JP2018070415A - Method for manufacturing GaN wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主としてGaN(窒化ガリウム)ウエハの製造方法に関する。 The present invention mainly relates to a method for manufacturing a GaN (gallium nitride) wafer.
GaN結晶のみから構成されるウエハであるGaNウエハ(GaN単結晶基板ともいう)が、窒化物半導体デバイス用の基板として注目されている。
窒化物半導体は、窒化物系III−V族化合物半導体、III族窒化物系化合物半導体、GaN系半導体などとも呼ばれ、GaNの他に、GaNのGaの一部または全部が、他の周期表13族元素(B、Al、In)に置換された化合物を含む。一例を挙げれば、AlN、InN、AlGaN、AlInN、GaInN、AlGaInN等である。
A GaN wafer (also referred to as a GaN single crystal substrate), which is a wafer composed only of GaN crystals, has attracted attention as a substrate for a nitride semiconductor device.
Nitride semiconductors are also called nitride-based III-V compound semiconductors, III-nitride compound semiconductors, GaN-based semiconductors, etc. In addition to GaN, a part or all of Ga in GaN may be other periodic tables. Including compounds substituted with
GaNウエハは、複数のGaN単結晶片で構成したシード上にGaNバルク結晶を成長させ、そのGaNバルク結晶にスライシング、研削、研磨等の加工を施すことにより製造することができる(特許文献1)。
非極性または半極性GaN基板をシードに用いてGaNバルク結晶を成長させたあと、該シードの主表面に対し傾斜したスライス予定面に沿って該GaNバルク結晶をスライスする、GaNウエハの製造方法が知られている(特許文献2)。
A GaN wafer can be manufactured by growing a GaN bulk crystal on a seed composed of a plurality of GaN single crystal pieces, and subjecting the GaN bulk crystal to processing such as slicing, grinding, and polishing (Patent Document 1). .
A method for producing a GaN wafer, comprising: growing a GaN bulk crystal using a nonpolar or semipolar GaN substrate as a seed; and slicing the GaN bulk crystal along a predetermined slicing plane inclined with respect to a main surface of the seed. Known (Patent Document 2).
GaNウエハの製造において最も長い時間が費やされる工程のひとつが、GaNバルク結晶を成長させる工程である。しかし、高品質のGaN結晶を高いレートで成長させることは容易ではない。それ故に、GaN結晶の成長レートの改善以外の手段で該工程の時間短縮を図ることができれば、GaNウエハのコスト低減にとって有用であると本発明者は考えた。
本発明は、GaNバルク結晶を成長させる工程の時間短縮に寄与し得る、GaNウエハの新規な製造方法を提供することを主たる目的とする。
One of the processes that takes the longest time in the manufacture of a GaN wafer is a process of growing a GaN bulk crystal. However, it is not easy to grow a high-quality GaN crystal at a high rate. Therefore, the present inventor has considered that it is useful for reducing the cost of the GaN wafer if the time of the process can be shortened by means other than improvement of the growth rate of the GaN crystal.
The main object of the present invention is to provide a novel method for producing a GaN wafer that can contribute to shortening the time required for growing a GaN bulk crystal.
本発明の実施形態には、次に記すGaNウエハ製造方法が含まれる。
(1)(i)主シード表面を有するGaNシードを準備する第一ステップと、(ii)該GaNシードの該主シード表面上にGaNバルク結晶をエピタキシャル成長させて、該GaNシードおよび該GaNバルク結晶を含むGaN結晶複合体を得る第二ステップと、(iii)該GaN結晶複合体を加工して、互いに同じサイズおよび面方位を有するN枚(ただし、Nは2以上の整数)のGaNウエハを得る第三ステップとを含み;該第三ステップは、該主シード表面に対し30°以下の傾斜角で傾斜する互いに平行なN+1以上のスライス予定面に沿って該GaNバルク結晶をスライスすることを含み;該第二ステップにおける該GaNバルク結晶の必要成長厚を減じ得るよう、該GaN結晶複合体における該GaNウエハの取り出し位置を該スライス予定面の傾斜方向に沿って互いにずらしたことを特徴とするGaNウエハ製造方法。
(2)前記第二ステップにおける前記GaNバルク結晶の成長厚をt、前記GaNウエハの前記傾斜方向のサイズをLS、前記傾斜角をθ、前記スライス予定面間のピッチをpとしたとき、下記数式1〜4のいずれかが充足される、前記(1)に記載の製造方法。
0.9tmin≦t<tmin・・・数式1
0.8tmin≦t<0.9tmin・・・数式2
0.7tmin≦t<0.8tmin・・・数式3
LS×sinθ+p×cosθ≦t<0.7tmin・・・数式4
ただし、上記数式1〜4においてtminは次式で表される。
tmin=LS×sinθ+N×p×cosθ
(3)前記主シード表面は、前記主シード表面と前記スライス予定面との交線の方向のサイズよりも、該交線と直交する方向のサイズの方が大きい、前記(1)または(2)に記載の製造方法。
(4)前記GaNシードがGaN単結晶基板である、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)前記GaNシードは、結晶性が局所的に低下した領域を互いの境界として複数の結晶領域が横方向に並んだ構造を有するGaN単結晶基板であり、かつ、該複数の結晶領域のうち隣り合うもの同士が前記主シード表面上で形成する境界線の少なくとも一部が、前記傾斜方向と90°±10°の角度を成す、前記(4)に記載の製造方法。
(6)前記GaNシードが、複数のGaN単結晶片を横方向に継ぎ合わせてなる継ぎ合わせGaN基板であり、かつ、該複数のGaN結晶片のうち隣り合うもの同士が前記主シード表面上で形成する境界線の少なくとも一部が、前記傾斜方向と90°±10°の角度を成す、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記GaNシードが、複数のGaN単結晶片を横方向に隣接させて並べてなる複合シードであり、かつ、該複数のGaN単結晶片のうち隣り合うもの同士が前記主シード表面上で形成する境界線の少なくとも一部が、前記傾斜方向と90°±10°の角度を成す、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(8)前記第三ステップでは、前記GaNバルク結晶をスライスする前に、前記GaN結晶複合体から前記GaNシードを切除する、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)前記主シード表面が非極性または半極性表面である、前記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)前記主シード表面の法線の方向と平行または最も平行に近い低指数方位が<10−1−1>、<30−3−2>、<20−2−1>、<30−3−1>、<10−10>、<30−31>、<20−21>、<30−32>または<10−11>である、前記(9)に記載の製造方法。
(11)前記GaNウエハが、{10−1−1}ウエハ、{30−3−2}ウエハ、{20−2−1}ウエハ、{30−3−1}ウエハ、{10−10}ウエハ、{30−31}ウエハ、{20−21}ウエハ、{30−32}ウエハまたは{10−11}ウエハである、前記(9)に記載の製造方法。
