JP2002134422A

JP2002134422A - 窒化物半導体膜の製造方法および窒化物半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP2002134422A
Application number: JP2000325327A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ishida; 昌宏石田; Masaya Mannou; 正也萬濃; Masahiro Ogawa; 雅弘小川; Masaaki Yuri; 正昭油利
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-10

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物半導体とは異なる材料の基板と、窒化
物半導体との熱膨張係数差を緩和し、歪の低減された窒
化物半導体膜を製造する方法および、歪の低減された窒
化物半導体基板を製造する方法を提供する。【解決手段】窒化物半導体より熱膨張係数が大きな層
の両側に、窒化物半導体より熱膨張係数が小さな層を設
置した複合基板を用い、その上に窒化物半導体を成長す
る。具体的には、サファイア基板の両主面にシリコンを
貼り合わせた複合基板の１主面上に窒化物半導体を成長
する。さらに、シリコン基板をエッチングで除去して窒
化物半導体基板を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系化合物半
導体層を備えた半導体装置の製造などに用いられる、窒
化物半導体膜の製造方法および、窒化物半導体基板の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導
体は、青色や緑色のＬＥＤや、青色半導体レーザ、高温
動作可能な高速トランジスタなどに用いる材料として、
好適である。窒化物半導体を成長させるための基板とし
て、従来よりサファイア基板などが広く用いられてい
る。ただし、サファイアなどの窒化物半導体膜とは異な
る材料の基板を用いた成長では、窒化物半導体と異種材
料基板との熱膨張係数の差による、基板の反り、クラッ
クの発生、それらに伴う結晶性の悪化がある。近年我々
はこれらを防ぐ方法として、窒化物半導体より熱膨張係
数の大きなサファイア上に、窒化物半導体より熱膨張係
数の小さなシリコンを結晶成長により形成し、その上に
窒化物半導体を成長する技術を開発している（２０００
年秋季応用物理学会講演番号５ａ−Ｙ−４）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イア上にシリコンを形成した複合基板（以下、シリコン
・オン・サファイア基板、略してＳＯＳ基板と称する）
によって、窒化物半導体膜に加わる歪を低減させようと
すると、シリコンの膜厚をサファイアの膜厚の１／３．
５程度、例えば、サファイア３５０μｍに対して、１０
０μｍ程度の厚さのシリコンを形成する必要があった。
このように厚いシリコンをサファイア上に形成すると、
サファイアとシリコンは相当の熱膨張係数差を有するの
で、窒化物半導体の成長工程の加熱などによってＳＯＳ
基板が反ってしまい、場合によっては基板が割れてしま
うという課題があった。また、ＳＯＳ基板上に窒化物半
導体を成長した場合でも反りなどが残るため、窒化物半
導体膜中に加わる歪を完全にゼロにすることは非常に困
難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の窒化物半導体膜の製造方法および窒化物半
導体基板の製造方法は、以下に示す構成よりなるもので
ある。

【０００５】本発明の窒化物半導体膜の製造方法は、窒
化物半導体より大きな熱膨張係数を有する層の両側に、
窒化物半導体より小さな熱膨張係数を有する層を形成し
て複合基板とし、その少なくとも一主面に、窒化物半導
体膜が成長するというものである。本構成によって、複
合基板は大きな熱膨張係数の両側に小さな熱膨張係数の
層を配置しているため、温度の昇降によって生じる反り
が低減され、基板の割れなどを防ぐことが可能である。

【０００６】前記窒化物半導体より小さな熱膨張係数を
有する層は、厚さがほぼ等しいことが好ましい。

【０００７】ある実施の形態として、熱膨張係数が大き
い層の熱膨張係数がα₁、ヤング率がＥ₁、熱膨張係数が
小さい層の熱膨張係数がα₂、ヤング率がＥ₂であり、窒
化物半導体の熱膨張係数がα_Nであるとき、熱膨張係数
が大きい層の厚さＴ₁と、熱膨張係数が小さい層の厚さ
の合計Ｔ₂との比Ｔ₁／Ｔ₂が、ほぼ

【０００８】

【数４】

【０００９】の関係を満たすべく、前記複合基板が構成
される。

【００１０】本発明の窒化物半導体膜の製造方法は、窒
化物半導体より熱膨張係数が小さいサファイア層の両側
に、窒化物半導体より熱膨張係数が大きいシリコン層を
形成して複合基板とし、その少なくとも一方のシリコン
層上に、窒化物半導体を成長することを特徴とする。本
構成においては、サファイア、シリコンともに窒化物半
導体を成長する高温の原料ガス雰囲気中で、著しい腐食
や不純物の生成をしないので、良好な結晶の窒化物半導
体を成長することが可能である。

