JP5429350B2 - GaN結晶の表面処理方法、GaN結晶基板、エピタキシャル層付GaN結晶基板および半導体デバイス、ならびにエピタキシャル層付GaN結晶基板および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
y≧−50x+1000 ・・・(i)
y≦−50x+1900 ・・・(ii)
のいずれもの関係を満たすことができる。また、スラリーのpHを5以下または9以上とすることができる。
本発明にかかる窒化物結晶の表面処理方法の一実施形態は、図1を参照して、窒化物結晶1の表面を化学機械的にポリシングする表面処理方法であって、酸化物の砥粒16が用いられ、砥粒16の標準生成自由エネルギーが酸素分子1mol当たりの換算値で−850kJ/mol以上であり、かつ、砥粒16のモース硬度が4以上であることを特徴とする。
ΔGf O=ΔHf O−TΔSf O (iv)
に基づいて標準生成エンタルピーΔHf Oおよび標準生成エントロピーΔSf Oから算出される。なお、式(iv)において、Tは絶対温度を示す。
m=1のとき、2M(s) +(1/2)O2(g) → M2O(s) (v)
m=2のとき、 M(s) +(1/2)O2(g) → MO(s) (vi)
m=3のとき、2M(s) +(3/2)O2(g) → M2O3(s) (vii)
m=4のとき、 M(s) + O2(g) → MO2(s) (viii)
に示される反応における自由エネルギー変化を示す。すなわち、M原子の価数が1の場合はM2O、M原子の価数が2の場合はMO、M原子の価数が3の場合はM2O3、M原子の価数が4の場合はMO2の分子1molが生成する自由エネルギー変化を意味するため、酸化物分子1mol中に含まれるM原子および酸素原子の数がそれぞれ異なる。
m=1のとき、 4M(s) + O2(g) → 2M2O(s)(ix)
m=2のとき、 2M(s) + O2(g) → 2MO(s) (x)
m=3のとき、(4/3)M(s) + O2(g) →(2/3)M2O3(s)(xi)
m=4のとき、 M(s) + O2(g) → MO2(s)(xii)
に示される反応の自由エネルギー変化を示す。
y≧−50x+1000 ・・・(i)
y≦−50x+1900 ・・・(ii)
のいずれもの関係を満たすことが好ましい。
y≦−50x+1900 ・・・(ii)
y≧−50x+1300 ・・・(iii)
のいずれもの関係を満たすことが好ましい。
本発明にかかる窒化物結晶の表面処理方法の他の実施形態は、図2を参照して、窒化物結晶1の表面を化学機械的にポリシングする表面処理方法であって、酸化物の砥粒26が用いられ、砥粒26の換算標準生成自由エネルギーが−850kJ/mol以上であり、かつ、砥粒26のモース硬度が4以上であることを特徴とする。ここで、本実施形態の砥粒は、実施形態1の砥粒と同様である。
本発明にかかる窒化物結晶基板の一実施形態は、図1、図2および図6を参照して、実施形態1または実施形態2の表面処理方法により得られた窒化物結晶1の基板である。実施形態1または実施形態2の表面処理方法により窒化物結晶1の表面を処理することにより、平滑で品質のよい表面を有し半導体デバイスの基板として好適な窒化物結晶基板610が得られる。
本発明にかかるエピタキシャル層付窒化物結晶基板の一実施形態は、図6を参照して、実施形態3の窒化物結晶基板610の少なくとも一方の主面側にエピタキシャル成長により形成された1層以上のIII族窒化物層650を含む。かかる1層以上のIII族窒化物層は、モフォロジーおよび結晶の良好なエピタキシャル層であり、かかるエピタキシャル層上には、モフォロジーおよび結晶の良好なエピタキシャル層をさらに形成して、高特性の半導体デバイスを作製することが容易となる。
本発明にかかる半導体デバイスの一実施形態は、図6を参照して、実施形態3の窒化物結晶基板610と、窒化物結晶基板610の少なくとも一方の主面側に形成されている1層以上のIII族窒化物層650とを含む半導体デバイス600である。本実施形態の半導体デバイス600は、窒化物結晶基板610の少なくとも一方の主面側にモフォロジーおよび結晶の良好なエピタキシャル層であるIII族窒化物層650が1層以上形成されているため、高特性の半導体デバイスとなる。
本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の一実施形態は、図6を参照して、半導体デバイス用基板として実施形態3の窒化物結晶基板610を選択し、窒化物結晶基板610の少なくとも一方の主面側に1層以上のIII族窒化物層650を成長させることを特徴とする。かかる製造方法によれば、実施形態3の窒化物結晶基板610の少なくとも一方の主面側にモフォロジーおよび結晶の良好なエピタキシャル層であるIII族窒化物層650が1層以上形成されるため、高特性および超寿命の半導体デバイスが得られる。
