JP2015098411A - Method and apparatus for manufacturing nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板の製造装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate and an apparatus for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
ＧａＮ基板等の窒化物半導体基板を製造する第１の方法として、サファイア基板等の異種基板上に第１の窒化物半導体層を形成した後、異種基板を除去することによって、第１の窒化物半導体層からなる下地基板を得て、この下地基板上にさらに第２の窒化物半導体層を形成することによって、下地基板と窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）とからなる窒化物半導体基板を得る方法がある。なお、下地基板を得る方法は、例えば、特許文献１、２等に記載されている。 As a first method of manufacturing a nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate, a first nitride semiconductor layer is formed on a different substrate such as a sapphire substrate, and then the first nitride is removed by removing the different substrate. A nitride comprising a base substrate and a nitride semiconductor layer (second nitride semiconductor layer) is obtained by obtaining a base substrate made of a semiconductor layer and further forming a second nitride semiconductor layer on the base substrate. There is a method for obtaining a semiconductor substrate. In addition, the method of obtaining a base substrate is described in patent document 1, 2, etc., for example.
また、ＧａＮ基板等の窒化物半導体基板を製造する第２の方法として、サファイア基板等の異種基板を下地基板とし、この下地基板上に窒化物半導体層を形成することによって、下地基板と窒化物半導体層とからなる窒化物半導体基板を得る方法もある。 In addition, as a second method of manufacturing a nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate, a different substrate such as a sapphire substrate is used as a base substrate, and a nitride semiconductor layer is formed on the base substrate, whereby the base substrate and the nitride are formed. There is also a method for obtaining a nitride semiconductor substrate comprising a semiconductor layer.
本発明者の検討によれば、下地基板上に形成された窒化物半導体層は、凹状に反ってしまうことが多い。ここでいう凹状とは、下地基板上に形成された窒化物半導体層において、下地基板側とは反対側の面が凹状となる（下地基板側の面が凸状となる）ことを意味する。特に、上記第１の方法により窒化物半導体基板を製造した場合は、異種基板から剥離することにより得られた下地基板が凹状に反っていることが多いため、下地基板上に形成された窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）が顕著に凹状に反ってしまう。
なお、本発明者は、このように凹状に反った窒化物半導体層は、単に形状が凹状であるだけでなく、物性的にｃ軸が内向きとなっていることを確認している。
更に、本発明者の検討によれば、フラットな（反っていない）下地基板上に窒化物半導体層を形成した場合にも、当該窒化物半導体層の形状が凹状となったり、当該窒化物半導体層のｃ軸が内向きとなったりする場合がある。
According to the study of the present inventor, the nitride semiconductor layer formed on the base substrate often warps in a concave shape. The concave shape here means that in the nitride semiconductor layer formed on the base substrate, the surface opposite to the base substrate side is concave (the surface on the base substrate side is convex). In particular, when a nitride semiconductor substrate is manufactured by the first method described above, since the base substrate obtained by peeling from the dissimilar substrate often warps in a concave shape, the nitride formed on the base substrate The semiconductor layer (second nitride semiconductor layer) warps significantly in a concave shape.
The inventor has confirmed that the nitride semiconductor layer warped in a concave shape is not only concave in shape but also has a c-axis inward in terms of physical properties.
Further, according to the study of the present inventor, even when a nitride semiconductor layer is formed on a flat (not warped) base substrate, the shape of the nitride semiconductor layer becomes concave, or the nitride semiconductor The c-axis of the layer may be inward.
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体層の凹状の反りを抑制することが可能な窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
また、本発明は、窒化物半導体層の凹状の反りを抑制することが可能な窒化物半導体基板の製造装置を提供する。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate capable of suppressing the concave warpage of the nitride semiconductor layer.
The present invention also provides an apparatus for manufacturing a nitride semiconductor substrate capable of suppressing the concave warpage of the nitride semiconductor layer.
本発明は、
窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが可能な成長面を有する下地基板を準備する工程と、
前記下地基板を基板ホルダに固定する工程と、
固定された前記下地基板の前記成長面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
を含み、
前記基板ホルダに固定する工程において、前記下地基板を、前記成長面側が凸になるように反らせた状態で固定する、窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
The present invention
Preparing a base substrate having a growth surface capable of epitaxially growing a nitride semiconductor layer;
Fixing the base substrate to a substrate holder;
Epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the growth surface of the fixed base substrate;
Including
In the step of fixing to the substrate holder, there is provided a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the base substrate is fixed in a state of being warped so that the growth surface side is convex.
この製造方法によれば、下地基板の成長面側が凸になるように下地基板を反らせた状態で、成長面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層の凹状の反りを抑制することができる。 According to this manufacturing method, the nitride semiconductor layer is epitaxially grown on the growth surface while the base substrate is warped so that the growth surface side of the base substrate is convex, thereby suppressing the concave warpage of the nitride semiconductor layer. can do.
また、本発明は、
窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが可能な成長面を有する下地基板を保持する基板ホルダを有し、前記基板ホルダに保持された前記下地基板の前記成長面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造装置において、
前記基板ホルダは、前記成長面側が凸になるように反らせた状態で前記下地基板を保持することが可能なように構成されている、窒化物半導体基板の製造装置を提供する。
The present invention also provides:
Nitriding for epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the growth surface of the base substrate held by the substrate holder, the substrate holder holding a base substrate having a growth surface capable of epitaxially growing the nitride semiconductor layer In an apparatus for manufacturing a semiconductor substrate,
The substrate holder provides a nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus configured to be able to hold the base substrate in a state in which the growth surface is warped so as to be convex.
本発明によれば、窒化物半導体層の凹状の反りを抑制することができる。 According to the present invention, the concave warpage of the nitride semiconductor layer can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図１（ａ）および（ｂ）は実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一連の工程を説明するための模式的な断面図である。図２（ａ）および（ｂ）は実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１００（図３）の基板ホルダ１５０の模式的な断面図である。なお、図２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程図を兼ねる。図３は実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１００の模式的な断面図である。 FIG. 1A and FIG. 1B are schematic cross-sectional views for explaining a series of steps in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the embodiment. FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views of the substrate holder 150 of the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 (FIG. 3) according to the embodiment. 2A and 2B also serve as process drawings of the method for manufacturing the nitride semiconductor substrate according to the present embodiment. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 according to the embodiment.
本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１００は、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることが可能な成長面２１を有する下地基板２０を保持する基板ホルダ１５０を有し、基板ホルダ１５０に保持された下地基板２０の成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造装置１００である。基板ホルダ１５０は、成長面２１側が凸になるように反らせた状態で下地基板２０を保持することが可能なように構成されている。
以下、詳細に説明する。
The nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment includes a substrate holder 150 that holds a base substrate 20 having a growth surface 21 capable of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30, and is held by the substrate holder 150. The nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 epitaxially grows the nitride semiconductor layer 30 on the growth surface 21 of the underlying substrate 20 thus formed. The substrate holder 150 is configured so as to be able to hold the base substrate 20 in a state of being warped so that the growth surface 21 side is convex.
Details will be described below.
先ず、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）〜（ｃ）を参照して、本明細書における下地基板の「反り」の詳細な定義について説明する。 First, with reference to FIGS. 8A, 8B, 9A, 9B, and 10A to 10C, the detailed definition of “warping” of the base substrate in this specification is described. Will be described.
本明細書において下地基板の「反り」とは、下地基板の外形に顕在化した反りのみならず、結晶構造上の反りも含む。図８〜図１０の各図は断面図であり、下地基板となる層や下地基板において、成長面５０５に対して垂直な結晶軸の方向を点線の矢印で示している。 In this specification, the “warp” of the base substrate includes not only the warp manifested in the outer shape of the base substrate but also the warp on the crystal structure. Each of FIGS. 8 to 10 is a cross-sectional view, and a direction of a crystal axis perpendicular to the growth surface 505 is indicated by a dotted arrow in a layer serving as a base substrate or the base substrate.
下地基板を準備する工程として、たとえば初期下地基板５０１の上に下地基板となる層５０２ａ、５０２ｂを結晶成長させ、その後、層５０２ａ、５０２ｂを初期下地基板５０１から剥離する方法や、長尺（厚膜）のバルク結晶５０４から下地基板を切り出す方法などがある。基板の反りは、結晶成長段階での結晶軸の傾き、もしくは結晶軸が傾こうとする力に起因する。 As a step of preparing the base substrate, for example, a method of growing the layers 502a and 502b serving as the base substrate on the initial base substrate 501 and then peeling the layers 502a and 502b from the initial base substrate 501 or a long (thickness) And a base substrate is cut out from the bulk crystal 504 of the film. The warpage of the substrate is caused by the inclination of the crystal axis in the crystal growth stage or the force by which the crystal axis is inclined.
第１の例として、図８（ａ）のように初期下地基板５０１の上に下地基板となる層５０２ａを結晶成長させ、その後、初期下地基板５０１から層５０２ａを剥離して、図８（ｂ）のような剥離した層５０２ａからなる基板５０３ａを下地基板として準備する方法がある。
剥離前の図８（ａ）の状態では、初期下地基板５０１の中心と、外周縁部とで、初期下地基板５０１上に積層した層５０２ａの結晶軸は互いに平行である。しかし、剥離後には図８（ｂ）のように基板５０３ａの外形は反った形状となる。この理由は明らかではないが、積層した層５０２ａには残留応力が存在していたり、転位が存在していたりするためであると考えられる。基板５０３ａの外形がこのように反った形状となる結果、基板５０３ａの外周縁部における結晶軸の方向は、基板５０３ａの中心における結晶軸の方向に対して傾く。この結晶軸の傾きの大きさから、基板５０３ａすなわち下地基板の外形的な反りの曲率半径が求められる。
As a first example, as shown in FIG. 8A, a layer 502a to be a base substrate is grown on an initial base substrate 501, and then the layer 502a is peeled off from the initial base substrate 501. There is a method of preparing a substrate 503a formed of the peeled layer 502a as a base substrate.
