JP2004331438A

JP2004331438A - 半導体基板及びその製造方法

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Publication number: JP2004331438A
Application number: JP2003127999A
Authority: JP
Inventors: Takao Yonehara; 隆夫米原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25
Also published as: CN100381619C; CN1784515A

Abstract

【課題】ガリウム砒素層を有する半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ガリウム砒素層を有する半導体基板の製造方法であって、ゲルマニウムからなる分離層１２を有し、前記分離層の上にガリウム砒素層１３を有する第１基板１０を作製する工程と、前記第１基板１０と第２基板２０とを結合させて結合基板３０を作製する工程と、前記結合基板を前記分離層１２の部分で分割する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板及びその製造方法に係り、特にガリウム砒素層を有する半導体基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガリウム砒素等からなる化合物半導体基板上の半導体デバイスは、シリコンでは得られない高い性能、たとえば、優れた高速性、発光性などを持っている。しかしながら、化合物半導体基板は、高価で、機械的強度が低く、大面積基板の作製が容易ではない等の問題点がある。
【０００３】
このようなことから、安価で、機械的強度も高く、大面積基板も得られるシリコン基板上に、化合物半導体をヘテロエピタキシャル成長させる等の試みがなされている。例えば、特許第３１５７０３０号公報、特許第３２３７８８９号公報、特許第３２３７８９０号公報には、シリコン基板に形成した多孔質シリコン層上に化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた後、このシリコン基板を別の基板と結合し、次いで、シリコン基板の部分と多孔質シリコン層の部分とをエッチング液を用いて除去することにより、大面積の化合物半導体基板を得る方法が開示されている。また、特許第２８７７８００号公報には、シリコン基板に形成した多孔質シリコン層上に化合物半導体層を成長させた後、このシリコン基板を別の基板と結合し、次いで、流体の噴流により多孔質シリコン層を破断させて結合基板を分割することによって、化合物半導体基板を得る方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１５７０３０号公報
【特許文献２】
特許第３２３７８８９号公報
【特許文献３】
特許第３２３７８９０号公報
【特許文献４】
特許第２８７７８００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許第３１５７０３０号公報等に開示された製造方法では、シリコンと化合物半導体との間に多孔質シリコン層を介在させることで、シリコンと化合物半導体との格子定数の不整合をある程度緩和して、ヘテロエピタキシャル層を形成している。しかしながら、多孔質シリコンと化合物半導体との格子定数の不整合を無くすことは容易ではないので、得られた化合物半導体の結晶性に問題を残すこともある。そして、求められる化合物半導体デバイスの仕様によっては、このような製造方法による化合物半導体基板を適用し得る範囲が限定されてしまい、化合物半導体デバイスの優位性を生かしきれないこともある。
【０００６】
本発明は、上記の考察を基礎としてなされたものであり、化合物半導体デバイスの優位性を十分に発揮し、且つ経済性を確保し得る半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体基板の製造方法は、ゲルマニウムからなる分離層を有し、前記分離層の上にガリウム砒素層を有する第１基板を作製する工程と、前記第１基板と第２基板とを結合させて結合基板を作製する工程と、前記結合基板を前記分離層の部分で分割する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記第１基板の作製工程は、ゲルマニウムからなる基板に陽極化成により前記分離層としての多孔質ゲルマニウム層を形成し、次いで、前記多孔質ゲルマニウム層の上に前記ガリウム砒素層を形成する工程を含むことが好ましい。
【０００９】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記第１基板の作製工程は、エピタキシャル成長法により前記ガリウム砒素層を形成する工程を含むことが好ましい。さらに、前記ガリウム砒素層の上に化合物半導体層を形成する工程を含んでもよい。
【００１０】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程は、流体の噴流または静圧により前記分離層の部分を分割する工程を含むことが好ましい。
【００１１】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程は、前記結合基板に熱処理を施すことにより前記分離層の部分を分割する工程を含むことが好ましい。
【００１２】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程は、部材を前記分離層に挿入することにより前記分離層の部分を分割する工程を含むことが好ましい。
【００１３】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程の後に、第２基板上の前記ゲルマニウム層の上に残留する前記分離層の部分を除去する工程を含むことが好ましい。
