JP4333466B2 - 半導体基板の製造方法及び自立基板の製造方法 - Google Patents
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Description
既に世の中に広く普及しているシリコン(Si)や砒化ガリウム(GaAs)等は、それぞれSi基板、GaAs基板といった同種の材料からなる基板の上に、デバイスを作るためのエピタキシャル成長層を、ホモエピタキシャル成長させて使用されている。同種基板上のホモエピタキシャル成長では、基板とエピタキシャル成長層の間に格子定数や線膨張係数の差が無いため、エピタキシャル成長後の基板が反ることはなく、平坦なエピタキシャル成長表面を得ることができる。
また、下地基板を除去したGaN自立基板においても、反りが顕著に観察されることが知られている。結晶成長中に既に反りが生じ始め、反った形のまま成長する場合もあるし、歪を内在したまま成長し、下地基板を除去することによって反りを生じることもある。例えば、前述のVAS法では、厚さ350μmのGaN自立基板を作成した場合、自立基板は下に凸に反り、膜厚がほぼ均一であれば、基板の中央部と周辺部で数百μmもの反りを生じることがある。
例えば、基板に反りがあると、基板上にデバイス構造のエピタキシャル成長を行う際に、基板の裏面とサセプタとが密着せず、このため基板を加熱した際の基板への熱の伝わり方が不均一になって、基板面内で温度分布が生じてしまう。基板面内で温度に差があると、エピタキシャル成長を行う際に、成長膜厚、組成、不純物濃度等にばらつきが生じてしまい、面内で均一な成長を行うことができず、ひいてはデバイス特性のばらつきを大きくする要因となる。
本発明の基板は、異種基板上に半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板であっても、単一材料の半導体層からなる自立基板であってもよい。
基板を成長させる方法としては、MOVPE法、MBE法、HVPE法等の公知の方法を用いることができる。中でも結晶成長後にエピタキシャル成長層を異種基板から剥離して、エピタキシャル成長させた層の自立基板を作成する方法においては、結晶成長速度の速いHVPE法が好ましい。
本発明における略平坦な面とは、例えばエピタキシャル層を成長させた直径50mmの基板を平坦な面に置いた時に、基板表面と前記平坦面との距離のばらつきが、50μm以下、好ましくは10μm以下となることが望ましい。前記のばらつきの限度を超えると、コンタクト式のマスクアライナで、マスクを基板に密着させた際に、基板が割れる確率が非常に高くなる。また、研磨治具に基板を貼り付ける際、あるいは研磨工程で、基板が割れる確率も高くなるからである。
上記基板の中でも、特に自立基板は、表面を鏡面研磨するのが望ましい。一般に、アズグロウンの厚膜エピタキシャル成長層表面には、ヒロック等の大きな凹凸や、ステップバンチングによって現れると思われる微少な凹凸が多数存在している。これらは、その上に成長させるエピタキシャル層のモフォロジを悪化させたり、膜厚、組成等を不均一にする要因となるばかりでなく、デバイス作製工程においても、フォトリソグラフィ工程の露光精度を低下させる要因となる。このため、自立基板表面は平坦な鏡面であるのが好ましい。
鏡面研磨加工後の基板表面の平坦度は、基板表面の50μm×50μmの範囲を測定して求めた算術平均粗さRaを用い、この算術平均粗さRaが10nm以下であるのが好ましい。この値を超えると、ステッパに基板をかける際に要求される一般的な平坦度を超えてしまい、不都合を生じるからである。
この半導体基板10は、サファイア基板11の表面に、GaNエピタキシャル成長層12を形成したところ、図1のような形状に反りを生じたものである。ここで、GaNエピタキシャル成長層12の膜厚は、サファイア基板11の中央部上の厚さt1が、サファイア基板11の端部上の厚さt2よりも小さくなるように形成されている。
まず、横型常圧MOCVD炉を用い、直径φ2インチのサファイア基板(C面)11上に、MOCVD法を用いてGaN単結晶を2μmエピタキシャル成長させた。原料としてアンモニアガスとトリメチルガリウムを、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを使用した。サファイア基板11は、水素雰囲気で1100℃に加熱して表面の酸化物等をクリーニングしたのち、基板温度を550℃に下げてその上にGaNを20nm成長させ、さらに基板温度を1050℃に上げて、GaNを2μm成長させた。室温まで冷却して得られたGaNエピタキシャル基板は、平坦できれいな鏡面を呈していた。このエピ基板の反りを測定したところ、平坦面に基板を置いた時の基板の中央部と周辺部の高さの差が2.5μmと比較的良好な平坦性を示していた。
〔比較例1〕
まず、φ2インチ径のサファイア基板(C面)21を用意し(工程a)、そのサファイア基板21上に、MOVPE法で、20nmの低温成長GaNバッファ層を介してSiドープGaN層22を0.5μm成長させた(工程b)。成長圧力は常圧、バッファ層成長時の基板温度は600℃、エピ層成長時の基板温度は1100℃とした。原料は、III族原料としてTMGを、V族原料としてNH3を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/hであった。エピ層のキャリア濃度は、2×1018cm−3とした。
〔比較例2〕
〔比較例3〕
11 サファイア基板
12 GaNエピタキシャル成長層
20 半導体基板
21 サファイア基板
22 SiドープGaN層
23 Ti薄膜
24 ボイド形成GaN層
25 穴形成TiN層
26 GaN層
30、31、33、41 GaN自立基板
51 貼り付け治具
52 ワックス
Claims (4)
- 下地基板上に、当該下地基板とは格子定数または線膨張係数が異なる半導体材料から成るエピタキシャル層を成長させることにより、エピタキシャル層を有する半導体基板が反りを生じる半導体基板の製造方法において、
前記半導体基板の成長面を平坦化するように、前記エピタキシャル層を前記下地基板の中央部より端部で膜厚が大きくなるように成長させるか、または前記エピタキシャル層を前記下地基板の中央部より端部で膜厚が小さくなるように成長させることを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 下地基板上に、当該下地基板とは格子定数または線膨張係数が異なる半導体材料から成るエピタキシャル層を成長後、前記下地基板を剥離した際に前記エピタキシャル層からなる自立した基板が反りを生じる自立基板の製造方法において、
前記エピタキシャル層の成長面を平坦化するように、前記エピタキシャル層の膜厚を前記下地基板上の中央部より端部で大きくなるように形成するか、または前記エピタキシャル層の膜厚を前記下地基板上の中央部より端部で小さくなるように形成することを特徴とする自立基板の製造方法。 - 更に、自立基板のエピタキシャル成長面とその反対面のうち、前記エピタキシャル成長面を研磨治具に貼り付け前記反対面を平坦に研磨することを特徴とする請求項2記載の自立基板の製造方法。
- 更に、自立基板のエピタキシャル成長面とその反対面のうち、まず前記エピタキシャル成長面を研磨治具に貼り付け前記反対面を平坦に研磨した後、研磨面を逆に張り替えて前記エピタキシャル成長面を鏡面研磨することを特徴とする請求項2記載の自立基板の製造方法。
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