JP2013544953A - 薄膜封止体、薄膜封止体を備えたオプトエレクトロニクス半導体基体、ならびに、薄膜封止体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、PVD法によって堆積されたPVD層(6)とCVD法によって堆積されたCVD層(10)とを含むオプトエレクトロニクス半導体基体用の薄膜封止体(11)に関する。また、本発明は、薄膜封止体を備えたオプトエレクトロニクス半導体基体、ならびに、薄膜封止体の製造方法に関する。
Description
本発明は、薄膜封止体、薄膜封止体を備えたオプトエレクトロニクス半導体基体、ならびに、薄膜封止体の製造方法に関する。
本発明の課題は、特にオプトエレクトロニクス半導体基体用の薄膜封止体を提供して、構造上の非平坦性を有する表面を良好に封止できるようにすることである。さらに、こうした薄膜封止体を備えるオプトエレクトロニクス半導体基体、および、こうした薄膜封止体の製造方法を提供することである。
この課題は、請求項1の特徴を有する薄膜封止体、請求項12の特徴を有する薄膜封止体を備えたオプトエレクトロニクス半導体基体、ならびに、請求項15の特徴を有する薄膜封止体の製造方法により、解決される。有利な実施態様および実施形態は従属請求項に記載されている。
オプトエレクトロニクス半導体基体用の薄膜封止体は、特に、PVD法によって堆積されたPVD層と、CVD法によって堆積されたCVD層とを含む。
PVD法("フィジカルヴェイパーデポジション"、物理的気相蒸着法)では、コーティングすべき表面が、容積空間内、例えばレセプタ内に準備される。また、容積空間内には、出発材料が気相で準備される。出発材料は直接に表面で凝縮され、そこに固体のPVD層が形成される。
PVD法として、特に、熱印加によって出発材料を気相へ移行させる熱蒸着法と、イオン打ち込みによって出発材料を気相へ移行させるスパッタリングとが挙げられる。さらに、電子ビームを用いて出発材料を気相へ移行させる電子ビーム蒸着法をPVD法として利用してもよい。ふつう、PVD層は典型的に粒界を呈し、粒界に沿ったPVD層の拡散係数は一般に容積空間材料の拡散係数よりも格段に高くなる。
CVD法("ケミカルヴェイパーデポジション"、化学的気相蒸着法)においても、同様に、まず、コーティングすべき表面が容積空間内に準備される。また、容積空間内には、少なくとも1つの第1の出発材料が準備され、この第1の出発材料から、化学反応により、コーティングすべき表面に固体のCVD層が堆積される。一般に、容積空間には、少なくとも1つの第2の出発材料が用意されており、第1の出発材料と第2の出発材料との化学反応により、固体のCVD層が表面上に形成される。CVD法はコーティングすべき表面での少なくとも1つの化学反応によってCVD層を形成することを特徴とする。ふつう、或る化学反応は所定の反応温度で生じる。特に有利には、コーティングすべき表面は固体のCVD層の形成にいたる化学反応を引き起こすための反応温度を有する。なお、化学的気相蒸着法では、3つ以上の出発材料を用いることもできる。
CVD法とは、特に、次のようなプロセスであると理解されたい。すなわち、PECVD法("プラズマエンハンストケミカルヴェイパーデポジション"、プラズマ支援化学気相蒸着法)、MOCVD法("メタルオーガニックケミカルヴェイパーデポジション"、有機金属化学気相蒸着法)、ALD法("アトミックレイヤデポジション"、原子層蒸着法)、NLD法("ナノレイヤデポジション"、ナノ層蒸着法)などである。
PECVD法では、一般に、化学的蒸着の際に容積空間内のプラズマが点弧され、一方、MOCVD法では、化学的蒸着の際に少なくとも1つの有機金属出発化合物が使用される。
原子層蒸着法(アトミックレイヤデポジション;ALD法)は、第1のガス状出発材料が、コーティングすべき表面が準備された容積空間内へ供給されて、当該表面に吸収されるプロセスである。当該表面が出発材料を含む原子層もしくは分子層によって、有利には完全に、少なくとも大部分覆われると、析出が飽和し、それ以上の材料はもはや堆積されなくなる。続いて、通常、第1の出発材料のうちガス状の一部または表面に吸収されずに存在している一部が再び容積空間から除去され、第2の出発材料が容積空間内へ供給される。第2の出発材料は、表面で吸収される第1の出発化合物と化学反応して、固体のALD層を形成する。上述した2つのプロセスステップは所望の厚さのALD層が得られるまで多数回反復される。
