TWI412637B - A Group III nitride substrate, a substrate with an epitaxial layer, a manufacturing method of the same, and a method for manufacturing the semiconductor element - Google Patents

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Description

第III族氮化物基板、附有磊晶層之基板、此等之製造方法及半導體元件之製造方法
本發明係關於一種第III族氮化物基板、附有磊晶層之基板、此等之製造方法及半導體元件之製造方法，更特定而言，本發明係關於一種可形成良好膜質之磊晶層之第III族氮化物基板、附有磊晶層之基板、此等之製造方法及半導體元件之製造方法。
先前，對包含GaN基板等第III族氮化物基板之化合物半導體基板之表面進行鏡面研磨，且使用磊晶成長法於該表面上形成磊晶成長層，將該化合物半導體基板用於發光元件或功率元件等各種半導體元件。從而產生如下問題：如上所述對表面進行鏡面研磨之情形時，若於研磨之表面上產生污點，則將於所形成之磊晶成長層上產生亀裂等缺陷，損害該磊晶成長層之品質。因此，先前提出有抑制如上所述之污點之產生(降低霧度)的各種研磨方法(例如，關於GaAs，參照專利文獻1(日本專利特開平11－347920號公報))。
專利文獻1：日本專利特開平11－347920號公報
然而，發明者經研討之結果得知，若僅降低GaN等第III族氮化物基板表面之霧度，則有時亦會於形成於上述基板表面上之磊晶成長層上產生亀裂等缺陷。此時，即使適用上述先前之研磨方法，亦難以充分降低磊晶成長層上之缺陷之產生概率。
本發明係為了解決如上所述之問題而完成者，本發明之目的在於提供一種可形成良好品質之磊晶成長層之第III族氮化物基板及其製造方法。
又，本發明之其他目的在於提供一種附有磊晶層之基板及其製造方法，進而提供一種使用該附有磊晶層之基板之半導體元件之製造方法，上述附有磊晶層之基板係使用如上所述之第III族氮化物基板而具備良好品質之磊晶成長層。
發明者們對形成於第III族氮化物基板表面上之磊晶成長層中產生品質降低之機制進行了研究。具體而言，對形成磊晶成長層之前之第III族氮化物基板表面實施詳細檢查(附著物質之種類或數量測定等)，調查該檢查結果與所形成之磊晶成長層之品質的相關關係。其結果獲得如下見解：形成磊晶成長層時之第III族氮化物基板表面上所存在之酸性物質之原子個數及矽原子個數對所形成之磊晶成長層的品質產生較大影響。再者，所謂第III族氮化物基板係指例如由GaN形成之基板或由AlN形成之基板、以及其混晶基板(Gax Aly N)。又，所謂酸性物質係指氯、氟、溴、碘等鹵素，氧化氮(NOx )，氧化硫(SOx )，氯化氫等與水反應或溶解於水中後顯示酸性之物質。
而且，關於上述酸性物質附著於第III族氮化物基板表面之原因，發明者經研究後推測是由如下現象所引起。亦即，於製造第III族氮化物基板(例如GaN基板等)之步驟中，除使用鹽酸、硝酸等易揮發之酸性物質外，於研磨該基板時，使用含有研磨粒之研磨液。研磨液中多使用氯系物質作為氧化劑，於該研磨液中含有大量作為酸性物質之氯。使用該等酸性物質之研磨步驟通常係藉由排氣裝置對研磨裝置內之環境進行排氣而進行者。於排氣裝置未完全排出酸性物質之情形時，研磨裝置內之環境中存在有一部分酸性物質。可認為此時，酸性物質吸附於第III族氮化物基板表面上。而且亦認為，如此之酸性物質與形成第III族氮化物基板之元素產生反應，從而於基板表面上形成沈澱物。形成如此之沈澱物時，基板表面之表面粗糙度及霧度值增大。
將第III族氮化物基板研磨後加以清洗，其後進行表面檢查。若於上述研磨步驟中第III族氮化物基板表面上之酸性物質較多，則難以於後續步驟中充分除去。因此，最終狀態下之基板表面之表面粗糙度及霧度值增大。又，表面檢查於無塵室內進行，檢查期間為至少1小時左右，第III族氮化物基板置於無塵室之環境中。此時亦認為，自上述研磨步驟等中流來之微量酸性物質吸附於第III族氮化物基板表面上。
又，使用含有SiO2 等包含Si原子之物質作為研磨粒之研磨液，對GaN基板等第III族氮化物基板進行研磨時，有時即使於研磨後進行清洗步驟，亦會於基板表面上殘留有含Si之物質。而且，發明者們發現，當上述酸性物質(及/或沈澱物)或含Si之物質過量地存在於第III族氮化物基板表面上時，形成於該基板表面上之磊晶成長層之品質惡化。即，為了於第III族氮化物基板之表面上形成高品質之磊晶成長層，有效的是降低基板表面上之上述酸性物質或含Si之物質之濃度。而且，發明者們發現，為了如上所述降低基板表面上之酸性物質之濃度，有效的是儘可能降低研磨裝置內與基板表面接觸之環境氣體中之酸性物質的濃度。又，發明者們發現，為了降低附著於基板表面上之含Si之物質(或者矽原子)之濃度，有效的是於研磨步驟中所使用之研磨液中含有酸及界面活性劑。再者，當製造步驟之環境中之酸性物質的濃度較高時，產生基板表面之酸性物質之濃度增高的問題，該問題不管於研磨步驟、檢查步驟中還是其他步驟中均同樣存在。
