Ⅲa族氮化物半導體復合基板、ⅲa族氮化物半導體基板和ⅲa族氮化物半導體復合基板的...的制作方法

專利名稱：Ⅲa族氮化物半導體復合基板、ⅲa族氮化物半導體基板和ⅲa族氮化物半導體復合基板的 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種IIIA族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和 IIIA族氮化物半導體復合基板的制造方法。特別涉及一種可以在半導體裝置中使用的 IIIA族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和IIIA族氮化物半導體復合基 板的制造方法。
背景技術：
以往已知如下技術通過將在表面形成GaN層的藍寶石基板切斷成4mmX5mm的尺 寸，準備形成的多個切斷片，然后通過將兩個切斷片的GaN層一側的面互相對合而密合后， 在氮氣或氫氣氛圍氣下，實施熱處理來將兩切斷片熔合(例如，參照非專利文獻1)。由非專利文獻1記載的技術，在限定貼合前切斷片的表面為1 P mX 1 ii m的范圍內 的表面粗糙度的平方平均值(RMS)為26人的情況時，在該貼合界面上產生空隙等，但是RMS 為10 A時，不產生空隙等。非專利文獻1 :T. Tokuda等，日本應用物理期刊(Japanese Journal of Applied Physics),39(2000)，L57
發明內容
但是，非專利文獻1中記載的技術討論的是4mmX5mm左右的小片，并沒有考慮大 面積晶片表面的長周期性的粗糙度，在使用直徑為50. 8mm(2英寸)以上的面積晶片時，有 在貼合界面上產生空隙等情況。因此，本發明的目的在于提供一種能夠抑制在IIIA族氮化物半導體層之間的貼 合界面的空隙等發生的IIIA族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和IIIA 族氮化物半導體復合基板的制造方法。本發明為達到上述目的，提供一種IIIA族氮化物半導體復合基板，其具有由熔點 為1100°C以上的導電性材料形成的基材、設置在基材上的IIIA族氮化物層和設置在IIIA 族氮化物層上的IIIA族氮化物單晶膜，IIIA族氮化物層在IIIA族氮化物層的與IIIA 族氮化物單晶膜相接的面上，具有由周期性的凹凸形成的波紋，該波紋的0. l(/i!m)以上 但小于l(/iim)的空間波長區域(spectral wavelength region)內的一元功率譜密度 (1-dimensional power spectral density)為小于 500nm3。另外，上述IIIA族氮化物半導體復合基板的IIIA族氮化物單晶膜在IIIA族氮 化物單晶膜的與IIIA族氮化物層相接的面上，具有由周期性的凹凸形成的波紋，該波紋的 0. 1 (/ u m)以上但小于1 (/y m)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3。另外，上述IIIA族氮化物半導體復合基板的基材由鎢、鉬、鉭、鈮、釩、鎳、鈦、鉻 和鋯組成的群中選出的材料來形成，IIIA族氮化物層和IIIA族氮化物單晶膜分別由以 AlxInyGai_x_yN(0彡x彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)表示組成的IIIA族氮化物化合物半導
3體來形成。上述IIIA族氮化物半導體復合基板的直徑可以為2英寸以上。本發明為達到上述目的，提供一種IIIA族氮化物半導體基板，為具有正面和背面 的IIIA族氮化物半導體基板，正面或背面的任何一面或雙方具有由周期性的凹凸形成的 波紋，該波紋的0.1 (/ym)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小 于 500nm3。另夕卜，上述IIIA族氮化物半導體基板可以由以AlxInyGai_x_yN(0彡x彡1， O^y^ 1)表示組成的IIIA族氮化物化合物半導體來形成。本發明為達到上述目的，提供一種IIIA族氮化物半導體復合基板的制造方法，包 括準備具有IIIA族氮化物層的基材的基材準備工序，研磨基材的IIIA族氮化物層表面 的第1研磨工序，準備IIIA族氮化物單晶的單晶準備工序，研磨IIIA族氮化物單晶表面的 第2研磨工序，通過從IIIA族氮化物單晶的表面向IIIA族氮化物單晶的內部注入原子、在 IIIA族氮化物單晶內部形成破損層的破損層形成工序；將基材的IIIA族氮化物層的被研 磨的表面和11IA族氮化物單晶的被研磨的表面進行熔合的熔合工序；在第1研磨工序后得 到的IIIA族氮化物層表面和第2研磨工序后得到的IIIA族氮化物單晶表面的二者上分別 具有由周期性的凹凸形成的波紋，該波紋的0. l(/i!m)以上但小于l(/ym)的空間波長區 域內的一元功率譜密度為小于500nm3。根據本發明的IIIA族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和IIIA 族氮化物半導體復合基板的制造方法，提供一種能夠抑制貼合界面的空隙等發生的IIIA 族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和IIIA族氮化物半導體復合基板的 制造方法。


圖1為本發明實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板示意的截面圖。圖2為顯示本發明實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板制造流程的圖。圖3為顯示本發明實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板制造流程的圖。圖4為顯示實施例和比較例涉及的IIIA族氮化物復合基板功率譜密度的分析結 果的圖。符號說明1 IIIA族氮化物復合基板5 帶IIIA族氮化物基體的基材10 基材20 IIIA族氮化物晶層20a 表面22 IIIA族氮化物晶層30 IIIA族氮化物單晶膜30a 表面32 IIIA族氮化物單晶32a 表面
