JP2012106907A - METHOD FOR PRODUCING GaN FILM - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主面の面積が大きく反りの小さいGaN系膜が得られるGaN系膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a GaN-based film that provides a GaN-based film having a large principal surface area and small warpage.
GaN系膜は、発光デバイス、電子デバイスなどの半導体デバイスの基板および半導体層として、好適に用いられる。かかるGaN系膜を製造するための基板としては、その基板とGaN系膜との間で、格子定数および熱膨張係数を一致させるまたは一致に近づける観点から、GaN基板が最も優れている。ところが、GaN基板は非常に高価であり、また、主面の直径が2インチを超える大口径のGaN基板の入手は困難である。 The GaN-based film is suitably used as a substrate and a semiconductor layer of a semiconductor device such as a light emitting device or an electronic device. As a substrate for producing such a GaN-based film, a GaN substrate is most excellent from the viewpoint of matching or approaching the lattice constant and the thermal expansion coefficient between the substrate and the GaN-based film. However, the GaN substrate is very expensive, and it is difficult to obtain a large-diameter GaN substrate having a main surface diameter exceeding 2 inches.
このため、GaN系膜を成膜するための基板として、一般に、サファイア基板が用いられている。しかしながら、サファイア基板とGaN結晶とでは、それらの格子定数および熱膨張係数が大きく異なる。 For this reason, a sapphire substrate is generally used as a substrate for forming a GaN-based film. However, the sapphire substrate and the GaN crystal have greatly different lattice constants and thermal expansion coefficients.
このため、サファイア基板とGaN結晶との間の格子定数の不整合を緩和して結晶性が良好なGaN結晶を成長させるために、たとえば、特開平04−297023号公報(特許文献1)は、サファイア基板にGaN結晶を成長させる際に、サファイア基板上にGaNバッファ層を形成し、そのGaNバッファ層上にGaN結晶層を成長させることを開示する。 For this reason, in order to relax the mismatch of the lattice constant between the sapphire substrate and the GaN crystal and grow a GaN crystal having good crystallinity, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 04-297023 (Patent Document 1) It is disclosed that when a GaN crystal is grown on a sapphire substrate, a GaN buffer layer is formed on the sapphire substrate and the GaN crystal layer is grown on the GaN buffer layer.
また、GaN結晶の熱膨張係数に近い熱膨張係数の基板を用いて反りの小さいGaN膜を得るために、たとえば、特表2007−523472号公報(特許文献2)は、中央層に対して互いにほぼ同一の熱膨張係数を有する各対の層を1対以上有し、全体的熱膨張係数がGaN結晶の熱膨張係数とほぼ同一である複合支持基板を開示する。 In order to obtain a GaN film having a small warp using a substrate having a thermal expansion coefficient close to that of the GaN crystal, for example, JP-T-2007-523472 (Patent Document 2) Disclosed is a composite support substrate having one or more pairs of each pair of layers having substantially the same thermal expansion coefficient, the overall thermal expansion coefficient being substantially the same as the thermal expansion coefficient of the GaN crystal.
上記の特開平04−297023号公報(特許文献1)においては、GaN結晶成長中に転位などの結晶欠陥が会合消滅するためか、結晶成長方向に凹に反りながらGaN結晶が成長する。 In the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-297023 (Patent Document 1), a GaN crystal grows while warping in a concave direction in the crystal growth direction because crystal defects such as dislocations associate and disappear during GaN crystal growth.
しかし、上記のようにサファイア基板の熱膨張係数はGaN結晶の熱膨張係数に比べて非常に大きいため、成長したGaN結晶は結晶成長後の冷却時に結晶成長方向に凸に大きく反り、結晶成長方向に凸に大きく反ったGaN膜が得られる。ここで、サファイア基板の主面の直径を大きくするほど、そのGaN結晶の上記冷却時における反りが大きくなる(具体的には、得られるGaN膜の反りは、サファイア基板における主面の直径の2乗にほぼ比例する)。このため、主面の直径が大きくなるほど、反りの小さいGaN膜を得ることは困難である。 However, as described above, the coefficient of thermal expansion of the sapphire substrate is very large compared to the coefficient of thermal expansion of the GaN crystal, so that the grown GaN crystal warps convexly in the crystal growth direction during cooling after crystal growth, and the crystal growth direction Thus, a GaN film having a large convex curvature is obtained. Here, as the diameter of the main surface of the sapphire substrate is increased, the warpage of the GaN crystal during the cooling increases (specifically, the warpage of the obtained GaN film is 2 times the diameter of the main surface of the sapphire substrate). Almost proportional to the power). For this reason, it is difficult to obtain a GaN film with a small warp as the diameter of the main surface increases.
