特開 2024-14881 半導体成長基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014881

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】半導体成長基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20240125BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 D

C30B29/38 C

H01L21/205

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023187039

(22)【出願日】2023-10-31

(62)【分割の表示】P 2019140276の分割

【原出願日】2019-07-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】村川 賢太郎

(72)【発明者】

【氏名】西村 剛太

(72)【発明者】

【氏名】小林 敏洋

(57)【要約】

【課題】再利用が容易な積層体を提供する。
【解決手段】積層体１は、下地基板１１と、ウインドウ１５を形成するマスク層１３と
を備える。下地基板１１の材料としては、例えば、窒化物半導体が用いられる。マスク層
１３は、下地基板１１の結晶成長面１２上に、ストライプなどの所定のマスクパターンを
形成する。下地基板１１のウインドウ１５以外の部分には結晶成長面１２に沿った転位が
存在しないか、通常の再利用可能な転位の密度の上限よりも少ない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体を含み、転位の面密度が１×１０^７／ｃｍ^２以下となっている第１領域と、第１領域と異なる第２領域とを有する下地基板を準備する準備工程と、
前記第２領域と重ならずに前記第１領域と重なる第１マスク層を前記下地基板に積層させる第１積層体形成工程と、
前記第２領域上から窒化物半導体層を気相成長法により成長させる半導体成長工程と、
前記第１マスク層および前記窒化物半導体層を前記下地基板から除去する除去工程と、
前記第１領域と重ならずに前記第２領域と重なる第２マスク層を前記下地基板上に積層させる第２積層体形成工程と、を含む、半導体成長基板の製造方法。

【請求項2】

前記第２マスク層と重ならない前記第１領域上から新たに窒化物半導体層を成長させる工程を更に含む、請求項１に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項3】

前記準備工程は、基板を準備する工程と、前記基板上に窒化物半導体を成長させて下地基板とする工程とを含む、請求項１または２に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項4】

前記第１積層体形成工程において、前記第１マスク層を前記下地基板上に１００ｎｍ～５００ｎｍの厚みで形成する、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項5】

前記第１積層体形成工程において、前記第１マスク層に、珪素化合物、アルミニウム化合物、および遷移金属の少なくとも１つを含む材料を用いる、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項6】

前記第１積層体形成工程において、前記第１マスク層を、ＰＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、ミストＣＶＤ法のいずれかにより形成する、請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項7】

前記準備工程において、前記下地基板の上面として前記窒化物半導体のｃ面を用いる、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項8】

前記除去工程において、前記第１マスク層をウェットエッチング法により除去する、請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項9】

前記第１積層体形成工程において、前記第２領域を含む複数領域と重ならない前記第１マスク層を形成し、
前記半導体成長工程は、前記複数領域から前記第１マスク層上に複数の窒化物半導体層を成長させる工程と、前記複数の窒化物半導体層同士が前記第１マスク層上で接触する前に成長を止める工程と、を含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項10】

前記準備工程では、前記第１領域において、直径が３００ｎｍ以上のピットが、５×１０^６／ｃｍ^２以下の面密度で存在する前記下地基板を準備する、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項11】

前記準備工程では、前記ピットの平均深さが１０ｎｍ～１０００ｎｍである前記下地基板を準備する、請求項１０に記載の半導体成長基板の製造方法。

【請求項12】

前記除去工程および前記第２積層体形成工程の間に、前記下地基板を研磨する工程を行う、請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体成長基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、積層体に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコンに代わる次世代パワー半導体として、近年注目されている。単結晶基板上でＩＩＩ族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、結晶欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物半導体層を得る製造方法が知られている。この製造方法では、例えば、下地基板の第１の面から下地基板の厚さ方向に伸び、かつ、下地基板に形成された転位と繋がる縦長ピットを複数形成した後に、第１の面の上に、縦長ピットの少なくとも一部分を空洞として残して、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる（下記の特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１５１６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記下地基板には高密度の転位またはピットが存在していることがある。このため、このような下地基板を再利用するには、表面の研磨により、これらの転位またはピットを取り除く必要がある。
しかしながら、下地基板の表面を研磨すれば、下地基板の板厚が大きく減少することがある。このように、下地基板を再利用するための方法には改善の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の積層体は、半導体結晶を気相成長させるための積層体であって、結晶成長面を有する下地基板と、前記下地基板の前記結晶成長面上に位置して、前記結晶成長面が露出するウインドウを有するマスク層と、を備え、前記下地基板の前記結晶成長面は、前記マスク層に覆われた領域では前記結晶成長面に沿った転位の面密度が１×１０^７/ｃｍ^２以下である。

