(57)【要約】【課題】厚膜層の成長過程で厚膜層にヒビやクラックが発生することを抑制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】基材２上に窒化物半導体からなる下地層を設けて下地基板３を形成し、下地基板３の下地層上に金属膜を形成した後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で下地基板３を熱処理することで、下地層中に空隙を形成すると共に金属膜に微細孔を形成し、その微細孔を形成した金属膜上に窒化物半導体を成長させて厚膜層５を形成した後、厚膜層５を下地基板３から剥離して窒化物半導体基板１を得る窒化物半導体基板の製造方法において、基材２として、窒化物半導体基板１の径よりも大きい径のものを用い、下地基板３の中央部で厚膜層５を成長させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に窒化物半導体からなる下地層を設けて下地基板を形成し、該下地基板の前記下地層上に金属膜を形成した後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で前記下地基板を熱処理することで、前記下地層中に空隙を形成すると共に前記金属膜に微細孔を形成し、その微細孔を形成した前記金属膜上に窒化物半導体を成長させて厚膜層を形成した後、前記厚膜層を前記下地基板から剥離して窒化物半導体基板を得る窒化物半導体基板の製造方法において、
前記基材として、前記窒化物半導体基板の径よりも大きい径のものを用い、
前記下地基板の中央部で前記厚膜層を成長させる
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】
前記金属膜の前記微細孔が均一に形成された領域内で、前記厚膜層を成長させる請求項１記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外〜青色の半導体レーザや短波長発光ダイオードなどのエピタキシャル成長に用いる窒化物半導体基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体成長用基板として既に世の中に広く普及しているＳｉ（シリコン）基板やＧａＡｓ（砒化ガリウム）基板は、主に引き上げ法によって融液からバルク結晶を成長させた大型のインゴットを切り出して作製され、これら基板は転位、欠陥が少なく安定的に生産されている。
【０００３】
一方、窒化物半導体基板は、シリコン基板や砒化ガリウム基板のような成長方法が困難なため、窒化物半導体を成長させるための基板としては、これまで、単結晶サファイア基板やＳｉＣ基板などが利用されてきた。
【０００４】
しかしながら、サファイア基板は窒化物半導体であるＧａＮなどとは大きく格子定数が異なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮを成長させたのではＧａＮの単結晶膜を得ることができない。このため、サファイア基板上にまず比較的低温でＡｌＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上にＧａＮを成長させる方法が考案されている。
【０００５】
この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、ＧａＮの単結晶のエピタキシャル成長は可能になったが、この方法でも、やはり基板と結晶の格子定数の大きなずれの悪影響から、成長後のＧａＮは無数の欠陥を有している。この欠陥は、ＧａＮ系レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を製作する上で性能と信頼性に大きな障害となることが予想される。
【０００６】
上記のような理由から、基板と結晶との格子のずれが生じないＧａＮ自立基板の出現が切望されている。例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、超高温高圧法、フラックス法等の種々の方法が試みられているが、中でも、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板の開発は最も進んでおり、市場への流通も始まり、窒化物半導体基板は青紫色レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の高出力化、高効率化の材料として注目されている。
【０００７】
ＧａＮ自立基板として最も実用化が進んでいるのが、下地基板上に転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピタキシャル成長させ、このＧａＮ厚膜層を下地基板から剥離してＧａＮ自立基板として用いる方法である。
【０００８】
具体的には、サファイア基板にＧａＮ下地層を形成した下地基板に、剥離のための中間層としてＴｉ膜を形成した後、水素ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気で加熱することにより、上記ＧａＮ下地層に空隙（ボイド）を形成すると共にＴｉ膜を微細孔を有するＴｉＮ膜とし、このＴｉＮ膜上にＧａＮ厚膜層を成長し、ＧａＮ厚膜層をサファイア基板から剥離して、反りが少なく且つ低欠陥のＧａＮ自立基板を作製する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−５５１４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２９０９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、従来の窒化物半導体基板の製造では、下地基板と呼ばれるものに窒化物半導体の厚膜成長を行い、その厚膜の窒化物半導体を剥離することで行われるが