(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法であって、
（ａ）基板上に、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなり溝を備える第１の半導体膜を形成する工程と、
（ｂ）少なくとも前記第１の半導体膜の前記溝に接し、前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体とは異なる熱膨張係数を有する第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体膜を形成する工程と、
（ｃ）前記基板を冷却し、前記第２の半導体膜に対し前記第２の半導体膜の主面方向に沿ったクラックを発生させることにより前記第２の半導体膜を前記第１の半導体膜から分離する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（ａ）の工程は、
（ａ−１）前記基板上に、前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる膜を形成する工程と、
（ａ−２）前記膜の一部を除去することによって複数の溝を備える第１の半導体膜を形成する工程とを含む請求項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（ａ）の工程は、
（ａ−１）前記基板上に、前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる膜と絶縁膜とをこの順序で形成する工程と、
（ａ−２）前記膜の一部を除去することによって、複数の溝を備える第１の半導体膜を形成する工程とを含む請求項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４】
前記絶縁膜が、ＳｉＯ2およびＳｉ3Ｎ4から選ばれる少なくとも１つからなる請求項３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（ｂ）の工程ののちであって前記（ｃ）の工程の前に、前記絶縁膜を選択的に除去する工程をさらに含む請求項３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（ａ−２）の工程において、前記複数の溝をストライプ状に形成する請求項２〜５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記基板が（０００１）面サファイア基板であり、前記溝が［１１−２０］方向に形成されている請求項６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８】
前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の格子定数が前記第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の格子定数よりも小さい請求項１〜７のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体がＡｌXＧａ1-XＮ（ただし、０＜Ｘ≦１）であり、前記第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体がＧａＮである請求項１〜７のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記（ｃ）の工程は、前記基板を冷却したのち、さらに前記基板を加熱し冷却する工程を含む請求項１〜７のいずれかに記載の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、III族窒化物系化合物半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般式がＡｌXＧａ1-X-YＩｎYＮ（ただし、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１である）で表されるIII族窒化物系化合物半導体は、バンドギャップエネルギーを、１．９ｅＶ〜６．２ｅＶという広い範囲で変化させることができる。このため、III族窒化物系化合物半導体は、可視域から紫外域までをカバーする発光・受光デバイス用の半導体材料として有望である。
【０００３】
III族窒化物系化合物半導体デバイスを作製する際の基板として、大面積で良質なIII族窒化物系化合物半導体基板が求められている。これに対して、従来から、III族窒化物系化合物半導体基板を製造する方法が報告されている（たとえば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス第３７巻（１９９８年）Ｌ３０９ページ〜Ｌ３１２ページ、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．３７(１９９８)ｐｐ．Ｌ３０９-Ｌ３１２）。以下、図８を参照しながら、この従来の製造方法について説明する。
【０００４】
