a part of the surface of the second layer 40 is suppressed, and the dislocation density is reduced over the entire surface of the second layer 40. be able to.

(g)III族窒化物半導体の単結晶からなる結晶層をスライスおよび研磨することで得られた自立基板を用いて3次元成長工程および平坦化工程を行う場合よりも、本実施形態の工程数を削減することができる。すなわち、自立基板を得るためのスライス工程および研磨工程を省くことができる。これにより、本実施形態の歩留まりを向上しつつ、製造コストを低減することができる。 (g) The number of steps in this embodiment is higher than in the case where a three-dimensional growth process and a planarization process are performed using a free-standing substrate obtained by slicing and polishing a crystal layer made of a single crystal of a group III nitride semiconductor. can be reduced. That is, the slicing process and polishing process for obtaining a free-standing substrate can be omitted. Thereby, the manufacturing cost can be reduced while improving the yield of this embodiment.

(h)本実施形態では、第2下地層6の主面6s上へのマスク層の形成、および主面6sへの凹凸パターンの形成のうち、いずれの加工を施さない状態の下地構造体10に対して、3次元成長工程S200を行う。なお、ここでいう「マスク層」とは、例えば、いわゆるELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法において用いられ、酸化シリコンなどからなり所定の開口を有するマスク層のことを意味する。また、ここでいう「凹凸パターン」は、例えば、いわゆるペンデオエピタキシー法において用いられ、主面を直接パターニングしたトレンチおよびリッジのうち少なくともいずれかのことを意味する。ここでいう凹凸パターンの高低差は、例えば、100nm以上である。 (h) In this embodiment, the base structure 10 is not subjected to either of the formation of a mask layer on the main surface 6s of the second base layer 6 and the formation of an uneven pattern on the main surface 6s. A three-dimensional growth step S200 is performed on the target. Note that the term "mask layer" used herein refers to a mask layer made of silicon oxide or the like and having a predetermined opening, which is used in, for example, the so-called ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method. Moreover, the "uneven pattern" here means at least one of a trench and a ridge that are used in the so-called pendeo epitaxy method and are directly patterned on the main surface. The height difference of the concavo-convex pattern here is, for example, 100 nm or more.

上述のような構造を有しない状態で、3次元成長工程S200および平坦化工程S300を行うことで、第2層40をスライスして形成される基板50の主面50sにおいて、転位の集中に起因した転位密度が高い領域の形成を抑制し、転位密度が低い領域を均一に形成することができる。 By performing the three-dimensional growth step S200 and the planarization step S300 without having the above-described structure, the main surface 50s of the substrate 50, which is formed by slicing the second layer 40, is free from dislocations caused by concentration of dislocations. The formation of regions with high dislocation density can be suppressed, and regions with low dislocation density can be uniformly formed.

また、上述のような構造を有しない状態で、3次元成長工程S200および平坦化工程S300を行うことで、所定の加工工程(マスク層形成工程、フォトリソグラフィ工程など)を不要とすることができ、本実施形態の工程数を削減することができる。これにより、本実施形態の歩留まりを向上しつつ、製造コストを低減することができる。 Further, by performing the three-dimensional growth step S200 and the planarization step S300 without having the above-described structure, certain processing steps (mask layer forming step, photolithography step, etc.) can be made unnecessary. , the number of steps in this embodiment can be reduced. Thereby, the manufacturing cost can be reduced while improving the yield of this embodiment.

(i)本実施形態では、上述の鏡面化した第2下地層6上に第1層30を成長させ、且つ、3次元成長工程S200において式(1)を満たすように第1成長条件を調整することで、3次元成長工程S200において、傾斜界面30iとして、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。これにより、c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることができる。具体的には、該傾斜角度を47.3°以下とすることができる。c面30cに対する{11-2m}面の傾斜角度を緩やかにすることとで、複数の頂部30tの周期を長くすることができる。具体的には、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることができる。 (i) In this embodiment, the first layer 30 is grown on the mirror-finished second base layer 6 described above, and the first growth conditions are adjusted so as to satisfy formula (1) in the three-dimensional growth step S200. By doing so, in the three-dimensional growth step S200, a {11-2m} plane where m≧3 can be generated as the inclined interface 30i. Thereby, the inclination angle of the {11-2m} plane with respect to the c-plane 30c can be made gentle. Specifically, the inclination angle can be 47.3° or less. By making the inclination angle of the {11-2m} plane gentle with respect to the c-plane 30c, the period of the plurality of top portions 30t can be lengthened. Specifically, when looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1s of the base substrate 1, the average distance L between the closest apexes can be set to exceed 100 μm.

なお、参考までに、通常、所定のエッチャントを用い窒化物半導体基板にエッチピットを生じさせると、該基板の表面に、{1-10n}面により構成されるエッチピットが形成される。これに対し、本実施形態において所定の条件で成長させた第1層30の表面では、m≧3である{11-2m}面を生じさせることができる。したがって、通常のエッチピットに比較して、本実施形態では、製法特有の傾斜界面30iが形成されると考えられる。 For reference, when etch pits are created in a nitride semiconductor substrate using a predetermined etchant, etch pits constituted by {1-10n} planes are usually formed on the surface of the substrate. On the other hand, in the present embodiment, the surface of the first layer 30 grown under predetermined conditions can produce a {11-2m} plane where m≧3. Therefore, compared to a normal etch pit, it is considered that in this embodiment, an inclined interface 30i unique to the manufacturing method is formed.

(j)本実施形態では、下地基板1の主面1sに垂直な任意の断面を見たときに、最近接頂部間平均距離Lを100μm超とすることで、転位が屈曲して伝播する距離を、少なくとも50μm超、確保することができる。これにより、第1層30のうち一対の頂部30t間の略中央の上方に、充分に転位を集めることができる。その結果、第2層40の表面における転位密度を充分に低減させることができる。 (j) In the present embodiment, when looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface 1s of the base substrate 1, by setting the average distance L between the nearest vertices to more than 100 μm, the distance over which dislocations propagate by bending can be reduced. can be ensured at least over 50 μm. Thereby, dislocations can be sufficiently collected above the approximate center between the pair of top portions 30t of the first layer 30. As a result, the dislocation density on the surface of the second layer 40 can be sufficiently reduced.

(k)3次元成長工程S200では、第1層30の表面からc面30cを消失させた後に、該表面において傾斜界面30iがc面30cよりも多く占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って第1層30の成長を継続させる。これにより、c面30cが消失した後に、傾斜界面30iが露出した位置で転位を屈曲させる時間を充分に確保することができる。ここで、c面が消失してから直ぐにc面成長をさせると、転位が充分に屈曲されずに、第2層の表面に向けて略鉛直方向に伝播してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、c面以外の傾斜界面30iが露出した位置で転位を屈曲させる時間を充分に確保することで、特に第1層30の頂部30t付近の転位を確実に屈曲させることができ、第2下地層6から第2層40の表面に向けて略鉛直方向に転位が伝播することを抑制することができる。これにより、第1層30の頂部30tの上方における転位の集中を抑制することができる。 (k) In the three-dimensional growth step S200, after the c-plane 30c disappears from the surface of the first layer 30, a predetermined thickness is maintained while maintaining a state in which the inclined interface 30i occupies more than the c-plane 30c on the surface. The growth of the first layer 30 is continued over the period of time. Thereby, after the c-plane 30c disappears, sufficient time can be secured for bending the dislocation at the position where the inclined interface 30i is exposed. Here, if the c-plane is grown immediately after the c-plane disappears, the dislocations may not be sufficiently bent and may propagate substantially vertically toward the surface of the second layer. In contrast, in this embodiment, by ensuring sufficient time for bending the dislocations at the exposed position of the inclined interface 30i other than the c-plane, the dislocations particularly near the top 30t of the first layer 30 are reliably bent. Therefore, propagation of dislocations from the second base layer 6 toward the surface of the second layer 40 in a substantially vertical direction can be suppressed. Thereby, concentration of dislocations above the top portion 30t of the first layer 30 can be suppressed.

