(57)【要約】　　　（修正有）【課題】そり、クラックのない厚膜のＩＩＩ族窒化物半導体基板を得ること。【解決手段】シリコン（Ｓｉ）基板１（ａ）の上面に膜厚０．２〜０．３μｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２、膜厚０．５μｍのＧａＮ層３を順に形成する（ｂ）。これを裏面から独立してＨＣｌガスエッチ可能なハライドＶＰＥ装置に設置し、９００℃にて、ＧａＮ層３上にハライド気相成長によりＧａＮ層１０をエピタキシャル成長しながら裏面からシリコン（Ｓｉ）基板１、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２、ＧａＮ層をガスエッチングにより除去する（ｃ）。膜厚約５０μｍのＧａＮ層１０を得て（ｄ）、１０５０℃にてＧａＮ層１０上にハライド気相成長によりＧａＮ層２０をエピタキシャル成長しながら裏面からＧａＮ層１０をガスエッチングにより除去する（ｅ）。最終的に、膜厚２００μｍのそり、クラックのないＧａＮ層２０から成る基板を得る。【選択図】　図１
2004107114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（Ｓｉ）基板に、バッファ層を形成して又は形成せずにハライド気相成長法により第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成する第１層形成工程と、
第１層形成工程の終了後又は第１層形成工程と重ねてシリコン基板を裏面からエッチングによりその略全部を除去するシリコン基板除去工程と、
シリコン基板除去工程の後、ハライド気相成長法により第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成する第２層形成工程とを有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記第２層形成工程の終了後又は第２層形成工程と重ねて第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の大部分を裏面からエッチングにより除去する第１層除去工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記第２層形成工程に先立って、前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層及び前記第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層のいずれよりもアルミニウム組成の高いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成するエッチングストッパ層形成工程を有し、
前記第１層除去工程においては、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を完全に除去するものであることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記第１層形成工程は１０００℃以下、前記第２層形成工程は１０００℃以上で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記第１層形成工程で形成する前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の膜厚は２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記バッファ層を形成するものであって、当該バッファ層は、アルミニウムを含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層である、又はアルミニウムを含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を少なくとも１層含む多層で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル成長基板として取扱可能な厚さのＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法に関する。ここでＩＩＩ族窒化物系化合物半導体とは、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのような２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮ（いずれも０＜ｘ＜１）のような３元系、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１，　０＜ｙ＜１，　０＜ｘ＋ｙ＜１）の４元系を包括した一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，　０≦ｙ≦１，　０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【０００２】
【従来の技術】
例えば一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，　０≦ｙ≦１，　０≦ｘ＋ｙ≦１）のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るためには基板が必要であるが、取扱可能な厚さのＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板は商業的には入手不可能である。このため安価なサファイア基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板その他の異種基板が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、安価な異種基板はＩＩＩ族窒化物系化合物半導体と格子定数が大きく異なる。そのためそれら異種基板にいわゆるバッファ層を形成したのちＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることが一般的である。しかし、このような場合でも、１０００℃以上の極めて高温でエピタキシャル成長を行ったのち室温に戻す際、異種基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数の違いから多大な熱応力が生じてしまう。即ち、例え高温の段階では良好なエピタキシャル成長を行ったとしても、室温に冷却する際に、異種基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の熱膨張係数が大きく違うことにより、異種基板内部及びＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層内部で結晶欠陥又は亀裂（クラック）が多数生じることとなる。
【０００４】
また、１０００℃付近にてエピタキシャル成長している最中でも、異種基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体との間には格子定数差により応力が発生している。この応力下でエピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、降温ののち裏面のシリコンをエッチング等により除去しても曲率半径５０ｃｍ程度のそりが生じたままとなってしまう。この曲率半径は、例えば直径５ｃｍの円盤状の基板においては、中心部に対する周縁部のそりの量は中心部の接平面に対して０．６ｍｍに達するものである。
【０００５】