上記従来の製造方法では、まず、直径５．０８ｃｍ（２インチ）のサファイア基板１を有機金属気相エピタキシ装置（以下、ＭＯＶＰＥ装置という場合がある）内に配置する。そして、サファイア基板１上にＭＯＶＰＥ法によって、ＧａＮバッファ層２とＧａＮ層３とを順次形成する（図８（ａ））。以下、何らかの層が形成されたサファイア基板１をウェハと呼ぶ場合がある。
【０００５】
次に、ウェハをＭＯＶＰＥ装置から取り出す。そして、ＧａＮ層３の表面にＳｉＯ2膜４を形成し、さらにＳｉＯ2膜４に数μｍピッチでストライプ状の窓４ａを形成する（図８（ｂ））。
【０００６】
その後、ウェハを、ハイドライド気相エピタキシ（以下、ＨＶＰＥという場合がある）装置内に配置し、ＳｉＯ2膜４上にＧａＮ厚膜５ａ（膜厚約１００μｍ）を形成する（図８（ｃ））。
【０００７】
その後、ウェハをＨＶＰＥ装置から取り出す。最後に、サファイア基板１側からＧａＮ厚膜５ａに達するまでウェハを研磨することによって、膜厚約８０μｍ程度のＧａＮ基板５が得られる（図８（ｄ））。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、以下のような課題があった。
【０００９】
上記方法では、サファイア基板１とＧａＮ厚膜５ａとは、格子定数および熱膨張係数が異なるため、ＧａＮ厚膜５ａを結晶成長させたのちウェハの温度を室温に戻す過程で、サファイア基板１とＧａＮ厚膜５ａとの間に応力がかかる。このため、上記方法では、ウェハが反って、ＧａＮ厚膜５ａの主面に垂直な方向にクラックが生じたり、ＧａＮ厚膜５ａが部分的に剥離したりしていた。その結果、従来の方法で得られるＧａＮ基板５の大きさはせいぜい１ｃｍ角程度であり、サファイア基板１と同程度の大面積のＧａＮ基板５を歩留まり良く、かつ再現性良く得ることが困難であった。特に、上記従来の方法では、サファイア基板１−ＧａＮバッファ層２−ＧａＮ層３の間に応力が集中し、さらに、これらは互いに主面全体で密着しているため、無秩序にクラックが形成されるという問題があった。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を歩留まり良く、かつ再現性良く製造できるIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板の製造方法は、（ａ）基板上に、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなり溝を備える第１の半導体膜を形成する工程と、（ｂ）少なくとも前記第１の半導体膜の前記溝に接し、前記第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体とは異なる熱膨張係数を有する第２のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体膜を形成する工程と、（ｃ）前記基板を冷却し、前記第２の半導体膜に対し前記第２の半導体膜の主面方向に沿ったクラックを発生させることにより前記第２の半導体膜を前記第１の半導体膜から分離する工程とを有する。上記本発明の製造方法では、（ｃ）の工程において基板を冷却すると、第１の半導体膜の段差部分から、第２の半導体膜内であって第２の半導体膜の主面に平行な方向にクラックが生じる。このため、上記本発明の製造方法によれば、大面積のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体基板を歩留まり良く、かつ再現性良く製造できる。上記本発明の製造方法では、（ａ）の工程は、（ａ−１）基板上に、第１のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる膜を形成する工程と、（ａ−２）膜の一部を除去することによって複数の溝を備える第１の半導体膜を形成する工程とを含むことが好ましい。上記構成によれば、段差を備える第１の半導体膜を容易に形成できる。
【００１２】
また、上記本発明の製造方法では、（ａ）の工程は、（ａ−１）基板上に、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなる膜と絶縁膜とをこの順序で形成する工程と、（ａ−２）膜の一部を除去することによって、複数の溝を備える第１の半導体膜を形成する工程とを含むことが好ましい。上記構成によれば、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなる膜と絶縁膜との間、または絶縁膜と第２の半導体膜との間でクラックがより生じやすくなる。このため、上記構成によれば、特に大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を容易に製造できる。
【００１３】
上記本発明の製造方法では、絶縁膜が、ＳｉＯ2およびＳｉ3Ｎ4から選ばれる少なくとも１つからなることが好ましい。上記構成によれば、ＳｉＯ2やＳｉＮXとその表面に堆積されたIII族窒化物系化合物半導体とが材料および結晶構造において互いに異なるため、両者の界面に安定した化学結合が形成されず、第２の半導体膜の剥離が容易になる。
【００１４】
