JP2014201493A - 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014201493A JP2014201493A JP2013079577A JP2013079577A JP2014201493A JP 2014201493 A JP2014201493 A JP 2014201493A JP 2013079577 A JP2013079577 A JP 2013079577A JP 2013079577 A JP2013079577 A JP 2013079577A JP 2014201493 A JP2014201493 A JP 2014201493A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- group iii
- layer
- nitride semiconductor
- iii nitride
- carbide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 203
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 201
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 137
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 17
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N [C].[Zr] Chemical compound [C].[Zr] OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 1-(chloromethyl)-4-[4-(chloromethyl)phenyl]benzene Chemical compound C1=CC(CCl)=CC=C1C1=CC=C(CCl)C=C1 INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- CAVCGVPGBKGDTG-UHFFFAOYSA-N alumanylidynemethyl(alumanylidynemethylalumanylidenemethylidene)alumane Chemical compound [Al]#C[Al]=C=[Al]C#[Al] CAVCGVPGBKGDTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 92
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 37
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 366
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 60
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 38
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 37
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 33
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 18
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 14
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 8
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N dichlorosilane Chemical compound Cl[SiH2]Cl MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000039 hydrogen halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012433 hydrogen halide Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
【課題】III族窒化物半導体基板の生産性を向上できる下地基板の製造方法およびこの製造方法を使用したIII族窒化物半導体基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】下地基板の製造方法は、基材層11上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層12を形成する工程と、炭化物層を窒化する工程と、前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層15をエピタキシャル成長させる工程と、基材層11、窒化された炭化物層12およびIII族窒化物半導体層15で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、III族窒化物半導体層15から前記基材層11を剥離して、前記III族窒化物半導体層15を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程とを含む。
【選択図】図3
Description
そして、III族窒化物半導体の下地基板の製造方法について種々の検討を行い、以下の製造方法を発案した。
すなわち、本発明によれば、
基材層上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、前記III族窒化物半導体層から前記基材層を剥離して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程とを含む下地基板の製造方法が提供される。
そして、このような下地基板上に同種のIII族窒化物半導体層を形成すれば、III族窒化物半導体基板を生産性よく得ることができる。
前記下地基板の製造方法により、製造された前記下地基板上に、さらにIII族窒化物半導体層を成長させる工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
(下地基板の製造工程)
はじめに、図1及び図6を参照して、本実施形態の下地基板の製造工程の概要について説明する。
本実施形態の下地基板10の製造方法は、
基材層11上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層12を形成する工程と、