NLD法とは、層厚さが所定の値に達した後、CVD層の層成長が中断されるCVDプロセスのことである。ここでの所定の値は有利には0.5nm以上5nm以下である。次のステップでは当該層がプラズマ処理にかけられる。有利にはふつう、プラズマ処理によってガス状の出発材料が不完全に反応して生じた一般に有機的性質を有する残留物が取り除かれる。これはふつう、層特性にポジティブに作用する。この場合にも、CVD堆積ステップおよびプラズマ処理ステップは所望の厚さのNLD層が得られるまで多数回反復される。
ALD法とは異なり、NLD法では、CVD層の厚さが1原子層を上回るCVD層の堆積が1回のプロセスステップで可能となる。
CVD法とは、特に、容積空間内に、コーティングすべき表面のほか、コーティングすべき表面の化学基と化学反応して固体のCVD層を形成するガス状出発材料が1つしか供給されないプロセスであると理解されたい。例えば、容積空間内にガス状のヘクサメチルジシラザンHMDSを出発材料として供給することができる。この物質は、例えば半導体表面である表面のOH基と化学反応して、CVD層としての固体HMDS層を形成する。
PVD法の期間中、構造上の非平坦性による構造的脆弱箇所がPVD層に生じることがある。これは例えば、出発材料がコーティングすべき表面に対して斜めに入射したり、形成されるPVD層によるシェーディングが生じたり、堆積される出発材料の表面運動力が不足したりすることによって起こる。
中心となるアイデアは、コーティングすべき表面の構造的脆弱箇所、つまりPVD層の特に構造上の非平坦性に生じる構造的脆弱箇所を、第2の層によって閉塞させるということである。構造的脆弱箇所はしばしば高いアスペクト比を有する。当該閉塞には、高いコンフォーマル性を特長とするCVD法が特に適している。
本発明の薄膜封止体は、一般に、半導体テクノロジにおけるウェットケミカルエッチングで用いられるような侵襲性液体に対して密であるという利点を有する。また、薄膜封止体は有利にはほぼ気密であり、通常は原子もしくはイオン(例えば金属イオン)の拡散を阻止する。
特に有利には、CVD層およびPVD層を含む薄膜封止体は、アスペクト比が20:1より大きい非平坦性を有する表面を環境影響、特に液体に対して密に封止することに適している。また、薄膜封止体は、より小さなアスペクト比を有するパターニング表面を確実に封止することにも適している。
特に有利には、PVD層およびCVD層は共通の界面を形成している。つまり、PVD層とCVD層とは相互に直接に接触する位置に存在している。
薄膜封止体の有利な実施形態によれば、PVD層は導電性を有するように構成されている。これにより、特に、導電性の薄膜封止体が形成され、この薄膜封止体を介して封止された半導体基体の電気コンタクトを形成することができる。
有利には、PVD層の厚さは50nm以上400nm以下である。
薄膜封止体の有利な実施形態によれば、PVD層は、チタン、タングステン、チタンタングステン、チタン窒化物、タングステン窒化物、チタンタングステン窒化物、白金、ニッケル、金、タンタルの材料のうち少なくとも1つを含む。これらの材料のうち少なくとも1つから成るかまたはこれらの材料のうち少なくとも1つを含むPVD層は、一般に、導電性を有する。
有利には、CVD層の厚さは2nm以上20nm以下である。
有利な別の実施形態によれば、CVD層は、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素窒化物、チタン窒化物の材料のうち少なくとも1つを含むかまたはこれらの材料のうち少なくとも1つから成る。これらの材料のうち少なくとも1つから成るかまたはこれらの材料の少なくとも1つを含むCVD層は、一般に、導電性を有する。
薄膜封止体の有利な実施形態によれば、CVD層は電気的絶縁材料を含むか、または、こうした電気的絶縁材料から成る。電気的絶縁材料は,一般に、チタン窒化物などの導電性材料よりも格段に低価格であり、CVD法による小さな操作コストで堆積可能となる。
