TW201006974A - Method of manufacturing group III nitride semiconductor layer bonded substrate - Google Patents

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201006974 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於將第III族氮化物半導體層、及與第m族氮 化物半導體層之化學組成不同之異組成基板貼合之第m族 氮化物半導體層貼合基板之製造方法。根據本發明之製造 方法而獲得之第III族氮化物半導體層貼合基板係適用於半 導體裝置之製造。 【先前技術】

AlkGaxNiOSxS 1)基板等之第III族氮化物半導體基板 係適用於半導體裝置，但其製造成本極高。因此，使用第 ΠΙ族氮化物半導體基板之半導體裝置的製造成本亦極高。 其被s忍為係第111族氮化物結晶半導體基板之製造方法的緣 故。 即，第III族氮化物半導體基板係藉由HVPE(氫化物氣相 成長）法、MOCVD(有機金屬化學氣相沈積）法、昇華法等 之氣相法而進行結晶成長，因此結晶成長速度較慢，例如 1〇〇小時左右之結晶成長時間僅能獲得厚度為10 mm左右之 第III族氮化物半導體結晶。而由該厚度之結晶僅能切出少 量（如10片左右）之厚度為200 μιη〜400 μιη左右的第III族氮 化物半導體基板。 然而，若為增加第III族氮化物半導體基板之切出片數， 而減小由第III族氮化物半導體結晶切出之第11；[族氮化物半 導體層的厚度’則機械強度將會降低，使得不能成為自立 基板。因此’有必要有將由第ΙΠ族氮化物半導體結晶切出 141845.doc 201006974 之薄的苐III族氦^化物半導體層進行補強的方法。 作為第III族氮化物半導體層之補強方法，有製造於與第 III族氮化物半導體層之化學組成不同之異組成基板貼合第 ΠΙ族氮化物半導體層之基板（以下稱為第ΠΙ族氮化物半導 • 體層貼合基板）的方法。作為該第ΠΙ族氮化物半導體層貼 合基板之製造方法，日本特開2006_210660號公報（專利文 獻1)揭示了 一種半導體基板之製造方法，其係包含：於第 _ 1氮化物半導體基板之表面附近佈植離子之步驟；將上述 第1氮化物半導體基板之表面側重合於第2基板之步驟；對 重合之上述2片基板進行熱處理之步驟；及以離子佈植之 層為分界，將上述第1氮化物半導體基板之大部分從上述 第2基板剝下之步驟。 【發明内容】 根據上述日本特開2006_210660號公報（專利文獻1}_所 揭不之半導體基板之製造方法，雖然可獲得於第2基板上 • 重合有薄的氮化物半導體層之半導體基板，但由於該氮化 物半導體基板之薄的氮化物半導體層之内部及主表面分別 通過及存在有佈植之離子，故結晶性降低。因此，有成長 於該半導體基板上之半導體層之結晶性降低，半導體裝置 之特性降低的問題。 本發明為解決上述問題’其目的在於提供一種第III埃氮 化物半導體層之結晶性高的第ΠΙ族氮化物半導體層貼合基 板。 本發明係將第111族氮化物半導體層、及與第III族氮化物 H1845.doc 201006974 半導體層之化學組成不同之異組成基板貼合之第ΙΠ族氮化 物半導體層貼合基板之製造方法。本發明之第ΠΙ族氮化物 半導體層貼合基板之製造方法，具備：於距離第ΠΙ族氮化 物半導體基板之一主表面特定深度的區域，佈植氫及氦中 之至少任一種離子的步驟；於第m族氮化物半導體基板之 主表面貼合異組成基板之步驟；藉由於佈植有離子之區域 分離第III族氮化物半導體基板，而獲得第ΠΙ族氮化物半導 體層貼合基板之步驟；及在含氮氣體之氛圍下，於7〇〇°c 以上對第III族氮化物半導體層貼合基板進行退火之步驟。 本發明之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方法 中’含氮氣體可含有氨氣《又’可於950°C以上進行退火 之步驟。 又’本發明之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法中，可於獲得第III族氮化物半導體層貼合基板之步騾 後、退火步驟前’進而具備將第ΙΠ族氮化物半導體層中佈 植有離子之區域去除的步驟。 又’本發明之第^丨族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法中，可將關於第III族氮化物半導體層之（0002)面之轉動 曲線中之X射線繞射峰值的半高寬設為45〇 arcsec 以下 〇 【實施方式】 (實施形態1) 參照圖1，本發明之第III族氮化物半導體層貼合基板之 製造方法之一實施形態’係將第ΠΙ族氮化物半導體層 20a、及與第III族氮化物半導體層2〇a之化學組成不同之異 141845.doc 201006974 組成基板10貼合之第III族氮化物半導體層貼合基板1的製 造方法，其具備：於距離第ΠΙ族氮化物半導體基板20之一 主表面20m特定深度D的區域，佈植氫及氦中之至少任一 種離子I的步驟（圖1(a));於第III族氮化物半導體基板20之 主表面20m貼合異組成基板10之步驟（圖1(b));藉由於佈植 有離子I之區域20i分離第III族氮化物半導體基板20，而獲 得第III族氮化物半導體層貼合基板1之步驟（圖1(c));及在 含氮氣體N之氛圍下，於700°C以上對第III族氮化物半導 體層貼合基板1進行退火之步驟（圖1(d))。 