JP2011233861A - 半導体デバイスの製造方法、エピ成長用積層支持基板およびデバイス用積層支持基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本半導体デバイスの製造方法は、積層支持基板1の作製工程と、積層貼り合せ基板2の作製工程と、エピ成長用積層支持基板3の作製工程と、デバイス用積層支持基板4の作製工程と、デバイス用積層ウエハ5の作製工程と、透明半導体層積層ウエハ6を含む半導体デバイス7の作製工程と、を備える。
【選択図】図1
Description
図1を参照して、本発明のある実施形態である半導体デバイスの製造方法は、Ga含有透明支持基板10上に光熱変換層21を含む中間層20aを形成して積層支持基板1を作製する工程を備える(図1(A))。また、積層支持基板1の中間層20aにGaN基板30を貼り合わせて積層貼り合わせ基板2を作製する工程を備える(図1(B))。積層貼り合わせ基板2のGaN基板30を、中間層20との貼り合わせ面から所定の深さの面Pにおいて分離することにより、積層支持基板1の中間層20上にGaN層30aが形成されたエピ成長用積層支持基板3を作製する工程を備える(図1(C))。また、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に少なくとも1層の透明半導体層40をエピタキシャル成長させることにより、デバイス用積層支持基板4を作製する工程を備える(図1(D))。また、デバイス用積層支持基板4に、Ga含有透明支持基板10およびGaN層30aおよび透明半導体層40のバンドギャップエネルギーのなかで最も低いバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長い波長でかつ光熱変換層が吸収しうる波長の光Lを照射して、Ga含有透明支持基板10と中間層20とを分離することにより、透明半導体層40とGaN層30aと中間層20とを含むデバイス用積層ウエハ5を作製する工程を備える(図1(E)および(F))。また、デバイス用積層ウエハ5から中間層を除去して透明半導体層40とGaN層30aとを含む透明半導体層積層ウエハ6を含む半導体デバイス7を作製する工程を備える(図1(G)および(H))。これらの工程を備えることにより、GaN層30aおよび透明半導体層40にダメージを与えることなく透明半導体層積層ウエハ6を形成することができるため、良質の半導体層を有する高品質の半導体デバイスが得られる。
図1(A)を参照して、積層支持基板1の作製工程は、Ga含有透明支持基板10上に光熱変換層21を含む中間層20aを形成することにより行われる。本工程により得られる積層支持基板1は、後述するように、本基板に照射される光が光熱変換層21に吸収されることにより、光熱変換層21を含む中間層20aは熱が蓄えられて高温となり、この熱によりGa含有透明支持基板10の中間層20aに接する面が分解されて、中間層20aとGa含有透明支持基板10とに分離することができる。
図1(B)を参照して、積層貼り合わせ基板2の作製工程は、積層支持基板1の中間層20aにGaN基板30を貼り合わせることにより行われる。ここで、積層支持基板1の中間層20aにGaN基板30を貼り合わせる方法には、特に制限はなく、貼り合わせる面の表面を洗浄して直接貼り合わせ、その後700℃〜1000℃に昇温して接合する直接接合法、金属膜を形成し、接触させつつ昇温することで金属膜の金属を合金化させることにより接合する合金接合法、プラズマやイオンなどで貼り合わせ面を活性化させ接合する表面活性化法、などが好ましく用いられる。
図1(C)を参照して、エピ成長用積層支持基板3の作製工程は、積層貼り合わせ基板2のGaN基板30を、中間層20との貼り合わせ面から所定の深さの面Pにおいて分離することにより行われる。かかる工程により、積層支持基板1の中間層20上にGaN層30aが形成されたエピ成長用積層支持基板3が得られる。
図1(D)を参照して、デバイス用積層支持基板4の作製工程は、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に少なくとも1層の透明半導体層40をエピタキシャル成長させることにより行われる。
図1(E)および(F)を参照して、デバイス用積層ウエハ5の作製工程は、デバイス用積層支持基板4に、Ga含有透明支持基板10およびGaN層30aおよび透明半導体層40のバンドギャップエネルギーのなかで最も低いバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長い波長でかつ光熱変換層が吸収しうる波長の光Lを照射して、Ga含有透明支持基板10と中間層20とを分離することにより行われる。かかる工程により、透明半導体層40とGaN層30aと中間層20とを含むデバイス用積層ウエハ5が得られる。ここで、図1(E)には、デバイス用積層支持基板4のGa含有透明支持基板10側から光Lが照射される場合が記載されているが、デバイス用積層支持基板4の透明半導体層40側から光Lが照射されてもよい。
図1(G)を参照して、透明半導体層積層ウエハ6の作製工程は、デバイス用積層ウエハ5から中間層20を除去することにより行われる。かかる工程により、透明半導体層40とGaN層30aとを含む透明半導体層積層ウエハ6が得られる。デバイス用積層ウエハ5から中間層20を除去する方法は、特に制限はなく、半導体プロセスで一般的に用いられるウェットエッチング、ドライエッチングなどの方法を利用できる。
図1(H)を参照して、半導体デバイス7の作製工程は、透明半導体層積層ウエハ6に透明半導体層積層ウエハ支持基板70を貼り合わせることにより行われる。かかる工程により、半導体デバイス7が得られる。
