JP2001156332A

JP2001156332A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2001156332A
Application number: JP2000304615A
Authority: JP
Inventors: Shuji Nakamura; 修二中村; Motokazu Yamada; 元量山田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2001-06-08
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP3454355B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐ型層、あるいはｎ型層の結晶性を損なうこ
となく製造することが可能な窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子を提供する。【解決手段】サファイア基板上にｎ型層及びｐ型層が
順に積層されて、予めｎ型層の電極形成面が露出するよ
うにエッチングされた窒化ガリウム系化合物半導体を前
記サファイア基板上に備えた窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子において、前記電極形成面と同一面側にサフ
ァイア基板面が露出されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、青色、緑色あるいは赤
色発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光デバイ
スに使用される窒化ガリウム系化合物半導体チップに係
り、特に、サファイア基板上に一般式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ
_1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で表される窒化ガリ
ウム系化合物半導体（以下、窒化物半導体と記載す
る。）が積層された窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、基板上に半導体材料が積層され
たウエーハから、発光デバイス用のチップに切り出す装
置には一般にダイサー、またはスクライバーが使用され
ている。ダイサーとは一般にダイシングソーとも呼ば
れ、刃先をダイヤモンドとするブレードの回転運動によ
り、ウエーハを直接フルカットするか、または刃先巾よ
りも広い巾の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力
によってウエーハを割る装置である。一方、スクライバ
ーとは同じく先端をダイヤモンドとする針の往復直線運
動によりウエーハに極めて細いスクライブライン（罫書
線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエー
ハを割る装置である。

【０００３】従来、これらの装置を用いて半導体ウエー
ハをチップ状にカットする際、例えばＧａＰ、ＧａＡｓ
等のせん亜鉛構造の結晶はへき開性が「１１０」方向に
あるためこの性質を利用して、例えばスクライバーでこ
の方向にスクライブラインを入れることにより簡単にチ
ップ状に分離できる。しかしながら、窒化物半導体はサ
ファイア基板の上に積層されるため、そのウエーハは六
方晶系というサファイア結晶の性質上へき開性を有して
おらず、スクライバーで切断することは困難であった。
一方、ダイサーで切断する場合においても、窒化ガリウ
ム系化合物半導体ウエーハは、前記したようにサファイ
アの上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆ
るヘテロエピタキシャル構造であるため、格子定数不整
が大きく、また熱膨張率も異なるため、外力が加わるこ
とにより窒化ガリウム系化合物半導体がサファイア基板
から剥がれやすいという問題があった。さらにサファイ
ア、窒化ガリウム系化合物半導体両方ともモース硬度が
ほぼ９と非常に硬い物質であるため、切断面にクラッ
ク、チッピングが発生しやすくなり正確に切断すること
ができなかった。

