JP2019142771A - 窒化アルミニウムウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも切断が容易な窒化アルミニウム単結晶を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム単結晶１であって、該窒化アルミニウム単結晶１の母体を構成するマトリックス領域Ｍと、該マトリックス領域内に含まれる少なくとも１つのドメイン領域Ｄとを有する、窒化アルミニウム単結晶１に対してウェーハ加工処理を施して、窒化アルミニウムウェーハを得ることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は，窒化アルミニウムウェーハの製造方法に関する。

近年、窒化アルミニウム（以下、「ＡｌＮ」とも言う）単結晶が、広いエネルギバンドギャップ、高い熱伝導率及び高い電気抵抗を有していることから、種々の光デバイスや電子デバイスなどの半導体デバイス用の基板材料として注目されている。

従来のＡｌＮ単結晶の製造方法としては、ルツボ内にＡｌＮ結晶材料を入れ、昇華したＡｌＮを単結晶として成長させる昇華法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この昇華法は、単結晶の材料物質の粉末と、該材料物質と加熱下に反応してＡｌＮを分解気化させる酸化物の粉末とを混合し、得られた混合粉末を窒素雰囲気中、又は、水素や炭素を含む窒素雰囲気中において、前記材料物質の昇華温度又は溶融温度よりも低い温度で加熱することにより、混合粉末をＡｌＮに分解気化せしめ、この分解気化成分を基板上に結晶成長させる方法である。

しかし、従来の昇華法によるＡｌＮ単結晶の製造方法では、目的とする単結晶の育成過程において結晶中にクラックが発生しやすい。結晶中にクラックが生じると、その結晶から製造したウェーハをデバイス製造のための信頼性の高い基板として使用することは極めて困難であるか、場合によっては不可能となる。即ち、エピタキシャル成長、フォトリソグラフィ及び他のデバイスプロセスのための市販の装置では、均一な厚みを有し且つ完璧な形状の円形ウェーハが必要とされる。ウェーハの分離を引き起こさないものであってもいかなるクラックはウェーハの有用性を損ねる。したがって、ＡｌＮ結晶成長中のクラックの問題は、窒化物ベースの電子機器のさらなる開発に際し、極めて重要である。

昇華法には異種単結晶を基板に用いたヘテロエピタキシャル成長、同種単結晶を基板に用いたホモエピタキシャル成長などがある。また、その基板の固定方法として、接着剤を使用し、台座（坩堝上部）に固定する方法が知られている（特許文献２参照）。このような場合、基板と台座との間の熱膨張係数の差によって熱応力が発生してしまうことがあった。このような熱応力を緩和する場合基板として同種基板を用いるホモエピタキシャル成長があるが、その際にも製造した単結晶にクラックが入り易い問題がある。

そこで、熱膨張係数差に起因するクラックの発生を防止する手段として、以下の非特許文献１に記載のように、結晶の厚さを厚くすることにより、熱応力による曲率半径を小さくする技術が知られている。

しかしながら、前述の結晶を厚くして曲率半径を小さくする技術では、結晶と基板との熱膨張係数差を前提として考慮しており、基板と台座との熱膨張係数差は考慮していない。このように昇華法による単結晶製造の場合、基板と台座との熱膨張係数差を考慮すると、単結晶を厚く形成するだけでは不十分な問題がある。

そこで、成長させたＡｌＮ等の単結晶を取り出す場合に割れや欠けなどを発生させることなく取り出すことができる手段として、以下の特許文献３に記載のように、単結晶製造装置が提案されている。

