TWI889685B - GaN基板晶圓及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種GaN基板晶圓，可較佳地使用於製造具有橫型元件結構之氮化物半導體元件，並且具有經過改善的生產性。本發明之GaN基板晶圓，係經（0001）配向的GaN基板晶圓，具有夾住再成長界面而設於N極性側的第一區域與設於Ga極性側且具有最小厚度的第二區域，該第二區域的最小厚度在20μm以上，該第二區域的至少一部分之中，補償雜質的總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。

Description

GaN基板晶圓及其製造方法

本發明係關於GaN（氮化鎵）所構成之基板晶圓與其製造方法。基板晶圓意指製造半導體元件時作為基板所使用的晶圓。

有人提出一種具有僅部分形成於表面側之高電阻區域的GaN基板晶圓，其係在藍寶石晶圓上藉由以氫化物氣相磊晶法（HVPE，Hydride Vapor Phase Epitaxy）使僅在上部設有過渡金屬原子濃度高之區域的GaN厚膜成長後，將該GaN厚膜從該藍寶石晶圓剝離的方法所獲得（專利文獻1）。該專利文獻1中記載，藉由雜質摻雜而高電阻化的GaN結晶容易破裂，但以此方法所製造的GaN基板晶圓不易產生裂縫。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2012-232884號公報

[發明所欲解決之課題]

藉由引用文獻1揭示的方法製造僅在表面側部分地設置比電阻經提高之區域的GaN基板晶圓的情況，每製作1片GaN基板晶圓，就必須以HVPE在1片藍寶石晶圓上使GaN厚膜成長。 [解決課題之手段]

本案發明人注意到，作為引用文獻1所揭示之方法的替代，在預先製造低雜質濃度的GaN晶圓後，使摻雜了補償雜質的GaN層於其上成長，即可效率更佳地生產僅在表面側部分地具有比電阻經提高之區域的GaN基板晶圓。 本發明係根據此發想而完成，其實施型態包含以下內容。

〔1〕一種GaN基板晶圓，其係經（0001）配向的GaN基板晶圓， 具有夾住再成長界面而設於N極性側的第一區域與設於Ga極性側並具有最小厚度的第二區域； 該第二區域的最小厚度在20μm以上， 該第二區域的至少一部分之中補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。 〔2〕如前述〔1〕之GaN基板晶圓，其中該第一區域滿足選自以下（a）～（c）的一個以上的條件： （a）Si濃度為5×10¹⁶ atoms/cm³ 以上； （b）O濃度為3×10¹⁶ atoms/cm³ 以下； （c）H濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以下。 〔3〕如前述〔1〕或〔2〕之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，補償雜質之總濃度低於施體雜質之總濃度。 〔4〕如前述〔1〕至〔3〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，補償雜質之總濃度小於1×10¹⁷ atoms/cm³ 。 〔5〕如前述〔1〕至〔4〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，Si、O及H以外的雜質元素的濃度獨立地小於5×10¹⁵ atoms/cm³ 以下。 〔6〕如前述〔1〕至〔5〕中任一項之GaN基板晶圓，其滿足選自以下（1）～（3）的任一條件： （1）具有50mm以上55mm以下的直徑與250μm以上450μm以下的厚度； （2）具有100mm以上105mm以下的直徑與350μm以上750μm以下的厚度； （3）具有150mm以上155mm以下的直徑與450μm以上800μm以下的厚度。 〔7〕如該〔1〕至〔6〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該第二區域具有至少包含Ga極性側之主面的主摻雜區域，且該主摻雜區域中的補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。 〔8〕如前述〔7〕之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中的補償雜質之總濃度為1×10¹⁸ atoms/cm³ 以上。 〔9〕如前述〔7〕或〔8〕之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中，補償雜質之總濃度為施體雜質之總濃度的2倍以上。 〔10〕如前述〔7〕至〔9〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域含有選自碳及過渡金屬元素中的一種以上的元素。 〔11〕如前述〔7〕至〔10〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域所含有之濃度最高的雜質為Fe、Mn或C。 〔12〕如前述〔7〕至〔11〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域係距離GaN極性側之主面特定長度以內的區域，該特定長度為20μm以上。 〔13〕如前述〔7〕至〔12〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中，補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動在中央值±25%的範圍內。 〔14〕如前述〔12〕或〔13〕之GaN基板晶圓，其中該特定長度大於50μm。 〔15〕如前述〔12〕至〔14〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該特定長度為該第二區域之最小厚度的50%以上。 〔16〕如前述〔1〕至〔15〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該第二區域中的補償雜質之總濃度為5×10¹⁹ atoms/cm³ 以下。 〔17〕如前述〔1〕至〔16〕中任一項之GaN基板晶圓，其中該第二區域的最小厚度在300μm以下。 〔18〕如前述〔1〕至〔17〕中任一項之GaN基板晶圓，其中Ga極性側的主面為平坦面。 〔19〕如前述〔18〕之GaN基板晶圓，其中該再成長界面相對於Ga極性側的主面傾斜。 〔20〕如前述〔19〕之GaN基板晶圓，其中在該第二區域中的該再成長界面傾斜之方向的一端與另一端之間的厚度差不超過200μm。 〔21〕一種磊晶晶圓，具有如該〔1〕至〔20〕中任一項之GaN基板晶圓與在該GaN基板晶圓之Ga極性側的主面上經磊晶成長的氮化物半導體層。 〔22〕一種磊晶晶圓的製造方法，具有：準備如該〔1〕至〔20〕中任一項之GaN基板晶圓的步驟；及在該GaN基板晶圓的Ga極性側的主面上使氮化物半導體層成長的步驟。 〔23〕一種氮化物半導體元件的製造方法，具有： 準備如前述〔1〕至〔20〕中任一項之GaN基板晶圓的步驟； 在使該GaN基板晶圓的Ga極性側的主面上使氮化物半導體層成長而得到磊晶晶圓的步驟；及 從該磊晶晶圓的至少一部分之中將該GaN基板晶圓之該第一區域去除的步驟。 〔24〕一種GaN基板晶圓的製造方法，其特徵為具有： 第二步驟，在基板上藉由HVPE使經（0001）配向的第二GaN厚膜成長後，將該第二GaN厚膜切割，藉此得到第二c面GaN晶圓；及 第三步驟，在該第二c面GaN晶圓上藉由HVPE使經（0001）配向的厚度大於50μm的GaN膜成長；且 該GaN膜中設有補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的部分。 〔25〕一種GaN基板晶圓的製造方法，其係製造具有將再成長界面夾住的N極性側之區域與Ga極性側之區域的GaN基板晶圓的方法，其特徵為具有： （i）第一步驟，在晶種晶圓上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第一GaN厚膜成長，並且對於該第一GaN厚膜加工而得到至少1片第一c面GaN晶圓； （ii）第二步驟，在第一步驟中所得之第一c面GaN晶圓上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第二GaN厚膜成長，並且從該第二GaN厚膜切割出第二c面GaN晶圓；及 （iii）第三步驟，在第二步驟中所得之第二c面GaN晶圓上藉由HVPE使厚度大於50μm且經（0001）配向的GaN膜成長而得到積層結構體；及 在該第三步驟中成長的GaN膜中，設有補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上之部分。 〔26〕如前述〔25〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜的厚度在300μm以下。 〔27〕如前述〔25〕或〔26〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN基板晶圓滿足選自以下（1）～（3）的任一條件： （1）具有50mm以上55mm以下的直徑與250μm以上450μm以下的厚度； （2）具有100mm以上105mm以下的直徑與350μm以上750μm以下的厚度； （3）具有150mm以上155mm以下的直徑與450μm以上800μm以下的厚度。 〔28〕如前述〔25〕至〔27〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜具有c軸方向之區域長度在20μm以上且區域內的補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的特定摻雜區域。 〔29〕如前述〔28〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該特定摻雜區域中的補償雜質之總濃度為1×10¹⁸ atoms/cm³ 以上。 〔30〕如前述〔28〕或〔29〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該特定摻雜區域中，補償雜質之總濃度為施體雜質之總濃度的2倍以上。 〔31〕如前述〔28〕至〔30〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域內補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動在中央值±25%的範圍內。 〔32〕如前述〔28〕至〔31〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該區域長度為該GaN膜之厚度的50%以上。 〔33〕如前述〔28〕至〔32〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中從該特定摻雜區域之下端到該GaN膜與該第二c面GaN晶圓之界面為止的長度為1μm以上。 〔34〕如前述〔28〕至〔33〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域含有選自碳及過渡金屬元素中的一種以上的元素。 〔35〕如前述〔28〕至〔34〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域所含有之濃度最高的雜質為Fe、Mn或C。 〔36〕如前述〔24〕至〔35〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜中的補償雜質之總濃度為5×10¹⁹ atoms/cm³ 以下。 〔37〕如前述〔24〕至〔36〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該第三步驟之後具有將該積層結構體薄化的薄化步驟。 〔38〕如前述〔37〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該薄化步驟前後，該GaN膜的厚度差在50μm以上。 〔39〕如前述〔37〕或〔38〕之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該薄化步驟前後，該GaN膜的厚度差在200μm以下。 〔40〕如前述〔37〕至〔39〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN基板晶圓的偏向與該第二c面GaN晶圓的偏向不同。 〔41〕如前述〔24〕至〔40〕中任一項之GaN基板晶圓的製造方法，其中在以該第三步驟使該GaN膜成長之前，具有使該第二步驟中從該第二GaN膜切割出來的該第二c面GaN晶圓之Ga極性側的主面平坦化的平坦化步驟、進一步藉由蝕刻進行粗化的粗化步驟。 [發明之效果]