図1を参照して、本発明にかかる他の実施形態であるエピ成長用積層支持基板3は、Ga含有透明支持基板10と、Ga含有透明支持基板10上に配置されている中間層20と、中間層20上に配置されているGaN層30aと、を含み、中間層20は光熱変換層21を含む。実施形態1に記載のように、本実施形態のエピ成長用積層支持基板3は、GaN層30a上にクラックなどを発生させることなく品質のよい少なくとも1層の透明半導体層40をエピタキシャル成長させることができる。また、本エピ成長用積層支持基板3は、中間層20の光熱変換層21が照射された光Lを吸収することにより高温に加熱され、この高熱により中間層20に接するGa含有透明支持基板10の面が分解することを利用して、中間層20とGa含有透明支持基板10との間で分離できる。
図1(A)〜(D)を参照して、本発明のさらに他の実施形態であるデバイス用積層支持基板4は、実施形態2に記載のエピ成長用積層支持基板3と、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上にエピタキシャル成長された少なくとも1層の透明半導体層40と、を含む。本デバイス用積層支持基板4は、中間層20の光熱変換層21が照射された光Lを吸収することにより高温に加熱され、この高熱により中間層20に接するGa含有透明支持基板10の面が分解することを利用して、中間層20とGa含有透明支持基板10との間で分離できる。実施形態1に記載のように、本デバイス用積層支持基板4の透明半導体層は、III族窒化物半導体層であることが好ましい。
1.積層支持基板の作製
図1(A)を参照して、Ga含有透明支持基板10として、HVPE法により形成した直径が2インチ(5.08cm)で厚さ500μmのGaN支持基板を準備した。かかるGaN支持基板は、一主表面が(0001)面であるGa原子表面であり、他主表面が(000−1)面であるN原子表面であり、両主表面が鏡面加工されていた。
次に、図1(B)を参照して、上記の積層支持基板1の中間層20の二酸化シリコン層(第1の透明層23a)とGaN基板30に堆積させた二酸化シリコン層(第1の透明層23b)とを、積層支持基板1のGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)の一主表面((0001)面)の結晶方位とGaN基板30の一主表面((0001)面)の結晶方位が一致するように重ね合わせて、プレス装置(ウエハボンダ)で7MPa(2インチ基板当たり1400kgf)の荷重で押しつけることで、二酸化シリコン層同士を接合させることにより、積層支持基板1とGaN基板30とを貼り合わせた。こうして得られた積層貼り合わせ基板2は、大気中で室温(25℃)から300℃まで3時間かけてゆっくりと昇温することにより、接合界面の接合強度が増した。ここで、積層貼り合わせ基板2において、中間層20のアモルファスシリコン層(光熱変換層21)とGaN基板との間に配置される二酸化シリコン層(第1の透明層23)の厚さは230nmであった。
次に、図1(C)を参照して、積層貼り合わせ基板2を500℃に加熱して基板の主表面に対して斜めに応力をかけた。積層貼り合わせ基板2のGaN基板30において水素イオンが多く注入され脆化したN原子表面からの深さが約200nmの面Pにおいて熱応力がかかり、GaN基板30は、上記の面Pにおいて、積層支持基板1の中間層20に接合している厚さ200nmのGaN層30aと残部GaN基板30bとに分離した。こうして、積層支持基板1の中間層20上に厚さ200nmのGaN層30aが形成されたエピ成長用積層支持基板3が得られた。ここで、GaN層30aから分離した残部GaN基板30bは、分離面の表面状態(平坦性など)を研磨などの手法で整えた後、何度も再利用できる.これにより最終的に半導体デバイス1枚あたりのコストを低減できる。
次に、図1(D)を参照して、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に、MOCVD法により、透明半導体層40として、厚さ2μmのGaNバッファ層41、厚さ0.5μmのn−GaN層43、厚さ70nmの発光層45である3対のInGaN層およびGaN層からなる多重量子井戸層、厚さ80nmのp−GaN層47をこの順に堆積させた。こうして、デバイス用積層支持基板4が得られた。
次に、図2(A)を参照して、以下のようにして、デバイス用積層支持基板4に二電極を形成した。デバイス用積層支持基板4の透明半導体層40のp−GaN層47上に、フォトリソグラフィ法によりp−電極用レジストマスク(図示せず)を形成し、真空蒸着法により厚さ5nmのNi層および厚さ11nmのAu層をこの順に形成した後、p−電極用レジストマスクを除去することにより不要部分の電極材料を除去することにより、p−電極80を形成した。
次に、図2(B)を参照して、二電極付のデバイス用積層支持基板4Aのp−電極80およびn−電極90の形成面に接着剤51をスピン塗布し、真空中で200℃に加熱された雰囲気下で、ウエハボンダを用いて、仮支持用サファイア板(仮支持基材50)を貼り付けた。かかる接着剤51には、後工程において、ウエハから仮支持用サファイア板を分離することを考慮して、200℃に加熱することで再度軟化させられるもの、たとえばBrewer Sciences社製WaferBond HT−10,10などを選んだ。
次に、図2(D)を参照して、二電極付のデバイス用積層ウエハ5Aの中間層20上の金属Ga60を塩酸により洗浄し、中間層20(二酸化シリコン層および一部がポリシリコン化したアモルファスシリコン層)を、フッ酸硝酸混合溶液を用いたウェットエッチングにより、除去した。こうして、透明半導体層40およびGaN層30aを含む二電極付の透明半導体層積層ウエハ6Aが得られた。
次に、図2(E)を参照して、以下のようにして、二電極付の透明半導体積層積層ウエハ6AのGaN層30aに、別途準備した透明半導体層積層ウエハ支持基板70を貼り合わせた。
