JP2010287718A - 貼り合わせ基板及び貼り合わせ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度の高い貼り合わせ基板及び貼り合わせ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】貼り合わせ基板１０は、支持基板１２と、支持基板１２に接合された窒化物半導体層１４とを備える。窒化物半導体層１４における支持基板１２側の面１４ｂを含む表層１６は、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、貼り合わせ基板及び貼り合わせ基板の製造方法に関する。

ＧａＮ基板とシリコン基板とを貼り合わせることによって、シリコン基板上にＧａＮ層を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法では、まずＧａＮ基板の表面に水素及び窒素イオンをイオン注入法により注入する。その後、ＧａＮ基板のイオン注入された表面とシリコン基板とを貼り合わせる。さらに、イオン注入によってＧａＮ基板の表面近傍に形成された脆弱層を境にＧａＮ基板をシリコン基板から剥離する。このようにして、シリコン基板上にＧａＮ層が形成される。

特開２００６−２１０６６０号公報

しかし、上記方法では、シリコン基板とＧａＮ基板との接合強度が不十分となるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、接合強度の高い貼り合わせ基板及び貼り合わせ基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の第１の側面に係る貼り合わせ基板は、支持基板と、前記支持基板に接合された窒化物半導体層と、を備え、前記窒化物半導体層における前記支持基板側の面を含む表層が、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む。

本発明の第２の側面に係る貼り合わせ基板は、支持基板と、前記支持基板に接合された窒化物半導体層と、を備え、前記窒化物半導体層における前記支持基板側の面が、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む。

本発明の貼り合わせ基板によれば、支持基板と窒化物半導体層との接合強度を大きくすることができる。

前記金属原子が、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＡｌのいずれかであることが好ましい。これらの金属原子は酸化され易いので、酸素原子と結合して酸化物を形成し易くなる。

前記金属原子が、酸素原子と結合して酸化物を形成していることが好ましい。この場合、接合強度を大きくすることができる。

前記窒化物半導体層が、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｉのうち少なくとも一つを含むことが好ましい。この場合、アニールにより、Ｇａ、Ｉｎ又はＳｉと金属原子とが金属化合物を形成するので、接合強度を大きくすることができる。

また、本発明の第１の側面に係る貼り合わせ基板の製造方法は、窒化物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、前記窒化物半導体基板の前記表面を支持基板に貼り合わせる工程と、を含み、前記貼り合わせる工程の後、前記窒化物半導体基板の前記表面を含む表層が、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む。

本発明の第２の側面に係る貼り合わせ基板の製造方法は、窒化物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、前記窒化物半導体基板の前記表面を支持基板に貼り合わせる工程と、を含み、前記貼り合わせる工程の前、前記窒化物半導体基板の前記表面が、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む。

本発明の貼り合わせ基板の製造方法によれば、支持基板と窒化物半導体基板との接合強度を大きくすることができる。

前記金属原子が、酸素原子と結合して酸化物を形成していることが好ましい。この場合、接合強度を大きくすることができる。

本発明によれば、接合強度の高い貼り合わせ基板及び貼り合わせ基板の製造方法が提供される。

実施形態に係る貼り合わせ基板を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る貼り合わせ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 （ａ）ＴＥＭ測定結果、及び（ｂ）ＥＤＸ分析結果を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
＜貼り合わせ基板＞

図１は、実施形態に係る貼り合わせ基板を模式的に示す断面図である。図１に示される貼り合わせ基板１０は、支持基板１２と、支持基板１２に接合された窒化物半導体層１４とを備える。

窒化物半導体層１４は、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｉのうち少なくとも一つを含むことが好ましく、ＧａＮであることが特に好ましい。窒化物半導体層１４は、六方晶（ウルツ鉱型）の単結晶からなることが好ましい。窒化物半導体層１４には、酸素原子等がドープされてもよい。

