JP4015849B2 - Manufacturing method of nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光発光ダイオード装置又は青紫色レーザ装置に用いる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)及び窒化アルミニウム(AlN)等のIII-V族窒化物半導体は、青色又は緑色発光ダイオード(LED)装置、青色半導体レーザ装置又は高温動作が可能な高速トランジスタ装置等に用いる化合物半導体材料として好適である。
【0003】
ところで、従来から、窒化物半導体を成長させる基板には、例えば特許第3091593号公報に開示されているような、サファイアからなる絶縁性基板が良く知られている。
【0004】
しかしながら、組成が窒化物半導体層とは異なるサファイア等からなる異種の基板上に窒化物半導体を成長させると、成長する窒化物半導体と該基板との間の熱膨張係数の差によって、基板が反ったり、クラックが発生したりして、窒化物半導体の結晶性が劣化することが知られている。
【0005】
そこで、近年、基板を窒化物半導体により形成し、窒化物半導体からなる基板上に、同種の窒化物半導体からなる素子構造を形成することにより、異種の基板に起因する問題を解決する試みがなされている。
【0006】
例えば、窒化物半導体基板の製造方法の一例として、母材となる基板(母材基板)の上に窒化物半導体層を比較的に厚く成長し、成長した窒化物半導体層と母材基板との界面にレーザ光を照射する。レーザ光を照射された窒化物半導体層が局所的に加熱されて昇華し、窒化物半導体層が母材基板から剥離することにより、窒化物半導体層から窒化物半導体基板を得るという方法が検討されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体基板の製造方法は、レーザ光によって母材基板から窒化物半導体層を剥離する場合に、レーザ光の走査の途中、すなわち、窒化物半導体層と母材基板とにおけるレーザ光を照射されている界面のみが剥離し、他の部分が接合したままの状態となる。その際、窒化物半導体層と母材基板との接合部分に応力が集中して、窒化物半導体層中にクラックが発生するという問題がある。その結果、、室温程度のレーザ光を照射することによって、窒化物半導体基板を歩留まり良く製造することが困難となる。
【0008】
この問題を回避するため、基板温度を上昇させてレーザ照射を行なう方法も知られているが、このような基板温度を上昇する方法では、基板の昇温及び降温のたびに時間が掛かってしまい、やはり量産性に劣る。
【0009】
また、母材基板上に窒化物半導体を成長する際に、窒化物半導体に対して格子不整合による貫通欠陥が導入されるため、得られる窒化物半導体基板における欠陥密度が大きいという問題もある。
【0010】
しかも、レーザ光はそのビーム径を小さく集光されているため、母材基板と窒化物半導体層との接合面のすべてを剥離するには、レーザ光の照射を効率良く行なう必要がある。例えば、窒化物半導体を昇華させるには、レーザ光の光密度を約0.1J/cm2 以上とする必要があり、この光密度を得るために、レーザ光のビーム径を小さく集光している。従って、ビーム径が基板の面積と比べて小さいため、窒化物半導体層の全面にわたってレーザ光を走査する必要があり、生産性の向上を図ることができない。
【0011】
本発明は、前記従来の問題を解決し、クラック等を発生させることなく、さらに、欠陥密度が小さく且つ生産性に優れた窒化物半基板を確実に得られるようにすることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体層を成長させる母材基板の主面を凹凸状にする構成とする。
【0013】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面に凹凸状領域を選択的に形成する第1の工程と、母材基板における凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部を埋めると共にその上面が平坦となるように、窒化物からなる半導体層を成長する第2の工程と、半導体層における母材基板との界面にレーザ光を照射して、半導体層を母材基板から剥離することにより、半導体層から半導体基板を形成する第3の工程とを備えている。
【0014】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法によると、母材基板の主面に凹凸状領域を形成しておき、その後、凹凸状領域の上に母材基板の凹凸状領域の凹部を埋めると共にその上面が平坦となるように、窒化物からなる半導体層を成長する。このため、その後、半導体層における母材基板との界面に対してレーザ光を照射すると、レーザ光が照射された部分の応力は、窒化物からなる半導体層における母材基板の凹部を埋めた部分と他の部分とが、基板面に平行に劈開することにより開放されるため、基板面に垂直な方向のクラック及び割れが生じない。
【0015】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、第3の工程がレーザ光を母材基板における凹凸状領域のうちの少なくとも凸部に照射することが好ましい。このようにすると、半導体層の全面を走査する必要がなくなるので、レーザの照射時間を短縮することができ、その結果、生産性を向上することができる。
【0016】
この場合に、第1の工程が、母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を形成し、第3の工程が、レーザ光を、母材基板における複数の凹状溝同士に挟まれてなる凸部に沿って走査しながら照射することが好ましい。このようにすると、複数の凹状溝同士に挟まれてなる凸部は、いわゆるストライプ状となるなめ、レーザ光の走査を効率良く行なえる。
【0017】
その上、母材基板は、主面の面方位が{0001}面であるサファイアからなり、各凹状溝の晶帯軸の方向が母材基板における<1−100>方向であることが好ましい。
【0018】
また、この場合に、第1の工程が、母材基板の主面にそれぞれが島状の複数の凸部を形成し、第3の工程が、パルス状のレーザ光を、母材基板における複数の凸部と同期するように走査しながら照射することが好ましい。このようにすると、パルス状のレーザ発振は高出力化が容易となるため、半導体層の母材基板からの剥離が容易となるので、生産性がさらに向上する。
【0019】
また、この場合に、第3の工程が、レーザ光を、母材基板における凹凸状領域のうちの複数の凸部に同時に照射することが好ましい。このように、複数の凸部を同時に照射すると、照射時間を短縮できるため、生産性が確実に向上する。
【0020】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、第1工程が、母材基板における凹凸状領域のうち、凹部が占める面積を凸部が占める面積の5分の1倍以上且つ100倍以下とすることが好ましい。このようにすると、窒化物からなる半導体層を母材基板から剥離する際に、クラックや割れの発生をより確実に防ぐと共に、母財界板から半導体層の全面がより確実に剥離されるようになる。
【0021】
また、本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、第3の工程が、レーザ光を母材基板の主面と反対側の面から照射することが好ましい。
【0022】
なお、本願明細書では、便宜上、ミラー指数の上にバーを付す代わりに、該指数の前に負符号「−」を付してその反転を表わしている。
【0023】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0024】
図1(a)〜図1(d)乃至図3(a)〜図3(d)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0025】
まず、図1(a)に示すように、径が約5.1cm(2インチ)で厚さが約700μmのサファイア(酸化アルミニウムの単結晶)からなる母材基板11を用意する。母材基板11の主面の面方位は(0001)面であり、主面とその反対側の面(裏面)とは共に鏡面仕上げがされている。
【0026】
サファイアは、そのバンドギャップが8.7eVであるため、該バンドギャップに相当するエネルギーの波長である142.5nmよりも長い波長の光を透過する。そのため、波長が248nmのKrFエキシマレーザ光又は波長が355nmのNd:YAGレーザの3次高調波光はサファイアを透過する。
【0027】
(母材基板加工工程)
次に、図1(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板11の主面上に、厚さが約2μm、幅が約10μm及び間隔が約30μmのストライプ状のレジストパターン12を形成する。このときのストライプの方向は、サファイアの晶帯軸の<1−100>方向である。
【0028】
なお、本願明細書においては、晶帯軸の<1−100>方向とは、晶帯軸の[1−100]方向と等価な方向のいずれか1つを指し、特定の一方向を表わさない。例えば、<1−100>方向と等価な方向は、[1−100]、[−1100]、[01−10]、[0−110]、[10−10]及び[−1010]である。同様に、面方位の{1−100}面とは、面方位の(1−100)面と等価な方向のいずれか1つの面を指す。
【0029】
次に、図1(c)に示すように、例えば反応性イオンエッチング(RIE)法により、レジストパターン12をマスクとして母材基板11にエッチングを行なう。エッチングガスには塩素(Cl2 )ガスを用い、約5Paの圧力で出力値が約200Wのプラズマを発生し、1時間程度のエッチングを行なって、母材基板11の主面に、深さが約1μmのストライプ状の凹状溝11aを形成する。
【0030】
なお、本工程においては、200W程度の出力のプラズマを用いているため、レジストパターン12の両側部はエッチングされて、それぞれ丸みが生じている。
【0031】
次に、図1(d)に示すように、レジストパターン12を除去すると、主面が凹凸状の凹凸状領域20を有する母材基板11を得ることができる。
【0032】
ここで、図2(a)及び図2(b)を用いて凹凸状領域20の詳細を説明する。図2(a)は凹凸状領域20の平面構成を示し、図2(b)は図2(a)のIIb−IIb線における断面構成を示している。
【0033】
図2(b)に示すように、凹状溝11aの幅は底部において約30μmであり、該凹状溝11a同士に挟まれてなる凸部領域11bの幅は下部において約10μmである。ここで、凸部領域11bにおける両側面はその上部が下部に対して約0.5μmずつ小さくなるようにサイドエッチングされている。
【0034】
また、図2(a)に示すように、凹状溝11a、すなわち凸部領域11bが延びる方向は、サファイアの晶帯軸の<1−100>方向である。以下、凸部領域11bが延びる方向をストライプ方向と呼ぶ。
【0035】
(窒化物半導体成長工程)
