基板の製造方法
【課題】基板の製造方法の提供。
【解決手段】下地基板を反応炉内に搬入するステップと、下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、下地基板を反応炉から搬出して自然冷却によってセパレータ層を中心に下地基板と半導体層を分離するステップとを含む基板の製造方法。
【解決手段】下地基板を反応炉内に搬入するステップと、下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、下地基板を反応炉から搬出して自然冷却によってセパレータ層を中心に下地基板と半導体層を分離するステップとを含む基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板の製造方法に係り、特に、III−Ｖ族化合物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、半導体工程技術を用いて所定の基板の上にパワー素子、発光素子、受光素子などの電子素子を実装した電子部品の一つである。例えば、パワー素子は、基板の上にトランジスター、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ショットキーダイオードなどが実装され、受光素子は、基板の上に太陽電池、フォトセンサーなどが実装される。特に、ＧａＮを用いた半導体発光素子は青色発光が可能であることから、既存に開発されているＧａＡｓ及びＩｎＰ系の化合物半導体を用いた緑色と赤色の発光素子とともにフルカラーの実現を可能にして各種のディスプレイの光源として注目を集めている。
【０００３】
しかしながら、高品位のＧａＮ薄膜を成長させるためには、格子定数及び熱膨張係数が同じ高品位ＧａＮ単結晶基板が必要である。ところが、ＧａＮは融点が約２４００℃であり、５族窒素の分圧が３族よりも遥かに大きいため、ＧａＮ単結晶基板を成長させるためには、略４０、０００気圧の窒素圧力が必要であり、現在のＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体単結晶成長技術ではＧａＮ単結晶の製造が困難であることが知られている。
【０００４】
この理由から、現在には、ＧａＮと格子定数及び熱膨張係数の不整合度が大きなサファイア （ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ａｌ２Ｏ３）などの異種基板を使用し、これを緩和させるために、ＡｌＮやＧａＮなどの緩衝層を用いてＧａＮエピ層を成長させる異種接合成長法（ヘテロエピタキシー）を利用している。
【０００５】
良質のＧａＮ単結晶を製造するために種々の方法が提案されているが、大きく、２種類の方法が用いられている。すなわち、異種基板の上にＧａＮ層を成長させ、レーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ ｏｆｆ）またはウェットエッチングなどによりＧａＮ基板を異種基板から分離する方法と、異種基板の上にＧａＮ層を成長させた後、冷却に際してＧａＮ基板と異種基板とが自動的に分離されるようにする方法である。
【０００６】
前者の方法の例として、サファイア基板の上にＨＶＰＥ成長方法を用いて低い欠陥を有するＧａＮを成長させた後、レーザーリフトオフ工程を用いてサファイア基板を分離することが開示されており（例えば、下記の特許文献１参照）、ＧａＡｓ基板の上にＧａＮを成長し、ＧａＡｓ基板をウェットエッチングにより除去することが開示されている（例えば、下記の特許文献２参照）。
【０００７】
後者の方法の例として、ボイドを用いた自動分離法が開示されているが（例えば、下記の特許文献３参照）、これは、異種基板の上に薄いＧａＮを成長させた後、薄いＴｉを成長させ、水素雰囲気の熱処理によってＴｉの下の薄いＧａＮ層にボイドを形成し、その上に厚いＧａＮを形成して冷却に際して異種基板とＧａＮ基板とが自動的に分離されるようにする方法である。また、異種基板の上にＭＯＣＶＤを用いたＥＬＯＧａＮテンプレートにＨ＋イオンを注入した後、低い温度で弱い層を形成し、高温で厚い良質のＧａＮ成長を行った後、冷却に際して弱い層が自動的に分離されることが開示されている（例えば、下記の特許文献４参照）。
【０００８】
しかしながら、上記の従来の自動分離方法は、低い歩留まりと高い製造コストを有していることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６、４４０、８２３号公報
【特許文献２】米国特許第６、６９３、２０１号公報
【特許文献３】米国特許第６、９２４、１５９号公報
【特許文献４】米国公開特許第２００９／０２７８１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、製造工程を単純化させて製造コストを削減することができ、しかも、生産性を向上させることのできる基板の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、表面特性及び結晶性に優れていることから、高性能半導体素子の製作に活用可能な基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様による基板の製造方法は、下地基板を昇温させるステップと、前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様による基板の製造方法は、下地基板を昇温させるステップと、前記下地基板をエッチングして複数の凹部を形成するステップと、前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
前記複数の凹部は、前記反応炉内に塩素を含む第１の原料ガスを供給して形成することが好ましい。
【００１５】
前記バッファー層は、Ｖ族元素を含む第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００１６】
前記バッファー層は、ＮＨ３ガスを用いて前記下地基板を窒化させて形成することが好ましい。
【００１７】
前記セパレータ層は、第１の温度で前記第１及び第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００１８】
前記セパレータ層は、ＮＨ３とＨＣｌを用いてＮＨ４Ｃｌから形成することが好ましい。
【００１９】
前記半導体層は、III族元素を含む物質と前記第１の原料ガスによって形成された第３の原料ガスと前記第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００２０】
前記半導体層は、ＧａとＨＣｌによるＧａＣｌとＮＨ３の反応によって形成されたＧａＮ層を備えることが好ましい。
【００２１】
前記半導体層は、前記第１の温度で一部の厚さを形成し、前記第１の温度よりも高い温度で残りの厚さを形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施形態によれば、下地基板の上にバッファー層及びセパレータ層を形成し、その上部に低温及び高温で半導体層を形成した後、半導体層の形成された下地基板を搬出させて自然冷却による熱膨張係数の違いによって下地基板と半導体層を自動的に分離する。すなわち、半導体層と下地基板との間に弱いセパレータ層が形成されて半導体層を一層容易に分離することができる。なお、本発明は、下地基板の上にバッファー層、セパレータ層及び半導体層を単一の反応装置内においてインサイチュにて形成することから、工程を単純化させることができ、これにより、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に用いられる薄膜成長装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法の各工程における基板表面の光学顕微鏡写真である。
【図７】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法において自動的に分離された自立型ＧａＮ基板と分離されたサファイア基板の写真である。
【図８】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【図９】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態を詳述する。しかしながら、本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる態様で実現され、単にこれらの実施形態は本発明の開示を完全たるものにし、且つ、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