前記炭化物層12を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層12上に、III族窒化物半導体層15をエピタキシャル成長させる工程と、
基材層11、窒化された炭化物層12およびIII族窒化物半導体層15で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、III族窒化物半導体層15から前記基材層11を剥離して、前記III族窒化物半導体層15を含むIII族窒化物半導体の下地基板10を得る工程とを含む。
はじめに、基材層11を用意する。基材層11としては、下地基板10とは異なる異種基板であることが好ましく、たとえば、サファイア基板、スピネル基板、SiC基板、ZnO基板、シリコン基板、GaAs基板、GaP基板等から選択される基板を使用することができる。なかでも、市販品の結晶品質およびコストの観点からサファイア基板が好ましい。
次に、図1(a)に示すように、この基材層11上に、炭化物層12を形成する。
炭化物層12としては、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれか1種以上からなる層とすることができる。たとえば、炭化物層12が炭化アルミニウム層、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化バナジウム層、炭化タンタル層のいずれかである場合、炭化アルミニウム層、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化バナジウム層、炭化タンタル層は、それぞれAl4C3、TiC、ZrC、HfC、VC、TaCが主成分となる。
ただしIII族窒化物半導体層15を構成するIII族原子のうちの少なくとも1種と、炭化物層12を構成する金属原子とは異なるものであることが好ましい。III族窒化物半導体層15が、InxAlyGazN(x+y+z=1、0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦1)層である場合、すなわち、Alを含む場合には、炭化物層12は、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルのいずれかの層であることが好ましい。
たとえば、トリメチルアルミニウムを使用して、MOVPE法により、炭化アルミニウム層を形成してもよい。また、たとえば、ターゲットをTiとし、スパッタガスとしてArガスを使用し、反応性ガスとしてメタンガスを使用した反応性スパッタリングにより、炭化チタン層を形成してもよい。
炭化物層12の厚みはたとえば、20〜500nmである。20nm以上とすることで、炭化物層12の結晶性を向上することができ、また、500nm以下とすることで炭化物層12と基材層11とを剥離しやすくすることができる。
次に、図1(b)に示すように、炭化物層12を窒化して、窒化された炭化物層12(符号120で示す)を形成する。窒化された炭化物層12は、基材層11に接する炭化物層12Aと、この炭化物層12A上に形成され、炭化物層12Aの結晶情報を引き継いだ窒化物層13とを有することとなる。
ただし、窒化物層13は、完全に炭化物層12Aを被覆しておらず、炭化物層12Aの一部が露出していてもよい。また、詳しくは後述するが、窒化物層13および炭化物層12Aの結晶性によっては、窒化物層13が炭化物層12Aを完全に被覆していてもよい。
窒化ガス:アンモニア(NH3)ガス、H2ガス、N2ガス
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:5分〜60分
なお、窒化温度は500℃以上700℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは550℃以下である。
この工程では、炭化物層12の表面において、以下の反応(1)あるいは(2)が起こる。
Al4C3+4NH3→4AlN+3CH4・・・(1)式
2MC+2NH3+H2→2MN+2CH4・・・(2)式
(2)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
なお、300℃から900℃に昇温しながら炭化物層12を窒化してもよい。このようにすることで、窒化工程において、後述するIII族窒化物半導体層15の成膜温度付近まで、温度を近づけることができ、製造時間の短縮を図ることができる。
また、この工程で形成する窒化物層13の厚みは50nm以下であることが好ましい。
このように、窒化物層13の厚みを薄くしておくことで、基材層11を容易に剥離することができる。
次に、窒化された炭化物層12上に、III族窒化物半導体層15をエピタキシャル成長させる。
本実施形態では、III族窒化物半導体層15が、GaN半導体層である場合、成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:100μm〜500μm
これにより、図1(c)に示すように、III族窒化物半導体層15が設けられることとなる。
なお、前記成膜温度よりも低温で、III族窒化物半導体の低温成長バッファ層を形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施してもよい。
また、III族窒化物半導体のファセットを形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施して、平坦膜であるIII族窒化物半導体層15を得てもよい。
そして、III族窒化物半導体層15を形成する工程の初期においては、窒化された炭化物層12の表面に露出した炭化物と、III族窒化物半導体とが以下のように反応すると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaNである場合を例にあげて説明する。
Al4C3+4GaN→4AlN+4Ga+3C・・・(3)式
MC+GaN→MN+Ga+C・・・(4)式
(4)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
また、窒化物層13および炭化物層12Aの結晶性によっては、以下のような反応が生じる場合もある。III族窒化物半導体が熱分解して、窒素原子と、III族原子とになる。この熱分解により生じた窒素原子が、窒化物層13中の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)を通じて炭化物層12Aの表面、場合によっては、炭化物層12Aの表面層内の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)に達し、炭化物層12A表面および表面層の炭化物が窒化物となる反応が生じることもある。
