(57)【要約】      （修正有）【課題】活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、歩留まりの低下を抑えた半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】成長基板１１の上に活性層１３を含む半導体膜１５を成長する工程と、半導体膜１５の上に支持基板１６を接合する工程と、半導体膜１５と成長基板１１との界面における所定の成長領域に、半導体膜１５に平行な方向からレーザ光ＬＢを照射して成長基板１１を剥離する工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板の上に活性層を含む半導体膜を成長する工程と、
前記半導体膜の上に支持基板を接合する工程と、
前記半導体膜と前記成長基板との界面における所定の成長領域に、前記半導体膜に平行な方向からレーザ光を照射して前記成長基板を剥離する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記所定の成長領域は、空洞含有層であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記成長基板を剥離する工程における前記レーザの照射は、前記前記支持基板及び前記半導体膜の接合体を前記レーザ光に対して移動させながら行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記移動は、前記半導体膜に垂直な方向を軸として前記接合体を回転させて行うことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記成長基板を剥離する工程は、前記所定の成長領域以外の前記半導体膜の露出部分を前記レーザ光に対して不透明なマスクで覆う工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項６】
前記成長基板は、前記半導体膜と同種の結晶系の半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項７】
前記成長基板は、前記レーザ光に対して不透明であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項８】
前記成長基板は、前記レーザ光に対して透明であって、
前記成長基板の表面に凹凸構造を形成する工程をさらに含み、
前記半導体膜を成長する工程は、前記成長基板の表面の凹部に前記所定の成長領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項９】
前記レーザの照射は、少なくとも２以上のレーザ光源を用いて同時にレーザ光を照射して行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体膜は窒化物化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード等の半導体発光素子は、成長基板上にｎ層、活性層、ｐ層等で構成される半導体膜を形成して製造される。半導体膜の形成にあたっては、結晶を格子定数の一致する同種の基板上にエピタキシャル成長させることが望ましい。しかし、ＧａＮ系窒化物半導体の場合、ＧａＮ単結晶基板の作製が困難であり、高価であることから、異種基板であるサファイア基板などが用いられることがある。
【０００３】
もっとも、サファイア基板は熱伝導率が低いため、半導体膜の形成後にシリコン等からなる別の基板を支持基板として接合し、成長基板を剥離することが行われている。その際、サファイア基板の結晶成長面とは反対側（裏面）からレーザを照射し、サファイア基板と半導体膜との界面近傍の成長層を分解して成長基板を剥離させる、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）法が一般的に用いられている。
【０００４】
レーザを照射すると、ＧａＮ層とサファイア基板との界面において、分解により液体Ｇａと窒素ガスが発生し、体積膨張が生じる。そのため、窒素ガスの圧力によって、半導体膜にクラックが発生する場合がある。そこで、特許文献１には、窒素ガスを除去するための空気孔として、エピタキシャル成長の最上面から半導体膜と成長基板との界面まで達する溝を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１１５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、サファイア基板の裏側から結晶成長面に垂直にレーザを照射する従来のレーザリフトオフ法では、成長面にレーザを照射するため、界面で吸収しきれなかったレーザ光の一部が活性層に到達する可能性があり、構造の変化を引き起こす等、半導体膜に少なからず悪影響が生じる。また、溝を形成するための工程が新たに増えるため、歩留まり低下の原因となる。
