JP2009084136A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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政 權 陳
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device, by which the semiconductor device having good surface quality can be manufactured, the production yield can be enhanced and the production cost can be reduced. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the semiconductor device includes: a process for forming a plurality of protrusions 13 at an interval with each other on the growth substrate 11, which have bottom parts 131 upheaved on the surface side of the growth substrate 11 and tip end parts 132 subsequently formed on the bottom parts 131; a process for growing a base layer 15 in the lateral direction so that the base layer 15 strides respective tip end parts 132 of the plurality of protrusions 13, and that the growth substrate 11 side and cavities 16 are formed between adjacent protrusions of the plurality of protrusions; a process for directly growing the base layer 15 into a thick film layer 17 as a semiconductor device; and a process for exfoliating the thick film layer 17 as a semiconductor device from the growth substrate 11 by removing respective bottom parts 131 of the plurality of protrusions 13. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

従来、発光ダイオード素子に用いられる半導体デバイスをつくる方法として、サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）等からなる基板の上に主成分としての窒化ガリウムをエピタキシャル成長させ、レーザーにより、基板を剥離除去する方法が報告されている（非特許文献１参照）。 Conventionally, as a method of manufacturing a semiconductor device used for a light-emitting diode element, a method in which gallium nitride as a main component is epitaxially grown on a substrate made of sapphire (α-Al 2 O 3 ) or the like, and the substrate is peeled and removed by a laser. Has been reported (see Non-Patent Document 1).

具体的に、図１２に示すように、サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）等からなる基板２１の上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）方法などで２〜１０μｍの例えば窒化ガリウムの薄膜層２２をエピタキシャル成長させ、次いでハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）法などの気相成長方法により薄膜層２２を層厚が例えば３００μｍ以上５００μｍ以下の厚さに成長させて、厚膜層２３とする。レーザーによる剥離作業（いわゆるリフトオフ法）において、レーザー光を厚膜層２３と基板２１との間に入射させ（図１２において矢印Ｘで示す）、２者間の結合を打ち切り、厚膜層２３と基板２１とを分離させる。このようにして厚膜層２３が半導体デバイスとして得られ、基板２１を繰り返し半導体デバイス製造に再利用することができる。
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７２（５）， Ｆｅｂ． １９９８ Specifically, as shown in FIG. 12, a thin film layer of, for example, gallium nitride having a thickness of 2 to 10 μm is formed on a substrate 21 made of sapphire (α-Al 2 O 3 ) or the like by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. 22 is epitaxially grown, and then the thin film layer 22 is grown to a thickness of, for example, 300 μm or more and 500 μm or less by a vapor deposition method such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method to form a thick film layer 23. In a peeling operation by laser (so-called lift-off method), a laser beam is incident between the thick film layer 23 and the substrate 21 (indicated by an arrow X in FIG. 12), and the coupling between the two is terminated. The substrate 21 is separated. In this manner, the thick film layer 23 is obtained as a semiconductor device, and the substrate 21 can be repeatedly reused for manufacturing semiconductor devices.
Appl. Phys. Lett. , 72 (5), Feb. 1998

上記方法では、基板２１になんらかの適切な表面処理をすれば、この基板２１を繰り返して用いることができ、高価のサファイア等からなる基板２１の使用量を減らすことができるが、この基板２１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）成長層と格子定数が大きく異なるため、窒化ガリウム成長層中にミスマッチによって発生する結晶欠陥が１０9〜１０10ｃｍ-2もの高密度に存在している。この欠陥密度は発光ダイオード素子としての使用性を低下させるので問題となる。 In the above method, if the substrate 21 is subjected to any appropriate surface treatment, the substrate 21 can be used repeatedly, and the amount of the substrate 21 made of expensive sapphire or the like can be reduced. Since the lattice constant is significantly different from that of the gallium nitride (GaN) growth layer, crystal defects generated due to mismatch exist in the gallium nitride growth layer at a high density of 10 9 to 10 10 cm −2 . This defect density is problematic because it reduces the usability as a light emitting diode element.

また、基板２１と窒化ガリウム成長層との間の結合力が均一でないため、レーザー照射による剥離作業では、２者の界面にダメージを与え、欠陥が発生し、半導体デバイスの製造歩留まりや、発光ダイオード素子としての品質などが低下する原因ともなる。   In addition, since the bonding force between the substrate 21 and the gallium nitride growth layer is not uniform, the peeling operation by laser irradiation damages the interface between the two members, resulting in defects, the production yield of semiconductor devices, and the light emitting diode. It may also be a cause of deterioration in quality as an element.

成長層の膜厚を増やすと、欠陥密度を低くすることができ、具体的には、５ｍｍ以上まで厚くすると、欠陥密度を１０6ｃｍ-2以下に下げることが既に知られている。このような半導体デバイスとしての厚膜層を成長剥離し、ウェハの寸法にカットすることにより、欠陥密度が小さい半導体デバイスを製作でき、半導体デバイスの量産化をも実現することができる。 Increasing the thickness of the growth layer can reduce the defect density. Specifically, increasing the thickness to 5 mm or more has already been known to reduce the defect density to 10 6 cm -2 or less. By growing and peeling such a thick film layer as a semiconductor device and cutting it to the size of a wafer, a semiconductor device with a small defect density can be manufactured, and mass production of the semiconductor device can also be realized.

