JP2003113000A - 半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents
半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法Info
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- JP2003113000A JP2003113000A JP2001310195A JP2001310195A JP2003113000A JP 2003113000 A JP2003113000 A JP 2003113000A JP 2001310195 A JP2001310195 A JP 2001310195A JP 2001310195 A JP2001310195 A JP 2001310195A JP 2003113000 A JP2003113000 A JP 2003113000A
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- epitaxial wafer
- semiconductor epitaxial
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ウェハの反りやクラックの発生を効果的に抑
制できる新規な半導体エピタキシャルウェハ及びその製
造方法の提供。 【解決手段】 有機金属気相成長法によって基板２の表
面にこれと格子定数及び熱膨張係数を有する結晶層３を
成長させた半導体エピタキシャルウェハ１において、上
記基板２の裏面側に、その基板２に引張り応力を付与す
べく応力相殺層４を備える。この結果、基板２の裏面側
から結晶層３に発生する引張り応力が相殺されるため、
冷却後の基板の反りや反りによるクラック等の不都合を
効果的に抑制できる。
制できる新規な半導体エピタキシャルウェハ及びその製
造方法の提供。 【解決手段】 有機金属気相成長法によって基板２の表
面にこれと格子定数及び熱膨張係数を有する結晶層３を
成長させた半導体エピタキシャルウェハ１において、上
記基板２の裏面側に、その基板２に引張り応力を付与す
べく応力相殺層４を備える。この結果、基板２の裏面側
から結晶層３に発生する引張り応力が相殺されるため、
冷却後の基板の反りや反りによるクラック等の不都合を
効果的に抑制できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーダイオー
ド等の化合物半導体デバイスを得るための半導体エピタ
キシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。
ド等の化合物半導体デバイスを得るための半導体エピタ
キシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】一般
に、窒化ガリウム系化合物半導体結晶（以下、ＧａＮ結
晶と略す）を基板上に成長させるには、格子定数や熱膨
張係数が同じＧａＮ基板を用いることが望ましいが、現
状では実用化レベルのＧａＮ基板がないことからこれに
代えてサファイア基板が多用されている。
に、窒化ガリウム系化合物半導体結晶（以下、ＧａＮ結
晶と略す）を基板上に成長させるには、格子定数や熱膨
張係数が同じＧａＮ基板を用いることが望ましいが、現
状では実用化レベルのＧａＮ基板がないことからこれに
代えてサファイア基板が多用されている。
【０００３】しかしながら、このＧａＮ結晶の成長基板
としてサファイア基板を用いた場合、このサファイア基
板とＧａＮ結晶との間には大きな格子定数差（約１３
％）と大きな熱膨張係数差が存在するために、結晶成長
後の冷却時に両者間に大きな熱応力が発生し、得られた
ウェハに反りやクラックが発生してしまうといった不都
合がある。
としてサファイア基板を用いた場合、このサファイア基
板とＧａＮ結晶との間には大きな格子定数差（約１３
％）と大きな熱膨張係数差が存在するために、結晶成長
後の冷却時に両者間に大きな熱応力が発生し、得られた
ウェハに反りやクラックが発生してしまうといった不都
合がある。
【０００４】例えば、図２に示すようにサファイア基板
ｂはその熱膨張係数がＧａＮ結晶ｃのそれよりも大きい
ことから、冷却後においてはＧａＮ結晶ｃ側が凸になる
ようにウェハａ全体が大きく反ってしまう。そして、こ
の状態でウェハａ上にフォトリソグラフィー等により素
子パターンを作成すると、中央部とその周辺部とで焦点
が大きく異なって露光がぼやけてしまい、高詳細な素子
パターンが得られないといった問題がある。
ｂはその熱膨張係数がＧａＮ結晶ｃのそれよりも大きい
ことから、冷却後においてはＧａＮ結晶ｃ側が凸になる
ようにウェハａ全体が大きく反ってしまう。そして、こ
の状態でウェハａ上にフォトリソグラフィー等により素
子パターンを作成すると、中央部とその周辺部とで焦点
が大きく異なって露光がぼやけてしまい、高詳細な素子
パターンが得られないといった問題がある。
【０００５】さらに、このＧａＮ結晶ｃの成長膜厚を厚
くした場合には、ウェハａ全体の反りのみならずエピタ
キシャル層と基板との界面付近に大きな引張り応力が発
生してここからクラックが生じてしまい、歩留りが大幅
