JP5164359B2 - フリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、フリースタンディング窒化ガリウム（ＧａＮ）基板の製造方法に関する。
青色及びＵＶ系列の発光素子などの基板材料として使われる窒化ガリウム基板の製造に関する多様な方法が提案されている。これらほとんどの従来の方法は、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板などの基板に多孔性窒化ガリウムを形成した後、その上に厚い窒化ガリウムを成長させるステップ及びＵＶレーザなどを利用して厚い窒化ガリウムをリフトオフしてフリースタンディング窒化ガリウム基板を得るステップを有する。
Ｍｙｎｂａｅｖａらは、炭化珪素基板上に窒化ガリウムを成長させる方法を提示する。この方法は、多孔性窒化ガリウムを形成するために紫外線刺激雰囲気でＨＦ溶液を利用する。したがって、この方法は、成膜工程以外の別途の湿式エッチング工程が要求され、クリーニングなどの追加工程が複雑である（非特許文献１参照）。
Ｘｉｕｌｉｎｇ Ｌｉらは、Ｐｔなどの金属を利用した無電極エッチング法によって多孔性窒化ガリウムを形成する方法を提示する。この方法は、やはり別途の金属膜の形成及びエッチング工程を要求するため、工程が複雑である（非特許文献２参照）。
以上のように、他の基板に成長する厚い窒化ガリウムを分離するための多様な方法が提案された。窒化ガリウムをサファイア基板から分離するために、基板全体を約１０００℃ほどに加熱した状態でＵＶレーザを加熱する方法がある。このような紫外線及び熱を利用してリフトオフする工程には、数時間がかかる。さらに、このような従来のリフトオフ方法は、ややともすればリフトオフ工程における熱的不均衡などの理由によって窒化ガリウム層にクラックが発生する確率が高い。
Ｙｕｉｃｈｉ Ｏｓｈｉｍａらは、ボイド形成剥離法（ＶＡＳ法：Ｖｏｉｄ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を提示する（非特許文献３参照）。この方法は、多孔性窒化ガリウムの容易な分離のために窒化ガリウムテンプレート基板上に行った別途のＴｉＮナノネットの形成以後、別途に厚い窒化ガリウムを形成する。この方法は、比較的良質のフリースタンディング窒化ガリウムが得られるが、工程が複雑で、かつメタルによる汚染の危険があり、製造コストが高い。
Ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ ＧａＮ Ｌａｙｅｒｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ｐｏｒｏｕｓ ＧａＮ ｓｕｂｌａｙｅｒｓ（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ.Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｒｅｓ.４,１４（１９９９）） Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｂａｎｄｇａｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ＧａＮ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｗｅｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ（Ｖｏｌｕｍｅ ８０,Ｎｕｍｂｅｒ６,１１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００２,Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ ＧａＮ Ｗａｆｅｒｓ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ ｗｉｔｈ Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ（Ｊｐｎ.Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｖｏｌ.４２（２００３）ｐｐ.Ｌ１−Ｌ３ Ｐａｒｔ２,Ｎｏ.１Ａ／Ｂ,１５ Ｊａｎｕａｒｙ ２００３）
Ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ ＧａＮ Ｌａｙｅｒｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ｐｏｒｏｕｓ ＧａＮ ｓｕｂｌａｙｅｒｓ（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ.Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｒｅｓ.４,１４（１９９９）） Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｂａｎｄｇａｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ＧａＮ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｗｅｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ（Ｖｏｌｕｍｅ ８０,Ｎｕｍｂｅｒ６,１１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００２,Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ ＧａＮ Ｗａｆｅｒｓ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ ｗｉｔｈ Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ（Ｊｐｎ.Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｖｏｌ.４２（２００３）ｐｐ.Ｌ１−Ｌ３ Ｐａｒｔ２,Ｎｏ.１Ａ／Ｂ,１５ Ｊａｎｕａｒｙ ２００３）
