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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrats.
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Ein Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter,
der durch die allgemeine Formel AlXGa1_X_YInYN dargestellt wird (wobei 0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1), kann eine
Bandabstandsenergie in einem breiten Bereich von 1,9 bis 6,2 eV
haben. Aus diesem Grund ist der Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter
(nachstehend auch als III-N-Halbleiter bezeichnet) ein vielversprechendes
Halbleitermaterial für
ein lichtemittierendes/empfangendes Bauelement, das einen breiten
Bereich von sichtbarem Licht bis UV-Strahlen umfaßt.
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Ein großflächiges III-N-Halbleitersubstrat
mit guter Qualität
ist als Substrat zur Herstellung eines III-N-Halbleiterbauelements gefragt. Um diese
Nachfrage zu erfüllen,
gibt es ein herkömmliches
Verfahren zur Herstellung eines III-N-Halbleitersubstrats (beispielsweise
beschrieben in Japanese Journal of Applied Physics Vol. 37 (1998)
Seite L309-L312). Dieses herkömmliche
Verfahren wird nachstehend mit Bezug auf 8 beschrieben.
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In dem herkömmlichen Verfahren wird zunächst ein
Saphirsubstrat 1 mit einem Durchmesser von 5 cm (2 Zoll)
in eine Vorrichtung für
metallorganische Gasphasenepitaxie (nachstehend als MOVPE-Vorrichtung bezeichnet)
eingebracht. Dann werden eine GaN-Pufferschicht 2 und eine
GaN-Schicht 3 auf dem Saphirsubstrat 1 mit einer
MOVPE-Technik nacheinander ausgebildet (8A). Danach kann ein Saphirsubstrat 1,
das mit einer Schicht oder mit Schichten versehen ist, als Halbleiterscheibe
bezeichnet werden, und zwar ungeachtet des Typs der Schicht.
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Als nächstes wird die Halbleiterscheibe
der MOVPE-Vorrichtung
entnommen. Dann wird ein SiO2-Film 4 auf
einer Oberfläche
der GaN-Schicht 3 ausgebildet, und Fenster 4a werden
in einer Streifengeometrie mit einem Rasterabstand von mehreren
Mikrometern in dem SiO2-Film 4 ausgebildet
(8B).
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Danach wird die Halbleiterscheibe
in einer Vorrichtung für
Hydridgasphasenepitaxie (nachstehend auch als HVPE bezeichnet) angeordnet,
und ein GaN-Dickfilm 5a (mit einer Dicke von etwa 100 μm) wird auf dem
SiO2-Film 4 ausgebildet (C).
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Danach wird die Halbleiterscheibe
der HVPE-Vorrichtung entnommen. Schließlich wird die Halbleiterscheibe
von der Seite des Halbleitersubstrats 1 poliert, bis der
GaN-Dickfilm 5a freiliegt. Das GaN-Substrat 5 mit
einer Dicke von etwa 80 μm
kann entstehen (8D).
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Das oben beschriebene herkömmliche
Verfahren ist jedoch mit den folgenden Problemen behaftet.
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Das Saphirsubstrat 1 und
der GaN-Dickfilm 5a haben verschiedene Gitterkonstanten
und Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Deshalb wirkt bei dem oben beschriebenen Verfahren eine Spannung
zwischen dem Saphirsubstrat 1 und dem GaN-Dickfilm 5a im
Prozeß der
Absenkung der Temperatur der Halbleiterscheibe, nachdem der GaN-Dickfilm 5a durch
Kristallwachstum ausgebildet ist. Folglich krümmt sich bei diesem Verfahren
die Halbleiterscheibe, so daß Risse
in der Richtung senkrecht zur Hauptebene des GaN-Dickfilms 5a entstehen
oder der GaN-Dickfilm 5a sich teilweise ablöst. Infolgedessen
ist die Größe des GaN-Substrats 5,
das nach diesem herkömmlichen
Verfahren hergestellt wird, höchstens
etwa 1 × 1
cm. Daher ist es bisher schwierig gewesen, das GaN-Substrat 5,
das im wesentlichen so groß ist
wie das Saphirsubstrat 1, mit hohen Ausbeuten und mit hoher
Reproduzierbarkeit herzustellen. Insbesondere konzentrieren sich
in dem herkömmlichen
Verfahren Spannungen an den Grenzflächen zwischen dem Saphirsubstrat 1 und
der GaN-Pufferschicht 2 und zwischen
der GaN-Pufferschicht 2 und der GaN-Schicht 3,
und diese haften auf den gesamten Hauptflächen fest aneinander. Dadurch
entstehen beliebig Risse.
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Unter Berücksichtigung dieser Tatsache
ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrats bereitzustellen,
das ein großflächiges Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat mit hohen Ausbeuten und
hoher Reproduzierbarkeit bereitstellen kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrats weist die
Schritte auf: (a) Ausbilden eines ersten Halbleiterfilms auf einem
Substrat, wobei der erste Halbleiterfilm aus einem ersten Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleiter besteht und mit einer Stufe versehen
ist; (b) Ausbilden eines zweiten Halbleiterfilms, der aus einem
zweiten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
besteht, der sich von dem des ersten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters
unterscheidet, auf dem ersten Halbleiterfilm; und (c) Abkühlen des
Substrats und Abtrennen des zweiten Halbleiterfilms vom ersten Halbleiterfilm.
Wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren
das Substrat in dem Prozeß (c)
abgekühlt
wird, entstehen in dem zweiten Halbleiterfilm in der Richtung parallel
zur Hauptebene des zweiten Halbleiterfilms Risse, beginnend am Stufenabschnitt
im ersten Halbleiterfilm. Deshalb kann das erfindungsgemäße Verfahren
ein großflächiges Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat
mit hohen Ausbeuten und mit hoher Reproduzierbarkeit bereitstellen.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß der
Prozeß (a)
die Schritte aufweist: (a-1)
Ausbilden eines Films, der aus einem ersten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter
besteht, auf dem Substrat; und (a-2) Entfernen eines Teils des Films,
so daß ein
erster Halbleiterfilm entsteht, der mit mehreren Rillen versehen
ist. Dabei wird bevorzugt, daß in
dem Prozeß (a-2)
die mehreren Rillen in einer Streifengeometrie ausgebildet sind.
Diese Ausführungsform
ermöglicht
es, ein besonders großflächiges Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat auf einfache Weise herzustellen.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß das
Substrat ein (0001)-Ebene-Saphir substrat ist und die Rillen in einer
[11-20]-Richtung ausgebildet sind. Diese Ausführungsform ermöglicht es,
den zweiten Halbleiterfilm auf einfache Weise mit einer guten Kristallinität auszubilden.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß der
Prozeß (a)
die Schritte aufweist: (a-1)
Ausbilden eines Films, der aus einem ersten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter und
aus einem Isolierfilm in dieser Reihenfolge besteht, auf dem Substrat;
und (a-2) Entfernen eines Teils des Films, so daß ein erster Halbleiterfilm
entsteht, der mit mehreren Rillen versehen ist. Diese Ausführungsform läßt Risse
zwischen dem Film, der aus dem ersten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter
besteht, und dem Isolierfilm oder zwischen dem Isolierfilm und dem
zweiten Halbleiterfilm leicht entstehen. Deshalb ermöglicht es
die Ausführungsform,
ein bestimmtes großflächiges Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat
auf einfache Weise herzustellen. Dabei wird bevorzugt, daß in dem
Prozeß (a-2)
die mehreren Rillen in einer Streifengeometrie ausgebildet werden.
Ferner wird dabei bevorzugt, daß das
Substrat ein (0001)-Ebene-Saphirsubstrat
ist und die Rillen in der [11-20]-Richtung ausgebildet sind.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß der
Isolierfilm aus mindestens einem besteht, das aus der Gruppe gewählt ist,
die aus SiO2 und Si3N4 besteht. Da in dieser Ausführungsform
SiO2 oder SiNX und
der Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter, der auf deren Oberfläche aufgebracht
ist, aus verschiedenen Materialien bestehen und verschiedene Kristallstrukturen
haben, entstehen an der Grenzfläche
zwischen ihnen keine stabilen chemischen Bindungen, so daß sich der
zweite Halbleiterfilm leicht ablösen
läßt.
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Es wird bevorzugt, daß das oben
beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
ferner den Schritt aufweist: selektives Entfernen des Isolierfilms
nach dem Prozeß (b)
und vor dem Prozeß (c).
Wenn in dieser Ausführungsform
das Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat
vom ersten Halbleiterfilm abgetrennt ist, verbleibt der Isolierfilm
nicht auf dem Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat. Deshalb
kann das Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat mit hohen
Ausbeuten und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß die
Gitterkonstante des ersten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters kleiner
ist als die des zweiten Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters.
Diese Ausführungsform
stellt ein besonders großflächiges Gruppe
III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat
bereit, da eine Zugspannung auf den ersten Halbleiterfilm wirkt.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß der
erste Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter AlXGa1_XN (wobei 0<X≦1) ist und
der zweite Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter GaN ist. Diese
Ausführungsform
ermöglicht
es, daß die
Gitterkonstante des ersten Halbleiterfilms kleiner ist als die des
zweiten Halbleiterfilms.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß der
Prozeß (c)
ferner den Schritt aufweist: Erwärmen
und Abkühlen
des Substrats nach dem Abkühlen
des Substrats. Diese Ausführungsform
stellt die Ausbildung von Rissen sicher und stellt ein Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrat
mit hohen Ausbeuten und mit hoher Reproduzierbarkeit bereit.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung
sind für
den Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen
Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren verständlich.
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1A bis 1D sind Ansichten, die einen
Prozeßablauf
eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines III-N-Halbleitersubstrats zeigen.
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2 ist
eine Draufsicht, die ein Beispiel der Geometrie der Rillen 13b im
Prozeß in 1B zeigt.
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3 ist
eine Schnittansicht, die ein Beispiel der Geometrie der Rillen 13b zeigt.
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4A bis 4D sind Ansichten, die einen
Prozeßablauf
eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines III-N-Halbleitersubstrats zeigt.
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5 ist
eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel einer HUPE-Vorrichtung
zeigt, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines III-N-Halbleitersubstrats
verwendet wird.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die Risse zeigt, die in der Grenzschicht
zwischen einer Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 und
einer GaN-Schicht 71 entstehen.
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7A bis 7D sind Ansichten, die einen
Prozeßablauf
eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines III-N-Halbleitersubstrats zeigen.
