JP5416650B2

JP5416650B2 - 窒化ガリウム基板

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Publication number: JP5416650B2
Application number: JP2010108346A
Authority: JP
Inventors: 俊輔山本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-05-10
Also published as: JP2011236078A

Description

本発明は、窒化ガリウム基板に関する。特に、本発明は、エッジ部に改良が施された窒化ガリウム基板に関する。

結晶品質が良好で大型の単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）の製造は困難であるが、ＤＥＥＰ法（ＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎＥｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｂｙｔｈｅＥｐｉ−ｇｒｏｗｔｈｗｉｔｈＩｎｖｅｒｔｅｄ−ＰｙｒａｍｉｄａｌＰｉｔｓ）（例えば、特許文献１参照。）、ＶＡＳ法（Ｖｏｉｄ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＳｅｐａｒｅｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）（例えば、特許文献２参照。）等のように、ＨＶＰＥ法でＧａＮ単結晶を異種基板上に成長させることによりＧａＮ自立基板を製造する方法が知られている。

特許文献１及び特許文献２に記載の方法でＧａＮ自立基板を作成する場合、ＨＶＰＥ法を用いて異種基板上に厚いＧａＮ単結晶層をエピタキシャル成長させる。このようにして得られる成長基板は、成長基板の裏面から表面に向かう方向、すなわち、厚さ方向で転位密度の差が発生する。したがって、異種基板の格子定数とエピタキシャル成長したＧａＮ単結晶層の格子定数とが厚さ方向で変化するので成長基板に反りが発生する。

更に、このようなＧａＮ自立基板は、ＨＶＰＥ法で厚くエピタキシャル成長したＧａＮ単結晶層の膜厚が場所により変動し、数十μｍ以上の膜厚差が発生する。そのため、ＨＶＰＥ法による結晶成長の後、成長基板の表面及び裏面を研磨することにより、成長基板の表面及び裏面を平坦にする必要がある。その後、所定の直径の円形を有する基板を得るために、研磨を施した成長基板の外周に加工を施す。すなわち、成長基板に割れ欠けが発生することを防止するために、成長基板の外周にエッジ研磨を施すことによりエッジ研磨部を形成する。エッジ研磨の後、エッジ研磨部を有する成長基板にエッチング処理、及び洗浄を施すことによりＧａＮミラーウェハが製造される。

特開２００３−１６５７９９号公報特開２００３−１７８９８４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の方法で作製したＧａＮミラーウェハのエッジ研磨部を含めた表面にＭＯＣＶＤ法で半導体層をエピタキシャル成長させると、ミラーウェハの表面側のエッジ研磨部上にエピタキシャル成長した半導体層の部分から、平面視にてミラーウェハの内側に向かって数ｍｍのクラックが発生する場合がある。このようなクラックの発生は、当該ＧａＮミラーウェハを用いて製造されるデバイスの歩留りを大きく低下させる。

したがって、本発明の目的は、エピタキシャル成長層において基板の内側に向かって発生するクラックの発生を抑制できる窒化ガリウム基板を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、主面と、主面の外周にエッジ研磨を施した表面側エッジ研磨部とを備える窒化ガリウム基板であって、表面側エッジ研磨部に加速電圧が５ｋＶの電子が照射された際に得られるカソードルミネッセンスの発光スペクトルのうち、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長における第１のピークの第１の強度が、第１のピークより長波長側に観測される第２のピークの第２の強度の１．５倍以上である窒化ガリウム基板が提供される。

また、上記窒化ガリウム基板において、第１の強度が、第２の強度の２．０倍以上であることが好ましい。

本発明に係る窒化ガリウム基板によれば、エピタキシャル成長層において基板の内側に向かって発生するクラックの発生を抑制できる窒化ガリウム基板を提供できる。

カソードルミネッセンスによる発光スペクトルの図である。（ａ）は、外周加工機により表面エッジ研磨部を形成した後の窒化ガリウム基板を表面から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における表面エッジ研磨部を形成した後の窒化ガリウム基板の断面図である。ＨＶＰＥ成長装置の模式図である。

［実施の形態の要約］
主面と、前記主面の外周にエッジ研磨を施した表面側エッジ研磨部とを備える窒化ガリウム基板において、前記表面側エッジ研磨部に加速電圧が５ｋＶの電子が照射された際に得られるカソードルミネッセンスの発光スペクトルのうち、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長における第１のピークの第１の強度が、前記第１のピークより長波長側に観測される第２のピークの第２の強度の１．５倍以上である窒化ガリウム基板が提供される。

