(57)【要約】      （修正有）【課題】貫通ピットや貫通クラックが存在するために事実上使用不可能であった自立基板を半導体素子の工程に流せるようにし、基板の生産歩留まりを著しく向上させ、貴重で高価な窒化物半導体基板の提供。【解決手段】表面から裏面まで貫通する貫通ピット８又は貫通クラックをその製造過程で有する窒化物半導体の自立基板７に対し、前記貫通ピット８又は貫通クラックに窒化物を形成可能な金属を付着させた後、前記金属を窒化させて窒化物を形成し、前記窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から裏面まで貫通する貫通ピット又は貫通クラックをその製造過程で有する窒化物半導体の自立基板に対し、前記貫通ピット又は貫通クラックに窒化物を形成可能な金属を付着させた後、前記金属を窒化させて窒化物を形成し、前記窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
窒化物を形成可能な前記金属が、ガリウム、インジウム、アルミニウムの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
金属を窒化させて窒化物を形成する前記方法が、アンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気中、あるいはアンモニア（ＮＨ３）ガスを含む雰囲気中で３００℃以上、１２００℃以下の温度で加熱する方法であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
金属を窒化させて窒化物を形成する前記方法が、アンモニア（ＮＨ３）ガスのプラズマ雰囲気中、あるいはアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むプラズマ雰囲気中で行う窒化処理方法であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
表面から裏面まで貫通する貫通ピット又は貫通クラックをその製造過程で有する窒化物半導体の自立基板の、前記貫通ピット又は貫通クラックに、窒化物を形成し、前記窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めて構成された窒化物半導体基板であって、前記窒化物は、前記貫通ピット又は貫通クラックに付着させた、窒化物を形成可能な金属を、窒化させたものであることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項６】
窒化物を形成可能な前記金属が、ガリウム、インジウム、アルミニウムの何れかであることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなる基板の製造方法及び窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、窒素の蒸気圧が非常に高いためにボート法や引き上げ法などにみられる融液からのバルク状結晶成長が極めて困難であり、高圧を印加することでＶ族元素の乖離を抑止する原理を利用したこれらの方法からは、ごく小さな基板しか得られていない。この理由により、窒化物半導体基板の製造方法としては、一般にサファイア基板やシリコン基板あるいはガリウム砒素基板などの窒化物半導体とは異なる異種基板上に、主に気相成長法を用いて窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた後、研磨やエッチングあるいは剥離等の手法を用いて異種基板を除去し、前記によりヘテロエピタキシャル成長された窒化物半導体層のみを残すことで所謂「自立基板」を得ている。
【０００３】
このようにして自立基板を作製する具体的な方法としては、例えば以下の特許文献に記載されているような方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−５７１１９号公報
【特許文献２】特許３６３１７２４号公報
【特許文献３】特許３７４４１５５号公報
【特許文献４】特許３７８８０４１号公報
【０００５】
また、異種基板を除去した後、残った窒化物半導体層からは１枚のみの自立基板を取得する場合もあるが、窒化物半導体層を厚くエピタキシャル成長させてスライスすることにより複数枚の自立基板を取得する場合もある。この方法を記載した文献としては、以下の特許文献がある。
【０００６】
【特許文献５】特開２００２−２９８９７号公報
【０００７】
本発明でいう自立基板とは、これらのうちいずれの場合も含むものである。
【０００８】
自立基板の結晶成長方法としては、前記したように主に気相成長法が用いられている。その中でもハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）は、結晶成長速度が速く、工業的に最も適した方法であると一般には考えられている。この成長方法の詳細に関しては、上記特許文献１〜５に記載されている。それ以外の気相成長方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）があるが、成長速度をあまり早くできないため、自立基板などの膜厚の厚いものを形成する場合には不利がある。その他の成長法としては、昇華法や液相成長法が知られているが、いずれも自立基板の成長方法としては一般的な方法ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
