JP2003119100A - エピタキシャル処理用基板、エピタキシャルウェハ、半導体装置およびエピタキシャル成長方法 - Google Patents

エピタキシャル処理用基板、エピタキシャルウェハ、半導体装置およびエピタキシャル成長方法

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JP2003119100A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上にIII−V族窒化物を成長させた後
も平坦で、続いて行う高性能装置の高歩留まり処理に適
したウェハを提供する。 【解決手段】 熱膨張係数(TEC)が異なる少なくと
も2つの層を有する基板を、続いて行う半導体のエピタ
キシャル成長に使用する。一般的な例は、サファイア2
10の上でのIII−V族窒化物(InGaAlBNA
sP合金半導体)のエピタキシャル成長である。エピタ
キシャル処理を行ったウェハは、III−V族窒化物エ
ピタキシャル層214とサファイア210の温度の不一
致に起因して成長後の冷却時に凸状に反ってしまう恐れ
がある。層状基板は、エピタキシャル層214と基板の
上層210の温度の不一致を補償し、次の処理に適する
平坦なウェハを高い歩留まりで実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は層状基板に関し、特
に、続いて行うIII−V族窒化物半導体のエピタキシ
ャル成長のために基板を使用した際に基板にかかる応力
を補償する方法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】本発
明は、III−V族窒化物半導体をエピタキシャル成長
させるための層状基板構造に関する。このIII−V族
窒化物半導体は、元素として窒素を含むIII−V族化
合物半導体であり、これをInGaAlBNAsP合金
(InxGayAlzwNαAsβPγ合金、但し、x+
y+z+w=1、α+β+γ=1、0≦x、y、z、
w、α、β、γ≧1)と表記する。大きなバンドギャッ
プを持つIII−V族窒化物は、可視光発光ダイオード
(LED)用に様々な用途で広く使用されている。青色
LED又は紫外線LEDを用いた蛍光物質の励起により
白色光の発光が可能になり、これにより現在使用されて
いる電球に代わって、より寿命が長い電球の使用が可能
になる。また、高密度の光学ディスク装置は、III−
V族窒化物を使用した青色LED又は紫外線LED半導
体レーザーの応用例として有望である。現在、III−
V族窒化物紫外線レーザーを使った高密度の光学ディス
クの試験装置が使用可能である。
【0003】従来のIII−V族窒化物形成用基板とし
ては、MOCVD法(有機金属気相成長法)によって上
面にIII−V族窒化物を成長させたサファイア基板が
ある。基板と高温成長によって形成する層との間に低温
成長によって形成するバッファ層を挿入することによっ
て、結晶品質が向上することがわかっている。他にも基
板として炭化ケイ素(SiC)があげられるが、SiC
のほうが結晶欠陥を多く含むにも関わらずサファイアと
比べ高価である。
【0004】基板とそれに続いてIII−V族窒化物を
使ったMOCVD法による従来のエピタキシャル成長方
法を図1、図2(a)、図2(b)および図4を用いて説
明する。図1には従来のIII−V族窒化物エピタキシ
ャル成長用MOCVD装置を示す。原料ガス112とし
ては、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルア
ルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TM
In)およびアンモニア(NH3)が、キャリアガス1
13としては水素が使用される。サファイア基板110
は、高周波(RF)誘導加熱装置118によって加熱さ
れるサセプタ116上に置かれる。一般的に、サセプタ
116はグラファイトで構成される。基板110とサセ
プタ116は、共に水冷反応管114に収容される。R
F誘導加熱装置118は誘導コイルを有する。
【0005】図2において、処理の流れを示す断面図に
見るように、サファイア基板110の上にIII−V族
窒化物層122を成長させる。一般的に、サファイア基
板110の厚さは300μmである。窒化物層122と
しては、GaN層、InGaN層、および/又はAlG
aN層等がある。まず、厚さ50nmのAlNバッファ
層をサファイア基板110上に約500℃で成長させ
る。そして、InAlGaN合金のpn接合面を含むI
II−V族窒化物のエピタキシャル層をAlNバッファ
層上に成長させる。一般的に、エピタキシャル層はAl
GaNクラッド層とInGaN量子井戸活性層を含んで
いる。III−V族窒化物層を成長させた後、得られた
