JP5091920B2 - Manufacturing method of semiconductor wafer - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板の表面に単結晶半導体層を結晶成長させる半導体ウエハの製造方法に関する。 The present invention relates to single crystal semiconductor layer on the surface of the semiconductor substrate in the manufacture how the semiconductor wafer to crystal growth.
従来、半導体結晶成長技術は、多くの場合、格子定数の整合性を基本とし、そこを出発
点として分子線エピタキシ (MBE:Molecular Beam Epitaxy)や有機金属化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)などの非平衡エピタキシャル法を用いて格子不整合系の結晶成長技術を発展させてきた。例えば、特許文献1では、サファイア基板の表面に、アモルファス窒化層/GaNバッファ層からなる積層物を形成した後、結晶窒化物系半導体層を結晶成長させた窒化物系半導体デバイスが開示されている。
Conventionally, semiconductor crystal growth technology is often based on the consistency of lattice constants, which is used as a starting point for molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). We have developed crystal growth technology of lattice mismatch system using non-equilibrium epitaxial methods such as Deposition). For example, Patent Document 1 discloses a nitride-based semiconductor device in which a laminate composed of an amorphous nitride layer / GaN buffer layer is formed on the surface of a sapphire substrate and then a crystal nitride-based semiconductor layer is crystal-grown. .
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、窒化物系半導体の格子定数は、サファイア基板の格子定数と約10%以上の格子不整合がある。また、下地との共有結合を維持しながらの結晶成長は、格子不整合系の場合、界面に多くの結晶欠陥を発生させてしまうのが一般的であり、成長した結晶薄膜の結晶性の向上には限界が存在している。 However, in the technique described in Patent Document 1, the lattice constant of the nitride-based semiconductor has a lattice mismatch of about 10% or more with the lattice constant of the sapphire substrate. In addition, crystal growth while maintaining a covalent bond with the base generally causes many crystal defects at the interface in the case of a lattice mismatch system, which improves the crystallinity of the grown crystal thin film. There is a limit.
一方、高品質で大口径の窒化物半導体基板はいまだ開発途上にあり、格子不整合系基板
でありながら、大口径で、さらに品質が高い単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する技術が強く望まれていた。
On the other hand, high-quality and large-diameter nitride semiconductor substrates are still under development, and the technology to realize crystal growth of single-crystal nitride semiconductors with large-diameter and higher quality is strong despite being a lattice mismatched substrate. It was desired.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、格子不整合系基板を使用しながら、結晶欠陥が少ない高品質な単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する半導体ウエハの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve such problems. A semiconductor wafer that achieves crystal growth of a high-quality single crystal nitride semiconductor with few crystal defects while using a lattice-mismatched substrate. an object of the present invention is to provide a manufacturing how.
前記目的を達成するために、本発明の半導体ウエハの製造方法は、第1の基板(101)の表面にグラフェン層(110)が設けられる工程と、前記グラフェン層を前記第1の基板から剥離し、この剥離したグラフェン層を第2の基板に分子間力で接合する工程と、前記第2の基板上の前記グラフェン層(110)の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に、単結晶半導体層(114)の結晶を構成する一の元素が吸着する工程と、前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素が結合し、前記単結晶半導体層(114)の第1層が形成される工程と、前記第1層の表面に続けて前記単結晶半導体層(114)が結晶成長される工程とを備えることを特徴とする。但し、括弧内の数字は、例示である。 In order to achieve the above object, a semiconductor wafer manufacturing method of the present invention includes a step of providing a graphene layer (110) on a surface of a first substrate (101), and peeling the graphene layer from the first substrate. Then, a single crystal is formed at the center of the honeycomb structure showing the step of bonding the peeled graphene layer to the second substrate by intermolecular force and the arrangement of carbon atoms of the graphene layer (110) on the second substrate. The step of adsorbing one element constituting the crystal of the semiconductor layer (114) and another element different from the one element constituting the crystal are bonded to the one element, and the single crystal semiconductor layer (114 ) And a step of crystal-growing the single crystal semiconductor layer (114) on the surface of the first layer. However, the numbers in parentheses are examples.