【００２５】
図１は、本発明に用いられる薄膜成長装置の概略断面図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００２６】
本発明の実施形態に係る基板の製造方法は、下地基板の上に窒化物半導体層を形成した後、下地基板の冷却に際して下地基板と窒化物半導体層とが自動的に分離される場合を想定している。このような本発明においては、薄膜成長装置としてＨＶＰＥ装置が利用可能である。ＨＶＰＥ装置は、部位別にそれぞれ別々に温度が調節可能なファーネス内に反応管を形成し、反応管内に窒化物層を成長させるための原料ガスを供給するソース領域（Ｓｏｕｒｃｅ Ｚｏｎｅ）と、原料ガスが反応して窒化物層が成長される反応領域（Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｚｏｎｅ）と、を含むことが好ましい。このような薄膜成長装置は、例えば、図１に示すように、内部空間にソース領域Ａと反応領域Ｂが設けられた反応管１００と、反応管１００の外周に設けられてソース領域Ａを加熱するソース領域加熱部２１０と、反応管１００の外周に設けられて反応領域Ｂを加熱する反応領域加熱部２２０と、ソース領域Ａに原料物質を供給するソース供給部４００と、ソース領域加熱部２１０と反応領域加熱部２２０との間に配設されて両領域の熱的干渉を低減する断熱部材３１０と、を備えることが好ましい。
【００２７】
反応管１００は、中空のチューブ状に製作されて、一方の空間には原料物質が供給されるソース領域Ａが設けられ、ソース領域Ａと連通される他方の空間には基板１０の上に膜が成長される反応領域Ｂが設けられる。
【００２８】
反応管１００の外側には、ソース領域Ａを加熱するためのソース領域加熱部２１０と、反応領域Ｂを加熱するための反応領域加熱部２２０とが所定の距離だけ隔設される。このとき、ソース領域加熱部２１０及び反応領域加熱部２２０は、コアヒーター状または板状ヒーター状に形成されて反応管１００の外周全体または少なくとも一部を取り囲むように設けられることが好ましい。例えば、反応管１００の外周にコアヒーターをばね状に巻き取ってもよく、反応管１００の外周に沿ってコアヒーターをＳ字状に配設してもよい。また、ソース領域加熱部２１０及び反応領域加熱部２２０は、ソース領域Ａ及び反応領域Ｂを細分して加熱可能に複数設けられてもよい。これにより、細部領域別に温度分布及び加熱条件を一層細かく制御することができ、しかも、それぞれ別々に制御することができる。
【００２９】
ソース領域Ａには、外部から蒸着原料を供給するソース供給部４００が配設される。ソース供給部４００は、下地基板１０の上に成長させようとする膜の種類に応じて種々選択可能である。例えば、III−Ｖ族のｐ型半導体膜を形成可能に構成され、このために、ソース供給部４００は、低圧状態または真空状態に保たれる反応管１００の一方の側に、第１、第２及び第３のガス供給管４１０、４２０、４３０と、第１のガス供給管４１０の中間に原料物質、例えば、ＧａなどのIII族元素とＭｇなどのｐ型ドーパントを入れるための坩堝４４０とが設けられる。第１のガス供給管４１０は、窒化物層、例えば、ＧａＮ層を形成するためにＧａと反応してＧａＣｌを形成するためにＨＣｌガスを供給することが好ましく、第２のガス供給管４２０は、ＧａＮ層を形成するために第１のガス供給管４１０から供給されるＧａＣｌと反応するＮＨ３ガスなどのＶ族元素を含む原料ガスを供給することが好ましい。また、第３のガス供給管４３０は、下地基板のエッチングのために、例えば、ＨＣｌガスを供給することが好ましい。すなわち、ＨＣｌガスは異なる経路を介して供給されてもよいが、下地基板のエッチングに際して第３のガス供給管４３０を介して供給され、ＧａＮ層の成長に際しては第１のガス供給管４１０を介して供給されることが好ましい。一方、第１、第２及び第３のガス供給管４１０、４２０、４３０に供給される原料ガスは、キャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）、例えば、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒなどの不活性ガスとともに供給されることが好ましい。
【００３０】
反応領域Ｂには、下地基板１０が載置可能な基板保持台５００が設けられ、一方の側には、反応管１００の内部排気を行う排気部６００が接続される。
【００３１】
このような薄膜成長装置を用いて、例えば、ＧａＮ層を形成する場合に、坩堝４３０にＧａを設け、坩堝４３０と接続されている第１のガス供給管４１０にＨＣｌガスを供給することにより、第１のガス供給管４１０の後段にＧａＣｌガスを形成する。そして、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給して、反応領域に下記の反応式に従うＧａＣｌとＮＨ３との反応によりＧａＮ層を形成することができる。
【００３２】
Ｇａ＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ２（ｇ）
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）→ＧａＮ（ｓ）＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
【００３３】
このような薄膜成長装置を用いた本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、図２及び図３に示すように、下地基板を所定の温度に昇温させるステップ（Ｓ１１０）と、下地基板の上にバッファー層を形成するステップ（Ｓ１２０）と、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップ（Ｓ１３０）と、セパレータ層の上に第１の半導体層を成長させるステップ（Ｓ１４０）と、第１の半導体層の上に第２の半導体層を成長させて第１及び第２の半導体層からなる半導体層を形成するステップ（Ｓ１５０）と、下地基板を冷却させて下地基板と半導体層を自動的に分離して半導体基板を製造するステップ（Ｓ１６０）と、を含む。以下、このような本発明の一実施形態に係る基板の製造方法について詳述する。
【００３４】
まず、高温に保たれる反応管１００の反応領域Ｂに下地基板１０を搬入させて下地基板１０を昇温させる（Ｓ１１０）。ここで、反応領域Ｂは、９５０〜１０５０℃の温度に維持することが好ましい。また、下地基板１０としては、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板など半導体膜が蒸着可能なあらゆる基板が使用可能であるが、この実施形態においてはサファイア基板を用いる場合について説明する。
【００３５】
次いで、基板の前処理工程として下地基板１０の窒化処理を施して、図３（ａ）に示すように、下地基板１０の上にバッファー層２０を形成する（Ｓ１２０）。下地基板１０の窒化処理を施すために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを反応領域Ｂに供給する。このとき、下地基板１０の窒化処理時間は、約１分〜２０分であることが好ましい。バッファー層２０は、下地基板１０に応じて種々の物質から形成可能であるが、例えば、サファイア基板を用いると、ＡｌＮ層のバッファー層２０が形成される。
【００３６】
次いで、反応管１００の反応領域Ｂの温度を下げて低温において、図３（ｂ）に示すように、バッファー層２０の上にセパレータ層３０を形成する（Ｓ１３０）。セパレータ層３０は、例えば、ＮＨ４Ｃｌ層として形成することが好ましい。ＮＨ４Ｃｌ層を形成するために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給し、第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌを供給する。すなわち、ＮＨ３とＨＣｌとの反応によってＮＨ４Ｃｌ層が形成される。このとき、反応領域Ｂは、３５０〜４５０℃の温度に保たれ、約１分〜２０分間ガスを供給することが好ましい。
【００３７】
