JP2014162713A - Method for manufacturing a nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
近年、光源としてLED(Light Emitting Diode)の需要、特に青色LED及び白色LEDといった発光ダイオードの需要が急増している。青色LED及び白色LEDには、エピタキシャル成長によって製造されたGaN、InGaN及びそれらに類似する窒化物半導体が使われている。さらに、窒化物半導体は、電子の移動度が大きい点やバンドギャップが広い点から、高出力、高周波数のトランジスタ動作が可能なため、電子デバイス材料としても注目されている。 In recent years, the demand for LEDs (Light Emitting Diodes) as a light source, in particular, the demand for light emitting diodes such as blue LEDs and white LEDs has increased rapidly. For blue LEDs and white LEDs, GaN, InGaN and similar nitride semiconductors manufactured by epitaxial growth are used. Further, nitride semiconductors are attracting attention as electronic device materials because they can operate at high power and high frequency because of their high electron mobility and wide band gap.
一般的に、発光ダイオードやトランジスタに用いられる窒化物半導体(例えば、GaN)の結晶は、サファイア基板上やシリコン基板上に気相エピタキシャル成長法によって形成される。この方法で得られるGaNの結晶の転位密度は、通常約108cm-2〜109cm-2と比較的大きいため、結晶の品質が悪い。これは、サファイア基板(又はシリコン基板)とGaNとの格子定数差が大きいことに起因する。このような転位密度の問題を解決するためには、サファイア基板上(又はシリコン基板上)にGaN結晶を結晶成長させたエピタキシャル基板を製造するのではなく、GaNの結晶そのものを基板とするGaN単結晶基板を製造することが最適である。 In general, a crystal of a nitride semiconductor (for example, GaN) used for a light emitting diode or a transistor is formed on a sapphire substrate or a silicon substrate by vapor phase epitaxial growth. The dislocation density of the GaN crystal obtained by this method is usually relatively high, about 10 8 cm −2 to 10 9 cm −2 , so that the crystal quality is poor. This is due to the large lattice constant difference between the sapphire substrate (or silicon substrate) and GaN. In order to solve such a problem of dislocation density, an GaN crystal having a GaN crystal itself as a substrate is not manufactured, but an GaN crystal is grown on a sapphire substrate (or a silicon substrate). It is optimal to produce a crystal substrate.
GaN単結晶基板の製造方法が開示されている文献としては、例えば、特許文献1が挙げられる。特許文献1には、有機金属気相成長(MOCVD)法、分子線エピタキシー(MBE)法、又はHVPE法によって、サファイア基板の主面上に種結晶(GaN)を結晶成長させた種基板を製造し、この種基板の主面上に、ナトリウム(Na)をフラックスとした液相エピタキシャル成長(LPE)法によって、最適な結晶成長温度(800℃〜1000℃程度)でGaN単結晶を結晶成長させ、その後、結晶成長温度から室温(25℃程度)に降温時により生じる応力によって、種基板とGaN単結晶とを自然分離させて、GaN単結晶からなるGaN単結晶基板を製造する方法が開示されている。
For example,
この製造方法によれば、GaN単結晶の転位密度を104cm-2程度の値となり、エピタキシャル基板の転位密度(108cm-2〜109cm-2)よりも小さくすることができ、GaNの結晶の品質を向上させることができる。 According to this manufacturing method, the dislocation density of the GaN single crystal becomes a value of about 10 4 cm −2 , which can be made smaller than the dislocation density (10 8 cm −2 to 10 9 cm −2 ) of the epitaxial substrate. The quality of GaN crystals can be improved.
さらに、特許文献1には、GaN単結晶と種基板とを自然剥離させる際に、GaN単結晶にかかる応力によって、GaN単結晶にクラックが入ることを防止するため、GaN単結晶と種基板との界面に複数の間隙を設けて製造されるGaN単結晶基板の製造方法が開示されている。
Furthermore, in
これにより、結晶成長温度から室温に降温させる際の熱変化によって生じる応力が生じても、種基板とGaN単結晶との界面に備える間隙から種基板とGaN単結晶とを剥離させることができるため、GaN単結晶にクラックが入ることを防止することができる。 As a result, the seed substrate and the GaN single crystal can be peeled from the gap provided at the interface between the seed substrate and the GaN single crystal even if a stress is generated due to a thermal change when the temperature is lowered from the crystal growth temperature to the room temperature. , It is possible to prevent cracks in the GaN single crystal.
特許文献1のGaN単結晶成長基板の製造方法では、ナトリウム(Na)をフラックスとした液相エピタキシャル成長(LPE)法によってGaN単結晶を結晶成長させる際に、室温(25℃程度)から結晶成長温度(800℃〜1000℃)まで種基板を加熱する必要がある。この昇温中に、種基板の基板と種結晶層の熱膨張係数の違いにより種基板に反りが生じ、GaN単結晶を結晶成長させる直前では、種基板は反った状態となる。
In the method for manufacturing a GaN single crystal growth substrate of
反りが生じた種基板の主面にGaN単結晶を結晶成長させると、その反り形状に基づいて種基板の主面にGaN単結晶が結晶成長するため、GaN単結晶の結晶軸の配向性が悪くなり、結晶性の悪いGaN単結晶基板が製造されてしまう問題が生じていた。 When a GaN single crystal is grown on the main surface of the seed substrate where warpage has occurred, the GaN single crystal grows on the main surface of the seed substrate based on the warped shape. There has been a problem that a GaN single crystal substrate having poor crystallinity is produced.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体基板の製造において、種基板の主面に窒化物半導体層を結晶成長させる際に、反りが低減された種基板に窒化物半導体層を結晶成長させることによって、結晶軸の配向性の良い良質な窒化物半導体基板を製造する製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to reduce warpage when a nitride semiconductor layer is grown on a main surface of a seed substrate in the manufacture of a nitride semiconductor substrate. An object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing a high-quality nitride semiconductor substrate having a good crystal axis orientation by crystal growth of a nitride semiconductor layer on the seed substrate.
