JP2012066974A - 窒化物半導体ウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マーキングにかかる時間を短縮でき、かつ下地基板の製造履歴を簡便に追跡できる識別符号を有する自立した窒化物半導体ウェハを提供する。
【解決手段】識別符号１２が付された下地基板１１上に窒化物半導体層１３を成長させ、その窒化物半導体層１３を下地基板１１から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハにおいて、窒化物半導体層１３は、その成長時に識別符号１１が転写された転写識別符号１６を有する窒化物半導体ウェハである。
【選択図】図１

Description

本発明は、下地基板上に窒化物半導体層を成長し、その窒化物半導体層を下地基板から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハ及びその製造方法に関するものである。

半導体ウェハには、ウェハを個々に識別することを目的として、識別符号が印字されている。こうした識別は、ウェハ１枚１枚の工程履歴を管理する上で非常に有効な手段であり、不良解析や、工程の最適化や、製造上の管理などに使用されている。

一般に識別符号は、エピタキシャル成長に使う基板に印字される。印字する手段としては、レーザーマーカーが用いられるのが一般的である。

ところで、窒化物半導体ウェハは、現在のところ大型バルク結晶の成長が困難なため、サファイア基板やガリウム砒素基板などの異種基板（下地基板）上に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた後、研磨やエッチングあるいは剥離などの手法を用いて異種基板を除去し、成長した窒化物半導体層のみを残すことで自立した窒化物半導体ウェハを得ている（例えば、特許文献１参照）。自立した窒化物半導体ウェハは、デバイスを製造するためのエピタキシャル基板として使用される。

ゆえに、窒化物半導体ウェハには、下地基板を除去した後に、新たな識別符号をレーザーによりマーキングしているのが一般的である（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−３９８１０号公報 特開２００３−２０９０３２号公報 特開平５−２３４８３６号公報

しかし上述の方法においては、１枚ずつレーザーマーキングする作業のため、非常に手間がかかるという問題がある。

また、識別符号の印字された下地基板が除去された後でレーザーマーキングを行うため、得られた窒化物半導体ウェハのレーザーマーキングによる識別符号からは、下地基板の製造履歴を直接知ることはできない。

本発明はこれらの問題に臨みてなされたものであり、マーキングにかかる時間を短縮でき、かつ下地基板の製造履歴を簡便に追跡できる識別符号を有する自立した窒化物半導体ウェハ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、識別符号が付された下地基板上に窒化物半導体層を成長させ、その窒化物半導体層を前記下地基板から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハにおいて、前記窒化物半導体層は、その成長時に前記識別符号が転写された転写識別符号を有する窒化物半導体ウェハである。

前記転写識別符号は、前記窒化物半導体層の成長時に形成された空隙からなるようにされてもよい。

前記識別符号は、レーザーマーキングにより形成されてもよい。

前記識別符号は、所定の形状を有するマスクにより形成されてもよい。

前記下地基板は、サファイア基板、アンドープＧａＮ層、Ｔｉ薄膜を順次積層して形成され、前記窒化物半導体層はＧａＮからなるようにされてもよい。

また本発明は、識別符号が付された下地基板上に窒化物半導体層を成長させ、その窒化物半導体層を前記下地基板から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハの製造方法において、前記窒化物半導体層に、その成長時に前記識別符号が転写された転写識別符号を形成する窒化物半導体ウェハの製造方法である。

本発明によれば、マーキングにかかる時間を短縮でき、かつ下地基板の製造履歴を簡便に追跡できる識別符号を有する自立した窒化物半導体ウェハ及びその製造方法を提供できる。

（ａ）は下地基板上に成長させた窒化物半導体層の上視図であり、（ｂ）は下地基板および下地基板から分離した窒化物半導体層の断面図である。 本発明の窒化物半導体ウェハの外観図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体ウェハの製造方法を説明する断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施の形態にかかる窒化物半導体ウェハの製造方法を説明する断面図である。

以下に本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。

図１（ａ）は下地基板上に成長させた窒化物半導体層の上視図を、（ｂ）は下地基板および下地基板から分離した窒化物半導体層の断面図を示している。

図１に示すように、本発明にかかる自立した窒化物半導体ウェハは、予め識別符号１２を付した下地基板１１上に、窒化物半導体層１３を成長させ、成長後の窒化物半導体層１３を下地基板１１から分離して得られる。下地基板１１には、その結晶方位などを識別するためのオリエンテーションフラットＯＦが形成されている。識別符号１２の形成方法については後述するが、レーザーマーカーやマスクなどを用いて下地基板１１上に予め付される。

