JP2004014938A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】サファイア基板上に約5μmのGaN膜を例えば有機金属気相成長法により形成する。さらにサファイア基板の裏面より、例えば高出力短波長パルスレーザであるYAGレーザの第3高調波(波長355nm)を照射する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば短波長発光ダイオード、短波長半導体レーザ、高温・高速動作トランジスタなどに適用できる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般式がBzAlxGa1−x−y−zInyN1−v−wAsvPw(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1、0≦v≦1、0≦w≦1、0≦v+w≦1)で表されるIII−V族窒化物半導体(一般にBAlGaInNAsP表記される、以下GaN系半導体という)は、例えばGaNの場合、室温での禁制帯幅が3.4eVと広い禁制帯幅を有するため、青色・緑色といった可視域発光ダイオード、短波長半導体レーザといった発光デバイスや、高温動作あるいは高速大電力トランジスタなど幅広い応用が期待され、特に発光デバイスは既に発光ダイオード、半導体レーザが商品化されるに至っている。発光ダイオードは各種表示用や白色LEDとして照明用途も視野に入れて開発が進められ、半導体レーザは高密度・大容量光ディスクへの応用を目指し開発が活発に行われている。
【0003】
このように将来が非常に有望であるGaN系半導体であるが材料形成の点では、GaN基板の実現が困難であり、Si基板やGaAs基板で用いられているような、基板へのプロセスあるいはエピタキシャル成長層と同一基板上への成長が行えないため、一般に別材料を基板として結晶成長するヘテロエピタキシャル成長を行う必要がある。このため従来は結晶成長が非常に困難であったが、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition、以下MOCVDという)を中心とする結晶成長技術が大きく進展したことにより、結晶の品質が大きく向上し、前述の発光素子が実用化されるに至っている。これまでに最も広く用いられ、最も優れたデバイス特性を示しているのがサファイア基板上へ成長したGaN系半導体である。サファイア基板はGaN系半導体と同じ六方晶の結晶構造を有しており、熱的に非常に安定であるため、1000℃以上という高温が必要なGaN系半導体の結晶成長に適している。例えば、半導体レーザを作製する場合にはサファイア基板上にAlxGa1−x−yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1、以下AlGaInNという)からなる活性層を有するダブルへテロ構造を結晶成長した後に導波路形成のためのリッジ構造エッチングあるいはpn接合分離・電極取り出しのためのエッチングを行った後に電極形成や劈開による共振器形成を行い、デバイスを作製する。また、電界効果トランジスタを作製する場合にはサファイア基板上にAlxGa1−xN(以下AlGaNという)/GaNヘテロ構造を作製、素子分離のためのエッチングを行った後にソース・ドレイン・ゲート電極を形成する。高周波特性を向上させるためにはゲート長は0.5μm以下と小さくする必要がある。ここでリッジ幅やゲート長の再現性・均一性はデバイスの歩留まりを大きく左右するので、実用化へに向けてはこのためのリソグラフィやエッチング工程を基板内で均一に行うことが要求される。
【0004】
以下、前記半導体装置及びその製造方法の例として、半導体レーザ素子及び電界効果トランジスタの構造及び製造方法について説明する。
【0005】
図7は従来のGaN系半導体を用いた半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、サファイア基板1、n型AlGaInN層4、AlGaInN活性層5、p型AlGaInN層6、Ti/Al電極7、Ni/Au電極8よりなる。
【0006】
図7に示す半導体レーザ素子の製造方法は以下の通りである。まず、サファイア基板1上に例えばMOCVD法により、n型AlGaInN層4、AlGaInN活性層5、p型AlGaInN層6をこの順に形成する。ここではAlGaInN活性層5には量子井戸構造を含み、n型AlGaInN層4及びp型AlGaInN層6には光閉じ込めを行うクラッド層や光ガイド層を含む。この半エピタキシャル成長層を有する基板に対し導波路形成のためのリッジ構造形成とn層側電極取り出しのためにp型AlGaInN層4のエッチングを、例えばCl2ガスを用いたドライエッチングにより行う。これに続いて、n型AlGaInN層4側にはTi/Al電極、p型AlGaInN層6側にはNi/Au電極を形成する。続いて基板裏面の研磨による膜化、劈開による共振器形成を行い、レーザチップを形成する。実際のレーザ構造の例については中村他、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス第35巻第L74ページ、1996年(S. Nakamura et al.: Japanese Journal of Applied Physics volume
35, L74 (1996))等の学術論文に記されている。
【0007】
続いて、第2の従来例である電界効果トランジスタの構造及び製造方法について説明する。図8は従来のGaN系半導体を用いた電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。この電界効果トランジスタは、サファイア基板1、アンドープGaN層9、n型AlGaN層10、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13よりなる。
【0008】
図8に示す電界効果トランジスタの製造方法は以下の通りである。サファイア基板1上に例えばMOCVD法によりアンドープGaN層9、n型AlGaN層10をこの順に形成する。続いて素子分離のためにn型AlGaN層10及びアンドープGaN層9のドライエッチングを、例えばCl2等のガスを用いて行う。続いて、例えばTi/Alによるソース・ドレイン電極、例えばPt/Auによるゲート電極をリフトオフ法により形成する。これに続いて、基板裏面の研磨による膜化、チップのダイシングを行い、トランジスタ・チップを形成する。実際の電界効果トランジスタの例についてはユー・ケイ・ミシュラ他、アイ・イー・イー・イー・トランス・エレクトン・デバイス第46巻第756ページ、1998年(U.K. Mishra et al.: IEEE Trans Electron Device, 46, p756 (1998))等の学術論文に記されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置及びその製造方法では、図7、8に示す通り、エピタキシャル成長後の基板及び半導体レーザ・電界効果トランジスタは凸に反っている。