JP2013125764A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体層と支持基板との接合において、半導体層へのダメージを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体機能部１０と、レーザ光を透過させる支持基板部２０と、を、半導体機能部と支持基板部との間に設けられた接合部３０を介して互いに対向させる配置工程を備える。接合部は、接合層３３と、光吸収層３１と、を含む。光吸収層は、接合層と支持基板部との間に設けられ、レーザ光に対する吸収率が接合層のレーザ光に対する吸収率以上である。製造方法は、レーザ光を、支持基板部を介して光吸収層に照射し、レーザ光により加熱された光吸収層からの熱伝導により接合層を溶融させ、半導体機能部と支持基板部とを接合する工程をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体装置の製造に際して、基板の上に半導体層を結晶成長した後に、基板を半導体層から分離する場合がある。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の製造に際して、成長基板として用いたサファイア又はシリコンなどの基板がＧａＮ層から分離される。具体的には、例えば、成長後の半導体層を支持基板と接合し、その後、成長基板を半導体層から分離する。この際、半導体層と支持基板との間の接合面に、低融点のはんだ等を挟み、加圧しながら全体を加熱して半導体層と支持基板とを接合する。この加熱により半導体層がダメージを受ける場合がある。
特開２００６−１４２６５５号公報
実施形態は、半導体層へのダメージを抑制する半導体装置およびその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体機能部と、レーザ光を透過させる支持基板部と、を、前記半導体機能部と前記支持基板部との間に設けられた接合部を介して互いに対向させる配置工程を備える。前記接合部は、接合層と、光吸収層と、を含む。前記光吸収層は、前記接合層と前記支持基板部との間に設けられ、レーザ光に対する吸収率が前記接合層の前記レーザ光に対する吸収率以上である。前記製造方法は、前記レーザ光を、前記支持基板部を介して前記光吸収層に照射し、前記レーザ光により加熱された前記光吸収層からの熱伝導により前記接合層を溶融させ、前記半導体機能部と前記支持基板部とを接合する工程をさらに備える。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 第１の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の製造方法における特性を示すグラフである。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の製造方法における特性を示すグラフである。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の製造方法における特性を示すグラフである。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 図１１（ｂ）に続く模式断面図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 第１及び第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第１及び第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、第１及び第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。 図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、第４の実施形態に係る半導体装置の別の製造方法を示す模式断面図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
［第１の実施形態］
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式断面図である。
図１（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、が用いられる。本製造方法では、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、を接合部３０を介して互いに対向させる（配置工程）。
接合部３０は、接合層３３と、光吸収層３１と、を含む。光吸収層３１は、接合層３３と支持基板部２０との間に設けられる。光吸収層３１の、レーザ光に対する吸収率は、接合層３３の、そのレーザ光に対する吸収率以上である。例えば、光吸収層３１の吸収率は、接合層３３の吸収率よりも高い。
この例では、接合層３３は、第１接合膜３３ａと、第２接合膜３３ｂと、を含む。第１接合膜３３ａは、光吸収層３１と、半導体機能部１０と、の間に設けられる。第２接合膜３３ｂは、第１接合膜３３ａと、半導体機能部１０と、の間に設けられる。
例えば、半導体機能部１０の主面に第２接合膜３３ｂが設けられる。一方、支持基板部２０の主面に光吸収層３１が設けられ、光吸収層３１の上に第１接合膜３３ｂが設けられる。そして、上記の対向させる工程（配置工程）においては、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとが互いに対向するように、半導体機能部１０と支持基板部２０とを互いに対向させる。
このように、接合部３０は、半導体機能部１０に設けられた第２接合膜３３ｂと、支持基板部２０に設けられた光吸収層３１と、を含む。接合部３０は、光吸収層３１の上に設けられた第１接合膜３３ａをさらに含む。
図１（ｂ）に表したように、本製造方法では、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、を、接合部３０を介して互いに接合する。
すなわち、半導体機能部１０と支持基板部２０とを、接合部３０を介して対向させて、第１接合膜３３ａの第１接合面３３ｘと、第２接合膜３３ｂの第２接合面３３ｙと、を接触させる。第１接合面３３ｘは、第１接合膜３３ａの表面であり、第２接合面３３ｙは、第２接合膜３３ｂの表面である。
次に、支持基板部２０を透過するレーザ光を、支持基板部２０を介して光吸収層３１に照射する。
レーザ光により加熱された光吸収層３１からの熱伝導により第１接合膜３３ａおよび第２接合膜３３ｂを溶融させ、半導体機能部１０と支持基板部２０とを接合する。このとき、レーザ光を光吸収層３１の主面３１ｘに沿って走査し、上記の溶融と上記の接合を、例えば、接合面３３ｆの全面に渡って行う。
本製造方法によって製造された半導体装置１１０は、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、接合部３０と、を含む。接合部３０は、半導体機能部１０と支持基板部２０との間に設けられる。接合部３０は、支持基板部２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する接合層３３と、接合層３３と支持基板部２０との間に設けられた光吸収層３１と、を含む。接合部３０は、半導体機能部１０を支持基板部２０に接合する。
