JP2013209226A - Method of manufacturing semiconductor bulk crystal - Google Patents

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Satoru Nagao
哲 長尾
So Matsumoto
創 松本
Tatsuhiro Ohata
達寛 大畑
Yasuhiro Uchiyama
泰宏 内山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor bulk crystal in which a crystal crack at processing molding treatment of a compound semiconductor single crystal layer formed by an epitaxial growth method is prevented, and a yield is improved.SOLUTION: A method of manufacturing a semiconductor bulk crystal manufactures the semiconductor bulk crystal such that a compound semiconductor single crystal layer 2 is made to grow epitaxially on a groundwork substrate 1, wherein a crystalline complex (a crystal that is in such a state that the groundwork substrate 1 and the compound semiconductor single crystal layer 2 are combined) is prepared so that a cavity 3 is formed in a vicinity of a boundary of the groundwork substrate 1 and the compound semiconductor single crystal layer 2, the crystalline complex is heated at a temperature of at least 1,000°C, and thereby the groundwork substrate 1 and the compound semiconductor single crystal layer 2 can be separated without causing a crystal crack.

Description

本発明は、半導体バルク結晶の製造方法に関し、より詳しくはエピタキシャル成長による半導体バルク結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor bulk crystal, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor bulk crystal by epitaxial growth.

半導体結晶を下地基板として用い、かかる下地基板上に化合物半導体単結晶層を成長させるエピタキシャル成長法は、半導体バルク結晶の製造方法として広く利用されており、例えば窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII族窒化物半導体結晶の製造技術としても検討が進んでいる。III族窒化物半導体結晶は、紫外・青色等の発光ダイオードや半導体レーザ等の比較的短波長側の発光素子として実用化されているが、同種の材料、即ちIII族窒化物半導体結晶を基板として製造されることが好ましく、かかる基板となり得るIII族窒化物半導体結晶を製造する技術として、ハライド気相成長法(HVPE法)や有機金属化学蒸着法(MOCVD法)等のエピタキシャル成長法が盛んに研究されている。   An epitaxial growth method using a semiconductor crystal as a base substrate and growing a compound semiconductor single crystal layer on the base substrate is widely used as a method for manufacturing a semiconductor bulk crystal. For example, a group III represented by gallium nitride (GaN) is used. Studies are also progressing as a manufacturing technique of nitride semiconductor crystals. Group III nitride semiconductor crystals have been put into practical use as light emitting elements on the relatively short wavelength side such as light emitting diodes and semiconductor lasers such as ultraviolet and blue, etc., but the same type of material, that is, group III nitride semiconductor crystals are used as substrates. Epitaxial growth methods such as halide vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are actively researched as techniques for producing Group III nitride semiconductor crystals that can be used as substrates. Has been.

エピタキシャル成長法を利用した半導体バルク結晶の製造方法については、様々な課題が報告されており、その解決手段も数々報告されている。例えば、サファイアや炭化珪素等の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる場合(ヘテロエピタキシャル成長)、下地基板と形成したIII族窒化物半導体結晶層の界面付近に歪みが生じ、結晶にクラックが発生してしまったり、下地基板を除去した際に結晶が反ってしまうという課題が報告されている。かかる課題に対しては、例えば下地基板と結晶層の間に空洞を形成する方法(特許文献1参照)、結晶成長後に結晶を1150℃以上の温度で熱処理(いわゆるアニール処理)する方法等が提案されている(特許文献2参照)。   Various problems have been reported with respect to a method for producing a semiconductor bulk crystal using an epitaxial growth method, and a number of means for solving it have been reported. For example, when a group III nitride semiconductor crystal layer is epitaxially grown using a base substrate such as sapphire or silicon carbide (heteroepitaxial growth), distortion occurs near the interface between the base substrate and the formed group III nitride semiconductor crystal layer. There have been reports of problems such as cracks occurring and crystal warping when the underlying substrate is removed. For example, a method of forming a cavity between the base substrate and the crystal layer (see Patent Document 1), a method of heat-treating the crystal at a temperature of 1150 ° C. or higher after the crystal growth (so-called annealing treatment), etc. are proposed. (See Patent Document 2).

特開2000−106455号公報JP 2000-106455 A 特開2003−277195号公報JP 2003-277195 A

エピタキシャル成長法によって形成した化合物半導体単結晶層を、例えば素子等の基板として製品化するためには、結晶をスライスしたり、表面を研磨したりする成型加工処理が必要となるが、このような処理においてしばしば結晶割れ(クラック)が生じることがあり、基板等の製造における歩留り低下の要因となっていた。
本発明は、成型加工処理時に生じる結晶割れ(クラック)を防止し、半導体バルク結晶の製造における歩留りを改善することを課題とする。
In order to commercialize a compound semiconductor single crystal layer formed by an epitaxial growth method as a substrate for an element, for example, a molding process for slicing the crystal or polishing the surface is necessary. In many cases, crystal cracks (cracks) sometimes occur, and this is a cause of yield reduction in the production of substrates and the like.
An object of the present invention is to prevent crystal cracks (cracks) that occur during molding processing and to improve the yield in the production of semiconductor bulk crystals.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、下地基板上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させて半導体バルク結晶を製造する半導体バルク結晶の製造方法において、下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞が形成するように結晶複合体(下地基板と化合物半導体単結晶層とが一体となっている状態にある結晶)を調製し、かかる結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱することにより、結晶割れ(クラック)を生じることなく、下地基板と化合物半導体単結晶層とを分離することできることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention, in a semiconductor bulk crystal manufacturing method for manufacturing a semiconductor bulk crystal by epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on a base substrate, A crystal composite (a crystal in which the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are integrated) is prepared so that a cavity is formed in the vicinity of the boundary of the compound semiconductor single crystal layer, and the crystal composite is heated to 1000 ° C. It has been found that by heating at the above temperature, the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer can be separated without causing crystal cracks (cracks), and the present invention has been completed.

即ち、本発明は以下の通りである。
(1) 下地基板と前記下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する結晶複合体を準備する準備工程、及び前記結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱し、前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程を含むことを特徴とする半導体バルク結晶の製造方法。
(2) 前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層が、下記式で表される格子不整合度の条件を満たすものである、(1)に記載の半導体バルク結晶の製造方法。
2|a1−a2|/[a1+a2]≦1×10-3
(式中、a1は下地基板の格子定数であって前記エピタキシャル成長の方向に直交する結晶軸の格子定数を、a2は化合物半導体単結晶層の格子定数であってエピタキシャル成長の方向に直交する結晶軸の格子定数を表す。)
(3) 前記分離工程が、酸素源の存在下で加熱する工程である、(1)又は(2)に記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(4) 前記分離工程が、水(H2O)の存在下で加熱する工程である、(3)に記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(5) 前記下地基板の厚みが100μm以上1mm以下である、(1)〜(4)の何れかに記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(6) 前記結晶複合体における前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層の接触面積が、前記下地基板の主面の総面積の10%以上90%以下である、(1)〜(5)の何れかに記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(7) 前記化合物半導体単結晶層が、ハライド気相成長法(HVPE法)によって形成したものである、(1)〜(6)の何れかに記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(8) 前記下地基板及び前記化合物半導体単結晶層が、III族窒化物半導体結晶である、(1)〜(7)の何れかに記載の半導体バルク結晶の製造方法。
(9) 前記下地基板の主面がC面である、(8)に記載の半導体バルク結晶の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
(1) A crystal composite including a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on a main surface of the base substrate and further having a cavity near a boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer is prepared. A semiconductor bulk crystal comprising: a preparatory step; and a separation step of heating the crystal complex at a temperature of 1000 ° C. or higher to separate the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal Manufacturing method.
(2) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to (1), wherein the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer satisfy a condition of a lattice mismatch degree represented by the following formula.
2 | a 1 −a 2 | / [a 1 + a 2 ] ≦ 1 × 10 −3
(Wherein a 1 is the lattice constant of the underlying substrate and the lattice constant of the crystal axis perpendicular to the direction of epitaxial growth, and a 2 is the lattice constant of the compound semiconductor single crystal layer and orthogonal to the direction of epitaxial growth. Represents the lattice constant of the axis.)
(3) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to (1) or (2), wherein the separation step is a step of heating in the presence of an oxygen source.
(4) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to (3), wherein the separation step is a step of heating in the presence of water (H 2 O).
(5) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to any one of (1) to (4), wherein the thickness of the base substrate is 100 μm or more and 1 mm or less.
(6) The contact area between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer in the crystal composite is 10% or more and 90% or less of the total area of the main surface of the base substrate. The manufacturing method of the semiconductor bulk crystal in any one.
(7) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to any one of (1) to (6), wherein the compound semiconductor single crystal layer is formed by a halide vapor phase epitaxy (HVPE method).
(8) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to any one of (1) to (7), wherein the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are group III nitride semiconductor crystals.
(9) The method for producing a semiconductor bulk crystal according to (8), wherein a main surface of the base substrate is a C plane.

本発明によれば、エピタキシャル成長法によって形成した化合物半導体単結晶層の成型加工処理時の割れ(クラック)を防止することができ、半導体バルク結晶の製造における歩留まりを改善することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crack (crack) at the time of the shaping | molding process of the compound semiconductor single crystal layer formed by the epitaxial growth method can be prevented, and the yield in manufacture of a semiconductor bulk crystal can be improved.

本発明に係る結晶複合体を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the crystal composite_body | complex which concerns on this invention. 化合物半導体単結晶層を形成するための装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus for forming a compound semiconductor single crystal layer. 下地基板の主面上に凹凸を形成するための加工手順を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the process sequence for forming an unevenness | corrugation on the main surface of a base substrate. 本発明に係る分離工程を実施するための装置を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the apparatus for implementing the isolation | separation process which concerns on this invention.

