JP2001185495A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 サファイアの上に膜厚のGaN層を成長さ
せ、当該GaN層に熱歪を生じさせずに両者を分離して
良質のGaN基板を得る。 【構成】 サファイア上に融点1064℃のAu層を介
して当該Au層の融点未満で厚膜のGaN層を成長さ
せ、その後試料の温度をAu層の融点以上に昇温しAu
層を融解させておいてサファイアとGaN層とを分離す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体基板の製造方法に
関する。例えば、GaNのようなIII族窒化物系化合物
半導体からなる基板の製造方法として好適に利用され
る。
【0002】
【従来の技術】従来、適切な基板結晶が存在しない単結
晶基板を作製する場合は、融点、熱膨張率、格子定数等
を考慮し比較的特性の似た材料(基材)を用いてその上
に直接又は種々のバッファ層を介して結晶成長を行い、
その後、基板を研磨などによって除去する方法をとって
いた。特開平7−202265号公報によればサファイ
ア基板とGaN層との間にZnOからなる中間層を介在
させ、GaN層の形成後に試料を60℃のエッチャント
に浸漬して中間層を溶解除去する方法が開示されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、往々に
して基材の熱膨張係数とその上に成長された結晶の熱膨
張係数とは相違している。そのため、高温での結晶成長
温度から室温へ冷却する過程で熱歪による反りやクラッ
クが発生し、良質の単結晶基板が作製できないという問
題があった。GaNの例を述べると、従来の結晶成長方
法は、サファイアを基材として約1000℃でGaNを
成長し、室温まで降温して反応室から取り出している。
ここにサファイアとGaNの熱膨張係数はそれぞれ7.
5×10−6、5.59×10−6である。熱膨張係数
にこのような違いがあると、図1に示すように、基材1
上に厚膜なGaN2をエピタキシャル成長させたときに
は、反りが現れ更にはクラック3の発生するおそれもあ
る。また、GaNに比べて基材の熱膨張係数が大きいた
め、GaNには圧縮歪みが掛かっている。このように試
料を降温するときGaN層の結晶性に悪影響が及ぶこと
となる。また、このような反りのある試料から基材を研
磨などより除去しGaNからなる基板を得ることは極め
て困難である。また、降温時に応力がかけられているの
で得られたとしてもそのGaN基板は良質なものでなか
った。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明はかかる課題を
解決するためになされた。即ち、この発明の第1の局面
によれば、第1の層の上に第2の層を介して半導体層を
形成し、前記半導体層を形成したときの第1の環境と異
なる第2の環境であって、前記第1の層及び/又は前記
半導体層に対する第2の層の結合力を低下させる第2の
環境下、又は当該第2の環境を経た後において前記半導
体層を分離し、かつ、前記第1の環境から前記第2の環
境までの間、前記半導体層には前記第1の層との熱膨張
係数の相違に基づく歪が実質的に加わっていない、こと
を特徴とする半導体基板の製造方法。
【0005】このような本発明の半導体基板の製造方法
によれば、半導体層を分離するときの第2の環境におい
て半導体層と基材である第1の層の間に介在される第2
の層の結合力が低下しているので、試料から半導体層を
分離することが容易である。更には、第1の環境から第
2の環境までの間に、好ましくは半導体層形成後分離す
るまでの間に、半導体層には熱膨張係数の相違に基づく
歪みが実質的に加えられていないので、半導体層の結晶
性は少なくとも結晶成長時のものが維持される。よっ
て、良質の半導体基板を容易に得られることとなる。第
2の環境を一旦経た第2の層が、その後の環境の如何に
拘わらず、その第1の層及び/又は半導体層に対する結
合力を回復しない場合、即ち一旦低下ないしゼロとなっ
た第2の層の第1の層及び/又は半導体層に対する結合
力が維持される場合には、必ずしも半導体層を第2の環
境下において分離する必要はない。
【0006】上記において基材である第1の層及び中間
層である第2の層は成長させる半導体に応じて適宜選択
されるものである。成長させる半導体がGaNなどのII
I族窒化物系化合物半導体である場合は、例えばサファ
イア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、
リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸
化マンガンなどを基板の材料として挙げることができ
る。本発明者らの検討によれば、基板としてサファイア
を採用し、特にそのa面を用いることが好ましい。
【0007】中間層として第2の層は、第2の環境にお
いて第1の層及び半導体層の少なくとも一方に対する結
合力が低下する材料で形成される。半導体層を単離する
には半導体層に対する第2の層の結合力を低下すること
が好ましい。半導体層を成長させる第1の環境と中間層
である第2の層を脆弱にする第2の環境との相違が物理