上記手法により結晶品質の良好な半導体デバイスが得られるが、ＧａＮ成長層の膜厚を５００μｍ以上（例えば１０ｍｍの層厚）に増やせば、成長温度（例えば９５０℃）から常温（例えば２５℃）に下げる過程で、成長層と基板の熱膨張係数差が原因で成長層または基板にクラックや反りが発生し、成長層が破損するため、これ以上厚く成長できず、半導体デバイスとしての適用性が制限される。   A semiconductor device with good crystal quality can be obtained by the above method, but if the film thickness of the GaN growth layer is increased to 500 μm or more (for example, a layer thickness of 10 mm), the growth temperature (for example, 950 ° C.) to room temperature (for example 25 ° C.) In the process of lowering, the growth layer or substrate is cracked or warped due to the difference in thermal expansion coefficient between the growth layer and the substrate, and the growth layer is damaged. Is done.

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、表面品質の良好な半導体デバイスを製造し、製造歩留まりを向上させ、製造コストの低下を図ることができる半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and provides a semiconductor device manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device with good surface quality, improving the manufacturing yield, and reducing the manufacturing cost. The purpose is to do.

上記目的を達成するため、第１の発明は、成長基板上に、互いに間隔をおいて前記基板の表面側に***してなる底部と該底部の上に続いて形成される先端部を有する複数の突起を形成する工程と、前記複数の隣り合う突起の間に前記基板側とキャビティが画成されるように、ベース層を、前記複数の突起のそれぞれの先端部に跨るように横方向へ成長させる工程と、半導体デバイスとして、前記ベース層を直接厚く成長させて、厚膜層を形成する工程と、前記複数の突起のそれぞれの底部を除去し、前記厚膜層を半導体デバイスとして前記基板から剥離する工程と、からなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法を提供する。
第２の発明は、前記第１の発明において、前記突起を形成する前に、まず、前記成長基板の表面に前記成長基板及び前記突起の結晶の格子定数と異なる格子定数を有する種結晶層を形成し、前記突起を形成した後に、前記突起の結晶の格子定数と異なる格子定数を有する結晶のバリア層を前記突起を覆って成長させることを特徴とする。
第３の発明は、前記第２の発明において、前記成長基板は、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、又はシリコンからなり、前記突起及び前記ベース層は、一般式：ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≧０）で表される窒化ガリウム系半導体材料を用いて形成し、前記種結晶層及び前記バリア層は、窒化ケイ素からなることを特徴とする。
第４の発明は、前記第３の発明において、前記種結晶層及び前記バリア層は、シランガスとアンモニアガスの雰囲気中で形成され、前記複数の突起は、有機金属化学気相成長法により、アンモニアガス及びガリウムを含む有機金属気体の雰囲気中で形成されることを特徴とする。
第５の発明は、前記第１の発明において、前記突起を形成する工程では、まず、５００〜７００℃の成長温度で窒化ガリウムを用いて低温層を成長させ、さらに９００〜１１００℃に昇温すると共に、前記低温層を生成するときのアンモニアガスの流量よりも少ない流量でアンモニアガスを流し、前記低温層が前記複数の突起をなすように変形され、前記複数の突起のそれぞれの表面にその格子定数が前記突起の格子定数と異なる結晶のバリア層を成長させることを特徴とする。
第６の発明は、前記第５の発明において、前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、又はシリコンからなり、前記低温層、前記突起及び前記ベース層は、一般式：ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≧０）で表される窒化ガリウム系半導体材料を用いて形成され、前記バリア層は、シランガスとアンモニアガスの雰囲気中で形成された窒化ケイ素からなることを特徴とする。
第７の発明は、前記第４又は６の発明において、前記ベース層を成長させる工程では、９００℃以上の成長温度でアンモニアガス及びガリウム含有の有機金属気体を用い、前記突起の先端部に跨るように前記ベース層を横方向へ成長させ、前記ベース層を厚く成長させる工程では、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により前記ベース層を厚く成長させて、前記厚膜層が形成されることを特徴とする。
第８の発明は、前記第４又は６の発明において、前記ベース層を成長させる工程は、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により行い、前記ベース層を厚く成長させる工程は、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により行うことを特徴とする。
第９の発明は、前記第７又は８の発明において、前記底部を除去する工程は、ウェットエッチング法により行うことを特徴とする。
第１０の発明は、前記第７又は８の発明において、前記底部を除去する工程は、前記成長温度から常温まで温度下降する間になされることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention has a plurality of bottom portions formed on a growth substrate and projecting on the surface side of the substrate at a distance from each other, and a tip portion formed subsequently on the bottom portion. A base layer in a lateral direction so as to straddle the respective tip portions of the plurality of protrusions so that the substrate side and the cavity are defined between the plurality of adjacent protrusions. A step of growing the base layer directly as a semiconductor device to form a thick film layer; removing a bottom of each of the plurality of protrusions; and using the thick film layer as a semiconductor device to form the substrate. And a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of peeling from a semiconductor device.
According to a second invention, in the first invention, before forming the projection, first, a seed crystal layer having a lattice constant different from a crystal lattice constant of the growth substrate and the crystal of the projection is formed on the surface of the growth substrate. After forming and forming the protrusion, a barrier layer of a crystal having a lattice constant different from that of the crystal of the protrusion is grown over the protrusion.
In a third aspect based on the second aspect, the growth substrate is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, aluminum nitride, or silicon, and the protrusion and the base layer have a general formula: Al x In y Ga It is formed using a gallium nitride based semiconductor material represented by 1-xy N (where x ≧ 0, y ≧ 0, 1-xy ≧ 0), and the seed crystal layer and the barrier layer are made of silicon nitride It is characterized by comprising.
In a fourth aspect based on the third aspect, the seed crystal layer and the barrier layer are formed in an atmosphere of silane gas and ammonia gas, and the plurality of protrusions are formed by ammonia metal organic chemical vapor deposition. It is characterized by being formed in an atmosphere of an organic metal gas containing gas and gallium.
In a fifth invention according to the first invention, in the step of forming the protrusion, first, a low-temperature layer is grown using gallium nitride at a growth temperature of 500 to 700 ° C., and further raised to 900 to 1100 ° C. And flowing ammonia gas at a flow rate lower than the flow rate of ammonia gas when generating the low temperature layer, the low temperature layer is deformed to form the plurality of protrusions, and the surface of each of the plurality of protrusions is A barrier layer made of a crystal having a lattice constant different from that of the protrusion is grown.
In a sixth aspect based on the fifth aspect, the substrate is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, aluminum nitride, or silicon, and the low temperature layer, the protrusion, and the base layer have a general formula: Al x The barrier layer is formed of a gallium nitride based semiconductor material represented by In y Ga 1-xy N (where x ≧ 0, y ≧ 0, 1-xy ≧ 0), and the barrier layer includes silane gas and ammonia gas It is characterized by comprising silicon nitride formed in the atmosphere of
According to a seventh invention, in the fourth or sixth invention, in the step of growing the base layer, ammonia gas and a gallium-containing organometallic gas are used at a growth temperature of 900 ° C. or more, and straddle the tip of the protrusion. In the step of growing the base layer laterally and growing the base layer thickly, the thick film layer is formed by growing the base layer thickly by a hydride vapor phase epitaxial growth method. .
In an eighth aspect based on the fourth or sixth aspect, the step of growing the base layer is performed by a hydride vapor phase epitaxial growth method, and the step of growing the base layer thick is performed by a hydride vapor phase epitaxial growth method. It is characterized by.
According to a ninth invention, in the seventh or eighth invention, the step of removing the bottom is performed by a wet etching method.
According to a tenth aspect, in the seventh or eighth aspect, the step of removing the bottom is performed while the temperature is lowered from the growth temperature to room temperature.