1.デバイス用積層支持基板までの作製工程
図1(A)〜(D)を参照して、実施例1と同様にして、デバイス用積層支持基板4を得た。
次に、図3(A)を参照して、デバイス用積層支持基板4の透明半導体層40のp−GaN層47上の全面に、真空蒸着法により、p−電極80として、Ni/Au電極(具体的には、厚さ5nmのNi層および厚さ11nmのAu層で構成される電極)を形成した。こうして、一電極付のデバイス用積層支持基板4Bが得られた。
次に、図3(B)〜(C)を参照して、一電極付のデバイス用積層支持基板4Bのp−電極80上に、接着剤51を介在させて仮支持基材50をさせた後、実施例1と同様にして、デバイス用積層支持基板4BからGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)をスライドオフさせた。こうして、一電極付のデバイス用積層ウエハ5Bが得られた。
次に、図3(D)を参照して、実施例1と同様にして、一電極付のデバイス用積層ウエハ5Bから金属Ga60および中間層20を除去した。こうして、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6Bが得られた。
次に、図3(E)を参照して、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6BのGa層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、n−電極90としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層で構成される電極)を形成した。次いで、n電極の上に、真空蒸着法により、導電性接着層95aとしてTi/Al層(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層)で構成される貼り合わせ用パッド電極層を形成した。
1.デバイス用積層支持基板までの作製工程
図1(A)〜(D)を参照して、実施例1と同様にして、デバイス用積層支持基板4を得た。
次に、図4(A)を参照して、デバイス用積層支持基板4の透明半導体層40のp−GaN層47上の全面に、真空蒸着法により、Ni/Au電極(具体的には、厚さ5nmのNi層および厚さ11nmのAu層で構成される電極)を形成し、この貼り合わせ基板を窒素/酸素雰囲気中500℃でアニールすることにより、p−電極80を形成した。
次に、図4(B)〜(C)を参照して、透明半導体層積層ウエハ支持基板70が貼り合わされたデバイス用積層支持基板4Cから、実施例1と同様にして、Ga含有透明支持基板10を分離した。こうして、支持基板付のデバイス用積層ウエハ5Cが得られた。
次に、図4(D)を参照して、支持基板付のデバイス用積層ウエハ5Cから、実施例1と同様にして、金属Ga60および中間層20が分離除去した。こうして、支持基板付の透明半導体層積層ウエハ6が得られた。
次に、図4(E)を参照して、支持基板付の透明半導体層積層ウエハ6のp型導電型Si基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板)上に、真空蒸着法により、p−パッド電極層86としてTi/Auパッド電極層(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層で構成されるパッド電極層)を形成した。また、支持基板付の透明半導体層積層ウエハ6のGaN層30a上に、真空蒸着法およびリフトオフ法により、n−電極90としてTi/Au電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層で構成される電極)を形成した。p−パッド電極層86およびp−電極90と半導体層とのオーミック接合を取るために、これらの電極が形成された支持基板付の透明半導体層積層ウエハ6を、窒素雰囲気中500℃でアニールした。こうして、LEDである半導体デバイス7が得られた。以降は一般的な素子化工程(スクライブ、ブレーク、ダイボンド、ワイヤボンドなどの諸工程)が適用できる。
本実施例は、透明半導体層積層ウエハ支持基板の熱膨係数がGaNの熱膨張係数と同一または近似している場合に適用される。
図1(A)〜(D)を参照して、実施例1と同様にして、デバイス用積層支持基板4を得た。
次に、図5(A)および(B)を参照して、デバイス用積層支持基板4の中間層20のp−GaN層47上に、接着剤51を介在させて仮支持基材50をさせた後、実施例1と同様にして、デバイス用積層支持基板4からGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)をスライドオフさせた。こうして、デバイス用積層ウエハ5が得られた。
次に、図5(C)を参照して、実施例1と同様にして、一電極付のデバイス用積層ウエハ5Bから金属Ga60および中間層20を除去した。こうして、透明半導体層積層ウエハ6が得られた。
次に、図5(D)を参照して、透明半導体層積層ウエハ6に透明半導体層積層ウエハ支持基板70として透明支持基板であるスピネル基板を貼り合わせた。
中間層20の形成において、第2の透明層25として二酸化シリコン層の厚さを40nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、積層支持基板を作製し、その積層支持基板から積層貼り合わせ基板、エピ成長用積層支持基板、デバイス用積層支持基板、二電極付のデバイス用積層支持基板、二電極付のデバイス用積層ウエハ、二電極付の透明半導体層積層ウエハ、半導体デバイスを順次作製した。実施例1に比べて、透明半導体層40のエピタキシャル成長の際に厚さ60nmのアモルファスシリコン層(光熱変換層)と厚さ40nmの二酸化シリコン層(第2の透明層)との界面において高温によりもたらされる熱膨張係数の違いに起因した剥がれの発生が完全に防止された。レーザ照射による金属Ga60および中間層20の分離除去も問題なく実施できた。これにより、半導体デバイスの歩留まりが向上した。
