JP2002510275A - エピタキシャル層中の欠陥の除去 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高温においてエピタキシャル蒸着層を基板から分離し、熱的不整合ひずみによりエピタキシャル層に欠陥が生じるのを防止するプロセス及び装置について開示する。このプロセスは、エピタキシャル蒸着後に、意図的に蒸着させた中間層をガス流中の成分と反応させる気相反応によって起こる。中間層（２０）はエピタキシャル層（２１）の核形成を助長するが、その目的は、成長温度又はその付近の温度において中間層の上部のエピタキシャル層を中間層の下部の基板（１８）から分離して、基板及びエピタキシャル層間の熱的不整合の影響を減小させることにある。エピタキシャル層は高温において基板から分離され、基板とエピタキシとの熱膨張の相違による欠陥を生成することなく冷却される。エピタキシャル層は更なるエピタキシャル蒸着又はデバイス形成に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】 エピタキシャル層中の欠陥の除去 関連出願の相互参照 本願は、米国特許仮出願第６０／０５１，８１６号及び第６０／０５１，６８ ８号を元に優先権を主張したものである。これらの出願は本願に文献援用される 。 背景：発明の技術分野 本発明はエピタキシャル層及び基板の結晶成長の分野に関する。詳しくは、本 発明は熱的不整合を有するエピタキシ及び基板の結晶成長に関する。 背景：従来技術の説明 ヘテロエピタキシャル結晶成長は数十年にわたって利用されてきたが、大規模 な不整合系のエピタキシャル成長が研究されるようになったのはほんの最近のこ とである。不整合物質系の例の中には、Ｓｉ基板上のＧａＡｓエピタキシやサフ ァイア基板上のＧａＮエピタキシがある。これらの系で重要なのは、エピタキシ と基板との間の格子不整合とされていた。格子不整合は、基板とエピタキシとの 適当な基本的な結晶学的単位長さ（格子定数と呼ばれる）の相違である。この不 整合が大きすぎる場合、基板は所望のエピタキシに対して許容可能なテンプレー トを形成しない。基板のテンプレートの質が劣ると、エピタキシの欠陥密度が大 きくなったり、基板に関して正しく配向されずしばしばマルチドメインとなる。 格子の不整合が小さい場合は、エピタキシは同一単位で計れる（commensurate） が、エピタキシが転位によって弛緩するまでエピタキシの厚さに伴ってひずみエ ネルギーは増加するだろう。 しかしながら、場合によっては基板とエピタキシとの間には大きな熱膨張不整 合が存在することもあり、これはちょうど上述の格子不整合と同様に問題となり 得る。エピタキシと基板との間の熱膨張不整合は、温度に関する二つの物質の格 子定数の変化の相違である。熱的不整合の問題を回避する方法の一つとして、成 長温度における基板の完全な除去が挙げられる。例えば、ティシュラーら（Ｔｉ ｓｃｈｌｅｒ ｅｔ ａｌ．）の米国特許第５，６７９，１５２号は、成長基板 上にＧａＮをエピタキシャル蒸着することによる単結晶ＧａＮ基板の製造方法に ついて開示している。成長温度において、基板はＧａＮの蒸着を完了する前か後 にエッチングにより完全に除去される。ＧａＮ層を引き続いて冷却すると、基板 がもはや存在しないために熱的不整合は生じない。しかしながら、この技術には 欠点がいくつか存在する。この技術では基板を完全に除去する必要があるため、 このアプローチにはかなりのエッチングが必要とされる。このエッチングにより コストが増大し、プロセスが複雑となる。さらに、基板をエッチングにより除去 した後でＧａＮ層を適切な位置に保持することは困難でもある。 熱的不整合の問題とは無関係の種々の目的で、基板除去プロセスが他にも利用 されてきたことを記すことは有益である。そのプロセスには、基板−エピタキシ の系を冷却させた後で基板をエッチング又は研摩により除去することによる、エ ピタキシからの基板の除去が含まれる。このような方法では熱的不整合の問題は 解決されない。この成長後の除去プロセスは、基板による光の吸収を減小させる か又は良好なヒートシンクをエピタキシャル層に直接施すことによりエピタキシ ャル層の抵抗による加熱を減小させるかのいずれかにより誘導される。この２つ のプロセスは電子装置又は光電子装置の実行により誘導されるが、エピタキシの 構造上の問題とは関係しない。 