(57)【要約】【課題】３回回転対称性を有する半導体成長用基板において、切断方向を明示し、基板の切断を容易化し、チッピングや割れなどの不具合が無く、半導体装置を効率的に製造することが出来る半導体成長用基板を提供する。【解決手段】３回回転対称である３方向のうち、２または３方向に識別マークを有する半導体成長用基板とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に垂直な軸を回転軸として、３回回転対称または６回回転対称の結晶構造を有する半導体成長用基板において、互いに１２０度の中心角を成す３つの方向のうち、２または３方向に識別マークを有することを特徴とする半導体成長用基板。
【請求項２】
上記主面がＣ面であり、前記３つの方向がＡ軸方向またはＭ軸方向であることを特徴とする請求項１記載の半導体成長用基板。
【請求項３】
前記識別マークは、Ａ軸方向またはＭ軸方向を対称軸とする左右対称形状であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体成長用基板。
【請求項４】
前記識別マークの少なくとも２つが、互いに長さ、大きさまたは形状が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体成長用基板。
【請求項５】
前記識別マークは、レーザーマーク、ノッチまたはオリエンテーションフラットの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体成長用基板。
【請求項６】
前記半導体成長用基板は、ＧａＮ、６Ｈ−ＳｉＣ、サファイア、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯのいずれかの単結晶体からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体成長用基板。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体成長用基板の主面上に、ＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）で表される窒化物系半導体からなり、少なくともn型クラッド層、活性層、及びｐ型クラッド層を含む発光素子構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体成長用基板の主面上に、窒化物系半導体から成る積層構造部が積層され、該積層構造部が少なくとも窒化ガリウムまたは窒化ガリウムインジウムからなる電子走行層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる障壁層を順次積層して成るヘテロ構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体成長用基板の主面上に、窒化物系半導体から成る積層構造部が積層され、バイポーラ型の構造を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系半導体を成長させる為の基板及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされている。
【０００３】
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的にはサファイアなどの異種基板を半導体成長用基板に用いてヘテロエピタキシャル成長させている。
【０００４】
エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ)法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長(ＨＶＰＥ)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。
【０００５】
また、上記の半導体装置は、窒化物系半導体層を積層してなる構造をサファイア基板の全面にエピタキシャル成長させ、所望の装置形状に加工した後、電極を形成し、最後に四角形のチップ形状に切断して個別の素子を作製する。
【０００６】
このチップ形状に切断する際に、基板の面方位によって切断に適した方向性が有ることは従来から知られており、その切断に適した方向を示す為に基板にオリエンテーションフラット（以下オリフラと言う）またはノッチと言われる切り欠きを入れることが一般的であった。また、従来このオリフラまたはノッチは１ヶ所に入れるのが一般的であり、あるいは互いに直交する方向に主オリフラと副オリフラを入れることもあった（非特許文献１）。図９にこの従来技術の例を示すが、サファイア基板１の互いに直交する方向に主オリフラ４および副オリフラ７を持つものである。
【０００７】
また、チップ形状に切断する際に、互いに１２０度をなす２つの方向に沿って切断することによって菱形の半導体チップを得ることも提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２０８５４１
【非特許文献１】ＳＥＭＩ規格Ｍ３−０３０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方半導体成長用の基板として、Ｃ面のサファイア基板などのように３回回転対称の基板を用いることも多く見られる。ここで、一般に２π／ｎ（ｎは正の整数）の角度の回転で全く同じ図形が繰り返される性質を回転対称と言い、ｎを回転対称の次数または回数と言う。サファイアのＣ面の場合、Ｃ軸を回転軸として２π／３の回転毎に同じ結晶構造が繰り返されるので、３回回転対称であると言う。この様な場合に従来例のように、１ヶ所のオリフラあるいは互いに直交する方向の主オリフラと副オリフラを入れる方法では、３回回転対称の方向にある切断方向を正確に示すことが出来ないと言う問題が有った。また、互いに１２０度をなす２つの方向に沿って基板を切断する方法も提案されているが、この場合は基板の面方位および切断する方向が具体的に示されておらず、また切断方向を示す識別マークも持たないものであるので、具体的に半導体装置を製造する際には実用的で無いものであった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題に鑑み、本発明者は半導体成長用基板の切断しやすい方向及びそれに対して３回回転対称の方向に切断方向を示す識別マークを入れることにより切断方向を正確に示すことが出来、切断の品質、歩留まり、生産性を向上させることが出来ることを見出した。
