JP2013077661A - 化合物半導体基板の表面研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１３族及び１５族からなる化合物半導体基板を、表面平坦性が高く、表面粗さが小さく、表面の微小スクラッチや微小ピット、加工変質層が生じないような高品質な研磨表面を得つつ、かつ速い研磨速度を達成することができる研磨方法を提案する。
【解決手段】周期表における１３族及び１５族から構成される化合物半導体基板の表面を研磨する方法であって、酸化マグネシウムを主成分とする砥粒を酸化剤及び無機酸に含有させた研磨材スラリーを用いて、前記化合物半導体基板の表面をメカノケミカル研磨することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、化合物半導体基板の表面研磨方法に係わり、更に詳しくは砥粒と酸化剤との反応によって生成した活性種を主として用いて化合物半導体基板の表面を研磨する方法に関するものである。

周期表における１３族及び１５族から構成される化合物半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）はワイドギャップ半導体と呼ばれ、絶縁破壊電界および熱伝導率が大きく、このような特性は、高温で動作する半導体素子や高耐圧のパワー半導体素子に適しており、従来のシリコン半導体では得られない特性を備えた半導体素子が実現できるものとして、単結晶を用いた半導体素子の研究が進められている。

また、ＧａＮは青色発光ダイオード、青紫レーザ、固体照明用光源などの基板材料として注目されてきており、高品質、低コストを伴った量産技術が確立されれば、次世代の大容量記録装置の読み取り装置、照明、光源など幅広い用途が期待されている。

ＧａＮ単結晶基板及び１３族で構成される窒化物基板からデバイスを作製するためには、その基板表面を最終的にできる限り滑らかに研磨する必要がある。

ＧａＮはＧａ原子とＮ原子との共有結合性がおよそ７０％であるため、ダイヤモンド、炭化珪素に次ぐモース硬度を有しており、耐薬品性にも優れている。それ故に基板の加工及び基板表面の研磨が極めて難しい。

ＧａＮ単結晶基板表面の研磨方法として、例えば特許文献１に記載された方法が知られている。この方法では、定盤上に供給されたダイヤモンド遊離砥粒によりＧａＮ単結晶基板の表面を研磨する。

また、基板表面に形成されるスクラッチや加工変質層を低減し、基板の表面を平滑にする技術としてＣＭＰ（化学的機械研磨）が知られており、ＧａＮ単結晶基板に適用した例が非特許文献１に記載されている。

さらに、このスクラッチの形成を抑制できる方法としてアルカリ金属融液を用いたメルトバックエッチングとＣＭＰを併用する方法が特許文献２に記載されている。

特開２００６−１９６６０９号公報 特開２００５−７２５７２号公報

（独）日本学術振興会 ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第１６２委員会（第７０回研究会）、結晶成長の科学と技術第１６１委員会（第６５回研究会）合同研究会資料 ｐ４９ 分析化学、Ｖｏｌ．４７、ｐｐ４１７−４２２、１９９８年

特許文献１に記載の方法では、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨すると、ダイヤモンド砥粒はＧａＮ単結晶基板よりも硬度が大きいため、基板表面にスクラッチや加工変質層が残り、高品質の研磨表面が得られない恐れがある。

非特許文献１に記載の方法では、ＧａＮ単結晶は高硬度であるため、ＣＭＰでは十分な研磨速度が得られず、加工効率が非常に悪い。研磨速度を上げるために、ＧａＮ単結晶基板に高い圧力をかけながらＣＭＰを行う方法が知られているが、この方法では、加工変質層がＧａＮ単結晶基板の内部深くに入り込んでしまう恐れがある。

特許文献２に記載の方法では、エッチング融液の温度が６００℃〜９００℃と高温であるため、研磨工程においての作業性の低下及び危険性が高まる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、近年電子デバイス材料としての重要性が認知され、パワーデバイスや発光デバイスへの適用に期待が高まっているＧａＮに代表される１３族及び１５族からなる化合物半導体基板を、表面平坦性が高く、表面粗さが小さく、表面の微小スクラッチや微小ピット、加工変質層が生じないような高品質な研磨表面を得つつ、かつ速い研磨速度を達成することができる研磨方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、周期表における１３族及び１５族から構成される化合物半導体基板の表面を研磨する方法であって、酸化マグネシウムを主成分とする砥粒を酸化剤及び無機酸に含有させた研磨材スラリーを用いて、前記化合物半導体基板の表面をメカノケミカル研磨する。