更に、例えば基板がシリコン（Ｓｉ）の場合には、エピタキシャル成長の際、応力の発生がシリコンとＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の化学反応をも引き起こすことが本願発明者らにより見出されている。そこで本願発明者らは、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の結晶成長中に異種基板を裏面からエッチングにより除去することを着想し、出願した（特願２００１−１９１５５４）。本願はその後の検討により開発された、当該先願の改良発明にあたる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、シリコン（Ｓｉ）基板に、バッファ層を形成して又は形成せずにハライド気相成長法により第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成する第１層形成工程と、第１層形成工程の終了後又は第１層形成工程と重ねてシリコン基板を裏面からエッチングによりその略全部を除去するシリコン基板除去工程と、シリコン基板除去工程の後、ハライド気相成長法により第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成する第２層形成工程とを有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法である。ここで第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は同一組成であっても良く、組成が異なっても良く、また同一の不純物を同一濃度で含有しても良く、また異なっていても良い。また、バッファ層を形成する場合のバッファ層自体の形成方法は全く任意である。ここでバッファ層はいわゆる非晶質のものに限定されず、「下地層」程度の意味で用いる。ハライド気相成長法は、例えば単体のガリウム（Ｇａ）等を高温に保持して塩化水素（ＨＣｌ）を吹きつけ、塩化物（ＧａＣｌ、ＧａＣｌ３）を昇華させてエピタキシャル基板まで導くも　のである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、第２層形成工程の終了後又は第２層形成工程と重ねて第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の大部分を裏面からエッチングにより除去する第１層除去工程を更に有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、第２層形成工程に先立って、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層及び第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層のいずれよりもアルミニウム組成の高いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成するエッチングストッパ層形成工程を有し、第１層除去工程においては、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を完全に除去するものであることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、第１層形成工程は１０００℃以下、第２層形成工程は１０００℃以上で行うことを特徴とする。請求項５に記載の発明は、第１層形成工程で形成する第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の膜厚は１００μｍ以下であることを特徴とする。また、請求項６に記載の発明はバッファ層を形成するものであって、当該バッファ層は、アルミニウムを含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層である、又はアルミニウムを含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を少なくとも１層含む多層で形成することを特徴とする。
【００１０】
【作用及び発明の効果】
シリコン基板上面に第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長した後、裏面から当該シリコン基板をエッチングしていくことで、シリコン基板とエピタキシャル成長後に第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層との間の応力を緩和し、最終的には当該応力が実質的に存在しないようにすることができる。或いは、シリコン基板上面に第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長しながら裏面から当該シリコン基板をエッチングしていくことで、シリコン基板とエピタキシャル成長中の第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層との間の応力を抑制し、最終的には当該応力が実質的に存在しない形を形成することができる。このとき、シリコン基板をほとんど完全に除去した後に形成する、第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層に対する応力は、極めて小さいか、或いはほとんど無視できるほど小さいものとすることができる。こうして、第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層部分は膜厚を大きくしても、そりやクラックの生じない、独立したＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板として用いることができるものである（請求項１）。
【００１１】
第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長した後、又はそのエピタキシャル成長中に第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の大部分を裏面からエッチングにより除去すれば、シリコン基板との間で応力が生じて歪みのかかった第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を除去できるので、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板としては更に品質の高いものとすることができる（請求項２）。このとき、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に、それらのいずれよりもアルミニウム組成の高いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成すると、アルミニウム組成の高いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層はエッチングストッパ層として働く。これにより、裏面の凹凸が少ないＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板を得ることができる（請求項３）。
【００１２】
第１層形成工程は１０００℃以下、第２層形成工程は１０００℃以上で行うことが好ましく、更には第１層形成工程は８００〜９００℃で行うことが好ましい。第１層形成工程はシリコン基板が除去しきれていない状態であるので、応力によるシリコン基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間の化学反応を抑制するよう、可能な限り低い温度とすべきである。一方、第２層形成工程はシリコン基板がほとんど除去された後であるので、応力自体の発生が無いか、又は当該化学反応が起こらないほど極めて小さい。よって第２層形成工程においては、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるための最適条件をもってエピタキシャル成長することが好ましい（請求項４）。
