JP2010287731A - Method of manufacturing substrate product, substrate product, and semiconductor device - Google Patents

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Fumitaka Sato
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洋子 前田
Kaoru Shibata
馨 柴田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a leakage current of a nitride-based compound semiconductor layer in a method of manufacturing the nitride-based compound semiconductor layer on a different substrate by removing part of a nitride-based compound semiconductor substrate laminated on the different substrate from the different substrate. <P>SOLUTION: The method of manufacturing a substrate product 1 having a gallium nitride layer 30 on a support substrate 20 such as a silicon substrate includes the steps of: implanting ions in a surface 10a of the gallium nitride substrate 10; cleaning the surface 10a; bonding the surface 10a and a surface 20a of the support substrate 20 to each other; and forming the gallium nitride layer 30 on the support substrate 20 by leaving the part of the gallium nitride substrate 10 including the surface 10a and removing the remainder. In the steps of cleaning the surface 10a, the total concentration of Fe, Cr, Ni, and Si of the surface 10a after the cleaning is ≤1×10<SP>18</SP>[cm<SP>-3</SP>]. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板生産物の製造方法、基板生産物、及び半導体デバイスに関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a substrate product, a substrate product, and a semiconductor device.

窒化物系化合物半導体を用いた半導体デバイスは、種々の方法により形成される。一般には、熱膨張係数が窒化物系化合物に近い異種材料(Si,SiC,サファイア等)から成る基板や、窒化物系化合物半導体から成る基板(バルク基板)上に、分子線エピタキシャル(MBE)成長法、有機金属気相成長(MOCVD)法などを使用して形成される。しかしながら、異種材料から成る基板上に形成する場合、基板と半導体デバイス層との熱膨張係数の差や格子不整合といった要因により、基板に応力が発生して基板及び半導体デバイス層に反りが生じる。その結果、デバイス特性の劣化、半導体デバイス層の基板からの剥離、半導体デバイス層における転位密度の増加といった好ましくない現象が生じてしまう。一方、窒化物系化合物半導体から成る基板上に形成する場合、該基板は高価なのでそのコストが最終的に半導体デバイスの製造コストを押し上げてしまう。   Semiconductor devices using nitride compound semiconductors are formed by various methods. In general, molecular beam epitaxy (MBE) growth on a substrate made of a dissimilar material (Si, SiC, sapphire, etc.) whose thermal expansion coefficient is close to that of a nitride compound or a substrate (bulk substrate) made of a nitride compound semiconductor. Or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. However, when formed on a substrate made of a different material, stress is generated in the substrate due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor device layer or a lattice mismatch, and the substrate and the semiconductor device layer are warped. As a result, undesired phenomena such as deterioration of device characteristics, peeling of the semiconductor device layer from the substrate, and increase of dislocation density in the semiconductor device layer occur. On the other hand, when it is formed on a substrate made of a nitride-based compound semiconductor, since the substrate is expensive, the cost ultimately increases the manufacturing cost of the semiconductor device.

そこで、良好な性質を有する窒化物系化合物半導体デバイスを安価に製造するために、例えば特許文献1に記載された方法がある。特許文献1には、窒化物半導体膜を異種基板上に有する半導体基板の作製方法が開示されている。この文献に記載された方法は、GaN基板の表面近傍に上方からイオンを注入してイオン注入層を形成し、そのGaN基板の表面と単結晶シリコン基板とを重ね合わせた状態で熱処理を施すことによりそれらを貼り合わせ、イオン注入層を除くGaN基板の主な部分を単結晶シリコン基板から引き剥がすことにより、GaN薄膜をシリコン基板上に有する半導体基板を作製している。そして、この半導体基板のGaN薄膜上に種々の窒化物半導体層を成長させることで、LEDやトランジスタを作製している。   In order to manufacture a nitride-based compound semiconductor device having good properties at a low cost, for example, there is a method described in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor substrate having a nitride semiconductor film on a heterogeneous substrate. In the method described in this document, ions are implanted near the surface of the GaN substrate to form an ion-implanted layer, and heat treatment is performed with the surface of the GaN substrate and the single crystal silicon substrate superimposed. The semiconductor substrate having the GaN thin film on the silicon substrate is fabricated by bonding them together and peeling off the main portion of the GaN substrate excluding the ion implantation layer from the single crystal silicon substrate. Then, various nitride semiconductor layers are grown on the GaN thin film of the semiconductor substrate to produce LEDs and transistors.

特開2006−210660号公報JP 2006-210660 A

しかしながら、窒化物系化合物半導体基板にイオンを注入する際、イオン発生装置やチャンバ内に存在する不純物が、イオンの注入と同時に基板表面に付着する。また、窒化物系化合物は圧電性結晶なので特に不純物を引き寄せ易い。接合面となる窒化物系化合物半導体基板及び異種基板の表面に存在する不純物(パーティクル)は、窒化物系化合物半導体層におけるリーク電流の原因となる。   However, when ions are implanted into the nitride-based compound semiconductor substrate, impurities present in the ion generator or the chamber adhere to the substrate surface simultaneously with the ion implantation. Further, since the nitride-based compound is a piezoelectric crystal, it is particularly easy to attract impurities. Impurities (particles) present on the surfaces of the nitride compound semiconductor substrate and the dissimilar substrate serving as the bonding surface cause a leakage current in the nitride compound semiconductor layer.

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、窒化物系化合物半導体基板の表面と異種基板とを貼り合わせ、窒化物系化合物半導体基板の一部を異種基板から除去することにより窒化物系化合物半導体層を異種基板上に製造する方法と、この方法により製造される基板生産物と、この基板生産物を備える半導体デバイスとにおいて、窒化物系化合物半導体層におけるリーク電流を低減することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and by bonding a surface of a nitride compound semiconductor substrate and a heterogeneous substrate, and removing a portion of the nitride compound semiconductor substrate from the heterogeneous substrate. Leakage current in a nitride-based compound semiconductor layer is reduced in a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor layer on a heterogeneous substrate, a substrate product manufactured by this method, and a semiconductor device including the substrate product. For the purpose.

上記した課題を解決するために、本発明による基板生産物の製造方法は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る支持基板上に窒化物系化合物半導体層を有する基板生産物を製造する方法であって、窒化物系化合物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程と、窒化物系化合物半導体基板の表面と支持基板の表面とを互いに接合させる工程と、窒化物系化合物半導体基板のうち表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより、窒化物系化合物半導体層を支持基板上に形成する工程とを備え、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程の際に、洗浄後の窒化物系化合物半導体基板の表面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度を合計で1×1018[cm−3]以下とすることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a method for producing a substrate product according to the present invention is a method for producing a substrate product having a nitride compound semiconductor layer on a support substrate made of a material different from a nitride compound semiconductor. A step of performing ion implantation on the surface of the nitride compound semiconductor substrate, a step of cleaning the surface of the nitride compound semiconductor substrate, and a surface of the nitride compound semiconductor substrate and the surface of the support substrate. A step of bonding, and a step of forming a nitride-based compound semiconductor layer on a support substrate by removing the remaining portion of the nitride-based compound semiconductor substrate while leaving a portion including the surface in a layered form, and nitriding when the step of cleaning the surface of the object-based compound semiconductor substrate, Fe at the surface of the nitride compound semiconductor substrate after cleaning, Cr, Ni, and Si of 1 × density in total 10 18 [cm 3], characterized in that less.

