JP4126863B2

JP4126863B2 - 半導体装置の製造方法および半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP4126863B2
Application number: JP2000313180A
Authority: JP
Inventors: 昌宏石田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP2002124473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青紫色レーザ装置等に代表される、窒化物系化合物半導体層を備えた半導体装置の製造方法、およびそれらの半導体装置等の基板に用いられる半導体基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等、一般式がＢ_zＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される窒化物半導体は、青色や緑色のＬＥＤや、青紫色半導体レーザ、高温動作可能な高速トランジスタなどに用いる材料として好適である。窒化物半導体を成長させるための基板としては、サファイア基板（例えば特開平６−２１６４０９号公報）、ＳｉＣ基板（例えば特開平１０−２６１８１６号公報）、Ｓｉ基板（例えば特開平１１−４０８５０号公報）などが知られている。また、これらの基板を用いた成長では、窒化物半導体と異種材料基板との熱膨張係数の差によって、基板の反り、クラックの発生、それらに伴う結晶性の悪化が発生することから、近年我々はこれらを防ぐ方法として、窒化物半導体より熱膨張係数の大きなサファイア基板上に、窒化物半導体より熱膨張係数の小さなシリコンを結晶成長により形成し、その上に窒化物半導体を成長する技術を開発している（２０００年秋季応用物理学会講演番号５ａ−Ｙ−４）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上に結晶成長によってシリコンを形成した複合基板（以下、シリコン・オン・サファイア基板、略してＳＯＳ基板と称する）では、シリコンの膜厚を増していくと、シリコンとサファイアの格子定数の違いによる応力が緩和される過程でシリコンに大量の欠陥が導入され、さらに膜厚を増していくとシリコン表面は凹凸の多結晶になり、シリコンの結晶性が悪化しまうという課題があった。シリコンが多結晶になることを防ぐには成長条件などを非常に細かく制御するなどで回避は可能であるが、欠陥の導入は避けられなかった。また、結晶性の悪いシリコン上へ成長した窒化物半導体も、結晶性が悪くなるという課題があった。さらには、窒化物半導体と異種材料基板との熱膨張係数の差を完全に緩和するには数十μｍから１００μｍ程度の厚さのシリコンが必要であるが、結晶成長によるＳＯＳ基板の作製では、結晶成長の時間が非常に長くなる（例えば１０時間以上）という課題があり、歪が低減された窒化物半導体を得るのは非常に非効率的であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の窒化物半導体装置は、以下に示す構成よりなるものである。
【０００５】
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、熱膨張係数α₁を有する第１の基板と熱膨張係数α₂（α₁＜α₂）を有する第２の基板とを、第１の基板または第２の基板に対して共晶を形成しうる金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に熱膨張係数がα_N（α₁＜α_N＜α₂）である窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有するものである。
【０００６】
この構成により、複合基板を形成する材料として基板を用い、かつ第１の基板または第２の基板に対して共晶を形成しうる金属層を介して第１の基板と第２の基板とを貼り合わせているので、複合基板の結晶性が良好で複合基板には欠陥が導入されたり多結晶になることがなく、第１の基板と第２の基板とを密着性よく貼り合わせることができ、その上に結晶性の良好な窒化物半導体膜を成長することが可能である。
【０００７】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板とサファイア基板とを、シリコン基板に共晶を形成しうる金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有するものである。
【０００８】
この構成により、シリコン基板に共晶を形成しうる金属層を介して貼りあわせているのでシリコン基板とサファイア基板とを密着性よく貼り合わせることができ、結晶性良く窒化物半導体を成長することが可能である。
