特許 5961633 ピット欠陥が軽減されたＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体およびその形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5961633

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】ピット欠陥が軽減されたＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体およびその形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20160719BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   C23C16/34

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-553951(P2013-553951)

(86)(22)【出願日】2012年2月17日

(65)【公表番号】特表2014-507071(P2014-507071A)

(43)【公表日】2014年3月20日

(86)【国際出願番号】EP2012052784

(87)【国際公開番号】WO2012110642

(87)【国際公開日】20120823

【審査請求日】2015年1月15日

(31)【優先権主張番号】13/029,213

(32)【優先日】2011年2月17日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】1151709

(32)【優先日】2011年3月2日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】507088071

【氏名又は名称】ソイテック

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ フィゲ

(72)【発明者】

【氏名】エド リンドウ

(72)【発明者】

【氏名】ピエール トマシニ

【審査官】 小川 将之

(56)【参考文献】

【文献】 KIMURA,A. FATAGAWA,N. USUI,A. MIZUTA,M.，Supersaturation-dependent step-behavior of InGaN grown by metal organic vapor phase epitaxy，Journal of Crystal Growth，NL，ELSEVIER，２００１年 ７月 １日，Vol.229 No.1-4，pp.53-57

【文献】 MIRAGLIA,P.Q. et al，Helical-type surface defects inInGaN thin films epitaxially grown on GaN templates at reduced temperatures，Thin Solid Films，スイス，ELSEVIER-SEQUOIA S.A.，２００３年 ８月 １日，Vol.437, No.1-2，pp.140-149

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ２３Ｃ １６／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップと、
インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を含むインジウム過飽和状況を有するように構成された処理チャンバ内において、少なくともインジウム前駆体、前記インジウム前駆体とは異なるＩＩＩ族元素前駆体、およびＶ族元素前駆体を組み合わせることにより、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の成長表面上に前記インジウム飽和状況を上回るインジウム固相濃度を有するインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップと
を含み、
前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップは、前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の前記成長表面中へのインジウムの取り込みに比べて、Ｖピット側壁部におけるインジウムの取り込みを上昇させるステップをさらに含み、
前記成長表面は｛０００１｝面であり、前記Ｖピット側壁部の成長面は、｛１０−１１｝面であることを特徴とする半導体構造体を形成する方法。

【請求項2】

臨界厚さを上回る厚さを有する前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップは、前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の前記成長表面からのインジウムの脱着流動に比べて、前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層のＶピット側壁部からのインジウムの脱着流動を低下させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記Ｖピット側壁部におけるインジウムの前記取り込みを上昇させるステップは、前記チャンバ温度を低下させるステップ、チャンバ圧力を上昇させるステップ、およびインジウム分圧を上昇させるステップの中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップは、ＩＩＩ族分圧の合計に比べて、前記処理チャンバ内のインジウム分圧を上昇させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップは、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項7】

アンモニアを含むように前記Ｖ族元素前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項8】

トリメチルインジウムを含むように前記インジウム前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項9】

トリエチルガリウムを含むように前記ＩＩＩ族元素前駆体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップは、ＩＩＩ族分圧の合計に比べて、前記処理チャンバ内のインジウム分圧を上昇させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、一般的に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体、およびＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体を形成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えばＩＩＩ族−ヒ化物（例えばインジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ））、ＩＩＩ族−リン化物（例えばインジウムガリウムリン化物（ＩｎＧａＰ））、およびＩＩＩ族−窒化物（例えばインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ））などは、複数の電子デバイス構造体において使用され得る。電子デバイスのいくつかの例としては、スイッチング構造体（例えばトランジスタ等）、発光構造体（例えばレーザダイオード、発光ダイオード等）、受光構造体（例えば導波管、スプリッタ、ミキサ、フォトダイオード、太陽電池、太陽電池サブセル等）、および／または微小電気機械システム構造体（例えば加速度計、圧力センサ等）がある。ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むかかる電子デバイス構造体は、多様な用途において使用され得る。例えば、かかるデバイス構造体は、様々な波長の中の１つまたは複数にて放射線（例えば可視光）を生成するためにしばしば使用される。かかる構造体により発せられる光は、照明用途で使用され得るのみならず、例えばメディアの記憶用途および検索用途、通信用途、プリント用途、分光用途、生物学的作用物質検出用途、ならびに画像投影用途などにおいても使用され得る。

【0003】

さらに詳細には、ＩｎＧａＮ層は、初めは下層基板に対して「仮像的に（pseudomorphically）」成長し得るものであり、ＩｎＧａＮ層の格子パラメータは、その成長土台となる下層基板の格子パラメータに対して実質的に整合される（例えば原子間力により）。ＩｎＧａＮ層と下層基板（例えばＧａＮ）との間の格子の不整合により、ＩｎＧａＮ層の結晶格子に歪みが誘発される場合があり、この誘発された歪みにより、ＩｎＧａＮ層の厚さの増大と共に上昇し得る歪みエネルギーが誘発され得る。ＩｎＧａＮ層の厚さが、その成長が続くと共に増大するにつれて、ＩｎＧａＮ層における歪みエネルギーは、ＩｎＧａＮ層が「臨界厚さ」と通常呼ばれる厚さにおいて仮像的にもはや成長せず、歪み緩和を被り得るようになるまで、上昇し得る。ＩｎＧａＮ層における歪み緩和により、ＩｎＧａＮ層の品質の低下が生じ得る。例えば、ＩｎＧａＮ層における結晶品質のかかる低下は、結晶欠陥（例えば転位）の形成、ＩｎＧａＮ層表面の粗面化、および／または不均質な材料組成の領域の形成を含み得る。