特開平１０−５３４９５号公報 特開２００２−６０２９７号公報 特開２０１３−１５９５１１号公報

ＳＥＩテクニカルレビュー・第１６８号−（１０３）−２００６年３月刊行

上記特許文献や非特許文献に記載された技術等により、クラックの少ない、高品質のＡｌＮ単結晶を得ることができる。こうした技術により得られたＡｌＮ単結晶には、その後ウェーハ加工処理が施され、多数枚のＡｌＮ単結晶ウェーハが作製される。しかしながら、ＡｌＮ単結晶は、シリコン等の基板材料に比べて硬いため、ウェーハ加工処理に多くの時間を要することが問題となっていた。そこで、本発明の目的は、従来よりも切断が容易な窒化アルミニウム単結晶を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、窒化アルミニウム単結晶が、結晶の母体を構成するマトリックス領域と、該マトリックス領域内に含まれる少なくとも１つのドメイン領域とを有するように構成することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）窒化アルミニウム単結晶であって、該窒化アルミニウム単結晶の母体を構成するマトリックス領域と、該マトリックス領域内に含まれる少なくとも１つのドメイン領域とを有することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶。

（２）前記ドメイン領域の少なくとも１つが外周部に存在する、前記（１）に記載の窒化アルミニウム単結晶。

（３）前記ドメイン領域が前記外周部のみに存在する、前記（２）に記載の窒化アルミニウム単結晶。

（４）前記ドメイン領域が前記外周部よりも内側にも存在する、前記（２）に記載の窒化アルミニウム単結晶。

（５）前記ドメイン領域の少なくとも１つが、結晶の成長方向において結晶全体に亘って延在している、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム単結晶。

（６）結晶構造がウルツ鉱構造である、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム単結晶。

本発明によれば、窒化アルミニウム単結晶が、結晶の母体となるマトリックス領域内に、少なくとも１つのドメイン領域を有するように構成したため、従来よりも容易に切断することができる。

本発明による窒化アルミニウム単結晶の一例の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る窒化アルミニウム単結晶の一例を示している。この図に示した窒化アルミニウム単結晶１は、窒化アルミニウム単結晶１の母体を構成するマトリックス領域Ｍと、該マトリックス領域Ｍ内に含まれる少なくとも１つのドメイン領域Ｄとを有することを特徴とする。

上述のように、特許文献や非特許文献に記載された技術等により、クラックが低減された結晶性の高いＡｌＮ単結晶が得られるが、ＡｌＮ単結晶はシリコン等の基板材料よりも硬いため、ウェーハ加工処理に多くの時間を要することが問題となっていた。

本発明者らは、様々な成長条件の下で製造したＡｌＮ単結晶に対してウェーハ加工処理を施して多数枚のＡｌＮウェーハとする際に、他の条件の下で製造したＡｌＮ単結晶よりも切断が容易で切断時間が短いものがあることに気付いた。そこで、本発明者らは、上記ＡｌＮ単結晶の切断が容易であった理由を特定すべく、そのＡｌＮ単結晶を詳細に調査した。

具体的には、まず、上記切断が容易であったＡｌＮ単結晶に対してウェーハ加工処理を施してＡｌＮ単結晶ウェーハを得た。次いで、得られたＡｌＮ単結晶ウェーハに対して、Ｆｏｒｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ（ＦＩＢ：収束イオンビーム）を用いて薄片状のサンプルを採取した。続いて、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＴＥＭ）を用いて上記サンプルを詳細に観察した。透過電子顕微鏡には日立ハイテクのロージーズ製 Ｈ−９０００ＮＡＲを用い、加速電圧３００ｋＶ、総合倍率１５０００倍とし、ウィークビーム法で測定条件はｇ／３ｇ、ｇ＝１−１００とした。その結果、結晶の母体となるマトリックス領域Ｍ内に、このマトリックス領域Ｍとは別の領域として明確に区別できる「ドメイン領域」Ｄが存在することが判明した。

本発明者らは、当初、上記「ドメイン領域」Ｄは、製造により得られた結晶が、意図した単結晶とはならずに多結晶化し、単結晶中における多結晶領域、いわゆるドメインが観察されたものと考えた。しかし、上記サンプルを採取したウェーハと同じ結晶から得られたＡｌＮウェーハをＸ線回折により調査した結果、単結晶を示す特定の鋭いピークが存在し、ドメイン領域ＤのないＡｌＮ単結晶と同様のスペクトルが得られることが分かった。

