JP7004918B2

JP7004918B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7004918B2
Application number: JP2019101490A
Authority: JP
Inventors: 衛司村本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
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Filing date: 2019-05-30
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Description

本開示は、半導体装置の製造方法に関する。

成長基板上に形成した半導体素子を、別で準備した支持基板に転写するために、半導体素子と支持基板とを接合する技術が知られている（例えば特許文献１および２）。
例えば、特許文献２には、第１部材と第２部材の接合方法として、半導体素子が形成された第１基板上に第３金属層と第１金属層とを順に形成し、別途準備した支持基板である第２基板上に第４金属層と第２金属層とを順に形成して、第１金属層と第２金属層とを接触させて加熱することにより、第１部材と第２部材とを接合することが開示されている。特許文献２によれば、第３金属層として、第１金属層の融点より高い金属を用い、第４金属層として、第２金属層の融点より高い金属を用いて、接合時の加熱により、第１～第４金属層が合金化して強固に接合できるとされている。

特開２０１７－５１５６号公報特開２０１７－１６２９０７号公報

しかしながら、特許文献２に開示された複数の層が合金化された合金層を用いて、表面に凹部を有する半導体素子を支持基板に転写する場合、凹部内に空洞が残ったまま半導体素子と支持基板が接合されてしまい、接合部の機械的強度が十分確保できない場合がある。

そこで、本開示は、表面に凹部を有する半導体層を支持基板に転写する場合であっても、接合部分における空洞の発生を抑制できる製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る第１の実施形態の半導体装置の製造方法は、
第１基板と、前記第１基板上に設けられ表面に第１凹部を含む半導体層と、前記半導体層の表面のうち少なくとも前記第１凹部を除く表面の上方に設けられた第１金属層と、を備えており、表面に第２凹部を前記第１凹部の直上を含む領域に有する第１部材を準備する工程と、
第２基板と、前記第２基板上に設けられた第２金属層と、前記第２金属層上に設けられた第３金属層と、前記第３金属層上に設けられた第４金属層と、を備えた第２部材を準備する工程と、
前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させ加熱し、前記第１金属層及び前記第４金属層と前記第２金属層とを相互拡散させ合金化することにより、第１部材と第２部材とを接合する工程と、を含み、
前記第３金属層は、前記第２金属層と前記第４金属層との相互拡散を抑制する層である。

本開示に係る第２の実施形態の半導体装置の製造方法は、
第１基板と、前記第１基板上に設けられ表面に第１凹部を含む半導体層と、前記半導体層上に設けられた第５金属層と、前記第５金属層上に設けられた第６金属層と、前記第６金属層の表面のうち少なくとも前記第１凹部を除く表面の上方に設けられた第１金属層と、を備えており、表面に第２凹部を前記第１凹部の直上を含む領域に有する第１部材を準備する工程と、
第２基板と、前記第２基板上に設けられた第４金属層と、を備えた第２部材を準備する工程と、
前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させ加熱し、前記第１金属層および前記第４金属層と前記第５金属層とを相互拡散させ合金化することにより、第１部材と第２部材とを接合する工程と、を含み、
前記第６金属層は、前記第５金属層と前記第１金属層および前記第４金属層との相互拡散を抑制する層である。

本発明の第１および第２の実施形態に係る製造方法によれば、第１基板上に設けられた半導体層の表面に第１凹部を含む場合であっても、第２基板と接合したときの接合部分において、凹部内に空洞が残ることを抑制できる。

図１は、実施形態１に係る半導体装置の概略上面図である。図２は、図１のII－II線に沿った概略断面図である。図３（ａ）～図３（ｃ）は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図５は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図６は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図７は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図８は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図９は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図１０は、実施形態１に係る半導体装置の製造工程を説明するための概略断面図である。図１１（ａ）～図１１（ｃ）は、合金接合層を形成可能な各金属層の積層の各種態様の断面模式図である。図１２（ａ）は、実施形態２の半導体装置に使用される第２部材の構成を示す概略断面図であり、図１２（ｂ）は、実施形態２の半導体装置に使用される第１部材の構成を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分または部材を示す。

本発明者は、金属からなる複数の層が合金化された合金層を用いて、表面に凹部を有する半導体素子を支持基板に転写する場合に、凹部内に空洞が残らないように接合する検討を行った。
その結果、半導体素子と支持基板とを接合する際の合金化の過程で、金属の流動性が抑制され、凹部内に空洞が残るとの知見を得た。
すなわち、金属からなる複数の層が合金化された合金層を用いて半導体素子を支持基板に接合する場合には、半導体素子側の最表面に形成する金属層と、支持基板側の最表面に形成する金属層に加えて、支持基板側又は半導体素子側の最表面の金属層の下に、合金化させるための金属層が必要になる。しかしながら、このようにした場合、接合の過程で、支持基板側又は半導体素子側の最表面に形成された金属層が、合金化させるための金属層と合金化することにより流動性が悪くなり、凹部内に空洞が残ってしまうとの知見を得た。
本開示に係る製造方法は、以上の知見に基づき完成されたものであり、支持基板側又は半導体素子側の最表面の金属層と、その下に形成された合金化のための金属層との間に、合金化を抑制する層を形成することにより、半導体素子と支持基板との接合の初期段階においては最表面の金属層の流動性の悪化を抑え、凹部内に空洞が残ることを抑制したものである。

具体的には、本開示には、以下の態様が含まれ、いずれの態様においても上述した効果を奏する。
なお、以下の説明では、接合により合金化させる複数の層を、後述の実施形態で説明する金属層との関係を分かり易くするために、（ａ）半導体素子側の最表面に形成する金属層を第１金属層といい、（ｂ）支持基板側の最表面に形成する金属層を第４金属層といい、（ｃ）支持基板と第４金属層の間に設けられて、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための金属層を第２金属層といい、（ｄ）半導体素子と第１金属層の間に設けられて、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための金属層を第５金属層という。

