專利名稱：半導體基板制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體基板制造方法。
技術背景以往，提出 一種使用藍寶石(sapphire )基底基板制造GaN 基板的方法。使用圖1~圖3說明以往制造GaN基板的方法。圖 1 ~圖3為表示制造GaN基板的方法的工序剖視圖。在圖l所示的工序中，準備藍寶石基底基板110作為基底基 板。在藍寶石基底基板110上，使剝離層(低溫GaN緩沖層) 120在低于1000。C的溫度(低溫)下生長。剝離層120例如能由 GaN的單晶體、多晶體或非結晶體構成。并且，使GaN層130 在大約1000。C的溫度(高溫)下生長。GaN層130例如能由GaN 的單晶體構成。由此，在藍寶石基底基板110上形成包含剝離 層120及GaN層130的結構體100。另外，剝離層120也具有緩 沖功能。在圖2所示的工序中，將藍寶石基底基板110及結構體100 (將藍寶石基底基板110及結構體100放入反應室內)從大約 IOO(TC降溫到室溫。在此，藍寶石基底基板110的熱膨脹系數(shù) 大于GaN層130的熱膨脹系數(shù)。由此，在使藍寶石基底基板110 及結構體100從大約IOOO'C降溫到室溫時，在藍寶石基底基板 110及GaN層130上，作用由于熱膨脹率之差引起的熱應力，從 而會產(chǎn)生翹曲。在圖3所示的工序中，通過激光剝離(laser liftoff)法等 溶化剝離層120。由此，GaN層130與藍寶石基底基板110分離。 即，使GaN層130從藍寶石基底基板110獨立來制造GaN基板。此時，在GaN層130上產(chǎn)生緩和了內部應力的部分、和殘留有 內部應力的部分。由此，有可能在GaN層130上產(chǎn)生裂紋。并且，由于分離下來的GaN層130上的應變的分布沿結晶 生長方向變化，因此會產(chǎn)生翹曲。因此，如圖3所示，即使通 過機械性研磨工序使GaN層平坦化，其GaN層也呈結晶方位錯 開的狀態(tài)。為了減少這樣的翹曲，提出了 一種在藍寶石基底基板IIO 與剝離層120之間形成空隙的方法(例如，專利文獻1 )。 專利文獻l:日本特開2004—39810號公報 在專利文獻l公開的技術中，由基底基板僅能制造一張半 導體基板，因此，制造半導體基板時的生產(chǎn)能力(生產(chǎn)率)不 良。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種能提高生產(chǎn)能力的半導體基板制造方法。本發(fā)明的第l技術方案的半導體基板制造方法，其特征在 于，該半導體基板制造方法包含準備基底基板的準備工序； 在上述基底基板上疊層至少2個多重層的疊層工序，該多重層 包含剝離層及半導體層；用于分離上述半導體層的分離工序。本發(fā)明的第2技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第l技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基礎上， 其特征在于，在上述分離工序中，使用化學溶液有選擇地對上 述剝離層進行蝕刻，分別使至少2個上述半導體層獨立。本發(fā)明的第3技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1或第2技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基 礎上，其特征在于，在上述疊層工序中，與大氣隔絕并連續(xù)地進行疊層。本發(fā)明的第4技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1或第2技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基 礎上，其特征在于，上述疊層工序在相同裝置內進行疊層。本發(fā)明的第5技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 ~第4技術方案中任 一 項所述的半導體基板制造方法的 特征的基礎上，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層為 化合物半導體的單晶體。本發(fā)明的第6技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 ~第5技術方案中任一項所述的半導體基板制造方法的 特征的基礎上，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層為 III族元素與氮的化合物。本發(fā)明的第7技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 ~第6技術方案中任一項所述的半導體基板制造方法的 特征的基礎上，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層由 相同材料形成。