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板とサファイア基板とを、Ａｌを主成分とする金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有するものである。
【００１０】
この構成により、Ａｌはシリコンと共晶を形成しうるのでシリコン基板とサファイア基板とを密着性よく貼り合わせることができ、結晶性良く窒化物半導体を成長することが可能である。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、さらに複合基板を得る工程として前記シリコン基板と前記サファイア基板とを貼りあわせた後Ａｌとシリコンとを共晶化せしめる工程を有することにより、さらにシリコン基板とサファイア基板とを窒化物半導体膜成長用に供するのに充分な強度で貼り合わせることが可能である。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、さらに金属層に用いられる金属材料として、前記金属材料とシリコンとの共晶温度がシリコンの融点、前記金属材料の融点、サファイアの融点およびサファイアと前記金属材料の共晶温度のいずれよりも低い金属材料を用いるシリコンとＡｌの共晶化（合金化）が選択的に起こり、シリコンがＡｌを介してサファイアと接合させることが可能である。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、さらに複合基板を得る工程として前記シリコン基板と前記サファイア基板とを貼りあわせた後加熱することにより、シリコン基板にシリコンとＡｌとの共晶を生じさせることができ、シリコン基板とサファイア基板との密着性をより向上させることができる。
【００１４】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、加熱する工程において、加熱温度が前記金属層に用いられる金属材料とシリコンとの共晶温度以上の温度であり、シリコンの融点、前記金属材料の融点、サファイアの融点およびサファイアと前記金属材料の共晶温度のいずれよりも低い温度であることにより、シリコンとＡｌの共晶化（合金化）が選択的に起こり、シリコンがＡｌを介してサファイアと接合させることが可能である。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、Ａｌを主成分とする金属層を介して貼りあわせる工程がＡｌをシリコン基板またはサファイア基板の上に成膜する工程を有し、Ａｌは窒化物半導体中で深い準位をほとんど形成しないので、半導体レーザ装置等のデバイスの動作電流をより低減させることができる。
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、金属層の厚さが０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることにより、シリコン基板とサファイア基板とを良好に貼りあわせることができ、その上に形成される半導体装置の結晶性を良好にすることができる。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程において、前記シリコン基板の厚さが前記サファイア基板の厚さの１／３以下であることにより、シリコンの厚さがサファイア基板の厚さより充分薄いため、シリコンとサファイアを貼りあわせたときに、シリコンとサファイアの熱膨張係数の違いによる反りが小さく、窒化物半導体の成長炉内でＳＯＳ基板が反ったり割れたりすることなく窒化物半導体を成長させることが可能である。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程において、前記シリコン基板の厚さが前記サファイア基板の厚さの２倍以上であることにより、シリコンの厚さがサファイア基板の厚さより充分厚いため、シリコンとサファイアの熱膨張係数の違いによる反りが小さく、成長炉内でＳＯＳ基板が反ったり割れたりすることなく窒化物半導体を成長させることが可能である。
【００１９】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、シリコン基板の主面として、（１１１）と等価な面を用いることにより、（１１１）シリコン基板上には良好な結晶性の（０００１）窒化物半導体が成長するため、結晶性の良い窒化物半導体膜を製造することが可能である。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、サファイア基板の主面として、（１１−２０）と等価な面を用いることにより、大面積の窒化物半導体膜を形成することが可能である。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、かかる構成につき、サファイア基板の主面は（０００１）と等価な面であり、前記複合基板のサファイア基板側の主面に前記窒化物半導体を結晶成長することにより、（０００１）サファイア基板上には良好な結晶性の（０００１）窒化物半導体が成長するため、結晶性の良い窒化物半導体膜を製造することが可能である。
