JP2009231595A - 半導体素子製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 Ｓｉ基板１０に物理的力を加えることなく、Ｓｉ基板１０上のＧａＮ層１１作製し、信頼性の高い半導体素子得ること。
【解決手段】 ＧａＮ層１１を、Ｓｉ基板１０上にエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層１１上にレジスト層１２でパターニングされ、パターン以外の部分は所定のエッチング処理法を用いて除去され、所望するパターン以外の部分が除去されたＧａＮ層１１残存するＳｉ基板１０を等方的にエッチングすることによりパターニングされた窒化ガリウム系半導体半導体薄膜層を作成する。
【選択図】 図１
【解決手段】 ＧａＮ層１１を、Ｓｉ基板１０上にエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層１１上にレジスト層１２でパターニングされ、パターン以外の部分は所定のエッチング処理法を用いて除去され、所望するパターン以外の部分が除去されたＧａＮ層１１残存するＳｉ基板１０を等方的にエッチングすることによりパターニングされた窒化ガリウム系半導体半導体薄膜層を作成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に発光素子を形成するための窒化物半導体薄膜を形成する技術に関する。
レーザダイオードや発光ダイオードなどの発光素子にはＧａＮ（窒化ガリウム）などの窒化物半導体が用いられる。この窒化物半導体は高融点であるため大口径のウエハの製造が困難である。そこで、従来の製造方法では、まず異種材料であるサファイア基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。しかる後、サファイア基板と窒化物半導体層との界面にレーザー光を照射し、薄膜半導体層をサファイア基板から剥離（いわゆるレーザリフトオフ法）していた。
特開２００６−１３５３２１号公報
しかしながら、エピタキシャル成長させる母材基板としてのサファイア基板は高価である。更に、レーザリフトオフ法を用いて剥離された窒化物半導体のエピタキシャル層は格子欠陥が多く発光効率の高い発光素子が得られないという解決すべき課題が残されていた。
第１の発明は、半導体素子製造方法に関し、Ｓｉ基板上に気相成長法を用いて窒化ガリウム系半導体薄膜層をエピタキシャル成長させ、成長した窒化ガリウム系半導体薄膜層上に所望するパターンをパターニング処理し、該所望するパターン以外の部分を所定のエッチング処理法を用いて除去し、更に、該所望するパターン以外の部分が除去され窒化ガリウム系半導体薄膜層が残存するＳｉ基板のＳｉ結晶を等方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層をエッチングしないエッチャントに漬け込み処理し、該Ｓｉ基板を除去することにより上記所望するパターン以外の部分が除去された窒化ガリウム系半導体薄膜層を作成することを主要な特徴とする。
第２の発明は、半導体素子製造方法に関し、窒化ガリウム系半導体基板上に、Ｓｉ層をエピタキシャル成長させ、該Ｓｉ層上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いて窒化ガリウム系半導体薄膜層をエピタキシャル成長させ、該成長した窒化ガリウム系半導体薄膜層上に所望するパターンをパターニング処理し、該所望するパターン以外の部分を所定のエッチング処理法を用いて除去することを主要な特徴とする。
第１の発明によれば、Ｓｉ基板に物理的力を加えることなく、Ｓｉ基板上の窒化ガリウム系半導体を薄膜状態で取得することができるため、品質の高い窒化ガリウム系半導体薄膜を得ることができるので、信頼性の高い半導体素子を得ることが出来るという効果を得る。
第２の発明によれば、ＧａＮ半導体基板に物理的力を加えることなく、ＧａＮ半導体基板上の窒化ガリウム系半導体を薄膜状態で取得することができるので、信頼性の高い半導体素子を得ることが出来るという効果を得る。
以下、本発明の一実施形態を図を用いて詳細に説明する。
以下に本実施例による半導体素子としての半導体薄膜の製造方法の概要について工程順に従って説明する。
図１は、実施例１の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
図１は、実施例１の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
最初の工程で、（ａ）に示すようにＳｉ基板１０の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法を用いてＧａＮ層１１（窒化ガリウム系半導体薄膜層）をエピタキシャル成長させる。
次に（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１１（窒化ガリウム系半導体薄膜層）上にフォトリソグラフィー技術、あるいは印刷技術を用いて、薄膜半導体チップのパターン平面を有するレジスト層１２が形成される