また、上記(3)、(4)の反応や、III族窒化物半導体の熱分解により、析出したIII族原子は、III族窒化物半導体層15と、窒化物層13Aとの間に位置することとなり、III族元素析出層14が形成される。
そして、以上の工程を繰り返して、複数の積層体Bを用意する。
次に、複数の積層体Bを加熱して熱処理する。この熱処理工程では、積層体BをIII族元素の液体中に浸漬させた状態で、積層体Bを熱処理する。III族元素の液体は、III族窒化物半導体層15に含まれるIII族元素と同じ元素の液体である。たとえば、III族窒化物半導体層15がGaNである場合には、III族元素の液体はGaの液体である。
III族元素の液体は、少なくとも、積層体Bの熱処理温度で液体となるものであればよい。たとえば、25℃で固体であっても、積層体Bの熱処理温度で液体となればよい。25℃で固体である場合には、たとえばIII族元素の粉末状を、後述する容器5、6に入れておけばよい。
たとえば、図3および4に示す容器5を用意する。図3は、容器5の底面と直交する断面図である。図4は容器5の斜視図であり、内部に配置される積層体Bを示した図である。なお、図3においては、見易さを考慮して、積層体Bのうち、炭化物層12B、窒化物層13A、III族元素析出層14およびIII族窒化物半導体層15を単層で示している。
容器5は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体50、蓋53、ピン52は黒鉛製である。
容器本体50の側壁51には複数のピン52が挿入されている。複数のピン52のうち一部のピン52は、容器5の側壁51に対する高さ方向の取り付け位置が異なっており、容器5の底面側からピン52A〜52Dの順に配置されている。
その後、再度、III族元素の液体を容器5内に充填し、2つ目の積層体Bを容器5内に挿入する。そして、前記ピン52Aよりも高い位置にあるピン52Bを容器5内側に押し込み、2つめの積層体Bの基材層11の外周縁をピン52Bで押さえる。
このような作業を繰り返して、各ピン52A〜52Dで各積層体Bの基材層11の外周縁を押さえる。
その後、容器5の開口部に蓋53をはめ込む。そして、III族元素の液体Lが充填されるとともに、III族元素の液体Lに複数の積層体Bが浸漬された容器5を、HVPE装置3内に配置する。たとえば、図3に示すように、ヒータ37で取り囲まれている領域内(たとえば、配管40の下流側であり、成長領域39内)に、容器5を配置する。そして、ヒータ36、37を駆動して、容器5の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Bを同時に加熱処理する。また、HVPE装置3とは別に熱処理装置を用意し、容器5中の積層体Bを加熱処理してもよい。
この容器6は、上面が開口した容器本体61と、この容器本体61の開口をふさぐ蓋62と、容器本体61内に積層体Bを配置するための治具63とを有する。
容器6は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体61、蓋62、治具63は黒鉛製である。
治具63は、長手方向に沿って複数の溝が離間して形成された複数本の保持部631と、この保持部631の長手方向の端部を一体的に固定する固定部632とを備える。
たとえば、複数の保持部631の溝に、積層体Bの外周縁をはめ込むことで、積層体Bが治具63に保持されることとなる。
その後、容器本体61の開口を蓋62でふさぐ。次に、容器6を、HVPE装置3内に配置する。たとえば、ヒータ37で取り囲まれている領域内(たとえば、配管40の下流側であり、成長領域39内)に、容器5を配置する。ヒータ36、37を駆動して、容器6の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Bを同時に加熱処理する。また、HVPE装置3とは別に熱処理装置を用意し、容器6中の積層体Bを加熱処理してもよい。
なお、熱処理工程において、容器5,6の腐食を抑制するために、容器5,6を窒素ガス等の非酸化性ガス雰囲気下に配置することが好ましい。
また、容器5,6にIII族元素の液体を充填するとしたが、積層体Bの熱処理温度で液体となるIII族元素の粉末を充填してもよい。
本実施形態においては、複数の積層体Bを同時に加熱するので、一つの加熱処理工程において、複数の積層体BのIII族窒化物半導体層15と基材層11とを剥離することができる。
熱処理過程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じていることは、以下の点から推測できる。
熱処理中にIII族窒化物半導体層15と基材層11との固着力が十分に低減されていない場合には、III族窒化物半導体層15と基材層11との固着力が強い部分と弱い部分とが混在することとなる。そして、冷却工程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との線膨張係数差に起因して発生する応力分布が不均一となり、III族窒化物半導体層15の割れを誘発すると考えられる。これに対し、本実施形態では、後述する冷却工程後のIII族窒化物半導体層15に割れが生じないことから、冷却工程に入る前段の、熱処理工程において、III族窒化物半導体層15と、基材層11との間の固着力が低減されて固着力がほとんど失われ、熱処理工程中で、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じていると考えられる。
前述したIII族元素析出層14には、III族原子が存在している。さらには、熱処理により、III族窒化物半導体層15を構成するIII族窒化物が分解して、III族原子が形成されることとなる。
III族原子は、融点が低いため、熱処理過程では液状となる。そして、III族原子は、図6(a)に示すように、窒化物層13Aを通り、炭化物層12Bに達することとなる。図6(a)の矢印は、III族原子が窒化物層13Aを通過する様子を示している。
そして、炭化物層12Bでは、以下の反応が生じると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaである例をあげて説明する。
Al4C3+4Ga(l)→4Al−Ga(l)+3C・・・(5)式
MC+Ga(l)→M−Ga(l)+C・・・(6)式
(6)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
なお、式(5)や(6)の反応を進行させる観点から、III族窒化物半導体層15を構成するIII族原子と、炭化物層12Bを構成する金属原子とは異なるものであることが好ましい。
なお、III族元素の液体は、熱伝導性が良好であることから、積層体Bの温度が1100℃以上、1300℃以下となっていると考えられる。
また、上述した熱処理温度で加熱する時間(熱処理時間)は、たとえば、5時間〜15時間であることが好ましく、なかでも、6〜10時間であることが好ましい。