【００２２】
本発明の半導体基板の製造方法は、シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の前記シリコン基板上に窒化物半導体膜を成長する工程と、前記シリコン基板を除去する工程とを有するものである。
【００２３】
この構成により、窒化物半導体は歪が緩和されており、数１００μｍ以上の厚膜成長が可能であるため、窒化物半導体装置の製造に供するための充分な強度を有する厚い窒化物半導体基板を得ることが可能である。
【００２４】
本発明の半導体基板の製造方法は、かかる構成につき、シリコン基板を除去する工程は、フッ酸を含有する溶液によるエッチングで行われることにより、窒化物半導体膜に物理的ダメージをほとんど与えないで窒化物半導体膜を分離することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１を参照しながら、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる窒化物半導体膜の製造方法を示している。
【００２７】
まず、サファイア基板１とシリコン基板２との貼りあわせ工程を行う。サファイア基板１とシリコン基板２の径はいずれも２インチである。シリコン基板２の面方位は（１１１）面とし、サファイア基板１の面方位は（０００１）面とする。以下、面方位については、等価な面での置き換えを行っても同様の結果が得られることは言うまでもない。例えば、シリコン（１１１）面に等価な面には、シリコン（１−１１）面、（−１１１）面、（１１−１）面、（−１−１１）面、（−１１−１）面、（１−１−１）面、（−１−１−１）面がある。なお、ここでは指数を明確に示すため、各数字の間に句点を挿入している。なお、結晶の面方位を表す指数として、１バーを用いるのに変えて、−１と標記することとする。
【００２８】
サファイア基板１とシリコン基板２とを貼りあわせる面については、接合強度を増すためにはできるだけ鏡面であることが好ましい。例えば、表面の凹凸が数原子層程度以下（十数ｎｍ以下）であるような表面に仕上げられているものを使用する。なお、窒化物半導体成長後に剥離するような目的で接合強度を下げる目的や、微視的、局部的に接合強度を増すような目的で接合面を荒らしてもよい。
【００２９】
また、結晶成長を行う面についても鏡面であることが好ましい。本実施の形態では、シリコン基板２を両面研磨仕上げとして、シリコン基板２側に窒化物半導体を成長するものとする。
【００３０】
サファイア基板１とシリコン基板２の膜厚は、できるだけ均一なものが好ましい。本実施の形態では、シリコン基板２の厚さの規格は１５０μｍ±３０μｍ、サファイア基板１の規格は４５０μｍ±３０μｍのものである。また、面内の厚さのバラツキはいずれも５μｍ以下だった。なお、窒化物半導体装置などで、局部的に歪を加える場合などの目的で、膜厚が均一でない、ないしは、パターンを設けたシリコン基板やサファイア基板を用いてもよい。
【００３１】
つぎに、図示はしていないがサファイア基板１の洗浄を行う。接合面に異物が付着していると接合強度の低下などを招くので、通常接合面を清浄にすることが好ましい。なお、繰り返しになるが、窒化物半導体成長後に剥離するような目的で接合強度を下げる目的や、微視的、局部的に接合強度を増すあるいは減じるような目的で接合面に異物を導入してもよい。
【００３２】
サファイア基板１の洗浄法の一例として、本実施の形態では１５０℃に加熱した燐酸と硫酸の混合溶液で洗浄した後、水洗を行い、つづいてサファイア基板１を乾燥した（図１（ａ））。
【００３３】
乾燥後は、速やかに、例えば１時間以内程度に、真空の蒸着装置内に基板を導入する。このとき、洗浄後、真空に導入するまでの時間が１日程度以上になってしまうと、保管雰囲気によっては、サファイア基板１表面に空気中の水分や異物が付着するなどで接合強度が低下する場合がある。
【００３４】
図１（ｂ）に示すように、蒸着装置内で、サファイア基板１上にＡｌ層３を蒸着する。本実施の形態では、Ａｌ層３の厚さは５０ｎｍである。なお、Ａｌ層３の形成方法は蒸着に限定するものではない。
【００３５】
Ａｌ層３が蒸着されたサファイア基板１を真空中から取り出す前に、シリコン基板２の洗浄を行う。シリコン基板２の洗浄法の一例として、本実施の形態では、アセトンなどの有機溶剤で洗浄した後、水洗を行い、フッ酸を含む溶液で酸化膜を除去した。その後、フッ酸を除去する目的で軽く水洗し、乾燥する。本洗浄後、シリコン基板２は水素終端された状態の清浄な表面が得られる。なお、水素終端の清浄表面は、基板貼りあわせに好ましい表面状態の一例ではあるが、表面状態は特にこれに限定するものではない。
【００３６】