前記化合物半導体基板が、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、インジウムリン化ガリウム、窒化アルミニウムまたはアルミニウム窒化ガリウムのいずれかであることが好ましい。

前記酸化剤が過酸化水素であることが好ましい。

前記研磨材スラリーにおける前記過酸化水素濃度が重量混合比で５重量％以上３０重量％以下であることが好ましい。

前記研磨材スラリーにおける前記砥粒が重量混合比で０．５重量％以上２０重量％以下であることが好ましい。

前記無機酸が硫酸、硝酸、燐酸、塩酸のうちの少なくとも１種類であることが好ましい。

前記酸化マグネシウム砥粒の平均粒径が１０μｍ以下であることが好ましく、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。

ＧａＮに代表される１３族及び１５族からなる化合物半導体基板を、表面平坦性が高く、表面粗さが小さく、表面の微小スクラッチや微小ピット、加工変質層が生じないような高品質な研磨表面を得つつ、かつ速い研磨速度で研磨することができる。

本発明の実施の形態に係る研磨方法の概念図である。 本発明の実施の形態に係る研磨方法によって被研磨物が研磨された概要図である。 本発明の実施例に係わるメカノケミカル研磨実施条件を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

アルカリ金属酸化物の一つである酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に過酸化水素を作用させることにより生成した過酸化マグネシウム（ＭｇＯ₂）表面には活性酸素の一種である水酸ラジカル（ヒドロキシルラジカル；・ＯＨ）が存在していることが報告されている（非特許文献２）。

そこで、本発明者はＭｇＯを砥粒として、過酸化水素水に分散させた研磨剤を用いることにより、ＭｇＯ₂表面に生成したヒドロキシルラジカルを積極的に利用し、化合物半導体基板の表面を研磨していく方法を発明した。ヒドロキシルラジカルは非常に酸化力が強く、ＧａＮ等の化学的に安定な材料とも反応するため、これら材料を加工することが可能である。

（研磨加工原理：活性種と被加工物との反応、及び加工過程［ＧａＮの場合］）
例として被加工物がＧａＮである場合における被加工物としてのＧａＮの加工過程を図１により説明する。まず、過酸化水素水処理液により生成したヒドロキシルラジカル（活性種）１０を伴った砥粒（ＭｇＯ₂）１１がＧａＮ基板１３上に吸着する。吸着した砥粒１２表面に存在するヒドロキシルラジカルにより、下記に示す反応式（１）にしたがって、ＧａＮの表面である被加工面１３ａに存在するガリウム（Ｇａ）１４を酸化し、酸化物（酸化ガリウム；Ｇａ₂Ｏ₃）１５を生成すると考えられる。このとき、砥粒１１は微細な凹部には入り込めず、凸部に吸着するため、凸部から順次加工されていく。

そして、被加工物１３としてのＧａＮの表面の酸化反応後、被加工面１３ａに対して酸化反応により生じた酸化物層（Ｇａ₂Ｏ₃）を無機酸により除去することにより、被加工面１３ａの酸化された領域が優先的に加工されていくと考えられる。なお、酸化反応により生じた酸化物層がＧａ₂Ｏ₃の場合、酸化物層の除去には硫酸を用いることができる。斯かる場合、以下の反応式（２）にしたがって、被加工面１３ａに形成された酸化物層が優先的に加工されていく（図２）。

この様に砥粒１１表面に生成した活性種が被加工物表面原子と反応しながら進行する化学的作用が優勢な研磨方法であるため、加工ダメージが極めて小さく、また、砥粒である酸化マグネシウムのモース硬度が６であるため、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨する場合よりも表面の微小スクラッチや微小ピットの発生が抑制され、精度の高い研磨表面を得ることができる。

本実施の形態について図３を用いて説明する。回転している研磨定盤２０上に敷設された研磨パッド２１へ研磨材スラリー２２が滴下される。被研磨基板２３は治具２４へワックスにより固定されている。

被研磨基板２３の研磨パッド２１への押圧は小さ過ぎると研磨速度が極めて遅くなり、大きすぎると表面スクラッチなどの品質低下を招くため、本実施の形態における被研磨基板２３の研磨パッド２１への押圧は０．０５ＭＰａ以上０．１５ＭＰａ以下の範囲が好ましい。