【０００７】
さらに、サファイア基板の裏側から結晶成長面に垂直にレーザを照射する方法は、レーザが異種基板であるサファイア基板を透過してＧａＮ層で吸収されることを前提とするものであるため、レーザ光を透過しない基板（例えば同種基板であるＧａＮ基板）の場合には用いることができない。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、歩留まりの低下を抑えた半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。また、同種基板、異種基板を問わずレーザリフトオフによる成長基板の剥離を行うことが可能な半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、成長基板の上に活性層を含む半導体膜を成長する工程と、前記半導体膜の上に支持基板を接合する工程と、前記半導体膜と前記成長基板との界面における所定の成長領域に、前記半導体膜に平行な方向からレーザ光を照射して前記成長基板を剥離する工程と、を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１の半導体素子の製造方法の成長基板除去工程前における、構造体の断面図である。
【図２】実施例１の半導体素子の製造方法の成長基板除去工程における、レーザリフトオフを示す断面図である。
【図３】半導体膜に垂直な方向から見たレーザ光の照射を模式的に示す平面図である。
【図４】レーザの口径および縦方向の径を絞るためのフィルタを示す図である。
【図５】複数のレーザを用いてレーザリフトオフを行う場合のレーザの配置を模式的に示す図である。
【図６】実施例２の空洞含有層形成工程を示す図である。
【図７】実施例２の成長基板除去工程における、レーザ光の照射を示す断面図である。
【図８】実施例３の成長基板加工工程を示す断面図である。
【図９】実施例３の成長基板除去工程における、レーザ光の照射を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施例について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１に係る半導体素子の製造方法における、成長基板除去工程前の段階での構造体の断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、成長基板除去工程の際のレーザ照射の様子を示す断面図であり、図３（ａ）はそれを垂直方向から見た平面図である。以下、これらを参照しつつ本実施例に係る半導体製造方法の各工程について説明する。
【００１３】
［半導体膜形成工程］
まず、成長基板１１としてＧａＮ基板を用意し、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の容器内のサセプタに載置する。水素雰囲気中で容器内の温度を例えば１０００℃まで昇温させ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を供給して、成長基板１１の表面にｎ−ＧａＮ層約２μｍを成長する。これにより、成長基板１１上にｎ型半導体層１２を形成する。
【００１４】
続いて、例えば温度約７７０℃でＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3を供給し、膜厚約４．０ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長する。また、ＴＥＧ、ＮＨ3を供給し、膜厚約４．０ｎｍのＧａＮ障壁層を成長する。これを４周期分繰り返すことにより、ｎ型半導体層１２の上にＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる中間層（図示せず）を形成する。
【００１５】
続いて、例えば温度約７５０℃でＴＥＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を供給し、膜厚約４．０ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長する。また、ＴＥＧ、ＮＨ3を供給し、膜厚約５．０ｎｍのＧａＮ障壁層を成長する。これを９周期分繰り返すことにより、中間層の上に活性層１３を形成する。
【００１６】
続いて、温度を例えば約８７０℃まで上昇させ、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ3、ＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を供給し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層約４０ｎｍを成長する。引き続きそのままの温度でＴＭＧ、ＮＨ3、ＣＰ２Ｍｇを供給し、ｐ−ＧａＮ層約１００ｎｍを成長する。これにより、ｐ型半導体層１４を形成する。以上の工程により、半導体膜１５が形成される。
