JP2007158132A - Iii族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子周囲のn層側面とp層側面との短絡を防止すること。
【解決手段】ダイシングブレードにより個々の素子に分離するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、エピタキシャル層の当該ダイシングブレードが通過すべき部分を、エッチングにより一部除いて溝部を形成し、当該溝部の底面部及び側面部に絶縁膜150を形成し、ダイシングブレードにて溝部の底面部を除去し、且つ側面部の絶縁膜を完全には除去しない様に操作してダイシング作業を行うものであり、溝部の側面部に形成される絶縁膜は、III族窒化物系化合物半導体層のp層12からn層11に渡って形成して、p層12及びn層11の短絡を防ぐように形成される。
【選択図】図1.J
【解決手段】ダイシングブレードにより個々の素子に分離するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、エピタキシャル層の当該ダイシングブレードが通過すべき部分を、エッチングにより一部除いて溝部を形成し、当該溝部の底面部及び側面部に絶縁膜150を形成し、ダイシングブレードにて溝部の底面部を除去し、且つ側面部の絶縁膜を完全には除去しない様に操作してダイシング作業を行うものであり、溝部の側面部に形成される絶縁膜は、III族窒化物系化合物半導体層のp層12からn層11に渡って形成して、p層12及びn層11の短絡を防ぐように形成される。
【選択図】図1.J
Description
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関する。尚、本明細書で半導体光素子とは、発光素子、受光素子、その他光エネルギーと電気エネルギーとの一方から他方への変換素子その他任意の光機能を有する半導体素子を言うものとする。
緑色、青色乃至紫外光を発する発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子が登場してから久しいが、依然サファイア基板等の、異種且つ絶縁性基板上に発光素子をエピタキシャル成長するものが主流である。異種の導電性基板を用いる場合であっても、エピタキシャル成長中のいわゆる転位が十分に低減できないことや、エピタキシャル成長後常温に戻すまでに、熱膨張係数の差によるIII族窒化物系化合物半導体層におけるクラックの発生を十分には抑制できないことが依然として問題である。
ところで、エピタキシャル成長を行う基板と、素子として用いる際の支持基板とを異なるものとする、即ちエピタキシャル成長後に他の基板にIII族窒化物系化合物半導体層やIII族窒化物系化合物半導体素子を移し替る技術がある(特許文献1乃至4、非特許文献1)。
特許3418150
特表2001−501778
特表2005−522873
USP6071795
Kellyら、「Optical process for liftoff of group III−nitride films」、Physica Status Solidi(a) vol.159、1997年、R3〜R4頁
本発明者らは、上記技術をIII族窒化物系化合物半導体光素子に適用する際の手法として、支持基板を導電性基板とし、支持基板に接するp層側の電極構成に高反射性金属を用い、且つ反対側、即ちあらわになったn層側の電極を窓枠状に形成することを検討中である。これにより、例えばIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、n層側の窓枠状の電極が形成されていない領域(窓)から光取り出しを効率よく行うことができると考えられる。
さて、ダイシングブレードによりハーフカットを行う際、素子周囲側面のうち、発光領域周囲を挟むn層側面とp層側面が短絡しやすいことが理解される。これは、III族窒化物系化合物半導体の切削くずによるもののみでなく、導電性基板との接続に用いる多層金属膜の切削くずにより、極めて大きな電流が流れうる。そこで本発明の目的は、素子周囲のn層側面とp層側面との短絡を防止することである。
請求項1に係る発明は、ダイシングブレードにより個々の素子に分離するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、エピタキシャル層の当該ダイシングブレードが通過すべき部分を、エッチングにより一部又は全部を除いて溝部を形成し、当該溝部の底面部及び側面部に絶縁膜を形成し、ダイシングブレードにて溝部の底面部を除去し、且つ側面部の絶縁膜を完全には除去しない様に操作してダイシング作業を行うものであり、溝部の側面部に形成される絶縁膜は、III族窒化物系化合物半導体層のp層からn層に渡って形成して、p層及びn層の短絡を防ぐように形成されることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、エッチング及び絶縁膜の形成は、III族窒化物系化合物半導体素子の一方の伝導型層側から行い、ダイシングブレードによるダイシングは、III族窒化物系化合物半導体素子の他方の伝導型層側から行うことを特徴とする。
