(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材基板の上に厚さ１００μｍ以下の窒化物半導体層を形成する第１の工程と、
前記窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層を保持する保持層を形成する第２の工程と、
前記窒化物半導体層における前記母材基板との界面に照射光を照射する第３の工程と、
前記保持層を除去する第４の工程と、
前記第４の工程よりも後に、前記窒化物半導体層の上に所定のデバイス構造を形成する第５の工程とを備え、
前記第３の工程における前記照射光のエネルギーは、前記母材基板のバンドギャップよりも小さく且つ前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第３の工程において、前記保持層は熱膨張係数差に伴う変形から前記窒化物半導体層を保護することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第５の工程よりも後に、前記デバイス構造の上に支持基板を貼り合わせた後、前記窒化物半導体層から前記母材基板を分離する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、前記窒化物半導体層の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記保持層形成材料は光の照射により硬化することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記保持層形成材料はレジスト材料であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記保持層形成材料はネガ型レジスト材料であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
母材基板上に厚さ１００μｍ以下の第１の窒化物半導体層を形成する第１の工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に該第１の窒化物半導体層を保持する保持層を形成する第２の工程と、
前記第１の窒化物半導体層における前記母材基板との界面に照射光を照射する第３の工程と、
前記保持層を除去する第４の工程と、
前記第４の工程よりも後に、前記第１の窒化物半導体層の上に第２の窒化物半導体層を形成する第５の工程とを備え、
前記第３の工程における前記照射光のエネルギーは、前記母材基板のバンドギャップよりも小さく且つ前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第３の工程において、前記保持層は熱膨張係数差に伴う変形から前記第１の窒化物半導体層を保護することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記第２の工程は、前記第１の窒化物半導体層の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程とを含むことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記保持層形成材料は光の照射により硬化することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記保持層形成材料はレジスト材料であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記保持層形成材料はネガ型レジスト材料であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III-Ｖ族窒化物からなる発光ダイオード装置、半導体レーザ装置及び高速トランジスタ装置等の半導体装置の製造方法並びにIII-Ｖ族窒化物からなる半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のIII-Ｖ族窒化物半導体は、発光ダイオード装置や半導体レーザ装置等の発光デバイス及び高温動作可能な高速トランジスタ等の電子デバイスを構成する材料として好適である。
【０００３】
このようなIII-Ｖ族窒化物半導体を含む窒化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体からなる基板上にホモエピタキシャル成長により窒化物半導体を成長してデバイス構造を形成することが望ましいが、良質な窒化物半導体からなる基板を得ることが困難であるため、近年、サファイア基板の上に窒化物半導体をヘテロエピタキシャル成長することによりデバイス構造を形成した後、形成したデバイス構造における母材基板との界面にレーザ光を照射して窒化物半導体を熱分解することによりデバイス構造を母材基板から分離する方法が検討されている。
【０００４】
例えば特開２０００−２５２２２４号公報には、母材基板上に形成された窒化物半導体からなるデバイス構造を、レーザ光を照射することにより母材基板から分離して安価で加工が容易なシリコン等からなる支持基板に移し換える方法が示されている。
【０００５】
以下、第１の従来例として、母材基板の上に形成された窒化物半導体層を支持基板に移し換える方法について図面を参照しながら説明する。
【０００６】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、従来例に係る窒化物半導体層の移し換え方法を示している。
【０００７】
まず、図６（ａ）に示すように、主面の面方位が（０００１）であるサファイア基板１０１の上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりＧａＮからなる窒化物半導体層１０２を形成する。
【０００８】
次に、図６（ｂ）に示すように、窒化物半導体層１０２の上にエポキシ樹脂等の接着層１０３を介してシリコンからなる支持基板１０４を貼り合わせる。
【０００９】
