JP4191599B2 - 結晶層の製造方法および素子の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、結晶積層基板、結晶層、素子およびそれらの製造方法に関し、各種の半導体素子の製造に適用して好適なものである。
背景技術
半導体層を基礎基板上に形成した後、上記半導体層から上記基礎基板を取除き、上記半導体層を後の半導体基板として利用する研究開発がなされている。その中で、基礎基板として、Ｓｉ基板を分離する技術は多数の報告がある。例えば、Ｓｉ基板上にＣＶＤによりシリコン太陽電池薄膜半導体層を形成し、基礎基板から上記薄膜半導体層を剥がし、Ｓｉ基板を再利用する技術が提案されている。例えば、特開平８−２１３６４５号公報では、Ｓｉ基板上に多孔質Ｓｉ層を形成し、その上に太陽電池等の半導体層を形成した後、その上下を接着剤付きの治具で挟み込み、治具を反対方向に引っ張って多孔質Ｓｉ層を機械的に破断し、半導体層をＳｉ基板から分離する方法が示されている。また、特開平１０−１５０２１１号公報では、同構造で超音波照射により上記多孔質Ｓｉ層を破断し、分離する方法が示されている。また、特開平１０−１９００３２号公報では、同構造で太陽電池層の上にプラスティック基板を接着し、それを冷却することにより、プラスティック基板とＳｉ基板との熱収縮率の差に基づいたせん断応力により多孔質Ｓｉ層を破断し、分離する方法が示されている。また、特開２００１−８５７２５号公報では、酸化物層を形成したＳｉ基板上に、網状のＳｉ露出面を形成し、そこから選択成長により網状膜の太陽電池を形成し、機械的な剥離法にて分離を行う技術が示されている。
次に、サファイア基板上に形成した窒化ガリウム半導体層からサファイア基板を分離する技術開発がなされている。例えば、窒化ガリウム半導体基板を製造するための従来技術としては、サファイア基板上に塩化物法により厚く窒化ガリウムを形成した後、機械的なラッピング法または切削法により、サファイア基板を削り取ってしまう方法がある。別の方法として、化学的なエッチング法による基板分離法も提案されている。例えば、基礎基板の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物よりなるバッファ層を介して、窒化ガリウム半導体を成長させ、このバッファ層をエッチングにより除去するものが提案されている（特開平７−１６５４９８号公報、特開平１０−１７８２０２号公報、特開平１１−３５３９７号公報参照）。また、上記化学的エッチング法では、基礎基板と半導体層との分離には時間が非常にかかることが指摘されており、上記エッチング法の改良技術として、基礎基板と半導体層との間にエッチング剤が流通するための流通孔を備え、エッチング時間を格段に短縮する方法が提案されている（特開２００１−３６１３９号公報参照）。
しかしながら、前記従来技術では、歩留まりよく半導体層を基礎基板から取除くことは困難であった。例えば、機械的ラッピング法では基板に反りが生じてくるので、大面積を維持した状態でのラッピングが難しく、現実的でなかった。
前記の改良された化学的エッチング法（特開２００１−３６１３９号公報）は従来の事実上不可能な程のエッチング時間の長さを劇的に短縮する技術であるが、基礎基板と半導体層との間に精緻な構造を作り込まなければならない欠点を有していた。例えば、典型的な改良型エッチング分離法による半導体積層基板の構造を第１図に示す。第１図の従来の半導体積層基板の作製工程と分離工程とを簡単に述べる。まず、サファイア基板からなる基礎基板１上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜層３２を分離層として形成し、その上に窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファ層３３を２μｍ程度成長させる。次に、標準的なリソグラフィ工程とガスエッチングにより上記窒化物層をストライプ状または島状に形成する。次に、酸化物をＣＶＤ法により一様に堆積し、気相プラズマエッチングにより垂直エッチングを施し、上記ストライプ状または島状の窒化物の側壁に酸化物の成長防止膜３４を形成する。次に、ＭＯＣＶＤまたは塩化物法により窒化ガリウム層を堆積してゆくと、側壁には酸化物の成長防止膜３４の存在により堆積せず、ストライプの上部のみに横広がりを伴いながら堆積し、やがてストライプ同士が合体して窒化ガリウム半導体層２が形成され、酸化物で覆われた初期のストライプはそのまま保存され、流通孔としてストライプ上の凹部４が形成される。
基礎基板１と窒化ガリウム半導体層２とを分離する工程は、次のとおりである。まず、フッ酸などの水溶液をストライプ上の凹部４に通し、側壁の成長防止膜３４をエッチングにより取除く。次に、このフッ酸を排除した後アルカリ系エッチング液をこの凹部４に通し、窒化アルミニウム薄膜層３２をエッチングすると、ついに基礎基板１が分離される。
以上に示されるように、従来技術では、窒化ガリウム半導体層を得るために多数のＣＶＤプロセス、リソグラフィ、エッチング工程が繰り返し用いられる。これにより、歩留まりの低下と製造コストの上昇要因となっていた。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な液体の熱膨張または相転移に基づく体積膨張の圧力を用いて容易に基礎基板と半導体層などの結晶層とを分離することができる結晶積層基板、それを用いて得られる半導体層などの結晶層および半導体素子などの素子ならびにそれらの製造方法を提供することである。