また、上記の特表2007−523472号公報(特許文献2)に開示された複合支持基板は、その熱膨張係数がGaN結晶の熱膨張係数とほぼ同一であるため、その上に成長させるGaN層の反りを小さくすることができる。しかしながら、かかる複合支持基板は、その構造が複雑であるため、その構造の設計が難しく、またその構造の形成が難しいことから、設計および製造のためのコストが非常に高くなり、GaN膜を製造するコストが非常に高くなる。 Moreover, since the thermal expansion coefficient of the composite support substrate disclosed in the above Japanese translation of PCT publication No. 2007-523472 (Patent Document 2) is substantially the same as the thermal expansion coefficient of the GaN crystal, a GaN layer is grown on it. Can reduce the warpage. However, since the structure of such a composite support substrate is complicated, it is difficult to design the structure, and it is difficult to form the structure, so the cost for designing and manufacturing becomes very high, and the GaN film is manufactured. The cost to do is very high.
本発明は、上記問題点を解決して、主面の面積が大きく反りの小さいGaN系膜を製造することが可能なGaN系膜の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a method for manufacturing a GaN-based film capable of manufacturing a GaN-based film having a large principal surface area and a small warpage.
本発明は、主面内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さい支持基板と、支持基板の主面側に配置されている単結晶膜と、を含み、単結晶膜が単結晶膜の主面に垂直な軸に対して3回対称性を有するSiC膜である複合基板を準備する工程と、複合基板における単結晶膜の主面上にGaN系膜を成膜する工程と、を含むGaN系膜の製造方法である。 In the present invention, the thermal expansion coefficient in the main surface is larger than 1.0 times and smaller than 1.2 times the thermal expansion coefficient in the a-axis direction of the GaN crystal, and disposed on the main surface side of the support substrate. A single crystal film comprising: a single crystal film comprising: a single crystal film having a three-fold symmetry with respect to an axis perpendicular to a main surface of the single crystal film; And a step of forming a GaN-based film on the main surface of the crystal film.
本発明にかかるGaN系膜の製造方法において、複合基板における単結晶膜の主面の面積を45cm2以上とすることができる。また、複合基板における支持基板を焼結体とすることができる。また、GaN系膜を成膜する工程は、単結晶膜の主面上にGaN系バッファ層を形成するサブ工程と、GaN系バッファ層の主面上にGaN系単結晶層を形成するサブ工程と、を含むことができる。 In the GaN-based film manufacturing method according to the present invention, the area of the main surface of the single crystal film in the composite substrate can be 45 cm 2 or more. Further, the support substrate in the composite substrate can be a sintered body. The step of forming the GaN-based film includes a sub-step of forming a GaN-based buffer layer on the main surface of the single crystal film and a sub-step of forming a GaN-based single crystal layer on the main surface of the GaN-based buffer layer. And can be included.
本発明によれば、主面の面積が大きく反りの小さいGaN系膜を製造することが可能なGaN系膜の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the GaN-type film | membrane which can manufacture the GaN-type film | membrane with a large area of a main surface and a small curvature can be provided.
図1を参照して、本発明にかかるGaN系膜の製造方法の一実施形態は、主面11m内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さい支持基板11と、支持基板11の主面11m側に配置されている単結晶膜13と、を含み、単結晶膜13は単結晶膜13の主面13mに垂直な軸に対して3回対称性を有する複合基板10を準備する工程(図1(A))と、複合基板10における単結晶膜13の主面13m上にGaN系膜20を成膜する工程(図1(B))と、を含む。ここで、GaN系膜とは、III族元素としてGaを含むIII族窒化物で形成されている膜をいい、たとえばGaxInyAl1-x-yN膜(x>0、y≧0、x+y≦1)が挙げられる。
Referring to FIG. 1, in one embodiment of the method for producing a GaN-based film according to the present invention, the thermal expansion coefficient in the
本実施形態のGaN系膜の製造方法によれば、主面内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さい支持基板と、支持基板の主面側に配置されている単結晶膜と、を含み、単結晶膜が結晶膜の主面に垂直な軸に対して3回対称性を有する複合基板を用いることにより、主面の面積が大きく(すなわち大口径で)反りの小さいGaN系膜が得られる。 According to the method for manufacturing a GaN-based film of this embodiment, the support substrate has a thermal expansion coefficient in the main surface that is greater than 1.0 times and less than 1.2 times the thermal expansion coefficient of the GaN crystal in the a-axis direction. And a single crystal film disposed on the main surface side of the support substrate, and using a composite substrate in which the single crystal film has a three-fold symmetry with respect to an axis perpendicular to the main surface of the crystal film, A GaN-based film having a large principal surface area (ie, a large diameter) and small warpage can be obtained.
