(57)【要約】【課題】窒化物半導体層の成長方法を提供する。【解決手段】反応器内に基板を用意する段階と、第１温度で基板上に前記基板と異なる熱膨脹係数を持つ第１窒化物半導体を成長させる段階と、第２温度で基板を除去する段階と、を含む窒化物半導体層の成長方法を提供する。本発明の実施形態による窒化物半導体ウェーハは、少なくとも一つの窒化物半導体層を含み、前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、反応器内に用意され、前記少なくとも一つの窒化物半導体層の熱膨張係数とは異なる熱膨脹係数を有する基板上に第１温度で成長され、第２温度で前記基板を除去することで形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器内に基板を用意する段階と、
第１温度で前記基板上に前記基板と異なる熱膨脹係数を持つ第１窒化物半導体を成長させる段階と、
第２温度で前記基板を除去する段階と、を含む窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２】
前記第１及び第２温度は、各々９５０℃以上及び４００℃以上である請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体は、窒化ガリウムである請求項１または２に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項４】
前記反応器はＨＶＰＥ反応器であり、前記第１窒化物半導体は、ＨＶＰＥ法を用いて成長する請求項１から３の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項５】
前記第１温度は、９５０℃ないし１１００℃範囲内である請求項１から４の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項６】
前記基板の除去後に、前記第１窒化物半導体上に第２窒化物半導体を積層する段階をさらに含む請求項１から５の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項７】
前記第２窒化物半導体の厚さは、１０μｍ以上である請求項６に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項８】
前記第１及び第２窒化物半導体は、窒化ガリウムである請求項６または７に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項９】
前記第１窒化物半導体の成長前に前記基板上にバッファ層を形成する段階をさらに含み、
前記バッファ層上に前記第１窒化物半導体を成長させる請求項１から８の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１０】
前記基板は、エッチングによって除去される請求項１から９の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１１】
前記基板のエッチングは、前記第１窒化物半導体を１μｍないし数ｍｍ成長させた後で進む請求項１０に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１２】
前記基板は、前記反応器内でＨＣｌガスを用いてエッチングされる請求項１０または１１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１３】
ＨＣｌガスを用いる前記基板のエッチング時、前記ＨＣｌガスの部分分圧は１％ないし１００％である請求項１０から１２の何れか一項に記載の半導体層の成長方法。
【請求項１４】
前記基板は、前記第１窒化物半導体のＮフェイス表面が露出されるまでエッチングされる請求項１０から１３の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１５】
前記第２温度は、４００℃ないし１１００℃範囲内である請求項１から１４の何れか一項に記載の半導体層の成長方法。
【請求項１６】
前記基板のエッチング工程は、前記反応器内で、前記第１窒化物半導体の成長後、または成長中に進む請求項１０から１５の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１７】
前記基板のエッチング工程は、前記第１窒化物半導体の成長後に前記基板を前記反応器から他のチャンバへ移して進む請求項１０から１６の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１８】
前記バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、ＨＶＰＥ法のうちいずれか一つを用いて形成される請求項９に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１９】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＨｆＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮのうちいずれか一つで形成される請求項９または１８に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２０】