また、上述したメカニズムでIII族窒化物半導体層15と基材層11とを分離するので、基材層11およびこの基材層11上に形成されるIII族窒化物半導体層15の径が大きい場合でも、基材層11とIII族窒化物半導体層15との剥離形状に大きなばらつきが生じにくく、所望の下地基板10を生産性良く得ることができる。
たとえば、基材層11およびIII族窒化物半導体層15の径(下地基板10の径に該当)は、10mm以上200mm以下とすることができる。
たとえば、容器5あるいは容器6をホットプレート等の加熱手段で加熱しておき、III族元素の液体が固化しないようにしてもよい。
なお、III族元素析出層14からのIII族原子が、炭化物層12B中に達して、剥離を起こすため、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面、たとえば、III族窒化物半導体層15を含む側の構造体の表面には、III族元素析出層14からのIII族原子の液滴が付着する。また、積層体BがIII族元素の液体中に浸漬されているので、III族元素の液体も付着することとなる。そのため、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面には、液状あるいは固体状のIII族元素の層が形成される。
なお、容器5あるいは容器6中のIII族元素の液体が固化した状態で、剥離したIII族窒化物半導体層15と基材層11とを容器5あるいは容器6から取り出してもよい。III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面には、固化したIII族元素の層が付着することとなる。
さらに、必要に応じて、前記構造体を研磨して、炭化物層12B、窒化物層13A、さらには、III族元素析出層14を除去してもよい。そして、図6(c)に示すように、III族窒化物半導体層15からなる単結晶の下地基板10を得る。この下地基板10は自立基板である。
次に、図7(a)および(b)に示すように、下地基板10を用いて、III族窒化物半導体層21の厚膜成長を行い、半導体基板2を製造する。
このとき、あらかじめ下地基板10の選別を行ってもよい。たとえば、複数の下地基板10を製造した後、下地基板10の結晶欠陥密度を基準に、複数の下地基板10を選別して、基準値以上の下地基板10上にIII族窒化物半導体層21を形成してもよい。
本実施形態では、厚みの薄い下地基板10を形成した後、この下地基板上にIII族窒化物半導体層21の厚膜成長を行なうので、下地基板10に欠陥がある場合には、III族窒化物半導体層21の厚膜成長前に下地基板10を予め選別し、除去しておくことができる。これにより、半導体基板の製造コストの低減を図ることができる。
III族窒化物半導体層21の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。III族窒化物半導体層21は、下地基板10と同じ組成のIII族窒化物で構成されていることが好ましい。
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:500μm〜900μm
前述したHVPE装置3を使用してIII族窒化物半導体層21を製造することができる。
これにより、下地基板10と、III族窒化物半導体層21とを有する基板2を得ることができる。
ここで、III族窒化物半導体層21は、下地基板10の表面のうち、基材層11側に位置していた面と反対側の表面から成長させることが好ましい。
なお、図8に示すように下地基板10の表裏面それぞれから、III族窒化物半導体層21,22を成長させて基板2を得てもよい。なお、III族窒化物半導体層22も下地基板10と同じ組成のIII族窒化物で構成されていることが好ましい。
本実施形態では、HVPE装置3内には、基板ホルダ32が一つであったが、これに限らず、複数あってもよい。
また、下地基板10(III族窒化物半導体層15)のIII族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体層21,22は、InxAlyGazN(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)であればよい。
(実施例1)
前記実施形態と同様の方法で、下地基板10を作製し、その後、下地基板10上に、III族窒化物半導体層21を形成して、基板2を得た。
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
圧力:0.4Pa
スパッタガス:Arガス
反応性ガス:CH4
ターゲット:Ti
反応性ガス流量:5sccm
膜厚:120nm
窒化温度:300℃から900℃への昇温過程(昇温速度20℃/分)
窒化時間:30分
窒化ガス:NH3ガス
(GaN半導体層をエピタキシャル成長させる工程)
(GaNバッファ層)
成膜方法:HVPE
成膜温度:970℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NH3ガス 3300cc/min
厚さ:5μm
成膜方法:HVPE
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NH3ガス 1800cc/min
厚さ:450μm
以上の工程を実施して、基材層、窒化された炭化物層、GaN半導体層が積層された積層体Bを20枚用意した。
次に、前記実施形態と同様、熱処理を行なった。ここでは、容器6を使用して熱処理を行なった。はじめに、治具63の保持部631の溝に、積層体Bの外周縁をはめ込み、20枚の積層体Bを治具63に保持させた。
その後、積層体Bを保持する治具63を、容器本体61内に挿入した。次に、Gaの液体を容器本体61内に充填し、全ての積層体BをGaの液体中に浸した。積層体Bは、完全にGaの液体に浸漬しており、Gaの液体から露出していなかった。
次に、容器本体61の開口を蓋62でふさいだ。
その後、HVPE装置内に容器6を配置して、容器6を窒素ガス雰囲気下で加熱した。熱処理条件は以下のようである。
(熱処理)
温度:1200℃
雰囲気:N2ガス
処理時間:8時間
1200℃で8時間熱処理した後、冷却した。GaN半導体層は非常に薄いため、冷却過程で、GaN半導体層と基材層11との線膨張係数差による力でGaN半導体層と基材層11とが剥離した場合には、GaN半導体層には亀裂が生じる。これに対し、本実施例では、GaN半導体層には亀裂が生じていないことから、GaN半導体層と基材層11との固着力は熱処理中に失われ、熱処理中に、GaN半導体層と基材層11との剥離が生じていると考えられる。
HVPE装置が一定温度まで冷却されたら、HVPE装置から容器6を取り出し、容器6中のGaの液体が固化しないように、ホットプレートで加熱しながら、容器6から、GaN半導体層と基材層11とが剥離した積層体Bを取り出した。
