JP2011193010A - 半導体ウェハ及び高周波電子デバイス用半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板などの支持基板上に窒化物半導体膜を形成し、その窒化物半導体膜上にエピタキシャル層を形成した半導体ウェハを提供する。
【解決手段】支持基板と、上記支持基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に気相成長され形成された窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記支持基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、シリコン基板などの支持基板に窒化物半導体薄膜を形成した半導体ウェハ、及び高周波電子デバイス用半導体ウェハに関する。

インジウム、ガリウム、アルミニウム、及び窒素からなる窒化物半導体は、そのIII族元素の組成比を制御することにより、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。

また、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有するため、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する電子デバイス用材料としての応用も期待されている。

窒化物半導体を薄膜で形成する際、最大の問題となるのは基板の選択である。従来、単結晶の窒化物半導体そのものを製造することは極めて困難であり、これを入手することがほとんど不可能だった。このため、青色ＬＥＤなどの窒化物半導体デバイスは、サファイア基板やシリコンカーバイド基板などの上に形成されるのが常であった。

しかし、サファイアやシリコンカーバイドは窒化物半導体と結晶系、格子定数、熱膨張率等が異なる。このため、サファイア基板やシリコンカーバイド基板などの上に形成された窒化物半導体の薄膜には高密度で転位や欠陥が導入されてしまい、これらの結晶中の欠陥がデバイス特性を経時劣化させる原因になっていた。

一方、最近になって、サファイア基板上にＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法でＧａＮ膜を厚く形成し、このＧａＮ膜をサファイア基板から引き剥がす方法が開発された。この方法により、従来は極めて困難であった転位密度の低い単結晶窒化物半導体基板の製造が、実現できるようになった。

この単結晶窒化物半導体を薄膜成長の基板として用いると、デバイス構造を含む薄膜中の結晶欠陥が少なくなるため、高発光強度・長素子寿命などの優れた特性を持つ窒化物半導体デバイスをつくることが可能になる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平１０−３２１５４８号公報 特開平１１−４０７８６号公報 特開平１１−２９７５８３号公報

しかしながら、ＨＶＰＥ法により成長するＧａＮ基板は、１枚あたりの製造に要する時間が非常に長いため、サファイア基板などと比べて単価が桁違いに高い。すなわち、単結晶窒化物半導体基板はコストが極めて高いという問題を抱えており、低価格が要求される青色ＬＥＤや高周波電子デバイスなどへの応用は、現時点では、実用上ほとんど不可能な状態にある。

そこで、本発明の目的は、低転位密度の窒化物半導体薄膜をシリコン基板、あるいは任意の材質からなる支持基板上に形成し、窒化物半導体薄膜上にエピタキシャル層を成長した半導体ウェハを提供することにある。

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、本願発明の第一の態様は、支持基板と、上記支持基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に気相成長され形成された窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記支持基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有する。

上記気相成長面は、０°以上８°未満のオフ角を有してもよい。

上記気相成長面は、１°以上３°未満のオフ角を有してもよい。

上記支持基板はＳｉ基板であってもよい。

本願発明の第二の態様は、基板と、上記基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に形成された複数の窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、（０００−１）窒素面から任意の方向にオフカットされたＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として、上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有する。

本願発明の第三の態様は、Ｓｉ基板と、上記Ｓｉ基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に形成された複数の窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える高周波電子デバイス用半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、（０００−１）窒素面から任意の方向にオフカットされたＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として、上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記Ｓｉ基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有し、かつ上記気相成長面は、１°以上３°未満のオフ角を有する。

本願発明の製造方法に係る第一の態様は、第１の窒化物半導体基板の表面近傍にイオンを注入する工程と、その第１の窒化物半導体基板の表面側を第２の基板に重ね合わせる工程と、重ね合わせた上記２枚の基板を熱処理する工程と、イオン注入された層を境として上記第１の窒化物半導体基板の大部分を上記第２の基板から引き剥がす工程とを含む。