次いで、図３（ｃ）に示すように、セパレータ層３０の上に連続して第１の半導体層４０Ａを形成する（Ｓ１４０）。第１の半導体層４０Ａは、種々の物質層として形成可能であるが、例えば、ＧａＮ層として形成することが好ましい。ＧａＮ層を形成するために、坩堝４４０にＧａに設け、第１のガス供給管４１０を介してＨＣｌガスを供給することにより反応管の反応領域ＢにＧａＣｌガスを供給し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給する。このため、ＧａＣｌとＮＨ３との反応によってＧａＮ層が成長される。このとき、第１の半導体層４０Ａは、成長の初期にセパレータ層３０の成長温度と同じ温度において一部の厚さを成長させた後、温度を次第に昇温させて残りの厚さを成長させることが好ましい。また、温度を次第に昇温させて一部の厚さを成長させた後に所定の温度に維持して残りの厚さを成長させることが好ましい。例えば、３５０〜４５０℃の温度において約１分〜１０分間工程を行うことにより第１の半導体層４０Ａの一部を成長させた後、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に次第に昇温させ、その後、所定の温度に維持して数〜数十μｍの厚さに成長させることが好ましい。このようにして第１の半導体層４０Ａの一部の厚さをセパレータ層４０の成長温度において成長させることにより、パウダー状に存在するセパレータ層３０の気化を防ぐことができる。すなわち、セパレータ層３０が低温において成長され、第１の半導体層４０Ａがこれよりも高い高温において成長されると、セパレータ層３０が気化されて除去され得る。また、第１の半導体層４０Ａの残りの厚さを昇温させながら成長させることにより、今後、高温において第２の半導体層が成長されるときに、第１の半導体層４０Ａにひび割れが生じることを防ぐことができる。すなわち、第１の半導体層４０Ａをセパレータ層３０の成長温度において完全に成長させた後、高温において第２の半導体層４０Ｂを成長させると、温度差によって第１の半導体層４０Ａにひび割れが生じることがある。
【００３８】
次いで、ＮＨ３ガスを供給し続けながら反応管の反応領域Ｂを昇温させて、図３（ｄ）に示すように、第１の半導体層４０Ａの上に第２の半導体層４０Ｂを形成する（Ｓ１５０）。第２の半導体層４０Ｂは、第１の半導体層４０Ａと同じ物質、例えば、ＧａＮ層から形成されることが好ましい。良質の半導体層４０を形成するために、第２の半導体層４０Ｂは、例えば、約９８０〜１０８０℃の高温において数百um〜数ｍｍの厚さに成長される。このため、第１の半導体層４０Ａ及び第２の半導体層４０Ｂからなる半導体層４０が形成される。すなわち、半導体層４０は、一部の厚さが低温において成長され（第１の半導体層４０Ａ）、残りの厚さが高温において成長される（第２の半導体層４０Ｂ）。このため、セパレータ層３０の気化を防いで良質の半導体層４０を形成ことができる。
【００３９】
次いで、数百μｍ〜数ｍｍの厚さの半導体層４０が形成された下地基板１０を反応炉から搬出すると、下地基板１０及び半導体層４０が冷却されながら、下地基板１０と半導体層４０との熱膨張係数の違いにより、図３（ｅ）に示すように、下地基板１０と半導体層４０とが自動的に分離される（Ｓ１６０）。すなわち、半導体層４０と下地基板１０との間に設けられる弱いセパレータ層３０が分離されて半導体層４０と下地基板１０とが自動的に分離される。これにより、半導体基板が製造される。
【００４０】
上述したように、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、下地基板１０の上にバッファー層２０及びセパレータ層３０を形成し、その上部に低温及び高温において半導体層４０を形成した後、半導体層４０が形成された下地基板１０を搬出し、自然冷却による熱膨張係数の違いによってセパレータ層３０が分離されて下地基板１０と半導体層４０を自動的に分離する。すなわち、半導体層４０と下地基板１０との間に弱い結晶性のセパレータ層３０が形成されて、半導体層４０を分離し易くすることが好ましい。なお、本発明は、下地基板１０の上にバッファー層２０、セパレータ層３０及び半導体層４０が単一の反応装置内においてインサイチュにて形成されることから、工程を単純化させることができ、これにより、生産性を向上させることができる。
【００４１】
図４は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図であり、図５は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。また、図６は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法の各工程における基板表面の光学顕微鏡写真であり、図７は、下地基板と半導体層とが自動的に分離された写真である。そして、図８及び図９は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【００４２】
本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法は、図４及び図５に示すように、下地基板を所定の温度に昇温させるステップ（Ｓ２１０）と、下地基板をエッチングするステップ（Ｓ２２０）と、下地基板の上にバッファー層を形成するステップ（Ｓ２３０）と、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップ（Ｓ２４０）と、セパレータ層の上に第１の半導体層を成長させるステップ（Ｓ２５０）と、第１の半導体層の上に第２の半導体層を成長させて第１及び第２の半導体層からなる半導体層を形成するステップ（Ｓ２６０）と、下地基板を自然冷却させて下地基板と半導体層を自動的に分離して半導体基板を製造するステップ（Ｓ２７０）と、を含む。すなわち、本発明の他の実施形態は、バッファー層を形成する前に基板をエッチングする。以下、このような本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を詳述する。
【００４３】
まず、例えば、９５０〜１０５０℃の温度に保たれる反応管１００の反応領域Ｂに下地基板１０を搬入させて下地基板１０を昇温させる（Ｓ２１０）。
【００４４】
次いで、下地基板の前処理工程として下地基板１０をエッチングして、図５（ａ）に示すように、下地基板１０に凹部１１を形成する（Ｓ２２０）。このために、ＧａＣｌ供給用のＨＣｌガス供給管、すなわち、第１のガス供給管４１０とは別設された第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌガスを供給することにより、下地基板１０をエッチングすることが好ましい。下地基板１０のエッチング工程は、約１分〜２０分間行うことが好ましい。下地基板１０、例えば、サファイア基板は、結晶形状が六角形状であるため、サファイア基板の表面には、図５（ａ）に示すように、円形の凹部１１が複数形成される。これにより、下地基板１０の表面に１０Å〜３００Å、さらに好ましくは、１４Å〜１１０Åの表面粗さ（Ｒａ）が形成される。図６（ａ）は、サファイア基板のエッチング処理後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡により観察した写真（倍率：１００倍）であり、サファイア基板の表面がエッチングされて円形の凹部が形成された様子を示している。このようにして下地基板１０の上に凹部１１を形成すると、下地基板１０の表面断面積が増大し、今後、バッファー層２０及びセパレータ層３０が一層形成され易くなる。
【００４５】
次いで、基板の前処理工程として下地基板１０を窒化処理して、図５（ｂ）に示すように、下地基板１０の上にバッファー層２０を形成する（Ｓ２３０）。下地基板１０を窒化処理するために、第３のガス供給管４３０を介したＨＣｌの供給を中断し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを反応領域Ｂに供給する。バッファー層２０は、例えば、サファイア基板を用いると、ＡｌＮ層のバッファー層２０が形成される。図６（ｂ）は、サファイア基板を窒化処理した後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて観察した写真であり、図８（ａ）は、窒化処理後のサファイア基板のＸＲＤ測定データである。同図に示すように、サファイア基板が窒化されてＡｌＮ層が形成されている。
【００４６】