根據如上所述之見解而完成之本發明之第III族氮化物基板的特徵在於：該第III族氮化物基板表面每1 cm2 之酸性物質之原子個數為2×1014 以下，且該表面每1 cm2 之矽(Si)原子個數為3×1013 以下。
如此，可於第III族氮化物基板表面上形成良好品質之磊晶成長層。再者，將第III族氮化物基板表面每1 cm2 之酸性物質之原子個數設為2×1014 以下的原因在於，若將酸性物質之原子個數抑制為上述程度以下，則可充分減小該基板表面之粗糙度及霧度(可充分減少基板表面之亀裂程度)。又，將該第III族氮化物基板表面每1 cm2 之矽(Si)原子個數設為3×1013 以下之原因在於，若如此則可充分良好地保持所形成之磊晶成長層之品質(例如磊晶成長層之表面粗糙度或膜質)(例如，當將該磊晶成長層用作發光元件之發光層時，可獲得特定之發光強度)。再者，所謂酸性物質之原子個數，例如，當如氟、氯、溴及碘等鹵素般以單體存在時，係指鹵素原子之個數；當以氧化氮(NOx )、氧化硫(SOx )等化合物形態存在時，係指該化合物之分子個數。又，所謂矽原子個數，當矽以單體存在時係指該矽原子之個數；當以如SiO2 般之化合物形態存在時，係指該化合物之分子個數。
於上述第III族氮化物基板，表面之霧度可為5 ppm以下。其原因在於，可藉由將第III族氮化物基板之表面每1 cm2 之酸性物質的原子個數(酸性物質之密度)設為如上所述之值以下，而充分減小該基板之表面粗糙度，因此，可充分降低污點程度(霧度)。如此，可藉由減小基板表面之霧度，而防止形成於基板表面上之磊晶成長層之品質惡化。再者，將霧度之上限設為5 ppm之原因在於，當霧度超過5 ppm時，所形成之磊晶成長層之品質降低，例如當將該磊晶成長層用於發光元件之發光層等時，無法獲得充分之發光強度。
本發明之第III族氮化物基板之特徵在於：該第III族氮化物基板表面每1 cm2 之矽原子個數為3×1013 以下，且該表面之霧度為5 ppm以下。又，本發明之第III族氮化物基板之特徵在於：上述第III族氮化物基板表面每1 cm2 之酸性物質之原子個數為2×1014 以下，且該表面之霧度為5 ppm以下。
如此，可於第III族氮化物基板之表面上形成良好品質之磊晶成長層。
於上述第III族氮化物基板，表面每1 cm2 之酸性物質之原子個數較好的是9×1013 以下。又，於上述第III族氮化物基板，表面之霧度較好的是3 ppm以下。又，於上述第III族氮化物基板，表面每1 cm2 之矽原子個數較好的是1×1013 以下。
此時，可進一步提高形成於第III族氮化物基板表面上之磊晶成長層之膜質。例如，當使用該基板形成發光元件，用磊晶成長層形成發光層時，可進一步提高發光層之發光強度。
本發明之附有磊晶層之基板，包括由第III族氮化物形成之基底基板、及形成於基底基板表面上之磊晶成長層。基底基板與磊晶成長層之界面上每1 cm3 之矽(Si)原子個數為1×1020 以下。
以如此方式構成之附有磊晶層之基板中，由於以保持較少之基底基板表面上之矽原子個數之狀態形成磊晶成長層，故而可形成膜質良好之該磊晶成長層。因此，可抑制產生如下問題：當使用上述附有磊晶層之基板形成半導體元件(例如發光元件)時，因磊晶成長層之品質不良而導致半導體元件未充分發揮性能(成為不良品)。再者，所謂附有磊晶層之基板係指，於基底基板表面上形成有至少1層之藉由磊晶成長法而形成之層(磊晶成長層)的基板。又，於上述附有磊晶層之基板中，基底基板與磊晶成長層之界面每1 cm3 之矽(Si)原子個數可為1×1019 以下。此時，可使磊晶成長層之膜質更優良。再者，上述界面每1 cm3 之矽原子個數較好的是1×1018 以下，更好的是1×1017 以下。
又，上述第III族氮化物基板之表面粗糙度Ra可為1 nm以下。又，上述附有磊晶層之基板之磊晶成長層表面之粗糙度Ra可為1 nm以下。進而，形成於上述第III族氮化物基板表面上之加工改質層之厚度可為50 nm以下。又，形成於上述附有磊晶層之基板之基底基板表面上之加工改質層的厚度可為50 nm以下。此處，可藉由如下方式評估上述加工改質層之厚度，即，藉由使用穿透式電子顯微鏡(TEM，transmission electron microscope)觀察基板，而將觀察到之產生有晶格變形之區域作為上述加工改質層，測定該變形產生部分(加工改質層)之厚度。
本發明之第III族氮化物基板之製造方法包括：研磨步驟，其研磨第III族氮化物基板之表面；及清洗步驟，其於研磨步驟後清洗第III族氮化物基板之表面。以將清洗步驟後之第III族氮化物基板表面上每1 cm2 之酸性物質的原子個數保持為2×1014 以下的方式，控制研磨步驟中及清洗步驟後與第III族氮化物基板接觸之環境氣體。於研磨步驟中，藉由化學機械研磨法研磨第III族氮化物基板之表面。於化學機械研磨法中所使用之研磨液中含有界面活性劑及酸。
