JP2007332012A - 半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体膜を、窒化物半導体膜のエピタキシャル成長用の基板とは異なる、所望の材質の基板に形成する半導体ウェハの製造方法を提供する。
【解決手段】第一の基板１に第一の窒化物半導体膜２を形成し、第一の窒化物半導体膜２の上に第一の窒化物半導体膜２よりも融点の高い第二の窒化物半導体膜３を形成する。次に、第二の窒化物半導体膜３の表面にキャリアー基板４を貼り合わせ、張り合わせられた第一の基板１、第一の窒化物半導体膜２、第二の窒化物半導体膜３及びキャリアー基板４を含むウェハを、第一の窒化物半導体膜２の融点より高く、かつ第二の窒化物半導体膜３の融点より低い温度で加熱処理して第一の窒化物半導体膜２を融解し、第一の基板１を除去する。更に、キャリアー基板４上に張り合わされた第二の窒化物半導体膜３の表面に第二の基板６を張り合わせ、キャリアー基板４を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハの製造方法に関し、より詳細には、所望の基板上に窒化物半導体膜が形成された半導体ウェハを製造できる半導体ウェハの製造方法に関する。

インジウム、ガリウム、アルミニウム、窒素からなる窒化物半導体は、そのIII族元素の組成比を制御することにより、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。また、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有する為、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する電子デバイス用材料としての応用も期待されている。

窒化物半導体の薄膜を形成する際、最大の問題となるのは基板の選択である。 従来、単結晶の窒化物半導体基板そのものを製造することは極めて困難であり、これを入手することが殆ど不可能だった。このため青色ＬＥＤなどの窒化物半導体デバイスは、サファイア基板の上に形成されるのが常であった。これは、サファイア基板の高品質単結晶が工業的に容易に作製可能であり、また結晶の格子定数が窒化物半導体に近く、なおかつ結晶系が窒化物半導体に近く、それゆえに窒化物半導体をエピタキシャル成長する下地として好適であるためである。

しかし、サファイア基板には、次に述べるような欠点が存在する。
第一の欠点は、サファイアが絶縁体であることである。サファイアは絶縁体である為、サファイア基板上に形成した窒化物半導体で、ＬＥＤやバイポーラトランジスタを作製するには、電極を全て表面側に配置しなければならないという制限が付く。すると、ウェハの表面積のかなりの部分が電極で覆われることになるため、例えばＬＥＤでは発光面積が実質的に減ってしまい、効率が悪くなる。また、複数回のエッチング処理が必要になることから、デバイス製造工程も複雑になり、製造コストが高くなる。

サファイア基板の第二の欠点は、熱伝導率が悪いことである。サファイアの熱伝導率は約０.４Ｗ／ｃｍ・Ｋであり、これは、例えばシリコンの１.５Ｗ／ｃｍ・Ｋと比べても１／４以下となっていて、他の半導体材料の基板と比較しても著しく低い値である。窒化物半導体でトランジスターを作製し高出力動作をさせた場合には、活性層が激しく発熱するが、このような場合に基板の熱伝導率が悪いと放熱が充分に行われず、トランジスターそのものの性能が経時的に劣化するという問題が生じる。

上記した欠点を克服するために、サファイヤ基板に替えて、単結晶炭化ケイ素、或いはＨＶＰＥ法などで製造された単結晶ＧａＮを、窒化物半導体薄膜を形成するための基板として用いる方法が知られている。

また、成長用基板上に、応力吸収する衝撃緩和層として、窒化物半導体からなる第１の層に亀裂を形成し、この亀裂を有する第１の層上に窒化物半導体の第２の層を成長させ、第２の層の上方に別の基板を貼り合わせた後、研磨、エッチング、又はレーザ照射によって成長用基板を剥離する際の衝撃を上記亀裂を有する第１の層で緩和する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１９８０７号公報

しかしながら、上述した単結晶炭化ケイ素や単結晶ＧａＮを、窒化物半導体薄膜を形成するための基板として用いる方法では、これら単結晶基板はサファイア基板と比較してコストが数倍から数十倍も高く、用途は高付加価値の製品の製造に限られている。

また、上記亀裂を有する第１の層を用いた成長用基板剥離の方法では、亀裂を有する第１の層上に、窒化物半導体の第２の層を結晶性よく成長させるのは困難であるなどの問題がある。

本発明は、上記課題を解決し、窒化物半導体膜を、窒化物半導体膜のエピタキシャル成長用の基板とは異なる、所望の材質の基板に形成することができる半導体ウェハの製造方法を提供する。

