JP2012072011A - セラミックス複合材料および半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板において、ＩＩＩ族窒化物半導体層との間で剥離や亀裂が発生することを抑制することができる下地基板に関する技術を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の下地基板として用いられるセラミックス複合材料であって、酸化物系セラミックスおよび非酸化物系セラミックスから構成され、２０〜９００℃における平均線熱膨張係数が（５．９±０．２）×１０^−６／℃であるセラミックス複合材料。前記セラミックス複合材料を用いたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板に用いられる下地基板の製造方法であって、酸化物系セラミックス粉末と非酸化物系セラミックス粉末とを所定の比率で混合する原料混合工程と、原料混合工程において得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する成形工程と、成形体を不活性雰囲気中で焼成してセラミックス複合材料の焼結体を作製する焼成工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックス複合材料および半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法に関し、詳しくは、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体素子の形成に用いられるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板用の下地基板に好適なセラミックス複合材料と前記セラミックス複合材料を用いた半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法に関する。

ＧａＮに代表されるＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体デバイスは、室温におけるバンドギャップが大きく、化学的にも安定であることから、広く使用されている。

このような半導体デバイスは、種々の方法により作製されている。一つの方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体と化学組成が異なるが線熱膨張係数の差が小さいＳｉ、ＳｉＣ、サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３の単結晶）などの異種基板上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）法やＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法などにより、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層を形成させる方法である。

しかし、この方法には、異種基板とＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層との間の線熱膨張係数の差および格子不整合などにより基板に応力が発生し、基板および半導体デバイスの反りによるＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層の転位密度の増加、剥離の発生、半導体デバイス特性の低下などの問題があった。

他の方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにより、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層を形成させる方法である。

この方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板とＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層との間の線熱膨張係数の差がないかまたは小さく、また格子整合性が高いため、特性が高い半導体デバイスを得ることができるが、ＩＩＩ族窒化物半導体基板は非常に高価であり、得られる半導体デバイスも非常に高価なものとなる問題があった。

そこで、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層の形成用基板として、ＩＩＩ族窒化物半導体の薄い層を下地基板に貼り合わせた基板が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２６０３９１号公報

しかしながら、このような半導体層貼り合わせ基板においては、ＩＩＩ族窒化物半導体層と下地基板との間の線熱膨張係数が大きくなると、剥離や亀裂が発生する場合があった。このため、昇降温の際の各温度におけるＩＩＩ族窒化物半導体層と下地基板、それぞれの線熱膨張係数の温度の変化に対する挙動を合わせることが望ましく、下地基板の更なる改良が求められていた。

そこで、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板において、ＩＩＩ族窒化物半導体層との間で剥離や亀裂が発生することを抑制することができる下地基板に関する技術を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明により、上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項の発明につき説明する。

請求項１に記載の発明は、
ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の下地基板として用いられるセラミックス複合材料であって、
酸化物系セラミックスおよび非酸化物系セラミックスから構成され、
２０〜９００℃における平均線熱膨張係数が、（５．９±０．２）×１０^−６／℃である
ことを特徴とするセラミックス複合材料である。

本発明者は、前記した下地基板用材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体の線熱膨張係数（例えば、ＧａＮの２０〜９００℃における平均線熱膨張係数は５．９×１０^−６／℃）に近く、線熱膨張係数の温度の変化に対する挙動がよく似た下地基板用の材料につき、鋭意検討を行った。

その結果、酸化物系セラミックスと非酸化物系セラミックスとを適切に混合して、２０〜９００℃における平均線熱膨張係数が、（５．９±０．２）×１０^−６／℃となるように調製して作製したセラミック複合材料は、広い温度範囲に亘ってＩＩＩ族窒化物半導体の線熱膨張係数と近似した線熱膨張係数が得られることが分かった。

具体的な酸化物系セラミックスとしては、Ｙ_２Ｏ_３、希土類酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯを挙げることができる。なお、これらの酸化物系セラミックスは、単独で用いてもよいが、複数の酸化物系セラミックスを組み合わせて用いてもよい。複合酸化物としては、ＡｌＯＮ、サイアロン、Ｙ_２ＳｉＯ_５等を挙げることができる。

また、具体的な非酸化物系セラミックスとしては、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＧａＮ等を挙げることができる。なお、これらの非酸化物系セラミックスも、酸化物系セラミックスの場合と同様に、複数の非酸化物系セラミックスを組み合わせて用いてもよい。

請求項２に記載の発明は、
前記酸化物系セラミックスが、Ｙ_２Ｏ_３、希土類酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２から選ばれた１種または２種以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料である。

酸化物系セラミックスとしては、前記のように種々の酸化物セラミックスを用いることができるが、Ｙ_２Ｏ_３、希土類酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２から選ばれた１種または２種以上である酸化物系セラミックスを用いることにより、より容易に、ＩＩＩ族窒化物半導体の線熱膨張係数に近い線熱膨張係数のセラミックス複合材料を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、
前記非酸化物系セラミックスが、ＡｌＮおよび／またはＳｉＣであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス複合材料である。