本発明が解決しようとする課題は、製作工程が単純で製造コストが低く、収率の高いフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、単一の反応器内でフリースタンディング窒化ガリウム基板を製造できる方法を提供することである。
前記課題を達成するために、本発明のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法は、反応器内に窒化ガリウム層が形成された基板を設けるステップと、前記反応器に塩化水素ガス及びアンモニアガスを供給して前記窒化ガリウム層の表面を処理して多孔性窒化ガリウム層を形成するステップと、前記多孔性窒化ガリウム層上に窒化ガリウム結晶成長層を形成するステップと、前記窒化ガリウム結晶成長層が形成された前記基板を冷却して前記窒化ガリウム結晶成長層を前記基板から分離するステップと、を含む。
本発明の製造方法において、前記窒化ガリウム層が形成された基板を設けるステップは、前記反応器内に半導体基板を設置し、半導体基板の表面に窒化ガリウム層を形成するステップをさらに含む。
望ましくは、前記半導体基板は、サファイア基板、炭化珪素基板または窒化ガリウム基板である。
本発明の方法によれば、多孔性窒化ガリウム層の形成及び窒化ガリウム結晶成長層の形成などを含む全工程が単一反応器内でインシチュ（in situ）で進められ、窒化ガリウム結晶成長層は、基板を冷却することによってクラックの発生なしに自発的に基板から分離される。このような本発明の方法は、従来に比べて非常に単純化される。このように全工程が一つの反応器内で行われるだけでなく、特に、窒化ガリウム層の表面処理及び窒化ガリウム結晶成長層の形成がＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）工程のガスを利用して進められるので、製造コストが大幅に低減できる。特に、窒化ガリウム結晶成長層の基板からの分離が、クラックの発生なしに自発的になされるため、工程時間が非常に短く、かつ収率も高い。
以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図１Ａに示したように、窒化ガリウム層１１がその上面に形成される半導体基板、例えば、サファイア基板１０を準備する。本発明では、半導体基板としては、サファイア基板の他に、窒化ガリウム基板または炭化珪素基板が適用されうる。前記サファイア基板１０は、窒化ガリウム結晶成長層が成長するための開始基板である。望ましくは、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）装置の反応器内に前記サファイア基板１０をローディングした後、窒素（Ｎ２）キャリアガスと共に塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスをソースとして供給して窒化ガリウム層１１を前記サファイア基板１０の表面に成長させる（または、有機金属気相成長法：ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法によってサファイア基板上に窒化ガリウム層を形成した基板を使用する）。
図１Ｂに示したように、窒化ガリウム層１１の成長が完了した後、前記反応器内に雰囲気ガスとしてＨＣｌガスとＮＨ３ガスとを投入してインシチュで窒化ガリウム層１１の表面を処理する。このような表面処理によれば、図１Ｃに示したように、サファイア基板１０の表面に多孔性窒化ガリウム層１１ａが形成される。前記表面処理についての詳細な内容は後述する。
図１Ｄに示したように、前記反応器内でインシチュで厚い窒化ガリウム結晶成長層１２の形成を実施する。このためにガリウム（Ｇａ）ソース及び窒素（Ｎ）ソースガスを供給して通常の方法で前記多孔性窒化ガリウム層１１ａ上に厚い窒化ガリウム結晶成長層１２を形成する。
図１Ｅに示したように、反応器内で前記サファイア基板１０を冷却させる。このときの冷却は、自然冷却が望ましい。このような冷却によって前記サファイア基板１０から前記窒化ガリウム結晶成長層１２が分離される。図１Ｆに示したように、分離された窒化ガリウム結晶成長層１２は、フリースタンディング窒化ガリウム基板であって半導体素子の製造に使われる。前記分離された窒化ガリウム結晶成長層１２は、一般的な工程のように、ポリシング過程を経る。
次の実施例は、窒化ガリウム基板を厚い窒化ガリウム結晶成長層の形成のための開始基板として適用する工程である。この例では窒化ガリウム層が形成された基板として窒化ガリウム基板を用いている。
図２Ａに示したように、ＨＶＰＥ装置の反応器内に窒化ガリウム基板１１’をローディングする。
図２Ｂに示したように、反応器内に塩化水素（ＨＣｌ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとを投入して前記窒化ガリウム基板１１’を表面処理する。このような表面処理によれば、図２Ｃに示したように、窒化ガリウム基板１１’の表面に多孔性窒化ガリウム層１１ａが形成される。
図２Ｄに示したように、前記反応器内に窒化ガリウム結晶成長層１２の形成ためのソースを供給して前記多孔性窒化ガリウム層１１ａ上に厚い窒化ガリウム結晶成長層１２を形成する。
図２Ｅに示したように、反応器内で前記窒化ガリウム基板１１’を冷却させる。このような冷却によって、前記窒化ガリウム基板１１’から前記窒化ガリウム結晶成長層１２が容易に分離される。図２Ｆに示したように、分離された窒化ガリウム結晶成長層１２は、フリースタンディング窒化ガリウム基板であって半導体素子の製造に使われる。前記分離された窒化ガリウム結晶成長層１２は、一般的な工程のようにポリシングなどの過程を経る。
前記二つの実施例で説明されたように、本発明の方法は、多孔性窒化ガリウム層を形成するための基板が窒化ガリウム基板またはサファイア基板などの半導体基板である。
本発明の工程で使われる設備は、ＨＶＰＥ装置であって、この設備内で多孔性窒化ガリウム層の形成及び厚い窒化ガリウム結晶成長層の形成がインシチュで連続的になされる。
