专利名称：半导体晶片、半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及可适用于短波发光二极管元件、短波半导体激光元件、高速电子器件等的半导体晶片、半导体装置及其制造方法。
这样，其前景非常看好的GaN系半导体在形成材料方面具有困难。即制作由GaN构成的基板有困难，因此如硅(Si)或砷化镓(GaAs)，不进行基板自身的制造工艺，并且基板上的晶体取向附生层也不在由同一材料构成的基板上生长，因此一般进行把不同于晶体取向附生层的材料用于基板的杂晶体取向附生(epitaxial)生长。
这样，以往是晶体生长自身困难，但随着以有机金属气相沉积(MatalOrganic Chemical Vapor DepositionMOCVD)法为中心的晶体生长技术大幅度发展，大大提高了GaN系半导体结晶的品质，以至使得所述发光器件实用化。
目前最广泛使用并且显示最优异的器件特性的是，以蓝宝石为基板生长的GaN系半导体。蓝宝石的结晶结构为与GaN系半导体相同的六方晶系，并且对热极其稳定，因此适合于需要1000℃以上高温的GaN系半导体的结晶生长。现有例1下面，作为现有例1，对使用GaN系半导体的半导体激光元件，参照图9对其构成与制造方法进行说明。
如图9所示，首先在由蓝宝石构成的基板101的主面上，根据如MOCVD法依次成膜n型AlGaN层102、由GaInN构成的活性层103及p型AlGaN层104。活性层103含有量子井结构，n型AlGaN层102及p型AlGaN层104各自含有在活性层103中生成的光进行封闭的包覆层和光导向层。
接着，根据使用氯气的干式蚀刻工序，对于p型AlGaN层104选择性地形成成为波导的脊形(隆起ridge)部104a，进而，对于p型AlGaN层104、活性层103及n型AlGaN层102进行蚀刻，以在脊形部104a的两侧方露出n型AlGaN层102。
接着，在露出的n型AlGaN层102上面形成由Ti/Al构成的n侧电极105，在p型AlGaN层104的脊形部104a上面形成由Ni/Au构成的p侧电极106。然后研磨基板101的n型AlGaN层102的相反侧面，使基板101薄膜化，进而通过分开形成共振器，制作半导体激光芯片。
关于使用GaN系半导体的激光结构，在中村等，日本应用物理期刊，1996，35卷，L74页(S.Nakamura et al.，Japanese Journal of Applied Physics，Volume 35，L74(1996))等中有其详细所述。现有例2接着，作为现有例2，对使用GaN系半导体的场效应晶体管，参照图10对其构成与制造方法进行说明。
如图10所示，首先在由蓝宝石构成的基板101的主面上，例如，通过MOCVD法依次成膜不掺杂GaN层107、n型AlGaN层108。
接着，通过使用氯气的干式蚀刻工序，对n型AlGaN层108及不掺杂GaN层107的上部进行蚀刻，以形成元件分离区域。
接着，在n型AlGaN层108上面各自形成由Ti/Al构成的源电极110和漏电极111和，如由Pt/Au构成的栅电极109。然后研磨基板101的不掺杂GaN层107的相反侧面，使基板101薄膜化，进而进行切割，制作晶体管芯片。
关于使用GaN系半导体的场效应晶体管，在U.K.Mishra et al.，IEEETrans Electron Device，Volume 46，p.756(1998)等中有详细所述。
但是，所述现有例1和2中的半导体装置是如图9和图10所示，晶体取向附生层生长后的基板101均弯曲而上侧成了凸面。这是因为构成基板101的蓝宝石和GaN系半导体存在不同的热膨胀系数，所以，在进行约1000℃高温下的结晶生长后把基板101冷却至室温时产生的。
具体而言，可以通过将其计算成各自作用于晶体取向附生生长层和基板101的力和力矩相吻合，计算基板101弯曲的程度。把Olsen等提出的只考虑热膨胀系数来求出弯曲程度的公式(G.H.Olsen et al.，Journal ofApplied Physics Volume 48，p.2453(1977))用于在由蓝宝石构成的基板101上生长的GaN系半导体层时，如果蓝宝石和GaN的热膨胀系数各自为7.5×10-6/℃、5.45×10-6/℃，则对于1cm见方大小的试样将产生1/R＝0.31m-1(R弯曲的曲率半径)的大弯曲。关于弯曲在T.Kozawa et al.，Journal ofApplied Physics Volume 77，p.4388(1995)中有所述。这样，基板101是在形成晶体取向附生生长层后产生弯曲，因此，在形成对于该晶体取向附生生长层的激光结构的条纹部(脊形部)或形成晶体管结构的栅电极时的照相平板工序中，存在对较大面积基板(晶片)无法均匀地对齐抗蚀层尺寸(图案尺寸)的问题。还有，对于把晶片根据真空吸附输送的处理装置，形成晶体取向附生生长层的晶片不平坦，因此存在无法确保晶片输送的问题。
其结果，脊形部的条纹宽或栅电极的栅长在晶片内较大程度不均匀，使器件成品率下降，难以使可加工的晶片大于5.1cm(＝2英寸)。
