JP2013098572A - 薄膜接合基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質のＧａＮ薄膜を転移させることができる薄膜接合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】第１のＧａＮ基板のＧａ面から所定の深さにイオンを注入し、第１のイオン注入層を形成する。第１のＧａＮ基板のＧａ面に第１のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第１の異種基板を接合させる。第１のイオン注入層を境界面として第１のＧａＮ基板を分離させて、第１の異種基板に第１のＧａＮ基板から分離された第２のＧａＮ基板を形成する。第２のＧａＮ基板のＮ面から所定の深さにイオンを注入して、第２のイオン注入層を形成する。第２のＧａＮ基板のＮ面に第２のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第２の異種基板を接合させ、第２のイオン注入層を境界面として第２のＧａＮ基板及び第１の異種基板を分離させて、第２の異種基板に第２のＧａＮ基板から分離されたＧａＮ薄膜を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】第１のＧａＮ基板のＧａ面から所定の深さにイオンを注入し、第１のイオン注入層を形成する。第１のＧａＮ基板のＧａ面に第１のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第１の異種基板を接合させる。第１のイオン注入層を境界面として第１のＧａＮ基板を分離させて、第１の異種基板に第１のＧａＮ基板から分離された第２のＧａＮ基板を形成する。第２のＧａＮ基板のＮ面から所定の深さにイオンを注入して、第２のイオン注入層を形成する。第２のＧａＮ基板のＮ面に第２のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第２の異種基板を接合させ、第２のイオン注入層を境界面として第２のＧａＮ基板及び第１の異種基板を分離させて、第２の異種基板に第２のＧａＮ基板から分離されたＧａＮ薄膜を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、薄膜接合基板の製造方法に関し、より詳細には、高品質のＧａＮ薄膜を転移させることができる薄膜接合基板の製造方法に関する。
レーザーダイオードや発光ダイオード等といった半導体素子の性能及び寿命は、素子を構成するいくつかの要素によって決定されるが、特に、素子が積層されるベース基板によって多くの影響を受ける。これにより、良質の半導体基板製造のためのいくつかの方法が提示されている。そして、III‐Ｖ族化合物半導体基板に対する関心が高まっている。
ここで、代表的なIII‐Ｖ族化合物半導体基板としてＧａＮ基板を挙げることができる。ＧａＮ基板は、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等とともに、半導体素子に適用されているが、ＧａＡｓ基板及びＩｎＰ基板に比べて製造費用が非常に高い。これにより、ＧａＮ基板が利用されている半導体素子の製造費用が非常に高くなるのであるが、これは、ＧａＮ基板と、ＧａＡｓ基板及びＩｎＰ基板との製造方法の差に由来する。
すなわち、ＧａＡｓ基板及びＩｎＰ基板に対しては、ブリッジマン法、チョクラルスキー法等の液相法により結晶成長を行うため結晶成長速度が速く、たとえば、１００時間程度の結晶成長時間で厚さ２００ｍｍ以上の大きなＧａＡｓ結晶質バルク及びＩｎＰ結晶質バルクを容易に得ることができるため、こうした厚さの大きな結晶質バルクからそれぞれ厚さ２００μｍ〜４００μｍ程度のＧａＡｓ及びＩｎＰ基板を大量に、たとえば、１００個以上切り出すことができる。
これに対し、ＧａＮ基板に対しては、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の気相法により結晶成長を行うため結晶成長速度が遅く、たとえば、１００時間程度の結晶成長時間の間に厚さ１０ｍｍ程度のＧａＮ結晶質バルクしか得ることができない。こうした厚さの結晶からは、厚さ２００μｍ〜４００μｍ程度のＧａＮ基板を少量、たとえば、１０個程度しか切り出すことができない。
しかし、ＧａＮ基板の切出し個数を増加させるために、ＧａＮ結晶質バルクから切り出すＧａＮ膜の厚さを薄くすると、機械的強度が低下して、自立基板となることができない。したがって、ＧａＮ結晶質バルクから切り出されるＧａＮ薄膜の強度を補強する方法が要求されている。
従来のＧａＮ薄膜の補強方法には、ＧａＮとは化学組成が異なる異種基板上にＧａＮ薄膜を接合した基板（以下、接合基板という）を製造する方法がある。しかし、従来の接合基板の製造方法により製造した接合基板は、ＧａＮ薄膜上に半導体層を積層させる工程中に、ＧａＮ薄膜が異種基板から剥離されやすいという問題があった。