洗浄後、速やかに蒸着装置からサファイア基板１を取り出し、速やかにシリコン基板２とＡｌ層３を密着させ、加熱炉内へ導入し、炉内を真空とする。このとき、サファイア基板１とシリコン基板の向きや設置方法などは特に限定するものではないが、サファイア基板１上にＡｌ層３を介して、シリコン基板２を重ねておくこととする。特に荷重はかけずに、シリコン基板２の重さのみでＡｌ層３とシリコン基板２とを密着させることとする（図１（ｃ））。なお、シリコン基板２についても、洗浄後、真空に導入するまでの時間が１日程度以上になってしまうと、保管の雰囲気によっては、シリコン基板２表面に水分や異物が付着し、酸化するなどで接合強度が低下する場合がある。
【００３７】
炉内の排気を行った後に、窒素ガスの毎分１５リットルのフローを導入する。炉内は常圧とする。なお、この際の雰囲気としては、シリコン、サファイア、Ａｌが反応しない雰囲気であれば特に限定するものではなく、窒素の他に、アルゴン、水素などの雰囲気を用いることができる他、真空中としても良い。また、雰囲気、流量、圧力なども特に限定するものではない。
【００３８】
次に、接合を行うための加熱を行う。常圧下でＡｌの融点は６６０℃、シリコンの融点は１４０４℃、サファイアの融点は２０４０℃、シリコンとＡｌの共晶温度は５７７℃である。なお、Ａｌとサファイアは共晶を形成しにくい。したがって、これらの温度の中でシリコンとＡｌの共晶温度が最も低く、つぎにＡｌの融点が低い。
【００３９】
シリコンとＡｌの共晶温度である５７７℃以上の温度で、かつＡｌの融点の６６０℃よりも低い温度で加熱を行えば、シリコンとＡｌの共晶化（合金化）が選択的に起こり、シリコンがＡｌを介してサファイアと接合されることとなる。このようなメカニズムによる接着であることと、接着層として働くＡｌ層３が金属で比較的柔軟なため、荷重などを加えなくても密着さえしていれば充分な強度で接着が行われる。なお、前述のようにＡｌとサファイアは共晶を形成しにくい材料であるので、はじめからＡｌの融点以上の温度で加熱しても、Ａｌとシリコンが反応して基板の接合は可能である。ただし、この場合の課題として、Ａｌの厚さが、例えば０．１μｍより厚い場合などに、Ａｌが流れてしまって接合が不均一になりやすいなどが挙げられる。
【００４０】
本実施の形態では、接合温度を６００℃とし時間を１５分とした。この場合、シリコン１３％、Ａｌ８７％程度の合金層４が形成される（図１（ｄ））。
【００４１】
なお、結合強度をさらに増大させて合金化を完全に進める目的で、温度を上昇させる工程を行っても良い。具体的には、窒素流量は同じとして、接合温度を８００℃とし、時間を１５分加熱する。このとき、温度を上げることで、シリコン基板２から合金層４にシリコンが供給されながら、接合が進んでいくこととなる。合金層４のシリコン濃度が増すことで、合金層の融点も上昇し、合金層の融点が加熱温度と同じになったところで合金化が停止する。８００℃であれば、シリコン濃度はおおよそ２８％である（図１（ｅ））。
【００４２】
加熱炉の温度を下げ、ＳＯＳ基板が完成する。以下、サファイアやシリコンや窒化物半導体が積層されたものを基板と称することがある。加熱炉の温度を８００℃から下げた瞬間に、シリコン濃度２８％の合金層は固化する。したがって、本実施の形態のＳＯＳ基板は、室温ではシリコンとサファイアの熱膨張係数が異なるため８００℃と室温の温度差によって、反っている。ただし、シリコン基板２の面方位を（１１１）面、サファイア基板１の面方位を（０００１）面と選択したことにより、熱膨張係数は主面内で均等なため、一方向に極端に反って、割れたりクラックが発生するようなことは観測されなかった。
【００４３】
つぎに、ＳＯＳ基板を有機金属気相成長法の炉内（以下ＭＯＶＰＥ炉と称する）に導入する。本実施の形態では、シリコン側に窒化物半導体が成長するようにＳＯＳ基板を設置する。ＭＯＶＰＥ炉内を毎分１５リットルの水素フローとして、１０００℃まで基板を加熱する。室温で反っているＳＯＳ基板は、基板温度が８００℃に到達した時点で反りがなくなると同時に合金層４が液化する。さらに温度を上げ続けると、シリコン基板２から合金層４にシリコンが供給されながらさらに接合が進んでいく。なお、８００℃以上では、サファイア基板１とシリコン基板２は、液化した合金層４を介して接着されているので、ＳＯＳ基板は反っていない。１０００℃まで温度を上げると合金層４のシリコン濃度は４５％程度となる。
【００４４】
つぎに、原料ガスを導入して、窒化物半導体膜の成長を行う。具体的には、まず、アンモニアを毎分５リットルのフローで供給しておき、水素ガスで希釈した有機金属のフローをＭＯＶＰＥ炉内に導入することで成長が開始される。有機金属の種類を変化させたり、適度に混合することで様々な組成の窒化物半導体が成長できる。成長速度はおおよそ毎時２μｍである。
【００４５】
本実施の形態では、シリコン基板側に窒化物半導体を成長させる。シリコン基板に接する層は、Ａｌを含む混晶とすることが好ましいのでＡｌＮ層を成長させることとする。
【００４６】
まず、トリメチルアルミニウムを導入し、ＡｌＮ層５を１００ｎｍの厚さで堆積する。引き続いて、トリメチルアルミニウムの導入を停止すると同時にトリメチルガリウムを供給することで、ＧａＮ層６を２μｍの厚さで成長する（図１（ｆ））。
