JP2012101977A - Method for manufacturing nitride semiconductor substrate, and method for manufacturing nitride semiconductor self-standing substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物半導体単結晶の反り(面方位分布)を抑制するとともに、均質な結晶成長を行うことができる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体自立基板の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体基板の製造方法は、HVPE炉20において、石英リアクタ7内の結晶成長領域の温度分布を略均一に保持してGaN薄膜2及びストライプマスク4を有する基板1上にGaN厚膜5を成長させるとともに、成長中のGaN厚膜5の反りが予め定めた範囲内になるように当該HVPE炉20を加熱するヒータ8の制御温度を変化させる。
【選択図】図1A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate and a method of manufacturing a nitride semiconductor self-supporting substrate capable of suppressing warpage (plane orientation distribution) of a nitride semiconductor single crystal and performing homogeneous crystal growth are provided.
A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate includes a GaN film formed on a substrate having a GaN thin film and a stripe mask while maintaining a substantially uniform temperature distribution in a crystal growth region in a quartz reactor in an HVPE furnace. While the thick film 5 is grown, the control temperature of the heater 8 for heating the HVPE furnace 20 is changed so that the warpage of the growing GaN thick film 5 falls within a predetermined range.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体自立基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate and a method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate.
従来、青色発光ダイオード(LED)やレーザダイオ−ド(LD)用材料として、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)等のIII族窒化物半導体が脚光を浴びている。さらに、III族窒化物半導体は耐熱性や耐環境性が良いという特徴を有するため、電子デバイス用素子への応用開発も始まっている。以下、III族窒化物半導体の代表例としてGaNについて説明する。 Conventionally, group III nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), and gallium aluminum nitride (AlGaN) have attracted attention as materials for blue light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). Yes. Furthermore, since group III nitride semiconductors have the characteristics of good heat resistance and environmental resistance, application development for electronic device elements has also begun. Hereinafter, GaN will be described as a representative example of a group III nitride semiconductor.
現在広く実用化されているGaN成長用の基板は、サファイアである。GaN単結晶膜の成長法としては、単結晶サファイア基板の上に有機金属気相成長法(MOVPE法)等でエピタキシャル成長させる方法が一般に用いられている。 A substrate for GaN growth that is currently in wide use is sapphire. As a growth method of a GaN single crystal film, a method of epitaxial growth on a single crystal sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE method) or the like is generally used.
しかし、サファイア基板はGaNと格子定数が異なるため、GaNの単結晶膜は、サファイア基板上に直接成長することができない。このため、サファイア基板上に一旦低温でAlNやGaNのバッファ層を成長させることで格子の歪みを緩和させ、その上にGaN単結晶膜を成長させる方法が考案されている。 However, since the sapphire substrate has a lattice constant different from that of GaN, a single crystal film of GaN cannot be directly grown on the sapphire substrate. For this reason, a method has been devised in which an AlN or GaN buffer layer is once grown on a sapphire substrate at a low temperature to reduce lattice distortion and a GaN single crystal film is grown thereon.
低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、GaNの単結晶膜は、エピタキシャル成長することが可能となるが、基板と結晶の格子のずれが完全に解消することはなく、GaNの単結晶膜は無数の欠陥を有する。GaN単結晶膜の欠陥は、GaN系LDや高輝度LEDを製作する上で障害となることがある。 By using the low-temperature grown nitride layer as a buffer layer, the GaN single crystal film can be epitaxially grown, but the lattice deviation between the substrate and the crystal is not completely eliminated. Has innumerable defects. Defects in the GaN single crystal film may be an obstacle to manufacturing GaN-based LDs and high-brightness LEDs.
そこで、GaN自立基板の出現が切に望まれてきた。しかし、GaNは、SiやGaAsのように融液から大型のインゴットを引き上げることが困難である。そこで、例えば、超高温高圧法、フラックス法、ハイドライド気相成長法(HVPE法)などの種々の方法が試みられている。HVPE法によるGaN基板は、上記方法の中でも最も開発が進んでいる。現在、市場への流通も始まっており、LD用途だけでなく、高輝度LED向けとしても大きな期待が寄せられている。 Therefore, the emergence of a GaN free-standing substrate has been strongly desired. However, GaN is difficult to pull up a large ingot from the melt like Si and GaAs. Therefore, various methods such as an ultra-high temperature and high pressure method, a flux method, a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method) have been tried. The HVPE method GaN substrate is the most developed among the above methods. Currently, distribution to the market has begun, and there are great expectations not only for LD applications but also for high-brightness LEDs.
HVPE法によるGaN基板が実用化されたものの、HVPE法によって作製されたGaN基板の特性には、未だ改善の余地を大きく残している。ここで問題にするのは、GaN基板の反り(あるいは面方位分布)である。反りは、基板裏面の中心部と外縁部の高さの差として求めることができるものである。また、厚さ分布が既知であれば、基板表面の中心部と外縁部との高さの差からも求めることができる。 Although a GaN substrate by the HVPE method has been put into practical use, there is still much room for improvement in the characteristics of the GaN substrate manufactured by the HVPE method. The problem here is the warpage (or plane orientation distribution) of the GaN substrate. The warpage can be obtained as a difference in height between the center portion and the outer edge portion of the back surface of the substrate. Further, if the thickness distribution is known, it can also be obtained from the difference in height between the center portion and the outer edge portion of the substrate surface.