ウェハを室温まで冷却し、反応管114から取り出す。
このとき、図2に示すように、ウェハは凸状に反ってい
る。この反りは、(1)サファイア基板110と窒化物
層122間の温度の不一致や(2)窒化物層122をサ
ファイア基板110へ高温で添加することによって生じ
る。
【0006】図3に示すように、この反りの半径は、オ
ルセンらによる簡単なモデルを使って計算することがで
きる。オルセンらのモデルでは、温度の不一致に起因す
る力の釣合いと運動量が考慮されている。図3は、オル
センモデルをもとに計算した様々な厚さのGaNの反り
を示している。この計算では、簡単な二層モデルが使用
されている。窒化物層122が厚くなるとこの反りが顕
著に現れ、大幅な歩留まり低下の原因となりうる。
【0007】図4に示すように、ウェハをフォトリソグ
ラフィー法でパターン形成した後、メタライゼーショ
ン、誘電膜の堆積、その他の工程を行う。このような反
ったウェハの場合、周辺部に精巧なパターン形成を行う
ことは難しく、そのため、ウェハ全体に製造される装置
の歩留まりは低くなる。図4は、この方法でヘテロ構造
のInGaN/AlGaNから製造した発光ダイオード
(LED)の一例を断面図に示す。サファイア基板11
0上には、pn接合構造を成長させている。サファイア
は絶縁物質であるため、p型層136と活性層134が
選択的にエッチングされ、p電極140とn電極138
が形成される。一般的に、p型層136はGaN又はA
lGaNで、また、活性層134はInGaNで構成さ
れる。
【0008】エピタキシャル層の厚み139は、温度の
不一致によるウェハの反りを減らすために数μm程度に
限定される。非常に薄いn型層132に電流が流れるた
め、LEDの直列抵抗130は高く、したがって、高電
圧動作となる。一般的に、n型層132はAlGaN又
はGaNで構成される。小型の装置チップでも凸状に反
ってしまう場合もあり、高い精度でダイボンディングを
行うことは極めて難しい。
【0009】このため、III−V族窒化物の成長後も
平坦で、続いて行う高性能装置の高歩留まり処理に適し
たウェハを提供することが大いに望まれている。したが
って、本発明はIII−V族窒化物装置の高歩留まり処
理に適する平坦状ウェハを提供するとともに、従来技術
における上記の制限の多くを克服するための構造と方法
を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施形態で
は、III−V族窒化物をエピタキシャル成長させるた
めに層状基板を使用する。この層状基板において、
(1)各層の熱膨張係数(TEC)は異なっており、
(2)TECが異なったままだと反りが起こってしまう
ため、これを補うために異なる層間でTECを合致させ
ている。少し異なる適用例では、本発明の層状基板を使
用し、続いて行う半導体のエピタキシャル成長処理用の
第1の基板としてもよい。このような構成では、第1の
基板はTECが異なる少なくとも2つの層を有する。
【0011】本発明の方法を使用して第1の半導体装置
を得てもよい。第1の半導体装置は、少なくとも2つの
層のTECが異なる層状基板上にデバイス層を有する。
別の実施形態では、本発明は第1のエピタキシャル成長
方法を提供する。第1のエピタキシャル成長方法は、少
なくとも2つの層のTECが異なる層状基板に対してエ
ピタキシャル成長を行う工程と、エピタキシャル成長後
に基板を除去する工程とを備えている。
【0012】さらに、本発明は、高温で基板の上面に対
してエピタキシャル成長を行う工程と、基板上面に対し
てエピタキシャル成長を行う前又は後に、室温まで冷却
することなしに基板の裏面に対して成膜又はエピタキシ
ャル成長を行う工程を備えた第2のエピタキシャル成長
方法を提供する。第2のエピタキシャル成長方法による
と、基板上面のエピタキシャル成長と裏面のエピタキシ
ャル成長は室温まで冷却することなく行われる。
【0013】本発明は、第3のエピタキシャル成長方法
を提供する。第3のエピタキシャル成長方法は、各層の
TECが互いに異なる層状基板を、熱シンク材を使わず
放射熱源によって直接加熱する工程を備えている。
【0014】他の方法では、本発明は、さらに、基板の
両面に同時に膜を成長させるエピタキシャル成長方法を
提供する。このような構成では、基板の各面がエピタキ
シャル成長装置のサセプタブロックにもどの部分にも覆
われないように基板をエピタキシャル成長装置内に配置
する。
【0015】したがって、本発明は、歩留まりの高いI
II−V族窒化物装置処理用の平坦状ウェハを提供す
る。また、本発明は、従来技術における上記制限の多く
を克服する構造と方法を提供する。
【0016】一実施形態において、本発明はIII−V
族窒化物エピタキシャル成長のために層状基板を使用す
る。この層状基板では、(1)熱膨張係数(TEC)が
各層で異なり、(2)様々な層間のTECが異なったま