この時、パターニングに用いられるレジスト材、あるいはＷＡＸ系材料にはドライエッチング時に耐えうる厚さ、特性を有した材料が用いられる。次にパターニングしたレジスト層１２、あるいは図示しないＷＡＸ系材料とＧａＮ層１１間の密着力を上げるために、窒素雰囲気のベーク炉の中、あるいは窒素雰囲気中のホットプレート上でベーキングを行う。また、この時のベーキングは、窒化ガリウム系半導体をエッチングした後に、該レジスト、あるいは該ＷＡＸ系材料が剥離可能であるような温度、時間に調整される。
次に（ｃ）に示すように、ハロゲン系ガスを用いてＧａＮ層１１がドライエッチングされ島状に形成される。
次に（ｄ）に示すように、薄膜半導体チップを形成する領域の上に支持体（Ａ）１３が有機接着剤等を用いて接着される。ここで用いられる接着剤、及び支持体（Ａ）１３の材質は、次の工程で実行されるＳｉ基板１０のエッチングに於いて、例えば、接着剤としてアクリル系接着剤を用いることができる。また、支持体としてはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を用いることができる。
次に（ｅ）に示すように、窒化ガリウム系半導体（ＧａＮ層１１）はエッチングされないが、Ｓｉ基板はエッチングされるエッチャントに漬け込まれる。この時使用するエッチャントは、フッ酸、硝酸、酢酸を混合して作製するフッ硝酸などの、Ｓｉ基板を等方的にエッチングする特性を有するものとし、Ｓｉ基板が全てエッチングされるのに十分な時間だけ漬け込むものとする。漬け込み開始時から、Ｓｉ基板の裏面、及びレジストあるいはＷＡＸ系材料でカバーされていない箇所はエッチングされていき、最終的にはＳｉ基板が消失することで、Ｓｉ基板／窒化ガリウム系半導体層の分離が行われ支持体（Ａ）１３と一体化された薄膜半導体チップが取得される。
このようにして取得された半導体基板上に支持体（Ａ）１３と一体化された薄膜半導体チップが図示しない基板上に分子間力などによりボンディングされ、しかる後、支持体（Ａ）１３が取り除かれ半導体素子が形成される。
以上説明したように、本実施例によれば、Ｓｉ基板に物理的力を加えることなく、Ｓｉ基板上の窒化ガリウム系半導体を薄膜状態で作製することができるため、品質の高い窒化ガリウム系半導体薄膜を得ることができるという効果を得る。また、図１（ｄ）に示すように、パターニングした窒化ガリウム系半導体層の上にエッチャントに耐性を持つ材料からなる支持体（Ａ）１３を形成することで、例えば薄膜化した窒化ガリウム系半導体薄膜層を異種基板にボンディングして、複合デバイスを作製することが容易になるという効果を得る。
図１（ｂ）に於いて、レジスト層１２とＧａＮ層１１との間にＧａＮパターン部へのエッチャント染み込み不良を回避するために、エッチャントに耐性を持つ酸化皮膜などからなる支持体（Ｂ）を積層しても良い。但し、エッチャント染み込み不良の懸念が無い場合には支持体（Ｂ）は必要としない。
尚、実施例では、図１（ｄ）に示すように、パターニングした窒化ガリウム系半導体層の上にエッチャントに耐性を持つ材料からなる支持体（Ａ）１３を形成し、Ｓｉ基板とパターニングした窒化ガリウム系半導体を分離した後、例えば薄膜化した窒化ガリウム系半導体層を異種基板にボンディングして、複合デバイスを作製することとして説明したが、本発明はこの例に限定されるものでは無い。即ち、図１（ｃ）の状態でエッチャントに漬け込んでもよい。
以下に本実施例による半導体素子としての半導体薄膜の製造方法の概要について工程順に従って説明する。
図２は、実施例２の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
図２は、実施例２の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
最初の工程で、（ａ）に示すようにＳｉ（１００）基板２０の（１００）面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法を用いてＧａＮ層１１（窒化ガリウム系半導体薄膜層）をエピタキシャル成長させる。ここで（１００）は結晶軸方向をあらわしている。
次に（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１１（窒化ガリウム系半導体薄膜層）上にフォトリソグラフィー技術、あるいは印刷技術を用いて、薄膜半導体チップのパターン平面を有するレジスト層１２が形成される。
この時、パターニングに用いられるレジスト材、あるいはＷＡＸ系材料にはドライエッチング時に耐えうる厚さ、特性を有した材料が用いられる。次にパターニングしたレジスト層１２、あるいは図示しないＷＡＸ系材料とＧａＮ層１１間の密着力を上げるために、窒素雰囲気のベーク炉の中、あるいは窒素雰囲気中のホットプレート上でベーキングを行う。また、この時のベーキングは、窒化ガリウム系半導体をエッチングした後に、該レジスト、あるいは該ＷＡＸ系材料が剥離可能であるような温度、時間に調整される。