次に、図６（ｃ）に示すように、サファイア基板１０１における主面と反対側の面（裏面）側から、例えばＮｄ−ＹＡＧレーザの３次以上の高調波光又はＫｒＦ（フッ化クリプトン）−エキシマレーザ光等のレーザ光１０５を照射する。これにより、レーザ光１０５はサファイアを透過し、ＧａＮに吸収されるため、窒化物半導体層１０２のサファイア基板１０１との界面においてＧａＮが分解されることにより、窒素が気体となって窒化物半導体層１０２から分離し、主に金属ガリウムからなる分解領域１０２ａが生じる。これにより、サファイア基板１０１と窒化物半導体層１０２との間の結晶結合が切断される。
【００１０】
次に、図６（ｄ）に示すように、レーザ光１０５を走査してサファイア基板１０１の全面に照射することにより、分解領域１０２ａが窒化物半導体層１０２におけるサファイア基板１０１との界面の全面に形成される。
【００１１】
次に、図６（ｅ）に示すように、塩酸等の酸を用いて分解領域１０２ａの金属ガリウムを除去することにより、窒化物半導体層１０２をサファイア基板１０１から分離し、窒化物半導体層１０２を支持基板１０４に移し換えることを可能としている。
【００１２】
第１の従来例によると、サファイア基板１０１が除去されるため、支持基板１０４上に接着層１０３を介して窒化物半導体層１０２を形成することできる。なお、ここでは窒化物半導体層１０２のみを形成しているが、図６（ａ）に示す工程の後に、窒化物半導体層１０２の上に他の窒化物半導体層を順次成長して所望のデバイス構造を形成した後、同様の工程により、サファイア基板１０１から支持基板１０４にデバイス構造を移し換えて窒化物半導体装置とすることが可能である。
【００１３】
また、第１の従来例と同様のレーザ光照射工程を用いて窒化物半導体基板を形成する方法も検討されている。第２の従来例として、Japanese Journal of Applied Phisics 第38巻 L217〜L219 頁に記載された論文には、サファイア基板上に厚さが２００μｍ〜３００μｍのＧａＮからなる窒化物半導体層を成長した後、レーザ光をサファイア基板の裏面側から照射することにより、窒化物半導体層をサファイア基板から分離してＧａＮからなる窒化物半導体基板を得る方法が示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１の従来例によると、図６（ａ）に示す工程の後、結晶成長時の温度から室温にまで冷却される過程において、サファイア基板１０１との熱膨張係数の違いから窒化物半導体層１０２に応力が発生して反りやひずみの原因となる。特に窒化物半導体層１０２の厚さが１００μｍよりも大きいと窒化物半導体層１０２にクラックが発生する。
【００１５】
同様に、第１の従来例を用いて窒化物半導体装置を形成する場合、積層されたデバイス構造の厚さが１００μｍよりも大きいとデバイス構造にクラックが発生し、窒化物半導体装置の歩留まりが著しく低下する。このため、第１の従来例の方法では形成される窒化物半導体層の厚さに制限があるので、例えば半導体レーザではクラッド層として窒化物半導体層を厚く積層する必要があるが、クラッド層として光閉じ込めに十分な効果を得られない等の問題が生じる。また、デバイス構造の厚さが１００μｍよりも小さい場合であっても、例えば他の半導体層を形成した後に生じる反りやエッチングされた部分の凹凸の影響により、支持基板１０４が均一に貼り合わされない場合も多く、窒化物半導体装置の歩留まりが悪い。
【００１６】
そこで、第１の従来例において窒化物半導体層１０２を５μｍ程度に薄く形成し、該窒化物半導体層１０２を下地層として利用することが望ましい。しかし、前記第１の従来例の方法により形成された窒化物半導体層１０２は、以下の理由で下地層として用いることができない。
【００１７】
即ち、サファイア基板１０１上に結晶成長により形成された窒化物半導体層１０２は、サファイア基板１０１の面方位と一致するように（０００１）面を主面として形成されるが、このとき、サファイア基板１０１側の界面側がＶ族原子の配列した面となり、主面側にIII 族原子が配列する。ここで、窒化物半導体層１０２を下地層として他の窒化物半導体層を結晶成長しようとする場合、III 族原子の配列した面の上に成長することが好ましく、Ｖ族原子の配列した面の上では結晶性が悪化しやすい傾向がある。従って、第１の従来例によって得られた支持基板１０４上の窒化物半導体層１０２において、露出した面はＶ族原子の配列した面であるため、結晶性良く窒化物半導体層を成長することはできない。また、窒化物半導体層１０２の主面であるIII 族原子の配列した面の上は、接着層１０３と支持基板１０４とによって覆われているため、他の半導体層を結晶成長するための下地として用いることができない。
【００１８】
このように、第１の従来例では、下地層として利用可能な窒化物半導体層を得ることができないという課題を有している。
【００１９】
また、前記第２の従来例において、窒化物半導体層の貫通欠陥密度が１×１０8 ｃｍ-2以下であると、サファイア基板との熱膨張係数差や格子定数差による歪みが緩和できず、窒化物半導体層の厚さを１００μｍ以上にするとクラックが生じてしまう。そこで、窒化物半導体層の厚さを１００μｍ以上にする場合には、バッファ層等を用いて貫通欠陥密度が１×１０9 ｃｍ-2以上とする必要があり、結晶性が良くない。また、厚さが１００μｍ以下であれば、選択成長等の手法を用いて貫通欠陥密度を１×１０8 ｃｍ-2以下とすることができるが、この場合には機械的強度が不十分であり、基板としての実用性に乏しい。このように、第２の従来例によると、低欠陥で結晶性の良い窒化物半導体基板を得ることができないという問題を有している。
【００２０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、母材基板上にクラック等の欠陥が少なく窒化物半導体層を形成すると共に、形成された窒化物半導体層を下地層又は基板として利用できるようにすること目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、母材基板上の窒化物半導体層に保持層を形成する構成とする。