【００１０】
すなわち本発明は主面に垂直な軸を回転軸として、３回回転対称または６回回転対称の結晶構造を有する半導体成長用基板において、互いに１２０度の中心角を成す３つの方向のうち、２または３方向に識別マークを有する半導体成長用基板であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記主面がＣ面であり、前記３つの方向がＡ軸方向またはＭ軸方向であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記識別マークは左右対称であり、対称軸がＡ軸方向またはＭ軸方向を対称軸とする左右対称形状であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記識別マークの少なくとも２つが、互いに長さ、大きさまたは形状が異なることを特徴とする。
【００１４】
また、前記識別マークは、レーザーマーク、ノッチまたはオリエンテーションフラットの少なくとも一つである前記のいずれかに記載の半導体成長用基板であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記半導体成長用基板は、ＧａＮ、６Ｈ−ＳｉＣ、サファイア、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯのいずれかの単結晶体からなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記いずれかの半導体成長用基板の主面上にＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）で表される窒化物系半導体からなり、n型クラッド層、活性層、及び、ｐ型クラッド層を少なくとも含む発光素子構造を有する半導体装置であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記いずれかの半導体成長用基板の主面上に、窒化物系半導体から成る積層構造部が積層され、該積層構造部が少なくとも窒化ガリウムまたは窒化ガリウムインジウムからなる電子走行層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる障壁層を順次積層して成るヘテロ構造を有する半導体装置であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記いずれかの半導体成長用基板の主面上に、窒化物系半導体から成る積層構造部が積層され、バイポーラ型の構造を有する半導体装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明によれば、３回回転対称性または６回回転対称性を有する半導体成長用基板に於いて、互いに１２０度の中心角をなす３方向のうち、２または３方向に識別マークを入れることにより、切断方向を明示することが出来るので基板の切断を容易化し、半導体装置を効率的に製造することが出来る。また、識別マークを入れた方向は基板を容易に切断出来る方向であるので、この方向に切断することにより、従来の様に互いに直交する方向に切断する場合と較べて、チッピングや割れなどの不具合が無い切断面を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、半導体装置用基板としてサファイア基板を、半導体装置としてＧａＮ系ＬＥＤをそれぞれ例として挙げ、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１に示すように、単結晶サファイアは六方晶系であり、その中心軸をなすＣ軸とこれに垂直なＣ面（０００１）、Ｃ軸から三方へ放射状に伸びるＡ軸（ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸）とそれぞれに垂直なＡ面（１１−２０）、図示しないがＡ軸に垂直なＭ軸（ｍ１軸、ｍ２軸、ｍ３軸）とそれぞれに垂直なＭ面（１−１００）、Ｃ軸に対して一定角度を有するＲ面（１−１０２）とこれに垂直なＲ軸が存在し、Ｃ軸を回転軸として３回回転対称な結晶構造を有する。なお、これらの面や軸の方向については、Ｘ線回折により分析することができる。
【００２２】
図２に示すように、本発明に於けるサファイア基板１は主面をＣ面とし、３つのＡ軸は互いに１２０度の中心角をなし３回回転対称性を示す。３つのＡ軸はそれぞれ等価であるがａ１、ａ２、ａ３と表記して区別する場合もある。
【００２３】
図３には同様に主面をＣ面とするサファイア基板１のＭ軸の方位を示す。３つのＭ軸は互いに１２０度の中心角をなし３回回転対称性を示す。３つのＭ軸はそれぞれ等価であるがｍ１、ｍ２、ｍ３と表記して区別する場合もある。また、これらの３つのＭ軸はそれぞれ３つのＡ軸と垂直であり、その関係が図３中に示してある。
【００２４】
この３つのＡ軸方向またはＭ軸方向の内２または３方向に、識別マークとしてオリフラまたはノッチまたはレーザーマークなどを入れる。
【００２５】
図４はこれらの識別マークを説明する図である。図４（ａ）の４はオリフラの例を示すものである。図４（ｂ）の２はノッチの例を示すものである。図４（ｃ）の３はレーザーマーク３の例を示すものである。
【００２６】