態様１は、（１）半導体素子の接合面側に第１金属層を形成し、（２）支持基板の接合面側に、第４金属層と、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための第２金属層を形成して、第１金属層と第４金属層を接触させて半導体素子と支持基板とを接合する場合である。
この態様１では、支持基板の接合面側に形成する第４金属層と、第４金属層よりも支持基板側に形成された第２金属層との間に、第４金属層と第２金属層との合金化を抑制する金属層（後述の実施形態おける第３金属層）を形成する。

態様２は、（１）支持基板の接合面側に第４金属層を形成し、（２）半導体素子の接合面側に、第１金属層と、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための第５金属層を形成して、第１金属層と第４金属層を接触させて半導体素子と支持基板とを接合する場合である。
この態様２では、半導体素子の接合面側に形成する第１金属層と、第１金属層よりも半導体素子側に形成された第５金属層との間に、第１金属層と第５金属層との合金化を抑制する金属層（後述の実施形態おける第６金属層）を形成する。

態様３は、（１）半導体素子の接合面側に、第１金属層と、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための第５金属層を形成し、（２）支持基板の接合面側に、第４金属層と、接合後に第１金属層及び第４金属層と合金化して合金層を形成するための第２金属層を形成して、第１金属層と第４金属層を接触させて半導体素子と支持基板とを接合する場合である。
この態様３では、支持基板の接合面側に形成する第４金属層と、第４金属層よりも支持基板側に形成された第２金属層との間に、第４金属層と第２金属層との合金化を抑制する金属層（後述の実施形態おける第３金属層）を形成し、半導体素子の接合面側に形成する第１金属層と、第１金属層よりも半導体素子側に形成された第５金属層との間に、第１金属層と第５金属層との合金化を抑制する金属層（後述の実施形態おける第６金属層）を形成する。
以下、本開示に係る半導体装置とその製造方法について詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る半導体装置１の概略上面図である。図２は、図１のII－II線に沿った概略断面図である。この図１及び図２に示す半導体装置１は、後述の製造方法により、半導体素子構造２が合金接合層６０を介して支持基板（「第２基板」とも称する）２９に接合されることにより作製される。
半導体素子構造２は、例えば、第１導電型半導体層（例えばＮ型半導体層）１８１、活性層１８２、および第２導電型半導体層（例えばＰ型半導体層）１８３を含む半導体層１８と、第１導電型半導体層１８１に接続された第１電極（例えばＮ側電極）３３と、第２導電型半導体層１８３に接続された第２電極（例えばＰ側電極）４３とを含む。図２に示すように、第１電極３３と第２電極４３及びその配線電極が、半導体層１８と合金接合層６０との間に配置されており、そのような構成とすることにより、半導体素子構造２には、合金接合層６０を介して支持基板２９と対向する表面に凹部（第３凹部３３Ｄ）が形成される。

具体的には、第２電極４３は、図２に示すように、後述の第１凹部１８Ｄを除いた部分で第２導電型半導体層１８３の表面にオーミック接触するように形成され、第２配線４２を介して半導体層１８の下から引き出されて第１配線４１及び第２パッド電極４４に接続される。また、第２配線４２と半導体層１８との間には、第１保護膜５１が形成される。半導体層１８には、底面に第１導電型半導体層１８１が露出する第１凹部１８Ｄが形成される。第１電極３３は、第１凹部１８Ｄの底面に露出した第１導電型半導体層１８１の表面にオーミック接触するように形成される。第１電極３３は、絶縁性の第２保護膜５２により、活性層１８２、第２導電型半導体層１８３及び第２配線４２と分離されている。

以上のように構成される半導体装置１では、第１電極３３を第１導電型半導体層１８１に接続するために設けた第１凹部１８Ｄを起点として、第１凹部１８Ｄより深い第３凹部３３Ｄが形成される。しかしながら、半導体装置１を、後述の製造方法により作製することにより、図２に示すように、第３凹部３３Ｄは合金接合層６０によって埋められて空洞の形成が抑制される。

なお、半導体装置１において、支持基板２９は導電性を有しており、裏面２９ｂに裏面電極３４が設けられ、裏面電極３４は、合金接合層６０、第７金属層２７および支持基板２９を介して第１電極３３と導通している。

このように構成される半導体装置１は、成長基板上に半導体素子構造２を形成した後、支持基板２９に転写することにより作製される。
以下に、図３～１０を参照しながら、実施の形態に係る半導体装置１の製造方法について詳述する。

実施形態１に係る半導体装置１の製造方法は、上述した態様３に係る製造方法であり、少なくとも、以下の３つの工程を含む。
・第１工程：半導体素子構造２を含む第１部材１０を準備する工程
・第２工程：支持基板２９を含む第２部材２０を準備する工程
・第３工程：第１部材１０と第２部材２０とを接合する工程
以下、第１～第３の各工程について詳述する。

＜第１工程：第１部材１０を準備する工程＞
図３～５は、第１部材１０を準備する第１工程を説明するための概略断面図である。
第１工程で準備する第１部材１０は、図５に示すように、成長基板（「第１基板」とも称する）１９上に設けられた半導体素子構造２と、半導体素子構造２上に設けられた第５金属層１５と第６金属層１６と第１金属層１１とを含み、以下のようにして準備される。

まず、図３（ａ）に示すように、成長基板１９の上面１９ａに、第１導電型半導体層１８１、活性層１８２および第２導電型半導体層１８３を順次結晶成長させて、半導体層１８を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体層１８の表面１８ａに第２電極４３を形成する。第２電極４３は、例えばマスクを用いたスパッタリング等により形成することができる。
その後、図３（ｃ）に示すように、第１保護膜５１を、半導体層１８の表面１８ａ上と第２電極上とに形成する。このとき、半導体層１８の表面１８ａの一部と、第２電極４３の一部が露出するように、第１保護膜５１を形成する。第１保護膜５１の上に第１配線４１を形成し、さらに、第１保護膜５１、第１配線４１および露出した第２電極４３を覆うように、第２配線４２を形成する。