支持基板１２は、窒化物半導体層１４を支持可能な硬さ及び厚みを有することが好ましい。また、支持基板１２は、窒化物半導体の成長温度という高温下、アンモニアや水素ガス等の雰囲気下で使用される。よって、支持基板１２は、それらの環境に耐えうる材料からなることが好ましい。支持基板１２は、例えばＳｉ、ＳｉＣ、サファイア等からなる。支持基板１２は、支持基板本体と、支持基板本体と窒化物半導体層１４との間に配置された酸化膜とを備えてもよい。例えば、支持基板１２は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板と窒化物半導体層１４との間に形成されたシリコン酸化膜とを備えてもよい。

窒化物半導体層１４における支持基板１２側の面１４ｂ（接合面）を含む表層１６は、例えば、後述のように窒化物半導体基板１８と支持基板１２とを貼り合わせることによって形成される（図２参照）。この場合、表層１６は、窒化物半導体層１４の材料と支持基板１２の材料との混合物からなる。表層１６の厚みは、例えば数オングストロームである。

表層１６は、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む。金属原子の濃度は、１×１０^２０個／ｃｍ^３以下であることが好ましく、１×１０^１７個／ｃｍ^３以上１×１０^１8個／ｃｍ^３以下であることが特に好ましい。表層１６の金属原子の濃度は、例えばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析によって測定される。ＳＩＭＳ分析では、例えばセクター磁場型SIMS分析装置を用いて、正イオン又は負イオンにより分析できる。

表層１６は、０．１原子％以上の濃度の金属原子を含んでもよい。金属原子の濃度は、５０原子％以下であることが好ましく、５原子％以上４０原子％以下であることが特に好ましい。表層１６の金属原子の濃度は、例えばＥＤＸ分析によって測定される。ＥＤＸ分析では、例えばFE-SEM（電界放出型電子顕微鏡）につけたHoribaのエネルギー分散型X線分析装置を用いて測定が行われる。

窒化物半導体層１４における支持基板１２側の面１４ｂは、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む。金属原子の濃度は、１×１０^１４個／ｃｍ^２以下であることが好ましく、５×１０^１1個／ｃｍ^２以上1×１０^１3個／ｃｍ^２以下であることが特に好ましい。面１４ｂの金属原子の濃度は、例えば全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）分析によって測定される。ＴＸＲＦ分析では、例えばテクノス製の全反射蛍光顕微鏡により、W線源を用いて測定が行われる。

上記金属原子は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＡｌのいずれかであることが好ましく、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉのいずれかであることがより好ましく、Ｆｅであることが特に好ましい。金属原子は、全ての金属原子のうち最も高濃度の金属原子であることが好ましい。金属原子は、酸素原子と結合して酸化物を形成していることが好ましい。酸素原子は、例えば支持基板１２が窒化物半導体層１４側に酸化膜を備える場合、当該酸化膜に由来する。

貼り合わせ基板１０の窒化物半導体層１４の表面１４ａ上に、窒化物半導体からなるエピタキシャル層を形成してエピタキシャル基板を製造してもよい。表面１４ａは、例えばＧａ面又はＮ面であるが、高品質のエピタキシャル層を形成する観点からＧａ面であることが好ましい。また、そのエピタキシャル基板を用いて電子デバイスや光デバイス（例えば発光デバイス）等のデバイスを製造してもよい。上記金属原子の濃度を低くすると、デバイスに与える影響（電流リークの発生等）を抑えることができる。

本実施形態の貼り合わせ基板１０によれば、金属原子の作用により、支持基板１２と窒化物半導体層１４との接合強度を大きくすることができる。金属原子の濃度は、例えば、貼り合わせ前に窒化物半導体基板１８の表面１８ａを洗浄する際に、洗浄条件（例えば洗浄液の種類、洗浄時間等）を変化させることによって変えることができる。例えば、洗浄時間を短くすると、金属原子の濃度を低くすることができる。なお、金属原子は、例えばイオン注入によってイオンガンやチャンバから発生した金属原子が窒化物半導体基板１８の表面１８ａに付着するものと推測される。なお、ＧａＮは圧電性材料であるため、不純物が付着し易い。