本発明は、上記課題を解決するために、次のように構成されている。
本発明に係る半導体ウェハの製造方法の第１の態様は、第一の基板に第一の窒化物半導体膜を形成する工程と、前記第一の窒化物半導体膜の上に前記第一の窒化物半導体膜よりも融点の高い第二の窒化物半導体膜を形成する工程と、前記第二の窒化物半導体膜の表面にキャリアー基板を貼り合わせる工程と、張り合わせられた前記第一の基板、前記第一の窒化物半導体膜、前記第二の窒化物半導体膜及び前記キャリアー基板を含むウェハを、前記第一の窒化物半導体膜の融点より高く、かつ前記第二の窒化物半導体膜の融点より低い温度で加熱処理して前記第一の窒化物半導体膜を融解する工程と、前記第一の基板を除去する工程と、前記キャリアー基板上に張り合わされた前記第二の窒化物半導体膜の表面に第二の基板を張り合わせる工程と、前記キャリアー基板を除去する工程とを有することを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第２の態様は、第１の態様において、前記第一の基板は、サファイア、シリコン又は酸化亜鉛からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第３の態様は、第１または第２の態様において、前記第一の窒化物半導体膜は、Ｇａ_ｘＩｎ_(１−ｘ)Ｎ (０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第４の態様は、第１〜第３のいずれかの態様において、前記第二の窒化物半導体膜は、Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{(１−ｙ−ｚ)}Ｎ (０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第５の態様は、第１〜第４のいずれかの態様において、前記第二の基板は、多結晶炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、インジウム錫酸化物又はニッケルからなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第６の態様は、第１〜第５のいずれかの態様において、前記第一の窒化物半導体膜を融解する加熱温度が、８００℃〜１５００℃の範囲であることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

第７の態様は、第１〜第６のいずれかの態様において、前記キャリアー基板が除去されて露出した前記第二の窒化物半導体膜の表面が、III族面であることを特徴とする半導体ウェハの製造方法である。

本発明によれば、第一、第二の窒化物半導体膜の成長用基板である第一の基板とは異なる、第二の基板上に第二の窒化物半導体膜を形成できる。従って、導電性、熱伝導率、コストなどで優れる所望の材料を選択し、これを第二の基板として用いることができる。

以下に、本発明に係る半導体ウェハの製造方法の一実施形態を説明する。
この実施形態の半導体ウェハの製造方法では、まず、第一の基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置などを用いて、第一の窒化物半導体膜と、この第一の窒化物半導体膜よりも融点の高い第二の窒化物半導体膜とを順次形成する。第一の基板は、窒化物半導体膜の成長に適したサファイア、シリコン又は酸化亜鉛などを用いるのが好ましい。また、第一の窒化物半導体膜には、Ｇａ_ｘＩｎ_(１−ｘ)Ｎ (０≦ｘ≦１）が、第二の窒化物半導体膜には、Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{(１−ｙ−ｚ)}Ｎ (０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）が好ましい。なお、第一の窒化物半導体膜及び第一の基板は、後工程での第一の窒化物半導体膜の融解によって除去されるので、第一の基板とＧａ_ｘＩｎ_(１−ｘ)Ｎ などの第一の窒化物半導体膜との間に、低温成長ＡｌＮ膜や低温成長ＧａＮ膜などを形成するようにしても良い。

次に、第二の窒化物半導体膜の表面にキャリアー基板を貼り合わせ、張り合わせられた第一の基板、第一の窒化物半導体膜、第二の窒化物半導体膜及びキャリアー基板を含むウェハを、第一の窒化物半導体膜の融点より高く、かつ第二の窒化物半導体膜の融点より低い温度で加熱処理して第一の窒化物半導体膜を融解させ、第一の窒化物半導体膜及び第一の基板を上記ウェハから除去する。
第一の窒化物半導体膜を融解する加熱温度は、加熱処理雰囲気（常圧又は減圧、流すガス種など）、第一の窒化物半導体膜の材料（Ｇａ_ｘＩｎ_(１−ｘ)Ｎ のＧａ組成ｘなど）、第二の窒化物半導体膜の材料（Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{(１−ｙ−ｚ)}Ｎ のＡｌ組成ｙなど）によって変化するが、例えば、第一の窒化物半導体膜がＧａＮ、第二の窒化物半導体膜がＡｌＮであって、減圧水素雰囲気で加熱処理する場合、ＧａＮは８００〜９００℃から分解を始め、一方、ＡｌＮは１４００℃でも分解せず、おそらく１５００℃以下の処理温度でも十分に薄膜形態を保てる。従って、第一の窒化物半導体膜を融解処理する温度範囲は、８００℃〜１５００℃の範囲が好ましい。