In the state of FIG. 8A before peeling, the crystal axes of the layer 502a stacked on the initial base substrate 501 are parallel to each other at the center of the initial base substrate 501 and the outer peripheral edge. However, after peeling, the outer shape of the substrate 503a is warped as shown in FIG. The reason for this is not clear, but it is considered that residual stress is present in the stacked layer 502a or dislocations are present. As a result of the outer shape of the substrate 503a being warped in this manner, the direction of the crystal axis at the outer peripheral edge of the substrate 503a is inclined with respect to the direction of the crystal axis at the center of the substrate 503a. From the magnitude of the inclination of the crystal axis, the curvature radius of the external warp of the substrate 503a, that is, the base substrate is obtained.
また、第２の例として、長尺（厚膜）のバルク結晶５０４（図９（ａ））から所定の厚みの基板５０３ｂを切り出す方法がある。
この場合、成長面５０５の周縁部における結晶軸の方向は、成長面５０５の中心における結晶軸の方向に対して傾いている。
たとえば、図９（ａ）に示される互いに並行な２本の破線の位置にてそれぞれバルク結晶５０４を切断することにより基板５０３ｂを切り出した場合、切り出された基板５０３ｂは、一例として図９（ｂ）のように外形上の反りが無い平板状をなしている。しかし、このような平板状の基板５０３ｂにおいても、結晶軸に注目すると、基板５０３ｂの外周縁部における結晶軸の方向は、基板５０３ｂの中心における結晶軸の方向に対して傾いている。この結晶軸の傾きは、長尺のバルク結晶５０４における反りに起因する。よって、本例の場合は、基板５０３ｂの外形形状ではなく、結晶軸の傾きを評価することが、反りを本質的に評価することになる。
As a second example, there is a method of cutting a substrate 503b having a predetermined thickness from a long (thick film) bulk crystal 504 (FIG. 9A).
In this case, the direction of the crystal axis at the peripheral edge of the growth surface 505 is inclined with respect to the direction of the crystal axis at the center of the growth surface 505.
For example, in the case where the substrate 503b is cut by cutting the bulk crystal 504 at two parallel broken line positions shown in FIG. 9A, the cut substrate 503b is shown in FIG. It has a flat shape with no warping on the outer shape. However, even in such a flat substrate 503b, paying attention to the crystal axis, the direction of the crystal axis at the outer peripheral edge of the substrate 503b is inclined with respect to the direction of the crystal axis at the center of the substrate 503b. This inclination of the crystal axis is caused by warpage in the long bulk crystal 504. Therefore, in the case of this example, evaluating the inclination of the crystal axis rather than the outer shape of the substrate 503b essentially evaluates the warpage.
さらに、成長段階での結晶軸の傾きに外形上の反りの影響が加わる複合的な状態もあり得る。
たとえば、第１の例と同様の方法で下地基板を準備した場合に、図１０（ａ）のように剥離前の段階で、下地基板となる層５０２ｂの成長面５０５が曲面となることがある。この層５０２ｂを初期下地基板５０１から剥離すると、剥離した層５０２ｂからなる基板５０３ｄは、応力によって図１０（ｂ）のように反った外形となる。結晶軸に注目すると、剥離前の段階で、初期下地基板５０１の外周縁部における層５０２ｂの結晶軸の方向は、初期下地基板５０１の中心付近における層５０２ｂの結晶軸の方向に対して傾いている。そして、剥離後には基板５０３ｄが外形的に反ることで、結晶軸の傾きはより大きくなる。
また、長尺のバルク結晶５０４を図９（ａ）のように切断して基板５０３ｃとしても、応力によって図９（ｃ）のような反った外形の基板５０３ｃとなる場合もある。この場合も同様に、切り出した基板５０３ｃの結晶軸の傾きは、長尺のバルク結晶５０４の結晶軸の傾きよりも大きくなる。
Furthermore, there may be a complex state in which the influence of warpage on the outer shape is added to the inclination of the crystal axis in the growth stage.
For example, when the base substrate is prepared by the same method as in the first example, the growth surface 505 of the layer 502b serving as the base substrate may be a curved surface before the peeling as shown in FIG. . When the layer 502b is peeled from the initial base substrate 501, the substrate 503d made of the peeled layer 502b has an outer shape warped as shown in FIG. When attention is paid to the crystal axis, the direction of the crystal axis of the layer 502b at the outer peripheral edge portion of the initial base substrate 501 is inclined with respect to the direction of the crystal axis of the layer 502b near the center of the initial base substrate 501 before the peeling. Yes. Then, after the peeling, the substrate 503d is warped externally, so that the inclination of the crystal axis becomes larger.
Further, even when the long bulk crystal 504 is cut as shown in FIG. 9A to form the substrate 503c, the substrate 503c having a warped outer shape as shown in FIG. 9C may be formed due to stress. In this case as well, the inclination of the crystal axis of the cut out substrate 503 c is larger than the inclination of the crystal axis of the long bulk crystal 504.
以上の様に、外形上の反り、成長段階での結晶軸の傾き、およびそれらが複合した結晶軸の傾きのいずれをとっても、基板の中心における結晶軸の方向に対する、基板の外周縁部における結晶軸の方向の傾きを評価することが、反りを本質的に評価することになる。
なお、結晶軸の傾きは、たとえばＸ線回折法により測定することができ、結晶軸を法線とした面の曲率半径に換算することができる。
As described above, the crystal at the outer peripheral edge of the substrate with respect to the direction of the crystal axis at the center of the substrate, regardless of the warpage on the outer shape, the inclination of the crystal axis at the growth stage, and the inclination of the crystal axis where they are combined. Evaluating the tilt in the direction of the axis essentially evaluates warpage.
The inclination of the crystal axis can be measured by, for example, an X-ray diffraction method, and can be converted into a radius of curvature of a surface having the crystal axis as a normal line.
次に、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置１００について詳述する。 Next, the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment will be described in detail.
窒化物半導体基板の製造装置１００は、例えば、有機金属気相成長装置（以下、ＭＯＶＰＥ装置）またはハイドライド気相成長装置（以下、ＨＶＰＥ装置）とすることができる。ただし、窒化物半導体基板の製造装置１００は、これらの例に限らず、結晶成長が可能なものであれば良い。窒化物半導体基板の製造装置１００のその他の例としては、Ｎａフラックス法により結晶成長を行うものや、アモノサーマル法により結晶成長を行うものが挙げられる。本実施形態では、窒化物半導体基板の製造装置１００がＨＶＰＥ装置である例を説明する。 The nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 can be, for example, a metal organic vapor phase epitaxy apparatus (hereinafter referred to as MOVPE apparatus) or a hydride vapor phase epitaxy apparatus (hereinafter referred to as HVPE apparatus). However, the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 is not limited to these examples, and any apparatus capable of crystal growth may be used. Other examples of the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 include those that perform crystal growth by the Na flux method and those that perform crystal growth by the ammonothermal method. In the present embodiment, an example in which the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 is an HVPE apparatus will be described.
図３に示すように、窒化物半導体基板の製造装置１００は、下地基板２０を保持する基板ホルダ１５０と、基板ホルダ１５０により保持された下地基板２０に反応ガスを供給するガス供給部と、を有する。ガス供給部は、例えば、III族原料ガス供給部１３９及び窒素原料ガス供給部１３７を備えて構成される。 As shown in FIG. 3, the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 includes a substrate holder 150 that holds the base substrate 20, and a gas supply unit that supplies a reactive gas to the base substrate 20 held by the substrate holder 150. Have. The gas supply unit includes, for example, a group III source gas supply unit 139 and a nitrogen source gas supply unit 137.
窒化物半導体基板の製造装置１００は、例えば、内部に成長領域１２２を有する反応管１２１と、反応管１２１内に設けられている基板ホルダ１５０と、III族原料ガスを成長領域１２２へ供給するIII族原料ガス供給部１３９と、窒素原料ガスを成長領域１２２へ供給する窒素原料ガス供給部１３７と、ドーピングガスを成長領域１２２へ供給するガス供給管１２５と、反応管１２１から外部にガスを排出するガス排出管１３５と、ヒータ１２９、１３０とを備える。 The nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 100 includes, for example, a reaction tube 121 having a growth region 122 therein, a substrate holder 150 provided in the reaction tube 121, and a group III source gas supplied to the growth region 122. Group source gas supply unit 139, nitrogen source gas supply unit 137 for supplying nitrogen source gas to growth region 122, gas supply pipe 125 for supplying doping gas to growth region 122, and exhaust gas from reaction tube 121 to the outside Gas exhaust pipe 135 and heaters 129 and 130 are provided.
反応ガスは、III族原料ガスと、窒素原料ガスと、ドーピングガスと、を含んで構成される。反応ガスは、概ね図３における左側から右側へ向けて流れる。以下、反応ガスのガス流における上流側を、単に上流側といい、反応ガスのガス流における下流側を、単に下流側という。 The reaction gas includes a group III source gas, a nitrogen source gas, and a doping gas. The reaction gas flows from the left side to the right side in FIG. Hereinafter, the upstream side in the reaction gas flow is simply referred to as the upstream side, and the downstream side in the reaction gas flow is simply referred to as the downstream side.
成長領域１２２は、反応管１２１内における下流側すなわち図３における右側部分に位置している。基板ホルダ１５０は、反応管１２１内における下流側の部分（以下、単に下流部）に回転軸１３２により回転自在に設けられている。この回転軸１３２は、図示しないモータ等の回転アクチュエータにより軸周りに回転駆動され、回転軸１３２とともに基板ホルダ１５０を回転する。基板ホルダ１５０は、当該基板ホルダ１５０における上流側の部位にて下地基板２０を保持する。基板ホルダ１５０により保持された下地基板２０は、成長領域１２２に位置する。基板ホルダ１５０が回転するのに伴い、下地基板２０も回転する。 The growth region 122 is located on the downstream side in the reaction tube 121, that is, on the right side portion in FIG. The substrate holder 150 is rotatably provided by a rotary shaft 132 in a downstream portion (hereinafter simply referred to as a downstream portion) in the reaction tube 121. The rotating shaft 132 is rotationally driven around a shaft by a rotary actuator such as a motor (not shown), and rotates the substrate holder 150 together with the rotating shaft 132. The substrate holder 150 holds the base substrate 20 at a site on the upstream side of the substrate holder 150. The base substrate 20 held by the substrate holder 150 is located in the growth region 122. As the substrate holder 150 rotates, the base substrate 20 also rotates.