次に（ｃ）に示すように、ハロゲン系ガスを用いてＧａＮ層１１がドライエッチングされ島状に形成される。このときＳｉ（１００）基板２０は図に示すようにオーバーエッチングされる。
次に（ｄ）に示すように、薄膜半導体チップを形成する領域の上に支持体（Ａ）１３が有機接着剤等を用いて接着される。ここで用いられる接着剤、及び支持体（Ａ）１３の材質は、次の工程で実行されるＳｉ（１００）基板２０のエッチングに於いて、例えば、接着剤としてアクリル系接着剤を用いることができる。また、支持体としてはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を用いることができる。
次に（ｅ）に示すように、窒化ガリウム系半導体層はエッチングされないが、Ｓｉ（１００）基板はエッチングされるエッチャントに漬け込む。この時使用するエッチャントは、Ｓｉ（１００）基板２０の面方位はエッチングするが、それ以外の面方位に関してはほとんどエッチングが進行しない、例えば水酸化カリウム水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液などを使用する。前述のエッチャントを使用した際、Ｓｉ（１００）基板２０の厚み方向ではエッチングが進まないため、基板自体の厚さはエッチング前後で変化しないが、Ｓｉ（１００）基板２０の面方向のエッチングは進むため、窒化ガリウム系半導体下のオーバーエッチングされたＳｉ部分はエッチングされ、Ｓｉ基板／パターニングされた窒化ガリウム系半導体が分離されることにより窒化ガリウム系半導体層は薄膜状態となる。最終的には、Ｓｉ基板と窒化ガリウム系半導体層との分離が行われ支持体（Ａ）１３と一体化された薄膜半導体チップが取得される。
このようにして取得された半導体基板上に支持体（Ａ）１３と一体化された薄膜半導体チップが図示しない基板上に分子間力などによりボンディングされ、しかる後支持体（Ａ）１３が取り除かれ半導体素子が形成される。
以上説明したように、本実施例によれば、Ｓｉ（１００）基板２０に物理的力を加えることなく、Ｓｉ基板上の窒化ガリウム系半導体を薄膜状態で取得することができるため、品質の高い窒化ガリウム系半導体薄膜を得ることができるという効果を得る。また、Ｓｉ（１００）基板２０は基板厚み方向にほとんどエッチングされないため、再利用することができるとともに、基板を全てエッチングする手法と比較して、大幅にエッチング時間を短縮することができるという効果を得る。
尚、実施例では、図２（ｄ）に示すように、パターニングした窒化ガリウム系半導体層の上にエッチャントに耐性を持つ材料からなる支持体（Ａ）１３を形成し、Ｓｉ基板とパターニングした窒化ガリウム系半導体を分離した後、例えば薄膜化した窒化ガリウム系半導体層を異種基板にボンディングして、複合デバイスを作製することとして説明したが、本発明はこの例に限定されるものでは無い。即ち、図２（ｃ）の状態でエッチャントに漬け込んでもよい。
以下に本実施例による半導体素子としての半導体薄膜の製造方法の概要について工程順に従って説明する。
図３は、実施例３の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
図３は、実施例３の半導体素子の製法説明図である。
（ａ）から（ｅ）に示す図は、半導体薄膜の製造工程中における素子の断面拡大図である。
最初の工程で、（ａ）に示すように、ＧａＮ半導体基板４０の上に、Ｓｉ（１００）層３０をエピタキシャル成長させる。この時、Ｓｉ（１００）層３０の厚みとしては数μｍ〜１００μｍ程度が望ましい。次に、Ｓｉ（１００）層３０の上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法を用いてＧａＮ層１１をエピタキシャル成長させる。
次に（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１１（窒化ガリウム系半導体薄膜層）上にフォトリソグラフィー技術、あるいは印刷技術を用いて、薄膜半導体チップのパターン平面を有するレジスト層１２が形成される
この時、パターニングに用いるレジスト材、あるいはＷＡＸ系材料にはドライエッチング時に耐えうる厚さ、特性を有した材料が用いられる。次にパターニングしたレジスト層１２、あるいは図示しないＷＡＸ系材料とＧａＮ層１１間の密着力を上げるために、窒素雰囲気のベーク炉の中、あるいは窒素雰囲気中のホットプレート上でベーキングを行う。また、この時のベーキングは、窒化ガリウム系半導体をエッチングした後に、該レジスト、あるいは該ＷＡＸ系材料が剥離可能であるような温度、時間に調整される。
次に（ｃ）に示すように、ハロゲン系ガスを用いてＧａＮ層１１がドライエッチングされ島状に形成される。その後、窒化ガリウム半導体層をハロゲン系ガスを用いてドライエッチングする。この時、エッチングの深さとしては、ＧａＮ半導体基板４０と、ＧａＮ層１１の間に存在するＳｉ（１００）層３０の直上からＳｉ（１００）層３０を全てエッチングする深さの範囲で任意の深さであるとする。