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、基板の主面に種結晶を有する種基板を、窒化物半導体層の結晶成長に最適な温度まで昇温し、前記種結晶上に前記窒化物半導体層を結晶成長させた後に、前記窒化物半導体層と前記種基板とを剥離して窒化物半導体基板を製造する製造方法であって、前記種基板の製造時に、予め、前記昇温によって前記種基板が反る量に相当する反り量を、前記昇温によって前記種基板が反る方向と逆向きに、前記種基板を反らせておくことを特徴とする。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention, a seed substrate having a seed crystal on the main surface of the substrate is heated to a temperature optimum for crystal growth of the nitride semiconductor layer, and the nitride is formed on the seed crystal. A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate by separating the nitride semiconductor layer and the seed substrate after crystal growth of a semiconductor layer, wherein the temperature is increased in advance when the seed substrate is manufactured. The warping amount corresponding to the warping amount of the seed substrate is warped in the direction opposite to the direction in which the seed substrate warps due to the temperature rise.
このような特定事項によると、種基板を製造する際に、予め、窒化物半導体層の結晶成長に最適な温度までの昇温により種基板が反る量に相当する反り量を、その昇温によって種基板が反る方向と逆向きに、種基板を反らせておくため、この種基板の製造後、窒化物半導体層の結晶成長に最適な温度まで種基板を昇温させても、種基板の反りが緩和する方向に応力がかかる。すなわち、結晶成長直前の種基板は、反りが低減され、ほぼ平坦な状態となるため、種基板上に窒化物半導体層を結晶成長させても、窒化物半導体層の結晶軸の配向性の良い良質な窒化物半導体基板を製造することができる。 According to such a specific matter, when the seed substrate is manufactured, the amount of warpage corresponding to the amount of warping of the seed substrate due to the temperature rise to a temperature optimum for crystal growth of the nitride semiconductor layer is previously increased. Since the seed substrate is warped in the opposite direction to the direction in which the seed substrate is warped, even if the seed substrate is heated to the optimum temperature for crystal growth of the nitride semiconductor layer after the seed substrate is manufactured, Stress is applied in the direction in which the warpage is relaxed. That is, since the seed substrate immediately before the crystal growth is reduced in warpage and becomes almost flat, the crystal axis orientation of the nitride semiconductor layer is good even if the nitride semiconductor layer is grown on the seed substrate. A good quality nitride semiconductor substrate can be manufactured.
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、前記種基板製造時において、前記種結晶は、該種結晶の主面に凸部を形成させたことにより得られたものであることとする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the seed crystal is obtained by forming a convex portion on a main surface of the seed crystal when the seed substrate is manufactured.
このような特定事項により、種結晶の主面に凸部を形成し、その凸部上に窒化物半導体層を結晶成長させるため、窒化物半導体層と種結晶の主面との接触面積を小さくすることができ、容易に窒化物半導体層と種基板とを剥離することができる。 Due to such specific matters, a convex portion is formed on the main surface of the seed crystal, and a nitride semiconductor layer is grown on the convex portion, so that the contact area between the nitride semiconductor layer and the main surface of the seed crystal is reduced. The nitride semiconductor layer and the seed substrate can be easily peeled off.
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、前記窒化物半導体層は、前記種結晶上に複数の貫通孔を有するマスクを配置した後に該各貫通孔を介して前記種結晶上に結晶成長させたものであり、該結晶成長後に、前記窒化物半導体層から前記種基板とともに前記マスクを剥離することとする。 The nitride semiconductor substrate manufacturing method, wherein the nitride semiconductor layer has a crystal growth on the seed crystal through the through holes after disposing a mask having a plurality of through holes on the seed crystal. The mask is peeled off from the nitride semiconductor layer together with the seed substrate after the crystal growth.
このような特定事項により、種結晶上に貫通孔を有するマスクを配置することによって、そのマスクの貫通孔を介して窒化物半導体層を結晶成長させるため、特段に複雑な工程を要せず簡易な方法によって、窒化物半導体層と種結晶との接触面積をさらに小さくすることができる。これにより、種結晶と窒化物半導体層との自然剥離を、さらに容易に行うことができる。 By arranging a mask having a through-hole on the seed crystal by such a specific matter, the nitride semiconductor layer is grown through the through-hole of the mask, so that no complicated process is required and simple. By this method, the contact area between the nitride semiconductor layer and the seed crystal can be further reduced. Thereby, the natural separation between the seed crystal and the nitride semiconductor layer can be more easily performed.
