专利名称：GaN晶体衬底及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件如发光元件、电子元件或半导体传感器中使用的GaN 晶体衬底、该制造GaN晶体的方法以及制造半导体器件的方法，其中该GaN晶体衬底被选作衬底。
背景技术：
GaN晶体衬底对于半导体器件如发光元件、电子元件或半导体传感器的衬底是非常有用的。这种GaN晶体衬底通过将由汽相处延如HVPE (氢化物汽相处延)或MOVPE (金属有机汽相处延)生长的GaN晶体切割为预定形状的衬底并磨削(grind)、研磨(lap)和/ 或刻蚀其主表面来形成。为了通过在晶体生长表面上形成具有良好结晶性(意味着晶体中的原子排列有序；下面相同)的至少一个半导体层，该晶体生长表面是GaN晶体衬底的一个主表面，获得具有优异性能的半导体器件，提出了在晶体生长表面上形成具有减小的翘曲(warpage)和表面粗糙度的GaN晶体衬底(例如参见日本专利特开号2000-012900 (专利文献1))。即使当GaN晶体衬底的晶体生长表面具有减小的翘曲和表面粗糙度，但是，如果 GaN晶体衬底的后表面(意味着另一主表面，亦即，与晶体生长表面相对的表面；下面相同) 具有大的翘曲，当在衬底的晶体生长表面上形成半导体层时，这将导致衬底的背表面和基座(意味着在其上布置衬底的工作台；下面相同)之间形成的间隙部分增加。结果，从基座到衬底传递的热量被不勻地分布，以及在衬底的晶体生长表面上不能均勻地和稳定地形成半导体层。因而，有在衬底的晶体生长表面上不能形成具有良好结晶性的半导体层的问题， 因此不能获得具有优异性能的半导体器件。此外，尽管GaN晶体衬底的后表面通常具有大于晶体生长表面的表面粗糙度，但是当该后表面具有极其大的表面粗糙度时，发生如上所述的相同问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种GaN晶体衬底，具有减小翘曲的后表面，以及允许在其晶体生长表面上形成具有良好结晶性的半导体层，提供一种制造该GaN晶体衬底的方法以及制造半导体器件的方法。本发明是一种具有晶体生长表面和与该晶体生长表面相对的后表面的GaN晶体衬底，后表面具有满足-SOymSWao ^ 50 μ m的翘曲Wao。在根据本发明的GaN晶体衬底中，后表面可以具有满足Raao ^ 10 μ m的表面粗糙度Raao。此外，后表面可以具有满足Ryao < 75 μ m的表面粗糙度Ryao。此外，晶体生长表面可以具有满足-50 μ m彡ff(c)彡50 μ m的翘曲Wfc)，满足Rafc)彡IOnm的表面粗糙度R(c)，以及满足Ry(c) ( 60nm的表面粗糙度Ryfc)。
此外，本发明是上述制造GaN晶体衬底的方法，包括从生长的GaN晶体当中切割 GaN晶体衬底，并处理该GaN晶体衬底的后表面的步骤，其中处理该GaN晶体衬底的后表面的步骤包括磨削该后表面、研磨该后表面以及刻蚀该后表面的至少一个步骤。
此外，本发明是一种制造半导体器件的方法，包括准备上述GaN晶体衬底作为衬底，以及在该GaN晶体衬底的晶体生长表面的侧面上生长至少一个III族氮化物晶体层的步骤。
根据本发明，可以提供一种GaN晶体衬底，具有减小翘曲的后表面和允许在其晶体生长表面上形成的半导体层具有良好的结晶性，提供一种制造该GaN晶体衬底的方法以及制造半导体器件的方法。
从本发明的以下详细描述，同时结合附图，将使本发明的上述及其他目的、特点、 方面和优点变得更明显。
图IA和IB示出了根据本发明的GaN晶体衬底后表面的翘曲的示意性剖面图。
图2是说明测量根据本发明的GaN晶体衬底后表面的翘曲的方法流程图。
图3是测量根据本发明的GaN晶体衬底后表面的翘曲的方法中使用的测量设备的示意性视图。
图4示出了测量根据本发明的GaN晶体衬底后表面的翘曲的方法中的多个测量点的示意性平面图。
