(57)【要約】【課題】  基板と半導体膜を分離する技術に関し、汎用性の高い分離技術を提供する。【解決手段】  半導体膜の製造方法であり、成膜工程と照射工程と剥離工程を有する。成膜工程では、基板２０と半導体膜４の界面に空間２４が散在している状態で半導体膜４を成長させる。照射工程では、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光４０を界面に向けて照射する。このレーザ照射によって、半導体膜を加熱せずに基板と半導体膜の接着力を低下させることができる。基板から半導体膜を剥離することができる。【選択図】図８
2012004344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態で半導体膜を成膜する成膜工程と、
成膜工程後に、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光を前記界面に向けて照射する照射工程と、
基板から半導体膜を剥離する剥離工程と、
を備える半導体膜の製造方法。
【請求項２】
成膜工程前に、基板表面に凹凸の分布を形成しておく凹凸形成工程を備えており、
成膜工程では、凹凸の分布が形成された基板表面に半導体膜を成長させることを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記基板と前記半導体膜が同じ材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光が、パルスレーザ光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
成膜工程と照射工程の間に、半導体膜中に複数個の半導体領域を作り分ける工程を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の表面に半導体膜を成長させる工程と、成長した半導体膜を基板から分離する工程とを繰返すことによって、同一の基板から複数枚の半導体膜を製造する技術が知られている。この技術によると、基板を再利用することが可能となり、半導体膜を安価に製造することができる。
【０００３】
特許文献１に、サファイア基板の表面に窒化物の半導体膜を成長させた後に、サファイア基板の裏面からレーザ光を照射し、窒化物半導体膜をサファイア基板から分離する技術が開示されている。特許文献１で用いられるレーザ光は、サファイア基板を透過するとともに窒化物半導体膜を透過しない波長域のものが選択されている。これにより、レーザ光はサファイア基板を透過し、サファイア基板に接している窒化物半導体膜の表面に到達して吸収される。その結果、サファイア基板に接している窒化物半導体膜の表面が蒸発し、サファイア基板と窒化物半導体膜が分離する。
【０００４】
特許文献１では、サファイア基板から窒化物半導体膜を剥離しやすくするために、成膜前の基板表面に凹凸の分布を形成する方法を開示している。凹凸の分布を設けた基板表面に窒化物半導体膜を成膜すると、基板と窒化物半導体膜の界面に空間が散在している状態で窒化物半導体膜が成長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３５１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、基板を透過するとともに窒化物半導体膜を透過しないレーザ光を用いて、基板と窒化物半導体膜を分離する。特許文献１の技術で使用できるレーザ光は、基板は透過するが窒化物半導体膜は透過しない波長範囲内に制限されている。このため、基板の材料と半導体膜の材料との組み合わせによっては、使用可能なレーザ光の波長範囲が狭い範囲に制限されてしまう。また、基板の材料と半導体膜の材料の組み合わせによっては、要求を満たす波長域が存在しないこともある。逆に、使用可能なレーザ光の波長が制限されている場合、そのレーザ光で分離可能な基板の材料と半導体膜の材料の組合せが制限されてしまう。特許文献１の技術は、使用可能なレーザ光の波長域が狭く、適用可能な基板の材料と半導体膜の材料との組合せが少なく、汎用性が低いという問題がある。
【０００７】
例えば、特許文献１に示されているサファイア基板と窒化物半導体膜の場合、使用可能なレーザ光の波長域が紫外領域に制限されてしまう。具体的には、使用可能なレーザ光が、エキシマレーザ光又は青色レーザ光に制限されてしまう。このため、例えば、チタンサファイアレーザ光又は基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光といった赤外領域のレーザ光を使用することができない。一般的に、チタンサファイアレーザ光又はＹＡＧレーザ光は高いエネルギーを出力することができることから有用である。なお、チタンサファイアレーザ光の波長は、およそ０．８μｍである。しかしながら、特許文献１の技術では、それらのレーザ光を使用することができない。
【０００８】