本實施形態之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法’係將第III族氮化物半導體層20a、及與第III族氮化物 半導體層20a之化學組成不同之異組成基板1〇貼合之第ΠΙ 族氮化物半導體層貼合基板1的製造方法。 參照圖1(a) ’本實施形態之第⑴族氮化物半導體層貼合 基板之製造方法’係具備首先於距離第III族氮化物半導體 基板20之一主表面20m特定深度D的區域佈植氫及氦中之 至少任一種離子I的步驟。藉由該佈植離子之步驟，於第 III族氮化物半導體基板20中距離與異組成基板丨〇貼合之一 主表面20m深度D的區域佈植氫及氦中之至少任一種離子 I，使該區域（佈植有離子之區域2 〇i)脆化。 佈植離子I之深度D無特別限制，但以〇〇5 μηι以上、ι〇〇 μιη以下較好’ 0.05 μηι以上、50 μηι以下更好，0.05 μπι以 上、10 μηι以下最好。佈植離子〗之深度d若小於〇 〇5 μΓη， 則分離基板時將容易破裂且難以將表面平坦化，若大於 141845.doc 201006974 1 00 μηι ’則離子之分佈擴大而難以控制剝離深度。 佈植有離子I之區域2〇i係稱為佈植有助於分離之劑量以 上之離子的區域，且其係以距離第ΠΙ族氮化物半導體基板 20之一主表面2〇m深度D為中心，具有深度士AD之範圍。 即’詳言為，佈植有離子〗之區域2〇i係距離有助於分離之 劑量以上之離子存在之主表面2〇m深度D-AD〜深度D+AD之 區域（未圖示），而於距離主表面2〇m深度D之區域，離子之 劑量為最大。此處，深度AD係根據離子之種類及佈植方 法而異’為深度0.05D〜深度0.5D左右。 又’佈植之離子，從抑制第III族氮化物半導體基板2〇之 結晶性降低之觀點考慮，使用質量小的氫及氦中之至少任 一種之離子。該等離子之佈植方法無特別限制，但使用離 子佈植裝置或電漿佈植裝置較佳。 參照圖1(b)，本實施形態之第III族氮化物半導體層貼合 基板之製造方法’其次具備於第III族氮化物半導體基板20 之主表面20m貼合異組成基板10之步驟。 於第III族氮化物半導體基板20之主表面20m貼合異組成 基板10之方法無特別限制，但從貼合後可於高溫保持接合 強度之點考慮’較好的是使用清洗貼合面之表面而直接貼 合後，再升溫至600°C〜1200°C左右而接合之直接接合法， 或用電漿或離子等使貼合面活性化而在室没（如 10°C〜30°C )〜400°c左右之低溫予以接合之表面活性化法 又，於第III族氮化物半導體基板20之主表面20m貼合之 141845.doc 201006974 異組成基板10無特別限制，但從可耐於製造之第III族氮化 物半導體層貼合基板1之第ΠΙ族氮化物半導體層20a上，使 第III族氮化物半導體磊晶層成長之環境的觀點考慮，耐熱 溫度為1200°C以上較好，而在丨2〇〇〇c以上具有耐腐蝕性亦 較好。此處，所謂耐腐蝕性係指在氯化氫（HC1)氣體、氨 (NH3)氣等之腐蝕性之結晶成長氛圍氣體中不會腐蚀之性 質。從該觀點考慮’作為較好的異組成基板，可舉例有藍 寶石基板、A1N基板、SiC基板、ZnSe基板、Si基板、形成 Si〇2層之Si基板、ZnO基板、ZnS基板、石英基板、碳基 板、鑽石基板、Ga203基板、ZrB2基板等。 參照圖1(c)，本實施形態之第in族氮化物半導體層貼合 基板之製造方法’其後係具備藉由於佈植有離子j之區域 20i分離第III族氮化物半導體基板2〇，而獲得第m族氮化 物半導體層貼合基板1之步驟。藉由該步驟，第ΙΠ族氮化 物半導體基板20係被分離為貼合於異組成基板1〇之第m族 氮化物半導體層20a與剩餘部分第III族氮化物半導體基板 20b。如此’可獲得於異組成基板1〇貼合有厚度為τ〇之第 III族氮化物半導體層20a的第III族氮化物半導體層貼合基 板1。 於佈植有離子I之區域20i分離第III族氮化物半導體基板 20之方法’只要為賦與某些能量之方法則無特別限制，可 為於佈植有離子之區域20i施加應力之方法，亦可為於佈 植有離子之區域20i施加熱之方法。又，可為於佈植有離 子之區域20i照射光之方法，或施加超音波之方法。由於 141845.doc •9- 201006974 佈植有離子之區域20i係脆化，故藉由接受應力、熱、 光、或超音波等之能量，可容易地分離。 此處，佈植有離子之區域20i係具有距離第ΙΠ族氮化物 半導體基板20之一主表面20m深度D-AD〜深度D+AD的範 圍’而距離主表面20m深度D之區域（面區域），其離子之劑 量為最大，最易變脆。因此，第ΠΙ族氮化物半導體基板2〇 通常係於距離第III族氮化物半導體基板2〇之一主表面2〇m 深度D之區域（面區域）或其附近分離。故佈植有離子之深 度D與第III族氮化物半導體層之厚度τ〇大約相同。 參照圖1(d)，本實施形態之第ΙΠ族氮化物半導體層貼合 基板之製造方法，接著係具備在含氮氣體Ni氛圍下，於 700°C以上對第III族氮化物半導體層貼合基板丄進行退火之 步驟。