これはサファイアとGaNの熱膨張係数の差により約1000℃で行う結晶成長工程の後に基板を冷却する際の温度差により生じている。具体的には、エピタキシャル成長層と基板に働く力とモーメントがつりあうように、これらを計算することで基板の反りが計算できる。Olsenらが提案した熱膨張係数のみを考慮した反りの計算式(ジー・エイチ・オルセン他、ジャーナル オブ アプライド フィジックス第48巻第2453ページ、1977年、G.H. Olsen et al.: Journal of Applied Physics 48 p2453(1977))をサファイア基板1上GaNに適用した場合、サファイア、GaNの熱膨張係数をそれぞれ7.5 x 10−6/deg.、 5.45 x 10−6/deg.として、1cm角の試料に対して1/R=0.31m−1(R:反りの曲率半径)という大きな反りが発生する(反りの発生については、小沢他、ジャーナル オブ アプライド フィジックス第77巻第4338ページ、1995年、T.Kozawa et. Al.: Journal of Applied Physics 77 p4388 (1995)にも記載がある)。このために、ストライプ形成やゲート電極形成のためのフォトリソグラフィ工程でのフォトレジスト寸法を大面積で均一に形成することができない、あるいは真空吸着により基板搬送が必要なプロセス装置では基板が平坦でないので基板搬送ができないといった課題があった。この結果、ストライプ幅やゲート長が面内で大きくばらつく、結果としてデバイスの歩留まりが低いという課題があり、プロセス可能な基板の大きさを2インチより大きくすることが困難であった。また基板をチップサイズに加工した後でもチップが平坦でなくダイス・ボンディングが困難であり、またダイス・ボンディングを行った後でも放熱が均一でないという課題があった。通常、チップ加工する前にはサファイア基板1を100μm以下に薄膜化するが、この薄膜化により反りが一層増加し、前述のチップ組み立てに関わる問題が大きな課題となっていた。
【0010】
本発明は前述の技術的課題に鑑み、GaN系化合物半導体を用いた半導体装置及びその製造方法において、GaN系半導体が形成されたサファイア基板1の反りを大幅に低減し、例えば半導体レーザ素子のストライプ幅や電界効果トランジスタのゲート長を大面積基板で均一に形成し、またチップ加工後の組み立てを容易に行うことのできる、半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置は、単結晶基板上に形成された半導体膜と、前記半導体膜の一部に前記半導体膜が分解されて前記半導体膜の構成元素が析出した層とを有するものである。
【0012】
この構成により、半導体膜が分解されて半導体膜の構成元素である金属が析出した層において、単結晶基板と半導体膜との間にかかる応力が緩和され、その結果半導体膜の反りを防止することができる。
【0013】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜が2つの異なる導電型を含む多層構造を有することが好ましい。
【0014】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜が窒素を含むIII−V族化合物半導体により構成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、窒素を含むIII−V族化合物半導体が分解した場合、構成元素である窒素は半導体層より速やかに脱離するので、単結晶基板と半導体膜との間にはIII族金属のみが残り、III族金属は柔らかいので単結晶基板と半導体膜との間にかかる応力を緩和することができる。
【0015】
本発明の半導体装置は、さらに前記単結晶基板が、サファイア、MgO、LiGaO2、LiAlO2またはLiGaO2とLiAlO2とからなる混晶のうちいずれかにより構成されていることが好ましい。
【0016】
本発明の半導体装置は、さらに前記単結晶基板が、半導体膜の一部に段差部を設けたことが好ましい。この好ましい構成によれば、形成された段差部は、例えば半導体レーザ素子のリッジ型導波路構造や電界効果トランジスタの素子分離等に利用することができる。
【0017】
本発明の半導体装置は、さらに前記段差部が、前記半導体膜の、2枚の主面とその間に挟まれる側面とからなり、前記側面の幅が2μm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、形成された段差が、例えば半導体レーザのリッジ型導波路構造に適用した場合には導波路幅が短く短波長レーザにおいて高次モードの発生が抑制でき、レーザの導波特性が改善し、光出力パワーの増大といったデバイスの高性能化が実現できる。また、この段差をトランジスタの素子分離に適用した場合でも、分離幅を短くしチップサイズをより小さくできる。
【0018】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜に接してショットキー電極が形成されたことが好ましい。
【0019】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜に接するショットキー電極の寸法において1μm以下である部分を有することが好ましい。
【0020】
本発明の半導体装置は、さらに前記多層構造が発光ダイオード、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタのいずれかのデバイス構造を構成することが好ましい。
【0021】
本発明の半導体装置は、さらに前記多層構造が量子井戸構造を含むことが好ましい。
【0022】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜の構成元素が析出した層に金属ガリウムを含むことが好ましい。この好ましい構成によれば、金属ガリウムは常温でも液体または非常に柔らかい固体であるので、単結晶基板と半導体膜との間にかかる応力をよりいっそう緩和することができる。
【0023】
本発明の半導体装置は、さらに前記半導体膜の構成元素が析出した層にガリウムと酸素とを構成元素とする化合物を含むことが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体膜の構成元素が析出してできる、ガリウムと酸素とを構成元素とする化合物は構造的にもろいので、単結晶基板と半導体膜との間にかかる応力をよりいっそう緩和することができる。
【0024】
本発明の半導体装置の製造方法は、単結晶基板の上に半導体膜を形成する工程と、単結晶基板では実質吸収されず半導体膜の一部にて吸収される光を前記単結晶基板裏面側より照射して、前記半導体膜の一部を分解する工程とを有するものである。
【0025】
この構成により、単結晶基板では実質吸収されず半導体膜の一部にて吸収される光を単結晶基板裏面側より照射して、前記半導体膜を分解する工程を有しているので、前記半導体膜の構成元素である金属を半導体膜の一部に析出させることができ、この析出された金属により単結晶基板と半導体膜との間にかかる応力を低減させることができる。
