JP2007095845A - 半導体複合基板とそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】 窒化物化合物半導体層を含む半導体層を成長する基板から良好に剥離でき、量産性に優れた半導体複合基板とその半導体複合基板を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の半導体複合基板は、所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有することを特徴とする。レーザーリフトオフ法などを用いることを必要とせずに、窒化物化合物半導体層を含む半導体層を成長する基板から良好に剥離でき、半導体装置の製造を量産性に優れたものとすることができる。
【選択図】 図２
【解決手段】 本発明の半導体複合基板は、所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有することを特徴とする。レーザーリフトオフ法などを用いることを必要とせずに、窒化物化合物半導体層を含む半導体層を成長する基板から良好に剥離でき、半導体装置の製造を量産性に優れたものとすることができる。
【選択図】 図２
Description
本発明は、半導体発光素子などの半導体装置を作製する際に使用される半導体複合基板と、その半導体複合基板を用いた半導体装置の製造方法に関し、特に基板上に窒化物化合物半導体層を形成して半導体装置を作製するような半導体複合基板と、その半導体複合基板を用いた半導体装置の製造方法に関する。
半導体発光ダイオードや半導体レーザーなどの半導体発光素子としては、サファイア基板などの基板上にエピタキシャル成長により化合物半導体薄膜が形成され、その化合物半導体薄膜の形成時には活性層とするように所要のエピタキシャルガスやドーピングガスを導入し、発光用の電流注入のための電極を形成するものが知られている。
ここで図２０を参照しながら、半導体エピタキシャル層構造を有する従来の窒化物半導体を用いた半導体装置について簡単に説明する(例えば、特許文献１参照。)。図２０に示すように、基板としてサファイア基板２００１を使用し、その上に、表面窒化層２００２、AｌNバッファー層２００３、窒化物半導体層であるＧａＮ層２００４が順に形成され、更にＧａＮ層２００４上に活性層とｐ型ＧａＮ層を有したＧａＮ発光層２００５が形成されている。この半導体積層構造を加工し、サファイア基板２００１上に半導体素子を形成していた。
しかしながら、サファイア基板は価格が高く、加工しにくいため半導体素子をチップ毎の個片にスクライブし難いという問題がある。その問題を解決するために、基板から半導体層を剥離して使用することが考えられるが、半導体層を基板から剥離する手段としてレーザーリフトオフ法（或いはレーザーアブレーション法）が知られている。レーザーリフトオフ法によれば、レーザーを半導体工ピタキシャル層に基板側(サファイア基板側)から照射して、半導体層をサファイア基板から剥離する。
ところが、このレーザーリフトオフ法では、より高価で規模の大きな製造装置が必要であり、また製造工程が複雑になってしまう。また、剥離面をレーザーでスキャンしなければならないため大面積の剥離は困難であり、大きな基板を用いて作製されるチップの個数を増加させるためには、スキャンの精度やレーザーのパワーの問題なども発生する。さらに使用できる基板は、サファイア基板のようにレーザー光に対して透明な材料に限定されており、多種多様の発光素子を作製する場合は自ずから限界がある。このように現状の技術では、窒化物半導体層を基板から精度良く剥離することは、量産的には困難とされている。
本発明は、窒化物化合物半導体層を含む半導体層を成長する基板から良好に剥離でき、量産性に優れた半導体複合基板とその半導体複合基板を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述の技術的な課題を解決するため、本発明の半導体複合基板は、所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有することを特徴とする。
ここで、本明細書において半導体複合基板とは、半導体発光素子などの半導体装置を形成するために使用される基板であり、半導体複合基板に作り込んだ素子形成部分を製品としての半導体装置にするために活用される基板であり、ウエハの状態よりも所要の機能層や領域が形成されたものである。本発明の好適な実施形態によれば、前記第１の基板は、例えばサファイア、石英、シリコン、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、炭化シリコン、及びGa2O3の何れかの材料から構成される。また、除去可能層として種々のものを選択することができ、例えば酸化物層、窒化物層、化合物半導体層などが選択され、その選択された除去可能層に応じて所定のエッチング液が選択される。
例えば、除去可能層がアルミナ層若しくは窒化アルミニウム層である場合には所定のエッチング液としては熱燐酸が選択され、除去可能層が酸化シリコン層である場合にはエッチング液として弗酸系のエッチャントが用いられ、除去可能層は酸化亜鉛層やAlxGa1-x As (1≧x＞0)層である場合には、エッチング液として弗酸系若しくは塩酸系のエッチャントが使用されることが望ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有する半導体複合基板を用意し、前記半導体複合基板を該所定のエッチング液に浸漬し、前記除去可能層が除去された後、前記第１の基板から前記窒化物化合物半導体層を剥離することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、除去可能層が第１の基板上と窒化物半導体層の間に形成された半導体複合基板を用いることから、半導体装置を個別する場合などで第１の基板上と窒化物半導体層の間を分離する際には、前記所定のエッチング液によって除去可能層が選択的に除去され、確実な分離がなされることになる。本発明の好適な実施形態によれば、除去可能層として種々のものを選択することができ、例えば酸化物層、窒化物層、化合物半導体層などが選択され、その選択された除去可能層に応じて所定のエッチング液が選択されることになる。