【００１１】前記サファイア層の両側の前記シリコン層
の厚さはほぼ等しいことが好ましい。

【００１２】ある実施の形態では、前記サファイア層の
厚さが、前記シリコン層の厚さの合計の、ほぼ半分とす
る。

【００１３】ある実施の形態では、前記窒化物半導体が
成長される前記シリコン層の主面の面方位は（１１１）
面と等価な面である。

【００１４】前記サファイア層の主面の面方位が（００
０１）面と等価な面であることが好ましい。

【００１５】前記サファイア層の主面の面方位が（１１
−２０）面と等価な面であることが好ましい。

【００１６】本発明の半導体基板の製造方法は、サファ
イア層の両側にシリコン層を形成した複合基板上の少な
くとも一方のシリコン層上に、窒化物半導体を成長する
工程と、窒化物半導体の下のシリコン層を除去する工程
とを有することを特徴とするものである。本構成によっ
て、成長した窒化物半導体は歪や反りが低減されてお
り、充分な厚さの成長が可能であるので、半導体装置の
製造などに用いることができる窒化物半導体基板を得る
ことができる。

【００１７】ある実施形態では、前記シリコン層を除去
する工程はフッ酸を含む溶液中で行われる。

【００１８】本発明の窒化物半導体膜の製造方法は、窒
化物半導体より小さな熱膨張係数を有する層の両側に、
窒化物半導体より大きな熱膨張係数を有する層を形成し
て複合基板とし、その少なくとも一主面に、窒化物半導
体膜が成長するというものである。本構成によって、複
合基板は小さな熱膨張係数の両側に大きな熱膨張係数の
層を配置しているため、温度の昇降によって生じる反り
や基板の割れなどを防ぐことが可能である。

【００１９】前記窒化物半導体より大きな熱膨張係数を
有する層は、厚さがほぼ等しいことが好ましい。

【００２０】ある実施の形態として、熱膨張係数が大き
い層の熱膨張係数がα₁、ヤング率がＥ₁、熱膨張係数が
小さい層の熱膨張係数がα₂、ヤング率がＥ₂であり、窒
化物半導体の熱膨張係数がα_Nであるとき、熱膨張係数
が大きい層の厚さＴ₁と、熱膨張係数が小さい層の厚さ
の合計Ｔ₂との比Ｔ₁／Ｔ₂が、ほぼ

【００２１】

【数５】

【００２２】の関係を満たすべく、前記複合基板が構成
される。

【００２３】本発明の窒化物半導体膜の製造方法は、シ
リコン層の両側にサファイア層が形成された複合基板
の、少なくとも一方のサファイア層上に、窒化物半導体
を成長することを特徴とするものである。本構成におい
ては、サファイア、シリコンともに窒化物半導体を成長
する高温の原料ガス雰囲気中で、著しい腐食や不純物の
生成をしないので、良好な結晶の窒化物半導体を成長す
ることが可能である。

【００２４】前記サファイア層の厚さは、ほぼ等しいこ
とが好ましい。

【００２５】前記サファイア層の厚さの合計が、前記シ
リコン層の厚さのほぼ半分であることが好ましい。

【００２６】前記窒化物半導体が成長される前記サファ
イア層は、主面の面方位が（０００１）面と等価な面で
あることが好ましい。

【００２７】本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、
シリコン層の両側の主面上にサファイア層が形成された
複合基板の、少なくとも一方のサファイア層上に窒化物
半導体を成長する工程と、窒化物半導体の下のサファイ
ア層を除去する工程とを有することを特徴とする。本構
成によって、成長した窒化物半導体は歪や反りが低減さ
れており、充分な厚さ成長が可能であるので、半導体装
置の製造などに用いることができる窒化物半導体基板を
得ることができる。

【００２８】ある実施形態では、前記シリコン層をフッ
酸を含む溶液で除去する工程の後、前記サファイア基板
を除去する工程を行う。

【００２９】本発明の窒化物半導体膜の製造方法は、あ
る実施形態では、前記窒化物半導体膜の膜厚荷重平均の
熱膨張係数がα_Nであり、前記複合基板を形成する層を
ある順序で数えてｉ番目の層の熱膨張係数がα_iであ
り、かつｉ番目の層のヤング率がＥ_iであり、ｉ番目の
層の膜厚がＴ_iであり、これらの値がほぼ

【００３０】

【数６】

【００３１】を満たすべく、前記複合基板が構成されて
いる。本構成においては、前記複数の層の窒化物半導体
層に対する歪の和が打ち消されているため、温度の昇降
による基板の反りや割れの発生がなく、歪のない良好な
結晶性の窒化物半導体膜を厚く成長することができる。

【００３２】ある実施の形態では、前記複数の層は表裏
対称に積層されている。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００３４】（実施の形態１）図１を参照しながら、本
発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、実
施形態１にかかる窒化物半導体膜の製造方法を示してい
る。