【0026】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板裏面側より光を照射する工程の前に前記半導体膜の形成を中断し、前記光を照射する工程の後に前記半導体膜の形成を再開することが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体膜の構成元素を介して単結晶基板と緩やかに接合した状態で半導体膜上にさらに半導体膜を形成しているので、この半導体膜の再成長の際に半導体膜にかかる応力を低減でき、単結晶基板と半導体膜との間の熱膨張係数の差や格子不整合の影響を受けずに、良好な結晶性を有する半導体膜を形成することができる。それにより、良好な結晶性を有し高性能な半導体装置を得ることができる。
【0027】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板裏面より光を照射する工程の前に前記半導体膜に異種材料を接着させる工程と、前記光を照射する工程の後に前記異種材料を前記半導体膜より分離する工程とを有することが好ましい。この好ましい構成によれば、前記半導体膜に異種基板を接着した後に、単結晶基板裏面より光を照射し半導体膜の一部を分解することにより、半導体膜の分解によって半導体膜にかかる応力が緩和される過程での半導体膜でのクラック発生を抑制し、それにより大面積にてクラックが低減した反りの少ない半導体装置を形成することができる。
【0028】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板裏面より照射する光の光源として、パルス状に発振するレーザ光源を用いることが好ましい。この好ましい構成によれば、照射する光の光源をパルス状に発振するレーザとすれば、光の出力パワーを著しく増加させることができ、半導体膜の一部を容易に分離することができる。
【0029】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記光源が、水銀灯の輝線であることが好ましい。この好ましい構成によれば、光源を水銀灯の輝線とすれば、レーザ光に比べてスポットサイズを大きくすることができ、光照射工程をより短時間で行うことができる。
【0030】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板裏面より、前記基板の主面内を走査する形で光を照射することが好ましい。
【0031】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記光を照射する工程において、前記単結晶基板を加熱することが好ましい。この好ましい構成によれば、単結晶基板を加熱することで単結晶基板と半導体膜との間の熱膨張係数の差によるストレスを緩和しつつ前記半導体膜の一部を分解することができるので、半導体膜にクラックを生じさせることなく半導体膜の分解を行うことができる。
【0032】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板としてサファイア、MgO、LiGaO2、LiAlO2またはLiGaO2とLiAlO2とからなる混晶のうちいずれかにより構成された基板を用いることが好ましい。この好ましい構成によれば、サファイア、MgO、LiGaO2、LiAlO2いずれも半導体膜の一部にて吸収される光に対して透光性を有するので、半導体膜を効率よく分離することができる。
【0033】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記単結晶基板の上に半導体膜を形成する工程の後に、フォトリソグラフィ工程、加熱処理工程またはダイシング工程を有することが好ましい。この好ましい構成によれば、例えばフォトリソグラフィ工程において基板の反りが少なく、大面積の基板にて均一な寸法でパターンを形成することができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0035】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体装置を示す構成図である。同図において、半導体装置は、サファイア基板1、約5μmのGaN膜2、金属Gaを含む金属層3よりなる。
【0036】
図1に示す構造は具体的には以下に示す方法により形成することができる。まず、サファイ基板1上に例えばMOCVD法により約5μmのGaN膜2を形成する。原料ガスにはトリメチルガリウム(TMGa:Ga(CH3)3)とアンモニアガス(NH3)を用い、基板温度約1050℃にて反応させることによりGaN膜2を形成する。なお、ここでサファイ基板1上に例えばGaN膜2、またその他デバイスを形成したものをここでは単に基板という。基板冷却後はGaNとサファイアとの熱膨張係数の差のために、基板は凸に反っている。この凸に反った基板に対し、サファイア基板1の裏面より、例えばYAGレーザ第3高調波(波長355nm)をサファイア基板1の裏面より照射する。この高出力短波長パルスレーザの照射により、サファイア基板1付近でのGaN膜2においてレーザ光は吸収され、GaNが分解し、界面に金属ガリウムを含む金属層3が形成される。この界面近傍での変質により、GaN膜2中の応力は緩和され、基板の反りが大幅に低減される。
【0037】
上記に示した本発明の構成により窒素を含むIII−V族化合物半導体が分解した場合、構成元素である窒素は半導体層より速やかに脱離するので、サファイア基板1とGaN膜2との間にはIII族金属が残り、III族金属は柔らかいのでサファイア基板1とGaN膜2との間にかかる応力をIII族金属のところで緩和することができる。
【0038】
とりわけGaN膜2の構成元素が析出した層に金属Gaを含むことにより、Gaは常温でも液体または非常に柔らかい固体であるので、サファイア基板1とGaN膜2との間にかかる応力をよりいっそう緩和することができる。
【0039】
この基板構造を用いてフォトリソグラフィ等の基板プロセスを行うことにより、フォトリソグラフィにおいてはパターン寸法が大面積で均一に形成される。とくに大面積基板のステッパ等、基板搬送に真空吸着が必要工程では基板反りのため搬送ができないという課題があったが、図1に示す構造で基板反りが低減されているので、真空吸着での真空搬送が可能で既存のプロセス設備を問題なく使用することが可能となる。また、ヒートシンクを用い基板加熱あるいは冷却が必要な、例えば反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching: RIE)やアニールなどの工程において、大面積で均一に加熱あるいは冷却することが可能となる。さらに、図1に示すGaN膜付きサファイア基板1上に例えば半導体レーザ構造等のデバイス構造をエピタキシャル成長すれば、金属Gaを含む金属層を介してサファイア基板1と接する形でエピタキシャル成長層が形成されるので、格子不整合や熱膨張係数の差の影響を受けずにデバイス構造の成長を行うことが可能となる。