34 分離層34a切斷面50 氫原子60 破損層100a、100b 加緊裝置110a、110b 螺栓112a、112b 螺母
具體實施例方式作為本實施方式涉及的IIIA族氮化物半導體復合基板的IIIA族氮化物半導體復 合基板1，本發明者是基于進行的以下實驗的見解而實現的。首先，本發明者準備了直徑2英寸的藍寶石基板上的氮化鎵(GaN)外延晶片和直 徑為2英寸的GaN單晶基板。然后用有機溶劑清洗藍寶石基板上的GaN外延晶片的表面和 GaN單晶基板的表面。在這里，GaN單晶基板的lOymXlOiim范圍內的粗糙度的平方平均 值(RMS)為5 A，而藍寶石基板上的GaN外延晶片的lOiimXlOiim范圍內的粗糙度的平方 平均值(RMS)為8 A。然后，將藍寶石基板上的GaN外延晶片的平坦表面和GaN單晶基板的平坦表面進 行密合。相對于密合面，在施加有50kgf/cm2的力的狀態下，在1000°C實施30分鐘的熱處 理。另外，熱處理是在氮氣和氫氣的氛圍氣下實施的。由此，得到貼合有GaN外延晶片和 GaN單晶基板的復合基板。但是，切斷該復合基板，觀察其截面的結構，確認出在貼合界面上 的多個空隙狀缺陷。本發明者反復進行多次同樣的實驗，確認出在貼合界面上發現多個空 隙狀缺陷的情況和沒有發現那么多的情況。本發明者對即使藍寶石基板上的GaN外延晶片表面和GaN單晶基板表面的RMS粗 糙度都非常小，在復合基板的貼合界面觀察到空隙狀缺陷情況(以下，稱為“失敗情況”)和 沒有觀察到那么多的情況(以下，稱為“成功的情況”)的原因，用各種各樣的方法進行評 價、比較。其結果發現在成功的情況和失敗的情況中，在晶片表面的“功率譜密度”產生大的差。功率譜是功率譜密度作為表面粗糙度的空間頻率數的函數而定義的，功率譜密度 為功率(粗糙度振幅的平方值)除以粗糙度的空間頻率數(凹凸波長的倒數)而得到的 值。因此，功率譜密度的量綱為長度的立方。晶片表面形狀的功率譜可以通過原子力顯微 鏡(Atomic Force Microscopy :AFM)等測定儀器測定的晶片表面的凹凸形狀而得到的測定 結果進行傅里葉變換來求出。然后，由求出晶片表面的功率譜密度的分析方法，可以明顯的 觀察到在其它分析方法中作為隨機的形狀而容易被忽略掉的在晶片表面周期性的存在的 凹凸形狀的存在。S卩，本發明者發現通過控制晶片表面的“功率譜密度”，可以減少貼合界面的空隙 缺陷，根據這樣的見解，完成了以下說明的本發明的實施方式。另外，在本實施方式中，功率譜密度采用一元功率譜密度。其理由是因為相對于 AFM評價結果的x方向(即，懸臂的連續插引方向)的信息而進行傅里葉變換。即，因為在 ATM測定中x方向雖然可靠性高，但是在同一平面內與x方向垂直相交的y方向上，主要由
5空間帽內的壓電元件的磁滯現象等得到高可靠性是比較困難的。圖1為本發明實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板示意的截面。本實施方式涉及的IIIA族氮化物半導體復合基板1具備由高熔點的導電性材料 形成的基材10、設置在基材10上的作為IIIA族氮化物層的IIIA族氮化物層20和設置在 IIIA族氮化物層20上的IIIA族氮化物單晶膜30。基材 10基材10由熔點為1100°C以上的高熔點的導電性材料而形成。作為導電性材料可 以使用金屬材料。金屬材料例如可以使用熔點為3410°C的鎢、熔點為2610°C的鉬。進一 步，作為金屬材料可以使用鉭(熔點3000°C)、鈮(熔點2468°C)、釩(熔點1700°C)、鎳 (熔點1453°C )、鈦(熔點1668°C )、鉻(熔點1875°C )、鋯(熔點1852°C )等。另夕卜， 基材10從上面看可以成形為大約圓形或大約矩形等形狀。進一步，基材10從上面看具有 大約圓形的形狀時，直徑可以為2英寸、3英寸、4英寸等大小，從上面看具有大約矩形形狀 時，外接圓的直徑可以為2英寸、3英寸、4英寸等大小。另外，基材10可以由互相不同的金 屬材料的層積體來形成。在這里，基材10的表面，即，IIIA族氮化物層20相接的表面也可以具有由周期性 的凹凸形成的波紋。這時，該波紋的0.1 (/ym)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的 一元功率譜密度控制為小于500nm3。IIIA族氮化物層20IIIA族氮化物層20由以AlJnyGah-yMO彡x彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)表 示組成的IIIA族氮化物化合物半導體來形成。該IIIA族氮化物化合物半導體例如為GaN、 氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、AlaiInaiGa(1.8N等。另外，IIIA族氮化物層20在作為IIIA族 氮化物層20的與IIIA族氮化物單晶膜30相接的面的表面20a上，具有由周期性的凹凸形 成的波紋。這里，該波紋的0.1 (/ym)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率 譜密度控制為小于500nm3。另外，IIIA族氮化物層20在IIIA族氮化物層20的與基材相 接的面上，也可以具有與表面20a具有的由周期性的凹凸形成的波紋同樣的波紋。這種情 況下，該波紋的0.1 (/ym)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率譜密度也控 制為小于500nm3。IIIA族氮化物單晶膜30IIIA族氮化物單晶膜30與IIIA族氮化物層20同樣的以AlxInyGai_x_yN(0彡x彡1，
