外延生长用种子基板及其制造方法和半导体基板及其制造方法与流程

本发明涉及氮化铝(aln)、氮化铝镓(alxga1-xn(其中，0<x<1)、氮化镓(gan)等表面缺陷少、特性高的第iii族氮化物的外延和无垢的外延生长用种子基板及其制法。进一步而言，涉及晶体缺陷、翘曲、空隙极少、高品质且廉价的aln、alxga1-xn(0<x<1)、gan系等第iii族氮化物的外延和无垢的外延生长用种子基板及其制法。

背景技术：

1、aln系、gan系等第iii族氮化物的晶体基板具有宽带隙、具有短波长的发光性、高耐压且优异的高频特性。因此，第iii族氮化物的基板被期待应用于发光二极管(led)、激光、肖特基二极管、功率器件、高频器件等器件。例如，关于aln系晶体基板，以最近的冠状病毒等的流行为契机，出于去除细菌和病毒的目的，特别是aln和/或alxga1-xn(0.5<x<1)单晶的深紫外线区域(uvc：200～280nm)的发光二极管用基板的需求高涨。然而，现状是这些aln和/或alxga1-xn(0.5<x<1)的单晶基板的表面缺陷多、品质低、价格高，因此即使制作各种器件也得不到期待的特性，限制了这些基板的广泛普及、用途的扩大。另一方面，关于gan系晶体基板，随着5g通信的开始、车的ev化的发展，要求更高的高频特性、更大的耐压性能。结果，迫切期望gan系晶体基板也为晶体缺陷极少并且价格低的外延和无垢基板。但是现状与aln系同样，gan系晶体基板也是晶体的表面缺陷等多、品质低但价格高，阻碍了在前述器件等中的广泛普及，期望进一步的改良。

2、例如，关于aln单晶基板，如非专利文献1、非专利文献2中所记载的那样，由于aln不具有熔点，因此难以通过使用硅(si)单晶等的通常的熔液法来制造，通常，通过升华法(改良的罗利法(raleigh method))、即使用碳化硅(sic)或aln作为晶种、在1700～2250℃、n2气氛下来制造，或者如专利文献1、非专利文献3所公开的那样，通过氢化物气相生长(hvpe)法在蓝宝石基板或由升华法得到的aln基板上来制作。升华法的aln单晶在晶体生长时需要高温，因此，由于装置的限制，现状是直径至多φ2～φ4英寸的小口径基板，是极其昂贵的。所得到的aln单晶的位错密度较少，为<105cm-2，但另一方面，会由于来自坩埚、绝热材料等碳材料等的碳、金属杂质的污染导致晶体着色，具有电阻率低、紫外线透射率也低的缺点。另一方面，在蓝宝石基板上通过氢化物气相生长(hvpe)法制作的aln单晶虽然比较廉价、着色少，但由于aln和蓝宝石之间的晶格常数的差异导致aln晶体的位错密度高，并且电阻率低。另外，在升华法的aln基板上进行hvpe成膜而得到的aln晶体的位错密度相对小，但会因为来自基底基板的aln的着色物污染导致对深紫外发光是不透明的、电阻率低。而且，以往将昂贵的升华法aln晶体直接用作兼作晶种的基底基板，因此存在成本极高的缺点。

3、关于gan基板，在液氨或na焊剂等液体中使gan晶体生长而得到的块状gan基板的缺陷较少且品质高，但由于需要高温高压装置，因此变得极其昂贵。另外，与上述的升华法的aln基板同样地会直接用作兼作晶种的基底基板，因此成本极高。另一方面，如果利用在气相中进行晶体生长的mocvd法或氢化物气相生长法(hvpe法、thvpe法)在蓝宝石基板等上进行异质外延生长，则原理上能够实现晶体的高品质化、大型化，但实际上生成的gan晶体与基底基板的蓝宝石之间的晶格常数和热膨胀系数差异明显，因此在制造中会大量产生晶体缺陷、裂纹，无法得到高品质的晶体。

4、作为针对这些课题的解决对策之一，在专利文献2中公开了一种所谓qst(商品名)基板，其具备：支承基板，其具有aln陶瓷·芯和用sio2/p-si/sio2/si3n4的多层膜封装前述aln陶瓷·芯的封装层；以及，在前述支承基板的上表面的sio2等的平坦化层，还具备在前述平坦化层的上表面薄膜转印有si<111>作为晶种的晶种层。