【００３５】まず、サファイア層１と、２枚のシリコン
層２との貼り合わせ工程を行う。シリコン層２とサファ
イア層１の径はいずれも２インチである。シリコン層２
の面方位は（１１１）面とし、サファイア層１の面方位
は（０００１）面とする。以下、面方位については、等
価な面での置き換えを行っても同様の結果が得られるこ
とは言うまでもない。例えば、シリコン（１１１）面に
対する等価な面とは、シリコン（１、−１、１）面、
（−１、１、１）面、（１、１、−１）面、（−１、−
１、１）面、（−１、１、−１）面、（１、−１、−
１）面である。なお、結晶の面方位を表す指数として、
１バーを用いるのに変えて、−１と標記することとす
る。

【００３６】結晶成長を行う面と貼り合わせを行う面は
鏡面であることが好ましいことから、シリコン層２とサ
ファイア層１はいずれも両面鏡面とする。

【００３７】シリコン層２やサファイア層１の膜厚につ
いても、できるだけ均一なものを選び、シリコン層２と
サファイア層１のいずれもが４００μｍのものを使用す
る。

【００３８】まず、サファイア層１の洗浄を行う。

【００３９】サファイア層１は、１５０℃に加熱したリ
ン酸と硫酸の混合溶液で洗浄した後、水洗を行い乾燥す
る（図１（ａ））。

【００４０】乾燥後は、速やかに、例えば１時間以内程
度に、真空の蒸着装置内に基板を導入する。

【００４１】図１（ｂ）に示すように、蒸着装置内で、
サファイア層１の一主面上にＡｌ層３を蒸着する。本実
施の形態では、Ａｌ層３の厚さは５０ｎｍである。な
お、Ａｌ層３の形成方法は蒸着に限定するものではな
い。

【００４２】Ａｌ層３が蒸着されたサファイア層１を真
空中から取り出し、速やかにサファイア層を裏向けて配
置し装置内を真空にして、再度蒸着装置内でＡｌを蒸着
する。Ａｌ層の厚さは同じく５０ｎｍとする（図１
（ｃ））。なお、蒸着装置に、真空を破らずに基板を裏
向ける工夫を加え、一度の蒸着で両面にＡｌが蒸着され
るようにしても良い。

【００４３】つぎに、サファイア層１は蒸着装置内で真
空に引いたまま保管し、２枚のシリコン基板２の洗浄を
行う。シリコン層２は、アセトンなどの有機溶剤で洗浄
した後、水洗を行い、フッ酸を含む溶液で酸化膜を除去
する。その後、フッ酸を除去する目的で軽く水洗し、乾
燥する。洗浄後、速やかに蒸着装置からサファイア層１
を取り出し、サファイア層１の両側に速やかにシリコン
層２とＡｌ層３を密着させ、加熱炉内へ導入し、炉内を
真空とする。このとき、サファイア層１とシリコン層２
の向きや設置方法などは特に限定するものではないが、
シリコン層２、サファイア層１、シリコン層２を重ねて
おくこととする。特に荷重はかけずに、基板自身の重さ
のみでＡｌ層３とシリコン層２とを密着させることとす
る（図１（ｄ））。

【００４４】炉内の排気を行った後に、常圧で、窒素ガ
スの毎分１５リットルのフロー中で６００℃の基板温度
で１５分加熱した。引き続き、さらに結合強度を増す目
的で８００℃、１５分の加熱を行った。加熱中は、シリ
コン層２とサファイア層１の界面には液体のＡｌ−Ｓｉ
合金層４が形成されて基板は互いに密着している（図１
（ｅ））。

【００４５】加熱炉の温度を下げ、ＳＯＳ基板が完成す
る。炉の温度を８００℃から下げた瞬間に、合金層４は
固化し、基板同士を強固に結合する。そのため、シリコ
ン層２とサファイア層１の界面には、熱膨張係数差によ
る応力が加わる。しかしながら、本実施の形態のＳＯＳ
基板は、サファイア層１の両面にシリコン層２が形成さ
れているため、一方の主面のシリコン層が熱膨張係数差
によって反ろうとする力と、他方の主面のシリコン層が
反ろうとする力とが打ち消しあう。なお、反ろうとする
力を効果良く打ち消すには、２つのシリコンの膜厚をほ
ぼ等しくすることが好ましいことはいうまでもない。

【００４６】また、本実施の形態においては、サファイ
ア（０００１）面およびシリコン（１１１）面の熱膨張
係数が面内で同じであるため、ＳＯＳ基板が一方向に反
るなどの現象は観察されない。

【００４７】次に、ＳＯＳ基板上に窒化物半導体を成長
させる。本実施の形態では両方のシリコンとも両面研磨
なので、鏡面の窒化物半導体が成長可能であるが、加熱
炉内でガス側になっていた面の方が、サセプタからの付
着物がないので好ましい。なお、長期保管などで、シリ
コン表面が酸化ないしは汚染されている可能性があると
きは、フッ酸などでＳＯＳ基板を洗浄しても良い。

【００４８】ＳＯＳ基板を有機金属気相成長（以下ＭＯ
ＶＰＥと略する）装置に導入する。まず、水素の毎分１
０リットルのフロー中で１０００℃に加熱し、表面に付
着した水分等を除去する。

