特許 7116985 半導体基板の製造方法

(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】

(24)【登録日】2022-08-03

(45)【発行日】2022-08-12

(54)【発明の名称】半導体基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20220804BHJP

   C30B 23/02 20060101ALI20220804BHJP

   C30B 33/02 20060101ALI20220804BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20220804BHJP

   H01L 21/324 20060101ALI20220804BHJP

   H01L 21/203 20060101ALN20220804BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 C

C30B23/02

C30B33/02

C23C14/06 A

H01L21/324 X

H01L21/203 S

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018037571

(22)【出願日】2018-03-02

(65)【公開番号】P2019151520

(43)【公開日】2019-09-12

【審査請求日】2021-01-22

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】304026696

【氏名又は名称】国立大学法人三重大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】林 侑介

(72)【発明者】

【氏名】三宅 秀人

【審査官】和瀬田 芳正

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０４３６２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１１３０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２８７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１９８７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１３９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０１７４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００７５１７５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ １／００ － ３５／００

Ｃ２３Ｃ １４／００ － １６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０３

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の第１主面に第１のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成し、前記基板の前記第１主面と反対側の第２主面に第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成する第１ステップと、
前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体が形成された前記基板をアニールする第２ステップとを含み、
前記第１ステップでは、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体それぞれの膜厚の違いによる反りを測定した結果を用いて、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体それぞれの膜厚を決定し、決定した膜厚となるように前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成し、
前記第１ステップでは、前記アニール前の前記基板が反りを有するように、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を成膜する、
半導体基板の製造方法。

【請求項2】

前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、およびシリコンの少なくとも一つからなり、
前記第１のＡｌＮを含む膜および前記第２のＡｌＮを含む膜は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）で表わされ、
前記第１ステップでは、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を、１０００℃以下でスパッタにより成膜し、
前記第２ステップでは、前記第１主面に前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成し、前記第２主面に前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を成膜した後、窒素雰囲気中の密閉空間において１４００℃以上１７５０℃以下でアニールすることにより、前記第１のＡｌＮを含む膜および前記第２のＡｌＮを含む膜を形成し、
前記第１主面および前記第２主面は、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体の成膜前に、前記第２主面が前記第１主面と同等以上の平坦性を有するように精密研磨される、
請求項１に記載の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、半導体基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、半導体デバイスは、半導体基板（以下、単に「基板」ともいう）、または、半導体以外の基板表面に成膜された半導体膜上に形成されている。例えば、サファイア基板の表面にＡｌＮ膜を形成し、当該ＡｌＮ膜に半導体デバイスが形成される。また、サファイア基板の表面にＡｌＮ膜を形成した基板の製造技術は、多岐にわたる。

【0003】

半導体デバイスの性能を向上するためには、サファイア基板の表面に成膜されたＡｌＮ膜の結晶性を向上させ、基板の反りおよびクラック（ひび割れ）を低減させることが求められる。例えば、特許文献１に記載の技術では、基板の反りを低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－１１６７８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、ＡｌＮ膜の結晶性を向上するには、サファイア基板の表面にＡｌＮ膜を成膜した後、アニールを行うことが知られている。しかし、ＡｌＮ膜の結晶性を向上するためにアニールを行うと、基板全体に反りが生じてしまう。また、アニールの温度が高くなるほど、反り量は大きくなるという課題がある。上述した特許文献１に記載の技術では、結晶性を向上するためにアニールを行う場合には、基板の反りを低減することは難しい。

【0006】

本発明は、上述した課題を解決しようとするものであり、ＡｌＮ膜の結晶性を向上し、かつ、反りが低減された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】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体基板の製造方法は、基板の第１主面に第１のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成し、前記基板の前記第１主面と反対側の第２主面に第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成する第１ステップと、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体が形成された前記基板をアニールする第２ステップとを含み、前記第１ステップでは、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体それぞれの膜厚の違いによる反りを測定した結果を用いて、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体それぞれの膜厚を決定し、決定した膜厚となるように前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を形成し、前記第１ステップでは、前記アニール前の前記基板が反りを有するように、前記第１のＡｌＮを含む膜の前駆体および前記第２のＡｌＮを含む膜の前駆体を成膜する。

【0017】

また、本発明の一態様に係る基板製造方法は、サファイア基板の第１主面に第１のＡｌＮ膜を形成し、前記サファイア基板の前記第１主面と反対側の第２主面に第２のＡｌＮ膜を形成する。