【0040】
従って、図1に示す半導体装置によれば、界面付近で金属ガリウムを含む金属層が形成されているので、大面積で反りの少ないGaN膜2付きサファイア基板1を作製することが可能となる。このようなGaN膜2に対し、フォトリソグラフィ等のプロセスを行えば、例えば半導体レーザであればストライプ幅を、電界効果トランジスタではゲート長を大面積基板で均一に再現性良く形成できるので、デバイスの高歩留まりが実現できる。
【0041】
なお図1に示す例ではGaN膜2としたが、AlGaInN活性層を含むダブルへテロ構造や量子井戸構造を含む半導体レーザあるいは発光ダイオード構造、もしくはAlGaN/GaNヘテロ構造等を有する電界効果トランジスタあるいはバイポーラトランジスタ構造であってもよく、またGaN膜2を下地層とし、レーザ照射を行った後に、前述のデバイス構造を再成長する形でも良い。ここではサファイアを基板に用いたが基板はLiGaO2、LiAO2、LiGaxAl1−xO2(0<x<1)、MgO等、照射光が実質吸収されない材料であってもよい。ここでは、レーザ光照射前に例えば高分子材料フィルムなどの保持材をGaN膜2の表面に接着し、レーザ光照射後に前記保持材を除去する構成としてもよく、この場合は前記保持材によって、前記レーザ光照射時のGaN膜2分解による膜中の応力の急激な緩和が原因で発生するGaN膜2のクラックを防止することが可能となる。
【0042】
なお、上記に示すように窒素を含むIII−V族化合物半導体が分解した場合、サファイア基板1とGaN膜2との間にはIII族元素を多く含む化合物が残ることがある。また、サファイア基板1の代わりに他の基板、例えばZnO基板を用いた場合、ZnOが分解してできる酸素とIII族元素との化合物ができることがある。例えばIII族元素としてガリウムを例にとると、Ga2O3や、GaOx(xは酸素の組成を表す数)、GaOxNy(xは酸素の組成を表す数、yは窒素の組成を表す数)ができることがある。しかしながらこれらIII族元素を多く含む化合物はレーザ照射後にできるものであり、そのIII族元素を多く含む化合物層は所々にレーザ照射により構成元素が蒸発したり、脱離したりしてでできる空洞等により構造的にもろくなるので、基板とGaN膜2との間にかかる応力をIII族元素を多く含む化合物層のところで緩和することができる。
【0043】
なお、上記III族元素を多く含む化合物層としては、III族金属とIII族元素を多く含む化合物とを含んだ層であってもよい。例えば金属ガリウム、GaOxおよびGaOxNyとを含んだ層であってもよい。そのようにすることで、基板とGaN膜2との間にかかる応力を、III族金属とIII族元素を多く含む化合物とを含んだ層のところで緩和することができる。
【0044】
なお、上記GaN膜2の代わりに、Bを構成元素として含むIII族窒化物半導体層でもよく、AsやPを構成元素として含むIII族窒化物半導体層でもよい。
【0045】
(第2の実施の形態)
図2は、本発明の第2の実施の形態における半導体装置を示す構成図である。同図において、半導体装置は、サファイア基板1、約5μmのGaN膜2、金属Gaを含む金属層3よりなる。
【0046】
図2に示す構造は具体的には以下に示す方法により形成することができる。基本的には図1に示す構造と同様の方法にて形成できるが、図1の場合と異なりレーザ照射を選択的に行っているために、界面に金属Gaを含む金属層3が全面でなく選択的に形成されている。具体的には、サファイ基板1上に例えばMOCVD法により約5μmのGaN膜2を形成する。ここでは、基板冷却後はGaNとサファイアの熱膨張係数との差のために、基板は凸に反っている。この凸に反った基板構造に対し、サファイア基板1の裏面より、例えばYAGレーザ第3高調波(波長355nm)をサファイア基板1の裏面より照射する。この高出力短波長パルスレーザの照射により、サファイア基板1付近でのGaNにおいてレーザ光は吸収され、GaNが分解し、界面に金属Gaを含む金属層3が形成される。ここでは図1の場合と異なり、面内で選択的に照射する、あるいはレーザ光強度の不均一性を利用しレーザ光パワーの強い部分でのみ界面での分解が生じるようにして、界面に金属Gaを含む金属層3が選択的に形成されるようにしている。この界面層の変質により、GaN膜2中のストレスは緩和され、基板の反りが大幅に低減されるので、第1の実施の形態と同様に、フォトリソグラフィ、エッチングやアニールといった基板・プロセスの工程を大面積にて均一に再現性良く行うことが可能となる。この基板構造を用いてフォトリソグラフィ等の基板・プロセスを行うことにより、フォトリソグラフィにおいてはパターン寸法が大面積で均一に形成される。また、図2に示すGaN膜2付きサファイア基板1上に例えば半導体レーザ構造等のデバイス構造をエピタキシャル成長すれば、レーザ光を照射した部分では、金属Gaを含む金属層3を介してサファイア基板1と接する形でエピタキシャル成長層が形成されるので、格子不整合や熱膨張係数の差の影響を受けずにデバイス構造の成長を行うことが可能となる。
【0047】
(第3の実施の形態)
図3は、本発明の第3の実施の形態における半導体装置を示す構成図、具体的には半導体レーザの構造を示す断面図である。図4は第3の実施の形態における半導体装置の製造方法、具体的には半導体レーザの製造方法を示す構成図である。図3、図4における半導体装置は、サファイア基板1、金属Gaを含む金属層3、n型AlGaInN層4、AlGaInN活性層5、p型AlGaInN層6、Ti/Al電極7、Ni/Au電極8よりなる。
【0048】
図3に示す半導体レーザの製造方法について、図4を用いて説明する。まず、サファイア基板1上に例えばMOCVD法により、n型AlGaInN層4、AlGaInN活性層5、p型AlGaInN層6をこの順に形成する(図4(a))。なお、ここでAlGaInN活性層5には量子井戸構造を含み、n型AlGaInN層4及びp型AlGaInN層6には光閉じ込めを行うクラッド層や光ガイド層を含む形でもよい。一般的なエピタキシャル成長層の膜厚は約6μmである。この結晶成長に続く基板冷却後はGaN系半導体とサファイアとの熱膨張係数の差のために、基板は凸に反っている。この凸に反った基板構造に対し、サファイア基板1の裏面より、例えばYAGレーザ第3高調波(波長355nm、なお、YAGとは、イットリウム・アルミニウム・ガーネットの略称である)をサファイア基板1の裏面より照射する(図4(b))。この高出力短波長パルスレーザの照射により、n型AlGaInN層4のサファイア基板1付近においてレーザ光が吸収され、n型AlGaInN層4が分解し、界面に金属Gaを含む金属層3が形成される(図4(c))。この界面近傍での変質により、半導体レーザにかかる応力は緩和され、基板の反りが大幅に低減される。レーザ光は面内をスキャンする形で照射される。このレーザ光源はKrFあるいはArFを用いたエキシマレーザ(なお、KrF、ArFは、エキシマレーザ装置に含まれる混合ガスのことを表す。たとえばKrFはクリプトンとフッ素との混合ガス、ArFはアルゴンとフッ素との混合ガスを表す)や、水銀灯の波長365nm輝線を持いる形でも良い。ここでは、レーザ照射時の膜中応力を緩和する目的で、例えば500℃程度に基板が加熱されていても良い。界面でのn型AlGaInN層4の分解は基板全面でなく、第2の実施の形態と同様選択的に生じている形でも、反りの低減は可能である。