次いで、反応管１００の反応領域Ｂの温度を下げて低温において、図５（ｃ）に示すように、バッファー層２０の上にセパレータ層３０を形成する（Ｓ２４０）。セパレータ層３０は、例えば、ＮＨ４Ｃｌ層として形成することが好ましく、このために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給し、第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌを供給する。このとき、反応領域Ｂは、３５０〜４５０℃の温度に保たれ、約１分〜２０分間ガスを供給することが好ましい。図６（ｃ）は、ＮＨ４Ｃｌ層を形成した後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて観察した写真であり、図８（ｂ）は、ＮＨ４Ｃｌ層の形成後のＸＲＤ測定データであり、ＡｌＮ層の上にＮＨ４Ｃｌ層が形成されていることを示している。
【００４７】
次いで、図５（ｄ）に示すように、セパレータ層３０の上に連続して第１の半導体層４０Ａを形成する（Ｓ２５０）。第１の半導体層４０Ａは、例えば、ＧａＮ層として形成することが好ましく、このために、坩堝４４０にＧａを設け、第１のガス供給管４１０を介してＨＣｌガスを供給することにより、反応管の反応領域ＢにＧａＣｌガスを供給し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給する。また、反応領域Ｂを昇温させながら第１の半導体層４０Ａを成長させることが好ましい。例えば、３５０〜４５０℃の温度において約１分〜１０分間工程を行うことにより第１の半導体層４０Ａを成長させ、連続した成長を行いながら、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に昇温させて第１の半導体層４０Ａを成長させることが好ましい。なお、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に昇温させた後、所定の温度に保って、数〜数十μｍの厚さに成長させることが好ましい。図６（ｄ）は、低温におけるＧａＮ層の成長後に光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて基板の表面を観察した写真である。
【００４８】
次いで、ＮＨ３ガスを供給し続けながら反応管の反応領域Ｂの温度を９５０〜１０５０℃に昇温させて、図５（ｅ）に示すように、第１の半導体層４０Ａの上に第２の半導体層４０Ｂを形成する（Ｓ２５０）。第２の半導体層４０Ｂは、第１の半導体層４０Ａと同じ物質、例えば、ＧａＮ層から形成されることが好ましい。良質の半導体層４０を形成するために、第２の半導体層４０Ｂは、高温において数百μｍ〜数ｍｍの厚さに成長される。このため、第１の半導体層４０Ａ及び第２の半導体層４０Ｂからなる半導体層４０が形成される。
【００４９】
次いで、数百μｍ〜数ｍｍの厚さの半導体層４０が形成された下地基板１０を反応炉から搬出すると、下地基板１０及び半導体層４０が冷却されながら、下地基板１０と半導体層４０との間の熱膨張係数の違いに起因して、図５（ｆ）に示すように、下地基板１０と半導体層４０が自動的に分離される（Ｓ１６０）。すなわち、半導体層４０とその下側のセパレータ層３０が自動的に分離される。これにより、半導体基板が製造される。図７は、自動的に分離されたサファイア基板（２インチのキャリアに置かれている基板）と半導体基板（斜めに立てられた基板）の写真である。図９（ａ）は、サファイア基板の分離された面のＸＲＤ測定データであり、サファイア基板の主ピークと表面に残留しているＧａＮの主ピークとが弱く観察されている。図９（ｂ）は、分離されたＧａＮ基板のＮ−ｆａｃｅ、すなわち、サファイア基板にくっついていた面に対するＸＲＤ測定データであり、第１のＧａＮ層の成長ステップの初期の成長面においてｃ軸方向ではない多数の軸方向に配列されて成長される結果を示している。図９（ｃ）は、分離されたＧａＮ成長基板のＧａ−ｆａｃｅ、すなわち、ＧａＮ成長表面に対するＸＲＤ測定データであり、ＧａＮ成長面がＣ軸に配列されて単結晶に上手に成長された結果を示している。
【００５０】
上述した本発明の他の実施形態は、下地基板１０をエッチングして凹部１１を形成した後、バッファー層２０、セパレータ層３０及び半導体層４０を単一の装置を用いてインサイチュにて形成し、下地基板１０の搬出に際して自然冷却によって下地基板１０と半導体層４０を自動的に分離している。しかしながら、凹部１１を形成するための下地基板１０のエッチング工程は、サファイア基板の表面研磨のための化学的・機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ステップにおいてＣＭＰスラリーのＰｈ濃度を高めて基板の表面をエッチングするか、あるいは、４００℃〜５５０℃の温度を有するＫＯＨ溶融塩に浸して数分間、例えば、５分〜１０分間エッチングして形成することができる。すなわち、基板のエッチング工程は、ＨＣｌガスを用いたドライエッチング、ＫＯＨ溶融塩を用いたウェットエッチング、スラリーの濃度を高めたＣＭＰ工程のいずれかを用いて行うことができる。ここで、ウェットエッチングまたはＣＭＰ工程により凹部１１を形成する場合に、これらの方法により凹部１１を形成した後、薄膜成長装置に凹部１１付き下地基板１０を搬入した後、薄膜成長工程を行うことができる。
【００５１】
本発明の技術的思想は前記実施形態により具体的に述べられたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということを理解しなければならない。なお、本発明の技術分野における当業者は、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。
【符号の説明】
【００５２】
１０：下地基板
１１：凹部
２０：バッファー層
３０：セパレータ層
４０：半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板の製造方法に係り、特に、III−Ｖ族化合物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、半導体工程技術を用いて所定の基板の上にパワー素子、発光素子、受光素子などの電子素子を実装した電子部品の一つである。例えば、パワー素子は、基板の上にトランジスター、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ショットキーダイオードなどが実装され、受光素子は、基板の上に太陽電池、フォトセンサーなどが実装される。特に、ＧａＮを用いた半導体発光素子は青色発光が可能であることから、既存に開発されているＧａＡｓ及びＩｎＰ系の化合物半導体を用いた緑色と赤色の発光素子とともにフルカラーの実現を可能にして各種のディスプレイの光源として注目を集めている。
【０００３】
しかしながら、高品位のＧａＮ薄膜を成長させるためには、格子定数及び熱膨張係数が同じ高品位ＧａＮ単結晶基板が必要である。ところが、ＧａＮは融点が約２４００℃であり、５族窒素の分圧が３族よりも遥かに大きいため、ＧａＮ単結晶基板を成長させるためには、略４０、０００気圧の窒素圧力が必要であり、現在のＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体単結晶成長技術ではＧａＮ単結晶の製造が困難であることが知られている。
【０００４】
この理由から、現在には、ＧａＮと格子定数及び熱膨張係数の不整合度が大きなサファイア （ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ａｌ２Ｏ３）などの異種基板を使用し、これを緩和させるために、ＡｌＮやＧａＮなどの緩衝層を用いてＧａＮエピ層を成長させる異種接合成長法（ヘテロエピタキシー）を利用している。
【０００５】
良質のＧａＮ単結晶を製造するために種々の方法が提案されているが、大きく、２種類の方法が用いられている。すなわち、異種基板の上にＧａＮ層を成長させ、レーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ ｏｆｆ）またはウェットエッチングなどによりＧａＮ基板を異種基板から分離する方法と、異種基板の上にＧａＮ層を成長させた後、冷却に際してＧａＮ基板と異種基板とが自動的に分離されるようにする方法である。
【０００６】