【0018】

本態様によれば、基板の両面にＡｌＮ膜を成膜することがで、アニールのときに基板の両面にかかる応力を同程度にすることができる。これにより、ＡｌＮ膜の結晶性を向上し、かつ、反りが低減された基板を製造することができる。

【0019】

また、前記第１主面に前記第１のＡｌＮ膜の前駆体を形成し、前記第２主面に前記第２のＡｌＮ膜の前駆体を成膜した後、窒素雰囲気中の密閉空間において１４００℃以上１７５０℃以下でアニールすることにより、前記第１のＡｌＮ膜および前記第２のＡｌＮ膜を形成してもよい。

【0020】

本態様によれば、密閉空間で高温でアニールすることにより、より結晶性がよく反りが低減された基板を製造することができる。

【0021】

また、前記第１のＡｌＮ膜の前駆体および前記第２のＡｌＮ膜の前駆体を、１０００℃以下でスパッタにより成膜してもよい。

【0022】

本態様によれば、スパッタ条件を変更することにより、第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜の膜厚、ならびに、基板にかかる応力を簡便に変更することができる。これにより、基板の反り量を容易に調整することができる。

【0023】

また、前記第１主面および前記第２主面は、前記第１のＡｌＮ膜の前駆体および前記第２のＡｌＮ膜の前駆体の成膜前に、前記第２主面が前記第１主面と同等以上の平坦性を有するように精密研磨されてもよい。

【0024】

本態様によれば、第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜が形成される、サファイア基板の両面の表面の平坦性を良好にすることにより、サファイア基板上に結晶性が良好な第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜を形成することができる。

【0025】

また、前記第１のＡｌＮ膜の前駆体および前記第２のＡｌＮ膜の前駆体の膜厚を変更することにより、前記基板の反りを調整してもよい。

【0026】

本態様によれば、第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜の膜厚を変更するだけで、簡便に基板の反りを低減することができる。

【0027】

また、前記アニール前の前記基板が反りを有するように、前記第１のＡｌＮ膜の前駆体および前記第２のＡｌＮ膜の前駆体を成膜してもよい。

【0028】

本態様によれば、オフセットの反り分の膜厚差が生じるように第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜の膜厚を設定することにより、アニール後の基板の反りを低減することができる。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、ＡｌＮ膜の結晶性を向上し、かつ、反りが低減された基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】図１は、実施の形態に係る基板の概略図である。

【図2】実施の形態に係る基板のそり量を説明するための模式図である。

【図3】実施の形態に係る基板の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】実施の形態に係る基板の製造方法を示す断面図である。

【図5】実施の形態に係る第２のＡｌＮ膜の（０００２）面または（１０－１２）面におけるＸ線回折のロッキングカーブ測定（ＸＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す図である。

【図6】実施の形態に係る第１のＡｌＮ膜の（０００２）面または第２のＡｌＮ膜の（１０－１２）面におけるＸ線回折のロッキングカーブ測定（ＸＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す図である。

【図7】実施の形態に係る基板の第１のＡｌＮ膜の膜厚と基板の反り量との関係を説明するための図である。

【図8】実施の形態に係る基板の第２のＡｌＮ膜の膜厚を一定とし、第１のＡｌＮ膜の膜厚を変化させたときの第１のＡｌＮ膜の観測画像である。

【図9】実施の形態に係る基板の第２のＡｌＮ膜の膜厚を一定とし、第１のＡｌＮ膜の膜厚を変化させたときの第２のＡｌＮ膜の観測画像である。

【図10】実施の形態に係る基板の第１のＡｌＮ膜の膜厚を変化させたときの、第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜の他方におけるクラック密度を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

（概要）
具体的な実施の形態の説明の前に、本発明に関連する主要な技術を説明する。

【0032】

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、深紫外用ＬＥＤ等の半導体デバイス用の材料、特に下地基板としての用途が期待されている。ただし、ＡｌＮ単体の基板は小径でありかつ高価であるため、大口径で安価な基板として、ＡｌＮ膜を他の材料からなる基板の上に形成した異種基板が用いられる。

【0033】

ＡｌＮ膜を形成する基板として、例えばサファイア、Ｓｉ、ＳｉＣなどが一般的に用いられるが、性能のよい半導体デバイスを得るには、これらの基板上に形成されたＡｌＮ膜の質が良好であることが求められる。具体的には、結晶欠陥、基板の反り、クラックなどのない結晶性のよいＡｌＮ膜が求められる。