本発明の半導体複合基板を半導体装置の製造方法に用いることで、レーザーリフトオフ法などを用いることを必要とせずに、窒化物化合物半導体層を含む半導体層を成長する基板から良好に剥離でき、半導体装置の製造を量産性に優れたものとすることができる。また、本発明の半導体複合基板を用いた半導体装置の製造方法は、多種多様な装置に対して適用することができ、その経済的な効果は優れたものとなる。
本発明の半導体複合基板の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第1の実施形態を示す図であり、サファイア基板上に成長した窒化物半導体層を有する半導体複合基板の断面を模式的に示した図である。本実施形態は、所要の結晶面を主面とするサファイア基板１０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層１０２が形成されている。このアルミナ層１０２はその下側の基板１０１及び上側の各層に対して所定のエッチング液を使用した場合に、選択的に除去可能であり、例えばサファイア基板１０１の主面に沿ってエッチング液が進入することで、図２に示すように当該エッチング液に溶解し、下側の基板１０１及び上側の各層の間が分離することになる。
図１は本発明の第1の実施形態を示す図であり、サファイア基板上に成長した窒化物半導体層を有する半導体複合基板の断面を模式的に示した図である。本実施形態は、所要の結晶面を主面とするサファイア基板１０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層１０２が形成されている。このアルミナ層１０２はその下側の基板１０１及び上側の各層に対して所定のエッチング液を使用した場合に、選択的に除去可能であり、例えばサファイア基板１０１の主面に沿ってエッチング液が進入することで、図２に示すように当該エッチング液に溶解し、下側の基板１０１及び上側の各層の間が分離することになる。
アルミナ層１０２は本実施形態において例えばアモルファス状態または多結晶状態の層とすることができ、特にアルミナの単結晶であるサファイア基板とはその結晶状態が異なる。このアルミナ層１０２は例えば、スパッタ法やCVD法などの方法で形成することができ、その膜厚は例えば10nm〜200nmの厚さとすることができる。このアルミナ層１０２の一部には選択エピタキシャル成長の結晶成長用の種として機能する窓部１００が単数若しくは複数設けられている。このような窓部１００を用いて結晶成長すればアルミナ層１０２の上層の各化合物半導体層を成長させることができ、素子形成領域以外の場所に窓部１００を形成することで、アルミナ層１０２の除去の際に窓部１００の結晶部も除去する際も好適である。窓部１００を使って、いわゆる横方向成長により欠陥の少ない結晶成長層を形成しても良い。また、結晶成長条件やバッファー層の条件を最適な条件とすることによって、この種の窓部１００を設けなくすることも可能である。
アルミナ層１０２を除去するためのエッチング液としては、後述するように、例えば熱燐酸を用いることができるが、エッチング液は例えば数十ｎｍの除去可能層をエッチングするために、非常に狭い隙間に沿って水平方向に浸透する必要があり、そのために液の粘度が低いものが有効である。従って、本実施形態においては、粘性の低い熱燐酸エッチング液を用いることが好ましく、仮に粘度が高いエッチング液でも加熱することで浸透力やエッチングの活性度を高くすることができ、狭い領域のエッチングが可能である。
熱燐酸によってアルミナ層１０２を効果的にエッチングする場合、素子形成領域の幅を５０ミクロン〜１００ミクロン程度とし、その素子形成領域の外側に溝を形成することでエッチング液を溝からアルミナ層１０２に到達させ、アルミナ層１０２を溶解させることが望ましい。この溝の幅はアルミナ層１０２の厚みにも影響され、エッチング液の浸透を良好にするには、溝の幅が広い方が好ましい。しかし基板１０１やアルミナ層１０２の上の各層を有効活用する上では、素子形成領域外に形成される溝を幅の狭いものとするほうが望ましい。溝の長手方向の長さは、用いる半導体装置に用途にもよるが、例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度にすることが可能である。
このようなアルミナ層１０２上には、図１に示すように、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、このＡｌＮバッファー層１０３上に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、n型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。ＡｌＮバッファー層１０３は、その上側に形成される半導体層の結晶性を良好にさせるための層であり、また、量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。窒化物化合物半導体層１１０は、以上のように構成することで、活性層から光を放出する発光素子を形成することができ、選択的に不純物領域を設けて部分的に発光する発光素子を形成したり、ダイオードやトランジスタなどの能動素子を形成することも可能である、
窒化物化合物半導体層１１０は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成することができる。除去可能層であるアルミナ層１０２は、図２に示すように、例えば、熱燐酸によってエッチングすることにより、窒化物化合物半導体層１１０およびサファイア基板１０１と選択的に除去することができる。熱燐酸は例えば摂氏５０度〜９０度の燐酸を使うことができる。サファイア基板１０１と窒化物化合物半導体層１１０の間に形成されるアルミナ層１０２を除去することで、サファイア基板１０１と窒化物化合物半導体層１１０は分離することになり、従来のようなレーザーリフトオフ法などを用いることを必要とせずに、発光素子などの半導体装置の製造を量産性に優れたものとすることができる。