本願発明の製造方法に係る第二の態様は、第１の窒化物半導体基板の表面近傍にイオンを注入する工程と、その第１の窒化物半導体基板を熱処理する工程と、上記第１の窒化物半導体基板の表面側を第２の基板に貼り合わせる工程と、イオン注入された層を境として上記第１の窒化物半導体基板の大部分を上記第２の基板から引き剥がす工程とを含む。

上記イオンの注入は、窒化物半導体基板の表面から２μｍ以下の深さに濃度ピークを有するように行うとよい。

上記第１の窒化物半導体基板は、厚さが４００μｍ程度であるとよい。

上記熱処理は、水素、窒素、アンモニア、酸素、アルゴン、ネオン、ヘリウムのいずれかの単体ガス、あるいはこれらの混合ガスからなるガス雰囲気中にて、温度８００℃以上で２時間以上行うとよい。

本発明によれば、低転位密度の窒化物半導体薄膜を、低い製造コストで、シリコン基板、あるいは任意の材質からなる基板上に形成することができるという優れた効果を発揮する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の好適な実施の形態である半導体基板の製造工程の一部（熱処理するまでの工程）を示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の好適な実施の形態である半導体基板の製造工程の一部（熱処理後の工程）を示す断面図である。 本実施の形態に係る半導体ウェハを用いて作製したＬＥＤの断面構造の一例を示す図である。 本実施の形態に係る半導体ウェハを用いて作製した高周波トランジスターの断面構造の一例を示す図である。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
まず、本実施の形態に係る製造方法を用いて作製した半導体基板を図２（ｅ）で説明する。

図２（ｅ）に示すように、本実施の形態に係る半導体基板（半導体ウェハー、あるいはテンプレート基板）１は、第２の基板としての単結晶のシリコン基板２上に、低転位密度の単結晶窒化物半導体薄膜としてのＧａＮ薄膜３を形成したものである。この半導体基板１は、後述するように、青色ＬＥＤや高周波電子デバイス（例えば、高周波トランジスターなど）の基板として使用される。

第２の基板としては、ガラス、金属からなるものを用いてもよい。窒化物半導体薄膜としては、インジウム、ガリウム、アルミニウム、及び窒素からなるもの（例えば、ＡｌＮ薄膜など）であればよい。

次に、半導体基板１の製造方法を図１および 図２で説明する。

図１（ａ）〜 図１（ｄ）は、本発明の好適な実施の形態である半導体基板の製造工程の一部（熱処理するまでの工程）を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の好適な実施の形態である半導体基板の製造工程の一部（熱処理後の工程）を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、第１の窒化物半導体基板として、低転位密度の単結晶のＧａＮ基板１１（厚さｄ）を用意する。このＧａＮ基板１１は、ウルツ鉱型ＧａＮからなり、表面側が（０００−１）窒素面、裏面側が（０００１）ガリウム面となるように配置される。

図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１１の表面近傍に上方からイオンを注入し、ＧａＮ基板１１の表面から数μｍ程度の深さにイオン注入層１２を形成する。注入するイオンは、水素、窒素、酸素、ネオン、アルゴンのうちの１種あるいは２種以上のイオンからなるものを用いる。本実施の形態では、注入するイオンとして、水素および窒素イオンを用いた。このとき、ＧａＮ基板１１の表面からイオン注入層１２の上面までに、最終的に得たいＧａＮ薄膜３（図２（ｅ）参照）となる薄膜１１ａが形成される。

図１（ｃ）に示すように、単結晶シリコン基板２を用意し、ＧａＮ基板１１の表面側をシリコン基板２の表面に重ね合わせ、密着させる。その後、重ね合わせた２枚のＧａＮ基板１１、シリコン基板２に熱処理を施し、貼り合わせる。

