JP7290952B2 - 窒化物半導体基板のアニール方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体基板のアニール方法に関し、詳しくは、基板の表面に窒化物半導体薄膜を成長させた窒化物半導体基板をアニールホルダに設置してアニールする方法に関する。

紫外発光素子は、蛍光灯の代替、高密度ＤＶＤ、生化学用レーザ、光触媒による公害物質の分解、Ｈｅ－Ｃｄレーザ、水銀灯の代替など、次世代の光源として幅広く注目されている。この紫外発光素子は、ワイドギャップ半導体と呼ばれるＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなり、サファイアなどの異種基板上に積層される。しかし、サファイアは、ＡｌＧａＮとの格子不整合が大きいため、多数の貫通転位が存在し、非発光再結合中心となって内部量子効率を著しく低下させてしまう。

これに対して、ＡｌＮは、ＡｌＧａＮと格子定数が近く、２００ｎｍの紫外領域まで透明であるため、発光した紫外線を吸収することなく、紫外光を効率よく外部へ取り出すことができる。しかし、バルクの単結晶ＡｌＮ結晶は、１インチサイズでも大変高価で容易に入手できないため、コスト及び量産性を考えた場合、紫外発光素子の基板材料には不向きである。一方、サファイアは、４～６インチサイズが安価に入手できる状況にある。このようなことから、サファイア基板上に高品質ＡｌＮ単結晶膜を作製することができれば、これを基板に用いてＡｌＧａＮ系発光素子を準ホモエピタキシャル成長させることにより、結晶の欠陥密度を低く抑えた紫外発光素子を安価に作製することができる。

しかしながら、ＡｌＮは、サファイアとの格子不整合が大きいため、サファイア上に成長したＡｌＮ膜には多数の貫通転位が存在する。このため、ＡｌＧａＮ系発光素子用の基板として不適切である。そこで、ＡｌＮ結晶の欠陥密度を低く抑えた高品質な層（薄膜）を得る方法として、表面が平坦で、かつ、高品質なＡｌＮ膜の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、それぞれの表面に、原子をイオン注入した少なくとも一対の単結晶炭化ケイ素基板を、イオン注入面同士を対向させるように密接又は近接させて密閉容器内に配置して熱処理する工程が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

両者を組み合わせることにより、窒化物半導体基板を得ることが可能と思われるが、アニールの際に、窒化物半導体基板が密閉容器に接触したり、外気に接触したりすると、高温雰囲気で不活性ガスに曝されることによって窒化物半導体基板の片面（サファイア基板部）が劣化するおそれがあり、結果として、窒化物半導体基板が大きく反りかえることがあった。また、カーボン部材のアニールホルダに接触する場合においても、その接触によって同様に大きく反りかえることがあった。そこで、一酸化炭素を添加することによってサファイア基板の劣化を防ぐ方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２０１７－５５１１６号公報 特開２００６－３３９３９６号公報 特開２０１５－０４２５９８号公報

しかし、各特許文献に記載の手法を組み合わせても、基板の反りを安定的に制御することは困難であり、大きく反り返った基板は、その後の成膜処理で、膜厚分布の均一性が損なわれたり、さらには、その後の各処理を行う装置に入らなくなったりするなどの問題があった。

そこで本発明は、窒化物半導体基板をアニールする際の反りの発生を極力低減することができる窒化物半導体基板のアニール方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の窒化物半導体基板のアニール方法は、基板の表面に窒化物半導体薄膜を成長させた窒化物半導体基板をアニールホルダに設置し、該アニールホルダと前記窒化物半導体基板とを一緒にガス中で加熱することにより前記窒化物半導体薄膜をアニールする方法において、前記窒化物半導体基板の最上面と、前記窒化物半導体基板と前記アニールホルダの底面との間に、それぞれダミー基板を設置することを特徴としている。

さらに、本発明の窒化物半導体基板のアニール方法は、前記ダミー基板が前記窒化物半導体基板の基板と同じ材質で形成されていることを特徴とし、特に、前記基板がＡｌ元素比率が４０％以上のアルミニウム化合物で形成されていることを特徴としている。さらに、複数枚の前記窒化物半導体基板を重ねて前記アニールホルダに設置する際には、窒化物半導体基板における前記窒化物半導体薄膜の面の方向を逆に向けて交互に重ねることを特徴としている。

加えて、前記窒化物半導体薄膜が、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）であること、前記ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、一酸化炭素、アンモニアのいずれか一種のガス又は複数が混合したガスであることを特徴としている。