本発明では、自立した窒化物半導体ウェハの製造プロセスとして、例えばボイド形成剥離法（Void-Assisted Separation method；ＶＡＳ法）を利用することができる。ＶＡＳ法を用いて製造した窒化物半導体ウェハにおいては、下地基板１１から分離した後に窒化物半導体層１３に生じる反りが低減されるため、その後の平坦化（研磨）工程における研削量を低減でき、窒化物半導体ウェハの歩留を向上できる。

また、窒化物半導体層１３の成長には、例えばハイドライド気相成長法（Hydride Vaper Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ法）を用いることができる。ＨＶＰＥ法などにより下地基板１１上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層１３の裏面側１５（すなわち、下地基板との接触面側）には、図１（ｂ）に示すように、識別符号１２が転写された転写識別符号１６が形成される。このとき、識別符号１２の形成位置や、符号の記載方向をオリエンテーションフラットＯＦに関連づけて行っていると、製造される窒化物半導体ウェハの結晶方位を、転写識別符号１６を用いて特定できるようになるため、好適である。

転写識別符号１６は、窒化物半導体層１３の成長時に裏面側１５に形成されるものであり、ＨＶＰＥ法などにより下地基板１１からエピタキシャル成長する窒化物半導体層１３の、識別符号１２上に形成される空隙からなる。すなわち識別符号１２は、その上に窒化物半導体層１３が成長し難いようにするものである。

また、窒化物半導体層１３の裏面側１５の転写識別符号１６は、可視光に対して透明である窒化物半導体層１３を透過し、識別符号１２の形状をそのまま表面側１４から視認できる（図２）。つまり、裏面側１５から見ると識別符号１２が転写されて鏡像となっている転写識別符号１６は、表面側１４から見ると正像となるため、容易に窒化物半導体層１３に形成された転写識別符号１６の内容を認識することができる。

下地基板１１から分離された窒化物半導体層１３は、その両面（表面および裏面）の粗部１７，１８を研削することにより平坦化され、自立した窒化物半導体ウェハが得られる。

識別符号１２および転写識別符号１６の形状および形成条件は、下地基板１１から分離した窒化物半導体層１３の研磨工程後にも、転写識別符号１６が表面側１４から視認可能となるように設定される。換言すれば、下地基板１１から分離した窒化物半導体層１３を平坦化するための表裏研磨後にも、転写識別符号１６を視認できるようであれば、裏面の空隙（転写識別符号１６）の深さ、加工量（研削量）を変更することが可能である。この場合、窒化物半導体ウェハの製造プロセスとしてＶＡＳ法を用いていると、下地基板１１から分離した際に窒化物半導体層１３に生じる反りを低減できるので、研磨工程における加工量を少なくでき、研磨後の窒化物半導体ウェハに転写識別符号１６を視認可能に残すことがより容易となる。

このようにされることで、本発明にかかる窒化物半導体ウェハにおいては、形成される転写識別符号１６が、窒化物半導体ウェハの製造に使用される下地基板１１の識別符号１２と一致するため、転写識別符号１６の内容から下地基板１１の製造履歴を簡便に追跡することができる。

次に、本発明の窒化物半導体ウェハの製造方法の好適な一実施の形態について説明する。

ここでは、ＧａＮからなる窒化物半導体ウェハを、ＶＡＳ法を用いて製造する場合について説明する。

まず、単結晶サファイア基板３１上にレーザーマーカーを用いて識別符号３２を付し（図３（ａ））、その上に、有機金属気相成長法（Metal-Organic Vaper Phase Epitaxy；ＭＯＶＰＥ法）を用いてアンドープＧａＮ層３３と、Ｔｉ薄膜３４とを形成する（図３（ｂ））。

これを電気炉に入れて、ＮＨ₃およびＨ₂からなる混合ガス中で高温保持する（図３（ｃ））。このとき、アンドープＧａＮ層３３の一部がエッチングされてボイド形成ＧａＮ層３３ｖに変化すると共に、Ｔｉ薄膜３４が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成された穴形成ＴｉＮ層３４ｖに変化する。これにより、サファイア基板３１とボイド形成ＧａＮ層３３ｖと穴形成ＴｉＮ層３４ｖとからなり、識別符号３２を有する下地基板３５を得る。

その後、得られた下地基板３５をＨＰＶＥ炉などに入れ、ＧａＮ層３６を成長させる（図３（ｄ））。原料としてはＧａメタルボード、ＨＣｌガス、ＮＨ₃ガスを用い、キャリアガスとしてはＨ₂−Ｎ₂の混合ガスを用いる。ＧａＮ層３６の成長条件として、各種原料温度、基板温度、原料ガス流量を適宜調整し、ＧａＮ層３６の成長形態を制御する。