本発明の方法により製造された半導体デバイスでは、成長基板上に互いに間隔をおいて形成された複数の突起のそれぞれの先端部に跨るように、基板側の結晶欠陥の成長をブロックするようにベース層を横方向へ成長させることにより、欠陥密度を大幅に低減することができ、半導体デバイスとしての結晶品質を向上させることができる。   In the semiconductor device manufactured by the method of the present invention, the base is formed so as to block the growth of crystal defects on the substrate side so as to straddle the tips of the plurality of protrusions formed on the growth substrate at intervals. By growing the layer laterally, the defect density can be greatly reduced, and the crystal quality as a semiconductor device can be improved.

また、成長基板側にベース層により囲まれたキャビティを介して、例えば、ウェットエッチング法、又は前記ベース層を厚く成長させる工程における成長温度から常温まで下がる間の温度降下により突起の底部を除去することによって、成長層の界面に与えるダメージを軽減し、欠陥の発生が少ない厚膜層が得られ、品質のよい半導体デバイスを製造することができる。   Further, through the cavity surrounded by the base layer on the growth substrate side, for example, the bottom portion of the protrusion is removed by a wet etching method or a temperature drop while the base layer is grown from a growth temperature to a normal temperature in the step of growing the base layer thickly. As a result, damage to the interface of the growth layer can be reduced, a thick film layer with few defects can be obtained, and a high-quality semiconductor device can be manufactured.

本発明の第１の実施形態にかかる半導体デバイスの製造方法について図１から図６を用いて説明する。図１〜図６は、本発明にかかる製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。図中、１１は、本発明の方法に用いられる成長基板（成長用基板）である。この成長基板１１としては、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、又はシリコンなどの基板が用いられ、この例においては、サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板を用いる。 A semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6 are sectional views schematically showing a first embodiment of a manufacturing method according to the present invention. In the figure, 11 is a growth substrate (growth substrate) used in the method of the present invention. As the growth substrate 11, a substrate such as sapphire, silicon carbide, zinc oxide, aluminum nitride, or silicon is used. In this example, a sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrate is used.