また、一般にヘテロエピタキシーによって成長されたGaN単結晶は、下地基板を取り去った後でも反りを有している。下地基板を取り去ったGaN単結晶の自立基板は、基板の両面を研磨加工すれば、機械的な形状としては一見平坦にすることができるが、結晶方位の面内分布を有することになる。 In general, a GaN single crystal grown by heteroepitaxy is warped even after the base substrate is removed. The self-standing GaN single crystal substrate from which the base substrate has been removed can be flattened as a mechanical shape by polishing both surfaces of the substrate, but has an in-plane distribution of crystal orientations.
デバイスのエピタキシャル成長では、GaN単結晶の自立基板上にAlGaNやInGaNなどの混晶を成長させる必要があるが、同じ成長条件であっても、混晶組成は面方位によって変わるので、方位分布を有する基板上に成長された混晶薄膜は、組成の面内分布を有することになる。例えば、LEDの活性層にはInGaNが使われるが、InGaNの組成が面内でばらつくと、発光波長がばらつくことになり、素子歩留まりが低下する。面方位のばらつきは、結晶の加工前の反りに起因するため、面方位ばらつきを小さくするには、アズグロウンでの反りを低減することが重要である。 In epitaxial growth of devices, it is necessary to grow a mixed crystal such as AlGaN or InGaN on a GaN single-crystal free-standing substrate. However, even under the same growth conditions, the mixed crystal composition changes depending on the plane orientation, and thus has an orientation distribution. The mixed crystal thin film grown on the substrate has an in-plane distribution of the composition. For example, although InGaN is used for the active layer of the LED, if the composition of InGaN varies within the plane, the emission wavelength varies, and the device yield decreases. Since the variation in the plane orientation is caused by the warp before the processing of the crystal, it is important to reduce the warp in the as-grown in order to reduce the variation in the plane orientation.
このようなアズグロウンでのGaN単結晶の反りを抑制する技術として、結晶成長後にアニールを行うことで反りを低減する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、結晶成長後にさらに工程を追加することになり、製造コストが増大する懸念がある。 As a technique for suppressing the warpage of the GaN single crystal in such as-grown, a technique for reducing the warpage by performing annealing after crystal growth is disclosed (for example, see Patent Document 1). However, there is a concern that the manufacturing cost increases because additional steps are added after crystal growth.
また、歪みを補正するように適当な不純物をドーピングすることでGaN単結晶の反りを抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、一般に、不純物の添加は他の特性を損なう要因になる。 In addition, a technique for suppressing warpage of a GaN single crystal by doping an appropriate impurity so as to correct distortion is disclosed (for example, see Patent Document 2). However, generally, the addition of impurities becomes a factor that impairs other characteristics.
そこで、余計なコストをかけず、他の特性も損なわない反りの制御方法が望まれていた。 Therefore, there has been a demand for a warpage control method that does not incur extra costs and does not impair other characteristics.
上記のような問題に対して、基板の表面側と裏面側に、独立制御が可能なヒータを設置して、縦方向の温度勾配を制御して成長中の反りをその場測定でフィードバックしながら制御可能な窒化物半導体製造装置が開示されている(例えば、特許文献3参照)。 In response to the above problems, heaters that can be controlled independently are installed on the front and back sides of the substrate, while controlling the temperature gradient in the vertical direction and feeding back the warping during growth in situ. A controllable nitride semiconductor manufacturing apparatus is disclosed (for example, see Patent Document 3).
特許文献3に記載の装置では、熱電対は基板表面に接近して配置され、基板表面温度を正確に測定することができ、熱電対によって測定した基板表面の温度が一定となるように上下のヒータ出力を制御することで、GaN単結晶の反りを0に近づけることができる。
In the apparatus described in
しかしながら、特許文献3に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、熱電対が基板表面に近接して配置されると、熱電対そのものに結晶が堆積して正確な測定を妨げたり、原料ガスの流れを乱すという問題がある。一方、原料ガスの流れを乱さないようにするために、測定結果の正確性をある程度犠牲にして、基板表面から離れた部分に熱電対が設置されると、結晶の赤外吸収量などが成長中に変化し、基板温度がわずかに変化しても、その変化は検知できないか、過小評価する可能性が高く、正確なフィードバック制御が困難となる。
However, in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate described in
また、基板温度の変化を検知できない場合、上下のヒータは、熱電対の温度を一定に保ちつつ反りを抑制するために、炉内上下方向に温度勾配を発生させるように制御される。この結果、想定しない温度勾配が生じ、特許文献3にも記述があるように、原料ガスの予期しない対流を生じさせ、均質な結晶成長を阻害する原因となる。また、装置が複雑化し、コストアップの原因にもなっていた。
When the change in the substrate temperature cannot be detected, the upper and lower heaters are controlled to generate a temperature gradient in the vertical direction in the furnace in order to suppress warpage while keeping the temperature of the thermocouple constant. As a result, an unexpected temperature gradient is generated, and as described in
したがって、本発明の目的は、窒化物半導体単結晶の反り(面方位分布)を抑制するとともに、均質な結晶成長を行うことができる窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor substrate manufacturing method and a nitride semiconductor free-standing substrate manufacturing method capable of suppressing warpage (plane orientation distribution) of a nitride semiconductor single crystal and performing uniform crystal growth. Is to provide.
