窒化物半導体積層構造体の製造方法
【課題】基板の両面に窒化物半導体層を形成するに際し、基板に被着した堆積物の除去が容易な窒化物半導体積層構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体積層構造体の製造方法では、第１および第２の面１１ａ、１１ｂと第１熱膨張係数α１を有する基板１１の第２の面１１ｂに、第1保護膜３１を形成する。第１保護膜３１が形成された基板１１の第１の面１１ａに、第１熱膨張係数α１と異なる第２熱膨張係数α２を有する第１窒化物半導体層１２を形成する。第１窒化物半導体層１２に、第２保護膜３４を形成する。第１保護膜３１を除去し、基板１１の第２の面１１ｂを露出させる。露出した基板１１の第２の面１１ｂに、第２熱膨張係数α２に略等しい第３熱膨張係数α３を有する第２窒化物半導体層１３を形成する。第２保護膜３４を除去し、第１窒化物半導体層１２を露出させる。
【解決手段】窒化物半導体積層構造体の製造方法では、第１および第２の面１１ａ、１１ｂと第１熱膨張係数α１を有する基板１１の第２の面１１ｂに、第1保護膜３１を形成する。第１保護膜３１が形成された基板１１の第１の面１１ａに、第１熱膨張係数α１と異なる第２熱膨張係数α２を有する第１窒化物半導体層１２を形成する。第１窒化物半導体層１２に、第２保護膜３４を形成する。第１保護膜３１を除去し、基板１１の第２の面１１ｂを露出させる。露出した基板１１の第２の面１１ｂに、第２熱膨張係数α２に略等しい第３熱膨張係数α３を有する第２窒化物半導体層１３を形成する。第２保護膜３４を除去し、第１窒化物半導体層１２を露出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化物半導体積層構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体層を成長させるための基板としてサファイア基板、シリコン基板などの異種基板が用いられている。窒化物半導体層と異種基板とでは、熱膨張係数が異なるため、異種基板に窒化物半導体層が設けられてなる窒化物半導体積層構造体には、反りが発生する。
【０００３】
従来、この反りを低減するために、異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を設けるとともに、異種基板の裏面に窒化物半導体層を設けた窒化物半導体積層構造体が知られている。
【０００４】
この種の窒化物半導体積層構造体は、初めに異種基板の裏面に窒化物半導体層を形成し、次に異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を形成することにより製造される。
【０００５】
異種基板の裏面に窒化物半導体層を形成する工程において、プロセスガスが異種基板の表面側に回り込み、異種基板の表面外周部に堆積物が被着する。堆積物が残留していると、活性層を含む窒化物半導体層に結晶欠陥が発生し、素子特性や歩留まりが低下する。
【０００６】
そのため、異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を形成する前に、この堆積物を異種基板の表面にダメージを与えることなく、除去することが必要である。
【０００７】
然しながら、窒化物半導体は薬液に対する耐性が強いので、エッチングでは十分に除去されず、残渣が生じるという問題がある。
【０００８】
特に、異種基板がシリコンの場合、シリコンはプロセスガス中のガリウム（Ｇａ）と強く反応するため、表面の平坦性を維持することすら難しいという問題がある。
【０００９】
平坦性を確保するために、シリコン基板の表面を再研磨することも考えられるが、この段階では窒化物半導体積層構造体が反っているため、研磨工程において窒化物半導体積層構造体が破損する恐れがある。また、反りは異種基板の直径の２乗に比例して大きくなるので、大口径の異種基板を使用する場合、より深刻な問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】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】
【００１１】
本発明は、基板の両面に窒化物半導体層を形成するに際し、基板に被着した堆積物の除去が容易な窒化物半導体積層構造体の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一つの実施形態によれば、窒化物半導体積層構造体の製造方法では、第１および第２の面と第１熱膨張係数を有する基板の前記第２の面に、第1保護膜を形成する。前記第１保護膜が形成された前記基板の前記第１の面に、前記第１熱膨張係数と異なる第２熱膨張係数を有する第１窒化物半導体層を形成する。前記第１窒化物半導体層に、第２保護膜を形成する。前記第１保護膜を除去し、前記基板の前記第２の面を露出させる。露出した前記基板の第２の面に、前記第２熱膨張係数に略等しい第３熱膨張係数を有する第２窒化物半導体層を形成する。前記第２保護膜を除去し、前記第１窒化物半導体層を露出させる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体を示す断面図。
【図２】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図３】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図４】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図５】実施例１に係る比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図６】実施例１に係る比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図７】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体に設けられた窒化物半導体発光素子を示す断面図。
【図８】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体に設けられた別の窒化物半導体発光素子を示す断面図。
【図９】実施例２に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程の要部を順に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例に係る窒化物半導体積層構造体の製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本実施例の窒化物半導体積層構造体を示す断面図、図２乃至図４は本実施例の窒化物半導体積層構造体子の製造工程を順に示す断面図である。
【００１６】
本実施例の窒化物半導体積層構造体は、窒化物半導体発光素子の製造に用いられるもので、異種基板の両面に窒化物半導体層を設けて、異種基板の表裏で熱膨張係数の差に起因して生じる応力をつり合わせることにより、反りが低減するように構成されている。
【００１７】
図１に示すように、本実施例の窒化物半導体積層構造体１０では、基板１１は対向する第１および第２の面１１ａ、１１ｂと第１熱膨張係数α１を有している。
【００１８】
基板１１の第１の面１１ａに、第１熱膨張係数α１と異なる第２熱膨張係数α２を有する第１窒化物半導体層１２が設けられている。基板１１の第２の面１１ｂに、第２熱膨張係数α２に略等しい第３熱膨張係数α３を有する第２窒化物半導体層１３が設けられている。
【００１９】
基板１１は、例えば直径が約１５０ｍｍ、厚さｔ１が約５００μｍのシリコン基板である。基板１１の第１熱膨張係数α１は、約２．４Ｅ−６／Ｋである。
【００２０】
第１窒化物半導体層１２は、例えば厚さｔ２が約５μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。第１窒化物半導体層１２の第２熱膨張係数α２は、約３．１７Ｅ−６／Ｋである。
【００２１】
第２窒化物半導体層１３は、例えばＧａＮ層２１、Ｎ型ＧａＮクラッド層２２、ＭＱＷ層２３、Ｐ型ＧａＮクラッド層２４およびＰ型ＧａＮコンタクト層２５がこの順に積層された積層構造体である。
【００２２】
第２窒化物半導体層１３については周知であるが、以下簡単に説明する。ＧａＮ層２１は、Ｎ型クラッド層２２からＰ型ＧａＮコンタクト層２５までを成長させるための下地単結晶層であり、例えば約３μｍと厚く形成されている。Ｎ型ＧａＮクラッド層２２は、例えば厚さ２μｍ程度に形成されている。
【００２３】