【００１７】
［ｐ電極形成工程］
次に、ｐ型半導体層１４の表面にフォトレジストを塗布し、ｐ電極を形成するための領域についてパターニングを行う。続いて、電子ビーム蒸着により、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）及びＡｇを積層する。これらの層は、光放出面であるｐ型半導体層１４へ活性層１３からの光を効率よく反射する役目とｐ型半導体層１４とのオーミック接触を確保する役目とを担う。その後、フォトレジストを除去して、ｐ電極（図示せず）を形成する。
【００１８】
続いて、電子ビーム蒸着によりｐ電極表面を覆うパッド電極を形成した後、ＳｉＯ２をスパッタし、表面全体に絶縁保護膜を形成する。さらに、電子ビーム蒸着を用いてＡｕＳｎを積層し、支持体を接合するための共晶層を形成する。
【００１９】
［支持基板接合工程］
次に、支持基板１６として不純物が添加された導電性のＳｉウエハを用意し、熱圧着により、共晶層を介して半導体膜１５と共晶接合させる。以上の工程により、図１に示すような構造体１０が形成される。
【００２０】
［成長基板除去工程］
次に、図２（ａ）に示すように、構造体１０の側面側、すなわち半導体膜１５に平行な方向から、エキシマレーザ（図中ではＬＢ）を照射する。その際、ｎ型半導体層１２のうち成長基板１１との界面を含む所定の成長領域、すなわちｎ型半導体層１２の一部の領域（以下、ターゲット領域１２ａという）をターゲットとし、それ以外の領域（以下、上側領域１２ｂという）にレーザが照射されないよう、調整を行う。具体的には、例えばｎ型半導体層１２のうち成長基板１１との界面から成長方向に約１μｍの厚さの領域をターゲット領域１２ａとし、レーザ光に対して不透明な遮光マスク２１（例えば、レーザを透過しないＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、真鍮等からなるメタルマスク）で半導体膜１５のうち当該ターゲット領域１２ａより上の部分（上側領域１２ｂ、活性層１３及びｐ型半導体層１４）の側面を覆った後、レーザを照射する。これにより、図２（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１２のターゲット領域１２ａがＧａとＮ2とに分解し、成長基板１１が半導体膜１５から剥離してゆく。
【００２１】
レーザの照射は、構造体１０をレーザ光に対して移動させながら行う。例えば、図３（ａ）に示すように、支持基板１６と半導体膜１５の接合体を含む構造体１０を、その中心を通り、半導体膜に垂直な線を回転軸として回転させる。これにより、照射ポイントがたえず変わるため、熱が一点に集中する等の悪影響を防ぐことができる。なお、移動方法は回転に限られず、構造体１０を界面方向に平行移動させる等、レーザ光の当たる位置を変化させることができる方法であればよい。
【００２２】
レーザの照射にあたり、例えば直径３０００μｍの口径のレーザを用いる場合、図４に示すようにスリットＳＬを設けたフィルタを通すことにより、縦方向の径を例えば１０μｍに絞る。これにより、なるべくターゲット領域１２ａ以外の部分（ｎ型半導体層１２の上側領域１２ｂや成長基板１１の表面）にレーザ光が当たらないよう、制御することができる。
【００２３】
また、照射を行うレーザは１つに限られず、図５に示すように、例えば照射角度（回転角度位置）が異なる複数のレーザを用いて同時に照射を行ってもよい。これにより、成長基板１１を剥離させるまでの時間を短縮することができる。
【００２４】
［ｎ電極形成工程］
成長基板１１を剥離することにより、ｎ型半導体層１２が露出する。そこで、ｎ型半導体層１２の表面にフォトレジストを塗布し、ｎ電極を形成するための領域についてパターニングを行う。続いて、電子ビーム蒸着により、Ｔｉ及びＡｌを積層する。その後、フォトレジストを除去して、ｎ電極（図示せず）を形成する。
【００２５】
なお、ｎ型半導体層１２側はｐ型半導体層１４側と異なり、光放出面となるため、ｎ電極形成のために必要な面積に限って形成することが望ましい。また、光取り出し効率を向上させるため、本工程の前後いずれかにｎ型半導体層１２の露出した表面をＫＯＨなどのアルカリ溶液で処理し表面に凹凸構造を別途形成する工程を設けても良い。
【００２６】
［素子分割工程］
次に、残った構造体１０をダイシングにより切断し、個々の半導体素子に分割する。なお、分割方法はダイシングに限らず、ポイントスクライブ／ブレイキング、レーザスクライブなどにも利用可能である。
【００２７】
以上の工程により、半導体素子を製造する。この製造方法によれば、レーザが側面側から照射されるため、半導体膜１５に入射したレーザ光が活性層１３に達することはない。従って、レーザ光が半導体膜に与えるダメージ等の悪影響を低減することができる。また、ｎ型半導体層１２のレーザ光が照射された領域が分解してゆくのに伴いＮ2が側面から順次抜けていくため、Ｎ2を抜けさせるための溝（例えばエピタキシャル成長の最上面から半導体膜と成長基板との界面まで達する溝）を形成する必要がなく、工程の増加による歩留まりの低下を抑えることができる。