本実施形態の変形例として、図３に示したように、除去可能層であるアルミナ層１０２とサファイア基板１０１の間にＭＯＣＶＤ法によって形成したＡｌ２Ｏ３層やＡｌＮ層からなる別個のバッファ層１１２を設けても良く、その上側には、図１の半導体複合基板と同様に、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、更にｎ型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、これらの間の層をGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
図４から図６に示すように、更に他の変形例として、窒化物化合物半導体層１１０は発光領域を具えた別の窒化物半導体積層構造であっても良い。図４乃至図６では、別の窒化物半導体積層構造について説明する。図４において、窒化物半導体積層構造はＡＩＮバッファー層４０１、n型ＧａＮ層４０２、n型ＡｌxＧａ1-xＮ層４０３、ＩｎyＧａ1-yＮ層４０４、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ層４０５、ｐ型ＧａＮ層４０６を順次積層した構造にすることができる。また、図５において、他の窒化物半導体積層構造はAINバッファー層５０１、Ｓｉドープのn型ＧａＮ層５０２、ＳｉおよびＺｎドープのＧａＮ層５０３、Ｍｇドープのp型ＡｌＧａＮ層５０４、ＭｇドープのＧａＮ層５０５とすることができる。更に、図６において、AINバッファー層６０１、n型ＧａＮ層６０２、ｐ型ＧａＮ層６０３とすることができる。
さらに、窒化物化合物半導体層１１０は、発光素子の他、受光素子やトランジスタ素子を形成する層を含む窒化物半導体層を具えることもできる。図７〜図１２は、受光素子およびトランジスタ素子を形成する窒化物半導体層を含む半導体層の例を示している。図７は、受光素子の例であり、n型ＡｌxＧａ1-xＮ層７１１上に、i型ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層７１２が形成され、そのi型ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層７１２上にｐ型ＡｌｚＧａ1-ｚＮ層７１３が形成される例である。図８も他の構造の受光素子の例であり、アンドープのＧａＮ層７２１上にn型ＡｌＧａＮ層７２２が形成されたダイオード構造を有する。
図９の窒化物化合物半導体構造は、ｎｐｎ型トランジスタの例であり、高濃度n型ＧａＮ層７３１上に低濃度n型ＧａＮ層７３２が形成され、その上にｐ型ＧａＮ層７３３及び高濃度n型ＡｌＧａＮ層７３４が積層されている。図１０も同様にｎｐｎ型トランジスタの例であり、高濃度ｎ型ＡｌＧａＮ層７４１上に低濃度n型ＡｌＧａＮ層７４２が形成され、その上にｐ型ＧａＮ層７４３及び高濃度n型ＧａＮ層７４４が積層されている。
図１１と図１２の窒化物化合物半導体構造は、アンドープのＧａＮ層を用いた例であり、 図１１の窒化物化合物半導体構造は、アンドープのＧａＮ層７５１上にｎ型ＧａＮ層７５２を形成した例であり、図１２の図１１の窒化物化合物半導体構造は、アンドープのＧａＮ層７６１上にアンドープのＡｌＧａＮ層７６２とｎ型ＡｌＧａＮ層７６３を形成した例である。このような図４乃至図１２に示すような各種の窒化物化合物半導体層を図１に示した除去可能層であるアルミナ層１０２上に形成することができ、アルミナ層１０２の熱燐酸による除去により、各種の窒化物化合物半導体層とサファイア基板１０１を確実に分離することができる。
本実施形態の半導体複合基板によれば、窒化物半導体層と基板の間に設けたアルミナ層１０２を熱燐酸でサファイア基板１０１および窒化物半導体層に対して選択的にエッチングすることができ、窒化物半導体層をサファイア基板１０１から剥離することができる。特にレーザーリフトオフ法などの活用は不要であり、大規模なウエハ全体のスキャン装置も不要なことから、半導体装置の量産に好適である。
前述のアルミナ層１０２は、熱燐酸によってエッチング可能な他の材料層に代えることもできる。例えば、スパッタ法またはＣＶＤ法によって形成した窒化アルミナ層とすることもできる。また、サファイア基板１０１は、ＧａＮ、ＺｎＯ，ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３など、窒化物半導体を含む半導体層を成長することが可能な基板であって、熱燐酸によってエッチングされない基板材料であってもよい。
［第２の実施形態］
図１３を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、窒化物半導体層を含む半導体層１１０とサファイア基板１０１の間に、酸化シリコン層８０２を設けたことにある。
図１３を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、窒化物半導体層を含む半導体層１１０とサファイア基板１０１の間に、酸化シリコン層８０２を設けたことにある。
すなわち、所要の結晶面を主面とするサファイア基板１０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層である酸化シリコン層８０２が形成されている。このような酸化シリコン層８０２には、図１に示した半導体複合基板と同様に、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、このＡｌＮバッファー層１０３上に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、ｎ型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで重複した説明を避けるため、先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、酸化シリコン層８０２例えばスパッタ法、CVD法などによって形成することができる層であり、酸化シリコン層８０２の層厚は、例えば１０nm〜２００nmとすることができる。酸化シリコン層８０２は、弗酸系のエッチング液によって、サファイア基板１０１および半導体層１１０と選択的にエッチング除去することができる。弗酸系のエッチング液として、弗酸(１%〜５０%)、バッファード弗酸などを使うことができる。また、弗酸とメタノールの混合液であってもよい。これらのエッチング液は、燐酸系のエッチング液と比較して粘性が小さく、除去可能層である酸化シリコン層８０２をエッチング除去する際にエッチング液の浸透性において有利である。