图5示出了多个测量点的排列的示意性视图。
图6A是用于8-相邻高斯滤波器的中心的示意性视图，说明用作系数的高斯函数 f(x，y)被排列的位置。
图6B是用于8-相邻高斯滤波器的中心的示意性视图，说明在归一化之前具有ο =5的系数的排列。
图6C是用于8-相邻高斯滤波器的中心的示意性视图，说明在归一化之后具有ο =5的系数的排列。
图7Α和7Β示出了测量根据本发明的GaN晶体衬底后表面的翘曲方法中的翘曲计算步骤的示意性视图。
图8示出了根据本发明的GaN晶体衬底的制造方法的示意性剖面图。
图9示出了根据本发明的半导体器件的制造方法的示意性剖面图。
图10示出了 GaN晶体衬底后表面的翘曲和半导体器件的成品率之间的关系视图。
具体实施方式
第一实施例
参考图IA和1Β，在根据本发明的GaN晶体衬底的实施例中，与晶体生长表面IOc 相对的后表面IOr具有满足-50 μ m彡ff(E) ^ 50 μ m的翘曲Wao，导致后表面IOr如图IA所示凹入地弯曲的翘曲用正的(+)符号表示，以及导致后表面IOr如图IB所示中凸地弯曲的翘曲用负的(_)符号表示。翘曲Wao被定义为后表面IOr的最凸起部分的位移值zp和最凹入部分的位移值zv之间的高度差。参考图IA和1B，如果后表面IOr的翘曲W00满足Wao < -50 μ m或Wao > 50 μ m， 那么GaN晶体衬底10和基座9之间形成的间隙部分9s增加。当在GaN晶体衬底10的晶体生长表面IOc上生长至少一个III族氮化物晶体层20作为半导体层时，这导致从基座9 至GaN晶体衬底10传递的热量不均勻分布。结果，半导体层20不能均勻地和稳定地生长， 使之难以制造均勻地形成并具有优异性能的半导体器件。鉴于上面的情况，更优选后表面IOr具有满足-；35 μ m彡ff(E) ^ 45 μ m的S曲W00。 当后表面IOr的翘曲用正的⑴符号表示时，后表面IOr和基座9的表面之间形成的间隙部分9s是图IA所示的封闭空间。另一方面，当后表面IOr的翘曲用负的㈠符号表示时， 后表面IOr和基座9的表面之间形成的间隙部分9s是如图IB所示的开口空间。因此，当在衬底10的晶体生长表面IOc上形成半导体层20时，翘曲用正的(+)符号表示时的衬底中的热量分布小于翘曲用负的(_)符号表示时衬底中的热量分布。可以预期翘曲的优选范围在正的(+)侧面上比在负的(_)侧面上更大。由于衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr通常具有高表面粗糙度，通过下述准确地测量后表面IOr的翘曲的方法，测量衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr的翘曲。参考图2，该测量方法是使用激光位移量测计测量与衬底的晶体生长表面相对的后表面翘曲，以及衬底被布置在衬底支撑台上的方法。该方法包括使用激光位移量测计，探测分别对应于衬底的后表面上的多个测量点的多个位移值的衬底探测步骤S 1 ；除去多个位移值中包含的噪声的噪声去除步骤S2 ；通过从多个位移值除去分别对应于衬底的外周边部分中的测量点的那些位移值，用于计算用于计算的多个位移值的外周边部分去除步骤S3 ；使用于计算的多个位移值平滑，以计算翘曲表面的平滑步骤S4 ；计算到翘曲面具有最小距离的最好配合面的最好配合面计算步骤S5 ；以及，计算在相对于最好配合面的一侧上从最好配合面到由翘曲面的最大位移值表示的点的距离与在相对于最佳符合面的另一侧上从最佳配合面到由翘曲面的最大位移值表示的点的距离总和作为翘曲的翘曲计算步骤S6。禾Ij用如上所述的测量方法，即使衬底具有有高表面粗糙度的后表面(例如，具有不少于50nm的表面粗糙度Ra)，也可以测量衬底的后表面的翘曲。应当注意，表面粗糙度Ra是通过在其平均线的方向中从粗糙度曲线采样具有参考长度的部分，累积从采样部分的平均线至测量曲线的偏差的绝对值，并计算参考长度的平均值而获得的值。