JP2006156618A - レーザ照射装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を照射した窒化物半導体膜の分離界面の荒れを防止してフィルタ特性を向上させる。
【解決手段】強度分布が不均一なレーザ光を照射することにより、レーザ強度の積分値（レーザ出力）が一致していても、局所的に強度の強い領域と弱い領域を生み出すことができる。まずレーザ強度の弱い部分で照射し、前記第１の半導体膜にエネルギーを与え、続けてレーザ強度の強い部分で照射する。レーザ強度の弱い部分で照射による残留エネルギーと強度の強い部分のエネルギーとで第１の基板と第１の半導体膜界面の少なくとも一部を完全に分離させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体膜を用いたフィルタにおいて、基板上に成長した窒化物半導体膜にレーザを照射し、基板から半導体膜を分離し、フィルタを作製する工法に関するものである。

近年、ＡｌＮ系化合物半導体は膜中での信号伝達速度に関わる音速が１０．４ｋｍ／ｓｅｃと非常に早く、移動体通信用の高周波部品として、特に不要な周波数を除去し、所望の周波数のみを通過させる薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）から構成されているフィルタ部品として広く用いられる。また、ＡｌＮ系化合物半導体膜を高周波フィルタとして用いる際に、ＡｌＮ系化合物半導体膜の結晶性がフィルタ内の信号伝達ロスと関係があり、結晶性の良い膜では信号伝達ロスが低減できることが一般的に知られている。

ＡｌＮ系化合物半導体膜は格子整合する基板がなく、基板上にＡｌＮ系化合物半導体膜を結晶成長させた場合、格子不整合及び熱膨張係数の違いにより、ＡｌＮ系化合物半導体膜に転移と熱歪みが生じ、結晶性の良好な窒化物半導体膜を形成することは困難である。そのため従来は、結晶性の良好なＡｌＮ系化合物半導体膜を得るために、まず、約１０％程度の格子不整合があるサファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体膜を形成し、そのＧａＮ系化合物半導体膜上にＡｌＮ系化合物半導体膜を結晶成長させることが知られている。

ＦＢＡＲを用いたフィルタはＡｌＮ系化合物半導体膜を金属膜で挟んだキャパシタ構造であるため、下部電極上にＡｌＮ系化合物半導体膜を形成する必要がある。しかしながら、結晶性の良い窒化物半導体膜を形成するには１０００℃以上の高温が必要であり、１０００℃以下の温度で形成した膜の結晶性は劣化する。しかし、フィルタとして下部電極上に窒化物半導体膜を形成するには１０００℃以上の温度に耐える金属膜を選択する必要があるが、実用的な金属では困難である。

そこで、サファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体膜とＡｌＮ系化合物半導体膜を積層形成し、別基板上に形成した下部電極とＡｌＮ系化合物半導体膜を貼り合せ、レーザ照射によりサファイア基板上とＧａＮ系化合物半導体膜の界面を分離し、サファイア基板を除去するレーザリフトオフ工法を用い、ＧａＮ系化合物半導体膜をエッチング等で除去することにより、結晶性の良いＡｌＮ系化合物半導体膜が下部電極上に得られる。
特表２０００−５０１７７８号公報

しかしながら、サファイア基板上からＧａＮ系化合物半導体膜を分離するために照射するレーザ光のエネルギーは高く、レーザ照射装置の寿命が短いという問題と、高いエネルギーのレーザ光を照射したＧａＮ系化合物半導体膜の分離界面が荒れ、この工法を用いてフィルタを作製した場合に、荒れた界面にて信号が乱反射しフィルタ特性が劣化するという問題があった。

上記課題に鑑み、本発明はフィルタ特性の劣化を防止する製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明のレーザ照射装置は、レーザ発振器と、レーザをコリメートするユニットと、コリメートされたレーザ光の不均一な部分を切り出すスリットを備えているものである。

この構成により、コリメートされたレーザ光の不均一な部分を取り出すことができる。

本発明のレーザ照射装置は、さらにレーザを照射する基板の裏面から、前記基板を加熱できるユニットを備えていることが好ましい。

この好ましい構成により、基板下に加熱ヒータを設けることで基板を加熱しながらレーザを照射することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、第１の基板表面上に、第１の半導体膜を形成する工程と、前記第１の基板裏面から、前記第１の基板で吸収せず前記第１の半導体膜で吸収するレーザ光を照射し、前記第１の基板と前記第１の半導体膜との界面の少なくとも一部において前記第１の基板と前記第１の半導体膜を分離させる工程において、前記レーザ光の強度分布が不均一であるものである。

