JP2011009281A - 半導体ウエハの製造方法及び半導体ウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】格子不整合系基板を使用しながら、高品質な単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する半導体ウエハの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１０１の表面にグラフェン層１１０を設ける工程と、グラフェン層１１０の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に、単結晶半導体層の結晶を構成する一の元素を吸着させる工程と、この一の元素に前記結晶を構成する当該元素とは異なる他の元素を結合させ、前記結晶の第１層１１４を形成する工程と、前記第１層の表面にさらに所定の層数の前記結晶半導体層を結晶成長する工程を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体基板の表面に単結晶半導体層を結晶成長させる半導体ウエハの製造方法及び半導体ウエハに関する。

従来、半導体結晶成長技術は、多くの場合、格子定数の整合性を基本とし、そこを出発
点として分子線エピタキシ (MBE:Molecular Beam Epitaxy)や有機金属化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)などの非平衡エピタキシャル法を用いて格子不整合系の結晶成長技術を発展させてきた。例えば、特許文献１では、サファイア基板の表面に、アモルファス窒化層／ＧａＮバッファ層からなる積層物を形成した後、結晶窒化物系半導体層を結晶成長させた窒化物系半導体デバイスが開示されている。

特開平９−１８０５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、窒化物系半導体の格子定数は、サファイア基板の格子定数と約１０％以上の格子不整合がある。また、下地との共有結合を維持しながらの結晶成長は、格子不整合系の場合、界面に多くの結晶欠陥を発生させてしまうのが一般的であり、成長した結晶薄膜の結晶性の向上には限界が存在している。

一方、高品質で大口径の窒化物半導体基板はいまだ開発途上にあり、格子不整合系基板
でありながら、大口径で、さらに品質が高い単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する技術が強く望まれていた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、格子不整合系基板を使用しながら、結晶欠陥が少ない高品質な単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する半導体ウエハの製造方法及び半導体ウエハを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の半導体ウエハの製造方法は、半導体基板（１０１）の表面に単結晶半導体層（１１４）を結晶成長させる半導体ウエハ（４００）の製造方法において、前記半導体基板（１０１）の表面にグラフェン層（１１０）が設けられる工程と、前記グラフェン層（１１０）の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に、前記単結晶半導体層（１１４）の結晶を構成する一の元素が吸着する工程と、前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素が結合し、前記結晶半導体層（１１４）の第１層が形成される工程と、前記第１層の表面に続けて前記結晶半導体層（１１４）が結晶成長される工程とを備えることを特徴とする。但し、括弧内の数字は、例示である。

前記目的を達成するために、本発明の半導体ウエハ（４００）は、基板（１０１）の表面に単結晶半導体層（１１４）を結晶成長させた半導体ウエハ（４００）において、前記基板（１０１）と、前記基板（１０１）の表面に設けたグラフェン層（１１０）と、前記グラフェン層の表面に結晶成長させた単結晶半導体層（１１４）とを備え、前記単結晶半導体層（１１４）は、前記グラフェン層（１１０）の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に前記単結晶半導体層（１１４）の結晶を構成する一の元素を吸着し、前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素を結合したことを特徴とする。但し、括弧内の数字は、例示である。

本発明によれば、格子不整合系基板を使用しながら、結晶欠陥が少ない高品質な単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する半導体ウエハの製造方法及びそれを用いた半導体ウエハを提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態における半導体基板及び結晶成長層の構成を説明するための断面図である。 第１の実施形態における半導体基板の作製工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態における単結晶窒化物半導体ウエハの具体的構成例を説明するための断面図である。 第１の実施形態における単結晶窒化物半導体ウエハの作製工程を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における半導体基板及び単結晶窒化物半導体ウエハの具体的構成例を説明するための断面図である。

本発明に係る半導体ウエハの製造方法及び半導体ウエハについて、図１乃至図５を参照して、第１の実施形態乃至第２の実施形態を説明する。なお、これらの図は、本発明の実施形態を概略的に示したものであり、各構成部分の形状や寸法の関係等は、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。また、実施形態を説明するにあたり、同様な構成又は機能を示す部位については、同様の符号を付し、その説明の重複を省略することもある。

（第１の実施形態）
図１乃至図４は、本発明の第１の実施形態を説明するための図である。以下、これらの図を参照しながら本実施形態を説明する。

図1（ａ）乃至図1（ｂ）は、ＳｉＣ基板の表面にエピタキシャルグラフェン層を形成した具体例を示す図である。

図１（ａ）は、エピタキシャルグラフェン層１１０をＳｉＣ基板１０１の表面に形成したグラフェン層成長基板２００の構成図である。グラフェン層成長基板２００は、ＳｉＣ基板１０１の表面に高温水素エッチング処理と真空での高温加熱とによりエピタキシャルグラフェン層１１０を形成して作製する（例えば、特開２００９−６２２４７号公報参照）。エピタキシャルグラフェン層１１０は、例えば、３層のグラフェン層１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃから構成されている。このグラフェン層は、３層で構成される必要はなく任意の層数が可能である。

