JP2014203953A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高く、基板の劈開による剥がれや割れ等の損傷を抑制することができる半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】この半導体素子の製造方法は、第１及び第２の主面１ａ、１ｂを（−２０１）面又は（１０１）面とするＧａ２Ｏ３ウエハ基板１１０に複数の発光素子１０を形成した半導体ウエハ１を準備し、Ｇａ２Ｏ３ウエハ基板１１０の第２の主面１ｂ側に剥離可能な接合剤４で第１の支持板５Ａを接合し、Ｇａ２Ｏ３ウエハ基板１１０の第１の主面１ａ側に剥離可能な接合剤４で第２の支持板５Ｂを接合して積層体１００を形成し、積層体１００の第２の支持板５Ｂ側からダイシングブレード６で第１の支持板５Ａの途中まで達する溝１１１を形成してＧａ２Ｏ３ウエハ基板１１０を切断して複数の発光素子１０を素子単位に分割する。【選択図】図３

Description

本発明は、酸化ガリウムからなる基板を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。

従来、ＧａＮ系半導体を用いた青色や短波長領域の発光素子が知られている。このような発光素子の下地基板として、例えばサファイア基板やＳｉＣ基板が用いられている。しかし、サファイア基板は、導電性を有しないため、発光素子の電極構造が水平型となる構造上の制約を有している。また、ＳｉＣ基板は、単結晶ウエハの結晶性が悪く、単結晶の垂直方向に貫通するいわゆるマイクロパイプ欠陥が存在するため、マイクロパイプ欠陥を避けてｎ型層及びｐ型層を形成して切り出さなければならない等という問題がある。

そこで、III−Ｖ族系化合物半導体の発光領域の全波長範囲、特に紫外領域で光透過性を有し、ＧａＮに対する格子不整合が比較的小さく、また良質なバルク単結晶が得られるという特性から、青色や短波長領域の発光素子材料としてＧａ_２Ｏ_３基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このＧａ_２Ｏ_３基板、特にβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板は、劈開性の大なる特性を有しており、発光素子の製造工程においてウエハから素子をダイシング等によって切り出す際に基板が劈開方向に剥離してしまうため、素子化が難しいという問題がある。

このため、基板の劈開による剥離を防いで素子単位に分割する発光素子の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２には、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光素子を作り込んだ半導体ウエハを形成し、半導体ウエハの表方向からダイシングブレードで溝入れを行い、半導体ウエハの表裏を反転してダイシングブレードで溝入れを行って発光素子を個々に分割する第１の方法と、第１の厚さを有するダイシングブレードで半導体ウエハの表方向から溝入れを行い、第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有するダイシングブレードで半導体ウエハの表方向から残りの部分を切断する第２の方法とが開示されている。

特開２００６−３１０７６５号公報 特開２００７−２３４９０２号公報

しかし、特許文献２に開示された第１及び第２の方法によると、基板を厚さ方向に切断するのに２回に分けて行っており、工程数が多くなり、生産性が低いという問題がある。また、図７に示すように、ダイシングブレード２００が基板２０１を抜け出るときに基板の劈開方向に沿って斜め割れや剥がれが生じやすいという問題がある。

したがって、本発明の目的は、生産性が高く、基板の劈開による剥がれや斜め割れ等の損傷を抑制することができる半導体素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、互いに反対側に位置する一対の主面を所定の方位面とする酸化ガリウムからなる基板に複数の半導体素子を形成した半導体ウエハを準備し、前記基板の前記一対の主面のうち一方の主面側に剥離可能な接合剤で第１の支持板を接合して積層体を形成し、前記基板の前記一対の主面のうち他方の主面側からダイシングブレードで前記基板を切断して前記複数の半導体素子を素子単位に分割する半導体素子の製造方法を提供する。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、主面を（−２０１）面又は（１０１）面とする酸化ガリウムからなり、側面がダイシングブレードによる半導体ウエハの切断によって形成された基板と、前記基板の前記主面上に形成された半導体層とを備えた半導体素子を提供する。