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、前記種基板製造時において、前記種基板は、該種基板の厚みを薄くすることによって前記反り量となるまで反らせたことによって得られたものであることとする。 The method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the seed substrate is obtained by warping the seed substrate until the amount of warpage is reached by reducing the thickness of the seed substrate. Suppose that there is.
このような特定事項により、結晶成長工程前に、簡易な方法である加工によって種基板を反らせることができる。 By such a specific matter, the seed substrate can be warped by processing that is a simple method before the crystal growth step.
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、種基板製造時において、種基板は、熱処理によって反り量となるまで反らせたことによって得られたものであることとする。 In the above method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the seed substrate is obtained by warping until the amount of warpage is reached by heat treatment when the seed substrate is manufactured.
このような特定事項により、加工によって基板を反らせる場合と異なり、加工屑の発生を抑えることができる。 Due to such specific matters, unlike the case where the substrate is warped by processing, generation of processing waste can be suppressed.
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、前記種基板製造時において、前記種基板は、前記反り量となるまで前記基板の主面に種結晶を成長させたことによって得られたものであることとする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the seed substrate is obtained by growing a seed crystal on a main surface of the substrate until the amount of warpage is reached when the seed substrate is manufactured. Suppose that there is.
このような特定事項により、種結晶の成長と同時に基板を反らせるため、新たに基板を反らせる工程を必要とせず少ない工程によって、種基板を反らせることができる。 Since the substrate is warped simultaneously with the growth of the seed crystal due to such a specific matter, the seed substrate can be warped by a small number of steps without requiring a new step of warping the substrate.
本発明によれば、窒化物半導体基板の製造において、種基板の主面に窒化物半導体層を結晶成長させる際に、反りが低減された種基板に窒化物半導体層を結晶成長させることによって、結晶軸の配向性の良い良質な窒化物半導体基板を製造する製造方法を提供できる。 According to the present invention, in the manufacture of a nitride semiconductor substrate, when the nitride semiconductor layer is crystal-grown on the main surface of the seed substrate, the nitride semiconductor layer is crystal-grown on the seed substrate with reduced warpage, A manufacturing method for manufacturing a high-quality nitride semiconductor substrate with good crystal axis orientation can be provided.
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、基板11の主面に種結晶12を有する種基板10を、窒化物半導体層13(図4参照)の結晶成長に最適な温度まで昇温し、種結晶12上に窒化物半導体層13を結晶成長させた後に、窒化物半導体層13と種基板10とを自然剥離して窒化物半導体基板1を製造する製造方法であって、種基板10の製造時に、予め、昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、種基板10を反らせておくことを特徴とする。
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention, the
以下、本発明の実施の形態について、種基板を製造する種基板製造工程、及び、種基板上に窒化物半導体層を結晶成長させて窒化物半導体基板を製造する結晶成長工程について順を追って説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described step by step regarding a seed substrate manufacturing process for manufacturing a seed substrate and a crystal growth process for manufacturing a nitride semiconductor substrate by crystal growth of a nitride semiconductor layer on the seed substrate. To do.
○第一実施形態
[種基板製造工程]
まず、種基板10の製造工程について図1Aを参照しながら説明する。
○ First embodiment
[Seed board manufacturing process]
First, the manufacturing process of the
図1Aは、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、種基板製造工程を示す説明図である。 FIG. 1A is an explanatory view showing a seed substrate manufacturing process in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
基板11の材料としては、例えば、サファイアや、炭化ケイ素、シリコンなどを用いることができる。基板11の厚さは、基板11のハンドリングや、その後に基板11上に成長させる種結晶12の品質の観点から、0.3mm以上が好ましく、基板の価格の観点から2.0mm以下が好ましい。本実施形態では、直径50mm、厚み0.43mm、主面がC面のサファイア基板を用いている。
As a material for the
この基板11を、予め、後述する結晶成長工程における昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、基板11を反らせる。ここで、「反り量」とは、基板11の凹面を水平面に載置した際、基板の凹面の中心から水平面までの距離Lとする(図1A参照)。なお、この反り量は斜入射干渉式測定装置等の公知な測定装置によって測定することができる。
The
基板11を反らせた後に、基板11の主面に種結晶12を結晶成長させる。種結晶12は、従来公知の結晶成長方法である有機金属化学気相成長(MOCVD)法やハイドライド気相成長(HVPE)法などによって結晶成長させる。本実施形態では、MOCVD法によってGaNを種結晶12として基板11に結晶成長させる。より詳細に説明すると、まず、MOCVD装置のチャンバー内に反りを有する基板11をセットした後に、チャンバー内の圧力を100Torr、温度を1240℃として水素雰囲気としてチャンバー内をクリーニングする。チャンバー内をクリーニング後に、チャンバー内を715℃に降温し、圧力を400Torrとし、原料ガスであるトリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)をチャンバー内に供給して基板11上に低温GaNバッファ層を成長させる。低温GaNバッファ層を成長後、チャンバー内を1310℃に昇温し、圧力を200Torrとし、低温GaNバッファ層上に所望の膜厚のGaNの種結晶12を結晶成長させる。
After warping the
種結晶12の膜厚は、種結晶12の品質の観点及び後述する種結晶12と窒化物半導体層13との自然剥離のしやすさの観点から3μm〜20μmが好ましい。また、種基板の反り量は、後述する結晶成長工程における昇温によって、種基板10が反る量に相当する反り量として、その反り量を70μm〜110μmとすることが好ましい。なお、一般的に種結晶12膜厚を厚くすることで、種基板10の反り量を大きくすることができる。
The film thickness of the
以上により、種基板製造工程によって、予め、後述する結晶成長工程による昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに反らせた種基板10を製造することができる。
As described above, in the seed substrate manufacturing process, the amount of warpage corresponding to the amount of warping of the
なお、本実施形態のサファイア基板の主面は、C面として説明をしたが、サファイア基板の主面がA面やR面など他の結晶面であっても構わない。 In addition, although the main surface of the sapphire substrate of the present embodiment has been described as the C plane, the main surface of the sapphire substrate may be another crystal plane such as an A plane or an R plane.
