JP5022396B2

JP5022396B2 - 半導体複合装置の製造方法

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Publication number: JP5022396B2
Application number: JP2009057176A
Authority: JP
Inventors: 光彦荻原; 友希猪狩; 昌明佐久田; 明弘橋本
Original assignee: 株式会社沖データ; 株式会社沖デジタルイメージング
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010208897A

Description

本発明は、第１の基板の表面に形成した窒化物単結晶半導体層を第２の基板の表面に接合した半導体複合装置の製造方法に関する。

異種材料のＬＥＤや異種機能の半導体デバイスを集積化することを目的として、従来より、母材基板の表面に結晶成長した半導体デバイスを形成する半導体層を、母材基板から剥離し、別の基板の表面に接合する形態が知られている。

例えば、特許文献１に開示された製造方法によれば、母材基板であるサファイア基板の裏面からレーザ光を照射し半導体エピタキシャル層をサファイア基板から剥離する、レーザリフトオフ法が提案されている。これはサファイア基板の裏面から照射したレーザ光によって、母材基板と窒化物半導体エピタキシャル層の界面でＧａＮがＧａとＮに分解し、Ｇａの融点が室温近傍であることによって、窒化物半導体エピタキシャル層をサファイア基板から剥離する技術である。

特開２００６−１３５３１１号公報

しかしながら、このレーザリフトオフ法による窒化物半導体エピタキシャル層をサファイア基板から剥離して、異種基板（第２の基板）の表面に接合する方法では、剥離した窒化物半導体エピタキシャル層の表面でナノメータオーダの平坦性が得られず、実用上十分な接合力が得られなくなってしまうという課題があった。このため、剥離後にさらに剥離表面の平坦性を向上するための表面処理を行う必要があった。

本発明は、前記の課題を解決し、平坦性のよい高品質な窒化物単結晶半導体層を第２の
基板の表面に接合した半導体複合装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の半導体複合装置の製造方法は、第１の基板（例えば、母材基板）の表面に窒化インジウム（ＩｎＮ）層を含む第１の窒化物単結晶半導体層を形成する第１工程と、前記第１の窒化物単結晶半導体層の表面に第２の窒化物単結晶半導体層を形成する第２工程と、前記第２の窒化物単結晶半導体層をパターン形成する第３工程と、前記第３工程でパターン形成された前記第２の窒化物単結晶半導体層を被覆する保護膜を形成する第４工程と、前記第４工程の後に、前記第１の窒化物単結晶半導体層を活性水素に曝露して前記窒化インジウム（ＩｎＮ）層を金属インジウム（Ｉｎ）層に改質させる第５工程と、前記金属インジウム（Ｉｎ）層をエッチングして、前記第２の窒化物単結晶半導体層を前記第１の基板から剥離する第６工程と、前記剥離した第２の窒化物単結晶半導体層を第２の基板の表面に接合する第７工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、平坦性のよい高品質な窒化物単結晶半導体層を第２の基板の表面に接合した半導体複合装置の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハの構造（ａ）及び製造工程（ｂ）を説明するための斜視図である。第１の実施形態のパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハの構造及び製造工程を説明するための断面図（その１）である。第１の実施形態のパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハの構造及び製造工程を説明するための断面図（ａ）（その２）及び断面図（ｂ）（その３）である。第１の実施形態の第１の窒化物単結晶半導体層である窒化インジウム（ＩｎＮ）層を改質させる工程を説明するための斜視図である。図において、（ａ）は、改質前を示し、（ｂ）は、改質後を示す。第１の実施形態のパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層を母材基板から剥離する工程を説明するための斜視図であり、（ａ）は、剥離前を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、金属インジウム層が選択的にエッチングされて行く様子を示し、（ｄ）は、剥離が完了した状態を示す。第１の実施形態において、剥離したパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層を第２の基板の表面に接合する工程を説明するための斜視図であり、（ａ）は、第２の基板構造を示し、（ｂ）は、接合工程を示し、（ｃ）は、接合工程が完了した状態を示す。第１の実施形態における半導体複合装置の主な製造工程のフローチャートを示す図である。本発明の第２の実施形態を説明するための窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハの構造及び製造工程を説明するための断面図であり、（ａ）は、断面構造を示し、（ｂ）は第１の窒化物単結晶半導体層の構造を示す。

