JP2005333130A - 窒化物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザリフトオフ工程時、窒化物半導体単位素子に発生するクラックや損傷を最小限にする窒化物半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】サファイア基板１００上に窒化物半導体を蒸着して形成した複数個の窒化物半導体単位素子１１０間を除去して、トレンチを互いに間隔をおいて形成する。トレンチ１１５領域にだけ前記誘電体物質を充填し、誘電体の上面が第１電極１２０の上面よりやや高く形成されるよう、前記第１電極１２０の上部を除去し、クラック防止壁１３０を形成する。クラック防止壁１３０と第１電極１２０の全体を、伝導性金属で覆って、接合強化板１４０を形成する。接合強化板１４０にボンディング部材１５０を介して、キャリア基板１６０を接合し、窒化物半導体単位素子１１０と結合されているサファイア基板１００を、レーザリフトオフ工程により分離する。
【選択図】 図１ｈ

Description

本発明は、窒化物半導体素子及びその製造方法に係り、さらに詳しくはレーザリフトオフ(laser lift off)工程時、窒化物半導体単位素子に発生する恐れのある、クラックや損傷を最小限にする窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。

一般的に、窒化物半導体を成長させるための基板として、サファイア基板を主に使用される。しかし、このような窒化物を用いた素子作製において、サファイア自体の伝導性によって素子製造時多くの困難が発生し、また、熱伝導度が他の物質に比べて著しく悪いので、素子駆動においても相当な問題を引き起こす。

このような問題点を解決するために、従来、ＬＬＯ(laser lift off)法を用いてきた。このＬＬＯ法は、レーザビームのサイズと均一性の限界により、サファイア基板の全面を一度に除去できない短所があって、均一で小さいサイズのビームをサファイア基板の一部分ずつ順次に照射して、サファイア基板を除去した。
しかし、ビームが重なり合う部分で分離された素子領域が不均一であり、これにより、発生したクラックが素子の他の領域に伝播する現像が発生するようになる。

このような現像を防ぐために、窒化物膜の一部をエッチングして素子それぞれを分離した後、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、金属プレートなどにボンディングし、サファイア基板を分離させる方法が使用されてきた。
しかし、ボンディング後に各素子と素子との間のトレンチに形成されたボイド(void)に残存されたエアがレーザの強い熱エネルギによって膨張し、素子にクラックを発生させる原因になった。

本発明は、前述した問題点を解消するために考えられたもので、その目的は、窒化物半導体単位素子を相互に分離させるトレンチに、クラック防止壁を充填してボイドを除去することにより、レーザリフトオフ工程時、窒化物半導体単位素子に発生する恐れのあるクラックや損傷を最小限にする窒化物半導体素子及びその製造方法を提供するものである。

本発明の他の目的は、クラック防止壁を誘電体物質で形成することにより、接合工程時、加えられる熱による素子との反応を減少させることによって、素子の電気的特性と光学的特性が劣化することを防止し、また、自体の絶縁特性により、窒化物半導体単位素子間を電気的に絶縁する窒化物半導体素子及びその製造方法を提供するものである。

本発明のさらに他の目的は、誘電体物質が素子の保護層として使用でき、接合強化板やクラック防止壁を介して、キャリア基板にコーティングされたボンディング部材を接合させることにより、キャリア基板との強い接着力を維持できる窒化物半導体素子及びその製造方法を提供するものである。

前述した本発明の目的を達成するための望ましい第１の態様は、窒化物半導体単位素子のそれぞれの間にボイド（空間）としてトレンチが形成されるように、相互に分離させて基板上部に窒化物半導体単位素子を繰り返し形成する段階と、
前記窒化物半導体単位素子のそれぞれの上部に電極を形成する段階と、
前記トレンチ内部にクラック防止壁を形成する段階と、
前記電極と前記クラック防止壁の上部に伝導性物質からなる接合強化板を形成する段階と、
前記接合強化板とキャリア基板をボンディング部材により接合する段階と、
前記窒化物半導体単位素子及びクラック防止壁から、基板をレーザリフトオフさせる段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法が提供する。

