(57)【要約】【課題】半導体基板と半導体層との間における大きな熱応力の発生を防止できる半導体デバイスの製造方法の提供。【解決手段】前記半導体デバイスの製造方法では、単結晶基板上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層における前記単結晶基板とは反対側の面に導電層を介して金属層を形成する金属層形成工程と、前記半導体層から前記単結晶基板を剥離する単結晶基板剥離工程とを有し、前記金属層形成工程において、前記金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層上に導電層を介して金属層を形成する金属層形成工程を有し、
前記金属層形成工程において、前記金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させる半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
単結晶基板上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層における前記単結晶基板とは反対側の面に導電層を介して金属層を形成する金属層形成工程と、
前記半導体層から前記単結晶基板を剥離する単結晶基板剥離工程と、
を有し、
前記金属層形成工程において、前記金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させる半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記金属層形成工程においては、金属層を電鋳法で形成してなる請求項１または請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記半導体層は窒化ガリウム層である請求項１または請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記板状部材は、セラミック、ガラスまたは金属である請求項１または請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記板状部材の厚さは１０〜５０μｍ、前記貫通孔の孔径は５〜５００μｍである請求項１または請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記半導体層は窒化ガリウム層であり、前記単結晶基板はサファイア基板である請求項１または請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
半導体層と、この半導体層の上に導電層を介して形成される金属層とを有し、この金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させてなる半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムは、青色発光ダイオードおよび白色発光ダイオードに広く利用されているとともに、耐熱性に優れること、およびバンドギャップが大きいことから、次世代の電子デバイスおよび光デバイスの材料として注目されている。
【０００３】
従来、窒化ガリウム半導体素子は、一般に、サファイアなどの基板の表面に適宜バッファ層を設け、このバッファ層の上に窒化ガリウム層を形成した後、ダイシングソーで基板と共に切断したあと、基板の一部を除去し、得られたチップに電極を形成するという方法で製造されてきた。
【０００４】
しかしながら、前記方法においては、窒化ガリウムだけでなくサファイア基板もチップ化されるため、サファイア基板は高価であるにも拘らず、再利用は殆ど不可能であった。このため、サファイア基板が使い捨てとなる分、青色発光ダイオードおよび白色発光ダイオードが高価になるという問題があった。
【０００５】
そこで、近年、サファイア基板の表面に窒化ガリウム層を形成し、この窒化ガリウム層のサファイア基板とは反対側の面に金属層を形成した後、サファイア基板の側からレーザ光を照射してサファイア基板を剥離するレーザーリフトオフ法が検討された（非特許文献１、３）。
【０００６】
また、金属層を形成した窒化ガリウム層からサファイア基板を剥離する別の方法として、基板に形成された一窒化クロム層などのバッファ層を化学薬品によって溶解するケミカルリフトオフ法が検討された（非特許文献２）。
【０００７】
金属層を形成した窒化ガリウム層からサファイア基板を剥離する更に別の方法としては、サファイア基板の表面に窒化ホウ素などの劈開性のバッファ層を形成しておき、このバッファ層に窒化ガリウム層および金属層を形成後、バッファ層の劈開性を利用してサファイア基板を剥離する方法がある（非特許文献３）
【０００８】
このように、窒化ガリウム層の上に金属層を形成した後、窒化ガリウム基板を、後加工およびチップ化する前にサファイア基板を剥離することにより、高価なサファイア基板は再利用可能となるから、青色発光ダイオードなどの素子が従来よりも安価に製造できると考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】高輝度ＬＥＤの製造を可能にするエキシマレーザによるリフトオフ、LEDs Magazine Japan ２０１２年３月号、２０〜２２頁
