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JP7262027B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に関する。
青色の波長を有する白色照明用のＬＥＤ、Ｂｌｕ－Ｒａｙの読み取りや、溶接加工の光源に用いられる紫外～青色の波長を有するレーザダイオード、電力系統の周波数変換やモーターの制御で利用されるパワーデバイスは、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体基板（以下：ＧａＮ基板を例示）を材料として用いる。
ＧａＮ基板は通常３００～７００μｍの厚みと、円形で、直径５０～１５０ｍｍの形状である。一般に、ＧａＮ基板は透過率６０％以上を有しており、可視光に対して、透明な基板である。
一方、ＧａＮ基板から、デバイス構造を作成する方法の一例を図５－１乃至図５－６に示す。図５－１乃至図５－６は、ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における各工程を示す概略断面図である。
（１）初めに、ＧａＮ基板３２を準備する（図５－１）。
（２）ついで、ＧａＮ基板の表面に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ 以下：ＭＯＣＶＤ法）によって、機能層１４を積層する（図５－２）。
（３）ついで、機能層１４上に非透明の絶縁膜や電極１５を形成（図５－３）し、複数の分割溝を形成する（図５－４）。
（４）そして、表面に複数のデバイス構造が形成されたＧａＮ基板３２を、厚みが５０～１００μｍに薄く研削、研磨加工を行う。
（５）必要に応じて、その後、ＧａＮ基板の裏面にも電極３３を形成する（図５－５）。
（６）ついで、ダイシングや劈開によって、ＧａＮ基板３２を個々のデバイス３４に分割する（図５－６）。
分割されたデバイス３４は、配線を接続し、外観、電気特性、信頼性検査を行い、検査に合格したデバイス３４は、各用途に応じて広く利用されている。
ＧａＮ基板は、ＳｉやＧａＡｓの半導体材料と比較して、高価な基板である。したがってＧａＮ基板を製造する上で、得られたＧａＮ結晶を無駄なく、ＧａＮ基板に加工するために、分割で発生する割れを防止して歩留を向上することを目的とした特許文献１、レーザ照射を使った分割方式で材料ロスを低減することを目的とした特許文献２が公知技術として開示されている。
ＳｉＣ基板においても、ＧａＮ基板と同様に高価な基板である。したがって、表面に機能層や電極を有したＳｉＣ基板を分割し、再利用できるＳｉＣ基板を製造することができることを目的とした特許文献３が開示されている。
特開２０１４－８４２６３号公報 特開２０１７－１８３６００号公報 特開２０１７－２８０７２号公報
特許文献１は、基板上に不純物濃度の異なる第１の層、第２の層を成長し、８～１２μｍの波長を有するレーザ光を基板に照射することで第２の層に、発生する吸収発熱によって、基板を分割する方法について述べたものである。
しかし、表面にデバイス構造を有する基板に、裏面から当該方式で、レーザ光を照射すると、高い入射エネルギーに対する発熱量が大きく、表面のデバイス構造にまで発熱が及ぶ場合がある。そのため、熱履歴が加わったデバイスは、所望の特性を有するデバイスが得られないことや、信頼性を損なう可能性があり、適用が困難である。
特許文献２は、吸収発熱による分割ではなく、レーザ光を１点に集光させることにより発生する多光子吸収現象によって、結晶内部に改質層を形成し、改質層を境界として、結晶を分割する方式について述べたものである。
しかし、デバイス構造を有した基板に当該方式で、裏面側からレーザ光を照射すると、集光のずれたレーザ光と加工されないレーザ光の一部は表面のデバイス構造へ達する。デバイス構造に達したレーザ光は、電極や絶縁膜等の非透明材質で熱に変換され、発熱を引き起こす。それによって、機能層や電極膜が熱による影響を受けるため、特許文献１に対して述べたように、デバイスの課題を引き起こし、適用が困難である。
特許文献３は、ＳｉＣ基板に適用されたものであり、基板表面のデバイス構造が受ける影響については記載が無く、当該方式によっても、特許文献２に対して述べたように、デバイス構造が発熱することが考えられる。