本発明の半導体バルク結晶の製造方法の詳細を説明するに当たり、III族窒化物半導体結晶における実施態様や具体例を挙げて説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。
さらに、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
In describing the details of the method for producing a semiconductor bulk crystal of the present invention, embodiments and specific examples of the group III nitride semiconductor crystal will be described. However, the present invention is limited to the following contents without departing from the spirit of the present invention. It can be implemented with appropriate modifications.
Furthermore, the numerical range expressed using “to” in the present specification means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[本発明の半導体バルク結晶の製造方法]
本発明の半導体バルク結晶の製造方法(以下、「本発明の製造方法」と略す場合がある。)は、「下地基板と下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する結晶複合体を準備する準備工程(以下、「準備工程」と略す場合がある。)」、及び「結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱し、前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程(以下、「分離工程」と略す場合がある。)」を含むことを特徴とする。
本発明者らは、下地基板上に化合物半導体単結晶層(成長層)をエピタキシャル成長(結晶成長)させる半導体バルク結晶の製造過程において、以下の(a)及び(b)の手法を組み合わせることにより、結晶割れ(クラック)を生じることなく下地基板と化合物半導体単結晶層とを自然に分離させること、或いは軽微な力を加えることにより、簡易的に分離させることができることを見出した。
(a)下地基板の形状や結晶成長条件等を工夫して、下地基板と成長層の境界付近に空洞(ボイド)を形成させる。
(b)下地基板と化合物半導体単結晶層が一体となった結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱処理(いわゆる、アニール処理)する。
(a)及び(b)の手法は、どちらも下地基板と成長層の界面付近に生じる歪みを緩和する効果のある手法であり、例えば(a)の手法は空洞(ボイド)が緩衝領域として作用すると考えられ、(b)の手法は生じた歪みを解放する作用があると考えられる。従って、(a)又は(b)のどちらかの手法を行った結晶複合体(下地基板と化合物半導体単結晶層とが一体となっている状態にある結晶)では、本来歪みは緩和されているはずであり、下地基板と成長層とが自然に分離されることは通常考えにくいものである。特に下地基板と形成する化合物半導体単結晶層が同種であるホモエピタキシャル成長においては、そもそも発生する歪みは比較的小さいものであり、(a)又は(b)のどちらかの手法を行うことによって歪みは十分に緩和されているものと考えられる。しかしながら、本発明者らは、(a)及び(b)の手法を組み合せることにより、空洞(ボイド)を境として下地基板と成長層とが自然に分離するという事実を見出しており、かかるは(a)又は(b)のどちらかの手法を行っても、依然として下地基板と成長層の間に歪みが残存していることを裏付けるものであると言える。
[Method for Producing Semiconductor Bulk Crystal of the Present Invention]
The method for producing a semiconductor bulk crystal of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “manufacturing method of the present invention”) includes “a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on the main surface of the base substrate”. Furthermore, a preparatory step for preparing a crystal composite having a cavity near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer (hereinafter sometimes referred to as “preparation step”) ”, and“ the crystal composite at 1000 ° C. or higher ” And a separation step of separating the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal (hereinafter sometimes abbreviated as “separation step”) ”. .
In the process of manufacturing a semiconductor bulk crystal in which a compound semiconductor single crystal layer (growth layer) is epitaxially grown (crystal growth) on a base substrate, the present inventors combine the following methods (a) and (b): It has been found that the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer can be separated naturally without generating crystal cracks (cracks) or can be easily separated by applying a slight force.
(A) The shape of the base substrate, crystal growth conditions, etc. are devised to form a void near the boundary between the base substrate and the growth layer.
(B) The crystal composite in which the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are integrated is subjected to a heat treatment (so-called annealing treatment) at a temperature of 1000 ° C. or higher.
Both the methods (a) and (b) are effective in reducing the distortion generated near the interface between the base substrate and the growth layer. For example, the method (a) has a void acting as a buffer region. Therefore, it is considered that the method (b) has an action of releasing the generated distortion. Therefore, in the crystal composite (the crystal in which the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are integrated) subjected to either of the methods (a) or (b), the strain is originally relaxed. That is, it is usually difficult to think that the base substrate and the growth layer are naturally separated. In particular, in homoepitaxial growth in which the compound semiconductor single crystal layer to be formed is the same type as that of the base substrate, the strain generated is relatively small in the first place. It is thought that it has been sufficiently relaxed. However, the present inventors have found the fact that by combining the methods (a) and (b), the base substrate and the growth layer are naturally separated from each other with a void as a boundary. Even if the method of either (a) or (b) is performed, it can be said that the strain still remains between the base substrate and the growth layer.

<下地基板と下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する結晶複合体を準備する準備工程>
本発明の製造方法は、「下地基板と下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する結晶複合体(以下、「本発明に係る結晶複合体」と略す場合がある。)を準備する準備工程(以下、「本発明に係る準備工程」と略す場合がある。)」を含むことを特徴とする。
「結晶複合体」とは、下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層を形成し、下地基板とかかる化合物半導体単結晶層とが一体となっている状態にある結晶を意味し、本発明においては特に下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有することを特徴とするものである。「下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する」とは、具体的には下地基板と化合物半導体単結晶層の境界面と空洞との最短距離が100μm以内になる位置に空洞が存在することを意味するものとする。
また、「結晶複合体を準備する」とは、下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層を形成して結晶複合体を作製するほか、かかる結晶複合体を入手することも含まれることとする。なお、本発明において「主面」とは下地基板又は化合物半導体単結晶層上の面のうち、最も広い面を意味するものとする。
<Preparation step of preparing a crystal composite including a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on the main surface of the base substrate and further having a cavity near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer>
The manufacturing method of the present invention is “a crystal composite including a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on the main surface of the base substrate, and further having a cavity near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer ( Hereinafter, it is characterized by including a preparatory step for preparing “a crystal complex according to the present invention” (hereinafter, abbreviated as “a preparatory step according to the present invention”) ”.
“Crystal complex” means a crystal in which a compound semiconductor single crystal layer is formed on a main surface of a base substrate and the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are integrated, and the present invention. Is characterized in that it has a cavity in the vicinity of the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer. Specifically, “having a cavity near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer” specifically means that the cavity is located at a position where the shortest distance between the boundary surface between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer and the cavity is within 100 μm. It means to exist.
“Preparing a crystal composite” includes preparing a crystal composite by forming a compound semiconductor single crystal layer on a main surface of a base substrate, and obtaining such a crystal composite. To do. In the present invention, the “main surface” means the widest surface among the surfaces on the base substrate or the compound semiconductor single crystal layer.

本発明に係る結晶複合体は、下地基板と下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有するものであれば、その他については特に限定されないが、以下本発明に係る結晶複合体の好ましい形態について説明する。
結晶複合体中の空洞は、下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近、即ち、下地基板
と化合物半導体単結晶層の境界面と空洞との最短距離が100μm以内になる位置に存在すれば、具体的な位置は特に限定されないが、図1の1a、1b、又は1cに示されるように(図1中、1が下地基板、2が化合物半導体単結晶層、3が空洞を表す。)、下地基板と化合物半導体単結晶層の両方に接する位置に存在することが好ましい。空洞が下地基板と化合物半導体単結晶層の両方に接する位置に存在することにより、下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近を境にして分離し易くなる傾向にある。
空洞の形状、数、分布等は特に限定されないが、下地基板と化合物半導体単結晶層との分離が容易になる観点から、空洞は下地基板と化合物半導体単結晶層の境界付近に広く分布していることが好ましい。具体的には図1に示されるように、複数の直方体状の空洞が、下地基板と化合物半導体単結晶層の境界面と平行に、かつ空洞同士も平行になるように配列した形態が挙げられる。なお、直方体の長辺(図1中の7)の方位は、III族窒化物半導体結晶の場合、M面又はA面((11−20)面及びかかる面と結晶幾何学的に等価な面に平行であることが好ましい。空洞の幅(図1中の4)は通常0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは1μm以上であり、通常1mm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは200μm以下である。空洞の高さ(図1中の5)は通常0.1μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上であり、通常1mm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは200μm以下である。非空洞部分の幅(図1中の6)は、通常0.1μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上であり、通常13mm以下、好ましくは2mm以下、より好ましくは1mm以下である。上記のような結晶複合体であると、下地基板と化合物半導体単結晶層とを自然に分離させる、又は簡易的に分離させることができる。
結晶複合体中の下地基板の厚み(最大厚み)は、通常100μm以上、好ましくは200μm以上、より好ましくは300μm以上であり、通常1mm以下、好ましくは800μm以下、より好ましくは600μm以下である。
結晶複合体中の化合物半導体単結晶層の成長厚み(最大厚み)は、通常30μm以上、好ましくは100μm以上、より好ましくは200μm以上であり、通常50000μm以下、好ましくは25000μm以下、より好ましくは10000μm以下である。上記範囲内であると、本発明の効果を生かすことができる。
また、結晶複合体中の空洞は、下地基板と化合物半導体単結晶層の両方に接する位置に存在することが好ましいことを前述したが、かかる場合において、下地基板と化合物半導体単結晶層の接触面積は下地基板の主面の総面積(下地基板の主面を化合物半導体単結晶層の成長方向に投影した投影面の面積)の10%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、30%以上であることがさらに好ましい。また、下地基板と化合物半導体単結晶層の接触面積は、結晶複合体の主面の総面積の95%以下であることが好ましく、92%以下であることがより好ましく、90%以下であることがさらに好ましい。上記範囲内であると、下地基板と形成した化合物半導体単結晶層とを自然に分離させる、又はより簡易的に分離させることができる。なお、成長方向とは、結晶全体の成長において主として成長する方向であり、結晶の厚み方向に相当する。
The crystal composite according to the present invention includes a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on the main surface of the base substrate, and further has a cavity near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer. For example, the other embodiments are not particularly limited, but preferred embodiments of the crystal composite according to the present invention will be described below.
If the cavity in the crystal composite exists in the vicinity of the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer, that is, at the position where the shortest distance between the boundary surface of the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer and the cavity is within 100 μm, Although the specific position is not particularly limited, as shown in 1a, 1b, or 1c of FIG. 1 (in FIG. 1, 1 represents a base substrate, 2 represents a compound semiconductor single crystal layer, and 3 represents a cavity). It is preferably present at a position in contact with both the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer. The presence of the cavity at a position in contact with both the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer tends to facilitate separation near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer.
The shape, number, distribution, etc. of the cavities are not particularly limited, but from the viewpoint of easy separation of the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer, the cavities are widely distributed near the boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer. Preferably it is. Specifically, as shown in FIG. 1, a configuration in which a plurality of rectangular parallelepiped cavities are arranged in parallel with the boundary surface between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer and also with the cavities parallel to each other can be mentioned. . Note that the orientation of the long side of the rectangular parallelepiped (7 in FIG. 1) is the M plane or the A plane ((11-20) plane and a plane that is crystal geometrically equivalent to this plane in the case of a group III nitride semiconductor crystal. The width of the cavity (4 in FIG. 1) is usually 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, usually 1 mm or less, preferably 500 μm or less, more The height of the cavity (5 in FIG. 1) is usually 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 500 μm or less, more preferably The width of the non-cavity part (6 in FIG. 1) is usually 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and usually 13 mm or less, preferably 2 mm or less. Preferably it is 1mm or less. If it is the crystalline complex as described above, thereby separating the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer spontaneously or can be easily separated.
The thickness (maximum thickness) of the base substrate in the crystal composite is usually 100 μm or more, preferably 200 μm or more, more preferably 300 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 800 μm or less, more preferably 600 μm or less.
The growth thickness (maximum thickness) of the compound semiconductor single crystal layer in the crystal complex is usually 30 μm or more, preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and usually 50,000 μm or less, preferably 25000 μm or less, more preferably 10,000 μm or less. It is. The effect of this invention can be utilized as it is in the said range.
In addition, as described above, it is preferable that the cavity in the crystal composite exists at a position in contact with both the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer. In such a case, the contact area between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer is Is preferably 10% or more, more preferably 20% or more of the total area of the main surface of the base substrate (the area of the projection surface obtained by projecting the main surface of the base substrate in the growth direction of the compound semiconductor single crystal layer). Preferably, it is 30% or more. The contact area between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer is preferably 95% or less of the total area of the main surface of the crystal composite, more preferably 92% or less, and 90% or less. Is more preferable. Within the above range, the base substrate and the formed compound semiconductor single crystal layer can be separated naturally or more easily. It should be noted that the growth direction is a direction mainly growing in the growth of the entire crystal and corresponds to the thickness direction of the crystal.