前述した本発明の目的を達成するための望ましい第２の態様は、窒化物半導体単位素子のそれぞれの間にボイド（空間）としてトレンチが形成されるように、相互に分離させて基板上部に窒化物半導体単位素子を繰り返し形成する段階と、
前記窒化物半導体単位素子のそれぞれの上部に電極を形成する段階と、
前記トレンチ内部にクラック防止壁を形成する段階と、
前記電極上に、前記クラック防止壁の上面高さと対応する高さに伝導性物質を蒸着して接合強化壁を形成する段階と、
前記接合強化板とキャリア基板をボンディング部材で接合する段階と、
前記窒化物半導体単位素子及びクラック防止壁から、基板をレーザリフトオフさせる段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法を提供する。

前述した本発明の目的を達成するための望ましい第３の態様は、基板上部に所定体積のボイドによって互いに隔離される複数の窒化物半導体単位素子を形成する段階と、
前記窒化物半導体単位素子それぞれの上に第１電極を形成する段階と、
前記ボイドに絶縁物質を充填して絶縁層を形成する段階と、
前記第１電極と絶縁層上に伝導性物質膜を形成する段階と、
前記伝導性物質膜上に固定される支持部材を形成する段階と、
前記複数の窒化物半導体単位素子の底部から基板を離脱する（取り去る）段階と、
前記窒化物半導体単位素子それぞれの底部に、第２電極を形成する段階とを含む窒化物半導体素子製造方法を提供する。

前述した本発明の目的を達成するための望ましい第４の態様は、窒化物半導体層を含んでおり、それぞれの間に絶縁層が介在される複数個の発光素子を基板上部に形成する段階と、
前記発光素子及び絶縁層上に第１伝導性物質膜を形成する段階と、
前記第１伝導性物質膜上に固定される支持部材を形成する段階と、
前記複数個の発光素子の底部から基板を離脱させる段階と、
前記発光素子それぞれの底部に第２伝導性物質膜を形成する段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法を提供する。

前述した本発明の目的を達成するための望ましい第５の態様は、窒化物半導体層を含んでおり、それぞれの間に絶縁層が介在する複数個の発光素子と、
前記発光素子及び絶縁層上に形成された第１伝導性物質膜と、
前記第１伝導性物質膜上に固定される支持部材と、
前記発光素子それぞれの下部に形成された第２伝導性物質膜とからなる窒化物半導体素子を提供する。

本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体単位素子を相互に分離するトレンチに、クラック防止壁を充填してボイドを除去することにより、レーザリフトオフ工程時、窒化物半導体単位素子に発生する恐れのあるクラックや損傷を最小限にする効果がある。

そして、クラック防止壁を誘電体物質で形成することにより、接合工程時の加熱による素子との反応を減らし、それによって、素子の電気的特性と光学的特性が劣化されることを防止し、なた、自ら有する絶縁特性により窒化物半導体単位素子間の電気的に絶縁する効果がある。

さらに、誘電体物質の利点は、素子の保護層として使用でき、素子は、接合強化板やクラック防止壁を介してキャリア基板にコーティングされたボンディング部材と接合させることにより、キャリア基板との強い接着力を維持できる効果がある。

以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。
まず、図１ａないし図１ｉを参照して、本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態について説明する。
<第１実施形態>
まず、図１ａに示すように、不均一（heterogeneous）であるサファイア基板１００の上部に窒化物半導体を蒸着して複数個の窒化物半導体単位素子１１０を形成し、図１ｂのように、前記窒化物半導体単位素子１１０の間を除去してトレンチ（細長い溝）１１５を形成する。
この際、前記窒化物半導体単位素子１１０は、トレンチ１１５により相互に間隔をおき、サファイア基板１００上に繰り返して形成される。

その後、前記トレンチ１１５を介して露出しているサファイア基板１００上に形成された窒化物半導体単位素子１１０を、蒸着法を使用して全体的に導電性金属で覆う。その後、トレンチ１１５を覆っている導電性金属を、図１ｃに示すように、窒化物半導体単位素子１１０の上部にだけ導電性金属が残るように除去し、外部から印加される駆動電流を前記窒化物半導体単位素子１１０に伝達する第１電極１２０を形成する。

次いで、トレンチ１１５を介して露出されているサファイア基板１００の上面と、第１電極１２０を誘電体物質で覆う。それから、トレンチ１１５領域にだけ前記誘電体物質が充填され、誘電体の上面が第１電極１２０の上面よりやや高く形成されるよう、前記第１電極１２０の上部を除去する。それによって、本発明に係るクラック防止壁１３０を形成する(図１ｄ)。