<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other embodiments>
The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit thereof.

上述の実施形態では、基板50がGaN自立基板である場合について説明したが、基板50は、GaN自立基板に限らず、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウム(InN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN)等のIII族窒化物半導体、すなわち、AlInGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式で表されるIII族窒化物半導体からなる自立基板であってもよい。 In the above-described embodiment, the case where the substrate 50 is a GaN free-standing substrate has been described, but the substrate 50 is not limited to a GaN free-standing substrate. ), Group III nitride semiconductors such as indium gallium nitride (InGaN), aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), that is, Al x In y Ga 1-x-y N (0≦x≦1, 0≦y≦1, It may be a free-standing substrate made of a group III nitride semiconductor represented by a composition formula of 0≦x+y≦1).

上述の実施形態では、基板50がn型である場合について説明したが、基板50はp型であったり、または半絶縁性を有していたりしてもよい。例えば、基板50を用いて高電子移動度トランジスタ(HEMT)としての半導体装置を製造する場合には、基板50は、半絶縁性を有していることが好ましい。 In the above-described embodiment, the case where the substrate 50 is n-type has been described, but the substrate 50 may be p-type or semi-insulating. For example, when manufacturing a semiconductor device as a high electron mobility transistor (HEMT) using the substrate 50, the substrate 50 preferably has semi-insulating properties.

上述の実施形態では、3次元成長工程S200において、第1成長条件として主に成長温度を調整する場合について説明したが、第1成長条件が式(1)を満たせば、当該第1成長条件として、成長温度以外の成長条件を調整したり、成長温度と成長温度以外の成長条件とを組み合わせて調整したりしてもよい。 In the above embodiment, the case where the growth temperature is mainly adjusted as the first growth condition in the three-dimensional growth step S200 has been described, but if the first growth condition satisfies formula (1), the first growth condition is adjusted. , a growth condition other than the growth temperature may be adjusted, or a combination of the growth temperature and a growth condition other than the growth temperature may be adjusted.

上述の実施形態では、平坦化工程S300において、第2成長条件として主に成長温度を調整する場合について説明したが、第2成長条件が式(2)を満たせば、当該第2成長条件として、成長温度以外の成長条件を調整したり、成長温度と成長温度以外の成長条件とを組み合わせて調整したりしてもよい。 In the above-described embodiment, the case where the growth temperature is mainly adjusted as the second growth condition in the planarization step S300 has been described, but if the second growth condition satisfies formula (2), then as the second growth condition, Growth conditions other than the growth temperature may be adjusted, or the growth temperature and growth conditions other than the growth temperature may be combined and adjusted.

上述の実施形態では、傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220と同様に、上述の第1成長条件で維持する場合について説明したが、傾斜界面維持工程S240での成長条件が第1成長条件を満たせば、該傾斜界面維持工程S240での成長条件を、傾斜界面拡大工程S220での成長条件と異ならせてもよい。 In the above-described embodiment, a case has been described in which the growth conditions in the inclined interface maintenance step S240 are maintained at the above-mentioned first growth conditions similarly to the inclined interface expansion step S220. However, the growth conditions in the inclined interface maintenance step S240 satisfies the first growth condition, the growth conditions in the inclined interface maintaining step S240 may be different from the growth conditions in the inclined interface expanding step S220.

上述の実施形態では、本成長工程S340での成長条件を、c面拡大工程S320と同様に、上述の第2成長条件で維持する場合について説明したが、本成長工程S340での成長条件が第2成長条件を満たせば、該本成長工程S340での成長条件を、c面拡大工程S320での成長条件と異ならせてもよい。 In the above-described embodiment, a case has been described in which the growth conditions in the main growth step S340 are maintained at the above-mentioned second growth conditions as in the c-plane enlargement step S320, but the growth conditions in the main growth step S340 are If two growth conditions are satisfied, the growth conditions in the main growth step S340 may be different from the growth conditions in the c-plane expansion step S320.

上述の実施形態では、スライス工程S400において、ワイヤーソーを用い、本成長層44をスライスする場合について説明したが、例えば、外周刃スライサー、内周刃スライサー、放電加工機等を用いてもよい。 In the above embodiment, a case has been described in which the main growth layer 44 is sliced using a wire saw in the slicing step S400, but for example, an outer peripheral blade slicer, an inner peripheral blade slicer, an electric discharge machine, etc. may be used.

上述の実施形態では、積層構造体90のうちの本成長層44をスライスすることで、基板50を得る場合について説明したが、この場合に限られない。例えば、積層構造体90をそのまま用いて、半導体装置を作製するための半導体積層物を製造してもよい。具体的には、積層構造体90を作製したら、半導体積層物作製工程において、積層構造体90上に半導体機能層をエピタキシャル成長させ、半導体積層物を作製する。半導体積層物を作製したら、積層構造体90の裏面側を研磨し、積層構造体90のうち、第2下地層6と、第1層30と、c面拡大層42と、を除去する。これにより、上述の実施形態と同様に、本成長層44と、半導体機能層と、を有する半導体積層物が得られる。この場合によれば、基板50を得るためのスライス工程S400および研磨工程S500を省略することができる。 In the above-described embodiment, a case has been described in which the substrate 50 is obtained by slicing the main growth layer 44 of the stacked structure 90, but the present invention is not limited to this case. For example, the stacked structure 90 may be used as is to produce a semiconductor stack for producing a semiconductor device. Specifically, after the laminated structure 90 is produced, a semiconductor functional layer is epitaxially grown on the laminated structure 90 in a semiconductor laminate production process to produce a semiconductor laminate. After producing the semiconductor laminate, the back side of the laminate structure 90 is polished to remove the second base layer 6, first layer 30, and c-plane enlarged layer 42 from the laminate structure 90. As a result, a semiconductor laminate having the main growth layer 44 and a semiconductor functional layer is obtained, similar to the above-described embodiment. According to this case, the slicing step S400 and the polishing step S500 for obtaining the substrate 50 can be omitted.

以下、本発明の効果を裏付ける各種実験結果について説明する。 Below, various experimental results that support the effects of the present invention will be explained.

(1)実験1
(1-1)窒化物半導体基板の作製
以下のようにして、実施例および比較例1の窒化物半導体基板、および比較例2の積層構造体を作製した。なお、実施例については、窒化物半導体基板をスライスする前の積層構造体も作製した。また、以下において「窒化物半導体基板」を基板と略すことがある。
(1) Experiment 1
(1-1) Preparation of nitride semiconductor substrate Nitride semiconductor substrates of Examples and Comparative Example 1, and laminated structures of Comparative Example 2 were prepared as follows. In addition, regarding the example, a stacked structure before slicing the nitride semiconductor substrate was also produced. Furthermore, hereinafter, "nitride semiconductor substrate" may be abbreviated as "substrate".