（発明者が得た知見）
表面側にエッジ研磨部を備える窒化ガリウム基板においては、エッジ研磨部に加工歪がいくらか残留している場合がある。この場合、ＭＯＣＶＤ法により当該窒化ガリウム基板の表面上に半導体層をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル成長した半導体層の外周部側から窒化ガリウム基板の内側に向けて数ｍｍの長さのクラックが発生することがあることを本発明者らは突き止めた。

エッジ研磨部に残留している加工歪（すなわち、残留歪）量は、カソードルミネッセンス測定（ＣＬ測定）を用いて窒化ガリウム基板の表面近傍のダメージを測定することにより判断できる。特にＣＬ測定においては、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定では測定することのできない深さにおける窒化ガリウム基板のダメージの程度を評価することができる。したがって、エッジ研磨部のように基板主面に対して傾斜している領域については、ＰＬ測定より焦点深度が深いＣＬ測定の方が正確に測定できる。なお、ＣＬ測定時の電子線の加速電圧を変化させると、残留歪を測定する深さを変化させることができる。

図１は、カソードルミネッセンスによる発光スペクトルの一例を示す。

具体的には、図１の例に示すＣＬの発光スペクトルにおいて、窒化ガリウムのバンドキャップに対応する波長λ１におけるピークＰ１のピーク強度と、波長λ１より長波長側に観測されるピークＰ２のピーク強度との比を測定することにより窒化ガリウム基板のダメージの程度を評価することができる。

本発明者らは、まず、エッジ研磨部を備える窒化ガリウム基板において、ＣＬ測定によりエッジ研磨部の発光スペクトルを測定した。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて当該窒化ガリウム基板上に２μｍ厚のＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。そして、エッジ研磨部からＧａＮ層を有する窒化ガリウム基板の内側へのクラックの発生割合を調査した。そして、本発明者らは、ＣＬ測定において、電子線の加速電圧を５ｋＶにしたＣＬによる発光スペクトルのＰ１／Ｐ２比を調査した。その結果、本発明者らは、当該比が１．５倍以上の場合にクラックの発生割合が大幅に減少する事実、更にＰ１／Ｐ２比が２．０倍以上の場合に実質的にクラックが発生しない事実を突き止めた。

［実施の形態］
図２の（ａ）は、外周加工機により表面エッジ研磨部を形成した後の窒化ガリウム基板を表面から見た図の概要を示し、図２の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における表面エッジ研磨部を形成した後の窒化ガリウム基板の断面の概要を示す。

図２の（ａ）に示すように、本実施の形態に係る窒化ガリウムミラーウェハとしての窒化ガリウム基板１は、ミラー面としての主面２２と、主面２２の外周にエッジ研磨を施した表面側エッジ研磨部２３とを備える。そして、窒化ガリウム基板１において、表面側エッジ研磨部２３に加速電圧が５ｋＶの電子が照射された際に得られるカソードルミネッセンスの発光スペクトルのうち、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長における第１のピークの第１の強度が、第１のピークより長波長側に観測される第２のピークの第２の強度の１．５倍以上である。窒化ガリウム基板１上に窒化ガリウム等の半導体層をエピタキシャル成長させる場合、エピタキシャル成長した半導体層にクラックが発生することを実質的になくすことを目的とする場合、第１の強度は、第２の強度の２．０倍以上であることが好ましい。

なお、表面側エッジ研磨部２３は、窒化ガリウム基板１の周辺部分で尖った領域が窒化ガリウム基板１の割れ欠けの原因になるため、当該領域を面取りした部分に相当する。面取りのことを「ベベリング」ということもある。

