JP2007324459A - 窒化物系半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物系半導体素子構造が形成された半導体ウエハを歩留よく各素子チップへ分断する新たな方法を含む窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体素子の製造方法において、結晶構造に由来してレーザ光が進入し易い方向とレーザ光が進入し難い方向を有する支持基板１１の第１主面上に複数の窒化物系半導体層３，６を含む半導体素子構造形成し、その支持基板１１の第１主面に対向する第２主面側からレーザ光を照射して、支持基板１１のブレーキングに利用可能な改質領域をその基板内部に形成し、この際に、レーザ光が侵入し易い方向に比べて侵入し難い方向においてレーザ光の強度を高めて照射し、これによってレーザ光が侵入し易い方向と侵入し難い方向において改質領域の深さが同等になり、その後に改質領域に沿って支持基板１１をブレーキングして窒化物系半導体素子を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法に関し、特に、支持基板としての大型の結晶基板上に複数の窒化物系半導体層を含む半導体素子構造を貼り合せたウエハを形成した後に、このウエハを個々の窒化物系半導体素子へ分断（チップ化）するための技術に関する。

窒化物系半導体素子はその主要構造部分に窒化物系半導体を利用しており、発光素子、受光素子、パワーデバイスなどの種々の窒化物系半導体素子が例示され得る。より具体的な例として、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子の場合、発光層に用いられる窒化物系半導体の組成を選択することによって、青色光から紫外光に至る短波長の光を発光させることが可能である。

窒化物系半導体は一般的には式Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される３族窒化物からなる化合物半導体であって、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどの種々の具体的組成を含み得る。

窒化物系半導体素子の製造において、半導体素子構造が付与された半導体ウエハを各素子チップへ分断するための方法の１つとして、ダイヤモンドスクライブが利用されている。ダイヤモンドスクライブは、半導体ウエハの分断予定ラインに沿ってダイヤモンド製ツールの先端で傷を入れ、その後に応力を加えることによってその傷から破断を発生させて、個々のチップへ分断する方法である。

ダイヤモンドスクライブの問題点として、ツールであるダイヤモンドの摩耗が激しくて、コストが高くなることがある。また、ツールによる傷の入れ方が容易ではなく、チップの外周（通常方形である）の四辺全てが所定の分断予定ラインに正確に沿って割れた正常なチップを歩留まり良く得ることが難しいという問題もある。特に、基板がサファイアである場合には、直交する格子状のパターンにスクライブして立方体または直方体の形状のチップを切り出すときに、一つの側面が劈開面（結晶構造に由来した割れ易い面）になるように選択すれば、これに直交する他方の側面が劈開面ではなくなる。したがって、劈開面でない側面を形成するときに分断予定ライン通りに割ることが容易ではなく、ひどい場合には電極形成部に達する割れが発生して、多数のチップが使用不可能となることもある。

また、半導体ウエハを各素子チップへ分断する他の方法として、レーザ光を用いるレーザスクライブやレーザ割断法も利用されている（たとえば、特許文献１の特開平１１−２２４８６６号公報参照）。これらの方法では、半導体ウエハの分断予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、ウエハ表面を局所的に溶融させて分断用溝を形成する。その後に、必要に応じて応力を加えることによって、その分断用溝に沿って破断を発生させて個々の素子チップへ分断する。
特開平１１−２２４８６６号公報

しかし、本発明者の検討実験の結果として、従来のレーザスクライブ法にも次のような問題点があることが分かった。すなわち、レーザスクライブ法にて支持基板を素子チップ（発光素子）ごとに分割する際のブレーキング（外力を加えて破断すること）において、分割がやり易い方向とやり難い方向があり、ブレーキングのやり難い方向ではチップが分断できずにバー状に繋がったままになることがある。

本発明は、このような問題を解消するために、窒化物系半導体素子構造が形成された半導体ウエハを各素子チップへ分断する新たな方法を含む窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的としている。

本発明による窒化物系半導体素子の製造方法においては、結晶構造に由来してレーザ光が進入し易い方向とレーザ光が進入し難い方向を有する支持基板の第１主面上に複数の窒化物系半導体層を含む半導体素子構造形成し、その支持基板の第１主面に対向する第２主面側からレーザ光を照射することによって、支持基板のブレーキングに利用可能な改質領域をその基板内部に形成し、この際に、レーザ光が侵入し易い方向に比べて侵入し難い方向においてはレーザ光の強度を高めて照射し、これによってレーザ光が侵入し易い方向と侵入し難い方向において改質領域の深さが同等になり、その後に、改質領域に沿って支持基板をブレーキングすることによって窒化物系半導体素子を得ることを特徴としている。