【００４９】なお、ＳＯＳ基板は１０００℃の状態で
は、液化した合金層４を介して密着している状態であ
る。ＭＯＶＰＥ装置で基板を高速回転するなど基板に相
当の負荷がかかる場合は、基板が剥がれる恐れがあるの
で、いったん１０００℃より高い温度に加熱し、１００
０℃まで温度を下げても良い。このように１０００℃よ
り高い温度に加熱すると、合金層４の融点は加熱温度ま
で高まり、再び１０００℃にしたときは固化する。ま
た、本実施の形態では両面にシリコンを配したＳＯＳ基
板なので、このような処理を施しても基板が反ることは
ない。

【００５０】つぎに、アンモニアを導入し、引き続いて
水素で希釈した有機金属を導入することで成長が開始す
る。シリコンに接する層は、アルミを含む混晶とする方
が核形成密度が高く鏡面成長が得られやすいため、まず
トリメチルアルミニウムを導入して、ＡｌＮ層５を１０
０ｎｍの厚さに成長する。

【００５１】つぎにトリメチルアルミニウムを停止し、
トリメチルガリウムを導入し、ＧａＮ層６を２μｍの厚
さに成長する。成長後、基板温度を室温に下げ、ＭＯＶ
ＰＥ装置から基板を取り出す（図１（ｆ））。

【００５２】取り出された基板は、窒化物半導体より熱
膨張係数の大きなサファイアと、熱膨張係数の小さなシ
リコンがあるために、熱膨張係数差による応力を打ち消
しあって、ＧａＮ層６には割れやクラックが観測されな
かった。また、サファイア層１の両面にシリコン層２が
あるため反りも観測されなかった。

【００５３】また、窒化物半導体を成長させた面がシリ
コンの（１１１）面であるため、その上には結晶性の良
いＧａＮの（０００１）面が成長した。なお、サファイ
ア層１および、窒化物半導体を成長させない方のシリコ
ン層２の面方位は、特に、限定するものではない。例え
ば、サファイア（１１−２０）面基板は大面積化が容易
で、かつ単位面積あたりの価格も安いので、コスト面で
有利である。

【００５４】つぎに、基板をハイドライド気相成長（以
下ＨＶＰＥと略する）装置に導入して、厚膜のＧａＮの
成長を行った。まず、毎分１０リットルの窒素雰囲気中
で基板１０００℃に加熱し、引き続いてアンモニアを導
入した。さらに基板の上流に設置された金属Ｇａに塩化
水素（ＨＣｌ）を照射すると、生成された塩化ガリウム
とアンモニアが基板上で反応してＧａＮが成長する。成
長速度はおおよそ毎時１００μｍである。

【００５５】ＨＶＰＥ装置内で３時間の成長を行って、
３００μｍのＧａＮ層７を得た。成長後、基板を室温に
下げ、ＨＶＰＥ装置から基板を取り出した。ＧａＮ層７
は３００μｍもの厚さがあるにもかかわらず、反りやク
ラックは全く観測されなかった（図１（ｇ））。

【００５６】本実施の形態における、両面にシリコン層
を有するＳＯＳ基板は、擬似的にＧａＮと同じ熱膨張係
数を有する基板として働く。したがって、非常に厚いＧ
ａＮや、任意の厚さのＧａＮをクラックや反りなく成長
する方法を提供することができる。なお、ＳＯＳ基板に
は合金層４が存在しているが、合金層は強固に固化して
サファイアとシリコンを結合すると共に、全体の厚さが
千数百μｍに対して、高々百数十ｎｍの厚さしかないの
で熱膨張係数に与える影響は軽微である。またシリコン
層２とＧａＮ層６の間にはＡｌＮ層５が存在しているが
こちらも、全体の厚さに比べて薄いため、窒化物半導体
全体の平均の熱膨張係数はほとんどＧａＮと同じであ
る。

【００５７】なお、窒化物半導体層が複数の層から形成
されるときはそれらの膜厚荷重平均を全体の熱膨張係数
として考えればよいことはいうまでもない。また、Ｇａ
ＮやＡｌＮ以外の任意の窒化物半導体の混晶に対して
も、サファイアの熱膨張係数は大きく、シリコンの熱膨
張係数は小さいために、サファイアまたはシリコンの膜
厚を調整すれば、無歪、無反り成長が可能であることは
いうまでもない。

【００５８】（実施の形態２）図２から図３を参照しな
がら、実施の形態２について説明する。

【００５９】図２は、サファイア層に１層のシリコンを
介してＧａＮを成長したときのＧａＮ層の応力と曲率を
計算により示したものである。応力は、ＧａＮ層とシリ
コン界面の値である。曲率は、曲率半径の逆数である。
成長温度と室温との差を１０００℃と仮定している。サ
ファイアの厚さは４００μｍ、ＧａＮの厚さは２００μ
ｍでシリコンの膜厚を変化させている。なお、各層のヤ
ング率および熱膨張係数を以下に示す。

