JP3758530B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体の製造方法及び製造装置に関する。本発明は特に厚膜のIII族窒化物系化合物半導体或いはエピタキシャル成長基板として取扱可能な厚さのIII族窒化物系化合物半導体の製造方法として有効である。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN、Ga_xIn_1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、Al_xGa_yIn_1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。更には、ホウ素(B)、タリウム(Tl)をIII族元素として含むもの、窒素の組成の一部をリン(P)、ヒ素(As)等の他のV族元素に置き替えたものもIII族窒化物系化合物半導体に包含される。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【０００２】
【従来の技術】
例えば一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るためには基板が必要であるが、取扱可能な厚さのIII族窒化物系化合物半導体基板は商業的には入手不可能である。このためサファイア基板、炭化ケイ素(SiC)基板、シリコン(Si)基板その他の異種基板が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
良く知られているように、異種基板はIII族窒化物系化合物半導体と格子定数が大きく異なる。そのためそれら異種基板にいわゆるバッファ層を形成したのちIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることが一般的である。しかしこのような場合でも、1000℃以上の極めて高温でエピタキシャル成長を行ったのち室温に戻す際、異種基板とIII族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数の違いから多大な応力が生じてしまう。即ち、例え良好なエピタキシャル成長を行ったとしても、室温に冷却する際に、異種基板とIII族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数が大きく違うことにより、異種基板内部及びIII族窒化物系化合物半導体層内部で亀裂（クラック）が多数生じることとなる。
【０００４】
実際、線膨張係数は、いずれも室温付近、a軸方向で、窒化ガリウム(GaN)が約5.6×10^-6/K、窒化アルミニウム(AlN)が約4.2×10^-6/K、サファイア(α-Al₂O₃)が約7.5×10^-6/K、シリコン(Si)が約3.6×10^-6/Kである。すると、厚膜のGaNをサファイア(α-Al₂O₃)基板上やシリコン(Si)基板上に形成したのち1000K(又は℃)冷却すると、a軸方向については0.2%もの収縮差が生じてしまう。これでは、厚さ数十μm以上の厚さのGaNをサファイア(α-Al₂O₃)基板上やシリコン(Si)基板上に形成すると、降温による熱応力でGaN及びサファイア(α-Al₂O₃)基板又はシリコン(Si)基板に亀裂（クラック）が生じることは不可避である。
【０００５】
一方、良好な単結晶状態のIII族窒化物系化合物半導体、特に窒化ガリウム(GaN)をエピタキシャル成長により得るためには、1000℃程度の高温で行うことがほぼ必須と考えられている。そこで本発明の目的は、エピタキシャル成長後、1000℃程度又はそれ以上の温度差の冷却を行っても、III族窒化物系化合物半導体層内部に亀裂（クラック）を生じさせない、III族窒化物系化合物半導体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１に記載の手段によれば、厚さ50μmを越える異種基板を、その下層の50μm以下で設定された厚さの部分について埋設可能な第１の担持具に固定する第１固定工程と、下層の部分について埋設されて第１の担持具に固定された異種基板の、埋設されていない部分を削除する薄層化工程と、第１の担持具と異種基板との第１固定工程における固定を解き、第１の担持具と薄層化された異種基板を洗浄する洗浄工程と、洗浄された第１の担持具に、薄層化され、洗浄された異種基板を埋設した上、第２の担持具を用いて、第１の担持具、薄層化された異種基板と第２の担持具を一体化して、薄層化された異種基板の一面の少なくとも一部を露出するよう保持させる第２固定工程と、第１の担持具と第２の担持具により保持された異種基板の露出面に１乃至複数層のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる半導体成長工程とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の手段によれは、エピタキシャル成長は、気相成長であることを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、エピタキシャル成長は、III族元素を塩化物として供給するクロライド法であることを特徴とする。
【０００９】
更に請求項４に記載の手段によれば、異種基板はシリコン(Si)基板であることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び発明の効果】
熱応力は、熱膨張係数の差が大きいだけでなく、異種基板とエピタキシャル成長層のいずれもが厚膜である際に生じる。そこで、異種基板を50μm以下、望ましくは10〜20μmの薄層とし、適当な担持具で固定して露出面にIII族窒化物系化合物半導体を形成すれば、厚膜のIII族窒化物系化合物半導体を形成しても、成長時から1000℃(K)程度降温させる際、熱応力を大幅に減じることができる。これにより、少なくともIII族窒化物系化合物半導体側について、熱応力による亀裂（クラック）の発生を大幅に抑えることができる。
【００１１】
