JP2003303743A - 窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 母材基板上にクラック等の欠陥が少なく窒化
物半導体層を形成すると共に、形成された窒化物半導体
層を下地層又は基板として利用できるようにする。 【解決手段】 まず、母材基板１１の上に窒化物半導体
層１２を形成し、続いて窒化物半導体層１２の上にネガ
型レジスト材料をスピンコート法により塗布した後、約
１００℃の温度でベーキングを行うことにより保持層１
３を形成する。次に、レーザ光１４を照射して母材基板
１１の裏面から窒化物半導体層１２の母材基板１１との
界面を分解することにより分解領域１２ａを形成する。
その後、レーザ光１４を走査して窒化物半導体層１２に
おける母材基板１１との界面の全領域に分解領域１２ａ
を形成し、保持層１３を除去することにより、母材基板
１１上の窒化物半導体層１２を下地層又は基板として用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III-Ｖ族窒化物か
らなる発光ダイオード装置、半導体レーザ装置及び高速
トランジスタ装置等の半導体装置の製造方法並びにIII-
Ｖ族窒化物からなる半導体基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウ
ム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のIII-
Ｖ族窒化物半導体は、発光ダイオード装置や半導体レー
ザ装置等の発光デバイス及び高温動作可能な高速トラン
ジスタ等の電子デバイスを構成する材料として好適であ
る。

【０００３】このようなIII-Ｖ族窒化物半導体を含む窒
化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体から
なる基板上にホモエピタキシャル成長により窒化物半導
体を成長してデバイス構造を形成することが望ましい
が、良質な窒化物半導体からなる基板を得ることが困難
であるため、近年、サファイア基板の上に窒化物半導体
をヘテロエピタキシャル成長することによりデバイス構
造を形成した後、形成したデバイス構造における母材基
板との界面にレーザ光を照射して窒化物半導体を熱分解
することによりデバイス構造を母材基板から分離する方
法が検討されている。

【０００４】例えば特開２０００−２５２２２４号公報
には、母材基板上に形成された窒化物半導体からなるデ
バイス構造を、レーザ光を照射することにより母材基板
から分離して安価で加工が容易なシリコン等からなる支
持基板に移し換える方法が示されている。

【０００５】以下、第１の従来例として、母材基板の上
に形成された窒化物半導体層を支持基板に移し換える方
法について図面を参照しながら説明する。

【０００６】図６（ａ）〜図６（ｅ）は、従来例に係る
窒化物半導体層の移し換え方法を示している。

【０００７】まず、図６（ａ）に示すように、主面の面
方位が（０００１）であるサファイア基板１０１の上に
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Depositio
n)法によりＧａＮからなる窒化物半導体層１０２を形成
する。

【０００８】次に、図６（ｂ）に示すように、窒化物半
導体層１０２の上にエポキシ樹脂等の接着層１０３を介
してシリコンからなる支持基板１０４を貼り合わせる。

【０００９】次に、図６（ｃ）に示すように、サファイ
ア基板１０１における主面と反対側の面（裏面）側か
ら、例えばＮｄ−ＹＡＧレーザの３次以上の高調波光又
はＫｒＦ（フッ化クリプトン）−エキシマレーザ光等の
レーザ光１０５を照射する。これにより、レーザ光１０
５はサファイアを透過し、ＧａＮに吸収されるため、窒
化物半導体層１０２のサファイア基板１０１との界面に
おいてＧａＮが分解されることにより、窒素が気体とな
って窒化物半導体層１０２から分離し、主に金属ガリウ
ムからなる分解領域１０２ａが生じる。これにより、サ
ファイア基板１０１と窒化物半導体層１０２との間の結
晶結合が切断される。

【００１０】次に、図６（ｄ）に示すように、レーザ光
１０５を走査してサファイア基板１０１の全面に照射す
ることにより、分解領域１０２ａが窒化物半導体層１０
２におけるサファイア基板１０１との界面の全面に形成
される。

【００１１】次に、図６（ｅ）に示すように、塩酸等の
酸を用いて分解領域１０２ａの金属ガリウムを除去する
ことにより、窒化物半導体層１０２をサファイア基板１
０１から分離し、窒化物半導体層１０２を支持基板１０
４に移し換えることを可能としている。

【００１２】第１の従来例によると、サファイア基板１
０１が除去されるため、支持基板１０４上に接着層１０
３を介して窒化物半導体層１０２を形成することでき
る。なお、ここでは窒化物半導体層１０２のみを形成し
ているが、図６（ａ）に示す工程の後に、窒化物半導体
層１０２の上に他の窒化物半導体層を順次成長して所望
のデバイス構造を形成した後、同様の工程により、サフ
ァイア基板１０１から支持基板１０４にデバイス構造を
移し換えて窒化物半導体装置とすることが可能である。

【００１３】また、第１の従来例と同様のレーザ光照射
工程を用いて窒化物半導体基板を形成する方法も検討さ
れている。第２の従来例として、Japanese Journal of
Applied Phisics 第38巻 L217〜L219 頁に記載された論
文には、サファイア基板上に厚さが２００μｍ〜３００
μｍのＧａＮからなる窒化物半導体層を成長した後、レ
ーザ光をサファイア基板の裏面側から照射することによ
り、窒化物半導体層をサファイア基板から分離してＧａ
Ｎからなる窒化物半導体基板を得る方法が示されてい
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の従来例によると、図６（ａ）に示す工程の後、結晶
成長時の温度から室温にまで冷却される過程において、
サファイア基板１０１との熱膨張係数の違いから窒化物
半導体層１０２に応力が発生して反りやひずみの原因と
なる。特に窒化物半導体層１０２の厚さが１００μｍよ
りも大きいと窒化物半導体層１０２にクラックが発生す
る。

