JP2014051400A - 窒化物半導体自立基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、転位の少ない窒化物半導体自立基板を得る方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体自立基板の製造方法は、Ｓｉ基板１の一主面上を炭化させて炭化膜２を１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚で形成する工程と、炭化膜２上に窒化物半導体層３を４００μｍ以上１０００μｍ以下の層厚で形成する工程と、炭化膜２と窒化物半導体層３の界面から窒化物半導体層３を分離させて窒化物半導体自立基板を得る工程と、からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に高耐圧パワーデバイスに好適に用いられる、窒化物半導体自立基板の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）等に代表される窒化物半導体の作製に用いられる基板として、例えば、窒化物半導体自立基板が安価に提供されることは、工業的に価値が高いものである。

バルク結晶基板の作製方法にはいくつかあるが、ベースとなる基板上に、気相成長法にて所定の厚さの窒化物半導体層を形成し、その後ベース基板から窒化物半導体層を分離して、窒化物半導体自立基板を得る方法が知られている。

例えば特許文献１には、少なくとも、表面に凹凸を形成した基材を準備して、該準備した基材の凹凸が形成された表面上に窒化物半導体層を前記基材厚以上の厚さでエピタキシャル成長させて、該成長させた窒化物半導体層を前記基材から剥離させることにより窒化物半導体自立基板を製造する、という技術が開示されている。

また、特許文献２には、成長用下地基板上に、クロム層を形成する成膜工程と、該クロム層を、所定の条件で窒化することによりクロム窒化物層とする窒化工程と、該クロム窒化物層上に、少なくとも１層の３族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる結晶層成長工程と、前記クロム窒化物層をケミカルエッチングで除去することにより、前記成長用下地基板と前記３族窒化物半導体とを分離させる分離工程とを具える３族窒化物半導体自立基板または３族窒化物半導体素子の製造方法が開示されている。

特開２０１１−３２１１３号公報 特開２０１２−７７３４５号公報

特許文献１は、表面に凹凸を形成した基材を準備する必要があり、凹凸の深さ、凹部の幅、及び凸部の幅を、それぞれ０．１〜５μｍの範囲で形成することで良好な剥離が生じ、また、凸部の面積を基板の面積の５０％以下とすることで、窒化物半導体層との界面の機械的強度がより弱くなり、さらに良好に剥離する、としている。

しかしながら、μｍレベルで凹凸を形成した場合、凸部で形成される仮想平面が、疑似的な傾斜面になる場合や、平坦性が不十分であった場合には、窒化物半導体の結晶性が低下する恐れがあった。また、基材面に凹凸を形成する工程が必要であるので、コストやスループットの点で不利であった。

特許文献２は、３族窒化物半導体層の結晶性を向上するために好適なクロム窒化物層を形成する、さらに、不定形や四角形に近い鱗片状の微結晶ではなく三角錐形状の微結晶を下地基板全面にわたって均一に形成する、としている。

しかしながら、均一な窒化クロム層の形成工程、エッチングによる窒化クロム層の剥離工程を含むので、下地基板上に気相成長法のみで窒化物半導体自立基板を製造することができず、コストやスループットの点では、やはり不利であった。

本発明は、この課題を鑑みてなされたもので、安価に窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法は、Ｓｉ基板の一主面上を炭化させて炭化膜を１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚で形成する工程と、前記炭化膜上に窒化物半導体層を４００μｍ以上１０００μｍ以下の層厚で形成する工程と、前記炭化膜と前記窒化物半導体層の界面から前記窒化物半導体層を分離させて窒化物半導体自立基板を得る工程と、からなること特徴とする。

かかる構成を有することで、安価に窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することが可能となる。

また、本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法においては、窒化物半導体層が互いに異なる組成の窒化物が繰り返し積層されてなるバッファ層を介して形成されることが好ましい。これにより、より窒化物半導体層の結晶性を高めることができる。

さらに、バッファ層は、炭素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法によれば、公知の気相成長法と気相成長装置のみで、安価に窒化物半導体自立基板を製造することができ、さらには、結晶性にも優れた窒化物半導体自立基板を得ることが可能となる。

図１は、本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法を示す工程フロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図１を基に詳細に説明する。

本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法は、Ｓｉ基板１の一主面上を炭化させて炭化膜２を１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚で形成する工程と、炭化膜２上に窒化物半導体層３を４００μｍ以上１０００μｍ以下の層厚で形成する工程と、炭化膜２と窒化物半導体層３の界面から窒化物半導体層３を分離させて窒化物半導体自立基板を得る工程と、からなる。

