JP2020125230A - Annealing method of nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体基板のアニール方法に関し、詳しくは、基板の表面に窒化物半導体薄膜を成長させた窒化物半導体基板をアニールホルダに設置してアニールする方法に関する。 The present invention relates to a method of annealing a nitride semiconductor substrate, and more particularly, to a method of placing a nitride semiconductor substrate having a nitride semiconductor thin film grown on the surface of the substrate in an annealing holder and performing annealing.
紫外発光素子は、蛍光灯の代替、高密度DVD、生化学用レーザ、光触媒による公害物質の分解、He−Cdレーザ、水銀灯の代替など、次世代の光源として幅広く注目されている。この紫外発光素子は、ワイドギャップ半導体と呼ばれるAlGaN系窒化物半導体からなり、サファイアなどの異種基板上に積層される。しかし、サファイアは、AlGaNとの格子不整合が大きいため、多数の貫通転位が存在し、非発光再結合中心となって内部量子効率を著しく低下させてしまう。 Ultraviolet light emitting devices have been widely noticed as next-generation light sources such as alternatives to fluorescent lamps, high-density DVDs, biochemical lasers, decomposition of pollutants by photocatalysts, He-Cd lasers, alternatives to mercury lamps. This ultraviolet light emitting element is made of an AlGaN-based nitride semiconductor called a wide gap semiconductor, and is laminated on a heterogeneous substrate such as sapphire. However, since sapphire has a large lattice mismatch with AlGaN, a large number of threading dislocations are present and serve as non-radiative recombination centers, which significantly reduces the internal quantum efficiency.
これに対して、AlNは、AlGaNと格子定数が近く、200nmの紫外領域まで透明であるため、発光した紫外線を吸収することなく、紫外光を効率よく外部へ取り出すことができる。しかし、バルクの単結晶AlN結晶は、1インチサイズでも大変高価で容易に入手できないため、コスト及び量産性を考えた場合、紫外発光素子の基板材料には不向きである。一方、サファイアは、4〜6インチサイズが安価に入手できる状況にある。このようなことから、サファイア基板上に高品質AlN単結晶膜を作製することができれば、これを基板に用いてAlGaN系発光素子を準ホモエピタキシャル成長させることにより、結晶の欠陥密度を低く抑えた紫外発光素子を安価に作製することができる。 On the other hand, since AlN has a lattice constant close to that of AlGaN and is transparent up to the ultraviolet region of 200 nm, it is possible to efficiently extract the ultraviolet light to the outside without absorbing the emitted ultraviolet light. However, a bulk single crystal AlN crystal is very expensive even if it has a size of 1 inch and cannot be easily obtained. Therefore, when considering cost and mass productivity, it is unsuitable as a substrate material for an ultraviolet light emitting device. On the other hand, sapphire is available in a 4 to 6 inch size at low cost. From this, if a high-quality AlN single crystal film can be formed on a sapphire substrate, an AlGaN-based light emitting device is used as a substrate for quasi-homoepitaxial growth to obtain an ultraviolet ray having a low crystal defect density. The light emitting element can be manufactured at low cost.
しかしながら、AlNは、サファイアとの格子不整合が大きいため、サファイア上に成長したAlN膜には多数の貫通転位が存在する。このため、AlGaN系発光素子用の基板として不適切である。そこで、AlN結晶の欠陥密度を低く抑えた高品質な層(薄膜)を得る方法として、表面が平坦で、かつ、高品質なAlN膜の製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。さらに、それぞれの表面に、原子をイオン注入した少なくとも一対の単結晶炭化ケイ素基板を、イオン注入面同士を対向させるように密接又は近接させて密閉容器内に配置して熱処理する工程が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。 However, since AlN has a large lattice mismatch with sapphire, many threading dislocations are present in the AlN film grown on sapphire. Therefore, it is not suitable as a substrate for an AlGaN light emitting device. Therefore, as a method for obtaining a high-quality layer (thin film) in which the defect density of an AlN crystal is suppressed low, a method for producing a high-quality AlN film having a flat surface is disclosed (for example, see Patent Document 1). ..). Further, on each surface, at least a pair of single crystal silicon carbide substrates ion-implanted with atoms, the step of heat treatment by placing in close contact or close to each other so that the ion-implanted surfaces face each other is disclosed. (For example, see Patent Document 2).
