JP2007005658A

JP2007005658A - 化合物半導体ウェーハおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2007005658A
Application number: JP2005185705A
Authority: JP
Inventors: Fumitaka Kume; 史高久米; Masayuki Shinohara; 政幸篠原
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】加工の際に割れにくい化合物半導体ウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ単結晶基板１０の第一主表面上に下層エピタキシャル層２０を気相成長する下層エピタキシャル層成長工程と、下層エピタキシャル層２０上にＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層３０を気相成長するＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層成長工程と、該ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０又はＧａＡｓ単結晶基板１０の周辺部に形成されるクラウン８２，８４を除去するクラウン除去工程と、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に、ＧａＡｓ単結晶基板１０の第二主表面に形成される破砕層６０をウェットエッチングにより除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶１０を露出させるウェットエッチング工程と、をこの順に行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、割れにくい化合物半導体ウェーハおよびその製造方法に関する。

特開２００４−４７９６０号公報

ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面上に、発光層部と電流拡散層とを形成した発光素子が従来知られている。例えば特許文献１には、ＧａＡｓ単結晶基板上に、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部とＧａＰからなる電流拡散層（以下、単にＧａＰ電流拡散層という）とを形成した発光素子が開示されている。このＧａＰ電流拡散層は、発光層部側が有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy法、以下単にＭＯＶＰＥ法という）により比較的薄く形成された後、ハイドライド気相成長法（Hydride
Vapor Phase Epitaxy 法、以下単にＨＶＰＥ法という）により比較的厚く形成され、例えば、全体として２００μｍ程度の厚さにまでＧａＰエピタキシャル層が成長されることがある。

ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面上に電流拡散層の形成された化合物半導体ウェーハは、該化合物半導体ウェーハが所望の厚さとなるように、その第一主表面と第二主表面とに厚さ調整加工を施した後、発光層部に発光駆動電圧を印加するための第一電極を電流拡散層の上に形成し、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に第一電極とは極性の異なる第二電極を形成し、さらにチップ加工と素子加工とを施して発光素子とする。

前記厚さ調整加工では、前記化合物半導体ウェーハの主表面を構成するＧａＰエピタキシャル層をポリッシュ加工し、さらに、前記化合物半導体ウェーハの第二主表面を構成するＧａＡｓ単結晶基板をラッピング加工する。しかし、ＧａＡｓ単結晶基板は脆くなっているため、このポリッシュ加工とラッピング加工の際に、割れが発生することがある。

本発明の課題は、加工の際に割れにくい化合物半導体ウェーハおよびその製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の化合物半導体ウェーハは、ＧａＡｓ単結晶基板と、該ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面側に形成されたＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層とを有する化合物半導体ウェーハにおいて、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際にＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層をウェットエッチングにより除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶を露出させてなることを特徴とする。

また、本発明の化合物半導体ウェーハの製造方法は、ＧａＡｓ単結晶基板と、該ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面側に形成されたＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層とを有する化合物半導体ウェーハの製造方法において、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際にＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層を、ウェットエッチングにて除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶を露出させることを特徴とする。

ここで、破砕層とは、単結晶の表面が破砕されて形成された層のことをいう。破砕層は、例えば、単結晶基板をラッピング加工した表面に形成される。また、ＧａＰ単結晶やＧａＡｓ単結晶を熱処理する際に、ＰやＡｓが遊離しても破砕層が形成される。ＧａＡｓ単結晶基板上に厚いＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層（０＜ａ≦１：以下、単にＧａＡｓＰと記載することがある）をＨＶＰＥ法で気相成長させる際、ＧａＡｓ単結晶基板は例えば７００℃〜９００℃に加熱される。ＧａＡｓ単結晶基板の主表面側はＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層に被覆され、また新しいＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層が次々に形成されるため、破砕層は実質的に形成されない。

しかしながら、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面は水素等の反応雰囲気に晒され続け、Ａｓの遊離が気相成長中に継続するため、破砕層の形成が著しい。特に、ＧａＡｓ単結晶基板の表面側にＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層を厚さ５０μｍ以上に成長する場合には、この破砕層が顕在化しやすい。そして、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に破砕層が形成される際、この破砕層と、Ａｓの遊離がまだ発生していないＧａＡｓ単結晶層との間に空隙が形成される。