【００２２】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、母材基板の上に窒化物半導体層を形成する第１の工程と、窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層を保持する保持層を形成する第２の工程と、窒化物半導体層における母材基板との界面に照射光を照射する第３の工程と、保持層を除去する第４の工程とを備えている。
【００２３】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法によると、保持層を形成した後に照射光を照射するため、クラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断することできる。さらに、保持層を除去することにより、窒化物半導体層におけるIII 族原子の配列する面を露出することができる。これにより、窒化物半導体層の上に結晶欠陥の少ない半導体層をさらに結晶成長することができ、窒化物半導体層をデバイス構造を形成するための下地層として用いることが可能となる。
【００２４】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、第４の工程よりも後に、窒化物半導体層の上に所定のデバイス構造を形成する第５の工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、第３の工程によって母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断した後にデバイス構造を形成するため、熱膨張係数差によって生じる応力を小することができ、デバイス構造の厚さ寸法を大きくしても温度変化に伴ってデバイス構造にクラックが発生することがなく、また反りやひずみ等の欠陥も生じにくい。
【００２５】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、第５の工程よりも後に、デバイス構造の上に支持基板を貼り合わせた後、窒化物半導体層から母材基板を分離する工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、デバイス構造に反りやひずみが生じていないため、母材基板とほぼ同面積の領域において、母材基板から分離され且つ支持基板上にデバイス構造が形成された窒化物半導体装置を得ることができ、クラック等の欠陥が少ない窒化物半導体装置を歩留まり良く得ることができる。
【００２６】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、第３の工程における照射光のエネルギーは、母材基板のバンドギャップよりも小さく且つ窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。このようにすると、母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を確実に切断することができる。
【００２７】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、第２の工程は、窒化物半導体層の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程とを含むことが好ましい。このようにすると、保持層形成材料が流動性の材料であるため、窒化物半導体層上の全面に均一に形成することができる。しかも、保持層の形成にスピンコート法を用いることができるため、特別な装置を必要とせずコストの上昇を招くことがない。
【００２８】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、保持層形成材料は光の照射により硬化することが好ましい。このようにすると、第３の工程における照射光の照射によって保持層がさらに硬化されるため、第３の工程において窒化物半導体層にクラックが発生することを確実に防止することができる。
【００２９】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、保持層形成材料はレジスト材料であることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層の特性に影響を与えることなく第２の工程における保持層の形成と第４の工程における保持層の除去とを実施することができる。
【００３０】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、保持層はネガ型レジストであることが好ましい。このようにすると、第３の工程において窒化物半導体層にクラックが発生することを確実に防止することができるのに加えて、窒化物半導体層の特性に影響を与えることなく第２の工程における保持層の形成と第４の工程における保持層の除去とを実施することができる。
【００３１】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、窒化物半導体層は、厚さが１００μｍ以下であることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層をクラックなく形成することが確実となる。
【００３２】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板上に第１の窒化物半導体層を形成する第１の工程と、第１の窒化物半導体層の上に該第１の窒化物半導体層を保持する保持層を形成する第２の工程と、第１の窒化物半導体層における母材基板との界面に照射光を照射する第３の工程と、保持層を除去する第４の工程とを備えている。
【００３３】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法によると、保持層を形成した後に照射光を照射するため、クラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断することできる。さらに、保持層を除去することにより窒化物半導体層の結晶成長面を露出することができるため、母材基板上に形成された窒化物半導体層を窒化物半導体基板として用いることができる。これらにより、クラック等の欠陥が少ない窒化物半導体基板を大面積に得ることができる。
