特開 2023-74656 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023074656

(43)【公開日】2023-05-30

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 33/00 20060101AFI20230523BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20230523BHJP

   H01L 21/268 20060101ALI20230523BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20230523BHJP

   B23K 26/53 20140101ALI20230523BHJP

【ＦＩ】

C30B33/00

H01L21/265 W

H01L21/265 601Q

H01L21/268 E

C30B29/38 D

B23K26/53

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021187690

(22)【出願日】2021-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石田 崇

【テーマコード（参考）】

4E168

4G077

【Ｆターム（参考）】

4E168AE01

4E168CB03

4E168DA04

4E168JA13

4G077AA02

4G077BE15

4G077FH08

4G077FJ10

4G077HA12

(57)【要約】

【課題】 半導体基板を分離する際に、分割面の品質を確保することができる技術を提供する。
【解決手段】 半導体装置の製造方法は、化合物半導体により構成されたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に設けられているとともに化合物半導体により構成されたｎ型の第２半導体層とを有する半導体基板に対して、第１半導体層と第２半導体層の界面に集光するようにレーザ光を照射することによって、第１半導体層と第２半導体層を界面に沿って分離する工程を備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

化合物半導体により構成されたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられているとともに前記化合物半導体により構成されたｎ型の第２半導体層とを有する半導体基板に対して、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に集光するようにレーザ光を照射することによって、前記第１半導体層と前記第２半導体層を前記界面に沿って分離する工程を備える、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記化合物半導体は、窒化ガリウムであり、
前記第１半導体層の実効アクセプタ濃度をＮａ（ｃｍ^－３）、前記第２半導体層の実効ドナー濃度をＮｄ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの真性キャリア濃度をｎ_ｉ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの誘電率をε_ＧａＮ（Ｆ／ｃｍ^２）、温度をＴ（Ｋ）、ボルツマン定数をｋ_Ｂ（Ｊ／Ｋ）、としたときに、以下の式（１）；

【数3】

を満たす、請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

前記半導体基板に前記レーザ光を照射する工程では、前記第２半導体層が前記第１半導体層よりも高電位となる電圧を前記半導体基板に印加した状態で前記レーザ光を照射する、請求項１又は２に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

【0002】

特許文献１には、半導体装置の製造方法が開示されている。この製造方法では、まず、種基板の表面から一定の深さにイオンを注入し、イオン注入層を形成する。イオン注入層では、注入したイオンのエネルギーにより、他の半導体領域よりも元素間の結合が弱くなる。そして、種基板の表面からレーザ光を照射して、注入したイオンにエネルギーを与えることにより元素間の結合を切断し、イオン注入層に沿って種基板から半導体基板を分離する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１６／１１４３８２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の製造方法では、注入したイオンによりイオン注入層の結晶構造が乱れる。このため、種基板をイオン注入層に沿って分離すると、得られる半導体基板の分離面に露出する領域は、結晶構造が乱れた状態となる。このため、この半導体基板を利用すると、例えば、半導体装置の抵抗が増大するという問題が生じる。本明細書では、半導体基板を分離する際に、分離面の品質を確保することができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、化合物半導体により構成されたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられているとともに前記化合物半導体により構成されたｎ型の第２半導体層とを有する半導体基板に対して、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に集光するようにレーザ光を照射することによって、前記第１半導体層と前記第２半導体層を前記界面に沿って分離する工程、を備える。

【0006】

上記の製造方法では、半導体基板が、ｐ型の第１半導体層及びｎ型の第２半導体層を有する。このため、第１半導体層と第２半導体層の界面近傍には、ビルトインポテンシャルによる空乏層が形成される。すなわち、当該界面近傍には電界が印加される。このため、第１半導体層と第２半導体層の界面近傍では、フランツケルディッシュ効果が生じ、長波長（すなわち、低エネルギー）のレーザ光が吸収され易い。すなわち、第１半導体層と第２半導体層の界面近傍の領域では、他の半導体領域よりも光の吸収効率が高い。したがって、当該界面に集光するようにレーザ光を照射することにより、当該界面近傍でレーザ光が効率良く吸収され、当該界面に沿って第１半導体層と第２半導体層とを分離することができる。また、この分離方法では、イオン注入層を形成する分離方法に比べて、分離面における半導体の結晶構造を乱し難い。したがって、この製造方法によれば、高品質な半導体装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図。

【図2】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図。

【図3】特定の電界強度を半導体基板に印加するための第１半導体層の実効アクセプタ濃度と第２半導体層の実効ドナー濃度の関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。