本明細書では、基板と半導体膜を分離する技術に関し、汎用性の高い分離技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示する技術は、基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態で半導体膜を成長させ、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光を界面に向けて照射することを特徴とする。例えば基板の側から界面に向けてレーザ光を照射する場合、基板と半導体膜の界面に空間が散在していると、屈折率の差によって、基板から空間に向けて進行するレーザ光の一部が基板と空間の境界面で基板に向けて反射され、空間に隣接する部分の基板を照射するレーザ光のエネルギー密度が高くなる。この結果、空間に隣接する部分の基板が蒸発し、基板と半導体膜の接着力が低下する。
【００１０】
特許文献１の技術でも、基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態の界面を照射するが、界面に空間が散在していることによって得られる光学的効果を認識しておらず、基板を透過するとともに半導体膜を透過しないレーザ光を利用する。本技術では、界面に空間が散在していることによって得られる光学的効果を認識し、その光学的効果を利用する。界面に空間が散在していると、レーザ光が基板と半導体膜の双方を透過するものであっても、散在している空間によって空間に隣接する基板が局所的に過熱して蒸発される現象を利用する。本明細書で開示する技術では、使用可能なレーザ光の波長域が広く、汎用性が高い。
【００１１】
本明細書で開示する技術は、半導体膜の製造方法に使用される。その製造方法は、基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態で半導体膜を成膜する成膜工程と、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光を界面に向けて照射する照射工程と、基板から半導体膜を剥離する剥離工程を備えている。照射工程は、成膜工程の後に実施される。剥離工程は、一般的には照射工程の後に実施されるが、照射工程と剥離工程が同時に実施される場合もある。例えば、基板を浮かした状態で照射工程を実施すると、照射工程中に基板が自重で落下し、結果として剥離工程が実施される場合もある。なお、「基板と半導体膜の界面に空間が散在している」とは、基板と半導体膜の界面に複数の空間が存在することに限定するものではない。基板と半導体膜の界面において、基板あるいは半導体膜が、空間と空間の間に存在することを意味する。すなわち、「基板と半導体膜の界面に空間が散在している」とは、界面の随所にある空間が連通していることも含む。
【００１２】
基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態の界面をレーザ光で照射すると、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光であっても、空間に隣接する部分の基板（あるいは半導体膜）を蒸発させることができる。この結果、基板と半導体膜の接着力を低下させることができる。一般的に、基板を透過するけれども半導体膜を透過しない波長域が狭いのに対し、基板と半導体膜の双方を透過する波長域は広い。本技術によると、利用可能なレーザ光の範囲が拡大される。
【００１３】
成膜工程前に、基板表面に凹凸の分布を形成しておく凹凸形成工程を備えていてよい。この場合、凹凸の分布が形成された基板表面に半導体膜を成長させることによって、基板と半導体膜の界面に空間が散在している状態で半導体膜を成長させることができる。
【００１４】
本明細書で開示する半導体膜の製造方法では、基板と半導体膜が同じ材料であってもよい。特許文献１の技術は、基板の材料と半導体膜の材料が異なる場合にしか適用できない。特許文献１の技術では、基板の格子定数と半導体膜の格子定数が完全に一致していないので、基板の表面に成長する半導体膜の品質の低下が問題となる。一方、本明細書で開示する技術は、基板の材料と半導体膜の材料が同一である場合にも適用することができる。基板の格子定数と半導体膜の格子定数を完全に一致させることができるので、高品質の半導体膜を製造することができる。
【００１５】
レーザ光が、パルスレーザ光であることが好ましい。特に、そのパルス幅が１０ピコ秒以下であることが好ましい。パルスレーザ光は、高いエネルギーを出力することができる。そのため、僅かな時間で空間に隣接している基板（あるいは半導体膜）を蒸発させることができる。半導体膜が加熱される時間を短くすることができるので、半導体膜の特性が低下することを抑制することができる。
【００１６】
