JP2008308346A - Ｉｉｉ族窒化物半導体自立基板の製造方法およびｉｉｉ族窒化物半導体自立基板 - Google Patents

Abstract

【課題】下地基板から容易に剥離でき、損傷の低減されたＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を提供する。また、結晶性に優れた大面積のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法が、下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層から下地基板を除去する工程とを含み、前記下地基板の裏面には下地基板の劈開方向に沿って、前記下地基板全面を横断する様に、予めパターン化した溝形状が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法および該方法により製造したＩＩＩ族窒化物半導体自立基板に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物結晶のバルク結晶を基板に使用する試みが、多くの研究機関で行なわれている。しかしながら、例えば、ＧａＮの結晶では、窒素の解離圧が高いため、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のように溶液から大きなバルク結晶を得ることは難しい。従って、工業的に利用できる大きさのバルクＩＩＩ族窒化物半導体結晶の作製は非常に困難である。

このため、例えば、ＧａＮ半導体基板の作製には、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等の異種下地基板上にＧａＮ結晶をＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法によって気相成長させる手法が主に用いられている。ＧａＮ結晶は成長後に下地基板から剥離される。半導体基板の製品形態としては２インチサイズの基板が主に用いられている。

下地基板とＩＩＩ族窒化物結晶との剥離方法としてはこれまで種々の方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、下地基板とＧａＮ結晶の界面にストライプ状の空隙を多数形成し、この空隙の柱部に応力集中させて破壊することでＧａＮ半導体基板を剥離する方法が開示されている。
この製造方法では、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板上に、ストライプ状に配置された断面矩形形状の被覆部および被覆部間に形成された開口部を有するマスクを形成する。このマスクの被覆部は、サファイア基板の＜１−１００＞、ＧａＮ半導体の＜１１−２０＞方向に延在する。
マスク形成後、その開口部からＧａＮ半導体層を成長させ、前記マスクの被覆部上面を、完全には覆わない状態で成長を止める。次に、マスクをエッチングにより除去し、ＧａＮ半導体層上にさらにＧａＮ半導体層を成長させる。その後、サファイア基板をそのまま剥離し、ＧａＮ半導体基板を得る。

また、特許文献２には、レーザ光を用いた剥離方法が開示されている。この方法では、ＧａＮ膜を加熱しながらサファイア基板側からレーザ光を照射する。レーザ光としては、例えば波長が３８０ｎｍ以下のＹＡＧレーザを用いる。このレーザ光による加熱により、サファイア基板とＧａＮ膜との界面近傍のＧａＮ膜が熱分解し、剥離が起こる。

さらには、特許文献３には下地基板とＧａＮ結晶の間に金属膜を形成し、金属膜をエッチングして除去することでＧａＮ結晶を剥離する方法が記載されている。この方法では、サファイア基板上に、金属膜（例えば、アルミニウム膜）を堆積させ、この金属膜上にＧａＮ膜を堆積させ、ＧａＮ単結晶を形成する。そして、金属膜をエッチングすることにより、ＧａＮ単結晶からサファイア基板を剥離する。
特開２００３−５５０９７号公報 特開２００２−５７１１９号公報 特開２００２−２８４６００号公報

しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献１に記載された技術においては、ＧａＮ半導体層からサファイア基板を剥離する際、ＧａＮ半導体層が損傷を受けることが多く、ひどい場合には半導体層が粉々に割れてしまうことがあった。また、このＧａＮ半導体基板の製造方法では、工程数が多く、かつその制御に細心の注意を要するため、いわゆる川上製品である基板の製造方法としては好ましくない。

特許文献２に記載された技術では、レーザ光を使用して、サファイア基板を剥離しているため、サファイア基板の剥離に手間を要する。特許文献３に記載された技術においても金属膜をエッチングする必要があるため、サファイア基板の剥離に手間を要する。

なお、特許文献２および特許文献３に記載された技術においても、気相成長する際に、ＧａＮ膜を厚くすると内部応力が増大して降温時にクラックが入り、場合によっては特許文献１のように粉々に割れてしまう。仮に２インチサイズのＧａＮ半導体基板が得られても、クラックの入ったものは再成長基板として利用するか、クラック部分を避けて利用するなどの制約がある。再成長基板として用いる場合、結晶性を向上させることができるが、再成長後に切断・研磨工程を必要とするので工数が多くなり好ましくない。

このように、従来の剥離方法では２インチサイズのＩＩＩ族窒化物半導体基板を得ることは非常に困難であったが、引き続き２インチサイズのＩＩＩ族窒化物半導体基板への要望がある。一方で、今後の旺盛な需要増に後押しされ、２インチサイズに満たない場合であっても、できる限り大きな面積のＩＩＩ族窒化物半導体基板を安価に供給することが切望されている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものである。すなわち、手間を要さず、損傷の低減されたＩＩＩ族窒化物半導体基板を安定的に提供することができるＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法およびＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を提供するものである。