本發明提供一種可較佳地用於製造具有橫型元件結構之氮化物半導體元件的、具有經改善之生產性的GaN基板晶圓及其製造方法。

以下詳細說明本發明之實施型態。以下記載的構成要件的說明為本發明的實施型態之一例（代表例），本發明只要不超過其主旨，則不特定於此等內容。 本說明書中以「X～Y」（X、Y為任意的數字）表現的情況，只要未特別記載，則包含「X以上Y以下」的意思，並且包含「較佳為大於X」及「較佳為小於Y」的意思。 又，本說明書中，將2個以上的對象合併說明時所使用的「獨立地」，係以此等2個以上的對象可相同亦可不同的意思來使用。

1.GaN基板晶圓 本發明之一實施型態係關於GaN基板晶圓。 實施型態之GaN基板晶圓，係經（0001）配向的GaN基板晶圓，具有夾住再成長界面而設於 N極性側的第一區域與設於Ga極性側且具有最小厚度的第二區域。第二區域的最小厚度為20μm以上。又，在第二區域的至少一部分中，補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。 再者，上述的GaN基板晶圓中，關於第一區域中的雜質濃度，較佳係滿足選自以下（a）～（c）的一個以上的條件。 （a）Si（矽）濃度為5×10¹⁶ atoms/cm³ 以上； （b）O（氧）濃度為3×10¹⁶ atoms/cm³ 以下； （c）H（氫）濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以下。 另外，本說明書中「雜質」係指GaN基板所含有之Ga元素及N元素以外的成分。 經（0001）配向的GaN晶圓係指具有與（0001）結晶面、亦即c面平行或約略平行之主面（大面積面）的GaN晶圓，亦稱為c面GaN晶圓。

圖1及圖2係顯示實施型態之GaN基板晶圓的一例。圖1為立體圖，圖2為剖面圖。 圖1及圖2所示的GaN基板晶圓100，係僅由GaN結晶所構成的自立式基板晶圓，其2個主面的一面為N極性面101，另一面為Ga極性面102。N極性面101與Ga極性面102互相平行。 GaN基板晶圓100經（0001）配向，Ga極性面102相對於（0001）結晶面的傾斜為10度以下，較佳為5度以下，更佳為2.5度以下。該傾斜可在0.2度以上且小於1度，亦可為1度以上2.5度以下等。

GaN基板晶圓100的直徑通常為45mm以上、95mm以上，或亦可為145mm以上。典型而言為50～55mm（約2英吋）、100～105mm（約4英吋）、150～155mm（約6英吋）等。 GaN基板晶圓100之厚度的較佳範圍因應直徑而有所變化。直徑約2英吋時，厚度較佳為250μm以上，更佳為300μm以上，又，較佳為450μm以下，更佳為400μm以下。直徑約4英吋時，厚度較佳為350μm以上，更佳為400μm以上，又，較佳為750μm以下，更佳為650μm以下。直徑約6英吋時，厚度較佳為450μm以上，更佳為550μm以上，又，較佳為800μm以下，更佳為700μm以下。

如上所述，GaN基板晶圓100通常為圓盤狀，在變形例中，主面的形狀可為正方形、長方形、六角形、八角形、橢圓形等，亦可為不規則形。這種變形例的情況，可將前述直徑解讀為「主面中通過重心的最短直線之長度」。

GaN基板晶圓100的N極性面101為「背面」，可進行鏡面處理，亦可進行粗面或消光處理。 GaN基板晶圓100的Ga極性面102為「表面」，GaN基板晶圓100用於製造氮化物半導體元件時，通常係在Ga極性面102上磊晶成長半導體層。 Ga極性面102可為結晶成長完成之狀態（as-grown）的表面，但通常係藉由加工使其平坦化。用來將Ga極性面102平坦化以形成平坦面的加工，可包含選自研磨及化學機械拋光（CMP，Chemical Mechanical Polishing）的一者以上。除了此等加工以外，可以去除損傷層為目的而進行蝕刻。平坦面的粗糙度並未限定，但例如以原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）所測量之Ga極性面102的方均根（RMS）粗糙度，在測量範圍2μm×2μm中，較佳為小於5nm，更佳為小於2nm，再佳為小於1nm，亦可為小於0.5nm。 Ga極性面102亦可為由切削所形成的面，但較佳為不經過切削僅實施研磨、CMP、蝕刻等平坦化的面。

GaN基板晶圓100，其2個主面之間具有再成長界面103，並且以夾住再成長界面103的方式在N極性側具有第一區域110、在Ga極性側具有第二區域120。「再成長界面」係指在任意的基板上使GaN結晶成長時所產生的交界界面，其存在可藉由例如掃描式電子顯微鏡陰極射線發光或螢光顯微鏡觀察GaN基板晶圓的剖面來確認。 再成長界面103較佳係與Ga極性面102平行。再成長界面103從Ga極性面102傾斜時，通常第二區域120的厚度在傾斜方向的一端會是最小，另一端會是最大。第二區域120的該一端的厚度與該另一端的厚度之差較佳為不超過200μm。 使用GaN基板晶圓100的氮化物半導體元件的製造過程中，預計最後會將第一區域110去除。亦即，使用GaN基板晶圓100所製造的氮化物半導體元件晶片中，預計不會包含源自第一區域110的部分。若為這樣的使用態樣，則形成第一區域110的GaN結晶之電特性就沒有特別的限制。