図４（ａ）に示すように、第１保護膜５１から露出した「半導体層１８の表面１８ａの一部」（図３（ｃ）参照）に、マスクを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等により第１凹部１８Ｄを形成する。第１凹部１８Ｄは、その底面から第１導電型半導体層１８１が露出する深さで形成する。第１凹部１８Ｄは任意の形状にすることができるが、例えば、下向きの裁頭円錐形状にすることができる。
なお、第１凹部１８Ｄは、第２電極４３、第１保護膜５１、第１配線４１、第２配線４２等の他の部材を作成する前に、半導体層１８の表面１８ａに形成してもよい。

その後、図４に示すように、第１保護膜５１、第１配線４１、第２配線４２、第２保護膜５２、第１電極３３を順次形成する。第２保護膜５２及び第１電極３３以外の、第１保護膜５１、第１配線４１、第２配線４２は、第１凹部１８Ｄの上方を除いた領域に形成する。このため、図４に図示するように、半導体素子構造２の上面（第１電極３３の表面３３ａ）には、第１凹部１８Ｄの直上を含む領域に、第１凹部１８Ｄより深い凹部（半導体装置１の第３凹部３３Ｄに相当）が形成される。なお、第１凹部１８Ｄの深さは、第１凹部１８Ｄの底面に露出した第１導電型半導体層１８１と、第２導電型半導体層１８３の上面との高低差である。

次に、図５に示すように、第１電極３３の上に、第５金属層１５、第６金属層１６、第１金属層１１を順次積層する。第１金属層１１は、半導体層１８の表面１８ａの少なくとも一部の上方に設けられている必要がある。特に、第１凹部１８Ｄの直上（後述する「領域Ｒ１」の直上）に生じる凹部（後述する「第２凹部１０Ｄ」）の周囲において少なくとも、第１金属層１１が形成されているのが望ましい。第１凹部１８Ｄの直上に生じる凹部の周囲とは、後述する「領域Ｒ２」の周囲を意味する。なお、本実施形態における「領域Ｒ２」の周囲とは、後述する「領域Ｒ５」を意味する形態も含む。後述する第３工程（接合工程）において、第２凹部１０Ｄの周囲にある第１金属層１１は、溶融すると、第２凹部１０Ｄの内部に流れ込んで第２凹部１０Ｄを効率的に埋めることができる。このように、第１金属層１１は、第１凹部１８Ｄを除く表面１８ａの上方に設けられるが、さらに、第１金属層１１は、第１凹部１８Ｄの上方にも設けられてもよい。

ここで、第５金属層１５と第１金属層１１は、接触した状態で加熱することにより相互拡散して合金化する材料から形成されている。第５金属層１５と第１金属層１１の間に設けられた第６金属層１６は、第５金属層１５と第１金属層１１との相互拡散を抑制する層である。すなわち、第６金属層１６は、第５金属層１５と第１金属層１１とを直接接触させて加熱すると合金化が速やかに進むところ、それらの合金化を加熱後の一定時間遅らせるための層である。なお、最終的には、第５金属層１５と第１金属層１１とを合金化させる必要があるため、第６金属層１６は、それらの合金化を一定時間遅らせた後は、合金化を阻害しないよう、その材料及び膜厚は、半導体素子構造２の表面に形成される凹部の大きさ及び深さ等を考慮して適宜選択、または設定される。

以上のようにして、第１部材１０を準備する。
なお、準備した第１部材１０の表面１０ａ（第１金属層１１の表面）には、第１凹部１８Ｄ上に第２凹部１０Ｄが形成される。例えば、上面から透視したときに、第１凹部１８Ｄが存在する領域を領域Ｒ１、第２凹部１０Ｄが視認できる領域を領域Ｒ２とすると、領域Ｒ１は領域Ｒ２に含まれる。つまり、第１部材１０は、第１凹部１８Ｄの直上を含む領域Ｒ２において、表面に第２凹部１０Ｄを有している。

＜第２工程：第２部材を準備する工程＞
図６は、第２部材２０を準備する第２工程を説明するための概略断面図である。
第２工程で準備する第２部材２０は、図６に示すように、支持基板（第２基板）２９と、支持基板２９上に設けられた第２金属層２２と、第２金属層２２上に設けられた第３金属層２３と、第３金属層２３上に設けられた第４金属層２４と、を含む。なお、支持基板２９と第２金属層２２との間にさらに第７金属層２７を含んでいてもよい。第７金属層２７は、支持基板２９と第２金属層２２との密着性を向上させることができる材料から形成する。第７金属層２７は、金属層（例えば、Ｔｉ、Ｐｔ等の金属から成る）または合金層（Ｔｉ、Ｐｔ等の合金から成る）を１層のみ含む（単層膜）から成ってもよい。または、第７金属層２７は、それらの金属層および／またはそれらの合金層を複数含む多層膜から成ってもよい。
第２工程では、支持基板２９上に、必要に応じて、第７金属層２７を形成した後、第２金属層２２、第３金属層２３、第４金属層２４を、スパッタリング等により順次形成する。

ここで、第２金属層２２と第４金属層２４は、接触した状態で加熱することにより相互拡散して合金化する材料から形成される。好ましくは、第４金属層２４は第１金属層１１と同じ金属材料により形成し、第２金属層２２は第５金属層１５と同じ金属材料により形成する。また、第３金属層２３は、第２金属層２２と第４金属層２４との相互拡散を抑制する層であり、第２金属層２２と第４金属層２４との合金化を加熱後の一定時間遅らせるための層である。なお、最終的には、第２金属層２２と第４金属層２４とを合金化させる必要があるため、第３金属層２３は、それらの合金化を一定時間遅らせた後は、合金化を阻害しないよう、その材料及び膜厚は、半導体素子構造２の表面に形成される凹部の大きさ及び深さ等を考慮して適宜選択、または設定される。