藉由上述佈植離子之步驟而降低之第m族氮化物層 的結晶性，經由在上述含氮氣體之氛圍下於7〇〇t>c以上進 行退火的步驟而恢復，可獲得具有厚度為Td之結晶性高的 第nm氮化物半導體層之第m族氮化物半導體層貼合基 板。 含氮氣體只要為含有氮之氣體則無特別限制，可使用氮 ⑽氣、氨（丽3)氣、氮氧化物氣體、胺化合物氣體等。 且，含氮氣魏良好轉上述退火步财之第職氮化物 半導體層之主表面之形態的觀點考慮，以含有氨氣為佳。 又’含氮㈣之壓力無㈣限制’但從可獲得龍之退火 之效果的觀點考慮，為lx 1〇-4氣懕ηΛ η 札歷（10.13 Pa)〜1 氣壓（101·3 kPa)較佳。 141845.doc •10- 201006974 又’退火溫度從恢復第in族氮化物半導體層之結晶性的 觀點考慮，有必要為70(TC以上，而為85(TC以上較好， 950°C以上更好。 尤其’藉由在含有氨氣之含氮氣體之氛圍下以95〇亡以 上之溫度進行退火，可良好地維持第ΠΙ族氮化物半導體層 之主表面之形態，且可使第m族氮化物半導體層之結晶性 顯著恢復。 此處’第III族氮化物半導體層之結晶性，例如可藉由測 定關於第III族氮化物半導體層之（0002)面之轉動曲線尹之 X射線繞射峰值的半高寬而進行評價。該X射線繞射峰值 之半高寬越小，其結晶性越高。 根據上述’可獲得包含第III族氮化物半導體層的第m族 氮化物半導體層貼合基板，該第III族氮化物半導體層具有 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值的半高寬為450 arcsec以下之高結晶性。 (實施形態2) 參照圖2，本發明之第III族氮化物半導體層貼合基板之 製造方法之另一實施形態，係在實施形態1之第ΠΙ族I化 物半導體層貼合基板之製造方法中’於獲得第III族氮化物 半導體層貼合基板1之步驟（圖2(c))後、退火之步驟（圖 2(e))前，進而具備將佈植有離子之區域20i去除之步騾（圖 2(d))。 即，本實施形態之第III族氮化物半導體層貼合基板之製 造方法具備：於距離第ΠΙ族氮化物半導體基板2〇之一主表 141845.doc 201006974 面20m特定深度D的區域，佈植氫及氦中之至少任一種離 子I的步驟（圖2(a));於第III族氮化物半導體基板20之主表 面20m貼合異組成基板10之步驟（圖2(b));藉由於佈植有離 子I之區域20i分離第III族氮化物半導體基板20，而獲得第 III族氮化物半導體層貼合基板1之步驟（圖2(c));將第in族 氮化物半導體層20a中佈植有離子I之區域20i去除之步驟 (圖2(d));及在含氮氣體N之氛圍下，於700。(：以上對第ΠΙ 族氮化物半導體層貼合基板1進行退火之步驟（圖2(e))。 此處，本實施形態之佈植離子I之步驟（圖2(a))係與實施 形態1之佈植離子I之步驟（圖1 (a))相同，本實施形態之貼 合之步驟（圖2(b))係與實施形態丨之貼合之步驟（圖i(b))相 同’本實施形態之獲得第III族氮化物半導體層貼合基板1 之步驟（圖2(c))係與實施形態1之獲得第氮化物半導體 層貼合基板1之步驟（圖1 (c))相同’本實施形態之退火之步 驟（圖2(e))係與實施形態1之退火之步驟（圖i(d))相同。 本實施形態中，將第in族氮化物半導體層20a(厚度td) 中佈植有離子I之區域20i(厚度AD)(存在有助於分離之劑量 以上之離子I而結晶性顯著降低之區域）去除後，藉由對第 III族氮化物半導體層20a(厚度TE)進行退火，可大幅恢復 第III族氮化物半導體層2(^之結晶性。如此，可獲得具有 厚度為τΕ之結晶性高的第m族氮化物半導體層之第ΙΠ族氮 化物半導體層貼合基板。 此處，關於去除第III族氮化物半導體層中之伟植有離子 之區域的方法無特別限制，但從將表面平坦化且可以奈米 141845.doc •12· 201006974 級去除之觀點考慮，以研磨方法、濕蝕刻或乾蝕刻之方法 等較佳。 (實施例1) 1 ·於第III族氮化物半導體基板佈植離子之步驟 參照圖1 (a) ’作為第III族氮化物半導體基板20，準備兩 主表面藉由研磨而成為鏡面之摻雜氧的直徑為2英寸（5〇8 cm)且厚度為500 μιη之GaN基板。該GaN基板之比電阻為1 Ω-cm以下，載子濃度為lxl〇i7cnT3以上。 於該GaN基板之氮原子主表面（N主表面）2〇m佈植氩離 子。氫離子之佈植係以加速電壓90 keV進行，劑量為 7χ1017 cm2。佈植有氫離子之區域2〇i在距離n主表面之深 度D為約6 0 0 nm之冰度的面區域’其氯離子之劑量為最 大。 2 .於第III族氮化物半導體基板貼合異組成基板之步驟 參照圖1 (b) ’將佈植氫離子之第m族氮化物半導體基板 20之N主表面清洗後，藉由用乾蝕刻裝置在氬（Ar)氣體中 放電所得之電漿而成為潔淨面。 另一方面’作為異組成基板1〇，準備使§丨基板熱氧化而 於表面形成厚度為1〇〇 nm之Si〇2層的Si 〇2層形成Si基板。 將該Si〇2層形成Si基板之主表面藉由用乾蝕刻裝置在氯 (Ar)氣體中放電所得之電漿而成為潔淨面。 此處’用來清潔上述第III族氮化物半導體基板2〇及異組 成基板10之主表面之電漿產生條件為rF功率l〇〇w、Ar氣 體流量50 seem(標準狀態下氣體1分鐘内流動之體積 141845.doc 13 201006974 (cm3/min))、壓力 6.7 Pa。 