特開 2024-83815 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】P2024083815

(43)【公開日】2024-06-24

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20240617BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20240617BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

H01L21/02 C

H01L29/78 652T

H01L29/78 658G

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197856

(22)【出願日】2022-12-12

(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

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(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】中林 正助

(72)【発明者】

【氏名】長屋 正武

(72)【発明者】

【氏名】笹岡 千秋

(72)【発明者】

【氏名】田中 敦之

(72)【発明者】

【氏名】河口 大祐

(72)【発明者】

【氏名】油井 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】原 佳祐

(72)【発明者】

【氏名】荒谷 知巳

(57)【要約】

【課題】レーザ剥離技術を利用する半導体装置の製造方法において、半導体基板の変形を抑える技術を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１の第１主面１ａに第１変形防止層３０を形成し、半導体基板の第２主面１ｂに第２変形防止層４０を形成する変形防止層形成工程であって、半導体基板の第１主面側にデバイス構造が形成されている、変形防止層形成工程と、半導体基板の第２主面に形成された第２変形防止層を透過して半導体基板内にレーザを照射するレーザ照射工程と、デバイス構造が形成されたデバイス層２をレーザが照射された面に沿って半導体基板の残りの層から剥離する剥離工程と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置の製造方法であって、
第１主面（１ａ）と第２主面（１ｂ）を有する半導体基板（１）の前記第１主面に第１変形防止層（３０）を形成し、前記半導体基板の前記第２主面に第２変形防止層（４０）を形成する変形防止層形成工程であって、前記半導体基板の前記第１主面側にデバイス構造が形成されている、変形防止層形成工程と、
前記半導体基板の前記第２主面に形成された前記第２変形防止層を透過して前記半導体基板内にレーザを照射するレーザ照射工程であって、前記半導体基板内の所定深さを延びる面（３）に前記レーザが照射される、レーザ照射工程と、
前記デバイス構造が形成されたデバイス層（２）を前記レーザが照射された面に沿って前記半導体基板の残りの層から剥離する剥離工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記第１変形防止層と前記第２変形防止層の少なくとも一方は、有機材料層を有する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記第１変形防止層と前記第２変形防止層の少なくとも一方は、サポート基板を有しており、
前記サポート基板は、前記半導体基板よりもヤング率が大きい、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記半導体基板は、前記第２主面の周縁に曲面形状の端部曲面（１ｄ）を有しており、
前記変形防止層形成工程では、前記第２変形防止層が前記端部曲面を覆うように形成される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記変形防止層形成工程では、前記第２変形防止層が前記半導体基板の側面（１ｃ）のうち前記半導体基板内の所定深さを延びる面が露出する部分を覆わないように形成される、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記レーザ照射工程よりも前に、前記半導体基板の前記第１主面の周縁を除去加工し、前記半導体基板の前記第１主面側の側面を前記半導体基板の前記第２主面側の側面よりも前記半導体基板の内側に位置させる、除去加工工程をさらに備えており、
前記レーザ照射工程では、前記半導体基板内の所定深さを延びる面が、前記半導体基板の前記第１主面側の側面において露出する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記半導体基板が窒化物半導体である、請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

【0002】

半導体基板の一方の主面側にデバイス構造を形成した後に、半導体基板内にレーザを照射して変質層を形成し、デバイス構造が形成されたデバイス層を変質層に沿って半導体基板の残りの層から剥離する技術が開発されている。このレーザ剥離技術を利用すると、デバイス層が剥離された後の半導体基板を再利用することができるので、半導体装置の製造コストを低下させることができる。特許文献１及び２には、レーザ剥離技術を利用する半導体装置の製造方法の一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１０２５２０号公報

【特許文献1】特開２０１７－１８３６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体基板内の変質層が形成される部位では、レーザ照射によって結晶構造が崩れ、半導体を構成する原子が気化することがある。例えば半導体基板が窒化物半導体で構成されている場合、変質層の部位で窒素ガスが発生することが知られている。半導体基板の内部で気体が発生すると、半導体基板が膨張し、半導体基板が変形してしまう。半導体基板の変形は、レーザ照射の集光位置のバラツキの原因となったり、半導体基板の破損の原因となってしまう。本明細書は、レーザ剥離技術を利用する半導体装置の製造方法において、半導体基板の変形を抑える技術を提供する。