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8A bis 8D sind Ansichten, die einen
Prozeßablauf
eines Beispiels eines herkömmlichen
Verfahrens zur Herstellung eines III-N-Halbleitersubstrats zeigen.
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Nachstehend werden Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1A bis 1D sind Ansichten, die einen
Prozeßablauf
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines III-N-Halbleitersubstrats
(eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitersubstrats) zeigen.
Die Schnittansichten in 1A bis 1D zeigen nur einen Teil
des Substrats.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
eine Pufferschicht 12 eines III-N-Halbleiters auf einem
Substrat 11 ausgebildet und dann ein Film 13a eines
ersten III-N-Halbleiters
auf einer Pufferschicht 12 ausgebildet (1A). Als das Substrat 11 kann
beispielsweise ein Saphirsubstrat, ein Siliciumcarbidsubstrat, ein
Spinellsubstrat, Silicium, Galliumarsenid oder Indiumphosphor verwendet
werden. Insbesondere kann ein (0001)-Ebene-Saphirsubstrat verwendet
werden. Wenn ein (0001)-Ebene-Saphirsubstrat verwendet wird, kann
ein Kristallwachstum leicht bewirkt werden, um einen III-N-Halbleiter auf dem
Substrat 11 auszubilden. Die Pufferschicht 12 kann
je nach Typ des Substrats 11 weggelassen werden. Eine weitere
III-N-Halbleiterschicht kann zwischen der Pufferschicht 12 und
dem Film 13a ausgebildet werden.
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Als nächstes wird ein Teil des Films 13a entfernt,
um einen ersten Halbleiterfilm 13 auszubilden, der aus
einem ersten III-N-Halbleiter besteht und mit Stufen versehen ist.
Die partielle Entfernung des Films 13a kann durch Trockenätzen oder
Naßätzen erfolgen.
Wie beispielsweise in 1B gezeigt,
können
streifenförmige
Rillen 13b ausgebildet werden, um einen ersten Halbleiterfilm 13 auszubilden,
der mit Stufen 13c versehen ist. 2 ist eine Draufsicht eines ersten Halbleiterfilms 13 im
Prozeß in 1B. Wie in 2 gezeigt, sind mehrere Rillen 13b im
wesentlichen parallel ausgebildet. Es wird bevorzugt, daß die streifenförmigen Rillen 13b in
der [11-20]-Richtung ausgebildet sind, wenn das Substrat 11 ein
(0001)-Ebene-Saphirsubstrat ist. Hierbei bedeutet der Bindestrich,
der in der Bezeichnung [11-20]-Richtung vor der "2" steht,
einen Überstrich, und
[11-20] stellt die folgenden Indizes dar: [1120]
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Die [11-20]-,Richtung bedeutet eine <11-20>-Richtung und Richtungen,
die dieser äquivalent
sind, nämlich
eine <1-210>-Richtung und eine <-2110>-Richtung.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Rille 13b. Es wird bevorzugt, daß die Breite Wop der Öffnung der
Rille 13b 1 bis 10 μm
ist. Es wird bevorzugt, daß die
Tiefe D der Rille 13b 0,5 μm oder größer ist. Die Tiefe D von mindestens
0,5 μm kann
die Spannung erhöhen,
die auf einen zweiten Halbleiterfilm wirkt, so daß das III-N-Halbleitersubstrat
leicht abgelöst
werden kann. Es wird bevorzugt, daß der Rasterabstand (Zyklus)
P von der Mitte einer Rille 13b und der Mitte einer benachbarten
Rille 13b und die Breite Wop die Gleichung P ≥ 0,5 Wop erfüllen. Dadurch
wird das Volumen des Abschnitts vergrößert, auf den die Spannung
wirkt, so daß das Ablösen leicht
durchgeführt
werden kann. Ferner wird bevorzugt, daß in der Rille 13b die
Breite Wop der Öffnung
größer ist
als die Breite Vbt des Bodens. Obwohl die Rille, die in 3 gezeigt ist, einen trapezförmigen Querschnitt
hat, kann die Rille Stufen mit anderen Formen haben. Beispielsweise
kann eine Stufe, die im Querschnitt umgekehrt trapezförmig ist,
oder eine Stufe, deren Seite senkrecht ist, ausgebildet werden.
Ferner können
die Rillen 13b in einer Gittergeometrie anstelle einer
Streifengeometrie ausgebildet sein.
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Als nächstes wird ein zweiter Halbleiterfilm 14a,
der aus einem III-N-Halbleiter besteht, auf dem ersten Halbleiter film 13 so
ausgebildet, daß der
zweite Halbleiterfilm 14a den ersten Halbleiterfilm 13 überdeckt (1C). Der zweite III-N-Halbleiter unterscheidet
sich von dem ersten III-N-Halbleiter
in der Zusammensetzung und im Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Die Ausbildung des zweiten Halbleiterfilms 14a erfolgt,
während
das Substrat 11 erwärmt
wird.
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Schließlich wird das Substrat 11,
das mit dem zweiten Halbleiterfilm 14a versehen ist, abgekühlt, und der
zweite Halbleiterfilm 14a wird vom ersten Halbleiterfilm 13 abgetrennt,
so daß ein
III-N-Halbleitersubstrat 14 entstehen kann (siehe 1D). Wie in 1D gezeigt, kann ein Abschnitt 15,
der in der Rille 13b des zweiten Halbleiterfilms 14a ausgebildet
wird, in der Rille 13b verbleiben. Dadurch kann ein III-N-Halbleitersubstrat entstehen.