將GaN基板（第III族氮化物半導體基板20)之N主表面（潔 淨面）與Si02層形成Si基板（異組成基板10)之主表面（潔淨 面）在大氣中貼合。 3·藉由於佈植有離子之區域分離第III族氮化物半導體 基板而獲得第III族氮化物半導體層貼合基板之步驟 參照圖1 (c)，將貼合之GaN基板（第III族氮化物半導體基 板20)及Si〇2層形成Si基板（異組成基板10)藉由在N2氣體氛 圍中以300°C進行2小時熱處理，提高兩基板之貼合強度， 且在距離主表面20m約600 nm之深度之面區域將GaN基板 分離’獲得具有厚度TD約為600 nm之GaN層（第III族氮化 物半導體層20a)的GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層 貼合基板1)。 4. 對第III族氮化物半導體層貼合基板進行退火之步驟 參照圖1(d) ’在1氣壓（101.3 kPa)之N2氣體（含氮氣體N) 之氛圍下以700°C之溫度對GaN層貼合基板（第πΐ族氮化物 半導體層貼合基板1)進行退火。該退火步驟中，其係以 20°C /min之速度升溫’於退火溫度保持3〇分鐘，並以 20°C/min之速度降溫。 如此獲得之GaN層貼合基板中之GaN層（第m族氮化物半 導體層20a)之結晶性較高，為（〇〇〇2)面相關之轉動曲線之χ 射線繞射峰值之半高寬為435 arcsec ° 5. 使蠢晶層成長之步驟 於GaN層貼合基板（第m族氮化物半導體層貼合基板）之 141845.doc lyl 201006974

GaN層（第III族氮化物半導體層）上，藉由MOCVD法使厚度 3 μιη之η型GaN蟲晶層（蟲晶層）成長。 如此獲得之η型GaN磊晶層之結晶性較高，為（0002)面相 關之轉動曲線之X射線繞射岭值之半高寬為361 arcsec。其 結果歸納於表1。 (實施例2) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除將退火溫度設為850°C以外，其他 與實施例1相同，製造GaN層貼合基板，且在GaN層貼合基 板之GaN層上使厚度為3 μηι之η型GaN蟲晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 304 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 288 arcsec。即，GaN 層及η型GaN磊晶層之結晶性皆較高。其結果歸納於表1。 (實施例3) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除將退火溫度設為920°C以外，其他 與實施例1相同，製造GaN層貼合基板，且在GaN層貼合基 板之GaN層上使厚度為3 μιη之η型GaN蟲晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 265 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 201 arcsec。即，GaN 層及η型GaN蟲晶層之結晶性皆較高。其結果歸納於表1。 (比較例1)

除未進行將GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼 合基板）退火之步驟以外，其他與實施例1相同，製造GaN 141845.doc -15- 201006974 層貼合基板，且在GaN層貼合基板之GaN層上使厚度為3 μιη之η型GaN蠢晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 1033 arcsec，η型 GaN蠢晶層為 1068 arcsec。即， GaN層及η型GaN磊晶層之結晶性皆較低。其結果歸納於表 1 ° (比較例2) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除將退火溫度設為600°C以外，其他 與實施例1相同，製造GaN層貼合基板，且在GaN層貼合基 板之GaN層上使厚度為3 μιη之η型GaN蟲晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 624 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 630 arcsec。即，GaN 層及η型GaN磊晶層之結晶性皆較低。其結果歸納於表1。 (實施例4) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 氣體之體積比為6:4)以外，其他與實施例1相同，製造GaN 層貼合基板，且在GaN層貼合基板之GaN層上使厚度為3 μιη之η型GaN蟲晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 403 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 352 arcsec。