また、上記金属原子が、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＡｌのいずれかである場合、これらの金属原子は酸化され易いので、酸化物を形成し易くなる。金属原子が酸素原子と結合して酸化物を形成すると、接合強度を大きくすることができる。窒化物半導体層１４がＧａ、Ｉｎ及びＳｉのうち少なくとも一つを含む場合、アニールにより、Ｇａ、Ｉｎ又はＳｉと金属原子とが金属化合物を形成するので、接合強度を大きくすることができる。
＜貼り合わせ基板の製造方法＞

図２は、実施形態に係る貼り合わせ基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。以下、図２を用いて、本実施形態に係る貼り合わせ基板の製造方法の一例について説明する。
（イオン注入工程）

まず、図２（ａ）に示されるように、窒化物半導体基板１８の表面１８ａにイオン注入を行う。例えば、窒化物半導体基板１８をイオン注入装置のチャンバ３２内に配置し、イオンガン３４から発生するイオン（例えば水素イオン、ヘリウムイオン、窒素イオン等）を表面１８ａに注入する。これにより、窒化物半導体基板１８の表面１８ａ近傍に脆弱層が形成される。チャンバ３２及びイオンガン３４は金属からなる。
（洗浄工程）

次に、窒化物半導体基板１８の表面１８ａに付着した不純物（パーティクル）を除去するために窒化物半導体基板１８の表面１８ａの洗浄を行うことが好ましい。窒化物半導体基板１８の表面１８ａに含まれる金属原子の濃度が１×１０^１１個／ｃｍ^２以上となるように洗浄することが好ましい。ここで、窒化物半導体基板１８がＧａＮからなる場合、窒化物半導体基板１８に不純物が付着し易くなる。このような不純物は、イオン注入やプラズマ処理などの真空チャンバで処理した際、チャンバ３２やイオンガン３４から発生する。不純物のうち、デバイスのリーク電流の原因となりうるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ等を除去することが好ましい。そのためには、酸化還元電位を考慮して、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ等を酸化できる洗浄液（酸化還元電位の高い洗浄液）を用いることが好ましい。また、窒化物半導体基板１８との反応性が低い洗浄液を用いることが好ましい。窒化物半導体基板１８の表面１８ａがＮ面の場合、Ｎ面がエッチングされない洗浄液（例えば酸溶液）を選択することが好ましい。よって、洗浄液としては、塩酸、硝酸、フッ酸、硫酸、又はこれらに過酸化水素水を混合したものが好ましい。

なお、窒化物半導体基板１８の表面１８ａがＮ面の場合であっても、洗浄液としてアルカリ溶液を用いることは可能である。この場合、表面１８ａの表面粗さが増大する。アルカリ溶液としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ等が挙げられるが、Ｎ面がエッチングされることを抑制する観点から、過酸化水素水とアンモニア水との混合液が好ましい。

アルカリ洗浄は、酸洗浄の後に行うことが好ましい。中性（ｐＨ＝７）において、ＧａＮのゼータ電位は正であるのに対して、不純物のゼータ電位は負である。このため、純水を用いて洗浄しても、静電力により不純物が表面１８ａに付着する。ｐＨが７．１以上の場合、ＧａＮのゼータ電位は負になる。このため、アルカリ洗浄を酸洗浄の後に行うと、不純物が減少する。
（貼り合わせ工程）

次に、図２（ｂ）に示されるように、窒化物半導体基板１８の表面１８ａを支持基板１２に貼り合わせる。これにより、図２（ｃ）に示される積層基板１０ａを得る。
（分離工程）

さらに、図２（ｃ）に示されるように、熱、力、光等のエネルギーを加えることによって、上記イオン注入により形成された脆弱層に沿った平面２０で窒化物半導体基板１８を分離する。これにより、窒化物半導体基板１８の一部２２が除去されると共に、支持基板１２上に窒化物半導体層１４が形成される。このようにして、貼り合わせ基板１０を製造することができる。

上記貼り合わせ基板の製造方法において、洗浄工程と貼り合わせ工程との間において、窒化物半導体基板１８の表面１８ａは、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む。また、貼り合わせ工程の後、窒化物半導体基板１８の表面１８ａを含む表層１６は、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む。