Um die Abtrennung des zweiten Halbleiterfilms 14a zu erleichtern,
können
nach dem Abkühlen
des Substrats 11 eine weitere Erwärmung und Abkühlung wiederholt
werden. Bei Bedarf kann die Rückseite
(die Oberfläche,
die mit dem ersten Halbleiterfilm 13 in Kontakt war) des
III-N-Halbleitersubstrats 14 poliert werden. Selbst wenn
ein Teil des zweiten Halbleiterfilms 13 auf der Rückseite
des III-N-Halbleitersubstrats 14 haftet,
ist dieser Film so dünn,
daß er
durch Polieren leicht entfernt werden kann.
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In dem oben beschriebenen Prozeß kann ein
Verbindungshalbleiter mit einer Zusammensetzung, die durch AlXGa1_X_YInYN dargestellt
(wobei 0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1) ist, sowohl
für den
ersten III-N-Halbleiter (den ersten Halbleiterfilm 13)
als auch für
den zweiten III-N-Halbleiter (den zweiten Halbleiterfilm 14a)
verwendet werden. Wie oben beschrieben, haben der erste III-N-Halbleiter
und der zweite III-N-Halbleiter verschiedene Zusammensetzungen und
Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Verunreinigungen können
den zweiten Halbleiterfilm 14a hinzugesetzt werden, um
einen p-leitenden oder n-leitenden Halbleiterfilm auszubilden. Dabei kann
ein p-leitendes oder nleitendes III-N-Halbleitersubstrat entstehen.
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Ferner wird bevorzugt, daß sich der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des ersten Halbleiterfilms 13 deutlich von dem des zweiten
Halbleiterfilms 14a unterscheidet. Wenn beispielsweise
ein Substrat, das aus GaN besteht, hergestellt werden soll, wird
bevorzugt, daß der
zweite Halbleiterfilm 14a aus GaN und der erste Halbleiterfilm 13 aus
AlXGa1-XN (wobei
0,1≦X≦0,3) besteht.
Wenn ein Substrat, das aus AlXGa1-XN (wobei 0,1≦X≦0,2) besteht, hergestellt werden
soll, wird bevorzugt, daß der
zweite Halbleiterfilm 14a aus AlXGa1-XN (0,1≦X≦0,2) und der
erste Halbleiterfilm 13 aus GaN besteht.
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Es wird bevorzugt, daß die Dicke
des zweiten Halbleiterfilms 14a 200 μm oder größer ist. Wenn die Dicke 200 μm oder größer ist,
kann sich eine Spannung auf der Grenzfläche zwischen dem ersten Halbleiterfilm 13 und
dem zweiten Halbleiterfilm 14a konzentrieren, so daß sich die
zweite Halbleiterfilm 14a leicht ablösen läßt.
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Bei dem oben beschriebenen Prozeß können der
Film 13a, der aus dem ersten III-N-Halbleiter besteht,
und der zweite Halbleiterfilm 14a beispielsweise in einem
HVPE- oder einem MOVPE-Verfahren ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen Prozeß zur Ausbildung
eines Isolierfilms in einem Teil der Grenzfläche zwischen dem ersten Halbleiterfilm 13 und
dem zweiten Halbleiterfilm 14a aufweisen, wie in den folgenden
Beispielen beschrieben. Dies erleichtert das Ablösen des zweiten Halbleiterfilms 14a weiter.
Als Isolierfilm kann beispielsweise SiO2,
oder Al2O3 verwendet
werden. Nachdem der zweite Halbleiterfilm 14a ausgebildet
worden ist, kann dabei ein Prozeß zum selektiven Entfernen
des Isolierfilms einbegriffen sein. Das selektive Entfernen des
Isolierfilms erleichtert das Ablösen
des zweiten Halbleiterfilms 14a weiter.
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In dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient
des ersten Halbleiterfilms 13 von dem des zweiten Halbleiterfilms 14a,
und es wird eine Stufe 13c im ersten Halbleiterfilm 13 ausgebildet.
Daher entstehen Risse parallel zur Oberfläche des zweiten Halbleiterfilms 14a,
beginnend am Abschnitt der Stufe 13c. Folglich kann das
erfindungsgemäße Verfahren
die Herstellung eines großflächigen III-N-Halbleitersubstrats
erleichtern.
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Beispiele
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Nachstehend wird die Erfindung anhand
von Beispielen ausführlicher
beschrieben.
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Beispiel 1
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In Beispiel 1 ist ein Beispiel eines
III-N-Halbleitersubstrats
mit Bezug auf 4 beschrieben,
das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist.
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Zunächst wurde ein Saphirsubstrat 41 (Durchmesser
5 cm (2 Zoll) und Dicke 300 μm)
als das Substrat verwendet, und die Oberfläche des Saphirsubstrats 41 wurde
geätzt,
indem das Saphirsubstrat 41 für 15 min in eine Mischlösung (erwärmt auf
90 °C) aus
Phosphorsäure
und Salzsäure
getaucht wurde. Dann wurde das Saphirsubstrat 41 gewaschen
und getrocknet. Dann wurde das Saphirsubstrat 41 in eine
MOVPE-Vorrichtung eingebracht. Danach wurde das Saphirsubstrat 41 einer
thermischen Reinigung unterzogen, indem es für 30 min auf 1050 °C in einer
Stickstoffatmosphäre
von 1,013 × 10-5 Pa (1 atm) erwärmt wurde.