ＭＱＷ層２３は、例えば厚さが５ｎｍのＧａＮ障壁層と厚さが２．５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とが交互に７組積層され、最上層がＩｎＧａＮ井戸層である多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造体である。
【００２４】
P型ＧａＮクラッド層２４は、例えば厚さ１００ｎｍ程度に形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５は、例えば厚さ１０ｎｍ程度に形成されている。
【００２５】
ＩｎＧａＮ井戸層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、０＜ｘ＜１）のＩｎ組成比ｘは、窒化物半導体層１１から取り出される光のピーク波長が、例えば約４５０ｎｍになるように０．１程度に設定されている。
【００２６】
従って、第２窒化物半導体層１３の厚さｔ３は、約５．１６μｍであるが、そのほとんどがＧａＮ層２１、Ｎ型ＧａＮクラッド層２２が占めている。
【００２７】
次に、窒化物半導体積層構造体１０の製造方法について説明する。本実施例の窒化物半導体積層構造体の製造方法は、始めに基板１１の第１の面１１ａに第２窒化物半導体層１２形成し、次に第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３を形成するに際し、プロセスガスの回り込みにより、窒化物半導体層を形成する面と反対の面側に被着する堆積物の除去が容易になるように構成されている。
【００２８】
これにより、第２の面１１ｂ側の堆積物に起因して、第２窒化物半導体層１３に結晶欠陥が発生するのを防止する。第１の面１１ａ側の堆積物に起因して、基板１１の平坦性が損なわれるのを防止する。素子特性や素子製造歩留まりが低下するのを防止する。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、基板１１である面方位が（１１１）±２°オフのシリコン基板の第２の面１１ｂに、第１保護膜３１として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化膜を形成する。
【００３０】
第１保護膜３１は、第２の面１１ｂに直接堆積物が被着するのを防止し、第１保護膜３１に被着した堆積物の剥離を容易にするために設けられる。第１保護膜３１はなるべく緻密な膜とし、厚さは、例えば１００乃至３００ｎｍ程度が適当である。
【００３１】
次に、図２（ｂ）−１に示すように、基板１１を反転させて、基板１１の第１の面１１ａにＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、厚さ約５μｍの第１窒化物半導体層１２を形成する。
【００３２】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂ側にプロセスガスが回り込み、第１保護膜３１の外周部に堆積物３２、パーティクル３３が被着する。堆積物３２、パーティクル３３は、主に多結晶ＧａＮである。
【００３３】
基板１１の第２の面１１ｂは第１保護膜３１で被覆されているので、堆積物３２、パーティクル３３は基板１１の第２の面１１ｂに被着しない。この段階では、基板１１は反っていない。
【００３４】
図２（ｂ）−２は、室温における基板１１を示している。シリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して、室温では第１窒化物半導体層１２側が凹になるように基板１１に反りＨ１が発生する。
【００３５】
シリコン基板にＧａＮ層を形成する方法は周知であるが、以下簡単に説明する。シリコン基板に前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。
【００３６】
次に、例えば水素（Ｈ２）ガス雰囲気中で、シリコン基板の温度を、例えば１１００℃まで昇温する。これにより、シリコン基板の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。
【００３７】
次に、窒素（Ｎ２）ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）ガスを供給し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層を形成する。
【００３８】
次に、シリコン基板の温度を、例えば１０５０℃まで降温する。Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）ガスを供給し、ＧａＮ層を形成する。
【００３９】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、シリコン基板を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、シリコン基板の温度が５００℃に達するまで継続する。
【００４０】
次に、図３（ａ）に示すように、第１窒化物半導体層１２に第２保護膜３４として、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する。
【００４１】
第２保護膜３４は、第１窒化物半導体層１２に直接堆積物が被着するのを防止し、第２保護膜３４に被着した堆積物の剥離を容易にするために設けられる。第２保護膜３４の厚さは、第１保護膜３１と略同じにすることが適当である。
【００４２】
次に、図３（ｂ）に示すように、第２保護膜３４の表面および側面を第３保護膜３５で被覆した後、第１保護膜３１を除去する。これにより、基板１１の第２の面１１ｂが露出する。
【００４３】
第１保護膜３１の除去は、例えばふっ酸を含む水溶液でおこなう。第３保護膜３５は、例えばパラフィンなどのワックスが適している。
【００４４】
このとき、堆積物３２およびパーティクル３３はエッチングされない。然し、堆積物３２およびパーティクル３３の下の第１保護膜３１がサイドエッチングされるので、堆積物３２およびパーティクル３３が浮き上がる。
【００４５】
その結果、基板１１の第２の面１１ｂにダメージを与えることなく、第１保護膜３１と同時に堆積物３２、パーティクル３３を除去することが可能である。
【００４６】
次に、第３保護膜３５を有機溶剤により除去した後、図３（ｃ）に示すように、第２の面１１ｂにＭＯＣＶＤ法により第２窒化物半導体層１３を形成する。
【００４７】
このとき、基板１１の第１の面１１ａ側にプロセスガスが回り込み、第２保護膜３４の外周部に堆積物３６、パーティクル３７が被着する。堆積物３６、パーティクル３７は、主に多結晶ＧａＮである。
【００４８】
基板１１の第１窒化物半導体層１２は第２保護膜３４で被覆されているので、堆積物３６、パーティクル３７は第１窒化物半導体層１２に被着しない。この段階では、基板１１は、反っていない。
【００４９】
図４（ａ）は室温における基板１１を示している。基板１１の第１の面１１ａに形成された第１窒化物半導体層１２と、基板１１の第２の面１１ｂに形成された第２窒化物半導体層１３により、基板１１の表裏でシリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あい、室温における反りが低減されている。
【００５０】
シリコン基板に第２窒化物半導体層１３を形成する方法は周知であるが、以下簡単に説明する。図２（ｂ）−１に示す工程と同様にして、厚さ３μｍのＧａＮ層２１を形成する。
【００５１】
次に、Ｎ型ドーパントとして、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給して厚さ２μｍのＮ型ＧａＮクラッド層２２を形成した後、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスおよびＳｉＨ４ガスの供給を停止し、シリコン基板の温度を１１００℃より低い温度、例えば８００℃まで降温し、８００℃で保持する。
【００５２】
次に、Ｎ２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばＮＨ３ガスおよびＴＭＧガスを供給し、厚さ５ｎｍのＧａＮ障壁層を形成し、この中にトリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）ガスを供給することにより、厚さ２．５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１のＩｎＧａＮ井戸層を形成する。
【００５３】
次に、ＴＭＩガスの供給を断続することにより、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の形成を、例えば７回繰返す。これにより、ＭＱＷ層２３が得られる。