【0004】

いくつかの例においては、これらの欠陥は、デバイスを無効にし得る。例えば、欠陥が、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードのＰ−Ｎ接合間の短絡を引き起こして、発光デバイスによる所望の電磁エネルギーの発生を不可能にする程の著しい欠陥である場合がある。

【0005】

低い欠陥密度を有することにより、それを用いて形成されるデバイスの品質を向上させる、ＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体、およびかかるＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体を形成するための方法が必要である。特に、インジウムが他の材料と合金化されることにより、比較的厚い、比較的高いインジウム濃度を有する、またはそれらの組合せである、欠陥密度が低下したインジウム含有層が形成された、ＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体、およびかかるＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体を形成するための方法が必要である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】M. Shiojiri, C.C. Chuo, J.T. Hsu, J.R. Yang, H. Saijo, J. Appl. Phys. 99、073505 (2006)

【非特許文献2】J.E. Northrup, L.T. Romano, J. Neugebauer、Appl. Phys. Lett. 74(6)、2319 (1999)

【発明の概要】

【0007】

本発明の様々な実施形態は、一般的には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体と、かかるＩＩＩ−Ｖ族半導体構造体を形成するための方法とに関する。例えば、いくつかの実施形態においては、本発明は、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）構造体と、ＩｎＧａＮ構造体を形成する方法とを含む。

【0008】

この概要は、以下の本発明のいくつかの実施形態の例の詳細な説明においてさらに説明され、コンセプトの選択を簡単に紹介するために提供される。この概要は、特許請求の対象の重要な特徴または必須の特徴を特定するようには意図されず、また特許請求の対象の範囲を限定するために使用されるようにも意図されない。

【0009】

いくつかの実施形態においては、本発明は、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップと、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の成長表面上に軽減されたＶピット密度を有するインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するステップとを含む、半導体構造体を形成する方法を含む。インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を有するインジウム過飽和状況を有するように構成された処理チャンバ内において、少なくともインジウム前駆体、インジウム前駆体とは異なるＩＩＩ族元素前駆体、およびＶ族元素前駆体を組み合わせることにより、インジウム飽和状況を上回るインジウム固相濃度を有して形成される。

【0010】

さらなる実施形態においては、本発明は、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）層を成長させる方法を含む。ＩＩＩ族分圧のＩＩＩ族元素前駆体が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層がその上に形成された基板を含む処理チャンバに導入される。Ｖ族分圧のＶ族元素前駆体が、この処理チャンバに導入され、インジウム分圧のインジウム前駆体が、この処理チャンバに導入される。インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、インジウム飽和状況に対応するチャンバ温度未満のチャンバ温度を有する処理チャンバ内においてインジウム過飽和状況を展開させることにより、軽減されたＶピット密度および臨界厚さを上回る厚さで形成される。

【0011】

さらなる実施形態においては、本発明は、ＩｎＧａＮ層に対する処理パラメータを決定する方法を含む。インジウム飽和状況は、組み合わされたＩＩＩ族元素圧力および実質的に一定の温度および処理チャンバの圧力に対して、ある範囲のインジウム分圧にわたるＩｎＧａＮ層について決定される。インジウム飽和状況の成長表面温度未満の成長温度を有するインジウム過飽和状況が、決定され、インジウム過飽和状況は、より高いインジウム固相濃度において軽減されたＶピット密度を展開するのに十分なものである。

【0012】

さらなる実施形態においては、本発明は、基板および基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層を備える半導体構造体を含む。また、この半導体構造体は、低いＶピット密度と、インジウム飽和状況によるインジウム固相濃度を上回るインジウム固相濃度とを有する、ＩｎＧａＮ層を備え、このＩｎＧａＮ層は、インジウム飽和状況のチャンバ温度未満のチャンバ温度を有するインジウム過飽和状況において形成される。

【0013】

本発明の実施形態の要素のさらなる態様、詳細、および代替的組合せが、以下の詳細な説明から明らかになろう。

【図面の簡単な説明】

【0014】

本発明は、添付の図面に示される本発明の実施形態の例の以下の詳細な説明を参照することにより、より十分に理解されよう。

【図1】基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、およびその上に形成されたＩｎ−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を有し、それらの中に形成された転位およびＶピットが示される、半導体構造体の概略断面図である。

【図2】Ｉｎ−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層中のＶピットを示す概略等角図である。

【図3】ＩＩＩ−Ｖ族半導体層およびその上に形成されたＩｎ−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を有し、本発明のもう１つの実施形態によるそれらの中に形成された軽減された密度のＶピットが示される、基板の概略断面図である。

