Iii族氮化物复合衬底及其制造方法、层叠的iii族氮化物复合衬底、iii族氮化物半导体 ...的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及III族氮化物复合衬底及其制造方法、层叠的III族氮化物复合衬底、 III族氮化物半导体器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 诸如GaN的III族氮化物具有优异的半导体性质，因此被用作适于半导体器件的 材料。
[0003] 例如，日本专利特许公开No. 2009-126722(PTD 1)公开了将被用作用于半导体器 件的衬底的无支撑ΠΙ族氮化物衬底。该无支撑III族氮化物衬底具有25mm或更大且 160mm或更小的直径和100 μ m或更大且1000 μ m或更小的厚度。作为其具体示例，公开了 具有IOOmm的直径和400 μ m的厚度的无支撑GaN衬底。
[0004] 日本专利特许公开No. 2008-010766 (PTD 2)公开了将被用作制造半导体器件的 衬底的GaN薄膜结合衬底。该GaN薄膜结合衬底包括：异质衬底，其化学组分不同于GaN的 化学组分；GaN薄膜，其具有0. 1 μ m或更大且100 μ m或更小的厚度并且结合到异质衬底。 作为其具体示例，公开了具有50. 8mm的直径并且包括蓝宝石衬底和具有0. 1 μπι或100 μπι 的厚度并且结合到蓝宝石衬底的GaN薄膜的GaN薄膜结合衬底。
[0005] 日本专利特许公开No. 2010-182936(PTD 3)公开了将被用作用于半导体器件的 衬底的复合衬底。该复合衬底包括支撑衬底、氮化物半导体层、设置在支撑衬底和氮化物 半导体层之间的接合层。作为其具体示例，公开了具有50. 8mm的直径并且包括蓝宝石衬 底、GaN层和通过压配在衬底和GaN层之间的接合层的复合衬底，其中，GaN层具有5 μπι至 220 μ m的厚度。
[0006] 引用列表
[0007] 专利文献
[0008] PTDl :日本专利特许公开 No. 2009-126722
[0009] PTD2 :日本专利特许公开 No. 2008-010766
[0010] PTD3 :日本专利特许公开 No. 2010-182936
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 日本专利特许公开No. 2009-126722 (PTD 1)中公开的无支撑III族氮化物衬底涉 及到的问题是，衬底是以高成本制造的，因此非常贵，并且衬底有可能破裂，从而导致难以 增大衬底直径并且减小其厚度。
[0013] 至于日本专利特许公开No. 2008-010766 (PTD 2)中公开的具有厚度为0. 1 μπι的 GaN薄膜的GaN薄膜结合衬底，执行离子注入以形成GaN薄膜，然而，这涉及的问题是，离子 注入使GaN薄膜的晶体质量劣化。为了增强将要形成的半导体器件的特性，GaN薄膜的厚 度优选地是10 μ m或更大。然而，GaN薄膜的厚度增大涉及的问题是，距离主表面的离子注 入深度的变化增大，因此，这增大了得到的GaN薄膜结合衬底中的GaN薄膜的厚度变化。
[0014] 在日本专利特许公开No.2008-010766(PTD 2)中公开的GaN薄膜结合衬底中， 使用与GaN薄膜在热膨胀系数和杨氏模量方面不同的蓝宝石衬底等作为其化学组分不同 于GaN的异质衬底。因此，在GaN薄膜结合衬底的GaN薄膜上生长GaN基半导体层期间， 由于在GaN薄膜结合衬底中出现由于热应力导致的变形，这导致的问题是，不能实现具有 高晶体质量的GaN基半导体层，因此不能得到高质量的半导体器件。在日本专利特许公开 No. 2010-182936(PTD 3)中公开的复合衬底中，使用在热膨胀系数和样式模量方面与GaN 层不同的蓝宝石衬底等作为支撑衬底。因此，在复合衬底的GaN层上生长外延层期间，由于 在复合衬底中出现由于热应力导致的变形，这导致的问题是，不能实现具有高晶体质量的 外延层，因此不能得到高质量的半导体器件。
[0015] 本发明的目的是，解决以上问题并且提供具有大厚度且高晶体质量的III族氮化 物膜的低成本、大直径和低变形的ΠΙ族氮化物复合衬底及其制造方法、层叠的III族氮化 物复合衬底、III族氮化物半导体器件及其制造方法。
[0016] 问题的解决方案
[0017] 根据一方面，本发明是一种III族氮化物复合衬底，所述III族氮化物复合衬底具 有75mm或更大的直径，所述III族氮化物复合衬底包括彼此结合的支撑衬底和III族氮化 物膜，所述支撑衬底具有〇. Imm或更大且Imm或更小的厚度ts，所述III族氮化物膜具有比 所述厚度ts薄的、0.0 lmm或更大且0. 25mm或更小的厚度t f。在根据这个方面的III族氮 化物复合衬底中，热膨胀系数之差Δ α的绝对值I Λ α I是2.2X101^或更小，所述热膨 胀系数之差△ α通过从所述III族氮化物膜的热膨胀系数af中减去所述支撑衬底的热 膨胀系数a s确定，并且所述支撑衬底的杨氏模量E s和所述厚度t s、所述III族氮化物膜的 杨氏模量Ef和所述厚度tf，以及所述热膨胀系数之差Λ α满足通过以下公式（1)定义的 关系：
[0018] ts2/tf> 6Ε f · I Δ a I /Es. · · (1)。
[0019] 根据另一方面，本发明是一种层叠的III族氮化物复合衬底，包括：根据以上方面 所述的III族氮化物复合衬底；设置在所述III族氮化物复合衬底的所述III族氮化物膜 上的至少一个III族氮化物层。