前者の方法の例として、サファイア基板の上にＨＶＰＥ成長方法を用いて低い欠陥を有するＧａＮを成長させた後、レーザーリフトオフ工程を用いてサファイア基板を分離することが開示されており（例えば、下記の特許文献１参照）、ＧａＡｓ基板の上にＧａＮを成長し、ＧａＡｓ基板をウェットエッチングにより除去することが開示されている（例えば、下記の特許文献２参照）。
【０００７】
後者の方法の例として、ボイドを用いた自動分離法が開示されているが（例えば、下記の特許文献３参照）、これは、異種基板の上に薄いＧａＮを成長させた後、薄いＴｉを成長させ、水素雰囲気の熱処理によってＴｉの下の薄いＧａＮ層にボイドを形成し、その上に厚いＧａＮを形成して冷却に際して異種基板とＧａＮ基板とが自動的に分離されるようにする方法である。また、異種基板の上にＭＯＣＶＤを用いたＥＬＯＧａＮテンプレートにＨ＋イオンを注入した後、低い温度で弱い層を形成し、高温で厚い良質のＧａＮ成長を行った後、冷却に際して弱い層が自動的に分離されることが開示されている（例えば、下記の特許文献４参照）。
【０００８】
しかしながら、上記の従来の自動分離方法は、低い歩留まりと高い製造コストを有していることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６、４４０、８２３号公報
【特許文献２】米国特許第６、６９３、２０１号公報
【特許文献３】米国特許第６、９２４、１５９号公報
【特許文献４】米国公開特許第２００９／０２７８１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、製造工程を単純化させて製造コストを削減することができ、しかも、生産性を向上させることのできる基板の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、表面特性及び結晶性に優れていることから、高性能半導体素子の製作に活用可能な基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様による基板の製造方法は、下地基板を昇温させるステップと、前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様による基板の製造方法は、下地基板を昇温させるステップと、前記下地基板をエッチングして複数の凹部を形成するステップと、前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
前記複数の凹部は、前記反応炉内に塩素を含む第１の原料ガスを供給して形成することが好ましい。
【００１５】
前記バッファー層は、Ｖ族元素を含む第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００１６】
前記バッファー層は、ＮＨ３ガスを用いて前記下地基板を窒化させて形成することが好ましい。
【００１７】
前記セパレータ層は、第１の温度で前記第１及び第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００１８】
前記セパレータ層は、ＮＨ３とＨＣｌを用いてＮＨ４Ｃｌから形成することが好ましい。
【００１９】
前記半導体層は、III族元素を含む物質と前記第１の原料ガスによって形成された第３の原料ガスと前記第２の原料ガスを用いて形成することが好ましい。
【００２０】
前記半導体層は、ＧａとＨＣｌによるＧａＣｌとＮＨ３の反応によって形成されたＧａＮ層を備えることが好ましい。
【００２１】
前記半導体層は、前記第１の温度で一部の厚さを形成し、前記第１の温度よりも高い温度で残りの厚さを形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施形態によれば、下地基板の上にバッファー層及びセパレータ層を形成し、その上部に低温及び高温で半導体層を形成した後、半導体層の形成された下地基板を搬出させて自然冷却による熱膨張係数の違いによって下地基板と半導体層を自動的に分離する。すなわち、半導体層と下地基板との間に弱いセパレータ層が形成されて半導体層を一層容易に分離することができる。なお、本発明は、下地基板の上にバッファー層、セパレータ層及び半導体層を単一の反応装置内においてインサイチュにて形成することから、工程を単純化させることができ、これにより、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に用いられる薄膜成長装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法の各工程における基板表面の光学顕微鏡写真である。
【図７】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法において自動的に分離された自立型ＧａＮ基板と分離されたサファイア基板の写真である。
【図８】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【図９】本発明の一実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態を詳述する。しかしながら、本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる態様で実現され、単にこれらの実施形態は本発明の開示を完全たるものにし、且つ、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
【００２５】
図１は、本発明に用いられる薄膜成長装置の概略断面図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００２６】
本発明の実施形態に係る基板の製造方法は、下地基板の上に窒化物半導体層を形成した後、下地基板の冷却に際して下地基板と窒化物半導体層とが自動的に分離される場合を想定している。このような本発明においては、薄膜成長装置としてＨＶＰＥ装置が利用可能である。ＨＶＰＥ装置は、部位別にそれぞれ別々に温度が調節可能なファーネス内に反応管を形成し、反応管内に窒化物層を成長させるための原料ガスを供給するソース領域（Ｓｏｕｒｃｅ Ｚｏｎｅ）と、原料ガスが反応して窒化物層が成長される反応領域（Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｚｏｎｅ）と、を含むことが好ましい。このような薄膜成長装置は、例えば、図１に示すように、内部空間にソース領域Ａと反応領域Ｂが設けられた反応管１００と、反応管１００の外周に設けられてソース領域Ａを加熱するソース領域加熱部２１０と、反応管１００の外周に設けられて反応領域Ｂを加熱する反応領域加熱部２２０と、ソース領域Ａに原料物質を供給するソース供給部４００と、ソース領域加熱部２１０と反応領域加熱部２２０との間に配設されて両領域の熱的干渉を低減する断熱部材３１０と、を備えることが好ましい。
【００２７】
反応管１００は、中空のチューブ状に製作されて、一方の空間には原料物質が供給されるソース領域Ａが設けられ、ソース領域Ａと連通される他方の空間には基板１０の上に膜が成長される反応領域Ｂが設けられる。
【００２８】
反応管１００の外側には、ソース領域Ａを加熱するためのソース領域加熱部２１０と、反応領域Ｂを加熱するための反応領域加熱部２２０とが所定の距離だけ隔設される。このとき、ソース領域加熱部２１０及び反応領域加熱部２２０は、コアヒーター状または板状ヒーター状に形成されて反応管１００の外周全体または少なくとも一部を取り囲むように設けられることが好ましい。例えば、反応管１００の外周にコアヒーターをばね状に巻き取ってもよく、反応管１００の外周に沿ってコアヒーターをＳ字状に配設してもよい。また、ソース領域加熱部２１０及び反応領域加熱部２２０は、ソース領域Ａ及び反応領域Ｂを細分して加熱可能に複数設けられてもよい。これにより、細部領域別に温度分布及び加熱条件を一層細かく制御することができ、しかも、それぞれ別々に制御することができる。
【００２９】
