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特許6078620ダイヤモンド上の窒化ガリウム型ウェーハ並びに製造設備及び製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6078620
(24)【登録日】2017年1月20日
(45)【発行日】2017年2月8日
(54)【発明の名称】ダイヤモンド上の窒化ガリウム型ウェーハ並びに製造設備及び製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20170130BHJP
C30B 29/04 20060101ALI20170130BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20170130BHJP
H01L 29/778 20060101ALI20170130BHJP
H01L 29/812 20060101ALI20170130BHJP
H01L 21/02 20060101ALI20170130BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 D
C30B29/04 Q
H01L29/80 H
H01L21/02 C
【請求項の数】5
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2015-209822(P2015-209822)
(22)【出願日】2015年10月26日
(62)【分割の表示】特願2014-560054(P2014-560054)の分割
【原出願日】2013年2月28日
(65)【公開番号】特開2016-64979(P2016-64979A)
(43)【公開日】2016年4月28日
【審査請求日】2015年10月26日
(31)【優先権主張番号】61/604,979
(32)【優先日】2012年2月29日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】516286073
【氏名又は名称】アールエフエイチアイシー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100091214
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 進介
(72)【発明者】
【氏名】フランシス ダニエル
(72)【発明者】
【氏名】ナーサル−フェーイリ フィローズ
(72)【発明者】
【氏名】マシューズ クリストファー
(72)【発明者】
【氏名】ロウ フランク ヤンティス
(72)【発明者】
【氏名】ディダック クエンティン
(72)【発明者】
【氏名】ザイツェフ セルゲイ
(72)【発明者】
【氏名】エジェッカム フェリックス
【審査官】
今井 淳一
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０００−３４９２６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００６／０２６６２８０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２００８／０２９６５８６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｃ３０Ｂ ２９／３８
Ｈ０１Ｌ ２１／０２
Ｈ０１Ｌ ２１／３３８
Ｈ０１Ｌ ２９／７７８
Ｈ０１Ｌ ２９／８１２
Ｃ３０Ｂ ２９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
合成ダイヤモンド蒸着のために調製された基板であって、
（ａ）０．２ｍｍを超える厚さのシリコンウェーハと、
（ｂ）前記シリコンウェーハの上のガラスの層と、
（ｃ）前記ガラスの層の上の多結晶シリコンの層と、
（ｄ）前記多結晶シリコンの層の上の第１の窒化珪素層と、
（ｅ）前記第１の窒化珪素層の上の、窒化ガリウムの少なくとも１つの層を含む多層構造体層と、
（ｆ）前記多層構造体層の上の１００ｎｍ以下の厚さの第２の窒化珪素層とを有する、基板。
（ａ）０．２ｍｍを超える厚さのシリコンウェーハと、
（ｂ）前記シリコンウェーハの上のガラスの層と、
（ｃ）前記ガラスの層の上の多結晶シリコンの層と、
（ｄ）前記多結晶シリコンの層の上の第１の窒化珪素層と、
（ｅ）前記第１の窒化珪素層の上の、窒化ガリウムの少なくとも１つの層を含む多層構造体層と、
（ｆ）前記多層構造体層の上の１００ｎｍ以下の厚さの第２の窒化珪素層とを有する、基板。
【請求項2】
前記窒化ガリウム層は、前記第１の窒化珪素層に平行に且つこれに近接して位置するＧａに向いた表面を備えている、請求項１記載の基板。
【請求項3】
前記窒化ガリウム層の表面は、窒化ガリウムの無極性又は半極性表面である、請求項１又は２記載の基板。
【請求項4】
前記ガラスは、１０００℃を超える融点を有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の基板。
【請求項5】
前記第１の窒化珪素層は、インサイチュウ（in-situ）窒化珪素である、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高電力電子及び光電デバイス並びにこれらの熱管理（放熱設計）に関し、特に、合成ダイヤモンド膜及びウェーハと、ワイドギャップ半導体、特に窒化ガリウムを主成分とする電子及び光電デバイスとの一体化を含むデバイス及び構造体の作製方法に関し、かかる電子及び光電デバイスとしては、高電子移動度トランジスタ、高周波（ＲＦ）電子デバイス、発光ダイオード及びレーザが挙げられる。
【0002】
〔関連出願の説明〕本願は、２０１２年２月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／６０４，９７９号の優先権主張出願である。この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【0003】
半導体及び半導体回路における熱管理は、任意の製造可能な且つ費用効果の良い電子及び光電製品、例えば光発生及び電気信号増幅における重要な設計上の要素である。効率的な熱設計の目的は、かかる電子又は光電デバイスの動作温度を低くする一方で、性能（出力及び速度）及び信頼性を最大にすることにある。かかるデバイスの例は、マイクロ波トランジスタ、発光ダイオード及びレーザである。動作周波数、電力要件及び特定の用途に応じて、これらデバイスは、従来、シリコン、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）又は燐化インジウム（ＩｎＰ）上に作製されている。近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び他のワイドギャップ半導体がパワーエレクトロニクスと可視光発生オプトエレクトロニクスの両方について新たな選択肢として台頭した。窒化ガリウム材料系により、高電子移動度（高速動作に必要である）、高い破壊電圧（高電力に必要である）及びＧａＡｓ、ＩｎＰ又は珪素よりも高い熱伝導率を備え、かくして、高電力用途に用いられるのに適したマイクロ波トランジスタが得られる。ＧａＮは又、青色及び紫外線レーザ及び発光ダイオードの製造にも用いられる。ＧａＮ型電子及び光電デバイスは、高温性能（その広いバンドギャップ及び高い臨界電界による）にもかかわらず、ＧａＮの成長に通常用いられる基板の比較的低い熱伝導率に起因して性能の面で制約がある。この欠点は、大抵の場合、両方とも低い接合温度の恩恵を受ける冷却要件の緩和及びデバイス寿命の延びが極めて強く要望されている高電力マイクロ波及びミリメートル波トランジスタ及び増幅器において顕著である。同様な要望は、数マイクロメートル幅のレーザキャビティストライプが低熱伝導率材料を介して電力をチップ中に消費させる高電力青色及び紫外線レーザに示されている。
【0004】
周知のように、ダイヤモンドは、人に知られている最も熱伝導率の高い物質である。この理由で、半導体業界は、１９８０年代における化学気相成長による合成ダイヤモンドの商業化以来、熱管理の向上のためにダイヤモンドヒートシンク及びヒートスプレッダを採用している。というのは、最適熱管理の目的は、ダイヤモンドヒートスプレッダ又はダイヤモンド層を電子又は光電デバイス中の熱源に近接させることにある。これは、デバイスをダイヤモンドヒートスプレッダに取り付けられた薄いチップ上にデバイスを作製し、デバイスをダイヤモンド層で覆い、そしてより最近においては、デバイスエピ層をダイヤモンド上に移送することを意味している。
【0005】
ダイヤモンドウェーハは、次の３つの方法のうちの１つを利用して化学気相成長又は化学気相成長（ＣＶＤ）によって製造され、かかる３つの方法は、即ち、反応物を解離するエネルギーがマイクロ波源から生じるプラズマ促進ダイヤモンドＣＶＤ、ガスを解離するためのエネルギーがホットタングステンフィラメントから生じるホットフィラメント促進ダイヤモンドＣＶＤ及び高ＤＣ電圧を用いてイオンを加速する高電圧トーチである。