【図4】ある気相インジウム濃度に対するインジウム飽和状況を示すための、インジウム固相濃度対インジウム気相濃度のグラフである。

【図5】図４の飽和状況および本発明の１つまたは複数の実施形態による過飽和状況を示す、インジウム固相濃度対インジウム分圧のグラフである。

【図6A】本発明の１つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、インジウム固相濃度を示すグラフである。

【図6B】本発明の１つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、Ｖピット密度を示すグラフである。

【図6C】本発明の１つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、Ｖピット幅を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本明細書において提示される図は、いかなる特定の材料、デバイス、または方法の実際図となるべきものでもなく、本発明の実施形態を説明するために使用される単なる理想的表象に過ぎない。

【0016】

「第１の」、「第２の」等の指示語を使用した本明細書におけるいかなる要素の参照も、限定が明示されない限り、それらの要素の量または順列を限定するものではない点を理解されたい。むしろ、これらの指示語は、本明細書においては、２つ以上の要素または要素例を区別する便宜的な方法として使用され得る。したがって、第１の要素および第２の要素に対する参照は、２つの要素のみがそこで使用され得ることも、または第１の要素が何らかの態様で第２の要素に先行しなければならないことも、意味しない。また、別様のことが述べられない限り、要素のセットが、１つまたは複数の要素を含んでもよい。

【0017】

本明細書において説明される要素は、同一要素の複数の例を含み得る。これらの要素は、一般的には数字指示子（例えば１１０）によって示され得るものであり、具体的にはアルファベット指示子が後に続く数字指示子（例えば１１０Ａ）または「ダッシュ」の前に来る数字指示子（例えば１１０−１）によって示され得る。本説明を辿るのを容易にするために、殆どの部分において、要素の番号指示子は、それらの要素が紹介されるかまたはほぼ完全に論じられる図面番号で始まる。したがって、例えば、図１の要素指示子は、殆どの場合は１ｘｘという数字形態となり、図４の要素は、殆どの場合は４ｘｘという数字形態なる。

【0018】

以下の説明は、本開示の実施形態およびその実装を完全に説明するために、材料タイプおよび処理条件などの具体的詳細を提示する。しかし、本開示の実施形態は、これらの特定の詳細を使用せずに、および従来的な組立技術と組み合わせて、実施し得る点が、当業者には理解されよう。さらに、本明細書において示される説明は、半導体デバイスまたは半導体システムを製造するための完全なプロセスフローを形成しない。本明細書においては、本発明の実施形態を理解するために必要なプロセス行為および構造体が、詳細に説明されるに過ぎない。本明細書において説明される材料は、化学気相成長法（「ＣＶＤ」）、プラズマ化学気相成長法（「ＰＥＣＶＤ」）、原子層堆積法（「ＡＬＤ」）、プラズマＡＬＤ、または物理気相成長法（「ＰＶＤ」）を含むがそれらに限定されない任意の適切な技術により形成（例えば堆積または成長）され得る。本明細書において説明および示される材料は、層として形成され得るが、これらの材料は、層に限定されず、他の３次元構成で形成されてもよい。

【0019】

本明細書における「水平な」および「垂直な」という用語は、半導体構造体（例えばウェーハ、ダイ、基板等）の配向にかかわらず、半導体構造体の主要平面または主要表面に対する要素または構造体の相対位置を規定するものであり、説明されている構造体の配向に対して解釈される直交次元である。本明細書においては、「垂直な」という用語は、半導体構造体の主要表面に対して実質的に垂直な次元を意味および包含し、「水平な」という用語は、半導体構造体の主要表面に対して実質的に水平な次元を意味する。

【0020】

本明細書においては、「半導体構造体」という用語は、半導体デバイスの形成において使用される任意の構造体を意味および包含する。半導体構造体には、例えば、ダイおよびウェーハ（例えばキャリア基板およびデバイス基板）、ならびに、相互に３次元積層された２つ以上のダイおよび／またはウェーハを有するアセンブリあるいは複合構造体が含まれる。また、半導体構造体には、完全に製造された半導体デバイスと、半導体デバイスの製造中に形成される中間構造体とが含まれる。半導体構造体は、導体材料、半導体材料、非導体材料（例えば電気絶縁体）、およびそれらの組合せを含み得る。

【0021】

本明細書においては、「処理済み半導体構造体」という用語は、１つまたは複数の少なくとも部分的に形成されたデバイス構造体を備える任意の半導体構造体を意味および包含する。処理済み半導体構造体は、半導体構造体のサブセットであり、あらゆる処理済み半導体構造体が、半導体構造体である。

【0022】

本明細書においては、「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」という用語は、周期表のＩＩＩＡ族からの１つまたは複数の元素（例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴｉ）、ならびに周期表のＶＡ族からの１つまたは複数の元素（例えばＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉ）とから少なくとも主に構成される任意の半導体材料を意味および包含する。

