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JP4386031B2 - 半導体デバイスの製造方法および窒化ガリウム結晶基板の識別方法 - Google Patents

半導体デバイスの製造方法および窒化ガリウム結晶基板の識別方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体デバイスの製造方法および窒化ガリウム(GaN)結晶基板の識別方法に関する。
窒化物半導体結晶基板の中でも特にGaN結晶基板は、発光デバイスや電子デバイスなどの半導体デバイス用の基板として注目されている。現在、GaN結晶基板を製造する方法としては、サファイア基板上に、ハイドライド気相成長法(HVPE法)などにより、GaN結晶を気相成長させる方法が一般的に用いられている。
また、GaN結晶基板を用いた半導体デバイスは、GaN結晶基板上に、有機金属化学気相堆積(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などにより1層以上の窒化物半導体結晶層を気相成長させた後に電極を形成し、その後、チップ状に分割することにより製造されている。
播磨 弘,「GaNおよび関連窒化物のラマン散乱分光」,材料,日本材料学会,Vol.51,No.9,2002年9月,pp.983−988
半導体デバイスの製造コストを低減するためには、なるべく大きな表面を有するGaN結晶基板上に窒化物半導体結晶層を気相成長させ、1枚のGaN結晶基板からなるべく多くの半導体デバイスを得ることが有効である。
しかしながら、GaN結晶基板の表面が大きくなればなるほど、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板にクラックや割れが発生する可能性が高くなる。半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板にクラックや割れが発生した場合には、不良品が多発したり、半導体デバイスの製造装置にGaN結晶基板の破片などが飛散して連続生産が妨げられたりして、半導体デバイスの製造コストを低減することができないだけでなく、半導体デバイスの特性も悪化する可能性がある。したがって、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックおよび割れの発生を低減することができるGaN結晶基板の開発が望まれていた。
本発明の目的は、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックおよび割れの発生を低減することができるGaN結晶基板を含む半導体デバイスの製造方法ならびにそのGaN結晶基板の識別方法を提供することにある。
本発明は、面積が10cm2以上の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下である窒化ガリウム結晶基板を用いて半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法である。
また、本発明は、面積が10cm 2 以上の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2 H フォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm -1 以下である窒化ガリウム結晶基板を識別する工程と、識別された窒化ガリウム結晶基板の表面上に窒化物半導体層を積層する工程とを含む半導体デバイスの製造方法である。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、窒化物半導体層の表面上にショットキー電極を形成する工程と、窒化ガリウム結晶基板の窒化物半導体層の積層側とは反対側の裏面にオーミック電極を形成する工程とを含むことができる。
また、本発明は、面積が10cm2以上の表面を有するGaN結晶基板について、表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下のGaN結晶基板を識別するGaN結晶基板の識別方法である。
本発明によれば、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックおよび割れの発生を低減することができるGaN結晶基板を含む半導体デバイスの製造方法ならびにそのGaN結晶基板の識別方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図1に、本発明のGaN結晶基板の表面の好ましい一例の模式的な平面図を示す。ここで、本発明のGaN結晶基板は、その表面1の面積が10cm2以上であり、表面1の周縁から5mm内側までの領域2(図1の実線と破線の間の領域)を除いた領域3(図1の破線で囲まれた領域)内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下であることを特徴としている。
これは、本発明者らが鋭意検討した結果、図1に示すように、10cm2以上の面積を有する表面1の周縁から5mm内側までの領域2を除いた領域3内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下であるGaN結晶基板を用いて半導体デバイスを作製した場合にはGaN結晶基板の残留歪み(応力)が小さくなることに起因して、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックや割れの発生を低減できることを見い出し、本発明を完成するに至ったものである。
なお、図1に示されている破線は説明の便宜のために記載された仮想線であって、本発明のGaN結晶基板の表面に必ずしも形成されているわけではない。
ここで、E2Hフォノンモードについて、ウルツ鉱型のGaN結晶を例にして説明すると、E2Hフォノンモードは、図2(a)に示すGa原子(白丸)およびN原子(黒丸)からなる結晶構造を有するGaN結晶において、図2(b)に示すようにN原子がc面内で変位するモードである。