成膜工程と照射工程の間に、半導体膜中に複数個の半導体領域を作り分ける工程を備えていてもよい。この場合、複数個の半導体領域によって半導体装置として機能する半導体構造を製造することができる。半導体構造が作りこまれている半導体膜を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本明細書で開示する技術によると、基板と半導体膜の双方を透過する波長のレーザ光によって界面近傍に存在する部分の基板（あるいは半導体膜）を局所的に過熱して蒸発させることができ、使用可能なレーザ光の波長域が広がる。基板と半導体膜を分離する技術に関し、汎用性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の半導体装置の要部断面図を示す。
【図２】実施例１の半導体装置の製造工程のフローチャートを示す。
【図３】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（１）。
【図４】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（２）。
【図５】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（３）。
【図６】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（４）。
【図７】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（５）。
【図８】実施例１の半導体装置の製造工程を模式的に示す（６）。
【図９】実施例２の半導体装置の製造工程を模式的に示す（１）。
【図１０】実施例２の半導体装置の製造工程を模式的に示す（２）。
【図１１】実施例３の半導体装置の製造工程を模式的に示す。
【図１２】実施例４の半導体装置の製造工程を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書で開示される技術的特徴の幾つかを以下に整理して記す。
（特徴１）基板の表面に半導体膜を成長させる成膜工程に先立って、基板の表面に複数の凹凸を形成する工程を有する。
（特徴２）半導体膜を成長させる成膜工程に次いで、半導体膜に半導体素子構造を形成する工程を有する。
（特徴３）基板から半導体膜を剥離する工程は、半導体膜の表面に支持基板を接合する接合工程を含んでいる。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
図１を参照し、半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は縦型であり、支持基板６の表面に設けられている半導体膜４と、半導体膜４の表面に設けられている電極２と、支持基板６の裏面に設けられている電極８を備えている。半導体膜４には半導体素子構造が形成されている。電極２は、半導体素子構造の一部に電気的に接続されている。電極８は、支持基板６を通過している配線（図示省略）によって、半導体素子構造の一部に電気的に接続されている。支持基板６は、半導体膜４が変形することを抑制している。
【００２１】
図２に、半導体装置１０の製造工程のフローチャートを示す。図２に示されるように、半導体装置１０の製造工程では、前処理として半導体基板の表面に凹凸を形成する工程を実施する（Ｓ１，Ｓ２）。半導体装置１０の製造工程では、凹凸の分布が形成された半導体基板の表面に半導体膜を成長し（Ｓ３）、その半導体膜に半導体素子構造を形成する（Ｓ４）。半導体膜と半導体基板は分離され（Ｓ５）、分離後の半導体基板は再利用される。このような工程を経て、半導体装置が完成される（Ｓ６）。
【００２２】
以下、図３〜８を参照し、半導体装置１０の製造方法を詳細に説明する。まず、半導体基板の表面に凹凸の分布を形成する工程について説明する。図３に示すように、表面２２が平坦な半導体基板２０を準備する（図２：Ｓ１）。本実施例では、半導体基板２０の材料に窒化ガリウム（ＧａＮ）が用いられている。次に、半導体基板２０の表面２２にレジスト膜２６を形成する。次いで、図４に示すように、レジスト膜２６を硬化させた後に、レジスト膜２６に複数の開口２８を形成する。開口２８は、電子ビーム（ＥＢ）を用いて形成することができる。開口２８を形成した後に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング装置を利用して、半導体基板２０の表面２２から異方性エッチング（ドライエッチング）を行う。
【００２３】
次に、図５に示すように、残存したレジスト膜２６を除去し、半導体基板２０の表面２２を露出させる。異方性エッチングされた部分（溝２４）と異方性エッチングされなかった部分により、半導体基板２０の表面２２に凹凸の分布２３が形成される（図２：Ｓ２）。溝２４の幅Ｗ２４は、後述するように、選択横成長法で橋が掛かる程度に調整されていることが望ましい。溝の深さＤ２４及び隣接する溝２４と溝２４の間隔Ｗ２５は、レーザ光が集中して半導体基板２０と後述の半導体膜４が分離できる程度に調整されていることが望ましい。一例では、溝２４の幅Ｗ２４は０．２〜１０．０μｍに調整されており、溝２４の深さＤ２４は０．１〜５．０μｍに調整されており、隣接する溝２４と溝２４の間隔Ｗ２５は０．１〜５．０μｍに調整されている。本実施例では、全ての溝２４の幅Ｗ２４が等しく、全ての溝２４の深さＤ２４が等しく、隣接する溝２４と溝２４の間隔Ｗ２５も全て等しい。なお、溝２４は、平面視したときにストライプ状に形成されていてもよいし、格子状に形成されていてもよい。全ての溝２４同士が、図５の断面に表されていない部分で連結していてもよい。