【０００４】また前記のように窒化物半導体はサファイ
アという絶縁性基板の上に積層されていることから、ｐ
型層とｎ型層より電極を取り出すには、通常窒化物半導
体層の同一面側にエッチングが行われ、両方層が露出し
た状態とされる。この状態の窒化物半導体ウエーハをチ
ップ状に分離する際、前記スクライブ、ダイサー等を用
い、直接エッチング面の窒化物半導体側から切断する
と、切断面にクラック等が発生し、歩留がよくないとい
う問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一枚のウエーハからで
きるだけ数多くの発光チップを得て生産性を上げること
は非常に重要であり、しかも窒化物半導体の結晶性を傷
めずに多くのチップを得ることは必須要件である。窒化
物半導体よりなるチップは未だ実用化されてはいない
が、近い将来窒化物半導体を利用して、青色、緑色発光
ダイオード、レーザーダイオード等を実用化するために
は、益々高度なチップ化技術が求められている。従っ
て、本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、サファイアを基板とする窒化
物半導体ウエーハをチップ状に分離するに際し、切断面
のクラック、チッピングの発生を防止し、歩留良く、所
望の形状、サイズを得る窒化物半導体チップの製造方法
を提供し、この方法により電極を設けるためにｐ型層、
あるいはｎ型層がエッチングされた窒化物半導体の結晶
性を損なうことなく製造され得る窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子は、サファイア基板上にｎ型
層及びｐ型層が順に積層されて、予めｎ型層の電極形成
面が露出するようにエッチングされた窒化ガリウム系化
合物半導体を前記サファイア基板上に備えた窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子において、前記電極形成面と
同一面側にサファイア基板面が露出したことを特徴とす
る。また、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子において、前記サファイア基板が２００μｍ以下
であることが好ましい。さらに、本発明に係る窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子は、以下の製造方法により
製造することができる。すなわち、本発明の素子に係る
窒化物半導体チップの製造方法は、予めｐ型層あるいは
ｎ型層の電極形成面が露出するようにエッチングされた
窒化ガリウム系化合物半導体をサファイア基板上に備え
た窒化ガリウム系化合物半導体ウエーハをチップ状に分
離する方法であって、前記窒化ガリウム系化合物半導体
の電極形成面のエッチングとは別に、新たに窒化ガリウ
ム系化合物半導体面にエッチングを行い、第一の割り溝
を所望のチップサイズで線状に形成する工程と、次に前
記第一の割り溝の上から、さらに第二の割り溝をサファ
イア基板に達する深さ以上で線状に形成すると共に、第
一の割り溝の線幅（Ｗ１）よりも、第二の割り溝の線幅
（Ｗ２）を狭く調整する工程と、前記第二の割り溝に沿
って前記ウエーハをチップ状に分離する工程とを具備す
ることを特徴とする。

【０００７】本発明の素子の係る製造方法において、第
一の割り溝を形成する際のエッチング手段としてウエッ
トエッチング、ドライエッチングいずれを用いてもよ
く、ウエットエッチングであれば、例えば硫酸とリン酸
の混酸を用いることができ、一方ドライエッチングであ
れば、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオ
ンミリング、集束ビームエッチング、ＥＣＲエッチング
等の手法を用いることができる。好ましくはドライエッ
チの方が窒化物半導体結晶を傷めにくい。但し、エッチ
ングを行う前に、窒化物半導体表面に所望のチップサイ
ズとなるように、所定の形状のマスクを形成することは
言うまでもない。

【０００８】次に、第二の割り溝を形成するには、ダイ
シング、スクライブ、エッチング等の手法を用いること
ができる。第二の割り溝は第一の割り溝の上から、つま
り第一の割り溝の跡に形成する。この第二の割り溝はサ
ファイア基板に達する深さ以上で形成する必要があり、
さらに第一の割り溝の幅よりも狭くする必要がある。形
成手法は特に問わないが、特に好ましくはスクライブを
用いる。なぜなら、スクライブは第二の割り溝の線幅
を、第一の割り溝の線幅よりも狭くしやすく、また、エ
ッチングに比べて迅速に割り溝を形成できる。さらに、
ダイシングに比べて、ウエーハ切断時にサファイア基板
を削り取る面積が少なくて済むので、単一ウエーハから
多くのチップが得られるという利点がある。

【０００９】また、第一の割り溝を形成する前、あるい
は第二の割り溝を形成する前に、サファイア基板を研磨
して薄くすることが好ましい。研磨後のサファイア基板
の厚さは２００μｍ以下、さらに好ましくは１５０μｍ
以下に調整することが望ましい。なぜなら、窒化物半導
体ウエーハは、サファイア基板の厚さが通常３００〜８
００μｍ、その上に積層された窒化物半導体の厚さが多
くとも数十μｍあり、そのほとんどがサファイア基板の
厚さで占められている。しかも、前記したように窒化物
半導体は格子定数、および熱膨張率の異なる材料の上に
積層されているため、非常に切断しにくい性質を有して
いる。従って、サファイア基板の厚さを前記範囲に調整
することにより、サファイア基板をほぼ垂直に割ること
ができる。特に、第二の割り溝をスクライブで形成する
場合には、サファイア基板を前記範囲に研磨することに
より、一回のスクライブでほぼ垂直な切断面を得ること
ができる。基板の厚さの下限値は特に問わないが、あま
り薄くすると研磨中にウエーハ自体が割れ易くなるた
め、実用的な値としては５０μｍ以上が好ましい。