(複合基板の準備工程)
図1(A)を参照して、本実施形態のGaN系膜の製造方法は、主面11m内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さい支持基板11と、支持基板11の主面11m側に配置されている単結晶膜13と、を含み、単結晶膜13が単結晶膜13の主面13mに垂直な軸に対して3回対称性を有する複合基板10を準備する工程を含む。
(Preparation process of composite substrate)
Referring to FIG. 1A, in the method for manufacturing a GaN-based film of this embodiment, the thermal expansion coefficient in the
上記の複合基板10は、主面11m内の熱膨張係数がGaN結晶のa軸方向の熱膨張係数に比べて少し大きい(具体的には、1.0倍より大きく1.2倍より小さい)支持基板11と、支持基板11の主面11m側に配置されている単結晶膜13と、を含み、単結晶膜13が単結晶膜13の主面13mに垂直な軸に対して3回対称性を有しているため、複合基板10の単結晶膜13の主面13m上に反りが小さく転位密度が低い大口径のGaN系膜を成長させることができる。
The
複合基板10の単結晶膜13上に、反りが小さく転位密度が低い大口径のGaN系膜を成長させる観点から、上記の複合基板10に含まれる支持基板11は、主面11m内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さいことが必要であり、1.04倍より大きく1.15倍より小さいことが好ましく、1.04倍より大きく1.10倍より小さいことがより好ましい。
From the viewpoint of growing a large-diameter GaN-based film with low warpage and low dislocation density on the
ここで、支持基板11は、主面11m内の熱膨張係数が、GaN結晶のa軸方向の熱膨脹係数に比べて、1.0倍より大きく1.2倍より小さい基板であれば特に制限はなく、単結晶であっても、多結晶であっても、非結晶であってもよい。支持基板11は、その原料の種類と比率とを変動することによりその熱膨張係数の調整が容易で上記の範囲内にある熱膨張係数が容易に得られる観点から、焼結体であることが好ましい。たとえば、Al2O3−SiO2系焼結体、SiO2−MgO焼結体、SiO2−ZrO2焼結体などが好ましく挙げられる。
Here, the
このとき、支持基板11およびGaN結晶の熱膨張係数は、一般に、それらの温度により大きく変動することから、如何なる温度または温度領域における熱膨張係数によって決めるかが重要である。本発明においては、複合基板上に反りの小さいGaN系膜を製造することを目的とするものであり、室温から昇温させてGaN系膜の成膜温度で複合基板上にGaN系膜を成膜した後室温まで降温させて複合基板上に成膜されたGaN系膜を取り出すことから、室温からGaN系膜の成膜温度までにおける支持基板およびGaN結晶の平均熱膨張係数を、それぞれ支持基板およびGaN結晶の熱膨張係数として取り扱うことが適正と考えられる。しかしながら、GaN結晶は、不活性ガス雰囲気中においても、800℃を超えると分解が起こる。このため、本発明においては、支持基板およびGaN結晶の熱膨張係数は、室温(具体的に25℃)から800℃までにおける平均熱膨張係数により決定することにする。
At this time, since the thermal expansion coefficients of the
また、複合基板10の単結晶膜13上に、反りが小さく転位密度が低い大口径のGaN系膜を成長させる観点から、上記の複合基板10に含まれる支持基板11の主面11m側に配置される単結晶膜13は、単結晶膜13の主面13mに垂直な軸に対して3回対称性を有することが必要であり、主面13mが(0001)面であるサファイア膜、主面13mが(0001)面であるSiC膜、主面13mが(111)面であるSi膜、主面13mが(111)面であるGaAs膜などが好ましく挙げられる。ここで、単結晶膜が単結晶膜の主面に垂直な軸に対して3回対称性を有するとは、結晶幾何学的に厳密な3回対称性を有していることを意味するのではなく、実際のその単結晶膜において実質的な3回対称性を有していることを意味し、具体的には、その単結晶膜の結晶幾何学的に厳密な3回対称軸とその単結晶膜の主面に垂直な軸とのなす角度の絶対値が10°以下であれば足りるという意味である。
Further, from the viewpoint of growing a large-diameter GaN-based film with low warpage and low dislocation density on the
なお、複合基板10において、反りを小さく転位密度を低くする観点から、支持基板11の主面11mと単結晶膜13の主面13mとは実質的に平行であることが好ましい。ここで、2つの面が実質的に平行とは、それらの2つの面がなす角度の絶対値が10°以下であることをいう。
In the