本発明は、上記課題を解決することを目的として、窒化物半導体単結晶のヘテロエピタキシーによる製造方法であって、
気相成長による結晶成長装置内の結晶成長領域の温度分布を略均一に保持して基板上に窒化物半導体単結晶を成長させるとともに、
成長中の前記窒化物半導体単結晶の反りが予め定めた範囲内になるように前記結晶成長装置を加熱するヒータの制御温度を変化させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method for producing a nitride semiconductor single crystal by heteroepitaxy,
While maintaining a substantially uniform temperature distribution in the crystal growth region in the crystal growth apparatus by vapor phase growth, a nitride semiconductor single crystal is grown on the substrate,
There is provided a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the control temperature of a heater for heating the crystal growth apparatus is changed so that the warpage of the growing nitride semiconductor single crystal is within a predetermined range. The
また、上記窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体単結晶よりも線膨張係数の大きい前記基板上に前記窒化物半導体単結晶を成長させ、
当該反りが予め定めた範囲内になるように予め定めた割合で前記制御温度を低下させることが好ましい。
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the nitride semiconductor single crystal is grown on the substrate having a larger linear expansion coefficient than the nitride semiconductor single crystal,
It is preferable to lower the control temperature at a predetermined rate so that the warpage falls within a predetermined range.
また、上記窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体単結晶よりも線膨張係数の小さい前記基板上に前記窒化物半導体単結晶を成長させ、
当該反りが予め定めた範囲内になるように予め定めた割合で前記制御温度を上昇させることが好ましい。
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the nitride semiconductor single crystal is grown on the substrate having a smaller linear expansion coefficient than the nitride semiconductor single crystal,
It is preferable to raise the control temperature at a predetermined rate so that the warpage falls within a predetermined range.
また、上記窒化物半導体基板の製造方法において、前記反りを光学的手段によって結晶成長中に検出し、その検出した反りが予め定めた範囲内になるように前記制御温度をフィードバック制御することが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the warp is preferably detected during crystal growth by optical means, and the control temperature is preferably feedback-controlled so that the detected warp falls within a predetermined range. .
また、上記窒化物半導体基板の製造方法において、前記基板として、サファイア、SiC、GaAs、ZnO又はSiのいずれかを用いることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, it is preferable to use sapphire, SiC, GaAs, ZnO, or Si as the substrate.
また、上記窒化物半導体基板の製造方法において、前記窒化物半導体単結晶の結晶成長の方法はHVPE法であることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, the method for growing the nitride semiconductor single crystal is preferably an HVPE method.
また、上記に記載の方法で前記窒化物半導体単結晶を成長した後に、前記基板を除去して窒化物半導単結晶基板を得ることを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法が提供される。 In addition, after the nitride semiconductor single crystal is grown by the method described above, a nitride semiconductor single crystal substrate is obtained by removing the substrate to provide a nitride semiconductor single crystal substrate. The
また、前記予め定めた割合は、結晶成長時間に対する前記基板の温度の変化を事前に予測して決定することが好ましい。 The predetermined ratio is preferably determined by predicting in advance a change in temperature of the substrate with respect to the crystal growth time.
また、前記予め定めた割合は、前記反りを光学的手段によって結晶成長中に検出し、その検出した反りが予め定めた範囲内になるように前記制御温度をフィードバック制御する方法により、予め窒化物半導体基板を製造するとともに、成長中の制御温度のデータを記録しておき、そのデータに基づいて同様の窒化物半導体基板が得られるように決定することが好ましい。 Further, the predetermined ratio is determined by the method of detecting the warp during crystal growth by optical means and performing feedback control of the control temperature so that the detected warp falls within a predetermined range. It is preferable to manufacture the semiconductor substrate and record the data of the control temperature during the growth and determine that the same nitride semiconductor substrate can be obtained based on the data.
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体自立基板の製造方法によれば、窒化物半導体単結晶の反り(面方位分布)を抑制するとともに、均質な結晶成長を行うことができる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate and the method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate according to the present invention, it is possible to suppress the warpage (plane orientation distribution) of the nitride semiconductor single crystal and perform uniform crystal growth. .
[実施の形態の要約]
本実施の形態の要点は、ヘテロエピタキシーによるGaN単結晶の成長において、結晶成長領域の温度分布が略均一に保持された気相法による結晶成長装置を用い、結晶成長中に結晶成長領域の制御温度を温度分布の均一性を保持しながら変化させ、基板とエピ層との線膨張係数差に起因する熱応力によってGaN単結晶の反りを低減させることにある。
[Summary of embodiment]
The main point of this embodiment is that, in the growth of a GaN single crystal by heteroepitaxy, a crystal growth apparatus using a vapor phase method in which the temperature distribution in the crystal growth area is maintained substantially uniform is used to control the crystal growth area during crystal growth. The purpose is to reduce the warpage of the GaN single crystal by the thermal stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the substrate and the epi layer by changing the temperature while maintaining the uniformity of the temperature distribution.
まず、本発明の実施の形態を説明するにあたり、ヘテロエピタキシーにより生成したGaN結晶の、下地基板除去後に残留する反りの主な原因(a)〜(c)を以下に説明する。 First, in describing embodiments of the present invention, main causes (a) to (c) of warpage remaining after removal of a base substrate of a GaN crystal generated by heteroepitaxy will be described.
