(57)【要約】  本発明は半導体基板の製造方法に関し、成長基板の第１の主面に窒化物半導体層が形成されたエピタキシャル基板および第１の支持基板を準備し、成長基板の第１の主面と、第１の支持基板の第１の主面との間に樹脂接着層を形成して、エピタキシャル基板と第１の支持基板とを貼り合わせる工程（ａ）、工程（ａ）の後、成長基板の第２の主面を薄板化する工程（ｂ）、工程（ｂ）の後、薄板化された成長基板の第２の主面から樹脂接着層の側面にかけて、第１の保護薄膜層を形成する工程（ｃ）、工程（ｂ）の後、第１の支持基板の第２の主面から樹脂接着層の側面にかけて、第２の保護薄膜層を形成する工程（ｄ）、工程（ｃ）および（ｄ）の後、薄板化された成長基板を除去する工程（ｅ）、工程（ｅ）の後、窒化物半導体層上に第２の支持基板を貼り合わせる工程（ｆ）、工程（ｆ）の後、第１の支持基板および樹脂接着層を除去する工程（ｇ）を備える。
2020235074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）窒化物半導体基板である成長基板の第１の主面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板および第１の支持基板を準備し、前記成長基板の前記第１の主面と、前記第１の支持基板の第１の主面との間に樹脂接着層を形成して、前記エピタキシャル基板と前記第１の支持基板とを貼り合わせる工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記成長基板の前記窒化物半導体層が形成された前記第１の主面とは反対側の第２の主面を一定厚さまで除去して前記成長基板を薄板化する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、薄板化された前記成長基板の前記第２の主面から前記樹脂接着層の側面にかけて、第１の保護薄膜層を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）の後、前記第１の支持基板の前記第１の主面とは反対側の第２の主面から前記樹脂接着層の前記側面にかけて、第２の保護薄膜層を形成する工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）および（ｄ）の後、薄板化された前記成長基板を除去し、前記窒化物半導体層を露出させる工程と、
（ｆ）前記工程（ｅ）の後、前記窒化物半導体層上に第２の支持基板を貼り合わせる工程と、
（ｇ）前記工程（ｆ）の後、前記第１の支持基板および樹脂接着層を除去する工程と、を備える半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）および（ｄ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を形成する際の成膜温度が前記樹脂接着層を構成する樹脂のガラス転移温度未満となるように前記第１および第２の保護薄膜層を形成する工程を含む、請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）および（ｄ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を原子層堆積法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法および触媒ＣＶＤ法の何れで形成する工程を含む、請求項１または請求項２記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）および（ｄ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を酸化珪素、窒化珪素および酸化アルミニウムの何れかで形成する工程を含む、請求項３記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）は、
前記成長基板の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲となるように前記成長基板を薄板化する、請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】
（ａ）窒化物半導体基板である成長基板の第１の主面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板を準備し、前記窒化物半導体層上に窒化物半導体素子を形成する工程と、