さて、この熱処理の際、ＧａＮ基板１１中に形成したイオン注入層１２内部では、イオンによって誘起された欠陥に起因して多数のダングリングボンドが平面状に形成されるため、イオン注入層１２が 図１（ｄ）に示すような亀裂層１３となる。すると亀裂層１３の平面に沿って、熱応力等によって亀裂が発生し、亀裂層１３を境としてＧａＮ基板１１は上下に分離する。

この現象を利用すると、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２に貼り合わせられた表面付近の薄膜１１ａ（ 図１参照）を残して、亀裂層１３を境としてＧａＮ基板１１の大部分１１Ａをシリコン基板２から引き剥がすことができる。つまり、薄膜１１ａは、ＧａＮ基板１１からシリコン基板２に転写され、ＧａＮ薄膜３となる。

その後、図２（ｂ）に示すように、引き剥がされたＧａＮ基板１１の大部分１１Ａは、亀裂層１３を除去することで、図２（ｃ）に示すようなＧａＮ基板２１となる。このＧａＮ基板２１は、厚さｄ２が 図１（ａ）のＧａＮ基板１１の厚さｄよりも、若干薄くなっただけなので、第１の窒化物半導体基板として再利用できる。

一方、 図２（ｄ）に示すように、ＧａＮ薄膜３が表面に貼り付いたシリコン基板２は、さらなる熱処理を施して亀裂層１３を除去すると、 図２（ｅ）で説明した半導体基板１が得られる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る製造方法は、まず、ＧａＮ基板１１中にイオン注入層１２を形成し、そのＧａＮ基板１１をシリコン基板２に重ね合わせ、熱処理して貼り付ける。この際、イオン注入層１２が亀裂層１３となるため、亀裂層１３を境にしてＧａＮ基板１１の大部分１１Ａをシリコン基板２から剥がすことで、シリコン基板２上にＧａＮ薄膜３を形成した半導体基板１が得られる。他方、ＧａＮ基板１１の大部分１１Ａは、亀裂層１３を除去してＧａＮ基板２１となるため、ＧａＮ基板１１として再利用できる。

つまり、この製造方法を用いると、低転位密度であるが高価格という問題を抱える単結晶窒化物半導体基板（例えば、ＧａＮ基板１１）のたった１枚から、低価格な基板（例えば、シリコン基板２）上に低転位密度の窒化物半導体薄膜（例えば、ＧａＮ薄膜３）を大量に「転写」でき、しかも低転位密度の窒化物半導体薄膜を有する半導体基板を大量に「複製」できる。

特に、低価格な基板としては、単結晶窒化物半導体基板よりも数桁のオーダで安価なシリコン基板を使えばよい。すると、低転位密度の窒化物半導体薄膜を有する半導体基板の１枚あたりの単価を、単結晶窒化物半導体基板１枚と比較して、劇的に下げることができる。

したがって、本実施の形態に係る製造方法によれば、低転位密度の窒化物半導体薄膜を、低い製造コストで、シリコン基板２、あるいは任意の材質からなる基板上に形成することができる。

上記実施の形態では、イオン注入後のＧａＮ基板１１とシリコン基板２を重ね合わせ、これら２枚の基板１１，２を熱処理して貼り合わせる例で説明したが、イオン注入後のＧａＮ基板１１を熱処理し、熱処理後のＧａＮ基板１１をシリコン基板２に貼り合わせてもよい。

また、上記実施の形態では、窒化物半導体薄膜としてＧａＮ薄膜３を形成する例で説明したが、窒化物半導体膜としてＡｌＮ薄膜を形成する場合には、第１の窒化物半導体基板としてウルツ鉱型ＡｌＮからなるＡｌＮ基板を用いる。

（実施例１）
まず、ＨＶＰＥ法によって成長させた低転位密度の単結晶のＧａＮ基板１１を用意する。ＧａＮ基板１１の表面側は、（０００−１）窒素面となるように配置される。ＧａＮ基板１１の厚さｄは４００μｍ程度である。