本発明の半導体複合装置の製造方法の実施形態を、図１乃至図７を参照して順追って説明する。なお、これらの図面は、本実施形態の要点が明確になるように概略的に示したもので、各構成部分の形状や寸法の関係等は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
本発明の半導体複合装置の製造方法の第１の実施形態を、図１乃至図６を参照して順追って説明する。

図１（ａ）の斜視図において、母材基板１０１は、その表面に窒化物単結晶半導体層１１０を結晶成長するための第１の基板である。そして、窒化物単結晶半導体層１１０は、母材基板１０１の表面に結晶成長させた窒化物単結晶半導体層である。窒化物単結晶半導体層１１０は、例えば、有機金属化学気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により結晶成長させて形成される。窒化物単結晶半導体層１１０は、窒化物半導体で構成される第１の窒化物単結晶半導体層１０２と第２の窒化物単結晶半導体層１０３とを順次結晶成長させて形成する。

第１の窒化物単結晶半導体層１０２は、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）から選択される材料の少なくとも１つを含む窒化物半導体材料から構成される。第２の窒化物半導単結晶半導体層１０３は、Ｉｎ、Ｇａ、及び、アルミニウム（Ａｌ）から選択される材料を少なくとも１つを含む窒化物半導体材料から構成される。これら、第１及び第２の窒化物単結晶半導体層１０２及び１０３は、それぞれ単層でも異種材料を積層した構造であってもよい。結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法の他、分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法を採用することもできる。

母材基板１０１は、単結晶基板であることが望ましく、例えば、酸化物基板、窒化物基板、及び、炭化物基板から選択される基板を使用することができる。酸化物基板としては、例えば、サファイア基板や、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（１≧ｘ＞０）基板等が使用され、窒化物基板としては、例えば、ＧａＮ基板、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０)基板やＩｎ_ｙＡｌ_１−ｙＮ基板（１≧ｙ≧０）等が使用される。そして、炭化物基板としては、ＳｉＣ基板等の基板を用いることができる。

そして、第１の窒化物単結晶半導体層１０２を構成する材料は、熱又は活性化された原子、分子、あるいはイオンとの相互作用によって、化学的に変化する窒化物単結晶半導体材料である。例えば、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。そして、この第１の窒化物単結晶半導体層１０２は、少なくとも２分子層の厚さを備えていることが望ましい。

第２の窒化物単結晶半導体層１０３は、例えば、トランジスタ、センサ等の電子素子を構成する窒化物単結晶半導体層である。また、この第２の窒化物単結晶半導体層１０３は、例えば、ＬＥＤ、レーザ等の発光素子を構成する窒化物単結晶半導体層である。さらにまた、この第２の窒化物単結晶半導体層１０３は、電子素子と発光素子とを含む複合素子を構成する窒化物単結晶半導体層である。

そして、第２の窒化物単結晶半導体層１０３は、前記素子構造を作製する前に母材基板１０１から剥離し第２の基板の表面に接合することができる。また、前記素子構造を形成してから母材基板１０１から剥離し、第２の基板の表面に接合することも可能である。

次に、図１（ｂ）の斜視図で示すように、前記構成の母材基板１０１の表面に窒化物単結晶半導体層１１０を結晶成長した窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０を、少なくとも第１の窒化物単結晶半導体層１０２の一部が露出するように、第２の窒化物単結晶半導体層１０３をパターン形成してパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３とする。この第２の窒化物単結晶半導体層１１３のパターンとするパターン形成は、例えば、塩素（Ｃｌ）系のエッチングガスを用いたドライエッチングによる周知の異方性エッチング方法によって行うのが好適である。

次に、図２の断面図で示すように、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を被覆する保護膜２５０をパターン形成する。保護膜２５０は、例えば、周知のプラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ、ＳｉＯ_２、又は、スパッタ法により形成したＡｌ_２Ｏ_３等の無機絶縁膜を使用することができる。