[結晶成長工程]
次に、前述した種基板10上に窒化物半導体層13を結晶成長させて、窒化物半導体基板を製造する工程について、図3〜図5を参照しながら説明する。
[Crystal growth process]
Next, a process of manufacturing the nitride semiconductor substrate by growing the
図3は、本発明に係る窒化物半導体基板を製造する結晶成長装置の模式図、図4は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、第一実施形態の窒化物半導体層を結晶成長させる過程を示す説明図、図5は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、窒化物半導体層を結晶成長時に用いられるマスクの平面図である。 FIG. 3 is a schematic diagram of a crystal growth apparatus for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 4 shows a method for crystallizing a nitride semiconductor layer according to the first embodiment in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 5 is an explanatory view showing a process of growing, and FIG. 5 is a plan view of a mask used for crystal growth of a nitride semiconductor layer in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
種基板10上に窒化物半導体層13を結晶成長させるには、結晶成長装置30が用いられる。結晶成長装置30は、耐圧容器31と、耐圧容器31内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給源38とを備えている(図3参照)。
In order to grow the
耐圧容器31は、その内部をガス排気配管36を介して減圧する真空ポンプ(不図示)と接続されている。耐圧容器31の内部には、前述した種基板10を収容する坩堝33と、坩堝33を収容する反応容器32と、反応容器32を加熱するヒーター34と、を備えている。
The
坩堝33の直径は、前述した種基板10を収容できる程度の大きさであり、さらに、坩堝33の材料は、結晶成長時の高温雰囲気下において、耐熱性を有している必要がある。本実施形態では、直径80mm程度の高純度アルミナ製の坩堝が用いられる。
The diameter of the
反応容器32は、その材料をステンレスやハステロイ等の耐熱性部材とし、反応容器32の周囲を取り囲むようにヒーター34が配置されている。また、反応容器32には、窒素ガス供給源38から窒素ガスを供給するガス供給配管35が差し入れられており、ガス供給配管35には、反応容器32内の圧力を調整する圧力調整器37が備えられている。
The
この結晶成長装置30を用いて、窒化物半導体層13を結晶成長させ、窒化物半導体基板1を製造する。つまり、種基板10を、窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度まで昇温し、種結晶12上に窒化物半導体層13を結晶成長させた後に、窒化物半導体層13と種基板10とを自然剥離して窒化物半導体基板1を製造する。
Using this
ここで、本実施形態で結晶成長させる窒化物半導体層13は、種結晶12上に複数の貫通孔21を有するマスク20を配置した後に各貫通孔21を介して種結晶12上に結晶成長させたものである。そして結晶成長後は、窒化物半導体層13から種基板10とともにマスク20も自然剥離される。
Here, the
マスク20は、複数の貫通孔21が規則的に配置されたものである(図5参照)。貫通孔21の形状は、貫通孔21内に容易に窒化物半導体層13を結晶成長させるため、円形が望ましいが、四角形、六角形等の形状であっても構わない。
The
各貫通孔21同士の間隔をdとし、貫通孔21の幅はWとする。間隔dは、窒化物半導体層の結晶性の観点及び後述する窒化物半導体層13と基板11との剥離性の観点から0.1mm〜1.0mmの範囲が好ましい。また、幅Wは、窒化物半導体層の結晶成長のしやすさの観点から0.1mm〜1.0mmの範囲が好ましい。なお、マスク材料はサファイアやアルミナ等の高温耐性のある材料が用いられる。本実施形態で用いるマスクは、直径60mm、厚さ0.4mmのサファイア製であり、貫通孔21の間隔dを0.5mm、貫通孔21の幅wを0.5mmとする。
The interval between the through
以下、具体的な製造過程について、図4を参照しながら順を追って説明する。 Hereinafter, a specific manufacturing process will be described step by step with reference to FIG.