【００３４】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、第４の工程よりも後に、第１の窒化物半導体層の上に第２の窒化物半導体層を形成する工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層における第４の工程の後に露出した面はIII 族原子の配列した面であるため、結晶欠陥を少なく半導体層を形成することができる。これにより、窒化物半導体層と半導体層とによって窒化物半導体基板を形成されるため、半導体層を厚くすることにより十分な強度を有する窒化物半導体基板を形成することができる。
【００３５】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、第２の工程は、第１の窒化物半導体層の上に流動性を有する保持層形成材料を塗布する工程と、塗布された保持層形成材料を硬化する工程とを含むことが好ましい。このようにすると、保持層形成材料を第１の窒化物半導体層上の全面に均一に形成することができると共に、保持層の形成にスピンコート法を用いることによりコストの上昇を招くことがない。
【００３６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、保持層形成材料は光の照射により硬化することが好ましい。このようにすると、第３の工程における照射光の照射によって保持層がさらに硬化され、第１の窒化物半導体層にクラックが発生することを確実に防止することができる。
【００３７】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、保持層形成材料はレジスト材料であることが好ましい。第１の窒化物半導体層の特性に影響を与えることなく保持層の形成と除去とを実施することができる。
【００３８】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、保持層形成材料はネガ型レジスト材料であることが好ましい。このようにすると、第３の工程において第１の窒化物半導体層にクラックが発生することを確実に防止することができるのに加えて、窒化物半導体層の特性に影響を与えることなく保持層の形成と除去とを実施することができる。
【００３９】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、第１の窒化物半導体層は、１００μｍ以下であることが好ましい。このようにすると、第１の窒化物半導体層をクラックを生じることなく確実に形成することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４１】
図１〜図４は、本実施形態の窒化物半導体装置の製造方法についての工程順の断面構成を示している。
【００４２】
まず、図１（ａ）に示すように、サファイアからなる母材基板１１の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、III 族源であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、Ｖ族源であるアンモニアとを供給し、基板温度が約１０００℃の条件で窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる厚さが約５μｍの窒化物半導体層１２を形成する。
【００４３】
母材基板１１は直径が約５．１ｃｍ（約２インチ）で厚さが約３３０μｍ、主面の面方位を（０００１）面として鏡面に仕上げられ、主面の反対側の面である裏面は粗面に仕上げられている。このとき、窒化物半導体層１２は、母材基板１１と面方位が一致するように、主面の面方位を（０００１）面として形成される。ここで、ＭＯＣＶＤ法において、まず母材基板１１の主面には窒素原子が配列し、その上にガリウム原子が配列されるため、形成された窒化物半導体層１２は裏面側が窒素原子の配列したＶ族面となり、主面側がガリウム原子の配列したIII 族面となる。
【００４４】
なお、母材基板１１に対する窒化ガリウムの核（成長核）の形成密度を増加するために、基板温度を約５００℃として結晶成長することによりＧａＮからなる低温バッファ層を形成した後に基板温度を約１０００℃として窒化物半導体層１２を形成してもよい。また、母材基板１１をアンモニア等を用いて窒化処理することにより核の形成密度を増加することもできる。勿論、これら２つの方法を組み合わせて行うことも可能である。
【００４５】
また、窒化物半導体層１２の厚さは約５μｍに限られず、１００μｍ以下であればクラックを発生させることなく窒化物半導体層１２を形成することができる。窒化物半導体層１２の厚さが１００μｍより大きいと、結晶成長時の温度から室温にまで冷却される過程において、母材基板１１との熱膨張係数差によって生じる応力が大きくなり、クラックや割れ等の欠陥が生じやすくなる。
【００４６】
次に、図１（ｂ）に示すように、窒化物半導体層１２の上に、スピンコート法により、保持層形成材料として粘度が約１０００ｃＰのネガ型レジスト材料を用い、回転速度が約６００ｒｐｍの条件で塗布した後、約１００℃でベーキングを行ってネガ型レジスト材料を硬化することにより、厚さが約３０μｍの保持層１３を形成する。ここで、保持層１３を形成するための保持層形成材料として通常のフォトリソグラフィ工程に用いられるネガ型レジスト材料を用いている。
【００４７】
保持層１３は、その厚さが３０μｍ以下であると、後の工程において窒化物半導体層１２を十分に保持することができず、窒化物半導体層１２にクラックや割れ等の欠陥が生じやすくなる。このためのスピンコートの条件は、回転速度を１００ｒｐｍ以上とし、保持層１３の形成に用いるネガ型レジスト材料の粘度を１５０ｃＰ以上とする。回転速度が１００ｒｐｍ以下であると、保持層１３を均一に塗布することができず、また、ネガ型レジスト材料の粘度が１５０ｃＰ以下であると保持層１３の厚さを十分に確保できない。