また、図1に示す領域3内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトは、領域3をラマン分光分析して得られるラマンシフトのスペクトルにおいてE2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数により特定される。なお、非特許文献1の985頁のTableIIにおいて、300Kの温度におけるウルツ鉱型のGaN結晶のE2Hフォノンモードのフォノン周波数として567.6cm-1が挙げられており、非特許文献1のFig.3のラマンスペクトル図にはE2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数が567.6cm-1の近傍に現れている。
また、GaN結晶基板の表面が大きいほど、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板にクラックおよび割れが発生しやすくなる。したがって、本発明は、GaN結晶基板の表面の面積が好ましくは18cm2以上、より好ましくは40cm2以上、さらに好ましくは70cm2以上である場合に有効となる。
また、本発明のGaN結晶基板の10cm2以上の面積を有する表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差は0.1cm-1以下であることが好ましい。この場合には、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックや割れの発生を低減できる効果が特に顕著に現れる傾向にある。
また、本発明のGaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値が2cm-1以下であることが好ましい。この場合には、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックや割れの発生がより低減する傾向にあるだけでなく、結晶性が良好であるため、本発明のGaN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスの特性も良好となる傾向にある。ここで、上記のE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅は、たとえば、表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域をラマン分光分析して得られたラマンシフトのスペクトルのE2Hフォノンモードに対応するピークの半値幅(E2Hフォノンモードに対応するピークの強度の1/2のときのピークの波数の幅)を測定することにより算出することができる。
また、本発明のGaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値が1.5cm-1以下であることがより好ましい。この場合には、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックや割れの発生の低減の効果が特に顕著に現れる傾向にあるだけでなく、結晶性がさらに良好となるために、本発明のGaN結晶基板を用いて作製された半導体デバイスの特性もさらに良好となる傾向にある。
さらに、本発明においては、面積が10cm2以上、好ましくは18cm2以上、より好ましくは40cm2以上、さらに好ましくは70cm2以上の表面を有するGaN結晶基板について、GaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下、好ましくは0.1cm-1以下となる本発明のGaN結晶基板を識別し、そのように識別された本発明のGaN結晶基板を用いて半導体デバイスを作製することができる。
このようにして半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの作製時にGaN結晶基板におけるクラックや割れの発生を低減することができるために、大きな面積の表面を有するGaN結晶基板を用いることができ、半導体デバイスの製造コストを低減することができる傾向にある。ここで、半導体デバイスは、上記のように識別された本発明のGaN結晶基板上に窒化物半導体層などを従来から公知の方法により積層することなどによって作製することができる。また、上記の半導体デバイスの作製においても、本発明のGaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値は2cm-1以下であることが好ましく、1.5cm-1以下であることがより好ましいことは言うまでもない。
このような半導体デバイスとしては、たとえば、発光ダイオード若しくはレーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ若しくはHEMT(High Electron Mobility Transistor;高電子移動度トランジスタ)などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射センサ若しくは可視−紫外光検出器などの半導体センサ、SAWデバイス(Surface Acoustic Wave Device;表面弾性波素子)、振動子、共振器、発振器、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)部品または圧電アクチュエータなどの半導体デバイスが挙げられる。
(実施例1)
図3にその概略を示す成長炉300を使用して、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy;ハイドライド気相成長)法によりGaN結晶の成長を行なった。
ここで、成長炉300は、反応室301と、反応室301内に種結晶基板10を保持するための基板ホルダ302と、Ga原料ガス(GaCl)33を合成するための合成室303と、合成室303内にHClガス31を導入するためのガス導入管305と、反応室301内にN原料ガス(NH3)36を導入するためのガス導入管306と、反応後のガスを反応室301から排気するための排気管307と、を含んでいる。また、合成室303内にはGa32が収容されているGaボート304が設置されており、反応室301、合成室303、ガス導入管305およびガス導入管306の周囲には、ヒータ308、ヒータ309およびヒータ310が設置されている。