までは反りが生じてしまうため、反りを補正するために
層間でTECを合致させている。例えば、基板の下層
が、基板の上面に成長させた窒化物と基板上層との間の
温度の不一致を補正する場合がある。他の例としては、
基板が層を三層以上含んでおり、含まれる層のうち少な
くとも二層でTECが異ならせるようにしてもよい。2
つの層で構成される基板の場合は、(1)基板の上層の
TECがエピタキシャル層や基板の下層のTECよりも
大きくなるように配置されているか、(2)基板の上層
のTECがエピタキシャル層や基板の下層のTECより
も小さくなるように配置されているかのいずれかであ
る。
【0017】発光装置用のpn接合等の素子構造又はト
ランジスタ構造は、層状基板上に形成することができ
る。エピタキシャル層は、基板全体を除去するか、基板
の上層を選択的に除去することによって基板から分離さ
せることができる。エピタキシャル層と基板下層は、室
温まで冷却することなく基板上に形成することができ
る。基板の両面に膜を形成するために特別な成長方法を
使用することができる。反りのある層状基板は基板と放
射熱源の間に熱シンク材を介することなく放射熱源によ
り直接加熱される。成長用の反応種は、元の基板の上面
および下面に別々に供給される。この成長用反応種の分
離は物理的な仕切り又は不活性ガス流によって行うこと
ができる。
【0018】本発明による方法の結果得られる層状基板
によって、続いて層状基板上に半導体をエピタキシャル
成長させた後も平坦な層又は構造を維持できる。このた
め、本発明による平坦なエピタキシャル層によって、装
置製造時にウェハの周辺部であっても精度の高いパター
ン形成が可能になり、これにより高い製造歩留まりを得
ることができる。
【0019】直接加熱を行うことで、基板における各層
の温度の不一致によって元々反っている層状基板を均一
に加熱することができる。
【0020】ウェハの両面に二種類の反応種群を別々に
供給することで、室温まで冷却せずにエピタキシャル層
と基板下層を形成することができ、その結果、結晶欠陥
や微小割れが減少する。
【0021】少し異なる適応例では、本発明の層状基板
を用いて、続いて行う半導体のエピタキシャル成長用の
第一の基板としてもよい。このような構成において、第
一の基板は、TECが異なる少なくとも2つの層を有し
ている。第一の基板によって、エピタキシャル層を層状
基板上に成長させる。基板の下層は、エピタキシャル層
と基板の上層との間の温度の不一致を補償する。これに
より、エピタキシャル成長後に平坦なエピタキシャルウ
ェハを形成することが可能になり、また、ウェハの上面
全体に均一なマスクパターンを形成して装置の製造歩留
まりを向上させることができる。
【0022】本発明の別の実施形態では、層状基板の上
のエピタキシャル層は、GaN合金,AlN合金、In
GaN合金、AlGaN合金等のIII−V族窒化物半
導体で構成される。このような構成において、GaN合
金又はIII−V族窒化物合金の基板は自然には手に入
らないため、通常、III−V族窒化物は温度が一致し
ていない層状基板上に成長させる。
【0023】従来、窒化物層よりも大きなTECを持つ
サファイアは基板として最適である。GaNとサファイ
アのTECはそれぞれ5.46×10-6/deg、7.
5×10-6/degである。サファイア基板上にGaN
膜をエピタキシャル成長させた後、ウェハは温度の不一
致のため室温で凸状に反ってしまう。本発明に従って、
続いて行うIII−V族成長に層状基板を使用すること
で、エピタキシャル層の成長後に平坦状ウェハを製造す
ることが可能になる。
【0024】少なくともいくつかの実施形態において、
層を構成する物質の1つが、サファイア、シリコン、炭
化ケイ素、酸化亜鉛、ガリウムヒ素、ガリウムリン、リ
ン化インジウム、LiGaO2およびLiAlO2のうち
のいずれか1つであることが好ましい。これらの9つの
物質は、III−V族窒化物のエピタキシャル成長用の
基板として使用される。この基板上には、単結晶のII
I−V族窒化物を成長させる。サファイアは現在III
−V族窒化物用に使用される最適な基板として公知であ
る。高品質の単結晶基板が、Si、GaAs、GaPお
よびInP用に入手可能である。さらに、SiC、Zn
O、LiGaO2およびLiAlO2は、ほぼ格子整合状
態のIII−V族窒化物用基板であり、III−V族窒
化物を上面に成長させることができる、結晶欠陥の少な
い基板である。
【0025】本発明の一構成例において、基板は上層と
下層の2つの層を有し、エピタキシャル層に付着してい
る上層はエピタキシャル層および基板下層よりもTEC
が大きいことが好ましい。基板上層のTECがエピタキ
シャル層のTECよりも大きい場合、上層に付着し、上
層よりTECが小さい下層によって、エピタキシャル層
の成長後に平坦状ウェハを形成することが可能になる。