本発明の第2の実施形態によれば、除去可能層を酸化シリコン層８０２としたので、エッチング領域が広範であっても、均一な除去可能層の選択的なエッチングを行うことができる。また、酸化シリコン層は従来より半導体プロセスで広く使用されている材料であり、取扱に非常に有利である。
［第３の実施形態］
図１４を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板９０１とし、除去可能層を酸化シリコン層９０２とした点にある。
図１４を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板９０１とし、除去可能層を酸化シリコン層９０２とした点にある。
詳しくは、所要の結晶面を主面とするシリコン基板９０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層である酸化シリコン層９０２が形成されている。このような酸化シリコン層９０２には、図１に示した半導体複合基板と同様に、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、このＡｌＮバッファー層１０３上に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、n型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで重複した説明を避けるため、先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、シリコン基板９０１上には高品質の酸化シリコン層９０２を設けることができるため、除去可能層である酸化シリコン層９０２に設けるＡｌＮバッファー層１０３をより良い結晶状態で設けることができる。シリコン基板９０１の場合には、他の基板の場合と異なり、特に熱酸化によって均一な酸化シリコン層９０２をシリコン基板９０１上に形成することもできる。酸化シリコン層９０２の厚さは、約3nmから200nmとすることができる。除去可能層である酸化シリコン層９０２は、弗酸系のエッチング液により、選択的に半導体層１１０をシリコン基板９０１から分離することができる。
本実施形態によれば、基板をシリコン基板９０１とし、そのシリコン基板９０１上に除去可能層である酸化シリコン層９０２を設けるので、均一性、平坦性に優れた層を形成することができ、該酸化シリコン層９０２上に設けるAINバッファー層１０３において、良好な結晶性を備えたAINバッファー層１０３および半導体層１１０を設けることができる。
この第３の実施形態の変形例として、酸化シリコン層９０２は、熱酸化による酸化シリコン層に代えて、スパッタ法またはＣＶＤ法によって形成される酸化シリコン層としてもよい。また、基板をシリコン基板に代えて、石英基板に代えてもよい。石英基板もSiO2と結晶構造、熱的性質が一致するため、良好な酸化シリコン層を形成することができる。
［第４の実施形態］
図１５を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板１００１とし、除去可能層を酸化シリコン層１００２とし、さらに酸化シリコン層１００２上にシリコン層１００３を設けた点にある。
図１５を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板１００１とし、除去可能層を酸化シリコン層１００２とし、さらに酸化シリコン層１００２上にシリコン層１００３を設けた点にある。
詳しくは、所要の結晶面を主面とするシリコン基板１００１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層である酸化シリコン層１００２が形成され、更にその酸化シリコン層１００２上にシリコン層１００３が形成されている。このようなシリコン層１００３上には、図１に示した半導体複合基板と同様に、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、このＡｌＮバッファー層１０３上に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、n型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、シリコン基板１００１と酸化シリコン層１００２とシリコン層１００３の積層構造は、酸化シリコン層１００２を設けたシリコン基板１００１上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの方法によってもう一層のシリコン層１００３を設けることで形成される。このシリコン層１００３表面は必要に応じて平坦化処理される。平坦化処理は機械的化学的処理(CMP処理)や水素中でのアニールなどによって行うことができる。シリコン層１００３の層厚さは、例えば、１０ｎ〜１０μmとすることができる。シリコン層１００３によって、AINバッファー層１０３より上の半導体層を良好な結晶状態をもって形成することができるという利点が生ずる。半導体層１１０は、例えば弗酸系のエッチング液を使用することにより、シリコン基板から選択的に分離させることができる。この分離により、半導体層側の裏面はシリコン層１００３となる。酸化シリコン層１００２を選択的にエッチングすることにより、エッチング後のシリコン層１００３表面において、平坦なシリコン表面を得ることができる。
第4の実施形態によれば、シリコン基板１００１と酸化シリコン層１００２とシリコン層１００３の積層構造の上に窒化物半導体層を含む半導体層を備えた形態としたので、剥離層を選択的にエッチング除去した後の半導体層表面において、平坦性に優れた表面を得ることができる。また、変形例として、シリコン基板１００１に代えてサファイア基板を使い、サファイア基板と酸化シリコン層とシリコン層の積層構造することもできる。その他、Ｓｉ／ＧｅやＳｉ／Ｓｉ／Ｇｅ積層構造とすることもできる。また、バッファー層は、ＡｌＮ層の他、ＡｌＮ／ＧａＮ積層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ積層構造などであってもよい。