【００１５】同様に、第１の従来例を用いて窒化物半導
体装置を形成する場合、積層されたデバイス構造の厚さ
が１００μｍよりも大きいとデバイス構造にクラックが
発生し、窒化物半導体装置の歩留まりが著しく低下す
る。このため、第１の従来例の方法では形成される窒化
物半導体層の厚さに制限があるので、例えば半導体レー
ザではクラッド層として窒化物半導体層を厚く積層する
必要があるが、クラッド層として光閉じ込めに十分な効
果を得られない等の問題が生じる。また、デバイス構造
の厚さが１００μｍよりも小さい場合であっても、例え
ば他の半導体層を形成した後に生じる反りやエッチング
された部分の凹凸の影響により、支持基板１０４が均一
に貼り合わされない場合も多く、窒化物半導体装置の歩
留まりが悪い。

【００１６】そこで、第１の従来例において窒化物半導
体層１０２を５μｍ程度に薄く形成し、該窒化物半導体
層１０２を下地層として利用することが望ましい。しか
し、前記第１の従来例の方法により形成された窒化物半
導体層１０２は、以下の理由で下地層として用いること
ができない。

【００１７】即ち、サファイア基板１０１上に結晶成長
により形成された窒化物半導体層１０２は、サファイア
基板１０１の面方位と一致するように（０００１）面を
主面として形成されるが、このとき、サファイア基板１
０１側の界面側がＶ族原子の配列した面となり、主面側
にIII 族原子が配列する。ここで、窒化物半導体層１０
２を下地層として他の窒化物半導体層を結晶成長しよう
とする場合、III 族原子の配列した面の上に成長するこ
とが好ましく、Ｖ族原子の配列した面の上では結晶性が
悪化しやすい傾向がある。従って、第１の従来例によっ
て得られた支持基板１０４上の窒化物半導体層１０２に
おいて、露出した面はＶ族原子の配列した面であるた
め、結晶性良く窒化物半導体層を成長することはできな
い。また、窒化物半導体層１０２の主面であるIII 族原
子の配列した面の上は、接着層１０３と支持基板１０４
とによって覆われているため、他の半導体層を結晶成長
するための下地として用いることができない。

【００１８】このように、第１の従来例では、下地層と
して利用可能な窒化物半導体層を得ることができないと
いう課題を有している。

【００１９】また、前記第２の従来例において、窒化物
半導体層の貫通欠陥密度が１×１０ ⁸ ｃｍ^-2以下である
と、サファイア基板との熱膨張係数差や格子定数差によ
る歪みが緩和できず、窒化物半導体層の厚さを１００μ
ｍ以上にするとクラックが生じてしまう。そこで、窒化
物半導体層の厚さを１００μｍ以上にする場合には、バ
ッファ層等を用いて貫通欠陥密度が１×１０⁹ ｃｍ^-2以
上とする必要があり、結晶性が良くない。また、厚さが
１００μｍ以下であれば、選択成長等の手法を用いて貫
通欠陥密度を１×１０⁸ ｃｍ^-2以下とすることができる
が、この場合には機械的強度が不十分であり、基板とし
ての実用性に乏しい。このように、第２の従来例による
と、低欠陥で結晶性の良い窒化物半導体基板を得ること
ができないという問題を有している。

【００２０】本発明は、前記従来の問題を解決し、母材
基板上にクラック等の欠陥が少なく窒化物半導体層を形
成すると共に、形成された窒化物半導体層を下地層又は
基板として利用できるようにすること目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、母材基板上の窒化物半導体層に保持層を
形成する構成とする。

【００２２】具体的に、本発明に係る窒化物半導体装置
の製造方法は、母材基板の上に窒化物半導体層を形成す
る第１の工程と、窒化物半導体層の上に該窒化物半導体
層を保持する保持層を形成する第２の工程と、窒化物半
導体層における母材基板との界面に照射光を照射する第
３の工程と、保持層を除去する第４の工程とを備えてい
る。

【００２３】本発明の窒化物半導体装置の製造方法によ
ると、保持層を形成した後に照射光を照射するため、ク
ラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層
との結晶結合を切断することできる。さらに、保持層を
除去することにより、窒化物半導体層におけるIII 族原
子の配列する面を露出することができる。これにより、
窒化物半導体層の上に結晶欠陥の少ない半導体層をさら
に結晶成長することができ、窒化物半導体層をデバイス
構造を形成するための下地層として用いることが可能と
なる。

【００２４】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
第４の工程よりも後に、窒化物半導体層の上に所定のデ
バイス構造を形成する第５の工程をさらに備えているこ
とが好ましい。このようにすると、第３の工程によって
母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断した後に
デバイス構造を形成するため、熱膨張係数差によって生
じる応力を小することができ、デバイス構造の厚さ寸法
を大きくしても温度変化に伴ってデバイス構造にクラッ
クが発生することがなく、また反りやひずみ等の欠陥も
生じにくい。

【００２５】本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、
第５の工程よりも後に、デバイス構造の上に支持基板を
貼り合わせた後、窒化物半導体層から母材基板を分離す
る工程をさらに備えていることが好ましい。このように
すると、デバイス構造に反りやひずみが生じていないた
め、母材基板とほぼ同面積の領域において、母材基板か
ら分離され且つ支持基板上にデバイス構造が形成された
窒化物半導体装置を得ることができ、クラック等の欠陥
が少ない窒化物半導体装置を歩留まり良く得ることがで
きる。