ソース領域Ａには、外部から蒸着原料を供給するソース供給部４００が配設される。ソース供給部４００は、下地基板１０の上に成長させようとする膜の種類に応じて種々選択可能である。例えば、III−Ｖ族のｐ型半導体膜を形成可能に構成され、このために、ソース供給部４００は、低圧状態または真空状態に保たれる反応管１００の一方の側に、第１、第２及び第３のガス供給管４１０、４２０、４３０と、第１のガス供給管４１０の中間に原料物質、例えば、ＧａなどのIII族元素とＭｇなどのｐ型ドーパントを入れるための坩堝４４０とが設けられる。第１のガス供給管４１０は、窒化物層、例えば、ＧａＮ層を形成するためにＧａと反応してＧａＣｌを形成するためにＨＣｌガスを供給することが好ましく、第２のガス供給管４２０は、ＧａＮ層を形成するために第１のガス供給管４１０から供給されるＧａＣｌと反応するＮＨ３ガスなどのＶ族元素を含む原料ガスを供給することが好ましい。また、第３のガス供給管４３０は、下地基板のエッチングのために、例えば、ＨＣｌガスを供給することが好ましい。すなわち、ＨＣｌガスは異なる経路を介して供給されてもよいが、下地基板のエッチングに際して第３のガス供給管４３０を介して供給され、ＧａＮ層の成長に際しては第１のガス供給管４１０を介して供給されることが好ましい。一方、第１、第２及び第３のガス供給管４１０、４２０、４３０に供給される原料ガスは、キャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）、例えば、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒなどの不活性ガスとともに供給されることが好ましい。
【００３０】
反応領域Ｂには、下地基板１０が載置可能な基板保持台５００が設けられ、一方の側には、反応管１００の内部排気を行う排気部６００が接続される。
【００３１】
このような薄膜成長装置を用いて、例えば、ＧａＮ層を形成する場合に、坩堝４３０にＧａを設け、坩堝４３０と接続されている第１のガス供給管４１０にＨＣｌガスを供給することにより、第１のガス供給管４１０の後段にＧａＣｌガスを形成する。そして、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給して、反応領域に下記の反応式に従うＧａＣｌとＮＨ３との反応によりＧａＮ層を形成することができる。
【００３２】
Ｇａ＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ２（ｇ）
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）→ＧａＮ（ｓ）＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
【００３３】
このような薄膜成長装置を用いた本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、図２及び図３に示すように、下地基板を所定の温度に昇温させるステップ（Ｓ１１０）と、下地基板の上にバッファー層を形成するステップ（Ｓ１２０）と、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップ（Ｓ１３０）と、セパレータ層の上に第１の半導体層を成長させるステップ（Ｓ１４０）と、第１の半導体層の上に第２の半導体層を成長させて第１及び第２の半導体層からなる半導体層を形成するステップ（Ｓ１５０）と、下地基板を冷却させて下地基板と半導体層を自動的に分離して半導体基板を製造するステップ（Ｓ１６０）と、を含む。以下、このような本発明の一実施形態に係る基板の製造方法について詳述する。
【００３４】
まず、高温に保たれる反応管１００の反応領域Ｂに下地基板１０を搬入させて下地基板１０を昇温させる（Ｓ１１０）。ここで、反応領域Ｂは、９５０〜１０５０℃の温度に維持することが好ましい。また、下地基板１０としては、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板など半導体膜が蒸着可能なあらゆる基板が使用可能であるが、この実施形態においてはサファイア基板を用いる場合について説明する。
【００３５】
次いで、基板の前処理工程として下地基板１０の窒化処理を施して、図３（ａ）に示すように、下地基板１０の上にバッファー層２０を形成する（Ｓ１２０）。下地基板１０の窒化処理を施すために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを反応領域Ｂに供給する。このとき、下地基板１０の窒化処理時間は、約１分〜２０分であることが好ましい。バッファー層２０は、下地基板１０に応じて種々の物質から形成可能であるが、例えば、サファイア基板を用いると、ＡｌＮ層のバッファー層２０が形成される。
【００３６】
次いで、反応管１００の反応領域Ｂの温度を下げて低温において、図３（ｂ）に示すように、バッファー層２０の上にセパレータ層３０を形成する（Ｓ１３０）。セパレータ層３０は、例えば、ＮＨ４Ｃｌ層として形成することが好ましい。ＮＨ４Ｃｌ層を形成するために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給し、第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌを供給する。すなわち、ＮＨ３とＨＣｌとの反応によってＮＨ４Ｃｌ層が形成される。このとき、反応領域Ｂは、３５０〜４５０℃の温度に保たれ、約１分〜２０分間ガスを供給することが好ましい。
【００３７】
次いで、図３（ｃ）に示すように、セパレータ層３０の上に連続して第１の半導体層４０Ａを形成する（Ｓ１４０）。第１の半導体層４０Ａは、種々の物質層として形成可能であるが、例えば、ＧａＮ層として形成することが好ましい。ＧａＮ層を形成するために、坩堝４４０にＧａに設け、第１のガス供給管４１０を介してＨＣｌガスを供給することにより反応管の反応領域ＢにＧａＣｌガスを供給し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給する。このため、ＧａＣｌとＮＨ３との反応によってＧａＮ層が成長される。このとき、第１の半導体層４０Ａは、成長の初期にセパレータ層３０の成長温度と同じ温度において一部の厚さを成長させた後、温度を次第に昇温させて残りの厚さを成長させることが好ましい。また、温度を次第に昇温させて一部の厚さを成長させた後に所定の温度に維持して残りの厚さを成長させることが好ましい。例えば、３５０〜４５０℃の温度において約１分〜１０分間工程を行うことにより第１の半導体層４０Ａの一部を成長させた後、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に次第に昇温させ、その後、所定の温度に維持して数〜数十μｍの厚さに成長させることが好ましい。このようにして第１の半導体層４０Ａの一部の厚さをセパレータ層４０の成長温度において成長させることにより、パウダー状に存在するセパレータ層３０の気化を防ぐことができる。すなわち、セパレータ層３０が低温において成長され、第１の半導体層４０Ａがこれよりも高い高温において成長されると、セパレータ層３０が気化されて除去され得る。また、第１の半導体層４０Ａの残りの厚さを昇温させながら成長させることにより、今後、高温において第２の半導体層が成長されるときに、第１の半導体層４０Ａにひび割れが生じることを防ぐことができる。すなわち、第１の半導体層４０Ａをセパレータ層３０の成長温度において完全に成長させた後、高温において第２の半導体層４０Ｂを成長させると、温度差によって第１の半導体層４０Ａにひび割れが生じることがある。
【００３８】
次いで、ＮＨ３ガスを供給し続けながら反応管の反応領域Ｂを昇温させて、図３（ｄ）に示すように、第１の半導体層４０Ａの上に第２の半導体層４０Ｂを形成する（Ｓ１５０）。第２の半導体層４０Ｂは、第１の半導体層４０Ａと同じ物質、例えば、ＧａＮ層から形成されることが好ましい。良質の半導体層４０を形成するために、第２の半導体層４０Ｂは、例えば、約９８０〜１０８０℃の高温において数百um〜数ｍｍの厚さに成長される。このため、第１の半導体層４０Ａ及び第２の半導体層４０Ｂからなる半導体層４０が形成される。すなわち、半導体層４０は、一部の厚さが低温において成長され（第１の半導体層４０Ａ）、残りの厚さが高温において成長される（第２の半導体層４０Ｂ）。このため、セパレータ層３０の気化を防いで良質の半導体層４０を形成ことができる。
【００３９】
次いで、数百μｍ〜数ｍｍの厚さの半導体層４０が形成された下地基板１０を反応炉から搬出すると、下地基板１０及び半導体層４０が冷却されながら、下地基板１０と半導体層４０との熱膨張係数の違いにより、図３（ｅ）に示すように、下地基板１０と半導体層４０とが自動的に分離される（Ｓ１６０）。すなわち、半導体層４０と下地基板１０との間に設けられる弱いセパレータ層３０が分離されて半導体層４０と下地基板１０とが自動的に分離される。これにより、半導体基板が製造される。
【００４０】