サファイアなどの、窒化物半導体とは格子定数が大きく異なる異種基板上に、成長された窒化物半導体層は、異種基板の格子構造を引き継いでコヒーレントにエピタキシャル成長することが不可能であるため、異種基板上の任意の場所でまず結晶成長のための核が発生し、次にこの核を起点として結晶が次第に大きく成長し、隣接する結晶同士が融合して平面的に連続した起伏のない膜になっていくという成長過程を経る。この成長過程を経て得られた結晶の転位密度を低くするためには、最初の核発生の密度を少なくしたほうが良い。しかし、核発生の密度を少なくした場合には、隣接する結晶同士の融合頻度が少なくなるために平面的に連続した均一な厚みの膜を得ることが難しくなり、これが原因で膜の表面から裏面に向かって比較的急峻な窪みが形成されることがある。
【００１０】
そして、異種基板を除去して作製した自立基板を所望の厚さに研磨する場合には、通常窒化物半導体が成長した側の表面（以下、基板の表面という）と異種基板を除去した側の裏面（以下、基板の裏面という）の両面から同時に研磨するが、ここで特に裏面からの研磨量が大きい場合には、基板の表面から裏面まで貫通する貫通ピットが形成されることがある。また、前記した急峻な窪みのいくつかが筋状につながって、例えばひび割れた状態で、基板の表面から裏面まで貫通する貫通クラックが形成されることがある。このような貫通ピット又は貫通クラックが基板内に１つでも存在すると、この基板上に半導体をエピタキシャル成長させるなどの素子作製工程において、基板を真空吸着により保持できず、このことから基板を次工程に流すことができないという大きな課題があった。
【００１１】
従って、このような貫通ピット又は貫通クラックを有する基板は、素子製造工程に流すことができないために、事実上使用することができず、結果として基板の生産歩留まりを著しく低くするという課題があった。
【００１２】
そこで本発明は、上記課題を解決し、貫通ピット又は貫通クラックを有する基板を使用可能とし、基板の生産歩留まりを著しく向上させることができる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の製造方法は、表面から裏面まで貫通する貫通ピット又は貫通クラックをその製造過程で有する窒化物半導体の自立基板に対し、前記貫通ピット又は貫通クラックに窒化物を形成可能な金属を付着させた後、前記金属を窒化させて窒化物を形成し、前記窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めることを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するために本発明の製造方法は、窒化物を形成可能な前記金属が、ガリウム、インジウム、アルミニウムの何れかであることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために本発明の製造方法は、金属を窒化させて窒化物を形成する前記方法が、アンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気中、あるいはアンモニア（ＮＨ３）ガスを含む雰囲気中で３００℃以上、１２００℃以下の温度で加熱する方法であることを特徴とする。
【００１５】
上記方法において、加熱温度は、３００℃未満の低温では金属の窒化が進行しないため適さない。一方、１２００℃を超える高温では自立基板表面でのエッチング作用が激しくなってしまい、表面が荒れるので適さない。
【００１６】
また、上記目的を達成するために本発明の製造方法は、金属を窒化させて窒化物を形成する前記方法が、アンモニア（ＮＨ３）ガスのプラズマ雰囲気中、あるいはアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むプラズマ雰囲気中で行う窒化処理方法であることを特徴とする。
【００１７】
また、上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体基板は、表面から裏面まで貫通する貫通ピット又は貫通クラックをその製造過程で有する窒化物半導体の自立基板の、前記貫通ピット又は貫通クラックに、窒化物を形成し、前記窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めて構成された窒化物半導体基板であって、前記窒化物は、前記貫通ピット又は貫通クラックに付着させた、窒化物を形成可能な金属を、窒化させたものであることを特徴とする。
【００１８】
また、上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体基板は、窒化物を形成可能な前記金属が、ガリウム、インジウム、アルミニウムの何れかであることを特徴とする。
【００１９】
