WO2023223868A1 - 接合方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス - Google Patents

接合方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス Download PDF

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semiconductor
bonding
metal member
metal
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大祐 河口
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs

Definitions

  • the present disclosure relates to a bonding method, a semiconductor device manufacturing method, and a semiconductor device.
  • a modified region is formed inside the semiconductor object, and by separating the semiconductor object using the modified region as a boundary, a semiconductor member such as a semiconductor substrate is cut out from the semiconductor object.
  • Processing methods are known (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • gallium may precipitate in the modified region due to laser light irradiation, and gallium may remain on the surface of the obtained semiconductor member.
  • the remaining gallium is removed by cleaning or grinding, and then the metal member is bonded to the semiconductor member using a bonding material or the like.
  • one aspect of the present disclosure is to provide a bonding method and a semiconductor device manufacturing method that can suitably bond a metal member to a semiconductor object, and a semiconductor device in which a metal member is suitably bonded to a semiconductor member. With the goal.
  • a bonding method includes [1] "By irradiating the inside of a semiconductor object made of a material containing gallium nitride with a laser beam, precipitation is caused on a virtual surface located inside the semiconductor object". a precipitation step of forming a gallium part made of gallium, an exposing step of separating the semiconductor object using the virtual plane as a boundary and exposing the gallium part on the separation plane, and a metal containing a metal material different from gallium. and a bonding step of bonding a member to the semiconductor object by alloying the metal material and the gallium part, in this order.
  • This bonding method utilizes a gallium part made of gallium precipitated from a semiconductor object by irradiation with laser light, and alloys the metal material constituting the metal member with the gallium part, thereby bonding the metal member to the semiconductor object. to be joined to. Thereby, the number of steps can be reduced compared to, for example, the case where precipitated gallium is removed by cleaning.
  • gallium precipitated from semiconductor objects is used for bonding, there is no need to use unnecessary metal materials (for example, metal materials included in bonding materials) in the processing process, and the occurrence of metal contamination can be suppressed. .
  • the metal material and the gallium portion are bonded by alloying, the metal member can be firmly bonded to the semiconductor object. Therefore, according to this bonding method, the metal member can be suitably bonded to the semiconductor object.
  • the bonding method according to one aspect of the present disclosure includes [2] "In the precipitation step, the laser light is irradiated from the surface of the semiconductor object to the inside of the semiconductor object, and the virtual surface is The bonding method according to [1], wherein the semiconductor object is separated into at least two parts using the virtual surface as a boundary in the exposing step. Also in this case, the metal member can be suitably joined to the semiconductor object.
  • a bonding method includes [3] "Irradiating the surface of a semiconductor object made of a material containing gallium nitride with laser light to form a gallium part made of gallium precipitated on the surface.
  • a bonding method comprising, in this order, a precipitation step and a bonding step of bonding a metal member containing a metal material different from gallium to the semiconductor object by alloying the metal material and the gallium portion.
  • This bonding method utilizes a gallium part made of gallium precipitated from a semiconductor object by irradiation with laser light, and alloys the metal material constituting the metal member with the gallium part, thereby bonding the metal member to the semiconductor object. to be joined to. Thereby, the number of steps can be reduced compared to, for example, the case where precipitated gallium is removed by cleaning.
  • gallium precipitated from semiconductor objects is used for bonding, there is no need to use unnecessary metal materials (for example, metal materials included in bonding materials) in the processing process, and the occurrence of metal contamination can be suppressed. .
  • the metal material and the gallium portion are bonded by alloying, the metal member can be firmly bonded to the semiconductor object. Therefore, according to this bonding method, the metal member can be suitably bonded to the semiconductor object.
  • the bonding method according to one aspect of the present disclosure may be [4] "the bonding method according to any one of [1] to [3], wherein the metal member is a heat sink.”
  • the heat sink can be suitably bonded to the semiconductor object.
  • the bonding method according to one aspect of the present disclosure includes [5] “The metal material is aluminum, copper, silver, gold, platinum, tin, zinc, indium, or iron, any one of [1] to [4].
  • the metal member can be suitably joined to the semiconductor object by alloying with the gallium part.
  • the bonding method according to one aspect of the present disclosure may be [6] "the bonding method according to any one of [1] to [5], wherein the semiconductor object is a semiconductor wafer".
  • the metal member can be suitably joined to the semiconductor wafer.
  • a method for manufacturing a semiconductor device includes the step of joining the metal member to the semiconductor object by the joining method according to any one of [1] to [6].
  • ⁇ device manufacturing method.'' According to this semiconductor device manufacturing method, the metal member can be suitably joined to the semiconductor object for the reasons described above.
  • a semiconductor device includes [8] "a semiconductor member made of a material containing gallium nitride, and a metal member containing a metal material different from gallium, and the metal member is different from the semiconductor member. "a semiconductor device that is bonded to the semiconductor member through an alloy portion made of an alloy of gallium and the metal material formed at the boundary between the two.”
  • the metal member is bonded to the semiconductor member via an alloy portion made of an alloy of gallium and a metal material constituting the metal member. Thereby, the metal member can be firmly bonded to the semiconductor object. In this way, in this semiconductor device, the metal member is suitably joined to the semiconductor member.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by a semiconductor device manufacturing method according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus used in a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
  • (a) and (b) are diagrams for explaining a method for manufacturing a semiconductor device.
  • (a) and (b) are diagrams for explaining a method for manufacturing a semiconductor device.
  • (a) is a schematic diagram showing an example of the state near the separation surface of the semiconductor object before joining the metal members
  • (b) is a schematic diagram showing the state near the separation surface of the semiconductor object after joining the metal members. It is a schematic diagram which shows an example of a state.
  • (a), (b), and (c) are diagrams for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first modification.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a second modification.