成長基板としてのサファイア基板を、まず、反応室内の支持台（図示せず）に設置する。該支持台を所定の成長温度例えば６００℃に昇温する。反応室にシランガス（ＳｉＨ4、流量４０ｓｃｃｍ）及びアンモニアガス（ＮＨ3、流量４０ｓｌｍ）を導入する。反応室内において、シランとアンモニアとを反応させ、成長基板１１上に約１Å厚の窒化ケイ素種結晶層１２を成長させる。水素ガスをさらに供給し、さらに支持台を加熱して１１００℃に昇温し、成長基板１１と種結晶層１２の高温アニール処理を行う。 First, a sapphire substrate as a growth substrate is placed on a support base (not shown) in the reaction chamber. The support is heated to a predetermined growth temperature, for example 600 ° C. Silane gas (SiH 4 , flow rate 40 sccm) and ammonia gas (NH 3 , flow rate 40 slm) are introduced into the reaction chamber. In the reaction chamber, silane and ammonia are reacted to grow a silicon nitride seed crystal layer 12 having a thickness of about 1 mm on the growth substrate 11. Hydrogen gas is further supplied, the support is further heated to 1100 ° C., and the growth substrate 11 and the seed crystal layer 12 are annealed at a high temperature.

次に、８００℃に降温して、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ(g) 、流量：５０ｓｃｃｍ）のガリウム含有の有機金属気体と流量２０ｓｌｍのアンモニアガスを供給すると共に、流量０．５ｓｃｃｍのシランガスを供給し、図２に示されているように、種結晶層１２上に互いに間隔をおいて窒化ガリウム含有の突起１３を複数成長させる。複数の突起１３は、基板１１表面から***してなる底部１３１と該底部１３１の上に続いて形成する先端部１３２を有する。かくして、成長基板１１上に、互いに間隔をおいて基板１１の表面側に***してなる底部１３１と該底部１３１の上に続いて形成する先端部１３２とを有する複数の突起１３、１３、・・・が形成される。なお、この例においては、突起１３としてはシランガスの下でトリメチルガリウムガス及びアンモニアガスを用いて形成されていることを挙げているが、シランガスの導入がなくても突起１３を形成することができるが、突起１３のアスペクト比はより小である。 Next, the temperature is lowered to 800 ° C., and a gallium-containing organometallic gas of trimethylgallium (TMGa (g) , flow rate: 50 sccm) and ammonia gas at a flow rate of 20 slm are supplied, and silane gas at a flow rate of 0.5 sccm is supplied, As shown in FIG. 2, a plurality of gallium nitride-containing protrusions 13 are grown on the seed crystal layer 12 at intervals. The plurality of protrusions 13 have a bottom portion 131 that protrudes from the surface of the substrate 11 and a tip portion 132 that is formed on the bottom portion 131. Thus, on the growth substrate 11, a plurality of protrusions 13, 13,... Having a bottom portion 131 protruding from the surface side of the substrate 11 at a distance from each other and a tip portion 132 formed subsequently on the bottom portion 131.・ ・ Is formed. In this example, it is mentioned that the protrusion 13 is formed using trimethylgallium gas and ammonia gas under silane gas, but the protrusion 13 can be formed without introducing silane gas. However, the aspect ratio of the protrusion 13 is smaller.

その後、アンモニアガスを供給した状態で再びシランガスを流量４０ｓｃｃｍで流し込み、複数の突起１３上に厚みが１Å以上の窒化ケイ素バリア層１４を形成する（図３参照）。このように、複数の突起１３はこの窒化ケイ素バリア層１４に覆われている。   Thereafter, silane gas is flowed again at a flow rate of 40 sccm while ammonia gas is supplied to form a silicon nitride barrier layer 14 having a thickness of 1 mm or more on the plurality of protrusions 13 (see FIG. 3). As described above, the plurality of protrusions 13 are covered with the silicon nitride barrier layer 14.

次いで、１０００℃の高温状態でトリメチルガリウムを含むガスを１２０ｓｃｃｍの流量で、アンモニアガスを２０ｓｌｍの流量で供給し、反応させる。図４に示されているように、突起１３の先端部１３２に対応する突起１３を覆ったバリア層１４上に、ＧａＮ結晶膜をベース層１５として図４に示すような矢印方向に複数の突起１３、１３、・・・のそれぞれの先端部１３２、１３２、・・・に跨るように横成長させる。このように、バリア層１４で覆われた複数の突起１３が形成された成長基板１１側と、複数の突起１３の先端部１３２に跨るように成長させたベース層１５とによりキャビティ１６が形成される。このベース層１５の構造強度を保つために、このままベース層１５の膜厚をさらに例えば１μｍ以上厚く成長させる。   Next, a gas containing trimethylgallium is supplied at a flow rate of 120 sccm and ammonia gas is supplied at a flow rate of 20 slm at a high temperature of 1000 ° C. to cause a reaction. As shown in FIG. 4, on the barrier layer 14 covering the protrusion 13 corresponding to the tip 132 of the protrusion 13, a GaN crystal film is used as the base layer 15 and a plurality of protrusions in the arrow direction as shown in FIG. Are laterally grown so as to straddle the respective tip portions 132, 132,. Thus, the cavity 16 is formed by the growth substrate 11 side on which the plurality of protrusions 13 covered with the barrier layer 14 are formed and the base layer 15 grown so as to straddle the front end portions 132 of the plurality of protrusions 13. The In order to maintain the structural strength of the base layer 15, the base layer 15 is further grown to a thickness of, for example, 1 μm or more.

