JP5297850B2 - Iii族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、HVPE法を用いたGaN半導体基板の製造方法が開示されている。この製造方法では、サファイア(Al2O3)基板上に、ストライプ状に配置された断面矩形形状の被覆部および被覆部間に形成された開口部を有するマスクを形成する。このマスクの被覆部は、サファイア基板の<11−20>、GaN半導体の<1−100>方向に延在する。
マスク形成後、その開口部からGaN半導体層を成長させ、前記マスクの被覆部上面を、完全には覆わない状態で成長を止める。次に、マスクをドライエッチングにより除去し、GaN半導体層上にさらにGaN半導体層を成長させる。その後、サファイア基板をそのまま剥離し、GaN半導体基板を得る。
ところが、従来のGaN半導体基板の製造方法では、GaN半導体層からサファイア基板を剥離する際、GaN半導体層が損傷を受けることが多く、ひどい場合にはGaN半導体層が粉々に割れてしまうことがあった。
サファイア基板を剥離する従来の方法としては、たとえば、特許文献2に記載の方法が挙げられる。この方法では、GaN半導体層を加熱しながらサファイア基板側からレーザ光を照射する。レーザ光としては、波長が355nmのYAGレーザを用いる。レーザ光はGaN半導体層で吸収され、これによってサファイア基板とGaN半導体層との界面近傍のGaNは熱分解され、剥離が起こる。
また、サファイア基板を剥離する従来の方法として、特許文献3に記載された方法もあげられる。
この方法では、サファイア基板上に、金属膜(たとえば、アルミニウム膜)を堆積させ、この金属膜上にGaNを成長させ、GaN半導体層を形成する。そして、金属膜をエッチングすることにより、GaN半導体層からサファイア基板を剥離する。
同様に、特許文献3に記載された技術においても剥離のためのエッチング設備が必要であり、エッチング液がサファイア基板とGaN膜の界面に浸透しにくく、特に大きな面積の金属膜を完全にエッチングで除去するには長時間を必要とする。
なお、図2の原子間距離を算出するための格子定数は、joint committee on powder diffraction standards(JCPDS− International Centre for Diffraction Data 1998)および金属データブック(1974)、p275を参照した。
2MC+2NH3+H2→2MN+2CH4・・・(2)式
(2)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Ta
III族窒化物半導体をエピタキシャル成長する間にAlNはIII族窒化物半導体と混晶を形成し、最終的に下地基板側にCが濃縮したIII族窒化物半導体層が形成される。TiN、ZrN、HfN、VNまたはTaNは、III族窒化物半導体と混晶を形成しないが、最終的に窒化反応の進行によって下地基板側にCが濃縮したTiN、ZrN、HfN、VNまたはTaNが形成される。
MC+N→MN+C・・・・・・・・・・・・・・・・(4)式
(4)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Ta
ここで、一般に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、金属が炭素に対して過剰となる不定比化合物になることが知られている。そのため、第一の膜がない場合には、成膜条件等により、炭化物層中に過剰に存在するアルミニウムやチタン等の金属が、下地基板と強固に結合してしまう可能性が考えられる。
そこで、本発明では、炭化物層と下地基板との間に第一の膜を設けている。
この第一の膜を設けることで、炭化物層中に過剰に存在するアルミニウムやチタン等の金属が、下地基板と結合してしまうことを防止できる。また、Cは、下地基板に対しても不活性である。そのため、下地基板を容易に分離することが可能となる。
以上のように本発明によれば、従来のように手間をかけることなくIII族窒化物半導体層から、下地基板を容易に除去することができ、III族窒化物半導体基板の製造方法が簡便なものとなる。
第一の膜の厚みを0.1nm以上とすることで、炭化物層中の過剰な金属と、下地基板とが強度に結合してしまうことを確実に防止できる。
一方で、第一の膜の厚みを0.4nm以下とすることで、III族窒化物半導体層の結晶性を高めることができる。
このような第一の膜を使用することで、確実に下地基板と、炭化物層中の金属との結合を防止できる。
このようにすれば、第一の膜と、炭化物層とを、同一装置内で連続して成膜することができ、手間をかけずに製造することができる。同一装置とは、例えばスパッタリング装置、MOCVD装置、HVPE装置、MBE装置などであり、スパッタリング装置ではプロセスガスとしてCH4とArの導入量比を変えることにより成膜可能である。
なお、この場合、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、窒化工程にて、AlN、TiN、ZrN、HfN、VNまたはTaNとなり、さらに、AlNはIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長する間にIII族窒化物半導体と混晶を形成することとなる。
炭化チタンは、下地基板およびIII族窒化物半導体との格子整合性に優れており、下地基板の結晶情報が第一の膜に含まれる炭化チタンによって炭化チタン層に引き継がれ、さらにはIII族窒化物半導体層に引き継がれるため、III族窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。