なお、自立基板の成長に用いられる異種基板としては、いろいろなものが適用できるが、実際上は、サファイア基板の他、炭化珪素、シリコン、ガリウム砒素など、窒化物半導体と格子整合性が比較的高いものや、従来からヘテロエピタキシャル成長によく利用されてきて実績の高いものが使用し易く、好ましい。
【００２０】
さらに、貫通ピット又は貫通クラックを有しない基板であっても、深い窪みを有する基板に対しては、将来貫通ピット又は貫通クラックになることがあり得るために、予め本発明を応用して窪みを埋めることは好ましいことである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体基板によれば、貫通ピット又は貫通クラックに窒化物を形成可能な金属を付着させ、この金属を窒化させて窒化物を形成し、この窒化物により前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めるようにしたので、貫通ピット又は貫通クラックが原因で真空吸着により基板を保持できず、基板をその後の工程に流すことができないという問題が無くなり、貴重で高価な窒化物半導体基板を有効に使用することとなり、その生産歩留まりを著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について詳述する。
まず、本発明に用いる窒化物半導体自立基板は、不純物をドープしない（ノンドープ）か、若しくはｎ型またはｐ型であって、キャリア密度が１×１０20cm‐3以下の範囲の窒化物半導体であることが好ましい。そして、安定して自立でき、ハンドリングに不便がないようなものでなければならないため、膜厚は１００μｍ以上であることが好ましい。
【００２３】
このような自立基板であって、貫通ピット又は貫通クラックを有するものに対し、本発明は適用される。すなわち、前記貫通ピット又は貫通クラックに窒化物を形成可能な金属を付着させ、この金属を窒化させて窒化物を形成し、この窒化物により、前記貫通ピット又は貫通クラックを埋めるようにする。
【００２４】
このような方法を採用することにより、従来であれば貫通ピット又は貫通クラックが存在すれば、基板そのものが事実上使用不可能となったが、これを使用可能とすることにより窒化物半導体基板を有効に使用し、その生産歩留まりを著しく向上させることができる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例により本発明の窒化物半導体基板の製造方法を詳細に説明する。ただし、本発明はこの実施例の記載事項には限定されない。
【００２６】
［実施例１］
まず、結晶成長装置としては、図１の模式図に示すハイドライド気相成長装置を用いた。この装置構成としては、反応ガスが上流側から下流側に一方向に流れるようにした石英製の反応容器１があり、この内部のガス導入口から比較的近い箇所に金属ガリウム（Ｇａ）を入れた石英製ボート２を設置した。一方、この石英製ボート２からガス下流側の離れた位置に、ガスの流れる方向に対して垂直となるように２インチφのサファイア基板３をカーボン製のホルダ（基板固定冶具）４上に設置した。そして金属ガリウムを入れた石英製ボート２に接近した位置に、ハロゲンガスの供給管５を設け、これとは別にサファイア基板３に接近した位置に、ハイドライドガスの供給管６を設けている。
【００２７】
本装置を用い、ハロゲンガスの供給管５から水素キャリアガスと共に塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入した。この際、金属Ｇａを入れた石英製ボート２は９００℃に加熱し、サファイア基板３は５１０℃に加熱した。そして、塩化水素ガスと金属Ｇａを反応させて塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成させ、一方サファイア基板３側に接近したハイドライドガスの供給管６からは窒素キャリアガスと共にアンモニア（ＮＨ3）ガスを供給し、これらの原料ガスをサファイア基板３上で反応させ、まずＧａＮからなるバッファ層を３０nmの膜厚で成長させた。
【００２８】
前記バッファ層成長後、サファイア基板３の温度を１０５０℃に上昇させ、成長速度１００μｍ／時で３時間成長を行い、前記バッファ層の上に厚さ３００μｍのＧａＮを成長させた。
【００２９】
成長後、サファイア基板上にＧａＮ膜を成長させたエピタキシャルウエハを反応容器１から取り出して研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、サファイア基板側をラッピングし、サファイア基板とバッファ層を除去した。続いて、さらに細かいダイヤモンド研磨剤を用いてポリシングして、厚さ２７０μｍのＧａＮ自立基板を作製した。
【００３０】
このようにして製造したＧａＮ自立基板の中で、貫通ピットが存在する基板を選んで観察した。図２は、窒化物半導体自立基板の表面を顕微鏡で拡大してみたものであり、7が母体であるＧａＮ結晶、８が黒く円形状に示された貫通ピットである。
【００３１】
次いで、この貫通ピット８に微小のガリウム液滴（室温より若干温度を高く保ち、液体の状態に保持されている。）を注入した。この作業は比較的低倍率の顕微鏡を使用して目視でＧａＮ自立基板の表面を観察しながら、位置決め機構と特殊な吐出ノズルを備えた注入装置を用いて行った。ガリウム液滴は注入後、室温に戻ると固体となって貫通ピット内に付着した状態となった。