＜第３工程：第１部材１０と第２部材２０とを接合する（接合工程）＞
第３工程では、図７に示すように、第１部材１０の第１金属層１１と、第２部材２０の第４金属層２４とを向かい合わせて接触させて加熱する。接合する際の加熱温度は、例えば、第１金属層１１及び第４金属層２４の融点より高く、第３金属層２３及び第６金属層１６の融点より低い温度に設定する。

接合工程の第１段階（初期段階）では、第３金属層２３及び第６金属層１６により、第２金属層２２の金属原子の第４金属層２４への拡散、第５金属層の金属元素の第１金属層への拡散が抑えられ、その結果、合金化による融点の上昇が抑制されるので、溶融した第１金属層１１と第４金属層２４の流動性が保たれるため、第２凹部１０Ｄ内に流れ込みやすくなる。また、第１部材１０の表面１０ａに存在するその他の凹部も、溶融した第１金属層１１と第４金属層２４によって埋められる。このようにして、第１部材１０と第２部材２０との間の空洞の発生を抑制できる。

また、接合工程において、第１部材１０と第２部材２０とを、矢印Ｆ方向に押圧しながら、第１金属層１１と第４金属層２４とを接合するのが好ましく、これにより、溶融した第１金属層１１と第４金属層２４を効果的に第２凹部１０Ｄの内部に流れ込ませるようにでき、比較的短時間で第２凹部１０Ｄを埋めることができる。

接合工程の第２段階では、第１金属層１１と第４金属層２４の溶融により、第３金属層２３及び第６金属層１６の一部又は全部が変形し、第３金属層２３及び第６金属層１６の拡散抑制効果が弱まる。第３金属層２３及び第６金属層１６の変形とは、第３金属層２３及び第６金属層１６に穴が形成されたものや、第３金属層２３及び第６金属層１６が他の金属層に拡散したものを含む。これに伴い、溶融して互いに接合した第１金属層１１と第４金属層２４に、第１部材１０の第５金属層１５の金属と第２部材２０の第２金属層２２の金属とが拡散して合金化する。これにより、第１金属層１１、第４金属層２４、第５金属層１５及び第２金属層２２が合金化、一体化して１つの合金接合層６０（図８参照）が形成される。
以上のようにして、空洞が残ることが抑制され、かつ合金化により第１金属層１１及び第４金属層２４の融点より高い融点の合金接合層６０により、支持基板と半導体素子構造とが、第６金属層１６及び第３金属層２３とを形成しない場合に比較してより強固に接合される。

また、接合工程における加熱温度は、２６０℃～３００℃の範囲に設定することが好ましく、この温度範囲内に設定することにより、他の部材（例えば半導体層１８）に与える熱の影響を低減することができる。

＜第１～第６の金属層の好ましい材料及び形態＞
以上説明したように、第１～第６の金属層が、接合工程において発揮する機能は異なっている。以下、第１～第６の金属層の各機能を考慮したときの各層の好ましい材料及び形態について説明する。

１．第３金属層２３および第６金属層１６
上述したように、第３金属層２３および第６金属層１６は、接合工程の第１段階では合金化を抑制し、第２段階では合金化を妨げないようにする機能を有する。
この機能を効果的に発揮させるために、第２金属層２２に対する第３金属層２３を構成する金属の拡散係数が、第２金属層２２に対する第４金属層２４を構成する金属の拡散係数より小さいことが好ましい。このようにすると、第４金属層２４を構成する金属が第２金属層２２まで到達する時間をより遅らせることができ、初期段階における合金化を効果的に抑制できる。
また、第４金属層２４に対する第３金属層２３を構成する金属の拡散係数が、第４金属層２４に対する第２金属層２２を構成する金属の拡散係数より小さいことが好ましい。このようにすると、第２金属層２２を構成する金属が第４金属層２４まで到達する時間をより遅らせることができ、初期段階における合金化を効果的に抑制できる。

同様に、第５金属層１５に対する第６金属層１６を構成する金属の拡散係数が、第５金属層１５に対する第１金属層１１を構成する金属の拡散係数より小さいことが好ましい。
このようにすると、第１金属層１１を構成する金属が第５金属層１５まで到達する時間をより遅らせることができ、初期段階における合金化を効果的に抑制できる。
また、第１金属層１１に対する第６金属層１６を構成する金属の拡散係数が、第１金属層１１に対する第５金属層１５を構成する金属の拡散係数より小さいことが好ましい。
このようにすると、第５金属層１５を構成する金属が第１金属層１１まで到達する時間をより遅らせることができ、初期段階における合金化を効果的に抑制できる。

また、第３金属層２３および第６金属層１６の機能を効果的に発揮するように、第３金属層２３および第６金属層１６として、金属の種類を適宜選択することに加え、以下のような厚さ及び形態で形成することができる。

第６金属層１６および第３金属層２３の各々の厚さは、第２凹部１０Ｄの大きさ及び形状、第１金属層１１、第４金属層２４の厚さ等を考慮して、第１段階では第１金属層１１、第４金属層２４の流動性を悪化させることなく、第１金属層１１及び第４金属層２４が第２凹部１０Ｄに充填されるようにし、第２段階後においては合金化を妨げないように設定する。
具体的には、第６金属層１６および第３金属層２３の各々の厚さは、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍに設定する。例えば、第１金属層１１および第４金属層２４が厚い場合には、第１金属層１１及び第４金属層２４が、第２凹部１０Ｄに充填され、第２段階において合金化されるように、第６金属層１６および第３金属層２３を上記範囲内で厚く設定する。

また、例えば、第３金属層２３と第６金属層１６の各々の厚さを、他の金属層の厚さより薄くすることにより、第１段階で合金化を抑制しつつ第１段階の経過後に第５金属層１５の金属と第２金属層２２の金属との拡散抑制効果を消滅又は弱めることができる。
具体的には、第３金属層の厚さを、第１、第２及び第４金属層の厚さより薄くする。また、第６金属層の厚さを、前記第１、第５及び第４金属層の厚さより薄くする。これにより、第１段階の経過後に第５金属層１５の金属と第２金属層２２の金属との合金化抑制効果を消滅又は弱めることができる。