如此，可藉由控制上述環境氣體(例如，以可自第III族氮化物基板周圍迅速除去包含酸性物質之環境氣體的方式，使排氣機構動作；或者以可使環境氣體中所含有之酸性物質之濃度低於特定值的方式，於環境氣體之流路中配置用以除去酸性物質之吸附劑)，而降低環境氣體中之酸性物質附著於研磨步驟中及清洗步驟後之第III族氮化物基板表面上之可能性。又，可藉由於研磨步驟中使用如上所述之研磨液，而降低研磨液中之由SiO2 等形成之研磨粒(粒子狀物質)般之異物(含Si之物質)附著於研磨步驟後之第III族氮化物基板表面上的可能性。因此，可降低第III族氮化物基板表面上之含Si之物質、亦即矽原子之密度。
於上述第III族氮化物基板之製造方法中，研磨液中可更含有氧化劑。此時，可提高研磨步驟中之研磨率。由此，可提高第III族氮化物基板之製造效率。
於上述第III族氮化物基板之製造方法中，對研磨液中所含有之酸並未特別限制，例如，除可使用鹽酸、氫氟酸、溴酸、碘酸、硝酸、硫酸、磷酸、碳酸等無機酸外，亦可使用甲酸、醋酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、琥珀酸、二甲酸、反丁烯二酸、草酸等有機酸。又，於上述第III族氮化物基板之製造方法中，有機酸可為二價以上之羧酸。此時，可提高研磨步驟中之研磨率，並且可降低因研磨液中所含有之酸而導致於該基板表面上附著有異物之可能性。再者，此處所謂有機酸係呈現酸性之有機化合物。又，對研磨液中所包含之界面活性劑並未特別限制，可使用陽離子性、陰離子性、非離子性中之任一種界面活性劑。
上述第III族氮化物基板之製造方法可更包括如下步驟：於研磨步驟後，且清洗步驟前，使用酸性溶液或鹼性溶液，拋光第III族氮化物基板表面。又，可於該拋光步驟中，依序實施使用酸性溶液拋光第III族氮化物基板表面之步驟、以及使用鹼性溶液拋光第III族氮化物基板表面之步驟雙方，且可重複複數次使用酸性溶液之拋光步驟及/或使用鹼性溶液之拋光步驟。對鹼性溶液並未特別限制，可使用KOH、NaOH、NH4 OH、胺等鹼。此時，可於清洗步驟前藉由拋光而自第III族氮化物基板表面除去異物，因此，可降低清洗步驟後於該基板表面上殘留有異物(例如含Si物質)之問題之產生概率。
再者，除化學機械研磨外，亦可藉由乾式蝕刻而除去基板表面並加工。所謂乾式蝕刻係指如下方法之總稱，即，不使用液體而利用氣體、電漿、離子或光等之氣相－固相界面上之化學反應或物理反應，除去作為固體之第III族氮化物基板之表面。
第III族氮化物基板之乾式蝕刻中常使用氯系氣體，有時會於基板表面上殘留有作為酸性物質之氯。氯系氣體有Cl2 、BCl3 ，SiCl4 等。亦可將用於乾式蝕刻之氣體設為該等氯系氣體與作為惰性氣體之Ar、N2 之混合氣體。可藉由調整惰性氣體之稀釋、壓力、流量等條件而減少基板表面之酸性物質。又，電漿中存在Si對利用乾式蝕刻使第III族氮化物基板表面平滑有效。Si可藉由SiCl4 等氣體而添加至電漿中，亦可藉由於基板周邊配置Si化合物，同時對基板與該Si化合物進行蝕刻而存在於電漿中。再者，有時因蝕刻環境中存在Si而於乾式蝕刻後之基板表面上殘留有Si。此時，可藉由控制電漿中之Si濃度而減少基板表面之矽。
又，本發明之第III族氮化物基板之製造方法的特徵在於：使用氯系氣體於含Si之環境中對第III族氮化物基板表面進行乾式蝕刻，藉此使該表面每1 cm2 之酸性物質之原子個數成為2×1014 以下，且使該表面每1 cm2 之矽原子個數成為3×1013 以下。此處，所謂氯系氣體係指其成分組成中含有氯之氣體，例如可為氯氣或其組成中含有氯之氣體、或者至少包含該等氣體中之1種之混合氣體。
本發明之附有磊晶層之基板之製造方法具備：基板準備步驟，其實施上述第III族氮化物基板之製造方法；及於藉由基板準備步驟而獲得之第III族氮化物基板表面上形成磊晶成長層之步驟。如此一來，可於第III族氮化物基板之表面上形成良好品質之磊晶成長層。
本發明之附有磊晶層之基板之製造方法具備：基板準備步驟，其準備上述第III族氮化物基板；及於藉由基板準備步驟而準備之第III族氮化物基板表面上形成磊晶成長層之步驟。如此一來，可於第III族氮化物基板表面上形成良好品質之磊晶成長層。
本發明之半導體元件之製造方法具備：附有磊晶層之基板準備步驟，其實施上述附有磊晶層之基板之製造方法；及對藉由附有磊晶層之基板準備步驟而獲得之附有磊晶層之基板實施電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟。如此一來，可使用具備優良品質之磊晶成長層之附有磊晶層之基板形成半導體元件，因此可降低起因於磊晶成長層之品質不良之半導體元件產生不良的概率。因此，可抑制半導體元件之良率降低。
如此，根據本發明，可獲得於第III族氮化物基板表面上形成有優良品質之磊晶成長層之附有磊晶層之基板，因此藉由使用該附有磊晶層之基板形成半導體元件，可降低半導體元件產生不良的概率。
以下，使用圖式說明本發明之實施形態及實施例。再者，於以下圖式中，對相同或相當之部分附上相同之參考編號，不重複說明。