特に、後続工程であるレーザリフトオフ工程時、窒化物半導体単位素子でのクラックの発生を最小限にするために、誘電体物質をトレンチ領域毎にすきまもなく充填することが大事である。使われる誘電体としては、蒸着し易く、トレンチ領域を容易に充填できるポリイミド(polyimide)またはベンゾシクロブテン(benzocyclobutene: BCB)が望ましい。

このように本発明は、ボイド（空間）を除去するためにトレンチを充填する物質として誘電体を使用する。そして、後続工程であるボンディング工程時印加される熱によるトレンチ内の素子界面との反応を少くすることにより、素子の電気的特性や光学的特性が劣化することを防止する。さらに、トレンチ間に充填される誘電体物質は、それ自体の絶縁特性により、窒化物半導体単位素子間の電気的絶縁を可能にし、素子の保護層としての使用も可能になる。

一方、前述した工程に基づきクラック防止壁１３０が形成されれば、露出されたクラック防止壁１３０と第１電極１２０の全体を、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等のような伝導性金属のいずれか一つで覆って、図１ｅに示すような接合強化板１４０を形成する。それ故、後続工程であるキャリア基板との接合時、素子の上部面が金属や伝導性物質からなっていて、接合物質として主に使われるソルダーとの反応が容易になり、キャリア基板との強い接着力を保てる。

次いで、前記接合強化板１４０にソルダーのようなボンディング部材１５０を介して、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板のようなキャリア基板１６０を接合させる(図１ｆ)。それから、窒化物半導体単位素子１１０と結合されているサファイア基板１００を、レーザリフトオフ工程により分離する(図１ｇ)。

この際、本発明は、窒化物半導体単位素子１１０を相互に分離するトレンチに、前述したようにボイドを除去するためにクラック防止壁１３０が充填されるので、前記レーザリフトオフ工程時、入射されたレーザエネルギによるボイドの膨張を通じて窒化物半導体単位素子に発生する恐れのあるクラックや損傷を最小限にする。

一方、レーザリフトオフ工程によってサファイア基板を分離した後、前記窒化物半導体単位素子のそれぞれの下面に第２電極１７０を形成し(図１ｈ)、最後に図１ｉに示すように、サファイア基板１００からクラック防止壁１３０が分離され、キャリア基板１６０の下面が露出されるまで垂直方向に該当層をエッチングして本発明による窒化物半導体素子の製造を終了する。

このように本発明は、窒化物半導体単位素子を相互に分離するトレンチに、クラック防止壁を充填してボイド(void)を除去することにより、レーザリフトオフ工程時、窒化物半導体単位素子に発生する恐れのあるクラックや損傷を最小限にする。
さらに、クラック防止壁を誘電体物質で形成することにより、接合工程時、印加される熱によるトレンチ内の素子界面との反応を少なくし、素子の電気的特性と光学的特性が劣化することを防止する。

また、誘電体物質自体の絶縁特性により、窒化物半導体単位素子間の電気的絶縁を可能にし、素子の保護層として使用でき、さらに、本発明により形成した接合強化板やクラック防止壁を介して、キャリア基板にコーティングされたボンディング部材と接合させることにより、キャリア基板との強い接着力を維持できるようになる。

以下、図２ａないし図２ｅの工程順序図を参照して、本発明に係る第２実施形態を説明する。
<第２実施形態>
本発明に係る第２実施形態は、クラック防止壁の形成までは第１実施形態と同様であり、異なる点はボンディング部材を介したキャリア基板との接合過程であって、それに対する詳細な工程の順序は次の通りである。
まず、図２ａに示すように、本発明により所定のクラック防止壁１３０が形成された後、フォトレジスト(ＰＲ)を蒸着し、現像及び露光させ、フォトレジストマスク２００を形成する。

その後、前記フォトレジストマスク２００でクラック防止壁１３０をマスキングした状態で、第１電極１２０の上部領域毎に、クラック防止壁１３０の上面高さに対応する高さまで、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等のような伝導性金属のいずれか一つで蒸着し、接合強化壁２１０を形成する。