次に、キャリアー基板上に張り合わされた第二の窒化物半導体膜の表面に第二の基板を張り合わせた後、キャリアー基板を除去する。これにより、第二の基板上に第二の窒化物半導体膜が形成された半導体ウェハが得られる。第二の基板には、導電性や熱伝導率などに優れる低コストの材料、例えば、多結晶炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、インジウム錫酸化物又はニッケルなどの基板が好ましい。得られた半導体ウェハを用いて各種デバイス（光デバイス、電子デバイス）を作製するために、第二の窒化物半導体膜上に窒化物半導体多層膜のデバイス活性層を成長させる。

上記の製造方法により、窒化物半導体膜（第二の窒化物半導体膜）を、所望の材質からなる基板（第二の基板）上に形成することができる。この結果、窒化物半導体多層膜のデバイス活性層がもつ特徴と、第二の基板の材質がもつ有利な物性（導電性や高い熱伝導率など）を、各種デバイスの動作目的に適合するように自由に組み合わせることが可能となる。

窒化物半導体を通常のエピタキシャル成長法で直接基板上に形成する場合には、前述したように、基板が高品質の単結晶であること、基板と窒化物半導体の格子定数が近いこと、基板と窒化物半導体の結晶系が同一であるか近似していること、などが必要条件であった。このため熱伝導率の悪いサファイア基板などを使う必要があった。
しかし、本実施形態の製造方法によれば、窒化物半導体膜（第二の窒化物半導体膜）が貼り付けられる第二の基板は、直接的にエピタキシャル成長に用いられる訳ではない。この為、第二の基板は上記の必要条件を満たす必要が全く無い。それゆえ、本実施形態によれば、導電性に優れる、熱伝導率に優れる、或いは安価に入手可能であるなど有利な条件を有する材料を選択し、これを第二の基板として用いることができ、性能の良い安価なデバイスが作製可能となる。

以下に、本発明に係る半導体ウェハの製造方法の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本実施例の各製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、第一の基板であるサファイア基板１上に、通常のＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、第一の窒化物半導体膜である窒化ガリウム層２、及び第二の窒化物半導体膜である窒化アルミニウム層３を成長させる。窒化ガリウム層２の厚さは、その表面側をある程度、平坦化・低転移化できる程度に厚い方が望ましく、例えば０.３μｍ〜５.０μｍ程度の範囲であれば適切である。また、窒化アルミニウム層３については、クラックを生じない厚さであることが望ましく、例えば０.０５μｍ〜２.０μｍ程度の範囲が適切である。

次に、平坦度が高くなるように加工したキャリアー基板としての石英基板４を用意し、図１（ｂ）に示すように、石英基板４を上記サファイア基板１上の窒化アルミニウム層３に重ね合わせる。
ここで、重ね合わせられたウェハを、治具（図示せず）を用いて上下から強く挟み付けて保持し、この挟み付けられた状態のウェハをアニール炉（図示せず）に導入する。そして、アニール炉を水素雰囲気にし、アニール温度を１１００℃として上記ウェハを３０分間加熱処理する。

すると、この加熱過程で二つの現象が生じ、ウェハは図１（ｃ）に示すような状態になる。すなわち、まず、昇温過程において、圧着と加熱の両方の作用により、石英と窒化アルミニウムが焼結にて強く結合する。すなわち、窒化アルミニウム層３が石英基板４に張り合わせられる。
次いで、処理温度が１０００℃前後になった段階で、窒化ガリウム層２の窒化ガリウムが融解し分解を開始する。窒化ガリウムが分解すると、窒素成分は気体となって散逸し、ガリウム５のみが単体の液体となってドロップレット（小滴）形状で残留する。ガリウム５の融点は約３０℃であるため、熱処理後にアニール炉を降温させても、ガリウム５は殆ど液体のまま残留する。

上記加熱処理が終了してウェハがほぼ４０℃まで冷えたところで、ウェハをアニール炉から取り出し、石英基板４に貼り付けられた窒化アルミニウム層３からサファイア基板１を引き剥がす。既に窒化ガリウム層２の窒化ガリウムは分解し、液体ガリウム５のドロップレットが残留しているだけの状態であるから、サファイア基板１は極めて容易に引き剥がすことができる。この様子を図１（ｄ）に示す。

窒化アルミニウム層３の表面に付着していた液体ガリウム５のドロップレットを、スクラブ洗浄やアルコール洗浄で取り除き、窒化アルミニウム層３表面を清浄にする。清浄化した後の様子を図１（ｅ）に示す。