上記本発明の製造方法では、（ｂ）の工程ののちであって（ｃ）の工程の前に、絶縁膜を選択的に除去する工程をさらに含むことが好ましい。上記構成によれば、第１の半導体膜からIII族窒化物系化合物半導体基板を分離したときに、III族窒化物系化合物半導体基板上に絶縁膜が残らないため、III族窒化物系化合物半導体基板を歩留まりおよび生産性よく製造できる。
【００１５】
上記本発明の製造方法では、（ａ−２）の工程において、複数の溝をストライプ状に形成することが好ましい。上記構成によれば、特に大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を容易に製造できる。
【００１６】
上記本発明の製造方法では、基板が（０００１）面サファイア基板であり、溝が［１１−２０］方向に形成されていることが好ましい。上記構成によれば、結晶性が良好な第２の半導体膜を容易に形成できる。
【００１７】
上記本発明の製造方法では、第１のIII族窒化物系化合物半導体の格子定数が第２のIII族窒化物系化合物半導体の格子定数よりも小さいことが好ましい。上記構成によれば、第１の半導体膜に対して引っ張り歪が加わるため、特に大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を製造できる。
【００１８】
上記本発明の製造方法では、第１のIII族窒化物系化合物半導体がＡｌXＧａ1-XＮ（ただし、０＜Ｘ≦１）であり、第２のIII族窒化物系化合物半導体がＧａＮであることが好ましい。上記構成によれば、第１の半導体膜の格子定数を、第２の半導体膜の格子定数よりも小さくできる。
【００１９】
上記本発明の製造方法では、（ｃ）の工程は、基板を冷却したのち、さらに基板を加熱し冷却する工程を含むことが好ましい。上記構成によれば、クラックが確実に形成され、III族窒化物系化合物半導体基板を歩留まりよく製造できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら一例を説明する。
【００２１】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法について、工程図を図１に示す。なお、図１の断面図は、基板の一部のみを示している。
【００２２】
本発明の製造方法では、まず、基板１１上にIII族窒化物系化合物半導体からなるバッファ層１２と、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなる膜１３ａとをこの順序で形成する（図１（ａ））。基板１１には、たとえば、サファイア基板、炭化ケイ素基板、スピネル基板、シリコン、ガリウム砒素、インジウム燐などを用いることができる。具体的には、（０００１）面サファイア基板を用いることができる。（０００１）面サファイア基板を用いることによって、基板１１上にIII族窒化物系化合物半導体を容易に結晶成長させることができる。なお、基板１１の種類によってはバッファ層１２を省略することも可能である。また、バッファ層１２と膜１３ａとの間に、他のIII族窒化物系化合物半導体を積層してもよい。
【００２３】
次に、膜１３ａの一部を除去することによって、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなり段差を備える第１の半導体膜１３を形成する。膜１３ａの一部の除去は、ドライエッチングやウエットエッチングによって行うことができる。たとえば、図１（ｂ）に示すように、ストライプ状の溝１３ｂを形成することによって、段差１３ｃを備える第１の半導体膜１３を形成すればよい。図１（ｂ）の工程における第１の半導体膜１３の平面図を図２に示す。図２に示すように、複数の溝１３ｂは、略平行に形成されている。ストライプ状の溝１３ｂは、基板１１が（０００１）面サファイア基板からなる場合には、［１１−２０］方向に形成されることが好ましい。なお、「［１１−２０］方向」という表現の中の２の前にあるマイナスはバーを意味し、［１１−２０］は、
【００２４】
【数１】
0004231189.tif 000002
【００２５】
を表す。また、［１１−２０］方向とは、＜１１−２０＞方向ならびにそれと等価な方向すなわち＜１−２１０＞方向および＜−２１１０＞方向を表す。
【００２６】
溝１３ｂの拡大図を図３に示す。溝１３ｂの開口部の幅Ｗｏｐは、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。また、溝１３ｂの深さＤは０．５μｍ以上であることが好ましい。深さＤを０．５μｍ以上とすることによって、第２の半導体膜にかかる応力が大きくなり、III族窒化物系化合物半導体基板を剥離することが容易になる。また、溝１３ｂの中心と隣接する溝１３ｂの中心との距離（周期）Ｐと、幅Ｗｏｐとは、Ｐ≧０．５Ｗｏｐの関係を満たすことが好ましい。これによって、応力が加わる部分の体積が大きくなり、剥離を容易に行うことができる。また、溝１３ｂでは、開口部の幅Ｗｏｐが底の幅Ｗｂｔよりも大きいことが好ましい。なお、図３には、断面形状が順メサ型の溝を示したが、他の形状の段差を形成してもよい。たとえば、断面形状が逆メサ型の段差や側面が垂直な段差を形成してもよい。また、溝１３ｂは、ストライプ状ではなく格子状に形成してもよい。
【００２７】