本発明の窒化物半導体基板のアニール方法によれば、アニールする際の窒化物半導体薄膜基板の反りを低減させることができる。

本発明の窒化物半導体基板のアニール方法の処理状態の第１形態例を示す模式図である。 第１形態例における処理後の窒化物半導体基板の反り量を測定した結果を示す図である。 本発明の窒化物半導体基板のアニール方法の処理状態の第２形態例を示す模式図である。 第２形態例における処理後の窒化物半導体基板の反り量を測定した結果を示す図である。 ダミー基板を使用せずにアニールした窒化物半導体基板の反り量を測定した結果を示す図である。 本発明の窒化物半導体基板のアニール方法の処理状態の第３形態例を示す模式図である。

図１及び図２は、本発明の第１形態例を示している。本形態例に示す窒化物半導体基板のアニール方法は、基板（ウエハ）１１の表面（片面）に窒化物半導体薄膜１２を成長させた窒化物半導体基板１３をアニールホルダ１４に設置し、該アニールホルダ１４と前記窒化物半導体基板１３とを一緒にガス中で加熱することにより前記窒化物半導体基板１３をアニールする際に、前記窒化物半導体基板１３の両外面（表面及び裏面の両面）にダミー基板１５を設置したものである。

基板１１は、用途や成膜する薄膜の種類に応じた材質のものを使用でき、厚さや外形は任意であるが、通常は、サファイア製の円盤状の基板を用いることが好ましく、ダミー基板１５は、窒化物半導体薄膜１２に悪影響を与えないものであればよく、厚さや形状も任意であるが、通常は、窒化物半導体薄膜１２を成膜していない基板１１をそのまま使用することが好ましい。例えば、厚さ９００μｍ、直径１００ｍｍのサファイア基板を使用することができる。この場合、基板１１の材質は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）のようなＡｌ元素比率が４０％以上のアルミニウム化合物であればよい。

窒化物半導体薄膜１２は、周知のＭＯＣＶＤ法などを使用し窒化物半導体薄膜であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）を成膜したもので、例えば、前記化学式におけるｘ＝１であるＡｌＮを挙げることができる。

窒化物半導体基板１３を設置するアニールホルダ１４は、例えば、カーボンを筒状に形成したものであって、内部に設置した窒化物半導体基板１３を均一に加熱できるように形成されている。アニールホルダ１４の内径は、基板１１の直径以上で、筒内の高さ（深さ）は、少なくとも１枚の窒化物半導体基板１３と２枚のダミー基板１５との計３枚を積層した高さよりも大きく形成され、通常は、複数枚の窒化物半導体基板１３を同時に収納可能な高さに形成されている。

アニールの際の雰囲気として使用するガスには、基板１１や窒化物半導体薄膜１２、アニールホルダ１４に悪影響を及ぼさなければ任意のガスを使用でき、通常は、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、一酸化炭素、アンモニアのいずれか一種のガス又は複数が混合した混合ガスを使用することが好ましい。

図１に示すように、１枚の窒化物半導体基板１３をアニール処理する際には、２枚のダミー基板１５の間に、窒化物半導体基板１３を挟んで重ね合わせた状態でアニールホルダ１４内に設置し、窒化物半導体基板１３を設置した状態のアニールホルダ１４を周知のアニール装置（図示せず）に配置する。そして、アニール装置内を、あらかじめ設定されたガスの雰囲気、例えば窒素雰囲気で満たした状態で、あらかじめ設定された温度、例えば１７００℃で、あらかじめ設定された時間、例えば３時間保持することにより、窒化物半導体基板１３のアニール処理が行われる。

図２は、基板１１として厚さ９００μｍ、直径１００ｍｍのサファイア基板を使用し、表面にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体薄膜１２としてＡｌＮを３００ｎｍの厚みで成膜した窒化物半導体基板１３を、図１に示すようにしてアニールホルダ１４に設置し、周知のアニール装置にて、窒素雰囲気中、１７００℃で３時間保持してアニールし、常温まで冷却した窒化物半導体基板１３の反り量を測定した結果を示している。この測定結果から、窒化物半導体基板１３の反り量は、１５μｍ以下に抑えられていることがわかる。

また、基板１１の窒化物半導体薄膜１２側（表面側）に重ね合わせたダミー基板１５は、アニール装置での加熱の際に窒化物半導体薄膜１２が蒸発しないようにするための蒸発防止用としても機能しており、加熱によって窒化物半導体薄膜１２が劣化することを防止している。

