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公開番号2021020435
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210218
出願番号2019140276
出願日20190730
発明の名称積層体
出願人京セラ株式会社
代理人個人
主分類B32B 3/00 20060101AFI20210122BHJP(積層体)
要約【課題】再利用が容易な積層体を提供する。
【解決手段】積層体1は、下地基板11と、ウインドウ15を形成するマスク層13とを備える。下地基板11の材料としては、例えば、窒化物半導体が用いられる。マスク層13は、下地基板11の結晶成長面12上に、ストライプなどの所定のマスクパターンを形成する。下地基板11のウインドウ15以外の部分には結晶成長面12に沿った転位が存在しないか、通常の再利用可能な転位の密度の上限よりも少ない。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
半導体結晶を気相成長させるための積層体であって、
結晶成長面を有する下地基板と、
前記下地基板の前記結晶成長面上に位置して、前記結晶成長面が露出するウインドウを有するマスク層と、を備え、
前記下地基板の前記結晶成長面は、前記マスク層に覆われた領域では前記結晶成長面に沿った転位の面密度が1×10

/cm

以下である積層体。
続きを表示(約 340 文字)【請求項2】
前記マスク層の厚みが100nm〜500nmである、請求項1に記載の積層体。
【請求項3】
前記マスク層は、珪素化合物、アルミニウム化合物、および遷移金属の少なくとも1つを含む、請求項1または2に記載の積層体。
【請求項4】
前記下地基板の前記結晶成長面には、直径が300nm以上のピットが、5×10

/cm

以下の面密度で存在している、請求項1〜3のいずれかに記載の積層体。
【請求項5】
前記ピットの平均深さが10nm〜1000nmである、請求項4に記載の積層体。
【請求項6】
前記ピットの平均アスペクト比が0.5〜2である、請求項4または5に記載の積層体。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、積層体に関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
III族窒化物半導体である窒化ガリウム(GaN)は、シリコンに代わる次世代パワー半導体として、近年注目されている。単結晶基板上でIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、結晶欠陥の少ないIII族窒化物半導体層を得る製造方法が知られている。この製造方法では、例えば、下地基板の第1の面から下地基板の厚さ方向に伸び、かつ、下地基板に形成された転位と繋がる縦長ピットを複数形成した後に、第1の面の上に、縦長ピットの少なくとも一部分を空洞として残して、III族窒化物半導体を成長させる(下記の特許文献1を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2015−151626号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記下地基板には高密度の転位またはピットが存在していることがある。このため、このような下地基板を再利用するには、表面の研磨により、これらの転位またはピットを取り除く必要がある。
しかしながら、下地基板の表面を研磨すれば、下地基板の板厚が大きく減少することがある。このように、下地基板を再利用するための方法には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の積層体は、半導体結晶を気相成長させるための積層体であって、
結晶成長面を有する下地基板と、
前記下地基板の前記結晶成長面上に位置して、前記結晶成長面が露出するウインドウを有するマスク層と、を備え、
前記下地基板の前記結晶成長面は、前記マスク層に覆われた領域では前記結晶成長面に沿った転位の面密度が1×10

/cm

以下である。
【発明の効果】
【0006】
本開示の積層体によれば、下地基板の結晶成長面は、マスク層に覆われた領域の転位の面密度が1×10

/cm

以下であるため、転位が生じている部分を許容可能な範囲まで研磨などによって除去する必要がなく、積層体の再利用が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本開示の一実施形態の積層体の下地基板の結晶成長面上にマスク層が形成された状態を示す断面図である。
本開示の一実施形態の積層体の下地基板の結晶成長面上に半導体層が形成された状態を示す断面図である。
本開示の一実施形態の積層体からマスク層が除去された状態を示す断面図である。
本開示の下地基板の結晶成長面の転位の発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。
本開示の下地基板の結晶成長面のピットの発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本開示の一実施形態に係る積層体について、模式的に示した各図を参照して説明する。図1は、下地基板11の結晶成長面12上にマスク層13が配設された本実施形態の積層体1を示す断面図である。図2は、積層体1の下地基板11の結晶成長面12上に半導体層16が形成された状態を示す断面図である。図3は、積層体1からマスク層13が除去された状態を示す断面図である。
【0009】
積層体1は、下地基板11と、マスク層13とを備える。下地基板11の材料としては、例えば、窒化物半導体が用いられるが、窒化物半導体中に不純物がドーピングされたn型半導体、または、p型半導体であってもよい。その場合、不純物密度は、1×10
19
cm
−3
程度以下のものを使用し得る。
【0010】
ここで「窒化物半導体」は、例えば、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)によって構成される。本実施形態において、下地基板11は少なくとも表面はGaNからなる。下地基板11は、GaN基板のほか、サファイア基板、SiC基板などのGaN以外の材料からなる基板の表面にGaN層を形成した基板を使用してもよい。
【0011】
マスク層13によって、下地基板11に結晶成長面12が露出するウインドウ15が形成される。マスク層13は、下地基板11の結晶成長面12上に、例えば、ストライプパターンなどの所定の形状のマスクパターンで形成される。マスク層13の形成方法としては、まず、下地基板11の結晶成長面12上に、例えば、プラズマ気相成長(Plasma Chemical Vapor Deposition;PCVD)法などによって、マスク層13の材料となる珪素化合物である、例えばSiO