前記バッファ層の厚さは、１０ｎｍないし３μｍの範囲内である請求項９、１８、または１９に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２１】
前記バッファ層は、３回対称結晶構造に形成される請求項９、１８、１９、または２０に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２２】
成長した第１及び第２窒化物半導体からなる窒化物半導体層は、フリースタンディング窒化物半導体基板として使われる請求項６に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２３】
前記窒化物半導体層は、１μｍないし３ｍｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチの直径を持つ請求項２２に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２４】
少なくとも一つの窒化物半導体層を含み、
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、反応器内に用意され、前記少なくとも一つの窒化物半導体層の熱膨張係数とは異なる熱膨脹係数を有する基板上に第１温度で成長され、第２温度で前記基板を除去することで形成される窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２５】
前記第１及び第２温度は、各々９５０℃以上及び４００℃以上である請求項２４に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、前記基板の除去前に成長する第１窒化物半導体層を含む請求項２４または２５に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２７】
前記第１窒化物半導体層は、ＨＶＰＥによって成長し、前記第１温度は、９５０℃ないし１１００℃範囲内である請求項２６に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２８】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、
前記基板の除去後に前記第１窒化物半導体層上に成長する第２窒化物半導体層をさらに含む請求項２６に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２９】
前記第２窒化物半導体層は、１０μｍ以上である請求項２８に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３０】
前記第１窒化物半導体層の厚さは、１μｍないし数ｍｍの範囲内である請求項２６から２９の何れか一項に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３１】
前記第２温度は、４００℃ないし１１００℃範囲内である請求項２４から３０の何れか一項に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３２】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、窒化ガリウム半導体層である請求項２４から３１の何れか一項に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた電子産業は、グリーン産業の発展及び成長に符合する分野として期待を集めている。特に、窒化物半導体のうち１つであるＧａＮは、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む高出力電子部品素子の必須の素子である赤色、緑色及び青色発光ダイオードのうち青色発光ダイオードの製造に広く使われている。これは、既存の青色領域の光を発する発光素子の半導体物質であるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）よりは、ＧａＮを用いた青色発光ダイオードがＧａＮの優れた物理・化学的特性のため、輝度、寿命及び内部量子効率に優れるからである。またＧａＮは、直接遷移型のバンドギャップ構造を有し、ＩｎやＡｌの合金を通じて１．９〜６．２ｅＶまでバンドギャップの調節ができるので、光素子としての利用価値が非常に大きい。また降伏電圧が高く、高温でも安定しているため、既存の材料で具現できない高出力素子や高温電子素子などの多くの分野に有用である。例えば、フルカラーディスプレイを用いた大型電光板や、信号灯、光記録媒体の光源、自動車エンジンの高出力トランジスタなどに適用される。ＧａＮ基板を使う発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、欠陥が少なく、基板と素子層との屈折率が同一であり、熱伝導もサファイアより約４倍ほど大きいため、ＧａＮ基板は、高出力ＬＥＤの製作に必須である。
【０００３】