【0049】
光照射により反りが低減した基板に対し、導波路形成のためのリッジ構造形成とn層側電極取り出しのためにp型AlGaInN層4のエッチングを例えばCl2ガスを用いたドライエッチングにより行う(図4(d))。ここでは、前述の通りリッジ構造では1.7μm程度の幅を形成する必要がある。これに続いて、n層側にはTi/Al電極7、p層側にはNi/Au電極8を形成する(図4(e))。
【0050】
レーザ照射により界面に金属Gaを含む金属層3を形成することにより、基板の反りが低減されており、ストライプ幅を形成するためのフォトリソグラフィ寸法を面内で均一に形成できる。またリッジ形成のためのドライエッチング時も基板が反っておらず、基板の冷却が均一に行えるので、結果としてエッチング深さを面内で均一に形成できる。この基板を裏面のサファイア研磨及び劈開・ダイシングによりチップ加工する際も、基板の反りがなくダイス・ボンディングなどの組み立てを容易にまたデバイスの放熱を均一に行うことが可能となる。
【0051】
なお、導波路形成のためのリッジ構造形成とn層側電極取り出しのためにp型AlGaInN層4のエッチングを例えばCl2ガスを用いたドライエッチングにより行う、すなわちAlGaInN層4に段差部を設けているが、この段差部は、半導体レーザ素子のリッジ型導波路構造の素子分離等に利用することができる。また、段差部側面の幅が2μm以下であることにより、短波長レーザにおいて高次モードの発生が抑制できる。その結果レーザの導波特性を改善させることができる。
【0052】
なお、図3に示す半導体レーザの代わりに発光ダイオードを用いても良い。発光ダイオードの典型的な構造として、例えば、サファイア基板の上に順次形成された、層厚が約4μmのn型GaN層、In0.2Ga0.8N/GaN3重量子井戸層(量子井戸層の合計層厚は30nm)、層厚が約0.2μmのp型GaN層であり、発光ダイオードの発光波長が約450nmの青色LEDがある。
【0053】
(第4の実施の形態)
図5は、本発明の第4の実施の形態における半導体装置を示す構成図、具体的には電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。図6は第5の実施の形態における半導体装置の製造方法、具体的には電界効果トランジスタの製造方法を示す構成図である。図5,6における半導体装置はサファイア基板1、金属Gaを含む金属層3、アンドープGaN層9、n型AlGaN層10、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13よりなる。
【0054】
図5に示す電界効果トランジスタの製造方法について、図6を用いて説明する。まず、サファイア基板1上に例えばMOCVD法によりアンドープGaN層9、n型AlGaN層10をこの順に形成する(図6(a))。この結晶成長に続く基板冷却後はGaN系半導体とサファイアとの熱膨張係数の差のために、第3の実施の形態の場合と同様、基板は凸に反っている。この凸に反った基板構造に対し、サファイア基板1の裏面より、例えばYAGレーザ第3高調波(波長355nm)をサファイア基板1の裏面より照射する(図6(b))。この高出力短波長パルスレーザの照射により、サファイア基板1付近でのアンドープGaN層9においてレーザ光は吸収され、アンドープGaN層9が分解し、界面に金属Gaを含む金属層3が形成される(図6(c))。この界面層の変質により、GaN系半導体デバイス構造中のストレスは緩和され、基板の反りが大幅に低減される。レーザ光は面内をスキャンする形で照射される。このレーザ光源はKrFあるいはArFを用いたエキシマレーザや、水銀灯の波長365nm輝線を持いる形でも良い。ここでは、レーザ照射時の膜中ストレスを緩和する目的で、例えば500℃程度に基板が加熱されていても良い。界面でのアンドープGaN層9の分解は基板全面でなく、第2の実施の形態と同様選択的に生じている形でも、反りの低減は可能である。
【0055】
光照射により反りが低減した基板に対し、素子分離のためにn型AlGaN層10及びアンドープGaN層9のドライエッチングを例えばCl2などのガスを用いて行う(図6(d))。続いて、例えばTi/Alによるソース電極11およびTi/Alによるドレイン電極12、例えばPt/Auによるゲート電極13をリフトオフ法により形成する(図6(e))。一般的なエピタキシャル成長層の膜厚は2〜3μmである。ここで、ゲート長は高周波特性を向上させるためには短ゲート長化が必要であり、1μm以下、より好ましくは0.5μm以下とすることが望ましい。これに続いて、基板裏面の研磨による薄膜化、チップのダイシングを行いトランジスタ・チップを形成する。
【0056】
レーザ照射により界面に金属Gaを含む金属層3を形成することにより、基板の反りが低減されており、ゲートを形成するためのフォトリソグラフィ寸法を面内で均一に形成できる。この基板を裏面のサファイア研磨及び劈開・ダイシングによりチップ加工する際も、基板の反りがなくダイス・ボンディングなどの組み立てを容易にまたデバイスの放熱を均一に行うことが可能となる。この反りの低減は電界効果トランジスタにて大電力パワー素子に応用し、チップサイズが大きくなった際に、より有効である。
【0057】
なお、素子分離のためにn型AlGaN層10及びアンドープGaN層9のドライエッチングを例えばCl2などのガスを用いて行う、すなわち、アンドープGaN層9に段差部を設けたことにより、形成された段差部は電界効果トランジスタの素子分離等に利用することができる。そしてその段差部側面の幅が2μm以下であることにより、分離幅を短くしチップサイズをより小さくできる。
【0058】
なお、前記の図1〜6に示す実施の形態で用いたサファイア基板1はいかなる面方位でも良く、また(0001)面等の代表面からオフアングルのついた面方位であっても良い。GaN膜2の結晶成長方法はMOCVDでなく、例えば、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)あるいはハイドライド気相成長法(HVPE法)による層を含む形でもよい。
【0059】
また、GaN膜2あるいはGaN系半導体デバイス構造の部分は、照射したレーザ光を吸収する部分が膜中に存在する限りは例えばAlGaNやInGaN等、いかなる組成の窒化物化合物半導体で構成されていてもよい。
【0060】
またZnO膜がサファイア基板とGaN系半導体デバイスとの界面に形成され、ZnO膜のところでレーザ光が吸収される構成となっていてもよい。前記の光照射工程の前あるいは後に、例えばSi基板などの異種基板を貼り合わせる工程を含む形でもよい。
【0061】