ＧａＮ層３６の成長時、下地基板３５の識別符号３２上にはＧａＮ結晶が成長しないため、ＧａＮ層３６には空隙からなる転写識別符号３７が形成される。この転写識別符号３７（空隙）は、成長したＧａＮ層３６の最表面まで連通するものではなく、ＧａＮ結晶のオーバーグロース（下地基板３５の幅方向に向けたＧａＮ結晶の成長）と結合により、最終的には識別符号３２上においてもＧａＮ層３６が成長するようになる。

以上のようにして形成されたＧａＮ層３６は、ＨＰＶＥ炉内での冷却過程において、ＧａＮ層３６と下地基板３５との熱膨張係数の差から発生する力により、下地基板３５から自然に剥離（分離）する（図３（ｅ））。

下地基板３５から分離したＧａＮ層３６は、裏面側に形成された転写識別符号３７が消えない程度に研磨して平坦化され、自立するＧａＮウェハとなる。

このようにされることで、本実施の形態にかかる窒化物半導体ウェハの製造方法においては、窒化物半導体ウェハに対し１枚ずつレーザーマーキングを行う必要が無くなり、マーキングにかかる時間を短縮でき、製造コストを削減できる。

上記の実施の形態ではレーザーマーカーを用いて識別符号３２を付したが、レーザーマーカーに換えてマスクを用いて識別符号を付することもできる。

図４に示すように、マスク４３を用いて下地基板４６に識別符号４５を付する場合には、まずＭＯＶＰＥ法により単結晶サファイア基板４１上にアンドープＧａＮ層４２を形成し、次いでアンドープＧａＮ層４２上に所定の形状（すなわち、形成する識別符号４５の形状）を有するマスク４３をのせてＴｉ薄膜４４を形成する（図４（ａ））。Ｔｉ薄膜４４の形成後、マスク４３は取り外す。

これを電気炉に入れて、ＮＨ₃およびＨ₂からなる混合ガス中で高温保持する（図４（ｂ））。このとき、アンドープＧａＮ層４２の一部がエッチングされてボイド形成ＧａＮ層４２ｖに変化すると共に、Ｔｉ薄膜４４が窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成された穴形成ＴｉＮ層４４ｖに変化する。また、マスク４３がのせられていた部分のアンドープＧａＮ層４２は殆どエッチングされて空隙となり、所定の形状を有する識別符号４５が形成される。これにより、サファイア基板４１とボイド形成ＧａＮ層４２ｖと穴形成ＴｉＮ層４４ｖとからなり、識別符号４５を有する下地基板４６を得る。

その後、レーザーマーカーを用いる場合と同様に、得られた下地基板４６をＨＰＶＥ炉などに入れ、ＧａＮ層４７を成長させる（図４（ｃ））。

ＧａＮ層４７の成長時、下地基板４６の識別符号４５上にはＧａＮ結晶が成長しないため、ＧａＮ層４７には空隙からなる転写識別符号４８が形成される。

以上のようにして形成されたＧａＮ層４７は、ＨＰＶＥ炉内での冷却過程において、ＧａＮ層４７と下地基板４６との熱膨張係数の差から発生する力により、下地基板４６から自然に剥離（分離）する（図４（ｄ））。

下地基板４６から分離したＧａＮ層４７は、裏面側に形成された転写識別符号４８が消えない程度に研磨して平坦化され、自立するＧａＮウェハとなる。

このようにされることで、本実施の形態にかかる窒化物半導体ウェハの製造方法においても、レーザーマーカーを用いる場合と同様に、窒化物半導体ウェハに対し１枚ずつ識別符号の形成を行う必要が無くなり、マーキングにかかる時間を短縮でき、製造コストを削減できる。

以上要するに、本発明によれば、下地基板の識別符号を転写させた転写識別符号を窒化物半導体ウェハに形成することで、下地基板から分離した窒化物半導体層に改めて識別符号を付するための作業を省略することができ、窒化物半導体ウェハの製造コストを削減することができる。

また、下地基板の識別符号と窒化物半導体ウェハの転写識別符号とを一致させ、転写識別符号の内容から下地基板の製造履歴を簡便に追跡することができる。

本発明は上記の実施の形態に限られるものではなく、例えばＡｌＮからなる窒化物半導体ウェハに適用することも可能である。

以下に、本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
まず「ＡＢＣＤＥ１２３４５」という文字からなる識別符号を、サファイア基板面内にレーザーマーカーを用いて複数記載した。