(12)(i)主シード表面を有するシードを準備する第一ステップと、(ii)該シードの該主シード表面上に半導体バルク結晶をエピタキシャル成長させて、該シードおよび該半導体バルク結晶を含む半導体結晶複合体を得る第二ステップと、(iii)該半導体結晶複合体を加工して、互いに同じサイズおよび面方位を有するN枚(ただし、Nは2以上の整数)の半導体ウエハを得る第三ステップとを含み;該第三ステップは、該主シード表面に対し30°以下の傾斜角で傾斜する互いに平行なN+1以上のスライス予定面に沿って該半導体バルク結晶をスライスすることを含み;該第二ステップにおける該半導体バルク結晶の必要成長厚を減じ得るよう、該半導体結晶複合体における該半導体ウエハの取り出し位置を該スライス予定面の傾斜方向に沿って互いにずらしたことを特徴とする半導体ウエハ製造方法。
(13)前記第二ステップにおける前記半導体バルク結晶の成長厚をt、前記半導体ウエハの前記傾斜方向のサイズをLS、前記傾斜角をθ、前記スライス予定面間のピッチをpとしたとき、下記数式1〜4のいずれかが充足される、前記(12)に記載の製造方法。
0.9tmin≦t<tmin・・・数式1
0.8tmin≦t<0.9tmin・・・数式2
0.7tmin≦t<0.8tmin・・・数式3
LS×sinθ+p×cosθ≦t<0.7tmin・・・数式4
ただし、上記数式1〜4においてtminは次式で表される。
tmin=LS×sinθ+N×p×cosθ
(14)前記半導体バルク結晶が窒化物半導体結晶である、前記(12)または(13)に記載の製造方法。
Embodiments of the present invention include the following GaN wafer manufacturing method.
(1) (i) a first step of preparing a GaN seed having a main seed surface; and (ii) epitaxially growing a GaN bulk crystal on the main seed surface of the GaN seed to thereby form the GaN seed and the GaN bulk crystal. And (iii) processing the GaN crystal composite to produce N GaN wafers (where N is an integer of 2 or more) having the same size and plane orientation. Obtaining a third step; slicing the GaN bulk crystal along N + 1 or more parallel slicing planes parallel to each other inclined at an inclination angle of 30 ° or less with respect to the main seed surface. Including: removing the GaN wafer in the GaN crystal composite so that the required growth thickness of the GaN bulk crystal in the second step can be reduced. GaN wafer manufacturing method is characterized in that mutually offset along the inclination direction of the scan scheduled surface.
(2) When the growth thickness of the GaN bulk crystal in the second step is t, the size of the GaN wafer in the tilt direction is L S , the tilt angle is θ, and the pitch between the sliced planes is p, The manufacturing method according to (1), wherein any one of the following
0.9t min ≦ t <t min Formula 1
0.8t min ≦ t <0.9t min Expression 2
0.7t min ≦ t <0.8t min ···
L S × sin θ + p × cos θ ≦ t <0.7 t min Expression 4
However, in the
t min = L S × sin θ + N × p × cos θ
(3) The size of the main seed surface in the direction orthogonal to the intersection line is larger than the size in the direction of the intersection line between the main seed surface and the planned slice plane. ) Manufacturing method.
(4) The manufacturing method according to any one of (1) to (3), wherein the GaN seed is a GaN single crystal substrate.
(5) The GaN seed is a GaN single crystal substrate having a structure in which a plurality of crystal regions are arranged in a horizontal direction with regions where crystallinity is locally lowered as a boundary between each other, and the plurality of crystal regions The manufacturing method according to (4), wherein at least a part of a boundary line formed between adjacent ones on the main seed surface forms an angle of 90 ° ± 10 ° with the tilt direction.
(6) The GaN seed is a spliced GaN substrate formed by splicing a plurality of GaN single crystal pieces in the lateral direction, and adjacent ones of the plurality of GaN crystal pieces are on the main seed surface. The manufacturing method according to any one of (1) to (3), wherein at least a part of the boundary line to be formed forms an angle of 90 ° ± 10 ° with the tilt direction.
(7) The GaN seed is a composite seed in which a plurality of GaN single crystal pieces are arranged side by side in the lateral direction, and adjacent ones of the plurality of GaN single crystal pieces are on the main seed surface. The manufacturing method according to any one of (1) to (3), wherein at least a part of the boundary line to be formed forms an angle of 90 ° ± 10 ° with the tilt direction.
(8) The manufacturing method according to any one of (1) to (7), wherein, in the third step, the GaN seed is excised from the GaN crystal composite before slicing the GaN bulk crystal.
(9) The manufacturing method according to any one of (1) to (8), wherein the main seed surface is a nonpolar or semipolar surface.
(10) The low index azimuth parallel or closest to the normal direction of the main seed surface is <10-1-1>, <30-3-2>, <20-2-1>, <30- 3-1>, <10-10>, <30-31>, <20-21>, <30-32> or <10-11>, The manufacturing method as described in said (9).
(11) The GaN wafer is a {10-1-1} wafer, a {30-3-2} wafer, a {20-2-1} wafer, a {30-3-1} wafer, or a {10-10} wafer. , {30-31} wafer, {20-21} wafer, {30-32} wafer, or {10-11} wafer.