両者を組み合わせることにより、窒化物半導体基板を得ることが可能と思われるが、アニールの際に、窒化物半導体基板が密閉容器に接触したり、外気に接触したりすると、高温雰囲気で不活性ガスに曝されることによって窒化物半導体基板の片面(サファイア基板部)が劣化するおそれがあり、結果として、窒化物半導体基板が大きく反りかえることがあった。また、カーボン部材のアニールホルダに接触する場合においても、その接触によって同様に大きく反りかえることがあった。そこで、一酸化炭素を添加することによってサファイア基板の劣化を防ぐ方法が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。 It seems that a nitride semiconductor substrate can be obtained by combining the two. However, if the nitride semiconductor substrate comes into contact with the closed container or the outside air during annealing, it will be inert gas in a high temperature atmosphere. There is a possibility that one surface (sapphire substrate portion) of the nitride semiconductor substrate may be deteriorated by being exposed to, and as a result, the nitride semiconductor substrate may be largely warped. Further, even when the carbon member comes in contact with the annealing holder, the contact may cause a large warp. Therefore, a method for preventing deterioration of the sapphire substrate by adding carbon monoxide has been disclosed (for example, refer to Patent Document 3).
しかし、各特許文献に記載の手法を組み合わせても、基板の反りを安定的に制御することは困難であり、大きく反り返った基板は、その後の成膜処理で、膜厚分布の均一性が損なわれたり、さらには、その後の各処理を行う装置に入らなくなったりするなどの問題があった。 However, even if the methods described in each patent document are combined, it is difficult to control the warp of the substrate in a stable manner, and the substrate that is largely warped loses the uniformity of the film thickness distribution in the subsequent film forming process. However, there is a problem in that the device does not enter the device that performs each subsequent process.
そこで本発明は、窒化物半導体基板をアニールする際の反りの発生を極力低減することができる窒化物半導体基板のアニール方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for annealing a nitride semiconductor substrate, which can minimize the occurrence of warpage when annealing the nitride semiconductor substrate.
上記目的を達成するため、本発明の窒化物半導体基板のアニール方法は、基板の表面に窒化物半導体薄膜を成長させた窒化物半導体基板をアニールホルダに設置し、該アニールホルダと前記窒化物半導体基板とを一緒にガス中で加熱することにより前記窒化物半導体薄膜をアニールする方法において、前記窒化物半導体基板の外面にダミー基板を設置することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a method for annealing a nitride semiconductor substrate according to the present invention is a method in which a nitride semiconductor substrate having a nitride semiconductor thin film grown on a surface of the substrate is placed in an annealing holder, and the annealing holder and the nitride semiconductor are provided. In the method of annealing the nitride semiconductor thin film by heating the substrate together with a gas, a dummy substrate is provided on the outer surface of the nitride semiconductor substrate.
さらに、本発明の窒化物半導体基板のアニール方法は、前記ダミー基板が前記窒化物半導体基板の基板と同じ材質で形成されていることを特徴とし、特に、前記基板がAl元素比率が40%以上のアルミニウム化合物で形成されていることを特徴としている。さらに、複数枚の前記窒化物半導体基板を重ねて前記アニールホルダに設置する際には、窒化物半導体基板における前記窒化物半導体薄膜の面の方向を逆に向けて交互に重ねることを特徴としている。 Further, the method for annealing a nitride semiconductor substrate of the present invention is characterized in that the dummy substrate is formed of the same material as the substrate of the nitride semiconductor substrate, and in particular, the substrate has an Al element ratio of 40% or more. It is characterized by being formed from the aluminum compound of. Further, when a plurality of the nitride semiconductor substrates are stacked and installed in the annealing holder, the nitride semiconductor thin films are alternately stacked with the directions of the surfaces of the nitride semiconductor thin films in the nitride semiconductor substrates reversed. ..
加えて、前記窒化物半導体薄膜が、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)であること、前記ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、一酸化炭素、アンモニアのいずれか一種のガス又は複数が混合したガスであることを特徴としている。 In addition, the nitride semiconductor thin film, Al x Ga y In (1 -x-y) N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, (x + y) ≦ 1) that is, the gas, It is characterized in that it is any one gas of nitrogen, argon, helium, krypton, neon, carbon monoxide, and ammonia, or a mixed gas thereof.
本発明の窒化物半導体基板のアニール方法によれば、アニールする際の窒化物半導体薄膜基板の反りを低減させることができる。 According to the method for annealing a nitride semiconductor substrate of the present invention, warpage of the nitride semiconductor thin film substrate during annealing can be reduced.