また、複合基板10の支持基板11の主面11m側に単結晶膜13を配置する方法には、特に制限はなく、支持基板11の主面11mに直接単結晶膜13を成長させる方法(第1の方法)、支持基板11の主面11mに、下地基板の主面上に成膜させた単結晶膜13を貼り合わせた後下地基板を除去する方法(第2の方法)、支持基板11の主面11mに単結晶(図示せず)を貼り合わせた後その単結晶を貼り合わせ面から所定の深さの面で分離することにより支持基板11の主面11m上に単結晶膜13を形成する方法(第3の方法)などが挙げられる。支持基板が多結晶の焼結体である場合には、上記の第1の方法が困難であるため、上記の第2および第3のいずれかの方法が好ましく用いられる。上記の第2の方法において、支持基板11に単結晶膜13を貼り合わせる方法には、特に制限はなく、支持基板11の主面11mに直接単結晶膜13を貼り合わせる方法、支持基板11の主面11mに接着層12を介在させて単結晶膜13を貼り合わせる方法などが挙げられる。上記の第3の方法において、支持基板11に単結晶を貼り合わせる方法には、特に制限はなく、支持基板11の主面11mに直接単結晶を貼り合わせる方法、支持基板11の主面11mに接着層12を介在させて単結晶を貼り合わせる方法などが挙げられる。
Further, the method for disposing the
上記の複合基板10を準備する工程は、特に制限はないが、効率的に品質の高い複合基板10を準備する観点から、たとえば、図2を参照して、上記の第2の方法においては、支持基板11を準備するサブ工程(図2(A))と、下地基板30の主面30n上に単結晶膜13を成膜するサブ工程(図2(B))と、支持基板11と単結晶膜13とを貼り合わせるサブ工程(図2(C))と、下地基板30を除去するサブ工程(図2(D))と、含むことができる。
The step of preparing the
図2(C)では、支持基板11と単結晶膜13とを貼り合わせるサブ工程において、支持基板11の主面11m上に接着層12aに形成し(図2(C1))、下地基板30の主面30n上に成長させられた単結晶膜13の主面13n上に接着層12bを形成した(図2(C2))後、支持基板11上に形成された接着層12aの主面12amと下地基板30上に成膜された単結晶膜13上に形成された接着層12bの主面12bnとを貼り合わせることにより、接着層12aと接着層12bとが接合して形成された接着層12を介在させて支持基板11と単結晶膜13とが貼り合わされる(図2(C3))。しかし、支持基板11と単結晶膜13とが互いに接合可能なものであれば、支持基板11と単結晶膜13とを、接着層12を介在させることなく直接貼り合わせることができる。
In FIG. 2C, in the sub-process for bonding the
支持基板11と単結晶膜13とを貼り合わせる具体的な手法としては、特に制限はないが、貼り合わせ後高温でも接合強度を保持できる観点から、貼り合わせ面を洗浄しそのまま貼り合わせた後600℃〜1200℃程度に昇温して接合する直接接合法、貼り合わせ面を洗浄しプラズマやイオンなどで活性化させた後に室温(たとえば25℃)〜400℃程度の低温で接合する表面活性化法などが好ましく用いられる。
A specific method for bonding the
(GaN系膜の成膜工程)
図1(B)を参照して、本実施形態のGaN系膜の製造方法は、複合基板10における単結晶膜13の主面13m上にGaN系膜20を成膜する工程を含む。
(GaN film formation process)
With reference to FIG. 1B, the GaN-based film manufacturing method of this embodiment includes a step of forming a GaN-based
上記の複合基板の準備工程において準備された複合基板10は、主面11m内の熱膨張係数がGaN結晶のa軸方向の熱膨張係数に比べて少し大きい(具体的には、1.0倍より大きく1.2倍より小さい)支持基板11と、支持基板11の主面11m側に配置されている単結晶膜13と、を含み、単結晶膜13が単結晶膜13の主面13mに垂直な軸に対して3回対称性を有しているため、複合基板10の単結晶膜13の主面13m上に反りが小さく転位密度が低い大口径のGaN系膜20を成膜することができる。
In the
GaN系膜を成膜する方法には、特に制限はないが、転位密度が低いGaN系膜を成膜する観点から、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MBE(分子線エピタキシ)法、昇華法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などが好ましく挙げられる。 The method for forming the GaN-based film is not particularly limited. From the viewpoint of forming a GaN-based film having a low dislocation density, the MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method and the HVPE (hydride vapor deposition) method are used. Preferred examples include gas phase methods such as MBE (molecular beam epitaxy) method and sublimation method, liquid phase methods such as flux method and high nitrogen pressure solution method.