还有，把晶片加工成芯片尺寸后，加工后的芯片表面也不平坦，因此难以进行模具粘接，进而即使进行模具粘接后也与固定件材料的接触不充分，无法得到均匀的放热性。
如上所述，通常在芯片化之前，使基板101薄膜化至厚度小于100μm，但通过把基板101薄膜化，弯曲程度将越来越大，在芯片组装时其弯曲便成为大问题。
为达到所述的目的，本发明的构成为，在具有由单晶构成的基板和在其上形成的半导体膜的半导体晶片上，设置由一部分半导体膜分解而成并析出该半导体膜的构成元素的析出层。
具体说来，本发明半导体晶片包括形成于由单晶构成的基板上的半导体膜和、与该半导体膜相接来形成并且所述半导体膜的一部分被分解而析出该半导体膜构成元素的析出层。
根据本发明半导体晶片，因包括与半导体膜相接形成并且一部分半导体膜分解且析出其构成元素的析出层，因此，根据该析出层产生于基板和半导体膜之间的应力被缓和，所以可防止基板和半导体膜的弯曲。
本发明的半导体晶片中，半导体膜优选由在V族元素含氮的III-V族化合物半导体构成。这样，当含氮的III-V族化合物半导体分解时，作为构成元素的氮迅速从半导体膜脱离，因此在基板和半导体膜之间只留下III族金属，而该III族金属比较柔软，所以能够缓和产生于基板和半导体膜之间的应力。
本发明的半导体晶片中，析出层优选含有金属镓。这样，因为金属镓在常温下是液体或非常柔软的固体，所以可进而缓和产生于基板和半导体膜之间的应力。
本发明的半导体晶片中，析出层优选由含有镓和氧的化合物构成。这样，因为能够析出半导体膜构成元素的含有镓和氧的化合物在结构上脆弱，所以可进而缓和产生于基板和半导体膜之间的应力。
本发明的半导体晶片中，基板优选由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及由氧化锂镓和氧化锂铝的而成的混晶中的任意一种构成。
本发明半导体晶片的制造方法中，包括在由单晶构成的基板上形成半导体膜的工序和、把具有透过基板且被半导体膜吸收的波长的照射光从基板的半导体膜的相反侧面照射，以分解半导体膜的与基板的界面或其附近区域的工序。
根据本发明半导体晶片的制造方法，通过把具有透过基板且被半导体膜吸收的波长的照射光从基板上半导体膜的相反侧面照射来分解一部分半导体膜，因此，可以形成析出半导体膜构成元素的析出层，所以可以可靠地制造本发明半导体晶片。
本发明半导体晶片的制造方法中，照射光优选为以脉冲状振荡的激光。这样，可显著增大照射光的输出功率，因此半导体膜的热分解变得容易。
本发明半导体晶片的制造方法中，照射光优选为水银灯的辉线。使用水银灯的辉线的照射光与激光相比可增大光点直径，因此可缩短光照射时间，从而提高照射工序的生产量。
本发明半导体晶片的制造方法中，照射光在照射时优选扫描基板的面内。
本发明半导体晶片的制造方法中，照射光在照射时优选加热基板。这样，可边缓和基板和半导体膜之间的热膨胀系数之差引起的压力边分解一部分半导体膜，所以能够防止半导体膜分解时产生的裂纹。
本发明半导体晶片的制造方法中，基板优选由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及由氧化锂镓和氧化锂铝而成的混晶中的任意一种构成。这样，半导体膜由III-V族氮化物构成时，蓝宝石等结晶体均具有大于III-V族氮化物半导体的禁带宽，对被III-V族氮化物半导体吸收的光具有透光性，因此可有效分解半导体膜。
本发明半导体装置包括形成于由单晶构成的基板上的半导体膜和、与该半导体膜相接形成并且半导体膜的一部分被分解而析出该半导体膜构成元素的析出层。
根据本发明半导体装置，因包括与半导体膜相接形成并且半导体膜的一部分被分解而析出其构成元素的析出层，所以根据该析出层可以缓和产生于基板和半导体膜之间的应力，从而可以防止基板和半导体膜的弯曲。
本发明半导体装置中，半导体膜优选由在V族元素含氮的III-V族化合物半导体构成。
本发明半导体装置中，析出层优选含有金属镓。
还有，本发明半导体装置中，析出层优选由含有镓和氧的化合物构成。
本发明半导体装置中，基板优选由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及由氧化锂镓和氧化锂铝而成的混晶中的任意一种构成。
本发明半导体装置中，半导体膜优选在其上部具有阶差部。这样，把形成的阶差部互相对置成凸部状，则如半导体激光元件时可作为隆起状波导，或者如场效应晶体管时可作为元件分离部来利用。
还有，半导体膜在其上部具有由互相朝着基板面方向对置的两个阶差部构成的凸部，该凸部的侧面之间的宽尺寸优选小于2μm。这样，把凸部用于半导体激光元件的波导时该波导的宽将变短，因此，对于激光波长较短的短波激光元件可抑制高次波型的发生，改善激光元件的波导特性，增大光输出功率，提高器件特性。还有，把该凸部用于晶体管的元件分离时，也可以缩短分离宽，因此可以进而减小芯片尺寸。
本发明半导体装置优选进而包括与半导体膜的上面接合的肖特基电极。
此时，肖特基电极的接合尺寸优选小于1μm。
本发明半导体装置中，半导体膜优选为由导电型互不相同的至少两个半导体层构成的层叠体。
此时，层叠体优选构成发光二极管元件、半导体激光元件、场效应晶体管、或双极晶体管。
此时，层叠体优选含有量子井结构。