第一區域110通常係以HVPE所成長的GaN結晶所構成，因此關於雜質濃度，滿足選自以下（a）～（c）的一個以上的條件。本說明書中，HVPE係指氫化物氣相磊晶法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）。 （a）Si濃度為5×10¹⁶ atoms/cm³ 以上 （b）O濃度為3×10¹⁶ atoms/cm³ 以下 （c）H濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以下 以HVPE所成長的GaN結晶中，只要未以補償雜質刻意摻雜，則補償雜質之總濃度普遍係低於施體雜質之總濃度。另外，「刻意摻雜」係指在GaN結晶成長的過程中，添加對象元素以作為原料。 又，第一區域中，補償雜質之總濃度較佳係小於1×10¹⁷ atoms/cm³ 。 形成第一區域110的GaN結晶較佳為未刻意摻雜的GaN結晶。

第二區域120係在第一區域110之上藉由HVPE而成長。第一區域110與第二區域120之間存在再成長界面103，是因為使第一區域110成長的步驟與使第二區域120成長的步驟並不連續。 第二區域120的最小厚度為20μm以上。其理由係為了要在製造使用GaN基板晶圓100的氮化物半導體元件晶片的過程中，在從基板晶圓100去除第一區域110後，讓剩下的第二區域120能發揮作為基板的功能，支撐該半導體元件晶片結構。最小厚度係指在厚度最小之處的厚度。 第二區域120的最小厚度為50μm以上或大於50μm，進一步可為75μm以上，進一步可為100μm以上，進一步可為150μm以上等。 第二區域120的最小厚度較佳為350μm以下，更佳為300μm以下，亦可為250μm以下，200μm以下等。 Ga極性面102與再成長界面103平行且第二區域120的厚度一致時，第二區域的厚度在所有之處皆視為最小厚度。

較佳係將第二區域120之中，將至少包含Ga極性側主面之區域、具體為距離GaN基板晶圓100之Ga極性面102特定長度L以內的區域定為主摻雜區域120a。第二區域120，係以至少主摻雜區域120a中補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的方式進行摻雜。 補償雜質之總濃度，係將所有種類之補償雜質的濃度相加而得到的濃度。在以HVPE所成長的GaN結晶中，只要未刻意摻雜，則補償雜質之總濃度通常不會為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。因此，可藉由刻意摻雜而使補償雜質之總濃度在1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上。 本說明書中所指的補償雜質，意指在GaN結晶中具有補償n型載子之功能的雜質。作為補償雜質而廣為人知的是C（碳）與過渡金屬元素。過渡金屬元素中，係以Fe（鐵）與Mn（錳）為代表，其他已知有Co（鈷）、Cr（鉻）、V（釩）、Ni（鎳）、Cu（銅）等。

主摻雜區域120a中的補償雜質之總濃度可為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上且小於2×10¹⁷ atoms/cm³ ，2×10¹⁷ atoms/cm³ 以上且小於5×10¹⁷ atoms/cm³ ，5×10¹⁷ atoms/cm³ 以上且小於1×10¹⁸ atoms/cm³ ，1×10¹⁸ atoms/cm³ 以上且小於2×10¹⁸ atoms/cm³ ，2×10¹⁸ atoms/cm³ 以上且小於5×10¹⁸ atoms/cm³ ，5×10¹⁸ atoms/cm³ 以上且小於1×10¹⁹ atoms/cm³ ，1×10¹⁹ atoms/cm³ 以上且小於2×10¹⁹ atoms/cm³ ，2×10¹⁹ atoms/cm³ 以上且小於5×10¹⁹ atoms/cm³ 等。 主摻雜區域120a中，補償雜質之總濃度較佳為施體雜質之總濃度的2倍以上，更佳為5倍以上，再佳為10倍以上，亦可為50倍以上。又，主摻雜區域120a所含有之濃度最高的補償雜質較佳為Fe、Mn或C。 適宜例中，設定添加至主摻雜區域120a之補償雜質的濃度，讓形成主摻雜區域120a的GaN結晶係半絕緣性，亦即其室溫電阻率在1×10⁵ Ω･cm以上。

在GaN結晶中發揮作為施體雜質之功能的元素，具有Si、Ge（鍺）、Sn（錫）等14族元素與O、S（硫）、Se（硒）、Te（碲）等16族元素，其中Si及O即使在未刻意添加的情況，在以HVPE所成長的GaN結晶中，亦可含有10¹⁶ atoms/cm³ 等級以上的濃度。作為對照，Si以外的14族元素與O以外的16族元素，只要未刻意添加，則不會以10¹⁵ atoms/cm³ 等級以上的濃度含有於以HVPE所成長的GaN結晶中。

特定長度L至少為1μm以上，較佳為20μm以上，更佳為25μm以上，再佳為50μm以上，可在不超過第二區域120之最小厚度的範圍內任意設定。 期望在主摻雜區域120a內，在GaN基板晶圓100之厚度方向、即沿著c軸方向上，比電阻的變動小。因此，在主摻雜區域120a內，補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動較佳為中央值±25%以內，更佳為±20%以內，再佳為±15%以內，再更佳為±10%以內。 較佳的實施型態中，使用GaN基板晶圓100的氮化物半導體元件晶片之製造過程中，除了去除第一區域110以外，更從GaN基板晶圓100去除第二區域120的一部分，並使特定長度L為大於50μm的值，讓即使在使主摻雜區域120a露出時，僅由剩餘之主摻雜區域120a所構成之GaN基板仍能支撐該半導體元件晶片的結構。 此較佳的實施型態中，特定長度L為75μm以上、100μm以上，進一步可為150μm以上，進一步可為200μm以上。 此較佳的實施型態中，特定長度L較佳為第二區域120的最小厚度的50%以上，更佳為75%以上，再佳為90%以上。 又，從特定長度L的下端（N極性面101側之一端）到再成長界面為止的長度較佳為1μm以上，更佳為5μm以上，10μm以上，又，從該下端到該界面為止的長度較佳為50μm以下，更佳為30μm以下。

為了避免過剩摻雜導致結晶品質明顯降低，第二區域120，包含主摻雜區域120a中的補償雜質之總濃度可為5×10¹⁹ atoms/cm³ 以下，進一步可為2×10¹⁹ atoms/cm³ 以下，進一步可為1×10¹⁹ atoms/cm³ 以下。 第二區域120的最下部，亦即與第一區域110相鄰的部分中，與刻意添加於主摻雜區域120a中的補償雜質相同種類的補償雜質的濃度亦可隨著從第一區域110離開而連續或階段性增加。

第二區域120因為通常係以HVPE成長，因此關於其雜質濃度，滿足選自以下（a’）～（c’）的一個以上的條件。 （a’）Si濃度為5×10¹⁶ atoms/cm³ 以上 （b’）O濃度為3×10¹⁶ atoms/cm³ 以下 （c’）H濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以下

一例中，如圖3所示，再成長界面103亦可為粗面。例如，在使第二區域120成長之前，藉由蝕刻使第一區域110的表面粗面化後，再成長界面103會形成粗面。將與再成長界面103垂直而從第一區域110朝向第二區域120之方向設為高度方向，將該再成長界面中最高點與最低點之間的高低差設為該再成長界面之粗糙度r時，該粗糙度r例如可為0.3μm以上12μm以下。 另外，圖1～圖3中雖未顯示，但GaN基板晶圓100的邊緣亦可進行倒角。又，亦可因應需求對於GaN基板晶圓100實施用以表示結晶方位的定向平面或切口，用以使表面與背面之識別變得容易的指數、平面等各種標記。