GaN系膜を成膜する工程は、特に制限はないが、転位密度が低いGaN系膜を成膜する観点から、複合基板10の単結晶膜13の主面13m上にGaN系バッファ層21を形成するサブ工程と、GaN系バッファ層21の主面21m上にGaN系単結晶層23を形成するサブ工程と、を含むことが好ましい。ここで、GaN系バッファ層21とは、GaN系膜20の一部分であり、GaN系膜20の別の一部分であるGaN系単結晶層23の成長温度に比べて低い温度で成長させられる結晶性が低いまたは非結晶の層をいう。
The step of forming the GaN-based film is not particularly limited, but from the viewpoint of forming a GaN-based film having a low dislocation density, the GaN-based
GaN系バッファ層21を形成することにより、GaN系バッファ層21上に形成されるGaN系単結晶層23と単結晶膜13との間の格子定数の不整合が緩和されるため、GaN系単結晶層23の結晶性が向上しその転位密度が低くなる。この結果、GaN系膜の結晶性が向上しその転位密度が低くなる。
By forming the GaN-based
なお、単結晶膜13上にGaN系膜20として、GaN系バッファ層21を成長させることなく、GaN系単結晶層23を成長させることもできる。かかる方法は、単結晶膜13とその上に成膜するGaN系膜20との間の格子定数の不整合が小さい場合に好適である。
Note that the GaN-based
(実施例1)
1.GaN結晶の熱膨張係数の測定
HVPE法により成長させた、転位密度が1×106cm-2、Si濃度が1×1018cm-2、酸素濃度が1×1017cm-2、炭素濃度が1×1016cm-2のGaN単結晶から、サイズが2×2×20mm(長手方向がa軸、長手方向に平行な面がC面およびM面のいずれかで構成され、面方位の精度は±0.1°以内)の評価用サンプルを切り出した。
Example 1
1. Measurement of thermal expansion coefficient of GaN crystal Dislocation density 1 × 10 6 cm −2 , Si concentration 1 × 10 18 cm −2 , oxygen concentration 1 × 10 17 cm −2 , carbon concentration grown by HVPE method Is a 1 × 10 16 cm −2 GaN single crystal and has a size of 2 × 2 × 20 mm (the longitudinal direction is a-axis, and the plane parallel to the longitudinal direction is composed of either the C plane or the M plane. A sample for evaluation having an accuracy of within ± 0.1 ° was cut out.
上記の評価用サンプルについて、室温(25℃)から800℃まで昇温したときの平均熱膨張係数をTMA(熱機械分析)により測定した。具体的には、(株)リガク製TMA8310を用いて示唆膨張方式により窒素ガス流通雰囲気下で評価サンプルの熱膨張係数を測定した。かかる測定により得られたGaN結晶のa軸方向の25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αGaN-aは、5.84×10-6/℃であった。 About said sample for evaluation, the average thermal expansion coefficient when it heated up from room temperature (25 degreeC) to 800 degreeC was measured by TMA (thermomechanical analysis). Specifically, the thermal expansion coefficient of the evaluation sample was measured in a nitrogen gas circulation atmosphere by the suggested expansion method using TMA8310 manufactured by Rigaku Corporation. The average thermal expansion coefficient α GaN-a from 25 ° C. to 800 ° C. in the a-axis direction of the GaN crystal obtained by such measurement was 5.84 × 10 −6 / ° C.
2.複合基板の準備工程
(1)支持基板を準備するサブ工程
図2(A)を参照して、支持基板11の材料として、市販の8つのAl2O3−SiO2系焼結体A〜Hについて、それぞれからサイズが2×2×20mm(長手方向は焼結体から切り出される支持基板の主面に実質的に平行な方向)の測定用サンプルを切り出した。ここで、Al2O3−SiO2系焼結体は方向特異性がないため、切り出し方向は任意とした。それらの測定用サンプルについて、上記と同様にして、室温(25℃)から800℃まで昇温下時の平均熱膨張係数αSを測定した。
2. Preparation Step of Composite Substrate (1) Sub-Step of Preparing Support Substrate With reference to FIG. 2A, as a material for the
Al2O3−SiO2系焼結体Aについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは5.5×10-6/℃であり、GaN結晶のa軸方向の平均熱膨張係数αGaN-aに対する焼結体の熱膨張係数αSの比(以下、αS/αGaN-a比という)は0.942であった。Al2O3−SiO2系焼結体Bについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは5.9×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.010であった。Al2O3−SiO2系焼結体Cについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは6.1×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.045であった。Al2O3−SiO2系焼結体Dについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは6.4×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.096であった。Al2O3−SiO2系焼結体Eについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは6.6×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.130であった。Al2O3−SiO2系焼結体Fについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは7.0×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.199であった。Al2O3−SiO2系焼結体Gについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは7.2×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.233であった。Al2O3−SiO2系焼結体Hについて、25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数αSは7.5×10-6/℃であり、αS/αGaN-a比は1.284であった。 For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body A, the average thermal expansion coefficient α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 5.5 × 10 −6 / ° C., and the average thermal expansion in the a-axis direction of the GaN crystal is The ratio of the thermal expansion coefficient α S of the sintered body to the coefficient α GaN-a (hereinafter referred to as α S / α GaN-a ratio) was 0.942. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body B, the average coefficient of thermal expansion α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 5.9 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. .010. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body C, the average coefficient of thermal expansion α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 6.1 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. 0.045. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body D, the average coefficient of thermal expansion α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 6.4 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. 0.096. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body E, the average coefficient of thermal expansion α S from -25 ° C. to 800 ° C. is 6.6 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. .130. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body F, the average coefficient of thermal expansion α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 7.0 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. 199. For the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body G, the average coefficient of thermal expansion α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 7.2 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. .233. For the Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body H, the average thermal expansion coefficient α S from 25 ° C. to 800 ° C. is 7.5 × 10 −6 / ° C., and the α S / α GaN-a ratio is 1. .284.