ここで、半導体デバイスとして適用できるようにこのベース層１５を増厚して層厚が例えば４００μｍ以上６００μｍ以下の厚膜層１７を成長させる（図５参照）。このようにすると、基板１１或いは種結晶層１２の結晶欠陥をそのままベース層１５へ成長することを抑制することができるので、従来と比べて厚膜層１７の欠陥密度を１０5〜１０6ｃｍ-2だけになるように下げることができ、表面品質が向上した半導体デバイスを実現することができる。 Here, the base layer 15 is thickened so as to be applicable as a semiconductor device, and a thick film layer 17 having a thickness of, for example, 400 μm or more and 600 μm or less is grown (see FIG. 5). By doing so, it is possible to suppress the crystal defects of the substrate 11 or the seed crystal layer 12 from growing on the base layer 15 as they are, so that the defect density of the thick film layer 17 is 10 5 to 10 6 cm compared to the conventional case. It can be lowered to -2, and a semiconductor device with improved surface quality can be realized.

次いで、例えばウェットエッチング法により複数の突起１３の底部１３１を除去して、厚膜層１７を基板１１から分離し（図６参照）、半導体デバイスとしての厚膜層１７を得る。この例においては、ウェットエッチング法において用いられるエッチング液としては、例えば水酸化カリウム液、塩酸液、リン酸溶液を用いることができる。ここではウェットエッチング法を用いて分離作業を行うようにしているが、レーザー加熱溶融による除去をしてもよい。このように、突起１３の底部１３１に対してエッチング又は加熱溶融して除去することにより、ダメージを受けるところを大幅に軽減させることができ、半導体デバイスとしての表面品質を良好にすることができる。   Next, the bottom 131 of the plurality of protrusions 13 is removed by, for example, a wet etching method, and the thick film layer 17 is separated from the substrate 11 (see FIG. 6) to obtain the thick film layer 17 as a semiconductor device. In this example, as an etching solution used in the wet etching method, for example, a potassium hydroxide solution, a hydrochloric acid solution, or a phosphoric acid solution can be used. Here, the separation operation is performed using a wet etching method, but may be removed by laser heating and melting. In this way, by removing the bottom portion 131 of the protrusion 13 by etching or heating and melting, the damage can be greatly reduced, and the surface quality of the semiconductor device can be improved.

次に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体デバイスの製造方法について図７から図１１を用いて説明する。図７〜図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる製造方法の製造工程を示す断面図である。図中、第１の実施形態と同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。   Next, a semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 7-11 is sectional drawing which shows the manufacturing process of the manufacturing method concerning the 2nd Embodiment of this invention. In the figure, components having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted.

サファイアからなる基板を成長基板１１として用いる。上記実施形態と同様に、この成長基板１１が反応室内に設置され、種結晶層１２を成長させる。次いで、成長温度を６００℃に昇温し、アンモニアガスを２０ｓｌｍの流量で供給し、成長基板１１上にＧａＮ系半導体材料からなる低温層１８を成長させる（図７参照）。そして、９００〜１１００℃の範囲内の温度、例えば９５０℃に昇温し、ＮＨ3ガスを６ｓｌｍの流量で供給し、先に成長した低温層１８を雰囲気及び成長温度の変化に応じて、種結晶層１２上に複数の突起１３、１３、・・・を互いに間隔をおいて配置させるように形成している。それぞれの突起１３は、種結晶層１２に続いて成長した底部１３１とこの底部１３１から突出する先端部１３２を有する。 A substrate made of sapphire is used as the growth substrate 11. Similar to the above embodiment, the growth substrate 11 is placed in the reaction chamber to grow the seed crystal layer 12. Next, the growth temperature is raised to 600 ° C., ammonia gas is supplied at a flow rate of 20 slm, and a low-temperature layer 18 made of a GaN-based semiconductor material is grown on the growth substrate 11 (see FIG. 7). Then, the temperature is raised to a temperature in the range of 900 to 1100 ° C., for example, 950 ° C., NH 3 gas is supplied at a flow rate of 6 slm, and the previously grown low temperature layer 18 is seeded according to changes in the atmosphere and the growth temperature. Are formed on the crystal layer 12 so as to be spaced apart from each other. Each protrusion 13 has a bottom portion 131 grown following the seed crystal layer 12 and a tip portion 132 protruding from the bottom portion 131.

しかる後に、アンモニアガスを供給しながら、シランガスを流量４０ｓｌｍで流す。これにより、図８に示されているように、種結晶層１２上に全体にわたって層厚が１Å以上の窒化ケイ素バリア層１４をそれぞれの突起１３を被って成長させる。   Thereafter, while supplying ammonia gas, silane gas is allowed to flow at a flow rate of 40 slm. As a result, as shown in FIG. 8, a silicon nitride barrier layer 14 having a thickness of 1 mm or more is grown on the seed crystal layer 12 so as to cover each protrusion 13.