窒化物半導体のうち窒化ガリウム（ＧａＮ）は、バンドギャップエネルギーが約３．３９ｅＶであり、直接遷移型のワイドバンドギャップ半導体物質であり、短波長領域の発光素子製作などに有用な物質である。
【０００４】
ＧａＮ単結晶は、融点での窒素蒸気圧が高いため、液相における結晶成長には概略１５００℃以上の高温及び概略２００００気圧の窒素雰囲気が必要であって量産が困難であるだけではなく、現在使用可能な結晶サイズも約１００ｍｍ２の薄板型であり、これを素子の製作に使うには困難である。
【０００５】
そのため、ＧａＮ薄膜は異種基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法によって成長させている。
【０００６】
しかし、ＧａＮを例とすれば、シリコン基板上に成長する時、シリコンとＧａＮとが直接接触する場合、シリコンがＧａＮに拡散され、シリコン基板表面がエッチングされてメルトバックが発生し、シリコンとＧａＮとの熱膨脹係数及び格子定数差によって、シリコン基板上におけるＧａＮ成長時に引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）が発生してクラックが生成される。これを解決するために、段階的なバッファ層（ｇｒａｄｅｄ ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ）などを用いてシリコン基板上にＧａＮを成長させてもよいが、この方法では、薄いＧａＮ薄膜は成長できるが、厚いＧａＮ層を成長させるには依然として問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基板上に窒化物半導体層を成長させる時に、格子定数差や熱膨脹係数差によって引き起こされる引張応力によるクラックやボーイングを低減させる窒化物半導体層の成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法は、反応器内に基板を用意する段階と、第１温度で前記基板上に前記基板と異なる熱膨脹係数を持つ第１窒化物半導体を成長させる段階と、第２温度で前記基板を除去する段階と、を含む。
【０００９】
前記第１及び第２温度は、各々９５０℃以上及び４００℃以上であってよい。
【００１０】
前記第１窒化物半導体は、窒化ガリウムであってよい。
【００１１】
前記反応器は、ＨＶＰＥ反応器であり、前記第１窒化物半導体は、ＨＶＰＥ法を用いて成長させてよい。
【００１２】
前記第１温度は、約９５０℃ないし約１１００℃の範囲内であってよい。
【００１３】
前記基板の除去後に、前記第１窒化物半導体上に第２窒化物半導体を積層する段階をさらに含んでよい。
【００１４】
前記第２窒化物半導体の厚さは、約１０μｍ以上であってよい。
【００１５】
前記第１及び第２窒化物半導体は、窒化ガリウムであってよい。
【００１６】
前記第１窒化物半導体の成長前に前記基板上にバッファ層を形成する段階をさらに含み、前記バッファ層上に前記第１窒化物半導体を成長させてよい。
【００１７】
前記基板は、エッチングによって除去されてよい。
【００１８】
前記基板のエッチングは、前記第１窒化物半導体を１μｍないし数ｍｍ成長させた後で進めてよい。
【００１９】
前記基板は、前記反応器内でＨＣｌガスを用いてエッチングされてよい。
【００２０】
ＨＣｌガスを用いる前記基板のエッチング時、前記ＨＣｌガスの部分分圧は約１％ないし約１００％であってよい。
【００２１】
前記基板は、前記第１窒化物半導体のＮフェイス表面が露出されるまでエッチングされてよい。
【００２２】
前記第２温度は、約４００℃ないし約１１００℃の範囲内であってよい。
【００２３】
前記基板のエッチング工程は、前記反応器内で、前記第１窒化物半導体の成長後、または成長中に進めてよい。
【００２４】
前記基板のエッチング工程は、前記第１窒化物半導体の成長後に前記基板を前記反応器から他のチャンバへ移して進めてよい。
【００２５】
前記バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、ＨＶＰＥ法のうちいずれか一つを用いて形成されてよい。
【００２６】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＨｆＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮのうちいずれか一つに形成されてよい。
【００２７】
前記バッファ層の厚さは、約１０ｎｍないし約３μｍの範囲内であってよい。
【００２８】
前記バッファ層は、３回対称（３−ｆｏｌｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）結晶構造で形成されてよい。
【００２９】
成長した第１及び第２窒化物半導体からなる窒化物半導体層は、フリースタンディング窒化物半導体基板として使われてよい。
【００３０】
前記窒化物半導体層は、１μｍないし３ｍｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチ（ここで、１インチは略２．５４ｃｍである）の直径を持ってよい。
【００３１】