【0023】

本明細書においては、「インジウムガリウム窒化物」および「ＩｎＧａＮ」という用語は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮという組成を有するインジウム窒化物（ＩｎＮ）およびガリウム窒化物（ＧａＮ）の合金を意味する。ここでは、０＜ｘ≦１である。

【0024】

本明細書においては、「臨界厚さ」という用語は、仮像成長が継続せず、層が歪み緩和を被る時点以降の、半導体材料層の平均総厚さを意味する。

【0025】

本明細書においては、「成長表面」という用語は、半導体基板または半導体層のさらなる成長が実施され得る半導体基板または半導体層の任意の表面を意味する。

【0026】

本明細書においては、「転位」という用語は、例えば結晶構造内における要素の欠損および結晶構造体における結合の破壊などの特性により特徴づけられ得る、半導体材料の結晶構造の不完全性が存在する半導体材料の領域を意味する。

【0027】

本明細書においては、「実質的に」という用語は、当技術において通常予想される任意の不足を除いては完全である結果を指すために使用される。

【0028】

本発明の実施形態は、多様なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料に対する用途を有し得る。例えば、本発明の実施形態の方法および構造体は、２成分形態、３成分形態、４成分形態、および５成分形態の、ＩＩＩ族−窒化物、ＩＩＩ族−ヒ化物、ＩＩＩ族−リン化物、およびＩＩＩ族−アンチモン化物に適用し得る。特定の用途は、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）などの、インジウムを含有するＩＩＩ族−窒化物半導体の成長に関する。したがって、単に簡略化および便宜上の理由により、限定化を目的とせずに、以下の説明および図面は、ＩＩＩ族−窒化物の一般的特徴を反映し、特にＩｎＧａＮに焦点を置く場合がある。

【0029】

ＩＩＩ族−窒化物材料システムの実験により、臨界厚さを越える厚さにまで仮像的に成長したＩｎＧａＮ層は、歪み緩和を被り、格子の不整合から生じる結晶格子の歪みを緩和させ得ることが実証されている。ＩｎＧａＮ層における歪み緩和の開始時には、多量のインジウムが取り込まれる場合があり、これにより、ＩｎＧａＮ層の厚さにわたってインジウムの不均一な濃度プロファイルが得られる場合がある。例えば、ＩｎＧａＮ層は、層の成長表面の近位に高い割合のインジウムを含む場合がある。ＩｎＧａＮ層におけるかかる不均一なインジウム組成は、少なくともいくつかの用途にとっては望ましくない場合がある。

【0030】

また、実験により、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和によってＩｎＧａＮ層の成長表面の粗面化が生じる場合もあることが実証されている。かかる表面の粗面化は、このＩｎＧａＮ層を使用した半導体デバイスの作製にとって好ましくない場合がある。さらに、実験により、ＩｎＧａＮ層の歪み緩和によって結晶材料中の欠陥密度が上昇する場合があることが実証されている。かかる欠陥には、例えば、転位、および不均質組成領域（すなわち相分離領域）などが含まれ得る。

【0031】

非限定的な例としては、ＩｎＧａＮ（ＩＩＩ族−窒化物材料）の場合に、ＩｎＧａＮ層は、重畳されるＩｎＧａＮ層の結晶格子と整合しない結晶格子を有し得る下層基板の上にヘテロエピタキシャルに堆積され得る。例えば、ＩｎＧａＮ層は、ガリウム窒化物（ＧａＮ）を含む半導体基板上に堆積され得る。ＧａＮは、約３．１８９Åの緩和された（すなわち実質的に歪みのない）面内格子パラメータを有し、ＩｎＧａＮ層は、対応するインジウム含有量の割合に応じて、約３．２１Å（７％インジウムの場合、すなわちＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ）、約３．２４Å（１５％インジウムの場合、すなわちＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ）、および約３．２６Å（２５％インジウムの場合、すなわちＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ）の緩和された面内格子パラメータを有し得る。

【0032】

図１は、半導体材料層１３０およびその上に形成されたインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０を有し、それらの中に形成された転位（１３２および１４２）およびＶピット１５０を示す、半導体構造体１００の概略断面図である。半導体構造体１００は、基板１１０を備えるように製造されるか、または別様に準備されてもよい。基板１１０は、以下においてさらに詳細に説明するように、半導体材料層１３０およびインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０の組立の一部として１つまたは複数の追加の半導体材料層をその上に形成する際に使用するためのシード層として使用され得る半導体材料を含んでもよい。

【0033】

半導体材料層１３０は、基板１１０に装着され、基板１１０により担持されてもよい。しかし、いくつかの実施形態においては、半導体材料層１３０は、基板または任意の他の材料の上に配設されないまたは担持されない、独立した半導体材料バルク層を備えてもよい。

【0034】

いくつかの実施形態においては、半導体材料層１３０は、半導体材料エピタキシャル層を備えてもよい。非限定的な例としては、半導体材料層１３０は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料エピタキシャル層を備えてもよい。非限定的な例としては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０は、ＧａＮエピタキシャル層であってもよい。