本発明によれば、下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層から前記下地基板を除去する工程とを含む、ＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を製造する方法において、前記下地基板の裏面には下地基板の劈開方向に沿って、前記下地基板全面を横断する様に、予めパターン化した溝形状が形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法が提供される。

下地基板の劈開が誘発されるように下地基板の劈開方向に沿って、下地基板の裏面に下地基板全面を横断する様に予めパターン化した溝形状を形成しておく。これより、下地基板がその溝形状に沿って劈開しやすくなる。従って、ＩＩＩ族窒化物半導体層から下地基板を剥離する際の衝撃を、下地基板が劈開することにより吸収することができる。その結果、得られるＩＩＩ族窒化物半導体の形状を制御でき、面積歩留の良いＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を得ることができる。すなわち、粉々に割れることなく、定型に加工できる部分の面積が多いＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を得ることができる。

また、本発明によれば、本発明の方法により製造されたＩＩＩ族窒化物半導体自立基板が提供される。本発明によれば、損傷の低減された高品質のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板が安定的に提供される。

本発明によれば、下地基板から容易に剥離でき、損傷の低減されたＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を得ることが可能となる。また、結晶性に優れた大面積のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法は、下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層から下地基板を除去する工程とを含む。さらに、下地基板の裏面には下地基板の劈開方向に沿って、前記下地基板全面を横断する様に、予めパターン化した溝形状が形成されている。

ここで、下地基板の裏面とは、ＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる面と反対側の面である。例えば、下地基板のＣ面を表面とし、本実施の形態において、下地基板のＣ面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる。ただし、結晶成長は基板のＣ面以外の面上で行ってもよい。

下地基板の裏面に形成される溝形状のパターンは、好ましくは、下地基板の劈開方向に沿って、前記下地基板全面を横断する様に形成されるパターンである。

ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長前に、このようなパターンで下地基板の裏面に溝形状を形成することで、下地基板の劈開が誘発される。下地基板の劈開により、下地基板を剥離する際の衝撃が吸収され、分離するＩＩＩ族窒化物半導体基板が損傷したり、粉々に割れることを防ぐことができる。これにより、定型に加工できる部分の面積が多い基板を得ることができ、面積歩留が向上する。従って、本実施の形態によれば、基板の損傷を防ぎ、基板の形状の制御された、面積歩留の良いＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を得ることができる。

溝形状のパターンは、例えば、下地基板の劈開方向と一致するパターンである。しかしながら、これらのパターンは劈開方向と必ずしも完全に一致している必要はなく、劈開が誘発される範囲において、劈開方向から３°以下の範囲でずれていてもよい。

このようなパターンとして、下地基板の劈開方向に沿って形成された、例えば、線状、縞状パターン等が挙げられる。溝形状は下地基板が劈開する方向に沿って、下地基板全面を横断するように１本以上の線で形成されている。溝の形状は幅および深さが下地基板の厚さに対して２０％以上５０％以下のものが好ましい。例えば、下地基板の厚さが４３０μｍの場合、溝の幅および深さが８６μｍ以上、２１５μｍ以下である。また、溝の形状は、特に限定されないが、連続した直線状であってもよいし、不連続の破線状であってもよい。

ＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長方向はＣ軸方向であることが好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さが０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の範囲であると、ＩＩＩ族窒化物半導体層の剥離が容易になる。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長は、例えばＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いることができる。

気相成長は、ＩＩＩ族窒化物半導体の気相成長に通常用いられる条件で行うことができる。例えば、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ薄膜(膜厚：約２μｍ)を形成させ、このＧａＮ薄膜上にＨＶＰＥ装置を用いて０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下のＧａＮ厚膜を成長させる。このとき、さらに、下地サファイア基板とＧａＮ層とが剥離しやすくなるようなＧａＮ層の成長条件を用いてもよい。このような成長条件としては、公知の条件を用いることができるが、例えば、特開２００６−１７３１４８に記載されているような手段が挙げられる。例えば、Ｓｉなどのｎ型不純物をドーピングしたＧａＮ層を下地基板とアンドープＧａＮ層との間に形成することにより、熱応力の差を利用してＧａＮ層を剥離しやすくすることができる。

また、下地基板としては、ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長に通常用いられる基板を用いることができ、特に限定されないが、好ましくは、サファイアまたはＳｉＣである。下地基板の厚さは、例えば、直径２インチ（５．０８ｃｍ）形状で厚さ４３０μｍ±２０μｍである。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例１）
以下、本発明にかかる実施例を添付の図を用いて説明する。
下地基板として厚さ４３０μｍ、直径２インチのサファイア基板を用いた。サファイア基板の裏面にサファイアの劈開面である（１−１０２）の劈開を起こしやすくするために（１−１００）面に沿って、基板全面を横断するようにレーザーマーキングによる溝加工を行なった。
溝加工の方向および数について図１に示す。サファイア基板に、成長する窒化ガリウムの（１１−２０）面に沿って第一オリフラ（ＯＦ）（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｆｌａｔ）、およびサファイア基板の（１−１００）面に沿って第二オリフラ（ＩＦ）（Ｉｎｄｅｘ Ｆｌａｔ）を設けた。また、サファイア基板の（１−１００）面に沿って基板全面を横断するように、一本の溝を形成した。このようにサファイア基板の裏面に、サファイアの劈開（１−１０２）を誘発する（１−１００）面に沿った溝形状のパターンが形成された。図２に、サファイア基板の裏面、および図３にその断面のＳＥＭ像の図を示す。図２において、溝の幅は約１００μｍ、図３において溝の深さは約１００μｍであった。