【００４８】
保持層１３を形成する保持層形成材料をネガ型レジスト材料とすることにより、通常のフォトリソグラフ工程におけるスピンコート法を用いて塗布することができるため、窒化物半導体層１２に反りや凹凸が生じている場合であっても保持層１３を密着性よく均一に形成することができると共に、保持層１３を形成するために特別な装置を必要とせず、コストの上昇を招くことがない。また、レジスト材料は、例えばナトリウム等の窒化物半導体層１２を汚染する物質の含有量が少ないため、窒化物半導体層１２の特性を損なうことなく保持層１３を形成することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、保持層１３を形成する保持層形成材料をネガ型レジスト材料とすることにより、後の工程においてレーザ光を照射して窒化物半導体層１２を分解する過程において、レーザ光によって保持層１３がさらに硬化されるため、窒化物半導体層１２は保持層１３によってより強固に保持されるので、分解領域１２ａ形成時におけるクラックの発生を確実に防止することができる。勿論、保持層形成材料を、ネガ型レジスト材料に変えて、光を照射することによって硬化する感光性樹脂等の材料を用いて同様の効果を得られる。
【００５０】
なお、保持層１３を形成する材料は、ネガ型レジスト材料に限られず、流動性の材料であって硬化させることが可能な材料であればよい。また、例えばナトリウム等の窒化物半導体層１２を汚染する物質の含有量が少ない材料であることがより好ましい。
【００５１】
例えば、保持層１３を形成する材料をポジ型レジスト材料とした場合には、熱処理の時間を長くするなどにより十分に保持層１３を硬化することにより、後の工程においてレーザ光を照射しても保持層１３が分解されて窒化物半導体層１２を保持する機能がなくなることがない。
【００５２】
また、熱硬化性の樹脂、紫外線硬化性の樹脂、空気と接することで硬化する樹脂又は２つの薬剤を混合した後に所定時間で硬化する樹脂等を用いることも可能であり、この場合には、感光性材料に換えてこれらの樹脂をそれぞれスピンコート法により塗布した後、加熱、紫外線照射、所定時間空気中で保持する等それぞれの樹脂に適した硬化を行うことにより保持層１３を形成することができる。
【００５３】
また、室温では固体であって高温で液化する材料、例えばインジウム及び錫等の金属、並びにインジウム及び錫等の金属を含む合金等を用いることも可能であり、この場合にはこれらの材料の融点以上の温度とすることにより液化し、窒化物半導体層１２を加熱した状態で塗布を実施し、室温にまで低下させることにより固化して保持層１３を形成してもよい。
【００５４】
次に、図１（ｃ）に示すように、母材基板１１の主面と反対側の面（裏面）側からレーザ光１４を照射する。レーザ光１４には、波長が約３５５ｎｍのＮｄ（ネオジウム）−ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザの３次以上の高調波光を用い、窒化物半導体層１２の位置において、光密度が０．２Ｊ／ｃｍ2〜２Ｊ／ｃｍ2の間の値となるように直径が約２ｍｍの円形状に集光し、パルス幅を５ｎｓ、パルス周期を１０Ｈｚとして照射する。ここで、レーザ光１４のエネルギーは、サファイアのバンドギャップである８．７ｅＶよりも小さく、且つＧａＮのバンドギャップである３．４ｅＶよりも大きいため、母材基板１１を透過して窒化物半導体層１２における母材基板１１との界面に到達して窒化物半導体層１２に吸収される。
【００５５】
レーザ光１４の照射により、窒化物半導体層１２における母材基板１１との界面が加熱され、窒化物半導体層１２の窒化ガリウムが窒素分子と金属ガリウムとに分解される。これにより、窒素分子は気体となって窒化物半導体層１２から分離されるため、窒化物半導体層１２におけるレーザ光１４の照射された領域は主に金属ガリウムからなる分解領域１２ａとなる。
【００５６】
ここで、レーザ光１４の光密度が０．２Ｊ／ｃｍ2 より小さい値であると窒化物半導体層１２は分解されず、また２Ｊ／ｃｍ2 より大きい値であると母材基板１１までもが分解又は融解して母材基板１１と窒化物半導体層１２とを分離することが困難となる。
【００５７】
なお、本実施形態では分解領域１２ａを形成するための照射光として、エネルギーが大きく且つ集光や光軸制御が容易なレーザ光１４を用いているが、母材基板１１を透過し且つ窒化物半導体層１２を分解するエネルギーを有する光であればよい。
【００５８】
次に、図１（ｄ）に示すように、レーザ光１４を円形状の母材基板１１における円周方向に沿って外周部から内側に走査して窒化物半導体層１２の全面に照射することにより、窒化物半導体層１２における母材基板１１との界面の全領域に分解領域１２ａを形成する。レーザ光１４の走査は、パルス波として照射されるレーザ光１４の隣り合うスポット同士が互いに約１．５ｍｍ幅の重なりを持つように行う。
【００５９】
ここで、レーザ光１４の照射領域において窒化物半導体層１２が加熱されることにより、母材基板１１と窒化物半導体層１２との間の熱膨張係数差によって応力が発生するが、窒化物半導体層１２は保持層１３によって均一に且つ密着して保持されているため、全面にレーザ光１４を照射しても窒化物半導体層１２にクラックが生じることはない。
【００６０】
分解領域１２ａの形成に伴い、母材基板１１と窒化物半導体層１２との間の結晶結合が切断され、窒化物半導体層１２は分解領域１２ａを介して母材基板１１の上に付着された状態となる。
【００６１】
ここで、母材基板１１と結晶結合により結合されている場合の結合力と比べ、窒化物半導体層１２と分解領域１２ａとの結合力は弱いため、窒化物半導体層１２において下層である分解領域１２ａとの間に温度変化に伴って生じる応力は小さくなる。特に、金属ガリウムは融点が約２５℃であり室温では液体であるか又は固体であっても非常に軟らかい金属であるため、窒化物半導体層１２は熱による寸法変化によって応力はほとんど生じない。
【００６２】