GaN基板晶圓100，較佳可用於製造GaN-HEMT之類的橫型元件結構的氮化物半導體元件。氮化物半導體元件，係元件結構的主要部分由氮化物半導體形成的半導體元件。氮化物半導體，亦稱為氮化物系III-V族化合物半導體、III族氮化物系化合物半導體、GaN系半導體等，除了包含GaN以外，亦可包含以其他周期表第13族元素（B、Al、In等）取代GaN之鎵的一部分或全部而成的化合物。 橫型元件結構可用於雙極電晶體之類的高電子移動度電晶體（HEMT）以外的電子元件中，又亦可用於發光二極體（LED）及雷射二極體（LD）之類的發光元件中。

使用GaN基板晶圓100製造GaN-HEMT時，準備圖4（a）所示之GaN基板晶圓100後，如圖4（b）所示，例如在其Ga極性面102上藉由有機金屬氣相成長法（MOVPE），讓至少包含未摻雜GaN通道層210與未摻雜AlGaN載子供給層220的磊晶膜200成長，而形成磊晶晶圓。 在執行了可包含蝕刻加工、離子注入、電極形成、保護膜形成等的半導體製程後，將磊晶晶圓切割而形成GaN-HEMT晶片，但為了在切割之前將磊晶晶圓薄化，通常係如圖4（c）所示，以研削、蝕刻等方法去除GaN基板晶圓100的第一區域110的至少一部分。

亦可進行此薄化加工讓磊晶晶圓的外周部留下環狀之厚壁部。亦即，可僅在磊晶晶圓之外周部以外的部分將GaN基板晶圓100的第一區域110去除。 圖4（c）中，亦從GaN基板晶圓100部份地去除第二區域120，讓主摻雜區域120a在薄化後之磊晶晶圓的N極性面側露出。另外，使用GaN基板晶圓100的半導體元件，並不僅限於氮化物半導體元件。

2.GaN基板晶圓的製造方法 接著說明本發明之另一實施型態的GaN基板晶圓的製造方法。以下記載的製造方法，係製造該GaN基板晶圓的較佳型態之一。又，藉由以下記載的GaN基板晶圓的製造方法所得之GaN基板晶圓的較佳態樣，列舉出前述GaN基板晶圓。 實施型態的前述GaN基板晶圓100，較佳可以下述說明之方法來製造。此方法適用於製造夾住再成長界面而具有N極性側之區域與Ga極性側之區域的GaN基板晶圓，較佳係在Ga極性側的至少一部分中比電阻經提高者，其具有以下步驟。 （ii’） 第二步驟，在基板上藉由HVPE讓經（0001）配向的第二GaN厚膜成長後，將該第二GaN厚膜切割，藉此得到第二c面GaN晶圓；及 （iii’） 第三步驟，在該第二c面GaN晶圓上藉由HVPE使經（0001）配向的厚度大於50μm的GaN膜成長； 該GaN膜中設有施體雜質之總濃度高於該第二c面GaN晶圓的區域。

再者，作為製造上述第二步驟中之基板的步驟，較佳係成為加入了第一步驟的以下步驟。因此下述的第一步驟為任意。 （i）第一步驟，在晶種晶圓上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第一GaN厚膜成長，並且將該第一GaN厚膜加工，而得到至少1片第一c面GaN晶圓。 （ii）第二步驟，在第一步驟中所得之第一c面GaN晶圓上藉由HVPE使由未刻意摻雜的GaN所構成且經（0001）配向的第二GaN厚膜成長，並且從該第二GaN厚膜切割出第二c面GaN晶圓。 （iii）第三步驟，在第二步驟中所得之第二c面GaN晶圓上藉由HVPE使厚度大於50μm且經（0001）配向的GaN膜成長而得到積層結構體。其中，該GaN膜中設有補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的部分。 本說明書中「晶圓上」與「晶圓的表面上」同義。

以下進一步詳細說明上述第一步驟至第三步驟。另外，該第一步驟中所得之第一c面GaN晶圓及第二步驟中所得之第二GaN厚膜的結構及特性，可分別適用上述第一區域及第二區域的結構及特性。 第一步驟中，準備圖5（a）所示的晶種晶圓1之後，如圖5（b）所示，於其上以HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第一GaN厚膜2成長。再者，如圖5（c）所示，藉由對於第一GaN厚膜2進行加工，得到至少1片第一c面GaN晶圓3。

晶種晶圓1的一例為c面藍寶石晶圓，較佳亦可為在主面上設置剝離層者。例如，以MOVPE在c面藍寶石晶圓上隔著低溫緩衝層使厚度數百nm的GaN層成長，再以真空蒸鍍於該GaN層上形成厚度數十nm的Ti（鈦）層後，在80%的H₂ （氫氣）與20%的NH₃ （氨）的混合氣體中，例如以1060℃退火30分鐘，藉此可形成附剝離層的c面藍寶石晶圓。 晶種晶圓1亦可為以另外的步驟所製造的c面GaN晶圓。

藉由對於該第一GaN厚膜2進行加工，第一GaN厚膜2係成長為可僅製作至少1片自立c面GaN晶圓的厚度。較佳的例中，使第一GaN厚膜2成長為數mm以上的厚度，再從其中切割出至少2片第一c面GaN晶圓3。 圖6（a）係顯示由第一步驟所製作的一片第一c面GaN晶圓3的剖面圖。然而，第一c面GaN晶圓3並不限於由第一步驟所得者。 第二步驟中，如圖6（b）所示，在第一c面GaN晶圓3的Ga極性面上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第二GaN厚膜4成長，接著，如圖6（c）所示，從該第二GaN厚膜4切割出第二c面GaN晶圓5。藉由對於該第二GaN厚膜4進行加工，第二GaN厚膜4係成長為可僅製作至少1片第二c面GaN晶圓5的厚度。較佳的例中，使第二GaN厚膜4成長為數mm以上的厚度，再從其中切割至少2片第二c面GaN晶圓5。 第二GaN厚膜4具有弱的n型導電性，因此可使用線切割放電加工裝置對其進行切割。線切割放電加工裝置，相較於遊離磨粒（loose abrasive）式的線鋸，切斷速度更快，而且容易操作。又，使用線切割放電加工裝置將GaN結晶切斷時的鋸口損失（kerf loss）比使用固定磨粒式的線鋸時更少。

第二c面GaN晶圓5，如圖7（a）顯示之剖面圖，具有互相平行的N極性面及Ga極性面作為主面。 製造實施型態之前述GaN基板晶圓100的情況，在第二步驟中從第二GaN厚膜4切割出第二c面GaN晶圓5時，與第二c面GaN晶圓5中的Ga極性面的（0001）結晶面相對的傾斜角度（偏角）及傾斜方向（偏向）較佳係與GaN基板晶圓100應具有的偏角及偏向相同，但並非必要。 GaN基板晶圓100應具有之偏向，因應使用GaN基板晶圓100的半導體元件之製造者的要求而有各式各樣，但準備具有各種偏向的第二c面GaN晶圓5，會導致GaN基板晶圓100的生產效率降低。根據第二c面GaN晶圓5的偏向，以下第三步驟中在第二c面GaN晶圓5上以HVPE使GaN膜6成長時的最佳條件會有所變化，亦須注意。

第二c面GaN晶圓5的初始厚度t_5i ，亦可比氮化物半導體元件之製造中所使用的GaN基板晶圓通常具有的厚度更薄。這是因為，第二c面GaN晶圓5只要在至以下第三步驟之間不破損即可，與必需承受由多個步驟所構成之半導體製程的GaN基板晶圓不同。 例如，第二c面GaN晶圓5的直徑約為2英吋時，其初始厚度t_5i 較佳為300μm以下，亦可為250μm以下，進一步可為200μm以下。 藉由使第二c面GaN晶圓5的初始厚度t_5i 變小，可增加從第二GaN厚膜4切割出來的第二c面GaN晶圓5的片數。