下層がない場合は、ウェハはエピタキシャル層の成長後
に凸状に反ってしまう。別の構成例においては、基板は
上層と下層の2つの層で構成され、エピタキシャル層に
付着している上層はエピタキシャル層および基板下層よ
りもTECが小さいことが好ましい。このように、基板
上層のTECがエピタキシャル層のTECよりも小さい
場合、上層に付着し、上層よりTECが大きい下層によ
って、エピタキシャル層の成長後に平坦なウェハを形成
することが可能になる。下層がない場合、エピタキシャ
ル層の成長後、ウェハは凹状に反ってしまう。
【0026】さらに別の構成例においては、エピタキシ
ャル層をIII−V族窒化物合金で構成するとともに、
基板を、シリコン上にサファイアを積層したもの、II
I−V族窒化物合金上にサファイアを積層したもの、酸
化亜鉛上にサファイアを積層したもの、炭化ケイ素上に
サファイアを積層したもののうちのいずれか1つから構
成してもよい。このエピタキシャル層と基板の4つの組
合せにおいて、基板上層はエピタキシャル層および基板
下層よりもTECが大きいか小さいかのどちらかであ
る。したがって、ここに列挙した基板構造を使用するこ
とで、基板上にエピタキシャルIII−V族窒化物層を
有する平坦状ウェハを形成することができる。
【0027】本発明の方法を使用し、第一の半導体装置
を製造することができる。第一の半導体装置は、少なく
とも2つの層のTECが異なる層状基板上に積層したデ
バイス層を有する。第一の半導体装置によれば、半導体
装置が層状基板上に成長させられる。基板下層がデバイ
ス層と基板上層の間の温度の不一致を補償するため、得
られる素子構造は反りがなく極めて平坦になる。これに
より、高い歩留まりで高精度かつ再現可能にダイをパッ
ケージに実装することが可能になる。
【0028】本発明は第一のエピタキシャル成長方法を
提供する。第一のエピタキシャル成長方法は、少なくと
も2つの層のTECが異なる層状基板に対してエピタキ
シャル成長を行う工程と、このエピタキシャル成長後に
基板を除去する工程とを備えている。この第一のエピタ
キシャル成長方法によれば、エピタキシャル層が基板か
ら分離される。この分離した層では、温度の不一致によ
る反りが生じない。III−V族窒化物用の基板には熱
伝導率又は電気伝導率が低い材料もあり、この除去工程
によって、素子の熱管理をうまく向上させること、ある
いは、直列抵抗を低下させることができる。このため、
寿命の延長、高性能動作又は低電圧動作を実現すること
ができる。
【0029】本発明の少なくともいくつかの構成におい
て、基板上層を選択的に除去することによってエピタキ
シャル層を分離することが好ましい。この上層の選択的
除去によって、下層を他のエピタキシャル成長に再利用
することが可能になる。したがって、この分離したエピ
タキシャル層を形成するための費用を削減することがで
きる。
【0030】本発明は、さらに、基板の上面に高温でエ
ピタキシャル成長を行う工程と、基板上面にエピタキシ
ャル成長を行う前又は後に、基板を室温まで冷却するこ
となく基板の裏面に対して成膜又はエピタキシャル成長
を行う工程を備えた第二のエピタキシャル成長方法を提
供する。第二のエピタキシャル成長方法によると、室温
まで冷却することなく基板の上面と裏面にエピタキシャ
ル成長が行われる。基板の片面に層を成長させ室温まで
冷却する場合、ウェハが反りを生じ、成長した層に微小
割れや結晶欠陥を起こす可能性がある。したがって、第
二のエピタキシャル成長方法は冷却工程を省くことによ
り、エピタキシャル層の結晶品質を向上させることがで
きる。
【0031】本発明に関連する態様において、2つの層
を同時に形成することもできる。このような構成におい
ては、同時に層を成長させることで、層成長後の冷却時
に生じる、温度の不一致による応力の影響を最小限に抑
えることができる。
【0032】本発明は第三のエピタキシャル成長方法を
提供する。第三のエピタキシャル成長方法は、各層のT
ECが異なる層状基板を、熱シンク材を使わずに放射熱
源によって直接加熱する工程を備えている。第三のエピ
タキシャル成長方法によると、反ったウェハがどのよう
なものであっても均一に加熱することができる。基板の
層間の温度の不一致に起因して、エピタキシャル成長前
に層状基板が反ってしまうことがあるが、第三のエピタ
キシャル成長方法によって、反った層を均一に加熱し、
基板上で均一なエピタキシャル成長を行うことが可能に
なる。
【0033】別の構成では、本発明は、さらに、基板の
両面に同時に膜を成長させるエピタキシャル成長方法を
提供する。このような構成では、基板の各面がエピタキ
シャル成長装置のサセプタブロックにもどの部分にも覆
われないように基板をエピタキシャル成長装置内に配置
する。そうすると、一組の反応種が基板の一方の面に供
給され、もう一組の反応種が他方の面に供給される。そ