［第５の実施形態］
図１６を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板１１０１とし、除去可能層を酸化シリコン層１１０２とし、さらに酸化シリコン層１１０２上に炭化シリコン（ＳｉＣ）層１１０３を設けた点にある。
図１６を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、基板をシリコン基板１１０１とし、除去可能層を酸化シリコン層１１０２とし、さらに酸化シリコン層１１０２上に炭化シリコン（ＳｉＣ）層１１０３を設けた点にある。
すなわち、所要の結晶面を主面とするシリコン基板１１０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側には化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層である酸化シリコン層１１０２が形成され、更にその酸化シリコン層１００２上に炭化シリコン層１１０３が形成されている。このような炭化シリコン層１１０３上には、図１に示した半導体複合基板と同様に、ＡｌＮバッファー層１０３が形成され、このＡｌＮバッファー層１０３上に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、n型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層GaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、シリコン基板１１０１と酸化シリコン層１１０２と炭化シリコン層１１０３の積層構造は、酸化シリコン層１１０２を設けたシリコン基板１１０１上に、さらに炭化シリコン層１１０３を形成する。炭化シリコン層１１０３は例えば、ホットウォールCVD法やシリコン層を設け炭素を注入するなどの方法によって形成することができる。炭化シリコン層１１０３の層厚さは、例えば、１０ｎ〜１０μmとすることができる。炭化シリコン層の格子定数はＧａＮとの格子定数との差異が小さいので、炭化シリコン層１１０３を設けることにより、より優れたＧａＮなどの窒化物半導体層を設けることができる。選択的に酸化シリコン層１１０２をエッチングすることによって、半導体層１１０をシリコン基板１１０１から剥離することができる。この酸化シリコン層１１０２の選択的なエッチングには、弗酸系のエッチング液を使用することができる。
第5の実施形態によれば、第4の実施形態の効果に加えて、半導体層１１０の結晶状態をさらに向上させることができる。また、変形例として酸化シリコン層上に炭化シリコン層を設ける代わりに、酸化シリコン層上にシリコン層を設けさらに炭化シリコン層を設ける構造（［シリコン基板／酸化シリコン層／シリコン層／炭化シリコン層］）とすることもできる。炭化シリコン層上にAINバッファー層を設けるかわりに、ＧａＮバッファー層を設けても良い、ＡｌＮ／ＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ層をバッファー層とすることもできる。
［第６の実施形態］
図１７を参照しながら、本発明の第６の実施形態を説明する。第６の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、窒化物半導体層を含む半導体層１１０とサファイア基板１２０１の間に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層１２０２を設けたことにある。
図１７を参照しながら、本発明の第６の実施形態を説明する。第６の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、窒化物半導体層を含む半導体層１１０とサファイア基板１２０１の間に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層１２０２を設けたことにある。
すなわち、所要の結晶面を主面とするサファイア基板１２０１が第１の基板として底面側に配され、その表面側にはＡｌＮバッファー層１０３が形成される。このＡｌＮバッファー層１０３の上には、化学的エッチング処理により除去可能とされる除去可能層である酸化亜鉛層１２０２が形成されている。このような酸化亜鉛層１２０２上には、図１に示した半導体複合基板と同様に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、ｎ型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、ｎ型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、サファイア基板１２０１上にＡＩＮバッファー層１０３を設け、酸化亜鉛層１２０２を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、またはレーザーアブレーション法、またはイオンプレーティング法、またはスパッタ法によって形成する。酸化亜鉛層１２０２の層厚さは、例えば10nm〜200nmとすることができる。酸化亜鉛層１２０２は絶縁層であっても半導体層であってもよい。酸化亜鉛の格子定数(5.632A)はＧａＮ(5.523A)に近く、ＩｎＧａＮの格子定数と整合する。したがって高品質なＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体層を設けることができる。また、ＺｎＯ／ＧａＮ界面は急峻な良好な界面を得ることができる。ＺｎＯ層上にＡｌＮバッファー層やＡｌＮ／ＧａＮバッファー層やＡｌＧａＮ／ＧａＮバッファー層などをもうけることもできる。酸化亜鉛層は弗酸系または塩酸系のエッチング液によって選択的にエッチングすることができる。弗酸系や塩酸系のエッチング液として、弗酸(１%〜５０%)、バッファード弗酸、塩酸(１%〜３５%)を使うことができる。また、弗酸とメタノールの混合液、塩酸とメタノールの混合液であっても良い。