次に、第１の半導体膜１３を覆うように、第２のIII族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体膜１４ａを第１の半導体膜１３上に形成する（図１（ｃ））。ここで、第２のIII族窒化物系化合物半導体は、第１のIII族窒化物系化合物半導体とは組成および熱膨張係数が異なる。なお、第２の半導体膜１４ａの形成は、基板１１を加熱しながら行われる。
【００２８】
最後に、第２の半導体膜１４ａが形成された基板１１を冷却し、第２の半導体膜１４ａを第１の半導体膜１３から分離し、III族窒化物系化合物半導体基板１４を得る（図１（ｄ）参照）。なお、図１（ｄ）に示すように、第２の半導体膜１４ａのうち溝１３ｂ内に形成された部分１５は、溝１３ｂ内に残る場合がある。このようにして、III族窒化物系化合物半導体基板を製造できる。なお、第２の半導体膜１４ａの分離を容易にするために、基板１１を冷却したのち、さらに加熱・冷却を繰り返してもよい。また、必要に応じて、III族窒化物系化合物半導体基板１４の裏面側（第１の半導体膜１３に接していた側）を研磨してもよい。III族窒化物系化合物半導体基板１４の裏面に第２の半導体膜１３の一部が付着しているような場合であっても、それらの膜は薄いため、研磨によって容易に除去できる。
【００２９】
上記工程において、第１のIII族窒化物系化合物半導体（第１の半導体膜１３）および第２のIII族窒化物系化合物半導体（第２の半導体膜１４ａ）には、それぞれ、組成がＡｌXＧａ1-X-YＩｎYＮ（ただし、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される化合物半導体を用いることができる。そして、上述したように、第１のIII族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とは、組成が異なり、熱膨張係数が異なる。なお、第２の半導体膜１４ａに不純物を添加し、ｐ形またはｎ形の半導体膜を形成してもよい。これによって、ｐ形またはｎ形のIII族窒化物系化合物半導体基板が得られる。
【００３０】
また、第１の半導体膜１３と第２の半導体膜１４ａとは、熱膨張係数が大きく異なることが好ましい。たとえば、ＧａＮからなる基板を製造する場合には、第２の半導体膜１４ａがＧａＮからなり、第１の半導体膜１３がＡｌXＧａ1-XＮ（ただし、０．１≦Ｘ≦０．３）からなることが好ましい。また、ＡｌXＧａ1-XＮ（ただし、０．１≦Ｘ≦０．２）からなる基板を製造する場合には、第２の半導体膜１４ａがＡｌXＧａ1-XＮ（ただし、０．１≦Ｘ≦０．２）からなり、第１の半導体膜１３がＧａＮからなることが好ましい。
【００３１】
また、第２の半導体膜１４ａは、厚さが２００μｍ以上であることが好ましい。厚さを２００μｍ以上とすることによって、第１の半導体膜１３と第２の半導体膜１４ａとの界面に応力を集中させることができるため、第２の半導体膜１４ａの剥離が容易になる。
【００３２】
上記工程において、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなる膜１３ａ、および第２の半導体膜１４ａは、たとえば、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法などによって形成することができる。
【００３３】
なお、本発明の製造方法では、以下の実施例で説明するように、第１の半導体膜１３と第２の半導体膜１４ａとの界面の一部に、絶縁膜を形成する工程をさらに含んでもよい。これによって、第２の半導体膜１４ａをさらに容易に剥離できる。絶縁膜には、たとえば、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、またはＡｌ2Ｏ3などを用いることができる。この場合には、第２の半導体膜１４ａを形成した後に、絶縁膜を選択的に除去する工程をさらに含んでもよい。絶縁膜を選択的に除去することよって、第２の半導体膜１４ａの剥離がさらに容易になる。
【００３４】
上記本発明の製造方法では、第１の半導体膜１３の熱膨張係数と第２の半導体膜１４ａの熱膨張係数とが異なり、第１の半導体膜１３には段差１３ｃが形成されている。したがって、段差１３ｃの部分から、第２の半導体膜１４ａの表面に平行にクラックが生じる。このため、本発明の製造方法によれば、大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を容易に製造できる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【００３６】
（実施例１）
実施例１では、本発明の製造方法によってIII族窒化物系化合物半導体基板を製造した一例について、図４を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、基板であるサファイア基板４１（直径５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ３００μｍ）を、リン酸と塩酸の混合溶液（９０℃に加熱）中で１５分間浸漬することによって、サファイア基板４１の表面をエッチングした。次に、サファイア基板４１を水洗して乾燥した。次に、サファイア基板４１をＭＯＶＰＥ装置に導入した。そして、１．０１３×１０-5Ｐａ（１気圧）の窒素雰囲気下で、サファイア基板４１を３０分間１０５０℃に加熱することによって、サファイア基板４１のサーマルクリーニングを行った。
