JP2005286098A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子のおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子の光取り出し効率を向上させ、歩止まり良く且つ短時間で分離する。
【解決手段】サファイア基板１上にIII族窒化物系化合物半導体層２，３を積層して、LED素子を形成した(A)。回折光学素子でレーザビームを調整しビーム径約30μmで分離予定線付近の半導体層を除去した(B)。次にプラズマによるドライエッチングした(C)。次にウエハに粘着シート８を貼り付けてダイヤモンドスクライバで、分離線に沿ってスクライブライン９を入れた(D)。こうして押割（ブレーキング）により、スクライブライン９を切断面の発生位置としてクラックを拡大させて素子を分離した(E)。
【選択図】図１

Description

本発明はサファイア基板上に形成された一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされるIII族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。本発明は光取り出し効率の高いIII族窒化物系化合物半導体発光素子およびその素子構造を歩留まり良く分離して、個々のIII族窒化物系化合物半導体素子を得るための製造工程に関する。

III族窒化物系化合物半導体素子の製造、例えばＬＥＤ等の製造においては、基板としてサファイアやスピネルなどが用いられている。これらの材料の基板はシリコンやガリウムヒ素を用いた基板と異なり加工が容易でなく、基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して得られるウエハを個々の素子に分割する際、他の半導体素子とは異なり困難が伴う。特にサファイアを用いる場合、分割する方法として、半導体層を積層した面から回転ブレードを用いたダイサーによってダイシング溝（第１の割溝）を形成し、その溝に沿ってクラッキングする方法が一般的である。ダイシング溝を形成する際、回転ブレードの影響で半導体層が基板から剥がれ不良品になったり、半導体層の切断面にダメージ層が生成し光取り出し効率を悪化させている。

そこで、回転ブレードを用いずエッチングを用い第１の割り溝を形成する分離方法が提案されている。例えば特許文献１のような技術がある。
特開２００１−１５６３３２号公報

上記１文献には、回転ブレードを用いず第１の割溝をエッチングで形成する例が挙げられている。しかし、III族窒化物系化合物半導体は非常に安定な物質であるため、ウエットエッチングやドライエッチングで厚さ数μmの半導体層を除去してサファイア基板を露出させ第１の割溝を形成しようとすると、加工時間が非常に長くなって生産性が低下する。

一方、ダイサーで幅数十μmの溝を形成しようとするとサファイア基板が非常に硬いため加工時間が長くなって生産性が低下し、ダイサーブレードの消耗も激しくコスト高となる。またダイシング時に発生する素子のチッピングを防止できないので品質が悪化する。更にダイサーブレードの半導体層の切断面には厚さ数μmのダメージ層が形成され内部で発光した光を吸収するため光取り出し効率も低下する。

本発明は上記の課題を解決するため、ＹＡＧレーザを用い、切断予定線付近のサファイア基板上のIII族窒化物系化合物半導体を除去し、連続した第１の割溝を設け、ドライエッチングした後、サファイア基板を分離することにより完成された。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。

即ち、本発明の第１の手段は、サファイア基板の第１の主面上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、第１の主面側の外周に該サファイア基板の第１の主面が露出し、半導体層の端部の断面形状がテーパ状または半導体層の外に向かって凸の曲線状にすることである。

また、本発明の第２の手段は、上記第１の手段において、半導体層上に設けられた電流拡散電極と第１の主面露出部までの距離を20μm以下とすることである。より好ましくは、半導体層上に設けられた電流拡散電極端部と半導体層表面の端部までの距離を15μm以下にすることである。

本発明の第３の手段は、請求項１または請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層をレーザで略全部を除去し、第１の主面をドライエッチングした後、サファイア基板を分離切断することである。

以上の発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。

即ち、本発明の第１の手段によれば、半導体層の端部の角度を調整することにより、光取り出し効率を向上させることができる。

更に本発明の第２の手段によれば、実質的に発光する電流拡散電極直下の発光層と光を取り出す半導体層表面の端部までの距離を小さくすることで光取り出し効率を向上させることができる。

更に、本発明の第３の手段によれば、サファイア基板面のIII族窒化物系化合物半導体層を分離予定線に沿ってレーザで除去することで、半導体層の端面がテーパ状の第１の割溝が連続して形成される。レーザで半導体層を除去した半導体層端面にはダメージ層が形成されないため光取り出し効率が向上する。このダメージ層は特に短波長の光を吸収するため、短波長発光素子の場合は特に光取り出し効率を低下させる原因となる。またダイシングによるチッピングも無く、サファイア基板を押圧分割する工程においても、分離予定線付近の半導体層が除去されているので押割（ブレーキング）に伴う半導体層の剥がれも生じないため歩留まりが向上する。

このようなレーザ加工で割溝を形成する工程はエッチングに比較しておよそ３倍以上、ダイサーに比較して５倍以上の速さで実現できる。更にレーザによる割溝の形成精度が良く、機械的な力がかからないため、半導体層や電極を剥がし取るような損傷を与えない。このため半導体層上部の電流拡散電極近傍まで第１の割溝を形成することが可能で、この結果、実質的に発光する電流拡散電極直下の発光層と半導体層の端部の距離を小さくすることができ光取り出し効率を向上させることができる。

また第１の割溝に接するに半導体層端部はレーザで第１の割溝を形成すると同時にテーパ状に加工することができ、この結果半導体層からの光取り出し効率が向上する。またこのテーパ部をドライエッチングすることによって、半導体層端部を半導体層の外に向かって凸の曲線状に加工することでさらに半導体層からの光取り出し効率が向上する。

本発明を実施する対象であるサファイア基板上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体素子の層構成は、何ら限定されない。以下に本願発明の最良の実施形態を示すが、本願発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