【図4】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図。

【図5】実施例１の半導体装置の製造工程における界面近傍を示す拡大図。

【図6】第１半導体層と第２半導体層の界面近傍に形成される空乏層を説明するための図。

【図7】窒化ガリウムに照射される光の波長、窒化ガリウムに流れる光電流、及び窒化ガリウムに印加される電界強度の関係を示すグラフ。

【図8】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図。

【図9】実施例２の半導体装置の製造工程を示す図。

【図10】変形例の半導体装置の製造工程を示す図。

【図11】変形例の半導体装置の製造工程を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本明細書が開示する技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

【0009】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記化合物半導体は、窒化ガリウムであってよい。前記第１半導体層の実効アクセプタ濃度をＮａ（ｃｍ^－３）、前記第２半導体層の実効ドナー濃度をＮｄ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの真性キャリア濃度をｎ_ｉ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの誘電率をε_ＧａＮ（Ｆ／ｃｍ^２）、温度をＴ（Ｋ）、ボルツマン定数をｋ_Ｂ（Ｊ／Ｋ）、としたときに、以下の式（１）；

【数1】

を満たしてもよい。

【0010】

第１半導体層の実効アクセプタ濃度及び第２半導体層の実効ドナー濃度が上記の式を満たす場合、ビルトインポテンシャルによって第１半導体層と第２半導体層の界面近傍に適切な電界が印加され、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長よりも長波長のレーザ光を当該界面近傍で効率良く吸収することができる。

【0011】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記レーザ光を照射する工程では、前記第２半導体層が前記第１半導体層よりも高電位となる電圧を前記半導体基板に印加した状態で前記レーザ光を照射してもよい。

【0012】

このような構成では、半導体基板のｐｎ接合に対して逆電圧が印加された状態でレーザ光が照射される。ｐｎ接合に対して逆電圧を印加することにより、第１半導体層と第２半導体層の界面近傍に形成される空乏層が広がる。すなわち、当該界面近傍に印加される電界が大きくなる。このため、フランツケルディッシュ効果がより大きくなり、より長波長のレーザ光を当該界面近傍で吸収することができる。

【0013】

（実施例１）
図面を参照して、実施例１の半導体装置の製造方法について説明する。この製造方法は、半導体基板を２つの層に分離する工程に特徴を有する。したがって、本実施例の製造方法は、特定の構造を有する半導体装置に限られず、化合物半導体により構成された半導体基板を有する半導体装置、及びその半製品に対して、広く採用することができる。以下では、化合物半導体により構成された半導体基板を２つの層に分離する工程を主に説明し、他の製造工程については説明を省略する。なお、半導体装置の他の製造工程については、半導体装置の構造等に応じて、必要な工程が適宜実施されてよい。

【0014】

まず、図１に示すように、ｎ型の半導体層１２を準備する。半導体層１２は、窒化ガリウムにより構成されている。なお、半導体層１２の材料は、窒化ガリウムに限られない。半導体層１２は、例えば、炭化シリコン等の他の化合物半導体により構成されてもよい。

【0015】

次に、図２に示すように、半導体層１２にｐ型不純物として、例えばマグネシウムをイオン注入することにより、半導体層１２の表層部分にｐ型領域１４を形成する。そして、超高圧アニール（ultra-high-pressure annealing、ＵＨＰＡ）処理を行って注入したマグネシウムイオンを活性化させ、ｐ型の第１半導体層１４を形成する。半導体層１２のうち、残存したｎ型領域が第２半導体層１６となる。これにより、第２半導体層１６と、第２半導体層１６上に設けられた第１半導体層１４と、を有する半導体基板２０が得られる。

【0016】

なお、図２に示す半導体基板２０を製造する際には、第１半導体層１４の実効アクセプタ濃度をＮａ（ｃｍ^－３）、前記第２半導体層１６の実効ドナー濃度をＮｄ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの真性キャリア濃度をｎ_ｉ（ｃｍ^－３）、窒化ガリウムの誘電率をε_ＧａＮ（Ｆ／ｃｍ^２）、温度をＴ（Ｋ）、ボルツマン定数をｋ_Ｂ（Ｊ／Ｋ）、としたときに、以下の式を満たすように、マグネシウムイオンの注入量が調整される。

【0017】

【数2】

【0018】

第１半導体層１４の実効アクセプタ濃度は、第１半導体層１４内のｐ型不純物濃度からｎ型不純物濃度を引くことにより算出される。第２半導体層１６の実効ドナー濃度は、第２半導体層１６内のｎ型不純物濃度からｐ型不純物濃度を引くことにより算出される。図３は、上式（１）のグラフを示している。詳細については後述するが、上式（１）を満たす半導体基板２０では、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８近傍に印加される電界強度が１．２ＭＶ／ｃｍ以上となる。