したがって、本実施形態の貼り合わせ基板の製造方法によれば、金属原子の作用により、支持基板１２と窒化物半導体基板１８との接合強度を大きくすることができる。また、金属原子が、酸素原子と結合して酸化物を形成している場合、接合強度を大きくすることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、貼り合わせ基板１０の製造方法において、イオン注入を用いずに、窒化物半導体基板１８を平面２０に沿ってスライスしてもよいし、窒化物半導体基板１８を平面２０まで研磨除去してもよい。

また、窒化物半導体基板１８と支持基板１２とを貼り合わせる際に、窒化物半導体基板１８の表面１８ａ及び支持基板１２の貼り合わせ面の両方を鏡面加工して荷重を加えながら加熱して貼り合わせてもよいし、窒化物半導体基板１８及び支持基板１２をプラズマに晒して貼り合わせてもよいし、窒化物半導体基板１８の表面１８ａ又は支持基板１２の貼り合わせ面に、真空中でプラズマ、イオン、中性粒子等を照射することによって貼り合わせてもよい。あるいは、窒化物半導体基板１８の表面１８ａ又は支持基板１２の貼り合わせ面に、樹脂やテープ等をコーティングして貼り合わせてもよい。また、窒化物半導体基板１８と支持基板１２との間に金属膜を介在させて加熱することによって貼り合わせてもよいし、窒化物半導体基板１８と支持基板１２との間に、イオンが移動し易い材料を介在させて貼り合わせてもよい。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）

酸素がドープされた六方晶のＧａＮウェハ（２インチ径、厚み５００μｍ）を２枚準備し、ＧａＮウェハの両面を研磨して鏡面加工を施した。（０００１）面をＧａＮウェハの主面とした。ＧａＮウェハの比抵抗は１Ω・ｃｍ以下、キャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上であった。

まず、ＧａＮウェハのＮ面に水素イオンを注入した。イオン注入の加速電圧は９０ｋｅＶ、ドーズ量は３×１０^１７／ｃｍ^２であった。イオン注入後、ＧａＮウェハをアセトンで洗浄した。

その後、１枚目のＧａＮウェハについて、全反射蛍光Ｘ線分析を用いてＧａＮウェハのＮ面を測定した。結果を表１に示す。

また、２枚目のＧａＮウェハについて、ＧａＮウェハをドライエッチング装置に入れて、Ａｒガス中で放電させることによって生成されたプラズマによって、ＧａＮウェハのＮ面を清浄化した。一方、Ｓｉウェハの表面を熱酸化することによって厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２膜が形成された支持基板（ＳｉＯ_２／Ｓｉ）を準備した。この支持基板を、Ａｒガス中で放電させることによって生成されたプラズマに晒した。プラズマを生成する際、ＲＦパワーは１００Ｗ、Ａｒ流量は５０ｓｃｃｍ、圧力は６．７Ｐａであった。その後、大気中で、ＧａＮウェハのＮ面をＳｉウェハのＳｉＯ_２膜に貼り合わせた。続いて、この貼り合わせ基板を３００℃で２時間、窒素雰囲気中で加熱した。さらに、貼り合わせ基板を１０ｍｍ角にダイシングしてチップ化した。このようにして、実施例１の貼り合わせ基板を得た。

さらに、引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った。その結果、１０ＭＰａ以上においても接合面は剥離せず、バルクの一部が破壊してしまった。これは、ＧａＮウェハとＳｉウェハとが強固に接合されていることを示す。
（比較例１）

イオン注入後、アセトンに代えてＧａＮウェハを塩酸、フッ酸、硫酸＋過酸化水素水で洗浄したこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の貼り合わせ基板を得た。

引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った結果、３．７ＭＰａにおいて接合面が剥離した。

なお、ＧａＮウェハを塩酸、フッ酸、硫酸＋過酸化水素水で洗浄した後、全反射蛍光Ｘ線分析を用いてＧａＮウェハのＮ面を測定した結果を表２に示す。

（実施例２）

イオン注入後、アセトンに代えてＧａＮウェハを塩酸で２０秒間で洗浄したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の貼り合わせ基板を得た。

