JP4980616B2 - 半導体チップを製作するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル成長により製作された機能的な半導体層列を有する半導体チップ、特にオプトエレクトロニクスの半導体チップを製作するための方法に関する。

本特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００４０６２２９０．６号明細書の優先権を主張しており、これによって、その開示内容が本発明に反映される。

窒化物化合物半導体をベースとした半導体構成素子は、主として、特に紫外、青および緑のスペクトル範囲内の放射線発生のために、オプトエレクトロニクスに使用される。「窒化物化合物半導体をベースとした」とは、以下、このように称される構成素子または構成素子の一部が、有利にはＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを有していることを意味している。この場合、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１が重要である。この場合、この材料は必ずしも上の公式による数学的に正確な組成を有している必要はない。むしろ、この材料が一種類またはそれ以上の種類のドーピング物質ならびに付加的な成分を有していてよい。このドーピング物質ならびに付加的な成分は材料の物理的な特性を主として変化させない。しかし、便宜上、上の公式は、結晶格子の主要な成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）を部分的に僅かな量の別の物質によって置換することができる場合でも、結晶格子の主要な成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）しか有していない。

窒化物化合物半導体をベースとした半導体構成素子を製作するためには、通常、エピタキシャル成長法が使用される。窒化物化合物半導体における欠陥密度の低減は、窒化物化合物半導体をベースとしたオプトエレクトロニクスの半導体チップの内部効率を高めるための主前提条件の１つであるので、エピタキシャル成長させたい層列のように窒化物化合物半導体から形成された成長基板を使用することが有利である。しかし、窒化物化合物半導体、特にＧａＮから成る基板は高い技術的な手間をかけてしか製作することができず、したがって、通常使用される、ＳｉＣおよびサファイアから成る択一的な基板よりも著しく高価である。

窒化物化合物半導体をベースとしたオプトエレクトロニクスの構成素子の公知の製作法は、いわゆる「薄膜テクノロジ」に基づいている。この場合、機能的な半導体層列が、まず、成長基板にエピタキシャル成長させられ、次いで、新たな支持体が、半導体層列の、成長基板と反対の側の表面に被着され、引き続き、成長基板が分離される。このことは、特に成長基板を再使用することができるという利点を有している。窒化物化合物半導体から成る半導体層列からのサファイアから成る成長基板の剥離は、たとえば国際公開第９８／１４９８６号パンフレットに基づき公知のレーザリフトオフ法によって行うことができる。しかし、この方法は、窒化物化合物半導体から成る基板に難なく使用することができない。
ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００４０６２２９０．６号明細書 国際公開第９８／１４９８６号パンフレット アメリカ合衆国特許第５３７４５６４号明細書 アメリカ合衆国特許第６１０３５９７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５０７０７号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた、半導体チップ、有利には窒化物化合物半導体ベースのオプトエレクトロニクスの半導体チップを製作するための方法を改良して、成長基板の再使用が可能であり、製作手間が比較的僅かであるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の方法では、当該方法が、以下の方法ステップ：すなわち、成長基板を準備し、機能的な半導体層列を成長基板にエピタキシャル成長させ、該成長基板の主面に対して平行に位置する分離領域を成長基板にイオン注入によって形成し、この場合、成長基板へのイオン注入をエピタキシャル成長に後続させ、機能的な半導体層列を貫いて行い、支持基板を機能的な半導体層列に被着し、成長基板の、分離領域から見て支持基板と反対の側の部分を分離領域に沿って分離する：を有しているようにした。

本発明の有利な実施態様は従属請求項の対象である。

半導体チップ、特にオプトエレクトロニクスの半導体チップを製作するための本発明による方法では、成長基板が準備され、引き続き、機能的な半導体層列が成長基板に成長させられる。引き続き、この成長基板の主面に対して平行に位置する分離領域が成長基板にイオン注入によって形成される。この場合、イオン注入は機能的な半導体層列を貫いて行われる。引き続き、機能的な半導体層列に支持基板が被着される。次いで、後続の方法ステップで、成長基板の、分離領域から見て支持基板と反対の側の部分が分離領域に沿って分離される。