【0019】

次に、図４に示すように、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８に集光するようにレーザ光３０を照射する。ここでは、界面１８にレーザ光３０を集光させながら、矢印３２に示すように、界面１８に沿ってレーザ光３０を走査する。レーザ光３０の波長は、約４００ｎｍである。また、ここで使用されるレーザ光３０の焦点深度ｄは、図５に示すように、半導体基板２０の厚みよりも極めて小さい。ここでは、焦点深度ｄ内に第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８が納まるように、レーザ光３０が照射される。その結果、界面１８近傍においてレーザ光３０が吸収され、界面１８近傍に対して高いエネルギーを印加することができる。これにより、界面１８に沿って結晶欠陥が形成される。

【0020】

通常、半導体に光が入射したとき、光のエネルギーが当該半導体のバンドギャップよりも大きくなければ、光は半導体に吸収されない。窒化ガリウムのバンドギャップは、約３．４ｅＶ（波長約３６５ｎｍに対応）であるため、通常、約４００ｎｍの波長を有するレーザ光３０は吸収され難い。しかしながら、半導体に電界が印加されると、伝導帯及び価電子帯に存在するキャリアの波動関数が遷移し、半導体の実効的なバンドギャップが小さくなる。このため、光の吸収端（すなわち、半導体に吸収される最小エネルギー）が長波長側に遷移する、いわゆるフランツケルディッシュ効果が生じる。

【0021】

本実施例では、第１半導体層１４がｐ型であり、第２半導体層１６がｎ型である。すなわち、第１半導体層１４と第２半導体層１６との間にはｐｎ接合が形成されている。したがって、図６に示すように、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８近傍には、ビルトインポテンシャルによる空乏層３６（ドットハッチングにより示す領域）が形成される。すなわち、界面１８近傍には電界が印加されており、フランツケルディッシュ効果により、界面１８近傍では光の吸収端が長波長側に遷移している。

【0022】

図７は、バンドギャップが約３．４ｅＶ（波長約３６５ｎｍに対応）の窒化ガリウムに種々の波長の光を照射したときに流れる光電流を示している。光電流が大きいことは、窒化ガリウムで効率的に光が吸収されていることを意味する。図７の横軸は、窒化ガリウムに印加される電界強度を示している。図７に示すように、窒化ガリウムに４００ｎｍの光を照射した場合において１ｎＡ以上の光電流を得るためには、１．２ＭＶ／ｃｍ以上の電界強度が必要である。すなわち、窒化ガリウムが吸収する光の波長を３６５ｎｍから４００ｎｍまで遷移させるために、窒化ガリウムに１．２ＭＶ／ｃｍ以上の電界強度で電界を印加する必要がある。なお、窒化ガリウムが吸収する光の波長を３６５ｎｍから４００ｎｍまで遷移させると、窒化ガリウムの実効的なバンドギャップが約１０％減少する。図３のグラフは、界面１８に印加される電界強度が１．２ＭＶ／ｃｍ以上となる第１半導体層１４の実効アクセプタ濃度と第２半導体層１６の実効ドナー濃度との関係をシミュレーションした結果を示している。上述したように、本実施例では、図３の領域５０を表す式（１）の関係を満たすように、第１半導体層１４の実効アクセプタ濃度や、第２半導体層１６の実効ドナー濃度等が調整されている。すなわち、半導体基板２０の界面１８近傍では、光の吸収端が遷移し、窒化ガリウムの実効的なバンドギャップが約１０％以上減少している。このため、本実施例では、約４００ｎｍの波長を有するレーザ光３０を、界面１８近傍で効率良く吸収することができる。なお、半導体基板２０のうち、電界が印加されていない領域（すなわち、空乏層３６の外部の領域）では、レーザ光３０はほとんど吸収されない。このため、本実施例では、界面１８近傍で効率良く光が吸収され、界面近傍１８から離れた位置では光がほとんど吸収されない。したがって、界面１８近傍に集中して結晶欠陥を形成することができる。

【0023】

次に、図８に示すように、第１半導体層１４を第２半導体層１６から分離する。例えば、第１半導体層１４の表面と第２半導体層１６の表面のそれぞれに支持体（例えば、テープなど）を貼り付け、両方の支持体を互いから引き離すことで、第１半導体層１４を第２半導体層１６から分離する。レーザ照射工程で界面１８に沿って結晶欠陥が形成されているので、界面１８に沿って第１半導体層１４を第２半導体層１６から分離することができる。その後、分離した第１半導体層１４または第２半導体層１６を利用して薄型の半導体装置を製造することができる。