化合物半導体単結晶層の種類、即ち、本発明の製造方法によって製造される半導体バルク結晶の種類は特に限定されないが、III族窒化物半導体結晶の製造に特に好適である。また、III族窒化物半導体結晶の具体的種類も特に限定されないが、例えば、GaN、AlN、InN等の1種類のIII族元素からなる窒化物のほかに、GaInN、GaAlN等の2種類以上のIII族元素からなる混晶が挙げられる。   The kind of compound semiconductor single crystal layer, that is, the kind of semiconductor bulk crystal produced by the production method of the present invention is not particularly limited, but is particularly suitable for the production of a group III nitride semiconductor crystal. In addition, the specific type of the group III nitride semiconductor crystal is not particularly limited. For example, in addition to a nitride composed of one group III element such as GaN, AlN, and InN, two or more types such as GaInN and GaAlN are used. A mixed crystal composed of a group III element is exemplified.

本発明に係る下地基板の種類は特に限定されないが、下地基板と化合物半導体単結晶層が下記式で表される格子不整合度の条件を満たすように、下地基板を選択することが好ましい。なお、かかる格子不整合度は、完全結晶の格子定数から算出される理論値を意味するものである。
2|a1−a2|/[a1+a2]≦1×10-3
(式中、a1は下地基板の格子定数であって前記化合物半導体単結晶層の成長方向に直交する結晶軸の格子定数を、a2は化合物半導体単結晶層の格子定数であって前記化合物半導体単結晶層の成長方向に直交する結晶軸の格子定数を表す。)
下地基板と形成する化合物半導体単結晶層の格子不整合度は、5×10-4以下であることがより好ましく、1×10-4以下であることがさらに好ましく1×10-5以下であることが特に好ましい。上記範囲内であると、転位密度等の少ない高品質な半導体バルク結晶を製造することができる。
例えば化合物半導体単結晶層の種類がIII族窒化物半導体結晶である場合、下地基板としては、サファイア、ZnO、BeO等の金属酸化物、SiC、Si等の珪素含有物、及びGaN、InGaN、AlGaN等のIII族窒化物半導体結晶等が挙げられるが、前述の格子不整合度の条件を満たす下地基板としては、成長させるIII族窒化物半導体結晶と同一組成のIII族窒化物半導体結晶が好ましいと言える。
なお、下地基板は、単結晶基板であっても、或いは単結晶基板上にエピタキシャル膜が形成されたいわゆる「エピ基板」や積層体が形成されたものであってもよい。但し、下地基板と化合物半導体単結晶層との分離が容易になる観点から、単結晶基板であることが好ましい。
The type of the base substrate according to the present invention is not particularly limited, but it is preferable to select the base substrate so that the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer satisfy the condition of the degree of lattice mismatch represented by the following formula. The degree of lattice mismatch means a theoretical value calculated from the lattice constant of a complete crystal.
2 | a 1 −a 2 | / [a 1 + a 2 ] ≦ 1 × 10 −3
(Wherein a 1 is the lattice constant of the underlying substrate and the lattice constant of the crystal axis perpendicular to the growth direction of the compound semiconductor single crystal layer, and a 2 is the lattice constant of the compound semiconductor single crystal layer and the compound (Represents the lattice constant of the crystal axis perpendicular to the growth direction of the semiconductor single crystal layer.)
The degree of lattice mismatch between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer to be formed is more preferably 5 × 10 −4 or less, further preferably 1 × 10 −4 or less, and further preferably 1 × 10 −5 or less. It is particularly preferred. Within the above range, a high-quality semiconductor bulk crystal having a low dislocation density or the like can be produced.
For example, when the type of the compound semiconductor single crystal layer is a group III nitride semiconductor crystal, the base substrate includes metal oxides such as sapphire, ZnO, and BeO, silicon-containing materials such as SiC and Si, and GaN, InGaN, and AlGaN. Group III nitride semiconductor crystals, etc., but as the base substrate that satisfies the above-mentioned lattice mismatch degree, a group III nitride semiconductor crystal having the same composition as the group III nitride semiconductor crystal to be grown is preferable. I can say that.
The base substrate may be a single crystal substrate, or may be a so-called “epi substrate” in which an epitaxial film is formed on a single crystal substrate or a laminate. However, a single crystal substrate is preferable from the viewpoint of easy separation of the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer.

下地基板の主面の結晶面(指数面)は特に限定されず、例えばIII族窒化物半導体結晶を下地基板とする場合には、C面(極性面)、A面やM面等の非極性面、S面等の半極性面等のいずれであってもよい。なお、「C面」とは六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)を有するIII族窒化物半導体結晶における(0001)面及び(000−1)面を、「A面」とは(2−1−10)面及びかかる面と結晶幾何学的に等価な面を、「M面」とは(10−10)面及びかかる面と結晶幾何学的に等価な面を意味するものである。さらに「S面等の半極性面」とは、C面、即ち(0001)面に対して傾いた面であり、III族元素と窒素元素の存在比が1:1でない面を意味する。具体的には(10−11)面、(10−1−1)面、(20−21)面、(20−2−1)面、(10−12)面、(10−1−2)面などを挙げることができる。また、結晶面は±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から、10°以内のオフ角を有する範囲内の面を含むものであり、好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。
下地基板の主面の結晶面は、例えば最終製造物の結晶面を考慮して適宜採用することが好ましい。C面を主面とするIII族窒化物半導体結晶を製造する場合には、C面を主面とするIII族窒化物半導体結晶を下地基板として採用することが効率的である。また、M面を主面とするIII族窒化物半導体結晶を製造する場合には、M面を主面とするIII族窒化物半導体結晶を下地基板として採用することが効率的である。
The crystal plane (index plane) of the main surface of the base substrate is not particularly limited. For example, when a group III nitride semiconductor crystal is used as the base substrate, non-polarity such as C plane (polar plane), A plane, M plane, etc. Any of a semipolar surface such as a surface or an S surface may be used. The “C plane” refers to the (0001) plane and the (000-1) plane in the group III nitride semiconductor crystal having a hexagonal crystal structure (Wurtzite crystal structure), and the “A plane” refers to (2-1 -10) A plane and a plane geometrically equivalent to such plane, and "M plane" means a (10-10) plane and a plane geometrically equivalent to such plane. Further, the “semipolar plane such as S plane” means a plane that is inclined with respect to the C plane, that is, the (0001) plane, and the abundance ratio of the group III element and the nitrogen element is not 1: 1. Specifically, (10-11) plane, (10-1-1) plane, (20-21) plane, (20-2-1) plane, (10-12) plane, (10-1-2) A surface etc. can be mentioned. The crystal plane includes a plane within a range having an off angle of 10 ° or less from each crystal axis measured with an accuracy of ± 0.01 ° or less, preferably an off angle of 5 ° or less. More preferably, it is within 3 °.
The crystal plane of the main surface of the base substrate is preferably adopted as appropriate in consideration of the crystal plane of the final product, for example. When manufacturing a group III nitride semiconductor crystal having a C-plane as a main surface, it is efficient to employ a group III nitride semiconductor crystal having a C-plane as a main surface as a base substrate. Further, when a group III nitride semiconductor crystal having an M plane as a main surface is manufactured, it is efficient to employ a group III nitride semiconductor crystal having an M plane as a main surface as a base substrate.

本発明に係る準備工程は、前述のように下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層を形成して本発明に係る結晶複合体を作製することを含むものであるが、本発明に係る結晶複合体を作製する方法としては、例えば(A)下地基板の主面上に凹凸を形成し、かかる主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させる方法、及び(B)下地基板の主面上にマスクを形成し、かかる主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させた後、かかるマスクを取り除く方法等が挙げられる。以下、(A)及び(B)の方法の詳細について説明する。   The preparation step according to the present invention includes forming the compound semiconductor single crystal layer on the main surface of the base substrate as described above to produce the crystal composite according to the present invention. For example, (A) a method of forming irregularities on the main surface of the base substrate and epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on the main surface; and (B) a main surface of the base substrate. Examples include a method of removing a mask after forming a mask and epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on the main surface. Hereinafter, the details of the methods (A) and (B) will be described.

(A)下地基板の主面上に凹凸を形成し、かかる主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させる方法
「下地基板の主面上に凹凸を形成」するとは、具体的には下地基板の主面を図3Nに示されるような構造に加工することを意味する。凹凸は化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させて結晶複合体を作製した際の空洞又は空洞のきっかけとなる構造であり、凹凸の形状は目的とする空洞の形状に応じて適宜設定すべきものである。
下地基板の主面上に凹凸を形成する方法としては、公知のフォトリソグラフィ法により
下地基板上にマスクパターンを形成し、マスクのない開口部をエッチングして溝を形成する方法が挙げられる。具体的には、(1)マスク形成→(2)フォトレジスト塗布→(3)露光→(4)現像→(5)マスク除去及びフォトレジスト除去→(6)エッチング→(7)マスク除去の手順により進められるものであるが、本発明はかかる態様に限定されず、目的に応じて公知の方法を適宜採用して変更してもよい。なお、下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させる具体的方法については、後述するものとする。
(A) A method of forming irregularities on the main surface of the base substrate and epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on the main surface. “Forming irregularities on the main surface of the base substrate” specifically refers to the base substrate. Is processed into a structure as shown in FIG. 3N. The irregularities are cavities or structures that trigger the cavities when the compound semiconductor single crystal layer is epitaxially grown to produce a crystal composite, and the irregularities should be appropriately set according to the intended shape of the cavities.
Examples of the method for forming irregularities on the main surface of the base substrate include a method of forming a mask pattern on the base substrate by a known photolithography method, and etching an opening without a mask to form a groove. Specifically, (1) mask formation → (2) photoresist application → (3) exposure → (4) development → (5) mask removal and photoresist removal → (6) etching → (7) mask removal procedure However, the present invention is not limited to such an embodiment, and may be changed by appropriately adopting a known method according to the purpose. A specific method for epitaxially growing the compound semiconductor single crystal layer on the main surface of the base substrate will be described later.