なお、支持基板は、レーザ光照射に先立って、研削と研磨の少なくともいずれかによって２００μｍ以下の厚さにされることが好ましい。また、支持基板の第２主面の表面において、少なくともレーザ光が入射する領域は、そのレーザ光照射に先立って鏡面にされることが好ましい。

さらに、支持基板の第１主面上に形成された窒化物系半導体素子構造の少なくとも所定深さまで至る分断用溝を形成し、改質領域は分断用溝に対向するように形成されることが好ましい。その分断用溝の幅は、５〜５０μｍの範囲内になるように形成されることが好ましい。

レーザ光照射では、支持基板の第２主面からその基板の厚さの７０％以内までの範囲内の位置において改質領域が形成されることが好ましい。支持基板は、ＳｉまたはＧｅからなることが好ましい。

以上のような本発明による窒化物系半導体素子の製造方法においては、支持基板においてレーザ光が侵入し易い方向と侵入し難い方向に関して改質領域の深さが同等になるようにレーザ光が照射されるので、均質で良好なチップ分割が可能となり、チップ分割の歩留まりを９８％程度に高くすることができる。

前述のように、本発明者は、従来のレーザスクライブ法にて支持基板を半導体素子チップごとに分割する際のブレーキングにおいて分割のやり易い方向とやり難い方向があり、ブレーキングのやり難い方向ではチップが分断できずにバー状に繋がったままになることがあることを経験した。そこで、本発明者がレーザスクライブ法にて支持基板をチップ状（発光素子）に分割した際のチップ断面を観察したところ、レーザの進入する深さ、換言すれば改質領域の深さがレーザの走査方向に依存して異なることを見出した。すなわち、支持基板の結晶面を走査する方向に依存してレーザ光の進入深さに違いがあることを見出した。

そして、本発明では、結晶構造に由来してレーザ光が進入易い方向と進入難い方向を有する支持基板にレーザ光を照射するに際し、レーザ光が侵入し易い走査方向に比べて進入難い方向においてレーザ光強度を高めて照射し、これによって両方向において深さが同等と成る改質領域を形成することを特徴としている。

以下において、本発明による一実施例が、窒化物系半導体発光素子の製造方法の例に関して、より具体的に説明される。すなわち、この実施例では、ＧａＮ系ＬＥＤが製作される。

（窒化物系ＬＥＤ積層構造の結晶成長）
図２を参照して、サファイア基板上に複数の窒化物系半導体層を結晶成長させる過程が模式的な断面図で示されている。なお、本願の各図において長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の簡略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

図２において、まず直径２インチで厚さ４３０μｍのＣ面［（０００１）面］サファイア基板１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置の反応室内にセットされ、水素雰囲気下で１１００℃において熱洗浄される。

次に、基板温度を３００℃まで下げ、ＩＩＩ族原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびＮ原料としてのアンモニアを反応室内に導入して、厚さ２０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層２を成長させる。

続いて、基板温度を１０００℃に昇温して、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア、およびＳｉＨ₄を反応室内に導入し、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層３を厚さ６μｍに成長させる。

その後、基板温度を８００℃に低下させた後に、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＮＨ₃、およびＳｉＨ₄を反応室内に導入して、複数のＧａＮ障壁層（厚さ１０ｎｍ）と複数のＩｎＧａＮ井戸層（発光波長４６５ｎｍ、厚さ３ｎｍ）とからなる６周期の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層（発光層）４を形成する。

続いて、基板温度を１０００℃に昇温後に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ₃、およびドーパントとしてのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を反応室内に導入して厚さ３０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層５を形成し、その後にＴＭＡの導入を停止して厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６を形成する。こうして、図２に示されているように、発光波長４６５ｎｍの青色ＬＥＤ積層構造を備えた半導体ウエハが作製され得る。

この場合に、製造すべき個々のＬＥＤチップの素子構造部分としての設計上の平面的外形寸法は一辺が３５０μｍの正方形であり、分断予定ラインの方向はサファイア基板１の＜１−１００＞方向および＜１１−２０＞方向とし得る。すなわち、これらの方向は、Ｃ面サファイア基板１の主面に平行であって、相互に直交する方向である。