請求項3に係る発明は、ダイシングに先立って、第1の基板にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成し、その最上層に電極を形成し、溝部を形成し、絶縁膜を形成し、導電性の第2の基板と、直接又は導電性膜若しくは導電性多層膜を介して、電極を形成した側からIII族窒化物系化合物半導体素子を形成した第1の基板とを貼り合わせ、その後に第1の基板を除き、III族窒化物系化合物半導体素子の新たにあらわになった層に電極を形成したのちにダイシングブレードを操作することを特徴とする。
また、請求項4に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体素子であって、導電性の基板と、当該導電性の基板と、直接又は導電性膜若しくは導電性多層膜を介して接合された第1の電極と、当該第1の電極と接合された第1の伝導型の層と、それと異なる第2の伝導型の層とが少なくとも積層されたIII族窒化物系化合物半導体素子層と、当該III族窒化物系化合物半導体素子層の第1の電極とは逆側である表面側に形成された第2の電極と、
素子外周部であって、III族窒化物系化合物半導体素子層の2つの伝導型の層の側面に渡って形成された絶縁膜を有することを特徴とする。
素子外周部であって、III族窒化物系化合物半導体素子層の2つの伝導型の層の側面に渡って形成された絶縁膜を有することを特徴とする。
ダイシングブレードによるハーフカットを行った際に露出する、素子周囲側面のp層及びn層を予め絶縁膜で覆う。覆う部分は、例えばp層側面の少なくとも一部と、pn接合界面又は発光層等の機能層側面と、n層側面の少なくとも一部である。これにより、当該部分にダイシングによる導電性の切削くずが付着したとしても、pn短絡を防ぐことができる(請求項1)。
本願発明は、溝部を形成するエッチングの際の方向、即ちエッチングの際の最上層と、ダイシングの際の方向、即ちダイシングの際の最上層とが異なる場合に特に有効であり(請求項2)、エッチングの際はエピタキシャル成長基板に載置され、ダイシングの際は他の支持基板に載置された状態である製造方法に特に有効である(請求項3)。このような構成の素子は、pn短絡が防止され、チップ化時の歩留りを向上させることができるのみでなく、使用時のpn短絡も防止される(請求項4)。
本発明は、任意のIII族窒化物系化合物半導体光素子に適用でき、特に光取り出し領域を有する発光素子、光取込み領域を有する受光素子に適用できる。支持基板を有した素子は、当該基板と接していない側のIII族窒化物系化合物半導体層に窓枠状等の電極を、直接又は透光性電極を介して形成すると良い。正負の電極が発光領域の上下にそれぞれ位置する場合は、支持基板としては導電性基板を用いることが望ましい。
レーザ照射により例えばGaNの薄膜部を溶融、分解してエピタキシャル成長基板と分離させる場合は、365nmより短波長のレーザが適しており、波長365nm、266nmのYAGレーザ、波長308nmのXeClレーザ、波長155nmのArFレーザ、波長248nmのKrFが好適に用いられる。レーザ照射を、任意個数のチップサイズとすること、例えば500μm毎にウエハに配置されたチップならば4個×4個の2mm角のレーザ照射、或いは6個×6個の3mm角のレーザ照射とすると、各チップを「レーザ照射済み」「未照射」の境界が横切ることが無く、好適である。
III族窒化物系化合物半導体積層構造は、エピタキシャル成長により形成することが望ましい。但しエピタキシャル成長に先立って形成されるバッファ層は、エピタキシャル成長によらず、例えばスパッタリングその他の方法により形成されるものでも構わない。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル成長基板、各層の構成、発光層等の機能層の構造その他の構成方法及び素子分割後の取扱い方法等は、以下の実施例では細部を全く述べないこともあるが、これは本願出願時における、任意の公知の構成を用いること、或いは複数の技術構成を任意に組み合わせて所望の光素子を形成することが、本発明に包含されうることを意味するものである。