発明の開示
本発明による結晶積層基板は、基礎基板上に結晶層が形成された結晶積層基板であって、結晶層と基礎基板との間に、液体が侵入し、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、結晶層と基礎基板とを分離するための空隙を有し、この空隙は深さが３μｍ以上で巾が３μｍ以上であるものである。
本発明による結晶層は、基礎基板上に結晶層が形成され、結晶層と基礎基板との間に液体が侵入するための空隙を有する結晶積層基板の空隙に液体を侵入させ、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、基礎基板から分離したものである。
本発明による素子は、基礎基板上に結晶素子層が形成され、結晶素子層と基礎基板との間に液体が侵入するための空隙を有する結晶積層基板の空隙に液体を侵入させ、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、基礎基板から分離したものである。
本発明による結晶積層基板の製造方法は、基礎基板上に結晶層が形成された結晶積層基板の製造方法であって、結晶層と基礎基板との間に、液体が侵入し、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、結晶層と基礎基板とを分離するための空隙を形成する工程を含むものである。
本発明による結晶層の製造方法は、基礎基板上に結晶層が形成され、結晶層と基礎基板との間に空隙を有する結晶積層基板を形成する工程と、その空隙に液体を侵入させ、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、結晶層と基礎基板とを分離する工程を含むものである。
本発明による素子の製造方法は、基礎基板上に結晶素子層が形成され、結晶素子層と基礎基板との間に空隙を有する結晶積層基板を形成する工程と、その空隙に液体を侵入させ、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、結晶素子層と基礎基板とを分離する工程を含むものである。
本発明において、結晶積層基板に形成する空隙は、液体が流通する形状であれば、基本的にはどのような形状のものであってもよいが、例えば、線状あるいはストライプ状や格子状であってよく、これらが分散して形成される。この空隙は、結晶層あるいは結晶素子層を基礎基板から容易に分離する観点からは、好適には、深さは３μｍ以上２０μｍ以下で巾は３μｍ以上２０μｍ以下に選ばれる。また、この空隙は、典型的には、６μｍ以上４０μｍ以下のピッチで周期的に形成され、その場合空隙の巾とその間の凸部の巾とは例えばほぼ同一に選ばれる。
この空隙は次のようにして形成することができる。すなわち、例えば、基礎基板上に凹凸の溝を刻み、その上に結晶層あるいは結晶素子層を形成するときにその溝の部分が積層を免れることを利用して空隙を形成することができる。あるいは、平坦な基礎基板上に空隙形成用の結晶層を形成した後、この空隙形成用の結晶層に凹凸の溝を刻み、その上に更に目的とする結晶層を積層するときに前記溝の部分が積層を免れることを利用しても、空隙を形成することができる。更に、平坦な基礎基板上に空隙形成用の結晶層を形成した後、この空隙形成用の結晶層を貫いて基礎基板に至る凹凸の溝を刻み、その上に更に目的とする結晶層を積層するときにその溝の部分が積層を免れることを利用することによっても、空隙を形成することができる。
結晶層あるいは結晶素子層は、典型的には、半導体層あるいは半導体素子層であるが、用途などに応じて、半導体以外の材料からなるものを用いてもよい。同様に、素子は、典型的には、半導体素子であるが、その他の各種の素子であってもよい。
基礎基板は、その上の結晶層あるいは結晶素子層の形成に必要な材料ならば、どのような材料のものであってもよい。具体的には、例えば、結晶層として窒化物系半導体層を形成する場合であれば、サファイア、シリコン、スピネル、ネオジムガレート、リチウムガレート、リチウムアルミネート、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物あるいは酸化ケイ素等を用いることができる。ここで、窒化物系半導体層は、典型的には、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれた少なくとも１種のＩＩＩ族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびヒ素（Ａｓ）からなる群より選ばれた少なくとも窒素を含むＶ族元素とを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体よりなる。窒化物系半導体以外の半導体層としては、シリコン、ゲルマニウムまたはその混晶からなる半導体層が挙げられる。
結晶層として半導体層を用いる場合、その半導体層は不純物ドーピングを行わなくてもよいが、ｐ型不純物やｎ型不純物あるいは半絶縁型とするために遷移金属などのドーピングを行うことによって、積極的に伝導の型を制御することができる。
半導体層を形成するとき、その中に素子構造、例えば、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、受光素子、発光ダイオードあるいは半導体レーザ構造などの素子構造を形成しておくこともでき、これが半導体素子層である。