【0024】

以上に説明したように、この製造方法では、レーザ照射工程において、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８に集中して結晶欠陥を形成することができ、界面１８以外の位置に結晶欠陥が形成され難い。特に、半導体基板２０に照射するレーザ光３０が比較的低エネルギーであるため、界面１８以外の半導体領域に対するレーザ光３０の影響を低減することができる。したがって、分離後に露出する第１半導体層１４及び第２半導体層１６の表面に存在する結晶欠陥が少ない。すなわち、結晶欠陥が少ない高品質の分離面が得られる。したがって、分離した第１半導体層１４または第２半導体層１６を利用して高品質の半導体装置を製造することができる。

【0025】

（実施例２）
次に、実施例２の製造方法について説明する。実施例２では、実施例１の図２に示す半導体基板２０を製造した後、図９に示すように、半導体基板２０に対して電源４４を接続する。具体的には、第１半導体層１４の表面にオーミック電極４０を形成し、第２半導体層１６の表面にオーミック電極４２を形成する。そして、各オーミック電極４０、４２に対して、第２半導体層１６が第１半導体層１４よりも高電位となる向きで電源４４を接続する。すなわち、界面１８のｐｎ接合に対して逆電圧が印加される向きで電源４４を接続する。

【0026】

次に、界面１８のｐｎ接合に逆電圧を印加した状態で、図４と同様に、界面１８に集光するようにレーザ光３０を照射するとともに、レーザ光３０を界面１８に沿って走査する。これにより、界面１８に沿って結晶欠陥が形成される。そして、実施例１の図８と同様に、半導体基板２０を第１半導体層１４と第２半導体層１６とに分離することができる。

【0027】

実施例２では、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８のｐｎ接合に対して逆電圧を印加した状態でレーザ光３０が照射される。ｐｎ接合に対して逆電圧を印加することにより、界面１８から各半導体層１４、１６に向かって広がる空乏層が大きくなる。このため、界面１８近傍に印加される電界強度が増大する。すなわち、フランツケルディッシュ効果がより大きくなり、光の吸収端がより長波長側に遷移する。このため、実施例２では、界面１８近傍において、より長波長（すなわち、より低いエネルギー）のレーザ光３０を吸収することができる。

【0028】

なお、上述した各実施例において、半導体基板２０は、式（１）の関係を満たさなくてもよい。実施例１では、上述したように、界面１８（ｐｎ接合）には、ビルトインポテンシャルによる空乏層が少なからず形成されるため、界面１８近傍には電界が印加される。このため、半導体基板２０が、式（１）の関係を満たさない場合であっても、界面１８近傍では、実効的なバンドギャップが小さくなり、約３６５ｎｍよりも長波長の光が吸収され易い。また、実施例２では、界面１８のｐｎ接合に対して逆電圧が印加される。このため、式（１）の関係を満たさない場合であっても、界面１８近傍に大きな電界を印加することができる。

【0029】

また、上述した各実施例では、第１半導体層１４と第２半導体層１６の２層が積層された半導体基板２０について、各層を分離する例について説明したが、３層以上が積層された半導体基板であっても、本明細書に開示の技術を適用可能である。例えば、実施例１の図２に示す状態において、図１０に示すように、半導体層１４上にｎ型の第３半導体層２２が形成されてもよい。第３半導体層２２は、例えば、ｎ型の窒化ガリウムをエピタキシャル成長することにより形成することができる。このように得られた半導体基板１２０に対して、図１１に示すように、第１半導体層１４と第２半導体層１６の界面１８に集光するようにレーザ光１３０を照射するとともに、矢印１３２に示すように、界面１８に沿ってレーザ光３０を走査してもよい。ここでは、第２半導体層１６側からレーザ光１３０を照射する。これにより、レーザ光１３０が界面１８近傍で効率良く吸収され、界面１８近傍に集中して結晶欠陥を形成することができる。なお、第１半導体層１４と第３半導体層２２の界面２４においても、フランツケルディッシュ効果が生じ得る。しかしながら、レーザ光１３０の大部分は界面１８近傍で吸収される（すなわち、レーザ光１３０のエネルギーの大部分が界面１８近傍で消費される）ため、界面２４への影響はほとんどない。

【0030】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0031】

１４：第１半導体層
１６：第２半導体層
１８：界面
２０：半導体基板
２２：第３半導体層
２４：界面
３０：レーザ光
３６：空乏層
４０：オーミック電極
４２：オーミック電極
４４：電源
１２０：半導体基板
１３０：レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】