また、図２の（ｂ）の表面エッジ研磨部を形成した後の窒化ガリウム基板の図２の（ａ）のＡ−Ａ線２４における断面に示すように、表面側エッジ研磨部２３は、主面２２に平行な方向に対し、所定の角度θ（以下、表面エッジ研磨部角度という場合がある）だけ傾斜した面である。また、表面側エッジ研磨部２３は、平面視にて、窒化ガリウム基板１の外周縁から主面２２の外周縁まで所定の距離「Ｈ」（以下、表面エッジ研磨幅という場合がある）を有する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る窒化ガリウム基板１は、表面側エッジ研磨部２３に加速電圧が５ｋＶの電子が照射された際に得られるカソードルミネッセンスの発光スペクトルのうち、第１のピークの第１の強度が第２のピークの第２の強度の１．５倍以上である。これにより、窒化ガリウム基板１の表面側エッジ研磨部２３を含む表面上（すなわち、主面２２上）に、ＭＯＣＶＤ法で所定の半導体層をエピタキシャル成長させた場合であっても、表面側エッジ研磨部２３上に形成されたエピタキシャル成長層から窒化ガリウム基板１の内側に向かうクラックの発生を抑制することができる。これにより、本実施の形態に係る窒化ガリウム基板１を用いて製造されるデバイスのデバイス歩留りを向上させることができる。また、第１の強度を第２のピークの第２の強度の２倍以上にした窒化ガリウム基板１にすることにより、当該基板にＭＯＣＶＤ法で所定の半導体層をエピタキシャル成長させた場合であっても、表面側エッジ研磨部２３上に形成されたエピタキシャル成長層から窒化ガリウム基板１の内側に向かうクラックの発生を実質的になくすことができる。

（実施例の概要）
実施例では、ＶＡＳ法を用い、以下の説明の通り、ボイド形成基板を準備した。まず、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ下地層を成長した。その後、金属Ｔｉ薄膜をＧａＮ下地層上に蒸着した。次に、アンモニアと水素ガスとの混合気流中で金属Ｔｉ薄膜を有する基板に熱処理を施すことにより金属Ｔｉ薄膜を窒化し、網目構造を有するＴｉＮ薄膜を形成する共に、ＧａＮ下地層をエッチングして空隙を形成した。これによりボイド形成基板を作製した。

次に、ボイド形成基板上にＧａＣｌ及びＮＨ_３を原料として用いるハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により初期核を形成した後、平坦な面が得られるようにＧａＮ結晶を基板上に成長させた。その後、ＧａＮ結晶を成長させたボイド形成基板の厚さが４００μｍ厚になるように、ＧａＮ結晶を成長させたボイド形成基板の表面と裏面とに研磨を施した。その後、外周加工機により、研磨後の基板の平面視における形状を円形に整え、端面部のエッジ研磨（ベベリング）を実施した。

続いて、塩素ガスを含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ））法により、エッジ研磨後の基板の加工ダメージを除去した。次に、エッジ研磨部のカソードルミネッセンス測定を実施した。カソードルミネッセンス測定においては、発光スペクトルを分析することによりＰ１／Ｐ２比を調査した。その後、基板に洗浄を施すことによりＧａＮミラーウェハを作製した。そして、作製したＧａＮミラーウェハ上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮを２μm成長させ、エッジ研磨部のクラック発生状況を調査した。

以下、実施例をより詳細に説明する。

（実施例の詳細）
まず、直径３．５インチのサファイア基板上に厚さ５００ｎｍのＧａＮ下地層をＭＯＣＶＤ法により形成した後、この表面に厚さ３０ｎｍのＴｉを蒸着した。次に、Ｈ_２とＮＨ_３との混合気流中において、Ｔｉ層が形成された基板に１０００℃、３０分間の熱処理を施すことにより、網目状のＴｉＮ膜を有するボイド形成基板１８を１０枚、作製した。

図３は、ＨＶＰＥ成長装置の模式図を示す。

次に、ボイド形成基板１８を図３に示すＨＶＰＥ成長装置内の基板ホルダ１７にセットした。そして、反応管１２内を常圧に制御し、ボイド形成基板１８の温度が１０５０℃になるまでボイド形成基板１８をヒータ１１で加熱した。ここで、初期核は、５×１０^−２ａｔｍのＮＨ_３ガスとキャリアガスである６×１０^−１ａｔｍのＮ_２ガスとを反応ガス（ＮＨ_３）導入管１３により共に反応管１２内に導入すると共に、５×１０^−３ａｔｍのＧａＣｌガスとキャリアガスである２．０×１０^−１ａｔｍのＮ_２ガス及び１．０×１０^−１ａｔｍのＨ_２ガスとを反応ガス（ＨＣｌ）導入管１５により共に反応管１２内に導入し、２０分間成長させて形成した。なお、原料載置室２０には金属Ｇａ１６が載置され、エッチングガス導入管１４からは、必要に応じ、ＨＣｌガスが導入される。また、排ガス等は廃棄口２１から反応管１２の外に排出される。