圖1係表示作為本發明之第III族氮化物基板之一例之GaN基板之立體模式圖。圖2係用以說明使用有圖1所示之GaN基板之半導體元件之製造方法的流程圖。圖3係用以說明圖2所示之加工步驟之內容之流程圖。圖4係表示使用有圖1所示之GaN基板之附有磊晶層之基板的立體模式圖。參照圖1~圖4，說明本發明之GaN基板、附有磊晶層之基板及半導體元件之製造方法的實施形態。
如圖1所示，本發明之GaN基板1藉由實施下述處理步驟而於(例如研磨及清洗後之)表面上，每1 cm2 之酸性物質之原子(例如氯原子)個數為2×1014 以下，且，該表面上每1 cm2 之矽原子個數為3×1013 以下。又，於GaN基板1，表面之霧度為5 ppm以下。如此，可於第III族氮化物基板表面上形成良好品質之磊晶成長層。
於上述GaN基板1中，表面3上每1 cm2 之酸性物質之原子個數較好的是9×1013 以下。又，於上述GaN基板1中，表面3之霧度較好的是3 ppm以下。又，於上述GaN基板1中，表面3上每1 cm2 之矽原子個數較好的是1×1013 以下。
此時，可進一步提高GaN基板1之表面3上所形成之磊晶成長層5(參照圖4)的膜質。例如，如下所述，當使用該GaN基板1形成發光元件，且藉由磊晶成長層而形成發光層時，可進一步提高發光層上之發光強度。
再者，使用TXRF(Total X－ray Reflection Fluorescence：全反射X光螢光分析)測定上述酸性物質之原子個數及矽原子個數。又，使用Tencor公司製造之SURFSCAN4500測定霧度。
其次，一面參照圖2及圖3，一面說明包含製造圖1所示之GaN基板之步驟之半導體元件的製造方法。
如圖2所示，首先，實施準備步驟(S100)即準備GaN基板之步驟。於該準備步驟(S100)中，可根據先前眾所周知之任意方法來準備GaN基板。
其次，實施對GaN基板進行研磨處理等之加工步驟(S200)。一面參照圖3，一面說明該加工步驟(S200)中之處理內容。於加工步驟(S200)中，如圖3所示，首先實施作為研磨步驟之CMP(chemical mechanical polishing，化學機械研磨法)步驟(S210)。於該CMP步驟(S210)中，使用化學機械研磨法CMP，研磨準備步驟(S100)中所準備之GaN基板之表面。其結果為，將GaN基板表面加工成鏡面。
此處，於CMP步驟(S210)中所使用之研磨液中，除研磨粒外，亦添加有界面活性劑及酸。再者，作為研磨液中所包含之研磨粒，可使用例如SiO2 或Al2 O3 、ZrO2 、CeO2 、Fe2 O3 、Cr2 O3 等。此處，為了提高清洗性，較好的是使用離子化傾向較高者作為構成研磨粒之金屬元素。例如，使用包含離子化傾向高於氫(H)之金屬元素之研磨粒時，下述清洗步驟中之研磨粒等之除去效率提高。又，作為酸，可使用鹽酸等，但亦可使用蘋果酸或檸檬酸等有機酸。作為該有機酸，較好的是使用二價以上之羧酸。又，亦可於研磨液中更添加有氧化劑。作為氧化劑，較好的是使用次氯酸及次氯酸鹽、三氯異三聚氰酸(TCIA，trichloroisocyanuric acid)等氯代異氰尿酸、二氯異三聚氰酸鈉等氯代異氰尿酸鹽、過錳酸鉀等過錳酸鹽、重鉻酸鉀等重鉻酸鹽、溴酸鉀等溴酸鹽、硫代硫酸鈉等硫代硫酸鹽、過硫酸銨、過硫酸鉀等過硫酸鹽、硝酸、過氧化氫水、臭氧等。
其次，實施拋光步驟(S220)。於該拋光步驟中，使用酸性或鹼性拋光液。作為酸性拋光液，可使用例如鹽酸、硝酸、磷酸、檸檬酸、蘋果酸等。又，作為鹼性拋光液，可使用例如氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉等。
其次，實施清洗步驟(S230)。於該清洗步驟(S230)中，可利用任意清洗方法。例如，作為清洗步驟(S230)，可實施使用純水之純水清洗。而且，至少於CMP步驟(S210)中、拋光步驟(S220)中及清洗步驟(S230)以後之步驟中，對於GaN基板所接觸之環境氣體(處理GaN基板之無塵室內之環境氣體)，以可保持較低之酸性物質、尤其氯原子之濃度之方式，自GaN基板周圍排出環境氣體，並且於該環境氣體之循環系統中配置有吸附酸性物質之吸附劑。作為吸附劑，使用例如活性碳。如此，可將環境氣體中之酸性物質、尤其氯原子之濃度保持為特定值以下(例如0.02 ppm以下)。其結果為，可降低附著於研磨及清洗後之GaN基板之表面上的酸性物質即氯原子的量。再者，於拋光步驟(S220)中，對於GaN基板所接觸之環境氣體，亦可如上所述自GaN基板周圍排出環境氣體，並且於該環境氣體之循環系統中配置有吸附酸性物質之吸附劑。
可藉由實施如上所述之步驟，而獲得圖1所示之表面上之酸性物質及矽原子之密度非常小的GaN基板1。再者，於加工步驟(S200)中，除CMP步驟外，亦可藉由乾式蝕刻步驟而處理GaN基板表面。亦可除實施CMP步驟外還實施乾式蝕刻步驟。