マスクの形成方法は本発明の製造方法において特に限定されず、公知の方法を適宜採用することができるが、具体的にはスパッタリング法、CVD法(好ましくはプラズマCVD法)、真空蒸着法等が挙げられる。また、マスク材料の種類も特に限定されないが、具体的には酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。さらに形成するマスクの厚みも特に限定されないが、通常1nm以上、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上であり、通常10μm以下、好ましくは8μm以下、より好ましくは5μm以下である。   The method for forming the mask is not particularly limited in the production method of the present invention, and a known method can be adopted as appropriate. Can be mentioned. The type of the mask material is not particularly limited, and specific examples include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, tantalum oxide, zirconium oxide, and hafnium oxide. Further, the thickness of the mask to be formed is not particularly limited, but is usually 1 nm or more, preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and usually 10 μm or less, preferably 8 μm or less, more preferably 5 μm or less.

形成したマスク上には、プライマーとしてヘキサメチルジシラザンを塗布することが好ましい。プライマーを塗布することにより、マスクの疎水性を高めてレジストの密着性を高めることができる。   It is preferable to apply hexamethyldisilazane as a primer on the formed mask. By applying the primer, the hydrophobicity of the mask can be increased and the adhesion of the resist can be increased.

本発明の製造方法において使用するフォトレジストの種類は特に限定されず、公知のものや市販されているものを適宜採用して用いることができる。また、使用するフォトマスクの形状については、目的とする下地基板の形状(凹部と凸部の形状)を考慮して採用されるべきであり、具体的にはストライプ、格子、四角形、ドット、ホール等の形状が挙げられる。また、露光、現像、フォトレジスト除去方法等についても特に限定されず、フォトレジストの種類に応じて適宜行うことができる。
例えば、ポジ型のフォトレジストを用いた場合、フォトマスクを介して露光された部分のフォトレジストが現像で溶解し、予め形成したマスクが現れる。続いて、バッファードフッ酸(NH4HF2)により、フォトレジストのパターンが除去された部分(露光部)のマスクをウェットエッチングで取り除き、露光されていない箇所(未露光部)のフォトレジストをアセトンで溶解させる。これにより、主面の任意の部分にマスクを形成することができる。
The kind of the photoresist used in the production method of the present invention is not particularly limited, and a known one or a commercially available one can be appropriately adopted and used. In addition, the shape of the photomask to be used should be adopted in consideration of the shape of the target base substrate (the shape of the concave and convex portions), and specifically, stripes, lattices, squares, dots, holes And the like. Further, the exposure, development, photoresist removal method and the like are not particularly limited, and can be appropriately performed according to the type of the photoresist.
For example, when a positive type photoresist is used, a portion of the photoresist exposed through the photomask is dissolved by development, and a mask formed in advance appears. Subsequently, with the use of buffered hydrofluoric acid (NH 4 HF 2 ), the mask of the portion where the photoresist pattern has been removed (exposed portion) is removed by wet etching, and the photoresist at the portion not exposed (unexposed portion) is removed. Dissolve with acetone. Thereby, a mask can be formed in an arbitrary part of the main surface.

本発明の製造方法におけるエッジング方法も特に限定されず、公知の方法を適宜採用することができるが、特に反応性イオンエッチング(RIE)装置を用いて行うことが好ましい。エッチングガスも特に限定されないが、塩素、フッ素等のハロゲン元素を含むガスが好ましく、具体的に塩素ガス(Cl2)、四塩化ケイ素(SiCl4)、三塩化ホウ素(BCl3)、臭化水素(HBr)、六フッ化イオウ(SF6)、トリフロロメタン(CHF3)、テトラフロロメタン(CF4)等を単独又は混合して用いることがより好ましい。 The edging method in the production method of the present invention is not particularly limited, and a known method can be adopted as appropriate. However, it is particularly preferable to use a reactive ion etching (RIE) apparatus. Although the etching gas is not particularly limited, a gas containing a halogen element such as chlorine or fluorine is preferable. Specifically, chlorine gas (Cl 2 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), boron trichloride (BCl 3 ), hydrogen bromide (HBr), sulfur hexafluoride (SF 6 ), trifluoromethane (CHF 3 ), tetrafluoromethane (CF 4 ) and the like are more preferably used alone or in combination.

なお、本発明の製造方法において、下地基板の凹部、即ち溝の底面や側壁にマスクを形成することが好ましい。溝の底面や側壁にマスクが形成することにより、溝の底面や側壁からの結晶成長を抑制することができ、結晶複合体に空洞を形成し易くなる。溝の底面や側壁のみにマスク膜を形成する方法としては、リフトオフ法や、フォトレジストを用いたセルフアライン法が挙げられる。   In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to form a mask on the concave portion of the base substrate, that is, the bottom surface or side wall of the groove. By forming the mask on the bottom and side walls of the groove, crystal growth from the bottom and side walls of the groove can be suppressed, and a cavity can be easily formed in the crystal composite. Examples of the method for forming the mask film only on the bottom and side walls of the groove include a lift-off method and a self-alignment method using a photoresist.

(B)下地基板の主面上にマスクを形成し、かかる主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させた後、かかるマスクを取り除く方法
「下地基板の主面上にマスクを形成」するとは、例えば前述したような公知のフォトグ
ラフィ法により下地基板上にマスクパターンを形成することを意味する。かかる方法においては、マスク部分が結晶複合体の空洞になる部分であり、フォトマスクの形状やマスクの厚み等は目的とする空洞の形状に応じて適宜設定すべきものである。また、「マスクを取り除く」とは、即ちマスクを取り除いた部分に空洞が形成されることを意味する。マスクを取り除くための具体的方法は、マスクの種類や状態に応じて適宜選択されるべきものであるが、例えばウェットエッチング等が挙げられる。なお、下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させる具体的方法については、後述するものとする。
(B) A method of removing a mask after forming a mask on the main surface of the base substrate and epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on the main surface. “Forming a mask on the main surface of the base substrate” For example, this means that a mask pattern is formed on the base substrate by a known photolithography method as described above. In such a method, the mask portion is a portion that becomes a cavity of the crystal composite, and the shape of the photomask, the thickness of the mask, and the like should be appropriately set according to the shape of the target cavity. “Removing the mask” means that a cavity is formed in the portion where the mask is removed. A specific method for removing the mask should be appropriately selected according to the type and state of the mask, and examples thereof include wet etching. A specific method for epitaxially growing the compound semiconductor single crystal layer on the main surface of the base substrate will be described later.

また、空洞を形成する手段として、下地基板上にマスクを形成し、下地基板露出部よりマスク上に第2の窒化物半導体を横方向成長させてマスクを完全には覆わない状態で止め、ドライエッチングやウェットエッチングにより、マスクを除去することにより横方向成長した第2の窒化物半導体の下部に空間を形成する方法等が挙げられる。   Further, as a means for forming a cavity, a mask is formed on the base substrate, a second nitride semiconductor is laterally grown on the mask from the exposed portion of the base substrate, and the mask is not completely covered, and dry. For example, a method of forming a space below the second nitride semiconductor grown in the lateral direction by removing the mask by etching or wet etching.

本発明の製造方法において、下地基板の主面上に化合物半導体単結晶層を形成する際の具体的な成長方法は特に限定されず、ハライド気相成長法(HVPE法)、有機金属化学蒸着法(MOCVD法)、有機金属塩化物気相成長法(MOC法)、昇華法、融液成長、高圧溶液法、フラックス法、安熱法等の公知の成長方法の適宜採用して行うことができる。これらの中でも、HVPE法を採用すること好ましい。
また、下地基板の主面上に形成する化合物半導体単結晶層も1種類に限られず、複数の単結晶層を形成してもよい。さらに単結晶層を形成する際の成長方法も1種類に限られず、複数種類の成長方法を適宜組み合わせてもよい。従って、例えば1種類の成長方法を用いて複数の単結晶層を連続的に形成しても、複数種類の成長方法を用いて1種類の単結晶層を断続的に形成しても、或いは複数種類の成長方法を用いて複数の単結晶層を断続的に形成してもよい。なお、複数種類の成長方法を用いるとは、例えばMOCVD法を用い単結晶層を形成した後、その上にHVPE法を用いて新たな単結晶層を形成する、といった形成方法が挙げられる。本発明の製造方法においては、目的とする化合物半導体単結晶を下地基板上に直接エピタキシャル成長させることが好ましい。即ち、下地基板と化合物半導体単結晶とは空洞を挟んで直接接していることが好ましい。
以下、本発明に係る成長工程の詳細を説明するに当たり、HVPE法によってGaN結晶を製造する場合の製造装置の構成及び成長条件の具体例を挙げて説明するが、以下の態様に限定されるものではない。
In the production method of the present invention, the specific growth method when forming the compound semiconductor single crystal layer on the main surface of the base substrate is not particularly limited, and halide vapor phase epitaxy (HVPE), organometallic chemical vapor deposition (MOCVD method), organometallic chloride vapor phase growth method (MOC method), sublimation method, melt growth, high-pressure solution method, flux method, heat treatment method, etc. . Among these, it is preferable to employ the HVPE method.
Further, the compound semiconductor single crystal layer formed over the main surface of the base substrate is not limited to one type, and a plurality of single crystal layers may be formed. Further, the growth method for forming the single crystal layer is not limited to one type, and a plurality of types of growth methods may be appropriately combined. Therefore, for example, a plurality of single crystal layers can be formed continuously using one type of growth method, a single type of single crystal layer can be formed intermittently using a plurality of types of growth methods, or a plurality of single crystal layers can be formed. A plurality of single crystal layers may be intermittently formed using various kinds of growth methods. Note that the use of a plurality of types of growth methods includes, for example, a formation method in which a single crystal layer is formed using the MOCVD method and then a new single crystal layer is formed thereon using the HVPE method. In the production method of the present invention, it is preferable to epitaxially grow the target compound semiconductor single crystal directly on the base substrate. That is, it is preferable that the base substrate and the compound semiconductor single crystal are in direct contact with each other across the cavity.
Hereinafter, in describing the details of the growth process according to the present invention, the configuration of the manufacturing apparatus and specific examples of growth conditions in the case of manufacturing a GaN crystal by the HVPE method will be described, but the present invention is limited to the following modes. is not.