  • the semiconductor device 20 includes a semiconductor member 21 and a metal member 22 joined to the semiconductor member 21.
  • the semiconductor member 21 is, for example, a semiconductor substrate made of gallium nitride (GaN), and has a first surface 21a and a second surface 21b opposite to the first surface 21a.
  • a plurality of device parts 23 are formed on the first surface 21a (the surface opposite to the metal member 22).
  • the device section 23 is, for example, an element section for performing an arbitrary function, and is, for example, a light emitting element, a light receiving element, a circuit element, or the like.
  • the metal member 22 is made of a metal material different from gallium.
  • the metal materials constituting the metal member 22 include aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), tin (Sn), zinc (Zn), and indium ( In) and iron (Fe).
  • the metal member 22 functions as a heat sink to improve heat dissipation of the semiconductor device 20. Further, by providing the metal member 22, the handling properties of the semiconductor device 20 are improved.
  • Metal member 22 is joined to second surface 21b of semiconductor member 21. More specifically, the metal member 22 is joined to the semiconductor member 21 via an alloy portion 24 formed at the boundary between the metal member 22 and the semiconductor member 21 .
  • the alloy portion 24 is formed by alloying the metal material constituting the metal member 22 with gallium precipitated from the semiconductor member 21. Details of the alloy portion 24 will be described later. [Laser processing equipment configuration]
  • the laser processing apparatus 1 includes a stage 2, a light source 3, a spatial light modulator 4, a condensing lens 5, and a control section 6.
  • the laser processing apparatus 1 is an apparatus that forms a modified region 11 in a semiconductor object 10 by irradiating the semiconductor object 10 with a laser beam L.
  • the first horizontal direction will be referred to as the X direction
  • the second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction will be referred to as the Y direction
  • the vertical direction is referred to as the Z direction.
  • the stage 2 supports the semiconductor object 10 by, for example, adsorbing a film attached to the semiconductor object 10.
  • stage 2 is movable along each of the X direction and the Y direction. Furthermore, the stage 2 is rotatable about an axis parallel to the Z direction.
  • the light source 3 outputs a laser beam L that is transparent to the semiconductor object 10, using a pulse oscillation method, for example.
  • the spatial light modulator 4 modulates the laser beam L output from the light source 3.
  • the spatial light modulator 4 is, for example, a reflective liquid crystal (LCOS) spatial light modulator (SLM).
  • the condensing lens 5 condenses the laser beam L modulated by the spatial light modulator 4.
  • the spatial light modulator 4 and the condensing lens 5 are movable along the Z direction as a laser irradiation unit.
  • the modified region 11 is a region that differs in density, refractive index, mechanical strength, and other physical properties from the surrounding unmodified region. Examples of the modified region 11 include a melt-treated region, a crack region, a dielectric breakdown region, and a refractive index change region.
  • a plurality of modified spots 12 are formed along the X direction. They are formed in a line.
  • One modification spot 12 is formed by irradiation with one pulse of laser light L.
  • One row of modified regions 11 is a collection of a plurality of modified spots 12 arranged in one row. Adjacent modification spots 12 may be connected to each other or separated from each other depending on the relative moving speed of the focal point C with respect to the semiconductor object 10 and the repetition frequency of the laser beam L.
  • the control unit 6 controls the stage 2, the light source 3, the spatial light modulator 4, and the condenser lens 5.
  • the control unit 6 is configured as a computer device including a processor, memory, storage, communication device, and the like.
  • the software (program) read into the memory or the like is executed by the processor, and the processor controls reading and writing of data in the memory and storage, and communication by the communication device. Thereby, the control unit 6 realizes various functions. [Joining method and semiconductor device manufacturing method]
  • the semiconductor object 10 in the bonding method and semiconductor device manufacturing method of the present embodiment is a GaN substrate 30 formed of gallium nitride into, for example, a rectangular plate shape (chip shape). .
  • the GaN substrate 30 is separated into two portions 31 and 32 with the virtual surface S as a boundary in an exposure step to be described later (FIG. 4(a)).
  • the portion 31 corresponds to the semiconductor member 21 of the semiconductor device 20 described above (will become the semiconductor member 21 after processing is completed).
  • a device portion 33 is formed on the surface 30a of the GaN substrate 30 (device forming step, FIG. 3(a)).
  • the surface 30a corresponds to the first surface 21a of the semiconductor member 21, and the device portion 33 corresponds to the device portion 23 formed on the first surface 21a.
  • the device forming step may be performed using a device different from the laser processing device 1, for example.
  • the laser processing device 1 irradiates the inside of the GaN substrate 30 with laser light L to deposit gallium on the virtual surface S located inside the GaN substrate 30, thereby forming a virtual gallium portion 34 made of gallium. It is formed on the surface S (deposition step, FIG. 3(b)).
  • the virtual surface S is a rectangular surface facing the surface 30a of the GaN substrate 30 inside the GaN substrate 30, and extends parallel to the surface 30a to reach the side surface 30b of the GaN substrate 30.
  • the inside of the GaN substrate 30 is irradiated with laser light L from the surface 30a to form a plurality of modified spots 12 (modified regions 11) along the virtual plane S.
  • a plurality of rows of modified spots 12 are sequentially formed so as to be two-dimensionally lined up over the entire virtual surface S.
  • this modification spot 12 gallium and nitrogen constituting the GaN substrate 30 are separated from each other by irradiation with the laser beam L, nitrogen gas is generated, and gallium is deposited on the virtual surface S.
  • this precipitated gallium will be referred to as a gallium portion 34.
  • the GaN substrate 30 is separated into two parts 31 and 32 using the virtual plane S as a boundary, and the gallium part 34 is exposed on the separation plane 35 (exposure step, FIG. 4(a)).