中間層20の形成において、第2の透明層25として二酸化シリコン層の厚さを40nmとしたこと以外は、実施例2と同様にして、積層支持基板を作製し、その積層支持基板から積層貼り合わせ基板、エピ成長用積層支持基板、デバイス用積層支持基板、一電極付のデバイス用積層支持基板、一電極付のデバイス用積層ウエハ、一電極付の透明半導体層積層ウエハ、半導体デバイスを順次作製した。実施例2に比べて、透明半導体層40のエピタキシャル成長の際に厚さ60nmのアモルファスシリコン層(光熱変換層)と厚さ40nmの二酸化シリコン層(第2の透明層)との界面において高温によりもたらされる熱膨張係数の違いに起因した剥がれの発生が完全に防止された。レーザ照射による金属Ga60および中間層20の分離除去も問題なく実施できた。これにより、半導体デバイスの歩留まりが向上した。
中間層20の形成において、第2の透明層25として二酸化シリコン層の厚さを40nmとしたこと以外は、実施例3と同様にして、積層支持基板を作製し、その積層支持基板から積層貼り合わせ基板、エピ成長用積層支持基板、デバイス用積層支持基板、支持基板付のデバイス用積層支持基板、支持基板付のデバイス用積層ウエハ、支持基板付の透明半導体層積層ウエハ、半導体デバイスを順次作製した。実施例3に比べて、透明半導体層40のエピタキシャル成長の際に厚さ60nmのアモルファスシリコン層(光熱変換層)と厚さ40nmの二酸化シリコン層(第2の透明層)との界面において高温によりもたらされる熱膨張係数の違いに起因した剥がれの発生が完全に防止された。レーザ照射による金属Ga60および中間層20の分離除去も問題なく実施できた。これにより、半導体デバイスの歩留まりが向上した。
中間層20の形成において、第2の透明層25として二酸化シリコン層の厚さを40nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、積層支持基板を作製し、その積層支持基板から積層貼り合わせ基板、エピ成長用積層支持基板、デバイス用積層支持基板、デバイス用積層ウエハ、透明半導体層積層ウエハ、半導体デバイスを順次作製した。実施例1に比べて、透明半導体層40のエピタキシャル成長の際に厚さ60nmのアモルファスシリコン層(光熱変換層)と厚さ40nmの二酸化シリコン層(第2の透明層)との界面において高温によりもたらされる熱膨張係数の違いに起因した剥がれの発生が完全に防止された。レーザ照射による金属Ga60および中間層20の分離除去も問題なく実施できた。これにより、半導体デバイスの歩留まりが向上した。
本実施例は、本願技術を用いたパワーデバイスの一例としてSBD(ショットキーバリアダイオード)を作製した場合を例示する。
図1(A)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、エピ成長用積層支持基板3を得た。
次に、図6(A)を参照して、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に、MOCVD法により、透明半導体層40として、キャリア濃度が1×1018cm-3で厚さ0.5μmのn+−GaNストップ層42と、キャリア濃度が7×1015cm-3で厚さ5μmのn−GaNドリフト層44と、を順次成長させた。こうして、デバイス用積層支持基板4が得られた。
次に、図6(B)を参照して、デバイス用積層支持基板4のうちの透明半導体層40のn−GaNドリフト層44上に、フォトリソグラフィ、10質量%塩酸水溶液による表面処理、Ni/Au層(具体的には厚さ50nmのNi層および厚さ300nmのAu層で構成される層)のEB蒸着、ならびにリフトオフにより、n−GaNドリフト層44上に直径200μmのショットキー電極81を形成した。こうして、一電極付のデバイス用積層支持基板4Dが得られた。
次に、一例目として、図6(B)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を透明半導体層積層ウエハ支持基板70に置き換えたタイプのSBDを作製した。具体的には、一電極付のデバイス用積層支持基板4Dのショットキー電極81側を接着剤により仮支持基材に貼り付け、レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6DのGaN層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、n−電極90としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAl層で構成される電極)を形成した。その後、透明半導体層積層ウエハ支持基板70としてのP(リン)を1×1019cm-3と高濃度にドープしたn型導電性Si基板の両主表面にオーミック電極93を形成したものを準備して、上記のn−電極90と金属ハンダ71により接合させた。その後、仮支持基材を除去して、図6(C)に示すSBDを完成させた。