【００５４】
次に、ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＩの供給を停止し、アンドープで厚さ５ｎｍのＧａＮキャップ層を形成する。
【００５５】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、Ｎ２ガス雰囲気中で、シリコン基板の温度を８００℃より高い温度、例えば１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。
【００５６】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ３ガスおよびＴＭＧガス、Ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給し、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３、厚さが１００ｎｍ程度のＰ型ＧａＮクラッド層２４を形成する。
【００５７】
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を増やして、Ｍｇ濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍ程度のＰ型ＧａＮコンタクト層２５を形成する。
【００５８】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガス、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、シリコン基板を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、シリコン基板の温度が５００℃に達するまで継続する。
【００５９】
これにより、基板１１の第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３が形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５が表面になる。
【００６０】
次に、図４（ｂ）に示すように、第２保護膜３４を除去し、第１窒化物半導体層１２を露出させる。第１保護膜３４の除去は、第１保護膜３１の除去と同様にふっ酸を含む水溶液でおこなう。
【００６１】
このとき、堆積物３６およびパーティクル３７はエッチングされない。然し、堆積物３６およびパーティクル３７の下の第２保護膜３４がサイドエッチングされるので、堆積物３６およびパーティクル３７が浮き上がる。
【００６２】
その結果、第１窒化物半導体層１２にダメージを与えることなく、第１保護膜３１と同時に堆積物３６、パーティクル３７３を除去することが可能である。
【００６３】
これにより、図１に示す基板１１の第１の面１１ａに第１窒化物半導体層１２が設けられ、基板１１の第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３が設けられた窒化物半導体積層構造体１０が得られる。
【００６４】
基板１１は、表裏で熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あっているので、室温における反りが低減されている。
【００６５】
次に、比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法について説明する。図５および図６は比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図である。
【００６６】
比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法とは、第１および第２保護膜３１、３４を形成する工程を有しない製造方法のことである。
【００６７】
図５（ａ）−１に示すように、基板１１の第１の面１１ａに、図２（ｂ）と同様にして第１窒化物半導体層１２を形成する。
【００６８】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂ側にプロセスガスが回り込み、基板１１の第２の面１１ｂの外周部に堆積物３２、パーティクル３３が被着する。この段階では、基板１１は反っていない。
【００６９】
然し、シリコンはプロセスガス中のガリウム（Ｇａ）と強く反応するため、堆積物３２には多結晶ＧａＮの他にシリコンとガリウムの反応生成物などが含まれている。
【００７０】
図５（ａ）−２は、室温における基板１１を示している。シリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して、室温では第１窒化物半導体層１２側が凹になるように基板１１に反りＨ２が発生する。反りＨ２は、図２（ｂ）−２に示す反りＨ１に略等しい。
【００７１】
次に、図５（ｂ）に示すように、基板１１の第２の面１１ｂを、例えばふっ酸および硝酸を含む水溶液でライトエッチングする。
【００７２】
このとき、堆積物３２およびパーティクル３３はエッチングされないが、堆積物３２およびパーティクル３３の下のシリコンがサイドエッチングされるので、堆積物３２およびパーティクル３３が浮き上がる。
【００７３】
然し、堆積物３２にはシリコンとガリウムの反応生成物が含まれているため、十分除去されずに残渣４１が生じる。基板１１のエッチングを強化すると、残渣４１の下のシリコンが抉られて凹凸が生じ、平坦性を維持することが難しくなる。
【００７４】
その結果、基板１１の第２の面１１ｂにダメージを与えることなく、堆積物３２、パーティクル３３を除去することは困難である。
【００７５】
平坦性を確保するために、基板１１の第２の面１１ｂをＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）法などにより再研磨することも考えられる。然し、この段階では基板１１が反っているため、研磨工程において基板１１が破損する恐れがある。
【００７６】
また、反りＨ２は基板１１の直径の２乗に比例して大きくなるので、大口径の基板１１を使用する場合、より深刻な問題となる。
【００７７】
次に、図６（ａ）−１に示すように、基板１１を反転して、基板１１の第２の面１１ｂに、図３（ｃ）と同様にして第２窒化物半導体層１３を形成する。
【００７８】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂの残渣４１に起因して、第２窒化物半導体層１３に結晶欠陥４２が生じる。第２窒化物半導体層１３が厚くなるにつれて、表面に白濁４３が生じ、表面モフォロジーが悪化する。
【００７９】
このような第２窒化物半導体層１３に窒化物半導体発光素子を設けると、素子特性や製造歩留まりが低下する。
【００８０】
更に、基板１１の第１の面１１ａ側にプロセスガスが回り込み、第１窒化物半導体層１２の外周部に堆積物３６、パーティクル３７が被着する。堆積物３６、パーティクル３７は主に多結晶ＧａＮである。
【００８１】
第１窒化物半導体層１２に被着した堆積物３６は同じＧａＮであり、エッチングで除去することは困難である。その結果、基板１１の平坦性が悪化する。
【００８２】
平坦性を確保するために、第１窒化物半導体層１２をＣＭＰ法などにより研磨することも考えられる。後述するように、基板１１の反りは低減されるので、研磨は可能であるが、工程が増加する問題がある。
【００８３】
図６（ａ）−２は、室温における基板１１を示す図である。基板１１の第１の面１１ａに形成された第１窒化物半導体層１２と、基板１１の第２の面１１ｂに形成された第２窒化物半導体層１３により、基板１１の表裏でシリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あい、室温における反りが低減されている。
【００８４】
上述したように、比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法では、プロセスガスの回り込みにより生じる堆積物を十分に除去することが困難であり、図１に示す窒化物半導体積層構造体１０は得られない。
【００８５】
次に、窒化物半導体積層構造体１０を、窒化物半導体発光素子の製造に用いた場合について説明する。図７は窒化物半導体積層構造体１０に設けられた窒化物半導体発光素子５０を示す断面図である。
【００８６】
図７に示すように、窒化物半導体発光素子５０では、第２半導体層１３の一側面側がＰ型ＧａＮコンタクト層２５からＮ型ＧａＮクラッド層２２の一部まで除去されている。除去は、例えば塩素系ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法による異方性エッチングによりおこなう。
