JP2002222773A - 窒化物半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

窒化物半導体ウェハの製造方法

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JP2002222773A
JP2002222773A JP2001019552A JP2001019552A JP2002222773A JP 2002222773 A JP2002222773 A JP 2002222773A JP 2001019552 A JP2001019552 A JP 2001019552A JP 2001019552 A JP2001019552 A JP 2001019552A JP 2002222773 A JP2002222773 A JP 2002222773A
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nitride semiconductor
laser
sapphire substrate
substrate
gan film
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JP2001019552A
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Satoyuki Tamura
聡之 田村
Masahiro Ogawa
雅弘 小川
Masahiro Ishida
昌宏 石田
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体と母材基板とを分離する際に窒
化物半導体が割れるのを防止する。 【解決手段】 サファイア基板1上にGaN膜2を成長
した後、サファイア基板1の裏面よりエキシマKrFレ
ーザを照射してサファイア基板1とGaN膜2とを分離
する。エキシマKrFレーザのパルス幅は5ns、光強
度100mJ/cm2、ビーム径は30mmとする。そ
の後、GaN膜2のレーザを照射された部分に対し研磨
を行い、GaN膜2を平らにしてGaNウェハ21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、青紫色レーザや高
速トランジスタに用いられる窒化物半導体(Al XGaY
In1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)デバイス
を形成するためのウェハの製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】フリースタンディング窒化物半導体ウェ
ハとは、窒化物半導体と異なる材料は含まれず、窒化物
半導体のみから構成されるウェハである。
【0003】一般に、フリースタンディング窒化物半導
体ウェハを得るためには、母材基板上に母材基板とは異
なる材料よりなる窒化物半導体を成長し、その後、母材
基板を除去するという方法が用いられている。
【0004】従来、母材基板を除去する方法として、母
材基板裏面からエキシマKrFレーザ、Nd:YAGレ
ーザ等を照射する手法(レーザリフトオフ)が用いられ
ている。照射するレーザのパルス幅は5〜30ns、光
強度300〜600mJ/cm2、ビーム径は50μm
〜7mmである。母材基板としては、エキシマKrFレ
ーザやNd:YAGレーザに対して透明である材料を用
いていて、例としてサファイア、スピネル等がある。母
材基板は光を透過するので、また、照射するレーザのパ
ルス幅は非常に短いので、このレーザ光は窒化物半導体
の母材基板との界面近傍にのみ吸収される。界面近傍の
窒化物半導体は加熱され、熱解離によりGa金属と窒素
ガスに分離し、窒素ガスは発散してしまう。その結果、
窒化物半導体と母材基板とが界面分離する(USP607183
5)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、母材基板の
大きさに対して用いるレーザのビーム径が非常に小さい
場合、次のような問題が生じた(図6)。
【0006】2インチ母材基板61上に窒化物半導体膜
62を成長した場合、レーザのビーム径の大きさ(最大
で7mm)は母材基板61の大きさと比べて非常に小さ
いので、1照射面積で窒化物半導体膜62と母材基板6
1との間で界面分離が生じたとしても、基板全面では界
面分離が起こらない。そのため、基板全面の中に界面分
離が行われた部分と行われていない部分とが生じ、界面
分離が行われていない部分では熱膨張係数差による残留
応力が集中し、窒化物半導体膜62が割れてしまうとい
う問題が生じた。
【0007】また、1回の照射で母材基板61と窒化物
半導体膜62とが分離しない場合でも、窒化物半導体膜
62と母材基板61とを分離させるために必要な面積を