【００２６】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、第３の工程における照射光のエネルギーは、母材
基板のバンドギャップよりも小さく且つ窒化物半導体層
のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。このよ
うにすると、母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を
確実に切断することができる。

【００２７】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、第２の工程は、窒化物半導体層の上に流動性を有
する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布された保持
層形成材料を硬化する工程とを含むことが好ましい。こ
のようにすると、保持層形成材料が流動性の材料である
ため、窒化物半導体層上の全面に均一に形成することが
できる。しかも、保持層の形成にスピンコート法を用い
ることができるため、特別な装置を必要とせずコストの
上昇を招くことがない。

【００２８】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、保持層形成材料は光の照射により硬化することが
好ましい。このようにすると、第３の工程における照射
光の照射によって保持層がさらに硬化されるため、第３
の工程において窒化物半導体層にクラックが発生するこ
とを確実に防止することができる。

【００２９】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、保持層形成材料はレジスト材料であることが好ま
しい。このようにすると、窒化物半導体層の特性に影響
を与えることなく第２の工程における保持層の形成と第
４の工程における保持層の除去とを実施することができ
る。

【００３０】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、保持層はネガ型レジストであることが好ましい。
このようにすると、第３の工程において窒化物半導体層
にクラックが発生することを確実に防止することができ
るのに加えて、窒化物半導体層の特性に影響を与えるこ
となく第２の工程における保持層の形成と第４の工程に
おける保持層の除去とを実施することができる。

【００３１】本発明の窒化物半導体装置の製造方法にお
いて、窒化物半導体層は、厚さが１００μｍ以下である
ことが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層を
クラックなく形成することが確実となる。

【００３２】本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法
は、母材基板上に第１の窒化物半導体層を形成する第１
の工程と、第１の窒化物半導体層の上に該第１の窒化物
半導体層を保持する保持層を形成する第２の工程と、第
１の窒化物半導体層における母材基板との界面に照射光
を照射する第３の工程と、保持層を除去する第４の工程
とを備えている。

【００３３】本発明の窒化物半導体基板の製造方法によ
ると、保持層を形成した後に照射光を照射するため、ク
ラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層
との結晶結合を切断することできる。さらに、保持層を
除去することにより窒化物半導体層の結晶成長面を露出
することができるため、母材基板上に形成された窒化物
半導体層を窒化物半導体基板として用いることができ
る。これらにより、クラック等の欠陥が少ない窒化物半
導体基板を大面積に得ることができる。

【００３４】本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、
第４の工程よりも後に、第１の窒化物半導体層の上に第
２の窒化物半導体層を形成する工程をさらに備えている
ことが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層に
おける第４の工程の後に露出した面はIII 族原子の配列
した面であるため、結晶欠陥を少なく半導体層を形成す
ることができる。これにより、窒化物半導体層と半導体
層とによって窒化物半導体基板を形成されるため、半導
体層を厚くすることにより十分な強度を有する窒化物半
導体基板を形成することができる。

【００３５】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、第２の工程は、第１の窒化物半導体層の上に流動
性を有する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布され
た保持層形成材料を硬化する工程とを含むことが好まし
い。このようにすると、保持層形成材料を第１の窒化物
半導体層上の全面に均一に形成することができると共
に、保持層の形成にスピンコート法を用いることにより
コストの上昇を招くことがない。

【００３６】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、保持層形成材料は光の照射により硬化することが
好ましい。このようにすると、第３の工程における照射
光の照射によって保持層がさらに硬化され、第１の窒化
物半導体層にクラックが発生することを確実に防止する
ことができる。

【００３７】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、保持層形成材料はレジスト材料であることが好ま
しい。第１の窒化物半導体層の特性に影響を与えること
なく保持層の形成と除去とを実施することができる。

【００３８】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、保持層形成材料はネガ型レジスト材料であること
が好ましい。このようにすると、第３の工程において第
１の窒化物半導体層にクラックが発生することを確実に
防止することができるのに加えて、窒化物半導体層の特
性に影響を与えることなく保持層の形成と除去とを実施
することができる。

【００３９】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、第１の窒化物半導体層は、１００μｍ以下である
ことが好ましい。このようにすると、第１の窒化物半導
体層をクラックを生じることなく確実に形成することが
できる。

【００４０】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の第１
の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００４１】図１〜図４は、本実施形態の窒化物半導体
装置の製造方法についての工程順の断面構成を示してい
る。

【００４２】まず、図１（ａ）に示すように、サファイ
アからなる母材基板１１の上に、有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
法により、III 族源であるトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）と、Ｖ族源であるアンモニアとを供給し、基板温度
が約１０００℃の条件で窒化ガリウム（ＧａＮ）からな
る厚さが約５μｍの窒化物半導体層１２を形成する。

【００４３】母材基板１１は直径が約５．１ｃｍ（約２
インチ）で厚さが約３３０μｍ、主面の面方位を（００
０１）面として鏡面に仕上げられ、主面の反対側の面で
ある裏面は粗面に仕上げられている。このとき、窒化物
半導体層１２は、母材基板１１と面方位が一致するよう
に、主面の面方位を（０００１）面として形成される。
ここで、ＭＯＣＶＤ法において、まず母材基板１１の主
面には窒素原子が配列し、その上にガリウム原子が配列
されるため、形成された窒化物半導体層１２は裏面側が
窒素原子の配列したＶ族面となり、主面側がガリウム原
子の配列したIII 族面となる。