、下地基板の表面から見た端部分の品質が不安定であり、その影響を受け、厚膜成長過程において特に基板外周からヒビ、クラックが発生し、歩留りが下がる傾向がある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑み為されたものであり、厚膜成長過程でヒビやクラックが発生することを抑制可能な窒化物半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基材上に窒化物半導体からなる下地層を設けて下地基板を形成し、該下地基板の前記下地層上に金属膜を形成した後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で前記下地基板を熱処理することで、前記下地層中に空隙を形成すると共に前記金属膜に微細孔を形成し、その微細孔を形成した前記金属膜上に窒化物半導体を成長させて厚膜層を形成した後、前記厚膜層を前記下地基板から剥離して窒化物半導体基板を得る窒化物半導体基板の製造方法において、前記基材として、前記窒化物半導体基板の径よりも大きい径のものを用い、前記下地基板の中央部で前記厚膜層を成長させる窒化物半導体基板の製造方法である。
【００１３】
前記金属膜の前記微細孔が形成された領域内で、前記厚膜層を成長させるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、厚膜成長過程でヒビやクラックが発生することを抑制可能な窒化物半導体基板の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第一の実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明する図である。
【図２】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第二の実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１７】
図１及び図２は、本発明の実施の第一の形態及び第二の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明する図である。以下、窒化物半導体としてＧａＮを成長する場合を説明するが、窒化物半導体はこれに限定されるものではない。
【００１８】
まず、図１にしたがって本発明の第一の形態について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、基材としてのサファイア基板２を用意する。
【００１９】
サファイア基板２としては、製造する窒化物半導体基板１の径（外径加工を施す前の径、すなわち後述する厚膜層５の径）よりも大きい径のものを用いる。サファイア基板２の径をＤ、製造する窒化物半導体基板１の径をｄとすると、それらの比であるｄ／Ｄは、０．８９以下であることが望ましい。これは、比ｄ／Ｄを０．８９以下とすることにより、クラック発生割合を１５％以下とすることが可能になるためである。
【００２０】
その後、サファイア基板２上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）によりによりＧａＮからなる下地層を設けて下地基板を形成すると共に、該下地基板の下地層上に、真空蒸着法により金属膜（図１（ｂ））を形成し、その後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で下地基板３を熱処理する。なお、下地層や金属膜の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法や真空蒸着法に限定されるものではない。
【００２１】
本実施の形態では、金属膜としてＴｉ膜を形成し、水素ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気で熱処理することで、下地層中に空隙（ボイド）を形成すると共に、金属膜であるＴｉ膜に微細孔を形成して網目状のＴｉＮ膜（ＴｉＮナノネット）とした。図１（ｃ）における符号４は、金属膜におけるボイド発生領域（微細孔が均一に形成された領域）を示している。ボイド発生領域４の外側の領域、すなわち下地基板３の端部分の金属膜にも微細孔は形成されるが、この領域に形成される微細孔は不均一となるため、この不安定な部分を避けて厚膜層５を形成するために、下地基板３の径より小さい径が露出するように外周部にマスク６を形成する（図１（ｄ））。なお、金属膜に用いる金属材料や、熱処理の雰囲気はこれに限定されるものではない。
【００２２】
その後、図１（ｅ）に示すように、露出された金属膜上にＧａＮを成長させて厚膜層５を形成する。厚膜層５は例えばＨＶＰＥ法により形成することができる。厚膜層５は、下地基板３の中央部で、かつ金属膜の微細孔が均一に形成された領域内（ボイド発生領域４内）に形成される。
【００２３】
マスク６の形成幅によって、厚膜層５の径や厚膜層５を成長させる位置を調整するとよい。
【００２４】
厚膜層５を形成した後、図１（ｆ）に示すように、厚膜層５を下地基板３から剥離し、外径加工や、オリエンテーションフラット（ＯＦ）を形成する高精度ＯＦ加工、面取加工を施すと、窒化物半導体基板１であるＧａＮ自立基板が得られる。
【００２５】
本発明の第二の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を図２にしたがって説明する。
【００２６】
製造する窒化物半導体基板１の径より大きい径のサファイア基板２（図２（ａ））上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）によりＧａＮからなる下地層を設け下地基板を形成すると共に、該下地層上に、真空蒸着法により金属膜としてＴｉ膜を形成する（図２（ｂ））。
【００２７】