本發(fā)明的第8技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 ~第7技術方案中任一項所述的半導體基板制造方法的 特征的基礎上，其特征在于，上述剝離層具有金屬層及金屬氮 化物層中的至少一方。本發(fā)明的第9技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第8技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基礎上， 其特征在于，在上述疊層工序中，通過在上述半導體層的生長 反應爐內對上述金屬層進行氮化來形成上述金屬氮化物層。本發(fā)明的第IO技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 ~第9技術方案中任一項所述的半導體基板制造方法的 特征的基礎上，其特征在于，上述多重層在上述剝離層與上述半導體層之間包含緩沖層。本發(fā)明的第ll技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第1 0技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基礎上， 其特征在于，上述緩沖層為化合物半導體的單晶體。本發(fā)明的第12技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明 的第IO或第ll技術方案所述的半導體基板制造方法的特征的基礎上，其特征在于，上述緩沖層為為m族元素與氮的化合物。本發(fā)明的第13技術方案的半導體基板制造方法，在本發(fā)明的第10 ~第12技術方案中任一項所述的半導體基板制造方法的特征的基礎上，其特征在于，上述緩沖層及上述半導體層由 相同材料形成。釆用本發(fā)明，能提高生產(chǎn)能力。


圖l是表示以往的制造GaN基板方法的工序剖視圖。 圖2是表示以往的制造GaN基板方法的工序剖視圖。 圖3是表示以往的制造GaN基板方法的工序剖視圖。 圖4是表示本發(fā)明的課題的工序剖視圖。 圖5是表示本發(fā)明的課題的工序剖視圖。 圖6是表示本發(fā)明的課題的工序剖視圖。 圖7是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的工 序剖視圖。圖8是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的工 序剖視圖。圖9是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的工 序剖視圖。圖IO是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的圖ll是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的 工序剖視圖。圖12是通過圖7~圖ll所示的工序得到的試樣的截面SEM照片。圖13是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的 工序剖視圖。圖14是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的 工序剖視圖。圖15是表示本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法的 工序剖視圖。
具體實施方式
使用圖4~圖6詳細地說明本發(fā)明的課題。圖4~圖6是表示 本發(fā)明的課題的工序剖視圖。在以下的說明中，雖然以使用 GaN基底基板(基底基板)制造GaN基板(半導體基板)的方 法為例進行說明，但本發(fā)明也可適用于使用其他基底基板制造 其他半導體基板的方法。在此，其他基底基板，例如能由InN、 A1N、 InGaN、 AlGaN、 InAlN、 AlInGaN等氮化物、SiC、 Si等IV族系物質、A1203、 MgAl204、 LiGa204、 ZnO等氧化物、 或Fe、 Cr、 Mo、 Ta、 Nb、 Ti、 Cu等可氮化的金屬構成。其他 半導體基板，例如能由A1N、 InN、 AlGalnN等氮化物、或ZnO、 ZnMgO、 ZnCdO、 ZnMgCdO等氧化物構成。在圖4所示的工序中，準備GaN基底基板210作為基底基 板。在GaN基底基板210上形成剝離層(金屬緩沖層)220。剝 離層220例如能由Fe、 Cr、 Mo、 Ta、 Nb、 Ti、 Cu等可氮化的 金屬構成。并且，在剝離層220上，使GaN層(半導體層)230在大約 IOO(TC下生長。GaN層230例如能由GaN的單晶體構成。由此， 在GaN基底基板210上形成有包含剝離層220及GaN層230的 結構體200。另外，剝離層220也具有緩沖功能。