【００４４】なお、母材基板１１に対する窒化ガリウム
の核（成長核）の形成密度を増加するために、基板温度
を約５００℃として結晶成長することによりＧａＮから
なる低温バッファ層を形成した後に基板温度を約１００
０℃として窒化物半導体層１２を形成してもよい。ま
た、母材基板１１をアンモニア等を用いて窒化処理する
ことにより核の形成密度を増加することもできる。勿
論、これら２つの方法を組み合わせて行うことも可能で
ある。

【００４５】また、窒化物半導体層１２の厚さは約５μ
ｍに限られず、１００μｍ以下であればクラックを発生
させることなく窒化物半導体層１２を形成することがで
きる。窒化物半導体層１２の厚さが１００μｍより大き
いと、結晶成長時の温度から室温にまで冷却される過程
において、母材基板１１との熱膨張係数差によって生じ
る応力が大きくなり、クラックや割れ等の欠陥が生じや
すくなる。

【００４６】次に、図１（ｂ）に示すように、窒化物半
導体層１２の上に、スピンコート法により、保持層形成
材料として粘度が約１０００ｃＰのネガ型レジスト材料
を用い、回転速度が約６００ｒｐｍの条件で塗布した
後、約１００℃でベーキングを行ってネガ型レジスト材
料を硬化することにより、厚さが約３０μｍの保持層１
３を形成する。ここで、保持層１３を形成するための保
持層形成材料として通常のフォトリソグラフィ工程に用
いられるネガ型レジスト材料を用いている。

【００４７】保持層１３は、その厚さが３０μｍ以下で
あると、後の工程において窒化物半導体層１２を十分に
保持することができず、窒化物半導体層１２にクラック
や割れ等の欠陥が生じやすくなる。このためのスピンコ
ートの条件は、回転速度を１００ｒｐｍ以上とし、保持
層１３の形成に用いるネガ型レジスト材料の粘度を１５
０ｃＰ以上とする。回転速度が１００ｒｐｍ以下である
と、保持層１３を均一に塗布することができず、また、
ネガ型レジスト材料の粘度が１５０ｃＰ以下であると保
持層１３の厚さを十分に確保できない。

【００４８】保持層１３を形成する保持層形成材料をネ
ガ型レジスト材料とすることにより、通常のフォトリソ
グラフ工程におけるスピンコート法を用いて塗布するこ
とができるため、窒化物半導体層１２に反りや凹凸が生
じている場合であっても保持層１３を密着性よく均一に
形成することができると共に、保持層１３を形成するた
めに特別な装置を必要とせず、コストの上昇を招くこと
がない。また、レジスト材料は、例えばナトリウム等の
窒化物半導体層１２を汚染する物質の含有量が少ないた
め、窒化物半導体層１２の特性を損なうことなく保持層
１３を形成することができる。

【００４９】また、本実施形態では、保持層１３を形成
する保持層形成材料をネガ型レジスト材料とすることに
より、後の工程においてレーザ光を照射して窒化物半導
体層１２を分解する過程において、レーザ光によって保
持層１３がさらに硬化されるため、窒化物半導体層１２
は保持層１３によってより強固に保持されるので、分解
領域１２ａ形成時におけるクラックの発生を確実に防止
することができる。勿論、保持層形成材料を、ネガ型レ
ジスト材料に変えて、光を照射することによって硬化す
る感光性樹脂等の材料を用いて同様の効果を得られる。

【００５０】なお、保持層１３を形成する材料は、ネガ
型レジスト材料に限られず、流動性の材料であって硬化
させることが可能な材料であればよい。また、例えばナ
トリウム等の窒化物半導体層１２を汚染する物質の含有
量が少ない材料であることがより好ましい。

【００５１】例えば、保持層１３を形成する材料をポジ
型レジスト材料とした場合には、熱処理の時間を長くす
るなどにより十分に保持層１３を硬化することにより、
後の工程においてレーザ光を照射しても保持層１３が分
解されて窒化物半導体層１２を保持する機能がなくなる
ことがない。

【００５２】また、熱硬化性の樹脂、紫外線硬化性の樹
脂、空気と接することで硬化する樹脂又は２つの薬剤を
混合した後に所定時間で硬化する樹脂等を用いることも
可能であり、この場合には、感光性材料に換えてこれら
の樹脂をそれぞれスピンコート法により塗布した後、加
熱、紫外線照射、所定時間空気中で保持する等それぞれ
の樹脂に適した硬化を行うことにより保持層１３を形成
することができる。

【００５３】また、室温では固体であって高温で液化す
る材料、例えばインジウム及び錫等の金属、並びにイン
ジウム及び錫等の金属を含む合金等を用いることも可能
であり、この場合にはこれらの材料の融点以上の温度と
することにより液化し、窒化物半導体層１２を加熱した
状態で塗布を実施し、室温にまで低下させることにより
固化して保持層１３を形成してもよい。

【００５４】次に、図１（ｃ）に示すように、母材基板
１１の主面と反対側の面（裏面）側からレーザ光１４を
照射する。レーザ光１４には、波長が約３５５ｎｍのＮ
ｄ（ネオジウム）−ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウ
ム、ガーネット）レーザの３次以上の高調波光を用い、
窒化物半導体層１２の位置において、光密度が０．２Ｊ
／ｃｍ²〜２Ｊ／ｃｍ²の間の値となるように直径が約２
ｍｍの円形状に集光し、パルス幅を５ｎｓ、パルス周期
を１０Ｈｚとして照射する。ここで、レーザ光１４のエ
ネルギーは、サファイアのバンドギャップである８．７
ｅＶよりも小さく、且つＧａＮのバンドギャップである
３．４ｅＶよりも大きいため、母材基板１１を透過して
窒化物半導体層１２における母材基板１１との界面に到
達して窒化物半導体層１２に吸収される。