次に、図3(a)に示すように、III 族源である塩化ガリウム(GaCl)とV族源であるアンモニア(NH3 )とを原料とするハイドライド気相成長(HVPE)法により、母材基板11の凹凸状領域20の上に、窒化ガリウム(GaN)からなる半導体層13を成長する。III 族源の塩化ガリウムは、金属ガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)とを、900℃程度の大気圧下で反応させて生成する。
【0036】
また、母材基板11の主面上で窒化ガリウムの核形成密度を増大させるため、半導体層13を成長するよりも前に、基板温度を約1000℃に保ち、塩化ガリウムのみを15分間程度供給する(以下、このプロセスをGaCl処理と呼ぶ)。なお、核形成密度を増大させるには、GaCl処理に代えて、母材基板11上に、窒化ガリウムからなり400℃〜800℃程度の比較的に低温で成長させる、いわゆる低温バッファ層を設けても良く、また、母材基板11の主面に対してアンモニアによる窒化処理を行なっても良い。さらには、低温バッファ層と窒化処理とを組み合わせても良い。
【0037】
以下、半導体層13の成長の詳細を説明する。
【0038】
GaCl処理を行なった後、母材基板11上に塩化ガリウム及びアンモニアを導入して、窒化ガリウムからなる半導体層13の成長を始める。ここでは、母材基板11の主面の面方位が(0001)面であるため、半導体層13においてもその(0001)面を主面として成長する。1000℃程度の成長温度とすると、(0001)面上における成長速度と比べて、他の面、すなわち凸部領域11bの側面上における成長速度の方が大きい。その結果、基板面に対して平行な方向、いわゆる横方向への成長速度が2〜3倍程度と大きくなるため、凹状溝11aは次第に埋め込まれる。なお、凹状溝11aが完全に埋め込まれるためには、半導体層13の厚さを凹状溝11aの幅以上とすることが好ましい。
【0039】
また、ストライプ方向を母材基板11を構成するサファイアの晶帯軸の<1−100>方向としており、該サファイアと窒化ガリウムとは面内の面方位が30°ずれて成長する。このため、凹状溝11aが埋め込まれる際の窒化ガリウムにおける凹状溝11aの側面上に位置する部分は、平坦な{1−101}面となる。このため、半導体層13の成長を続けていくと、凹状溝11aは、ピット等の欠陥を生じずに、平坦に埋め込まれて成長する。
【0040】
続いて、凹状溝11aが埋め込まれた後も、半導体層13の厚さが凸部領域11bの上で約200μmとなるまで成長を行なう。これにより、凹凸状領域20の凹状溝11aは半導体層13により埋め込まれるため、半導体層13の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層13と母材基板11との熱膨張係数の差によって、図3(a)に示すように母材基板11に反りが生じる。
【0041】
第1の実施形態においては、母材基板11と半導体層13とが平面状態で接合している場合と比べて、母材基板11の主面が凹凸状であるため、生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が80cm程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が1m程度となることを確認している。なお、比較のために、母材基板11の主面に凹凸状領域20を設けないで半導体層13を成長し、母材基板11の曲率半径を調べると60cm程度であった。
【0042】
(レーザ照射工程)
半導体層13に対するレーザ照射は、図4に示すようなレーザ照射装置を用いる。
【0043】
図4に示すように、レーザ出射部1から出射されたレーザ光10は、スキャンレンズ2によって2次元に走査されて、半導体層13に照射される。ここでは、半導体層13に対して、レーザ光10を母材基板11の主面と反対側の面から照射している。レーザ光10は光路上に置かれた複数の集光レンズ3によって、半導体層13上におけるレーザ光10のビーム径を調節することができる。さらに、レーザ照射装置は、レーザ光10の透過率が高く且つ可視光の反射率が高いミラー4と、該ミラー4を介して入力される可視光10aを受ける画像認識部5とを備えている。画像認識部5は、入力される可視光10aにより、半導体層13におけるレーザ照射位置を認識して、スキャンレンズ2の回転位置を制御する。
【0044】
第1の実施形態においては、レーザ光源に波長355nmのNd:YAGの3次高調波を用いている。パルス幅は約30nsで、パルス周期は約50kHzとしている。レーザ光10を集光して約20μm径の円形状ビームとすることにより、1.0J/cm2 程度の光密度を得ている。サファイアはレーザ光10に対して透明であるため、前述したように、母材基板11の裏面側から該母材基板11を通して半導体層13にレーザ光10を照射している。
【0045】
レーザ光10を照射する際には、前述したように、母材基板11と共に半導体層13が反っているため、集光レンズ3を調整してレーザ光10のスポット径が一定となるように制御を行なうことが好ましい。
【0046】
第1の実施形態においては、レーザ光10を半導体層13の凸部領域11bとの界面に沿って選択的に照射する。半導体層13の凸部領域11bとの界面に沿ってレーザ光10が連続的に照射されるように、レーザ光10の走査速度を50cm/sとする。このとき、凸部領域11b上において走査方向に隣り合う照射位置の中心間隔は約10μmとしている。従って、照射位置の中心間隔がレーザ光10のビーム径の約20μmよりも小さいため、パルス状の照射であっても半導体層13と母材基板11との界面を連続的に照射することができる。その上、パルス照射時に走査を止めることなく、すなわち光軸を走査したままで照射を行なったとしても、レーザ光10を半導体層13に対して連続的に照射することができる。
【0047】
図3(b)は照射工程の途中段階の母材基板11の断面を示している。
【0048】
半導体層13はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が30nsと短く且つ光密度が大きいため、半導体層13は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層13におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層11cと窒素ガスとを生じる。
【0049】
なお、第1の実施形態においては、凸部領域11bの幅よりもレーザ光のビーム径のほうが大きいため、凹状溝11aの底部にも部分的にガリウム層11cを生じる。
【0050】
ガリウム層11cは25℃以上の温度では液体であり、それ以下の温度でも非常に軟らかい材料であるため、ガリウム層11cを介した母材基板11と半導体層13との結合力は極めて小さくなる。その結果、熱膨張係数差による応力が、母材基板11と半導体層13との接合部分に集中する。
【0051】
また、半導体層13の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層13の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。
【0052】
第1の実施形態は、母材基板11の主面に凹凸状となる凹凸状領域20を設けて、該凹凸状領域20の上に窒化ガリウムからなる半導体層13を成長している。ここで、このときの半導体層13に加わる応力を図5に基づいて説明する。
【0053】
従来のように、平坦な主面を持つ母材基板の出面上に半導体層を成長させる場合は、母材基板と半導体層とは互いの界面の全体で熱膨張係数差による応力を受ける。
【0054】
第1の実施形態においては、半導体層13における母材基板11の隣接する凸部領域11b同士の上面を結ぶ領域30に応力が集中する。その上、半導体層13は熱膨張係数が小さいため、その界面に半導体層13よりも熱膨張係数が大きい母材基板11があると、膨張しようとする方向に第1の応力31を発生する。それに対して、母材基板11は収縮しようとする方向に第2の応力32を発生し、これにより、半導体層13における母材基板11の凹状溝11aに埋め込まれた領域が圧縮される。その結果、第1の応力31と第2の応力32とが、半導体層13の凸部領域11bの上面から主面に平行な方向に該半導体層13を切断する力となって作用する。
【0055】
なお、図5に示すように、第1の応力31と第2の応力32とによって、半導体層13に基板面に平行にクラック33を生じる場合もある。但し、成長後の状態では母材基板11の凸部領域11bにおいて、半導体層13と母材基板11とが接合しているため、半導体層13が容易に切断されることはない。
【0056】
従って、レーザ照射によって、半導体層13と母材基板11の凸部領域11bとの界面が熱分解する上に、第1の応力31及び第2の応力32と、さらに、熱分解により発生した窒素ガスが半導体層13を押す力とが、半導体層13の凹状溝11aの上側部分に集中する。その上、窒化ガリウムからなる半導体層13の主面の面方位が(0001)面であるため、主面に平行な面内で劈開されやすいという性質を持っている。
【0057】
その結果、レーザ照射によって、母材基板11の凸部領域11bの上側で半導体層13が熱分解されると、その応力は半導体層13における母材基板11の凹状溝11aの上側部分に加わることになり、該半導体層13が凹状溝11aの上側で、半導体層13を構成する窒化ガリウムの(0001)面に沿って劈開する。このとき、同時に、高圧の窒素ガスも、半導体層13が凹状溝11aの上側で劈開することにより発散する。
【0058】
さらに、後述するように、母材基板11の凹凸状領域20における凹部と凸部の面積比を最適化すると、母材基板11の凸部領域11bに対して、1回のレーザ照射によって、半導体層13の凹状溝11aに埋め込まれた部分の半分以上の面積が劈開する。従って、各凸部領域11bへのレーザ照射を繰り返すと、半導体層13の凹状溝11aに埋め込まれた部分を母材基板11から完全に剥離(分離)することができる。
【0059】
なお、第1の実施形態においては、レーザ光を凹凸状領域20を有する母材基板11を通して基板の主面に対して垂直に照射しているため、凸部領域11bの側面では、照射強度が低下して、半導体層13の熱分解が完全には起こらない。
【0060】
以上説明したように、母材基板11の凸部領域11bの上部における第2の応力32が、半導体層13の剥離に重要な役割を果たしている。一方、凸部領域11bの側面における熱分解は剥離には大して寄与しない。むしろ、剥離せず接合したままの方が、凸部領域11bの上部に発生する第2の応力32を集中させることに効果がある。このため、凸部領域11bの側面の基板面に対する角度は垂直に近いほど好ましく、30°以上であれば良い。
【0061】
このような剥離のメカニズムにより、レーザ照射中の半導体層13には、母材基板11の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じないことを確認している。
【0062】
従って、図3(c)に示すように、半導体層13の凸部領域11bとの界面のすべてにレーザ光を照射することにより、母材基板11の凹状溝11aに半導体層13の残部13aを残したまま、半導体層13は母材基板11から剥離する。
【0063】