  • the exposure step for example, a plurality of cracks extending from a plurality of modification spots 12 on the virtual surface S are connected to each other to form a crack spanning the virtual surface S.
  • GaN substrate 30 is separated into two portions 31 and 32 with virtual plane S as a boundary. That is, the GaN substrate 30 is cut (sliced/peeled) using the virtual plane S as a boundary.
  • the gallium portion 34 is exposed on the separation surface 35 of each portion 31, 32.
  • Separation plane 35 of portion 31 corresponds to second surface 21b of semiconductor member 21 .
  • a plurality of cracks may be connected to each other to form a crack spanning the virtual plane S by applying some force to the GaN substrate 30 by a method other than heating.
  • the portion 31 of the GaN substrate 30 obtained by the exposure process will also be referred to as the semiconductor member 21.
  • the metal member 22 is bonded to the semiconductor member 21 by alloying the metal material constituting the metal member 22 with the gallium portion 34 (bonding step, FIG. 4(b)).
  • the above-mentioned alloy portion 24 is formed at the boundary between the semiconductor member 21 and the metal member 22. Since gallium is easily melted (has a low melting point) and easily alloyed with other metal materials, for example, by bringing the metal member 22 into contact with the gallium portion 34, the metal material constituting the metal member 22 can be alloyed with the gallium portion 34.
  • the metal member 22 is joined to the semiconductor member 21.
  • the bonding process may be performed using a device different from the laser processing device 1, for example. Through the above steps, a semiconductor device 20 in which the metal member 22 is joined to the semiconductor member 21 is obtained.
  • FIG. 5(a) is a schematic diagram showing an example of the state near the separation surface 35 (second surface 21b of the semiconductor member 21) of the GaN substrate 30 before joining the metal member 22, and FIG. , is a schematic diagram showing an example of the state near the separation surface 35 after the metal members 22 are joined.
  • the modification spots 12 are lined up on the separation surface 35, and the gallium portion 34 on the separation surface 35 is formed to fit between the adjacent modification spots 12. There is.
  • the alloy portions 24 are formed so as to fit between the adjacent modification spots 12, as shown in FIG. 5(b).
  • the gallium part 34 made of gallium precipitated from the GaN substrate 30 (semiconductor object) by irradiation with the laser beam L is used to alloy the metal material constituting the metal member 22 and the gallium part 34.
  • the metal member 22 is bonded to the GaN substrate 30 by bonding the metal member 22 to the GaN substrate 30.
  • the number of steps can be reduced compared to, for example, the case where precipitated gallium is removed by cleaning.
  • gallium precipitated from the GaN substrate 30 is used for bonding, there is no need to use unnecessary metal materials in the processing process (for example, metal materials included in the bonding material), and the occurrence of metal contamination can be suppressed. .
  • the metal member 22 can be firmly bonded to the GaN substrate 30. Further, since the bonding is performed by a chemical reaction using gallium precipitated from the GaN substrate 30, a bonding material made of, for example, a metal paste and a bonding device for such bonding can be omitted. Moreover, since the separation surface 35 after the exposure process can be used for bonding as it is, preparation for the bonding process can be simplified. In addition, not only the step of cleaning precipitated gallium but also the step of polishing and removing laser processing marks (modification spots 12) on the separation surface 35 can be omitted, which also reduces the number of steps. Can be done. As a result, costs can be reduced. Therefore, according to the bonding method according to the embodiment, the metal member 22 can be suitably bonded to the GaN substrate 30 (semiconductor object).
  • the precipitation step laser light L is irradiated into the inside of the GaN substrate 30 from the surface 30a of the GaN substrate 30.
  • the virtual surface S is a surface inside the GaN substrate 30 that faces the surface 30a.
  • the GaN substrate 30 is separated into two parts 31 and 32 using the virtual plane S as a boundary.
  • the metal member 22 can be suitably joined to the GaN substrate 30.
  • the steps of removing Ga deposited on the GaN substrate 30 and polishing the GaN substrate 30 can be omitted.
  • the semiconductor device 20 can be made thinner, and heat dissipation can be improved.
  • the metal member 22 is a heat sink.
  • the heat sink can be suitably bonded to the GaN substrate 30.
  • the metal material constituting the metal member 22 is aluminum, copper, silver, gold, platinum, tin, zinc, indium, or iron.
  • the metal member 22 can be suitably joined to the GaN substrate 30 by alloying with the gallium part 34.
  • the metal member 22 is joined to the semiconductor member 21 via an alloy portion 24 made of an alloy of a metal material constituting the metal member 22 and gallium. Thereby, the metal member 22 can be firmly bonded to the GaN substrate 30. In this way, in the semiconductor device 20, the metal member 22 is suitably joined to the semiconductor member 21.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device (a bonding method) according to a first modification.
  • gallium is deposited on the surface 30c by irradiating the surface 30c of the GaN substrate 30 with laser light L, and a gallium portion 34 made of gallium is formed on the surface 30c (see FIG. 6).
  • the surface 30c is the surface of the GaN substrate 30 opposite to the surface 30a on which the device section 33 is formed.
  • the exposure step is not performed (the GaN substrate 30 is not separated), and the bonding step is performed after the precipitation step.
  • the entire GaN substrate 30 corresponds to the semiconductor member 21 of the semiconductor device 20
  • the surface 30c of the GaN substrate 30 corresponds to the second surface 21b of the semiconductor member 21.
  • the joining process of the first modification is similar to the joining process of the above embodiment. That is, in the bonding step, the metal member 22 is bonded to the GaN substrate 30 (semiconductor member 21) by alloying the metal material constituting the metal member 22 with the gallium portion 34 (FIG. 6(c)).
  • the metal member 22 can be suitably joined to the GaN substrate 30 (semiconductor object), similarly to the above embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device (a bonding method) according to a second modification.
