JP2013026314A - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体基板の表面にダメージを与えることなく、平坦な表面を有する窒化物半導体基板を製造できる窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのいずれか、又はこれらいずれかの金属の窒化物から形成される表面を有する定盤を用い、前記定盤の前記表面と窒化物半導体基板の平坦化する表面とを対向して近接して配置し、対向配置の前記定盤および前記窒化物半導体基板を９００℃以上の高温状態とし、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間に少なくとも水素とアンモニアを含むガスを供給することにより、前記定盤に対向する前記窒化物半導体基板の表面をエッチングして平坦化する工程を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体基板の表面を平坦に加工する窒化物半導体基板の製造方法に関する。
一般的に、半導体ウェハ等の加工物の表面を平坦化する加工方法には、砥粒、砥粒を分散させた研磨液（スラリー）あるいは砥粒を固定した研磨布などを用いて加工物表面を研磨する機械的方法、腐食性のある薬剤などを用いて加工物表面をエッチングする化学的方法、プラズマを用いて加工物表面をエッチングする物理・化学的方法などが知られている。
窒化物半導体、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）の場合、デバイスを形成する面となるＧａ面（Ｇａ極性面）は、硬く、化学的に安定である。このため、ＧａＮ基板（ＧａＮ自立基板）の表面を化学的に平坦に且つ十分なエッチング速度でエッチングする適切な薬剤がなく、従来、ＧａＮ基板の平坦化には、機械的方法やプラズマエッチングが行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の機械的方法では、ＧａＮ面をミラー面に加工する場合には、ダイヤ砥粒やＳｉＣ砥粒等を用い、より面粗度のよい面に仕上げ、最終加工として、アルミナやコロイダルシリカ等のスラリーを用い、平坦な面に加工する、と記載されている。
特開２００７−２８４２８３号公報
しかしながら、上述した機械的方法による研磨では、ＧａＮ等の窒化物半導体基板の表面に機械的損傷・ダメージが残ると共に、表面の平坦化・平滑化のレベルには限界がある。また、プラズマエッチングでは、大型で高価な装置が必要となると共に、窒化物半導体基板の表面へのプラズマによるダメージも問題となる。
本発明の目的は、窒化物半導体基板の表面にダメージを与えることなく、平坦な表面を有する窒化物半導体基板を製造することができる窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
本発明の第１の態様は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのいずれか、又はこれらいずれかの金属の窒化物から形成される表面を有する定盤を用い、前記定盤の前記表面と窒化物半導体基板の平坦化する表面とを対向して近接して配置し、対向配置の前記定盤および前記窒化物半導体基板を９００℃以上の高温状態とし、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間に少なくとも水素とアンモニアを含むガスを供給することにより、前記定盤に対向する前記窒化物半導体基板の表面をエッチングして平坦化する工程を有する窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間の距離が、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体基板に対向する前記定盤の表面は、表面粗さＲＭＳが１０μｍ以下である窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法おいて、前記エッチングして平坦化する工程における前記窒化物半導体基板の表面のエッチング速度が、１μｍ／時以上である窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体基板の表面がエッチングにより除去されても、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間の距離が一定となるように、前記定盤と前記窒化物半導体基板の間を近づけるようにした窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第６の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記定盤と前記窒化物半導体基板の一方または両方を、互いの表面を対向させつつ回転させる窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明の第７の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、前記定盤と前記窒化物半導体基板の両方が互いの表面を対向させつつ回転しており、前記定盤の表面を前記窒化物半導体基板の表面を含む平面上に投影したとき、前記定盤の回転の中心が前記窒化物半導体基板の表面内の領域に存在しない窒化物半導体基板の製造方法である。