【００４７】
一旦、成長を停止して基板温度を下げ、基板をＭＯＶＰＥ炉から取り出す。
【００４８】
この状態では、１０００℃と室温の熱膨張係数差によって若干の反りが生じているがＧａＮ層６が薄いため、歪はＧａＮ層６の中に蓄積され、クラックなどはほとんど生じていない。
【００４９】
つぎに、基板をハイドライド気相成長炉（以下ＨＶＰＥ炉）に導入する。ＨＶＰＥ炉内を毎分１０リットルの窒素フローとして、基板を１０００℃まで加熱する。引き続いてアンモニアを毎分５リットルのフローで供給しておき、窒素ガスで希釈した塩化水素ガス（ＨＣｌ）を基板上流に設置したガリウムに照射することで、高温のガリウムとＨＣｌとが反応して生成された塩化ガリウムが基板に照射され、ＧａＮの成長が行われる。成長速度はおおよそ毎時１００μｍである。
【００５０】
３時間の成長を行うことで、ＧａＮ層７を３００μｍの厚さで成長し、基板温度を下げ基板をＨＶＰＥ炉から取り出した。本実施の形態のＧａＮ層７は、鏡面でありクラックや割れの発生がなかった。すなわち、３００μｍもの厚さのＧａＮ層を２インチ全面に、クラックや割れなく成長することができた（図１（ｇ））。
【００５１】
本実施の形態においては、基板としてシリコンやサファイアを用いており、接着層としてＡｌを用いているので、窒化物半導体に悪影響を及ぼす不純物などがＧａＮ層７中に導入されたり、炉内が悪影響を及ぼす物質などで汚染されることがない。また、サファイアの単体基板上やシリコンの単体基板上にＧａＮを３００μｍの厚さで堆積すると、熱膨張係数差により大きな反りが発生し、クラックや基板の割れが発生することが知られているが、本実施の形態ではクラックや割れは、観察されなかった。
【００５２】
また、シリコンやサファイアは窒化物半導体を成長する炉内でガスや不純物を放出することがほとんどないので結晶性良くＧａＮ層７を成長することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態のように窒化物半導体層が複数の層で形成されている場合は、それらの膜厚荷重平均の熱膨張係数差を考慮すればよいのは言うまでもない。
【００５４】
なお、Ａｌに変えて、シリコンと比較的低い温度で共晶を形成するＡｕやＡｇやその他の金属を用いてもＳＯＳ基板の作製は可能であることはいうまでもない。Ａｌを用いた場合、ＡｕやＡｇを用いた場合とは異なり、窒化物半導体中で深い準位をほとんど形成しないので、半導体レーザ装置等のデバイスの動作電流をより低減させることができる。
【００５５】
なお、本実施の形態においては、シリコン上に接してＡｌを含む窒化物半導体を成長することが好ましいため、Ａｌを含む半導体の成長が困難なＨＶＰＥではなく、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＮ層を堆積したが、本発明においては成長法の差異は本質ではなく、例えば、シリコン以外の材料に窒化物半導体を成長する場合などでは、それぞれのケースに応じて適切に成長法や成長条件を選べることはいうまでもない。
【００５６】
（実施の形態２）
本実施の形態２における検討について説明する。
【００５７】
本実施の形態においては、実施の形態１と同様の工程で蒸着するＡｌの厚さについて検討した。Ａｌの厚さが０．００５μｍより小さいときは、Ａｌの量が少なく、シリコンとサファイアが接合されなかった。Ａｌの厚さが０．５μｍより大きいときは、Ａｌとシリコンの共晶反応が不均一に進み、いわゆるアロイスパイクを形成して、一部でシリコンとサファイアが接着されていないような状態となり、貼りあわせが良好に行えなかった。このことから、好ましいＡｌの厚さは、０．００５μｍから０．５μｍであることを見出した。
【００５８】
この０．００５μｍから０．５μｍの厚さのＡｌを用い、シリコン基板側に厚さ５μｍのＧａＮ層をＭＯＶＰＥ法により結晶成長させた。その結果、Ｘ線測定において半値幅が１５０ａｒｃｓｅｃ、波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ励起による室温のフォトルミネッセンス測定おいてバンド端発光強度のディープ発光強度に対する比が１００以上という良好な結晶性を有するＧａＮ層を得ることができた。
【００５９】
（実施の形態３）
本実施の形態３について以下に説明する。
【００６０】
本実施の形態３は、ＳＯＳ基板の作製と窒化物半導体の成長を同一の炉内で行うことを特徴とするものである。
【００６１】
まず、サファイア基板１とシリコン基板２の準備を行う。シリコン基板２とサファイア基板１の径はいずれも２インチで、シリコン基板２の面方位は（１１１）面とし、サファイア基板１の面方位は（０００１）面とする。シリコン基板２の膜厚は１５０μｍ、サファイア基板１の膜厚は４５０μｍとする。
【００６２】
つぎに、サファイア基板１を洗浄した後、蒸着装置内でＡｌ層３を、５０ｎｍの厚さに形成する。