まず、下地基板となるＳｉ基板１を準備する。Ｓｉ基板１は、面方位、面粗さ、口径、酸素濃度、ドーパントの種類と濃度、等は、目的に応じて適時選択できる。

なお、Ｓｉ基板１の一主面は、例えば（１１１）面に対して±０．１〜２°の範囲でオフ角を有していてもよい。

次に、Ｓｉ基板１の一主面上を炭化させて、炭化膜２を１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚で形成する。

炭化膜を形成する方法は、膜厚均一性、連続成膜の点で、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が好適である。これは、Ｓｉ原子と炭素（Ｃ）を別途供給して炭化珪素の膜を生成し、これをＳｉ基板１の一主面上に堆積させて炭化膜２を形成する方法と比較して、Ｓｉ基板１の一主面が持つ結晶方位等の結晶情報が、この上に積層する窒化物半導体層３に対して、正確に伝播されやすくなるので、好ましいといえる。

なお、Ｓｉ基板１の一主面上に存在するＳｉ原子を炭化させて炭化膜を形成する方法であれば、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ)法でもよい。

炭化膜２の膜厚は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。炭化膜２の膜厚が１ｎｍ未満では、膜厚が薄すぎて、窒化物とＳｉ基板１とが直接接触する部位が生じてしまい、剥離性が悪化するおそれがある。

炭化膜２の膜厚が３ｎｍ超では、Ｓｉ基板１の一主面の結晶情報が、窒化物半導体層３に対して正確かつ十分に伝播されにくくなる。好ましくは、炭化膜２の膜厚は１．５ｎｍ以上２．５ｎｍである。

なお、本発明においては、Ｓｉ基板１の一主面が有する結晶方位等の情報が適切に伝播されるのであれば、炭化珪素以外の材料を適用することも可能である。

次に、炭化膜２上に窒化物半導体層３を４００μｍ以上１０００μｍ以下の層厚で形成する。窒化物半導体層３の形成には、各種公知の製法を適用できる。一例として、ＭＯＣＶＤ法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、が挙げられる。

しかしながら、炭化膜２をＭＯＣＶＤ法で形成した場合は、連続プロセスで形成でき、スループットが向上する点で、窒化物半導体層３もＭＯＣＶＤ法で形成することがより好ましい。

窒化物半導体３の材料には、広く公知の材料が適用できるが、炭化膜２上に形成する時のマッチングや製造のし易さの点で、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）のいずれか、または、これらの組み合わせからなる窒化物が好ましい。なお窒化物半導体中には、Ｃ、Ｓｉ、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、マグネシウム（Ｍｇ）等をドーパントとして含んでもよい。

そして、炭化膜２と窒化物半導体層３の界面から窒化物半導体層３を分離させて、窒化物半導体自立基板を得る。

炭化膜、すなわちＳｉＣは極性結晶であり、結晶面としてシリコン面とカーボン面が存在するが、この上に堆積される窒化物半導体は、シリコン面とカーボン面ではその成長速度が異なることにより、カーボン面との界面にはボイドが生成されやすい。

従って、炭化膜２上に窒化物半導体層３を形成すると、その界面はボイドが存在することにより応力に対して脆くなり、気相成長後室温まで降温する時に発生する応力が、界面に沿って進行し、窒化物半導体層３が自然に分離される。

窒化物半導体層３の厚さが４００μｍ未満では、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層３との応力差が十分でなく、窒化物半導体層３の自然剥離で完全に分離されないおそれがある。

なお、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層３との応力差は、Ｓｉ基板１の厚さや、Ｓｉ基板１のドーパント濃度、裏面膜の有無、窒化物半導体層３とＳｉ基板１との間のバッファ層の存在、等にも影響される。従って、これらの要因を加味しても、窒化物半導体層３の厚さが４００μｍ以上あれば、窒化物半導体層３の自然剥離が完全に進行させることが可能となる。

しかし、窒化物半導体層３の厚さが１０００μｍ超では、窒化物半導体基板Ｚ全体の反りが過大になるので、窒化物半導体層３の自然剥離時の、クラックによる破損等の影響が危惧される。

そして、窒化物半導体層３は、互いに異なる組成の窒化物が繰り返し積層されてなるバッファ層を介して形成されることが好ましい。バッファ層が介在することで、Ｓｉ基板１の一主面を起点として発生する各種の転位をバッファ層で抑制するので、より窒化物半導体３の結晶性が高められる。

また、互いに異なる組成の窒化物が繰り返し積層されてなるバッファ層は、比較的薄い層厚で、より転移抑制効果、さらには窒化物半導体層３の平坦性向上効果にも優れているので、好ましい形態である。好適な例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）の繰り返し積層構造が挙げられる。