なお、基板(101)の表面に単結晶半導体層(114)を結晶成長させた半導体ウエハ(400)において、前記基板(101)と、前記基板(101)の表面に設けたグラフェン層(110)と、前記グラフェン層の表面に結晶成長させた単結晶半導体層(114)とを備え、前記単結晶半導体層(114)は、前記グラフェン層(110)の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に前記単結晶半導体層(114)の結晶を構成する一の元素を吸着し、前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素を結合することもできる。但し、括弧内の数字は、例示である。 In the semiconductor wafer in which a single crystal semiconductor layer (114) grown crystal on the surface of the base plate (101) (400), wherein the substrate (101), the graphene layer provided on the surface of the substrate (101) (110 ) And a single crystal semiconductor layer (114) crystal-grown on the surface of the graphene layer, and the single crystal semiconductor layer (114) has a honeycomb structure showing an arrangement of carbon atoms of the graphene layer (110). One element constituting the crystal of the single crystal semiconductor layer (114) can be adsorbed at the center, and another element different from the one element constituting the crystal can be bonded to the one element. However, the numbers in parentheses are examples.
本発明によれば、格子不整合系基板を使用しながら、結晶欠陥が少ない高品質な単結晶窒化物半導体の結晶成長を実現する半導体ウエハの製造方法を提供することが可能である。 According to the present invention, while using the lattice-mismatched substrate, it is possible to provide a manufacturing how the semiconductor wafer to achieve the crystal growth of the crystal defects is less high quality single crystal nitride semiconductor.
本発明に係る半導体ウエハの製造方法について、図1乃至図5を参照して、第1の実施形態乃至第2の実施形態を説明する。なお、これらの図は、本発明の実施形態を概略的に示したものであり、各構成部分の形状や寸法の関係等は、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。また、実施形態を説明するにあたり、同様な構成又は機能を示す部位については、同様の符号を付し、その説明の重複を省略することもある。 For the production how a semiconductor wafer according to the present invention, with reference to FIGS, illustrating a first embodiment to the second embodiment. These drawings schematically show the embodiment of the present invention, and the relationship between the shape and size of each component does not limit the technical scope of the present invention. Moreover, in describing the embodiment, portions having similar configurations or functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.
(第1の実施形態)
図1乃至図4は、本発明の第1の実施形態を説明するための図である。以下、これらの図を参照しながら本実施形態を説明する。
(First embodiment)
1 to 4 are diagrams for explaining a first embodiment of the present invention. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to these drawings.
図1(a)乃至図1(b)は、SiC基板の表面にエピタキシャルグラフェン層を形成した具体例を示す図である。 FIG. 1A to FIG. 1B are diagrams showing specific examples in which an epitaxial graphene layer is formed on the surface of a SiC substrate.
図1(a)は、エピタキシャルグラフェン層110をSiC基板101の表面に形成したグラフェン層成長基板200の構成図である。グラフェン層成長基板200は、SiC基板101の表面に高温水素エッチング処理と真空での高温加熱とによりエピタキシャルグラフェン層110を形成して作製する(例えば、特開2009−62247号公報参照)。エピタキシャルグラフェン層110は、例えば、3層のグラフェン層111a、111b、111cから構成されている。このグラフェン層は、3層で構成される必要はなく任意の層数が可能である。
FIG. 1A is a configuration diagram of a graphene
図1(b)は、エピタキシャルグラフェン層110の構造図であり、3層のグラフェン層111a、111b、111cが積層されて形成され、層間は共有結合することなく、ファンデルワールス力等の弱い力で物理結合している。グラフェン層111aを構成する炭素原子Cは、平面内に配置され、同一平面内の炭素原子同士が共有結合によって結合されるハニカム構造を有し、異なるグラフェン層111bとは、お互いに分子間力によって物理結合されている。したがって、シート状のグラフェン層111aを基板から剥離・転写することによって、グラフェン層111aをSiC基板101の表面に備えたグラフェン基板100を作製することができる。
