GaN晶體襯底及其製造方法

2023-12-04 15:01:26 2

專利名稱：GaN晶體襯底及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件如發光元件、電子元件或半導體傳感器中使用的GaN 晶體襯底、該製造GaN晶體的方法以及製造半導體器件的方法，其中該GaN晶體襯底被選作襯底。
背景技術：
GaN晶體襯底對於半導體器件如發光元件、電子元件或半導體傳感器的襯底是非常有用的。這種GaN晶體襯底通過將由汽相處延如HVPE (氫化物汽相處延)或MOVPE (金屬有機汽相處延)生長的GaN晶體切割為預定形狀的襯底並磨削(grind)、研磨(lap)和/ 或刻蝕其主表面來形成。為了通過在晶體生長表面上形成具有良好結晶性(意味著晶體中的原子排列有序；下面相同)的至少一個半導體層，該晶體生長表面是GaN晶體襯底的一個主表面，獲得具有優異性能的半導體器件，提出了在晶體生長表面上形成具有減小的翹曲(warpage)和表面粗糙度的GaN晶體襯底(例如參見日本專利特開號2000-012900 (專利文獻1))。即使當GaN晶體襯底的晶體生長表面具有減小的翹曲和表面粗糙度，但是，如果 GaN晶體襯底的後表面(意味著另一主表面，亦即，與晶體生長表面相對的表面；下面相同) 具有大的翹曲，當在襯底的晶體生長表面上形成半導體層時，這將導致襯底的背表面和基座(意味著在其上布置襯底的工作檯；下面相同)之間形成的間隙部分增加。結果，從基座到襯底傳遞的熱量被不勻地分布，以及在襯底的晶體生長表面上不能均勻地和穩定地形成半導體層。因而，有在襯底的晶體生長表面上不能形成具有良好結晶性的半導體層的問題， 因此不能獲得具有優異性能的半導體器件。此外，儘管GaN晶體襯底的後表面通常具有大於晶體生長表面的表面粗糙度，但是當該後表面具有極其大的表面粗糙度時，發生如上所述的相同問題。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種GaN晶體襯底，具有減小翹曲的後表面，以及允許在其晶體生長表面上形成具有良好結晶性的半導體層，提供一種製造該GaN晶體襯底的方法以及製造半導體器件的方法。本發明是一種具有晶體生長表面和與該晶體生長表面相對的後表面的GaN晶體襯底，後表面具有滿足-SOymSWao ^ 50 μ m的翹曲Wao。在根據本發明的GaN晶體襯底中，後表面可以具有滿足Raao ^ 10 μ m的表面粗糙度Raao。此外，後表面可以具有滿足Ryao < 75 μ m的表面粗糙度Ryao。此外，晶體生長表面可以具有滿足-50 μ m彡ff(c)彡50 μ m的翹曲Wfc)，滿足Rafc)彡IOnm的表面粗糙度R(c)，以及滿足Ry(c) ( 60nm的表面粗糙度Ryfc)。
此外，本發明是上述製造GaN晶體襯底的方法，包括從生長的GaN晶體當中切割 GaN晶體襯底，並處理該GaN晶體襯底的後表面的步驟，其中處理該GaN晶體襯底的後表面的步驟包括磨削該後表面、研磨該後表面以及刻蝕該後表面的至少一個步驟。
此外，本發明是一種製造半導體器件的方法，包括準備上述GaN晶體襯底作為襯底，以及在該GaN晶體襯底的晶體生長表面的側面上生長至少一個III族氮化物晶體層的步驟。
根據本發明，可以提供一種GaN晶體襯底，具有減小翹曲的後表面和允許在其晶體生長表面上形成的半導體層具有良好的結晶性，提供一種製造該GaN晶體襯底的方法以及製造半導體器件的方法。
從本發明的以下詳細描述，同時結合附圖，將使本發明的上述及其他目的、特點、 方面和優點變得更明顯。


圖IA和IB示出了根據本發明的GaN晶體襯底後表面的翹曲的示意性剖面圖。
圖2是說明測量根據本發明的GaN晶體襯底後表面的翹曲的方法流程圖。
圖3是測量根據本發明的GaN晶體襯底後表面的翹曲的方法中使用的測量設備的示意性視圖。
圖4示出了測量根據本發明的GaN晶體襯底後表面的翹曲的方法中的多個測量點的示意性平面圖。