また、前記第１の窒化物単結晶半導体層１０２の一部を露出させる工程では、断面図で示した図３（ａ）に示すように、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の直下の第１の窒化物単結晶半導体層１０２のみを残して、パターン化された第１の窒化物単結晶半導体層１０２ａとしてもよい。あるいは、断面図で示した図３（ｂ）に示すように、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の直下以外の領域の母材基板１０１の一部１０１ａをエッチングしてもよい。この場合、保護層２５０は、パターン化された第１の窒化物単結晶半導体層１０２ａの側面の一部が露出するように形成される。そして、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３は保護層２５０によって完全に被覆されていることが好適である。

次に、図４（ａ）乃至図４（ｂ）の斜視図を参照して、図１（ｂ）で示したパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０（図１（ｂ））の第１の窒化物単結晶半導体層１０２である窒化インジウム（ＩｎＮ）層を改質する工程を説明する。なお、図４（ａ）乃至図４（ｂ）においては、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を被覆する保護膜２５０の図示を省略している。

まず、図４（ａ）に示すように、窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０を水素プラズマ３５０中に配置し、第１の窒化物単結晶半導体層１０２である窒化インジウム（ＩｎＮ）層を活性状態の原子状水素に曝露させる。このとき、窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０を加熱してもよい。その結果、図４（ｂ）に示すように、窒化インジウム（ＩｎＮ）層であった第１の窒化物単結晶半導体層１０２は、改質されて、改質された第１の窒化物単結晶半導体層２０２、すなわち、金属インジウム（Ｉｎ）層となる（以後、金属インジウム層２０２と称する）。

窒化インジウム（ＩｎＮ）層の改質のメカニズムを説明するために、例えば、インジウム（Ｉｎ）と窒素（Ｎ）との結合状態を、Ｉｎ−Ｎと表記する。ＩｎＮ層は、活性状態の原子状水素に曝されると、原子状水素Ｈにより結合力の弱いＩｎ−Ｎの結合が切断され、Ｎを奪われＩｎ−となる。一方、奪われたＮは原子状水素Ｈと結合して、Ｈ−Ｎの結合が形成される。その結果、Ｉｎ−同士が結合してＩｎ−Ｉｎの結合が形成されることにより、金属インジウム（Ｉｎ）層となる。
この第１の窒化物単結晶半導体層１０２を金属インジウム層２０２に改質する工程が本発明の主要構成要件である。

次に、図５（ａ）乃至図５（ｄ）の斜視図を参照して、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を母材基板１０１から剥離する工程を順追って説明する。
図５（ａ）は、前記プラズマ処理により改質された金属インジウム層２０２を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０を示す。この図は、図１（ｂ）で示したパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０において、第１の窒化物単結晶半導体層１０２が金属インジウム層２０２に改質された状態を示している。

次に、金属インジウム層２０２を、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３及び母材基板１０１に対して、選択的に除去するためのエッチング処理を行う。エッチング液として、例えば、塩酸を使用して、金属インジウム層２０２を有する窒化物単結晶半導体エピタキシャルウエハ１５０を浸漬する。図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、この工程おいて、金属インジウム層２０２が選択的にエッチングされていく様子を模式的に示した図である。

金属インジウムの塩酸によるエッチング速度は速く、前記したように２分子層程度の厚さを有する第１の窒化物単結晶半導体層１０２が改質した金属インジウム層２０２の厚さを考慮すると、金属インジウム層２０２の塩酸によるエッチングは、等方的に進む。したがって、母材基板１０１とパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３との間の金属インジウム２０２も、その他の領域の金属インジウム層２０２と同様な速度でエッチングされることになる。

そして、図５（ｄ）に示すように、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３は、母材基板１０１から剥離される。すなわち、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離された剥離面Ａが、次の接合工程における接合面となる。なお、図５を参照した説明では、図示しないが、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を母材基板１０１から剥離する際には、剥離後のパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を支持するための支持体を使用する。なお、剥離工程後の母材基板１０１は、再利用することが可能である。