(1−1)n型GaN結晶の表面のラッピング
HVPE法により成長させたn型GaN結晶(ドーパント:Si)を、(0001)面に平行な面でスライスして直径50mm×厚さ0.5mmのn型GaN結晶基板を得た。図5を参照して、このn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)のN原子面側のC面((000−1)面)をセラミックス製の結晶ホルダ51にワックスで貼り付けた。ラップ装置(図示せず)に直径300mmの定盤55を設置し、スラリー供給口59からダイヤモンドの砥粒56が分散されたスラリー57を定盤55に供給しながら、定盤55をその回転軸55cを中心にして回転させるとともに、結晶ホルダ51上に重り54を載せることによりn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)を定盤55に押し付けながら、n型GaN結晶基板(窒化物結晶1)を結晶ホルダ51の回転軸51cを中心にして回転させることにより、n型GaN結晶の表面(Ga原子面側のC面、(0001)面)のラッピングを行なった。
図1を参照して、上記ラッピング後におけるn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)のN原子面側のC面((000−1)面)をセラミックス製の結晶ホルダ11にワックスで貼り付けた。ポリッシュ装置(図示せず)に設置された直径300mmの定盤15上にポリシングパッド18を設置し、スラリー供給口19から砥粒16が分散されたスラリー17をポリシングパッド18に供給しながら、回転軸15cを中心にしてポリシングパッド18を回転させるとともに、結晶ホルダ11上に重り14を載せることによりn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)をポリシングパッド18に押し付けながら、n型GaN結晶基板(窒化物結晶1)を結晶ホルダ11の回転軸11cを中心にして回転させることにより、n型GaN結晶の表面(Ga原子面側のC面、(0001)面)のCMPを行なった。
図6を参照して、上記CMP後のn型GaN結晶基板をMOCVD装置内に配置して、このn型GaN結晶基板(窒化物結晶基板610)の一方の主面(CMPを行なった(0001)面)側に、MOCVD法により、n型半導体層620としての厚さ1μmのn型GaN層621(ドーパント:Si)および厚さ150nmのn型Al0.1Ga0.9N層622(ドーパント:Si)、発光層640、p型半導体層630としての厚さ20nmのp型Al0.2Ga0.8N層631(ドーパント:Mg)および厚さ150nmのp型GaN層632(ドーパント:Mg)を順次形成して、半導体デバイスとしてのLED(発光ダイオード、以下同じ)を得た。ここで、発光層640は、厚さ10nmのGaN層で形成される障壁層の4層と、厚さ3nmのGa0.85In0.15N層で形成される井戸層の3層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
CMPにおいて表1に示す砥粒、pHおよびORPを有するスラリーを用いた他は、実施例1と同様にして、ラッピング、CMPおよび半導体デバイス作製を行なった。結果を表1にまとめた。表1の酸化剤に関して、DCIA−Naとはジクロロイソシアヌル酸ナトリウムを示す。また、比較例4における破砕穴とは、CMPの機械的な負荷により結晶表面が微小に破砕して発生する穴をいう。なお、この破砕穴の深さは、光干渉式段差計で測定したところ、50nm以上のものが多かった。
CMPにおいて表2に示す砥粒、pHおよびORPを有するスラリーを用いた他は、実施例1と同様にして、ラッピング、CMPおよび半導体デバイス作製を行なった。結果を表2にまとめた。ここで、表2の酸化剤に関して、DCIA−Naとはジクロロイソシアヌル酸ナトリウムを示す。また、表2の砥粒の含有化学種に関して、実施例11のFe2O3+SnO2とは化学種Fe2O3とSnO2との混合物を示し、実施例12のNiO・Fe2O3とは化学種NiOおよびFe2O3から形成される複合酸化物NiFe2O4を示す。
(2−1)n型GaN結晶基板の表面のグラインディング