【００３８】
次に、結晶成長温度（サファイア基板４１の温度）が５００℃の条件で、ＧａＮバッファ層４２（厚さ５０ｎｍ）をサファイア基板４１上にエピタキシャル成長させた。次に、結晶成長温度が１０００℃の条件で、ＧａＮ層４３とＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａとを、それぞれが１μｍの厚さになるようにエピタキシャル成長させた（図４（ａ））。結晶成長には、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料ガスとして用いた。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａが、図１の膜１３ａに対応する。以下、何らかの層が形成されたサファイア基板４１をウェハという。
【００３９】
次に、ウェハをＭＯＶＰＥ装置から取り出した。そして、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａの［１１−２０］方向に、複数の溝４４ｂ（開口部の幅Ｗｏｐが約５μｍ、深さＤが約０．８μｍ）をドライエッチングによって形成し、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４を形成した（図４（ｂ））。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４が第１の半導体膜１３に相当する。このとき、溝４４ｂによって段差４４ｃが形成された。溝４４ｂはストライプ状に形成し、隣接する溝４４ｂ間の距離Ｐ（図３参照）は、１０μｍとした。
【００４０】
その後、ウェハをハイドライド気相成長装置（以下、ＨＶＰＥ装置という場合がある）に導入し、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４上にＧａＮ膜４５ａ（厚さ２００μｍ）をエピタキシャル成長させた（図４（ｃ））。なお、ＧａＮとＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとは、表１に示すように、線熱膨張係数が異なる。
【００４１】
【表１】
0004231189.tif 000003
【００４２】
ＧａＮ膜４５ａの形成方法について以下に説明する。ＨＶＰＥ装置の一例について、断面図を図５に模式的に示す。なお、図５では、理解を容易にするため、部分的にハッチングを省略している。図５を参照して、ＨＶＰＥ装置は、石英製の反応炉５１と、反応炉５１の内部に配置されたサセプタ５２と、反応炉５１に取り付けられた窒素導入管５３ａ、アンモニア導入管５３ｂ、塩化水素導入管５３ｃおよび排気管５４と、塩化水素導入管５３ｃの先端に配置された原料室５５とを備える。原料室５５内には、原料（金属ガリウム）５６が入れられたトレー５７が配置されている。ＨＶＰＥ装置は、さらに、サセプタ５２に配置されるウェハ５２ａを加熱するための基板加熱ヒータ５８と、原料５６を加熱するための原料加熱ヒータ５９とを備える。なお、基板加熱ヒータ５８は、反応炉５１に対して平行にスライドできるようになっている。
【００４３】
ＧａＮ膜４５ａの結晶成長の方法について、以下に説明する。
【００４４】
まず、アンモニア導入管５３ｂおよび原料室５５に対向するようにサセプタ５２上にウェハを載置した。そして、窒素導入管５３ａから反応炉５１に窒素を導入し、反応炉５１内を１．０１３×１０-5Ｐａ（１気圧）の窒素雰囲気で満たした。
【００４５】
その後、基板加熱ヒータ５８および原料加熱ヒータ５９を用い、ウェハの温度を１０００℃、原料５６の温度を８００℃とした。そして、アンモニア導入管５３ｂからアンモニアを反応炉５１に導入した。また、塩化水素導入管５３ｃから塩化水素を原料室５５に導入し、原料室５５において原料５６の金属ガリウムと塩化水素とを反応させて塩化ガリウムを発生させた。
【００４６】
そして、反応室５１内に導入した塩化ガリウムとアンモニアとを原料ガスとして、ウェハ上にＧａＮ膜４５ａを結晶成長させた（図４（ｃ））。
【００４７】
その後、ＧａＮ膜４５ａとＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とを分離することによって、ＧａＮ基板４５を得た。具体的には、ＧａＮ膜４５ａを結晶成長させたのち、窒素雰囲気のＨＶＰＥ装置中で２０分間自然冷却することによって、ウェハの温度を室温まで下げ、ＧａＮ膜４５ａをＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４から分離した。最後に、分離されたＧａＮ基板４５をＨＶＰＥ装置より取り出した。このようにして、ＧａＮ基板４５を得た。このとき、ＧａＮ膜４５ａの一部４６が溝４４ｂ内に残った。
【００４８】
ＧａＮ膜４５ａに形成されるクラックの様子を見るために、ＧａＮ膜４５ａに代えて、膜厚が２μｍのＧａＮ層６１を結晶成長させたウェハを作製し、上記実施例１と同様の方法で冷却した。そして、このウェハを劈開し、劈開面を電子顕微鏡で観察して、ＧａＮ層６１内に生じた欠陥やクラックの様子を調べた。その結果を図６に模式的に示す。なお、図６では、ＧａＮ層６１のハッチングを省略する。
