JP2014084263A - Ｉｉｉ族窒化物膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に成長させた構成元素の組成が基板と同じＩＩＩ族窒化物膜を歩留まりよく分離することができるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物膜の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に、構成元素の組成が同じでＳｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を成長させる工程と、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１上に、構成元素の組成が同じで不純物の濃度がいずれも１〜２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下の第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を成長させる工程と、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に第１のＩＩＩ族窒化物膜１１および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２がこの順に成長された積膜板１に、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光Ｌを照射することにより、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を分解させてＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩留まりのよいＩＩＩ族窒化物膜の製造方法に関する。

ＩＩＩ族窒化物膜は、高価な膜であり、また、半導体デバイスの基板および半導体層として好適に用いられるものであるため、歩留まりよく製造することが求められている。

特開２００２−２２２７７３号公報（特許文献１）は、窒化物半導体ウエハの製造方法に関して、母材基板上に母材基板とは異なる材料によりなる窒化物半導体膜を成長する第１の工程の後、１照射面積が母材基板主面の面積の２０％以上である光を用いて母材基板と窒化物半導体膜を分離する第２の工程を有することにより、母材基板から分離する際の窒化物半導体膜の割れを防止するとともに分離の際の時間を短くできることを開示する。

また、特開２００７−０８４４３５号公報（特許文献２）は、単結晶ＧａＮ基板の製造方法に関して、成長させたＧａＮ単結晶をスライス加工することにより単結晶ＧａＮ基板を得ることを開示する。

特開２００２−２２２７７３号公報 特開２００７−０８４４３５号公報

特開２００２−２２２７７３号公報（特許文献１）に開示された紫外線波長領域のレーザ光による母材基板からの窒化物半導体膜の分離方法は、母材基板とその上に成長させる窒化物半導体膜とが異なる材料である場合には適用できるが、母材基材と窒化物半導体膜とが同じ材料すなわち構成元素が同じである場合には両者の光吸収係数が同じであるため適用できない。

また、特開２００７−０８４４３５号公報（特許文献２）に開示されたスライス加工による単結晶ＧａＮ基板の分離方法は、スライス加工に用いられるワイヤーソーなどのカーフロス分の無駄が生じるため、歩留まりが低下する。

本発明は、上記の問題を解決して、基板上に成長させた構成元素の組成が基板と同じＩＩＩ族窒化物膜を歩留まりよく分離することができるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物基板上に、ＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板と同じであり、不純物として含まれるＳｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程と、第１のＩＩＩ族窒化物膜上に、ＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板と同じであり不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である第２のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程と、ＩＩＩ族窒化物基板上に第１のＩＩＩ族窒化物膜および第２のＩＩＩ族窒化物膜がこの順に成長された積層板に、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光を照射することにより、第１のＩＩＩ族窒化物膜を分解させてＩＩＩ族窒化物基板から第２のＩＩＩ族窒化物膜を分離する工程と、を含むＩＩＩ族窒化物膜の製造方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法において、第１のＩＩＩ族窒化物膜の厚さを０．５μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物基板は、不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度を２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下とすることができる。

本発明によれば、基板上に成長させた構成元素の組成が基板と同じＩＩＩ族窒化物膜を歩留まりよく分離することができるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法を提供することができる。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法の一例を示す概略断面図である。ここで、（Ａ）は、ＩＩＩ族窒化物基板上に第１のＩＩＩ族窒化物膜および第２のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程を示し、（Ｂ）は第１のＩＩＩ族窒化物膜を分解させてＩＩＩ族窒化物基板から第２のＩＩＩ族窒化物膜を分離する工程を示す。 第１のＩＩＩ族窒化物膜および第２のＩＩＩ族窒化物膜の光の透過率を示すチャートである。

図１を参照して、本発明の一実施形態であるＩＩＩ族窒化物膜の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に、不純物以外の構成元素であるＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板１０と同じであり、不純物として含まれるＳｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を成長させる工程（図１（Ａ））と、第２のＩＩＩ族窒化物膜１１上に、不純物以外の構成元素であるＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板１０と同じであり不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を成長させる工程（図１（Ａ））と、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に第１のＩＩＩ族窒化物膜１１および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２がこの順に成長された積膜板１に、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光Ｌを照射することにより、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を分解させてＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する工程（図１（Ｂ））と、を含む。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物膜の製造方法において、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２は、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光の透過率が高いため、かかるレーザ光を透過する。これに対し、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光の透過率が低いため、かかるレーザ光を吸収して発熱により高温となって分解するため、ＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を歩留まりよく分離することができる。ここで、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する際、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１およびその近傍領域が高温となるが、ＩＩＩ族窒化物基板１０、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１、および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２は、それらの不純物以外の構成元素であるＩＩＩ族元素および窒素の組成が同じであることからそれらの熱膨張係数が同じであるため、ＩＩＩ族窒化物基板１０および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２に割れが発生するのが防止される。