【0034】

上述した結晶欠陥などが発生する原因としては、基板となる材料とＡｌＮとの格子定数の差、熱膨張係数の差などが挙げられる。サファイアとＡｌＮとの格子定数の差は１３％、熱膨張係数の差は４１％である。したがって、サファイア基板上に形成されたＡｌＮ膜は、上述した結晶欠陥などを有する場合がある。

【0035】

従来の青色ＬＥＤなどで広く利用されている、サファイア基板上に形成されるＧａＮ膜では、サファイアとＧａＮとの格子定数の差は１６％、熱膨張係数の差は２０％である。したがって、サファイア基板上に形成されるＧａＮ膜では、ＡｌＮ膜の場合と比べて、結晶欠陥などを生じる原因として、格子定数の差による影響が大きい。

【0036】

これに対し、サファイア基板の上にＡｌＮ膜を形成する場合には、上述のように、格子定数の差とともに熱膨張係数の差による影響が大きい。したがって、サファイア基板の上にＡｌＮ膜を形成する場合に結晶欠陥などを低減させるには、ＧａＮ膜をサファイア基板上に形成する場合と異なる対応が必要である。

【0037】

ここで、一般的に、基板の結晶性を向上させるためには、アニールを行うことで結晶格子を整列させ、応力を緩和する方法が効果的である。しかし、サファイアとＡｌＮとの熱膨張係数の差は大きいため、基板をアニールすることにより、基板の反りが大きく生じてしまう。一例を挙げると、２インチ径片面研磨サファイア基板を用いた場合、アニール温度が１４００℃の場合の反り量は２．４μｍ（７．４ｋｍ^－１）、アニール温度が１６００℃の場合の反り量は５．２μｍ（１６ｋｍ^－１）、である。

【0038】

基板の反り量が大きくなると、基板上のＡｌＮ膜に形成される半導体デバイスを形成しにくく、半導体デバイスの性能が安定しないという問題が生じる。また、上述のように、アニール温度を上げるにつれて基板の反り量はさらに大きくなる。したがって、結晶性のよいＡｌＮ膜を形成するとともに、基板の反り量をアニール前の段階で低減することが重要である。

【0039】

そこで、本発明は、以下に説明するように、ＡｌＮ膜の結晶性を向上し、かつ、反りが低減された基板を提供する。

【0040】

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明においては、窒化アルミニウムをＡｌＮと示す。

【0041】

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0042】

（実施の形態）
［１．基板の構成］
図１を参照して本実施の形態に係る基板１について説明する。図１は、本実施の形態に係る基板１の概略構成図である。

【0043】

基板１は、一方の主面（表面）に半導体デバイスが形成される半導体基板である。詳細には、基板１は、サファイア基板２と、サファイア基板２の裏面である第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａと、サファイア基板２の表面である第２主面に配置された第２のＡｌＮ膜３ｂとを備えている。

【0044】

サファイア基板２は、第１主面および第２主面のそれぞれが精密研磨された基板である。具体的には、第１主面および第２主面のそれぞれが機械的および化学的に研磨された基板である。特に、後にデバイスを形成する表面である第２主面は、機械的研磨の後化学薬品を用いて研磨が行われており、裏面である第１主面と同等または第１主面よりも平坦性が良好で例えば表面粗さが１ｎｍ以下となるように、研磨されている。第１主面は、第２主面よりも平坦性が劣っていてもよく、例えば、機械的研磨のみで研磨されていてもよい。なお、第１主面についても、機械的研磨の後に化学的研磨が行われていてもよい。また、基板２の第１主面、第２主面を工程上見分けやすくするために、基板の切り欠きであるオリフラ（オリエンテーションフラット）を、長さを変えて２つ以上持つことは有効な判別手段になる。

【0045】

第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂは、スパッタ法によりそれぞれサファイア基板２の第１主面および第２主面に成膜されている。このときの成膜温度は、例えば１０００℃以下である。サファイア基板２の第２主面は第１主面よりも平坦性が良好であるため、後述するように、第２のＡｌＮ膜３ｂの方が第１のＡｌＮ膜３ａよりも結晶性は良好である。第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚は、０ｎｍより大きく６００ｎｍ以下、例えば２００ｎｍである。なお、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚は、同一であってもよいし異なっていてもよい。基板１の製造方法については、後に詳述する。