成長基板は、分離領域に沿った分離の方法ステップ後、有利にはオプトエレクトロニクスの新たな構成素子の製作のために使用可能である。これによって、製作手間が減少させられる。

成長基板へのイオン注入は、成長基板への機能的な半導体層列のエピタキシャル成長後に初めて行われるので、エピタキシャル成長させられた層の品質が、成長基板の表面の不足によって損なわれないことが確保されている。さもないと、このような不足は、イオン注入が機能的な半導体層列の被着前に行われる場合に生ぜしめられる恐れがる。

成長基板に対するエピタキシャル成長させられた層の良好な格子適合によって、エピタキシャル成長させられた機能的な半導体層列における欠陥密度が有利に減少させられる。成長基板と機能的な半導体層列とは、有利には、ほぼ同じ格子定数を有している。特に有利には、成長基板と機能的な半導体層列とが同じ半導体材料をベースとしている。特に成長基板と機能的な半導体層列とが、それぞれ窒化物化合物半導体材料から形成されていることが提案されている。窒化物化合物半導体という呼称は、特にＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを有している。この場合、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１が重要である。この場合、この材料は必ずしも上の公式による数学的に正確な組成を有している必要はない。むしろ、この材料が一種類またはそれ以上の種類のドーピング物質ならびに付加的な成分を有していてよい。このドーピング物質ならびに付加的な成分は材料の物理的な特性を主として変化させない。しかし、便宜上、上の公式は、結晶格子の主要な成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）を部分的に僅かな量の別の物質によって置換することができる場合でも、結晶格子の主要な成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）しか有していない。

分離領域に沿った成長基板の分離は、有利には熱的な剥離（一般的にスマートカットと呼ばれる）によって行われる。イオン注入による分離領域の形成と、基板の一部の熱的な剥離とは、原理的には、アメリカ合衆国特許第５３７４５６４号明細書およびアメリカ合衆国特許第６１０３５９７号明細書に基づき公知であり、したがって、この箇所で詳しく説明しない。

本発明の有利な実施態様では、エピタキシャル成長による機能的な半導体層列が、放射線放出する活性層を有しており、この活性層が、特に０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を備えたＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを有している。

機能的な半導体層列を貫いて行われるイオン注入に基づき生ぜしめられる恐れがある層品質のあり得る損傷を減少させるために、イオン注入後、有利には、エピタキシャル成長による機能的な半導体層列の熱処理、つまり、アニーリングが行われる。特に機能的な半導体層列の追補的なアニーリングは、有利には、イオン注入の事例で機能的な半導体層列の成長前に、エピタキシャル成長のために適した表面を製作するために必要となるであろう研削またはエッチングによる成長基板の後加工よりも僅かな技術的な手間に結び付けられている。熱処理はイオン注入直後に行われる必要はなく、たとえば、熱的な剥離が、アニーリングプロセスのために必要となる温度よりも僅かな温度ですでに行われる場合には、特に成長基板の部分の分離後に初めて行われてもよい。

エピタキシャル成長による半導体層列には、有利には支持基板の被着前に電気的なコンタクト層または複数の個別層を有するコンタクト層列が設けられる。特に有利には、電気的なコンタクト層またはコンタクト層列が反射性であるかまたは反射性の層を有している。このことは、放射線放出するオプトエレクトロニクスの半導体チップに対して特に有利である。なぜならば、反射性の層が、支持基板の方向に放出された放射線を、支持基板と反対の側の放射線出力結合面に反射し、したがって、支持基板での吸収を阻止するからである。

成長基板は、有利にはＧａＮ基板またはＡｌＮ基板である。有利には、成長基板はｎ型ドーピングされている。

イオン注入時には、有利には水素イオンが成長基板に注入される。択一的には、希ガス、たとえばヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンのイオンが使用されてもよい。

支持基板は、有利には、窒化物化合物半導体をベースとした機能的な半導体層列の熱膨張係数に適合された熱膨張係数を有している。このことは、機能的な半導体層列と支持基板との熱膨張係数が著しく異なる場合に、特に半導体チップの、成長基板の熱的な剥離のために必要となる加熱時に生ぜしめられる恐れがある機械的な応力による機能的な半導体層列の損傷が阻止されるという利点を有している。