【００１３】
第１層形成工程で形成する第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の膜厚は２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下とすることが好ましい。膜厚の下限値としては１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上である。膜厚が薄すぎるとエッチング中にワレが生じるからである。第１層形成工程はシリコン基板が除去しきれていない状態であるので、応力によるシリコン基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間の化学反応を抑制すべきであり、この点で第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を薄くしておくことで、応力の発生を抑制することができる（請求項５）。バッファ層を形成する場合、シリコン基板との相性からアルミニウムを含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を用いるか、それと他のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の複層とすることが好ましい（請求項６）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１５】
〔第１実施例〕
まず、洗浄し、予備加熱した（１１１）面を主面とするシリコン（Ｓｉ）基板１を用意した（図１の（ａ））。次にシリコン（Ｓｉ）基板１の上面にＭＯＣＶＤにより膜厚０．２〜０．３μｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２、膜厚０．５μｍのＧａＮ層３を順に形成する（図１の（ｂ））。このとき原料はトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、アンモニア（ＮＨ３）を用いた。本実施例ではＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２とＧａＮ層３がバッファ層（下地層）に相当する。
【００１６】
次に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２及びＧａＮ層３を形成したシリコン（Ｓｉ）基板１を裏面から独立してＨＣｌガスエッチ可能なハライドＶＰＥ装置に設置した。ハライドＶＰＥ装置のハライド気相成長側、ガスエッチング側とも温度を９００℃に設定した。こうして金属ガリウムと塩化水素により発生させるＧａＣｌとアンモニアにより、シリコン（Ｓｉ）基板１上面からＧａＮ層１０のハライド気相成長を９００℃で行いながら（第１層形成工程）、シリコン（Ｓｉ）基板１裏面を塩化水素でガスエッチングしていった（シリコン基板除去工程）（図１の（ｃ））。
【００１７】
シリコン（Ｓｉ）基板１を完全にガスエッチしたのちもガスエッチングを継続し、ＭＯＣＶＤにて形成したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２及びＧａＮ層３をも除去して、膜厚約５０μｍのＧａＮ層１０を得た（図１の（ｄ））。但し、ここで温度を下げたり、ハライドＶＰＥ装置から取り出すことはなかった。
【００１８】
次に、基板温度を１０５０℃に昇温して、金属ガリウムと塩化水素により発生させるＧａＣｌとアンモニアにより、ＧａＮ層１０の上面からＧａＮ層２０のハライド　気相成長を１０５０℃で行いながら（第２層形成工程）、ＧａＮ層１０を裏面から塩化水素でガスエッチングしていった（第１層除去工程）（図１の（ｅ））。最終的には、９００℃でハライド気相成長させたＧａＮ層１０は完全に除去し、１０５０℃でハライド気相成長させたＧａＮ層２０からなる基板を得た。１０５０℃でハライド気相成長させたＧａＮ層２０からなる基板の膜厚は２００μｍで、曲率半径は約５ｍであった。これは、直径５ｃｍの円盤状の基板に換算すると、中心部に対する周縁部のそりの量は中心部の接平面に対して０．０６ｍｍに過ぎないものであった。即ち、１０５０℃でハライド気相成長させたＧａＮ層２０からなる基板は、極めて平坦な、そりのほとんどない基板であった（図１の（ｆ））。
【００１９】
〔第２実施例〕
第１実施例で膜厚約５０μｍのＧａＮ層１０を得たのち（図１の（ｄ））、ＧａＮ層１０をエッチングしない他は第１実施例と同様に、基板温度を１０５０℃に昇温して、ＧａＮ層２０を膜厚２００μｍにエピタキシャル成長させた。ＧａＮ層１０及びＧａＮ層２０からなる膜厚２５０μｍの基板は、クラックのない、品質の優れた基板であった。
【００２０】
〔第３実施例〕
第１実施例で膜厚約５０μｍのＧａＮ層１０を得たのち（図２の（ａ）、図１の（ｄ）と同じ）、エッチングストッパ層として膜厚約１０μｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１５を形成した（図２の（ｂ））。こののち、第１実施例と同様に、ＧａＮ層１０の上面に形成したＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１５の上にＧａＮ層２０のハライド気相成長を１０５０℃で行いながら、ＧａＮ層１０を裏面から塩化水素でガスエッチングしていった（図２の（ｃ））。Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１５は一部残ったものの、ＧａＮ層１０は完全に除去し、１０５０℃でハライド気相成長させたＧａＮ層２０からなる基板を得た。ＧａＮ層２０からなる基板は、極めて平坦な、そりのほとんどない基板であり、且つ裏面の平坦度も良好であった（図２の（ｄ））。裏面の平坦度が良好となったのは、ＨＣｌエッチングに対してＧａＮよりもエッチング速度の遅いＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１５において、エッチング速度が一様に低下するため、ＧａＮ層１０におけるエッチングスピード不均一によって生じた凹凸が緩和されたためであった。
【００２１】
上記実施例では主としてＧａＮ基板を得るものを示したが、本願発明は任意組成のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法に適用できる。また、第２層形成工程で不純物を導入することも任意である。更に、第１層形成工程と第２層形成工程のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は組成を異なるものとしても良く、また不純物の添加又は不添加、添加する不純物の種類及び濃度は同一でも異なっていても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１の実施例に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法の工程図。
【図２】本発明の具体的な第３の実施例に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法の工程図の後半部分。
【符号の説明】
１　シリコン基板
１０　ＧａＮ層（第１層）
２０　ＧａＮ層（第２層）
１５　ＡｌＧａＮ層（エッチングストッパ層）
【図１】
2004107114.tif 000003
【図２】
2004107114.tif 000004