(12) (i) a first step of preparing a seed having a main seed surface; and (ii) a semiconductor bulk crystal epitaxially grown on the main seed surface of the seed to include the seed and the semiconductor bulk crystal. A second step of obtaining a crystal composite; and (iii) processing the semiconductor crystal composite to obtain N semiconductor wafers (where N is an integer of 2 or more) having the same size and plane orientation. The third step comprises slicing the semiconductor bulk crystal along N + 1 or more parallel to-slice planes inclined at an inclination angle of 30 ° or less with respect to the main seed surface; In order to reduce the required growth thickness of the semiconductor bulk crystal in the second step, the semiconductor wafer take-out position in the semiconductor crystal composite is inclined with respect to the plane to be sliced. A semiconductor wafer manufacturing method is characterized in that mutually offset along the direction.
(13) When the growth thickness of the semiconductor bulk crystal in the second step is t, the size of the semiconductor wafer in the tilt direction is L S , the tilt angle is θ, and the pitch between the sliced planes is p, The manufacturing method according to (12), wherein any one of the following
0.9t min ≦ t <t min Formula 1
0.8t min ≦ t <0.9t min Expression 2
0.7t min ≦ t <0.8t min ···
L S × sin θ + p × cos θ ≦ t <0.7 t min Expression 4
However, in the
t min = L S × sin θ + N × p × cos θ
(14) The manufacturing method according to (12) or (13), wherein the semiconductor bulk crystal is a nitride semiconductor crystal.
本発明の好ましい実施形態によれば、GaNバルク結晶を成長させる工程の時間短縮に寄与し得る、GaNウエハの新規な製造方法が提供される。 According to a preferred embodiment of the present invention, a novel method of manufacturing a GaN wafer is provided that can contribute to shortening the time required for growing a GaN bulk crystal.
GaNは、六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶構造を取る。GaNでは、[0001]および[000−1]に平行な結晶軸がc軸、<10−10>に平行な結晶軸がm軸、<11−20>に平行な結晶軸がa軸と呼ばれる。c軸に直交する結晶面はC面(C-plane)、m軸に直交する結晶面はM面(M-plane)、a軸に直交する結晶面はA面(A-plane)と呼ばれる。
c軸に直交するGaN表面には、(0001)表面(ガリウム極性表面)と(000−1)表面(窒素極性表面)とがある。これらの表面は極性表面とも呼ばれる。
c軸に平行なGaN表面、すなわち{10−10}表面や{11−20}表面のようにミラー指数{hkil}のlが0(ゼロ)であるGaN表面は、非極性表面と呼ばれる。
極性表面でも非極性表面でもないGaN結晶表面は、半極性表面と呼ばれる。
本明細書において、結晶軸、結晶表面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、GaNの結晶軸、結晶表面、結晶方位等を意味するものとする。
GaN takes a wurtzite crystal structure belonging to the hexagonal system. In GaN, the crystal axis parallel to [0001] and [000-1] is called the c axis, the crystal axis parallel to <10-10> is called the m axis, and the crystal axis parallel to <11-20> is called the a axis. . The crystal plane orthogonal to the c-axis is referred to as C-plane (C-plane), the crystal plane orthogonal to the m-axis is referred to as M-plane (M-plane), and the crystal plane orthogonal to the a-axis is referred to as A-plane.
The GaN surface orthogonal to the c-axis has a (0001) surface (gallium polar surface) and a (000-1) surface (nitrogen polar surface). These surfaces are also called polar surfaces.
A GaN surface parallel to the c-axis, that is, a GaN surface having a Miller index {hkil} of 1 (zero) such as a {10-10} surface or a {11-20} surface is called a nonpolar surface.
A GaN crystal surface that is neither a polar surface nor a nonpolar surface is called a semipolar surface.
In this specification, when referring to a crystal axis, a crystal surface, a crystal orientation, etc., unless otherwise specified, it means the crystal axis, crystal surface, crystal orientation, etc. of GaN.
以下、具体例に即して本発明を説明する。
図1に示すように、実施形態に係るGaNウエハ製造方法は、第一ステップS1、第二ステップS2および第三ステップS3を含む、少なくとも3つのステップからなり、この3つのステップ以外のステップを更に含んでいてもよい。
第一ステップS1では、図2に例示するような、主シード表面12を有する板状のGaNシード10を準備する。主シード表面12は特定の面方位を有するGaN表面であり、その上にGaN結晶をエピタキシャル成長させることが可能である。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples.
As shown in FIG. 1, the GaN wafer manufacturing method according to the embodiment includes at least three steps including a first step S1, a second step S2, and a third step S3, and further steps other than these three steps are further performed. May be included.