次に、第二の基板として、平坦度が高くなるように加工された多結晶炭化ケイ素基板６を用意し、図１（ｆ）に示すように、石英基板４に貼り付けられた窒化アルミニウム層３を挟むようにして、多結晶炭化ケイ素基板６を重ね合わせる。そして、重ね合わせられたウェハを、治具で上下から強く押さえつけた状態にして、再度、ウェハをアニール炉に導入する。アニール炉内を水素雰囲気とし、アニール温度を１１００℃としてウェハを３０分間加熱処理する。すると、圧着と加熱の両方の作用により、多結晶炭化ケイ素基板６と窒化アルミニウム層３の窒化アルミニウムが焼結にて強く結合する。すなわち、窒化アルミニウム層３が多結晶炭化ケイ素基板６に張り合わせられる（図１（ｆ））。

次に、それぞれが張り合わせられた石英基板４、窒化アルミニウム層３、および多結晶炭化ケイ素基板６のウェハを、フッ酸系の溶液中に導入する。すると、石英基板４のみが溶解し、多結晶炭化ケイ素基板６と、これに貼り付けられた窒化アルミニウム層３が残留する（図１（ｇ））。この状態の窒化アルミニウム層３は、ＭＯＶＰＥ法による成長後のものと同様に、III族面が表面に出ている。

III族面は熱的化学的に安定した面であるため、多結晶炭化ケイ素基板６に貼り付けられた窒化アルミニウム層３の上には、高品質の窒化物半導体多層膜からなるデバイス活性層７をＭＯＶＰＥ法により形成することが可能である。デバイス活性層７を形成した後の様子を図１（ｈ）に示す。

このデバイス活性層７を加工して電界効果トランジスターが作製される。デバイス活性層７上に、ソース電極８、ゲート電極９およびドレイン電極１０が形成された電界効果トランジスターの一例を図２に示す。この電界効果トランジスターでは、サファイア基板とは異なり熱伝導率の良好な多結晶炭化ケイ素基板（この場合は高抵抗であることが望ましい）６上に形成されている。このため、高出力動作時であっても多結晶炭化ケイ素基板６を通じて十分な放熱が可能となる。

また同様に、図１の半導体ウェハのデバイス活性層７を加工して作製されるＬＥＤ（発光ダイオード）の一例を図３に示す。このＬＥＤは、サファイア基板と異なり導電性のある多結晶炭化ケイ素基板６上に形成されている。このため、デバイス活性層７の上に電極（ｐ型電極）１２を設ける一方、多結晶炭化ケイ素基板６の裏面に電極（ｎ型電極）１１を設けることが可能であり、ＬＥＤチップ面積を小さくできると共に、プロセスを簡略化できるため、コストを低減できる。

本発明に係る半導体ウェハの製造方法の一実施例を示す工程図である。 図１の半導体ウェハを利用して作製した電界効果トランジスターの構造を示す断面図である。 図１の半導体ウェハを利用して作製したＬＥＤの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ サファイア基板（第一の基板）
２ 窒化ガリウム層（第一の窒化物半導体膜）
３ 窒化アルミニウム層（第二の窒化物半導体膜）
４ 石英基板（キャリアー基板）
５ 液体ガリウムのドロップレット
６ 多結晶炭化ケイ素基板（第二の基板）
７ 窒化物半導体多層膜からなるデバイス活性層
８ ソース電極
９ ゲート電極
１０ ドレイン電極
１１ ｎ型電極
１２ ｐ型電極

Claims (7)

1. 第一の基板に第一の窒化物半導体膜を形成する工程と、
   前記第一の窒化物半導体膜の上に前記第一の窒化物半導体膜よりも融点の高い第二の窒化物半導体膜を形成する工程と、
   前記第二の窒化物半導体膜の表面にキャリアー基板を貼り合わせる工程と、
   張り合わせられた前記第一の基板、前記第一の窒化物半導体膜、前記第二の窒化物半導体膜及び前記キャリアー基板を含むウェハを、前記第一の窒化物半導体膜の融点より高く、かつ前記第二の窒化物半導体膜の融点より低い温度で加熱処理して前記第一の窒化物半導体膜を融解する工程と、
   前記第一の基板を除去する工程と、
   前記キャリアー基板上に張り合わされた前記第二の窒化物半導体膜の表面に第二の基板を張り合わせる工程と、
   前記キャリアー基板を除去する工程とを有することを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体ウェハの製造方法において、前記第一の基板は、サファイア、シリコン又は酸化亜鉛からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体ウェハの製造方法において、前記第一の窒化物半導体膜は、Ｇａ_ｘＩｎ_(１−ｘ)Ｎ (０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法において、前記第二の窒化物半導体膜は、Ａｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{(１−ｙ−ｚ)}Ｎ (０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法において、前記第二の基板は、多結晶炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、インジウム錫酸化物又はニッケルからなることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法において、前記第一の窒化物半導体膜を融解する加熱温度が、８００℃〜１５００℃の範囲であることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法において、前記キャリアー基板が除去されて露出した前記第二の窒化物半導体膜の表面が、III族面であることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。

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