本発明者は、接合面である窒化物系化合物半導体基板の表面にFe,Cr,Ni,及びSiのいずれかが不純物として付着していると、当該不純物を介して窒化物系化合物半導体層と支持基板(すなわち異種基板)との間で電流のリークが生じ易いことを見出した。また、これらの不純物が合計で1×1018[cm−3]以下だと、電流のリークが顕著に減少し耐圧性が向上することを見出した。すなわち、上記した基板生産物の製造方法によれば、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程の際に、洗浄後の窒化物系化合物半導体基板の表面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度を合計で1×1018[cm−3]以下とすることによって、窒化物系化合物半導体層に流れるリーク電流を効果的に低減することができる。 The present inventor, when any one of Fe, Cr, Ni, and Si is attached as an impurity to the surface of the nitride compound semiconductor substrate which is a bonding surface, the nitride compound semiconductor layer and It has been found that current leakage is likely to occur between the supporting substrate (that is, the different substrate). Further, it has been found that when the total amount of these impurities is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less, current leakage is remarkably reduced and pressure resistance is improved. That is, according to the manufacturing method of a substrate product described above, during the step of cleaning the surface of the nitride compound semiconductor substrate, Fe, Cr, Ni, and Si on the surface of the nitride compound semiconductor substrate after cleaning. By making the density of the total 1 × 10 18 [cm −3 ] or less, the leakage current flowing in the nitride-based compound semiconductor layer can be effectively reduced.

また、基板生産物の製造方法は、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程が、アンモニアを含む過酸化水素水を用いて窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程を含むことを特徴としてもよい。一般的に、窒化物系化合物半導体層上に半導体デバイス層を成長させる際、窒化物系化合物半導体層の窒素面とは逆の面(例えばガリウム面)を成長面として用いることが多い。その場合、窒化物系化合物半導体基板において支持基板と接合される面を窒素面とする必要があるが、例えばKOHやNaOHといった強アルカリ性の液体を用いて洗浄すると窒素面がエッチングされてしまい、表面の平坦性が損なわれて支持基板との接合が難しくなる。これに対し、アンモニアを含む過酸化水素水を用いて表面を洗浄すれば、窒化物系化合物半導体基板の窒素面の平坦性を保ちつつ、洗浄によってこの窒素面の不純物密度を上記範囲に抑えることができる。   In the method of manufacturing a substrate product, the step of cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate includes a step of cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate using a hydrogen peroxide solution containing ammonia. It may be a feature. Generally, when a semiconductor device layer is grown on a nitride-based compound semiconductor layer, a surface opposite to the nitrogen surface of the nitride-based compound semiconductor layer (for example, a gallium surface) is often used as a growth surface. In that case, the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate that is to be bonded to the support substrate needs to be a nitrogen surface. However, for example, cleaning with a strong alkaline liquid such as KOH or NaOH causes the nitrogen surface to be etched, The flatness of the substrate is impaired, and it becomes difficult to bond to the support substrate. On the other hand, if the surface is cleaned using aqueous hydrogen peroxide containing ammonia, the nitrogen surface of the nitride-based compound semiconductor substrate is kept flat, and the impurity density on the nitrogen surface is suppressed to the above range by cleaning. Can do.

また、基板生産物の製造方法は、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程の際に、窒化物系化合物半導体基板を揺動あるいは振動させながら洗浄することを特徴としてもよい。これにより、窒化物系化合物半導体基板の表面に対する洗浄作用を高めることができる。   The method for manufacturing a substrate product may be characterized in that the nitride compound semiconductor substrate is cleaned while being swung or vibrated during the step of cleaning the surface of the nitride compound semiconductor substrate. Thereby, the cleaning effect | action with respect to the surface of a nitride type compound semiconductor substrate can be improved.

また、本発明による基板生産物は、窒化物系化合物半導体基板の表面にイオン注入を行い、窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄したのち、窒化物系化合物半導体基板の表面と、窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る支持基板の表面とを互いに接合させ、窒化物系化合物半導体基板のうち表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより形成された窒化物系化合物半導体層を支持基板上に備え、窒化物系化合物半導体層の支持基板との界面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度が合計で1×1018[cm−3]以下であることを特徴とする。 In addition, the substrate product according to the present invention performs ion implantation on the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate, and after cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate, the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate and the nitride-based compound semiconductor substrate Nitride-based compound formed by bonding surfaces of a support substrate made of a material different from a compound semiconductor to each other, and removing other portions of the nitride-based compound semiconductor substrate while leaving the portion including the surface in a layer form A semiconductor layer is provided on a support substrate, and the total density of Fe, Cr, Ni, and Si at the interface between the nitride-based compound semiconductor layer and the support substrate is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less. And

上記した基板生産物によれば、窒化物系化合物半導体層の支持基板との界面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度が合計で1×1018[cm−3]以下であることによって、窒化物系化合物半導体層に流れるリーク電流を効果的に低減することができる。 According to the substrate product described above, the total density of Fe, Cr, Ni, and Si at the interface between the nitride-based compound semiconductor layer and the support substrate is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less. Leakage current flowing in the nitride-based compound semiconductor layer can be effectively reduced.

また、本発明による半導体デバイスは、上記した基板生産物と、基板生産物の窒化物系化合物半導体層上に設けられた窒化物系化合物半導体から成る半導体デバイス層とを備えることを特徴とする。この半導体デバイスによれば、上記した基板生産物を備えることによって、窒化物系化合物半導体層に流れるリーク電流を効果的に低減することができる。   A semiconductor device according to the present invention includes the above-described substrate product and a semiconductor device layer made of a nitride-based compound semiconductor provided on the nitride-based compound semiconductor layer of the substrate product. According to this semiconductor device, the leakage current flowing through the nitride-based compound semiconductor layer can be effectively reduced by providing the substrate product described above.

本発明による基板生産物の製造方法、基板生産物、及び半導体デバイスによれば、窒化物系化合物半導体層に流れるリーク電流を低減することができる。   According to the method for manufacturing a substrate product, the substrate product, and the semiconductor device according to the present invention, it is possible to reduce the leakage current flowing in the nitride-based compound semiconductor layer.

図1(a)は、本実施形態に係る基板生産物の製造方法において使用される窒化ガリウム基板10を示している。図1(b)は、窒化ガリウム基板10にイオンを注入する工程を示している。図1(c)は、窒化ガリウム基板10の表面を洗浄する工程を示している。FIG. 1A shows a gallium nitride substrate 10 used in the substrate product manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 1B shows a step of implanting ions into the gallium nitride substrate 10. FIG. 1C shows a process of cleaning the surface of the gallium nitride substrate 10. 図2(a)は、窒化ガリウム基板10と支持基板20とを貼り合わせる工程を示している。図2(b)は、窒化ガリウム基板10と支持基板20とを貼り合わせた基板を加熱する工程を示している。図2(c)は、窒化ガリウム基板10が、窒化ガリウム層30を残して支持基板20から剥離した様子を示している。FIG. 2A shows a process of bonding the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 together. FIG. 2B shows a step of heating the substrate on which the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 are bonded. FIG. 2C shows a state in which the gallium nitride substrate 10 is peeled from the support substrate 20 leaving the gallium nitride layer 30. 図3(a)は、窒化ガリウム層30を支持基板20上に有する基板生産物1を示している。図3(b)は、窒化ガリウム層30上にエピタキシャル層60を形成する工程を示している。図3(c)は、エピタキシャル層60上に各半導体層70〜78を形成する工程を示している。FIG. 3A shows a substrate product 1 having a gallium nitride layer 30 on a support substrate 20. FIG. 3B shows a process of forming the epitaxial layer 60 on the gallium nitride layer 30. FIG. 3C shows a process of forming the semiconductor layers 70 to 78 on the epitaxial layer 60. 図4(a)は、各半導体層70〜78をメサエッチングする工程を示している。図4(b)は、アノード電極82及びカソード電極84を形成する工程を示している。FIG. 4A shows a step of mesa etching each of the semiconductor layers 70 to 78. FIG. 4B shows a process of forming the anode electrode 82 and the cathode electrode 84.