これを解決するために、イオン注入を通じた薄膜分離方法が提案されている。この方法は、異種基板と接合されるＧａＮ結晶質バルクの一面に、水素、ヘリウム又は窒素イオンを、照射を介し注入させてイオン注入層、すなわち、損傷層を形成し、損傷層が形成されたＧａＮ結晶質バルクを異種基板に直接接合及び熱処理した後、損傷層上のＧａＮ結晶質バルクを分離させてＧａＮ薄膜接合基板を製造する。
しかしながら、ＧａＮ等といった窒化物半導体基板の場合、蒸着技術による成長法を使用するため、下部層（Ｎ面）が上部層（Ｇａ面）よりも転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、密度（ｄｅｎｓｉｔｙ）等の欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）が多く分布している。それにもかかわらず多くの欠陥を含む下部層を使用して段階的に転移せざるを得ない理由は、Ｇａ面が上部に現れるように転移をしなければならないためである。これにより、従来の方法によっては、優れた品質を示すＧａＮ薄膜を転移させるのに限界があった。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、高品質のＧａＮ薄膜を転移させることができる薄膜接合基板の製造方法を提供することである。
このために、本発明は、第１のＧａＮ基板のＧａ面から所定の深さにイオンを注入して、第１のイオン注入層を形成する第１イオン注入ステップ；前記第１のＧａＮ基板のＧａ面に前記第１のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第１の異種基板を接合させる第１接合ステップ；前記第１のイオン注入層を境界面として前記第１のＧａＮ基板を分離させて、前記第１の異種基板に前記第１のＧａＮ基板から分離された第２のＧａＮ基板を形成する第１分離ステップ；前記第２のＧａＮ基板のＮ面から所定の深さにイオンを注入して、第２のイオン注入層を形成する第２イオン注入ステップ；前記第２のＧａＮ基板のＮ面に前記第２のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第２の異種基板を接合させる第２接合ステップ；及び、前記第２のイオン注入層を境界面として前記第２のＧａＮ基板及び前記第１の異種基板を分離させて、前記第２の異種基板に前記第２のＧａＮ基板から分離されたＧａＮ薄膜を形成する第２分離ステップを含むことを特徴とする薄膜接合基板の製造方法を提供する。
ここで、前記第１イオン注入ステップにおいては、第１のＧａＮ基板のＧａ面から０．１〜２μｍの深さに前記第１のイオン注入層を形成してよい。
このとき、前記イオンは、水素、ヘリウム及び窒素からなる群より選択されたいずれか一つであってよい。
また、前記第１の異種基板及び前記第２の異種基板は、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＰからなる群より選択されたいずれか一つであってよい。
なお、前記第１接合ステップにおいては、前記第１のＧａＮ基板と前記第１の異種基板を、表面活性化法又はフュージョンボンディング法から選択されたいずれか一つの方法を通じて接合させてよい。
そして、前記第２接合ステップにおいては、前記第２のＧａＮ基板と前記第２の異種基板を、表面活性化法又はフュージョンボンディング法から選択されたいずれか一つの方法によって接合させてよい。
さらに、前記第１分離ステップにおいては、前記第１のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第１のＧａＮ基板を分離させてよい。
加えて、前記第２分離ステップにおいては、前記第２のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第２のＧａＮ基板を分離させてよい。
ここで、前記第１イオン注入ステップにおいては、第１のＧａＮ基板のＧａ面から０．１〜２μｍの深さに前記第１のイオン注入層を形成してよい。
このとき、前記イオンは、水素、ヘリウム及び窒素からなる群より選択されたいずれか一つであってよい。
また、前記第１の異種基板及び前記第２の異種基板は、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＰからなる群より選択されたいずれか一つであってよい。
なお、前記第１接合ステップにおいては、前記第１のＧａＮ基板と前記第１の異種基板を、表面活性化法又はフュージョンボンディング法から選択されたいずれか一つの方法を通じて接合させてよい。
そして、前記第２接合ステップにおいては、前記第２のＧａＮ基板と前記第２の異種基板を、表面活性化法又はフュージョンボンディング法から選択されたいずれか一つの方法によって接合させてよい。
さらに、前記第１分離ステップにおいては、前記第１のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第１のＧａＮ基板を分離させてよい。