（ＬＥＤ積層構造と支持基板との貼付け）
図３の模式的断面図に示されているように、ｐ型ＧａＮコンタクト層６上には、厚さ３．５ｎｍのＰｄオーミック電極７、厚さ２００ｎｍのＡｇ−Ｎｄ反射金属層８、厚さ１００ｎｍのＮｉ−Ｔｉバリア層９、および厚さ３μｍのＡｕＳｎ接合金属層１０が順次に蒸着されて形成される。これらの蒸着には、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法や抵抗加熱蒸着法を利用することができる。なお、ＡｕＳｎ合金の組成としては、たとえば２０質量％Ｓｎを含み得る。

他方、図４の模式的断面図に示されているように、Ｓｉ支持基板１１上に厚さ５０ｎｍのＴｉ層１２と厚さ１μｍのＡｕ接合金属層１３が、ＥＢ蒸着法にて順次堆積される。その後、この図４に示されたＡｕ接合金属層１３と図３に示されたＡｕＳｎ接合金属層１０とを対向接触させ、共晶接合法を用いて、温度３１０℃で圧力３００Ｎ／ｃｍ²にて相互に接合させる。

（サファイア基板の剥離除去）
前述の共晶接合後において、鏡面研磨したサファイア基板１側からＹＡＧ−ＴＨＧ（イットリウムアルミニウムガーネット３次高調波）レーザ（波長３５５ｎｍ）を照射し、サファイア基板１と接しているＧａＮバッファ層２とｎ型ＧａＮ層３の一部とを熱分解させることによって、サファイア基板１を剥離して除去する（図２参照）。このとき、ｎ型ＧａＮ層３の表面が露出させられる。

（チップ分割用溝の形成）
サファイア基板１の除去後において、矩形格子状の開口パターンを有するレジストマスクを利用してｎ型ＧａＮ層３側からＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を行って、その矩形格子状開口パターンでｐ型ＧａＮコンタクト層６までの半導体層を完全に除去する。こうして、窒化物系半導体積層構造を貫通するチップ分割用の溝（分断シロ）を形成し、その溝内で反射金属層８を露出させる。ここで、窒化物系半導体積層構造を貫通するチップ分割用溝の幅は、たとえば約２０μｍにすることができる。

（ｎ側電極の形成）
窒化物系半導体積層構造を貫通するチップ分割用溝が形成された後に、清浄にされたｎ型ＧａＮ層３の露出表面上に厚さ１５０ｎｍの透明導電体（ＩＴＯ：インジュウム錫酸化物）層１４を形成し、その上にｎ側ボンディングパッド電極（Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）１５を形成する。

（レーザスクライブ線の形成）
まず、後のチップ分割をより容易にするために、支持基板１１の厚さが削減される。すなわち、市販の研削／研磨機を用いて、支持基板１１の厚さが２００μｍになるように、その支持基板１１の自由表面側を研削／研磨する。

この研削／研磨後に、前述のＲＩＥによって窒化物系半導体積層構造を貫通するように形成された溝内にＹＡＧ−ＴＨＧレーザ（波長３５５ｎｍ）を照射して、Ｓｉ支持基板１１の途中までの深さの分割用溝を形成する。そして、赤外線透過型スクライブ装置を用いて、その分割用溝に対向するようにＳｉ支持基板１１の自由表面側からレーザスクライブ線を入れる。なお、赤外線透過型スクライブ装置とは、赤外線を透過させて画像をモニタしながら、必要な領域にスクライブ線を入れるための装置である。

すなわち、本実施例では、Ｓｉ支持基板１１の自由表面側から分断予定ラインに沿ってレーザ光を照射し、分断に利用可能な改質領域１７を形成する（図１参照）。その改質領域１７は、支持基板１１の自由表面から内部へ深さ１４０μｍに至り得る。

レーザ光の照射に際しては、基本波長が１０６４ｎｍであるパルス波型のＹＡＧレーザから出射されるレーザ光の３倍高調波（波長３５５ｎｍ）用い、これを集光レンズによってＳｉ支持基板１１の自由表面に集光させる。