本発明の実施形態による窒化物半導体ウェーハは、少なくとも一つの窒化物半導体層を含み、前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、反応器内に用意され、前記少なくとも一つの窒化物半導体層の熱膨張係数とは異なる熱膨脹係数を有する基板上に第１温度で成長され、第２温度で前記基板を除去することで形成される。
【００３２】
前記第１及び第２温度は、各々９５０℃以上及び４００℃以上であってよい。
【００３３】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、前記基板の除去前に成長する第１窒化物半導体層を含んでよい。
【００３４】
前記第１窒化物半導体層は、ＨＶＰＥによって成長し、前記第１温度は、約９５０℃ないし約１１００℃の範囲内であってよい。
【００３５】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、前記基板の除去後に前記第１窒化物半導体層上に成長する第２窒化物半導体層をさらに含んでよい。
【００３６】
前記第２窒化物半導体層は、約１０μｍ以上であってよい。
【００３７】
前記第１窒化物半導体層の厚さは、約１μｍないし約数ｍｍの範囲内であってよい。
【００３８】
前記第２温度は、約４００℃ないし約１１００℃範囲内であってよい。
【００３９】
前記少なくとも一つの窒化物半導体層は、窒化ガリウム半導体層であってよい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、基板上における窒化物半導体層の成長時、格子定数差や熱膨脹係数差によって生じる引張応力によるクラックやボーイング（ｂｏｗｉｎｇ）を低減させることができ、高品質のフリースタンディング窒化物半導体基板が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図２】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図４】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。
【図５】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって製造されるフリースタンディング窒化物半導体基板（窒化物半導体ウェーハ）を概略的に示す図面である。
【図６】本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって製造されるフリースタンディング窒化物半導体基板（窒化物半導体ウェーハ）を概略的に示す図面である。
【図７】シリコン基板上にＨＶＰＥによって成長したＧａＮバッファ層を示す写真である。
【図８】基板上にバッファ層及び第１窒化物半導体を形成した層構造の具体的な一例を概略的に示す図面である。
【図９】シリコン基板（Ｓｉ）上にＨＶＰＥによって成長したＧａＮ層の応力及びＧａＮ／Ｓｉテンプレートのボーイングの温度依存度を示すグラフである。
【図１０】約１０５０℃でＨＣｌ分圧によるＨＶＰＥ反応器におけるシリコンのエッチング率を示すグラフである。
【図１１】約１０５０℃でＨＣｌ分圧が１０％である時のエッチング時間によるシリコン厚さ変化を示すグラフである。
【図１２】約４５０μｍの厚さのシリコン基板上に３００μｍの厚さのＧａＮを成長させた後、ＨＶＰＥ反応器内でのシリコン基板のＨＣｌエッチングによる基板１の厚さ変化と、ＧａＮ厚膜のボーイング変化とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、例えば、ＨＶＰＥ法によって、シリコン基板などの異種基板と窒化物半導体層との格子定数及び／または熱膨脹係数などの差によるクラック発生がないように厚膜窒化物半導体層を成長させる。
【００４３】
窒化物半導体層を成長させるために、先に、反応器内に基板を用意し、この基板上に一次的に第１窒化物半導体を積層した後、反応器内で基板をエッチング（インサイチュエッチング）し、一次的に積層された第１窒化物半導体上にさらに第２窒化物半導体を積層して所望の厚さの窒化物半導体層を得る。このような窒化物半導体層の製造方法によれば、窒化物半導体と基板物質、例えば、ＧａＮとシリコン間の熱膨脹係数及び／または格子定数の差によって生じる引張応力を除去または低減させることができて、高品質のフリースタンディング窒化物半導体基板、例えば、フリースタンディングＧａＮ基板が形成できる。
【００４４】
以下では、添付した図面を参照で本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法についてさらに具体的に説明する。図面で層の厚さは、説明の便宜のために誇張している。
【００４５】