第三步驟中，如圖7（b）所示，在第二c面GaN晶圓5的Ga極性面上以HVPE使成長厚度t_6g 超過50μm的經（0001）配向之GaN膜6成長，得到積層結構體。此時，第二c面GaN晶圓5與GaN膜6之間形成再成長界面。

通常，第二c面GaN晶圓5的Ga極性面，在使GaN膜6成長之前，適當使用研削、研磨、CMP等技法加工至平坦（平坦化步驟），但在一例中，亦可在以蝕刻將經平坦化的該Ga極性面加工為粗面後（粗面化步驟），再使GaN膜6成長。 若使用HCl（氯化氫）作為蝕刻氣體，則無需使用蝕刻遮罩即可將GaN的Ga極性面粗化。若在用於GaN膜6之成長的HVPE裝置中設置蝕刻用的HCl供給線，則亦可在該HVPE裝置的反應器內，於GaN膜6即將開始成之前，將第二c面GaN晶圓5的Ga極性面粗化。

使用HCl作為蝕刻氣體時的較佳蝕刻條件如下。 HCl分壓為例如0.002～0.05atm。 H₂ 分壓為例如0.2～0.8atm。 NH₃ 分壓為例如0.01～0.05atm。藉由流入NH₃ ，可更均勻地將GaN的Ga極性面粗化。 蝕刻溫度為例如900～1050℃。 蝕刻時間為例如1～60分鐘。 在將蝕刻後的第二c面GaN晶圓5的Ga極性面的粗糙度定義為最高點與最低點之間的高低差時，該粗糙度可為例如0.3～12μm。 使用HCl的蝕刻中，在固定蝕刻時間以外的條件時，具有第二c面GaN晶圓的Ga極性面之粗糙度隨著蝕刻時間一起增加的傾向。

將HCl用於蝕刻氣體時的蝕刻時間，亦可以使Ga極性面的粗糙度不超過0.5μm的方式決定。 例如，以HCl分壓為0.01～0.02atm、H₂ 分壓為0.05～0.08atm、NH₃ 分壓為0.01～0.03atm、溫度970～1000℃這樣的條件蝕刻第二c面GaN晶圓5的Ga極性面時，藉由使蝕刻時間在5分鐘以下，可使Ga極性面的粗糙度在0.5μm以下。 一例中，亦可以光微影法形成經過圖案化之蝕刻遮罩後再以乾式蝕刻，使第二c面GaN晶圓5的Ga極性面形成粗面。點狀圖案與網狀圖案係蝕刻遮罩之理想圖案的典型例。乾式蝕刻亦可為使用Cl₂ （氯氣）或含氯化物作為蝕刻氣體的RIE（反應性離子蝕刻）。

GaN膜6，係以至少一部分補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的方式進行摻雜。所使用的補償雜質特佳為Fe、Mn及C。 適宜例中，亦可在GaN膜6中設置特定摻雜區域6a。特定摻雜區域6a，係c軸方向的區域長度較佳為20μm以上且區域內補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的區域。換言之，此區域長度意指補償雜質之總濃度為1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上之區域的厚度（厚度方向的高度）。 特定摻雜區域6a中，c軸方向的區域長度亦可為25μm以上、50μm以上、75μm以上、100μm以上、150μm以上、200μm以上等。 特定摻雜區域6a的上端（〔0001〕側之一端），較佳為距離GaN膜6之頂面10μm以內，更佳為5μm以內，亦可為GaN膜6的頂面。 從特定摻雜區域6a的下端（〔000-1〕側之一端）到第二c面GaN晶圓5與GaN膜6之界面的長度較佳為1μm以上，更佳為5μm以上、10μm以上，又，從該下端至該界面的長度，較佳為50μm以下，更佳為30μm以下。 特定摻雜區域6a中的c軸方向的區域長度，進一步較佳為GaN膜6之厚度的50%以上，更佳為75%以上，再佳為90%以上。 特定摻雜區域6a內，補償雜質之總濃度為至少1×10¹⁷ atoms/cm³ ，亦可為2×10¹⁷ atoms/cm³ 以上、5×10¹⁷ atoms/cm³ 以上、1×10¹⁸ atoms/cm³ 以上、2×10¹⁸ atoms/cm³ 以上、5×10¹⁸ atoms/cm³ 以上等。

特定摻雜區域6a中，補償雜質之總濃度較佳為施體雜質之總濃度的2倍以上，更佳為5倍以上，再佳為10倍以上，亦可為50倍以上。 特定摻雜區域6a內，GaN結晶為半絕緣性，亦即其室溫電阻率亦可為1×10⁵ Ω･cm以上。 期望在特定摻雜區域6a內，比電阻沿著c軸方向的變動小。因此，特定摻雜區域6a內，補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動較佳為中央值±25%以內，更佳為±20%以內，再佳為±15%以內，再更佳為±10%以內。 包含特定摻雜區域6a，GaN膜6中的補償雜質之總濃度，為了避免因為過剩之摻雜導致結晶品質明顯降低，可為5×10¹⁹ atoms/cm³ 以下，進一步可為2×10¹⁹ atoms/cm³ 以下，進一步可為1×10¹⁹ atoms/cm³ 以下。 GaN膜6的最下部，亦即與第二c面GaN晶圓5相鄰的部分，亦以添加與特定摻雜區域6a中所添加之補償雜質相同種類的補償雜質，讓其濃度隨著從第二c面GaN晶圓5離開而連續或階段性地增加。

GaN膜6的成長厚度t_6g ，只要因應欲製造的GaN基板晶圓的Ga極性側區域之設計厚度來設定即可。具體可為20μm以上、50μm以上或大於50μm，進一步可為75μm以上、100μm以上、150μm以上等，又，亦可為500μ以下、350μm以下、300μm以下、250μm以下、200μm以下等。 製造前述GaN基板晶圓100的情況，GaN膜6的成長厚度t_6g 亦可與該GaN基板晶圓中的第二區域120的設計厚度相同，但較佳為大於該設計厚度，藉此可在後續薄化步驟中對於GaN膜6表面進行平坦化加工。因此，GaN膜6的成長厚度t_6g ，為了確保用以平坦化的加工裕度（margin），較佳係比第二區域120之設計最大厚度大50μm以上，更加係大100μm以上。一般不會需要超過200μm的加工裕度。換言之，薄化步驟前後的GaN膜6的厚度差較佳係在200μm以下。 例如，GaN膜6的成長厚度t_6g 比第二區域120的設計最大厚度大50μm以上時，後續的薄化步驟中，GaN膜6的厚度減少50μm以上。換言之，薄化步驟前後，GaN膜6的厚度差成為50μm以上。

製造前述GaN基板晶圓100的情況，即使是直徑大的晶圓，例如直徑6英吋的晶圓，GaN膜6的成長厚度t_6g 亦可抑制在500μm以下。 因成長厚度t_6g 小即可，因此可以較短的時間形成GaN膜6，故無需擔心作為副產物的NH₄ Cl（氯化銨）堵塞HVPE裝置的排氣系統，可一次在多個第二c面GaN晶圓5上使GaN膜6成長。因此，可使第三步驟中的產率變得極高。 再者，形成GaN膜6所需的時間短，有助於降低與HVPE反應器之洗淨與維護相關的成本。一般就HVPE反應器而言，1次成長步驟所需的時間短，則劣化進行會變慢，使用壽命會變長。