圖5示出了多個測量點的排列的示意性視圖。
圖6A是用於8-相鄰高斯濾波器的中心的示意性視圖，說明用作係數的高斯函數 f(x，y)被排列的位置。
圖6B是用於8-相鄰高斯濾波器的中心的示意性視圖，說明在歸一化之前具有ο =5的係數的排列。
圖6C是用於8-相鄰高斯濾波器的中心的示意性視圖，說明在歸一化之後具有ο =5的係數的排列。
圖7Α和7Β示出了測量根據本發明的GaN晶體襯底後表面的翹曲方法中的翹曲計算步驟的示意性視圖。
圖8示出了根據本發明的GaN晶體襯底的製造方法的示意性剖面圖。
圖9示出了根據本發明的半導體器件的製造方法的示意性剖面圖。
圖10示出了 GaN晶體襯底後表面的翹曲和半導體器件的成品率之間的關係視圖。
具體實施方式
第一實施例
參考圖IA和1Β，在根據本發明的GaN晶體襯底的實施例中，與晶體生長表面IOc 相對的後表面IOr具有滿足-50 μ m彡ff(E) ^ 50 μ m的翹曲Wao，導致後表面IOr如圖IA所示凹入地彎曲的翹曲用正的(+)符號表示，以及導致後表面IOr如圖IB所示中凸地彎曲的翹曲用負的(_)符號表示。翹曲Wao被定義為後表面IOr的最凸起部分的位移值zp和最凹入部分的位移值zv之間的高度差。參考圖IA和1B，如果後表面IOr的翹曲W00滿足Wao 50 μ m， 那麼GaN晶體襯底10和基座9之間形成的間隙部分9s增加。當在GaN晶體襯底10的晶體生長表面IOc上生長至少一個III族氮化物晶體層20作為半導體層時，這導致從基座9 至GaN晶體襯底10傳遞的熱量不均勻分布。結果，半導體層20不能均勻地和穩定地生長， 使之難以製造均勻地形成並具有優異性能的半導體器件。鑑於上面的情況，更優選後表面IOr具有滿足-；35 μ m彡ff(E) ^ 45 μ m的S曲W00。 當後表面IOr的翹曲用正的⑴符號表示時，後表面IOr和基座9的表面之間形成的間隙部分9s是圖IA所示的封閉空間。另一方面，當後表面IOr的翹曲用負的㈠符號表示時， 後表面IOr和基座9的表面之間形成的間隙部分9s是如圖IB所示的開口空間。因此，當在襯底10的晶體生長表面IOc上形成半導體層20時，翹曲用正的(+)符號表示時的襯底中的熱量分布小於翹曲用負的(_)符號表示時襯底中的熱量分布。可以預期翹曲的優選範圍在正的(+)側面上比在負的(_)側面上更大。由於襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr通常具有高表面粗糙度，通過下述準確地測量後表面IOr的翹曲的方法，測量襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr的翹曲。參考圖2，該測量方法是使用雷射位移量測計測量與襯底的晶體生長表面相對的後表面翹曲，以及襯底被布置在襯底支撐臺上的方法。該方法包括使用雷射位移量測計，探測分別對應於襯底的後表面上的多個測量點的多個位移值的襯底探測步驟S 1 ；除去多個位移值中包含的噪聲的噪聲去除步驟S2 ；通過從多個位移值除去分別對應於襯底的外周邊部分中的測量點的那些位移值，用於計算用於計算的多個位移值的外周邊部分去除步驟S3 ；使用於計算的多個位移值平滑，以計算翹曲表面的平滑步驟S4 ；計算到翹曲面具有最小距離的最好配合面的最好配合面計算步驟S5 ；以及，計算在相對於最好配合面的一側上從最好配合面到由翹曲面的最大位移值表示的點的距離與在相對於最佳符合面的另一側上從最佳配合面到由翹曲面的最大位移值表示的點的距離總和作為翹曲的翹曲計算步驟S6。禾Ij用如上所述的測量方法，即使襯底具有有高表面粗糙度的後表面(例如，具有不少於50nm的表面粗糙度Ra)，也可以測量襯底的後表面的翹曲。應當注意，表面粗糙度Ra是通過在其平均線的方向中從粗糙度曲線採樣具有參考長度的部分，累積從採樣部分的平均線至測量曲線的偏差的絕對值，並計算參考長度的平均值而獲得的值。