即ち、Ｘ線回折装置にブルカー製 Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲでロッキングカーブ測定を行い、半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を求めた結果、ドメイン領域ＤのないＡｌＮ単結晶と同様の値だった。またその時の測定した回折面は（０００１）面である。

本発明者らは更に、上記ＡｌＮウェーハに対して、熱的特性、及び電気的特性を評価したところ、いずれの特性についても、上記ドメイン領域Ｄを含まない、マトリックス領域ＭのみからなるＡｌＮ単結晶と同等であることも分かった。

上記ドメイン領域Ｄの存在により、結晶の切断が容易になる理由は必ずしも明らかではないが、ドメイン領域Ｄとマトリックス領域Ｍとの間の原子間の結合が、マトリックス領域Ｍあるいはドメイン領域Ｄ内の単結晶における原子間の結合よりも弱いために、切断の際に結晶に応力が印加されると、マトリックス領域Ｍとドメイン領域Ｄとの境界にて剥離等が生じ、切断が容易になったと推察される。

このように、本発明者らは、ＡｌＮ単結晶１が、結晶の母体を構成するマトリックス領域Ｍと、該マトリックス領域Ｍに含まれる少なくとも１つのドメイン領域Ｄとを有するように構成することにより、ドメイン領域Ｄの存在しないＡｌＮ単結晶と同等の特性を有しつつ、ドメイン領域Ｄの存在しないＡｌＮ単結晶に比べて容易に切断することができることを見出し、本発明を完成させたのである。以下、各構成についてより詳細に説明する。

マトリックス領域Ｍは、ＡｌＮ単結晶１の母体を構成する単結晶領域であり、１つの結晶で構成されている。本発明においては、結晶全体の少なくとも５０％がマトリックス領域Ｍで構成されている。

また、ドメイン領域Ｄは、マトリックス領域Ｍに含まれている単結晶領域である。本発明において、ドメイン領域Ｄは、以下の要件を満足する領域として定義する。即ち、まず、ＡｌＮ単結晶１に対してウェーハ加工処理を施してＡｌＮ単結晶ウェーハを作製する。次いで、Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ（ＦＩＢ：収束イオンビーム）を用いて、厚さ０．１〜０．５μｍの薄片状のサンプルを用意する。続いて、このサンプルに対して加速電圧３００ｋＶ、総合倍率１５０００倍の条件下でＴＥＭ観察を行った際に、ＡｌＮ単結晶１の母体を構成するマトリックス領域Ｍ内に、該マトリックス領域Ｍと明確に区別できる領域が存在した場合に、この領域を本発明における「ドメイン領域」Ｄとする。

このように、マトリックス領域Ｍとドメイン領域Ｄとで特定される本発明に係るＡｌＮ単結晶１は、Ｘ線回折パターンが下記の要件を満足するものとする。即ち、ＡｌＮ単結晶１に対してウェーハ加工を施し、Ｘ線回折装置を用いて、得られたＡｌＮ単結晶ウェーハのＸ線回折パターンを得た際に、（０００１）面のピークに対する半値全幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であるものとする。これにより、本発明に係るＡｌＮ単結晶１は、ＡｌＮ多結晶とは明確に区別される。即ち、ＡｌＮ多結晶に対するＸ線回折パターンにおいては、特定の方向にピークが観察されない。

上記ドメイン領域Ｄの結晶成長方向に垂直な断面における形状は、特に限定されず、結晶構造にもよるが、結晶構造がウルツ鉱構造の場合には、結晶成長方向断面において、図１に示すような六角形になり得る。ただし、六角形はあくまで例示であって限定されず、不規則な形状等の不定形となり得る。結晶軸方向は、マトリックス領域Ｍの結晶軸方向と略同一である。