本发明第一个半导体装置的制造方法是，包括在由单晶构成的基板上形成导电型互不相同的至少含有两层的半导体膜的工序(a)和、把具有透过基板且被半导体膜吸收的波长的照射光从基板上半导体膜的相反侧面照射，以分解一部分半导体膜的工序(b)。
根据第一个半导体装置的制造方法，通过把具有透过基板且被半导体膜吸收的波长的照射光从基板上半导体膜的相反侧面照射，以分解一部分半导体膜，形成析出半导体膜构成元素的析出层，因此所形成析出层可缓和产生于基板和半导体膜之间的应力。
第一个半导体装置的制造方法中，半导体膜优选由在V族元素含氮的III-V族化合物半导体构成。
第一个半导体装置的制造方法，优选在工序(a)和工序(b)之间进而包括在半导体膜上面粘贴由不同于该半导体膜的材料构成的膜状支撑部件的工序(c)和、在工序(b)后将支撑部件从半导体膜分离的工序(d)。这样，在半导体膜上面粘贴膜状支撑部件后，通过光照射分解半导体膜，则在根据半导体膜的分解缓和对半导体膜的应力的工序中可抑制产生于半导体膜的裂纹。其结果，即使增加基板面积也能够制造抑制裂纹发生并且弯曲少的半导体装置。
第一个半导体装置的制造方法中，照射光优选为以脉冲状振荡的激光。
第一个半导体装置的制造方法中，照射光优选为水银灯的辉线。
第一个半导体装置的制造方法中，照射光在照射时优选扫描基板的面内。
第一个半导体装置的制造方法中，照射光在照射时优选加热基板。
第一个半导体装置的制造方法中，基板优选由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及由氧化锂镓和氧化锂铝而成的混晶中的任意一种构成。
第一个半导体装置的制造方法，优选在工序(b)后进而包括以半导体膜为对象的平板印刷工序、蚀刻工序、热处理工序或切割工序。这样，如在照相平板工序中基板的弯曲极其少，因此即使使用较大面积的基板也能在基板面内形成均匀尺寸的图案。
本发明的第二个半导体装置的制造方法是，包括在由单晶构成的基板上形成底膜的工序(a)和、把具有透过基板且被半导体膜吸收的波长的照射光从基板上的底膜的相反侧面照射，以分解一部分底膜的工序(b)和、在一部分被分解的底膜上面形成半导体膜的工序(c)。
根据第二个半导体装置的制造方法，在基板上形成底膜，分解所形成的底膜的一部分后，在其一部分被分解的底膜上面形成半导体膜，因此以底膜对基板松弛结合的状态形成半导体膜。因此，半导体膜在生长时可减少产生于该半导体膜的应力，所以可不受基板和半导体膜之间的热膨胀系数之差及对基板的晶格不整齐影响，形成结晶性良好的半导体膜。
图1表示本发明实施方案1的半导体晶片的构成断面图。
图2(a)和(b)表示本发明实施方案1的半导体晶片，(a)为平面照片；(b)为含半导体晶片与半导体膜的界面的断面的透射电子显微镜照片。
图3(a)是表示向本发明实施方案1的半导体晶片照射激光之前与之后的半导体晶片的曲率的曲线；(b)是表示用干涉计测定向半导体晶片照射激光之后的晶片弯曲程度结果干涉条纹的图；(c)是表示用干涉计测定向半导体晶片照射激光之前的晶片弯曲程度结果干涉条纹的图。
图4表示本发明实施方案1的一个变形例的半导体晶片的构成断面图。
图5表示本发明实施方案2的半导体装置的构成断面图。
图6(a)～(e)是表示本发明实施方案2的半导体装置的制造方法的工序顺序的构成断面图。
图7表示本发明实施方案3的半导体装置的构成断面图。
图8(a)～(e)是表示本发明实施方案3的半导体装置的制造方法的工序顺序的构成断面图。
图9是表示现有例1的半导体激光装置的构成断面图。
图10是表示现有例2的场效应晶体管的构成断面图。
图中，1 基板，2 半导体膜(底膜)，2a 析出层，4 第一个包覆层，4a 析出层，5 活性层，6 第二个包覆层，6a 波导，7n 侧电极，8 p侧电极，10 半导体晶片，11 第一个半导体层，11a 析出层12 第二个半导体层，13 栅电极，14 源电极，15 漏电极图1表示本发明实施方案1的半导体晶片的断面构成。
如图1所示，实施方案1的半导体晶片10是由蓝宝石基板1和、形成于该基板1之上并且厚度约5μm的由氮化镓(GaN)而成的半导体膜2和、在该半导体膜2的与基板1的界面上一部分半导体膜2被热分解析出的含金属镓(Ga)的析出层2a构成。
下面，说明如上所述构成的半导体晶片10的制造方法。
首先，用如有机金属气相沉积(MOCVD)法在由蓝宝石(单晶Al2O3)而成的基板1的主面上生长形成厚度约5μm的由GaN而成的半导体膜2。这里，例如，作为III族源的原料气体使用三甲基镓(TMGaGa(CH3)3)，作为V族源的原料气体使用氨(NH3)。在约1050℃温度反应这些原料气体。
如果把形成有半导体膜2的晶片10冷却至室温，因为氮化镓和蓝宝石不同的热膨胀系数，虽然未图示，但晶片10的上侧会成为凸状弯曲的状态。对于该弯曲状态的晶片10，从基板1的半导体膜2的相反侧面照射如波长355nm的YAG(钇、铝、石榴石)激光的第三高谐波光。照射的激光在半导体膜2的与基板1的界面的附近区域被吸收，根据所吸收激光的发热，与基板1相接的氮化镓被热分解，在半导体膜2和基板1的界面形成含金属镓的析出层2a。其结果，半导体膜2受自基板1的应力被缓和，从而大幅度减少晶片10的弯曲。这里，优选以脉冲状照射激光，因为这样会使激光的输出更高，而使半导体膜2的热分解更加容易。