第三步驟之後，因應需求，如圖7（c）所示，設置將第三步驟中所得之積層結構體薄化的薄化步驟。 圖7（c）中，第二c面GaN晶圓5的厚度從初始厚度t_5i 減少至最終厚度t_5f ，而且GaN膜6的厚度從初始厚度t_6i 減少至最終厚度t_6f ，但在薄化步驟中，亦可僅對於第二c面GaN晶圓5與GaN膜6的任一者進行加工。 製造實施型態之前述GaN基板晶圓100的情況，薄化步驟中，第二c面GaN晶圓5與GaN膜6的厚度減少至分別與該GaN基板晶圓中的第一區域110及第二區域120的設計厚度一致為止。

在應該要製造的GaN基板晶圓100的偏向與第二c面GaN晶圓5的偏差(offcut)相同時，可使用第二c面GaN晶圓5的背面（積層結構體的N極性面）作為薄化加工時的面方位的基準。 在應該要製造的GaN基板晶圓100的偏向與第二c面GaN晶圓5的偏差不同時，亦即偏角與偏向的至少任一者不同時，可在薄化加工之前以X光繞射裝置確認積層結構體的結晶方位。 薄化步驟中使用之加工技法，可適當選自研削、研磨（lapping）、CMP、乾式蝕刻、濕式蝕刻等。

藉由使用以上說明之製造方法，可以良好的產率生產實施型態之GaN基板晶圓100。 理由係因為不存在以HVPE使經過刻意摻雜的GaN厚膜成長為1mm以上之厚度的步驟及對於如此成長的GaN厚膜進行切割加工的步驟。 第一步驟及第二步驟中，雖亦可以HVPE使GaN厚膜成長至公釐等級的厚度，但此等的步驟中所成長的第一GaN厚膜2及第二GaN厚膜4，因為未刻意摻雜，不易在成長中產生形貌異常及裂縫，且切割中破裂頻率亦低。 另一方面，第三步驟中成長的GaN膜6之中，雖設有以1×10¹⁷ atoms/cm³ 以上的濃度含有補償雜質的部分，但因為GaN膜6的成長厚度在500μm以下，因此在成長中不易產生形貌異常及裂縫。而且，GaN膜6不需要進行切割加工。亦即，該薄化步驟中不需要實施切割加工。特別是，第三步驟中形成的GaN膜6較佳係不經過切割加工即進行薄化步驟。

再者，藉由以上說明之製造方法所得之GaN基板晶圓中，主平面中的偏向的變異變得極小。 理由係在未刻意摻雜的第一c面GaN晶圓3上，未刻意摻雜而同質磊晶成長的第二GaN厚膜4的翹曲極小，因此從該第二GaN厚膜4切割出來的第二c面GaN晶圓5中，偏向的變異變得極小。

以下參照圖8說明上述製造方法包含的第一步驟至第三步驟中可使用之HVPE裝置的例子。 圖8所示的HVPE裝置10，具備熱壁式反應器11、配置於該反應器內的鎵儲槽12及基座13、配置於該反應器外部的第一加熱器14及第二加熱器15。第一加熱器14及第二加熱器15分別環狀地圍住反應器11。

反應器11為石英管腔室。反應器11內具有主要由第一加熱器14加熱的第一區域Z₁ 與主要由第二加熱器15加熱的第二區域Z₂ 。排氣管P_E 與第二區域Z₂ 側的反應器端連接。 配置於第一區域Z₁ 的鎵儲槽12，係具有氣體入口與氣體出口的石英容器。 配置於第二區域Z₂ 的基座13係由例如石墨所形成。可任意設置使基座13旋轉的機構。

為了以HVPE裝置10讓GaN成長，在基座13上放置晶種後，以第一加熱器14及第二加熱器15將反應器11內加熱，並且通過氨導入管P₁ 將經載流氣體稀釋的NH₃ （氨）供給至第二區域Z₂ ，又，通過氯化氫導入管P₂ 將經載流氣體稀釋的HCl（氯化氫）供給至鎵儲槽12。此HCl與鎵儲槽12之中的金屬鎵反應，產生之GaCl（氯化鎵）通過氯化鎵導入管P₃ 被運送至第二區域Z₂ 。

在第二區域Z₂ 中，NH₃ 與GaCl反應，產生之GaN在放置於基座13上的晶種上結晶化。 在對於成長之GaN進行刻意摻雜時，通過摻雜物導入管P₄ 將經載流氣體稀釋的摻雜氣體引導至反應器11內的第二區域Z₂ 。 氨導入管P₁ 、氯化氫導入管P₂ 、氯化鎵導入管P₃ 及摻雜物導入管P₄ ，配置於反應器11內的部分係由石英所形成。 分別將NH₃ 、HCl及摻雜氣體稀釋的載流氣體，較佳係使用H₂ （氫氣）、N₂ （氮氣體）或H₂ 與N₂ 的混合氣體。

使用HVPE裝置10，使GaN成長時的較佳條件如下。 鎵儲槽的溫度為例如500～1000℃，較佳為700℃以上，又，較佳為900℃以下。 基座溫度為例如900～1100℃，較佳為930℃以上，更佳為950℃以上，又，較佳為1050℃以下，更佳為1020℃以下。

反應器內的NH₃ 分壓與GaCl分壓的比、即V/III比為例如1～20，較佳為2以上，更佳為3以上，又，較佳為10以下。 V/III比太大或太小，皆會成為GaN之成長表面的形貌變差的原因。成長表面的形貌變差可能會成為結晶品質降低的原因。 在某種雜質中，對於摻入GaN結晶的效率會與成長表面的結晶方位高度相依。在成長表面形貌不佳之條件下成長出來的GaN結晶的內部中，此雜質的濃度均勻性降低。這是由於在形貌不佳的成長表面，存在各種方位的刻面。 摻入GaN結晶的效率會因為成長表面之結晶方位而明顯不同的雜質，典型例為O（氧）。因為O是施體雜質，因此其濃度的均勻性降低會導致比電阻的均勻性降低。

其他方面，使用過低的V/III比，會使成長之GaN結晶的氮空孔濃度增加。目前尚未清楚氮空孔是否會影響GaN結晶或使用其之GaN基板、或是在該GaN基板上形成的氮化物半導體元件，但因為是點缺陷，因此認為應盡可能降低其濃度。 GaN的成長速率較佳為40～200μm/h，其可將反應器內的NH₃ 分壓與GaCl分壓的乘積作為參數而進行控制。過高的成長速率會使所成長之GaN的表面形貌變差。 前述第三步驟中對GaN膜6進行摻雜時，為了防止成長表面的形貌變差，較佳係從供給開始花數分鐘至數十分鐘緩慢將摻雜氣體的供給速率增加至既定值。 從相同理由來看，供給摻雜氣體較佳係在使GaN膜6成長了至少數μm的時間點開始。

使GaN膜6含有補償雜質的方法並未限定，但通常係採用將摻雜氣體導入HVPE裝置內的方法。 用以摻雜C的摻雜氣體，例如可使用CH₄ （甲烷）之類的烴氣體。 用以摻雜Fe的摻雜氣體，例如可使用經過氣化的氯化鐵。氯化鐵蒸氣，除了可藉由在載流氣體流通下使HCl與經加熱之金屬鐵接觸的方法來產生，亦可藉由使在載流氣體流通下使經加熱而氣化的二茂鐵（雙（環戊二烯基）鐵）在摻雜物導入管內與HCl反應的方法來產生。此處二茂鐵亦可由含鐵的其他有機化合物所取代。 用以摻雜Mn的摻雜氣體，例如，可藉由將金屬Mn設置於導入管內，將此加熱同時並藉由載流氣體等流體來使用。 在對於GaN添加其他過渡金屬元素時，亦可使用該過渡金屬元素的蒸氣或該過渡金屬元素的氯化物之蒸氣作為摻雜氣體。