【００８７】
Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５の一部に第１電極５１が設けられている。露出したＮ型ＧａＮクラッド層２２の一部に第２電極５２が設けられている。
【００８８】
第１電極５１は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５上に、例えばスパッタリング法によりＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。第２電極５２は、例えばスパッタリング法によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。
【００８９】
但し、窒化物半導体発光素子５０の高さはｔ１＋ｔ２＋ｔ３となるので、目的の高さになるように、予め基板１１の厚さｔ１を調整しておくことが望ましい。
【００９０】
以上説明したように、本実施例の窒化物半導体積層構造体１０の製造方法では、第１および第２の保護膜３１、３４を形成する工程を有している。
【００９１】
その結果、第１窒化物半導体層１２を形成する工程において第１保護膜３１に被着した堆積物３２を、第１保護膜３１を除去する工程において同時に除去することができる。
【００９２】
第２窒化物半導体層１３を形成する工程において、第２保護膜３４に被着した堆積物３６を、第２保護膜３４を除去する工程において同時に除去することができる。
【００９３】
従って、基板の両面に窒化物半導体層を形成するに際し、基板に被着した堆積物の除去が容易な窒化物半導体積層構造体の製造方法が得られる。
【００９４】
ここでは、基板１１がシリコンである場合について説明したが、その他の異種基板でも構わない。異種基板としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、α１≒５．３Ｅ−６／Ｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ、α１≒４．６８Ｅ−６／Ｋ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、α１≒３．９Ｅ−６／Ｋ）などを用いることが可能である。
【００９５】
第１および第２保護膜３１、３４がシリコン酸化膜である場合について説明したが、同種の膜であればよく、これに限定されない。第１および第２保護膜３１、３４が、例えばシリコン窒化膜とすることも可能である。
【００９６】
第１、第２電極を第２窒化物半導体層１３側に設けた窒化物半導体発光素子５０について説明したが、第２電極を第１窒化物半導体層１２側に設けることも可能である。図８は第２電極を第１窒化物半導体層側に設けた窒化物半導体発光素子を示す図である。
【００９７】
図８に示すように、窒化物半導体発光素子６０では、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５の一部に第１電極６１が設けられている。第１窒化物半導体層１２側の全面に第２電極６２が設けられている。
【００９８】
第２電極６２を第１窒化物半導体層１２側に設けることにより、窒化物半導体発光素子６０のサイズを、窒化物半導体発光素子５０のサイズより小さくすることができる利点がある。
【００９９】
但し、第２半導体層１２およびＧａＮ層２１にＮ型ドーパンとしてシリコンをドープして、第２半導体層１２およびＧａＮ層２１の抵抗をできるだけ低くしておくことが必要である。基板１１はできるだけ低抵抗のＮ型シリコンとすることが望ましい。
【実施例２】
【０１００】
本実施例に係る窒化物半導体積層構造体の製造方法について図９を用いて説明する。図９は窒化物半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図である。
【０１０１】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、第１および第２保護膜を異種の膜としたことにある。
【０１０２】
即ち、図９に示すように、第１半導体層１２に第２保護膜７１として、シリコン窒化膜を形成する。シリコン窒化膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成する。シリコン窒化膜の密着性を向上させるために、下地膜として薄いシリコン酸化膜を形成しておくことが望ましい。
【０１０３】
次に、図９（ｂ）に示すように、ふっ酸を含む水溶液により、第１保護膜３１であるシリコン酸化膜を除去する。このとき、第２保護膜７１であるシリコン窒化膜はエッチングされないので、図３（ｂ）に示す第３保護膜３５は不要である。
【０１０４】
次に、図９（ｃ）に示すように、例えば１８０℃に加熱した燐酸溶液（Ｈ３ＰＯ４：ＨＮＯ３）により、第２保護膜７１であるシリコン窒化膜を除去する。ＧａＮは燐酸溶液ではエッチングされない。
【０１０５】
以上説明したように、本実施例では、第２保護膜をシリコン窒化膜としているので、第１保護膜３１を除去するときに、第２保護膜を被覆する必要がなくなる利点がある。
【０１０６】
ここでは、第２保護膜がシリコン窒化膜である場合について説明したが、これに限定されない。第２保護膜としては、非結晶質シリコン膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）なども可能である。非結晶質シリコン膜とは、多結晶シリコン膜、アモルファスシリコン膜、または両者の混在した膜のことである。
【０１０７】
第１保護膜を除去する薬液が第２保護膜に対して選択性を有し、第２保護膜を除去する薬液がＧａＮに対して選択性を有していればよい。
【０１０８】
また、第１および第２保護膜を入れ替えて、第１保護膜をシリコン窒化膜とし、第２保護膜をシリコン酸化膜とすることも可能である。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１１０】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記基板は、シリコン、サファイア、炭化珪素および酸化亜鉛基板から選択された材料からなる請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【０１１１】
（付記２） 前記第１および第２保護膜はシリコン酸化膜である請求項５に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【０１１２】
（付記３） 前記第１保護膜はシリコン酸化膜であり、前記第２保護膜はシリコン窒化膜である請求項６に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【符号の説明】
【０１１３】
１０、５０ 窒化物半導体積層構造体
１１ 基板
１１ａ 第１の面
１１ｂ 第２の面
１２ 第１窒化物半導体層
１３ 第２窒化物半導体層
２１ ＧａＮ層
２２ Ｎ型ＧａＮクラッド層
２３ ＭＱＷ層
２４ Ｐ型ＧａＮクラッド層
２５ Ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ 第１保護膜
３２、３６ 堆積物
３３、３７ パーティクル
３４、７１ 第２保護膜
３５ 第３保護膜
４１ 残渣
４２ 結晶欠陥
４３ 白濁
５０、６０ 窒化物半導体発光素子
５１、６１ 第１電極
５２、６２ 第２電極
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化物半導体積層構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体層を成長させるための基板としてサファイア基板、シリコン基板などの異種基板が用いられている。窒化物半導体層と異種基板とでは、熱膨張係数が異なるため、異種基板に窒化物半導体層が設けられてなる窒化物半導体積層構造体には、反りが発生する。
【０００３】
従来、この反りを低減するために、異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を設けるとともに、異種基板の裏面に窒化物半導体層を設けた窒化物半導体積層構造体が知られている。
【０００４】
この種の窒化物半導体積層構造体は、初めに異種基板の裏面に窒化物半導体層を形成し、次に異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を形成することにより製造される。
【０００５】