次に、図２（ａ）に示すように、有機溶剤を用いて保持層１３を除去する。ここで、金属ガリウムは有機溶剤によって溶解されないので、窒化物半導体層１２は分解領域１２ａを介して母材基板１１に付着された状態を維持することができる。ここで、保持層１３はレジスト材料かならるため除去工程において、窒化物半導体層を汚染することがない。
【００６３】
保持層１３を除去した後、窒化物半導体層１２の表面を酸やアルカリなどによって洗浄しても良い。ただし、塩酸は金属ガリウムを溶解するため、窒化物半導体層１２が母材基板１１から剥離することがあるので、硫酸若しくはリン酸等を主成分とし塩酸を含まない酸、又はアンモニア若しくは水酸化カリウムを主成分とするアルカリを洗浄液として用いることが好ましい。
【００６４】
以上の工程により、母材基板１１の上に分解領域１２ａを介して形成された窒化物半導体層１２を得ることができる。この窒化物半導体層１２は、III 族原子の配列した主面が表面に露出されているため、窒化物半導体層１２を窒化物半導体装置を形成するための下地層として用いることができる。以下の説明では、窒化物半導体層１２の上に面発光型のレーザ素子となるデバイス構造を形成する例について説明する。
【００６５】
まず、図２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、窒化物半導体層１２の上にｎ型のＡｌＮとｎ型のＡｌＧａＮの多層構造からなる第１の多層膜ミラー層１５と、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１の光ガイド層１６と、ＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層１７と、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の光ガイド層１８と、ｐ型のＡｌＮとｐ型のＡｌＧａＮの多層構造からなる第２の多層膜ミラー層１９とが順次結晶成長されたデバイス構造を形成する。
【００６６】
ここで、結晶成長時の温度から室温にまで冷却される過程において、母材基板１１と窒化物半導体層１２上のデバイス構造とは、それぞれの熱膨張係数の違いによりそれぞれ異なる程度に寸法が変化するが、分解領域１２ａによって母材基板１１と窒化物半導体層１２との結晶結合が切断されることにより、熱膨張係数差によって生じる応力を小さくされているため、デバイス構造を１００μｍ以上に厚く形成してもクラックが発生することはなく、また反りやひずみ等の欠陥も生じにくい。
【００６７】
次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、第２の多層膜ミラー層１９の上に直径が約３０μｍの円形状にパターニングされたレジストマスク（図示せず）した後、塩素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング法により、レジストマスクを用いて第１の光ガイド層１６が露出するまで第２の多層膜ミラー層１９、第２の光ガイド層１８及び量子井戸活性層１７を順次エッチング除去し、その後レジストマスクを除去する。これにより、量子井戸活性層１７の平面形状がほぼ円形に形成される。
【００６８】
なお、エッチングは少なくとも量子井戸活性層１７が露出するまで行えばよく、必ずしも第１の光ガイド層１６までエッチングされる必要はない。また、量子井戸活性層１７の形状も円形状に限定されず、四角形状又は多角形状等であっても良い。
【００６９】
次に、図３（ａ）に示すように、金属蒸着法及びフォトリソグラフィ法により、第２の多層膜ミラー層１９の上には金及びニッケルからなる円形のｐ側電極２０を、第１の多層膜ミラー層１５上における量子井戸活性層１７の周囲には、量子井戸活性層１７と間隔を置いて金及びチタンからなるリング形状のｎ側電極２１をそれぞれ形成する。
【００７０】
次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ側電極２０及びｎ側電極２１を、金錫合金からなる半田材２２を介して、例えばシリコンからなる支持基板２３と接着する。ここで、半田材２２は、あらかじめ支持基板２３の下面にｐ側電極２０及びｎ側電極２１と同様の形状にパターニングしたものを用いており、ｐ側電極２０及びｎ側電極２１と半田材２２との位置合わせを行った後、半田材２２の融点以上に加熱することにより、ｐ側電極２０、ｎ側電極２１及び半田材２２を介してデバイス構造を支持基板２３と貼り合わせる。なお、この張り合わせの工程においてデバイス構造と支持基板２３とが均一に接するように、ｐ側電極２０、ｎ側電極２１及び半田材２２のそれぞれの厚さが設定される。
【００７１】
ここで、母材基板１１と窒化物半導体層１２との間には分解領域１２ａが形成されているため、窒化物半導体層１２には熱膨張係数に基づく応力がほとんど生じないため、窒化物半導体層１２をクラックなく形成することができ、反りもほとんど生じないので、窒化物半導体層１２上の全面においてｐ側電極２０及びｎ側電極２１を支持基板２３と均一に接着することができる。
【００７２】
なお、支持基板２３はシリコンに限られず、用途に合わせて材料を選択してもよい。例えば、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）及び燐化インジウム（ＩｎＰ）等を用いると素子の劈開が容易になるという利点がある。また高放熱が要求される用途では、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びダイヤモンド等を用いることができる。
【００７３】
次に、図４（ａ）に示すように、金属ガリウムの融点よりも高い温度に保持することにより金属ガリウムを融解し、真空吸着等によりデバイス構造と母材基板１１とを分解領域１２ａの位置で分離する。このとき、母材基板１１の上面及び窒化物半導体層１２の下面には融解された分解領域１２ａの残渣が付着している。
【００７４】
なお、金属ガリウムの融解時の温度が半田材２２の融点を超えると、デバイス構造と支持基板２３との接着が剥離する可能性があるため、半田材２２の融点以下で行われる必要がある。
【００７５】