【0035】

基板１１０は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（例えばサファイア）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リチウム没食子酸塩（ＬｉＧａＯ２）、リチウムアルミ酸塩（ＬｉＡｌＯ２）、イットリウム酸化アルミニウム（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの材料であってもよい。

【0036】

任意には、別の半導体材料層などの１つまたは複数の中間材料層（図示せず）か、あるいは１つまたは複数の誘電体材料層が、半導体材料層１３０と基板１１０との間に配設されてもよい。かかる中間材料層は、例えば、半導体材料層１３０をその上に形成するためのシード層として、あるいは、基板１１０の上に半導体材料層１３０を直接的に形成することが困難または不可能である場合に実施され得るような、基板１１０に対して半導体材料層１３０を結合するための結合層として使用されてもよい。さらに、基板１１０に対して半導体材料層１３０を結合することは、半導体材料層１３０が極性結晶配向を有する場合には、望ましいものとなり得る。かかる実施形態においては、結合プロセスは、有極半導体材料の極性を変更するために使用され得る。

【0037】

本明細書においては、図面は、縮尺どおりには描かれておらず、実際には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０は、基板１１０よりも比較的薄くてもよい。

【0038】

転位（１３２Ｂおよび１３２Ｄ）は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０が形成されつつある際に形成され得る。図１に示すように、これらの転位は、層が大きな厚さで形成されるにつれて継続する貫通転位となり得る。換言すれば、転位が生ずると、これは、層が形成されるにつれて伝播する傾向があり、したがって層形成の完了後にＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０の最終表面上に出現することとなる。

【0039】

当技術において公知の様々な方法の任意のものが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０における転位密度を低下させるために使用されてもよい。かかる方法には、例えば、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）、ペンデオエピタキシー、ｉｎ−ｓｉｔｕマスキング技術等が含まれ得る。半導体材料層１３０は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）などのプロセスを利用して堆積されてもよい。

【0040】

また、図１は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０上の追加のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料１４０を示す。非限定的な例としては、この追加のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料１４０は、ＩｎＧａＮ層１４０か、またはガリウムリン（ＧａＰ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの別のタイプのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料と組み合わされたインジウムを備えてもよい。ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料と組み合わされたインジウム半導体層は、本明細書においては、インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０と呼ばれる場合がある。

【0041】

ＩｎＧａＮ合金層が、ＧａＮテンプレート（例えばサファイア１１０上のＧａＮ１３０）の上に不整合の格子を成長させる。ＩｎＧａＮ層１４０中のインジウムがより多くなるにつれ、ＩｎＧａＮ層１４０とＧａＮテンプレートとの間の格子不整合がより大きくなる。一般的には、構成不整合成長（すなわちＩｎＧａＮ層１４０とＧａＮテンプレートとの間の不整合）は、ＩｎＧａＮ層１４０中に蓄積された歪みエネルギーが転位同士を凝集させる歪みエネルギーよりも大きな場合に、歪み緩和を伴う。この格子不整合成長は、立方晶系に配列された格子に対して生じるが、ＧａＮまたはＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮなどの六方晶系格子構造を有する材料に対してはより複雑なものとなる。

【0042】

六方晶系層においては、転位の容易なすべり面は存在しない場合があり、したがって、はるかに高い歪みエネルギーが、転位の凝集までにＩｎＧａＮ層１４０中に蓄積され得る。緩和に達すると、塑性緩和が、成長表面の修飾により引き起こされる。成長表面が、（０００１）六方晶系である場合には、ピット欠陥１５０が、発生し得る。これらのピット欠陥は、ＧａＮ基板の転位（しばしば貫通転位）付近に頂点を有する逆ピラミッドとして出現し、Ｖピット１５０としばしば呼ばれる。ＩｎＧａＮ層１４０が、成長するにつれて、この逆ピラミッドもまた成長する。厚いＩｎＧａＮ層の場合には、Ｖピット１５０は、非常に大きくなり得る。

【0043】

一般的には、より薄いＩｎＧａＮ層１４０は、Ｖピット１５０を殆どまたは全く伴わずに成長し得る。ＩｎＧａＮ層１４０中の歪みエネルギーは、層厚さと共に上昇するため、薄層は、歪み緩和が生じる厚さ（すなわち臨界厚さ）に達しない場合がある。しかし、いくつかの用途においては、厚いＩｎＧａＮ層が望ましい場合がある。その結果、従来的な処理により、Ｖピット１５０は、より厚いＩｎＧａＮ層１４０中に存在し、Ｖピット１５０は、ＩｎＧａＮ層１４０がより厚くなるにつれて、より深くより幅広になる。

【0044】

より薄いＩｎＧａＮ層に加えて、インジウム濃度がガリウム濃度に対して比較的低く維持される場合にも、比較的Ｖピットが存在しないＩｎＧａＮ層を形成することが一般的には可能となり得る。しかし、多くの用途は、厚いＩｎＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層中の高いインジウム濃度、またはそれらの組合せを必要とし、これらはいずれも、深く幅広のＶピットをもたらし得る。