ＭＯＶＰＥ法により、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）とＮＨ₃を原料として、アンドープＧａＮ層を３００ｎｍの厚さに成長させた。次に、このアンドープＧａＮ層上に、Ｔｉ薄膜を２０ｎｍの厚さに蒸着し、これを電気炉に入れて、２０％ＮＨ₃−８０％Ｈ₂の混合ガスの雰囲気中、１０５０℃で２０分間熱処理を施し、下地基板を得た。

この下地基板をＨＶＰＥ炉に入れ、ＧａＮ層を成長させた。Ｇａメタルボードは９００℃に加熱し、基板側は１１００℃とし、キャリアガスとして５％Ｈ₂−９５％Ｎ₂の混合ガスを用いた。原料ガスとしてＨＣｌガスとＧａを反応させてＧａＣｌを生成させ、同時にＮＨ₃ガスを供給し、成長の開始時にはＶ／ＩＩＩ比（ＮＨ₃ガス分圧／ＧａＣｌガス分圧の比）が１２になるように原料ガスの流量を調整し１時間成長した。この条件では、ＧａＮ結晶の核がＴｉＮ層上に３次元の島状に成長した。

次いでＶ／ＩＩＩ比が７になるように流量を調整し、４時間成長した。この条件では、ＧａＮ結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、ＧａＮ層表面の平坦化が進行していく。

ＧａＮ層の成長後、ＨＰＶＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層は下地基板から自然に剥離し、６５０μｍ厚さのＧａＮ層が得られた。

得られたＧａＮ層の裏面には、レーザーマーカーを用いて下地基板に記載した文字を反映した空隙が存在していた。その深さをレーザー顕微鏡により測定したところ、深さ１００μｍであった。その後、裏面側を８０μｍ、表面側を１７０μｍ研磨し、４００μｍ厚さの自立したＧａＮウェハを得た。そのウェハの外観写真を図２に示す。

図２から分かるように、下地基板に記載した識別符号が自立したＧａＮウェハに転写されているのが分かる。

［実施例２］
まずサファイア基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、ＴＭＧとＮＨ₃を原料として、アンドープＧａＮ層を３００ｎｍの厚さに成長させた。次に、このアンドープＧａＮ層上に「ＡＢＣＤＥ１２３４５」という識別符号の形状をしたマスクをのせ、Ｔｉ薄膜を２０ｎｍの厚さに蒸着した。蒸着後、マスクを外した。

これを電気炉に入れて、２０％ＨＨ₃−８０％Ｈ₂の混合ガスの雰囲気中、１０５０℃で２０分間熱処理を施した。そのときマスクされた部分のアンドープＧａＮ層は殆どエッチングされ、空隙からなる識別符号が形成されていた。

この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、実施例１と同じ条件でＧａＮ層を成長させた。

ＧａＮ層の成長後、ＨＰＶＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層は下地基板から自然に剥離し、６５０μｍ厚さのＧａＮ層が得られた。

得られたＧａＮ層の裏面側には、蒸着時に使用したマスクの文字を反映した転写識別符号が存在していた。その後裏面側を８０μｍ、表面側を１７０μｍ研磨し、最終的な厚さを４００μｍとして、自立したＧａＮウェハを得た。得られたＧａＮウェハには空隙により形成された転写識別符号がはっきりと確認された。

１１ 下地基板
１２ 識別符号
１３ 窒化物半導体層
１６ 転写識別符号

Claims (6)

1. 識別符号が付された下地基板上に窒化物半導体層を成長させ、その窒化物半導体層を前記下地基板から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハにおいて、前記窒化物半導体層は、その成長時に前記識別符号が転写された転写識別符号を有することを特徴とする窒化物半導体ウェハ。
2. 前記転写識別符号は、前記窒化物半導体層の成長時に形成された空隙からなる請求項１記載の窒化物半導体ウェハ。
3. 前記識別符号は、レーザーマーキングにより形成される請求項１または２記載の窒化物半導体ウェハ。
4. 前記識別符号は、所定の形状を有するマスクにより形成される請求項１または２記載の窒化物半導体ウェハ。
5. 前記下地基板は、サファイア基板、アンドープＧａＮ層、Ｔｉ薄膜を順次積層して形成され、前記窒化物半導体層はＧａＮからなる請求項１〜４いずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
6. 識別符号が付された下地基板上に窒化物半導体層を成長させ、その窒化物半導体層を前記下地基板から分離して得られる自立した窒化物半導体ウェハの製造方法において、前記窒化物半導体層に、その成長時に前記識別符号が転写された転写識別符号を形成することを特徴とする窒化物半導体ウェハの製造方法。