ガス排出管１３５は、基板ホルダ１５０よりも下流側に配置され、反応管１２１内からガスを外部に排出する。 The gas discharge pipe 135 is disposed on the downstream side of the substrate holder 150 and discharges the gas from the reaction pipe 121 to the outside.
反応管１２１内における上流側の部分（以下、単に上流部）は、仕切板１３６により上下２つの層に区画されている。 The upstream portion (hereinafter simply referred to as the upstream portion) in the reaction tube 121 is divided into two layers by a partition plate 136.
III族原料ガス供給部１３９は、ガス供給管１２６と、反応管１２１内における仕切板１３６よりも下側の層であるIII族原料ガス供給管１３９ａと、III族原料ガス供給管１３９ａ内に配置されたソースボート１２８と、Ｇａ原料１２７と、を含む。ソースボート１２８は、Ｇａ原料１２７を収容している。 The group III source gas supply unit 139 is disposed in the gas supply pipe 126, a group III source gas supply pipe 139a that is a lower layer than the partition plate 136 in the reaction pipe 121, and a group III source gas supply pipe 139a. The source boat 128 and the Ga material 127 are included. The source boat 128 contains a Ga raw material 127.
ガス供給管１２６は、ＨＣｌガス等のハロゲン含有ガスを、III族原料ガス供給管１３９ａへ供給する。ガス供給管１２６の供給口（下流端）は、ソースボート１２８よりも上流側に配置されている。 The gas supply pipe 126 supplies a halogen-containing gas such as HCl gas to the group III source gas supply pipe 139a. The supply port (downstream end) of the gas supply pipe 126 is disposed upstream of the source boat 128.
ガス供給管１２６から供給されるハロゲン含有ガスは、III族原料ガス供給部１３９内において、ソースボート１２８中のＧａ原料１２７の表面または揮発したＧａと接触し、Ｇａを塩化してＧａ塩化物を含むIII族原料ガス（ＧａＣｌ等）を生成する。なお、III族原料ガス供給部１３９の周囲にはヒータ１２９が配置され、III族原料ガス供給部１３９内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。 The halogen-containing gas supplied from the gas supply pipe 126 comes into contact with the surface of the Ga raw material 127 in the source boat 128 or volatilized Ga in the group III raw material gas supply unit 139, and chlorinates Ga to form Ga chloride. A group III source gas (such as GaCl) is generated. A heater 129 is disposed around the group III source gas supply unit 139, and the group III source gas supply unit 139 is maintained at a temperature of, for example, about 800 to 900 ° C. during hydride vapor phase growth.
III族原料ガス供給部１３９は、このように生成されたＧａＣｌ等のIII族原料ガスを成長領域１２２へ供給する。すなわち、III族原料ガスを基板ホルダ１５０により保持された下地基板２０の表面に供給する。 The group III source gas supply unit 139 supplies the group III source gas such as GaCl thus generated to the growth region 122. That is, the group III source gas is supplied to the surface of the base substrate 20 held by the substrate holder 150.
窒素原料ガス供給部１３７は、ガス供給管１２４と、反応管１２１内における仕切板１３６よりも上側の層（ガス供給管１２５およびその内部は除く）である窒素原料ガス供給部管１３７ａと、を含む。 The nitrogen source gas supply unit 137 includes a gas supply tube 124 and a nitrogen source gas supply unit tube 137a that is a layer (excluding the gas supply tube 125 and its interior) above the partition plate 136 in the reaction tube 121. Including.
ガス供給管１２４は、アンモニアガスを、窒素原料ガス供給部管１３７ａへ供給する。このアンモニアガスは、窒素原料ガス供給部管１３７ａ中を通過する過程で、熱により分解される。なお、窒素原料ガス供給部１３７の周囲にはヒータ１２９が配置され、窒素原料ガス供給部１３７内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。 The gas supply pipe 124 supplies ammonia gas to the nitrogen source gas supply section pipe 137a. This ammonia gas is decomposed by heat in the process of passing through the nitrogen source gas supply pipe 137a. A heater 129 is disposed around the nitrogen source gas supply unit 137, and the nitrogen source gas supply unit 137 is maintained at a temperature of, for example, about 800 to 900 ° C. during hydride vapor phase growth.
窒素原料ガス供給部１３７は、アンモニアを成長領域１２２へ供給する。すなわち、アンモニアを基板ホルダ１５０により保持された下地基板２０の表面に供給する。 The nitrogen source gas supply unit 137 supplies ammonia to the growth region 122. That is, ammonia is supplied to the surface of the base substrate 20 held by the substrate holder 150.
ガス供給管１２５は、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスなどのドーピングガスを成長領域１２２へ供給する。すなわち、ドーピングガスを基板ホルダ１５０により保持された下地基板２０の表面に供給する。 The gas supply pipe 125 supplies a doping gas such as dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas to the growth region 122. That is, the doping gas is supplied to the surface of the base substrate 20 held by the substrate holder 150.
成長領域１２２内で、下地基板２０の表面（図２（ａ）、（ｂ）における左側の面）上に、窒化物半導体層３０としてのＧａＮの成長が行われる。成長領域１２２の周囲にはヒータ１３０が配置され、成長領域１２２内は、ハイドライド気相成長中において、たとえば１０００〜１０５０℃程度の温度に維持される。 In the growth region 122, GaN as the nitride semiconductor layer 30 is grown on the surface of the base substrate 20 (the left surface in FIGS. 2A and 2B). A heater 130 is disposed around the growth region 122, and the growth region 122 is maintained at a temperature of, for example, about 1000 to 1050 ° C. during hydride vapor phase growth.
なお、下地基板２０の平面形状は、任意の形状とすることができる。一例として、下地基板２０の平面形状は円形とすることができる。ただし、下地基板２０の平面形状は、矩形状或いはその他の形状としても良い。 In addition, the planar shape of the base substrate 20 can be an arbitrary shape. As an example, the planar shape of the base substrate 20 can be circular. However, the planar shape of the base substrate 20 may be a rectangular shape or other shapes.
以下、基板ホルダ１５０の構造の例を詳述する。 Hereinafter, an example of the structure of the substrate holder 150 will be described in detail.
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基板ホルダ１５０は、下地基板２０の成長面２１に対する裏面側を支持する支持面１５１ａと、支持面１５１ａにおいて下地基板２０の中央部と対向する部位に形成された突起部１５２と、下地基板２０の成長面２１の周縁部を支持面１５１ａ側に押さえ付ける押さえ部１５５と、を有している。押さえ部１５５によって下地基板２０の周縁部が支持面１５１ａ側に押さえ付けられることにより、基板ホルダ１５０によって下地基板２０が保持されるとともに、突起部１５２が下地基板２０の中央部を支持面１５１ａから遠ざかる方向に押圧する。このため、図２（ａ）に示すように、下地基板２０は、その成長面２１側が凸になるように反った状態となる。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the substrate holder 150 is opposed to the support surface 151a that supports the back surface side of the growth surface 21 of the base substrate 20, and the central portion of the base substrate 20 on the support surface 151a. It has a protrusion 152 formed on the part, and a pressing portion 155 that presses the peripheral edge of the growth surface 21 of the base substrate 20 toward the support surface 151a. When the peripheral portion of the base substrate 20 is pressed to the support surface 151a side by the pressing portion 155, the base substrate 20 is held by the substrate holder 150, and the protrusion 152 moves the central portion of the base substrate 20 from the support surface 151a. Press away. For this reason, as shown in FIG. 2A, the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 side is convex.
基板ホルダ１５０は、盤状の本体部１５１を有しており、上記の支持面１５１ａは、本体部１５１の一方の面の少なくとも中央部を含む部分である。突起部１５２は、支持面１５１ａより突出している。基板ホルダ１５０は、更に、本体部１５１の一方の面の周縁部より起立した壁部１５３を有している。すなわち、壁部１５３は、支持面１５１ａからの突起部１５２の突出方向と同じ方向へ、本体部１５１の一方の面から起立している。壁部１５３は、例えば、環状に形成されており、壁部１５３によって囲まれた領域に下地基板２０が保持されるようになっている。 The substrate holder 150 has a disk-shaped main body 151, and the support surface 151 a is a portion including at least a central portion of one surface of the main body 151. The protrusion 152 protrudes from the support surface 151a. The substrate holder 150 further has a wall portion 153 that stands up from the peripheral edge portion of one surface of the main body portion 151. That is, the wall portion 153 stands up from one surface of the main body portion 151 in the same direction as the protruding direction of the protruding portion 152 from the support surface 151a. The wall portion 153 is formed in an annular shape, for example, and the base substrate 20 is held in a region surrounded by the wall portion 153.
押さえ部１５５は、例えば、壁部１５３に対して着脱可能に取り付けられる着脱部材１５６と、着脱部材１５６と下地基板２０との間に介装されるスペーサ１５７、１５８と、を有している。 The pressing portion 155 includes, for example, a detachable member 156 that is detachably attached to the wall portion 153, and spacers 157 and 158 that are interposed between the detachable member 156 and the base substrate 20.