【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、第１主面（１ａ）と第２主面（１ｂ）を有する半導体基板（１）の前記第１主面に第１変形防止層（３０）を形成し、前記半導体基板の前記第２主面に第２変形防止層（４０）を形成する変形防止層形成工程であって、前記半導体基板の前記第１主面側にデバイス構造が形成されている変形防止層形成工程と、前記半導体基板の前記第２主面に形成された前記第２変形防止層を透過して前記半導体基板内にレーザを照射するレーザ照射工程であって、前記半導体基板内の所定深さを延びる面（３）に前記レーザが照射される、レーザ照射工程と、前記デバイス構造が形成されたデバイス層（２）を前記レーザが照射された面に沿って前記半導体基板の残りの層から剥離する剥離工程と、を備えていてもよい。前記半導体基板の種類は、前記レーザの照射によって気化する原子を含む様々な種類の半導体基板であってもよい。前記デバイス構造の種類は、特に限定されるものではないが、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）またはダイオードを構成するための構造であってもよい。

【0006】

上記製造方法では、前記レーザ照射工程よりも前に前記半導体基板の両面に変形防止層が形成される。このため、前記レーザ照射工程で前記半導体基板内に気体が発生したとしても、前記半導体基板の変形が抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】半導体装置の製造方法のうちデバイス構造形成工程と変形防止層形成工程とレーザ照射工程と剥離工程とダイシング工程のフローを示す図である。

【図2】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図3】半導体基板の上面側に形成されているデバイス構造の単位セルの断面図を模式的に示す図である。

【図4】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図5】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図6】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図7】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図8】半導体装置の製造過程における半導体基板の要部拡大断面図であって、半導体基板の下面側の周縁近傍の要部拡大断面図を模式的に示す図である。

【図9】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【図10】半導体装置の製造過程における半導体基板の断面図を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１に示すように、本明細書が開示するレーザ剥離技術を利用した半導体装置の製造方法は、デバイス構造形成工程（ステップＳ１）と、変形防止層形成工程（Ｓ２）と、レーザ照射工程（ステップＳ３）と、剥離工程（ステップＳ４）と、ダイシング工程（ステップＳ５）と、を備えている。この製造方法は、図２に示す半導体基板１に対してこれら工程を実行することにより、複数の半導体装置（チップともいう）を製造することができる。

【0009】

図２に示されるように、半導体基板１は、各々が平面で相互に平行に延びている上面１ａと下面１ｂを有している。これら上面１ａと下面１ｂは、主面とも称される。半導体基板１はさらに、上面１ａと下面１ｂに対して直交しており、上面１ａと下面１ｂを結ぶ側面１ｃを有している。半導体基板１は、特に限定されるものではないが、例えば窒化物半導体基板であってもよい。具体的には、半導体基板１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を材料とする基板であってもよい。半導体基板１の所定深さを延びる面３は、後述するように、レーザが照射される面、すなわち、レーザの複数の集光点が集まる面（以下、「集光面」という）である。集光面３の深さは、半導体基板１の下面１ｂよりも上面１ａに近い深さである。本明細書では、半導体基板１のうちの集光面３よりも上側の部分、すなわち、半導体基板１から剥離される部分をデバイス層２という。

【0010】

デバイス構造形成工程（図１のステップＳ１）では、半導体基板１のデバイス層２内にデバイス構造が形成される。図３に、デバイス構造形成工程が実施された後の、半導体基板１のデバイス層２内に形成されているデバイス構造１０の単位セルを示す。デバイス構造１０は、特に限定されるものではないが、例えば縦型のＭＯＳＦＥＴであってもよい。

【0011】

デバイス構造１０は、ｎ⁺型のドレイン領域１２と、ｎ型のドリフト領域１４と、ｐ型のボディ領域１６と、ｎ⁺型のソース領域１８と、プレーナ型のＭＯＳ構造２０と、を備えている。