[実施例の窒化物半導体基板の作製条件]
(下地基板)
材質:サファイア
直径:2インチ
厚さ:400μm
主面に対して最も近い低指数の結晶面:c面
主面に対するマスク層等の加工なし。
(第1下地層)
低温成長バッファ層:
材質:GaN
成長温度:550℃
厚さ:50nm
GaN層:
材質:アンドープ(アンインテンショナリドープ)GaN
成長温度:1,050℃
厚さ:350nm
なお、GaN層の表面を鏡面化させた。
(金属層)
材質:Ti
厚さ:20nm
(熱処理条件)
2段階の熱処理を行った。
第1熱処理:
雰囲気:Nガス80%、NHガス20%
温度:1,050℃
時間:10分
第2熱処理:
雰囲気:Hガス80%、NHガス20%
温度:1,050℃
時間:20分
(第2下地層)
材質:アンドープ(アンインテンショナリドープ)GaN
成長温度:1,050℃
厚さ:約200μm
なお、第2下地層の主面を鏡面化させた。
(第1層)
材質:GaN
成長方法:HVPE法
第1成長条件:
成長温度を980℃以上1,020℃以下とし、V/III比を2以上20以下とした。このとき、第1成長条件が式(1)を満たすように、成長温度およびV/III比のうち少なくともいずれかをそれぞれ上記範囲のなかで調整した。
第2下地層の主面から第1層の頂部までの高さ:約450μm
(第2層)
材質:GaN
成長方法:HVPE法
成長温度:1,050℃
V/III比:2
なお、上記第2成長条件は、式(2)を満たす。
第1層の頂部から第2層の表面までの厚さ:約800μm
(剥離条件)
第2層成長温度からの降温時に自然剥離。
(スライスおよび研磨条件)
スライス位置:第2層の本成長層
スライス時カーフロス:200μm
両面研磨
窒化物半導体基板の最終厚さ:400μm
[Production conditions of nitride semiconductor substrate of Example]
(base board)
Material: Sapphire Diameter: 2 inches Thickness: 400μm
Low-index crystal plane closest to the main surface: c-plane No processing such as a mask layer on the main surface.
(First base layer)
Low temperature growth buffer layer:
Material: GaN
Growth temperature: 550℃
Thickness: 50nm
GaN layer:
Material: Undoped (unintentionally doped) GaN
Growth temperature: 1,050℃
Thickness: 350nm
Note that the surface of the GaN layer was mirror-finished.
(metal layer)
Material: Ti
Thickness: 20nm
(Heat treatment conditions)
A two-step heat treatment was performed.
First heat treatment:
Atmosphere: 80% N2 gas, 20% NH3 gas
Temperature: 1,050℃
Time: 10 minutes Second heat treatment:
Atmosphere: H2 gas 80%, NH3 gas 20%
Temperature: 1,050℃
Time: 20 minutes (second base layer)
Material: Undoped (unintentionally doped) GaN
Growth temperature: 1,050℃
Thickness: approx. 200μm
Note that the main surface of the second base layer was mirror-finished.
(1st layer)
Material: GaN
Growth method: HVPE method First growth conditions:
The growth temperature was set to 980° C. or more and 1,020° C. or less, and the V/III ratio was set to 2 or more and 20 or less. At this time, at least one of the growth temperature and the V/III ratio was adjusted within the above ranges so that the first growth conditions satisfied formula (1).
Height from the main surface of the second base layer to the top of the first layer: approximately 450 μm
(Second layer)
Material: GaN
Growth method: HVPE method Growth temperature: 1,050°C
V/III ratio: 2
Note that the second growth condition satisfies formula (2).
Thickness from the top of the first layer to the surface of the second layer: approximately 800 μm
(Peeling conditions)
Natural peeling occurs when the temperature drops from the second layer growth temperature.
(slicing and polishing conditions)
Slice position: 2nd layer main growth layer Kerf loss during slicing: 200 μm
Double-sided polishing Final thickness of nitride semiconductor substrate: 400μm

なお、実施例において同様の条件で複数の窒化物半導体基板を作製した。 In addition, in the example, a plurality of nitride semiconductor substrates were manufactured under the same conditions.

[比較例1の窒化物半導体基板の作製条件]
比較例1では、従来のVAS法と同様の条件で基板を作製した。
(下地基板)
実施例と同じ。
(第1結晶層、金属層、および熱処理条件)
実施例の第1下地層、金属層、および熱処理条件と同じ。
(第2結晶層)
厚さを600μmとした点以外の条件は、実施例の第2下地層と同じ。
(第1層および第2層)
なし。
(剥離条件)
第2結晶層成長温度からの降温時に自然剥離。
(スライスおよび研磨条件)
スライス位置を第2結晶層とした点以外の条件は、実施例と同じ。
[Production conditions of nitride semiconductor substrate of Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, a substrate was produced under the same conditions as the conventional VAS method.
(base board)
Same as the example.
(First crystal layer, metal layer, and heat treatment conditions)
Same as the first base layer, metal layer, and heat treatment conditions of Example.
(Second crystal layer)
The conditions were the same as for the second base layer of the example except that the thickness was 600 μm.
(1st layer and 2nd layer)
none.
(Peeling conditions)
Natural peeling occurs when the temperature drops from the second crystal layer growth temperature.
(slicing and polishing conditions)
The conditions were the same as in the example except that the slice position was the second crystal layer.

[比較例2の窒化物半導体基板の作製条件]
(下地基板)
実施例と同じ。
(第1結晶層、金属層、および熱処理条件)
実施例の第1下地層、金属層、および熱処理条件と同じ。
(第2結晶層)
厚さを1700μmとした点以外の条件は、実施例の第2下地層と同じ。
(第1層および第2層)
なし。
[Production conditions of nitride semiconductor substrate of Comparative Example 2]
(base board)
Same as the example.
(First crystal layer, metal layer, and heat treatment conditions)
Same as the first base layer, metal layer, and heat treatment conditions of Example.
(Second crystal layer)
The conditions were the same as for the second base layer of the example except that the thickness was 1700 μm.
(1st layer and 2nd layer)
none.

(1-2)評価
(蛍光顕微鏡による観察)
蛍光顕微鏡を用い、実施例において、窒化物半導体基板をスライスする前の積層構造体の断面を観察した。
(1-2) Evaluation (observation using a fluorescence microscope)
In Examples, the cross section of the stacked structure before slicing the nitride semiconductor substrate was observed using a fluorescence microscope.

(多光子励起顕微鏡による観察)
多光子励起顕微鏡を用い、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれの主面を観察した。このとき、視野250μmごとに主面全体に亘って暗点密度を測定することで、転位密度を測定した。なお、これらの基板における暗点の全てが転位であることは、厚さ方向に焦点をずらして測定することにより確認している。また、このとき、視野250μmでの全測定領域数に対する、転位密度が1×10cm-2未満である領域(低転位密度領域)の数の割合を求めた。
(Observation using multiphoton excitation microscope)
The main surfaces of each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1 were observed using a multiphoton excitation microscope. At this time, the dislocation density was measured by measuring the dark spot density over the entire main surface every 250 μm of visual field. It was confirmed that all of the dark spots in these substrates were dislocations by measuring with the focus shifted in the thickness direction. Further, at this time, the ratio of the number of regions having a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 (low dislocation density regions) to the total number of measurement regions in a field of view of 250 μm was determined.

(X線ロッキングカーブ測定)
実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、以下の2種類のX線ロッキングカーブ測定を行った。
(X-ray rocking curve measurement)
The following two types of X-ray rocking curve measurements were performed on each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1.