一方、ＧａＡｓ単結晶基板上に厚いＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層をＨＶＰＥ法で気相成長させる際、ＧａＡｓ単結晶基板とＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層には、昇温、長時間熱処理、降温という熱履歴を受けてストレスが蓄積される。ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層は、その層内にミスフィットを形成することによりストレスを解消する。また、ＧａＡｓ単結晶基板は、破砕層が形成されて弱くなっている第二主表面側にマイクロクラックを形成してストレスを解消する。

ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面にマイクロクラックの形成された化合物半導体ウェーハは、気相成長工程の後で行われる加工工程で割れやすい。このマイクロクラックは、ウェットエッチング処理を施すことにより除去することができる。ところが、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面には破砕層と空隙が形成されており、マイクロクラックを除去するための数μｍのエッチングでは破砕層の一部がエッチングされるに留まり、肝心のマイクロクラックを除去することができない。そこで、本発明では、上記の破砕層をウェットエッチングで除去し、内部のＧａＡｓ単結晶を第二主表面に露出させる。ＧａＡｓ単結晶が一旦第二主表面に露出すると、マイクロクラックは速やかにエッチング除去される。

次に、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層を気相成長する際には、化合物半導体ウェーハの周辺部にファセットを伴うクラウンが形成される。クラウンは、第一主表面、側面、第二主表面と面方位が大きく変化する単結晶端面上に厚いエピタキシャル層を気相成長する際に必然的に形成される。本明細書では第一主表面側に形成されるクラウンを表クラウンと呼び、第二主表面側に形成されるクラウンを裏クラウンと呼ぶ。化合物半導体ウェーハの第二主表面周辺部には、裏クラウンの形成位置よりも内側まで、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層が薄く回りこんで形成される。

クラウンはその周囲部分よりも突出して形成されており、化合物半導体ウェーハに前述の厚さ調整加工を施す際に、幅の狭いクラウンに応力が集中して割れの原因になりやすい。そこで、本発明の化合物半導体ウェーハにおいては、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に該ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層あるいはＧａＡｓ単結晶基板の周辺部に形成されるクラウンが除去されていることが望ましい。クラウンが厚さ調整加工の前に除去されていると、クラウンに応力が集中しないので、割れを低減することができる。

上記のクラウンは、ＧａＡｓ単結晶基板とＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の周辺部に縮径加工を施すことにより除去できる。周辺部の縮径加工は、例えば、回転している化合物半導体ウェーハの周辺部に砥石を接触させてラッピングすることにより実施できる。なお、化合物半導体ウェーハの周辺部のみをエッチング液に選択的に接触させ、上記のクラウンをウェットエッチングで除去することも可能である。

破砕層のウェットエッチングあるいは化合物半導体ウェーハの周辺部のウェットエッチングは、例えば、王水を用いて行なうことができる。王水は、硝酸と塩酸の混合液であり、硝酸（６１％）容量：塩酸（３６％）容量の値は１：１〜１：３の範囲で調製され、典型的には、硝酸容量：塩酸容量＝１：３の割合で調製される。王水は、ＧａＡｓとＧａＡｓ_１−ａＰ_ａとのいずれに対しても、比較的速やかにウェットエッチングすることができる。従って、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面のみならず、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の該第二主表面への回りこみ部分も好適にエッチング除去できる。

他方、王水は、ＧａＡｓとＧａＡｓ_１−ａＰ_ａのどちらも比較的速やかにウェットエッチングしてしまうので、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成された破砕層をより選択的にウェットエッチングしたい場合は、硫酸−過酸化水素水混合液を用いることも可能である。硫酸−過酸化水素水混合液は、王水よりもエッチング速度が小さいものの、ＧａＡｓの破砕層をより選択的にエッチングすることができる利点がある。硫酸−過酸化水素水混合液は、硫酸（９６％）容量：過酸化水素水（３０％）容量：水容量の値は２：１：１〜５：１：１の範囲で調製され、典型的には、硫酸容量：過酸化水素水容量：水容量＝３：１：１の割合で調製される。

ただし、硫酸−過酸化水素水混合液はＧａＡｓ_１−ａＰ_ａに対するエッチング速度が王水よりもかなり小さく、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層のＧａＡｓ単結晶基板第二主表面への回りこみを予め除去しておかないと、その下に形成されている破砕層をエッチングすることができない。そこで、王水でＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の回りこみと破砕層の一部を予めエッチング除去した後、硫酸−過酸化水素水混合液で破砕層の残りをエッチング除去することが有効である。この場合の破砕層のウェットエッチングは、王水エッチング、硫酸−過酸化水素水混合液エッチングの順に行なわれる。

ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面への回りこみ部はウェットエッチングで除去することができるが、ＧａＡｓ単結晶基板の周辺部に形成されたクラウンはウェットエッチングで完全に除去することが難しい。そこで、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に、前記ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面周辺部に形成される裏クラウンを、ウェットエッチングの前に予め除去することが望ましい。裏クラウンの除去は、例えば、該裏クラウンに砥石を接触させてラッピングすることにより行なうことができる。

すなわち、本発明の化合物半導体ウェーハの製造方法は、ＧａＡｓ単結晶基板上に下層エピタキシャル層を気相成長する下層エピタキシャル層成長工程と、下層エピタキシャル層上にＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層を気相成長するＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層成長工程と、ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面周辺部に形成される裏クラウンを除去する裏クラウン除去工程と、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際にＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層をウェットエッチングで除去しＧａＡｓ単結晶を露出させるウェットエッチング工程と、をこの順に行なうことを特徴とする。

図１に、本発明を実施するための最良の形態の１例を示す。本発明の化合物半導体ウェーハ１は、ＧａＡｓ単結晶基板１０の第一主表面上（図面上側）に、下層エピタキシャル層２０と、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層３０とがこの順に形成されたものである。ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０の気相成長の際にＧａＡｓ単結晶基板１０の第二主表面に形成される破砕層はウェットエッチングにより除去され、内部のＧａＡｓ単結晶のウェットエッチング面５０が露出している。また、化合物半導体ウェーハ１の側面４０は、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０又はＧａＡｓ単結晶基板１０の周辺部に形成されたクラウンが砥石研削により除去され、さらに、破砕層除去時にウェットエッチングされたものである。

下層エピタキシャル層２０は、ＧａＡｓ単結晶基板１０とＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０との間に形成される層であり、化合物半導体ウェーハ１が発光素子用の場合、バッファ層や発光領域などにより構成される。図２はその一具体例であり、ＧａＡｓ単結晶基板１０上に、ｎ型バッファ層２１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２２、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層２３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２４及びｐ型ＧａＰ層２５が下層エピタキシャル層２０として形成され、さらにその上にｐ型ＧａＰ層がＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０として形成される。

図３に、本発明の化合物半導体ウェーハ１の製造方法の一例を示す。まず、ＧａＡｓ単結晶基板１０を準備し（工程（ａ））、該ＧａＡｓ単結晶基板１０上に下層エピタキシャル層２０を、例えばＭＯＶＰＥ法で気相成長する（下層エピタキシャル層成長工程：工程（ｂ））。次に、下層エピタキシャル層２０上に、厚いＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０（厚さは例えば５０μｍ以上５００μｍ以下）を、例えばＨＶＰＥ法により気相成長する（ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層成長工程：工程（ｃ））。その際、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０は、ＧａＡｓ単結晶基板１０の側面および第二主表面周辺部にも成長する。そして、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０とＧａＡｓ単結晶基板１０の周辺部には、表クラウン８２と裏クラウン８４とが突出して形成される。

また気相成長の際には、ＧａＡｓ単結晶基板１０の第二主表面からＡｓが遊離するとともに破砕層６０が形成され、破砕層６０とＧａＡｓ単結晶基板１０との間に空隙７０が形成される。ＧａＡｓ単結晶基板第二主表面の破砕層は、その上にＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０を厚さ５０μｍ以上に成長する場合に、特に顕在化しやすい。

周りから突出した表クラウン８２と裏クラウン８４には応力が集中しやすいため、厚さ調整加工時に割れの原因になりやすい。また後工程（ｅ）のウェットエッチングの際に、ＧａＡｓに対するエッチング速度がＧａＰに対するエッチング速度よりも大きいエッチング液（例えば王水又は硫酸−過酸化水素水混合液）を用いて破砕層６０をエッチングすると、図５に示すように、裏クラウン８４の突出が一層顕著になる。そこで、ＧａＡｓ単結晶基板１０とＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０との周辺部に縮径加工を施し（縮径加工工程：工程（ｄ））、表裏のクラウン（特に裏クラウン）を除去する。

そして最後に、ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層３０の気相成長の際にＧａＡｓ単結晶基板１０の第二主表面に形成される破砕層６０をウェットエッチングにより除去する（ウェットエッチング工程：工程（ｅ））。このとき、内部のＧａＡｓ単結晶５０が露出し、ここに形成されているマイクロクラックもウェットエッチングされて除かれ、本発明の化合物半導体ウェーハ１を得ることができる。破砕層６０のウェットエッチングは王水エッチングのみにより行なうか、又は王水エッチングに続いて、さらに硫酸−過酸化水素水混合液エッチングする形で行なうことが望ましい。