このＧａＮ基板１１の表面近傍に、水素及び窒素イオンをイオン注入法により注入し、イオン注入層１２を形成する。イオン注入は、ＧａＮ基板１１の表面から２μｍ以下の深さにその濃度ピークを有するように行うことが望ましい。実施例１では、イオン注入のエネルギーを４００ｋｅＶとした。

次に、（１００）あるいは（１１１）の面方位をもつ単結晶のシリコン基板２を用意し、このシリコン基板２とイオン注入済みのＧａＮ基板１１表面を洗浄後、表面同士を重ね合わせ、密着させる。

この重ね合わせた基板１１，２をガス置換可能なアニール炉に導入し、炉内で温度８００℃以上の条件で、２時間以上の結合アニール（熱処理）を施し、シリコン基板２とイオン注入済みのＧａＮ基板１１を貼り合わせる。

実施例１では、アニール炉内のガス雰囲気を水素と窒素の混合ガスとした。ガス雰囲気としては、水素、窒素、アンモニア、酸素、アルゴン、ネオン、ヘリウム等の単体ガス、あるいはこれらの混合ガスからなるものを用いてもよい。

結合アニールの際、イオン注入層１２が亀裂層１３となるため、亀裂層１３を境としてＧａＮ基板１１の大部分１１Ａをシリコン基板２から引き剥がすことができる。結果として貼り合わせた基板１１，２は、厚さが３９８μｍ程度になったＧａＮ基板１１の大部分１１Ａと、低転位密度であり厚さが２μｍ程度のＧａＮ薄膜３が表面に貼り付いたシリコン基板２との２つに分離される。

このうち引き剥がされたＧａＮ基板１１の大部分１１Ａは、亀裂層１３をケミカルメカニカルポリッシュ法などによって処理して除去することにより、ＧａＮ基板２１（これはＧａＮ基板１１とほぼ同一構造）となり、再度、図１（ｂ）以降に示すようなイオン注入によるシリコン基板２上へのＧａＮ薄膜３の形成プロセスへ利用することができる。

なぜならば、ＧａＮ基板２１は、厚さｄ２がＧａＮ基板１１の厚さｄよりも約０．５％程度薄くなった以外は、プロセス使用前と状態が変わらないためである。すなわち、１枚のＧａＮ基板１１は、理想的には数十回〜百回程度の再利用、使い回しが可能である。

低転位密度の単結晶のＧａＮ基板１１は１枚あたりの価格は高いが、上記のような単結晶のＧａＮ基板２１を再利用しつつ低転位密度のＧａＮ薄膜３を増殖させるプロセスは、半導体基板の製造コストを著しく低減する効果がある。

一方、厚さ２μｍ程度の低転位密度のＧａＮ薄膜３が表面に貼り付いたシリコン基板２は、さらなる熱処理を施して、イオン注入及びダングリングボンド形成によるダメージを除去（亀裂層１３を除去）すると、優れた特性・信頼性をもつ窒化物半導体デバイスを形成するための、低価格な半導体基板１として使用することができる。

ここで、半導体基板１の窒化物半導体膜上にエピタキシャル層を形成して作製した半導体ウェハを用いて作製した窒化物半導体デバイスの一例を説明する。具体的な応用例としては、 図３に示すような青色ＬＥＤ３１や、図４に示すような高周波トランジスター４１がある。

図３に示すように、青色ＬＥＤ３１は、半導体基板１の上に、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＧａＮエピタキシャル層３２、ＩｎＧａＮとＧａＮからなるマルチ・カンタム・ウェル層３３、ｐ型ＧａＮエピタキシャル層３４を順次エピタキシャル成長させた後、ｐ型ＧａＮエピタキシャル３４層の上に透明電極からなる電流拡散層３５を形成し、所定のフォトリソグラフィー法で電流拡散層３５の上にｐ型電極３６を、半導体基板１の裏面にｎ型電極３７をそれぞれ形成して構成される。