以下、添付図面を参照しながら本発明による基板生産物の製造方法、基板生産物、及び半導体デバイスの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Embodiments of a substrate product manufacturing method, a substrate product, and a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1〜図4は、本実施形態に係る基板生産物の製造方法および基板生産物、並びにこの基板生産物を使用した半導体デバイスの製造方法における各工程を示す図である。なお、本実施形態の方法により製造される基板生産物は、窒化物系化合物半導体層としての窒化ガリウム(GaN)層を支持基板上に有するものである。   1 to 4 are diagrams showing each step in a method for manufacturing a substrate product, a substrate product, and a method for manufacturing a semiconductor device using the substrate product according to the present embodiment. In addition, the substrate product manufactured by the method of the present embodiment has a gallium nitride (GaN) layer as a nitride compound semiconductor layer on a support substrate.

<第1の工程(イオン注入)>
まず、図1(a)に示すように、窒化ガリウム基板10を準備する。この窒化ガリウム基板10は、本実施形態における窒化物系化合物半導体基板である。窒化ガリウム基板10は、例えばハイドライド気相成長法(HVPE法)により窒化ガリウムを成長して作製されたものであり、酸素原子等の不純物がドープされていてもよい。
<First step (ion implantation)>
First, as shown in FIG. 1A, a gallium nitride substrate 10 is prepared. The gallium nitride substrate 10 is a nitride-based compound semiconductor substrate in the present embodiment. The gallium nitride substrate 10 is produced by growing gallium nitride by, for example, hydride vapor phase epitaxy (HVPE), and may be doped with impurities such as oxygen atoms.

次に、この窒化ガリウム基板10の表面10aにイオンを注入する。まず、窒化ガリウム基板10の表面10aを研磨したのち、図1(b)に示すように、窒化ガリウム基板10をイオン注入装置100に配置する。そして、窒化ガリウム基板10の表面10aに所定の原子(好ましくは、水素、ヘリウム、窒素等)のイオン12を注入して、脆弱層10bを形成する。   Next, ions are implanted into the surface 10 a of the gallium nitride substrate 10. First, after polishing the surface 10 a of the gallium nitride substrate 10, the gallium nitride substrate 10 is placed in the ion implantation apparatus 100 as shown in FIG. Then, ions 12 of predetermined atoms (preferably hydrogen, helium, nitrogen, etc.) are implanted into the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 to form the fragile layer 10b.

<第2の工程(洗浄)>
続いて、図1(c)に示すように、窒化ガリウム基板10の表面10aを、洗浄液14を用いて洗浄する。窒化ガリウム基板10については、上述したイオン注入の際、イオン12を発生させるイオンガンやチャンバーの外壁等から不純物が発生する。窒化ガリウムは圧電性結晶であるため不純物が付着し易く、表面10aの洗浄を十分に行う必要がある。なお、洗浄により除去する不純物は何でも良いわけではなく、本実施形態ではFe,Cr,Ni,及びSiに限定する。これらは、本実施形態の基板生産物を用いて電子デバイスを作製した場合、電流リーク源となるものである。
<Second step (cleaning)>
Subsequently, as shown in FIG. 1C, the surface 10 a of the gallium nitride substrate 10 is cleaned using a cleaning liquid 14. In the gallium nitride substrate 10, impurities are generated from an ion gun that generates ions 12, the outer wall of the chamber, and the like during the above-described ion implantation. Since gallium nitride is a piezoelectric crystal, impurities easily adhere to it, and the surface 10a needs to be sufficiently cleaned. Note that the impurities to be removed by cleaning are not limited, and in this embodiment, the impurities are limited to Fe, Cr, Ni, and Si. These are current leakage sources when an electronic device is manufactured using the substrate product of the present embodiment.

本実施形態では、洗浄後の窒化ガリウム基板10の表面10aにおけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度が合計で1×1018[cm−3]以下となるように、窒化ガリウム基板10の表面10aを洗浄する。 In the present embodiment, the surface of the gallium nitride substrate 10 is adjusted so that the total density of Fe, Cr, Ni, and Si on the surface 10a of the cleaned gallium nitride substrate 10 is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less. Wash 10a.

これらの元素を除去するには、酸化還元電位でこれらを酸化できる洗浄液14を用いることが好ましい。また、窒化ガリウム基板10の表面10aに対するエッチング性が極めて小さい洗浄液14を用いることが好ましい。特に、洗浄対象である表面10aが窒素面である場合には、例えばKOHやNaOHといった強アルカリ性の液体を用いて洗浄すると窒素面がエッチングされてしまい、表面10aの平坦性が損なわれて後述する貼り合わせ工程に支障を来すこととなる。したがって、酸性の洗浄液14を用いることが好ましい。   In order to remove these elements, it is preferable to use a cleaning solution 14 that can oxidize these elements at a redox potential. In addition, it is preferable to use a cleaning solution 14 that has extremely low etching properties with respect to the surface 10 a of the gallium nitride substrate 10. In particular, when the surface 10a to be cleaned is a nitrogen surface, cleaning with a strong alkaline liquid such as KOH or NaOH etches the nitrogen surface, and the flatness of the surface 10a is impaired, which will be described later. This will interfere with the bonding process. Therefore, it is preferable to use the acidic cleaning liquid 14.

酸性の洗浄液14について更に述べると、洗浄液14の酸化還元電位が高い方がFe,Cr,Ni,及びSiを除去する効果が高く、このような洗浄液14の例としては、塩酸、硝酸、フッ酸、又は硫酸、或いはこれらに過酸化水素水を混ぜたものや、これらの混合液などが挙げられる。   The acidic cleaning solution 14 will be further described. The higher the redox potential of the cleaning solution 14 is, the higher the effect of removing Fe, Cr, Ni, and Si. Examples of such cleaning solution 14 include hydrochloric acid, nitric acid, and hydrofluoric acid. Or sulfuric acid, a mixture of these with hydrogen peroxide, or a mixture thereof.

一方、アルカリ性の洗浄液14を用いて窒化ガリウム基板10の窒素面を洗浄することも可能であるが、上述したように強アルカリ性の洗浄液14では窒素面の平坦性が損なわれてしまうので、アンモニアを含む過酸化水素水といった弱アルカリ性の洗浄液14を用いて窒素面を洗浄することが好ましい。   On the other hand, it is possible to clean the nitrogen surface of the gallium nitride substrate 10 using the alkaline cleaning solution 14, but the flatness of the nitrogen surface is impaired in the strong alkaline cleaning solution 14 as described above. The nitrogen surface is preferably cleaned using a weakly alkaline cleaning solution 14 such as a hydrogen peroxide solution.