【００２４】
次に、図６に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を利用して、窒化ガリウムの半導体膜４を半導体基板２０の表面にエピタキシャル成長させる（成膜工程、図２：Ｓ３）。半導体膜４の厚みＴ４は、１〜２００μｍに調整されている。このときに、溝２４内が半導体膜４で充填されないように、選択横成長法を利用して半導体膜４を結晶成長させることが望ましい。これにより、半導体基板２０と半導体膜４の間に複数の空間２４が形成される。半導体基板２０と半導体膜４の材料はいずれも窒化ガリウムであり、半導体基板２０と半導体膜４の格子定数が一致する。このため、良好な半導体膜４が結晶成長する。半導体膜４を結晶成長させた後に、半導体膜４に不純物イオンを注入し、必要に応じて絶縁膜、電極等を形成して複数の半導体領域を形成する（図２：Ｓ４）。半導体膜４内に、半導体装置として機能する半導体素子構造が形成される。
【００２５】
半導体膜４を半導体基板２０から分離する工程（図２：Ｓ５）について説明する。分離工程は、半導体膜４に支持基板を接合する接合工程と、半導体基板２０と半導体膜４に形成した空間２４に向けてレーザ光を照射する照射工程とを有する。まず、接合工程について説明する。図７に示すように、ウエハ常温接合技術を利用して、半導体膜４の表面に支持基板６を接合する。ウエハ常温接合技術に代えて、はんだ接合、共晶接合、陽極接合等の技術を利用することもできる。支持基板６には、不純物を含まない半導体層を利用することができる。支持基板６には、半導体領域を形成する工程（Ｓ４）で形成された半導体構造の一部と電極８（図１を参照）とを電気的に接続する配線が配置されている。なお、支持基板６の材料は、シリコン（Ｓｉ）であってもよいし、炭化シリコン（ＳｉＣ），窒化ガリウム等の化合物半導体であってもよく、これらの半導体の表面に金属膜を形成したものであってもよい。あるいは、支持基板６の材料は、銅、アルミニウム等の金属や、ガラス等の絶縁基板であってもよい。
【００２６】
次に、図８に示すように、半導体基板２０の裏面側から半導体基板２０と半導体膜４の界面に向けて極短パルスのレーザ光４０（パルス幅が１０ピコ秒以下のレーザ光）を照射する（照射工程）。レーザ光４０は、半導体基板２０と空間２４の屈折率に差によって、半導体基板２０のうちの隣接する空間２４で挟まれた局所部３６に集中する。半導体基板２０の局所部３６を照射するレーザ光４０のエネルギー密度が高くなり、局所部３６が高エネルギー状態になる。局所部３６が瞬間的に蒸発し、半導体膜４と半導体基板２０の接着力が低下する。分離工程によって半導体膜４と半導体基板２０の接着力を低下させた後に、半導体基板２０から半導体膜４を剥離する（剥離工程）。
【００２７】
なお、分離工程において半導体膜４と半導体基板２０を完全に分離させた後に、剥離工程を実施してもよい。また、分離工程では半導体膜４と半導体基板２０の接着力を低下させるに留め、剥離工程において、半導体基板２０に力を加えて半導体膜４と半導体基板２０を剥離してもよい。あるいは、半導体基板２０を浮かせた状態で照射工程を実施し、半導体基板２０の自重によって半導体膜４と半導体基板２０を剥離してもよい。この場合、照射工程と剥離工程が同時に行われる。
【００２８】
レーザ光４０として、ＹＡＧレーザ光、チタンサファイアレーザ光、ファイバーレーザ等を使用することができる。これらのレーザ光は、半導体基板２０及び半導体膜４に吸収されない。また、パルス幅が１０ピコ秒以下のレーザ光４０は、通常のパルス幅（１ナノ秒〜１ミリ秒）のレーザ光よりも高いエネルギーを出力することができる。このため、半導体基板２０から半導体膜４を瞬間的に剥離することができる。通常のパルス幅のレーザ光を使用する場合と比較して、半導体膜４が高温に晒される時間を短くすることができる。すなわち、パルス幅が１０ピコ秒以下のレーザ光４０を使用すれば、半導体膜４の温度が上昇する前に半導体基板２０から半導体膜４を瞬間的に剥離することができるので、半導体装置１０の特性が低下することを抑制することができる。
【００２９】
半導体基板２０から半導体膜４を剥離した後、半導体膜４の表面に電極２を形成し、支持基板６の表面に電極８を形成することにより、半導体装置１０が完成する（図２：Ｓ６）。なお、半導体基板２０から半導体膜４を剥離した後に、電極２を形成するに先立って、半導体膜４の表面に半導体素子構造を形成してもよい。この場合、上記Ｓ４工程（半導体領域を形成する工程）では半導体膜４と支持基板６とが接触する表面に半導体素子構造を形成し、この段階で半導体膜４と支持基板６とが接触する面とは反対側の表面に半導体素子構造を形成することができる。
【００３０】