次に、図６（ａ）乃至図６（ｃ）の斜視図を参照して、前記工程により剥離したパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を第２の基板２０１の表面に接合する工程を説明する。母材基板１０１から剥離した、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を第２の基板２０１の表面に接合する際には、図５（ｄ）で示したパターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離面Ａと第２の基板２０１の表面との間の分子間力を使った接合を使うことができる。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２の基板２０１の表面に別の材料層２１０を設けて、この材料層２１０の表面に、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離面Ａを接合する（接合Ｂ）こともできる。ここで、第２の基板２０１は、例えば、ＣｕやＡｌ等の金属基板、ＳｉＣ基板、ダイヤモンド基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板、等の高熱伝導材料基板であることが望ましい。また、材料層２１０としては、誘電体層又は導電体層を使うことができる。誘電体層としては、例えば、有機物層を使用することができ、また、導電体層としては、例えば、金属層や透明導電体層を使用することができる。

そして、図６（ｃ）に示すように、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離面Ａと第２の基板２０１の表面の材料層２１０との接合表面を活性化した後に、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３を、材料層２１０の表面の所定の位置に加圧・密着させることにより、両者を分子間力により接合する。

接合形態としては、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離面Ａと、第２の基板２０１の表面形成された材料層２１０の表面との分子間力による前記接合形態の他、両者の表面分子間の共有結合、あるいは、パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層１１３の剥離面Ａを構成する分子と材料層２１０を構成する分子との間の化合物の形成を使う接合形態も可能である。

なお、図７に、本発明の第１の実施形態における半導体複合装置の主な製造工程のフローチャートを示す。主な製造工程は、母材基板の表面に第１及び第２の窒化物単結晶半導体層を結晶成長する（ステップＳ１）、第２の窒化物単結晶半導体層をパターニングして、保護膜を被覆する（ステップＳ２）、水素プラズマ中にて、第１の窒化物単結晶半導体層を金属インジウム層に改質する（ステップＳ３）、金属インジウム層をエッチングして、第２の窒化物単結晶半導体層を母体基板から剥離する（ステップＳ４）、そして、第２の窒化物単結晶半導体層を第２の基板と接合する（ステップＳ５）、である。

本発明の第１の実施形態では、母材基板１０１上に第１の窒化物単結晶半導体層１０２と第２の窒化物単結晶半導体層１０３とを形成し、第１の窒化物単結晶半導体層１０２を活性水素(原子状水素)中で改質して金属インジウム層２０２とするので、この金属インジウム層２０２となった第１の窒化物単結晶半導体層１０２をエッチング除去することにより、容易に第２の窒化物単結晶半導体層１０３を母材基板から剥離することができる。

そして、この改質された金属インジウム層２０２をエッチングする際には、金属インジウム層は、大きなエッチングレートでエッチングされるため、第２の窒化物単結晶半導体層１０３及び母材基板１０１との選択エッチングが可能となる。したがって、ナノメータオーダの平坦性を備えた第２の窒化物単結晶半導体層１０３の剥離面を得ることができる。

したがって、第２の窒化物単結晶半導体層１０３と第２の基板２０１との接合工程をより確実なものとすることができる。

また、第２の窒化物単結晶半導体層１０３を剥離した後の母材基板１０１は、次の結晶成長用の母材基板として再利用することができる。

（第２の実施形態）
図８（ａ）及び図８（ｂ）の断面図を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１の窒化物単結晶半導体層１０２を積層構造とした第１の窒化物単結晶半導体層３０２を用いたことであり、それ以外の実施形態の構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略し、この第１の窒化物単結晶半導体層３０２を用いた実施形態について説明する。

本実施形態では、図８（ａ）に示すように、母材基板１０１の表面に、積層構造からなる第１の窒化物単結晶半導体層３０２と第２の窒化物単結晶半導体層１０３とを順次結晶成長させる。

そして、この第１の窒化物単結晶半導体層３０２は、図８（ｂ）に示すように、窒化物半導体単結晶層３１０と窒化物半導体単結晶層３２０との２層構造対層を多層構造に構成してある。