X線ロッキングカーブ測定には、スペクトリス社製「X’Pert-PRO MRD」を用い、入射側のモノクロメータとしては、同社製「ハイブリッドモノクロメータ」を用いた。ハイブリッドモノクロメータは、X線光源側から順に、X線ミラーと、Ge(220)面の2結晶と、を有する。当該測定では、まず、X線光源から放射されるX線を、X線ミラーにより平行光とする。これにより、使用されるX線のフォトン数(すなわちX線強度)を増加させることができる。次に、X線ミラーからの平行光を、Ge(220)面の2結晶により、CuのKα1の単色光とする。次に、Ge(220)面の2結晶からの単色光を、スリットを介して所定の幅に狭め、基板に入射させる。なお、当該ハイブリッドモノクロメータを用いたときの分解能は、約24arcsecである。 For X-ray rocking curve measurement, "X'Pert-PRO MRD" manufactured by Spectris was used, and as a monochromator on the incident side, a "Hybrid Monochromator" manufactured by the same company was used. The hybrid monochromator includes, in order from the X-ray light source side, an X-ray mirror and two Ge (220)-plane crystals. In this measurement, first, X-rays emitted from an X-ray light source are made into parallel light by an X-ray mirror. Thereby, the number of photons of the X-rays used (ie, the X-ray intensity) can be increased. Next, the parallel light from the X-ray mirror is converted into monochromatic light of Kα1 of Cu by two crystals of Ge (220) plane. Next, the monochromatic light from the two crystals on the Ge (220) plane is narrowed to a predetermined width through a slit and made incident on the substrate. Note that the resolution when using the hybrid monochromator is approximately 24 arcsec.

なお、当該測定において基板に入射されるX線は、ω方向に沿った断面では基板側に向かう平行光とされるが、ω方向に直交する方向(基板の回転軸方向)に沿った断面では平行光になっていない。このため、X線がスリットから基板に到達するまでの間において、X線のω方向の幅はほぼ一定であるが、X線のω方向に直交する方向の幅は広がる。したがって、X線ロッキングカーブ測定において、所定の結晶面で回折されるX線の半値幅は、入射側のスリットのうち、X線が平行光となったω方向の幅に依存するものとなる。 Note that the X-rays incident on the substrate in this measurement are considered to be parallel light heading toward the substrate side in the cross section along the ω direction, but in the cross section along the direction perpendicular to the ω direction (direction of the rotation axis of the substrate). The light is not parallel. Therefore, until the X-ray reaches the substrate from the slit, the width of the X-ray in the ω direction is approximately constant, but the width of the X-ray in the direction orthogonal to the ω direction increases. Therefore, in X-ray rocking curve measurement, the half-width of X-rays diffracted by a predetermined crystal plane depends on the width of the slit on the incident side in the ω direction where the X-rays become parallel light.

(X線ロッキングカーブ測定1)
入射側スリットのω方向の幅を0.1mmとし、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれの、(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行った。このとき、それぞれの基板の主面内で中心を通りm軸方向およびa軸方向のそれぞれに沿った直線上の、5mm間隔で設定した複数の測定点において、該測定を行った。測定の結果、主面へ入射したX線と主面とがなすピーク角度ωを求めた。その後、ピーク角度ωを、直線上の位置に対してプロットし、ピーク角度ωを位置の1次関数で近似した。当該1次関数の傾きの逆数により、c面の曲率半径を求めた。
(X-ray rocking curve measurement 1)
The width of the incident side slit in the ω direction was set to 0.1 mm, and the X-ray rocking curves of the (0002) plane of each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1 were measured. At this time, the measurements were performed at a plurality of measurement points set at 5 mm intervals on a straight line passing through the center of each substrate and along each of the m-axis direction and the a-axis direction. As a result of the measurement, the peak angle ω between the X-rays incident on the main surface and the main surface was determined. Thereafter, the peak angle ω was plotted against the position on the straight line, and the peak angle ω was approximated by a linear function of the position. The radius of curvature of the c-plane was determined by the reciprocal of the slope of the linear function.

また、各測定点において、入射側スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMbを求めた。 Further, at each measurement point, the half width FWHMb of the (0002) plane diffraction was determined when the width of the incident side slit in the ω direction was 0.1 mm.

(X線ロッキングカーブ測定2)
入射側スリットのω方向の幅を1mmとし、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、X線ロッキングカーブ測定を行った。なお、該測定は、それぞれの基板における主面の中心で行った。測定の結果、入射側スリットのω方向の幅を1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMaを求めた。さらに、それぞれの基板における主面の中心において、FWHMaに対するFWHMa-FWHMbの割合を求めた。
(X-ray rocking curve measurement 2)
The width of the incident side slit in the ω direction was set to 1 mm, and X-ray rocking curve measurements were performed on each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1. Note that the measurement was performed at the center of the main surface of each substrate. As a result of the measurement, the half width FWHMa of the (0002) plane diffraction was determined when the width of the incident side slit in the ω direction was 1 mm. Furthermore, the ratio of FWHMa-FWHMb to FWHMa was determined at the center of the main surface of each substrate.

なお、X線ロッキングカーブ測定1および2において、それぞれの基板の主面に対して(0002)面のブラッグ角17.28°でX線が入射した場合、スリットのω方向の幅が0.1mmのとき、X線のフットプリントは約0.337mmとなり、スリットのω方向の幅が1mmのとき、X線のフットプリントは約3.37mmとなる。 In addition, in X-ray rocking curve measurements 1 and 2, when X-rays are incident on the main surface of each substrate at a Bragg angle of 17.28° of the (0002) plane, the width of the slit in the ω direction is 0.1 mm. In this case, the X-ray footprint is approximately 0.337 mm, and when the width of the slit in the ω direction is 1 mm, the X-ray footprint is approximately 3.37 mm.

(1-3)結果
結果を表1に示す。
(1-3) Results The results are shown in Table 1.

Figure 2023157999000002
Figure 2023157999000002

(実施例と比較例2との比較)
まず、実施例と比較例2とを比較する。
(Comparison between Example and Comparative Example 2)
First, Example and Comparative Example 2 will be compared.

比較例2では、結晶層成長後に室温まで降温させた状態を確認したところ、第2結晶層が微細に割れていた。また、第2結晶層の割れた断面から、結晶が異常成長していた。このことから、第2結晶層の成長中に、第2結晶層が割れていたものと考えられる。比較例2では、充分な厚さおよび直径を有する第2結晶層を得ることが出来なかったため、窒化物半導体基板の作製を行わなかった。 In Comparative Example 2, when the temperature was lowered to room temperature after crystal layer growth, the second crystal layer was found to be finely cracked. Further, crystals were abnormally growing from the broken cross section of the second crystal layer. From this, it is considered that the second crystal layer was cracked during the growth of the second crystal layer. In Comparative Example 2, a nitride semiconductor substrate was not manufactured because it was not possible to obtain a second crystal layer having sufficient thickness and diameter.

これに対し、実施例では、第2層の成長が終了した後に室温まで降温させたところ、金属窒化層と第2下地層との間を境に、積層構造体が下地基板から剥離していた。剥離後の積層構造体には、割れ(クラック)が見られなかった。 On the other hand, in the example, when the temperature was lowered to room temperature after the growth of the second layer was completed, the laminated structure was separated from the base substrate at the boundary between the metal nitride layer and the second base layer. . No cracks were observed in the laminated structure after peeling.