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Dann wurde eine GaN-Pufferschicht 42 (Dicke
50 nm) auf dem Saphirsubstrat 41 durch Epitaxiewachstum
bei einer Kristallwachstumstemperatur (Temperatur des Saphirsubstrats 41)
von 500 °C
ausgebildet. Dann wurden eine GaN-Schicht 43 und eine Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a durch
Epitaxiewachstum bei einer Kristallwachstumstemperatur von 1000 °C so ausgebildet,
daß die
Dicke jeder der Schichten 1 μm
war (4A). Für das Kristallwachstum
wurden Triumethylugallium, Trimethylaluminium und Ammoniak als Rohgas
verwendet. Die A0,1Ga0,9N-Schicht 44a entspricht
dem Film 13a in 1.
Nachstehend wird das Saphirsubstrat 41, das mit einer Schicht
oder Schichten versehen ist, als Halbleiterscheibe bezeichnet, ungeachtet des
Typs der Schicht.
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Als nächstes wurde die Halbleiterscheibe
der MOVPE-Vorrichtung
entnommen. Dann wurden mehrere Rillen 44b (die Breite Wop
der Öffnung
war etwa 5 μm
und die Tiefe D war etwa 0,8 μm)
in der [11-20]-Richtung der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a durch Trockenätzen ausgebildet,
so daß eine
Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet wurde
(4B). Die Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ent spricht
der ersten Halbleiterschicht 13. Dabei bildeten die Rillen 44b Stufen 44c.
Die Rillen 44b wurden in einer Streifengeometrie ausgebildet.
Der Rasterabstand P zwischen benachbarten Rillen 44b (siehe 3) war 10 μm.
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Danach wurde die Halbleiterscheibe
in eine Hydridgasphasenepitaxievorrichtung (nachstehend als HVPE-Vorrichtung
bezeichnet) eingebracht, und es wurde ein GaN-Film
45a (Dicke
200 μm)
auf der Al
0,1Ga
0,9N-Schicht
44 durch
Epitaxiewachstum ausgebildet (
4C).
Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben GaN und Al
0,1Ga
0,9N verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten. Tabelle
1
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Ein Verfahren zur Ausbildung des
GaN-Films 45a wird nachstehend beschrieben. 5 ist eine schematische
Schnittansicht eines Beispiels der HVPE-Vorrichtung. In 5 ist der besseren Übersichtlichkeit
halber die Schraffur teilweise weggelassen. Mit Bezug auf 5 weist die HVPE-Vorrichtung
auf: eine Reaktionskammer 51, die aus Quarz besteht, und
einen Scheibenträger 52,
der in der Reaktionskammer 51 vorgesehen ist, ein Sauerstoffeinlaßrohr 53a,
das an der Reaktionskammer 51 angebracht ist, ein Ammoniakeinlaßrohr 53b,
ein Chlorwasserstoffeinlaßrohr 53c,
ein Abgasrohr 54 und eine Rohmaterialkammer 55,
die am Ende des Chlorwasserstoffeinlaßrohrs 53c vorgesehen
ist. Die Rohmaterialkammer 55 weist eine Schale 57 auf,
wo ein Rohmaterial (metallisches Gallium) 56 angeordnet
ist. Die HVPE-Vorrichtung ist ferner versehen mit einem Substratheizer
58 zum Erwärmen
der Halbleiterscheibe 52a, die auf dem Scheibenträger 52 angeordnet
ist, und mit einem Rohmaterialheizer 59 zur Erwärmung des
Rohmaterials 56. Der Substratheizer 58 ist parallel zur
Reaktionskammer 51 verschiebbar.
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Das Verfahren zum Bewirken des Kristallwachstums
für den
GaN-Film 45a wird nachstehend beschrieben.
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Zuerst wurde die Halbleiterscheibe
auf dem Scheibenträger 52 so
angeordnet, daß die
Halbleiterscheibe dem Ammoniakeinlaßrohr 53b und der
Rohmaterialkammer 55 gegenüberlag. Dann wurde der Reaktionskammer 51 Stickstoff
aus dem Stickstoffeinlaßrohr 53a zugeführt, so
daß die
Reaktionskammer 51 mit einer Stickstoffatmosphäre von 1,013 × 10-5 Pa (1 atm) gefüllt war.
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Danach wurde die Temperatur der Halbleiterscheibe
vom Substratheizer 58 auf 1000 °C angehoben, und die Temperatur
des Rohmaterials 56 wurde vom Rohmaterialheizer 59 auf
800 °C angehoben.
Dann wurde der Reaktionskammer 51 Ammoniak aus der Ammoniakeinlaßleitung 53b zugeführt. Außerdem wurde
der Rohmaterialkammer 55 Chlorwasserstoff aus dem Chlorwasserstoffeinlaßrohr 53c zugeführt, um
mit metallischem Gallium, welches das Rohmaterial 56 ist,
in der Rohmaterialkammer 55 zu reagieren, so daß Galliumchlorid
entstand.