【００２８】
また、レーザ光が成長基板を透過する必要がないため、レーザ光に対して不透明な基板を成長基板１１として用いた場合にも、レーザリフトオフによる剥離を行うことができる。従って、格子不整合がない同種の結晶系の半導体基板を成長基板としてレーザオフを行うことにより、発光効率の高い半導体素子を製造することが可能となる。なお、ＧａＮ基板はサファイア基板に比べて高価であるが、本実施例のような側面からの照射であれば、基板のごく表面部分（数μｍ）にしかレーザ光が当たらないため、剥離した後に再利用することが可能であり、コストの低減を図ることができる。
【実施例２】
【００２９】
実施例２に係る半導体素子の製造方法は、成長基板１１と半導体膜１５との間に空洞含有層３１を形成する点、及び成長基板除去工程において空洞含有層３１をターゲット領域としてレーザ照射を行う点で、実施例１と異なる。それ以外の工程に関しては、実施例１と同様である。そこで、本実施例に特有の工程である空洞含有層形成工程と成長基板除去工程について、以下に詳細に説明する。
【００３０】
図６（ａ）〜（ｄ）は、成長基板１１の上に空洞含有層３１を形成する工程について説明する図である。図７は、成長基板除去工程の際のレーザ照射の様子を示す断面図である。
【００３１】
［空洞含有層形成工程］
まず、成長基板１１としてサファイア基板を用意し、結晶成長装置の容器内のサセプタに載置する。水素雰囲気中で１０００℃に昇温し、１０分間加熱してサーマルクリーニングを行う。続いて、図６（ａ）に示すように、成長基板１１の表面上に低温バッファ層３１ａを形成する。具体的には、例えば約５００度でＴＭＧ、ＮＨ3を供給し、膜厚３００ｎｍ程度のＧａＮからなる低温バッファ層３１ａを形成した後、ＴＭＧの供給を停止して雰囲気温度を１０００℃まで昇温して結晶化させる。この低温バッファ層３１ａは、成長基板１１と半導体膜１５との格子不整合を緩和する緩衝層として機能するとともに、空洞含有層３１を形成するための下地を形成する。
【００３２】
次に、雰囲気温度を１０００℃に保ったまま、窒素及び水素の雰囲気下で、主に縦方向成長が助長される成長条件で成膜を行う処理（以下、第１ステップと称する）と、主に横方向成長が助長される成長条件で成膜を行う処理（以下、第２ステップと称する）を交互に各４回ずつ行うことにより、膜厚４００ｎｍ程度の空洞含有層３１を完成させる。縦方向成長、横方向成長は、例えば、成長速度、Ｖ／III比、成長温度等の条件を変えることにより切替えることができる。
【００３３】
より詳細には、第１ステップにおいては、例えばＴＭＧとともにＮＨ3を供給し、図６（ｂ）に示すように、膜厚２０ｎｍ程度の第１のＧａＮ層３１ｂ１を低温バッファ層３１ａ上に形成する。この第１ステップでは、ＧａＮ膜の構成元素の分解・脱離が生じにくい部分を中心に主にＧａＮ膜の縦方向成長が起こる。
【００３４】
第２ステップにおいては、例えば第１ステップとは異なるＶ／III比及び雰囲気温度の下で、ＴＭＧとＮＨ3とを供給し、図６（ｃ）に示すように、膜厚８０ｎｍ程度の第２のＧａＮ層３１ｂ２を形成する。この第２ステップでは、主に第１ステップを経て縦方向に成長した第１のＧａＮ層の頂部を起点としてＧａＮ膜の横方向成長が起こる。
【００３５】
この第１ステップおよび第２ステップを交互に複数回（例えば、４セット）繰り返すことにより、図６（ｄ）に示すように、空洞ＶＤ（ボイド）が面内に形成された空洞含有層３１が形成される。
【００３６】
［成長基板除去工程］
半導体膜１５を成長し、支持基板１６を接合した後、図７に示すように、空洞含有層３１をターゲット領域として、半導体膜１５と平行に側面からレーザを照射する。その際、空洞含有層よりも上側の半導体膜１５の側面の露出部分を遮光マスク２１で覆って、レーザを照射する。なお、実施例１の場合と同様、構造体１０を水平方向に回転させながらレーザ照射を行う。これにより、空洞含有層３１がＧａとＮ2とに分解し、成長基板１１が半導体膜１５から剥離する。
【００３７】
以上のような工程により、半導体素子を製造する。本実施例に係る製造方法によれば、空洞が多数存在する空洞含有層３１をターゲット領域としてレーザ照射を行うため、成長基板１１の剥離が容易となる。従って、レーザ光が活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、比較的短時間で半導体素子を製造することができる。
【００３８】
なお、成長温度等の条件を適宜変えることにより、空洞含有層の空洞占有率等を変えることは可能である。また、本実施例では成長基板１１としてサファイア基板を用いたが、実施例１と同様、レーザリフトオフの際にレーザ光を異種基板に透過させる必要がないため、成長基板１１としてレーザ光に対して不透明な基板、例えば同種基板であるＧａＮ基板を用いることも可能である。従って、格子不整合がない同種の結晶系の半導体基板を用いることにより、発光効率の高い半導体素子を製造することができる。また、実施例１と同様、成長基板１１のごく表面部分（数μｍ）にしかレーザ光が当たらないため、剥離した後に再利用することが可能であり、コストの低減を図ることができる。