まず、坩堝33内に、Ga金属、Ga合金、Ga化合物等の原料、Naからなるフラックス、前述した主面が凸形状の反りを有する種基板10を収容した後に、種基板10の主面にマスク20を配置する。そして、坩堝33を反応容器32内に導入し、反応容器32を耐圧容器31内に設置する。さらに、耐圧容器31内を密閉し、耐圧容器31内を不活性ガスによる置換を行って、耐圧容器31内の雰囲気を一定に保つとともに、耐圧容器31内の圧力を1MPaとする。なお、Naをフラックスとして用いることにより、後述する結晶成長にて、比較的、低圧力、低温条件下で窒化物半導体層の結晶成長を可能とするが、Naの他にもアルカリ金属(例えば、カリウム)を用いても構わない。
First, in the
次に、ヒーター34によって反応容器32を窒化物半導体層13(例えば、GaN)の結晶成長温度(800℃〜1000℃程度)まで昇温する。これによりGa金属等の原料とフラックスとが溶融した溶液39(図3参照)が製造されるとともに、昇温に伴って種基板10に応力が加わり、種基板10の反りが緩和される。つまり、種基板10の反り量が低減される。
Next, the temperature of the
ヒーター34によって窒化物半導体層13の結晶成長温度まで昇温した後に、圧力調整器37を調整して耐圧容器31内を3.6MPaとし、窒素ガス供給源38から反応容器32内に窒素ガスを供給する。これにより、窒素ガス、Ga金属、フラックス等と種基板10の主面の種結晶12が反応し、窒化物半導体層13がマスク20の各貫通孔21を介して種結晶12上に結晶成長される。このとき、種基板10の反りは十分に低減されている。つまり、結晶成長直前の種基板10の形状はほぼ平坦な状態となっているため、種基板10の主面に窒化物半導体層13を結晶成長させても、結晶軸が揃っており、配向性のよい窒化物半導体層13を種基板10の主面に成長させることができる。結晶成長時間を120時間とすると、窒化物半導体層13の厚みは約1.4mmとなる。
After the temperature is raised to the crystal growth temperature of the
窒化物半導体層13を結晶成長させた後、ヒーター34を切って、反応容器32内の温度を10時間かけて室温まで降温させる。この降温時に生じる応力が種基板10及び窒化物半導体層13に加わることより、種基板10と窒化物半導体層13とが自然分離する。このとき、窒化物半導体層13は、種基板10上にマスクの貫通孔を介して結晶成長されており、種基板10と窒化物半導体層13との接触面積が小さいため少ない応力によって種基板10と窒化物半導体層13とを分離できる。よって、窒化物半導体層13にクラックの発生を防止することができる。
After growing the
その後、分離した窒化物半導体層13を結晶成長装置30から取り出し、有機溶剤や酸による洗浄工程を必要に応じて行うことにより、窒化物半導体基板1が製造される。
Thereafter, the separated
○第二実施形態
次に、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の第二実施形態について図1Bを参照しながら説明する。なお本実施形態は、第一実施形態と、種基板製造工程において、種基板を反らせる方法のみ異なるため、以下、その相違点のみ説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
Second Embodiment Next, a second embodiment of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIG. 1B. Since this embodiment is different from the first embodiment only in the method of warping the seed substrate in the seed substrate manufacturing process, only the difference will be described below, and the same components are denoted by the same reference numerals and the same components are denoted by the same reference numerals. Description is omitted.
図1Bは、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、第二実施形態の種基板製造工程を示す説明図である。 FIG. 1B is an explanatory diagram showing a seed substrate manufacturing process according to the second embodiment in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
[種基板製造工程]
本実施形態では、第一実施形態で説明した、種結晶12の結晶成長前に基板11を反らせるのではなく、基板11上に種結晶12を結晶成長させる際に、基板11を所定の反り量となるまで種結晶12を成長させることによって種基板10を反らせることとする。これにより、基板11上に種結晶12を結晶成長させるほど、種結晶12の膜厚が厚くなり、これに起因して基板11を所定の反り量まで反らせることができるので、新たに基板を反らせる工程を必要とせず少ない工程によって種基板10を反らせることができる。
[Seed board manufacturing process]
In this embodiment, the
なお、種基板10作製後に、基板11を加工して、基板11の厚さを変化させることによって、種基板10の反りを変化させても構わない。
Note that the warpage of the
その後、第一実施形態で説明した結晶成長工程を施すことにより、GaN単結晶の結晶軸の配向性の良い良質な窒化物半導体基板の製造方法を提供することができる。 After that, by performing the crystal growth step described in the first embodiment, it is possible to provide a method for manufacturing a high-quality nitride semiconductor substrate with good crystal axis orientation of the GaN single crystal.
□実施例1〜3について
次に、本実施形態の実施例1〜3について説明する。
* About Examples 1-3 Next, Examples 1-3 of this embodiment are explained.
本実施例は、種基板製造工程において種結晶12の結晶成長時の種結晶12の膜厚の条件を変えることにより、反り量が異なる種基板10をそれぞれ製造し、各種基板10に結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布を測定したものである。配向分布の測定は、X線回折測定のロッキングカーブ測定によって行った。
In the present embodiment, in the seed substrate manufacturing process, by changing the film thickness condition of the
・実施例1
種基板製造工程において、GaNの種結晶12の厚みを7.0μmとすると、種基板10の反り量は70μmとなった。この種基板10に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.20°となった。
Example 1
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
・実施例2
種基板製造工程において、GaNの種結晶12の厚みを8.0μmとすると、種基板10の反り量は85μmとなった。この種基板10に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.14°となった。
Example 2
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
・実施例3
種基板製造工程において、GaNの種結晶12の厚みを9.0μmとすると、種基板10の反り量は90μmとなった。この種基板に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.16°となった。
Example 3
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
実施例1〜3によって製造された窒化物半導体基板1は、いずれも配向分布が0.20°を下回っている。一般的に、配向分布が0.20°以下となると、結晶性が良いとされていることより、実施例1〜3の窒化物半導体基板1は、結晶性の良いものといえる。実施例1〜3の結果を表1に示す。
All the
□実施例4〜6について
次に、本実施形態の実施例4〜6について説明する。
□ Examples 4 to 6 Next, Examples 4 to 6 of the present embodiment will be described.