表示組成的IIIA族氮化物化合物半導體來形成。IIIA族氮化物單 晶膜30在作為IIIA族氮化物單晶膜30的與IIIA族氮化物層20相接的面的表面30a上， 具有由周期性的凹凸形成的波紋。這里，該波紋的0. l(/i!m)以上但小于l(/ym)的空間波 長區域內的一元功率譜密度控制為小于500nm3。另外，IIIA族氮化物單晶膜30在表面30a 對向的面，即，背面也可以具有由周期性的凹凸形成的波紋。這種情況下，該波紋的0. 1(/ um)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率譜密度也控制為小于500nm3。艮口， 本實施方式的IIIA族氮化物單晶膜30在表面30a或表面30a和背面的雙方具有由周期性 的凹凸形成的波紋。IIIA族氮化物復合基板1的制造工序圖2和圖3為顯示本發明實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板制造流程的圖。
首先，如圖2(a)所示，準備具有IIIA族氮化物晶層22的基材10 (基材準備工 序)。具體的，在基材10上使用氫化物氣相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) 法)、金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal Organic Compound Chemical Vapor Deposition (M0CVD))法等，在基材10上成長IIIA族氮化物晶層22。然后，研磨IIIA族氮化物晶層22的表面(第1研磨工序)。由此，如圖2(b)所 示，形成帶IIIA族氮化物晶層的基材5，該基材5具備具有由周期性的凹凸形成的波紋而形 成的表面20a的IIIA族氮化物晶層20。在這里，該波紋的0.1 (/ym)以上但小于l(/ym) 的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3。在表面20a上形成波紋的第1研磨工序可以用以下的方法來實施。首先，準備可 以真空吸附的載臺。然后，使IIIA族氮化物晶層22側，即，IIIA族氮化物晶層22的表面與 載臺接觸，進行真空卡盤固定。接下來，以lOOOrpm以上3000rpm以下程度的旋轉速度，旋 轉吸附在載臺上的由基材10和IIIA族氮化物晶層22構成的基板(以下，稱為“工作板”)， 將粘度n小的蠟(例如，100°C，n < loocp)供給到基材io的背面側。然后，持續旋轉10秒到30秒，使工作板上的蠟的厚度為大致均一化。然后，停止旋 轉，通過加熱工作板(例如燈加熱)，使含在蠟中的有機溶劑充分蒸發(蠟涂布工序)。接下 來，上下翻轉吸附有工作板的載臺，將蠟涂布面按壓在加熱到100°c以上的粘貼板上。在該 狀態下解除真空吸附，除去載臺。然后，使用氣囊盤(air bag stamp)，在lkgf/cm2以上的 壓力下，從IIIA族氮化物晶層22側按壓工作板到粘貼板上，將工作板固定在粘貼板上(工 作板固定工序)。這里，粘貼板表面的面粗糙度Ra優選為lPm以上20 ym以下。另外，對 于基材10的背面，優選預先實施研磨等使面粗糙度Ra為1 P m以上20 y m以下。然后，通過對固定在粘貼板的工作板表面，S卩，IIIA族氮化物晶層22的表面使用 平板來實施研磨(研磨實施工序)，可以形成具有由周期性的凹凸形成的波紋的表面20a。 另外，對于平板使用沒有彈性變形的金屬平板(例如，錫平板)。由此，得到帶IIIA族氮化 物晶層的基材5。然后，如圖2 (c)所示，準備作為IIIA族氮化物單晶基板的IIIA族氮化物單晶 32(單晶準備工序)。IIIA族氮化物單晶32由以AlxInyGai_x_yN(0彡x彡1，0彡y彡1， 0 ^ x+y ^ 1)表示組成的IIIA族氮化物化合物半導體來形成。作為IIIA族氮化物單晶32的制造方法可以使用例如制造方法。首先，在藍寶石 基板、GaAs基板、GaN基板等基底基板上，使用HVPE法，外延生長具有300 u m以上厚度的低 位錯密度的IIIA族氮化物單晶層。然后，從基底基板上剝離外延生長的IIIA族氮化物單 晶層。由此，可以制造IIIA族氮化物單晶32。另外，作為降低上述IIIA族氮化物單晶層的位錯密度的技術，可以使用如下的低 位錯化技術懸空外延技術(即，在基礎基板上使氮化物半導體層成長，使用照相平版印 刷法和干蝕技術，使成長的氮化物半導體殘存，或對氮化物半導體層實施槽加工直到露出 基礎基板為止，在基礎基板上形成圖形化的氮化物半導體層后，從圖形化的氮化物半導體 層的側壁向橫方向成長氮化物半導體的方法)；橫向外延過生長法(Epitaxial Lateral Overgrowth) (EL0法通過在基礎基板上形成具有開口部的膜，使氮化物半導體從開口部 擇的橫方向成長，而形成位錯少的IIIA族氮化物單晶層的方法)；刻面引發橫向外延 過生長法(Facet Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth) (FIEL0 法通過形成由在基礎基板上具有開口部的氧化硅等組成的膜，在開口部形成刻面，來改變位錯的傳送方 向，降低從基礎基板側到外延成長層的上面的貫穿位錯的方法)；刻面控制橫向外延過生 ^^ (Facet Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth) (FACELO ^ 長壓力等一邊控制刻面結構，一邊使氮化物半導體選擇的橫方向成長的方法)、DEEP法 (Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits)(通過 使用在GaAs基板上由圖形化而形成的氮化硅等組成的膜，使IIIA族氮化物單晶成長，而有 意圖的形成多個在晶體表面以刻面圍成的深坑，通過在深坑的底部使位錯集聚，低位錯除 了深坑的其它區域的方法)；間隙形成剝離法(Void-Assisted S印aration) (VAS 借助具 有由TiN等金屬氮化物組成的網狀結構的薄膜，在藍寶石等基礎基板上，使低位錯密度的 IIIA族氮化物單晶層成長，通過基礎基板和IIIA族氮化物單晶層界面的空隙而容易的剝 離IIIA族氮化物單晶層的方法)等。