【0006】
ＣＶＤプロセスは、真空チャンバ内で実施され、この真空チャンバ内には、基板が設けられ、この基板の頂部上でダイヤモンドを成長させ、基板は、ダイヤモンドを基板の表面上に形成するのに必要な前駆ガスの分子を解離するのに必要なエネルギー源にさらされる。ダイヤモンドの化学気相成長に必要な前駆ガスは、水素（Ｈ2）で希釈された炭素源、典型的には、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、一酸化炭素（ＣＯ）及びアセチレン（Ｃ2Ｈ2）である。効率的なダイヤモンド堆積に必要なガスの組み合わせは、水素中の僅かな（数パーセントの）組成の炭素含有ガスを含み、反応を極めて僅かな割合の酸素（Ｏ2）で更に助けることができる。これら反応の際の好ましい炭素含有ガスは、メタンである。
【0007】
ダイヤモンドにＧａＮを被着させる技術及びその結果として得られるデバイス（米国特許第７，５９５，５０７号明細書に記載されている）は、ダイヤモンド基板に原子的に取り付けられたＧａＮエピ層を特徴とする構造体を必要としている。この技術により、窒化ガリウム（ＧａＮ）及びＧａＮ関連化合物に基づく最適熱導体（ダイヤモンド）と電子及び光電デバイスを結合することが可能である。窒化ガリウムデバイスは、その固有の高い臨界電界及び広いバンドギャップに起因して、高電力電気及び光電用途、例えば高電力ＲＦトランジスタ及び増幅器、電力管理デバイス（ショットキーダイオード及びスイッチングトランジスタ）並びに高電力青色及び紫外線レーザ又は発光ダイオードにとって好ましい。
【0008】
ＧａＮは、現在のところ、幾つかの互いに異なる基板、即ち、サファイア、シリコン、炭化珪素、窒化アルミニウム、単結晶ダイヤモンド及びＧａＮ基板上で成長させる。ＧａＮ基板を例外として、他の全ての材料は、ＧａＮ及びＡｌＧａＮの格子定数とは異なる格子定数を有する。ＧａＮ又はＡｌＧａＮ合金とは異なる格子定数で基板の頂部上に高品質ＡｌＧａＮ合金をエピタキシャル成長させるため、当業界においては、格子不整状態の基板の頂部上に層又は層の組み合わせを成長させることが慣例であり、その目的は、転位を終わらせると共に低い転位密度エピ層を生じさせ、このエピ層の頂部上に高品質活性層の成長が可能であるようにすることにある。格子不整基板の頂部上に直接成長させた層は、１つ又は複数の移行又は核生成層と通称されており、これら層は、任意の数の二元又は三元エピタキシャル層を含む場合がある。核生成層の次にバッファ層と呼ばれる適当に厚い窒化ガリウム層が形成され、この窒化ガリウム層は、低転位密度ＧａＮを達成すると共に活性層を高転位度の核生成層から距離を隔てるために追加される。バッファ層の頂面は、一般に、デバイス活性層の成長を可能にするほど十分低い転位密度を有する高品質材料を含む。電界効果で用いられるシリコン、炭化珪素及びサファイアエピウェーハ上に成長させるＧａＮ表面について達成可能な典型的な転位密度は、１０8ｃｍ／ｃｍ3〜１０10ｃｍ／ｃｍ3である場合がある。バイポーラデバイス、例えばバイポーラトランジスタ及び光電デバイスの効率的な動作に必要な欠陥密度は、１０6ｃｍ／ｃｍ3から１０8ｃｍ／ｃｍ3までの範囲にわたる。ＧａＮバッファ層は、活性エピ層構造の一部として必要とされる場合が多い。この用途の目的上、「移行層」という用語は、ネイティブ基板の頂部上に成長させた層の全てを意味し、これらは、（ａ）ネイティブ基板の格子定数をＧａＮの格子定数に変換し、（ｂ）高品質材料、即ち、頂部上に所望の活性層の成長を可能にするのに十分低い転位密度を達成するのに必要である。
【0009】
デバイス「活性層」という用語は、電子デバイス、例えば高周波数トランジスタ、高電圧スイッチ、ショットキーダイオード及び／又は光電デバイス、例えばレーザダイオード、発光ダイオード及びスーパールミネッセントダイオードの実現に必要な１つ又は複数のエピ層構造体を意味している。ＧａＮバッファ層は、活性層及び移行層内で機能を実行することができるので、移行層と活性層との間の境界は、バッファ層内のどこかの場所に位置する場合がある。その正確な存在場所は、物理的ではなく、機能的である場合があり、境界は、適正なデバイス機能実行に必要な層（活性層）をデバイス動作に必要ではない層（移行層）から分離する。
【0010】
図１（先行技術）に示された典型的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴのエピ層構造は、ネイティブ基板１の頂部に被着された多数のエピ層９を含む。エピ層９は、２つの基本的な部分、即ち、移行層８と活性層７に分けられる。移行層８は、少なくとも１つの層で構成されるが、典型的には、核生成層と呼ばれる場合の多いネイティブ基板１の頂部上に直接成長させた多数の二元及び三元化合物半導体エピタキシャル層２で構成され、かかる核生成層の次には、バッファ層３が存在する。ネイティブ基板１上に成長させたエピ層の品質は、成長が進展するにつれて且つ破線１７で示された或る程度の厚みのところで向上し、バッファ３の結晶品質（欠陥密度）は、活性層７の高結晶品質成長にとって十分になる。活性層７は、多数のエピタキシャル層を含み、これらエピタキシャル層の数、厚さ及び材料選択は、電子又は光学デバイスの特定の機能を実行するよう設計されると共に最適化される。活性層７の成長は、バッファ３の一部のところで始まると共に／或いはバッファ層３の一部の成長を含む。活性層が機能上、バッファ層の一部を含む理由は、ヘテロ接合のところの２ＤＥＧが広いバンドギャップ材料と狭いバンドギャップ材料の両方中に伸び、それ故、これがＧａＮ中に存在する（狭いバンドギャップ材料として、即ち、バッファの頂部のところに）からである。さらに、活性層は、他の特徴、例えば、活性層がバッファ中に伸びるようにするバックバリヤを含む場合がある。
【0011】
活性層の成長のためのテンプレートの提供とは別に、移行層が、一般に、デバイス動作において機能を実行することがないということに注目することが必要不可欠である。熱管理の観点から、核生成層２（移行層の一部）の存在は、デバイスの熱的性能にとって不利である。移行層内の多数の層境界、合金散乱及び転位に起因して、移行層は、一般に、これら層に垂直な熱流に対する相当大きなバリヤとなり、それ故に、デバイスの熱伝導性を制限する。
【0012】
活性層７は、典型的には、層構造体４の頂部上にバリヤ層６を有し、このバリヤ層は、当該技術分野において周知であるようにドレーンにより引き起こされるバリヤ低下を減少させるチャネル下のバリヤ（図示せず）を含む場合がある。バリヤ層６は、更に、これ又当該技術分野において知られているように二次元電子ガス２ＤＥＧ５中の電子移動度を向上させるようバリヤ層の頂部上に被着された数ナノメートル厚さのＧａＮの層及び／又はバリヤ層６の下に設けられたＡｌＮ中間層を更に含む場合がある。活性層７は、ＨＥＭＴの所望の電気的性能を実現するようＡｌＧａＮ若しくはＩｎＧａＮ半導体合金又はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ若しくは任意他の関連物質から成るのが良い。バッファは、移行層を電子ガス５から電気的に分離するのに必要であり、その厚さをこれがデバイス破壊電圧を向上させるために増大させるのが良い。図１に示されている例示のＨＥＭＴは又、符号１０（ソース）、符号１１（ゲート）及び符号１３（ドレーン）で示されたトランジスタへの接点を備える。ソース１０及びドレーン１３の接点は、典型的には、活性層７へのオーム接点をなし、ゲート１１は、活性層７に対してショットキー接点をなすことができる。加うるに、個々のＨＥＭＴを同一チップ上に一体的に集積された回路を形成するよう隔離トレンチ１２又は打ち込み（図示せず）を用いて同一ウェーハ又はチップ上の隣接のデバイスから隔離するのが良い。上述のこのトランジスタ及びデバイス改良例の動作は、公に入手できる文献、例えばリュディガー・キー（Rudiger Quay），「ガリウム・ナイトライド・エレクトロニクス（Gallium Nitride Electronics）」，スプリンガー（Springer），２００８年、ウメシュ・ケー・ミシュラ（Umesh K. Mishra），「セミコンダクタ・デバイス・フィジックス・アンド・デザイン（Semiconductor Device Physics and Design）」，スプリンガー（Springer），２００８年に記載されている。
【0013】