炭化物層の表面が酸化膜で覆われてしまうと、その上部に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性が低下する可能性がある。
そこで、炭化物層上に、第二の膜を形成することで、炭化物層の酸化を防止し、III族窒化物半導体層の結晶性の低下を抑制することができる。
このような膜を第二の膜として使用することで、炭化物層の酸化を確実に防止できる。さらに、II族窒化物半導体層をエピタキシャル成長する際に、水素との反応で炭素はCH4となって気化し消失する。そのため、第二の膜を炭素から構成される膜とすることで、清浄な表面を有する炭化物層が得られ、良質なIII族窒化物半導体層を成長することができる。
炭素膜中に炭化物が分散した膜であれば、ターゲットしてアルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムまたはタンタルを使用した反応性スパッタリングを利用し、炭化水素とアルゴンの流量比等を変えることで、炭化物層形成と第二の膜を連続して手間をかけずに形成することができる。
サファイア基板は、比較的安価に入手することが可能であり、III族窒化物半導体の成長用基板として優れた耐食性と結晶品質が確保されているからである。
また、前記炭化物層の厚みが20nm以上、500nm以下であることが好ましい。
炭化物層の厚みを20nm以上とすることで炭化物層の結晶性を高めることが可能であり、III族窒化物半導体層の結晶性を向上させるという効果がある。
一方で、炭化物層の厚みを500nm以下とすることで炭化物層の形成に多くの時間を費やすことなく結晶性の高いIII族窒化物半導体層が得られるという効果がある。
(i)下地基板上に、第一の膜として、炭素から構成される炭素膜、または、炭素膜中に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物が分散した膜を形成する工程
(ii)前記第一の膜上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成する工程
(iii)前記炭化物層を窒化する工程、
(iv)窒化された前記炭化物層の上部にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
(v)III族窒化物半導体層から、前記下地基板を除去して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程
(第一の膜の形成工程)
まず、下地基板として、たとえば、厚さ550μmの3インチφのサファイア(Al2O3)基板10を用意する。次に、このサファイア基板10上に、第一の膜11を形成する(図3(A))。
第一の膜11は、炭化物層中の金属と、サファイア基板10とが結合してしまうことを防止する結合防止膜である。
第一の膜11は、実質的に炭素から構成される炭素膜あるいは炭素膜中に炭化チタンが分散した膜である。
第一の膜11として、実質的に炭素からなる炭素膜を成膜する場合、成膜条件は、たとえば以下のようにする。
(炭素膜の形成工程)
成膜方法:スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:5〜50秒
スパッタガス:Arガス
圧力:0.2〜0.5Pa
ターゲット:C
膜厚 :0.1nm〜0.4nm
この実質的に炭素からなる炭素膜は、金属炭化物を実質的に含まない。金属炭化物を実質的に含まないとは、金属炭化物を意図的に添加していないことをいい、不可避的に混入してしまうものは含まれる。
また、実質的に炭素から構成される膜とは、炭素以外の元素を原料として意図的に添加しないことをいい、不可避的に混入してしまうものは、含む趣旨である。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:2.5〜10秒
圧力:0.2〜0.5Pa
スパッタガス:Arガス
反応性ガス:炭化水素(CH4)
反応性ガス流量:7.4sccm
ターゲット:Ti
膜厚 :0.1nm〜0.4nm
炭化水素の導入量が多い条件で反応性スパッタリングを行うと、C膜中にTiCが分散した膜が成膜されることとなる。ここでは、メタンガスの供給量を適宜調整することで、第一の膜11が成膜されることとなる。
この第一の膜11は、Cを主成分とした膜であり、炭素膜を母材とし、この母材中にTiCを含む膜である。たとえば、炭素が海状(マトリクス)であり、TiCがこのマトリクス中に分散した形態である。
第一の膜11中のTiC濃度は、C単体(TiCとして存在するCを除くC)の濃度よりも低い。また、第一の膜11のTiC濃度は、後段で成膜される炭化チタン層12中のTiC濃度よりも低い。たとえば、第一の膜11中のTiC濃度は、33〜49%である。
このようにすることで、第一の膜11は緻密な膜となり、均一で結晶配向性の高い炭化物層が形成され、III族窒化物半導体層の高品質化が実現する。
また、第一の膜11の成膜温度を高くすると、C膜中にTiCが分散した膜の場合にはC膜中のTiCの一部も結晶配向が起こり、これにより、炭化チタン層12の結晶配向性も向上することとなる。
第一の膜11の厚みは、0.1nm以上、0.4nm以下であることが好ましい。なかでも、0.2nm以上、0.3nmであることが好ましい。この第一の膜の厚みは、スパッタリング装置による成膜時間から計算した値である。