通過使用以上的低位錯化技術，可以得到具有104cm_2以上107cm_2以下的位錯密 度的IIIA族氮化物單晶32。另外，該IIIA族氮化物單晶32的(0002)面的X射線鎖定曲 線(X-ray locking curve)的半峰寬(FWHM)具有30弧度秒(arcsec)以上300弧度秒以 下這樣晶體品質。在這里，IIIA族氮化物單晶32經過與形成上述表面20a工序同樣的研磨工序(第 2研磨工序)而形成，具備具有由周期性的凹凸形成的波紋的表面32a。S卩，表面32a具有 0. l(/um)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3的波 紋。另外，IIIA族氮化物單晶32也可以在其背面形成與表面32a的波紋同樣的波紋。艮口， IIIA族氮化物單晶32可以在表面32a和背面的任何一面，或雙方具有由周期性的凹凸形成 的波紋。接下來，通過從IIIA族氮化物單晶32的表面32a向IIIA族氮化物單晶32的內 部注入規定的原子，在IIIA族氮化物單晶32內部形成破損層60 (破損層形成工序)。例 如，從表面32a側相對于表面32a注入氫原子50。由此，從表面32a到數百nm深度形成破 損層60。然后，如圖3(a)所示，將帶IIIA族氮化物晶層的基材5的表面20a和IIIA族氮 化物單晶32的表面32a重合，用加緊裝置100a和加緊裝置100b來夾持而固定。這種情 況下，使用螺栓110a和螺母112a的一組，以及螺栓110b和螺母112b的一組，對加緊裝置 100a和加緊裝置100b施加適當的壓力。另外，優選加緊裝置100a和加緊裝置100b，以及 螺栓110a、螺栓110b、螺母112a和螺母112b分別由鉬來形成。然后，把將帶IIIA族氮化物晶層的基材5的表面20a和IIIA族氮化物單晶32的 表面32a以重合狀態保持的加緊裝置100和加緊裝置100b放置在電爐內，并使電爐內成為 氫氣或氮氣氛圍氣。在電爐內實施700°C 1000°C、30分鐘的熱處理。由此，如圖3(b)所 示，得到將帶IIIA族氮化物晶層的基材5的表面20a和IIIA族氮化物單晶32的表面32a 熔合的IIIA族氮化物復合基板1 (熔合工序)。另外，如圖3 (b)所示，以破損層60為分界， 從IIIA族氮化物復合基板1分離具有切斷面34a的分離層34。這樣可以制造在IIIA族氮化物晶層20和IIIA族氮化物單晶30的界面沒有空隙 或空隙減少的IIIA族氮化物復合基板1。分離層34
8
在這里，IIIA族氮化物單晶32的分離層34的切斷面34a是通過在形成的波紋的
0.1 (/ u m)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3的IIIA 族氮化物單晶32的表面層32a中，注入大約均一的氫原子50而形成的切斷面。由此，通過 在分離層34的切斷面34a上實施蝕刻處理，在分離層34的切斷面34a上可以形成由周期 性的凹凸形成的波紋，該波紋的0. l(/i!m)以上但小于l(/ym)的空間波長區域內的一元 功率譜密度可以為小于500nm3。另外，該蝕刻處理是例如在保持在230°C以上的磷酸和硫 酸的混合液中，實施1個小時左右的蝕刻處理。磷酸和硫酸的混合比作為一個例子為體積 比為1 1。實施有蝕刻處理的分離層34可以作為本實施方式涉及的IIIA族氮化物單晶 32而再次利用。另外，IIIA族氮化物通常為纖鋅礦型結構，因此在c軸方向上具有極性。由此，在 帶IIIA族氮化物晶層的基材5上熔合與c軸垂直相交的晶面(即，c面)來制造IIIA族 氮化物復合基板1時，在最終得到的IIIA族氮化物復合基板1的表面(即，在IIIA族氮化 物點晶膜30外部露出的主面)，通過使某個極性露出，而使注入氫原子50的面不同。即，對 于在IIIA族氮化物單晶32的表面32a和背面的任何一個面上是否形成由周期性的凹凸形 成的波紋，會因在最終得到的IIIA族氮化物復合基板1的表面露出何何極性而不同。S卩，制作IIIA族極性面的基板時，在IIIA族氮化物單晶32的表面32a上使N極 性面露出，在N極性面上形成由周期性的凹凸形成的波紋。然后，從具有波紋的N極性面側 注入氫原子50。而另一方面，制作VA族極性面的基板時，在IIIA族氮化物單晶32的表面 32a上使Ga極性面露出，在Ga極性面形成由周期性的凹凸形成的波紋。然后，從具有波紋 的Ga極性面側注入氫原子50。另外，制作R面基板和(112-2)面基板的情況由于正反面 的極性不同，因此考慮正反面的極性差異而從規定的面側注入氫原子。但是，制作M面基板 和a面基板時，由于在基板的法線方向沒有極性，因此不需要這樣的考慮。而另一方面，使 用設置有離角(off-angle)的c軸方向成分的IIIA族氮化物單晶32時，由于可以區別正 反，因此可以與上述同樣的基于在最終得到的IIIA族氮化物復合基板1的表面是否露出正 反的哪一個面，來決定注入氫原子50的面。實施方式的效果本實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板1由于在IIIA族氮化物晶層20的表 面20a和IIIA族氮化物單晶膜30的表面30a的兩者，形成0. 