上記のAl2O3−SiO2系焼結体A〜Hから、直径4インチ(101.6mm)で厚さ1mmの支持基板をそれぞれ切り出して、それぞれの支持基板の両主面を鏡面に研磨して、支持基板A〜Hとした。すなわち、支持基板A〜Hの25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数は、それぞれAl2O3−SiO2系焼結体A〜Hの25℃から800℃までにおける平均熱膨張係数に等しい。結果を表1にまとめた。 From the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered bodies A to H, a support substrate having a diameter of 4 inches (101.6 mm) and a thickness of 1 mm is cut out, and both main surfaces of each support substrate are polished to mirror surfaces. And it was set as support substrate AH. That is, the average thermal expansion coefficient of the support substrates A to H from 25 ° C. to 800 ° C. is equal to the average thermal expansion coefficient of the Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered bodies A to H from 25 ° C. to 800 ° C., respectively. . The results are summarized in Table 1.
(2)下地基板上に単結晶膜を成膜するサブ工程
図2(B)を参照して、下地基板30として、鏡面に研磨された(111)面の主面30nを有する直径5インチ(127mm)で厚さ0.5mmのSi基板を準備した。
(2) Sub-Process for Forming Single Crystal Film on Base Substrate With reference to FIG. 2B, the
上記のSi基板(下地基板30)の主面30n上に、単結晶膜13として厚さ0.4μmのSiC膜をCVD(化学気相堆積)法により成膜した。成膜条件は、原料ガスとしてSiH4ガスおよびC3H8ガスを使用し、キャリアガスとしてH2ガスを使用し、成膜温度1300℃、成膜圧力は大気圧とした。なお、こうして得られたSiC膜(単結晶膜13)の主面13mには、Si原子面((0001)面)とC原子面((000−1)面)がモザイク状に混在していた。
On the
(3)支持基板と単結晶膜とを貼り合わせるサブ工程
図2(C)中の(C1)を参照して、図2(A)の支持基板A〜H(支持基板11)のそれぞれの主面11m上に厚さ2μmのSiO2膜をCVD法により成膜した。次いで、支持基板A〜H(支持基板11)のそれぞれの主面11m上の厚さ2μmのSiO2膜を、CeO2スラリーを用いて研磨することにより、厚さ0.2μmのSiO2膜だけ残存させて、接着層12aとした。これにより、支持基板A〜H(支持基板11)のそれぞれの主面11mの空隙が埋められ、平坦な主面12amを有する厚さ0.2μmのSiO2膜(接着層12a)が得られた。
(3) Sub-process for bonding support substrate and single crystal film Referring to (C1) in FIG. 2 (C), each of the main substrates A to H (support substrate 11) in FIG. 2 (A) A SiO 2 film having a thickness of 2 μm was formed on the
また、図2(C)中の(C2)を参照して、図2(B)のSi基板(下地基板30)上に成膜されたSiC膜(単結晶膜13)の主面13nを酸素雰囲気下1000℃で酸化させてSiC膜(単結晶膜13)の主面13n上に厚さ0.2μmのSiO2層(接着層12b)を形成した。
2C, the
次いで、図2(C)中の(C3)を参照して、支持基板A〜H(支持基板11)のそれぞれに形成されたSiO2膜(接着層12a)の主面12amおよびSi基板(下地基板30)上に成膜されたSiC膜(単結晶膜13)上に形成されたSiO2層(接着層12b)の主面12bnをアルゴンプラズマにより清浄化および活性化させた後、SiO2膜(接着層12a)の主面12amとSiO2層(接着層12b)の主面12bnとを貼り合わせて、窒素雰囲気下300℃で2時間熱処理した。
2C, the main surface 12am of the SiO 2 film (
(4)下地基板を除去するサブ工程
図2(D)を参照して、支持基板A〜H(支持基板11)の裏側(単結晶膜13が貼り合わされていない側)の主面および側面をワックス40で覆って保護した後、フッ酸および硝酸の混酸水溶液を用いて、エッチングによりSi基板(下地基板30)を除去した。こうして、支持基板A〜H(支持基板11)のそれぞれの主面11m側にSiC膜(単結晶膜13)が配置された複合基板A〜Hが得られた。
(4) Sub-process for removing base substrate Referring to FIG. 2D, the main surface and side surfaces of the back side of support substrate A to H (support substrate 11) (the side where
3.GaN系膜の成膜工程
図1(B)を参照して、複合基板A〜H(複合基板10)のSiC膜(単結晶膜13)の主面13m(かかる主面は(0001)面および(000−1)面の少なくともいずれかである。)上および直径4インチ(101.6mm)で厚さ1mmのサファイア基板の主面(かかる主面は(0001)面である。)上に、それぞれMOCVD法によりGaN膜(GaN系膜20)を成膜した。GaN膜(GaN系膜20)の成膜においては、原料ガスとしてTMG(トリメチルガリウム)ガスおよびNH3ガスを使用し、キャリアガスとしてH2ガスを使用し、500℃で厚さ0.1μmのGaNバッファ層(GaN系バッファ層21)を成長させ、次いで1050℃で厚さ5μmのGaN単結晶層(GaN系単結晶層23)を成長させた。ここで、GaN単結晶層の成長速度は1μm/hrであった。その後、複合基板A〜Hおよびサファイア基板のそれぞれにGaN膜が成膜されたウエハA〜HおよびRを10℃/minの速度で室温(25℃)まで冷却した。