HVPE法により成長させたn型GaN結晶(ドーパント:Si)を、(0001)面に平行な面でスライスして直径50mm×厚さ0.5mmのn型GaN結晶基板を得た。図4を参照して、このn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)のN原子面側のC面((000−1)面)をセラミックス製の結晶ホルダ21にワックスで貼り付けた。研削機としては、インフィード型のものを用いた。砥石42は、外径80mm×幅5mmのリング形状をした、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を用いた。n型GaN結晶基板(窒化物結晶1)を結晶ホルダ41に固定してその回転軸41cを中心にして回転させるとともに、砥石42を砥石台金43に固定してその回転軸43cを中心にして回転させながら、砥石42をn型GaN結晶の表面に送り込むことによってn型GaN結晶の表面(Ga原子面側のC面、(0001)面)のグラインディングを行なった。砥粒径が15μm、5μm、3μm、1μmの4種類のダイヤモンド砥石を準備し、グラインディングの進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。かかるグラインディングによりn型GaN結晶の表面は鏡面となった。グラインディング後のn型GaN結晶基板は、加工変質の厚さが1500nm、表面粗さRyが79nm、表面粗さRaが6.2nmであった。
上記ラッピング後のn型GaN結晶基板について、表2に示す砥粒、pHおよびORPを有するスラリーを用いた他は、実施例1のCMPを行なった。
上記CMP後のn型GaN結晶基板をMOCVD装置内に配置して、実施例1と同様の半導体デバイス作製を行なった。結果を表2にまとめた。ここで、表2の酸化剤に関して、TCIAとはトリクロロイソシアヌル酸を示す。
HVPE法により成長させたn型GaN結晶(ドーパント:Si)を、表3に示す面方位を有する面に対して、表3のオフ角を有するような主面を形成するようにスライスして、10mm×10mm×厚さ0.5mmのn型GaN結晶基板を得た以外は、実施例2と同様にして、n型GaN結晶基板のラッピングおよびCMPを行なった。結果を実施例2とともに表3にまとめた。表3の酸化剤に関して、TCIAとはトリクロロイソシアヌル酸を示す。
実施例1において、CMP後のn型GaN結晶基板を、表4に示すように、中性洗剤として0.15質量%のポリオキシアルキレンアルキルエーテル(以下、POAAEともいう)水溶液を用いてスクラブ洗浄すること(中性洗剤によるスクラブ洗浄)、塩基性溶液として濃度が2規定(2Nという、以下同じ)のKOH水溶液または酸性溶液として濃度が0.5規定(0.5Nという、以下同じ)のH2SO4水溶液を用いてポリシングすること(塩基性溶液または酸性溶液によるポリシング)、および/または、純水を用いて1MHz(1×106Hz)の超音波により洗浄すること(純水による洗浄)を行なった。
HVPE法により成長させたn型AlN結晶(ドーパント:Si)を、(0001)面に平行な面でスライスして直径40mm×厚さ0.5mmのn型AlN結晶基板を得た。このn型AlN結晶基板の表面(Ga原子面側のC面、(0001)面)に対して実施例1と同様のラッピングを行なった。次に、n型AlN結晶基板のラッピングされた表面に対して、表5に示す砥粒、pHおよびORPを有するスラリーを用いた他は実施例1と同様のCMPを行なった。次に、CMP後のn型AlN結晶基板を用いて実施例1と同様の半導体デバイス作製を行なった。結果を表5にまとめた。
(3−1)n型GaN結晶の表面のラッピング
HVPE法により成長させたn型GaN結晶(ドーパント:Si)を、(0001)面に平行な面でスライスして直径30mm×厚さ0.5mmのn型GaN結晶基板を得た。このn型GaN結晶基板に対して、実施例1と同様のラッピングを行なった。ラッピング後のn型GaN結晶基板は、加工変質層の厚さが500nm、表面粗さRyが22nm、表面粗さRaが2.1nmであった。
図2を参照して、上記ラッピング後におけるn型GaN結晶基板(窒化物結晶1)のN原子面側のC面((000−1)面)をセラミックス製の結晶ホルダ21にワックスで貼り付けた。ポリッシュ装置(図示せず)設置された直径300mmの定盤25上に固定された砥粒26を含む砥粒固定体28を回転軸25cを中心にして回転させるとともに、窒化物結晶1を固定した結晶ホルダ21上に重り24を載せてその回転軸21cを中心にして回転させながら、窒化物結晶1を上記砥粒固定体28に押し当てることにより、n型GaN結晶の表面(Ga原子面側のC面、(0001)面)のCMPを行なった。
上記CMP後のn型GaN結晶基板を用いて、実施例1と同様の半導体デバイス作製を行なった。結果を表6にまとめた。