即， GaN層及η型GaN磊晶層之結晶性皆較高。其結果歸納於表 141845.doc -16- 201006974 (實施例5) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 氣體之體積比為6:4)，及退火溫度係設為850°C以外，其他 與實施例1相同，製造GaN層貼合基板，且在GaN層貼合基 板之GaN層上使厚度為3 μηι之η型GaN蠢晶層成長。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 297 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 282 arcsec。即， GaN層及η型GaN磊晶層之結晶性皆較高。其結果歸納於表 ❹ 141845.doc 17· 201006974 實施例5 Si02/Si GaN H離子 1 n2：nh3 (6:4) 850 297 282 實施例4 9 GaN Η離子 1 n2：nh3 (6:4) 700 S 寸 352 實施例3 Si02/Si GaN Η離子 1 920 in 〇 CN η 實施例2 Si02/Si GaN Η離子 1 850 ! 304 288 實施例1 Si〇2/Si GaN Η離子 1 700 tn Ό m 比較例2 Si02/Si GaN Η離子 1 600 624 1 630 比較例1 00 〇 C/5 GaN Η離子 1 1 1 1 1033 1068 異組成基板 第III族氮化物半導體基板 佈植離子種 佈植有離子之區域之去除厚度 (nm) 含氮氣體(體積比） 退火溫度(°C) 第III族氮化物 半導體層 蠢晶層 _____________1 備註 退火步驟 X射線繞 射峰值之 半高寬 (arcsec) 141845.doc -18- 201006974 參照表1可知，在未進行退火步驟之情形（比較例1)及即 使進行退火步驟而退火溫度係低至600°C之情形（比較例 2)，GaN層貼合基板之GaN層之結晶性降低，且該GaN層 上進而成長有結晶性低的η型GaN蟲晶層。另一方面，可 知在700°C以上之退火溫度進行退火步驟之情形下（實施例 1〜3)，GaN層貼合基板之GaN層之結晶性增高，且該GaN 層上進而成長有結晶性高的η型GaN磊晶層。 又可知，在退火步驟中，退火溫度為700°C以上且作為 ^ 含氮氣體取代N2氣體（實施例1及2)而使用N2氣體及NH3氣 體之混合氣體之情形（實施例4及5)，亦可使GaN層貼合基 板之GaN層之結晶性增高，且該GaN層上進而成長有结晶 性高的η型GaN磊晶層。再者，亦可知作為含氮氣體，較 之使用N2氣體之情形（實施例1及2)，使用N2氣體及NH3氣 體之混合氣體之情形（實施例4及5)，會使GaN層貼合基板 之GaN層及於該GaN層上成長之η型GaN磊晶層的結晶性更 φ 加增高。 (實施例6) 對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板）進 • 行退火之步驟中，除將退火溫度設為950°C以外，其他與 • 實施例1相同，製造GaN層貼合基板。當用SEM(掃描式電 子顯微鏡）觀察GaN層貼合基板之GaN層之主表面時，结果 可看到於GaN層之主表面有因N原子之脫落所致之Ga原子 的微滴。其結果歸納於表2。 (實施例7) 141845.doc -19- 201006974 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 氣體之體積比為8:2)以外，其他與實施例6相同，製造GaN 層貼合基板。而GaN層貼合基板之GaN層之主表面的形態 為良好。其結果歸納於表2。 (實施例8) 於對GaN層貼合基板（第ΠΙ族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 氣體之體積比為6:4)以外，其他與實施例6相同，製造GaN 層貼合基板。而GaN層貼合基板之GaN層之主表面的形態 為良好。其結果歸納於表2。 (實施例9) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 氣體之體積比為4:6)以外，其他與實施例6相同，製造GaN 層貼合基板。而GaN層貼合基板之GaN層之主表面的形態 為良好。其結果歸納於表2。 (實施例10) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用N2氣體及NH3 氣體之全壓為1氣壓（101.3 kPa)之混合氣體（N2氣體：NH3 141845.doc -20- 201006974 氣體之體積比為2:8)以外，其他與實施例6相同，製造GaN 層貼合基板。而GaN層貼合基板之GaN層之主表面的形態 為良好。其結果歸納於表2。 (實施例11) 於對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板） 進行退火之步驟中，除作為含氮氣體係使用壓力為1氣壓 (101.3kPa)之NH3氣體以外，其他與實施例6相同，製造 GaN層貼合基板。