本実施例は、種基板製造工程において、基板11に種結晶12を結晶成長させた後に、基板を機械研磨によって基板11の厚みの条件を変えることにより、反り量が異なる種基板10をそれぞれ製造し、各種基板10に結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布を測定したものである。前述同様、配向分布の測定は、X線回折測定のロッキング測定による半値幅測定によって行った。
In this embodiment, in the seed substrate manufacturing process, after the
・実施例4
種基板製造工程において、機械研磨により基板11の厚みを0.35μmとすると、種基板10の反り量は73μmとなった。この種基板10に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.17°となった。
Example 4
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
・実施例5
種基板製造工程において、機械研磨により基板11の厚みを0.40μmとすると、種基板10の反り量は82μmとなった。この種基板10に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.12°となった。
Example 5
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
・実施例6
種基板製造工程において、基板11の厚みを0.43μmとすると、種基板10の反り量は85μmとなった。この種基板10に対して結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.14°となった。
Example 6
In the seed substrate manufacturing process, when the thickness of the
実施例4〜6によって製造された窒化物半導体基板1は、いずれも配向分布が0.20°を下回っており、結晶性の良い窒化物半導体基板1といえる。実施例4〜6の結果を表2に示す。
All of the
○第三実施形態
次に、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の第三実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、第一実施形態及び第二実施形態との相違点についてのみ説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
Third Embodiment Next, a third embodiment of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to the drawings. Only differences from the first embodiment and the second embodiment will be described, and the same components will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[種基板製造工程]
まず、種基板10の製造工程について図面を参照しながら説明する。図2は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、(a)は、第三実施形態の種基板の平面図、(b)は、(a)のII−II線に沿う断面図、(c)は、第三実施形態の種基板の変形例を示す断面図である。
[Seed board manufacturing process]
First, the manufacturing process of the
本実施形態の種基板製造工程は、種基板10製造時において、予め、後述する結晶成長工程における昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、種基板10を反らせておくとともに、種結晶12は、種結晶12の主面に凸部12a形成させたこととする。
In the seed substrate manufacturing process of the present embodiment, when the
本実施形態の種基板10の反り量は、種基板10の主面に凸部12aを形成させるため、第一実施形態及び第二実施形態で説明した反り量(70μm〜110μm)まで反らせる必要はなく、0μm〜40μm程度の反り量となるように種基板10を反らせれば十分である。
The warpage amount of the
種結晶12の主面のパターニングは、基板11に種結晶12を成長させた後に、種結晶12の主面に、公知の方法によるフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等によって形成される。本実施形態では、所定のパターンを種結晶の主面に形成した後に、種結晶12をエッチングして複数のドット(凸部12a)を形成している(図2(c)参照)。
Patterning of the main surface of the
ここで、種結晶12の主面のパターニングは、後述する結晶成長工程における窒化物半導体層13の結晶成長の制御性のため、規則的に配置されたドット形状のものとする(図2(a)参照)。なお、ドット形状に限らず、凸部を有するストライプ形状であっても構わない。
Here, the patterning of the main surface of the
ドットの各凸部12a同士の間隔をdとし、凸部12aの幅はWとする。間隔dは、窒化物半導体層13の結晶性の観点及び後述する窒化物半導体層13と基板11との剥離性の観点から0.1mm〜1.0mmの範囲が好ましい。また、凸部12aの幅Wは、窒化物半導体層の結晶成長のしやすさの観点から0.1mm〜1.0mmの範囲が好ましい。本実施形態では、各凸部12a同士の間隔dは、0.5mm、凸部12aの幅Wは、0.5mmとした。
The interval between the
また、種結晶12の主面のパターニング面に対して表面処理等を行うことで、種基板10の反り量を変化させることができる。
Further, by performing a surface treatment or the like on the patterning surface of the main surface of the
以上により、予め、後述する結晶成長工程による昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに反らせ、かつ、種結晶12は、種結晶12の主面に複数の凹凸形状を形成させることができる。
As described above, the amount of warpage corresponding to the amount of warping of the
なお、種結晶12のエッチングは、図2(b)に示したように種結晶12を基板11に到達するまでエッチングするのではなく、種結晶12の途中でエッチングを止めて、凹凸形状を形成しても構わない(図2(c)参照)。このような凹凸形状を変化させることによって、種基板10の反り量を変化させることができる。
The
[結晶成長工程]
次に、前述した種基板10上に窒化物半導体層13を結晶成長させて、窒化物半導体基板を製造する工程について、図6を参照しながら説明する。
[Crystal growth process]
Next, a process of manufacturing the nitride semiconductor substrate by growing the
図6は、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において、第三実施形態の窒化物半導体層を結晶成長させる過程を示す説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing a process of crystal growth of the nitride semiconductor layer of the third embodiment in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention.