異種基板の裏面に窒化物半導体層を形成する工程において、プロセスガスが異種基板の表面側に回り込み、異種基板の表面外周部に堆積物が被着する。堆積物が残留していると、活性層を含む窒化物半導体層に結晶欠陥が発生し、素子特性や歩留まりが低下する。
【０００６】
そのため、異種基板の表面に活性層を含む窒化物半導体層を形成する前に、この堆積物を異種基板の表面にダメージを与えることなく、除去することが必要である。
【０００７】
然しながら、窒化物半導体は薬液に対する耐性が強いので、エッチングでは十分に除去されず、残渣が生じるという問題がある。
【０００８】
特に、異種基板がシリコンの場合、シリコンはプロセスガス中のガリウム（Ｇａ）と強く反応するため、表面の平坦性を維持することすら難しいという問題がある。
【０００９】
平坦性を確保するために、シリコン基板の表面を再研磨することも考えられるが、この段階では窒化物半導体積層構造体が反っているため、研磨工程において窒化物半導体積層構造体が破損する恐れがある。また、反りは異種基板の直径の２乗に比例して大きくなるので、大口径の異種基板を使用する場合、より深刻な問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】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】
【００１１】
本発明は、基板の両面に窒化物半導体層を形成するに際し、基板に被着した堆積物の除去が容易な窒化物半導体積層構造体の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一つの実施形態によれば、窒化物半導体積層構造体の製造方法では、第１および第２の面と第１熱膨張係数を有する基板の前記第２の面に、第1保護膜を形成する。前記第１保護膜が形成された前記基板の前記第１の面に、前記第１熱膨張係数と異なる第２熱膨張係数を有する第１窒化物半導体層を形成する。前記第１窒化物半導体層に、第２保護膜を形成する。前記第１保護膜を除去し、前記基板の前記第２の面を露出させる。露出した前記基板の第２の面に、前記第２熱膨張係数に略等しい第３熱膨張係数を有する第２窒化物半導体層を形成する。前記第２保護膜を除去し、前記第１窒化物半導体層を露出させる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体を示す断面図。
【図２】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図３】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図４】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図５】実施例１に係る比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図６】実施例１に係る比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図。
【図７】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体に設けられた窒化物半導体発光素子を示す断面図。
【図８】実施例１に係る窒化物半導体積層構造体に設けられた別の窒化物半導体発光素子を示す断面図。
【図９】実施例２に係る窒化物半導体積層構造体の製造工程の要部を順に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例に係る窒化物半導体積層構造体の製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本実施例の窒化物半導体積層構造体を示す断面図、図２乃至図４は本実施例の窒化物半導体積層構造体子の製造工程を順に示す断面図である。
【００１６】
本実施例の窒化物半導体積層構造体は、窒化物半導体発光素子の製造に用いられるもので、異種基板の両面に窒化物半導体層を設けて、異種基板の表裏で熱膨張係数の差に起因して生じる応力をつり合わせることにより、反りが低減するように構成されている。
【００１７】
図１に示すように、本実施例の窒化物半導体積層構造体１０では、基板１１は対向する第１および第２の面１１ａ、１１ｂと第１熱膨張係数α１を有している。
【００１８】
基板１１の第１の面１１ａに、第１熱膨張係数α１と異なる第２熱膨張係数α２を有する第１窒化物半導体層１２が設けられている。基板１１の第２の面１１ｂに、第２熱膨張係数α２に略等しい第３熱膨張係数α３を有する第２窒化物半導体層１３が設けられている。
【００１９】
基板１１は、例えば直径が約１５０ｍｍ、厚さｔ１が約５００μｍのシリコン基板である。基板１１の第１熱膨張係数α１は、約２．４Ｅ−６／Ｋである。
【００２０】
第１窒化物半導体層１２は、例えば厚さｔ２が約５μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。第１窒化物半導体層１２の第２熱膨張係数α２は、約３．１７Ｅ−６／Ｋである。
【００２１】
第２窒化物半導体層１３は、例えばＧａＮ層２１、Ｎ型ＧａＮクラッド層２２、ＭＱＷ層２３、Ｐ型ＧａＮクラッド層２４およびＰ型ＧａＮコンタクト層２５がこの順に積層された積層構造体である。
【００２２】
第２窒化物半導体層１３については周知であるが、以下簡単に説明する。ＧａＮ層２１は、Ｎ型クラッド層２２からＰ型ＧａＮコンタクト層２５までを成長させるための下地単結晶層であり、例えば約３μｍと厚く形成されている。Ｎ型ＧａＮクラッド層２２は、例えば厚さ２μｍ程度に形成されている。
【００２３】
ＭＱＷ層２３は、例えば厚さが５ｎｍのＧａＮ障壁層と厚さが２．５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とが交互に７組積層され、最上層がＩｎＧａＮ井戸層である多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造体である。
【００２４】
P型ＧａＮクラッド層２４は、例えば厚さ１００ｎｍ程度に形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５は、例えば厚さ１０ｎｍ程度に形成されている。
【００２５】
ＩｎＧａＮ井戸層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層、０＜ｘ＜１）のＩｎ組成比ｘは、窒化物半導体層１１から取り出される光のピーク波長が、例えば約４５０ｎｍになるように０．１程度に設定されている。
【００２６】
従って、第２窒化物半導体層１３の厚さｔ３は、約５．１６μｍであるが、そのほとんどがＧａＮ層２１、Ｎ型ＧａＮクラッド層２２が占めている。
【００２７】
次に、窒化物半導体積層構造体１０の製造方法について説明する。本実施例の窒化物半導体積層構造体の製造方法は、始めに基板１１の第１の面１１ａに第２窒化物半導体層１２形成し、次に第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３を形成するに際し、プロセスガスの回り込みにより、窒化物半導体層を形成する面と反対の面側に被着する堆積物の除去が容易になるように構成されている。
【００２８】
これにより、第２の面１１ｂ側の堆積物に起因して、第２窒化物半導体層１３に結晶欠陥が発生するのを防止する。第１の面１１ａ側の堆積物に起因して、基板１１の平坦性が損なわれるのを防止する。素子特性や素子製造歩留まりが低下するのを防止する。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、基板１１である面方位が（１１１）±２°オフのシリコン基板の第２の面１１ｂに、第１保護膜３１として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化膜を形成する。
【００３０】
第１保護膜３１は、第２の面１１ｂに直接堆積物が被着するのを防止し、第１保護膜３１に被着した堆積物の剥離を容易にするために設けられる。第１保護膜３１はなるべく緻密な膜とし、厚さは、例えば１００乃至３００ｎｍ程度が適当である。
【００３１】
次に、図２（ｂ）−１に示すように、基板１１を反転させて、基板１１の第１の面１１ａにＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、厚さ約５μｍの第１窒化物半導体層１２を形成する。
【００３２】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂ側にプロセスガスが回り込み、第１保護膜３１の外周部に堆積物３２、パーティクル３３が被着する。堆積物３２、パーティクル３３は、主に多結晶ＧａＮである。
【００３３】