【００６０】

【表１】

【００６１】図２に示されるように、シリコンの膜厚が
およそ１００μｍのとき、ＧａＮ層の応力はゼロとな
る。しかしながら、反りは解消されていないことが分か
る。

【００６２】一方、図３は、サファイア層の両方の主面
に同じ厚さのシリコン層を設置し、一方のシリコン層上
にＧａＮを成長したときの応力と曲率である。サファイ
アの厚さは４００μｍ、ＧａＮの厚さは２００μｍとし
て、シリコンの膜厚を変化させている。シリコンの膜厚
が３９０μｍのとき、応力、曲率共にゼロになることが
わかる。

【００６３】応力、曲率ともにゼロになる要件について
以下に示す。

【００６４】サファイアの熱膨張係数をα₁、ヤング率
をＥ₁、厚さをＴ₁、シリコンの熱膨張係数をα₂、ヤン
グ率をＥ₂、シリコンの厚さの合計Ｔ₂、窒化物半導体の
熱膨張係数をα_Nとする。

【００６５】フリースタンディングのサファイア基板
の、ある温度での長さがＬであった場合、Δｔ温度変化
したときの長さは、

【００６６】

【数７】

【００６７】である。

【００６８】一方、両面にシリコンを有するＳＯＳ基板
が、擬似的に窒化物半導体と同じ熱膨張係数を有する場
合、ＳＯＳ基板中のサファイア層の長さは、

【００６９】

【数８】

【００７０】となる。このとき、サファイア層に加わる
応力は、サファイアを圧縮する方向をプラスとして、

【００７１】

【数９】

【００７２】となる。

【００７３】同様にして、ＳＯＳ基板中の各シリコン層
に加わる応力の合計は、

【００７４】

【数１０】

【００７５】となる。なお、α₂は、α_Nより小さいの
で、Δｔが正のとき、この値はマイナスの値であり、シ
リコンを引っ張る方向に応力が加わっていることを示
す。

【００７６】基板が貼り合わさっているということはこ
れらの応力が釣り合っているということなので、

【００７７】

【数１１】

【００７８】すなわち、

【００７９】

【数１２】

【００８０】が成立する。この式は、右辺に絶対値を取
っているので、実施の形態１とは逆に、シリコン層の両
側にサファイア層を配した場合にも、シリコンの符号を
１、サファイアの符号を２として成立することはいうま
でもない。また、シリコンやサファイアに限らず、他の
材料一般に対して成立することはいうまでもない。

【００８１】上式に、符号１がサファイア（ｓａｐ）、
符号２をシリコン（Ｓｉ）とし、窒化物半導体がＧａＮ
として値を代入すると、

【００８２】

【数１３】

【００８３】となり、おおよそ、シリコンの膜厚の合計
をサファイアの膜厚の合計の２倍とすれば、歪と反りの
ないＧａＮの成長が可能である。また、ＧａＮ単層以外
でも、実際のレーザなどのデバイスは、ＧａＮを組成の
中心として、Ａｌ組成が小さくかつ薄いＡｌＧａＮ層
と、Ｉｎ組成が小さくかつ薄いＩｎＧａＮ層により構成
されているので、平均の熱膨張係数はＧａＮに近い場合
がほとんどであり、数１３に示す厚さのシリコン層とサ
ファイア層によるＳＯＳ基板はほとんどの窒化物半導体
装置の基板として用いることができる。

【００８４】（実施の形態３）図４を参照しながら、実
施の形態３について以下に説明する。

【００８５】図４は、実施の形態３における窒化物半導
体基板の製造方法である。

【００８６】図４（ａ）は、実施の形態１と同じ方法で
作成したＳＯＳ基板上のＧａＮである。ただし、実際の
成長では基板の側面にもＧａＮが成長してしまう場合が
あるので、その様子をより忠実に示している。

【００８７】図４（ｂ）に示すように、基板側面に成長
している窒化物半導体を除去する。このとき、側面の一
部だけでも良いが、より好ましくは全周の窒化物半導体
を除去する。

【００８８】この基板をフッ酸と、硝酸などの酸化性の
酸を含んだ溶液でエッチングすると、サファイアと窒化
物半導体はエッチングされず、シリコン層２と合金層４
が選択的にエッチングされ、窒化物半導体よりなるフリ
ースタンディング基板８が得られた（図４（ｃ））。

【００８９】エッチングの際は、周囲からシリコンが溶
けていく。

【００９０】このときシリコンが不均一に溶けていく
と、熱膨張係数差や反りがＧａＮに局部的に加わって割
れが生じることがある。これを防ぐには前述のように、
基板側面の窒化物半導体を全て取り除き、さらに好まし
くは、エッチング中に充分撹拌を行って、エッチングが
均一に進行するようにする。