CMPにおいて表6または表7に示す砥粒、バインダー材質を用いた他は、実施例38と同様にして、ラッピング、CMPおよび半導体デバイス作製を行なった。結果を表6および表7にまとめた。ここで、表6および表7のCMPにおけるバインダー材質のPhはフェノール樹脂を、PVAはポリビニルアルコール樹脂を、PIはポリイミド樹脂を、PAはポリアミド樹脂を、PEはポリエステル樹脂を示す。また、比較例13における破砕穴とは、CMPの機械的な負荷により結晶表面が微小に破砕して発生する穴をいう。なお、この破砕穴の深さは、光干渉式段差計で測定したところ、50nm以上のものが多かった。
Claims (17)
- GaN結晶の表面を化学機械的にポリシングする表面処理方法であって、
酸化物の砥粒が用いられ、
前記砥粒の標準生成自由エネルギーが酸素分子1mol当たりの換算値で−770kJ/mol以上であり、かつ、
前記砥粒のモース硬度が4以上であるGaN結晶の表面処理方法。 - 前記砥粒の標準生成自由エネルギーが酸素分子1mol当たりの換算値で−770kJ/mol以上−470kJ/mol以下であり、かつ、
前記砥粒のモース硬度が4以上8.5以下である請求項1に記載のGaN結晶の表面処理方法。 - 前記砥粒が、Fe2O3、Fe3O4、NiO、ZnO、CoO、Co3O4、GeO2、Ga2O3、In2O3、Cr2O3およびSnO2からなる群から選ばれる少なくとも1種類の化学種を含む砥粒である請求項1または請求項2に記載のGaN結晶の表面処理方法。
- 前記化学機械的にポリシングされた前記GaN結晶の表面が中性洗剤を用いてスクラブ洗浄される請求項1から請求項3までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。
- 前記化学機械的にポリシングされた前記GaN結晶の表面が塩基性溶液または酸性溶液を用いてポリシングされる請求項1から請求項4までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。
- 前記化学機械的にポリシングされた前記GaN結晶の表面が純水を用いて洗浄される請求項1から請求項5までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。
- 前記化学機械的にポリシングされる前に、前記GaN結晶の表面がグラインディングまたはラッピングされる請求項1から請求項6までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。
- 前記砥粒は溶媒に分散されてスラリーとして用いられ、
前記スラリーのpHの値xと酸化還元電位の値y(mV)とが、以下の式(i)および式(ii)のいずれもの関係を満たす請求項1から請求項3までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。
y≧−50x+1000 ・・・(i)
y≦−50x+1900 ・・・(ii) - 前記砥粒は溶媒に分散されてスラリーとして用いられ、
前記スラリーのpHが5以下または9以上である請求項1から請求項3までのいずれかに記載のGaN結晶の表面処理方法。 - 請求項1の表面処理方法により得られたGaN結晶基板。
- 表面粗さRyが30nm以下である請求項10に記載のGaN結晶基板。
- 表面粗さRaが3nm以下である請求項10または請求項11に記載のGaN結晶基板。
- 前記GaN結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造における{0001}面、{11−20}面、{01−12}面、{10−10}面、{10−11}面、{11−21}面および{11−22}面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が15°以下である請求項10から請求項12までのいずれかに記載のGaN結晶基板。
- 請求項10のGaN結晶基板の少なくとも一方の主面側にエピタキシャル成長により形成された1層以上のIII族窒化物層を有するエピタキシャル層付GaN結晶基板。
- 請求項10のGaN結晶基板と、前記GaN結晶基板の少なくとも一方の主面側に形成されている1層以上のIII族窒化物層とを含む半導体デバイス。
- 基板として請求項10のGaN結晶基板を選択し、前記GaN結晶基板の少なくとも一方の主面側に1層以上のIII族窒化物層を成長させるエピタキシャル層付GaN結晶基板の製造方法。
- 基板として請求項10のGaN結晶基板を選択し、前記GaN結晶基板の少なくとも一方の主面側に1層以上のIII族窒化物層を成長させる半導体デバイスの製造方法。
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