本開示の目的は、表面にデバイス構造を有した基板をレーザ光で分割する際にデバイスに熱がかかる課題を解決するものであり、表面にデバイス構造を有した基板をレーザ照射で分割できるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するための、本開示に係るＩＩＩ族窒化物基板の製造方法は、４００ｎｍ～７００ｎｍの所定波長に対して６０％以上の透過率を有する第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上で酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有して前記所定波長に対する透過率０．１％以下の第２のＩＩＩ族窒化物層と、を裏面側から表面側に順に積層して構成しているＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板の表面側にデバイス構造を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板の裏面側の前記第１のＩＩＩ族窒化物層から、前記第２のＩＩＩ族窒化物層よりも手前にレーザ光の集光点を合わせて多光子吸収によって前記第１のＩＩＩ族窒化物層に内部改質層を形成し、前記内部改質層を境界として前記ＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程と、
を有する。
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によれば、裏面側にレーザ光の透過率が低い第２のＩＩＩ族窒化物層を設けている。そこで、裏面側から、レーザ光を照射した場合に、表面側に抜けるレーザ光を第２のＩＩＩ族窒化物層において熱に変換できる。これにより、表面側に形成されたデバイス構造の特性の悪化を抑えることができる。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る分割装置の構成を示す概略模式図である。 光の波長に対する透過率において、ＧａＮ基板の第１、第３のＩＩＩ族窒化物層と第２のＩＩＩ族窒化物層の透過率の差異を説明する図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 実施の形態１に係る透明層と光熱変換層を有するＧａＮ基板を製造する方法の一工程の概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 ＧａＮ基板からデバイスを製造する一例の製造方法における一工程を示す概略断面図である。 窒化物結晶の酸素濃度と透過率の関係を示す図である。
第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、４００ｎｍ～７００ｎｍの所定波長に対して６０％以上の透過率を有する第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上で酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有して前記所定波長に対する透過率０．１％以下の第２のＩＩＩ族窒化物層と、を裏面側から表面側に順に積層して構成しているＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板の表面側にデバイス構造を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物基板の裏面側の前記第１のＩＩＩ族窒化物層から、前記第２のＩＩＩ族窒化物層よりも手前にレーザ光の集光点をあわせて多光子吸収によって前記第１のＩＩＩ族窒化物層に内部改質層を形成し、前記内部改質層を境界として前記ＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程と、
を有する。
第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上記第１の態様において、前記ＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程は、
種基板を準備する工程と、
前記種基板上に、前記第１のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程と、
前記種基板を分離する工程と、
前記第１のＩＩＩ族窒化物層の表面に研削、研磨の鏡面加工を行う工程と、
前記種基板上に、Ｏｘｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法により、前記第２のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程と、
前記種基板を分離する工程と