【0046】

また、基板１は、第１主面または第２主面の一方が凹、他方が凸となるように、オフセットの反りを有する構成であってもよい。図２は、実施の形態に係る基板のそり量を説明するための模式図である。図２では、理解を容易にするため基板の反り量を実際の反り量より大きく描いている。図２において、Ｐは曲率半径の中心点、Ｒは曲率半径、ｒは基板１の中心付近の反り量（基板周縁からの深さ：Ｂｏｗｉｎｇ）を示している。なお、反り量の評価には、ＢｏｗｉｎｇまたはＣｕｒｖａｔｕｒｅ（曲率：曲率半径Ｒの逆数）を用いる。

【0047】

図２に示すように、基板１が反りを有する場合、基板１の形状は、中央がほぼ球形に凹状または凸状となっている。

【0048】

例えば、２インチ径、厚さ４００μｍの円形のサファイア基板２の第１主面および第２主面に、図２に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚がそれぞれ８００ｎｍおよび２μｍ形成されているとする。この場合、基板１の反りは第１のＡｌＮ膜３ａ側から見て凹状である。このときの基板１の中心付近の反り量ｒは例えば３２μｍ、曲率１／Ｒは１００ｋｍ^－１以下である。

【0049】

サファイア基板２は、後述するように、少なくとも両面に同じ膜厚の第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂが形成された場合に反りを有する構成である。そして、後述するように、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を変更することにより、基板１の反りを調整することができる。これにより、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を変更することにより、反りのない平坦な基板１を形成することができる。

【0050】

なお、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂが形成される基板は、サファイア基板２だけに限られず、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つからなる基板であればよい。

【0051】

［２．基板の製造方法］
次に、上記した基板１の製造方法を、図３および図４を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る基板１の製造方法を示すフローチャートである。図４は、本実施の形態に係る基板１の製造方法を示すステップ毎の基板１の断面図である。

【0052】

図３に示すように、基板１の製造工程は、次の４つのステップを含んでいる。

【0053】

はじめに、図４の（ａ）に示すように、第１主面および第２主面が精密研磨されたサファイア基板２を準備する（ステップＳ１０）。サファイア基板２の第１主面および第２主面は、第２主面が第１主面と同等以上の平坦性を有するように、以下のように精密研磨されている。なお、サファイア基板２の厚さは、例えば４００μｍである。

【0054】

第１主面および第２主面の精密研磨は、例えば機械的および化学的に行われる。後に半導体デバイスが形成される第２主面は、平坦性を良好にするために、はじめに機械的に研磨され、その後化学薬品を用いて研磨が行われる。これにより、第２主面の表面粗さは、例えば１０ｎｍ以下となる。また、第１主面は、例えば機械的研磨のみで研磨されていてもよい。なお、第１主面についても、機械的研磨の後に化学的研磨が行われていてもよい。

【0055】

次に、サファイア基板２の裏面である第１主面に第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体を成膜する（ステップＳ１２）。第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体は、後のアニール（熱処理）の工程において結晶化されて第１のＡｌＮ膜３ａとなる。第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、スパッタ法により１０００℃以下でＡｌターゲットをスパッタすることで成膜される。例えば、スパッタ条件として、チャンバー温度を６００℃、ＲＦ出力を７００Ｗ、チャンバー圧力を０.２Ｐａ、窒素流量を９５ｓｃｃｍとしてもよい。第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体の膜厚は、例えば２００ｎｍである。なお、サファイア基板２は、一度アニールされ、結晶状態を改善した基板であってもよい。

【0056】

第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体が成膜された基板１は、図４の（ｂ）に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体側から基板１をみたときに、凹状となるように基板１全体が反りを有している。これは、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体を構成する柱状グレイン間には原子間力が生じており、スパッタ中にグレイン同士が密着する過程で引張応力が発生したためだと考えられる。ここで、第１のＡｌＮ膜３ａの成膜後、続けて基板１のアニールを行うと、サファイア基板２と第１のＡｌＮ膜３ａの熱膨張係数の差により、第１のＡｌＮ膜３ａには圧縮応力が生じ、第１のＡｌＮ膜３ａ側から基板１をみたときに、凸状となるように基板１全体が大きく反る。そこで、基板１の反りを低減するために、基板１のアニールを行う前に、以下のようにサファイア基板２の表面である第２主面に第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体を成膜する（ステップＳ１４）。