着脱部材１５６は、例えば、着脱部材１５６を本体部１５１に対して位置決めするための位置決め部１５６ａと、スペーサ１５７、１５８を介して下地基板２０を押さえ付ける板状の押さえ板部１５６ｂと、を有している。位置決め部１５６ａを壁部１５３の側面にあてがった状態で、ビスなどの止着部材１６０を用いて、押さえ板部１５６ｂを壁部１５３の起立方向における端面（頂面）に対して取り付けることにより、着脱部材１５６を本体部１５１に対して位置決めして固定することができるようになっている。壁部１５３には、その頂面側に開口する止着穴１５３ａが形成されている。押さえ板部１５６ｂを通して止着部材１６０を止着穴１５３ａに止着することによって、押さえ板部１５６ｂ、ひいては着脱部材１５６の全体が、壁部１５３に対して（つまり本体部１５１に対して）固定される。 The detachable member 156 includes, for example, a positioning portion 156a for positioning the detachable member 156 with respect to the main body portion 151, and a plate-shaped pressing plate portion 156b that presses the base substrate 20 via the spacers 157 and 158. doing. With the positioning portion 156a applied to the side surface of the wall portion 153, using a fastening member 160 such as a screw, the pressing plate portion 156b is attached to the end surface (top surface) in the standing direction of the wall portion 153, The detachable member 156 can be positioned and fixed with respect to the main body 151. The wall portion 153 is formed with a fastening hole 153a that opens to the top surface side. By fixing the fixing member 160 to the fixing hole 153a through the pressing plate portion 156b, the pressing plate portion 156b and thus the entire detachable member 156 are fixed to the wall portion 153 (that is, to the main body portion 151). Is done.
押さえ板部１５６ｂは、環状に形成されている。着脱部材１５６が壁部１５３に取り付けられた状態で、押さえ板部１５６ｂの内周縁は、壁部１５３よりも内側に庇（ひさし）状に張り出すようになっている。 The pressing plate portion 156b is formed in an annular shape. In a state where the detachable member 156 is attached to the wall portion 153, the inner peripheral edge of the pressing plate portion 156 b protrudes in an eaves shape inward from the wall portion 153.
スペーサ１５７、１５８は、例えば、それぞれ環状の板状部材であり、その外径は下地基板２０の外径と同等の寸法に設定されている。スペーサ１５７、１５８は、下地基板２０の凸反り量を調節するためのものであり、スペーサ１５７、１５８の数は、下地基板２０の必要な凸反り量に応じて適宜選択するものとする。 The spacers 157 and 158 are, for example, annular plate-like members, and the outer diameter thereof is set to the same size as the outer diameter of the base substrate 20. The spacers 157 and 158 are for adjusting the amount of convex warp of the base substrate 20, and the number of the spacers 157 and 158 is appropriately selected according to the required amount of convex warp of the base substrate 20.
なお、スペーサ１５７、１５８、押さえ板部１５６ｂ、支持面１５１ａ等の形状は、下地基板２０の平面形状に合わせて適宜変更すればよい。一例として、下地基板２０の平面形状が円形の場合、スペーサ１５７、１５８は円環状とし、押さえ板部１５６ｂの少なくとも内周形状は円形とし、支持面１５１ａは円形とすることが好ましい。 The shapes of the spacers 157 and 158, the pressing plate portion 156b, the support surface 151a, and the like may be appropriately changed according to the planar shape of the base substrate 20. As an example, when the planar shape of the base substrate 20 is circular, it is preferable that the spacers 157 and 158 are annular, at least the inner peripheral shape of the pressing plate portion 156b is circular, and the support surface 151a is circular.
次に、基板ホルダ１５０によって下地基板２０を保持させる手順の例を説明する。 Next, an example of a procedure for holding the base substrate 20 by the substrate holder 150 will be described.
先ず、押さえ部１５５（着脱部材１５６およびスペーサ１５７、１５８）を本体部１５１から取り外した状態で、下地基板２０を、支持面１５１ａと対向する姿勢で、壁部１５３によって囲まれた領域に配置する。このとき、下地基板２０の成長面２１が、支持面１５１ａとは反対側を向くように、下地基板２０を配置する。 First, the base substrate 20 is disposed in a region surrounded by the wall portion 153 in a posture facing the support surface 151a in a state where the pressing portion 155 (the detachable member 156 and the spacers 157 and 158) is removed from the main body portion 151. . At this time, the base substrate 20 is disposed so that the growth surface 21 of the base substrate 20 faces away from the support surface 151a.
次に、所要数のスペーサ１５７、１５８を、壁部１５３によって囲まれた領域に挿入し、スペーサ１５７、１５８を下地基板２０の周縁部と対向させた状態とする。なお、スペーサ１５７、１５８は、互いに重なり合った状態とする。 Next, a required number of spacers 157 and 158 are inserted into a region surrounded by the wall portion 153 so that the spacers 157 and 158 face the peripheral edge portion of the base substrate 20. Note that the spacers 157 and 158 overlap each other.
次に、着脱部材１５６を壁部１５３に対して位置決めし、押さえ板部１５６ｂを壁部１５３に対して取り付ける。このとき、押さえ板部１５６ｂの庇状の内周縁が、スペーサ１５７、１５８を介して、下地基板２０の成長面２１の周縁部を支持面１５１ａ側に押さえ付ける。これにより、下地基板２０は、本体部１５１とスペーサ１５８との間に挟み込まれた状態で、基板ホルダ１５０によって保持される。このとき、下地基板２０の中央部は、突起部１５２によって、支持面１５１ａから遠ざかる方向に押圧される。このため、下地基板２０は、成長面２１側が凸になるように反り返った状態となる（図２（ａ））。 Next, the detachable member 156 is positioned with respect to the wall portion 153, and the pressing plate portion 156 b is attached to the wall portion 153. At this time, the bowl-shaped inner peripheral edge of the pressing plate portion 156b presses the peripheral edge portion of the growth surface 21 of the base substrate 20 to the support surface 151a side via the spacers 157 and 158. Thereby, the base substrate 20 is held by the substrate holder 150 in a state of being sandwiched between the main body 151 and the spacer 158. At this time, the central portion of the base substrate 20 is pressed in a direction away from the support surface 151 a by the protrusion 152. For this reason, the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 side is convex (FIG. 2A).
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることが可能な成長面２１を有する下地基板２０を準備する工程と、下地基板２０を基板ホルダ１５０に固定する工程と、固定された下地基板２０の成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させる工程と、を含む。基板ホルダ１５０に固定する工程において、下地基板２０を、成長面２１側が凸になるように反らせた状態で固定する。
以下、詳細に説明する。
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment, a step of preparing a base substrate 20 having a growth surface 21 capable of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30 and fixing the base substrate 20 to the substrate holder 150 are provided. And a step of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30 on the growth surface 21 of the fixed base substrate 20. In the step of fixing to the substrate holder 150, the base substrate 20 is fixed in a state of being warped so that the growth surface 21 side is convex.
Details will be described below.
先ず、下地基板２０（図１（ｂ））を準備する。下地基板２０は、例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体（III族窒化物半導体）からなる。 First, the base substrate 20 (FIG. 1B) is prepared. The base substrate 20 is made of, for example, a nitride semiconductor (group III nitride semiconductor) such as GaN.
このような下地基板２０は、例えば、以下に説明する工程によって作製することができる。 Such a base substrate 20 can be manufactured by the process demonstrated below, for example.
先ず、初期下地基板１０（図１（ａ）参照）を準備する。初期下地基板１０は、下地基板２０とは異なる材料から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である。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。 First, an initial base substrate 10 (see FIG. 1A) is prepared. The initial base substrate 10 is preferably a heterogeneous substrate made of a material different from that of the base substrate 20, and is selected from, for example, a sapphire substrate, a spinel substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, and a GaP substrate. It is a substrate. Among these, a sapphire substrate is preferable from the viewpoint of crystal quality and cost of commercially available products.
次に、初期下地基板１０上に、下地基板２０となる窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させる（図１（ａ））。窒化物半導体層２５の成長方法は、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）とＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）の何れでも良い。 Next, the nitride semiconductor layer 25 to be the base substrate 20 is epitaxially grown on the initial base substrate 10 (FIG. 1A). The method for growing the nitride semiconductor layer 25 may be either the HVPE method (hydride vapor phase growth method) or the MOVPE method (metal organic vapor phase growth method).
次に、初期下地基板１０と窒化物半導体層２５とからなる積層体から、初期下地基板１０を除去することにより、窒化物半導体層２５からなる下地基板２０を得ることができる。初期下地基板１０を除去する工程は、初期下地基板１０を研磨除去する工程であっても良いし、初期下地基板１０から窒化物半導体層２５（下地基板２０）を剥離する工程でも良い。 Next, by removing the initial base substrate 10 from the stacked body including the initial base substrate 10 and the nitride semiconductor layer 25, the base substrate 20 including the nitride semiconductor layer 25 can be obtained. The step of removing the initial base substrate 10 may be a step of polishing and removing the initial base substrate 10 or a step of peeling the nitride semiconductor layer 25 (base substrate 20) from the initial base substrate 10.
こうして、窒化物半導体からなる下地基板２０が得られる。このようにして得られた下地基板２０は、無拘束状態（基板ホルダ１５０による拘束を受けていない状態）、すなわち自然状態において、図１（ｂ）に示すように、成長面２１側が凹となるように反っている。成長面２１は、下地基板２０となる窒化物半導体層２５が初期下地基板１０上に形成されている状態において、初期下地基板１０側とは反対側の面（図１（ａ）における上面）である。
ここで、無拘束状態（自然状態）での下地基板２０の曲率半径は、特に制限がないが、例えば０．５ｍ〜５０ｍ程度であり、より具体的には、例えば２．５ｍ以上である。ここでいう曲率半径は、例えば、下地基板２０の一方の面（例えば成長面２１）の曲率半径である。
Thus, the base substrate 20 made of a nitride semiconductor is obtained. The base substrate 20 obtained in this way is concave on the growth surface 21 side as shown in FIG. 1B in an unrestrained state (a state where the substrate substrate 150 is not restrained), that is, in a natural state. Is warping. The growth surface 21 is a surface opposite to the initial base substrate 10 side (upper surface in FIG. 1A) in a state where the nitride semiconductor layer 25 to be the base substrate 20 is formed on the initial base substrate 10. is there.
Here, the radius of curvature of the base substrate 20 in the unconstrained state (natural state) is not particularly limited, but is, for example, about 0.5 m to 50 m, and more specifically, for example, 2.5 m or more. The radius of curvature here is, for example, the radius of curvature of one surface of the base substrate 20 (for example, the growth surface 21).