而GaN層貼合基板之GaN層之主表面的 形態為良好。其結果歸納於表2。 141845.doc •21 · 201006974 【<N<】 實施例11 • Μ CS •9 C/3 ϋ Η離子 1 m § 〇 〇\ 1 1 主表面之形 態良好 實施例10 (Ν 〇 ? ο Η離子 1 n2：nh3 (2:8) 〇 in 〇\ 1 1 主表面孓形 態良好 實施例9 Si02/Si ? ο Η離子 曹 n2：nh3 (4:6) 〇 〇\ 1 1 主表面之形 態良好 實施例8 CO 〇 xn ϋ Η離子 1 n2：nh3 (6:4) 〇 〇\ 1 1 主表面之形 態良好 實施例7 Si02/Si ο Η離子 1 n2：nh3 (8:2) 〇 〇\ 1 1 主表面之形 態良好 實施例6 CN 〇 ? ο Η離子 1 〇 Os 1 1 主表面產生 Ga之微滴 異組成基板 第III族氮化物半導體基板 佈植離子種 佈植有離子之區域之去除厚度 (nm) 含氮氣體 (體積比） 退火溫度(°c) 第III族氮化物 半導體層 蠢晶層 1 退火步驟 X射線繞 射峰值之 祕8s 141845.doc -22- 201006974 又，即使將退火溫度由950°C更改為l〇〇〇°C，與實施例 6〜11相同製造之GaN層貼合基板亦可獲得相同之結果。 由表2及上述見解可知，於950°C以上之溫度對GaN層貼 合基板（第ΙΠ族氮化物半導體層貼合基板）進行退火之情 形，藉由使含有NH3氣體作為含氮氣體，可良好地維持 GaN層之主表面之形態。 (實施例12) 1 ·於第III族氮化物半導體基板佈植離子之步驟 準備與實施例1相同之GaN基板。藉由MOCVD法於該 GaN基板上成長厚度2 μηι之A1化學組成比為0.2的AlGaN 層。再於使該AlGaN層成長後之GaN基板（第III族氮化物半 導體基板）之AlGaN層的主表面佈植氫（H)離子。氫離子之 佈植係以加速電壓1〇〇 keV進行，其劑量為6xl017cm-2。佈 植有氫離子之區域20i，於距離主表面約630 nm之深度之 面區域之氫離子的劑量為最大。 2於第HI知氮化物半導體基板貼合異組成基板之步驟 將第III族氮化物半導體基板之佈植有氫離子之八1〇必層 之主表面清洗後，藉由用乾蝕刻裝置在氬（Ar)氣中放電所 得之電漿而成為潔淨面。 另一方面，作為異組成基板，準備使81基板熱氧化而於 表面形成厚度為100 nm2Si〇2層的Si〇2層形成Si基板。將 ”亥Si〇2層形成Si基板之主表面藉由用乾姓刻裝置在氬（Α『) 氣中放電所得之電漿而成為潔淨面。 此處，用來清潔上述第m族氮化物半導體基板及異組成 141845.doc -23- 201006974 基板之主表面之電漿產生條件係與實施例1相同。 將使AlGaN層成長後之GaN基板（第III族氮化物半導體基 板）之AlGaN層的主表面（潔淨面）與Si02層形成Si基板（異組 成基板）的主表面（潔淨面）在大氣中貼合。 3.藉由於佈植有離子之區域分離第III族氮化物半導體 基板而獲得第ΙΠ族氮化物半導體層貼合基板之步驟 藉由將貼合之成長有AlGaN層之GaN基板（第ΙΠ族氮化物 半導體基板）及Si02層形成Si基板（異組成基板）在乂氣體氛 圍中於400°C進行2小時熱處理，提高兩基板之貼合強度’ 參 且在距離主表面20m約600 nm之深度之面區域將GaN基板 上成長之AlGaN層分離，獲得具有厚度約為600 nm之 AlGaN層（第III族氮化物半導體層）的AlGaN層貼合基板（第 III族氮化物半導體層貼合基板1)。 4 ·對第III族氮化物半導體層貼合基板進行退火之步驟 在1氣壓（101.3 kPa)2N2氣體（含氮氣體N)之氛圍下以 800°C之溫度對AlGaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層 貼合基板1)進行退火。該退火步驟中，其係以20°C/min之 ® 速度升溫，於退火溫度保持30分鐘，並以20°C/min之速度 降溫。 如此獲得之AlGaN層貼合基板之AlGaN層（第III族氮化物 半導體層）之結晶性較高，其關於（0002)面之轉動曲線之X 射線繞射峰值之半高寬為477 arcsec。其結果歸納於表3。 (比較例3) 除未進行將AlGaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層 141845.doc -24- 201006974 貼合基板）退火之步驟以外，其他與實施例丨2相同，製造 AlGaN層貼合基板。所獲得之AlGaN層貼合基板之AlGaN 層（第III族氮化物半導體層）之結晶性較低，其關於（0002) 面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬為943 aresec。其 結果歸納於表3。 (實施例13) 1 ·於第III族氮化物半導體基板佈植離子之步驟 準備與實施例1相同之GaN基板（第III族氮化物半導體基 板）。於該GaN基板之氮原子主表面（N主表面）2〇m佈植氦 (He)離子。氦離子之佈植係以加速電壓8〇 keV進行，其劑 量為4><1017〇111_2。佈植有氦離子之區域2〇丨，於距離]^主表 面約370 nm之深度之面區域之氦離子的劑量為最大。 