在圖5所示的工序中，將GaN基底基板210及結構體200(將 GaN基底基板210及結構體200放入反應室內)從大約1000。C 降溫到室溫。在此，GaN基底基板210的熱膨脹系數(shù)與GaN層 230的熱膨脹系數(shù)大致相等。由此，在使GaN基底基板210及結 構體200從大約IOOO"C降溫到室溫時，在GaN基底基板210及 GaN層230上幾乎未作用由于熱膨脹率之差引起的熱應力，也 幾乎不會產(chǎn)生翹曲。在圖6所示的工序中，使用化學溶液有選擇地對剝離層220 進行蝕刻。由此，GaN層230與GaN基底基板210分離。即，使 GaN層230從GaN基底基板210獨立以制造GaN基板。此時， 在GaN層130上的內部應力呈大致均勻的狀態(tài)。由此，降低了 在GaN層130上產(chǎn)生裂紋的可能性。如上所述，在圖4~圖6所示的制造GaN基板的方法中，存 在由GaN基底基板210基板僅能制造1張GaN基板的傾向。由 此，存在制造GaN基板時的生產(chǎn)能力不足的傾向。接著，使用圖7 ~圖15說明本發(fā)明的實施方式的半導體基 板制造方法。圖7 ~圖ll及圖13 ~圖15是表示本發(fā)明的實施方 式的半導體基板制造方法的工序剖視圖。圖12是通過圖7~圖 ll所示的工序得到的試樣的截面SEM照片。在以下的說明中， 雖然以使用GaN基底基板(基底基板)制造GaN基板(半導體 基板)的方法為例進行說明，但本發(fā)明也可適用于使用其他基 底基板制造其他半導體基板的方法。在此，其他基底基板，例 如能由InN、 A1N、 InGaN、 AlGaN、 InAlN、 AlInGaN等氮化物、SiC、 Si等IV族系物質、A1203、 MgAl204、 LiGa204、 ZnO等氧化物、或Fe、 Cr、 Mo、 Ta、 Nb、 Ti、 Cu等可氮化的 金屬構成。其他半導體基板，例如能由A1N、 InN、 AlGalnN 等氮化物、或ZnO、 ZnMgO、 ZnCdO、 ZnMgCdO等氧化物構成。另夕卜，本發(fā)明以使用了 HVPE ( Hydride Vapor Phase Epitaxy)生長法的方法為例進行說明，但也可適用于使用了 MOCVD ( Metal— Organic Chemical Vaper Deposition )法、 MOVPE ( Metal—Organic Vapor Phase Epitaxy )法、MBE (Molecular Beam Epitaxy )法、溶解生長法等的方法。在圖7所示的工序中，準備GaN基底基板310作為基底基 板。GaN基底基^反310的厚度優(yōu)選為lOOiim ~ 500iim。另外，在本說明書中，所謂"多重層"的用語是指包含兩 層以上的層。在GaN基底基板310上，通過濺射(Sputter)法對剝離層 (金屬緩沖層)320a進行蒸鍍。剝離層320a為可氮化的金屬層。 剝離層320a例如能由Fe、 Cr、 Mo、 Ta、 Nb、 Ti、 Cu等可氮 化的金屬構成。剝離層320a的厚度優(yōu)選為15nm ~ 75nm的范圍。另外，也可以代替濺射法，而通過電子束蒸鍍法(E —beam evaporator )、 熱蒸鍍法(Thermal evaporator )、 或CVD 、 MOCVD、 MBE等結晶生長法來形成剝離層320a。在圖8所示的工序中，在基板溫度500 ~ 1000。C的范圍內， 在含氨的氳氣等的環(huán)境中，對剝離層320a的一部分(上層)進 行氮化。借助氨的強力還原作用，即使在剝離層320a的表面有 自然氧化膜，也能將該自然氧化膜還原、氮化。然后，剝離層 320a成為第l剝離層320和第2剝離層322。第l剝離層(金屬緩沖層)320是剝離層320a中的未被氮化的層，例如能由Fe、 Cr、 Mo、 Ta、 Nb、 Ti、 Cu等可氮化的金屬構成。第2剝離層(金 屬氮化物層)322是剝離層320a中的被氮化了的層，例如能由 Fe2N、 CrN、 MoN、 TaN、 NbN、 TiN、 CuN等金屬氮化物構 成。在此，第l剝離層320優(yōu)選為Cr。第2剝離層322優(yōu)選為CrN。
另外，第l剝離層320也具有緩沖功能。同樣地，第2剝離 層322也具有緩沖功能。另夕卜，在圖8所示的工序中，剝離層320a 也可以全部被氮化而成為第2剝離層322。在整個剝離層320a 被氮化而形成第2剝離層322的情況下，第2剝離層322的厚度優(yōu) 選為15 ~ 75nm的范圍。但是，第2剝離層322的厚度，根據(jù)氮 條件，也有時薄于剝離層320a的厚度。
用于在剝離層320a的表面上形成均勻的第2剝離層322的 工藝條件，主要由氨的流量、氮化溫度、及氮化時間決定。因 此，該工藝條件優(yōu)選為氨的流量l (1/min)、氮化溫度1000。C 以上、及氮化時間5分鐘以上。