FIG. 1B is a structural diagram of the epitaxial graphene layer 110, which is formed by stacking three
次に、図2乃至図4を用いて、グラフェン基板100及びこのグラフェン基板100を用いた単結晶窒化物半導体ウエハの作製工程を説明する。図2(a)乃至図2(e)は、グラフェン基板100の製造工程を説明する図である。図3は、グラフェン基板100の表面に窒化物半導体層114を形成した単結晶窒化物半導体ウエハ300の構成図である。図4は、グラフェン基板100及びこのグラフェン基板100を用いた単結晶窒化物半導体ウエハ300の作製工程を示すフローチャートである。
Next, a manufacturing process of the
まず、SIC基板101の表面にエピタキシャルグラフェン層110を形成し、グラフェン層成長基板200を用意する(S1)。次に、図2(a)に示すように、SiC基板101の表面に形成したエピタキシャルグラフェン層110から1層のグラフェン層111aを剥離するための接着層として、エピタキシャルグラフェン層110の表面に、グラフェン層110表面から内部に拡散しやすい金属接着層120を形成する(S2)。金属接着層120として例えばチタンTi層を真空蒸着法によってウエハ全面に形成する。これにより、グラフェン層111aにチタンTi層120のTiが拡散することによってグラフェン層111aとチタンTi層120とがアンカー効果などの接着効果によって強固に接合されるため、グラフェン層111a、111b、111c同士が結合する分子間力より強い接合力を有することになる。
First, the epitaxial graphene layer 110 is formed on the surface of the
次に、図2(b)に示すように、金属接着層120の表面には、金属接着層120の表面と高い密着性を確保する支持体接着層122を形成し、支持体接着層122の表面に、SiC基板101からグラフェン層111aを剥離・支持するための支持体124を接着する(S3)。次に、図2(c)に示すように、支持体124とSiC基板101との間を、少なくともグラフェン層111相互間の分子間力よりも大きな張力Fで引っ張り(S4)、グラフェン層111aと、111bとの間で剥離する。
なお、図2(c)では、金属接着層120にグラフェン層111aが付いた状態で剥離するものとしたが、複数のグラフェン層、例えば、グラフェン層111a及び111bが金属接着層120に付いた状態で剥離させるものとしてもよい。
Next, as shown in FIG. 2B, a support
In FIG. 2C, the metal
SiC基板101は、正四面体の結晶構造を有するが、2層を一周期として積層すると六方晶系の対称性を有する面が存在する。このため、SiC基板101は、六角形の対称性を有する点でグラフェン層111cと類似するが、単層の接合面では、六角形の対称性を有することはない。したがって、SiC基板101とグラフェン層111cとの間は共有結合し、ポテンシャルの規則性による弱い結合だけでなく、結合手による強い結合力を有する。すなわち、グラフェン層111a、111b、111cの相互間は結合が弱く、SiC基板101とグラフェン層111cとの間は結合が強い。
The
次に、図2(d)に示すように、別の基板130の表面に接合層132を形成し、接合層132の表面にグラフェン層111aを直接加圧・密着させ接合し固定する(S5)。別の基板130の表面とグラフェン層111a表面との間は分子間力によって接合される。接合層132は、良好な接合状態を実現するための層である。ここで良好な接合状態とは、接合面内で接合強度が均一であり、接合界面にヴォイドの発生や、接合した場合に、接合面同士にクラックの発生が無いことを意味している。別の基板130は、例えば、Si基板とし、接合層132はSiO2層とすることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, a
次に、図2(e)に示すように、グラフェン層111aの表面から金属接着層120、支持体接着層122及び支持体124を除去する(S6)。金属接着層120を、沸酸等の酸を使って化学的にエッチング除去することにより、金属接着層120、支持体接着層122及び支持体124を除去する。このようにして、別の基板130の表面にグラフェン層111aを備えたグラフェン基板100が完成する(S7)。次に、図3に示すように、グラフェン基板100の表面に単結晶の窒化物半導体層114を成長させて単結晶窒化物半導体ウエハ300が完成する(S8)。これにより、別の基板130の表面に形成した接合層132とグラフェン層111aとの間、あるいは、グラフェン層111aと窒化物半導体層114との間は、分子間力によって接合される。
Next, as shown in FIG. 2E, the
分子間力で接合する場合、窒化物半導体層114、又はグラフェン層111aの表面は、少なくともナノメータオーダの平坦性を備えていることが好ましい。ここで、ナノメータオーダの平坦性とは、分子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で測定した表面粗さ(山−谷の最大高低差:Rrv)が1桁の数値のナノメートルであること、すなわち、Rrvが10nmより小さい値であることを意味する。より好ましくは、別の基板130の表面に形成する接合層の表面のRrvは、3nm以下であることが好ましい。
In the case of bonding by intermolecular force, it is preferable that the surface of the
別の基板130は、例えば、Si基板、AlN基板などのセラミックス基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板が好適である。また、別の基板130の表面に形成する接合層132は、例えば、SiO2、SiN、SiON、PSG、BSG、SOG、金属、有機物から選択される材料である。そして、この接合層132は、プラズマCVD法、CVD法、スパッタ法等によって形成することができる。
なお、前記接合は、分子間力による接合の他、接合界面を介した原子の拡散、化合物形成などによる接合であってもよい。
Another
The bonding may be bonding by intermolecular force, atom diffusion through a bonding interface, compound formation, or the like.