第６の実施形態によれば、除去可能層に酸化亜鉛層を設けたので、上記実施形態で得られる効果に加えて、より高品質な除去可能層と窒化物半導体層の間の界面および結晶状態の半導体層が得られる。したがって、より平坦に優れた、半導体層を剥離した後の窒化物半導体層表面が得られることになる。なお、サファイア基板に代えて、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板／ＳｉＣ層、ＡｌＮ基板、Ｇａ２Ｏ３基板などを用いることができる。
［第７の実施形態］
図１８を参照しながら、本発明の第７の実施形態を説明する。第７の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、第１の基板と窒化物半導体層の間に、弗酸または塩酸によってエッチング可能な化合物半導体層を備えている点にある。
図１８を参照しながら、本発明の第７の実施形態を説明する。第７の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、第１の基板と窒化物半導体層の間に、弗酸または塩酸によってエッチング可能な化合物半導体層を備えている点にある。
ここで第１の基板として底面側に配されているのは、化合物半導体基板であり、例えばｎ型ＧａＡｓ基板１３０１とそのＧａＡｓ基板上に形成された化合物半導体バッファー層で例えばn型ＧａＡｓバッファー層１３０２を有しており、さらにこのｎ型ＧａＡｓバッファー層１３０２上に、化合物半導体材料からなる除去可能層となるｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１３０３（1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6）が形成され、その上に被覆層がn型GaAs層１３０４により構成される。更にその表面側にはＡｌＮバッファー層１０３が形成される。このＡｌＮバッファー層１０３の上には、図１に示した半導体複合基板と同様に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、ｎ型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、ｎ型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
ここで先の実施形態と異なる点に絞り説明すると、本実施形態においては、化合物半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１３０１とその上にn型ＧａＡｓバッファー層１３０２を有しており、さらにこのn型ＧａＡｓバッファー層１３０２上に、化合物半導体材料からなる除去可能層となるn型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１３０３（1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6）が形成され、その上に被覆層がn型ＧａＡｓ層１３０４により構成されている。基板および各半導体層の導電型は、必ずしもn型でなくともよく、p型または半絶縁性またはノンドープであってもよい。ただし、望ましくは欠陥密度が小さい方が好ましいので、欠陥密度の観点から適宜導電型やドーピング条件を選択すればよい。除去可能層となるn型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１３０３は層厚を１０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。
ＧａＡｓ層１３０３上には、ＡｌＮバッファー層、ＡｌＮ／ＧａＮバッファー層などを形成しその上に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど所定の素子に必要な窒化物半導体層を形成することができる。ＧａＡｓ層の格子定数=5.65AとＡｌＮ層の格子定数=5、390Aは、約５％の差異があるが、ＡｌＮなどのバッファー層を設けることにより、格子定数の差異による欠陥が上層の窒化物半導体層に至ることを防止できる。また、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓの熱的性質は、ＡｌＮの熱的性質と類似しているので、欠陥発生を緩和する観点からは好適である。ＧａＡｓ被覆層の厚さは、例えば５ｎｍ以上とすることができる。また、ＡｌxＧａl-xＡｓ層(1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6)とＧａＡｓ層の、弗酸系、塩酸系のエッチング液に対するエッチングレートの差異は大きいため、除去可能層であるＡｌxＧａl-xＡｓ層１３０３をエッチング除去後の、半導体層１１０表面(ここでは、ＧａＡｓ層１３０３が表面層として露出する)はきわめて良好な平坦面が露出する。
当該第７の実施形態によれば、ＧａＡｓ基板１３０１上に弗酸系、塩酸系のエッチング液でエッチング可能なＡｌxＧａl-xＡｓ層１３０３(1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6)を設けたので、ＡｌxＧａl-xＡｓ層１３０３を選択的にエッチング除去した後の、窒化物半導体層１１０表面において、平坦性に優れた表面が得られることになる。
なお、被覆層として機能するｎ型ＧａＡｓ層１３０４を省きＡｌxＧａl-xＡｓ層１３０３上にＡｌＮ層を設けてもよい。この場合、ｎ型ＧａＡｓ層１３０４を設けた場合と比較して、表面の平坦性は劣るもののある程度の良好な平坦性を持つ面が得られる。ＧａＡｓ基板上にはＧａＡｓバッファー層を設けても良い。また、ＧａＡｓ基板またはＧａＡｓバッファー層で被覆したＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＡｓを設けてもよい。該ＧａＩｎＮＡｓを含む半導体層構造では、ＩｎＧａＰ層をクラッド層として具備していてもよい。
［第８の実施形態］
図１９を参照しながら、本発明の第８の実施形態を説明する。第８の実施形態が第７の実施形態と異なるのは、基板にシリコン基板を使用し、除去可能層との間に格子不整合性を緩和するための緩衝層を設けた点にある。