本発明によれば、窒化物半導体基板の表面にダメージを与えることなく、平坦な表面を有する窒化物半導体基板を製造することができる。
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の他の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を適用した、窒化物半導体基板の表面を平坦にするエッチング装置の構成を示す断面図である。
以下に、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の実施形態を説明する。
（一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法）
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明するもので、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。
図１に示すように、窒化物半導体基板１を載置する支持基台３の上方には、支持基台３に平行に対向させ且つ所定の距離を隔てて定盤２が設けられている。定盤２と支持基台３とが対向する空間は、窒化物半導体基板１をエッチングするためのガスを流すガス流路を形成する。エッチング用のガスは、少なくとも水素（Ｈ２）とアンモニア（ＮＨ３）を含むガスであるが、更に例えば窒素ガス（Ｎ２）等のキャリアガスを加えてもよい。図１に示す実施形態では、定盤２も支持基台３も円盤状であるが、形状は円盤状に限らない。定盤２と支持基台３は、定盤２の下面および支持基台３の上面が平坦であって、９００℃以上に加熱されても変形等することなく安定な形状を保つものがよい。
窒化物半導体基板１は、ＧａＮ、ＡｌＮなどのIII族窒化物半導体からなる基板（自立
基板、ウェハ）である。窒化物半導体基板１は、平坦化・平滑化される窒化物半導体基板１の表面１ａを上に向けて、支持基台３上に載置される。窒化物半導体基板１の平坦化される表面１ａは、通常、デバイスが形成されるIII族極性面（Ｇａ面、Ａｌ面など）であ
る。図１では、窒化物半導体基板１を、支持基台３上に１枚設置しているが、複数枚設置してもよい。
定盤２は、少なくとも窒化物半導体基板１及び支持基台３に対向する定盤２の表面２ａが、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）のいずれか、又はこれらいずれかの金属の窒化物から形成されるのが好ましい。定盤は全て上記Ｍｏ等の材料で形成されていても、或いは、上記Ｍｏ等とは異なる材料の定盤本体の表面に、上記Ｍｏ等の金属膜や上記Ｍｏ等の金属窒化膜が形成されているものでもよい。上記金属や金属窒化物は、後述する触媒作用により水素ガスを分解して原子状水素を生成できる材料として挙げたものであり、触媒作用を有するものであれば、その他の材料でもよい。定盤２の表面２ａは、その表面粗さＲＭＳ（二乗平均平方根粗さ）が１０μｍ以下が好ましく、さらには表面粗さＲＭＳが１００ｎｍ以下がより好ましい。
窒化物半導体基板１と定盤２の一方または両方は、互いの表面１ａ、２ａを対向させつつ回転駆動する。この回転時にも、定盤２の表面２ａは、窒化物半導体基板１の表面１ａの上方を常に覆う広さを有する。図１に示す実施形態では、駆動モータ等を含む回転駆動機構（図示せず）を用いて、円形の窒化物半導体基板１と定盤２の両方を、それぞれの中心軸４，５の回りに互いに反対方向に回転させている。また、定盤２の表面２ａを窒化物半導体基板１の表面１ａを含む平面上に投影したときに、定盤２の中心軸（回転中心）５が、窒化物半導体基板の表面１ａ内の領域に存在しないようにしている。さらに、定盤２または支持基台３は上下に昇降駆動できるように構成され、支持基台３上の窒化物半導体基板１の表面１ａと定盤２の表面２ａとの距離ｄを調整できるようになっている。
窒化物半導体基板１の表面１ａをエッチングにより平坦化する工程では、窒化物半導体基板１の表面１ａと定盤２の表面２ａとの距離ｄを２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に近接して配置し、ヒーター（図示せず）等により定盤２および窒化物半導体基板１を９００℃以上に加熱した状態とし、定盤２と支持基台３との間に、少なくとも水素とアンモニアを含むガスを供給する。