(a)Volmer−Weber型成長機構のアイランド結合時の、表面張力による反り
一般に、ヘテロエピタキシーによるGaN結晶の成長は、Volmer−Weber型の成長過程を辿る。すなわち、成長の初期過程には、結晶は離散的なアイランド状であり、成長の進行とともにアイランド同士が結合して平坦な表面を形作り、2次元成長に移行する成長過程である。
(A) Warpage due to surface tension during island bonding of Volmer-Weber type growth mechanism Generally, growth of GaN crystals by heteroepitaxy follows a growth process of Volmer-Weber type. That is, in the initial stage of growth, the crystal is in the form of discrete islands, and as the growth proceeds, the islands are joined together to form a flat surface and shift to two-dimensional growth.
結晶のアイランド同士の結合は、結合により表面エネルギーが低下するために進行すると考えられる。つまり、アイランド同士は表面張力によって互いに引き合う。ただし、下地基板上のGaNアイランドは、下地基板によってその位置を拘束されているので、ガラス板上の水滴の結合のように2つの水滴がガラス板上を滑って結合を完了するのではなく、基板を凹面に曲げるような応力を生じる。 It is considered that the bonding between crystal islands proceeds because the surface energy decreases due to the bonding. That is, the islands attract each other due to surface tension. However, since the position of the GaN island on the base substrate is constrained by the base substrate, the two water droplets do not slide on the glass plate to complete the binding like the water droplets on the glass plate, Stress is generated that bends the substrate into a concave surface.
(b)厚さ方向の欠陥密度分布
2次元成長への移行後は、(a)で述べたような表面張力起因の応力の増大はなくなるが、他の原因により応力の増大は継続する。応力が継続する原因は、転位同士の合体消滅による余剰半格子面の減少にあると考えられる。
(B) Defect density distribution in the thickness direction After the transition to the two-dimensional growth, the increase in stress due to the surface tension as described in (a) disappears, but the increase in stress continues due to other causes. The reason why the stress continues is thought to be the reduction of the surplus half-lattice plane due to the annihilation of dislocations.
上記(a)及び(b)を原因とする反りは、GaN結晶の、例えば、成長初期過程におけるアイランド密度の制御によってある程度低減できることがわかっている。しかし、次に説明する(c)を原因とする反りの発生及びその低減方法は、発明者らが最初に明らかにしたものである。 It has been found that the warp caused by the above (a) and (b) can be reduced to some extent by controlling the island density of the GaN crystal, for example, in the initial growth process. However, the inventors have first clarified the method of generating and reducing the warp caused by (c) described below.
(c)成長中の予期しない温度変化による熱応力
GaN結晶の成長中に、何らかの原因によって基板温度が変化すると、GaNと下地基板との線膨張係数差に起因した反りが生じる。通常、基板温度は、基板を置くサセプタの近傍に設置した熱電対でモニタし、モニタした温度が設定温度(制御温度)に一定になるようにヒータ出力をフィードバック制御する。しかし、熱電対でモニタされる温度(制御温度と同じ温度になるように制御される温度)は真の基板温度と等しいとは限らない。特に、GaNのような、赤外線に対する透明度があまり小さくない物質の場合は、制御温度と真の基板温度とに誤差が生じる傾向がある。透明基板の主な加熱機構がサセプタからの熱伝導であり、基板とサセプタとの接触状態によって、真の基板温度が変化しやすいからである。
(C) Thermal stress due to unexpected temperature change during growth If the substrate temperature changes for some reason during the growth of the GaN crystal, warping due to the difference in linear expansion coefficient between GaN and the underlying substrate occurs. Usually, the substrate temperature is monitored by a thermocouple installed in the vicinity of the susceptor on which the substrate is placed, and the heater output is feedback-controlled so that the monitored temperature becomes constant at the set temperature (control temperature). However, the temperature monitored by the thermocouple (the temperature controlled to be the same as the control temperature) is not necessarily equal to the true substrate temperature. In particular, in the case of a material such as GaN whose transparency to infrared rays is not so small, an error tends to occur between the control temperature and the true substrate temperature. This is because the main heating mechanism of the transparent substrate is heat conduction from the susceptor, and the true substrate temperature is likely to change depending on the contact state between the substrate and the susceptor.
ヘテロエピタキシーによるGaN結晶の成長では、(a)及び(b)で述べたような原因によって反りが生じるため、基板とサセプタとの接触状態が変化しやすく、制御温度と真の基板温度とに誤差が生じやすい。このような状況で、例えば、GaN結晶の赤外吸収係数が変化すると、制御温度のモニタ値にはほとんど現れず、真の基板温度が変化し、熱応力による反りが生じる。反りが生じたGaN結晶の表面上に新たに成長したGaNは、その状態で最もエネルギーが小さくなるような欠陥配置になる(塑性変形している)ため、成長後に基板を取り去っても反りが残留することになる。ここで、GaN結晶の赤外吸収係数が増加する原因としては、例えば、ドーピングによる自由キャリア吸収の増大や、その他の点欠陥に起因した着色等が挙げられる。 In the growth of GaN crystals by heteroepitaxy, warpage occurs due to the causes described in (a) and (b), so that the contact state between the substrate and the susceptor tends to change, and there is an error between the control temperature and the true substrate temperature. Is likely to occur. In such a situation, for example, when the infrared absorption coefficient of the GaN crystal changes, the monitor value of the control temperature hardly appears, the true substrate temperature changes, and warpage due to thermal stress occurs. Newly grown GaN on the surface of the warped GaN crystal has a defect arrangement that minimizes the energy in that state (plastic deformation), so that warping remains even after the substrate is removed after growth. Will do. Here, the cause of the increase in the infrared absorption coefficient of the GaN crystal includes, for example, an increase in free carrier absorption due to doping, coloring due to other point defects, and the like.