【発明の効果】

【0006】

本開示の積層体によれば、下地基板の結晶成長面は、マスク層に覆われた領域の転位の面密度が１×１０^７/ｃｍ^２以下であるため、転位が生じている部分を許容可能な範囲まで研磨などによって除去する必要がなく、積層体の再利用が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の一実施形態の積層体の下地基板の結晶成長面上にマスク層が形成された状態を示す断面図である。

【図2】本開示の一実施形態の積層体の下地基板の結晶成長面上に半導体層が形成された状態を示す断面図である。

【図3】本開示の一実施形態の積層体からマスク層が除去された状態を示す断面図である。

【図4】本開示の下地基板の結晶成長面の転位の発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。

【図5】本開示の下地基板の結晶成長面のピットの発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本開示の一実施形態に係る積層体について、模式的に示した各図を参照して説明する。図１は、下地基板１１の結晶成長面１２上にマスク層１３が配設された本実施形態の積層体１を示す断面図である。図２は、積層体１の下地基板１１の結晶成長面１２上に半導体層１６が形成された状態を示す断面図である。図３は、積層体１からマスク層１３が除去された状態を示す断面図である。

【0009】

積層体１は、下地基板１１と、マスク層１３とを備える。下地基板１１の材料としては、例えば、窒化物半導体が用いられるが、窒化物半導体中に不純物がドーピングされたｎ型半導体、または、ｐ型半導体であってもよい。その場合、不純物密度は、１×１０^１９ｃｍ^－３程度以下のものを使用し得る。

【0010】

ここで「窒化物半導体」は、例えば、ＡｌｘＧａyＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）によって構成される。本実施形態において、下地基板１１は少なくとも表面はＧａＮからなる。下地基板１１は、ＧａＮ基板のほか、サファイア基板、ＳｉＣ基板などのＧａＮ以外の材料からなる基板の表面にＧａＮ層を形成した基板を使用してもよい。

【0011】

マスク層１３によって、下地基板１１に結晶成長面１２が露出するウインドウ１５が形成される。マスク層１３は、下地基板１１の結晶成長面１２上に、例えば、ストライプパターンなどの所定の形状のマスクパターンで形成される。マスク層１３の形成方法としては、まず、下地基板１１の結晶成長面１２上に、例えば、プラズマ気相成長（Plasma Chemical Vapor Deposition；ＰＣＶＤ）法などによって、マスク層１３の材料となる珪素化合物である、例えばＳｉＯ_２などを堆積させる。

【0012】

マスク層１３の材料としては、酸化シリコンなどの珪素化合物、酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物、およびタングステンまたはクロムなどの遷移金属の少なくとも１種を含むものでよい。マスク層１３の堆積方法は、ＰＣＶＤ法に限られず、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング、ミストＣＶＤ法など、マスク材料に適した公知の方法を適宜用いることができる。

【0013】

続いて、フォトリソグラフィー法およびエッチングによって、マスク層１３を所定のパターン形状にパターニングする。本実施形態においては、図１に示すように、マスク層１３の隣り合うストライプパターンの間の空間がウインドウ１５として規定される。ウインドウ１５の幅は、例えば、２μｍ～２０μｍとすることができる。マスク層１３の各ストライプの幅は、例えば、５０μｍ～２００μｍとすることができ、マスク層１３の厚さは、１００ｎｍ～５００ｎｍである。

【0014】

マスク層１３の厚さが１００ｎｍよりも薄いと、マスク層１３に覆われた結晶成長面１２の領域に転位が生じやすくなり、厚さが５００ｎｍよりも厚いと、半導体層１６の結晶成長がしにくくなる。

【0015】

ウインドウ１５において露出している下地基板１１の結晶成長面１２を起点として、半導体結晶からなる半導体層１６を、横方向エピタキシャル気相成長（Epitaxial Lateral Overgrowth；ＥＬＯ）法によって形成する。半導体層１６の材料としては、例えばＧａＮなどの窒化物半導体が用いられる。