  • the semiconductor object 10 in the method of manufacturing a semiconductor device according to the second modification is a GaN wafer (semiconductor wafer) 40 made of gallium nitride and formed into, for example, a circular plate shape.
  • the GaN wafer 40 has a lattice-shaped cutting area (dicing street) 41 made up of a plurality of linear parts 41a, and a plurality of rectangular device formation areas 42 surrounded by the plurality of linear parts 41a. ing.
  • a plurality of semiconductor devices are obtained by cutting the GaN wafer 40 in the planned cutting area 41 and dividing it into pieces.
  • a device portion 43 is formed in each device formation region 42 .
  • the device section 43 corresponds to the device section 23 of the semiconductor device 20 described above, for example. An example of manufacturing the semiconductor device 20 using the semiconductor device manufacturing method according to the second modification will be described below.
  • the deposition step and the exposure step are performed in a wafer state.
  • gallium is deposited on the virtual surface S located inside the GaN wafer 40 by irradiating the inside of the GaN wafer 40 with a laser beam L, and a gallium portion 34 made of gallium is formed on the virtual surface S. do.
  • the exposure step the GaN wafer 40 is separated into two parts using the virtual plane S as a boundary, and the gallium part 34 is exposed on the separation plane 35 between these two parts.
  • one of the two parts is cut into pieces in the area to be cut 41, thereby forming a plurality of pieces in which the gallium parts 34 are exposed on the separation surface 35 (second surface 21b).
  • a semiconductor member 21 is obtained (singulating step).
  • the GaN wafer 40 may be cut using the laser beam L, or may be cut by mechanical processing other than laser processing (for example, blade dicing).
  • a plurality of modification spots 12 are formed so as to be lined up along the thickness direction of the GaN wafer 40 by irradiation with the laser beam L, and a plurality of modification spots 12 are formed in the thickness direction of the GaN wafer 40 from these modification spots 12.
  • GaN wafer 40 may be cut by extending the crack.
  • a bonding process is performed for each semiconductor member 21, and the metal member 22 is bonded to the semiconductor member 21 by alloying the metal material constituting the metal member 22 with the gallium portion 34.
  • the metal member 22 can be suitably joined to the semiconductor member 21 (semiconductor object), similarly to the above embodiment.
  • the gallium portion 34 is formed on the virtual surface S located inside the GaN wafer 40 as in the above embodiment, but as in the first modification, the gallium portion 34 is formed on the back surface ( The gallium portion 34 may be formed on the surface opposite to the surface on which the device portion 43 is formed. In this case, the gallium portion 34 may be formed over the entire back surface, or the gallium portion 34 may be formed only in the intended cutting region 41 on the back surface by irradiating the intended cutting region 41 with the laser beam L.
  • the present disclosure is not limited to the above embodiments and modifications.