（ＩＩＩ族窒化物基板上に、第１のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程）
図１（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を成長させる工程において、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を成長させる方法は、特に制限はないが、結晶性の高い第１のＩＩＩ族窒化物膜１１をエピタキシャル成長させる観点から、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法などが好ましく、さらに膜厚の調整がし易く薄い膜を高い膜厚精度で形成できる観点から、ＭＯＣＶＤ法がより好ましい。

ＩＩＩ族窒化物基板１０は、不純物以外の構成元素がＩＩＩ族窒化物元素および窒素であれば特に制限はないが、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光の透過率を高くする観点から、不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は、その不純物以外の構成元素であるＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板１０と同じであることから、その熱膨張係数がＩＩＩ族窒化物基板１０と同じであるため、その成長の際の温度変化による割れの発生を防止できる。

また、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は、不純物として含まれるＳｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることから、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光の透過率が低いため、かかるレーザ光を吸収して発熱により高温となって分解する。かかるレーザ光の透過率を低減する観点から、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１に不純物として含まれるＳｉの濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上が好ましい。なお、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の成膜がし易い観点から、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１に不純物として含まれるＳｉの濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下が好ましい。ここで、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１に含まれるＳｉの濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に調整する方法は、特に制限はなく、シラン（ＳｉＨ₄）ガス、ジメチルシラン（ＳｉＨ₂（ＣＨ₃）₂）などのＳｉを含むドーピングガスのガス量を調整することにより行なうことができる。

また、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の厚さは、特に制限はないが、後述の第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の分解によるＩＩＩ族窒化物基板１０からの第２のＩＩＩ族窒化物膜の分離を容易にする観点から、好ましくは０．５μｍ以上でありより好ましくは１μｍ以上であり、分離の際の第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の分解によるロスを低減する観点から、好ましくは５０μｍ以下でありより好ましくは１０μｍ以下である。

（第１のＩＩＩ族窒化物膜上に、第２のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程）
図１（Ａ）を参照して、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１上に第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を成長させる工程において、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を成長させる方法は、特に制限はないが、結晶性の高い第２のＩＩＩ族窒化物膜１２をエピタキシャル成長させる観点から、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＭＢＥ（分子線成長）法などが好ましく、さらに厚い膜を効率よく形成する観点から、ＨＶＰＥ法がより好ましい。

第２のＩＩＩ族窒化物膜１２は、その不純物以外の構成元素であるＩＩＩ族元素および窒素の組成がＩＩＩ族窒化物基板１０および第１のＩＩＩ族窒化物膜１１と同じであることから、その熱膨張係数がＩＩＩ族窒化物基板１０および第１のＩＩＩ族窒化物膜１１と同じであるため、その成長の際の温度変化による割れの発生を防止できる。

また、第２のＩＩＩ族窒化物膜１１は、不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることから、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光の透過率が高いため、かかるレーザ光を透過する。ここで、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２に含まれる不純物の濃度を所定濃度以下に調整する方法は、特に制限はなく、たとえば、成膜炉内の部材をＳｉＣ被覆されたカーボン部材を用いたり、成膜温度を９００℃以上１０３０℃以下程度に低くしたりすることにより行なうことができる。

（ＩＩＩ族窒化物基板から第２のＩＩＩ族窒化物膜を分離する工程）
図１（Ｂ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に第１のＩＩＩ族窒化物膜１１および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２がこの順に成長された積膜板１の第１のＩＩＩ族窒化物膜１１を分解させてＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する工程は、上記の積膜板１に波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光を照射することにより行なう。

たとえば、積膜板１にその第２のＩＩＩ族窒化物膜１２側から波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光Ｌを照射すると、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２は図２に示すように透過率が高いためレーザ光Ｌを透過し、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は図２に示すように透過率が低いためレーザ光Ｌを吸光して発熱により高温となり分解することにより、ＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する。

図２のチャートは、第１のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ１および第２のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ２の光の透過率を示したものである。ここで、第１のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ１および第２のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ２の厚さは、いずれも０．３ｍｍとした。第１のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ１および第２のＩＩＩ族窒化物膜Ｆ２の光の透過率の測定は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度）法により行なった。ＦＴＩＲ法とは、具体的には、グローバ光源（炭化珪素）から放出した光を、ＫＢｒのビームスプリッタで分離し、一方は可動式のミラーで反射させ、もう一方は試料を透過させて、液体窒素温度に冷却したＭＣＴ（水銀カドミウムテルル）検出器で光を検出する。可動式ミラーの距離を変化させることで検出する光の量が変化し、それをフーリエ変換させることで波数成分を表示させる方法である。

また、ＩＩＩ族窒化物基板１０が不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である場合は、かかるＩＩＩ族窒化物基板１０は、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２と同様に波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光Ｌの透過率が高いためレーザ光Ｌを透過する。したがって、かかる場合には、積膜板１のＩＩＩ族窒化物基板１０側から波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光Ｌを照射することによっても、ＩＩＩ族窒化物基板１０は透過率が高いためレーザ光Ｌを透過し、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は透過率が低いためレーザ光Ｌを吸光して発熱により高温となり分解することにより、ＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離することができる。

ＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を分離する際に、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１およびその近傍が高温になるが、分解せずに残るＩＩＩ族窒化物基板１０および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２と、分解して除去される第１のＩＩＩ族窒化物膜１１とは、それらのＩＩＩ族元素および窒素の組成が互いに同じであることから、それらの熱膨張係数が互いに同じであるため、ＩＩＩ族窒化物基板１０および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２に割れが発生するのを防止できる。

（実施例１）
１．ＩＩＩ族窒化物基板上への第１のＩＩＩ族窒化物膜の成長
図１（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０として、主面が（０００１）面でその主面の貫通転位密度が２．３×１０⁶ｃｍ^-2である直径２インチ（５．０８ｃｍ）で厚さ３００μｍのＧａＮ基板を準備した。次いで、ＩＩＩ族窒化物基板１０のその主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１として不純物としてＳｉが含まれる厚さ１０μｍの第１のＧａＮ膜を成長させた。ここで、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１にＳｉを添加するためのドーピングガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）ガスを用いた。得られた第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の主面の貫通転位密度は、カソードルミネッセンス法により測定したところ、２．３×１０⁶ｃｍ^-2であった。また、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１に不純物として含まれるＳｉの濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法により測定したところ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

２．第１のＩＩＩ族窒化物膜上への第２のＩＩＩ族窒化物膜の成長
図１（Ａ）を参照して、次に、第１のＩＩＩ族窒化物膜１１の主面上に、ＨＶＰＥ法により、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２として、厚さ４００μｍの第２のＧａＮ膜を成長させた。ここで、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２の成長の際には、第２のＩＩＩ族窒化物膜１２に不純物が混入するのを抑制するために、ＨＶＰＥ炉内の部材にはＳｉＣで被覆されたカーボン部材を用いて、成膜温度を１０００℃とした。得られた第２のＩＩＩ族窒化物膜１２の主面の貫通転位密度は、カソードルミネッセンス法により測定したところ、１．６×１０⁶ｃｍ^-2であった。また、第２のＩＩＩ族窒化物膜１１に含まれる不純物の種類および濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法により測定したところ、Ｓｉが２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、Ｃが２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、Ｏが２×１０¹⁶ｃｍ^-3、Ｍｇが２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、遷移金属元素であるＦｅ、Ｎｉ、およびＣｒのそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であった。

３．ＩＩＩ族窒化物基板からの第２のＩＩＩ族窒化物膜の分離
図１（Ｂ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０上に第１のＩＩＩ族窒化物膜１１および第２のＩＩＩ族窒化物膜１２がこの順に成長された積膜板１の第２のＩＩＩ族窒化物膜１２側から、波長が９．３μｍで照射エネルギーが１Ｊ／ｃｍ²のＣＯ₂レーザ光Ｌを照射した。第２のＩＩＩ族窒化物膜１２はＣＯ₂レーザ光Ｌの透過率が高いため、ＣＯ₂レーザ光Ｌは第２のＩＩＩ族窒化物膜１２を透過して第１のＩＩＩ族窒化物膜１１に達した。第１のＩＩＩ族窒化物膜１１は、ＣＯ₂レーザ光Ｌの透過率が低いため、ＣＯ₂レーザ光Ｌを吸収して発熱し高温となって分解した。こうして、ＩＩＩ族窒化物基板１０から第２のＩＩＩ族窒化物膜１２が分離された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１ 積膜板、１０ ＩＩＩ族窒化物基板、１１ 第１のＩＩＩ族窒化物膜、１２ 第２のＩＩＩ族窒化物膜、Ｌ レーザ光。

Claims (3)

1. ＩＩＩ族窒化物基板上に、ＩＩＩ族元素および窒素の組成が前記ＩＩＩ族窒化物基板と同じであり、不純物として含まれるＳｉの濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程と、
   前記第１のＩＩＩ族窒化物膜上に、ＩＩＩ族元素および窒素の組成が前記ＩＩＩ族窒化物基板と同じであり不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である第２のＩＩＩ族窒化物膜を成長させる工程と、
   前記ＩＩＩ族窒化物基板上に前記第１のＩＩＩ族窒化物膜および前記第２のＩＩＩ族窒化物膜がこの順に成長された積膜板に、波長が８μｍ以上１２μｍ以下のレーザ光を照射することにより、前記第１のＩＩＩ族窒化物膜を分解させて前記ＩＩＩ族窒化物基板から前記第２のＩＩＩ族窒化物膜を分離する工程と、を含むＩＩＩ族窒化物膜の製造方法。
2. 前記第１のＩＩＩ族窒化物膜の厚さは、０．５μｍ以上５０μｍ以下である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物膜の製造方法。
3. 前記ＩＩＩ族窒化物基板は、不純物として含まれるＳｉ、Ｃ、ＯおよびＭｇのそれぞれの濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下かつ遷移金属元素のそれぞれの濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物膜の製造方法。

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