【0016】

ＥＬＯ法には、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法のほか、原料であるＩＩＩ族元素として塩化物を用いるハイドライド気相成長（Vaper Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法、分子線気相成長（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法などを用いることが可能である。成長工程中に、不純物の原料ガスの割合などを変化させて、半導体層１６をＬＥＤ（Light Emitting Diode）およびＬＤ（Laser Diode）などの光半導体素子として機能する多層膜として構成することも可能である。

【0017】

ＥＬＯ法によって結晶成長面１２上に成長した半導体結晶は、マスク層１３のウインドウ１５を超えると、マスク層１３の上面に沿って横方向にも結晶が成長する。結晶成長は、半導体層１６が、隣り合う半導体層１６と、接触または互いに重なり合う前に終了させる。これは、隣接する半導体層１６同士が接すると、その接触部分において、貫通転位などの結晶欠陥が生じ易くなるためである。このようにして、例えば、ＧａＮなどをＥＬＯ法によって成長させたバルク結晶を得ることができる。

【0018】

ＥＬＯ法による気相成長によって形成される半導体層１６の幅は、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度であり、高さは、１０μｍ～５０μｍ程度である。半導体層１６は、気相成長後に、マスク層１３の表面に単位面積あたり９０％以上の割合で析出していることが好ましい。

【0019】

以上のように半導体層１６を形成した場合、結晶成長面１２のマスク層１３に覆われた領域には、転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少ない。例えば、下地基板１１として、ＧａＮ基板を用い、そのc面（０００１）上に結晶成長させる場合、結晶成長面１２のマスク層１３に覆われた領域には、結晶成長面１２に沿った転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少なく、例えば、転位の面密度は１×１０^７/ｃｍ^２以下である。したがって、これらの転位が正常に結晶成長可能な密度になるまで下地基板１１を粗研磨して除去する必要がなく、積層体１の再利用が容易となる。

【0020】

下地基板１１の結晶成長面１２は、マスク層１３に覆われた領域において、例えばＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による観察によって、ピットの面密度を測定できる。この場合、観察できる複数箇所の領域（例えば、１００μｍ角の領域）において、直径（外接円の直径または最大長さ）が３００ｎｍ以上のピットの平均面密度が５×１０^６／ｃｍ^２以下である。また、断面ＳＥＭ、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）またはレーザー顕微鏡などで複数のピットの深さを測定できる。ピットの平均深さは、１０ｎｍ～１０００ｎｍである。また、ピットの平均アスペクト比（＝平均ピット深さ／平均ピット径）は、０．５～２である。ピットの平均面密度、平均深さおよび平均アスペクト比がこれらの数値範囲であれば、再利用時における下地基板１１の結晶成長面１２の研磨量を低減し、あるいは不要とすることができ、積層体１の再利用が容易になり得る。

【0021】

図４は下地基板１１の結晶成長面１２の転位の発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真であり、図５は下地基板１１の結晶成長面１２のピットの発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。本実施形態の積層体１によれば、厚さが１００ｎｍ～５００ｎｍのマスク層１３によって、マスク層１３の下地基板１１への密着性が低下し、半導体層１６と下地基板１１との格子不整合によって結晶成長面１２上に生じる応力が緩和され、マスク層１３に覆われた結晶成長面１２の領域に転位の発生がしにくくなるとともに、下地基板１１へのピットの発生を抑制することができる。マスク層１３の厚さが１００ｎｍ未満の場合、上記の応力緩和が生じにくく、反対に、マスク層１３の厚さが５００ｎｍを超える場合、半導体層１６の結晶成長中にマスク層１３が剥がれやすくなる。

【0022】

本実施形態の積層体１によれば、半導体層１６が、気相成長後に、マスク層１３の表面に単位面積あたり９０％以上の割合で析出している。これによって、ＭＯＣＶＤ法で使用するトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）などの原料ガスによるマスク層１３との反応がしにくくなる。さらに、マスク層１３および下地基板１１における転位およびピットの形成が低減し得る。これらにより、下地基板１１の再利用が容易になるとともに、半導体層１６の生産性を向上することができる。

【0023】

次に、積層体１の製造方法について説明する。図１は、下地基板１１を製造する下地基板準備工程と、下地基板１１の結晶成長面１２上にウインドウ１５を備えたマスク層１３を形成するマスク層形成工程とが完了した時点における積層体１の構成を示している。