発明の概要 上述の観点から、本発明の目的は、エピタキシャル層の従来の製造方法に関す る熱的不整合の問題を克服することにある。本発明のもう１つの目的は、基板を エッチングで除去することなく熱的不整合の問題を克服することにある。本発明 の１態様において、中間層と呼ばれる予め蒸着しておいた層の気相エッチングに より基板から分離したエピタキシャル層を製造する方法が提供される。本発明の 更なる態様は、中間層のエッチングを高温で行うことである。本発明の別の態様 において、熱膨張不整合が基板とエピタキシャル層との間に存在する場合に、熱 膨張不整合ひずみ及び関連するエピタキシャル層の損傷を減小させる機構として このプロセスを利用する方法が提供される。 上述のプロセスにおいて、予め加工処理又はパターン形成した中間層を使用す ることは本発明のもう１つの実施形態である。中間層にパターン形成して、種々 の大きさのチャネル、うね(ridge)、又は孔を形成してもよい。このように、エ ピタキシは中間層の存在しない領域に結晶核を生成し、中間層の周囲に成長する が、中間層は依然としてエッチング可能であり、エピタキシの熱的不整合を基板 から有効に切り離すことができる。このように、基板とエピタキシとは、完全に 分離する必要はなく、且つ／又は基板の核形成の性質はエピタキシャル成長に主 として利用可能であり、中間層はエピタキシャルプロセスから切り離される。 本発明の重要な構成要素は、基板とエピタキシャル層との間における中間層物 質の利用である。中間層は、高温でエッチングにより除去され得る薄い均質な又 はパターン形成された領域であり、エピタキシャル層と基板とを分離する。中間 層が非常に薄いため、中間層を除去するには、基板全体（基板は中間層よりかな り厚い）を除去する必要がある従来技術に比較して、必要なエッチングは少量で 済む。核形成層がこれまでエピタキシャル成長に使用されてきたが、エピタキシ ャル層成長プロセスにおける熱的不整合の損傷を防止するために、高温で気相エ ッチングされた中間層を利用することについて開示している従来技術は存在しな い。 本発明は、別々の工程で又はエピタキシと共に１つの工程で蒸着された中間層 の気相エッチングを利用して、in situで（すなわち冷却前のエピタキシャル層 蒸着温度かその温度の付近で）エピタキシから基板を分離する方法を提供する。 本発明の一部として、この気相での中間層除去を利用して成長温度で基板から厚 いエピタキシャル蒸着層を分離する応用が提案されるが、この場合、そのように しなければ、基板−エピタキシの熱膨張不整合は蒸着温度から冷却すると、エピ タキシにクラック又は他の構造上の欠陥を有することになる。基板は分離されエ ッチングを受けないか、又はそうでなければ破壊されるため、別のエピタキシャ ル層を成長させるために基板を再び利用することが可能である。それ故本発明で は、厚い基板をエッチングする必要がないという事実からも、基板を再利用可能 であるという事実からも、コストを削減することができる。 気相でのエピタキシー基板の分離の有効性を高めるために、本発明の好適な実 施形態には、追加的な技術が含まれる。第１の技術は、中間層の前処理工程の追 加である。中間層を加工処理して、基板を完全には被覆しないパターンを形成す る。この処理は、メイン層のエピタキシャル蒸着を行う前に行う。中間層の処理 により、メインエピタキシは基板上に直接核形成して成長する。その結果、中間 層を成長温度かその温度付近で除去した場合、基板は基板と小さな領域で接触し たままとなる。この技術を、エピタキシに対する良好な核形成表面を基板により 形成する場合や、基板をエピタキシと接触させたままにする場合に利用すること が可能である。 第２の追加的な技術は、中間層のエッチング効率を高めると共に、このエッチ ング工程をメインエピタキシャル蒸着部分から分離させておくために、成長系の 設計を一連に変化させることである。この設計には、分離を形成するクランプ又 はピンと、メイン蒸着領域の下にガスを導入する側面インジェクタとが含まれる 。 図面の簡単な説明 図１ａ及び１ｂは、１ａが蒸着温度におけるエピタキシャル層及び基板を示し 、１ｂが温度変化によりエピタキシャル層に熱的不整合欠陥が生じたエピタキシ ャル層及び基板を示す従来技術の側面図である。 図２ａは、本発明による、エピタキシャル層と基板との間に中間層を備えた、 エピタキシャル層及び基板の側面図である。 図２ｂは、中間層を除去した後の図２ａの同じエピタキシャル層−中間層−基 板系の側面図である。 