III族窒化物系化合物は、狭義にはAlGaInN系の任意組成の2元系及び3元系を包含する4元系の半導体自体と、それらに導電性を付与するためのドナー又はアクセプタ不純物を添加したものを意味するが、一般的に、他のIII族及びV族を追加的或いは一部置換して用いる半導体、或いは他の機能を付与するために任意の元素を添加された半導体を排除するものではない。
III族窒化物系化合物層に直接接合させる電極や、当該電極に接続される単層又は多層の電極は、任意の導電性材料を用いることができる。高反射性金属としてはIII族窒化物系化合物層に直接接合させる場合はイリジウム(Ir)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)が好適である。透光性電極を形成することも可能であり、酸化インジウムスズ、酸化インジウムチタンその他の酸化物電極を用いることができる。エピタキシャル成長ウエハと支持基板とを接合させるのにははんだを好適に用いることができ、はんだの成分によって、支持基板やエピタキシャル成長ウエハの接合側面に必要に応じて多層金属膜を形成すると良い。また、2つの層例えば酸化物層と金属層とを直接接触させないために誘電体層をそれらの間に形成する場合、任意の誘電体材料を用い、当該誘電体層に孔部を設けて電気的接続部材を充填するなどの手法が有る。
図1.A乃至図1.Jは、本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子1000の製造方法を示す工程図(断面図)である。尚、図1.Jでは、実質的に1チップのIII族窒化物系化合物半導体発光素子1000に対応する図を示しており、図1.A乃至図1.Iにおいても3チップ分程度の断面図に対応する図面を示している。しかし、図1.A乃至図1.Iは1枚のウエハ等の「一部」を拡大して表現したものである。
まず、サファイア基板100を用意し、通常のエピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体層を形成する(図1.A)。図1.Aでは単純化して、n型層11とp型層12と発光領域Lとして積層されたIII族窒化物系化合物半導体層を示した。図1.A乃至図1.Jにおいて、n型層11とp型層12とは、破線で示した発光領域Lで接する2つの層の如く記載しているが、これらは細部の積層構造の記載を省略したものである。実際、サファイア基板100に例えばバッファ層、シリコンをドープしたGaNから成る高濃度n+層、GaNから成る低濃度n層、n−AlGaNクラッド層を構成するものであっても、図1.A乃至図1.Jにおいてはn型層11として代表させている。同様に、マグネシウムをドープしたp−AlGaNクラッド層、GaNから成る低濃度p層、GaNから成る高濃度p+層を構成するものであっても、図1.A乃至図1.Jにおいてはp型層12として代表させている。また、発光領域Lは、pn接合の場合の接合面と、例えば多重量子井戸構造の発光層(通常、井戸層はアンドープ層)の両方を代表して破線で示したものであり、単に「n型層11とp型層12との界面」を意味するものではない。但し、「発光領域の平面」は発光領域Lで示した破線付近に存在する、平面である。尚、p型層12は、下記の「窒素(N2)雰囲気下の熱処理」前においては、「p型不純物を含む層ではあるが、低抵抗化していない」ものであり、当該「窒素(N2)雰囲気下の熱処理」後においては、通常の意味の低抵抗のp型層である。
次に、p型層12の上にパターニングされたレジスト膜を形成し、その後全面に厚さ300nmのロジウム(Rh)を蒸着した後レジスト膜をリフトオフして、パターニングされた高反射性電極121を形成した。この際、ロジウム(Rh)から成る高反射性電極121は一辺420μmの正方形とし、隣り合う2つのロジウム(Rh)から成る高反射性電極121の間には80μmの幅で格子枠状にp型層12の露出面を形成した(図1.B)。この後、N2雰囲気下、570℃で、3分間加熱処理してp型層12を低抵抗化すると共に、p型層12とロジウム(Rh)から成る高反射性電極121とのコンタクト抵抗を低抵抗化した。
次に、チップ分離線上に当たる、p型層12の枠状の露出面の中央線を幅20μm、深さ3μmエッチングして、溝部Tを形成した(図1.C)。溝部Tの深さは、発光領域Lよりも十分n型層11側に達するようにした。
次に、溝部Tを含めた全面に酸化ケイ素(SiO2)膜を形成した。この際、酸化ケイ素(SiO2)膜を少なくとも溝部Tの側面に300nm厚となるように形成した。次に図示しないフォトマスクを溝部T底部及び側面部の上方の酸化ケイ素(SiO2)膜上に形成して、他の部分の酸化ケイ素(SiO2)膜をドライエッチングで除去した。この後フォトマスクを除去し、溝部Tとその周囲を残して、酸化ケイ素(SiO2)から成る絶縁膜150を形成した。こうして、溝部T両側には、酸化ケイ素(SiO2)から成る絶縁膜150も、ロジウム(Rh)から成る高反射性電極121も形成されていない、p型層12の露出面であるチタン層との接触部分Cが幅20μmずつ確保された(図1.D)。