加えて、前記第２分離ステップにおいては、前記第２のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第２のＧａＮ基板を分離させてよい。
本発明によれば、自立型ＧａＮ基板の高品質層を薄膜転移に使用することができる。
また、本発明によれば、機械的加工又は化学的加工について表面加工が、自立型ＧａＮ基板の下部層（Ｎ面）と比較して相対的に容易な上部層（Ｇａ面）を加工するため、転移後の平坦度及び均一度の確保が効果的である。
また、本発明によれば、厚い自立型ＧａＮ基板から直接ＧａＮ薄膜を形成せずにＧａＮ基板分離工程を追加して、最終的に、フィルム厚の薄いＧａＮ基板をＧａＮ薄膜形成工程に使用することにより、従来ＧａＮの層転移の不安全要因として挙げられていた自立型ＧａＮの厚さ均一度（ｔｏｔａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ； ＴＴＶ）や反り（Ｂｏｗ）の問題点への影響を受けにくくすることができる。
また、本発明によれば、機械的加工又は化学的加工について表面加工が、自立型ＧａＮ基板の下部層（Ｎ面）と比較して相対的に容易な上部層（Ｇａ面）を加工するため、転移後の平坦度及び均一度の確保が効果的である。
また、本発明によれば、厚い自立型ＧａＮ基板から直接ＧａＮ薄膜を形成せずにＧａＮ基板分離工程を追加して、最終的に、フィルム厚の薄いＧａＮ基板をＧａＮ薄膜形成工程に使用することにより、従来ＧａＮの層転移の不安全要因として挙げられていた自立型ＧａＮの厚さ均一度（ｔｏｔａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ； ＴＴＶ）や反り（Ｂｏｗ）の問題点への影響を受けにくくすることができる。
以下では、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施例による薄膜接合基板の製造方法について詳細に説明する。
なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知の機能或いは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知の機能或いは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
図１に示すように、本発明の実施例による薄膜接合基板の製造方法は、ＧａＮ薄膜１１１の強度補強のために、これと化学組成が異なる異種基板１０２を接合して薄膜接合基板１０を製造するための方法であって、第１イオン注入ステップ（Ｓ１）、第１接合ステップ（Ｓ２）、第１分離ステップ（Ｓ３）、第２イオン注入ステップ（Ｓ４）、第２接合ステップ（Ｓ５）及び第２分離ステップ（Ｓ６）を含む。
まず、図２及び図３に示すように、第１イオン注入ステップ（Ｓ１）は、第１のＧａＮ基板１００のＧａ面から所定の深さにイオンを注入して、第１のイオン注入層１３０を形成するステップである。ここで、第１のＧａＮ基板１００は、ＨＶＰＥ法等の成長法を通じて成長させてよい。そして、かかる第１のＧａＮ基板１００のＧａ面にイオンを注入する前に、第１のＧａＮ基板１００の表面を研磨してよい。すなわち、接合面となる第１のＧａＮ基板１００のＧａ面を研磨して鏡面に形成してよい。このとき、第１のＧａＮ基板１００の反対側には、Ｎ面が現れる。
一方、第１イオン注入ステップ（Ｓ１）においては、第１のＧａＮ基板１００のＧａ面前方から第１のＧａＮ基板１００の内部にイオンを注入する。このとき、注入されるイオンとしては、水素、ヘリウム又は窒素のうちいずれか一つを選択して使用してよい。そして、この場合、第１のＧａＮ基板１００のＧａ面から内側に“ｈ”の深さ、たとえば、０．１〜２μｍの深さにイオンを注入させて、その位置に第１のイオン注入層１３０を形成させてよい。かかる第１のイオン注入層１３０は、後続工程の際、“ｈ”の厚さを有する第２のＧａＮ基板２００形成のための分離工程の境界面として作用することになる。
このような第１のイオン注入ステップ（Ｓ１）は、別途、イオン注入装置（図示せず）を使用して行ってよい。
次に、図４に示すように、第１接合ステップ（Ｓ２）は、第１のＧａＮ基板１００のＧａ面に第１の異種基板１０１を接合させるステップである。ここで、第１のＧａＮ基板１００と第１の異種基板１０１を接合する方法としては、低温均一接合を前提とする場合には、表面活性化法又はフュージョンボンディング法を使用してよい。このとき、表面活性化法は、接合面をプラズマに露出させてその表面を活性化させた後に接合する方法であり、フュージョンボンディング法は、洗浄した各々の表面を加圧加熱して接合する方法である。しかしながら、その他の方法を通じて第１のＧａＮ基板１００と第１の異種基板１０１を接合してもよく、本発明の実施態様において、第１のＧａＮ基板１００と第１の異種基板１０１との間の接合を特にいずれか一つの方法に限定されない。