【0024】

下地基板準備工程は、例えば、ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法などによって、下地基板１１となる窒化物半導体を成長させる工程である。下地基板１１の大きさは、結晶成長させる半導体層１６の大きさに応じて適宜選択可能である。

【0025】

マスク層１３は、前記の通り、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング、ミストＣＶＤなどの方法によって、下地基板１１の結晶成長面１２上にＳｉＯ_２などを積層させた薄膜を形成する。その後、これをフォトリソグラフィー法およびエッチングによるパターニングによって形成する。

【0026】

ウインドウ１５から露出している下地基板１１の結晶成長面１２上を起点として、ＥＬＯ法によって、半導体結晶からなる半導体層１６が形成される。半導体層１６の材料としては、例えば、ＧａＮなどの窒化物半導体が用いられる。

【0027】

ＥＬＯには、ＭＯＣＶＤ法のほか、原料であるＩＩＩ族元素として塩化物を用いるハイドライド気相成長（Vaper Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法、分子線気相成長（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法などを用いることが可能である。成長工程中に、不純物の原料ガスの割合などを変化させて、半導体層１６をＬＥＤまたはＬＤとして機能する多層膜として形成することも可能である。

【0028】

ＥＬＯにより成長した半導体結晶がマスク層１３のウインドウ１５を超えると、マスク層１３の上面に沿って横方向にも結晶が成長する。結晶成長は、半導体層１６が、隣り合う半導体層１６と、接触または互いに重なり合う前に終了させる。これは、隣接する半導体層１６同士が接すると、その接触部分において、貫通転位などの結晶欠陥が生じやすくなるためである。このようにして、例えば、ＧａＮなどをＥＬＯによって成長させたバルク結晶を得ることができる。

【0029】

半導体層１６の結晶成長工程を完了後、マスク層除去工程に移り、結晶成長した半導体層１６を実質的に侵さないエッチング材を用いて、マスク層１３だけを除去する。ＳｉＯ_２からなるマスク層１３の場合、例えば、ＨＦ系ウェットエッチングによってマスク層１３を除去することができる。

【0030】

エッチングによって、マスク層１３が除去された後は、半導体層１６は、ウインドウ１５に残された柱状の部分のみによって支持される形状となるため、半導体層１６を下地基板１１から容易に分離することができる。

【0031】

半導体層１６を分離した下地基板１１には、ウインドウ１５に位置する結晶成長面１２以外には、後続する結晶成長に格子不整合などの欠陥を生じるような転位は存在しない。
例えば、下地基板１１として、ＧａＮ基板を用い、そのc面上に結晶成長させる場合、結晶成長面１２のマスク層１３に覆われた領域には、c面に沿った転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少ない。そのため、ウインドウ１５に位置する結晶成長面１２の上にマスク層１３を形成することで、新たに積層体１を製造し、下地基板１１の粗研磨などの再生処理を行うことなく、半導体層１６の結晶成長に再利用することが可能である。

【0032】

積層体１の製造方法によれば、下地基板１１の結晶成長面１２のマスク層１３で覆われた領域には転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少ない。例えば、下地基板１１として、ＧａＮ基板を用い、そのc面上に結晶成長させる場合、結晶成長面１２のマスク層１３に覆われた領域には、c面に沿った転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少ない。したがって、これらの転位を研磨により除去する必要がなく、再利用が容易な積層体を提供することができる。

【0033】

積層体１の製造方法によれば、下地基板１１の結晶成長面１２は、マスク層１３に覆われた領域において、外接円の直径が３００ｎｍ以上のピットの面密度が、５×１０^６／ｃｍ^２以下である。また、ピットの平均深さは、１０ｎｍ～１０００ｎｍ、ピットの平均アスペクト比（＝ピット深さ／ピット径の平均値）は、０．５～２である。ピットの面密度、平均深さおよび平均アスペクト比がこれらの数値範囲内であれば、結晶成長面１２の研磨が不要であるか、あるいは僅かな研磨でよく、再利用が容易な積層体１を提供することができる。

【0034】

積層体１の製造方法によれば、積層体１が、厚さが１００ｎｍ～５００ｎｍであるマスク層１３を有していることによって、下地基板１１に発生する応力が緩和され、転位が生じにくくなるとともに、下地基板１１へのピットの発生を抑制することができる。

【符号の説明】

【0035】

１ 積層体
１１ 下地基板
１２ 結晶成長面
１３ マスク層
１５ ウインドウ
１６ 半導体層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】