本発明によれば、生産性が高く、基板の劈開による剥がれや斜め割れ等の損傷を抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 図２（ａ）は、本実施の形態に係る半導体ウエハの斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の半導体ウエハの発光素子の部分を示す断面図である。 図３は、本実施の形態に係る積層体の断面図である。 図４は、本実施の形態に係る積層体をダイシングテープ上に配置した状態を示す斜視図である。 図５は、本実施の形態に係るダイシング工程を示す、図４のＡ−Ａ線断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本実施の形態の変形例に係る積層体の断面図である。 図７は、劈開方向に沿って発生した斜め割れを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の断面図である。この発光素子１０は、半導体素子の一例であり、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板であって、互いに反対側に位置する第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂを有するＧａ_２Ｏ_３基板１１と、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の第１の主面１ａに図示しないＡｌＮバッファ層を介して形成されたＧａＮ系半導体層１２と、ＧａＮ系半導体層１２上に形成されたＡｕ等からなるｐ側電極１３と、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の第２の主面１ｂに形成されたＡｌ等からなるｎ側電極１４とを有する。

（Ｇａ_２Ｏ_３基板）
本実施の形態では、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂの面方位を（−２０１）面としているが、この面方位に限定されない。例えば、（１０１）面、（１００）面でもよい。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、例えば１００〜２００μｍの厚さを有する。

このＧａ_２Ｏ_３基板１１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３を基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分とした酸化物で構成してもよい。より具体的には、例えば（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされるガリウム酸化物を用いることができる。

また、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、酸素欠陥により、又はＳｉやＳｎ等の不純物がドーピングされることにより、ｎ型の導電型を有する。

上記のＧａ_２Ｏ_３基板１１は、例えばＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法又はＦＺ（Floating Zone）法によって製造されたバルク状のＧａ_２Ｏ_３を所望の寸法に切り出し、その表面に機械的研磨又は化学的研磨を施し、さらに有機洗浄及び酸洗浄を行ったものを用いることができる。

（ＧａＮ系半導体層）
ＧａＮ系半導体層１２は、ＡｌＮバッファ層上に形成されたＳｉドープのｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層上に形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する活性層としてのＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）層と、ＭＱＷ層上に形成されたＭｇドープのｐ型ＧａＮ層とを備えて構成されている。ＧａＮ系半導体層におけるＧａＮ系は、ＧａとＮを構成要素に含むことを示す。

（本実施の形態の製造方法）
次に、発光素子１０の製造方法の一例について図２〜図５を参照して説明する。

（１）Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板の準備
図２（ａ）は、本実施の形態に係る半導体ウエハの斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の半導体ウエハの発光素子の部分を示す断面図である。図２に示すように、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板であって、互いに反対側に位置し面方位を（−２０１）面とする第１及び第２の主面１ａ、１ｂを有する円盤状のＧａ_２Ｏ_３ウエハ基板１１０を準備する。

（２）発光素子の形成
図２に示すように、Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板１１０に複数の発光素子１０を互いに直交する行方向ｘ及び列方向ｙにマトリクス状に形成する。すなわち、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法等を用いて、Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板１１０の第１の主面１ａ上にＡｌＮバッファ層を形成し、ＡｌＮバッファ層上にＧａＮ系半導体層１２をエピタキシャル成長させて形成する。そして、ＧａＮ系半導体層１２上にｐ側電極１３を形成し、Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板１１０の第２の主面１ｂ上にｎ側電極１４を形成する。なお、行方向ｘは、劈開性が強い方向、ｙ方向は劈開性が弱い方向としてもよい。

（３）半導体ウエハの積層体化
図３は、本実施の形態に係る積層体の断面図である。まず、半導体ウエハ１の第２主面１ｂ側に剥離可能な接合剤４によって第１の支持板５Ａを接合し、半導体ウエハ１の第１の主面１ａ側に剥離可能な接合剤４によって第２の支持板５Ｂを接合して、積層体１００を形成して半導体ウエハ１を積層体化する。

第１及び第２の支持板５Ａ、５Ｂとして、例えばＳｉＣ基板、ガラス基板等を用いることができる。第２の支持板５Ｂは、ダイシング位置の位置決めのためには、透光性を有する材料が好ましく、表面は乱反射を避けるために研磨面とするのが好ましい。第１及び第２の支持板５Ａ、５Ｂとして、ＳｉＣ基板を用いる場合は、（１００）面を半導体ウエハ１に接合される面とするのが好ましい。これにより行方向ｘ及び列方向ｙの切断で剥がれ等の発生を抑制することができる。