この時、識別マークはＡ軸方向またはＭ軸方向を正確に示すことが出来るもので有れば良いが、通常は図４に示すように左右対称なマークを用い、その対称軸がＡ軸方向またはＭ軸方向に一致するようにする。なお、Ａ軸方向またはＭ軸方向を正確に示すことが出来るもので有れば左右非対称の識別マークであっても差し支えはない。また、サファイア基板を両面鏡面仕上げにする場合は、表裏の区別が付きにくいので、識別マークの少なくとも２つの区別がつくようにする必要がある。
【００２７】
その為、例えばオリフラの場合、互いに長さを変え、長い方を主オリフラ、短い方を副オリフラと呼び、区別する。あるいは、オリフラとノッチまたはオリフラとレーザーマークなどの組み合わせを用いても良い。また、このレーザーマークは、裏面に入れても構わない。なお、これらの識別マークは後の切断工程において切断方向を決める際の基準として用いられるので、その方向の精度は後の切断工程の歩留まりに影響する。この為、識別マークはＡ軸方向またはＭ軸方向に対して±２度以内であることが好ましい。さらに、より精密な切断方位の制御が必要な場合は±１度以内あるいは必要に応じて±０．５度以内であることがより好ましい。
【００２８】
図５には本発明による互いに１２０度を成す方向に主オリフラ４および副オリフラ５を持つサファイア基板１を示す。この主オリフラ４と副オリフラ５の長さは目視で判別できる程度に異なる長さにすることが望ましい。ここで、主オリフラ４は後のＬＥＤ素子製造工程等に於けるフォトリソグラフィー工程で、マスク合わせの基準辺として用いられる。また、主オリフラ４と長さが異なる副オリフラ５は、サファイアなどのように透光性の基板を両面鏡面加工した場合に、基板の表と裏の区別を付ける為に用いる。
【００２９】
また、図６は図５に示したサファイア基板１を左右反転させたものであり、図５と同等の効果を持つ基板である。また、図７には本発明による、互いに１２０度を成す方向に主オリフラ４、副オリフラ５および第３番目のオリフラ６を持つサファイア基板１を示す。
【００３０】
この時、図５および図６に示す主オリフラ４に垂直または平行な方向および副オリフラ５に垂直または平行な方向が、基板を切断しやすい方向である。また、同様に図７に示す主オリフラ４に垂直または平行な方向および副オリフラ５に垂直または平行な方向および第３のオリフラ６に垂直または平行な方向が、基板を切断しやすい方向である。
【００３１】
次に、本発明における上記半導体装置用基板としてのサファイア基板１の製造方法と、これを用いたＧａＮ系ＬＥＤの製造方法について説明する。
【００３２】
初めにＥＦＧ法によって面方位がＣ面であり、軸方位の定まったサファイア素材を引き上げる。この時、引き上げに用いる種結晶は予めＸ線で正確に測定して結晶面方位と軸方位を所定の方位に所定の精度で入るように揃えたものを用いる。なお、サファイアの製造方法としてはＥＦＧ法の他にＣｚ法やカイロポーラス法などによっても構わない。
【００３３】
この引き上げたサファイア素材の軸方位をＸ線で確認した後、軸方位が正確に分かるように識別マークを入れた上で、ダイシングあるいはスクライビングによって適宜切断を行う。次に、砥石を用いて円板状に加工し、３つのＡ軸方向またはＭ軸方向のうち２または３方向に識別マークとして、前述したようなオリフラ、ノッチまたはレーザーマークなどを入れる。
【００３４】
次にコロイダルシリカを用いた化学的研磨を行い、ＧａＮ系半導体層を成長させるのに適した平滑な面とする。鏡面研磨の程度は、後のＧａＮ系半導体を成膜させるのに十分な程度に平坦に研磨を行い、表面粗さは少なくともＲａで１０Å以下であることが必要である。これによってサファイア基板１を得ることができる。
【００３５】
次に図８に示すように、この様にして作製したサファイア基板１を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、サーマルクリーニングを行った後、ＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させる。続いて昇温し、ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）９、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順に形成し、ＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工を行った後、電極１４，１５の形成を行う。
【００３６】
次に当該基板のバックグラインドを行った後、オリフラを基準に２つのオリフラに垂直な方向にスクライビイングを行い、素子分離を行う。その後、パッケージングを行い、ＬＥＤ素子とする。
【００３７】
なお、ここではサファイア基板を例として実施の最良の形態を説明したが、基板としてはこの他にＺｎＯ、ＧａＮ、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどの３回回転対称性または６回回転対称性を持つ単結晶体の基板のＣ面を用いても同様の効果を得ることが出来る。また、Ｓｉ，３Ｃ−ＳｉＣ，ＧａＡｓなどの基板の（１１１）面を用いる場合にも同様の効果が得られる。
【００３８】
また、別の例としてGaN系LEDについて説明したが、本発明による半導体成長用基板を窒化ガリウム系のFETやバイポーラ型の半導体装置に適用しても同様の効果が得られる。
【００３９】
すなわち、本発明による半導体成長用基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、サーマルクリーニングを行った後、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮの低温バッファ層を成長させる。続いて昇温し、窒化ガリウムまたは窒化ガリウムインジウムからなる電子走行層、及び窒化アルミニウムガリウムからなる障壁層を順次積層する。次にソース、ドレイン、ゲート電極形成を行った後オリフラを基準に２つのオリフラに垂直な方向にスクライビイングを行い、素子分離を行う。その後、パッケージングを行い、ヘテロ構造を有するＦＥＴ型の半導体装置とする。