さらに、薄膜封止体を、交互に配置された複数のCVD層と複数のPVD層とから形成することもできる。この場合、各PVD層および各CVD層は必ずしも同じ材料及び/又は同じ厚さを有さなくてよい。
薄膜封止体の有利な別の実施形態によれば、CVD層は直接にPVD層上に設けられ、CVD層はこのCVD層がPVD層内の構造的脆弱箇所のみを充填するようにエッチバックされる。このようにすれば、PVD層として導電性材料が使用される場合に、絶縁材料を含むCVD層によって、導電性の薄膜封止体を得ることができるので有利である。
この実施形態では、特に有利に、PVD層が封止すべき半導体基体の表面に直接に接触する。有利には、この実施例の薄膜封止体は、唯一のCVD層と唯一のPVD層とを有する。特に有利には、この実施例の薄膜封止体は、唯一のCVD層および唯一のPVD層のみから成る。
表面でのCVD層のエッチバックは、バックスパッタリングなどの方向性エッチングプロセスによって行われる。ここで利用されるプロセスは、材料がエッチング表面から異方的に除去される方式のエッチングであると理解されたい。
有利には、エッチバックは、CVD層がコーティング表面のうち構造上の非平坦性及び/又は空隙を有さない部分に達するまで確実に除去される一方、構造的脆弱箇所にCVD層の材料が残るように行われる。このアプローチで有利なのは、CVD材料の選択に大きな自由度が得られることである。特に、CVD層に対してケイ素窒化物などの絶縁材料を利用でき、その場合にも導電性の薄膜封止体を実現できる。
別の有利な実施形態では、エッチバックされたCVD層上に、上述したのと同様にPVD法によって別のPVD層が堆積される。
別の有利な実施形態では、CVD層は直接にコーティングすべき半導体基体上に堆積される。CVD層の上方にPVD層が設けられ、有利にはCVD層に直接に接する。PVD層は、機械的侵襲および/または化学的侵襲からCVD層を保護するために用いられる。
本願の薄膜封止体は、特に、オプトエレクトロニクス半導体基体、有利には発光半導体基体での使用に適している。特に有利には、本願の薄膜封止体は、半導体基体の金属要素、例えば電気コンタクトもしくは反射層などを封止して環境影響から保護する。この場合、薄膜封止体は一般に半導体基体内に集積される。特に有利には、薄膜封止体は、封止すべき要素に直接に接触するよう、その上に設けられる。
また、本願の薄膜封止体は、研磨された表面、例えば、一般に研磨工具によって強く研磨されたウェハ表面を密に封止するのに適している。
オプトエレクトロニクス半導体基体の1つの実施形態によれば、金属要素は、銀、アルミニウム、金、チタン、ニッケルの材料のうち少なくとも1つを含むかもしくはこれらの材料のうち少なくとも1つから成る。
例えば、半導体基体のエピタキシャル半導体積層体の活性領域で形成される電磁放射を反射するための反射性金属層が設けられる。
有利には、金属層の厚さは50nm以上250nm以下である。
有利には、反射性金属層はエピタキシャル半導体積層体を完全には覆わず、少なくともエピタキシャル半導体積層体の側方の部分領域が露出されたまま残る。これにより、半導体積層体と金属層との表面に、構造上の非平坦性となるエッジが生じる。
金属層は例えば半導体基体の製造時のウェットケミカルプロセスに対して特に敏感である。このため金属層を少なくとも液体に対して確実に封止しなければならない。このような場合に特に上述した薄膜封止体が適している。
オプトエレクトロニクス半導体基体は、例えば、発光ダイオードまたは薄膜発光ダイオードである。薄膜発光ダイオードとは、エピタキシャル半導体積層体のエピタキシャル成長に用いられた成長基板が除去もしくは切削されて、成長基板単独ではエピタキシャル半導体積層体を機械的に安定化させるのに適さなくなっているダイオードであると理解されたい。この場合、薄膜発光ダイオードには、金属層の直上もしくは上方に個別に被着される支持体が設けられる。
特に、薄膜封止体の製造方法は、PVD法によりPVD層を堆積するステップと、CVD法によりCVD層を堆積するステップとを含む。
その他、薄膜封止体に関連して説明した特徴は、薄膜封止体の製造方法にも該当する。
本発明の有利な実施の態様を、図示の実施例に則して、以下に説明する。