基板１１の第２の面１１ｂは第１保護膜３１で被覆されているので、堆積物３２、パーティクル３３は基板１１の第２の面１１ｂに被着しない。この段階では、基板１１は反っていない。
【００３４】
図２（ｂ）−２は、室温における基板１１を示している。シリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して、室温では第１窒化物半導体層１２側が凹になるように基板１１に反りＨ１が発生する。
【００３５】
シリコン基板にＧａＮ層を形成する方法は周知であるが、以下簡単に説明する。シリコン基板に前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。
【００３６】
次に、例えば水素（Ｈ２）ガス雰囲気中で、シリコン基板の温度を、例えば１１００℃まで昇温する。これにより、シリコン基板の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。
【００３７】
次に、窒素（Ｎ２）ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）ガスを供給し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層を形成する。
【００３８】
次に、シリコン基板の温度を、例えば１０５０℃まで降温する。Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）ガスを供給し、ＧａＮ層を形成する。
【００３９】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、シリコン基板を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、シリコン基板の温度が５００℃に達するまで継続する。
【００４０】
次に、図３（ａ）に示すように、第１窒化物半導体層１２に第２保護膜３４として、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する。
【００４１】
第２保護膜３４は、第１窒化物半導体層１２に直接堆積物が被着するのを防止し、第２保護膜３４に被着した堆積物の剥離を容易にするために設けられる。第２保護膜３４の厚さは、第１保護膜３１と略同じにすることが適当である。
【００４２】
次に、図３（ｂ）に示すように、第２保護膜３４の表面および側面を第３保護膜３５で被覆した後、第１保護膜３１を除去する。これにより、基板１１の第２の面１１ｂが露出する。
【００４３】
第１保護膜３１の除去は、例えばふっ酸を含む水溶液でおこなう。第３保護膜３５は、例えばパラフィンなどのワックスが適している。
【００４４】
このとき、堆積物３２およびパーティクル３３はエッチングされない。然し、堆積物３２およびパーティクル３３の下の第１保護膜３１がサイドエッチングされるので、堆積物３２およびパーティクル３３が浮き上がる。
【００４５】
その結果、基板１１の第２の面１１ｂにダメージを与えることなく、第１保護膜３１と同時に堆積物３２、パーティクル３３を除去することが可能である。
【００４６】
次に、第３保護膜３５を有機溶剤により除去した後、図３（ｃ）に示すように、第２の面１１ｂにＭＯＣＶＤ法により第２窒化物半導体層１３を形成する。
【００４７】
このとき、基板１１の第１の面１１ａ側にプロセスガスが回り込み、第２保護膜３４の外周部に堆積物３６、パーティクル３７が被着する。堆積物３６、パーティクル３７は、主に多結晶ＧａＮである。
【００４８】
基板１１の第１窒化物半導体層１２は第２保護膜３４で被覆されているので、堆積物３６、パーティクル３７は第１窒化物半導体層１２に被着しない。この段階では、基板１１は、反っていない。
【００４９】
図４（ａ）は室温における基板１１を示している。基板１１の第１の面１１ａに形成された第１窒化物半導体層１２と、基板１１の第２の面１１ｂに形成された第２窒化物半導体層１３により、基板１１の表裏でシリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あい、室温における反りが低減されている。
【００５０】
シリコン基板に第２窒化物半導体層１３を形成する方法は周知であるが、以下簡単に説明する。図２（ｂ）−１に示す工程と同様にして、厚さ３μｍのＧａＮ層２１を形成する。
【００５１】
次に、Ｎ型ドーパントとして、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給して厚さ２μｍのＮ型ＧａＮクラッド層２２を形成した後、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスおよびＳｉＨ４ガスの供給を停止し、シリコン基板の温度を１１００℃より低い温度、例えば８００℃まで降温し、８００℃で保持する。
【００５２】
次に、Ｎ２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばＮＨ３ガスおよびＴＭＧガスを供給し、厚さ５ｎｍのＧａＮ障壁層を形成し、この中にトリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）ガスを供給することにより、厚さ２．５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１のＩｎＧａＮ井戸層を形成する。
【００５３】
次に、ＴＭＩガスの供給を断続することにより、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の形成を、例えば７回繰返す。これにより、ＭＱＷ層２３が得られる。
【００５４】
次に、ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＩの供給を停止し、アンドープで厚さ５ｎｍのＧａＮキャップ層を形成する。
【００５５】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、Ｎ２ガス雰囲気中で、シリコン基板の温度を８００℃より高い温度、例えば１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。
【００５６】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ３ガスおよびＴＭＧガス、Ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給し、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３、厚さが１００ｎｍ程度のＰ型ＧａＮクラッド層２４を形成する。
【００５７】
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を増やして、Ｍｇ濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍ程度のＰ型ＧａＮコンタクト層２５を形成する。
【００５８】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガス、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、シリコン基板を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、シリコン基板の温度が５００℃に達するまで継続する。
【００５９】
これにより、基板１１の第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３が形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５が表面になる。
【００６０】
次に、図４（ｂ）に示すように、第２保護膜３４を除去し、第１窒化物半導体層１２を露出させる。第１保護膜３４の除去は、第１保護膜３１の除去と同様にふっ酸を含む水溶液でおこなう。
【００６１】
このとき、堆積物３６およびパーティクル３７はエッチングされない。然し、堆積物３６およびパーティクル３７の下の第２保護膜３４がサイドエッチングされるので、堆積物３６およびパーティクル３７が浮き上がる。
【００６２】
その結果、第１窒化物半導体層１２にダメージを与えることなく、第１保護膜３１と同時に堆積物３６、パーティクル３７３を除去することが可能である。
【００６３】
これにより、図１に示す基板１１の第１の面１１ａに第１窒化物半導体層１２が設けられ、基板１１の第２の面１１ｂに第２窒化物半導体層１３が設けられた窒化物半導体積層構造体１０が得られる。