的環境条件、特に温度条件にあるときは、第2の層とし
てその融点が半導体層の成長温度(第1の環境の温度)
より高く、かつ第2の環境の温度以下である金属が選ば
れる。かかる金属として、Ti,Ni,Y,Be,M
n,Au,Ag,Cn及びこれらの合金を挙げることが
できる。第1の環境と第2の環境との相違点が化学的環
境条件にあるとき、即ち第2の環境において第2の層が
化学的に分解ないし溶解されるときは、第2の層の形成
材料としてZnO等を挙げることができる。これらの材
料は真空蒸着、スパッタ法などの周知の方法で形成でき
る。第2の層の膜厚も特に限定されない。例えば、10
〜10000nm、好ましくは100〜5000nmで
ある。第2の層は第1の層の全面に形成される必要はな
い。例えば、横方向成長法(ELO法、特開平10−3
12971号公報参照)によりIII族窒化物系化合物半
導体を成長させるときには、成長抑止材料の間において
露出する第1の層の表面に第2の層が形成される。
【0008】半導体層は単結晶基板として求められるも
のであれば特に限定されない。III族窒化物系化合物半
導体を半導体層とすることが好ましい。ここに、III族
窒化物系化合物半導体とは一般式としてAlGa
1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y
≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる
2元系、AlGa1−xN、AlIn1−xN及び
GaIn1−xN(以上において0≦x≦1)のいわ
ゆる3元系を包含する。III族元素の一部をボロン
(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、
窒素(N)の一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチ
モン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III
族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むも
のであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、S
e、Te、C等を用いることができる。p型不純物とし
て、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いるこ
とができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族
窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若し
くは炉による加熱にさらすことも可能である。III族窒
化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されない
が、有機金属気相成長法(MOCVD法)のほか、周知
の分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長
法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング
法、電子シャワー法等によっても形成することができ
る。第2の層と半導体層との間にはバッファ層を形成す
ることが好ましい。半導体層は分離後に半導体基板とし
て用いられるものであるので、ある程度膜厚が必要であ
る。通常基板として用いるためには、100μm以上の
膜厚が要求される。
【0009】熱膨張係数に基づく歪が半導体層にかから
ないようにするには、第1の環境即ち半導体層の成長温
度と第2の環境の温度とを等しくする。本発明者らの検
討によれば、第1の環境の温度と第2の環境の温度との
温度差が、前者の絶対温度を基準として50%以内であ
れば、半導体に実質的に歪がかからないと考えられる。
更に好ましくは30%以内であり、更に更に好ましくは
20%以内である。
【0010】半導体層を分離する方法は特に限定されな
いが、第2の層の結合力が弱くなっている状態で、基材
である第1の層と半導体層とにそれぞれ逆方向の荷重を
掛けてせん断するか、第2の層においてナイフ切断す
る。場合によっては、試料を冷却する際の熱歪が第2の
層に集中し、第2の層において両者が自動的に分離され
るようにしてもよい。半導体層に対する第2の層の結合
力が低下しておれば、当該分離工程によって半導体層を
単離することができる。一方、第2の層の結合力が基材
である第1の層に対してのみ低下している場合は、第2
の層は半導体層に付着することとなる。
【0011】このようにして分離された半導体層は半導
体基板として各種半導体素子に適用される。ここに素子
には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオ
ード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及
びトランジスタ等のバイポーラ素子、FET等のユニポ
ーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイ
スを挙げられる。また、これらの素子の中間体としての
積層体にも本発明は適用されるものである。なお、発光
素子の構成としては、MIS接合、PIN接合やpn接
合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ
構造のものを用いることができる。発光層として量子井
戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)
を採用することもできる。
【0012】本発明者らは上記課題を解決するために、
次なる第2の局面の発明を提案する。第1の層の上に第
2の層を介して半導体層を形成し、その後に前記半導体
層を分離することにより前記半導体層を含む半導体基板
を形成する方法であって、前記第2の層は低融点の歪吸
収層と高融点の下地層とを有し、前記歪吸収層は前記半
導体層を形成する環境の温度において融解状態である、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【0013】この第2の局面の発明によれば、中間層で
ある第2の層が歪吸収層と下地層とで構成され、そのう
ちの歪吸収層は半導体層の成長温度において、即ち第1
の環境において既に融解状態であり第1の層に対する結
合力は殆どゼロである。しかし、下地層が高融点材料
(少なくとも半導体成長温度より高い融点を持つ)から
形成されているので、半導体層の成長に支障の及ぶこと
はない。尤も、基材である第1の層の結晶構造の特性を
利用する観点から言えば、最初歪吸収層の融点未満の温
度で半導体層を成長させ、その後温度を上げて歪吸収層
を融解させることが好ましい。そして、当該歪吸収層が
固体化しないうちに第1の層と半導体層とを分離する。
また、半導体層を分離しなくても、降温時の暫くの間歪
吸収層は融解状態にあるので、第1の層と半導体層との
熱膨張率の差に起因する歪応力がここで吸収緩和され
る。従って、半導体層に反りやクラックが発生しなくな
る。そして、冷却後においてホットプレート等により試
料を昇温してやれば、歪吸収層が再び融解状態となるの
で、第1の層と半導体層とを容易に分離可能となる。こ
のように歪吸収層において分離すると、下地層は半導体
層に付着することになる。従って、下地層は薄く形成
し、これと半導体層との間に熱膨張係数の差がある場
合、当該下地層へ優先的にクラックが生じることとなる
ようにすることが好ましい。
【0014】
【実施例】次に、この発明の実施例について説明する。 第1実施例(図2参照) 第1の層としてのサファイア基材11の表面(a面)に
第2の層としてのAu(融点:1064℃)層12をス
パッタ法により形成する(膜厚:3μm)。その後、M
OCVD装置のサセプタ16に装着する。サセプタ16
には試料装着用の凹部17が形成されている。この凹部
17の深さは、試料を装着した状態でAu層12上面が
サセプタ16の上面とほぼ面一になるようにする。
【0015】Au層12の上にAlNバッファ層13を
例えば400℃の成長温度で10nmの膜厚に成長させ
る。このバッファ層13までをスパッタ法により形成す
ることも出来る。なお、バッファ層13としてGaNを
はじめとする他のIII族窒化物系化合物半導体やZnO
を利用することも出来る。続いて、GaN層14を10
00℃の成長温度でほぼ100μmの膜厚にエピタキシ
ャル成長させる。このGaN層を成長させる環境(第1
の環境)は、通常のMOCVD法を実行するときと同じ
であるが、成長温度をAuの融点1064℃未満とする
必要がある。
【0016】その後、試料を昇温してAu層12を融解
する(第2の環境)。試料の昇温はサセプタ16の温度
をあげることにより行う。このときの試料の温度はGa
N層14が分解せず、かつサファイア基材12とGaN
層14との熱歪の影響が出ない程度とする。この実施例
では試料を1100℃まで昇温させる。Au層12が融
解したら、GaN層14とサファイア基材11とをせん
断する。この実施例ではMOCVD反応室に設けられた
ブレード18をサセプタ16の上面に対して平行移動さ
せることによりGaN層14をサファイア基板11から
分離する。ブレード18を固定しておいてサセプタ16
を移動させても良いし、勿論両者16、18を移動させ
ることも出来る。サセプタ16の上面は分離されたAl
N13−GaN14積層体が滑り易くなるように表面加
工しておくことが好ましい。
【0017】ブレード18の代わりに、図3に示すよう
に、ナイフ19を設け、これで融解状態のAu層12を
カットすることも出来る。この場合、サセプタ18の上
面はサファイア基材11の上面とほぼ面一である。ナイ
フ19を利用する場合は、サセプタ18から凹部19を
省略することが出来る。
【0018】第2実施例(図4参照) この実施例は、ELO法(横方向成長法)を利用して半
導体層の結晶性のより一層の向上を図るものである。第
1の層としてのサファイア基材21のa面上に、常法に
従い、AlNバッファ層22(10nm)とGaN層2
3(2μm)をMOCVD法で形成する。その後、Ga
N層23上にSiO層を形成し、さらにこれをストラ
イプ状にパターニングしてSiOストライプ24を形