【００５５】レーザ光１４の照射により、窒化物半導体
層１２における母材基板１１との界面が加熱され、窒化
物半導体層１２の窒化ガリウムが窒素分子と金属ガリウ
ムとに分解される。これにより、窒素分子は気体となっ
て窒化物半導体層１２から分離されるため、窒化物半導
体層１２におけるレーザ光１４の照射された領域は主に
金属ガリウムからなる分解領域１２ａとなる。

【００５６】ここで、レーザ光１４の光密度が０．２Ｊ
／ｃｍ² より小さい値であると窒化物半導体層１２は分
解されず、また２Ｊ／ｃｍ² より大きい値であると母材
基板１１までもが分解又は融解して母材基板１１と窒化
物半導体層１２とを分離することが困難となる。

【００５７】なお、本実施形態では分解領域１２ａを形
成するための照射光として、エネルギーが大きく且つ集
光や光軸制御が容易なレーザ光１４を用いているが、母
材基板１１を透過し且つ窒化物半導体層１２を分解する
エネルギーを有する光であればよい。

【００５８】次に、図１（ｄ）に示すように、レーザ光
１４を円形状の母材基板１１における円周方向に沿って
外周部から内側に走査して窒化物半導体層１２の全面に
照射することにより、窒化物半導体層１２における母材
基板１１との界面の全領域に分解領域１２ａを形成す
る。レーザ光１４の走査は、パルス波として照射される
レーザ光１４の隣り合うスポット同士が互いに約１．５
ｍｍ幅の重なりを持つように行う。

【００５９】ここで、レーザ光１４の照射領域において
窒化物半導体層１２が加熱されることにより、母材基板
１１と窒化物半導体層１２との間の熱膨張係数差によっ
て応力が発生するが、窒化物半導体層１２は保持層１３
によって均一に且つ密着して保持されているため、全面
にレーザ光１４を照射しても窒化物半導体層１２にクラ
ックが生じることはない。

【００６０】分解領域１２ａの形成に伴い、母材基板１
１と窒化物半導体層１２との間の結晶結合が切断され、
窒化物半導体層１２は分解領域１２ａを介して母材基板
１１の上に付着された状態となる。

【００６１】ここで、母材基板１１と結晶結合により結
合されている場合の結合力と比べ、窒化物半導体層１２
と分解領域１２ａとの結合力は弱いため、窒化物半導体
層１２において下層である分解領域１２ａとの間に温度
変化に伴って生じる応力は小さくなる。特に、金属ガリ
ウムは融点が約２５℃であり室温では液体であるか又は
固体であっても非常に軟らかい金属であるため、窒化物
半導体層１２は熱による寸法変化によって応力はほとん
ど生じない。

【００６２】次に、図２（ａ）に示すように、有機溶剤
を用いて保持層１３を除去する。ここで、金属ガリウム
は有機溶剤によって溶解されないので、窒化物半導体層
１２は分解領域１２ａを介して母材基板１１に付着され
た状態を維持することができる。ここで、保持層１３は
レジスト材料かならるため除去工程において、窒化物半
導体層を汚染することがない。

【００６３】保持層１３を除去した後、窒化物半導体層
１２の表面を酸やアルカリなどによって洗浄しても良
い。ただし、塩酸は金属ガリウムを溶解するため、窒化
物半導体層１２が母材基板１１から剥離することがある
ので、硫酸若しくはリン酸等を主成分とし塩酸を含まな
い酸、又はアンモニア若しくは水酸化カリウムを主成分
とするアルカリを洗浄液として用いることが好ましい。

【００６４】以上の工程により、母材基板１１の上に分
解領域１２ａを介して形成された窒化物半導体層１２を
得ることができる。この窒化物半導体層１２は、III 族
原子の配列した主面が表面に露出されているため、窒化
物半導体層１２を窒化物半導体装置を形成するための下
地層として用いることができる。以下の説明では、窒化
物半導体層１２の上に面発光型のレーザ素子となるデバ
イス構造を形成する例について説明する。

【００６５】まず、図２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶ
Ｄ法により、窒化物半導体層１２の上にｎ型のＡｌＮと
ｎ型のＡｌＧａＮの多層構造からなる第１の多層膜ミラ
ー層１５と、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１の光ガイド層
１６と、ＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層１７と、ｐ
型ＡｌＧａＮからなる第２の光ガイド層１８と、ｐ型の
ＡｌＮとｐ型のＡｌＧａＮの多層構造からなる第２の多
層膜ミラー層１９とが順次結晶成長されたデバイス構造
を形成する。

【００６６】ここで、結晶成長時の温度から室温にまで
冷却される過程において、母材基板１１と窒化物半導体
層１２上のデバイス構造とは、それぞれの熱膨張係数の
違いによりそれぞれ異なる程度に寸法が変化するが、分
解領域１２ａによって母材基板１１と窒化物半導体層１
２との結晶結合が切断されることにより、熱膨張係数差
によって生じる応力を小さくされているため、デバイス
構造を１００μｍ以上に厚く形成してもクラックが発生
することはなく、また反りやひずみ等の欠陥も生じにく
い。

【００６７】次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ法により、第２の多層膜ミラー層１９の上に
直径が約３０μｍの円形状にパターニングされたレジス
トマスク（図示せず）した後、塩素を含むエッチングガ
スを用いた反応性イオンエッチング法により、レジスト
マスクを用いて第１の光ガイド層１６が露出するまで第
２の多層膜ミラー層１９、第２の光ガイド層１８及び量
子井戸活性層１７を順次エッチング除去し、その後レジ
ストマスクを除去する。これにより、量子井戸活性層１
７の平面形状がほぼ円形に形成される。