なお、半導体膜４から剥離させた半導体基板２０は、半導体膜４を結晶成長させるための半導体基板２０として再利用することができる。すなわち、分離工程（Ｓ５）で生じた半導体基板２０を、成膜工程（Ｓ３）で使用する半導体基板２０として再利用することができる。なお、半導体膜４から剥離させた半導体基板２０の凹凸２３（図５を参照）が変化している場合、半導体基板２０の表層部を平坦化することにより、Ｓ２工程の半導体基板として再利用することができる。いずれの場合も、１つの半導体基板２０を利用して、複数の半導体膜４を製造することができる。
【００３１】
（実施例２）
図９及び図１０を参照し、実施例２の製造方法を説明する。本実施例の製造方法は、半導体基板２０上にレジスト膜２６を形成するまでは、実施例１と同じである（図３を参照）。本実施例の製造方法は、レジスト膜２６に複数の開口２８を形成する方法が異なる。図９に示すように、半導体基板２０上にレジスト膜２６を形成した後、レジスト膜２６を硬化させる前に、凸部８２を有する板材８０をレジスト膜２６に押し付ける。その結果、図１０に示すように、レジスト膜２６には、板材８０の凸部８２に応じた形状が転写され、レジスト膜２６に複数の開口２８が形成される。次いで、レジスト膜２６に向けて紫外線８４を照射し、レジスト膜２６を硬化させる（図４も参照）。その後の工程は実施例１と同じなので省略する。
【００３２】
（実施例３）
図１１を参照し、実施例３の製造方法を説明する。本実施例の製造方法では、半導体基板２０の表面２２に形成する凹凸の形状が実施例１と異なる。すなわち、半導体基板２０と半導体膜４の間に形成される空間１２４の形状が実施例１と異なる。図１１は、照射工程を示しており、実施例１の製造工程における図８に相当する。半導体基板２０の凸部の断面形状は台形であり、半導体膜４に向けて先細りである。換言すると、隣接する凸部の間に位置している空間１２４の形状は、半導体膜４に向けて広がっている。このような形状の空間１２４の場合、空間１２４に達したレーザ光４０が、隣接する空間１２４と空間１２４の間の局所部１３６に集中されやすい。このような形状の空間１２４の場合、空間１２４で反射したレーザ光４０は、凸部の頂面（半導体基板２０と半導体膜４の界面）に向かうほどエネルギー密度が高くなる。半導体基板２０と半導体膜４の界面に近づくほど局所部１３６が高エネルギー状態になり易く、半導体基板２０から半導体膜４を剥離させ易い。
【００３３】
（実施例４）
本実施例の製造方法では、図１２に示すように、半導体基板２０の表面２２側おいて、表面２２に平行な複数の面内に複数の空間２２４が形成されている。すなわち、半導体基板２０の表面２２（半導体基板２０と半導体膜４の界面）だけでなく、半導体基板２０の内部にも表面２２に平行な面内に複数の空間２２４が形成されている。このような半導体基板２０を用いれば、隣接する空間２２４によって四方が囲まれている局所部２３６にレーザ光４０が集中し易い。レーザ光４０のエネルギー密度が高くなり易く、半導体基板２０から半導体膜４を剥離させ易くなる。
【００３４】
上記実施例では、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム膜（半導体膜）を形成する方法を説明した。本明細書で開示する技術では、半導体基板と半導体膜の材料が異なっていてもよい。また、半導体基板及び／又は半導体膜の材料は窒化ガリウムに限定されない。例えば、シリコン、炭化シリコン、サファイア等を使用することもできる。
【００３５】
上記実施例では、基板（窒化ガリウム基板）の表面に開口を有するレジスト膜を形成し、開口に対応する部分の基板をエッチングすることにより、基板の表面に凹凸（溝）を形成している。しかしながら、基板と半導体膜の材料が同じ場合、半導体膜の成膜工程において、原料ガスの供給速度を変化させることにより、半導体膜内の任意の位置に空間を形成することができる。この技術は、基板の表面だけでなく、基板の内部にも空間を形成するときに有用な方法である。なお、この技術を採用すれば、基板の表面に凹凸を形成するために、基板の表面をエッチングすることを省略することができる。
【００３６】
上記実施例では、照射工程においてパルス幅が１０ピコ秒以下レーザ光を使用している。しかしながら、パルス幅が１ナノ秒〜１ミリ秒程度の通常のパルスレーザ光を使用してもよい。あるいは、連続波のレーザ光を使用してもよい。基板と半導体膜の双方を透過するようなレーザ光であれば、どのタイプのレーザ光でも使用することができる。また、照射工程において、レーザ光を半導体膜の側から界面に向けて照射してもよい。
【００３７】
本明細書で開示する技術は、横型の半導体装置にも適用することができる。この場合、支持基板に代えて、金属の冷却器等を接合してもよい。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３９】
４：半導体膜
６：基板
２３：凹凸
２４：空間
４０：レーザ光
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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