次いで、図９に示されているように、１０００℃以上に昇温し、トリメチルガリウムガスを１２０ｓｃｃｍの流量で流すと共に、アンモニアガスを２０ｓｌｍの流量で流し、バリア層１４上のエリアのうち突起１３の先端部１３２に対応するエリアにおいてべース層１５を横方向へ成長させる。このようにして、バリア層１４を介して複数の突起１３、１３、・・・のそれぞれの先端部１３２、１３２、・・・に跨るようにキャビティ１６を画成するようにベース層１５を横成長させる。すなわち、複数の隣り合う突起１３、１３の間に基板１１側とキャビティ１６とが画成されるようベース層１５を成長させる。そして、このベース層１５の構造強度を保つために、このままベース層１５の膜厚をさらに例えば１μｍ以上厚く成長させる。   Next, as shown in FIG. 9, the temperature is raised to 1000 ° C. or higher, and trimethylgallium gas is allowed to flow at a flow rate of 120 sccm and ammonia gas is allowed to flow at a flow rate of 20 slm. The base layer 15 is grown in the lateral direction in the area corresponding to the front end portion 132. In this way, the base layer 15 is laterally arranged so as to define the cavity 16 so as to straddle the tip portions 132, 132,... Of the plurality of protrusions 13, 13,. Grow. That is, the base layer 15 is grown so that the substrate 11 side and the cavity 16 are defined between the plurality of adjacent protrusions 13 and 13. Then, in order to maintain the structural strength of the base layer 15, the base layer 15 is further grown to a thickness of, for example, 1 μm or more.

次いで、図１０に示されているように、ベース層１５をそのまま成長させ続けて厚さが例えば３ｍｍ以上５ｍｍ以下になるように厚く成長させ、厚膜層１７を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, the base layer 15 is continuously grown as it is so as to have a thickness of, for example, 3 mm or more and 5 mm or less to form a thick film layer 17.

この場合、前記実施形態と同様に、突起１３の底部１３１を壊して除去することにより、成長基板１１側から厚膜層１７を分離することができる（図１１参照）。   In this case, as in the above embodiment, the thick film layer 17 can be separated from the growth substrate 11 side by breaking and removing the bottom 131 of the protrusion 13 (see FIG. 11).

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。半導体デバイスの表面品質を一定に保つことができれば、製造工程の簡易化、製造コストの低減のために、例えば、成長基板１１上に種結晶層１２を形成せずに、突起１３、１３・・・を成長基板１１上に直接成長させてもよく、また、半導体デバイスの種類に応じてバリア層１４を形成しなくてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. If the surface quality of the semiconductor device can be kept constant, in order to simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost, for example, without forming the seed crystal layer 12 on the growth substrate 11, the protrusions 13, 13,. May be grown directly on the growth substrate 11, and the barrier layer 14 may not be formed depending on the type of the semiconductor device.

また、上記実施形態においては、有機金属気相成長法により、９００℃以上の成長温度でアンモニアガス及びガリウム含有の有機金属ガス（例えばトリメチルガリウムガス）の供給にて、ベース層１５を横成長させるようにしているが、ハイドライド気相エピタキシャル成長法を用いて横成長させることもできる。この場合には、横成長させたベース層１５をそのままハイドライド気相エピタキシャル成長法を用いて厚膜層１７を形成することができるので、製造工程を簡単化させることができる。   In the above embodiment, the base layer 15 is laterally grown by the supply of ammonia gas and a gallium-containing organometallic gas (for example, trimethyl gallium gas) at a growth temperature of 900 ° C. or higher by metal organic vapor phase epitaxy. However, lateral growth can also be performed using a hydride vapor phase epitaxial growth method. In this case, since the thick film layer 17 can be formed by using the hydride vapor phase epitaxial growth method as it is with the laterally grown base layer 15, the manufacturing process can be simplified.

ベース層１５を厚くし、半導体デバイスとしての厚膜層１７を５００μｍ以上成長して形成しなければならないときには、ベース層１５をまず形成した後にそのまま厚く成長すればよい。このとき、成長基板１１と膜厚が５００μｍ以上の厚い膜厚の厚膜層１７とは熱膨張係数が異なっているので、厚膜層１７を形成した後に降温する間に、温度変化に応じて起因する歪みが突起１３、１３、・・・に集中することになり、突起１３、１３、・・・の底部１３１にクラックが入り、底部１３１、１３１、・・・が自然に壊れて、成長基板１１側からベース層１５を分離させることができる。このように、エッチングやレーザーなどによる処理を行わずとも、半導体デバイスとしての厚膜層１７を得ることができるので、製造コストを大幅に低減させ、製造工程の簡易化につながる。   When the base layer 15 is made thick and the thick film layer 17 as a semiconductor device has to be grown to a thickness of 500 μm or more, the base layer 15 is formed first and then grown thick. At this time, the growth substrate 11 and the thick film layer 17 having a film thickness of 500 μm or more have different thermal expansion coefficients, so that the temperature is lowered after the thick film layer 17 is formed in accordance with the temperature change. The resulting distortion concentrates on the protrusions 13, 13,..., Cracks enter the bottom 131 of the protrusions 13, 13,..., And the bottom 131, 131,. The base layer 15 can be separated from the substrate 11 side. In this way, the thick film layer 17 as a semiconductor device can be obtained without performing etching or laser processing, thereby greatly reducing the manufacturing cost and simplifying the manufacturing process.