ＧａＮ系ＨＥＭＴは、ＧａＮ中の２ＤＥＧ内の高い電子密度及びほぼ同じ幾何学的形状のＧａＡｓデバイスよりも高い高ブレークダウン電界（これは、高い動作電流及び高い動作電圧をもたらす）により多くの高電力用途に用いられている。高電子移動度トランジスタにおける主要な熱発生は、デバイス表面の近くのゲートとドレーンとの間の領域１５で起こる。この領域では、高ドレーン電位で加速された電子のエネルギーをまず最初に電子−光子（フォノン）散乱により光学光子に変換し、次に、光子−光子散乱により音響光子に変換し、かかる音響光子は、熱を運ぶ（熱伝導性を有する）。従来、図１に示されたＨＥＭＴは、基板１の後部がヒートシンク上に載せた状態で設けられ、即ち、後部金属被覆１６は、ヒートシンク（図１には示されていない）に取り付けられる。トランジスタの活性層中で生じた熱は、ウェーハの裏側に拡散しなければならず、そしてヒートシンクによって裏側１６を通って奪い取られ、そして大気中で消散する。デバイスにより消費される電力が所与である場合、周囲温度に対する活性層の温度上昇は、熱抵抗として参照され、これは、活性層温度がデバイス性能及びその信頼性を定めるので、全ての電子デバイスにとって重要な設計上のパラメータである。高電力電子及び光電設計の目的は、任意のデバイスの熱抵抗を最小限に抑え、それにより温度の変化にもかかわらずこれらの信頼性及び性能を向上させることにある。
【0014】
図１に示されている例示の構造を備えた市販のＨＥＭＴの熱的性能は、活性層の直ぐ近くに位置する層の比較的低い熱伝導率、即ち、活性層７及び移行層８の熱伝導率で決まる。具体的に説明すると、移行層８の一部である核生成層２は、低い熱伝導率を示す三元化合物半導体合金から成る場合がある。最後に、基板１について商業的に用いられている材料は、低い熱伝導率を有し、これは、デバイス（例えば、サファイア、シリコン）の全体的に低い熱伝導率に一段と寄与する。これら材料及び構造に関する制限の結果として、従来型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ電界効果トランジスタは、熱的に制限されるが、その熱抵抗を幾分減少させることができれば良好に形成できる。以上要約すると、移行層及び基板の熱的性質、デバイスの性能を制限する。
【0015】
当業界では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴ及びこれに類似した高電力電子及び光電デバイスの熱的性能を向上させることが要望されている。この要望は、ウェーハボンディング及び／又はワイドギャップ材料の直接的成長によってワイドバンドギャップデバイス活性材料と熱伝導率の極めて高い基板を一体化する多くの研究に拍車をかけている。
【0016】
関連文献としては、熱的性能を向上させる目的でエピタキシャル層とダイヤモンド基板の接合を開示したシュランツ等（Schrantz, et al.）に付与された米国特許第５，６５０，６３９号明細書、薄い炭化珪素基板上にダイヤモンドを成長させ、オプションとして、この構造体上に活性層を成長させることを教示したサックスラー（Saxler）に付与された米国特許第７，０３３，９１２号明細書、半導体デバイスのための新規の基板の作製を教示しているレタートレ等（Letertre, et al.）に付与された米国特許第６，７９４，２７６号明細書及び合成ダイヤモンドを含む極めて高い熱伝導率の基板への完成状態のデバイス又はブランクＧａＮエピウェーハのウェーハボンディングを用いて電子デバイス、具体的にはＧａＮ・ＨＥＭＴの熱伝導性を向上させるための多くの方法を開示しているクブ（Kub）及びホバート（Hobart）に付与された米国特許第７，３５８，１５２号明細書が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0017】
【特許文献1】米国特許第７，５９５，５０７号明細書
【特許文献2】米国特許第５，６５０，６３９号明細書
【特許文献3】米国特許第７，０３３，９１２号明細書
【特許文献4】米国特許第６，７９４，２７６号明細書
【特許文献5】米国特許第７，３５８，１５２号明細書
【非特許文献】
【0018】
【非特許文献1】リュディガー・キー（Rudiger Quay），「ガリウム・ナイトライド・エレクトロニクス（Gallium Nitride Electronics）」，スプリンガー（Springer），２００８年
【非特許文献2】ウメシュ・ケー・ミシュラ（Umesh K. Mishra），「セミコンダクタ・デバイス・フィジックス・アンド・デザイン（Semiconductor Device Physics and Design）」，スプリンガー（Springer），２００８年
【発明の概要】
【0019】
本願は、ダイヤモンド上のＧａＮ型人工ウェーハ又は基板を形成し、標準の半導体処理技術を用いて電子又は光電デバイスをかかるウェーハ又は基板上に製造することができるようＧａＮとＣＶＤダイヤモンドを一体化する方法を開示する。人工ダイヤモンド上のＧａＮ型ウェーハを製造する開示対象のプロセスを高電子移動度トランジスタに利用されるものとして説明する。しかしながら、本明細書に開示する本発明は、他の電子及び光電デバイス、例えば、バイポーラトランジスタ、ショットキーダイオード、マイクロ波ダイオード、半導体レーザ、発光ダイオード及びスーパールミネッセントダイオードを用いて本発明の精神から逸脱することなく具体化できる。
【0020】
本発明は、ダイヤモンド上に成長させたワイドギャップ化合物半導体複合材基板の製造法に関し、この製造法では、ダイヤモンド層をワイドギャップ化合物半導体層の頂部上に被着させた誘電体層上で成長させる。特に、本発明は、ダイヤモンド上に成長させた窒化ガリウムの人工ウェーハの製造方法及び装置に関する。本発明は、更に、高電力マイクロ波トランジスタ、高電圧電界効果トランジスタ及びショットキーダイオードの熱管理に関する。
【0021】
本発明の目的は、低い熱抵抗に達するようＧａＮ系電子デバイスを改良することにある。本願は、ウェーハ及びデバイスの製造のための多くの好ましい方法を開示すると共に結果的に上述の改良が得られるエピ層構造体及びデバイス形態を含む多数の好ましいウェーハ及びデバイス構造体を開示する。提供される方法及び実施形態のうちの任意の１つは、性能の向上を達成するためにそれ自体で使用できると共に他の開示する実施形態と組み合わせて使用できる。
【0022】
用語ワイドギャップ半導体技術は、ワイドギャップ半導体を利用した電子及び光電デバイス並びに製造技術に関する。
【0023】
ワイドギャップ半導体は、（ａ）窒素（Ｎ）と元素の周期表から選択した少なくとも１つの第ＩＩＩ族元素（ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びタリウム）の結合を有する半導体及び（ｂ）炭素（Ｃ）と元素の周期表から選択した少なくとも１つの第ＩＶ族元素（炭素、珪素、ゲルマニウム、錫及び鉛）の結合を有する半導体を意味している。本願では、ワイドギャップは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）及びダイヤモンド（Ｃ）を意味するが、これらには限定されない。上述の物質（ａ）又は（ｂ）は、単結晶である。
【0024】
単結晶物質、ウェーハ又は層は、一結晶のものであり、即ち、並進対称を有する結晶のものであることを意味している。この用語は、結晶成長について一般的であり、エレクトロニクスに用いられる大抵の半導体に関する要件である。実際の半導体は、欠陥を有するが、欠陥密度は、並進対称がこれら物質の主要な電子的及び光学的性質を説明するのに十分であることを前提として十分に低い。
【0025】
多結晶材料は、様々に配向した結晶から成り又は２つ以上の結晶で構成されていることを意味している。
【0026】
非晶質（アモルファス）材料は、真の意味で又は見かけ上結晶形態ではない材料を意味している。
【0027】
合成材料は、人工的に作られた、即ち、天然ではない人工材料を意味し、合成ダイヤモンドは、人工ダイヤモンドを意味している。
【0028】
合成ダイヤモンドは、当該技術分野において知られている方法のうちの任意の１つによって作製された人工ダイヤモンドであり、かかる方法としては、高温高圧技術及び化学気相成長又は化学蒸着（ＣＶＤ）が挙げられるが、これらには限定されない。
【0029】
ＣＶＤダイヤモンドは、ホットフィラメント、マイクロ波プラズマ及び高電圧アーク化学気相成長プロセスを含むが、これらには限定されない。
【0030】
ボンディング又はウェーハボンディングは、２つの表面、通常、半導体表面を近接させて互いにしっかりとくっつき合うようにする技術である。ボンディングは、化学ボンディングにより又は接着剤を用いて達成できる。このプロセスは、半導体技術において常用されている。これについては、例えば、トン（Tong）及びゴセル（Gosele）の文献「セミコンダクタ・ウェーハ・ボンディング（Semiconductor Wafer Bonding）」，スプリンガー・バーラグ（Springer Verlag），１９８９年を参照されたい。
【0031】
半導体の反りは、ウェーハを図２に示すように平坦な表面上に置いたときのウェーハ上の任意の箇所の最大高さと最小高さの差であり、高さは、平坦な表面に垂直な方向に測定される。上に向いた表面が被測定表面である。
【0032】