本発明のレーザとしては、ＹＡＧレーザの第３高調波の355nmが使用できる。更に回折光学素子や非球面レンズを用いることによりビーム形状（エネルギー分布）が頂点を持たない上部がほぼ平坦な略台形状にすることができる。この平坦部のエネルギー密度を2×10⁵W/cm²程度、ビーム径をφ30μmとしたものが使用できる。この条件の場合、送り速度20mm/secとすることで、分離予定線付近の半導体層を略全部除去してサファイア基板の表面を露出させ第１の割溝を形成することができ、同時に半導体層端面をテーパ状に加工することができる。

分離予定線付近の半導体層を除去する幅は、レーザのビーム径に依存するが20〜40μmが望ましい。20μmよりも小さいと押圧してチップ分割の際、半導体層が基板から剥がれ不良品になるおそれがあり、40μmよりも大きいと大きな出力のレーザが必要であり、また１枚のウエハからのチップの取り数が減少する。

レーザでテーパ状に加工した半導体層端部をドライエッチングする方法としては、プラズマエッチングが望ましい。プラズマエッチングは塩素系プラズマが使用でき、真空度1.5×10^-3Pa程度の条件下、１分程度で処理できる。ドライエッチングによって半導体層をレーザで除去した際に表面に付着した汚れを除去するとともに、半導体層端面は半導体層の外側に向かって凸状の曲面に加工することができる。

以下、図を用いて本願発明の実施態様を説明する。尚、本願発明は以下の説明内容に限定されるものではない。また、各図においては、本発明の本質を説明するため、極めて簡略化した図を用いるが、以下に説明する通り、各図に基づいて、本発明は通常のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法に適用できるものである。

図１は本発明の具体的な実施例を説明するための工程図（断面図、切断予定面に対して垂直）である。Ａ面を主面とする厚さ約300μm、直径２インチのサファイア基板１上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層して、約3000個のｐｎダブルヘテロ接合構造のIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成した（図示せず）。当該素子部分の積層構造については簡略化し符号２、３で示す。電極を含まないで、III族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は約5μmである。電流拡散電極４（透光性電極）、パッド電極および保護膜５まで形成した後、サファイア基板１の厚さを研磨して100μmまで薄肉化した。

次に切断予定線付近を露出させるパターンでフォトレジスト６により半導体積層面をパターニングする（図１．Ａ）。

次にＹＡＧレーザの第３高調波（波長355nm）を用い、回折光学素子でエネルギー密度を2×10⁵W/cm²、ビーム径をφ30μmとし、送り速度20mm/secで分離予定線付近の半導体層を略全部除去してサファイア基板の表面を露出させ第１の割溝７を形成した（図１．Ｂ）。このとき半導体層端部はテーパ状に加工される。

次に高密度プラズマエッチング装置を用い、塩素系ガスを用いたプラズマで真空度1.5×10^-3Ｐａの条件で１分間ドライエッチングし、テーパ状の半導体層端部を半導体層の外に向かって凸の曲線状に加工した（図１．Ｃ）。

次に、フォトレジスト６を除去した後、ウエハに粘着シート８を貼り付けて表面の半導体素子を保護し、ダイヤモンドスクライバで半導体層を積層した裏側の第２の主面に切断予定線に沿ってスクライブライン９を入れた（図１．Ｄ）。こうして押割（ブレーキング）により、スクライブライン９を切断面の発生位置としてクラックを増大させてIII族窒化物系化合物半導体素子１００を分離した（図１．Ｅ）。

このようにして分離したIII族窒化物系化合物半導体素子１００の半導体層は第１の割溝をダイサーで形成した物に比較して、チッピングが無い。また切断予定線付近に半導体層が無いため分離の際、半導体層の剥がれによる不良もなく、発光強度も約10％向上した。

〔比較例〕
レーザを用いず、プラズマを用いたドライエッチングで半導体層を除去して第１の割溝を形成した。III族窒化物系化合物半導体は極めて安定であるため、約5μmの半導体層を全て除去しサファイア基板を露出させるためには非常に時間がかかり生産性が低下する。また、第１の割溝を形成時のプラズマの影響による、フォトレジストや半導体層へのダメージが避けられなかった。

実施例１では、半導体層を積層した第１の主面に粘着シート８を貼り付けて半導体素子を保護したが、実施例２では、粘着シート８を第２の主面（半導体層を積層していないサファイア基板１の裏面）に貼り付けて、スクライブライン９を第１の割溝７の内部に入れた（図示せず）。こうして押割（ブレーキング）により、スクライブライン９を切断面の発生位置としてクラックを増大させて素子を分離した（図２）。このようにして分離した素子は、切断の起点を半導体層とは離れたスクライブライン９とすることができるので、切断に発生する半導体層の剥がれは更に減少させることができる。

本発明の具体的な実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法を示す工程図（断面図、切断予定面に対して垂直） 本発明の実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の断面図。

符号の説明

１：サファイア基板
２：III族窒化物系化合物半導体層（ｎ層）
３：III族窒化物系化合物半導体層（ｐ層）
４：電流拡散電極
５：保護膜（ＳｉＯ_２）
６：フォトレジスト
７：第１の割溝
８：粘着シート
９：スクライブライン
２０：ｎパッド電極
２１：ｐパッド電極

Claims (3)

1. サファイア基板の第１の主面上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   該第１の主面側の略外周に該サファイア基板の該第１の主面が露出し、
   半導体層の端部の断面形状がテーパ状または該半導体層の外に向かって凸の曲線状である
   ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記半導体層上に設けられた電流拡散電極と前記第１の主面露出部までの距離が20μm以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
   分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層をレーザで略全部を除去し、
   前記第１の主面をドライエッチングした後、
   サファイア基板を分離切断することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。