に低下してしまうといった問題がある。
くした場合には、ウェハａ全体の反りのみならずエピタ
キシャル層と基板との界面付近に大きな引張り応力が発
生してここからクラックが生じてしまい、歩留りが大幅
に低下してしまうといった問題がある。
【０００６】そこで、本発明はこのような課題を有効に
解決するために案出されたものであり、その目的は、ウ
ェハの反りやクラックの発生を効果的に抑制できる新規
な半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供
するものである。
解決するために案出されたものであり、その目的は、ウ
ェハの反りやクラックの発生を効果的に抑制できる新規
な半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供
するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によ
ってサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板の表面にこれと異なる
格子定数及び熱膨張係数を有する結晶層、例えば窒化物
系化合物半導体結晶を形成した半導体エピタキシャルウ
ェハにおいて、上記基板の裏面側に、その基板に引張り
応力を付与すべくＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ｓｉ等か
らなる応力相殺層を備えたものである。
に本発明は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によ
ってサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板の表面にこれと異なる
格子定数及び熱膨張係数を有する結晶層、例えば窒化物
系化合物半導体結晶を形成した半導体エピタキシャルウ
ェハにおいて、上記基板の裏面側に、その基板に引張り
応力を付与すべくＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ｓｉ等か
らなる応力相殺層を備えたものである。
【０００８】すなわち、前述したように、窒化ガリウム
系化合物半導体結晶の成長基板として格子定数及び熱膨
張係数が大きく異なるサファイア基板を用いた場合、冷
却後に、ＧａＮ結晶側が凸になるようにウェハ全体が大
きく反ってしまうが、本発明のように予めこの基板裏面
側に応力相殺層を設け、この応力相殺層によってその基
板の裏面側から同じ程度の引張り応力を予め付与させて
おけば、ＧａＮ結晶に発生する引張り応力が相殺され、
冷却後の基板の反りや反りによるクラック等の不都合を
効果的に抑制することができる。また、上記窒化物系化
合物半導体結晶として、ＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）
を用いても良い。
系化合物半導体結晶の成長基板として格子定数及び熱膨
張係数が大きく異なるサファイア基板を用いた場合、冷
却後に、ＧａＮ結晶側が凸になるようにウェハ全体が大
きく反ってしまうが、本発明のように予めこの基板裏面
側に応力相殺層を設け、この応力相殺層によってその基
板の裏面側から同じ程度の引張り応力を予め付与させて
おけば、ＧａＮ結晶に発生する引張り応力が相殺され、
冷却後の基板の反りや反りによるクラック等の不都合を
効果的に抑制することができる。また、上記窒化物系化
合物半導体結晶として、ＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）
を用いても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施する好適一形
態を添付図面を参照しながら説明する。
態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１０】図１は本発明に係る半導体エピタキシャル
ウェハ１の実施の一形態を示したものである。
ウェハ１の実施の一形態を示したものである。
【００１１】図示するように、この半導体エピタキシャ
ルウェハ１は、成長基板２となるサファイア（Ａｌ
2Ｏ3）基板の表面側に、これと格子不整合系の結晶層３
であるＧａＮ結晶が有機金属気相成長法によって均一に
形成されると共に、その成長基板２の裏面側に応力相殺
層４が一体的に形成された３層構造となっている。
ルウェハ１は、成長基板２となるサファイア（Ａｌ
2Ｏ3）基板の表面側に、これと格子不整合系の結晶層３
であるＧａＮ結晶が有機金属気相成長法によって均一に
形成されると共に、その成長基板２の裏面側に応力相殺
層４が一体的に形成された３層構造となっている。
【００１２】この応力相殺層４は、成長基板２とこれと
格子不整合系の結晶層３とによって発生する成長基板２
の反り変形を防止するものであり、本実施の形態にあっ
ては、成長基板２の裏面側から成長基板２に対して引張
り応力を付与することで結晶層３の引張り応力を相殺す
るようにしたものである。
格子不整合系の結晶層３とによって発生する成長基板２
の反り変形を防止するものであり、本実施の形態にあっ
ては、成長基板２の裏面側から成長基板２に対して引張