支持基板のための特に適した材料は、Ｇｅ、ＧａＡｓ、金属、たとえばＭｏまたはＡｕまたはＡｕまたはＭｏをベースとした金属合金である。支持基板は、有利にはろう接または接合によって機能的な半導体層列または場合によりコンタクト層列または層列に被着される。特に接合法、たとえばウェーハ接合、共晶接合または酸化接合を使用することができる。

有利には、オプトエレクトロニクスの半導体チップを製作するための本発明による方法は、特に発光ダイオードおよび半導体レーザ構成素子のために使用される。択一的には、本発明による方法は、別の電子的な構成素子を製作する場合に使用されてもよい。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

同じエレメントまたは同作用のエレメントには、図面において同じ符号が付してある。

図１に示した本発明による方法の実施例の中間ステップでは、窒化物化合物半導体をベースとした機能的な半導体層列２が、窒化物化合物半導体から成る成長基板１に被着されている。この成長基板１は、特にＧａＮ基板またはＡｌＮ基板であってよい。有利には、成長基板１は、ｎ型ドーピングされた基板である。機能的な半導体層列２は、特に放射線放出する活性領域３を有していてよい。この活性領域３は、たとえば０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を備えたＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを有している。機能的な半導体層列２は、たとえば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）またはエピタキシャル成長による別の製作法によって被着される。

図２に示した中間ステップでは、Ｈ^＋イオンの注入によって、成長基板１の主面８に対して平行に延びる分離領域４が成長基板１に形成される。この場合、Ｈ^＋イオンは、たとえば活性層３を有する機能的な半導体層列２を貫いて成長基板１に注入される。この注入後、機能的な半導体層列２の、高エネルギイオンによって場合により生ぜしめられる損害を減少させるために、有利には、機能的な半導体層列２の熱処理が行われる。

図３に示した中間ステップでは、機能的な半導体層列２にコンタクト層５が被着された。このコンタクト層５は、有利には、放射線放出する活性領域３によって放出された放射線に対して反射性である。特にコンタクト層５は多層状に形成されていてもよい。この場合、このコンタクト層５は、有利には、機能的な半導体層列２に面した側に反射性の層を有している。この反射性の層は、たとえばＡｕ、ＡｕＧｅ、Ａｇ、Ａｌまたは別の金属または別の金属化合物を含有している。このようなコンタクト層は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５０７０７号明細書に基づき公知であり、したがって、この箇所で詳しく説明しない。

図４に示した本発明による方法の中間ステップでは、コンタクト層５を備えた半導体層列２に支持基板６が被着された。この支持基板６の被着は、有利には接合またはろう接によって行われる。有利には、支持基板６は、主として、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＭｏまたはＡｕから成っている。これらの材料は、その熱膨張係数が、窒化物化合物半導体をベースとした機能的な半導体層列２の熱膨張係数に良好に適合されるという利点を有している。これによって、半導体チップが著しく加熱されなければならない成長基板１の熱的な剥離の後続の方法ステップ時の支持基板６と半導体層列２との間の機械的な応力が有利に減少させられ、したがって、亀裂の形成および／または半導体層列２からの支持基板６の剥離が阻止される。

図５に示した中間ステップでは、分離領域４の、支持基板６と反対の側に位置する成長基板１の部分が、たとえば約３００℃〜７００℃の温度への加熱によって熱的に剥離された。したがって、もはや、有利には極めて薄い分離領域４しか半導体層列２に残されていない。元々の成長基板１の剥離後に機能的な半導体層列２に結合されたままである分離領域４の厚さは、イオン注入時の水素イオンのエネルギの分布の最大値が、元々の成長基板１と機能的な半導体層列２との間の境界面の可能な限り近くに生ぜしめられるように、イオン注入時の水素イオンのエネルギが選択されることによって減少させることができる。