In the first step S1, a plate-
第二ステップS2では、図3に示すように、第一ステップS1で準備したGaNシード10の主シード表面12上に、GaNバルク結晶20をエピタキシャル成長させて、GaN結晶複合体30を得る。実際には、GaNシード10の端面14上でもGaNが成長し得るため、GaNバルク結晶20の横方向のサイズはGaNシード10の主シード表面12のサイズよりも大きくなり得る。
GaNバルク結晶20の成長厚tは、通常、後の第三ステップS3においてGaN結晶複合体30から取り出すべきGaNウエハの設計厚および枚数を考慮して設定する。
In the second step S2, as shown in FIG. 3, the
The growth thickness t of the
第三ステップS3では、図4に示すように、第二ステップS2で得たGaN結晶複合体30を加工して、互いに同じサイズおよび面方位を有する複数のGaNウエハ50を得る。
具体的には、図4(a)に示す複数のスライス予定面2(破線で表示)に沿って、図4(b)に示すようにGaN結晶複合体30をスライスし、スライス片40を得る。その後、必要な加工を行うことによって、図4(c)に示すように、各スライス片から1枚ずつGaNウエハ50を取り出す。
In the third step S3, as shown in FIG. 4, the
Specifically, the
スライス予定面2の方向は、GaN結晶複合体30から取り出すべきGaNウエハ50の面方位に基づいて決定する。
GaNシード10の主シード表面12に対するスライス予定面の傾斜角θは、好ましくは1°以上、より好ましくは3°以上、より好ましくは5°以上であり、また、通常30°以下、好ましくは20°以下、より好ましくは15°以下である。傾斜角θが大きい程、本発明の実施により得られる効果が大きくなるが、傾斜角θが30°を超えると、GaNバルク結晶20の必要な成長厚tが大きくなり過ぎる。
The direction of the planned
The inclination angle θ of the slicing plane with respect to the
スライス予定面2の傾斜方向3(以下、単に傾斜方向と呼ぶ場合がある)は、スライス予定面2と平行で、かつ、GaNシード10の主シード表面12とスライス予定面2との交線に直交する方向として定義される。
GaN結晶複合体30からN枚(Nは2以上の整数)のGaNウエハ50を取り出すには、スライス予定面2の数を少なくともN+1とする。スライス予定面2間のピッチpは、GaNウエハ50の設計厚よりも大きく設定する。
The
In order to take out N (N is an integer greater than or equal to 2)
GaN結晶複合体30のスライスには、例えば、シングルワイヤソーやマルチワイヤソーを用いることができる。図4(b)では、4つのスライス予定面2に沿ってスライスすることにより、GaNウエハ50を取り出し得るサイズのスライス片40が3枚、GaN結晶複合体30から切り出されている。
スライス片40からGaNウエハ50を取り出すための加工には、切断、くり抜き、研磨およびエッチングから選ばれる一以上が含まれ得る。切断には、機械的な方法、レーザーを用いる方法、エッチングを含む方法等、様々な方法がある。くり抜きも同様である。研磨には、グラインディング、ラッピング、CMP等、各種の方法があり、一以上を適宜選択することができる。エッチングには乾式法と湿式法があり、いずれか一方または両方を使用し得る。
For example, a single wire saw or a multi-wire saw can be used for slicing the
The processing for taking out the
変形例においては、図5に示すように、GaNシード10をスライス予定面2に沿ってスライスする前に、GaN結晶複合体30からGaNシード10を切除してもよい。該変形例では、GaN結晶複合体30から切り離されたGaNシード10を、別のGaNバルク結晶を成長させるためのシードとして再利用することができる。
In the modification, as shown in FIG. 5, the
図4(a)および図5(a)では、GaN結晶複合体30におけるGaNウエハ取り出し位置4、すなわち、GaNウエハ50がGaN結晶複合体30のどこから取り出されたのかが、点線で示されている。図4(a)および図5(a)が示すように、3つのGaNウエハ取り出し位置4は、スライス予定面2の傾斜方向3に沿って互いにずらされている。ずらし方向は、第二ステップS2におけるGaNバルク結晶20の必要成長厚が減じられる方向である。
In FIG. 4A and FIG. 5A, the GaN
図6は比較のために示すもので、図6(a)では、GaN結晶複合体30における3つのGaNウエハ取り出し位置4が、傾斜方向3に沿ってずらされていない。また、図6(b)では、3つのGaNウエハ取り出し位置4が、傾斜方向3に沿って、図4および図5の例とは反対向きにずらされている。
図6(a)および(b)の例と比較すると、実施形態に係る図4および図5の例では、同じサイズおよび面方位を有する3枚のGaNウエハを取り出すために必要なGaNバルク結晶20の成長厚tが低減されている。
FIG. 6 is shown for comparison. In FIG. 6A, the three GaN
Compared with the example of FIGS. 6A and 6B, in the example of FIGS. 4 and 5 according to the embodiment, the
図6(a)の例において、N枚のGaNウエハを取り出すために必要なGaNバルク結晶20の最小成長厚tminは次式で表される。
tmin=LS×sinθ+N×p×cosθ
ただし、LSは、GaN結晶複合体30から取り出される前の状態における、傾斜方向3に沿ったGaNウエハのサイズであり、θはGaNシード10の主シード表面12に対するスライス予定面2の傾斜角であり、pはスライス予定面2間のピッチである。
図4および図5の例においては、0.9tmin≦t<tminであることが好ましく、0.8tmin≦t<0.9tminであることがより好ましく、0.7tmin≦t<0.8tminであることがより好ましく、t<0.7tminであることがより好ましい。図7に示すように、GaNシード10の主シード表面12のサイズを、当該主シード表面上における傾斜方向3の正射影の方向に延長することによって、GaNバルク結晶20の成長厚tはLS×sinθ+p×cosθまで低減することが可能である。
In the example of FIG. 6A, the minimum growth thickness t min of the
t min = L S × sin θ + N × p × cos θ
However, L S is the size of the GaN wafer along the
In the examples of FIGS. 4 and 5, 0.9 t min ≦ t <t min is preferable, 0.8 t min ≦ t <0.9 t min is more preferable, and 0.7 t min ≦ t < more preferably from 0.8 t min, more preferably t <0.7t min. As shown in FIG. 7, by extending the size of the
付け加えると、図4(a)の例におけるGaNウエハ50の取り出し位置4を、図8(a)または図8(b)のように変更しても、同じ枚数のGaNウエハ50を取り出すうえで必要なGaNバルク結晶20の成長厚tは変わらない。このことから理解されるように、GaNバルク結晶20の必要成長厚を効果的に減じるには、GaN結晶複合体30から取り出すN枚のGaNウエハ50のうち、スライス予定面2と直交する方向に最も離れた2枚の間で、取り出し位置4を傾斜方向3に沿ってずらすことが肝要である。
In addition, even if the take-out
GaNバルク結晶の必要成長厚を低減することが、GaNバルク結晶を成長させる工程の時間短縮に寄与し得ることは自明であろう。
GaNシードの主表面が非極性または半極性面である場合には、更に、GaNバルク結晶の必要成長厚を低減することが、該GaNバルク結晶から取り出すGaNウエハの品質改善にも寄与し得る。なぜなら、非極性または半極性のGaN表面上に成長するGaNバルク結晶には積層欠陥が発生し易いからである。積層欠陥濃度はGaNバルク結晶の成長とともに増加することはあっても減少することはないので、GaNバルク結晶の成長厚を小さくすればする程、そのGaNバルク結晶から得られるGaNウエハの積層欠陥濃度は低くなる傾向がある。
It will be apparent that reducing the required growth thickness of the GaN bulk crystal can contribute to shortening the time required for growing the GaN bulk crystal.