(実施例と比較例1との比較)
表1、図13~図16を用い、実施例と比較例1とを比較する。図13は、実施例の積層構造体の断面を蛍光顕微鏡により観察した観察像を示す図である。図14は、多光子励起顕微鏡を用い、実施例の窒化物半導体基板の主面を観察した図である。図15(a)は、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、m軸方向に沿って(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った結果を示す図であり、(b)は、実施例および比較例1の窒化物半導体基板のそれぞれについて、a軸方向に沿って(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った結果を示す図である。なお、図15(a)および(b)において、黒円印が実施例であり、白抜き円印が比較例1である。図16(a)は、実施例の窒化物半導体基板について、スリットを異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの、規格化したX線回折パターンを示す図であり、(b)は、比較例1の窒化物半導体基板について、実施例と同じ測定を行ったときの、規格化したX線回折パターンを示す図である。なお、図16(a)および(b)は、m軸に沿った方向の測定結果を示している。また、同図において、「Line width」は上述のX線のフットプリントを意味している。
(Comparison between Example and Comparative Example 1)
Example and Comparative Example 1 will be compared using Table 1 and FIGS. 13 to 16. FIG. 13 is a diagram showing an observed image of a cross section of the laminated structure of the example observed with a fluorescence microscope. FIG. 14 is a view of the main surface of the nitride semiconductor substrate of the example observed using a multiphoton excitation microscope. FIG. 15(a) is a diagram showing the results of X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction along the m-axis direction for each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1. b) is a diagram showing the results of X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction along the a-axis direction for each of the nitride semiconductor substrates of Example and Comparative Example 1. In addition, in FIGS. 15(a) and 15(b), the black circles indicate Examples, and the open circles indicate Comparative Example 1. FIG. 16(a) is a diagram showing normalized X-ray diffraction patterns when X-ray rocking curve measurements were performed using different slits for the nitride semiconductor substrate of the example, and FIG. FIG. 3 is a diagram showing a normalized X-ray diffraction pattern when the same measurement as in Example was performed on a nitride semiconductor substrate of Comparative Example 1. Note that FIGS. 16(a) and 16(b) show the measurement results in the direction along the m-axis. Furthermore, in the figure, "Line width" means the footprint of the above-mentioned X-rays.

図13に示すように、実施例の積層構造体では、第1層は、成長過程での成長面の違い(すなわち、酸素濃度の違い)に基づいて、c面を成長面として成長した第1c面成長領域と、傾斜界面を成長面として成長した傾斜界面成長領域と、を有していた。第1c面成長領域は、複数の凹部および複数の凸部を有していた。第1c面成長領域のうち一対の傾斜部のなす角度の平均値は、およそ45.1°だった。また、最近接頂部間平均距離は、およそ109μmであった。また、傾斜界面成長領域は、下地基板の主面に沿って連続して形成されていた。 As shown in FIG. 13, in the laminated structure of the example, the first layer is a first layer grown with the c-plane as the growth plane based on the difference in the growth plane (that is, the difference in oxygen concentration) during the growth process. It had a planar growth region and an inclined interface growth region grown using an inclined interface as a growth surface. The first c-plane growth region had a plurality of concave portions and a plurality of convex portions. The average value of the angle between the pair of inclined parts in the first c-plane growth region was approximately 45.1°. Further, the average distance between the closest apexes was approximately 109 μm. Further, the inclined interface growth region was continuously formed along the main surface of the base substrate.

表1に示すように、実施例の基板では、主面における平均転位密度が、比較例1の基板に比べて、大幅に低減され、5.5×10cm-2未満であった。 As shown in Table 1, the average dislocation density on the main surface of the substrate of Example was significantly reduced compared to the substrate of Comparative Example 1, and was less than 5.5×10 5 cm −2 .

また、実施例の基板では、転位密度が3×10cm-2を超える領域が存在しなかった。なお、転位密度が最も高い領域であっても、当該転位密度は、1.6×10cm-2未満であった。また、実施例の基板では、転位密度が1×10cm-2未満である領域(低転位密度領域)が主面50sの90%以上存在していた。当該低転位密度領域における転位密度は、1.3×10~7.6×10cm-2だった。 Further, in the substrate of Example, there was no region where the dislocation density exceeded 3×10 6 cm −2 . Note that even in the region with the highest dislocation density, the dislocation density was less than 1.6×10 6 cm −2 . Further, in the substrate of the example, regions in which the dislocation density was less than 1×10 6 cm −2 (low dislocation density regions) existed in 90% or more of the main surface 50s. The dislocation density in the low dislocation density region was 1.3×10 5 to 7.6×10 5 cm −2 .

また、図14において四角枠で示したように、実施例の基板の主面は、少なくとも50μm角の無転位領域を含んでいた。また、実施例の基板の主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上の密度で有していた。 Further, as shown by the square frame in FIG. 14, the main surface of the substrate of the example included a dislocation-free region of at least 50 μm square. Further, the main surface of the substrate of the example had non-overlapping dislocation-free regions of 50 μm square at a density of 100 pieces/cm 2 or more.

また、表1、図15(a)および(b)に示すように、実施例の基板では、c面の曲率半径が、比較例1の基板に比べて大きくなり、19m以上であった。 Further, as shown in Table 1 and FIGS. 15(a) and (b), in the substrate of the example, the radius of curvature of the c-plane was larger than that of the substrate of comparative example 1, and was 19 m or more.

なお、実施例の基板では、c面の曲率半径を求めるため、c面のX線ロッキングカーブ測定においてピーク角度ωを位置の1次関数で近似したときの、1次関数に対する誤差が小さかった。具体的には、上述のように近似した1次関数に対する、測定されたピーク角度ωの誤差は、0.01°以下であった。 In addition, in the substrate of the example, when the peak angle ω was approximated by a linear function of the position in the X-ray rocking curve measurement of the c-plane in order to obtain the radius of curvature of the c-plane, the error with respect to the linear function was small. Specifically, the error of the measured peak angle ω with respect to the linear function approximated as described above was 0.01° or less.

また、表1、図15(a)および(b)に示すように、実施例の基板では、全測定点(すなわち100%)において、スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの(0002)面回折の半値幅FWHMbは、50arcsec以下であった。 In addition, as shown in Table 1 and FIGS. 15(a) and (b), in the substrate of the example, when the width of the slit in the ω direction was 0.1 mm at all measurement points (i.e., 100%), ( 0002) The half width FWHMb of surface diffraction was 50 arcsec or less.

図16(b)に示すように、比較例1の基板では、スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときには、X線の回折スペクトルが狭かったが、スリットのω方向の幅を1mmとしたときには、X線の回折スペクトルが広がっていた。 As shown in FIG. 16(b), in the substrate of Comparative Example 1, when the width of the slit in the ω direction was set to 0.1 mm, the X-ray diffraction spectrum was narrow, but when the width of the slit in the ω direction was set to 1 mm, When this happened, the X-ray diffraction spectrum was broadened.

このため、表1に示すように、比較例1の基板では、FWHMa-FWHMbは、FWHMaの50%以上であった。 Therefore, as shown in Table 1, in the substrate of Comparative Example 1, FWHMa-FWHMb was 50% or more of FWHMa.

これに対し、図16(a)に示すように、実施例の基板では、スリットのω方向の幅を0.1mmから1mmに広げた場合であっても、X線の回折スペクトルは若干広がるものの、その広がりは小さかった。 On the other hand, as shown in FIG. 16(a), in the substrate of the example, even when the width of the slit in the ω direction was increased from 0.1 mm to 1 mm, the X-ray diffraction spectrum was slightly broadened. , its spread was small.

これにより、表1に示すように、実施例の基板では、FWHMa-FWHMbは、FWHMaの0%以上30%以下であった。 As a result, as shown in Table 1, in the substrate of the example, FWHMa-FWHMb was 0% or more and 30% or less of FWHMa.