【0012】

ドレイン領域１２は、半導体基板１の下面１ｂに露出する位置に設けられている。ドリフト領域１４は、ドレイン領域１２とボディ領域１６の間に設けられている。半導体基板１の上面１ａに露出する位置に配置されているドリフト領域１４の一部をＪＦＥＴ領域１４ａという。ボディ領域１６は、半導体基板１の上面１ａに露出する位置に設けられており、ドリフト領域１４とソース領域１８を隔てるように配置されている。ドリフト領域１４のＪＦＥＴ領域１４ａとソース領域１８の間に位置するボディ領域１６の一部をチャネル領域ＣＨという。ソース領域１８は、半導体基板１の上面１ａに露出する位置に設けられている。

【0013】

ＭＯＳ構造２０は、半導体基板１の上面１ａの一部を被覆するように設けられており、ゲート絶縁膜２２と、ゲート電極２４と、を備えている。ゲート電極２４は、ゲート絶縁膜２２を介してボディ領域１６のチャネル領域ＣＨに対向している。デバイス構造１０では、ゲート電極２４に印加されるゲート電圧に応じてボディ領域１６のチャネル領域ＣＨに生成される反転層の電子密度が制御される。

【0014】

図４に示されるように、変形防止層形成工程（図１のステップＳ２）では、半導体基板１の上面１ａの全体に第１変形防止層３０が形成され、半導体基板１の下面１ｂの全体に第２変形防止層４０が形成される。これら変形防止層３０，４０の材料は、特に限定されるものではない。これら変形防止層３０，４０の材料は、半導体基板１よりもヤング率が高い材料であってもよいし、半導体基板１よりもヤング率が低い材料であってもよい。第１変形防止層３０と第２変形防止層４０には、共通の材料が用いられてもよく、異なる材料が用いられてもよい。

【0015】

第１変形防止層３０は、半導体基板１の上面１ａに形成されているデバイス構造に対するストレス低減及び半導体基板１の上面１ａへの接着性を考慮し、有機材料であってもよい。第１変形防止層３０は、例えば樹脂（例えば熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂など）であってもよい。あるいは、第１変形防止層３０は、半導体製造プロセスで広く用いられている表面保護用テープであってもよい。

【0016】

第２変形防止層４０は、第１変形防止層３０と同様の材料の他に、セラミック、金属材料、結晶材料又はこれらの組み合わせであってもよい。これら材料は、半導体基板１の下面１ｂに直接接合されてもよく、成膜技術（例えば、スパッタ技術、蒸着技術又はプラズマ成膜技術など）を利用して半導体基板１の下面１ｂに成膜されてもよい。

【0017】

この例では、第１変形防止層３０と第２変形防止層４０にはいずれも樹脂が用いられている。なお、第１変形防止層３０と第２変形防止層４０の厚みは、特に限定されるものではなく、後述のレーザ照射工程における半導体基板１の変形が抑えられるように適宜調整されればよい。

【0018】

図５に示されるように、レーザ照射工程（図１のステップＳ３）では、半導体基板１の所定深さを延びる集光面３にレーザが照射される。レーザは、デバイス構造が形成されていない半導体基板１の下面１ｂから半導体基板１の所定深さで集光するように照射される。レーザは、半導体基板１（この例では窒化ガリウムの基板）及び第２変形防止層４０に対して透過性を有する波長域のレーザである。レーザは、特に限定されるものではないが、可視光のレーザであってもよく、例えば緑色レーザであってもよい。集光点の位置では、半導体基板１を構成する結晶（この例では、窒化ガリウムの単結晶）が加熱されて分解され、変質層が形成される。変質層の強度は、半導体基板１を構成する結晶よりも低い。したがって、変質層の強度は、その周囲の結晶よりも低くなる。

【0019】

半導体基板１の内部に変質層が形成される過程で窒素ガスが発生する。半導体基板１の内部で窒素ガスが発生すると、半導体基板１が膨張して変形しようとする。しかしながら、半導体基板１の両面には変形防止層３０，４０が形成されている。このため、半導体基板１内に窒素ガスが発生したとしても、半導体基板１の変形が抑えられる。この結果、レーザ照射の集光位置のバラツキが生じたり、半導体基板１が破損するといった事態が抑えられる。