り応力を付与することで結晶層３の引張り応力を相殺す
るようにしたものである。
【００１３】すなわち、上述したようにサファイア基板
２の表面側に、これと格子不整合系のＧａＮ結晶３を成
長させ、これを室温まで冷却させた場合、サファイア基
板２の熱膨張係数がＧａＮ結晶３のそれよりも大きいこ
とから、図２に示すようにＧａＮ結晶３側が凸状になる
ようにウェハ全体が反ってしまい、ＧａＮ結晶３側に引
張り応力が発生することになるが、そのウェハの裏面側
にこのＧａＮ結晶３と同様、あるいはそれ以下の熱膨張
係数を有する応力相殺層４を備え、ウェハの裏面側から
成長基板２に対して引張り応力を付与することで、結晶
層３の引張り応力が相殺され、ウェハの反りや反りによ
るクラックの発生を効果的に抑制することができる。
２の表面側に、これと格子不整合系のＧａＮ結晶３を成
長させ、これを室温まで冷却させた場合、サファイア基
板２の熱膨張係数がＧａＮ結晶３のそれよりも大きいこ
とから、図２に示すようにＧａＮ結晶３側が凸状になる
ようにウェハ全体が反ってしまい、ＧａＮ結晶３側に引
張り応力が発生することになるが、そのウェハの裏面側
にこのＧａＮ結晶３と同様、あるいはそれ以下の熱膨張
係数を有する応力相殺層４を備え、ウェハの裏面側から
成長基板２に対して引張り応力を付与することで、結晶
層３の引張り応力が相殺され、ウェハの反りや反りによ
るクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００１４】従って、この応力相殺層４を構成する材料
としては、成長基板２の表面側に形成される結晶層３と
同様、あるいはそれ以下の熱膨張係数を有する材料から
なるものが用いられ、例えば、本実施の形態にあって
は、ＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ｓｉ等を用いることが
できる。また、後述する実施例に示すように、この引張
り力はその厚さに比例することから、この応力相殺層４
の厚さを適宜調節することで任意の相殺力を容易に発生
させることも可能となる。
としては、成長基板２の表面側に形成される結晶層３と
同様、あるいはそれ以下の熱膨張係数を有する材料から
なるものが用いられ、例えば、本実施の形態にあって
は、ＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ｓｉ等を用いることが
できる。また、後述する実施例に示すように、この引張
り力はその厚さに比例することから、この応力相殺層４
の厚さを適宜調節することで任意の相殺力を容易に発生
させることも可能となる。
【００１５】これによって、フォトリソグラフィー等に
より素子パターンを作成するに際してウェハ全体の露光
のぼやけがなくなって高詳細な素子パターンを得ること
ができると共に、歩留りの低下も確実に抑制することが
できる。
より素子パターンを作成するに際してウェハ全体の露光
のぼやけがなくなって高詳細な素子パターンを得ること
ができると共に、歩留りの低下も確実に抑制することが
できる。
【００１６】尚、ウェハ１の反り現象は上記実施の形態
のように必ずしも結晶層３側が凸状になるものばかりで
なく、選択する材料によっては、結晶層３側が凹むよう
に反る場合もあるが、この場合にも上記実施の形態と同
様にその基板側に結晶層３と同様な熱膨張係数を有する
応力相殺層４を備え、基板２に対してその裏面側から圧
縮応力を付与するようにすれば、係る反り変形の発生も
効果的に抑制することが可能となる。
のように必ずしも結晶層３側が凸状になるものばかりで
なく、選択する材料によっては、結晶層３側が凹むよう
に反る場合もあるが、この場合にも上記実施の形態と同
様にその基板側に結晶層３と同様な熱膨張係数を有する
応力相殺層４を備え、基板２に対してその裏面側から圧
縮応力を付与するようにすれば、係る反り変形の発生も
効果的に抑制することが可能となる。
【００１７】
【実施例】（従来例）有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰ
Ｅ装置）を用いて、φ３インチ，厚さ４５０μｍのＣ面
サファイア基板の上に１１００℃でＧａＮ（窒化ガリウ
ム）結晶を２μｍの厚さで成長させた。成長は、先ず、
このサファイア基板をヒータによって水素雰囲気中で１
１５０℃に加熱してサーマルクリーニングを行った後、
５００℃に温度を下げ、バッファ層となるＧａＮを２０
ｎｍ成長させ、その後再度１０００℃に昇温してＧａＮ
結晶を２μｍまで成長させ、成長後にヒータ加熱をオフ
にしてアンモニア雰囲気で室温まで降温して取り出し
た。尚、Ｇａの原料には有機金属であるトリメチルガリ
ウムを用い、Ｎの原料にはアンモニアを用いた。
Ｅ装置）を用いて、φ３インチ，厚さ４５０μｍのＣ面
サファイア基板の上に１１００℃でＧａＮ（窒化ガリウ
ム）結晶を２μｍの厚さで成長させた。成長は、先ず、
このサファイア基板をヒータによって水素雰囲気中で１
１５０℃に加熱してサーマルクリーニングを行った後、
５００℃に温度を下げ、バッファ層となるＧａＮを２０
ｎｍ成長させ、その後再度１０００℃に昇温してＧａＮ
結晶を２μｍまで成長させ、成長後にヒータ加熱をオフ
にしてアンモニア雰囲気で室温まで降温して取り出し