図１Ａないし図４は、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長過程を説明するための図面である。図１Ａないし図１Ｃは、窒化物半導体の成長が行われる反応器内に窒化物半導体の成長に使われる基板１を用意する過程を示す。図２及び図３Ａ、図３Ｂは、基板１上に第１窒化物半導体２０を形成して、基板１を除去する過程を示す。図４は、第１窒化物半導体２０上に第２窒化物半導体３０をさらに形成して所望の厚さの窒化物半導体層１００を得ることを示す。図１Ａを参照すれば、基板１としては、例えば、シリコン基板が使われる。例えば、基板１としては、１００μｍないし１０００μｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチの直径を持つシリコン基板を使うことができる。図５のフリースタンディング窒化物半導体基板２００に適用可能な窒化物半導体層１００は、図１Ａのような基板１ａを使って製造される。よって、窒化物半導体層１００は、基板１ａのサイズに対応するサイズを持つ。例えば、窒化物半導体層１００の厚さは、約１μｍないし約３ｍｍの範囲内、直径は約１０ｍｍないし約１８インチ範囲内でありうる。窒化物半導体層１００を含むフリースタンディング窒化物半導体基板２００は、窒化物半導体ウェーハとして使われる。ここで、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって製造される窒化物半導体層１００、すなわち、フリースタンディング窒化物半導体基板２００の直径や厚さは、所望のところによって変わる。
【００４６】
基板１ａ上に、図１Ｂのようにバッファ層１０を形成する。バッファ層１０は、クラックやメルトバックを防止するためのものである。メルトバックは、シリコンとＧａＮとが直接接触する場合、シリコンがＧａＮに拡散されてシリコン基板表面がエッチングされる現象である。
【００４７】
バッファ層１０は、ＡｌＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＨｆＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮのうち少なくともいずれか一つで形成される。すなわち、バッファ層１０は、窒化物半導体を含むように形成される。また、バッファ層１０は、前述の物質を用いて複数層で形成される。このバッファ層１０は、例えば、約１０ｎｍないし３μｍの厚さに形成される。バッファ層１０は、その上に後成長する第１窒化物半導体２０、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のエピタキシ成長のために３回対称結晶構造に形成される。
【００４８】
これらのバッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：金属有機化学蒸着）法、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法のうちいずれか一つを用いて形成される。
【００４９】
バッファ層１０を、分離されたＭＯＣＶＤ法やスパッタ法によって形成する場合、ＭＯＣＶＤやスパッタリングにより反応器で基板１にバッファ層１０を形成した後、基板１は、図１Ｃのように反応器５に装着される。基板１上に窒化物半導体を成長させる過程は、反応器５（以下、特に言及しない限り、反応器は、窒化物半導体の成長が行われる反応器５を示す）に進む。反応器５内に窒化物半導体積層のための基板１を用意し、次いで、窒化物半導体積層工程を進め、図２のようにバッファ層１０上に第１窒化物半導体２０を成長させる。
【００５０】
ここで、バッファ層１０をＨＶＰＥ法によって形成する場合、図１Ａまたは図１Ｂ段階で、反応器５内に基板１を装着した後でバッファ層１０を形成してもよい。それにより、窒化物半導体積層のための基板１が反応器５内に用意され、窒化物半導体が同じ反応器５内で積層される。代案として、バッファ層１０をＨＶＰＥ法によって形成する場合にも、別途のＨＶＰＥ反応器でバッファ層１０を形成した基板１を反応器５内に装着して窒化物半導体の積層を用意するか、または同一反応器、例えば、反応器５内で別途の工程によって基板１上にバッファ層１０を形成し、バッファ層１０上に窒化物半導体積層工程を進めてもよい。また、反応器５がＭＯＣＶＤ法やスパッタ法も可能な構造を持つ場合、反応器５内に基板１を装着した状態で、ＭＯＣＶＤ法やスパッタ法によってバッファ層１０を形成してもよい。図７は、例示として、シリコン基板上にＨＶＰＥ法によって成長したＧａＮバッファ層を示す。
【００５１】
前述のように反応器５内に基板１を用意し、用意した基板１上に図２と同様に、一次的に第１窒化物半導体２０、例えば、第１ ＧａＮを所定または与えられた厚さほど積層できる。反応器５としてはＨＶＰＥ反応器を使い、第１窒化物半導体２０は、ＨＶＰＥ法を用いて積層する。例えば、ＨＶＰＥ反応器内で、ＨＣｌとＧａ金属とを反応させてＧａＣｌを形成し、これをＮＨ３と反応させてバッファ層１０上に一次的に第１ ＧａＮを積層する。
【００５２】
この時、一次的な第１窒化物半導体２０の積層は、約９５０℃ないし１１００℃の温度範囲で行われる。また、一次的に第１窒化物半導体２０は、約１μｍないし約数ｍｍの厚さ、例えば、数μｍないし数十μｍの厚さに積層される。
【００５３】
図８は、基板１上にバッファ層１０及び第１窒化物半導体２０を形成した層構造の具体的な一例を概略的に示す。
【００５４】
図８を参照すれば、基板１として、面方向が（１１１）であるシリコン基板を使う。バッファ層１０は、基板１上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮ層、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層及びμＧａＮ層の３層構造で形成される。第１窒化物半導体２０は、ＨＶＰＥによって、約１０５０℃の成長温度で、例えば、約４５０μｍの厚さでＧａＮに形成される。