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Das Galliumchlorid und das Ammoniak,
das der Reaktionskammer 51 zugeführt wurde, wurden als Rohgas
verwendet, um Kristallwachstum zur Ausbildung des GaN-Films 45a auf
der Halbleiterscheibe zu bewirken (4C).
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Danach wurden der GaN-Film 45a und
die Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 getrennt,
so daß ein
GaN-Substrat 45 entstand. Insbesondere nachdem der GaN-Film 45a durch
Bewirken eines Kristallwachstums ausgebildet war, wurde die Temperatur
der Halbleiterscheibe durch normale Abkühlung für 20 min in der HVPE-Vorrichtung, die
mit Stickstoffatmosphäre
gefüllt
war, auf normale Raumtemperatur herabgesetzt. Folglich wurde der GaN-Film 45a von
der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 abgetrennt.
Schließlich
wurde das abgetrennte GaN-Substrat 45 der HVPE-Vorrichtung
entnommen. Somit war ein GaN-Substrat 45 entstanden. Dabei
verblieb ein Abschnitt 46 des GaN-Films 45a in
den Rillen 44b.
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Um die Risse, die im GaN-Film 45a ausgebildet
waren, zu bewerten, wurde die Halbleiterscheibe, die mit einer GaN-Schicht 61 mit
einer Dicke von 2 μm
versehen war, die durch Bewirken von Kristallwachstum ausgebildet
war, anstelle des GaN-Films 45a ausgebildet und auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 abgekühlt. Dann wurde die Halbleiterscheibe
gespal ten, und die Spaltebene wurde durch ein Elektronenmikroskop
betrachtet, um Defekte und Risse zu erkennen, die in der GaN-Schicht 61 entstanden
waren. 6 zeigt die Ergebnisse
schematisch. In 6 ist
die Schraffur in der GaN-Schicht 61 weggelassen worden.
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Wie in 6 gezeigt,
wurden eine Streifenverschiebung 62 und Risse 63 in
der GaN-Schicht 61 erzeugt. Die Risse 63 waren
vom Stufenabschnitt 44c, der in der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet war,
bis in die Mitte der Rille 44b und parallel zu der Hauptebene
der GaN-Schicht 61 ausgebildet. Man geht davon aus, daß die Risse 63 aus
den folgenden Gründen
entstanden: (1) die Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 und
die GaN-Schicht 61 hatten verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten;
(2) die Gitterkonstante von Al0,1Ga0,9N war kleiner als die von GaN, so daß eine Zugspannung
auf die Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 wirkte;
und (3) die Stufe 44c wurde in der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet, und
GaN wurde durch Kristallwachstum auch an den geneigten Seiten der
Stufe 44c erzeugt. Außerdem
geht man beim GaN-Film 45a wie
bei der GaN-Schicht 61 davon aus, daß Risse von der Stufe 44c an
parallel zur Hauptebene entstehen, so daß das Ablösen des GaN-Films 45a erleichtert
werden kann.
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Tatsächlich entstanden die Risse,
die in den Abschnitten der Stufen 44c im GaN-Film 45a vorhanden waren,
in einem Bereich von etwa 60 % der Halbleiterscheibe, so daß der GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Folglich entstand ein GaN-Substrat 45 mit einem
Durchmesser von etwa 2,5 cm (1 Zoll).
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Wie oben beschrieben, unterscheidet
sich der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 in
dem Verfahren nach Beispiel 1 von dem des GaN-Films 45a,
und die Stufen 44c wurden in der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet. Daher
entstanden in der GaN-Schicht 45a Risse im GaN-Film 45a parallel zur
Oberfläche
des GaN-Films 45a, beginnend an der Stufe 44c,
so daß der
GaN-Dickfilm 45a abgetrennt wurde. Infolgedessen entstand
ein großflächiges GaN-Substrat 45.
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Insbesondere ist die Gitterkonstante
von Al0,1Ga0,9N
kleiner als die von GaN, so daß eine
Zugspannung auf die Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 wirkt.
Dies erleichtert die Entstehung der Risse zwischen der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 und
dem GaN-Film
45a, so daß der großflächige GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Es entstand also ein großflächiges GaN-Substrat 45.
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Beispiel 2
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In Beispiel 2 ist ein weiteres Beispiel
beschrieben, wo ein III-N-Halbleitersubstrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde. Das Verfahren nach Beispiel 2 unterscheidet sich
von dem des Beispiels 1 nur in dem Verfahren zur Kühlung des
Substrats. Deshalb wird hier auf eine doppelte Beschreibung verzichtet.
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Es wurden die in 4A bis 4C gezeigten
Prozesse durchgeführt,
und der GaN-Film 45a (Dicke 200 μm) wurde auf der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 durch Bewirken von
Kristallwachstum ausgebildet. Danach wurde die Temperatur der Halbleiterscheibe
durch natürliche
Kühlung
für 20
min in der HVPE-Vorrichtung, die mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt war,
auf Raumtemperatur herabgesetzt. Dann wurde die Temperatur der Halbleiterscheibe
in der HVPE-Vorrichtung, die mit Stickstoff gefüllt war für 30 min lang auf 100 °C erhöht. Der
Temperaturzyklus von Abkühlung
auf Raumtemperatur nach Erwärmung
auf 1000 °C
wurde fünfmal
wiederholt. Folglich wurde der GaN-Film 45a von der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 abgetrennt,
so daß ein
GaN-Substrat 45 entstand (siehe 4D). Schließlich wurde das abgetrennte
GaN-Substrat 45 der HVPE-Vorrichtung entnommen. Es entstand
also ein III-N-Halbleitersubstrat.