た。尚、Ｇａの原料には有機金属であるトリメチルガリ
ウムを用い、Ｎの原料にはアンモニアを用いた。
【００１８】そして、このようにして得られたウェハを
装置から取り出し、その反りの有無及び反り量を測定し
たところ、図３（１）に示すようにウェハ全体がＧａＮ
結晶ｃ側が凸状になるように反ってしまい、その反り量
Ｄは３０μｍであった。尚、この反り量Ｄの測定方法
は、先ず図３（１）に示すように、凸面が上方になる状
態でそのウェハの高さ（ｄ１）をダイヤルゲージを用い
てその中心部分を基準として測定した後、同図（２）に
示すようにそのウェハを反転させた状態でそのウェハの
高さ（ｄ２）を同じくその中心部分を基準として測定
し、ｄ１からｄ２を引いた値を求めたものである。
装置から取り出し、その反りの有無及び反り量を測定し
たところ、図３（１）に示すようにウェハ全体がＧａＮ
結晶ｃ側が凸状になるように反ってしまい、その反り量
Ｄは３０μｍであった。尚、この反り量Ｄの測定方法
は、先ず図３（１）に示すように、凸面が上方になる状
態でそのウェハの高さ（ｄ１）をダイヤルゲージを用い
てその中心部分を基準として測定した後、同図（２）に
示すようにそのウェハを反転させた状態でそのウェハの
高さ（ｄ２）を同じくその中心部分を基準として測定
し、ｄ１からｄ２を引いた値を求めたものである。
【００１９】（実施例１）φ３インチ，厚さ４５０μｍ
のＣ面サファイア基板の裏面側に、サファイアより熱膨
張係数の小さいＡｌＮを予め１μｍ付着させた後、この
サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に入れ、そのサファイ
ア基板の表面側にＧａＮ結晶を従来例と全く同じ方法で
成長させてウェハを製造した。そして、このウェハの反
りを検査したところ、全く反りが発生しなかった。
のＣ面サファイア基板の裏面側に、サファイアより熱膨
張係数の小さいＡｌＮを予め１μｍ付着させた後、この
サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に入れ、そのサファイ
ア基板の表面側にＧａＮ結晶を従来例と全く同じ方法で
成長させてウェハを製造した。そして、このウェハの反
りを検査したところ、全く反りが発生しなかった。
【００２０】（実施例２）φ２インチ，厚さ４５０μｍ
のＣ面サファイア基板の裏面側に、Ｓｉを様々な厚さで
付着させておき、それら各基板の表面側にＧａＮ結晶を
従来例と全く同じ方法で成長させてウェハを製造し、そ
れら各ウェハの反り量を測定した。
のＣ面サファイア基板の裏面側に、Ｓｉを様々な厚さで
付着させておき、それら各基板の表面側にＧａＮ結晶を
従来例と全く同じ方法で成長させてウェハを製造し、そ
れら各ウェハの反り量を測定した。
【００２１】この結果、図４に示すように、応力相殺層
であるＳｉの膜厚が約１．２μｍを超えてしまうと図３
（２）に示すように、ＧａＮ結晶側が凹むようにウェハ
全体が反ってしまい、反対にＳｉの膜厚が約０．８μｍ
以下であると、従来例と同様にＧａＮ結晶ｃ側が凸状に
なるようにウェハ全体が反対側に反ってしまった。そし
て、この結果からもわかるように、基板裏面側の応力相
殺層によって基板の反りを効果的に抑制することがで
き、しかもその厚さを変化させることで相殺応力を自在
にコントロールすることも可能となる。
であるＳｉの膜厚が約１．２μｍを超えてしまうと図３
（２）に示すように、ＧａＮ結晶側が凹むようにウェハ
全体が反ってしまい、反対にＳｉの膜厚が約０．８μｍ
以下であると、従来例と同様にＧａＮ結晶ｃ側が凸状に
なるようにウェハ全体が反対側に反ってしまった。そし
て、この結果からもわかるように、基板裏面側の応力相
殺層によって基板の反りを効果的に抑制することがで
き、しかもその厚さを変化させることで相殺応力を自在
にコントロールすることも可能となる。
【００２２】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、基板の裏
面側に予め応力相殺層を備えたことから、冷却後のウェ
ハの反りや反りによるクラック等の不都合を効果的に抑
制することができる。この結果、フォトリソグラフィー
等により素子パターンを作成するに際してウェハ全体の
露光が均一となり、高詳細な素子パターンを得ることが
できると共に、歩留りの低下も確実に抑制することがで
きる等といった優れた効果を発揮する。
面側に予め応力相殺層を備えたことから、冷却後のウェ
ハの反りや反りによるクラック等の不都合を効果的に抑
制することができる。この結果、フォトリソグラフィー
等により素子パターンを作成するに際してウェハ全体の
露光が均一となり、高詳細な素子パターンを得ることが
できると共に、歩留りの低下も確実に抑制することがで
きる等といった優れた効果を発揮する。
【図１】本発明に係る半導体エピタキシャルウェハの実
施の一形態を示す拡大断面図である。
施の一形態を示す拡大断面図である。
【図２】従来の半導体エピタキシャルウェハの冷却後の
状態を示す概念図である。
状態を示す概念図である。
【図３】本実施例で採用したウェハの反り量検出方法を
示した概念図である。
示した概念図である。
【図４】Ｓｉからなる応力相殺層の厚さと反り量との関
係を示すグラフ図である。