在此，第2剝離層322在后述的圖9所示的工序中作為用于 形成GaN層(緩沖層332及GaN層330 )的核起作用。由此，圖 8所示的工序與圖9所示的工序優(yōu)選像后述那樣與大氣隔絕且 連續(xù)地進行。
在圖9所示的工序中，在第2剝離層322上，使緩沖層332 在大約600 ~ IOO(TC的溫度(低溫)下生長。具體地講，通過 反應管將HC1氣體供給到設于反應室上游側的Ga金屬原料箱 中。在Ga金屬原料箱中，HCl氣體與Ga發(fā)生化學反應，從而制 造GaCl氣體。通過反應管將該GaCl氣體從Ga金屬原料箱供給 到反應室。在反應室中，在第2剝離層322的表面附近，殘留有 包含在圖8的工序中使用了的氨的氳氣。并且，在反應室中， GaCl氣體與氨氣發(fā)生化學反應，在第2剝離層322上形成緩沖層332。緩沖層(GaN緩沖層)332例如能由GaN的單晶體、多 晶體或非結晶體構成。緩沖層332的厚度優(yōu)選為數(shù)十A 數(shù)十 iim。使緩沖層332生長的溫度優(yōu)選為800 ~ IIO(TC ，特別優(yōu)選 為90(TC附近。
在此，由于緩沖層332是由與后述的GaN層(半導體層) 330相同的材料(GaN)形成的，因此，容易使GaN層(半導 體層)330生長。
另外，緩沖層332也可以由與后述的GaN層(半導體層) 3 3 0不同的材料形成。例如，緩沖層3 3 2也可以由A1N 、 A1 x G a y N 、 InxGayN、 AlxGaylnzN的氮化物(分別為0〈x〈1、 0<y<l、 0<z<l)、或ZnO等氧化物形成。
在圖10所示的工序中，在緩沖層332上，使GaN層(半導 體層)330在100CTC以上的溫度(高溫)下生長。GaN層(GaN 厚膜)330,例如能由GaN的單晶體構成。具體的條件基本與 圖9所示的工序相同，但有以下兩點與之不同對Ga金屬原料 箱供給的HC1氣體的流量較多，反應室內的溫度較高。由此， GaN層330以高于圖9所示的工序的速度(例如，大約100jim/h 以上)生長。GaN層330的厚度優(yōu)選為100nm 500iim。使GaN 層330生長的溫度優(yōu)選為IOO(TC以上。結果，在GaN基底基板 310上形成包含第l剝離層320、第2剝離層322、緩沖層332及 GaN層330的多重層ML1。
Si、 Mg等的雜質，將其控制為n型或p型等的傳導型。
在圖ll所示的工序中，使GaN基底基板310及多重層ML1 (將GaN基底基板310及多重層ML1放入反應室內)從大約 IOOCTC降溫到室溫。在此，GaN基底基板310的熱膨脹系數(shù)與 GaN層330的熱膨脹系數(shù)大致相等。由此，在使GaN基底基板310及多重層ML1從大約1000。C降溫到室溫時，在GaN基底基 板310及GaN層330上幾乎未作用熱膨脹率之差引起的熱應力， 因而幾乎不會產(chǎn)生翹曲。
例如，通過與圖7~圖ll所示工序相同的工序，能得到圖 12的截面SEM照片上所示的多重層ML1。如圖12所示，GaN 基底基板310及GaN層330為平坦的形狀。由此，能推斷出在 GaN基底基板310及GaN層330上幾乎不會產(chǎn)生翹曲。
若將圖7~圖ll的工序與大氣隔絕且連續(xù)地反復進行，則 如圖13所示，在GaN基底基板310上形成多個多重層ML1 ~ ML3。由此，在GaN基底基板310上形成包含多個多重層ML1 ~ ML3的結構體300。
在此，圖7 ~圖ll的工序既可以在相同的裝置內進行，也 可以在不同的裝置內進行。在不同的裝置內進行時，各自的反 應室彼此之間由在與大氣隔絕的狀態(tài)下可進行輸送的機構連 接。
在圖14及圖15所示的工序中，使用化學溶液有選擇地同時 對多個第1剝離層320及多個第2剝離層322進行蝕刻。即，如圖 13所示，分別從側面對多個第l剝離層320及多個第2剝離層322
進行蝕刻。
在此，例如，在第l剝離層320由Cr形成時，腐蝕劑(化學 溶液)適用高氯酸(HC104)與第2硝酸鈰氨的混合水溶液。另 外，例如，在第l剝離層320由Cu形成時，腐蝕劑(化學溶液) 適用硝酸(HN03)水溶液?？赏ㄟ^溫度和濃度控制腐蝕劑(化 學溶液)的蝕刻速度。
如圖15所示，若多個第l剝離層320及多個第2剝離層322 被蝕刻，則GaN層330及緩沖層332的多個單位分別與GaN基底 基板310分離。即，使GaN層330及緩沖層332的多個單位從GaN基底基板310分別獨立，同時制造多個GaN基板SBl ~ SB3。此時，各GaN層330上的內部應力呈大致均勻的狀態(tài)。 由此，降低了在各GaN層330上產(chǎn)生裂紋的可能性。
在此，緩沖層332未被腐蝕劑(化學溶液)蝕刻，而成為 GaN基板SBl ~ SB3的一部分。
另外，在圖13所示的工序中，多個多重層ML1 ~ ML3與 GaN基底基板310，也可以由具有粘性的物質保持。并且，多 個第l剝離層320及多個第2剝離層322被蝕刻后，該具有粘性的 物質被溶化，從而也可以同時制造多個GaN基板SBl ~ SB3。 在該情況下，能穩(wěn)定地制造多個GaN基板SBl ~ SB3。