【実施例３】
【００３９】
実施例３に係る半導体素子の製造方法は、成長基板１１としてサファイア基板を用いる点、成長基板１１の表面を加工して凹凸構造を形成する点、凹凸構造の上に成長した半導体領域をターゲット領域としてレーザ照射を行う点で、実施例１と異なる。それ以外の工程に関しては、実施例１と同様である。そこで、本実施例に特有の工程である成長基板加工工程と、半導体膜形成工程及び成長基板除去工程について、以下に説明する。
【００４０】
［成長基板加工工程］
成長基板１１としてサファイア基板を用意し、フォトリソグラフィー技術を用いて基板表面を例えば格子状にパターニングする。続いて、成長基板１１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の容器内に載置し、パターニングに沿って基板表面を例えば約１μｍの深さまでエッチングする。これにより、成長基板１１の表面には図８（ａ）に示すような格子状のパターンの凹凸構造４１（凹部４１ａ、凸部４１ｂ）が形成される。その際、成長基板１１の断面は、図８（ｂ）に示すような形状となる。
【００４１】
［半導体膜形成工程］
続いて、成長基板１１を結晶成長装置の容器内のサセプタに載置する。水素雰囲気中で例えば１０００℃に昇温し、１０分間加熱してサーマルクリーニングを行う。続いて、約５００度でＴＭＧ、ＮＨ3を供給して膜厚３００ｎｍ程度のＧａＮからなる低温バッファ層を形成し、雰囲気温度を１０００℃まで昇温して結晶化させる。
【００４２】
次に、雰囲気温度１０００℃中で、ＴＭＧ、ＮＨ3を供給し下地ＧａＮ層約１μｍを形成する。これにより、凹凸構造４１を覆うようにノンドープのＧａＮ層である下地ＧａＮ層５１が形成される。続いて、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を供給し下地ＧａＮ層５１の上にｎＧａＮ層を約４μｍ成長し、ｎ型半導体層１２を形成する。
【００４３】
［成長基板除去工程］
半導体膜１５を成長し、支持基板１６を接合した後、図９に示すように、成長基板１１の凹凸構造４１に形成された下地ＧａＮ層５１をターゲット領域として、半導体膜１５と平行に側面からレーザを照射する。本実施例では、成長基板１１としてレーザ光に対して透明なサファイア基板を用いているため、レーザ光は成長基板１１の凸部４１ｂを透過して、凹部４１ａに形成された下地ＧａＮ層５１で吸収される。なお、実施例１の場合と同様、構造体１を水平方向に回転させながらレーザ照射を行う。これにより、下地ＧａＮ層５１がＧａとＮ2とに分解し、成長基板１１が半導体膜１５から剥離する。
【００４４】
以上のような工程により、半導体素子を製造する。本実施例に係る製造方法によれば、レーザ光は、サファイア基板を透過しつつ、基板表面の凹凸構造４１により小さな領域毎に区分けされた下地ＧａＮ層５１で吸収・分解されるため、成長基板１１の剥離が容易となる。従って、レーザ光が活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、比較的短時間で半導体素子を製造することができる。
【００４５】
以上、説明したように、本発明によれば、活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、歩留まりの低下を抑えることが可能な半導体素子の製造方法を提供することができる。また、格子不整合がない同種の結晶系の半導体基板を成長基板として用いることにより、発光効率の高い半導体素子を製造することができる。さらに、レーザを照射するターゲット領域として空洞含有層や成長基板表面の凹凸構造の上に形成された下地ＧａＮ層を用いることにより、成長基板の剥離を容易に行うことができるため、レーザ光が活性層等の半導体膜内部に与えるダメージを低減しつつ、製造時間の増大を抑えることが可能となる。
【００４６】
なお、上記した実施例は適宜改変して、又は組み合わせて適用することができる。また、上記した数値、材料、結晶系などは例示に過ぎない。適宜改変して適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  構造体
１１  成長基板
１２  ｎ型半導体層
１３  活性層
１４  ｐ型半導体層
１５  半導体膜
１６  支持基板
２１  遮光マスク
３１  空洞含有層
４１  凹凸構造
５１  下地ＧａＮ層
【図１】
2015088701.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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