次に、図3(d)に示すように、塩化水素によってガリウム層11cを除去し、その後、半導体層13における母材基板11との接合面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層13から窒化物半導体基板13Aを得る。このときの窒化物半導体基板13Aは、径が約5.1cm(2インチ)で、その厚さは約180μmであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【0064】
以上説明したように、第1の実施形態によると、半導体層13における母材基板11の凸部領域11bとの界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層13の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【0065】
第1の実施形態においては、母材基板11における凸部領域11bの総面積は基板の面積の4分の1であるため、レーザ光の照射時間は少なくとも4分の1とすることができる。実際には、基板の全面を照射する場合は、レーザ照射位置が前回に照射した部分に対してもその一部が重なるように照射するため、第1の実施形態に係るレーザ光の照射時間は4分の1以下となる。
【0066】
具体的には、ビーム径が20μmのレーザ光で、照射位置が互いに10μmずつ重なるように照射した場合、第1の実施形態においては、径が2インチの半導体層13に対して約4分でレーザ光の照射が終了する。一方、従来のように半導体層13の全面に10μmずつ重なるように照射すると、レーザ光の照射工程に、およそ30分もの時間が必要となる。
【0067】
また、第1の実施形態においては、母材基板11の凸部領域11bが凹凸状領域20上でストライプ状に延びているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的に照射を行なうことができる。
【0068】
また、第1の実施形態においては、主面に凹凸状領域20を有する母材基板11上に、窒化ガリウムからなる半導体層13を埋め込み成長しているため、図6に示すように、半導体層13における母材基板11の凹状溝11aの上側部分において、貫通欠陥33が凹状溝11aの中央付近に向かって伸展し、複数の貫通欠陥33同士が結合することにより、貫通欠陥33の数が低減する。このため、半導体層13の表面における貫通欠陥の密度は凹状溝11aの上側では、約1×106 cm-2である。
【0069】
従って、得られた窒化物半導体基板13Aを用いて素子を形成する場合には、貫通欠陥33が低減された領域に素子の機能部分を設けるのが好ましい。なお、凹状溝11a以外の領域の貫通欠陥33は、半導体層13における凸部領域11b上に凹部を設けて凹凸状領域を新たに設け、再度、新たな凹凸状領域の上に窒化ガリウムを成長することにより低減することができる。
【0070】
ところで、従来のサファイアからなる基板上に成長した窒化ガリウムからなる半導体層における欠陥密度は、1×109 cm-2程度である。
【0071】
このように、第1の実施形態によると、レーザ光の照射時間を4分の1以下と著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板13Aを確実に得ることができる。
【0072】
なお、第1の実施形態においては、母材基板11の主面に凹凸状領域20を形成する方法として、RIE法を用いたが、これに限らず、凹凸状領域20の形成条件及び形成方法は、特に限定されず、例えば、イオンミリング法又はECRエッチング法等を用いることができる。さらには、サンドブラスト又は研磨等による物理的手段を用いても良く、また、選択成長等の堆積法を用いても良い。
【0073】
また、母材基板11が多層構造を持つ場合には、その表面の少なくとも1層に凹凸状領域20を設ければ良い。
【0074】
また、第1の実施形態においては、母材基板11の凹状溝11aの深さを約1μmとしたが、浅くし過ぎると、凹状溝11aに埋め込まれる半導体層13が受ける応力(第2の応力32)が小さくなるため、半導体層13がその(0001)面に沿って劈開されにくくなる。従って、凹状溝11aの深さは、深い方が好ましく、0.1μm以上とするのが好ましい。
【0075】
また、第1の実施形態においては、ストライプ方向をサファイアの晶帯軸の<1−100>方向としたが、母材基板11に用いる材料によっては、該母材基板11と窒化ガリウムからなる半導体層13との面方位の関係が異なる場合がある。その場合は、窒化ガリウムの晶帯軸の<11−20>方向がストライプ方向と一致することが好ましい。例えば、母材基板11として、炭化珪素(SiC)又は窒化アルミニウム(AlN)を用いた場合には、該母材基板11と窒化ガリウムの面方位が一致するため、ストライプ方向を窒化ガリウムの晶帯軸の<11−20>方向とすることが好ましい。
【0076】
また、第1の実施形態においては、半導体層13の成長温度を約1000℃としたが、母材基板11の凹状溝11aを平坦に埋め込むためには好ましい温度範囲があり、900℃以上とすることが好ましい。また、温度を高くする程、凹状溝11aが埋め込まれ易い傾向にある。一方、温度を極端に高くすると、窒化ガリウムの成長よりも昇華が支配的となって半導体層13が成長しなくなるため、第1の実施形態の成長条件では、半導体層13の成長温度は1500℃以下とすることが好ましい。
【0077】
また、第1の実施形態においては、母材基板11の凹状溝11aの幅を約30μmとし、凸部領域11bの幅を約10μmとしたが、凹部及び凸部の面積比には好ましい範囲がある。すなわち、凹状溝11aの幅が占める面積の上限は、凸部領域11bのみに対する照射によって窒化ガリウムの面方位の(0001)面に沿った劈開が生じて、半導体層13の全体が母材基板11から剥離されることが条件である。従って、この条件から、凹状溝11aの幅が占める面積は、凸部領域11bの幅が占める面積の約100倍以下とすることが好ましい。一方、凹状溝11aの幅が占める面積は小さくし過ぎると、レーザ光の照射を行なったときの応力(第2の応力32)が開放されないため、半導体層13に、基板面に垂直な方向のクラックを生じて、所望の窒化物半導体基板13Aを得られなくなる。そこで、凹状溝11aの幅が占める面積は、凸部領域11bの幅が占める面積の5分の1以上とすることが好ましい。
【0078】
また、第1の実施形態においては、レーザ光の光密度を約1.0J/cm2 としたが、レーザ光の光密度には下限があり、半導体層13を分解できる以上の光密度が必要である。窒化ガリウムを分解するために必要な光密度は、半導体層13に直射した場合では、約0.1mJ/cm2 以上である。レーザ光が半導体層13に到達した時点では、母材基板11の表面における反射及び散乱、及び母材基板11と半導体層13との界面における反射及び散乱等により、入射されるレーザ光のうちの十数%は低減されていると考えられる。
【0079】
また、第1の実施形態においては、凸部領域11bをストライプパターンとしたが、他のパターンでも、直線状に連続するパターンであれば、レーザ光の光軸の走査が単純化されて好ましい。さらに、渦巻状のような一筆書きパターンとすると、1回の走査で半導体層13の全体をレーザ照射できるため好ましい。なお、この場合においても、凸部領域11bのパターンの側面は、窒化ガリウムの{1−101}面と一致するように設けることがより好ましい。
【0080】
また、第1の実施形態においては、レジストパターン12をエッチングマスクとしたが、マスク材はレジストに限られず、他の材料であっても、サファイアとのエッチング選択比が極端に小さくない限りは用いることができる。例えば、レジストに代えて、酸化シリコン(SiO2 )、窒化シリコン(SiN)等からなる誘電体膜、又はニッケル(Ni)、金(Au)又はタングステン(W)等の金属膜を用いることができる。
【0081】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0082】
図7(a)〜図7(c)乃至図9(a)〜図9(c)は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0083】
第2の実施形態は、凹凸状領域20における凸部の形状をストライプパターンに代えてドットパターンとしている。ここでは、第1の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【0084】
まず、図7(a)に示すように、径が約5.1cm(2インチ)で厚さが約700μmのサファイアからなる母材基板11を用意する。母材基板11の主面の面方位は(0001)面であり、主面とその反対側の面(裏面)とは共に鏡面仕上げがされている。
【0085】
(母材基板加工工程)
次に、図7(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板11の主面上に、1つの径が約10μmで隣接間の中心位置の距離が約30μmのドットパターンを有するレジストパターン12Aを形成する。
【0086】
レジストパターン12Aは、図8の平面図に示すように、一辺が30μmの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の{1−100}面と一致するようにパターニングされている。なお、母材基板11の周縁部において、ドットパターンが欠けていると、欠けた部分において半導体層13は良好に成長しない虞があるため、母材基板11の周縁部にはドットパターンを配置しないようにしている。
【0087】
次に、図7(c)に示すように、第1の実施形態と同等の条件のRIE法により、レジストパターン12Aをマスクとして母材基板11にエッチングを行なって、母材基板11の主面が1μm程度の深さに掘り下げられてなる低部11dを形成する。その後、レジストパターン12Aを除去することにより、該レジストパターン12Aが転写されてなり、それぞれがドット状を有する複数の凸部11eを形成する。凸部11eの断面形状は図2(b)とほぼ同等であり、凸部11eの幅は約10μmである。凸部11eの側面は上部の径が下部の径よりも約0.5μm小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部11e同士の中心位置の距離は約30μmである。
【0088】
(窒化物半導体成長工程)
次に、図9(a)に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするHVPE法により、第1の実施形態と同等の条件により、母材基板11の凹凸状領域20の上に、窒化ガリウムからなる半導体層13を成長する。
【0089】
凸部11eの平面形状は円形(ドット)状であるが、窒化ガリウムの{1−101}面の成長速度は比較的小さいため、厚さが1μm程度の半導体層13を成長した段階で、凸部11eの側面は、6つの{1−101}面と主面の(0001)面とにより囲まれた窒化ガリウムに覆われる。その上、凸部11eの配置を図7(c)及び図8のように設定しているため、隣り合う凸部11eから張り出してくる窒化ガリウムが{1−101}面で合体して、その結果、低部11dは平坦に埋め込まれる。半導体層13により低部11dが埋め込まれた後も、半導体層13の厚さが凸部11eの上側で約200μmとなるまで成長させる。これにより、凹凸状領域20の低部11dは半導体層13により埋め込まれ、半導体層13の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層13と母材基板11との熱膨張係数の差によって、図9(a)に示すように母材基板11に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は1m程度となる。