  • the materials and shapes of each structure are not limited to the materials and shapes described above, and various materials and shapes can be employed.
  • the material of the semiconductor object only needs to contain gallium nitride, and may contain semiconductor materials other than gallium nitride.
  • the material of the metal member 22 only needs to include a metal material different from gallium, and may include two or more types of metal materials.
  • the precipitation step was performed after the device formation step, but the device formation step may be performed after the precipitation step.
  • one virtual surface S is set on the GaN substrate 30 and the GaN substrate 30 is separated into two parts 31 and 32, but two or more virtual surfaces S arranged in the thickness direction are set on the GaN substrate 30.
  • the GaN substrate 30 may be separated into three or more parts.

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Abstract

接合方法は、窒化ガリウムを含む材料からなる半導体対象物の内部にレーザ光を照射することにより、半導体対象物の内部に位置する仮想面上に析出したガリウムからなるガリウム部を形成する析出工程と、仮想面を境界として半導体対象物を分離させ、分離面上にガリウム部を露出させる露出工程と、ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材を、当該金属材料とガリウム部との合金化により半導体対象物に接合する接合工程と、をこの順に備える。

Description

接合方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス
　本開示は、接合方法、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイスに関する。
　半導体ウェハ等の半導体対象物にレーザ光を照射することにより半導体対象物の内部に改質領域を形成し、改質領域を境界として分離させることにより半導体対象物から半導体基板等の半導体部材を切り出す加工方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２０１７－１８３６００号公報 特開２０１７－０５７１０３号公報
　上述したような加工方法を窒化ガリウムからなる半導体対象物に適用した場合、レーザ光の照射により改質領域においてガリウムが析出し、得られた半導体部材の表面にガリウムが残存することがある。この場合、例えば得られた半導体部材にヒートシンク等の金属部材を実装する際には、残存しているガリウムを洗浄又は研削等して除去した後に、接合材等により金属部材を半導体部材に接合する必要がある。
　そこで、本開示の一側面は、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる接合方法及び半導体デバイスの製造方法、並びに金属部材が半導体部材に好適に接合された半導体デバイスを提供することを目的とする。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［１］「窒化ガリウムを含む材料からなる半導体対象物の内部にレーザ光を照射することにより、前記半導体対象物の内部に位置する仮想面上に析出したガリウムからなるガリウム部を形成する析出工程と、前記仮想面を境界として前記半導体対象物を分離させ、分離面上に前記ガリウム部を露出させる露出工程と、ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材を、前記金属材料と前記ガリウム部との合金化により前記半導体対象物に接合する接合工程と、をこの順に備える、接合方法」である。
　この接合方法では、レーザ光の照射により半導体対象物から析出したガリウムからなるガリウム部を利用し、金属部材を構成する金属材料と当該ガリウム部とを合金化させることにより、金属部材を半導体対象物に接合する。これにより、例えば析出したガリウムを洗浄して除去する場合と比べて、工程数を削減することができる。また、半導体対象物から析出するガリウムを利用して接合するため、加工プロセスに無用な金属材料（例えば接合材に含まれる金属材料）を用いる必要がなく、金属汚染の発生を抑制することができる。また、金属材料とガリウム部との合金化により接合されるため、金属部材を半導体対象物に強固に接合することができる。よって、この接合方法によれば、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［２］「前記析出工程では、前記半導体対象物の表面から前記半導体対象物の内部に前記レーザ光を照射し、前記仮想面は、前記半導体対象物の内部において前記表面と向かい合う面であり、前記露出工程では、前記仮想面を境界として前記半導体対象物を少なくとも２つの部分に分離させる、［１］に記載の接合方法」であってもよい。この場合にも、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［３］「窒化ガリウムを含む材料からなる半導体対象物の表面にレーザ光を照射することにより、前記表面上に析出したガリウムからなるガリウム部を形成する析出工程と、ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材を、前記金属材料と前記ガリウム部との合金化により前記半導体対象物に接合する接合工程と、をこの順に備える、接合方法」である。