次に、このサファイア基板を下地基板として用いた。サファイア基板のＣ面上にＭＯＣＶＤにより窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜(２μｍ)を形成し、ＨＶＰＥ法により約１．１ｍｍのＧａＮ層をＣ軸方向に成長させた。このとき、下地サファイア基板とＧａＮ層とが剥離しやすいＧａＮ層の成長条件を用いた。ＨＶＰＥ成長は、キャリアガスは窒素および水素を用い、成長圧力は常圧、成長温度は１０４０℃、成長速度は６０〜２５０μｍ／ｈの条件で行なった。

ＧａＮ層からサファイア基板を除去することにより、ＧａＮ層を含むＧａＮ基板を得た。図４に分離したＧａＮ基板を示し、図５に得られたＧａＮ基板と割れた下地基板を並べた図を示す。図５において、右がＧａＮ基板、左がサファイア下地基板である。図４および図５に示すように、サファイア基板の裏面にサファイアの劈開方向に沿って、基板全面を横断するように溝加工を施したことにより、サファイア基板だけが劈開に沿って割れ、ＧａＮは割れずにほぼ２インチ径の形状で剥離した。図６にこの窒化ガリウムのＸＲＤ測定のＴｉｌｔ角測定の結果を示す。また、図７にＴｗｉｓｔ角測定の結果を示す。この結晶はＴｉｌｔ（００２）ＦＷＨＭが４０．２ａｒｃｓｅｃ、Ｔｗｉｓｔ（１００）ＦＷＨＭが８６．５ａｒｃｓｅｃと良好な結晶性であった。本実施例では、結晶性に優れた大面積の窒化ガリウム基板を得ることができた。

（比較例１）
下地サファイア基板の裏面に、図８に示すようにサファイアの（１−１００）面に沿って、第一オリフラ（ＯＦ）から基板中央まで延びる溝を設けた。本比較例においては、かかる溝は中央で止めて、基板全面を横断しないようなパターンで形成した。さらに、かかる溝の中央で止めた部分から枝分かれするように二本の溝を（１−１００）面に沿って形成した。サファイア基板は３回対称の結晶なので（１−１００）面に沿って中央で止めてある３本の線は結晶方位としては等価である。上記のように、基板全面を横断しないように溝加工を行なった以外は、実施例１と同様にＧａＮの成長を行なった。

本比較例においては、下地基板の劈開が誘発されなかった。その結果、得られたＧａＮ基板は粉々に割れてしまった。図９に、本比較例で得られたＧａＮ基板を示す。図１０に得られたＧａＮ結晶と割れた下地基板とを並べた図を示す。図１０において、右がＧａＮ基板、左がサファイア下地基板である。
図９および図１０に示すように、本比較例で形成した溝形状のパターンでは、下地基板の劈開が誘発されず、２インチ径の下地基板の剥離は困難であった。

以上、実施例を用いて本発明を説明したが、これらは本発明の例示であり、本発明がこれらに限定されることを示すものではない。

本発明の実施例において使用した下地基板の溝加工の模式図である。 本発明の実施例におけるサファイア基板裏面のＳＥＭ像を示す図である。 本発明の実施例におけるサファイア基板断面のＳＥＭ像を示す図である。 本発明の実施例において製造した窒化ガリウム結晶を示す図である。 本発明の実施例において製造した窒化ガリウム結晶と下地基板とを並べて示す図である。 本発明の実施例において製造した窒化ガリウムのＸＲＤ測定のＴｉｌｔ角測定結果を示す図である。 本発明の実施例において製造した窒化ガリウムのＸＲＤ測定のＴｗｉｓｔ角測定結果を示す図である。 比較例において使用した下地基板の溝加工の模式図である。 比較例において製造した窒化ガリウム結晶を示す図である。 比較例において製造した窒化ガリウム結晶と下地基板とを並べて示す図である。

Claims (6)

1. 下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層から前記下地基板を除去する工程とを含む、ＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を製造する方法において、前記下地基板の裏面には下地基板の劈開方向に沿って、前記下地基板全面を横断するように、予めパターン化した溝形状が形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
2. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の気相成長がＣ軸方向であることを特徴とする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
3. ＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる前記工程において、成長させる前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さを０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とすることを特徴とする、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
4. 前記下地基板がサファイアまたはＳｉＣであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
5. ＩＩＩ族窒化物半導体層を気相成長させる前記工程において、気相成長がＨＶＰＥ法によることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法により製造したＩＩＩ族窒化物半導体自立基板。