まず、反応室301内の基板ホルダ302上に種結晶基板10を設置した。ここで、種結晶基板10としては、直径が2インチで厚みが350μmのGaN結晶からなるものを用いた。また、種結晶基板10の表面は、(0001)の面方位を有するGa面から<1−100>方向に5°傾斜させるとともに鏡面研磨が施された表面であり、種結晶基板10の表面の転位密度は5×106cm-2〜5×107cm-2程度であった。また、種結晶基板10は、種結晶基板10の表面内における原料ガスの供給量の均一性を向上させるために10°傾けて設置された。
次に、種結晶基板10を加熱して種結晶基板10の表面温度を1250℃に保持するとともに種結晶基板10を60rpmの速度で回転させた状態で、Ga原料ガス33およびN原料ガス36を含む原料ガスを反応室301内に導入することにより、種結晶基板10の表面上にGaN結晶を成長させた。ここで、Ga原料ガス33の分圧は0.05atmであり、N原料ガス36の分圧は0.1atmであって、キャリアガスとしてH2ガスが用いられた。
なお、Ga原料ガス33は、合成室303内に設置されているGaボート304を800℃に加熱し、ガス導入管305により合成室303内にHClガス31を導入して、Gaボート304中のGa32とHClガス31とを反応させることにより生成された。また、HClガス31は、キャリアガスであるH2ガスととも合成室303内に導入された。
そして、種結晶基板10の表面上にGaN結晶を100時間成長させた。成長したGaN結晶の表面は種結晶基板10の表面に対して5°傾斜しており、平坦で傾斜のない(0001)面となっていた。また、成長したGaN結晶の厚みは、この(0001)面の形成に伴って、GaN結晶の表面内で異なっており、最も厚い部分で約10mm、最も薄い部分で約6mmとなっていた。
上記のようにして成長させたGaN結晶の表面に近い部分から、GaN結晶の表面の(0001)面から<1−100>方向に5°傾斜させて厚み350μmのGaN結晶基板を切り取った。そして、GaN結晶基板の表面(Ga面)である上記の(0001)面を鏡面研磨した後に、その表面の転位密度を測定したところ、2×104cm-2〜1×105cm-2という極めて低転位密度で高品質なGaN結晶基板が得られた。
このようにして直径2インチのGaN結晶基板を60枚作製し、それぞれのGaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトとそのラマンシフトのピークの半値幅とをそれぞれ縦横2mmピッチで計500点測定した。こうして測定した60枚のGaN結晶基板を、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差により6段階に分類し、これらのGaN結晶基板を用いて半導体デバイスを作製したときにクラックまたは割れが生じたGaN結晶基板の枚数を調査した。その結果を表1に示す。なお、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークは測定条件によって変化したが、566.0cm-1〜568.6cm-1の範囲内にあった。
Figure 0004386031
表1に示すように、上記のE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を低減することができ、特に0.1cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を顕著に低減することができることがわかった。
なお、上記のE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトは、以下のようにして測定した。まず、光源としてArレーザ装置を用い、Arレーザ装置から出射された波長514.5nmのArレーザ光を分光器スリット(100μm)に通した。ここで、レーザ光のスポット径は50倍の対物レンズを使用したため約2μmとなり、露光は積算30秒で1回とした。また、レーザ光の強度は、発振出力0.1W(GaN結晶基板の表面では約10mW)であった。そして、図4の模式的斜視図に示すように、GaN結晶基板の表面1の周縁から5mm内側までの領域2を除いた領域3に上記Arレーザ光4を表面1に垂直に照射し、c軸方向の後方散乱配置で反射光5をGaN結晶基板の表面の温度が20℃の状態で検出することにより行なった。なお、波数校正にはNeランプの4本の輝線スペクトルを二次関数で近似する方法を用い、測定した数値データはローレンツ関数で近似し、得られたラマンシフトのスペクトルにおいて、E2Hフォノンモードに対応するピークの最大ピーク時の波数とそのピークの半値幅とを求めた。
(実施例2)
直径を3インチとしたこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件でGaN結晶基板を30枚作製した。このようにして作製された直径3インチのGaN結晶基板のそれぞれの表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内についてE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトをこの領域内において均一に計300点測定した。なお、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトは、実施例1と同一の方法および同一の条件で測定した。
こうして測定した30枚のGaN結晶基板を、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差により6段階に分類し、これらのGaN結晶基板を用いて半導体デバイスを作製したときにクラックまたは割れが生じたGaN結晶基板の枚数を調査した。その結果を表2に示す。
Figure 0004386031
表2に示すように、上記のE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を低減することができ、特に0.1cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を顕著に低減することができることがわかった。