本発明において、ドメイン領域Ｄの少なくとも１つは、ＡｌＮ単結晶１の外周部に存在することが好ましい。結晶の外周部にドメイン領域Ｄが存在することにより、切断開始時における負荷が低減されて切断が容易になる。なお、「ＡｌＮ単結晶１の外周部」とは、ＡｌＮ単結晶１の結晶成長方向に垂直な断面において、外周から径の３ｍｍ以内の領域を意味している。

また、ドメイン領域Ｄは、例えばウェーハ上へ作製する半導体チップの均一性の点では、結晶１の外周部のみに存在することが好ましい。円形のウェーハ上への四角形のチップを作製する際、外周部については不要となり、ドメイン領域Ｄの存在しない部分のみ使用することができる。

一方、上記ドメイン領域Ｄは、ウェーハ加工処理の時間を短縮する点では、ＡｌＮ単結晶１の外周部のみならず、ＡｌＮ単結晶１の成長軸方向に関して、外周部よりも径方向内側の内部にも存在することが好ましい。これにより、切断の開始時のみならず、切断工程の中盤において切断時間を短縮することができ、ウェーハ加工処理の生産性を更に高めることができる。

更に、上記ドメイン領域Ｄの少なくとも１つが、結晶の成長方向において結晶全体に延在していることが好ましい。これにより、ＡｌＮ単結晶１に対してウェーハ加工を施す際に、ＡｌＮ単結晶１を切断する任意の位置にて切断が容易になり、切断時間をより短縮してウェーハ加工処理の生産性を更に向上させることができる。

更にまた、ドメイン領域Ｄの各々の大きさは、例えば、六角形等の定形ドメインの場合、１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。ここで、１μｍ以上とすることにより、ＡｌＮ単結晶１の切断時間の短縮効果を十分に発揮することができる。一方、１０００μｍを超えても、ＡｌＮ単結晶１の切断時間の短縮効果は飽和する。よって、ドメイン領域Ｄの大きさは、１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、１００μｍ以上５００μｍ以下である。

更にまた、成長方向に対する任意の断面におけるドメイン領域Ｄの割合は、０．０１％以上１％以下であることが好ましい。ここで、０．０１％以上とすることにより、ＡｌＮ単結晶１の切断時間の短縮効果を十分に発揮することができる。一方、１％を超えても、ＡｌＮ単結晶１の切断時間の短縮効果は飽和する。よって、ドメイン領域Ｄの割合は０．０１％以上１％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．１％以上１％以下である。

このように、本発明に係るＡｌＮ単結晶１は、マトリックス領域ＭのみからなるＡｌＮ単結晶と同等の特性を有し、かつ切断が容易なものである。

以下、実施例を用いて本発明を更に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
上記本発明の実施例に係るＡｌＮ単結晶（実施例１）を用意した。具体的には、直径１インチ、長さ１０ｍｍのＡｌＮ単結晶を用意した。このＡｌＮ単結晶と同条件で製造したＡｌＮ単結晶に対してウェーハ加工処理を施し、得られたＡｌＮウェーハ３枚に対してＴＥＭ観察を行ったところ、ウェーハの外周部にドメイン領域は存在せず、外周部よりもウェーハ径方向内側の領域おいてドメイン領域が存在した。よって、上記本発明の実施例１に係るＡｌＮ単結晶においても、結晶の外周部よりも内部においてのみドメイン領域が存在するものであると強く推定される。

（比較例）
実施例１と同様に、本発明の比較例に係るＡｌＮ単結晶を用意した。ただし、この比較例に係るＡｌＮ単結晶と同条件で製造したＡｌＮ単結晶に対してウェーハ加工処理を施し、得られたＡｌＮウェーハ３枚に対してＴＥＭ観察を行ったところ、その全てにおいて、マトリックス領域内にドメイン領域は観察されなかった。よって、上記本発明の比較例に係るＡｌＮ単結晶においても、マトリックス領域内にドメイン領域が存在しないものであると強く推定される。