なお、アルカリ性の洗浄液14を用いて窒化ガリウム基板10の窒素面を洗浄する工程は、酸性の洗浄液14を用いた洗浄工程の後に行うことが好ましい。窒化ガリウムは他の半導体材料と異なり、pH7の中性においてゼータ電位が正であり、他の不純物(Fe,Cr,Ni,及びSi)のゼータ電位が負であるから、窒化ガリウム基板10を純水で洗浄しても静電力により不純物が付着してしまう。窒化ガリウムのゼータ電位はpH7.1以上で負になるので、アルカリ性の洗浄液14による洗浄工程を酸性の洗浄液14による洗浄工程より後に行う必要があり、これを行わないと不純物が増加してしまうからである。   The step of cleaning the nitrogen surface of the gallium nitride substrate 10 using the alkaline cleaning solution 14 is preferably performed after the cleaning step using the acidic cleaning solution 14. Unlike other semiconductor materials, gallium nitride has a positive zeta potential at neutral pH 7 and negative zeta potentials of other impurities (Fe, Cr, Ni, and Si). Even if it is washed with water, impurities adhere due to electrostatic force. Since the zeta potential of gallium nitride becomes negative at pH 7.1 or higher, it is necessary to perform the cleaning step with the alkaline cleaning solution 14 after the cleaning step with the acidic cleaning solution 14, otherwise impurities will increase. It is.

また、窒化ガリウム基板10の表面10aを洗浄する際、窒化ガリウム基板10を揺動、あるいは振動(例えば超音波振動)させながら洗浄することが好ましい。これにより、窒化ガリウム基板10の表面10aに対する洗浄作用を高めることができる。   Further, when cleaning the surface 10a of the gallium nitride substrate 10, it is preferable to clean the gallium nitride substrate 10 while oscillating or vibrating (for example, ultrasonic vibration). Thereby, the cleaning effect | action with respect to the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 can be improved.

<第3の工程(窒化ガリウム基板と支持基板との貼り合わせ)>
続いて、図2(a)に示すように、窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る支持基板20を準備する。そして、この支持基板20の表面20aと、窒化ガリウム基板10の表面10aとを互いに貼り合わせて接合させる。支持基板20は、後に形成される窒化ガリウム層を保持できる程度の強度(硬さか厚み)を有していれば、その構成材料については特に限定されないが、窒化ガリウム層上に半導体デバイス層を成長させる際の高温や、アンモニア及び水素といったガス雰囲気に曝されることを考慮して、そのような環境に耐え得る材料系から成ることが好ましい。そのような支持基板20としては、例えば表面20aに酸化層20bを有するシリコン基板が好適である。
<Third Step (Lamination of Gallium Nitride Substrate and Support Substrate)>
Subsequently, as shown in FIG. 2A, a support substrate 20 made of a material different from the nitride compound semiconductor is prepared. Then, the surface 20a of the support substrate 20 and the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 are bonded to each other and bonded. As long as the supporting substrate 20 has a strength (hardness or thickness) sufficient to hold a gallium nitride layer to be formed later, its constituent material is not particularly limited, but a semiconductor device layer is grown on the gallium nitride layer. In consideration of exposure to high temperatures and gas atmospheres such as ammonia and hydrogen, it is preferable to use a material system that can withstand such an environment. As such a support substrate 20, for example, a silicon substrate having an oxide layer 20b on the surface 20a is suitable.

また、これらを接合させる前に、窒化ガリウム基板10及び支持基板20の各接合面を、ドライエッチング装置におけるアルゴンガス中で放電させて得られるプラズマにより予め清浄しておくと良い。   In addition, before bonding them, each bonding surface of the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 is preferably cleaned in advance by plasma obtained by discharging in argon gas in a dry etching apparatus.

窒化ガリウム基板10及び支持基板20を互いに接合させる方法は種々あるが、例えば、窒化ガリウム基板10及び支持基板20の接合面をそれぞれ鏡面に研磨し、これらを貼り合わせた後に荷重を加えながら加熱する方法や、窒化ガリウム基板10及び支持基板20をプラズマ中に曝すことにより接合する方法、或いは、真空中でプラズマ、イオン、又は中性粒子等によって窒化ガリウム基板10及び支持基板20の表面を叩くことにより表面の反応を増加させ、その後に窒化ガリウム基板10及び支持基板20を互いに貼り合わせて接合する方法などがある。また、樹脂コーティングや貼着テープ等を介してこれらを接合させることも可能である。また、窒化ガリウム基板10と支持基板20との接合界面に金属を介在させ、加熱して共晶接合させる方法や、イオンが移動しやすい材料を窒化ガリウム基板10と支持基板20との間に介在させて接合させる方法など、異種の基板同士が接合界面付近を除く領域においてそれぞれの特性を保持できる接合方法であれば、どのような方法であってもよい。   There are various methods for bonding the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 to each other. For example, the bonded surfaces of the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 are polished to mirror surfaces, and bonded together, and then heated while applying a load. A method of bonding by exposing the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 to plasma, or hitting the surfaces of the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 with plasma, ions, neutral particles, or the like in a vacuum. There is a method in which the reaction of the surface is increased by, and then the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 are bonded to each other and bonded. Moreover, it is also possible to join these through resin coating, an adhesive tape, etc. Further, a method in which a metal is interposed at the bonding interface between the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 and heated to form eutectic bonding, or a material that easily moves ions is interposed between the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20. Any method may be used as long as it is a bonding method in which different substrates can maintain their characteristics in a region excluding the vicinity of the bonding interface, such as a bonding method.

<第4の工程(窒化ガリウム基板の剥離)>
続いて、図2(b)に示すように、互いに接合された窒化ガリウム基板10及び支持基板20をアニール炉200へ導入し、N雰囲気、O雰囲気、或いはN+O雰囲気の下でアニール処理を施す。このときの温度は、例えば300℃以上である。これにより、脆弱層10bに亀裂が発生し、図2(c)に示すように、脆弱層10bの表面10a側の部分のみ層状に残して窒化ガリウム基板10の他の部分が支持基板20から剥離する(窒化ガリウム基板10の薄板化)。こうして、窒化ガリウム基板10の他の部分が除去され、脆弱層10bは、窒化ガリウム層30として、支持基板20の表面20a上に残る。
<Fourth Step (Peeling of Gallium Nitride Substrate)>
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the gallium nitride substrate 10 and the support substrate 20 bonded to each other are introduced into the annealing furnace 200, and the N 2 atmosphere, the O 2 atmosphere, or the N 2 + O 2 atmosphere is used. Annealing treatment is performed. The temperature at this time is, for example, 300 ° C. or higher. As a result, a crack occurs in the fragile layer 10b, and as shown in FIG. 2C, only the portion on the surface 10a side of the fragile layer 10b is left in a layered state, and the other part of the gallium nitride substrate 10 is peeled off from the support substrate 20. (Thinning the gallium nitride substrate 10). In this way, the other part of the gallium nitride substrate 10 is removed, and the fragile layer 10b remains on the surface 20a of the support substrate 20 as the gallium nitride layer 30.

なお、本実施形態ではイオン注入後の加熱によって窒化ガリウム基板10の一部を支持基板20上に残存させているが、窒化ガリウム基板10を薄板化する方法は他の方法でも良く、例えば窒化ガリウム基板10のイオン注入部分に力を加えて上記脆弱層10bを剥離させても良いし、窒化ガリウム基板10をスライスしても良いし、研磨等によって薄板化しても良い。   In this embodiment, a part of the gallium nitride substrate 10 is left on the support substrate 20 by heating after the ion implantation. However, other methods may be used for thinning the gallium nitride substrate 10, for example, gallium nitride. The fragile layer 10b may be peeled off by applying a force to the ion-implanted portion of the substrate 10, or the gallium nitride substrate 10 may be sliced or thinned by polishing or the like.

以上の工程により、図3(a)に示すように、窒化ガリウム層30を支持基板20上に有する基板生産物1が作製される。   Through the above steps, the substrate product 1 having the gallium nitride layer 30 on the support substrate 20 is produced as shown in FIG.