此外，在圖2中，用實線框圍繞的步驟是不可缺少的步驟，以及用虛線框圍繞的步驟是任意的步驟。轉向圖3，雷射位移量測計15是通過在襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上施加雷射束31來測量襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr的位移量的設備。對於雷射器的類型沒有特別的限制，例如使用具有670nm波長的紅色半導體雷射器。對於測量技術沒有特別的限制，例如使用雷射聚焦技術。儘管採用雷射聚焦技術的雷射位移量測計與採用光學幹涉量度法的平面測試器相比，具有較低的準確性，但是它可以測量具有不少於50nm的表面粗糙度Ra的粗糙後表面。此外，與採用光學幹涉量度法的平面測試器不同，採用雷射聚焦技術的雷射位移量測計可以獲得反射光束31r，因此它可以分析並處理位移值。參考圖3和4，在襯底支撐臺12上布置襯底(GaN晶體襯底10)。儘管對於怎樣在襯底支撐臺12上布置襯底(GaN晶體襯底10)沒有特別的限制，但是襯底(GaN晶體襯底10) 優選被布置在具有三個支撐部分12h的襯底支撐臺12上，以便襯底(GaN晶體襯底10)的晶體生長表面IOc被三個支撐部分1 支撐。僅僅由三個支撐部分1 支撐襯底(GaN晶體襯底10)的晶體生長表面IOc的外周邊部分可以使翹曲測量過程中對晶體生長表面IOc 的損壞最小化。此外，即使當被上面的三個部分支撐時，襯底(GaN晶體襯底10)傾斜，同時通過計算到翹曲面(意味著表示後表面翹曲的彎曲表面；下面相同)具有最小距離的最佳配合面，可以補償襯底(GaN晶體襯底10)的傾斜，並計算從最佳配合面至翹曲面的距離。
參考圖2至4，儘管對於襯底探測步驟Sl沒有特別的限制，但是可以通過以漸進的方式在二維方向上(意味著圖4中的X方向和Y方向；下面相同)移動襯底(GaN晶體襯底10)的同時，測量雷射位移量測計15和襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr之間的距離L，從而執行該步驟。二維方向上的襯底(GaN晶體襯底10)的逐漸移動，可以以逐漸的方式在二維方向上移動耦合襯底支撐臺12的驅動部分13到驅動單元14，來執行。驅動單元 14被位置控制單元16控制。
在此情況下，在襯底後表面上的多個測量點當中用雷射束31照射的測量點 IOOp (任意規定的測量點)的二維方向上的位置數據經由位置控制單元16被收集到數據分析單元18。這裡，圖3中的箭頭32表示其中位置數據被傳送的方向。
儘管對於怎樣測量距離L沒有特別的限制，但是它可以，例如，通過雷射聚焦技術來測量。下面將描述雷射聚焦技術。從雷射位移量測計15中的光源發射的入射光束31i 經由物鏡(未示出)被施加到襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的任意規定測量點 100p，物鏡藉助於音叉(timing fork)在雷射位移量測計15內以高速上下移動。來自任意規定測量點IOOp的反射光束31r通過雷射位移量測計15中的針孔(未示出)併到達光接收元件(未示出)。根據共焦原理，當入射光束31i被聚焦在襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的任意規定測量點IOOp上時，在針孔的位置處，反射光束31ι 被聚焦為一個點， 並進入該光接收元件。在此情況下，通過用傳感器(未示出)測量音叉的位置，可以測量雷射位移量測計15和襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的任意規定測量點之間的距離 L0利用該方法，可以測量襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的任意規定測量點IOOp 的位移值z(a,b)(意味著Z方向上的位移值；下面相同)。