【非特許文献２】八百隆文他１名、「ケミカル・リフト・オフによる高輝度・高出力青色〜紫外ＬＥＤ用ＧａＮテンプレート基板の開発−メタル・バッファ層により背灰で初めて実現−」、［online］、２００５年４月６日、東北大学、［平成２４年８月１７日検索］、インターネット〈URL:http://www.cir.tohoku.ac.jp/j/3activity/seika/seika04/yao.html〉
【非特許文献３】ＮＴＴ持株会社ニュースリリース、［online］、平成２４年１２月４日、ＮＴＴ持株会社、［平成２４年８月１７日検索］、インターネット〈URL:http://www.ntt.co.jp/news2012/1204/120411b_4.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、金属層を形成する金属の一例である銅は熱膨張係数が１６×１０−６／Ｋと大きいのに対し、半導体層の一例である窒化ガリウムは熱膨張率が５．６×１０−６／Ｋと銅と比較して小さい。したがって、半導体デバイスの製造工程において半導体層と金属層との間に大きな熱応力が生じるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、半導体デバイスの製造工程において半導体層と金属層との間に大きな熱応力が生じることが抑止できる半導体デバイスの製造方法、および製造工程および使用時において、半導体層と金属層との間に大きな熱応力が生じることのない半導体デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、半導体デバイスの製造方法に関し、半導体層上に導電層を介して金属層を形成する金属層形成工程を有し、前記金属層形成工程において、前記金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の態様も半導体デバイスの製造方法に関し、単結晶基板上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層における前記単結晶基板とは反対側の面に導電層を介して金属層を形成する金属層形成工程と、前記半導体層から前記単結晶基板を剥離する単結晶基板剥離工程とを有し、前記金属層形成工程において、前記金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ前記金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させることを特徴とする。
【００１４】
半導体層と金属層とからなる半導体デバイスにおいて、半導体層と金属層との間の熱応力は、主に面方向の熱膨張係数の差に起因して生じると思料される。
しかしながら、前記半導体デバイスの製造方法においては、金属層形成工程において、金属層の内部に半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する板状部材を配置させることにより、金属膜の面方向の熱膨張係数は小さくなる。
これにより、前記半導体デバイスの製造方法によれば、半導体層の表面に金属層を形成した後の製造工程において半導体層と金属層との間に大きな熱応力が発生することが抑止され、且つ熱伝導度が向上し放熱に寄与する。
しかも、半導体層上に導電層を介して金属層が形成され、板状部材の複数の貫通孔が金属層で埋められるため、半導体層と金属層とが導通し、例えばＬＥＤに適用すると好適である。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の半導体デバイスの製造方法において、前記金属層形成工程においては、金属層を電鋳法で形成することを特徴とする。
【００１６】
前記半導体デバイスの製造方法においては、金属層を電鋳法で形成しているから、厚い金属層を形成する場合においても短期間で金属層を形成できる。また、板状部材が半導体層の面に沿い、且つこの面に接着した状態で配置されるので金属層を薄く形成できる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１または第２の態様の半導体デバイスの製造方法において、前記半導体層が窒化ガリウム層であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１または第２の態様の半導体デバイスの製造方法において、前記板状部材がセラミック、ガラスまたは金属であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１または第２の態様の半導体デバイスの製造方法において、前記板状部材の厚さは１０〜５０μｍ、前記貫通孔の孔径は５〜５００μｍであることを特徴とする。
【００２０】
前記半導体デバイスの製造方法において、板状部材の厚さが１０μｍより薄いと半導体層上に重ねる際、強度が劣って折れる恐れがあり、５０μｍより厚くすると金属層が厚くなり薄型化が図れない。また、貫通孔の孔径が５μｍより小さくすると導電層の金属が貫通孔に埋まらない恐れがあり、５００μｍより大きくすると貫通孔の個数にもよるが板状部材の強度が劣って半導体層上に重ねる際、板状部材が折れる恐れがある。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１または第２の態様の半導体デバイスの製造方法において、前記半導体層が窒化ガリウム層であり、前記単結晶基板がサファイア基板であることを特徴とする。