【００４９】
図６に示すように、ＧａＮ層６１内には、貫通転移６２とクラック６３とが形成されている。クラック６３は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に形成された段差部分４４ｃから溝４４ｂの中央方向に向かって、ＧａＮ層６１の主面に平行に形成されていた。このクラック６３は、（１）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とＧａＮ層６１とで熱膨張係数が異なること、（２）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの格子定数がＧａＮの格子定数よりも小さく、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に対して引っ張り歪が加わったこと、および（３）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に段差４４ｃが形成され、段差４４ｃの斜面上にもＧａＮが結晶成長したこと、のためであると考えられる。ＧａＮ膜４５ａの場合も、ＧａＮ層６１と同様に、段差４４ｃ部分から主面に平行にクラックが生じ、ＧａＮ膜４５ａが剥離しやすくなるものと考えられる。
【００５０】
実際に、実施例１においては、ウェハの約６０％の領域において、ＧａＮ膜４５ａの段差４４ｃの部分にクラックが生じ、ＧａＮ膜４５ａを分離することができた。その結果、直径約２．５４ｃｍ（約１インチ）のＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００５１】
以上のように、実施例１の製造方法では、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４の熱膨張係数とＧａＮ膜４５ａの熱膨張係数とが異なり、かつＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４には段差４４ｃが形成された。このため、ＧａＮ膜４５ａ中において、ＧａＮ膜４５ａの表面に対して平行に段差４４ｃからクラックが生じ、ＧａＮ厚膜４５ａを分離することができた。その結果面積の大きなＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００５２】
特に、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの格子定数はＧａＮの格子定数よりも小さく、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に対して引っ張り歪が加わるので、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とＧａＮ膜４５ａとの間においてクラックが生じやすくなり、大面積のＧａＮ膜４５ａを分離することができた。その結果、大面積のＧａＮ基板４５が得られた。
【００５３】
（実施例２）
実施例２では、本発明の製造方法によってIII族窒化物系化合物半導体基板を製造した他の一例について説明する。実施例２の製造方法では、実施例１の製造方法とは基板の冷却方法のみが異なるため、重複する説明は省略する。
【００５４】
図４（ａ）〜図４（ｃ）の工程を行い、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４上にＧａＮ膜４５ａ（厚さ２００μｍ）を結晶成長させた。その後、窒素雰囲気のＨＶＰＥ装置中で２０分間自然冷却することによって、ウェハの温度を室温まで下げた。その後、窒素雰囲気のＨＶＰＥ装置中で、３０分の時間をかけてウェハの温度を１０００℃まで上げた。１０００℃まで加熱したのち室温まで冷却する熱サイクルを５回繰り返すことによって、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４からＧａＮ膜４５ａを分離し、ＧａＮ基板４５を得た（図４（ｄ）参照）。最後に、分離されたＧａＮ基板４５をＨＶＰＥ装置より取り出した。このようにして、III族窒化物系化合物半導体基板を得た。
【００５５】
実施例２の製造方法では、実施例１の製造方法で得られる効果に加え、ＧａＮ基板を分離する際に熱サイクルを行うことによる効果が得られる。したがって、実施例２の製造方法では、実施例１よりも大面積のＧａＮ膜４５ａを分離することができ、大面積のＧａＮ基板を得ることができた。
【００５６】
実際、実施例２においては、ウェハの全面にわたって、段差４４ｃから溝４４ｂの中央部に向かって、ＧａＮ膜４５ａの表面に平行な方向にＧａＮ膜４５ａ内にクラックが生じ、ＧａＮ膜４５ａを分離することができた。その結果、直径が約５．０８ｃｍ（約２インチ）のＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００５７】
熱サイクルを行うことによって、より大面積のＧａＮ基板４５を分離することができるのは、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とＧａＮ膜４５ａとの界面に繰り返し応力が加わり、クラックがより生じやすくなったためであると考えられる。