本実施の形態に係る研磨パッド２１には、合成繊維、天然繊維、ガラス繊維、樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の材料を含む多孔体を用いることができる。特に、研磨パッド２１は、合成繊維、天然繊維および合成樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる多孔体であることが望ましい。このような軟らかい材料から形成された研磨パッド２１を使用すれば、被研磨基板２３へ与える研磨ダメージを抑制できるからである。例えば研磨パッド２１に使われる具体的な材料としては、ポリウレタン系材料があり、ポリウレタン自身を発泡させて多孔体を構成した研磨パッド２１や、ポリエステル系材料など他の材料にポリウレタンを結合させた研磨パッド２１などがある。

本実施の形態に係る研磨材スラリー２２は、過酸化水素水溶液に研磨砥粒として酸化マグネシウム０．５重量％以上２０重量％以下の割合で分散したものが好ましい。０．５重量％未満だと研磨砥粒の量及び研磨に寄与する活性種の量が少なくなり、研磨速度が非常に小さくなってしまう。また、２０重量％を超えると研磨砥粒の安定な分散が困難となり、凝集や沈殿を引き起こしてしまうためである。

本実施の形態に係る研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度は、重量混合比で５％以上３０％以下であることが好ましい。重量混合比で５％より小さい場合、ケミカルな反応を引き起こす活性種の生成量が減少し、十分な研磨速度が得られない。一方、重量混合比で３０％超であると研磨砥粒である酸化マグネシウムの酸化が進行し、より硬度の大きい過酸化マグネシウムの割合が増加することにより、非研磨材表面へのスクラッチや研磨ダメージが導入されてしまうからである。

研磨砥粒である酸化マグネシウムの平均粒径について特に制限はないが、１０μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは０．５μｍ以下である。平均粒径が大きすぎると、酸化マグネシウム粒子を安定な状態で研磨材スラリー２２に分散させることが困難となり、研磨中に二次凝集により平均粒径が変化する等の問題が生じるからである。また、平均粒径が大きすぎると、研磨パッド２１の孔内に酸化マグネシウム砥粒が固定されにくくなるため、研磨精度が低下してしまうためである。

以下に、本発明の化合物半導体基板のメカノケミカル研磨方法の具体例についてＧａＮ基板を例にして、比較例とともに説明する。尚、本明細書において、表面状態は光干渉式表面粗さ測定器にて測定された化合物半導体基板２３表面の中心付近のイメージを表すものである。

研磨材スラリー２２として、酸化マグネシウムからなる砥粒を、酸化剤である過酸化水素及び無機酸である硫酸に含有させたものを用いた。研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度がサンプル１において５％、サンプル２において１５％、及びサンプル３について３０％、比較例１として３％及び比較例２として４０％の研磨材スラリー２２を用いて表面状態の変化がなくなるまでＧａＮ基板をメカノケミカル研磨した。尚、研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒重量は１０％、砥粒粒径は０．５μｍとした。その結果を表１に示す。

表１には、研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度を変化させてメカノケミカル研磨した場合の比較を示している。尚、表１において、研磨速度は表面状態が最良となるまでの研磨時間が３時間以内の場合を◎、３〜６時間の場合を○、６時間以上の場合を×としている。また、表面状態に関しては、１視野（７００μｍ×５００μｍ）にスクラッチが残存する場合を×、残存しない場合を○としている。

表１に示すように、研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度が５％以上３０％以下の範囲では、スクラッチの無い表面とともに、実用上十分な研磨速度が得られる。研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度が５％に満たない場合には、研磨速度が大きく低下した。これはケミカル反応に効果のある活性種の生成量が減少したためである。一方、研磨材スラリー２２中の過酸化水素濃度が４０％の場合、研磨速度は十分得られているが、ＧａＮ基板表面のスクラッチが増加し、良好な表面が得られない。これは過酸化水素の酸化作用により、研磨砥粒である酸化マグネシウムの酸化が進行し、より硬度の大きい過酸化マグネシウムの割合が増大したためである。

研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒の重量比率がサンプル１において０．５％、サンプル２において５％、及びサンプル３について２０％、比較例１として０．３％及び比較例２として３０％の研磨材スラリーを用いて表面状態の変化がなくなるまでＧａＮ基板をメカノケミカル研磨した。尚、研磨材スラリー中の過酸化水素濃度は３０％、砥粒粒径は０．５μｍとした。その結果を表２に示す。

表２には、研磨材スラリー中の酸化マグネシウム砥粒重量を変化させてメカノケミカル研磨した場合の比較を示している。尚、表２において、研磨速度は表面状態が最良となるまでの研磨時間が３時間以内の場合を◎、３〜６時間の場合を○、６時間以上の場合を×としている。また、表面状態に関しては、１視野（７００μｍ×５００μｍ）にスクラッチが残存する場合を×、残存しない場合を○としている。