また、第一の膜11は、サファイア基板10のうち、後述する炭化チタン層12が形成される領域(本実施形態では、サファイア基板10の全面)を完全に被覆する必要はない。第一の膜11は、下地基板であるサファイア基板10を完全に被覆していてもよく、また、島状あるいはドット状の膜がサファイア基板10上に均一に分布した状態でも構わない。
第一の膜11を、サファイア基板10を完全被覆するものとした場合には、III族窒化物半導体層を容易にサファイア基板10から剥離させることができる。
一方で、第一の膜11を、島状あるいはドット状の膜とした場合には、サファイア基板10の結晶情報がIII族窒化物半導体層に伝達されやすくなり、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を得ることができる。
図3(B)に示すように、第一の膜11上に炭化チタン層12を形成する。
炭化チタン層12の成膜条件は、たとえば、以下のようにする。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:500〜1000℃
成膜時間:4.5〜114分
圧力:0.2〜0.5Pa
スパッタガス:Arガス
反応性ガス:CH4
炭化チタン層12は、TiCが主成分の層であり、C原子は、Ti原子と結合し、TiCを構成している。
成膜温度は、500℃以上、1000℃以下であることが好ましいが、600℃以上であることが好ましく、900℃以下であることが好ましい。600℃以上であれば結晶性の高いTiC層が形成可能で、900℃より高い温度では下地基板面内の温度分布斑が発生しやすくなるためTiC層の結晶性に分布が発生しやすくなる。
また、炭化チタン層の厚みは、結晶性向上の観点から、20nm以上、製造効率の観点から500nm以下であることが好ましいが、なかでも、結晶性を高めるという観点から、70nm以上、さらには120nm以上とすることが好ましい。また、炭化物層の形成に多くの時間を費やすことなく結晶性の高い炭化物層を得るという観点から、150nm以下とすることが好ましい。
次に、図3(C)に示すように、炭化チタン層12上にこの炭化チタン層12を覆う第二の膜13を成膜する。この第二の膜13は、炭化チタン層12の酸化を防止する酸化防止膜である。
第二の膜13は、炭素からなる炭素膜あるいは炭素膜中に炭化チタンが分散した膜である。
(炭素膜の形成工程)
成膜方法:スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:4〜40分
スパッタガス:Arガス
圧力:0.2〜0.5Pa
ターゲット:C
膜厚 :5nm〜50nm
この炭素膜は、実質的に炭素からなる膜となり、金属炭化物を実質的に含まない。金属炭化物を実質的に含まないとは、金属炭化物を意図的に添加していないことをいい、不可避的に混入してしまうものは含まれる。
また、実質的に炭素から構成される膜とは、炭素以外の元素を原料として意図的に添加しないことをいい、不可避的に混入してしまうものは、含む趣旨である。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:2.5〜25分
圧力:0.3〜0.5Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:7.4sccm
ターゲット:Ti
膜厚 :5nm〜50nm
この第二の膜13は、Cを主成分とした膜であり、炭素膜を母材とし、この母材中にTiCを含む膜である。たとえば、炭素が海状(マトリクス)であり、TiCがこのマトリクス中に分散した形態である。
第二の膜13中のTiC濃度は、C単体(TiCとして存在するCを除くC)の濃度よりも低い。また第二の膜13のTiC濃度は、炭化チタン層12中のTiC濃度よりも低い。たとえば、第二の膜13中のTiC濃度は、33〜49%である。
このようにすることで、第二の膜13が緻密な膜となり、確実に炭化チタン層12の酸化を防止することができる。
また、第二の膜13は、5nm以上、50nm以下であることが好ましいが、なかでも、20nm以上であることが好ましい。第二の膜13を10nm以上とすることで、確実に炭化チタン層12の酸化を防止することができる。
さらに、第二の膜13は、炭化チタン層12の全面を完全に被覆している。
次に、図4(A)に示すように、炭化チタン層12を300℃以上、1000℃以下の雰囲気下で窒化し、窒化した炭化チタン層14を形成する。
炭化チタン層12の窒化条件は、たとえば、以下のようである。
窒化時間:5〜30分
窒化ガス:NH3ガス、H2ガス、N2ガス
窒化温度を500℃以上とすることで炭化チタン層12の窒化速度を早くするという効果がある。
一方で、窒化温度を700℃以下とすることで炭化チタン層が第一の膜11界面まで窒化するのを抑制でき、窒化物が第一の膜11を貫通して下地基板と強固に結合するのを防止するという効果がある。
CH4→C+2H2・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
また、窒化時間は、30分以下であることが好ましい。窒化時間を30分程度とすることで、炭化チタン層を適度に窒化することができる。
2TiC+N2→2TiN+2C・・・・・・・・・・・(6)式
なお、図4(B)に示す符号142は、炭化チタンを示し、符号141は、窒化チタンを示している。すなわち、サファイア基板10側にはTiCが残り、その上にはTiCの結晶情報を引き継いだTiN層が形成されていることを示している。
同様に、第二の膜13として、炭素膜中に炭化チタンを含む膜を使用した場合にも、炭化チタン層12を窒化する工程にて、TiNとなることがある。