此外，在图2中，用实线框围绕的步骤是不可缺少的步骤，以及用虚线框围绕的步骤是任意的步骤。转向图3，激光位移量测计15是通过在衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上施加激光束31来测量衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr的位移量的设备。对于激光器的类型没有特别的限制，例如使用具有670nm波长的红色半导体激光器。对于测量技术没有特别的限制，例如使用激光聚焦技术。尽管采用激光聚焦技术的激光位移量测计与采用光学干涉量度法的平面测试器相比，具有较低的准确性，但是它可以测量具有不少于50nm的表面粗糙度Ra的粗糙后表面。此外，与采用光学干涉量度法的平面测试器不同，采用激光聚焦技术的激光位移量测计可以获得反射光束31r，因此它可以分析并处理位移值。参考图3和4，在衬底支撑台12上布置衬底(GaN晶体衬底10)。尽管对于怎样在衬底支撑台12上布置衬底(GaN晶体衬底10)没有特别的限制，但是衬底(GaN晶体衬底10) 优选被布置在具有三个支撑部分12h的衬底支撑台12上，以便衬底(GaN晶体衬底10)的晶体生长表面IOc被三个支撑部分1 支撑。仅仅由三个支撑部分1 支撑衬底(GaN晶体衬底10)的晶体生长表面IOc的外周边部分可以使翘曲测量过程中对晶体生长表面IOc 的损坏最小化。此外，即使当被上面的三个部分支撑时，衬底(GaN晶体衬底10)倾斜，同时通过计算到翘曲面(意味着表示后表面翘曲的弯曲表面；下面相同)具有最小距离的最佳配合面，可以补偿衬底(GaN晶体衬底10)的倾斜，并计算从最佳配合面至翘曲面的距离。
参考图2至4，尽管对于衬底探测步骤Sl没有特别的限制，但是可以通过以渐进的方式在二维方向上(意味着图4中的X方向和Y方向；下面相同)移动衬底(GaN晶体衬底10)的同时，测量激光位移量测计15和衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr之间的距离L，从而执行该步骤。二维方向上的衬底(GaN晶体衬底10)的逐渐移动，可以以逐渐的方式在二维方向上移动耦合衬底支撑台12的驱动部分13到驱动单元14，来执行。驱动单元 14被位置控制单元16控制。
在此情况下，在衬底后表面上的多个测量点当中用激光束31照射的测量点 IOOp (任意规定的测量点)的二维方向上的位置数据经由位置控制单元16被收集到数据分析单元18。这里，图3中的箭头32表示其中位置数据被传送的方向。
尽管对于怎样测量距离L没有特别的限制，但是它可以，例如，通过激光聚焦技术来测量。下面将描述激光聚焦技术。从激光位移量测计15中的光源发射的入射光束31i 经由物镜(未示出)被施加到衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的任意规定测量点 100p，物镜借助于音叉(timing fork)在激光位移量测计15内以高速上下移动。来自任意规定测量点IOOp的反射光束31r通过激光位移量测计15中的针孔(未示出)并到达光接收元件(未示出)。根据共焦原理，当入射光束31i被聚焦在衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的任意规定测量点IOOp上时，在针孔的位置处，反射光束31ι 被聚焦为一个点， 并进入该光接收元件。在此情况下，通过用传感器(未示出)测量音叉的位置，可以测量激光位移量测计15和衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的任意规定测量点之间的距离 L0利用该方法，可以测量衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的任意规定测量点IOOp 的位移值z(a,b)(意味着Z方向上的位移值；下面相同)。