【0045】

既述のように、Ｖピットは、しばしば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０中の１３２Ｂおよび１３２Ｄならびにインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０中の１４２Ａおよび１４２Ｅとして示される貫通転位などの転位から始まる。これらの転位１３２から、Ｖピット（１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｄ、および１５０Ｅ）は、インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０が成長するにつれて、より大きく形成され成長し得る。また、Ｖピットは、Ｖピット１５０Ｃにより示すような原転位としても始まり得る。

【0046】

これらの深いＶピット１５０は、層転写のためのさらなる処理の後に、すなわちスマートカットプロセスおよび結合プロセスにより、穴となり得る。また、Ｖピット１５０は、イオン注入深さを局所的に変化させる場合があり、結果としてスプリッティング欠陥をもたらし得る。さらに、ピットが形成されたＩｎＧａＮ層の上への層転写後のさらなる再成長により、ＬＥＤデバイスにとって好ましくない非常に深いピットが生じる。例えば、Ｖピット１５０が、ＩｎＧａＮ層１４０全体にわたって生じる場合には、このＶピット１５０は、ＬＥＤデバイスのダイオード部分に短絡を引き起こし、それにより、デバイスは、意図した機能を果たすことができなくなる場合がある。

【0047】

図２は、非限定的な例のＩｎ−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０中のＶピット１５０の非限定的な例を示す概略等角図である。成長表面１４８上の開口の六角形状は、ＩｎＧａＮの結晶構造成長によるものである。さらに、Ｖピット側壁部１５２は、結晶構造成長によりＶピット１５０が形成を始める場所である頂点１５５から上方に続き、これによってＶピット１５０は、深さ１５４に対して一定の比率の幅１５６を一般的に有する。したがって、Ｖピット１５０の深さ１５４は、Ｖピットの幅１５６に基づき正確に推定することが可能である。

【0048】

本発明の実施形態は、インジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０がＩＩＩ−Ｖ族半導体層１３０の上に形成される場合に形成されるＶピット１５０の個数、サイズ、またはそれらの組合せを低減させることができる。また、Ｖピット１５０のこの低減は、本明細書においては「軽減されたＶピット密度」および「軽減されたＶピットの密度」とも呼ばれる。したがって、Ｖピット密度の軽減は、所与の表面積におけるＶピットの少数化、所与の表面積におけるＶピットの縮小化、または所与の表面積におけるＶピットの少数化および縮小化の組合せを指し得る。

【0049】

Ｖピットの形成に関していかなる特定の理論にも縛られるものではないが、Ｓｈｉｏｊｉｒｉ（非特許文献１参照）は、成長速度が、成長表面１４８の｛０００１｝基面に比べて、Ｖピット側壁部１５２である｛１０−１１｝面においては異なる点を示唆している。さらに、Ｖピット側壁部１５２の｛１０−１１｝面は、成長表面１４８の｛０００１｝基面よりもインジウムに対する高い付着係数を有し得る。その結果、本発明の実施形態は、処理中の気相のインジウムの割合を上昇させることにより、形成される固体材料の成長表面１４８の｛０００１｝基面上のインジウム濃度が飽和し得ると共に、Ｖピット側壁部１５２の｛１０−１１｝面上のインジウムのより高い濃度によってＶピット側壁部上のＩｎＧａＮの成長を促進させることが可能となることによって、Ｖピット密度を低下させ得る。

【0050】

図３は、半導体材料層１３０およびその上に形成されるインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０を有し、本発明の１つまたは複数の実施形態によるそれらの中に形成されたＶピットの軽減された密度が示される、半導体基板１１０の概略断面図である。図１と同様に、半導体構造体１００は、基板１１０を備えるように製造されるかまたは別様に準備され得る。基板１１０、半導体材料層１３０、およびインジウム−ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１４０は、図１において説明されるものと同様である。

【0051】

しかし、図３は、従来的なＶピット１５２Ａ、１５２Ｂ、および１５２Ｃ（すなわち従来的な処理が利用される場合に形成され得るＶピット）を示す。また、図３は、より小さなＶピット（１５８Ａ、１５８Ｂ、および１５８Ｃ）も示し、これらは、本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶピット密度の軽減をもたらす。軽減されたＶピット１５８Ａおよび１５８Ｃは、貫通転位１３２Ｂおよび１３２Ｃからそれぞれ端を発するＶピットが、従来的な処理を利用して形成されたＶピット１５２Ａおよび１５２Ｃに比べてより低速で成長した（すなわち同様の大きさを有していない）ことを示す。軽減されたＶピット１５８Ｂは、従来的な処理を利用することにより転位から直接的に形成され得るＶピット１５２Ｂに比べてより小さなＶピットを示す。

【0052】

図４は、ある気相インジウム濃度に対するインジウム飽和状況を示すための、インジウム固相濃度対インジウム気相濃度のグラフである。図４は、比較的一定の温度、比較的一定の圧力、比較的一定の合計ガス流、および比較的一定のウェーハ回転速度を用いた処理チャンバにおける実験から展開され得る。ある特定のガリウム流量を伴う場合に、インジウム流量を変化させて、ｘ軸により示すように気相のインジウムの割合を変化させることができる。ＩｎＧａＮ層において展開される固相のインジウムの割合は、気相のインジウムの割合の関数としてｙ軸上に示される。