の場合、二組の反応種は物理的な仕切り又は不活性ガス
流によって分離される。このように同時に層を成長させ
ることで、成長後の冷却時にエピタキシャル層と基板の
間の温度が一致しないために生じる応力の影響を最小限
に抑えることができる。少なくともいくつかの構成にお
いては、二組の反応種はいずれも窒素源およびIII族金
属源を含むことが好ましい。それにより、III−V族
窒化物を基板の両面に同時に成長させて、結晶欠陥や微
小割れのない平坦状エピタキシャルウェハを室温で形成
することができる。また、反応種の一方は窒素源および
III族金属源を、他方はシリコン源を含んでいてもよ
い。
【0034】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)まず、図5を
参照することにより、本発明の方法の一実施形態をより
詳しく理解することができる。特に、図5は、シリコン
212をサファイア基板210の一方の面に化学気相成
長法等によって約1000℃で成長させる、平坦なエピ
タキシャルウェハの処理の流れを概略的に示している。
一般的に、基板210の厚さは300μmである。シリ
コン212は、ウェハボンディングによって高温下でサ
ファイア基板210に接着してもよい。図5(b)に示
すように、サファイアとシリコンの間の温度が一致しな
いため、冷却後にウェハが凸状に反ってしまう。
【0035】次に、GaN合金、InGaAlN合金、
InGaN合金、又はAlGaN合金をベースとしたデ
バイス層(エピタキシャル層)214を基板210のも
う一方の面に、有機金属化学気相成長法(MOCVD
法)等によって約1000℃で成長させる。高温成長を
行う前にAlN低温バッファ層を成長させて、結晶欠陥
や表面の凸凹を低減させてもよい。一般的に、GaNを
成長させるためにトリメチルガリウム(TMGa)とア
ンモニア(NH3)を供給する。さらに、合金を成長さ
せるためにトリメチルアルミニウム(TMAl)とトリ
メチルインジウム(TMIn)を供給する。
【0036】上記のような成長を行った後、エピタキシ
ャルウェハは極めて平坦になる。これは、GaNのTE
Cがサファイアよりも小さいためであり、従って、エピ
タキシャル成長によって、シリコン上に元々存在してい
たサファイアの反りを抑えることができる。各層の厚さ
を慎重に調整することによって、従来技術の方法で見ら
れる反りの特徴を事実上取り除くことができる。この方
法で得たエピタキシャルウェハによれば、大口径のもの
であっても、ウェハ全体に精巧なマスクパターンを形成
することが可能になる。このため、装置製造において高
い歩留まりを得ることができる。
【0037】図6に示すように、上記のウェハの反りは
オルセンらによる簡単なモデルを使って計算することが
できる(J.Appl.Phys.,48(1977)
2543)。図6に、計算の基本モデル(以下、これを
オルセンモデルと称す)を概略的に示す。以下の数式は
反りを計算するために使われるものである。
【式1】 Lはウェハの長さを示し、Wはウェハの幅を示す。各層
について、厚さをti、ヤング率をEi、TEをCαi
する。Fi、Miはそれぞれ温度の不一致による各層への
力と運動量を示す。Rはウェハの反りの半径である。オ
ルセンモデルでは、力の総計と運動量の総計は0であ
り、また、界面における結晶のひずみは温度の不一致に
のみ起因して生じると想定する。
【0038】図7に示すように、オルセンモデルに基づ
いて、GaN/サファイア/シリコン構造に関して成長
後のウェハの反りを計算する。その計算結果を図7に示
す。GaNとシリコンの形成温度はどちらも1000℃
とする。また、サファイア基板210の厚さは300μ
mとする。サファイア基板210の裏面のシリコンの厚
さを調整することによって、平坦なウェハが得られるこ
とが分かる。最適なシリコンの厚さはシリコンの形成温
度に依存する場合があるが、その場合、反りを補償する
最適なシリコンの厚さを個々の処理毎に調節する必要が
ある。このような調整は、半導体ウェハ処理に精通する
当業者ならば容易に行うことができる。III−V族窒
化物の成長に使用できる層の材料特性に関するデータを
表1にまとめている。このデータは図3および図7に示
す結果を得るために使われる。
【0039】
【表1】
【0040】(第2の実施形態)次に、図8において、
第2の実施形態による平坦状エピタキシャルGaN層の
処理の流れを概略的に示す。図5に示す処理の流れにし
たがって、GaN/サファイア/シリコンの平坦なエピ
タキシャルウェハを形成する。その際、まず、図8
(b)に示すように、シリコン320をサファイア基板
310の裏面に付着させ、その後、図8(c)に示すよ
うに、GaN層又はInGaN/AlGaNデバイス層
330をサファイア基板310の上面に成長させる。一
般的に、サファイア基板310の厚さは300μmであ