以下では、ＨＶＰＥ法により下地基板２０上に窒化物半導体層３０を形成する例を説明する。
このためには、先ず、下地基板２０を反応管１２１内の基板ホルダ１５０にセットする。
これにより、下地基板２０は、その成長面２１が凸となるように反った状態で、基板ホルダ１５０によって保持（拘束）される。下地基板２０を基板ホルダ１５０によって保持させる手順は、上述したとおりである。なお、下地基板２０が例えばＧａＮからなる場合、その厚さが４００μｍ以下程度であれば、無拘束状態で凹反りしている下地基板２０を、容易に凸反りの状態にすることができる（図２（ａ））。
Below, the example which forms the nitride semiconductor layer 30 on the base substrate 20 by HVPE method is demonstrated.
For this purpose, first, the base substrate 20 is set on the substrate holder 150 in the reaction tube 121.
Thereby, the base substrate 20 is held (restrained) by the substrate holder 150 in a state where the growth surface 21 is warped so as to be convex. The procedure for holding the base substrate 20 by the substrate holder 150 is as described above. When the base substrate 20 is made of, for example, GaN, if the thickness is about 400 μm or less, the base substrate 20 that is warped in an unconstrained state can be easily put into a convex warp state (see FIG. 2 (a)).
ここで、基板ホルダ１５０により保持された状態での下地基板２０の曲率半径は、この反りが解消されるような曲率半径となるように、無拘束状態（自然状態）での下地基板２０の曲率半径に応じた値に設定する。すなわち、曲率半径がより大きくなるように、下地基板２０の反りを基板ホルダ１５０によって矯正する。 Here, the curvature radius of the base substrate 20 in the unconstrained state (natural state) is such that the curvature radius of the base substrate 20 in the state held by the substrate holder 150 is a curvature radius that eliminates this warpage. Set the value according to the radius. That is, the warp of the base substrate 20 is corrected by the substrate holder 150 so that the radius of curvature becomes larger.
下地基板２０を基板ホルダ１５０にセットした後、ガス供給管１２５、１２６よりＮ２ガスをパージガスとして供給して反応管１２１内を十分にパージする。その後、ガス供給管１２５、１２６から導入するガスを、Ｈ２ガス（キャリアガス）に切替えて、ヒータ１２９およびヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。 After setting the base substrate 20 on the substrate holder 150, the inside of the reaction tube 121 is sufficiently purged by supplying N 2 gas as a purge gas from the gas supply tubes 125 and 126. Thereafter, the gas introduced from the gas supply pipes 125 and 126 is switched to H 2 gas (carrier gas), and the temperature of the reaction tube 121 is increased by the heater 129 and the heater 130.
成長領域１２２の温度が所定の温度（例えば５００℃）に到達した時点で、ガス供給管１２５より供給するガスにＮＨ3ガスを追加する。引き続き、Ｇａ原料１２７の温度が所定の温度（例えば８５０℃）、成長領域１２２の温度が所定の温度（例えば１０４０℃）になるまで昇温を続ける。それぞれの温度が安定してから、ガス供給管１２６より供給するガスにＨＣｌガスを追加し、このガスをＧａ原料１２７と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し、成長領域１２２に輸送する。 When the temperature of the growth region 122 reaches a predetermined temperature (for example, 500 ° C.), NH 3 gas is added to the gas supplied from the gas supply pipe 125. Subsequently, the temperature rise is continued until the temperature of the Ga material 127 reaches a predetermined temperature (for example, 850 ° C.) and the temperature of the growth region 122 reaches a predetermined temperature (for example, 1040 ° C.). After each temperature is stabilized, HCl gas is added to the gas supplied from the gas supply pipe 126, this gas is reacted with the Ga raw material 127, gallium chloride (GaCl) is generated, and transported to the growth region 122.
この際、ガス供給管１２６からＳｉＨ２Ｃｌ２ガス（ドーピングガス）を供給する。成長領域１２２では、ＮＨ３ガスとＧａＣｌとＳｉＨ２Ｃｌ２ガスとが反応して、ＳｉがドープされたＧａＮからなる窒化物半導体層３０（図２（ｂ））が下地基板２０上に成長する。 At this time, SiH 2 Cl 2 gas (doping gas) is supplied from the gas supply pipe 126. In the growth region 122, NH 3 gas, GaCl, and SiH 2 Cl 2 gas react to grow a nitride semiconductor layer 30 (FIG. 2B) made of Si-doped GaN on the underlying substrate 20. .
窒化物半導体層３０の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からのＳｉＨ２Ｃｌ２ガスの供給と、ガス供給管１２６からのＨＣｌガスの供給と、を停止し、ヒータ１２９、１３０の電源を遮断して、反応管１２１を降温する。 When the thickness of the nitride semiconductor layer 30 reaches a predetermined thickness, the supply of SiH 2 Cl 2 gas from the gas supply pipe 126 and the supply of HCl gas from the gas supply pipe 126 are stopped, The power supply of the heaters 129 and 130 is shut off, and the temperature of the reaction tube 121 is lowered.
そして、成長領域１２２の温度が５００℃前後に低下するまで、ガス供給管１２４からＮＨ３ガスの供給を続け、２００℃前後まで低下後、ガス供給管１２４から供給するガスをＮＨ３ガスからＮ２ガスなどのパージガスに切替える。 Then, the NH 3 gas is continuously supplied from the gas supply pipe 124 until the temperature of the growth region 122 is reduced to around 500 ° C., and after the temperature is lowered to around 200 ° C., the gas supplied from the gas supply pipe 124 is changed from NH 3 gas to N Switch to purge gas such as 2 gas.
こうして、ハイドライド気相成長法によって、下地基板２０と、下地基板２０上に形成された窒化物半導体層３０と、を含む窒化物半導体基板５０を得ることができる。すなわち、下地基板２０をその成長面２１側が凸となるように反らせた状態で、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることによって、窒化物半導体基板５０が得られる（図２（ｂ））。より具体的には、押さえ部１５５によって下地基板２０の周縁部を支持面１５１ａ側に押さえ付けることによって、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態を維持しながら、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体基板５０を得ることができる。なお、窒化物半導体基板５０からの下地基板２０の分離は行わない。 Thus, the nitride semiconductor substrate 50 including the base substrate 20 and the nitride semiconductor layer 30 formed on the base substrate 20 can be obtained by hydride vapor phase epitaxy. That is, the nitride semiconductor substrate 50 is obtained by epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30 while the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 is convex (FIG. 2B). More specifically, the pressing portion 155 presses the peripheral portion of the base substrate 20 toward the support surface 151a, thereby maintaining the state in which the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 side is convex, while maintaining the nitride. The nitride semiconductor substrate 50 can be obtained by epitaxially growing the semiconductor layer 30. Note that the base substrate 20 is not separated from the nitride semiconductor substrate 50.
なお、ハイドライド気相成長中、下地基板２０はその板面方向において回転する。また、ハイドライド気相成長の初期段階においては、必要に応じてマスク成長を行っても良い。 During the hydride vapor phase growth, the base substrate 20 rotates in the plate surface direction. Further, in the initial stage of hydride vapor phase growth, mask growth may be performed as necessary.
図４は本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法により製造された窒化物半導体基板５０の模式的な断面図である。窒化物半導体基板５０は、下地基板２０と、下地基板２０の成長面２１上に形成された窒化物半導体層３０と、を有している。図４の窒化物半導体基板５０は、窒化物半導体層３０の成膜後、窒化物半導体基板５０を基板ホルダ１５０から外して無拘束状態（自然状態）とした状態を示している。
本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法により製造された窒化物半導体基板５０の窒化物半導体層３０は、下地基板２０を凸反りにさせずに成長面２１上に窒化物半導体層を形成した場合と比べて、凹反りが抑制されたものとなっている。すなわち、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法により製造された窒化物半導体基板５０の窒化物半導体層３０の曲率半径は、下地基板２０を凸反りにさせずに成長面２１上に窒化物半導体層を形成した場合の曲率半径と比べて、大きい。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor substrate 50 manufactured by the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment. The nitride semiconductor substrate 50 includes a base substrate 20 and a nitride semiconductor layer 30 formed on the growth surface 21 of the base substrate 20. The nitride semiconductor substrate 50 in FIG. 4 shows a state in which the nitride semiconductor substrate 50 is removed from the substrate holder 150 and is in an unrestrained state (natural state) after the nitride semiconductor layer 30 is formed.
The nitride semiconductor layer 30 of the nitride semiconductor substrate 50 manufactured by the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to this embodiment forms a nitride semiconductor layer on the growth surface 21 without causing the base substrate 20 to be warped. Compared to the case, the concave warpage is suppressed. That is, the radius of curvature of the nitride semiconductor layer 30 of the nitride semiconductor substrate 50 manufactured by the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment is nitrided on the growth surface 21 without causing the base substrate 20 to be warped. It is larger than the radius of curvature when the physical semiconductor layer is formed.
ここで、上述した工程のうち、初期下地基板１０から窒化物半導体層２５（下地基板２０）を剥離する工程の一例について、詳細に説明する。 Here, an example of the step of peeling the nitride semiconductor layer 25 (base substrate 20) from the initial base substrate 10 among the steps described above will be described in detail.
先ず、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初期下地基板１０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（図示略）を形成する。炭化物層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成された炭化アルミニウム層、または、スパッタリング法により形成された炭化チタン層とすることができる。 First, aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, and carbonized carbon are formed on an initial base substrate 10 selected from a sapphire substrate, spinel substrate, SiC substrate, ZnO substrate, silicon substrate, GaAs substrate, GaP substrate, and the like. Any carbonized layer (not shown) selected from tantalum is formed. The carbide layer can be, for example, an aluminum carbide layer formed by MOCVD or a titanium carbide layer formed by sputtering.
次に、窒化ガス中で加熱することにより、炭化物層を窒化する工程を行う。この工程では、例えば、炭化物層の表層の少なくとも一部分を窒化する。窒化ガスとしては、例えばアンモニアを用いることができる。 Next, a step of nitriding the carbide layer is performed by heating in a nitriding gas. In this step, for example, at least a part of the surface layer of the carbide layer is nitrided. As the nitriding gas, for example, ammonia can be used.