定盤２と支持基台３との間に供給されたガスは、定盤２の表面２ａおよび窒化物半導体基板１の表面１ａに沿って流れる。この際に、水素ガスは、高温状態にある定盤２の表面２ａに接触し、定盤２の表面２ａを形成するＭｏ等の触媒作用により、定盤２の表面２ａには反応性の高い原子状水素が発生する。主に、この原子状水素によって窒化物半導体基板１の表面１ａのエッチングがなされると考えられる。すなわち、窒化物半導体基板１の表面１ａで発生した原子状水素は、窒化物半導体基板１側へと拡散して窒化物半導体基板１の表面１ａに到達し、窒化物半導体基板１の表面１ａをエッチングする。具体的には、窒化物半導体基板１がＧａＮ基板の場合、原子状水素により、表面のＧａＮ結晶がＧａＨ３（ガラン）とＮＨ３（アンモニア）に分解されてエッチングされる。
原子状水素は不安定であり短時間で反応して消滅してしまい、原子状水素によるエッチング作用は、定盤２の表面２ａから離れるにつれて急速に減衰する。このため、定盤２の表面２ａから一定の距離の内側にある窒化物半導体基板１のみがエッチングされ、定盤２と窒化物半導体基板１との間の距離が長くなると、窒化物半導体基板１はエッチングされない。従って、定盤２と窒化物半導体基板１との間を例えば２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に近接して配置する。
定盤２から拡散する原子状水素は、定盤２に近い窒化物半導体基板１の表面１ａにより多く到達する。すなわち、凹凸を有する窒化物半導体基板１の表面１ａにおいて、原子状
水素は、主に、定盤２側に面する窒化物半導体基板１の表面１ａの凸部に多く到達する。このため、窒化物半導体基板１の表面１ａの凸部の方が凹部よりも多くエッチングされ、表面１ａの平滑化・平坦化が進行する。特に、定盤２から拡散する原子状水素の到達可能な距離を考慮して、定盤２の表面２ａと窒化物半導体基板１の表面１ａとの距離ｄを適切に設定すると、主に、定盤２側に面する表面１ａの凸部の頂点側を選択的にエッチングでき、より平滑化・平坦化が促進される。
窒化物半導体基板１の表面１ａがエッチングにより除去されていっても、定盤２の表面２ａと窒化物半導体基板１の表面１ａとの間の距離ｄが一定となるように、定盤２と窒化物半導体基板１の間を近づけるようにするのが好ましい。これにより、エッチングによる適切な窒化物半導体基板１の表面１ａの平滑化・平坦化が図れ、また、エッチング速度を一定に保つことができる。
エッチング時に水素ガスの他に、アンモニアガスを流すのは、窒化物半導体基板１の熱分解を抑制するためである。９００℃以上に加熱された窒化物半導体基板１では熱分解が起こり、窒化物半導体基板１の表面１ａから窒素分子が抜け出る。この熱分解は特に結晶が弱い所などで起こりやすく、基板１の表面１ａにランダムな凹凸が形成される。アンモニアガスを流すと、９００℃以上の高温下でアンモニアが分解されて原子状窒素が生成され、この原子状窒素が基板１の表面１ａに補給される。このため、アンモニアガスを流すことにより、窒化物半導体基板１の表面１ａの熱分解を抑制・低減でき、熱分解による表面１ａの状態変化を抑えることができる。
定盤２及び窒化物半導体基板１のどちらも回転させずに固定した状態でエッチングを行うと、定盤２の表面２ａの表面状態・表面形状が、窒化物半導体基板１の表面１ａに転写される。定盤２の表面２ａが平坦であれば、その平坦な形状が窒化物半導体基板１の表面１ａに反映されることになる。定盤２の表面２ａが十分に平坦でない場合には、上記したように窒化物半導体基板１と定盤２の一方または両方を回転するのがよい。この回転により、定盤２の表面２ａの凹凸・表面粗さが平均化された形で、窒化物半導体基板１の表面１ａの平滑化・平坦化がなされる。窒化物半導体基板１と定盤２の両方を回転する時の方がそれらの一方のみを回転する時よりも、窒化物半導体基板１の表面１ａの平滑化・平坦化がより促進される。
定盤２の表面２ａが原子レベルで平坦でない場合には、窒化物半導体基板１と定盤２の両方を回転し、窒化物半導体基板１と定盤２の回転中心（中心軸）４，５をずらすことで、原子レベルで平坦な窒化物半導体基板１の表面１ａを得ることができる。また、定盤２と窒化物半導体基板１の両方を回転する場合、定盤２の表面２ａを窒化物半導体基板１の表面１ａを含む平面上に投影したとき、定盤２の回転中心（中心軸）５を窒化物半導体基板１の表面１ａの外側にするのがよい。定盤２の回転中心が窒化物半導体基板１の表面１ａ内にあると、定盤２の回転中心及びその近傍に対向する窒化物半導体基板１の表面１ａの部分は、上記回転による定盤表面２ａの表面粗さ等の平均化が不十分となるが、定盤２の回転中心が窒化物半導体基板１の表面１ａ外にあると、窒化物半導体基板１の表面１ａにおける面内平坦度の均一化が図れる。