【0053】

いくつかの実施形態においては、ＩｎＧａＮ層を形成するためのインジウム前駆体は、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、またはそれらの組合せなどを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、ＩｎＧａＮ層を形成するためのガリウム前駆体は、例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧ）または他の適切な材料などを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、ＩｎＧａＮ層を形成するための窒素前駆体は、例えばアンモニア（ＮＨ３）または他の適切な材料などを含んでもよい。

【0054】

したがって、一実施形態については、
気相の％インジウム＝１００＊（ＴＭＩ流／（ＴＭＩ流＋ＴＥＧ流）） （１）
となる。

【0055】

初めに、気相のインジウムの割合が上昇するにつれて、固相のインジウムの割合は、セグメント４１０Ａにより示されるように比例して上昇する。しかし、変曲点４１０Ｂに達すると、気相のインジウムの割合がさらに上昇しても、セグメント４１０Ｃにより示されるように固相のインジウムの割合の上昇にはつながらない。固相のインジウム濃度の比例上昇が起きない気相のインジウム濃度のこの範囲は、本明細書においてはインジウム飽和状況（saturation regime）と呼ばれる。

【0056】

図５は、図４の飽和状況と、本発明の１つまたは複数の実施形態による過飽和状況とを示す、インジウム固相濃度対インジウム分圧のグラフである。

【0057】

当業者には理解されるように、処理チャンバ内のガス流量は、処理チャンバ内のそれぞれ異なるガスによる分圧に相関する。その結果、気相のインジウム濃度は、
気相の％インジウム＝１００＊（Ｐ_ＴＭＩ／（Ｐ_ＴＭＩ＋Ｐ_ＴＥＧ）） （２）
として表すことも可能である。

【0058】

換言すれば、インジウム分圧（Ｐ_ＴＭＩ）およびガリウム分圧の組合せであるＩＩＩ族の分圧合計（Ｐ_ＴＭＩ＋Ｐ_ＴＥＧ）に対するインジウム分圧の関係を容易に判定することが可能となる。説明を簡略化するために、本明細書においては、説明の殆どが、分圧に関するものであるが、これらの説明は、相関する流量に対しても該当し得ることが当業者には理解されよう。

【0059】

当然ながら、他の不活性ガス（例えば窒素）および例えばドーパントなどの他の反応物が、反応チャンバ内に存在してもよい。非限定的な例としては、Ｎドーパントが、例えばシラン（ＳｉＨ_４）などのケイ素含有蒸気を含んでもよく、Ｐドーパントが、例えばビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などの蒸気を含むマグネシウムを含んでもよい。

【0060】

図５においては、ｙ軸は、インジウム分圧（本明細書においては気相のインジウム濃度とも呼ばれる）を示すｘ軸に対する固相のインジウムの割合（本明細書においては固相のインジウム濃度とも呼ばれる）を示す。

【0061】

セグメント５１０Ａおよび５１０Ｃは、気相のインジウム濃度に対する固相のインジウム濃度の比例上昇（５１０Ａ）と、その後の、インジウム濃度が気相のインジウム濃度の上昇に対して比較的一定に留まる（５１０Ｃ）飽和状況とを示す。

【0062】

線５２０は、飽和状況よりもより高い固相のインジウム濃度が得られ得るインジウム過飽和状況を示す。したがって、本明細書においては、インジウム過飽和状況という用語は、上記において論じた飽和状況を利用して固相半導体層中に形成されるインジウム濃度に比べて、形成された固相半導体層中のインジウム濃度がより高くなるように設定された処理チャンバ内の状況を意味する。

【0063】

非限定的な例としては、飽和状況は、所与のチャンバ圧力、成長表面温度、ＩＩＩ族元素前駆体分圧、Ｖ族元素前駆体分圧、およびインジウム前駆体分圧として定義され得る。飽和状況よりもインジウム前駆体の濃度または分圧がより高いことにより、形成された半導体層中においてより高いインジウム濃度を形成する過飽和状況が展開され得る。

【0064】

別の非限定的な例としては、所与の成長表面温度、所与のチャンバ圧力、所与のウェーハスピン速度、ならびにインジウム前駆体、ＩＩＩ族元素前駆体、およびＶ族元素前駆体の所与の分圧の組合せにより定義される飽和状況においては、成長表面温度の低下により、過飽和状況がもたらされ、この過飽和状況により、飽和状況に対して得られるインジウムの割合に比べて、形成された半導体層中のインジウムの割合がより高くなる固相成長条件がもたらされる。同様に、この飽和状況温度に温度が維持された状態でのチャンバ圧力の上昇またはウェーハ回転速度の変化により、インジウム過飽和状況が展開され得る。