次いで、フォトレジストマスク２００を除去した後、前述したように形成された接合強化板２１０に、ソルダーのようなボンディング部材１５０を介して、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板のようなキャリア基板１６０を接合させる(図２ｂ)。
この際、前記接合強化板２１０は金属や伝導性物質からなり、前記キャリア基板１６０との接合時、ソルダーのようなボンディング部材１５０と容易に反応するので、キャリア基板との強い接着力を維持できる。

一方、キャリア基板との接合が完了時に、図２ｃに示すように、窒化物半導体単位素子１１０と結合されているサファイア基板１００を、レーザリフトオフにより分離する。
そして、前述したレーザリフトオフ工程を通じてサファイア基板１００を分離後、前記窒化物半導体単位素子のそれぞれの下面に第２電極１７０を形成する(図２ｄ)。

最後に、図２ｅに示すように、サファイア基板１００から分離されるクラック防止壁１３０及びボンディング部材１５０は、キャリア基板１６０の下面が露出されるまで垂直方向に除去され、本発明による窒化物半導体素子の製造を終了する。

図３は、本発明に係る窒化物半導体素子を製造する他の方法を説明する工程流れ図である。
まず基板上に所定体積のボイドによって互いに隔離される複数個の窒化物半導体単位素子を形成する(ステップＳ１１０)。
ここで、前記基板はサファイア基板のような非伝導性基板（絶縁基板）が望ましい。

それから、前記窒化物半導体単位素子のそれぞれに第１電極を形成する(ステップＳ１２０)。
その後、前記ボイドに絶縁物質を充填して絶縁層を形成し(ステップＳ１３０)、前記第１電極と絶縁層上に伝導性物質膜を形成する(ステップＳ１４０)。

引き続き、前記伝導性物質膜の上部に固定される支持部材を形成し(ステップＳ１５０)、前記複数個の窒化物半導体単位素子の底部から基板をとりはずす(ステップＳ１６０)。
前記支持部材は既に作られたキャリア基板を使用し、このキャリア基板が金属で形成された基板ならば、前記伝導性物質膜の上面に、前記キャリア基板をボンディング部材によりボンディングして固定する。

この際、前記ボンディング部材はソルダーであることが望ましい。
そして、前記支持部材は前記伝導性物質膜上に蒸着された金属膜で形成することができる。
また、前記絶縁物質は、ポリイミドまたはベンゾシクロブテン(ＢＣＢ)を使用することができる。
さらに、前記窒化物半導体単位素子は、図５に示すように、Ｎ型-半導体層３１０、活性層３２０とＰ型-半導体層３３０が順次に積層された発光構造体３００を有する発光素子で実現できる。
最後に、前記窒化物半導体単位素子それぞれの底部に、第２電極を形成する(ステップＳ１７０)。

図４は、本発明に係る窒化物半導体素子を製造するさらに他の方法の工程流れ図である。先ず、窒化物半導体層を含んでおり、それぞれの間に絶縁層が介在する複数個の発光素子を、基板上に形成する(ステップＳ２１０)。
その後、前記発光素子及び絶縁層上に、第１伝導性物質膜を形成する(ステップＳ２２０)。

引き続き、前記第１伝導性物質膜の上面に固定される支持部材を形成し(ステップＳ２３０)、前記複数個の発光素子の底部から基板を取り外される(ステップＳ２４０)。
最後に、前記発光素子のそれぞれの底部に第２伝導性物質膜を形成する(ステップＳ２５０)。

本発明は記載された具体的な例についてだけ詳述されたが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明らかであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然である。

本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第１実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第２実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第２実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第２実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第２実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法の第２実施形態を示した図である。 本発明に係る窒化物半導体素子を製造する他の方法の工程流れ図である。 本発明に係る窒化物半導体素子を製造するさらに他の工程流れ図である。 本発明に適用される発光素子の発光構造体の概略的な断面図である。

符号の説明

１００ : サファイア基板 １１０ : 窒化物半導体単位素子
１１５ : トレンチ １２０ : 第１電極
１３０ : クラック防止壁 １４０ : 接合強化板
１５０ :ボンディング部材 １６０ : キャリア基板
３００ : 発光構造物 ３１０ : Ｎ型-半導体層
３２０ : 活性層 ３３０ : Ｐ型-半導体層