这样，含氮(N)的III-V族化合物半导体分解时，作为构成元素的氮迅速从半导体膜脱离，因此在基板1和半导体膜2之间留下含III族金属的析出层2a。该含III族金属的析出层2a比较柔软，所以产生于基板1和半导体膜2之间的应力将根据析出层2a被缓和。尤其析出层2a含金属镓的情况，金属镓在常温下为液体或是非常柔软的固体，所以可进而缓和产生于基板1和半导体膜2之间的应力。
另外，激光源不局限于YAG激光的第三高谐波光，也可以使用KrF或ArF的受激准分子激光(激元激光)。这里KrF和ArF表示受激准分子激光装置中所含混合气体。例如KrF为氪和氟的混合气体，ArF为氩和氟的混合气体。还有，也可以使用波长365nm的水银(Hg)灯的辉线。使用水银灯的辉线的情况时，与激光相比可增大光点直径，所以可缩短光照射时间，因此可提高照射工序的生产量。进而，激光在照射时可以把基板1加热至500℃程度。这样，可以在缓和由基板1和半导体膜2之间的热膨胀系数之差生成的压力的情况下热分解半导体膜2，因此可防止半导体膜2产生裂纹。
接着，表示本发明者们得到的实验结果。
图2(a)为表示析出层2a形成情况的平面照片，图2(b)为晶片10含析出层2a的断面的透射电子显微镜照片。从图2(a)可以看出，使用直径5.1cm的基板1时，对半导体膜2整面照射激光的结果，晶片10的内部形成含金属镓的析出层2a(图中被照成黑色的部分)。还有，从图2(b)可以看出，在基板和由GaN构成的半导体膜2的界面形成含金属镓的析出层2a(图中被照成白色的部分)。
图3(a)表示对晶片10照射激光之前与照射之后的晶片10的各曲率。如图3(a)所示，照射激光之前的晶片10的曲率为0.31m-1～0.33m-1。相对于此，照射激光之后的晶片10的曲率为0.09m-1～0.12m-1左右为止，可以看出大幅度减少。激光照射前的晶片10的曲率的理论值为0.257m-1。
还有，如图3(b)所示，照射激光后根据干涉计测得的干涉条纹密度也明显小于图3(c)所示激光照射前的干涉条纹密度。
也可以在照射激光之前，如把高分子材料膜状支撑部件粘接到半导体膜2上面，照射激光后去除该支撑部件。这样，通过把支撑部件粘接到半导体膜2上面，根据激光照射引起的半导体膜2的部分性分解来急剧缓和该半导体膜2上的应力，从而防止该半导体膜2发生裂纹。
形成实施方案1的半导体晶片10后，优选把所形成晶片10作为新的基板，在该晶片10上面形成晶体取向附生层。这样，对于晶体取向附生层进行照相平板等半导体加工时，在照相平板工序中，即使晶片10的面积较大，也可以在面内形成均匀的图案尺寸。尤其，对于直径比较大的晶片10，在分档等对输送晶片10需要真空吸附的工序中，如上所述晶片10发生弯曲的状态就无法输送，但实施方案1的半导体晶片10因大幅度减少弯曲，所以可进行根据真空吸附的输送，可利用现存工艺设备。
还有，需要使用散热片的加热和冷却的如反应性离子蚀刻(ReactiveIon EtchingRIE)或退火等工序中，即使晶片的直径相当大的情况，也能够均匀加热并冷却。
进而，在半导体晶片10上通过晶体取向附生生长形成如半导体激光结构等器件结构时，成为底层的半导体膜2隔着析出层2a设置，因此不受在与基板1之间产生的晶格不整齐以及来自基板1的热膨胀系数之差的影响，可以生长器件结构。
这样，根据实施方案1的半导体晶片的制造方法，可在基板1与在其上面晶体取向附生生长的半导体膜2的界面形成含金属镓的析出层2a，因此，即使是晶片10的面积较大的情况，也能够制作弯曲少的半导体晶片10。
进而，即使是半导体晶片10的直径较大的情况，在半导体晶片10的半导体膜2之上形成具有所希望器件结构的晶体取向附生层后，对于所形成晶体取向附生层进行照相平板等处理，则在晶片面内各自提高半导体激光元件的脊形条纹宽和场效应晶体管的栅长的均匀性和重现性，因此可得到高成品率。
基板1使用了蓝宝石，但并不局限于此，也可以使用氧化镁(MgO)、氧化锂镓(LiGaO2)、氧化锂铝(LiAlO2)、氧化锂镓铝(LiGaxAl1-xO2)(其中，x满足0＜x＜1。)等实质上不吸收GaN系半导体吸收的照射光的材料。
还有，含氮的III-V族化合物半导体分解的情况，有时会在基板1和半导体膜2之间形成含大量III族元素的化合物层，而不是析出层2a。还有，基板1使用氧化锌(ZnO)代替蓝宝石的情况下，有时会生成III族元素与氧化锌分解生成的氧的化合物层。例如使用镓作为III族元素时，可能会形成氧化镓Ga2O3、GaOx(其中，x表示氧的组成)，或GaOxNy(其中，x表示氧的组成，y表示氮的组成。)。但是，含有多量这些III族元素的化合物层会在激光的照射后产生，进而该化合物层会因根据激光照射其部分构成元素蒸发或脱离而产生的空洞使得结构上脆弱，因此产生于基板1和半导体膜2之间的应力将根据含有多量III族元素的化合物层被缓和。