前記第２のＩＩＩ族窒化物層の表面に研削、研磨加工を行う工程と、
分離した前記第１のＩＩＩ族窒化物層と前記第２のＩＩＩ族窒化物層とを貼り合わせる工程と、
を有してもよい。
第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上記第２の態様において、前記ＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程は、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層の上に、前記所定波長に対して６０％以上の透過率を有した第３のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程
をさらに有してもよい。
第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記デバイス構造は、機能層、電極、絶縁膜を含んでもよい。
第５の態様に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記ＩＩＩ族窒化物基板は、ＧａＮで構成されていてもよい。
（本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に至った経緯について）
本開示における「透過率」とは、ＧａＮの吸収端波長より長い４００～７００ｎｍの波長を有する光を照射したときに、光が透過する割合を定義する。また、「透明」とは、同様に、４００～７００ｎｍの所定波長を有する光を照射したときに、６０％以上の透過率を有していることと、定義する。
ＩＩＩ族窒化物基板の一例であるＧａＮ基板は、Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法（以下：ＨＶＰＥ法）に代表されるように、単一の結晶成長方法で、自立のＧａＮ基板を得ることが一般的であった。このため、その成長条件、例えばＶ族およびＩＩＩ族の原料ガスの流量調整や、不純物のドーピング方法の変更によって、透過率が大きく異なる層を複数有したＧａＮ基板を製造することが困難であった。
その理由としては、複数の異なるＧａＮ結晶の成長方法を組み合わせて、自立のＧａＮ基板を製造することは、結晶の格子定数等が異なることに起因するクラックや割れが発生する課題を有していたからである。
しかし、Ｏｘｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法（以下：ＯＶＰＥ法）を中心とした近年のＧａＮの結晶成長の技術の進展により、透過率が大きく異なる特徴を有した結晶成長方法を組み合わせても、割れ、クラックが無く、実用可能な、ＧａＮ基板が実現できることがわかってきた。
ＯＶＰＥ法とは、ＩＩＩ族元素の酸化物ガスと窒化物含有ガスとを種基板上に吹き付け、両者を反応させて、種基板上にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる方法である。例えば、Ｇａ２Ｏ３粉末と炭素粉末を高温で反応させることでＩＩＩ族元素の酸化物ガス、Ｇａ２Ｏガスを生成し、生成したＧａ２Ｏガスとアンモニアガスとを種基板上で、反応式Ｇａ２Ｏ+２ＮＨ３→２ＧａＮ+Ｈ２Ｏ+２Ｈ２に基づいて、反応させてＧａＮ結晶を成長させることができる。
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、異なる結晶成長方法を組み合わせて製造されたＧａＮ結晶が有する図３のような、透過率の差異を活用することで、表面にデバイス構造を有したＧａＮ基板を分割でき、そこから、再利用が可能なＧａＮ基板を得る手段として実用できるという結論に至った。これによって、本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に至った。
以下、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１－１乃至図１－４は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の各工程を示す概略断面図である。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、第１のＩＩＩ族窒化物層１１と、第２のＩＩＩ族窒化物層１２と、第３のＩＩＩ族窒化物層１３と、を裏面側から表面側に順に積層して構成しているＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程（図１－１）と、ＩＩＩ族窒化物基板の表面側にデバイス構造を形成する工程（図１－２）と、ＩＩＩ族窒化物基板の裏面側の第１のＩＩＩ族窒化物層からレーザ光を照射してＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程（図１－３及び図１－４）と、を有する。