If the main surface of the GaN seed is a nonpolar or semipolar surface, further reducing the required growth thickness of the GaN bulk crystal can also contribute to improving the quality of the GaN wafer extracted from the GaN bulk crystal. This is because stacking faults are likely to occur in a GaN bulk crystal grown on a nonpolar or semipolar GaN surface. Since the stacking fault concentration increases with the growth of the GaN bulk crystal, but does not decrease, the smaller the growth thickness of the GaN bulk crystal, the lower the stacking fault concentration of the GaN wafer obtained from the GaN bulk crystal. Tend to be lower.
実施形態に係るGaNウエハ製造方法の、各ステップの詳細は以下の通りである。
第一ステップで準備するGaNシードが有する主シード表面は、前述の通り、特定の方位を有するGaN表面である。
図9は、GaNシード10を、その主シード表面12とC面との交線に平行な方向から見た側面図である(従って、図9において、該交線は紙面に垂直である)。 GaNシード10において、主シード表面12の法線の方向Dnと[0001]方向とが成す角度αは、0°以上180°以下の範囲内の任意の値であり得る。
角度αが0°以上10°以下の範囲内または170°以上180°以下の範囲内にあるとき、主シード表面12は極性表面であるといってよい。角度αが85〜95°の範囲内のとき、主シード表面12は非極性表面であるといってよい。角度αがこれらのいずれの角度範囲内にも入らないとき、主シード表面12は半極性表面であるといってよい。
The details of each step of the GaN wafer manufacturing method according to the embodiment are as follows.
As described above, the main seed surface of the GaN seed prepared in the first step is a GaN surface having a specific orientation.
FIG. 9 is a side view of the
When the angle α is in the range of 0 ° to 10 ° or in the range of 170 ° to 180 °, the
主シード表面12が非極性または半極性表面である場合、該主シード表面とC面との交線の方向は、限定するものではないが、a軸方向±15°、a軸方向±5°、a軸方向±3°、a軸方向±2°、a軸方向±1°、m軸方向±15°、m軸方向±5°、m軸方向±3°、m軸方向±2°、m軸方向±1°等の範囲内であり得る。
主シード表面12の法線の方向Dnが<10−10>に平行なとき、該方向Dnと[0001]方向とが成す角度θは90°であり、主シード表面12とC面との交線はa軸に平行である。
主シード表面12の法線の方向Dnが<11−20>に平行なとき、該方向Dnと[0001]方向とが成す角度は90°であり、主シード表面12とC面との交線はm軸に平行である。
主シード表面12の法線の方向Dnが<10−11>に平行なとき、該方向Dnと[0001]方向とが成す角度は62°であり、主シード表面12とC面との交線はa軸に平行である。
主シード表面12の法線の方向Dnが<10−1−1>に平行なとき、該方向Dnと[0001]方向とが成す角度は118°であり、主シード表面12とC面との交線はa軸に平行である。
When the
When the direction D n of the normal line of the
When the direction D n of the normal line of the
When the direction D n of the normal line of the
When the normal direction D n of the
一例において、主シード表面12の法線の方向Dnと平行または最も平行に近い低指数方位は、<10−11>、<30−32>、<20−21>、<30−31>、<10−10>、<30−3−1>、<20−2−1>、<30−3−2>または<10−1−1>であり得る。
ここでは、ミラー指数<hkil>における整数h、k、iおよびlの絶対値がいずれも3以下である結晶方位を、低指数方位というものとする。
In one example, the low index orientation parallel or closest to the normal direction D n of the
Here, a crystal orientation in which the absolute values of the integers h, k, i, and l in the Miller index <hkil> are all 3 or less is referred to as a low index orientation.
第一ステップで準備するGaNシードが有する主シード表面の形状は、矩形に限定されるものではなく、六角形、円形、楕円形等であってもよい。GaNシードの形状とサイズは、製造すべきGaNウエハの形状や、該GaNシード上に成長させるGaNバルク結晶から取り出すべき該GaNウエハの枚数などを考慮して、適宜定めることができる。 The shape of the main seed surface of the GaN seed prepared in the first step is not limited to a rectangle, and may be a hexagon, a circle, an ellipse, or the like. The shape and size of the GaN seed can be appropriately determined in consideration of the shape of the GaN wafer to be manufactured and the number of GaN wafers to be taken out from the GaN bulk crystal grown on the GaN seed.
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、単一のGaN単結晶基板であり得る。HPVE法、フラックス法、昇華法、アモノサーマル法等、様々な方法で成長させたGaNバルク結晶から、様々な面方位を有するGaN単結晶基板を製造し得ることが知られている。非極性または半極性のGaN単結晶基板の製造方法については、前述の特許文献1や特許文献2を参照することができる。
In one example, the GaN seed prepared in the first step can be a single GaN single crystal substrate. It is known that GaN single crystal substrates having various plane orientations can be produced from GaN bulk crystals grown by various methods such as HPVE method, flux method, sublimation method, and ammonothermal method. For the method of manufacturing a nonpolar or semipolar GaN single crystal substrate, the above-mentioned
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、複数のGaN単結晶片を横方向(当該GaNシードの厚さ方向と直交する方向)に隣接させて並べてなる複合シードであり得る。複合シードの一例を図10に示す。
図10を参照すると、GaNシード10は複合シードであり、ベース板Bの平坦な表面上に密に並置された6枚のGaN単結晶片100a、100b、100c、100d、100eおよび100fから構成されている。
ベース板Bは、後のステップでGaNシード10上にGaNバルク結晶を成長させる際に用いる気相成長装置が備えるサセプターであり得るが、限定されるものではなく、無機材料からなる単結晶または多結晶基板、金属基板、セラミック基板等であってもよい。
6枚のGaN単結晶片100a〜100fは、必要に応じて、ベース板Bに接着させることができる。
In one example, the GaN seed prepared in the first step may be a composite seed in which a plurality of GaN single crystal pieces are arranged adjacent to each other in the lateral direction (a direction perpendicular to the thickness direction of the GaN seed). An example of the composite seed is shown in FIG.