【００６３】
Ａｌ層３が蒸着されたサファイア基板１を真空中から取り出す前に、シリコン基板２の洗浄を行う。
【００６４】
洗浄後、速やかに蒸着装置からサファイア基板１を取り出し、速やかにシリコン基板２とＡｌ層３を密着させ、ＭＯＶＰＥ炉内へ導入し、炉内を排気する。このときの基板の設置方法は、実施の形態１と同様である。サファイア基板１上にＡｌ層３を介して、シリコン基板２を重ねておくこととする。なお、シリコン基板２とサファイア基板１とを重ねた厚さが６００μｍ程度になるので、それにあわせた深さの溝を有するサセプタを用いるのが好ましいことはいうまでもない。また、基板回転機構を有するＭＯＶＰＥ炉においては、基板がずれるなどの問題が生じる可能性があるので、当初は基板回転を停止するのが好ましい。なお、シリコンとＡｌの共晶温度と、Ａｌの融点との差は１００℃近くもあるので、基板回転を停止しても基板全面に渡って、共晶温度以上で、かつ融点より低い温度で加熱することは充分可能である。なお、実施の形態１で示したように、特に荷重はかけずに、シリコン基板２の重さのみでサファイア基板１とシリコン基板２の接着可能であるので、ＭＯＶＰＥ炉に特別な設備を設ける必要はないことはいうまでもない。
【００６５】
ＭＯＶＰＥ炉内を毎分１５リットルの水素フローとして、６００℃で１５分間、基板を加熱する。これらの工程では基板回転を停止する。この工程で、シリコン基板２とＡｌ層３が合金層４を形成しながら接合される。次に、基板回転を開始して、基板温度を１０００℃に上げる。このとき、シリコン基板２から合金層４にシリコンが供給されながらさらに接合が進んでいく。シリコン基板２とサファイア基板１は、液化した合金層４を介して密着している状態なので反りを生ずることはない。
【００６６】
つぎに、原料ガスを導入して、窒化物半導体膜の成長を行う。
【００６７】
まず、トリメチルアルミニウムを導入し、ＡｌＮ層５を１００ｎｍの厚さで堆積する。引き続いて、トリメチルアルミニウムの導入を停止すると同時にトリメチルガリウムを供給することで、ＧａＮ層６を２μｍの厚さで成長する。
【００６８】
成長を停止して基板温度を下げ、基板をＭＯＶＰＥ炉から取り出して、ＳＯＳ基板上に窒化物半導体層を得ることができた。実施の形態１では、シリコン基板２とサファイア基板１は、ＳＯＳ基板作製用の加熱炉と、ＭＯＶＰＥ炉で昇温と降温が繰り返されるが、本実施の形態では、昇温と降温は１回ずつである。そのため、ＳＯＳ基板が熱サイクルを受けて、欠陥などが基板中に導入される可能性を低減できる。また、従来の窒化物半導体の成長に係る設備と比べて、Ａｌ層３を堆積するための装置以外に、特に追加の設備が必要ない。プロセスも、ＭＯＶＰＥ炉内での６００℃の加熱は、成長シーケンスを変更するのみであるため、結局、Ａｌ蒸着を行うことと、基板洗浄を２枚行わなければならない以外は、従来と全く同じである。このように、本実施の形態によれば、従来の窒化物半導体の成長プロセスに若干手を加えるだけで、本発明の実施が可能である。
【００６９】
（実施の形態４）
本実施の形態４における検討について説明する。
【００７０】
本実施の形態においては、実施の形態１と同様の工程で、サファイア基板１とシリコン基板２とは、膜厚は同じで直径をともに４インチとし、サファイア基板の面方位は（０００１）面に変えて（１、１、−２、０）面とした。サファイア基板の面方位は実施の形態１とは異なるが、シリコン基板２の面方位は（１１１）面としているため、実施の形態１と同様の結晶性の良いＧａＮ層を成長することができた。なお、（１、１、−２、０）面では、熱膨張係数が若干の異方性を有するが、シリコンとサファイアとの熱膨張係数差に比べれば異方性による差は小さく、クラックなどの問題は生じなかった。
【００７１】
サファイア基板上にシリコンを成長して作製したＳＯＳ基板では、シリコン層を（１１１）とするためには、サファイア基板を（０００１）面としなければならないが、貼りあわせによれば、窒化物半導体を成長させる表面の面方位のみ考慮すればよく、本実施の形態ではサファイア基板の面方位を自由に選択することが可能である。（０００１）面のサファイア基板は一般に大面積化が困難で、現時点では３インチ程度の径が実現されているだけであるが、（１１−２０）面などの他の面方位では、６インチなどの大面積基板が実用化されており、大面積の窒化物半導体膜を形成することが可能である。
【００７２】
（実施の形態５）
本実施の形態５について、図２を参照しながら説明する。
【００７３】
図２は、実施の形態１の方法で、シリコン基板とサファイア基板を貼りあわせて作製したＳＯＳ基板において、シリコン基板とサファイア基板の厚さの比と、室温での反りの関係の計算結果を示したものである。貼りあわせ温度と室温との差を１０００℃と仮定している。ここでの計算では、窒化物半導体膜を成長していないＳＯＳ基板単体での曲率である。成長炉とは別の加熱炉でＳＯＳ基板を作製し、室温でＳＯＳ基板を取り出した場合を想定している。また、シリコン基板とサファイア基板の間に挿入されるＡｌ層３や合金層４の影響は省いているが、Ａｌ層３や合金層４の厚さは、通常はシリコンやサファイアに比べて２桁以上小さく、Ａｌ層３や合金層４による反りへの影響はほとんど無視できる。