<エピタキシャル層形成工程>
続いて、図3(b)に示すように、窒化物系化合物半導体から成るエピタキシャル層60を窒化ガリウム層30上に成長させる。エピタキシャル層60を構成する材料としては、その格子定数が窒化ガリウム層30と同じか又は近いもの、例えば窒化ガリウムが好適である。このエピタキシャル層形成工程を経ることにより、表面の平坦性が高くデバイスの作製に更に好適な基板生産物2が作製される。
<Epitaxial layer formation process>
Subsequently, as shown in FIG. 3B, an epitaxial layer 60 made of a nitride compound semiconductor is grown on the gallium nitride layer 30. As a material constituting the epitaxial layer 60, a material whose lattice constant is the same as or close to that of the gallium nitride layer 30, for example, gallium nitride is suitable. Through this epitaxial layer forming step, a substrate product 2 having a high surface flatness and more suitable for device fabrication is produced.

<デバイス層形成工程>
続いて、基板生産物2を用いた半導体デバイスの作製に移る。まず、図3(c)に示すように、基板生産物2のエピタキシャル層60上に、n型GaN層70及びn型AlGaN層72といった第1導電型の窒化物系化合物半導体層、発光層74、並びにp型AlGaN層76及びp型GaN層78といった第2導電型の窒化物系化合物半導体層を成長させる。発光層74は、電流(キャリア)が注入されることにより光を発生する層であり、多重量子井戸構造を有している。具体的には、発光層74は、複数のバリア層及び井戸層が交互に積層されることにより構成されている。バリア層及び井戸層は、AlX3InGa1−X3−YN(0≦X3<1、0≦Y<1、0<X3+Y<1)といった窒化物系化合物半導体からなる。バリア層及び井戸層の組成は、バリア層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように調整されている。この構成により、発光層74に注入されたキャリアが井戸層に効率よく閉じ込められる。
<Device layer formation process>
Subsequently, the process proceeds to manufacture of a semiconductor device using the substrate product 2. First, as shown in FIG. 3C, a first conductivity type nitride-based compound semiconductor layer such as an n-type GaN layer 70 and an n-type AlGaN layer 72, a light emitting layer 74 on the epitaxial layer 60 of the substrate product 2. In addition, a second conductivity type nitride-based compound semiconductor layer such as a p-type AlGaN layer 76 and a p-type GaN layer 78 is grown. The light emitting layer 74 is a layer that generates light when a current (carrier) is injected, and has a multiple quantum well structure. Specifically, the light emitting layer 74 is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers and well layers. Barrier layer and the well layer is made of Al X3 In Y Ga 1-X3 -Y N (0 ≦ X3 <1,0 ≦ Y <1,0 <X3 + Y <1) such nitride-based compound semiconductor. The composition of the barrier layer and the well layer is adjusted so that the band gap of the barrier layer is larger than the band gap of the well layer. With this configuration, carriers injected into the light emitting layer 74 are efficiently confined in the well layer.

続いて、図4(a)に示すように、各半導体層70〜78の一部をエッチング(メサエッチング)することにより、n型GaN層70の一部の表面を露出させる。そして、真空蒸着法や電子ビーム蒸着法によって、図4(b)に示すようにアノード電極82及びカソード電極84を形成する。このとき、アノード電極82は、p型GaN層78の発光層74と対向する面とは反対側の面上に、ほぼ全面にわたって設けられる。アノード電極82は例えばNi/Au/Al/Auといった金属を順次積層してなり、アノード電極82とp型GaN層78との間でオーミック接触が実現される。   Subsequently, as illustrated in FIG. 4A, a part of the surface of the n-type GaN layer 70 is exposed by etching (mesa etching) a part of each of the semiconductor layers 70 to 78. Then, as shown in FIG. 4B, the anode electrode 82 and the cathode electrode 84 are formed by a vacuum evaporation method or an electron beam evaporation method. At this time, the anode electrode 82 is provided over substantially the entire surface of the p-type GaN layer 78 on the surface opposite to the surface facing the light emitting layer 74. The anode electrode 82 is formed by sequentially laminating metals such as Ni / Au / Al / Au, and ohmic contact is realized between the anode electrode 82 and the p-type GaN layer 78.

また、カソード電極84は、n型GaN層70のエピタキシャル層60と対向する面とは反対側の面上において、n型AlGaN層72、発光層74、p型AlGaN層76、及びp型GaN層78が設けられた領域とは別の領域上に設けられる。カソード電極84は、例えばTi/Al/Auといった金属を順次積層してなり、カソード電極84とn型GaN層70との間でオーミック接触が実現される。   Further, the cathode electrode 84 has an n-type AlGaN layer 72, a light emitting layer 74, a p-type AlGaN layer 76, and a p-type GaN layer on the surface of the n-type GaN layer 70 opposite to the surface facing the epitaxial layer 60. It is provided on a region different from the region where 78 is provided. The cathode electrode 84 is formed by sequentially laminating metals such as Ti / Al / Au, and ohmic contact is realized between the cathode electrode 84 and the n-type GaN layer 70.

以上の工程により、発光ダイオードといった機能を有する半導体デバイス層3が、エピタキシャル層60上に形成される。これにより、半導体デバイス層3を基板生産物2上に有する半導体デバイス4が提供される。   Through the above steps, the semiconductor device layer 3 having a function of a light emitting diode is formed on the epitaxial layer 60. Thereby, a semiconductor device 4 having the semiconductor device layer 3 on the substrate product 2 is provided.

上記実施形態に係る基板生産物1の一実施例として、発明者が調査した、窒化ガリウム基板10の表面における不純物の密度による基板生産物1の特性の変化について説明する。   As an example of the substrate product 1 according to the above embodiment, a change in characteristics of the substrate product 1 due to the density of impurities on the surface of the gallium nitride substrate 10 investigated by the inventors will be described.

まず、酸素をドープした厚さ500[μm]の2インチGaNウェハ(窒化ガリウム基板10に相当)の両面を研磨して鏡面にしたものを6枚準備した。これらのGaNウェハは、六方晶でありその表面は(0001)面であった。また、これらのGaNウェハの比抵抗は1[Ω・cm]以下であり、キャリア濃度は1×1017[cm−3]以上であった。 First, six sheets of a 2-inch GaN wafer (corresponding to the gallium nitride substrate 10) having a thickness of 500 [μm] doped with oxygen and polished to have a mirror surface were prepared. These GaN wafers were hexagonal and had a (0001) plane. The specific resistance of these GaN wafers was 1 [Ω · cm] or less, and the carrier concentration was 1 × 10 17 [cm −3 ] or more.

次に、これらのGaNウェハの窒素面に水素イオンを注入した。このとき、イオンの加速電圧を100[keV]とし、ドーズ量を4×1017[cm−2]とした。イオン注入後、これらのGaNウェハのうち1枚に対し全反射蛍光X線(Total Reflection X-Ray Fluorescence)測定を行った。その結果を以下の表1に示す。

Figure 2010287731
Next, hydrogen ions were implanted into the nitrogen surface of these GaN wafers. At this time, the acceleration voltage of ions was set to 100 [keV], and the dose amount was set to 4 × 10 17 [cm −2 ]. After ion implantation, one of these GaN wafers was subjected to total reflection X-ray fluorescence measurement. The results are shown in Table 1 below.
Figure 2010287731

続いて、残り5枚のGaNウェハの窒素面を洗浄した。このとき、5枚のGaNウェハのうち1枚をアセトンで5分間洗浄し、他の3枚を塩酸でそれぞれ1分、3分及び10分洗浄し、残りの1枚を塩酸で20分、フッ酸で10分洗浄した。   Subsequently, the nitrogen surfaces of the remaining five GaN wafers were cleaned. At this time, one of the five GaN wafers is washed with acetone for 5 minutes, the other three are washed with hydrochloric acid for 1, 3, and 10 minutes, respectively, and the remaining one is washed with hydrochloric acid for 20 minutes. Washed with acid for 10 minutes.