係を示すグラフ図である。
１ 半導体エピタキシャルウェハ
２ 基板（サファイア基板）
３ 結晶層（ＧａＮ結晶）
４ 応力相殺層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE13 BE15 DB08
ED06 EE06 HA12 TB05 TC16
TK08
5F045 AA04 AB02 AB09 AB14 AB17
AB32 AC08 AC12 AF09 BB11
CA12 DA69
Claims (7)
- 【請求項１】 有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に
よって基板の表面にこれと異なる格子定数及び熱膨張係
数を有する結晶層を成長させた半導体エピタキシャルウ
ェハにおいて、上記基板の裏面側に、その基板に対して
引張り応力を付与する応力相殺層を備えたことを特徴と
する半導体エピタキシャルウェハ。 - 【請求項２】 有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に
よって基板の表面にこれと異なる格子定数及び熱膨張係
数を有する結晶層を成長させた半導体エピタキシャルウ
ェハにおいて、上記基板の裏面側に、その基板に圧縮応
力を付与する応力相殺層を備えたことを特徴とする半導
体エピタキシャルウェハ。 - 【請求項３】 上記基板がサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板
からなると共に、上記結晶層が窒化物系化合物半導体結
晶からなり、かつ上記応力相殺層がＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓ
ｉ3Ｎ4，Ｓｉのいずれかからなることを特徴とする請求
項１に記載の半導体エピタキシャルウェハ。 - 【請求項４】 上記窒化物系化合物半導体結晶が、Ａｌ
XＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）であることを特徴とする請求
項３に記載の半導体エピタキシャルウェハ。 - 【請求項５】 有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に
よって基板の表面にこれと異なる格子定数及び熱膨張係
数を有する結晶層を成長させた半導体エピタキシャルウ
ェハの製造方法において、上記単結晶基板の表面に結晶
層を形成する前に、予めその単結晶基板の裏面側にこれ
に引張り応力あるいは圧縮応力を付与すべく応力相殺層
を形成するようにしたことを特徴とする半導体エピタキ
シャルウェハの製造方法。 - 【請求項６】 サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板の裏面側
に、ＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ｓｉのいずれかからな
る応力相殺層を形成した後、このサファイア基板の表面
側に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって窒化
物系化合物半導体結晶を成長させて結晶層を形成するよ
うにしたことを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ
の製造方法。 - 【請求項７】 上記窒化物系化合物半導体結晶が、Ａｌ
XＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）であることを特徴とする請求
項６に記載の半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001310195A JP2003113000A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001310195A JP2003113000A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003113000A true JP2003113000A (ja) | 2003-04-18 |
Family
ID=19129216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001310195A Pending JP2003113000A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003113000A (ja) |
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7514745B2 (en) | 2005-04-06 | 2009-04-07 | Oki Semiconductor Co., Ltd. | Semiconductor device |
| JP2010129938A (ja) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 電子デバイスの製造方法 |
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