【0090】
(レーザ照射工程)
第2の実施形態においても、図4に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約20μmであり、レーザ光の出射のパルス周期は約50kHzである。このとき、凸部11eの径は約10μmであり、ビーム径の約20μmよりも小さいため、1回のパルス照射で1つの凸部11eを照射することができる。
【0091】
第2の実施形態の特徴として、レーザ光の出射周期を凸部11eの形成位置に同期して照射している。具体的には、前述したように隣接する凸部11e同士の中心位置の距離は約30μmであり、パルス周波数が50kHzであることから、走査速度を150cm/sとすることにより、ドット状で且つ列状に配置された凸部11eの位置に同期してパルス照射を行なうことができる。このとき、図4に示した画像認識部5からの位置情報をスキャンレンズ2にフィードバックして、照射位置を微調整しながらレーザ光の照射を行なうことが好ましい。
【0092】
前述したように、半導体層13は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約30nsと短く且つ光密度が大きいため、半導体層13はレーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層13におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層11cと窒素ガスとを生じる。
【0093】
第2の実施形態においては、母材基板11のレーザ照射位置である凸部11eの周囲には、低部11dが形成されているため、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層13における凸部11eの近傍部分が熱分解されると、凸部11eの上部の収縮に向かう応力は、半導体層13における低部11dの上側部分が該半導体層13を構成する窒化ガリウムの面方位の(0001)面で劈開することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスも、半導体層13が母材基板11から剥離することにより発散される。
【0094】
このような剥離のメカニズムにより、第2の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層13に対して、母材基板11の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。
【0095】
従って、図9(b)に示すように、半導体層13の凸部11eとの界面のすべてにレーザ光を照射することにより、母材基板11の低部11dの上に半導体層13の残部13aを残したまま、半導体層13は母材基板11から剥離する。
【0096】
次に、図9(c)に示すように、塩化水素によってガリウム層11cを除去し、その後、半導体層13における母材基板11との接合面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層13から窒化物半導体基板13Aを得る。このときの窒化物半導体基板13Aは、径が約5.1cm(2インチ)で、その厚さは約180μmであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【0097】
以上説明したように、第2の実施形態によると、半導体層13の凸部11eとの界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層13の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【0098】
その上、ドット状の各凸部11eが分散して配置されているため、1つの凸部11eに対して1つのレーザパルスを照射することにより、半導体層13の凸部11eとの界面を局所的に加熱して剥離している。その結果、レーザの照射位置が互いに重なるように照射する必要がなくなるため、第1の実施形態と比べても、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【0099】
具体的には、第2の実施形態においては、ビーム径が約20μmのレーザ光を用い、径が2インチの半導体層13に対してわずか約1分30秒でレーザ光の照射を終了することができる。一方、従来の照射方法では、前述したように、レーザ光の照射工程に30分程度の時間を要しており、第2の実施形態に係る製造方法は、レーザ照射工程の著しい短縮を可能とする。
【0100】
また、第2の実施形態においては、凸部11eを周期的なドットパターンとしているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的にレーザ照射を行なうことができる。
【0101】
また、第2の実施形態においては、主面に凹凸状領域20を有する母材基板11の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層13を埋め込み成長しているため、半導体層13の表面における貫通欠陥密度は低部11dの上側では約1×106 cm-2である。
【0102】
以上示したように、第2の実施形態によると、半導体層13に対するレーザ照射時間を約1分30秒と著しく低減できる上に、欠陥密度が著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板13Aを得ることができる。
【0103】
なお、第2の実施形態においては、各凸部11eの平面形状を円形状としたが、レーザ光のビーム径に納まる形状であれば、その平面形状は問われない。
【0104】
また、凸部11eの配置パターンは、より好ましくは、図8に示したように、凸部11eが配置された辺の方向が、窒化ガリウムの面方位の{1−101}面と一致するように構成するのが良い。
【0105】
また、第2の実施形態においては、凸部11eの配置パターンを、正三角形が最密に並んだ場合の各正三角形の頂点位置としたが、他の配置パターンであっても、レーザ照射される面積を少なくして、レーザ照射工程を短縮することができる。
【0106】
さらに、この場合において、前述したように、成長する窒化ガリウムの{1−101}面同士が合体するように凸部11eを配置することが好ましい。また、この場合において、凸部11eを周期的に配置することにより、レーザ光の光軸の走査を単純化することが、より好ましい。
【0107】
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0108】
図10(a)〜図10(c)及び図11(a)〜図11(c)は本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0109】
第3の実施形態は、母材基板における凹凸状領域20を構成するドットパターンに対するレーザの照射方法を変えている。ここでは、第2の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【0110】
まず、図10(a)に示すように、径が約5.1cm(2インチ)で厚さが約700μmのサファイアからなる母材基板11を用意する。母材基板11の主面の面方位は(0001)面であり、主面とその反対側の面(裏面)とは共に鏡面仕上げがされている。
【0111】
(母材基板加工工程)
次に、図10(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板11の主面上に、1つの径が約10μmで隣接間の中心位置の距離が約30μmのドットパターンを有するレジストパターン12Aを形成する。このときのドットパターンの平面形状は図8に示したパターンと同一である。
【0112】
次に、図10(c)に示すように、第2の実施形態と同等の条件のRIE法により、レジストパターン12Aをマスクとして母材基板11にエッチングを行なって、母材基板11の主面が1μm程度の深さに掘り下げられてなる低部11dを形成する。その後、レジストパターン12Aを除去することにより、該レジストパターン12Aが転写されてなる、それぞれがドット状の複数の凸部11eを形成する。凸部11eの断面形状は図2(a)とほぼ同等であり、凸部11eの幅は約10μmである。凸部11eの側面は上部の径が下部の径よりも約0.5μm小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部11e同士の中心位置の距離は約30μmである。
【0113】
(窒化物半導体成長工程)
次に、図11(a)に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするHVPE法により、第2の実施形態と同等の条件により、母材基板11の凹凸状領域20の上に、窒化ガリウムからなる半導体層13を、その厚さが凸部11eの上側で約200μmとなるまで成長させる。これにより、凹凸状領域20の低部11dは半導体層13により埋め込まれ、半導体層13の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層13と母材基板11との熱膨張係数の差によって、図11(a)に示すように母材基板11に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は1m程度となる。
【0114】
(レーザ照射工程)
第3の実施形態においては、図4に示したレーザ照射装置におけるレーザ出射部1の出力値を大きくしている。レーザ光には、波長が355nmのNd:YAGレーザの3次高調波を用いる。レーザ光が高出力であるため、レーザ光のビーム径を5mm程度にまで大きくしても、約2.0J/cm2 の光密度を得ることができる。但し、パルス周期は高出力であるために小さく、約10Hzである。パルス幅は約10nsとしており、母材基板11と半導体層13との界面を局所的に加熱するのに十分なパルス幅である。
【0115】
ここでも、第1及び第2の実施形態と同様に、サファイアはレーザ光に対して透明であるため、母材基板11の裏面側から該母材基板11を通して半導体層13にレーザ光を照射する。
【0116】
レーザ光の半導体層13に対する照射は、少なくとも半導体層13における凸部11eとの界面を照射する必要があるため、ここでは、半導体層13の全面にわたって照射する。具体的には、照射部分が2mmずつ重なるように、母材基板11の周縁部から内側に向かって順次照射する。なお、レーザ光の走査時の線速度を約30cm/sとすることにより、2mmずつ照射位置を重ねることができる。すなわち、母材基板11の外縁部に沿ってレーザ照射を行ない、1周分のレーザ照射を終えると照射位置を3mmだけ母材基板11の内側にずらすことにより、半径方向の照射位置を2mmずつ重ねることができる。