その後、5枚のGaNウェハをドライエッチング装置にセットし、アルゴンガス中で放電させて得られるプラズマにより窒素面を清浄した。また、これとは別に5枚のシリコンウェハ(支持基板20に相当)を準備し、これらのシリコンウェハの表面を熱酸化させて厚さ100[nm]のSiO層(酸化層20bに相当)を形成した。これらのシリコンウェハの表面をプラズマにより清浄した。なお、GaNウェハ及びシリコンウェハを清浄する際のArガスの条件は、RFパワー100[W]、Ar流量50[sccm(標準立方センチメートル毎分)]、圧力6.7[Pa]であった。その後、各5枚のGaNウェハ及びシリコンウェハを互いに大気中で貼り合わせ、これらを窒素中に置き300[℃]で2時間加熱することにより接合させ、同時にイオン注入による脆弱層を残してGaNウェハをシリコンウェハから剥離させることにより、GaN膜を表面に有するシリコンウェハ(基板生産物1に相当)を作製した。 Thereafter, five GaN wafers were set in a dry etching apparatus, and the nitrogen surface was cleaned with plasma obtained by discharging in an argon gas. Separately, five silicon wafers (corresponding to the support substrate 20) are prepared, and the surfaces of these silicon wafers are thermally oxidized to form a SiO 2 layer having a thickness of 100 [nm] (corresponding to the oxide layer 20b). Formed. The surface of these silicon wafers was cleaned with plasma. The Ar gas conditions for cleaning the GaN wafer and the silicon wafer were RF power 100 [W], Ar flow rate 50 [sccm (standard cubic centimeter per minute)], and pressure 6.7 [Pa]. Thereafter, each of the five GaN wafers and the silicon wafer are bonded to each other in the air and bonded together by placing them in nitrogen and heating at 300 [° C.] for 2 hours, and at the same time leaving a fragile layer by ion implantation, leaving the GaN wafer. Was peeled from the silicon wafer to produce a silicon wafer (corresponding to the substrate product 1) having a GaN film on the surface.

次に、各シリコンウェハのGaN膜上に、MOCVD法を使用してGaNエピタキシャル層を形成した。GaNエピタキシャル層にはn型ドーパントが添加され、その不純物濃度は7×1015[cm−3]であった。また、GaNエピタキシャル層の厚さは5[μm]であった。このような5枚のシリコンウェハのそれぞれを二分割し、その一方について、二次イオン質量分析(SIMS分析)によりGaN膜のシリコンとの界面における不純物密度を測定した。 Next, a GaN epitaxial layer was formed on the GaN film of each silicon wafer using the MOCVD method. An n-type dopant was added to the GaN epitaxial layer, and the impurity concentration was 7 × 10 15 [cm −3 ]. The thickness of the GaN epitaxial layer was 5 [μm]. Each of these five silicon wafers was divided into two parts, and the impurity density at the interface of the GaN film with silicon was measured for one of them by secondary ion mass spectrometry (SIMS analysis).

また、分割された他方の各シリコンウェハのGaNエピタキシャル層の表面に対して、塩酸水溶液(塩酸:純水=1:1)によって室温で1分間の表面処理を行った後、GaNエピタキシャル層上に、Au膜からなる二つのショットキー電極を抵抗加熱蒸着法により形成した。一方のショットキー電極は、直径が200[μm]の円形電極であった。また、他方のショットキー電極は、一方のショットキー電極の周囲に設けられた環状電極であり、一方のショットキー電極との間隔は250[μm]であり、外径は300[μm]であった。そして、これらのショットキー電極間の耐圧を、各シリコンウェハについて測定した。   Further, the surface of the GaN epitaxial layer of the other divided silicon wafer is subjected to a surface treatment for 1 minute at room temperature with an aqueous hydrochloric acid solution (hydrochloric acid: pure water = 1: 1), and then the GaN epitaxial layer is formed on the GaN epitaxial layer. Two Schottky electrodes made of Au film were formed by resistance heating vapor deposition. One Schottky electrode was a circular electrode having a diameter of 200 [μm]. The other Schottky electrode is an annular electrode provided around one Schottky electrode, the distance from the one Schottky electrode is 250 [μm], and the outer diameter is 300 [μm]. It was. The breakdown voltage between these Schottky electrodes was measured for each silicon wafer.

下の表2は、各シリコンウェハ(1)〜(5)について、洗浄方法、SIMS分析による不純物密度の最大量、及び耐圧値を示している。なお、不純物密度の最大量は、GaN膜のシリコンウェハとの界面における不純物密度を意味していると考えられる。

Figure 2010287731

表2に示すように、不純物密度が3.7×1018[cm−3]から1.2×1218[cm−3]までおよそ70%低下しても耐圧は50[V]から98[V]まで約2倍にしか増加しないが、不純物密度がそれより低くなると、1.2×1218[cm−3]から7.4×1017[cm−3]までおよそ40%低下しただけで約2倍増加している。そして、不純物密度がこれより低くなるほど、耐圧が顕著に増加していることがわかる。このように、GaN膜のシリコンウェハとの界面における不純物密度が1×1018[cm−3]以下であれば、耐圧が顕著に増加する(すなわち、GaN膜におけるリーク電流が顕著に減少する)ことが判明した。 Table 2 below shows the cleaning method, the maximum amount of impurity density by SIMS analysis, and the pressure resistance value for each of the silicon wafers (1) to (5). The maximum amount of impurity density is considered to mean the impurity density at the interface of the GaN film with the silicon wafer.
Figure 2010287731

As shown in Table 2, even if the impurity density is reduced by approximately 70% from 3.7 × 10 18 [cm −3 ] to 1.2 × 12 18 [cm −3 ], the breakdown voltage is from 50 [V] to 98 [98]. V] only increases about twice, but when the impurity density is lower than that, it is only about 40% lower from 1.2 × 12 18 [cm −3 ] to 7.4 × 10 17 [cm −3 ]. It has increased by about 2 times. It can be seen that the withstand voltage increases significantly as the impurity density becomes lower. Thus, if the impurity density at the interface between the GaN film and the silicon wafer is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less, the breakdown voltage increases remarkably (that is, the leakage current in the GaN film significantly decreases). It has been found.

上述した実施例1においてショットキー電極が設けられたシリコンウェハ(1)及び(5)を使用して、オン抵抗及び順方向電圧を測定した。シリコンウェハ(1)の場合、印加電圧を5Vとすると電流を50[A]しか流せなかったが、シリコンウェハ(5)の場合、電流を100[A]流すことができ、順方向の電流密度が470[A・cm−2]で順方向電圧が1.7[V]という良好な特性を得た。この結果より、GaN膜のシリコンウェハとの界面における不純物密度が1×1018[cm−3]以下であれば、良好なショットキーバリアダイオードを形成できることが判明した。 On-resistance and forward voltage were measured using the silicon wafers (1) and (5) provided with the Schottky electrode in Example 1 described above. In the case of the silicon wafer (1), when the applied voltage is 5V, only a current of 50 [A] can be flowed. In the case of the silicon wafer (5), a current of 100 [A] can be flowed, and the forward current density Of 470 [A · cm −2 ] and a forward voltage of 1.7 [V] were obtained. From this result, it was found that if the impurity density at the interface between the GaN film and the silicon wafer is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less, a good Schottky barrier diode can be formed.