(洗浄工程)
洗浄液:リン酸+硫酸混合液
温度:150℃
時間:1時間
以上の工程により、厚さ400μmのGaN半導体層からなる自立した下地基板10を20枚得た。
その後、得られた下地基板10を用いて、GaN層の厚膜成長を行った。成長条件は以下の通りである。
(厚膜成長工程)
成膜方法:HVPE
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NH3ガス 1800cc/min
ドーピング:Siドープ
含有量3000ppmのジクロロシラン(Si2H2Cl2)3cc/minにHCl 3cc/minを混合し、HVPE装置に導入した。
厚さ:1100μm
実施例1の剥離工程を実施せずに、基材層付きのGaN半導体層を形成した後、実施例1と同様に、HVPE装置を冷却してHVPE装置から取り出した。その後、再度、基材層付きのGaN半導体層をHVPE装置に入れて、実施例1と同様の厚膜成長を行なった。厚膜成長後の冷却過程で熱応力を利用してGaN層と基材層とを分離した。他の点は、実施例1と同様である。厚さ1000μmのGaN自立基板を得た。
比較例1では、20枚中5枚のGaN自立基板にクラックが発生してしまったのに対し、実施例1では、熱処理工程で20枚中20枚とも、クラックを発生させずに、GaN半導体層と基材層とを剥離することができた。そのため、20枚のクラックのないGaN自立基板を得ることができた。
結果を表1に示す。
なお、表1の参考例は、熱処理中にGaの液体中に浸漬させずに、窒素ガス雰囲気下で熱処理したものである。熱処理温度等、他の点は実施例1と同じである。参考例においても、GaN半導体層と基材層11との剥離により得られたGaN半導体層側の構造体を洗浄した後の、GaN半導体層の厚みを任意8点で測定している。なお、実施例1のGaN半導体層の平均厚さは400μmであったが、参考例では、350μmであった。
3 HVPE装置
5 容器
6 容器
10 下地基板
11 基材層
12 炭化物層
12A 炭化物層
12B 炭化物層
13 窒化物層
13A 窒化物層
14 III族元素析出層
15 III族窒化物半導体層
21,22 III族窒化物半導体層
31 反応管
32 基板ホルダ
33 III族原料ガス供給部
34 窒素原料ガス供給部
35 ガス排出管
36,37 ヒータ
38 遮蔽板
39 成長領域
40 配管
41 回転軸
50 容器本体
51 側壁
52 ピン
52A−52D ピン
53 蓋
61 容器本体
62 蓋
63 治具
120 窒化された炭化物層
311 ガス供給管
312 ソースボート
313 III族原料
341 ガス供給管
631 保持部
632 固定部
A 積層体
B 積層体
L 液体
Claims (10)
- 基材層上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、前記III族窒化物半導体層から前記基材層を剥離して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程とを含む下地基板の製造方法。 - 請求項1に記載の下地基板の製造方法において、
前記III族元素の液体は、前記III族窒化物半導体層を構成するIII族元素の液体である下地基板の製造方法。 - 請求項1に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の前記積層体を前記エピタキシャル成長の成長温度よりも高い温度で熱処理する下地基板の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体を1100℃以上、1300℃以下で加熱する下地基板の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記積層体を、前記III族元素の液体に浸漬させた状態で、5時間以上、熱処理し、前記熱処理中に前記III族窒化物半導体層および前記基材層間の固着力を低減する下地基板の製造方法。 - 請求項1に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、熱処理中に前記III族窒化物半導体層から前記基材層が剥離する下地基板の製造方法。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる前記工程では、厚さ600μm以下であるIII族窒化物半導体層を形成する下地基板の製造方法。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、
複数の前記積層体を用意し、前記複数の積層体を容器に収容し、複数の積層体を前記容器内のIII族元素の液体に浸漬させる下地基板の製造方法。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の下地基板の製造方法を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法であり、
前記下地基板の製造方法により、製造された前記下地基板上に、さらにIII族窒化物半導体層を成長させる工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。 - 請求項9に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
さらにIII族窒化物半導体層を成長させる前記工程では、前記下地基板の表裏面それぞれにIII族窒化物半導体層を成長させるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013079577A JP6091969B2 (ja) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013079577A JP6091969B2 (ja) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014201493A true JP2014201493A (ja) | 2014-10-27 |
JP6091969B2 JP6091969B2 (ja) | 2017-03-08 |
Family
ID=52352266
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013079577A Active JP6091969B2 (ja) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6091969B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016174069A (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-29 | 古河機械金属株式会社 | Iii族窒化物半導体基板の製造方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002053397A (ja) * | 2000-08-03 | 2002-02-19 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物結晶及びその製造方法 |