図３ａは、本発明による、基板の上に蒸着された中間層の側面図である。 図３ｂは、本発明による、中間層にパターン形成した後の、基板上に蒸着され た中間層の側面図である。 図３ｄは、パターン形成された中間層を除去した後の、エピタキシャル層−パ ターン形成された中間層−基板の側面図である。 図４は、本発明の好適な実施形態による、中間層をエッチングにより除去する サンプルホルダーの側面図である。 詳細な説明 本発明は、エピタキシャル層及び基板間の熱膨張不整合により蒸着温度から冷 却した場合にエピタキシャル層の欠陥が生成されるという、基板上に物質をエピ タキシャル蒸着する際の問題を解決する。本発明は、中間層の気相エッチングに よりエピタキシャル層をエピタキシャル蒸着温度かその温度付近で基板から分離 するプロセスを提供する。中間層はエピタキシャルプロセスの一部として蒸着し てもよいし、異なるプロセスにおいて蒸着してもよい。本発明は、最も好ましく は、エピタキシャル層が十分な厚さで形成され、基板の除去によりエピタキシャ ル層の構造上の欠陥が生じないプロセスに適用される。 「熱による(熱的)」不整合は温度変化に関する２つの物質の格子定数の変化の 相違として定義されている。エピタキシャル成長不整合の間題の技術分野におけ る従来技術は、エピタキシャル層と基板との間に大きな「格子」不整合を有する 物質を蒸着させる技術にほぼ限られている。格子不整合は、エピタキシ（又はエ ピタキシの各構成要素）の格子定数の相違として定義されている。本発明は格子 不整合ではなく、熱的不整合に関する問題を解決することを目的とする。 本発明は、基板上への厚いエピタキシャル蒸着層の形成に適用可能である。Ｇ ａＮ、ＩｎＮ、ＡＩＮ、又はこれらの合金を初めとする物質系の場合、これらの 物質は基板上に蒸着され、更なるデバイス品質のエピタキシ用のホモエピタキシ ャル基板として利用され得る。本発明はＧａＮや、関連するＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ− ＶＩ、ＩＶ族化合物又は合金を初めとする様々な物質系に適用可能ではあるが、 例示のために、主としてＧａＮ基板の製造に関して述べる。ＧａＮ基板には、他 の元素を添加したＧａＮの全ての変形物も含まれるものとする。 図１ａは成長温度、すなわちエピタキシャル蒸着が起こる温度における基板１ ０上に配置された従来のエピタキシャル蒸着層１１の断面図を示す。一般に、基 板は約３００ミクロンの厚さであり、エピタキシャル層は約１乃至１０ミクロン の厚さである(すなわち、基板はエピタキシャル層よりも３０乃至３００倍厚い) 。図１ｂにおいて、エピタキシャル層及び基板は異なる温度にある。成長温度で は蒸着層及び基板にはひずみが存在しなかったが、２つの物質間には熱膨張不整 合があるため、冷却すると構造中にひずみが発達する。このひずみは、ひずみに 関するエネルギーが構造上の変化を生じるために必要なエネルギーを超えてひず みが軽減されるまでは、エピタキシと基板との両方に存在する。このような構造 上の変化の例は、転位又はクラックである。エピタキシに蓄積されたひずみエネ ルギーが、クラックや転位を生じるのに必要なエネルギーを超えた場合、転位や クラックが生じて広がり、ひずみは軽減される。 エピタキシャル層にクラックや欠陥が生じるのを回避するか又は低減するため 、本発明の好適な実施形態により以下の技術を提供する。図２ａにおいて、中間 層１５が、エピタキシ１４を蒸着させる前に基板１６上に蒸着される。基板は、 珪素、サファイア又は炭化珪素等の様々な化合物より構成可能である。中間層は 、珪素、酸化珪素、窒化珪素、又は炭化珪素等の様々な化合物より構成可能であ る。図２ｂにおいて、中間層は成長温度かその付近の温度において除去し、図に 空隙１７で示すように存在しないようにするか、又は構造を支持させるため少量 のみが残るようにする。本発明の好適な実施形態において、基板及びエピタキシ ャル層の厚さは一般に５０−３００ミクロンの範囲内である。エピタキシャル層 は標準的な化学蒸着法を用いて蒸着される(例：気相エピタキシャル成長)。好適 な実施形態では水素化物気相エピタキシャル成長が使用されるが、これは成長速 度が大きく、費用がかからずに済む上、安全だからである。高圧、低圧、又は大 気圧でこの成長を実行可能である。この技術は当該技術分野において公知であり 、エピタキシャル層を蒸着させるのによく使用されている。