HVPE法に用いる製造装置として、図2の概念図に示さるような構成を有するものが挙げられる。かかる製造装置はリアクター(反応容器)100、下地基板を載置するためのサセプター107、III族元素源等を入れるリザーバー105、リアクター内にガスを導入するための導入管101〜104、排気するための排気管108、リアクターを加熱するためのヒーター106を備えている。なお、導入管の数は、使用するガスの種類に応じて適宜変更してもよい。   As a manufacturing apparatus used for the HVPE method, an apparatus having a configuration as shown in the conceptual diagram of FIG. Such a manufacturing apparatus includes a reactor (reaction vessel) 100, a susceptor 107 for placing a base substrate, a reservoir 105 for storing a group III element source, an introduction pipes 101 to 104 for introducing gas into the reactor, and for exhausting. The exhaust pipe 108 and the heater 106 for heating the reactor are provided. In addition, you may change suitably the number of introduction pipes according to the kind of gas to be used.

リアクターの材質は、石英、焼結体窒化ホウ素、ステンレス等が用いられるが、特に石英であることが好ましい。サセプターの材質はカーボンであることが好ましく、特にSiCで表面をコーティングしているものが好ましい。サセプターの形状は、下地基板を設置することができる形状であれば特に限定されないが、結晶成長する際に結晶成長面付近に構造物が存在しないものであることが好ましい。結晶成長面付近に成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてHClガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及ぶ可能性がある。下地基板とサセプターの接触面は、下地基板の主面(結晶成長面)から1mm以上離れていることが好ましく、3mm以上離れていることがより好ましく、5mm以上離れていることがさらに好ましい。   Quartz, sintered boron nitride, stainless steel and the like are used as the material of the reactor, and quartz is particularly preferable. The material of the susceptor is preferably carbon, and in particular, the one whose surface is coated with SiC is preferable. The shape of the susceptor is not particularly limited as long as the base substrate can be placed, but it is preferable that the structure does not exist in the vicinity of the crystal growth surface during crystal growth. If there is a structure that can grow near the crystal growth surface, there is a possibility that a polycrystal will adhere to the crystal growth surface, and HCl gas will be generated as a product to adversely affect the crystal to be grown. is there. The contact surface between the base substrate and the susceptor is preferably separated from the main surface (crystal growth surface) of the base substrate by 1 mm or more, more preferably 3 mm or more, and further preferably 5 mm or more.

結晶成長に使用するガス種としては、ガリウム源(III族元素源)となるGaCl、窒素源となるNH3、キャリアガス、セパレートガス、ドーパント等が挙げられる。ガリウム源となるGaClは、例えばリザーバー105内にGaを入れ、導入管103からHCl等のGaと反応するガスを供給することにより発生させ、供給することができる。リザーバー105内にはGaのほか、目的に応じてAl、In等を入れることもできる。また、導入管103からはHClとともにキャリアガスを供給してもよく、キャリアガスとしてはH2、N2、He、Ne、Ar又はこれらの混合ガス等を挙げることができる。窒素源となるNH3、キャリアガス、セパレートガス、ドーパント等は導入管101、102、104から供給することが挙げられ、セパレートガスとしてはH2、N2、He、Ne、Ar又はこれらの混合ガス等が、ドーパントガスとしてはO2、H2O、SiH4やSiH2Cl2、H2S等が挙げられる。 Examples of the gas species used for crystal growth include GaCl as a gallium source (group III element source), NH 3 as a nitrogen source, carrier gas, separate gas, dopant, and the like. GaCl serving as a gallium source can be generated and supplied by, for example, putting Ga in the reservoir 105 and supplying a gas that reacts with Ga, such as HCl, from the introduction tube 103. In addition to Ga, Al, In, or the like can be placed in the reservoir 105 depending on the purpose. A carrier gas may be supplied from the introduction pipe 103 together with HCl, and examples of the carrier gas include H 2 , N 2 , He, Ne, Ar, or a mixed gas thereof. NH 3 as a nitrogen source, carrier gas, separate gas, dopant, and the like can be supplied from the introduction pipes 101, 102, and 104. As the separate gas, H 2 , N 2 , He, Ne, Ar, or a mixture thereof Examples of the dopant gas include O 2 , H 2 O, SiH 4 , SiH 2 Cl 2 , and H 2 S.

排気管108は、リアクター100内壁の上面、底面、側面の何れの位置に存在してもよいが、ゴミ落ちの観点から結晶成長端よりも下部にあることが好ましく、図2のようにリアクター底面に設置されていることがより好ましい。   The exhaust pipe 108 may exist at any position on the top surface, bottom surface, and side surface of the inner wall of the reactor 100, but is preferably located below the crystal growth end from the viewpoint of dust removal, and as shown in FIG. It is more preferable that it is installed.

本発明に係る成長工程の温度条件(リアクター内の温度)は、通常950℃以上、好ましくは970℃以上、より好ましくは980℃以上であり、通常1200℃以下、好ましくは1100℃以下、より好ましくは1050℃以下である。また、結晶成長中の温度低下は、60℃以内に抑えることが好ましく、40℃以内に抑えることがより好ましく、20℃以内に抑えることがさらに好ましい。
本発明に係る成長工程の圧力条件(リアクター内の圧力)は、通常10kPa以上、好ましくは30kPa以上、より好ましくは50kPa以上であり、通常200kPa以下、好ましくは150kPa以下、より好ましくは120kPa以下である。
The temperature condition (temperature in the reactor) of the growth step according to the present invention is usually 950 ° C. or higher, preferably 970 ° C. or higher, more preferably 980 ° C. or higher, usually 1200 ° C. or lower, preferably 1100 ° C. or lower, more preferably Is 1050 ° C. or lower. Moreover, it is preferable to suppress the temperature drop during crystal growth within 60 ° C., more preferably within 40 ° C., and further preferably within 20 ° C.
The pressure condition (pressure in the reactor) of the growth step according to the present invention is usually 10 kPa or more, preferably 30 kPa or more, more preferably 50 kPa or more, and usually 200 kPa or less, preferably 150 kPa or less, more preferably 120 kPa or less. .

本発明に係る成長工程は下地基板を回転させながら実施することが好ましい。下地基板の回転速度は、特に限定されないが、1〜50rpmであることが好ましく、5〜20rpmであることがより好ましい。   The growth process according to the present invention is preferably performed while rotating the base substrate. Although the rotational speed of a base substrate is not specifically limited, It is preferable that it is 1-50 rpm, and it is more preferable that it is 5-20 rpm.

本発明に係る成長工程の結晶成長速度は特に限定されないが、GaN結晶の場合、通常5μm/h以上、好ましく50μm/h、より好ましくは100μm/h以上であり、通常500μm/h以下である。成長速度は、キャリアガスの種類、流量、供給口−結晶成長端距離等を適宜設定することによって制御することができる。   The crystal growth rate in the growth step according to the present invention is not particularly limited, but in the case of a GaN crystal, it is usually 5 μm / h or more, preferably 50 μm / h, more preferably 100 μm / h or more, and usually 500 μm / h or less. The growth rate can be controlled by appropriately setting the type, flow rate, supply port-crystal growth end distance, and the like of the carrier gas.

本発明に係る成長工程によって形成される化合物半導体単結晶層のキャリア濃度は特に限定されないが、GaN結晶の場合、通常1×1013cm-3以上、好ましくは1×1014cm-3以上、より好ましくは1×1017cm-3以上であり、通常1×1021cm-3以下、好ましくは1×1020cm-3以下、より好ましくは5×1019cm-3以下である。 The carrier concentration of the compound semiconductor single crystal layer formed by the growth process according to the present invention is not particularly limited, but in the case of a GaN crystal, it is usually 1 × 10 13 cm −3 or more, preferably 1 × 10 14 cm −3 or more, More preferably, it is 1 × 10 17 cm −3 or more, usually 1 × 10 21 cm −3 or less, preferably 1 × 10 20 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 19 cm −3 or less.

<結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱し、下地基板と化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程>
本発明の製造方法は、「結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱し、下地基板と化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程」を含むことを特徴とする。
「下地基板と化合物半導体単結晶層とを分離」するとは、かかる分離工程を経ることにより、下地基板と形成した化合物半導体単結晶層とが自然に分離されることを意味するほか、自然に分離されなくても、スライス等を行なうことなく、軽微な力を加えることにより簡易的に分離することができることを意味する。
<Separation step of heating the crystal composite at a temperature of 1000 ° C. or higher to separate the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal>
The production method of the present invention includes a “separation step of heating a crystal complex at a temperature of 1000 ° C. or more to separate a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal”.
“Separation of the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer” means that the base substrate and the formed compound semiconductor single crystal layer are naturally separated through such a separation process, and also the natural separation. Even if it is not done, it means that it can be easily separated by applying a slight force without slicing or the like.

本発明に係る分離工程は、結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱するものであるが
、加熱温度は1100℃以上が好ましく、1300℃以上がより好ましく、通常2500℃以下、好ましくは2220℃以下、より好ましくは1600℃以下、さらに好ましくは1400℃以下である。温度が低すぎる場合には分離が困難となり、高すぎる場合には化合物単結晶層が分解する傾向があり、上記範囲であると、下地基板と化合物半導体単結晶層との分離が容易であるとともに、化合物単結晶層の分解を抑制することができる。
In the separation step according to the present invention, the crystal complex is heated at a temperature of 1000 ° C. or higher. The heating temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1300 ° C. or higher, and usually 2500 ° C. or lower, preferably 2220 ° C. Hereinafter, it is more preferably 1600 ° C. or lower, and further preferably 1400 ° C. or lower. If the temperature is too low, the separation becomes difficult, and if it is too high, the compound single crystal layer tends to decompose, and if it is in the above range, the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer can be easily separated. The decomposition of the compound single crystal layer can be suppressed.