(まとめ)
以上の実施例によれば、下地構造体上に第1層を3次元成長させたことで、第1層による応力相殺効果を得ることができた。第1層による応力相殺効果を得ることで、第2下地層中に引張応力が蓄積した状態で第2層を厚く成長させたとしても、第2層にクラック等が発生することを抑制することができたことを確認した。
(summary)
According to the above examples, by growing the first layer three-dimensionally on the underlying structure, it was possible to obtain the stress offsetting effect of the first layer. By obtaining the stress offsetting effect of the first layer, even if the second layer is grown thickly in a state where tensile stress is accumulated in the second base layer, generation of cracks etc. in the second layer can be suppressed. I confirmed that it was done.

また、実施例によれば、3次元成長工程において、式(1)を満たすように第1成長条件を調整した。これにより、第1層の成長過程で、c面を確実に消失させることができた。c面を確実に消失させたことで、第1層における傾斜界面が露出した位置で、転位を確実に屈曲させることができた。その結果、窒化物半導体基板の主面における転位密度を効率よく低減することができたことを確認した。 Further, according to the example, in the three-dimensional growth process, the first growth conditions were adjusted so as to satisfy equation (1). This made it possible to reliably eliminate the c-plane during the growth process of the first layer. By reliably eliminating the c-plane, it was possible to reliably bend dislocations at positions where the inclined interface in the first layer was exposed. As a result, it was confirmed that the dislocation density on the main surface of the nitride semiconductor substrate could be efficiently reduced.

また、実施例によれば、第2下地層形成工程において、第2下地層の主面を鏡面化させたことで、第1層の成長形態を、第2下地層の成長初期に生じた島状結晶の成長形態から変化させ、3次元成長工程において3次元成長する第1層の最近接頂部間距離を長くすることができた。これにより、基板の主面の一部に、高転位密度領域が形成されることを抑制し、基板の主面全体に亘って、転位密度を低くすることができたことを確認した。 Further, according to the example, in the second base layer forming step, by mirror-finishing the main surface of the second base layer, the growth form of the first layer is changed to an island formed at the initial stage of growth of the second base layer. By changing the growth form of crystals, it was possible to increase the distance between the closest apexes of the first layer that grows three-dimensionally in the three-dimensional growth process. It was confirmed that this suppressed the formation of a high dislocation density region on a part of the main surface of the substrate and made it possible to lower the dislocation density over the entire main surface of the substrate.

また、実施例によれば、上述の鏡面化した第2下地層上に第1層を成長させ、かつ、式(1)を満たすように第1成長条件を調整したことで、最近接頂部間平均距離を100μm超とすることができた。これにより、基板の主面における転位密度を充分に低減させることができたことを確認した。また、最近接頂部間平均距離を100μm超とすることで、少なくとも50μm角の無転位領域を形成することができたことを確認した。 Further, according to the example, by growing the first layer on the mirror-finished second underlayer described above and adjusting the first growth conditions so as to satisfy formula (1), it is possible to It was possible to make the average distance more than 100 μm. It was thus confirmed that the dislocation density on the main surface of the substrate could be sufficiently reduced. Furthermore, it was confirmed that by setting the average distance between the closest apexes to more than 100 μm, it was possible to form a dislocation-free region of at least 50 μm square.

また、実施例によれば、上述した第1層による応力相殺効果を得たことで、実施例の基板のc面の曲率半径を、従来のVAS法に相当する比較例1の基板のc面の曲率半径よりも大きくすることができたことを確認した。 Further, according to the example, by obtaining the stress canceling effect by the first layer described above, the radius of curvature of the c-plane of the substrate of the example was changed to the c-plane of the substrate of comparative example 1, which corresponds to the conventional VAS method. It was confirmed that the radius of curvature could be made larger than the radius of curvature of

また、実施例によれば、上述のように、基板の主面の広い範囲に亘って、転位が少なく、該基板における結晶のモザイシティが低かった。これにより、実施例の基板では、主面の広い範囲に亘って、FWHMbが50arcsec以下となることを確認した。 Further, according to the example, as described above, there were few dislocations over a wide range of the main surface of the substrate, and the mosaicity of the crystal in the substrate was low. As a result, it was confirmed that in the substrate of the example, the FWHMb was 50 arcsec or less over a wide range of the main surface.

また、実施例によれば、上述のように、結晶のモザイシティが低く、且つ、基板のc面の曲率半径が大きかった。これらにより、実施例では、入射側のスリットの幅を異ならせてX線ロッキングカーブ測定を行ったときの、半値幅の差FWHMa-FWHMbが、FWHMaの30%以下となることを確認した。 Further, according to the example, as described above, the mosaicity of the crystal was low and the radius of curvature of the c-plane of the substrate was large. Based on these results, in the example, it was confirmed that the difference in half-width, FWHMa-FWHMb, was 30% or less of FWHMa when X-ray rocking curve measurements were performed with different widths of the slits on the entrance side.

<本発明の好ましい態様>
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiments of the present invention>
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally described.

(付記1)
下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上にIII族窒化物半導体からなる第1下地層を形成する工程と、
前記第1下地層上に金属層を形成する工程と、
熱処理を行い、前記第1下地層中にボイドを形成する工程と、
III族窒化物半導体の単結晶からなり、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する第2下地層を、前記第1下地層の上方にエピタキシャル成長させ、該第2下地層の前記主面を鏡面化させる工程と、
(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記第2下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記第2下地層の上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、前記(0001)面を前記頂面から消失させ、表面が前記傾斜界面のみで構成される第1層を成長させる3次元成長工程と、
前記第1層上にIII族窒化物半導体の単結晶をエピタキシャル成長させ、前記傾斜界面を消失させ、鏡面化された表面を有する第2層を成長させる平坦化工程と、
を有する
窒化物半導体基板の製造方法。
(Additional note 1)
a step of preparing a base substrate;
forming a first base layer made of a group III nitride semiconductor on the base substrate;
forming a metal layer on the first base layer;
performing heat treatment to form voids in the first underlayer;
A second base layer made of a single crystal of a Group III nitride semiconductor and having a main surface whose nearest low-index crystal plane is the (0001) plane is epitaxially grown above the first base layer, a step of mirror-finishing the main surface of the stratum;
A single crystal of a group III nitride semiconductor having a top surface with an exposed (0001) plane is epitaxially grown directly on the main surface of the second underlayer, and is composed of an inclined interface other than the (0001) plane. A plurality of recesses are formed on the top surface, and the inclined interface is gradually enlarged as it goes above the second underlayer, so that the (0001) plane disappears from the top surface, so that the surface is only the inclined interface. a three-dimensional growth process of growing a first layer consisting of;
A planarization step of epitaxially growing a group III nitride semiconductor single crystal on the first layer, eliminating the inclined interface, and growing a second layer having a mirrored surface;
A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate having the following.

(付記2)
前記3次元成長工程では、
前記単結晶の前記頂面に前記複数の凹部を生じさせ、前記(0001)面を消失させることで、前記第1層の表面に、複数の谷部および複数の頂部を形成し、
前記主面に垂直な任意の断面を見たときの、前記複数の谷部のうちの1つを挟んで前記複数の頂部のうちで最も接近する一対の頂部同士が前記主面に沿った方向に離間した平均距離を、100μm超とする
付記1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Additional note 2)
In the three-dimensional growth step,
forming a plurality of valleys and a plurality of peaks on the surface of the first layer by creating the plurality of recesses in the top surface of the single crystal and eliminating the (0001) plane;
When looking at an arbitrary cross section perpendicular to the main surface, a pair of peaks that are closest to each other among the plurality of peaks across one of the plurality of valleys are in a direction along the main surface. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to Supplementary Note 1, wherein the average distance between the substrates is more than 100 μm.