図５の模式的な平面図に示されているように、まずＳｉ支持基板１１のオリエンテーションフラット面［（１１０）面］ＯＬに平行な方向に第１のレーザ光（パルスの繰り返し周波数３０ｋＨｚ、出力８．５Ｗ、レーザ光スポット径２μｍ）を走査して、第１方向の複数のレーザスクライブ線１７ａを入れる。次に、第１方向のレーザスクライブ線１７ａと直交する方向に第２のレーザ光（パルスの繰り返し周波数３０ｋＨｚ、出力１２．５Ｗ、レーザ光スポット径２μｍ）を走査して、第２方向の複数のレーザスクライブ線１７ｂを入れる。

このように、オリエンテーションフラット面ＯＬに平行な第１方向のレーザスクライブ線１７ａを形成するときのレーザ出力８．５Ｗに比べて、それに直交する第２方向のレーザスクライブ線１７ｂを形成する時のレーザ出力を１２．５Ｗに高めることによって、それらの互いに直交する第１方向と第２方向のレーザスクライブ線１７ａと１７ｂとにおいてほぼ同じ深さの改質領域が形成され得る。

（チップ分割とワイヤボンディング）
市販のブレーキング装置を用いて、これらのレーザスクライブ線１７ａ、１７ｂに沿って支持基板１１を分割することによって、ＬＥＤ素子のチップ化が完了する。そして、そのチップ化されたＬＥＤ素子のｎ型ボンディングパッド１５上に、Ａｕワイヤ１６がボールボンディングされる。これによって、窒化物系半導体ＬＥＤ素子が完成する。図１の模式的な断面図は、こうして完成した窒化物系半導体ＬＥＤ素子を示している。

（評価）
前述のように支持基板上に青色ＬＥＤ積層構造が貼り付けられたウエハに対して本発明によるレーザ照射を行った後に、市販のブレーキング装置を用いてチップ分割を行って得られたチップに関して、分断シロに沿って分断されているチップを合格品とし、分断シロの外で割れたりチッピングが発生したチップを不合格品として、チップ分割における合格品の割合（歩留り）を評価したところ、約９８％まで高めることが可能であった。

（考察）
以上から明らかなように、レーザ光の照射によって支持基板の内部に形成される「分断に利用可能な改質領域」とは、半導体ウエハに対して通常のブレーキングに用いる方法で外力を印加したときに、その改質領域を起点として割れが発生して半導体ウエハが分断に至る程度にそのウエハの機械的強度が低下された領域を意味する。

そして、半導体ウエハをチップに分断する際において、分断は支持基板の内部に形成した改質領域を起点として割れを生じさせて行う。この分断工程では、半導体ウエハに外部から人為的な力を印加して曲げ応力やせん断応力を作用させることによって分断すればよく、従来公知のブレーキングの方法たとえば加圧用のローラやニードルを用いる方法や半導体ウエハを三点支持しておいて加圧部材を作用させる方法などを採用することができる。

ここで、窒化物系半導体積層構造を貫通する分断シロの帯幅は、レーザ光のスポット径、集光用レンズの倍率、およびレーザ光が通過する支持基板材料の屈折率を考慮して、照射されるレーザ光が支持基板を通過するときのビーム幅（分断シロの帯幅方向のビーム幅）を包含し得る幅とすることが好ましい。分断シロの帯幅を過度に狭くすれば、レーザ光と支持基板上の窒化物系半導体積層構造とがオーバラップが生じる。また、分断シロの帯幅を過度に広くすれば、１枚の半導体ウエハから得られる半導体素子チップの数が少なくなる。

分断時に改質領域を起点として発生する割れは、分岐や進行方向の変更を生じながら進むので、支持基板の横方向にも広がりをもってその基板内部に達する。従って、分断シロの帯幅を適当に設けることによって、割れが窒化物系半導体積層構造内あるいは窒化物系半導体積層構造内の発光機能を担う層内に入り込むことが抑制されるので、発光素子が受ける影響をより低く押さえることができる。このような観点から、分断シロの帯幅は５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜２０μｍであることがより好ましい。

分断シロ部分を形成するために半導体積層構造体を部分的に除去する方法は限定されないが、エッチングを利用することが好ましく、ドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれを利用することも可能である。なかでも、分断シロに対応する開口部を有するエッチングマスクをフォトリソグラフィによって形成し、その開口部に露出した窒化物系化合物半導体積層構造をドライエッチングによって除去することが特に好ましい。