其次，如圖2所示，對藉由加工步驟(S200)而加工成鏡面之GaN基板實施後處理步驟(S300)。於該後處理步驟(S300)中，實施例如於GaN基板表面上形成特定磊晶成長層之步驟(成膜步驟)。該成膜步驟之結果，可如圖4所示獲得於GaN基板1表面上形成有磊晶成長層5之附有磊晶層之基板10。進而，於後處理步驟(S300)中，實施如下步驟，即，於上述附有磊晶層之基板10之表面上形成電極的步驟(電極形成步驟)，將磊晶基板10分離為各個元件之分離步驟，以及將所形成之元件連接至框架之步驟(加工步驟)，藉此實施組裝發光裝置等元件之組裝步驟。
亦存在與上述實施形態部分重複之部分，列舉說明本發明之實施形態。本發明之第III族氮化物基板(GaN基板1)之製造方法具備：研磨步驟(CMP步驟(S210))，研磨GaN基板1表面；以及清洗步驟(S230)，於CMP步驟(S210)後，清洗GaN基板1表面。以將清洗步驟(S230)後之GaN基板1表面上每1 cm2 之酸性物質之原子個數保持為2×1014 以下的方式，於研磨步驟(CMP步驟(S210))中及清洗步驟(S230)後控制與GaN基板1接觸之環境氣體。具體而言，以將環境氣體中之酸性物質之濃度保持為特定值以下之方式，於環境氣體中配置活性碳等吸附酸性物質之吸附構件。又，亦可於上述CMP步驟(S210)中及清洗步驟(S230)後，以將環境氣體中之酸性物質之濃度保持為特定值以下之方式，設置排氣機構。於CMP步驟(S210)中，藉由化學機械研磨法而研磨GaN基板1表面。化學機械研磨法中所使用之研磨液中含有界面活性劑及酸。
如此，以自上述環境氣體中除去酸性物質之方式控制該環境氣體，由此可降低環境氣體中之酸性物質附著於CMP步驟中或清洗步驟後之GaN基板1表面上之可能性。又，可藉由於CMP步驟(S210)中使用如上所述之研磨液，而降低研磨液中之含Si之物質附著於CMP步驟(S210)後之GaN基板1表面上的可能性。因此，可降低GaN基板1表面上之含Si之物質、亦即矽原子之密度。
於上述CMP步驟(S210)中，研磨液中亦可更含有氧化劑。此時，可提高研磨步驟中之研磨率。
又，研磨液中所含有之酸亦可為有機酸。又，該有機酸亦可為二價以上之羧酸。此時，可提高研磨步驟中之研磨率，並且可降低因研磨液中所含有之酸而導致異物附著於該基板表面上之可能性。
上述GaN基板之製造方法可更具備如下步驟(拋光步驟(S220))，即，於CMP步驟(S210)後，且清洗步驟(S230)前，使用酸性溶液或鹼性溶液拋光GaN基板1表面。又，於該拋光步驟(S220)中，可依序實施使用酸性溶液拋光GaN基板1表面之步驟、以及使用鹼性溶液拋光GaN基板1表面之步驟雙方，且可重複複數次使用酸性溶液之拋光步驟及/或使用鹼性溶液之拋光步驟。此時，可於清洗步驟前，藉由拋光而除去GaN基板1表面上之異物，由此可降低清洗步驟(S230)後於該GaN基板表面上殘留有異物之問題之產生概率。又，亦可藉由拋光步驟而於清洗步驟前減少酸性物質，由此可減少清洗步驟後之酸性物質之存在量。
又，除CMP步驟外，可進行乾式蝕刻處理，作為上述乾式蝕刻，可列舉RIE(反應性離子蝕刻，Reactive Ion Ethcing)、ICP(感應耦合電漿，Inductively Coupled Plasma)－RIE、ECR(電子迴旋共振，electron cyclotron resonance)－RIE、CAIBE(化學輔助離子束蝕刻，chemically assisted ion beam etching)、RIBE(反應性離子束蝕刻，reactive ion beam etching)等。
本發明之附有磊晶層之基板之製造方法具備：基板準備步驟(圖2之加工步驟(S200))，實施上述GaN基板之製造方法(或準備作為上述第III族氮化物基板之GaN基板1)；以及於藉由加工步驟(S200)而獲得之第III族氮化物基板表面上形成磊晶成長層之步驟(後處理步驟(S300)中所包含之成膜步驟)。如此，可於GaN基板1之表面3上形成良好品質之磊晶成長層5。
本發明之半導體元件之製造方法具備：附有磊晶層之基板準備步驟(加工步驟(S200)及成膜步驟)，實施上述附有磊晶層之基板之製造方法；以及對藉由附有磊晶層之基板準備步驟而獲得之附有磊晶層之基板10實施(後處理步驟(S300)中所包含之)電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟(後處理步驟(S300)中之成膜步驟以後之步驟)。如此，可使用具備優良品質之磊晶成長層5之附有磊晶層之基板10形成半導體元件，由此可降低因磊晶成長層5之品質不良而導致半導體元件不良之產生概率。
又，本發明之附有磊晶層之基板10如圖4所示具備：由第III族氮化物形成之作為基底基板之GaN基板1；以及形成於GaN基板1之表面3上之磊晶成長層5。GaN基板1與磊晶成長層5之界面上每1 cm3 之矽(Si)原子個數為1×1020 以下。又，本發明之附有磊晶層之基板10具備：作為上述本發明之第III族氮化物基板之GaN基板1；以及形成於該GaN基板1表面上之磊晶成長層。