ここでは、窒化物半導体層114として、窒化ガリウムGaN薄膜の結晶成長を具体例として説明する。グラフェン基板100をMBE装置やMOCVD装置などの結晶成長装置内に設置し、グラフェン基板100を加熱して、ガリウム(Ga)及び活性窒素を供給する。なお、活性窒素は、電子サイクロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)や高周波励起のラジカル源により供給される。
Here, crystal growth of a gallium nitride GaN thin film as the
窒化物半導体層114、特に、窒化ガリウムGaNは、六角柱状の結晶構造を持ち、端面の窒素Nの原子同士が六角形状に平面的に結合している。また、グラフェン層111aは、炭素Cが六角形状に平面的に結合している(図1(b))。炭素Cの原子間に窒素Nの六角形が配置され、窒化物半導体層114とグラフェン層111aとの間は、共有結合することなく、表面のポテンシャルの規則性のみを用いて物理結合する。ガリウムGaはグラフェン層111aとの間に共有結合を持たないため、格子不整合による結晶欠陥は生じにくい。そして、さらに、第1層目の窒化ガリウムGaNの表面に第2層目、第3層目、・・・と窒化ガリウムGaNを成長させることによって所定の層数の単結晶窒化ガリウム層が形成できる。
前記第1層目の窒化ガリウムGaN層には、グラフェン層111aとの格子不整合に伴う結晶欠陥が発生しにくいため、窒化ガリウムGaN層は結晶欠陥が少なく極めて高品質な単結晶半導体層となる。例えば、大口径Si基板の表面に結晶欠陥が少ない高品質の単結晶窒化ガリウム層を備えた半導体ウエハが得られる。
Since the first gallium nitride GaN layer is unlikely to have crystal defects due to lattice mismatch with the
本発明の第1の実施形態によれば、別の基板130の表面にグラフェン層111aを分子間力接合したグラフェン基板100の表面に単結晶の窒化物半導体層114を結晶成長するため、以下の効果を奏する。
(1)共有結合を持たず、グラフェン層111aと窒化物半導体層114との特有の表面ポテンシャルの規則性のみを結晶成長に用いるため、界面の格子不整合による結晶欠陥の生成が無い。
(2)別の基板130として、例えばSi基板のような安価で大口径な基板を使用することができるため、安価で大口径の単結晶窒化物半導体層成長ウエハが得られる。
(3)別の基板130として幅広い選択肢から選択することが可能であり、用途に最適な基板を選択することができる。
According to the first embodiment of the present invention, the single crystal
(1) Since there is no covalent bond and only regular surface potential regularity between the
(2) As another
(3) It is possible to select from a wide range of options as another
(変形例)
第1の実施形態では、グラフェン層111aの表面に窒化ガリウムGaN層を形成する形態を具体例にあげて説明したが、窒化ガリウムGaN以外の窒化物半導体層114の結晶成長にも適用できる。GaN以外の窒化物半導体層としては、AlXGa1−XN(1≧x≧0)、InXGa1−XN(1≧x≧0)、AlXIn1−XN(1≧x≧0)などがある。
(Modification)
In the first embodiment, the embodiment in which the gallium nitride GaN layer is formed on the surface of the
さらに、本実施形態では、共有結合を持たず、グラフェン層111aの持つ特有の表面ポテンシャルの規則性のみを結晶成長に用いるため、グラフェン層111aの表面の結晶成長の手法を格子不整合系における高品質半導体結晶成長方法として、窒化物半導体以外の半導体層、例えばIII−V族、II−VI族、IV−IV族化合物半導体材料の結晶成長に適用することができる。
Furthermore, in this embodiment, since only regular surface potential regularity possessed by the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第2の実施形態では、グラフェン層を成長した基板を用いて単結晶半導体層の結晶成長を行う点にある。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that the single crystal semiconductor layer is grown using a substrate on which a graphene layer is grown in the second embodiment.