5、然而，由于该方法在芯中使用多晶陶瓷，因此在其制作过程中必然会产生由溶剂挥发痕、研磨伤、多晶的脱粒痕等导致的陶瓷表面的空隙。在晶种的薄膜转印时，在存在该空隙的部位晶种无法顺利地转印，成为之后的外延生长膜的晶体缺陷的原因。此外，如果将该多晶陶瓷作为芯，则容易产生用于封装芯的各多层膜间、或封装层、平坦化层、晶种层间的热膨胀系数差。另外，基于热膨胀系数差的热应力会在封装层、平坦化层、或晶种层间、或者后续工序的外延成膜工序等中形成的各层间产生裂纹、缺口或变形等。结果，已知由上述空隙引起的晶种的缺陷、由aln陶瓷·芯中的杂质扩散引起的污物和各种变形等也对晶种产生不良影响，对之后的外延生长带来各种缺陷，成为低特性的外延生长膜。

6、因此，难以以结晶缺陷少、高品质且低价格得到需要结晶缺陷、特别是晶体的表面缺陷少、高特性的例如在极超短波的深紫外线区域(uvc：200～280nm)中使用的发光二极管用基板的aln和/或alxga1-xn(0<x<1)、或者适合于伴随5g通信、车的ev化的高频化、高耐压化的gan晶体基板等，进一步期望新的解决对策。

7、现有技术文献

8、专利文献

9、专利文献1：日本专利第6042545号

10、专利文献2：日本专利第6626607号

11、专利文献3：日本专利第2936916号

12、非专利文献

13、非专利文献1：japanese journal of applied physics；vol.46,no.17,2007,pp.l389-l391

14、非专利文献2：sei technical review；no.177,pp.88-91

15、非专利文献3：fujikura technical review；no.119,2010,vol.2,pp.33-38

16、非专利文献4：leds magazine japan；december 2016,pp.30-31

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、因此，本发明人等为了解决上述问题而进行了各种研究，结果完成了本发明。即，本发明作为缺陷、特别是表面缺陷少的外延生长用种子基板及其制法，其特征在于，在上述(1)利用al或si的氧化物、氮化物、氧氮化物或它们的混合物埋设多晶陶瓷的芯的表面空隙并进行平坦化之后，(2)用0.05～1.5μm的封装层封装前述芯，然后，(3)作为晶种层，将si＜111＞单晶的表层0.1～1.5μm薄膜转印，根据需要(4)在最下层具备应力调整层。

3、迄今为止，虽然在上述那样的基板中姑且理解了晶种的作用，但对于其转印时的si<111>晶种的特性与其后的外延成膜的因果关系，不能说已经得到了充分理解。因此，本发明人等进行了大量的实验，得到了如下结果等：(1)若成为芯的多晶陶瓷基板上存在表面空隙，则即使在陶瓷基板与晶种层之间夹设有封装层、平坦层，也无法完全去除空隙的影响，其表面空隙的一部分还会对转印晶种造成影响而成为缺陷的原因；并且(2)晶种si＜111＞的原本的特性与外延成膜中的缺陷之间具有很大的因果关系；进而(3)由各层间产生的热应力差引起的形变、来自芯的污物等会影响si＜111＞晶种，使外延成膜的缺陷增加。

4、由这些实验结果发现，为了少缺陷且高特性、低成本地得到aln、alxga1-xn(0<x<1)、gan等第iii族氮化物的外延生长用种子基板，需谋求上述成为芯的多晶陶瓷的表面空隙的减少，需利用各种封装层、平坦化层、晶种层的最佳膜厚、膜质等来降低热应力，进而除了变形、污物以外，通过使晶种si＜111＞的(专利文献3所记载的)氧化感生堆垛层错(oxidation induced stacking fault：osf)为10个/cm2以下，0.1～1.5μm厚的薄膜转印极其良好，在其后的外延膜中显示适宜的结果，并且器件特性也良好。

5、需要说明的是，本发明的氧化感生堆垛层错(osf)的数量(个/cm2)通过专利文献3的评价方法来测定。

6、用于解决问题的方案

7、对于本发明而言，为了实现上述目的，本发明的实施方式的外延生长用种子基板具备：支承基板；设置于支承基板的上表面的平坦化层，所述平坦化层的厚度为0.5～3μm；和设置于平坦化层的上表面的晶种层。支承基板包含：芯，所述芯是利用al或si的氧化物、氮化物、氧氮化物或它们的混合物埋设第iii族多晶氮化物的表面空隙并进行平坦化而得到的；和封装芯的封装层，所述封装层的厚度为0.05～1.5μm。晶种层通过对si＜111＞单晶的表层0.1～1.5μm进行薄膜转印的方式而设置。