【００７４】
さて、図２に示すように、ＳＯＳ基板の反りは、サファイア基板１とシリコン基板２の厚さがほぼ同じ時において、極大となることがわかる。実際、図２で示す反りが大きい範囲では、加熱によりＳＯＳ基板を作製した後、室温に温度を下げた時点でクラックや割れ等が発生する。クラックや割れ等を防止するには、シリコン基板の厚さをサファイア基板の１／３以下とするか、シリコン基板の厚さをサファイア基板の２倍以上の厚さとする必要がある。なお、我々が検討し、既に２０００年秋の応用物理学会で開示したように、窒化物半導体がほぼＧａＮで形成されている場合、シリコン基板の厚さをサファイア基板の厚さの約１／３．５とすると、歪が極小となることを明らかにしているが、この値は、クラックを防止できる範囲に存在しており、歪が極小となる成長は実現可能である。
【００７５】
なお、以上の結果は、結晶成長炉とは別の炉でＳＯＳ基板を作製する場合の範囲を示しているものであって、実施の形態３のように、ＳＯＳ基板の作成とＧａＮの成長を同時に行う場合は、室温に取り出す状態ではＧａＮ層が表面に存在し、かつＧａＮは歪を緩和する方向に働くので実現可能なシリコンとサファイアの膜厚の範囲は拡大する。
【００７６】
（実施の形態６）
以下、本実施の形態６について説明する。
【００７７】
本実施の形態６は、ＳＯＳ基板のサファイア側に窒化物半導体を成長する以外は、実施の形態１とほぼ同様である。すなわち、両面が鏡面で２インチのサファイア（０００１）基板１と、少なくとも片面が鏡面で２インチのシリコン（１１１）基板２とを、Ａｌ層３を介して加熱により接合する。サファイア基板１の厚さは４５０μｍ、シリコン基板２の厚さは１５０μｍとする。
【００７８】
次に、ＧａＮ層の成長を行う。サファイア上には、直接ＧａＮを成長することが可能であるので、ＭＯＶＰＥ法は用いずに直接ＨＶＰＥでサファイア基板１上にＧａＮ層を成長することができる。なお、より好ましい実施の形態として、１０００℃のアンモニア雰囲気中でサファイア基板を約１５分間保持することで、サファイア基板の表面を窒化し、その上にＧａＮを成長する方法がある。
【００７９】
（０００１）面のサファイア基板上には、結晶軸がそろって結晶性の良好な（０００１）面のＧａＮが成長することができる。また、本実施の形態ではＧａＮに加わる歪が低減されているので、ＧａＮ層が３００μｍ程度以上の厚さでも、クラックや割れを生じずに成長できた。
【００８０】
（実施の形態７）
以下、本実施の形態７について、図３を参照しながら説明する。
【００８１】
図３（ａ）は、実施の形態１と同じ方法で作製したＳＯＳ基板上に成長した窒化物半導体である。ただし、図３（ａ）に示している例では、ＳＯＳ基板の側面には、窒化物半導体が回りこんで堆積している場合を示している。このようなときは、予め図３（ｂ）に示すように側面に堆積した窒化物半導体の一部ないしは全部を研磨などの方法で除去し、シリコン基板２を露出させる。
【００８２】
つぎに、フッ酸と、硝酸など酸化性の酸とを含む溶液でシリコン基板２をエッチングした。窒化物半導体とサファイアは、フッ酸と硝酸を含む溶液ではエッチングされないため、シリコン基板２および合金層４のみが選択的に除去された。
【００８３】
以上によって、図３（ｃ）に示すように、いわゆるフリースタンディングの窒化物半導体基板８を得ることができた。なお、図３（ｂ）の工程で、側面に堆積した窒化物半導体の一部しか除去しなかった場合は、側面の窒化物半導体を介して、サファイア基板１と窒化物半導体基板８が繋がっている場合がある。このときは、サファイア基板１と窒化物半導体基板８の間に刃状のものを当てて、軽く衝撃を与えると分離することができる。例えば、メスをあてて、メスの背を指で軽くたたくなどの方法がある。このようにして、フリースタンディングの窒化物半導体基板を得ることができる。
【００８４】
この後、必要に応じて、側面に残っている窒化物半導体や、裏面のＡｌＮ層５などを研磨などの手法で除去し、単体のＧａＮよりなる基板を得ることも可能である（図３（ｄ））。また、エッチングにより分離されたサファイア基板１は、再度シリコン基板を貼りあわせて再利用することが可能である。
【００８５】
なお、上記いずれの実施の形態において、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等、一般式がＢ_zＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができる。
【００８６】
また、サファイア基板とシリコン基板とを形成した複合基板の上に、窒化物半導体膜だけでなく、単数や複数の窒化物半導体膜より構成される半導体レーザ装置、発光ダイオード、電解効果トランジスタ等を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、反りやクラックや歪を低減でき、結晶性のよい窒化物半導体よりなる半導体膜および半導体装置を得ることができる。