【0057】

第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体は、後のアニールの工程において結晶化されて第２のＡｌＮ膜３ｂとなる。第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体は、第１のＡｌＮ膜３ａと同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、スパッタ法により１０００℃以下でＡｌターゲットをスパッタすることで成膜される。スパッタ条件は、第１のＡｌＮ膜３ａと同様、チャンバー温度を６００℃、ＲＦ出力を７００Ｗ、チャンバー圧力を０.２Ｐａ、窒素流量を９５ｓｃｃｍとしてもよい。第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体の膜厚は、０ｎｍより大きく６００ｎｍ以下、例えば２００ｎｍである。

【0058】

第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体が成膜された基板１は、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体を成膜した場合と同様、第２のＡｌＮ膜３ｂには引張応力が生じる。したがって、サファイア基板２は、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体が成膜されたときに受けた応力と均衡する応力を受けるため、図４の（ｃ）に示すように、基板１全体の反りが低減される。なお、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体の膜厚は、同一であってもよいし異なっていてもよい。また、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体の膜厚を変更することにより、基板１の反り量を調整してもよい。

【0059】

また、サファイア基板２の第１主面に第１のＡｌＮ膜３ａを成膜した後に、第２主面に第２のＡｌＮ膜３ｂを成膜する順番で説明したが、その逆であっても良い。通常のスパッタリング装置では、基板載置用プレート上にほぼ水平に複数枚の基板を並べてスパッタリングし、一旦常温まで温度を下げて基板を反転し、スパッタ条件まで戻すことで基板の第１および第２主面の両方が成膜されるが、片方の主面に成膜した後に、蓋用のプレートをかぶせ、その後に蓋用のプレートが載置用のプレート位置に来るように自動反転する機構を設けることで、温度を下げずにサファイア基板２の両面の成膜を実現することができる。

【0060】

さらに、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体が成膜されたサファイア基板２のアニールを行う（ステップＳ１６）。アニールは、電気炉などを用いた熱処理である。アニールにより、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体が結晶化され、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂが得られる。このとき、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂには熱膨張係数差に起因した圧縮応力が生じ、これによってサファイア基板２に生じる応力は均衡する方向に近づく。つまり、アニール後には、基板１全体の反りが低減されることになる。

【0061】

アニールの工程では、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体が成膜されたサファイア基板２を、窒素雰囲気中で１４００℃以上１７５０℃以下の温度でアニール処理を行う。アニール時間は、例えば３時間である。アニール時間は、１０分以上１０時間以下が許容範囲であり、好ましくは３０分以上３時間以下程度である。

【0062】

このとき、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体に、ＡｌＮ膜が形成された他のサファイア基板のＡｌＮ膜をそれぞれ対向配置させてもよい。この配置により、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体は、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体と他のサファイア基板のＡｌＮ膜との間、および、第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体と他のサファイア基板のＡｌＮ膜との間に密閉空間を設けた状態でアニール処理が行われることとなる。

【0063】

アニール中は、アニールが行われる炉の内部を不活性ガスの窒素等により、０．３気圧以上３気圧以下程度で保ちつつ、不純物を排出するために、窒素ガスなどの不活性ガスを常時、供給し排出する制御を行っている。ここで、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体に、ＡｌＮ膜が形成された他のサファイア基板のＡｌＮ膜をそれぞれ対向配置させることにより、第１主面および第２主面の周囲では、ガスが実質的に流れない滞留状態となっており、熱処理時にＡｌＮの成分が解離して抜け出すのが抑制される。

【0064】

これにより、表面が平坦でかつ高品質の第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂが形成された基板１が得られる。また、サファイア基板２の反り量が低減された状態でアニールされるので、アニール後の基板１の反り量も低減されることとなる。

【0065】

［３．基板の特性］
以下、上述した方法で作成された基板１の特性について説明する。

【0066】

［３－１．基板の結晶性］
はじめに、図５を用いて、第２のＡｌＮ膜３ｂの（０００２）面または（１０－１２）面における配向性(結晶性)について説明する。ここでは、第２のＡｌＮ膜３ｂの結晶性を、Ｘ線回折のロッキングカーブ測定（ＸＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）により評価している。計測された第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂ試料は、上述したようにスパッタ法により成膜したものである。スパッタ条件は、チャンバー温度が６００℃、ＲＦ出力が７００Ｗ、チャンバー圧力が０.２Ｐａ、窒素流量が９５ｓｃｃｍである。