る。さらに、図8(b)に示すように、ウェハ冷却後に
ウェハの反りが生じる。
【0041】その後、図8(d)に示すように、ボンデ
ィングワックス340を使って、図8(e)に示す続い
て行うサファイア/シリコンの機械研磨のためにウェハ
ホルダ350を接着する。研磨にかける前のウェハは平
坦なため、ウェハをウェハホルダ350に容易接着でき
る。機械研磨処理時には、膜内の応力によって、ウェハ
の反りが再び生じやすくなる。研磨中にウェハホルダか
らウェハが分離することを防ぐために、接着力の高いボ
ンディングワックス340を使うことができる。このよ
うな方法により、サファイアを含まず、熱伝導率又は電
気伝導率が高いGaN層330が得られ、これにより高
性能動作又は低電圧動作を行う高性能装置を得ることが
できる。
【0042】(第3の実施形態)次に、図9に本発明の
処理による半導体装置を示す。図9は、特に、サファイ
ア/シリコン基板上のInGaN/AlGaN発光ダイ
オード(LED)の断面を示す。シリコン410に付着
させられたサファイア基板420上にpn接合構造を成
長させる。ウェハとチップは極めて平坦で、エピタキシ
ャル層(デバイス層)は適度な平坦さを維持するために
数μm以上の厚み490を有する。サファイア基板42
0は絶縁物質であるので、p型層450と活性層440
を選択的にエッチングし、n電極460とp電極470
を形成する。p型層450は、一般的に、GaN又はA
lGaNで構成される。また活性層440は、一般的
に、InGaNで構成される。活性層の下に比較的厚い
n型層430を設けると、LEDの直列抵抗480を低
くすることができる。n型層430は、一般的に、Al
GaN又はGaNで構成される。
【0043】このような方法で製造されたLEDは、低
電力で作動できる。さらに、チップダイをパッケージに
極めて正確にボンディングすることができる。
【0044】(第4の実施形態)図10は、別の実施形
態を示しており、III−V族窒化物をエピタキシャル
成長させるMOCVD装置を示す。シリコン上にサファ
イアを積層した凹状に反った基板530を、底面方向か
ら放射熱源560によってウェハが直接加熱されるよ
う、大きな開口部を有するウェハホルダ510上に配置
する。放射熱源560は赤外線ランプであってもよい。
また、反射体520が反応炉580の外側に配置されて
おり、不活性ガス流570が放射熱源560付近に供給
される。図1に示すような熱シンク材を使用する従来の
MOCVD装置に比べ、本発明のMOCVD装置による
と、反ったウェハを均一に加熱することが可能になる。
トリメチルガリウム(TMGa)、TMAl、TMIn
およびアンモニア(NH3)等の反応種ガス540が、
サファイア面上に供給される。仕切り550によって、
反応ガス流540と不活性ガス流570は分離される。
【0045】(第5の実施形態)図11において、第5
の構成は、III−V族窒化物をエピタキシャル成長さ
せるMOCVD装置を示しており、この装置では図10
に示す直接加熱装置と同様の装置を使用するが、図10
に示す装置に加え、もう一組の反応種ガス610をサフ
ァイア基板530の裏面に供給する。サファイア基板5
30を、ウェハホルダ510上に配置し、放射熱源56
0で直接加熱することにより、サファイア基板530の
両面にエピタキシャル層を同時に成長させる。裏面に成
長させるのは、シリコン又はIII−V族窒化物のいず
れかである。また反射体520が反応炉580の外側に
配置されており、トリメチルガリウム(TMGa)、T
MAl、TMInおよびアンモニア(NH3)等の反応
種ガス540がサファイア面に供給される。裏面成長用
の反応種ガス610は、シリコン成長用のSiH4、又
は、トリメチルガリウム(TMGa)、TMAl、TM
Inおよびアンモニア(NH3)等、GaN成長用のI
II族金属と窒素源の組合せを含んでいてもよい。同時
に層を成長させることによって、エピタキシャル層中の
結晶欠陥や微小割れが減少する。これは、一連の成長処
理の間に熱サイクルが加えられないためである。上記二
組の反応種ガス540と610は、図11に示す物理的
な仕切り550、又は不活性ガス流によって分離され
る。
【0046】−結論− 本発明は層状基板に関し、特に、続いて行うIII−V
族半導体のエピタキシャル成長のために基板を使用した
際に基板にかかる応力を補償する方法に関する。
【0047】本発明の好ましい実施形態および様々な異
なる形態を詳しく説明したが、当業者には、本願明細書
にあげる教示によって、他の多くの形態や同等物が本発
明から逸脱することなく存在することが理解できるだろ
う。したがって、本発明は、上記の説明によってではな
く特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のIII−V族窒化物エピタキシャル成長
装置を示す概略図。