【００２２】
前記半導体デバイスの製造方法において、半導体層として使用される窒化ガリウムは、耐熱性に優れ、バンドギャップが大きいから、耐電圧が高く、且つ動作速度の速い半導体デバイスが製造できる。
【００２３】
本発明の第８の態様は、半導体デバイスに関し、半導体層と、この半導体層の上に導電層を介して形成される金属層とを有し、この金属層の内部に、前記半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有し且つ金属層で埋められる複数の貫通孔を有する板状部材を配置させてなることを特徴とする。
【００２４】
前記半導体デバイスにおいては、金属層の内部に半導体層の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する板状部材が配置されているから、金属層の半導体層の面に沿った方向の熱膨張および熱収縮が抑制される。したがって、製造工程において半導体層と金属層との間に大きな熱応力が生じることが抑制される。しかも、板状部材は金属層で埋められる複数の貫通孔を有しているため、半導体層と金属層とが導通し、例えばＬＥＤに適用すると好適である。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように本発明によれば、半導体層と金属層との間に大きな熱応力が生じることが抑止できる半導体デバイスの製造方法、および半導体層と金属層との間の熱応力が小さく、特に、電着により金属が成長する電鋳の採用により半導体層と金属層との間が完全に密着され熱伝導度の向上によって放熱効果が優れた半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の半導体デバイスの製造方法の例を示す工程図である。
【図２】図１に示す半導体デバイスの製造方法で使用される電鋳装置の例について構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の半導体デバイスの製造方法の例について図面を用いて説明する。なお、以下の例は、半導体層として窒化ガリウム層１を用いた例である。
図１（Ａ）に示すように、単結晶基板であるサファイア基板２の表面にバッファ層３を形成する。バッファ層３に使用されるものとしては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、一窒化クロム（ＣｒＮ）などが挙げられる。
【００２８】
次に、図１（Ｂ）に示すように、ガリウム層形成工程においてサファイア基板２のバッファ層３の表面にエピタキシャル法などにより窒化ガリウム（ＧａＮ）の層を形成する。窒化ガリウム層１の厚さは、例えば０．５〜１０μｍ、好ましくは０．８〜８μｍの範囲とすることができるが、窒化ガリウム層１の厚さは、図１（Ｅ）に示すように完成品として得られる窒化ガリウム基板４の用途に応じて適宜設定できる。また、得られた窒化ガリウム基板４から垂直構造型ＬＥＤを製造する場合には、バッファ層３の上にｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上にアクティブ多重量子井戸（ＭＱＷ）層を形成し、更にその上にｐ型窒化ガリウム層を形成してもよい。
【００２９】
次に、図１（Ｃ）に示すように、金属層形成工程で、窒化ガリウム層１におけるサファイア基板２とは反対側の面に、銅またはニッケル等の導電層５を電着して窒化ガリウム基板半成品６を形成する。そして、この導電層５を介して複数の貫通孔７を有する板状部材８を配置させる。この板状部材８は、窒化ガリウム層１の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有するセラミックまたはガラスまたはインバー（鉄、ニッケル合金）等の金属で形成されている。
【００３０】
そして、図１（Ｄ）に示すように、後述する電鋳法を用いて金属層９を形成することにより、この金属層９で板状部材８が覆われるとともに板状部材８の複数の貫通孔７が金属層９の金属で埋められる。
この金属層９を形成するための金属としては、熱伝導性および導電性の点で銅が好ましいが、銅合金、ニッケル、ニッケル合金でも良い。金属層９の厚みは、熱膨張をコントロールするという点で窒化ガリウム基板４の用途または板状部材８厚みに応じて適宜設定できるが、通常は５〜１００μｍ程度であり、好ましくは１０〜５０μｍ程度であり、更に好ましくは１５〜３０μｍ程度である。
【００３１】
板状部材８は、厚さが１０〜５０μｍが好ましい。１０μｍより薄いと窒化ガリウム層１上に重ねる際、強度が劣って折れる恐れがあり、５０μｍより厚くすると金属層９が厚くなり薄型化が図れない。
また、貫通孔７の孔径は５〜５００μｍが好ましい。５μｍより小さくすると金属層９の金属が貫通孔７に埋まらない恐れがあり、５００μｍより大きくすると貫通孔７の個数にもよるが板状部材８の強度が劣って窒化ガリウム層１上に重ねる際、板状部材７が折れる恐れがある。
【００３２】
金属層９が形成されたら、図１（Ｅ）に示すように、サファイア基板剥離工程において窒化ガリウム層１からサファイア基板２を剥離する。