【００９１】また、ＧａＮが堆積していない方のシリコ
ンが先に溶けて消失してしまうような場合にも、割れが
生じることがある。これを防ぐには、予め、ＧａＮを成
長させていないシリコンの表面に、エッチング液では腐
食されにくい材料、例えば、ＳｉＮ膜、金、白金などの
金属膜、レジスト、樹脂類を設置しておけばよい。

【００９２】必要に応じて、ＡｌＮ層５、ＧａＮ層６を
除去すれば、直径２インチのＧａＮ単体よりなるフリー
スタンディング基板８が得られた（図４（ｄ））。

【００９３】なお、両方のシリコン層２に窒化物半導体
を成長させれば、ＧａＮを堆積していない方のシリコン
が先に溶けるような課題が解決できる上に、一度のプロ
セスでフリースタンディングのＧａＮ基板が２枚得られ
るという効果があることは、いうまでもない。

【００９４】なお、サファイア層１は、再度シリコン層
２を貼り合わせることにより、再利用できることはいう
までもない。

【００９５】（実施の形態４）図５を参照しながら、実
施の形態４について以下に説明する。

【００９６】図５（ａ）は厚さ１５０μｍの２枚のサフ
ァイア層１である。径は２インチで面方位は（０００
１）で両面鏡面である。サファイア層１を洗浄し、２枚
おのおのに、Ａｌ層を５０ｎｍ蒸着する。蒸着後速やか
に、洗浄した厚さ６００μｍ、２インチ径の（１１１）
シリコン層２を、Ａｌ層３を介して密着させる（図５
（ｂ））。

【００９７】この状態で、６００℃１５分、引き続き８
００℃１５分で加熱して、シリコン層２の両面にサファ
イア層１が接合されたＳＯＳ基板が完成する（図５
（ｃ））。

【００９８】続いて、ＳＯＳ基板をＨＶＰＥ炉に導入
し、ＧａＮの成長を行う。サファイア上には直接ＧａＮ
を成長可能であるが、好ましい実施の形態として、サフ
ァイア上へのＧａＮの核形成密度を高めて鏡面のＧａＮ
成長が行われやすいように、成長に先立って１０００℃
でアンモニアと窒素のフローに３０分保持し、サファイ
ア表面を窒化しておく。引き続いてＨＣｌを導入するこ
とでＧａＮ層７の成長を行った。ＧａＮ層７の厚さは５
００μｍとした。

【００９９】基板の温度を室温にまで下げ、基板を取り
出したところ、ＧａＮ層７は５００μｍもの厚さを有し
ているにもかかわらず、反りや割れやクラックは生じて
いなかった。また、ＧａＮを成長させる面がサファイア
（０００１）面であるため、良好な結晶のＧａＮ（００
０１）面が成長した（図５（ｄ））。なお、この状態で
窒化物半導体装置などを形成することも可能である。

【０１００】つぎに、ＳＯＳ基板を除去して、ＧａＮ基
板の作製を行った。

【０１０１】ある実施の形態としては、研磨中に基板が
反らないように、ＧａＮ層７を強固に保持して、裏面か
ら研磨を行う方法がある。しかしながら、ＳＯＳ基板は
９００μｍもの厚さを有しているので、研磨のためにダ
イヤモンドなどの高価な研磨剤を大量に要し、かつ、非
常に非効率的である。

【０１０２】そこで、本実施の形態では、以下のように
除去を行った。

【０１０３】まず、基板側面に付着している窒化物半導
体を除去した（図５（ｅ））。次に、フッ酸と硝酸によ
る混合溶液でシリコン層２と合金層４を除去した（図５
（ｆ））。シリコン層２の除去後は、ＧａＮ層７に付着
しているのは、わずか１５０μｍのサファイア層１であ
るので、研磨のみでＳＯＳ基板全てを除去するより著し
く効率が良い。また、サファイア層１の厚さはＧａＮ層
７の厚さより薄いので、熱膨張係数差等による反りや割
れの問題もほとんどない。なお、ＧａＮ層７の割れを防
ぐため、ＧａＮ層７の厚さはサファイア層１の厚さより
大きくするか、または小さくすることによって、サファ
イア層１の反りを小さくするのが好ましい。より好まし
くは、ＧａＮ層７の厚さはサファイア層１の２倍以上と
するないしは３分の１以下とする。

【０１０４】最後に、ＧａＮ層７の裏面に残ったサファ
イア層１を研磨によって除去して、ＧａＮ基板８を得る
ことができた（図５（ｇ））。

【０１０５】（実施の形態５）以下、実施の形態５に関
して説明を行う。

【０１０６】実施の形態５は、より多層の複合基板を用
いた、一般的な場合についてである。ｎ個の層を有する
複合基板上に窒化物半導体層を成長して、歪や反りが発
生しない場合、数１１を参照して、以下の式が成立す
る。