この構成により、基板で吸収せず半導体膜で吸収する強度の不均一な光を照射しているので、レーザ光分布において光強度の小さな部分と大きな部分が生し、当該光強度の小さな部分と光強度の大きな部分とが連続して基板に照射されることになるので、光強度の小さな部分による残留エネルギーと光強度の大きい部分のエネルギーとで基板と半導体膜界面の少なくとも一部を完全に分離でき、強度分布の均一なレーザ光の照射により分離する場合よりも、レーザの出力エネルギーを低減できる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記レーザ光を照射し、前記第１の基板と前記第１の半導体膜との界面の少なくとも一部において前記第１の基板と前記第１の半導体膜を分離させる工程において、前記第１の基板が加熱されていることが好ましい。

この好ましい構成によれば、レーザ光照射時に基板加熱することにより第１の基板と第１の半導体膜の界面にエネルギーを与えることで、分離に必要なレーザエネルギーを下げることができ、レーザ照射装置の長寿命化が可能であり、さらに、加熱エネルギーがあるため、分離するために必要なレーザ強度が下がり、ＧａＮ系化合物半導体の分離面の平坦性が増す。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記レーザの強度分布のうち、一部分の強度が前記第１の半導体膜の格子結合を切断するのに十分な強度をもち、その他の部分の強度が前記第１の半導体膜の格子結合を切断するのに十分な強度をもたないことが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の半導体膜上に少なくとも１層の第２の半導体膜を形成する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、ＧａＮ系化合物半導体上に圧電体膜であるＡｌＮ系化合物半導体を結晶成長させることで、下部電極上での形成では得られない結晶性のＡｌＮ系化合物半導体を得ることができる。これにより、フィルタの伝達特性が向上する。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の半導体膜がＧａＮであり、
前記第２の半導体膜の少なくとも１層がＡｌＮであることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第２の半導体膜上に少なくとも１層の金属膜を形成する工程を有することが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の基板と前記第１の半導体体膜の格子不整合が２０％以下であることが好ましい。

この好ましい構成によれば、格子不整合を２０％以下にすることで、圧電体膜をエピタキシャル成長させることができ、結晶性の良好なＡｌＮ系化合物半導体を得ることができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに第１の半導体膜がＧａＮ膜であり、前記レーザの波長が３６０ｎｍ以下であることが好ましい。

この好ましい構成によれば、前記第１の半導体膜に吸収波長３６０ｎｍ程度以下のＧａＮ膜を用いることで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（３５５ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）により、レーザエネルギーを良好に吸収し、レーザリフトオフを行うことができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに第１の半導体膜の膜厚が１μｍ以上であることが好ましい。

この好ましい構成によれば、第１の半導体膜を１μｍ以上形成することで、レーザリフトオフに必要な出力エネルギーを下げることができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の半導体膜の上に第１の金属膜を形成する工程と、第２の基板上に接着用の膜を形成する工程と、前記第１の金属膜と前記接着用の膜を貼り合せ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、結晶性の良好な伝達ロスの少ないＦＢＡＲフィルタを作製することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記接着用の膜が第２の金属膜であることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の金属膜と前記第２の金属膜を共晶反応させることにより貼り合せることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の半導体膜がｎ型またはｐ型の導電性を有する膜であることが好ましい。

この好ましい構成によれば、第１の半導体膜にドーピングを行い、ｎ型またはｐ型の導電性を有することで、第１の半導体膜を電極として用いることが可能となり、第１の半導体膜４を除去する工程を削減することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の基板を分離後、前記第１の半導体膜上に前記第１の半導体膜より抵抗率の低い膜を形成する工程を有することが好ましい。

本発明によれば、レーザ照射装置の長寿命化が可能となるとともにＧａＮ系化合物半導体の分離面の平坦性が増す。それによりフィルタ特性が向上する。

以下、本発明の実施形態ついて、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
−レーザ照射装置−
図７に本発明に係るレーザ照射装置の概略図を示す。図７に示すように、レーザ発振器より出力されたレーザ光７０１をコリメートユニットによりコリメートする。その後、コリメートされたレーザ光７０２の不均一な部分をスリット７０３により切り出す。切り出した部分７０４をミラー７０５により反射し、基板７０６上に照射する。これにより請求項３のレーザリフトオフが可能となる。