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Das Verfahren nach Beispiel 2 erbringt
eine Wirkung, die entsteht, wenn der Temperaturzyklus zum Abtrennen
des GaN-Substrats
zusätzlich
zu der Wirkung, die nach dem Verfahren von Beispiel 1 vorgesehen ist,
durchgeführt
wird. Dadurch ermöglicht
das Verfahren nach Beispiel 2 die Trennung des GaN-Films 45a mit einer
größeren Fläche als
die des Beispiels 1, und so entstand ein großflächiges GaN-Substrat.
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Tatsächlich entstanden in Beispiel
2 Risse im GaN-Film 45a von den Stufen 44c hin
zur Mitte der Rillen 44b in der Richtung parallel zur Oberfläche des
GaN-Films 45a auf der gesamten Halbleiterscheibe, so daß der GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Infolgedessen entstand ein GaN-Substrat 45 mit einem
Durchmesser von 5 cm (2 Zoll).
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Man geht davon aus, daß der Grund,
warum mit Hilfe des Temperaturzyklus ein großflächigeres GaN-Substrat 45 abgetrennt
werden kann, folgender ist: Eine Spannung wirkt wiederholt auf die
Grenzfläche zwischen
der Al0,1Ga0,9N-Schicht
und dem GaN-Film 45a, so daß die Risse leichter entstehen.
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Beispiel 3
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In Beispiel 3 ist ein weiteres Beispiel
beschrieben, wo ein III-N-Halbleitersubstrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde. Das Verfahren nach Beispiel 3 unterscheidet sich
von dem nach Beispiel 1 nur in dem Verfahren zur Abkühlung des
Substrats. Deshalb wird hier auf eine doppelte Beschreibung verzichtet.
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Es wurden die in 4A bis 4C gezeigten
Prozesse durchgeführt,
und der GaN-Film 45a (Dicke 200 μm) wurde auf der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 durch Bewirken von
Kristallwachstum ausgebildet. Dann wurde, unmittelbar nachdem der
GaN-Film 45a durch Bewirken von Kristallwachstum ausgebildet
worden war, der Substratheizer 58 verschoben und Stickstoffgas
auf die Halbleiterscheibe gesprüht,
um die Halbleiterscheibe schnell (innerhalb von 3 min) abzukühlen. Auf
diese Weise wurde die Temperatur der Halbleiterscheibe auf Raumtemperatur
herabgesetzt. Der GaN-Film 45a wurde durch diese Abkühlung mit
Stickstoffgas abgetrennt, so daß ein
GaN-Substrat 45 entstand. Dann wurde das entstandene GaN-Substrat 45 der
HVPE-Vorrichtung entnommen .
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Das Verschieben des Substratheizers 58 wurde
durchgeführt,
um eine Verzögerung
der Abkühlung der
Halbleiterscheibe zu vermeiden, die durch die Wärme des Substratheizers 58 verursacht
wird. Die Halbleiterscheibe wurde durch Verschieben des Substratheizers 58 schnell
auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Das Verfahren nach Beispiel 3 erbringt
die Wirkung der Abkühlung
der Halbleiterscheibe schneller als in Beispiel 2 zusätzlich zu
der Wirkung, die nach dem Verfahren in Beispiel 1 erbracht wird.
Dadurch ermöglicht das
Verfahren nach Beispiel 3 die Trennung eines GaN-Films 45a mit
einer größeren Fläche als
die in Beispiel 1, und somit entstand ein großflächiges GaN-Substrat.
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Tatsächlich entstanden in Beispiel
3 Risse im GaN-Film 45a von den Stufen 44c bis
in die Mitte der Rillen 44b parallel zur Oberfläche des
GaN-Films 45a auf der gesamten Halbleiterscheibe, so daß der GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Infolgedessen entstand ein GaN-Substrat 45 mit einem
Durchmesser von 5 cm (2 Zoll).
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Man geht davon aus, daß der Grund,
warum ein großflächigeres
GaN-Substrat nach dem Verfahren in Beispiel 3 abgetrennt werden
kann, folgender ist: Eine Spannung wirkt schnell auf die Grenzfläche zwischen der
Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 und
dem GaN-Film 45a, so daß Risse schneller entstehen.
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Beispiel 4
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In Beispiel 4 ist ein weiteres Beispiel
mit Bezug auf 7 beschrieben,
wo ein III-N-Halbleitersubstrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde. Das Verfahren nach Beispiel 4 weist einen Prozeß zur Ausbildung
eines Isolierfilms zwischen dem ersten Halbleiterfilm und dem zweiten
Halbleiterfilm auf. Auf die Beschreibung, die die gleiche ist wie
in Beispiel 1, wird hier verzichtet.