第１のＩＩＩ族窒化物層１１は、４００ｎｍ～７００ｎｍの所定波長に対して６０％以上の透過率を有する。第２のＩＩＩ族窒化物層は、第１のＩＩＩ族窒化物層上で酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有して所定波長に対する透過率０．１％以下である。第３のＩＩＩ族窒化物層１３は、所定波長に対して６０％以上の透過率を有する。また、ＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程では、第２のＩＩＩ族窒化物層よりも手前にレーザ光の集光点をあわせて多光子吸収によって内部改質層を形成し、内部改質層を起点としてＩＩＩ族窒化物基板を分割する。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によれば、表面側のデバイス構造を形成する第３のＩＩＩ族窒化物層１３より裏面側にレーザ光の透過率が低い第２のＩＩＩ族窒化物層１２を設けている。そこで、裏面側から、第２のＩＩＩ族窒化物層よりも手前にレーザ光の集光点を合わせた場合に、表面側に抜けるレーザ光を第２のＩＩＩ族窒化物層で熱に変換でき、表面側の第３のＩＩＩ族窒化物層の表面に形成されたデバイス構造の特性の悪化を抑制できる。
以下に、このＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の各工程について説明する。
（ＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程（図１－１）について）
図４－１乃至図４－１５は、実施の形態１に係る透明層である第１のＩＩＩ族窒化物層１１と光熱変換層である第２のＩＩＩ族窒化物層１２と第３のＩＩＩ族窒化物層１３とを有するＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮ基板１０を製造する方法の各工程の概略断面図である。ＩＩＩ族窒化物基板１０は、第１のＩＩＩ族窒化物層１１と、第２のＩＩＩ族窒化物層１２と、第３のＩＩＩ族窒化物層１３と、を裏面側から表面側に順に積層して構成される。このＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程について、図４－１乃至図４－１５を用いて説明する。
（１）サファイア、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＧａＮ等のいずれかを材料とする種基板２６を準備（図４－１）する。
（２）次いで、ＨＶＰＥ法により、種基板２６上に透過率６０％以上を有する第１の透明層である第１のＩＩＩ族窒化物層２７を４４０μｍの厚みで結晶成長を行う（図４－２）。種基板２６の材質および、その形状に、特に制約はない。成長方法は、ＨＶＰＥ法以外にも、Ｎａフラックス法に知られる液相法、アモノサーマル法を用いることもできる。第１のＩＩＩ族窒化物層２７には、１×１０１８ｃｍ－３程度のＳｉを不純物としてドーピングすることで、第１のＩＩＩ族窒化物層２７をＮ型の半導体層にすることも可能である。
（３）次に、種基板２６と第１のＩＩＩ族窒化物層２７を有したＩＩＩ族窒化物基板の一例であるＧａＮ基板２８を、エッチングや、リフトオフ等、公知の方法を使って分離（図４－３）する。
（４）分離して得られた第１のＩＩＩ族窒化物層２７の表面および裏面の両面に各々、例えば２０μｍの研削、研磨の鏡面加工を行い、厚さ４００μｍの平行、平坦なＧａＮ基板２８を得る（図４－４）。
（５）一方、サファイア、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＧａＮ等のいずれかを材料とするもう一つの種基板２６を準備（図４－５）する。
（６）次いで、ＯＶＰＥ法により、種基板２６上に０．１％以下の透過率を有する光熱変換層として機能する第２のＩＩＩ族窒化物層２９を厚さ１２０μｍで結晶成長を行う（図４－６）。種基板２６の材質および、その形状に、特に制約はない。光熱変換層として機能する第２のＩＩＩ族窒化物層の詳細は後述する。
（７）次に、種基板２６と第２のＩＩＩ族窒化物層２９を有したＩＩＩ族窒化物基板を、エッチングや、リフトオフ等、公知の方法を使って分離（図４－７）する。