【図2】サファイア上にGaNを成長させる従来の処理
工程の流れを示す図。
【図3】GaNの様々な厚さに関して、層成長後のGa
N/サファイア系の反りを計算した結果を示すグラフ。
【図4】InGaN/GaN/AlGaN発光ダイオー
ド層をサファイア上に成長させた従来の半導体装置を示
す断面図。
【図5】本発明の一実施形態として、シリコン上に積層
したサファイアの上にGaNを成長させた平坦なエピタ
キシャルウェハの処理工程の流れを示す図。
【図6】温度が一致していない系におけるウェハの反り
と応力を計算するための基本モデルを示す図。
【図7】GaNとシリコンの様々な厚さに関して、層成
長後のGaN/サファイア/シリコン系の反りを計算し
た結果を示すグラフ。
【図8】シリコン上に積層したサファイアの上にGaN
を成長させ、シリコン上のサファイアを機械研磨するこ
とによってGaN層を分離させた、本発明の一実施形態
にかかる平坦なエピタキシャルウェハの処理工程の流れ
を示す図。
【図9】本発明の方法に従い、シリコン上のサファイア
基板にInGaN/GaN/AlGaN発光ダイオード
層を成長させた半導体装置の一実施形態を示す断面図。
【図10】基板を直接加熱する本発明にかかるエピタキ
シャル成長装置を示す概略図。
【図11】本発明の一実施形態として、2組の反応種を
基板の両面に別々に供給するエピタキシャル成長装置の
別の構成を示す概略図。
【符号の説明】
210 サファイア基板 212 シリコン 214 デバイス層(デバイス層) 310 サファイア基板 320 シリコン 330 GaN層 340 ボンディングワックス 350 ウェハホルダ 410 シリコン 420 サファイア基板 430 n型層 440 活性層 450 p型層 460 n電極 470 p電極 490 厚み 520 反射体 530 基板 540 反応種ガス 550 物理的な仕切り 560 放射熱源 570 不活性ガス流 580 反応炉 610 反応種ガス
フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA03 BE15 DB08 EA02 ED04 ED06 EF03 HA02 TA04 TB05 TK01 TK11 TK13 5F041 AA40 CA04 CA40 CA65 5F045 AA04 AB14 AB18 AC08 AC12 AD14 AF02 AF03 AF04 AF09 AF19 BB11 CA10 CA11 CA12

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 異なる物質で構成される少なくとも2つ
    の層を有し、これら少なくとも2つの層の熱膨張係数が
    異なる半導体基板。
  2. 【請求項2】 上記の層のうち1つを構成する物質は、
    サファイア、シリコン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ガリウ
    ムヒ素、ガリウムリン、リン化インジウム、LiGaO
    2およびLiAlO2のうちのいずれか1つである請求項
    1記載の半導体基板。
  3. 【請求項3】 層状基板上に形成されたエピタキシャル
    層を備え、上記層状基板は、それぞれ異なる熱膨張係数
    を有する異なる物質からなる少なくとも2つの層を有し
    ている平坦状エピタキシャルウェハ。
  4. 【請求項4】 上記基板は上層と下層の2つの層を有
    し、上記エピタキシャル層に付着している基板上層は上
    記エピタキシャル層および上記基板の下層よりも熱膨張
    係数が大きい請求項3記載の平坦状エピタキシャルウェ
    ハ。
  5. 【請求項5】 上記基板は上層と下層の2つの層を有
    し、上記エピタキシャル層に付着している基板上層は上
    記エピタキシャル層および上記基板の下層よりも熱膨張
    係数が小さい請求項3記載の平坦状エピタキシャルウェ
    ハ。
  6. 【請求項6】 上記エピタキシャル層はIII−V族窒
    化物合金を有し、上記基板の上層を構成する物質は、サ
    ファイア、シリコン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ガリウム
    ヒ素、ガリウムリン、リン化インジウム、LiGaO2
    およびLiAlO2のうちのいずれか1つである請求項
    3記載の平坦状エピタキシャルウェハ。
  7. 【請求項7】 上記エピタキシャル層はIII−V族窒
    化物合金を有し、上記基板は、シリコン上にあるサファ
    イア、III−V族窒化物上にあるサファイア、酸化亜
    鉛上にあるサファイア、および炭化ケイ素上にあるサフ
    ァイアのうちのいずれか1つである請求項3記載の平坦
    状エピタキシャルウェハ。