Referring to FIG. 10, the
The base plate B can be a susceptor included in a vapor phase growth apparatus used when a GaN bulk crystal is grown on the
The six GaN
限定するものではないが、6枚のGaN単結晶片100a〜100fのうち、隣接するもの同士が主シード表面12上で形成する境界線200の少なくとも一部は、スライス予定面の傾斜方向と90°±10°の角度を成すようにしてもよい。
GaNシード10の主シード表面12は、6枚のGaN単結晶片100a〜100fの主表面102a〜102fから構成されている。主シード表面12が隣接するGaN単結晶片間の境界部分に有し得る段差は、好ましくは0.1mm未満である。6枚のGaN単結晶片100a〜100f間の方位ずれは、好ましくは1°未満である。
Although not limited, at least a part of the
The
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、特許文献1に開示された方法で製造されるGaN単結晶基板であってもよい。すなわち、複合シード上にGaN結晶を成長させ、そのGaN結晶をスライスする方法で製造されたものであってもよい。かかるGaNシードは、結晶性が局所的に低下した領域を互いの境界として、複数の結晶領域が横方向(当該GaNシードの厚さ方向と直交する方向)に並んだ構造を有する。
かかる構造のGaNシードが有する複数の結晶領域のうち、隣接するもの同士が主シード表面上で形成する境界線の少なくとも一部は、スライス予定面の傾斜方向と90°±10°の角度を成すようにしてもよい。
In one example, the GaN seed prepared in the first step may be a GaN single crystal substrate manufactured by the method disclosed in
Among the plurality of crystal regions of the GaN seed having such a structure, at least a part of the boundary line formed by adjacent ones on the main seed surface forms an angle of 90 ° ± 10 ° with the inclination direction of the planned slice surface. You may do it.
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、複数のGaN単結晶片を横方向(当該GaNシードの厚さ方向と直交する方向)に継ぎ合わせてなる継ぎ合わせGaN基板であり得る。継ぎ合わせGaN基板の構造および製造方法については、例えば、特開2010−13298号公報を参照することができる。
GaNシードが継ぎ合わせGaN基板である場合、該GaNシードを構成する複数の単結晶片のうち、隣り合うもの同士が主シード表面上で形成する境界線の少なくとも一部は、スライス予定面の傾斜方向と90°±10°の角度を成すようにしてもよい。
In one example, the GaN seed prepared in the first step may be a spliced GaN substrate formed by splicing a plurality of GaN single crystal pieces in a lateral direction (a direction perpendicular to the thickness direction of the GaN seed). For the structure and manufacturing method of the spliced GaN substrate, reference can be made to, for example, JP 2010-13298A.
When the GaN seed is a spliced GaN substrate, at least a part of the boundary line formed on the main seed surface by the adjacent ones of the plurality of single crystal pieces constituting the GaN seed is an inclination of the planned slice surface An angle of 90 ° ± 10 ° with the direction may be formed.
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、GaN層接合基板に含まれるGaN単結晶層であってもよい。GaN層接合基板は、ベース基板にGaN単結晶基板を接合させた後に、GaN層がベース基板側に残るように該GaN単結晶基板を切断する方法で製造される。従って、GaN層接合基板に含まれるGaN単結晶層とは、ベース基板に接合されたGaN単結晶層と言い換えることができる。ベース基板は、各種の単結晶基板であり得る他、金属基板、セラミック基板または多結晶GaN基板であってもよい。 In one example, the GaN seed prepared in the first step may be a GaN single crystal layer included in the GaN layer bonded substrate. The GaN layer bonded substrate is manufactured by a method of bonding the GaN single crystal substrate to the base substrate and then cutting the GaN single crystal substrate so that the GaN layer remains on the base substrate side. Therefore, the GaN single crystal layer included in the GaN layer bonded substrate can be restated as a GaN single crystal layer bonded to the base substrate. The base substrate may be various single crystal substrates, and may be a metal substrate, a ceramic substrate, or a polycrystalline GaN substrate.
一例において、第一ステップで準備するGaNシードは、ヘテロ基板上にエピタキシャル成長したGaN単結晶層であってもよい。ヘテロ基板とは、GaNとは異なる組成を有する材料からなる基板であり、典型的にはサファイア基板、スピネル基板、AlN基板、SiC基板およびSi基板のような単結晶基板である。エピタキシャル成長の方法に限定はなく、MOVPE、MBE、スパッタリング、PLD(パルスレーザデポジション)、HVPEのような気相法であってもよいし、フラックス法のような液相法であってもよい。 In one example, the GaN seed prepared in the first step may be a GaN single crystal layer epitaxially grown on a hetero substrate. The hetero substrate is a substrate made of a material having a composition different from that of GaN, and is typically a single crystal substrate such as a sapphire substrate, a spinel substrate, an AlN substrate, a SiC substrate, and a Si substrate. The epitaxial growth method is not limited, and a vapor phase method such as MOVPE, MBE, sputtering, PLD (pulse laser deposition), and HVPE, or a liquid phase method such as a flux method may be used.
第二ステップにおいてGaNバルク結晶のエピタキシャル成長に用いる結晶成長方法に限定はなく、HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy)、OVPE(Oxide Vapor Phase Epitaxy)、昇華法等の気相法、フラックス法等の液相法、アモノサーマル法等、公知のエピタキシャル成長法を適宜採用することができる。
エピタキシャル成長時におけるGaNバルク結晶のドーピングは任意に行い得る。n型ドーパントとして、O(酸素)、Si(ケイ素)およびGe(ゲルマニウム)が知られている。p型ドーパントとして、Mg(マグネシウム)およびZn(亜鉛)が知られている。
Fe(鉄)はGaN結晶の導電性を低下させるドーパントとして知られている。
There is no limitation on the crystal growth method used for epitaxial growth of GaN bulk crystal in the second step, and liquid phase methods such as HVPE (Halide Vapor Phase Epitaxy), OVPE (Oxide Vapor Phase Epitaxy), sublimation method, etc., flux method, etc. A known epitaxial growth method such as an ammonothermal method can be appropriately employed.