【００５５】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、前述のように、一次的に第１窒化物半導体２０を積層した状態で基板１を除去、例えば、エッチングして、基板１が除去された相対的に薄いフリースタンディング窒化物半導体基板構造が得られる。
【００５６】
図３Ａ及び図３Ｂは、第１窒化物半導体２０を積層した状態で基板１を除去する方法を示す。
【００５７】
図３Ａを参照すれば、基板１は、反応器５内で、例えば、インサイチュエッチングして除去される。すなわち、第１窒化物半導体２０の成長が行われる反応器５内で、基板１をエッチングによって除去する。
【００５８】
図３Ｂを参照すれば、基板１は、反応器５内でインサイチュエッチングによって除去する代りに、別途のエッチングチャンバ９で除去されてもよい。すなわち、第１窒化物半導体２０を積層した状態の基板１をエッチングチャンバ９に移した後、エッチングチャンバ９でエッチング工程を進めて基板１を除去してもよい。基板１が除去された後、第１窒化物半導体２０を含む積層構造物は、第１窒化物半導体２０上に第２窒化物半導体２０を成長させるために再び反応器５に移される。
【００５９】
前述のような基板１のエッチングは、約４００℃以上の温度で行われる。例えば、基板１のエッチングは、約４００℃ないし約１１００℃の温度範囲内で行われる。
【００６０】
次いで、図４のように、一次的に積層された第１窒化物半導体２０上にさらに第２窒化物半導体３０、例えば、第２ ＧａＮをさらに積層すれば、所望の厚さの窒化物半導体層１００が得られる。このようにさらなる第２窒化物半導体３０の積層完了後に得られる窒化物半導体層１００は、図５のようなフリースタンディング窒化物半導体基板２００、すなわち、窒化物半導体ウェーハとして使われる。例えば、基板１を除去（すなわち、エッチング）する前に形成された第１ ＧａＮ上に、基板１の除去後に第２ ＧａＮをさらに積層して得られる、所望の厚さを持つＧａＮ層は、フリースタンディングＧａＮ基板（ＧａＮウェーハ）として使われる。この時、フリースタンディング窒化物半導体基板２００は、図５のようにバッファ層１０を含み、必要に応じてバッファ層１０を除去した構造を持つこともある。バッファ層１０の除去は基板１の除去後に行われるか、または窒化物半導体層１００の積層工程完了後に行われる。
【００６１】
基板１を除去する工程は、第１窒化物半導体２０を約１μｍないし約数ｍｍの厚さ、例えば、数ないし数十μｍの厚さに成長させた後で行われる。
【００６２】
基板１は、反応器５または別途のチャンバ９内でＨＣｌガスを用いて、例えば、約４００℃ないし１１００℃の温度下でエッチングされる。この時、ＨＣｌガスの部分分圧は約１％ないし１００％である。基板１のエッチングは、図３Ａを参照して説明したように、第１窒化物半導体２０を成長させた反応器５内で行われるか、または図３Ｂを参照して説明したように、別途のエッチングチャンバ９で行われる。これらの基板１のエッチング工程を第１窒化物半導体２０のＮフェイス表面が露出されるまで進めて、基板１を完全にエッチングする。
【００６３】
基板１のエッチングが反応器５内で行われる場合、基板１のエッチング工程は、窒化物半導体の成長を止めた状態で行われる。また、基板１のエッチング工程は、窒化物半導体の成長を進める間に同時に進んでもよい。すなわち、適正の厚さに一次的に第１窒化物半導体２０を積層した状態で、続けて窒化物半導体積層工程を進めると共に基板１のエッチング工程が行われてもよい。これらの工程の同時進行は、基板１のエッチングが反応器５内でインサイチュで行われるため可能である。
【００６４】
一方、一次的に積層された第１窒化物半導体２０上に、第２窒化物半導体３０を反応器５内でＨＶＰＥ工程によってさらに、例えば、少なくとも１０μｍ以上の厚さ、さらに具体的には、数百μｍないし数ｍｍの厚さにすぐ成長させる。例えば、シリコン基板を完全にエッチングし、第２ ＧａＮを約４００μｍの厚さまでさらに成長させる。
【００６５】
以上、図１Ａないし図４を参照して、一次的に第１窒化物半導体２０を積層した後、基板１のエッチング工程を進めた後、または基板１のエッチング工程の進行中にさらに第２窒化物半導体３０を積層する場合を説明及び図示したが、本発明の実施形態による窒化物半導体層１００の成長方法はこれらに限定されるものではなく、多様な実施形態が可能である。
【００６６】
例えば、一次的に基板１上に第１窒化物半導体２０を所望の厚さ積層した後、基板１のエッチング工程を進めることで窒化物半導体層１００’を形成して、第２窒化物半導体３０の積層工程なしに、図６のようなフリースタンディング窒化物半導体基板２００’を製造してもよい。すなわち、フリースタンディング窒化物半導体基板２００’を、さらに積層された第２窒化物半導体３０を含まず、一次的に積層された第１窒化物半導体２０のみを含む構造で形成してもよい。この場合にも、基板１のエッチング工程中に、窒化物半導体積層工程は停止した状態であるか、または同時に進む。
【００６７】