本発明に係る分離工程における加熱時間も特に限定されず、加熱温度に応じて適宜設定されるべきものであり、加熱温度が高い場合には加熱時間を短く、加熱温度が低い場合には加熱時間を長くするものである。具体的には通常1秒以上、好ましくは1分以上、より好ましくは10分以上、さらに好ましくは30分以上、特に好ましくは1時間以上であり、通常200時間以下、好ましくは100時間以下、より好ましくは24時間以下である。例えば、加熱温度が1275〜1375℃の範囲内である場合は、加熱時間は1秒〜24時間であることが好ましく、1.0〜10時間であることがより好ましい。また、加熱温度が1150〜1250℃の範囲内である場合は、1.0〜200時間であることが好ましく、24〜100時間であることがより好ましい。上記範囲内であると、下地基板と形成した化合物半導体単結晶層とを自然に分離させる、又はより簡易的に分離させることができる。   The heating time in the separation step according to the present invention is not particularly limited, and should be appropriately set according to the heating temperature. When the heating temperature is high, the heating time is short, and when the heating temperature is low, the heating time is Is to lengthen. Specifically, it is usually 1 second or longer, preferably 1 minute or longer, more preferably 10 minutes or longer, more preferably 30 minutes or longer, particularly preferably 1 hour or longer, usually 200 hours or shorter, preferably 100 hours or shorter, more Preferably it is 24 hours or less. For example, when the heating temperature is in the range of 1275 to 1375 ° C., the heating time is preferably 1 second to 24 hours, and more preferably 1.0 to 10 hours. Moreover, when heating temperature is in the range of 1150-1250 degreeC, it is preferable that it is 1.0 to 200 hours, and it is more preferable that it is 24 to 100 hours. Within the above range, the base substrate and the formed compound semiconductor single crystal layer can be separated naturally or more easily.

本発明に係る分離工程は、結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱するものであれば、その他の条件については特に限定されないが、化合物半導体単結晶層がIII族窒化物半導体結晶層である場合、アンモニア(NH3)、窒素(N2)、又はこれらの混合ガス雰囲気中で加熱するものであることが好ましい。雰囲気中のNH3濃度又はN2濃度は特に限定されないが、NH3濃度は通常0.5%以上、好ましくは1%以上、より好ましくは5%以上であり、通常50%以下、好ましくは25%以下、より好ましくは10%以下である。また、N2濃度は通常50%以上、好ましくは75%以上、より好ましくは90%以上であり、通常99.5%以下、好ましくは99%以下、より好ましくは95%以下である。上記範囲であると、III族窒化物半導体結晶の過度な酸化を防止することができる。 The separation step according to the present invention is not particularly limited as long as the crystal complex is heated at a temperature of 1000 ° C. or higher, but the compound semiconductor single crystal layer is a group III nitride semiconductor crystal layer. In this case, it is preferable that heating is performed in an atmosphere of ammonia (NH 3 ), nitrogen (N 2 ), or a mixed gas thereof. The NH 3 concentration or N 2 concentration in the atmosphere is not particularly limited, but the NH 3 concentration is usually 0.5% or more, preferably 1% or more, more preferably 5% or more, and usually 50% or less, preferably 25 % Or less, more preferably 10% or less. Further, the N 2 concentration is usually 50% or more, preferably 75% or more, more preferably 90% or more, and usually 99.5% or less, preferably 99% or less, more preferably 95% or less. Within the above range, excessive oxidation of the group III nitride semiconductor crystal can be prevented.

本発明に係る分離工程は、密閉系で行われても或いは流通系で行われてもよいが、流通系で行われることが好ましい。化合物半導体単結晶層がIII族窒化物半導体結晶層である場合、その流量(NH3及びN2の混合ガスの場合)は、通常50ml/min以上、好ましくは150ml/min以上、より好ましくは180ml/min以上であり、通常500ml/min以下、好ましくは300ml/min以下、より好ましくは250ml/min以下である。また、圧力条件も特に限定されず、通常1MPa以上、好ましくは10MPa以上、より好ましくは5GPa以上であり、通常10GPa以下である。 The separation step according to the present invention may be performed in a closed system or a distribution system, but is preferably performed in a distribution system. When the compound semiconductor single crystal layer is a group III nitride semiconductor crystal layer, the flow rate (in the case of a mixed gas of NH 3 and N 2 ) is usually 50 ml / min or more, preferably 150 ml / min or more, more preferably 180 ml. / Min or more, usually 500 ml / min or less, preferably 300 ml / min or less, more preferably 250 ml / min or less. Also, the pressure condition is not particularly limited, and is usually 1 MPa or more, preferably 10 MPa or more, more preferably 5 GPa or more, and usually 10 GPa or less.

本発明に係る分離工程の加熱後の降温速度は特に限定されないが、通常は、通常は100℃/時間以上、好ましくは1000℃/時間以上、より好ましくは3000℃/時間以上である。例えば氷水などを用いて1×106℃/時間以上の速度で急冷することもできる。昇温速度や降温速度は、常に一定にしておいてもよいし、時間により変化させてもよい。 The rate of temperature drop after heating in the separation step according to the present invention is not particularly limited, but it is usually usually 100 ° C./hour or more, preferably 1000 ° C./hour or more, more preferably 3000 ° C./hour or more. For example, it can be rapidly cooled at a rate of 1 × 10 6 ° C./hour or more using ice water or the like. The rate of temperature increase or the rate of temperature decrease may be kept constant or may be changed with time.

本発明に係る分離工程は、前述のNH3、N2のほか、酸素源の存在下で加熱するものであることが好ましい。酸素源の存在下で行われることにより、化合物半導体単結晶層表面に酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物等の表面変質層が形成されて結晶が脆弱になり、下地基板と化合物半導体単結晶層とが分離し易くなると考えられる。酸素源の存在下とは、酸素原子を含む化合物を雰囲気中に含ませるほか、酸素原子を含む化合物を雰囲気中に発生させる方法も挙げられる。酸素原子を含む化合物を雰囲気中に発生させる方法としては、例えばシリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)等の金属酸化物製の反応容器を用い、反応容器の内壁とアンモニアを反応させて水分子を発生させる方法が挙げられる。また、酸素原子を含む化合物としては、酸素(O2)、水(H2O)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)等が挙げられる。これらの内、特にアルミナを酸素源とすることがより好ましい。 The separation step according to the present invention is preferably performed in the presence of an oxygen source in addition to the aforementioned NH 3 and N 2 . By being performed in the presence of an oxygen source, a surface modified layer such as an oxide, hydroxide, or oxyhydroxide is formed on the surface of the compound semiconductor single crystal layer, and the crystal becomes fragile. It is considered that the single crystal layer is easily separated. The presence of an oxygen source includes a method in which a compound containing an oxygen atom is contained in the atmosphere, and a method of generating a compound containing an oxygen atom in the atmosphere. As a method for generating a compound containing an oxygen atom in the atmosphere, for example, a reaction vessel made of a metal oxide such as silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), etc. And a method of generating water molecules by reacting the inner wall of the reaction vessel with ammonia. Examples of the compound containing an oxygen atom include oxygen (O 2 ), water (H 2 O), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and the like. Of these, it is more preferable to use alumina as an oxygen source.

本発明に係る分離工程を実施するための装置は、1000℃以上の温度に加熱できるものであれば特に限定されないが、例えば図4の概念図に示されるような管状電気炉が好適なものとして挙げられる。かかる電気炉は、アルミナ製反応管(Al23 99.7%)200、反応管内を加熱するヒーター202、ガス導入管203、ガス排気管204を備えるものである。下地基板と化合物半導体単結晶層とが一体となった結晶201を、アルミナ製反応管200内に設置して、ガス導入管203から雰囲気ガスを所定の流量で導入しながら加熱することができる。 The apparatus for carrying out the separation step according to the present invention is not particularly limited as long as it can be heated to a temperature of 1000 ° C. or higher. For example, a tubular electric furnace as shown in the conceptual diagram of FIG. 4 is preferable. Can be mentioned. This electric furnace includes an alumina reaction tube (Al 2 O 3 99.7%) 200, a heater 202 for heating the inside of the reaction tube, a gas introduction tube 203, and a gas exhaust tube 204. A crystal 201 in which a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer are integrated can be installed in an alumina reaction tube 200 and heated while introducing an atmospheric gas from a gas introduction tube 203 at a predetermined flow rate.

前述のように、本発明に係る分離工程が酸素源の存在下で行われることにより化合物半導体単結晶層表面に酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物等の表面変質層が形成されることとなる。この場合、かかる表面変質層を除去する表面変質層除去工程(以下、「表面変質層除去工程」と略す場合がある。)が含まれることが好ましい。表面変質層除去工程としては、化合物半導体単結晶を酸溶液中に浸漬する方法や機械研磨方法が挙げられるが、効率性と簡便性の観点から化合物半導体単結晶を酸溶液中に浸漬する方法が好ましい。使用する酸溶液の種類は特に限定されないが、塩酸、硫酸、硝酸が挙げられ、特に硝酸が好ましい。また、酸溶液の濃度も特に限定されないが、通常10%以上、好ましくは30%以上である。高濃度の酸溶液又は混酸溶液を使用することによって、被膜除去が効率的になる。さらに酸溶液中に浸漬する際は、スターラー、超音波振動装置等を用いて撹拌しながら行われることが好ましく、さらに60℃以上、好ましくは80℃以上の温度で加熱しながら行うことが好ましい。   As described above, a surface-modified layer such as an oxide, hydroxide, or oxyhydroxide is formed on the surface of the compound semiconductor single crystal layer by performing the separation step according to the present invention in the presence of an oxygen source. It will be. In this case, it is preferable to include a surface-modified layer removal step (hereinafter sometimes abbreviated as “surface-modified layer removal step”) for removing the surface-modified layer. Examples of the surface alteration layer removing step include a method of immersing the compound semiconductor single crystal in an acid solution and a mechanical polishing method, but a method of immersing the compound semiconductor single crystal in the acid solution from the viewpoint of efficiency and simplicity. preferable. Although the kind of acid solution to be used is not specifically limited, hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid are mentioned, and nitric acid is particularly preferable. The concentration of the acid solution is not particularly limited, but is usually 10% or more, preferably 30% or more. By using a high-concentration acid solution or mixed acid solution, film removal becomes efficient. Further, the immersion in the acid solution is preferably performed while stirring using a stirrer, an ultrasonic vibration device, or the like, and more preferably performed while heating at a temperature of 60 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher.

本発明の製造方法は前述した工程のほか、化合物半導体単結晶を目的の大きさにするスライスするスライス工程、表面を研磨する表面研磨工程等が含まれてもよい。スライス工程としては、具体的にはワイヤースライス、内周刃スライス等が挙げられ、表面研磨工程としては、例えばダイヤモンド砥粒等の砥粒を用いて表面を研磨する操作、CMP(chemical mechanical polishing)、機械研磨後RIEでダメージ層エッチングする操作が挙げられる。   In addition to the steps described above, the production method of the present invention may include a slicing step for slicing the compound semiconductor single crystal to a desired size, a surface polishing step for polishing the surface, and the like. Specific examples of the slicing step include wire slicing and inner peripheral edge slicing, and the surface polishing step includes, for example, an operation of polishing the surface using abrasive grains such as diamond abrasive grains, CMP (chemical mechanical polishing). An operation of etching a damaged layer by RIE after mechanical polishing can be mentioned.