（実施例２）
実施例１と同様に、実施例２に係るＡｌＮ単結晶を用意した。ただし、本実施例２に係るＡｌＮ単結晶においては、この実施例２に係るＡｌＮ単結晶と同条件で製造したＡｌＮ単結晶について、外周部のみにドメイン領域が存在した。よって、本発明の実施例２に係るＡｌＮ単結晶においても、結晶の外周部のみにドメイン領域が存在するものであると強く推定される。その他については実施例１と全て同じである。

（実施例３）
実施例１と同様に、実施例３に係るＡｌＮ単結晶を用意した。ただし、本実施例３に係るＡｌＮ単結晶においては、この実施例３に係るＡｌＮ単結晶と同条件で製造したＡｌＮ単結晶について、外周部及び外周部よりも径方向内側の領域の双方にドメイン領域が存在した。よって、本発明の実施例３に係るＡｌＮ単結晶においても、結晶の外周部及び外周部よりも内部の領域の双方にドメイン領域が存在するものであると強く推定される。その他については実施例１と全て同じである。

＜結晶性の評価＞
上記実施例１〜３及び比較例に係るＡｌＮ単結晶の結晶性を評価した。具体的には、ロッキングカーブ測定を行い、半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を求めた。その結果、８７ａｒｃｓｅｃ（実施例１）、７６ａｒｃｓｅｃ（実施例２）、８２ａｒｃｓｅｃ（実施例３）であったのに対して、比較例については、８５ａｒｃｓｅｃであり、実施例１〜３と比較例とでは、その結晶性に大きな差がなく、結晶品質は同程度であることが分かった。

＜ウェーハ加工処理時間の評価＞
上述のように用意した発明例及び比較例に係るＡｌＮ単結晶に対してウェーハ加工処理を施し、処理に要した時間を計測した。具体的には、発明例及び比較例に係るＡｌＮ単結晶に対して、マルチワイヤーソー（タカトリ：ＭＷＳ−３４Ｓ）を用いて、ウェーハ加工処理を施し、厚さ６００μｍのＡｌＮウェーハを１０枚作製し、この１０枚のウェーハの切断に要した時間を計測した。

その結果、切断に要した時間は、４８０分（実施例１）、４５０分（実施例２）、４２０分（実施例３）であったのに対して、比較例については５４０分であった。このように、本発明に係るＡｌＮ単結晶は、ドメイン領域を含まない比較例に係るＡｌＮ単結晶よりも、切断が容易であり、切断時間を短縮できることが分かる。

また、実施例１〜３を比較すると、ドメイン領域が外周部よりも径方向内側に存在する実施例１よりも、ドメイン領域が外周部に存在する実施例２の方が切断時間が短いことが分かる。さらに、ドメイン領域が結晶の外周部のみに存在する実施例２よりも、外周部よりも径方向内側の領域にもドメイン領域が存在する実施例３の方が、切断時間が短いことが分かる。

本発明によれば、ウェーハ加工処理の時間を短縮することができるため、半導体産業において有用である。

１ 窒化アルミニウム単結晶
Ｍ マトリックス領域
Ｄ ドメイン領域

Claims (6)

1. 窒化アルミニウム単結晶であって、該窒化アルミニウム単結晶の母体を構成するマトリックス領域と、該マトリックス領域内に含まれる少なくとも１つのドメイン領域とを有する、窒化アルミニウム単結晶に対してウェーハ加工処理を施して、窒化アルミニウムウェーハを得ることを特徴とする窒化アルミニウムウェーハの製造方法。
2. 前記ドメイン領域の少なくとも１つが外周部に存在する、請求項１に記載の窒化アルミニウムウェーハの製造方法。
3. 前記ドメイン領域が前記外周部のみに存在する、請求項２に記載の窒化アルミニウムウェーハの製造方法。
4. 前記ドメイン領域が前記外周部よりも内側にも存在する、請求項２に記載の窒化アルミニウムウェーハの製造方法。
5. 前記ドメイン領域の少なくとも１つが、結晶の成長方向において結晶全体に亘って延在している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウムウェーハの製造方法。
6. 結晶構造がウルツ鉱構造である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化アルミニウムウェーハの製造方法。

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