また、GaN膜2を光照射により分離する工程で使用する光源は、YAGレーザの第3高調波に限らず、KrF、ArFエキシマレーザあるいは水銀灯の輝線であってもよい。
【0062】
また、基板とGaN膜2の間にZnOやInGaNといったGaNよりも禁制帯幅の小さな層が挿入されており、光の吸収が促進され、低出力の光で界面が分解し基板の反りが低減される構成としてもよい。
【0063】
また、基板の上にGaN膜等を形成する工程の後に、フォトリソグラフィ工程、加熱処理工程またはダイシング工程を行ってもよい。例えばフォトリソグラフィ工程においては基板の反りを少なくでき、大面積の基板にて均一な寸法でパターンを形成することができる。例えばヒートシンク上で加熱する処理工程では均一に加熱でき、デバイスの歩留を向上させることができる。また、ダイシングおよびこれに続くボンディング工程ではチップの反りが少なく、再現性よくダイシング、ボンディングを行うことができる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、デバイス構造をエピタキシャル成長した基板あるいはデバイス・チップの反りが大幅に低減し、加熱時の温度分布の面内均一性を大幅に改善することができて、デバイスの高歩留まりを実現することが可能となる。また、チップが平坦化されダイス・ボンディングなどの組立工程を容易に行い、またデバイスの放熱を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における半導体装置を示す構成断面図
【図2】本発明の第2の実施の形態における半導体装置を示す構成断面図
【図3】本発明の第3の実施の形態における半導体装置を示す構成断面図
【図4】本発明の第3の実施の形態における半導体装置の製造方法を示す構成断面図
【図5】本発明の第4の実施の形態における半導体装置を示す構成断面図
【図6】本発明の第4の実施の形態における半導体装置の製造方法を示す構成断面図
【図7】第1の従来例における半導体装置の構成断面図
【図8】第2の従来例における半導体装置の構成断面図
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 GaN膜
3 金属Gaを含む金属層
4 n型AlGaInN層
5 AlGaInN活性層
6 p型AlGaInN層
7 Ti/Al電極
8 Ni/Au電極
9 アンドープGaN層
10 n型AlGaN層
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13 ゲート電極
Claims (21)
- 単結晶基板上に形成された半導体膜と、前記半導体膜の一部に前記半導体膜が分解されて前記半導体膜の構成元素が析出した層とを有することを特徴とする半導体装置。
- 前記半導体膜が2つの異なる導電型を含む多層構造を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体膜が窒素を含むIII−V族化合物半導体により構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記単結晶基板が、サファイア、MgO、LiGaO2、LiAlO2またはLiGaO2とLiAlO2とからなる混晶のうちいずれかにより構成されていることを特徴とする、請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体膜の一部に段差部を設けたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記段差部が、前記半導体膜の、2枚の主面とその間に挟まれる側面とからなり、前記側面の幅が2μm以下であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- 前記半導体膜に接してショットキー電極が形成されたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記半導体膜に接するショットキー電極の寸法において1μm以下である部分を有することを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 前記多層構造が発光ダイオード、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタのいずれかのデバイス構造を構成することを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記多層構造が量子井戸構造を含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置。
- 前記半導体膜の構成元素が析出した層に金属ガリウムを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体膜の構成元素が析出した層にガリウムと酸素とを構成元素とする化合物を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 単結晶基板の上に半導体膜を形成する工程と、単結晶基板では実質吸収されず半導体膜の一部にて吸収される光を前記単結晶基板裏面側より照射して、前記半導体膜の一部を分解する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板裏面側より光を照射する工程の前に前記半導体膜の形成を中断し、前記光を照射する工程の後に前記半導体膜の形成を再開することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板裏面より光を照射する工程の前に前記半導体膜に異種材料を接着させる工程と、前記光を照射する工程の後に前記異種材料を前記半導体膜より分離する工程とを有することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板裏面より照射する光の光源として、パルス状に発振するレーザ光源を用いることを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記光源が、水銀灯の輝線であることを特徴とする請求項16記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板裏面より、前記基板の主面内を走査する形で光を照射することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記光を照射する工程において、前記単結晶基板を加熱することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板としてサファイア、MgO、LiGaO2、LiAlO2またはLiGaO2とLiAlO2とからなる混晶のうちいずれかにより構成された基板を用いることを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