これらのTiNは後段のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長する間に下地基板の結晶情報を引き継ぐ役目をし、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を形成することとなる。
次に、図4(B)に示すように、窒化した炭化チタン層14上に、III族窒化物半導体層16をエピタキシャル成長させる。本実施形態では、III族窒化物半導体層16は、GaN半導体層16である。なお、III族窒化物半導体層は、GaNに限られるものではなく、たとえば、AlGaN等であってもよい。
GaN半導体層16の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜500分
膜厚:100μm〜1500μm
HVPE装置(図示略)中には、Gaソースが配置され、このGaソースに対し、HClガスを供給する。HClガスと、Gaソースを反応させ、GaClを窒化した炭化チタン層14近傍の領域に輸送する。窒化した炭化チタン層14近傍の領域には、NH3ガスも供給されているので、NH3ガスと、GaClが反応してGaNが成長し、GaN半導体層16が形成されることとなる。炭化チタン142はGaNから供給される窒素原子で窒化され、窒化チタンとカーボンを生成する。最終的に図4(C)に示すように、第一の膜11側にCが濃縮した窒化チタン層141が生成する。なお、図4(C)において、符号143は、Cの濃縮部を示している。
次に、図4(D)に示すように、GaN半導体層17から、サファイア基板10を剥離して除去する。
具体的には、GaN半導体層17を形成したHVPE装置の温度を降温し、前記GaN半導体層17を常温まで、冷却する。
この冷却中に、前記GaN半導体層17とサファイア基板10の熱膨張係数の違いからこれらの積層体に歪みが生じ、前記GaN半導体層17とサファイア基板10とが第一の膜11とサファイア基板10との界面で分離されることとなる。
剥離したGaN半導体層17には、Cの濃縮部143を含む窒化チタン層141および第一の膜11が強固に結合されているので、表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるGaN基板を作製することができる。
本実施形態では、サファイア基板10上に炭化チタン層12を形成し、この炭化チタン層12を窒化している。このようにすることで、第一の膜11側にCの濃縮部を含む窒化チタン層141が形成される。Cは、GaNに対し不活性であるため、サファイア基板10と、GaN半導体層17との結合力を弱めることができる。
ここで、一般に炭化チタンは、金属が炭素に対して過剰となる不定比化合物が含まれることが知られており、第一の膜11がない場合には、炭化チタン層12中に過剰に存在するチタンが、サファイア基板10と結合してしまうおそれがある。
これに対し、炭素を主成分とする第一の膜11を設けることで、過剰に存在するチタンがサファイア基板10と結合してしまうことを防止できる。また、Cは、サファイア基板10に対しても不活性である。そのため、サファイア基板10を容易に剥離することが可能となる。
また、第一の膜11として炭素膜中に炭化チタンを含む膜を成膜する場合には、C原料の供給量により、膜中に均一にTiCを分布させることが難しいことがある。これに対し、第一の膜11として炭素膜を成膜した場合には、均一な組成である膜を成膜することができる。
一方で、第一の膜11として炭素膜中に炭化チタンを含む膜を成膜した場合には、第一の膜11が炭化チタンを含むため、サファイア基板10の結晶情報を炭化チタン層12に引き継ぎやすくなる。
このようにすることで、炭化チタン層12中のチタンと、サファイア基板10とが強固に結合してしまうことを確実に防止できる。
また、本実施形態では、第一の膜11の厚みを0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下としている。
第一の膜11の厚みを0.4nmを超えるものとした場合には、GaN半導体層の結晶性が低下し、GaN半導体層の表面にピットが多く発生した状態となる場合がある。
これに対し、第一の膜11の厚みを0.4nm以下とすることで、GaN半導体層の結晶性を高めることができる。
このようにすることで、第一の膜11と、炭化チタン層12と、第二の膜13とは、スパッタリング装置のスパッタガスと反応性ガスの流量比等を変えることにより連続して成膜することができ、GaN半導体基板を手間をかけずに製造することができる。
炭化チタン層12の表面が酸化してしまうと、その上部に形成されるGaN半導体層の結晶性が劣化するおそれがある。
そこで、炭化チタン層12上に、第二の膜13を形成することで、炭化チタン層12の酸化を防止し、GaN半導体層の結晶性の劣化を確実に抑制することができる。
第二の膜13として、炭素から構成される炭素膜を使用した場合の方が、炭素膜中に炭化チタンを含む膜を使用した場合に比べて確実に炭化チタン層12の酸化を防止することができる。
なお、第二の膜13として炭素膜中に炭化チタンを含む膜を使用した場合には、炭素膜中の炭化チタンが酸化し、チタン酸化物を形成することがある。しかしながら、この場合、GaN半導体層の結晶性にほとんど影響を及ぼさない。
これは、以下の理由によるものと推測される。
炭化チタン層12の窒化工程において、第二の膜13中の炭素が、水素ガスにより、メタンとして気化する。これにより第二の膜13中には、炭化チタン層12に通じる空隙が形成される。この空隙を通じて炭化チタン層12からGaN半導体の成長が始まることとなる。また、チタン酸化物は、結晶方位がランダムであり、GaN半導体との格子整合性もないため、GaN半導体の成長の起点になりにくい。