【００６４】
基板１１は、表裏で熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あっているので、室温における反りが低減されている。
【００６５】
次に、比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法について説明する。図５および図６は比較例の窒化物半導体積層構造体の製造工程を順に示す断面図である。
【００６６】
比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法とは、第１および第２保護膜３１、３４を形成する工程を有しない製造方法のことである。
【００６７】
図５（ａ）−１に示すように、基板１１の第１の面１１ａに、図２（ｂ）と同様にして第１窒化物半導体層１２を形成する。
【００６８】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂ側にプロセスガスが回り込み、基板１１の第２の面１１ｂの外周部に堆積物３２、パーティクル３３が被着する。この段階では、基板１１は反っていない。
【００６９】
然し、シリコンはプロセスガス中のガリウム（Ｇａ）と強く反応するため、堆積物３２には多結晶ＧａＮの他にシリコンとガリウムの反応生成物などが含まれている。
【００７０】
図５（ａ）−２は、室温における基板１１を示している。シリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して、室温では第１窒化物半導体層１２側が凹になるように基板１１に反りＨ２が発生する。反りＨ２は、図２（ｂ）−２に示す反りＨ１に略等しい。
【００７１】
次に、図５（ｂ）に示すように、基板１１の第２の面１１ｂを、例えばふっ酸および硝酸を含む水溶液でライトエッチングする。
【００７２】
このとき、堆積物３２およびパーティクル３３はエッチングされないが、堆積物３２およびパーティクル３３の下のシリコンがサイドエッチングされるので、堆積物３２およびパーティクル３３が浮き上がる。
【００７３】
然し、堆積物３２にはシリコンとガリウムの反応生成物が含まれているため、十分除去されずに残渣４１が生じる。基板１１のエッチングを強化すると、残渣４１の下のシリコンが抉られて凹凸が生じ、平坦性を維持することが難しくなる。
【００７４】
その結果、基板１１の第２の面１１ｂにダメージを与えることなく、堆積物３２、パーティクル３３を除去することは困難である。
【００７５】
平坦性を確保するために、基板１１の第２の面１１ｂをＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）法などにより再研磨することも考えられる。然し、この段階では基板１１が反っているため、研磨工程において基板１１が破損する恐れがある。
【００７６】
また、反りＨ２は基板１１の直径の２乗に比例して大きくなるので、大口径の基板１１を使用する場合、より深刻な問題となる。
【００７７】
次に、図６（ａ）−１に示すように、基板１１を反転して、基板１１の第２の面１１ｂに、図３（ｃ）と同様にして第２窒化物半導体層１３を形成する。
【００７８】
このとき、基板１１の第２の面１１ｂの残渣４１に起因して、第２窒化物半導体層１３に結晶欠陥４２が生じる。第２窒化物半導体層１３が厚くなるにつれて、表面に白濁４３が生じ、表面モフォロジーが悪化する。
【００７９】
このような第２窒化物半導体層１３に窒化物半導体発光素子を設けると、素子特性や製造歩留まりが低下する。
【００８０】
更に、基板１１の第１の面１１ａ側にプロセスガスが回り込み、第１窒化物半導体層１２の外周部に堆積物３６、パーティクル３７が被着する。堆積物３６、パーティクル３７は主に多結晶ＧａＮである。
【００８１】
第１窒化物半導体層１２に被着した堆積物３６は同じＧａＮであり、エッチングで除去することは困難である。その結果、基板１１の平坦性が悪化する。
【００８２】
平坦性を確保するために、第１窒化物半導体層１２をＣＭＰ法などにより研磨することも考えられる。後述するように、基板１１の反りは低減されるので、研磨は可能であるが、工程が増加する問題がある。
【００８３】
図６（ａ）−２は、室温における基板１１を示す図である。基板１１の第１の面１１ａに形成された第１窒化物半導体層１２と、基板１１の第２の面１１ｂに形成された第２窒化物半導体層１３により、基板１１の表裏でシリコンとＧａＮの熱膨張係数の差に起因して生じる応力が釣り合あい、室温における反りが低減されている。
【００８４】
上述したように、比較例の窒化物半導体積層構造体の製造方法では、プロセスガスの回り込みにより生じる堆積物を十分に除去することが困難であり、図１に示す窒化物半導体積層構造体１０は得られない。
【００８５】
次に、窒化物半導体積層構造体１０を、窒化物半導体発光素子の製造に用いた場合について説明する。図７は窒化物半導体積層構造体１０に設けられた窒化物半導体発光素子５０を示す断面図である。
【００８６】
図７に示すように、窒化物半導体発光素子５０では、第２半導体層１３の一側面側がＰ型ＧａＮコンタクト層２５からＮ型ＧａＮクラッド層２２の一部まで除去されている。除去は、例えば塩素系ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法による異方性エッチングによりおこなう。
【００８７】
Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５の一部に第１電極５１が設けられている。露出したＮ型ＧａＮクラッド層２２の一部に第２電極５２が設けられている。
【００８８】
第１電極５１は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５上に、例えばスパッタリング法によりＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。第２電極５２は、例えばスパッタリング法によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。
【００８９】
但し、窒化物半導体発光素子５０の高さはｔ１＋ｔ２＋ｔ３となるので、目的の高さになるように、予め基板１１の厚さｔ１を調整しておくことが望ましい。
【００９０】
以上説明したように、本実施例の窒化物半導体積層構造体１０の製造方法では、第１および第２の保護膜３１、３４を形成する工程を有している。
【００９１】
その結果、第１窒化物半導体層１２を形成する工程において第１保護膜３１に被着した堆積物３２を、第１保護膜３１を除去する工程において同時に除去することができる。
【００９２】
第２窒化物半導体層１３を形成する工程において、第２保護膜３４に被着した堆積物３６を、第２保護膜３４を除去する工程において同時に除去することができる。
【００９３】
従って、基板の両面に窒化物半導体層を形成するに際し、基板に被着した堆積物の除去が容易な窒化物半導体積層構造体の製造方法が得られる。
【００９４】
ここでは、基板１１がシリコンである場合について説明したが、その他の異種基板でも構わない。異種基板としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、α１≒５．３Ｅ−６／Ｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ、α１≒４．６８Ｅ−６／Ｋ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、α１≒３．９Ｅ−６／Ｋ）などを用いることが可能である。
【００９５】
第１および第２保護膜３１、３４がシリコン酸化膜である場合について説明したが、同種の膜であればよく、これに限定されない。第１および第２保護膜３１、３４が、例えばシリコン窒化膜とすることも可能である。
【００９６】
第１、第２電極を第２窒化物半導体層１３側に設けた窒化物半導体発光素子５０について説明したが、第２電極を第１窒化物半導体層１２側に設けることも可能である。図８は第２電極を第１窒化物半導体層側に設けた窒化物半導体発光素子を示す図である。
【００９７】
図８に示すように、窒化物半導体発光素子６０では、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２５の一部に第１電極６１が設けられている。第１窒化物半導体層１２側の全面に第２電極６２が設けられている。
【００９８】
第２電極６２を第１窒化物半導体層１２側に設けることにより、窒化物半導体発光素子６０のサイズを、窒化物半導体発光素子５０のサイズより小さくすることができる利点がある。
【００９９】