Doping of the GaN bulk crystal during epitaxial growth can be performed arbitrarily. As n-type dopants, O (oxygen), Si (silicon) and Ge (germanium) are known. Mg (magnesium) and Zn (zinc) are known as p-type dopants.
Fe (iron) is known as a dopant that lowers the conductivity of GaN crystals.
第二ステップの後、第二ステップで得たGaN結晶複合体からGaNシードを切除しない態様、すなわち、第三ステップにおいて該GaN結晶複合体をGaNシードごとスライスする態様においては、限定するものではないが、最終的に得られるGaNウエハがGaNシードの一部を含んでもよい。 After the second step, the embodiment in which the GaN seed is not excised from the GaN crystal composite obtained in the second step, that is, the embodiment in which the GaN crystal composite is sliced together with the GaN seed in the third step is not limited. However, the finally obtained GaN wafer may contain a part of the GaN seed.
第三ステップで得るGaNウエハは、{10−1−1}ウエハ、{30−3−2}ウエハ、{20−2−1}ウエハ、{30−3−1}ウエハ、{10−10}ウエハ、{30−31}ウエハ、{20−21}ウエハ、{30−32}ウエハまたは{10−11}ウエハであり得る。
GaNウエハの名称に付される面指数は、当該GaNウエハのおもて面と平行または最も平行に近い低指数表面の面指数である。ここでいうGaNウエハのおもて面とは、該ウエハが有する2つの主表面のうち、デバイス構造の形成等を目的とした窒化物半導体のエピタキシャル成長に適した状態に仕上げられた方をいう。
The GaN wafer obtained in the third step is {10-1-1} wafer, {30-3-2} wafer, {20-2-1} wafer, {30-3-1} wafer, {10-10} It can be a wafer, {30-31} wafer, {20-21} wafer, {30-32} wafer or {10-11} wafer.
The surface index attached to the name of the GaN wafer is the surface index of the low index surface that is parallel or closest to the front surface of the GaN wafer. The front surface of the GaN wafer here refers to the one of the two main surfaces of the wafer that has been finished in a state suitable for the epitaxial growth of a nitride semiconductor for the purpose of forming a device structure.
実施形態に係るGaNウエハ製造方法を用いて製造されるGaNウエハは、各種の窒化物半導体デバイスを製造するための基板として使用することができる。
窒化物半導体デバイスの製造においては、通常、GaNウエハ上に一種以上の窒化物半導体を気相エピタキシャル成長させることにより、デバイス構造が形成される。気相エピタキシャル成長法として、薄膜の形成に適したMOCVD法、MBE法、パルス蒸着法などが好ましく例示される。
窒化物半導体デバイスの具体例としては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、SAW(Surface Acoustic Wave)デバイス、振動子、共振子、発振器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)部品、電圧アクチュエータ、太陽電池などがある。
The GaN wafer manufactured using the GaN wafer manufacturing method according to the embodiment can be used as a substrate for manufacturing various nitride semiconductor devices.
In manufacturing a nitride semiconductor device, a device structure is usually formed by vapor phase epitaxial growth of one or more nitride semiconductors on a GaN wafer. As the vapor phase epitaxial growth method, MOCVD method, MBE method, pulse vapor deposition method and the like suitable for forming a thin film are preferably exemplified.
Specific examples of nitride semiconductor devices include light-emitting devices such as light-emitting diodes and laser diodes, rectifiers, bipolar transistors, field-effect transistors, electronic devices such as HEMT (High Electron Mobility Transistor), temperature sensors, pressure sensors, radiation sensors, There are semiconductor sensors such as a visible-ultraviolet light detector, SAW (Surface Acoustic Wave) devices, vibrators, resonators, oscillators, MEMS (Micro Electro Mechanical System) parts, voltage actuators, solar cells, and the like.
(実施例)
図11に示す、幅5mmで長さ50mmの矩形の主表面を有する厚さ1mmのM面GaN基板を14枚準備する。この14枚のM面GaN基板を、HVPE装置のサセプター(図示せず)上に図12に示すように並べて、GaNシード(複合シード)を形成する。該GaNシードの主シード表面のサイズは、a軸方向が50mm、c軸方向が70mmである。
このGaNシードの主シード表面上に、HVPE法によってGaNバルク結晶を約12mmの厚さに成長させて、GaNシードとGaNバルク結晶とからなるGaN結晶複合体を得る。
次いで、シングルワイヤソーを用いて該GaN結晶複合体からGaNシードを切除する。更に、残った厚さ約11mmのGaNバルク結晶を、図13(a)に示すように、各々が(20−2−1)面に平行な、1mmピッチで並んだ4つのスライス予定面に沿ってスライスする。スライスにはマルチワイヤソーを用いる。
得られる3枚のスライス片を加工して、その各々から直径50mmの円盤形GaN(20−21)ウエハを1枚ずつ得ることができる。図13(a)において点線で示すのが、GaNバルク結晶における3枚のGaNウエハの取り出し位置である。
(Example)
Fourteen 1-mm thick M-plane GaN substrates having a rectangular main surface with a width of 5 mm and a length of 50 mm shown in FIG. 11 are prepared. These 14 M-plane GaN substrates are arranged on a susceptor (not shown) of the HVPE apparatus as shown in FIG. 12 to form a GaN seed (composite seed). The size of the main seed surface of the GaN seed is 50 mm in the a-axis direction and 70 mm in the c-axis direction.
On the main seed surface of the GaN seed, a GaN bulk crystal is grown to a thickness of about 12 mm by the HVPE method to obtain a GaN crystal composite composed of the GaN seed and the GaN bulk crystal.
Next, a GaN seed is cut from the GaN crystal composite using a single wire saw. Furthermore, as shown in FIG. 13A, the remaining GaN bulk crystal having a thickness of about 11 mm is aligned along four planned slice planes, each parallel to the (20-2-1) plane and arranged at a pitch of 1 mm. And slice. A multi-wire saw is used for slicing.
The obtained three slice pieces can be processed, and one disk-shaped GaN (20-21) wafer having a diameter of 50 mm can be obtained from each of the slice pieces. In FIG. 13 (a), the dotted line indicates the extraction position of the three GaN wafers in the GaN bulk crystal.