在此情況下，襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的多個測量點IOp當中的任意規定測量點IOOp的位移值數據經由雷射位移量測計控制單元17被數據分析單元18收集。這裡，圖3中的箭頭33表示其中位移值數據被傳送的方向。
接下來，如圖3和4所示，以漸進的方式(例如，以恆定間距P，在X方向或Y方向上)移動之後，執行以上測量，因此可以獲得以間距P鄰近於任意規定測量點IOOp的測量點的Z方向中的位移值數據。通過重複以上操作，可以獲得二維方向(X方向和Y方向)上的位置數據和襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的多個測量點IOp的每一個的Z方向中的位移值。二維方向(X方向和Y方向)上的位置數據和如上所述獲得的Z方向中的位移值數據被收集到數據分析單元18。
如圖4所示，當在二維方向上，在恆定間距P下，以逐漸的方式移動圓形的襯底 (GaN晶體襯底10)時，可能有雷射束被施加到襯底支撐臺12而不是襯底(GaN晶體襯底10) 的後表面IOr的情況。如圖4所示，當襯底(GaN晶體襯底10)被布置在襯底支撐臺12的凹入部分中時，在襯底支撐臺12的非凹入部分的表面1 上可能有測量點120a，以及在襯底支撐臺12的凹入部分的表面12b上可能有測量點120b。6
在此情況下，參考圖3，可以用如下所述除去的測量點120a和120b，探測分別對應於襯底(GaN晶體襯底10)後表面IOr上的多個測量點的多個位移值。具體地，通過僅僅探測任意規定的測量點100p，可以除去測量點120a和120b，該測量點IOOp具有到雷射位移量測計15的距離L，滿足關係La < L < Lb，其中La是雷射位移量測計15和襯底支撐臺12 的非凹入部分的表面1 之間的距離，以及Lb是雷射位移量測計15和襯底支撐臺12的凹入部分的表面12b之間的距離。因而，可以獲得分別對應於襯底(GaN晶體襯底10)後表面 IOr上的多個測量點IOp的多個位移值。儘管對於噪聲去除步驟S2沒有特別的限制，只要它除去多個位移值中包含的噪聲，但是對於該步驟它優選使用中值濾波器。參考圖5，中值濾波器是，通過以升序或降序排列位移值Z(a,b)和鄰近該位移值Z(a,b)的多個位移值Z^u+D，Z(a_ljb), Z(a_ljW), z(a,b+1), Z(a, b-1) 『 Z (a+lb+1) 『 Z (a+1，b)『和 Z (a+1，b_l) (意味著分別對應於鄰近任意規定的測量點IOOp的多個測量點IOlp, 102p, 103p, 104p, 105p, 106p, 107p, 108p的位移值，下面相同)時獲得的中值，代替多個位移值(意味著分別對應於襯底(GaN晶體襯底10)的後表面IOr上的多個測量點 IOp的多個位移值；下面相同)當中任意規定的位移值z(a』b)(意味著對應於任意規定測量點IOOp的位移值，下面相同)的濾波器。在圖5中，以恆定間距P，在二維方向(X方向和 Y方向)上布置位移值z(a,b)和鄰近該位移值z(a,b)的多個位移值ζ (a_l，b+l)，Z(a_l，b)，Z(a-l，b_l)，
Z(a，b+1)，Z(a，b-1)，Z(a+l，b+l)，Z(a+l，b)，禾口 Z(a+l，b-1)。儘管圖5示出了鄰近並圍繞任意規定的位移值的八個位移值Zku+mZ^.bpZ^, b-1) 『 Z (a, b+1) 『 Z(a，b_l) Z(a+l,b+l) 『 Z (a+1, b) ' ^ Z(a+l，b_l) 作為多個相鄰位移值(這種中值濾波器被稱作8-相鄰中值濾波器)，但是多個相鄰測試點的數目不局限於八個。例如，也可以使用鄰近位移值的M個測試點(這種中值濾波器被稱作24-相鄰中值濾波器)。對於外周邊部分去除步驟S3沒有特別的限制，只要它通過從多個位移值中除去分別對應於襯底的外周邊部分中的測量點的那些位移值，計算用於計算的多個位移值。