図６に示した中間ステップでは、有利には半導体チップのｎ型コンタクトを形成する第１のコンタクトメタライゼーション層７が、半導体チップの、支持基板６と反対の側に被着され、有利には半導体チップのｐ型コンタクトを形成する第２のコンタクトメタライゼーション層９が、支持基板６の、半導体層列２と反対の側に被着された。当然ながら、逆の極性が付与されてもよく、当業者に周知の別のコンタクティング技術が使用されてもよい。特に支持基板６は導電性である必要はなく、ｎ型コンタクトだけでなくｐ型コンタクトも、支持基板６の、半導体層列２に面した側に設けられていてもよい。

図１〜図６に示した中間ステップに基づく方法の説明は、当然ながら、別の方法ステップによって補足されてよい。たとえば機能的な半導体層列２が、すでに支持基板６の被着前に個々の複数の半導体層スタックに構造化されてよい。その後、支持基板６の被着後、複数の半導体層スタックが、たとえばソーイングまたはブレーキングによって個々の半導体チップに個別化されてよい。

本発明は、実施例に基づく説明に限定されていない。むしろ、本発明は、新たな各特徴と、これらの特徴の各組合せとを有している。このことは、特徴または組合せが自体明確に特許請求の範囲または実施例に記載されていない場合でも、特に特徴の各組合せを特許請求の範囲に含めている。

本発明による方法の実施例の第１の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。 本発明による方法の実施例の第２の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。 本発明による方法の実施例の第３の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。 本発明による方法の実施例の第４の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。 本発明による方法の実施例の第５の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。 本発明による方法の実施例の第６の中間ステップにおけるオプトエレクトロニクスの半導体チップの概略的な横断面図である。

符号の説明

１ 成長基板、 ２ 半導体層列、 ３ 活性領域、 ４ 分離領域、 ５ コンタクト層、 ６ 支持基板、 ７ コンタクトメタライゼーション層、 ８ 主面、 ９ コンタクトメタライゼーション層

Claims (15)

1. エピタキシャル成長により製作された機能的な半導体層列（２）を有する半導体チップを製作するための方法において、当該方法が、以下の方法ステップ：すなわち、
   −成長基板（１）を準備し、
   −機能的な半導体層列（２）を成長基板（１）にエピタキシャル成長させ、
   −該成長基板（１）の主面（８）に対して平行に位置する分離領域（４）を成長基板（１）にイオン注入によって形成し、この場合、成長基板（１）へのイオン注入をエピタキシャル成長に後続させ、機能的な半導体層列（２）を貫いて行い、
   −支持基板（６）を機能的な半導体層列（２）に被着し、
   −成長基板（１）の、分離領域（４）から見て支持基板（６）と反対の側の部分を分離領域（４）に沿って分離する
   を有していることを特徴とする、半導体チップを製作するための方法。
2. 成長基板（１）と機能的な半導体層列（２）とが、主として、同じ格子係数を有している、請求項１記載の方法。
3. 成長基板（１）と機能的な半導体層列（２）とが、同じ半導体材料をベースとしている、請求項１または２記載の方法。
4. 成長基板（１）と機能的な半導体層列（２）とが、それぞれ窒化物化合物半導体材料から形成されている、請求項３記載の方法。
5. 機能的な半導体層列（２）が、放射線放出する活性層（３）を有しており、該活性層（３）が、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を備えたＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 成長基板（１）が、ＧａＮ基板またはＡｌＮ基板である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 分離領域（４）に沿った成長基板（１）の、分離領域（４）から見て支持基板（６）と反対の側の部分の分離を熱的な剥離によって行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 成長基板（１）が、導電性の基板である、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記導電性の成長基板（１）が、ｎ型伝導性の基板である、請求項８記載の方法。
10. 支持基板（６）が、導電性の基板である、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記導電性の支持基板（６）が、ｐ型伝導性の基板である、請求項１０記載の方法。
12. イオン注入時に水素イオンを注入する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. イオン注入後、機能的な半導体層列（２）の熱処理を行う、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 機能的な半導体層列（２）に、支持基板（６）の被着前に電気的なコンタクト層またはコンタクト層列（５）を設ける、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 機能的な半導体層列（２）が、放射線放出する活性層（３）を有しており、電気的なコンタクト層（５）が、放出された放射線に対するリフレクタとして働く、請求項１４記載の方法。

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