【００８８】
また、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、反りや歪を低減することができ、結晶性のよい窒化物半導体よりなる半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態における窒化物半導体膜の製造方法を表す図
【図２】本発明に係る第５の実施の形態における、シリコン・オン・サファイア基板の反りとシリコンとサファイアの膜厚の関係を表す図
【図３】本発明に係る第７の実施の形態における窒化物半導体基板の製造方法を表す図
【符号の説明】
１サファイア基板
２シリコン基板
３Ａｌ層
４合金層
５ＡｌＮ層
６ＭＯＶＰＥ成長ＧａＮ層
７ＨＶＰＥ成長ＧａＮ層
８フリースタンディングＧａＮ基板

Claims

熱膨張係数α₁を有する第１の基板と熱膨張係数α₂（α₁＜α₂）を有する第２の基板とを、第１の基板または第２の基板に対して共晶を形成しうる金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に熱膨張係数がα_N（α₁＜α_N＜α₂）である窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有する半導体装置の製造方法。
シリコン基板とサファイア基板とを、シリコン基板に共晶を形成しうる金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有する半導体装置の製造方法。
シリコン基板とサファイア基板とを、Ａｌを主成分とする金属層を介して貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の一方の主面上に窒化物半導体膜を結晶成長する工程とを有する半導体装置の製造方法。
前記複合基板を得る工程として前記シリコン基板と前記サファイア基板とを貼りあわせた後Ａｌとシリコンとを共晶化せしめる工程を有する請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記金属層に用いられる金属材料として、前記金属材料とシリコンとの共晶温度がシリコンの融点、前記金属材料の融点、サファイアの融点およびサファイアと前記金属材料の共晶温度のいずれよりも低い金属材料を用いる請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記複合基板を得る工程として前記シリコン基板と前記サファイア基板とを貼りあわせた後加熱する工程を有する請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記加熱する工程において、加熱温度が前記金属層に用いられる金属材料とシリコンとの共晶温度以上の温度であり、シリコンの融点、前記金属材料の融点、サファイアの融点およびサファイアと前記金属材料の共晶温度のいずれよりも低い温度である請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記Ａｌを主成分とする金属層を介して貼りあわせる工程が、Ａｌをシリコン基板またはサファイア基板の上に成膜する工程を有する請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記金属層の厚さは０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程において、前記シリコン基板の厚さが前記サファイア基板の厚さの１／３以下である請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程において、前記シリコン基板の厚さが前記サファイア基板の厚さの２倍以上である請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン基板の主面として、（１１１）と等価な面を用いる請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記サファイア基板の主面として、（１１−２０）と等価な面を用いる請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記サファイア基板の主面は（０００１）と等価な面であり、前記複合基板のサファイア基板側の主面に前記窒化物半導体を結晶成長する請求項３記載の半導体装置の製造方法。
シリコン基板とサファイア基板とを貼りあわせて複合基板を得る工程と、前記複合基板の前記シリコン基板上に窒化物半導体膜を成長する工程と、前記シリコン基板を除去する工程とを有する半導体基板の製造方法。
前記シリコン基板を除去する工程は、フッ酸を含有する溶液によるエッチングで行われる請求項１５記載の窒化物半導体基板の製造方法。