図１９を参照しながら、本発明の第８の実施形態を説明する。第８の実施形態が第７の実施形態と異なるのは、基板にシリコン基板を使用し、除去可能層との間に格子不整合性を緩和するための緩衝層を設けた点にある。
すなわち、ここで第１の基板として底面側に配されているのは、シリコン基板１４０１であり、その基板上に欠陥緩衝層としての低温成長ＧａＡｓ層１４０２が形成される。この低温成長ＧａＡｓ層１４０２上にＧａＡｓバッファー層１４０３が形成されている。このn型ＧａＡｓバッファー層１４０３上に、化合物半導体材料からなる除去可能層となるn型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１４０４（1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6）が形成され、その上に被覆層がn型GaAs層１４０５により構成されている。更にその表面側にはＡｌＮバッファー層１０３が形成される。このＡｌＮバッファー層１０３の上には、図１に示した半導体複合基板と同様に、順にそれぞれ窒化物化合物半導体層１１０である、n型ＧａＮ層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６、ｐ型ＧａＮ層１０７が積層される。量子井戸層１０５は、例えば、n型ＧａＮ層１０４と接する層をＩｎＧａＮ層１０５a、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６と接する層をＩｎＧａＮ層１０５cとし、間の層をGaN/InGaN/GaN...InGaN/GaNのようにGaN/InGaNの繰り返しの積層構造１０５bとして、多重井戸構造にすることが可能である。
本実施形態においては、化合物半導体材料から成る除去可能層および被覆層において良好な結晶状態を得るため、シリコン基板上に格子不整合および熱的性質(熱膨張係数)の差異から発生する欠陥発生を防止する、或いは欠陥をシリコン基板界面近傍領域で終端するために、欠陥緩衝層として低温成長のＧａＡｓ層１４０２が形成されている。欠陥緩衝層としては、その他ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子層であってもよい。あるいはＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ歪み超格子層であってもよい。
低温成長のＧａＡｓ層１４０２の上部には結晶状態を良好にするために、さらにＧａＡｓバッファー層１４０３を設ける。ＧａＡｓバッファー層１４０３の層厚さは、結晶欠陥の状態によって適宜調整することができる。例えば、ＧａＡｓバッファー層１４０３の厚さを、１００ｎｍ〜５μmとすることができる。除去可能層となるn型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１４０４（1≧x＞0、望ましくは1≧x≧0.6）、その上の被覆層となるn型ＧａＡｓ層１４０５の構造およびn型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１４０４の選択的エッチングは、第７実施例と同等の層構造およびエッチングとすることができる。
当該第８の実施形態によれば、シリコン基板と、シリコン基板と窒化物半導体層の間に選択的にエッチング除去可能な化合物半導体材料の除去可能層を設けたので、第７実施形態の効果に加えて、基板コストの低減、大口径化が可能となる。また、シリコン基板に代えて、サファイア基板、石英基板とすることもできる。
上述の実施形態では、半導体層を備えた半導体複合基板を例に説明をしたが、上述の実施形態で説明したような選択的なエッチング可能な層を備えた構造に加えて、窒化物化合物半導体層を加工し、また、素子として動作するための所定の電極、配線などを形成した半導体装置を設けるようにすることもできる。また、素子が形成された形態で、選択的に剥離層をエッチングして、素子を備えた半導体薄膜を得る製造工程を採るようにすることもできる。この場合には、適宜半導体薄膜を支持する支持体、素子領域を保護するための保護層などを設け、半導体薄膜を剥離する製造工程を採ることができる。また、素子の例としては、上述の実施形態で述べた通り、トランジスタなどの電子素子や、発光ダイオード素子や半導体レーザー素子などの発光素子を備えたものとすることができる。また、半導体薄膜が含む素子の数は単数でも良く、複数の素子を集積したものであっても良い。
１００ 窓部
１０１ サファイア基板
１０２ アルミナ層
１０３ ＡｌＮバッファー層
１０４ ｎ型ＧａＮ層
１０５ 量子井戸層
１０５a ＩｎＧａＮ層
１０５b 積層構造
１０５c IｎＧａＮ層
１０６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０７ ｐ型ＧａＮ層
１１０ 半導体層
８０２ 酸化シリコン層
９０１ シリコン基板
９０２ 酸化シリコン層
１００１ シリコン基板
１００２ 酸化シリコン層
１００３ シリコン層
１１０１ シリコン基板
１１０２ 酸化シリコン層
１１０３ 炭化シリコン層
１２０１ サファイア基板
１２０２ 酸化亜鉛層
１３０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１３０２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
１３０３ ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
１３０４ ｎ型ＧａＡｓ層
１４０１ シリコン基板
１４０２ 低温成長ＧａＡｓ層
１４０３ ＧａＡｓバッファー層
１４０４ ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
１４０５ ｎ型ＧａＡｓ層
１０１ サファイア基板
１０２ アルミナ層
１０３ ＡｌＮバッファー層
１０４ ｎ型ＧａＮ層
１０５ 量子井戸層
１０５a ＩｎＧａＮ層
１０５b 積層構造
１０５c IｎＧａＮ層
１０６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０７ ｐ型ＧａＮ層
１１０ 半導体層
８０２ 酸化シリコン層
９０１ シリコン基板