次に、窒化された炭化物層上に、窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させる。窒化物半導体層２５の厚さは、取り扱い性の観点から、５０μｍ以上であることが好ましい。 Next, the nitride semiconductor layer 25 is epitaxially grown on the nitrided carbide layer. The thickness of the nitride semiconductor layer 25 is preferably 50 μm or more from the viewpoint of handleability.
次に、初期下地基板１０、炭化物層および窒化物半導体層２５（III族窒化物半導体層）により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、初期下地基板１０から窒化物半導体層２５を剥離する。例えば、III族窒化物半導体層がＧａＮ層の場合、III族元素の液体はＧａの液体（融液）である。この熱処理の温度は、例えば１２００℃程度とすることができる。この熱処理を行うことにより、力学的に外力を加えることなく、窒化物半導体層２５を初期下地基板１０から剥離することができる。得られた窒化物半導体層２５を含む基板をリン酸と硫酸の混合液で洗浄する。これにより、窒化物半導体層２５を含む下地基板２０を得ることができる。ただし、下地基板２０は、上述した以外の方法により準備しても良い。 Next, the initial base substrate 10, the carbide layer, and the laminate composed of the nitride semiconductor layer 25 (group III nitride semiconductor layer) are heat-treated in a state of being immersed in a liquid of a group III element. The nitride semiconductor layer 25 is peeled off. For example, when the group III nitride semiconductor layer is a GaN layer, the group III element liquid is a Ga liquid (melt). The temperature of this heat treatment can be about 1200 ° C., for example. By performing this heat treatment, the nitride semiconductor layer 25 can be peeled off from the initial base substrate 10 without applying external force dynamically. The obtained substrate including the nitride semiconductor layer 25 is washed with a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid. Thereby, the base substrate 20 including the nitride semiconductor layer 25 can be obtained. However, the base substrate 20 may be prepared by a method other than that described above.
図５は、このように異種基板である初期下地基板１０から剥離することにより得られた下地基板２０の断面を示す図であり、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により撮像された実際の画像を示す。このようにして得られた下地基板２０の成長面２１には、図５に示すように、多数の錐状（三角錐状など）の微小突起が形成されている。つまり、上記の熱処理により、下地基板２０の表面が荒れた状態となる。なお、微小突起の突出方向（成長面２１に対する法線方向：図５の上下方向）における寸法は、例えば１μｍ以上５０μｍ以下である。 FIG. 5 is a diagram showing a cross-section of the base substrate 20 obtained by peeling off from the initial base substrate 10 which is a different type of substrate, and shows an actual image taken by a scanning electron microscope (SEM). On the growth surface 21 of the base substrate 20 obtained in this way, as shown in FIG. 5, a large number of cone-shaped projections (such as triangular pyramids) are formed. That is, the surface of the base substrate 20 becomes rough due to the heat treatment. In addition, the dimension in the protrusion direction (normal direction with respect to the growth surface 21: the vertical direction in FIG. 5) of the fine protrusion is, for example, 1 μm or more and 50 μm or less.
また、このようにして得られた下地基板２０は、通常、図１（ｂ）に示すように、一方の面（剥離前の状態で、初期下地基板１０側とは反対側を向いていた面）が凹となるように反っている。また、このように凹状に反った下地基板２０は、単に形状が凹状であるだけでなく、物性的にｃ軸が内向きとなっている。 In addition, the base substrate 20 obtained in this way is usually provided with one surface (the surface facing away from the initial base substrate 10 in the state before peeling, as shown in FIG. 1B). ) Is warped to be concave. Further, the base substrate 20 warped in a concave shape is not only concave in shape but also has a c-axis inward in terms of physical properties.
以上の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法によれば、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることが可能な成長面２１を有する下地基板２０を準備する工程と、下地基板２０を基板ホルダ１５０に固定する工程と、固定された下地基板２０の成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させる工程と、を含む。そして、基板ホルダ１５０に固定する工程において、下地基板２０を、成長面２１側が凸になるように反らせた状態で固定する。これにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the above embodiment, the step of preparing the base substrate 20 having the growth surface 21 on which the nitride semiconductor layer 30 can be epitaxially grown, and the base substrate 20 with the substrate holder 150 are prepared. And a step of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30 on the growth surface 21 of the fixed base substrate 20. Then, in the step of fixing to the substrate holder 150, the base substrate 20 is fixed in a state of being warped so that the growth surface 21 side is convex. Thereby, the concave warpage of the nitride semiconductor layer 30 can be suppressed.
ここで、下地基板２０は、同一条件で作製しても、その反りの程度は不可避的にばらついてしまうことがある。このことに起因して、下地基板２０上に形成された窒化物半導体層の反りもばらつくことになる。このような問題に対し、本実施形態では、無拘束状態（自然状態）での下地基板２０の反りの量に応じて、この反りが解消されるように基板ホルダ１５０による下地基板２０の反りの矯正の程度を調節する。すなわちスペーサ１５７、１５８の数の調節等を行う。これにより、下地基板２０の反りの程度にかかわらず、窒化物半導体層３０の反りを許容範囲内に抑制することが可能である。ここで、下地基板２０の反りの矯正の程度の調節は、無拘束状態（自然状態）での下地基板２０の形状的な反りの量に応じて行っても良いし、無拘束状態（自然状態）での下地基板２０のｃ軸の角度差α（後述）に応じて行っても良い。 Here, even if the base substrate 20 is manufactured under the same conditions, the degree of warping may inevitably vary. As a result, the warpage of the nitride semiconductor layer formed on the base substrate 20 also varies. In order to deal with such a problem, in the present embodiment, the warp of the base substrate 20 by the substrate holder 150 is eliminated so that the warp is eliminated according to the amount of warp of the base substrate 20 in an unconstrained state (natural state). Adjust the degree of correction. That is, the number of spacers 157 and 158 is adjusted. Thereby, the warpage of nitride semiconductor layer 30 can be suppressed within an allowable range regardless of the degree of warpage of underlying substrate 20. Here, the adjustment of the degree of correction of the warping of the base substrate 20 may be performed according to the amount of the shape warp of the base substrate 20 in the unconstrained state (natural state), or the unconstrained state (natural state). ) May be performed according to the angle difference α (described later) of the c-axis of the base substrate 20.
下地基板２０として、無拘束状態で成長面２１側が凹となるように反っているものを用いた場合にも、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 Even when the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 side is concave in an unconstrained state, the base substrate 20 is warped so that the growth surface 21 side is convex in the substrate holder 150. By fixing and epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30 on the growth surface 21, the concave warpage of the nitride semiconductor layer 30 can be suppressed.
下地基板２０として、窒化物半導体からなるものを用いた場合にも、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 Even when a substrate made of a nitride semiconductor is used as the base substrate 20, the base substrate 20 is fixed to the substrate holder 150 while being warped so that the growth surface 21 is convex, and the nitride is formed on the growth surface 21. By epitaxially growing the semiconductor layer 30, the concave warpage of the nitride semiconductor layer 30 can be suppressed.
また、下地基板２０を準備する工程が、初期下地基板１０上に下地基板２０となる窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させる工程と、下地基板２０を初期下地基板１０から剥離する工程と、を含む場合にも、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 Further, the step of preparing the base substrate 20 includes a step of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 25 to be the base substrate 20 on the initial base substrate 10 and a step of peeling the base substrate 20 from the initial base substrate 10. In addition, the base substrate 20 is fixed to the substrate holder 150 in a state in which the growth surface 21 is warped so that the growth surface 21 is convex, and the nitride semiconductor layer 30 is epitaxially grown on the growth surface 21. A concave warp can be suppressed.
また、下地基板２０の成長面２１には、多数の錐状の微小突起が形成されている場合にも、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 Further, even when a large number of conical microprojections are formed on the growth surface 21 of the base substrate 20, the base substrate 20 is fixed to the substrate holder 150 in a state of being bent so that the growth surface 21 side is convex. Then, by causing the nitride semiconductor layer 30 to grow epitaxially on the growth surface 21, the concave warpage of the nitride semiconductor layer 30 can be suppressed.
また、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置は、窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることが可能な成長面２１を有する下地基板２０を保持する基板ホルダ１５０を有し、基板ホルダ１５０に保持された下地基板２０の成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造装置であって、基板ホルダ１５０は、成長面２１側が凸になるように反らせた状態で下地基板２０を保持することが可能なように構成されている。よって、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０の凹状の反りを抑制することができる。 In addition, the nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus according to the present embodiment includes a substrate holder 150 that holds a base substrate 20 having a growth surface 21 capable of epitaxially growing the nitride semiconductor layer 30. A nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus for epitaxially growing a nitride semiconductor layer 30 on a growth surface 21 of a held base substrate 20, wherein the substrate holder 150 is warped so that the growth surface 21 side is convex. The substrate 20 can be held. Accordingly, the nitride semiconductor layer 30 is epitaxially grown on the growth surface 21 by fixing the base substrate 20 to the substrate holder 150 with the growth surface 21 being warped so that the growth surface 21 is convex. Can be suppressed.