成する。SiOストライプ24の上面をマスクして、
GaN層23上にAu層25をスパッタ法により形成す
る。試料を再度MOCVD装置の反応室に移し、第1の
実施例と同様にして、400℃の反応温度でAlN層2
6(膜厚:10nm)を形成し、反応温度を1000℃
まで昇温しGaN層27をエピタキシャル成長させる。
このとき、GaN層は最初SiOストライプ24の間
でファセット構造を発達させ、成長が進むにつれてこの
ファセット構造が埋め込まれて平坦な層となる。なお、
バッファ層23及びGaN層23を省略しサファイア基
材21の上に直接SiOストライプ24及びAu層2
5を形成することも出来る。
【0019】GaN層をELO法により成長させた後、
試料の温度を1100℃まで昇温しAu層25を融解す
る。なお、SiOの上にIII族窒化物系化合物半導体
は成長しないのでSiOストライプ24とAlN層2
6及びGaN層27との間の結合力はほぼゼロである。
従って、サファイア基材21とGaN層27とに対しそ
れぞれSiOストライプ24に沿った方向に相反する
方向の荷重を掛けると両者は分離する。
【0020】第3実施例(図5参照) この実施例は本発明の第2の局面に対応する。第1の層
としてのサファイア基材31のa面に歪吸収層として低
融点(融点:157℃)のInの層32をスパッタ法に
より形成する(膜厚:3μm)。その後、In層32の
上面に下地層として高融点(融点:1660℃)のTi
層33を同じくスパッタ法により形成する(膜厚:1μ
m)。これらIn層32とTi層33より第2の層(中
間層)が構成される。次に、試料をMOCVD装置の反
応室に移してTi層33の上にバッファ層としてのAl
N34をMOCVD法により形成する(膜厚:20n
m)。続いてAlN層34の上にGaN層35をエピタ
キシャル成長させる。
【0021】この例では、GaN層35の成長中におい
て、In層32は融解している。GaN層35の成長終
了後、試料を降温してしばらくはIn層32は融解状態
を維持する。従って、サファイア基材31とGaN層3
5との熱膨張率に基づく歪はIn層32で吸収緩和され
るので、試料を室温まで降温させてもGaN層35に反
りやクラックが発生することはない。その後、例えばホ
ットプレートを使用して室温まで降温された試料を加熱
すれば再びIn層32が融解する。この状態で、サファ
イア基材31とGaN層35とをせん断するか若しくは
In層33においてナイフ切断することにより、両者3
1、35は容易に分離される。勿論、試料を室温まで降
温する前であってIn層32が融解状態である間に、第
1の実施例と同様にしてMOCVD装置内でサファイア
基材31とGaN層35とを分離することも出来る。
【0022】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0023】以下、次の事項を開示する。 (11) 第1の層と半導体層とを第2の層においてせ
ん断する手段を備えた半導体成長装置。 (12) 第1の層を挿入する凹部を備えたサセプタを
有するMOCVD装置であることを特徴とする(11)
に記載の半導体成長装置。 (13) MOCVD装置内に半導体層に当接するブレ
ードが設けられ、該ブレードを前記サセプタの上面に対
して相対的に平行移動させる手段が備えられていること
を特徴とする(12)に記載の半導体成長装置。 (14) 第2の層を切断するナイフを備えることを特
徴とする半導体成長装置。 (21) 請求項1〜9のいずれかに記載の方法により
形成された半導体基板を含む素子。 (31) 第1の層、第2の層及び半導体層を順次積層
してなる積層体であって、前記第1の層と前記半導体層
とは異なる熱膨張係数を有し、前記第2の層は前記半導
体層を形成したときの第1の環境と異なる第2の環境下
において、前記第1の層及び/又は前記半導体層に対す
る第2の層の結合力が低下ないしゼロとなる、ことを特
徴とする積層体。 (32) 前記第2の層は前記第1の環境で固体であ
り、前記第2の環境で融解する、ことを特徴とする(3
1)に記載の積層体。 (33) 前記第2の層は前記第2の環境において選択
的に分解若しくは溶解される、ことを特徴とする(3
1)に記載の積層体。 (34) 前記第1の層はサファイア基板であり、前記
半導体層はIII族窒化物系化合物半導体であり、前記第
2の層は金属であり、該金属は前記第1の環境の温度で
は固体状態であり、前記第2の環境の温度では融解状態
である、ことを特徴とする(31)に記載の積層体。 (35) 第1の層、第2の層及び半導体層を順次積層
してなる積層体であって、前記第1の層と前記半導体層
とは異なる熱膨張係数を有し、前記第2の層は前記第1
の層側の低融点歪吸収層と前記半導体層側の高融点下地
層とからなり、前記歪吸収層は前記半導体層を形成する
環境の温度において融解状態であることを特徴とする積
層体。 (37) 前記第1の層はサファイア基板であり、前記
第2の層の歪吸収層はInであり、前記下地層はTiで
あり、前記半導体層はIII族窒化物系化合物半導体であ
る、ことを特徴とする(35)積層体。 (41) (31)〜(37)のいずれかに記載の第1
の層と第2の層とからなる積層体。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は基材と半導体層の熱膨張係数の相違に基
づく歪の発生を示した模式図である。
【図2】図2は本発明の実施例1の製造方法を示す模式
図である。
【図3】図3は実施例1の製造方法の変形態様を示す模
式図である。
【図4】図4はこの発明の実施例2の製造方法を示し、
シリコン基材とGaN層とが分離される前の試料の構成
を示す断面図である。
【図5】図5はこの発明の実施例3の製造方法を示し、
シリコン基材とGaN層とが分離される前の試料の構成
を示す断面図である。
【符号の説明】
1、11、21、31 シリコン基材(第1の層) 2、14、27、35 GaN層(半導体層) 12、25 Au層(第2の層) 32 In層(歪吸収層) 33 Ti層(下地層)
フロントページの続き Fターム(参考) 4K030 AA11 BA01 BA08 BA38 BA55 CA05 DA08 FA10 LA14 5F041 AA40 CA34 CA40 CA65 CA67 CA77 5F045 AA04 AA18 AA19 AB09 AB14 AB17 AB18 AB32 AB40 AD08 AD14 AF03 AF04 AF07 AF09 AF10 AF20 BB11 CA09 DA53 DA55 GH08 HA16 5F073 CA02 CB02 DA05 DA07 DA16 DA35

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の層の上に第2の層を介して半導体
    層を形成し、 前記半導体層を形成したときの第1の環境と異なる第2
    の環境であって、前記第1の層及び/又は前記半導体層
    に対する第2の層の結合力を低下させる第2の環境下、
    又は当該第2の環境を経た後において前記半導体層を分
    離し、かつ、前記第1の環境から前記第2の環境までの
    間、前記半導体層には前記第1の層との熱膨張係数の相
    違に基づく歪みが実質的に加わっていないことを特徴と
    する半導体基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第2の層の形成材料は前記第1の環
    境で固体であり、前記第2の環境で融解する、ことを特
    徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第2の環境は前記第2の層を選択的
    に分解若しくは溶解する、ことを特徴とする請求項1に
    記載の半導体基板の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第1の層はサファイア基板であり、
    前記半導体層はIII族窒化物系化合物半導体であり、前
    記第2の層は金属であり、該金属は前記第1の環境の温
    度では固体状態であり、前記第2の環境の温度では融解
    状態である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体
    基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 第1の層の上に第2の層を介して半導体
    層を形成し、その後に前記半導体層を分離することによ
    り前記半導体層を含む半導体基板を形成する方法であっ
    て、前記第2の層は低融点の歪吸収層と高融点の下地層
    とを有し、前記歪吸収層は前記半導体層を形成する環境
    の温度において融解状態である、ことを特徴とする半導
    体基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記半導体層は最初前記歪吸収層の融点
    未満の温度で成長し、その後、前記歪吸収層の融点以上
    であって前記下地層の融点未満の温度で成長する、こと
    を特徴とする請求項5に記載の半導体基板の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記第1の層はサファイア基板であり、
    前記第2の層の歪吸収層はInであり、前記下地層はT
    iであり、前記半導体層はIII族窒化物系化合物半導体
    であり、 該半導体層は前記歪吸収層を構成するInの融点未満の
    基板温度で最初形成され、次に前記Inの融点以上前記
    下地層のTiの融点未満の基板温度で形成され、降温
    後、前記第1の層から前記半導体層を分離する、ことを
    特徴とする請求項5又は6に記載の半導体基板の製造方
    法。
  8. 【請求項8】 前記歪吸収層が融解状態において前記サ
    ファイア基板から前記半導体層を分離する、ことを特徴
    とする請求項7に記載の半導体基板の製造方法。
  9. 【請求項9】 室温まで降温した後に前記サファイア基
    板から前記半導体層を分離する、ことを特徴とする請求
    項7に記載の半導体基板の製造方法。
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