【００１０】

【作用】本発明の素子に係る製造方法の作用を図面を元
に説明する。図１ないし図８は本発明の製造方法の一工
程を説明する模式断面図であり、特に図７および図８は
第二の割り溝を形成する際のウエーハの状態を拡大して
示している。

【００１１】図１はサファイア基板１の上にｎ型窒化物
半導体層２（ｎ型層）と、ｐ型窒化物半導体層３（ｐ型
層）とを積層したウエーハの模式断面図であり、ｐ型層
３が予めエッチングされて、負電極を設けるためのｎ型
層２が露出されている。

【００１２】次に、図２に示すように、露出されたｎ型
層２の上からエッチングにより第一の割り溝１１をＷ１
の幅で線状に形成する。なおエッチング前に、ｐ型層３
と、露出されたｎ型層２の表面に、第一の割り溝を形成
するためのマスクを形成することはいうまでもない。こ
の第一の割り溝１１をエッチングで形成する手段は、他
のスクライブ、ダイシング等に技術に比べて、窒化物半
導体の結晶を傷めにくく、さらに物理的な応力が窒化物
半導体のｐ−ｎ接合界面、サファイアと窒化物半導体の
界面に係らなくする作用がある。さらに、この図に示す
ように第一の割り溝１１をサファイア基板１に達するま
で形成すると、次に第二の割り溝２２を形成する位置の
露出面がサファイアのみとなるため、第二の割り溝２２
を形成する手段であるダイサー、スクライバー等の刃先
が全く窒化物半導体に触れることはないので最も好まし
い。

【００１３】次に図３に示すように、第一の割り溝１１
を形成した上から、新たに第二の割り溝２２を、第一の
割り溝１１の線幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２で線状に形成す
る。しかも、その深さはサファイア基板１に達する深さ
以上とする。（図３では第一の割り溝１１をサファイア
基板に達するまで形成しているため、この場合第二の割
り溝２２の深さが自ずからサファイア基板に達する深さ
以上となる。）このように、第二の割り溝２２の線幅Ｗ
２を第一の割り溝１１の線幅Ｗ１よりも狭くすることに
より、第二の割り溝２２の形成手段であるダイサー、ス
クライバー等の刃先が窒化物半導体の側面、つまり電極
を形成するべきｎ型層２に触れることがないので結晶性
を損なうことがない。さらに、第二の割り溝２２の深さ
をサファイア基板に達する以上としているので、実質的
な切断箇所がサファイア基板のみとなり、目的とする窒
化物半導体の形状を正確に制御でき、チップに分離する
ことができる。またこの図はサファイア基板１を研磨せ
ず、第二の割り溝２２をスクライブで形成したために、
破線に示すようにサファイアが斜めになって割れる可能
性を示しているが、ダイサーで第二の割り溝２２をハー
フカットしてサファイア基板の厚さを２００μｍ以下に
するか、またはフルカットすればサファイアを垂直に切
断することができる。

【００１４】図４は、図１または図２に示すウエーハの
サファイア基板１側を研磨して、その厚さを２００μｍ
以下にした状態を示している。このように基板を研磨し
て薄くすることにより、スクライブで第二の割り溝２２
を形成しても、サファイア基板１をほぼ垂直に割ること
ができる。但し、サファイア基板を研磨する工程は第一
の割り溝を形成する前か、または第二の割り溝を形成す
る前に行うことが好ましい。なぜなら第二の割り溝２２
を形成した後研磨すると、研磨中に基板が目的としない
位置で割れやすい傾向にあるからである。