次に（ｄ）に示すように、薄膜半導体チップを形成する領域の上に支持体（Ａ）１３が有機接着剤等を用いて接着される。ここで用いられる接着剤、及び支持体（Ａ）１３の材質は、次の工程で実行されるＳｉ（１００）層３０のエッチングに於いて、例えば、接着剤としてアクリル系接着剤を用いることができる。また、支持体としてはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を用いることができる。
次に（ｅ）に示すように、ＧａＮ半導体基板４０はエッチングされないが、Ｓｉ（１００）層３０はエッチングされるエッチャントに漬け込む。この時使用するエッチャントは、例えばＳｉを異方的にエッチングする水酸化カリウム水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、あるいはＳｉを等方的にエッチングするフッ硝酸であるとする。支持体（Ａ）１３とＧａＮ半導体基板４０とが一体となった複合体をエッチャントに漬け込むことで、ＧａＮ半導体基板４０とＧａＮ層１１の間にあるＳｉ（１００）層３０は、異方的、あるいは等方的にエッチングされ、Ｓｉ（１００）層３０が全てエッチングされるのに十分な時間だけエッチャントに漬け込むことで窒化ガリウム系半導体層は、窒化ガリウム系半導体基板から分離されることとなる。
このようにして取得された支持体（Ａ）１３と一体化された薄膜半導体チップが図示しない基板上に分子間力などによりボンディングされ、しかる後支持体（Ａ）１３が取り除かれ半導体素子が形成される。
以上説明したように、本実施例に拠れば、物理的力を加えることなく、窒化ガリウム系半導体薄膜を形成することができるという効果を得る。さらに、窒化ガリウム系半導体層と窒化ガリウム系半導体基板には、物理的にも化学的にもダメージが入らないので、窒化ガリウム系半導体薄膜に関しては、高品質な薄膜を作製することができるとともに、窒化ガリウム系半導体基板に関しては、再利用可能になるという効果を得る。さらに、窒化ガリウム系半導体薄膜をパターニングエッチングする際、その直下に存在するＳｉ層のオーバーエッチング量は、層内部までであれば任意の量であれば良いため、ドライエッチングプロセスのマージンを大幅に増加させることができるという効果を得る。
尚、実施例では、図３（ｄ）に示すように、パターニングした窒化ガリウム系半導体層の上にエッチャントに耐性を持つ材料からなる支持体（Ａ）１３を形成し、ＧａＮ半導体基板とパターニングした窒化ガリウム系半導体を分離した後、例えば薄膜化した窒化ガリウム系半導体層を異種基板にボンディングして、複合デバイスを作製することとして説明したが、本発明はこの例に限定されるものでは無い。即ち、図３（ｃ）の状態でエッチャントに漬け込んでもよい。
本発明による半導体素子製造方法をＬＥＤ素子の製造方法に適用することによって信頼性の高いＬＥＤ素子を製造することが可能になる。更に、そのＬＥＤ素子をプリンタなどの画像形成装置に利用することにより、信頼性の高い画像形成装置の実現が可能になる。
１０ Ｓｉ基板
１１ ＧａＮ層
１２ レジスト層
１３ 支持体（Ａ）
１１ ＧａＮ層
１２ レジスト層
１３ 支持体（Ａ）
Claims (17)
- Ｓｉ基板上に気相成長法を用いて窒化ガリウム系半導体薄膜層をエピタキシャル成長させ、成長した窒化ガリウム系半導体薄膜層上に所望するパターンをパターニング処理し、該所望するパターン以外の部分を所定のエッチング処理法を用いて除去し、更に、該所望するパターン以外の部分が除去され窒化ガリウム系半導体薄膜層が残存するＳｉ基板のＳｉ結晶を等方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層をエッチングしないエッチャントに漬け込み処理し、該Ｓｉ基板を除去することにより前記所望するパターン以外の部分が除去された窒化ガリウム系半導体薄膜層を作成することを特徴とする半導体素子製造方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層上へのパターニング処理は、
フォトリソグラフィー技術、あるいは印刷技術を用いて実行されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造方法。 - 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層のエッチング処理法は、
ハロゲン系ガスを用いたドライエッチング処理法であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体素子製造方法。 - 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層のエッチング処理法は、