以上のように、本発明の半導体デバイスの製造方法では、成長基板１１上に複数の突起１３、１３、・・・が互いに間隔をおいて形成され、成長基板１１側とキャビティ１６が画成されるようベース層１５を横成長させ、ベース層１５をそのまま厚くして厚膜層１７を成長させ、ウェットエッチング法、レーザー加熱溶融法或いは降温による温度変化により、各突起１３の底部１３１にクラックが入り、除去することで半導体デバイスとしての厚膜層１７を成長基板１１側から分離させることができる。   As described above, in the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the plurality of protrusions 13, 13,... Are formed on the growth substrate 11 at intervals, and the growth substrate 11 side and the cavity 16 are defined. The base layer 15 is laterally grown so that the base layer 15 is thickened as it is to grow the thick film layer 17, and cracks are generated at the bottom 131 of each protrusion 13 due to a temperature change caused by a wet etching method, a laser heating melting method, or a temperature drop. By entering and removing, the thick film layer 17 as a semiconductor device can be separated from the growth substrate 11 side.

成長基板１１上に突起１３、１３、・・・を介してベース層１５を横成長させることによって、成長基板１１側或いは種結晶層１２側の格子欠陥が、直接、ベース層１５に成長することを抑制することができ、半導体デバイスとしての欠陥密度を１０5〜１０6ｃｍ-2まで抑えることができる。したがって、半導体デバイスの表面品質を向上させ、発光ダイオードの製造歩留まりの向上も実現することができる。 By laterally growing the base layer 15 on the growth substrate 11 through the protrusions 13, 13,..., Lattice defects on the growth substrate 11 side or the seed crystal layer 12 side grow directly on the base layer 15. The defect density as a semiconductor device can be suppressed to 10 5 to 10 6 cm −2 . Therefore, it is possible to improve the surface quality of the semiconductor device and improve the manufacturing yield of the light emitting diode.

複数の突起１３、１３、・・・のそれぞれの先端部１３２、１３２、・・・を繋いでキャビティ１６を画成するようにベース層１５を横成長させた後に、厚膜層１７を成長基板１１側から剥離するとき、各突起１３の各底部１３１にダメージを入れて除去すればよいので、従来の製造工程よりも簡単で、厚膜層１７の表面品質も一定に保つことができ、この厚膜層１７を用いて表面品質のよい半導体デバイスを実現することができる。   After the base layer 15 is laterally grown so as to define the cavity 16 by connecting the tips 132, 132,... Of the plurality of protrusions 13, 13,. When peeling from the 11 side, the bottom 131 of each protrusion 13 only needs to be damaged and removed, which is simpler than the conventional manufacturing process and the surface quality of the thick film layer 17 can be kept constant. A semiconductor device with good surface quality can be realized using the thick film layer 17.

厚膜層１７は、例えば５００μｍ以上厚く成長して形成されるので、機械強度が高い。成長後に高温から常温に降温する間に、従来のベース層の全体に格子欠陥によるクラックが入り破損する場合と比べて、成長基板１１とベース層１５の熱膨張係数の差により、応力が各突起１３の各底部１３１に集中することになり、各底部１３１にクラックが入るので、簡単に基板１１側から分離し半導体デバイスとする厚膜層１７を得ることができる。   Since the thick film layer 17 is formed to grow to a thickness of 500 μm or more, for example, the mechanical strength is high. Compared to the conventional case where cracks due to lattice defects are caused and the whole base layer is broken while the temperature is lowered from high temperature to room temperature after growth, the stress is increased due to the difference in thermal expansion coefficient between the growth substrate 11 and the base layer 15. The thick film layer 17 can be easily separated from the substrate 11 side and used as a semiconductor device.

本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、表面欠陥密度が低い半導体デバイスを製造することができるので、信頼性が高い発光ダイオード等を作製するのに極めて有用である。   According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a semiconductor device having a low surface defect density can be manufactured, which is extremely useful for manufacturing a light-emitting diode or the like having high reliability.

本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第１の実施形態を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a method for producing a semiconductor device according to the present invention. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第２の実施形態を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention roughly. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第２の実施形態を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention roughly. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第２の実施形態を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention roughly. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第２の実施形態を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention roughly. 本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の第２の実施形態を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention roughly. 従来の半導体デバイスの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

１１…成長基板
１２…種結晶層
１３…突起
１３１…底部
１３２…先端部
１４…バリア層
１５…ベース層
１６…キャビティ
１７…厚膜層
１８…低温層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Growth substrate 12 ... Seed crystal layer 13 ... Protrusion 131 ... Bottom part 132 ... Tip part 14 ... Barrier layer 15 ... Base layer 16 ... Cavity 17 ... Thick film layer 18 ... Low temperature layer

Claims (10)