照射するためには、レーザのスキャンを行って必要な面
積を照射する必要があり、界面全面で分離するまでの途
中過程で窒化物半導体膜62と母材基板61とが分離し
ていない部分に応力が集中し、窒化物半導体膜62が割
れてしまうという問題が生じた。
【0008】さらに、上記に示す課題の他に、リフトオ
フで用いる光のエネルギーが窒化物半導体のバンドギャ
ップとほぼ同じ場合、光が効率よく窒化物半導体膜62
に吸収されないといった問題もあった。
【0009】
【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ウェハの製造方法は、以下に
示す構成よりなるものである。
【0010】本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法
は、母材基板上に前記母材基板とは異なる材料よりなる
窒化物半導体を成長する第1の工程の後、1照射面積が
前記母材基板の面積の20%以上である光を用いて前記
母材基板と前記窒化物半導体を分離する第2の工程を有
する。かかる構成により、1照射面積で分離が生じる
と、母材基板と窒化物半導体の全面でも同時に分離が生
じ、窒化物半導体が割れてしまうことを防止できる。ま
た、母材基板と窒化物半導体を全面同時に分離するため
には、1照射面積のみ分離が生じれば良いので、レーザ
のスキャンを行う必要が無く、分離に要する時間を短く
することができる。
【0011】本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法で
は、前記第2の工程は複数台のレーザを用いて行われ
る。
【0012】本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法で
は、前記第2の工程は複数台のランプを用いて行われ
る。
【0013】本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法で
は、前記第2の工程は前記窒化物半導体を加熱して行
う。かかる構成により、窒化物半導体のバンドギャップ
を小さくし、室温では窒化物半導体に吸収されにくい光
を、効率よく吸収できるようにする。
【0014】本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法で
は、前記第2の工程は複数台の水銀ランプを用いて行わ
れる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態1につ
いて、詳しく説明する。
【0016】(実施の形態1)本発明の実施の形態1に
おける窒化物半導体ウェハの製造方法について、図1を
参照しながら説明する。
【0017】2インチ(0001)サファイア基板1上
に、HVPE(ハイドライド気相成長)法により、Ga
N膜2を形成する(図1(a))。Ga原料としてはG
a金属とHClを反応させて得られるGaClを、N原
料としてはNH3を、キャリアガスとしてN2を用いる。
成長温度は1000℃で、成長時間は約5時間とした。
なお、サファイア基板1上に、低温緩衝層を形成した
後、GaNを形成しても良い。また、キャリアガスとし
てH2や、N2とH2の混合ガスを用いても良い。HVP
Eでの成長の結果、サファイア基板1上には良好な結晶
性のGaN膜2が200μm成長した。
【0018】GaN膜2を成長した後、サファイア基板
1の裏面よりエキシマKrFレーザを照射する(図1
(b))。エキシマKrFレーザのパルス幅は5ns、
光強度100mJ/cm2、ビーム径は30mmとす
る。なお、レーザとしてはエネルギーが窒化物半導体よ
りも大きく、かつ光強度100mJ/cm2以上の出力
が得られるものであれば良く、エキシマKrFレーザの
他にはNd:YAGレーザの3次高調波等がある。ま
た、母材基板としては、エキシマKrFレーザやNd:
YAGレーザに対して透明である材料を用いていて、例
としてサファイア、スピネル等がある。サファイア基板
1はエキシマKrFレーザを透過するので、このレーザ
はGaN膜2のみに吸収される。また、エキシマKrF
レーザのパルス幅は5nsと非常に短いので、レーザは
GaN膜2のサファイア基板1との界面のごく近傍に局
所的に吸収される。界面近傍のGaN膜2は加熱され、
熱解離によりGa金属と窒素ガスに分離した部分3が生
じ、窒素ガスは発散してしまう。レーザのビーム径が大
きいので、1照射面積で分離が生じると、同時にGaN
膜2とサファイア基板1全面でも分離が生じる(図1
(c))。全面分離後、Ga金属と窒素ガスに分離した
部分3では、Ga金属4が残留しているので、ウェット
エッチングで除去する。また、GaN膜2のレーザを照
射された部分が凹になっているので、研磨を行い、Ga
N膜2を平らにしてGaNウェハ21を得る(図1