以上所述，在圖14及圖15所示的工序中，由于同時制造多 個GaN基板SBl ~ SB3,因此，能提高制造GaN基板SBl ~ SB3 時的生產(chǎn)能力。另外，由于與大氣隔絕且連續(xù)地反復進行圖7 圖ll的工序，因此，能節(jié)約真空吸引的時間、放氣(凈化)的 時間，能進一步提高制造GaN基板時的生產(chǎn)能力。并且，由于 同時制造多個GaN基板SBl ~ SB3,因此，能統(tǒng)一GaN基板 SB1 ~ SB3的制造條件，能降低GaN基板SBl ~ SB3的品質的 不均勻。
另外，也可以與大氣隔絕且連續(xù)地進行圖7 圖ll的工序 與圖14及圖15所示的工序。在該情況下，能節(jié)約更換試樣(批 量)的時間，能更加提高制造GaN基板時的生產(chǎn)能力。
另外，結構體(參照圖13所示的結構體300)所包含的多 重層的數(shù)量，并不限定于3個，也可以為2個以上的、3個以外 的數(shù)量。若增多結構體所包含的多重層的數(shù)量，則能更加提高 制造GaN基板時的生產(chǎn)能力。
實驗例
進行上述圖7 圖15所示的工序(本發(fā)明的實施方式的半導體基板制造方法)，同時制成了 3張GaN基板SBl ~ SB3。從 投入試樣之后到輸出GaN基板SBl ~ SB3的時間為26個小時。
另一方面，在進行了圖7~圖ll所示的工序之后，在與圖 13相同的條件下，對圖ll所示那樣的單 一的第l剝離層320及單 一的第2剝離層322進行蝕刻，使GaN層330及緩沖層332的單 一單位從GaN基底基板310獨立，分別制造出GaN基板SBl ~ SB3。從投入試樣之后到輸出GaN基板SBl ~ SB3的時間為52 個小時。
這樣，同時制作3張半導體基板的情況與分別制作3張半導 體基板的情況相比，生產(chǎn)能力大約提高到原來的2倍。
權利要求
1.一種半導體基板制造方法，其特征在于，該半導體基板制造方法包含準備工序，其準備基底基板；疊層工序，其在上述基底基板上疊層至少2個包含剝離層及半導體層的多重層；分離工序，其分離上述半導體層。
2. 根據(jù)權利要求l所述的半導體基板制造方法，其特征在 于，在上述分離工序中，使用化學溶液有選擇地對上述剝離層 進行蝕刻后，使至少2個上述半導體層分別獨立。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的半導體基板制造方法，其特征 在于，在上述疊層工序中，與大氣隔絕且連續(xù)地進行疊層。
4. 根據(jù)權利要求l或2所述的半導體基板制造方法，其特征 在于，在上述疊層工序中，在相同的裝置內進行疊層。
5. 根據(jù)權利要求l ~ 4中任一項所述的半導體基板制造方 法，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層為化合物半導 體的單晶體。
6. 根據(jù)權利要求l ~ 5中任一項所述的半導體基板制造方 法，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層為III族元素與 氮的化合物。
7. 根據(jù)權利要求l ~ 6中任一項所述的半導體基板制造方 法，其特征在于，上述基底基板及上述半導體層由相同的材料形成。
8. 根據(jù)權利要求l ~ 7中任一項所述的半導體基板制造方 法，其特征在于，上述剝離層具有金屬層及金屬氮化物層的至 少 一 方。
9. 根據(jù)權利要求8所述的半導體基板制造方法，其特征在 于，在上述疊層工序中，通過在上述半導體層的生長反應爐內對上述金屬層進行氮化來形成上述金屬氮化物層。
10. 根據(jù)權利要求l ~ 9中任一項所述的半導體基板制造 方法，其特征在于，上述多重層在上述剝離層與上述半導體層之間包含緩沖層。
11. 根據(jù)權利要求10所述的半導體基板制造方法，其特征 在于，上述緩沖層為化合物半導體的單晶體。
12. 根據(jù)權利要求10或11所述的半導體基板制造方法，其特征在于，上述緩沖層為in族元素與氮的化合物。
13. 根據(jù)權利要求10 12中任一項所述的半導體基板制 造方法，其特征在于，由相同的材料形成上述緩沖層及上述半 導體層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體基板制造方法，本發(fā)明的第1技術方案的半導體基板制造方法，其特征在于，該半導體基板制造方法包含準備基底基板的準備工序；在上述基底基板上疊層至少2層多重層的疊層工序，該多重層包含剝離層及半導體層；分離上述半導體層的分離工序。
文檔編號H01L29/812GK101248221SQ20068003087
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月24日 優(yōu)先權日2005年8月25日
發(fā)明者八百隆文, 曹明煥 申請人:東北技術使者株式會社