使用HVPE裝置10所成長的GaN，即使在未刻意摻雜時，仍以能夠由SIMS（二次離子質譜儀）檢測到的濃度含有O及Si。Si源為反應器或反應器內的配管中所使用的石英（SiO₂ ），O源為該石英與殘留於反應器內或侵入反應器內的水分的任一者或兩者。 配置於反應器11內的零件，包含圖8中省略圖示的零件，除了石英與碳以外，亦可使用以SiC（碳化矽）、SiN_x （氮化矽）、BN（氮化硼）、氧化鋁、W（鎢）、Mo（鉬）等所形成者。藉此，使用HVPE裝置10所成長的GaN中，Si、O及H以外的雜質元素之濃度，只要未刻意摻雜，則可獨立地在5×10¹⁵ atoms/cm³ 以下。 [實施例]

以下顯示實施例，更具體說明本發明。然而，本發明不限於此等的實施例，只要在不脫離本發明之技術思想的範圍內，可進行各種應用。 〔實施例〕 〈第一c面GaN晶圓的作成（第一步驟）〉

首先將GaN晶種設置於HVPE裝置的基座上。作為GaN晶種，係使用以MOCVD（有機金屬化學氣相成長法）所製作的藍寶石上的GaN模板基板，並以c面側做為成長面。 〈製作第二c面GaN晶圓（第二步驟）〉

接著，一邊將N₂ 、H₂ 及NH₃ 以使各分壓為0.67atm、0.31atm及0.02atm的方式供給至反應器內，一邊藉由設於反應器外側的加熱器將反應器內加熱。 基座溫度到達1000℃後，固定地保持基座溫度，使GaN成長。鎵儲槽的溫度設定為900℃。成長時供給至反應器內的載流氣體，係使69莫耳%為H₂ ，剩餘為N₂ 。 將GaCl及NH₃ 以使各分壓為7.9×10^-3 atm及0.024atm的方式供給至反應器內，使不含施體雜質的第二GaN厚膜成長至約2.5mm的厚度。由厚度與成長時間所算出之第二GaN厚膜的成長速率約40μm/h。 接著，與c面平行地切割此GaN厚膜而得到晶圓後，對於該晶圓的Ga極性面實施以研削所進行的平坦化與其後續的CMP加工。藉由蝕刻去除該晶圓的N極性面側的切割損傷。再者，藉由裁切晶圓，製作厚度400μm的不含施體雜質的第二c面GaN晶圓。所得之晶圓的差排密度約為2×10⁶ ～4×10⁶ cm^-2 。 另外，若藉由延長成長時間而使第二GaN厚膜的厚度增加，則可得到2片以上的第二c面GaN晶圓。 〈製作GaN基板（第三步驟）〉

將該第二c面GaN晶圓作為晶種，以c面側作為成長面，設置於HVPE裝置的基座上。 接著，一邊將N₂ 及NH₃ 導入反應器內，一邊藉由設於反應器外側的加熱器將反應器內加熱，讓N₂ 及NH₃ 各分壓為0.84atm及0.16atm。 鎵儲槽的溫度到達900℃，基座溫度到達1030℃後，將基座溫度保持於定值，供給GaCl及NH₃ 讓各分壓為0.013atm及0.16atm，藉此開始GaN結晶的成長。成長中所供給的載流氣體僅為N₂ 。 從成長開始1分鐘後，在9.4×10^-4 atm下，使HCl開始流入設置有金屬Fe的摻雜物導入管，藉此開始摻雜Fe。讓摻雜Fe作為施體雜質的GaN膜成長為約0.4mm的厚度。摻雜Fe之GaN結晶層的成長速率為1.6μm/min。 以微分干涉相差顯微鏡觀察GaN膜的整個表面，確認未產生凹孔及裂縫等的表面缺陷。

假設以與上述相同的成長條件使GaN膜成長至0.8mm左右的情況，因為裝置構成構件的劣化引起非常態之掉落物等而造成影響，可能導致結晶表面產生凹孔。構成凹孔的結晶面，因為高濃度地混入了氧及矽這種呈現導電性的施體雜質，而會發生在結晶表面產生電阻率不同之處的問題。又，若以高濃度摻雜補償雜質，則具有在GaN膜中產生應力的傾向，成長厚度越厚越明顯。GaN膜中蓄積的應力，會導致差排及裂縫等缺陷產生。本實施例中，認為使GaN膜（摻雜Fe之GaN結晶層）的成長厚度停留在約0.4mm發揮了功效。使成長厚度變厚的情況，可藉由降低補償雜質的摻雜濃度以及改善裝置、改善製造條件等對策來抑制上述差排及裂縫等缺陷。

成長至厚度約0.4mm的GaN膜的面不進行切割，分別對於表面（GaN膜的側）及背面（第二c面GaN晶圓的側）進行研削、研磨而進行加工，使其整體的厚度為400μm，藉此製作直徑約50mm的摻雜Fe之GaN基板晶圓。 所得之GaN基板晶圓，具有再成長界面，在N極性側具有厚度100μm厚的第一區域（相當於第二c面GaN晶圓）、在Ga極性側具有厚度300μm厚的第二區域（相當於GaN膜）的2層基板。

以SIMS測量所製作之摻雜Fe之GaN基板晶圓的雜質濃度，結果Fe為6.4×10¹⁸ atoms/cm³ ，Si為1.9×10¹⁶ atoms/cm³ ，O為2.0×10¹⁶ atoms/cm³ ，C為7.1×10¹⁵ atoms/cm³ 。 從所製作之摻雜Fe之GaN基板的表面適當選出5處，從陰極射線發光中於100μm×100μm的正方形區域中觀察到的暗點數量求出各處的差排密度，結果約為2×10⁶ ～3×10⁶ cm^-2 ，與用於晶種的單晶GaN（0001）基板的差排密度相同。 以雙環法評價電阻率

以雙環法測量製作之摻雜Fe之GaN基板的電阻率，結果室溫電阻率為7×10¹¹ Ωcm。

以上雖就具體的實施型態說明本發明，但各實施型態係提出作為例子，並未限定本發明的範圍。本說明書記載的各實施型態，在不脫離發明主旨的範圍內，可進行各種變形，且在可實施的範圍內，可與其他實施型態說明之特徵組合。

1:晶種晶圓 2:第一GaN厚膜 3:第一c面GaN晶圓 4:第二GaN厚膜 5:第二c面GaN晶圓 6:GaN膜 6a:特定摻雜區域 10:HVPE裝置 11:反應器 12:鎵儲槽 13:基座 14:第一加熱器 15:第二加熱器 100:GaN基板晶圓 101:N極性面 102:Ga極性面 103:再成長界面 110:第一區域 120:第二區域 120a:主摻雜區域 200:磊晶膜 210:未摻雜GaN通道層 220:未摻雜AlGaN載子供給層 t_5i :初始厚度 t_5f :最終厚度 t_6g :成長厚度 L:特定長度 r:粗糙度 P₁ :氨導入管 P₂ :氯化氫導入管 P₃ :氯化鎵導入管 P₄ :摻雜物導入管 P_E :排氣管 Z₁ :第一區域 Z₂ :第二區域

圖1係顯示實施型態之GaN基板晶圓的立體圖。 圖2係顯示實施型態之GaN基板晶圓的剖面圖。 圖3係顯示實施型態之GaN基板晶圓的剖面圖。 圖4係用以說明使用實施型態之GaN基板晶圓的氮化物半導體元件之製造步驟的步驟剖面圖。 圖5係用以說明實施型態之GaN基板晶圓製造方法的步驟剖面圖。 圖6係用以說明實施型態之GaN基板晶圓製造方法的步驟剖面圖。 圖7係用以說明實施型態之GaN基板晶圓製造方法的步驟剖面圖。 圖8係顯示HVPE裝置之基本構成的示意圖。