【０１０７】

【数１４】

【０１０８】なお、ここではより一般化して、各層の形
成温度をΔｔ_iとしているが、多くの場合は基板の貼り
合わせ等は同一の温度で一度で行うことが考えられるの
で、次式が成立する。

【０１０９】

【数１５】

【０１１０】数１５が多数の層を有する場合の膜厚条件
を与える式である。

【０１１１】また、温度の昇降による基板の反りを防ぐ
ためには、熱膨張係数差によって反ろうとする力を打ち
消すために、表裏対称に層を積層すればよい。

【０１１２】以上の式は、一般の材料全てに成立する関
係であり、単結晶に限らず多結晶やガラスなどのアモル
ファスでも同様に成立する。したがって、窒化物半導体
を成長する面さえ適切に選べば、熱膨張係数とヤング率
が釣り合うように、上式にしたがって膜厚を決めさえす
れば、歪や反りのない窒化物半導体の成長が可能であ
る。例えば、窒化物半導体を成長させる面のみを単結晶
として、他の層は高価なサファイアに替えて、多結晶の
サファイアいわゆるアルミナを用い、単結晶シリコン基
板に替えて、太陽電池などに用いる安価な多結晶シリコ
ンを用いてもよい。例えば、窒化物半導体の成長に悪影
響を及ぼさないＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎなどの
物質でセラミックスを構成し、その配合および層構成を
適切に行って、表面に単結晶基板を貼り合わせて窒化物
半導体を成長するといったことも可能である。

【０１１３】なお、複合基板の作製方法は貼り合わせ以
外の、例えば結晶成長や堆積やコーティングなどの方法
によっても良いことはいうまでもない。

【０１１４】なお、異種基板上に成長した窒化物半導体
には熱膨張係数差による応力以外に、格子定数差による
応力が加わっている場合があるが、このときは、格子定
数差による応力の方向に応じて、シリコンないしはサフ
ァイアの層の厚さを調整すればよいことは言うまでもな
い。

【０１１５】

【発明の効果】以上のように、本発明の窒化物半導体膜
の製造方法によれば、反りやクラックや歪を低減した良
好な結晶の窒化物半導体を提供することが可能となり、
窒化物半導体基板を供するため厚い膜の製造方法や、歪
が低減された良好な特性の窒化物半導体装置を製造する
ための窒化物半導体膜の製造方法を提供することが可能
であるという効果を有する。また、本発明の窒化物半導
体基板の製造方法によれば、反りや歪が低減された良好
な結晶性の窒化物半導体による基板を提供することがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における窒化物半導
体膜の製造方法を表す図