例えば、窒化物半導体単結晶層３１０は、窒化インジウム（ＩｎＮ）層であり、窒化物半導体単結晶層３２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。窒化物半導体単結晶層３１０は、少なくとも２分子層の厚さを備えている。そして、窒化物半導体単結晶層３２０は、少なくとも１分子層の厚さである。そして、第１の窒化物単結晶半導体層３０２の全体構成として、平均組成がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ＞０）の組成となるように、窒化物半導体単結晶層３１０の窒化インジウム（ＩｎＮ）層及び窒化物半導体単結晶層３２０の窒化ガリウム（ＧａＮ）層の厚さを決める。

ここで、窒化物半導体単結晶層３２０は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（１＞ｙ＞０）、Ｉｎ_ｚＡｌ_１−ｚＮ（１＞ｚ≧０）、及び、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＮ（１＞ｓ＞０）から選択される１つの窒化物単結晶半導体層とすることもできる。
以下、第１の実施形態と同様であるので、説明の記載は省略する。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の窒化物単結晶半導体層を、ＩｎＮ層を含む積層構造としたので、第１の実施形態における効果に加えて、第１実施形態の第１の窒化物単結晶半導体層と比べて、平均的な組成がＩｎＮ層のみのＩｎ組成よりも減少するため、第１の窒化物単結晶半導体層全体から見た熱的安定性が向上し、その上に形成する第２の窒化物単結晶半導体層の高品質化を実現する効果を奏する。

以上説明したように、本発明の半導体複合装置の製造方法によれば、平坦性のよい高品質な窒化物単結晶半導体層を、その母材基板とは異なる第２の基板の表面に接合した半導体複合装置を具現することができる。

１０１母材基板（第１の基板）
１０１ａエッチングされた母材基板の部分
１０２、３０２第１の窒化物単結晶半導体層
１０２ａパターン化された第１の窒化物単結晶半導体層
１０３第２の窒化物単結晶半導体層
１１０、３１０、３２０窒化物単結晶半導体層
１１３パターン化された第２の窒化物単結晶半導体層
２０１第２の基板
２０２改質された第１の窒化物単結晶半導体層（金属インジウム層）
２１０材料層
２５０保護膜
３００活性状態の原子状水素
３５０水素プラズマ
Ａ剥離面
Ｂ接合

Claims

第１の基板の表面に窒化インジウム層を含む第１の窒化物単結晶半導体層を形成する第１工程と、
前記第１の窒化物単結晶半導体層の表面に第２の窒化物単結晶半導体層を形成する第２工程と、
前記第２の窒化物単結晶半導体層をパターン形成する第３工程と、
前記第３工程でパターン形成された前記第２の窒化物単結晶半導体層を被覆する保護膜を形成する第４工程と、
前記第４工程の後に、前記第１の窒化物単結晶半導体層を活性水素に曝露して前記窒化インジウム層を金属インジウム層に改質させる第５工程と、
前記金属インジウム層をエッチングして、前記第２の窒化物単結晶半導体層を前記第１の基板から剥離する第６工程と、
前記剥離した第２の窒化物単結晶半導体層を第２の基板の表面に接合する第７工程と
を含むことを特徴とする半導体複合装置の製造方法。
前記第１の窒化物単結晶半導体層は、窒化インジウム層のみであることを特徴とする請求項１に記載の半導体複合装置の製造方法。
前記第１の窒化物単結晶半導体層は、窒化インジウム層と、
Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（１＞ｙ≧０）、Ｉｎ_ｚＡｌ_１−ｚＮ（１＞ｚ≧０）、及び、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＮ（１＞ｓ＞０）から選択される１つの半導体層との積層構造から構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体複合装置の製造方法。
前記第１の基板は、サファイア基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ≧０）基板、Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＮ（ｙ≧０）基板、及び、ＳｉＣ基板から選択される１つの基板である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体複合装置の製造方法。
前記第２の基板は、金属基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、及び、ダイヤモンド基板から選択される１つの基板である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体複合装置の製造方法。