(比較例)
図11に示す、幅5mmで長さ50mmの矩形の主表面を有する厚さ1mmのM面GaN基板を10枚準備する。この10枚のM面GaN基板を、実施例と同様、各々の(10−10)表面が上を向くようc軸方向に並べて、GaNシード(複合シード)を形成する。該GaNシードの主シード表面のサイズは、a軸方向およびc軸方向ともに50mmである。
このGaNシードの主シード表面上に、HVPE法によってGaNバルク結晶を約17mmの厚さに成長させて、GaNシードとGaNバルク結晶とからなるGaN結晶複合体を得る。
次いで、シングルワイヤソーを用いて該GaN結晶複合体からGaNシードを切除する。更に、残った厚さ約16mmのGaNバルク結晶を、図13(b)に示すように、各々が(20−2−1)面に平行な、1mmピッチで並んだ4つのスライス予定面に沿ってスライスする。スライスにはマルチワイヤソーを用いる。
得られる3枚のスライス片を加工して、その各々から直径50mmの円盤形GaN(20−21)ウエハを1枚ずつ得ることができる。図13(b)において点線で示すのが、GaNバルク結晶における3枚のGaNウエハの取り出し位置である。
(Comparative example)
Ten M-plane GaN substrates having a rectangular main surface with a width of 5 mm and a length of 50 mm shown in FIG. 11 are prepared. The ten M-plane GaN substrates are arranged in the c-axis direction so that the respective (10-10) surfaces face upward to form a GaN seed (composite seed), as in the example. The size of the main seed surface of the GaN seed is 50 mm in both the a-axis direction and the c-axis direction.
On the main seed surface of the GaN seed, a GaN bulk crystal is grown to a thickness of about 17 mm by HVPE to obtain a GaN crystal composite composed of the GaN seed and the GaN bulk crystal.
Next, a GaN seed is cut from the GaN crystal composite using a single wire saw. Further, the remaining GaN bulk crystal having a thickness of about 16 mm is formed along four planned slice planes arranged at 1 mm pitch, each parallel to the (20-2-1) plane, as shown in FIG. 13B. And slice. A multi-wire saw is used for slicing.
The obtained three slice pieces can be processed, and one disk-shaped GaN (20-21) wafer having a diameter of 50 mm can be obtained from each of the slice pieces. In FIG. 13 (b), the dotted line indicates the take-out position of the three GaN wafers in the GaN bulk crystal.
以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本明細書に記載された各実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated according to specific embodiment, each embodiment was shown as an example and does not limit the scope of the present invention. That is, each embodiment described in the present specification can be variously modified within the scope not departing from the gist thereof, and within the feasible range, the features described by the other embodiments. Can be combined.
2 スライス予定面
3 傾斜方向
4 GaNウエハ取り出し位置
10 GaNシード
12 主シード表面
20 GaNバルク結晶
30 GaN結晶複合体
40 スライス片
50 GaNウエハ
2
Claims (14)
該第三ステップは、該主シード表面に対し30°以下の傾斜角で傾斜する互いに平行なN+1以上のスライス予定面に沿って該GaNバルク結晶をスライスすることを含み;
該第二ステップにおける該GaNバルク結晶の必要成長厚を減じ得るよう、該GaN結晶複合体における該GaNウエハの取り出し位置を該スライス予定面の傾斜方向に沿って互いにずらしたことを特徴とするGaNウエハ製造方法。 (I) a first step of preparing a GaN seed having a main seed surface; and (ii) epitaxially growing a GaN bulk crystal on the main seed surface of the GaN seed to include the GaN seed and the GaN bulk crystal. A second step of obtaining a crystal composite, and (iii) a third step of obtaining N GaN wafers (where N is an integer of 2 or more) having the same size and plane orientation by processing the GaN crystal composite. Including steps;
The third step includes slicing the GaN bulk crystal along N + 1 or more parallel slicing planes which are inclined at an inclination angle of 30 ° or less with respect to the main seed surface;
GaN characterized in that the take-out position of the GaN wafer in the GaN crystal composite is shifted from each other along the inclination direction of the slicing plane so as to reduce the required growth thickness of the GaN bulk crystal in the second step Wafer manufacturing method.
0.9tmin≦t<tmin・・・数式1
0.8tmin≦t<0.9tmin・・・数式2
0.7tmin≦t<0.8tmin・・・数式3
LS×sinθ+p×cosθ≦t<0.7tmin・・・数式4
ただし、上記数式1〜4においてtminは次式で表される。
tmin=LS×sinθ+N×p×cosθ When the growth thickness of the GaN bulk crystal in the second step is t, the size of the tilt direction of the GaN wafer is L S , the tilt angle is θ, and the pitch between the sliced planes is p, the following formula 1 The manufacturing method of Claim 1 with which any of -4 is satisfied.
0.9t min ≦ t <t min Formula 1
0.8t min ≦ t <0.9t min Expression 2
0.7t min ≦ t <0.8t min ··· Equation 3
L S × sin θ + p × cos θ ≦ t <0.7 t min Expression 4
However, in the above formulas 1 to 4, t min is expressed by the following formula.
t min = L S × sin θ + N × p × cos θ
0.9tmin≦t<tmin・・・数式1
0.8tmin≦t<0.9tmin・・・数式2
0.7tmin≦t<0.8tmin・・・数式3
LS×sinθ+p×cosθ≦t<0.7tmin・・・数式4
ただし、上記数式1〜4においてtminは次式で表される。
tmin=LS×sinθ+N×p×cosθ When the growth thickness of the semiconductor bulk crystal in the second step is t, the size of the semiconductor wafer in the tilt direction is L S , the tilt angle is θ, and the pitch between the sliced planes is p, the following formula 1 The manufacturing method of Claim 12 with which any of -4 is satisfied.
0.9t min ≦ t <t min Formula 1
0.8t min ≦ t <0.9t min Expression 2
0.7t min ≦ t <0.8t min ··· Equation 3
L S × sin θ + p × cos θ ≦ t <0.7 t min Expression 4
However, in the above formulas 1 to 4, t min is expressed by the following formula.
t min = L S × sin θ + N × p × cos θ
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
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