次に、多層金属膜を次の順に蒸着により形成する。厚さ50nmのチタン(Ti)層122、厚さ500nmのニッケル(Ni)層123、厚さ50nmの金(Au)層124。こうして図1.Eの層構成となる。チタン(Ti)層122、ニッケル(Ni)層123、金(Au)層124の機能は、次の通りである。スズ20%の金スズはんだ(Au−20Sn)51を設けるにあたって、当該金スズはんだ(Au−20Sn)51と合金化する層として金(Au)層124を、スズ(Sn)のロジウム(Rh)から成る高反射性電極121への拡散を防ぐ層としてニッケル(Ni)層123を、ニッケル(Ni)層123との密着性とp型層12の露出面Cとの密着性の観点からチタン(Ti)層122を各々設けるものである。
次に金(Au)層124の上に、スズ20%の金スズはんだ(Au−20Sn)51を厚さ3000nm形成する(1.F)。
次にn型シリコン基板200を用意し、両面に導電性多層膜を次の順に蒸着等により形成する。表面側の層を符号221乃至224で、裏面側の層を符号231乃至244で示す。厚さ30nmの窒化チタン(TiN)層221及び231、厚さ50nmのチタン(Ti)層222及び232、厚さ500nmのニッケル(Ni)層223及び233、厚さ50nmの金(Au)層224及び234。窒化チタン(TiN)層221及び231は、n型シリコン基板200とのコンタクト抵抗が低い点から選択された層であり、チタン(Ti)層222及び232、ニッケル(Ni)層223及び233、金(Au)層224及び234の機能は、上述のチタン(Ti)層122、ニッケル(Ni)層123、金(Au)層124の機能と全く同様である。このn型シリコン基板200に形成した表面側の導電性多層膜の最上層である金(Au)層224の上にスズ20%の金スズはんだ(Au−20Sn)52を厚さ3000nm形成し、上述の図1.Fのスズ20%の金スズはんだ(Au−20Sn)51を厚さ3000nm形成したIII族窒化物系化合物半導体発光素子ウエハと、金スズはんだ(Au−20Sn)を形成した面同士を貼り合わせる。こうして、300℃、30kg重/cm2(2.94MPa)で熱プレスして、2つのウエハを合体させる。以下、金スズはんだ(Au−20Sn)は一体化した層50として示す(図1.G)。
このような一体化されたウエハの、サファイア基板100側から、248nmのKrF高出力パルスレーザを照射する。照射条件は、0.7J/cm2以上、パルス幅25ns(ナノ秒)、照射領域2mm角又は3mm角で、各照射ごとに、レーザ照射領域外周が、「1チップ」を横切らないように、即ちチップとチップの間の切断領域である溝部Tに存在するようにすると良い。このレーザ照射により、サファイア基板100に最も近いn型層11(GaN層)の界面11fが薄膜状に溶融し、ガリウム(Ga)液滴と窒素(N2)とに分解する。こののち、サファイア基板100を一体化ウエハからリフトオフにより除去する。この後、露出したn型層11表面を希塩酸により洗浄し、表面に付着しているガリウム(Ga)液滴を除去する。
次に、図示しないレジスト膜を形成し、レジスト膜の孔部に多層金属膜から成るn電極130を次の順に蒸着により形成する。レジスト膜の孔部は、「窓枠状」に形成した。次にn型層11の上(レジスト膜の孔部)に順に、厚さ15nmのバナジウム(V)層、厚さ150nmのアルミニウム(Al)層、厚さ30nmのチタン(Ti)層、厚さ500nmのニッケル(Ni)層、厚さ500nmの金(Au)層。この後にレジストをリフトオフして除去することで、レジスト膜の孔部の多層金属膜から成るn電極130が残り、他の領域の金属膜はレジストと共に除去される。こうして、両面に導電性多層膜を形成したn型シリコン基板200を支持基板とし、p側にロジウム(Rh)から成るから成る高反射性金属層121が形成され、多層金属膜を介して金スズはんだ(Au−20Sn)50でn型シリコン基板200と電気的に接続された(図1.H)。
次に、n型層11の側から、ダイシングブレードを操作して、少なくとも溝部Tの底部に形成された酸化ケイ素(SiO2)から成る絶縁膜150を切断するまでハーフカットを行う。尚、必ずしもシリコン基板200の表面200Fに到達するまでハーフカットする必要は無い(図1.I)。この後、シリコン基板200の、III族窒化物系化合物半導体発光層の無い側200Bからもダイシングブレードを操作してハーフカットを行い、ブレーキングにより個々のIII族窒化物系化合物半導体発光素子1000を得る(図1.J)。III族窒化物系化合物半導体発光素子1000は、n型層11側に枠状のn電極130を有し、n側に光取り出し領域の確保された発光素子である。p電極はシリコン基板200の裏面に電気的に接続されている。