(付記3)
前記3次元成長工程では、
最も接近する前記一対の頂部同士の前記平均距離を、800μm未満とする
付記2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Additional note 3)
In the three-dimensional growth step,
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to Supplementary Note 2, wherein the average distance between the pair of tops that are closest to each other is less than 800 μm.

(付記4)
前記3次元成長工程では、
前記(0001)面を前記表面から消失させた後に、前記表面において前記傾斜界面が前記(0001)面よりも多く占める状態を維持しつつ、所定の厚さに亘って前記第1層の成長を継続させる
付記1~3のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Additional note 4)
In the three-dimensional growth step,
After the (0001) plane disappears from the surface, the first layer is grown to a predetermined thickness while maintaining a state where the inclined interface occupies more than the (0001) plane on the surface. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, which is continued.

(付記5)
前記平坦化工程の後に、前記第2層から少なくとも1つの窒化物半導体基板をスライスする工程を有し、
前記窒化物半導体基板をスライスする工程では、
前記窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径を、前記第2下地層を前記第2層と同じ厚さで成長させ、前記3次元成長工程および前記平坦化工程を行わずに前記第2下地層をスライスした場合の窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径よりも大きくする
付記1~4のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 5)
After the planarization step, slicing at least one nitride semiconductor substrate from the second layer,
In the step of slicing the nitride semiconductor substrate,
The radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate is determined by growing the second base layer to the same thickness as the second layer and not performing the three-dimensional growth step and the planarization step. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 1 to 4, wherein the radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate is larger than the radius of curvature of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate when two underlying layers are sliced.

(付記6)
前記窒化物半導体基板の前記(0001)面の曲率半径を、10m以上とする
付記5に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 6)
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to appendix 5, wherein the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate has a radius of curvature of 10 m or more.

(付記7)
前記平坦化工程の後に、前記第2下地層、前記第1層および前記第2層を有する積層構造体を、前記下地基板から剥離させる剥離工程をさらに有する
付記1~6のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 7)
According to any one of Supplementary Notes 1 to 6, further comprising a peeling step of peeling off the laminated structure having the second base layer, the first layer, and the second layer from the base substrate after the planarization step. The method for manufacturing the nitride semiconductor substrate described above.

(付記8)
前記3次元成長工程では、
前記傾斜界面として、m≧3である{11-2m}面を生じさせる
付記1~7のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 8)
In the three-dimensional growth step,
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Supplementary Notes 1 to 7, wherein the inclined interface is a {11-2m} plane where m≧3.

(付記9)
前記3次元成長工程では、式(1)を満たす第1成長条件下で、前記第1層を成長させ、
前記平坦化工程では、式(2)を満たす第2成長条件下で、前記第2層を成長させる
付記1~8のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
c1>G/cosα ・・・(1)
c2<G/cosα ・・・(2)
(ただし、前記第1層のうちの前記(0001)面の成長レートをGc1とし、前記第2層のうちの前記(0001)面の成長レートをGc2とし、前記第1層および前記第2層のそれぞれのうち前記(0001)面に対して最も傾斜した前記傾斜界面の成長レートをGとし、前記第1層および前記第2層のそれぞれにおいて前記(0001)面に対して最も傾斜した前記傾斜界面と前記(0001)面とのなす角度をαとする。)
(Appendix 9)
In the three-dimensional growth step, the first layer is grown under a first growth condition that satisfies formula (1),
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 1 to 8, wherein in the planarization step, the second layer is grown under a second growth condition that satisfies formula (2).
G c1 >G i /cosα...(1)
G c2 <G i /cosα...(2)
(However, the growth rate of the (0001) plane of the first layer is G c1 , the growth rate of the (0001) plane of the second layer is G c2 , and the growth rate of the (0001) plane of the first layer and the Let G i be the growth rate of the inclined interface that is most inclined with respect to the (0001) plane in each of the two layers, and The angle between the inclined interface and the (0001) plane is α.)

(付記10)
前記第2下地層を形成する工程から前記平坦化工程までを同一の気相成長装置内で連続的に行う
付記1~9のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(Appendix 10)
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Supplementary Notes 1 to 9, wherein the steps from forming the second base layer to the planarizing step are performed continuously in the same vapor phase growth apparatus.

(付記11)
付記1~10のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第2層をスライスすることにより得られる
窒化物半導体基板。
(Appendix 11)
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of Supplementary Notes 1 to 10, a nitride semiconductor substrate obtained by slicing the second layer.

(付記12)
2インチ以上の直径を有し、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
Ge(220)面の2結晶モノクロメータおよびスリットを介して前記主面に対してCuのKα1のX線を照射し、(0002)面回折のX線ロッキングカーブ測定を行った場合に、前記スリットのω方向の幅を1mmとしたときの前記(0002)面回折の半値幅FWHMaから、前記スリットのω方向の幅を0.1mmとしたときの前記(0002)面回折の半値幅FWHMbを引いた差FWHMa-FWHMbは、FWHMaの30%以下である
窒化物半導体基板。
(Appendix 12)
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more and having a main surface whose nearest low-index crystal plane is a (0001) plane,
When X-rays of Kα1 of Cu are irradiated to the main surface through a Ge (220)-plane two-crystal monochromator and a slit, and an X-ray rocking curve measurement of (0002) plane diffraction is performed, the slit Subtract the half width FWHMb of the (0002) plane diffraction when the width in the ω direction of the slit is 0.1 mm from the half width FWHMa of the (0002) plane diffraction when the width in the ω direction of the slit is 0.1 mm. The difference FWHMa-FWHMb is 30% or less of FWHMa in the nitride semiconductor substrate.

(付記13)
多光子励起顕微鏡により視野250μm角で前記主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、前記転位密度が3×10cm-2を超える領域が前記主面に存在せず、前記転位密度が1×10cm-2未満である領域が前記主面の80%以上存在する
付記12に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 13)
When the main surface is observed with a multiphoton excitation microscope with a field of view of 250 μm square and the dislocation density is determined from the dark spot density, there is no region on the main surface where the dislocation density exceeds 3 × 10 6 cm -2 . , the nitride semiconductor substrate according to appendix 12, wherein the region in which the dislocation density is less than 1×10 6 cm −2 is present in 80% or more of the main surface.

(付記14)
2インチ以上の直径を有する窒化物半導体基板であって、
多光子励起顕微鏡により視野250μm角で前記窒化物半導体基板の主面を観察して暗点密度から転位密度を求めたときに、前記転位密度が3×10cm-2を超える領域が前記主面に存在せず、前記転位密度が1×10cm-2未満である領域が前記主面の80%以上存在する
窒化物半導体基板。
(Appendix 14)
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more,
When the main surface of the nitride semiconductor substrate is observed with a field of view of 250 μm square using a multiphoton excitation microscope and the dislocation density is determined from the dark spot density, the region where the dislocation density exceeds 3×10 6 cm −2 is the main surface of the nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor substrate in which a region having a dislocation density of less than 1×10 6 cm −2 is present in 80% or more of the main surface.

(付記15)
前記主面は、少なくとも50μm角の無転位領域を含んでいる
付記12~14のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 15)
15. The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 14, wherein the main surface includes a dislocation-free region of at least 50 μm square.