【００１５】図５、および図６は本願の他の実施例に係
る一工程で得られるウエーハの構造を示す模式断面図で
あり、図５は第一の割り溝１１をサファイア基板１に達
するまで形成せず、ｎ層２の途中までで止めた状態を示
し、図６は図５に示す第一の割り溝１１の上から、新た
に第二の割り溝２２をサファイア基板１に達する深さ以
上で形成した状態を示している。図６に示すように第二
の割り溝２２をサファイア基板１に達する深さ以上で形
成することができれば、図５に示すように、第一の割り
溝１１がサファイア基板に達するまでエッチングする必
要はない。しかし第一の割り溝１１を形成した後、第二
の割り溝を形成するべき位置の窒化物半導体（この図の
場合、ｎ型層２）の厚さが厚いと、後に第二の割り溝を
形成する際にスクライバー、ダイサーによる応力が作用
し、サファイア基板１とｎ層２の界面が剥がれやすくな
るため、通常はその第二の割り溝２２を形成するべきｎ
層２の厚さを５μｍ以下に調整することが好ましい。

【００１６】図７、および図８は第二の割り溝２２を形
成する際のウエーハの構造を拡大して示す模式断面図で
あり、図７は第二の割り溝２２をスクライバーを用いて
形成することを示し、図８はダイサーにより形成するこ
とを示している。いずれにおいてもサファイア基板１の
表面に第二の割り溝２２により傷を設けた後、その傷に
沿ってウエーハを分離できることがわかるが、図７に示
すようにスクライバーで第二の割り溝２２を形成する方
が、第一の割り溝１１の幅Ｗ１を狭くすることができる
ので、数多くのチップが得られることがわかる。また第
二の割り溝２２の幅Ｗ２をＷ１よりも狭くしていること
により、スクライバーの刃先、ダイサーのブレード等で
窒化物半導体の側面を傷めることがない。なお図８のａ
の丸で囲んだ部分は、第一の割り溝１１がｎ型層２を残
した状態、つまり図５と同一の状態を示しているが、第
二の割り溝２２で削り取られるこの部分は、エッチング
されて負電極を設けるべきｎ型層２ではないので、少々
側面に傷が入ってもチップとしては特に重要でない部分
であるため、チップの発光特性には影響を与えることが
ない。

【００１７】

【実施例】［実施例１］厚さ４００μｍ、大きさ２イン
チφのサファイア基板１の上に順にｎ型層２（この場合
ｎ型ＧａＮ）を６μｍと、ｐ型層３（この場合ｐ型Ｇａ
Ｎ）とを１μｍ積層したウエーハを用意する。但し、こ
のウエーハのｐ型ＧａＮ層を予め所定の形状で２μｍの
深さでエッチングして、図９に示すように電極を設ける
べきｎ型層２を一部露出させている。（従って、エッチ
ングされて露出したｎ型層２の厚さは５μｍとなる。）
エッチング後のウエーハを窒化物半導体層側からみた平
面図を図９に示す。

【００１８】次に、このウエーハのｐ型層３およびエッ
チングされたｎ型ＧａＮ層２の上に、所定のチップサイ
ズになるようにフォトリソグラフィー技術によりＳｉＯ
2よりなるマスクをかけた後、ＲＩＥを用いサファイア
基板が露出するまで、さらにｎ型ＧａＮ層２にエッチン
グを行い、第一の割り溝１１を形成する。第一の割り溝
は線幅（Ｗ１）４０μｍで３５０μｍピッチとする。こ
の第一の割り溝の線幅、ピッチを図９に示す。

【００１９】以上のようにして、第一の割り溝１１を形
成した後、ウエーハのサファイア基板１側を研磨器によ
り研磨して、基板を１００μｍの厚さにラッピング、お
よびポリッシングする。