引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った結果、接合面は剥離せず、バルクの一部が破壊してしまった。

また、接合面近傍のＳＩＭＳ分析を行った結果、最も濃度が高かった金属原子はＦｅであり、Ｆｅ濃度は４８１[×１０^１５個／ｃｍ^３]であった。
（実施例３）

イオン注入後、アセトンに代えてＧａＮウェハを塩酸で１分間で洗浄したこと以外は実施例１と同様にして、実施例３の貼り合わせ基板を得た。

引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った結果、接合面は剥離せず、バルクの一部が破壊してしまった。

また、接合面近傍のＳＩＭＳ分析を行った結果、最も濃度が高かった金属原子はＦｅであり、Ｆｅ濃度は１０５[×１０^１５個／ｃｍ^３]であった。
（比較例２）

イオン注入後、ＧａＮウェハを、アセトンに代えて塩酸で１０分間洗浄後、フッ酸で洗浄したこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の貼り合わせ基板を得た。

引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った結果、接合面が剥離した。

また、接合面近傍のＳＩＭＳ分析を行った結果、Ｆｅ濃度は１０[×１０^１５個／ｃｍ^３]未満であった。
（実施例４）

イオン注入の加速電圧を８０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０^１７／ｃｍ^２としてイオン注入を行ったこと以外は実施例１と同様にして、実施例４の貼り合わせ基板を得た。

引張試験機を用いて、チップ化された貼り合わせ基板を、その表側及び裏側の両方から引っ張った結果、接合面は剥離せず、バルクの一部が破壊してしまった。

また、チップ化された貼り合わせ基板をＦＩＢにより加工し、接合面近傍の断面についてＴＥＭ測定を行った。結果を図３（ａ）に示す。図３（ａ）はＴＥＭ測定結果を示す図である。また、ＴＥＭ測定を行った断面についてＥＤＸ分析を行った。結果を図３（ｂ）に示す。縦軸は検出された原子％を示す。図３（ｂ）はＥＤＸ分析結果を示す図である。横軸は、図３（ａ）の軸ｘに沿った距離を示す。ＥＤＸ分析の結果によると、接合面近傍にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属原子と共に酸素原子（Ｏ）が検出された。これは、金属原子と酸素原子とが結合した酸化物が存在することを示す。

１０…貼り合わせ基板、１２…支持基板、１４…窒化物半導体層、１４ｂ…窒化物半導体層における支持基板側の面、１６…表層、１８…窒化物半導体基板、１８ａ…窒化物半導体基板の表面。

Claims (8)

1. 支持基板と、
   前記支持基板に接合された窒化物半導体層と、
   を備え、
   前記窒化物半導体層における前記支持基板側の面を含む表層が、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む、貼り合わせ基板。
2. 支持基板と、
   前記支持基板に接合された窒化物半導体層と、
   を備え、
   前記窒化物半導体層における前記支持基板側の面が、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む、貼り合わせ基板。
3. 前記金属原子が、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＡｌのいずれかである、請求項１又は２に記載の貼り合わせ基板。
4. 前記金属原子が、酸素原子と結合して酸化物を形成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
5. 前記窒化物半導体層が、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｉのうち少なくとも一つを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
6. 窒化物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、
   前記窒化物半導体基板の前記表面を支持基板に貼り合わせる工程と、
   を含み、
   前記貼り合わせる工程の後、前記窒化物半導体基板の前記表面を含む表層が、１×１０^１６個／ｃｍ^３以上の濃度の金属原子を含む、貼り合わせ基板の製造方法。
7. 窒化物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、
   前記窒化物半導体基板の前記表面を支持基板に貼り合わせる工程と、
   を含み、
   前記貼り合わせる工程の前、前記窒化物半導体基板の前記表面が、１×１０^１１個／ｃｍ^２以上の濃度の金属原子を含む、貼り合わせ基板の製造方法。
8. 前記金属原子が、酸素原子と結合して酸化物を形成している、請求項６又は７に記載の貼り合わせ基板の製造方法。