第１の支持板５Ａは、半導体ウエハ１よりも高い剛性を有するのが好ましい。そのために第１の支持板５Ａは、半導体ウエハ１よりも厚い厚さを有するのが好ましい。なお、第１の支持板５Ａは、半導体ウエハ１の厚さと等しいか、半導体ウエハ１の厚さよりも薄い厚さを有するものでもよい。また、第１の支持板５Ａは、直径が大きくなるに従い、厚さは厚い方が良く、直径２〜４インチであれば、厚さは２００〜４００μｍが好ましく、直径４〜６インチであれば、厚さは４００〜６００μｍが好ましく、直径６インチ以上であれば、厚さは６００μｍ以上が好ましい。

第２の支持板５Ｂは、第１の支持板５Ａほど厚くする必要はなく、半導体ウエハ１の厚さと等しいか、半導体ウエハ１の厚さよりも薄い厚さあるいは厚い厚さを有するものでよい。こうすることで、ダイシングブレードの刃を短くでき、ダイシングブレードの幅も狭くすることができる。また、第２の支持板５Ｂは、例えば直径によらず８０〜１２０μｍの厚さとしてもよく、第１の支持板５Ａの厚さと等しい厚さを有するものでもよい。

接合剤４として、例えば溶剤又は加熱で溶融するワックス、加熱で溶融する熱可塑性接着剤、光又は熱で剥離が可能な粘着剤等を用いることができる。

（４）積層体のダイシングフレームへの装着
図４は、図３に示す積層体１００をダイシングテープ上に配置した状態を示す斜視図である。次に、環状のダイシングフレーム２の裏面にダイシングテープ３を貼着し、積層体１００の第１の支持板５Ａをダイシングテープ３上に貼着する。

（５）ダイシング工程
図５は、本実施の形態に係るダイシング工程を示す要部断面図である。薄肉円盤状を有するダイシングブレード６を用いて積層体１００を第２の支持板５Ｂ側から列方向ｙに沿って溝入れを行う。ダイシングブレード６の幅としては、例えば、３０〜４０μｍが好ましい。本実施の形態では、ダイシングブレード６の幅を２０μｍとする。また、ダイシングブレード６として、例えばダイヤモンド砥粒を砥粒層に有するダイヤモンドブレードを用いてもよい。溝１１１の深さは、第１の支持板５Ａの途中までとする。なお、溝１１１の深さは第１の支持板５Ａと半導体ウエハ１との間の接合剤４の途中までとしてもよい。また、溝１１１は、第１の支持板５Ａを厚さ全てを切断する深さ、又はダイシングテープ３に達する深さでもよい。

次に、ダイシングフレーム２の向きを９０°変えて前述したのと同様に、ダイシングブレード６を用いて積層体１００を第２の支持板５Ｂ側から行方向ｘに沿って溝入れを行う。

溝入れが終了したら、積層体１００をダイシングテープ３から剥がし、半導体ウエハ１から第１及び第２の支持板５Ａ、５Ｂを剥がす。接合剤４に溶剤で溶融するワックスを用いた場合には、溶剤でワックスを溶融させて第１及び第２の支持板５Ａ、５Ｂを剥がす。これにより、図１に示す発光素子１が得られる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）半導体ウエハ１を積層体化することにより、剛性が大きくなり、その結果、ダイシングの際の撓みが小さくなり、劈開による剥がれや斜め割れ等の損傷を抑制することができる。
（ｂ）量産に必要な加工品質（チッピング長さ１０μｍ以下）と、５ｍｍ／ｓｅｃ以上の加工速度が可能になり、１回で基板の厚さ全てを切断して素子単位に分割しているので、生産性が高くなる。
（ｃ）レーザ加工では、切断面にデブリ（気化した基板材料の再付着物）や熱的変質層の形成により、表面粗さが大きくなり、光取り出し効率が著しく低下するという問題があるが、本実施の形態によれば、ダイヤモンドブレードによる切断加工を採用しているので、表面粗さが小さくなり、光取り出し効率の低下を抑制することができる。