（８）分離して得られた第２のＩＩＩ族窒化物層２９の表面および裏面の両面に各々、例えば１０μｍの研削、研磨の鏡面加工を行い、厚さ１００μｍの平行、平坦なＩＩＩ族窒化物層３０を得る（図４－８）。
なお、ＩＩＩ族窒化物層３０の製造方法としては、種基板２６上に０．１％以下の透過率を有する光熱変換層として機能する第２の窒化物層２９の厚さを例えば２０００μｍで結晶成長を行い、種基板を分離後、ワイヤソーやレーザ等の公知の方法を使って複数枚にスライスし、その後その両面に研削・研磨加工を行い、厚さ１００μｍとしてもよい。
（９）図４－４で得られたＧａＮ基板２８と図４－８で得られたＩＩＩ族窒化物層３０を貼り合わせる。まず、ＧａＮ基板２８とＩＩＩ族窒化物層３０の接合面が向かい合うようにある一定の間隔をおいて、それぞれ超高真空対応の貼り合せ装置のチャンバー内のウエハ工程冶具（上側）４２と、貼り合せ装置のウエハ工程冶具（下側）４３に設置する（図４－９）。
なお、ＧａＮ基板２８とＩＩＩ族窒化物層３０の貼り合わせ強度を高める観点から、その主面が鏡面（例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に規定される算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以下の鏡面）に研磨されていることが好ましい。
（１０）次に、貼り合わせ面上に、例えばＡｒなどのイオンビームや原子ビーム４５を照射する（図４－１０）。この時、接合面の酸化膜や吸着層を除去するだけでなく、接合面自体を活性化し、さらに活性な微粒子膜を形成している。
（１１）ビーム照射により、貼り合わせ面上にアモルファス層４６が形成される（図４－１１）。
（１２）これらの接合面を接触させ、場合によっては多少の荷重をかけることでアモルファス層３同士が接合・一体化し、アモルファス層からなる接合界面４７を介在させて接合される（図４－１２）。
（１３）貼り合わせ基板が完成する（図４－１３）。
なお、接合界面４７は１０ｎｍ以下の厚みのアモルファス層で形成される。ビームの照射エネルギーが高く、照射時間が長い程、アモルファス層は厚くなるが、この際同時に表面粗さが大きくなることで接合が困難になるため、接合界面４７の厚みは１０ｎｍ以下であることが望ましい。実際には界面は数ｎｍの厚みで十分な接合強度を有していることが分かっている。また、接合界面４７を構成するアモルファス層には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ又はこれらの合金からなる金属成分を含む。これらは、ビームが照射される際に、チャンバー内部や搬送プレートにも照射されることでその表面が削られ、金属成分としてウエハ表面に移動することで発生する。
この方法以外の貼り合わせ方法としては、そのアモルファス層の形成に適している限り特に制限はない。例えば、公知の接合方法である、貼り合わせ面を洗浄しそのまま貼り合わせた後６００℃～１２００℃程度に昇温して接合する直接接合法、貼り合わせ面を洗浄しプラズマやイオンなどで活性させた後に室温（例えば２５℃）～４００℃程度の低温で接合する表面活性化法などの適用が好ましい。
（１４）ＧａＮ基板の平坦な第２のＩＩＩ族窒化物層３０上に、第１のＩＩＩ族窒化物層２７と同様にＨＶＰＥ法などにより、１２０μｍの厚さで第３の透明層である第３のＩＩＩ族窒化物層３１の結晶成長を行う（図４－１４）。第３のＩＩＩ族窒化物層３１には、公知の技術を使って、１×１０１８ｃｍ－３程度のＳｉをドーピングして、ＧａＮ基板をＮ型の半導体層にすることが望ましい。
（１５）ついで、第３のＩＩＩ族窒化物層３１の表面に２０μｍの研削、研磨加工を行い、４００μｍの厚みを有する第１のＩＩＩ族窒化物層１１、１００μｍの厚みを有する第２のＩＩＩ族窒化物層１２、１００μｍの厚みを有する第３のＩＩＩ族窒化物層１３を有した合計、６００μｍ厚みのＩＩＩ族窒化物基板１０であるＧａＮ基板を得ることができる（図４－１５）。
以上の各工程によって、ＩＩＩ族窒化物基板１０であるＧａＮ基板を得ることができる。
（ＩＩＩ族窒化物基板の表面側にデバイス構造を形成する工程（図１－２））
次に、ＩＩＩ族窒化物基板１０、例えば、ＧａＮ基板の表面に、ＭＯＣＶＤ法によって、機能層を積層する。ついで、機能層上に非透明の電極や絶縁膜等を形成し、複数の分割予定ラインを形成する（図１－２）。これによりＩＩＩ族窒化物基板１０の表面にデバイス構造を形成する工程が実施される。ここで、デバイス構造は、例えば、機能層１４、電極および絶縁膜１５を含む。
（表面にデバイス構造を有したＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程）（図１－３）