一方、第１の異種基板１０１は、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＰからなる候補群のうちいずれか一つを選択して使用してよい。
次に、図５に示すように、第１分離ステップ（Ｓ３）は、第１のＧａＮ基板１００の内部に形成されている第１のイオン注入層１３０を境界面として第１のＧａＮ基板１００を分離させるステップであり、これによって、第１の異種基板１０１に第１のＧａＮ基板１００から分離された第２のＧａＮ基板２００を形成するステップである。第１分離ステップ（Ｓ３）においては、第１のＧａＮ基板１００を分離するために、熱処理方法や切断方法を使用してよい。ここで、熱処理方法は、第１のイオン注入層１３０が第１のＧａＮ基板１００内部のうち相対的に浅い位置に形成された場合に有用であり得る。かかる熱処理方法は、精度に優れ、実施が容易であり、確実に第１のＧａＮ基板１００を分離することができる方法であり、互いに接合された第１のＧａＮ基板１００と第１の異種基板１０１を熱処理すると、第１のイオン注入層１３０が脆化（ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）され、その部分において第１のＧａＮ基板１００が“ｈ”の厚さ或いは高さを有する第２のＧａＮ基板２００を残したまま分割される。このとき、熱処理温度は、注入されるイオンの特性に応じて３００〜６００℃に調節されてよい。また、切断方法は、第１のイオン注入層１３０が相対的に深い位置に形成された場合に有用であり得る。かかる切断方法も、精度に優れ、実施が容易であり、確実に第１のＧａＮ基板１００を分離することができる方法である。
次に、図６に示すように、第２イオン注入ステップ（Ｓ４）は、第１の異種基板１０１に形成された“ｈ”の高さ或いは厚さを有する第２のＧａＮ基板２００のＮ面から所定の深さにイオンを注入して、第２のイオン注入層２３０を形成するステップである。ここで、第２のＧａＮ基板２００のＮ面も、イオン注入前に、第２の異種基板１０２との接合強度を高めるために研磨してよい。このとき、かかる第２のＧａＮ基板２００のＮ面、すなわち、第２接合ステップにおける接合面に対する研磨を通じて最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を制御するとともに、接合面に対する研磨後にエッチング工程を進行して接合面の平均表面粗さ（Ｒａ）を制御してよい。このとき、接合面に対する最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）は１０μｍ以下に、平均表面粗さ（Ｒａ）は、１ｎｍ以下に制御することが好ましい。
第２イオン注入ステップ（Ｓ４）においては、第２のＧａＮ基板１００のＮ面前方から第２のＧａＮ基板１００の内部にイオンを注入する。このとき、注入されるイオンは、第１イオン注入ステップ（Ｓ１）と同一であってよい。すなわち、第２イオン注入ステップ（Ｓ４）において注入されるイオンとしては、水素、ヘリウム又は窒素のうちいずれか一つを選択して使用してよい。そして、注入されるイオンの深さは、第２のＧａＮ基板２００の厚さ“ｈ”よりも浅くなければならないことはもちろんである。すなわち、“ｈ”よりも浅い位置にイオンを注入させて、その位置に第２のイオン注入層２３０を形成させる。かかる第２のイオン注入層２３０は、後続工程の際、ＧａＮ薄膜１１１形成のための分離工程の境界面として作用することになる。
このような第２イオン注入ステップ（Ｓ４）は、第１イオン注入ステップ（Ｓ１）と同様に、別途、イオン注入装置（図示せず）を使用して行ってよい。
次に、図７に示すように、第２接合ステップ（Ｓ５）は、第２のＧａＮ基板２００のＮ面に、これとは化学組成が異なる基板である第２の異種基板１０２を接合させるステップである。ここで、第２接合ステップ（Ｓ５）を進行する前に、互いに接合される第２のＧａＮ基板２００と第２の異種基板１０２との間の接合強度向上のために、たとえば、第２のＧａＮ基板２００のＮ面を塩素ガスでエッチングし、第２の異種基板１０２の表面をアルゴンガスでエッチングしてよい。
このように、各々の接合面に対するエッチングを通じて接合面を清浄面とした後、第２接合ステップ（Ｓ５）に従い、第２のＧａＮ基板２００のＮ面に第２の異種基板１０２を接合させる。このとき、第２のＧａＮ基板２００と第２の異種基板１０２を接合する方法としては、第１接合ステップ（Ｓ２）における第１のＧａＮ基板１００と第１の異種基板１０１との間の接合と同様に、低温均一接合を前提とする場合には、表面活性化法又はフュージョンボンディング法を使用してよいが、これらに限定されるものではない。
一方、第２の異種基板１０２もまた、第１の異種基板１０１と同様に、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＰからなる候補群のうちいずれか一つを選択して使用してよい。