【0020】

図６に示されるように、剥離工程（図１のステップＳ４）では、デバイス構造１０が形成されているデバイス層２が、レーザが照射された集光面３に沿って半導体基板１の残りの層から剥離される。集光面３は変質層の形成によって強度が低下しているので、デバイス層２は半導体基板１の残りの層から良好に剥離される。この剥離工程では、半導体基板１の両面に変形防止層３０，４０が残存したままである。このように、変形防止層３０，４０は、剥離工程における表面保護膜としても機能することができる。なお、デバイス層２が剥離された後の半導体基板１は、半導体装置の製造に再利用される。例えば、半導体基板１の剥離面に対して研磨及びエッチング等を実施した後に、エピタキシャル結晶成長技術を利用して剥離面上にデバイス層を成膜することにより、成膜したデバイス層にデバイス構造を形成することができる。

【0021】

図７に示されるように、ダイシング工程（図１のステップＳ５）では、半導体基板１から剥離されたデバイス層２に対して研磨工程及び電極形成工程等を実施した後、デバイス層２から複数のデバイス（ダイともいう）が切り出され、半導体装置が完成する。

【0022】

上記製造方法の他の特徴及び変形例について以下に説明する。

【0023】

図８は、半導体基板１の下面１ｂの周縁近傍の要部拡大断面図である。一般的に、半導体基板の主面の周縁は曲面形状となっていることが多い。このため、図８に示されるように、半導体基板１の下面１ｂの周縁には、下面１ｂと側面１ｃの間を延びる端部曲面１ｄが形成されている。レーザ照射工程で照射されるレーザは、半導体基板１の下面１ｂに直交する方向から照射される。このため、第２変形防止層４０が形成されていない場合、レーザは半導体基板１の端部曲面１ｄで屈折する。この結果、半導体基板１の集光面３の両端部ではレーザが集光しない事態が発生し得る。

【0024】

図８に示されるように、第２変形防止層４０は、半導体基板１の側面１ｃよりも側方に延びており、半導体基板１の端部曲面１ｄを覆うように形成されている。第２変形防止層４０と半導体基板１の屈折率の差は、空気と半導体基板１の屈折率の差よりも小さい。このため、第２変形防止層４０が半導体基板１の端部曲面１ｄを覆うように形成されていると、第２変形防止層４０と半導体基板１の端部曲面１ｄの界面を透過するレーザの屈折が抑えられる。また、レーザ照射方向に沿って観測したときに、半導体基板１の端部曲面１ｄが存在する範囲Ｒ１には、第２変形防止層４０の平坦な表面４０ａが存在している。このため、第２変形防止層４０に入射するときのレーザの屈折も抑えられる。この結果、レーザ照射工程では、半導体基板１の集光面３の両端部にもレーザを良好に集光させることができる。半導体基板１の集光面３の両端部にレーザが良好に集光すると、変質層が半導体基板１の側面１ｃまで延びることができる。このため、変質層が半導体基板１の側面１ｃに露出するので、レーザ照射工程で発生した窒素ガスの一部は、半導体基板１の側面から良好に排出され得る。この結果、半導体基板１内に窒素ガスが発生したとしても、半導体基板１の変形が抑えられる。なお、半導体基板１の側面１ｃから窒素ガスを良好に排出するために、半導体基板１の側面１ｃのうち集光面３が露出する部分には、変形防止層３０，４０が覆われていないのが望ましい。

【0025】

図９に示されるように、レーザ照射工程よりも前に、半導体基板１の上面１ａの周縁を除去加工し、半導体基板１の上面１ａ側の側面１ｃが半導体基板１の下面側１ｂの側面１ｃよりも半導体基板１の内側に位置させる、除去加工工程を実施してもよい。換言すると、半導体基板１を平面視したときに、上面１ａの周縁が下面１ｂの周縁よりも内側に位置するように、半導体基板１の上面１ａがエッジトリミングされる。除去加工工程は、変形防止層形成工程の前に実施してもよく、変形防止層形成工程の後に実施してもよい。半導体基板１の上面１ａ側の側面１ｃと下面１ｂ側の側面１ｃの間のオフセット長さＬ１は、半導体基板１の下面１ｂの端部曲面１ｄが存在する範囲Ｒ１（図８参照）の幅よりも大きい。半導体基板１の集光面３は、半導体基板１の内側に位置された半導体基板１の上面１ａ側の側面１ｃにおいて露出する。