図中、同一の要素または同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付してある。図示されている要素の寸法比は縮尺通りに描かれておらず、むしろ、表示しやすくするため、および/または、理解しやすくするために、意図的に大きめに描かれている点に注意されたい。
図1のAにはオプトエレクトロニクス半導体基体の第1の実施例として、光形成のための活性領域2を含むエピタキシャル半導体積層体1を含むオプトエレクトロニクス半導体基体が示されている。
活性領域2は、有利には、光形成のために、pn接合領域、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造、または特に有利には多重量子井戸構造MQWを含む。量子井戸構造とはここでは量子化の次元についての詳細を問わない。ここでの量子井戸構造は、量子ドット、量子ワイヤ、量子ウェル、または、これらの構造の組み合わせのいずれであってもよい。
エピタキシャル半導体積層体1は成長基板3上にエピタキシャル成長されている。
エピタキシャル半導体積層体1のうち成長基板3とは反対の側に直接に接するように、活性領域2の光を反射するのに適した金属要素としての金属層4が被着されている。この場合、有利には、金属層4は銀から成るかまたは銀を含む。金属層4の厚さはふつう50nm以上250nm以下である。金属層4は活性領域2で形成された光を半導体基体の発光前面5のほうへ反射するために設けられている。
金属層4は、エピタキシャル半導体積層体1の全面にわたって被着されるわけではなく、エピタキシャル半導体積層体1の表面の一部の領域のみを覆う。よって、金属層4の側方には、エピタキシャル半導体積層体1の表面のうち金属層4の存在しない部分領域が存在する。
金属層4上およびエピタキシャル半導体積層体1の側方の露出面上には、PVD法によって堆積されたPVD層6が設けられている。PVD層6は金属層4およびエピタキシャル半導体積層体1の表面に直接に接触する。
PVD層6は有利には50nm以上400nm以下の厚さを有する。PVD層6は導電性を有するように構成され、例えばチタンタングステン窒化物を含む。これに代えて、PD層6が、チタン、タングステン、チタンタングステン、チタン窒化物、タングステン窒化物、チタンタングステン窒化物、白金、ニッケル、金、タンタルのグループから選択される少なくとも1つの材料を含むかもしくは少なくとも1つの材料から成っていてもよい。製造プロセスのためにPVD層6は粒界7を有する。
金属層4の厚さに基づいて、金属層4からエピタキシャル半導体積層体1への移行部の半導体基体の表面に1つずつエッジ8が生じる。2つのエッジ8によって形成される構造上の非平坦性により、PVD層6はこの位置に空隙9を有する。
PVD層6内の空隙9を充填するために、次のステップで、CVD層10がCVD法によってPVD層6に直接に接するようにPVD層6上に堆積される(図1B)。PVD層6およびCVD層10は薄膜封止体11を形成する。
例えば薄膜封止体11を介してエピタキシャル半導体積層体1に電気的にコンタクトを形成できるように、導電性の薄膜封止体11が実現される場合、導電性の出発材料、例えばチタン窒化物などから成るCVD層10が形成される。このCVD層10の厚さは有利には2nm以上20nm以下である。CVD層10は下方に位置するPVD層6の空隙9を充填し、粒界7を封止する。このように、薄膜封止体11は、特に液体に対して敏感な金属層4を確実に封止する。
次のステップでは、支持体12が薄膜封止体11の直上もしくは上方に配置され、成長基板3が、エピタキシャル半導体積層体1単独では充分な機械的安定性が得られない程度にまで除去ないし薄膜化される。成長基板3に代わって支持体12がエピタキシャル半導体積層体1を機械的に安定化させる(図1のC)。
図2の実施例のオプトエレクトロニクス半導体基体は、図1のCの実施例のオプトエレクトロニクス半導体基体とは異なり、CVD層10が金属層4に直接に接する形態の薄膜封止体11を有する。また、CVD層10は金属層4の側方でもエピタキシャル半導体積層体1の表面に設けられている。さらに、PVD層6がCVD層10に直接に接するように設けられている。この場合、PVD層6は、CVD層10を機械的侵襲および化学的侵襲から保護するのに適している。