上記の原子状水素を用いたエッチングでは、エッチング面がＧａ面のように硬く化学的に安定であっても、十分なエッチング速度で窒化物半導体基板１の表面１ａを平坦化できる。本発明では１μｍ／時以上のエッチング速度を実現でき、窒化物半導体基板の生産性を向上できる。また、従来の機械的方法やプラズマエッチングのように、研磨後に窒化物半導体基板の表面に損傷・ダメージを与えることがないため、本発明のエッチング工程後の窒化物半導体基板（窒化物半導体自立基板）は、ダメージを受けた表面部を除去する等の処理が不要で、発光素子などのデバイス作製にそのまま使用することができる。更に、
高温状態で近接配置した定盤と窒化物半導体基板との間に、少なくとも水素とアンモニアを含むガスを供給するだけでエッチングできるので、図２に示すような簡素で小型なエッチング装置によって窒化物半導体基板表面の平坦化を実現できる。
なお、上記実施形態では、図１に示すように、窒化物半導体基板１を下方に、定盤２を上方に配置したが、上下を逆にして、定盤２を下方に、平坦化される表面１ａを下方に向けた窒化物半導体基板１を上方に配置するようにしてもよい。さらに、定盤の表面と窒化物半導体基板の表面とが対向して配置されていれば、定盤及び窒化物半導体基板の全体を斜めなどに配置してもよい。
（他の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法）
次に、本発明の他の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明する。図２に、この実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を適用したエッチング装置を示す。図２のエッチング装置１０は、一度に複数枚の窒化物半導体基板１をエッチングして平坦化する装置である。
図２に示すように、エッチング装置１０は、窒化物半導体基板１と定盤２０が設置される容器１１を備える。容器１１は、上壁１１ａおよび底壁１１ｂを有する筒体状の密閉容器であり、石英ガラスなどから形成されている。容器１１内の上方には定盤２０が水平に配置されており、定盤２０の上面中央部には、容器１１の上壁１１ａを貫通して設けられた駆動軸１２が連結されている。駆動軸１２は、図示省略の回転機構および昇降機構によって、回転可能に且つ昇降可能に設けられている。この実施形態の定盤２０は、円盤状のガラス基板、セラミック基板あるいは金属基板等からなる定盤本体２１と、その下側の表面（主表面）に形成されたＭｏ（モリブデン）の金属膜２２とから形成されている。金属膜２２は、例えば、定盤本体２１にスパッタリングにより形成したりすればよい。なお、金属膜２２の材料は、Ｍｏに限らず、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などでもよい。
窒化物半導体基板１は、容器１１の底壁１１ｂ側に、定盤２０に対向させ且つ定盤２０の周方向に沿って複数が配置されている。複数の窒化物半導体基板１は、それぞれホルダ１５を介して底壁１１ｂ上に設置される。窒化物半導体基板１は、ホルダ１５上部の凹部に収容され、ホルダ１５に水平状態で保持される。各ホルダ１５は、図示省略の回転機構によって回転可能に設けられており、ホルダ１５と共に窒化物半導体基板１が回転する。ホルダ１５は、石英、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＳｉＣコートのカーボン、酸化アルミニウムなどから形成するのが好ましい。
容器１１の外側には、上壁１１ａの上方と底壁１１ｂの下方に、定盤２０および窒化物半導体基板１を加熱するためのヒーター１６が設けられている。また、容器１１の側壁には、容器１１内にエッチング用のガスを供給するガス供給口１７と、エッチング処理後のガスを容器１１外に排出するガス排出口１８とが形成されている。
図２のエッチング装置１０を用いた窒化物半導体基板１のエッチングによる平坦化処理を説明する。
複数の窒化物半導体基板１を各ホルダ１５に設置し、定盤２０下面の金属膜２２と窒化物半導体基板１の表面との間が所定の距離（例えば、２ｍｍ〜２０ｍｍ）となるように、駆動軸１２を昇降して定盤２０の位置（初期位置）を決める。図示省略の回転機構により、定盤２０とホルダ１５に保持された窒化物半導体基板１とをそれぞれ所定の回転速度で回転し、ヒーター１６により、定盤２０および窒化物半導体基板１を所定の温度に加熱する。定盤２０および窒化物半導体基板１の加熱温度は９００℃以上１１００℃以下の範囲
が好ましい。加熱され高温状態となった容器１１内に、ガス供給口１７からエッチング用のガスを供給する。ガス供給口１７から供給されたガスは、定盤２０と窒化物半導体基板１が配置された底壁１１ｂとの間隙を流れ、ガス排出口１８から容器１１外へと排出される。