また、第３金属層２３と第６金属層１６とを、ポーラスな金属膜から形成すること、または、島状、縞状、複数の孔を設けた穴あき状等の形態に形成すること（このような形態に形成することを「パターニングする」と称することがある）で、第１金属層１１と第５金属層１５との合金化抑制効果、第４金属層２４と第２金属層２２との合金化抑制効果をある程度発揮しつつ、より均一な合金接合層６０を形成することができる。

例えば、第３金属層２３と第６金属層１６を、島状、縞状、穴あき状等にパターニングすると、第３金属層２３と第６金属層１６が形成されていない部分では、第１金属層１１と第５金属層１５とが接触し、第２金属層２２と第４金属層２４とが接触する。
このような形態では、第２金属層２２の表面の一部に第３金属層２３が設けられ、第４金属層２４は、第３金属層２３上、および第３金属層２３から露出した第２金属層２２上に亘って設けられる。
同様に、第５金属層１５の表面の一部に第６金属層１６が設けられ、第１金属層１１は、第６金属層１６上、及び第６金属層１６から露出した第５金属層１５上に亘って設けられる。

第１金属層１１と第５金属層１５が直接接触している部分、および第４金属層２４と第２金属層２２が直接接触している部分では、合金化は妨げられていない。これにより、第６金属層１６による第１金属層１１と第５金属層１５との合金化抑制効果及び第３金属層２３による第４金属層２４と第２金属層２２との合金化抑制効果を弱めることができる。そのため、第３金属層２３及び第６金属層１６がパターニングされていない場合（つまり、第３金属層２３及び第６金属層１６が連続する金属層として形成された場合）と比較して、第１金属層１１と第５金属層１５との合金化の開始時期、および第４金属層２４と第２金属層２２との合金化の開始時期が早まる。これにより、第２凹部１０Ｄの内部において、第１金属層１１と第５金属層１５との合金化、および第４金属層２４と第２金属層２２との合金化が促進される。その結果、完成した半導体装置１において、第３凹部３３Ｄ内の合金接合層６０の合金化状態がより均一となり、半導体素子構造２と支持基板２９との接合強度をより一層高めることができる。

なお、溶融状態の第１金属層１１および第４金属層２４は、合金化が進行すると流動性が低下する傾向にある。合金化の時期が早まると、接合工程の比較的早い段階から、第１金属層１１、第４金属層２４の流動性の低下が始まって、第２凹部１０Ｄが十分に埋まらないおそれがある。よって、第２凹部１０Ｄに空洞が残らない程度に、第１金属層１１および第４金属層２４合金化の時期および合金化の進行を制御すべく、パターニングの形状等を適切に設計すべきである。当然ながら、適切な合金化開始時期および適切な合金化の進捗は、第２凹部１０Ｄの形状・寸法等によって異なるものと考えられる。

第１金属層１１および第４金属層２４の合金化しやすさ、第２凹部１０Ｄの容積等を勘案して、第３金属層２３と第６金属層１６の形態（金属膜の厚さ、パターニングする形状）を変更することにより、接合工程の初期段階（第１段階）における第１金属層１１、第４金属層２４の流動性と、第２段階における合金化の進行状態とを制御し、合金接合層６０の合金化状態を均一性の高いものにしつつ、空洞が残ることを抑制することができる。

また、第２金属層２２の表面の一部に第３金属層２３を形成する場合、第３金属層２３を、上面視において、第１金属層１１と第４金属層２４とを対向させて接触させたときに第２凹部１０Ｄが形成される位置に形成することが好ましい。
このようにすると、第２凹部１０Ｄが形成されている範囲の直上領域での合金化を抑制して、第１金属層１１及び第４金属層２４の第２凹部１０Ｄへの流入を抑えることなく、当該直上領域を除いた領域では、第１金属層１１及び第４金属層２４の合金化を促進できる。
同様に、第５金属層１５の表面の一部に第６金属層１６を形成する場合、第６金属層１６を、上面視において、第１金属層１１と第４金属層２４とを対向させて接触させたときに第２凹部が形成される位置に形成することが好ましい。
このようにしても、第２凹部１０Ｄが形成されている範囲の直上領域での合金化を抑制して、第１金属層１１及び第４金属層２４の第２凹部１０Ｄへの流入を抑えることなく、当該直上領域を除いた領域で合金化を促進できる。

また、第３金属層がパターニングされている場合、第３金属層２３から露出した第２金属層２２の露出面積が狭いほど、第２金属層２２と第４金属層２４との接触面積が狭くなり、第２金属層２２と第４金属層２４との合金化を遅らせることができる。
同様に、第６金属層がパターニングされている場合、第６金属層１６から露出した第５金属層１５の露出面積が狭いほど、第１金属層１１と第５金属層１５との接触面積が狭くなるので、第１金属層１１と第５金属層１５との合金化を遅らせることができる。このように、第３金属層２３から露出する第２金属層２２の面積及び／又は第６金属層１６から露出させる第５金属層１５の面積を調整することにより、合金化の進行を制御することができる。

第３金属層２３、第６金属層１６は、比較的高融点で接合工程における加熱により溶融しにくく、また、酸化物を形成しやすい、Ｔｉ、Ｃｒ若しくはＡｌを含むのが好ましい。これらの金属の酸化物は薄く形成されていても、金属層（特に第１金属層１１および第４金属層２４）に拡散しにくいため、接合工程の第１段階において、第５金属層１５と第１金属層１１、第４金属層２４と第２金属層２２の合金化抑制効果が得られる。