(d))。ビーム径が30mmのとき母材基板の面積に
対するレーザの1パルス照射面積の割合は36%であ
り、照射された部分とGaN膜2とサファイア基板1の
全面が同時に分離する確率は約75%である。従来技術
において最大であった7mmというビーム径のレーザを
用いた場合、全面で同時に分離することはほとんど無か
った。このように、ビーム径の大きいレーザを用いるこ
とによって、GaN膜2とサファイア基板1とを全面で
同時に分離することができ、その結果、分離工程で窒化
物半導体が割れることを防止できる。また、分離に要す
る時間は、1照射面積を分離するために必要な照射時間
だけとなり、分離工程の時間を短くすることができる。
【0019】また、エキシマKrFレーザのビーム径を
5〜50mmまで変化させて、GaN膜2とサファイア
基板1とが全面で同時に分離する確率を調べた結果を図
2に示す。レーザのその他の条件は上述と同様である。
なお、図2においては、サファイア基板1の面積に対す
るレーザの1照射面積の割合と、GaN膜2とサファイ
ア基板1の全面が同時に分離する確率の関係を示してい
る。図2より、レーザの1照射面積がサファイア基板1
の面積の20%以上のところで、GaN膜2とサファイ
ア基板1とが全面同時に分離する。そこで、レーザの1
照射面積を母材基板の面積の20%以上とする。また、
レーザの1照射面積がサファイア基板1の面積の約50
%となる場合、1照射でGaN膜2とサファイア基板と
が全面同時に分離する確率は約90%となる。そこでよ
り好ましくは、レーザの1照射面積を母材基板の面積の
50%以上にするのが良い。なお、本実施の形態1では
円形のレーザビームを用いているが、対称性の無い形状
をしたレーザビームを使用すると、図2のグラフは全体
的に右にシフトし、全面同時に分離するために必要な1
照射面積は円形のレーザビームを用いた場合よりも大き
くなる。
【0020】(実施の形態2)本発明の実施の形態2に
おける窒化物半導体ウェハの製造方法について、図3を
参照しながら説明する。
【0021】実施の形態2は、サファイア基板1上にG
aN膜2を成長する工程までは、実施の形態1と同様で
ある(図3(a))。
【0022】GaN膜2を成長後、サファイア基板1の
裏面に、複数台のレーザ装置5を用いてNd:YAGレ
ーザの3次高調波を照射する(図3(b))。各レーザ
のパルス幅は5ns、光強度100mJ/cm2、ビー
ム径は7mmとする。各々のレーザ装置5からは同時に
サファイア基板1にレーザを照射し、レーザの照射面積
の総和は、サファイア基板1の面積の30%以上となる
ようにする。
【0023】照射後、1照射面積で分離が生じると、G
aN膜2とサファイア基板1の全面でも分離が生じる
((図3(c))。分離する原理については実施の形態
1の記載と同様である。全面分離後、Ga金属と窒素ガ
スに分離した部分3では、Ga金属4が残留しているの
で、ウェットエッチングで除去する。また、GaN膜2
のレーザを照射された部分が凹になっているので、研磨
を行い、GaN膜2を平らにしてGaNウェハ21を得
る(図3(d))。以上のように複数台のレーザ装置5
を用いることにより、GaN膜2とサファイア基板1の
全面を同時に分離することができ、GaN膜2が分離工
程で割れることを防止できる。
【0024】また、分離に要する時間は、1照射面積を
分離するために必要な照射時間だけとなり、分離工程の
時間を短くすることができる。
【0025】なお、Nd:YAGレーザの他に、KrF
エキシマレーザ等を用いても良い。
【0026】(実施の形態3)本発明の実施の形態3に
おける窒化物半導体ウェハの製造方法について、図4を
参照しながら説明する。
【0027】実施の形態3は、サファイア基板1上にG
aN膜2を成長する工程までは、実施の形態1と同様で
ある(図4(a))。
【0028】GaN膜2を成長後、サファイア基板1の
裏面から、サファイア基板1全面にNd:YAGレーザ
の3次高調波を照射する(図4(b))。照射されるレ
ーザのパルス幅は5ns、光強度は100mJ/c
2、1照射面積はサファイア基板1の面積と同じであ
る。レーザの1照射面積が大きいので、大型の1台のレ
ーザ装置を用いるよりも、複数台の小型のレーザ装置5
を用いる方が取り扱いが比較的容易である。各々のレー
ザ装置5から照射される光を同期させ、レンズ6を用い
て光束をサファイア基板1と同じ大きさにする。
【0029】Nd:YAGレーザの3次高調波がサファ
イア基板1全面に一度に照射されるため、分離も基板全
面で一度に生じ、サファイア基板1とGaN膜2が、G
aN膜2が割れることなく分離する(図4(c))。分
離の原理に関しては、実施の形態1に記載の内容と同様
である。全面分離後、Ga金属と窒素ガスに分離した部
分3では、Ga金属4が残留しているので、ウェットエ
ッチングで除去する。また、GaN膜2のレーザを照射