上述したように、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、下地基板１０の上にバッファー層２０及びセパレータ層３０を形成し、その上部に低温及び高温において半導体層４０を形成した後、半導体層４０が形成された下地基板１０を搬出し、自然冷却による熱膨張係数の違いによってセパレータ層３０が分離されて下地基板１０と半導体層４０を自動的に分離する。すなわち、半導体層４０と下地基板１０との間に弱い結晶性のセパレータ層３０が形成されて、半導体層４０を分離し易くすることが好ましい。なお、本発明は、下地基板１０の上にバッファー層２０、セパレータ層３０及び半導体層４０が単一の反応装置内においてインサイチュにて形成されることから、工程を単純化させることができ、これにより、生産性を向上させることができる。
【００４１】
図４は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を説明するための工程手順図であり、図５は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を工程順に示す断面図である。また、図６は、本発明の一実施形態に係る基板の製造方法の各工程における基板表面の光学顕微鏡写真であり、図７は、下地基板と半導体層とが自動的に分離された写真である。そして、図８及び図９は、本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法における各工程処理後のＸＲＤ測定データである。
【００４２】
本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法は、図４及び図５に示すように、下地基板を所定の温度に昇温させるステップ（Ｓ２１０）と、下地基板をエッチングするステップ（Ｓ２２０）と、下地基板の上にバッファー層を形成するステップ（Ｓ２３０）と、バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップ（Ｓ２４０）と、セパレータ層の上に第１の半導体層を成長させるステップ（Ｓ２５０）と、第１の半導体層の上に第２の半導体層を成長させて第１及び第２の半導体層からなる半導体層を形成するステップ（Ｓ２６０）と、下地基板を自然冷却させて下地基板と半導体層を自動的に分離して半導体基板を製造するステップ（Ｓ２７０）と、を含む。すなわち、本発明の他の実施形態は、バッファー層を形成する前に基板をエッチングする。以下、このような本発明の他の実施形態に係る基板の製造方法を詳述する。
【００４３】
まず、例えば、９５０〜１０５０℃の温度に保たれる反応管１００の反応領域Ｂに下地基板１０を搬入させて下地基板１０を昇温させる（Ｓ２１０）。
【００４４】
次いで、下地基板の前処理工程として下地基板１０をエッチングして、図５（ａ）に示すように、下地基板１０に凹部１１を形成する（Ｓ２２０）。このために、ＧａＣｌ供給用のＨＣｌガス供給管、すなわち、第１のガス供給管４１０とは別設された第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌガスを供給することにより、下地基板１０をエッチングすることが好ましい。下地基板１０のエッチング工程は、約１分〜２０分間行うことが好ましい。下地基板１０、例えば、サファイア基板は、結晶形状が六角形状であるため、サファイア基板の表面には、図５（ａ）に示すように、円形の凹部１１が複数形成される。これにより、下地基板１０の表面に１０Å〜３００Å、さらに好ましくは、１４Å〜１１０Åの表面粗さ（Ｒａ）が形成される。図６（ａ）は、サファイア基板のエッチング処理後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡により観察した写真（倍率：１００倍）であり、サファイア基板の表面がエッチングされて円形の凹部が形成された様子を示している。このようにして下地基板１０の上に凹部１１を形成すると、下地基板１０の表面断面積が増大し、今後、バッファー層２０及びセパレータ層３０が一層形成され易くなる。
【００４５】
次いで、基板の前処理工程として下地基板１０を窒化処理して、図５（ｂ）に示すように、下地基板１０の上にバッファー層２０を形成する（Ｓ２３０）。下地基板１０を窒化処理するために、第３のガス供給管４３０を介したＨＣｌの供給を中断し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを反応領域Ｂに供給する。バッファー層２０は、例えば、サファイア基板を用いると、ＡｌＮ層のバッファー層２０が形成される。図６（ｂ）は、サファイア基板を窒化処理した後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて観察した写真であり、図８（ａ）は、窒化処理後のサファイア基板のＸＲＤ測定データである。同図に示すように、サファイア基板が窒化されてＡｌＮ層が形成されている。
【００４６】
次いで、反応管１００の反応領域Ｂの温度を下げて低温において、図５（ｃ）に示すように、バッファー層２０の上にセパレータ層３０を形成する（Ｓ２４０）。セパレータ層３０は、例えば、ＮＨ４Ｃｌ層として形成することが好ましく、このために、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給し、第３のガス供給管４３０を介してＨＣｌを供給する。このとき、反応領域Ｂは、３５０〜４５０℃の温度に保たれ、約１分〜２０分間ガスを供給することが好ましい。図６（ｃ）は、ＮＨ４Ｃｌ層を形成した後のサファイア基板の表面を光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて観察した写真であり、図８（ｂ）は、ＮＨ４Ｃｌ層の形成後のＸＲＤ測定データであり、ＡｌＮ層の上にＮＨ４Ｃｌ層が形成されていることを示している。
【００４７】
次いで、図５（ｄ）に示すように、セパレータ層３０の上に連続して第１の半導体層４０Ａを形成する（Ｓ２５０）。第１の半導体層４０Ａは、例えば、ＧａＮ層として形成することが好ましく、このために、坩堝４４０にＧａを設け、第１のガス供給管４１０を介してＨＣｌガスを供給することにより、反応管の反応領域ＢにＧａＣｌガスを供給し、第２のガス供給管４２０を介してＮＨ３ガスを供給する。また、反応領域Ｂを昇温させながら第１の半導体層４０Ａを成長させることが好ましい。例えば、３５０〜４５０℃の温度において約１分〜１０分間工程を行うことにより第１の半導体層４０Ａを成長させ、連続した成長を行いながら、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に昇温させて第１の半導体層４０Ａを成長させることが好ましい。なお、第１の半導体層４０Ａの成長中に反応領域Ｂの温度を、例えば、８００〜９００℃に昇温させた後、所定の温度に保って、数〜数十μｍの厚さに成長させることが好ましい。図６（ｄ）は、低温におけるＧａＮ層の成長後に光学顕微鏡（倍率：５００倍）にて基板の表面を観察した写真である。
【００４８】
次いで、ＮＨ３ガスを供給し続けながら反応管の反応領域Ｂの温度を９５０〜１０５０℃に昇温させて、図５（ｅ）に示すように、第１の半導体層４０Ａの上に第２の半導体層４０Ｂを形成する（Ｓ２５０）。第２の半導体層４０Ｂは、第１の半導体層４０Ａと同じ物質、例えば、ＧａＮ層から形成されることが好ましい。良質の半導体層４０を形成するために、第２の半導体層４０Ｂは、高温において数百μｍ〜数ｍｍの厚さに成長される。このため、第１の半導体層４０Ａ及び第２の半導体層４０Ｂからなる半導体層４０が形成される。
【００４９】
次いで、数百μｍ〜数ｍｍの厚さの半導体層４０が形成された下地基板１０を反応炉から搬出すると、下地基板１０及び半導体層４０が冷却されながら、下地基板１０と半導体層４０との間の熱膨張係数の違いに起因して、図５（ｆ）に示すように、下地基板１０と半導体層４０が自動的に分離される（Ｓ１６０）。すなわち、半導体層４０とその下側のセパレータ層３０が自動的に分離される。これにより、半導体基板が製造される。図７は、自動的に分離されたサファイア基板（２インチのキャリアに置かれている基板）と半導体基板（斜めに立てられた基板）の写真である。図９（ａ）は、サファイア基板の分離された面のＸＲＤ測定データであり、サファイア基板の主ピークと表面に残留しているＧａＮの主ピークとが弱く観察されている。図９（ｂ）は、分離されたＧａＮ基板のＮ−ｆａｃｅ、すなわち、サファイア基板にくっついていた面に対するＸＲＤ測定データであり、第１のＧａＮ層の成長ステップの初期の成長面においてｃ軸方向ではない多数の軸方向に配列されて成長される結果を示している。図９（ｃ）は、分離されたＧａＮ成長基板のＧａ−ｆａｃｅ、すなわち、ＧａＮ成長表面に対するＸＲＤ測定データであり、ＧａＮ成長面がＣ軸に配列されて単結晶に上手に成長された結果を示している。