続いて二例目として、図6(B)および(D)を参照して、実施例3と同様にして、透明半導体層積層ウエハ支持基板70が透明半導体層40側に配置されたタイプのSBDを作製した。具体的には、一電極付のデバイス用積層支持基板4Dのショットキー電極81周りに、SiO2絶縁層82を形成した後、金属ハンダ71によりn型導電性Si基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主面にオーミック電極73が形成されたものを接合した。上記と同様に、n型導電性Si基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主面にオーミック電極73が形成されたものに替えて、n型導電性Ge基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主表面にオーミック電極73が形成されたもの、Mo薄膜、W薄膜およびTa薄膜を接合させたものも作製した。その後、それぞれについて、接合レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6DのGa層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、n−電極90としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層で構成される電極)を形成して、図6(C)に示すSBDを完成させた。
本実施例は、本願技術を用いたパワーデバイスの一例としてPND(pn接合ダイオード)を作製した場合を例示する。
図1(A)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、エピ成長用積層支持基板3を得た。
次に、図7(A)を参照して、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に、MOCVD法により、透明半導体層40として、厚さ0.5μmのn+−GaNストップ層42(キャリア濃度:1×1018cm-3)、厚さ7μmのn−GaN層46(キャリア濃度:3×1016cm-3)、厚さ0.5μmのp−GaN層48(キャリア濃度:7×1017cm-3)および厚さ75nmのp+−GaNコンタクト層49(Mg濃度:1×1019cm-3)を順次成長させた。こうして、デバイス用積層支持基板4が得られた。
次に、図7(B)を参照して、デバイス用積層支持基板4のうちの透明半導体層40のp+−GaNコンタクト層49上に、フォトリソグラフィ、10質量%塩酸水溶液による表面処理、Ni/Au(具体的には厚さ50nmのNi層および厚さ300nmのAu層で構成される層)のEB蒸着およびリフトオフ、窒素ガス雰囲気中での700℃合金化熱処理により、p+−GaNコンタクト層49上に直径200μmのp−電極80を形成した。こうして、一電極付のデバイス用積層支持基板4Eが得られた。
次に一例目として、図7(B)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を透明半導体層積層ウエハ支持基板70に置き換えたタイプのPNDを作製した。具体的には、一電極付のデバイス用積層支持基板4Eのp−電極80側を接着剤により仮支持基材に貼り付け、レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6EのGa層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、n−電極90としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAl層で構成される電極)を形成した。その後、透明半導体層積層ウエハ支持基板70としてのP(リン)を1×1019cm-3と高濃度にドープしたn型導電性Si基板の両主表面にオーミック電極93を形成したものを準備して、上記のn−電極90と金属ハンダ71にて接合させた。その後、仮支持基材を除去して、図7(C)に示すPNDを完成させた。
続いて二例目として、実施例3と同様にして、図7(B)および(D)を参照して、透明半導体層積層ウエハ支持基板70が透明半導体層40側に配置されたタイプのPNDを作製した。具体的には、一電極付のデバイス用積層支持基板4Eのp−電極80周りに、SiO2絶縁層82を形成した上で、金属ハンダ71により、p型導電性Si基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主表面にオーミック電極73が形成されたものと接合した。上記と同様に、p型導電性Si基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主表面にオーミック電極73を形成したものに替えて、p型導電性Ge基板(透明半導体層積層ウエハ支持基板70)の両主表面にオーミック電極73を形成したもの、Mo薄膜、W薄膜、Ta薄膜を接合させたものも作製した。その後、それぞれについて、レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、一電極付の透明半導体層積層ウエハ6EのGa層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、n−電極90としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAu層で構成される電極)を形成して、図7(D)に示すPNDを完成させた。
本実施例は、本願技術を用いたパワーデバイスの一例としてMISトランジスタを作製した場合を例示する。
図1(A)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、エピ成長用積層支持基板3を得た。
次に、図8(A)を参照して、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に、MOCVD法により、透明半導体層40として、厚さ0.5μmのn+−GaN層142(キャリア濃度:1×1018cm-3)、厚さ7μmのn−GaN層144(キャリア濃度:3×1016cm-3)、厚さ0.5μmのp−GaN層145(Mg濃度:7×1017cm-3)および厚さ0.5μmのn+−GaN層146(キャリア濃度:1×1018cm-3)を順次成長させた。こうして、デバイス用積層支持基板4が得られた。