半導体機能部１０は、例えば、結晶成長用の基板上に成長された半導体層を含む。この半導体層は、半導体装置の機能素子となる。例えば、支持基板部２０に接合される半導体機能部１０の接合面に、第２接合膜３３ｂとなる接合メタル層を形成する。第２接合膜３３ｂの材料として、例えば、はんだ材を用いることができる。または、第２接合膜３３ｂの材料として、合金化することにより低融点となる金属を用いても良い。例えば、ウェーハの一部に設けられた半導体機能部１０を部分的に接合する場合には、半導体機能部１０の形状に接合部３０をパターニングしても良い。
本実施形態においては、レーザ光照射によって接合面において溶融を生じさせる。このため、支持基板部２０として、照射するレーザ光を透過させる材料を用いる。例えば、支持基板部２０は、レーザ光に対して光学的に透明である。支持基板部２０によりレーザ光が吸収される場合も、エネルギー損失が低いことが望ましい。また、機能素子の特性の観点からは、支持基板部２０の熱伝導率は高いほど良い。一方、半導体機能部１０を支持基板２０に接合する観点からは、熱伝導が低いほど有利である。これらをバランスよく適合させる材料として、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ダイアモンド、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体基板、または、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ボロン（ＢＮ）等の焼結基板が挙げられる。これらを支持基板部２０に用いることが好ましい。調達コストや生産性を考慮した場合、支持基板部２０にＳｉ基板を用いることが好ましい。さらに、半導体機能部１０との間の電気的な接続を考慮する場合、半導体基板は、ｎ形またはｐ形にドープされ、導電性を有していることが望ましい。
支持基板部２０の半導体機能部１０の側の面には、レーザ光を効率的に吸収する光吸収層３１と、第１接合膜３３ａと、が順に設けられる。
光吸収層３１は、例えば、レーザ光に対し低反射高光吸収率を有する。これにより、光吸収層３１において、レーザ光を効率よく熱に変換できる。光吸収層３１の反射率をＲｍ、支持基板部２０の光吸収率をｒ（０＜ｒ≪１−Ｒｍ）とすれば、支持基板部２０に入射したレーザ光のうちで、光吸収層３１において吸収されるエネルギーＥＡ３１は、

ＥＡ３１＝（１−Ｒｍ）（１−ｒ） ・・・（１）

と表される。
一方、支持基板部２０において吸収されるレーザ光のエネルギーＥＡ２０は、基板内部での反射分が加わり、

ＥＡ２０＝ｒ（１＋（１−ｒ）Ｒｍ） ・・・（２）

と表される。
ＥＡ３１とＥＡ２０との関係は、以下の数式（３）で表される。
Figure 2013125764
この式から分かるように、Ｒｍが高いほど、支持基板部２０で吸収されるエネルギーＥＡ２０の、光吸収層３１で吸収されるエネルギーＥＡ３１に対する比率（ＥＡ２０／ＥＡ３１）が大きくなる。
ｒが０でない場合、支持基板部２０においてレーザ光が吸収される。上記を考慮して、光吸収層３１の反射率Ｒｍは、例えば、６０パーセント（％）以下とする。これにより、支持基板部２０の加熱を避けつつ光吸収層３１を効率的に加熱することができる。また、光吸収層３１の厚さは、熱拡散の観点から薄いほど良い。
光吸収層３１の反射率は、光吸収層３１の屈折率「ｎ＋ｉｋ」（kは、光吸収層３１の消衰係数）、および支持基板部２０の屈折率ｎｓｕｂで表すと、
Figure 2013125764
 である。
レーザ光の光吸収層３１への侵入長Ｌは、
Figure 2013125764
 で表される。ここで、λは、レーザ光の波長である。
光吸収層３１の厚さを侵入長Ｌよりも薄くすると、レーザ光の吸収効率が低下する。侵入長Ｌの小さい材料においては、反射率Ｒｍが高い。このため、吸収長Ｌには下限が存在する。したがって、光吸収層３１の厚さと、吸収長Ｌと、をバランスよく適合させる物性値を持つ材料を光吸収層３１に用いることが好ましい。例えば、光吸収層３１の厚さは、１０ナノメートル（ｎｍ）以上、２マイクロメートル（μｍ）以下の範囲である事が好ましく、効率をより高くするために、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の厚さであることがさらに好ましい。また、レーザ光の侵入長Ｌは、１μｍ以下とすることが望ましい。レーザ光の進入長Ｌが長いと、必要な光吸収層３１の厚さも長くなるため、加熱領域が広くなる。これは、目標とする温度まで昇温させる間に蓄えられる熱エネルギーが増大することを意味し、最終的な基板温度の上昇を招く。一方、光吸収層３１が侵入長Ｌよりも薄いと、光吸収層３１での光吸収が減少するとともに接合層の反射が増え、反射光による基板加熱が増大することがある。レーザ光の侵入長を１μｍ以下とすることで、熱の蓄積量の少ない、薄い光吸収層３１を利用できる。
光吸収層３１に用いる材料は、照射するレーザ光の波長によって異なる。例えば、近赤外領域、および、それよりも短波長側の領域では、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＣ（ダイヤモンドを除く）を光吸収層３１に用いることができる。可視光〜紫外領域においては、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＣ（ダイヤモンドを除く）に加えて、ＳｉおよびＧｅも用いることができる。
さらに、光吸収層３１の材料は、支持基板部２０に含まれる基板に適合するように選択することが好ましい。
例えば、支持基板部２０がＳｉ基板を含む場合、光吸収層３１は、Ｃｒ、ＴｉおよびＣから選択された少なくとも１つを含む。また、光吸収層３１の厚さは、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であることが望ましい。ＣｒおよびＴｉは、光吸収の機能に加えて、支持基板部２０と、接合部３０と、の間の密着性を向上させる。カーボン（Ｃ）（但し、結晶質ではない）は、レーザ光を効率良く吸収する。このため、カーボンを用いると低エネルギーのレーザ光で接合層３３の溶融が可能となる。すなわち、カーボンを光吸収層３１に用いると、レーザ光のスポット（照射範囲）を広くすることが可能となり、生産性を向上できる。
実施形態において、例えば、支持基板部２０が支持基板２１としてＡｌＮ基板を含む場合、光吸収層３１は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ、ＳｉおよびＧｅから選択された少なくとも１つを含む。例えば、支持基板部２０が支持基板２１としてＳｉＣ基板を含む場合、光吸収層３１は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ、ＳｉおよびＧｅから選択された少なくとも１つを含む。例えば、支持基板部２０が支持基板２１としてＧａＮ基板を含む場合、光吸収層３１は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ、ＳｉおよびＧｅから選択された少なくとも１つを含む。例えば、支持基板部２０が支持基板２１としてＢＮ基板を含む場合、光吸収層３１は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ、ＳｉおよびＧｅから選択された少なくとも１つを含む。
ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板及びＢＮ基板は、可視光を透過する。したがって、これらの基板を支持基板２１に用いることにより、例えば、可視光レーザを用いて光吸収層３１を加熱することが可能となる。可視光を吸収するＳｉまたはＧｅを光吸収層３１に用いることができる。また、ＳｉおよびＧｅの光吸収率は比較的高いので、ＳｉまたはＧｅを含む光吸収層３１を用いると、低エネルギーのレーザ光を用いることが可能となる。
紫外線を含む短波長領域のレーザを用いる場合、レーザ光を透過する支持基板２１の選択範囲は狭まるが、Ａｌ及びＡｇを除く多くの金属を光吸収層３１に用いることができる。例えば、第１接合膜３３ａとしてレーザ光を吸収する金属を用いることで、第１接合膜３３ａに用いられる金属の層の一部を光吸収層３１として用いることができる。
第１接合膜３３ａは、第２接合膜３３ｂと同じ、または、類似した性質の材料であることが好ましい。また、第１接合膜３３ａの材料と、第２接合膜３３ｂの材料と、が合金化し低融点となる構成であっても良い。
第１接合膜３３ａおよび第２接合膜３３ｂの融点は、例えば、１００℃以上、３００℃以下である事が望ましい。これにより、半導体機能部１０に設けられる電極への影響を抑制できる。第１接合膜３３ａおよび第２接合膜３３ｂのそれぞれの厚さの下限は、第１接合面３３ｘおよび第２接合面３３ｙの微細な凹凸の高さを吸収し、ボイド等の発生を抑制する厚さである。また、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを合わせた接合層３３の厚さの上限は、それぞれの熱伝導率により定まり、例えば、３μｍである。さらに、光吸収層３１と、第１接合膜３３ａと、第２接合膜３３ｂと、を合わせた厚さは、３μｍ以下であることが望ましい。
生産性や加工性、電気抵抗等の観点から、第１接合膜３３ａおよび第２接合膜３３ｂには、互いに異なる材料を用いる方が良い場合がある。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１実施形態に係る半導体製造方法を例示する模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、半導体機能部１０と、第２接合膜３３ｂ（例えばはんだ材）と、の間に中間層１７を設けても良い。例えば、中間層１７の全体、または、中間層１７の半導体機能部に接する第１の部分１７ａを反射層としても良い。例えば、半導体機能部１０の機能が発光である場合、半導体機能部１０から放射される光に対する中間層１７の反射率を、第２接合膜３３ｂよりも高くする。これにより、第２接合膜３３ｂにおける光の損失を抑制でき、半導体機能部１０から外部への光取り出し効率を向上できる。
また、例えば、半導体機能部１０にコンタクトする電極が、中間層１７となる。例えば、中間層１７を介して、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、を電気的に接続する。上記のように、中間層１７の第１の部分１７ａが、半導体機能部１０の放射する光を反射する反射電極層であっても良い。中間層１７のうちの第１の部分１７ａと第２接合膜３３ｂとの間の第２の部分１７ｂを、例えば、スペーサ層とすることができる。スペーサ層は、例えば、熱拡散を遅延させる機能を持つ。また、スペーサ層に金属の拡散を抑える機能を持たせても良い。スペーサ層として機能する第２の部分１７ｂには、例えば、はんだ材やＴｉ等の金属を用いることができる。このようなスペーサ層を設けることにより、例えば、半導体機能部１０と第１の部分１７ａとの界面、半導体機能部１０、および、第１の部分１７ａの熱による損傷を抑制できる。なお、スペーサ層を設ける場合には、例えば、半導体装置全体の熱抵抗率を有意に上昇させない材料を選択し、厚さを制御する。
また、図２（ｂ）に示すように、光吸収層３１と第１接合膜３３ａとの間に、第１のバリア層３２を挿入しても良い。この第１バリア層３２には、光吸収層３１および第１接合層３３ａとは異なる材料を用いる。第１のバリア層３２は、光吸収層３１を介して接合層３３から支持基板２１へ移動する金属（ＡｇまたはＡｕなど）の拡散を抑制する。
第１のバリア層３２は、材料が互いに異なる複数の層を含んでも良い。第１のバリア層３２の熱伝導率は、第１接合膜３３ａの熱伝導率に比べ十分に高いことが望ましい。第１のバリア層の厚さは、第１接合膜３３ａに比べて十分に薄いことが望ましい。
また、図２（ｃ）に示すように、支持基板２１と光吸収層３１との間に別の材質からなる第２のバリア層２２を設ける。これにより、光吸収層３１に含まれる金属の支持基板２１への拡散を抑制し、支持基板２１と光吸収層３１との間の抵抗を低減、或いは、抵抗の上昇を抑制することができる。レーザ光の光吸収層３１への到達を阻害しないよう、第２のバリア層２２の厚さは１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下とする。また、第２のバリア層２２は、レーザ光に対して透明でも良い。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。この例では、サファイア基板１５上に結晶成長した窒化物を含む半導体機能部１０を、Ｓｉ基板である支持基板２１を含む支持基板部２０へ接合する例を挙げて説明する。
図３（ａ）は、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、を対向させた状態を示している。図３（ｂ）は、第１接合面３３ｘと、第２接合面３３ｙと、を接触させ、加圧して密着させた状態を示している。図３（ｃ）は、支持基板部２０の側から光吸収層３１にレーザ光を照射する状態を示している。
図３（ａ）に表す半導体機能部１０は、例えば、窒化物半導体層を含む。窒化物半導体層は、厚さ２００μｍのサファイア基板１５の上に積層された厚さ７μｍ程度の半導体層である。
半導体機能部１０は、例えば、半導体発光素子の発光部を含む。中間層１７のうちの第１の部分１７ａは、窒化物半導体層１３の側から順に積層した厚さ１４０ｎｍのＡｇ膜と、厚さ６０ｎｍのＮｉ膜と、を有する。第１の部分１７ａは、窒化物半導体層１３から放射される発光を反射する。さらに、中間層１７の第２の部分１７ｂは、厚さ６０ｎｍのＴｉを含み、第１の部分１７ａを保護する。例えば、第２の部分１７ｂは、第１の部分１７ａと、接合層３３と、の間の金属原子の相互拡散を防止する。さらに、第２の部分１７ｂに熱伝導率の低い材料を用いることにより、第２の部分１７ｂは、接合層３３から半導体機能部１０への熱の伝導を遅らせる遅延層として機能する。
第２接合膜３３ｂは、第２の部分１７ｂの側から順に積層した厚さ１１００ｎｍのＡｕと、厚さ６２０ｎｍのＡｕＳｎと、を有する。
一方、支持基板部２０は、厚さ３００μｍのｐ形Ｓｉ基板（支持基板２１）と、厚さ約２０８ｎｍの反射防止層２３と、を含む。反射防止層２３は、ｐ形Ｓｉ基板のレーザ光の照射側に設けられる。反射防止層２３には、例えば、ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４との混合体（屈折率１．８６）を用いることができる。また、反射防止層２３には、Ｙ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３などを用いても良い。なお、これらの材料の屈折率は、１．８６に比較的近い。
