JP2007161535A - 半導体結晶基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種基板上に半導体結晶を気相成長させる工程を利用して得られる半導体結晶基板に生じる結晶軸の湾曲を低減することができる半導体結晶基板の製造方法を提供する。
【解決手段】異種基板上に第１半導体結晶４を気相成長させる工程と、第１半導体結晶４を異種基板から切り離す工程と、切り離された第１半導体結晶４の切り離された側の表面を研削して加工変質層７を形成し、該加工変質層７上に第２半導体結晶８を成長させる工程と、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体をスライスする工程と、を含む。ここで、第１半導体結晶４の厚みをｈ１とし、第２半導体結晶８の厚みをｈ２としたとき、ｈ１／ｈ２は、０．０１以上１００以下であることが好ましく、０．１以上１０以下であることがより好ましい。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体結晶基板の製造方法に関し、特に、異種基板上に半導体結晶を気相成長させる工程を利用して得られる半導体結晶基板に生じる結晶軸の湾曲を低減することができる半導体結晶基板の製造方法に関する。

半導体結晶の中でも特に窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶は、発光デバイスや電子デバイスの材料として注目されている。ＧａＮ結晶はバルク成長させるのが非常に難しいため、現在では、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板やサファイア基板などの異種基板上にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などによりＧａＮ結晶を気相成長させる方法が一般的に用いられている。

しかしながら、ＧａＡｓ基板やサファイア基板などの異種基板上にＧａＮ結晶を気相成長させた場合には、ＧａＮ結晶の成長後に室温まで温度を下げたときに、異種基板とＧａＮ結晶との間の格子定数差および熱膨張係数差によって、ＧａＮ結晶に反りが生じるという問題があった。

そこで、特許文献１においては、サファイア基板上にＧａＮ結晶を気相成長させて得られたサファイア基板とＧａＮ結晶との積層体をＧａＮ結晶の成長温度近傍まで加熱するとともに反りを矯正するため平行平面の間に挟み、そのまま室温まで冷却することによって、ＧａＮ結晶の反りを解消する方法が開示されている。

しかしながら、この方法においては、サファイア基板とＧａＮ結晶との積層体の状態では反りは解消されているものの、自立基板を得るためにＧａＮ結晶をサファイア基板から切り離した場合には、ＧａＮ結晶に凹状の反りが生じるという問題があった。

そこで、特許文献２においては、凹状に反りが生じているＧａＮ結晶の凹型に反った方の表面を研削して加工変質層を形成することにより、ＧａＮ結晶の反りを低減する方法が開示されている。

しかしながら、この方法においては、加工変質層が形成されている状態ではＧａＮ結晶の反りは低減されているものの、デバイスなどの作製時においてＧａＮ結晶から加工変質層を除去した場合には、ＧａＮ結晶は再び凹状に反って、ＧａＮ結晶の結晶軸が凹状に湾曲するという問題があった。

すなわち、異種基板上にＧａＮ結晶を気相成長させた後、ＧａＮ結晶を異種基板から切り離すと、たとえば図１０の模式的側面図に示すように、ＧａＮ結晶１自体が凹状に反るとともに、ＧａＮ結晶１の結晶軸２も凹状に湾曲する。

そして、図１０に示すＧａＮ結晶１に特許文献２に記載の方法を適用した場合には、ＧａＮ結晶１の反りとともに結晶軸２の湾曲も低減することができるが、デバイスの作製時などにおいてＧａＮ結晶から加工変質層を除去した場合には、図１０に示す形状にＧａＮ結晶１は再び反るとともに結晶軸２も湾曲する。

このような結晶軸が湾曲しているＧａＮ結晶を種基板として、この種基板上にＧａＮ結晶を成長させた場合には、成長させたＧａＮ結晶にも結晶軸の湾曲が引き継がれてしまい、成長させたＧａＮ結晶をスライスして得られるＧａＮ結晶基板についても結晶軸が湾曲することになる。

したがって、このような結晶軸が湾曲しているＧａＮ結晶基板を用いて光デバイスや電子デバイスなどのデバイスを作製した場合には、デバイスの特性が悪化することがあった。
特開２００３−１２８４９９号公報 特開２００５−１３６１６７号公報

本発明の目的は、異種基板上に半導体結晶を気相成長させる工程を利用して得られる半導体結晶基板に生じる結晶軸の湾曲を低減することができる半導体結晶基板の製造方法を提供することにある。