　この接合方法では、レーザ光の照射により半導体対象物から析出したガリウムからなるガリウム部を利用し、金属部材を構成する金属材料と当該ガリウム部とを合金化させることにより、金属部材を半導体対象物に接合する。これにより、例えば析出したガリウムを洗浄して除去する場合と比べて、工程数を削減することができる。また、半導体対象物から析出するガリウムを利用して接合するため、加工プロセスに無用な金属材料（例えば接合材に含まれる金属材料）を用いる必要がなく、金属汚染の発生を抑制することができる。また、金属材料とガリウム部との合金化により接合されるため、金属部材を半導体対象物に強固に接合することができる。よって、この接合方法によれば、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［４］「前記金属部材は、ヒートシンクである、［１］～［３］のいずれかに記載の接合方法」であってもよい。この場合、ヒートシンクを半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［５］「前記金属材料は、アルミニウム、銅、銀、金、プラチナ、スズ、亜鉛、インジウム又は鉄である、［１］～［４］のいずれかに記載の接合方法」であってもよい。この場合、金属部材をガリウム部との合金化により半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る接合方法は、［６］「前記半導体対象物は、半導体ウェハである、［１］～［５］のいずれかに記載の接合方法」であってもよい。この場合、金属部材を半導体ウェハに好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、［７］「［１］～［６］のいずれかに記載の接合方法により前記金属部材を前記半導体対象物に接合する工程を備える、半導体デバイスの製造方法」である。この半導体デバイスの製造方法によれば、上述した理由により、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる。
　本開示の一側面に係る半導体デバイスは、［８］「窒化ガリウムを含む材料からなる半導体部材と、ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材と、を備え、前記金属部材は、前記半導体部材との間の境界部に形成されたガリウムと前記金属材料との合金からなる合金部を介して前記半導体部材に接合されている、半導体デバイス」である。
　この半導体デバイスでは、金属部材を構成する金属材料とガリウムとの合金からなる合金部を介して金属部材が半導体部材に接合されている。これにより、金属部材を半導体対象物に強固に接合することができる。このように、この半導体デバイスでは、金属部材が半導体部材に好適に接合されている。
　本開示の一側面によれば、金属部材を半導体対象物に好適に接合することができる接合方法及び半導体デバイスの製造方法、並びに金属部材が半導体部材に好適に接合された半導体デバイスを提供することが可能となる。
実施形態に係る半導体デバイスの製造方法により製造される半導体デバイスの断面図である。 実施形態に係る半導体デバイスの製造方法に用いられるレーザ加工装置の構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。 （ａ）は、金属部材の接合前における半導体対象物の分離面の近傍の状態の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、金属部材の接合後における半導体対象物の分離面の近傍の状態の一例を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第１変形例に係る半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。 第２変形例に係る半導体デバイスの製造方法を説明するための図である。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［半導体デバイス］
　図１に示されるように、半導体デバイス２０は、半導体部材２１と、半導体部材２１に接合された金属部材２２と、を備えている。半導体部材２１は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板であり、第１表面２１ａと、第１表面２１ａとは反対側の第２表面２１ｂとを有している。第１表面２１ａ（金属部材２２とは反対側の表面）には、複数のデバイス部２３が形成されている。デバイス部２３は、例えば任意の機能を奏するための素子部であり、例えば発光素子、受光素子、回路素子等である。
　金属部材２２は、ガリウムとは異なる金属材料により形成されている。金属部材２２を構成する金属材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）が挙げられる。この例では、金属部材２２は、半導体デバイス２０の放熱性を高めるためのヒートシンクとして機能する。また、金属部材２２が設けられていることで、半導体デバイス２０のハンドリング性が向上されている。金属部材２２は、半導体部材２１の第２表面２１ｂに接合されている。より具体的には、金属部材２２は、半導体部材２１との間の境界部に形成された合金部２４を介して半導体部材２１に接合されている。合金部２４は、金属部材２２を構成する金属材料と半導体部材２１から析出したガリウムとが合金化することにより構成されている。合金部２４の詳細については後述する。
［レーザ加工装置の構成］
　図２に示されるように、レーザ加工装置１は、ステージ２と、光源３と、空間光変調器４と、集光レンズ５と、制御部６と、を備えている。レーザ加工装置１は、半導体対象物１０にレーザ光Ｌを照射することにより、半導体対象物１０に改質領域１１を形成する装置である。以下、第１水平方向をＸ方向といい、第１水平方向に垂直な第２水平方向をＹ方向という。また、鉛直方向をＺ方向という。
　ステージ２は、例えば、半導体対象物１０に貼り付けられたフィルムを吸着することにより、半導体対象物１０を支持する。この例では、ステージ２は、Ｘ方向及びＹ方向の各々に沿って移動可能である。また、ステージ２は、Ｚ方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。
　光源３は、例えばパルス発振方式によって、半導体対象物１０に対して透過性を有するレーザ光Ｌを出力する。空間光変調器４は、光源３から出力されたレーザ光Ｌを変調する。空間光変調器４は、例えば反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid　Crystal　on　Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial　Light　Modulator）である。集光レンズ５は、空間光変調器４によって変調されたレーザ光Ｌを集光する。この例では、空間光変調器４及び集光レンズ５は、レーザ照射ユニットとして、Ｚ方向に沿って移動可能である。
　ステージ２に支持された半導体対象物１０の内部にレーザ光Ｌが集光されると、レーザ光Ｌの集光点Ｃに対応する部分においてレーザ光Ｌが特に吸収され、半導体対象物１０の内部に改質領域１１が形成される。改質領域１１は、密度、屈折率、機械的強度、その他の物理的特性が周囲の非改質領域とは異なる領域である。改質領域１１としては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等がある。
　一例として、ステージ２をＸ方向に沿って移動させ、半導体対象物１０に対して集光点ＣをＸ方向に沿って相対的に移動させると、複数の改質スポット１２がＸ方向に沿って１列に並ぶように形成される。１つの改質スポット１２は、１パルスのレーザ光Ｌの照射によって形成される。１列の改質領域１１は、１列に並んだ複数の改質スポット１２の集合である。隣り合う改質スポット１２は、半導体対象物１０に対する集光点Ｃの相対的な移動速度及びレーザ光Ｌの繰り返し周波数によって、互いに繋がる場合も、互いに離れる場合もある。
　制御部６は、ステージ２、光源３、空間光変調器４及び集光レンズ５を制御する。制御部６は、プロセッサ、メモリ、ストレージ及び通信デバイス等を含むコンピュータ装置として構成されている。制御部６では、メモリ等に読み込まれたソフトウェア（プログラム）が、プロセッサによって実行され、メモリ及びストレージにおけるデータの読み出し及び書き込み、並びに、通信デバイスによる通信が、プロセッサによって制御される。これにより、制御部６は各種機能を実現する。