  8. 【請求項8】 層状基板上に形成されたデバイス層を備
    え、上記層状基板はそれぞれ異なる熱膨張係数を有する
    少なくとも2つの層を有している半導体装置。
  9. 【請求項9】 上記デバイス層はIII−V族窒化物合
    金を有し、上記基板の上層を構成する物質は、サファイ
    ア、シリコン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ガリウムヒ素、
    ガリウムリン、リン化インジウム、LiGaO2および
    LiAlO2のうちのいずれか1つである請求項8記載
    の半導体装置。
  10. 【請求項10】 上記デバイス層はIII−V族窒化物
    合金を有し、上記基板は、シリコン上にあるサファイ
    ア、III−V族窒化物上にあるサファイア、酸化亜鉛
    上にあるサファイア、および炭化ケイ素上にあるサファ
    イアのうちのいずれか1つである請求項8記載の半導体
    装置。
  11. 【請求項11】 熱膨張係数が互いに異なる少なくとも
    2つの層を有する層状基板上に、エピタキシャル層を成
    長させる工程と、 上記エピタキシャル層を成長させた後に上記層状基板を
    除去する工程とを備えているエピタキシャル成長方法。
  12. 【請求項12】 上記除去工程は、上記層状基板の上層
    を選択的にエッチングする工程を備えている請求項11
    記載のエピタキシャル成長方法。
  13. 【請求項13】 上記エピタキシャル層はIII−V族
    窒化物合金を有し、上記層状基板の上層を構成する物質
    は、サファイア、シリコン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ガ
    リウムヒ素、ガリウムリン、リン化インジウム、LiG
    aO2およびLiAlO2のうちのいずれか1つである請
    求項11記載のエピタキシャル成長方法。
  14. 【請求項14】 上記エピタキシャル層はIII−V族
    窒化物合金を有し、上記基板は、シリコン上にあるサフ
    ァイア、III−V族窒化物上にあるサファイア、酸化
    亜鉛上にあるサファイア、および炭化ケイ素上にあるサ
    ファイアのうちのいずれか1つである請求項11記載の
    エピタキシャル成長方法。
  15. 【請求項15】 基板の一方の面上に、高温で、エピタ
    キシャル層を成長させる工程と、 室温まで冷却することなく、上記基板の他方の面上に、
    エピタキシャル層を成長させる工程とを備えたエピタキ
    シャル成長方法。
  16. 【請求項16】 上記基板の一方の面上に成長させるエ
    ピタキシャル層と、上記基板の他方の面上に成長させる
    エピタキシャル層とを、同時に成長させる請求項15記
    載のエピタキシャル成長方法。
  17. 【請求項17】 上記基板はサファイアであり、上記基
    板の一方の面上に成長させるエピタキシャル層はIII
    −V族窒化物合金を有し、上記基板の他方の面上に成長
    させる上記エピタキシャル層はシリコン、酸化亜鉛、炭
    化ケイ素およびIII−V族窒化物合金のいずれか1つ
    である請求項15記載のエピタキシャル成長方法。
  18. 【請求項18】 層状基板を、熱シンク材を使用せず、
    放射熱源によって直接加熱する工程を備え、 上記層状基板の各層は、異なる熱膨張係数を持つエピタ
    キシャル成長方法。
  19. 【請求項19】 基板をシステムに、当該基板の各面が
    どの部分にもサセプタブロックにも完全には覆われない
    ように、配置する工程と、上記基板の片方の面に、一組
    の反応種を供給する工程と、上記基板の他方の面に、も
    う一組の反応種を供給する工程と、上記二組の反応種の
    混合を防止する工程とを備えたエピタキシャル成長方
    法。
  20. 【請求項20】 上記混合防止工程は、物理的な仕切り
    によって上記二組の反応種の混合を防ぐ工程を備えてい
    る請求項19記載のエピタキシャル成長方法。
  21. 【請求項21】 上記混合防止工程は、不活性ガス流に
    よって二組の反応種の混合を防ぐ工程を備えている請求
    項19記載のエピタキシャル成長方法。
  22. 【請求項22】 上記二組の反応種は、いずれも、窒素
    源およびIII族金属源を有している請求項19記載の
    エピタキシャル成長方法。
  23. 【請求項23】 上記二組の反応種のうち、一方は、窒
    素源およびIII族金属源を有しており、他方はシリコ
    ン源を有している請求項19記載のエピタキシャル成長
    方法。
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