【００３２】
ガリウム液滴を注入したＧａＮ自立基板を熱処理炉内に入れ、ＮＨ3ガスをマスフローコントローラーで５Ｌ／分の量に設定し、同量の水素ガスとともに流しながら５００℃で１時間熱処理を行った。
【００３３】
なお、貫通ピット８内のガリウムは、基板の昇温が開始されるとすぐに再度液滴となるが、その表面張力のために流出せずに貫通ピット８内に留まる。これはガリウムに限らず、インジウム、アルミニウム等の他の金属でも同様である。
【００３４】
以上の結果、ガリウムは窒化して貫通ピット内にＧａＮ多結晶が形成され、貫通ピットを埋めて塞ぐことができた。
【００３５】
なお、貫通ピットを埋めて塞いだ箇所の近傍では言うまでもなく特性の良好な素子は取得できなかったが、それ以外の基板内の大部分の領域からは特性の良好な素子を取得することができた。従って、従来は素子工程に流すことすらできなかった基板から多くの良品素子を取得することができ、結果としてＧａＮ自立基板の生産歩留まりの向上に大きく貢献できた。
【００３６】
［実施例２］
実施例１と同様にして製造したＧａＮ自立基板の中で、主に貫通クラックが存在する基板を選び、その貫通クラック部分に微小のガリウム液滴を貫通クラックに沿った複数箇所に注入して、貫通クラック全体がガリウム液滴でほぼ埋まるようにした。この作業は実施例１と同じ注入装置で行った。
【００３７】
ガリウム液滴を注入したＧａＮ自立基板を熱処理炉内に入れ、ＮＨ3ガスをマスフローコントローラーで５Ｌ／分の量に設定し、同量の窒素ガスとともに流しながら５００℃で１時間熱処理を行った。
【００３８】
以上の結果、ガリウムは窒化して貫通クラック内にＧａＮ多結晶が形成され、貫通クラックを埋めて塞ぐことができた。
【００３９】
この窒化物半導体基板から、実施例１と同様に素子を得ることができた。
【００４０】
［実施例３］
実施例１と同様にして製造したＧａＮ自立基板の中で、貫通ピットが存在する基板を選び、その貫通ピット部分に微小のインジウムボールを付着させた。この作業は比較的低倍率の顕微鏡を使用して目視でＧａＮ自立基板の表面を観察しながら、インジウムが付着しない特殊な先端を有するピンセットを用い、注意深く手作業で行った。なお、この手作業を効率化するため、実施例１や２で用いたような装置を製作することが可能であることは言うまでもない。以下の実施例４についても同様である。
【００４１】
インジウムを付着させたＧａＮ自立基板を熱処理炉内に入れ、ＮＨ3ガスをマスフローコントローラーで７Ｌ／分の量に設定し、同様に３Ｌ／分に設定した水素ガスとともに流しながら５００℃で１時間熱処理を行った。
【００４２】
以上の結果、インジウムは窒化して貫通ピット内にＩｎＮ多結晶が形成され、貫通ピットを埋めて塞ぐことができた。
【００４３】
この窒化物半導体基板から、実施例１と同様に素子を得ることができた。
【００４４】
［実施例４］
実施例１と同様にして製造したＧａＮ自立基板の中で、主に貫通クラックが存在する基板を選び、その貫通クラック部分に極細のアルミニウムワイヤを短く刻んだものを貫通クラックに沿った複数箇所に投入した。この作業は比較的低倍率の顕微鏡を使用して目視でＧａＮ自立基板の表面を観察しながら、精密ピンセットを用い、注意深く手作業で行った。
【００４５】
アルミニウムワイヤを投入したＧａＮ自立基板を熱処理炉内に入れ、ＮＨ3ガスをマスフローコントローラーで１０Ｌ／分の量に設定して流しながら７００℃で１時間３０分熱処理を行った。
【００４６】
以上の結果、アルミニウムは窒化して貫通クラック内にＡｌＮ多結晶が形成され、貫通クラックを埋めて塞ぐことができた。
【００４７】
この窒化物半導体基板から、実施例１と同様に素子を得ることができた。
【００４８】
［実施例５］
実施例１と同様にして製造したＧａＮ自立基板の中で、貫通ピットが存在する基板を選び、その貫通ピット部分に微小のガリウム液滴を注入した。この作業は実施例１と同じ注入装置で行った。
【００４９】
ガリウム液滴を注入したＧａＮ自立基板を、平行平板電極を有するプラズマ発生装置のチャンバー内にセットし、ＮＨ3ガスをマスフローコントローラーで２Ｌ／分の量に設定してチャンバー内に流しながら圧力０．５Ｐａに設定、自立基板を１５０℃に加熱し、放電パワー３００Ｗで０．５時間処理を行った。
【００５０】
以上の結果、ガリウムは窒化して貫通ピット内にＧａＮ多結晶が形成され、貫通ピットを埋めて塞ぐことができた。
【００５１】
この窒化物半導体基板から、実施例１と同様に素子を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ハイドライド気相成長装置の構成を示す概略図である。
【図２】窒化物半導体の自立基板表面に存在する貫通ピットを拡大した写真である。
【符号の説明】
【００５３】
１  石英製の反応容器
２  石英製ボート
３  サファイア基板
４  カーボン製のホルダ
５  ハロゲンガスの供給管
６  ハイドライドガスの供給管
７  ＧａＮ結晶
８  貫通ピット
【図１】
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【図２】
2008162855.tif 000004