された部分が凹になっているので、研磨を行い、GaN
膜2を平らにしてGaNウェハ21を得る(図4
(d))。このように、複数台のNd:YAGレーザ装
置5を用いて、サファイア基板1全面を一度に照射する
ことにより、GaN膜2とサファイア基板1を割れるこ
となく、分離することができる。
【0030】また、分離に要する時間は、1照射面積を
分離するために必要な照射時間だけとなり、分離工程の
時間を短くすることができる。
【0031】なお、Nd:YAGレーザの他に、KrF
エキシマレーザやN2レーザ等を用いても良い。
【0032】(実施の形態4)本発明の実施の形態4に
おける窒化物半導体ウェハの製造方法について説明す
る。
【0033】実施の形態4は、サファイア基板1上にG
aN膜2を成長する工程までは、実施の形態1と同様で
ある。
【0034】GaN膜2を成長した後、図5に示すエキ
シマ光照射装置を用いて、サファイア基板1の裏面より
エキシマ光を照射する。なお母材基板としては、エキシ
マ光を透過するものであれば良く、サファイア、スピネ
ル等がある。図5の装置では、放射されたエキシマ光を
有効に利用するために、反射鏡7が設置されている。ま
た、反射鏡7の内部にエキシマランプ8が複数個設置さ
れている。反射鏡7内に設置されている個々のエキシマ
ランプ8は、放電ガスに電界をかけてプラズマを生成す
るための電極および誘電体の面積を非常に大きくしてあ
り、高出力化が施されている。エキシマランプ8の放電
ガスにはXeClを用い、その際のエキシマランプ8の
波長は308nmである。なお、放電ガスとしては、G
aN膜2のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を
放出するものであれば良く、XeClの他にはKrCl
(波長222nm)等を用いても良い。反射鏡の開口部
にはチョッパ9が設けてあり、サファイア基板1の裏面
にパルス幅10msのパルスエキシマ光が照射されるよ
うに動作させる。
【0035】図5のエキシマ光照射装置の開口部分は5
0mmφの円形となっていて、2インチサファイア基板
1全面を一度に照射できる構造となっている。光強度の
ピークは約100mJ/cm2である。また、図5の装
置において、光強度のピーク値を100%とした開口部
全面の相対光強度は95%以上となっており、サファイ
ア基板1全面を均一に照射するのに十分高い値であると
考えられる。
【0036】図5の装置ではエキシマ光がサファイア基
板全面に一度に照射されているため、分離も基板全面で
一度に生じ、サファイア基板1とGaN膜2が、GaN
膜2が割れることなく分離する。分離の原理に関して
は、実施の形態1に記載の内容と同様である。全面分離
後、Ga金属と窒素ガスに分離した部分3では、Ga金
属4が残留しているので、ウェットエッチングで除去す
る。また、GaN膜2の光を照射された部分が凹になっ
ているので、研磨を行い、GaN膜2を平らにする。こ
のように、複数台のエキシマランプを用いてサファイア
基板1全面を一度に照射することにより、GaN膜2と
サファイア基板1とを割れることなく、分離することが
できる。
【0037】また、分離に要する時間は、1照射面積を
分離するために必要な照射時間だけとなり、分離工程の
時間を短くすることができる。
【0038】(実施の形態5)本発明の実施の形態5に
おける窒化物半導体ウェハの製造方法について説明す
る。
【0039】実施の形態5は、サファイア基板1上にG
aN膜2を成長する工程までは、実施の形態1と同様で
ある。
【0040】GaN膜2を成長後、GaN膜2およびサ
ファイア基板1をホットプレート上に設置し、600℃
に加熱する。その際、GaN膜2がホットプレートに接
するように置く。設置後、水銀ランプのi線(波長36
5.015nm)をサファイア基板1の裏面から照射す
る。水銀ランプの照射装置は、図5においてエキシマラ
ンプを水銀ランプに置き換えた構成となっている。なお
母材基板としては、水銀ランプのi線を透過するもので
あれば良く、サファイア、スピネル等がある。
【0041】水銀ランプのi線の光強度のピークは約1
00mJ/cm2である。また、照射装置において、光
強度のピーク値を100%とした開口部全面の相対光強
度は95%以上となっており、サファイア基板1全面を
均一に照射するのに十分高い値となっている。
【0042】室温では、水銀ランプのi線のエネルギー
はGaN膜2のバンドギャップとほぼ同じであるので、
i線はGaN膜2に吸収されにくい。しかしGaN膜2
を600℃に加熱すると、GaN膜2のバンドギャップ
がi線のエネルギーよりも小さくなり、i線がGaN膜
2に効率よく吸収されるようになる。
【0043】水銀ランプのi線がサファイア基板1全面
に照射され、GaN膜2のサファイア基板1との界面全
面でi線が吸収されるため、サファイア基板1とGaN