図３及び図４は、本発明の第２形態例を示している。本形態例は、２枚以上で、偶数枚の窒化物半導体基板１３を同時にアニールする際の状態を示している。偶数枚、図３においては６枚の窒化物半導体基板１３をアニールする際には、各窒化物半導体基板１３における窒化物半導体薄膜１２の面の方向を逆に向けて交互に重ね、窒化物半導体薄膜１２同士を対向させた状態とし、最外面に窒化物半導体薄膜１２が向かないようにする。そして、アニールホルダ１４内に設置するときに、アニールホルダ１４の底面上に置いた１枚目のダミー基板１５の上に、窒化物半導体薄膜１２同士を対向させた偶数枚の窒化物半導体基板１３を重ね合わせて設置し、さらに、最上面に、２枚目のダミー基板１５を載置する。

この状態でアニールホルダ１４をアニール装置に配置してアニールすることにより、基板１１の反り、及び、窒化物半導体薄膜１２の蒸発を抑制した効果的なアニールを行うことができる。

図４は、図３に示すように、６枚の窒化物半導体基板１３と２枚のダミー基板１５を設置して前記同様の処理条件でアニールしたときの各窒化物半導体基板１３における反り量を測定した結果を示している。その結果、６枚すべての窒化物半導体基板１３の反り量が１５μｍ以下に抑えられていることがわかる。

図５は、図３と同様に、６枚の窒化物半導体基板１３を同時にアニールする際に、上下のダミー基板１５を使用せずにアニールした際の各窒化物半導体基板１３における反り量を測定した結果を示している。この結果から、最上段及び最下段の窒化物半導体基板に、４０～５０μｍの大きな反りが発生しているのがわかる。したがって、ダミー基板１５を上下にそれぞれ配置することにより、アニールの際の反りの発生を防止できることがわかる。

図６は、３枚以上の奇数枚の窒化物半導体基板１３を同時にアニールする際の状態を示している。奇数枚、図５においては７枚の窒化物半導体基板１３をアニールする際には、６枚の窒化物半導体基板１３については、前記第２形態例（図３）と同様に、窒化物半導体薄膜１２同士を対向させた状態とし、残りの１枚は、前記第１形態例（図１）と同様に、窒化物半導体薄膜１２をダミー基板１５で覆うようにしているので、窒化物半導体薄膜１２の蒸発による劣化を抑えながら、反りの発生を抑制することができる。

このように、窒化物半導体基板１３をアニールする際に、アニールホルダ１４の底面と窒化物半導体基板１３との間、及び、窒化物半導体基板１３の外面部分にダミー基板１５を重ねた状態でアニールすることにより、窒化物半導体基板１３の反りを低減することができ、その後の各処理を確実に行うことができ、生産性の向上を図ることができる。これにより、紫外発光素子の製造コストの低減を図ることができる。

特に、ダミー基板１５として、窒化物半導体基板１３を作成するための基板１１と同じものを用いることにより、基板１１とは異なる素材や厚さで形成したダミー基板を用意する場合に比べて、ダミー基板を簡単に用意することができ、ダミー基板に要するコストの削減を図れる。

なお、基板の材質、厚さや直径などの形状は任意であり、窒化物半導体薄膜も、目的に応じて任意の薄膜にすることができ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）におけるｘ、ｙの数値も任意である。さらに、アニールする際の雰囲気ガスの種類も任意であり、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオンなどの不活性ガスをはじめとして、一酸化炭素、アンモニアを用いることができ、これらのいずれか一種のガスを用いてもよく、複数のガス種を混合した混合ガスを用いることもできる。また、アニールの条件も、基板の材質や窒化物半導体薄膜の種類、雰囲気ガスの種類などの条件に応じて、温度及び時間を適宜に設定することができる。

１１…基板、１２…窒化物半導体薄膜、１３…窒化物半導体基板、１４…アニールホルダ、１５…ダミー基板

Claims (4)

1. 基板の表面に窒化物半導体薄膜を成長させた窒化物半導体基板をアニールホルダに設置し、該アニールホルダと前記窒化物半導体基板とを一緒にガス中で加熱することにより前記窒化物半導体薄膜をアニールする方法において、前記窒化物半導体基板の最上面と、前記窒化物半導体基板と前記アニールホルダの底面との間に、それぞれダミー基板を設置し、
   前記ダミー基板は、前記窒化物半導体基板の基板と同じ材質で形成され、
   複数枚の前記窒化物半導体基板を重ねて前記アニールホルダに設置する際には、窒化物半導体基板における前記窒化物半導体薄膜の面の方向を逆に向けて交互に重ねることを特徴とする窒化物半導体基板のアニール方法。
2. 前記基板は、Ａｌ元素比率が４０％以上のアルミニウム化合物で形成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板のアニール方法。
3. 前記窒化物半導体薄膜は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体基板のアニール方法。
4. 前記ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、一酸化炭素、アンモニアのいずれか一種のガス又は複数が混合したガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の窒化物半導体基板のアニール方法。

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