【００１４】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程の後に、第２基板上の前記ゲルマニウム層の表面を平坦化する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程の後に、第１基板上に残留する前記分離層の部分を除去する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記分割工程の後に、第１基板の表面を平坦化して前記第１基板の作製工程に再利用する工程を含むことが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１８】
図１〜図７は、本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。図１に示す工程では、ゲルマニウム基板１１を準備する。次いで、図２に示す工程では、ゲルマニウム基板１１の表面に分離層１２を形成する。分離層１２としては、ゲルマニウム基板１１の表面を陽極化成することにより形成される多孔質ゲルマニウム層が好適である。陽極化成は、例えば、弗化水素酸（ＨＦ）を含む電解溶液中に陽極及び陰極を配置し、それらの電極の間にゲルマニウム基板を配置し、それらの電極間に電流を流すことにより実施することができる。多孔質ゲルマニウム層は、互いに多孔度が異なる２層以上の複数層で構成されてもよい。
【００１９】
図３に示す工程では、分離層１２としての多孔質ゲルマニウム層の上にエピタキシャル成長法によりガリウム砒素層１３を形成し、第１基板１０を形成する。ゲルマニウムとガリウム砒素との格子定数の不整合は微小であり、ゲルマニウムとガリウム砒素との間に介在する多孔質ゲルマニウム層１２がこの微小な格子定数の不整合をさらに緩和するため、結晶性の良好なガリウム砒素層１３をゲルマニウム基板１１上に形成することができる。そして、エピタキシャル成長法によれば、厚さが均一なガリウム砒素層を形成することができる。
【００２０】
図４に示す工程では、図３に示す第１基板１０の表面に第２基板２０を結合させて、結合基板３０を形成する。第２基板２０としては、典型的には、シリコン基板又はその表面にＳｉＯ_２層等の絶縁層を形成した基板を採用することができる。また、第２基板２０は、それ以外の基板、例えばガラス基板等の絶縁性基板であってもよい。
【００２１】
図５に示す工程では、結合基板３０を分離層１２の部分で破断することにより２枚の基板に分割する。この分割は、例えば、流体を使って行うことができる。流体を使う方法としては、例えば、流体（液体又は気体）の噴流を形成してこれを分離層１２に打ち込む方法や、流体の静圧を利用する方法等が好適である。前者の方法においては、流体として水を利用する方法は、ウォータージェット法と呼ばれる。さらに、上記の分割は、例えば、結合基板３０に熱処理を施すことによっても実施することができる。さらに、上記の分割は、例えば、固体の楔等の部材を分離層１２に挿入することによっても実施することができる。
【００２２】
図６に示す工程では、第２基板２０のガリウム砒素層１３上に残留している分離層１２ｂをエッチング液等を使って除去する。このとき、ガリウム砒素層１３をエッチングストップ層として利用すればよい。この後、必要に応じて、水素アニール工程、研磨工程等の平坦化工程を実施して平坦化してもよい。
【００２３】
以上の方法により、図７に示すような半導体基板４０が得られる。図７に示す半導体基板４０は、表面に薄いガリウム砒素層１３を有する。ここで、薄いガリウム砒素層とは、一般的は半導体基板に比べて薄いことを意図した表現であり、ガリウム砒素層１３の厚さは、半導体デバイスの優位性を発揮する上で、例えば、５ｎｍ〜５μｍの範囲が好ましい。さらには、半導体デバイスの仕様によっては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）層１３の上に、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等の他の化合物半導体層を形成することもできる。
【００２４】
また、図５に示す工程によって分割した後、ゲルマニウム基板１１上に残留している分離層１２ａをエッチング液等を使って除去する。また、水素アニール、研磨工程等を実施して、ゲルマニウム基板の表面を平坦化し、図１に示す工程で使用するゲルマニウム基板１１として再使用することもできる。このようにゲルマニウム基板１１を繰り返して使用することにより、半導体基板の製造コストを大幅に低減させることができる。
【００２５】
以上のように、本発明に係る製造方法によれば、膜厚が均一で且つ結晶性の良好なガリウム砒素層を有する半導体基板を得ることができる。また、本発明に係る製造方法によれば、ガリウム砒素層を有する半導体基板の製造コストを大幅に低減させることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を挙げる。
【００２７】
（実施例１）
まず、比抵抗０．０１Ω・ｃｍのＰ型のＧｅ基板１１を準備した。次いで、Ｇｅ基板１１を陽極化成溶液中において陽極化成して、分離層１２としての多孔質Ｇｅ層を形成した。陽極化成条件は、以下の通りであった。
【００２８】
電流密度：６（ｍＡ／ｃｍ^２）
陽極化成溶液：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ：Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＝１：１：１
時間：１１（分）
多孔質Ｇｅの厚み：１２（μｍ）
ここで、電流密度や陽極化成溶液の濃度は、形成すべき分離層（多孔質Ｇｅ層）１２の厚さや構造等に応じて適宜変更し得る。電流密度は、０．５〜７００ｍＡ／ｃｍ^２の範囲が好ましく、陽極化成溶液の濃度は、１：１０：１０〜１：０：０の範囲が好ましい。
【００２９】
多孔質Ｇｅ層は、その上に高品質のエピタキシャルＧａＡｓ層を形成するための緩和層、及び分離層として機能させるために有用である。