図１（ｂ）は、エピタキシャルグラフェン層１１０の構造図であり、３層のグラフェン層１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが積層されて形成され、層間は共有結合することなく、ファンデルワールス力等の弱い力で物理結合している。グラフェン層１１１ａを構成する炭素原子Ｃは、平面内に配置され、同一平面内の炭素原子同士が共有結合によって結合されるハニカム構造を有し、異なるグラフェン層１１１ｂとは、お互いに分子間力によって物理結合されている。したがって、シート状のグラフェン層１１１ａを基板から剥離・転写することによって、グラフェン層１１１ａをＳｉＣ基板１０１の表面に備えたグラフェン基板１００を作製することができる。

次に、図２乃至図４を用いて、グラフェン基板１００及びこのグラフェン基板１００を用いた単結晶窒化物半導体ウエハの作製工程を説明する。図２（ａ）乃至図２（ｅ）は、グラフェン基板１００の製造工程を説明する図である。図３は、グラフェン基板１００の表面に窒化物半導体層１１４を形成した単結晶窒化物半導体ウエハ３００の構成図である。図４は、グラフェン基板１００及びこのグラフェン基板１００を用いた単結晶窒化物半導体ウエハ３００の作製工程を示すフローチャートである。

まず、ＳＩＣ基板１０１の表面にエピタキシャルグラフェン層１１０を形成し、グラフェン層成長基板２００を用意する（Ｓ１）。次に、図２（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０１の表面に形成したエピタキシャルグラフェン層１１０から１層のグラフェン層１１１ａを剥離するための接着層として、エピタキシャルグラフェン層１１０の表面に、グラフェン層１１０表面から内部に拡散しやすい金属接着層１２０を形成する（Ｓ２）。金属接着層１２０として例えばチタンＴｉ層を真空蒸着法によってウエハ全面に形成する。これにより、グラフェン層１１１ａにチタンＴｉ層１２０のＴｉが拡散することによってグラフェン層１１１ａとチタンＴｉ層１２０とがアンカー効果などの接着効果によって強固に接合されるため、グラフェン層１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ同士が結合する分子間力より強い接合力を有することになる。

次に、図２（ｂ）に示すように、金属接着層１２０の表面には、金属接着層１２０の表面と高い密着性を確保する支持体接着層１２２を形成し、支持体接着層１２２の表面に、ＳｉＣ基板１０１からグラフェン層１１１ａを剥離・支持するための支持体１２４を接着する（Ｓ３）。次に、図２（ｃ）に示すように、支持体１２４とＳｉＣ基板１０１との間を、少なくともグラフェン層１１１相互間の分子間力よりも大きな張力Ｆで引っ張り（Ｓ４）、グラフェン層１１１ａと、１１１ｂとの間で剥離する。
なお、図２（ｃ）では、金属接着層１２０にグラフェン層１１１ａが付いた状態で剥離するものとしたが、複数のグラフェン層、例えば、グラフェン層１１１ａ及び１１１ｂが金属接着層１２０に付いた状態で剥離させるものとしてもよい。

ＳｉＣ基板１０１は、正四面体の結晶構造を有するが、２層を一周期として積層すると六方晶系の対称性を有する面が存在する。このため、ＳｉＣ基板１０１は、六角形の対称性を有する点でグラフェン層１１１ｃと類似するが、単層の接合面では、六角形の対称性を有することはない。したがって、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの間は共有結合し、ポテンシャルの規則性による弱い結合だけでなく、結合手による強い結合力を有する。すなわち、グラフェン層１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの相互間は結合が弱く、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの間は結合が強い。

次に、図２（ｄ）に示すように、別の基板１３０の表面に接合層１３２を形成し、接合層１３２の表面にグラフェン層１１１ａを直接加圧・密着させ接合し固定する（Ｓ５）。別の基板１３０の表面とグラフェン層１１１ａ表面との間は分子間力によって接合される。接合層１３２は、良好な接合状態を実現するための層である。ここで良好な接合状態とは、接合面内で接合強度が均一であり、接合界面にヴォイドの発生や、接合した場合に、接合面同士にクラックの発生が無いことを意味している。別の基板１３０は、例えば、Ｓｉ基板とし、接合層１３２はＳｉＯ_２層とすることができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、グラフェン層１１１ａの表面から金属接着層１２０、支持体接着層１２２及び支持体１２４を除去する（Ｓ６）。金属接着層１２０を、沸酸等の酸を使って化学的にエッチング除去することにより、金属接着層１２０、支持体接着層１２２及び支持体１２４を除去する。このようにして、別の基板１３０の表面にグラフェン層１１１ａを備えたグラフェン基板１００が完成する（Ｓ７）。次に、図３に示すように、グラフェン基板１００の表面に単結晶の窒化物半導体層１１４を成長させて単結晶窒化物半導体ウエハ３００が完成する（Ｓ８）。これにより、別の基板１３０の表面に形成した接合層１３２とグラフェン層１１１ａとの間、あるいは、グラフェン層１１１ａと窒化物半導体層１１４との間は、分子間力によって接合される。