【0067】

図５は、第２のＡｌＮ膜３ｂの（０００２）面または（１０－１２）面におけるＸＲＣの半値全幅を示す図である。図５に示す実線は第２のＡｌＮ膜３ｂの（０００２）面回折において得られた測定結果、破線は第２のＡｌＮ膜３ｂの（１０－１２）面回折において得られた測定結果である。なお、（０００２）面および（１０－１２）面のいずれの場合も、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚が０ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの場合について測定している。

【0068】

図５に示すように、第２のＡｌＮ膜３ｂの（０００２）面回折において得られた測定結果から、ＸＲＣの半値全幅は、２０ａｒｃｓｅｃ以上４４ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。また、第２のＡｌＮ膜３ｂの（１０－１２）面回折において得られた測定結果から、ＸＲＣの半値全幅は、２１２ａｒｃｓｅｃ以上２６０ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。

【0069】

これらの値によると、（０００２）面および（１０－１２）面のいずれの場合も、第２のＡｌＮ膜３ｂは、膜厚によらず５００ａｒｃｓｅｃ以下の半値全幅が得られており、良好な結晶性を有していることがわかる。

【0070】

なお、上述したサファイア基板２ついては、第１のＡｌＮ膜３ａのＸＲＣの半値全幅についても測定を行っている。図６は、第１のＡｌＮ膜３ａのＸＲＣの半値全幅を示す図である。図６に示す実線は第２のＡｌＮ膜３ｂの測定結果であり、図５に示した測定結果と同一のものである。図６に示す破線は第１のＡｌＮ膜３ａの測定結果である。

【0071】

図６に示すように、ＸＲＣの半値全幅は、１２０ａｒｃｓｅｃ以上２７０ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。

【0072】

したがって、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚にもよるが、第１のＡｌＮ膜３ａは良好な結晶性を有していることがわかる。

【0073】

［３－２．基板の反り量］
次に、基板１の反り量について説明する。基板の反り量は、上述したＸＲＣのピーク角度の推移から、結晶面に由来する曲率（Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を概算している。図７は、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚と基板１の曲率との関係を説明するための図である。

【0074】

基板１の反り量を制御するため、上述したように両面に精密研磨を行ったサファイア基板２の第２主面に形成される第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、第１主面に形成される第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を０、２００、４００、６００ｎｍに変化させたときの基板１の反り量をＸ線回折法（ＸＲＤ）により測定した。図７に示す実線は、第２主面に形成された第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍとし、第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を変更した場合における、第２のＡｌＮ膜３ｂ側から測定した基板１の曲率（第２主面側の反り）である。また、図７に示す破線は、第２主面に形成された第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍとし、第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を変更した場合における、第１のＡｌＮ膜３ａ側から測定した基板１の曲率（第１主面側の反り）である。

【0075】

第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂは、上述したようにスパッタ法により成膜したものである。スパッタ条件は、チャンバー温度が６００℃、ＲＦ出力が７００Ｗ、チャンバー圧力が０.２Ｐａ、窒素流量が９５ｓｃｃｍである。

【0076】

図７の実線に示すように、サファイア基板２の表面である第２主面に形成される第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、裏面である第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを０、２００、４００、６００ｎｍに変化させることで、基板１の曲率を－２４ｋｍ^－１から＋２７ｋｍ^－１まで線形的に制御することができることがわかる。図７の破線は、サファイア基板２の第１主面側の反りを測定したものである。

【0077】

１４００℃以上１７５０℃以下の温度でアニール処理を行う場合、サファイア基板２と第２のＡｌＮ膜３ｂとの熱膨張係数の違いにより、サファイア基板２の方が第２のＡｌＮ膜３ｂよりも熱による収縮量が大きいため、第２のＡｌＮ膜３ｂが形成された側が凸となる方向にサファイア基板２が応力を受ける。一般に、第１のＡｌＮ膜３ａと第２のＡｌＮ膜３ｂのうち、膜厚が厚いほうがアニール処理を行ったときの反り量が大きいため、基板１は、膜厚の厚いＡｌＮ膜側が形成された面側が凸となるように反りを生じる。したがって、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚の方が第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚よりも厚い場合には、第１のＡｌＮ膜３ａ側に凸となるように反りが生じる。また、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚の方が第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚よりも厚い場合には、第２のＡｌＮ膜３ｂ側に凸となるように反りが生じる。