［接合方法及び半導体デバイスの製造方法］
　本実施形態の接合方法及び半導体デバイスの製造方法における半導体対象物１０は、図２及び図３に示されるように、窒化ガリウムにより例えば矩形板状（チップ形状）に形成されたＧａＮ基板３０である。ＧａＮ基板３０は、後述する露出工程において仮想面Ｓを境界として２つの部分３１，３２に分離させられる（図４（ａ））。部分３１は、上述した半導体デバイス２０の半導体部材２１に対応する（加工完了後に半導体部材２１となる）部分である。
　まず、ＧａＮ基板３０の表面３０ａにデバイス部３３を形成する（デバイス形成工程、図３（ａ））。表面３０ａは、半導体部材２１の第１表面２１ａに対応し、デバイス部３３は、第１表面２１ａに形成されたデバイス部２３に対応する。デバイス形成工程は、例えばレーザ加工装置１とは別の装置を用いて実施され得る。
　続いて、レーザ加工装置１が、ＧａＮ基板３０の内部にレーザ光Ｌを照射することにより、ＧａＮ基板３０の内部に位置する仮想面Ｓ上にガリウムを析出させ、ガリウムからなるガリウム部３４を仮想面Ｓ上に形成する（析出工程、図３（ｂ））。この例では、仮想面Ｓは、ＧａＮ基板３０の内部においてＧａＮ基板３０の表面３０ａと向かい合う矩形状の面であり、表面３０ａと平行に、ＧａＮ基板３０の側面３０ｂに至るように延在している。析出工程では、表面３０ａからＧａＮ基板３０の内部にレーザ光Ｌを照射し、仮想面Ｓに沿って複数の改質スポット１２（改質領域１１）を形成する。例えば、仮想面Ｓの全体にわたって２次元に並ぶように、複数列の改質スポット１２を順次形成する。この改質スポット１２の形成時に、レーザ光Ｌの照射によりＧａＮ基板３０を構成するガリウムと窒素とが互いに分離し、窒素ガスが発生すると共に仮想面Ｓ上にガリウムが析出する。以下、この析出したガリウムをガリウム部３４と記す。
　続いて、仮想面Ｓを境界としてＧａＮ基板３０を２つの部分３１，３２に分離させ、分離面３５上にガリウム部３４を露出させる（露出工程、図４（ａ））。露出工程では、例えば、仮想面Ｓにおいて複数の改質スポット１２からそれぞれ延びる複数の亀裂を互いに繋げることにより、仮想面Ｓに渡る亀裂を形成する。その後、例えば部分３１を部分３２から離れるように移動させることより、ＧａＮ基板３０が仮想面Ｓを境界として２つの部分３１，３２に分離させられる。すなわち、ＧａＮ基板３０が仮想面Ｓを境界として切断（スライス／剥離）される。これにより、各部分３１，３２における分離面３５にガリウム部３４が露出する。部分３１の分離面３５は、半導体部材２１の第２表面２１ｂに対応する。なお、露出工程では、加熱以外の方法でＧａＮ基板３０に何らかの力を作用させることにより、複数の亀裂を互いに繋げて仮想面Ｓに渡る亀裂を形成してもよい。以下、露出工程により得られたＧａＮ基板３０の部分３１を半導体部材２１とも記す。
　続いて、金属部材２２を、金属部材２２を構成する金属材料とガリウム部３４との合金化により、半導体部材２１に接合する（接合工程、図４（ｂ））。この合金化により、上述した合金部２４が半導体部材２１と金属部材２２との境界部に形成される。ガリウムは溶融しやすく（融点が低く）、他の金属材料と合金化しやすいため、例えば金属部材２２をガリウム部３４に接触させることで、金属部材２２を構成する金属材料がガリウム部３４と合金化し、金属部材２２が半導体部材２１に接合される。接合工程は、例えばレーザ加工装置１とは別の装置を用いて実施され得る。以上の工程により、金属部材２２が半導体部材２１に接合された半導体デバイス２０が得られる。
　図５（ａ）は、金属部材２２の接合前におけるＧａＮ基板３０の分離面３５（半導体部材２１の第２表面２１ｂ）の近傍の状態の一例を示す模式図であり、図５（ｂ）は、金属部材２２の接合後における分離面３５の近傍の状態の一例を示す模式図である。図５（ａ）に示される例では、分離面３５上に改質スポット１２が並んでおり、分離面３５上のガリウム部３４は、隣り合う改質スポット１２の間に入り込むように形成されている。この状態から金属部材２２が接合されると、図５（ｂ）に示されるように、隣り合う改質スポット１２の間に入り込むように合金部２４が形成される。このように改質スポット１２の間に入り込むように合金部２４が形成された場合、アンカー効果により、金属部材２２を半導体部材２１に強固に接合することができると考えられる。また、複数の改質スポット１２の高さが互いに揃っている場合、半導体部材２１の厚さ方向における接合精度を高めることができると考えられる。
［作用及び効果］
　実施形態に係る接合方法では、レーザ光Ｌの照射によりＧａＮ基板３０（半導体対象物）から析出したガリウムからなるガリウム部３４を利用し、金属部材２２を構成する金属材料とガリウム部３４とを合金化させることにより、金属部材２２をＧａＮ基板３０に接合する。これにより、例えば析出したガリウムを洗浄して除去する場合と比べて、工程数を削減することができる。また、ＧａＮ基板３０から析出するガリウムを利用して接合するため、加工プロセスに無用な金属材料（例えば接合材に含まれる金属材料）を用いる必要がなく、金属汚染の発生を抑制することができる。また、金属材料とガリウム部３４との合金化により接合されるため、金属部材２２をＧａＮ基板３０に強固に接合することができる。また、ＧａＮ基板３０から析出するガリウムを利用して化学反応により接合するため、例えば金属ペーストからなる接合材や、そのような接合のための接合装置を省略することができる。また、露出工程後の分離面３５をそのまま接合に使用することができるため、接合工程のための準備を簡略化することができる。また、析出したガリウムの洗浄工程だけでなく、分離面３５上のレーザ加工痕（改質スポット１２）を研磨して除去する工程をも省略することができ、これによっても工程数を削減することができる。その結果、コストを削減することができる。よって、実施形態に係る接合方法によれば、金属部材２２をＧａＮ基板３０（半導体対象物）に好適に接合することができる。
　析出工程では、ＧａＮ基板３０の表面３０ａからＧａＮ基板３０の内部にレーザ光Ｌを照射する。仮想面Ｓは、ＧａＮ基板３０の内部において表面３０ａと向かい合う面である。露出工程では、仮想面Ｓを境界としてＧａＮ基板３０を２つの部分３１，３２に分離させる。この場合、金属部材２２をＧａＮ基板３０に好適に接合することができる。また、ＧａＮ基板３０上に析出したＧａを除去し、ＧａＮ基板３０を研磨する工程を省略することができる。また、半導体デバイス２０を薄くすることができ、放熱性の向上を図ることができる。
　金属部材２２が、ヒートシンクである。この場合、ヒートシンクをＧａＮ基板３０に好適に接合することができる。
　金属部材２２を構成する金属材料が、アルミニウム、銅、銀、金、プラチナ、スズ、亜鉛、インジウム又は鉄である。この場合、金属部材２２をガリウム部３４との合金化によりＧａＮ基板３０に好適に接合することができる。
　半導体デバイス２０では、金属部材２２を構成する金属材料とガリウムとの合金からなる合金部２４を介して金属部材２２が半導体部材２１に接合されている。これにより、金属部材２２をＧａＮ基板３０に強固に接合することができる。このように、半導体デバイス２０では、金属部材２２が半導体部材２１に好適に接合されている。
［変形例］
　図６は、第１変形例に係る半導体デバイスの製造方法（接合方法）を説明するための図である。第１変形例の析出工程では、ＧａＮ基板３０の表面３０ｃにレーザ光Ｌを照射することにより表面３０ｃ上にガリウムを析出させ、ガリウムからなるガリウム部３４を表面３０ｃ上に形成する（図６（ｂ））。表面３０ｃは、ＧａＮ基板３０におけるデバイス部３３が形成された表面３０ａとは反対側の表面である。