1 (/ y m)以上但小于1 (/ y m) 的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3的波紋，因而可以降低貼合界面的空隙 的發生。由此，相對于IIIA族氮化物復合基板1，即使實施研磨等的機械加工，也可以抑制 貼合界面的剝離，同時，即使在室溫和1000°C等高溫之間升降溫度，也可以抑制貼合界面的 剝離。即，本實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板1，可以在IIIA族氮化物半導體裝 置制造中使用的同時，由于具有長周期性粗糙度而形成貼合界面，因此，可以提供作為直徑 為2英寸以上大口徑的IIIA族氮化物復合基板1。然后，本實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板1是直徑為2英寸以上的大口 徑，由于在廉價的帶IIIA族氮化物晶層的基材6上抑制空隙的發生等而使高品質的IIIA 族氮化物半導體單晶熔合，因而可以提供一種廉價的且高品質的IIIA族氮化物復合基板
1。另外，由本實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板1，由于抑制貼合界面的剝離等，因此該貼合界面的電導和熱傳導為良好。另外，本實施方式涉及的IIIA族氮化物復合基板1由于使用具有導電性且由高熔 點材料組成的基材10，因此，可以在裝置制作工序中所包括的數百度這樣比較高的溫度的 熱處理工序的IIIA族氮化物半導體裝置的制作中使用IIIA族氮化物復合基板1。另外，作 為IIIA族氮化物半導體裝置，例如可以舉出高輸出激光器二極管、高輝度發光二級管或高 頻率電子裝置等。實施例圖4為顯示實施例和比較例涉及的IIIA族氮化物復合基板功率譜密度的分析結 果的圖。分別對以下論述的實施例1到3和比較例1到3，通過AFM測定由制作而得到的 IIIA族氮化物復合基板表面的10 y mX 10 y m范圍。然后，基于測定結果分析功率譜密度的 結果為圖4所示的曲線。圖4中，橫軸為空間頻率數(/ym)，縱軸為功率譜密度(nm3)。另 外，表1顯示圖4所示各數據點中主要數據點的值。表 1 以下分別詳細的說明實施例1 3和比較例1 3。實施例1實施例1涉及的IIIA族氮化物復合基板1根據實施方式中說明的制造方法，如下 這樣的制作。首先，在由直徑為2英寸的鉬構成的基材上使用HVPE法，堆積厚度為lOOym 的GaN的多晶層。在這里，對由鉬構成的基材背面實施研磨使背面Ra為3 ym。然后通過對 堆積的多晶層實施鏡面研磨，成為10 ym的厚度。由此，得到實施例1涉及的帶IIIA族氮 化物晶層的基材。在這里，研磨的條件如下。首先，使用具有100°C下60cp粘度的蠟，實施蠟涂布 工序。然后，在蠟涂布工序后的工作板固定工序中，設定對粘貼板的工作板的粘貼溫度為 100°C。在這里，向粘貼板固定工作板是在3kgf/cm2的壓力下實施的。另外，使用具有10 ym 的表面Ra的粘貼板。然后，在研磨實施工序中使用錫平板。分析得到的實施例1涉及的帶IIIA族氮化物晶層的基材表面的功率譜密度。其 結果如圖4(a)所示，例如，空間頻率數為0.1(/i!m)時的功率譜密度為72.6(nm3)，空間頻率數為1.0(/i!m)時的功率譜密度為44. 5 (nm3)，空間頻率數為12.8(/i!m)時的功率譜密 度為 1.57(nm3)。然后，準備直徑為2英寸、厚度為5mm的GaN單晶(具體的，厚度方向的晶軸為c 軸的單晶)，在與上述研磨條件同樣的條件下研磨該GaN單晶的N極性面。用AFM評價該 研磨表面的功率譜密度。其結果如圖4(b)所示，例如，空間頻率數為0. l(/i!m)時的功率 譜密度為73. 9 (nm3)，空間頻率數為1. 0 (/ y m)時的功率譜密度為9. 7 (nm3)，空間頻率數為 12. 8 (/ u m)時的功率譜密度為1. 08 (nm3)。然后，相對于在該N極性面實施研磨的GaN單晶的N極性面，在室溫下，在50keV 下以3X1017cnT2的劑量注入氫原子。然后，將注入氫原子后的具有N極性面的GaN單晶和 實施例1涉及的帶IIIA族氮化物晶層的基材的表面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用加緊 裝置固定。在該狀態下投入到電爐中，氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱處理 后，將重合的基板冷卻至室溫。然后，從電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫原子 的注入而形成的破損層作為界面，分離為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得到直 徑為2英寸的、由以Ga極性面為主面的GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物晶層 的實施例1涉及的IIIA族氮化物復合基板。比較例1對實施例1分離而得到的GaN單晶(即，分離層)的切斷面，分析功率譜密度。其 結果如圖4(c)所示，例如，空間頻率數為0. l(/iim)時的功率譜密度為801 (nm3)，空間頻率 數為1. 0 (/ y m)時的功率譜密度為662 (nm3)，空間頻率數為12. 8 (/u m)時的功率譜密度為 4. 92 (nm3)。然后，對該GaN單晶的切斷面側，在室溫下，在50keV下以3X 1017cm_2的劑量注入 氫原子。然后，在經過與實施例1同樣工序而準備的由鉬構成的基材10上，使設置GaN層 的帶IIIA族氮化物晶層的基材表面和GaN單晶的切斷面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用 加緊裝置固定。