【0117】
前述したように、半導体層13は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約10nsと短く且つ光密度が大きいため、半導体層13は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層13におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層11cと窒素ガスとを生じる。
【0118】
第3の実施形態においては、母材基板11のレーザ照射位置には、低部11dが形成されているため、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層13における母材基板11との界面部分が熱分解されると、凸部11eの上部の収縮に向かう応力は、半導体層13におけるレーザ光が照射されていない低部11dの上側部分が該半導体層13を構成する窒化ガリウムの面方位の(0001)面で劈開することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスも、半導体層13が(0001)面で劈開することにより発散される。
【0119】
このような剥離のメカニズムにより、第3の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層13に対して、その主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。第3の実施形態においては、半導体層13の母材基板11との界面の全面を照射することにより、半導体層13の母材基板11との界面のほぼ全面にガリウム層11cを生じる。また、約2.0J/cm2 とレーザ光強度が大きいため、母材基板11の凸部11eの側面にもガリウム層11cを生じる。このガリウム層11cの結合力は非常に小さいため、図11(b)に示すように、半導体層13を持ち上げるだけで半導体層13が母材基板11から容易に剥離される。このとき、母材基板11の低部11dの上側には、半導体層13における(0001)面のクラックによって劈開された残部13aが生じることがある。
【0120】
次に、図11(c)に示すように、塩化水素によってガリウム層11cを除去し、その後、半導体層13における母材基板11との接合面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層13から窒化物半導体基板13Aを得る。このときの窒化物半導体基板13Aは、径が約5.1cm(2インチ)で、その厚さは約180μmであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【0121】
以上説明したように、第3の実施形態によると、母材基板11の凹凸状領域20には、複数の凸部11eが約30μmの間隔で分散して形成されているが、照射するレーザ光のビーム径が5mmと大きいため、一度に約1万個以上の凸部11eに照射できるので、照射時間を著しく低減することができる。具体的には、第3の実施形態においては、径が2インチの半導体層13に対してわずか1分程度でレーザ照射を終えることができる。
【0122】
なお、第3の実施形態においては、レーザ照射時にレーザ光が母材基板11の凸部11eの一部にのみ照射されて、その近傍の半導体層13が熱分解される場合がある。この場合でも、半導体層13には、母材基板11の主面に垂直な方向のクラックが生じることはなく、半導体層13における低部11dの上側部分が半導体層13の面方位の(0001)面に沿って劈開する。このため、パルス照射のビーム径を大きくしても、母材基板11の収縮応力が集中して半導体層13にクラックが導入されたり、割れたりすることを防ぐことができる。
【0123】
また、第3の実施形態においても、主面に凹凸状領域20を有する母材基板11の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層13を埋め込み成長しているため、半導体層13の表面における貫通欠陥密度は低部11dの上側では約1×106 cm-2である。
【0124】
以上説明したように、レーザ光のビーム径を大きくすることにより、レーザ照射時間を著しく低減できる上に、クラックや割れがなく、欠陥密度を著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板13Aを得ることができる。
【0125】
なお、第3の実施形態においては、半導体層13の全面に対してレーザ光の照射を行なっているが、半導体層13における少なくとも母材基板11の凸部11eとの界面部分を照射すれば良い。その場合には、半導体層13の全面を照射する場合と比べて、レーザ光の照射時間を短くすることができる。
【0126】
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について説明する。
【0127】
第4の実施形態は、第2の実施形態に係る凹凸状領域20における凸部11e同士の間隔を変更して最適なドットパターンの配置を得るようにする。
【0128】
ここでは、図7(c)に示す凹凸領域20において、凸部11eが占める面積と低部11dが占める面積との比を変化させることにより、母材基板11と半導体層13との剥離の様子を調べる。
【0129】
例えば、第1の例として、凹凸状領域20において低部11dが占める面積が凸部11eが占める面積の約5分の1未満とすると、半導体層13にレーザ光を照射して半導体層13の一部を熱分解するときに、該半導体層13がその面方位の(0001)面で劈開する領域が不十分となるため、半導体層13の表面方向に伸展するクラックが発生する。
【0130】
なお、低部11dの面積が凸部11eの面積の約5分の1とする場合は、凸部11e同士がつながってしまい、低部11dは凸部11e内に断面凹状に散在するような状態になっている。
【0131】
第2の例として、凹凸状領域20において低部11dが占める面積が凸部11eが占める面積の約5分の1以上とすると、作製した複数の試料において、半導体層13に発生するクラックが該半導体層13の表面方向には伸展せず、径が約5.1cm(2インチ)の窒化ガリウムからなるバルク状の基板が得られる場合がある。
【0132】
従って、より好ましくは、低部11dが占める面積を凸部11eが占める面積の2分の1以上とすることにより、複数の試料のほぼ全点において2インチの窒化ガリウムからなるバルク状の基板を得ることができる。
【0133】
第3の例として、低部11dが占める面積が凸部11eが占める面積よりも大きい場合を検証する。
【0134】
低部11dが占める面積が凸部11eが占める面積の約100倍を超えると、凸部11eのすべてにレーザ光を照射したとしても、半導体層13がその(0001)面で劈開する領域が低部11dとの界面の全体に達し得ない。このため、母材基板11から半導体層13を剥離することができなくなる。半導体層13を母材基板11から確実に剥離するには、低部11dが占める面積を凸部11eが占める面積の100倍以下とする必要がある。
【0135】
より好ましくは、凹凸状領域20において低部11dが占める面積を凸部11eが占める面積の20倍以下とすることにより、作製した複数の試料のほぼ全点において2インチの窒化ガリウムからなるバルク状の基板を得ることができる。
【0136】
なお、低部11dが占める面積が大き過ぎるため、母材基板11から半導体層13が剥離できなかった場合には、母材基板11と半導体層13との接合領域に対してレーザ光の照射を再度行なうことにより、半導体層13全面の剥離が可能となることは言うまでもない。
【0137】
なお、第4の実施形態において、凸部11eの配置が凹凸状領域20上で極端に偏っている場合、例えば、母材基板11の主面上の半分の領域にすべての凸部11eが集中しているような場合には、前述した結果が当てはまらないことは言うまでもない。しかしながら、例えば、凹凸状領域20の数十個の凸部11eを含む領域において凸部11eの密度を調べ、その密度がほぼ均一であるような場合には、前述した結果を援用することができる。
【0138】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によると、母材基板の主面に凹凸状領域を形成するため、レーザ光が照射された部分の応力が、窒化物からなる半導体層における母材基板の凹部を埋めた部分と他の部分とが基板面に平行に劈開することにより開放されるため、基板面に垂直な方向のクラック及び割れが生じない。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図2】(a)及び(b)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示し、(a)は凹凸状領域の平面図であり、(b)は(a)のIIb−IIb線における断面図である。
【図3】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法に用いるレーザ出射装置の模式的な構成図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法において母材基板と半導体層との界面に生じる応力を模式的に示した断面図である。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法において母材基板上に成長した半導体層に生じる貫通欠陥を模式的に示した断面図である。
【図7】(a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法におけるドットパターン形成用のレジストパターンを示す平面図である。
【図9】(a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図10】(a)〜(c)は本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図11】(a)〜(c)は本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
1 レーザ出射部
2 スキャンレンズ
3 集光レンズ
4 ミラー
5 画像認識部
10 レーザ光
10a 可視光
11 母材基板
11a 凹状溝
11b 凸部領域
11c ガリウム層
11d 低部
11e 凸部
12 レジストパターン
12A レジストパターン
13 半導体層
13a 残部
13A 窒化物半導体基板
20 凹凸状領域
31 第1の応力
32 第2の応力
33 貫通欠陥[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate used in a visible light emitting diode device or a blue-violet laser device.
[0002]
[Prior art]