初期核の形成後は、ＧａＣｌガス分圧を１．５×１０^−２ａｔｍにすると共に、ＮＨ_３ガス分圧、及びキャリアガスであるＮ_２ガス分圧を５．８５×１０^−１ａｔｍにする以外は初期核を形成した条件と同一条件でＧａＮ結晶を成長させた。具体的には、ＧａＮ結晶が全体で８００μｍの厚さになるまで結晶成長を続けて得られた結晶を、２５枚、作製した。この作製した２５枚の結晶を以下、結晶基板（１）〜（２５）とする。

結晶成長後、２５枚の結晶基板それぞれについて、基板厚さが４００μｍになるまで表面と裏面とに鏡面研磨を施した。その後、外周加工機（エムテッック株式会社製ＣＶＰ−８０）により、＃４００砥石を用いて、砥石回転速度：８００ｍ／ｍｉｎ、ウェハ回転速度：２００ｍｍ／ｓ、送り込み速度：５μｍ／ｓの条件で２５枚の結晶基板のそれぞれの外周部に加工を施した。その結果、直径３インチ、表面エッジ研磨部角度θ：５０°、表面エッジ研磨幅Ｈ：１００μｍの表面エッジ研磨部２３を有する結晶基板（１）〜（２５）であるＧａＮ基板がそれぞれ得られた。

次に、表面エッジ研磨部２３を含めた基板表面の加工歪を除去するため、表面エッジ研磨部２３を有する結晶基板（１）〜（２５）それぞれに、ＲＩＥ装置（サムコ製ＲＩＥ−２００Ｌ）によりＲＩＥを実施した。ＲＩＥの条件は、炉内圧力：１０Ｐａ、投入電力：２５０Ｗ、ＨＣｌガス流量：１００ｓｃｃｍとした。

ここで、表面エッジ研磨部２３を有する結晶基板（１）〜（２５）であるＧａＮ基板のＲＩＥ処理時間を、結晶基板（１）は６０分、結晶基板（２）は７０分、結晶基板（３）は８０分、結晶基板（４）は９０分、結晶基板（５）は１００分、結晶基板（６）は１１０分、結晶基板（７）は１２０分、結晶基板（８）は１３０分、結晶基板（９）は１４０分、結晶基板（１０）は１５０分、結晶基板（１１）は１６０分、結晶基板（１２）は１７０分、結晶基板（１３）は１８０分、結晶基板（１４）は１９０分、結晶基板（１５）は２００分、結晶基板（１６）は２１０分、結晶基板（１７）は２２０分、結晶基板（１８）は２３０分、結晶基板（１９）は２４０分、結晶基板（２０）は２５０分、結晶基板（２１）は２６０分、結晶基板（２２）は２７０分、結晶基板（２３）は２８０分、結晶基板（２４）は２９０分、結晶基板（２５）は３００分とした。

次に、表面エッジ研磨部２３を含めた基板表面のＲＩＥのダメージを除去するため、研磨機（秀和工業株式会社ＳＷ−０７）により、基板表面の化学的機械研磨ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）を結晶基板（１）〜（２５）のそれぞれに施した。ＣＭＰは、研磨液にシリカを含んだアルカリ性溶液ＣＯＭＰＯＬ−８０（株式会社フジミインコーポレーテッド製）を用いると共に、回転数を２００ｒｐｍに、圧力を０．５ＭＰａに、研磨液供給量を０．１Ｌ／ｍｉｎに設定して実施した。

結晶基板（１）〜（２５）であるＧａＮ基板のＣＭＰの実施時間は、結晶基板（１）は６０分、結晶基板（２）は８０分、結晶基板（３）は１００分、結晶基板（４）は１２０分、結晶基板（５）は１４０分、結晶基板（６）は１６０分、結晶基板（７）は１８０分、結晶基板（８）は２００分、結晶基板（９）は２２０分、結晶基板（１０）は２４０分、結晶基板（１１）は２６０分、結晶基板（１２）は２８０分、結晶基板（１３）は３００分、結晶基板（１４）は３２０分、結晶基板（１５）は３４０分、結晶基板（１６）は３６０分、結晶基板（１７）は３８０分、結晶基板（１８）は４００分、結晶基板（１９）は４２０分、結晶基板（２０）は４４０分、結晶基板（２１）は４６０分、結晶基板（２２）は４８０分、結晶基板（２３）は５００分、結晶基板（２４）は５２０分、結晶基板（２５）は５４０分とした。