中間層１５の厚さは 一般に、約１ミクロン以下である。中間層はエピタキシャルプロセスの最初の構 成要素として予め蒸着されるか、又は何らかの表面反応により基板上に形成され る。中間層は例えば酸化珪素、窒化珪素、又は炭化珪素のような、様々な材料よ り構成可能である。 図３ａに、基板１８及び中間層１９の断面図を示す。図３ｂにおいて、中間層 はパターン２０に処理される。このパターンは、基板１８の上部に存在する一連 のストリップである。気相エピタキシャル成長を初めとする標準的な化学蒸着法 を用いて、薄いパターン層を約０．１〜数ミクロンの厚さで蒸着させる。このパ ターンは一般に１０乃至１０００ミクロン間隔をあけた構造を有するが、特定の 基板材料や他のパラメータに応じて別の間隔を使用してもよい。基板の一部はパ ターン化構造間において露出され、エピタキシに対する核形成の部位を提供し得 る。 図３ｃにおいて、エピタキシ２１はパターン中間層２０及び基板１８の上部に 蒸着されている。エピタキシは基板との界面に核を形成し、中間層の上部まで成 長し、続いて、中間層の上をおおって外方向へ成長する。図３ｄにおいて、中間 層は、サンプルを冷却する前にエッチングにより除去され、熱的不整合応力は除 去される。ここでエピタキシが小さな予め選択された領域において基板へ取り付 けられると、全熱的不整合応力が減小し、熱的不整合ひずみの大部分はこの小さ な領域に分離される。 本発明は、中間層をエピタキシャル蒸着の部分から分離した選択ガスによりエ ッチングするために使用される、改良型サンプルホルダーを提供する。図４に改 良型サンプルホルダーを示すが、符号２３はエピタキシ、符号２５は中間層、符 号２５は基板、符号２６はエピタキシャルガスの注入点、符号２７は中間層上へ と下方にクランプすると共に中間層の上の領域（上部領域）を中間層の下の領域 （下部領域）から分離するピンである。側面のガスインジェクタ２８は中間層物 質にエッチングを施すために任意に使用可能である。基板ヒーターブロックアセ ンブリ２９はプロセスの間基板を加熱するのに使用される。中間層のエッチング に使用される特定のガスは、中間層用に選ばれた特定の物質を有効にエッチング すべく選択される。望ましい結果を得るために種々の物質及び腐食液を使用可能 であることが理解されるであろう。更に、様々なエッチング技術を適用すること が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，Ｋ Ｒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体材料の厚い層を形成する方法であって、 成長温度にて化学蒸着法により、半導体材料のエピタキシャル層を、基板上 に予め蒸着させておいた中間層の上に蒸着させる工程であって、同工程において エピタキシャル層及び基板は熱的に不整合であることと、 前記成長温度にて気相エッチング法により、中間層のほぼ全体を除去し、エ ピタキシャル層を基板から概ね分離する工程と、 エピタキシャル層及び基板を冷却する工程と から成り、 熱的不整合による損傷が低減された高品質な半導体材料の厚い層が形成され る方法。 ２．基板が珪素、サファイア又は炭化珪素である請求項１に記載の方法。 ３．中間層が珪素、酸化珪素、窒化珪素、又は炭化珪素である請求項１に記載の 方法。 ４．中間層をパターン形成して、中間層の除去によりエピタキシャル層と基板と を予め選択された領域において付着させる請求項１に記載の方法。 ５．基板の一部が露出されるように中間層をパターン形成し、基板の露出部分が エピタキシに対する核形成部位を提供する請求項１に記載の方法。 ６．半導体材料がＧａＮ又は関連するＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ又はＩＶ族化合物 又は合金である請求項１に記載の方法。 ７．請求項１に記載の方法により製造された半導体材料の層。 ８．半導体材料の厚い層を形成するための装置であって、 成長温度にて化学蒸着法により、装置の上部領域において、半導体材料の工 ピタキシャル層を、基板上に予め蒸着させておいた中間層の上に蒸着させる手段 であって、同手段においてエピタキシャル層及び基板は熱的に不整合であること と、 前記成長温度にて気相エッチング法により、装置の下部領域において、中間 層のほぼ全体を除去し、エピタキシャル層を基板から概ね分離する手段と、 上部領域を下部領域から概ね分離する手段と を備えた装置。