Group III-V nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN), indium nitride (InN) and aluminum nitride (AlN) are blue or green light emitting diode (LED) devices, blue semiconductor laser devices, or high-speed transistors capable of high-temperature operation It is suitable as a compound semiconductor material used for an apparatus or the like.
[0003]
By the way, conventionally, an insulating substrate made of sapphire as disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3091593 is well known as a substrate on which a nitride semiconductor is grown.
[0004]
However, when a nitride semiconductor is grown on a different substrate made of sapphire or the like whose composition is different from that of the nitride semiconductor layer, the substrate warps due to a difference in thermal expansion coefficient between the growing nitride semiconductor and the substrate. It is known that the crystallinity of the nitride semiconductor deteriorates due to the occurrence of cracks or cracks.
[0005]
Therefore, in recent years, an attempt has been made to solve problems caused by different types of substrates by forming a substrate from a nitride semiconductor and forming an element structure made of the same type of nitride semiconductor on the substrate made of a nitride semiconductor. ing.
[0006]
For example, as an example of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor layer is grown relatively thick on a base substrate (base substrate), and the grown nitride semiconductor layer and the base substrate are Laser light is irradiated to the interface. A method of obtaining a nitride semiconductor substrate from a nitride semiconductor layer by examining the nitride semiconductor layer irradiated with laser light locally heated and sublimated and peeling the nitride semiconductor layer from the base material substrate has been studied. ing.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, when the nitride semiconductor layer is peeled off from the base material substrate by laser light, the laser light is being scanned, that is, in the nitride semiconductor layer and the base material substrate. Only the interface irradiated with the laser light is peeled off, and the other portions remain bonded. At this time, there is a problem that stress concentrates on the joint portion between the nitride semiconductor layer and the base material substrate, and cracks are generated in the nitride semiconductor layer. As a result, it becomes difficult to manufacture a nitride semiconductor substrate with a high yield by irradiating laser light at about room temperature.
[0008]
In order to avoid this problem, a method of performing laser irradiation by raising the substrate temperature is also known. However, in such a method of raising the substrate temperature, it takes time each time the temperature of the substrate is raised and lowered. After all, it is inferior in mass productivity.
[0009]
In addition, when a nitride semiconductor is grown on a base material substrate, through defects due to lattice mismatch are introduced into the nitride semiconductor, so that there is a problem that a defect density in the obtained nitride semiconductor substrate is high.
[0010]
In addition, since the laser beam is condensed with a small beam diameter, it is necessary to efficiently irradiate the laser beam in order to peel off all the joint surfaces between the base material substrate and the nitride semiconductor layer. For example, in order to sublimate a nitride semiconductor, the optical density of laser light is about 0.1 J / cm. 2 In order to obtain this light density, the laser beam is condensed with a small beam diameter. Therefore, since the beam diameter is smaller than the area of the substrate, it is necessary to scan the laser beam over the entire surface of the nitride semiconductor layer, and the productivity cannot be improved.
[0011]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to reliably obtain a nitride half substrate having a low defect density and excellent productivity without generating cracks and the like.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has a configuration in which the main surface of the base material substrate on which the nitride semiconductor layer is grown is made uneven.
[0013]
Specifically, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention includes a first step of selectively forming a concavo-convex region on a main surface of a base material substrate, and a method for forming the concavo-convex region on the base material substrate. The semiconductor layer is irradiated with laser light on the interface between the second step of growing the semiconductor layer made of nitride and filling the concave portion of the uneven region and the upper surface thereof becomes flat, and the base material substrate in the semiconductor layer. A third step of forming the semiconductor substrate from the semiconductor layer by peeling the layer from the base material substrate.