以上述方式構成之附有磊晶層之基板10中，以保持較少之GaN基板1表面上之矽原子個數的狀態形成磊晶成長層5，由此可使該磊晶成長層5之品質良好。因此，當使用上述附有磊晶層之基板10形成例如發光元件時，可抑制產生如下問題，即因磊晶成長層5之品質不良而導致元件成為不良品。
又，於上述附有磊晶層之基板中，GaN基板1與磊晶成長層5之界面上每1 cm3 之矽(Si)原子個數亦可為1×1019 以下。此時，可使磊晶成長層5之品質更優良。再者，可使用SIMS(二次離子質譜儀，Secondary Ion Mass Spectroscopy)，測定GaN基板1與磊晶成長層5之界面上每1 cm3 之矽(Si)原子個數(Si原子密度)。例如，測定裝置可使用CAMECA公司製造之扇形磁場式SIMS裝置，且作為測定條件，可使用Cs＋ 作為原離子進行測定。
實施例1
為了確認本發明之效果，進行如下實驗。
(樣品之準備)作為本發明實施例之樣品，準備實施例1~13之樣品，又，作為比較例，準備比較例1~4之樣品。具體而言，準備應作為實施例1~13及比較例1~4之樣品之GaN基板。該GaN基板均為圓板狀，尺寸為直徑50 mm、厚度0.5 mm。對於該等GaN基板，預先使用鑽石研磨粒對基板表面進行磨削。作為該磨削中所使用之研磨粒，準備平均直徑為6 μm、2 μm、0.5 μm者，以自直徑較大之研磨粒至直徑較小之研磨粒之方式，一面階段性地縮小研磨粒直徑一面進行磨削。進而，於該磨削後，使用氧化鋁研磨粒進行拋光。作為氧化鋁研磨粒，使用平均直徑為0.5 μm者。如此，進行GaN基板樣品之表面狀態之前處理。
(對樣品進行研磨加工)於無塵室內，對以上述方式準備之GaN基板進行如下加工。再者，對於設置於無塵室內之研磨裝置內之環境氣體，因設酸性物質、尤其氯原子濃度非常低，故而可自配置有GaN基板之處理室內部排出環境氣體。將排氣風速設為0.6 m/s。而且，於該研磨裝置內，藉由CMP法而研磨應作為實施例1~8、11~13之樣品之GaN基板表面。如表1所示，實施例1~8之研磨時所使用之研磨液中，含有SiO2 作為研磨粒。又，實施例11~13之研磨時所使用之研磨液中，於各實施例分別含有ZrO2 、Cr2 O3 、Fe2 O3 作為研磨粒。又，研磨液中，作為用以進行pH值調整之酸，包含鹽酸、蘋果酸或檸檬酸。藉由添加該等酸而使研磨液之pH值達到2以上4以下之程度。又，研磨液中，作為界面活性劑，添加有0.05重量%之聚丙稀酸鈉。又，實施例2、5、6、10~13中，於所使用之研磨液中，作為氧化劑添加有0.1重量%之三氯異三聚氰酸(TCIA)。實施例1、7中，添加有次氯酸。實施例3中，添加有二氯異三聚氰酸鈉(Na－DCIA)。再者，實施例4、8中，使用未添加有氧化劑之研磨液。而且，藉由於研磨步驟後進行純水清洗而獲得表面經鏡面加工之GaN基板。如下所述，測定該GaN基板表面之Si濃度、氯濃度、表面粗糙度、霧度、及加工改質層之厚度。
又，實施例9中，藉由用乾式蝕刻(DE，Dry Etching)之方法加工GaN基板，而準備作為用以測定表面Si濃度等之樣品之GaN基板。該加工之乾式蝕刻使用平行平板式RIE裝置。作為製程條件，蝕刻氣體使用Cl2 氣體以及BCl3 氣體，Cl2 氣體流量為25 sccm(sccm：係指標準狀態之氣體1分鐘內流過1 cm3 之流量單位，以下相同)，BCl3 氣體流量為235 sccm，壓力為2.66 Pa，RF(Radio Frequency，射頻)功率為200 W。
又，實施例10中，於利用與實施例1相同之CMP法進行研磨後，進行拋光(清洗拋光)。於該拋光中，作為拋光液使用包含0.3重量%之檸檬酸、0.1重量%之TCIA之溶液。其後，與實施例1~9相同，進行清洗步驟，藉此，準備作為用以測定表面Si濃度等之樣品之GaN基板。
又，比較例1~4中，亦分別使用CMP法研磨GaN基板表面。其中，比較例1中，作為研磨液使用包含由SiO2 形成之研磨粒以及用以調整pH值之鹽酸者。又，比較例2中，作為研磨液使用包含由SiO2 形成之研磨粒、用以調整pH值之蘋果酸、界面活性劑(聚丙稀酸鈉)以及氧化劑(TCIA)者。又，比較例3中，作為研磨液使用包含鑽石研磨粒、用以調整pH值之蘋果酸、界面活性劑(聚丙稀酸鈉)以及氧化劑(TCIA)者。又，比較例4中，作為研磨液使用包含由SiC形成之研磨粒、用以調整pH值之蘋果酸、界面活性劑(聚丙稀酸鈉)以及氧化劑(TCIA)者。再者，界面活性劑及氧化劑之含有率分別為0.3重量%、0.1重量%。
而且，比較例1~4中，與實施例1~8、11~13相同，於研磨步驟後進行純水清洗，藉此準備作為用以測定表面Si濃度等之樣品之GaN基板。
再者，自上述加工步驟至進行下述測定之期間，實施例1~13及比較例1、3、4中，排出裝置內之環境氣體，但比較例2中未進行排氣。
(基板表面之測定)測定以上述方式準備之實施例1~13及比較例1~4之樣品(GaN基板)之基板特性。具體而言，測定經鏡面加工之表面上之矽(Si)濃度、氯(Cl)濃度、表面粗糙度、霧度及加工改質層之厚度。表1表示其結果。