3. Step of Forming GaN-Based Film Referring to FIG. 1B,
室温まで冷却後に成膜装置から取り出されたウエハA〜HおよびRについて、ウエハの反り、GaN膜の外観および転位密度を測定した。ここで、ウエハの反りの形状および反り量は、GaN膜の主面をCorning Tropel社のFM200EWaferにより測定し、GaN膜の外観はノマルスキー顕微鏡により観察し、GaN膜の転位密度はCL(カソードルミネッセンス)による暗点を測定した。 For wafers A to H and R taken out from the film forming apparatus after cooling to room temperature, the warpage of the wafer, the appearance of the GaN film, and the dislocation density were measured. Here, the shape and amount of warpage of the wafer were measured with a Corning Tropel FM200EWafer on the main surface of the GaN film, the appearance of the GaN film was observed with a Nomarski microscope, and the dislocation density of the GaN film was CL (cathode luminescence). The dark spot was measured.
ウエハAは、GaN膜側が凹状に反り、反り量が60μmであり、GaN膜に多数のクラックが発生していた。ウエハBは、GaN膜側が凹状に反り、反り量が320μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が3×108cm-2であった。ウエハCは、GaN膜側が凹状に反り、反り量が10μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が1×108cm-2であった。ウエハDは、GaN膜側が凸状に反り、反り量が20μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が1×108cm-2であった。ウエハEは、GaN膜側が凸状に反り、反り量が110μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が2×108cm-2であった。ウエハFは、GaN膜側が凸状に反り、反り量が230μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が3×108cm-2であった。ウエハGは、GaN膜側が凸状に反り、反り量が740μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度が4×108cm-2であった。ウエハHは、支持基板に割れが発生し、十分なGaN膜が得られなかった。ウエハRは、GaN膜側が凸状に反り、反り量が750μmであり、GaN膜にクラックの発生はなく、GaN膜の転位密度は4×108cm-2であった。これらの結果を表1にまとめた。表1において、「−」は、その物性値が未測定であることを示す。 The wafer A warped in a concave shape on the GaN film side, the warpage amount was 60 μm, and many cracks were generated in the GaN film. The wafer B warped in a concave shape on the GaN film side, the warpage amount was 320 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 3 × 10 8 cm −2 . The wafer C warped in a concave shape on the GaN film side, the warpage amount was 10 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 1 × 10 8 cm −2 . The wafer D warped in a convex shape on the GaN film side, the warpage amount was 20 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 1 × 10 8 cm −2 . The wafer E was warped convexly on the GaN film side, the warpage amount was 110 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 2 × 10 8 cm −2 . The wafer F was warped convexly on the GaN film side, the warpage amount was 230 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 3 × 10 8 cm −2 . The wafer G warped in a convex shape on the GaN film side, the warpage amount was 740 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 4 × 10 8 cm −2 . In wafer H, the support substrate was cracked, and a sufficient GaN film could not be obtained. The wafer R warped in a convex shape on the GaN film side, the warpage amount was 750 μm, no crack was generated in the GaN film, and the dislocation density of the GaN film was 4 × 10 8 cm −2 . These results are summarized in Table 1. In Table 1, “-” indicates that the physical property value is not measured.