【００３０】
陽極化成溶液は、ＨＦ含有液であればよく、エタノールを含まなくてもよい。しかしながら、エタノールは、基板表面から発生する気泡を除去するために有効であるので、陽極化成溶液に添加することが好ましい。このように気泡の除去機能を有する薬品としては、エタノールのほか、例えば、メチルアルコール、イソプロピルアルコール等のほかのアルコール類や、界面活性剤を挙げることができる。また、これらの薬品を添加する代わりに、超音波等の振動で気泡を基板表面から脱離させることも有効である。
【００３１】
次いで、多孔質Ｇｅ層上にＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により０．３μｍ厚のＧａＡｓ層１３をエピタキシャル成長させて、第１基板１０を形成した。成長条件は、以下の通りであった。
【００３２】
ソースガス：Ｇａ（ＣＨ_３）_３／ＡｓＨ_３
温度：６００℃
成長速度：０．０５μｍ／ｍｉｎ
なお、この成長条件は、要求されるＧａＡｓ層１３の仕様に応じて適宜変更可能である。
【００３３】
次いで、第１基板１０の表面と別に用意した第２基板２０の表面とを重ね合わせ、接触させた後、８００℃の温度で５分間の熱処理をし、第１基板１０と第２基板２０とを結合強度を向上させた。これにより、結合基板３０が得られた。
【００３４】
次いで、結合基板３０の周辺部の隙間（２枚の基板１０、２０のべべリングで構成された隙間）に向けて、結合基板３０の結合界面に平行な方向に、ウォータージェット装置の０．１ｍｍ径のノズルから５０ＭＰａの圧力で高圧の純水を噴射して、結合基板３０を分離層１２の部分で破断させ、結合基板３０を２枚の基板に分割した。ここで、純水の圧力は、例えば、数Ｍ〜１００Ｍｐａであることが好ましい。
【００３５】
この分割工程では、（１）ノズルから噴射される純水で構成される噴流（ジェット）がべべリングで構成された隙間に沿って移動するようにノズルを走査してもよいし、
（２）結合基板をウエハホルダで挟んで保持しながら自転させ、結合基板の全外周にわたってべべリングで構成された隙間に純水が注入されるようにしてもよいし、
（３）上記の（１）及び（２）を併用してもよい。
【００３６】
その結果、元々第１基板１０に形成されていたエピタキシャルＧａＡｓ層１３、及び多孔質Ｇｅ層１２の一部１２ｂが、第２基板２０側に移設された。Ｇｅ基板１１の表面には多孔質Ｇｅ層１２ａのみが残留した。
【００３７】
結合基板をウォータージェット法で分割（分離）する代わりに、気体ジェットを利用してもよいし、結合基板の分離層に固体楔を挿入してもよいし、結合基板に引っ張り力やせん断力等の機械的な力を印加してもよいし、結合基板に超音波を印加してもよいし、他の方法を採用してもよい。
【００３８】
次いで、第２基板２０の上の最表面に移設された多孔質Ｇｅ層１２ｂを少なくとも４９％弗化水素酸（ＨＦ）と３０％過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とが混合されたエッチング液で選択エッチングした。ＧａＡｓ層１３はエッチングされずに残り、多孔質Ｇｅ層１２ｂが選択的にエッチングされて除去された。選択エッチングでは、エッチング液を循環させる循環装置を併せ持ったエッチング装置を用いて、超音波をＯＮ／ＯＦＦさせるとともに基板を回転させながらエッチングすると、エッチングの不均一な分布を面内及び基板間で抑制することができる。また、エッチング液にアルコールや界面活性剤を混ぜることにより、反応気泡が表面に付着することに起因するエッチングむらを抑制することができる。
【００３９】
以上の工程により、表面に０．３μｍの厚みを持ったＧａＡｓ層１３を有する半導体基板が得られた。ここで、多孔質Ｇｅ層の選択エッチングによってもＧａＡｓ層１３には何ら変化はなかった。形成されたＧａＡｓ層１３の膜厚を面内全面について１００点を測定したところ、膜厚の均一性は３０１ｎｍ±４ｎｍであった。
【００４０】
透過電子顕微鏡による断面観察の結果、ＧａＡｓ層１３は良好な結晶性が維持されていることが確認された。
【００４１】
さらに、水素中で６００℃で熱処理を１時間行い、ＧａＡｓ層１３の表面粗さを原子間力顕微鏡で評価したところ、５０μｍ角の領域での平均二乗粗さはおよそ０．２ｎｍであり、通常市販されているＳｉウエハと同等であった。また、水素アニールの代わりに、ＣＭＰ等の研磨によって表面平坦化を行ってもよい。
【００４２】
結合工程の前処理として、結合させる第１、第２基板のそれぞれの面の少なくとも一方にプラズマ処理を行うと、低温のアニールでも結合強度を高めることができる。更に、プラズマ処理の後に、処理された基板を水洗することが望ましい。
【００４３】
なお、分割工程では、複数の結合基板をその面方向に並べて配置し、ウォータージェット装置のノズルをこの面方向に沿って走査することにより、複数の結合基板を連続的に分割させることも可能である。
【００４４】
更に、複数の結合基板をその面方向に垂直方向に並べてセットし、ウォータージェットのノズルにＸ−Ｙスキャンを持たせ、複数の結合に向けて順にウォータージェットを噴射し、複数の結合基板を自動的に分割することも可能である。
【００４５】
なお、分割工程の後に、Ｇｅ基板上１１に残留した多孔質Ｇｅ層１２ａを除去し、平坦化処理を施して、再び第１基板の作製工程に利用することにより、半導体基板の製造コストを低減することができる。そしてこのように再利用を繰り返すことにより、半導体基板の製造コストを激減させることができる。
【００４６】
（実施例２）
この実施例は、実施例１の展開例であり、半導体デバイスの製造方法に関する。まず、実施例１の図１、図２に示すと同様にして、Ｇｅ基板２１上に多孔質Ｇｅ層２２を形成する。
【００４７】
次いで、図８に示すように、多孔質Ｇｅ層２２の上にｎ型ＧａＡｓ層２３をエピタキシャル成長させ、このｎ型ＧａＡｓ層２３上にｎ型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４、活性層としてのＧａＡｓ層２５及びｐ型クラッド層としてのＡｌＧａＡｓ層２６を順次エピタキシャル成長させて、レーザー構造５０を形成する。