次に、図４（ｂ）に示すように、金属ガリウムの融解後に窒化物半導体層１２の下面に付着した金属ガリウムを塩酸等の酸によって除去する。また、母材基板１１は、同様に金属ガリウムを除去した後、窒化物半導体成長用の母材基板として再び使用できる。
【００７６】
以上の工程により、第１の光ガイド層１６、量子井戸活性層１７及び第２の光ガイド層１８を挟む第１の多層膜ミラー層１５と第２の多層膜ミラー層１９とを反射面とする共振器構造が支持基板２３上に形成され、窒化物半導体層１２側の面から紫外域〜紫色域の光を放射する面発光レーザ素子を得ることができる。
【００７７】
前述の一連の工程において、窒化物半導体層１２の上に形成されたデバイス構造は、母材基板１１と窒化物半導体層と１２の結晶結合が切断された状態で形成されることにより、クラックや反り等の欠陥を少なく形成されているため、母材基板１１上のほぼ全面においてデバイス構造と支持基板２３とを均一に接着できるようになる。これにより、母材基板１１のほぼ全面から面発光レーザ素子を得ることができる。
【００７８】
以上説明したように、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法によると、保持層１３を形成することにより、レーザ光１４によって母材基板１１と窒化物半導体層１２とを分離する工程において、熱膨張係数差に伴う変形から窒化物半導体層１２を保護することができるため、窒化物半導体層１２をクラック等の欠陥を少なく得ることができる。また、レーザ光１４を照射した後に保持層１３を除去することが可能であるため、窒化物半導体層１２の主面が露出されるので、窒化物半導体層１２を下地層として用いることが可能となり、半導体デバイス構造体の厚さ寸法を大きくしても欠陥の少ない窒化物半導体装置を歩留まり良く形成することができる。
【００７９】
なお、本実施形態では一例として面発光レーザ素子としてデバイス構造を形成したが、その他の発光素子や高速トランジスタ等を構成するように、窒化物半導体層１２の上に適切な半導体層及び電極を形成することにより所望のデバイス構造を形成してもよい。
【００８０】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態の窒化物半導体基板の製造方法についての工程順の断面構成を示している。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）において、第１の実施形態と同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、本実施形態の窒化物半導体基板の製造方法において、図５（ａ）に示す工程よりも前の工程は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法における図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工程と同様に実施可能であるため、図面を参照することにより詳細な説明を省略する。
【００８２】
まず、図１（ａ）に示す工程と同様に、サファイアからなる母材基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮからなる厚さが約５μｍの窒化物半導体層１２を形成する。ここで、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体層１２は１００μｍ以下とすることによりクラックが生じないようにしている。
【００８３】
次に、図１（ｂ）に示す工程と同様に、スピンコート法によりネガ型レジスト材料を塗布した後、加熱して硬化させることにより厚さが約３０μｍの保持層１３を形成する。
【００８４】
次に、図１（ｃ）に示す工程と同様に、母材基板１１の下面側からレーザ光１４を照射して窒化物半導体層１２を分解することにより、主に金属ガリウムからなる分解領域１２ａを形成する。
【００８５】
次に、図１（ｄ）に示す工程と同様に、レーザ光１４を走査して窒化物半導体層１２の全面に照射することにより、窒化物半導体層１２における母材基板１１との界面の全領域に分解領域１２ａを形成する。ここで、分解領域１２ａにより母材基板１１と窒化物半導体層１２とは結晶結合が切断され、窒化物半導体層１２は分解領域１２ａと弱く結合した状態であるため、窒化物半導体層１２に生じる応力は小さくなる。
【００８６】
次に、図５（ａ）に示すように、有機溶剤を用いて保持層１３を除去することにより、母材基板１１の上に分解領域１２ａを介して付着した窒化物半導体層１２を得ることができる。
【００８７】
ここで、保持層１３を除去した後に、金属ガリウムの融点よりも高い温度に保持することにより、母材基板１１と窒化物半導体層１２とを分解領域１２ａの位置で分離し、窒化物半導体層１２を窒化物半導体基板として用いることが可能である。しかし、このようにして得られた窒化物半導体基板は、厚さ寸法が小さく、支持や搬送に十分な強度を確保できない。そこで、本実施形態においては、以下の工程により窒化ガリウムからなる窒化物半導体基板する。
【００８８】
まず、図５（ｂ）に示すように、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy)法により、III 族源には金属ガリウムとＨＣｌガスとを約８００℃で反応させて得られる気体状の塩化ガリウムを、Ｖ族源にはアンモニアを用いて、それぞれを水素又は窒素等をキャリアガスとして供給すると共に、基板温度を約１０００℃として、窒化物半導体層１２の上に厚さが約３００μｍの窒化ガリウムからなる厚膜半導体層２４を形成する。この工程により、窒化物半導体層１２と厚膜半導体層２４とによって構成される窒化ガリウムからなる窒化物半導体基板２５を得ることができる。
【００８９】
ここで、結晶成長時の温度から室温にまで冷却される過程において、母材基板１１と厚膜半導体層２４とは、それぞれの熱膨張係数の違いから異なる程度に寸法が変化するが、分解領域１２ａによって母材基板１１と窒化物半導体層１２との結晶結合が切断されることにより、熱膨張係数差によって生じる応力を小さくされているため、厚膜半導体層２４を１００μｍ以上に厚く形成してもクラックが発生することはなく、また反りやひずみ等の欠陥も生じにくい。