また、図７に示すように、基板下に加熱ヒータ７０７を設けることにより、基板を加熱しながらレーザを照射することができる。

図１は図７のレーザ照射装置を用いて得られたレーザの強度分布である。（a）は従来通り均一な分布を持つレーザ光で、（ｂ）は不均一な分布を持つレーザ光である。１０１、１０３は縦軸レーザエネルギー、横軸位置を表している。１０２、１０４は照射スポットを表している。（a）（ｂ）ともに強度の積分値（レーザ出力エネルギー）は一致している。強度分布が不均一なレーザ光１０３、１０４を照射することにより、レーザ強度の積分値が一致していても、局所的に強度の強い部分を生み出すことができる。

―半導体装置の製造方法−
図２はレーザのスキャン方法を示しており、２０１は強度の強い部分、２０２は強度の弱い部分を示している。図２のように、まずレーザ強度の弱い部分で照射し、前記第１の半導体膜にエネルギーを与え、続けてレーザ強度の強い部分が照射されることにより、残留エネルギーと強度の強い部分のエネルギーで第１の基板と第１の半導体膜界面の少なくとも一部が完全に分離し、強度分布の均一なレーザ光の照射により分離する場合よりも、レーザの出力エネルギーを低減でき、レーザ照射装置の長寿命化が可能となる。

さらに、残留エネルギーがあるため、分離するために必要なエネルギーが残留エネルギーの分だけ下がり、最高エネルギーのみで決定される分離面の平坦性が増し、ＦＢＡＲフィルタの特性が向上する。

上記方法について具体的に述べる。図４に示す第１の半導体膜４０３にレーザ光４０１を照射し、第１の基板４０２を分離しようとした場合、レーザ光４０１を照射した部分のみが前記第１の基板４０２より分離するため、前記第１の半導体膜４０３成膜時に発生した熱歪みに起因する残留応力がこの領域に集中し、前記第１の半導体膜４０３や前記第１の基板４０２および第２の基板４０６が割れる。ここで、基板を加熱することで熱歪みを緩和し、薄い基板でも基板割れなく第１の基板４０２を第１の半導体膜４０３より分離することができる。

さらに、加熱エネルギーがあるため、分離するために必要なレーザ強度が下がり、ＧａＮ系化合物半導体の分離面の平坦性が増し、フィルタの特性が向上する。

なお、ここで例えば第１の基板４０２はサファイアよりなり、第１の半導体膜４０３はＡｌＮよりなり、第２の基板４０６がＳｉよりなる。

なお、ここで第１の半導体膜４０３については、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）でも同様の効果が得られる。

なお、ここで第１の半導体膜４０３上に圧電体膜であるＡｌＮを結晶成長させてもよい。これにより下部電極上での形成では得られない結晶性のＡｌＮ系化合物半導体を得ることができる。これにより、フィルタの伝達特性が向上する。

実際にレーザ光分布が不均一の場合と均一の場合とでレーザリフトオフ成功率を検討した。その結果を図８に示す。図８において横軸がレーザの平均出力、縦軸がレーザリフトオフ成功率を表す。図８によれば、レーザの平均出力が小さなところで、レーザ光分布が不均一の場合のほうがレーザ光分布が均一の場合よりもレーザリフトオフ成功率が高いことがわかった。これは、レーザ光分布が不均一の場合のほうが光強度の小さな部分による残留エネルギーと光強度の大きい部分のエネルギーとで基板と半導体膜界面の少なくとも一部を完全に分離でき、強度分布の均一なレーザ光の照射により分離する場合よりも、レーザの出力エネルギーを低減できることによるものと考えられる。

なお、第１の半導体膜４０３上に形成される圧電体層としては、格子不整合を２０％以下にするのがよく、このようにすることで圧電体膜をエピタキシャル成長させることができ、結晶性の良好なＡｌＮ系化合物半導体を得ることができる。これにより、フィルタの伝達特性が向上する。

なお、ここで、第１の半導体膜４０３に吸収波長３６０ｎｍ程度以下のＧａＮ膜を用いることで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（３５５ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）により、レーザエネルギーを良好に吸収し、レーザリフトオフを行うことができる。