非酸化物系セラミックスとして、ＡｌＮやＳｉＣあるいはその混合物を用いることにより、酸化物系セラミックスの場合と同様に、よりＩＩＩ族窒化物半導体の線熱膨張係数に近い線熱膨張係数のセラミックス複合材料を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、
前記非酸化物系セラミックスが５０〜７０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料である。

セラミックス複合材料における酸化物系セラミックスの比率を３０〜５０ｖｏｌ％、非酸化物系セラミックスの比率を７０〜５０ｖｏｌ％とすることにより、一層容易に、ＩＩＩ族窒化物半導体の線熱膨張係数に近い線熱膨張係数のセラミックス複合材料を得ることができる。

請求項５に記載の発明は、
ＧａＮ半導体層との貼り合わせ用下地基板として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料である。

ＧａＮ半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体の内でも特性の優れた半導体であり、前記のセラミックス複合材料を、このＧａＮ半導体層との貼り合わせ用下地基板として用いて基板を作製し、この基板上にＧａＮ半導体エピタキシャル層を形成することにより、特性に優れた半導体デバイスを提供することができる。

請求項６に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料を用いたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板に用いられる下地基板の製造方法であって、
酸化物系セラミックス粉末と非酸化物系セラミックス粉末とを所定の比率で混合する原料混合工程と、
前記原料混合工程において得られた混合粉末を、所定形状の成形体に成形する成形工程と、
前記成形体を、不活性雰囲気中で焼成して、前記セラミックス複合材料の焼結体を作製する焼成工程と
を有することを特徴とする半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法である。

本請求項の発明においては、酸化物系セラミックス粉末と非酸化物系セラミックス粉末との混合粉末を用いていること以外は、通常の焼結体の製造方法が採用されているため、製造に際して特別な設備などを設ける必要がなく、また、従来の製造方法の知識を活用して製造することができるため、コストの上昇を招くことなく、容易に、前記した優れた下地基板を製造することができる。

原料混合工程における所定の比率とは、請求項１における線熱膨張係数に近い線熱膨張係数のセラミックス複合材料を得ることができる比率を指し、原料粉末の種類などにより、適宜設定される。

原料混合工程における具体的な混合方法としては、ボールミルによる混合が好ましい。

成形工程における成形方法としては、ＣＩＰ（冷間静水圧加圧成形）を用いることが好ましい。

焼成工程における不活性雰囲気としては、真空、窒素、アルゴン等の雰囲気を採用することが好ましい。また、焼成温度としては、１５００〜１９００℃程度が好ましい。

請求項７に記載の発明は、
さらに、加工工程を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法である。

セラミックス複合材料に種々の加工を施すことにより、適切な下地基板を得ることができる。例えば、ラップ加工を施すことにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層との貼り合わせをより確実にすることができる。また、切り出し加工を施すことにより、適切なサイズの下地基板を得ることができる。

本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層を貼り合わせた基板において、ＩＩＩ族窒化物半導体層との間で剥離や亀裂が発生することを抑制することができる下地基板用の材料とその製造方法を提供することができる。

そして、この下地基板にＩＩＩ族窒化物半導体層を貼り合わせた基板上に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などを用いてＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層を形成させても、ＩＩＩ族窒化物半導体層と下地基板との間に剥離や亀裂が発生することを抑制することができ、安定した性能の半導体デバイスを提供することができる。

実施例のＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の断面図である。 ２０〜８００℃までの線熱膨張係数の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施例のＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の断面図である。ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板１は、下地基板（半導体層貼り合わせ用基板）２に、ＧａＮウエハ（ＩＩＩ族窒化物半導体層）３を貼り合わせて構成されている。下地基板２は、セラミックス複合材料の成形体である。

Ａ．実施例１、２および比較例１、２
１．下地基板の作製
（１）混合粉末調製工程
はじめに、非酸化物系セラミックスの粉末として、粒径０．６μｍのＡｌＮを用い、酸化物系セラミックスの粉末として、粒径０．５μｍのＹ_２Ｏ_３を準備した。次に、表１に示す実施例１、２と比較例１、２の、４種類の混合割合の粉末を、エタノール中で、ボールミルを用いて、１２時間混合した後、乾燥した。なお、表１には、後述する焼結体の非酸化物系セラミックス（ＡｌＮ）の体積比率も併せて示す。

（２）成形工程
乾燥後の混合粉末を、圧力５００ｋｇｆ／ｃｍ^２で成形し、さらに１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２のＣＩＰ（冷間静水圧加圧成形）を行うことにより、成形体を作製した。

（３）焼成工程
作製した成形体を、窒素雰囲気の下、１０℃／分の昇温速度で昇温し、１８００℃、４時間の条件で焼成することにより、直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの焼結体（セラミック複合材料）を作製した。