8、本发明中，形成芯的第iii族氮化物的多晶陶瓷可以为aln陶瓷。

9、本发明中，封装层可以至少包含si3n4的层。

10、本发明中，平坦化层可以由sio2和/或氮氧化硅(sixoynz)构成、或者由alas构成。

11、本发明中，形成晶种层的si＜111＞的氧化感生堆垛层错(osf)可以为10个/cm2以下。

12、本发明中，在支承基板的最下表面还可以具备应力调整层。

13、本发明中，封装层可以通过lpcvd法来成膜。

14、本发明中，平坦化层可以是将alas通过等离子体cvd法、lpcvd法、低压mocvd法中的任意方法成膜在支承基板的上表面单侧或整面而形成的。

15、本发明中，可以在si＜111＞单晶中离子注入氢和/或he后，通过450℃以下的物理手段使0.1～1.5μm的薄膜进行转印，由此设置晶种层。

16、本发明中，应力调整层可以由具有能够在具备平坦化层之后根据其翘曲状态进行校正的热膨胀系数的sio2、si3n4、非晶si、多晶si等单独或它们的组合等中选择的原材料形成。但是，在将静电卡盘的应对也考虑进来的情况下，支承基板的最下层优选为至少通过选自溅射法、等离子体cvd、lpcvd法中的方法制作的多晶si、或者在多晶si层之间夹设与封装层具有亲和性的sio2和/或氮氧化硅(sixoynz)。在兼作应力调整和静电卡盘而使用多晶si成膜的情况下，也可以为多晶si自身、或者通过加热或激光等使非晶si多晶化。将多晶si膜设置于最下层的理由在于，膜的电导率越高、距离越短，静电卡盘力的静电力作用越强。

17、另外，本发明的实施方式的半导体基板的特征在于，在上述任意外延生长用种子基板的上表面成膜有第iii-v族半导体薄膜。第iii-v族半导体薄膜可以为包含ga和/或al的氮化物半导体薄膜。

18、另外，本发明的实施方式的外延生长用种子基板的制造方法包括如下步骤：准备芯的步骤，所述芯是利用al或si的氧化物、氮化物、氧氮化物或它们的混合物埋设第iii族氮化物的多晶陶瓷的表面空隙并进行平坦化而得到的；以包入芯的方式成膜厚度0.05μm以上且1.5μm以下的封装层而制成支承基板的步骤；在支承基板的上表面成膜厚度0.5μm以上且3.0μm以下的平坦化层的步骤；和将si＜111＞单晶的表层0.1～1.5μm薄膜转印在平坦化层的上表面，由此设置晶种层的步骤。

19、本发明中，可以将氧化感生堆垛层错(osf)为10个/cm2以下的si＜111＞单晶的表层0.1～1.5μm薄膜转印在平坦化层的上表面，由此设置晶种层。

20、本发明中，封装层可以通过lpcvd法来成膜。

21、本发明中，平坦化层可以是将sio2和/或氮氧化硅(sixoynz)、或者将alas通过等离子体cvd法、lpcvd法、低压mocvd法中的任意方法成膜在支承基板的上表面单侧或整面而形成的。

22、本发明中，可以在osf为10个/cm2以下的si＜111＞单晶中离子注入氢和/或he后，通过450℃以下的物理手段使0.1～1.5μm的薄膜进行转印，由此设置晶种层。

23、本发明中，还可以包括如下步骤：在支承基板的最下表面进一步设置应力调整层。所述应力调整层可以由具有能够在具备平坦化层之后进一步校正其翘曲的热膨胀系数、并且通过至少选自溅射法、lpcvd法中的方法制作的多晶si来构成。

24、另外，本发明的实施方式的半导体基板的制造方法包括如下步骤：通过上述任意外延生长用种子基板的制造方法来制造外延生长用种子基板的步骤；和在外延生长用种子基板的上表面成膜第iii-v族半导体薄膜的步骤。

25、发明的效果

26、根据本发明，能够缺陷少、品质高且价格低地提供在深紫外线区域(uvc：200～280nm)中使用的发光二极管用基板等的aln和/或alxga1-xn(0＜x＜1)、或者伴随5g通信、车的ev化而适合于高频化、高耐压化等的gan晶体基板等第iii族氮化物的外延和无垢的外延生长用种子基板。