本実施形態では、エッチング用のガスは、水素ガス、アンモニアガスの他に、キャリアガスとして窒素ガスを使用した。ガス供給口１７から供給するガスは、一例として、ガスの総流量を１０ｓｌｍとし、このうち水素ガスの流量が１〜３ｓｌｍ、アンモニアガスの流量が１ｓｌｍ、残りを窒素ガスとした。また、容器１１内の圧力は、５００Ｔｏｒｒ〜８００Ｔｏｒｒとしてエッチングを行った。
ガス供給口１７から供給されたガス中の水素ガスは、定盤２０の金属膜２２表面に接触し、金属膜２２の触媒作用によって原子状水素が発生し、この原子状水素が窒化物半導体基板１の表面に至って基板表面がエッチングされる。基板表面がエッチングされるにつれて、必要に応じて駆動軸１２を下降するなどして定盤２０を移動してもよい。アンモニアガスは、上述したように、窒化物半導体基板１の熱分解を抑制する。本実施形態では、窒化物半導体基板１と定盤２の両方を回転し、且つ定盤２の回転中心の投影が窒化物半導体基板１の領域外にあるので、窒化物半導体基板１の表面を平坦にエッチングできると共に、基板表面における平坦度の面内均一化が図れる。また、複数の窒化物半導体基板１を一度に平坦化でき、生産性が高い。
なお、上述した図２に示すエッチング装置１０では、駆動軸１２により定盤２０を昇降できる構成としたが、窒化物半導体基板１側を昇降できる構成としてもよい。また、上記のエッチング装置１０では、容器側壁の一方側のガス供給口１７から反対側のガス排出口１８へと容器１１内を略一方向にガスを流したが、例えば、複数の窒化物半導体基板１の内側に位置する底壁１１ｂの中央部からエッチング用のガスを導入し、定盤２０と底壁１１ｂとの間に形成されるガス流路の中央部から放射状にガスが流れるように構成してもよい。
１ 窒化物半導体基板
１ａ 表面
２ 定盤
２ａ 表面
３ 支持基台
４ 中心軸（回転中心）
５ 中心軸（回転中心）
１０ エッチング装置
１１ 容器
１１ａ 上壁
１１ｂ 底壁
１２ 駆動軸
１５ ホルダ
１６ ヒーター
１７ ガス供給口
１８ ガス排出口
２０ 定盤
２１ 定盤本体
２２ 金属膜

Claims (7)

  1. Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのいずれか、又はこれらいずれかの金属の窒化物から形成される表面を有する定盤を用い、前記定盤の前記表面と窒化物半導体基板の平坦化する表面とを対向して近接して配置し、
    対向配置の前記定盤および前記窒化物半導体基板を９００℃以上の高温状態とし、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間に少なくとも水素とアンモニアを含むガスを供給することにより、前記定盤に対向する前記窒化物半導体基板の表面をエッチングして平坦化する工程を有することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
  2. 前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間の距離が、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  3. 前記窒化物半導体基板に対向する前記定盤の表面は、表面粗さＲＭＳが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  4. 前記エッチングして平坦化する工程における前記窒化物半導体基板の表面のエッチング速度が、１μｍ／時以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  5. 前記窒化物半導体基板の表面がエッチングにより除去されても、前記定盤の表面と前記窒化物半導体基板の表面との間の距離が一定となるように、前記定盤と前記窒化物半導体基板の間を近づけるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  6. 前記定盤と前記窒化物半導体基板の一方または両方を、互いの表面を対向させつつ回転させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  7. 前記定盤と前記窒化物半導体基板の両方が互いの表面を対向させつつ回転しており、前記定盤の表面を前記窒化物半導体基板の表面を含む平面上に投影したとき、前記定盤の回転の中心が前記窒化物半導体基板の表面内の領域に存在しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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