成長基板上に、互いに間隔をおいて前記基板の表面側に***してなる底部と該底部の上に続いて形成される先端部を有する複数の突起を形成する工程と、
前記複数の隣り合う突起の間に前記基板側とキャビティが画成されるように、ベース層を、前記複数の突起のそれぞれの先端部に跨るように横方向へ成長させる工程と、
半導体デバイスとして、前記ベース層を直接厚く成長させて、厚膜層を形成する工程と、
前記複数の突起のそれぞれの底部を除去し、前記厚膜層を半導体デバイスとして前記基板から剥離する工程と、
を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 Forming a plurality of protrusions on the growth substrate, each having a bottom portion protruding from the surface side of the substrate at an interval and a tip portion formed subsequently on the bottom portion;
A step of laterally growing the base layer so as to straddle the respective tip portions of the plurality of protrusions, so that the substrate side and the cavity are defined between the plurality of adjacent protrusions;
As a semiconductor device, the base layer is directly grown thick to form a thick film layer;
Removing the bottom of each of the plurality of protrusions, and peeling the thick film layer from the substrate as a semiconductor device;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: 前記突起を形成する前に、まず、前記成長基板の表面に前記成長基板及び前記突起の結晶の格子定数と異なる格子定数を有する種結晶層を形成し、
前記突起を形成した後に、前記突起の結晶の格子定数と異なる格子定数を有する結晶のバリア層を前記突起を覆って成長させること、
を特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。 Before forming the protrusion, first, a seed crystal layer having a lattice constant different from the lattice constant of the growth substrate and the crystal of the protrusion is formed on the surface of the growth substrate,
After forming the protrusion, growing a barrier layer of a crystal having a lattice constant different from that of the crystal of the protrusion over the protrusion;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記成長基板は、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、又はシリコンからなり、
前記突起及び前記ベース層は、一般式：ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≧０）で表される窒化ガリウム系半導体材料を用いて形成し、
前記種結晶層及び前記バリア層は、窒化ケイ素からなること、
を特徴とする請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。 The growth substrate is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, aluminum nitride, or silicon,
The protrusion and the base layer use a gallium nitride semiconductor material represented by the general formula: Al x In y Ga 1-xy N (where x ≧ 0, y ≧ 0, 1-xy ≧ 0). Formed,
The seed crystal layer and the barrier layer are made of silicon nitride;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2. 前記種結晶層及び前記バリア層は、シランガスとアンモニアガスの雰囲気中で形成され、
前記複数の突起は、有機金属化学気相成長法により、アンモニアガス及びガリウムを含む有機金属気体の雰囲気中で形成されること、
を特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。 The seed crystal layer and the barrier layer are formed in an atmosphere of silane gas and ammonia gas,
The plurality of protrusions are formed in an atmosphere of an organic metal gas containing ammonia gas and gallium by metal organic chemical vapor deposition.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3. 前記突起を形成する工程では、まず、５００〜７００℃の成長温度で窒化ガリウムを用いて低温層を成長させ、さらに９００〜１１００℃に昇温すると共に、前記低温層を生成するときのアンモニアガスの流量よりも少ない流量でアンモニアガスを流し、前記低温層が前記複数の突起をなすように変形され、
前記複数の突起のそれぞれの表面にその格子定数が前記突起の格子定数と異なる結晶のバリア層を成長させること、
を特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。 In the step of forming the protrusions, first, a low temperature layer is grown using gallium nitride at a growth temperature of 500 to 700 ° C., the temperature is further raised to 900 to 1100 ° C., and ammonia gas for generating the low temperature layer is formed. The ammonia gas is flowed at a flow rate lower than the flow rate of the low-temperature layer, the low-temperature layer is deformed to form the plurality of protrusions,
Growing a barrier layer of a crystal whose lattice constant is different from the lattice constant of the protrusion on the surface of each of the plurality of protrusions;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、又はシリコンからなり、
前記低温層、前記突起及び前記ベース層は、一般式：ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≧０）で表される窒化ガリウム系半導体材料を用いて形成され、
前記バリア層は、シランガスとアンモニアガスの雰囲気中で形成された窒化ケイ素からなること、
を特徴とする請求項５に記載の半導体デバイスの製造方法。 The substrate is made of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, aluminum nitride, or silicon,
The low-temperature layer, the protrusion, and the base layer are made of a gallium nitride system represented by the general formula: Al x In y Ga 1-xy N (where x ≧ 0, y ≧ 0, 1-xy ≧ 0) Formed using semiconductor materials,
The barrier layer is made of silicon nitride formed in an atmosphere of silane gas and ammonia gas;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5. 前記ベース層を成長させる工程では、９００℃以上の成長温度でアンモニアガス及びガリウム含有の有機金属気体を用い、前記突起の先端部に跨るように前記ベース層を横方向へ成長させ、
前記ベース層を厚く成長させる工程では、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により前記ベース層を厚く成長させて、前記厚膜層が形成されること、
を特徴とする請求項４又は６に記載の半導体デバイスの製造方法。 In the step of growing the base layer, an ammonia gas and a gallium-containing organometallic gas are used at a growth temperature of 900 ° C. or higher, and the base layer is grown laterally so as to straddle the tip of the protrusion.
In the step of growing the base layer thickly, the base layer is grown thickly by a hydride vapor phase epitaxial growth method to form the thick film layer,
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 or 6. 前記ベース層を成長させる工程は、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により行い、
前記ベース層を厚く成長させる工程は、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により行うこと、
を特徴とする請求項４又は６に記載の半導体デバイスの製造方法。 The step of growing the base layer is performed by a hydride vapor phase epitaxial growth method,
The step of growing the base layer thickly is performed by hydride vapor phase epitaxy,
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 or 6. 前記底部を除去する工程は、ウェットエッチング法により行うことを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体デバイスの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the step of removing the bottom is performed by a wet etching method. 前記底部を除去する工程は、前記成長温度から常温まで温度下降する間になされることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体デバイスの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the step of removing the bottom is performed while the temperature is lowered from the growth temperature to room temperature.
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