２．第３金属層２３及び第６金属層１６以外の金属層
第１金属層１１および第４金属層２４の各々の厚さは、例えば、０．５μｍ～１０μｍの範囲に設定する。なお、第２凹部１０Ｄの深さが深い場合には、第１金属層１１および第４金属層２４の厚さは、例えば、上記範囲で厚く設定する。第１金属層１１および第４金属層２４を厚くすると、第２凹部１０Ｄの深さが深い場合であっても第２凹部１０Ｄを十分に充填でき、合金接合層６０内での空洞の発生を効果的に抑えることができる。一方、第１金属層１１および第４金属層２４の厚さが厚すぎると、接合による歪が大きくなり、例えば半導体層１８が反ることがある。したがって、第１金属層１１および第４金属層２４の厚さは、それぞれ１０μｍ以下であることが好ましい。
また、第５金属層１５および第２金属層２２の厚さはそれぞれ、例えば、１００ｎｍ～１０μｍに設定する。

第１金属層１１および第４金属層２４を形成する金属材料の融点は、第５金属層１５および第２金属層２２を形成する金属材料の融点よりも低いことが好ましい。これにより、最初に、第１金属層１１および第４金属層２４が溶融して第２凹部１０Ｄを埋め始め、次いで、第５金属層１５および第２金属層２２が溶融して第１金属層１１および第４金属層２４との合金化を進行させることができる。
また、第１金属層１１および第４金属層２４が第５金属層１５および第２金属層２２と合金化した後の合金材料（合金接合層６０を形成している材料）の融点は、第１金属層１１および第４金属層２４を形成する金属材料の融点よりも高いことが好ましい。これにより、第１金属層１１および第４金属層２４が溶融する温度であっても、合金接合層６０が溶融するのを回避できる。

第１金属層１１と第４金属層２４に好適な金属材料としては、Ｓｎ、Ｐｂ、ＡｕＳｎ、Ｉｎが挙げられる。第１金属層１１と第４金属層２４は、異なる金属材料から形成することもできるが、同じ金属材料から形成されているのが好ましい。
第５金属層１５と第２金属層２２に好適な金属材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕが挙げられる。第５金属層１５と第２金属層２２を形成する金属材料は、同じであっても、異なっていてもよい。

第１金属層１１及び第４金属層２４として、上記好適な金属材料から選択し、第５金属層１５及び第２金属層２２として、上記好適な金属材料から選択して、接合工程における加熱温度は、２６０℃～３００℃の範囲に設定することができ、この温度範囲内に設定することにより、第１金属層１１と第４金属層２４を第２凹部に十分流入させることができ、かつ半導体装置１に含まれる他の部材（例えば半導体層１８）に与える熱の影響を低減することができる。

以上説明したように、実施形態１の製造方法によれば、表面に凹部を有する半導体層を支持基板に転写する場合であっても、接合部分における空洞の発生を抑制できる。

なお、第１部材１０と第２部材２０とを接合する工程の後において、半導体層１８の一部を除去する除去工程は、図１０に示すように、半導体層１８の一部Ｒ３を除去して第１保護膜５１を露出させ、さらに、第１保護膜５１の一部Ｒ４を除去して第１配線４１を露出させる。この半導体層１８の一部Ｒ３および第１保護膜５１の一部Ｒ４の除去は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で行うことができる。なお、第１保護膜５１のエッチングは、第１配線４１が第１保護膜から露出した時点で止まるため、第１配線４１は、エッチングストップ層としても機能する。
また、半導体装置１が半導体発光装置の場合には、第１部材１０と第２部材２０とを接合する工程の後において、半導体層１８の下面１８ｂを粗面化する工程を含んでいてもよい。この半導体層１８の下面１８ｂの粗面化は、ウェットエッチング等で行うことができる。さらに、半導体層１８の表面全体および第１保護膜５１の露出面に、透光性の保護膜５３を形成してもよい。

以上の実施形態１の半導体装置およびその製造方法では、支持基板の接合面側に形成する第４金属層と第２金属層の間に、第４金属層と第２金属層との合金化を抑制する第３金属層を形成し、半導体素子の接合面側に形成する第１金属層と第５金属層の間に、第１金属層と第５金属層との合金化を抑制する第６金属層を形成した、態様３に係る例で説明した。

すなわち、実施形態１では、図１１（ａ）に模式的に示すように、第１部材１０側に設けた、第５金属層１５、第６金属層１６、第１金属層１１の３つの金属層と、第２部材２０側に設けた、第４金属層２４、第３金属層２３、第２金属層２２の３つの金属層とが、接合工程の第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が溶融接合し、第２段階で、第６金属層１６および第３金属層２３が部分的にまたは全体的に変形して、第５金属層１５および第２金属層２２が、第１金属層１１と第４金属層２４の溶融体に拡散して、合金接合層６０が形成される（図８）。
つまり、図１１（ａ）のような金属膜の構成であっても、第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４の流動性を高く保って第２凹部１０Ｄ内を十分に充填でき、かつ第２段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が合金化されるので合金接合層６０を形成することができる。

本開示は実施形態１の半導体装置およびその製造方法に限定されるものではなく、第１部材１０側又は第２部材２０側の少なくとも一方に３つの金属層を設けて接合することにより、第２凹部内の充填を促進しつつ、合金接合層６０を形成することができる。

例えば、図１１（ｂ）は、態様１に係る例であり、第１部材１０は、第１金属層１１を含み、第２部材２０は、第４金属層２４、第３金属層２３、第２金属層２２の３つの金属層を含む。この層構成の場合、接合工程の第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が溶融接合し、第２段階では、第３金属層２３が部分的にまたは全体的に変形して、第２金属層２２が、第１金属層１１と第４金属層２４の溶融体に拡散して、合金接合層６０が形成される。
つまり、図１１（ｂ）のような金属膜の構成であっても、第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４の流動性を高く保って第２凹部１０Ｄ内を十分に充填でき、かつ第２段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が合金化されるので合金接合層６０を形成することができる。