分子間力で接合する場合、窒化物半導体層１１４、又はグラフェン層１１１ａの表面は、少なくともナノメータオーダの平坦性を備えていることが好ましい。ここで、ナノメータオーダの平坦性とは、分子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）で測定した表面粗さ（山−谷の最大高低差：Ｒｒｖ）が１桁の数値のナノメートルであること、すなわち、Ｒｒｖが１０ｎｍより小さい値であることを意味する。より好ましくは、別の基板１３０の表面に形成する接合層の表面のＲｒｖは、３ｎｍ以下であることが好ましい。

別の基板１３０は、例えば、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板などのセラミックス基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板が好適である。また、別の基板１３０の表面に形成する接合層１３２は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＳＯＧ、金属、有機物から選択される材料である。そして、この接合層１３２は、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等によって形成することができる。
なお、前記接合は、分子間力による接合の他、接合界面を介した原子の拡散、化合物形成などによる接合であってもよい。

ここでは、窒化物半導体層１１４として、窒化ガリウムＧａＮ薄膜の結晶成長を具体例として説明する。グラフェン基板１００をＭＢＥ装置やＭＯＣＶＤ装置などの結晶成長装置内に設置し、グラフェン基板１００を加熱して、ガリウム（Ｇａ）及び活性窒素を供給する。なお、活性窒素は、電子サイクロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）や高周波励起のラジカル源により供給される。

窒化物半導体層１１４、特に、窒化ガリウムＧａＮは、六角柱状の結晶構造を持ち、端面の窒素Ｎの原子同士が六角形状に平面的に結合している。また、グラフェン層１１１ａは、炭素Ｃが六角形状に平面的に結合している（図１（ｂ））。炭素Ｃの原子間に窒素Ｎの六角形が配置され、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間は、共有結合することなく、表面のポテンシャルの規則性のみを用いて物理結合する。ガリウムＧａはグラフェン層１１１ａとの間に共有結合を持たないため、格子不整合による結晶欠陥は生じにくい。そして、さらに、第１層目の窒化ガリウムＧａＮの表面に第２層目、第３層目、・・・と窒化ガリウムＧａＮを成長させることによって所定の層数の単結晶窒化ガリウム層が形成できる。

前記第１層目の窒化ガリウムＧａＮ層には、グラフェン層１１１ａとの格子不整合に伴う結晶欠陥が発生しにくいため、窒化ガリウムＧａＮ層は結晶欠陥が少なく極めて高品質な単結晶半導体層となる。例えば、大口径Ｓｉ基板の表面に結晶欠陥が少ない高品質の単結晶窒化ガリウム層を備えた半導体ウエハが得られる。

本発明の第１の実施形態によれば、別の基板１３０の表面にグラフェン層１１１ａを分子間力接合したグラフェン基板１００の表面に単結晶の窒化物半導体層１１４を結晶成長するため、以下の効果を奏する。
（１）共有結合を持たず、グラフェン層１１１ａと窒化物半導体層１１４との特有の表面ポテンシャルの規則性のみを結晶成長に用いるため、界面の格子不整合による結晶欠陥の生成が無い。
（２）別の基板１３０として、例えばＳｉ基板のような安価で大口径な基板を使用することができるため、安価で大口径の単結晶窒化物半導体層成長ウエハが得られる。
（３）別の基板１３０として幅広い選択肢から選択することが可能であり、用途に最適な基板を選択することができる。

（変形例）
第１の実施形態では、グラフェン層１１１ａの表面に窒化ガリウムＧａＮ層を形成する形態を具体例にあげて説明したが、窒化ガリウムＧａＮ以外の窒化物半導体層１１４の結晶成長にも適用できる。ＧａＮ以外の窒化物半導体層としては、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（１≧ｘ≧０）、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（１≧ｘ≧０）、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（１≧ｘ≧０）などがある。