【００４８】
次いで、実施例１の図４に示すと同様にして、レーザー構造５０のｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６の表面を別に用意した基板２０の表面に重ね合わせて結合させる。不図示ながら、基板２０には電極が形成されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６と電気的接続を可能とする。多孔質Ｇｅ層は膨大な表面積を有しているため、デバイスの製造工程中に製造装置等からデバイス内部に混入してデバイス性能に悪影響を与え得る不純物をゲッタリングする機能を有している。
【００４９】
次いで、実施例１の図５に示すと同様にして、結合基板を２枚に分割した。
【００５０】
次いで、実施例１の図６、図７に示すと同様にして、多孔質Ｇｅ層を除去した。このようにして、図９に示すように、レーザー構造５０（ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＧａＡｓ）を基板２０上に移設した。不図示ながら、ｎ型ＧａＡｓ層２３上に電気的接続を可能とする電極を形成した。
【００５１】
この実施例２によれば、ダブルへテロ構造の半導体レーザーを製造することができる。
【００５２】
（その他）
ガリウム砒素層を形成するためのエピタキシャル成長工程には、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等の各種の成膜技術を適用することができる。
【００５３】
分割後に残留する分離層（多孔質層、イオン注入層等）の選択エッチング工程には、上記４９％弗化水素酸と３０％過酸化水素水と水との混合液のほか、種々のエッチング液（例えば、弗化水素酸、硝酸、酢酸の混合液）を適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、化合物半導体デバイスの優位性を十分に発揮し、且つ経済性を確保し得る半導体基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図４】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図６】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図７】本発明の好適な実施の形態に係る半導体基板の製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の好適な実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の好適な実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０第１基板
１１ゲルマニウム基板
１２、１２ａ、１２ｂ、２２多孔質ゲルマニウム層（分離層）
１３ガリウム砒素層
２０、２１第２基板
３０結合基板
４０ガリウム砒素基板
５０レーザー構造

Claims

ガリウム砒素層を有する半導体基板の製造方法であって、ゲルマニウムからなる分離層を有し、前記分離層の上にガリウム砒素層を有する第１基板を作製する工程と、前記第１基板と第２基板とを結合させて結合基板を作製する工程と、前記結合基板を前記分離層の部分で分割する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
前記第１基板の作製工程は、ゲルマニウムからなる基板に陽極化成により前記分離層としての多孔質ゲルマニウム層を形成し、次いで、前記多孔質ゲルマニウム層の上に前記ガリウム砒素層を形成する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１基板の作製工程は、エピタキシャル成長により前記ガリウム砒素層を形成する工程を含む請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１基板の作製工程は、前記ガリウム砒素層の上に化合物半導体層を形成する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程は、流体の噴流または静圧により前記分離層の部分を分割する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程は、前記結合基板に熱処理を施すことにより前記分離層の部分を分割する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程は、部材を前記分離層に挿入することにより前記分離層の部分を分割する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程の後に、第２基板上の前記ガリウム砒素層の上に残留する前記分離層の部分を除去する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程の後に、第２基板上の前記ガリウム砒素層の表面を平坦化する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程の後に、第１基板上に残留する前記分離層の部分を除去する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記分割工程の後に、第１基板の表面を平坦化して前記第１基板の作製工程に再利用する工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の製造方法により製造される半導体基板。
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の製造方法により製造される半導体基板を用いて製造される半導体デバイス。