2·於第III族氮化物半導體基板貼合異組成基板之步驟 將佈植有氦離子之第III族氮化物半導體基板的1^主表面 清洗後’藉由用乾蝕刻裝置在氬（Ar)氣中放電所得之電漿 而成為潔淨面。 另一方面’作為異组成基板，準備使81基板熱氧化雨於 表面形成厚度為100 nm之Si〇2層的Si〇2層形成si基板。將 該si〇2層形成si基板之主表面藉由用乾蝕刻裝置在氬（Ar) 氣中放電所得之電浆而成為潔淨面。 此處’用來清潔上述第ΙΠ族氮化物半導體基板及異缸成 基板之主表面之電漿產生條件係與實施例1相同。 將GaN基板（第ΙΠ族氮化物半導體基板）之N主表面（潔淨 面）與SiCh層形成Si基板（異組成基板）的主表面（潔淨面）在 141845.doc -25- 201006974 大氣中貼合。 3.藉由於佈植有離子之區域分離第III族氮化物半導體 基板而獲得第III族氮化物半導體層貼合基板之步驟 將貼合之GaN基板（第III族氮化物半導體基板）及SiOj 形成Si基板（異組成基板）藉由在N2氣體氛圍中於500°C進行 2小時熱處理，提高兩基板之貼合強度，且在距離主表面 約410 nm之深度之面區域將GaN基板分離，獲得具有厚度 約為410 nm之GaN層（第III族氮化物半導體層）的GaN層貼 合基板（第ΙΠ族氮化物半導體層貼合基板）。 φ 4 ·對第III族氮化物半導體層貼合基板進行退火之步驟 在1氣壓（101·3 kPa)之N2氣體（含氮氣體N)之氛圍下以 920°C之溫度對GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼 合基板）進行退火。該退火步驟中，其係以20°C/min之速度 升溫，於退火溫度保持30分鐘，並以20°C /min之速度降 溫。 如此獲得之GaN層貼合基板之GaN層（第III族氮化物半導 體層）之結晶性較高，其關於（0002)面之轉動曲線之X射線 ⑩ 繞射峰值之半高寬為372 arcsec。其結果歸納於表3。 (比較例4) 除未進行將GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼 合基板）退火之步驟以外，其他與實施例13相同，製造GaN 層貼合基板。所獲得之GaN層貼合基板之GaN層（第III族氮 化物半導體層）之結晶性較低，其關於（0002)面之轉動曲線 之X射線繞射峰值之半高寬為1094 arcsec。其結果歸納於 141845.doc •26· 201006974 表3。 (實施例14) 除在藉由分離GaN基板（第III族氮化物半導體基板）獲得 GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板）之步驟 之後、對GaN層貼合基板進行退火之步驟之前，進行將 GaN層中佈植有氫離子之區域20i去除之步驟（圖2(d))及將 退火步驟中之退火溫度設為920°C以外，其他與實施例1相 同，製造GaN層貼合基板，且於GaN層貼合基板之GaN層 . 上成長厚度3 μπι之η型GaN蟲晶層。此處，佈植有氫離子 之區域之去除，係藉由CMP(化學機械研磨）進行至距離分 離時之GaN層之表面100 nm之深度。 關於（0002)面之轉動曲線之X射線繞射峰值之半高寬， GaN層為 221 arcsec，η型 GaN蟲晶層為 163 arcsec。即， GaN層及η型GaN蟲晶層之結晶性皆為極南。其結果歸納於 表3。 ❿ 141845.doc -27- 201006974

【ε<ι_—I 實施例14 • 00 〇 in GaN H離子 〇 920 τ—Η <Ν (Ν m v〇 實施例13 (S Q GaN He離子 1 920 372 1 比較例4 • ^ rj 〇 C/3 GaN He離子 f 1 1 1094 1 實施例12 • 00 Q 〇0 AlGaN/GaN H離子 1 800 477 1 比較例3 fS 〇 ζΛ AlGaN/GaN Η離子 1 1 1 3 Os 1 異組成基板 第III族氮化物半導體基板 佈植離子種 佈植有離子之區域之去除厚度(nm) 含氮氣體 (體積比） 退火溫度(°C) 第III族氮化物半導體層 蟲晶層 備註 退火步驟 X射線繞 射峰值之 半高寬 (arcsec) 141845.doc -28 - 201006974 參照表3可知，在AlGaN層貼合基板之製造中，藉由於 700°C以上對AlGaN層貼合基板進行退火，可使AlGaN層之 結晶性恢復，獲得具有結晶性高的AlGaN層之AlGaN層貼 合基板（實施例12及比較例3)。且可知，GaN層貼合基板之 製造中，即使作為佈植之離子係使用氦離子之情形，亦可 藉由於700°C以上對GaN層貼合基板進行退火，使GaN層之 結晶性恢復，獲得具有結晶性高的GaN層之GaN層貼合基 板（實施例13及比較例4)。又可知，GaN層貼合基板之製造 中，在藉由分離GaN基板而獲得GaN層貼合基板之步驟之 後、對GaN層貼合基板進行退火之步驟之前，進行將GaN 層中佈植有離子之區域20i去除之步驟，藉此可使GaN層貼 合基板之GaN層及該GaN層上所成長之η型GaN磊晶層的結 晶性極為提高（實施例14)。 (對半導體裝置之特性評價） 1·半導體裝置之製作 參照圖3，用比較例1、實施例1及3中製造之各個GaN層 貼合基板（第III族氮化物半導體層貼合基板1)，如下製作 半導體裝置（LED)。 即，於上述之GaN層貼合基板（第III族氮化物半導體層 貼合基板1)之GaN層（第III族氮化物半導體層20a)上，藉由 MOCVD法，作為GaN系半導體層30，順序成長厚度5 μηι 之 η型 GaN層 3 1、厚度 0.5 μιη之 η型 Al〇.()5Ga〇.95N層 32、具有 由6對In0.15Ga0.85N層及In0.01Ga0.99N層構成之MQW(多重量 子井）結構的厚度100 nm之發光層33、厚度20 nm之p型 141845.doc -29- 201006974 AI〇.2〇Ga〇_s〇N層 34、及厚度 〇· 15 μηι之p型 GaN層 35。其次， 藉由平台姓刻法使η型GaN層31之一部分之表面露出。其 後’藉由真空蒸鑛法或電子束蒸鑛法，於P型GaN層3 5上 形成P側電極51，而於表面露出之11型（331^層31上形成11側 電極52。 此處，將含有比較例1之GaN層貼合基板之半導體裝置 稱為比較例1之半導體裝置，將含有實施例i之GaN層貼合 基板之半導體裝置稱為實施例1之半導體裝置，將含有實 施例3之G a N層貼合基板之半導體裝置稱為實施例3之半導 體裝置。 (2)半導體裝置之特性評價 關於上述比較例1、實施例〗及3之半導體裝置，分別藉 由EL(電致發光）法以佈植電流8〇 mA測定峰值波長45〇 之發光光譜之發光強度，結果，相對於比較例丨之半導體 裝置之實施例1之半導體裝置的相對發光強度為1.5，而相 對於比較例1之半導體裝置之實施例3之半導體裝置的相對 發光強度為2.6。由此可確認’藉由使用具有結晶性高的

GaN層之GaN層貼合基板，可獲得特性較高的半導體裝 置。 本發明⑽細描述並圖解其内容，但顯而易見之為本發 明係以舉例之方式呈現且並非限定於此，本發明之範園係 僅由申請專利範圍之術語所限定。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示本發明之第ΠΙ族氮化物半導體層貼合基板之 141845.doc 201006974 製造方法之一實施形態的概略剖面圖。此處，（a)表示離子 佈植步驟，（b)表示貼合步驟，（c)表示獲得第III族氮化物 半導體層貼合基板之步驟，（d)表示退火步驟。 圖2係顯示本發明之第III族氮化物半導體層貼合基板之 製造方法之另一實施形態的概略剖面圖。此處，（a)表示離 子佈植步驟，（b)表示貼合步驟，（c)表示獲得第III族氮化 物半導體層貼合基板之步驟，（d)表示離子佈植區域之去除 步驟，（e)表示退火步驟。 圖3係顯示含有本發明之第III族氮化物半導體層貼合基 板之半導體裝置之一例的概略剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 第in族氮化物半導體層貼合基板 10 異組成基板 20 第III族氮化物半導體基板 20a 第III族氮化物半導體層 20b 剩餘部分第III族氮化物半導體基板 20i 佈植有離子之區域 20m 主表面 30 GaN系半導體層 31 η型GaN層 32 η型 Al〇.〇5Ga〇.95N層 33 發光層 34 ρ型 Al〇.2〇Ga〇.8〇N層 35 p型GaN層 141845.doc -31 - 201006974 51 ρ側電極 52 n側電極 I 離子 141845.doc

Claims (1)

1. 201006974 七、申請專利範圍： 1. 一種第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方法，其係 將第III族氮化物半導體層、及與上述第III族氮化物半導 體層之化學組成不同之異組成基板貼合者，具傷： 於距離第III族氮化物半導體基板之一主表面特定深度 的區域，佈植氫及氦中之至少任一種離子的步驟； 於上述第III族氮化物半導體基板之上述主表面貼合上 述異組成基板之步驟； • 藉由於佈植有上述離子之區域分離上述第III族氮化物 半導體基板’而獲得上述第III族氮化物半導體層貼合基 板之步驟；及 在含氮氣體之氛圍下，於700°c以上對上述第III族氮 化物半導體層貼合基板進行退火之步驟。 2_如請求項1之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法，其中上述含氮氣體係含有氨氣。 3. 如請求項1之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 • 法，其中上述退火之步驟係於9501以上進行。 4. 如請求項1之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法’其中於獲得上述第III族氮化物半導體層貼合基板之 I 步驟後、上述退火步驟前’進而具備將上述第m族氮化 物半導體層中佈植有上述離子之區域去除的步驟。 5. 如請求項I之第III族氮化物半導體層貼合基板之製造方 法，其中關於上述第III族氮化物半導體層之（0002)¾之 轉動曲線中之X射線繞射峰值的半高寬為45〇 arcsec以 下。 141845.doc