【0065】

線５２０においては、例えばチャンバ圧力およびウェーハ回転速度などのチャンバパラメータは、比較的一定に維持され得るが、温度は、低下して、インジウム過飽和状況を展開する。温度は、チャンバ温度または成長表面温度として決定され得る。非限定的な例としては、セグメント５１０Ａおよび５１０Ｃのチャンバ温度は、約８３９℃であり、線５２０のチャンバ温度は、約８１１℃である。さらに、ＩＩＩ族前駆体（例えばガリウム前駆体と組み合わされたインジウム前駆体）とＶ族前駆体との相対濃度が、Ｖ／ＩＩＩ比＝３５６０で比較的一定に維持される。換言すれば、一実施形態においては、線５２０が左から右へと移動するにつれて、ＴＥＧの分圧は、比較的一定に留まり得るが、ＴＭＩの分圧が上昇するにつれて、アンモニアの分圧は、比例的に上昇して、約３５６０のＶ／ＩＩＩ族比を維持する。

【0066】

非限定的な例としては、線５３０は、約８１１℃のチャンバ温度で展開され得るものであり、Ｖ族分圧（例えばアンモニアの分圧）は、ＩＩＩ族分圧および変動インジウム分圧に対して実質的に一定に維持される。換言すれば、一実施形態においては、線５３０が左から右へと移動するにつれて、ＴＥＧおよびアンモニアの分圧は、比較的一定に留まり得るが、ＴＭＩの分圧は、上昇する。

【0067】

さらに詳細には、ならびに図３および図５を参照すると、ＩｎＧａＮ層１４０へのインジウム前駆体の流れは、成長表面１４８およびＶピット側壁部１５２の上における相互作用に使用可能なインジウム種の入着流動（incoming flux）に影響を及ぼし得る。インジウムは、高揮発性になり得る。表面において、ＴＭＩは、破壊され、金属（例えばインジウム）を放出するが、このインジウムは、固体層中に取り込まれ得るか、または蒸気として消散する。温度がより高い場合には、金属が取り込まれるよりも消散する可能性がより高くなる。

【0068】

その結果、ＩｎＧａＮ層１４０中ヘのインジウムの取り込みと、ＩｎＧａＮ層１４０からのインジウムの脱着（本明細書においては脱着流動（desorption flux）とも呼ばれる）との間にトレードオフが生ずる。温度を下降させるかまたは圧力を上昇させることにより、取り込みは、ＩｎＧａＮ層１４０中の固相インジウム濃度を上昇させるのに好ましいものとなり得る。さらに、成長表面１４８については、飽和状況に達する場合がある一方で、異なる成長面を有するＶピット側壁部１５２は、成長表面１４８に比べてより高い成長速度へとより一層なりやすく、これにより、Ｖピット密度の軽減がもたらされ得る。

【0069】

図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の１つまたは複数の実施形態によるインジウム分圧に対する、インジウム固相濃度、Ｖピット密度、およびＶピット幅のそれぞれを示すグラフである。

【0070】

図６Ａの線６１０により示すように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、固相のインジウム濃度もまた最高で約９４％のインジウム濃度まで上昇する。この時点では、気相濃度の上昇は、固相濃度の低下につながる。

【0071】

図６Ｂの線６２０により示すように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、Ｖピット密度もまた最高で約９４％のインジウム濃度まで上昇する。この時点では、気相濃度の上昇は、固相濃度の低下につながる。

【0072】

しかし、図６Ｃの線６３０により示されるように、気相のインジウム濃度が上昇するにつれて、Ｖピット幅は縮小される。図６Ｃの破線は、平均Ｖピット幅を示し、上方バー６３２および下方バー６３４は、Ｖピット幅に対する３シグマ分布点を示す。その結果、インジウム分圧が上昇するにつれて、所与の面積に対してＶピットがより少数であるもの、Ｖピットがより小さいもの、または所与の面積に対するＶピット個数およびそれらのＶピットサイズの組合せの中のいずれかによるＶピット密度の軽減が、観測され得る。

【0073】

ピット幅は、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）によりＶピットを測定するための好ましい一方式である。なぜならば、ＡＦＭチップは、Ｖピットの総深さを正確に測定するためにこの深さにわたって貫通するのに十分な鋭さを有さない場合があるからである。結晶学的（例えば（１０−１１）面と（０００１）面との間の角度の）考察から、ピット深さは、ピット幅から算出することが可能である（非特許文献２参照）。

【0074】

また、非常に薄いＩｎＧａＮ層の場合には、Ｖピットは、存在しても、それらの幅がＡＦＭ分解能未満となり得ることにより検出不能となり得る点に留意されたい。

【0075】

先述のように、多数の用途は、厚いＩｎＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層中の高いインジウム濃度、またはそれらの組合せを必要とするが、これらはいずれも、深く幅広のＶピットをもたらし得る。本発明のいくつかの実施形態により、約６％から９％の範囲の固相インジウム濃度についてＶピット密度の軽減をもたらすことができる。さらに、いくつかの実施形態においては、Ｖピット密度の軽減は、約１５０ナノメートルおよび場合よっては最大で約２００ナノメートルまでの比較的厚いＩｎＧａＮ層に対して実現し得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】