【００５８】
（実施例３）
実施例３では、本発明の製造方法によってIII族窒化物系化合物半導体基板を製造したその他の一例について説明する。実施例３の製造方法は、実施例１の製造方法とは基板の冷却方法のみが異なるため、重複する説明は省略する。
【００５９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）の工程を行い、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４上にＧａＮ膜４５ａ（厚さ２００μｍ）を結晶成長させた。そして、ＧａＮ膜４５ａを結晶成長させた直後に、基板加熱ヒータ５８をスライドさせ、窒素ガスをウェハに吹き付けてウェハを急速（３分以内）に冷却し、ウェハの温度を室温まで下げた。この窒素ガスによる冷却によってＧａＮ膜４５ａを分離し、ＧａＮ基板４５を得た。そして、得られたＧａＮ基板４５をＨＶＰＥ装置より取り出した。
【００６０】
ウェハを冷却する際に基板加熱ヒータ５８をスライドさせたのは、基板加熱ヒータ５８が有する熱によって、ウェハの冷却に時間がかかるのを防止するためである。基板加熱ヒータ５８をスライドさせることによって、ウェハを室温まで急速に冷却することができた。
【００６１】
実施例３の製造方法では、実施例１の製造方法と同様の効果に加え、実施例１に比べてウェハをより急速に冷却する効果が得られる。したがって実施例３の製造方法では、より大面積のＧａＮ膜４５ａを分離することができ、その結果、より大面積のＧａＮ基板を得ることができた。
【００６２】
実際、実施例３においては、ウェハの全面にわたって、段差４４ｃから溝４４ｂの中央部に向かって、ＧａＮ膜４５ａの表面に平行な方向にＧａＮ膜４５ａ内にクラックが生じ、ＧａＮ膜４５ａを分離することができた。その結果、直径が約５．０８ｃｍ（約２インチ）のＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００６３】
実施例３の製造方法で大面積のＧａＮ基板が得られるのは、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とＧａＮ膜４５ａとの界面に応力が急速にかかり、クラックがより生じやすくなったためであると考えられる。
【００６４】
（実施例４）
実施例４では、本発明の製造方法によってIII族窒化物系化合物半導体基板を製造したその他の一例について図７を参照しながら説明する。実施例４の製造方法は、第１の半導体膜と第２の半導体膜との間に絶縁膜を形成する方法である。なお、実施例１と同様の部分については、重複する説明を省略する。
【００６５】
まず、（０００１）面サファイア基板４１（直径５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ３００μｍ）を用意し、実施例１と同様の方法で、洗浄、エッチング、およびサーマルクリーニングを行った。そして、実施例１と同様の方法で、サファイア基板４１上に、ＧａＮバッファ層４２（厚さ５０ｎｍ）、ＧａＮ層４３（厚さ１μｍ）、およびＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａ（厚さ１μｍ）を、順次結晶成長させた（図７（ａ））。
【００６６】
次に、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａが形成されたサファイア基板４１（以下、ウェハという場合がある）を、常圧ＣＶＤ装置内に配置した。そして、ＣＶＤ法によって、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａ上に、ＳｉＯ2膜７１（厚さ約０．３μｍ）を形成した。
【００６７】
その後、ウェハを常圧ＣＶＤ装置から取り出した。そして、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４ａの［１１−２０］方向に、幅Ｗｏｐが５μｍ、深さＤが０．８μｍ、距離（周期）Ｐが１０μｍの溝４４ｂをドライエッチングによって形成し、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４を形成した（図７（ｂ））。
【００６８】
さらに、実施例１と同様の方法で、膜厚２００μｍのＧａＮ膜４５ａを結晶成長させた（図７（ｃ））。なお、結晶成長温度は、実施例１と同様に１０００℃とした。
【００６９】
その後、Ｎ2雰囲気のＨＶＰＥ装置内で、２０分間ウェハを自然冷却し、ウェハの温度を室温まで下げ、ＧａＮ膜４５ａを分離した。最後に、分離されたＧａＮ基板４５をＨＶＰＥ装置より取り出し、ＧａＮ基板４５を得た（図７（ｄ））。
【００７０】
実施例４の製造方法では、（１）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４の熱膨張係数とＧａＮ膜４５ａの熱膨張係数とが異なり、（２）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に、溝型の段差４４ｃが形成されており、（３）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ４４上にＳｉＯ2膜７１が形成されている。