还有，含有多量III族元素的化合物层也可以是由III族金属和含有多量III族元素的化合物构成的层。例如也可以是含有金属镓(Ga)、GaOx及GaOxNy的层。此时，产生于基板1和半导体膜2之间的应力根据含有III族金属和含有多量III族元素的化合物的层被缓和。
半导体膜2不局限于GaN系半导体，也可以是在III族元素含有硼(B)的III-V族氮化物半导体，还可以是在V族元素含有砷(As)或磷(P)的III-V族氮化物半导体层。
进而，在基板1和半导体膜2之间也可以设置如InGaN或ZoO等禁带宽小于GaN的光吸收层。这样，照射光的吸收根据光吸收层促进，因此即使是低输出照射光也能够分解光吸收层。实施方案1的一个变形例下面，参照
本发明实施方案1的一个变形例。
图4表示本发明实施方案1的一个变形例的半导体晶片的断面构成。在图4中对于与图1所示构成部件相同的构成部件赋予同一符号，并省略其说明。
如图4所示，本变形例的半导体晶片10的含金属镓的析出层2a并没有在与基板1的界面整面形成，而是离散(跳跃)形成。
具体的形成方法是，如把YAG激光的第三个高谐波从基板1的半导体膜2的相反侧面照射时，不象实施方案1般连续扫描，而是在基板1的面内不连续地照射。
或者，也可以利用以脉冲状输出激光强度的不均匀性，把脉冲幅或输出值设定成只在激光输出值高的期间产生半导体膜2的在与基板1的界面上的分解，在半导体膜2和基板1的界面选择性地形成含金属镓的析出层2a。
本变形例中，在半导体膜2和基板1的界面离散性地即选择性地形成含金属镓的析出层2a，因此，半导体膜2受自基板1的应力被缓和，所以可充分减少晶片10的弯曲。
进而，如果在半导体晶片10的半导体膜2上面晶体取向附生生长如半导体激光结构等器件结构，则该晶体取向附生生长层将以与基板1隔着析出层2a的状态生长，因此，不受在与基板1之间产生的晶格不整齐以及来自基板1的热膨胀系数之差的影响，可生长器件结构。
图5表示本发明实施方案2的半导体装置的半导体激光装置的断面构成。
如图5所示，实施方案2半导体激光装置具有，如在蓝宝石基板1之上依次形成的由n型氮化铝镓(AlGaN)构成的第一个包覆层4和、由不掺杂氮化铟镓(InGaN)构成的活性层5和、由p型氮化铝镓(AlGaN)构成的第二个包覆层6。
在第一个包覆层4与基板1的界面上形成，第一个包覆层4的与基板1的界面及其附近区域被分解而析出该第一个包覆层4的构成元素的含金属镓的析出层4a。
第二个包覆层6的上部形成有脊形状的波导6a，第一个包覆层4中的波导6a的侧方区域露出。第一个包覆层4的露出部分形成由钛(Ti)和铝(Al)的层叠膜构成的n侧电极7，在第二个包覆层6的波导6a之上形成由镍(Ni)和金(Au)的层叠膜构成的p侧电极8。
下面，参照
如上所述构成半导体激光装置的制造方法。
图6(a)～(e)表示本发明实施方案2的半导体激光装置的制造方法的工序顺序的断面构成。
首先，如图6(a)所示，根据如MOCVD法，在蓝宝石基板1的主面上，将基板温度设定为1020℃程度，依次形成由n型AlGaN构成的第一个包覆层4和、由不掺杂InGaN构成的活性层5和、由p型AlGaN构成的第二个包覆层6。下面，把第一个包覆层4、活性层5及第二个包覆层6都叫做晶体取向附生层。
这里，如表1所示，优选构成为，在基板1和第一个包覆层4之间设置缓冲层和第一个接触层，活性层5含有量子井结构，在活性层5和第一个包覆层4及第二个包覆层6之间各自设置光导向层，进而，在第二个包覆层6之上设置第二个接触层。
表1
在表1中，众所周知，形成于基板1上的缓冲层可使基板温度成为较低温度如550℃，从而缓和基板1与生长在缓冲层上面的第一个接触层等晶体取向附生层的晶格不整齐。还有，各包覆层4、6在封闭活性层5生成的载波的再结合光的同时，各光导向层提高再结合光的封闭效率。还有，n型掺杂使用如由硅烷(SiH4)得到的硅(Si)，p型掺杂使用如由二茂合镁(Cp2Mg)得到镁(Mg)。
把晶体取向附生层的生长结束的基板1冷却至室温，则如图6(a)所示，根据由GaN系半导体构成的晶体取向附生层和蓝宝石的热膨胀系数之差，如实施方案1中所示，含晶体取向附生层的基板1向上弯曲成凸状。
所以，如图6(b)所示，对于弯曲状态的基板1，如照射高输出且脉冲状的YAG激光的第三高谐波光，使其从该基板1的晶体取向附生层的相反侧面扫描其面内。根据该激光的照射，在第一个包覆层4(设置缓冲层时为该缓冲层)的与基板1的界面的附近区域吸收激光，根据所吸收激光的发热，与基板1相接的GaN系半导体被热分解，在第一个包覆层4与基板1的界面形成含金属镓的析出层4a。其结果，如图6(c)所示，根据含金属镓的析出层4a，晶体取向附生层受自基板1的应力被缓和，因此可大幅度减少基板1及晶体取向附生层的弯曲。这里，激光光源可以是使用KrF或ArF的受激准分子激光，或者也可以使用波长365nm的水银灯的辉线来代替激光光源。进而，也可以把基板1加热至500℃程度来照射激光或辉线。析出层4a不必一定在基板1与晶体取向附生层的界面整面形成，也可以如实施方案2离散形成。
接着，如图6(d)所示，对根据激光照射减少弯曲的晶体取向附生层的第二个包覆层6进行氯气为蚀刻气体的干式蚀刻，在第二个包覆层6上部选择性地形成宽约1.7μm的成为波导的脊形部6a。接着，对第二个包覆层6、活性层5及第一个包覆层4进行干式蚀刻，形成含隆起部6a且露出第一个包覆层4的激光结构。