（ｂ）第１の支持基板を準備し、前記成長基板の前記第１の主面と、前記第１の支持基板の第１の主面との間に前記窒化物半導体素子を内包するように樹脂接着層を形成して、前記エピタキシャル基板と前記第１の支持基板とを貼り合わせる工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記成長基板の前記窒化物半導体素子が形成された前記第１の主面とは反対側の第２の主面を一定厚さまで除去して前記成長基板を薄板化する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、薄板化された前記成長基板の前記第２の主面から前記樹脂接着層の側面にかけて、第１の保護薄膜層を形成する工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）の後、前記第１の支持基板の前記第１の主面とは反対側の第２の主面から前記樹脂接着層の前記側面にかけて、第２の保護薄膜層を形成する工程と、
（ｆ）前記工程（ｄ）および（ｅ）の後、薄板化された前記成長基板を除去し、前記窒化物半導体層を露出させる工程と、
（ｇ）前記工程（ｆ）の後、前記窒化物半導体層上に第２の支持基板を貼り合わせる工程と、
（ｈ）前記工程（ｇ）の後、前記第１の支持基板および樹脂接着層を除去する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｄ）および（ｅ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を形成する際の成膜温度が前記樹脂接着層を構成する樹脂のガラス転移温度未満となるように前記第１および第２の保護薄膜層を形成する工程を含む、請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｄ）および（ｅ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を原子層堆積法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法および触媒ＣＶＤ法の何れで形成する工程を含む、請求項６または請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｄ）および（ｅ）のそれぞれは、
前記第１および第２の保護薄膜層を酸化珪素、窒化珪素および酸化アルミニウムの何れかで形成する工程を含む、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）は、
前記成長基板の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲となるように前記成長基板を薄板化する、請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体基板の製造方法に関し、特に、窒化物半導体層が形成された半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力の半導体素子として、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor））が知られている。このような半導体素子は、高出力動作の際、温度上昇によって動作特性および信頼性の低下が著しい。そこで、この半導体素子の温度上昇を抑制するために、放熱性が高い材料を発熱部近傍に設けて放熱する構成が採られることが多い。特に、ダイヤモンドは固体物質中で最大の熱伝導率を有する材料であり、放熱材料として好適な性質を有している。このため、窒化物半導体層がダイヤモンド上に形成された構造により、半導体素子の放熱性向上を図る技術が、例えば非特許文献１に開示されている。【０００３】
窒化物半導体層の製造技術としては、珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等で構成される基板上に、ヘテロエピタキシャル成長により窒化物半導体層を形成する技術が確立されており、窒化物半導体素子の製造技術の一部として広く利用されている。【０００４】
一方、ヘテロエピタキシャル成長によって窒化物半導体層をダイヤモンド基板上に直接形成する技術は未だ研究途上であり、その製法は確立されていない。そこで、ダイヤモンド基板上に半導体層を形成するための技術の一例として、半導体層とダイヤモンド基板とを貼り合わせて一体化する方式が、例えば非特許文献２に開示されている。【０００５】
また、特許文献１には、樹脂の接着層を用いて第１の支持基板をＳＯＩ基板に接着した後、ＳＯＩ基板を研磨して厚みを薄くした上で、低融点ガラス膜を用いて、厚みを薄くした半導体基板とサファイア等の第２の支持基板に接着し、最終的に第１の支持基板を除去することで、第２の支持基板上に半導体素子を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６８１８３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Felix Ejeckam “Keeping cool with diamond”COMPOUND SEMICONDUCTOR Volume 20 Issue 7 2014 41-45