図１１（ｂ）に示す層構成の場合、第３金属層２３の厚さは、第１金属層１１、第２金属層２２、第４金属層２４の各々の厚さより薄いことが好ましい。
また、第１金属層１１の融点及び第４金属層２４の融点は、第２金属層２２の融点よりも低く、かつ、第１金属層１１、第４金属層２４および第２金属層２２が合金化した後の合金接合層の融点は、第１金属層１１の融点及び第４金属層２４の融点よりも高いことが好ましい。

また、図１１（ｃ）は、態様２に係る例であり、第１部材１０は、第５金属層１５、第６金属層１６、第１金属層１１の３つの金属層を含み、第２部材２０は、第４金属層２４を含む。この層構成の場合、接合工程の第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が溶融接合し、第２段階では、第６金属層１６が部分的にまたは全体的に変形して、第５金属層１５が、第１金属層１１と第４金属層２４の溶融体に拡散して、合金接合層６０が形成される。
つまり、図１１（ｃ）のような金属膜の構成であっても、第１段階では、第１金属層１１と第４金属層２４の流動性を高く保って第２凹部１０Ｄ内を十分に充填でき、かつ第２段階では、第１金属層１１と第４金属層２４が合金化されるので合金接合層６０を形成することができる。

図１１（ｃ）に示す層構成の場合、第６金属層１６の厚さは、第１金属層１１、第５金属層１５、第４金属層２４の各々の厚さより薄いのが好ましい。
また、第１金属層１１の融点及び第４金属層２４の融点は、第５金属層１５の融点よりも低く、かつ、第１金属層１１、第４金属層２４および第５金属層１５が合金化した後の合金接合層の融点は、第１金属層１１の融点及び第４金属層２４の融点よりも高いのが好ましい。

なお、図１１（ａ）～図１１（ｃ）において、左側に延びる破線は、第１部材１０と第２部材２０との境界を示す。境界（破線）より上側（上向きの矢印で示している）に存在する１つまたは複数の金属層は、第２部材２０に含まれる金属層であることを意味する。境界（破線）より下側（下向きの矢印で示している）に存在する１つまたは複数の金属層は、第１部材１０に含まれる金属層であることを意味する。

［実施形態２］
実施形態２は、実施形態１とは、製造過程で用いる第１部材１００と第２部材２００の構成が異なっている。
図１２（ａ）は、実施形態２に用いる第２部材２００の構成を示し、図１２（ｂ）は、実施形態２に用いる第１部材１００の構成を示している。
図１２（ａ）の第２部材２００は、図７の第２部材２０に比べて、第３金属層２３０の形成されている範囲が異なっている。具体的には、第２金属層２２の表面の一部に第３金属層２３０が設けられ、第４金属層２４は、第２金属層２２上及び第３金属層２３０上に亘って設けられている。より具体的には、第２金属層２２の表面の一部に設けられた第３金属層２３０は、上面視において、第１金属層１１と第４金属層２４とを対向させて接触させたときに第２凹部１０Ｄが設けられた位置（つまり、領域Ｒ２の範囲）に設けられている。図１２（ａ）では、第２凹部１０Ｄが設けられた位置（領域Ｒ２）の外側（領域Ｒ５）には、第３金属層２３０は設けられていない。なお、第３金属層２３０は、領域Ｒ２だけでなく、領域Ｒ５のうち領域Ｒ２と隣接する部分まで、拡大して設けられていてもよい。

図１２（ｂ）の第１部材１００は、図７の第１部材１０に比べて、第６金属層１６０の形成されている範囲が異なっている。第５金属層１５の表面の一部に第６金属層１６０が設けられ、第１金属層１１は、第５金属層１５上及び第６金属層１６０上に亘って設けられている。より具体的には、第５金属層１５の表面の一部に設けられた第６金属層１６０は、上面視において、第１金属層１１と第４金属層２４とを対向させて接触させたときに第２凹部１０Ｄが設けられた位置（つまり、領域Ｒ２の範囲）に設けられている。図１２（ｂ）では、第２凹部１０Ｄが設けられた位置（領域Ｒ２）の外側（領域Ｒ５）には、第６金属層１６０は設けられていない。なお、第６金属層１６０は、領域Ｒ２だけでなく、領域Ｒ５のうち領域Ｒ２と隣接する部分まで、拡大して設けられていてもよい。

実施形態２では、第１部材１００と第２部材２００とを接合する工程において、まず、第１金属層１１と第４金属層２４を溶融させる。このとき、第３金属層２３０と第６金属層１６０が形成されている領域（図１２（ａ）、図１２（ｂ）では領域Ｒ２）内にある第１金属層１１の一部分１１Ｐと第４金属層２４の一部分２４Ｐは、第５金属層１５および第２金属層２２と直接接触していない。よって、接合工程の第１段階では、合金化が抑制される。そのため、溶融状態になったとき、第１金属層１１の一部分１１Ｐと第４金属層２４の一部分２４Ｐは流動性が比較的高く保たれ、第２凹部１０Ｄを埋めることができる。

第３金属層２３０と第６金属層１６０が形成されていない領域（図１２（ａ）、図１２（ｂ）では領域Ｒ５）では、第１金属層１１と第４金属層２４は、第５金属層１５と第２金属層２２との各々と直接接触しているため、接合工程の第１段階から、第１金属層１１と第４金属層２４の合金化が進行する。しかしながら、第１金属層１１の一部分１１Ｐと第４金属層２４の一部分２４Ｐによって第２凹部１０Ｄを埋めることができる。

なお、第１金属層１１の一部分１１Ｐと第４金属層２４の一部分２４Ｐは、第５金属層１５と第２金属層２２との各々と直接接触していないので流動性は比較的高く保たれているものの、その周囲から一部分１１Ｐおよび一部分２４Ｐに向かって、第５金属層１５または第２金属層２２を形成する金属が僅かに拡散され得る。つまり、一部分１１Ｐと一部分２４Ｐは、第２凹部１０Ｄを埋めながら、合金化も徐々に進行する。そのため、第３凹部３３Ｄ内の合金接合層６０の合金化状態がより均一となり、半導体素子構造２と支持基板２９との接合強度をより一層高めることができる。