【0078】

ここで、図７に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚と第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚が２００ｎｍで同一の場合であっても基板１の反りは発生している。つまり、基板１はオフセットの反りを有していることがわかる。オフセットの反りの量は、例えば負の方向（第２のＡｌＮ膜３ｂ側に凸となる方向）に５ｋｍ^－１である。このようなオフセットが生じているのは、サファイア基板２の第１主面および第２主面の結晶面が納品時において負の方向に反っていたためである。また、図７に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を２００ｎｍとして第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を１５０ｎｍ程度とした場合、または、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍとして第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を２８０ｎｍ程度とする場合に、基板１の反り量を０ｋｍ^－１とすることができることがわかる。

【0079】

つまり、サファイア基板２の裏面である第１主面に形成される第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚よりも若干厚く形成すると、基板１の反りが発生しないことがわかる。

【0080】

よって、基板１の反りを発生させないために、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚よりも厚く形成してもよい。このときの第１のＡｌＮ膜３ａと第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚は、各膜の厚さおよび比率によっても異なるが、例えば、上述したオフセットの反り分の膜厚差が生じるような第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚としてもよい。

【0081】

例えば、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体を形成したときに、基板１がオフセットの反りを有するように、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体および第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体の膜厚を調整してもよい。このときの基板１のオフセットの反りは、例えば、サファイア基板を用いた場合、第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体の厚さを１００ｎｍとしたときに、８ｋｍ^－１である。

【0082】

なお、図７に一点鎖線で囲む領域のように、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚と第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚が同程度の場合には、基板１の反りはほぼ発生していないとしてもよい。基板１の反りが発生していないといえる反り量（Ｂｏｗｉｎｇ）は、例えば５０μｍである。この範囲の反り量であれば、後に第２のＡｌＮ膜３ｂに形成される半導体デバイスの特性には影響がない。したがって、第１のＡｌＮ膜３ａと第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚により基板１の反り量を調整する場合、図７に破線で囲む領域内で調整してもよい。またＬＥＤ等の構造を積層後に、ほぼ反りをゼロにする基板も実現することができる。反り量は基板２の上部に設けられるＬＥＤ等の層構造によって変わるが、図７の反り係数から計算で求めても良いし、試作工程で図７の係数を用いて第１主面膜厚を変えながら第１主面膜厚値を収斂させる製造方法も有効である。

【0083】

［３－３．基板に発生するクラック］
次に、基板１に発生するクラックについて説明する。基板１に形成された第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂに発生するクラックについては、光学顕微鏡で第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂのクラックを観測した。

【0084】

図８は、サファイア基板２の表面である第２主面に形成された第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、裏面である第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを２００、４００、６００ｎｍに変化させたときの第２のＡｌＮ膜３ｂの観測画像である。図８において、（ａ）はｈ＝２００ｎｍ、（ｂ）はｈ＝４００ｎｍ、（ｃ）はｈ＝６００ｎｍの場合の観測画像である。

【0085】

図８の（ａ）～（ｃ）に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを変化させた場合には、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚に関わらず、第２主面に形成された第２のＡｌＮ膜３ｂにはクラックは見られなかった。

【0086】

また、図９は、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを２００、４００、６００ｎｍに変化させたときの第１のＡｌＮ膜３ａの観測画像である。図９において、（ａ）はｈ＝２００ｎｍ、（ｂ）はｈ＝４００ｎｍ、（ｃ）はｈ＝６００ｎｍの場合の観測画像である。

【0087】

第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを変化させた場合には、第１主面に形成された第１のＡｌＮ膜３ａにはクラックが発生していることが観測された。特に、図９の（ｂ）および（ｃ）に示すように、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚が４００ｎｍおよび６００ｎｍの場合には、明確にクラックが観測されている。したがって、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚が大きくなるにつれてクラックの数は増加していることがわかる。

【0088】

これは、膜厚が厚いＡｌＮではアニール処理で生じる歪エネルギーが開放されてクラックが発生するため、または、サファイア基板２の第１主面は第２主面ほど平坦性が良好でないことにより、第１のＡｌＮ膜３ａは第２のＡｌＮ膜３ｂほど結晶性が良好ではなくクラックが発生するため、と理解される。