接着，如图6(e)所示，根据如蒸镀法，在露出的第一个包覆层4上面形成由钛和铝构成的n侧电极7，在第二个包覆层6上面形成由镍和金构成的p侧电极8。这里，在第二个包覆层6上面设置由p型GaN构成的第二个接触层时，因脊形部6a上部含第二个接触层，所以p侧电极8形成在第二个接触层上面。还有，同样地，在基板1和第一个包覆层4之间设置由n型GaN构成的第一个接触层时，将形成激光结构的蚀刻进行至露出第一个接触层，n侧电极7形成于第一个接触层上面。
如上所述，根据实施方案2，在基板1上形成晶体取向附生层后，通过对晶体取向附生层的与基板1的界面照射激光，在该界面形成含金属镓的析出层4a，因此，基板1及晶体取向附生层的弯曲减少。其结果，可以在基板面内均匀地形成决定隆起部6a宽(条纹宽)的照相平板的尺寸(掩模尺寸)。
进而，在其后工序的形成脊形部6a的干式蚀刻工序中，基板1几乎不弯曲，因此，基板1及晶体取向附生层的冷却均匀，所以，蚀刻深度也能在基板面内均匀地形成。进而，在干式蚀刻工序的后工序即基板1的背面研磨、劈开及切割工序中，加工成芯片状时也因基板1的弯曲几乎解除，所以，模具粘接等组装容易进行，还有，因芯片与固定件材料的接触良好，所以器件的放热性均匀。
根据为设置n侧电极7的形成区域的蚀刻形成的第一个包覆层4的阶差部可用于脊形状波导结构的元件分离等。还有，如果使对置的阶差部之间的侧面宽小于2μm，则能够抑制短波激光元件的高次波型的发生，因此，可改善激光元件的波导特性。
还有，也可以使用实施方案1及其变形例的半导体晶片，把其半导体膜2作为底膜，在该底膜之上形成半导体激光结构。
还有，也可以在基板1或半导体膜2上面形成含发光二极管结构的晶体取向附生层，以代替半导体激光结构。
发光二极管结构的典型例子其构成具有如在基板1上面依次形成的具有厚度约4μm的n型GaN第一个包覆层、含三周期量份的不掺杂氮化铟镓(In0.2Ga0.8N)井层和不掺杂氮化镓(GaN)阻挡层且其厚度之和为30nm的多重量子井活性层和、厚度约0.2μm的由p型GaN而成的第二个包覆层。具有该结构的发光二极管元件的发光波长为约450nm的蓝色。
图7表示本发明实施方案3的半导体装置的场效应晶体管的断面构成。
如图7所示，实施方案3场效应晶体管具有，如在蓝宝石基板1之上依次形成的由不掺杂氮化镓(GaN)而成的第一个半导体层11和、由n型氮化铝镓(AlGaN)而成的第二个半导体层12。
在第一个半导体层1 1与基板1的界面上形成，第一个半导体层11的与基板1的界面及其附近区域被分解而析出该第一个半导体层11的构成元素的含金属镓的析出层11a。
在第二个半导体层12上面形成由白金(Pt)和金(Au)的栅电极13，在该栅电极13的两侧各自形成由钛(Ti)和铝(Al)构成的源电极14和漏电极15。
下面，参照
如上所述构成的场效应晶体管的制造方法。
图8(a)～(e)表示本发明实施方案3的场效应晶体管的制造方法的工序顺序的断面构成。
首先，如图8(a)所示，根据如MOCVD法，在蓝宝石基板1的主面上，将基板温度设定为1020℃程度，依次形成由不掺杂氮化镓(GaN)而成的第一个半导体层11和、由n型氮化铝镓(AlGaN)而成的第二个半导体层12。第一个半导体层11和第二个半导体层12加起来的晶体取向附生层的厚度为2μm～3μm。
把各半导体层11、12的生长结束的基板1冷却至室温，则如图8(a)所示，根据GaN系半导体层和蓝宝石的热膨胀系数之差，如实施方案1中所示，含半导体层11、12的基板1向上弯曲成凸状。
所以，如图8(b)所示，对于弯曲状态的基板1，如照射高输出且脉冲状的YAG激光的第三高谐波光，使其从第一个半导体层11的相反侧面扫描其面内。根据该激光的照射，在第一个半导体层11的与基板1的界面的附近区域吸收该激光，根据所吸收激光的发热，与基板1相接的第一个半导体层11被热分解，在第一个半导体层11与基板1的界面形成含金属镓的析出层11a。其结果，如图8(c)所示，各半导体层11、12受自基板1的应力被缓和，因此可大幅度减少基板1及各半导体层11、12的弯曲。这里，激光光源可以是使用KrF或ArF的受激准分子激光，或者也可以使用波长365nm的水银灯的辉线。还有，也可以把基板1加热至500℃程度来照射激光或辉线。
接着，如图8(d)所示，对根据激光照射减少弯曲的第一个半导体层11进行氯气为蚀刻气体的干式蚀刻，在第一个半导体层11上部使元件区域的宽为约2.0μm形成作为元件分离用阶差部的台面分离部。
然后，如图8(e)所示，在台面分离第二个半导体层12上的两端部根据剥离法形成由钛和铝构成的源电极14和漏电极15，接着，在第二个半导体层12上的源电极14和漏电极15之间的区域根据剥离法形成由白金和金构成的栅电极13。这里，剥离法是指，在开口部具有给定图案的由雷齐斯托镍铁铬电阻合金构成的掩模图案上面堆积金属膜，然后通过将堆积的金属膜与掩模图案一起去除，在开口部分留下金属膜的方法。源电极14及漏电极15和、栅电极13的形成顺序无关紧要。
还有，栅电极13的栅长从提高晶体管的高频特性角度考虑有必要使其短栅长化，优选在1μm以下，更优选设定在0.5μm以下。