本実施形態の窒化物半導体基板は、第一実施形態で説明した結晶成長装置30を用いて製造される。
The nitride semiconductor substrate of this embodiment is manufactured using the
まず、坩堝33内に、Ga金属、Ga合金、Ga化合物等の原料、Naからなるフラックス、主面にドット(凸部12a)を有する種基板10を収容する。そして、坩堝33を反応容器32内に導入し、反応容器32を耐圧容器31内に設置する。さらに、耐圧容器31内を密閉し、耐圧容器31内を不活性ガスによる置換を行って、耐圧容器31内の雰囲気を一定に保つとともに、耐圧容器31内の圧力を1MPaとする。
First, in the
次に、ヒーター34によって反応容器32を結晶成長温度である800℃〜1000℃程度まで昇温する。これによりGa金属等の原料とフラックスとが溶融した溶液39(図3参照)が製造されるとともに、昇温に伴って種基板10に応力が加わり、種基板10の反りが緩和される。つまり、種基板10の反り量が低減される。
Next, the temperature of the
ヒーター34によって窒化物半導体層13(GaN)の結晶成長温度まで昇温した後に、圧力調整器37を調整して耐圧容器31内を3.6MPaとし、窒素ガス供給源38から反応容器32内に窒素ガスを供給する。これにより、窒素ガス、Ga金属、フラックス等と種基板10の主面の種結晶12が反応し、種結晶12のドット(凸部12a)上及び種結晶12の側面に窒化物半導体層13が結晶成長される。ここで、基板11上には窒化物半導体層13が結晶成長されないため、種結晶12と窒化物半導体層13との接触面積を小さくすることができる。また、種基板10の反りは十分に低減されており、結晶成長直前の種基板10の形状はほぼ平坦な状態となっているため、種基板10の主面に窒化物半導体層13を結晶成長させても、結晶軸が揃うこととなる。よって、配向性のよい窒化物半導体層13を種基板10の主面に成長させることができる。結晶成長時間を120時間とすると、窒化物半導体層13(GaN)の厚みは1.4mmとなる。
After the temperature is raised to the crystal growth temperature of the nitride semiconductor layer 13 (GaN) by the
窒化物半導体層13を結晶成長させた後、ヒーター34を切って、反応容器32内の温度を10時間かけて室温まで降温させる。この降温時に生じる応力が種基板10及び窒化物半導体層13に加わることより、基板11と種結晶12とが自然分離する。このとき、種結晶12と窒化物半導体層13との接触面積が小さいため、窒化物半導体層13にかかる応力を低減することができ、窒化物半導体層13にクラックの発生を防止することができる。
After growing the
その後、分離した窒化物半導体層13を結晶成長装置30から取り出し、有機溶剤や酸による洗浄工程を必要に応じて行うことにより、窒化物半導体基板1が製造される。
Thereafter, the separated
□実施例7、8について
次に、本実施形態の実施例7、8について説明する。
□ Examples 7 and 8 Next, Examples 7 and 8 of the present embodiment will be described.
・実施例7
本実施例は、種基板製造工程において、基板11に種結晶12を結晶成長させた後に、種結晶12の主面にドット(凸部12a)を形成して、反り量10μmとする種基板10を製造した。
-Example 7
In this embodiment, in the seed substrate manufacturing process, after the
その後、この種基板10に結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.14°となった。
Thereafter, the orientation distribution of the
・実施例8
本実施例は、種基板製造工程において、基板11に種結晶12を結晶成長させた後に、種結晶12の主面にドット(凸部12a)を形成し、反り量を20μmとする種基板10を製造した。
Example 8
In this embodiment, in the seed substrate manufacturing process, after the
その後、この種基板10に結晶成長工程を施して製造された窒化物半導体基板1の配向分布は、0.10°となった。
Thereafter, the orientation distribution of the
実施例7及び実施例8によって製造された窒化物半導体基板は、いずれも配向分布が0.20°を下回っており、結晶性の良い窒化物半導体基板といえる。実施例7及び実施例8の結果を表3に示す。 The nitride semiconductor substrates manufactured according to Example 7 and Example 8 both have an orientation distribution of less than 0.20 °, and can be said to be nitride semiconductor substrates with good crystallinity. The results of Example 7 and Example 8 are shown in Table 3.