【0089】

また、図８および図９に示した観測画像より、観測画像内のクラックの総長を画像面積で割ることでクラック密度を算出した。図１０は、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚を変化させたときの、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂにおけるクラック密度を示した図である。図１０に示す実線は、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを０、２００、４００、６００ｎｍに変化させたときの第２のＡｌＮ膜３ｂのクラック密度を示している。また、図１０に示す破線は、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を２００ｎｍの一定とし、第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを０、２００、４００、６００ｎｍに変化させたときの第１のＡｌＮ膜３ａのクラック密度を示している。

【0090】

図１０に示すように、第２のＡｌＮ膜３ｂの膜厚を一定とし第１のＡｌＮ膜３ａの膜厚ｈを変化させた場合、第２のＡｌＮ膜３ｂにおいてクラック密度はほぼ０に近い値を示しているのに対し、第１のＡｌＮ膜３ａにはクラックが発生しており、膜厚が４００ｎｍおよび６００ｎｍのときにそれぞれクラック密度が４ｍｍ^－１および７０ｍｍ^－１となっている。したがって、第２のＡｌＮ膜３ｂは、第１のＡｌＮ膜３ａよりも結晶性が良好であることがわかる。

【0091】

以上の結果として、第１のＡｌＮ膜３ａにはクラックが発生しているものの、第２のＡｌＮ膜３ｂにはクラックは発生しておらず、第２のＡｌＮ膜３ｂに半導体構造を形成する場合に影響はないといえる。

【0092】

［４．効果等］
以上、本実施の形態に係る基板１によると、アニール前にサファイア基板２の裏面である第１主面に第１のＡｌＮ膜３ａの前駆体を成膜し、サファイア基板２の表面である第２主面に第２のＡｌＮ膜３ｂの前駆体を成膜する。その後、アニールを行うことにより、第２のＡｌＮ膜３ｂの結晶性を向上するとともに、アニール後の基板１内部の応力分布を平衡させて基板１の反りを低減することができる。これにより、半導体デバイスが形成される第２のＡｌＮ膜３ｂの結晶性を向上し、かつ、基板１全体の反りを低減することができる。

【0093】

（その他の実施の形態）
以上、本発明に係る窒化物半導体基板、窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。

【0094】

例えば、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂが形成される基板は、サファイア基板２だけに限られず、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つからなる基板であればよい。また、第１のＡｌＮ膜および第２のＡｌＮ膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）だけに限られず、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、（ｘ＋ｙ）≦１）で表わされる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、または、窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）であってもよい。また、第１のＡｌＮ膜３ａおよび第２のＡｌＮ膜３ｂは、同じ材質であってもよいし異なる材質であってもよい。

【0095】

また、ＡｌＮ膜の前駆体の成膜は、スパッタ法に限らず、ＭＯＶＰＥ法、ハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法などであってもよい。

【0096】

また、第１のＡｌＮ膜の前駆体を成膜するときのスパッタ条件と、第２のＡｌＮ膜の前駆体を成膜するときのスパッタ条件を異なるものとしてもよい。例えば、第１のＡｌＮ膜の前駆体を成膜するときにはＡｌターゲットに窒素プラズマを照射することによりスパッタを行い、第２のＡｌＮ膜の前駆体を成膜するときには窒素雰囲気中でＡｌＮターゲットを用いてスパッタを行ってもよい。また、サファイア基板の第１主面にはＡｌＮ膜を一層のみ成膜し、第２主面にはＡｌＮ膜を２層成膜するとしてもよい。

【0097】

また、ＡｌＮ膜の前駆体が成膜されるサファイア基板の面方位は、サファイアｃ面（（０００２）面）に限られず、ａ面（（１０－１２）面）、ｒ面、ｎ面、ｍ面等であってもよい。さらに、ＡｌＮ膜が両面に形成される基板の材料は、サファイアに限られず、ＳｉＣ、ＡｌＮ、シリコンなどの基板を用いてもよい。また、ＡｌＮ膜が両面に形成される基板は、一度アニールされ、結晶状態を改善した基板としてもよい。

【0098】

また、サファイア基板の研磨方法は、上述した機械的方法および化学的方法に限らず、他の方法であってもよい。

【0099】

また、スパッタ条件およびアニール条件は、上述した条件に限らず、所望のＡｌＮ膜の特性および環境等に応じて適宜変更してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0100】

本発明は、半導体デバイスが形成されるＡｌＮ膜等の半導体膜を有する基板に利用することができる。

【符号の説明】

【0101】

１ 基板
２ サファイア基板
３ａ 第１のＡｌＮ膜
３ｂ 第２のＡｌＮ膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】