支持基板２１の屈折率が高いため、支持基板２１の内部で多重反射によるレーザ光の干渉が生じる場合がある。支持基板２１の第１接合面３３ｘとは反対側の面に反射防止層２３を設けることで、この多重反射を抑制できる。反射防止層２３は、接合工程の後に、研磨などの方法で除去することが可能である。反射防止層２３は、絶縁体であっても良い。
一方、第１接合面３３ｘの側の支持基板２１の面上には、光吸収層３１として厚さ６０ｎｍのＣｒ層を形成する。さらに、Ｃｒ層の上に、第１接合膜３３ａとして厚さ７６０ｎｍのＡｕＳｎはんだ層を積層する。
中間層１７の第１の部分１７ｂがＡｇを含み、第１接合膜３３ａおよび第２接合膜３３ｂがＡｕを含む場合、これらの金属が支持基板２１へ拡散し合金化し、合金化した領域が高抵抗化することがある。高抵抗化した部分が生じると、支持基板２１を介した電流の通電の妨げとなる。本実施形態では、例えば、中間層１７の第２の部分１７ｂおよび光吸収層３１が、ＡｇやＡｕの拡散を抑制する。
次に、図３（ｂ）に表したように、第２接合膜３３ｂと第１接合膜３３ａとを対向させて半導体機能部１０及び支持基板部２０を上部ホルダ４０ａと下部ホルダ４０ｂとの間に配置する。そして、サファイア基板１５の裏面側、および、支持基板部２０の裏面側（反射防止層２３の側）から圧力ＦＰを加え、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを密着させる。
図３（ｃ）に表したように、支持基板部２０の裏面側から波長１５５０ｎｍのレーザ光ＬＬを照射する。下部ホルダ４０ｂ、反射防止層２３および支持基板２１は、波長１５５０ｎｍのレーザ光を透過する。したがって、下部ホルダ４０ｂおよび支持基板部２０を透過したレーザ光ＬＬは、光吸収層３１に照射される。これにより、レーザ光ＬＬの照射位置４１における光吸収層３１が加熱され、発生した熱が拡散し照射位置４１の近傍（加熱領域４４）の温度が上昇する。接合層３３の内の加熱領域４４の一部の領域４３の温度が、その融点よりも高くなると、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとが溶融し、一体となって接合される。さらに、レーザ光ＬＬを光吸収層３１の主面に沿って走査することにより、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを溶融し、半導体機能部１０と支持基板部２０とを接合することができる。
例えば、支持基板２１の熱伝導率を、接合層３３の熱伝導率の１倍以上、１０倍以下の範囲において、接合層３３以上にする。これにより、光吸収層３１で発生した熱エネルギーは、接合層３３よりも支持基板２１により多く流入する。例えば、加熱される接合層３３の層厚は、支持基板２１の厚さの４００分の１以下とする。支持基板２１の厚さは、１ｍｍ以下であり、特殊な場合でも２ｍｍ以下である。したがって、接合層３３のうちで昇温させるべき部分の厚さは最大でも５μｍ以下とする。さらに、第１接合膜３３ａの厚さは４μｍ以下としても良い。例えば、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとの間の接触熱抵抗を考慮しても、第１接合膜３３ａを加熱し、さらに、第２接合膜３３ｂを、接合界面３３ｆから５００ｎｍ以上の範囲まで加熱することが望ましい。
実施形態に係る製造方法では、レーザ光ＬＬの照射エネルギー密度と、照射時間と、を適切に制御する。これにより、接合層３３を速やかに溶融し、同時に、支持基板２１におけるレーザ照射位置の昇温を接合界面付近の領域に限定することが可能である。レーザ照射により生じる熱は、支持基板部２０の広い範囲に広がり、支持基板２１の温度をある温度に上昇させる。レーザ光ＬＬの照射エネルギーの総量を最小に抑えることにより、支持基板２１の温度の上昇が抑制される。すなわち、本実施形態によれば、半導体機能部１０および支持基板部２０の全体を加熱する接合方法に比べて、半導体機能部１０及び支持基板部２０の温度の上昇を抑制できる。これにより、半導体機能部１０と、支持基板２１と、の間の線熱膨張係数の違いによる応力など、温度の昇降による問題を抑制できる。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本実施形態に係る製造方法に係る特性を示すグラフ図である。これらの図は、本実施形態に係る製造方法における特性のシミュレーション結果を示す。
シミュレーションにおける空間分解能は２０ｎｍとし、熱応力の影響及び熱伝導率の温度依存性は省略している。また、接合膜３３ａと接合膜３３ｂとの間の接合面３３ｆにおける接触熱抵抗は、接合部３３の厚さを２０ｎｍ増やすことで代用している。シミュレーションで用いられる熱伝導率ＴＣ、比熱ＨＳ、および密度ＤＷを表１に示す。
Figure 2013125764
シミュレーションにおいては、接合層３３における加熱領域（領域４３、図３参照）の温度が、レーザ照射前の温度から２６０度以上上昇するという条件を想定している。この条件は、室温２０℃において、２８０℃まで加熱することに相当し、ＡｕＳｎはんだの融解のための条件に対応する。
支持基板２１の光吸収がない場合（以後、条件ＣＡ）と、支持基板２１の光吸収率が４ｃｍ−１である場合（以後、条件ＣＢ）、支持基板２１の光吸収率が１０ｃｍ−１である場合（以後、条件ＣＣ）の３つ条件における特性について説明する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、半導体機能部１０および支持基板部２０における熱の拡散をシミュレーションし、温度分布を調べた結果を示すグラフである。図４（ａ）は、図４（ｂ）における接合面３３ｆの周辺を拡大したグラフである。横軸は、接合面３３ｆに対して垂直な方向の位置ｘＰを示し、縦軸は、光吸収層３１の温度を基準とした規格化温度ＮＴである。
図４（ａ）および図４（ｂ）に表したように、ｔ１からｔ８へと照射時間ｔＬを長くするにつれて、支持基板２１の温度及び半導体機能部１０の温度が上昇する。これは、照射時間ｔＬが長くなると共に、周辺への熱の拡散が大きくなることを示している。
このシミュレーションでは、光吸収層３１はＣｒ層である。レーザ光の波長１５５０ｎｍにおけるＣｒの侵入長は２９．４ｎｍであり、ＣｒとＳｉとの界面における反射率Ｒｍは、２５．６８％である。例えば、厚さ１００ｎｍのＣｒ層は、照射されたレーザ光の約７２％を熱に変換する。厚さ６０ｎｍのＣｒ層では、約６５％が熱に変換される。Ｃｒ層中の光吸収の分布を考慮すると、レーザ光の照射側から見て、最初の２０ｎｍにおいて３６．７％が変換され、次の２０ｎｍで１８．６％が変換される。更に、次の２０ｎｍでは、９．４％のエネルギーが熱に変換される。
図５は、接合層３３の温度を加熱前の温度から２６０度上昇させるためのレーザ光の照射時間ｔＬと、光吸収層３１のピーク温度ＴＰと、の関係を示す。横軸は、レーザ照射時間ｔＬ、縦軸は、ピーク温度ＴＰである。ピーク温度ＴＰは、レーザ照射時間内に接合層３３を２６０度上昇させるのに十分なエネルギーを与えた時に達する光吸収層３１の最高温度と、室温と、の差である。