次に、図8(B)を参照して、デバイス用積層支持基板4のうちの透明半導体層40上に、フォトリソグラフィ、10 質量%塩酸水溶液による表面処理、Ti層/Al層/Ti層/Au層をそれぞれ20nm/100nm/20 nm/300nmの厚さでEB蒸着およびリフトオフ、窒素ガス雰囲気中600℃で熱処理して合金化することにより、n+−GaN層146上にソース電極180を形成した。
次に、図8(B)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を透明半導体層積層ウエハ支持基板70に置き換えたタイプのMISトランジスタを作製した。具体的には、二電極付のデバイス用積層支持基板4Fのソース電極180およびゲート電極183側を接着剤により仮支持基材に貼り付け、レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、二電極付の透明半導体層積層ウエハ6FのGa層30aの主表面(N原子表面)の全面に、真空蒸着法により、ドレイン電極190としてTi/Al電極(具体的には、厚さ20nmのTi層および厚さ300nmのAl層で構成される電極)を形成した。その後、透明半導体層積層ウエハ支持基板70としてのP(リン)を1×1019cm-3と高濃度にドープしたn型導電性Si基板の両主表面にオーミック電極93を形成したものを準備して、上記のドレイン電極190と金属ハンダ71にて接合させた。その後、仮支持基材を除去して、図8(C)に示すMISトランジスタを完成させた。
本実施例は、本願技術を用いたパワーデバイスの一例としてHEMTトランジスタを作製した場合を例示する。
図1(A)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、エピ成長用積層支持基板3を得た。
次に、図9(A)を参照して、エピ成長用積層支持基板3のGaN層30a上に、MOCVD法により、透明半導体層40として、厚さ1.5μmのアンドープ−GaN層244、厚さ30nmのアンドープ−AlGaN層246(キャリア濃度:3×1016cm-3)を順次成長させた。こうして、デバイス用積層支持基板4が得られた。
次に図9(B)を参照して、デバイス用積層支持基板4のうちの透明半導体層40上に、フォトリソグラフィ、10 質量%塩酸水溶液による表面の前処理、Ti層/Al層/Ti層/Au層をそれぞれ20nm/100nm/20nm/300nmの厚さでEB蒸着およびリフトオフ、窒素ガス雰囲気中600℃ で熱処理することにより、アンドープ−AlGaN層246上に、ソース電極280電極とドレイン電極290を形成した。さらに、ソース電極280およびドレイン電極290が形成されていない透明半導体層40の一部において、アンドープAlGaN層256上に、Ni/Au層(厚さ50nmのNi層および厚さ300nmのAu層で構成される層)を抵抗加熱蒸着およびリフトオフすることにより、ゲート電極283を形成した。こうして、三電極付のデバイス用積層支持基板4Gが得られた。
次に、図9(B)〜(C)を参照して、実施例1と同様にして、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を透明半導体層積層ウエハ支持基板(70)に置き換えたタイプのHEMTトランジスタを作製した。具体的には、三電極付のデバイス用積層支持基板4Gの3電極(ソース電極280、ゲート電極283およびドレイン電極290)側を接着剤により仮支持基材に貼り付け、レーザアニール装置を用いてGaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)側からレーザを照射して、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)における中間層20との貼り合わせ面にのみ金属Ga60を析出させた。スライドオフにより、GaN支持基板(Ga含有透明支持基板10)を分離し、さらに中間層20を除去した後、三電極付の透明半導体層積層ウエハ6GのGa層30aを、ドライエッチング法により除去した。透明半導体層積層ウエハ支持基板70として、絶縁性かつ熱伝導性の良い基板である多結晶AlN(窒化アルミニウム)支持基板およびSiC(炭化シリコン)基板を準備した。透明半導体層積層ウエハ6GからGa層30aされたものを2つ準備し、それらのアンドープ−GaN層244上に、上記2種類の透明半導体層積層ウエハ支持基板70をそれぞれ真空接合させ、仮支持基材を除去して、図9(C)に示すHEMTトランジスタを完成させた。こうして得られた2種のHEMTトランジスタは、いずれも良好なトランジスタ特性を示すことが確認された。
Claims (39)
- Ga含有透明支持基板上に光熱変換層を含む中間層を形成して積層支持基板を作製する工程と、
前記積層支持基板の前記中間層にGaN基板を貼り合わせて積層貼り合わせ基板を作製する工程と、
前記積層貼り合わせ基板の前記GaN基板を、前記中間層との貼り合わせ面から所定の深さの面において分離することにより、前記積層支持基板の前記中間層上にGaN層が形成されたエピ成長用積層支持基板を作製する工程と、
前記エピ成長用積層支持基板の前記GaN層上に少なくとも1層の透明半導体層をエピタキシャル成長させることにより、デバイス用積層支持基板を作製する工程と、
前記デバイス用積層支持基板に、前記Ga含有透明支持基板および前記GaN層および前記透明半導体層のバンドギャップエネルギーのなかで最も低いバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長い波長でかつ前記光熱変換層が吸収しうる波長の光を照射して、前記Ga含有透明支持基板と前記中間層とを分離することにより、前記透明半導体層と前記GaN層と前記中間層とを含むデバイス用積層ウエハを作製する工程と、