空隙に侵入あるいは流通させる液体は水が最も簡便であるが、相転移温度の調節のため種々の混合溶液を用いることができる。具体的には、この液体としては、例えば、水、アルコール、ケトン類、エーテル類、アミン類、石油類および塩からなる群より選ばれた少なくとも１種を用いることができ、典型的にはエタノールおよびメタノールのうちの少なくとも１種を含む水溶液または水を用いることができる。ここで、水にエタノールまたはメタノールを添加することにより、固化温度を低下させることができる。また、ケトン類、エーテル類、アミン類、石油類、塩などのうちから、膨張率や粘性などの制御のために最適なものを選択することができる。
相転移の形態は、液体から固体への転移ではなく、温度上昇による液体から気体による転移を用いることも可能である。
相転移を起こさせる冷却媒体としては、例えば、エタノール、メタノールまたはその混合液体または液体窒素または液体空気を含む冷却媒体を用いてもよいし、冷却した窒素、酸素または乾燥空気を含む冷却媒体を用いてもよい。後者の冷却したガスを吹き付けるようにすれば、冷却速度を場所ごとに制御することができ、分離工程を厳密に制御することができる。
必要に応じて、結晶積層基板の一部を遮熱材で覆い、熱膨張速度または相転移速度を場所的に制御するようにしてもよい。このようにすれば、冷却速度を場所ごとに制御することができ、分離工程を厳密に制御することができる。
上述のように構成された本発明による結晶積層基板は、結晶層あるいは結晶素子層と基礎基板との間に、液体が侵入し、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、結晶層あるいは結晶素子層と基礎基板とを分離するための空隙を有しているので、その空隙に液体を侵入あるいは流通させた後、結晶積層基板の温度を変化させることにより、その液体の熱膨張または相転移に基づく膨張圧力により、基礎基板から結晶層あるいは結晶素子層が分離されることになる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
第２図は、本発明の第１の実施形態による半導体積層基板の断面図である。図において、１はサファイア基板からなる基礎基板、２は窒化ガリウム半導体層、３は基礎基板１に形成されているストライプ状の凸部であり、深さは例えば約２０μｍ、ストライプの巾は例えば約５μｍである。４は基礎基板１上に形成されたストライプ状の凹部であり、巾は例えば約５μｍである。このような構成を有する半導体積層基板は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えばＣ面のサファイア基板１を公知のリソグラフィ技術とイオンミリング法とによりパターニングしてストライプ状の凸部３を形成し、次に、公知のＭＯＣＶＤ法により、窒化ガリウムバッファ層を５５０℃で３０ｎｍ積層し、温度を１０８０℃として、窒化ガリウムを０．５μｍ積層する。例えば、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、窒素原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を、そしてキャリアガスとして窒素と水素を用いる。次に、公知のハイドライド法により、１０００℃にて、窒化ガリウムを３００μｍ成長させる。例えば、ガリウム原料である塩化ガリウムは、炉の上流で金属ガリウムと塩酸ガスとを反応させる。窒素原料は例えばアンモニアガスを用いる。ここでは不純物ドーピングは行わない。成長条件を適切にとることにより、ストライプ上から成長した窒化ガリウムは、横方向に広がりながら成長し、合体し平坦な窒化ガリウム半導体層２となり、その下に空隙、すなわちストライプ状の凹部４を残す。
次に、窒化ガリウム半導体層２は次の工程により基礎基板１から分離される。まず、簡単な減圧装置に接続された容器に上記半導体積層基板を置き、水を入れる。この時点では、上記半導体積層基板と水とは分離しておく。１ｋＰａ程度以下まで減圧したところで、上記半導体積層基板を水の中に浸漬してから大気圧に戻す。以上の操作により、ストライプ状の凹部４の中に水が充填される。次に、この半導体積層基板を−１０℃から−５０℃程度に冷却したエタノールに浸漬し、凹部４の中の水を固化膨張させる。この水の固化に伴う約９％の体積膨張により窒化ガリウム半導体層２はストライプの接合面より解離する。
このようにして基礎基板１から分離された窒化ガリウム半導体層２は、窒化ガリウム基板として、種々の応用に用いることができる。
次に、本発明の第２の実施形態においては、第３図に示すごとく、平坦な基礎基板１の上にまず、例えば数μｍの巾の、例えば窒化ガリウムからなる半導体ストライプ３１を既知の方法により形成し、次に厚膜の窒化ガリウム半導体層２を形成する。半導体ストライプ３１の深さと巾とを適当に制御することにより半導体ストライプ３１の間の凹部では、窒化ガリウム半導体層２の形成時に積層を免れ、空隙、すなわちストライプ状の凹部４が生じる。
上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施形態で述べたことが成立する。
また、本発明の第３の実施形態においては、第４図のごとく、数μｍ巾の半導体ストライプ３１を形成するとき、下地の基礎基板１まで掘り下げて、深くストライプ状の凸部３を形成する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施形態で述べたことが成立する。