【００９０】
なお、窒化物半導体層１２と厚膜半導体層２４とが同一の材料により構成されている必要はなく、厚膜半導体層２４に、例えばＡｌＮ及びＩｎＮ等の他のIII-Ｖ族窒化物を用いて異なる窒化物が積層された窒化物半導体基板を形成してもよい。
【００９１】
次に、図５（ｃ）に示すように、金属ガリウムの融点よりも高い温度に保持することにより、母材基板１１と窒化物半導体層１２とを分解領域１２ａの位置で分離し、塩酸等の酸によって分解領域１２ａの残渣を洗浄することにより、厚さが約３００μｍの窒化物半導体基板２５を得ることができる。また、母材基板１１は窒化物半導体基板の形成に再び使用することが可能である。
【００９２】
ここで、厚膜半導体層２４の厚さを調節することにより、必要に応じた任意の厚さの窒化物半導体基板２５を得ることができる。
【００９３】
また、本実施の形態では例示しないが、厚膜半導体層２４の形成時において横方向成長による各種の貫通欠陥低減法を用いることにより、欠陥密度が１×１０6 ｃｍ―2以下となるような結晶性が良好な厚膜半導体層２４を成長することも可能である。
【００９４】
以上説明したように、第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法によると、保持層１３を形成することにより、レーザ光１４によって母材基板１１とを分離する工程において、熱膨張係数差に伴う変形から窒化物半導体層１２を保護することができるため、窒化物半導体層１２をクラック等の欠陥を少なく得ることができる。また、レーザ光１４を照射した後に保持層１３を除去して窒化物半導体層１２の主面を露出することにより、窒化物半導体層１２の上に厚膜半導体層２４を形成することにより厚い窒化物半導体基板２５を形成することができ、クラック等の欠陥が少なく且つ保持及び搬送に十分な強度を有する窒化物半導体基板２５を大面積に形成することができる。
【００９５】
なお、以上に説明した第１及び第２の実施形態において、母材基板１１の直径は５．１ｃｍ（２インチ）に限られず、より大きな直径の母材基板を用いても同様の工程により窒化物半導体装置及び窒化物半導体基板を得ることができる。
【００９６】
また、第１及び第２の実施形態において、母材基板１１は、裏面が粗面に仕上げられている必要はなく、裏面の仕上げ状態が異なる場合には、裏面におけるレーザ光１４の透過率に合わせてレーザ光１４の強度の調整を行うことにより、同様の工程により窒化物半導体装置及び窒化物半導体基板を得ることができる。
【００９７】
また、第１及び第２の実施形態において、母材基板１１を構成する材料はサファイアに限られず、レーザ光１４を透過する材料であればよい。具体的に、レーザ光１４が、２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦエキシマレーザ光や３５５ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光である場合には、サファイアに変えて、スピネルやＡｌＮ等を用いることができる。さらに、レーザ光１４を透過する複数の材料が積層又は複合された基板を用いてもよい。
【００９８】
また、窒化物半導体層１２を構成する材料はＧａＮに限られず、レーザ光１４を吸収する材料であればよい。具体的に、レーザ光１４が２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦエキシマレーザ光や３５５ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光である場合には、ＧａＮに変えてＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどを用いることができる。また、窒化物半導体層１２は同一の材料によって構成されている必要はなく、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ及びこれらの混晶からなる積層構造を成長してもよい。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法によると、クラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断すると共に窒化物半導体層における結晶成長面を露出することができる。これにより、窒化物半導体層の上に結晶欠陥の少ない半導体層をさらに結晶成長せさることが可能となり、窒化物半導体層をデバイス構造を形成するための下地層として用いることができる。
【０１００】
また、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によると、クラックを生じさせることなく母材基板と窒化物半導体層との結晶結合を切断すると共に窒化物半導体層の結晶成長面を露出することができる。これにより、窒化物半導体層をクラック等の欠陥が少ない窒化物半導体基板として大面積に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は第１の従来例に係る窒化物半導体層の移し換え方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１１    母材基板
１２    窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）
１２ａ  分解領域
１３    保持層
１４    レーザ光
１５    第１の多層膜ミラー層
１６    第１の光ガイド層
１７    量子井戸活性層
１８    第２の光ガイド層
１９    第２の多層膜ミラー層
２０    ｐ側電極
２１    ｎ側電極
２２    半田材
２３    支持基板
２４    厚膜半導体層（第２の窒化物半導体層）
２５    窒化物半導体基板
【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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