図３は面内でレーザリフトオフが成功する割合（面積）を示している。請求項１１の発明により、図３に示すように、前記第１の半導体膜を１μｍ以上形成することで、レーザリフトオフに必要な出力エネルギーを下げることができ、レーザ照射装置の長寿命化が可能となる。前記第１の半導体膜の形成は島状成長するため、膜厚１μｍ以下では分布が不均一となることが原因である。この島同士が隙間無く、膜厚の分布が均一になるためには１μｍ以上必要であり、１μｍ以下の膜厚で良好に全面でレーザリフトオフを行うためには非常に高いパワーが必要である。また、膜厚１μｍ以上で島同士の隙間が無くなることにより、第１の半導体膜の分離界面が平坦化され、フィルタの伝達特性が向上する。

ここで、図４（ａ）に示すように、第１の基板４０２上に第１の半導体膜４０３を形成し、第１の半導体膜４０３上に圧電体膜４０４を形成し、さらに貼り合せるための下部電極４０７をパターニングする。図４（ｂ）に示すように、第１の基板４０２と接着剤４０５を堆積した第２の基板４０６とを貼り合せた後、第１の基板４０２で吸収されず、第１の半導体膜４０３で吸収されるレーザ光４０１を照射し、図４（ｃ）に示すように、第１の半導体膜４０３と第１の基板４０２の界面の少なくとも一部を分離する。さらに、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体膜４０３を除去して、圧電体膜４０４を露出させる。さらに、図４（ｅ）に示すように、上部電極４０８を形成し、キャパシタ構造を作製することで、結晶性の良好な伝達ロスの少ないＦＢＡＲフィルタを作製することができる。

ここで、図４に示す第１の半導体膜４０３にドーピングを行い、ｎ型またはｐ型の導電性を有することで、第１の半導体膜４０３を電極として用いることが可能となり、第１の半導体膜４０３を除去する工程を削減することができ、製品コストの削減と歩留まりの向上を見込める。

（変形例）
図５に本発明の第１の実施形態の変形例である共振器の工程フローを示す。図５（ａ）に示すように、サファイア基板５０１上にＧａＮ膜５０２を１μｍ以上結晶成長させ、ＧａＮ膜５０２上にＡｌＮ膜５０３を結晶成長させる。さらに貼り合せるためのＡｕＳｎ膜５０４を形成し、パターニングする。さらにＳｉ基板５０６上に貼り合せるためのＡｕＳｎ膜５０５を形成し、パターニングする。図５（ｂ）に示すように、ＡｕＳｎ膜５０４と５０５を加熱するなどし、共晶反応させ接着させた後、サファイア基板５０１で吸収されず、ＧａＮ膜５０２で吸収されるＫｒＦエキシマレーザ光５０７を基板加熱しながら照射する。図５（ｃ）に示すように、ＧａＮ膜５０２とサファイア基板５０１の界面の少なくとも一部を分離する。さらに、図５（ｄ）に示すように、ＧａＮ膜５０２を除去して、ＡｌＮ膜５０３を露出させる。さらに、図５（ｅ）に示すように、Ｍｏ電極５０８を形成し、キャパシタ構造を作製することで、ＦＢＡＲを作製することができる。

（第２の実施形態）
図６に本発明の第２の実施形態である共振器の工程フローを示す。図６（ａ）に示すように、サファイア基板６０１上にＧａＮ膜６０２を１μｍ以上結晶成長させ、ＧａＮ膜６０２中にＳｉ６０９をドーピングする。さらにＳｉ基板６０６上に貼り合せるためのＡｕＳｎ膜６０５を形成し、パターニングする。図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ６０９をドーピングしたＧａＮ膜６０２上にＡｌＮ膜６０３を結晶成長させる。さらに貼り合せるためのＡｕＳｎ膜６０４を形成し、パターニングする。図６（ｃ）に示すように、ＡｕＳｎ膜６０４と６０５を加熱するなどし、共晶反応させ接着させた後、サファイア基板６０１で吸収されず、ＧａＮ膜６０２で吸収されるＫｒＦエキシマレーザ光６０７を基板加熱しながら照射する。図６（ｄ）に示すように、ＧａＮ膜６０２とサファイア基板６０１の界面の少なくとも一部を分離する。さらに、図６（ｅ）に示すように、ＧａＮ膜６０２はＳｉ６０９をドーピングしてあるので導電性があるため除去の必要がなく、上部電極であるＭｏ６０８を形成し、キャパシタ構造を作製することで、ＦＢＡＲを作製することができる。