表1を参照して、主面内の熱膨張係数αSがGaN結晶のa軸方向の熱膨張係数αGaN-aの1.0倍より大きく1.2倍より小さい(すなわち、1.0<(αS/αGaN-a比)<1.2)支持基板を有する複合基板を用いることにより(ウエハB〜F)、サファイア基板を用いる場合(ウエハR)に比べて、反りが極めて小さなGaN膜を成膜することができた。また、ウエハにおけるGaN膜の反りおよび転位密度をさらに低減する観点から、複合基板の支持基板の主面内の熱膨張係数αSは、GaN結晶のa軸方向の熱膨張係数αGaN-aの1.04倍より大きく1.15倍より小さいこと(すなわち、1.04<(αS/αGaN-a比)<1.15)(ウエハC〜E)が好ましく、GaN結晶のa軸方向の熱膨張係数αGaN-aの1.04倍より大きく1.10倍より小さいこと(すなわち、1.04<(αS/αGaN-a比)<1.10)(ウエハCおよびD)がより好ましい。 Referring to Table 1, the thermal expansion coefficient α S in the main surface is larger than 1.0 times and smaller than 1.2 times the thermal expansion coefficient α GaN-a in the a-axis direction of the GaN crystal (that is, 1.0 <(Α S / α GaN-a ratio) <1.2) By using a composite substrate having a supporting substrate (wafers B to F), warpage is extremely small compared to the case of using a sapphire substrate (wafer R). A GaN film could be formed. Further, from the viewpoint of further reducing the warpage and dislocation density of the GaN film on the wafer, the thermal expansion coefficient α S in the main surface of the support substrate of the composite substrate is the thermal expansion coefficient α GaN-a in the a-axis direction of the GaN crystal. It is preferably larger than 1.04 times and smaller than 1.15 times (that is, 1.04 <(α S / α GaN-a ratio) <1.15) (wafers C to E), and the a-axis direction of the GaN crystal The coefficient of thermal expansion of α GaN-a is larger than 1.04 times and smaller than 1.10 times (that is, 1.04 <(α S / α GaN-a ratio) <1.10) (wafers C and D) Is more preferable.
なお、上記実施例においては、複合基板上に非ドーピングのGaN膜を成膜した例を示したが、ドーピングによりn型またはp型の導電性が付与されたGaN膜を成膜した場合、ドーピングにより比抵抗が高められたGaN膜を成膜した場合にも、上記実施例とほぼ同一の結果が得られた。 In the above embodiment, an example is shown in which an undoped GaN film is formed on a composite substrate. However, when an n-type or p-type conductivity imparted by doping is formed, doping is performed. Even when a GaN film with increased specific resistance was formed, the same results as in the above example were obtained.
また、GaN膜に替えてGaxInyAl1-x-yN膜(0<x<1、y≧0、x+y≦1)などのGaN系膜を成膜した場合にも上記実施例と同様の結果が得られた。特に、GaN膜に替えてGaxInyAl1-x-yN膜(x>0.5、y≧0、x+y≦1)を成膜する場合には、上記実施例とほぼ同一の結果が得られた。 Further, when a GaN-based film such as a Ga x In y Al 1-xy N film (0 <x <1, y ≧ 0, x + y ≦ 1) is formed instead of the GaN film, the same as in the above embodiment Results were obtained. In particular, when a Ga x In y Al 1-xy N film (x> 0.5, y ≧ 0, x + y ≦ 1) is formed in place of the GaN film, almost the same result as in the above example is obtained. It was.
また、GaN系膜(具体的にはGaxInyAl1-x-yN膜(x>0、y≧0、x+y≦1)など)は、Ga、In、AlなどのIII族元素の組成比を変えて複数成膜することもできる。また、Gaに替えてGaxInyAl1-x-yN膜(x>0、y≧0、x+y≦1)などのGaN系膜を複数成膜することができる。 A GaN-based film (specifically, Ga x In y Al 1-xy N film (x> 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1), etc.) is a composition ratio of group III elements such as Ga, In, and Al. It is also possible to form a plurality of films by changing. Further, a plurality of GaN-based films such as Ga x In y Al 1-xy N films (x> 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1) can be formed instead of Ga.
本発明の実施においては、GaN系膜の成膜の際にELO(Epitaxially Lateral Overgrowth;ラテラル成長)技術などの公知の転位低減技術を適用できる。 In the practice of the present invention, a known dislocation reduction technique such as an ELO (Epitaxially Lateral Overgrowth) technique can be applied when forming a GaN-based film.
また、複合基板にGaN系膜を成膜した後に、複合基板の支持基板のみまたは複合基板全体(支持基板および単結晶膜)をエッチングにより除去してもよい。このとき、GaN系膜を別の支持基板に転写してもよい。 Alternatively, after forming a GaN-based film on the composite substrate, only the support substrate of the composite substrate or the entire composite substrate (support substrate and single crystal film) may be removed by etching. At this time, the GaN-based film may be transferred to another support substrate.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 複合基板、11 支持基板、11m,12m,12am,12bn,13m,13n,21m,23m,30n 主面、12,12a,12b 接着層、13 単結晶膜、20 GaN系膜、21 GaN系バッファ層、23 GaN系単結晶層、30 下地基板、40 ワックス。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複合基板における前記単結晶膜の主面上にGaN系膜を成膜する工程と、を含むGaN系膜の製造方法。 The thermal expansion coefficient in the main surface is arranged on the main surface side of the support substrate, which is larger than 1.0 times and smaller than 1.2 times the thermal expansion coefficient in the a-axis direction of the GaN crystal. Preparing a composite substrate, wherein the single crystal film is a SiC film having a three-fold symmetry with respect to an axis perpendicular to the main surface of the single crystal film;
Forming a GaN-based film on a main surface of the single crystal film in the composite substrate.
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