次いで、下地基板３に堆積した金属膜の外周にマスク６を形成し（図２（ｃ））、水素ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気で熱処理をして、下地層中にボイドが発生すると共に、金属膜であるＴｉ膜に微細孔が形成される（図２（ｄ））。下地基板３の外周にマスク６をはるのは、下地層の端部分の不安定な部分を避けて選択的に下地基板３の中心部分にボイドを形成するためである。
【００２８】
その後、ボイド発生領域４の外周に第二のマスク７を形成し（図２（ｅ））、ＨＶＰＥ法により、露出された部分にＧａＮ厚膜層５を成長させる（図２（ｆ））。成長したＧａＮ厚膜層５を下地基板３から剥離し、外径加工や高精度ＯＦ加工、面取り加工を施し、窒化物半導体基板１であるＧａＮ自立基板が得られる（図２（ｇ））。
【００２９】
なお、下地層や金属膜の形成方法、金属膜の材料、熱処理方法は上記に限定されるものではない。
【００３０】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体基板の製造方法では、基材２として、窒化物半導体基板１の径よりも大きい径のものを用い、下地基板３の中央部で厚膜層５を成長させるようにしている。
【００３１】
これにより、下地基板３の端部分、すなわち下地層や空隙の不安定な領域を避けて厚膜層５を成長させることが可能となり、厚膜層５の成長過程（厚膜成長過程）で歩留不良の大きな原因となる厚膜層５のヒビやクラックを大幅に抑制することが可能となる。
【００３２】
また、本発明では、金属膜の微細孔が均一に形成された領域（ボイド発生領域４）内で厚膜層５を成長させているため、厚膜層５のヒビやクラックをさらに抑制できる。
【００３３】
なお、本発明には、上述のような、所謂ボイド形成剥離法（Yuichi OSHIMA et al.、Japanese Journal of Applied Physics、Vol.42(2003)、pp.L1-L3）を好適に用いることができるが、これに限らず、ＭＯＨＶＰＥ法（有機金属塩化物気相成長法）や、ＭＯＣＶＤ法も採用することができる。
【００３４】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００３５】
直径５０．８ｍｍ（２インチ）の窒化物半導体基板１を得るため、まず直径６２ｍｍ（２．５インチ）のｃ面サファイア単結晶基板（サファイア基板２）を用意し（図１（ａ））、その上に有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて厚さ３００ｎｍのＧａＮ薄膜（下地層）を成長した。
【００３６】
ＧａＮ薄膜（下地層）を形成した後、真空蒸着器を用いてＴｉ薄膜（金属膜）を２０ｎｍ堆積した（図１（ｂ））。その後、アンモニア及び水素の混合雰囲気中において１０６０℃での熱処理を３０分施し、網目状のＴｉＮナノネットと、Ｔｉ／ＧａＮ界面に多数のボイドを発生させた（図１（ｃ））。
【００３７】
ボイドが形成された下地基板３上に、ボイド発生領域４より小さい径が露出されるように外周にマスク６を形成する。この場合は、ボイド発生領域４の中心部に直径５５ｍｍ程度が露出されるように外周にマスク６を形成し（図１（ｄ））、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）装置を用いて、厚さ３００μｍのＧａＮ厚膜（厚膜層５）を１０６０℃で成長した（図１（ｅ））。成長に用いた原料はＮＨ3とＧａＣｌである。また、供給ガス中のＧａＣｌ分圧、ＮＨ3分圧は、それぞれ、８×１０-3ａｔｍ（約０．８１ｋＰａ）、８×１０-2ａｔｍ（約８．１ｋＰａ）であった。成長は常圧で行い、キャリアガスとしてＮ2を用いた。
【００３８】
ボイド発生領域４の中心部に直径５５ｍｍ程度が露出されるように円周にマスク６を形成し、成長させたことで、ＧａＮ厚膜（厚膜層５）は選択的にボイドを発生させた部分に形成された。
【００３９】
このＧａＮ厚膜（厚膜層５）はＨＶＰＥ−ＧａＮ（厚膜層５）／Ｔｉ（金属膜）界面から容易に剥離し、外径加工、高精度ＯＦ加工、面取加工を行い、所望の直径である５０．８ｍｍ（２インチ）の窒化物半導体基板１を得ることができた（図１（ｆ））。
【００４０】
同様にして窒化物半導体基板１を２０枚作製し、クラックが発生する枚数を調査した。また、従来例として、ＧａＮ厚膜（厚膜層５）の直径と同じ直径のサファイア基板を用いて、窒化物半導体基板を２０枚作製し、クラックが発生する枚数を調べた。試験結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
なお、表１における「金属膜の空隙領域とサファイア基板の直径比」とは、すなわち、製造する窒化物半導体基板の直径（外径加工前の直径、すなわち厚膜層５の直径）ｄと、基材であるサファイア基板２の直径Ｄとの比ｄ／Ｄである。
【００４３】
表１に示すように、従来例では２０枚中１２枚にクラックが発生し、クラック発生割合が６０％と非常に高いが、本発明の実施例では、２０枚中３枚にクラックが発生し、クラック発生割合が１５％と、従来の１／４に抑制されていることが分かる。また、比ｄ／Ｄを０．８９以下とすることにより、クラック発生割合を１５％以下にできることが分かる。
【００４４】
このように、本発明によれば、従来よりもクラック発生割合を低くし、歩留りを向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  窒化物半導体基板
２  サファイア基板（基材）
３  下地基板（金属膜形成後）
４  ボイド発生領域
５  厚膜層
６  マスク
７  第二のマスク
【図１】
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【図２】
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