以下、多孔性窒化ガリウム層を形成する条件について説明する。窒化ガリウム層の表面処理は、垂直ＨＶＰＥ装置が利用される。ＨＶＰＥ装置の反応器の温度を９００〜１２００℃、望ましくは、１０００℃まで昇温した後、窒化ガリウム層の表面処理に必要なガスをＮ２キャリアガスと共に装置内に数分間流す。
この時に使われるガスは、塩化水素（ＨＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスであり、このとき、塩化水素ガス及びアンモニアガスの供給は、塩化水素ガスが５０〜１５０ｓｃｃｍ、望ましくは１００ｓｃｃｍの流量で行われ、アンモニアガスが５００〜１５００ｓｃｃｍ、望ましくは１０００ｓｃｃｍの流量で行われる。そして、窒素（Ｎ２）キャリアガスは８０００ｓｃｃｍほどの流量で供給される。このとき、気圧は常圧である。このようなガスの供給により、窒化ガリウム基板または窒化ガリウム層の表面でガリウム（Ｇａ）の分解が起きつつ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガス及び水素（Ｈ２）ガスが発生して排気され、その結果、窒化ガリウム層の表面には、所定深さのボイドが発生する。図３は、このような表面処理条件によって得られた窒化ガリウム基板上の多孔性窒化ガリウム層のＳＥＭイメージである。図３に示したように、窒化ガリウム層上に多孔性窒化ガリウム層が約８μｍほどの厚さで形成されているということが分かる。
このような多孔性窒化ガリウム層の形成に次いで、多孔性窒化ガリウム層の形成のために表面処理が進められた前記装置内に塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを適切に供給することによって、前記多孔性窒化ガリウム層上に厚い窒化ガリウム結晶成長層を形成させる。
図４Ａは、多孔性窒化ガリウム層上に厚い窒化ガリウム結晶成長層が形成したサンプルのＳＥＭイメージである。図４Ａで、矢印部分は、多孔性窒化ガリウム層を表す。図４Ｂは、図４Ａに示されたサンプルの多孔性窒化ガリウム層を部分的に拡大したＳＥＭイメージである。図４Ｂで、中央の明るいバンドが多孔性窒化ガリウム層であって約７μｍほどの厚さを有する。そして、図４Ｃは、前記多孔性窒化ガリウム層をさらに大きく拡大したものであって、多孔性窒化ガリウム層のボイドがよく形成されているということが分かる。
このように多孔性窒化ガリウム層上に形成された厚い窒化ガリウム結晶成長層は、基板の冷却後に自発的な分離によって前記開始基板１０,１１’から分離される。図５は、冷却によって自発的に分離されたフリースタンディング窒化ガリウム基板を示す。このような窒化ガリウム基板の分離において、別途に加えられる若干の力は、厚い窒化ガリウム結晶成長層の分離に助けになる。
このような本願発明の理解を助けるために、幾つかの模範的な実施例が説明され、かつ添付された図面に示されたが、このような実施例は、単に広い発明を例示し、これを制限しないという点が理解されねばならず、そして、本発明は、図示されて説明される制限された工程説明に限定されないという点が理解されねばならない。それは、多様な他の修正が当業者に発生しうるためである。
本発明は、大きいスケールのフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造に適用されうるが、特に、数μｍ以上の厚さのフリースタンディング窒化ガリウム基板を経済的に製作できる。
Claims (6)
- 反応器内に窒化ガリウム層が形成された基板を設けるステップと、
前記反応器に塩化水素ガス及びアンモニアガスを供給して前記窒化ガリウム層の表面を処理して多孔性窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記多孔性窒化ガリウム層上に前記多孔性窒化ガリウム層に連続して窒化ガリウム結晶成長層を形成するステップと、
前記窒化ガリウム結晶成長層が形成された前記基板を冷却して前記窒化ガリウム結晶成長層を前記基板から分離するステップと、
を含み、
前記窒化ガリウム層の表面を処理して多孔性窒化ガリウム層を形成するステップは、前記供給された塩化水素ガス及びアンモニアガスにより前記窒化ガリウム層の表面の窒化ガリウムを分解し、この分解により発生した塩化ガリウムガス及び水素ガスを排気することにより、前記窒化ガリウム層の表面に所定深さのボイドを形成することを特徴とするフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。 - 前記窒化ガリウム層が形成された基板を設けるステップは、前記反応器内に基板を設置し、基板の表面に窒化ガリウム層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。
- 前記基板は、サファイア基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板のうち何れか一つであることを特徴とする請求項２に記載のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。
- 前記多孔性窒化ガリウム層を形成するステップは、９００〜１２００℃の温度で進められることを特徴とする請求項１に記載のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。
- 前記反応器は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）装置の反応器であることを特徴とする請求項１に記載のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。
- 常圧で、前記塩化水素ガスは５０〜１５０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスは５００〜１５００ｓｃｃｍの流量で供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフリースタンディング窒化ガリウム基板の製造方法。
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