上記(c)を原因とするGaN結晶の反りを抑止するためには、原理的には、真の基板温度が一定になるようなヒータ制御を行えばよい。しかし、真の基板温度の正確なモニタは困難である。成長条件から赤外吸収係数の変化が推定できれば、赤外吸収係数の変化に応じたヒータ制御を行うことも考えられるが、実際には、その正確な推定は容易ではない。そのため、GaN結晶の反りをモニタし、モニタされた反りが一定値になるように制御温度をフィードバック制御することが有効となる。 In order to suppress the warpage of the GaN crystal caused by the above (c), in principle, the heater control may be performed so that the true substrate temperature becomes constant. However, accurate monitoring of the true substrate temperature is difficult. If the change in the infrared absorption coefficient can be estimated from the growth conditions, it is conceivable to perform heater control in accordance with the change in the infrared absorption coefficient, but in practice, accurate estimation is not easy. Therefore, it is effective to monitor the warpage of the GaN crystal and feedback control the control temperature so that the monitored warpage becomes a constant value.
ここで、フィードバック制御は、GaN結晶の反りをゼロとするようにするのが理想である。しかし、(a)及び(b)を原因とする反りが大きい場合は、GaN結晶の反りがゼロになるような制御を行うと、真の基板温度が変化するおそれがある。真の基板温度をあまり大きく変化させると、GaN結晶は、過剰な熱応力によってクラックを生じたり、良好な結晶性の得られる温度領域を外れるため、これらを回避できる範囲でフィードバック制御を行うのが好ましい。 Here, the feedback control is ideally set so that the warpage of the GaN crystal is zero. However, when the warpage due to (a) and (b) is large, if the control is performed so that the warpage of the GaN crystal becomes zero, the true substrate temperature may change. If the true substrate temperature is changed too much, the GaN crystal will crack due to excessive thermal stress, or it will be out of the temperature range where good crystallinity can be obtained, so feedback control is performed within a range where these can be avoided. preferable.
[実施の形態]
まず、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法及び窒化物半導体自立基板の製造方法を、図1〜4を用いて説明する。
[Embodiment]
First, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate and a method for manufacturing a nitride semiconductor free-standing substrate according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1(a)〜(f)は、実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造工程の一例を説明する断面図である。 1A to 1F are cross-sectional views illustrating an example of a manufacturing process of a nitride semiconductor substrate according to an embodiment.
まず、図1(a)に示すように、基板1を準備する。基板1は、例えば、直径3インチのc面サファイア基板である。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1(b)に示すように、基板1の表面に、MOVPE法を用いて、例えば、厚さ1.5μmのアンドープのGaN薄膜2を成長させる。
Next, as shown in FIG. 1B, an undoped GaN
次に、図1(c)に示すように、基板1及びGaN薄膜2を有するテンプレート基板上に、熱CVD法を用いて、例えば、厚さ100nmのSiO2膜3を堆積させる。
Next, as shown in FIG. 1C, a SiO 2 film 3 having a thickness of 100 nm, for example, is deposited on the template substrate having the
次に、標準的なフォトリソグラフィの技術を用いて、図1(d)に示すように、SiO2のストライプマスク4を形成する。ストライプマスク4は、例えば、ストライプパターンのマスク幅が5μm、開口幅が4μmとする。 Next, using a standard photolithography technique, a SiO 2 stripe mask 4 is formed as shown in FIG. The stripe mask 4 has a stripe pattern mask width of 5 μm and an opening width of 4 μm, for example.
次に、ストライプマスク4を有するテンプレートを試料19として後述する図2に示すHVPE炉にセットし、図1(e)に示すように、GaN厚膜5を成長させる。GaNのHVPE成長の原料としては上記GaClとNH3とを用いる。また、GaCl及びNH3とともにSiH2Cl2を供給することでSiドープを行う。なお、成長圧力は大気圧である。
Next, a template having the stripe mask 4 is set as a
図2は、実施の形態に係るHVPE炉の構造の一例を示す一部断面図である。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an example of the structure of the HVPE furnace according to the embodiment.