上記実施形態に係る基板生産物1の他の実施例として、洗浄工程においてアルカリ性の洗浄液を使用した場合の、その洗浄液の種類による製造工程への影響を調べた結果について説明する。   As another example of the substrate product 1 according to the above-described embodiment, the results of examining the influence of the type of cleaning liquid on the manufacturing process when an alkaline cleaning liquid is used in the cleaning process will be described.

まず、酸素をドープした厚さ500[μm]の2インチGaNウェハ(窒化ガリウム基板10に相当)の両面を研磨して鏡面にしたものを3枚準備した。研磨後の窒素面の表面粗さは1[nm]であった。これらのGaNウェハは、六方晶でありその表面は(0001)面であった。また、これらのGaNウェハの比抵抗は1[Ω・cm]以下であり、キャリア濃度は1×1017[cm−3]以上であった。 First, three sheets of a 2-inch GaN wafer (corresponding to the gallium nitride substrate 10) having a thickness of 500 [μm] doped with oxygen were polished to prepare three mirror surfaces. The surface roughness of the nitrogen surface after polishing was 1 [nm]. These GaN wafers were hexagonal and had a (0001) plane. The specific resistance of these GaN wafers was 1 [Ω · cm] or less, and the carrier concentration was 1 × 10 17 [cm −3 ] or more.

次に、これらのGaNウェハの窒素面に水素イオンを注入した。このとき、イオンの加速電圧を100[keV]とし、ドーズ量を4×1017[cm−2]とした。イオン注入後、3枚のGaNウェハの窒素面をアセトンで5分間の超音波洗浄を行い、その後に塩酸(HCl:水=1:1)による10分間の洗浄を行った。 Next, hydrogen ions were implanted into the nitrogen surface of these GaN wafers. At this time, the acceleration voltage of ions was set to 100 [keV], and the dose amount was set to 4 × 10 17 [cm −2 ]. After the ion implantation, the nitrogen surfaces of the three GaN wafers were ultrasonically cleaned with acetone for 5 minutes, and then cleaned with hydrochloric acid (HCl: water = 1: 1) for 10 minutes.

続いて、洗浄液として、水で薄めることによりpHを13に各々調整したKOH溶液及びNaOH溶液を準備し、また、これとは別に、洗浄液として、アンモニア水と過酸化水素水と水との比が1:1:5である混合溶液を準備した。そして、これら3種類の洗浄液に3枚のGaNウェハをそれぞれ浸したのち、これらのGaNウェハの表面粗さを測定した。   Subsequently, KOH solution and NaOH solution each having a pH adjusted to 13 by diluting with water were prepared as cleaning solutions. Separately, as a cleaning solution, the ratio of ammonia water, hydrogen peroxide solution, and water was A mixed solution of 1: 1: 5 was prepared. And after immersing three GaN wafers in these three kinds of cleaning solutions, the surface roughness of these GaN wafers was measured.

また、3枚のGaNウェハとは別に、3枚のシリコンウェハ(支持基板20に相当)を準備し、これらのシリコンウェハの表面を熱酸化させて厚さ100[nm]のSiO層(酸化層20bに相当)を形成した。その後、各3枚のGaNウェハ及びシリコンウェハを互いに接合させた。表3は、3種類の洗浄液によってそれぞれ洗浄された各GaNウェハの表面粗さと、接合の可否を示したものである。

Figure 2010287731

表3に示すように、KOH溶液で洗浄したGaNウェハ及びNaOH溶液で洗浄したGaNウェハはシリコンウェハと接合されず、アンモニア水と過酸化水素水と水の混合溶液で洗浄したGaNウェハのみシリコンウェハと接合できた。 In addition to the three GaN wafers, three silicon wafers (corresponding to the support substrate 20) are prepared, and the surfaces of these silicon wafers are thermally oxidized to form a SiO 2 layer (oxidized) having a thickness of 100 nm. Corresponding to layer 20b). Thereafter, each of the three GaN wafers and the silicon wafer were bonded to each other. Table 3 shows the surface roughness of each GaN wafer cleaned with three types of cleaning liquids and whether or not bonding is possible.
Figure 2010287731

As shown in Table 3, a GaN wafer cleaned with a KOH solution and a GaN wafer cleaned with an NaOH solution are not bonded to a silicon wafer, and only a GaN wafer cleaned with a mixed solution of ammonia water, hydrogen peroxide water, and water is a silicon wafer. We were able to join.

なお、この接合したシリコンウェハ及びGaNウェハを加熱し、イオン注入による脆弱層を残してGaNウェハをシリコンウェハから剥離させることにより、GaN膜を表面に有するシリコンウェハ(基板生産物1に相当)を作製した。そして、この基板生産物を使用して実施例1と同様のショットキバリアダイオードを作製したところ、その耐圧は442[V]であり、良好な特性が得られた。   The bonded silicon wafer and GaN wafer are heated, and the GaN wafer is peeled off from the silicon wafer leaving a fragile layer by ion implantation, whereby a silicon wafer having a GaN film on the surface (corresponding to the substrate product 1) is obtained. Produced. And when this board | substrate product was used and the Schottky barrier diode similar to Example 1 was produced, the proof pressure was 442 [V] and the favorable characteristic was acquired.

以上に説明した基板生産物1の製造方法、基板生産物1及び半導体デバイス4が有する効果について説明する。実施例1において説明したように、本発明者は、支持基板20との接合面である窒化ガリウム基板10の表面10aにFe,Cr,Ni,及びSiのいずれかが不純物として付着していると、当該不純物を介して窒化ガリウム層30で電流のリークが生じ易いことを見出した。また、これらの不純物が合計で1×1018[cm−3]以下であれば、電流のリークが顕著に減少し耐圧性が向上することを見出した。すなわち、上記実施形態による基板生産物1の製造方法によれば、窒化ガリウム基板10の表面10aを洗浄する工程の際に、洗浄後の表面10aにおけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度を合計で1×1018[cm−3]以下とすることによって、窒化ガリウム層30に流れるリーク電流を効果的に低減することができる。また、上記実施形態による基板生産物1及び半導体デバイス4によれば、窒化ガリウム層30の支持基板20との界面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度が合計で1×1018[cm−3]以下であることによって、窒化ガリウム層30に流れるリーク電流を効果的に低減することができる。 The manufacturing method of the substrate product 1 described above, the effects of the substrate product 1 and the semiconductor device 4 will be described. As described in the first embodiment, the inventor believes that any one of Fe, Cr, Ni, and Si is attached as an impurity to the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 which is a joint surface with the support substrate 20. It has been found that current leakage is likely to occur in the gallium nitride layer 30 through the impurities. Further, it has been found that if these impurities are 1 × 10 18 [cm −3 ] or less in total, current leakage is significantly reduced and pressure resistance is improved. That is, according to the method of manufacturing the substrate product 1 according to the above embodiment, the density of Fe, Cr, Ni, and Si on the cleaned surface 10a is summed during the step of cleaning the surface 10a of the gallium nitride substrate 10. Therefore, the leakage current flowing in the gallium nitride layer 30 can be effectively reduced by setting the pressure to 1 × 10 18 [cm −3 ] or less. Further, according to the substrate product 1 and the semiconductor device 4 according to the above embodiment, the total density of Fe, Cr, Ni, and Si at the interface between the gallium nitride layer 30 and the support substrate 20 is 1 × 10 18 [cm −. 3 ] or less, the leakage current flowing in the gallium nitride layer 30 can be effectively reduced.