以上説明したように、本発明はFBARフィルタの作製とレーザリフトオフ工法に有用である。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ照射装置に係るレーザパワーの分布図 本発明の第１の実施形態に係るレーザスキャン方法を示す図 本発明の第１の実施形態に係るレーザエネルギーとレーザリフトオフ成功率との関係を示す図 本発明の第１の実施形態に係る工程フローを示す図 本発明の第１の実施形態の変形例に係る工程フローを示す図 本発明の第２の実施形態に係る工程フローを示す図 本発明に係るレーザ装置の概略図 本発明に係るレーザ光分布が不均一の場合と均一の場合とでレーザリフトオフ成功率を比較した図

符号の説明

１０１ 均一なレーザ光の強度分布
１０２ 均一なレーザ光の強度分布
１０３ 不均一なレーザ光の強度分布
１０４ 不均一なレーザ光の強度分布
２０１ レーザ強度の強い領域
２０２ レーザ強度の弱い領域
４０１ レーザ光
４０２ 第１の基板
４０３ 第１の半導体膜
４０４ 圧電体膜
４０５ 接着剤
４０６ 第２の基板
４０７ 下部電極
４０８ 上部電極
５０１ サファイア基板
５０２ ＧａＮ膜
５０３ ＡｌＮ膜
５０４ 第１のＡｕＳｎ膜
５０５ 第２のＡｕＳｎ膜
５０６ Ｓｉ基板
５０７ ＫｒＦエキシマレーザ光
５０８ Ｍｏ電極
６０１ サファイア基板
６０２ ＧａＮ膜
６０３ ＡｌＮ膜
６０４ 第１のＡｕＳｎ膜
６０５ 第２のＡｕＳｎ膜
６０６ Ｓｉ基板
６０７ ＫｒＦエキシマレーザ光
６０８ Ｍｏ電極

Claims (16)

1. レーザ発振器と、
   レーザをコリメートするユニットと、
   コリメートされたレーザ光の不均一な部分を切り出すスリットを備えていることを特徴としたレーザ照射装置。
2. 請求項１のレーザ照射装置であって、
   レーザを照射する基板の裏面から、前記基板を加熱できるユニットを備えていることを特徴としたレーザ照射装置。
3. 第１の基板表面上に、第１の半導体膜を形成する工程と、
   前記第１の基板裏面から、前記第１の基板で吸収せず前記第１の半導体膜で吸収するレーザ光を照射し、前記第１の基板と前記第１の半導体膜との界面の少なくとも一部において前記第１の基板と前記第１の半導体膜を分離させる工程において、
   前記レーザ光の強度分布が不均一であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記レーザ光を照射し、前記第１の基板と前記第１の半導体膜との界面の少なくとも一部において前記第１の基板と前記第１の半導体膜を分離させる工程において、前記第１の基板が加熱されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項３または請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記レーザの強度分布のうち、
   一部分の強度が前記第１の半導体膜の格子結合を切断するのに十分な強度をもち、
   その他の部分の強度が前記第１の半導体膜の格子結合を切断するのに十分な強度をもたないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項３または請求項４記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の半導体膜上に少なくとも１層の第２の半導体膜を形成する工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
7. 請求項４、６記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の半導体膜がＧａＮであり、
   前記第２の半導体膜の少なくとも１層がＡｌＮであることを特徴とした半導体装置の製造方法。
8. 請求項３〜７の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第２の半導体膜上に少なくとも１層の金属膜を形成する工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
9. 請求項３または請求項４記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の基板と前記第１の半導体体膜の格子不整合が２０％以下であることを特徴とした半導体装置の製造方法。
10. 請求項３〜９の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    第１の半導体膜がＧａＮ膜であり、前記レーザの波長が３６０ｎｍ以下であることを特徴とした半導体装置の製造方法。
11. 請求項３〜１０の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、第１の半導体膜の膜厚が１μｍ以上であることを特徴とした半導体装置の製造方法。
12. 請求項３〜１１の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の半導体膜の上に第１の金属膜を形成する工程と、
    第２の基板上に接着用の膜を形成する工程と、
    前記第１の金属膜と前記接着用の膜を貼り合せる工程とを有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
13. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記接着用の膜が第２の金属膜であることを特徴とした半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の金属膜と前記第２の金属膜を共晶反応させることにより貼り合せることを特徴とした半導体装置の製造方法。
15. 請求項１２〜１４の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記第１の半導体膜がｎ型またはｐ型の導電性を有する膜であることを特徴とした半導体装置の製造方法。
16. 請求項１５記載の半導体製造方法であって、
    前記第１の基板を分離後、前記第１の半導体膜上に前記第１の半導体膜より抵抗率の低い膜を形成する工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。

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