【非特許文献２】D. Francis,F.Faili,D.Babic,F.Ejeckam,A.Nurmikko,H.Maris “Formation and characterization of 4-inch GaN-on-diamond substrates”Diamond & Related Materials 19 (2010) 229-233
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的に、エピタキシャル成長により成長基板上に形成された半導体層は、数μｍ程度の極めて薄い膜厚を有するため、半導体層を成長基板から分離した後、他の基板上に貼り合わせる工程を行うことは不可能である。非特許文献２においては、成長基板上に形成された窒化物半導体層を一時的に保持するため、支持基板を窒化物半導体層に貼り合わせた後、成長基板を除去し、その除去面上にダイヤモンド基板を貼り合わせ、最終的に支持基板を除去する技術が開示されている。【０００９】
支持基板を窒化物半導体層に貼り合わせる方法としては、特許文献１に開示されたように樹脂の接着層を用いて貼り合わせる方法を採ることが可能である。しかしながら、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３等の基板上にヘテロエピタキシャル成長により形成した窒化物半導体層は、成長基板と窒化物半導体層との材質の違いにより、熱膨張率、格子定数などが異なるので、これに起因して高い内部応力を有している。このため、樹脂の接着層を用いて支持基板を接着した後、成長基板を薄くすることで、窒化物半導体層の内部応力が解放され、窒化物半導体層中にクラックが発生し、最終的に窒化物半導体層に形成された半導体素子の動作特性が低下するという問題があった。【００１０】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、窒化物半導体層が有する内部応力に起因して窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制した半導体基板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】
【００１１】
本発明に係る半導体基板の製造方法は、窒化物半導体基板である成長基板の第１の主面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板および第１の支持基板を準備し、前記成長基板の前記第１の主面と、前記第１の支持基板の第１の主面との間に樹脂接着層を形成して、前記エピタキシャル基板と前記第１の支持基板とを貼り合わせる工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後、前記成長基板の前記窒化物半導体層が形成された前記第１の主面とは反対側の第２の主面を一定厚さまで除去して前記成長基板を薄板化する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後、薄板化された前記成長基板の前記第２の主面から前記樹脂接着層の側面にかけて、第１の保護薄膜層を形成する工程（ｃ）と、前記工程（ｂ）の後、前記第１の支持基板の前記第１の主面とは反対側の第２の主面から前記樹脂接着層の側面にかけて、第２の保護薄膜層を形成する工程（ｄ）と、前記工程（ｃ）および（ｄ）の後、薄板化された前記成長基板を除去し、前記窒化物半導体層を露出させる工程（ｅ）と、前記工程（ｅ）の後、前記窒化物半導体層上に第２の支持基板を貼り合わせる工程（ｆ）と、前記工程（ｆ）の後、前記第１の支持基板および樹脂接着層を除去する工程（ｇ）と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る半導体基板の製造方法によれば、クラックの基点になりやすい基板端縁部付近の窒化物半導体層と成長基板との接合部分が第１のまたは第２の保護薄膜層で保護された状態で成長基板を除去するため、窒化物半導体層に包含される内部応力によるクラックの発生を抑制することが可能となる。このため、窒化物半導体層をダイヤモンド基板等の放熱性の高い異種基板上に設けた半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法を説明する断面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１４】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１５】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図１７】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る半導体基板の製造方法の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されたものではなく、長さ方向、奥行方向および高さ方向のそれぞれの寸法の関係、比率は現実のものと異なる。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