サファイア基板２の剥離には、サファイア基板２の側からレーザ光を照射してサファイア基板２を剥離するレーザーリフトオフ法、およびバッファ層３を化学薬品によって溶解するケミカルリフトオフ法が使用できる。また、バッファ層３が窒化ホウ素のように劈開製のあるものであれば、バッファ層３の劈開性を利用してサファイア基板２を剥離してもよい。
【００３３】
このようにして得られた窒化ガリウム基板５において、窒化ガリウム層１と金属層９とは導電層５を介して導通しているため、窒化ガリウム層１と金属層９とに電源１０を接続すればＬＥＤとして使用することができる。
【００３４】
以下、図１で詳述した上記例において、電鋳法で金属層８を形成するのに使用される電鋳装置１１について図２を用いて説明する。
図３に示すように、電鋳装置１１は、電鋳浴１２を収容する電鋳槽１３と、陽極１４と、直流電源１５とを備えている。電鋳槽１３の内部には、サファイア基板２とその上に窒化ガリウム層１と板状部材８が形成された窒化ガリウム基板半成品４が陽極１４と並行に向かい合うように配設されている。
陽極２１は、金属層９を形成する金属と同種の金属の板が使用される。したがって、金属層９として銅の層を形成する場合は陽極１４としては銅板が使用される。
【００３５】
窒化ガリウム基板半成品４は直流電源１５の陰極に、陽極１４１は直流電源１５の陽極に接続される。なお、電解電圧をかける前に窒化ガリウム基板半成品４である板状部材８の面を蒸着によりニッケルでコートし、その後、銅をコートしておく必要がある。この組合せは、チタンと銅、チタンとニッケルと銅等、任意の組合せが可能である。
【００３６】
金属層９として銅の層を形成する場合は、電鋳浴１２としては、硫酸銅浴、ホウフッ化銅浴、ケイフッ化銅浴、チタンフッ化銅浴、アルカノールスルフォン酸、およびピロリン酸銅浴などが使用される。電流密度および溶液温度などの電鋳条件は、電鋳浴２３の種類に応じて適宜設定できる。なお、金属層９として銅の代わりに、ニッケル、コバルト、鉄を利用できるが、これら３つの金属の合金を含む化合物の塩として塩化物塩、硫酸塩、スルファミン酸塩などが使える。
【００３７】
かかる電鋳装置１１において、直流電源１５により電解電圧をかけると、電鋳浴１２中の例えば硫酸銅が窒化ガリウム基板半成品４である板状部材８の面に電着して、板状部材８は硫酸銅である金属層９で覆われとともに板状部材８の複数の貫通孔７が金属層９で埋められる。
このようにして、窒化ガリウム層１の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する板状部材８が金属層９の内部に配置されるため、金属層２と窒化ガリウム層１との間の熱応力の発生をより効果的に抑止できる。
【００３８】
以上、半導体層が窒化ガリウム層１であり、単結晶基板としてサファイア基板２を使用した例について説明したが、本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体層として窒化ガリウム以外の半導体、例えば炭化珪素を使用し、単結晶基板としてサファイア基板以外のものを使用する半導体デバイスの製造方法にも適用できる。
【００３９】
実施例
先ず、トリメチルガリウムとアンモニアとを用いるＭＯＣＶＤ法、および塩化ガリウムとアンモニアとを用いるハイドライドＶＰＥ法により、サファイア基板２の表面に窒化ガリウムからなるバッファ層３を形成し、次いで、バッファ層３の上に厚さ０．５〜１０μｍの窒化ガリウム膜１を形成して窒化ガリウム基板半成品６を得た。
【００４０】
次に、得られた窒化ガリウム基板半成品６を、図２に示す電鋳装置１１の電鋳槽１３の内部に装着し、電鋳槽１３を、電鋳浴１２で満たした。電鋳浴１２としては、表１の組成を有する硫酸銅浴とピロリン酸銅浴とを用いた。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
なお、板状部材８は、厚さが３０μｍ、貫通孔７の孔径が３００μｍのものを用いた。
【００４３】
そして、直流電源１５の陰極を窒化ガリウム基板半成品４に、陽極を銅板からなる陽極１４に接続し、電鋳浴の液温を１５〜６５℃に保持して電流密度１〜１０Ａ／ｄｍ２で電鋳を行った。その結果、窒化ガリウム層１におけるサファイア基板２とは反対側の面に、板状部材８を覆うように厚さ１００μｍの銅からなる金属層９を形成した。
【００４４】
金属層９が形成されたら、サファイア基板１の側から強度０．２５Ｊ／ｃｍ２のレーザ光を照射し、サファイア基板２と窒化ガリウム層１との境界において窒化ガリウムを溶解させてサファイア基板２を剥離し、窒化ガリウム基板４を得た。
【００４５】
次いで、金属層９の面方向の熱膨張率を測定した。３次元測定機上にホットプレートを設置し、金属層２を加熱しながら各温度でのピッチを測定し、熱膨張率を求めた。
その結果、金属層９の熱膨張率は、５．８×１０−６／Ｋであり、板状部材８を有さない場合の金属層の熱膨張率１６×１０−６／Ｋよりも遥かに小さく、窒化ガリウムの熱膨張率である５．６×１０−６／Ｋに近い値を示した。
【符号の説明】
【００４６】
１    窒化ガリウム層（半導体層）
２    サファイア基板（単結晶基板）
５    導電層
７    貫通孔
８    板状部材
９    金属層
１１  電鋳装置
【図１】
2014094871.tif 000004
【図２】
2014094871.tif 000005