図５に表したように、ピーク温度ＴＰは、レーザ照射時間ｔＬを長くすると抑制することができる。すなわち、接合層３３の温度を目標温度に上昇させる際、照射時間ｔＬが短いと光吸収層３１のピーク温度ＴＰを高温にすることを要し、照射時間ｔＬが長いと光吸収層３１のピーク温度ＴＰを低く抑えることができる。一方、図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、照射時間ｔＬが長くなると、支持基板２１および半導体機能部１０の温度が上昇する。したがって、光吸収層３１のピーク温度ＴＰが極端に高くならない範囲で、照射時間ｔＬを短く設定し、支持基板２１および半導体機能部１０の温度を抑制することが望ましい。
例えば、接合層３３に含まれるＡｕＳｎは熱伝導率が低い。このため、過度に短い時間で温度を上げようとすると、光吸収層３１が高温となり過ぎ、適当でない。例えば、光吸収層３１の温度上昇分を５００度以下に抑え、接合層３３に含まれるＡｕＳｎの温度を融点まで上昇させるには、レーザ光の照射時間を０．６マイクロ秒（μｓ）以上とする。
尚、図５には、条件ＣＡ、ＣＢおよびＣＣについて、レーザ光の照射時間とピーク温度の関係を示したが、それぞれの条件の間では殆ど差異がない。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、接合層３３の温度を２６０度上昇させる場合の支持基板２１の定常温度Ｔｓ（初期温度からの温度上昇分）と、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係を示すグラフである。図６（ｂ）は、図６（ａ）に破線で示した照射時間ｔＬの短い範囲を拡大して示したグラフである。横軸に、レーザ照射時間ｔＬ、縦軸に、定常温度ＴＳを示している。ここで、定常温度ＴＳは、定常状態となった支持基板２１の温度と、室温と、の差である。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、定常温度ＴＳは、レーザ照射時間ｔＬに対して単調増加する。条件ＣＡでは、支持基板の光吸収が０（零）であるから、定常温度Ｔｓは、光吸収層３１からの熱伝導による温度の上昇分に相当する。条件ＣＢおよびＣＣでは、それぞれ、支持基板２１内での光吸収による温度上昇が、条件ＣＡの上昇分に付加される。すなわち、光吸収率が高くなるにつれて、支持基板２１の温度上昇が大きくなる。
半導体機能部１０への熱ダメージを抑制するためには、支持基板２１の温度は低いほど良い。支持基板２１の温度の上限は、例えば、接合面の面積、膨張係数の差、及び、支持基板２１の厚さなどの様々な要素に依存する。また、温度の上限は、製造ラインに許容される歩留まり、および、経験値などに依存する場合もある。例えば、支持基板２１（Ｓｉ基板）の温度を６０℃以下、即ち、温度上昇分を４０度以内に抑えるとする。これに対応するレーザ照射時間ｔＬは、条件ＣＡの場合、４０マイクロ秒（μｓ）以下であり、条件ＣＢの場合、２７μｓ以下、条件ＣＣの場合１７μｓ以下である。したがって、支持基板２１の１つの照射位置におけるレーザ光の照射時間は、条件ＣＡの場合、０．６〜４０μｓ、条件ＣＢの場合、０．６〜２７μｓ、条件ＣＣの場合、０．６〜１７μｓとなる。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、接合層３３の温度を２６０度上昇させるレーザ光のエネルギー密度ＰＬと、レーザ照射時間ｔＬと、の関係を示すグラフである。横軸は、レーザ照射時間ｔＬ、縦軸は、レーザ光のエネルギー密度ＰＬである。図７（ｂ）は、図７（ａ）における照射時間０〜５μｓの間を拡大して示している。
図７（ａ）および図７（ｂ）に表したように、条件ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの順で、レーザ光のエネルギー密度ＰＬが高くなる。条件ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの間で、大きな差異はない。例えば、照射時間ｔＬが１μｓの場合、１６〜２１ｋＷ／ｍｍ２のエネルギー密度ＰＬを要する。このようなエネルギー密度ＰＬは、例えば、１ｋＷのファイバーレーザの出力光を、半径１２０μｍ〜１４０μｍのスポットにフォーカスすることで実現できる。また、照射時間が２０μｓのときは、２．３〜２．９ｋＷ／ｍｍ２のエネルギー密度ＰＬとなる。このときは、スポットの半径を３３０〜３７０μｍまで拡大でき、例えば、１辺の長さが５００μｍのＬＥＤチップ１個を、ワンショットで接合することができる。
次に、光吸収層３１にＣｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＴｉまたはＷを用いた場合のシミュレーション結果を示す。光吸収層３１に用いられる各材料に関し、表２に示す屈折率ＲＩ、Ｓｉ界面の反射率Ｒｆ、侵入長Ｌ、熱伝導率ＴＣ、比熱ＨＳ、密度ＤＷが用いられている。光吸収層３１の厚さは１００ｎｍである。なお、半導体機能部１０、接合層３３および支持基板２０には、表１に示した物性値を用い、支持基板２１の光吸収率は、１０ｃｍ−１（条件ＣＣ）としている。
Figure 2013125764
図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本実施形態に係る別の製造方法における特性を示すグラフ図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、接合層３３の温度を加熱前の温度より２６０度上昇させるためのレーザ光の照射時間ｔＬと、光吸収層３１のピーク温度ＴＰと、の関係を示すグラフである。図８（ｂ）は、図８（ａ）における０〜５μｓの範囲を拡大して示す。この例は、室温を２０℃とした時に、接合層３３に含まれるＡｕＳｎハンダが２８０℃以上となるようにレーザ光のエネルギーを調整することに対応する。
図８（ａ）及び図８（ｂ）から分かるように、光吸収層３１のピーク温度ＴＰと、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係は、Ｔｉを除く他の金属において、Ｃｒと殆ど同じ特性を示す。光吸収層３１がＴｉ層のときのピーク温度ＴＰは、他の金属に比べて若干高温となる。これは、Ｔｉの熱伝導率が他の金属と比べて低いため、光吸収層３１から熱が拡散し難いためである。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、接合層３３の温度を２６０度上昇させる場合の支持基板２１の定常温度ＴＳ（初期温度からの温度上昇分）と、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係を示すグラフである。図９（ｂ）は、図９（ａ）に破線で示した照射時間ｔＬの短い範囲を拡大して示したグラフである。横軸に、レーザ照射時間ｔＬ、縦軸に、定常温度ＴＳを示している。