[0014]
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, a concavo-convex region is formed on the main surface of the base material substrate, and then the concave portion of the concavo-convex region of the base material substrate is buried on the concavo-convex region and A semiconductor layer made of nitride is grown so that the upper surface is flat. Therefore, after that, when laser light is irradiated onto the interface of the semiconductor layer with the base material substrate, the stress of the portion irradiated with the laser light is a portion where the recess of the base material substrate is filled in the semiconductor layer made of nitride. And the other parts are opened by cleaving parallel to the substrate surface, so that cracks and cracks in the direction perpendicular to the substrate surface do not occur.
[0015]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, it is preferable that the third step irradiates at least the convex portion of the concavo-convex region of the base material substrate with laser light. In this case, it is not necessary to scan the entire surface of the semiconductor layer, so that the laser irradiation time can be shortened, and as a result, productivity can be improved.
[0016]
In this case, the first step forms a plurality of concave grooves extending in parallel with each other on the main surface of the base material substrate, and the third step sandwiches the laser light between the plurality of concave grooves on the base material substrate. Irradiation is preferably performed while scanning along the protruding portion. In this way, the convex portion sandwiched between the plurality of concave grooves becomes a so-called stripe shape, so that the laser beam can be scanned efficiently.
[0017]
In addition, the base material substrate is preferably made of sapphire whose principal plane is the {0001} plane, and the direction of the zone axis of each concave groove is preferably the <1-100> direction in the base material substrate.
[0018]
Further, in this case, the first step forms a plurality of island-shaped convex portions on the main surface of the base material substrate, and the third step generates a plurality of pulsed laser beams on the base material substrate. It is preferable to irradiate while scanning so as to synchronize with the convex portion. In this case, since the pulsed laser oscillation can easily increase the output, the semiconductor layer can be easily peeled off from the base material substrate, and the productivity is further improved.
[0019]
In this case, it is preferable that the third step simultaneously irradiates the plurality of convex portions of the concavo-convex region in the base material substrate with the laser beam. As described above, when a plurality of convex portions are irradiated at the same time, the irradiation time can be shortened, so that productivity is reliably improved.
[0020]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, in the first step, the area occupied by the protrusions is the area occupied by the recesses in the uneven area of the base material substrate. Of 5 More than 1 / min and One It is preferable to make it 00 times or less. In this way, when the semiconductor layer made of nitride is peeled off from the base material substrate, cracks and cracks can be prevented more reliably, and the entire surface of the semiconductor layer can be peeled off more reliably from the mother board. Become.
[0021]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, it is preferable that the third step irradiates laser light from a surface opposite to the main surface of the base material substrate.
[0022]
In the present specification, for the sake of convenience, instead of adding a bar on the Miller index, a negative sign “−” is added in front of the index to indicate its inversion.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
1 (a) to 1 (d) to 3 (a) to 3 (d) show cross-sectional structures in order of steps of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention. Yes.
[0025]
First, as shown in FIG. 1A, a
[0026]
Since sapphire has a band gap of 8.7 eV, it transmits light having a wavelength longer than 142.5 nm, which is a wavelength of energy corresponding to the band gap. Therefore, the KrF excimer laser light having a wavelength of 248 nm or the third harmonic light of the Nd: YAG laser having a wavelength of 355 nm passes through sapphire.
[0027]
(Base material substrate processing process)
Next, as shown in FIG. 1B, a striped resist
[0028]
In the present specification, the <1-100> direction of the crystal zone axis refers to any one of the directions equivalent to the [1-100] direction of the crystal zone axis, and does not represent a specific one direction. . For example, directions equivalent to the <1-100> direction are [1-100], [-1100], [01-10], [0-110], [10-10], and [-1010]. Similarly, the {1-100} plane of the plane orientation refers to any one plane in a direction equivalent to the (1-100) plane of the plane orientation.
[0029]
Next, as shown in FIG. 1C, the
[0030]
In this step, since plasma having an output of about 200 W is used, both sides of the resist
[0031]
Next, as shown in FIG. 1D, when the resist
[0032]
Here, the detail of the uneven | corrugated-shaped area |
[0033]
As shown in FIG. 2B, the width of the
[0034]
Moreover, as shown to Fig.2 (a), the direction where the recessed groove |
[0035]
(Nitride semiconductor growth process)
Next, as shown in FIG. 3A, gallium chloride (GaCl) which is a group III source and ammonia (NH) which is a group V source. Three The
[0036]
Further, in order to increase the nucleation density of gallium nitride on the main surface of the
[0037]
Hereinafter, details of the growth of the
[0038]
After performing the GaCl treatment, gallium chloride and ammonia are introduced onto the
[0039]
Further, the stripe direction is the <1-100> direction of the sapphire crystal zone axis constituting the
[0040]
Subsequently, growth is performed until the thickness of the
[0041]
In the first embodiment, as compared with the case where the
[0042]
(Laser irradiation process)
Laser irradiation to the
[0043]
As shown in FIG. 4, the
[0044]
In the first embodiment, the third harmonic of Nd: YAG having a wavelength of 355 nm is used for the laser light source. The pulse width is about 30 ns and the pulse period is about 50 kHz. By focusing the
[0045]
When irradiating the
[0046]
In the first embodiment, the
[0047]
FIG. 3B shows a cross section of the
[0048]
The
[0049]
In the first embodiment, since the beam diameter of the laser beam is larger than the width of the
[0050]
Since the
[0051]
Further, since nitrogen gas is generated by the thermal decomposition of the
[0052]
In the first embodiment, an
[0053]
When a semiconductor layer is grown on the exit surface of a base material substrate having a flat main surface as in the prior art, the base material substrate and the semiconductor layer are subjected to stress due to a difference in thermal expansion coefficient at the entire interface.
[0054]
In the first embodiment, stress concentrates on a
[0055]
As shown in FIG. 5, the
[0056]
Therefore, the laser irradiation causes the interface between the
[0057]
As a result, when the
[0058]
Furthermore, as will be described later, when the area ratio between the concave and convex portions in the concavo-
[0059]
In the first embodiment, since the laser beam is irradiated perpendicularly to the main surface of the substrate through the
[0060]
As described above, the
[0061]
By such a peeling mechanism, it has been confirmed that no cracks extending in a direction perpendicular to the main surface of the
[0062]
Accordingly, as shown in FIG. 3C, the remaining
[0063]
Next, as shown in FIG. 3 (d), the
[0064]
As described above, according to the first embodiment, since laser irradiation is selectively performed only on the interface between the
[0065]
In the first embodiment, since the total area of the
[0066]
Specifically, when the laser beam having a beam diameter of 20 μm is irradiated so that the irradiation positions overlap each other by 10 μm, in the first embodiment, the
[0067]
Further, in the first embodiment, since the
[0068]
In the first embodiment, since the
[0069]
Therefore, when an element is formed using the obtained
[0070]
By the way, the defect density in a semiconductor layer made of gallium nitride grown on a conventional substrate made of sapphire is 1 × 10 5. 9 cm -2 Degree.
[0071]
As described above, according to the first embodiment, it is possible to reliably obtain the
[0072]
In the first embodiment, the RIE method is used as a method for forming the concave /
[0073]
In addition, when the
[0074]
In the first embodiment, the depth of the
[0075]
In the first embodiment, the stripe direction is the <1-100> direction of the sapphire crystal zone axis. However, depending on the material used for the
[0076]
In the first embodiment, the growth temperature of the
[0077]
In the first embodiment, the width of the
[0078]
In the first embodiment, the light density of the laser light is about 1.0 J / cm. 2 However, there is a lower limit to the light density of the laser light, and a light density higher than that capable of decomposing the
[0079]
In the first embodiment, the
[0080]
In the first embodiment, the resist
[0081]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0082]
7 (a) to 7 (c) to 9 (a) to 9 (c) show cross-sectional structures in order of steps of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention. Yes.