JP2012072009A (ja) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物半導体基板の製造方法 |
-
2013
- 2013-04-05 JP JP2013079577A patent/JP6091969B2/ja active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002053397A (ja) * | 2000-08-03 | 2002-02-19 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物結晶及びその製造方法 |
JP2012072009A (ja) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物半導体基板の製造方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016174069A (ja) * | 2015-03-17 | 2016-09-29 | 古河機械金属株式会社 | Iii族窒化物半導体基板の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6091969B2 (ja) | 2017-03-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI435375B (zh) | Iii-v族氮化物半導體基板之製造方法 | |
TW200804635A (en) | Method and meterials for growing III-nitride semiconductor compounds containing aluminum | |
JP4838766B2 (ja) | Iii族窒化物半導体基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板 | |
CN105070648B (zh) | 利用低温防分解籽晶层在砷化镓衬底上生长氮化镓的方法 | |
JP5297850B2 (ja) | Iii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
CN105441902A (zh) | 一种外延碳化硅-石墨烯复合薄膜的制备方法 | |
JP2009007205A (ja) | 基板生産物を作製する方法 | |
JP7161158B2 (ja) | ダイヤモンド基板層の製造方法 | |
JP4707755B2 (ja) | 窒化アルミニウム単結晶層を有する積層体の製造方法、該製法で製造される積層体、該積層体を用いた窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法、および、窒化アルミニウム単結晶基板 | |
JP6091969B2 (ja) | 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
JP6144525B2 (ja) | 下地基板の製造方法およびiii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
JP2004269313A (ja) | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法 | |
JP5518566B2 (ja) | 窒化物半導体自立基板の製造方法 | |
JP2013227202A (ja) | 周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法、および、当該製造方法によって得られた周期表第13族金属窒化物半導体結晶を用いた半導体発光デバイス | |
JP2008162855A (ja) | 窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板 | |
Jiang et al. | Growth of GaN epitaxial films on polycrystalline diamond by metal-organic vapor phase epitaxy | |
JP6652347B2 (ja) | Iii族窒化物半導体基板、及び、iii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
WO2018047844A1 (ja) | 窒化ガリウム積層体の製造方法 | |
JP5333156B2 (ja) | 気相成長装置 | |
JP2006008500A (ja) | 窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板 | |
JP4619036B2 (ja) | 炭素複合部材 | |
KR20070025081A (ko) | 질화갈륨 기판 제조방법 | |
JP6831486B2 (ja) | 基板の製造方法、iii族窒化物半導体系素子の製造方法 | |
JP4885997B2 (ja) | Iii族窒化物半導体基板の製造方法 | |
Hennig et al. | Bowing of thick GaN layers grown by HVPE using ELOG |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160208 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160929 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161004 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161116 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170207 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170208 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6091969 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |