JP2006203071A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体単結晶基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の標準仕様に比べて薄くても周縁断面形状を適切に選ぶことによって割れや欠けの危険性が低減されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板を提供する。
【解決手段】 直径Ｄ（ｍｍ）と厚さｔ（ｍｍ）を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板は、（１／１０００）Ｄ＋０．２（ｍｍ）≦ｔ≦（１／１０００）Ｄ＋０．４（ｍｍ）の関係を満たし、かつ基板の周縁に直交する断面において、表外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｆ（ｍｍ）と裏外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｂ（ｍｍ）とのいずれもが０．０８（ｍｍ）≦（Ｒｆ，Ｒｂ）≦０．４ｔ（ｍｍ）の関係を満たすことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

この発明はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板に関し、特に、従来の規格に比べて薄い基板であってもその加工中に割れや欠けの発生率を低減させ得る基板周縁の断面形状に関する。

化合物半導体単結晶基板は、一般に、次のような工程を経て作製される。すなわち、まず化合物半導体の原料物質を坩堝またはボートの中で融解し、種結晶から所定の方向に設けた温度勾配を相対的に移動させることによって単結晶を成長させる。成長させた単結晶は、たとえばダイヤモンド砥粒を電着した回転内周刃または研磨砥粒の滴下供給を受けながら走行するスチールワイヤなどを用いて、所定の結晶学的面方位と厚さを有するアズカット（切断されたままの状態の）基板と呼ばれる薄板に切り出される。

このアズカット基板は、砥粒、切断屑、切削油などで汚れているので、それらの汚れを除去するために洗浄が行われる。また、アズカット基板の表面には切断に起因する微細なクラックや歪などを含む加工変質層が形成されており、望ましくは湿式の化学エッチングを行なうことによって、そのような加工変質層が除去される。

次いで、図１（Ａ）の模式的平面図に示されているように、アズカット基板は全体として概略円形のウエハ１になるように、ダイヤモンドホイール研削によって加工される（特許文献１および特許文献２参照）。そのようなウエハには、同じく図１（Ａ）に示されているように、特定の結晶方位を示すオリエンテーションフラットＯＦ（またはノッチ）が付与される。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中のウエハ１の周縁に直交する破線１Ｂ−１Ｂに沿った断面において一般的に採用されている端縁形状の一例を拡大して示している（半導体業界で実質的に標準とされているＳＥＭＩ規格参照）。この図１（Ｂ）において、ウエハ１の厚さｔの中央は一点鎖線で表されている。その一点鎖線の上側において、ウエハ１の端縁部は、ウエハ厚さを減少させる方向にウエハ上面に対して角度θ_fを有するテーパ部と、そのテーパ部へ滑らかに連接する曲率半径Ｒｆのエッジラウンドと、そのエッジラウンドへ滑らかに連接しかつ厚さ方向に沿った直線部Ｌを含むように加工される。

同様に、図１（Ｂ）中の一点鎖線の下側において、ウエハ１の端縁部は、ウエハ厚さを減少させる方向にウエハ下面に対して角度θ_ｂを有するテーパ部と、そのテーパ部へ滑らかに連接する曲率半径Ｒｂのエッジラウンドと、そのエッジラウンドへ滑らかに連接しかつ厚さ方向に沿った直線部Ｌを含むように加工される。なお、加工の簡便の観点から、一般には、図１（Ｂ）中の一点鎖線の上側と下側とは対称になるように加工される。すなわち、通常はθ_f＝θ_ｂであり、かつＲｆ＝Ｒｂである。

以上のように円形加工を施されたウエハ状基板１は、表面研磨工程に投入される。たとえば遊離砥粒または機械的化学的研磨剤を溶媒に懸濁させた研磨液が供給される上下回転定盤間で、円形状基板１の両主面が加圧研磨される。通常は、順次に平滑度を高めるように複数段階の両面研磨工程を経た後に、基板１の所定の片面（表面）を仕上げ研磨し、最終的な湿式洗浄または表面処理を経て、表面が高度に清浄なミラーポリッシュ基板が得られる。

そのような半導体単結晶のミラーポリッシュ基板は、デバイス作製工程に投入される。基板の表主面上に特定の半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、または、基板の表主面層に特定のイオンを注入することによって、電子動作層が形成される。次いで、レジスト層塗布、回路パターン露光、現像、エッチングなどの微細加工技術を用いて、所定の半導体デバイスが作製される。この後、通常は半導体デバイスが形成されていない基板裏主面を研磨または研削加工により除去し、たとえば１００μｍ程度の厚さまで基板を薄片化させる。これは、基板の薄片化によって放熱性を向上させ、半導体デバイスが動作する際に発生する熱を効率的に放散させるためである。