最後に、図８に示すように、第２分離ステップ（Ｓ６）は、第２のＧａＮ基板２００の内部に形成されている第２のイオン注入層２３０を境界面として第２のＧａＮ基板２００及び第１の異種基板１０１を分離させるステップであり、これを通じて、第２の異種基板１０２に第２のＧａＮ基板２００から分離されたＧａＮ薄膜１１１を形成するステップである。第２分離ステップ（Ｓ６）は、第１分離ステップ（Ｓ３）と同一の方法で実施してよい。すなわち、第２分離ステップ（Ｓ６）においては、第２のＧａＮ基板２００を分離するために、熱処理方法や切断方法を使用してよい。
このように、熱処理又は切断のうちいずれか一つの方法を通じて第２のＧａＮ基板２００を分離させると、図９に示すように、第２の異種基板１０２及び第２のＧａＮ基板２００から分離され、Ｇａ面を露出させるＧａＮ薄膜１１１からなる薄膜接合基板１０の製造が完了する。
以上のように、本発明は、特定の実施態様と図面により説明されたが、本発明は前記実施態様に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、かかる記載から、多様な修正及び変形が可能である。
それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に局限されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に局限されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
１００：第１のＧａＮ基板
１０１：第１の異種基板
１０２：第２の異種基板
１１１：ＧａＮ薄膜
１３０：第１のイオン注入層
２００：第２のＧａＮ基板
２３０：第２のイオン注入層
１０：薄膜接合基板
１０１：第１の異種基板
１０２：第２の異種基板
１１１：ＧａＮ薄膜
１３０：第１のイオン注入層
２００：第２のＧａＮ基板
２３０：第２のイオン注入層
１０：薄膜接合基板
Claims (7)
- 第１のＧａＮ基板のＧａ面から所定の深さにイオンを注入して、第１のイオン注入層を形成する第１イオン注入ステップ；
前記第１のＧａＮ基板のＧａ面に前記第１のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第１の異種基板を接合させる第１接合ステップ；
前記第１のイオン注入層を境界面として前記第１のＧａＮ基板を分離させて、前記第１の異種基板に前記第１のＧａＮ基板から分離された第２のＧａＮ基板を形成する第１分離ステップ；
前記第２のＧａＮ基板のＮ面から所定の深さにイオンを注入して、第２のイオン注入層を形成する第２イオン注入ステップ；
前記第２のＧａＮ基板のＮ面に前記第２のＧａＮ基板と化学組成が異なる基板である第２の異種基板を接合させる第２接合ステップ；及び
前記第２のイオン注入層を境界面として前記第２のＧａＮ基板及び前記第１の異種基板を分離させて、前記第２の異種基板に前記第２のＧａＮ基板から分離されたＧａＮ薄膜を形成する第２分離ステップ；
を含むことを特徴とする薄膜接合基板の製造方法。 - 前記第１の異種基板及び前記第２の異種基板は、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＰからなる群より選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜接合基板の製造方法。
- 前記第１イオン注入ステップにおいては、第１のＧａＮ基板のＧａ面から０．１〜２μｍの深さに前記第１のイオン注入層を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の薄膜接合基板の製造方法。
- 前記イオンは、水素、ヘリウム及び窒素からなる群より選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜接合基板の製造方法。
- 前記第１接合ステップ及び第２接合ステップのいずれか一方においては、前記第１のＧａＮ基板と前記第１の異種基板を、表面活性化法又はフュージョンボンディング法から選択されたいずれか一つの方法によって接合させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜接合基板の製造方法。
- 前記第１分離ステップにおいては、前記第１のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第１のＧａＮ基板を分離させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜接合基板の製造方法。
- 前記第２分離ステップにおいては、前記第２のイオン注入層を熱処理又は切断して前記第２のＧａＮ基板を分離させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜接合基板の製造方法。
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