以下、本発明の半導体バルク結晶の製造方法として、III族窒化物半導体結晶(GaN結晶)を製造する場合の実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。   Hereinafter, as a method for producing a semiconductor bulk crystal of the present invention, the characteristics of the present invention will be described more specifically with reference to examples in the case of producing a group III nitride semiconductor crystal (GaN crystal). The present invention is not limited to the following contents as long as they do not deviate from the above, and can be implemented with appropriate modifications.

<結晶複合体を準備する準備工程>
以下に説明する準備工程については、図3を参照して説明する。図3A〜Nは、単結晶GaN自立基板表面に凹凸を形成するための加工手順を説明するための図である。
<Preparation process for preparing a crystal composite>
The preparation steps described below will be described with reference to FIG. 3A to 3N are views for explaining a processing procedure for forming irregularities on the surface of a single-crystal GaN free-standing substrate.

[下地基板]
下地基板として、単結晶窒化ガリウム(GaN)基板(8)を準備した(図3A)。この単結晶GaN基板は、厚さ400μm、直径50mmの円盤状で、表面が(0001)面(C面)の自立基板である。なお、後述する加工条件で形成される凹凸の形状を評価するために、かかる単結晶GaN自立基板を複数用意した。
[Base substrate]
A single crystal gallium nitride (GaN) substrate (8) was prepared as a base substrate (FIG. 3A). This single crystal GaN substrate is a self-supporting substrate having a disk shape with a thickness of 400 μm and a diameter of 50 mm and having a (0001) plane (C plane) on the surface. A plurality of such single crystal GaN free-standing substrates were prepared in order to evaluate the shape of the irregularities formed under the processing conditions described later.

[マスク形成及び洗浄]
前述のGaN自立基板の表面に、プラズマCVD法により、窒化シリコン膜(9)を約1.0μm堆積させた(図3B)。この窒化シリコン膜付きGaN自立基板に、アセトンおよびメタノールの溶媒中で、それぞれ10分間の超音波洗浄を行い、純水で5分間リンスした。
[Mask formation and cleaning]
About 1.0 μm of a silicon nitride film (9) was deposited on the surface of the above-mentioned GaN free-standing substrate by plasma CVD (FIG. 3B). This GaN free-standing substrate with a silicon nitride film was subjected to ultrasonic cleaning for 10 minutes in a solvent of acetone and methanol, respectively, and rinsed with pure water for 5 minutes.

[OAP塗布]
洗浄後のGaN自立基板の表面にプライマー(10)としてヘキサメチルジシラザン(HMDS:東京応化工業(株)製「OAP」)を塗布した(図3C)。先ず1000rpmで7秒間、次に4000rpmで30秒間、スピナーで均一にした後、100℃で90秒間ベーキングを行った。これは窒化シリコン膜と後述のレジストの密着性を向上させるために必要な工程である。
[OAP application]
Hexamethyldisilazane (HMDS: “OAP” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was applied as a primer (10) to the surface of the cleaned GaN free-standing substrate (FIG. 3C). First, it was uniformed with a spinner at 1000 rpm for 7 seconds, then at 4000 rpm for 30 seconds, and then baked at 100 ° C. for 90 seconds. This is a process necessary for improving the adhesion between the silicon nitride film and the resist described later.

[レジスト塗布]
前記HMDS(10)上にポジ型レジスト(11)を塗布し(図3D)、前述のOAP塗布と同様の手順でスピナーにより均一にした後、90℃のホットプレートで30分間のプリベーキングを行った。プリベーキングはレジストを定着させるための工程である。なお、用いたポジ型レジストは、ロームアンドハース(株)製「MCPR−2200X」である。
[Resist application]
A positive resist (11) is applied on the HMDS (10) (FIG. 3D), and is made uniform by a spinner in the same procedure as the above-mentioned OAP application, and then pre-baked for 30 minutes on a 90 ° C. hot plate. It was. Pre-baking is a process for fixing the resist. The positive resist used is “MCPR-2200X” manufactured by Rohm and Haas Co., Ltd.

[露光]
露光用Crマスクを用いてレジストの露光を行った。このCrマスクのパターンには、ライン(Mask)/スペース(Window)が10μm/2μmのストライプパターンが形成されており、下地基板であるGaN自立基板の表面に、ストライプ方向が<1−100>となるようにCrマスクをセットして露光を行った。マスクアライナーの露光量を70mJ/cm2とし、露光後にホットプレートにて120℃で90秒間のポストベーキングを行った。
[exposure]
The resist was exposed using a Cr mask for exposure. In this Cr mask pattern, a stripe pattern having a line (Mask) / space (Window) of 10 μm / 2 μm is formed, and the stripe direction is <1-100> on the surface of a GaN free-standing substrate as a base substrate. A Cr mask was set so that exposure was performed. The exposure amount of the mask aligner was 70 mJ / cm 2, and post-baking was performed at 120 ° C. for 90 seconds on a hot plate after exposure.

[現像]
露光後のGaN自立基板をポジ型レジスト用現像液(東京応化工業(株)製「NMD−3」)に90秒間浸し、露光部分のレジスト(13)およびHMDS(12)を除去した(図3E)。その後、純水で約90秒間リンスした。
[developing]
The exposed GaN free-standing substrate was immersed in a positive resist developer (“NMD-3” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) for 90 seconds to remove the exposed portion of the resist (13) and HMDS (12) (FIG. 3E). ). Thereafter, rinsing was performed with pure water for about 90 seconds.

[マスク除去およびフォトレジスト除去]
プラズマエッチング装置にて、窒化シリコンのドライエッチングを行った(図3F)。その後、ロームアンドハース製リムーバー1165Aとアセトンの順で超音波洗浄を行い、残存レジスト(11)およびHMDS(10)を溶解除去した(図3G)。
[Mask removal and photoresist removal]
Dry etching of silicon nitride was performed with a plasma etching apparatus (FIG. 3F). Thereafter, ultrasonic cleaning was performed in the order of Rohm and Haas remover 1165A and acetone to dissolve and remove the remaining resist (11) and HMDS (10) (FIG. 3G).

[エッチング]
反応性イオンエッチング(RIE)法により、自立基板表面の窒化シリコン(11)が除去された領域の自立基板を深さ3μm程度エッチングして溝を形成した(図4H)。なお、当該エッチング時の装置条件は、RFパワー200W、Cl2ガス流量30sccm、エッチング時間10分である。
[etching]
By the reactive ion etching (RIE) method, the free-standing substrate in the region where the silicon nitride (11) on the free-standing substrate surface was removed was etched to a depth of about 3 μm to form a groove (FIG. 4H). The apparatus conditions during the etching are an RF power of 200 W, a Cl2 gas flow rate of 30 sccm, and an etching time of 10 minutes.

[マスク除去]
50%フッ酸水溶液と40%フッ化アンモニウム水溶液の1:5混合液により、窒化シリコン(9)のウェットエッチングを行った(図3I)。エッチング時間は10分である。
[Mask removal]
Silicon nitride (9) was wet etched with a 1: 5 mixture of 50% hydrofluoric acid and 40% ammonium fluoride (FIG. 3I). The etching time is 10 minutes.

[凹部マスク形成]
表面に凹凸を形成したGaN自立基板の凹部に、後述するHVPE成長時のGaNの成
長を阻害する目的で約100nmの窒化シリコンマスクを形成した(図3N)。窒化シリコン膜のパターンニングは前述のフォトレジストを用いたプロセスと同様の手法(図3J〜M)を用いた。
[Concave mask formation]
A silicon nitride mask having a thickness of about 100 nm was formed in the concave portion of the GaN free-standing substrate having irregularities on the surface for the purpose of inhibiting the growth of GaN during HVPE growth described later (FIG. 3N). For patterning the silicon nitride film, the same technique (FIGS. 3J to 3M) as in the process using the above-described photoresist was used.

このようにして表面に凹凸を形成したGaN自立基板(8)の一部をヘキ開して平面SEM像および断面SEM像の観察を行ったところ、基板の中央部において、溝深さ2.94μm、テラス幅9.2μm、溝幅2.2μmであることを確認した。   When a part of the GaN free-standing substrate (8) having the surface irregularities thus formed was cleaved and the planar SEM image and the cross-sectional SEM image were observed, the groove depth was 2.94 μm at the center of the substrate. It was confirmed that the terrace width was 9.2 μm and the groove width was 2.2 μm.

前述のように表面加工を行った50mmの直径および400μmの厚さを有するGaN自立基板を準備した。なお、下地基板の主面は(0001)面である。   A GaN free-standing substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 400 μm subjected to surface processing as described above was prepared. The main surface of the base substrate is the (0001) plane.

[化合物半導体単結晶層の形成]
(1)HVPE装置のリアクター内の基板ホルダーに、+Cが上向きで上記結晶をセットした。なお、GaN自立基板の裏面は基板ホルダーに接しており、直接原料ガスと触れることはない。
(2)反応室の温度を1005℃まで上げ、原料を+C面方向から供給することにより、SiドープGaNを成長させた。Siドープ前駆体ガスにはジクロロシラン(SiH2Cl2)を用いて、同じ導入口より塩化水素(HCl)を導入した。この成長工程においては成長圧力を1.01×105Paとし、NH3ガスの分圧を8.13×103Pa、N2ガスの分圧を1.17×104Pa、GaClガスの分圧を7.0×102Pa、H2ガスの分圧を8.04×104Paとし導入した。ジクロロシランの流量は0.5%希釈で2.6sccm導入し、塩化水素は100%で3sccm導入した。導入管の全体積におけるそれぞれの体積モル分圧は、6.822×10-6(ジクロロシラン)、および、1.574×10-3(HCl)である。
(3)17時間成長した後、室温まで降温した。得られたGaN単結晶の形状は異常成長のない円状であり、c軸方向の膜厚が約2.3mmであった。主面(C面)の面積は、50mmの自立基板を使用した場合、有効径が50mmになり、1963.0mm2であった。
[Formation of Compound Semiconductor Single Crystal Layer]
(1) The crystal was set on the substrate holder in the reactor of the HVPE apparatus with + C facing upward. Note that the back surface of the GaN free-standing substrate is in contact with the substrate holder and is not in direct contact with the source gas.
(2) The temperature of the reaction chamber was raised to 1005 ° C., and the raw material was supplied from the + C plane direction to grow Si-doped GaN. Dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) was used as the Si-doped precursor gas, and hydrogen chloride (HCl) was introduced from the same inlet. In this growth step, the growth pressure is set to 1.01 × 10 5 Pa, the partial pressure of NH 3 gas is 8.13 × 10 3 Pa, the partial pressure of N 2 gas is 1.17 × 10 4 Pa, GaCl gas The partial pressure was 7.0 × 10 2 Pa and the partial pressure of H 2 gas was 8.04 × 10 4 Pa. The flow rate of dichlorosilane was 2.6 sccm at 0.5% dilution, and 3 sccm was introduced at 100% hydrogen chloride. The respective volume molar partial pressures in the total volume of the introduction pipe are 6.822 × 10 −6 (dichlorosilane) and 1.574 × 10 −3 (HCl).
(3) After growing for 17 hours, the temperature was lowered to room temperature. The obtained GaN single crystal had a circular shape with no abnormal growth, and the film thickness in the c-axis direction was about 2.3 mm. The area of the main surface (C surface) was 1963.0 mm 2 with an effective diameter of 50 mm when a 50 mm free-standing substrate was used.