[0083]
In the second embodiment, the shape of the convex portion in the concavo-
[0084]
First, as shown in FIG. 7A, a
[0085]
(Base material substrate processing process)
Next, as shown in FIG. 7B, a dot pattern having a diameter of about 10 μm and a center position between adjacent portions of about 30 μm is formed on the main surface of the
[0086]
As shown in the plan view of FIG. 8, the resist
[0087]
Next, as shown in FIG. 7C, the
[0088]
(Nitride semiconductor growth process)
Next, as shown in FIG. 9A, by the HVPE method using ammonia and gallium chloride as raw materials, under the same conditions as in the first embodiment, on the
[0089]
The planar shape of the
[0090]
(Laser irradiation process)
Also in the second embodiment, the laser irradiation apparatus shown in FIG. 4 is used. The irradiation conditions are also equivalent. For example, the beam diameter of the laser light is about 20 μm, and the pulse period of the laser light emission is about 50 kHz. At this time, since the diameter of the
[0091]
As a feature of the second embodiment, the laser light emission period is irradiated in synchronization with the formation position of the
[0092]
As described above, the
[0093]
In the second embodiment, since the
[0094]
With such a peeling mechanism, in the second embodiment, cracks that extend in a direction perpendicular to the main surface of the
[0095]
Therefore, as shown in FIG. 9B, the remaining
[0096]
Next, as shown in FIG. 9 (c), the
[0097]
As described above, according to the second embodiment, the laser irradiation is selectively performed only on the interface with the
[0098]
In addition, since the dot-
[0099]
Specifically, in the second embodiment, laser light having a beam diameter of about 20 μm is used, and the irradiation of the laser light is completed in only about 1
[0100]
In the second embodiment, since the
[0101]
In the second embodiment, the
[0102]
As described above, according to the second embodiment, the laser irradiation time for the
[0103]
In the second embodiment, the planar shape of each
[0104]
Further, more preferably, the arrangement pattern of the
[0105]
In the second embodiment, the arrangement pattern of the
[0106]
Further, in this case, as described above, it is preferable to arrange the
[0107]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0108]
10 (a) to 10 (c) and FIGS. 11 (a) to 11 (c) show cross-sectional structures in order of steps of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the third embodiment of the present invention. Yes.
[0109]
In the third embodiment, the laser irradiation method for the dot pattern constituting the concavo-
[0110]
First, as shown in FIG. 10A, a
[0111]
(Base material substrate processing process)
Next, as shown in FIG. 10B, a dot pattern having one diameter of about 10 μm and a center position distance between adjacent portions of about 30 μm is formed on the main surface of the
[0112]
Next, as shown in FIG. 10 (c), the
[0113]
(Nitride semiconductor growth process)
Next, as shown in FIG. 11 (a), by the HVPE method using ammonia and gallium chloride as raw materials, on the
[0114]
(Laser irradiation process)
In the third embodiment, the output value of the laser emitting unit 1 in the laser irradiation apparatus shown in FIG. 4 is increased. As the laser light, the third harmonic of an Nd: YAG laser having a wavelength of 355 nm is used. Since the laser beam has a high output, even if the beam diameter of the laser beam is increased to about 5 mm, it is about 2.0 J / cm. 2 Can be obtained. However, the pulse period is small because of high output, and is about 10 Hz. The pulse width is about 10 ns, which is sufficient to locally heat the interface between the
[0115]
Here, as in the first and second embodiments, since sapphire is transparent to the laser beam, the
[0116]
Irradiation of the laser light to the
[0117]
As described above, the
[0118]
In the third embodiment, since the
[0119]
By such a peeling mechanism, in the third embodiment, cracks that extend in a direction perpendicular to the main surface of the
[0120]
Next, as shown in FIG. 11 (c), the
[0121]
As described above, according to the third embodiment, the plurality of
[0122]
In the third embodiment, there is a case where the laser light is irradiated only on a part of the
[0123]
Also in the third embodiment, the
[0124]
As described above, by increasing the beam diameter of the laser beam, the laser irradiation time can be remarkably reduced, and a
[0125]
In the third embodiment, the entire surface of the
[0126]
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment of the present invention will be described below.
[0127]
In the fourth embodiment, an optimal dot pattern arrangement is obtained by changing the interval between the
[0128]
Here, in the concavo-
[0129]
For example, as a first example, when the area occupied by the
[0130]
In addition, when the area of the
[0131]
As a second example, if the area occupied by the
[0132]
Therefore, more preferably, by setting the area occupied by the
[0133]
As a third example, a case where the area occupied by the
[0134]
When the area occupied by the
[0135]
More preferably, by making the area occupied by the
[0136]
When the
[0137]
In the fourth embodiment, when the arrangement of the
[0138]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention, since the concavo-convex region is formed on the main surface of the base material substrate, the stress of the portion irradiated with the laser light is applied to the base material substrate in the semiconductor layer made of nitride. Since the portion filled with the recess and the other portion are cleaved in parallel with the substrate surface, cracks and cracks in the direction perpendicular to the substrate surface do not occur.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional structural views showing a manufacturing method of a nitride semiconductor substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B show a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2A is a plan view of an uneven region, and FIG. It is sectional drawing in the IIb-IIb line | wire of a).
FIGS. 3A to 3D are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a laser emitting device used in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing stress generated at an interface between a base material substrate and a semiconductor layer in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing through defects generated in a semiconductor layer grown on a base material substrate in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
7A to 7C are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a resist pattern for forming a dot pattern in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention.
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 10A to 10C are cross-sectional structural views in order of steps showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to a third embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 11A to 11C are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to a third embodiment of the present invention. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 Laser emission part
2 Scan lens
3 Condensing lens
4 Mirror
5 Image recognition unit
10 Laser light
10a Visible light
11 Base material substrate
11a concave groove
11b Convex area
11c Gallium layer
11d low part
11e Convex
12 resist pattern
12A resist pattern
13 Semiconductor layer
13a remaining
13A Nitride semiconductor substrate
20 Uneven region
31 First stress
32 Second stress
33 penetration defect
Claims (8)
前記母材基板における前記凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部を埋めると共にその上面が平坦となるように、窒化物からなる半導体層を成長する第2の工程と、
前記半導体層における前記母材基板との界面にレーザ光を照射して、前記半導体層を前記母材基板から剥離することにより、前記半導体層から半導体基板を形成する第3の工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。A first step of selectively forming a concavo-convex region on the main surface of the base material substrate;
A second step of growing a semiconductor layer made of nitride so as to fill the concave portion of the concave-convex region on the concave-convex region of the base material substrate and to flatten the upper surface thereof;
A third step of forming a semiconductor substrate from the semiconductor layer by irradiating a laser beam on the interface of the semiconductor layer with the base material substrate and peeling the semiconductor layer from the base material substrate. A method for producing a nitride semiconductor substrate, comprising:
前記第3の工程は、レーザ光を、前記母材基板における前記複数の凹状溝同士に挟まれてなる凸部に沿って走査しながら照射することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。The first step forms a plurality of concave grooves extending in parallel to each other on the main surface of the base material substrate,
3. The nitride according to claim 2, wherein the third step irradiates the laser beam while scanning along a convex portion sandwiched between the plurality of concave grooves in the base material substrate. A method for manufacturing a semiconductor substrate.
前記各凹状溝の晶帯軸の方向は、前記母材基板における<1−100>方向であることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体基板の製造方法。The base material substrate is made of sapphire whose principal surface has a {0001} plane.
4. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 3, wherein a direction of a crystal zone axis of each concave groove is a <1-100> direction in the base material substrate.
前記第3の工程は、パルス状のレーザ光を、前記母材基板における前記複数の凸部と同期するように走査しながら照射することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。In the first step, a plurality of island-shaped convex portions are formed on the main surface of the base material substrate,
3. The nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein in the third step, pulsed laser light is irradiated while scanning in synchronization with the plurality of convex portions in the base material substrate. Production method.
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