また、図４及び図５では、さらなる第２窒化物半導体３０の積層厚さが一次的な第１窒化物半導体２０の積層厚さより大きいように図示したが、これは例示的なものに過ぎず、さらなる第２窒化物半導体３０の積層厚さは、一次的な第１窒化物半導体２０の積層厚さより小さいこともある。
【００６８】
したがって、一次的な第１窒化物半導体２０の積層及びさらなる第２窒化物半導体３０の積層から得られるか、または一次的な第１窒化物半導体２０の積層のみで得られる窒化物半導体層１００、１００’、すなわち、フリースタンディング窒化物半導体基板２００、２００’は、例えば、約１μｍないし約１０ｍｍの範囲内の厚さを持つ。本発明の実施形態による成長方法によって製造されるフリースタンディング窒化物半導体層１００、１００’、すなわち、フリースタンディング窒化物半導体基板２００、２００’は、要求される直径に好適な厚さに形成される。
【００６９】
また、以上ではシリコン基板上に第１窒化物半導体２０を積層する場合を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、フリースタンディング窒化物半導体基板２００、２００’、例えばフリースタンディングＧａＮ半導体基板の成長時に、基板１としてシリコン基板のみが使われるのではなく、他の種類の基板、例えば、サファイア基板などが使われてもよい。
【００７０】
図９は、シリコン基板（Ｓｉ）上にＨＶＰＥによって成長したＧａＮ層の応力及びＧａＮ／Ｓｉテンプレートのボーイングの温度依存度を示すグラフである。図９のグラフは、初期の薄いＧａＮ／Ｓｉテンプレートに存在する応力によって、成長温度で厚膜ＧａＮ層に固有圧縮が存在するが、この応力を−２０ＭＰａと仮定した時、厚膜ＧａＮの成長後冷却した時のＧａＮ層の応力変化及びＧａＮ／Ｓｉのボーイング変化をシミュレーションして示したものである。
【００７１】
図９によれば、厚膜ＧａＮの成長後冷却時、ＧａＮとＳｉとの熱膨脹係数によって約１０００℃では応力のない状態になっていたが、徐々にＧａＮ層において引張応力が増加することが分かる。
【００７２】
ＧａＮ／Ｓｉテンプレートのボーイングも類似した傾向を示しているが、約８５０℃以上の温度では、凸ボーイング（ｃｏｎｖｅｘ ｂｏｗｉｎｇ）、その以下の温度では凹ボーイング（ｃｏｎｃａｖｅ ｂｏｗｉｎｇ）の傾向を示し、温度が低くなるほどボーイングのサイズも段々増大することが分かる。
【００７３】
シリコン基板上に厚膜ＧａＮを成長させた後、４００℃以上でシリコン基板を除去しない場合、フリースタンディングＧａＮに裂け目が生じた。シミュレーション結果によれば、４００℃でＧａＮ層に存在する引張応力は約６７ＭＰａである。この値は、ＧａＮ層に圧縮応力が存在する時、降伏応力値（２００ＭＰａ）の約１／３位に当るものであり、これは、引張応力が存在する時にクラックが生じる降伏応力値とほぼ一致した。
【００７４】
図１０は、約１０５０℃でＨＣｌ分圧によるＨＶＰＥ反応器におけるシリコンのエッチング率を示し、図１１は、約１０５０℃でＨＣｌ分圧が１０％である時のエッチング時間によるシリコン厚さの変化を示す。
【００７５】
図１０及び図１１から分かるように、ＨＣｌの分圧が高いほど基板１のエッチング率は高くなり、エッチング時間が経つほど残る基板１の厚さが低減することが分かる。
【００７６】
図１２は、約４５０μｍの厚さのシリコン基板上に３００μｍの厚さのＧａＮを成長させた後、ＨＶＰＥ反応器内におけるシリコン基板のＨＣｌエッチングによる基板１の厚さ変化と、ＧａＮ厚膜のボーイング変化とを示す。図１２によれば、ＨＣｌエッチングによってシリコン基板の厚さが低減するほど、ＧａＮ厚膜のボーイングが急減することが分かる。これは、基板の厚さが低減するほど引張応力レベルが緩和するからである。すなわち、シリコン基板のインサイチュエッチングは、本発明の実施形態による成長方法によって得られるＧａＮ基板に熱的に誘導された応力を除去または低減させて、相対的に厚い厚さへのフリースタンディングＧａＮ基板成長を可能にすることが分かる。
【００７７】
前述のような本発明の実施形態による窒化物半導体層１００、１００’の成長方法によれば、例えば、シリコン基板上にＧａＮを成長させる時、ＨＶＰＥ反応器内でシリコン基板のインサイチュエッチングによってＧａＮ層に存在する引張応力、ボーイング問題を解決できるので、高品質のＧａＮウェーハの製造が可能である。また、シリコン基板は、安値で容易に大径の基板として得られるため、低コスト及び大径のＧａＮウェーハの製造が可能である。
【００７８】
例えば、１００μｍないし１０００μｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチの直径を持つシリコン基板を用いて、１μｍないし３ｍｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチの直径を持つ窒化物半導体ウェーハ、例えば、ＧａＮウェーハが製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、窒化物半導体層関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８０】
５  反応器
１０  バッファ層
２０  第１窒化物半導体