ネイティブ基板は、頂部上に作業（working）エピ層を成長させる基板である。例えば、ＧａＮをサファイア上に成長させる場合、サファイアは、ネイティブ基板である。ＧａＮをＧａＮ基板上で成長させる場合、ネイティブ基板は、ＧａＮである。
【0033】
インサイチュウ（in-situ）は、自然の位置又は場所であることを意味している。半導体業界では、インサイチュウは、一般に、その他の点では必要不可欠なプロセス中の特定の仕事を実行することを意味し、この場合、この仕事は、このプロセスにとって必要不可欠ではなく、しかも、通常、同時には行われない。この用語の典型的な使用は、例えば、成長／堆積中における光学モニタ又はエピタキシャル若しくは薄膜成長を説明することにある。この場合、インサイチュウ光学モニタと呼ばれる。別の例では（更に、本願との関連において用いられる例では）、パッシベーション層は、通常、エピタキシャル層を成長させると共にウェーハを成長チャンバから取り出した後に電界効果トランジスタの表面に追加的に被着される。最近、窒化珪素パッシベーション層をエピ層の頂部上に同じ成長チャンバにある状態で堆積させる開発が行われた。この場合、インサイチュウ窒化珪素パッシベーションと呼ばれる。インサイチュウ窒化珪素パッシベーションの例が次の刊行物、即ち、「イン・サイチュ・ＳｉＮ・パッシベーション・オブ・ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴ・バイ・モレキュラ・ビーム・エピタキシ（In situ SiN passivation of AlGaN/GaN HEMTs by molecular beam epitaxy）」，エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters），第４８巻，第１４号，ｐ．７７９〜７８０及び「サーフェス・スタビライゼイション・フォア・ハイヤー・パフォーマンス・ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴ・ウィズ・イン−サイチュ・ＭＯＶＰＥ・ＳｉＮ（Surface Stabilization for Higher Performance AlGaN/GaN HEMT with in-situ MOVPE SiN）」，エム・アール・エス・プロシーディングス（MRS Proceedings），２００４年，第８３１巻，Ｅ６．７に報告されている。
【0034】
無極性又は半極性窒化ガリウム：六方晶窒化ガリウムのｃ平面は、窒化ガリウムを成長させる最もありふれた平面である。この表面は、有極性であり、結果的に得られるヘテロ接合は、互いに異なる窒化ガリウム系合金相互間のあらゆるインターフェースのところに一定の電荷分布状態を有する。窒化ガリウムも又、多くの他の結晶面上に成長させることができ、その結果、インターフェース電荷が減少し又はなくなる。これら平面は、半極性又は無極性平面と呼ばれる。
【0035】
移行層は、格子定数ｘ1及び格子構造Ｌ1を備えた半導体Ｓ1のネイティブ基板１の頂部上に成長させたエピタキシャル層であり、その目的は、ネイティブ基板１の頂部上への格子定数ｘ2及び格子構造Ｌ2を有する高品質半導体Ｓ2の成長を可能にすることにあり、この場合、ｘ1及びｘ2は、当該技術分野において周知であるようにｘ1上への直接的なＳ2の低転位密度成長を阻止するのに十分に互いに異なっている。格子構造Ｌ1，Ｌ2は、互いに異なっていても良く、そうでなくても良い。例えば、Ｌ1は、面心立方であるのが良く、Ｌ2は、六方晶であるのが良く、或いは、Ｌ1とＬ2の両方は、立方晶であるのが良い。転位密度をどれほど低くしなければならないかに関する要件は、作製されるべき電子又は光電デバイスのタイプ及びその性能によって定まる。移行層の正確な構造は、製造業者ごとに異なっており、本願の目的上、移行層は、活性層構造体を移行層の頂部上に成長させることができるよう所望の欠陥／転位密度を達成するのに必要な任意の且つ全ての層を意味している。本願の目的上、移行層は、核生成層（多くの三元及び／又は二元層）及び二元バッファ層の一部を含む。
【0036】
１枚又は複数枚のウェーハ：半導体で構成される典型的には丸いプレート、その頂部には、電子又は光電デバイスが作製され又は作製されることになる。
【0037】
人工ウェーハ（engineered wafer）は、多数の層を接合してウェーハを作製する前に製造される多数の層を含むウェーハである。
【0038】
真空チャンバ排気手段は、機械式ポンプ、ターボ分子ポンプ及び当該技術分野において知られているように真空チャンバ内に真空を引くことと関連して用いられる任意他のポンプを含む。
【0039】
チャック温度を維持する手段は、液体冷却を含む場合のあるウェーハの容量冷却及び当該技術分野において周知であるように液体温度及び液体流量を調節することによるチャック温度の制御を含む。
【0040】
チャック温度をモニタする手段は、高温計、熱電対又は開ループ制御を含む。開ループ制御は、結果的に或る特定のチャック温度が得られるよう較正研究から知られている電力でチャックを作動させることを含む。
【0041】
高融点金属は、熱及び摩耗に対して例外的に高い耐性を示す金属の等級である。最も一般的な定義としての高融点金属としては、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン及びレニウムが挙げられる。これら金属は全て、２０００℃を超える融点を有する。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】先行技術の高電子移動度トランジスタエピ層構造を示す図である。
【図2】反り測定の定義を示す図である。
【図3】ダイヤモンド上のＧａＮ型人工ウェーハを製造する好ましい方法を示すブロック図である。
【図4A】ウェーハ７００の部分の略図である。
【図4B】キャリヤウェーハ７２０を示す図である。
【図5A】ウェーハ７３０の部分の略図である。
【図5B】キャリヤウェーハ７４０を示す図である。
【図6】ダイヤモンド上のＧａＮ型ウェーハを製造するプロセスで用いられる例示のボンディングジグの図である。
【図7】いつでもダイヤモンド堆積が可能な状態のウェーハサンドイッチ７５０の要素の図である。
【図8】ダイヤモンド上のＧａＮ型人工ウェーハを製造するための好ましいプロセスにおいて用いられるダイヤモンド成長チャンバの要素の図である。
【図9】ウェーハ７６０のレーザトリミングを示す図である。
【図10】好ましいプロセスを用いて製造されたダイヤモンド上のＧａＮ型人工ウェーハ全体の一実施形態の図である。
【図11】好ましいプロセスを用いて製造されたダイヤモンド上のＧａＮ型人工ウェーハ全体の変形実施形態を示す図である。
【図12】ウェーハ７１０の部分を示す図であり、インサイチュウ窒化珪素を含む窒化ガリウムエピ層を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0043】
図３及び他の図に示されているブロック図の助けにより好ましい方法１００，２００について説明し、これらの図は、好ましいプロセスにより用いられ又は作製されるウェーハの構造を明らかにするために用いられる。方法１００では、提供されるウェーハは、図４Ａに例示的に示されている構造を有する「ネイティブ基板上のＧａＮ（GaN on NATIVE SUBSTRATE）」７００及び図４Ｂに例示的に示された構造を有する「キャリヤウェーハ（CARRIER WAFER）」７２０である。方法２００では、提供されるウェーハは、図１２に例示的に示されている構造を備えた「インサイチュウ窒化珪素を含むネイティブ基板上のＧａＮ（GaN on NATIVE SUBSTRATE with in-situ silicon nitride）」７１０及び図４Ｂに例示的に示されている構造を備えた「キャリヤウェーハ（CARRIER WAFER）」７２０である。これらの方法は、ステップ１０２の前で合体し、いずれかの方法について同一のステップを続行する。いずれの方法を用いても窒化珪素被膜７８０を含む人工ダイヤモンド上のＧａＮ型ウェーハ（「窒化物を含むワーキングウェーハ（WORKING WAFER w/ NITRIDE）」）。いずれの方法を用いても、図３の流れ図に示すように、窒化珪素被膜７７０を含まない人工のダイヤモンド上のＧａＮ型ウェーハを作製することができる（「窒化物を含まないワーキングウェーハ」（WORKING WAFER w/o NITRIDE））。換言すると、いずれの方法１００又は２００においても、ステップ１２０における窒化珪素の除去は、オプションである。これらの方法の選択は、インサイチュウ窒化珪素を含み又は含まない場合のあるネイティブ基板上のＧａＮのタイプの利用可能性によって決まる。かかる選択は、人工ウェーハの製造業者及び／又はこれらの方法の製品を用いたデバイスの製造業者の選択である。
【0044】
プロセスステップの順序は、明細書に記載されている順序及び図３に示されているブロック図によって与えられている。
【0045】