前記デバイス用積層ウエハから前記中間層を除去して前記透明半導体層と前記GaN層とを含む透明半導体層積層ウエハを含む半導体デバイスを作製する工程と、を備える半導体デバイスの製造方法。 - 前記Ga含有透明支持基板および前記透明半導体層は波長500nm以上600nm未満の光に対する光吸収係数が1×103cm-1未満であり、前記光熱変換層は波長500nm以上600nm未満の光に対する光吸収係数が1×103cm-1以上である請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記中間層は、前記中間層の前記光熱変換層と前記GaN基板との間に配置される第1の透明層をさらに含む請求項1または請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の透明層は、波長500nm以上600nm未満の光に対する光吸収係数が1×103cm-1未満である請求項3に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記中間層は、前記中間層の前記光熱変換層と前記Ga含有透明支持基板との間に配置される第2の透明層をさらに含む請求項3または請求項4に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2の透明層は、波長500nm以上600nm未満の光に対する光吸収係数が1×103cm-1未満である請求項5に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2の透明層の厚さは、前記光熱変換層の厚さの0.3倍以上2.5倍以下である請求項5または請求項6に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の透明層の厚さは、前記第2の透明層の厚さに比べて大きい請求項5から請求項7のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記デバイス用積層支持基板に照射する光は、波長500nm以上600nm未満のレーザ光である請求項1から請求項8のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記レーザ光は、Nd:YAGレーザ光またはNd:YVO4レーザ光の第2高調波によるレーザ光である請求項9に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記デバイス用積層支持基板に光を照射して前記Ga含有透明支持基板と前記中間層とを分離する際に、前記Ga含有透明支持基板から前記Ga含有透明支持基板と前記中間層との界面に金属Gaが析出する請求項1から請求項10のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記中間層は、1200℃以上の融点を有する請求項1から請求項11のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記光熱変換層は、アモルファスシリコン層である請求項1から請求項12のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記光熱変換層は、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、パラジウム、炭素、およびこれらのケイ化物、およびこれらの窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを含む層である請求項1から請求項12のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の透明層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層のいずれかである請求項3から請求項8のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2の透明層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層のいずれかである請求項5から請求項8のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記透明半導体層は、III族窒化物半導体層である請求項1から請求項16のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記GaN基板は、前記中間層との貼り合わせ面から前記所定の深さの面にイオンが注入されている請求項1から請求項17に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 半導体デバイスは、前記透明半導体層積層ウエハを支持するための透明半導体層積層ウエハ支持基板をさらに含み、
前記デバイス用積層支持基板を作製する工程の後でデバイス用積層ウエハを作製する工程の前に、前記デバイス用積層支持基板の前記透明半導体層側に前記透明半導体層積層ウエハ支持基板を貼り合わせる工程、および、前記半導体デバイスを作製する工程において、前記透明半導体層積層ウエハに前記透明半導体層積層ウエハ支持基板を貼り合わせる工程、のいずれかの工程をさらに備える請求項1から請求項18に記載の半導体デバイスの製造方法。 - 前記透明半導体層は前記デバイス用積層支持基板に照射される光よりも短波長で波長300nm以上550nm以下のピーク波長を有する光を放出する発光層を含み、前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は波長300nm以上550nm以下の光に対する光吸収係数が1×104cm-1未満である請求項19に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は、サファイア、スピネル、石英、窒化アルミニウム、ダイヤモンドおよびガラスからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む請求項20に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は、比抵抗が10Ωcm以下の導電性を有する請求項19に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムリンおよび第1の金属からなる群から選ばれる少なくとも1つを含み、