このHVPE炉(気相成長炉)20は、石英リアクタ7と、外部ヒータ8と、サセプタ9と、レーザ光源10と、検出器13と、熱電対14と、HCl供給管15と、NH3供給管17と、SiH2Cl2供給管18とを備える。
The HVPE furnace (vapor phase growth furnace) 20 includes a quartz reactor 7, an
石英リアクタ7は、石英で形成される透明なリアクタであり、外部ヒータ8によって加熱されることで結晶成長領域の温度を略均一とするホットウォール式である。
The quartz reactor 7 is a transparent reactor formed of quartz, and is a hot wall type in which the temperature of the crystal growth region is made substantially uniform by being heated by the
外部ヒータ8は、例えば、抵抗過熱式のヒータ等である。以下、外部ヒータ8に設定される温度を「制御温度」という。
The
サセプタ9は、グラファイト等からなり、試料19を設置するための円盤状の台を有する。また、サセプタ9は、石英リアクタ7の内部に設置され、台の表面はSiCコートされて水平に設置される。試料19は、ストライプマスク4を有するテンプレートであり、サセプタ9の台上にいわゆるフェイスアップで配置される。また、サセプタ9は、GaN厚膜5の成長中、回転軸90の回転に伴い例えば10rpmの速度で回転する。
The susceptor 9 is made of graphite or the like, and has a disk-shaped table for installing the
レーザ光源10は、サセプタ9の上部に設置され、レーザ光11を試料19に入射する。
The laser light source 10 is installed on the susceptor 9 and makes the laser beam 11 incident on the
検出器13は、レーザ光11が試料19で反射した反射光12を検出する。検出器13は、反射光12の検出された位置から試料19の反りの大きさをモニタする。
The detector 13 detects the reflected light 12 reflected by the
熱電対14は、白金ロジウム等からなり、サセプタ9の裏面に設置されて、制御温度をモニタする。 The thermocouple 14 is made of platinum rhodium or the like, and is installed on the back surface of the susceptor 9 to monitor the control temperature.
HCl供給管15は、HClを供給する管であり、管の途中に設けられるGa融液16にHClを供給することで、互いに反応させてGaClを発生させ、石英リアクタ7内にGaClを供給する。 The HCl supply pipe 15 is a pipe for supplying HCl. By supplying HCl to a Ga melt 16 provided in the middle of the pipe, the HCl supply pipe 15 reacts with each other to generate GaCl, and supplies GaCl into the quartz reactor 7. .
NH3供給管17は、NH3を石英リアクタ7内に供給する。 The NH 3 supply pipe 17 supplies NH 3 into the quartz reactor 7.
SiH2Cl2供給管18は、SiH2Cl2を石英リアクタ7内に供給する。 The SiH 2 Cl 2 supply pipe 18 supplies SiH 2 Cl 2 into the quartz reactor 7.
以上に説明した構成のHVPE炉20において、試料19の反りをモニタし、GaN厚膜5の反りが一定値になるように外部ヒータ8により制御温度をフィードバック制御する。
In the HVPE furnace 20 having the configuration described above, the warp of the
次に、上述したGaN厚膜5の成長後、図1(f)に示すように、レーザ剥離を用いて基板1を除去し、直径3インチのc面がGaNのGaN自立結晶6を得る。
Next, after the growth of the GaN thick film 5 described above, as shown in FIG. 1 (f), the
(実施の形態の効果)
上述した実施の形態によれば、窒化物結晶のヘテロエピタキシー成長において、結晶成長領域の温度を略均一に保ったまま、石英リアクタ7内の温度を全体的に変化させるので、温度勾配に起因する対流の発生が抑制され、予期せぬ温度変化に起因する反りを抑制し、面方位分布の小さいGaN自立結晶6を製造することができる。
(Effect of embodiment)
According to the above-described embodiment, in the heteroepitaxial growth of nitride crystal, the temperature in the quartz reactor 7 is changed as a whole while keeping the temperature of the crystal growth region substantially uniform, resulting in a temperature gradient. Generation of convection is suppressed, warpage due to an unexpected temperature change is suppressed, and a GaN free-standing crystal 6 having a small plane orientation distribution can be manufactured.
実施の形態と同様に、SiO2のストライプマスク4付きの試料19を準備し、HVPE炉20にセットして厚さ約500μmのGaN厚膜5を成長させた。GaN厚膜5は、厚さ100μmまではアンドープとし、それ以降は原料ガスとともにSiH2Cl2を所定量供給し、GaN中のSi濃度が約3×1018cm−3になるようにした。
Similar to the embodiment, a
また、成長中にレーザ光源10及び検出器13を用いて試料19の反りを検出し、成長中の反り量が実質ゼロになるように、外部ヒータ8の制御を行った。
Further, the warp of the
図3は、実施例1に係る試料の成長中の反りの厚さ依存性の一例を示すグラフ図である。 FIG. 3 is a graph showing an example of the thickness dependence of warpage during growth of the sample according to Example 1.
比較のために、後述する比較例のデータを同図に示す。比較例は、実施例1と同じSi濃度で制御温度一定の条件で成長した場合である。また、右軸には、フィードバックによる制御温度の推移を示す。反りを実質ゼロにするフィードバック制御により、当初1090℃であった制御温度は、最終的には約1025℃にまで低下した。 For comparison, the data of a comparative example to be described later are shown in FIG. The comparative example is a case where growth was performed under the same Si concentration as in Example 1 and a constant control temperature. The right axis shows the transition of control temperature by feedback. Due to the feedback control to make the warp substantially zero, the control temperature, which was initially 1090 ° C., was finally reduced to about 1025 ° C.