Claims (21)

1. 窒化物半導体単位素子のそれぞれの間にボイドであるトレンチが形成されるように、窒化物半導体単位素子を相互に分離させ基板上部に繰り返して形成する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子それぞれの上に電極を形成する段階と、
   前記トレンチ内部にクラック防止壁を形成する段階と、
   前記電極と前記クラック防止壁の上に、伝導性物質からなる接合強化板を形成する段階と、
   前記接合強化板とキャリア基板をボンディング部材で接合する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子及びクラック防止壁から、基板をレーザリフトオフする段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法。
2. 窒化物半導体単位素子のそれぞれの間にボイドであるトレンチが形成されるように、窒化物半導体単位素子を相互に分離させ基板上部に繰り返して形成する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子それぞれの上に電極を形成する段階と、
   前記トレンチ内部にクラック防止壁を形成する段階と、
   前記電極上部に、前記クラック防止壁の上面高さと対応する高さに伝導性物質を蒸着して、接合強化壁を形成する段階と、
   前記接合強化板とキャリア基板をボンディング部材で接合する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子及びクラック防止壁から基板をレーザリフトオフする段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記レーザリフトオフする段階の後に、
   前記分離された窒化物半導体単位素子の底部に電極を形成し、
   前記クラック防止壁及び前記クラック防止壁上の接合強化板とボンディング部材を除去する段階がさらに備えられることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記クラック防止壁は、
   前記電極の上面より高く形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
5. 前記クラック防止壁は、誘電体物質からなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
6. 前記伝導性物質は、Ａｌ、ＣｕとＣｒのうち、いずれかの一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
7. 前記窒化物半導体単位素子は、発光素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
8. 基板上に、所定体積を有するボイドによって互いに隔離される複数個の窒化物半導体単位素子を形成する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子それぞれの上に第１電極を形成する段階と、
   前記ボイドに絶縁物質を充填して絶縁層を形成する段階と、
   前記第１電極と絶縁層上に伝導性物質膜を形成する段階と、
   前記伝導性物質膜上に固定される支持部材を形成する段階と、
   前記複数個の窒化物半導体単位素子の底部から基板を離脱する段階と、
   前記窒化物半導体単位素子それぞれの底部に、第２電極を形成する段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法。
9. 前記基板は、 絶縁基板であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
10. 前記支持部材は、 既製のキャリア基板であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
11. 前記キャリア基板は金属で形成された基板であり、
    前記伝導性物質膜上に、前記キャリア基板をボンディング部材によってボンディングして固定することを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
12. 前記ボンディング部材は、ソルダーであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
13. 前記支持部材は、前記伝導性物質膜上に蒸着された金属膜であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
14. 前記絶縁物質は、ポリイミドまたはベンゾシクロブテンであることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
15. 前記窒化物半導体単位素子は、発光素子であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
16. 窒化物半導体層を含んでおり、それぞれの間に絶縁層が介在される複数個の発光素子を基板上に形成する段階と、
    前記発光素子上及び絶縁層上に第１伝導性物質膜を形成する段階と、
    前記第１伝導性物質膜の上部に固定される支持部材を形成する段階と、
    前記複数個の発光素子の底部から基板を取り去る段階と、
    前記発光素子それぞれの底部に第２伝導性物質膜を形成する段階とを含む窒化物半導体素子の製造方法。
17. 前記基板は、絶縁基板であることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
18. 前記支持部材は、金属からなる基板であり、
    前記伝導性物質膜上に、前記支持部材をボンディング部材によってボンディングして固定することを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
19. 前記支持部材は、 前記伝導性物質膜上に蒸着された金属膜であることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
20. 前記基板はサファイア基板であり、
    前記サファイア基板の底部からレーザ光を照射して、前記サファイア基板と発光素子とを分離させることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
21. 窒化物半導体層を含んでおり、それぞれの間に絶縁層が介在される複数個の発光素子と、
    前記発光素子それぞれ及び絶縁層上に形成された第１伝導性物質膜と、
    前記第１伝導性物質膜上に固定される支持部材と、
    前記発光素子のそれぞれの底部に形成された第２伝導性物質膜とからなる窒化物半導体素子。
    

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