【００６８】なお、エッチングは少なくとも量子井戸活
性層１７が露出するまで行えばよく、必ずしも第１の光
ガイド層１６までエッチングされる必要はない。また、
量子井戸活性層１７の形状も円形状に限定されず、四角
形状又は多角形状等であっても良い。

【００６９】次に、図３（ａ）に示すように、金属蒸着
法及びフォトリソグラフィ法により、第２の多層膜ミラ
ー層１９の上には金及びニッケルからなる円形のｐ側電
極２０を、第１の多層膜ミラー層１５上における量子井
戸活性層１７の周囲には、量子井戸活性層１７と間隔を
置いて金及びチタンからなるリング形状のｎ側電極２１
をそれぞれ形成する。

【００７０】次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ側電極
２０及びｎ側電極２１を、金錫合金からなる半田材２２
を介して、例えばシリコンからなる支持基板２３と接着
する。ここで、半田材２２は、あらかじめ支持基板２３
の下面にｐ側電極２０及びｎ側電極２１と同様の形状に
パターニングしたものを用いており、ｐ側電極２０及び
ｎ側電極２１と半田材２２との位置合わせを行った後、
半田材２２の融点以上に加熱することにより、ｐ側電極
２０、ｎ側電極２１及び半田材２２を介してデバイス構
造を支持基板２３と貼り合わせる。なお、この張り合わ
せの工程においてデバイス構造と支持基板２３とが均一
に接するように、ｐ側電極２０、ｎ側電極２１及び半田
材２２のそれぞれの厚さが設定される。

【００７１】ここで、母材基板１１と窒化物半導体層１
２との間には分解領域１２ａが形成されているため、窒
化物半導体層１２には熱膨張係数に基づく応力がほとん
ど生じないため、窒化物半導体層１２をクラックなく形
成することができ、反りもほとんど生じないので、窒化
物半導体層１２上の全面においてｐ側電極２０及びｎ側
電極２１を支持基板２３と均一に接着することができ
る。

【００７２】なお、支持基板２３はシリコンに限られ
ず、用途に合わせて材料を選択してもよい。例えば、砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）及び
燐化インジウム（ＩｎＰ）等を用いると素子の劈開が容
易になるという利点がある。また高放熱が要求される用
途では、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）及びダイヤモンド等を用いることができる。

【００７３】次に、図４（ａ）に示すように、金属ガリ
ウムの融点よりも高い温度に保持することにより金属ガ
リウムを融解し、真空吸着等によりデバイス構造と母材
基板１１とを分解領域１２ａの位置で分離する。このと
き、母材基板１１の上面及び窒化物半導体層１２の下面
には融解された分解領域１２ａの残渣が付着している。

【００７４】なお、金属ガリウムの融解時の温度が半田
材２２の融点を超えると、デバイス構造と支持基板２３
との接着が剥離する可能性があるため、半田材２２の融
点以下で行われる必要がある。

【００７５】次に、図４（ｂ）に示すように、金属ガリ
ウムの融解後に窒化物半導体層１２の下面に付着した金
属ガリウムを塩酸等の酸によって除去する。また、母材
基板１１は、同様に金属ガリウムを除去した後、窒化物
半導体成長用の母材基板として再び使用できる。

【００７６】以上の工程により、第１の光ガイド層１
６、量子井戸活性層１７及び第２の光ガイド層１８を挟
む第１の多層膜ミラー層１５と第２の多層膜ミラー層１
９とを反射面とする共振器構造が支持基板２３上に形成
され、窒化物半導体層１２側の面から紫外域〜紫色域の
光を放射する面発光レーザ素子を得ることができる。

【００７７】前述の一連の工程において、窒化物半導体
層１２の上に形成されたデバイス構造は、母材基板１１
と窒化物半導体層と１２の結晶結合が切断された状態で
形成されることにより、クラックや反り等の欠陥を少な
く形成されているため、母材基板１１上のほぼ全面にお
いてデバイス構造と支持基板２３とを均一に接着できる
ようになる。これにより、母材基板１１のほぼ全面から
面発光レーザ素子を得ることができる。

【００７８】以上説明したように、第１の実施形態に係
る窒化物半導体装置の製造方法によると、保持層１３を
形成することにより、レーザ光１４によって母材基板１
１と窒化物半導体層１２とを分離する工程において、熱
膨張係数差に伴う変形から窒化物半導体層１２を保護す
ることができるため、窒化物半導体層１２をクラック等
の欠陥を少なく得ることができる。また、レーザ光１４
を照射した後に保持層１３を除去することが可能である
ため、窒化物半導体層１２の主面が露出されるので、窒
化物半導体層１２を下地層として用いることが可能とな
り、半導体デバイス構造体の厚さ寸法を大きくしても欠
陥の少ない窒化物半導体装置を歩留まり良く形成するこ
とができる。

【００７９】なお、本実施形態では一例として面発光レ
ーザ素子としてデバイス構造を形成したが、その他の発
光素子や高速トランジスタ等を構成するように、窒化物
半導体層１２の上に適切な半導体層及び電極を形成する
ことにより所望のデバイス構造を形成してもよい。

【００８０】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００８１】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態の
窒化物半導体基板の製造方法についての工程順の断面構
成を示している。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）におい
て、第１の実施形態と同一の部材については同一の符号
を付すことにより説明を省略する。また、本実施形態の
窒化物半導体基板の製造方法において、図５（ａ）に示
す工程よりも前の工程は第１の実施形態に係る半導体装
置の製造方法における図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工
程と同様に実施可能であるため、図面を参照することに
より詳細な説明を省略する。