再者，對於Si濃度及Cl濃度，使用全反射x光螢光分析(TXRF)，於基板表面之中央部調查每1 cm2 之原子個數，表1中表示有該值。又，於基板表面上之5處測定表面粗糙度，表1表示其平均值。又，使用Tencor公司製造之SURFSCAN4500測定霧度。又，藉由使用TEM觀察GaN基板之晶格變形而評估加工改質層之厚度。
如根據表1可知，於CMP法所使用之研磨液中含有鹽酸或檸檬酸等酸以及界面活性劑之實施例1~8之Si濃度，較之於研磨液中未含有界面活性劑之比較例1之Si濃度極低。又，可知，實施例1~8中，尤其是使用蘋果酸或檸檬酸作為研磨液中之酸之實施例5~8中，Si濃度特別低。再者，使用除SiO2 及SiC以外之研磨粒(不含Si元素之研磨粒)作為CMP法所使用之研磨液之研磨粒的實施例11~13及比較例3中，均未自基板表面檢測出Si。
又，關於處理時之環境可知，進行了排氣之樣品之Cl濃度、表面粗糙度及霧度之值均較小，相對於此，未進行排氣之比較例2中，Cl濃度、表面粗糙度及霧度之值相對較大。又，實施例1~13之加工改質層之厚度均薄於比較例3、4中之加工改質層之厚度。尤其，使用SiO2 或Fe2 O3 作為研磨粒之實施例1~10、13中，未檢測出加工改質層。再者，實施例11、12中，檢測出加工改質層，但其厚度較之比較例3、4中之加工改質層之厚度非常薄。
又，可知，研磨液中含有氧化劑之實施例1~3、5~7、11~13較之研磨液中未含有氧化劑之實施例4、8，研磨步驟中之除去速度增快。
(發光元件之製作)於以上述方式進行加工之實施例1~13、比較例1~4之樣品(GaN基板)之表面上形成複數個磊晶成長層，進而，形成電極、分割為各個晶片、以及將該晶片安裝至引線框架等而製作發光元件(LED，Light Emitting Diode，發光二極體)。再者，具體而言，形成於GaN基板表面上之磊晶成長層之構成為：作為n型半導體層之厚度為1 μm之n型GaN層(摻雜物：Si)以及厚度為150 nm之n型Al0.1 Ga0.9 N層(摻雜物：Si)；發光層；作為p型半導體層之厚度為20 nm之p型Al0.2 Ga0.8 N層(摻雜物：Mg)以及厚度為150 nm之p型GaN層(摻雜物：Mg)。此處，發光層為如下多重量子井構造，即4層由厚度為10 nm之GaN層所形成之障壁層、以及3層由厚度為3 nm之Ga0.85 In0.15 N層形成之井層交替積層。
又，於基板背面側形成有如下積層構造作為第1電極，該積層構造由厚度為200 nm之Ti層、厚度為1000 nm之Al層、厚度為200 nm之Ti層、厚度為2000 nm之Au層形成，且於氮環境中進行加熱，藉此形成直徑為100 μm之n側電極。另一方面，於上述p型GaN層上形成有如下積層構造作為第2電極，該積層構造由厚度為4 nm之Ni層、厚度為4 nm之Au層形成，且於惰性氣體環境中進行加熱，藉此形成p側電極。於使上述積層體(於GaN基板上形成有如上所述之磊晶成長層、n側電極以及p側電極者)晶片化為400 μm見方後，於由AuSn形成之焊層上，將上述p側電極焊接至導電體。進而，利用金屬線焊接上述n側電極與導電體，獲得具有作為發光元件之構成之半導體元件。
(對磊晶成長層之測定)利用與測定上述GaN基板之表面粗糙度相同之方法，測定形成於以上述方式準備之實施例1~13、比較例1~4之GaN基板表面上之磊晶成長層的表面粗糙度。表1亦表示其結果。根據表1可知，實施例1~13較之比較例1~4，磊晶成長層之表面粗糙度較小。
藉由SIMS而測定基板與磊晶層界面之Si濃度。實施例1、實施例5、實施例10、實施例13、比較例1中，基板與磊晶層界面上之Si濃度分別為1×1020 /cm3 、1×1019 /cm3 、1×1018 /cm3 、1×1017 /cm3 、5×1020 /cm3 。實施例1、5、10、13較之比較例1，界面之矽濃度亦較小。
(發光強度之測定)測定亦上述方式準備之實施例1~13、比較例1~4之發光元件之發光強度。表1中亦表示有其結果。根據表1可知，比較例1~4之發光元件並未產生發光本身，另一方面，實施例1~13之發光元件，於磊晶成長層中之發光層確認出發光。再者，作為發光強度之測定方法，於將作為各樣品之發光元件搭載於積分球內後，將特定電流(20 mA)施加至該發光元件，測定自聚光之偵測器輸出之光輸出值。
以上說明了本發明之實施形態及實施例，但上述所揭示之本發明之實施形態及實施例只不過為示例，本發明之範圍並不限定於該等發明之實施形態。本發明之範圍藉由申請專利範圍之揭示而表示，進而包含與申請專利範圍之揭示均等之含義及範圍內之所有變更。
[產業上之可利用性]
本發明尤其有效地適用於發光元件或功率元件等中所使用之第III族氮化物基板、使用有該第III族氮化物基板之附有磊晶層之基板及此等之製造方法。
1．．．基板
3．．．表面
5．．．磊晶成長層
10．．．附有磊晶層之基板
圖1係表示作為本發明之第III族氮化物基板之一例之GaN基板之立體模式圖。
圖2係用以說明使用有圖1所示之GaN基板之半導體元件之製造方法之流程圖。
圖3係用以說明圖2所示之加工步驟之內容之流程圖。