但し、第２半導体層１２およびＧａＮ層２１にＮ型ドーパンとしてシリコンをドープして、第２半導体層１２およびＧａＮ層２１の抵抗をできるだけ低くしておくことが必要である。基板１１はできるだけ低抵抗のＮ型シリコンとすることが望ましい。
【実施例２】
【０１００】
本実施例に係る窒化物半導体積層構造体の製造方法について図９を用いて説明する。図９は窒化物半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図である。
【０１０１】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、第１および第２保護膜を異種の膜としたことにある。
【０１０２】
即ち、図９に示すように、第１半導体層１２に第２保護膜７１として、シリコン窒化膜を形成する。シリコン窒化膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成する。シリコン窒化膜の密着性を向上させるために、下地膜として薄いシリコン酸化膜を形成しておくことが望ましい。
【０１０３】
次に、図９（ｂ）に示すように、ふっ酸を含む水溶液により、第１保護膜３１であるシリコン酸化膜を除去する。このとき、第２保護膜７１であるシリコン窒化膜はエッチングされないので、図３（ｂ）に示す第３保護膜３５は不要である。
【０１０４】
次に、図９（ｃ）に示すように、例えば１８０℃に加熱した燐酸溶液（Ｈ３ＰＯ４：ＨＮＯ３）により、第２保護膜７１であるシリコン窒化膜を除去する。ＧａＮは燐酸溶液ではエッチングされない。
【０１０５】
以上説明したように、本実施例では、第２保護膜をシリコン窒化膜としているので、第１保護膜３１を除去するときに、第２保護膜を被覆する必要がなくなる利点がある。
【０１０６】
ここでは、第２保護膜がシリコン窒化膜である場合について説明したが、これに限定されない。第２保護膜としては、非結晶質シリコン膜、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）なども可能である。非結晶質シリコン膜とは、多結晶シリコン膜、アモルファスシリコン膜、または両者の混在した膜のことである。
【０１０７】
第１保護膜を除去する薬液が第２保護膜に対して選択性を有し、第２保護膜を除去する薬液がＧａＮに対して選択性を有していればよい。
【０１０８】
また、第１および第２保護膜を入れ替えて、第１保護膜をシリコン窒化膜とし、第２保護膜をシリコン酸化膜とすることも可能である。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１１０】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記基板は、シリコン、サファイア、炭化珪素および酸化亜鉛基板から選択された材料からなる請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【０１１１】
（付記２） 前記第１および第２保護膜はシリコン酸化膜である請求項５に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【０１１２】
（付記３） 前記第１保護膜はシリコン酸化膜であり、前記第２保護膜はシリコン窒化膜である請求項６に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【符号の説明】
【０１１３】
１０、５０ 窒化物半導体積層構造体
１１ 基板
１１ａ 第１の面
１１ｂ 第２の面
１２ 第１窒化物半導体層
１３ 第２窒化物半導体層
２１ ＧａＮ層
２２ Ｎ型ＧａＮクラッド層
２３ ＭＱＷ層
２４ Ｐ型ＧａＮクラッド層
２５ Ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ 第１保護膜
３２、３６ 堆積物
３３、３７ パーティクル
３４、７１ 第２保護膜
３５ 第３保護膜
４１ 残渣
４２ 結晶欠陥
４３ 白濁
５０、６０ 窒化物半導体発光素子
５１、６１ 第１電極
５２、６２ 第２電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の面と第１熱膨張係数を有する基板の前記第２の面に、第1保護膜を形成する工程と、
前記第１保護膜が形成された前記基板の前記第１の面に、前記第１熱膨張係数と異なる第２熱膨張係数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層に、第２保護膜を形成する工程と、
前記第１保護膜を除去し、前記基板の前記第２の面を露出させる工程と、
露出した前記基板の第２の面に、前記第２熱膨張係数に略等しい第３熱膨張係数を有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２保護膜を除去し、前記第１窒化物半導体層を露出させる工程と、
を具備することを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１保護膜に堆積物が被着し、前記第１保護膜を除去する工程において、前記堆積物が同時に除去されることを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、前記第２保護膜に堆積物が被着し、前記第２保護膜を除去する工程において、前記堆積物が同時に除去されることを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第１保護膜および前記第２保護膜の除去は、等方性エッチングによりおこなうことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１および第２保護膜は同種の膜であり、前記第１保護膜の除去は、前記第２保護膜を第３保護膜で被覆して、薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第１保護膜と前記第２保護膜は異種の膜であり、前記第１保護膜の除去は、前記第２保護膜に対して選択性を有する薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項１】
第１および第２の面と第１熱膨張係数を有する基板の前記第２の面に、第1保護膜を形成する工程と、
前記第１保護膜が形成された前記基板の前記第１の面に、前記第１熱膨張係数と異なる第２熱膨張係数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層に、第２保護膜を形成する工程と、
前記第１保護膜を除去し、前記基板の前記第２の面を露出させる工程と、
露出した前記基板の第２の面に、前記第２熱膨張係数に略等しい第３熱膨張係数を有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２保護膜を除去し、前記第１窒化物半導体層を露出させる工程と、
を具備することを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１保護膜に堆積物が被着し、前記第１保護膜を除去する工程において、前記堆積物が同時に除去されることを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、前記第２保護膜に堆積物が被着し、前記第２保護膜を除去する工程において、前記堆積物が同時に除去されることを特徴とする窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第１保護膜および前記第２保護膜の除去は、等方性エッチングによりおこなうことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１および第２保護膜は同種の膜であり、前記第１保護膜の除去は、前記第２保護膜を第３保護膜で被覆して、薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第１保護膜と前記第２保護膜は異種の膜であり、前記第１保護膜の除去は、前記第２保護膜に対して選択性を有する薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体積層構造体の製造方法。
【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２０１３−６２４０９（Ｐ２０１３−６２４０９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００５１１（Ｐ２０１１−２００５１１）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]