【図２】本発明の第２の実施の形態における、シリコン
層が１層のシリコン・オン・サファイア基板上に成長し
たＧａＮの反りと歪の関係を表す図

【図３】本発明の第２の実施の形態における、シリコン
層が２層のシリコン・オン・サファイア基板上に成長し
たＧａＮの反りと歪の関係を表す図

【図４】本発明の第３の実施の形態における窒化物半導
体基板の製造方法を表す図

【図５】本発明の第４の実施の形態における窒化物半導
体基板の製造方法を表す図

【符号の説明】

１サファイア層２シリコン層３Ａｌ層４合金層５ＡｌＮ層６ＭＯＶＰＥ成長ＧａＮ層７ＨＶＰＥ成長ＧａＮ層８フリースタンディング基板

フロントページの続き (72)発明者小川雅弘大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内 (72)発明者油利正昭大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA33 CA40 CA46 CA65 5F045 AA04 AB02 AB14 AC08 AC12 AC13 AD14 AF03 AF09 AF13 BB11 DA52 DA69 DQ08 EB13 HA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の熱膨張係数α₁を有する第１の層
の一方の主面上に第２の熱膨張係数α₂を有する第２の
層が形成され、かつ、前記第１の基板の他方の主面上に
第２の熱膨張係数α₂を有する第３の層が形成された複
合基板上の少なくとも一主面に、熱膨張係数がα_Nであ
る窒化物半導体を成長する工程を有し、前記第１の熱膨
張係数α₁は前記窒化物半導体の熱膨張係数α_Nより大き
く、前記第２の熱膨張係数α₂は前記窒化物半導体の熱
膨張係数α_Nより小さいことを特徴とする、窒化物半導
体膜の製造方法。
【請求項２】前記第２の層の厚さと、前記第３の層の
厚さはほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の窒
化物半導体膜の製造方法。
【請求項３】前記第１の層の熱膨張係数がα₁、ヤン
グ率がＥ₁であり、前記第２の層および前記第３の層の
熱膨張係数がα₂、ヤング率がＥ₂であり、前記窒化物半
導体の熱膨張係数がα_Nであって、前記第１の層の厚さ
Ｔ₁と、前記第２の層の厚さと前記第３の層の厚さの合
計Ｔ₂との比Ｔ₁／Ｔ₂が、ほぼ【数１】の関係を満たすべく、前記複合基板が構成されているこ
とを特徴とする請求項１ないしは請求項２に記載の窒化
物半導体膜の製造方法。
【請求項４】サファイア層の一方の主面上に第１のシ
リコン層が形成され、他方の主面上に第２のシリコン層
が形成された複合基板の、少なくとも一方のシリコン層
上に、窒化物半導体を成長することを特徴とする、窒化
物半導体膜の製造方法。
【請求項５】前記第１のシリコン層の厚さと、前記第
２のシリコン層の厚さがほぼ等しいことを特徴とする請
求項４に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項６】前記サファイア層の厚さが、前記第１の
シリコン層の厚さと前記第２のシリコン層の厚さの合計
の、ほぼ半分であることを特徴とする請求項４ないしは
請求項５に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項７】窒化物半導体が成長されるシリコン層は
単結晶であり、主面の面方位が（１１１）面と等価な面
であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体
膜の製造方法。
【請求項８】前記サファイア層は単結晶であり、主面
の面方位が（０００１）面と等価な面であることを特徴
とする請求項４に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項９】前記サファイア層は単結晶であり、主面
の面方位が（１１−２０）面と等価な面であることを特
徴とする請求項４に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１０】サファイア層の一方の主面上に第１の
シリコン層が形成され、他方の主面上に第２のシリコン
層が形成された複合基板の、少なくとも一方のシリコン
層上に、窒化物半導体を成長する工程と、窒化物半導体
の下のシリコン層を除去する工程とを有することを特徴
とする、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】前記シリコン層を除去する工程はフッ
酸を含む溶液中で行われることを特徴とする請求項１０
に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１２】第１の熱膨張係数α₁を有する第１の
層の一方の主面上に第２の熱膨張係数α₂を有する第２
の層が形成され、かつ、前記第１の基板の他方の主面上
に第２の熱膨張係数α₂を有する第３の層が形成された
複合基板上の少なくとも一主面に、熱膨張係数がα_Nで
ある窒化物半導体を成長する工程を有し、前記第１の熱
膨張係数α₁は前記窒化物半導体の熱膨張係数α_Nより小
さく、前記第２の熱膨張係数α₂は前記窒化物半導体の
熱膨張係数α_Nより大きいことを特徴とする、窒化物半
導体膜の製造方法。
【請求項１３】前記第２の層の厚さと、前記第３の層
の厚さはほぼ等しいことを特徴とする請求項１２に記載
の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１４】前記第１の層の熱膨張係数がα₁、ヤ
ング率がＥ₁であり、前記第２の層および前記第３の層
の熱膨張係数がα₂、ヤング率がＥ₂であり、前記窒化物
半導体の熱膨張係数がα_Nであって、前記第１の層の厚
さＴ₁と、前記第２の層の厚さと前記第３の層の厚さの
合計Ｔ₂との比Ｔ₁／Ｔ₂が、ほぼ【数２】の関係を満たすべく、前記複合基板が構成されているこ
とを特徴とする請求項１２ないしは請求項１３に記載の
窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１５】シリコン層の一方の主面上に第１のサ
ファイア層が形成され、他方の主面上に第２のサファイ
ア層が形成された複合基板の、少なくとも一方のサファ
イア層上に、窒化物半導体を成長することを特徴とす
る、窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１６】前記第１のサファイア層の厚さと、前
記第２のサファイア層の厚さがほぼ等しいことを特徴と
する請求項１５に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１７】前記シリコン層の厚さが、前記第１の
サファイア層の厚さと前記第２のサファイア層の厚さの
合計の、ほぼ半分であることを特徴とする請求項１５な
いしは請求項１６に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項１８】窒化物半導体が成長されるサファイア
層は単結晶であり、主面の面方位が（０００１）面と等
価な面であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物
半導体膜の製造方法。
【請求項１９】シリコン層の一方の主面上に第１のサ
ファイア層が形成され、他方の主面上に第２のサファイ
ア層が形成された複合基板の、少なくとも一方のサファ
イア層上に窒化物半導体を成長する工程と、窒化物半導
体の下のサファイア層を除去する工程とを有することを
特徴とする、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２０】前記シリコン層をフッ酸を含む溶液で
除去する工程を、前記サファイア基板を除去する工程の
前に有することを特徴とする請求項１９に記載の窒化物
半導体基板の製造方法。
【請求項２１】窒化物半導体膜の膜厚荷重平均の熱膨
張係数がα_Nであり、複合基板を形成する層をある順序
で数えて、ｉ番目の層の熱膨張係数がα_iであり、かつ
ｉ番目の層のヤング率がＥ_iであり、ｉ番目の層の膜厚
がＴ_iであり、これらの値がほぼ【数３】を満たすべく、前記複合基板が構成されていることを特
徴とする窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項２２】前記複数の層により構成された前記複
合基板上に前記窒化物半導体膜を成長する方法であっ
て、前記複合基板の層は、表裏対称に積層されているこ
とを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体膜の製
造方法。