接着，进行基板1的根据背面研磨的薄膜化及芯片的切割，以形成晶体管芯片。
如以上说明，根据实施方案3，在基板1上面形成第一个半导体层11及第二个半导体层12后，通过对第一个半导体层11的与基板1的界面照射激光，在该界面形成含金属镓的析出层11a，因此可减少基板1及各半导体层11、12的弯曲。其结果，可以在基板面内均匀地形成决定栅电极13的栅长的照相平板的尺寸(掩模尺寸)。
进而，在其后工序的基板1的背面研磨、劈开及切割工序中，加工成芯片状时也因基板1的弯曲几乎解除，所以，模具粘接等组装容易进行，还有，因芯片与固定件材料的接触良好，所以器件的放热性均匀。这样，如果把减少芯片弯曲的场效应晶体管应用于芯片尺寸大的大功率元件，则更加有效。
还有，使被台面分离部夹住的元件区域宽小于2μm，可进而减小芯片尺寸。
在实施方案3中，也可以使用实施方案1及其变形例的半导体晶片，把其半导体膜2作为底膜，在该底膜之上形成晶体管结构。
还有，场效应晶体管并不一定是具有两层半导体层11、12的构成，并且，晶体管结构也并不局限于场效应晶体管，可以是双极晶体管。
还有，在实施方案1～3中，基板1的主面的面方位并没有特殊限制，如蓝宝石的情况，可以是典型的(0001)面，或是从典型面稍微偏离的面方位(偏离方位)。
还有，在基板1上生长的含多个GaN系半导体的晶体取向附生层的晶体生长法并不局限于MOCVD法，也可以是如分子线晶体取向附生生长(MBE)法或氢化物气相沉积(HVPE)法。还有，也可以把这三种生长法分别适当用于各个半导体层。
还有，含这些GaN系半导体的晶体取向附生层只要使吸收照射光的层含在晶体取向附生层中，则并不一定使吸收照射光的层与基板1相接。还有，吸收照射光的层的组成也并不局限于GaN，可以是如AlGaN或InGaN等具有任意组成的III-V族氮化物半导体。
还有，在由基板1和GaN系半导体构成的器件结构之间可以设置如InGaN或ZnO等禁带宽小于GaN的光吸收层。这样，光吸收层将促进照射光的吸收，从而低输出的照射光也可以分解光吸收层。
进而，也可以在光照射工序之前或之后粘贴如由硅(Si)构成的支撑基板，以便在晶体取向附生层上的基板1和晶体取向附生层的处理变得容易。
根据本发明的半导体晶片及其制造方法，根据析出构成形成于基板上的半导体膜的构成元素的析出层，缓和产生于基板和半导体膜之间的应力，因此，可防止基板和半导体膜的弯曲，所以，在该晶片上形成晶体取向附生层时，可提高如照相平板工序中的图案转印及热处理工序中的面内均匀性，从而实现高成品率。
根据本发明的半导体装置及其制造方法，根据析出构成形成于基板上的半导体膜的构成元素的析出层，缓和产生于基板和半导体膜之间的应力，因此，可防止基板和半导体层叠膜的弯曲，所以，图案转印或热处理工序中的面内均匀性，从而实现高成品率。
权利要求
1.一种半导体晶片，其特征在于包括形成于由单晶构成的基板上的半导体膜和、与所述半导体膜相接来形成并且所述半导体膜的一部分被分解而析出该半导体膜构成元素的析出层。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片，其特征在于所述半导体膜由在V族元素中含有氮的III-V族化合物半导体构成。
3.如权利要求1或2所述的半导体晶片，其特征在于所述析出层含金属镓。
4.根据权利要求1或2所述的半导体晶片，其特征在于所述析出层由含镓和氧的化合物构成。
5.根据权利要求1或2所述的半导体晶片，其特征在于所述基板由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及氧化锂镓和氧化锂铝的混晶中的任意一种构成。
6.一种半导体晶片的制造方法，其特征在于包括在由单晶构成的基板上形成半导体膜的工序和、把具有透过所述基板且被所述半导体膜吸收的波长的照射光从所述基板的所述半导体膜的相反侧面照射，以分解一部分所述半导体膜的工序。
7.根据权利要求6所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于所述照射光为以脉冲状振荡的激光。
8.根据权利要求6所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于所述照射光为水银灯的辉线。
9.根据权利要求6所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于所述照射光在照射时扫描所述基板的面内。
10.根据权利要求6所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于所述照射光在照射时加热所述基板。
11.根据权利要求6所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于所述基板由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及氧化锂镓和氧化锂铝的混晶中的任意一种构成。