作成された焼結体における非酸化物系結晶粒子（ＡｌＮ）と酸化物系結晶粒子（Ｙ_２Ｏ_３）の組成をＳＥＭ−ＥＤＸを用いて同定し、複数の視野（３０μｍ×３０μｍ）内で得られた各結晶粒子の面積比率の平均を求め、求められた平均値を各結晶粒子の体積比率とした。表１に、焼結体の非酸化物系セラミックス（ＡｌＮ）の体積比率を示す。

なお、表１より、焼結体における非酸化物系結晶粒子（ＡｌＮ）の体積比率は、原料粉末における非酸化物系原料（ＡｌＮ）の体積比率とほぼ同じであることが分かる。
（１）測定方法
作製された下地基板から２０×□２．５ｍｍのサンプルを切り出し、線膨張係数測定装置（理学電機製ＴＭＡ８１４０）を用いて窒素中で、２０℃〜８００℃までの線熱膨張係数を測定した。なお、一部については、１２００℃まで測定した。

（２）測定結果
図２は、２０〜８００℃までの線熱膨張係数の測定結果を示す図である。なお、測定結果の評価の説明を容易にするため、ＧａＮの線熱膨張係数も併せて示している。

図２から、実施例１、２は、比較例１、２よりも、ＧａＮの線熱膨張係数に極めて近く、２０〜８００℃までの全範囲にわたって、ＧａＮの線熱膨張係数に追従していることが分かる。

３．ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の作製と評価
（１）ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の作製
ＧａＮウエハをドライエッチングにより清浄した後、ＧａＮウエハの主表面（Ｎ面）と下地基板の主表面とを、大気中で、貼り合わせ、ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板を作製した。貼り合わせ時の圧力は、７ＭＰａ（１４００ｋｇｆ／２インチウエハ）とした。また、接着強度を増加させるためには、大気中で、室温（例えば２０℃〜３０℃）から２００℃〜３００℃まで、数時間かけて加熱することが好ましく、本実施例では、室温から２００℃まで、３時間かけて加熱した。

（２）ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の評価
イ．評価方法
上記で得られたＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、１１００℃で、ＧａＮ半導体エピタキシャル層を成長させた。そして、ＧａＮ半導体エピタキシャル層が成長したＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板を、超音波探傷法により調査し、下地基板とＧａＮウエハとの剥離状況を調査した。

ロ．評価結果
実施例１、２の場合は、共に、下地基板とＧａＮウエハとの間に、剥離が認められず、良好な接合が確認できた。一方、比較例１、２の場合は、共に、剥離が認められた。

Ｂ．実施例３〜６
１．下地基板の製造
表２に示す酸化物系セラミックスおよび非酸化物系セラミックスの種類および配合割合により、実施例１、２と同じ方法で、下地基板を作製した。

２．下地基板の線熱膨張係数の測定と評価
次に、実施例１、２と同様にして、平均線熱膨張係数の測定と評価を行った。２０〜８００℃までの平均線熱膨張係数の算定結果を表２に示す。なお、表２には、焼結体の非酸化物系セラミックス（ＡｌＮ）の体積比率も併せて示す。

表２より、平均線熱膨張係数は、実施例３〜６のいずれにおいても、ＧａＮウエハの平均線熱膨張係数である５．９×１０^−６／℃に極めて近いことが分かる。

３．ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板の作製と評価
上記により得られた下地基板を用いて、実施例１、２と同様にして、ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板を作製して評価を行なった。評価結果は、実施例１、２と同様に、下地基板とＧａＮウエハとの間に、剥離が認められず、良好な接合が確認できた。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１ ＩＩＩ族窒化物半導層貼り合わせ基板
２ 下地基板
３ ＧａＮウエハ

Claims (7)

1. ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の下地基板として用いられるセラミックス複合材料であって、
   酸化物系セラミックスおよび非酸化物系セラミックスから構成され、
   ２０〜９００℃における平均線熱膨張係数が、（５．９±０．２）×１０^−６／℃である
   ことを特徴とするセラミックス複合材料。
2. 前記酸化物系セラミックスが、Ｙ_２Ｏ_３、希土類酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２から選ばれた１種または２種以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料。
3. 前記非酸化物系セラミックスが、ＡｌＮおよび／またはＳｉＣであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス複合材料。
4. 前記非酸化物系セラミックスが５０〜７０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料。
5. ＧａＮ半導体層との貼り合わせ用下地基板として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス複合材料を用いたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板に用いられる下地基板の製造方法であって、
   酸化物系セラミックス粉末と非酸化物系セラミックス粉末とを所定の比率で混合する原料混合工程と、
   前記原料混合工程において得られた混合粉末を、所定形状の成形体に成形する成形工程と、
   前記成形体を、不活性雰囲気中で焼成して、前記セラミックス複合材料の焼結体を作製する焼成工程と
   を有することを特徴とする半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法。
7. さらに、加工工程を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体層貼り合わせ基板用の下地基板の製造方法。

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