在該狀態下投入到電爐中，氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱 處理后，將重合的基板冷卻至室溫。然后，從電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫 原子的注入而形成的破損層作為界面，分離為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得 到直徑為2英寸的、由以Ga極性面為主面的GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物 晶層的比較例1涉及的IIIA族氮化物復合基板。比較例2比較例2涉及的IIIA族氮化物復合基板如下的制作。首先，在由直徑為2英寸的 鉬構成的基材上使用HVPE法，堆積厚度為lOOym的GaN的多晶層。在這里，對由鉬構成 的基材背面進行研磨使背面Ra為0. 1 y m。然后通過對堆積的多晶層實施鏡面研磨，成為 10 P m的厚度。由此，得到比較例2涉及的帶IIIA族氮化物晶層的基材。在這里，研磨的條件如下。首先，使用具有100°C下1300cp粘度的蠟，實施蠟涂 布工序。然后，在蠟涂布工序后的工作板固定工序中，設定對粘貼板的工作板的粘貼溫度 為70°C。在這里，向粘貼板固定工作板是在0.9kgf/cm2的壓力下實施的。另外，使用具有 0.1 um的表面Ra的粘貼板。然后，在研磨實施工序中使用樹脂制的平板(樹脂平板)。分析得到的比較例2涉及的帶IIIA族氮化物晶層的基材表面的功率譜密度。其 結果如圖4(d)所示，例如，空間頻率數為0. l(/i!m)時的功率譜密度為854(nm3)，空間頻率數為1.0(/i!m)時的功率譜密度為35.4 (nm3)，空間頻率數為12.8(/i!m)時的功率譜密度 為 0. 852 (nm3)。然后，準備直徑為2英寸、厚度為5mm的GaN單晶(具體的，厚度方向的晶軸為c 軸的單晶)，與實施例1同樣地研磨該GaN單晶的N極性面。接下來，相對于具有研磨后的 N極性面的GaN單晶的N極性面，在室溫下，在50keV下以3X 1017cm_2的劑量注入氫原子。 然后，將注入氫原子后的具有N極性面的GaN單晶和比較例2涉及的帶IIIA族氮化物晶層 的基材的表面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用加緊裝置固定。在該狀態下投入到電爐中， 氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱處理后，將重合的基板冷卻至室溫。然后，從 電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫原子的注入而形成的破損層作為界面，分離 為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得到直徑為2英寸的、由以Ga極性面為主面的 GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物晶層的比較例2涉及的IIIA族氮化物復合基 板。比較例3準備直徑為2英寸、厚度為5mm的GaN單晶(具體的，厚度方向的晶軸為c軸的單 晶)，在以下的研磨條件下研磨該GaN單晶的N極性面。首先，使用具有100°C下1300cp粘 度的蠟，實施蠟涂布工序。然后，在蠟涂布工序后的工作板固定工序中，設定對粘貼板的工 作板的粘貼溫度為70°C。在這里，向粘貼板固定工作板是在0. 9kgf/cm2的壓力下實施的。 另外，由鉬制成基材的背面和粘貼板表面Ra使用為0. lym的物質。然后，在研磨實施工序 中使用樹脂平板。然后，研磨后的表面中，對lOiimXIOilm的范圍使用AFM分析功率譜密度。其結 果如圖4(e)所示，例如，空間頻率數為0.1(/i!m)時的功率譜密度為2101 (nm3)，空間頻率 數為1.0(/i!m)時的功率譜密度為10. l(nm3)，空間頻率數為12.8(/i!m)時的功率譜密度 為 1. 84 (nm3)。接下來，相當于研磨面，在室溫下，在50keV下以3X1017cm_2的劑量注入氫原子。 然后，使具有注入氫原子后的研磨面的GaN單晶和與實施例1同樣預先準備的由鉬構成的 基材上形成有多晶GaN層的基板的表面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用加緊裝置固定。在 該狀態下投入到電爐中，氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱處理后，將重合的基 板冷卻至室溫。然后，從電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫原子的注入而形成 的破損層作為界面，分離為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得到直徑為2英寸的、 由以Ga極性面為主面的GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物晶層的比較例3涉 及的IIIA族氮化物復合基板。實施例2對實施例1分離而得到的GaN單晶(即，分離層)的切斷面實施蝕刻處理。蝕刻 處理是使用230°C的熱磷酸硫酸(組成1 1)作為蝕刻劑，實施1小時的處理。使用AFM 來評價由此得到的蝕刻后切斷面的功率譜密度。其結果如圖4(f)所示，例如，空間頻率數 為0.1(/i!m)時的功率譜密度為307(nm3)，空間頻率數為l.OC/ym)時的功率譜密度為 72. 0 (nm3)，空間頻率數為12. 8 (/ u m)時的功率譜密度為1. 73 (nm3)。然后，對蝕刻后的切斷面側，在室溫下，在50keV下以3X 1017cm_2的劑量注入氫原 子。接下來，在經過與實施例1同樣工序而準備的由鉬構成的基材10上設置GaN層的帶