表２に示すように、研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒重量が０．５％以上２０％以下の範囲では、スクラッチの無い表面とともに、実用上十分な研磨速度が得られる。研磨材スラリー中の酸化マグネシウム砥粒重量が０．５％に満たない場合には、研磨速度が大きく低下した。これはメカニカル反応に寄与する研磨砥粒の量が少ないことに加え、それに伴ってケミカル反応に効果のある活性種の生成量が減少したためである。一方、研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒重量が３０％の場合、研磨速度は得られているが、ＧａＮ基板表面のスクラッチが増加し、良好な表面が得られない。これは研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒重量が多くなることで研磨砥粒の安定な分散が困難となり、研磨中に一次粒子が凝集し、見掛けの平均粒径が変化したためである。

研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒の平均粒径がサンプル１において約０．５μｍ、サンプル２において約１０μｍ、比較例１として約３０μｍの研磨材スラリー２２を用いて表面状態の変化がなくなるまでＧａＮ基板をメカノケミカル研磨した。尚、研磨材スラリー中の過酸化水素濃度は３０％、砥粒重量は１０％とした。その結果を表３に示す。

表３には、研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒の平均粒径を変化させてメカノケミカル研磨した場合の比較を示している。尚、表３において、研磨速度は表面状態が最良となるまでの研磨時間が３時間以内の場合を◎、３〜６時間の場合を○、６時間以上の場合を×としている。また、表面状態に関しては、１視野（７００μｍ×５００μｍ）にスクラッチが残存する場合を×、残存しない場合を○としている。

表３に示すように、研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒の平均粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲では、スクラッチの無い表面とともに、実用上十分な研磨速度が得られる。これは酸化マグネシウム砥粒の平均粒径がこの範囲では、砥粒が小さいためスクラッチを滑らかに修復し、また、砥粒の表面積が大きく、過酸化水素との反応で生成する活性種の量も増大するためである。研磨材スラリー２２中の酸化マグネシウム砥粒の平均粒径が３０μｍの場合には、研磨速度が大きく低下した。これは砥粒表面積が減少た分、それに伴ってケミカル反応に効果のある活性種の生成量が減少したためである。さらに、ＧａＮ基板表面のスクラッチが増加し、良好な表面が得られていない原因は、平均粒径が大きくなり、酸化マグネシウム粒子を安定な状態で研磨材スラリー２２に分散させることが困難となったため、研磨中に一次粒子が凝集し、見掛けの平均粒径が変化したためである。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、例えば、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、インジウムリン化ガリウム、窒化アルミニウムまたはアルミニウム窒化ガリウムであれば、ＧａＮ基板と同じ研磨材スラリーを用いてメカノケミカル研磨することができる。

１０ ヒドロキシルラジカル
１１ ヒドロキシルラジカルを伴った酸化マグネシウム
１２ 被加工物表面に吸着したヒドロキシルラジカルを伴った酸化マグネシウム
１３ 窒化ガリウム基板（化合物半導体基板）
１３ａ 窒化ガリウム基板表面（化合物半導体基板表面）
１４ 窒化ガリウム基板表面のガリウム原子
１５ 酸化反応で形成した酸化ガリウム
２０ 研磨定盤
２１ 研磨パッド
２２ 研磨材スラリー
２３ 被研磨基板（化合物半導体基板）
２４ 治具

Claims (8)

1. 周期表における１３族及び１５族から構成される化合物半導体基板の表面を研磨する方法であって、酸化マグネシウムを主成分とする砥粒を酸化剤及び無機酸に含有させた研磨材スラリーを用いて、前記化合物半導体基板の表面をメカノケミカル研磨することを特徴とする化合物半導体基板の表面研磨方法。
2. 前記化合物半導体基板が、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、インジウムリン化ガリウム、窒化アルミニウムまたはアルミニウム窒化ガリウムのいずれかである請求項１に記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
3. 前記酸化剤が過酸化水素であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
4. 前記研磨材スラリーにおける前記過酸化水素濃度が重量混合比で５重量％以上３０重量％以下であることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
5. 前記研磨材スラリーにおける前記砥粒が重量混合比で０．５重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
6. 前記無機酸が硫酸、硝酸、燐酸、塩酸のうちの少なくとも１種類である請求項１〜５いずれかに記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
7. 前記酸化マグネシウム砥粒の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。
8. 前記酸化マグネシウム砥粒の平均粒径が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の化合物半導体基板の表面研磨方法。

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