100:GaN基板晶圓

101:N極性面

102:Ga極性面

103:再成長界面

110:第一區域

120:第二區域

120a:主摻雜區域

L:特定長度

Claims (41)

1. 一種GaN基板晶圓，其係經（0001）配向的GaN基板晶圓， 具有夾住再成長界面而設於N極性側的第一區域與設於Ga極性側並具有最小厚度的第二區域； 該第二區域的最小厚度在20μm以上， 該第二區域的至少一部分之中補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以上。
2. 如請求項1之GaN基板晶圓，其中該第一區域滿足選自以下（a）～（c）的一個以上的條件： （a）Si濃度為5×10 ¹⁶atoms/cm ³以上； （b）O濃度為3×10 ¹⁶atoms/cm ³以下； （c）H濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以下。
3. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，補償雜質之總濃度低於施體雜質之總濃度。
4. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，補償雜質之總濃度小於1×10 ¹⁷atoms/cm ³。
5. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其中該第一區域中，Si、O及H以外的雜質元素的濃度獨立地小於5×10 ¹⁵atoms/cm ³以下。
6. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其滿足選自以下（1）～（3）的任一條件： （1）具有50mm以上55mm以下的直徑與250μm以上450μm以下的厚度； （2）具有100mm以上105mm以下的直徑與350μm以上750μm以下的厚度； （3）具有150mm以上155mm以下的直徑與450μm以上800μm以下的厚度。
7. 如請求項1之GaN基板晶圓，其中該第二區域具有至少包含Ga極性側之主面的主摻雜區域，且該主摻雜區域中的補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以上。
8. 如請求項7之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中的補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁸atoms/cm ³以上。
9. 如請求項7或8之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中，補償雜質之總濃度為施體雜質之總濃度的2倍以上。
10. 如請求項7或8之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域含有碳及選自過渡金屬元素的一種以上的元素。
11. 如請求項7或8之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域所含有之濃度最高的雜質為Fe、Mn或C。
12. 如請求項7或8之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域係距離GaN極性側之主面特定長度以內的區域，該特定長度為20μm以上。
13. 如請求項7或8之GaN基板晶圓，其中該主摻雜區域中，補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動在中央值±25%的範圍內。
14. 如請求項12之GaN基板晶圓，其中該特定長度大於50μm。
15. 如請求項12之GaN基板晶圓，其中該特定長度為該第二區域的最小厚度的50%以上。
16. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其中該第二區域中的補償雜質之總濃度為5×10 ¹⁹atoms/cm ³以下。
17. 如請求項1或2GaN基板晶圓，其中該第二區域的最小厚度在300μm以下。
18. 如請求項1或2之GaN基板晶圓，其中Ga極性側的主面為平坦面。
19. 如請求項18之GaN基板晶圓，其中該再成長界面相對於Ga極性側的主面傾斜。
20. 如請求項19之GaN基板晶圓，其中在該第二區域中之該再成長界面傾斜的方向之一端與另一端之間的厚度差不超過200μm。
21. 一種磊晶晶圓，具有如請求項1至20中任一項之GaN基板晶圓與在該GaN基板晶圓之Ga極性側的主面上經磊晶成長的氮化物半導體層。
22. 一種磊晶晶圓的製造方法，具有：準備如請求項1至20中任一項之GaN基板晶圓的步驟；及在該GaN基板晶圓的Ga極性側的主面上使氮化物半導體層成長的步驟。
23. 一種氮化物半導體元件的製造方法，具有： 準備如請求項1至20項中任一項之GaN基板晶圓的步驟； 在使該GaN基板晶圓的Ga極性側的主面上使氮化物半導體層成長而得到磊晶晶圓的步驟；及 從該磊晶晶圓的至少一部分之中將該GaN基板晶圓之該第一區域去除的步驟。
24. 一種GaN基板晶圓的製造方法，其特徵為具有： 第二步驟，在基板上藉由HVPE使經（0001）配向的第二GaN厚膜成長後，將該第二GaN厚膜切割，藉此得到第二c面GaN晶圓；及 第三步驟，在該第二c面GaN晶圓的Ga極性面上藉由HVPE使經（0001）配向的厚度大於50μm的GaN膜成長； 且該GaN膜中設有補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以上的部分。
25. 一種GaN基板晶圓的製造方法，其係製造具有將再成長界面夾住的N極性側之區域與Ga極性側之區域的GaN基板晶圓的方法，其特徵為具有： （i）第一步驟，在晶種晶圓上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成經（0001）配向的第一GaN厚膜成長，並且對於該第一GaN厚膜加工而至少得到1片第一c面GaN晶圓； （ii）第二步驟，在第一步驟中所得之第一c面GaN晶圓上藉由HVPE使未刻意摻雜的GaN所構成之經（0001）配向的第二GaN厚膜成長，並且從該第二GaN厚膜切割出第二c面GaN晶圓；及 （iii）第三步驟，在第二步驟中所得之第二c面GaN晶圓的Ga極性面上藉由HVPE使厚度大於50μm且經（0001）配向的GaN膜成長而得到積層結構體； 以及在該第三步驟中成長的GaN膜設置補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以上之部分。
26. 如請求項25之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜的厚度在300μm以下。
27. 如請求項25或26之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN基板晶圓滿足選自以下（1）～（3）的任一條件： （1）具有50mm以上55mm以下的直徑與250μm以上450μm以下的厚度； （2）具有100mm以上105mm以下的直徑與350μm以上750μm以下的厚度； （3）具有150mm以上155mm以下的直徑與450μm以上800μm以下的厚度。
28. 如請求項25或26之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜具有c軸方向之區域長度在20μm以上且區域內的補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁷atoms/cm ³以上的特定摻雜區域。
29. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該特定摻雜區域內補償雜質之總濃度為1×10 ¹⁸atoms/cm ³以上。
30. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域中，補償雜質之總濃度為施體雜質之總濃度的2倍以上。
31. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域內之補償雜質之總濃度沿著c軸方向的變動在中央值±25%的範圍內。
32. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中該區域長度為該GaN膜之厚度的50%以上。
33. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中從該特定摻雜區域之下端到該GaN膜與該第二c面GaN晶圓的界面為止的長度為1μm以上。
34. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域含有選自碳及過渡金屬元素中的一種以上的元素。
35. 如請求項28之GaN基板晶圓的製造方法，其中該特定摻雜區域所含有之濃度最高的雜質為Fe、Mn或C。
36. 如請求項24之GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN膜中的補償雜質之總濃度為5×10 ¹⁹atoms/cm ³以下。
37. 如請求項24之GaN基板晶圓的製造方法，其中該第三步驟之後具有將該積層結構體薄化的薄化步驟。
38. 如請求項37之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該薄化步驟前後，該GaN膜的厚度差在50μm以上。
39. 如請求項37或38之GaN基板晶圓的製造方法，其中在該薄化步驟前後，該GaN膜的厚度差在200μm以下。
40. 如請求項37或38GaN基板晶圓的製造方法，其中該GaN基板晶圓的偏向(offcut orientation)與該第二c面GaN晶圓的偏向不同。
41. 如請求項24或25之GaN基板晶圓的製造方法，其中在以該第三步驟使該GaN膜成長之前，更具有：使該第二步驟中從該第二GaN膜切割出來的該第二c面GaN晶圓之Ga極性側的主面平坦化的平坦化步驟、以及更藉由蝕刻進行粗化的粗化步驟。