この青色ＬＥＤ３１は、デバイス構造中に非発光再結合中心となるような結晶欠陥が少ないため、高発光強度、長素子寿命という優れた特性を有する。

また、 図４に示すように、高周波トランジスター４１は、半導体基板１の上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて半絶縁ＧａＮエピタキシャル層４２、アンドープＡｌＧａＮエピタキシャル層４３を順次エピタキシャル成長させた後、所定のフォトリソグラフィー法でアンドープＡｌＧａＮエピタキシャル層４３の上に、ソース電極４４、ゲート電極４５、ドレイン電極４６、ＳｉＮｘパッシベーション膜４７をそれぞれ形成して構成される。

この高周波トランジスター４１は、デバイス構造中に電子散乱要因となるような結晶欠陥が少ないため、高速、高出力という優れた特性を有する。

（実施例２）
第１の窒化物半導体基板としてウルツ鉱型ＡｌＮからなるＡｌＮ基板を用い、実施例１と同様の方法で、シリコン基板２上にＡｌＮ薄膜を形成して半導体基板を作製した。実施例２によっても、実施例１と同様の作用効果が得られ、低転位密度の窒化物半導体薄膜を有する半導体基板を低コストで作製できる。

（実施例３）
実施例１のＧａＮ基板１１の代わりに、（０００−１）窒素面から任意の方向に０°以上８°未満、望ましくは１°以上３°未満の範囲でオフカットされた面が表面側となるように配置されたＧａＮ基板を用い、実施例１と同様にして基板上にＧａＮ薄膜を形成し、半導体基板を作製した。オフカットを０°以上８°未満の範囲にするのは、オフカットが８°以上になると、ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長したＧａＮ薄膜の表面モフォロジ（形態）が著しく劣化するからである。作製した半導体基板上に、ＭＯＶＰＥ法で複数のエピタキシャル層を順次エピタキシャル成長させると、各エピタキシャル層のモフォロジ
が良好となる。

（実施例４）
実施例１のシリコン基板２の代わりに、ガラス基板あるいは金属基板を用い、実施例１と同様にして基板上にＧａＮ薄膜３を形成し、半導体基板を作製した。第２の基板としては、工業面での技術的蓄積からシリコンを用いることが望ましいが、実施例４のようにガラスや金属などのさらに安価な材料からなる基板を用いれば、実施例１と比べて、低転位密度の窒化物半導体薄膜を有する半導体基板をさらに低コストで作製できる。

１ 半導体基板
２ シリコン基板（第２の基板）
３ ＧａＮ薄膜（窒化物半導体薄膜）
１１ ＧａＮ基板（第１の窒化物半導体基板）
１２ イオン注入層
１３ 亀裂層

Claims (6)

1. 支持基板と、上記支持基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に気相成長され形成された窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記支持基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有することを特徴とする半導体ウェハ。
2. 上記気相成長面は、０°以上８°未満のオフ角を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハ。
3. 上記気相成長面は、１°以上３°未満のオフ角を有することを特徴とする請求項１に記載された半導体ウェハ。
4. 上記支持基板はＳｉ基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された半導体ウェハ。
5. 基板と、上記基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に形成された複数の窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、（０００−１）窒素面から任意の方向にオフカットされたＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として、上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有することを特徴とする半導体ウェハ。
6. Ｓｉ基板と、上記Ｓｉ基板の表面に設けられた窒化物半導体薄膜と、上記窒化物半導体薄膜上に形成された複数の窒化物半導体エピタキシャル層と、を備える高周波電子デバイス用半導体ウェハにおいて、上記窒化物半導体薄膜は、（０００−１）窒素面から任意の方向にオフカットされたＧａＮ基板に設けられたイオン注入層を境として、上記ＧａＮ基板から剥離されたＧａＮ薄膜であって、上記ＧａＮ薄膜は（０００−１）窒素面側を上記Ｓｉ基板側に有し、（０００１）Ｇａ面側を上記窒化物半導体エピタキシャル層の気相成長面として有し、かつ上記気相成長面は、１°以上３°未満のオフ角を有することを特徴とする高周波電子デバイス用半導体ウェハ。

Images