但是，當在噪聲去除步驟S2中使用8-相鄰中值濾波器時，參考圖4，優選除去分別對應於從外周邊IOe向內的至少兩個測量點Illp和112p的位移值，作為從多個位移值除去分別對應於襯底(GaN晶體襯底10)的外周邊部分中的測量點的位移值。這是因為，當在噪聲去除步驟S2中使用8-相鄰中值濾波器時，參考圖4，鄰近從襯底(GaN晶體襯底10)的外周邊IOe向內的一個或兩個點的位置處的位移值的八個位移值的至少一個是襯底支撐臺12的凹入部分的表面12b或非凹入部分的表面1 的位移值，因此以上噪聲去除步驟不能除去噪聲。利用該方法，從多個位移值除去分別對應於襯底的外周邊部分中的測量點的位移值，獲得用於計算的多個位移值。參考圖7A和7B，儘管對於平滑步驟S4沒有限制，只要它平滑用於計算的多個位移值，以計算翹曲面40，但是對於該步驟，優選使用高斯濾波器。高斯濾波器是，使用高斯函數 f(x,y)作為加權係數，通過位移值z(a,b)和鄰近該位移值z(a,b)的多個位移值ζ
b)，z(^ljb-D, z(ajb+1), z(ajW), z(a+ljb+1), z(a+1,b)，禾口 Z(^m)的力口權平均值 ζ' (a, b)代替用於計算的多個位移值當中的任意地規定位移值z(a,b)的濾波器。利用如上所述的平滑，即使後表面具有高表面粗糙度(例如，不少於50nm的表面粗糙度Ra)，也可以測量後表面的翹曲。二維高斯函數f (X，y)由以下公式⑴表示
權利要求
1.一種GaN晶體襯底，包括晶體生長表面；以及與所述晶體生長表面相對的後表面，所述後表面具有滿足-35 μ m < w(E) < 45 μ m的翹曲w ，所述翹曲w 為如下計算值在分別對應於由二維方向上的位置數據表示的多個測量點的多個位移值中，從相對於最好配合面的一側上的最大位移值到所述最好配合面的距離與從相對於所述最好配合面的另一側上的最大位移值到所述最好配合面的距離的總和，所述晶體生長表面具有滿足Rafc) ( IOnm的表面粗糙度Rafc)。
2.根據權利要求1的GaN晶體襯底，其中所述後表面具有滿足Raao( IOym的表面粗糙度Ra (E)。
3.根據權利要求1的GaN晶體襯底，其中所述後表面具有滿足Ryao^ 75 μ m的表面粗糙度Ry (R」
4.根據權利要求1的GaN晶體襯底，其中所述晶體生長表面具有滿足-50 μ m < w(c) < 50 μ m的翹曲wfc)，所述翹曲wfc)通過採用光學幹涉量度法的平面測試器測得。
5.根據權利要求1的GaN晶體襯底，其中所述晶體生長表面具有滿足滿足Ryfc)( 60nm 的表面粗糙度Ryfc)。
6.一種製造權利要求1的GaN晶體襯底的方法，所述方法包括從生長的GaN晶體中切割所述GaN晶體襯底的步驟；以及處理所述GaN晶體襯底的所述後表面的步驟，其中所述處理所述GaN晶體襯底的所述後表面的步驟包括磨削所述後表面、研磨所述後表面以及刻蝕所述後表面中的至少一個步驟。
全文摘要
本發明提供一種GaN晶體襯底及其製造方法。所述GaN晶體襯底包括晶體生長表面；以及與所述晶體生長表面相對的後表面，所述後表面具有滿足-35μm≤w(R)≤45μm的翹曲w(R)，所述翹曲w(R)為如下計算值在分別對應於由二維方向上的位置數據表示的多個測量點的多個位移值中，從相對於最好配合面的一側上的最大位移值到所述最好配合面的距離與從相對於所述最好配合面的另一側上的最大位移值到所述最好配合面的距離的總和。所述晶體生長表面具有滿足Ra(C)≤10nm的表面粗糙度Ra(C)。所述GaN晶體襯底具有減小翹曲的後表面，並允許在其晶體生長表面上形成具有良好結晶性的半導體層。
文檔編號C30B33/08GK102492992SQ20111039391
公開日2012年6月13日 申請日期2007年2月14日 優先權日2006年2月15日
發明者田中仁子 申請人:住友電氣工業株式會社