<下地基板と化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程>
以下に説明する分離工程については、図4を参照して説明する。
前記成長工程で得られた結晶(結晶複合体)201を、アルミナ製反応管(Al23 99.7%)200内に設置して、アンモニア・窒素混合ガスを200ml/minの流量でガス導入管203から導入しながら加熱処理を行った。なお、アンモニア・窒素混合ガス(NH38.5%+N291.5%)は、4.9MPaの47リットルボンベ中でアンモニアガスと窒素ガスを配合した後、均一な混合ガスになるまで45日以上放置したものを用いた。また、加熱処理における昇温はヒーター202を用いて室温から600℃を300℃/時間、600℃から1300℃を250℃/時間の昇温速度で行い、1300℃で6時間維持して行った。冷却は、1300℃から600℃まで100℃/時間の冷却速度で行った。
<Separation process of separating a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal>
The separation process described below will be described with reference to FIG.
The crystal (crystal complex) 201 obtained in the growth step is placed in an alumina reaction tube (Al 2 O 3 99.7%) 200, and an ammonia / nitrogen mixed gas is supplied at a flow rate of 200 ml / min. Heat treatment was performed while introducing from the introduction tube 203. Note that the ammonia / nitrogen mixed gas (NH 3 8.5% + N 2 91.5%) was mixed with ammonia gas and nitrogen gas in a 47-liter cylinder of 4.9 MPa until 45% until a uniform mixed gas was obtained. What was left for more than a day was used. The temperature increase in the heat treatment was performed using a heater 202 from room temperature to 600 ° C. at 300 ° C./hour, from 600 ° C. to 1300 ° C. at a temperature increase rate of 250 ° C./hour, and maintained at 1300 ° C. for 6 hours. . Cooling was performed from 1300 ° C. to 600 ° C. at a cooling rate of 100 ° C./hour.

前述の加熱処理後の結晶を確認したところ、驚くべきことに下地基板と化合物半導体単結晶層と(III族窒化物半導体結晶)は同一種であるにもかかわらず、空洞部を境にして下地基板と結晶層の分離が下地基板一面に亘って確認された。また、加熱後(分離工程後)の結晶表面は黒色を呈しており、XRDによる同定を行った結果、水酸化ガリウム、酸化ガリウム、ガリウムメタルが混在していることが判明した。このことから、アンモニアと炉心管部材のアルミナが反応して生じた水分子により、GaN結晶の加水分解反応が生じていることが確認された。   As a result of confirming the crystal after the heat treatment, surprisingly, the base substrate, the compound semiconductor single crystal layer, and the (group III nitride semiconductor crystal) are the same species, but the base is formed with the cavity as a boundary. Separation of the substrate and the crystal layer was confirmed over the entire surface of the base substrate. Further, the crystal surface after heating (after the separation step) was black, and as a result of identification by XRD, it was found that gallium hydroxide, gallium oxide, and gallium metal were mixed. From this, it was confirmed that the hydrolysis reaction of the GaN crystal was caused by the water molecules generated by the reaction between ammonia and the alumina of the core tube member.

得られた結晶を120℃の濃硝酸(HNO369%含有)に浸漬し、表面に付着したガ
リウムメタルを除去し、クリーム色を呈するオキシ水酸化ガリウムと白色の酸化ガリウムが表面に存在する結晶サンプルを得た。このように、加熱後(分離工程後)の結晶表面にはIII族元素からなる表面変質層が形成されており、その内部にはGaN結晶が存在することが確認された。硝酸浸漬後の成長層の裏面、即ち空洞を境に分離した成長層側表面は平坦であることを目視で確認し、成長層側をバルク結晶として得ることができた。これにより高品質の結晶性を有する成長層を、スライス加工等を要することなく基板から分離して得ることができた。
The obtained crystal is immersed in concentrated nitric acid (containing 69% of HNO 3 ) at 120 ° C. to remove the gallium metal adhering to the surface, and a crystal in which cream-like gallium oxyhydroxide and white gallium oxide are present on the surface A sample was obtained. Thus, it was confirmed that a surface altered layer composed of a group III element was formed on the crystal surface after heating (after the separation step), and GaN crystals were present in the inside. It was visually confirmed that the back surface of the growth layer after immersion in nitric acid, that is, the growth layer side surface separated from the cavity, was flat, and the growth layer side could be obtained as a bulk crystal. As a result, a growth layer having high quality crystallinity could be obtained separately from the substrate without requiring slicing or the like.

本発明の製造方法によって得られる半導体バルク結晶、例えばIII族窒化物半導体結晶は、紫外〜青色の発光ダイオード又は半導体レーザ等の比較的短波長側の発光素子、及び緑色〜赤色の比較的長波長側の発光素子を製造するための基板として、さらに電子デバイス等の半導体デバイスの基板としても有用である。   A semiconductor bulk crystal obtained by the production method of the present invention, such as a group III nitride semiconductor crystal, is a light emitting element on a relatively short wavelength side such as an ultraviolet to blue light emitting diode or a semiconductor laser, and a green to red relatively long wavelength. It is also useful as a substrate for manufacturing the side light emitting element, and further as a substrate for semiconductor devices such as electronic devices.

1 下地基板
2 化合物半導体単結晶層
3 空洞
4 空洞の幅
5 空洞の高さ
6 非空洞部分の幅
7 空洞の長辺
8 下地基板
9 窒化シリコン膜
10 HMDS(ヘキサメチルジシラザン)
11 ポジ型レジスト
12 窒化シリコン膜
13 ポジ型レジスト
100 リアクター(反応容器)
101〜104 導入管
105 リザーバー
106 ヒーター
107 サセプター
108 排気管
109 基板ホルダー
200 アルミナ管
201 結晶複合体
202 ヒーター
203 ガス導入管
204 ガス排気管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base substrate 2 Compound semiconductor single crystal layer 3 Cavity 4 Cavity width 5 Cavity height 6 Non-cavity width 7 Cavity long side 8 Base substrate 9 Silicon nitride film 10 HMDS (hexamethyldisilazane)
11 Positive resist 12 Silicon nitride film 13 Positive resist 100 Reactor (reaction vessel)
101-104 Introduction pipe 105 Reservoir 106 Heater 107 Susceptor 108 Exhaust pipe 109 Substrate holder 200 Alumina pipe 201 Crystal composite body 202 Heater 203 Gas introduction pipe 204 Gas exhaust pipe

Claims (9)

下地基板と前記下地基板の主面上に形成された化合物半導体単結晶層とを含み、さらに前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層の境界付近に空洞を有する結晶複合体を準備する準備工程、及び
前記結晶複合体を1000℃以上の温度で加熱し、前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層とを分離して半導体バルク結晶を得る分離工程を含むことを特徴とする半導体バルク結晶の製造方法。
A preparatory step of preparing a crystal composite including a base substrate and a compound semiconductor single crystal layer formed on a main surface of the base substrate, and further having a cavity near a boundary between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer; And a separation step of heating the crystal complex at a temperature of 1000 ° C. or higher to separate the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer to obtain a semiconductor bulk crystal. .
前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層が、下記式で表される格子不整合度の条件を満たすものである、請求項1に記載の半導体バルク結晶の製造方法。
2|a1−a2|/[a1+a2]≦1×10-3
(式中、a1は下地基板の格子定数であって前記化合物半導体単結晶層の成長方向に直交する結晶軸の格子定数を、a2は化合物半導体単結晶層の格子定数であって前記化合物半導体単結晶層の成長方向に直交する結晶軸の格子定数を表す。)
The method for producing a semiconductor bulk crystal according to claim 1, wherein the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer satisfy a condition of a lattice mismatch degree represented by the following formula.
2 | a 1 −a 2 | / [a 1 + a 2 ] ≦ 1 × 10 −3
(Wherein a 1 is the lattice constant of the underlying substrate and the lattice constant of the crystal axis perpendicular to the growth direction of the compound semiconductor single crystal layer, and a 2 is the lattice constant of the compound semiconductor single crystal layer and the compound (Represents the lattice constant of the crystal axis perpendicular to the growth direction of the semiconductor single crystal layer.)
前記分離工程が、酸素源の存在下で加熱する工程である、請求項1又は2に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The method for producing a semiconductor bulk crystal according to claim 1, wherein the separation step is a step of heating in the presence of an oxygen source. 前記分離工程が、水(H2O)の存在下で加熱する工程である、請求項3に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The method for producing a semiconductor bulk crystal according to claim 3, wherein the separation step is a step of heating in the presence of water (H 2 O). 前記下地基板の厚みが100μm以上1mm以下である、請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The manufacturing method of the semiconductor bulk crystal of any one of Claims 1-4 whose thickness of the said base substrate is 100 micrometers or more and 1 mm or less. 前記結晶複合体における前記下地基板と前記化合物半導体単結晶層の接触面積が、前記下地基板の主面の総面積の10%以上90%以下である、請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The contact area between the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer in the crystal composite is 10% or more and 90% or less of the total area of the main surface of the base substrate. The manufacturing method of the semiconductor bulk crystal of description. 前記化合物半導体単結晶層が、ハライド気相成長法(HVPE法)によって形成したものである、請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The method for producing a semiconductor bulk crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the compound semiconductor single crystal layer is formed by a halide vapor phase epitaxy (HVPE method). 前記下地基板及び前記化合物半導体単結晶層が、III族窒化物半導体結晶である、請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The method for producing a semiconductor bulk crystal according to claim 1, wherein the base substrate and the compound semiconductor single crystal layer are group III nitride semiconductor crystals. 前記下地基板の主面がC面である、請求項8に記載の半導体バルク結晶の製造方法。 The method for producing a semiconductor bulk crystal according to claim 8, wherein a main surface of the base substrate is a C plane.
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