図1及び図2は、本発明の第1形態例を示している。本形態例に示す窒化物半導体基板のアニール方法は、基板(ウエハ)11の表面(片面)に窒化物半導体薄膜12を成長させた窒化物半導体基板13をアニールホルダ14に設置し、該アニールホルダ14と前記窒化物半導体基板13とを一緒にガス中で加熱することにより前記窒化物半導体基板13をアニールする際に、前記窒化物半導体基板13の両外面(表面及び裏面の両面)にダミー基板15を設置したものである。
1 and 2 show a first embodiment of the present invention. In the method for annealing a nitride semiconductor substrate shown in the present embodiment, a
基板11は、用途や成膜する薄膜の種類に応じた材質のものを使用でき、厚さや外形は任意であるが、通常は、サファイア製の円盤状の基板を用いることが好ましく、ダミー基板15は、窒化物半導体薄膜12に悪影響を与えないものであればよく、厚さや形状も任意であるが、通常は、窒化物半導体薄膜12を成膜していない基板11をそのまま使用することが好ましい。例えば、厚さ900μm、直径100mmのサファイア基板を使用することができる。この場合、基板11の材質は、サファイア(Al2O3)のようなAl元素比率が40%以上のアルミニウム化合物であればよい。
The substrate 11 may be made of a material depending on the application and the type of thin film to be formed, and the thickness and the outer shape are arbitrary, but it is generally preferable to use a disc-shaped substrate made of sapphire, and the
窒化物半導体薄膜12は、周知のMOCVD法などを使用し窒化物半導体薄膜であるAlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)を成膜したもので、例えば、前記化学式におけるx=1であるAlNを挙げることができる。
Nitride semiconductor
窒化物半導体基板13を設置するアニールホルダ14は、例えば、カーボンを筒状に形成したものであって、内部に設置した窒化物半導体基板13を均一に加熱できるように形成されている。アニールホルダ14の内径は、基板11の直径以上で、筒内の高さ(深さ)は、少なくとも1枚の窒化物半導体基板13と2枚のダミー基板15との計3枚を積層した高さよりも大きく形成され、通常は、複数枚の窒化物半導体基板13を同時に収納可能な高さに形成されている。
The
アニールの際の雰囲気として使用するガスには、基板11や窒化物半導体薄膜12、アニールホルダ14に悪影響を及ぼさなければ任意のガスを使用でき、通常は、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、一酸化炭素、アンモニアのいずれか一種のガス又は複数が混合した混合ガスを使用することが好ましい。
The gas used as the atmosphere during annealing may be any gas that does not adversely affect the substrate 11, the nitride semiconductor
図1に示すように、1枚の窒化物半導体基板13をアニール処理する際には、2枚のダミー基板15の間に、窒化物半導体基板13を挟んで重ね合わせた状態でアニールホルダ14内に設置し、窒化物半導体基板13を設置した状態のアニールホルダ14を周知のアニール装置(図示せず)に配置する。そして、アニール装置内を、あらかじめ設定されたガスの雰囲気、例えば窒素雰囲気で満たした状態で、あらかじめ設定された温度、例えば1700℃で、あらかじめ設定された時間、例えば3時間保持することにより、窒化物半導体基板13のアニール処理が行われる。
As shown in FIG. 1, when annealing one
図2は、基板11として厚さ900μm、直径100mmのサファイア基板を使用し、表面にMOCVD法により窒化物半導体薄膜12としてAlNを300nmの厚みで成膜した窒化物半導体基板13を、図1に示すようにしてアニールホルダ14に設置し、周知のアニール装置にて、窒素雰囲気中、1700℃で3時間保持してアニールし、常温まで冷却した窒化物半導体基板13の反り量を測定した結果を示している。この測定結果から、窒化物半導体基板13の反り量は、15μm以下に抑えられていることがわかる。
FIG. 2 shows a
また、基板11の窒化物半導体薄膜12側(表面側)に重ね合わせたダミー基板15は、アニール装置での加熱の際に窒化物半導体薄膜12が蒸発しないようにするための蒸発防止用としても機能しており、加熱によって窒化物半導体薄膜12が劣化することを防止している。
Further, the
図3及び図4は、本発明の第2形態例を示している。本形態例は、2枚以上で、偶数枚の窒化物半導体基板13を同時にアニールする際の状態を示している。偶数枚、図3においては6枚の窒化物半導体基板13をアニールする際には、各窒化物半導体基板13における窒化物半導体薄膜12の面の方向を逆に向けて交互に重ね、窒化物半導体薄膜12同士を対向させた状態とし、最外面に窒化物半導体薄膜12が向かないようにする。そして、アニールホルダ14内に設置するときに、アニールホルダ14の底面上に置いた1枚目のダミー基板15の上に、窒化物半導体薄膜12同士を対向させた偶数枚の窒化物半導体基板13を重ね合わせて設置し、さらに、最上面に、2枚目のダミー基板15を載置する。
3 and 4 show a second embodiment of the present invention. The present embodiment shows a state in which two or more even-numbered