【００２０】次に、ポリッシングを終えたウエーハのサ
ファイア基板１側に、粘着テープを貼付し、スクライバ
ーのテーブル上にウエーハを張り付け、真空チャックで
固定する。テーブルはＸ軸（左右）、Ｙ軸（前後）方向
に移動することができ、回転可能な構造となっている。
固定後、スクライバーのダイヤモンド針で、前述の第一
の割り溝の中央線をＸ軸方向に３５０μｍピッチ、深さ
５μｍ、線幅（Ｗ２）５μｍで一回スクライブする。テ
ーブルを９０゜回転させて今度はＹ軸方向に同様にして
スクライブする。このようにして３５０μｍ角のチップ
になるようにスクライブラインを入れ、第二の割り溝を
形成する。

【００２１】スクライブ後、真空チャックを解放し、ウ
エーハをテーブルから剥し取り、サファイア基板側から
軽くローラーで押さえることにより、２インチφのウエ
ーハから３５０μｍ角のチップを多数得た。チップは第
二の切り溝からほぼ垂直に切断できており、切断面にク
ラックが発生しておらず、さらに窒化物半導体がサファ
イア基板から剥がれていないものを取りだしたところ、
歩留は９９％以上であった。

【００２２】［実施例２］実施例１の第一の割り溝を形
成する工程において、エッチング深さを４μｍとする他
は同様にしてチップに分離する（つまり、次に第二の割
り溝２２を形成する部分のｎ型層２の厚さを１μｍとし
た）他は同様にして３５０μｍ角のチップに分離したと
ころ、歩留は同じく９９％以上であった。

【００２３】［実施例３］第一の割り溝を実施例１と同
様にして、第一の割り溝をサファイア基板に達するまで
形成する。但し線幅（Ｗ１）は１００μｍ、５００μｍ
ピッチとする。

【００２４】次にウエーハのサファイア基板１側を研磨
器により研磨して、基板を２００μｍの厚さにラッピン
グ、およびポリッシングした。基板を研磨することによ
り次の第二の割り溝を形成する工程でダイシング時間を
短縮することができる。

【００２５】ポリッシングを終えたウエーハをダイサー
のテーブル上に固定し、ブレード幅８０μｍのブレード
を用いて、第一の割り溝の中央線をＸ軸方向に同じく５
００μｍピッチ、深さ５０μｍ、線幅（Ｗ２）８０μｍ
でダイシングしてハーフカットすることにより第二の割
り溝を形成する。このように第二の割り溝をダイサーで
深く入れて、切断部分のサファイア基板の厚さを薄くす
ることにより、切断面をほぼ垂直にすることができる。

【００２６】ハーフカット後、ウエーハをテーブルから
剥し取り、サファイア基板側から軽くローラーで押さえ
ることにより、２インチφのウエーハから５００μｍ角
のチップを多数得た。このチップの歩留も同様に９９％
以上であった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
ると、へき開性を有していない窒化物半導体ウエーハで
も、スクライブ、ダイサー等の手法により、歩留よく正
確に切断することができ、生産性が向上する。しかも電
極を形成するべき窒化物半導体を全く傷めることがない
ので、本発明の方法で分離されたチップを発光素子とし
た場合、素子の歩留が飛躍的に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図２】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図３】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図４】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図５】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図６】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断
面図。

【図７】本発明の製造方法の一工程を説明する拡大模
式断面図。

【図８】本発明の製造方法の一工程を説明する拡大模
式断面図。

【図９】本発明の製造方法の一工程を説明する平面
図。

【符号の説明】

１・・・・サファイア基板２・・・・ｎ型層３・・・・ｐ型層１１・・・第一の割り溝２２・・・第二の割り溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サファイア基板上にｎ型層及びｐ型層が
順に積層されて、予めｎ型層の電極形成面が露出するよ
うにエッチングされた窒化ガリウム系化合物半導体を前
記サファイア基板上に備えた窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子において、前記電極形成面と同一面側にサファイア基板面が露出し
たことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子。
【請求項２】前記サファイア基板が２００μｍ以下で
ある請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子。