次いで、表面にデバイス構造を有したＩＩＩ族窒化物基板、例えば、ＧａＮ基板の裏面を上面にして、図２に示すように、分割装置４０に配置する。ＧａＮ基板の裏面は既に鏡面加工がなされたものである。
＜分割装置＞
図２は、実施の形態１に係る分割装置の構成を示す概略模式図である。分割装置４０は、ＩＩＩ族窒化物基板を固定する駆動ステージ２３と、レーザ光を発振するレーザ発振器２４と、レーザ光をＩＩＩ族窒化物基板に導光する光学系２５，１６と、を備える。
＜駆動ステージ＞
分割装置の駆動ステージ２３は、例えば、図示しないが、ＧａＮ基板を吸着するための穴を有し、当該穴を真空ポンプなどで負圧とすることで前記ＧａＮ基板を固定することができる。また、ｘｙｚの３軸方向に移動可能に構成されている。
＜レーザ発振器＞
図３は、光の波長に対する透過率において、ＧａＮ基板の第１、第３のＩＩＩ族窒化物層と第２のＩＩＩ族窒化物層の透過率の差異を説明する図である。分割装置のレーザ発振器２４は、本実施の形態では、図３の第１および第３のＩＩＩ族窒化物層と第２のＩＩＩ族窒化物層の透過率差を参考にして、例えば、５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を発振できる。また、図示しない駆動ステージ２３との制御信号のやりとりにより、所望の位置で、レーザ光のＯＮ／ＯＦＦ制御が可能である。
＜光学系＞
レーザ光をＩＩＩ族窒化物基板に導光する光学系としては、例えば、ミラー２５と対物レンズ１６である。
ミラー２５は、レーザ発振器２４から出射されたレーザ光を９０％以上反射させＧａＮ基板に伝送するミラーであって、例えば、波長５３２ｎｍの光を反射する多層誘電膜ミラーで構成されている。
（内部改質層の形成について）
対物レンズ１６を透過したレーザ光１７の集光点１９は、駆動ステージのｚ軸の設定を使って、前記ＧａＮ基板の内部における裏面から３８０μｍの位置に設定することができる。本実施の形態では、波長５３２ｎｍを透過する球面収差補正付きの顕微鏡用対物レンズ、ＮＡ＝０．８５、ｆ＝２ｍｍ、１００倍の対物レンズ１６を用いている。
レーザ光１７は、２５ｐｓ（ピコ秒）以下の極めて短いパルス発振が可能である。そのため、第１のＩＩＩ族窒化物層１１の内部の集光点１９において、多光子吸収が発生し、第１のＩＩＩ族窒化物層１１内部が改質され、例えば、裏面から３８０μｍに改質層１８が厚み２０μｍで形成される。なお、改質層１８は、第１のＩＩＩ族窒化物層１１の内部に形成されるので内部改質層と呼ばれる場合もある。
改質層１８の厚みは、レーザ光の照射条件によって決まる。改質層の面内ばらつきは、ステージのｚ軸の動作精度、装置の振動、ＧａＮ基板の面精度によって決まるので、装置の精度が高く、振動が少なく、面精度が高いほうがよい。これによって改質層の面内ばらつきは、少なくすることができる。
レーザ光の１パルス毎に形成される改質層１８の横幅が、３～５μｍになるようにレーザ光の周波数を１００ｋＨＺ、走査速度１００ｍｍ／ｓに設定することで、改質層１８を、ＧａＮ基板の全面にわたって形成することができる。
ここで重要なことは、多光子吸収を活用するレーザ加工は、上記対物レンズによる収差補正を精度よく実施しても、集光点１９に集光しない一定割合のレーザ光および、改質加工に用いられないレーザ光２０が、ＧａＮ基板の表面側に抜けるという現象が起きる場合があることである。
そこで、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法では、表面側に抜けるレーザ光２０は、図４－６で準備したＧａＮ基板の第２のＩＩＩ族窒化物層１２によって、熱に変換される。これは、第２のＩＩＩ族窒化物層１２は、レーザ光の波長４００～７００ｎｍに対する透過率が０．１％以下であるからである。なお、０．１％を上回る透過率では、照射したレーザ光が、デバイス構造側に抜ける割合が増加することとなり、デバイスの信頼性を悪化させる蓋然性が極めて高くなる。従って、０．１％超の透過率は、デバイスの信頼性を確保するという観点からは、好ましくない。発熱は、ＧａＮ基板の第２のＩＩＩ族窒化物層１２の内部のみで発生し、その影響が表面のデバイス構造に及ぶことはない。
＜光熱変換層としての第２のＩＩＩ族窒化物層について＞
ここで、波長４００～７００ｎｍのレーザ光の透過率が０．１％以下の光熱変換層として機能する第２のＩＩＩ族窒化物層１２の製造方法について詳細を述べる。
第２のＩＩＩ族窒化物層１２は、ＯＶＰＥ法によって得られる。ＯＶＰＥ法では、酸化物を原料とするため、成長させる第２のＩＩＩ族窒化物層１２に不純物として酸素を含有させることができる。このとき、図６のように、第２のＩＩＩ族窒化物層１２に含まれる酸素の濃度に依存して透過率が変化する。