上記実施例のRh電極121に替えて、例えば酸化インジウムスズ(ITO)から成る透光性電極と、孔部を有し、孔部に導電性材料例えばニッケルを充填した誘電体層と、例えばアルミニウムから成る高反射性金属層との3層構造の反射電極を設けても良い。
上記実施例において、n電極130を直接n型層11に形成するのでなく、例えば透光性電極を形成したのちに更に窓枠状のn電極を形成しても良い。
1000:III族窒化物系化合物半導体発光素子
100:サファイア基板(エピタキシャル成長基板)
11:n型III族窒化物系化合物半導体層
12:p型III族窒化物系化合物半導体層
L:発光領域
121:Rhから成る高反射性金属層
200:シリコン基板(支持基板)
221、231:TiN層
122、222、232:Ti層
123、223、233:Ni層
124、224、234:Au層
130:多層金属膜から成るn電極
50、51、52:Au−20Snはんだ層
150:SiO2から成る絶縁膜
T:溝部
C:Ti層122とp型層12の接合部
100:サファイア基板(エピタキシャル成長基板)
11:n型III族窒化物系化合物半導体層
12:p型III族窒化物系化合物半導体層
L:発光領域
121:Rhから成る高反射性金属層
200:シリコン基板(支持基板)
221、231:TiN層
122、222、232:Ti層
123、223、233:Ni層
124、224、234:Au層
130:多層金属膜から成るn電極
50、51、52:Au−20Snはんだ層
150:SiO2から成る絶縁膜
T:溝部
C:Ti層122とp型層12の接合部
Claims (4)
- ダイシングブレードにより個々の素子に分離するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、
エピタキシャル層の当該ダイシングブレードが通過すべき部分を、エッチングにより一部又は全部を除いて溝部を形成し、
当該溝部の底面部及び側面部に絶縁膜を形成し、
前記ダイシングブレードにて前記溝部の底面部を除去し、且つ側面部の絶縁膜を完全には除去しない様に操作してダイシング作業を行うものであり、
前記溝部の側面部に形成される前記絶縁膜は、III族窒化物系化合物半導体層のp層からn層に渡って形成して、p層及びn層の短絡を防ぐように形成され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。 - 前記エッチング及び前記絶縁膜の形成は、III族窒化物系化合物半導体素子の一方の伝導型層側から行い、前記ダイシングブレードによるダイシングは、III族窒化物系化合物半導体素子の他方の伝導型層側から行う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素子の製造方法。
- 前記ダイシングに先立って、
第1の基板にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成し、
その最上層に電極を形成し、
前記溝部を形成し、
前記絶縁膜を形成し、
導電性の第2の基板と、直接又は導電性膜若しくは導電性多層膜を介して、前記電極を形成した側から前記III族窒化物系化合物半導体素子を形成した前記第1の基板とを貼り合わせ、
その後に前記第1の基板を除き、
前記III族窒化物系化合物半導体素子の新たにあらわになった層に電極を形成したのちにダイシングブレードを操作することを特徴とする請求項2に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - III族窒化物系化合物半導体素子であって、
導電性の基板と、
当該導電性の基板と、直接又は導電性膜若しくは導電性多層膜を介して接合された第1の電極と、
当該第1の電極と接合された第1の伝導型の層と、それと異なる第2の伝導型の層とが少なくとも積層されたIII族窒化物系化合物半導体素子層と、
当該III族窒化物系化合物半導体素子層の第1の電極とは逆側である表面側に形成された第2の電極と、
素子外周部であって、前記III族窒化物系化合物半導体素子層の2つの伝導型の層の側面に渡って形成された絶縁膜とを有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
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