この状態でアニールホルダ14をアニール装置に配置してアニールすることにより、基板11の反り、及び、窒化物半導体薄膜12の蒸発を抑制した効果的なアニールを行うことができる。
By arranging the
図4は、図3に示すように、6枚の窒化物半導体基板13と2枚のダミー基板15を設置して前記同様の処理条件でアニールしたときの各窒化物半導体基板13における反り量を測定した結果を示している。その結果、6枚すべての窒化物半導体基板13の反り量が15μm以下に抑えられていることがわかる。
FIG. 4 shows the amount of warpage in each
図5は、図3と同様に、6枚の窒化物半導体基板13を同時にアニールする際に、上下のダミー基板15を使用せずにアニールした際の各窒化物半導体基板13における反り量を測定した結果を示している。この結果から、最上段及び最下段の窒化物半導体基板に、40〜50μmの大きな反りが発生しているのがわかる。したがって、ダミー基板15を上下にそれぞれ配置することにより、アニールの際の反りの発生を防止できることがわかる。
Similar to FIG. 3, FIG. 5 shows the amount of warpage in each
図6は、3枚以上の奇数枚の窒化物半導体基板13を同時にアニールする際の状態を示している。奇数枚、図5においては7枚の窒化物半導体基板13をアニールする際には、6枚の窒化物半導体基板13については、前記第2形態例(図3)と同様に、窒化物半導体薄膜12同士を対向させた状態とし、残りの1枚は、前記第1形態例(図1)と同様に、窒化物半導体薄膜12をダミー基板15で覆うようにしているので、窒化物半導体薄膜12の蒸発による劣化を抑えながら、反りの発生を抑制することができる。
FIG. 6 shows a state in which three or more odd-numbered
このように、窒化物半導体基板13をアニールする際に、アニールホルダ14の底面と窒化物半導体基板13との間、及び、窒化物半導体基板13の外面部分にダミー基板15を重ねた状態でアニールすることにより、窒化物半導体基板13の反りを低減することができ、その後の各処理を確実に行うことができ、生産性の向上を図ることができる。これにより、紫外発光素子の製造コストの低減を図ることができる。
Thus, when the
特に、ダミー基板15として、窒化物半導体基板13を作成するための基板11と同じものを用いることにより、基板11とは異なる素材や厚さで形成したダミー基板を用意する場合に比べて、ダミー基板を簡単に用意することができ、ダミー基板に要するコストの削減を図れる。
In particular, by using the same substrate as the substrate 11 for forming the
なお、基板の材質、厚さや直径などの形状は任意であり、窒化物半導体薄膜も、目的に応じて任意の薄膜にすることができ、AlxGayIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、(x+y)≦1)におけるx、yの数値も任意である。さらに、アニールする際の雰囲気ガスの種類も任意であり、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオンなどの不活性ガスをはじめとして、一酸化炭素、アンモニアを用いることができ、これらのいずれか一種のガスを用いてもよく、複数のガス種を混合した混合ガスを用いることもできる。また、アニールの条件も、基板の材質や窒化物半導体薄膜の種類、雰囲気ガスの種類などの条件に応じて、温度及び時間を適宜に設定することができる。 The material of the substrate, the shape of the thickness and diameter is optional, the nitride semiconductor thin films, can be any of the thin film according to the purpose, Al x Ga y In (1 -x-y) N ( The numerical values of x and y in 0≦x≦1, 0≦y≦1, (x+y)≦1) are also arbitrary. Further, the type of atmosphere gas at the time of annealing is also arbitrary, and carbon monoxide or ammonia can be used, including an inert gas such as nitrogen, argon, helium, krypton, or neon, and any one of them can be used. A gas may be used, or a mixed gas obtained by mixing a plurality of gas species may be used. Further, the annealing conditions can be appropriately set to the temperature and the time depending on the conditions such as the material of the substrate, the type of the nitride semiconductor thin film, the type of the atmospheric gas, and the like.
11…基板、12…窒化物半導体薄膜、13…窒化物半導体基板、14…アニールホルダ、15…ダミー基板 11... Substrate, 12... Nitride semiconductor thin film, 13... Nitride semiconductor substrate, 14... Annealing holder, 15... Dummy substrate
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