在此情况下，衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的多个测量点IOp当中的任意规定测量点IOOp的位移值数据经由激光位移量测计控制单元17被数据分析单元18收集。这里，图3中的箭头33表示其中位移值数据被传送的方向。
接下来，如图3和4所示，以渐进的方式(例如，以恒定间距P，在X方向或Y方向上)移动之后，执行以上测量，因此可以获得以间距P邻近于任意规定测量点IOOp的测量点的Z方向中的位移值数据。通过重复以上操作，可以获得二维方向(X方向和Y方向)上的位置数据和衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的多个测量点IOp的每一个的Z方向中的位移值。二维方向(X方向和Y方向)上的位置数据和如上所述获得的Z方向中的位移值数据被收集到数据分析单元18。
如图4所示，当在二维方向上，在恒定间距P下，以逐渐的方式移动圆形的衬底 (GaN晶体衬底10)时，可能有激光束被施加到衬底支撑台12而不是衬底(GaN晶体衬底10) 的后表面IOr的情况。如图4所示，当衬底(GaN晶体衬底10)被布置在衬底支撑台12的凹入部分中时，在衬底支撑台12的非凹入部分的表面1 上可能有测量点120a，以及在衬底支撑台12的凹入部分的表面12b上可能有测量点120b。6
在此情况下，参考图3，可以用如下所述除去的测量点120a和120b，探测分别对应于衬底(GaN晶体衬底10)后表面IOr上的多个测量点的多个位移值。具体地，通过仅仅探测任意规定的测量点100p，可以除去测量点120a和120b，该测量点IOOp具有到激光位移量测计15的距离L，满足关系La < L < Lb，其中La是激光位移量测计15和衬底支撑台12 的非凹入部分的表面1 之间的距离，以及Lb是激光位移量测计15和衬底支撑台12的凹入部分的表面12b之间的距离。因而，可以获得分别对应于衬底(GaN晶体衬底10)后表面 IOr上的多个测量点IOp的多个位移值。尽管对于噪声去除步骤S2没有特别的限制，只要它除去多个位移值中包含的噪声，但是对于该步骤它优选使用中值滤波器。参考图5，中值滤波器是，通过以升序或降序排列位移值Z(a,b)和邻近该位移值Z(a,b)的多个位移值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) (意味着分别对应于邻近任意规定的测量点IOOp的多个测量点IOlp, 102p, 103p, 104p, 105p, 106p, 107p, 108p的位移值，下面相同)时获得的中值，代替多个位移值(意味着分别对应于衬底(GaN晶体衬底10)的后表面IOr上的多个测量点 IOp的多个位移值；下面相同)当中任意规定的位移值z(a’b)(意味着对应于任意规定测量点IOOp的位移值，下面相同)的滤波器。在图5中，以恒定间距P，在二维方向(X方向和 Y方向)上布置位移值z(a,b)和邻近该位移值z(a,b)的多个位移值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)。尽管图5示出了邻近并围绕任意规定的位移值的八个位移值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) 作为多个相邻位移值(这种中值滤波器被称作8-相邻中值滤波器)，但是多个相邻测试点的数目不局限于八个。例如，也可以使用邻近位移值的M个测试点(这种中值滤波器被称作24-相邻中值滤波器)。对于外周边部分去除步骤S3没有特别的限制，只要它通过从多个位移值中除去分别对应于衬底的外周边部分中的测量点的那些位移值，计算用于计算的多个位移值。