などを堆積させる。
【0012】
マスク層13の材料としては、酸化シリコンなどの珪素化合物、酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物、およびタングステンまたはクロムなどの遷移金属の少なくとも1種を含むものでよい。マスク層13の堆積方法は、PCVD法に限られず、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング、ミストCVD法など、マスク材料に適した公知の方法を適宜用いることができる。
【0013】
続いて、フォトリソグラフィー法およびエッチングによって、マスク層13を所定のパターン形状にパターニングする。本実施形態においては、図1に示すように、マスク層13の隣り合うストライプパターンの間の空間がウインドウ15として規定される。ウインドウ15の幅は、例えば、2μm〜20μmとすることができる。マスク層13の各ストライプの幅は、例えば、50μm〜200μmとすることができ、マスク層13の厚さは、100nm〜500nmである。
【0014】
マスク層13の厚さが100nmよりも薄いと、マスク層13に覆われた結晶成長面12の領域に転位が生じやすくなり、厚さが500nmよりも厚いと、半導体層16の結晶成長がしにくくなる。
【0015】
ウインドウ15において露出している下地基板11の結晶成長面12を起点として、半導体結晶からなる半導体層16を、横方向エピタキシャル気相成長(Epitaxial Lateral Overgrowth;ELО)法によって形成する。半導体層16の材料としては、例えばGaNなどの窒化物半導体が用いられる。
【0016】
ELO法には、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)法のほか、原料であるIII族元素として塩化物を用いるハイドライド気相成長(Vaper Phase Epitaxy;HVPE)法、分子線気相成長(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法などを用いることが可能である。成長工程中に、不純物の原料ガスの割合などを変化させて、半導体層16をLED(Light Emitting Diode)およびLD(Laser Diode)などの光半導体素子として機能する多層膜として構成することも可能である。
【0017】
ELO法によって結晶成長面12上に成長した半導体結晶は、マスク層13のウインドウ15を超えると、マスク層13の上面に沿って横方向にも結晶が成長する。結晶成長は、半導体層16が、隣り合う半導体層16と、接触または互いに重なり合う前に終了させる。これは、隣接する半導体層16同士が接すると、その接触部分において、貫通転位などの結晶欠陥が生じ易くなるためである。このようにして、例えば、GaNなどをELO法によって成長させたバルク結晶を得ることができる。
【0018】
ELO法による気相成長によって形成される半導体層16の幅は、例えば、50μm〜200μm程度であり、高さは、10μm〜50μm程度である。半導体層16は、気相成長後に、マスク層13の表面に単位面積あたり90%以上の割合で析出していることが好ましい。
【0019】
以上のように半導体層16を形成した場合、結晶成長面12のマスク層13に覆われた領域には、転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少ない。例えば、下地基板11として、GaN基板を用い、そのc面(0001)上に結晶成長させる場合、結晶成長面12のマスク層13に覆われた領域には、結晶成長面12に沿った転位が存在しないか、正常に結晶成長可能な通常の密度よりも少なく、例えば、転位の面密度は1×10

/cm

以下である。したがって、これらの転位が正常に結晶成長可能な密度になるまで下地基板11を粗研磨して除去する必要がなく、積層体1の再利用が容易となる。
【0020】
下地基板11の結晶成長面12は、マスク層13に覆われた領域において、例えばSEM(Scanning Electron Microscope)による観察によって、ピットの面密度を測定できる。この場合、観察できる複数箇所の領域(例えば、100μm角の領域)において、直径(外接円の直径または最大長さ)が300nm以上のピットの平均面密度が5×10