以下、図5を参照しながら第2の実施形態について説明する。図5(a)は、グラフェン層成長基板200を示す図である。図5(a)に示すように、SiC基板101の表面に、第1の実施形態で説明した方法によりエピタキシャルグラフェン層110を形成し、エピタキシャルグラフェン層110を成長させたグラフェン層成長基板200を作製する。エピタキシャルグラフェン層110は3つの層(111a、111b、111c)から構成される。
Hereinafter, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a view showing a graphene
次に、グラフェン層成長基板200を結晶成長室内に設置し、MBE法やMOCVD法等によって、窒化ガリウムGaNを成長させる。ガリウムGaと活性窒素を導入し、グラフェン層の炭素原子の原子構造を示すハニカム構造の中心にガリウムGaを吸着させ、6回対称の第1層が形成する。そこに活性窒素を結合させ、六方晶系の窒化ガリウムGaN(h−GaN)の第1層目を形成する。なお、活性窒素は、電子サイクロン共鳴や高周波励起のラジカル源により供給される。さらに順次、窒化ガリウムGaNの2層目、3層目、・・・と、以下、所定の層数(層厚)になるように窒化ガリウム単結晶半導体層を成長させる。
Next, the graphene
図5(b)は、グラフェン層成長基板200の表面に窒化物半導体層114を形成した半導体ウエハ400を示す図である。窒化物半導体層は、例えば、AlXGal−XN(1≧x≧0)、AlXIn1−XN(1≧x≧0)、InXGa1−XN(1≧x≧0)から選択される一つ又は複数の材料から構成される半導体層である。その他、窒素を含む化合物半導体材料を備えていてもよい。
FIG. 5B is a diagram illustrating a semiconductor wafer 400 in which a
本発明の第2の実施形態によれば、第1の実施形態と比較して使用する基板は制約されるが、グラフェン層111aを別の基板130へ転写することが不要な点で、より簡単に格子不整合系ではあるが、SiC基板101とグラフェン層110とが分子間力で結合された結晶欠陥がない高品質な単結晶半導体層の結晶成長が可能となる。
According to the second embodiment of the present invention, the substrate to be used is limited compared to the first embodiment, but it is simpler in that it is not necessary to transfer the
(変形例)
第2の実施形態では、SiC基板101を使用したが、SiC基板101に代えてSi基板を使ってSi基板の表面にエピタキシャルグラフェン層110を形成し、このエピタキシャルグラフェン層110の表面に前記半導体層の結晶成長を行ってもよい。
(Modification)
Although the
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は、前記説明した実施形態の範囲に限らず、特許請求の範囲に記載した各請求項の技術的範囲に及ぶものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the scope of the embodiments described above, but extends to the technical scope of each claim described in the claims.
100 グラフェン基板
101 SiC基板
110 エピタキシャルグラフェン層
111、111a、111b、111c グラフェン層
114 窒化物半導体層
120 金属接着層
122 支持体接着層
124 支持体
130 別の基板
132 接合層
200 グラフェン層成長基板
300 単結晶窒化物半導体ウエハ
400 単結晶窒化物半導体ウエハ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記グラフェン層を前記第1の基板から剥離し、この剥離したグラフェン層を第2の基板に分子間力で接合する工程と、
前記第2の基板上の前記グラフェン層の炭素原子の配列を示すハニカム構造の中心に、単結晶半導体層の結晶を構成する一の元素が吸着する工程と、
前記一の元素に前記結晶を構成するこの一の元素とは異なる他の元素が結合し、前記単結晶半導体層の第1層が形成される工程と、
前記第1層の表面に続けて前記単結晶半導体層が結晶成長される工程とを備える
ことを特徴とする半導体ウエハの製造方法。 A step of providing a graphene layer on the surface of the first substrate;
Peeling the graphene layer from the first substrate and bonding the peeled graphene layer to the second substrate by intermolecular force;
A step of adsorbing one element constituting the crystal of the single crystal semiconductor layer to the center of the honeycomb structure showing the arrangement of carbon atoms of the graphene layer on the second substrate;
A step in which another element different from the one element constituting the crystal is bonded to the one element to form a first layer of the single crystal semiconductor layer;
And a step of crystal-growing the single crystal semiconductor layer on the surface of the first layer.
In、Ga及びAlから選択される元素を少なくとも1つ含む窒化物半導体層である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体ウエハの製造方法。 The single crystal semiconductor layer includes:
The method for producing a semiconductor wafer according to claim 1, wherein the semiconductor wafer is a nitride semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, and Al.
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