【００１５】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板１００の構成を示す断面図である。図１に示す半導体基板１００は、例えば、ダイヤモンド基板等の熱伝導率が高い支持基板１０上に形成された窒化物半導体層２を有している。窒化物半導体層２は支持基板１０とは異なる成長基板上にヘテロエピタキシャル成長で形成された半導体層であり、ヘテロエピタキシャル成長時の結晶面をそのまま維持した状態で、支持基板１０上に移し変えられている。このため、窒化物半導体層２上には、質の高い窒化物半導体素子を形成することができる。
【００１６】
次に、半導体基板１００の製造方法について、製造工程を順に示す断面図である図２〜図８を用いて説明する。
【００１７】
図２は、成長基板１上にヘテロエピタキシャル成長させた窒化物半導体層２に樹脂接着層を用いて支持基板を貼り合わせる第１の工程を説明する図である。
【００１８】
第１の工程では、まず、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板などの窒化物半導体基板である成長基板１の主面上に、ヘテロエピタキシャル成長によって窒化物半導体層２を形成したエピタキシャル基板ＥＳを準備する。
【００１９】
その後、ガラス基板、サファイア基板、Ｓｉ基板およびＳｉＣ基板などから選択される支持基板ＢＳ（第１の支持基板）を準備し、エピタキシャル基板ＥＳの窒化物半導体層２が形成された側の主面と、支持基板ＢＳの貼り合わせ用の主面（第１の主面）とが向かい合うようにエピタキシャル基板ＥＳと支持基板ＢＳとを樹脂接着剤によって貼り合わせることで、エピタキシャル基板ＥＳと支持基板ＢＳとが樹脂接着剤層ＡＨによって接着された形態となる。
【００２０】
樹脂接着剤としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂等、公知の樹脂接着剤を用いることが可能であるが、化学反応により硬化が進行する非溶剤希釈の接着剤を用いることが好ましく、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などが好適である。
【００２１】
貼り合わせ後は、樹脂接着剤層ＡＨの機械的強度を向上させる目的で、硬化処理を行う。硬化条件は使用する樹脂接着剤層ＡＨに応じて任意の条件を用いることが可能であるが、例えば７０度の送風乾燥炉内で６時間の加熱処理を行う。
【００２２】
支持基板ＢＳの役割は、その後の工程における窒化物半導体層２の支持であるため、耐熱性、機械強度、および製造工程で使用する薬液に対する耐性の観点において、工程に耐えるものであれば、上述した基板に限らず、任意の材質を用いることができる。
【００２３】
図３は、エピタキシャル基板ＥＳに支持基板ＢＳを貼り合わせて接着層を硬化した後の貼り合わせ済み基板の成長基板１を薄板化する第２の工程を説明する図である。
【００２４】
第２の工程では、図３に示すように、成長基板１の窒化物半導体層２が形成された主面とは反対側の主面（裏面）を一定厚さまで除去する。除去方法としては、機械研磨、ドライエッチング、溶液によるウエットエッチングなどを用いることが可能であるが、除去速度の観点からは機械研磨を用いることが好適である。本工程において裏面側より実施する成長基板１の薄板化は、成長基板１の厚さが５μｍ以上１００μｍ以下の範囲になるように実施することが好ましく、より好ましくは成長基板１の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲となるように実施する。
【００２５】
本工程実施後の成長基板１の厚さが上記範囲よりも大きい場合、後から実施する第５の工程における工程時間が長くなり、半導体基板１００の製造コストが上昇する。一方、本工程実施後の成長基板１の厚さが上記範囲よりも小さい場合、窒化物半導体層２の内部の応力が開放され、クラックが発生する可能性がある。
【００２６】
図４は、成長基板１を薄板化した後に、成長基板１の裏面から樹脂接着剤層ＡＨの側面にかけて、保護薄膜層を形成する第３の工程を説明する図である。