図６は、窒化物結晶の酸素濃度と透過率の関係を示す図である。上述のとおり、第２のＩＩＩ族窒化物層より表面側のデバイス構造への影響を抑制するためには、第２のＩＩＩ族窒化物層における波長４００～７００ｎｍのレーザ光の透過率を０．１％以下とすることが必要である。この透過率を実現するためには、例えば、図６に示すように、第２のＩＩＩ族窒化物層における酸素濃度を１×１０２０ｃｍ－３以上、好ましくは、１×１０２１ｃｍ－３以上とすればよい。
第２のＩＩＩ族窒化物層１２に含まれる酸素の濃度を１×１０２０ｃｍ－３以上とするためには、ＩＩＩ族原料ガス、例えばＧａ２ＯのＧａのモル数に対して、V族原料ガス、例えばＮＨ３のＮの、モル数の比率を１００以下、好ましくは１０以下に設定して、１２００℃の基板温度で、結晶成長を行えばよい。
なお、酸素濃度の値は、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＩＯＮ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）によって得られる。透過率が６０％以上の第１のＩＩＩ族窒化物層の酸素濃度は、図６に示すように、１×１０１９ｃｍ－３以下である。
ここで、第１および第３のＩＩＩ族窒化物層と第２のＩＩＩ族窒化物層との差は、結晶成長の方位の差異に基づくものである。詳しくは、第１のＩＩＩ族窒化物層は、（０００１）面に平行に成長する要素が強いが、第２のＩＩＩ族窒化物層は｛１０－１ｍ｝、｛１１－２ｎ｝の面（ｍは０を除く整数、ｎは偶数）からなるファセット面と平行に、成長する要素が強いという差異を有している。
また、上記加工方法では、ＯＶＰＥ法によって、前述したレーザ光の波長範囲について低透過率であるという特徴を有する第２のＩＩＩ族窒化物層１２をＧａＮ基板内に設けている。これによって、集光しきれず表面側に抜けるレーザ光２０を、第２のＩＩＩ族窒化物層１２内で熱に変換し、デバイス構造での発熱を抑制できることを見いだした点に特徴がある。
（分割後の表面にデバイス構造を有したＩＩＩ族窒化物基板（図１－４））
レーザ光の照射によって改質層１８を形成後、面状に形成された改質層１８を起点にして、表面にデバイス構造を有するＧａＮ基板２１と、改質層１８と第１の透明層を有するＧａＮ基板２２を図示しない物理的外力によって容易に分離することができる（図１－４）。
分離された表面にデバイス構造を有したＧａＮ基板２１を、分割装置から取り出し、裏面を研削、あるいは研磨し、厚みを１００μｍ以下にする。この時、この時、第２のＩＩＩ族窒化物層１２と接合界面４７は研磨され消滅する。ついで、例えば、裏面電極の形成、分割を図５－５、図５－６に示すように実施すると、通常の製造方法と同様のデバイスを得ることができる。
また、分離された第１のＩＩＩ族窒化物層のみを有する厚み３９０μｍのＧａＮ基板２２は、その表面を２０μｍ、研削、研磨加工することで、ＧａＮ基板として活用が可能である。したがって、高価なＧａＮ基板の材料を有効に活用することができる。
上記では、実施の形態の一例について述べた。記載した実施の形態は、１回の分割で構成されているがこれに限られない。例えば、ＧａＮ基板を、透明層で挟まれる光熱変換層を複数準備して、本実施の形態を複数回にわたって分割を繰り返して構成することもできる。
また、本実施の形態は、ＩＩＩ族窒化物結晶の例示としてＧａＮ結晶を用いて構成されているが、結晶系が同じであれば、いずれの材質であってもかまわない。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＮを結晶に用いて、同様の実施形態を用いても、同じ効果が得られることもいうまでもない。
なお、第１のＩＩＩ族窒化物層１１は、サファイア、ＳｃＡｌＭｇＯ4等の他の透明な基板であってもよい。すなわち、第１のＩＩＩ族窒化物層１１は、４００ｎｍ～７００ｎｍの所定波長に対して６０％以上の透過率を有する基板であればよい。また、第２のＩＩＩ族窒化物層１２は、前記基板上で酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有して前記所定波長に対する透過率０．１％以下のＩＩＩ族窒化物層であればよい。
また、レーザ光１７の集光点１９は、第２のＩＩＩ族窒化物層１２の内部に位置してもよい。すなわち、前記ＩＩＩ族窒化物層の裏面側の前記基板から、レーザ光１７を照射して多光子吸収によって内部改質層１８を形成し、内部改質層１８を境界としてデバイス３４と前記基板とを分割してもよい。