９０２ 酸化シリコン層
１００１ シリコン基板
１００２ 酸化シリコン層
１００３ シリコン層
１１０１ シリコン基板
１１０２ 酸化シリコン層
１１０３ 炭化シリコン層
１２０１ サファイア基板
１２０２ 酸化亜鉛層
１３０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１３０２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
１３０３ ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
１３０４ ｎ型ＧａＡｓ層
１４０１ シリコン基板
１４０２ 低温成長ＧａＡｓ層
１４０３ ＧａＡｓバッファー層
１４０４ ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
１４０５ ｎ型ＧａＡｓ層
Claims (21)
- 所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、
前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、
前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有することを特徴とする半導体複合基板。 - 前記第１の基板は前記窒化物化合物半導体層を選択成長させる材料で形成され、前記除去可能層の一部には結晶成長用の窓部が形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体複合基板。
- 前記第１の基板は、サファイア、石英、シリコン、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、炭化シリコン、及びGa2O3の何れかの材料から構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体複合基板。
- 前記除去可能層は酸化物層であることを特徴とする請求項１記載の半導体複合基板。
- 前記酸化物層は、酸化シリコン層、酸化シリコン層上にシリコン層を形成した複合層、酸化シリコン層上に炭化シリコン層を形成した複合層、酸化シリコン層上にシリコン層と炭化シリコン層を形成した複合層、及び酸化亜鉛層の何れかにより形成されることを特徴とする請求項４記載の半導体複合基板。
- 前記除去可能層は窒化物層であることを特徴とする請求項１記載の半導体複合基板。
- 前記窒化物層は窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項６記載の半導体複合基板。
- 前記窒化物化合物半導体層が発光素子または電子素子を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体複合基板。
- 所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、
前記第１の基板上に形成され、前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層を含む化合物半導体層と、
前記化合物半導体層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有することを特徴とする半導体複合基板。 - 前記除去可能層はAlxGa1-x As (1≧x＞0)を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体複合基板。
- 前記化合物半導体層はGaAs層を含むことを特徴とする請求項１０記載の半導体複合基板。
- 前記第１の基板はシリコン基板、化合物半導体基板、酸化物材料基板若しくは窒化物材料基板の何れかであることを特徴とする請求項１１記載の半導体複合基板。
- 前記GaAs層は前記除去可能層と前記窒化物化合物半導体層の層間に形成されることを特徴とする請求項１１記載の半導体複合基板。
- 前記第１の基板が、酸化物材料基板若しくは窒化物材料基板である場合に、前記酸化物材料基板若しくは前記窒化物材料基板上にバッファー層が形成されることを特徴とする請求項１１記載の半導体複合基板。
- 前記窒化物化合物半導体層が発光素子または電子素子を備えることを特徴とする請求項９記載の半導体複合基板。
- 所定のエッチング液に対して耐性を有する第１の基板と、前記第１の基板上に形成され前記所定のエッチング液により除去可能とされる除去可能層と、前記除去可能層上に形成され前記所定のエッチング液に対して耐性を有する窒化物化合物半導体層とを有する半導体複合基板を用意し、
前記半導体複合基板を該所定のエッチング液に浸漬し、
前記除去可能層が除去された後、前記第１の基板から前記窒化物化合物半導体層を剥離することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記除去可能層はアルミナ層若しくは窒化アルミニウム層であり、前記所定のエッチング液を熱燐酸とす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。
- 前記除去可能層は酸化シリコン層であり、前記所定のエッチング液を弗酸系のエッチャントとす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。
- 前記除去可能層は酸化亜鉛層であり、前記所定のエッチング液を弗酸系若しくは塩酸系のエッチャントとす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。
- 前記除去可能層はAlxGa1-x As (1≧x＞0)層であり、前記所定のエッチング液を弗酸系若しくは塩酸系のエッチャントとす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。
- 前記窒化物化合物半導体層が発光素子または電子素子を備え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。
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