【００２７】
第３の工程では、図４に示すように、薄板化した成長基板１の裏面から樹脂接着剤層ＡＨの側面にかけて保護薄膜層ＰＦ１（第１の保護薄膜層）を形成する。保護薄膜層ＰＦ１は、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムなどを用いることが可能であり、何れも保護薄膜層ＰＦ１として適しているが、機械的強度の観点からは窒化珪素が好適であり、膜厚は例えば２μｍとする。
【００２８】
保護薄膜層ＰＦ１の形成方法としては、プラズマ化学気相堆積（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法、スパッタリング法、原子層成長（atomic layer epitaxy；ＡＬＥ）法、原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法、プラズマを用いない低温薄膜堆積法である触媒ＣＶＤ法、溶液成長法などの公知の薄膜形成方法を用いることが可能であり、何れも保護薄膜層ＰＦ１の成膜に適しているが、成長膜の緻密性、基板側面の被覆性の観点から、原子層堆積法が好適である。
【００２９】
これらの形成方法により保護薄膜層ＰＦ１を形成する場合の成膜時の加熱温度は、樹脂接着剤層ＡＨの主成分である樹脂のガラス転移温度を超えないガラス転移温度未満であることが望ましい。成膜時の加熱温度が接着剤層ＡＨの主成分である樹脂のガラス転移温度を超える温度である場合、樹脂接着剤層ＡＨの機械的性質が著しく低下したり、熱分解反応が進行することなど、エピタキシャル基板ＥＳに支持基板ＢＳを貼り合わせるための接着層としての効果が著しく損なわれる可能性がある。
【００３０】
図５は、支持基板ＢＳの第１の主面とは反対側の裏面（第２の主面）から樹脂接着剤層ＡＨによる接着層の側面にかけて、保護薄膜層を形成する第４の工程を説明する図である。
【００３１】
第４の工程では、図５に示すように、支持基板ＢＳの裏面から樹脂接着剤層ＡＨによる接着層の側面にかけて保護薄膜層ＰＦ２（第２の保護薄膜層）を形成する。このため、接着層の側面では保護薄膜層ＰＦ１と保護薄膜層ＰＦ２とが重なることとなる。なお、第３の工程と第４の工程の実施順序は互いに入れ替わっても良い。本工程における、保護薄膜層ＰＦ２の材質、形成方法、成膜温度、膜厚は、第３の工程での保護薄膜層ＰＦ１と同一とすることが望ましい。
【００３２】
図６は、成長基板１を完全に除去し、窒化物半導体層２の裏面を露出させる第５の工程を説明する図である。
【００３３】
第５の工程では、図６に示すように、成長基板１を完全に除去し、窒化物半導体層２を露出させる。窒化物半導体層２を露出させる方法としては、機械研磨、化学機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）、ドライエッチング、溶液によるウエットエッチングなど、公知の方法を用いることが可能であるが、ＣＭＰを用いることが好ましい。ＣＭＰにより本工程を実施した場合、露出表面が原子層レベルで精密平坦化された状態となるため、後の工程で実施する新たな基板と貼り合わせた後の強度が向上する。
【００３４】
図７は、窒化物半導体層２の裏面に新たな支持基板１０（第２の支持基板）を接合する第６の工程を説明する図である。
【００３５】
第６の工程では、図７に示すように、窒化物半導体層２の裏面に新たな支持基板１０を貼り合わせる。新たな支持基板１０としては、窒化物半導体層２に形成される窒化物半導体素子の動作特性および信頼性向上のために熱伝導率の高い材料を用いることが望ましく、ダイヤモンド基板を用いることが好適である。新たな支持基板１０を貼り合わせる方法としては、はんだ接合、常温活性化接合、接着剤を用いた接着など、公知の方法を用いることが可能であるが、窒化物半導体素子の性能および信頼性向上のためには窒化物半導体層２と新たな支持基板１０との界面熱抵抗を可能な限り低減することが望ましい。そのため、常温活性化接合により貼り合わせを行うことが好適である。常温活性化接合は表面活性化常温接合（Surface activated Room temperature Bonding）とも呼称され、接合面を真空中で表面処理することで、表面の原子を化学結合しやすい活性な状態として接合する方法である。
【００３６】
図８は、支持基板ＢＳを除去する第７の工程を説明する図である。第７の工程では、図８に示すように、支持基板１０とは反対側の支持基板ＢＳの除去を行う。除去方法は、樹脂接着剤層ＡＨを溶媒に浸漬して物理的性質を脆化させてから機械的な作用で支持基板ＢＳを引き剥がす方法、樹脂接着剤層ＡＨを熱処理して燃焼させることで支持基板ＢＳを除去する方法、樹脂接着剤層ＡＨを熱硫酸処理することで有機成分を酸化気化させることで支持基板ＢＳを除去する方法など、公知の方法を用いることが可能である。