本発明は、異種基板上に第１半導体結晶を気相成長させる工程と、第１半導体結晶を異種基板から切り離す工程と、第１半導体結晶の切り離された側の表面上に第２半導体結晶を成長させる工程と、第１半導体結晶と第２半導体結晶とを含む積層体をスライスする工程と、を含む、半導体結晶基板の製造方法である。

ここで、本発明の半導体結晶基板の製造方法においては、異種基板上に第１低温バッファ層を形成した後に、第１低温バッファ層上に第１半導体結晶を気相成長させることもできる。

また、本発明の半導体結晶基板の製造方法においては、第１半導体結晶を異種基板から切り離した後に第１半導体結晶の切り離された側の表面を研削して加工変質層を形成し、加工変質層上に第２半導体結晶を成長させることもできる。

また、本発明の半導体結晶基板の製造方法においては、加工変質層の一部を除去した後に、加工変質層上に第２半導体結晶を成長させることもできる。

また、本発明の半導体結晶基板の製造方法においては、第１半導体結晶を異種基板から切り離した後に第１半導体結晶の切り離された側の表面上に第２低温バッファ層を形成し、第２低温バッファ層上に第２半導体結晶を成長させることもできる。

また、本発明の半導体結晶基板の製造方法においては、上記の積層体の第１半導体結晶の厚みをｈ１とし、第２半導体結晶の厚みをｈ２としたときに、ｈ１／ｈ２が、０．０１以上１００以下であることが好ましい。

また、本発明の半導体結晶基板の製造方法において、上記のｈ１は、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、異種基板上に半導体結晶を気相成長させる工程を利用して得られる半導体結晶基板に生じる結晶軸の湾曲を低減することができる半導体結晶基板の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の半導体結晶基板の製造方法の一例について説明する。ここでは、異種基板としてＧａＡｓ基板を用い、第１半導体結晶および第２半導体結晶としてそれぞれＧａＮ結晶を用いる場合について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

まず、図１の模式的側面図に示すように、ＧａＡｓ基板からなる異種基板３上にＧａＮ結晶からなる第１半導体結晶４を気相成長させる。すると、異種基板３と第１半導体結晶４とは格子定数および熱膨張係数が異なることなどから、第１半導体結晶４の成長後、室温まで異種基板３の表面温度を下げた場合には、図２の模式的側面図に示すように、異種基板３と第１半導体結晶４とを含む積層体は、第１半導体結晶４側に凸状に反りが生じることになる。

ここで、第１半導体結晶４の異種基板３側の表面は窒素面５となり、異種基板３側と反対側の表面はガリウム面６となる。また、本発明において、気相成長は、たとえばＨＶＰＥ法などの従来から公知の気相成長法によって行なうことができる。また、本発明においては、異種基板３上にＡｌＮまたはＧａＮなどからなる第１低温バッファ層を形成した後、その第１低温バッファ層上に第１半導体結晶４を気相成長させてもよい。なお、本発明において、「第１低温バッファ層」とは、第１半導体結晶の気相成長時の異種基板の表面温度よりも低い異種基板の表面温度で第１半導体結晶の気相成長前に形成される層のことをいう。

次に、図３の模式的側面図に示すように、異種基板３から第１半導体結晶４を切り離す。ここで、第１半導体結晶４は、異種基板３から受けていた応力が緩和されるため、第１半導体結晶４のガリウム面６側に凹状に反りが生じるとともに、その結晶軸２もガリウム面６側に凹状に湾曲することになる。なお、異種基板３から第１半導体結晶４を切り離す方法は特に限定されず、異種基板３をエッチングにより除去する方法などの従来から公知の方法を用いることができる。

また、異種基板３から第１半導体結晶４を切り離した後には、図４の模式的側面図に示すように、切り離した第１半導体結晶４をたとえば図４に示す破線の箇所でスライスすることによって、凹状の反りを低減した第１半導体結晶４を得る。ただし、この場合には、第１半導体結晶４の凹状の反りは低減されているが、結晶軸２の湾曲は低減されていない。また、ここでは凹状の反りを低減するため第１半導体結晶４をスライスしているが、本発明においては、ここで第１半導体結晶４をスライスしなくてもよい。

次いで、第１半導体結晶４の窒素面を研削して、図５の模式的側面図に示すように、加工変質層７を形成する。ここで、たとえばエッチングなどの方法により加工変質層７の一部を除去することなどによって加工変質層７の厚みを適宜調整することもできる。また、本発明においては、加工変質層７の代わりに、第１半導体結晶４の窒素面上にＡｌＮまたはＧａＮなどからなる第２低温バッファ層を形成することもできる。なお、本発明において、「第２低温バッファ層」とは、後述する第２半導体結晶の成長時の第１半導体結晶の表面温度よりも低い第１半導体結晶の表面温度で第２半導体結晶の成長前に形成される層のことをいう。