前記第1の金属は、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウムおよびこれらの合金の少なくともいずれかである請求項22に記載の半導体デバイスの製造方法。 - 前記透明半導体層は、前記デバイス用積層支持基板に照射される光よりも短波長で波長300nm以上550nm以下のピーク波長を有する光を放出する発光層を含み、
前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は、波長300nm以上550nm以下の光に対する光吸収係数が1×104cm-1未満であり、比抵抗が10Ωcm以下の導電性を有する請求項19に記載の半導体デバイスの製造方法。 - 前記透明半導体層積層ウエハ支持基板は、酸化ガリウム、炭化シリコン、セレン化亜鉛、窒化アルミニウムおよびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む請求項24に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記透明半導体層積層ウエハ支持基板と前記GaN層または前記透明半導体層との間に配置され、第2の金属および導電性酸化物のいずれかを含む比抵抗が10Ωcm以下の導電性接着層をさらに含む請求項22から請求項25のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2の金属は、チタン、金、銀、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、ゲルマニウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる少なくとも1つである請求項26に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記導電性酸化物は、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化スズ、インジウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物およびアンチモンスズ酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つである請求項26に記載の半導体デバイスの製造方法。
- Ga含有透明支持基板と、前記Ga含有透明支持基板上に配置されている中間層と、前記中間層上に配置されているGaN層と、を含み、
前記中間層は光熱変換層を含むエピ成長用積層支持基板。 - 前記光熱変換層は、アモルファスシリコン層である請求項29に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記光熱変換層は、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、パラジウム、炭素、およびこれらのケイ化物、およびこれらの窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを含む層である請求項29に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記中間層は、前記中間層の前記光熱変換層と前記GaN層との間に配置される第1の透明層をさらに含む請求項29から請求項31のいずれかに記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記第1の透明層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層のいずれかである請求項32に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記中間層は、前記中間層の前記光熱変換層と前記Ga含有透明支持基板との間に配置される第2の透明層をさらに含む請求項32または請求項33に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記第2の透明層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層のいずれかである請求項34に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記第2の透明層の厚さは、前記光熱変換層の厚さの0.3倍以上2.5倍以下である請求項34または請求項35に記載のエピ成長用積層支持基板。
- 前記第1の透明層の厚さは、前記第2の透明層の厚さに比べて大きい請求項34から請求項36のいずれかに記載のエピ成長用積層支持基板。
- 請求項29から請求項37のいずれかに記載のエピ成長用積層支持基板と、前記エピ成長用積層支持基板の前記GaN層上にエピタキシャル成長された少なくとも1層の透明半導体層と、を含むデバイス用積層支持基板。
- 前記透明半導体層は、III族窒化物半導体層である請求項38に記載のデバイス用積層支持基板。
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