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Zuerst wurde ein (0001)-Ebene-Saphirsubstrat
41 (Durchmesser 5 cm (2 Zoll) und Dicke 300 μm) hergestellt, gewaschen, geätzt und
einer Wärmebehandlung
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 unterzogen. Dann wurden
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eine GaN-Pufferschicht 42 (Dicke
50 nm), eine GaN-Schicht 43 (Dicke 1 μm) und eine Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a (Dicke 1 μm) nacheinander
in dieser Reihenfolge auf dem Saphirsubstrat 41 ausgebildet
(7A).
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Als nächstes wurde ein Saphirsubstrat 41 (nachstehend
als Halbleiterscheibe bezeichnet), das mit der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a versehen
war, in einer Normalluftdruck-CVD-Vorrichtung angeordnet. Dann wurde ein SiO2-Film 71 (Dicke etwa 0,3 μm) auf der
Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a durch
ein CVD-Verfahren
ausgebildet.
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Danach wurde die Halbleiterscheibe
der CVD-Vorrichtung entnommen. Dann wurden Rillen 44b mit einer
Breite Wop von 5 μm,
einer Tiefe D von 0,8 μm
und einem Rastermaß (Zyklus)
P von 10 μm
in der [11-20]-Richtung der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44a durch Trockenätzen ausgebildet.
Es wurde also eine Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet
(7B).
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Ferner wurde auf die gleiche Weise
wie in Beispiel 1 ein GaN-Film 45a mit einer Dicke von
200 μm durch
Bewirken von Kristallwachstum ausgebildet (7C). Die Temperatur für das Kristallwachstum war 1000 °C wie in
Beispiel 1.
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Danach wurde die Temperatur der Halbleiterscheibe
durch natürliche
Abkühlung
für 20
min in der HVPE-Vorrichtung, die mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt war,
auf Raumtemperatur abgekühlt,
so daß der GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Schließlich
wurde das abgetrennte GaN-Substrat 45 der HVPE-Vorrichtung entnommen.
Somit entstand ein GaN-Substrat 45 (7D).
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In dem Verfahren nach Beispiel 4
gilt: (1) der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 unterscheidet
sich von dem des GaN-Films 45a; (2) die rillenförmigen Stufen 44c sind
in der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet;
und (3) der SiO2-Film 71 ist auf
der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet.
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Da in dem Verfahren nach Beispiel
4 der SiO2-Film 71 verwendet wird,
entsteht das Kristallwachstum in der Rille 44b und erstreckt
sich über
die SiO2-Abschnitte. Dadurch wirkt eine
Spannung, die durch Gitterverzerrung in den Kristallen bewirkt wird,
auf die Grenzfläche
zwischen dem SiO2-Film 71 und dem
GaN-Film 45a, so daß Risse
in dieser Grenzschicht leichter entstehen. Dadurch stellt das Verfahren
nach Beispiel 4 ein großflächigeres
GaN-Substrat 45 bereit.
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Tatsächlich entstanden in Beispiel
4 Risse im GaN-Film 45a von den Stufen 44c bis
in die Mitte der Rillen 44b parallel zur Oberfläche des
GaN-Films 45a auf der gesamten Halbleiterscheibe, so daß der GaN-Film 45a abgetrennt
wurde. Infolgedessen entstand ein GaN-Substrat 45 mit einem
Durchmesser von 5 cm (2 Zoll).
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Nachdem die Halbleiterscheibe in
Beispiel 4 der HVPE-Vorrichtung
entnommen ist, kann die Halbleiterscheibe für 30 min in eine verdünnte Fluorwasserstoffsäure (H2O:HF=10:1 volumenbezogen) eingetaucht werden,
so daß nur
der SiO2-Film 71 selektiv geätzt wird.
Ferner kann der Temperaturzyklus zum Abtrennen des GaN-Substrats
durchgeführt
werden. Dieser Vor gang verhindert, daß der SiO2-Film 71 bei
der Abtrennung des GaN-Films 45a auf der Oberfläche des
GaN-Substrats 45 verbleibt, so daß ein großflächiges GaN-Substrat 45 mit
einer höheren
Ausbeute entstehen kann.
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In dem Verfahren nach Beispiel 4
kann der Temperaturzyklus durchgeführt werden oder die Halbleiterscheibe
kann schnell wie in den oben beschriebenen Beispielen abgekühlt werden.
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Ferner kann der Film, der aus Si3N4 besteht, anstelle
des SiO2-Films 71 verwendet werden.
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Die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung sind bereits oben beschrieben worden. Die Erfindung
kann jedoch auch in anderen Formen verkörpert sein. Beispielweise ist
die Tiefe D der Rille 44b, die in der Al0,1Ga0,9N-Schicht 44 ausgebildet wird,
0,8 μm,
wodurch die GaN-Schicht 43 nicht erreicht wird. Die Tiefe D
kann jedoch eine Tiefe sein, die die GaN-Schicht 43 erreicht, oder kann
eine Tiefe sein, die so tief ist, daß das Saphirsubstrat 41 freiliegt.
In beiden Fällen,
nämlich
wo die GaN-Schicht 43 oder das Saphirsubstrat 41 durch
Ausbildung der Rillen freiliegt, kann der GaN-Film 45a mit
guter Kristallinität
hergestellt werden, indem die Bedingungen für das Wachstum, z. B. ein Gasstrom
in einem frühen
Zustand des Wachstums des GaN-Films 45a oder die Temperatur
für das
Wachstum, optimiert werden.