また、基板ホルダ１５０は、下地基板２０の成長面２１に対する裏面側を支持する支持面１５１ａと、支持面１５１ａにおいて下地基板２０の中央部と対向する部位に形成された突起部１５２と、下地基板２０の成長面２１の周縁部を支持面１５１ａ側に押さえ付ける押さえ部１５５と、を有する。そして、押さえ部１５５によって下地基板２０の周縁部が支持面１５１ａ側に押さえ付けられることにより、基板ホルダ１５０によって下地基板２０が保持されるとともに、突起部１５２が下地基板２０の中央部を支持面１５１ａから遠ざかる方向に押圧する。よって、容易且つ確実に、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定することができ、高温での処理中においてもその固定状態を確実に維持することができる。また、基板ホルダ１５０への下地基板２０の固定には接着剤等を用いる必要がないため、窒化物半導体層３０の成長の際などにおいて、接着剤の成分が拡散することによる窒化物半導体層３０の汚染が発生することがない。加えて、窒化物半導体層３０の成長後は、基板ホルダ１５０の本体部１５１から着脱部材１５６を取り外すことによって、容易に基板ホルダ１５０から窒化物半導体基板５０を取り外すことができる。 In addition, the substrate holder 150 includes a support surface 151a that supports the back surface side of the growth surface 21 of the base substrate 20, a protrusion 152 that is formed on a portion of the support surface 151a that faces the central portion of the base substrate 20, and a base substrate. A pressing portion 155 that presses the peripheral edge portion of the 20 growth surfaces 21 against the support surface 151a. Then, the peripheral portion of the base substrate 20 is pressed against the support surface 151 a side by the pressing portion 155, whereby the base substrate 20 is held by the substrate holder 150, and the protrusion 152 supports the central portion of the base substrate 20. Press in a direction away from 151a. Therefore, the base substrate 20 can be easily and reliably fixed to the substrate holder 150 with the growth surface 21 side convex so as to be convex, and the fixed state can be reliably maintained even during high-temperature processing. Can do. Further, since it is not necessary to use an adhesive or the like for fixing the base substrate 20 to the substrate holder 150, the nitride semiconductor layer 30 is formed by the diffusion of the adhesive component during the growth of the nitride semiconductor layer 30. Contamination will not occur. In addition, after the growth of the nitride semiconductor layer 30, the nitride semiconductor substrate 50 can be easily detached from the substrate holder 150 by removing the detachable member 156 from the main body 151 of the substrate holder 150.
なお、上記の実施形態では、窒化物半導体層３０をＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させる例を説明したが、窒化物半導体層３０は、ＭＯＶＰＥ法、Ｎａフラックス法、アモノサーマル法等の、ＨＶＰＥ法以外の結晶成長法によりエピタキシャル成長させても良い。 In the above embodiment, an example in which the nitride semiconductor layer 30 is epitaxially grown by the HVPE method has been described. However, the nitride semiconductor layer 30 may be formed by a method other than the HVPE method such as the MOVPE method, the Na flux method, or the ammonothermal method. Epitaxial growth may be performed by a crystal growth method.
また、下地基板２０を構成する窒化物半導体の例としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）および窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）が挙げられる。
また、下地基板２０は、窒化物半導体からなるものに限らず、上述の異種基板（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）の表面に窒化物半導体層を堆積させることにより構成されたものであっても良い。
つまり、下地基板２０は、例えば、少なくとも表層が窒化物半導体からなるものとすることができる。
Examples of the nitride semiconductor constituting the base substrate 20 include gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium nitride (InN), and aluminum gallium indium nitride (AlGaInN). ).
In addition, the base substrate 20 is not limited to the one made of a nitride semiconductor, but the above-mentioned different substrate (a substrate selected from a sapphire substrate, a spinel substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, etc.). It may be configured by depositing a nitride semiconductor layer on the surface.
That is, the base substrate 20 can be made of, for example, a nitride semiconductor at least in the surface layer.
また、下地基板２０の成長面２１は、窒化物半導体層３０の成長前に、予め、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって平坦化されていてもよい。 Further, the growth surface 21 of the base substrate 20 may be planarized by chemical mechanical polishing (CMP) in advance before the growth of the nitride semiconductor layer 30.
また、下地基板２０は、上記の初期下地基板１０と同様の異種基板（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）であっても良い。この場合も、下地基板２０を上記のように凸反りの状態にして、該下地基板２０上に窒化物半導体層３０を成長させることによって、該窒化物半導体層３０の凹反りを抑制することができる。 The base substrate 20 may be a different substrate (a substrate selected from a sapphire substrate, a spinel substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, etc.) similar to the initial base substrate 10 described above. good. Also in this case, the base substrate 20 is in a convex warp state as described above, and the nitride semiconductor layer 30 is grown on the base substrate 20, thereby suppressing the concave warp of the nitride semiconductor layer 30. it can.
また、下地基板２０の少なくとも表層が窒化物半導体からなる場合、その窒化物半導体の導電型は特に限定されず、ｐ型であってもよいし、ｎ型であってもよい。また、下地基板２０の少なくとも表層を構成する窒化物半導体は、真性半導体であってもよい。 When at least the surface layer of the base substrate 20 is made of a nitride semiconductor, the conductivity type of the nitride semiconductor is not particularly limited, and may be p-type or n-type. The nitride semiconductor constituting at least the surface layer of the base substrate 20 may be an intrinsic semiconductor.
また、窒化物半導体層３０の導電型についても、特に限定されず、ｐ型であってもよいし、ｎ型であってもよい。また、窒化物半導体層３０は、真性半導体であってもよい。 The conductivity type of nitride semiconductor layer 30 is not particularly limited, and may be p-type or n-type. The nitride semiconductor layer 30 may be an intrinsic semiconductor.
（実施例）
下地基板２０としては、直径が２インチのＧａＮの単結晶からなるものを用いた。下地基板２０は、上述のように、初期下地基板１０上に炭化物層を形成し、この炭化物層を窒化した後で、炭化物層上に窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させ、III族元素の液体に浸漬させた状態で窒化物半導体層２５を初期下地基板１０から剥離することによって作製した。なお、下地基板２０は、窒化物半導体層３０を形成する前に、２００℃のリン酸および硫酸の混酸に１時間含浸させた。これにより、下地基板２０の表面の凹凸を平坦化した。そして、下地基板２０をその成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、以下の成長条件で下地基板２０上に窒化物半導体層３０としてＧａＮの単結晶膜を成長させることにより、窒化物半導体基板５０を複数作製した。
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０００℃以上１２００℃以下
成膜時間：１８０分以上６００分以下
窒化物半導体層３０の膜厚：１．５mm以上
(Example)
As the base substrate 20, a substrate made of GaN single crystal having a diameter of 2 inches was used. As described above, base substrate 20 forms a carbide layer on initial base substrate 10, nitrides the carbide layer, and then epitaxially grows nitride semiconductor layer 25 on the carbide layer to form a Group III element liquid. The nitride semiconductor layer 25 was fabricated by peeling from the initial base substrate 10 in the immersed state. The base substrate 20 was impregnated with a mixed acid of phosphoric acid and sulfuric acid at 200 ° C. for 1 hour before the nitride semiconductor layer 30 was formed. Thereby, the unevenness | corrugation of the surface of the base substrate 20 was planarized. Then, the base substrate 20 is fixed to the substrate holder 150 in a state in which the growth surface 21 is warped so that the growth surface 21 side is convex, and a GaN single crystal film is formed as the nitride semiconductor layer 30 on the base substrate 20 under the following growth conditions. A plurality of nitride semiconductor substrates 50 were produced by growth.
Film formation method: HVPE Film formation temperature: 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less Film formation time: 180 minutes or more and 600 minutes or less Film thickness of nitride semiconductor layer 30: 1.5 mm or more
（比較例）
比較例では、基板ホルダへの下地基板２０の固定の仕方のみが実施例と異なる条件で、窒化物半導体基板を複数作製した。本比較例で用いた基板ホルダは、下地基板２０を無拘束状態、すなわち下地基板２０の反りの状態が自然状態と同等の状態で、下地基板２０を保持することが可能な構造のものである。すなわち、比較例では、図７（ａ）に示すように無拘束状態で成長面２１側が凹となるように反った下地基板２０を、無拘束状態で基板ホルダに固定して、図７（ｂ）に示すように成長面２１上に窒化物半導体層３０を成長させることにより、窒化物半導体基板を作製した。
(Comparative example)
In the comparative example, a plurality of nitride semiconductor substrates were produced under the conditions different from the example only in the manner of fixing the base substrate 20 to the substrate holder. The substrate holder used in this comparative example has a structure capable of holding the base substrate 20 in an unconstrained state, that is, in a state in which the warpage of the base substrate 20 is equivalent to a natural state. . That is, in the comparative example, as shown in FIG. 7A, the base substrate 20 that is warped so that the growth surface 21 side is concave in an unconstrained state is fixed to the substrate holder in an unconstrained state. The nitride semiconductor substrate 30 was produced by growing the nitride semiconductor layer 30 on the growth surface 21 as shown in FIG.
図６（ａ）〜（ｃ）は実施例および比較例を説明するための図である。 FIGS. 6A to 6C are diagrams for explaining examples and comparative examples.
このうち図６（ａ）は、窒化物半導体層の成長前と成長後におけるｃ軸の角度の変化（より具体的には、後述するｃ軸の角度差αの変化）を示す。図６（ａ）に示す「拘束アリ」は実施例のデータを示し、「拘束ナシ」は比較例のデータを示す。 Among these, FIG. 6A shows the change in the angle of the c-axis before and after the growth of the nitride semiconductor layer (more specifically, the change in the angle difference α of the c-axis described later). “Restricted ant” shown in FIG. 6A indicates data of the example, and “Restrained pear” indicates data of the comparative example.
図６（ｂ）および（ｃ）は、実施例及び比較例に用いた下地基板２０の模式図であり、このうち図６（ｂ）は正面断面図、図６（ｃ）は平面図である。なお、図６（ｂ）においては、下地基板２０の反りを図示していないが、実際には以下に説明するように反りが存在していた。 6B and 6C are schematic views of the base substrate 20 used in the examples and comparative examples, in which FIG. 6B is a front cross-sectional view and FIG. 6C is a plan view. . In FIG. 6B, the warpage of the base substrate 20 is not shown, but actually there is a warp as described below.
ここで、ｃ軸の角度差αの定義を説明する。 Here, the definition of the c-axis angle difference α will be described.
実施例および比較例に用いた下地基板２０の各々について、成長前に予め、図６（ｃ）に示す点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３および点Ｐ４の合計４箇所において、ｃ軸の向きをＸ線回折装置により測定した。
ここで、平面視における下地基板２０の中心を原点（０，０）とすると、点Ｐ１の平面座標は（−２０，０）、点Ｐ２の平面座標は（＋２０，０）、点Ｐ３の平面座標は（０，−２０）、点Ｐ４の平面座標は（０，＋２０）である。点Ｐ１は原点から−Ｘ方向に２０ｍｍシフトした位置、点Ｐ２は原点から＋Ｘ方向に２０ｍｍシフトした位置、点Ｐ３は原点から−Ｙ方向に２０ｍｍシフトした位置、点Ｐ４は原点から＋Ｙ方向に２０ｍｍシフトした位置である。
For each of the base substrates 20 used in the example and the comparative example, the orientation of the c-axis is set to X in advance at a total of four points P1, P2, P3, and P4 shown in FIG. It was measured with a line diffractometer.