(実施例3)
直径を4インチとしたこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件でGaN結晶基板を20枚作製した。このようにして作製された直径4インチのGaN結晶基板のそれぞれの表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内についてE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトをこの領域内において均一に計300点測定した。なお、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトは、実施例1と同一の方法および同一の条件で測定した。
このようにして測定した20枚のGaN結晶基板を、E2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差により6段階に分類し、これらのGaN結晶基板を用いて半導体デバイスを作製したときにクラックまたは割れが生じたGaN結晶基板の枚数を調査した。その結果を表3に示す。
Figure 0004386031
表3に示すように、上記のE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を低減することができ、特に0.1cm-1以下である場合には半導体デバイスの作製時におけるクラックおよび割れの発生を顕著に低減することができることがわかった。
(実施例4)
実施例1において半導体デバイスの作製時にクラックおよび割れが発生しなかった39枚のGaN結晶基板のそれぞれの表面上に、MOCVD法により、厚さ15μmでキャリア濃度が1×1017cm-3のn型GaN薄膜を成膜した。そして、それぞれn型GaN薄膜の表面上にAuからなる直径200μmのショットキー電極を2mmピッチで形成し、それぞれのGaN結晶基板の裏面の全面にはTi/Alからなるオーミック電極を形成して、それぞれのGaN結晶基板から半導体デバイスとして100個のショットキーダイオードを作製した。
そして、上記のようにして作製したそれぞれのショットキーダイオードのショットキー電極とオーミック電極との間に逆電圧を印加して耐圧を測定することによりショットキーダイオードの評価を行なった。図5に、上記の39枚のGaN結晶基板のそれぞれの表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値と、それぞれのGaN結晶基板から作製されたショットキーダイオードの耐圧の平均値との関係を示す。なお、図5においては、縦軸がショットキーダイオードの耐圧の平均値を示し、横軸が上記の半値幅の平均値を示しており、縦軸の耐圧の平均値が高いほど良好な特性のショットキーダイオードが得られたことを示している。
図5に示すように、GaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値が2cm-1以下である場合にはショットキーダイオードの耐圧の平均値が高くなり、上記の半値幅の平均値が1.5cm-1以下である場合には上記の耐圧の平均値が特に高くなっていることがわかった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明のGaN結晶基板の表面の好ましい一例の模式的な平面図である。 (a)はウルツ鉱型のGaN結晶の結晶構造を示す図であり、(b)はE2Hフォノンモードを説明する図である。 本発明の実施例においてGaN結晶の成長に用いられた成長炉の概略を示す図である。 本発明の実施例においてE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの最大ピーク時の波数とそのピークの半値幅の測定方法を図解するための模式的な斜視図である。 本発明の実施例におけるGaN結晶基板の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトのピークの半値幅の平均値と、それぞれのGaN結晶基板から作製されたショットキーダイオードの耐圧の平均値との関係を示す図である。
符号の説明
1 表面、2,3 領域、4 Arレーザ光、5 反射光、10 種結晶基板、31 HClガス、32 Ga、33 Ga原料ガス、36 N原料ガス、300 成長炉、301 反応室、302 基板ホルダ、303 合成室、304 Gaボート、305,306 ガス導入管、307 排気管、308,309,310 ヒータ。

Claims (4)

  1. 面積が10cm2以上の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下である窒化ガリウム結晶基板を用いて半導体デバイスを製造する、半導体デバイスの製造方法。
  2. 面積が10cm 2 以上の表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2 H フォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm -1 以下である窒化ガリウム結晶基板を識別する工程と、
    前記識別された前記窒化ガリウム結晶基板の表面上に窒化物半導体層を積層する工程とを含む、半導体デバイスの製造方法。
  3. 前記窒化物半導体層の表面上にショットキー電極を形成する工程と、
    前記窒化ガリウム結晶基板の前記窒化物半導体層の積層側とは反対側の裏面にオーミック電極を形成する工程とを含む、請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。
  4. 面積が10cm2以上の表面を有する窒化ガリウム結晶基板について、前記表面の周縁から5mm内側までの領域を除いた領域内におけるE2Hフォノンモードに対応するラマンシフトの最大値と最小値との差が0.5cm-1以下の窒化ガリウム結晶基板を識別することを特徴とする、窒化ガリウム結晶基板の識別方法。
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