図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、定常温度ＴＳは、レーザ照射時間ｔＬの増大に対し単調に増加する。定常温度ＴＳは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｗ、Ｎｉの順で高くなる。表２を参照すれば、定常温度ＴＳは、各金属と支持基板２１との間の界面の反射率Ｒｆに依存していることがわかる。ここに示す金属のうちで、Ｎｉは反射率が最も高く、その分、照射するレーザ光がより高エネルギーである。例えば、Ｎｉにおいては、照射時間２０μｓにおいて、Ｃｒよりも１５度ほど高温に加熱される。このように、Ｎｉを光吸収層３１に用いると、他の材料よりも支持基板２１の温度を上昇させる。その一方で、Ｎｉは、侵入長Ｌが浅い分、光吸収層３１の厚さを薄くする事ができる。半導体機能部１０の目的や用途に応じて、Ｎｉを光吸収層３１として用いることができる。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、接合層３３の温度を２６０度上昇させる場合のレーザ光のエネルギー密度ＰＬと、レーザ照射時間ｔＬと、の関係を示す。横軸はレーザ照射時間ｔＬ、縦軸はレーザ光のエネルギー密度ＰＬである。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における照射時間ｔＬが０〜５μｓの間を拡大して示している。
レーザ光のエネルギー密度ＰＬは、照射時間ｔＬが短くなるほど高くなる。また、レーザ光のエネルギー密度ＰＬは、光吸収層３１の材料に関して、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｗ、Ｎｉの順で高くなる。すなわち、レーザ光のエネルギー密度ＰＬは、光吸収層３１と支持基板２１との界面における反射率Ｒｆに依存している。すなわち、反射率Ｒｆが低いほど、照射するレーザ光のエネルギーＰＬを低くすることができる。
本実施形態に係る製造方法は、支持基板部２０の温度上昇を抑制しつつ、接合界面の周辺を選択的に加熱し、支持基板部２０と半導体機能部１０とを接合することを可能とする。そして、本実施形態に係る製造方法は、熱膨張の違いによる応力または熱による、半導体機能部１０へのダメージを最小限に抑制する。
なお、２層の有機ポリマーの界面に色素等の光吸収体を配置し、色素にレーザ光を照射し、色素周辺のポリマーを部分的に加熱して２層のポリマーを融着する手法がある。この方法は、熱可塑性が高く熱伝導率が低い有機ポリマーを用いるため、半導体製造には適さない。
また、例えば、透明な実装基板を介してレーザ光を照射しハンダを溶融することにより、半導体チップを実装基板に接着する技術があるが、この場合には、レーザ光で加熱される光吸収層は用いられない。また、実装基板の熱伝導率は、ハンダの熱伝導率よりも低い。このため、ハンダの溶融とともに半導体チップの温度も上昇し、半導体機能部が熱ダメージを受ける場合がある。
これに対して、本実施形態では、半導体機能部１０および支持基板２０の両方の温度上昇を抑制できる。これにより、半導体機能部１０の熱ダメージを抑制することができる。
［第２の実施形態］
図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１２は、第２の実施形態係る半導体装置の製造方法を例示する模式断面図である。
図１１（ａ）は、半導体機能部１０と、支持基板部２０と、を対向させた状態を示している。図１１（ｂ）は、第１接合面３３ｘと第２接合面３３ｙとを接触させ、加圧して密着させた状態を示している。図１２は、支持基板部２０の側から光吸収層３１にレーザ光を照射し、接合層３３を溶融する状態を示している。
本実施形態では、光吸収層３１として、第１接合膜３３ａと同じ材料が用いられている。すなわち、例えば、第１接合膜３３ａとなる層の一部が光吸収層３１として機能する。これ以外の構成は、第１の実施形態と同様である。この例では、支持基板２１の上に、光吸収機能と接合機能とを有する層が設けられ、その層のうちの表面部分が第１接合膜３３ａとなる。その層のうちで、支持基板２１と第１接合膜３３ａとの間の部分（例えば支持基板２１に接する部分）が光吸収層３１となる。
光吸収機能と接合機能とを有する材料を、光吸収層３１及び第１接合膜３３ａ（接合層３３）に用いる場合において、接合層３３（第１接合膜３３ａ）の層厚をレーザ光の侵入長Ｌと同等にすることができる。これにより、例えば、光吸収層３１と接合層３３とを別々に設ける場合よりも、レーザ光により加熱される接合層３３のピーク温度を低く抑えることができる。さらに、本実施形態では、接合層３３の厚さの上限は、前述した４μｍと、侵入長Ｌと、のうちで長い方となり、接合層３３の厚さの制限が緩和される。
また、前述したように、接合層３３と支持基板２１との間に設けられる層は、金属原子の拡散を抑制する機能を果たす。これにより、接合層３３に含まれるＡｕや、中間層１７の第１の部分１７ａに含まれるＡｇなどが支持基板２１に拡散し高抵抗層を形成することを抑制できる。したがって、本実施形態は、接合層３３および中間層１７が、支持基板２１を高抵抗化する元素を含まない場合に適用する。
［第３の実施形態］
図１３は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式断面図である。本実施形態では、第２接合膜３３ｂと第１接合膜３３ａとに、Ａｕ／Ｉｎの積層構造を適用する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。
図１３に表したように、半導体機能部１０の側では、中間層１７に近い方から第２Ａｕ層３５ｂ及び第２Ｉｎ層３６ｂをこの順に積層する。第２Ａｕ層３５ｂの厚さを、例えば、９００ｎｍとし、第２Ｉｎ層３６ｂの厚さを、例えば、４００ｎｍとする。一方、支持基板部２０の側では、光吸収層３１に近い方から第１Ａｕ層３５ａ及び第１Ｉｎ層３６ａをこの順に積層する。第１Ａｕ層３５ａの厚さを、例えば４００ｎｍとし、第１Ｉｎ層３６ａの厚さを、例えば８００ｎｍとする。
半導体機能部１０と支持基板部２０とを対向させた時に、第１Ｉｎ層３６ａと第２Ｉｎ層３６ｂとが向き合う。すなわち、第１Ｉｎ層３６ａと第２Ｉｎ層３６ｂとを接触させて、半導体機能部１０と支持基板部２０とを接合する。
以下、本実施形態に係る製造方法に関するシミュレーション結果について説明する。接合界面における接触熱抵抗を、厚さ２０ｎｍのＩｎ層で代用している。Ｉｎの融点は１５６．６℃である。本シミュレーションでは、溶解したＩｎをＡｕへ侵食させることにより合金化する場合を想定し、接合層３３を２２０℃まで昇温させることを条件とした。この条件は、室温を２０℃のときに＋２００度昇温する場合に相当する。尚、その他の構成は、第１の実施形態と同じとした。シミュレーションに使用した物性値は、表１の通りである。
図１４、図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、本実施形態に係る製造方法のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４は、接合層３３の温度を加熱前の温度より２００度上昇させるためのレーザ光の照射時間ｔＬと、光吸収層３１のピーク温度ＴＰと、の関係を示すグラフである。横軸はレーザ光の照射時間ｔＬ、縦軸はピーク温度ＴＰである。
図１４に表したように、接合層３３の温度を目標温度に上昇させるには、照射時間ｔＬが短いと光吸収層３１のピーク温度ＴＰを高温することを要し、照射時間ｔＬが長いと光吸収層３１のピーク温度ＴＰを低く抑えることができる。この場合も、条件ＣＡ、ＣＢおよびＣＣの間で、優位な差は生じない。
例えば、ピーク温度ＴＰを５００℃以下とする場合、レーザ光の照射時間ｔＬは、０．２μｓ以上であれば良い。すなわち、第１の実施形態（ＡｕＳｎ）に比べて、レーザ光の照射時間ｔＬが短くなり、支持基板２１の温度の上昇を抑制することができる。