続いて、図６の模式的側面図に示すように、第１半導体結晶４の窒素面側の加工変質層７上にＧａＮ結晶からなる第２半導体結晶８をたとえばＨＶＰＥ法などの気相成長法などによって成長させる。この第２半導体結晶８の形成によって、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体には、図６に示すように、第２半導体結晶８側に凹状の反りが生じることになるが、第１半導体結晶４および第２半導体結晶８のそれぞれの結晶軸２は非常に湾曲が少ない状態となる。なお、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体において、第１半導体結晶４の異種基板３側の表面は窒素面５となり、異種基板３側と反対側の表面はガリウム面６となる。

ここで、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体において、第１半導体結晶４の厚みをｈ１とし、第２半導体結晶８の厚みをｈ２としたとき、ｈ１／ｈ２は、０．０１以上１００以下であることが好ましく、０．１以上１０以下であることがより好ましい。ｈ１／ｈ２が０．０１未満である場合には第２半導体結晶８の成長に伴い第１半導体結晶４に発生する応力が大きくなり、第１半導体結晶４の結晶軸２が第２半導体結晶の成長前とは逆の方向に湾曲して、第１半導体結晶４の結晶軸２の湾曲を低減できない傾向にあり、１００よりも大きい場合には第２半導体結晶８の成長に伴い第１半導体結晶４に発生する応力が小さくなり、第１半導体結晶４の結晶軸２の湾曲を低減しにくい傾向にある。また、ｈ１／ｈ２が０．１以上１０以下である場合には、第２半導体結晶８の成長に伴い、第１半導体結晶４の結晶軸２の湾曲の低減に適した応力が第１半導体結晶４に発生する傾向にある。なお、上記の積層体において、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８との間には、加工変質層または第２低温バッファ層が存在し得るが、通常、加工変質層および第２低温バッファ層の厚みはそれぞれ第１半導体結晶４および第２半導体結晶８のそれぞれの厚みと比べて非常に薄いことから、加工変質層の厚みおよび第２低温バッファ層の厚みはそれぞれ、通常、上記の積層体の結晶軸の湾曲にほとんど影響を与えないものと考えられる。

また、第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体において、第１半導体結晶４の厚みであるｈ１は、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましい。ｈ１が０．０５ｍｍ未満である場合には第１半導体結晶４を取り扱う際に第１半導体結晶４に亀裂が発生しやすくなる傾向にあり、５ｍｍよりも大きい場合には第２半導体結晶８を成長させた際に第１半導体結晶４の結晶軸の湾曲を解消させるだけの応力を発生させにくい傾向にある。また、ｈ１が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である場合には、第１半導体結晶４の厚みに応じて、第２半導体結晶８の成長厚みを調整することによって、第１半導体結晶４の結晶軸の湾曲をどの程度低減するか意図的に制御しやすくなる傾向にある。

そして、結晶軸２がほとんど湾曲していない第１半導体結晶４と第２半導体結晶８とを含む積層体を図７の模式的側面図に示す破線でスライスする。これにより、図８の模式的側面図に示すように、結晶軸２がほとんど湾曲していないＧａＮ結晶からなる半導体結晶基板９を取り出すことができる。このようにして得られた半導体結晶基板９を用いて光デバイスや電子デバイスなどのデバイスを作製した場合には、半導体結晶基板９の結晶軸２はほとんど湾曲していないため、デバイスの特性の悪化を低減することができる。

なお、上記においては、異種基板としてＧａＡｓ基板を用いた場合について説明したが、本発明においては、異種基板としてＧａＡｓ基板以外にもたとえばＳｉＣ（炭化ケイ素）基板またはサファイア基板などを用いることもできる。なお、本発明において、「異種基板」とは、第１半導体結晶とは異なる材料からなる基板のことをいう。

また、上記においては、第１半導体結晶、第２半導体結晶および半導体結晶基板がそれぞれＧａＮ結晶からなる場合について説明したが、本発明においては、第１半導体結晶、第２半導体結晶および半導体結晶基板がそれぞれたとえばＡｌＮ結晶、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）結晶またはＧａＡｌＮ（窒化ガリウムアルミニウム）結晶などのＧａＮ結晶以外の半導体結晶からなっていてもよい。

