(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記下地基板は、無拘束状態で前記成長面側が凹となるように反っている、請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記下地基板は窒化物半導体からなる、請求項１または２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記下地基板を準備する工程は、
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。
【請求項５】
前記下地基板の前記成長面には、多数の錐状の微小突起が形成されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
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。
【請求項７】
前記基板ホルダは、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５５０９７号公報
【特許文献２】特開２００８−１２０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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】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の基板ホルダの模式的な断面図である。
【図３】実施形態に係る窒化物半導体基板の製造装置の模式的な断面図である。
【図４】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の模式的な断面図である。
【図５】異種基板から剥離することにより得られた下地基板の断面を示す図である。
【図６】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。
【図７】図７（ａ）および（ｂ）は比較例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８】図８（ａ）および（ｂ）は下地基板の反りを説明するための図である。
【図９】図９（ａ）および（ｂ）は下地基板の反りを説明するための図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は下地基板の反りを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
以下、基板ホルダ１５０の構造の例を詳述する。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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））。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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））。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【実施例】
【００９１】
（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
【００９２】
（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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
ここで、ｃ軸の角度差αの定義を説明する。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【符号の説明】
【０１０１】
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
【図１】
2015098411.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１０】
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【図５】
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