- 前記単結晶基板の上に半導体膜を形成する工程の後に、フォトリソグラフィ工程、加熱処理工程またはダイシング工程を有することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007072871A1 (ja) * | 2005-12-21 | 2007-06-28 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
US7847307B2 (en) | 2005-03-23 | 2010-12-07 | Panasonic Corporation | Light-emitting module |
JP2011151400A (ja) * | 2011-02-10 | 2011-08-04 | Furukawa Co Ltd | レーザ剥離装置、レーザ剥離方法、iii族窒化物半導体自立基板の製造方法 |
JP2011159980A (ja) * | 2011-02-10 | 2011-08-18 | Furukawa Co Ltd | レーザ剥離装置、レーザ剥離方法、iii族窒化物半導体自立基板の製造方法 |
JP2012119581A (ja) * | 2010-12-02 | 2012-06-21 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
JPWO2016002157A1 (ja) * | 2014-07-02 | 2017-04-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 半導体装置 |
Families Citing this family (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040140474A1 (en) * | 2002-06-25 | 2004-07-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor light-emitting device, method for fabricating the same and method for bonding the same |
KR100964399B1 (ko) * | 2003-03-08 | 2010-06-17 | 삼성전자주식회사 | 반도체 레이저 다이오드 및 이를 채용한 반도체 레이저다이오드 조립체 |
EP1668688A4 (en) * | 2003-09-19 | 2011-03-02 | Tinggi Technologies Private Ltd | FABRICATION OF SEMICONDUCTOR COMPONENTS |
CN101373807B (zh) * | 2003-09-19 | 2010-06-09 | 霆激技术有限公司 | 半导体器件上导电金属层的制作 |
SI1682721T1 (sl) * | 2003-11-13 | 2009-10-31 | You Hack Churl | Papirna kaša in papir iz rdečih alg (Rhodophyta) ter postopek za izdelavo |
WO2005088743A1 (en) * | 2004-03-15 | 2005-09-22 | Tinggi Technologies Private Limited | Fabrication of semiconductor devices |
JP2007533133A (ja) | 2004-04-07 | 2007-11-15 | ティンギ テクノロジーズ プライベート リミテッド | 半導体発光ダイオード上での反射層の作製 |
SG130975A1 (en) * | 2005-09-29 | 2007-04-26 | Tinggi Tech Private Ltd | Fabrication of semiconductor devices for light emission |
SG131803A1 (en) | 2005-10-19 | 2007-05-28 | Tinggi Tech Private Ltd | Fabrication of transistors |
KR20080067676A (ko) * | 2005-10-21 | 2008-07-21 | 테일러 바이오매스 에너지, 엘엘씨 | 타르를 제자리에서 제거함을 수반하는, 가스화 방법 및시스템 |
SG133432A1 (en) * | 2005-12-20 | 2007-07-30 | Tinggi Tech Private Ltd | Localized annealing during semiconductor device fabrication |
SG140473A1 (en) | 2006-08-16 | 2008-03-28 | Tinggi Tech Private Ltd | Improvements in external light efficiency of light emitting diodes |
SG140512A1 (en) * | 2006-09-04 | 2008-03-28 | Tinggi Tech Private Ltd | Electrical current distribution in light emitting devices |
CN100505165C (zh) * | 2006-12-01 | 2009-06-24 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种制备氮化镓单晶衬底的方法 |
JP5552627B2 (ja) * | 2009-01-15 | 2014-07-16 | 並木精密宝石株式会社 | エピタキシャル成長用内部改質基板及びそれを用いて作製される結晶成膜体、デバイス、バルク基板及びそれらの製造方法 |
PL217437B1 (pl) * | 2009-05-30 | 2014-07-31 | Inst Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk | Dioda laserowa i sposób wytwarzania diody laserowej |
JP2011035253A (ja) * | 2009-08-04 | 2011-02-17 | Disco Abrasive Syst Ltd | ウエーハの加工方法 |
TWI525664B (zh) * | 2010-03-05 | 2016-03-11 | Namiki Precision Jewel Co Ltd | A crystalline film, a device, and a method for producing a crystalline film or device |
JP5551131B2 (ja) * | 2011-09-14 | 2014-07-16 | 株式会社東芝 | 窒化物半導体積層構造体の製造方法 |