異種基板として口径が２インチのＧａＡｓ基板をＨＶＰＥ炉にセットした後に、塩化ガリウムとアンモニアとを原料にして、ＧａＡｓ基板の表面温度が５００℃の条件で、ＧａＡｓ基板上に第１低温バッファ層として５０ｎｍの厚みのＧａＮ層を形成した。

続いて、ＧａＡｓ基板の表面温度を１０５０℃に上げて、第１低温バッファ層としてのＧａＮ層上に、第１半導体結晶として３ｍｍの厚みのＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法により気相成長させた。

そして、第１半導体結晶としてのＧａＮ結晶の成長後は、王水を用いたエッチングによりＧａＡｓ基板を除去して、凹状の反りを有する３ｍｍの厚みの自立したＧａＮ結晶を得た。この自立したＧａＮ結晶の凹状の反りを低減するため、この自立したＧａＮ結晶の表面が平坦になるようにこの自立したＧａＮ結晶をスライスすることによって、一方の表面にガリウム面を有し、他方の表面に窒素面を有する表面が平坦な０．６ｍｍの厚みのＧａＮ結晶ウエハを得た。

このＧａＮ結晶ウエハの結晶軸の湾曲状態を調査するために、図９の模式的平面図に示すように、ＧａＮ結晶ウエハ１０の任意の直線上に並ぶＡ〜Ｇの７点の（００４）面のＸ線回折ピーク角度をＸ線回折法によりそれぞれ測定した。このＡ〜Ｇの７点におけるＸ線回折ピーク角度のばらつきは、ＧａＮ結晶ウエハ１０の結晶軸の湾曲状態を反映するものとなる。すなわち、ＧａＮ結晶ウエハ１０の結晶軸が全く湾曲していない場合には、Ｘ線の入射角が同一であれば、上記のＡ〜Ｇのいずれの点においてもＸ線回折ピーク角度は同一になる。一方、ＧａＮ結晶ウエハ１０の結晶軸が湾曲している場合には、Ｘ線の入射角が同一であれば、上記のＡ〜Ｇの点におけるＸ線回折ピーク角度にばらつきが生じ、ＧａＮ結晶ウエハ１０の結晶軸の湾曲が大きくなるにつれてＸ線回折ピーク角度のばらつきも大きくなっていく。なお、ここでは、Ｘ線の光源としてＣｕ−Ｋα１が用いられた。

上記のＧａＮ結晶ウエハのＡ〜Ｇの７点におけるＸ線回折ピーク角度は、結晶軸が全く湾曲していないときのＸ線回折ピーク角度に対して±０．７°の範囲でばらついており、その結果から、ＧａＮ結晶ウエハの湾曲している結晶軸の曲率半径は約２ｍと推定された。

このようなＧａＮ結晶ウエハの窒素面上に気相成長するように、ＧａＮ結晶ウエハをＨＶＰＥ炉にセットした後、塩化ガリウムとアンモニアとを原料にして、ＧａＮ結晶ウエハの窒素面の温度が５００℃の条件で、ＧａＮ結晶ウエハの窒素面上に第２低温バッファ層として５０ｎｍの厚みのＧａＮ層を形成した。続いて、ＧａＮ結晶ウエハの窒素面の温度を１０５０℃に上げて、第２低温バッファ層としてのＧａＮ層上に第２半導体結晶として５００μｍの厚みのＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法により気相成長させた。

上記のようにして得られた第１半導体結晶としてのＧａＮ結晶ウエハと第２半導体結晶としてのＧａＮ結晶とを含む積層体は、第２半導体結晶としてのＧａＮ結晶側に凹状に反りが生じており、その反り量は１５０μｍで、その反りを曲率半径に換算すると約２ｍであった。

また、この積層体の結晶軸の湾曲状態を、上記のＧａＮ結晶ウエハの場合と同様にしてＸ線回折法により調査した。その結果、この積層体のＸ線回折ピーク角度は、結晶軸が全く湾曲していないときのＸ線回折ピーク角度に対して±０．１°の範囲でばらついており、結晶軸の湾曲が低減されたことが確認された。また、この結果から、この積層体の結晶軸の曲率半径は約１５ｍと推定された。

その後、この積層体について、ＧａＮ結晶の成長方向と略垂直にスライスすることによって、反りおよび結晶軸の湾曲が解消された半導体結晶基板としてのＧａＮ結晶基板を作製した。