また、上記実施形態のように、窒化ガリウム基板10の表面10aを洗浄する工程が、アンモニアを含む過酸化水素水を用いて表面10aを洗浄する工程を含んでもよい。一般的に、窒化ガリウム層30上に半導体デバイス層3(図4(b)を参照)を成長させる際には、窒化ガリウム層30の窒素面とは逆のガリウム面を成長面として用いることが多い。その場合、窒化ガリウム基板10において支持基板20と接合される面を窒素面とする必要があるが、実施例3に示したように、例えばKOHやNaOHといった強アルカリ性の液体を用いて洗浄すると窒素面がエッチングされてしまい、表面の平坦性が損なわれて支持基板20との接合が難しくなる。これに対し、アンモニアを含む過酸化水素水を用いて表面10aを洗浄すれば、表3に示したように窒化ガリウム基板10の窒素面の平坦性を保ちつつ、洗浄によってこの窒素面の不純物密度を1×1018[cm−3]以下に抑えることができる。 Further, as in the above embodiment, the step of cleaning the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 may include the step of cleaning the surface 10a using a hydrogen peroxide solution containing ammonia. Generally, when the semiconductor device layer 3 (see FIG. 4B) is grown on the gallium nitride layer 30, a gallium surface opposite to the nitrogen surface of the gallium nitride layer 30 is used as the growth surface. Many. In that case, the surface of the gallium nitride substrate 10 to be bonded to the support substrate 20 needs to be a nitrogen surface. However, as shown in Example 3, for example, if cleaning is performed using a strongly alkaline liquid such as KOH or NaOH, The surface is etched, the flatness of the surface is impaired, and bonding with the support substrate 20 becomes difficult. On the other hand, if the surface 10a is cleaned using hydrogen peroxide containing ammonia, the impurity density of the nitrogen surface is maintained by cleaning while maintaining the flatness of the nitrogen surface of the gallium nitride substrate 10 as shown in Table 3. Can be suppressed to 1 × 10 18 [cm −3 ] or less.

また、上記実施形態のように、窒化ガリウム基板10の表面10aを洗浄する工程の際には、窒化ガリウム基板10を揺動あるいは振動(例えば超音波振動)させながら洗浄することが好ましい。これにより、窒化ガリウム基板10の表面10aに対する洗浄作用を高めることができる。   Further, as in the above embodiment, in the step of cleaning the surface 10a of the gallium nitride substrate 10, it is preferable to clean the gallium nitride substrate 10 while oscillating or vibrating (for example, ultrasonic vibration). Thereby, the cleaning effect | action with respect to the surface 10a of the gallium nitride substrate 10 can be improved.

本発明による基板生産物の製造方法、基板生産物、及び半導体デバイスは、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および実施例では窒化物系化合物半導体基板として窒化ガリウム基板を例示したが、窒化物系化合物から成る基板であれば他の組成を有するものであってもよい。   The substrate product manufacturing method, the substrate product, and the semiconductor device according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible. For example, although the gallium nitride substrate is exemplified as the nitride-based compound semiconductor substrate in the above-described embodiments and examples, the substrate may be made of other compounds as long as the substrate is made of a nitride-based compound.

1,2…基板生産物、3…半導体デバイス層、4…半導体デバイス、10…窒化ガリウム基板、10a…表面、10b…脆弱層、12…イオン、14…洗浄液、20…支持基板、20a…表面、20b…酸化層、30…窒化ガリウム層、60…エピタキシャル層、70…n型GaN層、72…n型AlGaN層、74…発光層、76…p型AlGaN層、78…p型GaN層、82…アノード電極、84…カソード電極、100…イオン注入装置、200…アニール炉。   1, 2 ... substrate product, 3 ... semiconductor device layer, 4 ... semiconductor device, 10 ... gallium nitride substrate, 10a ... surface, 10b ... fragile layer, 12 ... ion, 14 ... cleaning solution, 20 ... support substrate, 20a ... surface 20b ... oxide layer, 30 ... gallium nitride layer, 60 ... epitaxial layer, 70 ... n-type GaN layer, 72 ... n-type AlGaN layer, 74 ... light-emitting layer, 76 ... p-type AlGaN layer, 78 ... p-type GaN layer, 82 ... Anode electrode, 84 ... Cathode electrode, 100 ... Ion implanter, 200 ... Annealing furnace.

Claims (5)

窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る支持基板上に窒化物系化合物半導体層を有する基板生産物を製造する方法であって、
窒化物系化合物半導体基板の表面にイオン注入を行う工程と、
前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程と、
前記窒化物系化合物半導体基板の表面と前記支持基板の表面とを互いに接合させる工程と、
前記窒化物系化合物半導体基板のうち表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより、窒化物系化合物半導体層を前記支持基板上に形成する工程と
を備え、
前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程の際に、洗浄後の前記窒化物系化合物半導体基板の表面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度を合計で1×1018[cm−3]以下とすることを特徴とする、基板生産物の製造方法。
A method of manufacturing a substrate product having a nitride compound semiconductor layer on a support substrate made of a material different from a nitride compound semiconductor,
A step of performing ion implantation on the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate;
Cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate;
Bonding the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate and the surface of the support substrate to each other;
Forming a nitride-based compound semiconductor layer on the support substrate by removing other portions of the nitride-based compound semiconductor substrate while leaving the portion including the surface in a layer shape,
In the step of cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate, the total density of Fe, Cr, Ni, and Si on the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate after cleaning is 1 × 10 18 [cm − 3 ] A method for producing a substrate product, characterized by:
前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程が、アンモニアを含む過酸化水素水を用いて前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の基板生産物の製造方法。   The step of cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate includes a step of cleaning the surface of the nitride-based compound semiconductor substrate using a hydrogen peroxide solution containing ammonia. A method for producing the described substrate product. 前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄する工程の際に、前記窒化物系化合物半導体基板を揺動あるいは振動させながら洗浄することを特徴とする、請求項1または2に記載の基板生産物の製造方法。   The substrate product according to claim 1, wherein the nitride compound semiconductor substrate is cleaned while being swung or vibrated during the step of cleaning the surface of the nitride compound semiconductor substrate. Manufacturing method. 窒化物系化合物半導体基板の表面にイオン注入を行い、前記窒化物系化合物半導体基板の表面を洗浄したのち、前記窒化物系化合物半導体基板の表面と、窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る支持基板の表面とを互いに接合させ、前記窒化物系化合物半導体基板のうち表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより形成された窒化物系化合物半導体層を前記支持基板上に備え、
前記窒化物系化合物半導体層の前記支持基板との界面におけるFe,Cr,Ni,及びSiの密度が合計で1×1018[cm−3]以下であることを特徴とする、基板生産物。
After the surface of the nitride compound semiconductor substrate is ion-implanted and the surface of the nitride compound semiconductor substrate is cleaned, the surface of the nitride compound semiconductor substrate and the nitride compound semiconductor are made of different materials. The nitride-based compound semiconductor layer formed by bonding the surfaces of the support substrate to each other and removing the other portion of the nitride-based compound semiconductor substrate while leaving the portion including the surface in a layer form on the support substrate. In preparation for
The substrate product, wherein the total density of Fe, Cr, Ni, and Si at the interface between the nitride-based compound semiconductor layer and the support substrate is 1 × 10 18 [cm −3 ] or less.
請求項4に記載の基板生産物と、
前記基板生産物の前記窒化物系化合物半導体層上に設けられた窒化物系化合物半導体から成る半導体デバイス層と
を備えることを特徴とする、半導体デバイス。
A substrate product according to claim 4;
A semiconductor device layer comprising a nitride compound semiconductor provided on the nitride compound semiconductor layer of the substrate product.
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