【００５０】
上述した本発明の他の実施形態は、下地基板１０をエッチングして凹部１１を形成した後、バッファー層２０、セパレータ層３０及び半導体層４０を単一の装置を用いてインサイチュにて形成し、下地基板１０の搬出に際して自然冷却によって下地基板１０と半導体層４０を自動的に分離している。しかしながら、凹部１１を形成するための下地基板１０のエッチング工程は、サファイア基板の表面研磨のための化学的・機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ステップにおいてＣＭＰスラリーのＰｈ濃度を高めて基板の表面をエッチングするか、あるいは、４００℃〜５５０℃の温度を有するＫＯＨ溶融塩に浸して数分間、例えば、５分〜１０分間エッチングして形成することができる。すなわち、基板のエッチング工程は、ＨＣｌガスを用いたドライエッチング、ＫＯＨ溶融塩を用いたウェットエッチング、スラリーの濃度を高めたＣＭＰ工程のいずれかを用いて行うことができる。ここで、ウェットエッチングまたはＣＭＰ工程により凹部１１を形成する場合に、これらの方法により凹部１１を形成した後、薄膜成長装置に凹部１１付き下地基板１０を搬入した後、薄膜成長工程を行うことができる。
【００５１】
本発明の技術的思想は前記実施形態により具体的に述べられたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということを理解しなければならない。なお、本発明の技術分野における当業者は、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。
【符号の説明】
【００５２】
１０：下地基板
１１：凹部
２０：バッファー層
３０：セパレータ層
４０：半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板を昇温させるステップと、
前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、
前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、
前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと
を含む基板の製造方法。
【請求項２】
下地基板を昇温させるステップと、
前記下地基板をエッチングして複数の凹部を形成するステップと、
前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、
前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、
前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと
を含む基板の製造方法。
【請求項３】
前記複数の凹部は、前記反応炉内に塩素を含む第１の原料ガスを供給して形成することを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
【請求項４】
前記バッファー層は、Ｖ族元素を含む第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板の製造方法。
【請求項５】
前記バッファー層は、ＮＨ３ガスを用いて前記下地基板を窒化させて形成することを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
【請求項６】
前記セパレータ層は、第１の温度で前記第１及び第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
【請求項７】
前記セパレータ層は、ＮＨ３とＨＣｌを用いてＮＨ４Ｃｌから形成することを特徴とする請求項６に記載の基板の製造方法。
【請求項８】
前記半導体層は、III族元素を含む物質と前記第１の原料ガスによって形成された第３の原料ガスと前記第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項６に記載の基板の製造方法。
【請求項９】
前記半導体層は、ＧａとＨＣｌによるＧａＣｌとＮＨ３の反応によって形成されたＧａＮ層を備えることを特徴とする請求項８に記載の基板の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層は、前記第１の温度で一部の厚さを形成し、前記第１の温度よりも高い温度で残りの厚さを形成することを特徴とする請求項９に記載の基板の製造方法。
【請求項１】
下地基板を昇温させるステップと、
前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、
前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、
前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと
を含む基板の製造方法。
【請求項２】
下地基板を昇温させるステップと、
前記下地基板をエッチングして複数の凹部を形成するステップと、
前記下地基板の上にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上にセパレータ層を形成するステップと、
前記セパレータ層の上に少なくとも二つの温度で半導体層を形成するステップと、
前記下地基板を冷却して前記セパレータ層を中心に前記下地基板と前記半導体層を分離するステップと
を含む基板の製造方法。
【請求項３】
前記複数の凹部は、前記反応炉内に塩素を含む第１の原料ガスを供給して形成することを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
【請求項４】
前記バッファー層は、Ｖ族元素を含む第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板の製造方法。
【請求項５】
前記バッファー層は、ＮＨ３ガスを用いて前記下地基板を窒化させて形成することを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
【請求項６】
前記セパレータ層は、第１の温度で前記第１及び第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
【請求項７】
前記セパレータ層は、ＮＨ３とＨＣｌを用いてＮＨ４Ｃｌから形成することを特徴とする請求項６に記載の基板の製造方法。
【請求項８】
前記半導体層は、III族元素を含む物質と前記第１の原料ガスによって形成された第３の原料ガスと前記第２の原料ガスを用いて形成することを特徴とする請求項６に記載の基板の製造方法。
【請求項９】
前記半導体層は、ＧａとＨＣｌによるＧａＣｌとＮＨ３の反応によって形成されたＧａＮ層を備えることを特徴とする請求項８に記載の基板の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層は、前記第１の温度で一部の厚さを形成し、前記第１の温度よりも高い温度で残りの厚さを形成することを特徴とする請求項９に記載の基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８９９７５（Ｐ２０１３−８９９７５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３２６６８（Ｐ２０１２−２３２６６８）
【出願日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【出願人】（５１２２７２７３１）ルミジエヌテック カンパニー リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【出願人】（５１２２７２７３１）ルミジエヌテック カンパニー リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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