/cm

以下である。また、断面SEM、AFM(Atomic Force Microscope)またはレーザー顕微鏡などで複数のピットの深さを測定できる。ピットの平均深さは、10nm〜1000nmである。また、ピットの平均アスペクト比(=平均ピット深さ/平均ピット径)は、0.5〜2である。ピットの平均面密度、平均深さおよび平均アスペクト比がこれらの数値範囲であれば、再利用時における下地基板11の結晶成長面12の研磨量を低減し、あるいは不要とすることができ、積層体1の再利用が容易になり得る。
【0021】
図4は下地基板11の結晶成長面12の転位の発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真であり、図5は下地基板11の結晶成長面12のピットの発生状態を示す比較例および実施例の拡大写真である。本実施形態の積層体1によれば、厚さが100nm〜500nmのマスク層13によって、マスク層13の下地基板11への密着性が低下し、半導体層16と下地基板11との格子不整合によって結晶成長面12上に生じる応力が緩和され、マスク層13に覆われた結晶成長面12の領域に転位の発生がしにくくなるとともに、下地基板11へのピットの発生を抑制することができる。マスク層13の厚さが100nm未満の場合、上記の応力緩和が生じにくく、反対に、マスク層13の厚さが500nmを超える場合、半導体層16の結晶成長中にマスク層13が剥がれやすくなる。
【0022】
本実施形態の積層体1によれば、半導体層16が、気相成長後に、マスク層13の表面に単位面積あたり90%以上の割合で析出している。これによって、MOCVD法で使用するトリエチルガリウム(TEGa)またはトリメチルガリウム(TMGa)などの原料ガスによるマスク層13との反応がしにくくなる。さらに、マスク層13および下地基板11における転位およびピットの形成が低減し得る。これらにより、下地基板11の再利用が容易になるとともに、半導体層16の生産性を向上することができる。
【0023】
次に、積層体1の製造方法について説明する。図1は、下地基板11を製造する下地基板準備工程と、下地基板11の結晶成長面12上にウインドウ15を備えたマスク層13を形成するマスク層形成工程とが完了した時点における積層体1の構成を示している。
【0024】
下地基板準備工程は、例えば、GaN基板上に、MOCVD法などによって、下地基板11となる窒化物半導体を成長させる工程である。下地基板11の大きさは、結晶成長させる半導体層16の大きさに応じて適宜選択可能である。
【0025】
マスク層13は、前記の通り、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング、ミストCVDなどの方法によって、下地基板11の結晶成長面12上にSiO

などを積層させた薄膜を形成する。その後、これをフォトリソグラフィー法およびエッチングによるパターニングによって形成する。
【0026】
ウインドウ15から露出している下地基板11の結晶成長面12上を起点として、ELO法によって、半導体結晶からなる半導体層16が形成される。半導体層16の材料としては、例えば、GaNなどの窒化物半導体が用いられる。
【0027】
ELOには、MOCVD法のほか、原料であるIII族元素として塩化物を用いるハイドライド気相成長(Vaper Phase Epitaxy;HVPE)法、分子線気相成長(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法などを用いることが可能である。成長工程中に、不純物の原料ガスの割合などを変化させて、半導体層16をLEDまたはLDとして機能する多層膜として形成することも可能である。
【0028】
ELOにより成長した半導体結晶がマスク層13のウインドウ15を超えると、マスク層13の上面に沿って横方向にも結晶が成長する。結晶成長は、半導体層16が、隣り合う半導体層16と、接触または互いに重なり合う前に終了させる。これは、隣接する半導体層16同士が接すると、その接触部分において、貫通転位などの結晶欠陥が生じやすくなるためである。このようにして、例えば、GaNなどをELOによって成長させたバルク結晶を得ることができる。
【0029】
半導体層16の結晶成長工程を完了後、マスク層除去工程に移り、結晶成長した半導体層16を実質的に侵さないエッチング材を用いて、マスク層13だけを除去する。SiO

からなるマスク層13の場合、例えば、HF系ウェットエッチングによってマスク層13を除去することができる。
【0030】
エッチングによって、マスク層13が除去された後は、半導体層16は、ウインドウ15に残された柱状の部分のみによって支持される形状となるため、半導体層16を下地基板11から容易に分離することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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