さらに、本実施形態では、共有結合を持たず、グラフェン層１１１ａの持つ特有の表面ポテンシャルの規則性のみを結晶成長に用いるため、グラフェン層１１１ａの表面の結晶成長の手法を格子不整合系における高品質半導体結晶成長方法として、窒化物半導体以外の半導体層、例えばＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料の結晶成長に適用することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第２の実施形態では、グラフェン層を成長した基板を用いて単結晶半導体層の結晶成長を行う点にある。

以下、図５を参照しながら第２の実施形態について説明する。図５（ａ）は、グラフェン層成長基板２００を示す図である。図５（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０１の表面に、第１の実施形態で説明した方法によりエピタキシャルグラフェン層１１０を形成し、エピタキシャルグラフェン層１１０を成長させたグラフェン層成長基板２００を作製する。エピタキシャルグラフェン層１１０は３つの層（１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ）から構成される。

次に、グラフェン層成長基板２００を結晶成長室内に設置し、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法等によって、窒化ガリウムＧａＮを成長させる。ガリウムＧａと活性窒素を導入し、グラフェン層の炭素原子の原子構造を示すハニカム構造の中心にガリウムＧａを吸着させ、６回対称の第１層が形成する。そこに活性窒素を結合させ、六方晶系の窒化ガリウムＧａＮ（ｈ−ＧａＮ）の第1層目を形成する。なお、活性窒素は、電子サイクロン共鳴や高周波励起のラジカル源により供給される。さらに順次、窒化ガリウムＧａＮの２層目、３層目、・・・と、以下、所定の層数（層厚)になるように窒化ガリウム単結晶半導体層を成長させる。

図５（ｂ）は、グラフェン層成長基板２００の表面に窒化物半導体層１１４を形成した半導体ウエハ４００を示す図である。窒化物半導体層は、例えば、Ａｌ_ＸＧａ_ｌ−ＸＮ（１≧x≧０）、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（１≧x≧０）、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（１≧x≧０）から選択される一つ又は複数の材料から構成される半導体層である。その他、窒素を含む化合物半導体材料を備えていてもよい。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と比較して使用する基板は制約されるが、グラフェン層１１１ａを別の基板１３０へ転写することが不要な点で、より簡単に格子不整合系ではあるが、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１０とが分子間力で結合された結晶欠陥がない高品質な単結晶半導体層の結晶成長が可能となる。

（変形例）
第２の実施形態では、ＳｉＣ基板１０１を使用したが、ＳｉＣ基板１０１に代えてＳｉ基板を使ってＳｉ基板の表面にエピタキシャルグラフェン層１１０を形成し、このエピタキシャルグラフェン層１１０の表面に前記半導体層の結晶成長を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は、前記説明した実施形態の範囲に限らず、特許請求の範囲に記載した各請求項の技術的範囲に及ぶものである。

１００ グラフェン基板
１０１ ＳｉＣ基板
１１０ エピタキシャルグラフェン層
１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ グラフェン層
１１４ 窒化物半導体層
１２０ 金属接着層
１２２ 支持体接着層
１２４ 支持体
１３０ 別の基板
１３２ 接合層
２００ グラフェン層成長基板
３００ 単結晶窒化物半導体ウエハ
４００ 単結晶窒化物半導体ウエハ

Claims (6)

1. 半導体基板の表面に単結晶半導体層を結晶成長させる半導体ウエハの製造方法において、
   前記半導体基板の表面にグラフェン層が設けられる工程と、
   前記グラフェン層の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に、前記単結晶半導体層の結晶を構成する一の元素が吸着する工程と、
   前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素が結合し、前記結晶半導体層の第１層が形成される工程と、
   前記第１層の表面に続けて前記結晶半導体層が結晶成長される工程とを備える
   ことを特徴とする半導体ウエハの製造方法。
2. 前記グラフェン層を前記半導体基板から剥離し、この剥離したグラフェン層が別の基板に分子間力接合する工程をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハの製造方法。
3. 前記単結晶半導体層は、
   Ｉｎ、Ｇａ及びＡｌから選択される元素を少なくとも１つ含む窒化物半導体層である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体ウエハの製造方法。
4. 基板の表面に単結晶半導体層を結晶成長させた半導体ウエハにおいて、
   前記基板と、
   前記基板の表面に設けたグラフェン層と、
   前記グラフェン層の表面に結晶成長させた単結晶半導体層とを備え、
   前記単結晶半導体層は、前記グラフェン層の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に前記単結晶半導体層の結晶を構成する一の元素を吸着し、前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素を結合した
   ことを特徴とする半導体ウエハ。
5. 前記グラフェン層は、前記基板の表面に分子間力結合されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体ウエハ。
6. 前記単結晶半導体層は、
   Ｉｎ、Ｇａ及びＡｌから選択される元素を少なくとも１つ含む窒化物半導体層である
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体ウエハ。

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