但是，当在噪声去除步骤S2中使用8-相邻中值滤波器时，参考图4，优选除去分别对应于从外周边IOe向内的至少两个测量点Illp和112p的位移值，作为从多个位移值除去分别对应于衬底(GaN晶体衬底10)的外周边部分中的测量点的位移值。这是因为，当在噪声去除步骤S2中使用8-相邻中值滤波器时，参考图4，邻近从衬底(GaN晶体衬底10)的外周边IOe向内的一个或两个点的位置处的位移值的八个位移值的至少一个是衬底支撑台12的凹入部分的表面12b或非凹入部分的表面1 的位移值，因此以上噪声去除步骤不能除去噪声。利用该方法，从多个位移值除去分别对应于衬底的外周边部分中的测量点的位移值，获得用于计算的多个位移值。参考图7A和7B，尽管对于平滑步骤S4没有限制，只要它平滑用于计算的多个位移值，以计算翘曲面40，但是对于该步骤，优选使用高斯滤波器。高斯滤波器是，使用高斯函数 f(x,y)作为加权系数，通过位移值z(a,b)和邻近该位移值z(a,b)的多个位移值ζ
b)，z(^ljb-D, z(ajb+1), z(ajW), z(a+ljb+1), z(a+1,b)，禾口 Z(^m)的力口权平均值 ζ' (a, b)代替用于计算的多个位移值当中的任意地规定位移值z(a,b)的滤波器。利用如上所述的平滑，即使后表面具有高表面粗糙度(例如，不少于50nm的表面粗糙度Ra)，也可以测量后表面的翘曲。二维高斯函数f (X，y)由以下公式⑴表示
权利要求
1.一种GaN晶体衬底，包括晶体生长表面；以及与所述晶体生长表面相对的后表面，所述后表面具有满足-35 μ m < w(E) < 45 μ m的翘曲w ，所述翘曲w 为如下计算值在分别对应于由二维方向上的位置数据表示的多个测量点的多个位移值中，从相对于最好配合面的一侧上的最大位移值到所述最好配合面的距离与从相对于所述最好配合面的另一侧上的最大位移值到所述最好配合面的距离的总和，所述晶体生长表面具有满足Rafc) ( IOnm的表面粗糙度Rafc)。
2.根据权利要求1的GaN晶体衬底，其中所述后表面具有满足Raao( IOym的表面粗糙度Ra (E)。
3.根据权利要求1的GaN晶体衬底，其中所述后表面具有满足Ryao^ 75 μ m的表面粗糙度Ry (R”
4.根据权利要求1的GaN晶体衬底，其中所述晶体生长表面具有满足-50 μ m < w(c) < 50 μ m的翘曲wfc)，所述翘曲wfc)通过采用光学干涉量度法的平面测试器测得。
5.根据权利要求1的GaN晶体衬底，其中所述晶体生长表面具有满足满足Ryfc)( 60nm 的表面粗糙度Ryfc)。
6.一种制造权利要求1的GaN晶体衬底的方法，所述方法包括从生长的GaN晶体中切割所述GaN晶体衬底的步骤；以及处理所述GaN晶体衬底的所述后表面的步骤，其中所述处理所述GaN晶体衬底的所述后表面的步骤包括磨削所述后表面、研磨所述后表面以及刻蚀所述后表面中的至少一个步骤。
全文摘要
本发明提供一种GaN晶体衬底及其制造方法。所述GaN晶体衬底包括晶体生长表面；以及与所述晶体生长表面相对的后表面，所述后表面具有满足-35μm≤w(R)≤45μm的翘曲w(R)，所述翘曲w(R)为如下计算值在分别对应于由二维方向上的位置数据表示的多个测量点的多个位移值中，从相对于最好配合面的一侧上的最大位移值到所述最好配合面的距离与从相对于所述最好配合面的另一侧上的最大位移值到所述最好配合面的距离的总和。所述晶体生长表面具有满足Ra(C)≤10nm的表面粗糙度Ra(C)。所述GaN晶体衬底具有减小翘曲的后表面，并允许在其晶体生长表面上形成具有良好结晶性的半导体层。
文档编号C30B33/08GK102492992SQ20111039391
公开日2012年6月13日 申请日期2007年2月14日 优先权日2006年2月15日
发明者田中仁子 申请人:住友电气工业株式会社