【0026】

レーザ照射工程で集光面３に集光するレーザは、半導体基板１の端部曲面１ｄよりも内側の平坦な下面１ｂから半導体基板１内に入射する。このため、レーザ照射工程では、半導体基板１の集光面３の両端部にもレーザを良好に集光させることができる。

【0027】

図１０に示されるように、第１変形防止層３０は、接着層３２と、サポート基板３４と、を有していてもよい。接着層３２は、有機材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えば半導体製造プロセスで汎用的に用いられる両面テープであってもよい。サポート基板３４は、接着層３２を介して半導体基板１の上面１ａに固定されており、半導体基板１よりもヤング率が高い材料である。サポート基板３４は、半導体基板１の主面に対して平行に延びる平板状の基板であり、半導体基板１の側面１ｃよりも側方に広がっている。サポート基板３４は、特に限定されるものではないが、例えばガラス基板又はサファイア基板であってもよい。第２変形防止層４０も、接着層４２と、サポート基板４４と、を有している。これら第２変形防止層４０の接着層４２とサポート基板４４はそれぞれ、第１変形防止層３０の接着層３２とサポート基板３４と同様の材料で構成することができる。

【0028】

これら変形防止層３０，４０はいずれも、ヤング率が高いサポート基板３４，４４を有している。このため、レーザ照射工程で半導体基板１内に窒素ガスが発生したとしても、半導体基板１の変形が抑えられる。

【0029】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

【0030】

（特徴１）
半導体装置の製造方法であって、
第１主面（１ａ）と第２主面（１ｂ）を有する半導体基板（１）の前記第１主面に第１変形防止層（３０）を形成し、前記半導体基板の前記第２主面に第２変形防止層（４０）を形成する変形防止層形成工程であって、前記半導体基板の前記第１主面側にデバイス構造が形成されている、変形防止層形成工程と、
前記半導体基板の前記第２主面に形成された前記第２変形防止層を透過して前記半導体基板内にレーザを照射するレーザ照射工程であって、前記半導体基板内の所定深さを延びる面（３）に前記レーザが照射される、レーザ照射工程と、
前記デバイス構造が形成されたデバイス層（２）を前記レーザが照射された面に沿って前記半導体基板の残りの層から剥離する剥離工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。

【0031】

（特徴２）
前記第１変形防止層と前記第２変形防止層の少なくとも一方は、有機材料層を有する、特徴１に記載の半導体装置の製造方法。

【0032】

（特徴３）
前記第１変形防止層と前記第２変形防止層の少なくとも一方は、サポート基板を有しており、
前記サポート基板は、前記半導体基板よりもヤング率が大きい、特徴１に記載の半導体装置の製造方法。

【0033】

（特徴４）
前記半導体基板は、前記第２主面の周縁に曲面形状の端部曲面（１ｄ）を有しており、
前記変形防止層形成工程では、前記第２変形防止層が前記端部曲面を覆うように形成される、特徴１～３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

【0034】

（特徴５）
前記変形防止層形成工程では、前記第２変形防止層が前記半導体基板の側面（１ｃ）のうち前記半導体基板内の所定深さを延びる面が露出する部分を覆わないように形成される、特徴４に記載の半導体装置の製造方法。

【0035】

（特徴６）
前記レーザ照射工程よりも前に、前記半導体基板の前記第１主面の周縁を除去加工し、前記半導体基板の前記第１主面側の側面を前記半導体基板の前記第２主面側の側面よりも前記半導体基板の内側に位置させる、除去加工工程をさらに備えており、
前記レーザ照射工程では、前記半導体基板内の所定深さを延びる面が、前記半導体基板の前記第１主面側の側面において露出する、特徴１～５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

【0036】

（特徴７）
前記半導体基板が窒化物半導体である、特徴１～６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

【0037】

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】

【0038】

１：半導体基板、 ２：デバイス層、 ３：集光面、 ３０：第１変形防止層、 ３２，４２：接着層、 ３４，４４：サポート基板、 ４０：第２変形防止層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】