【００４０】
同様に、本発明による半導体成長用基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、サーマルクリーニングを行った後、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮの低温バッファ層を成長させる。続いて昇温し、アンドープＧａＮ、ｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮ、ｎ−ＧａＮを順次積層する。次にエミッタ、ベース、コレクタ電極形成を行った後オリフラを基準に２つのオリフラに垂直な方向にスクライビイングを行い、素子分離を行う。その後、パッケージングを行い、バイポーラ型半導体装置とする。
【実施例１】
【００４１】
本実施例では、半導体成長用基板について説明する。
【００４２】
初めにＥＦＧ法によって面方位がＣ面のサファイア素材を引き上げた。この時、引き上げ方向はＡ軸方向とした。また、引き上げに用いる種結晶は予めＸ線で正確に測定して結晶面方位と軸方位をそれぞれ±１度以内の精度で入るように揃えたものを用いた。
【００４３】
次にこの素材の軸方位をＸ線で確認した後、軸方位が正確に分かるように識別マークを入れた上でスクライビングを行い、所定の大きさの円板が得られる大きさに切断を行った。
【００４４】
次に、平面研削盤によってダイヤモンド砥石を用いて所定の厚みに加工した後、円筒研削盤を用いてダイヤモンド砥石で円板状に加工した。この時、図２に示す３回回転対称である３つのＡ軸方向の内２方向に、識別マークとして平面研削盤を用いてオリフラを入れた。この時図５に示すように主オリフラ４および副オリフラ５は、共にＡ軸に対して垂直とし、当然に主オリフラと副オリフラは互いに１２０度を成す方向で有った。また、オリフラの長さは任意であるが、この時例えば主オリフラ１の長さは１６ｍｍ、副オリフラの長さは８ｍｍとし、目視で判別出来る程度に異なる長さとした。
【００４５】
次にコロイダルシリカを用いた化学的研磨を行い、ＧａＮ系半導体層を成長させるのに適した平滑な面とした。鏡面研磨の程度は、後のＧａＮ系半導体を成膜させるのに十分な程度に平坦に研磨を行い、表面粗さは少なくともＲａで１０Å以下とした。
【実施例２】
【００４６】
次に、サファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤを例として本発明の実施例を説明する。
【００４７】
先ず、実施例１の工程により、図５に示すＡ軸に垂直な方向にオリフラを持つ、鏡面研磨を行ったＣ面サファイア基板を作製した。
【００４８】
次に図８に示すように、この様にして作製した基板８を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った後、温度を５００℃まで下げ、周期率表第３族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を流し、Ｎ原料としてアンモニアを流して、厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。続いて温度を１０００℃に昇温し原料としてＴＭＧ、アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）９を成長させた。続けて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順に形成し、紫外線ＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工を行った後、電極１４，１５の形成を行った。
【００４９】
次に当該基板のバックグラインドを行った後、お互いに１２０度を成す２つのオリフラに垂直な方向にスクライビイングを行い、素子分離を行った。その後、パッケージングを行い、紫外線発光ＬＥＤとした。
【００５０】
この様にして作製したＬＥＤは通常の四角形ではなく、菱形の形状で有ったが、ＬＥＤとして十分な性能を有するものであった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】サファイアの面方位、軸方位を説明するための図である。
【図２】本発明の半導体成長用基板のＡ軸方向を示す図である。
【図３】本発明の半導体成長用基板のＭ軸方向を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の半導体成長用基板における識別マークの例を示す図である。
【図５】本発明の半導体成長用基板を示す図である。
【図６】本発明の半導体成長用基板の他の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の半導体成長用基板の他の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の半導体装置を示す断面図である。
【図９】従来の半導体成長用基板を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  サファイア基板
２  ノッチ
３  レーザーマーク
４  主オリフラ
５  副オリフラ
６  第３のオリフラ
７  副オリフラ
９  ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１１  ＧａＮ系半導体発光層（ＭＱＷ構造）
１２  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１４  上部電極
１５  下部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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