更に、本発明の第４の実施形態においては、第５図のごとく、基礎基板１としてサファイア基板などの下地基板１ａ上に窒化ガリウム半導体層１ｂを形成し、この窒化ガリウム半導体層１ｂの途中の深さまで掘り下げて、数μｍ巾の半導体ストライプ３１を形成する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施形態で述べたことが成立する。
以上、本発明の実施形態につき具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
以上説明したように、本発明によれば、基礎基板上に結晶層あるいは結晶素子層が形成され、その結晶層あるいは結晶素子層と基礎基板との間に空隙を有するようにしたので、その空隙に液体を侵入させることで、その液体の熱膨張または相転移などによる自発的な膨張圧力により、容易に結晶層あるいは結晶素子層を分離することができる。よって、この結晶積層基板を用いて、結晶層あるいは結晶素子層を製造することにより、極めて容易に半導体基板などの結晶基板あるいは半導体素子などの素子を製造することができる。
また、空隙に侵入させる液体として、エタノールおよびメタノールのうちの少なくとも１種を含む水溶液または水を用いることにより、従来のエッチング液のような高価で環境負荷の懸念のあるような薬剤を用いる必要がなくなるので、製造コストの低減を図ることができるとともに、環境負荷を大幅に軽減することができる。
また、結晶層として窒化ガリウムなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体よりなるものを用いることにより、窒化ガリウム半導体基板などのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板を容易に得ることができ、その上に作製する半導体素子は放熱性に優れたものとなるとともに、基板の劈開を利用することができるので優れた半導体素子を容易に製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の半導体積層基板の構成を示す断面図、第２図は、本発明の第１の実施形態による半導体積層基板の構成を示す断面図、第３図は、本発明の第２の実施形態による半導体積層基板の構成を示す断面図、第４図は、本発明の第３の実施形態による半導体積層基板の構成を示す断面図、第５図は、本発明の第４の実施形態による半導体積層基板の構成を示す断面図である。

Claims (6)

1. サファイア、シリコン、スピネル、ネオジムガレート、リチウムガレート、リチウムアルミネート、 III-V 族窒化物、 III-V 族化合物または酸化ケイ素からなる基礎基板上に、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群より選ばれた少なくとも１種の III 族元素と、窒素、リンおよびヒ素からなる群より選ばれた少なくとも窒素を含むＶ族元素とを含む III-V 族窒化物半導体、または、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種類からなる半導体よりなる結晶層が形成され、前記結晶層と前記基礎基板との間に空隙を有する結晶積層基板を形成する工程と、
   前記空隙に水、アルコール、ケトン類、エーテル類、アミン類、石油類および塩からなる群より選ばれた少なくとも１種の液体を侵入させ、その液体の熱膨張、冷却による固体への転移または温度上昇による気体への転移に基づく膨張圧力により、前記結晶層と前記基礎基板とを分離する工程とを含むことを特徴とする結晶層の製造方法。
2. 前記空隙は線状または格子状に分散して形成されていることを特徴とする請求項１記載の結晶層の製造方法。
3. 前記空隙は深さが３μｍ以上２０μｍ以下、巾が３μｍ以上２０μｍ以下、６μｍ以上４０μｍ以下のピッチで周期的に形成されている請求項１または２記載の結晶層の製造方法。
4. サファイア、シリコン、スピネル、ネオジムガレート、リチウムガレート、リチウムアルミネート、 III-V 族窒化物、 III-V 族化合物または酸化ケイ素からなる基礎基板上に、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群より選ばれた少なくとも１種の III 族元素と、窒素、リンおよびヒ素からなる群より選ばれた少なくとも窒素を含むＶ族元素とを含む III-V 族窒化物半導体、または、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種類からなる半導体よりなる結晶素子層が形成され、前記結晶素子層と前記基礎基板との間に空隙を有する結晶積層基板を形成する工程と、
   前記空隙に水、アルコール、ケトン類、エーテル類、アミン類、石油類および塩からなる群より選ばれた少なくとも１種の液体を侵入させ、その液体の熱膨張、冷却による固体への転移または温度上昇による気体への転移に基づく膨張圧力により、前記結晶素子層と前記基礎基板とを分離する工程とを含むことを特徴とする素子の製造方法。
5. 前記空隙は線状または格子状に分散して形成されていることを特徴とする請求項４記載の素子の製造方法。
6. 前記空隙は深さが３μｍ以上２０μｍ以下、巾が３μｍ以上２０μｍ以下、６μｍ以上４０μｍ以下のピッチで周期的に形成されている請求項４または５記載の素子の製造方法。

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