図3のAの実施例のオプトエレクトロニクス半導体基体では、図1のBのステップとは異なり、CVD層10が電気的絶縁性を有するように構成される。このため、CVD層10は有利にはケイ素窒化物を含むかもしくはケイ素窒化物から成る。
次のステップでは、図3のBからわかるように、電気的絶縁性のCVD層10が、適切なプロセス、例えばスパッタリングにより、エッチバックされる。
エッチバックの際には、第1のPVD層6の表面のうち、下方のエッジ8によって脆弱箇所を有さない部分が完全に露出される。金属層4とエピタキシャル半導体積層体1との間に高さの差があるために第1のPVD層6に発生する、金属層4側方の空隙9のみが、PVD層6の材料によって密に充填される。
次のステップでは、第2のPVD層13がPVD法によって堆積される(図3C)。第2のPVD層13は第1のPVD層6の露出表面に直接に接するように堆積される。第2のPVD層13は例えば第1のPVD層6と同様に構成することができる。
図4の実施例の半導体基体における薄膜封止体11は、金属層4に直接に接するようにPVD法によって堆積された第1のPVD層6を有する。第1のPVD層6は、例えば約100nmの厚さを有し、チタンタングステン窒化物から形成される。CVD層10はPVD層6に直接に接するようにCVD法により堆積される。CVD層10は、例えば約10nmの厚さを有し、チタン窒化物から形成される。さらに、第2のPVD層13がCVD層10に直接に接するようにPVD法により堆積される。第2のPVD層13は、この実施例では、第1のPVD層6と同様に構成される。これに代えて、第2のPVD層13を材料組成および/または厚さの点で第1のPVD層6と異ならせてもよい。薄膜封止体11は第1のPVD層6およびCVD層10および第2のPVD層13によって形成される。第1のPVD層6およびCVD層10および第2のPVD層13は導電性材料から形成されるので、薄膜封止体11は導電性を有する。
図5のA−Cの実施例の方法で製造されるオプトエレクトロニクス半導体基体は、電磁放射を形成するのに適した活性領域2を備えた半導体積層体1を含む。半導体積層体1は成長基板3上にエピタキシャル成長される。半導体積層体1は、活性領域2を貫通するように、先行のステップで例えばドライエッチングにより形成された段状陥入部を有している。
半導体積層体1上の段状陥入部の側方に、第1の電気コンタクト14が半導体基体全体を取り巻くように配置される。第1の電気コンタクト14は例えばp型コンタクトである。p型コンタクトには絶縁層15が被着されており、例えばケイ素酸化物を含むかまたはケイ素酸化物から成る。絶縁層15には段状陥入部の中央凹部17を露出させるためのフォトレジスト層16が被着される。
段状陥入部の中央凹部17には、図5のAのステップ中に金属材料18が堆積され、これにより第2の電気コンタクト19、例えばn型コンタクトが形成される。金属材料18の堆積は、例えば電子ビーム蒸着法もしくは熱蒸着法によって行われる。図5のAに矢印で示されているように、ここでの材料堆積は僅かに斜めに行われることがある。これにより、中央凹部17の一方側に金属材料18の存在しない領域が生じており、他方側に材料の集中した過剰領域が生じている。このように、中央凹部17の各側に構造上の非平坦性が生じうる。
中央凹部17での金属材料18の堆積により形成される第2の電気コンタクト19は、例えば、銀、アルミニウム、金、チタン、ニッケルの材料のうち少なくとも1つを含むかまたはこれらの材料のうち少なくとも1つから成る金属要素である。
図示されていない次のステップで、フォトレジスト層16が除去される。
さらなるステップで、第2の電気コンタクト19を封止するために、PVD層6が半導体基体の上方に図5のBに示されているように堆積される。PVD層6は金属製の第2の電気コンタクトに直接に接するようにその上に設けられる。構造上の非平坦性が生じている箇所では、PVD層6内に脆弱箇所が生じている。