【００３７】
樹脂接着剤層ＡＨおよび支持基板ＢＳが除去されることで、それらの側面および底面を覆っていた保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２が除去され、窒化物半導体層２の周囲の支持基板１０上に保護薄膜層ＰＦ１が残ることとなる。保護薄膜層ＰＦ１は残したままでも良いが、除去する場合には保護薄膜層ＰＦ１を溶解可能な溶液に浸漬する方法が挙げられる。保護薄膜層ＰＦ１の材質として窒化珪素を選んだ場合は、リン酸系溶液を用いることができる。なお、図１に示した半導体基板１００は、窒化物半導体層２の周囲の支持基板１０上から保護薄膜層ＰＦ１を除去した場合を示している。
【００３８】
なお、第７の工程で支持基板ＢＳを除去する前に、薬液処理により保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２を除去しても良い。保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２を除去する方法としては、保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２を溶解可能な溶液に浸漬する方法が挙げられる。保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２の材質として窒化珪素を選んだ場合は、リン酸系溶液またはふっ化水素酸を含む水溶液等を用いて除去することができる。
【００３９】
以上説明した本実施の形態１の製造方法により製造された半導体基板１００は、図６を用いて説明したように、クラックの基点になりやすい基板端縁部付近の窒化物半導体層２と成長基板１との接合部分が保護薄膜層ＰＦ１で保護された状態で成長基板１を除去するため、成長基板１を除去した場合でも窒化物半導体層２に包含される内部応力によるクラックの発生を抑制することが可能となる。このため、窒化物半導体層２をダイヤモンド基板等の放熱性の高い異種基板上に設けた半導体基板１００を得ることができる。
【００４０】
この半導体基板１００の窒化物半導体層２に、公知の製造プロセスを用いて発光素子、電力増幅素子等を形成することで、各素子の発熱上昇を抑制することが可能となり、結果として動作特性および信頼性の向上した窒化物半導体素子を得ることが可能になる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
図９は、本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置２００の構成を示す断面図である。
【００４２】
図９に示す半導体装置２００は、例えば、ダイヤモンド基板等の熱伝導率が高い支持基板１０上に形成された窒化物半導体層２上に形成された窒化物半導体素子１１を備えている。窒化物半導体素子１１としては、例えば、高電界移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などが挙げられる。なお、図９は模式的に示された図であり、半導体基板１００の窒化物半導体層２上に設けられるＨＥＭＴのドレイン電極、ソース電極、ゲート電圧などは詳細には示しておらず、窒化物半導体層２の表面に設けられる構成として、概括的にブロック状の構成として示している。
【００４３】
窒化物半導体層２は支持基板１０とは異なる成長基板上にヘテロエピタキシャル成長で形成された半導体層であり、ヘテロエピタキシャル成長時の結晶面をそのまま維持した状態で、支持基板１０上に移し変えられている。このため、窒化物半導体層２上に形成された窒化物半導体素子１１は、質の高い半導体素子となる。
【００４４】
次に、半導体装置２００の製造方法について、製造工程を順に示す断面図である図１０〜図１７を用いて説明する。
【００４５】
図１０は、成長基板１上にヘテロエピタキシャル成長させた窒化物半導体層２を形成したエピタキシャル基板ＥＳを準備した後、窒化物半導体層２に窒化物半導体素子１１を形成した状態を表している。
【００４６】
本実施の形態においては、窒化物半導体層２上に形成される窒化物半導体素子１１としてＨＥＭＴを形成する。ＨＥＭＴの形成には公知の製造方法を用いることができ、例えば、電子情報通信学会論文誌Ｃ（Vol.J86-C No.4 pp.396-403 2003年4月）に記載された製造プロセスを用いて形成することができる。なお、ＨＥＭＴの製造方法はこれに限定されるものではなく、また、ＨＥＭＴ以外の半導体素子を窒化物半導体素子１１として形成しても良い。
【００４７】
図１１は、窒化物半導体素子１１を形成した状態の窒化物半導体層２に樹脂接着層を用いて支持基板を貼り合わせる第１の工程を説明する図である。
【００４８】