最終的に、基板表主面層内に作製された個々のデバイスがダイシングまたは劈開によってチップとして切り出され、各チップが半導体デバイスパッケージに実装されて最終製品となる。
特許第３３６８７９９号公報 特開平１１−２０７５８３号公報

半導体デバイスは前述のような工程を経て作製されるが、特にＧａＡｓやＩｎＰなどに代表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板においては、｛１１０｝面の劈開性が強くて、加工またはハンドリング中の衝撃によって割れや欠けが発生する危険性が高い。したがって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板においては、Ｓｉ基板などに比較して厚さを大きくすることによって、割れや欠けの危険性を回避してきた。しかし、当然のことながら、厚い基板は、半導体単結晶の材料コスト、デバイス作製後の裏面研磨工程の加工コスト、さらにはスループットなどを悪化させる要因となっている。

上述のような従来技術における課題に鑑み、本発明は、デバイス作製のいずれの工程においても基板が特に衝撃を受けやすい部位が周縁部であることに着目し、標準仕様に比べて薄くても周縁部の断面形状を適切に設定することによって割れや欠けの危険性が低減されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板を提供することを目的としている。

本発明によれば、直径Ｄ（ｍｍ）と厚さｔ（ｍｍ）を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板は、（１／１０００）Ｄ＋０．２（ｍｍ）≦ｔ≦（１／１０００）Ｄ＋０．４（ｍｍ）の関係を満たし、かつ基板の周縁に直交する断面において、表外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｆ（ｍｍ）と裏外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｂ（ｍｍ）とのいずれもが０．０８（ｍｍ）≦（Ｒｆ，Ｒｂ）≦０．４ｔ（ｍｍ）の関係を満たすことを特徴としている。

なお、基板の周縁に直交する断面において、その基板の最外端縁は厚さ方向に平行な直線部を含み、曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する表裏外縁部のエッジラウンドのいずれもがその最外端縁の直線部と滑らかに連接していることが好ましい。

また、基板の周縁に直交する断面において、基板の最外端縁は曲率半径Ｒ１≧０．４ｔ（ｍｍ）の凸状曲線部を含んでいてもよく、曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する表裏外縁部のエッジラウンドのいずれもがその最外端縁の曲線部と滑らかに連接していてもよい。

さらに、曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する表裏外縁部のエッジラウンドは、それぞれ基板の表面と裏面とに対して基板厚さを減少させる方向に１０°〜２３°の範囲内の角度を有するテーパ部へ滑らかに連接していてもよい。

さらに、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、ＧａＡｓとＩｎＰとのいずれかが好ましく採用され得る。

本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板の周縁部が特定の断面形状に設定されているので、その基板を用いて半導体デバイスを作製する場合に基板の割れや欠けを低減させて歩留を向上させ得るとともに、スループットを改善することもできる。

本発明では、半導体業界で実質的に標準とされるＳＥＭＩ規格のＭ９．５−９５、Ｍ９．６−９５、およびＭ９．７−２０００が規定する公称基板厚さより少なくとも０．１ｍｍ以上薄い基板であって耐衝撃性を向上させた周縁部断面形状を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板、特にＧａＡｓまたはＩｎＰの基板を提供しようとする。

現状では、ＧａＡｓまたはＩｎＰの基板の公称厚さは、一般的に、その直径仕様に応じて次のように規定されている。

基板直径が１００．０ｍｍまたは１２５．０ｍｍの場合、基板厚さは０．６２５±０．０２５ｍｍである。

基板直径が１５０．０ｍｍの場合、基板厚さは０．６７５±０．０２５ｍｍである。

これに対して、本願発明では、基板直径Ｄ（ｍｍ）をパラメータとして、
Ｄ／１０００＋０．２（ｍｍ）≦ｔ≦Ｄ／１０００＋０．４（ｍｍ）
の範囲に規定される厚さｔ（ｍｍ）が提案される。

より具体的には、本願発明による基板厚さは、以下のように薄くし得る。

基板直径Ｄが１００．０ｍｍの場合、厚さｔを０．３００〜０．５００±０．０２５ｍｍの範囲内で薄くすることができる。

基板直径Ｄが１２５．０ｍｍの場合、厚さｔを０．３２５〜０．５２５±０．０２５ｍｍの範囲内で薄くすることができる。

基板直径Ｄが１５０．０ｍｍの場合、厚さｔを０．３５０〜０．５５０±０．０２５ｍｍの範囲内で薄くすることができる。

このような薄片化基板を使用することにより、前述したデバイス作製後の基板裏面の研磨量を低減させることができ、裏面研磨に要する加工コストの低減と生産性の向上が可能となる。

他方、基板裏面の研磨工程における基板の割れや欠けを低減させる手段として、基板の表裏周縁部のそれぞれのエッジラウンドの曲率半径Ｒｆ（ｍｍ）とＲｂ（ｍｍ）が、ダイヤモンドホイール研削によって、後述の範囲内で形成される。なお、基板の円周部ではないオリエンテーションフラット部またはノッチ部も、円周部と同様のエッジ断面形状に研削加工することが望ましい。ダイヤモンドホイール研削砥石は、ＪＩＳ−Ｒ６００１に規定する粒度で♯５００より細かいダイヤモンド砥粒からなることが好ましく、♯８００より細かい砥粒からなることがより好ましい。

本発明では、０．０８（ｍｍ）≦（Ｒｆ，Ｒｂ）≦０．４ｔ（ｍｍ）の範囲内に設定され、ここでｔは前述の設定された基板厚さである。

より具体的には、基板直径Ｄが１００．０ｍｍまたは１２５．０ｍｍの場合、エッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂは０．０８０〜０．２００ｍｍの範囲内に設定される。また、基板直径Ｄが１５０．０ｍｍの場合、ＲｆおよびＲｂは０．０８０〜０．２２０ｍｍの範囲内に設定される。すなわちエッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂは基板厚ｔの関数の範囲内で設定されることになるが、曲率半径０．１００〜０．１５０ｍｍ程度の範囲内で設定すれば、基板の周縁からの割れや欠けの発生の防止のために最も好ましい。

本発明によるエッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂは、現在一般によく使われている曲率半径０．２５０〜０．３００ｍｍに比べて小さく、このことが基板の割れにくさや欠けにくさを実現させ得る特徴である。単結晶から切り出された基板の割れや欠けの発生防止のためには、その基板における残留歪が小さいことも重要であり、光弾性歪評価、たとえばＳＩＲＰ（Scanning Infrared Polariscopy）法による測定において基板主面内の平均残留歪が１×１０^-5以下であることが望ましい（参考文献：M. Yamada et al. J. Crystal Growth 210 pp172-176 (2000) “Residual strain in annealed GaAs single-crystal wafers as determined by scanning infrared polariscopy, X-ray diffraction and topography”）。また、残留歪の面内ばらつきが小さくなるという利点を生かすべく、結晶欠陥密度ＥＰＤ(Etch Pit Density)が小さいことが望ましい。具体的には、ＥＰＤ≦１０，０００ｃｍ^-2を満足することが好ましい。さらに、基板表裏面の最終仕上げは、両面ミラーであることが望ましい。これらの対策による割れや欠けの発生防止の効果は、基板の口径が大きいほど顕著になることが明らかである。

基板周縁の断面形状の具体例を示せば、図１（Ｂ）を参照して、たとえば基板直径Ｄ＝１００ｍｍに対して厚さをｔ＝０．４５０ｍｍとした場合に、基板周縁部のエッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂを０．１００〜０．１５０ｍｍの範囲内に選択すれば、基板厚さの中央部において厚さ方向に沿った直線部Ｌを０．１２０〜０．１６０ｍｍ程度にすることができる。他方、同様に直径Ｄ＝１００ｍｍで厚さをｔ＝０．４５０ｍｍとして、エッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂを従来通りにたとえば０．２５０ｍｍにすれば、図２に示すように、基板厚さｔの中央部に相当する最外端縁は先端が尖った凸形状になる。このように先端が尖った断面形状の周縁を有する基板は、その先端分に衝撃を受けた場合に割れや欠けが発生する危険性が高くなる。

ここで、直径Ｄ＝１００．０ｍｍで公称厚さｔ＝４５０μｍの両面ミラーＧａＡｓ基板を研磨したときの欠け発生率の比較評価結果が、表１に示される。この表１の場合において、基板の周縁部の断面形状は図１（Ｂ）および図２に示した通りである。

表１の結果から、本発明におけるようにエッジラウンドの曲率半径ＲｆおよびＲｂを０．１０ｍｍとした場合に、従来のように曲率半径ＲｆおよびＲｂが０．２５ｍｍである場合に比べて、明らかに基板における欠けの発生率が低くなることがわかる。

次に、半導体デバイス作製後において基板の薄片化のための裏面研磨について考察する。たとえば基板の表面側の厚み０．１００ｍｍに至るまで裏面研磨した場合、本発明に規定する基板周縁の断面形状では、図３に示されているように、裏面研磨終了時における基板周縁が極端なナイフエッジ状になることを回避することができる。すなわち、図３において、基板の裏面研磨領域ＢＰが除去された後において、基板底面は破線で示された面となる。しかし、従来の典型的な基板周縁の断面形状では、図４に示されているように、裏面研磨終了時における基板周縁が著しくナイフエッジ状になっており、このナイフエッジ状部分を起点として割れが発生する危険性がより高くなる。すなわち、図４においても、基板の裏面研磨領域ＢＰが除去された後において、基板底面は破線で示された面となる。