GaN厚膜5の成長終了後、レーザ剥離法により基板1を取り除き、直径3インチのGaN自立結晶6を得た。このGaN自立結晶6の反りをレーザ変位計で測定したところ、反りは5μm以下であることがわかった。
After the growth of the GaN thick film 5 was completed, the
まず、基板1として直径3インチのc面SiC基板を準備した。次に、c面SiC基板の表面に、MOVPE法を用いて厚さ1.5μmのアンドープGaN薄膜を成長させた。その後、実施の形態と同様にして、SiO2のストライプマスク付きのc面GaNテンプレートを準備し、HVPE炉20にセットして厚さ約500μmのGaN厚膜5を成長させた。GaN厚膜5は、厚さ100μmまではアンドープとし、それ以降は原料ガスとともにSiH2Cl2を所定量供給し、GaN中のSi濃度が約3×1018cm−3になるようにした。また、成長開始時の制御温度は1010℃とした。
First, a c-plane SiC substrate having a diameter of 3 inches was prepared as the
また、成長中にレーザ光源10及び検出器13を用いて試料19の反りを検出し、成長中の反り量が実質ゼロになるように、外部ヒータ8の制御を行った。
Further, the warp of the
図4は、実施例2に係る試料の成長中の反りの厚さ依存性の一例を示すグラフ図である。 FIG. 4 is a graph showing an example of the thickness dependence of warpage during the growth of the sample according to Example 2.
比較のために、Si濃度を同一とし、制御温度一定(1010℃)の条件で成長した場合のデータを同図に示す。また、右軸には、フィードバックによる制御温度の推移を示す。 For comparison, the same data is shown in the figure when the growth is performed under the condition that the Si concentration is the same and the control temperature is constant (1010 ° C.). The right axis shows the transition of control temperature by feedback.
制御温度一定で成長した場合、厚さ100μm程度までは、上述した(a)及び(b)を原因とするプラス方向の反りが増大するが、ドーピングを開始すると、(c)を原因とするものと思われるマイナスの反りが増大している。 When grown at a constant control temperature, the warpage in the positive direction due to (a) and (b) increases up to a thickness of about 100 μm, but when doping starts, it causes (c) Negative warping that seems to be increasing.
一方、フィードバック制御を行った場合には、反りはほとんど生じていない。また、フィードバック制御により、当初1010℃であった制御温度は、最終的には約1085℃にまで上昇した。 On the other hand, when feedback control is performed, almost no warping occurs. Further, the control temperature, which was initially 1010 ° C., was finally increased to about 1085 ° C. by feedback control.
GaN厚膜5の成長終了後、レーザ剥離法により基板1を取り除き、直径3インチのGaN自立結晶6を得た。このGaN自立結晶6の反りをレーザ変位計で測定したところ、反りは5μm以下であることがわかった。。
After the growth of the GaN thick film 5 was completed, the
まず、直径3インチの(111)A面GaAs基板を準備した。次に、A面GaAs基板の表面に、MOVPE法を用いて厚さ1.5μmのアンドープGaN薄膜を成長させた。その後、実施の形態と同様にして、SiO2のストライプマスク付きのc面GaNテンプレートを準備し、HVPE炉20にセットして厚さ約500μmのGaN厚膜5を成長させた。GaN厚膜5は、厚さ100μmまではアンドープとし、それ以降は原料ガスとともにSiH2Cl2を所定量供給し、GaN中のSi濃度が約3×1018cm−3になるようにした。また、成長開始時の制御温度は1090℃とした。 First, a (111) A-plane GaAs substrate having a diameter of 3 inches was prepared. Next, an undoped GaN thin film having a thickness of 1.5 μm was grown on the surface of the A-plane GaAs substrate by using the MOVPE method. Thereafter, in the same manner as in the embodiment, a c-plane GaN template with a SiO 2 stripe mask was prepared and set in the HVPE furnace 20 to grow a GaN thick film 5 having a thickness of about 500 μm. The GaN thick film 5 was undoped up to a thickness of 100 μm, and thereafter, a predetermined amount of SiH 2 Cl 2 was supplied together with the source gas so that the Si concentration in GaN was about 3 × 10 18 cm −3 . The control temperature at the start of growth was 1090 ° C.
また、成長中にレーザ光源10及び検出器13を用いて試料19の反りを検出し、成長中の反り量が実質ゼロになるように、外部ヒータ8の制御を行った。
Further, the warp of the
図5は、実施例3に係る試料の成長中の反りの厚さ依存性の一例を示すグラフ図である。 FIG. 5 is a graph showing an example of thickness dependence of warpage during growth of a sample according to Example 3.
比較のために、Si濃度を同一とし、制御温度一定(1010℃)の条件で成長した場合のデータを同図に示す。また、右軸には、フィードバックによる制御温度の推移を示す。 For comparison, the same data is shown in the figure when the growth is performed under the condition that the Si concentration is the same and the control temperature is constant (1010 ° C.). The right axis shows the transition of control temperature by feedback.
制御温度一定で成長した場合、GaAsとGaNとは線膨張係数が近いため、ドーピングを開始しても反り増大の傾きが急に大きくなることはなかったものの、反りは厚さとともに増大し、厚さ500μmでは50μmを超えた。これは、(a)及び(b)を原因とするものと思われる。 When growing at a constant control temperature, GaAs and GaN have similar linear expansion coefficients, so the slope of the increase in warpage did not increase suddenly even when doping was started, but the warpage increased with the thickness. When the thickness was 500 μm, it exceeded 50 μm. This seems to be caused by (a) and (b).
一方、フィードバック制御を行った場合には、反りはほとんど生じていない。また、フィードバック制御により、当初1090℃であった制御温度は、最終的には約1020℃にまで低下した。 On the other hand, when feedback control is performed, almost no warping occurs. In addition, the control temperature, which was initially 1090 ° C., was finally lowered to about 1020 ° C. by feedback control.