第１の工程では、窒化物半導体素子１１が形成されたエピタキシャル基板ＥＳと、ガラス基板、サファイア基板、Ｓｉ基板およびＳｉＣ基板などから選択される支持基板ＢＳ（第１の支持基板）とを準備し、エピタキシャル基板ＥＳの窒化物半導体素子１１が形成された側の主面と、支持基板ＢＳの貼り合わせ用の主面とが向かい合うようにエピタキシャル基板ＥＳと支持基板ＢＳとを樹脂接着剤によって貼り合わせることで、エピタキシャル基板ＥＳと支持基板ＢＳとが樹脂接着剤層ＡＨによって接着された形態となる。
【００４９】
樹脂接着剤としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂等、公知の樹脂接着剤を用いることが可能であるが、アクリル樹脂、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などが好適である。
【００５０】
貼り合わせ後は、樹脂接着剤層ＡＨの機械的強度を向上させる目的で、硬化処理を行う。硬化条件は使用する樹脂接着剤層ＡＨに応じて任意の条件を用いることが可能であるが、例えば７０度の送風乾燥炉内で６時間の加熱処理を行う。
【００５１】
支持基板ＢＳの役割は、その後の工程における窒化物半導体層２の支持であるため、耐熱性、機械強度、および製造工程で使用する薬液に対する耐性の観点において、工程に耐えるものであれば、上述した基板に限らず、任意の材質を用いることができる。
【００５２】
図１２は、エピタキシャル基板ＥＳに支持基板ＢＳを貼り合わせて接着層を硬化した後の貼り合わせ済み基板の成長基板１を薄板化する第２の工程を説明する図である。
【００５３】
第２の工程では、図１２に示すように、成長基板１の窒化物半導体層２が形成された主面とは反対側の主面（裏面）を一定厚さまで除去する。除去方法としては、機械研磨、ドライエッチング、溶液によるウエットエッチングなどを用いることが可能であるが、除去速度の観点からは機械研磨を用いることが好適である。本工程において裏面側より実施する成長基板１の薄板化は、成長基板１の厚さが５μｍ以上１００μｍ以下の範囲になるように実施することが好ましく、より好ましくは成長基板１の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲となるように実施する。
【００５４】
本工程実施後の成長基板１の厚さが上記範囲よりも大きい場合、後から実施する第５の工程における工程時間が長くなり、半導体装置２００の製造コストが上昇する。一方、本工程実施後の成長基板１の厚さが上記範囲よりも小さい場合、窒化物半導体層２の内部の応力が開放され、クラックが発生する可能性がある。
【００５５】
図１３は、成長基板１を薄板化した後に、成長基板１の裏面から樹脂接着剤層ＡＨの側面にかけて、保護薄膜層を形成する第３の工程を説明する図である。
【００５６】
第３の工程では、図１３に示すように、薄板化した成長基板１の裏面から樹脂接着剤層ＡＨの側面にかけて保護薄膜層ＰＦ１（第１の保護薄膜層）を形成する。保護薄膜層ＰＦ１は、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムなどを用いることが可能であり、何れも保護薄膜層ＰＦ１として適しているが、機械的強度の観点からは窒化珪素が好適であり、膜厚は例えば２μｍとする。
【００５７】
保護薄膜層ＰＦ１の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、ＡＬＥ法、ＡＬＤ法、触媒ＣＶＤ法、溶液成長法などの公知の薄膜形成方法を用いることが可能であり、何れも保護薄膜層ＰＦ１の成膜に適しているが、成長膜の緻密性、基板側面の被覆性の観点から、ＡＬＤ法が好適である。
【００５８】
これらの形成方法により保護薄膜層ＰＦ１を形成する場合の成膜時の加熱温度は、樹脂接着剤層ＡＨの主成分である樹脂のガラス転移温度を超えない温度であることが望ましい。成膜時の加熱温度が接着剤層ＡＨの主成分である樹脂のガラス転移温度を超える温度である場合、樹脂接着剤層AHの機械的性質が著しく低下したり、熱分解反応が進行することなど、エピタキシャル基板ＥＳに支持基板ＢＳを貼り合わせるための接着層としての効果が著しく損なわれる可能性がある。
【００５９】
図１４は、支持基板ＢＳの裏面から樹脂接着剤層ＡＨによる接着層の側面にかけて、保護薄膜層を形成する第４の工程を説明する図である。
【００６０】
第４の工程では、図１４に示すように、支持基板ＢＳの裏面から樹脂接着剤層ＡＨによる接着層の側面にかけて保護薄膜層ＰＦ２（第２の保護薄膜層）を形成する。このため、接着層の側面では保護薄膜層ＰＦ１と保護薄膜層ＰＦ２とが重なることとなる。なお、第３の工程と第４の工程の実施順序は互いに入れ替わっても良い。本工程における、保護薄膜層ＰＦ２の材質、形成方法、成膜温度、膜厚は、第３の工程での保護薄膜層ＰＦ１と同一とすることが望ましい。