ハロゲン系ガスを用いたドライエッチング処理法であり、且つ、前記Ｓｉ基板も、オーバーエッチングにより窒化ガリウム系半導体層薄膜層のパターンと同形状でエッチングされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体素子製造方法。 - 前記Ｓｉ結晶を等方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層をエッチングしないエッチャントは、フッ硝酸であることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の半導体素子製造方法。
- 前記所望するパターン以外の部分を所定のエッチング処理法を用いて除去した後、該所望するパターン以外の部分が除去され窒化ガリウム系半導体薄膜層が残存するＳｉ基板のＳｉ結晶を等方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層はエッチングしないエッチャントに漬け込み処理を行う前に、該窒化ガリウム系半導体層上に、前記エッチャントに対する耐性を有するシート状の支持材料を形成することを特徴とする実施例１に記載の半導体素子製造方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層、及び前記Ｓｉ基板のドライエッチングを行った後に、該Ｓｉ基板のＳｉ結晶を異方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層はエッチングしないエッチャントに漬け込むことを特徴とした請求項６に記載の半導体素子製造方法。
- 前記エッチャントは、水酸化カリウム水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子製造方法。
- 前記エッチャントは、前記Ｓｉ基板の面方向と平行な方向へＳｉ結晶をエッチングする特性を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体素子製造方法。
- Ｓｉ基板上に気相成長法を用いて窒化ガリウム系半導体薄膜層をエピタキシャル成長させた後、所望するパターンをパターニング処理する前に、成長した窒化ガリウム系半導体薄膜層上に、前記エッチャントに耐性を有する支持材料薄膜層を前記窒化ガリウム系半導体薄膜層上に形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造方法。
- 前記支持材料薄膜層の形状は、前記窒化ガリウム系半導体層薄膜のパターンと同サイズ、あるいは窒化ガリウム系半導体層のパターンよりも小さい相似形であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子製造方法。
- 窒化ガリウム系半導体基板上に、Ｓｉ層をエピタキシャル成長させ、該Ｓｉ層上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いて窒化ガリウム系半導体薄膜層をエピタキシャル成長させ、該成長した窒化ガリウム系半導体薄膜層上に所望するパターンをパターニング処理し、該所望するパターン以外の部分を所定のエッチング処理法を用いて除去することを特徴とする半導体素子製造方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層のパターニング処理は、
フォトリソグラフィー技術、あるいは印刷技術を用いて実行されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造方法。 - 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層のエッチング処理法は、
ハロゲン系ガスを用いたドライエッチング処理法であることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の半導体素子製造方法。 - 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層のエッチング処理法は、
ハロゲン系ガスを用いたドライエッチング処理法であり、且つ、前記Ｓｉ基板も、オーバーエッチングにより窒化ガリウム系半導体層薄膜層のパターンと同形状でエッチングすることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の半導体素子製造方法。 - 前記窒化ガリウム系半導体薄膜層、及び前記Ｓｉ基板のドライエッチングを行った後に、該Ｓｉ基板のＳｉ結晶を異方的にエッチングし、窒化ガリウム系半導体層はエッチングしないエッチャントに漬け込むことを特徴とした請求項１２に記載の半導体素子製造方法。
- 前記エッチャントは、水酸化カリウム水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子製造方法。
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