　第１変形例に係る半導体デバイスの製造方法では、露出工程が実施されず（ＧａＮ基板３０が分離されず）、析出工程の後に接合工程が実施される。第１変形例では、ＧａＮ基板３０の全体が半導体デバイス２０の半導体部材２１に対応し、ＧａＮ基板３０の表面３０ｃが半導体部材２１の第２表面２１ｂに対応する。第１変形例の接合工程は、上記実施形態の接合工程と同様である。すなわち、接合工程では、金属部材２２を、金属部材２２を構成する金属材料とガリウム部３４との合金化により、ＧａＮ基板３０（半導体部材２１）に接合する（図６（ｃ））。
　このような第１変形例によっても、上記実施形態と同様に、金属部材２２をＧａＮ基板３０（半導体対象物）に好適に接合することができる。
　図７は、第２変形例に係る半導体デバイスの製造方法（接合方法）を説明するための図である。第２変形例に係る半導体デバイスの製造方法における半導体対象物１０は、窒化ガリウムにより例えば円形板状に形成されたＧａＮウェハ（半導体ウェハ）４０である。ＧａＮウェハ４０は、複数の直線状部分４１ａからなる格子状の切断予定領域（ダイシングストリート）４１と、複数の直線状部分４１ａにより囲まれた複数の矩形状のデバイス形成領域４２と、を有している。ＧａＮウェハ４０を切断予定領域４１において切断して個片化することにより、複数の半導体デバイス（半導体チップ、半導体基板）が得られる。各デバイス形成領域４２には、デバイス部４３が形成されている。デバイス部４３は、例えば上述した半導体デバイス２０のデバイス部２３に対応する。以下、第２変形例に係る半導体デバイスの製造方法により半導体デバイス２０を製造する例について説明する。
　第２変形例に係る半導体デバイスの製造方法では、ウェハ状態で析出工程及び露出工程が実施される。析出工程では、ＧａＮウェハ４０の内部にレーザ光Ｌを照射することにより、ＧａＮウェハ４０の内部に位置する仮想面Ｓ上にガリウムを析出させ、ガリウムからなるガリウム部３４を仮想面Ｓ上に形成する。露出工程では、仮想面Ｓを境界としてＧａＮウェハ４０を２つの部分に分離させ、それら２つの部分の間の分離面３５上にガリウム部３４を露出させる。
　露出工程の後に、当該２つの部分の一方（ＧａＮウェハ４０）を切断予定領域４１において切断して個片化することにより、分離面３５（第２表面２１ｂ）にガリウム部３４が露出した複数の半導体部材２１が得られる（個片化工程）。個片化工程では、レーザ光Ｌを用いてＧａＮウェハ４０が切断されてもよいし、レーザ加工以外の機械加工（例えばブレードダイシング）によりＧａＮウェハ４０が切断されてもよい。前者の場合、例えば、レーザ光Ｌの照射によってＧａＮウェハ４０の厚さ方向に沿って並ぶように複数の改質スポット１２を形成し、それらの改質スポット１２からＧａＮウェハ４０の厚さ方向に亀裂を伸展させることにより、ＧａＮウェハ４０を切断してもよい。
　個片化工程の後に、各半導体部材２１について接合工程が実施され、金属部材２２を構成する金属材料とガリウム部３４との合金化により金属部材２２が半導体部材２１に接合される。
　このような第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、金属部材２２を半導体部材２１（半導体対象物）に好適に接合することができる。なお、上記例では、上記実施形態と同様にＧａＮウェハ４０の内部に位置する仮想面Ｓ上にガリウム部３４を形成するとして説明したが、第１変形例のように、ＧａＮウェハ４０の裏面（デバイス部４３が形成された表面とは反対側の表面）上にガリウム部３４が形成されてもよい。この場合、当該裏面の全体にわたってガリウム部３４が形成されてもよいし、切断予定領域４１にレーザ光Ｌを照射することで裏面における切断予定領域４１のみにガリウム部３４が形成されてもよい。
　本開示は、上記実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。半導体対象物の材料は、窒化ガリウムを含んでいればよく、窒化ガリウム以外の半導体材料を含んでいてもよい。金属部材２２の材料は、ガリウムとは異なる金属材料を含んでいればよく、２種類以上の金属材料を含んでいてもよい。上記実施形態及び変形例ではデバイス形成工程の後に析出工程が実施されたが、デバイス形成工程は析出工程の後に実施されてもよい。上記実施形態ではＧａＮ基板３０に１つの仮想面Ｓが設定され、ＧａＮ基板３０が２つの部分３１，３２に分離されたが、ＧａＮ基板３０に厚さ方向に並ぶ２つ以上の仮想面Ｓが設定され、ＧａＮ基板３０が３つ以上の部分に分離されてもよい。
２０…半導体デバイス、２１…半導体部材（半導体対象物）、２２…金属部材、２４…合金部、３０…ＧａＮ基板（半導体ウェハ、半導体対象物）、３０ａ…表面、３０ｃ…表面、３１，３２…部分、３４…ガリウム部、Ｌ…レーザ光、Ｓ…仮想面。

 

Claims (8)

  1. 　窒化ガリウムを含む材料からなる半導体対象物の内部にレーザ光を照射することにより、前記半導体対象物の内部に位置する仮想面上に析出したガリウムからなるガリウム部を形成する析出工程と、
    　前記仮想面を境界として前記半導体対象物を分離させ、分離面上に前記ガリウム部を露出させる露出工程と、
    　ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材を、前記金属材料と前記ガリウム部との合金化により前記半導体対象物に接合する接合工程と、をこの順に備える、接合方法。
  2. 　前記析出工程では、前記半導体対象物の表面から前記半導体対象物の内部に前記レーザ光を照射し、前記仮想面は、前記半導体対象物の内部において前記表面と向かい合う面であり、
    　前記露出工程では、前記仮想面を境界として前記半導体対象物を少なくとも２つの部分に分離させる、請求項１に記載の接合方法。
  3. 　窒化ガリウムを含む材料からなる半導体対象物の表面にレーザ光を照射することにより、前記表面上に析出したガリウムからなるガリウム部を形成する析出工程と、
    　ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材を、前記金属材料と前記ガリウム部との合金化により前記半導体対象物に接合する接合工程と、をこの順に備える、接合方法。
  4. 　前記金属部材は、ヒートシンクである、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合方法。
  5. 　前記金属材料は、アルミニウム、銅、銀、金、プラチナ、スズ、亜鉛、インジウム又は鉄である、請求項１～４のいずれか一項に記載の接合方法。
  6. 　前記半導体対象物は、半導体ウェハである、請求項１～５のいずれか一項に記載の接合方法。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の接合方法により前記金属部材を前記半導体対象物に接合する工程を備える、半導体デバイスの製造方法。
  8. 　窒化ガリウムを含む材料からなる半導体部材と、
    　ガリウムとは異なる金属材料を含む金属部材と、を備え、
    　前記金属部材は、前記半導体部材との間の境界部に形成されたガリウムと前記金属材料との合金からなる合金部を介して前記半導体部材に接合されている、半導体デバイス。

     
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