方法１００ステップ１０１「ネイティブ基板上のＧａＮを提供する」：方法１００では、ステップ１０１においてエピウェーハ７００を用意し、エピウェーハ７００は、ネイティブ基板及びネイティブ基板の頂部上に被着されたＧａＮエピ層を有する。ウェーハ７００の構造が図４Ａに示されている。ウェーハ７００は、ネイティブ基板７０１上に成長させたエピ層７０４を有する。エピ層７０４は、ネイティブ基板７０１の頂部上に被着された移行層７０８及び移行層７０８の頂部上に被着された活性層７０７から成る。活性層７０７は、バリヤ層７０６、二次元電子ガス７０５を有し、これら活性層は、オプションとして、後側バリヤ（図４Ａには示されていない）をオプションとして含むのが良く、又、これら活性層は、ＲＦ高電子移動度トランジスタの性能を向上させるよう当該技術分野において知られているオプションとしてのＡｌＮ界面層（図４Ａには示されていない）を含むのが良い。活性層中に含まれる物質としては、Ｇａ原子、Ａｌ原子、Ｉｎ原子、Ｂ原子及びＮ原子を含む任意の二元、三元、四元合金が挙げられるが、これらには限定されない。一実施形態では、活性層は、有極性窒化ガリウムを含む少なくとも１つの層を有し、活性層のガリウムを末端基とする表面は、表面７００Ａの近くに位置する。一実施形態では、活性層は、有極性窒化ガリウムから成り、活性層のガリウムを末端基とする表面は、表面７００Ａの近くに位置する。移行層７０８は、ネイティブ基板７０１に隣接して位置する核生成層７０２及び核生成層７０２の頂部上に被着されたバッファ層７０３の少なくとも一部で構成されている。バッファ層７０３は、好ましくは、ＧａＮで作られる。活性層７０７と移行層７０８との間の機能的境界７０９がバッファ７０３内に又はその縁のところに見える。一実施形態では、ウェーハ構造体７００は、当該技術分野において知られているようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを呈し、活性層は、ＧａフェースＧａＮ上に成長してある。本発明の一実施形態では、ネイティブ基板７０１は、珪素で作られている。明らかなこととして、ネイティブ基板７０１は又、本発明の精神から逸脱することなく、炭化珪素、サファイア及び窒化アルミニウムで作られても良い。本発明の一実施形態では、好ましい設計のウェーハ７００（設計７００には限定されない）がプロセス１００の出発材料として用意されている。
【0046】
エピウェーハ７００の頂面を表面７００Ａと称し、エピウェーハ７００の底面を表面７００Ｂと称する。
【0047】
ステップ１０１Ｂ「保護」：ウェーハ７００の頂面７００Ａを表面７００Ａの頂部上に被着させた窒化珪素から成る層８０４で被覆する。好ましくは、熱的化学気相成長を用いて窒化珪素層を被着させる。窒化珪素層の厚さは、好ましくは、５０ｎｍであるが、本発明の精神から逸脱することなくこれよりも厚い又は薄い膜（フィルム）を用いることができる。例えば、実験的に役に立つことが確認された窒化珪素の厚さは、２０ｎｍから２００ｎｍの範囲にわたる。今、被覆ウェーハ７００の頂面を表面８０４Ａと称する。
【0048】
ステップ１０１Ｃ「多結晶シリコン」：ウェーハ７００の頂面７００Ａを窒化珪素表面８０４Ａの頂部上に被着させた多結晶シリコンの層８０５で被覆する。多結晶シリコンの層８０５の厚さは、好ましくは１０００ｎｍであるが、１００ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さが可能である。熱的化学気相成長を利用して６００℃で多結晶シリコン層８０５を堆積させる。一実施形態では、多結晶シリコンステップは、ウェーハをプロセスチャンバから取り出すことなく、インサイチュウで保護ステップに続く。今、被覆ウェーハ７００の頂面を表面８０５Ａと称する。
【0049】
方法２００ステップ１０１「インサイチュウＳｉＮを含むネイティブ基板上のＧａＮを提供する」。方法２００では、ステップ１２２においてエピウェーハ７１０を用意し、エピウェーハ７１０は、ネイティブ基板、ネイティブ基板の頂部上に被着させたＧａＮエピ層及びＧａＮエピ層の頂部上にインサイチュウ被着させた窒化珪素層を有する。ウェーハ７１０の例示の構造が図１２に示されている。構造体７００の対応の層と同一の機能を有するウェーハ７１０を有する層について付けられた符号は、ウェーハ７００の符号と同一に保たれている。当業者には明らかなこととして、ウェーハ７００について用いられる特定のエピ層設計（層厚さ、組成及び層の個数）は、本発明の精神から逸脱することなく、ウェーハ７１０とは異なっていても良い。ウェーハ７１０は、ネイティブ基板７０１上に成長させたエピ層７０４及びエピ層７０４の頂部上にインサイチュウ成長させた窒化珪素層７１１を有する。エピ層７０４は、ネイティブ基板７０１の頂部上に被着させた移行層７０８及び移行層７０８の頂部上に被着させた活性層７０７を有する。活性層７０７は、バリヤ層７０６、二次元電子ガス７０５を有し、これら活性層は、オプションとして、後側バリヤ（図１２には示されていない）をオプションとして含むのが良く、又、これら活性層は、ＲＦ高電子移動度トランジスタの性能を向上させるよう当該技術分野において知られているオプションとしてのＡｌＮ界面層（図１２には示されていない）を含むのが良い。活性層中に含まれる物質としては、Ｇａ原子、Ａｌ原子、Ｉｎ原子、Ｂ原子及びＮ原子を含む任意の二元、三元、四元合金が挙げられるが、これらには限定されない。一実施形態では、活性層は、有極性窒化ガリウムを含む少なくとも１つの層を有し、活性層のガリウムを末端基とする表面は、表面７００Ａの近くに位置する。別の実施形態では、活性層７０７の結晶配列は、有極性、半極性又は無極性のうちの１つであって良い。移行層７０８は、ネイティブ基板７０１に隣接して位置する核生成層７０２及び核生成層７０２の頂部上に被着されたバッファ層７０３の少なくとも一部で構成されている。バッファ層７０３は、好ましくは、ＧａＮで作られる。活性層７０７と移行層７０８との間の機能的境界７０９がバッファ７０３内に又はその縁のところに見える。一実施形態では、ウェーハ構造体７００は、当該技術分野において知られているようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを呈し、活性層は、ＧａフェースＧａＮ上に成長してある。本発明の一実施形態では、ネイティブ基板７０１は、珪素で作られている。明らかなこととして、ネイティブ基板７０１は又、本発明の精神から逸脱することなく、炭化珪素、サファイア及び窒化アルミニウムで作られても良い。本発明の一実施形態では、好ましい設計のウェーハ７１０（設計７１０には限定されない）が方法２００の出発材料として用意される。ウェーハ７１０の頂面を表面８０４Ａと称し、エピウェーハ７１０の底面を表面７１０Ｂと称する。
【0050】
ステップ１０６「多結晶シリコン」：ウェーハ７１０の頂面８０４Ａを窒化珪素表面８０４Ａの頂部上に被着させた多結晶シリコンの層８０５で被覆する。多結晶シリコンの層８０５の厚さは、好ましくは１０００ｎｍであるが、１００ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さが可能である。熱的化学気相成長又は化学蒸着を利用して６００℃で多結晶シリコン層８０５を蒸着させる。今、被覆ウェーハ７００の頂面を表面８０５Ａと称する。
【0051】
方法１００及び方法２００に共通のステップ以下の説明において、ウェーハ７００を出発材料として用いて（方法１００）、ＧａＮ／ダイヤモンド人工ウェーハを製造する好ましい方法について説明する。方法２００を実施する場合、ウェーハ７００及び関連の表面７００Ａ，７００Ｂは、それぞれ、ウェーハ７１０及び関連の表面７１０Ａ，７１０Ｂで置き換えられるべきである。また、表面８０４Ａは、方法１００が実施される場合、窒化珪素層８０４の表面を意味し、表面８０４Ａは、方法２００が実施される場合、インサイチュウ窒化珪素層７１１の表面を意味し、いずれの場合においても、表面８０５Ａは、方法１００が用いられる場合又は方法２００が用いられる場合、ステップ１０１Ｃで被着させた多結晶シリコン層の表面である。
【0052】
ステップ１０２「反りの測定」：表面７００Ａを上に備えたウェーハ７００の反りを表面プロファイルメータ又はマイクロメータの使用により測定する。反りの記録値を第１の反り値と称する。１００ｍｍウェーハの第１の反りの代表的な値は、−４μｍ〜−１２μｍの負の値である。
【0053】
ステップ１０３「キャリヤウェーハ」：キャリヤウェーハ７２０を選択する（図４Ｂに示されている）。一実施形態では、ウェーハ７２０は、結晶方位（１００）又は（１１０）のシリコンウェーハである。ウェーハ７２０の少なくとも一方の面を研磨する。ウェーハ７２０の研磨面を表面７２０Ｂと称し、他方の面を表面７２０Ａと称する。
【0054】
ステップ１０４「反りの測定」：キャリヤウェーハ７２０の反りを表面７２０Ｂについて測定し、反りの値を第２の反り値と称する。キャリヤウェーハ７２０の第２の反りの代表的な値は、０μｍから＋１０μｍの範囲にわたる。
【0055】
