JP2019192856A

JP2019192856A - 窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2019192856A
Application number: JP2018086541A
Authority: JP
Inventors: 憲一杉田; Kenichi Sugita
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-10-31

Abstract

【課題】コストを抑え、かつ既存の装置だけで簡便に製造できる窒化物半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】基板１０上に分離層３０を含む窒化物半導体層２０〜５０を成長させ、分離層で分離して窒化物半導体基板を製造する方法において、基板１０の上に第１の窒化物半導体層２０を設ける第１の工程と、第１の窒化物半導体層上に、分離層３０を設ける第２の工程と、分離層上に、第２の窒化物半導体層４０、５０を設ける第３の工程と、第２の窒化物半導体層上に、支持基板６０を設ける第４の工程と、基板と、支持基板上に設けられた第２の窒化物半導体層とを、分離層を境に分離し、第２の窒化物半導体層を含む窒化物半導体基板を得る第５の工程と、を含む。分離層は、第２の窒化物半導体層を形成する温度では結晶劣化を起こす素材を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体基板の製造方法、及び窒化物半導体装置の製造方法
に関する。

半導体基板の製造方法として、基板上に分離層を設けた後に半導体層を形成し、基板と半
導体層を分離させて半導体基板を得る方法がある。分離後の基板は、新たに半導体層を形
成することで、さらに半導体基板を得ることができる。このように分離後の基板を再利用
する製造方法は、コストを抑えられる方法として知られている。

この製造方法は複数あるが、代表的な方法のひとつとしてレーザーリフトオフが知られ
ている。これは、基板上に分離層を含む半導体層を成長させたのちに、レーザーを照射し
て分離層で分離させ、半導体基板を得るというものである。しかし、この方法では、使用
する基板がレーザーを透過する素材に限られてしまうという。さらに、レーザー加工をす
る装置が必要であり、別途コストや装置が必要になってしまうという課題があった。

特開２００２−３３８３９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、コストを抑え、かつ既存の装置だけで簡便に製造で
きる窒化物半導体基板の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、実施形態の窒化物半導体基板の製造方法は、基板上に分離層
を含む窒化物半導体層を成長させ、分離層で分離して窒化物半導体基板を製造する方法に
おいて、基板の上に第１の窒化物半導体層を設ける第１の工程と、前記第１の窒化物半導
体層上に、分離層を設ける第２の工程と、前記分離層上に、第２の窒化物半導体層を設け
る第３の工程と、前記第２の窒化物半導体層上に、支持基板を設ける第４の工程と、前記
第１の窒化物半導体層が設けられた前記基板と、前記支持基板上に設けられた前記第２の
窒化物半導体層とを、分離層を境に分離し、第２の窒化物半導体層を含む窒化物半導体基
板を得る第５の工程と、を含み、前記分離層は、前記第２の窒化物半導体層を形成する温
度では結晶劣化を起こす素材を含むことを特徴とする。

実施形態に係る半導体基板の製造工程を示す図。実施形態の変形例１に係る半導体装置の構造を示す図。実施形態の変形例２に係る半導体装置の構造を示す図。

以下、窒化物半導体基板の製造方法について、図面に基づき説明する。

図１は実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例である。

初めに、図１（ａ）に示すように、基板１０上に第１の窒化物半導体層であり、ベース
となるＧａＮ（窒化ガリウム）層２０を積層する（第１の工程）。この基板１０は、α-
Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎ
ｓｕｌａｔｏｒ)ウェーハ等の基板である。ＧａＮ層２０を積層する方法は、例えばＭＯ
ＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）法等が挙げられる。

次に、同様にＭＯＣＶＤ法により結晶成長させ、ＧａＮ層２０上に、分離層となるＩｎ
Ｎ（窒化インジウム）層３０を積層する（第２の工程）。

次に、同様にＭＯＣＶＤ法により結晶成長させ、ＩｎＮ層３０上に第２の窒化物半導体
層を形成する。ここでは、第２の窒化物半導体層として、ＩｎＮ層３０上にＡｌＮ（窒化
アルミニウム）層４０を、ＡｌＮ層４０上にＧａＮ層５０を形成する（図１（ｂ））（第
３の工程）。

ＡｌＮ層４０及びＧａＮ層５０を形成する際は、上質な半導体層を形成できる温度、例
えば１０００℃以上にもなる高温で形成する。この際、ＡｌＮ層４０直下のＩｎＮ層３０
は、この高温によって結晶劣化を起こし、多孔質層となり、もろくなる（図１（ｃ））。