［変形例］
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本実施の形態の変形例に係る積層体の断面図である。図６（ａ）は、上記実施の形態で用いた上側の第２の支持板５Ｂを用いずに積層体１００を形成し、その積層体１００をダイシングテープ３上に貼着してダイシングを行うものである。本変形例によれば、第１の支持板５Ａだけでも剛性が大きくなり、上記実施の形態と同様の効果を奏する。

図６（ｂ）は、本実施の形態の積層体１００をダイシングテープ３上に貼着せずにダイシングテープ３よりも剛性の高いステンレス鋼等の金属からなるステージ７上に貼着したものである。図６（ｃ）は、図６（ａ）の積層体１００をダイシングテープ３上に貼着せずに上記ステージ７上に貼着したものである。これらの方法によっても、上記実施の形態と同様の効果を奏する。ステージ７は、ダイシングブレードを逃げるための溝が形成されたものを用いてもよい。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。例えば、上記実施の形態で説明した製造方法のステップの入れ替え、追加、削除等は発明の要旨を変更しない範囲で可能である。

また、上記実施の形態では、発光素子として垂直型について説明したが、本発明は水平型にも適用可能である。また、上記実施の形態では、半導体素子として発光素子について説明したが、本発明は、レーザ、トランジスタ等の半導体素子にも適用可能である。また、上記実施の形態では、第２の支持板５Ｂが接合された第１の主面１ａ側から溝入れを行ったが、第１の支持板５Ａが接合された第２の主面１ｂ側から溝入れを行ってもよい。また、上記実施の形態では、Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板の厚さ全てを１回の溝入れで切断したが、複数回に分けて行ってもよい。

１…半導体ウエハ、１ａ…第１の主面、１ｂ…第２の主面、２…ダイシングフレーム、３…ダイシングテープ、４…接合剤、５Ａ…第１の支持板、５Ｂ…第２の支持板、６…ダイシングブレード、７…ステージ、１０…発光素子、１１…Ｇａ_２Ｏ_３基板、１２…ＧａＮ系半導体層、１３…ｐ側電極、１４…ｎ側電極、１００…積層体、１１０…Ｇａ_２Ｏ_３ウエハ基板、１１１…溝、ｘ…行方向、ｙ…列方向

Claims (8)

1. 互いに反対側に位置する一対の主面を所定の方位面とする酸化ガリウムからなる基板に複数の半導体素子を形成した半導体ウエハを準備し、
   前記基板の前記一対の主面のうち一方の主面側に剥離可能な接合剤で第１の支持板を接合して積層体を形成し、
   前記基板の前記一対の主面のうち他方の主面側からダイシングブレードで前記基板を切断して前記複数の半導体素子を素子単位に分割する半導体素子の製造方法。
2. 前記半導体ウエハの準備は、前記一対の主面を前記所定の方位面として（−２０１）面又は（１０１）面とする前記酸化ガリウムからなる基板を用いた請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記第１の支持板は、前記半導体ウエハよりも高い剛性を有する請求項１又は２に記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記第１の支持板は、前記基板よりも厚い厚さを有する請求項１又は２に記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記第１の支持板の接合は、前記基板の前記一対の主面のうち一方の主面側に剥離可能な接合剤で前記第１の支持板を接合するとともに、前記基板の前記一対の主面のうち他方の主面側に剥離可能な接合剤で前記第１の支持板よりも薄い厚さを有する第２の支持板を接合して積層体を形成するものであり、
   前記素子単位の分割は、前記積層体の前記第２の支持板側からダイシングブレードで前記第２の支持板及び前記基板を切断して前記複数の半導体素子を素子単位に分割するものである請求項１又は２に記載の半導体素子の製造方法。
6. 前記支持板は、（１００）面を前記半導体ウエハに接合される面とするＳｉＣ基板である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
7. 前記素子単位の分割は、前記ダイシングブレードで前記基板を互いに直交する方向で切断して行う請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
8. 主面を（−２０１）面又は（１０１）面とする酸化ガリウムからなり、側面がダイシングブレードによる半導体ウエハの切断によって形成された基板と、
   前記基板の前記主面上に形成された半導体層とを備えた半導体素子。

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