Here, when the center of the base substrate 20 in plan view is the origin (0, 0), the plane coordinate of the point P1 is (−20, 0), the plane coordinate of the point P2 is (+20, 0), and the plane of the point P3 The coordinates are (0, −20), and the plane coordinates of the point P4 are (0, +20). Point P1 is a position shifted 20 mm in the −X direction from the origin, point P2 is a position shifted 20 mm in the + X direction from the origin, point P3 is a position shifted 20 mm in the −Y direction from the origin, and point P4 is 20 mm in the + Y direction from the origin. This is the shifted position.
また、ｃ軸の角度差αは、図６（ｂ）に示す点Ａにおけるｃ軸の向き（向きＡ１）と、図６（ｂ）に示す点Ｂにおけるｃ軸の向き（向きＢ１＝向きＢ２）と、の角度差である。
図６（ｂ）に示す点Ａおよび点Ｂは、図６（ｃ）に示す点Ｐ１〜Ｐ４のうち、原点を間に挟んで対称に配置された２つの点である。すなわち、点Ａおよび点Ｂの組み合わせには、点Ｐ１および点Ｐ２からなる第１の組み合わせと、点Ｐ３および点Ｐ４からなる第２の組み合わせと、が存在する。
そして、図６（ａ）に示す成長前のｃ軸の角度差α（単位°）は、第１の組み合わせにおけるｃ軸の角度差αと、第２の組み合わせにおけるｃ軸の角度差αと、の平均値である。
Also, the c-axis angle difference α is determined by the direction of the c-axis at the point A shown in FIG. 6B (direction A1) and the direction of the c-axis at the point B shown in FIG. 6B (direction B1 = direction B2). ) And the angle difference.
Point A and point B shown in FIG. 6B are two points that are symmetrically arranged with the origin in between among the points P1 to P4 shown in FIG. 6C. That is, the combination of the points A and B includes a first combination including the points P1 and P2 and a second combination including the points P3 and P4.
And, the angle difference α (unit °) of the c-axis before growth shown in FIG. 6A is the angle difference α of the c-axis in the first combination, the angle difference α of the c-axis in the second combination, Is the average value.
また、窒化物半導体層３０の成長後においても、上記の点Ｐ１〜Ｐ４の各々と同じ位置について、それぞれｃ軸の向きをＸ線回折装置により測定し、上記２つの組み合わせの点Ａおよび点Ｂでのｃ軸の角度差αの平均値を求めた。その結果を図６（ａ）に示す。 Further, even after the growth of the nitride semiconductor layer 30, the direction of the c-axis is measured by an X-ray diffractometer at the same position as each of the points P1 to P4, and the points A and B of the above two combinations are measured. The average value of the c-axis angle difference α was calculated. The result is shown in FIG.
図６（ａ）に示すように、比較例（拘束ナシ）の場合、窒化物半導体層３０の成長後においては、成長前と比べて、ｃ軸の角度差αが同等となるかまたは大きくなる傾向があることが確認された。
これに対し、実施例（拘束アリ）の場合、窒化物半導体層３０の成長後においては、成長前と比べて、ｃ軸の角度差αが小さくなる傾向があることが確認された。
すなわち、実施例のように、下地基板２０を成長面２１側が凸になるように反らせた状態で基板ホルダ１５０に固定して、成長面２１上に窒化物半導体層３０をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層３０のｃ軸が内向きとなるような窒化物半導体層３０の反りを抑制できることが分かった。
なお、実施例及び比較例の各々において、窒化物半導体層３０の膜厚が多少増減（＋１０００μｍから−５００μｍ程度の範囲で増減）しても、それぞれの傾向は変わらなかった。
As shown in FIG. 6A, in the case of the comparative example (restraint pear), after the growth of the nitride semiconductor layer 30, the c-axis angle difference α is equal to or larger than that before the growth. It was confirmed that there was a tendency.
On the other hand, in the case of the example (restrained ant), it was confirmed that the c-axis angle difference α tends to be smaller after the growth of the nitride semiconductor layer 30 than before the growth.
That is, as in the embodiment, the base substrate 20 is fixed to the substrate holder 150 in a state of being bent so that the growth surface 21 side is convex, and the nitride semiconductor layer 30 is epitaxially grown on the growth surface 21, thereby nitriding. It has been found that the nitride semiconductor layer 30 can be prevented from warping such that the c-axis of the semiconductor layer 30 is inward.
In each of the examples and comparative examples, even when the film thickness of the nitride semiconductor layer 30 was slightly increased or decreased (in the range of about +1000 μm to −500 μm), each tendency was not changed.
１０ 初期下地基板
２０ 下地基板
２１ 成長面
３０ 窒化物半導体層
５０ 窒化物半導体基板
１００ 窒化物半導体基板の製造装置
１２１ 反応管
１２２ 成長領域
１２４ ガス供給管
１２５ ガス供給管
１２６ ガス供給管
１２７ Ｇａ原料
１２８ ソースボート
１２９ ヒータ
１３０ ヒータ
１３２ 回転軸
１３５ ガス排出管
１３６ 仕切板
１３７ 窒素原料ガス供給部
１３７ａ 窒素原料ガス供給部管
１３９ III族原料ガス供給部
１３９ａ III族原料ガス供給管
１５０ 基板ホルダ
１５１ 本体部
１５１ａ 支持面
１５２ 突起部
１５３ 壁部
１５３ａ 止着穴
１５５ 押さえ部
１５６ 着脱部材
１５６ａ 位置決め部
１５６ｂ 押さえ板部
１５７ スペーサ
１５８ スペーサ
１６０ 止着部材
５０１ 初期下地基板
５０２ａ、５０２ｂ 層
５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｄ 基板
５０４ バルク結晶
５０５ 成長面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Initial base substrate 20 Base substrate 21 Growth surface 30 Nitride semiconductor layer 50 Nitride semiconductor substrate 100 Nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus 121 Reaction tube 122 Growth region 124 Gas supply tube 125 Gas supply tube 126 Gas supply tube 127 Ga raw material 128 Source boat 129 Heater 130 Heater 132 Rotating shaft 135 Gas exhaust pipe 136 Partition plate 137 Nitrogen source gas supply unit 137a Nitrogen source gas supply unit tube 139 Group III source gas supply unit 139a Group III source gas supply tube 150 Substrate holder 151 Main body unit 151a Support surface 152 Protruding portion 153 Wall portion 153a Fastening hole 155 Holding portion 156 Detachable member 156a Positioning portion 156b Holding plate portion 157 Spacer 158 Spacer 160 Fastening member 501 Initial base substrate 502a, 502b Layers 503a, 503b, 503c, 503d Plate 504 bulk crystal 505 growth surface
Claims (7)
前記下地基板を基板ホルダに固定する工程と、
固定された前記下地基板の前記成長面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
を含み、
前記基板ホルダに固定する工程において、前記下地基板を、前記成長面側が凸になるように反らせた状態で固定する、窒化物半導体基板の製造方法。 Preparing a base substrate having a growth surface capable of epitaxially growing a nitride semiconductor layer;
Fixing the base substrate to a substrate holder;
Epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the growth surface of the fixed base substrate;
Including
A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein in the step of fixing to the substrate holder, the base substrate is fixed in a state of being warped so that the growth surface side is convex.
初期下地基板上に前記下地基板となる窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記下地基板を前記初期下地基板から剥離する工程と、
を含む請求項３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The step of preparing the base substrate includes
A step of epitaxially growing a nitride semiconductor layer serving as the base substrate on an initial base substrate;
Peeling the base substrate from the initial base substrate;
The manufacturing method of the nitride semiconductor substrate of Claim 3 containing this.
前記基板ホルダは、前記成長面側が凸になるように反らせた状態で前記下地基板を保持することが可能なように構成されている、窒化物半導体基板の製造装置。 Nitriding for epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the growth surface of the base substrate held by the substrate holder, the substrate holder holding a base substrate having a growth surface capable of epitaxially growing the nitride semiconductor layer In an apparatus for manufacturing a semiconductor substrate,
The apparatus for manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the substrate holder is configured so as to be able to hold the base substrate in a state of being warped so that the growth surface side is convex.
前記下地基板の前記成長面に対する裏面側を支持する支持面と、
前記支持面において前記下地基板の中央部と対向する部位に形成された突起部と、
前記下地基板の前記成長面の周縁部を前記支持面側に押さえ付ける押さえ部と、
を有し、
前記押さえ部によって前記下地基板の周縁部が前記支持面側に押さえ付けられることにより、当該基板ホルダによって前記下地基板が保持されるとともに、前記突起部が前記下地基板の中央部を前記支持面から遠ざかる方向に押圧する、請求項６に記載の窒化物半導体基板の製造装置。 The substrate holder is
A support surface that supports a back surface side of the base substrate with respect to the growth surface;
A protrusion formed on a portion of the support surface facing the center of the base substrate;
A pressing portion that presses a peripheral edge of the growth surface of the base substrate against the support surface;
Have
The peripheral portion of the base substrate is pressed against the support surface side by the pressing portion, so that the base substrate is held by the substrate holder, and the projection portion pushes the central portion of the base substrate from the support surface. The nitride semiconductor substrate manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the nitride semiconductor substrate is pressed in a direction away from the nitride semiconductor substrate.
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| JP2013238689A JP2015098411A (en) | 2013-11-19 | 2013-11-19 | Method and apparatus for manufacturing nitride semiconductor substrate |
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| JP2019112274A (en) * | 2017-12-25 | 2019-07-11 | 昭和電工株式会社 | PEDESTAL AND MANUFACTURING APPARATUS OF SiC SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD |
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2013
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