膜2の全面が、GaN膜2が割れることなく分離する。
分離の原理に関しては、実施の形態1に記載の内容と同
様である。全面分離後、Ga金属と窒素ガスに分離した
部分3では、Ga金属4が残留しているので、ウェット
エッチングで除去する。また、GaN膜2の光を照射さ
れた部分が凹になっているので、研磨を行い、GaN膜
2を平らにする。このように、GaN膜2を加熱するこ
とにより、水銀ランプのi線が効率よくGaN膜2に吸
収されるようになり、また、複数台の水銀ランプを用い
てサファイア基板1全面を一度に照射することにより、
GaN膜2とサファイア基板1とを割れることなく、分
離することができる。
【0044】また、分離に要する時間は、1照射面積を
分離するために必要な照射時間だけとなり、分離工程の
時間を短くすることができる。
【0045】
【発明の効果】本発明によれば、1照射面積が母材基板
の面積の20%以上である光を用いて、母材基板と窒化
物半導体を分離することにより、窒化物半導体ウェハを
割れることなく得ることが可能となり、分離工程におけ
る歩留まりの向上に繋がる。
【0046】また、分離に要する時間も1照射面積を分
離するのに必要な時間となるので、従来技術よりも時間
の短縮ができ、生産性の向上に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における窒化物半導体ウ
ェハの製造方法を表す断面図
【図2】本発明の実施の形態1におけるサファイア基板
1の面積に対するレーザの1照射面積の割合と、GaN
膜2とサファイア基板1の全面が同時に分離する確率の
関係を表す図
【図3】本発明の実施の形態2における窒化物半導体ウ
ェハの製造方法を表す断面図
【図4】本発明の実施の形態3における窒化物半導体ウ
ェハの製造方法を表す断面図
【図5】本発明の実施の形態4におけるエキシマランプ
を複数台用いた照射装置の断面図
【図6】従来の窒化物半導体ウェハの製造方法に関する
問題点を示す断面図
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 GaN膜 3 Ga金属と窒素ガスに分離した部分 4 Ga金属 5 レーザ装置 6 レンズ 7 反射鏡 8 エキシマランプ 9 チョッパ 21 GaNウェハ A、B レーザ光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01S 5/323 610 B23K 26/00 320E // B23K 26/00 320 B23K 101:40 B23K 101:40 H01L 21/26 E (72)発明者 石田 昌宏 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) 4E068 AE01 DA10 4K030 AA03 AA13 AA18 BA38 CA05 DA08 FA10 LA14 5F041 AA41 CA40 CA46 CA64 5F073 CA02 CB05 DA04

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 母材基板上に前記母材基板とは異なる材
    料よりなる窒化物半導体を成長する第1の工程の後、1
    照射面積が前記母材基板主面の面積の20%以上である
    光を用いて前記母材基板と前記窒化物半導体を分離する
    第2の工程を有することを特徴とする窒化物半導体ウェ
    ハの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第2の工程は複数台のレーザを用い
    て行われることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半
    導体ウェハの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第2の工程は複数台のランプを用い
    て行われることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半
    導体ウェハの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第2の工程は前記窒化物半導体を加
    熱して行うことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半
    導体ウェハの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第2の工程は複数台の水銀ランプを
    用いて行われることを特徴とする請求項4に記載の窒化
    物半導体ウェハの製造方法。
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