さらに、バッファ層は、炭素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。バッファ層を高抵抗化する必要がある場合、炭素濃度を高くすることが知られており、特に炭化膜２とバッファ層をＭＯＣＶＤで連続して形成する場合、原料ガス中の炭素原料の制御がしやすく、好ましいものである。

炭素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、十分な高抵抗化が
達成されにくい。なお、炭素濃度が１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えると、過剰な炭素による新たな転位発生のおそれがあり、こちらも、必ずしも好ましいものとはいえない。

以上の通り、本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法によれば、従来に比べて安価に窒化物半導体自立基板を得ることができる。また、公知の手法でも結晶性を十分確保して安価に窒化物半導体自立基板を得ることもできる。

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）チョクラルスキー（ＣＺ）法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、アンチモン（Ｓｂ）がドープされた抵抗率２０ｍΩ・ｃｍのＳｉ基板１を準備し、ＭＯＣＶＤ装置にセットした。そして、水素希釈でプロパンガス１ｖｏｌ％のガス雰囲気下、１１００℃×１分処理して、炭化膜２を１．５ｎｍ形成した。さらに、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、その他ガスとして窒素、水素、アンモニアガスを用いて、温度はそのままにして、ＧａＮ層を５００μｍ堆積した後、室温まで降下してＭＯＣＶＤ装置から取り出した。このようにして作製した窒化物半導体基板を実施例１とした。

実施例１の窒化物半導体基板は、炭化膜２の付着したＳｉ基板１から完全に分離した状態であった。また、剥離面に炭化膜２の付着、剥離時の割れ、亀裂等の不具合も観察されなかった。

また、実施例１の窒化物半導体基板の表面中心点付近の転位密度を、透過型電子顕微鏡により評価したところ、１×１０^６ヶ／ｃｍ^２であり、良好な範囲であった。

（実施例２〜７、比較例１〜４） 実施例１に対して、炭化膜２の膜厚と窒化物半導体層３の層厚を、表１に示した内容で変更した窒化物半導体基板を作製した。評価は実施例１に準じた。

表１の結果より、本発明の範囲内では、実施例１と同等のレベルであった。一方、本発明の範囲を外れたものは、剥離性や窒化物半導体層の結晶性の観点から見て、実施例に比べて見劣りするものであった。

（実施例８）
実施例１で用いた、炭化膜２が形成されたＳｉ基板１の主面上に対して、以下の内容でバッファ層を形成した。

原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、ＮＨ₃ガス、メタンガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素濃度が１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で厚さ２０ｎｍのＡｌＮ単結晶層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（ｘ＝１））を形成し、さらにその上に、原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、ＴＭＡガス、ＮＨ₃ガス、メタンガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素濃度が５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で厚さ８０ｎｍのＧａＮ単結晶層（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（ｙ＝０．２））を積層させ、これらを同様の工程にて、各１０層、合計２０層積層させ、多層バッファ層を形成した。前記多層バッファ層上に、原料ガスとして、ＴＭＧガス、ＮＨ_３ガスおよびメタンガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で厚さ５００μｍのＧａＮ層を形成した。このようにして実施例８の窒化物半導体基板を得た。

表面に直径２ｍｍの金箔を用いたショットキー電極を、裏面にＴｉ／Ａｌ電極をそれぞれ形成し、カーブトレーサによって耐圧を測定したところ、６００Ｖの耐圧を得ることができた。これにより、結晶欠陥や転位の少ない、耐圧の高い窒化物半導体基板とすることができた。また、実施例１に準じた転位密度の測定では、０．５×１０^６ヶ／ｃｍ^２であり、転位密度も少なく良好であった。

本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法は、下地基板上に成膜後下地基板から分離する工程を含むものであれば、窒化物以外の半導体基板や、半導体以外の、例えばシリカガラス等の平面基板の製造等にも、広く応用できる。

１ Ｓｉ基板２ 炭化膜３ 窒化物半導体層

Claims (3)

1. Ｓｉ基板の一主面上を炭化させて炭化膜を１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚で形成する工程と、前記炭化膜上に窒化物半導体層を４００μｍ以上１０００μｍ以下の層厚で形成する工程と、前記炭化膜と前記窒化物半導体層の界面から前記窒化物半導体層を分離させて窒化物半導体自立基板を得る工程と、からなること特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法。
2. 窒化物半導体層は、互いに異なる組成の窒化物が繰り返し積層されてなるバッファ層を介して形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
3. バッファ層は、炭素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。

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