ステップ１０５「反りを比較する」：後のステップでウェーハ７００に結合される適当なキャリヤウェーハ７２０を見出す目的で第１の反り値と第２の反り値を比較する。ウェーハ７００，７２０相互間の合致を受け入れるためには以下の２つの条件を同時に満たす必要がある。（ａ）第１の反り値が正であり且つ第２の反り値がゼロ又は負であるか反りの第２の値が負であり且つ第１の反り値がゼロ又は正であるかのいずれか、
（ｂ）第１の反り値と第２の反り値の差の絶対値が、ミリメートル単位のウェーハ直径を１００ｍｍで除算して得られる比の２乗を１０μｍに乗算して得られた値以下であること。数学的に表すと、｜ＢＯＷ1−ＢＯＷ2｜≦１０μｍ・（Ｄ／１００）2であり、この式において、ＢＯＷ1は、第１の反り値であり、ＢＯＷ2は、第２の反り値であり、Ｄは、ミリメートルで表したウェーハ直径である。（ａ）と（ｂ）の両方が満たされる場合、ウェーハ７２０はウェーハ７００と共に用いられ、ウェーハ７２０についてステップ１０８に進む。これらの２つの条件の両方が満たされなかった場合、ステップ１０３において新たなキャリヤウェーハ７２０を選択し、ステップ１０４，１０５を繰り返し実施し、ついには、反り条件が満たされ、選択したキャリヤウェーハ７２０をステップ１０８で使用することができるようにする。
【0056】
ステップ１０７及びステップ１０８「ガラスをスピンコーティングする」。ステップ１０７において、ウェーハ７００の表面８０５Ａをガラス８０６でスピンコーティングし、ステップ１０８において、ウェーハ７２０の表面７２０Ａを同じガラスで（符号８０７で示されている）且つ同一のプロセス条件下でスピンコーティングする。いったんコーテイングされると、ウェーハ７００は、図５Ａに示されているようにウェーハ７３０と呼ばれ、ウェーハ７２０は、図５Ｂに示されているようにウェーハ７４０と呼ばれる。次に、コーティングプロセス条件及びコツについて説明する。これら２つのステップ（ステップ１０７，１０８）は、順次又は同時に起こるのが良い。層８０６，８０７で用いられるガラスは、次の好ましい特性を有し、即ち、（ａ）ガラスの融点又は処理温度は、１０００℃であり又は１０００℃の±１０％以内であり、（ｂ）このガラスの線熱膨張率（ＣＴＥ）は、室温で、３ｐｐｍ／Ｋ〜６ｐｐｍ／Ｋである。これら仕様は、後のステップ１１０におけるウェーハの平面接着（flat adhesion）に必要であるとして示されている。好ましいプロセスで役に立つことが分かったかかるガラスの一例は、オハイオ州メイフィールドハイツ所在のフェロ・コーポレーション（Ferro Corporation）により製造されたフェロ・メタル・シーリング・ガラス（Ferro Metal Sealing glass）ＥＧ２８００である。１５秒間にわたって４，０００ｒｐｍでの従来型半導体ファンドリータイプスピナを用いてウェーハ７００とウェーハ７２０の両方を上述のガラスで被覆した結果として、３μｍのガラス厚さが得られる。次に、ガラス被覆ウェーハ７３０，７４０を５分間、１２０℃でホットプレート上で乾燥させ、次にウェーハの裏側（７２０Ａ，７００Ｂ）から過剰のガラスを除き、５分間、４００℃の別のホットプレートを利用する。最後に、両方のウェーハ７３０，７４０を炉内で７５０℃で３０分間かけて焼き、そして乾燥させる。今や、ウェーハ７３０のガラス被覆面を表面８０６Ａと称し、ウェーハ７４０のガラス被覆面を今や、表面８０７Ｂと称する。一実施形態では、ガラス厚さ全体（８０６に８０７を加えた厚さ）は、１００ｎｍ〜１０μｍである。
【0057】
ステップ１０９「ジグに加重する」：ウェーハ７３０，７４０が、ガラス被覆表面８０６Ａ，８０７Ｂを互いに触れ合わせて接触配置され、且つ高い温度及び軸方向圧力下でウェーハを互いに圧接して接合される。一実施形態では、ウェーハをボンディングジグ内に配置し、ボンディングジグにより、圧力をウェーハ７３０，７４０に加えてこれらウェーハが焼きなましステップ中、互いに対して圧接状態のままでいるようにすることができる。底部にウェーハ７３０を有し、頂部にウェーハ７４０を有するウェーハサンドイッチをウェーハサンドイッチ７２１と称し、これらウェーハサンドイッチ７２１の２つの露出した表面は、表面７２０Ａ，７００Ｂである。例示のボンディングジグが図６に示されている。図６の相対的寸法は、縮尺通りではなく、この図は、好ましいプロセスステップ１０９を首尾良く完了させるのに必要なジグの機能要素を示しているに過ぎない。
【0058】
ボンディングジグ２００は、少なくとも、ボンディングされるべきウェーハの支持体となるベース２０１、圧力を上から接合されるべきウェーハに及ぼすクロスバー２０２、２部品構成型傾斜高さ調節部材２０８及びドーム２０９を有し、ドーム２０９は、ウェーハの頂部に加えられる圧力がウェーハの中心に加えられ、そしてドームの下に位置するウェーハの表面全体に均等に分布されるようにする。
【0059】
ボンディングジグ２００の底部上に次の要素が次の順序で配置されており、即ち、少なくとも１枚のアルミナプレート２０３、第１の石英プレート２０４、第１のシリコンウェーハ２０５、表面７００Ｂが第１のシリコンウェーハ２０５に隣接して位置した状態のウェーハサンドイッチ７２１、第２のシリコンウェーハ２０６、第２の石英プレート２０７及び最後にこのスタックの頂部に位置するドーム２０９である。列記したウェーハ／プレートスタック（２０３，２０４，２０５，７２１，２０６，２０７）をウェーハ／プレートスタック２１０と称する。ドーム２０９を傾斜高さ調節部材２０８がクロスバー２０２に圧接することによって押し下げられる。ジグに室温で加重し、傾斜高さ調節部材を僅かな力がドーム２０９に及ぼされるように位置決めする。クロスバー２０２を加熱時にウェーハ／プレートスタック２１０が膨張する方向である上向きの運動にクロスバーが抵抗するような仕方でベース２０１に結合する。クロスバー２０２は、傾斜高さ調節部材２０８を動かしていったん圧力をウェーハ／プレートスタック２１０から除くと、容易に取り外せる。石英プレート２０４，２０７は、各々３ｍｍに等しいおおよその厚さを有し、ウェーハサンドイッチ７２１に向いた表面の反りは、８μｍ未満である。１枚又は複数枚のアルミナプレート２０３の全厚は、約５ｍｍである。第１及び第２のシリコンウェーハの厚さは、各々約５００μｍである。ウェーハ及びプレートの全ての直径は、少なくとも、ウェーハサンドイッチ７２１の直径とほぼ同じ大きさのものである。
【0060】
ボンディングジグの動作原理は次の通りである。ジグに室温で加重し、スタック２１０の一部であるウェーハサンドイッチ７２１にジグにより及ぼされる力を小さいが、ウェーハを定位置に保持するのに十分な力に設定する。温度が上昇すると、ジグ２０１（クロスバー２０２、ドーム２０９及び高さ調節部材を含む）及び加重されたウェーハ／プレートスタック２１０は、ウェーハサンドイッチ７２１に加わる力が増大するように互いに異なる速度で膨張する。アルミナ及びシリコン（珪素）は、石英よりも大きな熱膨張率を有し、それ故、ウェーハ／プレートスタック２１０は、ベース２０１、クロスバー２０２、ドーム２０９及び高さ調節部材２０８によってウェーハ／プレートスタックについて許容される寸法よりも大きく膨張する。このように、高い温度では、ジグは、力を及ぼしてウェーハサンドイッチ７２１を互いに押し付けてウェーハ７００，７２０相互間のスパンオン（spun-on）ガラス層８０６／８０７を用いてウェーハ７００，７２０のボンディングを実現する。ジグベース２０１、クロスバー２０２、２つの傾斜高さ調節部材２０８及びドーム２０９は、全て、好ましくはＣＴＥが約０．６ｐｐｍ／Ｋの石英で作られている。明らかなこととして、高ＣＴＥ材料としてのアルミナ又はシリコン及び低ＣＴＥ材料としての石英以外の材料組み合わせを用いても本発明の精神から逸脱することなく同一の機能を達成することができる。
【0061】
別の実施形態では、圧力及び高温プロフィールが当該技術分野において知られているように適当な装置を用いて別個独立に利用できる。一実施形態では、圧力は、高温プロセス前及び高温プロセス中に加えられるが、冷却中には除かれる（ほぼゼロに設定される）。
【0062】
ステップ１１０「ボンディングする」：ウェーハサンドイッチ７２１（スタック２１０の一部として）を備えたジグを炉中に装入し、そして加熱速度１０℃／分で１０００℃まで加熱し、ここで、２０分間（浸軟時間）浸軟させ、その後、加熱速度にほぼ等しい速度で冷却させる。ジグを取り出し、ウェーハサンドイッチ７２１を取り出す。ジグ２００が１０００℃でジグ内の直径１００ｍｍのウェーハサンドイッチ７２１に及ぼす力の好ましい値は、５０Ｎ以上且つ１５０Ｎ以下である。一実施形態では、浸軟時間は、５分から３０分までの範囲にわたる。
【0063】