以上の実施形態２の製造方法によっても、実施形態１の製造方法と同様、表面に凹部を有する半導体層を支持基板に転写する場合、接合部分における空洞の発生を抑制できる。

以上の実施形態１及び実施形態２の製造方法は、以下の成長基板１９の除去工程を含んでいてもよい。
成長基板１９の除去工程は、例えば、接合工程後に、図９に示すように、半導体層１８の下面１８ｂから、成長基板１９を除去する。この除去工程では、例えば、レーザーリフトオフ法によって、成長基板１９側からレーザ光を照射して、成長基板１９の上面１９ａと半導体層１８の下面１８ｂとの界面を分解することにより、成長基板１９を剥離する。

１半導体装置
２半導体素子構造
１０、１００第１部材
１１第１金属層
１５第５金属層
１６、１６０第６金属層
１９第１基板（成長基板）
１８半導体層
１８Ｄ第１凹部
２０、２００第２部材
２２第２金属層
２３、２３０第３金属層
２４第４金属層
２９第２基板（支持基板）
３３第１電極（Ｎ側電極）
４３第２電極（Ｐ側電極）
６０合金接合層

Claims

第１基板と、前記第１基板上に設けられ表面に第１凹部を含む半導体層と、前記半導体層の表面のうち前記第１凹部を除く表面の上方に少なくとも設けられた第１金属層と、を備えており、表面に第２凹部を前記第１凹部の直上を含む領域に有する第１部材を準備する工程と、
第２基板と、前記第２基板上に設けられた第２金属層と、前記第２金属層上に設けられた第３金属層と、前記第３金属層上に設けられた第４金属層と、を備えた第２部材を準備する工程と、
前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させ加熱し、前記第１金属層及び前記第４金属層と前記第２金属層とを相互拡散させ合金化することにより、第１部材と第２部材とを接合する工程と、を含み、
前記第３金属層は、前記第２金属層と前記第４金属層との相互拡散を抑制する層である、半導体装置の製造方法。
前記第２金属層に対する前記第３金属層を構成する金属の拡散係数が、前記第２金属層に対する前記第４金属層を構成する金属の拡散係数より小さい、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第４金属層に対する前記第３金属層を構成する金属の拡散係数が、前記第４金属層に対する前記第２金属層を構成する金属の拡散係数より小さい、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２金属層の表面の一部に前記第３金属層が設けられ、
前記第４金属層は、前記第２金属層上及び前記第３金属層上に亘って設けられる、請求項１～３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第２金属層の表面の一部に設けられた前記第３金属層は、上面視において、前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させて接触させたときに前記第２凹部が設けられた位置に設けられる、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記第３金属層の厚さは、前記第１、第２及び第４金属層の厚さより薄いことを特徴とする、請求項１～５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第３金属層はＴｉ、Ｃｒ若しくはＡｌを含む、請求項１～６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１金属層の融点及び前記第４金属層の融点は、前記第２金属層の融点よりも低く、かつ、前記接合する工程において前記第１金属層および前記第４金属層と前記第２金属層とが合金化した部分の融点は、前記第１金属層の融点及び前記第４金属層の融点よりも高い、請求項１～７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
第１基板と、前記第１基板上に設けられ表面に第１凹部を含む半導体層と、前記半導体層上に設けられた第５金属層と、前記第５金属層上に設けられた第６金属層と、前記第６金属層の表面のうち前記第１凹部を除く表面の上方に少なくとも設けられた第１金属層と、を備えており、表面に第２凹部を前記第１凹部の直上を含む領域に有する第１部材を準備する工程と、
第２基板と、前記第２基板上に設けられた第４金属層と、を備えた第２部材を準備する工程と、
前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させ加熱し、前記第１金属層および前記第４金属層と前記第５金属層とを相互拡散させ合金化することにより、第１部材と第２部材とを接合する工程と、を含み、
前記第６金属層は、前記第５金属層と前記第１金属層および前記第４金属層との相互拡散を抑制する層である、半導体装置の製造方法。
前記第１部材は、前記半導体層上に設けられた第５金属層と、前記第５金属層の上方であって前記第１金属層と前記第５金属層との間に設けられ、前記第５金属層と前記第１金属層および前記第４金属層との相互拡散を抑制する第６金属層と、をさらに備え、
前記接合する工程において、前記第１金属層および前記第４金属層と、前記第５金属層とを相互拡散させ合金化する請求項１～８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第５金属層に対する前記第６金属層を構成する金属の拡散係数が、前記第５金属層に対する前記第１金属層を構成する金属の拡散係数より小さい、請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１金属層に対する前記第６金属層を構成する金属の拡散係数が、前記第１金属層に対する前記第５金属層を構成する金属の拡散係数より小さい、請求項９～１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第５金属層の表面の一部に前記第６金属層が設けられ、
前記第１金属層は、前記第５金属層上及び前記第６金属層上に亘って設けられる、請求項９～１２のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第５金属層の表面の一部に設けられた前記第６金属層は、上面視において、前記第１金属層と前記第４金属層とを対向させて接触させたときに前記第２凹部が設けられた位置に設けられる、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
前記第６金属層の厚さは、前記第１、第５及び第４金属層の厚さより薄いことを特徴とする、請求項９～１４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第６金属層はＴｉ、Ｃｒ若しくはＡｌを含む、請求項９～１５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１金属層の融点及び前記第４金属層の融点は、前記第５金属層の融点よりも低く、かつ、
前記接合する工程において前記第１金属層および前記第４金属層と前記第５金属層とが合金化した部分の融点は、前記第１金属層の融点及び前記第４金属層の融点よりも高い、請求項９～１６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記接合する工程において、前記第１部材と前記第２部材とを押圧し、前記第１金属層と前記第４金属層とを接合する、請求項１～１７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記接合する工程において、２６０℃～３００℃の温度で加熱を行う、請求項１～１８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。