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、接合層３３の温度を２００度上昇させる場合の支持基板２１の定常温度Ｔｓ（初期温度からの温度上昇分）と、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係を示す。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に破線で示したレーザ光の照射時間ｔＬの短い範囲を拡大して示したグラフである。横軸はレーザ照射時間ｔＬ、縦軸は定常温度ＴＳである。
支持基板２１の温度上昇の制限を、第１の実施形態と同じ４０度とした場合、定常温度ＴＳに達するレーザ光の照射時間ｔＬは、条件ＣＣでは、３２μｓ、条件ＣＢでは、約５０μｓである。条件ＣＡでは、定常温度ＴＳは、シミュレーションした時間内では４０度に到達しない。このように、第１の実施形態に比べて支持基板２１の定常温度ＴＳが上限に達する時間が長くなる。すなわち、レーザ光の照射時間ｔＬが、第１の実施形態よりも緩和される。
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、接合層３３の温度を２００度上昇させる場合のレーザ光のエネルギー密度ＰＬと、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係を示す。横軸はレーザ照射時間ｔＬ、縦軸はレーザ光のエネルギー密度ＰＬを示している。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）におけるレーザ光の照射時間０〜５μｓの間を拡大して示している。
レーザ光のエネルギー密度ＰＬは、照射時間ｔＬが長くなるにつれて低下する。条件ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの順で、レーザ光のエネルギー密度ＰＬは高い方にシフトするが、その差は大きくない。例えば、レーザ光の照射時間が１μｓの場合、接合層３３の温度を２００度上昇させるために１０〜１５ｋＷ／ｍｍ２のエネルギー密度を要する。
次に、第３の実施形態の特性を、第１の実施形態と比較して説明する。
図１７、図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、第１及び第３の実施形態に係る製造方法における特性を示すグラフである。
図１７は、接合層３３を所定の温度とするレーザ光の照射時間ｔＬと、光吸収層３１のピーク温度ＴＰと、の関係について、第１実施形態と第３実施形態との特性を示している。
ＡｕＩｎを含む接合層３３の昇温温度は、ＡｕＳｎを含む接合層３３の昇温温度よりも６０度低い。このため、第３の実施形態に係る製造方法では、レーザ光の照射時間ｔＬを短縮することができる。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、支持基板２１の定常温度ＴＳと、レーザ光の照射時間ｔＬと、の関係について、ＡｕＳｎを含む接合層３３と、ＡｕＩｎを含む接合層３３と、の特性を示している。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に破線で示した照射時間の短い範囲を拡大して示した図である。横軸はレーザ照射時間ｔＬ、縦軸は定常温度ＴＳである。
第３の実施形態において、定常温度ＴＳは、レーザ照射時間ｔＬに対して単調増加する。条件ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの順で、支持基板２１の温度上昇が大きくなる。これは、第１の実施形態（ＡｕＳｎ）においても同じである。一方、条件ＣＡ、ＣＢおよびＣＣのうちの同じ条件で比較した場合、ＡｕＩｎを含む接合層３３よりも、ＡｕＳｎを含む接合層３３を用いた方が、定常温度ＴＳが高く、支持基板２１の温度上昇が大きい。ＡｕＩｎを含む接合層３３を用いることで、支持基板２１の温度上昇をより抑制し、半導体機能部１０への熱ダメージをより低減できる。
図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、レーザ光のエネルギー密度ＰＬと、照射時間ｔＬと、の関係において、ＡｕＳｎを含む接合層３３と、ＡｕＩｎを含む接合層３３と、の特性を示す。横軸はレーザ照射時間ｔＬ、縦軸はレーザ光のエネルギー密度ＰＬを示している。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）におけるレーザ光の照射時間ｔＬが０〜５μｓの間を拡大して示している。
ＡｕＩｎを含む接合層３３を用いた場合、ＡｕＳｎを含む接合層３３を用いた場合も、共に条件ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの順で、レーザ光のエネルギー密度ＰＬが高くなる。そして、ＡｕＩｎを含む接合層３３を用いた方が、ＡｕＳｎを含む接合層３３を用いる場合よりもレーザ光のエネルギー密度ＰＬを低くすることができる。これにより、例えば、同じ出力のレーザを用いる場合でも、ＡｕＩｎを含む接合層３３を用いた方が、レーザ光のスポットを大きくすることが可能となる。これにより、例えば、１つの照射位置において、より広い面積の接合層３３を溶融できる。
［第４の実施形態］
図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式断面図である。図２０（ａ）は、半導体機能部１０と、支持基板部５０と、を対向させた状態を示している。図２０（ｂ）は、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを接触させ、支持基板部５０の側から光吸収層３１にレーザ光を照射する状態を示している。
本実施形態では、半導体機能部１０が、支持基板部５０に選択的に接合される。例えば、図２０（ａ）に示すように、支持基板部５０において、支持基板３１の上に選択的に設けられた第１接合膜３３ａと、半導体機能部１０に設けられた第２接合部３３ｂと、を対向させる。支持基板３１と第１接合膜３３ａとの間には、光吸収層３１が選択的に設けられる。
次に、図２０（ｂ）に示すように、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを接触させた状態で、半導体機能部１０と支持基板部５０とに圧力ＦＰを加えて密着させる。そして、支持基板部５０を介してレーザ光を選択的に照射し、光吸収層３１を加熱して接合層３３を溶融し、支持基板部５０に半導体機能部１０を接合する。
図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示す例では、半導体機能部１０は、例えば、支持基板部５０に接合される半導体チップである。また、支持基板部５０には、半導体機能部１０とは異なる機能を有する素子部５１を設けても良い。
例えば、素子部５１は、半導体機能部１０を制御する電子デバイスであり、半導体機能部１０は、半導体発光素子である。これにより、半導体発光素子と、その制御部と、を集積した発光装置を形成することができる。
図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、第４の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。図２１（ａ）は、半導体機能部１０と、支持基板部５０と、を対向させた状態を示している。図２１（ｂ）は、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを接触させ、支持基板部５０の側から光吸収層３１にレーザ光を照射する状態を示している。