GaN厚膜5の成長終了後、レーザ剥離法により基板1を取り除き、直径3インチのGaN自立結晶6を得た。このGaN自立結晶6の反りをレーザ変位計で測定したところ、反りは5μm以下であることがわかった。。
After the growth of the GaN thick film 5 was completed, the
[他の変形例]
上記実施例1〜3においてはGaN自立結晶の場合のみ記したが、これ以外にもAlNやAlGaN等の他のIII族窒化物半導体に関しても同様の効果が期待できる。また、HVPE法だけでなく、MOVPE法や昇華法などの他の気相成長法に適用してもよい。
[Other variations]
In Examples 1 to 3 described above, only the case of a GaN free-standing crystal has been described, but the same effect can be expected for other group III nitride semiconductors such as AlN and AlGaN. In addition to the HVPE method, the present invention may be applied to other vapor phase growth methods such as the MOVPE method and the sublimation method.
[比較例1]
次に、比較例を、図1、2、6及び7を用いて説明する。
[Comparative Example 1]
Next, a comparative example will be described with reference to FIGS.
比較例の製造工程は、制御温度を1090℃に一定とする以外、実施例1において説明した内容と同一であり、GaCl及びNH3の分圧を1.5kPa及び40kPaとした。また、GaN厚膜5の成長は幾つかのSiH2Cl2の濃度について行った。成長圧力は大気圧である。この時の成長速度は約300μm/hであった。 The manufacturing process of the comparative example was the same as that described in Example 1 except that the control temperature was kept constant at 1090 ° C., and the partial pressures of GaCl and NH 3 were 1.5 kPa and 40 kPa. The growth of the GaN thick film 5 was performed for several concentrations of SiH 2 Cl 2 . The growth pressure is atmospheric pressure. The growth rate at this time was about 300 μm / h.
図6は、比較例に係る試料の成長中の反りに対する厚さ依存性の一例を示すグラフ図である。 FIG. 6 is a graph showing an example of thickness dependence on warpage during growth of a sample according to a comparative example.
反りはGaN厚膜5の厚さとともに増大するが、ドーピングの開始以降(厚さが100μm以上)は特に顕著に増大する。また、ドーピング濃度が大きいほど反りの増大が大きいことがわかった。 The warpage increases with the thickness of the GaN thick film 5, but increases particularly remarkably after the start of doping (thickness of 100 μm or more). It was also found that the increase in warpage was greater as the doping concentration was higher.
それぞれのGaN厚膜5の成長終了後、レーザ剥離法により基板1を取り除き、直径3インチのGaN自立結晶6を得た。これらのGaN自立結晶6は、表面を上側にしたときに凹面の反りをもっていた。
After the growth of each GaN thick film 5 was completed, the
図7は、比較例に係るGaN自立結晶の反りに対するドーピング濃度依存性の一例を示すグラフ図である。 FIG. 7 is a graph showing an example of the doping concentration dependency on the warpage of the GaN free-standing crystal according to the comparative example.
それぞれのGaN自立結晶6の反りは、結晶中のSi濃度とともに単調に増大した。導電性のGaN基板では、通常、1×1018cm−3以上のSi濃度(キャリア)濃度が求められるが、図7に示すように、Si濃度1×1018cm−3における反りは約200μmと非常に大きいことがわかった。 The warpage of each GaN free-standing crystal 6 monotonously increased with the Si concentration in the crystal. In a conductive GaN substrate, a Si concentration (carrier) concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more is usually required, but as shown in FIG. 7, warpage at an Si concentration of 1 × 10 18 cm −3 is about 200 μm. I found that it was very big.
1 基板
2 GaN薄膜
3 SiO2膜
4 ストライプマスク
5 GaN厚膜
5 厚膜
6 自立結晶
7 石英リアクタ
8 外部ヒータ
9 サセプタ
10 レーザ光源
11 レーザ光
12 反射光
13 検出器
14 熱電対
15 HCl供給管
16 Ga融液
17 NH3供給管
18 SiH2Cl2供給管
19 試料
20 HVPE炉
DESCRIPTION OF
Claims (7)
気相成長による結晶成長装置内の結晶成長領域の温度分布を略均一に保持して基板上に窒化物半導体単結晶を成長させるとともに、
成長中の前記窒化物半導体単結晶の反りが予め定めた範囲内になるように前記結晶成長装置を加熱するヒータの制御温度を変化させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A method for producing a nitride semiconductor single crystal by heteroepitaxy, comprising:
While maintaining a substantially uniform temperature distribution in the crystal growth region in the crystal growth apparatus by vapor phase growth, a nitride semiconductor single crystal is grown on the substrate,
A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein a control temperature of a heater for heating the crystal growth apparatus is changed so that the warpage of the growing nitride semiconductor single crystal is within a predetermined range.
当該反りが予め定めた範囲内になるように予め定めた割合で前記制御温度を低下させることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 Growing the nitride semiconductor single crystal on the substrate having a larger linear expansion coefficient than the nitride semiconductor single crystal;
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the control temperature is decreased at a predetermined rate so that the warpage falls within a predetermined range.
当該反りが予め定めた範囲内になるように予め定めた割合で前記制御温度を上昇させることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 Growing the nitride semiconductor single crystal on the substrate having a smaller linear expansion coefficient than the nitride semiconductor single crystal;
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the control temperature is increased at a predetermined rate so that the warpage falls within a predetermined range.
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