本発明の化合物半導体ウェーハ１は、マイクロクラックのエッチングを妨害する破砕層６０をウェットエッチングで予め除去しており、また、応力の集中しやすいクラウンも除去される。その結果、図４のごとく、合物半導体ウェーハ１の第一主表面と第二主表面とを所望の厚さに加工する際に（厚さ調整加工）、割れの発生を抑制することができる。また、この化合物半導体ウェーハ１を以降のデバイス製造工程等に供する際に、ハンドリング等によりウェーハ１に加わる荷重への、機械的な耐性を強化することができる。

図２に示す構成において、厚さ２８０μｍのＧａＡｓ単結晶基板１０上に、下層エピタキシャル層２０と厚さ約２００μｍのｐ型ＧａＰエピタキシャル層３０とを形成した。次いで、最外部から１ｍｍの幅でウェーハ外周部全体を研削により縮径加工して表裏のクラウンを除去した。さらに、その後、ＧａＡｓ単結晶基板１０とｐ型ＧａＰエピタキシャル層３０の表面を合わせて約６０μｍのエッチング代となるように王水でエッチングし、破砕層６０を完全に除去するとともに基板内部のＧａＡｓ単結晶を露出させた。そして、ｐ型ＧａＰエピタキシャル層３０側から１５ｋｇの荷重を掛けたが、ウェーハは割れなかった。

比較例１

エッチングを施さないこと以外は実施例１と同じ方法で準備した化合物半導体ウェーハについて荷重を掛けたところ、約５ｋｇの負荷で割れた。

本発明の化合物半導体ウェーハを示した図。本発明の化合物半導体ウェーハの一実施例示した図。本発明の化合物半導体ウェーハの製造方法を示した工程図。厚さ調整加工の説明図。破砕層のエッチングにより、裏クラウンの突出が一層顕著になる様子を示す模式図。

符号の説明

１化合物半導体ウェーハ
１０ＧａＡｓ単結晶基板
２０下層エピタキシャル層
２１ＧａＡｓバッファ層
２２ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層
２３ｉ型ＡｌＧａＩｎＰ層
２４ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層
２５ｐ型ＧａＰ層
３０ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層（ＧａＰエピタキシャル層）
８２表クラウン
８４裏クラウン

Claims

ＧａＡｓ単結晶基板と、該ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面側に形成されたＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層とを有する化合物半導体ウェーハにおいて、前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に前記ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層をウェットエッチングにより除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶を露出させてなることを特徴とする化合物半導体ウェーハ。
前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に、前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層又は前記ＧａＡｓ単結晶基板の周辺部に形成されるクラウンが除去されてなることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体ウェーハ。
前記ＧａＡｓ単結晶基板と前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層との周辺部に縮径加工が施されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化合物半導体ウェーハ。
前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の化合物半導体ウェーハ。
ＧａＡｓ単結晶基板と、該ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面側に形成されたＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層とを有する化合物半導体ウェーハの製造方法において、前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に前記ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層を、ウェットエッチングにて除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶を露出させることを特徴とする化合物半導体ウェーハの製造方法。
前記破砕層のウェットエッチングを、王水を用いて行なうことを特徴とする請求項５記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
前記破砕層のウェットエッチングを、王水エッチング、硫酸−過酸化水素水混合液エッチングの順に行なうことを特徴とする請求項５記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に、該ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層又は前記ＧａＡｓ単結晶基板の周辺部に形成されるクラウンを、前記ウェットエッチングの前に除去することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面上に下層エピタキシャル層を気相成長する下層エピタキシャル層成長工程と、前記下層エピタキシャル層上にＧａＡｓ_１−ａＰ_ａ（０＜ａ≦１）エピタキシャル層を気相成長するＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層成長工程と、該ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層又は前記ＧａＡｓ単結晶基板の周辺部に形成されるクラウンを除去するクラウン除去工程と、前記ＧａＡｓ_１−ａＰ_ａエピタキシャル層の気相成長の際に、前記ＧａＡｓ単結晶基板の第二主表面に形成される破砕層をウェットエッチングにより除去することにより、内部のＧａＡｓ単結晶を露出させるウェットエッチング工程と、をこの順に行うことを特徴とする化合物半導体ウェーハの製造方法。