次のステップでは、図5のCに示されているように、PVD層6に直接に接するように、脆弱箇所を密閉するためのCVD層10がPVD層6上に堆積される。この実施例ではPVD層6およびCVD層10から成る薄膜封止体11は導電性を有するので、活性領域2は薄膜封止体11を通して電気的にコンタクト可能である。
図示されていない次のステップでは、後面側で、CVD層10の上方に、例えばゲルマニウムまたはケイ素から成る支持体が被着される。当該支持体は一般に適切なはんだによってCVD層10に接合される。続いて、成長基板3がエピタキシャル半導体積層体1から除去される。このようにして露出された半導体基体の面が、通常、光出射面として用いられる。
本願は独国出願第102010044738.2号の優先権を主張するものであり、この文献の開示内容は引用により本願に含まれるものとする。
本発明は上述した実施例のみに限定されない。本願の新規な特徴は、その実施例が明細書、特許請求の範囲、図面に明示されていない場合でも、単独でまたは任意に組み合わせて、本願の対象となりうる。
Claims (15)
- オプトエレクトロニクス半導体基体用の薄膜封止体(11)であって、
PVD法によって堆積されたPVD層(6)と、
CVD法によって堆積されたCVD層(10)と
を含む
ことを特徴とする薄膜封止体(11)。 - 前記PVD層(6)および前記CVD層(10)は共通の界面を形成している、請求項1記載の薄膜封止体(11)。
- 前記PVD層(6)は導電性を有するように構成されている、請求項2記載の薄膜封止体(11)。
- 前記PVD層(6)の厚さは50nm以上400nm以下である、請求項1から3までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 前記PVD層(6)は、チタン、タングステン、チタンタングステン、チタン窒化物、タングステン窒化物、チタンタングステン窒化物、白金、ニッケル、金、タンタルの材料のうち1つを含む、請求項1から4までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 前記CVD層(10)の厚さは2nm以上20nm以下である、請求項1から5までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 前記CVD層(10)は、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素窒化物、チタン窒化物の材料のうち1つを含む、請求項1から6までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 交互に配置された複数の前記CVD層(10)と複数の前記PVD層(6,13)とが設けられている、請求項1から7までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 前記CVD層(10)は直接に前記PVD層(6)上に設けられており、前記CVD層(10)は該CVD層(10)が前記PVD層(6)内の脆弱箇所のみを充填するようにエッチバックされている、請求項1から8までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)。
- 前記エッチバックされたCVD層(10)上に、PVD法によって堆積された別のPVD層(13)が設けられている、請求項9記載の薄膜封止体(11)。
- 前記CVD層(10)は電気的絶縁材料を含む、請求項9または10記載の薄膜封止体(11)。
- 請求項1から10までのいずれか1項記載の薄膜封止体(11)が半導体基体の金属要素を封止していることを特徴とするオプトエレクトロニクス半導体基体。
- 前記金属要素は電気コンタクトまたは反射層(4)である、請求項12記載のオプトエレクトロニクス半導体基体。
- 前記金属要素は、銀、アルミニウム、金、チタン、ニッケルの材料のうちいずれかを含む、請求項12または13記載のオプトエレクトロニクス半導体基体。
- 薄膜封止体(11)の製造方法であって、
PVD法によりPVD層(6)を堆積するステップと、
CVD法によりCVD層(10)を堆積するステップと
を含む
ことを特徴とする薄膜封止体の製造方法。
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