(付記16)
前記主面内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、前記主面へ入射したX線と前記主面とがなすピーク角度ωを、前記直線上の位置に対してプロットし、前記ピーク角度ωを前記位置の1次関数で近似したときに、
前記1次関数の傾きの逆数により求められる前記(0001)面の曲率半径は、10m以上であり、
前記1次関数に対する、測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.05°以下である
付記12~15のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
(Appendix 16)
The X-ray rocking curve of the (0002) plane is measured at each position on a straight line passing through the center within the principal plane, and the peak angle ω between the X-ray incident on the principal plane and the principal plane is calculated on the straight line. When the peak angle ω is approximated by a linear function of the position,
The radius of curvature of the (0001) plane determined by the reciprocal of the slope of the linear function is 10 m or more,
The nitride semiconductor substrate according to any one of appendices 12 to 15, wherein an error of the measured peak angle ω with respect to the linear function is 0.05° or less.

(付記17)
最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
前記主面内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、前記主面へ入射したX線と前記主面とがなすピーク角度ωを、前記直線上の位置に対してプロットし、前記ピーク角度ωを前記位置の1次関数で近似したときに、
前記1次関数の傾きの逆数により求められる前記(0001)面の曲率半径は、10m以上であり、
前記1次関数に対する、測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.05°以下である
窒化物半導体基板。
(Appendix 17)
A nitride semiconductor substrate having a main surface whose nearest low-index crystal plane is a (0001) plane,
The X-ray rocking curve of the (0002) plane is measured at each position on a straight line passing through the center within the principal plane, and the peak angle ω between the X-ray incident on the principal plane and the principal plane is calculated on the straight line. When the peak angle ω is approximated by a linear function of the position,
The radius of curvature of the (0001) plane determined by the reciprocal of the slope of the linear function is 10 m or more,
A nitride semiconductor substrate in which an error of the measured peak angle ω with respect to the linear function is 0.05° or less.

(付記18)
III族窒化物半導体の単結晶からなり、鏡面化された主面を有し、前記主面に対して最も近い低指数の結晶面が(0001)面である下地層と、
前記(0001)面が露出した頂面を有するIII族窒化物半導体の単結晶を前記下地層の前記主面上に直接的にエピタキシャル成長させ、前記(0001)面以外の傾斜界面で構成される複数の凹部を前記頂面に生じさせ、前記下地層の上方に行くにしたがって該傾斜界面を徐々に拡大させ、(0001)面を前記頂面から消失させることにより形成され、表面が前記傾斜界面のみで構成される第1層と、
前記第1層上にIII族窒化物半導体の単結晶をエピタキシャル成長させ、前記傾斜界面を消失させ、鏡面化された表面を有する第2層と、
を有する
積層構造体。
(Appendix 18)
a base layer made of a single crystal of a group III nitride semiconductor, having a mirror-finished main surface, and a low-index crystal plane closest to the main surface being a (0001) plane;
A group III nitride semiconductor single crystal having a top surface with the (0001) plane exposed is directly epitaxially grown on the main surface of the underlayer, and a plurality of slanted interfaces other than the (0001) plane are formed. is formed by creating a recess on the top surface, gradually enlarging the sloped interface as it goes above the base layer, and causing the (0001) plane to disappear from the top surface, so that the surface is formed only by the sloped interface. A first layer consisting of;
a second layer having a mirror-finished surface by epitaxially growing a single crystal of a Group III nitride semiconductor on the first layer and eliminating the inclined interface;
A laminated structure with

(付記19)
前記第1層は、
前記(0001)面を成長面として成長した第1c面成長領域と、
前記傾斜界面を成長面として成長した傾斜界面成長領域と、
を有し、
前記第2層は、前記(0001)面を成長面として成長した第2c面成長領域を有する
付記18に記載の積層構造体。
(Appendix 19)
The first layer is
a first c-plane growth region grown with the (0001) plane as a growth plane;
a sloped interface growth region grown using the sloped interface as a growth surface;
has
The laminated structure according to appendix 18, wherein the second layer has a second c-plane growth region grown with the (0001) plane as a growth plane.

(付記20)
前記傾斜界面成長領域は、前記下地層の前記主面に沿って連続して設けられる
付記19に記載の積層構造体。
(Additional note 20)
The laminated structure according to appendix 19, wherein the inclined interface growth region is continuously provided along the main surface of the underlayer.

(付記21)
前記第1c面成長領域は、
前記(0001)面が消失した位置に設けられる凸部と、
前記凸部を挟んだ両側に、前記(0001)面と前記傾斜界面との交点の軌跡として設けられる一対の傾斜部と、
を有し、
前記一対の傾斜部のなす角度は、70°以下である
付記19又は20に記載の積層構造体。
(Additional note 21)
The first c-plane growth region is
a convex portion provided at a position where the (0001) plane disappears;
a pair of inclined parts provided on both sides of the convex part as a locus of an intersection between the (0001) plane and the inclined interface;
has
21. The laminated structure according to appendix 19 or 20, wherein the angle formed by the pair of inclined portions is 70° or less.

1 下地基板
2 第1下地層
3 金属層
4 ボイド含有第1下地層
5 金属窒化層
6 第2下地層
10 下地構造体
30 第1層
40 第2層
50 窒化物半導体基板(基板)
1 Base substrate 2 First base layer 3 Metal layer 4 Void-containing first base layer 5 Metal nitride layer 6 Second base layer 10 Base structure 30 First layer 40 Second layer 50 Nitride semiconductor substrate (substrate)

Claims (3)

2インチ以上の直径を有し、最も近い低指数の結晶面が(0001)面である主面を有する窒化物半導体基板であって、
前記主面は、重ならない50μm角の無転位領域を100個/cm以上の密度で有し、
前記主面内で中心を通る直線上の各位置において(0002)面のX線ロッキングカーブ測定を行い、前記主面へ入射したX線と前記主面とがなす角度であって回折強度が最大となるピーク角度ωを、前記直線上の位置に対してプロットし、前記ピーク角度ωを前記位置の1次関数で近似したときに、
前記1次関数の傾きの逆数により求められる前記(0001)面の曲率半径は、10m以上であり、
前記1次関数に対する、前記直線上の各位置において測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.05°以下である
窒化物半導体基板。
A nitride semiconductor substrate having a diameter of 2 inches or more and having a main surface whose nearest low-index crystal plane is a (0001) plane,
The main surface has non-overlapping 50 μm square dislocation-free regions at a density of 100 pieces/cm 2 or more,
The X-ray rocking curve of the (0002) plane is measured at each position on a straight line passing through the center within the main surface, and the angle between the X-ray incident on the main surface and the main surface is the maximum diffraction intensity. When the peak angle ω is plotted against the position on the straight line and the peak angle ω is approximated by a linear function of the position,
The radius of curvature of the (0001) plane determined by the reciprocal of the slope of the linear function is 10 m or more,
The error of the peak angle ω measured at each position on the straight line with respect to the linear function is 0.05° or less. Nitride semiconductor substrate.
前記1次関数に対する、前記直線上の各位置において測定された前記ピーク角度ωの誤差は、0.01°以下である
請求項1に記載の窒化物半導体基板。
The nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein an error of the peak angle ω measured at each position on the straight line with respect to the linear function is 0.01° or less.
酸素濃度は、5×1016cm-3以下である
請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体基板。
The nitride semiconductor substrate according to claim 1 or 2, wherein the oxygen concentration is 5×10 16 cm −3 or less.
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