３０  第２窒化物半導体
１００  窒化物半導体層
【図１Ａ】
2018087128.tif 000003
【図１Ｂ】
2018087128.tif 000004
【図１Ｃ】
2018087128.tif 000005
【図２】
2018087128.tif 000006
【図３Ａ】
2018087128.tif 000007
【図３Ｂ】
2018087128.tif 000008
【図４】
2018087128.tif 000009
【図５】
2018087128.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2018087128.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月15日(2017.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器内に基板を用意する段階と、
前記反応器内で前記基板上にバッファ層を形成する段階と、
前記反応器内で、第１温度で前記バッファ層上に前記基板と異なる熱膨脹係数を持つ第１窒化物半導体を成長させる段階と、
前記反応器内でのインサイチュエッチングにより第２温度で前記基板を除去する段階と、
前記基板の除去後に、前記反応器内で前記第１窒化物半導体上に第２窒化物半導体を積層する段階と、
を含み、
前記第１窒化物半導体は、窒化ガリウムであり、
前記バッファ層は、３回対称結晶構造にＡｌＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＨｆＮ、ＡｌＧａＮのうちいずれか一つで形成される窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２】
前記第１及び第２温度は、各々９５０℃以上及び４００℃以上である請求項１に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項３】
前記反応器はＨＶＰＥ反応器であり、前記第１窒化物半導体は、ＨＶＰＥ法を用いて成長する請求項１または２の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項４】
前記第１温度は、９５０℃ないし１１００℃範囲内である請求項１から３の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項５】
前記第２窒化物半導体の厚さは、１０μｍ以上である請求項１から４の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項６】
前記第１及び第２窒化物半導体は、窒化ガリウムである請求項１から５の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項７】
前記基板のエッチングは、前記第１窒化物半導体を１μｍないし数ｍｍ成長させた後で進む請求項１から６の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項８】
前記基板は、前記反応器内でＨＣｌガスを用いてエッチングされる請求項１から７の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項９】
ＨＣｌガスを用いる前記基板のエッチング時、前記ＨＣｌガスの部分分圧は１％ないし１００％である請求項１から８の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１０】
前記基板は、前記第１窒化物半導体のＮフェイス表面が露出されるまでエッチングされる請求項１から９の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１１】
前記第２温度は、４００℃ないし１１００℃範囲内である請求項１から１０の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１２】
前記基板のエッチング工程は、前記反応器内で、前記第１窒化物半導体の成長後、または成長中に進む請求項１から１１の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１３】
前記バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、ＨＶＰＥ法のうちいずれか一つを用いて形成される請求項１から１２の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１４】
前記バッファ層の厚さは、１０ｎｍないし３μｍの範囲内である請求項１から１３の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１５】
成長した第１及び第２窒化物半導体からなる窒化物半導体層は、フリースタンディング窒化物半導体基板として使われる請求項１から１４の何れか一項に記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１６】
前記窒化物半導体層は、１μｍないし３ｍｍの厚さ、１０ｍｍないし１８インチの直径を持つ請求項１５に記載の窒化物半導体層の成長方法。