このような50μm以下の薄層の異種基板は取り扱いが困難であるが、請求項１に記載の手段により取扱可能となる。即ち、III族窒化物系化合物半導体を形成するための担持具を２つの分離可能なものとしておく。即ち、第１の担持具は、50μm以下の凹部を有し、当該凹部に50μm以下の薄層の異種基板を載置した際、第１の担持具の凹部でない部分の面と薄層の異種基板の表面が略同一面とするものである。このような凹部を有する第１の担持具に、凹部に一部埋設できるような形状の厚膜の異種基板を載置し、例えばケミカルポリッシュにより削除すれば所望の50μm以下の薄層の異種基板を得ることができる。さてこのときの固定方法は機械的なものとできないが、洗浄ののち、機械的に固定することで、1000℃程度のIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長にも対応できるようになる（請求項１）。
【００１２】
気相成長を用いれば、高品質のIII族窒化物系化合物半導体を得ることが可能である（請求項２）。III族元素を塩化物として供給するクロライド法を用いれば、極めて速いエピタキシャル成長を行うことができる（請求項３）。異種基板としてシリコン(Si)基板を用いれば、安価で且つ薄層の異種基板を容易に得ることができる（請求項４）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照しながら本発明の実施の形態を示す。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、薄層部を有する異種基板の製造工程（薄層化工程）を示す工程図である。直径2.5〜5cm（1乃至2インチ）、厚さ100μm乃至300μmの略円盤状のシリコン(Si)基板１と、それを載置できるような深さ5〜50μmの凹部を有するサファイア製の第１の担持具２を用意する。サファイア製の第１の担持具２の深さ5〜50μmの凹部に薄膜の接着層３を形成し、厚さ100μm乃至300μmのシリコン(Si)基板１を接着する（図１の（ａ））。この状態でケミカルポリッシングを行う。薄膜の接着層３の厚さを考慮し、サファイア製の第１の担持具２の凹部の深さと同一の厚さになるまでシリコン(Si)基板１をケミカルポリッシュにより薄層化する。サファイア製の第１の担持具２の凹部の深さと同一の厚さに薄層化された異種基板（シリコン(Si)基板）１０は（図２の（ｂ））、有機溶剤等による薄膜の接着層３の除去により、サファイア製の第１の担持具２の凹部に載置される（図２の（ｃ））。こののち、中央部に孔を有した円環状の石英製の第２の担持具４がサファイア製の第１の担持具２及び薄層化されたシリコン(Si)基板１０と組み合わされる。これにより、サファイア製の第１の担持具２の凹部でない上面と、薄層化されたシリコン(Si)基板１０の周縁部が石英製の第２の担持具４により覆われると共に、薄層化されたシリコン(Si)基板１０がサファイア製の第１の担持具２と石英製の第２の担持具４により保持されることとなる。このように保持された薄層化されたシリコン(Si)基板１０は、その一方の面の一部が石英製の第２の担持具４の中央部の孔により露出されるので、この露出面（図２の（ｄ）でEpiと示した部分）にハロゲン輸送法（クロライド法）によりIII族元素を供給してエピタキシャル成長を行うことが可能である（図２の（ｄ））。
【００１５】
上記実施例では異種基板としてシリコン(Si)基板を示したが、本発明はシリコン(Si)基板に限定されず、少なくとも部分的に薄層化可能な任意の異種基板に適用できる。尚、異種基板の厚さは、50μm以下、望ましくは10〜20μm程度の厚さにすることが望ましい。また、異種基板上のIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長層は50μm以上の厚さ、望ましくは100〜200μm程度の厚さにすることが望ましい。エピタキシャル成長層が異種基板以上の厚さになることにより、エピタキシャル成長層の機械的、熱的特性が主体的になり、異種基板の特性が従属的となるため、エピタキシャル成長層のそり等の歪みを緩和し、クラックを防止することができるからである。また、薄層化工程としてケミカルポリッシングによるものを示したが、薄層化は異種基板の材質に応じて物理的機械的な研削、任意の化学反応、その他任意であって、何等限定されない。また、薄層化工程に用いる担持具を、エピタキシャル成長における担持具の一方と共用するものを示したが、それぞれの担持具を全く別の物としてもよい。
【００１６】
上記実施例では第１及び第２の担持具で薄層化した異種基板を固定してエピタキシャル成長を行うものを示したが、エピタキシャル成長させる際の担持具は一体不可分のものでも良い。その他、担持具の材質は各工程における所望の反応或いは操作を妨害するものでなければ全く任意である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る薄層部を有する異種基板の製造工程（薄層化工程）を示す工程図。
【符号の説明】
１０ 薄層化された異種基板
１ 異種基板
２ 第１の担持具
３ 接着層
４ 第２の担持具

Claims (4)

1. 厚さ50μmを越える異種基板を、その下層の50μm以下で設定された厚さの部分について埋設可能な第１の担持具に固定する第１固定工程と、
   下層の部分について埋設されて前記第１の担持具に固定された異種基板の、埋設されていない部分を削除する薄層化工程と、
   前記第１の担持具と前記異種基板との第１固定工程における固定を解き、前記第１の担持具と薄層化された前記異種基板を洗浄する洗浄工程と、
   洗浄された前記第１の担持具に、薄層化され、洗浄された前記異種基板を埋設した上、第２の担持具を用いて、前記第１の担持具、薄層化された前記異種基板と第２の担持具を一体化して、薄層化された前記異種基板の一面の少なくとも一部を露出するよう保持させる第２固定工程と、
   前記第１の担持具と前記第２の担持具により保持された前記異種基板の露出面に１乃至複数層のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる半導体成長工程とを有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
2. 前記エピタキシャル成長は、気相成長であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
3. 前記エピタキシャル成長は、III族元素を塩化物として供給するクロライド法であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
4. 前記異種基板はシリコン(Si)基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。

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