[0020] 根据又一方面，本发明是一种III族氮化物半导体器件，包括根据以上方面所述 的层叠的III族氮化物复合衬底中的至少一个所述III族氮化物层。根据另一方面，本发 明是一种III族氮化物半导体器件，所述III族氮化物半导体器件包括：根据以上方面所述 的III族氮化物复合衬底中的所述III族氮化物膜；设置在所述III族氮化物膜上的至少 一个ΠΙ族氮化物层。
[0021] 根据另一方面，本发明是制造根据以上方面所述的III族氮化物复合衬底的方 法，包括以下步骤：通过将支撑衬底和III族氮化物膜施主衬底彼此结合，形成具有75_或 更大直径的接合衬底；以及通过沿着与所述III族氮化物膜施主衬底的结合主表面相距预 定距离向内定位的平面切割所述接合衬底的所述III族氮化物膜施主衬底，形成所述III 族氮化物复合衬底。根据另一方面，本发明是一种制造根据以上方面所述的III族氮化物 复合衬底的方法，所述方法包括以下步骤：通过将支撑衬底和III族氮化物膜施主衬底彼 此结合，形成具有75mm或更大直径的接合衬底；通过对所述接合衬底的所述III族氮化物 膜施主衬底的主表面执行研磨、抛光和蚀刻中的至少一种，形成所述III族氮化物复合衬 底，所述主表面与所述III族氮化物膜施主衬底的结合主表面相反地定位。
[0022] 根据另一方面，本发明是一种制造 III族氮化物半导体器件的方法，包括以下步 骤：制备根据以上方面所述的III族氮化物复合衬底；在所述III族氮化物复合衬底的所 述III族氮化物膜上生长至少一个III族氮化物层。
[0023] 本发明的有益效果
[0024] 根据本发明，可以提供具有大厚度且高晶体质量的III族氮化物膜的低成本、大 直径和低变形的III族氮化物复合衬底及其制造方法、层叠的III族氮化物复合衬底、III 族氮化物半导体器件及其制造方法。
【附图说明】
[0025] 图1是示出根据本发明的III族氮化物复合衬底的示例的示意性剖视图。
[0026] 图2是示出根据本发明的层叠的III族氮化物复合衬底的示例的示意性剖视图。
[0027] 图3是示出根据本发明的层叠的III族氮化物复合衬底的另一个示例的示意性剖 视图。
[0028] 图4是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的示例的示意性剖视图。
[0029] 图5是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的另一个示例的示意性剖视 图。
[0030] 图6是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的又一个示例的示意性剖视 图。
[0031] 图7是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的再一个示例的示意性剖视 图。
[0032] 图8是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的另一个示例的示意性剖视 图。
[0033] 图9是示出根据本发明的III族氮化物半导体器件的另一个示例的示意性剖视 图。
[0034] 图10是示出根据本发明的制造 III族氮化物复合衬底的方法的示例的示意性剖 视图。
[0035] 图11是示出根据本发明的制造 III族氮化物复合衬底的方法的另一个示例的示 意性剖视图。
[0036] 图12是示出根据本发明的制造 III族氮化物复合衬底的方法的又一个示例的示 意性剖视图。
[0037] 图13是示出使用离子注入方法制造 III族氮化物复合衬底的方法的示例的示意 性剖视图。
[0038] 图14是示出根据本发明的制造 III族氮化物半导体器件的方法的示例的示意性 剖视图。
[0039] 图15是示出根据本发明的制造 III族氮化物半导体器件的方法的另一个示例的 示意性剖视图。
[0040] 图16是示出根据本发明的制造 III族氮化物半导体器件的方法的又一个示例的 示意性剖视图。
[0041] 图17是示出根据本发明的制造 III族氮化物半导体器件的方法的再一个示例的 示意性剖视图。
[0042] 图18是示出III族氮化物复合衬底的支撑衬底和III族氮化物膜之间的热膨胀 系数之差和III族氮化物复合衬底的III族氮化物层在其生长之后的外观之间的关系的曲 线图。
[0043] 图19是示出III族氮化物复合衬底的支撑衬底和III族氮化物膜之间的热膨胀 系数之差和杨氏模量比、III族氮化物复合衬底的支撑衬底和III族氮化物膜之间的厚度 比、III族氮化物层中的载流子浓度的面内分布的均匀性之间的关系。
【具体实施方式】
[0044] 〈对本发明的实施例的描述〉
[0045] 本发明的实施例中的III族氮化物复合衬底1是具有75mm或更大的直径的III族 氮化物复合衬底1，其包括彼此结合的具有〇. Imm或更大且Imm或更小的厚度％的支撑衬 底11和具有〇. Olmm或更大且〇. 25mm或更小的厚度&的III族氮化物膜13,厚度t f比厚 度V薄。在这个实施例的III族氮化物复合衬底1，通过从III族氮化物膜13的热膨胀系 数α ,中减去支撑衬底11的热膨胀系数α 3确定的热膨胀系数之差Λ α的绝对值I Λ α 是2. 2X KT6IT1或更小，支撑衬底11的杨氏模量E s和厚度t s、III族氮化物膜13的杨氏模 量Ef和厚度tf、热膨胀系数之差Λ α满足通过以下公式（1)定义的关系：
[0046] ts2/tf 多 6Ε f · I Δ a I /Es. · · (1)。
[0047] 在本实施例的III族氮化物复合衬底1中，支撑衬底11和III族氮化物膜13之 间的热膨胀系数之差Λ α的绝对值I Λ α I是2. 2X KT6IT1或更小，支撑衬底11的杨氏模 量Es和厚度t s、III族氮化物膜13的杨氏模量Ef和厚度t f、热膨胀系数之差Λ α满足上 述公式（1)。因此，在这个III族氮化物膜1