RU2520947C1 (ru) * | 2012-11-07 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук | Интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда |
CN105070804A (zh) * | 2015-07-29 | 2015-11-18 | 山东浪潮华光光电子股份有限公司 | 一种以镓液滴作为缓冲层外延GaN的结构及其制备方法 |
US9941262B2 (en) | 2015-12-07 | 2018-04-10 | Glo Ab | Laser lift-off on isolated III-nitride light islands for inter-substrate LED transfer |
CN112071743A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-12-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种高质量低电阻率的半导体材料及其生长方法 |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6440823B1 (en) * | 1994-01-27 | 2002-08-27 | Advanced Technology Materials, Inc. | Low defect density (Ga, Al, In)N and HVPE process for making same |
DE19640594B4 (de) * | 1996-10-01 | 2016-08-04 | Osram Gmbh | Bauelement |
US6071795A (en) * | 1998-01-23 | 2000-06-06 | The Regents Of The University Of California | Separation of thin films from transparent substrates by selective optical processing |
JP4214585B2 (ja) * | 1998-04-24 | 2009-01-28 | 富士ゼロックス株式会社 | 半導体デバイス、半導体デバイスの製造方法及び製造装置 |
US6113685A (en) * | 1998-09-14 | 2000-09-05 | Hewlett-Packard Company | Method for relieving stress in GaN devices |
US6627974B2 (en) * | 2000-06-19 | 2003-09-30 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor substrate and method for manufacturing the same, and nitride semiconductor device using nitride semiconductor substrate |
JP3906653B2 (ja) * | 2000-07-18 | 2007-04-18 | ソニー株式会社 | 画像表示装置及びその製造方法 |
US6649494B2 (en) * | 2001-01-29 | 2003-11-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Manufacturing method of compound semiconductor wafer |
JP2002261327A (ja) * | 2001-03-06 | 2002-09-13 | Sony Corp | 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 |
US6750158B2 (en) * | 2001-05-18 | 2004-06-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for producing a semiconductor device |
JP3969029B2 (ja) * | 2001-08-03 | 2007-08-29 | ソニー株式会社 | 半導体素子の製造方法 |
JP4055405B2 (ja) * | 2001-12-03 | 2008-03-05 | ソニー株式会社 | 電子部品及びその製造方法 |
US6617261B2 (en) * | 2001-12-18 | 2003-09-09 | Xerox Corporation | Structure and method for fabricating GaN substrates from trench patterned GaN layers on sapphire substrates |
-
2002
- 2002-06-10 JP JP2002168779A patent/JP2004014938A/ja not_active Withdrawn
-
2003
- 2003-06-09 CN CNA031411150A patent/CN1467863A/zh active Pending
- 2003-06-10 US US10/457,362 patent/US20040065889A1/en not_active Abandoned
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7847307B2 (en) | 2005-03-23 | 2010-12-07 | Panasonic Corporation | Light-emitting module |
WO2007072871A1 (ja) * | 2005-12-21 | 2007-06-28 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
JP2012119581A (ja) * | 2010-12-02 | 2012-06-21 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
JP2011151400A (ja) * | 2011-02-10 | 2011-08-04 | Furukawa Co Ltd | レーザ剥離装置、レーザ剥離方法、iii族窒化物半導体自立基板の製造方法 |
JP2011159980A (ja) * | 2011-02-10 | 2011-08-18 | Furukawa Co Ltd | レーザ剥離装置、レーザ剥離方法、iii族窒化物半導体自立基板の製造方法 |
JPWO2016002157A1 (ja) * | 2014-07-02 | 2017-04-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 半導体装置 |
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