ステップ１１１「ガラスをスピンコーティングする」：ウェーハサンドイッチ７２１の縁部を手動で又はロボットによりガラス８０６で被覆し、次に、ウェーハサンドイッチ７２１の表面７２０Ａを従来型半導体ファンドリータイプスピナにより４，０００ｒｐｍで１５秒間ガラス８０６でスピンコーティングする。この結果、表面７２０Ａ上に３μｍのガラス厚さが得られる。次に、ガラス被覆ウェーハ７２０をホットプレート上で１２０℃において５分間かけて乾燥させ、次にウェーハ表面７００Ｂから過剰のガラスを除き、別のホットプレートを４００℃で５分間使用する。最後に、ウェーハサンドイッチ７２１を炉内で７５０℃において３０分間焼いてポリマーを焼尽させる。
【0064】
ステップ１１２「アニールする」：ウェーハサンドイッチ７２１を炉内に装入し、そして１０℃／分の加熱速度で１０００℃まで加熱し、ここで、２０分間浸軟状態にし、その後、加熱速度にほぼ等しい速度で冷却する。ジグを取り出し、ウェーハサンドイッチ７２１を取り出す。
【0065】
ステップ１１３「ネイティブ基板を取り外す」：次に、ウェーハサンドイッチ７２１に基板除去ステップを施す。一実施形態では、最初に６μｍグリッドを用いてネイティブ基板７０１の１００μｍ残っている厚さまでの機械的研削を実施することによってウェーハ７００のシリコン部分７０１を核生成層７０２まで除去する。次に、薄くしたシリコン７０１の表面を２分間酸素プラズマに当ててクリーニングし、次にＳＦ６で１００ミリトル２９０Ｗ及び１７５Ｖ自己バイアスのプラズマエッチングを用いて残りの１００μｍのシリコンを除去する。シリコン層７０１をいったん除去し、そして核生成層７０２上でエッチングを停止させると、自己バイアス電圧は、一般に、数ボルトだけ上昇する。代表的なエッチング速度は、１μｍ／分であり、エッチングは、約９０分間続く。核生成層７０２の露出面を高温アセトンでクリーニングする。一実施形態では、ステップ１１４は、バッファ層７０３の一部の除去を含む。別の実施形態では、ネイティブ基板全体をプラズマエッチングにより除去する。シリコン基板をエッチング停止部まで除去するには当該技術分野において知られている多くの手法が存在し、これらのうちの任意の１つをこのステップに利用するのが良く、これは、本発明の精神から逸脱しない。
【0066】
ステップ１１４「核生成層を除去する」：このステップでは、核生成層７０８を除去する。一実施形態では、次に、ウェーハサンドイッチ７２１に１２０℃の高温硫酸中で１３リットルのＨ2ＳＯ4及び０．２リットルのＨ2Ｏ2を用いてウェットエッチングを施す。このステップは、代表的なエッチング速度５００ｎｍ／時でＡｌＧａＮ核生成層を除去する。このエッチングの終わりでは、表面７００Ｂは、今や、ＧａＮバッファ層７０３である。一実施形態では、ステップ１１４は、バッファ層７０３の一部、好ましくは核生成層７０２と機能的境界７０９との間のバッファ層７０３の一部の除去を更に含み、材料品質は、この機能的境界７０９を超えると、高くなる（欠陥密度が低い）。一実施形態では、核生成層をドライエッチングにより除去する。さらに別の実施形態では、ドライエッチングとウェットエッチングの組み合わせによって核生成層を除去する。露出状態で残っているＧａＮバッファ７０３の表面を表面７０３Ｂと称する。
【0067】
ステップ１１５「ダイヤモンド核生成層を堆積させる」：次に、ＧａＮバッファ層７０３Ｂの露出面を炉内において６００℃で高温窒化珪素８０１で被覆する。代表的な成長速度は、約５ｎｍ／分であり、時間を所望の厚さに合わせて調節する。代表的な厚さは、１０ｎｍから６０ｎｍの範囲にわたる。堆積した窒化珪素８０１は、非晶質であるが、多結晶であっても良い。窒化珪素８０１の露出面を表面８０１Ｂとは呼ばず、ウェーハは、この段階では、ウェーハサンドイッチ７５０と呼ばれる。
【0068】
ステップ１１５の終わりに、ダイヤモンド堆積のために調製されたウェーハサンドイッチ７５０の構造が図７に例示的に示されている。ウェーハサンドイッチ７５０は、次の層、即ち、元の成長させたままのウェーハ７００（図４Ａ）中に存在する活性層７０７、活性層７０７の頂部上にステップ１０６で被着された窒化珪素の層８０４、多結晶シリコン層８０５の頂部上にステップ１０７及びステップ１０８で被着させたガラス８０６，８０７、ステップ１０９で取り付けられたキャリヤウェーハ７２０及びステップ１１５で被着された活性層の頂部上の窒化珪素層８０１を有する。窒化珪素層８０１の露出面を新たな表面８０１Ｂと称し、ガラス８０８の残りの露出面を依然として表面８０８Ａと称する。活性層７０７の構造は、ウェーハ７００の場合と同じままであり、即ち、活性層７０７は、ＧａＮバッファ層７０３、二次元電子ガス７０５及びＡｌＧａＮバリヤ７０６を有する。
【0069】
一実施形態では、ダイヤモンド堆積のために調製された基板は、シリコンウェーハ、シリコンウェーハの頂部上に被着されたガラスの層、このガラスの層の頂部上に被着された多結晶シリコン層、この多結晶シリコン層の頂部上に被着された第１の窒化珪素層、多結晶シリコン層の頂部上に被着された窒化ガリウムで作られた少なくとも１つの層を含む多層構造体層、多層構造体層の頂部上に被着された厚さ１０ｎｍ〜１００ｎｍの第２の窒化珪素層を有し、第２の窒化珪素層は、非晶質である。一実施形態では、シリコンウェーハは、０．２ミリメートルを超える厚さを有する。さらに別の実施形態では、ガラスの層は、０．１マイクロメートル〜１０マイクロメートルの厚さを有する。さらに別の実施形態では、ガラスの層は、少なくとも１０００℃の融点を有する。さらに別の実施形態では、多結晶シリコンの層は、０．１〜２マイクロメートルの厚さを有する。別の実施形態では、第１の窒化珪素層は、インサイチュウ窒化珪素である。さらに別の実施形態では、第２の窒化珪素層は、１０ナノメートル〜１００ナノメートルの厚さを有する。別の実施形態では、少なくとも１つの窒化ガリウム層は、半極性又は無極性窒化ガリウムである。さらに別の実施形態では、多層構造体層は、ガリウムを末端基とする窒化ガリウムから成る表面を有し、この表面は、第１の窒化珪素に隣接して位置する。
【0070】
ステップ１１６「ダイヤモンドを堆積させる」：ウェーハサンドイッチ７５０の表面８０１Ｂをダイヤモンド成長のために調製する。一実施形態では、まず最初に、ダイヤモンドグリッド装填布を用いて５０ｍｍウェーハについて９分間又は１００ｍｍウェーハについて１４分間乾式スクラッチにより表面８０１Ａに１００ｎｍダイヤモンドグリッドをシードする。別の実施形態では、振動シーディングを利用することにより大きな布を用いてスクラッチングのためにウェーハを敷く。さらに別の実施形態では、超音波浴エタノール、メタノール又はイソプロパノールと共に同じグリッドを用いることによってウェーハをウェットスクラッチする。ダイヤモンド成長のために表面をシーディングするプロセスは、ダイヤモンド成長技術では周知のプロセスである。
【0071】
次に、シーディングされたウェーハサンドイッチ７５０をダイヤモンド成長チャンバ内に装入し、ダイヤモンド層を化学気相成長によって表面８０１Ｂの頂部上に成長させる。
【0072】
図８に例示的に示されているように、ＣＶＤダイヤモンドチャンバは、（ａ）真空チャンバ９０１を有し、（ｂ）能動的に冷却されるたらい又は深皿９１１の頂部上で能動的に又は容量的に温度制御されるよう作動的に構成されたチャック９０２を有し、（ｃ）所与の直径のウェーハ９０５を保持する表面９０３Ａを備えたモリブデンディスク９０３を有し、このモリブデンディスク９０３は、チャック９０２とウェーハ９０５との間に配置され、このモリブデンディスク９０３は、ウェーハ９０５に垂直な軸線９０４に沿って回転するよう作動的に構成されており、（ｄ）モリブデンディスク９０３の上方でフィラメント接点９１１相互間で引き伸ばされた直線一次元アレイの状態に配列された多数本のフィラメント９０６を有し、フィラメント９０６のこのアレイは、表面９０３Ａに平行であり、多数本のフィラメント９０６は、表面９０３Ａから２５ｍｍ以下の距離だけ間隔を置いて位置している。一実施形態では、多数本のフィラメント９０６は、ウェーハ表面から４ｍｍ以上の距離だけ間隔を置いて位置している。真空チャンバ９０１は、反応ガス９０８を真空チャンバ９０１に提供するよう当該技術分野において知られている管及びマニホルド９０７を用いて作動的に構成されており、反応ガス９０８は、少なくとも１種類の炭素含有ガス及び水素を含む。一実施形態では、炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ4）である。反応ガスは、酸素を含むのが良い。真空チャンバ９０１は、真空ポンプ（図８の出口９１０のところに配置されている）を更に備え、この真空チャンバは、１００トル未満の圧力を含む圧力範囲で作動するよう作動的に構成されている。一定のポンプ速度を維持すると共にガス流を調節することにより、或いは、真空チャンバ９０１からの出口９０９のところの流量制御値を制御することによって圧力制御を実施するのが良い。一実施形態では、フィラメントは、高融点金属で作られる。さらに別の実施形態では、フィラメントは、タングステンで作られる。チャックは、モリブデンディスクの表面が８００℃又は８００℃未満の温度に維持されるよう冷却される。真空チャンバ９０１の壁は、水冷式である。
【0073】