【００６１】
図１５は、成長基板１を完全に除去し、窒化物半導体層２の裏面を露出させる第５の工程を説明する図である。
【００６２】
第５の工程では、図１５に示すように、成長基板１を完全に除去し、窒化物半導体層２を露出させる。窒化物半導体層２を露出させる方法としては、機械研磨、ＣＭＰ、ドライエッチング、溶液によるウエットエッチングなど、公知の方法を用いることが可能であるが、ＣＭＰを用いることが好ましい。ＣＭＰにより本工程を実施した場合、露出表面が原子層レベルで精密平坦化された状態となるため、後の工程で実施する新たな基板と貼り合わせた後の強度が向上する。
【００６３】
図１６は、窒化物半導体層２の裏面に新たな支持基板１０（第２の支持基板）を接合する第６の工程を説明する図である。
【００６４】
第６の工程では、図１６に示すように、窒化物半導体層２の裏面に新たな支持基板１０を貼り合わせる。新たな支持基板１０としては、窒化物半導体層２に形成される窒化物半導体素子の動作特性および信頼性向上のために熱伝導率の高い材料を用いることが望ましく、ダイヤモンド基板を用いることが好適である。新たな支持基板１０を貼り合わせる方法としては、はんだ接合、常温活性化接合、接着剤を用いた接着など、公知の方法を用いることが可能であるが、窒化物半導体素子の性能および信頼性向上のためには窒化物半導体層２と新たな支持基板１０との界面熱抵抗を可能な限り低減することが望ましい。そのため、常温活性化接合により貼り合わせを行うことが好適である。
【００６５】
図１７は、支持基板ＢＳを除去する第７の工程を説明する図である。第７の工程では、図１７に示すように、支持基板１０とは反対側の支持基板ＢＳの除去を行う。除去方法は。樹脂接着剤層ＡＨを溶媒に浸漬して物理的性質を脆化させてから機械的な作用で支持基板ＢＳを引き剥がす方法、樹脂接着剤層ＡＨを熱処理して燃焼させることで支持基板ＢＳを除去する方法、樹脂接着剤層ＡＨを熱硫酸処理することで有機成分を酸化気化させることで支持基板ＢＳを除去する方法など、公知の方法を用いることが可能である。
【００６６】
樹脂接着剤層ＡＨおよび支持基板ＢＳが除去されることで、それらの側面および底面を覆っていた保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２が除去され、窒化物半導体層２の周囲の支持基板１０上に保護薄膜層ＰＦ１が残ることとなる。保護薄膜層ＰＦ１は残したままでも良いが、除去する場合には保護薄膜層ＰＦ１を溶解可能な溶液に浸漬する方法が挙げられる。保護薄膜層ＰＦ１の材質として窒化珪素を選んだ場合は、リン酸系溶液またはふっ化水素酸を含む水溶液等を用いて除去することができる。なお、図９に示した半導体装置２００は、窒化物半導体層２の周囲の支持基板１０上から保護薄膜層ＰＦ１を除去した場合を示している。
【００６７】
なお、第７の工程で支持基板ＢＳを除去する前に、薬液処理により保護薄膜層ＰＦ１およびＰＦ２を除去しても良い。
【００６８】
以上説明した本実施の形態２の製造方法により製造された半導体装置２００は、図１５を用いて説明したように、クラックの基点になりやすい基板端縁部付近の窒化物半導体層２と成長基板１との接合部分が保護薄膜層ＰＦ１で保護された状態で成長基板１を除去するため、成長基板１を除去した場合でも窒化物半導体層２に包含される内部応力によるクラックの発生を抑制することが可能となる。このため、窒化物半導体層２に設けた窒化物半導体素子１１の動作特性および信頼性を損なうことなく、ダイヤモンド基板等の放熱性の高い異種基板上に移設することができ、結果として動作特性および信頼性の向上した半導体装置２００を得ることが可能になる。また、本実施の形態２のように、成長基板１上の窒化物半導体層２に窒化物半導体素子１１を形成しておくことで、支持基板１０上に窒化物半導体層２を移設した後に窒化物半導体素子１１を形成する方法と比べて、窒化物半導体素子１１の製造プロセスにおける基板の取り扱いが容易となる。
【００６９】
＜変形例＞
なお、以上説明した本実施の形態１および実施の形態２では、成長基板１の主面上にヘテロエピタキシャル成長によって窒化物半導体層２を形成するものとして説明したが、窒化物半導体層２はヘテロエピタキシャル成長で形成された窒化物半導体に限定されるものではなく、ホモエピタキシャル成長で形成された窒化物半導体で窒化物半導体層２を構成しても良い。
【００７０】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【００７１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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