【００８２】まず、図１（ａ）に示す工程と同様に、サ
ファイアからなる母材基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法に
より、ＧａＮからなる厚さが約５μｍの窒化物半導体層
１２を形成する。ここで、第１の実施形態と同様に、窒
化物半導体層１２は１００μｍ以下とすることによりク
ラックが生じないようにしている。

【００８３】次に、図１（ｂ）に示す工程と同様に、ス
ピンコート法によりネガ型レジスト材料を塗布した後、
加熱して硬化させることにより厚さが約３０μｍの保持
層１３を形成する。

【００８４】次に、図１（ｃ）に示す工程と同様に、母
材基板１１の下面側からレーザ光１４を照射して窒化物
半導体層１２を分解することにより、主に金属ガリウム
からなる分解領域１２ａを形成する。

【００８５】次に、図１（ｄ）に示す工程と同様に、レ
ーザ光１４を走査して窒化物半導体層１２の全面に照射
することにより、窒化物半導体層１２における母材基板
１１との界面の全領域に分解領域１２ａを形成する。こ
こで、分解領域１２ａにより母材基板１１と窒化物半導
体層１２とは結晶結合が切断され、窒化物半導体層１２
は分解領域１２ａと弱く結合した状態であるため、窒化
物半導体層１２に生じる応力は小さくなる。

【００８６】次に、図５（ａ）に示すように、有機溶剤
を用いて保持層１３を除去することにより、母材基板１
１の上に分解領域１２ａを介して付着した窒化物半導体
層１２を得ることができる。

【００８７】ここで、保持層１３を除去した後に、金属
ガリウムの融点よりも高い温度に保持することにより、
母材基板１１と窒化物半導体層１２とを分解領域１２ａ
の位置で分離し、窒化物半導体層１２を窒化物半導体基
板として用いることが可能である。しかし、このように
して得られた窒化物半導体基板は、厚さ寸法が小さく、
支持や搬送に十分な強度を確保できない。そこで、本実
施形態においては、以下の工程により窒化ガリウムから
なる窒化物半導体基板する。

【００８８】まず、図５（ｂ）に示すように、ハイドラ
イド気相成長（ＨＶＰＥ：HydrideVapor Phase Epitax
y)法により、III 族源には金属ガリウムとＨＣｌガスと
を約８００℃で反応させて得られる気体状の塩化ガリウ
ムを、Ｖ族源にはアンモニアを用いて、それぞれを水素
又は窒素等をキャリアガスとして供給すると共に、基板
温度を約１０００℃として、窒化物半導体層１２の上に
厚さが約３００μｍの窒化ガリウムからなる厚膜半導体
層２４を形成する。この工程により、窒化物半導体層１
２と厚膜半導体層２４とによって構成される窒化ガリウ
ムからなる窒化物半導体基板２５を得ることができる。

【００８９】ここで、結晶成長時の温度から室温にまで
冷却される過程において、母材基板１１と厚膜半導体層
２４とは、それぞれの熱膨張係数の違いから異なる程度
に寸法が変化するが、分解領域１２ａによって母材基板
１１と窒化物半導体層１２との結晶結合が切断されるこ
とにより、熱膨張係数差によって生じる応力を小さくさ
れているため、厚膜半導体層２４を１００μｍ以上に厚
く形成してもクラックが発生することはなく、また反り
やひずみ等の欠陥も生じにくい。

【００９０】なお、窒化物半導体層１２と厚膜半導体層
２４とが同一の材料により構成されている必要はなく、
厚膜半導体層２４に、例えばＡｌＮ及びＩｎＮ等の他の
III-Ｖ族窒化物を用いて異なる窒化物が積層された窒化
物半導体基板を形成してもよい。

【００９１】次に、図５（ｃ）に示すように、金属ガリ
ウムの融点よりも高い温度に保持することにより、母材
基板１１と窒化物半導体層１２とを分解領域１２ａの位
置で分離し、塩酸等の酸によって分解領域１２ａの残渣
を洗浄することにより、厚さが約３００μｍの窒化物半
導体基板２５を得ることができる。また、母材基板１１
は窒化物半導体基板の形成に再び使用することが可能で
ある。

【００９２】ここで、厚膜半導体層２４の厚さを調節す
ることにより、必要に応じた任意の厚さの窒化物半導体
基板２５を得ることができる。

【００９３】また、本実施の形態では例示しないが、厚
膜半導体層２４の形成時において横方向成長による各種
の貫通欠陥低減法を用いることにより、欠陥密度が１×
１０ ⁶ ｃｍ―²以下となるような結晶性が良好な厚膜半
導体層２４を成長することも可能である。

【００９４】以上説明したように、第２の実施形態に係
る窒化物半導体基板の製造方法によると、保持層１３を
形成することにより、レーザ光１４によって母材基板１
１とを分離する工程において、熱膨張係数差に伴う変形
から窒化物半導体層１２を保護することができるため、
窒化物半導体層１２をクラック等の欠陥を少なく得るこ
とができる。また、レーザ光１４を照射した後に保持層
１３を除去して窒化物半導体層１２の主面を露出するこ
とにより、窒化物半導体層１２の上に厚膜半導体層２４
を形成することにより厚い窒化物半導体基板２５を形成
することができ、クラック等の欠陥が少なく且つ保持及
び搬送に十分な強度を有する窒化物半導体基板２５を大
面積に形成することができる。

【００９５】なお、以上に説明した第１及び第２の実施
形態において、母材基板１１の直径は５．１ｃｍ（２イ
ンチ）に限られず、より大きな直径の母材基板を用いて
も同様の工程により窒化物半導体装置及び窒化物半導体
基板を得ることができる。