12IIIA族氮化物晶層的基材表面和GaN單晶蝕刻后的切斷面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用 加緊裝置固定。在該狀態下投入到電爐中，氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱 處理后，將重合的基板冷卻至室溫。然后，從電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫 原子的注入而形成的破損層作為界面，分離為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得 到直徑為2英寸的、由以Ga極性面為主面的GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物 晶層的實施例2涉及的IIIA族氮化物復合基板。實施例3在以下的研磨條件下，研磨直徑為2英寸、厚度為5mm的GaN單晶(具體的，厚度 方向的晶軸為c軸的單晶)的Ga極性面。首先，使用具有100°C下60cp粘度的蠟，實施蠟 涂布工序。然后，在蠟涂布工序后的工作板固定工序中，設定對粘貼板的工作板的粘貼溫度 為100°C。在這里，向粘貼板固定工作板是在3kgf/cm2的壓力下實施的。另外，使用由鉬構 成的基材背面的背面Ra為3 y m，粘貼板表面的Ra為10 y m的粘貼板。然后，在研磨實施工 序中使用錫平板。然后，研磨后的表面中，對lOiimXlOiim的范圍使用AFM分析功率譜密度。其結 果如圖4(g)所示，例如，空間頻率數為0. l(/iim)時的功率譜密度為499 (nm3)，空間頻率數 為1.0(/i!m)時的功率譜密度為8. 78 (nm3)，空間頻率數為12.8(/i!m)時的功率譜密度為 1. 20 (nm3)。接下來，相當于研磨面，在室溫下，在50keV下以3X1017cm_2的劑量注入氫原子。 然后，使具有注入氫原子后的研磨面的GaN單晶和與實施例1同樣預先準備的由鉬構成的 基材上形成有多晶GaN層的基板表面重合，施加50kgf/cm2的壓力，用加緊裝置固定。在該 狀態下投入到電爐中，氮氣氛圍氣、800°C、實施30分鐘的熱處理。熱處理后，將重合的基板 冷卻至室溫。然后，從電爐中取出重合的基板，除去加緊裝置時，由氫原子的注入而形成的 破損層作為界面，分離為IIIA族氮化物復合基板和分離層。由此，得到直徑為2英寸的、由 以Ga極性面為主面的GaN單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物晶層的實施例3涉及 的IIIA族氮化物復合基板。退火的影響分別相對于在實施例1到3、以及比較例1到3制作的由以Ga極性面為主面的GaN 單晶膜和鉬的基材10夾持IIIA族氮化物晶層的IIIA族氮化物復合基板，在1000°C實施一 個小時的氫氣、氮氣和氨混合氛圍氣的退火。表2總結了退火后、觀察IIIA族氮化物復合 基板的界面(即，IIIA族氮化物晶層和IIIA族氮化物單晶膜的界面)。表2 參照表2，實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板全部在界面都沒有發生鎵 的滴液、破裂和膜剝離。而另一方面，對于比較例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板全部在界面都產生鎵的滴液、破裂和膜剝離。IIIA族氮化物復合基板是在IIIA族氮化物單晶膜上制作IIIA族氮化物裝置結 構。因此，在實施有退火處理的情況下，在界面沒有產生鎵的滴液、破裂和膜剝離等問題的 實施例1到3所涉及的IIIA族氮化物復合基板都顯示出適合IIIA族氮化物裝置的制作。 即，實施例1到3所涉及的IIIA族氮化物復合基板中的任一種，例如，在即使像超過900°C 這樣的高溫下，也可以抑制基材10和IIIA族氮化物晶層20之間，以及IIIA族氮化物晶層 20和IIIA族氮化物單晶膜30之間的鎵的滴液的發生。進一步，實施例1到3涉及的IIIA 族氮化物復合基板的任一種都可以抑制IIIA族氮化物晶層20和IIIA族氮化物單晶膜30 的貼合界面的膜剝離的發生和破裂的發生。另外，實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合 基板的任一種即使是實施機械加工的情況，也可以抑制該貼合界面的膜剝離的發生。然后，對實施例1到3、以及比較例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板的表面上 實施鏡面研磨加工。其結果，對于實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板可以沒有問 題的進行加工。而對于比較例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板在界面產生破裂和膜 剝離。以上，實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板的任一種都顯示可以適應于 IIIA族氮化物裝置的制作。實施例4對于IIIA族氮化物晶層20和IIIA族氮化物單晶膜30的構成材料由InN、A1N、 AluIriuGauN來代替而構成的IIIA族氮化物復合基板，與實施例1到3進行同樣的討論。 其結果，確認出可以得到與實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板同樣結果。