【００７１】
実施例４の製造方法では、ＳｉＯ2膜７１を用いているため、溝４４ｂ部分のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４からＳｉＯ2膜７１に回り込むように結晶が成長する。したがって、ＳｉＯ2膜７１とＧａＮ膜４５ａとの界面に結晶の歪みによる応力が加わり、この界面でクラックがさらに生じやすくなる。したがって、実施例４の製造方法によれば、より大面積のＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００７２】
実際、実施例４においては、ウェハの全面にわたって、段差４４ｃから溝４４ｂの中央部に向かって、ＧａＮ膜４５ａの表面に平行な方向にＧａＮ膜４５ａ内にクラックが生じ、ＧａＮ膜４５ａを分離することができた。その結果、直径が約５．０８ｃｍ（約２インチ）のＧａＮ基板４５を得ることができた。
【００７３】
なお、実施例４において、ＨＶＰＥ装置よりウェハを取り出した後に、ウェハを希フッ酸（体積比でＨ2Ｏ：ＨＦ＝１０：１）に３０分間浸漬し、ＳｉＯ2膜７１のみを選択的にエッチングしてもよい。そして、さらに熱サイクルを行い、ＧａＮ基板を分離してもよい。このようにすれば、ＧａＮ膜４５ａを分離する際に、ＧａＮ基板４５の表面にＳｉＯ2膜７１が残留しないので、面積の大きなＧａＮ基板４５をより歩留まり良く得ることができる。
【００７４】
また、実施例４の製造方法において、上記実施例と同様に、熱サイクルを行ったり、ウェハを急速に冷却してもよい。
【００７５】
また、ＳｉＯ2膜７１の代わりに、Ｓｉ3Ｎ4からなる膜を用いてもよい。
【００７６】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００７７】
たとえば、上記実施例では、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４に形成する溝４４ｂの深さＤを、ＧａＮ層４３に達しない深さである０．８μｍとした。しかし、深さＤを、ＧａＮ層４３に達する深さとしてもよく、サファイア基板４１が露出する深さとしてもよい。溝を形成することによってＧａＮ層４３またはサファイア基板４１が露出する場合でも、ＧａＮ膜４５ａの成長初期のガス流量や成長温度などの成長条件を最適化することによって、良好な結晶性を有するＧａＮ膜４５ａを得ることができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法は、第１のIII族窒化物系化合物半導体からなり段差を備える第１の半導体膜を形成する工程と、第１の半導体膜上に、第１のIII族窒化物系化合物半導体とは異なる熱膨張係数を有する第２のIII族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体膜を形成する工程と、基板を冷却し、第２の半導体膜を第１の半導体膜から分離する工程とを有する。したがって、本発明の製造方法によれば、大面積のIII族窒化物系化合物半導体基板を歩留まり良く、かつ再現性良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法について一例を示す工程図である。
【図２】  図１（ｂ）の工程における溝１３ｂの形状の一例を示す平面図である。
【図３】  溝１３ｂの形状の一例を示す断面図である。
【図４】  本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法について他の一例を示す工程図である。
【図５】  本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法に用いるＨＶＰＥ装置について一例を模式的に示す断面図である。
【図６】  Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４４とＧａＮ層７１との境界に生じるクラックの様子を模式的に示す図である。
【図７】  本発明のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法についてその他の一例を示す工程図である。
【図８】  従来のIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法について一例を示す工程図である。
【符号の説明】
１１  基板
１２  バッファ層
１３  第１の半導体膜
１３ａ  膜
１３ｂ、４４ｂ  溝
１３ｃ、４４ｃ  段差
１４ａ  第２の半導体膜
１４  III族窒化物系化合物半導体基板
４１  サファイア基板
４２  ＧａＮバッファ層
４３  ＧａＮ層
４４、４４ａ  Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
４５  ＧａＮ基板
４５ａ  ＧａＮ膜
６１  ＧａＮ層
６２  貫通転移
６３  クラック
７１  絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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