圖4係表示使用有圖1所示之GaN基板之附有磊晶層之基板之立體模式圖。
1．．．GaN基板
3．．．表面

Claims (20)

  1. 一種GaN基板(1)，其特徵在於：表面(3)每1 cm2 之氯原子個數為2×1014 以下，且上述表面(3)每1 cm2 之矽原子個數為3×1013 以下，上述氯原子及上述矽原子係附著於上述表面。
  2. 如請求項1之GaN基板(1)，其中表面粗糙度Ra為1 nm以下。
  3. 如請求項1之GaN基板(1)，其中形成於上述表面(3)之加工改質層之厚度為50 nm以下。
  4. 一種GaN基板(1)，其特徵在於：表面(3)每1 cm2 之氯原子個數為2×1014 以下，且上述表面(3)之霧度為5 ppm以下，上述氯原子係附著於上述表面。
  5. 如請求項4之GaN基板(1)，其中表面粗糙度Ra為1 nm以下。
  6. 如請求項4之GaN基板(1)，其中形成於上述表面(3)之加工改質層之厚度為50 nm以下。
  7. 一種第III族氮化物基板之製造方法，其包括：研磨步驟(S210)，其研磨第III族氮化物基板表面；及清洗步驟(S230)，其於上述研磨步驟(S210)後，清洗上述第III族氮化物基板表面；以將上述清洗步驟(S230)後之上述第III族氮化物基板 之上述表面上每1 cm2 的氯原子個數保持為2×1014 以下之方式，控制上述研磨步驟(S210)中及上述清洗步驟(S230)後與上述第III族氮化物基板接觸之環境氣體；於上述研磨步驟(S210)中，藉由化學機械研磨法研磨上述第III族氮化物基板表面，使上述第III族氮化物基板之表面粗糙度Ra成為1 nm以下；於上述化學機械研磨法所使用之研磨液中含有界面活性劑以及酸。
  8. 如請求項7之第III族氮化物基板之製造方法，其中上述研磨液中更含有氧化劑。
  9. 如請求項7之第III族氮化物基板之製造方法，其中上述研磨液中所含有之酸係有機酸。
  10. 如請求項9之第III族氮化物基板之製造方法，其中上述有機酸係二價以上之羧酸。
  11. 如請求項7之第III族氮化物基板之製造方法，其中更包括如下步驟：於上述研磨步驟後、且於上述清洗步驟前，使用酸性溶液或鹼性溶液拋光上述第III族氮化物基板表面。
  12. 一種第III族氮化物基板之製造方法，其特徵在於：使用氯系氣體於含Si之環境中對第III族氮化物基板表面進行乾式蝕刻，藉此使上述表面每1 cm2 之氯原子個數成為2×1014 以下，且使上述表面每1 cm2 之矽原子個數成為3×1013 以下，上述氯原子係附著於上述表面。
  13. 一種附有磊晶層之基板之製造方法，其包括： 基板準備步驟，其實施如請求項7之第III族氮化物基板之製造方法；及於藉由上述基板準備步驟而得之上述第III族氮化物基板表面上形成磊晶成長層之步驟(S300)。
  14. 一種半導體元件之製造方法，其包括：附有磊晶層之基板準備步驟，其實施如請求項13之附有磊晶層之基板之製造方法；及對藉由上述附有磊晶層之基板準備步驟而得之附有磊晶層之基板實施電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟(S300)。
  15. 一種附有磊晶層之基板之製造方法，其包括：基板準備步驟，其實施如請求項12之第III族氮化物基板之製造方法；及於藉由上述基板準備步驟而得之上述第III族氮化物基板表面上形成磊晶成長層之步驟(S300)。
  16. 一種半導體元件之製造方法，其包括：附有磊晶層之基板準備步驟，其實施如請求項15之附有磊晶層之基板之製造方法；及對藉由上述附有磊晶層之基板準備步驟而得之附有磊晶層之基板實施電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟(S300)。
  17. 一種附有磊晶層之基板之製造方法，其包括：基板準備步驟，其準備如請求項1之GaN基板；及於藉由上述基板準備步驟而準備之GaN基板表面上形 成磊晶成長層之步驟(S300)。
  18. 一種半導體元件之製造方法，其包括：附有磊晶層之基板準備步驟，其實施如請求項17之附有磊晶層之基板之製造方法；及對藉由上述附有磊晶層之基板準備步驟而得之附有磊晶層之基板實施電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟(S300)。
  19. 一種附有磊晶層之基板之製造方法，其包括：基板準備步驟，其準備如請求項4之GaN基板；及於藉由上述基板準備步驟而準備之GaN基板表面上形成磊晶成長層之步驟(S300)。
  20. 一種半導體元件之製造方法，其包括：附有磊晶層之基板準備步驟，其實施如請求項19之附有磊晶層之基板之製造方法；及對藉由上述附有磊晶層之基板準備步驟而得之附有磊晶層之基板實施電極形成步驟及加工步驟，藉此形成半導體元件之步驟(S300)。
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