他方、レーザ加工方法は、支持基板の表面に集光点を合わせてレーザ光を照射して、分断予定ラインに沿って支持基板内部において分断に利用可能な改質領域を形成し得るものであり、従来公知のレーザ加工方法を参照することができる。

たとえば、支持基板内部の集光点において多光子吸収現象が起こり、熱ひずみが誘起されまたは局所的加熱による溶融が生じる結果として、分断に利用可能な改質領域が形成され得る。このとき、パルス状レーザ光の幅を１μｍ以下にすれば、多光子吸収を生じさせて対象物表面に余計なダメージを与えずに、支持基板内部のみに改質領域を形成することができる。この方法に用い得るレーザ光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、またはチタンサファイアレーザが好適であり、多光子吸収を起こさせることができるならばパルスレーザでも連続波レーザであってもよい。

ここで、多光子吸収現象とは、被照射材料のバンドギャップよりも照射レーザ光の光子エネルギ（振動数とプランク定数の積で表される）が小さい場合であっても、すなわち被照射材料が照射レーザ光に対して透明であっても、ピークパワー密度条件が満たされれば複数の光子を同時に吸収して励起が生じる現象である。

なお、上述の実施例ではＳｉ支持基板を用いた場合について説明されたが、本発明の製造方法はＧｅ支持基板を用いた場合でも同様の効果を発揮することができる。

以上のように、本発明による窒化物系半導体素子の製造方法によれば、支持基板においてレーザ光が侵入し易い方向と侵入し難い方向に関して改質領域の深さが同等になるようにパワー和調整されたレーザ光が照射されるので、均質で良好なチップ分割が可能となり、チップ分割の歩留まりを９８％程度に高くすることができる。すなわち、本発明は、窒化物系半導体素子の品質と生産効率を高めることができる。

本発明の一実施例おける製造方法によって完成した窒化物系半導体素子の模式的断面図である。 図１の窒化物系半導体素子のための窒化物系半導体積層構造を形成する過程を説明するための模式的断面図である。 図２の窒化物系半導体積層構造上に金属積層体を形成する過程を説明するための模式的断面図である。 図３の金属積層体に接合させるための他の金属積層体を支持基板上に形成する過程を説明するための模式的断面図である。 レーザスクライブラインと支持基板との関係を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ サファイア基板、２ ＧａＮバッファ層、３ ｎ型ＧａＮ層、４ ＭＱＷ発光層、５ 蒸発防止層、６ ｐ型ＧａＮ層、７ オーミック電極、８ 反射層、９ バリア層、１０ 接合金属層、１１ 支持基板、１２ Ｔｉ層、１３ 接合金属層、１４ 透明導電体層、１５ パッド電極、１６ Ａｕ線ワイヤ、１７ 改質領域。

Claims (7)

1. 窒化物系半導体素子の製造方法であって、
   結晶構造に由来してレーザ光が進入し易い方向とレーザ光が進入し難い方向を有する支持基板の第１主面上に複数の窒化物系半導体層を含む半導体素子構造を形成し、
   前記支持基板の前記第１主面に対向する第２主面側からレーザ光を照射することによって、前記支持基板のブレーキングに利用可能な改質領域をその基板内部に形成し、
   この際に、前記レーザ光が侵入し易い方向に比べて前記侵入し難い方向においては前記レーザ光の強度を高めて照射し、これによって、前記レーザ光が侵入し易い方向と前記侵入し難い方向において前記改質領域の深さが同等になり、
   その後に、前記改質領域に沿って前記支持基板をブレーキングして前記窒化物系半導体素子を得ることを特徴とする製造方法。
2. 前記支持基板は、前記レーザ光照射に先立って、研削と研磨の少なくともいずれかによって２００μｍ以下の厚さにされることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 前記支持基板の前記第２主面の表面において、少なくとも前記レーザ光が入射する領域は、そのレーザ光照射に先立って鏡面にされることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記支持基板の前記第１主面上に形成された前記窒化物系半導体素子構造の少なくとも所定深さまで至る分断用溝を形成し、前記改質領域は前記分断用溝に対向するように形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記分断用溝の幅は５〜５０μｍの範囲内になるように形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記支持基板の前記第２主面からその基板の厚さの７０％以内までの範囲内の位置において前記改質領域が形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記支持基板は、ＳｉまたはＧｅからなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の製造方法。

Images