以上のことから、第二の膜13として炭素膜中に炭化チタンを含む膜を使用した場合であっても、GaN半導体層の結晶性には、ほとんど影響を及ぼさない。
さらに、本実施形態では、第二の膜13の厚みを50nm以下としている。
このようにすることで、第二の膜の成膜に多くの時間を費やすことなくGaN半導体基板の製造工程にかかる時間を適度なものとすることができる。
ただし、前記実施形態のように、冷却することにより、ほとんど外力を加えずに、サファイア基板10が分離除去されれば、前記GaN半導体層17に加わるダメージを確実に抑制することができる。このため、損傷の少ない高品質のGaN半導体基板が安定的に得られる。
炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、非化学量論的化合物であり、炭素原子に比べ金属原子が過剰に存在する。そのため、過剰な金属原子が下地基板に対し、比較的結合しやすいため、前記実施形態のように、第一の膜を成膜することが特に有用である。
また、前記実施形態では、第二の膜を成膜していたが、第二の膜はなくてもよい。たとえば、炭化物層の酸化を防止する役目を有するグローブボックス中の酸素または水蒸気を低減した雰囲気で取り扱うことが可能な場合には、炭化物層の酸化は抑制できるため、第二の膜は不要である。
たとえば、真空蒸着により第一の膜等を成膜してもよい。さらには、たとえば、下地基板を加熱しながら、金属膜と、カーボン膜とを重ねて成膜することで炭化物層を形成してもよい。
(実施例1)
前記実施形態で説明したものと同様のプロセスで厚さ1mmのGaN半導体基板を得た。各工程で採用した条件は以下の通りである。なお、基板としては、サファイア基板を使用した。また、第一の膜、第二の膜いずれもC膜とした。
成膜方法:スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:5秒
スパッタガス:Arガス
圧力:0.4Pa
ターゲット:C
ターゲット出力:150W
膜厚 :0.2nm
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:27分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
成膜方法:スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:8分
スパッタガス:Arガス
圧力:0.4Pa
ターゲット:C
膜厚 :20nm
窒化温度:300から900℃への昇温過程
窒化時間:30分
窒化ガス:NH3ガス
(成長初期)
成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 80cc/min、NH3ガス 2400cc/min(V/III比=30)
成膜時間:5分
(厚膜成長)
成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 150cc/min、NH3ガス 1500cc/min(V/III比=10)
成膜時間:300分
GaN半導体層の膜厚1mm
GaN半導体層を形成したHVPE装置中の温度を降温させて、常温まで冷却した。
実施例1において、第二の膜を成膜しなかった。
また、第一の膜の厚みを0.1nmとした。
その他は、実施例1と同じである。
実施例1において、第二の膜を成膜しなかった。
また、第一の膜の厚みを0.2nmとした。
その他は、実施例1と同じである。
実施例1において、第二の膜を成膜しなかった。
また、第一の膜の厚みを0.4nmとした。
その他は、実施例1と同じである。
実施例1において、第二の膜を成膜しなかった。
また、第一の膜の厚みを0.1nmとし、第一の膜をTiC含有炭素膜とした。
成膜条件は以下の通りである。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:25秒
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:3.5sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :0.1nm
その他は、実施例1と同じである。
第一の膜の厚みを0.4nmとした。
その他は、実施例5と同じである。
第一の膜の厚みを0.5nmとし、第一の膜をTiC含有炭素膜とした。
その他は、実施例5とおなじである。
実施例1において、第一の膜、第二の膜を成膜しなかった。
その他の点は、実施例1とおなじである。
実施例1〜7ではいずれも、GaN半導体層を下地基板から容易に剥離することができ、10枚すべてクラックを発生させずにGaN半導体層を剥離することができた。
これに対し比較例1では、下地基板から剥離できたものの、10枚中、5枚クラックが発生した。
また、実施例3、実施例5、実施例7、および比較例1で得られたGaN半導体層の結晶性をX線ロッキングカーブで評価した結果、(0002)面の半値幅は実施例3が250arcsec、実施例5が150arcsec、比較例1が150arcsecと結晶性が良好であるのに対し、実施例7が1000arcsecで結晶性の低下が認められた。ただし、実施例7のGaN半導体層は実用に耐えうるものである。
第一の膜を厚さ0.2nmのTiC含有炭素膜とし、第二の膜を厚さ20nmのTiC含有炭素膜とした。第一の膜、第二の膜の製造条件は以下の通りである。