【００９６】また、第１及び第２の実施形態において、
母材基板１１は、裏面が粗面に仕上げられている必要は
なく、裏面の仕上げ状態が異なる場合には、裏面におけ
るレーザ光１４の透過率に合わせてレーザ光１４の強度
の調整を行うことにより、同様の工程により窒化物半導
体装置及び窒化物半導体基板を得ることができる。

【００９７】また、第１及び第２の実施形態において、
母材基板１１を構成する材料はサファイアに限られず、
レーザ光１４を透過する材料であればよい。具体的に、
レーザ光１４が、２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦエキ
シマレーザ光や３５５ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧ
レーザの３次高調波光である場合には、サファイアに変
えて、スピネルやＡｌＮ等を用いることができる。さら
に、レーザ光１４を透過する複数の材料が積層又は複合
された基板を用いてもよい。

【００９８】また、窒化物半導体層１２を構成する材料
はＧａＮに限られず、レーザ光１４を吸収する材料であ
ればよい。具体的に、レーザ光１４が２４８ｎｍの波長
を有するＫｒＦエキシマレーザ光や３５５ｎｍの波長を
有するＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光である場合に
は、ＧａＮに変えてＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどを用い
ることができる。また、窒化物半導体層１２は同一の材
料によって構成されている必要はなく、ＡｌＮ、Ｇａ
Ｎ、ＩｎＮ及びこれらの混晶からなる積層構造を成長し
てもよい。

【００９９】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体装置の製造方法に
よると、クラックを生じさせることなく母材基板と窒化
物半導体層との結晶結合を切断すると共に窒化物半導体
層における結晶成長面を露出することができる。これに
より、窒化物半導体層の上に結晶欠陥の少ない半導体層
をさらに結晶成長せさることが可能となり、窒化物半導
体層をデバイス構造を形成するための下地層として用い
ることができる。

【０１００】また、本発明の窒化物半導体基板の製造方
法によると、クラックを生じさせることなく母材基板と
窒化物半導体層との結晶結合を切断すると共に窒化物半
導体層の結晶成長面を露出することができる。これによ
り、窒化物半導体層をクラック等の欠陥が少ない窒化物
半導体基板として大面積に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る窒化物
半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物
半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る窒化
物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る窒化
物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物
半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【図６】（ａ）〜（ｅ）は第１の従来例に係る窒化物半
導体層の移し換え方法を示す工程順の構成断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ 母材基板 １２ 窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層） １２ａ 分解領域 １３ 保持層 １４ レーザ光 １５ 第１の多層膜ミラー層 １６ 第１の光ガイド層 １７ 量子井戸活性層 １８ 第２の光ガイド層 １９ 第２の多層膜ミラー層 ２０ ｐ側電極 ２１ ｎ側電極 ２２ 半田材 ２３ 支持基板 ２４ 厚膜半導体層（第２の窒化物半導体層） ２５ 窒化物半導体基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 油利 正昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AC08 AC12 AF09 BB11 CA10 CA12 HA11 5F073 AA73 AB17 CA07 CB02 DA05 DA25

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材基板の上に窒化物半導体層を形成す
   る第１の工程と、 前記窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層を保持する
   保持層を形成する第２の工程と、 前記窒化物半導体層における前記母材基板との界面に照
   射光を照射する第３の工程と、 前記保持層を除去する第４の工程とを備えていることを
   特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第４の工程よりも後に、前記窒化物
   半導体層の上に所定のデバイス構造を形成する第５の工
   程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載
   の窒化物半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第５の工程よりも後に、前記デバイ
   ス構造の上に支持基板を貼り合わせた後、前記窒化物半
   導体層から前記母材基板を分離する工程をさらに備えて
   いることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体装
   置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第３の工程における前記照射光のエ
   ネルギーは、前記母材基板のバンドギャップよりも小さ
   く且つ前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも大き
   いことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項
   に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第２の工程は、前記窒化物半導体層
   の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布する工程
   と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程とを含む
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に
   記載の窒化物半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 前記保持層形成材料は光の照射により硬
   化することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体
   装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記保持層形成材料はレジスト材料であ
   ることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体装置
   の製造方法。
8. 【請求項８】 前記保持層形成材料はネガ型レジスト材
   料であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導
   体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記窒化物半導体層は、厚さが１００μ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のうちのい
   ずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 母材基板上に第１の窒化物半導体層を
    形成する第１の工程と、 前記第１の窒化物半導体層の上に該第１の窒化物半導体
    層を保持する保持層を形成する第２の工程と、 前記第１の窒化物半導体層における前記母材基板との界
    面に照射光を照射する第３の工程と、 前記保持層を除去する第４の工程とを備えていることを
    特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記第４の工程よりも後に、前記第１
    の窒化物半導体層の上に第２の窒化物半導体層を形成す
    る工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１０
    に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記第３の工程における前記照射光の
    エネルギーは、前記母材基板のバンドギャップよりも小
    さく且つ前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップよ
    りも大きいことを特徴とする請求項１０又は１１に記載
    の窒化物半導体基板の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記第２の工程は、前記第１の窒化物
    半導体層の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布す
    る工程と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程と
    を含むことを特徴とする請求項１０〜１２のうちのいず
    れか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記保持層形成材料は光の照射により
    硬化することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半
    導体基板の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記保持層形成材料はレジスト材料で
    あることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体
    基板の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記保持層形成材料はネガ型レジスト
    材料であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物
    半導体基板の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記第１の窒化物半導体層は、厚さが
    １００μｍ以下であることを特徴とする請求項１０〜１
    ６のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製
    造方法。