12.一种半导体装置，其特征在于包括形成于由单晶构成的基板上的半导体膜和、与所述半导体膜相接来形成并且所述半导体膜的一部分被分解而析出该半导体膜构成元素的析出层。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于所述半导体膜由在V族元素中含氮的III-V族化合物半导体构成。
14.根据权利要求12或13所述的半导体装置，其特征在于所述析出层含金属镓。
15.根据权利要求12或13所述的半导体装置，其特征在于所述析出层由含镓和氧的化合物构成。
16.根据权利要求12或13所述的半导体装置，其特征在于所述基板由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及氧化锂镓和氧化锂铝的混晶中的任意一种构成。
17.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于所述半导体膜在其上部具有阶差部。
18.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于所述半导体膜在其上部具有由互相朝着基板面方向对置的两个阶差部构成的凸部，所述凸部的侧面之间的宽尺寸小于2μm。
19.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于进而包括与所述半导体膜的上面接合的肖特基电极。
20.如权利要求19所述的半导体装置，其特征在于所述肖特基电极的接合尺寸小于1μm。
21.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于所述半导体膜为由导电型互不相同的至少两个半导体层构成的层叠体。
22.根据权利要求21所述的半导体装置，其特征在于所述层叠体构成发光二极管元件、半导体激光元件、场效应晶体管、或双极晶体管。
23.根据权利要求22所述的半导体装置，其特征在于所述层叠体含有量子井结构。
24.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包括在由单晶构成的基板上形成半导体膜的工序(a)和、把具有透过所述基板且被所述半导体膜吸收的波长的照射光从所述基板的所述半导体膜的相反侧面照射，以分解一部分所述半导体膜的工序(b)。
25.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述半导体膜由在V族元素含氮的III-V族化合物半导体构成。
26.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述工序(a)和所述工序(b)之间进而包括在所述半导体膜上面粘贴由不同于该半导体膜的材料构成的膜状支撑部件的工序(c)和、在所述工序(b)后将所述支撑部件从所述半导体膜分离的工序(d)。
27.如权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述照射光为以脉冲状振荡的激光。
28.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述照射光为水银灯的辉线。
29.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述照射光在照射时扫描所述基板的面内。
30.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述照射光在照射时加热所述基板。
31.根据权利要求24所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述基板由选自蓝宝石、氧化镁、氧化锂镓、氧化锂铝、及氧化锂镓和氧化锂铝的混晶中的任意一种构成。
32.根据权利要求24所述的半导体晶片的制造方法，其特征在于在所述工序(b)后进而包括以所述半导体膜为对象的平板印刷工序、蚀刻工序、热处理工序或切割工序。
33.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包括在由单晶构成的基板上形成底膜的工序(a)和、把具有透过所述基板且被所述半导体膜吸收的波长的照射光从所述基板的所述底膜的相反侧面照射，以分解一部分所述底膜的工序(b)和、在一部分被分解的底膜上面形成半导体膜的工序(c)。
全文摘要
提供一种半导体晶片、半导体装置及其制造方法。本发明在由蓝宝石构成的基板(1)上面根据结晶生长成膜厚度约5μm的氮化镓半导体膜(2)。接着，从基板(1)的半导体膜(2)的相反侧面照射如波长355nm的YAG激光的第三高谐波光。根据该激光照射，在半导体膜(2)的与基板(1)的界面的附近区域激光被吸收，根据所吸收激光的发热，与基板(1)相接的氮化镓被热分解，在半导体膜(2)与基板(1)的界面形成含金属镓的析出层2a。根据本发明确实而大幅度减少形成于半导体膜(晶体取向附生膜)的单晶基板的弯曲。
文档编号H01S5/323GK1467863SQ0314111
公开日2004年1月14日 申请日期2003年6月9日 优先权日2002年6月10日
发明者上田哲三, 石田昌宏, 宏 申请人:松下电器产业株式会社