以上、実施形態1から実施形態3までに説明したとおり、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、種基板10を製造する際に、予め、窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度まで昇温することによって種基板10が反る量に相当する反り量を、その昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、種基板10を反らせておくため、種基板10の製造後に窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度まで昇温させても、種基板10は反りの影響を受けずに窒化物半導体層13を成長させることができる。
As described above, according to the first to third embodiments, the nitride semiconductor substrate manufacturing method according to the present invention is optimal for crystal growth of the
すなわち、窒化物半導体層13の結晶成長前の種基板10は、ほぼ平坦な状態にあるため、種基板10上に窒化物半導体層13を結晶成長させても、窒化物半導体層13の結晶軸は揃っており、良質な窒化物半導体基板を製造することができる。
That is, since the
○本発明の構成及び効果
本発明に係る窒化物半導体基板1の製造方法は、基板11の主面に種結晶12を有する種基板10を、窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度まで昇温し、種結晶12上に窒化物半導体層13を結晶成長させた後に、窒化物半導体層13と種基板10とを剥離して窒化物半導体基板1を製造する製造方法であって、種結晶12の製造時に、予め、昇温によって種基板10が反る量に相当する反り量を、昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、種基板10を反らせておくことを特徴とする。
The structure and effect of the present invention The method for manufacturing the
このような特定事項によると、種基板10を製造する際に、予め、窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度までの昇温により、種基板10が反る量に相当する反り量を、その昇温によって種基板10が反る方向と逆向きに、種基板10を反らせておくため、種基板10の製造後に窒化物半導体層13の結晶成長に最適な温度まで昇温させても、種基板10の反りが緩和する方向に応力がかかる。すなわち、窒化物半導体層13の結晶成長直前の種基板10は、ほぼ平坦な状態となるため、種基板10上に窒化物半導体層13を結晶成長させても、窒化物半導体層13の結晶軸の配向性の良い良質な窒化物半導体基板1を製造することができる。
According to such a specific matter, when the
上記の窒化物半導体基板の製造方法であって、種基板10製造時において、種結晶12は、種結晶12の主面に凸部12aを形成させたことにより得られたものであることとする。
In the nitride semiconductor substrate manufacturing method described above, the
このような特定事項により、種結晶12の主面に凸部12aを形成し、その凸部12a上に窒化物半導体層13を結晶成長させると、窒化物半導体層13と種結晶12主面との接触面積を小さくすることができるため、容易に窒化物半導体層13と種基板10とを剥離することができる。
Due to such specific matters, when the
上記の窒化物半導体基板1の製造方法であって、窒化物半導体層13は、種結晶12上に複数の貫通孔21を有するマスク20を配置した後に各貫通孔21を介して種結晶12上に結晶成長させたものであり、結晶成長後に、窒化物半導体層13から種基板10とともにマスク20を剥離することとする。
In the method of manufacturing the
このような特定事項により、種結晶12上に貫通孔21を有するマスク20を配置することにより、そのマスク20の貫通孔21を介して窒化物半導体層13を結晶成長させるため、特段に複雑な工程を要せず簡易な方法によって、窒化物半導体層13と種結晶12との接触面積をさらに小さくすることができる。これにより、種結晶12と窒化物半導体層13との自然剥離を、さらに容易に行うことができる。
Due to such a specific matter, the
上記の窒化物半導体基板1の製造方法であって、種基板10製造時において、種基板10は、該種基板の厚みを薄くすることによって前述の反り量となるまで反らせたことによって得られたものであることとする。
In the method for manufacturing the
このような特定事項により、結晶成長工程前に、簡易な方法である加工によって基板11を反らせることができる。
Due to such specific matters, the
上記の窒化物半導体基板1の製造方法であって、種基板10製造時において、種基板10は、前述の反り量となるまで基板11の主面に種結晶12を成長させたことによって得られたものであることとする。
In the method of manufacturing the
このような特定事項により、種結晶12の成長と同時に基板11を反らせるため、新たに基板11を反らせる工程を必要とせず少ない工程によって、種基板10を反らせることができる。
Because the
なお、上記に示した本発明の実施形態及び実施例はいずれも本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。 The above-described embodiments and examples of the present invention are all examples of the present invention, and are not of a nature that limits the technical scope of the present invention.
1 窒化物半導体基板
10 種基板
11 基板
12 種結晶
12a 凸部
13 窒化物半導体層
20 マスク
21 貫通孔
30 結晶成長装置
31 耐圧容器
32 反応容器
33 坩堝
34 ヒーター
35 ガス供給配管
36 ガス排気配管
37 圧力調整器
38 窒素ガス供給源
39 溶液
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記種基板の製造時に、予め、前記昇温によって前記種基板が反る量に相当する反り量を、前記昇温によって前記種基板が反る方向と逆向きに、前記種基板を反らせておくことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 After the seed substrate having a seed crystal on the main surface of the substrate is heated to a temperature optimum for crystal growth of the nitride semiconductor layer, and the nitride semiconductor layer is grown on the seed crystal, the nitride semiconductor A method for producing a nitride semiconductor substrate by peeling a layer and the seed substrate,
At the time of manufacturing the seed substrate, the seed substrate is warped in advance in a direction opposite to the direction in which the seed substrate warps due to the temperature rise, in an amount corresponding to the amount of warping of the seed substrate due to the temperature rise. A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
前記種基板製造時において、前記種結晶は、該種結晶の主面に凸部を形成させたことにより得られたものであること
を特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1,
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the seed crystal is obtained by forming a convex portion on a main surface of the seed crystal at the time of manufacturing the seed substrate.
前記窒化物半導体層は、前記種結晶上に複数の貫通孔を有するマスクを配置した後に該各貫通孔を介して前記種結晶上に結晶成長させたものであり、該結晶成長後に、前記窒化物半導体層から前記種基板とともに前記マスクを剥離すること
を特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1,
The nitride semiconductor layer is obtained by disposing a mask having a plurality of through holes on the seed crystal and then growing the crystal on the seed crystal through the through holes. A method for producing a nitride semiconductor substrate, comprising: peeling the mask together with the seed substrate from a physical semiconductor layer.
前記種基板製造時において、前記種基板は、前記反り量となるまで前記基板の主面に種結晶を成長させたことによって得られたものであること
を特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 3,
At the time of manufacturing the seed substrate, the seed substrate is obtained by growing a seed crystal on the main surface of the substrate until the warp amount is reached. .
前記種基板製造時において、前記種基板は、該種基板の厚みを薄くすることによって前記反り量となるまで反らせたことによって得られたものであること
を特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 3,
At the time of manufacturing the seed substrate, the seed substrate is obtained by warping the seed substrate until the warpage amount is reached by reducing the thickness of the seed substrate. .
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