なお、図１（Ｂ）を参照して説明された上述の実施形態において、基板厚さｔの中央部に相当する外周端縁は厚さ方向に沿った直線状にされているが、緩やかな凸状曲線であってもよい。そのような場合の一例が、図５に示されている。すなわち、この図５の例では、エッジラウンドの曲率半径ＲｆとＲｂの部分は、厚さの中央部における曲線Ｃに連接しており、その曲線Ｃはエッジラウンドに比べて同等以上の曲率半径Ｃ_Ｒ≧０．４ｔ（ｍｍ）を有していることが好ましい。

また、図１（Ｂ）を参照して説明された上述の実施形態においては１０°〜２３°のテーパ角度θを有するテーパ部が設けられ得るが、それらのテーパ部が省略されて曲率半径ＲｆとＲｂのエッジラウンドが基板の表裏面にそれぞれ直接連接していてもよい。このような例が、図６において示されている。

さらに、図６の実施形態において基板厚さの中央部に相当する外周端縁は厚さ方向に沿った直線状部分Ｌにされているが、図５の場合と同様に緩やかな凸状曲線であってもよいことは言うまでもない。そのような場合の一例が、図７に示されている。

さらに、上述の実施形態では表面側のエッジラウンドの曲率半径Ｒｆと裏面側のエッジラウンドの曲率半径Ｒｂとが等しくされていたが、望まれる場合には、前述の０．０８（ｍｍ）≦（Ｒｆ，Ｒｂ）≦０．４ｔ（ｍｍ）の条件を満たす範囲内で互いに異ならしめてもよいことは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、基板の周縁部を特定の断面形状に設定することによって、半導体デバイスを作製する場合に基板の割れや欠けを低減させて歩留を向上させ得るとともにスループットを改善させ得るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板を提供することができる。

（Ａ）は半導体基板の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の破線１Ｂ−１Ｂに沿った拡大断面図である 従来規格に比べて小さな厚さを有しかつ従来のエッジラウンドを有する基板の周縁断面図である。 本発明による基板の裏面側所定厚さを研磨除去した状態における基板周縁の形状を示唆する断面図である。 従来規格に比べて小さな厚さを有しかつ従来のエッジラウンドを有する基板の裏面側所定厚さを研磨除去した状態における基板周縁の形状を示唆する断面図である。 本発明において、図１（Ｂ）から一部変更された基板周縁部の一例を示す断面図である。 本発明において、図１（Ｂ）から一部変更された基板周縁部の他の例を示す断面図である。 本発明において、図１（Ｂ）から一部変更された基板周縁部のさらに他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板、ＯＦ オリエンテーションフラット、ｔ 基板厚さ、Ｒｆ，Ｒｂ エッジラウンドの曲率半径、θ_ｆ，θ_ｂ テーパ角、Ｌ 直線部、Ｃ 曲線部、Ｃ_Ｒ 曲線部Ｃの曲率半径。

Claims (5)

1. 直径Ｄ（ｍｍ）と厚さｔ（ｍｍ）を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板であって、
   （１／１０００）Ｄ＋０．２（ｍｍ）≦ｔ≦（１／１０００）Ｄ＋０．４（ｍｍ）の関係を満たし、かつ
   前記基板の周縁に直交する断面において、表外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｆ（ｍｍ）と裏外縁部のエッジラウンドの曲率半径Ｒｂ（ｍｍ）とのいずれもが
   ０．０８（ｍｍ）≦（Ｒｆ，Ｒｂ）≦０．４ｔ（ｍｍ）
   の関係を満たすことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板。
2. 前記基板の周縁に直交する断面において、前記基板の最外端縁は厚さ方向に平行な直線部を含み、前記曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する前記表裏外縁部のエッジラウンドのいずれもが前記最外端縁の直線部と滑らかに連接していることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板。
3. 前記基板の周縁に直交する断面において、前記基板の最外端縁は曲率半径Ｃ_Ｒ≧０．４ｔ（ｍｍ）の凸状曲線部を含み、前記曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する前記表裏外縁部のエッジラウンドのいずれもが前記最外端縁の曲線部と滑らかに連接していることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板。
4. 前記曲率半径ＲｆとＲｂをそれぞれ有する前記表裏外縁部のエッジラウンドは、それぞれ前記基板の表面と裏面とに対して基板厚さを減少させる方向に１０°〜２３°の範囲内の角度を有するテーパ部へ滑らかに連接していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板。
5. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＡｓとＩｎＰとのいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板。

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