そして、この半導体結晶基板としてのＧａＮ結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）によって、ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた。その結果、結晶軸の湾曲が解消されていないＧａＮ結晶基板を用いた場合と比べて、エピタキシャル成長したＧａＮ結晶の結晶軸の湾曲が低減できていることが確認された。したがって、結晶軸の湾曲が解消されたＧａＮ結晶基板を用いた場合には、結晶軸の湾曲が解消されていないＧａＮ結晶基板を用いた場合と比べて、ＭＯＣＶＤ法によって良好なＧａＮ結晶をエピタキシャル成長することができることが確認された。

また、上記の半導体結晶基板としてのＧａＮ結晶基板上に、ＨＶＰＥ法により、ＧａＮ結晶を５ｍｍの厚さまで気相成長させた後、成長したＧａＮ結晶について、ＧａＮ結晶の成長方向に対して略垂直にスライスすることによって６枚のＧａＮ結晶を得た。

この６枚のＧａＮ結晶について、上記と同様にして、Ｘ線回折法により、結晶軸の湾曲状態をそれぞれ調査したところ、６枚のＧａＮ結晶のＸ線回折ピーク角度のすべてが結晶軸が全く湾曲していないときのＸ線回折ピーク角度に対して±０．１°の範囲でばらついており、上記の半導体結晶基板としてのＧａＮ結晶基板と同様の結晶軸の湾曲状態となっていることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によって製造される半導体結晶基板は、発光素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、電子デバイス（整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）など）、半導体センサ（温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など）、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device；表面弾性波素子）、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどに利用できる可能性がある。

本発明において、異種基板上に第１半導体結晶を気相成長させた後の状態の一例の模式的な側面図である。 本発明において、第１半導体結晶の成長後に室温まで異種基板の表面温度を下げた後の状態の一例の模式的な側面図である。 本発明において、異種基板から切り離された後の第１半導体結晶の一例の模式的な側面図である。 本発明において、異種基板から切り離した第１半導体結晶をスライスする方法の一例を図解する模式的な側面図である。 本発明において、第１半導体結晶上に加工変質層を形成した後の状態の一例の模式的な側面図である。 本発明において、第１半導体結晶に形成された加工変質層上に第２半導体結晶を成長させた後の状態の一例の模式的な側面図である。 本発明において、第１半導体結晶と第２半導体結晶とを含む積層体をスライスする方法の一例を図解する模式的な側面図である。 本発明において、第１半導体結晶と第２半導体結晶とを含む積層体をスライスして得られた半導体結晶基板の一例の模式的な側面図である。 本発明の実施例において、ＧａＮ結晶ウエハの表面のＸ線回折ピーク角度が測定された箇所を示す模式的な平面図である。 従来において、異種基板上にＧａＮ結晶を気相成長させた後に異種基板から切り離されたＧａＮ結晶の一例の模式的な側面図である。

符号の説明

１ ＧａＮ結晶、２ 結晶軸、３ 異種基板、４ 第１半導体結晶、５ 窒素面、６ ガリウム面、７ 加工変質層、８ 第２半導体結晶、９ 半導体結晶基板、１０ ＧａＮ結晶ウエハ。

Claims (7)

1. 異種基板上に第１半導体結晶を気相成長させる工程と、前記第１半導体結晶を前記異種基板から切り離す工程と、前記第１半導体結晶の切り離された側の表面上に第２半導体結晶を成長させる工程と、前記第１半導体結晶と前記第２半導体結晶とを含む積層体をスライスする工程と、を含む、半導体結晶基板の製造方法。
2. 前記異種基板上に第１低温バッファ層を形成した後に、前記第１低温バッファ層上に前記第１半導体結晶を気相成長させることを特徴とする、請求項１に記載の半導体結晶基板の製造方法。
3. 前記第１半導体結晶を前記異種基板から切り離した後に前記第１半導体結晶の切り離された側の表面を研削して加工変質層を形成し、前記加工変質層上に前記第２半導体結晶を成長させることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体結晶基板の製造方法。
4. 前記加工変質層の一部を除去した後に、前記加工変質層上に前記第２半導体結晶を成長させることを特徴とする、請求項３に記載の半導体結晶基板の製造方法。
5. 前記第１半導体結晶を前記異種基板から切り離した後に前記第１半導体結晶の切り離された側の表面上に第２低温バッファ層を形成し、前記第２低温バッファ層上に前記第２半導体結晶を成長させることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体結晶基板の製造方法。
6. 前記積層体において、前記第１半導体結晶の厚みをｈ１とし、前記第２半導体結晶の厚みをｈ２としたとき、ｈ１／ｈ２は、０．０１以上１００以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の半導体結晶基板の製造方法。
7. 前記ｈ１は、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載の半導体結晶基板の製造方法。

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