他の点は、実施例1と同様である。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:5秒
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:7.4sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :0.2nm
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:8分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:7.4sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :20nm
実施例8では、GaN半導体層を下地基板から容易に剥離することができ、10枚すべてクラックを発生させずにGaN半導体層を剥離することができた。
また、実施例1とGaN半導体層の結晶性をX線ロッキングカーブで比較した結果、(0002)面の半値幅は実施例1が130arcsecであるのに対し実施例8は100arcsecであった。
第一の膜の成膜温度を100℃とした。
その他は、実施例8とおなじである。
第一の膜の成膜温度を300℃とした。
その他は、実施例8とおなじである。
第一の膜の成膜温度を600℃とした。
その他は、実施例8と同じである。
実施例9〜11では、いずれもGaN半導体層を下地基板から容易に剥離することができ、10枚すべてクラックを発生させずにGaN半導体層を剥離することができた。
また、GaN半導体層の結晶性をX線ロッキングカーブで計測した結果、(0002)面の半値幅は、実施例9が300arcsec、実施例10が200arcsec、実施例11が130arcsecであった。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で炭化チタンに代わり炭化ジルコニウムを成膜した。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化ジルコニウム層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:28分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Zr
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で炭化チタンに代わり炭化ハフニウムを成膜した。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化ハフニウム層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:28分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Hf
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で炭化チタンに代わり炭化バナジウムを成膜した。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化バナジウム層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:28分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:V
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で炭化チタンに代わり炭化タンタルを成膜した。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化タンタル層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:27分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Ta
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で炭化チタンに代わり炭化アルミニウムを成膜した。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化アルミニウム層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:29分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Al
ターゲット出力:150W
膜厚 :120nm
その他は実施例1と同じである。
実施例12〜16では、いずれもGaN半導体層を下地基板から容易に剥離することができ、10枚すべてクラックを発生させずにGaN半導体層を剥離することができた。