比較實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板和比較例3涉及的IIIA族氮化 物復合基板。S卩，參照圖5的情況，比較圖5的(b)、(f)和(g)以及圖5的(e)。在空間頻 率數超過^/^!!!)、^^/^!!!)以下的高頻率區域內沒有明顯的差距。但是，在空間頻率數 0. l(/um)以上、l(/i!m)以下的低頻率區域內，對功率譜密度確認出明顯的差。如果參照 圖5，在空間頻率數為0.1 (/ym)以上l(/i!m)以下的范圍內，含有一元功率譜密度為8nm3 以上498. 6nm3以下范圍的IIIA族氮化物復合基板顯示可以在IIIA族氮化物裝置的制作 中使用。另外，在該空間頻率數的范圍內的功率譜密度越小越可以得到理想的IIIA族氮化 物復合基板。另外，使用自動搬送機操作實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板時，在 IIIA族氮化物復合基板識別上完全沒有發生誤操作。可以考慮是因為以下理由。即，在自 動搬送機中，作為應被識別對象的表面具有多個空間頻率數為長波長成分時，如果對該表 面照射位置檢出激光，有自動搬送機的受光部不能適宜的接受在該表面被反射的激光的情 況。但是，由于在實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板的表面上露出的IIIA族氮化 物單晶膜的表面具有由周期性的凹凸形成的波紋，該表面的空間頻率數的長波長成分少。 由此，在實施例1到3涉及的IIIA族氮化物復合基板中，對表面照射位置檢出激光，自動搬 送機的受光部適宜地接受在該表面反射的激光。以上，雖然說明了本發明的實施方式和實施例，但是上述記載的實施方式和實施 例不限定權利要求所涉及的發明。另外，應注意在實施方式和實施例中說明的特征組合的 全部并不一定是用于解決發明的課題所必須的手段。
1權利要求
一種IIIA族氮化物半導體復合基板，其特征在于，包括由熔點為1100℃以上的導電性材料形成的基材，設置在所述基材上的IIIA族氮化物層，設置在所述IIIA族氮化物層上的IIIA族氮化物單晶膜；所述IIIA族氮化物層在所述IIIA族氮化物層的與所述IIIA族氮化物單晶膜相接的面上，具有由周期性的凹凸形成的波紋，該波紋的0.1(/μm)以上但小于1(/μm)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3。
2.根據權利要求1所述的IIIA族氮化物半導體復合基板，其中，所述IIIA族氮化物單 晶膜在所述IIIA族氮化物單晶膜的與所述IIIA族氮化物層相接的面上，具有由周期性的 凹凸形成的波紋，該波紋的0. 1(/μπι)以上但小于1(/μπι)的空間波長區域內的一元功率 譜密度為小于500nm3。
3.根據權利要求2所述的IIIA族氮化物半導體復合基板，其中，所述基材由鎢、鉬、鉭、 鈮、釩、鎳、鈦、鉻和鋯中選出的材料形成，所述IIIA族氮化物層和所述IIIA族氮化物單晶膜分別由以AlxInyGai_x_yN表示組成的 IIIA族氮化物化合物半導體形成，其中，0 < χ彡Ι,Ο^χ+y^ 1。
4.根據權利要求3所述的IIIA族氮化物半導體復合基板，其中，直徑為2英寸以上。
5.一種IIIA族氮化物半導體基板，為具有正面和背面的IIIA族氮化物半導體基板， 其特征在于，所述正面以及/或者所述背面具有由周期性的凹凸形成的波紋，所述波紋的 0. 1 (/ μ m)以上但小于1 (/μ m)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3。
6.根據權利要求5所述的IIIA族氮化物半導體基板，其中，所述IIIA族氮化物半導 體基板由以AlxInyGai_x_yN表示組成的IIIA族氮化物化合物半導體形成，其中，0 ^ χ ^ 1, 0 ^ y ^ 1,0 ^ x+y ^ 1。
7.—種IIIA族氮化物半導體復合基板的制作方法，其特征在于，包括 準備具有IIIA族氮化物層的基材的基材準備工序，研磨所述基材的所述IIIA族氮化物層表面的第1研磨工序， 準備IIIA族氮化物單晶的單晶準備工序， 研磨所述IIIA族氮化物單晶表面的第2研磨工序，通過從所述IIIA族氮化物單晶的表面向所述IIIA族氮化物單晶的內部注入原子，在 所述IIIA族氮化物單晶內部形成破損層的破損層形成工序，將所述基材的所述IIIA族氮化物層的被研磨的所述表面和所述IIIA族氮化物單晶的 被研磨的所述表面熔合的熔合工序；在所述第1研磨工序后得到的所述IIIA族氮化物層的所述表面和所述第2研磨工 序后得到的所述IIIA族氮化物單晶的所述表面上，分別具有由周期性的凹凸形成的波紋， 該波紋的0. 1(/μπι)以上但小于1(/μπι)的空間波長區域內的一元功率譜密度均小于 500nm3。
全文摘要
本發明提供一種能夠抑制貼合界面的空隙等發生的IIIA族氮化物半導體復合基板、IIIA族氮化物半導體基板和IIIA族氮化物半導體復合基板的制造方法。本發明涉及的IIIA族氮化物半導體復合基板包括由具有導電性且熔點為1100℃以上的導電性材料形成的基材(10)、設置在基材(10)上的IIIA族氮化物層(20)和設置在IIIA族氮化物層(20)上的IIIA族氮化物單晶膜(30)，IIIA族氮化物層(20)在IIIA族氮化物層(20)的與IIIA族氮化物單晶膜(30)相接的面上，具有由凹凸形成的波紋，該波紋的0.1(/μm)以上但小于1(/μm)的空間波長區域內的一元功率譜密度為小于500nm3。
文檔編號H01L21/02GK101853816SQ200910179450
公開日2010年10月6日 申請日期2009年10月13日 優先權日2009年3月30日
發明者吉田丈洋 申請人:日立電線株式會社