プロセスは、（ａ）表面８０８Ａがモリブデンディスク９０３に向いた状態でウェーハサンドイッチ７５０を配置することによりウェーハをチャンバ内に装入するステップを含み、（ｂ）ウェーハサンドイッチ７５０の上方に引き伸ばされた状態で且つウェーハ表面に平行な直線一次元アレイをなして配列された多数本のフィラメントを用意するステップを含み、多数本のフィラメントは、ウェーハ表面から４ｍｍ以上の距離だけ間隔を置いて位置し、（ｃ）反応ガスをチャンバに提供するステップを含み、反応ガスは、チャンバ圧力を１００トル未満に調節するのに十分な流量で少なくとも１種類の炭素含有ガス及び水素を含み、（ｄ）電力を多数本のフィラメントに供給するステップを含み、電力は、少なくとも３ｋＷであり、（ｅ）所定厚さのダイヤモンドを成長させるのに十分な時間の間成長条件を維持するステップを含む。
【0074】
一実施形態では、ウェーハサイズは、約１００ｍｍであり、ダイヤモンド層の厚さは、１００μｍ±２０μｍであるが、２０μｍから３００μｍの範囲にわたる場合がある。構造体全体が図９に示されており、符号７６０で示されている。ダイヤモンド層は、符号７２３で示され、その最後の成長面は、符号７２３Ｂで示されている。
【0075】
ステップ１１７「反りを測定する」：真空チャンバ９０１から取り出すと、ウェーハサンドイッチ７６０の反りの第３の値を表面７２３Ｂを上にした状態で測定する。反りは、凸状であるはずである（中心が縁よりも高く、即ち、第３の反り値は、正である）。一実施形態では、第３の反り値は、１００μｍ厚さのダイヤモンド層７２３を含む約１００ｍｍ直径ウェーハ７５０及び６５０μｍの公称厚さを有するウェーハ７５０について１ｍｍ未満である。この条件の結果は、後のステップ１２０においてウェーハ７７０全体について小さな反りである。別の実施形態では、第３の反りは、厚さ１００μｍダイヤモンドを含む１００ｍｍウェーハサンドイッチ７５０について６５０μｍ〜９５０μｍである。ステップ１２０において平坦なＧａＮ／ダイヤモンド人工ウェーハ７７０，７８０を達成する際の重要な要件は、ウェーハサンドイッチ７６０の第３の反りが凸状であり且つ所定の値に制限されていることである。
【0076】
ステップ１１８「レーザトリミング」：図９に例示的に示されたダイヤモンド被覆ウェーハ７５０は、ダイヤモンドの層７２３で被覆されたウェーハサンドイッチ７５０で構成されている。ウェーハサンドイッチ７５０の縁部は又、符号７５１で示されているようにダイヤモンドで部分的に被覆されている。次に、ウェーハ７５０をトリミングして破線７５５で示された位置にあるダイヤモンドで被覆されている縁部を除去する。レーザトリミング７５５相互間の距離は、ウェーハサンドイッチ７５０の直径よりも代表的には全体として１ｍｍだけ僅かに小さい。
【0077】
ステップ１１９「キャリヤウェーハを除去する」：湿式化学処理を用いて両方ともウェーハサンドイッチ７５０の一部であるガラス８０８で被覆されたキャリヤウェーハ７２０の表面８０８Ａを除去する。まず最初に、ガラス８０８を１分間ＨＦにさらし、混合物ＣＨ3ＣＯＯＨ：ＨＮＯ3：ＨＦ（体積で２：２：１）を含むピラニア（Piranha）エッチングを用いてガラス８０８を除去し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）（ＣＨ3）4ＮＯＨ中でのエッチングによってキャリヤウェーハ７２０、ガラス８０６，８０７及び多結晶シリコン８０５を除去する。このステップにより、窒化珪素８０４が現れる。
【0078】
ステップ１２０「窒化珪素を除去する」：一実施形態では、約１０ｎｍ／分のエッチング速度で濃厚ＨＦ中でのエッチングによって窒化珪素８０４を除去する。このプロセスにより、成長したままのエピ層の元の活性層７０７が現れる。結果として得られる人工ウェーハは、ウェーハ７７０で示され、その構造が図１０に示されている。人工ウェーハ７７０は、活性層７０７、窒化珪素ダイヤモンド核生成層８０１及びダイヤモンドウェーハ７２３で構成されている。
【0079】
別の実施形態では、ステップ１２０が省かれる。これは、このウェーハ上に作製されるべきデバイスが窒化珪素層８０４を用いる場合である。例えば、残りの窒化珪素層は、高電子移動度トランジスタにおいてパッシベーション層として使用できる。この実施形態では、プロセスの結果として得られるのは、図１１に示された人工ウェーハ７８０である。人工ウェーハ７８０は、活性層７０７、窒化珪素ダイヤモンド核生成層８０１、ダイヤモンドウェーハ７２３及び窒化珪素層８０４を有する。一実施形態では、窒化珪素８０４は、インサイチュウ窒化珪素である。別の実施形態では、窒化珪素８０４は、熱的に成長した窒化珪素である。
【0080】
明らかなこととして、ダイヤモンド上のＧａＮ型ウェーハを製造する提供されたステップの種々の改造が本発明の精神から逸脱することなく可能であり、即ち、ステップ１０９においてプレートの厚さを変化させること、ステップ１１０，１１２，１１５及び１１６において時間及び温度を変化させることである。ステップ１０９，１１６に開示された装置も又、種々の他の新規なデバイス及びウェーハ構造を製造するために使用できる。
【0081】
また、活性層設計の細部を変更することによって好ましい方法を発光デバイス、例えば発光ダイオード、レーザ及びスーパールミネッセント発光ダイオードの製造に用いられる人工ウェーハの製造に使用できることが明らかである。この目的のため、活性層の結晶方位を変更して上述の用途のうちの任意のものに合わせることは、本発明の精神から逸脱することなく可能であることが明らかである。具体的に言えば、活性層は、有極性であっても良く、半極性であっても良く、無極性であっても良い。加うるに、上述のように設計された高電子移動度トランジスタは、バッファ層厚さ及びエピ層設計の細部が高い破壊電圧を許容するよう変更可能である電力管理用途に使用できる。好ましい方法は、高電圧ショットキーダイオードを製造するのにも使用できる。
【0082】
或る特定の代表的な実施形態及び細部を本発明の例示の目的で説明したが、本明細書において開示した方法及び装置の種々の変更は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく実施できることは当業者には明らかであろう。なお、好ましい構成態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１． 合成ダイヤモンド成長方法であって、
（ａ）排気手段を備えた真空チャンバを用意するステップを含み、
（ｂ）窒化ガリウムの少なくとも１つの層を有する人工ウェーハを用意するステップを含み、前記ウェーハは、直径及び成長面を有し、
（ｃ）前記ウェーハを保持する表面を備えた台を用意するステップを含み、前記台は、前記人工ウェーハに垂直な軸線に沿って回転するよう作動的に構成され、
（ｄ）前記ウェーハを前記表面上に置くステップを含み、
（ｅ）冷却状態のチャックを用意するステップを含み、前記チャックは、前記チャックの温度をモニタする手段を備え、
（ｆ）前記台を前記チャック上に置くステップを含み、
（ｇ）前記台と前記チャックとの間の隙間を維持するステップを含み、
（ｈ）前記ウェーハの近くで引き伸ばされた直線一次元アレイの状態に配置された多数本の高融点金属フィラメントを用意するステップを含み、前記アレイは、前記成長面に平行であり、前記多数本のフィラメントは、前記成長面から２５ｍｍ以下の距離を置いて配置され、
（ｉ）反応ガスを前記チャンバに提供するステップを含み、前記反応ガスは、水素及び少なくとも１種類の炭素含有ガスを含み、前記反応ガスは、プロセス圧力を定め、
（ｊ）電力を前記多数本の高融点金属フィラメントに供給するステップを含み、前記電力は、所望厚さの合成ダイヤモンドを成長させるのに十分な時間の間、１枚のウェーハについて３ｋＷ以上であり、前記冷却チャックは、前記チャック温度８００℃未満に維持する、方法。
２． 前記成長面は、窒化珪素で構成されている、上記１記載の方法。
３． 前記プロセス圧力は、１００トル未満である、上記１又は２記載の方法。
４． 前記人工ウェーハは、珪素を含む少なくとも１つの層を有する、上記１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
５． 合成ダイヤモンド蒸着のために調製された基板であって、
（ａ）０．２ｍｍを超える厚さのシリコンウェーハと、
（ｂ）ガラスの層と、
（ｃ）多結晶シリコンの層と、
（ｄ）第１の窒化珪素層と、
（ｅ）窒化ガリウムの少なくとも１つの層を含む多層構造体層と、
（ｆ）１００ｎｍ以下の厚さの第２の窒化珪素層とを有する、基板。
６． 前記窒化ガリウム層は、前記第１の窒化珪素に平行に且つこれに近接して位置するＧａに向いた表面を備えている、上記５記載の基板。
７． 前記窒化ガリウム層の表面は、窒化ガリウムの無極性又は半極性表面である、上記５又は６記載の基板。
８． 前記ガラスは、１０００℃を超える融点を有する、上記５〜７のうちいずれか一に記載の基板。
９． 前記第２の窒化珪素層は、インサイチュウ（in-situ）窒化珪素である、上記５〜８のうちいずれか一に記載の基板。