また、GaN半導体層の結晶性をX線ロッキングカーブで評価した結果、(0002)面の半値幅は実施例12が170arcsec、実施例13が250arcsec、実施例14が150arcsec、実施例15が200arcsec、実施例16が300arcsecであった。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で膜厚を20nmとした。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化チタン層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:5分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :20nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で膜厚を300nmとした。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化チタン層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:75分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :300nm
その他は実施例1と同じである。
実施例1の炭化チタン層を成膜する工程で膜厚を500nmとした。
成膜条件は以下の通りである。
(炭化チタン層を成膜する工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:125分
圧力:0.4Pa
反応性ガス:CH4
反応性ガス流量:1.9sccm
ターゲット:Ti
ターゲット出力:150W
膜厚 :500nm
その他は実施例1と同じである。
実施例17〜19では、いずれもGaN半導体層を下地基板から容易に剥離することができ、10枚すべてクラックを発生させずにGaN半導体層を剥離することができた。
また、GaN半導体層の結晶性をX線ロッキングカーブで評価した結果、(0002)面の半値幅は実施例17が300arcsec、実施例18が130arcsec、実施例19が130arcsecであった。
11 第一の膜
12 炭化チタン層(炭化物層)
13 第二の膜
14 窒化した炭化チタン層
16 GaN半導体層(III族窒化物半導体層)
17 GaN半導体層(III族窒化物半導体層)
141 窒化チタン
142 炭化チタン
143 Cの濃縮部
Claims (10)
- 下地基板上に、第一の膜として、炭素から構成される炭素膜、または、炭素膜中に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物が分散した膜を形成する工程と、
前記第一の膜上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択された炭化物層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
窒化された前記炭化物層の上部にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記III族窒化物半導体層から、前記下地基板を除去して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る工程とを含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第一の膜の厚みが0.1nm以上、0.4nm以下であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第一の膜は、炭素から構成される炭素膜であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第一の膜は、炭素膜中に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物が分散した膜であり、
前記第一の膜の炭化物と、前記炭化物層の炭化物とは同種の炭化物であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項4に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第一の膜には、炭化チタンが含まれ、前記炭化物層は、炭化チタン層であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭化物層を窒化する工程の前段にて、
前記炭化物層上に、第二の膜として、炭素から構成される炭素膜、または、炭素膜中に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物が分散した膜を形成する工程を実施するIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項6に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第二の膜は、炭素から構成される炭素膜であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項6に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第二の膜は、炭素膜中に炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物が分散した膜であり、
前記第二の膜の前記炭化物と、前記炭化物層の炭化物とは同種の炭化物であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記下地基板は、サファイア基板であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭化物層の厚みが20nm以上、500nm以下であるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
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