続いて、表面エッジ研磨部２３を含めた基板表面のＣＭＰのダメージを除去するため、ウェットエッチングを結晶基板（１）〜（２５）に施した。ウェットエッチングは、エッチャントに５％のＮＨ_４ＯＨ溶液を用い、エッチャントの温度を８０℃に制御して実施した。また、結晶基板（１）〜（２５）のウェットエッチング時間を、結晶基板（１）は６０分、結晶基板（２）は８０分、結晶基板（３）は１００分、結晶基板（４）は１２０分、結晶基板（５）は１４０分、結晶基板（６）は１６０分、結晶基板（７）は１８０分、結晶基板（８）は２００分、結晶基板（９）は２２０分、結晶基板（１０）は２４０分、結晶基板（１１）は２６０分、結晶基板（１２）は２８０分、結晶基板（１３）は３００分、結晶基板（１４）は３２０分、結晶基板（１５）は３４０分、結晶基板（１６）は３６０分、結晶基板（１７）は３８０分、結晶基板（１８）は４００分、結晶基板（１９）は４２０分、結晶基板（２０）は４４０分、結晶基板（２１）は４６０分、結晶基板（２２）は４８０分、結晶基板（２３）は５００分、結晶基板（２４）は５２０分、結晶基板（２５）は５４０分とした。

次に、結晶基板（１）〜（２５）であるＧａＮ基板を１枚ずつ走査型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−３０００Ｎ）の試料室内に搬入し、加速電圧５ｋＶで表面側エッジ研磨部２３に電子線を照射した。その後、電子線照射により得られた表面側エッジ研磨部２３のカソードルミネッセンス発光スペクトルをＣＬ測定装置（堀場製作所製ＭＰ−３２Ｍ）により分析し、Ｐ１／Ｐ２比を調査した。

ＧａＮ基板（１）〜（２５）のＲＩＥ処理時間、ＣＭＰ実施時間、ウェットエッチング時間、及びＰ１／Ｐ２比の結果を表１に示す。

ＲＩＥ処理時間、ＣＭＰ実施時間、及びウェットエッチング時間が長くなるにつれてＰ１／Ｐ２比が大きくなることが示された。この結果から、ＲＩＥ処理時間、ＣＭＰ実施時間、及びウェットエッチング時間が長くなるにつれて、表面側エッジ研磨部２３の加工歪量が低減していることが示された。

次に、ＧａＮ基板（１）〜（２５）に洗浄を施し、ＧａＮミラーウェハを作製した。作製した（１）〜（２５）のＧａＮ基板上にそれぞれ同一条件で、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ単層を２μｍ成長させた。有機金属原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、ガス原料としてＮＨ_３ガスを、キャリアガスとしてＨ_２ガス及びＮ_２ガスを用いた。

続いて、表面側エッジ研磨部２３から基板面内に向かって発生しているＧａＮエピ層のクラックの個数を、ＧａＮ基板の全周にわたり光学顕微鏡（オリンパス製ＢＸ５１）の１００倍観察により調査した。その調査結果を、表２に示す。

Ｐ１／Ｐ２比が１．５より小さい０．９、１．１、及び１．３のＧａＮ基板では、表面側エッジ研磨部２３から基板面内に向かって発生しているＧａＮエピ層のクラックの個数が９個、８個、７個であったが、Ｐ１／Ｐ２比が１．５以上である１．５、１．７、及び１．９のＧａＮ基板では、クラックの個数が全て１個であった。更に、Ｐ１／Ｐ２比が２．０以上のＧａＮ基板では、クラックの個数が全て０個であり、クラックが発生していないことを確認した。また、本実施例によりＰ１／Ｐ２比が３０１．１以下の範囲までクラック数が少ない、又はクラックがないことを確認できたが、Ｐ１／Ｐ２比がこの範囲以上でも有効性があると考えられる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１窒化ガリウム基板
１１ヒータ
１２反応管
１３反応ガス（ＮＨ_３）導入管
１４エッチングガス導入管
１５反応ガス（ＨＣｌ）導入管
１６金属Ｇａ
１７基板ホルダ
１８ボイド形成基板
２０原料載置室
２１排気口
２２主面
２３表面側エッジ研磨部
２４Ａ−Ａ線

Claims

主面と、前記主面の外周にエッジ研磨を施した表面側エッジ研磨部とを備える窒化ガリウム基板であって、
前記表面側エッジ研磨部に加速電圧が５ｋＶの電子が照射された際に得られるカソードルミネッセンスの発光スペクトルのうち、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長における第１のピークの第１の強度が、前記第１のピークより長波長側に観測される第２のピークの第２の強度の１．５倍以上である窒化ガリウム基板。
前記第１の強度が、前記第２の強度の２．０倍以上である請求項１に記載の窒化ガリウム基板。