続いて、ＧａＮ層５０上に支持基板６０を貼り付ける（図１（ｄ））（第４の工程）。
そして第１の窒化物半導体層が設けられた基板１１０と、支持基板６０上に設けられた第
２の窒化物半導体層とを、多孔質化したＩｎＮ層３０を境に分離する（図１（ｅ））（第
５の工程）。

前述したように分離層であるＩｎＮ層３０は結晶劣化を起こして多孔質化しているため
、結晶としての結合が弱い。そのため支持基板６０を引き剥がすことで、ＩｎＮ層３０を
境に容易に分離することができる。分離層は、ＩｎＮ層３０ではなく、高温にする際に、
結晶劣化を起こし、多孔質層となってもろくなるＧａＡｓ層などでも代用できる。

最後に、第２の窒化物半導体層のＡｌＮ層４０上に残ったＩｎＮ層３０を薬剤でエッチ
ングし、取り除く。こうして、良質な窒化物半導体基板（この場合は、支持基板６０上の
ＧａＮ層５０及びＡｌＮ層４０の積層）を得ることができる（図１（ｆ））。なお、基板
１０は、基板１０上に設けられたＧａＮ層２０上のＩｎＮ層３０を薬剤でエッチングし、
取り除くことで、次に窒化物半導体基板を形成する際の基板として再度利用することが可
能となる。本実施例では、基板１０にＧａＮ層２０を積層する工程から説明を始めたが、
基板１０及び基板１０に積層し、エッチングを終えたＧａＮ層２０は図１（ａ）にあたり
、次に窒化物半導体基板を製造する際は、ＩｎＮ層３０の積層（工程２）から始めればよ
い。

このように、基板上に分離層ＩｎＮ層３０を含む窒化物半導体層を成長し、分離層で分
離して窒化物半導体基板を製造することで、製造の際に使用する基板の再利用が可能とな
り、製造コストを低減することが可能となる。また、分離層としてＩｎＮ層３０を採用し
、他の窒化物半導体層を設ける際の熱で結晶劣化を起こし、多孔質化して、もろくなった
層で引き剥がす方法で製造することで、新たな装置を使わずに、既存の装置のみを利用し
て簡便に半導体基板を製造することができる。

さらに、第２の窒化物半導体層はＧａＮ層２０の上に成長させるため、格子整合してお
り、薄くても品質の良い窒化物半導体層を得ることができる。

もし第２の窒化物半導体層を形成する温度で分離層が多孔質化しない場合は、例えば支
持基板を設ける第４の工程の後などに、全体を分離層が多孔質化する温度で加熱すればよ
い（第５の工程）。その後、前記第１の窒化物半導体層が設けられた前記基板と、前記支
持基板上に設けられた前記第２の窒化物半導体層とを、分離層を境に分離する（第６の工
程）。こうして第２の窒化物半導体層を含む窒化物半導体基板が得られる。

上記の実施形態では第２の窒化物半導体層としてＧａＮ層／ＡｌＮ層を形成したが、積
層する半導体を変えることで、様々なデバイスに応用することが可能となる。

＜応用例１＞
実施形態の応用例１を、図２を用いて説明する。実施形態の基板１０上に、第１の窒化
物半導体層としてＧａＮ層、分離層としてＩｎＮ層、第２の窒化物半導体層としてＡｌＧ
ａＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層の順に窒化物半導体層を積層し、さらにＧａ
Ｎ層上に支持基板６０を貼り付ける。その後、ＩｎＮ層で分離し、ＡｌＧａＮ層上に残っ
たＩｎＮ層をエッチング処理により除去することで、支持基板６０上にＧａＮ層、ＡｌＧ
ａＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層による窒化物半導体層７０が形成される。こうして製造
された窒化物半導体層は薄層でも高品質であり、リークしづらいという特徴がある。その
ため、Ｆｅ、Ｃといった不純物を使用して高抵抗化する必要がなくなることから、効率の
向上につながる。さらにこの窒化物半導体層７０のＡｌＧａＮ層上に、熱処理（アロイ処
理）により、ソース電極７１・ドレイン電極７２・ゲート電極７３を形成して半導体装置
を製造することで、高周波ＨＥＭＴデバイスを得ることができる。また、この方法を活用
することで、Ｎ極性ＧａＮＨＥＭＴデバイスの製造が容易になる。