なお、第３のＩＩＩ族窒化物層１３を設けることなく、第２のＩＩＩ族窒化物層１２上にデバイス３４を形成してもよい。第２のＩＩＩ族窒化物層１２は、酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有しているため、高い電気伝導特性を示す。これにより、高品質なデバイスを形成できるからである。
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造コストを低減することが要求される製造方法に適用することができる。
１０ ＩＩＩ族窒化物基板
１１ 第１のＩＩＩ族窒化物層
１２ 第２のＩＩＩ族窒化物層
１３ 第３のＩＩＩ族窒化物層
１４ 機能層
１５ 絶縁膜、電極の非透明材質
１６ 対物レンズ
１７ レーザ光
１８ 改質層（内部改質層）
１９ 集光点
２０ レーザ光
２１ ＧａＮ基板
２２ ＧａＮ基板
２３ 駆動ステージ
２４ レーザ発振器
２５ ミラー
２６ 種基板
２７ 第１のＩＩＩ族窒化物層
２８ 第１のＩＩＩ族窒化物層
２９ 第２のＩＩＩ族窒化物層
３０ 第２のＩＩＩ族窒化物層
３１ 第３のＩＩＩ族窒化物層
３２ ＧａＮ基板
３４ デバイス
４０ 分割装置
４１ 超高真空対応チャンバー
４２ 貼り合せ装置のウエハ工程冶具（上側）
４３ 貼り合せ装置のウエハ工程冶具（下側）
４４ イオンビーム電極
４５ イオンビーム
４６ アモルファス層
４７ 接合界面

Claims (5)

  1. ４００ｎｍ～７００ｎｍの所定波長に対して６０％以上の透過率を有する第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上で酸素を不純物として１×１０２０ｃｍ－３以上の濃度を有して前記所定波長に対する透過率０．１％以下の第２のＩＩＩ族窒化物層と、を裏面側から表面側に順に積層して構成しているＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程と、
    前記ＩＩＩ族窒化物基板の表面側にデバイス構造を形成する工程と、
    前記ＩＩＩ族窒化物基板の裏面側の前記第１のＩＩＩ族窒化物層から、前記第２のＩＩＩ族窒化物層よりも手前にレーザ光の集光点を合わせて多光子吸収によって前記第１のＩＩＩ族窒化物層に内部改質層を形成し、前記内部改質層を境界として前記ＩＩＩ族窒化物基板を分割する工程と、
    を有する、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
  2. 前記ＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程は、
    種基板を準備する工程と、
    前記種基板上に、前記第１のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程と、
    前記種基板を分離する工程と、
    前記第１のＩＩＩ族窒化物層の表面に研削、研磨の鏡面加工を行う工程と、
    前記種基板上に、Ｏｘｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法により、前記第２のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程と、
    前記種基板を分離する工程と
    前記第２のＩＩＩ族窒化物層の表面に研削、研磨加工を行う工程と、
    分離した前記第１のＩＩＩ族窒化物層と前記第２のＩＩＩ族窒化物層とを張り合わせる工程と、
    を有する、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
  3. 前記ＩＩＩ族窒化物基板を準備する工程は、
    前記第２のＩＩＩ族窒化物層の上に、前記所定波長に対して６０％以上の透過率を有した第３のＩＩＩ族窒化物層の結晶成長を行う工程
    をさらに有する、請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
  4. 前記デバイス構造は、機能層、電極、絶縁膜を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
  5. 前記ＩＩＩ族窒化物基板は、ＧａＮで構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
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