この例では、半導体機能部１０は、基板５３の一部の上に設けられる。
図２１（ａ）に示すように、複数の半導体機能部１０を含む基板５３と、支持基板部５０と、を対向させる。
次に、第１接合膜３３ａと第２接合膜３３ｂとを接触させ、支持基板部５０を介してレーザ光を照射し、半導体機能部１０と、支持基板部５０と、を接合する。
さらに、基板５３の裏面側からレーザ光を照射し、基板５３と、半導体機能部１０と、の界面を溶融し、基板５３を半導体機能部１０から分離する。
これにより、支持基板部５０の上に、半導体機能部１０と、素子部５１と、を配置した集積デバイスを形成することができる。前述したように、半導体機能部１０を半導体発光素子とし、素子部５１をその制御部とすることができる。また、別の機能素子を組み合わせても良い。
上記の第１〜第４の実施形態によれば、短時間のレーザ照射により支持基板部２０の温度上昇を抑制して、支持基板部２０と半導体機能部１０とを互いに接合することができる。レーザ光が照射される接合部３０よりも熱伝導率が高い支持基板２１を用いることにより、支持基板２１の温度上昇を抑制する。例えば、樹脂等を用いる接着法と同程度の温度で、半導体機能部１０と支持基板部２０とを互いに接合することができ、半導体機能部１０に生じる熱ダメージを抑制できる。さらに、金属の接合部３０を用いることにより、支持基板部２０と半導体機能部１０との間の電気伝導を確保でき、チップ表面と裏面との間で電流を流す縦型デバイスを容易に実現できる。
また、実施形態に係る製造方法では、レーザ光が照射された部分が選択的に局所的に加熱される。このため、半導体機能部１０と支持基板部２０との熱膨張率の違いによる応力や、ウェーハの反りが抑制される。これにより、例えば、ウェーハの破断や粉砕を抑制でき、製造歩留まりを向上させることができる。
ウェーハの反りや応力は、接合面積が大きくなるほど増大し、半導体機能部１０のサイズを制限する。また、接合時の熱が、半導体機能部１０に設けられた電極などの金属部の劣化や層における拡散を引き起こす可能性がある。実施形態に係る製造方法は、これらの不具合を回避し、製造効率を向上させると共に、製品の品質向上にも寄与することができる。
実施形態によれば、半導体層と支持基板との接合において、半導体層へのダメージを抑制する半導体装置およびその製造方法が提供される。
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体装置の製造方法に用いられる半導体機能部、支持基板部および接合部の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体装置およびその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体装置およびその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０・・・半導体機能部、 １３・・・窒化物半導体層、 １５・・・サファイア基板、 １７・・・中間層、 １７ａ・・・中間層の第１の部分、 １７ｂ・・・中間層の第２の部分、 ２０、５０・・・支持基板部、 ２１・・・支持基板、 ２３・・・反射防止層、 ３０・・・接合部、 ３１・・・光吸収層、 ３１ｘ・・・主面、 ３３・・・接合層、 ３３ａ、３３ｂ・・・第１及び第２接合膜、 ３３ｆ・・・接合界面、 ３３ｘ、３３ｙ・・・第１及び第２接合面、 ３５ａ、３５ｂ・・・第１及び第２Ａｕ層、 ３６ａ、３６ｂ・・・第１及び第２Ｉｎ層、 ４０ａ・・・上部ホルダ、 ４０ｂ・・・下部ホルダ、 ４１・・・照射位置、 ４３・・・接合層の一部領域、 ４４・・・加熱領域、 ５１・・・素子部、 ５３・・・基板、 １１０…半導体装置

Claims (10)

  1. 半導体機能部と、レーザ光を透過させる支持基板部と、を、前記半導体機能部と前記支持基板部との間に設けられた接合部を介して互いに対向させる配置工程であって、前記接合部は、接合層と、前記接合層と前記支持基板部との間に設けられレーザ光に対する吸収率が前記接合層の前記レーザ光に対する吸収率以上である光吸収層と、を含む、配置工程と、
    前記レーザ光を、前記支持基板部を介して前記光吸収層に照射し、前記レーザ光により加熱された前記光吸収層からの熱伝導により前記接合層を溶融させ、前記半導体機能部と前記支持基板部とを接合する工程と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
  2. 前記光吸収層の前記レーザ光に対する反射率は、６０パーセント以下であり、
    前記接合層の融点は、摂氏１００度以上、摂氏３００度以下である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記支持基板部の熱伝導率は、前記接合部の熱伝導率よりも高い請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記光吸収層の１つの照射位置における前記レーザ光の照射時間は、４０マイクロ秒以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記光吸収層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｇｅ、ＣおよびＳｉから選択された少なくとも１つを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記支持基板部は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮおよびＢＮのいずれかを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記支持基板部は、Ｓｉ基板を含み、
    前記光吸収層は、Ｃｒ、ＴｉおよびＣから選択された少なくとも１つを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記光吸収層の厚さは、１０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下であり、
    前記接合部の厚さは、１マイクロメートル以上である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記接合層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｇａ、ＢｉおよびＣｄから選択された少なくとも１つを含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 半導体機能部と、
    支持基板部と、
    前記半導体機能部と前記支持基板部との間に設けられ、前記支持基板部の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する接合層と、前記接合層と前記支持基板部との間に設けられた光吸収層と、を含み、前記半導体機能部と前記支持基板部とを接合する接合部と、
    を備えた半導体装置。
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