＜応用例２＞
実施形態の応用例２を、図３を用いて説明する。実施形態の基板１０上に第１の窒化物
半導体層としてＧａＮ層、分離層としてＩｎＮ層、第２の窒化物半導体層としてｎ−Ｇａ
Ｎ層、ｎ−ＡｌＧａＮ層、ＭＱＷ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層の順に窒化物半導
体層を積層し、さらにｐ−ＧａＮ層上に支持基板６０を貼り付ける。その後、ＩｎＮ層で
分離し、ｎ−ＧａＮ層上に残ったＩｎＮ層をエッチング処理により除去することで、支持
基板６０上にｐ−ＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ＭＱＷ層、ｎ−ＡｌＧａＮ層、ｎ−Ｇａ
Ｎ層による窒化物半導体層８０が形成される。この窒化物半導体層８０のｎ−ＧａＮ層上
に表面電極８２を設け、さらにｐ−ＧａＮ層２０と支持基板６０の間に裏面電極８１を設
けることで、ＬＥＤデバイスにも応用できる窒化膜半導体装置を製造することができる。
この製造方法を活用することで、裏面電極８１の作製が容易になるというメリットがある
。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示
したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は
、そのほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で
、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明
の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に
含まれる。

１０基板、
２０ＧａＮ層、
３０ＩｎＮ層、
４０ＡｌＮ層、
５０ＧａＮ層、
６０支持基板、
７０窒化物半導体層（ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層）、
７１ソース電極、
７２ドレイン電極、
７３ゲート電極、
８０窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ＭＱＷ層、ｎ−ＡｌＧａＮ層
、ｎ−ＧａＮ層）、
８１裏面電極、
８２表面電極。

Claims

基板上に分離層を含む窒化物半導体層を成長させ、前記分離層で分離して窒化物半導体
基板を製造する方法において、
基板の上に第１の窒化物半導体層を設ける第１の工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、分離層を設ける第２の工程と、
前記分離層の上に、第２の窒化物半導体層を設ける第３の工程と、
前記第２の窒化物半導体層の上に、支持基板を設ける第４の工程と、
前記第１の窒化物半導体層が設けられた前記基板と、前記支持基板の上に設けられた前記
第２の窒化物半導体層とを、前記分離層を境に分離し、前記第２の窒化物半導体層を含む
窒化物半導体基板を得る第５の工程と、
を含み、
前記分離層は、前記第２の窒化物半導体層を形成する温度で結晶劣化を起こす素材を含む
ことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
前記第５の工程における前記分離層は、多孔質化していることを特徴とする
請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記分離層は、ＩｎＮ層またはＧａＡｓ層であることを特徴とする、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
基板上に分離層を含む窒化物半導体層を成長させ、前記分離層で分離して窒化物半導体
基板を製造する方法において、
基板の上に第１の窒化物半導体層を設ける第１の工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、分離層を設ける第２の工程と、
前記分離層の上に、第２の窒化物半導体層を設ける第３の工程と、
前記第２の窒化物半導体層の上に、支持基板を設ける第４の工程と、
前記第１の窒化物半導体層が設けられた前記基板と、前記支持基板の上に設けられた前記
第２の窒化物半導体層とを、前記分離層を境に分離し、前記第２の窒化物半導体層を含む
窒化物半導体基板を得る第５の工程と、
を含み、
さらに前記第２の窒化物半導体層を含む窒化物半導体基板の上に、さらに電極を設け、
前記分離層は、前記第２の窒化物半導体層を形成する温度で結晶劣化を起こす素材を含
むことを特徴とする、窒化物半導体装置の製造方法。
基板の上に第１の窒化物半導体層を設ける第１の工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、ＩｎＮ層３０またはＧａＡｓ層を有する分離層を設け
る第２の工程と、
前記分離層の上に、第２の窒化物半導体層を設ける第３の工程と、
前記第２の窒化物半導体層の上に、支持基板を設ける第４の工程と、
前記分離層が多孔質化する温度で加熱する第５の工程と、
第１の窒化物半導体層が設けられた前記基板と、支持基板の上に設けられた前記第２の窒
化物半導体層とを、前記分離層を境に分離し、前記第２の窒化物半導体層を含む窒化物半
導体基板を得る第６の工程と、を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。